JP2012044402A - アンテナ装置およびそれを備える電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナの利得および放射効率を向上する。
【解決手段】回路基板１２０と、回路基板１２０の１つの主表面上に位置するアンテナ１１０と、回路基板１２０の主表面と対向する誘電体板１３０と、回路基板１２０と誘電体板１３０との間に介在する誘電体層１９０とを備える。誘電体板１３０は、回路基板１２０の比誘電率以下の比誘電率を有する。誘電体層１９０は、誘電体板１３０の比誘電率より小さい比誘電率を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置およびそれを備える電気機器に関する。

基板の１つの主表面上にアンテナが形成された平面アンテナを開示した先行文献として、特許文献１がある。特許文献１に記載された平面アンテナにおいては、マイクロストリップアンテナ(ＭＳＡ(microstrip antenna))の上部に、それぞれ厚さが４分の１実効波長である外側の高誘電率誘電体層と内側の低誘電率誘電体層とが積層されている。この構成により、放射素子から外側を見た空間の入力インピーダンスを高インピーダンス化して、放射電力を増幅させてアンテナ特性を広帯域化している。

特開平６−２９７２３号公報

特許文献１に記載の平面アンテナにおいては、回路的には広帯域化できるが、電波が放射される平面アンテナの外側に、高誘電率誘電体層を配置しているため、高誘電率誘電体層と接地導体間の束縛が強くなる。その結果、平面アンテナとその周囲の空気との整合が不十分となって電波の放射が妨げられるため、アンテナの利得および放射効率が実質的に低下する。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、アンテナの利得および放射効率を向上できる、アンテナ装置およびそれを備える電気機器を提供することを目的とする。

本発明に基づくアンテナ装置は、基板と、基板の１つの主表面上に位置するアンテナと、基板の主表面と対向する誘電体板と、基板と誘電体板との間に介在する誘電体層とを備える。誘電体板は、基板の比誘電率以下の比誘電率を有する。誘電体層は、誘電体板の比誘電率より小さい比誘電率を有する。

本発明の一形態においては、誘電体層が気体からなる。または、誘電体層が樹脂で構成されている。

好ましくは、誘電体層が空気からなり、アンテナから放射された高周波信号が空気中を伝搬する際の波長をλ、互いに対向している基板の主表面と誘電体板との間の距離をＳとした場合、０．７λ／２≦Ｓ≦１．３λ／２の関係を満たす。

本発明の一形態においては、誘電体板の厚さをｄ、誘電体板の比誘電率をε_rとした場合、０．４λ／(４ε_r ^1/2)≦ｄ≦１．６λ／(４ε_r ^1/2)の関係を満たす。または、誘電体板の厚さをｄ、誘電体板の比誘電率をε_rとした場合、０．８(３λ)／(４ε_r ^1/2)≦ｄ≦１．２(３λ)／(４ε_r ^1/2)の関係を満たす。

本発明の一形態においては、誘電体板は、アンテナと対向する部分にアンテナに近接するように突出した突出部を有する。

好ましくは、突出部とアンテナとの間に誘電体層が介在している。
本発明の一形態においては、突出部が円柱形状を有する。または、突出部が四角柱形状を有する。

本発明の一形態においては、アンテナが、マイクロストリップパッチアンテナまたはスロットアンテナである。

好ましくは、アンテナ装置が複数のアンテナを有する。複数のアンテナが、フェーズドアレイアンテナとして動作する。

本発明に基づく電気機器は、第１の局面においては、上記のいずれかに記載のアンテナ装置を備える電気機器であって、基板を収納する筐体を有する。誘電体板は、筐体の一部を構成している。

本発明に基づく電気機器は、第２の局面においては、それぞれ室内で使用される受信装置および送信装置を備える電気機器であって、受信装置および送信装置の各々は、上記のいずれかに記載のアンテナ装置を含む。送信装置は、室内の壁を介して高周波信号を受信装置に送信する。

好ましくは、上記の電気機器に備えられるアンテナ装置において、基板の主表面上に発光部が設けられる。発光部は、誘電体板に向けて発光する。誘電体板は、発光部により発光された光を透過する。

