JP2009004896A - 平面アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】薄く構成できると共に、放射効率の低下を抑制することが可能な平面アンテナ。
【解決手段】基板１２の表面１２ａには、給電部１６を中心に対称に形成された表面アンテナ素子１４が設けられている。表面アンテナ素子１４は、銅箔により幅がＷ（例えば０．５ｍｍ）、かつサイズがＬ１（例えば１００ｍｍ）×Ｌ２（例えば２０ｍｍ）のメアンダライン形状に形成されており、給電部１６を介して給電線に接続されている。
基板１２の裏面１２ｂには、表面アンテナ素子１４と同一の形状の裏面アンテナ素子１８が、基板１２を介して表面アンテナ素子１４と対称に設けられている。
表面アンテナ素子１４と裏面アンテナ素子１８とは、各々の端部の近傍がビア２０，２２により接続されており、給電部１６を介した電力の供給により、表面アンテナ素子１４と裏面アンテナ素子１８とには同様の電流が流れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、平面アンテナに関する。

プリント基板上に銅箔等でアンテナ素子を形成した平面アンテナは、図５（Ａ）に示されるような直線状の半波長ダイポールアンテナが一般的によく知られている。半波長ダイポールアンテナは、使いたい波長の約半分の長さが必要であるため、例えば使いたい電波の波長が１ｍであった場合、半波長ダイポールアンテナの長さは約５０ｃｍとなり、携帯機器には適さない。

そこで、近年、平面アンテナの小型化が検討されている。平面アンテナを小型化する方法は、アンテナ素子を折り曲げることで電流の経路長を確保し、基板上に小型の平面アンテナを形成する技術がよく知られている。例えば、図５（Ａ）に示されるような長さ４６０ｍｍの半波長ダイポールアンテナを折り曲げることにより、同図（Ｂ）に示されるようなサイズ１００ｍｍ×２０ｍｍのメアンダライン形状の平面アンテナ、又は同図（Ｃ）に示されるようなサイズ１００ｍｍ×２０ｍｍのスパイラル形状の平面アンテナを形成することができる。

ところで、従来は、アンテナ近傍の誘電体の誘電率等を調整することで、アンテナの放射効率の低下を抑制してきた。

しかし、アンテナ素子を折り曲げることで、平面アンテナの長手方向の長さ（以下、アンテナ代表長という）を波長に対して十分小さくした場合、アンテナ素子の導体抵抗によって、無視できないほどのエネルギー損失が発生することがわかってきた。これにより、平面アンテナの放射効率は大きく下がる。図６は、銅箔により線幅０．５ｍｍかつ縦２０ｍｍとなるように形成したメアンダライン形状の平面アンテナの、波長に対するアンテナ代表長を変えた場合の放射効率をシミュレーションした結果を示している。横軸は波長に対するアンテナ代表長平面アンテナの放射効率は平面アンテナのアンテナ代表長を短くするとともに低下し、平面アンテナのアンテナ代表長が波長の１／５以下になると、１０％以上の放射エネルギーを損失することがわかる。この損失は、導体抵抗に起因している。

導体抵抗に起因した放射エネルギーの損失を低減させる技術としては、例えば特許文献１に、アンテナ素子の両面を誘電体で挟み込む技術、電流が多く流れる部分のアンテナ素子の線幅を太く形成する技術、及びループ状に形成したアンテナ素子を折返して、間に誘電体を挟み込む技術が提案されている。
特開２００６−２２２９１８公報

しかしながら、アンテナ素子の両面を誘電体で挟み込んだ場合、平面アンテナの厚みが増してしまい、平面アンテナを柔軟に変形させることが困難になる。

また、アンテナ素子の線幅を太く形成した場合、平面アンテナのサイズを小さくすることが困難になる。

さらに、アンテナ素子をループ状に形成して、間に薄い誘電体を挟み込む構成とすると、アンテナが電波を効率よく放射できない場合が多いことが分かっている。このため、アンテナをループ状に形成して、間に誘電体を挟み込む構成とした場合、挟み込む誘電体を厚くする必要があり、平面アンテナの厚みが増してしまう。

