JP2014236438A - アンテナ装置および無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】無線ネットワークなどの無線通信に用いられるアンテナ技術に関し、設置面積および高さが小さく、放射方向と背面方向の利得差を高めることにある。
【解決手段】 素子端または素子中間部で給電される給電素子（１２）と、給電素子に対して間隔を設けて配置された無給電素子（２２−１、２２−２）とが備えられる。これら給電素子および無給電素子の配置方向と交差する方向であって、前後の方向において、異なる利得が設定される。
【選択図】 図１

Description

本開示の技術はたとえば、無線ネットワークなどの無線通信に用いられるアンテナ技術に関する。

無線ネットワークなどの無線通信システムには各種のアンテナ装置が使用される。アンテナの特性には、たとえば、指向性がある。指向性は、アンテナから放射される電波の強さが方向によって異なる性質である。指向性は、たとえば前方後方比（ＦＢ比：Front-to-Back Ratio）などの利得差で表される。多重反射の影響を抑えるなどの目的で、アンテナは、たとえばある特定の方向に強い指向性を有するように設定される。この指向性を得るにはたとえば、複数の素子が用いられる。

複数の素子を備えるアンテナの指向性に関し、偏波共用のアンテナで垂直偏波と水平偏波の指向性をほぼ同一にすることが知られている（たとえば、特許文献１）。

また、複数の素子を備えることにより、双指向性を得ることが知られている（たとえば、特許文献２）。

複数の素子を備えるアンテナに関し、給電素子と無給電素子とを直角に配置することが知られている（たとえば、特許文献３）。

複数の素子を合成樹脂フィルム上に配置することが知られている（たとえば、特許文献４）。

複数の素子を備えるアンテナに関し、インピーダンスを中央に装荷した無給電素子をダイポールアンテナに対して平行に配置し、インピーダンスを介して無給電素子の端部とダイポールアンテナの端部を連結させることが知られている（たとえば、非特許文献１）。斯かるアンテナでは、素子の配置方向に指向性を持たせることが知られている。

特開２０１１−０４９８６４号公報 特開平７−２４５５２５号公報 特開２０１１−１３０００２号公報 実開平２−４６４１４号公報

三國（Y. Mikuni）、永井（K. Nagai），「単一指向性ダイポールアンテナ（ＵＮＩＤＩＲＥＣＴＩＯＮＡＬ ＤＩＰＯＬＥ ＡＮＴＥＮＮＡ）」，エレクトロニクス レター（ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ），アイ・トリプル・イー（ＩＥＥＥ），１９７２年９月２１日，Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．１９，ｐ．４７２−４７３

ところで、無線ネットワークでは、その端末装置にアンテナ装置が設置される。このアンテナ装置は端末装置に組み込まれ、たとえば壁などの物体または人体に設置される。物体や人体などに設置されるアンテナ装置にあっては、その物体や人体などの設置環境における誘電率や構造などがアンテナ装置の特性に影響を及ぼす。すなわち、アンテナ装置の周波数特性、利得または指向性パターンが影響を受ける。設置環境により指向性が損なわれ、電波の送受方向に必要な利得が得られなかったり、放射方向と背面方向の利得差が得られないという課題がある。また、アンテナ装置が設置面積や高さに制限を受けるという課題がある。

そこで、本開示の技術の目的は上記課題に鑑み、設置面積および高さが小さく、放射方向と背面方向の利得差を高めることにある。

また、本開示の技術の他の目的は、上記目的に加え、指向性を調整し、または電波の送受方向として特定方向に設定することにある。

上記目的を達成するため、本開示の技術の一側面によれば、素子端または素子中間部で給電される給電素子と、給電素子に対して間隔を設けて配置された無給電素子とが備えられる。これら給電素子および無給電素子の配置方向と交差する前後方向に異なる利得が設定される。

(1) 本開示の技術によれば、設置面積および高さが小さく、給電素子と無給電素子の配置方向と交差する前後方向に指向性を得ることができる。

(2) 本開示の技術によれば、上記効果に加え、素子の配置面の一方面側と他方面側との間で指向性を調整し、または放射方向を特定方向に設定することができる。

そして、本開示の技術の他の目的、特徴および利点は、添付図面および各実施の形態を参照することにより、一層明確になるであろう。

第１の実施の形態に係る無線通信システムの一例を示す図である。 アンテナ素子の正面図である。 アンテナ素子の側面図である。 給電回路の一例を示す図である。 アンテナ素子の長さに対するＦＢ比の変化の一例を示す図である。 無線通信システムの設置の一例を示す図である。 実施例に係る無線通信システムを示す図である。 アンテナ素子の正面図である。 アンテナ素子の側面図である。 周波数に対する反射損失の一例を示す図である。 ＸＹ平面における指向性図の一例を示す図である。 ＺＸ平面における指向性図の一例を示す図である。 ＹＺ平面における指向性図の一例を示す図である。 比較例に係るパッチアンテナを示す図である。 ＺＸ平面における指向性図の一例を示す図である。 無給電素子と給電素子の長さが異なる例を示す図である。 無給電素子と給電素子の間隔を異ならせた例を示す図である。 ３本の無給電素子を設置した例を示す図である。 各素子を同一平面上に設置した無線通信システムの一例を示す図である。 アンテナ素子の側面図である。 モノポールアンテナを用いた無線通信システムの一例を示す図である。 アンテナ素子の正面図である。 アンテナ素子の側面図である。 無線通信システムの回路の一例を示す図である。 無線通信システムの回路の一例を示す図である。 アンテナ素子の側面図である。

