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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6560623
(24)【登録日】2019年7月26日
(45)【発行日】2019年8月14日
(54)【発明の名称】アンテナ装置
(51)【国際特許分類】
H01Q 13/08 20060101AFI20190805BHJP
H01Q 1/40 20060101ALI20190805BHJP
【ＦＩ】
H01Q13/08
H01Q1/40
【請求項の数】8
【全頁数】19
(21)【出願番号】特願2016-2177(P2016-2177)
(22)【出願日】2016年1月8日
(65)【公開番号】特開2017-123586(P2017-123586A)
(43)【公開日】2017年7月13日
【審査請求日】2018年3月29日
(73)【特許権者】
【識別番号】502129933
【氏名又は名称】株式会社日立産機システム
(74)【代理人】
【識別番号】100091096
【弁理士】
【氏名又は名称】平木 祐輔
(74)【代理人】
【識別番号】100105463
【弁理士】
【氏名又は名称】関谷 三男
(74)【代理人】
【識別番号】100102576
【弁理士】
【氏名又は名称】渡辺 敏章
(72)【発明者】
【氏名】松本 久功
【審査官】
佐藤 当秀
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００３−１２４７１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００４−３１２５３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−２２３０００（ＪＰ，Ａ）
【文献】
CIGDEM SECKIN GUREL, ERDEM YAZGAN，RESONANT CIRCULAR PATCH MICROSTRIP ANTENNA WITH AIR GAP，ANTEM'98 - Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics，１９９８年，pp. 233-236
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｑ １／３２
Ｈ０１Ｑ １／４０
Ｈ０１Ｑ １３／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の面と第２の面を有する上部誘電体基板と、
第３の面と第４の面を有するパッチ電極と、
第５の面と第６の面を有する中間誘電体基板と、
第７の面と第８の面を有するグランド電極と、
第９の面と第１０の面を有する下部誘電体基板と、
前記第１の面に形成された第１のランド部と、
前記第１０の面に形成された第２のランド部と、
前記第１０の面に形成され、前記第２のランド部と電気的に絶縁された第３のランド部と、
前記上部誘電体基板と、前記中間誘電体基板と、前記下部誘電体基板を貫通する導体部材と、
を有し、
前記上部誘電体基板と前記パッチ電極は、前記第２の面と前記第３の面が接するように配置され、
前記パッチ電極と前記中間誘電体基板は、前記第４の面と前記第５の面が接するように配置され、
前記中間誘電体基板と前記グランド電極は、空隙を介して前記第６の面と前記第７の面が対向するように配置され、
前記グランド電極と前記下部誘電体基板は、前記第８の面と前記第９の面が対向するように配置され、
前記第１のランド部と前記パッチ電極とが電気的に接続され、
前記第２のランド部と前記グランド電極とが電気的に接続され、
前記第３のランド部と前記第１のランド部とが、前記導体部材を介して電気的に接続されている、
アンテナ装置。
第３の面と第４の面を有するパッチ電極と、
第５の面と第６の面を有する中間誘電体基板と、
第７の面と第８の面を有するグランド電極と、
第９の面と第１０の面を有する下部誘電体基板と、
前記第１の面に形成された第１のランド部と、
前記第１０の面に形成された第２のランド部と、
前記第１０の面に形成され、前記第２のランド部と電気的に絶縁された第３のランド部と、
前記上部誘電体基板と、前記中間誘電体基板と、前記下部誘電体基板を貫通する導体部材と、
を有し、
前記上部誘電体基板と前記パッチ電極は、前記第２の面と前記第３の面が接するように配置され、
前記パッチ電極と前記中間誘電体基板は、前記第４の面と前記第５の面が接するように配置され、
前記中間誘電体基板と前記グランド電極は、空隙を介して前記第６の面と前記第７の面が対向するように配置され、
前記グランド電極と前記下部誘電体基板は、前記第８の面と前記第９の面が対向するように配置され、
前記第１のランド部と前記パッチ電極とが電気的に接続され、
前記第２のランド部と前記グランド電極とが電気的に接続され、
前記第３のランド部と前記第１のランド部とが、前記導体部材を介して電気的に接続されている、
アンテナ装置。
【請求項2】
第１の面と第２の面を有する上部誘電体基板と、
第３の面と第４の面を有するパッチ電極と、
第５の面と第６の面を有する中間誘電体基板と、
第７の面と第８の面を有するグランド電極と、
第９の面と第１０の面を有する下部誘電体基板と、
前記第１の面に形成された第１のランド部と、
前記第１０の面に形成された第２のランド部と、
互いに電気的に絶縁されたグランド端子と信号端子を有し、前記第１０の面に装着されるコネクタと、
前記上部誘電体基板と、前記中間誘電体基板と、前記下部誘電体基板を貫通する導体部材と
を有し、
前記上部誘電体基板と前記パッチ電極は、前記第２の面と前記第３の面が接するように配置され、
前記パッチ電極と前記中間誘電体基板は、前記第４の面と前記第５の面が接するように配置され、
前記中間誘電体基板と前記グランド電極は、空隙を介して前記第６の面と前記第７の面が対向するように配置され、
