JP5336950B2

JP5336950B2 - 平面アンテナ

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Publication number: JP5336950B2
Application number: JP2009156171A
Authority: JP
Inventors: 誠角; 敬三長
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-06-30
Also published as: JP2010226691A

Description

本発明は広帯域化が可能な平面アンテナに関する。

近年、自動販売機などの購入資格管理や在庫管理をワイヤレスアクセスシステムで行うなどの需要が増えており、無線通信モジュールに用いられるアンテナの小型・高性能化が求められてきている。例えば、共振周波数の波長が３２〜３５ｃｍ程度の場合には縦７５〜８５ｍｍ、横６０ｍｍ程度の平面を有する直方体状の箱にアンテナを収納したい。

一般的なダイポールアンテナの場合、アンテナ部分の長さは共振周波数の波長の半波長となる。そこで、アンテナを小型化する一般的な手法としては、非特許文献１が従来技術として知られている。ダイポールアンテナに対してモノポールアンテナを用い、長さを半分にする手法や、さらにモノポールアンテナを折り曲げて逆Ｌ型や逆Ｆ型にすることによって小型化する手法が提案されている。特にモノポールアンテナの素子に水平面内での放射指向性の均一性を重視しながら小型化をはかる場合、モノポールアンテナの先端に円板を装荷する、頂部装荷構成なども提案されている。なお、より効率よく電波を発射しようとする場合には、アンテナ部分を長くする必要があるが、プリント基板を用いてダイポールアンテナを構成する場合には、通常、図１のダイポールアンテナ２０のように短手方向と平行にアンテナ部分を配置する。導体部分２２が長くなり、アンテナ部分２４が短くなるため、効率的に電波を発射できない。また、長手方向に垂直な面（ＸＺ平面）内での放射指向性を均一にすることはできない。図２のダイポールアンテナ２０’のように長手方向と平行にアンテナ部分を配置する場合は、導体部分２２’を短くし、アンテナ部分２４’を長くすることによって効率的に電波を発射できるが、発振回路等の影響により、放射特性が歪み、長手方向に垂直な面（ＸＺ平面）内での均一な放射指向性を得ることはできない。

一方で、無線通信用モジュール用アンテナは、小型で大量生産ができ、低コストであることが要求される。このような要求条件を実現する構成としては、誘電体基板上に素子をエッチングして構成するプリントアンテナ構成が有効である。

プリントアンテナ構成で頂部装荷モノポールアンテナを構成する方法としては、モノポールアンテナの先端に線状、または帯状の素子を配置することによって実現できる。図３は、モノポール３３に帯状素子３１を頂部装荷したプリントモノポールアンテナ３０の構成例を示す。プリントモノポールアンテナ３０は、基板２７とモノポール３３と帯状素子３１と地板３５からなる。基板２７上に帯状素子３１と地板３５を設け、帯状素子３１と地板３５はモノポール３３を介して接続される。モノポール３３は、図示しない給電線路に接続される。基板２７の大きさは７５×６０ｍｍ、地板３５は１０×６０ｍｍ、帯状素子３１は３１×６０ｍｍである。図４は、プリントモノポールアンテナ３０の入力ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio：電圧定在波比）特性の計算結果を示す。

K. Fujimoto, A. Henderson, K. Hirasawa and J. R. James, "Small Antennas," Research Studies Press Ltd., 1987, p.14-15

しかしながら、従来技術は、例えば基板の大きさを７５×６０ｍｍとした場合、入力ＶＳＷＲが最も低い値で２．３程度となり、十分なＶＳＷＲ特性が得られない。よって、電気的に小型化し、かつ、十分なＶＳＷＲ特性を得るという課題がある。またモノポールアンテナの場合、給電線路が素子にそのまま接続されているため、給電に用いるケーブルに不要な電流が乗りやすい。よって、不要な電流が乗りづらくするという課題がある。

上記課題を解決するために、本発明に係る平面アンテナは、誘電体基板と、基板の一方の板面に設けられた地板と、一方の板面に設けられ、一端が互いに離されて、地板の一辺に接続され、かつ、地板から遠ざかる方向に延長された２本の線状導体と、一方の板面に互いに分離されて設けられ、２本の線状導体と接続され、これら接続部に対して互いに外側に配置されている２つの板状素子と、基板の他方の板面に設けられ、地板から２つの板状素子方向に延長され、２本の線状導体、もしくは２本の線状導体と２つの板状素子に電磁結合する１本の給電線とを具備する。２つの板状素子はそれぞれ、その線状導体と接する辺である第１縁辺と、その第１縁辺の地板側の頂点を起点として互いに外側にかつ地板方向に向かうように形成された第２縁辺を備える。

本発明のプリントアンテナは、線状導体と接する辺である第１縁辺と、その第１縁辺の地板側の頂点を起点として互いに外側にかつ地板方向に向かうように形成された第２縁辺を備える板状素子を用いることで、小型、かつ、低ＶＳＷＲ特性を有するという効果を奏する。また、電磁結合給電を用いることで、不要漏洩電流を軽減するという効果を奏する。

