特許 7057517 アンテナ装置

(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】

(24)【登録日】2022-04-12

(45)【発行日】2022-04-20

(54)【発明の名称】アンテナ装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 1/52 20060101AFI20220413BHJP

【ＦＩ】

H01Q1/52

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019525337

(86)(22)【出願日】2018-06-05

(86)【国際出願番号】 JP2018021559

(87)【国際公開番号】W WO2018235593

(87)【国際公開日】2018-12-27

【審査請求日】2021-05-19

(31)【優先権主張番号】P 2017123260

(32)【優先日】2017-06-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】514315159

【氏名又は名称】株式会社ソシオネクスト

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中村 真木

【審査官】岸田 伸太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－０９４４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１４５６２３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－２１１７９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１５２７９７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｑ １／５２

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１および第２面を有する第１誘電体基板と、
前記第１誘電体基板の第１面に設けられた第１および第２アンテナ素子と、
前記第１誘電体基板の第２面に設けられた接地導体と、
前記第１および第２アンテナ素子の間に設けられたアイソレーション構造部とを備え、
前記アイソレーション構造部は、
前記第１誘電体基板の第１面において、前記第１および第２アンテナ素子の間に設けられた第１導体と、
前記第１誘電体基板を貫通して前記第１導体と前記接地導体とを電気的に接続する、複数の第１ビア導体とを備え、
前記第１誘電体基板の比誘電率は、ε_ｒであり、
前記第１アンテナ素子は、波長λ１（ｍｍ）の信号を送信する送信アンテナであり、
前記複数の第１ビア導体は、平面視で、前記第１および第２アンテナ素子が並ぶ方向である第１方向と垂直をなす第２方向において、所定ピッチで配置されており、かつ、それぞれ高さｈ１（ｍｍ）を有し、
前記第１導体は、前記第１方向において、前記第１ビア導体の中心から前記第１アンテナ素子の側に、長さｄ１（ｍｍ）、突き出ており、
（ｄ１×２＋ｈ１）／（λ１／√ε_ｒ）の値が、０．４０以上で０．６０以下の範囲にある
ことを特徴とするアンテナ装置。

【請求項2】

請求項１記載のアンテナ装置において、
第１面および第２面を有し、第２面が前記第１誘電体基板の第１面に接している第２誘電体基板を備え、
前記アイソレーション構造部は、
前記第２誘電体基板の第１面に設けられた第２導体と、
前記第２誘電体基板を貫通して前記第２導体と前記第１導体とを電気的に接続する、複数の第２ビア導体とを備える
ことを特徴とするアンテナ装置。

【請求項3】

請求項２記載のアンテナ装置において、
前記第２導体は、平面視で、前記第１方向において前記第１ビア導体の中心から前記第１アンテナ素子の側に、前記第１導体と同じ長さ、突き出ている
ことを特徴とするアンテナ装置。

【請求項4】

請求項２記載のアンテナ装置において、
前記複数の第２ビア導体は、平面視で、前記第２方向において所定ピッチで配置されており、かつ、前記第１方向において、前記第１ビア導体と異なる位置に配置されている
ことを特徴とするアンテナ装置。

【請求項5】

請求項４記載のアンテナ装置において、
前記第２導体は、平面視で、前記第１方向において前記第１ビア導体の中心から前記第１アンテナ素子の側に突き出ている長さが、前記第１導体よりも短い
ことを特徴とするアンテナ装置。

【請求項6】

請求項１～５のうちいずれか１項記載のアンテナ装置において、
前記複数の第１ビア導体の前記第２方向における配置ピッチは、λ１／√ε_ｒの０．１倍以下である
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】

本開示は、アンテナ素子間のアイソレーションを改善するためのアイソレーション構造部を備えたアンテナ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１では、ＥＢＧ（Electromagnetic Band Gap）構造を備えたアンテナ装置において、全体のサイズを大きくすることなく、アンテナ素子間のアイソレーションを向上させる構成が開示されている。このＥＢＧ構造は、アンテナが形成された誘電体基板の面に形成された第１のパッチ導体と、この第１のパッチ導体の上方に形成された第２パッチ導体と、第１および第２パッチ導体を互いに電気的に接続する複数のビア導体とを備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－１０５５８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

