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JP2019009543A - デュアルバンドパッチアンテナ - Google Patents

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JP2019009543A JP2017122019A JP2017122019A JP2019009543A JP 2019009543 A JP2019009543 A JP 2019009543A JP 2017122019 A JP2017122019 A JP 2017122019A JP 2017122019 A JP2017122019 A JP 2017122019A JP 2019009543 A JP2019009543 A JP 2019009543A
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Abstract

【課題】共振周波数やインピーダンスの調整が容易なデュアルバンドパッチアンテナを提供する。【解決手段】開口部21を有するグランドパターン20と、開口部21を貫通して設けられたピラー状の垂直給電導体50と、垂直給電導体に接続された第1及び第2の水平給電導体31,41と、グランドパターン20と重なる第1及び第2の放射導体30,40とを備え、第1の放射導体30は所定の辺に接続された第1の水平給電導体31を介して垂直給電導体に接続され、第2の放射導体40は所定の辺に接続された第2の水平給電導体41を介して垂直給電導体50に接続され。このように、垂直給電導体から2つの水平給電導体に分岐し、分岐した水平給電導体にそれぞれ放射導体が接続されることから、一方の放射導体のサイズや形状を変化させても、他方の放射導体における共振周波数やインピーダンスの変化が抑えられ、共振周波数やインピーダンスの調整が容易となる。【選択図】図1

Description

本発明は、2つの周波数帯域において通信が可能なデュアルバンドパッチアンテナに関する。
特許文献1〜3には、2つの周波数帯域において通信が可能なデュアルバンドパッチアンテナが開示されている。例えば、特許文献1には平板状の放射導体と環状の放射導体からなるデュアルバンドパッチアンテナが開示され、特許文献2には2つの放射導体の一部を共通化したデュアルバンドパッチアンテナが開示されている。また、特許文献3には、給電ラインを途中で分岐させ、分岐させた給電ラインをそれぞれ異なる放射導体に接続する構成が開示されている。
特表2015−502723号公報 特開2007−060609号公報 特開2002−299948号公報
しかしながら、特許文献1〜3に記載されたデュアルバンドパッチアンテナは、2つの放射導体が相互に干渉するため、一方の放射導体のサイズや形状を変化させると他方の放射導体における共振周波数やインピーダンスが大きく変化してしまう。このため、個々の放射導体について共振周波数やインピーダンスを調整することが難しいという問題があった。
したがって、本発明の目的は、共振周波数やインピーダンスの調整が容易なデュアルバンドパッチアンテナを提供することである。
本発明によるデュアルバンドパッチアンテナは、開口部を有するグランドパターンと、前記開口部を貫通して設けられたピラー状の垂直給電導体と、前記垂直給電導体に接続された第1及び第2の水平給電導体と、前記グランドパターンと重なる第1及び第2の放射導体と、を備え、前記第1の放射導体は、所定の辺に接続された前記第1の水平給電導体を介して前記垂直給電導体に接続され、前記第2の放射導体は、所定の辺に接続された前記第2の水平給電導体を介して前記垂直給電導体に接続されることを特徴とする。
本発明によれば、垂直給電導体から2つの水平給電導体に分岐し、分岐した水平給電導体にそれぞれ放射導体が接続されることから、一方の放射導体のサイズや形状を変化させても、他方の放射導体における共振周波数やインピーダンスの変化が抑えられる。これにより、従来のデュアルバンドパッチアンテナと比べ、共振周波数やインピーダンスの調整が容易となる。しかも、放射導体の辺に水平給電導体が接続される構成であることから、給電ラインをシンプルにすることができる。これにより、共振周波数がミリ波帯である場合のように、配線長や配線位置などパターンの僅かな変更によってアンテナ特性が大きく変化する場合であっても、設計が容易となる。
本発明において、第1の水平給電導体の延在方向と第2の水平給電導体の延在方向は、互いに90°異なっていても構わない。これによれば、第1の放射導体と第2の放射導体間における干渉を低減することが可能となる。
