JP2009017515A

JP2009017515A - アンテナ装置

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Publication number: JP2009017515A
Application number: JP2007180354A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kuroda; 慎一黒田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-07-09
Filing date: 2007-07-09
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2027-07-09
Also published as: US7847737B2; US20090015499A1; CN101345347A; JP4821722B2

Abstract

【課題】パッチ・アンテナ部の周囲に共振特性を持つＡＭＣ素子を装荷することによって表面波伝搬を抑制して、効率のよい利得向上を達成する。
【解決手段】放射導体板と地導体板との間の電界強度がほぼ最大となる給電点オフセット方向の両端縁付近の領域にＡＭＣ素子を装荷することによって、地導体端部に向けて流れ出るＴＭモード（表面波伝搬）を効果的に抑制する。一方、それ以外の領域ではＡＭＣ素子を配置しない絶縁性の領域を敷設することによって、ＡＭＣ素子の装荷によって新たに発生する不要輻射源を最小限に抑制するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線信号の送受信に用いられるアンテナ装置に係り、特に、絶縁性物質を介在物として放射導体と地導体板とを対向して配置することにより構成したパッチ・アンテナ構成のアンテナ装置に関する。

さらに詳しくは、本発明は、アンテナ基板上に発生する表面波に起因する不要電磁波の放射を抑制し、それによる放射パターンの歪みを低減したアンテナ装置に係り、特に、パッチ・アンテナ部の周囲に共振特性を持つＡＭＣ素子を装荷して表面波伝搬を抑制するアンテナ装置に関する。

電波通信方式を利用した無線通信では、空中線（アンテナ）に電流を流した際に発生する放射電界を利用して信号を伝搬させるものである。アンテナにはさまざまな形式があるが、特に薄型の要求に応えるものとして、絶縁性物質を介在物として放射導体と地導体板とを対向して配置することにより構成したアンテナ装置、すなわちマイクロストリップ・パッチ・アンテナ（以下では単に「パッチ・アンテナ」と略す）が挙げられる。

図６には、パッチ・アンテナの構成例を示している。放射導体板の形状としては、図示のように矩形、若しくは円形が用いられる。絶縁性物体には誘電体が用いられ、その厚みは概ね、無線周波数の波長の１／１０以下とされ、ゆえに薄型である。実際の製造においては、両面銅張りの誘電体基板をエッチング加工して製作されることが多いので、製造が容易であり、又は回路基板との一体化が容易である。

このような構成のマイクロストリップ・パッチ・アンテナによれば、最低次モード（矩形の場合はＴＭ₁₀−ｍｏｄｅ）で励振された場合の放射指向性は、概ねｚ軸方向の単方向性を示し、数ｄＢｉ程度の指向性利得が得られる。また、給電点は放射導体の中心より若干オフセットした位置に設けられ、オフセット方向（すなわち図中のｘ軸方向）の電流成分が増加することによって、放射電界が発生し、定在波が励振される。そして、このオフセット長を調節することにより、５０オームに整合をとることが可能である。

また、例えば、誘電体を挟んで接地導体部と対向するようにパッチ・アンテナ部が配置され、誘電体の厚みを貫通するように同軸ケーブルの中心導体が接地導体板の開口部から挿入され、中心導体がパッチ・アンテナ部のＰ点で電気的に接続され、このＰ点を給電点として電波を送信し、また受信するように構成された平面アンテナについて提案がなされており（例えば、特許文献１を参照のこと）、パッチ・アンテナ部に同軸ケーブルを接続する際に、同軸ケーブルの中心導体を直接誘電体に挿通して給電ポイントに半田付けなどで接続することができるので、アンテナ構造を簡単にするとともに、製造原価を低下することができる。

また、地導体板に開口を設け、地導体板背面よりこの開口を通じて電磁界結合的に給電を行なう構成も採り得る。

ところで、パッチ・アンテナなどの平面アンテナでは、アンテナ基板に表面波（地導体板表面を伝搬する電磁波）が発生し、その表面波がアンテナ基板端部まで伝搬してアンテナ基板端部から不要電磁波（表面波に起因する不要電磁波）が放射され、アンテナから放射される放射パターンを歪めるという問題がある。また、表面波に起因する不要電磁波が周囲の回路基板や別のアンテナ基板に放射され、そこで混信が発生したり半導体素子の誤動作を引き起こしたりするという問題も招来する。

