JP2011176495A - 複数周波アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】主偏波の利得の高い、複数の周波数帯域で利用できる複数周波アンテナを提供する。
【解決手段】複数周波アンテナ１００は、基板９９とアンテナ素子１２０，２２０とシャントインダクタ用導体１７０，２７０とシリーズキャパシタ用導体１６０（ａ，ｂ），２６０（ａ，ｂ）とシリーズインダクタ用導体１４０，２４０と接続点１９９と入出力端子１１０，２１０とから構成される。アンテナ素子１２０，２２０は基板９９上に配置してされており、シャントインダクタ用導体１７０，２７０を介して接続点１９９に電気的に接続されている。また、アンテナ素子１２０，２２０は、シリーズキャパシタ用導体１６０（ａ，ｂ），２６０（ａ，ｂ）との対向部分とキャパシタを形成し、このキャパシタとシリーズインダクタ用導体１４０，２４０を介して入出力端子１１０，２１０に電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の周波の無線信号を、高効率で送受信する機能を有する、小型の複数周波アンテナに関する。

無線ＬＡＮやブルートゥース（登録商標）等の様々な無線通信システムが普及している。これらの無線通信システムには、各々、長所と短所がある。このため、１つの無線通信システムのみを利用するのではなく、複数の無線通信システムを複合的に利用するのが一般的である。
無線通信システムによって使用する周波数帯域に違いがある。このため、複数の通信システムを利用するには、複数の周波数帯域の無線信号を送受信する必要がある。複数周波数の無線信号を送受信するためには、単周波用アンテナを複数個使用するか、複数の周波数に対応する複数周波アンテナを使用する必要がある。ただし、単周波用のアンテナを複数個用いるより複数周波アンテナを用いる方が、アンテナの小型化、簡易化、低コスト化という点において有利である。

複数周波アンテナの一例が特許文献１に開示されている。この複数周波アンテナは、導体板と、該導体板上に設けられた誘電体と、該誘電体に接し、異なる特性を有する複数のアンテナ素子と、から構成されている。複数のアンテナ素子は、互いに異なる周波数帯域で動作するので、一つのアンテナで複数の周波数帯域に対して動作することができる。

しかし、この複数周波アンテナは、複数のアンテナ素子から構成されているため、複数のアンテナ素子を設置するための大きなスペースが必要であり、アンテナが大型化してしまう。また、構成も複雑になってしまう。

一方、複数の周波数で利得の大きい、１つのアンテナ素子から構成される小型の複数周波アンテナが、本出願人によってすでに出願されている（特願２００９−１８０００９）。

この複数周波アンテナは、アンテナ素子と、アンテナ素子と接地部とを接続する第１のインダクタと、給電点と、給電点とアンテナ素子とを接続する、第２のインダクタとキャパシタとの直列回路と、を備える。
この第１と第２のインダクタのインダクタンス及びキャパシタのキャパシタンスは、複数の共振周波数を持つように予め調整されている。この複数周波アンテナは、１つのアンテナ導体で、複数の周波数に対して利得が大きい、という特徴を持つ。

特開２００５−０８６５１８号公報

しかしながら、特願２００９−１８０００９に記載の複数周波アンテナは、接地用の導体に電流が流れる可能性があった。設置用の導体に電流が流れると、ノイズやエネルギー損失が生じる。そのため、この複数周波アンテナは、この接地部を流れる電流の発生を防ぐ、という点で、改善の余地があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、複数の周波の無線信号を送受信する機能を有する、エネルギー損失の少ない、小型の複数周波アンテナを提供することを目的とする。
また、放射強度が１方向に強い、複数の周波数帯域で利用できる小型の複数周波アンテナを提供することを他の目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る複数周波アンテナは、
第１の入出力端子と、第１のアンテナ導体と、前記第１の入出力端子と前記第１のアンテナ導体とを接続する、第１のインダクタと第１のキャパシタとの直列回路と、１端を前記第１のアンテナ導体に接続された第２のインダクタと、を備え、複数の共振周波数を持つ第１のアンテナと、
第２の入出力端子と、第２のアンテナ導体と、前記第２の入出力端子と前記第２のアンテナ導体とを接続する、第３のインダクタと第２のキャパシタとの直列回路と、１端を前記第２のアンテナ導体に接続され、他端を前記第２のインダクタの他端に接続された第４のインダクタと、を備え、複数の共振周波数を持つ第２のアンテナと、
を備え、
前記第１のアンテナ導体の電波の主伝搬方向と、前記第２のアンテナ導体の電波の主伝搬方向とが、実質的に同方向である、
ことを特徴とする。

例えば、前記第１のアンテナの複数の共振周波数と、前記第２のアンテナの複数の共振周波数とは、実質的に同一である。

また、誘電体板をさらに備え、
前記第１と第２の入出力端子と前記第１と第２のアンテナ導体とは、前記誘電体板の１面に形成され、
前記第２と第４のインダクタは、誘電体板の他面に配置され、ビアを介して、前記第２のインダクタ１端は前記第１のアンテナ導体に、前記第４のインダクタの１端は前記第２のアンテナ導体に接続され、
前記第１のキャパシタは、前記第１のアンテナ導体の１部と、前記誘電体板の他面に配置され、前記第１のアンテナ導体の１部に対向する第１の導電体と、間の誘電体板と、から構成され、
前記第２のキャパシタは、前記第２のアンテナ導体の１部と、前記誘電体板の他面に配置され、前記第２のアンテナ導体の１部に対向する第２の導電体と、間の誘電体板と、から構成され、
前記第１のインダクタは、前記誘電体板の１面に配置され、１端を、ビアを介して前記第１の導電体と接続され、他端を前記第１の入出力端子に接続され、
前記第３のインダクタは、前記誘電体板の１面に配置され、１端を、ビアを介して前記第２の導電体と接続され、他端を前記第２の入出力端子に接続されてもよい。

