JP2018117252A - アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ特性を向上する技術を提供する。【解決手段】アンテナ１００は誘電体基板１０を含む。第１グランド素子２０ａと第２グランド素子２０ｂは、誘電体基板１０の裏面１４側に配置される。給電素子３０は、誘電体基板１０の表面１２側に配置される。穴部３２は、給電素子３０の内側に配置される。ランド部３４は、穴部３２の内側に配置される。回路部３６は、給電素子３０とランド部３４との間に配置され、これらを接続する。【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ技術に関し、特に誘電体基板上に給電素子を配置するアンテナに関する。

アンテナを小型化するための一例がマイクロストリップアンテナである。マイクロストリップアンテナの指向性を可変するために、略矩形のマイクロストリップアンテナの各辺の周辺に複数の無給電素子が配置され、各無給電素子の電気長が切り替えられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１２０１５０号公報

マイクロストリップアンテナと無給電素子の間隔が広ければ、無給電素子を配置しても利得の改善効果が小さい。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、アンテナ特性を向上する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のアンテナは、誘電体基板と、誘電体基板の第１面側に配置されるグランド素子と、誘電体基板の第２面側に配置される給電素子と、給電素子の内側に配置される穴部と、穴部の内側に配置されるランド部と、給電素子とランド部との間に配置される回路部と、を備える。

本発明によれば、アンテナ特性を向上できる。

図１（ａ）−（ｂ）は、本発明の実施例に係るアンテナの構造を示す平面図である。 図１（ａ）−（ｂ）のアンテナの構造を示す断面図である。 図３（ａ）−（ｂ）は、図１（ａ）の穴部の径に対する相対利得の変化を示す図である。 図１（ａ）の穴部の移動距離に対する相対利得の変化を示す図である。 図１（ａ）の回路部の構造例を示す図である。 図６（ａ）−（ｆ）は、図１（ａ）の無給電素子の形状による効果を示す図である。 図７（ａ）−（ｃ）は、図１（ａ）の無給電素子の配置による効果を示す図である。 図１（ａ）の無給電素子のサイズによる効果を示す図である。 図９（ａ）−（ｆ）は、図１（ａ）の無給電素子の配置とサイズによる効果を示す図である。 図１０（ａ）−（ｅ）は、図１（ａ）の無給電素子のサイズによる別の効果を示す図である。 図１１（ａ）−（ｄ）は、図１（ａ）−（ｂ）のアンテナの別の構造を示す斜視図である。 図１２（ａ）−（ｂ）は、図１（ａ）のアンテナの別の構造を示す斜視図である。 図１（ａ）の給電点とスリットの配置による効果を示す図である。

本発明の実施例を具体的に説明する前に、本実施例の概略を説明する。実施例は、誘電体基板の表面に給電素子が配置され、かつ裏面にグランド素子が配置されるアンテナに関する。アンテナの一例は、ＥＴＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｏｌｌ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）車載器に使用されるマイクロストリップアンテナであり、その共振周波数は５．８ＧＨｚ帯である。前述のごとく、本実施例はアンテナ特性（アンテナ利得、アンテナ効率）を向上することを目的とするが、具体的には次の（１）から（３）の少なくとも１つによって説明される。

（１）ＥＴＣ車載器にアンテナが接続されたことをＥＴＣ車載器に通知するための報知回路がアンテナに設けられる。給電素子と給電点とをつなぐマイクロストリップラインの付近に報知回路を設置した場合、給電点を起点とした入力インピーダンスが影響を受けることによって不整合損失が増加し、アンテナ利得が低下する。このように放射源となる給電素子の外縁部の周辺に報知回路を配置すると、アンテナ特性が悪化する。本実施例においては、給電素子の中央部分付近に穴部を設け、給電素子によって囲まれるように報知回路が配置される。これにより、入力インピーダンスへの影響が小さくなるので、アンテナ特性が向上する。

（２）給電素子の周囲に、寄生素子である無給電素子を複数配置する場合、給電素子と無給電素子の間隔が広ければアンテナ利得の改善効果が小さいので、給電素子と無給電素子との間隔はある程度狭くされるべきである。しかしながら、間隔を狭くすると無給電素子も共振周波数で共振してしまうので、無給電素子と給電素子との電磁結合によって実効的な共振周波数が低くなってしまう。その結果、所望の共振周波数におけるアンテナ利得が低下する。本実施例においては、給電素子の共振周波数が所望の共振周波数よりも高くなるように、給電素子のサイズが定められる。そのような給電素子との間隔をある程度狭くしながら複数の無給電素子が配置される。その結果、実効的な共振周波数が所望帯域近傍となり、かつ所望の共振周波数におけるアンテナ利得が向上する。

（３）給電素子は、一般的にグランド素子の中央部分に重複するように配置される。これは、給電素子から放射された電波が均等な距離でグランド素子端部から回折することによって、天頂方向へのアンテナ指向性を形成させるためである。これを考慮して、誘電体基板は略正方形の形状を有する方が好ましい。一方、誘電体基板の表面に給電素子以外の電気回路を実装する場合には、誘電体基板は略正方形ではなく、略長方形の形状を有する。電気回路の実装部分に合わせて、グランド素子も略長方形の形状にした場合、アンテナ素子からグランド素子までの距離が不均一となり、位相の打ち消し合う成分が生じるので、前述の指向性のパターンが崩れ、天頂方向のアンテナ利得が低減する。本実施例においては、グランド素子にスリットを形成することによって、第１グランド素子と第２グランド素子とにグランド電位を分離する。また、第１グランド素子は、略正方形の形状を有するとともに、その中央部分に給電素子を重複させる。さらに、給電点がスリット側に配置される。これにより、誘電体基板の長手方向に流れる電流が低減するので、前述の指向性のパターンが崩れにくくなる。

