JP4127087B2 - アンテナ装置および無線装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波あるいはミリ波帯域（０．３〜３００（ＧＨｚ））の電波を用いるアンテナ装置、および、このアンテナ装置を用いた無線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、アクセス回線を用いたインターネットへの接続が、時間および場所の制約を受けず自由に行える環境の実現が望まれている。
アクセス回線が大容量の情報を高速に通信可能とする光ファイバである場合、インターネットへの接続において場所の制約を受けないように、光ファイバの敷設作業を行う必要がある。アクセス回線が電話線を利用したＡＤＳＬ(Asynchronous Digital Subscriber Line)である場合、基地局である電話局とアクセス端末との距離に通信速度が依存し、高速通信の点で低い回線品質となっている。また、いずれのアクセス回線も有線のため、移動体でのアクセスは原理的に困難である。
【０００３】
これに対して、無線ＬＡＮに代表される無線アクセス回線は、屋内および屋外における電波の送受信はもちろん、無線の特徴を生かした移動体でのアクセスも可能であり、マイクロ波あるいはミリ波帯域の電波を用いることで高速な無線通信を行うことができる。今後、屋内と屋外間における高速な無線通信の実現が期待されている。
一般に、屋内と屋外間の無線通信の場合、屋内、すなわち、建物内部は、鉄あるいはコンクリート等を用いた厚さの厚い構造体で囲まれているため、マイクロ波あるいはミリ波帯域の高周波の電波はこの構造体を透過することができず、無線通信を行うことができない。このため、建物内の通路あるいは換気等の目的で設けられている建物の開口部、特に窓ガラスを設けた開口部にアンテナを設置して開口部で信号の送受を行いながら、屋内と屋外間の無線通信を行うことが考えられる。
【０００４】
無線通信を行う場合、一般に信号処理回路で生成した処理信号により搬送波を変調して高周波信号を生成し、この高周波信号を電波に変換して伝送するので、無線装置には、高周波信号を生成するための無線周波数回路（ＲＦ回路）と高周波信号から電波を放射するアンテナ装置とが接続されている。アンテナ装置とＲＦ回路との接続には、同軸ケーブルあるいはマイクロストリップ線路等を代表とする接地導体と信号線導体とを備える不平衡型伝送線路が用いられる。また、平衡型アンテナを用いて不平衡型伝送線路と接続する場合、不平衡電流の発生により生じるアンテナ装置の指向特性の劣化を防止するために、不平衡型伝送線路と平衡型アンテナとの接続部分である給電部分に平衡−不平衡変換素子（バラン）が設けられる。
【０００５】
図９は、従来のアンテナ装置の構成の一例を示す斜視図である。
図９に示すアンテナ装置は、一対のダイポールアンテナで構成される平衡型アンテナ１０３が誘電体基板１０４の両面に形状加工されて設けられている。また、接地導体１０５と信号線路１０６とを有するマイクロストリップ線路が、誘電体基板１０４の両面に形状加工されて設けられたレッヘル線（平衡二線）１２０を介して各々の平衡型アンテナ１０３に接続されている。レッヘル線１２０の一方は接地導体１０５と接続され、レッヘル線の他方は信号線路１０６と接続されている。ここでレッヘル線は、上記バランとして機能して、アンテナ装置の指向特性の劣化を抑制している。
【０００６】
また、下記非特許文献１では、誘電体基板上に設けられた平衡型のquasi-八木アンテナに、コプレーナストリップ線路（共平面線路）を介して、マイクロストリップ線路等から給電されるアンテナ装置が開示されている。ここで、コプレーナストリップ線路は、複雑な形状に加工された部分有し、この部分がバランとして機能する。
さらに、下記非特許文献２では、不平衡型伝送線路であるマイクロストリップ線路と平衡型伝送線路であるコプレーナストリップ線路との接続部分に、バランとして機能する、複数の基板の端部を金リボンで溶接した変換回路を設けることが開示されている。
【０００７】
【非特許文献１】
N.Kaneda, W.R.Deal, Y.Qian, R.Waterhouse and T.Itoh,
" A Broad-band Planar Quasi-Yagi Antenna",
IEEE Transactions on Antennas and Propagation,Vol.50,No.8,p.1158-1160,Aug.2002
【非特許文献２】
H.Y.Lee, T.Itoh,
"Wideband and Low Return Loss Coplanar Strip Feed Using Intermediate Microstrip",
Electron. Lett.,Vol.24,No.9,p.1207-1208,Sept.1988
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図９に示すアンテナ装置では、誘電体基板１０４の両面に一対のダイポールアンテナおよびレッヘル線をパターン加工して設ける際、両面のパターンの重なり位置の精度が高いことが要求され、生産効率が低い。また、誘電体基板１０４の両面に設けられるダイポールアンテナが互いに対称の位置に配置されて平衡型平面アンテナが構成されるので、ダイポールアンテナは誘電体基板１０４の面に垂直方向に直線上に配列されず、アンテナ装置としての交差偏波特性が劣化する。さらに、八木アンテナのように寄生素子を用いて多素子化した場合、給電されるアンテナ素子が同一平面上に設けられていないため、寄生素子への結合効率が若干低くなる。
【０００９】
一方、非特許文献１で開示される平衡型のquasi-八木アンテナでは、このquasi-八木アンテナとコプレーナストリップ線路とが誘電体基板の一方の面にパターン加工して設けられので、図９に示すアンテナ装置のように両面のパターンの重なり位置の精度を考慮する必要がない。したがって、図９に示すアンテナ装置に比べて生産効率は向上する。しかし、バランとして機能するコプレーナストリップ線路の一部分が誘電体基板上で複雑な形状を成して２次元的に広がった回路となっているため、設計上の制約が多く設計自由度が低い他、アンテナ装置としての集積度の向上に限界がある。
【００１０】
非特許文献２で開示される変換回路では、複数の基板に設けられた伝送線路のパターン同士を積層する際、位置精度を確保する必要があるが、この位置精度の確保が困難である。また、伝送線路同士の接続には溶接あるいはボンディング等の工程が必要であり生産効率が低い。
このように、平衡型アンテナとマイクロストリップ線路等の不平衡型伝送線路とが、バランとして機能する回路または素子を介して接続されるアンテナ装置において、指向性の高いアンテナ装置を効率よく作製することができない。
【００１１】
そこで、本発明は、上述の問題を解決するために、誘電体基板の一方の面に設けられた平衡型平面アンテナがバランとして機能する回路を介して不平衡型伝送線路と接続されるアンテナ装置において、アンテナ装置としての設計自由度が高く、しかも、効率良く作製することのできるアンテナ装置を提供するとともに、このアンテナ装置を用いて、屋内、屋外間で無線通信を行う際、信号の劣化を低減した無線装置を提供することを目的とする。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、誘電体基板と、該誘電体基板の基板面に設けられた平衡型平面アンテナと、該誘電体基板の前記基板面に設けられた一対の信号線路を有するコプレーナストリップ線路と、該コプレーナストリップ線路に接続された、信号線路と接地導体とを有する不平衡型伝送線路と、を備え、前記コプレーナストリップ線路は前記平衡型平面アンテナに接続されており、前記誘電体基板は、前記不平衡型伝送線路の信号線路および接地導体のいずれか一方を前記コプレーナストリップ線路の信号線路に配線接続させるための、前記誘電体基板の厚さ方向に配線された配線接続部分を有し、前記コプレーナストリップ線路の信号線路と前記配線接続部分との接続位置は、前記配線接続部分と接続される前記コプレーナストリップ線路の信号線路と、前記コプレーナストリップ線路における前記一対の信号線路間に挟まれた間隙部分との境界近傍に設けられていることを特徴とするアンテナ装置を提供する。
【００１３】
ここで、前記配線接続部分は、例えば、前記誘電体基板の縁部あるいは縁部に囲まれた内側領域に設けられる。
