JP4930359B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線信号の送受信に用いられるアンテナ装置に係り、特に、絶縁性物質を介在物として放射導体と地導体板とを対向して配置するという単純な平面導体の組み合わせからなるアンテナ装置に関する。

電波通信方式を利用した無線通信では、空中線（アンテナ）に電流を流した際に発生する放射電界を利用して信号を伝搬させるものである。アンテナにはさまざまな形式があるが、広帯域特性を持つアンテナは、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）のような超広帯域な周波数帯域に拡散して送受信を行なう通信に利用することができる。また、小型のアンテナは、無線機器の小型軽量化に貢献する。

特に薄型の要求に応えるアンテナ構成として、絶縁性物質を介在物として放射導体と地導体板とを対向して配置することにより構成したアンテナ装置、すなわちマイクロストリップ・パッチ・アンテナ（以下では単に「パッチ・アンテナ」と略す）が挙げられる。放射導体の形状は、特に決まりはないが、大体において矩形若しくは円形が用いられている。放射導体と導体地板との間に介在させる絶縁性物質の厚みは概ね、無線周波数の波長の１／１０以下とされ、極めて薄型に構成できる。また、マイクロストリップ・パッチ・アンテナは、両面銅張りの絶縁性物質基板をエッチング加工して製造することができるなど、比較的に簡単に製造することができる。つまり、マイクロストリップ・パッチ・アンテナは、製造が比較的に容易である。

例えば、放射導体と地導体を導通する短絡導体板を所望外のモードの励振を抑制する位置に適宜配設して帯域端における放射パターンの乱れを抑制するとともに、放射導体板と地導体板との隙間を磁性体層と空層を交互に挟んだ複層構造として比誘電率が１以上の磁性体の適用を可能にして、広帯域幅において単一指向性を持つ磁性体マイクロストリップ・パッチ・アンテナについて提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。

通常のプリント基板は、薄い誘電体板を上下から２枚の導体板で挟んだ構造をしているが、下側の導体板をグランド（ＧＮＤ）として使うとともに上側の導体板を矩形又は円形に形設して、上側の導体板に給電する構造をとることによって、パッチ・アンテナを構成することができ、回路基板との一体化が容易である。

図１５及び図１６には、プリント基板上に形成されたパッチ・アンテナの代表的な構成例を示している（但し、図１５はプリント基板を上方から見下ろした図であり、図１６は、斜めから眺めた図である）。図示のパッチ・アンテナは、通常、上側の導体板からなるアンテナ（放射素子）を共振器として捉えて設計される。また、導体板の端縁に沿って流れる電流は誘電体を挟んだ平行伝送線路の電流と同じであると考えられるから、誘電体の比誘電率の応じた波長短縮効果がある。放射素子の長さＬと放射素子の幅Ｗが等しいとすると、パッチ・アンテナは次式で表される。

ここで、ε_effは誘電体基板の実効誘電率であり、λ_gは実効波長である。実効誘電率ε_effは、誘電体基盤の誘電率及び厚さと、アンテナの幅Ｗ（＝アンテナの長さＬ）の値から決定することができる。上式（１）は、アンテナ（放射素子）の長さや幅を実効波長の半分にすることで共振させ、共振周波数の電波が放射されることを示している。

近年の通信システムを、狭帯域通信と広帯域通信に分けることができる。パッチ・アンテナで放射できる周波数成分は、以下の式（２）から実効波長λ_gで決まる周波数ｆとその高調波成分である。

すなわち、パッチ・アンテナは、一般に狭帯域化し易いため、動作可能帯域が広帯域である必要のあるＰＡＮシステムなどには不向きであるとされている。設計パラメータにも因るが、ＶＳＷＲ２以下の帯域幅は、概ね数％のオーダーとなる。かかる欠点のために、パッチ・アンテナは広帯域通信では使えないという問題がある。