なお、以下の説明において、「平行」、「直交」は、完全な平行、直交だけではなく、誤差の範囲で平行からずれている場合も含むものとする。また、「略」は、おおよその範囲で同一であるという意味である。

図１（ａ）−（ｂ）は、本発明の実施例に係るアンテナ１００の構造を示す平面図である。図２は、アンテナ１００の構造を示す断面図である。図１（ａ）−（ｂ）、図２に示すように、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸からなる直交座標系が規定される。ｘ軸、ｙ軸は、アンテナ１００の平面内において互いに直交する。ｚ軸は、ｘ軸およびｙ軸に垂直である。また、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のそれぞれの正の方向は、図１（ａ）−（ｂ）、図２における矢印の方向に規定され、負の方向は、矢印と逆向きの方向に規定される。アンテナ１００を形成する２つの主表面であって、かつｘ−ｙ平面に平行な２つの主表面のうち、ｚ軸の正方向側に配置される主平面が表面１２であり、ｚ軸の負方向側に配置される主平面が裏面１４である。なお、裏面１４を第１面とよぶ場合、表面１２は第２面とよばれる。

アンテナ１００は、誘電体基板１０、グランド素子２０と総称される第１グランド素子２０ａ、第２グランド素子２０ｂ、スリット２２、給電素子３０、穴部３２、ランド部３４、回路部３６、マイクロストリップライン３８、給電点４０、電気回路部４２、無給電素子５０と総称される第１無給電素子５０ａ、第２無給電素子５０ｂ、第３無給電素子５０ｃ、第４無給電素子５０ｄ、第５無給電素子５０ｅ、第６無給電素子５０ｆを含む。なお、無給電素子５０の数は「６」に限定されない。

誘電体基板１０は、板状に形成され、ｙ軸方向よりもｘ軸方向に長い矩形状の表面１２と裏面１４とを配置する。アンテナ１００の裏面１４において、ｘ軸の正方向側には第１グランド素子２０ａが配置され、第１グランド素子２０ａは略正方形の形状を有する。また、アンテナ１００の裏面１４において、ｘ軸の負方向側には第２グランド素子２０ｂが配置される。ここで、第１グランド素子２０ａと第２グランド素子２０ｂとの間にはスリット２２が配置される。スリット２２はグランド素子２０に形成されており、スリット２２では誘電体基板１０の裏面１４が露出する。このように、第２グランド素子２０ｂは、スリット２２を境界として、第１グランド素子２０ａからグランド電位が分離される。

誘電体基板１０の表面１２において、第１グランド素子２０ａと重複する部分が第１領域２４として定義され、第２グランド素子２０ｂと重複する部分が第２領域２６として定義されるので、第１領域２４と第２領域２６もスリット２２を境界として離間する。誘電体基板１０の表面１２上において、第１領域２４の中央部分付近には、略正方形の形状を有した給電素子３０が配置される。そのため、給電素子３０は、表面１２あるいは裏面１４と平行な投影面（以下、単に「投影面」という）上において、第１グランド素子２０ａに重複して配置される。この給電素子３０は、マイクロストリップアンテナやパッチアンテナとよばれたりすることもある。

給電素子３０の内側における中央部分付近には穴部３２が配置され、穴部３２の内側における中央部分付近にはランド部３４が配置される。ランド部３４は円柱形状を有した導体であり、そのｚ軸方向の高さは給電素子３０の厚みに近くされる。また、穴部３２は、給電素子３０によって円弧状に囲まれるので、ドーナツ形状に開口する。なお、穴部３２、ランド部３４の形状はこれらに限定されない。ランド部３４のｚ軸の負方向側の面から、第１グランド素子２０ａのｚ軸の正方向側の面まで誘電体基板１０を貫通するように、導体によって形成されたスルーホール部４６が配置され、スルーホール部４６は第１グランド素子２０ａとランド部３４とを電気的に接続する。

給電素子３０とランド部３４との間には回路部３６が配置される。回路部３６の構成は任意でよいが、例えば、回路部３６が報知回路である場合、抵抗素子が回路部３６に相当する。なお、回路部３６は半導体素子、リアクタンスなどでもよい。このような回路部３６によって給電素子３０とランド部３４は電気的に接続される。また、誘電体基板１０の表面１２上において、給電素子３０の周囲には、複数の無給電素子５０が配置される。各無給電素子５０の形状は同一でなくてもよい。

給電素子３０のｘ軸の負方向側の外縁部に接続されるマイクロストリップライン３８はスリット２２の方向に延びる。マイクロストリップライン３８のスリット２２側端には給電点４０が配置される。そのため、給電点４０は、マイクロストリップライン３８を介して給電素子３０に接続されるとともに、給電素子３０に対してスリット２２側に配置される。給電点４０には同軸ケーブル４４の一端が接続される。同軸ケーブル４４の他端は、例えば、図示しないＥＴＣ車載器に接続される。このような構成によって、給電素子３０は給電点４０から給電されるとともに、アンテナ１００は、ＥＴＣの信号を送受信し、同軸ケーブル４４を介して信号をＥＴＣ車載器に入出力する。