また、前記不平衡型伝送線路の信号線路および接地導体は、例えば、前記誘電体基板を挟んで互いに異なる面に設けられており、前記配線接続部分は、前記誘電体基板を貫通する貫通導体によって構成される。その際、前記基板面と反対側の面に設けられた前記不平衡型伝送線路の信号線路および接地導体のいずれか一方は、前記貫通導体により前記基板面と反対側の面から、すなわち前記基板面の面の外から、前記コプレーナストリップ線路の信号線路と配線接続される。また、前記基板面に設けられる前記不平衡型伝送線路の信号線路および接地導体の他方は、前記基板面で前記コプレーナストリップ線路の他方の信号線路と配線接続される。
【００１４】
前記不平衡型伝送線路は、例えば、マイクロストリップ伝送線路、ストリップ線路あるいは同軸線路等が例示される。前記平衡型平面アンテナは、例えば、プリントフォールデッドダイポールアンテナが例示される。
ここで、前記不平衡型伝送線路と平衡型伝送線路である前記コプレーナストリップ線路間の接続における高周波信号の変換効率を向上させる点から、前記アンテナ装置は以下のように構成するのが好ましい。
（１）前記不平衡型伝送線路がマイクロストリップ伝送線路の場合、マイクロストリップ伝送線路における接地導体は、前記貫通導体との接続位置に近づくにつれて、マイクロストリップ伝送線路の信号線路方向と直交する方向の前記接地導体の横幅が狭くなる形状とするのが好ましい。
（２）前記コプレーナストリップ線路は、前記平衡型平面アンテナとインピーダンス整合するように特性インピーダンスを設定するのが好ましい。
（３）前記不平衡型伝送線路は、前記コプレーナストリップ線路の特性インピーダンスに一致するように特性インピーダンスを設定するのが好ましい。
【００１５】
さらに、前記誘電体基板には、前記平衡型平面アンテナを複数個一方向に配列して設けることで、この配列方向に対して略直交し前記誘電体基板の前記基板面に対して略垂直な方向（ブロードサイド方向）に双指向性を有するアレイアンテナが構成されるのが好ましい。
このようなアレイアンテナを構成することで、誘電体基板を挟んだ両側（前記基板面の側とこの基板面と反対の面側）との間で無線通信を可能とする無線装置を構成することができる。
【００１６】
すなわち、本発明は、回路基板に設けられた無線周波数回路と、前記回路基板を前記誘電体基板とした前記アンテナ装置と、を有することを特徴とする無線装置を提供する。これにより、前記アンテナ装置と無線周波数回路とを一体化して、信号の劣化を低減することができる。また、誘電体基板を挟んだ両側に感度を有する双指向性を備えた平衡型平面アンテナを用いることで、回路基板を挟み両側の双方向に感度を有する無線装置となる。
【００１７】
ここで、前記無線装置における厚さは、例えば、３０ｍｍ以下であり、この無線装置は、建物や自動車等の窓ガラスに固着して電波の送信および受信の少なくとも一方を行うのが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のアンテナ装置および無線装置を、添付の図面に示される好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１（ａ）は、本発明のアンテナ装置の一実施形態を示すアンテナ装置１０の斜視図であり、図１（ｂ）は、アンテナ装置１０の平面図である。
アンテナ装置１０は、誘電体基板１２と、誘電体基板１２に設けられた平衡型平面アンテナ１４と、コプレーナストリップ線路（以降、ＣＰＳ線路という）１６と、接地導体１８と信号線路２０とを有する不平衡型伝送線路であるマイクロストリップ線路（以降、ＭＳ線路という）２２と、を備えて構成されている。
ＣＰＳ線路１６は、平衡型平面アンテナ１４と同じ側の誘電体基板１２の面（以降、第１の面という）に設けられた一対の信号線路１６ａ，１６ｂとを有し、一対の信号線路１６ａ，１６ｂが平衡型平面アンテナ１４に接続されている。
ＭＳ線路２２における接地導体１８は、誘電体基板１２の第1 の面に設けられ、ＣＰＳ線路１６の信号線路１６ｂと第１の面で接続されている。一方、信号線路２０は、誘電体基板１２の第１の面と反対側の面（以降、第２の面という）に設けられ、この第２の面から、誘電体基板１２を厚さ方向に貫通したビアホール２４を介してＣＰＳ線路１６の信号線路１６ａと接続されている。
【００２０】
ここで、上述の平衡型とは、一対の信号線路に、互いに振幅が同じで極性が逆の電圧を掛けることで信号を伝える方式をいい、例えば、アンテナではフォールデッドダイポールアンテナが、伝送線路ではコプレーナストリップ線路が例示される。一方、不平衡型とは、基準の電位、例えば接地導体の電位に対して電圧を変動させて信号を伝える方式をいい、例えば、アンテナではマイクロパッチアンテナ、伝送線路ではマイクロストリップ線路が例示される。
【００２１】
誘電体基板１２は、一定の厚さを備える板状の電気絶縁性を有する部材であって、ガラス、樹脂、セラミック等の誘電体材料で構成されたものである。例えば、比誘電率εr ＝３．４、誘電正接Ｔａｎδ＝０．００２５、基板厚さ０．７４ｍｍの基板である。
【００２２】
平衡型平面アンテナ１４は、直線状のアンテナエレメントを折り曲げたプリントフォールデッド（折り曲げ）ダイポールアンテナである。平衡型平面アンテナ１４のアンテナ長さＬ3 （図１（ｂ）参照）は、例えば、誘電体基板１２による波長短縮効果を考慮した電波の伝播波長λg の１／２の長さとされる。アンテナ寸法Ｌ2 （図１（ｂ）参照）は給電側に位置する直線状のアンテナエレメントとこのアンテナエレメントを折り曲げた非給電側に位置する直線状のアンテナエレメントとの間に位相差が生じるのであまり長くすることはできない。アンテナ寸法Ｌ2 は、アンテナエレメントの幅にも依存するが、例えば、略０．００１λg 〜０．１λg の範囲にするとよい。図１（ａ），（ｂ）に示すアンテナ装置１０では、アンテナ寸法Ｌ2 を０．０５λg の長さとしている。平衡型平面アンテナ１４における入力インピーダンスは、例えば、アンテナエレメントの幅Ｗ1 （図１（ｂ）参照）とＷ2 （図１（ｂ）参照）の比をＷ1 ：Ｗ2 ＝１：０．７３７とし、２００Ωに調整されている。
【００２３】
ＣＰＳ線路１６は、一対の平行な帯状の導体で構成される信号線路１６ａ，１６ｂを有し、各信号線路１６ａ，１６ｂの一方の端部は、平衡型平面アンテナ１４に接続されている。一方、信号線路１６ｂの他方の端部は、ＭＳ線路２２における接地導体１８と誘電体基板１２の第１の面で接続されている。信号線路１６ａの他方の端部は、誘電体基板１２を貫通する貫通孔の内表面に導体（貫通導体）が設けられたビアホール２４を介して、誘電体基板の第２の面に設けられた信号線路２０と接続されている。すなわち、ビアホール２４によって信号線路２０を信号線路１６ａに配線接続させる配線接続部分が誘電体基板１２に構成されている。このビアホール２４と信号線路１６ａとの接続位置は、平行な信号線路１６ａ，１６ｂ間に挟まれた間隙部分との境界近傍にあるのが好ましい。これにより、後述する不平衡型伝送線路であるＭＳ線路２２と平衡型伝送線路であるＣＰＳ線路１６との接続に際して高周波信号の変換効率を向上させることができる。ビアホール２４によって構成される配線接続部分での高周波信号の変換は、誘電体基板１２を横切るＭＳ線路２２において生成される電界成分が、ＣＰＳ線路１６において誘電体基板１２の表面に平行な電界成分に変換されることによって行われるものと考えられる。この考えに基づいて、ＣＰＳ線路１６において電界成分の集中する、信号線路１６ａ、１６ｂ間に挟まれた間隙部分との境界近傍にビアホール２４との接続位置を設けることで、ＭＳ線路２２において生成された高周波信号の電界成分を効率よくＣＰＳ線路１６の電界成分に変換することができる。
【００２４】
なお、一般にＣＰＳ線路は特性インピーダンスを低くすることが困難である。しかし、平衡型平面アンテナ１４とＭＳ線路２２との間に介在するＣＰＳ線路１６の線路長Ｌ1 をλg ／４の奇数倍の長さにすることで、平衡型平面アンテナ１４とＭＳ線路２２とのインピーダンス整合をとることができる。このとき、平衡型平面アンテナ１４の入力インピーダンスをＺant 、ＭＳ線路２２の特性インピーダンスをＺubl とすると、ＣＰＳ線路１６の特性インピーダンスＺcps は（Ｚant ・Ｚubl ) (1/2) で決定される。通常、伝送線路の特性インピーダンスは５０Ωに設定されるので、Ｚubl ＝５０Ωであり、上述した例のように、２００Ωの平衡型平面アンテナ１４の入力インピーダンス（Ｚant ＝２００Ω) と整合させるためには、Ｚcps ＝１００Ωであればよい。この場合、ＣＰＳ線路１６の線路長さＬ1 を例えば１．２５λg として、１００Ωの特性インピーダンスで設計するとよい。また、ＣＰＳ線路１６の線路幅Ｗ3 （図１（ｂ）参照）および線路間隙の幅Ｗ4 （図１（ｂ）参照）の比は、例えば、Ｗ3 ：Ｗ4 ＝１：０．１４８と設定される。
