JP2015185946A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の共振周波数で動作可能な低背化アンテナを提供する。【解決手段】アンテナ装置は、導体及び誘電体の多層構造から成るセルがマトリクス状に配置された構造体を有し、該構造体の上に配置された第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子を有する。セルは第１の方向と第２の方向に異なる周波数帯に対応した磁気壁効果を有し、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子は、それぞれ第１の方向と第２の方向に沿って、構造体に平行に配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置に関する。特に、高い表面インピーダンスを有する平面状構造体と、それを利用したアンテナ装置に関する。

近年、特定の周波数帯域において電磁波の伝搬を阻止する電磁バンドギャップ構造（以下、EBG構造）の技術について研究されている。EBG構造体の構造として、一定のギャップ間隔で方形のパッチ導体を同一平面にマトリクス状に配置し、パッチ導体と平行したグランド導体にパッチ導体から導通ビアを接続した構造が考えられている。この構造において、一つのパッチ導体と一つのグランド導体と一本の導通ビアの組は、その形状からマッシュルーム構造と呼ばれている。このEBG構造体は、電磁波の遮断とは別に、特定の周波数帯域において高い表面インピーダンスを持つ磁気壁としての効果も示す。この磁気壁としての性質に着目して、EBG構造体をアンテナの低背化のために利用し、効果的な磁気壁型低背化アンテナを実現することが期待されている。

特開2009-21897号公報 特開2011-55036号公報 国際公開第2008/050441号

EBG構造体を利用した従来の磁気壁型低背化アンテナにおいては、一つのアンテナ素子に対して一つのEBG構造体でしか実現できていなかったため、マルチバンドアンテナの低背化は困難であった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされてものであり、複数の共振周波数で動作可能な低背化アンテナを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の一態様によるアンテナ装置は以下の構成を備える。すなわち、導体及び誘電体の多層構造から成るセルがマトリクス状に配置された構造体を有し、該構造体の上に配置された第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子を有するアンテナ装置であって、前記セルは第１の方向と第２の方向に異なる周波数帯に対応した磁気壁効果を有し、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子は、それぞれ前記第１の方向と前記第２の方向に沿って、前記構造体に平行に配置される。

本出願に係る発明によれば、複数の共振周波数で動作可能な低背化アンテナを提供可能となる。

第１実施形態によるデュアルバンド低背化アンテナの構成図。 EBG構造体の単位セルに対してシミュレーション解析を行った際のモデル図。 第１実施形態によるデュアルバンド低背化アンテナの解析結果を示す図。 第１実施形態によるアンテナ放射特性を示す図（その１）。 従来例によるアンテナ放射特性を示す図（その１）。 第１実施形態によるアンテナ放射特性を示す図（その１）。 従来例によるアンテナ放射特性を示す図（その２）。 第２実施形態によるデュアルバンド低背化アンテナの概略図。 ２周波直交逆Fアンテナの構成図。

以下、添付の図面を参照して、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態において示す構成は一例に過ぎず、本発明は図示された構成に限定されるものではない。

メタマテリアル構造の特徴の一つに、磁気壁効果がある。周期構造を形成した表面は高い表面インピーダンスを持つ構造となり、特定の周波数帯域で同相反射を生じる。単位セル構造の繰り返しから成る周期構造を持つメタマテリアル磁気壁に関しては、単位セルの構造や周期構造の条件を非対象とする事で、2方向で異なる磁気壁特性を持つ構造が実現可能である。例えば縦横で寸法の異なるパッチ導体からなるマッシュルーム構造の磁気壁においては、二つの異なる周波数帯域に対応する磁気壁効果を生じる。そこで、2つの周波数帯において動作するアンテナ素子をそれぞれの共振方向が異なる構造で配置し、かつ、その下面に、アンテナ素子の２つの動作帯域で効果を発揮する磁気壁構造を持つ周期構造体を配置する事で、裏面のGND導体からの影響を軽減した、低背化デュアルバンドアンテナが実現可能となる。以下、二つの実施形態について説明する。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態によるデュアルバンド低背化アンテナ１０１の全体を示す概略図である。本実施形態によるデュアルバンド低背化アンテナ１０１は、EBG構造体の単位セル１０２を８×８のマトリクス状に配置した基板の中心付近に、基板に平行に2周波直交ダイポールアンテナ１０３を配置している。単位セル１０２は、おおよそ１０×１５ｍｍ程度の長方形の形状を有したマッシュルーム構造をしており、マトリクス状に周期的に配置されることで、磁気壁としての効果を発揮する。

図２は、EBG構造体の単位セル１０２に対してシミュレーション解析を行った際のモデル図である。単位セル１０２は、上面の長方形パッチ導体２０１と、誘電体層２０２と下面のGND導体２０３と、これら多層構造の導体間をつなぐ接続ビア２０４から構成される。単位セル１０２の磁気壁としての特性を観測するために、電磁波の入射面２０５が解析用に設定される。電磁波の入射面２０５において、矢印２０６の方向の電磁波と矢印２０７の方向の電磁波に対して、EBG構造体での反射波の位相が解析される。面２０８は、周期構造の境界を示す面であり、横方向の４面それぞれに単位セル構造が繰り返し存在する周期構造として解析空間を設定している。