誘電体多層基板上でアンテナ背面にグランドを持つ平面パッチ・アンテナは、狭帯域になることから、従来のパッチ・アンテナにおいて広帯域性を確保するには、グランドをアンテナ背面に持たない構造が一般的に採られるが、このような場合、電子機器の筺体構造設計が複雑化する。

また、従来の無線通信技術の多くは遠方と通信することを前提にしていたため、アンテナは遠方界の振る舞いのみを考慮すれば充分であった。ところが、近年では至近距離通信が前提となる場合も多くなり、通信距離が波長以下となるアンテナの近傍界での現象を捉える必要が出てきている。

特開２００５−２７８０６７号公報

本発明の目的は、絶縁性物質を介在物として放射導体と地導体板とを対向して配置するという単純な平面導体の組み合わせからなる、優れたアンテナ装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、単純な平面導体の組み合わせで構成され、動作する帯域幅が１．５ＧＨｚ帯以上となる、平面型の優れたアンテナ装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、単純な平面導体の組み合わせで構成され、通信距離が波長以下程度となる近傍界でも動作することができる、平面型の優れたアンテナ装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、
誘電体層と、前記誘電体層を上下から挟む２枚の導体層で構成され、
下側の導体層はグランドとして用いられ、
上側の導体層からなる放射素子は、サイズすなわち幅及び長さが異なる４本以上の放射素子片と、１本の給電線とを、放射素子の幅方向に連結した構造からなる、
ことを特徴とする平面型のアンテナ装置である。

薄型の要求に応えるアンテナ装置としてパッチ・アンテナが知られており、薄い誘電体板を上下から２枚の導体板で挟んだ構造をなす通常のプリント基板の下側の導体板をグランドとして使うとともに、上側の導体板にエッチングなどの加工を施して放射素子を形成することでパッチ・アンテナを製作することができる。

しかしながら、パッチ・アンテナはその実効波長λ_gが放射導体の幅Ｗ及び長さＬといった導体サイズで決定されることから、一般的に狭帯域化し易く、広帯域通信には不向きとされている。また、近年では至近距離通信を行なう機会が増えていることから、通信距離が波長以下となるアンテナの近傍界での現象を捉える必要がある。

これに対し、本発明に係るアンテナ装置は、パッチ・アンテナと同様に誘電体層とこの誘電体層を上下から挟む２枚の導体層で構成されるが、下側の導体層をグランドとして使う一方、上側の導体層からなる放射素子は、サイズすなわち幅及び長さが異なる４本以上の放射素子片と、１本の給電線とを、放射素子の幅方向に連結して構成されている。

本発明に係るアンテナ装置によれば、幅及び長さが異なる複数の放射素子片を備えており、各放射素子片が共振器として動作して電波を放射する際の実効波長はそれぞれ異なる。したがって、それぞれの実効波長において動作することから広帯域な特性を持つことができる。

また、理想的な点電荷の場合には距離の２乗に反比例して電界が減衰することから遠方界の通信が前提となってしまう。これに対し、本発明に係るアンテナ装置では、幅及び長さが異なる複数の放射素子片を備えることで、電荷の形状が複雑となることから、距離の３乗や４乗に反比例して減衰する電界の成分が顕在化する。すなわち、これらの成分は距離による減衰が急峻であることから、近傍界での通信が実現する。

ここで、それぞれ幅Ｗ₀、Ｗ₁、…、Ｗ_N-1と長さＬ₀、Ｌ₁、…、Ｌ_N-1を持つＮ本の放射素子片が、幅Ｗ_Nの給電線と幅方向に連結して放射素子が構成される場合、伝送したい周波数から求まる実効波長λ_gに対し、下式（３）〜（８）のように各放射素子片の幅及び長さを選ぶようにすればよい（但し、Ｎは５以上の整数とする。また、Ｗ_i並びにＬ_iの添え字は、給電線から離間した順で各放射素子片に割り振られた通し番号で、０〜Ｎ−１の整数とする）。また、給電線の幅Ｗ_Nは、伝送線路のインピーダンスを考慮して、適当なものを選べばよい。