【００２５】
ＭＳ線路２２は、誘電体基板１２の第１の面に接地導体１８を、第２の面に信号線路２０が設けられた不平衡型伝送線路である。接地導体１８は、ＣＰＳ線路１６における信号線路１６ｂと接続するビアホール２４との接続位置に近づくにつれて、信号線路２０の方向に対して直交する方向の接地導体１８の横幅が狭くなる形状、すなわち、斜めの切り込みが設けられている。不平衡型伝送線路では一般に接地導体の横幅は広い方が伝送の点で好ましい。しかし、平衡型伝送線路であるＣＰＳ線路１６の信号線路１６ａ，１６ｂは同一パターンで一方向に伸びる帯状の線路を成しているので、接地導体１８の横幅を広く維持した状態で信号線路１６ｂと接続することは、変換効率の点で好ましくない。このため、ＣＰＳ線路１６と接続するビアホール２４との接続位置に近づくにしたがって接地導体１８の横幅を狭くすることにより接続位置において電界を集中させ、変換効率を高くしている。
【００２６】
アンテナ装置１０における平衡型平面アンテナ１４と、ＣＰＳ線路１６の信号線路１６ａ，１６ｂと、ＭＳ線路２２における接地導体１８および信号線路２０とは、上述したように誘電体基板１２に設けられた導体で構成される。この導体は、例えば、銅箔厚み１８μｍの三菱化学（株) 製ＢＴレジンＣＣＬ−ＨＬ８７０（Ｍ）の銅箔を所定の形状に加工して作製される。なお、アンテナ装置１０は、平衡型平面アンテナ１４、ＣＰＳ線路１６の信号線路１６ａ，１６ｂ、および、ＭＳ線路２２の各種寸法を調整して、所望の動作周波数、例えば５（ＧＨｚ）で効率よく動作するように設計することができる。
【００２７】
このようなアンテナ装置１０は、送信の場合、不平衡型伝送線路であるＭＳ線路２２の信号線路２０に給電された高周波信号が、誘電体基板１２を横切る電界成分の生成によって伝送され、平衡型伝送線路であるＣＰＳ線路１６に供給される。このとき、ビアホール２４によって構成される配線接続部分において、ＭＳ線路２２により誘電体基板１２内に生成された電界成分が、ＣＰＳ線路１６における誘電体基板１２の表面に平行な電界成分に変換されると考えられる。この電界成分の変換の際、不平衡電流が発生することがなく、ＣＰＳ線路１６に接続された平衡型平面アンテナ１４において、誘電体基板１２の面に対して垂直方向に指向性を有する電波が効率よく放射される。受信の場合は、上記送信と逆の作用により、平衡型平面アンテナ１４からＭＳ線路２２へ高周波信号が伝送される。
【００２８】
図２は、図１（ａ）に示すアンテナ装置１０のリターンロス（反射減衰量）の一例を表した図であり、図３は、放射する電波の磁界面内における主偏波の指向特性の一例を表した図である。図３に示す角度は、図１（ａ）に示すｘｚ面内におけるｚ軸からの角度θである。
なお、この例のアンテナ装置は、誘電体基板１２として比誘電率εr ＝３．４、誘電正接Ｔａｎδ＝０．００２５、基板厚さ０．７４ｍｍの誘電体基板を用い、各信号線路およびアンテナの形状寸法を、線路長さＬ1 ＝１．２５・λg 、アンテナ寸法Ｌ2 ＝０．０５λg 、アンテナ長さＬ3 ＝１／２・λg 、Ｗ1 ：Ｗ2 ＝１：０．７３７、Ｗ3 ：Ｗ4 ＝１：０．１４８とし、入力インピーダンスおよび特性インピーダンスをＺubl ＝５０Ω、Ｚant ＝２００Ω、Ｚcps ＝１００Ωとし、動作周波数を５（ＧＨｚ）として設計したものである。
【００２９】
図２によると、設計時の動作周波数５（ＧＨｚ）付近でリターンロスが増大し、共振することがわかる。
また、アンテナ装置は、図３によると、誘電体基板１２の基板面に対して垂直方向、すなわち、略±９０度の方向（図１中の略ｘ軸および略−ｘ軸方向）で主偏波が最大となる双指向性を備えることがわかる。
【００３０】
このように、アンテナ装置１０において、不平衡型伝送線路の信号線路２０が誘電体基板１２に設けたビアホール２４を介して誘電体基板１２の第２の面からＣＰＳ線路１６の信号線路１６ａと接続されるので、バランの機能を誘電体基板１２上に備えた簡単な装置構成のアンテナ装置が得られる。また、簡単な装置構成のアンテナ装置であるので、設計自由度が高く、効率良く作製することができる。
【００３１】
本発明におけるアンテナ装置は、アンテナ装置１０の構成に限定されず、図４（ａ）および（ｂ）に示すようなアンテナ装置３０であってもよい。
図４（ａ）は、本発明のアンテナ装置の他の実施形態を示すアンテナ装置３０の斜視図であり、図４（ｂ）は、アンテナ装置３０の平面図である。
【００３２】
アンテナ装置３０は、誘電体基板３２と、誘電体基板３２の第１の面に設けられた平衡型平面アンテナ３４と、一対の信号線路３６ａ，３６ｂを有するＣＰＳ線路３６と、接地導体３８と信号線路４０とを有するＭＳ線路４２と、を備えて構成される。
ＣＰＳ線路３６における一対の信号線路３６ａ，３６ｂは、誘電体基板３２の第１の面に設けられ、平衡型平面アンテナ３４に接続されている。
ＭＳ線路４２における信号線路４０は、誘電体基板３２の第１の面に設けられ、ＣＰＳ線路３６の信号線路３６ｂと第１の面で接続されている。一方、接地導体３８は、誘電体基板３２の第１の面と反対側の第２の面に設けられ、この第２の面から、誘電体基板３２を厚さ方向に貫通したビアホール４４を介してＣＰＳ線路３６の信号線路３６ａと接続されている。すなわち、ビアホール４４によって接地導体３８を信号線路３６ａに配線接続させる配線接続部分が誘電体基板３２に構成されている。
アンテナ装置３０における平衡型平面アンテナ３４、ＣＰＳ線路３６およびビアホール４４の構成は、上述の平衡型平面アンテナ１４、ＣＰＳ線路１６およびビアホール２４と同様の構成であるので説明は省略する。
【００３３】
ＭＳ線路４２は、信号線路４０が誘電体基板３２の第１の面に設けられ、信号線路３６ｂと接続されている。一方、接地導体３８は、誘電体基板３２の第２の面に設けられ、この第２の面からビアホール４４を介して信号線路３６ａと接続されている。すなわち、アンテナ装置３０においてＭＳ線路４２の接地導体３８および信号線路４０の設けられる誘電体基板３２の面が、アンテナ装置１０と異なっている他は、同様の構成を有する。
ビアホール４４と信号線路３６ａとの接続位置は、アンテナ装置１０と同様に、平行な信号線路３６ａ、３６ｂ間に挟まれた導体のない間隙部分との境界近傍にあるのが好ましい。
【００３４】
このようなアンテナ装置３０においても、アンテナ装置１０の作用と同様に、ＭＳ線路４２において、誘電体基板３２を横切る電界成分の生成によって高周波信号が伝送され、平衡型伝送線路であるＣＰＳ線路３６に供給される。このとき、ビアホール４４によって構成される配線接続部分において、誘電体基板３２内に生成された電界成分が、ＣＰＳ線路３６における誘電体基板３２の表面に平行な電界成分に変換されると考えられる。この電界成分の変換の際、不平衡電流が発生することがなく、ＣＰＳ線路３６に接続された平衡型平面アンテナ１４において、誘電体基板３２の面に対して垂直方向に指向性を有する電波が効率よく放射される。
【００３５】
さらに、図４（ａ）および（ｂ）に示されるアンテナ装置３０に替えて図５に示すアンテナ装置５０であってもよい。
図５は、本発明のアンテナ装置の他の実施形態を示すアンテナ装置５０の平面図である。
【００３６】
アンテナ装置５０は、ＭＳ線路の信号線路５２において横幅が狭くなった領域５１を有する以外はアンテナ装置３０と同様の構成であるので、領域５１以外の構成の説明は省略する。
ＭＳ線路における領域５１は、信号線路５４ａ，５４ｂを有するＣＰＳ線路５４の特性インピーダンスと略一致するように調整されたものである。すなわち、ＭＳ線路の特性インピーダンスをＣＰＳ線路の特性インピーダンスに近い値にして信号の変換効率を向上させるようにしたものである。例えば、領域５１の特性インピーダンスを、上述したように、例えばＺant ＝２００Ω、Ｚubl ＝５０ΩとしたときのＣＰＳ線路の特性インピーダンスＺcps ＝１００Ωと同じ値、すなわち、Ｚubl2＝１００Ωとする。この場合、図５中のＣＰＳ線路５４とこのＣＰＳ線路５４と同じ特性インピーダンスを持つ信号線路５２の領域５１との長さの総和Ｌを、λg ／４の長さの奇数倍になるように設定することで、平衡型平面アンテナとＭＳ線路とのインピーダンス整合を行うことができる。
【００３７】
さらに、本発明のアンテナ装置においては、図６に示すように、誘電体基板に平衡型平面アンテナを一方向に複数配置（図６では２つ配置）して、アレイアンテナを構成したものであってもよい。本発明のバランの機能を備えたアンテナ装置において平衡型平面アンテナを誘電体基板に複数個を設けて、ＣＰＳ線路と接続することにより、アレイアンテナの動作原理に基づき、単一のアンテナとは異なる指向性を実現することができる。
