JP2017098782A - アンテナ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】SIWフィルタと同程度の厚みを持ちながら、単一の周波数帯内で一定の放射特性を示すように設計することが可能なアンテナ素子を提供する。
【解決手段】第１の導電体１０３は、誘電体板１０１の一方の面上に配置されており、第２の導電体１０５は、誘電体板１０１の他方の面上に配置されており、第１の導電体１０３に、長方形ループ状のスロット１０３ａが形成されている。誘電体板１０１には、誘電体板１０１を貫通するとともに第１の導電体１０３と第２の導電体１０５とを電気的に接続し、スロット１０３ａの四辺と平行な四辺で構成される長方形の形状に倣って配置された、一群の導体ポスト１０１ａが配置されている。一群の導体ポスト１０１ａと、第１の導電体１０３と、第２の導電体１０５と、で囲まれた誘電体板１０１の部分がフィルタとして機能し、スロット１０３ａを正面に見たとき、スロット１０３ａの全体は、フィルタの領域に重なっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、アンテナ素子に関する。

昨今、表面と裏面のそれぞれに導電体が形成されている誘電体基板を貫通するとともに、表面の導電体と裏面の導電体を電気的に接続させる一群の導通ビア（以下、一群の導体ポストと呼称する）が配置されている誘電体基板集積導波管（Substrate Integrated Waveguide; SIW）フィルタが研究されている。一群の導体ポストと、表面の導電体と、裏面の導電体と、で囲まれた誘電体基板の部分（キャビティ）は共振器として機能する。このようなSIWフィルタの厚みは誘電体基板の厚みとほぼ同じであるから薄く、さらに、SIWフィルタは、開放構造のマイクロストリップフィルタと比較して放射損失が少ないという利点を有する。

また、アンテナとSIWフィルタを一体に構成することによって特定の周波数帯のみを選択して電磁波を授受するための周波数帯選択型アンテナ素子が研究されている。SIWフィルタは上述の特徴を持つため、このような周波数帯選択型アンテナ素子は薄型構造かつ低放射損失という利点を有する。

このような周波数帯選択型アンテナ素子として例えば非特許文献１，２のアンテナ素子を例示できる。

C-T. M. Wu, T. Itoh, "An X-band Dual-mode Antenna using Substrate Integrated Waveguide Cavity for Simultaneous Satellite and Terrestrial Links," IEICE Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2014, pp.726-728, Nov. 2014. H. M. Hizan, I. C. Hunter, A. I. Abunjaileh, "Integrated SIW Filter and Micrstrip Antenna," Proceedings of the 40th European Microwave Conference, pp.184-187, Sept. 2010.

非特許文献１によるアンテナは、複数の周波数帯に適応するアンテナを実現するため図１（ａ）（図１（ａ）は、非特許文献１の図２である）に示す構造を用い、図１（ｂ）（図１（ｂ）は、非特許文献１の図７である）に示すTE101モード共振とTE102モード共振を用いて電磁波を放射している。これら二つの共振モードを用いた場合、放射特性が異なる。図１（ｃ）（図１（ｃ）は、非特許文献１の図５である）と図１（ｄ）（図１（ｄ）は、非特許文献１の図８である）に示すように、10GHz近傍の周波数帯では、誘電体基板の法線（非特許文献１の図２で図示されるｚ軸）から概ね30°から60°までの領域に最大利得が現れているが、12.5GHz近傍の周波数帯では、誘電体基板の法線の方向に最大利得が現れている。このため、単一の周波数帯内で一定の放射特性が望まれるアンテナとして適さない。

また、非特許文献２によるアンテナは、図２（図２は、非特許文献２の図１である）に示す構造を用いており、SIWフィルタの誘電体基板とは別に、パッチアンテナと周波数選択回路とを結合するための結合孔が形成されている共通グランド層並びに共通グランド層とアンテナとを分離するための誘電体層を含む。

このような従来技術に鑑みて、本発明の目的は、SIWフィルタと同程度の厚みを持ちながら、単一の周波数帯内で一定の放射特性を示すように設計することが可能なアンテナ素子を提供することである。

本発明のアンテナ素子は、誘電体板と、第１の導電体と、第２の導電体とを含む。第１の導電体は、誘電体板の一方の面上に配置されており、第２の導電体は、誘電体板の他方の面上に配置されており、第１の導電体に、長方形ループ状のスロットが形成されている。誘電体板には、誘電体板を貫通するとともに第１の導電体と第２の導電体とを電気的に接続し、スロットの四辺と平行な四辺で構成される長方形の形状に倣って配置された、一群の導体ポストが配置されている。一群の導体ポストと、第１の導電体と、第２の導電体と、で囲まれた誘電体板の部分がフィルタとして機能し、スロットを正面に見たとき、スロットの全体は、フィルタの領域に重なっている。