前記グランド電極と前記下部誘電体基板は、前記第８の面と前記第９の面が対向するように配置され、
前記第１のランド部と前記パッチ電極とが電気的に接続され、
前記第２のランド部と前記グランド電極とが電気的に接続され、
前記第２のランド部と前記グランド端子とが電気的に接続され、
前記第１のランド部は、一端が前記信号端子を形成する前記導体部材の他端と電気的に接続されている
アンテナ装置。
第３の面と第４の面を有するパッチ電極と、
第５の面と第６の面を有する中間誘電体基板と、
第７の面と第８の面を有するグランド電極と、
第９の面と第１０の面を有する下部誘電体基板と、
前記第１の面に形成された第１のランド部と、
前記第１０の面に形成された第２のランド部と、
互いに電気的に絶縁されたグランド端子と信号端子を有し、前記第１０の面に装着されるコネクタと、
前記上部誘電体基板と、前記中間誘電体基板と、前記下部誘電体基板を貫通する導体部材と
を有し、
前記上部誘電体基板と前記パッチ電極は、前記第２の面と前記第３の面が接するように配置され、
前記パッチ電極と前記中間誘電体基板は、前記第４の面と前記第５の面が接するように配置され、
前記中間誘電体基板と前記グランド電極は、空隙を介して前記第６の面と前記第７の面が対向するように配置され、
前記グランド電極と前記下部誘電体基板は、前記第８の面と前記第９の面が対向するように配置され、
前記第１のランド部と前記パッチ電極とが電気的に接続され、
前記第２のランド部と前記グランド電極とが電気的に接続され、
前記第２のランド部と前記グランド端子とが電気的に接続され、
前記第１のランド部は、一端が前記信号端子を形成する前記導体部材の他端と電気的に接続されている
アンテナ装置。
【請求項3】
第１の面と第２の面を有する上部誘電体基板と、
第３の面と第４の面を有するパッチ電極と、
第５の面と第６の面を有する中間誘電体基板と、
第７の面と第８の面を有するグランド電極と、
第９の面と第１０の面を有する下部誘電体基板と、
前記第１０の面に形成された第１のランド部と、
互いに電気的に絶縁されたグランド端子と信号端子を有し、前記第１０の面に装着されるコネクタと、
前記中間誘電体基板と、前記下部誘電体基板を貫通する導体部材と
を有し、
前記上部誘電体基板と前記パッチ電極は、前記第２の面と前記第３の面が接するように配置され、
前記パッチ電極と前記中間誘電体基板は、前記第４の面と前記第５の面が接するように配置され、
前記中間誘電体基板と前記グランド電極は、空隙を介して前記第６の面と前記第７の面が対向するように配置され、
前記グランド電極と前記下部誘電体基板は、前記第８の面と前記第９の面が対向するように配置され、
前記第１のランド部と前記グランド電極とが電気的に接続され、
前記第１のランド部と前記グランド端子とが電気的に接続され、
前記パッチ電極は、一端が前記信号端子を形成する前記導体部材の他端と電気的に直接接続されている、
アンテナ装置。
第３の面と第４の面を有するパッチ電極と、
第５の面と第６の面を有する中間誘電体基板と、
第７の面と第８の面を有するグランド電極と、
第９の面と第１０の面を有する下部誘電体基板と、
前記第１０の面に形成された第１のランド部と、
互いに電気的に絶縁されたグランド端子と信号端子を有し、前記第１０の面に装着されるコネクタと、
前記中間誘電体基板と、前記下部誘電体基板を貫通する導体部材と
を有し、
前記上部誘電体基板と前記パッチ電極は、前記第２の面と前記第３の面が接するように配置され、
前記パッチ電極と前記中間誘電体基板は、前記第４の面と前記第５の面が接するように配置され、
前記中間誘電体基板と前記グランド電極は、空隙を介して前記第６の面と前記第７の面が対向するように配置され、
前記グランド電極と前記下部誘電体基板は、前記第８の面と前記第９の面が対向するように配置され、
前記第１のランド部と前記グランド電極とが電気的に接続され、
前記第１のランド部と前記グランド端子とが電気的に接続され、
前記パッチ電極は、一端が前記信号端子を形成する前記導体部材の他端と電気的に直接接続されている、
アンテナ装置。
【請求項4】
第１の面と第２の面を有する上部誘電体基板と、
第３の面と第４の面を有するパッチ電極と、
第５の面と第６の面を有する中間誘電体基板と、
第７の面と第８の面を有するグランド電極と、
第９の面と第１０の面を有する下部誘電体基板と、
前記上部誘電体基板と前記パッチ電極と前記中間誘電体基板で構成される基板部材と前記下部誘電体基板とを連結して支持する複数本のポールと
を有し、
前記上部誘電体基板と前記パッチ電極は、前記第２の面と前記第３の面が接するように配置され、
前記パッチ電極と前記中間誘電体基板は、前記第４の面と前記第５の面が接するように配置され、
前記中間誘電体基板と前記グランド電極は、空隙を介して前記第６の面と前記第７の面が対向するように配置され、
前記グランド電極と前記下部誘電体基板は、前記第８の面と前記第９の面が対向するように配置されている、
アンテナ装置。
第３の面と第４の面を有するパッチ電極と、
第５の面と第６の面を有する中間誘電体基板と、
第７の面と第８の面を有するグランド電極と、
第９の面と第１０の面を有する下部誘電体基板と、
前記上部誘電体基板と前記パッチ電極と前記中間誘電体基板で構成される基板部材と前記下部誘電体基板とを連結して支持する複数本のポールと
を有し、
前記上部誘電体基板と前記パッチ電極は、前記第２の面と前記第３の面が接するように配置され、
前記パッチ電極と前記中間誘電体基板は、前記第４の面と前記第５の面が接するように配置され、
前記中間誘電体基板と前記グランド電極は、空隙を介して前記第６の面と前記第７の面が対向するように配置され、
前記グランド電極と前記下部誘電体基板は、前記第８の面と前記第９の面が対向するように配置されている、
アンテナ装置。
【請求項5】
請求項１に記載のアンテナ装置において、
中心周波数での自由空間での波長をλとし、
前記上部誘電体基板の厚みをtuとし、
前記中間誘電体基板の厚みをtiとし、
前記空隙の厚みをdgとするとき、
以下の関係を満たすことを特徴とするアンテナ装置。