〔第１の実施の形態〕

図１は第１の実施の形態に係る無線通信システムの一例を示している。無線通信システム２−１は、本開示の無線通信システムの一例であり、アンテナ装置４−１と信号源４２とを含んでいる。アンテナ装置４−１は信号源４２に接続している。アンテナ装置４−１では、信号源４２がアンテナ装置４−１から送信する情報を特定の周波数を持つ信号に変調し、この信号を無線信号として外部に送信する。また、アンテナ装置４−１は、到来する無線信号を受信し、情報を含む信号をこの無線信号から復調する。無線通信システム２−１は、この無線信号の送信および受信により外部との通信を行う。

アンテナ装置４−１は、本開示のアンテナ装置の一例である。アンテナ装置４−１は、アンテナ素子６と、給電回路３２とを含んでいる。アンテナ装置４−１は、信号源４２により生成された信号を給電回路３２で取得し、この信号を給電回路３２によりアンテナ素子６の給電点１４に給電する。

アンテナ素子６は、給電素子１２と、無給電素子２２−１、２２−２とを含んでいる。つまり、アンテナ素子６は複数の素子を含んでいる。

図２および図３は、アンテナ素子の一例を示している。図２はアンテナ素子の正面図であり、図３はアンテナ素子の側面図である。なお、図２には、信号源４２が示され、信号の供給位置が示されている。

給電素子１２は、帯状の素子であって、１対の素子１２−１、１２−２を含み、ダイポールアンテナを形成している。素子１２−１、１２−２の近接する端部は、既述の給電点１４を形成し、給電回路３２を介して信号源４２に接続されている。つまり、給電素子１２は、給電点１４で信号源４２の信号を受ける。給電素子１２は受けた信号を外部に放射する放射素子の一例である。

素子１２−１、１２−２は同じ長さであり、給電点１４は、給電素子１２の素子中間部に設定されている。給電素子１２の幅Ｗ１は、たとえば２［ｍｍ］である。給電素子１２の厚さｔ１は、幅Ｗ１よりも薄く設定されている。給電素子１２は、金属などの導電材料により形成され、たとえば銅により形成される。銅は高い導電率を有するので、銅の使用により素子の抵抗値が小さくなる。よって、素子の抵抗成分によるアンテナの信号損失が抑制できる。

無給電素子２２−１、２２−２は、帯状の素子である。無給電素子２２−１の幅Ｗ２および無給電素子２２−２の幅Ｗ３は、たとえば２［ｍｍ］である。無給電素子２２−１の厚さｔ２および無給電素子２２−２の厚さｔ３は、たとえば同じ厚さであって、幅Ｗ２、Ｗ３よりも薄く設定されている。無給電素子２２−１、２２−２は、既述の導電材料で形成される。

無給電素子２２−１の長さＬ２および無給電素子２２−２の長さＬ３は、給電素子１２の長さＬ１と同じ長さに設定されている（Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３）。つまり、長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３は、アンテナ素子６の長さを表している。

無給電素子２２−１、２２−２は、給電素子１２に平行に配置される。このとき、無給電素子２２−１、２２−２の帯形状により形成される平坦面が給電素子１２の帯形状により形成される平坦面に対して平行に配置される。

無給電素子２２−１、２２−２は、給電素子１２を軸にして給電素子１２を中心に対称に配置されている。無給電素子２２−１、２２−２は、給電素子１２を間に挟んでいる。給電素子１２の幅中心から無給電素子２２−１の幅中心までの間隔Ｇ１は給電素子１２の幅中心から無給電素子２２−２の幅中心までの間隔Ｇ２と同じ間隔に設定されている。なお、間隔Ｇ１、Ｇ２は、給電素子１２および無給電素子２２−１、２２−２の平坦面に対して平行方向の距離としている。間隔Ｇ１、Ｇ２の設定により、無給電素子２２−１、２２−２は給電素子１２の配置位置からずれ、給電素子１２の平坦面と無給電素子２２−１、２２−２の平坦面とが重ならない。つまり、無給電素子２２−１、２２−２は、給電素子１２の平坦面の直上から離されている。このため、給電素子１２と無給電素子２２−１、２２−２との対向面積が小さくなり、給電素子１２と無給電素子２２−１、２２−２間が容量的に結合することが抑制される。給電素子１２と無給電素子２２−１、２２−２の間の容量結合は、指向性を緩和させる。容量結合の抑制により、指向性の緩和が抑制される。

無給電素子２２−１、２２−２は、給電素子１２から放射された電波を誘導する導波器として機能し、または放射された電波を反射する反射器として機能する。給電素子１２および無給電素子２２−１、２２−２は相互に誘導し合うなどの相互作用を生じさせ、放射素子を形成する。

間隔Ｇ１、Ｇ２は、長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３よりも短く、アンテナ素子６が放射する電波の４分の１波長よりも短い。つまり、アンテナ素子６の間隔Ｇ１、Ｇ２方向の長さが抑制されている。

各素子の平坦面と垂直な方向において、給電素子１２と無給電素子２２−１、２２−２との間に間隔Ｇ３が設定されている。間隔Ｇ３はたとえば間隔Ｇ１、Ｇ２よりも短い間隔である。間隔Ｇ３の設定により、アンテナ素子６が立体的になり、アンテナ素子６の設定の自由度が高められる。給電素子１２および無給電素子２２−１、２２−２に挟まれた区域ｚには、空気などの誘電部材が配置される。給電素子１２および各無給電素子２２−１、２２−２は、この区域ｚ上に配置される。つまり区域ｚは、給電素子１２および無給電素子２２−１、２２−２の配置面の一例である。