本発明において、第1及び第2の放射導体は、第1の方向に沿って延在する辺と、第1の方向と直交する第2の方向に沿って延在する辺とを有し、第1の水平給電導体は第1の放射導体の第1の方向に沿って延在する辺に接続され、第2の水平給電導体は第2の放射導体の第2の方向に沿って延在する辺に接続されても構わない。これによれば、第1の放射導体から放射されるビームの振動方向と第2の放射導体から放射されるビームの振動方向を直交させることが可能となる。
本発明において、第1の放射導体と第2の放射導体は、平面視で、第1及び第2の方向のいずれにも互いに重なりを有していなくても構わない。これによれば、第1の放射導体と第2の放射導体間における干渉をよりいっそう低減することが可能となる。
本発明において、グランドパターンと第1の放射導体の距離は、グランドパターンと第2の放射導体の距離と異なっていても構わない。本発明では、第1の放射導体と第2の放射導体が別個に設けられていることから、グランドパターンとの間の距離を個別に設定することが可能となる。
本発明において、グランドパターンと第1の放射導体の距離は、第1の放射導体から放射される第1のアンテナ共振信号の波長以下であり、グランドパターンと第2の放射導体の距離は、第2の放射導体から放射される第2のアンテナ共振信号の波長以下であっても構わない。これによれば、全体の厚みを薄くすることができるとともに、高い放射効率を得ることが可能となる。
本発明によるデュアルバンドパッチアンテナは、第1の放射導体から見てグランドパターンとは反対側に位置し、第1の放射導体と重なるよう、第1の放射導体と平行に配置された第1の励振導体と、第2の放射導体から見てグランドパターンとは反対側に位置し、第2の放射導体と重なるよう、第2の放射導体と平行に配置された第2の励振導体と、をさらに備えていても構わない。これによれば、励振導体が放射導体によって励振されることから、アンテナ特性を向上させることが可能となる。
本発明において、第1及び第2の励振導体はフローティング状態であっても構わない。これによれば、アンテナ帯域を広帯域化することが可能となる。
本発明において、第1の放射導体と第1の励振導体の距離は、第2の放射導体と第2の励振導体の距離と異なっていても構わない。このように、励振導体によるアンテナ特性の調整は、個別に行うことが可能である。
本発明によるデュアルバンドパッチアンテナは、グランドパターンに設けられた別の開口部を貫通して設けられたピラー状の別の垂直給電導体と、別の垂直給電導体に接続された第3及び第4の水平給電導体と、をさらに備え、第1の放射導体は所定の辺とは異なる辺に接続された第3の水平給電導体を介して別の垂直給電導体にさらに接続され、第2の放射導体は所定の辺とは異なる辺に接続された第4の水平給電導体を介して別の垂直給電導体にさらに接続されていても構わない。これによれば、1つの放射導体に複数の給電信号を入力することが可能となる。
本発明において、第1の放射導体に対する第1及び第3の水平給電導体の接続方向は互いに90°異なっており、第2の放射導体に対する第2及び第4の水平給電導体の接続方向は互いに90°異なっていても構わない。これによれば、2偏波アンテナを構成することが可能となる。
本発明において、垂直給電導体、第1及び第2の水平給電導体、並びに、第1及び第2の放射導体は、誘電体材料によって埋め込まれていても構わない。これによれば、誘電体の波長短縮効果によって全体のサイズを小型化することが可能となる。
このように、本発明によれば、共振周波数やインピーダンスの調整が容易なデュアルバンドパッチアンテナを提供することが可能となる。
図1は、本発明の第1の実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Aの構成を示す略斜視図である。 図2は、デュアルバンドパッチアンテナ10Aの平面図である。 図3は、デュアルバンドパッチアンテナ10Aを図2に示す矢印A方向から見た側面図である。 図4は、第1及び第2の放射導体30,40から放射されるビームの振動方向を説明するための図である。 図5は、本発明の第2の実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Bの構成を示す略斜視図である。 図6は、デュアルバンドパッチアンテナ10Bの側面図である。 図7は、本発明の第3の実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Cの構成を示す略平面図である。 図8は、本発明の第4の実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Dの構成を示す略平面図である。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Aの構成を示す略斜視図である。また、図2はデュアルバンドパッチアンテナ10Aの平面図であり、図3はデュアルバンドパッチアンテナ10Aを図2に示す矢印A方向から見た側面図である。