中心周波数での自由空間での波長をλとし、
前記上部誘電体基板の厚みをtuとし、
前記中間誘電体基板の厚みをtiとし、
前記空隙の厚みをdgとするとき、
以下の関係を満たすことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項6】
請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記導体部材は複数本である
ことを特徴とするアンテナ装置。
前記導体部材は複数本である
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項7】
請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記第１０の面に実装される電子回路を更に有する
ことを特徴とするアンテナ装置。
前記第１０の面に実装される電子回路を更に有する
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項8】
請求項７に記載のアンテナ装置において、
前記電子回路は低雑音増幅回路を含み、前記電子回路の入力端子には信号線が電気的に接続されている
ことを特徴とするアンテナ装置。
前記電子回路は低雑音増幅回路を含み、前記電子回路の入力端子には信号線が電気的に接続されている
ことを特徴とするアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
アンテナ装置（以下「アンテナ」ともいう。）は、無線通信システムの通信性能を決定する重要な構成要素である。アンテナには様々な種類があるが、片面指向性を実現するアンテナにパッチアンテナがある。例えば特許文献１には、パッチアンテナの構造例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】国際公開第２００４／０９５６３９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１には、グランド用導体部とパッチ導体部が対向する構造のパッチアンテナが記載されている。この構造のパッチアンテナは、グランド用導体部やパッチ導体部等の導体部を支持するプリント基板等の誘電体の誘電率および誘電正接（コンデンサ内での電気エネルギー損失の度合い）がパッチアンテナの放射効率を決定する。例えば誘電率が大きいとパッチ導体部に流れる電流の波長が短縮されて電流密度が高まり、導体損失が増大する。また、誘電正接が大きいと誘電体内を透過する電磁波の誘電損失が増大する。
【0005】
ところが、特許文献１に記載のパッチアンテナは、組み立てコストが大きい問題がある。また、パッチアンテナを無線通信システム（特に移動体通信システム）に使用するには広指向性のパッチアンテナが求められる。
【0006】
そこで、本発明は、組み立て作業が容易で製造コストを低く抑えることができ、同時に指向性が広いパッチアンテナ技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、本発明は、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本明細書は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「第１の面と第２の面を有する上部誘電体基板と、
第３の面と第４の面を有するパッチ電極と、
第５の面と第６の面を有する中間誘電体基板と、
第７の面と第８の面を有するグランド電極と、
第９の面と第１０の面を有する下部誘電体基板と
を有し、
前記上部誘電体基板と前記パッチ電極は、前記第２の面と前記第３の面が接するように配置され、
前記パッチ電極と前記中間誘電体基板は、前記第４の面と前記第５の面が接するように配置され、
前記中間誘電体基板と前記グランド電極は、空隙を介して前記第６の面と前記第７の面が対向するように配置され、
前記グランド電極と前記下部誘電体基板は、前記第８の面と前記第９の面が対向するように配置されている、アンテナ装置。」を特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、組み立て作業が容易で製造コストを抑えることができ、同時に指向性が広いパッチアンテナが実現される。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】実施例１に係るアンテナ装置の概略構造を示す図。
【図2】実施例１に係るアンテナ装置の概略断面構造を示す図。
【図3】実施例１に係るアンテナ装置を構成要素に分解して示す図。
【図4】実施例１に係るアンテナ装置の構成単位を説明する図。
【図5】上部プリント基板の上面パターンの一例を示す図。
【図6】上部プリント基板の下面パターンの一例を示す図。
【図7】中間誘電体基板の上面パターンの一例を示す図。
【図8】中間誘電体基板の下面パターンの一例を示す図。
【図9】下部プリント基板の上面パターンの一例を示す図。
【図10】下部プリント基板の下面パターンの一例を示す図。
【図11】実施例１に係るアンテナ装置の基板支持構造を説明する図。
【図12】実施例１に係るアンテナ装置の給電部の構造を部分的に拡大して示す図。
【図13】下部プリント基板の下面への電子回路の実装を説明する図。
【図14】電子回路の内部構成の一例を示す図。
【図15】実施例２に係るアンテナ装置の概略構造を示す図。
【図16】実施例２に係るアンテナ装置の給電部の接続構造を示す図。
【図17】実施例３に係るアンテナ装置の概略構造を示す図。
【図18】実施例４に係るアンテナ装置の概略構造を示す図。
【図19】実施例に係るアンテナ装置の設計例を示す図。
【図21】設計例Ａに対応するアンテナ装置の放射パターンのシミュレーション結果を示す図。
【図22】設計例Ｂに対応するアンテナ装置の放射パターンのシミュレーション結果を示す図。