次に給電回路について図４を参照する。図４は、給電回路の一例を示している。図４に示す構成は一例であって、斯かる構成に本開示の技術が限定されるものではない。

図４は、給電回路３２およびＲＦ部（Radio Frequency Part：無線部）４３を示している。

給電回路３２は、アンテナ装置４−１の給電点１４とＲＦ部４３との間に設置される。給電回路３２には整合回路３６が備えられ、整合回路３６は一例として容量素子３８および誘導素子４０−１、４０−２を含んでいる。容量素子３８は伝送回路４４−１を介してアンテナ素子６の給電点１４に接続されている。容量素子３８は給電点１４に並列に接続されている。この容量素子３８はたとえば、キャパシタである。各誘導素子４０−１、４０−２は伝送回路４４−１を介して給電点１４に個別に接続されている。また、各誘導素子４０−１、４０−２は伝送回路４４−２を介してＲＦ部４３に個別に接続されている。つまり、誘導素子４０−１は給電点１４の一方とＲＦ部４３の一方の端子との間に直列に接続されている。誘導素子４０−２は給電点１４の他方とＲＦ部４３の他方の端子との間に直列に接続されている。各誘導素子４０−１、４０−２はたとえば、インダクタである。

整合回路３６は、容量素子３８および誘導素子４０−１、４０−２により給電回路３２側のインピーダンスをアンテナ素子６のインピーダンスに整合させる整合処理部の一例である。容量素子３８の接続位置および大きさと誘導素子４０−１、４０−２の接続位置および大きさは、アンテナ素子６の形状、および無線信号の周波数等により調整される。整合回路３６は、π型回路（πマッチ）、Ｔ型回路（Ｔマッチ）などの整合回路であってもよい。

ＲＦ部４３は既述の信号源４２（図１）の一例である。このＲＦ部４３には送信部であればたとえば、変調器および電力増幅器が含まれ、受信部であれば復調器などが含まれる。変調器は、アンテナ素子６から送信する情報を搬送波に乗せて既述の信号を生成する、つまり、変調器は無線信号を生成する。電力増幅器は、信号または無線信号を増幅する。復調器は、アンテナ素子６が受信した無線信号から情報を含む信号部分を取り出す。つまり、ＲＦ部４３は、高周波信号を処理する信号処理部の一例であり、たとえば無線通信システム２−１のＲＦモジュールとして機能する。

伝送回路４４−１、４４−２は、アンテナ素子６、整合回路３６、ＲＦ部４３の接続に用いられる。伝送回路４４−１、４４−２は、たとえば、平行二線または同軸ケーブルであり、信号又は無線信号を伝送する。アンテナ素子６は平衡型のアンテナであるので、伝送回路４４−１、４４−２に同軸ケーブルを用いる場合、伝送回路４４−１、４４−２は、バランを介してアンテナ素子６に接続される。バランの平衡、不平衡間の変換機能により、漏洩電流の発生が抑制される。

（アンテナ素子６の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３および間隔Ｇ１、Ｇ２の設定）

次に、アンテナ素子６の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３および間隔Ｇ１、Ｇ２の設定について図５を参照する。図５は、アンテナ素子６の長さに対するＦＢ比の変化を示している。このＦＢ比はシミュレーションにより解析している。

ＦＢ比の解析に際し、アンテナ装置４−１のアンテナ素子６には図１に示すＸＹＺ座標系が設定される。図１に示すように、アンテナ素子６はＹＺ平面上に配置され、給電点１４は原点Ｏに配置される。アンテナ装置４−１の前方は、Ｘ軸の正方向に設定され、アンテナ装置４−１の後方は、Ｘ軸の負方向に設定される。つまり、ＹＺ平面の面方向に給電素子１２と無給電素子２２−１、２２−２とが配置されている。Ｘ軸は、給電素子１２と無給電素子２２−１、２２−２の配置方向の直交方向を表している。

ＦＢ比の解析に際し、給電素子１２と無給電素子２２−１、２２−２の間には、比誘電率εｒが４である誘電部材を配置する。つまり、既述の区域ｚには、比誘電率εｒが４である誘電部材が配置されている。

ＦＢ比の解析では、ＦＢ比がたとえばアンテナ装置４−１が真空中に配置された場合における電波放射の前方と後方の比（単位：［ｄＢ］）として計算される。ＦＢ比は、Ｘ軸の正方向の利得（単位：［ｄＢ］）からＸ軸の負方向の利得を引くことで得られる。利得はダイポールアンテナなどの基準アンテナに対する電力の集中度合いを表す。なお、電波の周波数は１［ＧＨｚ］に設定されている。また、長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３は、同じ値ｌ［ｍｍ］に設定され、間隔Ｇ１、Ｇ２は同じ値ｇ［ｍｍ］に設定される。

図５に示すグラフは、間隔Ｇ１、Ｇ２の値ｇが７［ｍｍ］（０．０２３波長）、９［ｍｍ］（０．０３０波長）、１１［ｍｍ］（０．０３７波長）、１３［ｍｍ］（０．０４３波長）、または１５［ｍｍ］（０．０５０波長）である場合のＦＢ比の変化を示している。何れの値ｇである場合も、値ｌ［ｍｍ］の変化に応じてＦＢ比が変化している。つまり、ＦＢ比はアンテナ素子６の長さに応じて変化する。また、何れの値ｇである場合も、値ｌに応じてＦＢ比が正の値となる場合と、負の値となる場合がある。ＦＢ比が正の値である場合、Ｘ軸の負方向の放射よりも正方向の放射が強いことを表している。一方、ＦＢ比が負の値である場合、Ｘ軸の正方向の放射よりも負方向の放射が強いことを表している。つまり、アンテナ装置４−１では、各素子の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３を変えることで電波が強く放射される方向を前後で逆転できる。また、一例として、間隔Ｇ１、Ｇ２が１５［ｍｍ］に設定され、アンテナの長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３が１１９［ｍｍ］（０．４０波長）に設定されれば、ＦＢ比が約１８［ｄＢ］になる。