言い換えれば、給電線から最も離間した放射素子片と給電線に隣接した放射素子片の幅及び長さをほぼ等しく且つ最大にするとともに、その長さＬ₀及びＬ_N-1をλ_g／２にほぼ等しくなるように設定する。また、すべての放射素子片の幅の合計に給電線の幅の２分の１を加えた値がλ_g／２にほぼ等しくなるように設定する。

上式（３）〜（８）より、本発明を適用して構成される平面アンテナは、従来の正方形型パッチ・アンテナ（図１５並びに図１６を参照のこと）の面積Ｗ×Ｌよりも少ない面積で実現できることが理解できよう。

本発明に係る平面型のアンテナ装置は、反射特性Ｓ１１を見ると、強い共振を起こさない。したがって、放射素子上の特定の部分のみに定在波が閉じ込められるような共振型のアンテナではなく、長さの異なる導体部分を磁界（電流）が巡るような、進行波型のアンテナとして作用すると言える。そして、このことが広帯域化する１つの要因である、と本発明者らは考えている。

また、本発明に係る平面型のアンテナ装置は、透過特性Ｓ２１を見ると、伝送可能な周波数帯域は近傍界において広帯域であるとともに、広い比帯域幅を持つ。したがって、アンテナ背面にグランドを持つ構成としても広帯域性を確保することができるので、電子機器の筐体構造設計の簡略化に寄与することができる。

本発明によれば、絶縁性物質を介在物として放射導体と地導体板とを対向して配置するという単純な平面導体の組み合わせからなる、パッチ・アンテナ構成の優れたアンテナ装置を提供することができる。

また、本発明によれば、単純な平面導体の組み合わせで構成され、通信距離が波長以下程度となる近傍界でも、帯域幅が１．５ＧＨｚ帯以上の帯域幅で動作することができる、平面型の優れたアンテナ装置を提供することができる。

本発明に係る平面型のアンテナ装置は、従来にない広帯域な特性を示し、且つ近接した状態においても動作することができ、さらに平面アンテナが本来持つ指向性やグランド面による電気部品の安定化といった特性をそのまま活かすことができる。

本発明に係るアンテナ装置は、通信距離が波長以下程度の近傍界においても動作することができる。

本発明に係るアンテナ装置の複数の放射素子片からなる放射素子の形状は、共振周波数によっておおよそ決定され、単純な平面導体の組み合わせとなるので、設計が容易である。また、アンテナの層構造は導体で誘電体を挟み込んだ組み合わせで実現されるので、一般的なプリント基板材料などの上に実装することができる。

すなわち、本発明に係るアンテナ装置を用いて無線通信機を構成することで、近接距離での広帯域通信が求められる近年の通信システムにおいて、信号品質の向上や改善などに役立てることができる。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。

図１及び図２には、本発明の一実施形態に係るアンテナ装置の構成を示している。図示のアンテナ装置は、パッチ・アンテナと同様に、薄い誘電体層を上下から２枚の導体層で挟んだプリント基板において、下側の導体層をグランド（ＧＮＤ）として使うとともに上側の導体層を放射素子として使い、上側の導体板に給電する構造を備えた平面型のアンテナである（但し、図１はプリント基板を上方から見下ろした図であり、図２は、斜めから眺めた図である）。導体層には例えば銅や銀などが用いられ、誘電体層には例えばガラスエポキシ樹脂やテフロン（登録商標）などが用いられる。

上側の導体層からなる放射素子は、サイズすなわち幅及び長さが異なる複数（４本以上）の放射素子片５０１〜５０４と、１本の給電線とを、放射素子の幅方向に連結した構造からなる。