また、前記第１と第２のアンテナ導体の主伝搬方向に配置されている、前記第１と第２のアンテナ導体が放射する電波を遮断・反射する反射器を更に備えてもよい。

例えば、前記反射器は、
前記反射器から前記第１と第２のアンテナ導体へ反射される電波と、該電波と同方向に前記第１と第２のアンテナ導体から放射される電波と、が強め合う距離に配置されている。

例えば、前記反射器は、第３のアンテナ導体と、第４のアンテナ導体と、前記第３のアンテナ導体と前記第４のアンテナ導体とを接続する第５のインダクタと、前記第３のアンテナ導体と前記第４のアンテナ導体とを接続する、第６のインダクタと第３のキャパシタの直列回路と、から構成され、
当該反射器は前記第１と第２のアンテナの複数の共振周波数と実質的に同一の複数の共振周波数を持ち、
当該反射器の電波の主伝搬方向は、前記第１と第２のアンテナの電波の主伝搬方向と、実質的に同方向である。

例えば、前記反射器は、複数の方形パターンを装荷された線路導体であり、
当該線路導体は、前記第１と第２のアンテナの主電波の電界方向に平行に延在しており、
当該反射器は、前記第１と第２のアンテナの複数の共振周波数のうち、少なくとも１つの共振周波数を持つ。

例えば、前記反射器の形状は、焦点が前記第１と第２の入出力端子近傍である曲面状である。

また、前記アンテナ導体から前記反射器に向かって斜め方向に進行する電磁波を、前記反射器方向に反射する反射導体を更に備えてもよい。

また、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとは、鏡像対称に配置されていてもよい。

本発明によれば、主偏波の利得の高い、複数の周波数帯域で利用できる複数周波アンテナを提供することができる。

本発明の実施形態１に係る複数周波アンテナの斜視図である。 図１に示す複数周波アンテナの平面図である。 図１に示す複数周波アンテナの底面図である。 図１に示す複数周波アンテナの断面図である。 図１に示す複数周波アンテナの等価回路の一部分を示す図である。 図１に示す複数周波アンテナの等価回路の全体を示す図である。 図１〜図６に示す複数周波アンテナの反射損失の周波数特性を示す図である。 （ａ），（ｂ）は図１〜図６に示す複数周波アンテナの指向性を示す図である。 本発明の実施形態２に係る複数周波アンテナの平面図である。 図９に示す複数周波アンテナの指向性を示す図である。 本発明の実施形態３に係る複数周波アンテナの平面図である。 図１１に示す複数周波アンテナの指向性を示す図である。 本発明の実施形態４に係る複数周波アンテナの平面図である。 図１３に示す複数周波アンテナの応用例を示す図である。 本発明の実施形態５に係る複数周波アンテナの平面図である。 図１５に示す複数周波アンテナの断面図である。 図９に示す複数周波アンテナの応用例を示す図である。 従来の複数周波アンテナの斜視図である。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１に係る複数周波アンテナ１００を説明する。

まず、図１〜４を参照して、実施形態１に係る複数周波アンテナ１００の構成を説明する。図１は複数周波アンテナ１００の斜視図、図２は複数周波アンテナ１００の平面図、図３は複数周波アンテナ１００の底面図、図４は、複数周波アンテナ１００の図２及び図３のＡ−Ａ’線での断面を示す断面図である。なお、図中のＸ，Ｙ，Ｚ軸は、各図に共通の方向を示す。Ｘ軸方向は、アンテン１００の高さ方向に平行、Ｙ軸は長辺方向に平行、Ｚ軸は短辺方向に平行である。

図示するように、複数周波アンテナ１００は、基板９９と、複数周波アンテナ１０１，１０２と、から構成される。

基板９９は、板状の誘電体で、例えば、ガラスエポキシ基盤（ＦＲ４）から構成される。

複数周波アンテナ１０１と複数周波アンテナ１０２は同様の構成をしており、放射する電磁波の主伝搬方向が同方向になるように、ほぼ鏡像対称に基板９９に配置されている。複数周波アンテナ１０１，１０２は、入出力端子１１０，２１０、アンテナ素子１２０，２２０、ビア１３０，１５０ａ，１５０ｂ，２３０，２５０ａ，２５０ｂ、ビア導体１５０，２５０、シリーズインダクタ用導体１４０，２４０、シリーズキャパシタ用導体１６０ａ，１６０ｂ，２６０ａ，２６０ｂ、シャントインダクタ用導体１７０，２７０から構成されている。

アンテナ素子１２０，２２０は、上底より下底が長い等脚台形の導体板と、この等脚台形の下底に接続された半円の導体板と、から構成される。アンテナ素子１２０とアンテナ素子２２０は、その等脚台形の上底が対向するように、基板９９の一方の主面に配置されている。

ビア１３０，２３０は、アンテナ素子１２０，２２０を構成する等脚台形の２本の対角線のほぼ交点を、基板９９の一方の主面から他方の主面に貫通して形成される。ビア１３０，２３０の内部には、一端部がアンテナ素子１２０，２２０に接続された導体が充填されている。

