JP2020053809A - アンテナ装置、アンテナ設計装置、アンテナ設計プログラム、及びアンテナ設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属導体が近づいても放射特性の劣化を抑制できるアンテナ装置と、金属導体が近づいても放射特性の劣化を抑制できるアンテナ装置を設計するアンテナ設計装置、アンテナ設計プログラム、及びアンテナ設計方法を提供する。【解決手段】アンテナ装置は、逆Ｌアンテナの給電点近傍からＧＮＤに接続されるＬ型線路を有し、前記Ｌ型線路の折り曲げ部から前記ＧＮＤに接続する長さｂを、0.7λ/300≦b≦4.5λ/300としたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置、アンテナ設計装置、アンテナ設計プログラム、及びアンテナ設計方法に関する。

従来より、低い周波数帯用の第１のアンテナエレメントの基端と、高い周波数帯用の第２のアンテナエレメントの基端を、同じ給電点に電気的接続し、前記第１のアンテナエレメントを前記高い周波数帯の１／２波長の電気長に設定するとともにその先端を接地短絡させることなしに解放した複数周波数帯用アンテナがある。前記第２のアンテナエレメントを前記低い周波数帯の１／４波長の電気長に設定するとともにその先端を接地短絡して構成してある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２８８６４９号公報

ところで、従来の複数周波数帯用アンテナ（アンテナ装置）は、第１のアンテナエレメント及び第２のアンテナエレメントで２つの周波数で共振するが、アンテナ装置に金属導体が近づくと放射特性は劣化する。これは、第１のアンテナエレメントは、接地導体とループアンテナを構築しており、第２のアンテナエレメントは、接地導体を利用してモノポールアンテナとして機能するためである。

そこで、金属導体が近づいても放射特性の劣化を抑制できるアンテナ装置と、金属導体が近づいても放射特性の劣化を抑制できるアンテナ装置を設計するアンテナ設計装置、アンテナ設計プログラム、及びアンテナ設計方法を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態のアンテナ装置は、逆Ｌアンテナの給電点近傍からＧＮＤに接続されるＬ型線路を有し、前記Ｌ型線路の折り曲げ部から前記ＧＮＤに接続する長さｂを、0.7λ/300≦b≦4.5λ/300としたことを特徴とする。

金属導体が近づいても放射特性の劣化を抑制できるアンテナ装置と、金属導体が近づいても放射特性の劣化を抑制できるアンテナ装置を設計するアンテナ設計装置、アンテナ設計プログラム、及びアンテナ設計方法を提供することができる。

実施の形態のアンテナ装置１００を示す図である。 グランドプレーン５０、アンテナエレメント１１０、及び帯域幅拡張エレメント１２０を拡大して示す図である。 間隔Ｄに対するアンテナ装置１００の周波数帯域幅の特性を示す図である。 間隔Ｄに対するアンテナ装置１００の周波数帯域幅の特性を示す図である。 間隔Ｄに対するアンテナ装置１００の周波数帯域幅の特性を示す図である。 アンテナエレメント１１０の高さｈに対する最適な長さａを表す特性を示す図である。 アンテナエレメント１１０の高さｈに対する数値ｋを表す特性を示す図である。 実施の形態の変形例におけるグランドプレーン５０、アンテナエレメント１１０、及び帯域幅拡張エレメント１２０を拡大して示す図である。 図８（Ａ）〜（Ｃ）のアンテナ装置１００における長さａに対する周波数帯域幅の特性を示す図である。 実施の形態のアンテナ設計装置が適用されるコンピュータシステムの斜視図である。 コンピュータシステム１０の本体部１１内の要部の構成を説明するブロック図である。 アンテナ設計装置２００の機能構成を示す図である。 アンテナ設計装置２００の設計処理部２１０がアンテナ設計プログラムを実行することによって行われる処理を示すフローチャートである。

以下、本発明のアンテナ装置、アンテナ設計装置、アンテナ設計プログラム、及びアンテナ設計方法を適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態＞
図１は、実施の形態のアンテナ装置１００を示す図である。アンテナ装置１００は、グランドプレーン５０、アンテナエレメント１１０、及び帯域幅拡張エレメント１２０を有する。図１には、金属導体３０を示す。金属導体３０とグランドプレーン５０との間の間隔をＤで表す。

また、ここでは、図１に加えて図２を用いて説明する。図２は、グランドプレーン５０、アンテナエレメント１１０、及び帯域幅拡張エレメント１２０を拡大して示す図である。また、ここではＸＹＺ座標系を用いて説明する。

グランドプレーン５０は、接地電位に保持され、頂点５１、５２、５３、５４を有する矩形状の金属層であり、銅箔等の薄膜状の金属層で実現される。頂点５１及び５２の間の端辺５０Ａと、頂点５３及び５４の間の端辺とはＸ軸に平行であり、頂点５２及び５３の間の端辺と、頂点５４及び５１の間の端辺とはＹ軸に平行である。

グランドプレーン５０は、接地板、地板、又はＧＮＤ（グランド）として取り扱うことができるものである。グランドプレーン５０は、例えば、ＦＲ−４(Flame Retardant type 4)規格の配線基板に配置される金属層である。一例として、グランドプレーン５０の寸法は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の長さがともに７５ｍｍである。