従来のダイポールアンテナ２０の構成例を示す図。従来のダイポールアンテナ２０の構成例の変形例を示す図。モノポール３３に帯状素子３１を頂部装荷したプリントモノポールアンテナ３０の構成例を示す図。プリントモノポールアンテナ３０及び実施例１の平面アンテナ１００（距離ＰＤが３３ｍｍの場合）の入力ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio：電圧定在波比）特性の計算結果を示す図。（Ａ）は、実施例１の平面アンテナ１００の構成例を示す正面図であり、（Ｂ）は、背面図。（Ａ）は、図５（Ａ）のＴ１−Ｔ１’断面図であり、（Ｂ）は、図５（Ａ）のＴ２−Ｔ２’断面図。実施例１の板状素子１２１Ａ及び１２１Ｂの形状の例を示す図。交点Ｄと頂点Ｐの距離ＰＤと、共振周波数とＶＳＷＲが２以下となる比帯域幅の特性を示す図。距離ＰＤが３３ｍｍの時の寸法例を示す図。図９の寸法例の波長（波長約３５３ｍｍの場合）に対する比を示す図。交点Ｄと頂点Ｐの距離が３３ｍｍのときに、図５（Ａ）に示すように基板２７の長手方向をＹ軸方向に平行に配置した場合のＸＺ平面の放射特性を示す図。交点Ｄと頂点Ｐの距離が３３ｍｍのときに、図５（Ａ）に示すように基板２７の長手方向をＹ軸方向に平行に配置した場合のＹＺ平面の放射特性を示す図。給電線１２９に給電した場合の電流分布の概念図。板状素子２２１Ａ及び２２１Ｂの形状の例を示す図。ＤＰの長さ３３ｍｍの場合の辺ＭＰの長さと、ＶＳＷＲが２以下となる共振周波数の関係を示す図。板状素子３２１Ａ及び３２１Ｂの形状の例を示す図。板状素子４２１Ａ及び４２１Ｂの形状の例を示す図。（Ａ）は板状素子５２１Ａ及び５２１Ｂの形状の例を、（Ｂ）は頂点Ｈと頂点Ｃが重なった場合の形状の例を示す図。移動距離ｔ１と、ＶＳＷＲ特性の計算結果を示す図。板状素子６２１Ａ及び６２１Ｂの形状の例を示す図。プリントモノポールアンテナ３０及び実施例２の平面アンテナ２１００の入力ＶＳＷＲ特性の計算結果を示す図。（Ａ）は実施例２の平面アンテナ２１００の構成例を示す正面図、（Ｂ）は背面図。（Ａ）は図２２（Ａ）のＴ１−Ｔ１’断面図、（Ｂ）は、図２２（Ａ）のＴ２−Ｔ２’断面図。実施例２の板状素子２１２１Ａ及び２１２１Ｂの形状の例を示す図。長辺ＣＰの長さと、共振周波数とＶＳＷＲが２以下となる比帯域幅の特性を示す図。長辺ＣＰの長さが３１．２ｍｍの時の寸法例を示す図。図２６の寸法例の波長（波長約３２２．６ｍｍの場合）に対する比を示す図。短辺ＡＢの長さと、共振周波数とＶＳＷＲが２以下となる比帯域幅の特性を示す図。板状素子の長辺ＣＰの長さが５９ｍｍ、短辺ＡＢの長さが１ｍｍのときの構成例を示す図。図２９の構成におけるＶＳＷＲ特性を示す図。板状素子の長辺ＣＰの長さが５９ｍｍ、短辺ＡＢの長さが５８ｍｍのときの構成例を示す図。図３１の構成におけるＶＳＷＲ特性を示す図。寸法が図２６のときに、図２２（Ａ）に示すように基板２７の長手方向をＹ軸方向に平行に配置した場合のＸＺ平面の放射特性を示す図。寸法が図２６のときに、図２２（Ａ）に示すように基板２７の長手方向をＹ軸方向に平行に配置した場合のＹＺ平面の放射特性を示す図。給電線２１２９に給電した場合の電流分布の概念図。板状素子２２２１Ａ及び２２２１Ｂの形状の例を示す図。板状素子２３２１Ａ及び２３２１Ｂの形状の例を示す図。板状素子２４２１Ａ及び２４２１Ｂの形状の例を示す図。板状素子２５２１Ａ及び２５２１Ｂの形状の例を示す図。板状素子２６２１Ａ及び２６２１Ｂの形状の例を示す図。（Ａ）は第２縁辺ＡＰ及びＡ’Ｐ’が曲線の場合の例を、（Ｂ）は辺ＢＣ及びＢ’Ｃ’が曲線の場合の例を、（Ｃ）は辺ＣＰ及びＣ’Ｐ’が曲線の場合の例を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

＜平面アンテナ１００＞
図５（Ａ）は、実施例１の平面アンテナ１００の構成例を示す正面図であり、（Ｂ）は、背面図である。図６（Ａ）は、図５（Ａ）のＴ１−Ｔ１’断面図であり、（Ｂ）は、図５（Ａ）のＴ２−Ｔ２’断面図である。実施例１に係る平面アンテナ１００を説明する。

平面アンテナ１００は、誘電体基板２７と地板３５と２つの線状導体１２３Ａ、１２３Ｂと２つの板状素子１２１Ａ、１２１Ｂと給電線１２９を備える。
基板２７の他方の板面（例えば、板面２７Ａ）には、給電線１２９が設けられる。基板２７の一方の板面（例えば、板面２７Ｂ）には、地板３５、２つ線状導体１２３Ａ、１２３Ｂと２つの板状素子１２１Ａ、１２１Ｂが設けられる。なお、地板３５と板状素子１２１Ａ、１２１Ｂは線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂを介して接続されるが、直接接触しない。

例えば、２つの板状素子１２１Ａ、１２１Ｂは対称である。この場合、放射特性は、図５におけるＸＺ平面（水平面）に対し均一となる。また、地板３５、２つ線状導体１２３Ａ、１２３Ｂと２つの板状素子１２１Ａ、１２１Ｂ、給電線１２９は、基板２７上にエッチングまたは基板加工機等により掘削して構成する。

なお、本実施例は発明の内容を限定するものではない。例えば、２つの板状素子１２１Ａ、１２１Ｂは必ずしも対称である必要はなく、放射特性に歪みを持たせる場合には、２つの板状素子は、相似形等であってもよい。また、地板３５、２つ線状導体１２３Ａ、１２３Ｂと２つの板状素子１２１Ａ、１２１Ｂは、それぞれの構成要素を別々に生成し、接続してもよい。

＜基板２７及び地板３５＞
基板２７は、誘電体である。例えば、比誘電率は３．３であり、厚さ１．６ｍｍであり、形状は長方形であり、長手方向の長さは波長の略０．２１２５倍であり、短手方向の長さは波長の略０．１７倍である。例えば、共振周波数が８５０ＭＨｚ（波長は約３５３ｍｍ）の電波の場合、大きさは７５×６０ｍｍとする。