本発明によれば、アンテナの利得および放射効率を向上できる。

本発明の実施形態１に係るアンテナ装置の構成を示す断面図である。 図１のアンテナ装置を矢印ＩＩから見た図である。 同実施形態に係るアンテナ装置の一部を拡大して示す断面図である。 電磁界シミュレーションによる解析結果を示す図である。 誘電体板の厚さを一定にした条件下における電磁界シミュレーションによる解析結果を示す図である。 比較例として、誘電体層および誘電体板が設けられていないアンテナ装置におけるアンテナの放射パターンを示す図である。 同実施形態に係るアンテナ装置におけるアンテナの放射パターンを示す図である。 本発明の実施形態２に係るアンテナ装置の一部を拡大して示す断面図である。 図８のアンテナ装置をＩＸ−ＩＸ線矢印方向から見た図である。 同実施形態の複数のアンテナに対応して突出部が形成されているアンテナ装置の構成を示す断面図である。 図１０のアンテナ装置を矢印ＸＩから見た図である。 同実施形態の変形例として、四角柱状の突出部を有する誘電体板を備えるアンテナ装置の一部を拡大して示す断面図である。 図１２のアンテナ装置をＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線矢印方向から見た図である。 変形例において複数のアンテナに対応して突出部が形成されているアンテナ装置の構成を示す断面図である。 図１４の変形例のアンテナ装置を矢印ＸＶから見た図である。 同実施形態の円柱形状の突出部を有する誘電体板を備えるアンテナ装置の解析結果を示す図である。 変形例の四角柱形状の突出部を有する誘電体板を備えるアンテナ装置の解析結果を示す図である。 同実施形態の円柱形状の突出部を有する誘電体板を備えたアンテナ装置のアンテナの放射パターンを示す図である。 変形例の四角柱形状の突出部を有する誘電体板を備えたアンテナ装置のアンテナの放射パターンを示す図である。 誘電体板が設けられていないアンテナ装置、実施形態１に係るアンテナ装置、本実施形態に係るアンテナ装置および変形例のアンテナ装置のアンテナ１素子当たりのアンテナ利得（ｄＢｉ）をまとめた図である。 本発明の実施形態３に係る電気機器の使用態様を示す模式図である。 同実施形態に係る電気機器の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態１に係るアンテナ装置について図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰返さない。

実施形態１
図１は、本発明の実施形態１に係るアンテナ装置の構成を示す断面図である。図２は、図１のアンテナ装置を矢印ＩＩから見た図である。図３は、本実施形態に係るアンテナ装置の一部を拡大して示す断面図である。

図１，２に示すように、本実施形態のアンテナ装置１００においては、回路基板１２０の上側の主表面上に複数のアンテナ１１０が形成されている。本実施形態においては、回路基板１２０として、セラミック基板を用いた。

複数のアンテナ１１０は、互いに間隔を置いて格子状に配置されている。本実施形態においては、アンテナ１１０は、マイクロストリップパッチアンテナであり、５９ＧＨｚ以上６２ＧＨｚ以下の周波数の信号が放射される。アンテナ１１０としては、マイクロストリップパッチアンテナに限られず、スロットアンテナなどの他のアンテナを用いてもよい。

マイクロストリップパッチアンテナおよびスロットアンテナは、基板上に形成できるため、多層基板を用いた場合、アンテナと高周波回路とを一体に構成することができる。そのため、アンテナと回路との結合損失を低減して放射効率を向上でき、また、アンテナ装置を小型モジュール化することができる。

回路基板１２０の板厚方向の中央部には、導電性材料からなる接地導体１４０が設けられており、コンタクト１４１を介して回路基板１２０の下側の主表面に繋がっている。回路基板１２０の下側の主表面には、高周波ＩＣ(Integrated Circuit)チップが実装されている。

回路基板１２０は、回路基板１２０の下側の主表面の一部が支持基板１８０の上面と接するように、支持基板１８０上に載置されている。支持基板１８０の上面には、接地導体１６０が設けられている。接地導体１６０は、回路基板１２０の下側の主表面に露出しているコンタクト１４１と接続されている。回路基板１２０は、図示しない筐体に収納されている。

回路基板１２０のアンテナ１１０が形成された側の主表面と対向するように誘電体板１３０が配置されている。本実施形態においては、誘電体板１３０の材料として、ポリプロピレンを用いた。誘電体板１３０は、下面の周囲を側壁部１７０により支持されている。

回路基板１２０と誘電体板１３０との間には、誘電体層１９０が形成されている。本実施形態においては、誘電体層１９０は、空気で構成されているが、窒素などの気体から構成されていてもよい。また、誘電体層１９０は、後述するように、誘電体板１３０の比誘電率より低い比誘電率を有する樹脂で構成されていてもよい。

図３に示すように、互いに対向している、回路基板１２０のアンテナ１１０が形成されている側の主表面と、誘電体板１３０の下面との間には、距離Ｓの隙間が存在している。この隙間に空気が存在することにより、誘電体層１９０が構成されている。

誘電体板１３０は、厚さｄで形成されている。誘電体板１３０は、比誘電率ε_rを有している。本実施形態では、誘電体板１３０がポリプロピレンで構成されているため、比誘電率ε_r＝２．３である。セラミック基板からなる回路基板１２０の比誘電率は、７．５である。なお、空気の比誘電率は１とする。よって、誘電体板１３０は、回路基板１２０の比誘電率より小さい比誘電率ε_rを有する。誘電体層１９０は、誘電体板１３０の比誘電率ε_rより小さい比誘電率を有する。