本発明によると、SIWフィルタと同程度の厚みを持ちながら、単一の周波数帯内で一定の放射特性を示すように設計することが可能である。

非特許文献１に開示されている図。（ａ）非特許文献１の図２。（ｂ）非特許文献１の図７。（ｃ）非特許文献１の図５。（ｄ）非特許文献１の図８。 非特許文献２に開示されている図１。 第１実施形態のアンテナ素子。（ａ）上面図。（ｂ）底面図。（ｃ）斜視図。 第１実施形態のアンテナ素子のシミュレーション結果。（ａ）S11特性。（ｂ）Z-X面内の放射指向性。（ｃ）Y-Z面内の放射指向性。 所定の長さＬが+Xに向かってスロットの長辺ではない辺の長さの＋１％である場合のシミュレーション結果。（ａ）S11特性。（ｂ）Z-X面内の放射指向性。（ｃ）Y-Z面内の放射指向性。 所定の長さＬが+Xに向かってスロットの長辺ではない辺の長さの＋５％である場合のシミュレーション結果。（ａ）S11特性。（ｂ）Z-X面内の放射指向性。（ｃ）Y-Z面内の放射指向性。 所定の長さＬが+Xに向かってスロットの長辺ではない辺の長さの＋９％である場合のシミュレーション結果。（ａ）S11特性。（ｂ）Z-X面内の放射指向性。（ｃ）Y-Z面内の放射指向性。 所定の長さＬが+Xに向かってスロットの長辺ではない辺の長さの＋１３％である場合のシミュレーション結果。（ａ）S11特性。（ｂ）Z-X面内の放射指向性。（ｃ）Y-Z面内の放射指向性。 所定の長さＬが+Xに向かってスロットの長辺ではない辺の長さの＋１６％である場合のシミュレーション結果。（ａ）S11特性。（ｂ）Z-X面内の放射指向性。（ｃ）Y-Z面内の放射指向性。 所定の長さＬが+Xに向かってスロットの長辺ではない辺の長さの＋２０％である場合のシミュレーション結果。（ａ）S11特性。（ｂ）Z-X面内の放射指向性。（ｃ）Y-Z面内の放射指向性。 所定の長さＬが+Xに向かってスロットの長辺ではない辺の長さの＋２４％である場合のシミュレーション結果。（ａ）S11特性。（ｂ）Z-X面内の放射指向性。（ｃ）Y-Z面内の放射指向性。 所定の長さＬが+Xに向かってスロットの長辺ではない辺の長さの＋２８％である場合のシミュレーション結果。（ａ）S11特性。（ｂ）Z-X面内の放射指向性。（ｃ）Y-Z面内の放射指向性。 図５〜図１２のシミュレーションに用いたアンテナ素子の主要諸元。 スロットが従う形状である長方形のX軸方向に沿った辺の長さに対するY軸方向に沿った辺の長さの比を変化させた場合の、第１実施形態のアンテナ素子のシミュレーション結果。（ａ）Y軸方向に沿った辺の長さ4.4mm。（ｂ）Y軸方向に沿った辺の長さ5.2mm。（ｃ）Y軸方向に沿った辺の長さ6.6mm。（ｄ）Y軸方向に沿った辺の長さ7.2mm。（ｅ）Y軸方向に沿った辺の長さ8.0mm。（ｆ）Y軸方向に沿った辺の長さ8.4mm。 スロットが従う形状である長方形のX軸方向に沿った辺の長さに対するY軸方向に沿った辺の長さの比を変化させた場合の、第１実施形態のアンテナ素子のシミュレーション結果。（ｇ）Y軸方向に沿った辺の長さ8.8mm。（ｈ）Y軸方向に沿った辺の長さ9.2mm。（ｉ）Y軸方向に沿った辺の長さ9.6mm。 スロットが従う形状である長方形のY軸方向に沿った辺の長さに対するX軸方向に沿った辺の長さの比を変化させた場合の、第１実施形態のアンテナ素子のシミュレーション結果。（ａ）X軸方向に沿った辺の長さ4.0mm（Lはスロットの長辺ではない辺の長さの1.3%）。（ｂ）X軸方向に沿った辺の長さ4.4mm（Lはスロットの長辺ではない辺の長さの5.7%）。（ｃ）X軸方向に沿った辺の長さ4.8mm（Lはスロットの長辺ではない辺の長さの9.4%）。（ｄ）X軸方向に沿った辺の長さ5.2mm（Lはスロットの長辺ではない辺の長さの12.5%）。（ｅ）X軸方向に沿った辺の長さ5.6mm（Lはスロットの長辺ではない辺の長さの15.2%）。（ｆ）X軸方向に沿った辺の長さ6.0mm（Lはスロットの長辺ではない辺の長さの17.5%）。 スロットが従う形状である長方形のY軸方向に沿った辺の長さに対するX軸方向に沿った辺の長さの比を変化させた場合の、第１実施形態のアンテナ素子のシミュレーション結果。（ｇ）X軸方向に沿った辺の長さ6.4mm（Lはスロットの長辺ではない辺の長さの19.5%）。（ｈ）X軸方向に沿った辺の長さ8.8mm（Lはスロットの長辺ではない辺の長さの27.8%）。 スロットが従う形状を正方形としその大きさを変化させた場合の、第１実施形態のアンテナ素子のシミュレーション結果。（ａ）シミュレーションに用いたアンテナ素子の主要諸元。（ｂ）シミュレーションに用いたアンテナ素子の主要諸元。（ｃ）S11特性。 スロットが従う形状を正方形としその大きさを変化させた場合の、第１実施形態のアンテナ素子のシミュレーション結果。（ａ）シミュレーションに用いたアンテナ素子の主要諸元。（ｂ）シミュレーションに用いたアンテナ素子の主要諸元。（ｃ）S11特性。 スロットが従う形状を正方形としその大きさを変化させた場合の、第１実施形態のアンテナ素子のシミュレーション結果。（ａ）シミュレーションに用いたアンテナ素子の主要諸元。（ｂ）シミュレーションに用いたアンテナ素子の主要諸元。（ｃ）S11特性。 第２実施形態のアンテナ素子。（ａ）上面図。（ｂ）底面図。（ｃ）斜視図。 第２実施形態のアンテナ素子のシミュレーション結果（S11特性）。 第２実施形態のアンテナ素子のシミュレーション結果。（ａ）ピーク周波数15.2GHzにおけるZ-X面内の放射指向性。（ｂ）ピーク周波数17.6GHzにおけるZ-X面内の放射指向性。（ｃ）ピーク周波数19.3GHzにおけるZ-X面内の放射指向性。（ｄ）ピーク周波数15.2GHzにおけるY-Z面内の放射指向性。（ｅ）ピーク周波数17.6GHzにおけるY-Z面内の放射指向性。（ｆ）ピーク周波数19.3GHzにおけるY-Z面内の放射指向性。 第２実施形態のアンテナ素子のシミュレーション結果。（ａ）シミュレーションに用いたアンテナ素子の主要諸元。（ｂ）シミュレーションに用いたアンテナ素子の主要諸元。（ｃ）S11特性。 第２実施形態のアンテナ素子のシミュレーション結果。（ａ）ピーク周波数13.3GHzにおけるZ-X面内の放射指向性。（ｂ）ピーク周波数15.1GHzにおけるZ-X面内の放射指向性。（ｃ）ピーク周波数16.6GHzにおけるZ-X面内の放射指向性。（ｄ）ピーク周波数13.3GHzにおけるY-Z面内の放射指向性。（ｅ）ピーク周波数15.1GHzにおけるY-Z面内の放射指向性。（ｆ）ピーク周波数16.6GHzにおけるY-Z面内の放射指向性。