地板３５は、一方の板面（例えば、板面２７Ｂ）上に偏在する。例えば、基板２７が長方形の場合には、長方形の一辺に沿って偏在する。例えば、地板３５は、長方形であり、基板２７長手方向の長さは波長の略０．０２８４倍であり、基板２７短手方向の長さは波長の略０．１７倍である。例えば、共振周波数が８５０ＭＨｚの電波の場合、大きさは１０×６０ｍｍである。

なお、本実施例は発明の内容を限定するものではない。例えば、地板３５及び基板２７の大きさや材質、形状等は共振周波数等により適宜変更可能である。

＜線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂ＞
２本の線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂは、一方の板面（例えば、板面２７Ｂ）に設けられ、一端が互いに離されて、地板３５の一辺に接続され、かつ、地板３５から遠ざかる方向に延長される。例えば、２つの線状導体１２３Ａ、１２３Ｂは、間隙を有して対向する。例えば、基板２７が長方形の場合には、線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂは、基板２７の長手方向と平行に配置される。また、例えば、共振周波数が８５０ＭＨｚの電波の場合、線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂの長さは６５ｍｍであり、形状は帯状であり、平行に対向し、線状導体間の間隙は２ｍｍである。

なお、本実施例は発明の内容を限定するものではない。例えば、線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂの大きさや材質、形状、間隙の長さ等は共振周波数等により適宜変更可能である。また、線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂは必ずしも平行して対向しなくともよく、例えば、仮に２つの線状導体を延長して成す角度は、必要とされる性能及び仕様に基づいて適宜設定される。

＜給電線１２９＞
給電線１２９は、基板２７の他方の板面（例えば、板面２７Ａ）に設けられ、地板３５から後述する２つの板状素子１２１Ａ及び１２１Ｂ方向に延長され、２本の線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂ、もしくは２本の線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂと後述する２つの板状素子１２１Ａ及び１２１Ｂに電磁結合する。

例えば、給電線１２９は、２つの線状導体１２３Ａまたは１２３Ｂのうち一方（例えば線状導体１２３Ａ）の一部に沿ってこれと平行に設けられた第１給電部１２９Ａと、２つの線状導体１２３Ａまたは線状導体１２３Ｂのうち他方（例えば線状導体１２３Ｂ）の一部に沿ってこれと平行に設けられた第２給電部１２９Ｂと、後述する板状素子１２１Ａ及び１２１Ｂの頂点Ａ、Ａ’よりも地板から遠い部分において、第１給電部１２９Ａと第２給電部１２９Ｂを接続する折返し部１２９Ｃを有する。

なお、本実施例は発明の内容を限定するものではない。例えば、給電線１２９の大きさや材質、形状等は他の構成要素（基板、地板、線状導体、板状素子等）により適宜変更可能である。また、給電線１２９の長さを適宜設定することで、所定の共振周波数におけるインピーダンス整合条件を調整することができる。また、頂点Ａ、Ａ’よりも地板３５に近い部分において第１給電部１２９Ａと第２給電部１２９Ｂを接続してもよい。

＜板状素子１２１Ａ及び１２１Ｂ＞
図７は、実施例１の板状素子１２１Ａ及び１２１Ｂの形状の例を示す。２つの板状素子１２１Ａ及び１２１Ｂは、一方の板面（例えば、板面２７Ｂ）に互いに分離されて設けられる。２つの板状素子１２１Ａ及び１２１Ｂは、２本の線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂと接続され、これら接続部に対して互いに外側に配置される。

板状素子１２１Ａ及び１２１Ｂはそれぞれ、その線状導体１２３Ａ、１２３Ｂと接する辺である第１縁辺ＡＢ及びＡ’Ｂ’と、その第１縁辺ＡＢ、Ａ’Ｂ’の地板側の頂点Ａ及びＡ’を起点として互いに外側にかつ地板３５方向に向かうように形成された第２縁辺ＡＰ及びＡ’Ｐ’を備える。

例えば、板状素子１２１Ａは、第１縁辺である短辺ＡＢと、短辺ＡＢに平行な長辺ＣＰを有する台形状である。第２縁辺は、短辺ＡＢ及び長辺ＣＰの地板側の頂点Ａ及びＰを結ぶ辺ＡＰである。板状素子１２１Ｂも同様の形状を有し、２つの板状素子１２１Ａ、１２１Ｂは、短辺ＡＢとＡ’Ｂ’が平行に対向するように配置される。なお、このとき、第１縁辺の地板側の頂点Ａと地板３５との距離ＡＦと、第２縁辺ＡＰの長さの和は、共振周波数の波長の略０．２倍となる構成であってもよい。第１縁辺の地板側の頂点Ａ’と地板３５との距離Ａ’Ｆ’と、第２縁辺Ａ’Ｐ’の長さの和についても同様である。なお、頂点Ａと地板３５との距離とは、線状導体１２３Ａ上において頂点Ａと地板３５を結ぶ最短距離である。例えば、本実施例では、線状導体１２３Ａの頂点Ａと地板上の点Ｆを結ぶ線状導体１２３Ａの外側の辺ＡＦの長さが頂点Ａと地板３５との距離となる。

ここで、例えば、台形状の板状素子１２１Ａの短辺ＡＢと長辺ＣＰの地板３５側とは反対側の頂点Ｂ及びＣを結ぶ辺ＢＣと、短辺ＡＢ及び長辺ＣＰの成す角度がそれぞれ垂直であるとする。辺ＢＣに平行な直線が頂点Ａを通るときの長辺ＣＰとの交点をＤとする。同様に、対称な板状素子１２１Ｂの交点をＤ’とする。図８は、交点Ｄと頂点Ｐの距離ＰＤと、共振周波数とＶＳＷＲが２以下となる比帯域幅の特性を示す図である。なお、これは、モーメント法により計算した結果である。計算において、各板状素子の厚みは０．０７ｍｍ、辺ＢＣは２７ｍｍ、短辺ＡＢは３１ｍｍ、線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂの幅は２ｍｍ、２つの線状導体１２３Ａと１２３Ｂの間隙は２ｍｍである。図９は、距離ＰＤが３３ｍｍの時の寸法例を、図１０は、図９の寸法例の波長（約３５３ｍｍの場合）に対する比を示す図である。