図1〜図3に示すように、本実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Aは、平板状のグランドパターン20と、グランドパターン20と重なるように設けられた第1及び第2の放射導体30,40を備えている。グランドパターン20は、第1の導体層L1に設けられたベタパターンであり、xy平面を構成する。グランドパターン20には開口部21が形成されており、この部分においてグランドパターン20が除去されている。そして、開口部21を貫通するように垂直給電導体50が設けられている。図3に示すように、垂直給電導体50はz方向に延在するピラー状の導体であり、デュアルバンドパッチアンテナ10Aの外部に設けられたRF回路100に接続される。
垂直給電導体50は、グランドパターン20が形成される第1の導体層L1を貫通し、その上層に位置する第2及び第3の導体層L2,L3に達している。第2の導体層L2には、第1の放射導体30及び第1の水平給電導体31が形成されており、第1の放射導体30は第1の水平給電導体31を介して垂直給電導体50に接続される。また、第3の導体層L3には、第2の放射導体40及び第2の水平給電導体41が形成されており、第2の放射導体40は第2の水平給電導体41を介して垂直給電導体50に接続される。このように、垂直給電導体50は第1及び第2の放射導体30,40に対して共通の給電導体として用いられ、ここから第1及び第2の水平給電導体31,41に分岐し、それぞれ第1及び第2の放射導体30,40に給電される。
各導体層L1〜L3は、誘電体材料からなる絶縁層70の表面に形成されている。これにより、少なくとも垂直給電導体50、第1及び第2の水平給電導体31,41、並びに、第1及び第2の放射導体30,40は、誘電体材料によって埋め込まれた構造を有している。誘電体材料としては、セラミックや液晶ポリマーなど、高周波特性に優れた材料を選択することが好ましい。
第1の放射導体30と第2の放射導体40の平面形状はいずれも略正方形であるが、その平面サイズは互いに異なっている。具体的には、第1の放射導体30の方が第2の放射導体40よりも平面サイズが小さく、これにより、第1の放射導体30が高周波帯域用の放射導体として用いられ、第2の放射導体40が低周波帯域用の放射導体として用いられる。
本実施形態においては、第1の放射導体30が第2の導体層L2に設けられ、第2の放射導体40が第3の導体層L3に設けられているため、グランドパターン20と第1の放射導体30のz方向における距離T1は、グランドパターン20と第2の放射導体40のz方向における距離T2よりも短い。ここで、高い放射効率を得るためには、距離T1は第1の放射導体30から放射される第1のアンテナ共振信号の波長以下であり、距離T2は第2の放射導体40から放射される第2のアンテナ共振信号の波長以下であることが好ましい。これによれば、デュアルバンドパッチアンテナ10Aのz方向における厚みを薄くすることも可能となる。
但し、本発明において距離T1が距離T2よりも短いことは必須でなく、目的とするアンテナ特性に応じて距離T1,T2を設計すればよい。また、第1の放射導体30と第2の放射導体40を同じ導体層に形成しても構わない。しかしながら、アンテナ特性を個別に調整可能とするためには、第1の放射導体30と第2の放射導体40を異なる導体層に形成することが好ましい。
本実施形態においては、第1の水平給電導体31がy方向に延在しており、これにより垂直給電導体50から見てy方向に位置する第1の放射導体30が第1の水平給電導体31を介して垂直給電導体50と接続される。一方、第2の水平給電導体41はx方向に延在しており、これにより垂直給電導体50から見てx方向に位置する第2の放射導体40が第2の水平給電導体41を介して垂直給電導体50と接続される。このように、本実施形態においては、第1の水平給電導体31の延在方向と第2の水平給電導体41の延在方向が互いに90°異なっており、第1の水平給電導体31については第1の放射導体30のx方向に延在する辺に接続され、第2の水平給電導体41については第2の放射導体30のy方向に延在する辺に接続される。
これにより、図4に示すように、第1の放射導体30から放射されるビームの振動方向Pyはy方向となり、第2の放射導体40から放射されるビームの振動方向Pxはx方向となる。このように、本実施形態においては、第1の放射導体30から放射されるビームの振動方向と第2の放射導体40から放射されるビームの振動方向が直交することから、相互干渉が生じにくくなる。これにより、一方の放射導体の形状、位置、サイズなどを変更しても、他方の放射導体のアンテナ特性が大きく変化しないため、設計が容易となる。