図面を参照して本発明の実施形態を説明する。各図では、見易さを考慮して、複数の同じ構成要素のうち一部にのみ符号を附している。また、各図では、見易さを考慮して、構成要素の透視図による図示を一部省略している場合がある。さらに、各図では、本発明の実施形態の理解を主眼としているため、寸法比や図同士の縮尺は必ずしも正確ではない。

＜第１実施形態＞
図３に本発明の第１実施形態を示す。第１実施形態のアンテナ素子１００は、誘電体板１０１と、第１の導電体１０３と、第２の導電体１０５とを含んでいる。

誘電体板１０１の比誘電率、厚さ、形状などは、所望のアンテナ特性を得られるように設計される。第１実施形態では、誘電体板１０１は例えば矩形平板状のセラミック基板である。

第１の導電体１０３は、誘電体板１０１の一方の面上に配置されており、第２の導電体１０５は、誘電体板１０１の他方の面上に配置されている。このように、アンテナ素子１００は、第２の導電体１０５と誘電体板１０１と第１の導電体１０３がこの順番で積層された構造を持っている。第１の導電体１０３と第２の導電体１０５は後述するように金属箔のような薄い導電体であるため、アンテナ素子１００の厚みは誘電体板１０１の厚みとほぼ同じである。

第１の導電体１０３の厚さ、形状などは所望のアンテナ特性を得られるように（例えば不要な共振モードが発生しないように）設計される。第１実施形態では、第１の導電体１０３は例えば誘電体板１０１の上記一方の面とほぼ同じ形と面積を持つ矩形状の銅箔である。この第１の導電体１０３に、長方形ループ状のスロット１０３ａが形成されている。ここで「長方形」は４つの角の角度が全て等しい四角形であり、「長方形」には正方形も含まれる。また、「長方形ループ」は４つの直線部で構成される、自身と交わらない閉じた線である。「長方形ループ状のスロット１０３ａ」は、長方形ループの形状を持つ間隙部分である。この間隙部分を構成する４つの直線間隙部はそれぞれ一定の幅を持ち、さらに好ましくは、４つの直線間隙部の幅は全て同じである。このような長方形ループ状のスロット１０３ａが第１の導電体１０３に形成されているので、スロット１０３ａを通して誘電体板１０１が露わになっている。

誘電体板１０１には、一群の導体ポスト１０１ａが配置されている。図３では便宜上、１５個の円柱状の導体ポスト１０１ａを図示している。各導体ポスト１０１ａの材質は導電性材料であり、例えば銀や銅などの低損失な金属である。各導体ポスト１０１ａは、誘電体板１０１の上記一方の面に対して垂直に誘電体板１０１を貫通するとともに第１の導電体１０３と第２の導電体１０５とを電気的に接続する。また、一群の導体ポスト１０１ａは、スロット１０３ａの四辺と平行な四辺で構成される長方形の形状に倣って配置されている。ここで「長方形」は４つの角の角度が全て等しい四角形であり、「長方形」には正方形も含まれる。「長方形の形状に倣った配置」は、一群の導体ポスト１０１ａが当該長方形の辺に沿って配置されている状態を言う。