これに対し、アンテナ基板上に表面波の伝搬を抑制する機構を配設するという解決方法が知られている。表面波伝搬を抑制する機構として、ＨｉｇｈＩｍｐｅｄａｎｃｅＳｕｒｆａｃｅ若しくはＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＭａｇｎｅｔｉｃＣｏｎｄｕｃｔｏｒと呼ばれるものがある（以下では、単に「ＡＭＣ」と略す）。例えば、地導体板上に共振特性を持つＡＭＣ素子を周期的に配置することによって、表面波の伝搬を抑制することができる。

図７には、ＡＭＣ素子を活用した平面アンテナの構成例（断面図）を示している（例えば、特許文献２、非特許文献１を参照のこと）。個々のＡＭＣ素子はプレート状導体がポスト状導体で支持された画鋲型であり、パッチ・アンテナの周囲に画鋲型のＡＭＣ素子を多数配置することで、地導体端部に到達して不要輻射（エッジを２次波源点とする散乱）の原因となる表面波伝搬を抑制する。余分な不要輻射を抑制することによって、所望方向（＝パッチ正面方向、図７では紙面上方向）の利得を高めるという効果が期待される。

図７は断面図であるため判り難いが、プレート状導体がポスト状導体で支持された画鋲型のＡＭＣ素子がパッチ・アンテナの周囲に２次元的に周期的に配列されている。そして、ポスト状導体によるインダクタンス成分とプレート状導体間のキャパシタンス成分とで共振が引き起こされ、この結果、中央のパッチ・アンテナで発生した表面波の周縁への伝搬が抑制される。

しかしながら、実際には、上記の共振特性を持つ画鋲型ＡＭＣ素子を放射導体板の全周囲にわたって配置すると、かえって利得が低下してしまう周波数が存在することが、本発明者らによる電磁界シミュレーションによって判った。ＡＭＣ素子は、本来は地導体端部に向けて流れ出る表面波伝搬を抑制することを目的とするが、ＡＭＣ素子を装荷することによって新たに不要輻射源が出現することが利得低下の主な理由と考えられる。

図８には、電磁界シミュレーションによる結果の一例として、ＡＭＣ素子を全周囲にわたって配置したパッチ・アンテナの指向性利得の周波数特性を、ＡＭＣ素子を周囲に配置しない従来のパッチ・アンテナと比較して示している。なお、同シミュレーションはパッチ・アンテナのインピーダンス整合周波数を概ね８ＧＨｚに設定しており、したがって、その主要な動作帯域も８ＧＨｚ近傍である。図８によれば、従来のパッチ・アンテナ構成よりも利得が向上した周波数は存在するものの、本来の動作帯域である８ＧＨｚ近傍ではむしろ利得が低下していることが判る。

また、図９には、７．９ＧＨｚにおける放射パターンのシミュレーション結果を、ＡＭＣ素子を周囲に配置しない従来のパッチ・アンテナと比較して示している。同図から、共振特性を持つＡＭＣ素子を全周囲にわたって装荷したパッチ・アンテナの場合、特にＨ面（φ＝９０度面）で、正面方向の利得が抑圧されていることが判る。

特開平１１−１０３２１３号公報米国特許第６２６２４９５号明細書ＤａｎＳｉｅｖｅｎｐｉｐｅｒ，ｅｔａｌ．"Ｈｉｇｈ−ＩｍｐｅｄａｎｃｅＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＳｕｒｆａｃｅｓｗｉｔｈａＦｏｒｂｉｄｄｅｎＦｒｅｑｕｅｎｃｙＢａｎｄ"（ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭｉｃｒｏｗａｖｅＴｈｅｏｒｙＡｎｄＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．１１，ｐｐ．２０５９−２０７４）