シャントインダクタ用導体１７０，２７０は、線路導体から構成され、基板９９の他方の主面上に延在し、一端がビア１３０，２３０の他端部に接続されている。シャントインダクタ用導体１７０，２７０の他端は、基板９９の他方の主面のほぼ中央の接続点１９９において、相互に接続されている。つまり、複数周波アンテナ１０１と複数周波アンテナ１０２とは、接続点１９９において、相互に接続される。

シリーズキャパシタ用導体１６０ａとシリーズキャパシタ用導体１６０ｂとは、間にシャントインダクタ用導体１７０を挟むように、基板９９の他方の主面に、アンテナ素子１２０の一部に対向して、配置されている。アンテナ素子１２０の一部とシリーズキャパシタ用導体１６０ａ，１６０ｂの対向部分と、基板９９のそれらの間に位置している部分により、アンテナ素子１２０，２２０に直列に接続されたシリーズキャパシタが形成される。
同様に、シリーズキャパシタ用導体２６０ａとシリーズキャパシタ用導体２６０ｂとは、間にシャントインダクタ用導体２７０を挟むように、基板９９の他方の主面に、アンテナ素子２２０の一部に対向して、配置されている。アンテナ素子２２０の一部とシリーズキャパシタ用導体２６０ａ，２６０ｂの対向部分と、基板９９のそれらの間に位置している部分により、アンテナ素子２２０に直列に接続されたシリーズキャパシタが形成される。

ビア導体１５０，２５０は、基板９９の一方の主面に配置され、基板９９の一方の主面から他方の主面に貫通して形成される２つのビア１５０ａ及び１５０ｂ，２５０ａ及び２５０ｂを介してシリーズキャパシタ用導体１６０ａ及び１６０ｂ，２６０ａ及び２６０ｂに接続されている。

シリーズインダクタ用導体１４０，２４０は、線路導体から構成され、基板９９の一方の主面に形成されており、その一端は、ビア導体１５０，２５０に接続されている。

入出力端子１１０，２１０は、基板９９の一方の主面のほぼ中央に、近接して形成されており、一端部をシリーズインダクタ用導体１４０，２４０の他端に接続されている。入出力端子１１０，２１０は、図示せぬ１対の給電線が接続され、差動信号を供給される。入出力端子１１０，２１０は給電点として機能し、複数周波アンテナ１００は、入出力端子１１０，２１０との間に供給された送信信号を電波として空間に放射し、受信した電波を電気信号に変換して入出力端子１１０，２１０から給電線に伝送する。

上記構成の複数周波アンテナ１００は、例えば、基板９９にビア１３０，１５０ａ，１５０ｂ，２３０，２５０ａ，２５０ｂを開口し、この開口をメッキ等で充填し、続いて、基板９９の両面に銅箔を貼り付け、銅箔をＰＥＰ（光エッチング法）等によりパターニングすることにより製造される。

上述した物理的構成を有する複数周波アンテナ１００の複数周波アンテナ１０１，１０２の電気的構成は、図５に示す等価回路で表される。
図示するように、複数周波アンテナ１０１，１０２は、電気的には、シリーズインダクタＬｓｅｒと、シリーズキャパシタＣｓｅｒと、アンテナ素子１２０，２２０の等価回路ＡＮＴと、シャントインダクタＬｓｈと、空間との結合の等価回路ＡＮＴｓと、入出力端子１１０，２１０と、接続点１９９と、から構成される。
なお、シリーズインダクタＬｓｅｒはシリーズインダクタ用導体１４０，２４０のインダクタンスに対応し、シャントインダクタＬｓｈはシャントインダクタ用導体１７０，２７０のインダクタンスに対応する。また、シリーズキャパシタＣｓｅｒは、シリーズキャパシタ用導体１６０ａ，１６０ｂ，２６０ａ，２６０ｂ等によって形成されるシリーズキャパシタに対応する。

複数周波アンテナ１０１，１０２の等価回路ＡＮＴは、アンテナ素子１２０，２２０の入力インピーダンスを右手系の線路で表現した回路であり、インダクタＬ１ａｎｔとインダクタＬ２ａｎｔとキャパシタＣａｎｔから構成される。

空間との結合の等価回路ＡＮＴｓは、アンテナ素子１２０，２２０のサイズと形状に依存し、アンテナ素子１２０，２２０と空間との結合によるインピーダンスを表現する回路である。空間との結合の等価回路ＡＮＴｓは、キャパシタＣｓと、基準インピーダンスＲｓと、インダクタＬｓから構成される。

図５に示すように、入出力端子１１０，２１０には、シリーズインダクタＬｓｅｒとシリーズキャパシタＣｓｅｒとの直列回路の一端が接続される。

シリーズインダクタＬｓｅｒとシリーズキャパシタＣｓｅｒとの直列回路の他端には、複数周波アンテナ１０１，１０２の等価回路ＡＮＴを構成するインダクタＬ１ａｎｔの一端が接続される。インダクタＬ１ａｎｔの他端には、キャパシタＣａｎｔの一端とインダクタＬ２ａｎｔの一端が接続される。キャパシタＣａｎｔの他端は、接続点１９９に接続される。

シャントインダクタＬｓｈの一端は、インダクタＬ２ａｎｔの他端に接続される。シャントインダクタＬｓｈの他端は、接続点１９９に接続される。

空間との結合の等価回路ＡＮＴｓのキャパシタＣｓの一端が、インダクタＬ２ａｎｔの他端とシャントインダクタＬｓｈの一端との接続点に接続される。キャパシタＣｓの他端には、インダクタＬｓの一端と基準インピーダンスＲｓの一端が接続される。インダクタＬｓの他端と基準インピーダンスＲｓの他端は、接続点１９９に接続される。