第２の導電体１０５の厚さ、形状などは所望のアンテナ特性を得られるように設計される。第１実施形態では、第２の導電体１０５は例えば銅箔であって、一群の導体ポスト１０１ａの配置が倣う上記長方形とほぼ同じ形であってやや大きい面積を持つ（換言すれば、「誘電体板１０１の上記一方の面に対する法線方向でアンテナ素子１００を見たときに、一群の導体ポスト１０１ａの配置に外接する長方形とほぼ相似な形であってやや大きい面積を持つ」）平面導体部１０５ａと、導体部１０５ａから延伸している細長い長方形状のライン導体部１０５ｂとを含む。誘電体板１０１の上記他方の面に対する法線方向でアンテナ素子１００を見たときに、第２の導電体１０５以外の領域では誘電体板１０１が露わになっている。

一群の導体ポスト１０１ａと、第１の導電体１０３と、第２の導電体１０５と、で囲まれた誘電体板１０１の部分はフィルタとして機能する。このようなフィルタは、先述のように誘電体基板集積導波管（Substrate Integrated Waveguide; SIW）フィルタやポスト壁導波路（Post Wall Waveguide）フィルタなどと呼ばれており、その原理はよく知られているので、その説明を省略する。アンテナ素子１００は、このようなSIWフィルタを用いているので、開放構造のマイクロストリップアンテナと比較して低損失という利点を有する。一群の導体ポスト１０１ａに含まれる導体ポスト１０１ａの数、SIWフィルタの信号入出力方向に隣り合う任意の二つ導体ポスト１０１ａの間隔、SIWフィルタの信号入出力方向に直交する方向に隣り合う任意の二つ導体ポスト１０１ａの間隔、各導体ポスト１０１ａの外径などは、所望の特性を得られるように設計される。

第１実施形態では、図３に示すように、誘電体板１０１の上記一方の面に対する法線方向でアンテナ素子１００を見たときに、SIWフィルタの信号入出力方向に直交する方向に隣り合う二つの導体ポスト１０１ａの間隔が他の間隔よりもやや広い部分がある。この部分が、信号がSIWフィルタに入力されるあるいはSIWフィルタから出力される部分（以下、入出力部と呼称する）である。第１実施形態ではインピーダンス整合の観点から第２の導電体１０５において平面導体部１０５ａとライン導体部１０５ｂとが接続する部位の両脇に切り欠き部１０５ｃが形成されているものの、誘電体板１０１の上記一方の面に対する法線方向でアンテナ素子１００を見たときに、第２の導電体１０５において導体部１０５ａとライン導体部１０５ｂとが接続する部位は、入出力部と概ね一致している。第２の導電体１０５のライン導体部１０５ｂの延伸方向は、信号がSIWフィルタに入力されるあるいはSIWフィルタから出力される方向と一致している。

また、誘電体板１０１の上記一方の面に対する法線方向でアンテナ素子１００を見たとき、スロット１０３ａの全体が一群の導体ポスト１０１ａによって囲まれている。つまり、スロット１０３ａを正面に見たとき、スロット１０３ａの全体はSIWフィルタの領域に重なっている。

また、スロット１０３ａの中心をスロット１０３ａの回転対称の中心（換言すればスロット１０３ａの対角線の交点）とすると、スロット１０３ａの中心は、信号の入出力方向と平行であって一群の導体ポスト１０１ａの配置が倣う上記長方形の回転対称の中心（つまり、この長方形の対角線の交点）を通る直線（換言すれば、ライン導体部１０５ｂの短辺の中心同士を結んだ直線）の上にある。

図４に第１実施形態のアンテナ素子１００のシミュレーション結果を示す。シミュレーションに用いたアンテナ素子１００の主要な諸元は図３に示しているとおりであり（単位：mm）、このアンテナ素子１００は共振周波数が約17.5GHzとなるように設計されている。なお、シミュレーションにおける直交座標系（X軸、Y軸、Z軸）の定義は図３に示すとおりであり、具体的には、SIWフィルタの信号入出力方向をX軸（ただし、信号がSIWフィルタに入力する向きを正とし、この向きを+Xと表記する）とし、誘電体板１０１の上記一方の面の法線と平行な方向をZ軸（ただし、当該一方の面から外方への向きを正とし、この向きを+Zと表記する）とする右手系直交座標系に従って定めた。この直交座標系の原点は、スロット１０３ａの中心である。図４において、（ａ）はＳパラメータ（S11）、（ｂ）はZ-X面内における二つのピーク周波数におけるアンテナ素子１００の放射指向性、（ｃ）はY-Z面内における二つのピーク周波数におけるアンテナ素子１００の放射指向性を図示している。

図４から明らかなように、設計共振周波数の近傍、具体的には約16.5GHzと約18.5GHzにおいて反射特性を示すＳパラメータ（S11）のピークが現れており、共振周波数周りに約4GHzの広い帯域幅が得られている（便宜上、S11=-5dBを帯域幅の算定基準とした）。また、図４から明らかなように、Z-X面内とY-Z面内のそれぞれにおいて、二つのピーク周波数におけるアンテナ素子１００の放射指向性はともに、+Zから概ね±60°までの領域で良く一致している。このように単一の広帯域内で一定の放射特性を期待できる。