誘電体基板１０の表面１２上における第２領域２６には、略長方形の形状を有した電気回路部４２が配置される。そのため、電気回路部４２は、投影面上において、第２グランド素子２０ｂに重複して配置される。電気回路部４２として任意の回路を使用することが可能である。なお、説明を明瞭にするために、第２領域２６の部分を省略した構造もまたアンテナ１００とよぶことがある。

これまでは、アンテナ１００の基本的な構造を説明した。以下では、アンテナ１００の構造をさらに詳細に説明する。特に、ここでは、（１）回路部３６の配置、（２）給電素子３０および無給電素子５０の形状および配置、（３）第２領域２６が含まれた構造の順に説明する。なお、以下に示す特性はシミュレーションの結果である。

（１）回路部３６の配置
まず、回路部３６が配置される場合の穴部３２の径について説明する。図３（ａ）−（ｂ）は、穴部３２の径に対する相対利得の変化を示す。図３（ａ）では、図１（ａ）の給電素子３０の中心に配置した穴部３２の径を変化させたときの相対利得の変化が示される。給電素子３０の中心とは、給電素子３０のｘ軸方向の中点とｙ軸方向の中点とを結んだ位置である。ここで、横軸は穴径を示し、縦軸は相対利得を示す。図示のごとく、穴径が３ｍｍより大きくなると、相対利得が低下する。図３（ｂ）は、所望の共振周波数を５．８ＧＨｚ帯に設定した場合の波長と長さとの関係を示す。これを参照すると、図３（ａ）をもとに、穴部３２の径が、アンテナ１００の共振周波数における波長の１／８以下の長さにされる。

次に、回路部３６が配置される場合の穴部３２の位置について説明する。図４は、穴部３２の移動距離に対する相対利得の変化を示す。これは、回路部３６の移動距離に対する相対利得の変化ともいえる。ここでは、図１（ａ）における給電素子３０の中心からｘ軸の正方向（＋ｘ軸方向２００）、ｙ軸の負方向（−ｙ軸方向２０２）、ｙ軸の正方向（＋ｙ軸方向２０４）、ｘ軸の負方向（−ｘ軸方向２０６）に穴部３２を移動させた場合の相対利得の変化が示される。なお、相対利得は、給電素子３０の中心に穴部３２が配置される場合を基準として示される。穴部３２あるいは回路部３６を中心からずらしていくと相対利得は低下する傾向にある。そのため、穴部３２は、給電素子３０の中心から約１．２ｍｍまでの移動距離、すなわちアンテナ１００の共振周波数における波長の１／２０までの長さの範囲内に形成される。

さらに、回路部３６として、抵抗素子、半導体素子、リアクタンス等を使用しない場合の構造を説明する。図５は、回路部３６の構造例を示し、表面１２の上面図を示す。回路部３６は、給電素子３０から穴部３２上を延びるスタブパターンとして形成され、ランド部３４に続く。このようなスタブパターンの回路部３６は、誘導性リアクタンス成分により所望の周波数帯域でハイインピーダンスとなる。このように回路部３６のインピーダンスは高い方が好ましい。

（２）給電素子３０および無給電素子５０の形状および配置
図６（ａ）−（ｆ）は、無給電素子５０の形状による効果を示す。図６（ａ）−（ｃ）は、アンテナ１００の比較対象となる従来のアンテナ１７０の構造を示す上面図である。なお、これらのアンテナ１７０では、図１（ａ）の第２領域２６の部分が省略される。図６（ａ）のアンテナ１７０では、誘電体基板１１０の中央部分に給電素子１３０が配置される。ここで、誘電体基板１１０、給電素子１３０は、誘電体基板１０、給電素子３０に対応する。給電素子１３０ではｘ軸方向の外縁部とｙ軸方向の外縁部とが交差しており、そのうちの少なくとも１つの長さは、アンテナ１７０の共振周波数における波長λの１／２の長さにされる。

図６（ｂ）のアンテナ１７０では、図６（ａ）の構造に加えて、無給電素子１５０と総称される第１無給電素子１５０ａから第８無給電素子１５０ｈが給電素子１３０の周囲に配置される。ここで、無給電素子１５０は、給電素子１３０に対向する外縁部が長くなるような棒状に形成される。隣接した無給電素子１５０間に配置されるダイオードは電気的に絶縁された状態であり、給電素子１３０と無給電素子１５０との間の距離は、アンテナ１７０の共振周波数における波長λの約１／４の長さにされる。図６（ｃ）のアンテナ１７０では、図６（ｂ）における給電素子１３０と無給電素子１５０との間の距離が、アンテナ１７０の共振周波数における波長λの約１／２０の長さにされる。つまり、図６（ｃ）では、図６（ｂ）と比較して、給電素子１３０と無給電素子１５０との間の距離が狭くされる。

図６（ｄ）では、図６（ｃ）との比較を容易にするために、図１（ａ）のアンテナ１００が変形して示される。ここでは、無給電素子５０と総称される第１無給電素子５０ａから第８無給電素子５０ｈが給電素子３０の周囲に配置される。また、給電素子３０ではｘ軸方向の外縁部とｙ軸方向の外縁部とが交差しており、そのうちの少なくとも１つの長さ、つまりｘ軸方向とｙ軸方向の少なくとも１つの長さは、アンテナ１００の共振周波数における波長λの１／２の長さよりも短くされる。つまり、ｘ軸方向あるいはｙ軸方向において、給電素子３０の長さは給電素子１３０の長さよりも短い。さらに、各無給電素子５０において、給電素子３０に対向する側の外縁部の長さは、当該外縁部と同一方向の給電素子３０の長さよりも短くされる。例えば、第１無給電素子５０ａのｘ軸方向の長さは、給電素子３０のｘ軸方向の長さの１／２よりも短くされる。なお、このような給電素子３０と無給電素子５０との間の距離は、図６（ｃ）と同様に、アンテナ１００の共振周波数における波長λの約１／２０の長さにされる。