図８からわかるように、距離ＰＤが長くなるに従い、つまり第２縁辺ＡＰが長くなるに従い、共振周波数を下げることができる。さらに、帯域を広くできることがわかる。比帯域の観点を併せてみると、距離ＰＤが３０ｍｍのときに比帯域幅を最大にしつつ、共振周波数を下げることができる。なお、距離ＰＤが０のとき、つまり、板状素子１２１Ａ、１２１Ｂが台形ではなく、長方形の場合には、十分なＶＳＷＲを得ることはできないことがわかる。また、図４より、平面アンテナ１００は、プリントモノポールアンテナ３０に比べ十分なＶＳＷＲ特性が得られることがわかる。なお、図４は、距離ＰＤが３３ｍｍのときの計算結果である。

なお、ＰＤが１０ｍｍのとき、ＡＰは約２９ｍｍとなり、第１縁辺の地板側の頂点Ａと地板３５との距離ＡＦ（例えば、３４ｍｍ）と第２縁辺ＡＰの長さの和は６３ｍｍとなり、共振周波数９０５ＭＨｚの波長３３１ｍｍの約０．１９倍である。ＰＤが３３ｍｍのとき、ＡＰは約４３ｍｍとなり、第１縁辺の地板側の頂点Ａと地板３５との距離ＡＦ（例えば、３４ｍｍ）と第２縁辺ＡＰの長さの和は７７ｍｍとなり、共振周波数８５０ＭＨｚの波長３５３ｍｍの約０．２２倍である。

図１１は交点Ｄと頂点Ｐの距離が３３ｍｍのとき、図５（Ａ）に示すように基板２７の長手方向をＹ軸方向に平行に配置した場合のＸＺ平面の放射特性を、図１２はＹＺ平面の放射特性を示す。なお、Ｅθは電界のθ成分に対する、Ｅφは電界のφ成分に対する放射特性を表す。図１のｘ軸方向に配置されたダイポールアンテナ２０ではなく、図３のｙ軸方向に配置されたプリントモノポールアンテナ３０と同様の放射特性を有することがわかる。本実施例では、線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂ、板状素子１２１Ａ及び１２１Ｂに直接給電するのではなく、給電線１２９を用いて、電磁結合により給電している。そのため、平衡・不平衡線路接続で問題となる不要漏洩電流が軽減されるという効果を奏する。なお、仮に直接給電した場合には、十分なＶＳＷＲを得ることはできない。

図１３は、給電線１２９に給電した場合の電流分布の概念図である。矢印の向きは電流の向きを、矢印の大きさは電流の大きさを示す。給電線１２９に電流を流すことにより、線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂ、板状素子１２１Ａ及び１２１Ｂに電磁結合が発生し、板状素子１２１Ａ及び１２１Ｂの第２縁辺に電流は流れ、さらに、給電線１２９に流れる電流の向きとは逆向きに線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂに給電線に流れる電流よりも大きな電流が流れることがわかる。本実施例では、線状導体１２３Ａ、１２３Ｂがアンテナとして機能するため、長手方向と平行にアンテナ部分を配置することができ、効率的に電波を発射することができる。

このような構成にすることにより、小型、かつ、低ＶＳＷＲ特性を有し、不要漏洩電流を軽減する平面アンテナを構成することができる。

［変形例１］
実施例１と異なる部分のみ説明する。各板状素子２２１Ａ及び２２１Ｂの形状が異なる。図１４は、板状素子２２１Ａ及び２２１Ｂの形状の例を示す。例えば、板状素子２２１Ａは、第１縁辺である短辺ＡＢと、短辺に平行な長辺ＣＰを有する五角形状であり、第２縁辺ＡＰは、短辺ＡＢ及び長辺ＣＰの地板側の頂点ＡとＰを結ぶ２つの辺ＡＭとＭＰからなる。辺ＭＰと地板３５の対向する辺は、平行である。板状素子２２１Ｂも同様の形状を有する。

図１５は、距離ＤＰが３３ｍｍの場合の辺ＭＰの長さと、ＶＳＷＲが２以下となる共振周波数の関係を示す図である。このような形状とすることにより、実施例１と同様の効果を得ることができ、さらに、図より、頂点Ｍを中央側に移動させることにより、共振周波数をさらに下げることができ、電気的にさらに小型ができることがわかる。

なお、本変形例は発明の内容を限定するものではない。例えば、各板状素子２２１Ａ及び２２１Ｂの形状は、五角形以外の多角形でもよく、また、短辺ＡＢ及び長辺ＣＰの地板側の頂点ＡとＰを結ぶ辺は、３つ以上の辺からなるものであってもよく、共振周波数等により適宜変更可能である。

［変形例２］
実施例１と異なる部分のみ説明する。各板状素子３２１Ａ及び３２１Ｂの形状が異なる。図１６は、板状素子３２１Ａ及び３２１Ｂの形状の例を示す。例えば、板状素子３２１Ａは、第１縁辺である短辺ＡＢと、短辺ＡＢに平行な長辺ＣＰを有する五角形状であり、短辺ＡＢと長辺ＣＰの地板側とは反対側の頂点ＢとＣは、２つの辺ＢＧとＧＣにより結ばれる。板状素子３２１Ｂも同様の形状を有する。このような形状とすることで、実施例１と同様の効果を得ることが、さらに、基板及び板状素子をさらに小型化することができる。

なお、本変形例は発明の内容を限定するものではない。例えば、各板状素子３２１Ａ及び３２１Ｂの形状は、五角形以外の多角形でもよく、また、短辺ＡＢと長辺ＣＰの地板側とは反対側の頂点ＢとＣを結ぶ辺は、３つ以上の辺からなるものであってもよく、共振周波数等により適宜変更可能である。