図１では、頂点５１及び５２の間、頂点５２及び５３の間、頂点５３及び５４の間、及び、頂点５４及び５１の間がそれぞれ直線状の端辺であるグランドプレーン５０を示すが、例えば、アンテナ装置１００を含む電子機器の筐体の内部形状等に合わせて、凹凸が設けられていることによって直線状ではない場合があり得る。

アンテナエレメント１１０は、給電点１１１、折り曲げ部１１２、及び端部１１３を有する逆Ｌ型のアンテナエレメントである。給電点１１１は、端辺５０ＡのＹ軸正方向側の近傍に配置される。換言すれば、給電点１１１は、頂点５１のＹ軸正方向側の近傍に配置される。

アンテナエレメント１１０は、給電点１１１から折り曲げ部１１２に向かってＹ軸正方向に延在し、折り曲げ部１１２からＸ軸正方向に端部１１３まで延在している。このため、給電点１１１と折り曲げ部１１２との間の線路はＹ軸に平行であり、折り曲げ部１１２と端部１１３との間の線路はＸ軸に平行である。

給電点１１１には、同軸ケーブルの芯線が接続され、同軸ケーブルのシールド線は、給電点１１１の近傍で（すなわち、頂点５１又は頂点５１の近傍において）グランドプレーン５０に接続される。給電点１１１は、同軸ケーブルを介して給電される。

給電点１１１から折り曲げ部１１２を経て端部１１３までの長さは、通信周波数における四半波長の電気長に設定される。アンテナエレメントは、モノポール型のアンテナエレメントである。なお、ここでは、一例として通信周波数は１ＧＨｚである。

なお、一例として、アンテナエレメント１１０の線幅は１ｍｍであり、端辺５０Ａと給電点１１１の間隔は１ｍｍであり、端辺５０Ａから折り曲げ部１１２のＹ軸正方向側の端辺までの距離は１５ｍｍであり、折り曲げ部１１２のＸ軸負方向側の端辺から端部１１３までの長さは５５ｍｍである。これらの値は、アンテナ装置１００が真空中に存在するものとして最適化した値である。なお、以下では、説明の便宜上、端辺５０Ａから折り曲げ部１１２のＹ軸正方向側の端辺までの距離をアンテナエレメント１１０の高さｈと称す。

帯域幅拡張エレメント１２０は、端部１２１、折り曲げ部１２２、及び端部１２３を有する。帯域幅拡張エレメント１２０は、アンテナ装置１００の帯域幅を拡張するために設けられている。

端部１２１は、アンテナエレメント１１０の給電点１１１に接続されている。帯域幅拡張エレメント１２０は、端部１２１からＸ軸正方向に折り曲げ部１２２まで延在し、折り曲げ部１２２からＹ軸負方向に端辺５０Ａに向かって端部１２３まで延在している。端部１２３は、端辺５０Ａに接続されている。

このため、端部１２１及び折り曲げ部１２２の間の線路は、Ｘ軸及び端辺５０Ａに平行であり、折り曲げ部１２２及び端部１２３の間の線路は、Ｙ軸に平行である。端部１２１及び折り曲げ部１２２の間の線路は、第１線路の一例であり、折り曲げ部１２２及び端部１２３の間の線路は、第２線路の一例である。帯域幅拡張エレメント１２０は、平面視でＬ字型であり、Ｌ型線路の一例ある。

なお、以下では、帯域幅拡張エレメント１２０の寸法について、端部１２１及び折り曲げ部１２２の間の線路の長さをａ、折り曲げ部１２２及び端部１２３の間の線路をｂとする。長さａは、アンテナエレメント１１０の給電点１１１及び折り曲げ部１１２の間の線路のＸ軸正方向側の端辺から、折り曲げ部１２２及び端部１２３の間の線路のＸ軸負方向側の端辺までの長さである。また、長さｂは、折り曲げ部１２２及び端部１２３の間の線路のＹ軸負方向側の端辺と、端辺５０Ａとの間の長さ（間隔）である。

ここでは一例として帯域幅拡張エレメント１２０の線幅は１ｍｍであるため、給電点１１１及び折り曲げ部１１２の間の線路のＸ軸正方向側の端辺から、折り曲げ部１２２及び端部１２３の間の線路のＸ軸正方向側の端辺までの長さは、ａ＋１ｍｍである。また、折り曲げ部１２２及び端部１２３の間の線路のＹ軸正方向側の端辺と、端辺５０Ａとの間の長さは、ｂ＋１ｍｍである。

なお、端部１２１は、アンテナエレメント１１０の給電点１１１及び折り曲げ部１１２の間の線路のＸ軸正方向側の端辺に接続される部分である。このため、帯域幅拡張エレメント１２０は、給電点１１１を含まず、アンテナエレメント１１０の給電点１１１及び折り曲げ部１１２の間の線路のＸ軸正方向側の端辺よりもＸ軸正方向側に位置する。

ただし、帯域幅拡張エレメント１２０の端部１２１が給電点１１１と等しいものとして取り扱ってもよい。この場合には、端部１２１から折り曲げ部１１２までの長さは、アンテナエレメント１１０の線幅（１ｍｍ）分だけ長くなり、ａ＋１ｍｍになるものとして取り扱えばよい。

アンテナ装置１００は、図１に示すように金属導体３０の近くに配置された場合に、良好な放射特性を維持できるものであり、換言すれば、金属導体３０の近くに配置されても放射特性の劣化を抑制できるものである。以下、アンテナ装置１００の放射特性について説明する。