本発明の目的は、絶縁性物質を介在物として放射導体と地導体板とを対向して配置することにより構成したパッチ・アンテナ構成の優れたアンテナ装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、アンテナ基板上に発生する表面波に起因する不要電磁波の放射を抑制し、それによる放射パターンの歪みを低減した、優れたアンテナを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、パッチ・アンテナ部の周囲に共振特性を持つＡＭＣ素子を装荷することによって表面波伝搬を抑制して、効率のよい利得向上を達成することができる、優れたアンテナを提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、絶縁性物質を介在物として放射導体と地導体板が対向して配置され、且つ、前記放射導体の中心より若干オフセットした位置に給電点が設けられ、前記放射導体と前記地導体板との間に高周波電界が供給されるパッチ・アンテナ部と、
放射導体板端部のうち電界強度が概ね最大となる前記給電点のオフセット方向の外周囲領域に表面波伝搬を抑制するための表面波伝搬抑制機構が装荷された表面波伝搬抑制領域と、
前記放射導体板と前記地導体板との間の電界強度が相対的に低くなるそれ以外の範囲であって表面波伝搬抑制機構が配置されない絶縁性領域と、
を具備することを特徴とするアンテナ装置である。

薄型の要求に応えるアンテナとして、絶縁性物質を介在物として放射導体と地導体板とを対向して配置することにより構成したパッチ・アンテナが挙げられる。パッチ・アンテナは、製造が容易であり、回路基板との一体化が容易であるという利点もある。また、パッチ・アンテナは、最低次モードで励振された場合の放射指向性は、概ねｚ軸方向の単方向性を示し、数ｄＢｉ程度の指向性利得が得られる。

パッチ・アンテナなどの平面アンテナでは、アンテナ基板に表面波が発生し、その表面波がアンテナ基板端部まで伝搬してアンテナ基板端部から不要電磁波が放射され、アンテナから放射される放射パターンを歪めるという問題がある。これに対し、アンテナ基板上の表面波伝搬を抑制するために、パッチ・アンテナ部の周囲に共振特性を持つＡＭＣ素子を周期的に配置することによって、表面波の伝搬を抑制するというアンテナ構成が提案されている。

しかしながら、共振特性を持つＡＭＣ素子などの表面波伝搬抑制機構を放射導体板の全周囲にわたって配置すると、かえって利得が低下してしまう周波数が存在することや、正面方向の利得が抑圧されることが、本発明者らのシミュレーションにより判明した。

そこで、本発明に係るアンテナ装置では、表面波伝搬抑制機構をパッチ・アンテナ部の周囲の適切な領域にのみ配置することによって、本来の動作帯域での利得の低下や正面方向の利得の低下を招来することなく、表面波伝搬による不要電磁波の放射を抑制して、効率のよい利得向上を実現することができる。

ここで、表面波伝搬抑制機構は、プレート状導体がポスト状導体で支持された画鋲型の構造からなる共振特性を持つＡＭＣ素子を用いることができる。

アンテナ装置は、パッチ・アンテナ部における給電点のオフセット方向（すなわちｘ軸方向）に電流分布を持ち、ｘ軸方向の両端縁において帯電量すなわち電界強度が最大となる。本発明では、このような電界強度がほぼ最大となる領域（すなわちオフセット方向の両端縁）にはＡＭＣ素子を装荷することによって、地導体端部に向けて流れ出るＴＭモード（表面波伝搬）を効果的に抑制するようにした。一方、それ以外の領域ではＡＭＣ素子を配置しない（すなわち、絶縁性の領域を敷設する）ことによって、ＡＭＣ素子の装荷によって新たに発生する不要輻射源を最小限に抑制するようにした。

本発明によれば、絶縁性物質を介在物として放射導体と地導体板とを対向して配置することにより構成したパッチ・アンテナ構成の優れたアンテナ装置を提供することができる。

また、本発明によれば、アンテナ基板上に発生する表面波に起因する不要電磁波の放射を抑制し、それによる放射パターンの歪みを低減した、優れたアンテナを提供することができる。

また、本発明によれば、パッチ・アンテナ部の周囲に共振特性を持つＡＭＣ素子を装荷することによって表面波伝搬を抑制して、効率のよい利得向上を達成することができる、優れたアンテナを提供することができる。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。

図１には、本発明の一実施形態に係るアンテナ装置の構成を示している。図示のアンテナ装置は、絶縁性物質を介在物として放射導体と地導体板とを対向して配置してなるパッチ・アンテナ部の周囲に表面波伝搬抑制機構が配設された構造となっている。