［変形例３］
実施例１と異なる部分のみ説明する。各板状素子４２１Ａ及び４２１Ｂの形状が異なる。図１７は、板状素子４２１Ａ及び４２１Ｂの形状の例を示す。例えば、板状素子４２１Ａは、必ずしも台形状でなくともよい。板状素子４２１Ａは、四角形状であり、線状導体１２３Ａと接する辺である第１縁辺である短辺ＡＢと、短辺ＡＢの地板３５側の頂点Ａを起点として、外側にかつ地板３５に向かうように形成された第２縁辺ＡＰと、頂点Ｐを起点として、地板３５から遠ざかるように形成された長辺ＣＰを有する。なお、短辺ＡＢと長辺ＣＰは、平行でなくともよい。板状素子４２１Ｂも同様の形状を有する。このような形状とすることで、実施例１と同様の効果を得ることができ、さらに、より柔軟に平面アンテナ１００を生成することが可能である。

［変形例４］
実施例１と異なる部分のみ説明する。各板状素子５２１Ａ及び５２１Ｂの形状が異なる。図１８（Ａ）は板状素子５２１Ａ及び５２１Ｂの形状の例を、（Ｂ）は頂点Ｈと頂点Ｃが重なった場合の形状の例を示す。例えば、板状素子５２１Ａは、必ずしも台形状でなくともよい。例えば、板状素子５２１Ａは、第１縁辺である短辺ＡＢと、短辺に平行な長辺ＣＰを有する五角形状であり、短辺ＡＢと長辺ＣＰの地板側とは反対側の頂点ＢとＣは、辺ＢＨ及び辺ＨＣにより結ばれる。ｔ１＝０において、頂点Ｈは、長方形状の線状導体１２３Ａの地板３５と接しない辺の内側の頂点である。この頂点Ｈを頂点Ｃに近づける。なお、頂点Ａの近傍、例えば、第２縁辺ＰＡを延長し、線状導体１２３Ａのなす長方形状の内側の辺との交点Ｊを起点として、辺ＪＨの一端であるＨを頂点Ｃに近づける。頂点Ｈがもとの場所から移動した距離をｔ１とする。板状素子５２１Ｂも同様の形状を有する。図１９は、移動距離ｔ１と、ＶＳＷＲ特性の計算結果を示す。但し、図１９はＤＰが３３ｍｍの場合である。２ｍｍ＜ｔ１＜２９ｍｍのとき、板状素子５２１Ａは、五角形状となるが、実施例１と同様の効果を得ることができる。さらに、より柔軟に平面アンテナ１００を生成することが可能である。

［変形例５］
変形例４と異なる部分のみ説明する。各板状素子６２１Ａ及び６２１Ｂの形状が異なる。図２０は、板状素子６２１Ａ及び６２１Ｂの形状の例を示す。例えば、板状素子６２１Ａの周縁部分は必ずしも直線でなくともよく、板状素子６２１Ａは、線状導体１２３Ａと接する辺である第１縁辺ＡＢと、その第１縁辺ＡＢの地板側の頂点Ａを起点として外側にかつ地板３５方向に向かうように形成された第２縁辺ＡＰを備える。第１縁辺ＡＢの地板側とは反対の頂点Ｂと、第１縁辺である短辺ＡＢと平行な長辺ＣＰの地板側とは反対の頂点Ｃを結ぶ辺ＢＣは必ずしも直線でなくともよい。また、第２縁辺ＡＰも同様に必ずしも直線でなくともよい。また図示していないが、辺ＣＰも同様に必ずしも直線でなくともよい。板状素子６２１Ｂも同様の形状を有する。このような形状とすることで、実施例１と同様の効果を得ることができ、さらに、より柔軟に平面アンテナ１００を生成することが可能である。

実施例１と異なる部分についてのみ説明する。
＜平面アンテナ２１００＞
図２１は、プリントモノポールアンテナ３０及び実施例２の平面アンテナ２１００の入力ＶＳＷＲ特性の計算結果を示す。但し、プリントモノポールアンテナ３０の寸法は、基板２７の大きさが８５×６０ｍｍ、地板３５が１０×６０ｍｍ、帯状素子３１が５５×６０ｍｍとする。図２２（Ａ）は、実施例２の平面アンテナ２１００の構成例を示す正面図であり、（Ｂ）は、背面図である。図２３（Ａ）は、図２２（Ａ）のＴ１−Ｔ１’断面図であり、（Ｂ）は、図２２（Ａ）のＴ２−Ｔ２’断面図である。実施例２に係る平面アンテナ２１００を説明する。

平面アンテナ２１００は、誘電体基板２７と地板３５と２つの線状導体１２３Ａ、１２３Ｂと２つの板状素子２１２１Ａ、２１２１Ｂと給電線２１２９を備える。

基板２７の一方の板面（例えば、板面２７Ａ）には、給電線２１２９が設けられる。基板２７の他方の板面（例えば、板面２７Ｂ）には、地板３５、２つ線状導体１２３Ａ、１２３Ｂと２つの板状素子２１２１Ａ、２１２１Ｂが設けられる。なお、地板３５と板状素子２１２１Ａ、２１２１Ｂは線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂを介して接続されるが、直接接触しない。

例えば、２つの板状素子２１２１Ａ、２１２１Ｂは対称である。この場合、放射特性は、図２２におけるＸＺ平面（水平面）に対し均一となる。また、地板３５、２つ線状導体１２３Ａ、１２３Ｂと２つの板状素子２１２１Ａ、２１２１Ｂは、基板２７上にエッチングまたは基板加工機等により掘削して構成する。

なお、本実施例は発明の内容を限定するものではない。例えば、２つの板状素子２１２１Ａ、２１２１Ｂは必ずしも対称である必要はなく、放射特性に歪みを持たせる場合には、２つの板状素子は、相似形等であってもよい。また、地板３５、２つ線状導体１２３Ａ、１２３Ｂと２つの板状素子２１２１Ａ、２１２１Ｂは、それぞれの構成要素を別々に生成し、接続してもよい。

＜基板２７及び地板３５＞
基板２７は、誘電体である。例えば、比誘電率は３．３であり、形状は長方形であり、長手方向の長さは共振周波数の波長の略０．２６３５倍であり、短手方向の長さは波長の略０．１８６０倍である。例えば、共振周波数が９３０ＭＨｚ（波長は約３２２．６ｍｍ）の電波の場合、大きさは８５×６０ｍｍとする。