図３は、間隔Ｄに対するアンテナ装置１００の周波数帯域幅の特性を示す図である。図３には、図１に示すようにアンテナ装置１００のＸ軸正方向側（図１における右側）に金属導体３０を配置した場合と、アンテナ装置１００のＸ軸負方向側（図１における左側）に金属導体３０を配置した場合との周波数帯域幅の特性を示す。

なお、周波数帯域幅は、１ＧＨｚに対する百分率（％）で表す。周波数帯域幅が１０％である場合には、周波数帯域幅の中心（幅の中心）に対して、周波数が低い側及び高い側にそれぞれ５０ＭＨｚ（５％）の帯域幅があることを表す。

ここでは、帯域幅拡張エレメント１２０の長さａを１７．７５ｍｍ、長さｂを３．０ｍｍに設定して、電磁界シミュレーションによって周波数帯域幅の特性を求めた。また、金属導体３０のサイズは、ＹＺ平面に平行な側面が６００ｍｍ×６００ｍｍであり、Ｙ軸方向の幅の中央、かつ、Ｚ軸方向の幅の中央にアンテナ装置１００が位置するように配置した。また、導電率は、１．０４×１０^６Ｓ／ｍである。

間隔Ｄは、金属導体３０がアンテナ装置１００の右側にある場合には、グランドプレーン５０の頂点５２及び５３の間の端辺と、金属導体３０との間隔であり、金属導体３０がアンテナ装置１００の左側にある場合には、グランドプレーン５０の頂点５４及び５１の間の端辺と、金属導体３０との間隔である。

また、周波数帯域幅は、Ｓ１１パラメータの値が−６ｄＢ以下（リターンロスＲＬ(Return Loss)が６ｄＢ以下）になる帯域幅である。図３には、比較用に帯域幅拡張エレメント１２０を含まないアンテナ装置の周波数帯域幅の特性を示す。アンテナ装置１００の特性を丸いマーカで示し、比較用のアンテナ装置の特性を三角のマーカで示す。

図３に示すように、比較用のアンテナ装置の周波数帯域幅の特性は、間隔Ｄの変化に対して大きく変動している。金属導体３０が右側にある場合には、間隔Ｄが１００ｍｍから約３０ｍｍまで小さくなる（金属導体３０が近づく）につれて周波数帯域幅が増大し、さらに間隔Ｄが小さくなると、周波数帯域幅が再び低下している。

また、金属導体３０が左側にある場合には、間隔Ｄが１００ｍｍから０ｍｍまで小さくなる（金属導体３０が近づく）につれて周波数帯域幅が低下する特性を示した。このように、比較用のアンテナ装置は、金属導体３０が右側及び左側のどちらにあっても、間隔Ｄの変動の影響を大きく受けることが確認できた。

これに対して、アンテナ装置１００では、金属導体３０が右側及び左側のどちらにあっても、間隔Ｄの変化に対して周波数帯域幅は約８％から約１０％で安定しており、間隔Ｄの変動の影響を殆ど受けないことが確認できた。

図３のシミュレーション結果より、アンテナ装置１００は、金属導体３０が近くにある影響を殆ど受けず、安定的な放射特性が得られることが分かった。

図４及び図５は、間隔Ｄに対するアンテナ装置１００の周波数帯域幅の特性を示す図である。周波数帯域幅は、図３のシミュレーションと同様に、Ｓ１１パラメータの値が−６ｄＢ以下（リターンロスＲＬが６ｄＢ以下）になる帯域幅である。間隔Ｄは１ｍｍから３７ｍｍまで変化させた。

図４には、アンテナ装置１００の左側に金属導体３０を設置した場合の周波数帯域幅の特性を示し、図５には、アンテナ装置１００の右側に金属導体３０を設置した場合の周波数帯域幅の特性を示す。

図４及び図５に示す特性は、帯域幅拡張エレメント１２０の長さａを１９ｍｍ、高さｈを１５ｍｍに設定して、長さｂを０．４ｍｍから５ｍｍまで変化させた場合の周波数帯域幅の特性であり、電磁界シミュレーションで求めたものである。

図４（Ａ）に示すように、間隔Ｄを１ｍｍから３７ｍｍまで変化させるとともに、長さｂを０．４ｍｍから１ｍｍまで０．１ｍｍずつ変化させたところ、全体的に周波数帯域幅は約０．０７（７％）から約０．１（１０％）の範囲の値が得られたが、間隔Ｄが大きくなるにつれて、ｂ＝１ｍｍの周波数帯域幅が最も大きく（広く）、ｂ＝０．４ｍｍの周波数帯域幅が最も小さい（狭い）結果が得られた。

図４（Ｂ）に示すように、間隔Ｄを１ｍｍから３７ｍｍまで変化させるとともに、長さｂを１．１ｍｍから３．５ｍｍまで０．４ｍｍずつ変化させたところ、全体的に周波数帯域幅は約０．０８（８％）から約０．１１（１１％）の範囲の値が得られたが、ｂ＝３．５ｍｍの周波数帯域幅が最も大きく（広く）、ｂ＝１．１ｍｍの周波数帯域幅が最も小さい（狭い）結果が得られた。