このような平面アンテナは、幅及び長さが異なる複数の放射素子片を備えており、各放射素子片が共振器として動作して電波を放射する際の実効波長はそれぞれ異なる。したがって、それぞれの実効波長において動作することから広帯域な特性を持つことができる。

また、理想的な点電荷の場合には距離の２乗に反比例して電界が減衰することから遠方界の通信が前提となってしまう。これに対し、サイズの異なる複数の放射素子片を備えた平面アンテナでは、電荷の形状が複雑となることから、距離の３乗や４乗に反比例して減衰する電界の成分が顕在化する。すなわち、これらの成分は距離による減衰が急峻であることから、近傍界での通信が実現する。

なお、図１及び図２には、長方形状の放射素子片を放射素子の幅方向に連結して１つの放射素子を構成した平面型アンテナを示しているが、本発明の要旨は放射素子片の特定の個数や形状に限定されるものではない。例えば、導体の形状が曲面状であってもよいことを充分理解されたい。

複数の放射素子片５０１〜５０４からなる放射素子の具体的な形状について、図３を参照しながら説明する。

給電線５０５から離間している放射素子片から順に、幅Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃ、Ｗｄと、長さＬａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄを持つ場合、伝送したい周波数から求まる実効波長λ_gに対し、下式（９）〜（１４）のように各放射素子片５０１〜５０４の幅及び長さを選ぶ。但し、Ｗｅは給電線５０５の幅である。

ここで、給電線５０５の幅Ｗｅは、伝送線路のインピーダンスを考慮して、適当なものを選べばよい。

上式（９）〜（１４）より、図１並びに図２に示した平面アンテナは、従来の正方形型パッチ・アンテナ（図１５並びに図１６を参照のこと）の面積Ｗ×Ｌよりも少ない面積で実現できることが理解できよう。

これまで説明してきたように、本発明に係る平面型のアンテナ装置は、従来にない広帯域な特性を示し、且つ近接した状態においても動作することができ、さらに平面アンテナが本来持つ指向性やグランド面による電気部品の安定化といった特性をそのまま活かすことができる。

続いて、図１並びに図２に示した平面アンテナの近傍界における特性を説明するために、従来のパッチ・アンテナと比較したシミュレーション結果を以下に示す。

図４には、２つのパッチ・アンテナを、互いの放射素子が対向するように３０ｍｍのアンテナ間距離で配置した様子を示している。図示のパッチ・アンテナは図１５及び図１６に示した従来の設計によるものとする。また、図６には、図１並びに図２に示した２つの平面アンテナを、同様に互いの放射素子が対向するように３０ｍｍのアンテナ間距離で配置した様子を示している。いずれのアンテナも、５ＧＨｚ近傍が中心周波数となるように設計されているものとする。そして、図４に示したアンテナ対における反射特性Ｓ１１及び透過特性Ｓ１２のシミュレーション結果を図５に示すとともに、図６に示したアンテナ対における反射特性Ｓ１１及び透過特性Ｓ２１のシミュレーション結果を図７に示している。

反射特性Ｓ１１は、アンテナの共振を示す量であり、一般に、低い値ほど強い共振とみなせる。一方、透過特性Ｓ２１は、２個のアンテナ間をどれだけの電力が通過するかを示す量であり、一般に、大きい値ほど入力した信号が出力側に効率よく伝送されることになる。

図７の反射特性Ｓ１１を見ると、強い共振を起こしていないことが判る。すなわち、図１及び図２に示した平面アンテナは、放射素子上の特定の部分のみに定在波が閉じ込められるような共振型のアンテナではなく、長さの異なる導体部分を磁界（電流）が巡るような、進行波型のアンテナとして作用すると言える。このことが、当該平面アンテナを広帯域化するひとつの要因である、と本発明者らは考えている。

