JP4302080B2 - プレートアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、プレートアンテナに関する。

携帯通信機器の増加に伴い、これまで携帯通信機器用の電磁波の届かなかった地下鉄構内、地下室、駐車場等にもその電磁波が届くように、アンテナを設置して通話可能エリアにすることが、要望されている。

これに対し、携帯通信機器用の電磁波の届くエリアでも、劇場内や会議室内等のように、携帯通信機器での送受信が周辺の迷惑になる場所では、携帯通信機器の使用が制限されている。また、携帯通信機器の使用が他の例えば医療機器やＯＡ機器に誤動作を誘発することが懸念される場所でも、携帯通信機器の使用が制限されている。これらの携帯通信機器の使用が制限される場所では、一般的に、携帯通信機器の所有者のモラルに従って、自主的に携帯通信機器の使用が制限されている。
ところが、モラルに従って使用がされている場所では、故意に携帯通信機器が使用されたり、不注意によって携帯通信機器が使用されることもある。
携帯通信機器用の電磁波の届く地域でも、携帯通信機器を使用できる通話可能エリアと、携帯通信機器が使用できない通話不可能エリアとを分ける最も簡便な方法に、電磁波を遮断するような建築物を作り、その屋外と通話可能エリアとにアンテナを設置、屋外で受信した電磁波を電子回路（具体的には増幅器やフィルタ等）を介してケーブルで通話可能エリアに引き込み、通話可能エリアのアンテナから電磁波を再放射することで、建築物内に携帯通信機器ができる場所とできない場所を設定することができる。

通信事業者がこのような用途に使用するためのアンテナで、省スペースで低コストなものに、特許文献１で示されたプレートアンテナがある。このプレートアンテナは、誘電体基板とそれに積層された銅の方形のパターンとで構成されている。銅のパターンには、パターンの端部の給電点からパターンの中心方向に向かって直線的に切り欠かれた帯状のスリットが、形成されている。
特開２００２−２４６８２１号公報

しかしながら、特許文献１に示されたプレートアンテナは、スリットの長手方向の長さが長くなるという問題があった。
図９は、従来の改良型のプレートアンテナの一例を示す図である。
特許文献１の問題を解消する方法として、図９のように、基板１上の銅のパターン２に、パターン２の端部から切り欠かれたスリット３と、スリット３の先端に直交するスロット４とを形成した改良型のプレートアンテナが考えられる。このプレートアンテナでは、パターン２の外縁とスリット３との交点５に、電子回路６が接続される。
スロット４を設けることにより、プレートアンテナのスリット３の長手方向の長さを短くできることが確認された。

特許文献１のプレートアンテナ、或いは、スリット３とスロット４とを備える図９の改良型のプレートアンテナでは、特定の周波数帯域について反射も少なく、適当な利得も確保できる。
しかしながら、携帯通信機器である携帯電話機は、８００〜９００MHz、１．４〜１．５GHzの周波数帯域を使用し、第3世代携帯電話機は2〜2.2 GHzの周波数帯域を使用し、PHSでは１．９GHzを使用している。従って、これらのすべて携帯通信機器に電磁波を送受信させるためには、複数のプレートアンテナが必要になり、大きなスペースが必要になると共に、コストが高くなるという問題があった。
そこで、本発明は、平面形状でしかも単体で広帯域をカバーできるプレートアンテナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の観点に係るプレートアンテナは、
基板と、前記基板上に積層された導電性部材で構成されたアンテナ素子とを備えるプレートアンテナであって、
前記アンテナ素子には、
前記導電性部材の外縁の特定点から直線的に切り欠かれた帯状の第１のスロットと、
前記第１のスロットの前記特定点とは反対側の端部で該第１のスロットと交わる、直線的に切り欠かれた帯状の第１のスリットと、
前記第１のスリットに一端が交わり、該第１のスリットから前記特定点とは反対方向に伸びる、直線的に切り欠かれた複数の帯状の第２のスロットと、
前記複数の第２のスロットの他端と交わる、直線的に切り欠かれた第２のスリットとが、形成されていることを特徴とする。

尚、前記第１のスリットと前記第１のスロットとは直交してもよい。

また、前記第１のスリットと前記第２のスリットとは平行であってもよい。

また、前記複数の第２のスロットは、前記第１のスリットに直交してもよい。

また、前記複数の第２のスロットには、前記第１のスロットの延長線上に形成された縦スロットが含まれていてもよい。この場合、前記複数の第２のスロットは、前記縦スロットと、該縦スロットの両側に形成された２本の補助スロットの３本で構成されていてもよい。