本発明は、上述した背景技術に基づいてなされたもので、アンテナをループ状に形成して、間に誘電体を挟み込む構成とした場合と比較して薄く構成することができると共に、放射効率の低下を抑制することが可能な平面アンテナを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、線状の導体から成る一対のアンテナ素子を平面状に配置した複数のアンテナ素子対と、前記複数のアンテナ素子対の間に配置された平面状の誘電体と、前記複数のアンテナ素子対のうち前記一対のアンテナ素子間に給電部が設けられたアンテナ素子対の両端部と前記給電部との間の各々の所定位置において、前記複数のアンテナ素子対を前記誘電体を介して層間接続する層間接続部材と、を備えている。

請求項２の発明は、請求項１に記載の平面アンテナにおいて、前記所定位置が、前記給電部近傍に設けられたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の平面アンテナにおいて、前記所定位置が、前記アンテナ素子対の両端部近傍に設けられたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の平面アンテナにおいて、前記アンテナ素子は、前記線状の導体を繰返し繰返し逆方向に折り曲げて成るメアンダライン形状であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の平面アンテナにおいて、前記アンテナ素子は、前記線状の導体を繰返し繰返し同一方向に折り曲げて成るスパイラル形状であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、平面アンテナの実効的な断面積が大きくなり、単数のアンテナ素子対を備える場合と比較して、実効的な導体抵抗が低下して、平面アンテナの放射効率を大きくすることができ、利得を向上させることができる、という効果が得られる。

請求項２の発明によれば、給電部の近傍でアンテナ素子対同士を層間接続することで、各々のアンテナ素子対に流れる電流を増やすことができ、さらに平面アンテナの放射効率を大きくすることができる、という効果が得られる。

請求項３の発明によれば、アンテナ素子対の両端部でアンテナ素子対同士を層間接続することで、各々のアンテナ素子対に流れる電流の同期をとることができる、という効果が得られる。

請求項４の発明によれば、放射効率の大きいメアンダライン形状の平面アンテナが得ることができる、という効果が得られる。

請求項５の発明によれば、放射効率の大きいスパイラル形状の平面アンテナが得ることができる、という効果が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を説明する。なお、各図において各部の形状及び縮尺は視認しやすくするために適宜変えて表示してある。

図１に示すように、平面アンテナ１０は、基板上に平面状のアンテナ素子が設けられたものであり、例えば周波数が３００ＭＨｚ、波長が１ｍの電波の送信に用いられる。

誘電体である基板１２の表面１２ａには、対称に形成されたアンテナ素子対である第１の表面アンテナ素子１４ａ及び第２の表面アンテナ素子１４ｂ（以下、各々を区別しない場合は、表面アンテナ素子１４という）が設けられている。表面アンテナ素子１４は銅箔により、幅がｗ、かつサイズがＬ１×Ｌ２のメアンダライン形状に形成されている。例えば、ｗは０．５ｍｍ、Ｌ１は１００ｍｍ、Ｌ２は２０ｍｍとする。表面アンテナ素子１４の一方の端部は給電部１６とされており、表面アンテナ素子１４は給電部１６を介して電力を供給するための給電線（図示は省略）と接続されるようになっている。なお、給電はバラン（図示は省略）を介して行われる。また、給電線側と表面アンテナ素子１４側とのインピーダンスは、インピーダンス整合部（図示は省略）によって整合されるようになっている。

基板１２の裏面１２ｂには、第１の表面アンテナ素子１４ａと同一の形状の第１の裏面アンテナ素子１８ａ、及び第２の表面アンテナ素子１４ｂと同一の形状の第２の裏面アンテナ素子１８ｂ（以下、各々を区別しない場合は、裏面アンテナ素子１８という）が、基板１２を介して表面アンテナ素子１４と対称に設けられている。

第１の表面アンテナ素子１４ａと第１の裏面アンテナ素子１８ａとは、給電部１６（一方の端部）の近傍が層間接続手段であるビア２０により接続されると共に、他方の端部がビア２２により接続されることにより電気的に接続されている。また、第２の表面アンテナ素子１４ｂと第２の裏面アンテナ素子１８ｂとは、給電部１６（一方の端部）の近傍がビア２４により接続されると共に、他方の端部がビア２６により接続されることにより電気的に接続されている。