図１０はアンテナ間アイソレーションの説明図である。図１０の構成では、誘電体基板１００の面に送信アンテナＴＸおよび受信アンテナＲＸが配置されている。この構成において、アイソレーションとは、送信アンテナＴＸから受信アンテナＲＸまでの通過損失となる。このアイソレーションを阻害する要因としては、図１０に破線で示すとおり、（１）空中を伝わる直接波、（２）誘電体を伝わる直接波、（３）誘電体を伝わる反射波、（４）送信アンテナＴＸからの放射によってＧＮＤプレーン１０１に電流が励起され、それがＧＮＤプレーン１０１の端で放射する放射波、がある。

【0005】

特許文献１のＥＢＧ構造を配置したエリアはＧＮＤプレーンを流れる電流に対して高インピーダンスとなるため、図１０の（４）ＧＮＤプレーン１０１の端での放射波、に対する対策となっている。ところが、他の要因に対しては、十分な対策にはなっていない。

【0006】

本開示は、アンテナ装置について、アイソレーションを効果的に改善することができるアイソレーション構造部を備えた構成を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の態様では、アンテナ装置は、第１および第２面を有する第１誘電体基板と、前記第１誘電体基板の第１面に設けられた第１および第２アンテナ素子と、前記第１誘電体基板の第２面に設けられた接地導体と、前記第１および第２アンテナ素子の間に設けられたアイソレーション構造部とを備え、前記アイソレーション構造部は、前記第１誘電体基板の第１面において、前記第１および第２アンテナ素子の間に設けられた第１導体と、前記第１誘電体基板を貫通して前記第１導体と前記接地導体とを電気的に接続する、複数の第１ビア導体とを備え、前記第１誘電体基板の比誘電率は、ε_ｒであり、前記第１アンテナ素子は、自由空間において波長λ１（ｍｍ）となる信号を送信する送信アンテナであり、前記複数の第１ビア導体は、平面視で、前記第１および第２アンテナ素子が並ぶ方向である第１方向と垂直をなす第２方向において、所定ピッチで配置されており、かつ、それぞれ高さｈ１（ｍｍ）を有し、前記第１導体は、前記第１方向において、前記第１ビア導体の中心から前記第１アンテナ素子の側に、長さｄ１（ｍｍ）、突き出ており、（ｄ１×２＋ｈ１）／（λ１／√ε_ｒ）の値が、０．４０以上で０．６０以下の範囲にある。

【0008】

この態様によると、アイソレーション構造部によるアイソレーションの改善効果が大きくなる。

【発明の効果】

【0009】

本開示によると、アンテナ装置において、アイソレーション構造部によりアイソレーションを効果的に改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図

【図2】（ａ）は図１のアンテナ装置の平面図、（ｂ）は図１のアンテナ装置の断面図

【図3】アイソレーション構造の構成例を示す断面図

【図4】（ａ）～（ｃ）は図３の構成によるシミュレーション結果を示すグラフ

【図5】アイソレーション構造の他の構成例を示す断面図

【図6】（ａ）～（ｃ）は図５の構成例によるシミュレーション結果を示すグラフ

【図7】アイソレーション構造の他の構成例を示す断面図

【図8】（ａ）～（ｃ）は図７の構成例によるシミュレーション結果を示すグラフ

【図9】（ａ），（ｂ）はビア導体のピッチを変えた場合のシミュレーション結果を示すグラフ

【図10】アンテナ間アイソレーションの説明図

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

【0012】

図１は実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す斜視図である。図２（ａ）は図１のアンテナ装置の平面図、図２（ｂ）は図１のアンテナ装置の断面図である。

【0013】

図１および図２に示すアンテナ装置は、誘電体基板１と、誘電体基板１の上面（第１面に相当する）に設けられた第１および第２アンテナ素子２，３と、誘電体基板１の下面（第２面に相当する）に設けられた接地導体４と、第１および第２アンテナ素子２，３の間に設けられたアイソレーション構造部１０とを備えている。ここでは、第１アンテナ素子２は送信アンテナであり、第２アンテナ素子３は受信アンテナである。アイソレーション構造部１０は、誘電体基板１の上面において、第１および第２アンテナ素子２，３の間に設けられた導体１１と、誘電体基板１を貫通して導体１１と接地導体４とを電気的に接続する、複数のビア導体１２とを備える。