【００３８】
図６は、本発明のアンテナ装置の他の実施形態を示すアンテナ装置６０の平面図である。
アンテナ装置６０は、図４（ａ）および（ｂ）に示すアンテナ装置３０を左右対称に配置したものである。
アンテナ装置６０は、誘電体基板６２の第１の面に設けられた一対の平衡型平面アンテナ６４、６５と、一対の信号線路６６ａ，６６ｂを有するＣＰＳ線路６６と、一対の信号線路６７ａ，６７ｂを有するＣＰＳ線路６７と、ＣＰＳ線路６６，６７に接続された、接地導体６８および信号線路７０を有するＭＳ線路７２と、を備えている。
ＭＳ線路７２における接地導体６８は、誘電体基板６２の第１の面と反対側の第２の面に設けられ、この第２の面から、誘電体基板６２を貫通するビアホール７４を介してＣＰＳ線路における信号線路６６ａ，６７ａと接続されている。すなわち、ビアホール７４によって接地導体６８を信号線路６６ａ，６７ａに配線接続させる配線接続部分が誘電体基板６２に構成されている。ＭＳ線路における信号線路７０は、信号線路６６ｂ、６７ｂと誘電体基板６２の第１の面で接続されている。
ビアホール７４と信号線路６６ａ、６７ａとの接続位置は、平行な信号線路６６ａ，６６ｂおよび平行な信号線路６７ａ, ６７ｂ間に挟まれた間隙部分との境界近傍にあるのが好ましい。
【００３９】
このような構成においても、ＭＳ線路７２の信号線路７０に給電された高周波信号が、誘電体基板６２を横切る電界成分の生成によって伝送され、ＣＰＳ線路６６，６７に供給される。このとき、アンテナ装置１０，３０と同様に、ビアホール７４によって構成される接続部分において、誘電体基板６２内に生成された高周波信号の電界成分が、ＣＰＳ線路６６，６７における誘電体基板６２の表面に平行な電界成分に変換されると考えられる。この電界成分の変換の際、不平衡電流が発生することがなく、ＣＰＳ線路６６，６７に接続された平衡型平面アンテナ６４，６５において効率よく電波が放射される。
【００４０】
アンテナ装置６０においては、平衡型平面アンテナ６４，６５に同位相で信号が給電されるため平衡型平面アンテナ６４，６５の配列方向であるエンドファイア方向に指向性がなく、平衡型平面アンテナ６４，６５の配列方向に略直交し、かつ誘電体基板６２の面に対して略垂直な方向であるブロードサイド方向に双指向性を有するものとなる。ここでいうエンドファイア方向とは、図６中のｚ軸および−ｚ軸方向で、ブロードサイド方向とは図６中のｘ軸および−ｘ軸方向を意味する。
なお、アンテナ装置６０は、ＭＳ線路７２の接地導体６８をビアホール７４を介してＣＰＳ線路６６，６７と接続したものであるが、図１（ａ），（ｂ）に示すアンテナ装置１０のように、不平衡型伝送線路における信号線路をビアホールを介してＣＰＳ線路の信号線路と接続した構成としてもよい。
【００４１】
以上、アンテナ装置における平衡型平面アンテナとしてフォールディッドダイポールアンテナを用いたが、本発明においては、フォールディッドダイポールアンテナに限定されるものではない。インピーダンス整合ができれば、ダイポールアンテナ又はプリント八木アンテナを用いてもよい。
また、不平衡伝送線路はＭＳ線路に限定されるものではなく、ストリップ線路、同軸線路等を用いてもよい。
【００４２】
以上、本発明のアンテナ装置を実施形態に沿って種々説明したが、本発明のアンテナ装置は、例えば、図７に示すような無線装置８０に組み込まれ無線通信に利用される。
【００４３】
図７は、本発明の無線装置の一実施形態を示す無線装置８０の平面図である。
無線装置８０は、高周波信号を生成するＲＦ回路８２と、図５に示したアンテナ装置５０と同様の構成のアンテナ装置８４，８６とを有する。アンテナ装置８４，８６は、ＲＦ回路８２の回路基板８８をアンテナ装置８４，８６における誘電体基板として用いてアンテナ装置８４，８６とＲＦ回路８２とが回路基板８８に一体的に設けられ、無線装置８０の厚さが３０ｍｍ以下となっている。無線装置８０は、図示されない外部の信号処理回路とケーブル９０およびコネクタ９２を介して接続されている。
このように、高周波信号を生成するＲＦ回路８２をアンテナ装置８４，８６の近傍に設けることで、高周波信号の伝送距離が短くなり高周波信号の劣化が抑制される。
また、アンテナ装置８４，８６をアレイ状に配置するので、例えば、供給される高周波信号の位相を種々変化させて給電することにより種々の方向に電波を放射させることができ、また、種々の方向に受信感度を持たせることができる。したがって、ダイバーシティ機能を備える無線装置を構成することができる。このような無線装置８０を図８に示すように、建物等の開口部９６に設けられた窓ガラス等に固着して実装することで、屋内および屋外の間の無線通信を行うことができる。
【００４４】
以上、本発明のアンテナ装置および無線装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【００４５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明のアンテナ装置では、平衡型平面アンテナと接続されたＣＰＳ線路における一対の信号線路のうちの一方が、誘電体基板を貫通する貫通導体等の誘電体基板の配線接続部分によって不平衡型伝送線路の信号線路または接地導体と接続され、この配線接続部分がバランとしての機能を有する。したがって、アンテナ装置は良好な指向性を備えることができる。また、従来のバランの機能を有する回路に比べて簡単な装置構成となるため、設計自由度が高く集積度の高いアンテナ装置、例えばアレイアンテナで構成されたアンテナ装置を効率良く作製することができる。
また、上記アンテナ装置を無線周波数回路の回路基板に無線周波数回路と一体的に設けることで、アンテナ装置の近傍に高周波信号を生成する無線周波数回路を設けることができ、伝送する高周波信号の劣化を抑制することができる。さらに、無線周波数回路の回路基板にアンテナ装置を設けた無線装置を、例えば窓ガラス等に実装することで、窓ガラスの両側に対して双指向性を有する無線装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は、本発明のアンテナ装置の一実施形態を示すアンテナ装置の斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すアンテナ装置の平面図である。
【図２】 図１（ａ）に示すアンテナ装置のリターンロスの一例を表した図である。
【図３】 図１（ａ）に示すアンテナ装置の指向特性の一例を表した図である。
【図４】 （ａ）は、本発明のアンテナ装置の他の実施形態を示すアンテナ装置の斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すアンテナ装置の平面図である。
【図５】 本発明のアンテナ装置の他の実施形態を示すアンテナ装置の平面図である。
【図６】 本発明のアンテナ装置の他の実施形態を示すアンテナ装置の平面図である。
【図７】 本発明の無線装置の一実施形態を示す無線装置の平面図である。
【図８】 図９に示す無線装置を開口部に一体化した様子を表す斜視図である。
【図９】 従来のアンテナ装置の斜視図である。
【符号の説明】
１０，３０，５０，６０，８４，８６ アンテナ装置
１２，３２，６２ 誘電体基板
１４，３４，６４，６５ 平衡型平面アンテナ
１６，３６，５４，６６，６７ コプレーナストリップ線路
１６ａ，１６ｂ，２０，３６ａ，３６ｂ，４０，５２，５４ａ，５４ｂ，６６ａ，６６ｂ，６７ａ，６７ｂ，７０ 信号線路
１８，３８，６８ 接地導体
２２，４２，７２ マイクロストリップ線路
２４，４４ ビアホール
５１ 領域
８０ 無線装置
８２ 無線周波数回路
８８ 回路基板
９０ ケーブル
９２ コネクタ
９６ 開口部
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波あるいはミリ波帯域（０．３〜３００（ＧＨｚ））の電波を用いるアンテナ装置、および、このアンテナ装置を用いた無線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、アクセス回線を用いたインターネットへの接続が、時間および場所の制約を受けず自由に行える環境の実現が望まれている。