パッチ・アンテナ部では、放射導体の中心より若干オフセットした位置に給電点が設けられ、給電点のオフセット方向すなわち図中のｘ軸方向の電流成分が増加することによって、放射電界が発生し、定在波が励振される。そして、このオフセット長を調節することにより、５０オームに整合をとることが可能である。図示の例では、両面銅張りの誘電体基板にエッチング加工を施すことによって、パッチ・アンテナ部が構成されている。

また、表面波伝搬抑制機構は、例えば特許文献２や非特許文献１に開示されているような、プレート状導体がポスト状導体で支持された画鋲型の構造からなる共振特性を持つＡＭＣ素子として構成されている。各ＡＭＣ素子も、両面銅張りの誘電体基板にエッチング加工を施すことによって構成されている。なお、ポスト状導体は、図１では絶縁性物体の内部に隠れて見えない。

ＡＭＣ素子からなる表面波伝搬抑制機構をパッチ・アンテナの周囲に装荷することによって、地導体端部に向けて流れ出るＴＭモード（表面波伝搬）を抑制し、アンテナ基板端部から不要電磁波（表面波に起因する不要電磁波）の放射を低減することができる。ところが、ＡＭＣ素子を装荷することによって新たに不要輻射源が出現することから、かえって利得が低下してしまう周波数が存在することが懸念される。

アンテナ装置は、パッチ・アンテナ部における給電点のオフセット方向（すなわちｘ軸方向）に電流分布を持ち、ｘ軸方向の両端縁において帯電量すなわち電界強度が最大となる。このように放射導体板端部のうち電界強度が概ね最大となる端部の周囲（ｘ軸方向の外周囲領域）では、表面波伝搬を効果的に抑制するためには、ＡＭＣ素子を装荷すべき領域となる。

他方、放射導体板と地導体板との間の電界強度が相対的に低い、それ以外の領域では、ＡＭＣ素子を装荷しても、表面波伝搬を抑制する効果はさほど期待できない半面、新たな不要輻射源となることが懸念される。そこで、図１に示すように、ｘ軸方向の外周囲領域以外ではＡＭＣ素子を装荷しない（エッチングにより導体を除去した）絶縁性の領域を形成することによって、新たな不要輻射源の出現を抑制している。

図２には、図１に示したアンテナ装置の指向性利得の周波数特性を、ＡＭＣ素子を周囲に配置しない従来のパッチ・アンテナと比較して示している。但し、同シミュレーションはパッチ・アンテナのインピーダンス整合周波数を概ね８ＧＨｚに設定しており、したがって、その主要な動作帯域も８ＧＨｚ近傍である。同図から、図１に示したようなＡＭＣ素子をパッチ・アンテナ部の周囲に部分的に配置したアンテナ装置は、従来のパッチ・アンテナ構成よりも約１〜２ｄＢほど利得が上回る結果を得ていることが分かる。

また、図３には、図１に示したアンテナ装置の７．９ＧＨｚにおける放射パターンのシミュレーション結果を、ＡＭＣ素子を周囲に配置しない従来のパッチ・アンテナと比較して示している。同図によれば、図１に示したようなＡＭＣ素子をパッチ・アンテナ部の周囲に部分的に配置したアンテナ装置によれば、放射パターンの形状が乱れることがなく、エッジ散乱に起因する背面方向の放射が抑制されており、この結果、正面方向の利得が向上している様子が分かる。

上述したように、本発明に係るアンテナ装置は、放射導体板端部のうち電界強度が概ね最大となるｘ軸方向の外周囲領域に表面波伝搬を抑制するためのＡＭＣ素子を装荷することと、放射導体板と地導体板との間の電界強度が相対的に低くなるそれ以外の領域にＡＭＣ素子を配置しないで絶縁性の領域を形成することによって、新たな不要輻射源の出現を抑制していることに特徴がある。但し、パッチ・アンテナの周囲におけるＡＭＣ素子の配置方法は図１に限定されるものではない。