特に、図4に示すように、第1の放射導体30のx方向における配置範囲Axが平面視で第2の放射導体40と重ならず、且つ、第2の放射導体40のy方向における配置範囲Ayが平面視で第1の放射導体30と重ならないよう、第1及び第2の放射導体30,40をレイアウトすることが好ましい。つまり、第1の放射導体30と第2の放射導体40は、平面視でx方向及びy方向のいずれにも互いに重なりを有していないことが好ましい。これによれば、相互干渉がより少なくなることから、設計がより容易となる。
このように、本実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Aは、第1の放射導体30と第2の放射導体40が互いに独立して設けられていることから、一方の放射導体のサイズや形状などを変化させても、他方の放射導体の共振周波数やインピーダンスの変化が抑えられる。これにより、従来のデュアルバンドパッチアンテナと比べ、共振周波数やインピーダンスなどのアンテナ特性の調整がしやすいため、設計が容易となる。特に、本実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Aにおいては、第1の水平給電導体31と第2の水平給電導体41の延在方向が90°異なっており、且つ、第1の放射導体30と第2の放射導体40がx方向及びy方向のいずれにも互いに重なりを有していないことから、相互干渉を大幅に低減することが可能となる。
また、第1及び第2の放射導体30,40はいずれも垂直給電導体50から共通に給電されることから、本実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10AとRF回路100を接続する給電ラインを1本とすることができる。これにより、デュアルバンドパッチアンテナ10Aの外部における給電ラインの設計も容易となる。しかも、第1及び第2の放射導体30,40の辺にそれぞれ第1及び第2の水平給電導体31,41が接続される構成であることから、給電ラインをシンプルにすることができる。
このような効果は、共振周波数がミリ波帯である場合のように、配線長や配線位置などパターンの僅かな変更によってアンテナ特性が大きく変化する用途において特に顕著であり、設計負担が大幅に軽減されるものと期待される。
有用である。
<第2の実施形態>
図5は、本発明の第2の実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Bの構成を示す略斜視図である。また、図6は、デュアルバンドパッチアンテナ10Bの側面図である。
図5及び図6に示すように、本実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Bは、第1及び第2の励振導体32,42をさらに備える点において、第1の実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Aと相違している。その他の構成は第1の実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Aと基本的に同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
第1の励振導体32は、第1の放射導体30から見てグランドパターン20とは反対側に位置する第4の導体層L4に形成された平板状の導体であり、第1の放射導体30とz方向に重なるよう、第1の放射導体30と平行に配置される。つまり、第1の励振導体32もxy平面を有し、第1の励振導体32とグランドパターン20によって第1の放射導体30が挟まれた構造を有している。本実施形態においては第1の放射導体30と第1の励振導体32の平面サイズが同じである。
第2の励振導体42は、第2の放射導体40から見てグランドパターン20とは反対側に位置する第5の導体層L5に形成された平板状の導体であり、第2の放射導体40とz方向に重なるよう、第2の放射導体40と平行に配置される。つまり、第2の励振導体42もxy平面を有し、第2の励振導体42とグランドパターン20によって第2の放射導体40が挟まれた構造を有している。本実施形態においては第2の放射導体40と第2の励振導体42の平面サイズが同じである。
