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JP4890483B2 - Antenna device - Google Patents
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Description

本発明は、チップアンテナ等でより高利得アンテナを実現するために用いられ、特に能動デバイスとアンテナ装置とを一体化したシステムオンパッケージ及びシステムインパッケージを実現する際に、有効に高利得化を実現するアンテナ装置に係るものである。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is used to realize a higher gain antenna such as a chip antenna. Particularly, when realizing a system-on-package and a system-in-package in which an active device and an antenna device are integrated, a high gain can be effectively increased. The present invention relates to an antenna device to be realized.

従来から、単素子アンテナの高利得化が図られている。その方法として検討された構成の一例として、金属壁付きアンテナ装置200について図7に示す(特許文献1参照)。ここで、図7に示す11はマイクロストリップパッチ、13は誘電体基板、14は地板、17は給電点、18は給電線路用基板、19は給電線路であり、20はシリンダを示している。このアンテナ装置200は、基本的な構成として金属壁を具備することにより、マイクロストリップアンテナを高利得化したものである。
特許第3026171号明細書
Conventionally, high gain of a single element antenna has been achieved. As an example of the configuration studied as the method, FIG. 7 shows an antenna device 200 with a metal wall (see Patent Document 1). 7, 11 is a microstrip patch, 13 is a dielectric substrate, 14 is a ground plane, 17 is a feed point, 18 is a feed line substrate, 19 is a feed line, and 20 is a cylinder. This antenna device 200 is a microstrip antenna having a high gain by providing a metal wall as a basic configuration.
Patent No. 3026171 specification

しかしながら、上述した従来の装置では、まだ以下の課題が残されていた。
始めに、近年、アンテナ装置を備えたパッケージ等を作製する際に、システムオンパッケージ化やシステムインパッケージ化が求められている。即ち、パッケージ等に用いられる基板とアンテナ装置とを一体化させることが求められている。
しかし、上述したアンテナ装置200を利用する場合は、基板とアンテナ装置200との一体化ができなかった。つまり、アンテナ装置200を基板上に実装させる必要があった。
However, the conventional apparatus described above still has the following problems.
First, in recent years, when a package or the like provided with an antenna device is manufactured, system-on-package or system-in-package is required. That is, it is required to integrate the substrate used for the package and the antenna device.
However, when the antenna device 200 described above is used, the substrate and the antenna device 200 cannot be integrated. That is, it is necessary to mount the antenna device 200 on the substrate.

そのため、基板上に所定の面積が必要であった。従って、該基板を用いるパッケージ等のサイズによっては、アンテナ装置200の実装が困難になる場合が生じた。つまり、このアンテナ装置200を用いた場合、アンテナ装置200を実装したパッケージ等の小型化に限界があった。
また、アンテナ装置200を実装させる際に、基板上に線路の引き回しを行う必要があるため、線路損失が増大し、効果的に利得増加できなかった。
Therefore, a predetermined area is required on the substrate. Therefore, depending on the size of the package using the substrate, it may be difficult to mount the antenna device 200. That is, when this antenna device 200 is used, there is a limit to miniaturization of a package or the like in which the antenna device 200 is mounted.
Further, when the antenna device 200 is mounted, it is necessary to route the line on the substrate, so that the line loss increases and the gain cannot be increased effectively.

また、上述したアンテナ装置200を利用した場合、特許文献1には、利得として10dBi程度までしか示されておらず、単体でそれ以上の高利得化は困難であった。そのため、10dBi以上の利得を得るためには、アンテナ装置200を複数配置してアレーアンテナを構成する必要があった。しかし、アレーアンテナを構成した場合、基板上により一層の面積が必要となると共に、線路の引き回しが多く必要になるため線路損失も更に増大するものであった。従って、アレーアンテナにより高利得化を図ることも困難であった。   Further, when the antenna device 200 described above is used, Patent Document 1 shows only a gain up to about 10 dBi, and it has been difficult to increase the gain further by itself. Therefore, in order to obtain a gain of 10 dBi or more, it is necessary to configure an array antenna by arranging a plurality of antenna devices 200. However, when an array antenna is configured, more area is required on the substrate, and more line routing is required, which further increases line loss. Therefore, it has been difficult to increase the gain with the array antenna.

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、半導体デバイス実装用の基板材料と一体化され、基板材料を用いて形成されたパッケージ等が小型化されても実装可能であると共に、給電線路の引き回しを必要としない簡易な構成で高利得化が図られたアンテナ装置を実現することである。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and the object thereof is to be integrated with a substrate material for mounting a semiconductor device and mounted even if a package or the like formed using the substrate material is miniaturized. It is possible to realize an antenna device capable of increasing the gain with a simple configuration that is possible and does not require the feeding line.

本発明に係るアンテナ装置は、複数の誘電体層が重ねられることで形成された、多層構造の誘電体基板と、所定の前記誘電体層の上面に、他の誘電体層と挟まれるように配置された給電用平面アンテナと、前記給電用平面アンテナが配置された前記誘電体層および該誘電体層より上方の前記誘電体層のうち少なくとも2層の上面に、平面視したときにそれぞれが重なりながら前記給電用平面アンテナを囲むように配置され、かつ下方の前記誘電体層に配置されているものから、上方の前記誘電体層に配置されているものに向かうにつれて、漸次拡大するように形成されている複数の円形状の金属環と、前記給電用平面アンテナが配置された前記誘電体層より上方の前記誘電体層の上面に、平面視したときに、前記給電用平面アンテナを中心として放射状にかつ前記給電用平面アンテナと重ならないように配置された複数の無給電素子と、を備えていることを特徴とするものである。
なお、平面視とは、アンテナ装置を上面から観察し、金属環を底面に投影した様子を意味する。
The antenna device according to the present invention includes a dielectric substrate having a multilayer structure formed by stacking a plurality of dielectric layers, and an upper surface of the predetermined dielectric layer sandwiched between other dielectric layers. and placed feeding the planar antenna, the upper surface of the at least two layers of above the dielectric layer from the dielectric layer and the dielectric material layer in which the power supply plane antenna are arranged, respectively in a plan view It is arranged so as to surround the planar antenna for feeding while being overlapped , and gradually expands from the one arranged in the lower dielectric layer toward the one arranged in the upper dielectric layer. A plurality of circular metal rings formed, and the upper surface of the dielectric layer above the dielectric layer on which the planar antenna for power feeding is disposed, the planar antenna for feeding is centered when viewed in plan When And it is characterized in that it comprises a plurality of parasitic elements which are arranged so as not to overlap with the radially and the power-feeding planar antenna, and Te.
Note that the plan view means a state in which the antenna device is observed from the top surface and a metal ring is projected on the bottom surface.