上記の構成を有するアンテナ装置１００において、誘電体層１９０の厚さＳと誘電体板１３０の厚さｄとを変化させた際のアンテナの相対利得ΔｄＢを、電磁界シミュレーションにより解析した。なお、アンテナ１１０の厚さは、回路基板１２０の主表面と誘電体板１３０との間の距離に比較して十分に小さいため、誘電体層１９０の厚さを実質的にＳとする。

図４は、電磁界シミュレーションによる解析結果を示す図である。図４においては、縦軸にアンテナの相対利得ΔｄＢを示し、横軸に誘電体板１３０の厚さｄ(ｍｍ)を示している。なお、アンテナの相対利得ΔｄＢにおいては、誘電体板１３０および誘電体層１９０が設けられていない状態におけるアンテナ装置のアンテナの利得を０ｄＢとしている。

また、図４においては、誘電体層１９０の厚さＳ＝２．４１９ｍｍのデータを実線、Ｓ＝１．８１５ｍｍのデータをピッチの短い点線、Ｓ＝１．２１０ｍｍのデータを一点鎖線、Ｓ＝０．６０５ｍｍのデータを二点鎖線、Ｓ＝０．００１ｍｍのデータをピッチの長い点線で示している。

図４に示すように、誘電体層１９０の厚さＳが２．４１９ｍｍの場合に、アンテナの相対利得ΔｄＢが最も大きくなっている。本実施形態のアンテナ装置１００から放射される高周波信号の平均周波数を６０．５ＧＨｚとすると、高周波信号が空気中を伝搬する際の秒速は３０万ｋｍであるため、高周波信号が空気中を伝搬する際の波長λ(ｍｍ)は、３００／６０．５＝４．９５ｍｍとなる。よって、誘電体層１９０の厚さＳがλ／２の近傍であるときに、アンテナの相対利得ΔｄＢが最大になっていることが分かる。

アンテナの相対利得ΔｄＢは、誘電体板１３０の厚さｄに対して周期性を有している。誘電体板１３０中を高周波信号が伝搬する際の実効波長λ_gは、λ／ε_r ^1/2＝４．９５／２．３^1/2＝３．２６となる。アンテナの相対利得ΔｄＢが最大となった誘電体層１９０の厚さＳが２．４１９ｍｍである場合において、誘電体板１３０の厚さｄが、図中の二点鎖線の丸印で囲んだ位置である、λ_g／４の奇数の自然数倍となっているときに、アンテナの相対利得ΔｄＢが高くなっている。具体的には、誘電体板１３０の厚さｄが、λ_g／４＝３．２６／４＝０．８の近傍のとき、および、３λ_g／４＝２．４の近傍のときに、アンテナの相対利得ΔｄＢが高くなっている。

このように、誘電体板１３０の厚さｄがλ_g／２変化するごとに、アンテナの相対利得ΔｄＢはピーク値を示すが、誘電体板１３０が厚くなるにつれて誘電体損失が発生して、アンテナの相対利得ΔｄＢのピーク値は低下する。

次に、誘電体板１３０の厚さｄを０．７ｍｍに固定して、誘電体層１９０の厚さＳを変化させた場合のアンテナの相対利得ΔｄＢの変化を電磁界シミュレーションにより解析した。

図５は、誘電体板の厚さを一定にした条件下における電磁界シミュレーションによる解析結果を示す図である。図５においては、縦軸にアンテナの相対利得ΔｄＢを示し、横軸に誘電体層１９０の厚さＳ(ｍｍ)を示している。なお、アンテナの相対利得ΔｄＢにおいては、誘電体板１３０および誘電体層１９０が設けられていない状態におけるアンテナ装置のアンテナの利得を０ｄＢとしている。

図５に示すように、誘電体層１９０の厚さＳがλ／２の近傍である２．４ｍｍのとき、アンテナの相対利得ΔｄＢがピーク値となり、アンテナの相対利得ΔｄＢは約２．７ｄＢとなっている。これは、誘電体層１９０の厚さＳが高周波信号の半波長付近であることにより、誘電体板１３０の下面で反射して回路基板１２０の主表面に到達した信号と、アンテナ１１０から放射される信号とが、同位相となって共振するためである。この動作は、直接的に、回路基板１２０の比誘電率には依存しない。

誘電体層１９０の厚さＳが２．２ｍｍ以上２．５ｍｍ以下においては、アンテナの相対利得ΔｄＢは２．１ｄＢ以上であり、その範囲においてはアンテナの相対利得ΔｄＢは緩やかに変化している。

よって、アンテナの相対利得ΔｄＢを２．１ｄＢ以上とするために、誘電体層１９０の厚さＳを２．２ｍｍ以上２．５ｍｍ以下となるように設計した場合、誘電体層１９０の厚さＳは０．３ｍｍの許容範囲を有しているため、誘電体層１９０の厚さＳに関連する部品の寸法精度をそれほど厳しく管理しなくてもよくなり、それらの部品の製作が容易となる。