また、前記特定点に給電点が設定されていてもよい。

また、前記アンテナ素子の外形は方形であり、前記特定点がその方形の一辺上に設定されていてもよい。

また、前記アンテナ素子は、中央に前記特定点が設定された底辺と、
前記底辺に平行な上辺と、
前記底辺の一端から垂直に前記上辺側に伸びた第１の側辺と、
前記第１の側辺の先端から垂直に前記特定点側に伸びた第２の側辺と、
前記第２の側辺の先端から前記上辺の一端まで伸びた第３の側辺と、
前記底辺の他端から垂直に前記上辺側に伸びた第４の側辺と、
前記第４の側辺の先端から垂直に前記特定点側に伸びた第５の側辺と、
前記第５の側辺の先端から前記上辺の他端まで伸びた第６の側辺とで囲われ、
前記第２の側辺の先端と前記第５の側辺の先端との間の距離は、前記上辺の長さよりも長くてもよい。

本発明の構成を採用することにより、平面形状でしかも単体でありながら広帯域をカバーできるプレートアンテナを実現できる。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るプレートアンテナの構成図である。
このプレートアンテナは、基板１０と、基板１０の表面に積層されたアンテナ素材２０とで、構成されている。

基板１０は誘電体で構成され、例えば方形である。アンテナ素材２０は、導電性部材の例えば銅で構成され、底辺２０ａと、それに対向する上辺２０ｂと、左右の側辺２０ｃ，２０ｄとで囲まれた方形をなしている。
アンテナ素材２０の底辺２０ａの中央に給電点２１が設定されている。給電点２１は、電子回路３０と接続され、該給電点２１を介して電子回路３０から信号が入出力される。

アンテナ素材２０には、給電点２１から上辺２０ｂに向けて直線的に切り欠かれた帯状の第１のスロット２２と、スロット２２の先端でスロット２２に直交する直線的に切り欠かれた帯状の第１のスリット２３とが形成されている。

スリット２３には、アンテナ素材２０が直線的にそれぞれ切り欠かれた帯状の縦スロット２５、補助スロット２６及び補助スロット２７の各一端が接っしている。縦スロット２５、補助スロット２６及び補助スロット２７は、スリット２３に直交して上辺２０ｂ側に伸びている。縦スロット２５は、スロット２２の延長線上に形成されている。補助スロット２６，２７は、縦スロット２５を挟んで対称に配置されている。

縦スロット２５、補助スロット２６及び補助スロット２７は、同じ長さを有し、縦スロット２５、補助スロット２６及び補助スロット２７の各他端は、アンテナ素子２０が直線的に切り欠かれた帯状の第２のスリット２８に接してしている。

次に、プレートアンテナの特性について、説明する。
図２（ａ）〜（ｃ）は、特性を評価したプレートアンテナのサンプルを示す図である。
プレートアンテナの特性を比較するために、図２（ａ）〜（ｃ）に示すプレートアンテナのサンプルでＶＳＷＲを測定した。

図２（ａ）は、アンテナ素材２にスリット３とスロット４とが形成された図９の改良型のプレートアンテナのサンプルである。図２（ｂ）は、図９のプレートアンテナに、さらに、スロット７を追加して形成したプレートアンテナのサンプルである。スロット７は、アンテナ素材２を直線的に帯状に切り欠いたものであり、スリット３に直交している。図２（ｃ）は、本実施形態の図１に示したプレートアンテナのサンプルである。

図３は、サンプルのディメンジョンを説明するための図である。
図２（ｃ）のプレートアンテナのサンプルについて、図３に示す各位置の寸法を次のようにした。
Ｗ（アンテナ素子２０の幅）：１５８ｍｍ
Ｈ（アンテナ素子２０の高さ）：８１ｍｍ
Ｔ（基板１０の厚み）：１ｍｍ
ＳＷ１（スリット２８の長さ）：３０ｍｍ
ＳＷ２（スリット２３の長さ）：２２ｍｍ
ＳＨ１（スリット２８の幅）：４ｍｍ
ＳＨ２（スリット２３の幅）：４ｍｍ
Ｓ１（スロット２５の幅）：４ｍｍ
Ｓ２（各スロット２６，２７の幅）：４ｍｍ
ＦＳ（スロット２２の幅）：２ｍｍ
Ｌ１（スロット２２の長さ）：２７ｍｍ
Ｌ２（各スロット２５〜２７の長さ）：５０ｍｍ
尚、使用した基板１０の比誘電率は、３．２である。