ところで、図１に示されるように、第１の裏面アンテナ素子１８ａの一方の端部と、第２の裏面アンテナ素子１８ｂの一方の端部とは接続されないように構成される。これにより、平面アンテナ１０のアンテナ素子がループ状になることはなく、基板の厚さを薄くした場合でも平面アンテナ１０は放射する。このように、平面アンテナ１０の厚みＤは、例えば０．１ｍｍとすることができる。

次に、図２を参照して、表面アンテナ素子１４及び裏面アンテナ素子１８に流れる電流について説明する。なお、図２では、表面アンテナ素子１４及び裏面アンテナ素子１８を簡略化して直線状に表している。図２（Ａ）は、平面アンテナ１０を基板１２の表面１２ａ側から見た斜視図であり、同２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。

図２（Ｂ）は、裏面アンテナ素子１８には、表面アンテナ素子１４に流れる電流と同じ向きの電流が流れることを示している。すなわち、表面アンテナ素子１４に矢印Ａ１の方向に電流が流れているとき、裏面アンテナ素子１８にも矢印Ａ１の方向に電流が流れており、表面アンテナ素子１４に矢印Ａ２の方向に電流が流れているとき、裏面アンテナ素子１８にも矢印Ａ２の方向に電流が流れている。また、表面アンテナ素子１４に流れる電流の向きが変わるときに同期して、裏面アンテナ素子１８に流れる電流の向きが変わる。

このように、給電部１６を介して行われる電力の供給によって、表面アンテナ素子１４と裏面アンテナ素子１８とには同様の電流が流れる。これにより、平面アンテナ１０の実効的な断面積が大きくなり、基板の一方の面のみにアンテナ素子を設けた場合と比較して、実効的な導体抵抗が低下し、放射効率が大きくなって、利得が向上する。

なお、本実施の形態では、アンテナ素子の各々の端部の近傍にビアを設けることで表面のアンテナ素子と裏面のアンテナ素子とが電気的に接続される構成を例に挙げたが、各アンテナ素子は、少なくとも１箇所で表面と裏面とが接続されていればよく、少なくとも給電部の近傍で接続されているとよい。給電部の近傍で表面のアンテナ素子と裏面のアンテナ素子と接続することで、基板の裏面側に誘起される磁界をより大きくすることができる。また、他方の端部をビアで接続することにより、表面のアンテナ素子に流れる電流と裏面のアンテナ素子に流れる電流との同期をとることができる。また、ビアは、各アンテナ素子の端部の近傍以外の複数箇所にさらに設けてもよい。

次に、図３を参照して、基板の表面のみにアンテナ素子を設けた１層構造の平面アンテナの放射パターンと、基板の両面にアンテナ素子を設けた場合の２層構造の平面アンテナの放射パターンとを比較する。

平面アンテナが１層構造の場合の放射パターンは１Ａで示される。

これに対し、平面アンテナが２層構造の場合の放射パターンは２Ａ，２Ｂ，２Ｃで示される。２Ａは、表面アンテナ素子と裏面アンテナ素子とを、図１で示された平面アンテナ１０と同様に４箇所で接続した場合の放射パターンを示し、２Ｂは、表面アンテナ素子と裏面アンテナ素子とを５０箇所で接続した場合の放射パターンを示し、２Ｃは、表面アンテナ素子と裏面アンテナ素子とを２０２箇所で接続した場合の放射パターンを示す。何れの場合も、平面アンテナが１層構造の場合と比較して利得が３〜４ｄＢ向上していることがわかる。

このように、本実施の形態にかかる平面アンテナは、表面に設けたアンテナ素子と同様のアンテナ素子を裏面にも設け、給電部の近傍で表面のアンテナ素子と裏面のアンテナ素子とを接続することにより、平面アンテナのサイズを電波の波長に対して十分小さく小型化し、かつ平面アンテナの厚さを薄くした場合でも、平面アンテナを小型化しない場合と同程度の高い利得で電波を送信することができる。

また、平面アンテナのサイズを電波の波長に対して十分小さく小型化し、かつ平面アンテナの厚さを薄くすることで、平面アンテナは柔軟に変形させて用いることができるようになる。