図４に示すように、誘電体層１９０の厚さＳが１．８１５ｍｍの場合において、アンテナの相対利得ΔｄＢが１ｄＢ以上大きい部分がある。１．８１５ｍｍは、λ／２である２．４７５ｍｍの−３０％の値であるため、アンテナの相対利得ΔｄＢの周期性から、この反対の＋３０％の範囲も含めて、誘電体層１９０の厚さＳがλ／２の±３０％の範囲内において、アンテナの利得を向上することができることが分かる。よって、誘電体層１９０の厚さＳが、０．７λ／２≦Ｓ≦１．３λ／２の関係を満たす場合には、アンテナの利得を向上することができる。

図４に示すように、誘電体層１９０の厚さＳが２．４１９ｍｍの場合において、誘電体板の厚さｄが０．３ｍｍ以上１．３ｍｍ以下においては、アンテナの相対利得ΔｄＢは０ｄＢ以上である。０．３ｍｍは、λ_g／４である０．８ｍｍの−６０％であり、１．３ｍｍは０．８ｍｍの＋６０％である。よって、誘電体板１３０の厚さｄがλ_g／４の±６０％の範囲内において、アンテナの利得を向上することができることが分かる。言い換えると、０．４λ／(４ε_r ^1/2)≦ｄ≦１．６λ／(４ε_r ^1/2)の関係を満たす場合には、アンテナの利得を向上することができる。

図４から分かるように、アンテナの利得を向上することができる誘電体板１３０の厚さｄのレンジは、１つの範囲について約１ｍｍである。すなわち、誘電体板１３０の厚さｄが、０．３ｍｍ以上１．３ｍｍ以下の範囲、および、１．９ｍｍ以上２．９ｍｍ以下の範囲において、周期的に約１ｍｍの範囲においてアンテナの利得が向上される。

よって、誘電体板１３０の厚さｄが３λ_g／４の±２０％の範囲内において、アンテナの利得を向上することができる。言い換えると、０．８(３λ)／(４ε_r ^1/2)≦ｄ≦１．２(３λ)／(４ε_r ^1/2)の関係を満たす場合には、アンテナの利得を向上することができる。

同様に、誘電体板１３０の厚さｄが５λ_g／４の±１２％の範囲内において、アンテナの利得を向上することができる。言い換えると、０．８８(５λ)／(４ε_r ^1/2)≦ｄ≦１．１２(５λ)／(４ε_r ^1/2)の関係を満たす場合には、アンテナの利得を向上することができる。

同じく、誘電体板１３０の厚さｄが７λ_g／４の±８％の範囲内において、アンテナの利得を向上することができる。言い換えると、０．９２(７λ)／(４ε_r ^1/2)≦ｄ≦１．０８(７λ)／(４ε_r ^1/2)の関係を満たす場合には、アンテナの利得を向上することができる。

このように、誘電体板１３０の厚さｄを、誘電体板１３０中での高周波信号の実効波長の４分の１の奇数の自然数倍とすることにより、誘電体板１３０と誘電体層１９０との境界面において、誘電体板１３０内を偶数回多重反射した信号と、アンテナ１１０から放射されて誘電体層１９０中を伝搬した信号とが同位相となり、上記の誘電体層１９０における共振効果を高めることができる。

ただし、誘電体板１３０の厚さｄの設定寸法が大きくなるほど、誘電体板１３０の厚さｄの許容範囲が小さくなるため、製造時の部品寸法精度を管理する観点からは、誘電体板１３０の厚さｄを小さく設定した方が好ましい。具体的には、誘電体板１３０の厚さｄをλ／４ε_r ^1/2に設定することが好ましい。

上記のように構成したアンテナ装置１００において、アンテナ１１０の１素子当たりの指向特性を評価した。図６は、比較例として、誘電体層および誘電体板が設けられていないアンテナ装置におけるアンテナの放射パターンを示す図である。図７は、本実施形態に係るアンテナ装置におけるアンテナの放射パターンを示す図である。

図６に示すように、比較例のアンテナにおいては、Ｈ面(垂直面)およびＥ面(水平面)において０°方向のアンテナ利得(ｄＢｉ)が４ｄＢｉである。図７に示すように、本実施形態に係るアンテナ１１０においては、Ｈ面およびＥ面において０°方向のアンテナ利得(ｄＢｉ)が６．５ｄＢｉである。よって、誘電体層１９０および誘電体板１３０を設けることにより、Ｈ面およびＥ面における０°方向においてアンテナ利得(ｄＢｉ)が約２．５ｄＢ向上されている。

また、図６と図７とを比較すると分かるように、本実施形態に係るアンテナ１１０の放射パターンは、比較例のアンテナの放射パターンに比べて指向性が強くなっており、Ｈ面およびＥ面における０°方向に対して鋭くなっている。