空間との結合の等価回路ＡＮＴｓにおけるキャパシタＣｓのキャパシタンスとインダクタＬｓのインダクタンスは、アンテナ素子１２０，２２０を内包する球の半径ａと基準インピーダンスＲｓに依存し、次の式（１）と（２）で表される。
Ｃｓ＝ａ／（ｃ×Ｒｓ） ・・・（１）
Ｌｓ＝（ａ×Ｒｓ）／ｃ ・・・（２）
ここで、Ｃｓ：キャパシタＣｓのキャパシタンス［Ｆ］
Ｌｓ：インダクタＬｓのインダクタンス［Ｈ］
Ｒｓ：基準インピーダンスＲｓの抵抗値［Ω］
ａ：アンテナ素子を内包する球の半径［ｍ］
ｃ：光速［ｍ／ｓ］

複数周波アンテナ１０１，１０２は、上述したように、接続点１９９によって相互に接続されている。同様に、複数周波アンテナ１０１，１０２からなる複数周波アンテナ１００の等価回路も、図６に示すように接続点１９９によって相互に接続された構成をし、入出力端子１１０，２１０に、図示せぬ１対の給電線が接続されている。

複数周波アンテナ１００は、図６の等価回路において、複数周波アンテナ１００で用いるそれぞれ周波数において、入力インピーダンスの虚数部が０に、実部が５０Ωになるように、シャントインダクタ用導体１７０，２７０、シリーズキャパシタ用導体１６０ａ，１６０ｂ，２６０ａ，２６０ｂ、シリーズインダクタ用導体１４０，２４０のパターンを調整される。
本実施形態では、２．５ＧＨｚと５，２ＧＨｚの２つの周波数で、入力インピーダンスの虚数部が０に、実部が５０Ωになるように、各パターンが調整されている。

なお、アンテナ素子１２０，２２０の空間との結合の等価回路ＡＮＴｓの各インダクタのインダクタンス及びキャパシタのキャパシタンスは、上述した式（１）、（２）により求められる。

次に、上記物理的構成及び電気的構成を有する複数周波アンテナ１００の反射損失の周波数特性について説明する。

複数周波アンテナ１００の反射損失の周波数特性を図７に示す。この特性は、シャントインダクタＬｓｈのインダクタンスを５．１ｎＨ、シリーズキャパシタＣｓｅｒのキャパシタンスを０．１６ｐＦ、シリーズインダクタＬｓｅｒのインダクタンスを５．７ｎＨに、設定し、２．５ＧＨｚと５．２ＧＨｚにおいての入力インピーダンスを５０Ωに調整したときの、複数周波アンテナ１００の反射損失の周波数特性である。
また、図７の横軸は周波数（ＧＨｚ）、縦軸は反射損失Ｓ１１（ｄＢ）を示す。

複数周波アンテナ１００は、上述したように、その等価回路において２．５ＧＨｚと５．２ＧＨｚにおいて、入力インピーダンスの虚数部が０になっており、この周波数において共振し、利得が大きくなる。そのため、本実施形態では、図７に示すように、２．５ＧＨｚ付近と、５．２ＧＨｚ付近の２つの周波数帯域において、反射損失Ｓ１１が−１０ｄＢ以下になっている。従って、複数周波アンテナ１００は、２．５ＧＨｚと５．２ＧＨｚの２つの周波数において、十分な利得を得ることができる複数周波アンテナとして機能する。

次に、上記物理的構成及び電気的構成を有する複数周波アンテナ１００の偏波特性について説明する。なお理解を容易にするために、特願２００９−１８０００９に記載の多周波アンテナ９００の偏波と比較して説明する。なお、多周波アンテナ９００は、本発明の複数周波アンテナ１０１，１０２に対応する。

多周波アンテナ９００は、図１８に示すように、基板９０１と、給電点９１０と、アンテナ素子９２０と、ビア９３０，９５０と、シリーズインダクタ用導体９４０と、シリーズキャパシタ用導体９６０と、シャントインダクタ用導体９７０と、接地部９８０と、から構成されている。

給電点９１０は入出力端子１１０に、アンテナ素子９２０はアンテナ素子１２０に、ビア９３０，９５０はビア１３０，１５０ａ，１５０ｂに、シリーズインダクタ用導体９４０はシリーズインダクタ用導体１４０に、シリーズキャパシタ用導体９６０はシリーズキャパシタ用導体１６０ａ，１６０ｂに、シャントインダクタ用導体９７０はシャントインダクタ用導体１７０に、それぞれ対応する。

接地部９８０は、基板９０１の一辺部の一方の主面に配置されたグランド導体９８１と、基板９０１の一辺部の他方の主面に配置されたグランド導体９８３と、グランド導体９８１とグランド導体９８３とを接続する複数のビア９８２と、から構成され、接地されている。

多周波アンテナ９００は、複数周波アンテナ１０１，１０２と同様に、図５に示した等価回路で表され、２．５ＧＨｚと５．２ＧＨｚの２つの周波数において入力インピーダンスの虚部が０になるように調整されている。

この多周波アンテナ９００の偏波の特性と、複数周波アンテナ１００の偏波の特性は、それぞれ図８（ａ），（ｂ）に示すようになる。
図８（ａ）は、多周波アンテナ９００の２．５ＧＨｚと５．２ＧＨｚにおける主偏波と交差偏波の放射パターンを、図８（ｂ）は、複数周波アンテナ１００の２．５ＧＨｚと５．２ＧＨｚにおける主偏波と交差偏波の放射パターンを示したものである。
なお、図８（ａ），（ｂ）における放射パターンは、図１乃至図４のＸ−Ｚ平面の複数周波アンテナ１００の利得を示している。ただし、＋Ｚ軸方向を０度，＋Ｘ軸方向を９０度としている。