【図23】設計例Ｃに対応するアンテナ装置の放射パターンのシミュレーション結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下の説明では、特に必要なとき以外は、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。また、以下の説明において便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施例に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。
【0011】
また、以下の説明において、要素の数など（個数、数値、量、範囲などを含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。
【0012】
また、以下の説明において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【0013】
また、以下の説明において、構成要素等について、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでない。同様に、以下の説明において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲等についても同様である。
【0014】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施例の説明に使用する全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0015】
（１）実施例１図１に、本実施例に係るアンテナ装置１の概略構造を示す。アンテナ装置１は、上部誘電体基板２、パッチ電極３、中間誘電体基板４、空隙５、グランド電極６、下部誘電体基板７を有する。図２に示すように、上部誘電体基板２の下面と中間誘電体基板４の上面は接しており、パッチ電極３は上部誘電体基板２と中間誘電体基板４の間に挟まれている。パッチ電極３の寸法は、通常のパッチアンテナと同様、得たい共振周波数に基づいて設計される。図１及び図２の場合、パッチ電極３は正方形である。ただし、パッチ電極３の形状は、所望の特性が得られるのであれば、長方形、円形、楕円形等でも良い。パッチ電極３は、銅、アルミニウム、金等の板又は薄膜として形成される。グランド電極６は、下部誘電体基板７の上面を覆うように配置されている。グランド電極６は、空隙５を介して中間誘電体基板４の下面と対向する。グランド電極６は、銅、アルミニウム、金等の板又は薄膜として形成される。本実施例では、グランド電極６は、下部誘電体基板７の上面と接しているが対向していればよい。
【0016】
上部誘電体基板２、中間誘電体基板４、下部誘電体基板７の材料は、FR4、アクリル、テフロン（登録商標）等である。各基板の寸法Ｌは、グランド電極６の寸法と同一であり、アンテナ装置１の使用周波数において十分な大きさを取る必要がある。換言すると、各基板の寸法Ｌは、パッチ電極３の寸法よりも十分広い。各基板の寸法Ｌは、例えば使用周波数が1GHz程度の場合、100〜300mm程度が好適である。
【0017】
アンテナ装置１は、上部誘電体基板２の厚さtu、中間誘電体基板４の厚さti、空隙の距離dgを設計パラメータ（図２）として、動作利得や帯域幅を設計することができる。tu、ti、dgは以下の範囲内で設計される。
【0018】
【0019】
ここで、λは、アンテナ装置１の使用周波数に対する電磁波の自由空間における波長であり、例えば1GHzでは約300mmである。上段の式は、アンテナ装置１をマイクロアンテナとして動作するための条件であり、下段の式は、設計上の要請を満たすための条件である。例えば適用する無線通信システムに応じた値が用いられる。
【0020】
以下では、図３を使用し、アンテナ装置１の各構成要素について説明する。ここでは、アンテナ装置１がパッチアンテナであるものとして説明する。なお、アンテナ装置１の下部誘電体基板７の下面７ｂには、アンテナ装置１に接続される信号線に高周波信号を送信する電子部品が実装される。
【0021】
上部誘電体基板２は、第１の面（上面）２ａと第２の面（下面）２ｂを有する。パッチ電極３は、第３の面（上面）３ａと第４の面（下面）３ｂを有する。中間誘電体基板４は、第５の面（上面）４ａと第６の面（下面）４ｂを有する。グランド電極６は、第７の面（上面）６ａと第８の面（下面）６ｂを有する。下部誘電体基板７は、第９の面（上面）７ａと第１０の面（下面）７ｂを有する。
【0022】
以下、図４〜図１０を使用して、アンテナ装置１をより詳細に説明する。図４は、アンテナ装置１を構成単位に分解した図である。図４に示すように、アンテナ装置１は、上部誘電体基板２と、中間誘電体基板４と、下部誘電体基板７の３枚の基板によって構成される。これらの基板は、電子回路基板として一般的に用いられるＰＣＢ（Printed Circuit Board）により作製され、より具体的には両面銅張プリント基板（二層基板）で作製される。本実施例では、上部誘電体基板２とパッチ電極３で構成される構造体を上部プリント基板１１と呼び、グランド電極６と下部誘電体基板７で構成される構造体を下部プリント基板１２と呼ぶ。
【0023】
図５に示すように、上部プリント基板１１の上面２ａには、第１のランド部である第１信号用ランド部９が形成される。なお、上部プリント基板１１にはスルーホール（導体）１１ｃが形成されている。図６に示すように、上部プリント基板１１の下面２ｂには、第１の導体部であるパッチ電極３が形成されている。
【0024】
図７及び図８に示すように、中間誘電体基板４の上面４ａ及び下面４ｂから電極（銅箔）は完全に取り除かれ、信号線が貫通するスルーホール４ｃが開けられている。図９及び図１０に示すように、下部プリント基板１２の上面６ａには、第２の導体部であるグランド電極６が略全面に形成され、下部プリント基板１２の下面７ｂには、第２のランド部であるグランド用ランド部１０が形成されている。なお、下部プリント基板１２にはスルーホール１２ｃとビアホール配線１２ｄが形成されている。ビアホール配線１２ｄはスルーホール１２ｃを取り囲むように形成される。