アクセス回線が大容量の情報を高速に通信可能とする光ファイバである場合、インターネットへの接続において場所の制約を受けないように、光ファイバの敷設作業を行う必要がある。アクセス回線が電話線を利用したＡＤＳＬ(Asynchronous Digital Subscriber Line)である場合、基地局である電話局とアクセス端末との距離に通信速度が依存し、高速通信の点で低い回線品質となっている。また、いずれのアクセス回線も有線のため、移動体でのアクセスは原理的に困難である。
【０００３】
これに対して、無線ＬＡＮに代表される無線アクセス回線は、屋内および屋外における電波の送受信はもちろん、無線の特徴を生かした移動体でのアクセスも可能であり、マイクロ波あるいはミリ波帯域の電波を用いることで高速な無線通信を行うことができる。今後、屋内と屋外間における高速な無線通信の実現が期待されている。
一般に、屋内と屋外間の無線通信の場合、屋内、すなわち、建物内部は、鉄あるいはコンクリート等を用いた厚さの厚い構造体で囲まれているため、マイクロ波あるいはミリ波帯域の高周波の電波はこの構造体を透過することができず、無線通信を行うことができない。このため、建物内の通路あるいは換気等の目的で設けられている建物の開口部、特に窓ガラスを設けた開口部にアンテナを設置して開口部で信号の送受を行いながら、屋内と屋外間の無線通信を行うことが考えられる。
【０００４】
無線通信を行う場合、一般に信号処理回路で生成した処理信号により搬送波を変調して高周波信号を生成し、この高周波信号を電波に変換して伝送するので、無線装置には、高周波信号を生成するための無線周波数回路（ＲＦ回路）と高周波信号から電波を放射するアンテナ装置とが接続されている。アンテナ装置とＲＦ回路との接続には、同軸ケーブルあるいはマイクロストリップ線路等を代表とする接地導体と信号線導体とを備える不平衡型伝送線路が用いられる。また、平衡型アンテナを用いて不平衡型伝送線路と接続する場合、不平衡電流の発生により生じるアンテナ装置の指向特性の劣化を防止するために、不平衡型伝送線路と平衡型アンテナとの接続部分である給電部分に平衡−不平衡変換素子（バラン）が設けられる。
【０００５】
図９は、従来のアンテナ装置の構成の一例を示す斜視図である。
図９に示すアンテナ装置は、一対のダイポールアンテナで構成される平衡型アンテナ１０３が誘電体基板１０４の両面に形状加工されて設けられている。また、接地導体１０５と信号線路１０６とを有するマイクロストリップ線路が、誘電体基板１０４の両面に形状加工されて設けられたレッヘル線（平衡二線）１２０を介して各々の平衡型アンテナ１０３に接続されている。レッヘル線１２０の一方は接地導体１０５と接続され、レッヘル線の他方は信号線路１０６と接続されている。ここでレッヘル線は、上記バランとして機能して、アンテナ装置の指向特性の劣化を抑制している。
【０００６】
また、下記非特許文献１では、誘電体基板上に設けられた平衡型のquasi-八木アンテナに、コプレーナストリップ線路（共平面線路）を介して、マイクロストリップ線路等から給電されるアンテナ装置が開示されている。ここで、コプレーナストリップ線路は、複雑な形状に加工された部分有し、この部分がバランとして機能する。
さらに、下記非特許文献２では、不平衡型伝送線路であるマイクロストリップ線路と平衡型伝送線路であるコプレーナストリップ線路との接続部分に、バランとして機能する、複数の基板の端部を金リボンで溶接した変換回路を設けることが開示されている。
【０００７】
【非特許文献１】
N.Kaneda, W.R.Deal, Y.Qian, R.Waterhouse and T.Itoh,
" A Broad-band Planar Quasi-Yagi Antenna",
IEEE Transactions on Antennas and Propagation,Vol.50,No.8,p.1158-1160,Aug.2002
【非特許文献２】
H.Y.Lee, T.Itoh,
"Wideband and Low Return Loss Coplanar Strip Feed Using Intermediate Microstrip",
Electron. Lett.,Vol.24,No.9,p.1207-1208,Sept.1988
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図９に示すアンテナ装置では、誘電体基板１０４の両面に一対のダイポールアンテナおよびレッヘル線をパターン加工して設ける際、両面のパターンの重なり位置の精度が高いことが要求され、生産効率が低い。また、誘電体基板１０４の両面に設けられるダイポールアンテナが互いに対称の位置に配置されて平衡型平面アンテナが構成されるので、ダイポールアンテナは誘電体基板１０４の面に垂直方向に直線上に配列されず、アンテナ装置としての交差偏波特性が劣化する。さらに、八木アンテナのように寄生素子を用いて多素子化した場合、給電されるアンテナ素子が同一平面上に設けられていないため、寄生素子への結合効率が若干低くなる。
【０００９】
一方、非特許文献１で開示される平衡型のquasi-八木アンテナでは、このquasi-八木アンテナとコプレーナストリップ線路とが誘電体基板の一方の面にパターン加工して設けられので、図９に示すアンテナ装置のように両面のパターンの重なり位置の精度を考慮する必要がない。したがって、図９に示すアンテナ装置に比べて生産効率は向上する。しかし、バランとして機能するコプレーナストリップ線路の一部分が誘電体基板上で複雑な形状を成して２次元的に広がった回路となっているため、設計上の制約が多く設計自由度が低い他、アンテナ装置としての集積度の向上に限界がある。
【００１０】
非特許文献２で開示される変換回路では、複数の基板に設けられた伝送線路のパターン同士を積層する際、位置精度を確保する必要があるが、この位置精度の確保が困難である。また、伝送線路同士の接続には溶接あるいはボンディング等の工程が必要であり生産効率が低い。
このように、平衡型アンテナとマイクロストリップ線路等の不平衡型伝送線路とが、バランとして機能する回路または素子を介して接続されるアンテナ装置において、指向性の高いアンテナ装置を効率よく作製することができない。
【００１１】
そこで、本発明は、上述の問題を解決するために、誘電体基板の一方の面に設けられた平衡型平面アンテナがバランとして機能する回路を介して不平衡型伝送線路と接続されるアンテナ装置において、アンテナ装置としての設計自由度が高く、しかも、効率良く作製することのできるアンテナ装置を提供するとともに、このアンテナ装置を用いて、屋内、屋外間で無線通信を行う際、信号の劣化を低減した無線装置を提供することを目的とする。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、誘電体基板と、該誘電体基板の基板面に設けられた平衡型平面アンテナと、該誘電体基板の前記基板面に設けられた一対の信号線路を有するコプレーナストリップ線路と、該コプレーナストリップ線路に接続された、信号線路と接地導体とを有する不平衡型伝送線路と、を備え、前記コプレーナストリップ線路は前記平衡型平面アンテナに接続されており、前記誘電体基板は、前記不平衡型伝送線路の信号線路および接地導体のいずれか一方を前記コプレーナストリップ線路の信号線路に配線接続させるための、前記誘電体基板の厚さ方向に配線された配線接続部分を有し、前記コプレーナストリップ線路の信号線路と前記配線接続部分との接続位置は、前記配線接続部分と接続される前記コプレーナストリップ線路の信号線路と、前記コプレーナストリップ線路における前記一対の信号線路間に挟まれた間隙部分との境界近傍に設けられていることを特徴とするアンテナ装置を提供する。
【００１３】
ここで、前記配線接続部分は、例えば、前記誘電体基板の縁部あるいは縁部に囲まれた内側領域に設けられる。
また、前記不平衡型伝送線路の信号線路および接地導体は、例えば、前記誘電体基板を挟んで互いに異なる面に設けられており、前記配線接続部分は、前記誘電体基板を貫通する貫通導体によって構成される。その際、前記基板面と反対側の面に設けられた前記不平衡型伝送線路の信号線路および接地導体のいずれか一方は、前記貫通導体により前記基板面と反対側の面から、すなわち前記基板面の面の外から、前記コプレーナストリップ線路の信号線路と配線接続される。また、前記基板面に設けられる前記不平衡型伝送線路の信号線路および接地導体の他方は、前記基板面で前記コプレーナストリップ線路の他方の信号線路と配線接続される。
【００１４】
前記不平衡型伝送線路は、例えば、マイクロストリップ伝送線路、ストリップ線路あるいは同軸線路等が例示される。前記平衡型平面アンテナは、例えば、プリントフォールデッドダイポールアンテナが例示される。