図４（Ｃ）に示すように、間隔Ｄを１ｍｍから３７ｍｍまで変化させるとともに、長さｂを３．７ｍｍから５ｍｍまで０．１ｍｍずつ変化させたところ、全体的に周波数帯域幅は約０．０９（９％）から約０．１１（１１％）の範囲の値が得られたが、ｂ＝４．５ｍｍの周波数帯域幅が最も大きく（広く）、長さｂが４．５ｍｍよりも短い場合と長い場合には、４．５ｍｍの場合に比べて周波数帯域幅が最も小さく（狭く）なる結果が得られた。

図５（Ａ）に示すように、間隔Ｄを１ｍｍから３７ｍｍまで変化させるとともに、長さｂを０．４ｍｍから１ｍｍまで０．１ｍｍずつ変化させたところ、ｂ＝０．４ｍｍの周波数帯域幅は、間隔Ｄが７ｍｍと１３ｍｍの２点においてのみ得られ、約０．０２（２％）という狭いものであった。また、ｂ＝０．５ｍｍ及びｂ＝０．６ｍｍの周波数帯域幅は、間隔Ｄが１ｍｍの場合のデータは得られず、間隔Ｄが７ｍｍから３７ｍｍまでの点において得られ、約０．０２（２％）から約０．０４５（４．５％）の範囲の値であった。

また、長さｂが０．７ｍｍから１ｍｍの場合には、周波数帯域幅は、間隔Ｄが１ｍｍから３７ｍｍまでのすべての点において得られ、ｂ＝１ｍｍの周波数帯域幅が最も大きく（広く）、ｂ＝０．７ｍｍの周波数帯域幅が最も小さい（狭い）結果が得られた。間隔Ｄが１ｍｍの場合の周波数帯域幅は、間隔Ｄが７ｍｍ以上の場合の値に比べると小さいが、約０．０２５（２．５％）から約０．０５（５％）程度の値が得られた。

図５（Ｂ）に示すように、間隔Ｄを１ｍｍから３７ｍｍまで変化させるとともに、長さｂを１．１ｍｍから３．５ｍｍまで０．４ｍｍずつ変化させたところ、全体的に周波数帯域幅は約０．０５（５％）から約０．１０（１０％）の範囲の値が得られたが、ｂ＝１．９ｍｍの周波数帯域幅が最も大きく（広く）、ｂ＝１．９ｍｍよりも短い場合と長い場合の周波数帯域幅は、ｂ＝１．９ｍｍの場合の値よりも小さい（狭い）値であった。

図５（Ｃ）に示すように、間隔Ｄを１ｍｍから３７ｍｍまで変化させるとともに、長さｂを３．７ｍｍから５ｍｍまで０．１ｍｍずつ変化させたところ、長さｂが３．７ｍｍから４．５ｍｍの場合には、周波数帯域幅は、間隔Ｄが１ｍｍから３７ｍｍまでのすべての点において得られ、約０．０１（１％）から約０．０８（８％）の範囲の値であった。ｂ＝３．７ｍｍの周波数帯域幅が最も大きく（広く）、ｂ＝４．５ｍｍの周波数帯域幅が最も小さい（狭い）結果が得られた。また、間隔Ｄが１８ｍｍよりも大きくなると、長さｂの違いによるばらつきが多少大きくなる傾向が見られた。

また、長さｂが４．７ｍｍ以上の場合には、間隔Ｄが１ｍｍの場合の周波数帯域幅が得られず、間隔Ｄが７ｍｍ以上の場合に、約０．０２（２％）から約０．０６（６％）の周波数帯域幅が得られた。

図４及び図５のシミュレーション結果より、アンテナ装置１００は、金属導体３０が近くにある影響を殆ど受けず、安定的な放射特性が得られることが分かった。また、長さｂは、０．７ｍｍから４．５ｍｍの場合に、すべての間隔Ｄ（１ｍｍから３７ｍｍ）における値が得られており、通信に十分に使用できる周波数帯域幅が得られていることから、長さｂは０．７ｍｍから４．５ｍｍの範囲が適していることが分かった。

通信周波数である１ＧＨｚでの真空中における波長λは約３００ｍｍであるため、長さｂを波長に換算すると、０．７λ／３００≦ｂ≦４．５λ／３００の範囲が適していると言える。

図６は、アンテナエレメント１１０の高さｈに対する最適な長さａを表す特性を示す図である。図６に示す特性は、電磁界シミュレーションによって求めたものである。ここでは、長さｂを１ｍｍに固定した条件で、高さｈを５ｍｍから３０ｍｍまで５ｍｍ間隔で変化させた。通信周波数は１ＧＨｚである。

最適な長さａとは、アンテナ装置１００と金属導体３０との間隔Ｄを変化させた場合におけるＳ１１パラメータが−６ｄＢ以下になる周波数帯域幅の標準偏差を平均値で除算した値が最小になる長さａである。平均値は、アンテナ装置１００と金属導体３０との間隔Ｄを変化させた場合におけるＳ１１パラメータが−６ｄＢ以下になる周波数帯域幅の平均値である。

このように周波数帯域幅の標準偏差を平均値で除算した値が小さくなることは、間隔Ｄの変化に対する周波数帯域幅の変動が小さいことを表す。

図６に示すように、最適な長さａは、アンテナエレメント１１０の高さｈが低くなるにつれて短くなっている。今回のシミュレーションで得られた６点の値にフィットする近似曲線を表す数式は、次式（１）である。