【0025】
図４の説明に戻る。図４に示すように、中間誘電体基板４とグランド電極６とが空隙５を介して対向して配置されている。すなわち、中間誘電体基板４と下部プリント基板１２の間に空隙５が形成されており、中空構造のアンテナ装置１を実現している。パッチ電極３は上側プリント基板１１の下面２ｂに形成され、グランド電極６は下部プリント基板１２の上面６ａに形成されている。このため、パッチ電極３とグランド電極６とが中間誘電体基板４と空隙５を介して対向している。また、第１信号用ランド部９とパッチ電極３とがスルーホール１１ｃを通じて電気的に接続され、グランド電極６とグランド用ランド部１０とがスルーホール１２ｃ及び１２ｄを通じて電気的に接続されている。
【0026】
図９に示すように、下部プリント基板１２の上面６ａに形成されたグランド電極６は、上面６ａの略全面に亘って形成されている。従って、グランド電極６の平面視の大きさは、図６に示す上部プリント基板１１の下面２ｂのパッチ電極３の平面視の大きさに比べて大きい。
【0027】
アンテナ装置１では、上部誘電体基板２の上面２ａのうちパッチ電極３の上方に当たる位置には給電点８（図１）が設けられており、当該給電点８を通じて高周波信号が入出力される。給電点８は、前述した第１信号用ランド部９の部分に当たる。本実施例の場合、給電点８のインピーダンスは５０Ωである。給電点８は、高周波信号が最も効率良く入って来る位置に選定される。本実施例の場合、給電点８は、パッチ電極３の中心から少しずれた位置に選定されている。
【0028】
上部プリント基板１１、中間誘電体基板４、下部プリント基板１２には、好適にはガラスエポキシ樹脂を材料としたプリント基板が用いられるが、アクリル板、ＡＢＳ（アクリロニトリル、ブタジエン、スチレンを重合させて形成される樹脂）、ガラス板等の誘電体を用いてもよい。
【0029】
続いて、アンテナ装置１の寸法について説明する。アンテナ装置１におけるパッチ電極３の寸法は、無線システムの搬送波周波数によって決定される。一般に、パッチ電極３の一辺の長さは、搬送波周波数の１／２波長の長さに基づいて設定されることが多い。自由空間での波長に基づけば、パッチ電極３の一辺の長さは、例えば９２０ＭＨｚ帯の場合で１４０ｍｍ程度であり、１．６ＧＨｚ帯の場合で７８ｍｍ程度である。ただし、アンテナ装置１は、各電極を支持する上部誘電体層２、中間誘電体基板４、下部誘電体基板７の誘電率の影響による波長短縮を受けるため、実際のパッチ電極３の寸法は、上述の自由空間での波長に基づいた寸法よりも数％〜数十％程度小さくなる。
【0030】
アンテナ装置１の基板寸法Ｌ（図１）は、図９に示す下部プリント基板１２の上面６ａのグランド電極６の寸法に対応するため、理想的にはパッチ電極３の寸法の２倍以上の大きさとすることが望ましいが、アンテナ装置１の小型化を重視する場合はさらに小さくしてもよい。
【0031】
なお、上部プリント基板１１と下部プリント基板１２の大きさを異なるような構成にすることも可能である。この場合、グランド電極６を配置する下部プリント基板１２の寸法を上記の例に従ってパッチ電極３の寸法の２倍を目安に設定し、上部プリント基板１１はパッチ電極３を配置できる寸法であればそれよりも小さくしてもよい。
【0032】
図１１に、各基板の支持構造の一例を示す。図１１の場合、上部誘電体基板２と下部誘電体基板７は、４隅に配置したポール（柱部）１３とネジ１４によって支持され固定されている。なお、ポール１３とネジ１４は樹脂製であることが望ましいが、強度が必要な場合は金属製であってもよい。もっとも、ポール１３とネジ１４の配置位置は、パッチ電極３から放射される電磁波に悪影響を及ぼさない位置であれば良く、例えば各基板のエッジ部分の任意の位置に配置しても良い。図１１に示すように各基板の４隅にポール１３とネジ１４を配置することによりパッチ電極３から放射される電磁波に悪影響を及ぼすことを避けることができ、アンテナ特性の低下を抑制して基板を支持することができる。
【0033】
もっとも、ポール１３とネジ１４は、パッチ電極３と干渉する位置であっても、アンテナ特性に深刻な影響を与えない場所であれば配置することができる。例えば、パッチ電極３の平面方向の中央部は入力インピーダンスが０となり、理論上、導体や誘電体が触れていてもアンテナ特性への影響は小さいと考えられるため、ポールとネジを配置することが可能である。このようにパッチ電極３の中央部にポール（柱部）１３を設けることにより、中空構造による基板の撓みを低減することができ、高いアンテナ性能を維持することができる。特に、産業用途など、過酷な使用条件の場合は機械的な衝撃が多く加わることが想定され、このような強度を高める構造が必要となる場合がある。また、図１１では、４本のポール１３を設けているが、必要となれる強度、コスト等の条件によっては、ポールの数を増やしたり減らしたりしても良い。
【0034】
引き続き、図３〜図１０を使用して、下部プリント基板１２と中間誘電体基板４を介し、下部プリント基板１２側の信号線と上部プリント基板１１とを接続するための導体パターンのレイアウト例を説明する。図１０に示すように、下部プリント基板１２の下面７ｂには、後述する図１２に示す信号線１５を通すためのスルーホール１２ｃと、グランド用ランド部１０の領域に配置された複数のビアホール配線（導体）１２ｄとが形成されている。
【0035】
また、図９に示すように、下部プリント基板１２の上面６ａには、信号線１５を通すためのスルーホール１２ｃと、スルーホール１２ｃの周囲に配置された複数のビアホール配線１２ｄとが形成されている。なお、下部プリント基板１２の上面６ａは、略全面がグランド電極６となっており、この上面６ａのグランド電極６と、下面７ｂのグランド用ランド部１０とが複数のビアホール配線１２ｄを介して電気的に接続されている。また、図６に示すように、上部プリント基板１１の下面２ｂには、信号線１５を通すためのスルーホール１１ｃが形成されている。スルーホール１１ｃはパッチ電極３も貫通する。