アンテナ素子６に含まれる各素子の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３の変化は、アンテナ素子６のインピーダンスを変化させる。このアンテナ素子６のインピーダンスの変化が、給電素子１２および各無給電素子２２−１、２２−２に挟まれた区域ｚと交差する前後方向の利得とを変化させていると考えられる。つまり、アンテナ素子６の長さの変更は、アンテナ素子６の電波の放射方向をＸ軸の正方向と負方向の間で逆転させることができるとともにアンテナ素子６の指向性を表すＦＢ比を所望の値に変えることができる。

（第１の実施の形態の効果）

アンテナ装置４−１およびアンテナ装置４−１を含む無線通信システム２−１によれば、アンテナ素子６の間隔Ｇ１、Ｇ２がたとえば０．０２３波長から０．０５０波長の範囲であり、アンテナ素子６の幅Ｗ４（図３）が長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３よりも小さい。つまり、アンテナ素子６が設置される設置面積が、長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３の２乗よりも小さい。また、アンテナ装置４−１および無線通信システム２−１によれば、間隔Ｇ３は間隔Ｇ１、Ｇ２よりも短い。つまり、アンテナ素子６の放射方向の高さが小さく、低背である。そして、給電素子１２および無給電素子２２−１、２２−２を含むことで、給電素子１２と無給電素子２２−１、２２−２の配置方向と交差する前後方向に指向性を得ることができる。無線通信システム２−１によれば、アンテナ素子６の配置面の一方面側と他方面側との間で指向性を調整し、または放射方向を特定方向に設定することができる。

アンテナ素子６の設置面積が小さく高さが小さいので、アンテナ装置４−１および無線通信システム２−１は小型の無線通信システムに適用できる。たとえば、アンテナ装置４−１および無線通信システム２−１は、無線センサネットワークのセンサノードに適用できる。アンテナ装置４−１のＦＢ比または指向性が特定の値または特性に調整できる。

図６は、無線通信システムの設置の一例を示している。図６中、Ｒ１およびＲ２は、電波の放射を概念的に表している。電波の放射Ｒ２は、破線で表され、放射が放射Ｒ１より弱いことを表している。無線通信システム２−１は既述の設置環境として壁４６に設置されている。このとき、アンテナ装置４−１のＦＢ比または指向性の調整により、無線通信システム２−１は、図６に示す放射方向（Ｘ軸の正の方向）に電波を強く放射する。一方、無線通信システム２−１は、図６に示すＸ軸の負の方向の放射を抑制している。よって、壁４６側に電界が広がることが抑制される。壁４６の誘電率および構造がアンテナ装置４−１に与える影響が小さく、アンテナ装置４−１の周波数特性、利得および指向性パターンの変化が抑制される。無線通信システム２−１を物体や人体などの設置環境に設置した場合であっても、アンテナ素子６のインピーダンスが安定し、アンテナ装置４−１周波数特性、利得および指向性が安定する。

アンテナ装置４−１は電波の放射方向が特定方向に設定可能であるので、多重反射された電波の受信を抑制できる。つまり、電波の多重反射の影響が抑制される。

（変形例）

上記第１の実施の形態では、給電素子１２と無給電素子２２−１、２２−２の間に空気などの誘電部材を配置したが、各素子間が絶縁されればよく、たとえば誘電部材は誘電体基板などであってもよい。この場合、誘電体基板の一対の対向面に給電素子１２および無給電素子２２−１、２２−２がそれぞれ設置でき、給電素子１２および無給電素子２２−１、２２−２が一体的に固定できる。斯かる構成であっても、給電素子１２および無給電素子２２−１、２２−２が相互に誘導し合うなどの相互作用を生じさせることができる。また、誘電体基板の波長短縮効果により、給電素子１２および無給電素子２２−１、２２−２の素子長を短くすることができる。

給電素子１２と無給電素子２２−１、２２−２の間に誘電部材を配置せずに、給電素子１２と無給電素子２２−１、２２−２の間は真空状態であってもよい。給電素子１２と無給電素子２２−１、２２−２の間に空気を配置しまたは真空状態にする場合、給電素子１２および無給電素子２２−１、２２−２はたとえば個別の固定手段により固定される。また、給電素子１２および無給電素子２２−１、２２−２はたとえばその周縁部を絶縁材料により相互に固定されてもよい。斯かる構成であっても、給電素子１２および無給電素子２２−１、２２−２が相互に誘導し合うなどの相互作用を生じさせることができる。

〔実施例〕

実施例について、図７、図８および図９を参照して説明する。図７は実施例に係る無線通信システムを示す図である。図８はアンテナ素子の正面図である。図９はアンテナ素子の側面図である。なお、図７ないし図９に示す構成は一例であって、斯かる構成に本開示の技術が限定されるものではない。なお、図８には、信号源４２が示され、信号の供給位置が示されている。図１、図２および図３と同一部分には同一符号を付してある。図７および図８では、誘電体基板５２により隠れる部材が破線により表わされている。

無線通信システム２−２は、給電素子１２および各無給電素子２２−１、２２−２に挟まれた区域に誘電体基板５２を含んでいる。

無線通信システム２−２は、無線通信システム２−１の一例である。無線通信システム２−２は、アンテナ装置４−２と既述の信号源４２とを含んでいる。

アンテナ装置４−２は、アンテナ装置４−１の一例である。アンテナ装置４−２は、既述のアンテナ素子６および給電回路３２と、誘電体基板５２を含んでいる。

誘電体基板５２は、アンテナ素子６の固定手段の一例である。誘電体基板５２は、第１の面および第２の面を備えている。この第２の面は、第１の面の反対側の面であり、第１の面に対する平行面を形成している。誘電体基板５２の厚さＴｓは一例として１．６［ｍｍ］に設定されている。また、誘電体基板５２の比誘電率εｒは、一例として４に設定されている。