式（１）を一般式で表すと式（２）になる。

係数ｍは、式（１）では９．９３８８であるが、シミュレーションの条件によって値が多少変化する。また、係数ｎは、式（１）では０．０５３９であるが、シミュレーションの条件によって値が多少変化する。

様々な条件下でのシミュレーションから、長さａは、式（１）で求まる長さａの±２０％の範囲内であれば、通信に十分な周波数帯域幅が得られることが分かった。すなわち、アンテナ装置１００を設計する際には、長さａの値は、式（１）で表される長さａの値に限らず、±２０％の範囲内の値に設定すればよい。

また、様々な条件下でのシミュレーションから、長さａは高さｈと相関があり、高さｈが低いほど（高さｈで表される間隔が狭いほど）、長さａは短くなることが分かった。このため、式（２）における係数ｍ、ｎはともに正の値を取る。

また、ここでは、高さｈを設定してから式（１）で長さａを求める形態について説明するが、式（１）を高さｈについて解き、長さａを設定してから高さｈを求めてもよい。

図７は、アンテナエレメント１１０の高さｈに対する数値ｋを表す特性を示す図である。図７に示す特性は、電磁界シミュレーションによって求めたものである。数値ｋは、アンテナ装置１００と金属導体３０との間隔Ｄを変化させた場合において、Ｓ１１パラメータが−６ｄＢ以下になる周波数帯域幅の標準偏差を周波数帯域幅の平均値で除算して得る値である。平均値は、アンテナ装置１００と金属導体３０との間隔Ｄを変化させた場合において、Ｓ１１パラメータが−６ｄＢ以下になる周波数帯域幅の平均値である。数値ｋが小さいほど、間隔Ｄの変化に対する周波数帯域幅の変動が小さいことを表す。

ここでは、基板の表面にアンテナエレメント１１０、帯域幅拡張エレメント１２０、及びグランドプレーン５０を設けて、長さａを最適値に設定したアンテナ装置１００の数値ｋを四角いマーカで示す。長さａの最適値は、間隔Ｄを変化させた場合に数値ｋが最小になるときの長さａである。

また、基板を含まないアンテナ装置１００において、長さａを最適値に設定した場合に得た数値ｋを菱形のマーカで示す。基板を含まないアンテナ装置１００は、図１に示すようにアンテナエレメント１１０、帯域幅拡張エレメント１２０、及びグランドプレーン５０のみが存在するアンテナ装置１００であり、真空中に存在することになる。

また、図７には、比較用に帯域幅拡張エレメント１２０を含まないアンテナ装置の数値ｋを三角形のマーカで示す。比較用のアンテナ装置の数値ｋは、比較用のアンテナ装置に対する金属導体３０の間隔Ｄを変化させた場合におけるＳ１１パラメータが−６ｄＢ以下になる周波数帯域幅の標準偏差を平均値で除算して得る値である。平均値は、比較用のアンテナ装置に対する金属導体３０の間隔Ｄを変化させた場合におけるＳ１１パラメータが−６ｄＢ以下になる周波数帯域幅の平均値である。

図７に示すように、比較用のアンテナ装置の数値ｋは、三角形のマーカが示すように、高さｈが１０ｍｍ以上の場合に得られ、高さｈが１０ｍｍのときに約１．８５、高さｈが１５ｍｍのときに約０．４、高さｈが２０ｍｍから４５ｍｍの範囲では、約０．２５〜約０．２８であった。

また、基板の表面に設けたアンテナ装置１００の数値ｋは、四角いマーカが示すように、高さｈが５ｍｍから４５ｍｍの範囲で、約０．０７〜約０．１２の範囲で略一定の値であった。

また、基板を含まないアンテナ装置１００の数値ｋは、菱形のマーカが示すように、高さｈが５ｍｍから４５ｍｍの範囲で、約０．０７〜約０．１２の範囲で略一定の値であり、基板の表面に設けたアンテナ装置１００の数値ｋと殆ど同一の値であった。

以上より、基板の表面に設けたアンテナ装置１００、及び、基板を含まないアンテナ装置１００は、比較用のアンテナ装置に比べて、数値ｋが小さく、高さｈの変化に対する周波数帯域幅の変動が小さいことが分かる。

また、基板の表面に設けたアンテナ装置１００、及び、基板を含まないアンテナ装置１００は、数値ｋが殆ど等しいことから、基板のような誘電体の影響を殆ど受けないことが分かる。

以上、実施の形態のアンテナ装置１００は、帯域幅拡張エレメント１２０を含むとともに、長さｂを７λ／３００≦ｂ≦４．５λ／３００の範囲に収まる小さな値にすることにより、金属導体３０が近づいても放射特性が劣化しないことが分かった。

一般的に、金属導体３０がアンテナエレメント（実施の形態のアンテナエレメントではなく、帯域幅拡張エレメント１２０を含まないアンテナ装置のアンテナエレメント）に近づくと、近づいていない場合に比べてアンテナエレメントに流れる電流が乱れる。

しかしながら、アンテナ装置１００では、長さｂを上述の範囲内の小さな値に設定することによって帯域幅拡張エレメント１２０をアンテナエレメント１１０から離しているため、帯域幅拡張エレメント１２０に流れる電流は、アンテナエレメント１１０に流れる電流の乱れの影響を受けにくくなる。そして、帯域幅拡張エレメント１２０に流れる電流が乱れにくくなると、グランドプレーン５０に流れる電流も乱れにくくなって安定する。この結果、アンテナエレメント１１０に流れる電流が乱れにくくなり、アンテナ装置１００の放射特性は、金属導体３０が近づいても劣化しにくくなるものと考えられる。