地板３５は、一方の板面（例えば、板面２７Ｂ）上に偏在する。例えば、基板２７が長方形の場合には、長方形の一辺に沿って偏在する。例えば、地板３５は、長方形であり、基板２７長手方向の長さは共振周波数の波長の略０．０３１０倍であり、基板２７短手方向の長さは波長の略０．１８６０倍である。例えば、厚さ１．６ｍｍ、共振周波数が９３０ＭＨｚの電波の場合、大きさは１０×６０ｍｍである。
なお、本実施例は発明の内容を限定するものではない。例えば、地板３５及び基板２７の大きさや材質、形状等は共振周波数等により適宜変更可能である。

＜線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂ＞
２本の線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂは、一方の板面（例えば、板面２７Ｂ）に設けられ、一端が互いに離されて、地板３５の一辺に接続され、かつ、地板３５から遠ざかる方向に延長される。例えば、基板２７が長方形の場合には、線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂは、基板２７の長手方向と平行に配置される。また、例えば、共振周波数が９３０ＭＨｚの電波の場合、線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂの長さは７５ｍｍであり、形状は帯状であり、平行に対向し、線状導体間の間隔は２２．６ｍｍである。

なお、本実施例は発明の内容を限定するものではない。例えば、線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂの大きさや材質、形状、間隔等は共振周波数等により適宜変更可能である。また、線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂは必ずしも平行して対向しなくともよく、例えば、仮に２つの線状導体を延長して成す角度は、必要とされる性能及び仕様に基づいて適宜設定される。

＜給電線２１２９＞
給電線２１２９は、基板２７の他方の板面（例えば、板面２７Ａ）に設けられ、地板３５から後述する２つの板状素子２１２１Ａ、２１２１Ｂ方向に延長され、２本の線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂ、もしくは２本の線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂと２つの板状素子２１２１Ａ及び２１２１Ｂに電磁結合する。

給電線２１２９は、基板２７の他方の板面（例えば、板面２７Ａ）に、２つの線状導体１２３Ａと１２３Ｂに平行に、かつ、２つの線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂの中心に配置される。

なお、本実施例は発明の内容を限定するものではない。例えば、給電線２１２９の大きさや材質、形状等は他の構成要素（基板、地板、線状導体、板状素子等）により適宜変更可能である。また、給電線２１２９の長さは基板２７上に収まる長さであり、長さを適宜設定することで、所定の共振周波数におけるインピーダンス整合条件を調整することができる。

＜板状素子２１２１Ａ及び２１２１Ｂ＞
図２４は、実施例２の板状素子２１２１Ａ及び２１２１Ｂの形状の例を示す。板状素子２１２１Ａ、２１２１Ｂは、一方の板面（例えば、板面２７Ｂ）に互いに分離されて設けられ、２本の線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂと接続され、これら接続部に対して互いに外側に配置されている。さらに、２つの板状素子２１２１Ａ及び２１２１Ｂはそれぞれ、その線状導体１２３Ａ、１２３Ｂと接する辺である第１縁辺ＡＢ及びＡ’Ｂ’と、その第１縁辺ＡＢ、Ａ’Ｂ’の地板３５側の頂点Ａ、Ａ’を起点として互いに外側にかつ地板３５方向に向かうように形成された第２縁辺ＡＰ及びＡ’Ｐ’を備える。

例えば、板状素子２１２１Ａは、第１縁辺である短辺ＡＢと、短辺ＡＢに平行な長辺ＣＰを有する台形状である。第２縁辺は短辺ＡＢと長辺ＣＰの地板３５側の頂点ＡとＰを結ぶ辺ＡＰである。板状素子２１２１Ｂも同様の形状を有し、２つの板状素子２１２１Ａ、２１２１Ｂは、短辺ＡＢとＡ’Ｂ’が平行に対向するように配置される。

ここで、例えば、台形状の板状素子２１２１Ａの短辺ＡＢと長辺ＣＰの地板３５側とは反対側の頂点Ｂ及びＣを結ぶ辺ＢＣと、短辺ＡＢ及び長辺ＣＰの成す角度がそれぞれ垂直であるとする。図２５は、長辺ＣＰの長さと、共振周波数とＶＳＷＲが２以下となる比帯域幅の特性を示す図である。なお、これは、モーメント法により計算した結果である。図２６は長辺ＣＰの長さが３１．２ｍｍの時の寸法例を示す。計算において、各板状素子の厚みは０．０７ｍｍ、辺ＢＣは１６．２ｍｍ、短辺ＡＢは２．３ｍｍ、各線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂの長さは７５ｍｍ、２つの線状導体間の距離は２２．６ｍｍである。図２７は、図２６の寸法例の波長（波長約３２２．６ｍｍの場合）に対する比を示す図である。

図２５からわかるように、長辺ＣＰが長くなるに従い、つまり第２縁辺ＡＰが長くなるに従い、共振周波数を下げることができる。比帯域の観点を併せてみると、長辺ＣＰの長さが３１．２ｍｍのときに比帯域幅を最大にしつつ、共振周波数を下げることができる。なお、図２８は、短辺ＡＢの長さと、共振周波数とＶＳＷＲが２以下となる比帯域の特性を示す図である。なおこれは、モーメント法により計算した結果である。計算においては、図２６に示す素子パラメータをもとに短辺ＡＢの長さを変化させた。図２８からわかるように、短辺ＡＢの長さを長くすると共振周波数が高くなる。比帯域幅の観点を併せてみると、短辺ＡＢの長さが２．３ｍｍのとき比帯域幅を最大にしつつ、共振周波数を下げることができる。また、図２１より、プリントモノポールアンテナ３０は、共振周波数９３０ＭＨｚの場合に、ＶＳＷＲを２．０までしか下げることができず、また比帯域幅が狭いことがわかる。一方、平面アンテナ２１００は、プリントモノポールアンテナ３０に比べ十分なＶＳＷＲ特性が得られ、かつ、広帯域なＶＳＷＲ特性を有することがわかる。なお、図２１は、長辺ＣＰの長さが３１．２ｍｍ、短辺ＡＢの長さが２．３ｍｍのときの計算結果である。