以下では、説明を明瞭にするために、図６（ａ）−（ｄ）のそれぞれを構造Ａ、構造Ｂ、構造Ｃ、構造Ｄとよぶ。図６（ｅ）は、周波数を変化させた場合のＶＳＷＲ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ）を示す。ＶＳＷＲは低いほど特性がよいといえる。また、アンテナ１７０、アンテナ１００の共振周波数を含んだ帯域が所望帯域として示される。一方、図６（ｆ）は、周波数を変化させた場合のアンテナ利得を示す。アンテナ利得は高いほど特性がよいといえる。これらにおいて、構造Ｂ特性２１２は、構造Ａ特性２１０とほぼ同じになる。これは、図６（ｂ）において給電素子１３０と無給電素子１５０との間の距離が広すぎるので、無給電素子１５０が特性の改善に寄与しないからである。

構造Ｃ特性２１４では、構造Ａ特性２１０と構造Ｂ特性２１２と比較して、所望帯域よりも低い周波数においてアンテナ利得が向上するが、所望帯域においてアンテナ利得が向上しない。これは、給電素子１３０と無給電素子１５０との間の距離が狭いので、給電素子１３０の実効長が等価的に長くなったように見なせ、これにより実効的な共振周波数が低くなるからである。

構造Ｄ特性２１６では、構造Ａ特性２１０から構造Ｃ特性２１４と比較して、所望帯域においてＶＳＷＲとアンテナ利得がともに改善する。これは、所望帯域において放射パターンを変化させずにアンテナ利得が向上するともいえる。ここでも、給電素子３０と無給電素子５０との間の距離が狭いので、給電素子３０の実効長が等価的に長くなったように見なせる。しかしながら、給電素子３０の長さが所望帯域よりも高い共振周波数となるように設定されているので、無給電素子５０が配置された際に所望帯域で共振する。このように、給電素子３０におけるｘ軸方向あるいはｙ軸方向の長さは、アンテナ１００の共振周波数における波長λの１／２の長さよりも短くされる。また、各無給電素子５０において、給電素子３０に対向する側の外縁部の長さは、当該外縁部と同一方向の給電素子３０の長さよりも短くされる。

図７（ａ）−（ｃ）は、図１（ａ）の無給電素子の配置による効果を示す図である。図７（ａ）において、給電素子３０と無給電素子５０との間の距離をアンテナ１００の共振周波数における波長λの約１／２０の長さとしている。また、図７（ｂ）において、給電素子３０と無給電素子５０との間の距離をアンテナ１００の共振周波数における波長λの約１／５の長さとしている。ここでは、この距離について説明する。図７（ｃ）は、無給電素子５０の配置による効果を示しており、横軸が、波長λを単位とした距離を示し、縦軸が、無給電素子５０が配置されていない場合に対するアンテナ利得改善量を示す。なお、各無給電素子５０において、給電素子３０に対向する側の外縁部の長さは、アンテナ１００の共振周波数における波長λの１／４に設定されている。距離の増加とともにアンテナ利得改善量が小さくなる。そのため、複数の無給電素子５０のそれぞれと給電素子３０との間隔は、アンテナ１００の共振周波数における波長の１／１０の長さより短くされる。

次に、給電素子３０とは非対向側の無給電素子５０の外縁部の長さを説明する。これは、図６（ｄ）における第１無給電素子５０ａのｙ軸方向の長さに相当する。図８は、無給電素子５０のサイズによる効果を示しており、横軸が、波長λを単位とした長さを示し、縦軸が、無給電素子５０が配置されていない場合に対するアンテナ利得改善量を示す。ここでは、給電素子３０と無給電素子５０との距離は、アンテナ１００の共振周波数における波長λの１／５０の長さとされ、給電素子３０に対向する側の無給電素子５０の外縁部の長さは、アンテナ１００の共振周波数における波長λの１／４の長さとされる。このような状況下において、給電素子３０とは非対向側の無給電素子５０の外縁部の長さが長くなるにつれて、アンテナ利得改善量は大きくなる。また、長さが０．３８λである場合に、アンテナ利得改善量は最大になる。さらに、長さが波長λの１／２に近づくと、アンテナ利得改善量は急激に減少する。

これは、給電素子３０とは非対向側の無給電素子５０の長さが波長λの１／４程度であれば、無給電素子５０は所望帯域で共振せず、等価的に給電素子３０の一部として給電素子３０の近傍に電界が集中するが、当該長さが波長λの１／２程度になれば、無給電素子５０は所望帯域で共振するアンテナとして動作するため無給電素子５０にも電界が強く分布してしまい、電流分布に影響を及ぼし、放射パターンの乱れやアンテナのインピーダンスに影響が生じてしまうからである。これをまとめると、給電素子３０とは非対向側の無給電素子５０の長さは、ｘ軸方向とｙ軸方向の少なくとも１つの給電素子３０の長さよりも短くされるとともに、アンテナ１００の共振周波数における波長の１／５以上の長さにされる。