誘電体基板５２の第１の面には給電素子１２が設置され、第２の面には無給電素子２２−１、２２−２が設置されている。誘電体基板５２は給電素子１２と無給電素子２２−１、２２−２の配置面を形成している。

給電素子１２は、帯状の銅板である。給電素子１２の幅Ｗ１は、一例として２［ｍｍ］に設定されている。給電素子１２の厚さｔ１は、幅Ｗ１よりも小さい値に設定されている。

無給電素子２２−１、２２−２には、帯状の銅板である。無給電素子２２−１、２２−２の幅Ｗ２、Ｗ３は、一例として２［ｍｍ］に設定されている。無給電素子２２−１の厚さｔ２および無給電素子２２−２の厚さｔ３は、それぞれ幅Ｗ２、Ｗ３よりも小さい値に設定されている。

給電素子１２の長さＬ１、無給電素子２２−１の長さＬ２および無給電素子２２−２の長さＬ３は、一例として１１７［ｍｍ］であり、アンテナ素子６の幅Ｗ４は一例として２８［ｍｍ］である。つまり、間隔Ｇ１、Ｇ２は、１３［ｍｍ］に設定されている。

給電素子１２と無給電素子２２−１、２２−２の間には、誘電体基板５２が配置され、この誘電体基板５２により間隔Ｇ３が設定されている。この間隔Ｇ３は、誘電体基板５２の厚さＴｓとなる（Ｇ３＝Ｔｓ＝１．６［ｍｍ］）。

アンテナ素子６、給電回路３２および信号源４２の構成は、第１の実施の形態と同様であるのでその説明を省略する。

（アンテナ装置４−２の特性）

次に、アンテナ装置４−２の特性について図１０ないし図１３を参照する。図１０は、周波数に対する反射損失（リターンロス）を示している。図１１は、ＸＹ平面における指向性を示している。図１２は、ＺＸ平面における指向性を示している。図１３は、ＹＺ平面における指向性を示している。これらの特性は、アンテナ装置４−２に信号源４２を接続した場合の特性であり、ミュレーションにより解析した特性である。なお、図１１ないし図１３の指向性図周縁の数値は、角度（Ａｎｇ）（単位：［°］）を表している。指向性図円内の数値は、利得（単位：［ｄＢ］）を表している。なお、図１１のＡ、図１２のＡおよび図１３のＡは指向性図であり、図１１のＢ、図１２のＢおよび図１３のＢは指向性図で表されている指向性の方向に関する情報、つまり極座標系におけるφ方向またはθ方向の成分の利得を示している。図１１のＣは、指向性図で表されているマーカｍ１、ｍ２におけるＰｈｉ値（角度φの値）、Ａｎｇ値（角度の値）およびＭａｇ値（電界強度の値、単位［ｄＢ］）を示している。図１２のＣは、指向性図で表されているマーカｍ１、ｍ２、ｍ３におけるＴｈｅｔａ値（角度θの値）、Ａｎｇ値およびＭａｇ値を示している。

アンテナ装置４−２の特性の解析に際し、アンテナ装置４−２に対し図７に示すＸＹＺ座標系が設定される。図７に示すように、アンテナ素子６および誘電体基板５２がＹＺ平面上に配置され、給電素子１２の給電点１４は原点Ｏに配置される。アンテナ装置４−２の前方は、Ｘ軸の正方向に設定され、アンテナ装置４−２の後方は、Ｘ軸の負方向に設定される。つまり、ＹＺ平面の面方向に給電素子１２と無給電素子２２−１、２２−２とが配置されている。Ｘ軸は、給電素子１２と無給電素子２２−１、２２−２の配置方向の直交方向を表している。

図１０において、反射損失（リターンロス）Ｓ１１は、周波数１［ＧＨｚ］において、落ち込み、反射損失Ｓ１１の値が約−２３［ｄＢ］になっている。その他の周波数では、周波数０．８０［ＧＨｚ］から１．２０［ＧＨｚ］の範囲において反射損失Ｓ１１の値が約０［ｄＢ］になっている。つまり、アンテナ装置４−２は周波数１［ＧＨｚ］の信号に共振し、入力信号を外部に放射していており、周波数１［ＧＨｚ］の信号に共振するアンテナ装置として設定されている。

図１１に示す指向性図において、角度０［°］方向は、Ｘ軸の正方向であり、角度−１８０［°］方向は、Ｘ軸の負方向である。太い線で示されている指向性は、極座標系におけるφ方向の成分の利得を表している。また、細い線で示されている指向性が、極座標系におけるθ方向の成分の利得を表している。

アンテナ装置４−２では、φ方向の成分の利得がθ方向の成分の利得よりも十分に大きい値を有している。Ｘの値が正の領域（領域Ｉ）におけるφ方向の成分の利得は、Ｘの値が負の領域（領域ＩＩ）におけるφ方向の成分の利得よりも大きくなっている。つまり図１１に示す利得は、アンテナ素子６が配置されている配置面の一方面側と他方面側とで異なっていることを示している。

また、角度０［°］の方向は、利得が最も高い。利得の値は約４．７［ｄＢ］である。角度−１８０［°］の方向は、利得が低い。利得の値は約−１５．４［ｄＢ］である。また、角度０［°］を前方とし、角度−１８０［°］を後方とすると、ＦＢ比は式１に示す利得差で表される。ＦＢ比は約２０．１［ｄＢ］となり、アンテナ装置４−２は、高い指向性を有していることが分かる。