ここで、前記不平衡型伝送線路と平衡型伝送線路である前記コプレーナストリップ線路間の接続における高周波信号の変換効率を向上させる点から、前記アンテナ装置は以下のように構成するのが好ましい。
（１）前記不平衡型伝送線路がマイクロストリップ伝送線路の場合、マイクロストリップ伝送線路における接地導体は、前記貫通導体との接続位置に近づくにつれて、マイクロストリップ伝送線路の信号線路方向と直交する方向の前記接地導体の横幅が狭くなる形状とするのが好ましい。
（２）前記コプレーナストリップ線路は、前記平衡型平面アンテナとインピーダンス整合するように特性インピーダンスを設定するのが好ましい。
（３）前記不平衡型伝送線路は、前記コプレーナストリップ線路の特性インピーダンスに一致するように特性インピーダンスを設定するのが好ましい。
【００１５】
さらに、前記誘電体基板には、前記平衡型平面アンテナを複数個一方向に配列して設けることで、この配列方向に対して略直交し前記誘電体基板の前記基板面に対して略垂直な方向（ブロードサイド方向）に双指向性を有するアレイアンテナが構成されるのが好ましい。
このようなアレイアンテナを構成することで、誘電体基板を挟んだ両側（前記基板面の側とこの基板面と反対の面側）との間で無線通信を可能とする無線装置を構成することができる。
【００１６】
すなわち、本発明は、回路基板に設けられた無線周波数回路と、前記回路基板を前記誘電体基板とした前記アンテナ装置と、を有することを特徴とする無線装置を提供する。これにより、前記アンテナ装置と無線周波数回路とを一体化して、信号の劣化を低減することができる。また、誘電体基板を挟んだ両側に感度を有する双指向性を備えた平衡型平面アンテナを用いることで、回路基板を挟み両側の双方向に感度を有する無線装置となる。
【００１７】
ここで、前記無線装置における厚さは、例えば、３０ｍｍ以下であり、この無線装置は、建物や自動車等の窓ガラスに固着して電波の送信および受信の少なくとも一方を行うのが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のアンテナ装置および無線装置を、添付の図面に示される好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１（ａ）は、本発明のアンテナ装置の一実施形態を示すアンテナ装置１０の斜視図であり、図１（ｂ）は、アンテナ装置１０の平面図である。
アンテナ装置１０は、誘電体基板１２と、誘電体基板１２に設けられた平衡型平面アンテナ１４と、コプレーナストリップ線路（以降、ＣＰＳ線路という）１６と、接地導体１８と信号線路２０とを有する不平衡型伝送線路であるマイクロストリップ線路（以降、ＭＳ線路という）２２と、を備えて構成されている。
ＣＰＳ線路１６は、平衡型平面アンテナ１４と同じ側の誘電体基板１２の面（以降、第１の面という）に設けられた一対の信号線路１６ａ，１６ｂとを有し、一対の信号線路１６ａ，１６ｂが平衡型平面アンテナ１４に接続されている。
ＭＳ線路２２における接地導体１８は、誘電体基板１２の第1 の面に設けられ、ＣＰＳ線路１６の信号線路１６ｂと第１の面で接続されている。一方、信号線路２０は、誘電体基板１２の第１の面と反対側の面（以降、第２の面という）に設けられ、この第２の面から、誘電体基板１２を厚さ方向に貫通したビアホール２４を介してＣＰＳ線路１６の信号線路１６ａと接続されている。
【００２０】
ここで、上述の平衡型とは、一対の信号線路に、互いに振幅が同じで極性が逆の電圧を掛けることで信号を伝える方式をいい、例えば、アンテナではフォールデッドダイポールアンテナが、伝送線路ではコプレーナストリップ線路が例示される。一方、不平衡型とは、基準の電位、例えば接地導体の電位に対して電圧を変動させて信号を伝える方式をいい、例えば、アンテナではマイクロパッチアンテナ、伝送線路ではマイクロストリップ線路が例示される。
【００２１】
誘電体基板１２は、一定の厚さを備える板状の電気絶縁性を有する部材であって、ガラス、樹脂、セラミック等の誘電体材料で構成されたものである。例えば、比誘電率εr ＝３．４、誘電正接Ｔａｎδ＝０．００２５、基板厚さ０．７４ｍｍの基板である。
【００２２】
平衡型平面アンテナ１４は、直線状のアンテナエレメントを折り曲げたプリントフォールデッド（折り曲げ）ダイポールアンテナである。平衡型平面アンテナ１４のアンテナ長さＬ3 （図１（ｂ）参照）は、例えば、誘電体基板１２による波長短縮効果を考慮した電波の伝播波長λg の１／２の長さとされる。アンテナ寸法Ｌ2 （図１（ｂ）参照）は給電側に位置する直線状のアンテナエレメントとこのアンテナエレメントを折り曲げた非給電側に位置する直線状のアンテナエレメントとの間に位相差が生じるのであまり長くすることはできない。アンテナ寸法Ｌ2 は、アンテナエレメントの幅にも依存するが、例えば、略０．００１λg 〜０．１λg の範囲にするとよい。図１（ａ），（ｂ）に示すアンテナ装置１０では、アンテナ寸法Ｌ2 を０．０５λg の長さとしている。平衡型平面アンテナ１４における入力インピーダンスは、例えば、アンテナエレメントの幅Ｗ1 （図１（ｂ）参照）とＷ2 （図１（ｂ）参照）の比をＷ1 ：Ｗ2 ＝１：０．７３７とし、２００Ωに調整されている。
【００２３】
ＣＰＳ線路１６は、一対の平行な帯状の導体で構成される信号線路１６ａ，１６ｂを有し、各信号線路１６ａ，１６ｂの一方の端部は、平衡型平面アンテナ１４に接続されている。一方、信号線路１６ｂの他方の端部は、ＭＳ線路２２における接地導体１８と誘電体基板１２の第１の面で接続されている。信号線路１６ａの他方の端部は、誘電体基板１２を貫通する貫通孔の内表面に導体（貫通導体）が設けられたビアホール２４を介して、誘電体基板の第２の面に設けられた信号線路２０と接続されている。すなわち、ビアホール２４によって信号線路２０を信号線路１６ａに配線接続させる配線接続部分が誘電体基板１２に構成されている。このビアホール２４と信号線路１６ａとの接続位置は、平行な信号線路１６ａ，１６ｂ間に挟まれた間隙部分との境界近傍にあるのが好ましい。これにより、後述する不平衡型伝送線路であるＭＳ線路２２と平衡型伝送線路であるＣＰＳ線路１６との接続に際して高周波信号の変換効率を向上させることができる。ビアホール２４によって構成される配線接続部分での高周波信号の変換は、誘電体基板１２を横切るＭＳ線路２２において生成される電界成分が、ＣＰＳ線路１６において誘電体基板１２の表面に平行な電界成分に変換されることによって行われるものと考えられる。この考えに基づいて、ＣＰＳ線路１６において電界成分の集中する、信号線路１６ａ、１６ｂ間に挟まれた間隙部分との境界近傍にビアホール２４との接続位置を設けることで、ＭＳ線路２２において生成された高周波信号の電界成分を効率よくＣＰＳ線路１６の電界成分に変換することができる。
【００２４】
なお、一般にＣＰＳ線路は特性インピーダンスを低くすることが困難である。しかし、平衡型平面アンテナ１４とＭＳ線路２２との間に介在するＣＰＳ線路１６の線路長Ｌ1 をλg ／４の奇数倍の長さにすることで、平衡型平面アンテナ１４とＭＳ線路２２とのインピーダンス整合をとることができる。このとき、平衡型平面アンテナ１４の入力インピーダンスをＺant 、ＭＳ線路２２の特性インピーダンスをＺubl とすると、ＣＰＳ線路１６の特性インピーダンスＺcps は（Ｚant ・Ｚubl ) (1/2) で決定される。通常、伝送線路の特性インピーダンスは５０Ωに設定されるので、Ｚubl ＝５０Ωであり、上述した例のように、２００Ωの平衡型平面アンテナ１４の入力インピーダンス（Ｚant ＝２００Ω) と整合させるためには、Ｚcps ＝１００Ωであればよい。この場合、ＣＰＳ線路１６の線路長さＬ1 を例えば１．２５λg として、１００Ωの特性インピーダンスで設計するとよい。また、ＣＰＳ線路１６の線路幅Ｗ3 （図１（ｂ）参照）および線路間隙の幅Ｗ4 （図１（ｂ）参照）の比は、例えば、Ｗ3 ：Ｗ4 ＝１：０．１４８と設定される。
【００２５】
ＭＳ線路２２は、誘電体基板１２の第１の面に接地導体１８を、第２の面に信号線路２０が設けられた不平衡型伝送線路である。接地導体１８は、ＣＰＳ線路１６における信号線路１６ｂと接続するビアホール２４との接続位置に近づくにつれて、信号線路２０の方向に対して直交する方向の接地導体１８の横幅が狭くなる形状、すなわち、斜めの切り込みが設けられている。不平衡型伝送線路では一般に接地導体の横幅は広い方が伝送の点で好ましい。しかし、平衡型伝送線路であるＣＰＳ線路１６の信号線路１６ａ，１６ｂは同一パターンで一方向に伸びる帯状の線路を成しているので、接地導体１８の横幅を広く維持した状態で信号線路１６ｂと接続することは、変換効率の点で好ましくない。このため、ＣＰＳ線路１６と接続するビアホール２４との接続位置に近づくにしたがって接地導体１８の横幅を狭くすることにより接続位置において電界を集中させ、変換効率を高くしている。