また、本発明に係るアンテナ装置は、前記誘電体基板が、セラミック基板からなる前記誘電体層により形成されていること、を特徴とするものである。   The antenna device according to the present invention is characterized in that the dielectric substrate is formed by the dielectric layer made of a ceramic substrate.

また、本発明に係るアンテナ装置は、前記誘電体基板が、比誘電率5以上の高誘電率基板からなる前記誘電体層により形成されていること、を特徴とするものである。   The antenna device according to the present invention is characterized in that the dielectric substrate is formed of the dielectric layer made of a high dielectric constant substrate having a relative dielectric constant of 5 or more.

また、本発明に係るアンテナ装置は、前記金属環が、最も下方の前記誘電体層に配置されているものの内周の半径が、前記給電用平面アンテナが発信或いは受信する電磁波の誘電体内波長の1.39波長以上2.77波長以下であること、を特徴とするものである。
なお、誘電体内波長とは、誘電体内を伝搬する電磁波の波長のことである。
The antenna device according to the present invention, the metal ring is most below the dielectric layer on the inner peripheral radius of what is being arranged, the dielectric wavelength of an electromagnetic wave the power supply plane antenna transmits or receives 1.39 wavelength or more and 2.77 wavelength or less.
The in-dielectric wavelength is the wavelength of electromagnetic waves propagating in the dielectric.

また、本発明に係るアンテナ装置は、前記誘電体基板は、前記給電用平面アンテナが発信或いは受信する電磁波の誘電体内波長の0.22波長以上0.32波長以下の基板厚であること、を特徴とするものである。 Further, in the antenna device according to the present invention, the dielectric substrate has a substrate thickness not less than 0.22 wavelengths and not more than 0.32 wavelengths of the dielectric wavelength of the electromagnetic wave transmitted or received by the planar antenna for feeding. It is a feature.

本発明に係るアンテナ装置によれば、半導体デバイス実装用の基板材料と一体化され、基板材料を用いて形成されたパッケージ等が小型化されても実装可能であると共に、給電線路の引き回しを必要としない簡易な構成で高利得化が図られたアンテナ装置を実現することができる。   According to the antenna device of the present invention, it can be mounted even if a package formed using the substrate material is integrated with the substrate material for mounting the semiconductor device, and the feeder line needs to be routed. It is possible to realize an antenna device that achieves high gain with a simple configuration that does not.

〔第1実施形態〕
以下、本発明に係るアンテナ装置の第1実施形態を、図1を参照して説明する。
図1(a)は、本実施形態のアンテナ装置100の上面図を示しており、図1(b)は、アンテナ装置100の断面図を示している。
アンテナ装置100は、図1(a)及び図1(b)に示すように、複数の誘電体層3aが重ねられることで形成された、多層構造の誘電体基板3と、所定の誘電体層3aの上面に、他の誘電体層3aと挟まれるように配置された給電用マイクロストリップアンテナ(平面アンテナ)1と、給電用マイクロストリップアンテナ1が配置された誘電体層3a若しくは該誘電体層3aより上方の誘電体層3aのうち少なくとも2層の上面に、平面視したときにそれぞれが重なりながら給電用マイクロストリップアンテナ1を囲むように配置された複数の金属円環(金属環)2と、備えている。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of an antenna device according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1A shows a top view of the antenna device 100 of the present embodiment, and FIG. 1B shows a cross-sectional view of the antenna device 100.
As shown in FIGS. 1A and 1B, the antenna device 100 includes a multi-layered dielectric substrate 3 formed by overlapping a plurality of dielectric layers 3a, and a predetermined dielectric layer. A feed microstrip antenna (planar antenna) 1 disposed on the upper surface of 3a so as to be sandwiched between other dielectric layers 3a, and a dielectric layer 3a in which the feed microstrip antenna 1 is disposed or the dielectric layer A plurality of metal rings (metal rings) 2 disposed on the upper surface of at least two of the dielectric layers 3a above 3a so as to surround the feeding microstrip antenna 1 while overlapping each other when seen in a plan view; Have.

より具体的には、誘電体基板3は、例えばMMIC実装やSOP構成に適した低温焼成セラミック基板もしくは高温焼成セラミック基板(セラミック基板)からなる誘電体層3aで形成される。誘電体層3aは、これらセラミック基板に限られないが、高誘電率基板(比誘電率5以上300以下)であることが好ましい。
また、本実施形態のアンテナ装置100では、図1(b)に示すように、均一な層厚の誘電体層3aが5層重なることで誘電体基板3を形成している。なお、誘電体層3aの層数は、5層に限られず、5層未満でも5層より多くても構わない。また、誘電体層3aの層厚に、各層間でバラツキがあっても構わない。
また、最も下の誘電体層3a(これ以降、最下層3aと呼ぶ)の下面には、地板4が配置され、最下層3aの上面には、給電用マイクロストリップアンテナ1が配置され、且つ最下層3a及び最下層3aより上方の各誘電体層3aの上面には、金属円環2が配置されている。
More specifically, the dielectric substrate 3 is formed of a dielectric layer 3a made of, for example, a low-temperature fired ceramic substrate or a high-temperature fired ceramic substrate (ceramic substrate) suitable for MMIC mounting or SOP configuration. The dielectric layer 3a is not limited to these ceramic substrates, but is preferably a high dielectric constant substrate (relative dielectric constant of 5 or more and 300 or less).
Further, in the antenna device 100 of this embodiment, as shown in FIG. 1B, the dielectric substrate 3 is formed by overlapping five dielectric layers 3a having a uniform layer thickness. The number of dielectric layers 3a is not limited to five, and may be less than five or more than five. Further, the thickness of the dielectric layer 3a may vary among the layers.
A ground plane 4 is disposed on the lower surface of the lowermost dielectric layer 3a (hereinafter referred to as the lowermost layer 3a), and the feeding microstrip antenna 1 is disposed on the upper surface of the lowermost layer 3a. A metal ring 2 is arranged on the upper surface of each dielectric layer 3a above the lower layer 3a and the lowermost layer 3a.