多周波アンテナ９００は、アンテナ素子９２０にＹ軸方向の電流が流れることによって発生する主偏波に加え、接地部９８０においてＺ軸方向に流れる電によって発生する交差偏波も送信される。そのため、図８（ａ）に示すように、主偏波と交差偏波との利得の差が、角度によって、は５ｄＢ以下になっている。

複数周波アンテナ１００は、アンテナ素子１２０，２２０に、Ｙ軸方向の電流が流れることによって、Ｘ−Ｚ平面に、概ねＹ軸方向の電界を有する主偏波が送信される。複数周波アンテナ１００は、多周波アンテナ９００と違い接地部９８０に対応するものがないため、交差偏波が多周波アンテナ９００に比べて少ない。
そのため、図８（ｂ）に示すように、Ｘ−Ｚ平面における全ての角度で、主偏波と交差偏波の利得の差が５ｄＢ以上になっている。また、交差偏波が少なく、複数周波アンテナ１００に供給される電力の大部分が主偏波に変換されるため、主偏波の利得が、多周波アンテナ９００に比べて大きくなっている。

従って、複数周波アンテナ１００は、２．５ＧＨｚと５．２ＧＨｚの２つの周波数において、単一偏波に近い電磁波を発生させることができ、入力された電力を高効率で主偏波に変換可能な、複数周波アンテナとして機能する。

以上説明したように、本発明の第１の実施形態にかかる複数周波アンテナ１００によれば、所望の複数の周波数に対して、単一偏波に近い電磁波の送受信を行うことができる複数周波アンテナを提供できる。

以上で説明をした構成例では、２．５ＧＨｚと５．２ＧＨｚの２つの周波数帯に利得が得られる構成を示した。この実施形態は、これに限定されない。

例えば、任意の２つの周波数帯の組み合わせに対応可能である。前述のように、アンテナ素子１２０，２２０の等価回路ＡＮＴ及び空間との結合の等価回路ＡＮＴｓの素子定数は、アンテナ素子１２０，２２０のサイズよって自動的に定まる。このため、アンテナ素子１２０，２２０のサイズにより定まる各素子定数を考慮し、目的とする複数の周波数近傍に共振点が発生するように、シャントインダクタＬｓｈのインダクタンス、シリーズキャパシタＣｓｅｒのキャパシタンス、シリーズインダクタＬｓｅｒのインダクタンス、を適宜設定することにより、任意の複数の周波数帯で十分な利得を得ることができる。

（実施形態２）
上記第１の実施形態にかかる複数周波アンテナ１００は、図８（ｂ）に示すように、Ｘ−Ｚ平面の全方位に対してその利得が高かった。しかし、使用目的によっては、放射強度が１方向に強いものが求められる。本実施形態にかかる複数周波アンテナは、放射強度が１方向に強いものである。

以下、本発明の実施形態２に係る複数周波アンテナ３００について説明する。

実施形態２に係る複数周波アンテナ３００は、図９の正面図を示すように、基板９９に、複数周波アンテナ１００と、複数周波アンテナ１００からＺ軸方向に距離ｄ離れた場所に複数周波アンテナ３０１と、が配置されている。
複数周波アンテナ３０１は、複数周波アンテナ１００の入出力端子１１０，２１０間が短絡されている。詳細には、複数周波アンテナ３０１は、シリーズインダクタ用導体１４０，２４０と入力端子１１０，２１０との代わりに、一端部をビア導体１５０の一端部に、他端部をビア導体２５０の一端部に接続されたシリーズインダクタ用導体３４０を備えたものである。その他の構成は、上記実施形態１の複数周波アンテナ１００と同一である。距離ｄは、本実施形態においては、およそ１５．０ｍｍ（２．５ＧＨｚのほぼ１／８波長，５．２ＧＨｚのほぼ１／４波長）である。

複数周波アンテナ３０１の等価回路は、図５に示す等価回路とほぼ同一であり、複数周波アンテナ１００と同様に、２．５ＧＨｚと５．２ＧＨｚとにおいて入力インピーダンスの虚部がほぼ０になっている。

次に、上記構成を有する複数周波アンテナ３００の動作を説明する。理解を容易にするために、２．５ＧＨｚの電磁波を複数周波アンテナ１００が放射する場合の動作について具体的に説明する。

複数周波アンテナ１００は、入出力端子１１０，２１０に入力された電力を電磁波に変換して放射する。
＋Ｚ軸方向に放射された電磁波は、距離ｄ離れた複数周波アンテナ３００に入射する。ここで、この電磁波の位相定数をβ（ｒａｄ／ｍ）とすると、複数周波アンテナ３００に入射した電磁波は、距離ｄ進む間に、その位相は、−β・ｄ（ｒａｄ）だけ変化する。
入射した電磁波の磁界によって、複数周波アンテナ３０１には電流が誘起され、誘起された電流は複数周波アンテナ３０１において共振し、再び電磁波が放射される。この複数周波アンテナ３０１から放射される電磁波は、位相がほぼπ回転したものになる。すなわち、複数周波アンテナ３０１から放射された電磁波は、複数周波アンテナ１００から放射された電磁波より、位相がπ−β・ｄ変化している。