図３は、図２で示したモデルを解析した結果を示すグラフである。図３において、横軸は周波数、縦軸は反射波の位相（以下、反射位相）を示している。曲線３０１は、図２で矢印２０６の方向の電磁波に対する反射位相の変化を示し、曲線３０２は、図２で矢印２０７の方向の電磁波に対する反射位相を示している。反射位相が±１８０°にならない範囲の中でおよそ４５°〜１３５°の範囲３０３が、磁気壁として有効に動作している区間と仮定する。この場合、曲線３０１と曲線３０２は、それぞれ４．１ＧＨｚ〜５．７ＧＨｚ、３．４ＧＨｚ〜４．１ＧＨｚの時に磁気壁として有効に動作するといえる。なお、反射位相がおよそ−４５°〜−１３５°の区間でも同様に磁気壁効果が期待できるが、周波数範囲としてはより高い領域になるため、ここでは反射係数が４５°〜１３５°の範囲３０３における周波数範囲を使用する。

図４は、磁気壁効果によりアンテナ放射特性が確保されている事をシミュレーションで確認した結果である。基板４０１は、EBG構造体の単位セル１０２を８×８のマトリクス状に配置したFR4基板であり、その中心付近にダイポールアンテナ４０２を配置している。ダイポールアンテナ４０２はおよそ５ＧＨｚで共振するものであり、基板４０１から１．２ｍｍの高さに固定されている。曲線４０３は、アンテナの放射効率を示すグラフであり、曲線４０４は、アンテナのＳ１１反射特性（アンテナの反射損失）を示すグラフである。曲線４０３の特徴から５ＧＨｚ付近では放射効率が高いことがわかり、曲線４０４の特徴から５ＧＨｚ付近ではＳ１１反射特性は低く抑えられていることがわかる。すなわち、これらのグラフから、ダイポールアンテナの共振周波数においては、磁気壁効果により電磁波の放射が阻害されていない事がわかる。

比較のため、図５に、磁気壁としての効果を発揮しない導体を一様に配置した場合のアンテナ５０２の特性を示す。基板５０１の表面には一様に導体が存在する状態であり、アンテナとしての反射特性はほぼ全反射の状態となっている。曲線５０３は、アンテナの放射効率を示すグラフであり、曲線５０４は、アンテナのＳ１１反射特性（アンテナの反射損失）を示すグラフである。図４の曲線４０３と比較すると、曲線５０３は５ＧＨｚ付近では放射光率が１０ｄＢ〜２０ｄＢ低下しているのが確認できる。また、図４の曲線４０４と比較すると、曲線５０４は５ＧＨｚ付近ではＳ１１反射特性が１０ｄＢ〜２０ｄＢ低下しているのが確認できる。

図６は、別方向の磁気壁効果により、図４とは異なる周波数でアンテナ放射特性が確保されている事をシミュレーションで確認した結果である。基板６０１は、図４と同様に、EBG構造体の単位セル１０２を８×８のマトリクス状に配置したFR4基板であり、その中心付近にダイポールアンテナ６０２を配置している。ダイポールアンテナ６０２はおよそ３．７ＧＨｚで共振するものであり、６０１の基板から１．５ｍｍの高さに、図４のダイポールアンテナ４０２の方向とは直交する方向に固定されている。曲線６０３は、アンテナの放射効率を示すグラフであり、曲線６０４は、アンテナのＳ１１反射特性を示すグラフである。曲線６０３の特徴から３．７ＧＨｚ付近では放射効率が高いことがわかり、曲線６０４の特徴から３．７ＧＨｚ付近ではＳ１１反射特性は低く抑えられていることがわかる。すなわち、これらのグラフから、ダイポールアンテナ６０２の共振周波数においては、磁気壁効果により電磁波の放射が阻害されていない事がわかる。

比較のため、図７に、磁気壁の代わりに磁気壁としての効果を発揮しない導体を一様に配置した場合のアンテナ７０２の特性を示す。基板７０１の表面には一様に導体が存在する状態であり、アンテナとしての反射特性はほぼ全反射の状態となっている。曲線７０３は、アンテナの放射効率を示すグラフであり、曲線７０４は、アンテナのＳ１１反射特性（アンテナの反射損失）を示すグラフである。図６の曲線６０３と比較すると、曲線７０３は３．７ＧＨｚ付近では放射効率が１０ｄＢ〜２０ｄＢ低下しているのが確認できる。また、図６の曲線６０４と比較すると、曲線７０４は３．７ＧＨｚ付近ではＳ１１反射特性が１０ｄＢ〜２０ｄＢ低下しているのが確認できる。