給電用マイクロストリップアンテナ1は、図1(a)に示すように、正方形状であって、図1(b)に示すように、例えばvia給電により給電素子1aと接続されている。なお、給電用マイクロストリップアンテナ1への給電方法は、via給電に限らず、pin給電、同軸給電、マイクロストリップ線路によるマイクロストリップ給電、裏面からマイクロストリップ線路のオープンスタブを用いて電磁結合により給電する電磁結合給電等でも構わない。   The feeding microstrip antenna 1 has a square shape as shown in FIG. 1A, and is connected to the feeding element 1a by, for example, via feeding as shown in FIG. 1B. The feeding method to the feeding microstrip antenna 1 is not limited to via feeding, but feeding by pin coupling, coaxial feeding, microstrip feeding by a microstrip line, and electromagnetic coupling using an open stub of a microstrip line from the back side. Electromagnetic coupling power supply or the like may be used.

金属円環2は、図1(a)及び図1(b)に示すように、下方の誘電体層3aに配置されているものから、上方の誘電体層3aに配置されているものに向かうにつれて、漸次拡大するように形成されている。より具体的には、金属円環2は、まず、平面視したときに給電用マイクロストリップアンテナ1と同心になるように各誘電体層3aの上面に配置されている。更に、金属円環2は、図1(b)に示すように、最下層3aに配置されているものの内周の半径より、直上の誘電体層3aに配置されているものの内周の半径が、拡大長Lだけ長くなるように形成されている。そして、上方の誘電体層3aに配置されている金属円環2ほど、内周の半径が拡大長Lずつ漸次長くなるように形成されている。即ち、金属円環2は、給電用マイクロストリップアンテナ1の中心を含むような断面で、アンテナ装置100を断面視したとき、最下層3aに対する垂線と、複数の金属円環2の内周面の接線とが所定の拡大角度θをなすように形成されている。   As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the metal ring 2 goes from what is arranged in the lower dielectric layer 3a to what is arranged in the upper dielectric layer 3a. It is formed so as to expand gradually. More specifically, the metal ring 2 is first disposed on the upper surface of each dielectric layer 3a so as to be concentric with the feeding microstrip antenna 1 when viewed in plan. Further, as shown in FIG. 1 (b), the metal ring 2 has an inner peripheral radius of the one disposed on the dielectric layer 3a immediately above the inner peripheral radius of the one disposed on the lowermost layer 3a. , It is formed so as to be longer by an enlarged length L. Further, the metal ring 2 disposed in the upper dielectric layer 3a is formed such that the radius of the inner periphery gradually becomes longer by an enlarged length L. That is, the metal ring 2 has a cross section including the center of the power feeding microstrip antenna 1. When the antenna device 100 is viewed in cross section, the perpendicular to the lowermost layer 3 a and the inner peripheral surface of the plurality of metal ring 2 The tangent is formed so as to form a predetermined enlargement angle θ.

このように形成されたアンテナ装置100によれば、給電素子1aより給電されている給電用マイクロストリップアンテナ1が、電磁波を発信及び受信することができる。つまり、誘電体基板3の内部に給電用マイクロストリップアンテナ1が配置されており、誘電体基板3とアンテナ装置100とを一体化することができる。   According to the antenna device 100 formed in this way, the feeding microstrip antenna 1 fed by the feeding element 1a can transmit and receive electromagnetic waves. That is, the feeding microstrip antenna 1 is disposed inside the dielectric substrate 3, and the dielectric substrate 3 and the antenna device 100 can be integrated.

特に、給電用マイクロストリップアンテナ1が配置された誘電体層3a若しくは該誘電体層3aより上方の誘電体層3aのうち少なくとも2層の上面に、平面視したときにそれぞれが重なりながら給電用マイクロストリップアンテナ1を囲むように配置されている。しかも、誘電体層3aの間隔は極めて短いため、アンテナ装置100を作動させる際に、複数の金属円環2が、給電用マイクロストリップアンテナ1を囲うように立設された金属壁のように作用する。このため、アンテナ装置100の高利得化を図ることができる。   In particular, the power supply microstrip is overlapped when viewed in plan on the upper surface of at least two layers of the dielectric layer 3a on which the power supply microstrip antenna 1 is disposed or the dielectric layer 3a above the dielectric layer 3a. It arrange | positions so that the strip antenna 1 may be enclosed. In addition, since the distance between the dielectric layers 3a is extremely short, when the antenna device 100 is operated, the plurality of metal rings 2 act like metal walls erected so as to surround the power feeding microstrip antenna 1. To do. For this reason, the gain of the antenna device 100 can be increased.

更に、金属円環2は、下方の誘電体層3aに配置されているものから、上方の誘電体層3aに配置されているものに向かうにつれて、漸次拡大するように形成されている。従って、複数の金属円環2が、下方の開口が小さい錐状の金属壁のように作用する。つまり、複数の金属円環2が、ホーン状の金属壁の作用を果たし、給電用マイクロストリップアンテナ1と共にホーンアンテナを形成しているような状態になる。このため、アンテナ装置100のより一層の高利得化を図ることができる。   Further, the metal ring 2 is formed so as to gradually expand from the one disposed on the lower dielectric layer 3a toward the one disposed on the upper dielectric layer 3a. Accordingly, the plurality of metal rings 2 act like a conical metal wall having a small opening below. In other words, the plurality of metal rings 2 serve as a horn-shaped metal wall and form a horn antenna together with the feeding microstrip antenna 1. For this reason, it is possible to further increase the gain of the antenna device 100.