【0014】

図１では、第１および第２アンテナ素子２，３が並ぶ方向をＸ方向とし（第１方向に相当する）、平面視でＸ方向と垂直をなす方向をＹ方向とし（第２方向に相当する）、基板面に垂直な方向をＺ方向としている。図２（ｂ）はＸ方向に沿った、第１および第２アンテナ素子２，３およびビア導体１２を通る断面を示している。導体１１の平面形状は、Ｙ方向に延びる帯状である。複数のビア導体１２は、ここでは円柱形状を有しており、平面視で、Ｙ方向において所定ピッチＰ１で配置されている。また、アンテナ素子２，３の平面形状は、ほぼ正方形状になっている。ただし、アンテナ素子２，３の平面形状はこれに限られるものではない。

【0015】

アイソレーション構造部１０は、アンテナ装置のアイソレーションを改善する機能を有する。すなわち、誘電体基板１を伝播する電波信号に対して、導体１１は電気的な屋根の役割を持ち、複数のビア導体１２は電気的な壁の役割を持つ。このため、図２（ｂ）に破線で示すように、誘電体基板１の内部において、第１アンテナ素子２から出力された電波信号に関して、アイソレーション構造部１０の奥の壁で反射した信号成分と、アイソレーション構造部１０の中へ進入あるいはアイソレーション構造部１０を回折しようとする信号成分とが、位相が半波長分ずれていると、互いに打ち消し合う。これによって、アンテナ装置のアイソレーションが改善するものと推定される。

【0016】

図３は本実施形態におけるアイソレーション構造部の構成例を示す断面図である。図３に示すように、導体１１は、Ｘ方向において、ビア導体１２の中心から第１アンテナ素子２の側に、長さｄ１（ｍｍ）、突き出ているものとする。また、ビア導体１２はそれぞれ高さｈ１（ｍｍ）を有するものとする。そして、第１アンテナ素子２は、波長λ１（ｍｍ）の信号を送信するものとし、誘導体基板１の比誘電率はε_ｒであるものとする。このとき、誘電体基板１を伝播する信号の波長（実効波長）λ_εは、λ１／√ε_ｒである。

【0017】

本願発明者による検討の結果、次のような知見が得られた。すなわち、この場合において、図３の一点鎖線の長さをＬとすると、
Ｌ＝ｄ１×２＋ｈ１
となる。この長さＬを実効波長λεで正規化した値、すなわち、
Ｌ／λ_ε
＝（ｄ１×２＋ｈ１）／（λ１／√ε_ｒ）
の値が、０．４０以上で０．６０以下の範囲にあるとき、アイソレーションの改善効果が大きい。

【0018】

本願発明者は、次のようなシミュレーションモデルを用いた。第１および第２アンテナ素子２，３のアンテナサイズは、送信周波数および誘電体基板１の比誘電率で最適化するものとした。第１および第２アンテナ素子２，３の中心間距離は、送信信号の波長λ１に相当する長さとし、誘電体基板１の厚さは送信信号の波長λ１の０．０５倍とした。そして送信周波数として、２０ＧＨｚ、６０ＧＨｚ、８０ＧＨｚの３パターンについてシミュレーションを行った。なお、誘電体基板１の比誘電率ε_ｒは通常、２．０～５．０の範囲であるため、比誘電率ε_ｒ＝３．０とした。

【0019】

図４はシミュレーション結果を示すグラフであり、（ａ）は送信周波数２０ＧＨｚ、（ｂ）は送信周波数６０ＧＨｚ、（ｃ）は送信周波数８０ＧＨｚの場合である。各グラフにおいて、横軸は上述したＬ／λ_εの値、縦軸はアイソレーション（単位はｄＢ）である。また、横直線Ｃ１～Ｃ３はアイソレーション構造部１０を設けない場合のアイソレーションの値を示している。