次に、スロット１０３ａを正面に見たときに、スロット１０３ａの中心が、一群の導体ポスト１０１ａの中心（換言すれば、一群の導体ポスト１０１ａの配置が倣う上記長方形の回転対称の中心（つまり対角線の交点）である）から、SIWフィルタの信号入出力方向に所定の長さＬだけ離れている場合の、第１実施形態のアンテナ素子１００のシミュレーション結果を図５〜図１２に示す。シミュレーションに用いたアンテナ素子１００の主要な諸元は図１３に示しているとおりであり（単位：mm）、このアンテナ素子１００は共振周波数が約15GHzとなるように設計されている。図５は、所定の長さＬが+Xに向かってスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの＋１％である場合のシミュレーション結果、図６は、所定の長さＬが+Xに向かってスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの＋５％である場合のシミュレーション結果、図７は、所定の長さＬが+Xに向かってスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの＋９％である場合のシミュレーション結果、図８は、所定の長さＬが+Xに向かってスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの＋１３％である場合のシミュレーション結果、図９は、所定の長さＬが+Xに向かってスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの＋１６％である場合のシミュレーション結果、図１０は、所定の長さＬが+Xに向かってスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの＋２０％である場合のシミュレーション結果、図１１は、所定の長さＬが+Xに向かってスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの＋２４％である場合のシミュレーション結果、図１２は、所定の長さＬが+Xに向かってスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの＋２８％である場合のシミュレーション結果である。各図において、（ａ）はＳパラメータ（S11）、（ｂ）はZ-X面内における高次モードを除くピーク周波数におけるアンテナ素子１００の放射指向性、（ｃ）はY-Z面内における高次モードを除くピーク周波数におけるアンテナ素子１００の放射指向性を図示している。図５〜図１２の（ｂ）と（ｃ）において、実線は低いピーク周波数での放射指向性を、破線は高いピーク周波数での放射指向性を表している。

図５〜図１２から明らかなように、所定の長さＬが+Xに向かってスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの＋約９％以上＋約２８％以下である場合、設計共振周波数の近傍においてＳパラメータ（S11）のピークが現れており、共振周波数周りに数GHzの広い帯域幅が得られていることに加えて、Z-X面内とY-Z面内のそれぞれにおいて、ピーク周波数におけるアンテナ素子１００の放射指向性はともに、+Zから概ね±60°までの領域で良く一致している。ただし、所定の長さＬが+Xに向かってスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの＋約９％以上＋約２８％以下である場合に限ってこのような特性が得られるわけではなく、誘電体板１０１の比誘電率や厚さ、スロット１０３ａである間隙部分の幅などのパラメータを適切に設定することによって、当該数値範囲以外であっても単一の広帯域内における一定の放射特性を期待できる。

次に、スロット１０３ａが従う形状である長方形のX軸方向に沿った辺の長さに対するY軸方向に沿った辺の長さの比を変化させた場合の、第１実施形態のアンテナ素子１００のシミュレーション結果を図１４と図１５に示す。Y軸方向に沿った二辺のX軸方向における位置は固定されており（つまり、スロット１０３ａが従う形状である長方形のX軸方向に沿った辺の長さは固定されており）、スロット１０３ａを正面に見たときに、SIWフィルタの信号入出力方向における、スロット１０３ａの中心と一群の導体ポスト１０１ａの中心との距離Ｌは一定（スロット１０３ａのX軸方向に沿った辺の長さの10.6％）である。なお、上記比を変化させた場合でも、スロット１０３ａの中心は、信号入出力方向と平行であって一群の導体ポスト１０１ａの中心を通る直線の上にあるようにした。シミュレーションに用いたアンテナ素子１００は共振周波数が約15GHzとなるように設計されており、X軸方向に沿った辺の長さを5.2mmとした。図１４と図１５において、（ａ）はY軸方向に沿った辺の長さを4.4mm、（ｂ）はY軸方向に沿った辺の長さを5.2mm、（ｃ）はY軸方向に沿った辺の長さを6.6mm、（ｄ）はY軸方向に沿った辺の長さを7.2mm、（ｅ）はY軸方向に沿った辺の長さを8.0mm、（ｆ）はY軸方向に沿った辺の長さを8.4mm、（ｇ）はY軸方向に沿った辺の長さを8.8mm、（ｈ）はY軸方向に沿った辺の長さを9.2mm、（ｉ）はY軸方向に沿った辺の長さを9.6mmとした。

図１４と図１５から明らかなように、スロット１０３ａが従う形状である長方形においてX軸方向に沿った辺の長さがY軸方向に沿った辺の長さよりも大きくない場合に良好なS11特性が得られている。ただし、このような場合に限って良好なS11特性が得られるわけではなく、誘電体板１０１の比誘電率や厚さ、スロット１０３ａである間隙部分の幅などのパラメータを適切に設定することによって、スロット１０３ａが従う形状である長方形においてX軸方向に沿った辺の長さがY軸方向に沿った辺の長さよりも大きくない場合以外であっても単一の広帯域内における一定の放射特性を期待できる。