次に、無給電素子５０の配置を説明する。図９（ａ）−（ｆ）は、無給電素子５０の配置とサイズによる別の効果を示す。図９（ａ）は図６（ａ）に対応し、図９（ｂ）は図６（ｃ）に対応し、図９（ｃ）は図６（ｄ）に対応する。なお、図９（ａ）−（ｂ）において、給電素子１３０のｘ軸方向あるいはｙ軸方向の長さは、図６（ｄ）と同様に、アンテナ１７０の共振周波数における波長λの１／２の長さよりも短くされる。ここでは、説明を明瞭にするために、図９（ａ）−（ｃ）のそれぞれも構造Ａ、構造Ｃ、構造Ｄとよぶ。

図９（ｄ）では、図９（ｃ）と比較して第７無給電素子５０ｇ、第８無給電素子５０ｈが追加される。具体的には、給電素子３０におけるｘ軸の正方向側およびｙ軸の正方向側の角部Ｃ１に接するように第７無給電素子５０ｇが配置される。また、給電素子３０におけるｘ軸の正方向側およびｙ軸の負方向側の角部Ｃ２に接するように第８無給電素子５０ｈが配置される。つまり、第２無給電素子５０ｂ、第７無給電素子５０ｇ、第３給電素子３０ｃは、給電素子３０の角部Ｃ１を囲むように配置され、第４無給電素子５０ｄ、第８無給電素子５０ｈ、第５無給電素子５０ｅは、給電素子３０の角部Ｃ２を囲むように配置される。このように図９（ｄ）では、図９（ｃ）よりも無給電素子５０の数が多くなり、無給電素子５０の素子面積の合計が大きくなる。ここでは、図９（ｄ）を構造Ｅとよぶ。

図９（ｅ）は、構造Ａに対する構造Ｃ、構造Ｄ、構造Ｅのアンテナ利得改善量を示し、図９（ｆ）は、構造Ａに対する構造Ｃ、構造Ｄ、構造Ｅの効率改善量を示す。構造Ｄでは、構造Ｃと比較して、アンテナ利得改善量および効率改善量が大きくなっている。また、構造Ｅでは、構造Ｄと比較して、アンテナ利得改善量が同程度であるが、効率改善量が大きくなっている。そのため、無給電素子５０の素子面積を拡大することにより、アンテナ利得および効率が改善する。

次に、無給電素子５０のサイズを説明する。図１０（ａ）−（ｅ）は、無給電素子５０のサイズによる別の効果を示す。図１０（ａ）は、図９（ｅ）に示された無給電素子５０を、図１（ａ）の無給電素子５０の形状に近づけた構造を示す。前述のごとく、給電素子３０に対向する側の無給電素子５０の外縁部の長さは、当該外縁部と同一方向の給電素子３０の長さよりも短くされる。そのため、第１無給電素子５０ａ、第５無給電素子５０ｅのｘ軸方向の長さは、給電素子３０のｘ軸方向の長さよりも短くされ、第３無給電素子５０ｃのｙ軸方向の長さは、給電素子３０のｙ軸方向の長さよりも短くされる。ここでは、図１０（ａ）を構造Ｆとよぶ。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の比較対象なるアンテナ１７０の構造を示す。給電素子１３０に対向する側の無給電素子１５０の外縁部の長さは、当該外縁部と同一方向の給電素子１３０の長さに等しくされる。そのため、第１無給電素子１５０ａ、第５無給電素子１５０ｅのｘ軸方向の長さは、給電素子１３０のｘ軸方向の長さに等しくされ、第５無給電素子１５０ｃのｙ軸方向の長さは、給電素子１３０のｙ軸方向の長さに等しくされる。ここでは、図１０（ｂ）を構造Ｇとよぶ。

図１０（ｃ）は、構造Ｆに対して周波数を変化させた場合のＶＳＷＲを示す。無給電素子５０はＰ１付近で共振する。このＰ１の周波数は所望帯域から離れているので、所望帯域におけるＶＳＷＲに影響を及ぼさない。一方、図１０（ｄ）は、構造Ｇに対して周波数を変化させた場合のＶＳＷＲを示す。無給電素子１５０による共振はＰ２付近、つまり給電素子１３０の共振周波数近傍で共振する。このため、無給電素子１５０の共振により、所望帯域におけるＶＳＷＲが悪化する。図１０（ｅ）は、構造Ｆ、構造Ｇに対する所望帯域におけるアンテナ利得改善量を示す。ここで、アンテナ利得改善量が０ｄＢよりも小さい場合は特性が劣化していることを示す。前述と同様の理由によって、構造Ｆのアンテナ利得改善量は構造Ｇのアンテナ利得改善量よりも大きい。

これまで説明したアンテナ１００のさまざまな変形例を説明する。図１１（ａ）−（ｄ）は、アンテナ１００の別の構造を示す斜視図である。図１１（ａ）は、１つ目の変形例に係るアンテナ１００を表面１２から見た場合の斜視図であり、図１１（ｂ）は、１つ目の変形例に係るアンテナ１００を裏面１４から見た場合の斜視図である。これらにはマイクロストリップライン１３８が使用されず、給電点４０による給電が裏面１４側からなされる。

図１１（ｃ）は、２つ目の変形例に係るアンテナ１００を表面１２から見た場合の斜視図であり、図１１（ｄ）は、３つ目の変形例に係るアンテナ１００を表面１２から見た場合の斜視図である。これらでは、給電素子３０における対角線上で対向した角部に第１摂動部６０ａ、第２摂動部６０ｂが設けられる。第１摂動部６０ａ、第２摂動部６０ｂは、摂動部６０と総称され、給電素子３０の角部を切り欠いた形状を有する。摂動部６０によって、アンテナ１００から放射される電波が円偏波となる。なお、図１１（ｃ）ではマイクロストリップライン３８が配置され、図１１（ｄ）ではマイクロストリップライン３８が使用されず、給電点４０による給電が裏面１４側からなされる。