なお、長辺ＣＰの長さが３１．２ｍｍであって、短辺ＡＢの長さが２．３ｍｍのとき、第２縁辺ＡＰは約３３．１ｍｍとなり、第１縁辺ＡＢの地板側の頂点Ａと地板３５との距離ＡＦは７２．７ｍｍとなる。このとき、距離ＡＦと第２縁辺ＡＰの長さの和は１０５．８ｍｍとなり、共振周波数９３０ＭＨｚの波長３３２．６ｍｍの略０．３２倍である。

図２９は板状素子の長辺ＣＰの長さが５９ｍｍ、短辺ＡＢの長さが１ｍｍのとき、構成例を示す。図３０は、図２９の構成におけるＶＳＷＲ特性を示す。共振周波数は７３７．５ＭＨｚ、比帯域幅４．７％となる。このとき、第２縁辺ＡＰは６０．２２ｍｍとなり、距離ＡＦ（７４ｍｍ）との和は１３４．２２ｍｍであり、共振周波数の波長４０６．８ｍｍに対する比は、略０．３３となる。

図３１は板状素子の長辺ＣＰの長さが５９ｍｍ、短辺ＡＢの長さが５８ｍｍのときの構成例を示す。図３２は、図３１の構成におけるＶＳＷＲ特性を示す。共振周波数は１２１５ＭＨｚ、比帯域幅１７．３％となる。このとき、辺ＡＰは１６．２３ｍｍとなり、距離ＡＦ（１７ｍｍ）との和は３３．２３ｍｍであり、共振周波数１２１５ＭＨｚの波長２４６．９ｍｍに対する比は、略０．１３となる。短辺ＡＢ、Ａ’Ｂ’の長さは適宜変更可能であり、第１縁辺の地板側の頂点と地板との距離と第２縁辺の長さの和と共振周波数の波長の比は、少なくとも、０．１３〜０．３３の間の値をとることができる。

寸法が図２６のときに、図２２（Ａ）に示すように基板２７の長手方向をＹ軸方向に平行に配置した場合のＸＺ平面の放射特性を図３３に、ＹＺ平面の放射特性を図３４に示す。図１のダイポール素子の長手方向がｘ軸方向に配置されたダイポールアンテナ２０ではなく、図２のダイポール素子の長手方向がｙ軸方向に配置されたプリントダイポール２０’と図３のモノポール素子の長手方向がＹ軸方向に配置されたプリントモノポール３０と同様の放射特性を有することがわかる。ＸＺ平面を水平面として考えた場合、いわゆる水平面無指向性の放射特性となる。

また、本実施例では、線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂ、板状素子２１２１Ａ及び２１２１Ｂに直接給電するのではなく、給電線２１２９を用いて、電磁結合により給電している。そのため、平衡・不平衡線路接続で問題となる不要漏洩電流が軽減されるという効果を奏する。なお、仮に直接給電した場合には、十分なＶＳＷＲを得ることはできない。

図３５は、給電線２１２９に給電した場合の電流分布の概念図である。矢印の向きは電流の向きを、矢印の大きさは電流の大きさを示す。給電線２１２９に電流を流すことにより、線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂ、板状素子２１２１Ａ及び２１２１Ｂに電磁結合が発生し、板状素子２１２１Ａ及び２１２１Ｂの第２縁辺に電流は流れ、さらに、給電線２１２９に流れる電流の向きとは逆向きに線状導体１２３Ａ及び１２３Ｂに給電線に流れる電流よりも大きな電流が流れることがわかる。本実施例では、線状導体１２３Ａ、１２３Ｂがアンテナとして機能するため、長手方向と平行にアンテナ部分を配置することができ、効率的に電波を発射することができる。

このような構成にすることにより、小型、かつ、広帯域なＶＳＷＲ特性を有し、不要漏洩電流を軽減する平面アンテナを構成することができる。なお、図４と図２１から分かるように、従来技術や実施例１よりも広帯域なＶＳＷＲ特性を有する。

［変形例１］
実施例２と異なる部分のみ説明する。各板状素子２２２１Ａ及び２２２１Ｂの形状が異なる。図３６は、板状素子２２２１Ａ及び２２２１Ｂの形状の例を示す。例えば、板状素子２２２１Ａは、第１縁辺である短辺ＡＢと、短辺ＡＢに平行な長辺ＣＰを有する五角形状であり、第２縁辺ＡＰは、短辺ＡＢ及び長辺ＣＰの地板側の頂点ＡとＰを結ぶ２つの辺ＡＭとＭＰからなる。板状素子２２２１Ｂも同様の形状を有する。

このような形状とすることにより、実施例２と同様の効果を得ることができ、さらに、より柔軟に平面アンテナ２１００を生成することが可能である。なお、本変形例は発明の内容を限定するものではない。例えば、各板状素子２２２１Ａ及び２２２１Ｂの形状は、五角形以外の多角形でもよく、また、短辺ＡＢ及び長辺ＣＰの地板側の頂点ＡとＰを結ぶ辺は、３つ以上の辺からなるものであってもよく、共振周波数等により適宜変更可能である。

［変形例２］
実施例２と異なる部分のみ説明する。各板状素子２３２１Ａ及び２３２１Ｂの形状が異なる。図３７は、板状素子２３２１Ａ及び２３２１Ｂの形状の例を示す。例えば、板状素子２３２１Ａは、第１縁辺である短辺ＡＢと、短辺ＡＢに平行な長辺ＣＰを有する五角形状であり、短辺ＡＢと長辺ＣＰの地板側とは反対側の頂点ＢとＣは、２つの辺ＢＧとＧＣにより結ばれる。板状素子２３２１Ｂも同様の形状を有する。このような形状とすることで、実施例２と同様の効果を得ることができ、さらに、基板及び板状素子をさらに小型化することができる。