複数周波アンテナ３０１より＋Ｚ軸方向の領域では、複数周波アンテナ１００から放射され、位相が−β・ｄ変化した電磁波と、複数周波アンテナ３０１から放射され、位相がπ−β・ｄ変化した電磁波と、が重なりあう。
この２つの電磁波は、互いに位相がπずれているために、打ち消しあう。そのため、複数周波アンテナ３０１より＋Ｚ軸方向に放射される電磁波の電界は、ほぼ０になる。つまり、＋Ｚ軸方向に平行に放射される電磁波は、複数周波アンテナ３０１によって、実質的に遮断される。

一方、複数周波アンテナ３０１より、−Ｚ軸方向に放射された電磁波は、距離ｄ進む間に、位相が−β・ｄだけ変化して、複数周波アンテナ１００に至る。即ち、位相がπ−２・β・ｄ変化して、再び複数周波アンテナ１００に戻る。
よって、複数周波アンテナ１００から−Ｚ軸方向には、複数周波アンテナ１００から放射される電磁波に加え、複数周波アンテナ３０１から放射される位相がπ−２・β・ｄ変化した電磁波と、が合成されて伝播する。

ここで、理解を容易にするために、複数周波アンテナ１００が放射する電磁波をｓｉｎθであるとする。複数周波アンテナ１００が放射する電磁波ｓｉｎθと複数周波アンテナ３０１から放射される電磁波ｓｉｎ（θ＋α）（ただしα＝π−２・β・ｄ）との合成波は、ｓｉｎθ＋ｓｉｎ（θ＋α）＝２・ｓｉｎ（θ＋α／２）・ｃｏｓ（α／２）である。α／２が−π／３〜π・３の範囲の時、ｃｏｓ（α／２）＞１／２なので、２・ｓｉｎ（θ＋α／２）・ｃｏｓ（α／２）＞ｓｉｎ（θ＋α／２）を満たす。即ち、α／２が−π／３〜π・３の範囲の時、複数周波アンテナ１００から放射される電磁波と複数周波アンテナ３０１から放射される電磁波とは強め合う。即ち、α（＝π−２・β・ｄ）が−２π／３から２π／３の間であれば、この２つの電磁波は強め合う。複数周波アンテナ１００から放射される電磁波の位相と複数周波アンテナ３０１から放射される電磁波の位相とが同じ時（α＝０）、特に強め合う。

本実施形態では、距離ｄは、１５．０ｍｍ（２．５ＧＨｚの約１／８波長，５．２ＧＨｚの約１／４波長）なので、５．２ＧＨｚの場合α＝０に、２．５ＧＨｚの場合α＝π／２になり、複数周波アンテナ１００から放射される電磁波と複数周波アンテナ３０１から放射される電磁波とは強め合う。

このように、複数周波アンテナ３０１は、複数周波アンテナ１００から＋Ｚ軸方向に放射された電磁波を遮断・反射する反射器として機能する。

本実施形態における複数周波アンテナ３００の指向性は、図１０に示すようになる。図中の実線は５．２ＧＨｚにおける指向性、点線は２．５ＧＨｚにおける指向性を示す。ただし、＋Ｚ軸方向を０度，＋Ｘ軸方向を９０度としている。

上述したように、複数周波アンテナ１００から＋Ｚ軸方向に放射される電磁波は、複数周波アンテナ３０１によって実質的に遮断される。そのため、図１０に示すように、複数周波アンテナ３００の＋Ｚ軸方向（０度方向）の利得は低くなっている。

また、複数周波アンテナ１００から−Ｚ軸方向に放射された電磁波は、上述したように、複数周波アンテナ３０１から−Ｚ軸方向に放射された電磁波と強め合う。そのため、図１０に示すように、複数周波アンテナ３００の−Ｚ軸方向（１８０度方向）の利得は高くなっている。
従って、複数周波アンテナ３００は、２．５ＧＨｚと５．２ＧＨｚとに対して、指向性が鋭く、ほぼ単一偏波の電磁波を放射するアンテナとして機能することができる。

以上説明したように、本発明の第２の実施形態によれば、所望の複数の周波数に対して、単一偏波に近い電磁波で通信を行うことができる、複数の周波数において指向性の鋭い複数周波アンテナを提供できる。

以上で説明した構成例では、複数周波アンテナ３０１の共振周波数は、複数周波アンテナ１０１，１０２と同一の周波数であるとして説明した。しかし、同一の周波数でなくてもよい。
複数周波アンテナ３０１の共振周波数を変化させることによって、複数周波アンテナ３０１における反射位相を変化させることができる。これにより、複数周波アンテナ３００の指向性を所望のものにすることができる。

（実施形態３）
上記実施形態２では、反射器として複数周波アンテナ１００と同様の形状をした複数周波アンテナ３０１を用いた。しかし、複数周波アンテナ３０１に置き換えて、単一の周波数に対して共振周波数を持つダイポールアンテナを用いてもよい。
以下、本発明の実施形態３に係る、反射器としてダイポールアンテナを用いた複数周波アンテナ５００について説明する。

複数周波アンテナ５００は、図１１に示すように、複数周波アンテナ３００において、複数周波アンテナ３０１を、ダイポールアンテナに方形パターンをつけた反射パターン５９０に置き換えたものである。他の構成は、複数周波アンテナ３００と同様である。

反射パターン５９０は、細い線路に周期的に容量が装荷された方形パターンから構成される。反射パターン５９０の共振周波数は、線路幅、線路長、方形パターンの幅・長さによって定まる。本実施形態では、共振周波数が５．２ＧＨｚになるように、反射パターン５９０は形成されている。