また、上述したように基板とアンテナ装置100とを一体化しているので、基板上にアンテナ装置100を実装させることがない。これにより、小型化されたパッケージ等を形成する場合であってもアンテナ装置100を確実に実装させることができると共に、給電線路等の引き回しを必要としないため線路損失を最小限に抑えることができる。
また、単に誘電体層3aの間に給電用マイクロストリップアンテナ1及び金属円環2を挟みこむように配置するだけの簡易な構成でアンテナ装置100を実現することができる。
また、上述した作用効果を奏するゆえ、本アンテナ装置100を実装する誘電体基板3は、システムオンパッケージ及びシステムインパッケージに適したものとなる。
Moreover, since the board | substrate and the antenna apparatus 100 are integrated as mentioned above, the antenna apparatus 100 is not mounted on a board | substrate. As a result, the antenna device 100 can be reliably mounted even when a miniaturized package or the like is formed, and the line loss can be minimized because the feeding line or the like is not required. .
Further, the antenna device 100 can be realized with a simple configuration in which the feeding microstrip antenna 1 and the metal ring 2 are simply sandwiched between the dielectric layers 3a.
In addition, since the above-described effects are exhibited, the dielectric substrate 3 on which the antenna device 100 is mounted is suitable for system-on-package and system-in-package.

また、誘電体基板3は、低温焼成セラミック基板もしくは高温焼成セラミック基板からなる誘電体層3aにより形成されている。従って、誘電体基板3を通常のセラミック製造プロセスで作成することが可能である。これにより、アンテナ装置100の低コスト化を図ることができる。また、セラミック基板は、パッケージ用基板として放熱や製作精度の点で実績があるため、アンテナ装置100の信頼性の向上を図ることができる。   The dielectric substrate 3 is formed of a dielectric layer 3a made of a low-temperature fired ceramic substrate or a high-temperature fired ceramic substrate. Therefore, the dielectric substrate 3 can be formed by a normal ceramic manufacturing process. Thereby, cost reduction of the antenna device 100 can be achieved. In addition, since the ceramic substrate has a track record in terms of heat dissipation and manufacturing accuracy as a package substrate, the reliability of the antenna device 100 can be improved.

〔第2実施形態〕
次に、本発明に係るアンテナ装置の第2実施形態を、図2を参照して説明する。
図2(a)は、本実施形態のアンテナ装置150の上面図を示しており、図2(b)は、アンテナ装置150の断面図を示している。なお、この第2実施形態においては、第1実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第2実施形態と第1実施形態とは、無給電素子5の有無に関して異なる。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the antenna device according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 2A shows a top view of the antenna device 150 of this embodiment, and FIG. 2B shows a cross-sectional view of the antenna device 150. In the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
The second embodiment and the first embodiment differ with respect to the presence or absence of the parasitic element 5.

詳細に説明すると、本実施形態では、図2(a)及び図2(b)に示すように、給電用マイクロストリップアンテナ1の上方に複数の無給電素子5を備えている。より具体的には、アンテナ装置150は、図2(b)に示すように、給電用マイクロストリップアンテナ1が配置されている直上に誘電体層3aを追加して、該誘電体層3aの上面に正方形状の無給電素子5を4素子、放射状に配置した構成をしている。つまり、無給電素子5は、図2(a)に示すように、給電用マイクロストリップアンテナ1の中心から誘電体基板3の所定の辺に平行なX方向及び該X方向に略直交するY方向に沿って、それぞれ所定の距離だけずらして給電用マイクロストリップアンテナ1に対して対称に配置されている。なお、正方形状の給電用マイクロストリップアンテナ1の中心とは、該アンテナの対角線の交点を意味する。   More specifically, in this embodiment, as shown in FIGS. 2A and 2B, a plurality of parasitic elements 5 are provided above the feeding microstrip antenna 1. More specifically, as shown in FIG. 2 (b), the antenna device 150 includes a dielectric layer 3a immediately above the feeding microstrip antenna 1, and an upper surface of the dielectric layer 3a. In addition, four parasitic elements 5 having a square shape are arranged radially. That is, as shown in FIG. 2A, the parasitic element 5 includes an X direction parallel to a predetermined side of the dielectric substrate 3 from the center of the feeding microstrip antenna 1 and a Y direction substantially orthogonal to the X direction. Are arranged symmetrically with respect to the feeding microstrip antenna 1 by being shifted by a predetermined distance. The center of the square-shaped power feeding microstrip antenna 1 means the intersection of diagonal lines of the antenna.

この発明に係るアンテナ装置150によれば、給電用マイクロストリップアンテナ1の上方に無給電素子5を備えているので、特に金属円環2を小型化した場合に、より高利得化を図ることができる。このため、高利得を維持しながらアンテナ装置150の小型化を図ることができる。しかも、無給電素子5を利用することで、アンテナ指向特性を調整してアプリケーションに適した指向性を制御することが可能となる。これにより、アンテナ装置150をより多様に使用することが可能となる。   According to the antenna device 150 according to the present invention, since the parasitic element 5 is provided above the feeding microstrip antenna 1, a higher gain can be achieved particularly when the metal ring 2 is downsized. it can. For this reason, the antenna device 150 can be downsized while maintaining a high gain. In addition, by using the parasitic element 5, the directivity suitable for the application can be controlled by adjusting the antenna directivity. As a result, the antenna device 150 can be used more variously.

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、上記実施形態では、平面アンテナとしてマイクロストリップアンテナを用いたが、これに限られず、平面アンテナで単一指向性のものであれば、反射板付きプリントダイポールアンテナや、スパイラルアンテナ等でも構わない。   As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, the concrete structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included. For example, in the above embodiment, the microstrip antenna is used as the planar antenna. However, the present invention is not limited to this. If the planar antenna is unidirectional, a printed dipole antenna with a reflector, a spiral antenna, or the like may be used. .

また、本発明のアンテナ装置における金属円環2の形状としては、上記実施形態のような円形状の他、例えば、楕円形状、正方形状、又は長方形状等であってもよく、円形状の場合と同様の作用効果を奏することができる。また、上記実施形態では、金属円環2を5層の誘電体層3aの上面に配置したが、少なくとも2層の誘電体層3aの上面に配置されていれば構わない。   In addition, the shape of the metal ring 2 in the antenna device of the present invention may be, for example, an elliptical shape, a square shape, a rectangular shape, or the like in addition to the circular shape as in the above embodiment. The same operational effects can be achieved. Moreover, in the said embodiment, although the metal ring 2 was arrange | positioned on the upper surface of the five dielectric layers 3a, it does not matter as long as it is arrange | positioned on the upper surface of at least 2 layers of dielectric layers 3a.