第1及び第2の励振導体32,42は、どの配線にも接続されることのないフローティング状態であり、それぞれ第1及び第2の放射導体30,40から放射される電磁波によって励振される。これにより、第1及び第2の励振導体32,42からも電磁波が放射されることから、アンテナ帯域を広帯域化することが可能となる。第1及び第2の励振導体32,42の平面サイズや、第1の励振導体32と第1の放射導体30との距離T3、第2の励振導体42と第2の放射導体40との距離T4については、第1及び第2の励振導体32,42に求められる放射特性に応じて設計すればよい。
本実施形態においては、第1の放射導体30及び第1の励振導体32がそれぞれ第2及び第4の導体層L2,L4に設けられており、両者のz方向における距離はT3である。また、第2の放射導体40及び第2の励振導体42がそれぞれ第3及び第5の導体層L3,L5に設けられており、両者のz方向における距離はT4である。本実施形態においては距離T3が距離T4よりも短いが、この点は必須でなく、目的とするアンテナ特性に応じて距離T3,T4を設計すればよい。また、高い放射効率を得るためには、距離T3は第1の放射導体30から放射される第1のアンテナ共振信号の波長以下であり、距離T4は第2の放射導体40から放射される第2のアンテナ共振信号の波長以下であることが好ましい。
<第3の実施形態>
図7は、本発明の第3の実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Cの構成を示す略平面図である。
図7に示すように、本実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Cは、別の垂直給電導体60と、第3及び第4の水平給電導体33,43をさらに備えている。垂直給電導体60は、グランドパターン20に設けられた別の開口部22を貫通して設けられたピラー状の導体であり、垂直給電導体50と同様、RF回路100に接続される。その他の構成は第1の実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Aと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
第3の水平給電導体33はx方向に延在しており、これにより垂直給電導体60から見てx方向に位置する第1の放射導体30が第3の水平給電導体33を介して垂直給電導体60と接続される。一方、第4の水平給電導体43はy方向に延在しており、これにより垂直給電導体60から見てy方向に位置する第2の放射導体40が第4の水平給電導体43を介して垂直給電導体60と接続される。このように、本実施形態においては、第3の水平給電導体33の延在方向と第4の水平給電導体43の延在方向が互いに90°異なっており、第3の水平給電導体33については第1の放射導体30のy方向に延在する辺に接続され、第4の水平給電導体43については第2の放射導体30のx方向に延在する辺に接続される。
これにより、第1及び第2の放射導体30,40のいずれに対しても、互いに位相の異なる2つの給電信号を供給できることから、第1及び第2の放射導体30,40を2偏波アンテナとして利用することが可能となる。
<第4の実施形態>
図8は、本発明の第4の実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Dの構成を示す略平面図である。
図8に示すように、本実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Dは、垂直給電導体50,60の平面位置が第3のデュアルバンドパッチアンテナ10Cと異なっており、これに伴って第1〜第4の水平給電導体31,41,33,43が変形されている点において、第3のデュアルバンドパッチアンテナ10Cと相違する。その他の構成は第3の実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Cと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態によるデュアルバンドパッチアンテナ10Dが例示するように、第1〜第4の水平給電導体31,41,33,43がすべて直線的であることは必須でなく、一部の水平給電導体が途中で折れ曲がる形状を有していても構わない。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
例えば、上述した各実施形態では2つの放射導体を有するデュアルバンドパッチアンテナを例に説明したが、3以上の放射導体を設けることによって3バンド以上のアンテナを構成することも可能である。
10A,10B,10C,10D デュアルバンドパッチアンテナ
20 グランドパターン
21,22 開口部
30 第1の放射導体
31 第1の水平給電導体
32 第1の励振導体
33 第3の水平給電導体