次に複数周波アンテナ５００の指向性について説明する。
本実施形態において、反射パターン５９０は、５．２ＧＨｚを共振周波数に設定されており、５．２ＧＨｚの電磁波を遮断・反射する。そのため、図１２に示すように、５．２ＧＨｚにおいて、＋Ｚ軸方向（０度方向）の利得が−Ｚ軸方向（１８０度方向）の利得より、およそ８ｄＢ以上高くなっている。一方、２．５ＧＨｚにおいて反射パターン５９０は、共振しない。そのため、２．５ＧＨｚにおいて、−Ｚ軸方向の利得と＋Ｚ軸方向の利得は、ほぼ均一になっている。従って、複数周波アンテナ５００は、２．５ＧＨｚにおいて全方位にほぼ均一の指向性を持ち、５．２ＧＨｚにおいて−Ｚ軸方向に強い指向性を持つアンテナとして機能する。

以上説明したように、本発明の第３の実施形態によれば、所望の複数の周波数に対して、単一偏波に近い電磁波で通信を行うことができ、特定の周波数で指向性の鋭い複数周波アンテナを提供できる。

以上で説明をした構成例では、５．２ＧＨｚの１つの周波数帯において指向性が鋭い構成を示した。この実施形態は、これに限定されない。

例えば、各周波数に対応する共振周波数をもつ反射パターン５９０を複数配置しても良い。

（実施形態４）
上記実施形態２，３に記載の複数周波アンテナ５００では、複数周波アンテナ１００から＋Ｚ軸方向を斜めに進行する電磁波は、反射器（複数周波アンテナ３００，反射パターン５９０）に入射しない可能性があり、電流の誘起の効率が低下してしまう。
本実施形態にかかる複数周波アンテナは、アンテナ導体から反射器に向かって斜め方向に進行する電磁波を、反射器方向に反射する反射導体を更に備えものである。
以下、本実施形態にかかる複数周波アンテナ５５０について説明する。

複数周波アンテナ５５０は、複数周波アンテナ５００において、図１３に示すように、Ｚ軸方向に平行に延在する反射パターン５９５ａ，５９５ｂを、基板９９の一方の主面に更に配置したものである。

＋Ｚ軸方向に平行に進行する電磁波は、その電界が反射パターン５９５ａ，５９５ｂと直交しているために反射パターン５９５ａ，５９５ｂの影響を受けずに反射パターン５９０に入射する。一方、＋Ｚ軸方向を斜めに進行する電磁波、反射パターン５９５ａ，５９５ｂに反射され、反射パターン５９０に入射する。従って、＋Ｚ軸方向に平行に進行する電磁波に加え、更に、＋Ｚ軸方向を斜めに進行する電磁波も反射パターン５９０に入射され、より多くの電磁波を反射パターン５９０は反射することができる。

なお、反射パターン５９５ａ，５９５ｂは、図１４に示すように、反射パターン５９０に向かって、反射パターン５９５ａ，５９５ｂの間隔が狭くなるように、反射パターン５９５ａ，５９５ｂを配置してもよい。

（実施形態５）
幾何光学の観点からすると、複数周波アンテナ１００の電磁波は、給電点、つまり入出力端子１１０，２１０近傍から放射される。そのため、反射器の焦点が入出力端子１１０，２１０近傍にあると、複数周波アンテナ１００から放射された電磁波は、より効率よく反射器によって反射される。
以下、本実施形態にかかる複数周波アンテナ６００について図１５，１６を参照して説明する。図１５は、複数周波アンテナ６００の斜視図、図１６は、図１５に示すＸ１−Ｚ１平面での断面を示す断面図を示す。なお、図１５において、図を見やすくするために、実際には見えない部分も、実線で表してある。

複数周波アンテナ６００は、図示するように、複数周波アンテナ１００の入出力端子１１０，２１０付近に焦点を持つ曲面上の反射板６９０が、基板９９の一方の主面から他方の主面を貫通するように配置されている。他の構成は、実施形態１の複数周波アンテナ１００と同様である。

この複数周波アンテナ６００が電磁波を放射する場合の動作は次のようになる。
複数周波アンテナ１００から放射された電磁波のうち、反射板６９０に入射したものは、−Ｚ方向に反射される。反射された電磁波は、複数周波アンテナ１００から−Ｚ方向に放射された電磁波と強め合う。

一方、複数周波アンテナ６００に電磁波が入射する場合の動作は次のようになる。
−Ｚ軸方向から、複数周波アンテナ６００に電磁波が入射すると、大部分の電磁波は複数周波アンテナ１００に吸収される。一部、吸収されなかった電磁波は、反射板６９０によって反射し、反射板６９０の焦点である入出力端子１１０，２１０に入射する。

このように、反射板６９０によっても、指向性を変化させることができる。

また、反射板６９０は、基板９９を貫通する厚みがあるため、銅箔パターンである場合に比べより多くの電磁波を反射することができる。

以上説明したように、本発明の実施形態２乃至５によれば、所望の複数の周波数に対して、１方向に指向性の鋭い複数周波アンテナを提供できる。
例えば、図１７に示すように、２つの上記複数周波アンテナ１００の間に、上記複数周波アンテナ３０１を１つ配置することによって、２つの上記複数周波アンテナ３００を実現しても良い。

また、通信の相手の位置が限定されるシステムでは、通信相手の方向に利得が増大するように、アンテナを向けることで高利得のアンテナとして用いることもできる。また、放射電波が障害となる環境では、利得の抑制される方向をその障害となる方向に向けることで、障害の少ないアンテナとして用いることもできる。

本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。

例えば、上記実施形態では、基板９９の、一方の主面に配置されたパターンと、他方の主面に配置されたパターンとは、ビアによって接続されていた。しかし、ビアではなく、容量結合や誘導結合などで接続しても良い。