また、図５及び図７の透過特性Ｓ２１を比較すると、図１及び図２に示した平面アンテナは、伝送可能な周波数帯域は、近傍界において広帯域であることを確認することができる。また、５ＧＨｚ近辺の周波数において、図１５及び図１６に示したパッチ・アンテナでは比帯域幅（＝帯域／中心周波数）が１０％程度に過ぎないのに対し、図１及び図２に示した平面アンテナではおよそ３０％の比帯域幅を持つことができる。

一般に、誘電体多層基板上でアンテナ背面にグランドを持つ平面パッチ・アンテナは、狭帯域になる（放射素子をなす導体板の端縁に沿って流れる電流は、誘電体層を挟んだ平行伝送線路の電流と同じと考えられ、その波長は誘電体の比誘電率に支配される。すなわち、送受信可能の電波周波数帯域が、その一定の誘電率に支配される狭い範囲のものに限定される）。このため、図１５及び図１６に示したような従来のパッチ・アンテナにおいて広帯域性を確保するには、グランドをアンテナ背面に持たない構造が一般的に採られる。これに対し、図１及び図２に示した平面アンテナの場合、アンテナ背面にグランドを持つが、上述したように広帯域性も備えているので、電子機器の筐体構造設計の簡略化に寄与することができる。

図８には、図１及び図２に示した平面アンテナにおける電波の放射の仕方を示している。同図では、アンテナから放射される電磁界の強さをグレースケールで示しており、白色の部分から最も強く電波が放射され、黒色に近づくにつれ強度が弱くなるように表している。同図から、放射の向きはアンテナ面に対して垂直であることが判る。また、誘電体基板のグランド面側には電波が発生し難いことから、前方方向に指向性を持たせることができる。

また、図９乃至図１４には、図１及び図２に示した平面アンテナの、４．５ＧＨｚ、５．０ＧＨｚ、５．５ＧＨｚの各周波数における電界及び磁界の強度分布を等高線状に表現してそれぞれ示している。各図において、電界並びに磁界の強度はグレースケールでそれぞれ示されており、白色が最も強く、黒色が最も弱い。

まず、図９、図１１、並びに図１３を参照して、図１及び図２に示した平面アンテナのそれぞれの周波数における電界の強さを比較すると、電界の強い場所は周波数によって異なることが判る。これは、放射素子上のさまざまな場所から異なる周波数の電界が放射されていることを示しており、広帯域化の要因となっている。

続いて、図１０、図１２、並びに１４を参照して、図１及び図２に示した平面アンテナのそれぞれの周波数における磁界分布を比較すると、強い磁界を持つ部分はアンテナ導体の端を巡るように分布していることが判る。図７で示したように、反射特性Ｓ１１がターゲット周波数帯において強い共振を示さないことからも、当該平面アンテナは、放射素子上の特定の部分のみに定在波が閉じ込められるような共振型のアンテナではなく、長さの異なる導体部分を磁界（電流）が巡るような、進行波型のアンテナとして作用していると思料される。そして、このような特性が当該平面アンテナを広帯域化する１つの要因である、と本発明者らは考えている。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本発明に係るアンテナ装置は、通信距離が波長以下程度の近傍界においても動作することができる。したがって、近接距離での広帯域通信が求められる近年の通信システムにおいて、信号品質の向上・改善などに役立てることができる。

本発明に係るアンテナ装置の複数の放射素子片からなる放射素子の形状は、共振周波数によっておおよそ決定され、単純な平面導体の組み合わせとなるので、設計が容易である。また、アンテナの層構造は導体で誘電体を挟み込んだ組み合わせで実現されるので、一般的なプリント基板材料などの上に実装することができる。

本明細書では、両面プリント基板上に平面アンテナを構成した実施形態を中心に説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。例えば、多層基板（導体、誘電体、導体、誘電体など）を用いても、本発明に係るアンテナ装置を構成することができる。導体層には例えば銅や銀などが用いられ、誘電体層には例えばガラスエポキシ樹脂やテフロン（登録商標）などが用いられる。