以上の様に、本実施形態によれば、EBG構造体の表面において、所望の磁気壁効果を発揮する複数の方向に沿った形で複数のアンテナ素子を配置することで、マルチバンドアンテナでの低背化を実現することが可能となる。具体的には、本実施形態では、図１のように裏面にGND層を持つEBG基板に対して１．２〜１．５ｍｍという近距離にダイポールアンテナを配置してデュアルバンド低背化アンテナを構成する事が可能となる。この１．２〜１．５ｍｍという距離は、共振周波数帯域の1/4波長よりも短い。また、製品内蔵アンテナの配置設計に際して、例えば回路基板や金属フレーム等といったアンテナ動作を劣化させる部材の近傍においても、放射特性の劣化しないアンテナ配置が実現可能となる。

［第２実施形態］
図８は、本実施形態によるデュアルバンド低背化アンテナ８０１の全体を示す概略図である。本実施形態によるデュアルバンド低背化アンテナ８０１は、EBG構造体の単位セル８０２を８×８のマトリクス状に配置した基板の中心付近に、基板に平行に2周波直交逆Ｆアンテナ８０３を配置している。単位セル８０２から成るEBG構造体は、第１実施形態で述べた構成と同様の構成であり、磁気壁としての効果を発揮する。

図９に、2周波直交逆Ｆアンテナの構成を示す。給電ライン９０１は、EBG構造体を構成する基板の裏面等に配置された回路部分から無線信号を伝送する信号線である。素子９０２及び９０３は、２つの逆Fアンテナ素子導体９０４及び９０５のGND接地素子であり、EBG構造体を構成する基板の裏面のGND導体に接続され、逆Fアンテナのインピーダンスマッチングを行う。

本実施形態では、最上位層に逆Fアンテナ素子導体９０４及び９０５、第２層に単位セル８０２から成るEBG構造体のパッチ導体層、最下層にGND層が配置される。各層間をつなぐビアによって、EBG構造体を構成するビア、給電ライン９０１、２つの逆FアンテナのGND接地素子９０２及び９０３を一体化させた多層化基板を構成可能である。すなわち、以上の様な構成で、本実施形態による低背化アンテナ８０１を一つのFR4基板に実現可能である。更に、GND層よりも下に回路基板層を構成する事で、無線回路と一体化した基板としても構成可能である。

以上の様に、本実施形態によれば、第１実施形態と同様にマルチバンドアンテナでの低背化を実現することが可能となる。また、製品内蔵アンテナの配置設計に際して、例えば無線部以外の回路基板や金属フレーム等といったアンテナ動作を劣化させる部材の近傍に実装されても、放射特性の劣化しないアンテナ実装が実現可能となる。

なお、以上に説明した実施形態では、低背化アンテナ素子としてダイポールアンテナ、逆Fアンテナを使用したが、これに限定されない。特定の方向に導体として共振方向を持つアンテナ素子であれば、その共振方向を磁気壁方向一致させる事で、同様の効果が発揮できる。また、以上に説明した実施形態では、長方形パッチによるマッシュルーム構造のEBG構造体を使用したが、これに限定されない。複数の方向において磁気壁特性を発揮する構造体を実現する手法は他にもあり、このような他の手法を利用しても本実施形態と同様の効果が発揮できる。また、以上に説明した実施形態では、磁気壁の複数の方向の設定を直交方向に設定しているが、これに限定されない。例えば４５°の角度やその他の角度で設定された方向においても、成分としての磁気壁効果がそれぞれ観測される構造体上であれば、その磁気壁成分の方向とアンテナ素子の共振方向を揃える事で、同様の効果が発揮できる。

１０１ デュアルバンド低背化アンテナ、１０２ 単位セル、１０３ GND導体

Claims (10)

1. 導体及び誘電体の多層構造から成るセルがマトリクス状に配置された構造体を有し、該構造体の上に配置された第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子を有するアンテナ装置であって、
   前記セルは第１の方向と第２の方向に異なる周波数帯に対応した磁気壁効果を有し、
   前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子は、それぞれ前記第１の方向と前記第２の方向に沿って、前記構造体に平行に配置されることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第１のアンテナ素子は前記第１の方向に共振し、前記第２のアンテナ素子は前記第２の方向に共振することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１のアンテナ素子は、前記第１の方向の電磁波に対する反射位相が１８０°とならない周波数帯域で共振し、
   前記第２のアンテナ素子は、前記第２の方向の電磁波に対する反射位相が１８０°とならない周波数帯域で共振することを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１のアンテナ素子は、前記第１の方向の電磁波に対する反射位相が４５°〜１３５°となる周波数帯域で共振し、
   前記第２のアンテナ素子は、前記第２の方向の電磁波に対する反射位相が４５°〜１３５°となる周波数帯域で共振することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
5. 前記第１のアンテナ素子は、前記構造体からの距離が、前記第１のアンテナが共振する周波数の1/4波長よりも短い距離であるように配置され、
   前記第２のアンテナ素子は、前記構造体からの距離が、前記第２のアンテナが共振する周波数の1/4波長よりも短い距離であるように配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
6. 前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子は、前記構造体からの距離が互いに異なるように配置されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
7. 前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子は共振する方向が直交するように配置されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
8. 前記導体は長方形の形状であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
9. 前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子のそれぞれはダイポールアンテナであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
10. 前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子は逆Fアンテナを形成することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のアンテナ装置。