また、給電用マイクロストリップアンテナ1及び無給電素子5の形状としては、上記実施形態のような正方形状の他、例えば、楕円形状、又は長方形状であってもおく、正方形状の場合と同様の作用効果を奏することができる。   Further, the shapes of the feeding microstrip antenna 1 and the parasitic element 5 may be, for example, an elliptical shape or a rectangular shape other than the square shape as in the above-described embodiment. An effect can be produced.

また、上記実施形態では、誘電体基板3が、低温焼成セラミック基板若しくは高温焼成セラミック基板からなる誘電体層3aで形成するとしたが、これに限られない。例えば、誘電体層3aは、セラミック用材を塗布した樹脂基板等でも構わない。   In the above embodiment, the dielectric substrate 3 is formed of the dielectric layer 3a made of a low-temperature fired ceramic substrate or a high-temperature fired ceramic substrate. However, the present invention is not limited to this. For example, the dielectric layer 3a may be a resin substrate coated with a ceramic material.

また、上記実施形態では、4素子の無給電素子5を、給電用マイクロストリップアンテナ1の上方に、該アンテナ1に対して放射状に配置するとしたが、これに限られない。例えば、無給電素子5の数は、4素子に限られず、4素子未満でも4素子より多くても構わない。また、配置や形状も本実施形態に示したものに限られない。つまり、無給電素子5は、給電用マイクロストリップアンテナ1の鉛直上方に1個又は複数、若しくは該アンテナ1の上方に複数配置されていれば制限がない。   In the above embodiment, the four parasitic elements 5 are arranged above the feeding microstrip antenna 1 in a radial manner with respect to the antenna 1, but the present invention is not limited to this. For example, the number of parasitic elements 5 is not limited to four elements, and may be less than four elements or more than four elements. Further, the arrangement and shape are not limited to those shown in the present embodiment. That is, the parasitic element 5 is not limited as long as one or a plurality of parasitic elements 5 are arranged vertically above the feeding microstrip antenna 1 or a plurality are arranged above the antenna 1.

また、金属円環2は、最下層3aの上面に配置されているもの(これ以降、最下層3aの金属円環2と呼ぶ)の内周の半径(これ以降、内半径と呼ぶ)が、給電用マイクロストリップアンテナ1が発信或いは受信する電磁波の誘電体内波長の1.39波長以上2.77波長以下であることが好ましい。これにより、アンテナ装置の利得をより高利得(12dBi以上)の状態に確保することができると共に、アンテナ装置を小型化し、該アンテナ装置を実装するパッケージ等の小型化を図ることができる。   Further, the metal ring 2 has an inner radius (hereinafter referred to as an inner radius) of the one disposed on the upper surface of the lowermost layer 3a (hereinafter referred to as the metal ring 2 of the lowermost layer 3a). It is preferable that the wavelength within the dielectric of the electromagnetic wave transmitted or received by the feeding microstrip antenna 1 is not less than 1.39 wavelengths and not more than 2.77 wavelengths. As a result, the gain of the antenna device can be secured in a higher gain state (12 dBi or more), and the antenna device can be downsized, and a package or the like for mounting the antenna device can be downsized.

また、誘電体基板3の基板厚は、誘電体基板3の基板厚が誘電体内波長の0.22波長以上0.32波長以下であることが好ましい。これにより、アンテナ装置の利得を10dBiに確保することができる。仮に基板厚が0.2波長未満或いは0.32波長より厚い場合、10dBiの利得を確保することが難しい。これにより、アンテナ装置をより高利得化することができる。   The substrate thickness of the dielectric substrate 3 is preferably such that the substrate thickness of the dielectric substrate 3 is not less than 0.22 wavelengths and not more than 0.32 wavelengths of the dielectric wavelength. As a result, the gain of the antenna device can be ensured to 10 dBi. If the substrate thickness is less than 0.2 wavelength or greater than 0.32 wavelength, it is difficult to ensure a gain of 10 dBi. Thereby, the gain of the antenna device can be further increased.

また、誘電体層3aとして比誘電率5以上の高誘電率基板を用いることが好ましい。これによれば、アンテナ装置が発信或いは受信する電磁波の誘電体内波長を短くすることができる。従って、同一の周波数の電磁波を発信或いは受信する場合であっても、誘電率の低い基板を用いるアンテナ装置と比べて小型化を図ることができる。   Further, it is preferable to use a high dielectric constant substrate having a relative dielectric constant of 5 or more as the dielectric layer 3a. According to this, the dielectric wavelength of the electromagnetic wave transmitted or received by the antenna device can be shortened. Accordingly, even when electromagnetic waves having the same frequency are transmitted or received, the size can be reduced as compared with an antenna device using a substrate having a low dielectric constant.

次に、上記実施形態に係るアンテナ装置を用いて利得特性に関するデータの計測を行った実施例1から実施例3の結果を示す。各実施例の概要を説明すると、まず、実施例1では、金属円環2の内半径と利得特性との関係について調査を行った。そして、実施例2では、下方から上方に向かうにつれて拡大する金属円環2の内半径の拡大具合と利得特性との関係について調査を行った。更に、実施例3では、誘電体基板3の基板厚と利得特性との関係について調査を行った。最後に、実施例4では、無給電素子5と利得特性との関係について調査を行った。   Next, the results of Example 1 to Example 3 in which data related to gain characteristics were measured using the antenna device according to the above embodiment will be described. The outline of each example will be described. First, in Example 1, the relationship between the inner radius of the metal ring 2 and the gain characteristic was investigated. And in Example 2, it investigated about the relationship between the expansion condition of the internal radius of the metal ring 2 which expands as it goes upwards from the downward direction, and a gain characteristic. Furthermore, in Example 3, the relationship between the substrate thickness of the dielectric substrate 3 and the gain characteristics was investigated. Finally, in Example 4, the relationship between the parasitic element 5 and the gain characteristic was investigated.