ＦＢ比［ｄＢ］＝前方の利得［ｄＢ］−後方の利得［ｄＢ］ ・・・式１

図１２に示す指向性図おいて、角度０［°］方向は、Ｚ軸の正方向であり、角度−１８０［°］方向は、Ｚ軸の負方向である。角度９０［°］方向は、Ｘ軸の正方向であり、角度−９０［°］方向は、Ｘ軸の負方向である。太い線で示されている指向性は、極座標系におけるφ方向の成分の利得を表している。極座標系におけるθ方向の成分の利得は、全方位において−４０［ｄＢ］以下である。

アンテナ装置４−２では、φ方向の成分の利得がθ方向の成分の利得よりも十分に大きい値を有している。Ｘの値が正の領域（領域ＩＩＩ）におけるφ方向の成分の利得は、Ｘの値が負の領域（領域ＩＶ）におけるφ方向の成分の利得よりも大きくなっている。つまり図１２に示す利得は、アンテナ素子６が配置されている配置面の一方面側と他方面側とで異なっていることを示している。

図１３に示す指向性図において、角度０［°］方向は、Ｚ軸の正方向であり、角度−１８０［°］方向は、Ｚ軸の負方向である。角度９０［°］方向は、Ｙ軸の正方向であり、角度−９０［°］方向は、Ｙ軸の負方向である。太い線で示されている指向性は、極座標系におけるφ方向の成分の利得を表している。細い線で示されている指向性が、極座標系におけるθ方向の成分の利得を表している。アンテナ装置４−２は、φ方向の成分の利得が既述の領域Ｉおよび領域ＩＩＩにおけるφ方向の成分の利得よりも十分に小さい値を有している。

この実施例に係るアンテナ装置４−２およびアンテナ装置４−２を含む無線通信システム２−２によれば、アンテナ素子６のＹ軸方向の長さは１１７［ｍｍ］、つまり１波長の約０．３９倍の長さに抑えられている。また、アンテナ素子６のＺ軸方向の長さは２８［ｍｍ］、つまり、１波長の約０．０９倍の長さでありＹ軸方向の長さよりも更に短い。また、アンテナ素子６のＸ軸方向の長さ、つまりアンテナ素子６の高さは、１．６［ｍｍ］である。よって、アンテナ装置４−２の設置面積が小さく、放射方向の高さが小さい。また、アンテナ装置４−２の設置面として、ＹＺ平面に直交するＸ軸方向のＦＢ比が約２０．１［ｄＢ］となるので、アンテナ装置４−２では高い利得差が得られる。

〔比較例１〕

図１４は、比較例１に係るパッチアンテナを示している。パッチ５０６は誘電体基板５０４の一方の面に設置され、地板５０８は誘電体基板５０４の他方の面に設置されている。誘電体基板５０４の厚さは、１．６［ｍｍ］に設定され、誘電体の比誘電率εｒは４．４である。つまり、パッチ５０６と地板５０８とは１．６［ｍｍ］の間隔をあけて配置されている。

パッチアンテナ５０２では、１辺の長さが２分の１波長以上の接地面積が必要である。このため、地板５０８では、１辺の長さＳ１が１３０．５「ｍｍ」の正方形に設定される。パッチ５０６は、１辺の長さＳ２が７０．５［ｍｍ］の正方形に設定される。パッチアンテナ５０２は、周波数１［ＧＨｚ］の電波に共振するように設定されている。

（比較例１に係るパッチアンテナ５０２の特性）

図１５は、パッチアンテナ５０２のＺＸ平面の指向性を示している。この指向性は、シミュレーションにより解析した特性である。図１５の指向性図周縁の数値は、角度（Ａｎｇ）（単位：［°］）を表している。指向性図円内の数値は、利得（単位：［ｄＢ］）を表している。なお、図１５のＡは指向性図を示し、図１５のＢは指向性図で表されている指向性の方向に関する情報を示し、図１５のＣは、指向性図で表されているマーカｍ１、ｍ２におけるＴｈｅｔａ値、Ａｎｇ値およびＭａｇ値を示している。

パッチアンテナ５０２の特性の解析に際し、パッチアンテナ５０２に対し図１４に示すＸＹＺ座標系が設定される。パッチアンテナ５０２がＸＹ平面上に配置され、パッチアンテナ５０２の中心は、原点Ｏに設定される。

図１５のＡに示す指向性図において、角度０［°］方向は、Ｚ軸の正方向であり、角度−１８０［°］方向は、Ｚ軸の負方向である。太い線で示されている指向性は、極座標系におけるφ方向の成分の利得を表している。また、細い線で示されている指向性が、極座標系におけるθ方向の成分の利得を表している。

パッチアンテナ５０２では、θ方向の成分の利得がφ方向の成分の利得よりも十分に大きい値を有している。

角度０［°］の方向におけるθ方向の成分の利得の値は約０．８［ｄＢ］である。角度−１８０［°］の方向におけるθ方向の成分の利得の値は約−１０．７［ｄＢ］である。

また、角度０［°］を前方とし、角度−１８０［°］を後方とすると、ＦＢ比は既述の式１により計算され、ＦＢ比は約１１．５［ｄＢ］となる。パッチアンテナ５０２では、ＦＢ比を高めようとすると、地板５０８により形成されるグランド面を広げる必要がある。つまり、地板５０８の面積が広がることになる。