【００２６】
アンテナ装置１０における平衡型平面アンテナ１４と、ＣＰＳ線路１６の信号線路１６ａ，１６ｂと、ＭＳ線路２２における接地導体１８および信号線路２０とは、上述したように誘電体基板１２に設けられた導体で構成される。この導体は、例えば、銅箔厚み１８μｍの三菱化学（株) 製ＢＴレジンＣＣＬ−ＨＬ８７０（Ｍ）の銅箔を所定の形状に加工して作製される。なお、アンテナ装置１０は、平衡型平面アンテナ１４、ＣＰＳ線路１６の信号線路１６ａ，１６ｂ、および、ＭＳ線路２２の各種寸法を調整して、所望の動作周波数、例えば５（ＧＨｚ）で効率よく動作するように設計することができる。
【００２７】
このようなアンテナ装置１０は、送信の場合、不平衡型伝送線路であるＭＳ線路２２の信号線路２０に給電された高周波信号が、誘電体基板１２を横切る電界成分の生成によって伝送され、平衡型伝送線路であるＣＰＳ線路１６に供給される。このとき、ビアホール２４によって構成される配線接続部分において、ＭＳ線路２２により誘電体基板１２内に生成された電界成分が、ＣＰＳ線路１６における誘電体基板１２の表面に平行な電界成分に変換されると考えられる。この電界成分の変換の際、不平衡電流が発生することがなく、ＣＰＳ線路１６に接続された平衡型平面アンテナ１４において、誘電体基板１２の面に対して垂直方向に指向性を有する電波が効率よく放射される。受信の場合は、上記送信と逆の作用により、平衡型平面アンテナ１４からＭＳ線路２２へ高周波信号が伝送される。
【００２８】
図２は、図１（ａ）に示すアンテナ装置１０のリターンロス（反射減衰量）の一例を表した図であり、図３は、放射する電波の磁界面内における主偏波の指向特性の一例を表した図である。図３に示す角度は、図１（ａ）に示すｘｚ面内におけるｚ軸からの角度θである。
なお、この例のアンテナ装置は、誘電体基板１２として比誘電率εr ＝３．４、誘電正接Ｔａｎδ＝０．００２５、基板厚さ０．７４ｍｍの誘電体基板を用い、各信号線路およびアンテナの形状寸法を、線路長さＬ1 ＝１．２５・λg 、アンテナ寸法Ｌ2 ＝０．０５λg 、アンテナ長さＬ3 ＝１／２・λg 、Ｗ1 ：Ｗ2 ＝１：０．７３７、Ｗ3 ：Ｗ4 ＝１：０．１４８とし、入力インピーダンスおよび特性インピーダンスをＺubl ＝５０Ω、Ｚant ＝２００Ω、Ｚcps ＝１００Ωとし、動作周波数を５（ＧＨｚ）として設計したものである。
【００２９】
図２によると、設計時の動作周波数５（ＧＨｚ）付近でリターンロスが増大し、共振することがわかる。
また、アンテナ装置は、図３によると、誘電体基板１２の基板面に対して垂直方向、すなわち、略±９０度の方向（図１中の略ｘ軸および略−ｘ軸方向）で主偏波が最大となる双指向性を備えることがわかる。
【００３０】
このように、アンテナ装置１０において、不平衡型伝送線路の信号線路２０が誘電体基板１２に設けたビアホール２４を介して誘電体基板１２の第２の面からＣＰＳ線路１６の信号線路１６ａと接続されるので、バランの機能を誘電体基板１２上に備えた簡単な装置構成のアンテナ装置が得られる。また、簡単な装置構成のアンテナ装置であるので、設計自由度が高く、効率良く作製することができる。
【００３１】
本発明におけるアンテナ装置は、アンテナ装置１０の構成に限定されず、図４（ａ）および（ｂ）に示すようなアンテナ装置３０であってもよい。
図４（ａ）は、本発明のアンテナ装置の他の実施形態を示すアンテナ装置３０の斜視図であり、図４（ｂ）は、アンテナ装置３０の平面図である。
【００３２】
アンテナ装置３０は、誘電体基板３２と、誘電体基板３２の第１の面に設けられた平衡型平面アンテナ３４と、一対の信号線路３６ａ，３６ｂを有するＣＰＳ線路３６と、接地導体３８と信号線路４０とを有するＭＳ線路４２と、を備えて構成される。
ＣＰＳ線路３６における一対の信号線路３６ａ，３６ｂは、誘電体基板３２の第１の面に設けられ、平衡型平面アンテナ３４に接続されている。
ＭＳ線路４２における信号線路４０は、誘電体基板３２の第１の面に設けられ、ＣＰＳ線路３６の信号線路３６ｂと第１の面で接続されている。一方、接地導体３８は、誘電体基板３２の第１の面と反対側の第２の面に設けられ、この第２の面から、誘電体基板３２を厚さ方向に貫通したビアホール４４を介してＣＰＳ線路３６の信号線路３６ａと接続されている。すなわち、ビアホール４４によって接地導体３８を信号線路３６ａに配線接続させる配線接続部分が誘電体基板３２に構成されている。
アンテナ装置３０における平衡型平面アンテナ３４、ＣＰＳ線路３６およびビアホール４４の構成は、上述の平衡型平面アンテナ１４、ＣＰＳ線路１６およびビアホール２４と同様の構成であるので説明は省略する。
【００３３】
ＭＳ線路４２は、信号線路４０が誘電体基板３２の第１の面に設けられ、信号線路３６ｂと接続されている。一方、接地導体３８は、誘電体基板３２の第２の面に設けられ、この第２の面からビアホール４４を介して信号線路３６ａと接続されている。すなわち、アンテナ装置３０においてＭＳ線路４２の接地導体３８および信号線路４０の設けられる誘電体基板３２の面が、アンテナ装置１０と異なっている他は、同様の構成を有する。
ビアホール４４と信号線路３６ａとの接続位置は、アンテナ装置１０と同様に、平行な信号線路３６ａ、３６ｂ間に挟まれた導体のない間隙部分との境界近傍にあるのが好ましい。
【００３４】
このようなアンテナ装置３０においても、アンテナ装置１０の作用と同様に、ＭＳ線路４２において、誘電体基板３２を横切る電界成分の生成によって高周波信号が伝送され、平衡型伝送線路であるＣＰＳ線路３６に供給される。このとき、ビアホール４４によって構成される配線接続部分において、誘電体基板３２内に生成された電界成分が、ＣＰＳ線路３６における誘電体基板３２の表面に平行な電界成分に変換されると考えられる。この電界成分の変換の際、不平衡電流が発生することがなく、ＣＰＳ線路３６に接続された平衡型平面アンテナ１４において、誘電体基板３２の面に対して垂直方向に指向性を有する電波が効率よく放射される。
【００３５】
さらに、図４（ａ）および（ｂ）に示されるアンテナ装置３０に替えて図５に示すアンテナ装置５０であってもよい。
図５は、本発明のアンテナ装置の他の実施形態を示すアンテナ装置５０の平面図である。
【００３６】
アンテナ装置５０は、ＭＳ線路の信号線路５２において横幅が狭くなった領域５１を有する以外はアンテナ装置３０と同様の構成であるので、領域５１以外の構成の説明は省略する。
ＭＳ線路における領域５１は、信号線路５４ａ，５４ｂを有するＣＰＳ線路５４の特性インピーダンスと略一致するように調整されたものである。すなわち、ＭＳ線路の特性インピーダンスをＣＰＳ線路の特性インピーダンスに近い値にして信号の変換効率を向上させるようにしたものである。例えば、領域５１の特性インピーダンスを、上述したように、例えばＺant ＝２００Ω、Ｚubl ＝５０ΩとしたときのＣＰＳ線路の特性インピーダンスＺcps ＝１００Ωと同じ値、すなわち、Ｚubl2＝１００Ωとする。この場合、図５中のＣＰＳ線路５４とこのＣＰＳ線路５４と同じ特性インピーダンスを持つ信号線路５２の領域５１との長さの総和Ｌを、λg ／４の長さの奇数倍になるように設定することで、平衡型平面アンテナとＭＳ線路とのインピーダンス整合を行うことができる。
【００３７】
さらに、本発明のアンテナ装置においては、図６に示すように、誘電体基板に平衡型平面アンテナを一方向に複数配置（図６では２つ配置）して、アレイアンテナを構成したものであってもよい。本発明のバランの機能を備えたアンテナ装置において平衡型平面アンテナを誘電体基板に複数個を設けて、ＣＰＳ線路と接続することにより、アレイアンテナの動作原理に基づき、単一のアンテナとは異なる指向性を実現することができる。
【００３８】
図６は、本発明のアンテナ装置の他の実施形態を示すアンテナ装置６０の平面図である。
アンテナ装置６０は、図４（ａ）および（ｂ）に示すアンテナ装置３０を左右対称に配置したものである。
アンテナ装置６０は、誘電体基板６２の第１の面に設けられた一対の平衡型平面アンテナ６４、６５と、一対の信号線路６６ａ，６６ｂを有するＣＰＳ線路６６と、一対の信号線路６７ａ，６７ｂを有するＣＰＳ線路６７と、ＣＰＳ線路６６，６７に接続された、接地導体６８および信号線路７０を有するＭＳ線路７２と、を備えている。