図１２（ａ）−（ｂ）は、アンテナ１００の構造を示す斜視図であり、具体的には、図１２（ａ）が４つ目の変形例に係るアンテナ１００を示し、図１２（ｂ）が５つ目の変形例に係るアンテナ１００を示す。これまでは、複数の無給電素子５０が給電素子３０の周囲の少なくとも一部に一重で配置される。一方、図１２（ａ）−（ｂ）では、複数の無給電素子５０が給電素子３０の周囲の少なくとも一部に二重で配置される。例えば、図１２（ａ）において、給電素子３０からｙ軸の正方向に向かって、第１無給電素子５０ａと第７無給電素子５０ｇの２つの無給電素子５０が並んで配置される。このような構造により、誘電体基板１０の端部の近くまで無給電素子５０が配置され、アンテナ利得が改善される。なお、図１２（ａ）ではマイクロストリップライン３８が配置され、図１２（ｂ）ではマイクロストリップライン３８が使用されず、給電点４０による給電が裏面１４側からなされる。

（３）第２領域２６が含まれた構造
これまでの説明では、図１（ａ）のアンテナ１００から第２領域２６を省略していた。以下では、第２領域２６を含めたアンテナ１００の構造を説明する。図１３は、給電点４０とスリット２２の配置による効果を示す。ここでは、４つの構造を説明する。構造Ｈから構造Ｊは、アンテナ１００の比較対象となるアンテナ１７０の構造を示す。構造Ｈは、図６（ａ）、図９（ａ）と同様の構造を有したアンテナ１７０である。マイクロストリップライン１３８は、給電素子１３０からｙ軸の負方向に延び、給電素子１３０側とは反対の端部において給電点１４０を接続する。また、誘電体基板１１０において給電素子１３０とは反対側にグランド素子１２０が配置される。ここで、グランド素子１２０、マイクロストリップライン１３８、給電点１４０は、グランド素子２０、マイクロストリップライン３８、給電点４０に対応する。構造Ｈの電流分布によって、前述のごとく、天頂方向へのアンテナ指向性が形成される。

構造Ｉにおける誘電体基板１１０は、図１（ａ）の誘電体基板１０と同様に、ｙ軸方向よりもｘ軸方向に長い形状を有する。また、グランド素子１２０も、誘電体基板１１０の形状に合わせてｘ軸方向に長い形状を有する。構造Ｉの電流分布では、給電点１４０の近傍のグランド電流（Ａ３）が、ｘ軸方向に延びた誘電体基板１１０の外縁部に沿ってｘ軸の負方向に流れる（Ａ１、Ａ２）。グランド電流によるＡ１、Ａ２、Ａ３からの電波の放射では、前述の通り、アンテナ素子の放射端からグランド素子の回折端までの距離が不均一となるため、位相の打ち消し合う成分が生じる。その結果、天頂方向へのアンテナ指向性が崩れ、天頂方向のアンテナ利得が低減する。

構造Ｊにおける誘電体基板１１０は、構造Ｉにおける誘電体基板１１０と同じ形状を有する。一方、グランド素子１２０の代わりに、第１グランド素子１２０ａと第２グランド素子１２０ｂとが配置され、これらはスリット１２２によりグランド電位が分離される。また、第１グランド素子１２０ａ側が第１領域１２４とされ、第２グランド素子１２０ｂ側が第２領域１２６とされる。ここで、第１グランド素子１２０ａ、第２グランド素子１２０ｂ、スリット１２２、第１領域１２４、第２領域１２６は、第１グランド素子２０ａ、第２グランド素子２０ｂ、スリット２２、第１領域２４、第２領域２６に対応する。構造Ｊの電流分布では、スリット１２２による第１グランド素子１２０ａと第２グランド素子１２０ｂへの分離によって、ｘ軸方向に延びた誘電体基板１１０の外縁部に沿ってｘ軸の負方向に流れるグランド電流（Ａ１、Ａ２）が、構造Ｉの場合よりも小さくなる。その結果、打ち消し合う成分が小さくなり、天頂方向へのアンテナ指向性の崩れが抑制される。

構造Ｋは、図１（ａ）のアンテナ１００から無給電素子５０を省略した構造に相当する。マイクロストリップライン３８は、給電素子３０からｘ軸の負方向に延び、給電素子３０側とは反対の端部において給電点４０を接続する。構造Ｋの電流分布では、スリット２２の付近に給電点４０を配置したことによって、スリット２２の付近のグランド電流（Ａ４）が増加する。しかしながら、ｘ軸方向に延びた誘電体基板１０の外縁部に沿ってｘ軸の負方向に流れるグランド電流（Ａ１、Ａ２）が構造Ｊの場合よりも小さくなる。その結果、打ち消し合う成分がさらに小さくなるとともに、天頂方向へのアンテナ指向性の崩れがさらに抑制されることによって、天頂方向のアンテナ利得が構造Ｈの場合に近くなる。

本実施例によれば、回路部が給電素子に囲まれるので、回路部を配置する場合であっても、入力特性および放射特性の乱れを抑制できる。また、入力特性および放射特性の乱れが抑制されるので、アンテナ特性（アンテナ利得、アンテナ効率）を向上できる。また、スルーホール部が配置されるので、グランド素子とランド部とを電気的に接続できる。また、穴部の径を、本アンテナの共振周波数における波長の１／８以下の長さにするので、本アンテナの電磁界への影響を低減できる。また、本アンテナの電磁界への影響が低減されるので、穴部による影響を低減できる。また、穴部の径を、本アンテナの共振周波数における波長の１／８以下の長さにするので、入力特性および放射特性を高く維持できる。また、入力特性および放射特性が高く維持されるので、穴部による影響を低減できる。