〔実施例1〕
実施例1では、金属円環2の内半径を変化させたときのアンテナ装置の利得特性について計測を行った。
この実施例1では、上述した第1実施形態に示したアンテナ装置100を用いた。より具体的に説明すると、誘電体層3aには、低温焼成セラミック基板(比誘電率:εr=7.7、誘電正接:tanδ=0.002 at 10GHz)を用いて、各層の層厚を0.1mmとした。つまり、給電用マイクロストリップアンテナ1を地板4から0.1mm上に配置した。また、該アンテナは、一辺が0.78mmで、給電箇所は素子中央から0.25mmだけX方向に沿ってずらした位置とした。また、金属円環2は、1.0mmの帯状とし、最下層3aの金属円環2から、上方に配置されている金属円環2に向かうにつれて、内半径が0.2mm(拡大長L)ずつ長くなるように形成されている。
また、計測のために60GHz帯(波長:λ=5mm)の電磁波を利用し、解析にはモーメント法を用いた。なお、60GHz帯の電磁波を利用した場合、誘電体内波長λは、λ=λ×1/(εr)1/2=1.8(mm)となる。
この条件で、最下層3aの金属円環2の内半径を2mmから5mmまで漸次変化させて、アンテナ装置100の利得特性の測定を行った。なお、最下層3aの金属円環2の内半径を変化させる際、上方の金属円環2の内半径も、上述した条件に合わせるようにそれぞれ変化させた。
[Example 1]
In Example 1, the gain characteristic of the antenna device when the inner radius of the metal ring 2 was changed was measured.
In Example 1, the antenna device 100 shown in the first embodiment described above was used. More specifically, a low-temperature fired ceramic substrate (relative dielectric constant: εr = 7.7, dielectric loss tangent: tan δ = 0.002 at 10 GHz) is used for the dielectric layer 3a, and the layer thickness of each layer is 0. 1 mm. That is, the power feeding microstrip antenna 1 is arranged 0.1 mm above the ground plane 4. The antenna had a side of 0.78 mm, and the feeding point was shifted from the center of the element by 0.25 mm along the X direction. Further, the metal ring 2 has a strip shape of 1.0 mm, and the inner radius is 0.2 mm (enlarged length L) from the metal ring 2 of the lowermost layer 3a toward the metal ring 2 disposed above. It is formed so as to increase in length.
Further, an electromagnetic wave in the 60 GHz band (wavelength: λ = 5 mm) was used for measurement, and a moment method was used for analysis. When an electromagnetic wave in the 60 GHz band is used, the dielectric wavelength λ 0 is λ 0 = λ × 1 / (εr) 1/2 = 1.8 (mm).
Under these conditions, the gain characteristic of the antenna device 100 was measured by gradually changing the inner radius of the metal ring 2 of the lowermost layer 3a from 2 mm to 5 mm. In addition, when changing the inner radius of the metal ring 2 of the lowermost layer 3a, the inner radius of the upper metal ring 2 was also changed so as to meet the above-described conditions.

本実施例の結果を図3に示す。図3は、横軸が最下層3aの金属円環2の内半径(mm)で、縦軸が利得特性(dBi)である。同図から、金属円環2の内半径が2mmであっても10dBiを超える高利得を得ることができると共に、内半径が2.5mm以上では更なる高利得の状態である12dBi以上の利得を確保できることがわかる。
よって、まず、本発明に係るアンテナ装置100が高利得であることが確認できた。
また、金属円環2を2mm程度にしても高利得であるので、高利得化されたアンテナ装置100を小型化できることが確認できた。
更に、最下層3aの金属円環2の内半径が2.5mm以上5mm以下の場合、12.0dBi以上というより高利得な状態を確保できることが確認できた。この内半径の変化の範囲を誘電体基板3の誘電体内波長に換算すると、1.39λoから2.77λoとなる。つまり、最下層3aの金属円環2の内半径が、誘電体内波長の1.39波長以上2.77波長以下であることで、アンテナ装置100の利得を12.0dBi以上の高利得な状態を確保することができると共に、最下層3aの金属円環2の内半径が2.5mmから5.0mmでありアンテナ装置100を小型化できることが確認できた。つまり、本発明に係るアンテナ装置100を利用することで、高利得なアンテナ装置100を実装すると共に、小型化されたパッケージを作製することができる。
The results of this example are shown in FIG. In FIG. 3, the horizontal axis is the inner radius (mm) of the metal ring 2 of the lowermost layer 3a, and the vertical axis is the gain characteristic (dBi). From the figure, even when the inner radius of the metal ring 2 is 2 mm, a high gain exceeding 10 dBi can be obtained, and when the inner radius is 2.5 mm or more, a gain of 12 dBi or more, which is a higher gain state, is obtained. It can be seen that it can be secured.
Therefore, first, it was confirmed that the antenna device 100 according to the present invention has a high gain.
In addition, it was confirmed that the antenna device 100 with high gain can be downsized because the metal ring 2 has a high gain even if it is about 2 mm.
Furthermore, it was confirmed that a higher gain state of 12.0 dBi or more could be secured when the inner radius of the metal ring 2 of the lowermost layer 3a was 2.5 mm or more and 5 mm or less. When the range of the change in the inner radius is converted into the dielectric wavelength of the dielectric substrate 3, it is 1.39λo to 2.77λo. That is, when the inner radius of the metal ring 2 of the lowermost layer 3a is 1.39 wavelengths or more and 2.77 wavelengths or less of the dielectric wavelength, the gain of the antenna device 100 is in a high gain state of 12.0 dBi or more. As a result, the inner radius of the metal ring 2 of the lowermost layer 3a is 2.5 mm to 5.0 mm, and it was confirmed that the antenna device 100 can be downsized. That is, by using the antenna device 100 according to the present invention, the high-gain antenna device 100 can be mounted and a miniaturized package can be manufactured.

〔実施例2〕
実施例2では、内半径の拡大長Lを変化させたときのアンテナ装置の利得特性について計測を行った。
実施例2に用いたアンテナ装置100の各構成は、実施例1で用いたものと概ね共通である。但し、最下層3aの金属円環2の半径は3.0mmとした。そして、最下層3aの金属円環2から上方に配置されている金属円環2に向かうにつれて長くなる内半径の拡大長Lを、−0.2mmから0.6mmまで、0.2mm刻みで変化させて、アンテナ装置100の利得特性の測定を行った。なお、拡大長Lが−0.2mmとは、金属円環2の内半径が、上方に向かうにつれて漸次短くなっていくことを意味する。
[Example 2]
In Example 2, the gain characteristic of the antenna device when the expansion length L of the inner radius was changed was measured.
Each configuration of the antenna device 100 used in the second embodiment is substantially the same as that used in the first embodiment. However, the radius of the metal ring 2 of the lowermost layer 3a was 3.0 mm. And the expansion length L of an inner radius which becomes long as it goes to the metal ring 2 arrange | positioned upwards from the metal ring 2 of the lowest layer 3a changes in 0.2 mm increments from -0.2 mm to 0.6 mm. Thus, the gain characteristic of the antenna device 100 was measured. Note that the expansion length L of −0.2 mm means that the inner radius of the metal ring 2 gradually decreases as it goes upward.