【0036】
また、図５に示すように、上部プリント基板１１の上面２ａには、第１信号用ランド部９と、信号線１５を通すためのスルーホール１１ｃとが形成されており、後述する図１２に示すように、スルーホール１１ｃの内壁には、パッチ電極３と第１信号用ランド部９とを電気的に接続するようにスルーホール配線（導体）が形成されている。すなわち、上部プリント基板１１では、その上面２ａに形成された第１信号用ランド部９と、その下面２ｂに形成されたパッチ電極３とがスルーホール配線によって電気的に接続されている。
【0037】
図１２に、組み立てた状態のアンテナ装置１の構造を部分的に拡大して示す。図１２に示すように、上部プリント基板１１側の給電点８と下部プリント基板１２側の導体パターンとは、中間誘電体基板４及び下部プリント基板１２を介し、電気的に接続されている。前述したように、上部プリント基板１１の上面２ａに形成された第１信号用ランド部９と、その下面２ｂに形成されたパッチ電極３とがスルーホール配線によって電気的に接続されている。
【0038】
一方、下部プリント基板１２では、その上面６ａに形成されたグランド電極６と、その下面７ｂに形成されたグランド用ランド部１０とが複数のビアホール配線を介して電気的に接続されている。そして、下部プリント基板１２の下面７ｂには、グランド用ランド部１０の内側には、隙間部１０ｃを隔てて、第２信号用ランド部１６が形成されている。すなわち、グランド用ランド部１０と第２信号用ランド部１６とは、隙間部１０ｃで隔てられている。このため、グランド用ランド部１０と第２信号用ランド部１６とは電気的に接続されてはいない。換言すると、グランド用ランド部１０と第２信号用ランド部１６とは絶縁されている。
【0039】
ここで、信号線１５は、３つの貫通孔（すなわち、上部プリント基板１１に形成されたスルーホール１１ｃ、中間誘電体基板４のスルーホール４ｃ、下部プリント基板１２のスルーホール１２ｃ）を跨るように配置される。なお、信号線１５の一端（上端）と第１信号用ランド部９とは半田１７によって電気的に接続され、信号線１５の他端（下端）と第２信号用ランド部１６とは半田１７によってそれぞれ電気的に接続されている。そして、第１信号用ランド部９とパッチ電極３とはスルーホール配線を通じて電気的に接続されている。このため、下部プリント基板１２の下面７ｂの第２信号用ランド部１６と、上部プリント基板１１の下面２ｂのパッチ電極３とが信号線１５を通じて電気的に接続される。
【0040】
本実施例の場合、下部プリント基板１２の上面６ａには、スルーホール１２ｃを取り囲むように隙間部６ｃが設けられており、当該隙間部６ｃの更に外側にグランド用ランド部１０が配置される。従って、隙間部６ｃを設けない場合に比して、信号線１５とグランド用ランド部１０とを確実に絶縁できる。この結果、信号線１５とグランド用ランド部１０との電気的ショート（短絡）を防止できる。
【0041】
以上の通り、下部プリント基板１２の下面７ｂに形成された第２信号用ランド部１６と、上部プリント基板１１の下面２ｂに形成されたパッチ電極３とが信号線１５及び半田１７を介して電気的に接続される。また、上部プリント基板１１の上面２ａの第１信号用ランド部９と下面２ｂのパッチ電極３とは給電点８で導通しており、グランドとは絶縁されている。一方、下部プリント基板１２の下面７ｂのグランド用ランド部１０は、給電点８（信号線１５）とは絶縁されており、上面６ａのグランド電極６と導通されている（電気的に接続されている）。
【0042】
つまり、上部プリント基板１１の上面２ａで信号線１５と第１信号用ランド部９とが半田接合され、下部プリント基板１２の下面７ｂで信号線１５と第２信号用ランド部１６とがグランド用ランド部１０と絶縁された状態で半田接合されている。したがって、アンテナ装置１の組み立て時に、信号線１５を、上部プリント基板１１の上面２ａ側（外側）と、下部プリント基板１２の下面７ｂ側（外側）とで半田付けすることができ、組み立て作業を容易に行える。図１２では、グランド用ランド部１０は電子回路（回路素子）１８のグラウンド端子１８ｆに接続され、第２信号用ランド部１６はマイクロストリップ線路１９を介して電子回路（回路素子）１８のアンテナ端子（入力端子）１８ａに接続されている。
【0043】
図１３に、下部プリント基板１２の下面７ｂに設けられるマイクロストリップ線路１９と電子回路１８との接続関係を示す。図１２及び図１３に示すように、下部プリント基板１２の下面７ｂには、半田１７を通じて信号線１５に接合される第２信号用ランド部１６と、第２信号用ランド部１６から延在するマイクロストリップ線路１９とが形成されており、マイクロストリップ線路１９は電子回路（回路素子）１８と電気的に接続されている。電子回路１８は、低雑音増幅回路を含んでいる。
【0044】
図１４に、電子回路１８の内部構成を示す。図１４は、低雑音増幅器を用いたアクティブアンテナを構成する場合の電子回路１８の構成例である。電子回路１８は、入力側から順番に、アンテナ２０（図１２のうち電子回路１８を除く部分）と接続されるアンテナ端子１８ａ、低雑音増幅器（ＬＮＡ）１８ｃ、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１８ｄ、バイアスティー（Ｂｉａｓ Ｔｅｅ）１８ｅ、出力端子１８ｂを有する。出力端子１８ｂは外部受信回路である復調ＩＣ２１（復調器）等に接続される。
【0045】
前述したように、下部プリント基板１２の下面７ｂ側で信号線１５は、第２信号用ランド部１６を介してマイクロストリップ線路１９と接続されている。つまり、第２信号用ランド部１６もマイクロストリップ線路１９の一部となるため、第２信号用ランド部１６とマイクロストリップ線路１９は、グランド用ランド部１０と所定の距離を介して設けられている。具体的には、第２信号用ランド部１６とマイクロストリップ線路１９は、グランド用ランド部１０と所定の幅の隙間部１０ｃを介して設けられている。これにより、マイクロストリップ線路１９は高周波信号を伝送することができる。なお、隙間部１０ｃはマイクロストリップ線路１９の特性インピーダンスが所望の値（通常は５０Ω）となるように設計される。