本実施形態のアンテナ装置１００においては、ポリプロピレンからなる誘電体板１３０の比誘電率ε_rは２．３であり、アンテナ装置１００の周囲に存在する空気の比誘電率である１と、セラミック基板からなる回路基板１２０の比誘電率である７．５と比較して、誘電体板１３０は、空気と回路基板１２０との中間の値で、かつ、空気の誘電率に近い値の比誘電率を有している。

よって、誘電体板１３０は、アンテナ１１０から放射される高周波信号に対して緩衝層として機能し、アンテナ装置１００の周囲の空気との整合性を改善する。そのため、アンテナ装置１００からの高周波信号の放射効率およびアンテナ利得が向上する。また、回路基板１２０の比誘電率を高くしておくことで、回路を小さくしてアンテナ装置を小型化することができる。

ただし、誘電体板１３０を構成する材料はポリプロピレンに限られず、また、回路基板１２０を構成する材料はセラミックに限られない。誘電体板１３０の比誘電率ε_rが、回路基板１２０の比誘電率以下で、かつ、誘電体層１９０の比誘電率が誘電体板１３０の比誘電率より小さくなるような材料で、誘電体板１３０、誘電体層１９０および回路基板１２０がそれぞれ構成されていればよい。

本実施形態のアンテナ装置１００に設けられた複数のアンテナ１１０は、各々が放射する高周波信号の位相が電気回路により制御されることにより、アンテナ１１０からの高周波信号が合成されて、旋回および俯仰するように走査するフェーズドアレイアンテナとして動作する。本実施形態においては、複数のアンテナ１１０をフェーズドアレイアンテナとして動作するように構成したが、アンテナ装置１００のアンテナとして、高周波信号の位相を制御しない１つまたは複数のアンテナを設けてもよい。

本実施形態においては、複数のアンテナ１１０をフェーズドアレイアンテナとして動作させることにより、主ビームのビーム走査範囲が±数十度に限定されて、走査範囲内における主ビームの利得が向上されている。図７に示すように、Ｈ面においては、±２０度の範囲内において５ｄＢｉ以上のアンテナ利得が得られている。このアンテナ利得(ｄＢｉ)の向上効果は、アンテナ１１０の素子数に依存するため、多くのアンテナ１１０を配置するほど高いアンテナ利得(ｄＢｉ)を得ることができる。

以下、本発明の実施形態２に係るアンテナ装置について説明する。
実施形態２
図８は、本発明の実施形態２に係るアンテナ装置の一部を拡大して示す断面図である。図９は、図８のアンテナ装置をＩＸ−ＩＸ線矢印方向から見た図である。

図８，９に示すように、本実施形態のアンテナ装置は、誘電体板２３０が平板部２３１と突出部２３２とから構成されている。他の構成については、実施形態１のアンテナ装置１００と同様であるため説明を繰返さない。

図８に示すように、突出部２３２は、平板部２３１のアンテナ１１０と対向する部分において、アンテナ１１０に近接するように突出している。本実施形態においては、平板部２３１および突出部２３２は、ポリプロピレンを材料として一体で形成されている。ただし、平板部２３１と突出部２３２とが、それぞれ異なる比誘電率を有する材料から形成されていてもよい。

図９に示すように、突出部２３２は円柱形状を有しており、その断面は直径Ｒの円形状を有している。直径Ｒは、上方から突出部２３２を回路基板１２０に投影した際に、その投影領域がアンテナ１１０を包含する大きさ以上の直径であればよい。

図８に示すように、回路基板１２０の主表面と平板部２３１の下面との間には、距離Ｓの隙間が存在している。この隙間に空気が存在することにより、誘電体層１９０が構成されている。

本実施形態においては、突出部２３２とアンテナ１１０との間に誘電体層１９０が介在している。言い換えると、図８に示すように、回路基板１２０の主表面と突出部２３２の下面との間に、アンテナ１１０の厚さより大きなギャップｇが形成されている。

図１０は、本実施形態の複数のアンテナに対応して突出部が形成されているアンテナ装置の構成を示す断面図である。図１１は、図１０のアンテナ装置を矢印ＸＩから見た図である。

図１０，１１に示すように、本実施形態においては、複数のアンテナ１１０が形成されている位置に対応して、平板部２３１の下面に突出部２３２が設けられている。たとえば、隣接するアンテナ１１０同士が２．８ｍｍ以下の間隔で形成されている場合、直径が２．０ｍｍの円柱形状を有する突出部２３２を設けることにより、隣接する突出部２３２同士の間隔は０．８ｍｍ以下となる。

本実施形態においては、突出部２３２の形状を円柱形状としたが、突出部２３２の形状はこれに限られず、楕円形の断面を有する柱状などでもよい。

図１２は、本実施形態の変形例として、四角柱状の突出部を有する誘電体板を備えるアンテナ装置の一部を拡大して示す断面図である。図１３は、図１２のアンテナ装置をＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線矢印方向から見た図である。