なお、本変形例は発明の内容を限定するものではない。例えば、各板状素子２３２１Ａ及び２３２１Ｂの形状は、五角形以外の多角形でもよく、また、短辺ＡＢと長辺ＣＰの地板側とは反対側の頂点ＢとＣを結ぶ辺は、３つ以上の辺からなるものであってもよく、共振周波数等により適宜変更可能である。

［変形例３］
実施例２と異なる部分のみ説明する。各板状素子２４２１Ａ及び２４２１Ｂの形状が異なる。図３８は、板状素子２４２１Ａ及び２４２１Ｂの形状の例を示す。例えば、板状素子２４２１Ａは、必ずしも台形状でなくともよい。板状素子２４２１Ａは、四角形状であり、線状導体１２３Ａと接する辺である第１縁辺ＡＢと、その第１縁辺ＡＢの地板側の頂点Ａを起点として互いに外側にかつ地板３５方向に向かうように形成された第２縁辺ＡＰを備える。また、頂点Ｐを起点として、地板３５から遠ざかるように形成された長辺ＣＰを有する。なお、短辺ＡＢと長辺ＣＰは、平行でなくともよい。板状素子２４２１Ｂも同様の形状を有する。このような形状とすることで、実施例２と同様の効果を得ることが、さらに、より柔軟に平面アンテナ２１００を生成することが可能である。

［変形例４］
実施例２と異なる部分のみ説明する。各板状素子２５２１Ａ及び２５２１Ｂの形状が異なる。図３９は板状素子２５２１Ａ及び２５２１Ｂの形状の例を示す。例えば、板状素子２５２１Ａは、短辺ＡＢ及びこれと平行な長辺ＣＰと、各辺の地板３５とは反対側の頂点ＢとＣを結ぶ辺ＢＣが、それぞれなす角∠ＰＣＢ、∠ＡＢＣが直角でなくともよい。板状素子２５２１Ｂも同様の形状を有する。このような形状とすることで、実施例２と同様の効果を得ることができる。さらに、より柔軟に平面アンテナ２１００を生成することが可能である。

［変形例５］
実施例２と異なる部分のみ説明する。各板状素子２６２１Ａ及び２６２１Ｂの形状が異なる。図４０は、板状素子２６２１Ａ及び２６２１Ｂの形状の例を示す。（Ａ）は第２縁辺ＡＰ及びＡ’Ｐ’が曲線の場合の例を、（Ｂ）は辺ＢＣ及びＢ’Ｃ’が曲線の場合の例を、（Ｃ）は辺ＣＰ、Ｃ’Ｐ’が曲線の場合の例を示す。例えば、板状素子２６２１Ａの周縁部分は必ずしも直線でなくともよい。例えば、板状素子２６２１Ａは、線状導体１２３Ａと接する辺である第１縁辺ＡＢと、その第１縁辺ＡＢの地板３５側の頂点Ａを起点として互いに外側にかつ前記地板方向に向かうように形成された第２縁辺ＡＰを備える。第２縁辺ＡＰ、辺ＢＣ及び辺ＣＰは、図４０（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のように、曲線であってもよく、必ずしも直線を有さなくてもよい。板状素子２６２１Ｂも同様の形状を有する。このような形状とすることで、実施例２と同様の効果を得ることが、さらに、より柔軟に平面アンテナ２１００を生成することが可能である。

１００，２１００平面アンテナ
１２１Ａ，１２１Ｂ，２２１Ａ，２２１Ｂ，３２１Ａ，３２１Ｂ，４２１Ａ，４２１Ｂ，５２１Ａ，５２１Ｂ，６２１Ａ，６２１Ｂ，２１２１Ａ，２１２１Ｂ，２２２１Ａ，
２２２１Ｂ，２３２１Ａ，２３２１Ｂ，２４２１Ａ，２４２１Ｂ，２５２１Ａ，２５２１Ｂ，２６２１Ａ，２６２１Ｂ板状素子
１２３Ａ，１２３Ｂ線状導体３５地板
２７基板１２９，２１２９給電線

Claims

誘電体基板と、
前記基板の一方の板面に設けられた地板と、
前記一方の板面に設けられ、一端が互いに離されて、前記地板の一辺に接続され、かつ、前記地板から遠ざかる方向に延長された２本の線状導体と、
前記一方の板面に互いに分離されて設けられ、前記２本の線状導体と接続され、これら接続部に対して互いに外側に配置されている２つの板状素子と、
前記基板の他方の板面に設けられ、前記地板から前記２つの板状素子方向に延長され、前記２本の線状導体、もしくは前記２本の線状導体と前記２つの板状素子に電磁結合する１本の給電線とを具備し、
前記２つの板状素子はそれぞれ、その前記線状導体と接する辺である第１縁辺と、その第１縁辺の地板側の頂点を起点として互いに外側にかつ前記地板方向に向かうように形成された第２縁辺を備え、
前記２つの線状導体は、対向し、
前記給電線は、前記２つの線状導体に平行に、かつ、前記２つの線状導体の中心に配置される、
ことを特徴とする平面アンテナ。
請求項１記載の平面アンテナであって、
前記板状素子は、第１縁辺である短辺と、短辺に平行な長辺を有する多角形状であり、前記第２縁辺は、前記短辺及び長辺の前記地板側の頂点を結ぶ１以上の辺からなり、
前記２つの板状素子は、前記短辺同士が対向するように配置されること、
を特徴とする平面アンテナ。
請求項２記載の平面アンテナであって、
前記短辺と長辺の前記地板側とは反対側の頂点は１以上の辺により結ばれること、
を特徴とする平面アンテナ。
請求項３記載の平面アンテナであって、
前記基板は、長方形であり、
前記２つの線状導体は、前記基板長手方向と平行に配置され、
各前記板状素子は、短辺と、短辺に平行な長辺を有する台形状であり、前記第２縁辺は、前記短辺及び長辺の前記地板側の頂点を結ぶ辺であること、
を特徴とする平面アンテナ。
請求項４記載の平面アンテナであって、
前記第１縁辺の地板側の頂点と前記地板との距離と、前記第２縁辺の長さの和は、共振周波数の波長の略０．２〜０．３倍であること、
を特徴とする平面アンテナ。