本実施例の結果を図4に示す。図4は、横軸が拡大長L(mm)で、縦軸が利得特性(dBi)である。同図から、下方の誘電体層3aに配置されている金属円環2から、上方の誘電体層3aに配置されている金属円環2に向かうにつれて、漸次拡大するように形成されることで、利得特性が改善されることが確認できた。特に、利得が12dBi以上となる拡大長Lは0.11mm〜0.26mmである。これを拡大角度θに換算すると、6.5度〜14.9度の範囲である。即ち、拡大角度θが6.5度以上14.9度以下になるように金属円環2を形成すると、特に高利得化されることがわかる。   The results of this example are shown in FIG. In FIG. 4, the horizontal axis is the enlarged length L (mm), and the vertical axis is the gain characteristic (dBi). From the figure, it is formed so that it gradually expands from the metal ring 2 arranged in the lower dielectric layer 3a toward the metal ring 2 arranged in the upper dielectric layer 3a. It was confirmed that the gain characteristic was improved. In particular, the expansion length L at which the gain is 12 dBi or more is 0.11 mm to 0.26 mm. When this is converted into an enlarged angle θ, it is in the range of 6.5 degrees to 14.9 degrees. That is, it can be seen that when the metal ring 2 is formed so that the expansion angle θ is 6.5 degrees or more and 14.9 degrees or less, the gain is particularly increased.

〔実施例3〕
実施例3では、基板厚を変化させたときのアンテナ装置の利得特性について計測を行った。
実施例3に用いたアンテナ装置100の各構成は、実施例1で用いたものと概ね共通である。但し、最下層3aの金属円環2の半径は3.0mmとした。そして、誘電体基板3の基板厚を、各誘電体層3aの厚みを均等に変化させることで、0.3mmから0.7mmまで漸次変化させて、アンテナ装置100の利得特性の測定を行った。
Example 3
In Example 3, the gain characteristics of the antenna device when the substrate thickness was changed were measured.
Each configuration of the antenna device 100 used in the third embodiment is substantially the same as that used in the first embodiment. However, the radius of the metal ring 2 of the lowermost layer 3a was 3.0 mm. Then, the gain characteristics of the antenna device 100 were measured by gradually changing the thickness of the dielectric substrate 3 from 0.3 mm to 0.7 mm by uniformly changing the thickness of each dielectric layer 3a. .

本実施例の結果を図5に示す。図5は、横軸が誘電体基板3の基板厚(mm)で、縦軸が利得特性(dBi)である。同図から、利得が10dBi以上となる基板厚は0.40mmから0.58mmであり、誘電体基板3の誘電体内波長に換算すると0.22λoから0.32λoとなる。つまり、誘電体基板3は、誘電体内波長の0.22波長以上0.32波長以下の基板厚であることで、より高利得化が図れることが実際に確認できた。
また、図5から、基板厚が0.5mm(誘電体内波長に換算すると0.28波長)の時に利得が最大になることがわかる。
The results of this example are shown in FIG. In FIG. 5, the horizontal axis represents the substrate thickness (mm) of the dielectric substrate 3, and the vertical axis represents the gain characteristic (dBi). From the figure, the substrate thickness at which the gain is 10 dBi or more is 0.40 mm to 0.58 mm, and is 0.22λo to 0.32λo when converted to the dielectric wavelength of the dielectric substrate 3. In other words, it was actually confirmed that the dielectric substrate 3 can achieve higher gain when the thickness of the dielectric substrate is not less than 0.22 wavelengths and not more than 0.32 wavelengths.
FIG. 5 also shows that the gain is maximized when the substrate thickness is 0.5 mm (0.28 wavelength in terms of dielectric wavelength).

〔実施例4〕
実施例4では、給電用マイクロストリップアンテナ1の上方に無給電素子5を配置した上で金属円環2の内半径を変化させたときのアンテナ装置の利得特性について計測を行った。
実施例4では、上述した第2実施形態に示したアンテナ装置150を用いた。無給電素子5を除く各構成の配置関係については、実施例1と同様である。無給電素子5は、一辺が0.69mmとし、給電用マイクロストリップアンテナ1の中心からX軸及びY軸とも対称に0.77mmずつそれぞれの中心をずらして配置している。また、無給電素子5が上面に配置されている誘電体層3aは、層厚を0.05mmとした。つまり、無給電素子5は給電用マイクロストリップアンテナ1の0.05mm上方に配置され、上下に配置された金属円環2の中間に位置に配置した。
この条件で、最下層3aの金属円環2の内半径を2.5mmから5mmまで漸次変化させて、アンテナ装置150の利得特性の測定を行った。
Example 4
In Example 4, the gain characteristic of the antenna device was measured when the parasitic element 5 was disposed above the feeding microstrip antenna 1 and the inner radius of the metal ring 2 was changed.
In Example 4, the antenna device 150 shown in the second embodiment described above was used. The arrangement relationship of the components other than the parasitic element 5 is the same as in the first embodiment. The parasitic element 5 has a side of 0.69 mm, and is shifted from the center of the feeding microstrip antenna 1 by 0.77 mm symmetrically with respect to the X axis and the Y axis. The dielectric layer 3a on which the parasitic element 5 is disposed on the upper surface has a layer thickness of 0.05 mm. That is, the parasitic element 5 is disposed 0.05 mm above the feeding microstrip antenna 1 and is disposed in the middle of the metal rings 2 disposed above and below.
Under these conditions, the gain characteristic of the antenna device 150 was measured by gradually changing the inner radius of the metal ring 2 of the lowermost layer 3a from 2.5 mm to 5 mm.