図１２，１３に示すように、変形例のアンテナ装置の誘電体板３３０においては、平板部３３１から突出した突出部３３２は四角柱形状を有しており、その断面は一辺の長さがＴである正方形状を有している。一辺の長さＴは、上方から突出部３３２を回路基板１２０に投影した際に、その投影領域がアンテナ１１０を包含する大きさ以上の長さであればよい。変形例においては、突出部３３２の断面形状を正方形としたが、突出部３３２の断面形状は長方形でもよい。

図１４は、変形例において複数のアンテナに対応して突出部が形成されているアンテナ装置の構成を示す断面図である。図１５は、図１４の変形例のアンテナ装置を矢印ＸＶから見た図である。

図１４，１５に示すように、本実施形態においては、複数のアンテナ１１０が形成されている位置に対応して、平板部３３１の下面に突出部３３２が設けられている。たとえば、隣接するアンテナ１１０同士が２．８ｍｍ以下の間隔で形成されている場合、一辺の長さが２．０ｍｍの四角柱形状を有する突出部３３２を設けることにより、隣接する突出部３３２同士の間隔は０．８ｍｍ以下となる。

上記のように構成したアンテナ装置において、アンテナ１１０の１素子当たりの利得とギャップｇとの関係を電磁界シミュレーションを用いて解析した。

図１６は、本実施形態の円柱形状の突出部を有する誘電体板を備えるアンテナ装置の解析結果を示す図である。図１７は、変形例の四角柱形状の突出部を有する誘電体板を備えるアンテナ装置の解析結果を示す図である。図１６，１７において、ギャップｇが０μｍとは、突出部とアンテナとが接触している状態のことである。

図１６，１７に示すように、円柱形状の突出部２３２を有する誘電体板２３０を備えたアンテナ装置のアンテナ、および、四角柱形状の突出部３３２を有する誘電体板３３０を備えたアンテナ装置のアンテナのいずれにおいても、ギャップｇが３００μｍおよび４００μｍであるときに、高いアンテナ利得（ｄＢｉ）が得られている。４００μｍは、λ_g／８に相当する。なお、アンテナ１１０の厚さは、２０μｍとした。

円柱形状の突出部２３２を有する誘電体板２３０を備えたアンテナ装置のアンテナ、および、四角柱形状の突出部３３２を有する誘電体板３３０を備えたアンテナ装置のアンテナのいずれも、ギャップｇが０μｍである場合において、図６で示す誘電体層および誘電体板が設けられていないアンテナ装置のアンテナより高いアンテナ利得（ｄＢｉ）を有している。よって、誘電体板２３０，３３０においては、突出部２３２，３３２の下面とアンテナ１１０の上面とが接触するように構成されていてもよい。

ただし、誘電体板２３０，３３０において、突出部２３２，３３２の下面とアンテナ１１０の上面とが接触しないように構成することにより、誘電体板２３０，３３０を介してアンテナ装置の外部から外力がアンテナ１１０に負荷されることを抑制することができる。その結果、外力により回路基板１２０が破損することを低減できる。

本実施形態および変形例のアンテナ装置において、ギャップｇを３００μｍとして、アンテナ１１０の１素子当たりの指向特性を評価した。図１８は、本実施形態の円柱形状の突出部を有する誘電体板を備えたアンテナ装置のアンテナの放射パターンを示す図である。図１９は、変形例の四角柱形状の突出部を有する誘電体板を備えたアンテナ装置のアンテナの放射パターンを示す図である。

図１８に示すように、本実施形態に係るアンテナ１１０においては、Ｈ面およびＥ面において０°方向のアンテナ利得(ｄＢｉ)が８．０ｄＢｉである。図１９に示すように、変形例に係るアンテナ１１０においては、Ｈ面およびＥ面において０°方向のアンテナ利得(ｄＢｉ)が８．６ｄＢｉである。

よって、図７に示す平板状の誘電体板１３０を備えたアンテナ装置のアンテナ１１０と比較して、突出部２３２，３３２を有する誘電体板２３０，３３０を備えたアンテナ装置のアンテナ１１０は、Ｈ面およびＥ面における０°方向においてアンテナ利得(ｄＢｉ)が１ｄＢ〜１．６ｄＢ向上されている。

また、図７と図１８，１９とを比較すると分かるように、本実施形態および変形例に係るアンテナ１１０の放射パターンは、実施形態１のアンテナ１１０の放射パターンに比べて指向性が強くなっており、Ｈ面およびＥ面における０°方向に対して鋭くなっている。特に、Ｅ面では狭いメインローブとなっている。

このように、本実施形態のアンテナ装置においては、主ビームの利得を向上させることができるとともに、主ビームが引き締まることによって、ビームの広がりから生ずる不要な反射波成分を低減することができる。

本実施形態においては、平板部２３１，３３１と突出部２３２，３３２とを同一の材料を用いて一体で誘電体板２３０，３３０を形成しているため、誘電体板２３０，３３０は金型を用いて容易に製造可能であり、量産性に優れている。