次に、スロット１０３ａが従う形状である長方形のY軸方向に沿った辺の長さに対するX軸方向に沿った辺の長さの比を変化させた場合の、第１実施形態のアンテナ素子１００のシミュレーション結果を図１６と図１７に示す。Y軸方向に沿った二辺のうち入出力部に近い側の辺の位置は固定されており、X軸方向に沿った二辺の長さを等しく変化させることによって、スロット１０３ａを正面に見たときに、SIWフィルタの信号入出力方向における、スロット１０３ａの中心と一群の導体ポスト１０１ａの中心との距離Ｌも変化している。なお、上記比を変化させた場合でも、スロット１０３ａの中心は、信号入出力方向と平行であって一群の導体ポスト１０１ａの中心を通る直線の上にあるようにした。シミュレーションに用いたアンテナ素子１００は共振周波数が約15GHzとなるように設計されており、Y軸方向に沿った辺の長さを8.8mmとした。図１６と図１７において、（ａ）はX軸方向に沿った辺の長さを4.0mm（Lはスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの1.3%）、（ｂ）はX軸方向に沿った辺の長さを4.4mm（Lはスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの5.7%）、（ｃ）はX軸方向に沿った辺の長さを4.8mm（Lはスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの9.4%）、（ｄ）はX軸方向に沿った辺の長さを5.2mm（Lはスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの12.5%）、（ｅ）はX軸方向に沿った辺の長さを5.6mm（Lはスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの15.2%）、（ｆ）はX軸方向に沿った辺の長さを6.0mm（Lはスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの17.5%）、（ｇ）はX軸方向に沿った辺の長さを6.4mm（Lはスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの19.5%）、（ｈ）はX軸方向に沿った辺の長さを8.8mm（Lはスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの27.8%）とした。

図１６と図１７から明らかなように、スロット１０３ａが従う形状である長方形においてX軸方向に沿った辺の長さがY軸方向に沿った辺の長さよりも大きくない場合であって所定の長さＬが+Xに向かってスロット１０３ａの長辺ではない辺の長さの＋約９％以上＋約１５％以下である場合に良好なS11特性が得られている。しかし、このような場合に限って良好なS11特性が得られるわけではなく、誘電体板１０１の比誘電率や厚さ、スロット１０３ａである間隙部分の幅などのパラメータを適切に設定することによって、当該場合以外であっても単一の広帯域内における一定の放射特性を期待できる。

次に、スロット１０３ａが従う形状を正方形としその大きさを変化させた場合の、第１実施形態のアンテナ素子１００のシミュレーション結果を図１８〜図２０に示す。ただし、スロット１０３ａを正面に見たときに、SIWフィルタの信号入出力方向における、スロット１０３ａの中心と一群の導体ポスト１０１ａの中心との距離Ｌを一定とした。なお、上記比を変化させた場合でも、スロット１０３ａの中心は、信号入出力方向と平行であって一群の導体ポスト１０１ａの中心を通る直線の上にあるようにした。シミュレーションに用いたアンテナ素子１００の主要な諸元は図１８〜図２０に示しているとおりであり（単位：mm）、このアンテナ素子１００は共振周波数が約15GHzとなるように設計されている。

図１８〜図２０からアンテナ素子１００のアンテナ特性はスロット１０３ａの大きさに依存することが理解できる。しかし、一般的に電波放射に関わる部分の大きさは当業者において合理的に計画される基本的な設計事項の一つであり、むしろ、スロット１０３ａを正面に見たとき、スロット１０３ａの全体がSIWフィルタの領域に重なる範囲において、所望のアンテナ特性が得られるように、スロット１０３ａの大きさを実際に設計可能であることに意味がある。

これらのことから総じて、本発明の要諦は「SIWフィルタと第１の導電体１０３に形成されている長方形ループ状のスロット１０３ａとを組み合わせたこと、そして、この組み合わせによるアンテナ素子の共振特性によって、単一の広帯域内で一定の放射特性を示すアンテナ素子を実現することが可能なこと」である。さらに、この要諦に有益に付加される技術事項として、「スロット１０３ａを正面に見たときに、SIWフィルタの信号入出力方向における、スロット１０３ａの中心と一群の導体ポスト１０１ａの中心との距離を適切に設定することで、SIWフィルタによる共振特性と長方形ループ状のスロット１０３ａによる共振特性がそれぞれ顕著に現れてよりいっそうに広帯域で動作するアンテナ素子を実現することが可能になる」ことが挙げられる。

＜第２実施形態＞
図２１に本発明の第２実施形態を示す。第２実施形態のアンテナ素子２００は、第１実施形態のアンテナ素子１００の構成に、第１実施形態のアンテナ素子１００が含む一群の導体ポスト１０１ａと一部が重複する一群の導体ポスト１０１ｂを付加した構成を持つ。第１実施形態のアンテナ素子１００が含む一群の導体ポスト１０１ａを第１の一群の導体ポスト１０１ａと呼称し、第２実施形態のアンテナ素子２００が含む一群の導体ポスト１０１ｂを第２の一群の導体ポスト１０１ｂと呼称する。以下、第１実施形態と異なる事項について説明する（第１実施形態と第２実施形態で共通する事項については第１実施形態を参照のこと）。

誘電体板１０１には、第２の一群の導体ポスト１０１ｂが配置されている。図２１では便宜上、１２個の円柱状の導体ポスト１０１ｂ（ただし、後述するように、この中で４個の導体ポスト１０１ｂは第１の一群の導体ポスト１０１ａに含まれる）を図示している。各導体ポスト１０１ｂの材質は導電性材料であり、例えば銀や銅などの低損失な金属である。各導体ポスト１０１ｂは、誘電体板１０１の上記一方の面に対して垂直に誘電体板１０１を貫通するとともに第１の導電体１０３と第２の導電体１０５とを電気的に接続する。また、第２の一群の導体ポスト１０１ｂは、スロット１０３ａの四辺と平行な四辺で構成される長方形の形状に倣って配置されている。ここで「長方形」は４つの角の角度が全て等しい四角形であり、「長方形」には正方形も含まれる。この長方形の大きさは、通常、第１の一群の導体ポスト１０１ａが倣う長方形の大きさと異なる。「長方形の形状に倣った配置」は、第２の一群の導体ポスト１０１ｂが当該長方形の辺に沿って配置されている状態を言う。