本実施例の結果を図6に示す。図6は、横軸が最下層3aの金属円環2の内半径(mm)で、縦軸が利得特性(dBi)である。同図から無給電素子5を配置することにより、内半径3mm(誘電体内波長に換算すると1.66波長)前後で利得が改善していることが確認できた。従って、無給電素子5を配置することにより、金属円環2を小型化した場合により高利得化を図ることができることを確認できた。つまり、高利得を維持しながらアンテナ装置150の更なる小型化を図ることができることが確認できた。   The results of this example are shown in FIG. In FIG. 6, the horizontal axis is the inner radius (mm) of the metal ring 2 of the lowermost layer 3a, and the vertical axis is the gain characteristic (dBi). From the figure, it was confirmed that the parasitic element 5 was arranged to improve the gain around an inner radius of 3 mm (1.66 wavelength in terms of dielectric wavelength). Therefore, it has been confirmed that by providing the parasitic element 5, higher gain can be achieved when the metal ring 2 is downsized. That is, it was confirmed that the antenna device 150 can be further downsized while maintaining a high gain.

本発明に係るアンテナ装置の第1実施形態を示す図であって、(a)は上面図、(b)は断面矢視A−A図である。It is a figure which shows 1st Embodiment of the antenna device which concerns on this invention, Comprising: (a) is a top view, (b) is AA sectional drawing. 本発明に係るアンテナ装置の第2実施形態を示す図であって、(a)は上面図、(b)は断面矢視B−B図である。It is a figure which shows 2nd Embodiment of the antenna device which concerns on this invention, Comprising: (a) is a top view, (b) is a cross-sectional arrow BB figure. 本発明に係るアンテナ装置を用いた実施例1の結果を表すグラフである。It is a graph showing the result of Example 1 using the antenna apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るアンテナ装置を用いた実施例2の結果を表すグラフである。It is a graph showing the result of Example 2 using the antenna apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るアンテナ装置を用いた実施例3の結果を表すグラフである。It is a graph showing the result of Example 3 using the antenna apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るアンテナ装置を用いた実施例4の結果を表すグラフである。It is a graph showing the result of Example 4 using the antenna apparatus which concerns on this invention. 従来のアンテナ装置を示す図であって、(a)は上面図、(b)は断面図である。It is a figure which shows the conventional antenna apparatus, Comprising: (a) is a top view, (b) is sectional drawing.

符号の説明Explanation of symbols

100、150 アンテナ装置
1 給電用マイクロストリップアンテナ(平面アンテナ)
2 金属円環(金属環)
3 誘電体基板
3a 誘電体層
5 無給電素子
100, 150 Antenna device 1 Feeding microstrip antenna (planar antenna)
2 Metal rings (metal rings)
3 Dielectric substrate 3a Dielectric layer 5 Parasitic element

Claims (5)

複数の誘電体層が重ねられることで形成された、多層構造の誘電体基板と、
所定の前記誘電体層の上面に、他の誘電体層と挟まれるように配置された給電用平面アンテナと、
前記給電用平面アンテナが配置された前記誘電体層および該誘電体層より上方の前記誘電体層のうち少なくとも2層の上面に、平面視したときにそれぞれが重なりながら前記給電用平面アンテナを囲むように配置され、かつ下方の前記誘電体層に配置されているものから、上方の前記誘電体層に配置されているものに向かうにつれて、漸次拡大するように形成されている複数の円形状の金属環と、
前記給電用平面アンテナが配置された前記誘電体層より上方の前記誘電体層の上面に、平面視したときに、前記給電用平面アンテナを中心として放射状にかつ前記給電用平面アンテナと重ならないように配置された複数の無給電素子と、
を備えていることを特徴とするアンテナ装置。
A multilayer dielectric substrate formed by stacking a plurality of dielectric layers;
A planar antenna for feeding that is arranged on the upper surface of the predetermined dielectric layer so as to be sandwiched between other dielectric layers;
The upper surface of the at least two layers of above the dielectric layer from the dielectric layer and the dielectric material layer in which the feeding planar antenna is disposed, surrounding the feeding planar antenna while overlapping each in a plan view A plurality of circular shapes formed so as to gradually expand from those arranged in the lower dielectric layer toward those arranged in the upper dielectric layer . A metal ring,
When viewed in plan on the upper surface of the dielectric layer above the dielectric layer on which the power feeding planar antenna is disposed, the power feeding planar antenna is arranged so as not to radiate and overlap the power feeding planar antenna. A plurality of parasitic elements arranged in
An antenna device comprising:
請求項1に記載のアンテナ装置において、
前記誘電体基板は、セラミック基板からなる前記誘電体層により形成されていること、
を特徴とするアンテナ装置。
The antenna device according to claim 1,
The dielectric substrate is formed of the dielectric layer made of a ceramic substrate;
An antenna device characterized by the above.
請求項1又は2に記載のアンテナ装置において、
前記誘電体基板は、比誘電率5以上の高誘電率基板からなる前記誘電体層により形成されていること、
を特徴とするアンテナ装置。
In the antenna device according to claim 1 or 2,
The dielectric substrate is formed of the dielectric layer made of a high dielectric constant substrate having a relative dielectric constant of 5 or more;
An antenna device characterized by the above.
請求項1から3のいずれか1項に記載のアンテナ装置において、
前記金属環は、最も下方の前記誘電体層に配置されているものの内周の半径が、前記給電用平面アンテナが発信或いは受信する電磁波の誘電体内波長の1.39波長以上2.77波長以下であること、
を特徴とするアンテナ装置。
In the antenna device according to any one of claims 1 to 3,
Although the metal ring is arranged in the lowermost dielectric layer, the radius of the inner circumference is 1.39 wavelengths or more and 2.77 wavelengths or less of the dielectric wavelength of the electromagnetic wave transmitted or received by the planar antenna for feeding. Being
An antenna device characterized by the above.
請求項1から4のいずれか1項に記載のアンテナ装置において、
前記誘電体基板は、前記給電用平面アンテナが発信或いは受信する電磁波の誘電体内波長の0.22波長以上0.32波長以下の基板厚であること、
を特徴とするアンテナ装置。
In the antenna device according to any one of claims 1 to 4,
The dielectric substrate has a substrate thickness of 0.22 or more and 0.32 or less of the dielectric wavelength of the electromagnetic wave transmitted or received by the power feeding planar antenna;
An antenna device characterized by the above.
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