また、本明細書では、長方形状の放射素子片を放射素子の幅方向に連結して１つの放射素子を構成した実施形態について説明してきたが、本発明の要旨は放射素子片の特定の個数や形状に限定されるものではない。例えば、導体の形状が曲面状であってもよい。

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

図１は、本発明の一実施形態に係るアンテナ装置の構成を示した図である。 図２は、本発明の一実施形態に係るアンテナ装置の構成を示した図である。 図３は、複数の放射素子片５０１〜５０４からなる放射素子の具体的な形状を説明するための図である。 図４は、２つのパッチ・アンテナを、互いの放射素子が対向するように３０ｍｍのアンテナ間距離で配置した様子を示した図である。 図５は、図４に示したアンテナ対における反射特性Ｓ１１及び透過特性Ｓ１２のシミュレーション結果を示した図である。 図６は、図１並びに図２に示した２つの平面アンテナを、互いの放射素子が対向するように３０ｍｍのアンテナ間距離で配置した様子を示した図である。 図７は、図６に示したアンテナ対における反射特性Ｓ１１及び透過特性Ｓ１２のシミュレーション結果を示した図である。 図８は、図１及び図２に示した平面アンテナにおける電波の放射の仕方を示した図である。 図９は、図１及び図２に示した平面アンテナの、４．５ＧＨｚにおける電界の強度分布を示した図である。 図１０は、図１及び図２に示した平面アンテナの、４．５ＧＨｚにおける磁界の強度分布を示した図である。 図１１は、図１及び図２に示した平面アンテナの、５．０ＧＨｚにおける電界の強度分布を示した図である。 図１２は、図１及び図２に示した平面アンテナの、５．０ＧＨｚにおける磁界の強度分布を示した図である。 図１３は、図１及び図２に示した平面アンテナの、５．５ＧＨｚにおける電界の強度分布を示した図である。 図１４は、図１及び図２に示した平面アンテナの、５．５ＧＨｚにおける磁界の強度分布を示した図である。 図１５は、プリント基板上に形成されたパッチ・アンテナの代表的な構成例（プリント基板を上方から見下ろした様子）を示した図である。 図１６は、プリント基板上に形成されたパッチ・アンテナの代表的な構成例（斜めから眺めた様子）を示した図である。

符号の説明

３０１…放射素子
３０２…誘電体基板
３０４…給電線
４０１…導体層（アンテナ部）
４０２…誘電体層（基板）
４０３…導体層（グランド）
５０１、５０２、５０３、５０４…放射素子片
５０５…給電線

Claims (2)

1. 誘電体層と、前記誘電体層を上下から挟む２枚の導体層で構成され、
   下側の導体層はグランドとして用いられ、
   上側の導体層からなる放射素子は、大きさが異なる４本以上の放射素子片と、１本の給電線とを連結した構造からなり、
   各放射素子片はそれぞれの幅及び長さが異なる長方形状からなり、放射素子片を放射素子の幅方向に連結して１つの放射素子を構成し、
   それぞれ幅Ｗ ₀ 、Ｗ ₁ 、…、Ｗ _N-1 と長さＬ ₀ 、Ｌ ₁ 、…、Ｌ _N-1 を持つＮ本の放射素子片が、幅Ｗ _N の給電線と幅方向に連結して放射素子が構成される場合、伝送したい周波数から求まる実効波長λ _g に対し、下式（１）〜（６）のように各放射素子片の幅及び長さを選ぶとともに、伝送線路のインピーダンスを考慮して、適当な給電線の幅Ｗ _N を選ぶ（但し、Ｎは５以上の整数とする。また、Ｗ _i 並びにＬ _i の添え字は、給電線から離間した順で各放射素子片に割り振られた通し番号で、０〜Ｎ−１の整数とする）、
   ことを特徴とする平面型のアンテナ装置。
2. プリント基板材料若しくは導体層と誘電体層が交互に積層されてなる誘電体多層基板上に実装される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。