比較例１では、地板５０８の１辺の長さＳ１が１３０．５［ｍｍ］であり、ＦＢ比は約１１．５［ｄＢ］である。よって、実施例に係る無線通信システム２−２およびアンテナ装置４−２は、比較例１のパッチアンテナ５０２に比べて約４分の１の面積で、２倍近いＦＢ比を得ることができる。このため、アンテナ装置４−２は、小型な端末への搭載性に優れている。無線通信システム２−２およびアンテナ装置４−２は、アンテナ素子６の放射方向の厚さＧ３がパッチアンテナ５０２の厚さと同等でありながら、パッチアンテナ５０２よりも設置面積が小さく、かつ高いＦＢ比を得ることができる。

〔他の比較例〕

(1) 八木・宇田アンテナ

八木・宇田アンテナは、複数の素子を備え、各素子の間隔が約４分の１波長に設定されている。素子の数は少なくとも３素子必要であり、これらの素子は電波の放射軸方向に配置される。このため、八木・宇田アンテナは、放射軸方向に対して長いアンテナである。

(2) リフレクタアンテナ

リフレクタアンテナは、反射板（リフレクタ）と給電素子を備え、反射板と給電素子の間隔は約４分の１波長に設定されている。リフレクタアンテナでは、ＦＢ比を高めるため、反射板には面積が必要である。

(3) パラボラアンテナ

パラボラアンテナは、反射鏡と１次放射器を備える。パラボラアンテナでは、利得を高めるため、反射鏡には面積が必要である。また、反射鏡の断面は放物曲線を有するので、放射方向に対して厚さが必要である。

八木・宇田アンテナ、リフレクタアンテナおよびパラボラアンテナは、いずれも放射方向に長さまたは厚さが必要である。本開示のアンテナ装置４−１、４−２は、八木・宇田アンテナ、パラボラアンテナおよびパラボラアンテナよりも低背であり、小型な端末への搭載性に優れている。

以上説明した実施の形態について、その特徴事項や変形例を以下に列挙する。

(1) 上記実施の形態または実施例では、給電素子１２の長さＬ１および無給電素子２２−１、２２−２の長さＬ２、Ｌ３は、同じ長さに設定されたが、各素子の長さは異なっていてもよい。たとえば、図１６のＡに示すように、無給電素子２２−１、２２−２の長さＬ２、Ｌ３は同じ長さであり、給電素子１２の長さＬ１より長く設定してもよい。逆に、図１６のＢに示すように、長さＬ２、Ｌ３は同じ長さであり、長さＬ１より短く設定してもよい。斯かる構成であっても既述の効果を得ることができる。

(2) 上記実施の形態または実施例では、アンテナ素子６が誘電体基板５２に単独で設置されたが、アンテナ装置４−１、４−２や無線通信システム２−１、２−２を構成する他の電子部品を誘電体基板５２に実装してもよい。

図１７に示す無線通信システム２−３では、給電回路３２および信号源４２を省略して示している。誘電体基板５２には、アンテナ素子６が設置されるアンテナ設置領域１０２が設定され、アンテナ設置領域１０２に隣接する部品実装領域１０４が設定されている。この部品実装領域１０４には、電子部品が実装される。アンテナ素子６は、部品実装領域１０４の影響を受ける。よって、給電素子１２と無給電素子２２−２の間隔Ｇ２は、給電素子１２と無給電素子２２−１の間隔Ｇ１よりも短く設定している。無給電素子２２−２が給電素子１２に近づくと、部品実装領域１０４の設定に伴う指向性の変化の調整が図られる。つまり、無給電素子２２−１、２２−２は、給電素子１２を対称軸として対称に置かれる場合に限らない。指向性の調整などのために間隔Ｇ１、Ｇ２は異ならせてもよい。なお、間隔Ｇ１、Ｇ２の変更は、部品実装領域１０４が併設された場合に限られない。間隔Ｇ１、Ｇ２の変更は電子部品の実装以外の他の要因に対応するため変更してもよい。

(3) 上記実施の形態または実施例では、２本の無給電素子２２−１、２２−２を備えたが、無給電素子の数は複数本であれば良く、２本に限らない。

図１８に示す無線通信システム２−４では、給電回路３２および信号源４２を省略して示している。誘電体基板５２には、既述の部品実装領域１０４が設定されている。誘電体基板５２には、給電素子１２および無給電素子２２−１、２２−２とともに無給電素子２２−３が設置されている。部品実装領域１０４の設定に対応して無給電素子２２−３を設置することで、部品実装領域１０４の設定に伴う指向性の変化の調整が図られる。なお、無給電素子２２−１、２２−２、２２−３の数の変更は、部品実装領域１０４が併設された場合に限られない。無給電素子２２−１、２２−２、２２−３の数は、電子部品の実装以外の他の要因に対応するため変更してもよい。

(4) 上記実施の形態または実施例では、給電素子１２は、無給電素子２２−１、２２−２が配置されている配置面から間隔Ｇ３ほど離したが、給電素子１２は、無給電素子２２−１、２２−２が配置されている配置面上に配置され、各素子を同一平面上に設置してもよい。

図１９は、給電素子１２および無給電素子２２−１、２２−２を同一平面上に設置した無線通信システムの一例を示している。図２０はアンテナ素子の側面図を示している。間隔Ｇ３は０［ｍｍ］に設定され、給電素子１２および無給電素子２２−１、２２−２が同一面上に配置される。斯かる無線通信システム２−５であっても、長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３を変更することで、更には間隔Ｇ１、Ｇ２を変更することで利得差を生じさせ、指向性を調整し、または放射方向を特定方向に設定することができる。また、誘電体基板５２を備える場合、給電素子１２および無給電素子２２−１、２２−２が誘電体基板５２の同一面に設置されるので、各素子の設置が容易になる。

(5) 上記実施の形態または実施例では、給電素子１２としてダイポールアンテナを用いたが電波を放射する機能を有する素子を用いればよく、ダイポールアンテナに限定されない。