従って、金属導体３０が近づいても放射特性の劣化を抑制できるアンテナ装置１００を提供することができる。

なお、以上では、長さａと高さｈが式（１）を満たす形態について説明したが、長さｂが式（２）を満たせば、長さａと高さｈが式（１）を満たさなくても放射特性の劣化を抑制できる場合には、長さａと高さｈが式（１）を満たさなくてもよい。典型的には、長さａが、高さｈを式（１）に代入して求まる長さａとの差が±２０％に収まる長さに設定される場合である。

また、帯域幅拡張エレメント１２０は、図８に示すように変形してもよい。図８は、実施の形態の変形例におけるグランドプレーン５０、アンテナエレメント１１０、及び帯域幅拡張エレメント１２０を拡大して示す図である。

図８（Ａ）に示す帯域幅拡張エレメント１２０は、折り曲げ部１２２及び端部１２３の間の線路の線幅がＸ軸方向に広げられており、長さａは図８（Ａ）に示すように大幅に短くされている。図８（Ａ）における長さａは、給電点１１１及び折り曲げ部１１２の間の線路のＸ軸正方向側の端辺から、折り曲げ部１２２及び端部１２３の間の線路のＸ軸負方向側の端辺までの長さである。また、図８（Ａ）では、給電点１１１及び折り曲げ部１１２の間の線路のＸ軸負方向側の端辺から、折り曲げ部１２２及び端部１２３の間の線路のＸ軸正方向側の端辺までの長さｃは、４９．２５ｍｍで固定値である。

図８（Ｂ）に示す帯域幅拡張エレメント１２０は、端部１２１及び折り曲げ部１２２の間の線路がＸ軸方向に短くされており、長さａは、給電点１１１及び折り曲げ部１１２の間の線路のＸ軸正方向側の端辺から、折り曲げ部１２２及び端部１２３の間の線路のＸ軸負方向側の端辺までの長さである。また、図８（Ｂ）では、アンテナエレメント１１０及び帯域幅拡張エレメント１２０の線幅は１．５ｍｍであり、給電点１１１及び折り曲げ部１１２の間の線路のＸ軸負方向側の端辺から、折り曲げ部１２２及び端部１２３の間の線路のＸ軸正方向側の端辺までの長さｃは、ａ＋３．０ｍｍである。

図８（Ｃ）に示す帯域幅拡張エレメント１２０は、図８（Ｂ）に示す帯域幅拡張エレメント１２０の長さａをより長くしたものである。

図９は、図８（Ａ）〜（Ｃ）のアンテナ装置１００における長さａに対する周波数帯域幅の特性を示す図である。図９において、実線は、図８（Ａ）の構成で得られた周波数帯域幅の特性を示し、破線は、図８（Ｂ）及び（Ｃ）の構成で得られた周波数帯域幅の特性を示す。

金属導体３０をアンテナ装置１００の左側に配置して間隔Ｄを７０ｍｍに固定した状態で、図８（Ａ）のアンテナ装置１００における長さａと、図８（Ｂ）及び（Ｃ）のアンテナ装置１００における長さａとを、８ｍｍ、１８ｍｍ、２８ｍｍ、３８ｍｍ、４８ｍｍに変更したところ、両者の特性は略同一であった。両者とも、長さａが増大するに従って、周波数帯域幅は増大した。

このため、端辺５０Ａと帯域幅拡張エレメント１２０との間のスリットの長さａが周波数帯域幅の増大に効いていることが分かった。

以上では、アンテナ装置１００について説明したが、以下では、金属導体が近づいても放射特性の劣化を抑制できるアンテナ装置１００を設計するアンテナ設計装置、アンテナ設計プログラム、及びアンテナ設計方法について説明する。

図１０は、実施の形態のアンテナ設計装置が適用されるコンピュータシステムの斜視図である。図１０に示すコンピュータシステム１０は、本体部１１、ディスプレイ１２、キーボード１３、マウス１４、及びモデム１５を含む。

本体部１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive：ハードディスクドライブ）、及びディスクドライブ等を内蔵する。ディスプレイ１２は、本体部１１からの指示により画面１２Ａ上に解析結果等を表示する。ディスプレイ１２は、例えば、液晶モニタであればよい。キーボード１３は、コンピュータシステム１０に種々の情報を入力するための入力部である。マウス１４は、ディスプレイ１２の画面１２Ａ上の任意の位置を指定する入力部である。モデム１５は、外部のデータベース等にアクセスして他のコンピュータシステムに記憶されているプログラム等をダウンロードする。

コンピュータシステム１０にアンテナ設計装置としての機能を持たせるプログラムは、ディスク１７等の可搬型記録媒体に格納されるか、モデム１５等の通信装置を使って他のコンピュータシステムの記録媒体１６からダウンロードされ、コンピュータシステム１０に入力されてコンパイルされる。