【0046】
ここで、下部プリント基板１２の上面６ａはグランド電極６が形成された面（グランド面）であるため、その下面７ｂは電磁界的にアンテナ部分と分離される。したがって、下面７ｂには回路部品等を実装して電子回路１８を実装することができる。
【0047】
前述したように、本実施例のアンテナ装置１は、上部プリント基板１１のパッチ電極３と、これに対向して配置される下部プリント基板１２のグランド電極６との間に中間誘電体基板４と空隙５を配置することによりパッチアンテナ構造を形成している。これにより、アンテナ装置１は、安価なプリント基板（誘電体基板）を用いてパッチアンテナを実現することができる。
【0048】
その結果、パッチアンテナを製造するための材料コストを安くすることができる。すなわち、本実施例に係るアンテナ装置１は、３枚のプリント基板（上部プリント基板１１、中間誘電体基板４、下部プリント基板１２）によって中空構造のパッチアンテナを構成するため、プリント基板の製造工程の量産効果により、パッチアンテナの低コスト化を図ることができる。
【0049】
また、アンテナ装置１の製造工程では、上部プリント基板１１の上面２ａ側（外側）と下部プリント基板１２の下面７ｂ側（外側）での半田付けにより、信号線１５を上部プリント基板１１及び下部プリント基板１２に固定することができる。すなわち、２枚のプリント基板の外側の面で半田付け作業を行うことができ、半田付け作業を容易に行うことができる。このことは、アンテナ装置１の組み立て作業を容易化し、製造コストの低減化に寄与する。
【0050】
また、本実施例に係るアンテナ装置１においては、上部プリント基板１１のパッチ電極３の平面視での中央部の位置と、下部プリント基板１２のグランド電極６の平面視での中央部の位置とが略対向した関係となる。これにより、パッチ電極３の中央部に電界が集まり易くなり、アンテナ装置１における放射効率の上昇度合いをより高めることができる。
【0051】
また、本実施例に係るアンテナ装置１においては、中間誘電体基板４をパッチ電極３の下面に配置している。このため、アンテナ装置１は、中間誘電体基板４を有しない構造のアンテナ装置（以下、「比較装置」という。）に比べ、誘電率の影響による波長短縮効果が期待される。波長短縮効果によりパッチ電極３の一辺の寸法を比較装置に比べて小さくでき、その分、同じ電波を扱う比較装置に比してアンテナ装置１を小型化できる。また、パッチ電極３の一辺が小さくなるので、パッチ電極３の面積は比較装置のパッチ電極の面積よりも小さく済む。これは、パッチ電極３に流れる電流が放射する電磁界のビームフォーミング効果を弱める方向に作用し、比較装置に比して指向性を広げることが可能になる。
【0052】
指向性が広がることで、アンテナ装置１は例えば無線通信システムでの使用に適している。特に、移動体通信システムでは、送信機と受信機の位置関係（方向）が特定できない場合が多いため、広指向性のアンテナ装置１は、移動体通信システムでの使用に適している。
【0053】
（２）実施例２図１５に、本実施例に係るアンテナ装置１Ａの概略構造を示す。図１５の場合もポール１３とネジ１４は省略している。本実施例に係るアンテナ装置１Ａでは、図１５及び図１６に示すように、下部誘電体基板７の下面７ｂに同軸コネクタ２５が実装されている。このアンテナ装置１Ａは、例えばパッチアンテナ単体として製品出荷される。
【0054】
同軸コネクタ２５は、信号端子２５ａとグランド端子２５ｂとを有している。信号線１５は、実施例１のアンテナ装置１の場合と同じく、上部プリント基板１１に設けられたスルーホール１１ｃと、中間誘電体基板４に設けられたスルーホール４ｃと、下部プリント基板１２に設けられたスルーホール１２ｃを貫通している。信号線１５の一端（上端部）は、上部プリント基板１１の上面２ａに形成された第１信号用ランド部９、スルーホール配線及び半田１７によりパッチ電極３と電気的に接続されている。一方、信号線１５の他端（下端部）は、下部誘電体基板７の下面７ｂに実装された同軸コネクタ２５の信号端子２５ａとして露出している。
【0055】
なお、給電点８は、実施例１と同様、パッチ電極３の中心位置である必要はなく、図１５のＸ方向に対してパッチ電極３の中心から僅かにずれた位置（インピーダンスが５０Ωとなる位置）に配置されている。本実施例の場合も、図１６に示すように、下部プリント基板１２の上面６ａにはスルーホール１２ｃを取り囲むように隙間部６ｃが形成され、隙間部６ｃにより信号線１５とグランド電極６とが絶縁されている。また、下部プリント基板１２の下面７ｂにもスルーホール１２ｃを取り囲むようにグランド用ランド部１０との間に隙間部６ｃを形成してもよい。隙間部６ｃは、スルーホール１２ｃの開口の縁部から例えば０．２ｍｍの幅で形成する。これにより、信号線１５とグランド電極６とグランド用ランド部１０との電気的ショート（短絡）を防止することができる。
【0056】
図１６の場合、下部プリント基板１２の下面７ｂにおいて、同軸コネクタ２５のグランド端子２５ｂは、半田１７を介してグランド用ランド部１０やビアホール配線（導体）と電気的に接続されている。なお、下部プリント基板１２の上面６ａのグランド電極６と下面７ｂのグランド用ランド部１０とは、複数のビアホール配線を介して電気的に接続されている。
【0057】
以上の接続関係により、下部プリント基板１２の下面７ｂに実装された同軸コネクタ２５の信号端子２５ａ（すなわち信号線１５）は、上部プリント基板１１の下面２ｂに形成されたパッチ電極３と、半田１７及びスルーホール配線を介して電気的に接続される。このように、本実施例のアンテナ装置１の場合にも、上部プリント基板１１の上面２ａでは信号線１５と第１信号用ランド部９とが半田１７によって接合され、一方、下部プリント基板１２の下面７ｂでは同軸コネクタ２５のグランド端子２５ｂと、グランド用ランド部１０及びビアホール配線とが半田１７によって接合されている。