図４並びに図５には、放射導体板端部のうち電界強度が概ね最大となるｘ軸方向の外周囲領域にのみＡＭＣ素子を配置したアンテナ装置の他の構成例とその指向性利得の周波数特性を、これらとは同形状となるＡＭＣ素子を周囲に配置しない従来のパッチ・アンテナの周波数特性と比較して示している。但し、同シミュレーションはパッチ・アンテナのインピーダンス整合周波数を概ね８ＧＨｚに設定しており、したがって、その主要な動作帯域も８ＧＨｚ近傍である。各図から、ＡＭＣ素子をパッチ・アンテナ部の周囲に部分的に配置したアンテナ装置は、従来のパッチ・アンテナ構成よりも利得が上回る結果を得ていることが分かる。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本発明の要旨は、電界強度が概ね最大となる端部の周囲にのみ部分的にＡＭＣ素子を配置することにあるが、図１、図４、図５に示したような特定の配置方法に限定するものではない。

また、本明細書では、表面波伝搬抑制機構として、主にプレート状導体がポスト状導体で支持された画鋲型のＡＭＣ素子を挙げて説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。例えば、ポスト状導体を用いずにプレート状導体にテクスチャを施したタイプのＡＭＣ素子（例えば、ＤｏｕｇｌａｓＪ．Ｋｅｒｎ，ｅｔａｌ．“ＴｈｅＤｅｓｉｇｎＳｙｎｔｈｅｓｉｓｏｆＭｕｌｔｉｂａｎｄＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＭａｇｎｅｔｉｃＣｏｎｄｕｃｔｏｒｓＵｓｉｎｇＨｉｇｈＩｍｐｅｄａｎｃｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｅｌｅｃｔｉｖｅＳｕｒｆａｃｅｓ”（ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＡｎｔｅｎｎａｓａｎｄＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．５３，Ｎｏ．１，ｐｐ．８−１７）を参照のこと）を適用することもできる。

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

図１は、本発明の一実施形態に係るアンテナ装置の構成を示した図である。図２は、図１に示したアンテナ装置の指向性利得の周波数特性を、ＡＭＣ素子を周囲に配置しない従来のパッチ・アンテナと比較して示した図である。図３は、図１に示したアンテナ装置の７．９ＧＨｚにおける放射パターンのシミュレーション結果を、ＡＭＣ素子を周囲に配置しない従来のパッチ・アンテナと比較して示した図である。図４は、放射導体板端部のうち電界強度が概ね最大となるｘ軸方向の外周囲領域にのみＡＭＣ素子を配置したアンテナ装置の他の構成例とその指向性利得の周波数特性を、これらとは同形状となるＡＭＣ素子を周囲に配置しない従来のパッチ・アンテナの周波数特性と比較して示した図である。図５は、放射導体板端部のうち電界強度が概ね最大となるｘ軸方向の外周囲領域にのみＡＭＣ素子を配置したアンテナ装置の他の構成例とその指向性利得の周波数特性を、これらとは同形状となるＡＭＣ素子を周囲に配置しない従来のパッチ・アンテナの周波数特性と比較して示した図である。図６は、パッチ・アンテナの構成例を示した図である。図７は、ＡＭＣ素子を活用した平面アンテナの構成例（断面図）を示した図である。図８は、ＡＭＣ素子を全周囲にわたって配置したパッチ・アンテナの指向性利得の周波数特性を、ＡＭＣ素子を周囲に配置しない従来のパッチ・アンテナと比較して示した図である。図９は、７．９ＧＨｚにおける放射パターンのシミュレーション結果を、ＡＭＣ素子を周囲に配置しない従来のパッチ・アンテナと比較して示した図である。

Claims

絶縁性物質を介在物として放射導体と地導体板が対向して配置され、且つ、前記放射導体の中心より若干オフセットした位置に給電点が設けられ、前記放射導体と前記地導体板との間に高周波電界が供給されるパッチ・アンテナ部と、
放射導体板端部のうち電界強度が概ね最大となる前記給電点のオフセット方向の外周囲領域に表面波伝搬を抑制するための表面波伝搬抑制機構が装荷された表面波伝搬抑制領域と、
前記放射導体板と前記地導体板との間の電界強度が相対的に低くなるそれ以外の範囲であって表面波伝搬抑制機構が配置されない絶縁性領域と、
を具備することを特徴とするアンテナ装置。
前記表面波伝搬抑制領域には、プレート状導体がポスト状導体で支持された画鋲型のＡＭＣ素子が複数配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記表面波伝搬抑制領域には、プレート状導体にテクスチャを施したＡＭＣ素子が配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。