また、回路部のインピーダンスを高くするので、給電素子とグランド素子とを高周波的に切り離すことができる。また、給電素子とグランド素子とを高周波的に切り離すので、入力特性および放射特性の乱れを抑制できる。また、給電素子の中心から、本アンテナの共振周波数における波長の１／２０までの長さの範囲内に穴部を形成するので、本アンテナの共振周波数の変化を低減できる。また、本アンテナの共振周波数の変化が低減されるので、入力特性および放射特性の乱れを抑制できる。また、スタブパターンとして回路部を形成するので、アンテナ特性を維持しつつ、回路部品数を減少できる。また、回路部品数が減少するので、コストを低減できる。

また、給電素子の長さを本アンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより短く、かつ無給電素子の長さを給電素子の長さよりも短くするので、共振周波数における給電素子と無給電素子との共振を抑制できる。また、共振周波数における給電素子と無給電素子との共振が抑制されるので、アンテナ特性を向上できる。また、無給電素子と給電素子との間隔を、本アンテナの共振周波数における波長の１／１０の長さより短くするので、無給電素子を反射板として使用できる。また、無給電素子が反射板として使用されるので、アンテナ特性を向上できる。また、給電素子とは非対向側の無給電素子の外縁部の長さは給電素子の長さよりも短いので、共振周波数における給電素子と無給電素子との共振を抑制できる。また、給電素子とは非対向側の無給電素子の外縁部の長さは、本アンテナの共振周波数における波長の１／５以上の長さであるので、アンテナ特性を向上できる。また、給電素子の角部を囲むように無給電素子を配置するので、素子面積を増加できる。また、摂動部を追加するので、円偏波に対応できる。

また、グランド素子にスリットを形成し、かつスリット側に給電素子を配置するので、グランド電流を低減できる。また、グランド電流が低減されるので、位相の打ち消し合う成分の放射が低減される。また、打ち消し合う成分の放射が低減されるので、アンテナ特性を向上できる。また、スリットの幅をある程度広くするので、第２グランド素子に流れるグランド電流を低減できる。また、第２グランド素子に流れるグランド電流が低減されるので、天頂方向のアンテナ特性を向上できる。また、第１グランド素子と第２グランド素子とにグランド電位を分離するので、打ち消し合う成分を放射するようなグランド電流が低減されて、アンテナ特性を向上できる。また、第２グランド素子に重複する領域に電気回路部を実装するので、アンテナの使用用途を拡大できる。

以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素の組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本発明の一態様の概要は、次の通りである。
（項目１−１）
誘電体基板と、
前記誘電体基板の第１面側に配置されるグランド素子と、
前記誘電体基板の第２面側に配置される給電素子と、
前記給電素子の内側に配置される穴部と、
前記穴部の内側に配置されるランド部と、
前記給電素子と前記ランド部との間に配置される回路部と、
を備えることを特徴とするアンテナ。

この態様によると、入力インピーダンスに影響を与えない位置に回路部を配置するため、アンテナ特性を向上できる。

（項目１−２）
前記誘電体基板を貫通し、前記グランド素子と前記ランド部とを接続するスルーホール部をさらに備えることを特徴とする項目１−１に記載のアンテナ。この場合、スルーホール部が配置されるので、グランド素子とランド部とを電気的に接続できる。
（項目１−３）
前記穴部の径は、本アンテナの共振周波数における波長の１／８以下の長さであることを特徴とする項目１−１または項目１−２に記載のアンテナ。この場合、穴部の径を、本アンテナの共振周波数における波長の１／８以下の長さにするので、穴部による影響を低減できる。
（項目１−４）
前記穴部は、前記給電素子の中心から、本アンテナの共振周波数における波長の１／２０までの長さの範囲内に形成されることを特徴とする項目１−１から項目１−３のいずれかに記載のアンテナ。この場合、給電素子の中心から、本アンテナの共振周波数における波長の１／２０までの長さの範囲内に穴部を形成するので、穴部による影響を低減できる。
（項目１−５）
前記回路部は、スタブパターンとして形成されることを特徴とする項目１−１から項目１−４のいずれかに記載のアンテナ。この場合、スタブパターンとして回路部を形成するので、回路部品数を減少できる。

（項目２−１）
アンテナであって、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の一面側に配置される給電素子と、
前記給電素子の周囲に配置される複数の無給電素子とを備え、
前記給電素子において交差する２つの外縁部のうちの少なくとも１つの方向における前記給電素子の長さは、本アンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより短く、
前記複数の無給電素子のそれぞれにおいて、前記給電素子に対向する側の外縁部の長さは、前記給電素子の長さよりも短いことを特徴とするアンテナ。

この態様によると、給電素子の長さを本アンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより短く、かつ無給電素子の長さを給電素子の長さよりも短くするので、アンテナ特性を向上できる。