図４は、プレートアンテナのＶＳＷＲ特性を示す図である。
以上の構成の図２（ｃ）のサンプルに付いて、ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）を測定すると、図４に特性曲線Ｃ３で示す周波数特性が得られた。

これに対し、図２（ａ）のサンプルについて、基板１の材質及び形状を図２（ｃ）のサンプルの基板１０と同様にすると共に、スリット３の長さを７７ｍｍ、スリット３の幅を４ｍｍ、スロット４の幅を４ｍｍ、スロット４の長さを３０ｍｍとし、ＶＳＷＲを測定した。図２（ａ）のサンプルのＶＳＷＲの周波数特性は、図４に示す特性曲線Ｃ１となった。

また、図２（ｂ）のサンプルについて、スロット７の幅を４ｍｍ、スロット７の長さを２２ｍｍ、スロット７のスロット４からの距離を５０ｍｍ、他は図２（ａ）のサンプルと同様とし、サンプルの正面方向におけるＶＳＷＲを測定した。図２（ｂ）のサンプルのＶＳＷＲの周波数特性は、図４に示す特性曲線Ｃ２となった。
ＶＳＷＲは、
ＶＳＷＲ＝(給電点２１と電子回路３０との間に発生する最大電圧)／(給電点２１と電子回路３０との間に発生する最小電圧)
と定義され、値が１に近いほど信号源６から給電点２１に効率的に信号が伝達することになり、逆に大きな値であるほど電子回路３０からの信号は給電点２１で反射されアンテナ素子２０に信号が入り難い状態であることを示している。

従って、ＶＳＷＲの値が許容値（＞１）を下回る周波数範囲が広いほど、広帯域のアンテナとなる。
例えば許容値を３とすると、図２（ａ）のサンプルつまり従来のプレートアンテナでは、特性曲線Ｃ１が許容値の３を下回る周波数の範囲が、図４のように狭い。

図２（ｂ）のサンプルでは、特性曲線Ｃ２が許容値の３を下回る周波数の範囲が、特性曲線Ｃ１よりもわずかに広い。しかしながら、通常の携帯電話機から第３世代形態電話機の使用する周波数までをカバーすることはできない。

図２（ｃ）のサンプル、つまり本実施形態のプレートアンテナでは、特性曲線Ｃ３が、許容値の３を下回る周波数範囲広く、通常の携帯電話機から第３世代形態電話機の使用する周波数までを十分カバーすることができる。

以上のように、本実施形態のプレートアンテナは、平板状で小型であるばかりでなく、広帯域のアンテナとなるので、次のような利点を奏する。
（ｉ）電磁波を遮蔽された建物の内部等で、外部から引き込んだ電磁波を再放射するアンテナを設置する場合に、本実施形態のプレートアンテナを設置することにより、多数のアンテナを設置しなくても通常の携帯電話機から第３世代形態電話機まで通話が可能になる。即ち、多数のアンテナが不要となって、コストが低減できると共に、アンテナを設置するスペースも小さくなる。

（ｉｉ） 近年増大する盗難や誘拐といった犯罪に対処するには人や物の追跡技術が保安の要となる。これらを可能にする技術の１つに、無線タグシステムがある。ただし、これらは、用途により様々な周波数の無線信号が用いられている。また、無線タグはその性質上、薄くかさばらないものが必要である。そこで、平面形状でしかも単体で様々な周波数で使用可能なアンテナが必要となる。本実施形態のプレートアンテナを無線タグシステムに適用すると、平面形状でしかも単体で様々な周波数に対応できる。従って、種々の用途に使用可能な無線タグシステムを実現できる。

このように、無線タグシステムが１種で種々の用途に使用可能になることにより、用途ごとに不要な在庫を持たないように受注生産に近い生産管理を行う必要がなくなり、量産効果も向上する。即ち、在庫圧縮や低コスト化が可能になり、経済効率がよくなる。

［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態に係るプレートアンテナの正面図である。
このプレートアンテナは、基板４０と、基板４０の表面に積層されたアンテナ素材５０とで、構成されている。