40 第2の放射導体
41 第2の水平給電導体
42 第2の励振導体
43 第4の水平給電導体
50,60 垂直給電導体
70 絶縁層
100 RF回路
Ax,Ay 配置範囲
L1〜L5 導体層
Px,Py 振動方向

Claims (12)

  1. 開口部を有するグランドパターンと、
    前記開口部を貫通して設けられたピラー状の垂直給電導体と、
    前記垂直給電導体に接続された第1及び第2の水平給電導体と、
    前記グランドパターンと重なる第1及び第2の放射導体と、を備え、
    前記第1の放射導体は、所定の辺に接続された前記第1の水平給電導体を介して前記垂直給電導体に接続され、
    前記第2の放射導体は、所定の辺に接続された前記第2の水平給電導体を介して前記垂直給電導体に接続されることを特徴とするデュアルバンドパッチアンテナ。
  2. 前記第1の水平給電導体の延在方向と前記第2の水平給電導体の延在方向は、互いに90°異なることを特徴とする請求項1に記載のデュアルバンドパッチアンテナ。
  3. 前記第1及び第2の放射導体は、第1の方向に沿って延在する辺と、前記第1の方向と直交する第2の方向に沿って延在する辺とを有し、
    前記第1の水平給電導体は、前記第1の放射導体の前記第1の方向に沿って延在する辺に接続され、
    前記第2の水平給電導体は、前記第2の放射導体の前記第2の方向に沿って延在する辺に接続されることを特徴とする請求項2に記載のデュアルバンドパッチアンテナ。
  4. 前記第1の放射導体と前記第2の放射導体は、平面視で、前記第1及び第2の方向のいずれにも互いに重なりを有していないことを特徴とする請求項3に記載のデュアルバンドパッチアンテナ。
  5. 前記グランドパターンと前記第1の放射導体の距離は、前記グランドパターンと前記第2の放射導体の距離と異なることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のデュアルバンドパッチアンテナ。
  6. 前記グランドパターンと前記第1の放射導体の距離は、前記第1の放射導体から放射される第1のアンテナ共振信号の波長以下であり、
    前記グランドパターンと前記第2の放射導体の距離は、前記第2の放射導体から放射される第2のアンテナ共振信号の波長以下であることを特徴とする請求項5に記載のデュアルバンドパッチアンテナ。
  7. 前記第1の放射導体から見て前記グランドパターンとは反対側に位置し、前記第1の放射導体と重なるよう、前記第1の放射導体と平行に配置された第1の励振導体と、
    前記第2の放射導体から見て前記グランドパターンとは反対側に位置し、前記第2の放射導体と重なるよう、前記第2の放射導体と平行に配置された第2の励振導体と、をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載のデュアルバンドパッチアンテナ。
  8. 前記第1及び第2の励振導体はフローティング状態であることを特徴とする請求項7に記載のデュアルバンドパッチアンテナ。
  9. 前記第1の放射導体と前記第1の励振導体の距離は、前記第2の放射導体と前記第2の励振導体の距離と異なることを特徴とする請求項8に記載のデュアルバンドパッチアンテナ。
  10. 前記グランドパターンに設けられた別の開口部を貫通して設けられたピラー状の別の垂直給電導体と、
    前記別の垂直給電導体に接続された第3及び第4の水平給電導体と、をさらに備え、
    前記第1の放射導体は、前記所定の辺とは異なる辺に接続された前記第3の水平給電導体を介して前記別の垂直給電導体にさらに接続され、
    前記第2の放射導体は、前記所定の辺とは異なる辺に接続された前記第4の水平給電導体を介して前記別の垂直給電導体にさらに接続されることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載のデュアルバンドパッチアンテナ。
  11. 前記第1の放射導体に対する前記第1及び第3の水平給電導体の接続方向は互いに90°異なっており、
    前記第2の放射導体に対する前記第2及び第4の水平給電導体の接続方向は互いに90°異なっていることを特徴とする請求項10に記載のデュアルバンドパッチアンテナ。
  12. 前記垂直給電導体、前記第1及び第2の水平給電導体、並びに、前記第1及び第2の放射導体は、誘電体材料によって埋め込まれていることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一項に記載のデュアルバンドパッチアンテナ。
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