図２１は、モノポールアンテナを用いた無線通信システムの一例を示している。図２２はアンテナ素子の正面図、図２３はアンテナ素子の側面図を示している。

無線通信システム２−６は、接地素子１０８を備えている。給電素子１１２は接地素子１０８との間に給電点１４を形成し、接地素子１０８ともにモノポールアンテナを形成している。無給電素子１２２−１、１２２−２の端部は接地素子１０８に接続している。接地素子１０８を備えることで、給電素子１１２の長さＬ１１および無給電素子１２２−１、１２２−２の長さＬ１２、Ｌ１３は、既述の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３の約半分の長さに設定される。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。斯かる構成であっても、長さＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３を変更することで、更には間隔Ｇ１、Ｇ２を変更することで、アンテナ装置において利得差を生じさせ、指向性を調整し、または放射方向を特定方向に設定することができる。

(6) 上記実施の形態では、信号源４２が生成した信号をアンテナ素子６から送信したが、アンテナ素子６は無線信号の受信に用いてもよい。この場合、給電回路３２は、受信した信号の伝送回路として用いられる。また、アンテナ素子６は、電波の送信と受信の両方を行ってもよい。

(7) 上記実施の形態は、ＲＦ部４３と整合回路３６とを備える構成であったが、他の構成であってもよい。

図２４に示す無線通信システム２−７は、既述のアンテナ素子６と、既述の整合回路３６と、既述のＲＦ部４３と、信号処理部１４２とを含んでいる。信号処理部１４２は、たとえばベースバンド部であって、送信するための信号をディジタル処理するとともにアナログ信号に変換し、ＲＦ部４３に出力する。信号処理部１４２は、アンテナ素子６で受信した信号の処理も可能である。

図２５に示す無線通信システム２−８は、既述のアンテナ装置４−１と、マイクロプロセッサ２０２と、センサ２０４と、バッテリ２０６とを含み、既述のセンサノードとして機能する。マイクロプロセッサ２０２は、既述の信号処理部１４２、信号源４２またはＲＦ部４３の一例である。マイクロプロセッサ２０２は、センサ２０４の検出情報をセンサ２０４から取得する。マイクロプロセッサ２０２は、この検出情報を信号としてアンテナ装置４−１に出力する。バッテリ２０６は、電源部の一例であり、アンテナ装置４−１、マイクロプロセッサ２０２およびセンサ２０４に電力を供給する。センサ２０４を備えることで、無線通信システム２−８は、電力、温度、湿度などのセンサ２０４による検出情報をたとえば無線ネットワークのゲートウェイノードに送信することができる。なお、アンテナ装置４−１に代え、アンテナ装置４−２または変形例に係るアンテナ装置を用いてもよい。

(8) アンテナ素子６の各寸法、たとえば、長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３、間隔Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、および厚さｔ１、ｔ２、ｔ３には、アンテナの特性に大きく影響しない範囲で公差が設定される。公差は、たとえば、各寸法の設定値に対してプラス・マイナス５パーセントである（±５％）。公差はアンテナの特性に大きく影響しない範囲であれば、プラス・マイナス５パーセントを超えてもよい。たとえば、図２６に示すように、幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を太くし間隔Ｇ１、Ｇ２に対する割合が大きくてもよい。

(9) 上記実施の形態では、無線通信システム２−１、２−２が無線センサネットワークのセンサノードである例をしたが、無線通信機能を備えるシステムまたは装置であればよい。無線センサネットワークは、たとえばセンサノードの他にゲートウェイノードを含んで構成される。このゲートウェイノードに本開示のアンテナ装置を搭載し、本開示の無線通信システムとしてもよい。また、無線通信システムは、遠隔測定法（テレメトリング）の計測器などであってもよく、セルラーネットワークの無線通信端末装置などであってもよい。

以上説明したように、本開示の技術の実施の形態等について説明した。本開示の技術は、上記記載に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載され、または明細書に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論である。斯かる変形や変更が、本開示の技術の範囲に含まれることは言うまでもない。

２−１、２−２、２−３、２−４、２−５、２−６、２−７、２−８ 無線通信システム
４−１、４−２ アンテナ装置
６ アンテナ素子
１２、１１２ 給電素子
２２−１、２２−２、２２−３、１２２−１、１２２−２ 無給電素子
３２ 給電回路
３６ 整合回路
４２ 信号源
４３ ＲＦ部
５２ 誘電体基板
１０８ 接地素子
１４２ 信号処理部
２０２ マイクロプロセッサ
２０４ センサ
２０６ バッテリ

Claims (6)

1. 素子端または素子中間部で給電される給電素子と、
   前記給電素子に対して間隔を設けて配置された無給電素子と、
   を備え、
   前記給電素子と前記無給電素子の配置方向と交差する前後方向に異なる利得が設定されることを特徴とするアンテナ装置。
   
2. 前記無給電素子は複数の無給電素子を含み、
   前記給電素子が複数の前記無給電素子の間に配置されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
   
3. 一方の面に前記給電素子が配置され、前記一方の面の反対面に前記無給電素子が配置される誘電体基板を備えることを特徴とする請求項１または２記載のアンテナ装置。
   
4. 前記無給電素子の長さが前記給電素子の長さに等しいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
   
5. 前記給電素子および前記無給電素子が相互に作用することで、前記異なる利得が設定されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
   
6. 素子端または素子中間部で給電される給電素子と、
   前記給電素子に対して間隔を設けて配置された無給電素子と、
   を備え、
   前記給電素子と前記無給電素子の配置方向と交差する前後方向に異なる利得が設定されることを特徴とする無線通信システム。
   

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