コンピュータシステム１０にアンテナ設計装置としての機能を持たせるプログラムは、コンピュータシステム１０をアンテナ設計装置として動作させる。このプログラムは、例えばディスク１７等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納されていてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、ディスク１７、ＩＣカードメモリ、フロッピー（登録商標）ディスク等の磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＵＳＢ(Universal Serial Bus)メモリ等の可搬型記録媒体に限定されるものではない。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、モデム１５又はＬＡＮ等の通信装置を介して接続されるコンピュータシステムでアクセス可能な各種記録媒体を含む。

図１１は、コンピュータシステム１０の本体部１１内の要部の構成を説明するブロック図である。本体部１１は、バス２０によって接続されたＣＰＵ２１、ＲＡＭ又はＲＯＭ等を含むメモリ部２２、ディスク１７用のディスクドライブ２３、及びハードディスクドライブ（ＨＤＤ）２４を含む。実施の形態では、ディスプレイ１２、キーボード１３、及びマウス１４は、バス２０を介してＣＰＵ２１に接続されているが、これらはＣＰＵ２１に直接的に接続されていてもよい。また、ディスプレイ１２は、入出力画像データの処理を行う周知のグラフィックインタフェース（図示せず）を介してＣＰＵ２１に接続されていてもよい。

コンピュータシステム１０において、キーボード１３及びマウス１４は、アンテナ設計装置の入力部である。ディスプレイ１２は、アンテナ設計装置に対する入力内容等を画面１２Ａ上に表示する表示部である。

なお、コンピュータシステム１０は、図１０及び図１１に示す構成のものに限定されず、各種周知の要素を付加してもよく、又は代替的に用いてもよい。

図１２は、アンテナ設計装置２００の機能構成を示す図である。アンテナ設計装置２００は、設計処理部２１０及びメモリ２２０を含む。設計処理部２１０は、アンテナ設計装置２００がアンテナ設計プログラムを実行することによって実現される機能を表したものであり、メモリ２２０は、アンテナ設計装置２００に含まれるＲＡＭ及びＲＯＭ等のメモリを機能的に表したものである。

ここでは、一例として、メモリ２２０には式（１）を表すデータが格納されていることとする。

設計処理部２１０は、設計者から入力される長さａ又は高さｈの値を式（１）に代入することによって、高さｈ又は長さａを算出する。また、設計処理部２１０は、設計者から入力される通信周波数における波長λを計算し、次式（３）を満たす長さｂの範囲を算出する。

設計処理部２１０は、算出した高さｈ又は長さａと、長さｂの範囲とをディスプレイ１２に表示する。以上でアンテナ設計装置２００によるアンテナ装置１００の設計処理が終了する。

メモリ２２０は、式（１）、（３）を表すデータ、周波数を真空中の波長λに換算する換算式を表すデータ、及び、アンテナ設計プログラム等のアンテナ装置１００の設計処理に必要なデータを格納する。

図１３は、アンテナ設計装置２００の設計処理部２１０がアンテナ設計プログラムを実行することによって行われる処理を示すフローチャートである。図１３のフローチャートによって実行される方法は、実施の形態のアンテナ設計方法である。

設計処理部２１０は、設計者からアンテナ装置１００の設計処理を開始する操作が行われると処理を開始する（スタート）。

設計処理部２１０は、設計者から入力される長さａ又は高さｈの値を取得する（ステップＳ１）。

設計処理部２１０は、設計者から入力される通信周波数の値を取得する（ステップＳ２）。

設計処理部２１０は、入力された長さａ又は高さｈと式（１）とに基づいて、高さｈ又は長さａを算出する（ステップＳ３）。設計処理部２１０は、長さａが入力された場合には、式（１）に長さａを代入して高さｈを算出し、高さｈが入力された場合には、式（１）を長さａについて変形して高さｈを代入することにより、長さａを算出する。

設計処理部２１０は、取得した通信周波数を換算式に代入して波長λを計算する（ステップＳ４）。

設計処理部２１０は、計算した波長λを式（３）に代入し、長さｂの範囲を算出する（ステップＳ５）。

設計処理部２１０は、算出した高さｈ又は長さａと長さｂの範囲とをディスプレイ１２に表示する（ステップＳ６）。

設計処理部２１０は、ステップＳ６の処理を終えると、一連の処理を終了する（エンド）。

以上のように、アンテナ設計装置２００は、設計者から入力される長さａ又は高さｈと通信周波数の値とに基づいて、高さｈ又は長さａと長さｂの範囲とを算出する。

算出される高さｈ又は長さａと長さｂの範囲は、金属導体が近づいても放射特性の劣化を抑制できるアンテナ装置１００の設計に用いることができる値である。

従って、実施の形態によれば、金属導体が近づいても放射特性の劣化を抑制できるアンテナ装置を設計するアンテナ設計装置２００、アンテナ設計プログラム、及びアンテナ設計方法を提供することができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態のアンテナ装置、アンテナ設計装置、アンテナ設計プログラム、及びアンテナ設計方法について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