また、上記実施形態では、線路（回路パターン）によってインダクタおよびコンダクタなどを構成したが、例えば、チップ部品などによって一部又は全てのインダクタおよびコンダクタなどを構成しても良い。

また、上記実施形態では、回路を基板９９の一方の主面と他方の主面に配置したが、一方の主面のみに配置してもよい。

また、上記実施形態では、誘電体の基板上に回路素子を配置する構成例を示したが、各回路素子を保持できるならば、基板は配置しなくてもよい。

また、上記実施形態では、複数周波アンテナ１０１，１０２の共振周波数は同一であるとしたが、別々の共振周波数であってもよい。ただし、それぞれの周波数において利得は低下する。

１００，１０１，１０２、３００，３０１，５００，５５０，６００・・・複数周波アンテナ、９９・・・基板、１１０，２１０・・・入出力端子、１２０，２２０・・・アンテナ素子、１３０，１５０ａ，１５０ｂ，２３０，２５０ａ，２５０ｂ・・・ビア、１５０，２５０・・・ビア導体、１４０，２４０，３４０・・・シリーズインダクタ用導体、１６０ａ，１６０ｂ，２６０ａ，２６０ｂ・・・シリーズキャパシタ用導体、１７０，２７０・・・シャントインダクタ用導体、１９９・・・接続点、５９０，５９５ａ，５９５ｂ・・・反射パターン、６９０・・・反射板

Claims (10)

1. 第１の入出力端子と、第１のアンテナ導体と、前記第１の入出力端子と前記第１のアンテナ導体とを接続する、第１のインダクタと第１のキャパシタとの直列回路と、１端を前記第１のアンテナ導体に接続された第２のインダクタと、を備え、複数の共振周波数を持つ第１のアンテナと、
   第２の入出力端子と、第２のアンテナ導体と、前記第２の入出力端子と前記第２のアンテナ導体とを接続する、第３のインダクタと第２のキャパシタとの直列回路と、１端を前記第２のアンテナ導体に接続され、他端を前記第２のインダクタの他端に接続された第４のインダクタと、を備え、複数の共振周波数を持つ第２のアンテナと、
   を備え、
   前記第１のアンテナ導体の電波の主伝搬方向と、前記第２のアンテナ導体の電波の主伝搬方向とが、実質的に同方向である、
   ことを特徴とする複数周波アンテナ。
2. 前記第１のアンテナの複数の共振周波数と、前記第２のアンテナの複数の共振周波数とは、実質的に同一である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の複数周波アンテナ。
3. 誘電体板をさらに備え、
   前記第１と第２の入出力端子と前記第１と第２のアンテナ導体とは、前記誘電体板の１面に形成され、
   前記第２と第４のインダクタは、誘電体板の他面に配置され、ビアを介して、前記第２のインダクタ１端は前記第１のアンテナ導体に、前記第４のインダクタの１端は前記第２のアンテナ導体に接続され、
   前記第１のキャパシタは、前記第１のアンテナ導体の１部と、前記誘電体板の他面に配置され、前記第１のアンテナ導体の１部に対向する第１の導電体と、間の誘電体板と、から構成され、
   前記第２のキャパシタは、前記第２のアンテナ導体の１部と、前記誘電体板の他面に配置され、前記第２のアンテナ導体の１部に対向する第２の導電体と、間の誘電体板と、から構成され、
   前記第１のインダクタは、前記誘電体板の１面に配置され、１端を、ビアを介して前記第１の導電体と接続され、他端を前記第１の入出力端子に接続され、
   前記第３のインダクタは、前記誘電体板の１面に配置され、１端を、ビアを介して前記第２の導電体と接続され、他端を前記第２の入出力端子に接続されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の複数周波アンテナ。
4. 前記第１と第２のアンテナ導体の主伝搬方向に配置されている、前記第１と第２のアンテナ導体が放射する電波を遮断・反射する反射器を更に備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の複数周波アンテナ。
5. 前記反射器は、
   前記反射器から前記第１と第２のアンテナ導体へ反射される電波と、該電波と同方向に前記第１と第２のアンテナ導体から放射される電波と、が強め合う距離に配置されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の複数周波アンテナ。
6. 前記反射器は、第３のアンテナ導体と、第４のアンテナ導体と、前記第３のアンテナ導体と前記第４のアンテナ導体とを接続する第５のインダクタと、前記第３のアンテナ導体と前記第４のアンテナ導体とを接続する、第６のインダクタと第３のキャパシタの直列回路と、から構成され、
   当該反射器は前記第１と第２のアンテナの複数の共振周波数と実質的に同一の複数の共振周波数を持ち、
   当該反射器の電波の主伝搬方向は、前記第１と第２のアンテナの電波の主伝搬方向と、実質的に同方向である、
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の複数周波アンテナ。
7. 前記反射器は、複数の方形パターンを装荷された線路導体であり、
   当該線路導体は、前記第１と第２のアンテナの主電波の電界方向に平行に延在しており、
   当該反射器は、前記第１と第２のアンテナの複数の共振周波数のうち、少なくとも１つの共振周波数を持つ、
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の複数周波アンテナ。
8. 前記反射器の形状は、焦点が前記第１と第２の入出力端子近傍である曲面状である、
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の複数周波アンテナ。
9. 前記アンテナ導体から前記反射器に向かって斜め方向に進行する電磁波を、前記反射器方向に反射する反射導体を更に備える、
   ことを特徴とする請求項４乃至８の何れか１項に記載の複数周波アンテナ。
10. 前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとは、鏡像対称に配置されている、
    ことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の複数周波アンテナ。

Images