図２０は、誘電体板が設けられていないアンテナ装置、実施形態１に係るアンテナ装置、本実施形態に係るアンテナ装置および変形例のアンテナ装置のアンテナ１素子当たりのアンテナ利得（ｄＢｉ）をまとめた図である。

図２０に示すように、実施形態１の誘電体板１３０、実施形態２の誘電体板２３０および変形例の誘電体板３３０を有するアンテナ装置は、誘電体板を有さないアンテナ装置より高いアンテナ利得（ｄＢｉ）を有している。

以下、実施形態１または実施形態２のアンテナ装置を備える電気機器について説明する。本実施形態においては、電気機器として、室内で使用されるＡＶ(audio/visual)機器間の無線伝送を行なう電気機器について説明するが、電気機器はこれに限られず、室外で使用される高周波信号の送受信機などが含まれる。

実施形態３
図２１は、本発明の実施形態３に係る電気機器の使用態様を示す模式図である。図２２は、本実施形態に係る電気機器の構成を示す断面図である。

図２１に示すように、本実施形態の電気機器は、室内において使用されるブルーレイおよびＨＤＤ(Hard disk drive)レコーダー４００とテレビ５００との間で無線伝送を行なう、送信装置４１０と受信装置５１０とから構成されている。

送信装置４１０は、ブルーレイおよびＨＤＤレコーダー４００と接続されており、ブルーレイおよびＨＤＤレコーダー４００から信号が送信装置４１０に伝送される。受信装置５１０は、テレビ５００と接続されており、受信装置５１０が受信した信号はテレビ５００に伝送される。

本実施形態の電気機器においては、送信装置４１０が室内の壁を介して高周波信号を受信装置５１０に送信する。通常、室内において、テレビ５００は壁際に配置され、ブルーレイおよびＨＤＤレコーダー４００は視聴者の近くのテーブルなどに配置される。そのため、ブルーレイおよびＨＤＤレコーダー４００とテレビ５００との間に、信号の送受信の障害となる人などの障害物が介在する場合がある。

そのような場合に障害物の影響を低減して高周波信号の送受信を行なうために、本実施形態においては、送信装置４１０は天井６００に向けて高周波信号４３０を送信し、受信装置５１０は天井６００により反射された高周波信号４３０を受信する。このように信号を伝送することを見通し外伝送という。これに対して、送信装置４１０が受信装置５１０へ対面方向に高周波信号を直接送信することを見通し内伝送という。

送信装置４１０および受信装置５１０は、フェーズドアレイアンテナを有しているため、送信装置４１０は、図２１中の矢印４４０で示す範囲を走査しつつ高周波信号を送信する。受信装置５１０は、図２１中の矢印５４０で示す範囲を走査しつつ高周波信号を受信する。送信装置４１０および受信装置５１０は、各々図示しない制御部を有しており、制御部により走査範囲内において高周波信号の最も感度の高い位置において送信または受信するように制御されている。

具体的には、受信装置５１０の制御部は、高周波信号４３０の受信感度をフィードバック信号として送信装置４１０に送信する。送信装置４１０の制御部は、そのフィードバック信号を受信して、最適伝送路を割り出す。最適伝送路が決定された後、送信装置４１０および受信装置５１０のそれぞれのアンテナのビームの方向が、各々の制御部により、その最適伝送路を構築するように調整される。その結果、送信装置４１０と受信装置５１０との間の伝送損失が低減される。

図２２に示すように、本実施形態の送信装置４１０および受信装置５１０においては、回路基板４３０，５３０の主表面上にアンテナ４２０，５２０が形成されている。回路基板４３０，５３０は、筐体４５０，５５０に収納されている。回路基板４３０，５３０と対向するように配置された誘電体板４４０，５４０は、筐体４５０，５５０の一部を構成している。高周波信号４３０は、アンテナ４２０，５２０から放射されて、誘電体板４４０，５４０を透過して伝搬する。

本実施形態においては、回路基板４３０，５３０の主表面上にＬＥＤ(Light Emitting Diode)からなる発光部４６０，５６０が設けられている。発光部４６０，５６０は、誘電体板４４０，５４０に向けて赤色および緑色などの可視光４７０，５７０を発光する。誘電体板４４０，５４０は、発光部４６０，５６０により発光された光を透過する。

本実施形態においては、誘電体板４４０，５４０は、ポリプロピレンから構成されているため、誘電体板４４０，５４０の比誘電率ε_rが２．３である。高周波信号４３０の平均周波数を６０．５ＧＨｚとすると、誘電体板４４０，５４０中の実効波長λ_gは３．２６ｍｍである。アンテナ４２０，５２０のアンテナ利得(ｄＢｉ)が高くなるように、誘電体板４４０，５４０の厚さは、λ_g／４＝０．８ｍｍ、または、３λ_g／４＝２．４ｍｍの近傍にすることが好ましい。