【0020】

図４から分かるとおり、送信周波数２０ＧＨｚ、６０ＧＨｚ、８０ＧＨｚのいずれにおいても、Ｌ／λ_εの値が０．５０の近傍において、アイソレーションがピークを有している。すなわち、Ｌの長さが送信信号の実効波長λ_εのほぼ１／２程度の場合に、アイソレーションが最も改善されている。この結果は、上述した推定内容と整合している。そして、Ｌ／λ_εの値が０．４０～０．６０の範囲にあるとき、アイソレーションが大きく改善されている。さらに、Ｌ／λ_εの値が０．４５～０．５５の範囲にあるとき、アイソレーションがより改善されている。なお、誘電体基板１の比誘電率ε_ｒを２．０または５．０とした場合についてもシミュレーションを行ったが、図４と同様の特性が得られている。

【0021】

図４のシミュレーション結果から、図３のアイソレーション構造部１０は、Ｌ／λ_εの値が０．４０以上で０．６０以下の範囲にあるとき、アイソレーションの改善効果が大きくなる。このアイソレーションの改善効果は、少なくとも送信周波数が１０～１００ＧＨｚの範囲において、得られるものと考えられる。

【0022】

（他の構成例１）
図５はアイソレーション構造部の他の構成例である。図５の構成では、第１誘電体基板としての誘電体基板１の上に、第２誘電体基板としての誘電体基板６が設けられている。誘電体基板６の下面（第２面に相当する）は誘電体基板１の上面に接している。そして、アイソレーション構造部２０は、第１導体としての導体１１および第１ビア導体としてのビア導体１２に加えて、誘電体基板６の上面（第１面に相当する）に設けられた第２導体としての導体２１と、誘電体基板６を貫通して導体２１と導体１１とを電気的に接続する、複数の第２ビア導体としてのビア導体２２とを備える。なお、図示は省略するが、導体２１の平面形状は、導体１１と同様に、Ｙ方向に延びる帯状になっている。また、複数のビア導体２２は、複数のビア導体１２と同様に、円柱形状を有しており、Ｙ方向において所定ピッチＰ１で配置されている。また、複数のビア導体２２は、Ｘ方向における配置位置がビア導体１２と同じ位置になっている。

【0023】

本願発明者は、図５の構成についてもシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、導体２１は、Ｘ方向において、ビア導体１２の中心から第１アンテナ素子２の側に、導体１１と同じ長さすなわち長さｄ１（ｍｍ）、突き出ているものとした。その他の条件は上述したシミュレーションと同じである。

【0024】

図６はシミュレーション結果を示すグラフであり、（ａ）は送信周波数２０ＧＨｚ、（ｂ）は送信周波数６０ＧＨｚ、（ｃ）は送信周波数８０ＧＨｚである。各グラフにおいて、横軸は上述したＬ／λ_εの値、縦軸はアイソレーション（単位はｄＢ）である。また、横直線Ｃ１～Ｃ３はアイソレーション構造部２０を設けない場合のアイソレーションの値を示している。

【0025】

図６から分かるとおり、図４のグラフと同様のシミュレーション結果が得られている。すなわち、送信周波数２０ＧＨｚ、６０ＧＨｚ、８０ＧＨｚのいずれにおいても、Ｌ／λ_εの値が０．５０の近傍において、アイソレーションがピークを有している。そして、Ｌ／λ_εの値が０．４０～０．６０の範囲にあるとき、アイソレーションが大きく改善されている。さらに、Ｌ／λ_εの値が０．４５～０．５５の範囲にあるとき、アイソレーションがより改善されている。なお、誘電体基板１の比誘電率ε_ｒを２．０または５．０とした場合についてもシミュレーションを行ったが、図６と同様の特性が得られている。

【0026】

図６のシミュレーション結果から、図５のアイソレーション構造部２０は、Ｌ／λ_εの値が０．４０以上で０．６０以下の範囲にあるとき、アイソレーションの改善効果が大きくなる。このアイソレーションの改善効果は、少なくとも送信周波数が１０～１００ＧＨｚの範囲において、得られるものと考えられる。