次に、アンテナ素子のサイズをさらに小さくする場合について説明する。平面アンテナを３層以上の多層構造にすることにより、１枚の基板の両面にアンテナ素子を設ける２層構造の平面アンテナより、アンテナ素子のサイズを小さくすることができる。

例えば図４は、３層構造の平面アンテナ５０を示している。なお、図４では、各アンテナ素子を簡略化して直線状に表している。図４（Ａ）は、平面アンテナ５０を表面側から見た斜視図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。

第１の基板５２の表面５２ａには、給電部５４を中心に対称に形成された第１のアンテナ素子５６が設けられている。

第１の基板５２の裏面５２ｂには、第１のアンテナ素子５６と同一の形状の第２のアンテナ素子５８が、第１の基板５２を挟んで第１のアンテナ素子５６と対称に設けられている。

第１の基板５２の裏面５２ｂ側には第２の基板６０が設けられている。第２のアンテナ素子５８は、第１の基板５２の裏面５２ｂと第２の基板６０の表面６０ａとの間に挟まれる。

第２の基板６０の裏面６０ｂには、第１の表面アンテナ素子５６と同一の形状の第３のアンテナ素子６２が、第１の基板５２及び第２の基板６０を挟んで第１のアンテナ素子５６と対称に設けられている。

第１のアンテナ素子、第２のアンテナ素子、及び第３のアンテナ素子の各々は、各々の端部の近傍に設けられたビア６４により電気的に接続されている。なお、図４には、第１のアンテナ素子、第２のアンテナ素子、及び第３のアンテナ素子の各々が同じ箇所で接続される場合が図示されているが、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子が接続される箇所と、第２のアンテナ素子と第３のアンテナ素子が接続される箇所とは異なっていてもよい。

なお、上記では３層構造の平面アンテナを例に挙げて説明したが、アンテナ素子のサイズの要件に応じて、４層以上の多層構造の平面アンテナを構成してもよい。

また、本実施の形態ではアンテナ素子の形状がメアンダライン形状の場合の説明のみを行ったが、例えば図５（Ｃ）に示されるようなスパイラル形状であっても、表面に設けたアンテナ素子と同様のアンテナ素子を裏面にも設け、給電部の近傍で表面のアンテナ素子と裏面のアンテナ素子とを接続することにより、メアンダライン形状の場合と同様に、平面アンテナを小型化しない場合と同程度の高い利得で電波を送信することができる。

また、本実施の形態では、送信用の平面アンテナについての説明のみを行ったが、本発明の構成は受信用の平面アンテナに適用してもよい。

本実施の形態にかかる平面アンテナの概略構成図である。 本実施の形態にかかる平面アンテナの断面図である。 本実施の形態にかかる平面アンテナによる放射パターンを示す。 本実施の形態にかかる平面アンテナの変形例の要部の断面図である。 平面アンテナの例であり、（Ａ）は半波長ダイポールアンテナ、（Ｂ）はメアンダライン形状のアンテナ、（Ｃ）はスパイラル形状のアンテナを示す。 アンテナの代表長と放射効率との関係を示す。

符号の説明

１０ 平面アンテナ
１２ 基板
１４ 表面アンテナ素子
１６ 給電部
１６ 表面アンテナ素子
１８ 裏面アンテナ素子
２０，２２，２４，２６ ビア

Claims (5)

1. 線状の導体から成る一対のアンテナ素子を平面状に配置した複数のアンテナ素子対と、
   前記複数のアンテナ素子対の間に配置された平面状の誘電体と、
   前記複数のアンテナ素子対のうち前記一対のアンテナ素子間に給電部が設けられたアンテナ素子対の両端部と前記給電部との間の各々の所定位置において、前記複数のアンテナ素子対を前記誘電体を介して層間接続する層間接続部材と、
   を備えた平面アンテナ。
2. 前記所定位置が、前記給電部近傍に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の平面アンテナ。
3. 前記所定位置が、前記アンテナ素子対の両端部近傍に設けられたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の平面アンテナ。
4. 前記アンテナ素子は、前記線状の導体を繰返し繰返し逆方向に折り曲げて成るメアンダライン形状であることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の平面アンテナ。
5. 前記アンテナ素子は、前記線状の導体を繰返し繰返し同一方向に折り曲げて成るスパイラル形状であることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の平面アンテナ。