以上の実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
端辺を有するグランドプレーンと、
前記端辺の近傍に配置される給電点から、平面視で前記端辺から離間する方向に延在する逆Ｌ型のアンテナエレメントと、
前記給電点又は前記給電点の近傍に接続される第１端部から前記端辺に沿って折り曲げ部まで延在する第１線路と、前記折り曲げ部で平面視で前記第１線路に対して折り曲げられて前記端辺に接続される第２端部まで延在する第２線路とを有する帯域幅拡張エレメントと
を含み、
前記第２線路の前記折り曲げ部と前記第２端部との間の長さｂは、前記アンテナエレメントの通信周波数における波長をλとすると、０．７λ／３００≦ｂ≦４．５λ／３００である、アンテナ装置。
（付記２）
前記アンテナエレメントの前記端辺に沿って延在する区間の線路と、前記端辺との間隔は、前記第１線路の長さと相関があり、
前記間隔が狭いほど、前記第１線路の長さは短くなる、付記１記載のアンテナ装置。
（付記３）
前記第１線路の長さをａ、前記間隔をｈとすると次式（４）が成立する、付記１又は２記載のアンテナ装置。

ただし、ｍ、ｎは、複数の前記第１線路の長さａ及び前記間隔ｈの組み合わせによって決まる係数である。
（付記４）
端辺を有するグランドプレーンと、
前記端辺の近傍に配置される給電点から、平面視で前記端辺から離間する方向に延在する逆Ｌ型のアンテナエレメントと、
前記給電点又は前記給電点の近傍に接続される第１端部から前記端辺に沿って折り曲げ部まで延在する第１線路と、前記折り曲げ部で平面視で前記第１線路に対して折り曲げられて前記端辺に接続される第２端部まで延在する第２線路とを有する帯域幅拡張エレメントと
を含むアンテナ装置における、前記第２線路の前記折り曲げ部と前記第２端部との間の長さｂを算出するアンテナ設計装置であって、
次式（５）を満たす前記長さｂを算出する、アンテナ設計装置。

ただし、λは前記アンテナエレメントの通信周波数における波長である。
（付記５）
端辺を有するグランドプレーンと、
前記端辺の近傍に配置される給電点から、平面視で前記端辺から離間する方向に延在する逆Ｌ型のアンテナエレメントと、
前記給電点又は前記給電点の近傍に接続される第１端部から前記端辺に沿って折り曲げ部まで延在する第１線路と、前記折り曲げ部で平面視で前記第１線路に対して折り曲げられて前記端辺に接続される第２端部まで延在する第２線路とを有する帯域幅拡張エレメントと
を含むアンテナ装置における、前記第２線路の前記折り曲げ部と前記第２端部との間の長さｂを算出するアンテナ設計プログラムであって、
コンピュータが、次式（６）を満たす前記長さｂを算出する、アンテナ設計プログラム。

ただし、λは前記アンテナエレメントの通信周波数における波長である。
（付記６）
端辺を有するグランドプレーンと、
前記端辺の近傍に配置される給電点から、平面視で前記端辺から離間する方向に延在する逆Ｌ型のアンテナエレメントと、
前記給電点又は前記給電点の近傍に接続される第１端部から前記端辺に沿って折り曲げ部まで延在する第１線路と、前記折り曲げ部で平面視で前記第１線路に対して折り曲げられて前記端辺に接続される第２端部まで延在する第２線路とを有する帯域幅拡張エレメントと
を含むアンテナ装置における、前記第２線路の前記折り曲げ部と前記第２端部との間の長さｂを算出するアンテナ設計方法であって、
コンピュータが、次式（７）を満たす前記長さｂを算出する、アンテナ設計方法。

ただし、λは前記アンテナエレメントの通信周波数における波長である。

１００ アンテナ装置
５０ グランドプレーン
５０Ａ 端辺
１１０ アンテナエレメント
１１１ 給電点
１１２ 折り曲げ部
１１３ 端部
１２０ 帯域幅拡張エレメント
１２１ 端部
１２２ 折り曲げ部
１２３ 端部

Claims (5)

1. 逆Ｌアンテナの給電点近傍からＧＮＤに接続されるＬ型線路を有し、
   前記Ｌ型線路の折り曲げ部から前記ＧＮＤに接続する長さｂを、
   0.7λ/300≦b≦4.5λ/300
   としたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記Ｌ型線路は、
   前記給電点近傍から前記折り曲げ部までの長さaを備え、
   前記長さａは、前記逆Ｌアンテナの高さｈによって可変である
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 逆Ｌアンテナの給電点近傍からＧＮＤに接続されるＬ型線路を有するアンテナ装置における、前記Ｌ型線路の折り曲げ部から前記ＧＮＤに接続する長さｂを設計するアンテナ設計装置であって、
   次式（１）を満たす前記長さｂの範囲を算出する、アンテナ設計装置。
   

   

   ただし、λは前記逆Ｌアンテナの通信周波数における波長である。
4. 逆Ｌアンテナの給電点近傍からＧＮＤに接続されるＬ型線路を有するアンテナ装置における、前記Ｌ型線路の折り曲げ部から前記ＧＮＤに接続する長さｂを設計するアンテナ設計プログラムであって、
   コンピュータが、次式（２）を満たす前記長さｂの範囲を算出する、アンテナ設計プログラム。
   

   

   ただし、λは前記逆Ｌアンテナの通信周波数における波長である。
5. 逆Ｌアンテナの給電点近傍からＧＮＤに接続されるＬ型線路を有するアンテナ装置における、前記Ｌ型線路の折り曲げ部から前記ＧＮＤに接続する長さｂを設計するアンテナ設計方法であって、
   コンピュータが、次式（３）を満たす前記長さｂの範囲を算出する、アンテナ設計方法。
   

   

   ただし、λは前記逆Ｌアンテナの通信周波数における波長である。

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