【0058】
すなわち、本実施例の場合にも、上部プリント基板１１の上面２ａの第１信号用ランド部９と下面２ｂのパッチ電極３とは、給電点８の部分で導通しており、グランドとは絶縁されている。一方、下部プリント基板１２の下面７ｂのグランド用ランド部１０は、給電点８（信号端子２５ａ）とは絶縁されており、上面６ａのグランド電極６と導通されている（電気的に接続されている）。
【0059】
従って、アンテナ装置１Ａの組み立て時に、同軸コネクタ２５の信号端子２５ａ（すなわち、信号線１５）を、上部プリント基板１１の上面２ａ側（外側）で半田付けすることができ、かつ、同軸コネクタ２５のグランド端子２５ｂを、下部プリント基板１２の下面７ｂ側（外側）で半田付けすることができる。すなわち、２枚の基板それぞれの外側の面において半田付けの作業を行うことができ、上記作業を容易に行うことができる。特に、同軸コネクタ２５をアンテナ装置１Ａの縦積み構造の外側から半田付けすることができ、アンテナ装置１Ａの組み立てを容易に行うことができる。その結果、実施例１の場合と同様に、アンテナ装置１Ａにおいても、その組み立て作業を容易にでき、しかも製造コストを安くすることができる。
【0060】
（３）実施例３図１７に、本実施例に係るアンテナ装置１Ｂの概略構造を示す。図１７に示すアンテナ装置１Ｂは、上部プリント基板１１の上面２ａに２つの給電点８ａ及び８ｂを持つ。これら２つの給電点８ａ及び８ｂは、それぞれ直交する偏波成分を受信できる給電点であり、偏波ダイバーシティー向けアンテナとして利用することが可能である。さらに、給電点８ａと給電点８ｂで受信される信号を、位相を９０度異ならせて合成することで、円偏波を受信可能なアンテナを構成することもできる。本実施例では受信アンテナを想定して説明したが、同様の議論は送信アンテナにおいてもそのまま適用可能である。
【0061】
（４）実施例４図１８に、給電点８Ａが中間誘電体基板４を貫通するものの、上部誘電体基板２を貫通しない構成のアンテナ装置１Ｃの構成例を示す。この実施例の場合、給電点８Ａは、導電性材料（Conductive material）によってパッチ電極３に直接接続される。ここで、導電性材料は、銀ペーストや導電性接着剤などの材料や、銅テープ、アルミテープ、等の導電性の両面テープ等を使う事ができる。もちろん、ハンダであっても良い。
【0062】
（５）設計例以下では、前述したアンテナ装置１、１Ａ、１Ｂ（以下では単に「１」という。）の具体的な設計例について説明する。ここでは、ＧＰＳ向けアンテナ装置に用いる場合（中心周波数1575.42MHz）について説明する。図１９に、設計Ａ（Design A）、設計Ｂ（Design B）、設計Ｃ（Design C）の３つの設計例を示す。図１９には示していないが、設計Ａ、設計Ｂ、設計Ｃのアンテナ装置は、いずれも共振周波数が1575.42MHzとなるように、パッチ電極３の寸法が設計されている。
【0063】
図２０に、実施例に係るアンテナ装置１の設計範囲内における設計Ａ、設計Ｂ、設計Ｃの位置関係を示す。図２１は、設計Ａのアンテナ装置で得られる放射パターンのシミュレーション結果である。設計Ａのアンテナ装置の動作利得を単位dBiで示した。θ方向の偏波成分、φ方向の偏波成分ともに約5dBiの動作利得を持ち、−3dB半値幅はθ方向の偏波成分が約±40°、φ方向の偏波成分が約±45°である。
【0064】
図２２は設計Ｂのアンテナ装置で得られる放射パターンのシミュレーション結果である。設計Bのアンテナ装置の動作利得を単位dBiで示した。θ方向の偏波成分、φ方向の偏波成分ともに約2dBiの動作利得を持ち、−3dB半値幅はθ方向の偏波成分が約±50°、φ方向の偏波成分が約±40°である。
【0065】
図２３は設計Ｃのアンテナ装置で得られる放射パターンのシミュレーション結果である。設計Cのアンテナ装置の動作利得を単位dBiで示した。θ方向の偏波成分、φ方向の偏波成分ともに約3dBiの動作利得を持ち、−3dB半値幅はθ方向の偏波成分が約±55°、φ方向の偏波成分が約±40°である。
【0066】
以上の通り、本発明のアンテナ装置は式１の範囲内で適切にtu、ti、dgを選ぶことで、利得、ビーム幅、等の放射パターン特性、および周波数帯域幅を、無線システムの仕様に合わせて適切に設計することが可能である。
【0067】
（６）他の実施例本発明は、上述した実施例に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば前述の実施例の説明では、アンテナ装置１の上部プリント基板１１及び下部プリント基板１２が、それぞれの４つの角部において、ポール１３及びネジ１４によって支持されている場合について説明した。しかし、剛性の高い導体部材で形成された信号線１５が半田１７によってそれぞれの基板と高い接合力で接合されていれば、アンテナ装置１は必ずしも４つの角部にポール１３及びネジ１４を設けなくてよい。
【0068】
また、前述の実施例では本発明を具体的に説明したが、言うまでもなく、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【0069】
また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。
【符号の説明】
【0070】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…アンテナ装置２…上部誘電体基板
３…パッチ電極
４…中間誘電体基板
４ｃ…スルーホール
５…空隙
６…グランド電極
６ｃ…隙間部
７…下部誘電体基板
８、８Ａ…給電点
９、１６…信号用ランド部
１０…グランド用ランド部
１０ｃ…隙間部
１１…上部プリント基板
１１ｃ、１１ｄ…スルーホール
１２…下部プリント基板
１２ｃ…スルーホール
１２ｄ…ビアホール配線
１３…ポール
１４…ネジ
１５…信号線
１７…半田
１８…電子回路
１９…マイクロストリップ線路
２５…同軸コネクタ