（項目２−２）
前記複数の無給電素子のそれぞれと前記給電素子との間隔は、本アンテナの共振周波数における波長の１／１０の長さより短いことを特徴とする項目２−１に記載のアンテナ。この場合、無給電素子と給電素子との間隔を、本アンテナの共振周波数における波長の１／１０の長さより短くするので、無給電素子を反射板として使用できる。
（項目２−３）
前記複数の無給電素子のそれぞれにおいて、前記給電素子とは非対向側の外縁部の長さは、前記給電素子の長さよりも短いことを特徴とする項目２−１または項目２−２に記載のアンテナ。この場合、給電素子とは非対向側の無給電素子の外縁部の長さは給電素子の長さよりも短いので、アンテナ特性を向上できる。
（項目２−４）
前記複数の無給電素子のそれぞれにおいて、前記給電素子とは非対向側の外縁部の長さは、本アンテナの共振周波数における波長の１／５以上の長さであることを特徴とする項目２−３に記載のアンテナ。この場合、給電素子とは非対向側の無給電素子の外縁部の長さは、本アンテナの共振周波数における波長の１／５以上の長さであるので、アンテナ特性を向上できる。
（項目２−５）
前記無給電素子は、前記給電素子の角部を囲むように配置されることを特徴とする項目２−１から項目２−４のいずれかに記載のアンテナ。この場合、給電素子の角部を囲むように無給電素子を配置するので、素子面積を増加できる。

（項目３−１）
誘電体基板と、
前記誘電体基板の第１面側に配置されるグランド素子と、
前記グランド素子に形成されるスリットと、
前記誘電体基板の第２面側に配置される給電素子と、
前記給電素子に接続される給電点とを備え、
前記給電点は、前記給電素子に対して前記スリット側に配置されることを特徴とするアンテナ。

この態様によると、グランド素子にスリットを形成し、かつスリット側に給電素子を配置するので、位相の打ち消し合う成分を放射するようなグランド電流が低減されて、アンテナ特性を向上できる。

（項目３−２）
前記グランド素子は、
第１グランド素子と、
前記スリットを境界として、前記第１グランド素子からグランド電位が分離された第２グランド素子とを備え、
前記第１グランド素子は、前記第１面あるいは前記第２面と平行な投影面上において、前記給電素子に重複して配置されることを特徴とする項目３−１に記載のアンテナ。この場合、第１グランド素子と第２グランド素子とにグランド電位を分離するので、打ち消し合う成分を放射するようなグランド電流が低減されて、アンテナ特性を向上できる。
（項目３−３）
前記誘電体基板の第２面側に形成される電気回路部をさらに備え、
前記電気回路部は、前記第１面あるいは前記第２面と平行な投影面上において、前記第２グランド素子に重複して配置されることを特徴とする項目３−２に記載のアンテナ。この場合、第２グランド素子に重複する領域に電気回路部を実装するので、アンテナの使用用途を拡大できる。

本発明の実施例において、給電素子３０には、穴部３２、ランド部３４が形成され、回路部３６が接続される。しかしながらこれに限らず例えば、穴部３２、ランド部３４、回路部３６が含まれなくてもよい。本変形例によれば、アンテナ１００の構造を簡易にできる。

本発明の実施例において、給電素子３０の周囲には複数の無給電素子５０が配置される。しかしながらこれに限らず例えば、複数の無給電素子５０が配置されなくてもよい。本変形例によれば、アンテナ１００の構造を簡易にできる。

本発明の実施例において、誘電体基板１０には、第２グランド素子２０ｂ、第２領域２６、電気回路部４２が配置される。しかしながらこれに限らず例えば、第２グランド素子２０ｂ、第２領域２６、電気回路部４２が配置されなくてもよい。その際、誘電体基板１０は略正方形の形状を有する。本変形例によれば、アンテナ１００の構造を簡易にできる。

本実施例において、スリット２２は、誘電体基板１０をｙ軸方向に貫通するように形成される。しかしながらこれに限らず例えば、スリット２２が誘電体基板１０をｙ軸方向に貫通しなくてもよい。その際、第１グランド素子２０ａと第２グランド素子２０ｂの一部は接続される。本変形例によれば、構造の自由度を向上できる。

本発明の実施例において、アンテナ１００はＥＴＣ車載器に使用され、かつアンテナ１００の共振周波数は５．８ＧＨｚ帯であるとされている。しかしながらこれに限らず例えば、アンテナ１００の使用用途および共振周波数はこれら以外であってもよい。本変形例によれば、アンテナ１００の適用範囲を拡大できる。

１０ 誘電体基板、 １２ 表面、 １４ 裏面、 ２０ グランド素子、 ２２ スリット、 ２４ 第１領域、 ２６ 第２領域、 ３０ 給電素子、 ３２ 穴部、 ３４ ランド部、 ３６ 回路部、 ３８ マイクロストリップライン、 ４０ 給電点、 ４２ 電気回路部、 ４４ 同軸ケーブル、 ４６ スルーホール部、 ５０ 無給電素子、 ６０ 摂動部、 １００ アンテナ。

Claims (5)

1. 誘電体基板と、
   前記誘電体基板の第１面側に配置されるグランド素子と、
   前記誘電体基板の第２面側に配置される給電素子と、
   前記給電素子の内側に配置される穴部と、
   前記穴部の内側に配置されるランド部と、
   前記給電素子と前記ランド部との間に配置される回路部と、
   を備えることを特徴とするアンテナ。
2. 前記誘電体基板を貫通し、前記グランド素子と前記ランド部とを接続するスルーホール部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記穴部の径は、本アンテナの共振周波数における波長の１／８以下の長さであ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。
4. 前記穴部は、前記給電素子の中心から、本アンテナの共振周波数における波長の１／２０までの長さの範囲内に形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアンテナ。
5. 前記回路部は、スタブパターンとして形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のアンテナ。