ＭＳ線路７２における接地導体６８は、誘電体基板６２の第１の面と反対側の第２の面に設けられ、この第２の面から、誘電体基板６２を貫通するビアホール７４を介してＣＰＳ線路における信号線路６６ａ，６７ａと接続されている。すなわち、ビアホール７４によって接地導体６８を信号線路６６ａ，６７ａに配線接続させる配線接続部分が誘電体基板６２に構成されている。ＭＳ線路における信号線路７０は、信号線路６６ｂ、６７ｂと誘電体基板６２の第１の面で接続されている。
ビアホール７４と信号線路６６ａ、６７ａとの接続位置は、平行な信号線路６６ａ，６６ｂおよび平行な信号線路６７ａ, ６７ｂ間に挟まれた間隙部分との境界近傍にあるのが好ましい。
【００３９】
このような構成においても、ＭＳ線路７２の信号線路７０に給電された高周波信号が、誘電体基板６２を横切る電界成分の生成によって伝送され、ＣＰＳ線路６６，６７に供給される。このとき、アンテナ装置１０，３０と同様に、ビアホール７４によって構成される接続部分において、誘電体基板６２内に生成された高周波信号の電界成分が、ＣＰＳ線路６６，６７における誘電体基板６２の表面に平行な電界成分に変換されると考えられる。この電界成分の変換の際、不平衡電流が発生することがなく、ＣＰＳ線路６６，６７に接続された平衡型平面アンテナ６４，６５において効率よく電波が放射される。
【００４０】
アンテナ装置６０においては、平衡型平面アンテナ６４，６５に同位相で信号が給電されるため平衡型平面アンテナ６４，６５の配列方向であるエンドファイア方向に指向性がなく、平衡型平面アンテナ６４，６５の配列方向に略直交し、かつ誘電体基板６２の面に対して略垂直な方向であるブロードサイド方向に双指向性を有するものとなる。ここでいうエンドファイア方向とは、図６中のｚ軸および−ｚ軸方向で、ブロードサイド方向とは図６中のｘ軸および−ｘ軸方向を意味する。
なお、アンテナ装置６０は、ＭＳ線路７２の接地導体６８をビアホール７４を介してＣＰＳ線路６６，６７と接続したものであるが、図１（ａ），（ｂ）に示すアンテナ装置１０のように、不平衡型伝送線路における信号線路をビアホールを介してＣＰＳ線路の信号線路と接続した構成としてもよい。
【００４１】
以上、アンテナ装置における平衡型平面アンテナとしてフォールディッドダイポールアンテナを用いたが、本発明においては、フォールディッドダイポールアンテナに限定されるものではない。インピーダンス整合ができれば、ダイポールアンテナ又はプリント八木アンテナを用いてもよい。
また、不平衡伝送線路はＭＳ線路に限定されるものではなく、ストリップ線路、同軸線路等を用いてもよい。
【００４２】
以上、本発明のアンテナ装置を実施形態に沿って種々説明したが、本発明のアンテナ装置は、例えば、図７に示すような無線装置８０に組み込まれ無線通信に利用される。
【００４３】
図７は、本発明の無線装置の一実施形態を示す無線装置８０の平面図である。
無線装置８０は、高周波信号を生成するＲＦ回路８２と、図５に示したアンテナ装置５０と同様の構成のアンテナ装置８４，８６とを有する。アンテナ装置８４，８６は、ＲＦ回路８２の回路基板８８をアンテナ装置８４，８６における誘電体基板として用いてアンテナ装置８４，８６とＲＦ回路８２とが回路基板８８に一体的に設けられ、無線装置８０の厚さが３０ｍｍ以下となっている。無線装置８０は、図示されない外部の信号処理回路とケーブル９０およびコネクタ９２を介して接続されている。
このように、高周波信号を生成するＲＦ回路８２をアンテナ装置８４，８６の近傍に設けることで、高周波信号の伝送距離が短くなり高周波信号の劣化が抑制される。
また、アンテナ装置８４，８６をアレイ状に配置するので、例えば、供給される高周波信号の位相を種々変化させて給電することにより種々の方向に電波を放射させることができ、また、種々の方向に受信感度を持たせることができる。したがって、ダイバーシティ機能を備える無線装置を構成することができる。このような無線装置８０を図８に示すように、建物等の開口部９６に設けられた窓ガラス等に固着して実装することで、屋内および屋外の間の無線通信を行うことができる。
【００４４】
以上、本発明のアンテナ装置および無線装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【００４５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明のアンテナ装置では、平衡型平面アンテナと接続されたＣＰＳ線路における一対の信号線路のうちの一方が、誘電体基板を貫通する貫通導体等の誘電体基板の配線接続部分によって不平衡型伝送線路の信号線路または接地導体と接続され、この配線接続部分がバランとしての機能を有する。したがって、アンテナ装置は良好な指向性を備えることができる。また、従来のバランの機能を有する回路に比べて簡単な装置構成となるため、設計自由度が高く集積度の高いアンテナ装置、例えばアレイアンテナで構成されたアンテナ装置を効率良く作製することができる。
また、上記アンテナ装置を無線周波数回路の回路基板に無線周波数回路と一体的に設けることで、アンテナ装置の近傍に高周波信号を生成する無線周波数回路を設けることができ、伝送する高周波信号の劣化を抑制することができる。さらに、無線周波数回路の回路基板にアンテナ装置を設けた無線装置を、例えば窓ガラス等に実装することで、窓ガラスの両側に対して双指向性を有する無線装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は、本発明のアンテナ装置の一実施形態を示すアンテナ装置の斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すアンテナ装置の平面図である。
【図２】 図１（ａ）に示すアンテナ装置のリターンロスの一例を表した図である。
【図３】 図１（ａ）に示すアンテナ装置の指向特性の一例を表した図である。
【図４】 （ａ）は、本発明のアンテナ装置の他の実施形態を示すアンテナ装置の斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すアンテナ装置の平面図である。
【図５】 本発明のアンテナ装置の他の実施形態を示すアンテナ装置の平面図である。
【図６】 本発明のアンテナ装置の他の実施形態を示すアンテナ装置の平面図である。
【図７】 本発明の無線装置の一実施形態を示す無線装置の平面図である。
【図８】 図９に示す無線装置を開口部に一体化した様子を表す斜視図である。
【図９】 従来のアンテナ装置の斜視図である。
【符号の説明】
１０，３０，５０，６０，８４，８６ アンテナ装置
１２，３２，６２ 誘電体基板
１４，３４，６４，６５ 平衡型平面アンテナ
１６，３６，５４，６６，６７ コプレーナストリップ線路
１６ａ，１６ｂ，２０，３６ａ，３６ｂ，４０，５２，５４ａ，５４ｂ，６６ａ，６６ｂ，６７ａ，６７ｂ，７０ 信号線路
１８，３８，６８ 接地導体
２２，４２，７２ マイクロストリップ線路
２４，４４ ビアホール
５１ 領域
８０ 無線装置
８２ 無線周波数回路
８８ 回路基板
９０ ケーブル
９２ コネクタ
９６ 開口部
Claims (3)
- 誘電体基板と、
該誘電体基板の基板面に設けられた平衡型平面アンテナと、
該誘電体基板の前記基板面に設けられた一対の信号線路を有するコプレーナストリップ線路と、
該コプレーナストリップ線路に接続された、信号線路と接地導体とを有する不平衡型伝送線路と、を備え、
前記コプレーナストリップ線路は前記平衡型平面アンテナに接続されており、
前記誘電体基板は、前記不平衡型伝送線路の信号線路および接地導体のいずれか一方を前記コプレーナストリップ線路の信号線路に配線接続させるための、前記誘電体基板の厚さ方向に配線された配線接続部分を有し、
前記コプレーナストリップ線路の信号線路と前記配線接続部分との接続位置は、前記配線接続部分と接続される前記コプレーナストリップ線路の信号線路と、前記コプレーナストリップ線路における前記一対の信号線路間に挟まれた間隙部分との境界近傍に設けられていることを特徴とするアンテナ装置。 - 前記誘電体基板には、前記平衡型平面アンテナを複数個配列して設けることで、この配列方向に対して略直交し前記誘電体基板の前記基板面に対して略垂直な方向に双指向性を有するアレイアンテナが構成されている請求項１に記載のアンテナ装置。
- 回路基板に設けられた無線周波数回路と、
前記回路基板を前記誘電体基板とした請求項１または２に記載の前記アンテナ装置と、を有することを特徴とする無線装置。
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