【0027】

（他の構成例２）
図７はアイソレーション構造部の他の構成例である。図７のアイソレーション構造部２０Ａの構成は、図５のアイソレーション構造部２０とほぼ同様である。ただし、アイソレーション構造部２０Ａでは、ビア導体２２は、Ｘ方向における配置位置が、ビア導体１２と異なる位置になっている。これは、アンテナ装置の製造上、ビア導体１２とビア導体２２の配置位置は、平面視で所定間隔以上ずれている方が好ましい場合があるためである。

【0028】

また、図７の構成では、導体２１は、Ｘ方向において、ビア導体１２の中心から第１アンテナ素子２の側に突き出ている長さが、導体１１よりも短い。

【0029】

本願発明者は、図７の構成について、導体２１と導体１１のＸ方向における端部位置の差をｇ１（ｍｍ）とし、このｇ１とアイソレーション改善効果との関係について、シミュレーションを行った。なおここでは、Ｌ／λ_εの値は、図４のシミュレーションでアイソレーションが最も改善されたときの値に設定した。その他の条件は上述したシミュレーションと同じである。

【0030】

図８はシミュレーション結果を示すグラフであり、（ａ）は送信周波数２０ＧＨｚ、（ｂ）は送信周波数６０ＧＨｚ、（ｃ）は送信周波数８０ＧＨｚである。各グラフにおいて、横軸はｇ１／λ_εの値、縦軸はアイソレーション（単位はｄＢ）である。縦直線Ｇ１～Ｇ３はｇ１＝０、すなわち、導体２１と導体１１のＸ方向における端部位置が同じ場合である。縦直線Ｇ１～Ｇ３よりも右側は、導体２１が、導体１１よりも第１アンテナ素子２側に突き出ている範囲である。また、横直線Ｃ１～Ｃ３はアイソレーション構造部を設けない場合のアイソレーションの値を示している。

【0031】

図８から分かるとおり、いずれの送信周波数においても、導体２１が導体１１よりも第１アンテナ素子２側に突き出ると、アイソレーション改善の効果が弱まっていることが分かる。言い換えると、導体２１の第１アンテナ素子２側への突き出し長さが導体１１よりも短いとき、Ｌ／λ_εを最適化したことによるアイソレーション改善の効果が保たれているといえる。

【0032】

（ビア導体のピッチ）
また、本願発明者は、ビア導体のピッチとアイソレーション改善効果との関係についてシミュレーションを行った。送信周波数は６０ＧＨｚ、誘電体基板の比誘電率ε_ｒ＝３．０とし、Ｌ／λ_εの値は、上述したシミュレーションでアイソレーションが最も改善されたときの値に設定した。その他の条件は上述したシミュレーションと同じである。

【0033】

図９はシミュレーション結果を示すグラフであり、（ａ）は図３の構成によるもの、（ｂ）は図５の構成によるものである。各グラフにおいて、横軸はｐ１／λ_εの値、縦軸はアイソレーション（単位はｄＢ）である。横直線Ｃ２はアイソレーション構造部１０，２０を設けない場合のアイソレーションの値を示している。

【0034】

図９から分かるように、ｐ１／λ_εの値が０．１以下のとき、アイソレーション構造部１０，２０によるアイソレーション改善の効果が十分に得られている。すなわち、ビア導体１２，２２のＹ方向におけるピッチｐ１は、誘電体基板１，６を伝播する電波の波長λ_ε（＝λ１／√ε_ｒ）の０．１倍以下であればよいといえる。

【産業上の利用可能性】

【0035】

本開示では、アイソレーション構造部によるアイソレーションの改善効果が大きくなるので、例えば、アンテナ装置の性能向上に有用である。

【符号の説明】

【0036】

１ 誘電体基板（第１誘電体基板）
２ 第１アンテナ素子
３ 第２アンテナ素子
４ 接地導体
６ 誘電体基板（第２誘電体基板）
１０ アイソレーション構造部
１１ 導体（第１導体）
１２ ビア導体（第１ビア導体）
２０，２０Ａ アイソレーション構造部
２１ 導体（第２導体）
２２ ビア導体（第２ビア導体）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】