基板４０は、第１の実施形態のプレートアンテナの基板１０と同様のものであり、誘電体で構成され、例えば方形である。アンテナ素材５０は、導電性部材の例えば銅で構成されている。アンテナ素材５０の外形は、第１の実施形態のプレートアンテナのアンテナ素材２０と異なり、方形ではない。

アンテナ素材５０は、給電点５１が中心に設定された底辺５０ａと、それに平行に対向する上辺５０ｂと、底辺５０ａの一端から垂直に上辺５０ｂ側に伸びた第１の側辺５０ｃと、第１の側辺５０ｃの先端から垂直に給電点５１側に伸びた第２の側辺５０ｄと、第２の側辺５０ｄの先端から上辺５０ｂの一端まで伸びた第３の側辺５０ｅと、底辺５０ａの他端から垂直に上辺５０ｂ側に伸びた第４の側辺５０ｆと、第４の側辺５０ｆの先端から垂直に給電点５１側に伸びた第５の側辺５０ｇと、第５の側辺５０ｇの先端から上辺５０ｂの他端まで伸びた第６の側辺５０ｈとで囲われている。第２の側辺５０ｄの先端と第５の側辺５０ｇの先端との間の距離は、上辺５０ｂの長さよりも長い。

給電点５１は、電子回路６０と接続され、該給電点５１を介して電子回路６０から信号が入出力される。
アンテナ素材５０には、給電点５１から上辺５０ｂに向けて直線的に切り欠かれた帯状の第１のスロット５２と、スロット５２の先端でスロット５２に直交する直線的に切り欠かれた帯状の第１のスリット５３とが形成されている。

スリット５３には、アンテナ素材５０が直線的にそれぞれ切り欠かれた帯状の縦スロット５５、補助スロット５６及び補助スロット５７の各一端が接している。縦スロット５５、補助スロット５６及び補助スロット５７は、スリット５３に垂直である。縦スロット５５は、スロット５２の延長線上に形成されている。補助スロット５６，５７は、縦スロット５５を挟んで対称に配置されている。

縦スロット５５、補助スロット５６及び補助スロット５７は、同じ長さを有し、縦スロット５５、補助スロット５６及び補助スロット５７の各他端は、アンテナ素子５０が直線的に切り欠かれた帯状の第２のスリット５８に接している。スリット５８は、上辺５０ｂに平行である。

このような構成のプレートアンテナについて、サンプルを作成した。
図６は、サンプルのディメンジョンを説明するための図である。
サンプルの図６に示す各位置の寸法を次のようにした。
Ｗ（アンテナ素子５０の幅）：１５８ｍｍ
Ｈ（アンテナ素子５０の高さ）：８１ｍｍ
Ｔ（基板１０の厚み）：１ｍｍ
ＳＷ１（スリット５８の長さ）：３０ｍｍ
ＳＷ２（スリット５３の長さ）：２２ｍｍ
ＳＨ１（スリット５８の幅）：４ｍｍ
ＳＨ２（スリット５３の幅）：４ｍｍ
Ｓ１（スロット５５の幅）：４ｍｍ
Ｓ２（各スロット５６，５７の幅）：４ｍｍ
ＦＳ（スロット５２の幅）：２ｍｍ
Ｌ１（スロット５２の長さ）：２７ｍｍ
Ｌ２（各スロット５５〜５７の長さ）：５０ｍｍ
ＵＰ（上辺５０ｂの長さ）：９０ｍｍ
ＢＰ（側辺５０ｄの先端と側辺５０ｇの先端との距離）：１３４ｍｍ
ＥＨ（側辺５０ｃ及び側辺５０ｆの長さ）：１４ｍｍ
尚、使用した基板４０の比誘電率は、基板１０と同じ３．２である。

図７は、プレートアンテナのＶＳＷＲ特性を示す図である。
本実施形態のプレートアンテナの正面方向でのＶＳＷＲの周波数特性を上記サンプルで測定すると、図７の特性曲線Ｃ４となる。

図７に示すように、特性曲線Ｃ４は、第１の実施形態のプレートアンテナの図２（ｃ）のサンプルについて測定したＶＳＷＲの周波数特性の特性曲線Ｃ３に比べて、ＶＡＷＲの値が全般的に低くなり、２以下となっている。