第２の一群の導体ポスト１０１ｂに含まれる導体ポスト１０１ｂの一部（図示の例では４個の導体ポスト１０１ｂ）は、第１の一群の導体ポスト１０１ａに含まれる導体ポスト１０１ａの一部と同じであり、第２の一群の導体ポスト１０１ｂは第１の一群の導体ポスト１０１ａに接続している。第２実施形態では、第２の一群の導体ポスト１０１ｂの配置が倣う長方形を構成するＸ軸と垂直な二辺のうち信号入出力部側から遠い方の辺に沿って配置される導体ポスト１０１ｂの一部は、第１の一群の導体ポスト１０１ａの配置が倣う長方形を構成するＸ軸と垂直な二辺のうち信号入出力部側に近い方の辺に沿って配置される導体ポスト１０１ａの一部と同じである。

第２実施形態では、第２の導電体１０５は例えば銅箔であって、第１の一群の導体ポスト１０１ａの配置が倣う上記長方形と第２の一群の導体ポスト１０１ｂの配置が倣う上記長方形とを結合した形を含む最小の長方形とほぼ同じ形であってやや大きい面積を持つ（換言すれば、「誘電体板１０１の上記一方の面に対する法線方向でアンテナ素子１００を見たときに、第１の一群の導体ポスト１０１ａの配置に外接する長方形と第２の一群の導体ポスト１０１ｂの配置に外接する長方形とを結合した形を含む最小の長方形とほぼ相似な形であってやや大きい面積を持つ」）平面導体部１０５ｄと、導体部１０５ｄから延伸している細長い長方形状のライン導体部１０５ｅとを含む。誘電体板１０１の上記他方の面に対する法線方向でアンテナ素子１００を見たときに、第２の導電体１０５以外の領域では誘電体板１０１が露わになっている。

第２の一群の導体ポスト１０１ｂと、第１の導電体１０３と、第２の導電体１０５と、で囲まれた誘電体板１０１の部分は、第１の一群の導体ポスト１０１ａと、第１の導電体１０３と、第２の導電体１０５と、で囲まれた誘電体板１０１の部分で定まるSIWフィルタに接続するフィルタとして機能する。このようなフィルタも、SIWフィルタであり、その原理はよく知られているので、その説明を省略する。アンテナ素子２００は、このようなSIWフィルタを用いているので、開放構造のマイクロストリップアンテナと比較して低損失という利点を有する。第２の一群の導体ポスト１０１ｂに含まれる導体ポスト１０１ｂの数、SIWフィルタの信号入出力方向に隣り合う任意の二つ導体ポスト１０１ｂの間隔、SIWフィルタの信号入出力方向に直交する方向に隣り合う任意の二つ導体ポスト１０１ｂの間隔、各導体ポスト１０１ｂの外径などは、所望の特性を得られるように設計される。

第２実施形態では、図２１に示すように、誘電体板１０１の上記一方の面に対する法線方向でアンテナ素子２００を見たときに、第２の一群の導体ポスト１０１ｂによるSIWフィルタの信号入出力方向に直交する方向に隣り合う二つの導体ポスト１０１ｂの間隔が他の間隔よりもやや広い部分がある（ただし、第１の一群の導体ポスト１０１ａに含まれる導体ポスト１０１ｂを除く）。この部分が、信号がフィルタに入力されるあるいはフィルタから出力される入出力部である。第２実施形態ではインピーダンス整合の観点から第２の導電体１０５において平面導体部１０５ｄとライン導体部１０５ｅとが接続する部位の両脇に切り欠き部１０５ｆが形成されているものの、誘電体板１０１の上記一方の面に対する法線方向でアンテナ素子２００を見たときに、第２の導電体１０５において導体部１０５ｄとライン導体部１０５ｅとが接続する部位は、入出力部と概ね一致している。第２の導電体１０５のライン導体部１０５ｅの延伸方向は、信号がSIWフィルタに入力されるあるいはSIWフィルタから出力される方向と一致している。

また、誘電体板１０１の上記一方の面に対する法線方向でアンテナ素子２００を見たとき、スロット１０３ａの全体が第１の一群の導体ポスト１０１ａによって囲まれている。つまり、スロット１０３ａを正面に見たとき、スロット１０３ａの全体はSIWフィルタの領域に重なっている。

また、スロット１０３ａの中心をスロット１０３ａの回転対称の中心（換言すればスロット１０３ａの対角線の交点）とすると、スロット１０３ａの中心は、信号の入出力方向と平行であって第１の一群の導体ポスト１０１ａの配置が倣う上記長方形の回転対称の中心（つまり、この長方形の対角線の交点）を通る直線（換言すれば、ライン導体部１０５ｅの短辺の中心同士を結んだ直線）の上にある。