０．８ｍｍまたは２．４ｍｍ程度の厚さのポリプロピレンにより誘電体板４４０，５４０を構成することにより、発光部４６０，５６０から発光射された光は、誘電体板４４０，５４０を透過することが可能である。

送信装置４１０および受信装置５１０が高周波信号４３０を送受信しているときに、発光部４６０，５６０が発光するようにすることにより、電気機器の使用者に高周波信号４３０が送受信されていることを認識させることができる。その結果、使用者に対して、送信装置４１０と受信装置５１０との間の伝送経路に障害物等が存在しないように、装置の設置時および使用時に注意喚起することができる。

本実施形態の電気機器においては、誘電体板４４０，５４０が筐体４５０，５５０の一部となっているため、誘電体板４４０，５４０はアンテナカバーとしての機能を有している。そのため、誘電体板４４０，５４０をポリプロピレンから形成する場合には、０．８ｍｍの厚さで形成した場合よりも２．４ｍｍの厚さで形成した場合の方が、誘電体板４４０，５４０の機械的強度が増加して、アンテナ４２０，５２０の保護機能が向上される。

また、電気機器が室外で使用される場合においても、誘電体板４４０，５４０を２．４ｍｍの厚さで形成した方が、０．８ｍｍの厚さで形成した場合よりも耐候性に優れ、電気機器の長寿命化を図ることができる。

なお、今回開示した上記実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１００ アンテナ装置、１１０，４２０，５２０ アンテナ、１２０，４３０，５３０ 回路基板、１３０，２３０，３３０，４４０，５４０ 誘電体板、１４０，１６０ 接地導体、１４１ コンタクト、１７０ 側壁部、１８０ 支持基板、１９０ 誘電体層、２３１，３３１ 平板部、２３２，３３２ 突出部、４００ ブルーレイおよびＨＤＤレコーダー、４１０ 送信装置、４３０ 高周波信号、４５０，５５０ 筐体、４６０，５６０ 発光部、４７０，５７０ 可視光、５００ テレビ、５１０ 受信装置、６００ 天井。

Claims (15)

1. 基板と、
   前記基板の１つの主表面上に位置するアンテナと、
   前記基板の前記主表面と対向する誘電体板と、
   前記基板と前記誘電体板との間に介在する誘電体層と
   を備え、
   前記誘電体板は、前記基板の比誘電率以下の比誘電率を有し、
   前記誘電体層は、前記誘電体板の比誘電率より小さい比誘電率を有する、アンテナ装置。
2. 前記誘電体層が気体からなる、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記誘電体層が樹脂で構成されている、請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記誘電体層が空気からなり、
   前記アンテナから放射された高周波信号が空気中を伝搬する際の波長をλ、互いに対向している前記基板の前記主表面と前記誘電体板との間の距離をＳとした場合、０．７λ／２≦Ｓ≦１．３λ／２の関係を満たす、請求項２に記載のアンテナ装置。
5. 前記誘電体板の厚さをｄ、前記誘電体板の比誘電率をε_rとした場合、０．４λ／(４ε_r ^1/2)≦ｄ≦１．６λ／(４ε_r ^1/2)の関係を満たす、請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記誘電体板の厚さをｄ、前記誘電体板の比誘電率をε_rとした場合、０．８(３λ)／(４ε_r ^1/2)≦ｄ≦１．２(３λ)／(４ε_r ^1/2)の関係を満たす、請求項４に記載のアンテナ装置。
7. 前記誘電体板は、前記アンテナと対向する部分に前記アンテナに近接するように突出した突出部を有する、請求項１から６のいずれかに記載のアンテナ装置。
8. 前記突出部と前記アンテナとの間に前記誘電体層が介在している、請求項７に記載のアンテナ装置。
9. 前記突出部が円柱形状を有する、請求項７または８に記載のアンテナ装置。
10. 前記突出部が四角柱形状を有する、請求項７または８に記載のアンテナ装置。
11. 前記アンテナが、マイクロストリップパッチアンテナまたはスロットアンテナである、請求項１から１０のいずれかに記載のアンテナ装置。
12. 複数の前記アンテナを有し、
    前記複数のアンテナが、フェーズドアレイアンテナとして動作する、請求項１から１０のいずれかに記載のアンテナ装置。
13. 請求項１から１２のいずれかに記載のアンテナ装置を備える電気機器であって、
    前記基板を収納する筐体を有し、
    前記誘電体板は、前記筐体の一部を構成している、電気機器。
14. それぞれ室内で使用される受信装置および送信装置を備える電気機器であって、
    前記受信装置および送信装置の各々は、請求項１から１２のいずれかに記載のアンテナ装置を含み、
    前記送信装置は、室内の壁を介して高周波信号を前記受信装置に送信する、電気機器。
15. 前記アンテナ装置において、前記基板の前記主表面上に発光部が設けられ、
    前記発光部は、前記誘電体板に向けて発光し、
    前記誘電体板は、前記発光部により発光された光を透過する、請求項１３または１４に記載の電気機器。

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