図８は、利得の周波数特性を示す図である。
本実施形態のプレートアンテナの利得の周波数特性を上記サンプルで測定すると、図８の特性曲線Ｃ５となる。図２（ｃ）のサンプルの利得の周波数特性を測定すると、図８の特性曲線Ｃ６となる。図８の特性曲線Ｃ５とＣ６とから、本実施形態のプレートアンテナは、第１の実施形態のプレートアンテナよりも、利得が安定化し、特に高周波側で利得が低下することを防止できる。

以上のように、本実施形態のプレートアンテナは、第１の実施形態のプレートアンテナよりも入出力特性が優れると共に、利得が安定するという利点を奏する。
尚、本発明は、上記実施形態に係わらず種々の変形が可能である。
例えば、基板１０，４０の形状は、方形でなくてもよい。
プレートアンテナの各部の寸法は、上記各サンプルに限定されず、目的に応じて変えてもよい。
アンテナ素子２０，５０の材質は、目的に応じた導電率を確保できれば、銅に限定されるものではない。

本発明の第１の実施形態に係るプレートアンテナの正面図である。 特性を評価したプレートアンテナのサンプルを示す図である。 サンプルのディメンジョンを説明するための図である。 プレートアンテナのＶＳＷＲ特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るプレートアンテナの正面図である。 サンプルのディメンジョンを説明するための図である。 プレートアンテナのＶＳＷＲ特性を示す図である。 利得の周波数特性を示す図である。 従来の改良型のプレートアンテナを示す図である。

符号の説明

１０，４０ 基板
２０，５０ アンテナ素材
２１，５１ 給電点
２２，５２ 第１のスロット
２３，５３ 第１のスリット
２５，５５ 縦スロット
２６，２７，５６，５７ 補助スロット
２８，５８ 第２のスリット
２０ａ，５０ａ 底辺
２０ｂ，５０ｂ 上辺
５０ｃ 第１の側辺
５０ｄ 第２の側辺
５０ｅ 第３の側辺
５０ｆ 第４の側辺
５０ｇ 第５の側辺
５０ｈ 第６の側辺

Claims (9)

1. 基板と、前記基板上に積層された導電性部材で構成されたアンテナ素子とを備えるプレートアンテナであって、
   前記アンテナ素子には、
   前記導電性部材の外縁の特定点から直線的に切り欠かれた帯状の第１のスロットと、
   前記第１のスロットの前記特定点とは反対側の端部で該第１のスロットと交わる、直線的に切り欠かれた帯状の第１のスリットと、
   前記第１のスリットに一端が交わり、該第１のスリットから前記特定点とは反対方向に伸びる、直線的に切り欠かれた複数の帯状の第２のスロットと、
   前記複数の第２のスロットの他端と交わる、直線的に切り欠かれた第２のスリットとが、
   形成されていることを特徴とするプレートアンテナ。
2. 前記第１のスリットと前記第１のスロットとは直交することを特徴とする請求項１に記載のプレートアンテナ。
3. 前記第１のスリットと前記第２のスリットとは平行であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプレートアンテナ。
4. 前記複数の第２のスロットは、前記第１のスリットに直交することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプレートアンテナ。
5. 前記複数の第２のスロットには、前記第１のスロットの延長線上に形成された縦スロットが含まれていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプレートアンテナ。
6. 前記複数の第２のスロットは、前記縦スロットと、該縦スロットの両側に形成された２本の補助スロットの３本で構成されていることを特徴とする請求項５に記載のプレートアンテナ。
7. 前記特定点に給電点が設定されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のプレートアンテナ。
8. 前記アンテナ素子の外形は方形であり、前記特定点がその方形の一辺上に設定されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のプレートアンテナ。
9. 前記アンテナ素子は、中央に前記特定点が設定された底辺と、
   前記底辺に平行な上辺と、
   前記底辺の一端から垂直に前記上辺側に伸びた第１の側辺と、
   前記第１の側辺の先端から垂直に前記特定点側に伸びた第２の側辺と、
   前記第２の側辺の先端から前記上辺の一端まで伸びた第３の側辺と、
   前記底辺の他端から垂直に前記上辺側に伸びた第４の側辺と、
   前記第４の側辺の先端から垂直に前記特定点側に伸びた第５の側辺と、
   前記第５の側辺の先端から前記上辺の他端まで伸びた第６の側辺とで囲われ、
   前記第２の側辺の先端と前記第５の側辺の先端との間の距離は、前記上辺の長さよりも長いことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のプレートアンテナ。
   

Images