図２２と図２３に第２実施形態のアンテナ素子２００のシミュレーション結果を示す。シミュレーションに用いたアンテナ素子２００の主要な諸元は図２１に示しているとおりであり（単位：mm）、このアンテナ素子２００は共振周波数が約17.5GHzとなるように設計されている。図２３において、（ａ）はピーク周波数15.2GHzにおけるZ-X面内の放射指向性、（ｂ）はピーク周波数17.6GHzにおけるZ-X面内の放射指向性、（ｃ）はピーク周波数19.3GHzにおけるZ-X面内の放射指向性、（ｄ）はピーク周波数15.2GHzにおけるY-Z面内の放射指向性、（ｅ）はピーク周波数17.6GHzにおけるY-Z面内の放射指向性、（ｆ）はピーク周波数19.3GHzにおけるY-Z面内の放射指向性、を示している。なお、シミュレーションにおける直交座標系（X軸、Y軸、Z軸）の定義は図２１に示すとおりであり、具体的には、信号のSIWフィルタへの入出力方向をX軸（ただし、信号がSIWフィルタに入力する向きを正とし、この向きを+Xと表記する）とし、誘電体板１０１の上記一方の面の法線と平行な方向をZ軸（ただし、当該一方の面から外方への向きを正とし、この向きを+Zと表記する）とする右手系直交座標系に従って定めた。この直交座標系の原点は、スロット１０３ａの中心である。

図２２から明らかなように、設計共振周波数の近傍、具体的には約15.2GHzと約17.6GHzと約19.3GHzにおいて反射特性を示すＳパラメータ（S11）のピークが現れており、共振周波数周りに約5GHzの広い帯域幅が得られている（便宜上、S11=-5dBを帯域幅の算定基準とした）。また、図２３から明らかなように、Z-X面内とY-Z面内のそれぞれにおいて、三つのピーク周波数におけるアンテナ素子２００の放射指向性はともに、+Zから概ね±60°までの領域で良く一致している。このように単一の広帯域内で一定の放射特性を期待できる。

さらに、図２４と図２５に第２実施形態のアンテナ素子２００のシミュレーション結果を示す。シミュレーションに用いたアンテナ素子２００の主要な諸元は図２４に示しているとおりであり（単位：mm）、このアンテナ素子２００は共振周波数が約15GHzとなるように設計されている。図２５において、（ａ）はピーク周波数13.3GHzにおけるZ-X面内の放射指向性、（ｂ）はピーク周波数15.1GHzにおけるZ-X面内の放射指向性、（ｃ）はピーク周波数16.6GHzにおけるZ-X面内の放射指向性、（ｄ）はピーク周波数13.3GHzにおけるY-Z面内の放射指向性、（ｅ）はピーク周波数15.1GHzにおけるY-Z面内の放射指向性、（ｆ）はピーク周波数16.6GHzにおけるY-Z面内の放射指向性、を示している。なお、シミュレーションにおける直交座標系（X軸、Y軸、Z軸）の定義は図２１に示すとおりである。この直交座標系の原点は、スロット１０３ａの中心である。

図２４から明らかなように、設計共振周波数の近傍、具体的には約13.3GHzと約15.1GHzと約16.6GHzにおいて反射特性を示すＳパラメータ（S11）のピークが現れており、共振周波数周りに約6GHzの広い帯域幅が得られている（便宜上、S11=-5dBを帯域幅の算定基準とした）。また、図２５から明らかなように、Z-X面内とY-Z面内のそれぞれにおいて、三つのピーク周波数におけるアンテナ素子２００の放射指向性はともに、+Zから概ね±60°までの領域で良く一致している。このように単一の広帯域内で一定の放射特性を期待できる。

このように、SIWフィルタの段数を増やすことによって共振周波数周りに広い帯域幅が得られ、かつ、単一の広帯域内で一定の放射特性を示すアンテナ素子を実現できる。

この他、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

Claims (4)

1. 誘電体板と、
   第１の導電体と、
   第２の導電体と
   を含み、
   上記第１の導電体は、上記誘電体板の一方の面上に配置されており、
   上記第２の導電体は、上記誘電体板の他方の面上に配置されており、
   上記第１の導電体に、長方形ループ状のスロットが形成されており、
   上記誘電体板には、上記誘電体板を貫通するとともに上記第１の導電体と上記第２の導電体とを電気的に接続し、上記スロットの四辺と平行な四辺で構成される長方形の形状に倣って配置された、一群の導体ポスト（以下、第１の一群の導体ポストと呼称する）が配置されており、
   上記第１の一群の導体ポストと、上記第１の導電体と、上記第２の導電体と、で囲まれた上記誘電体板の部分がフィルタとして機能し、
   上記スロットを正面に見たとき、上記スロットの全体は、上記フィルタの領域に重なっている
   アンテナ素子。
2. 請求項１に記載のアンテナ素子において、
   上記スロットを正面に見たとき、上記スロットの中心が、上記第１の一群の導体ポストの中心から、上記第１の一群の導体ポストへの／からの信号の入出力方向に所定の長さだけ離れている
   ことを特徴とするアンテナ素子。
3. 請求項２に記載のアンテナ素子において、
   上記所定の長さは、上記スロットの長辺ではない辺の長さの９％以上２８％以下である
   ことを特徴とするアンテナ素子。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のアンテナ素子において、
   上記誘電体板には、上記誘電体板を貫通するとともに上記第１の導電体と上記第２の導電体とを電気的に接続する一群の導体ポスト（以下、第２の一群の導体ポストと呼称する）が配置されており、
   上記第２の一群の導体ポストと、上記第１の導電体と、上記第２の導電体と、で囲まれた上記誘電体板の部分が、上記フィルタに接続するフィルタとして機能する
   ことを特徴とするアンテナ素子。