JP5365334B2 - 平面アンテナ、無線モジュール及び無線システム - Google Patents

Description

本発明は、共振周波数を調整可能な平面アンテナに関する。

近年、大容量のデータを高速に通信するため、マイクロ波やミリ波を用いた無線通信の重要性が高まっている。無線通信は決められた周波数帯の中で行う必要があり、機器に搭載されるアンテナはその通信周波数帯で性能を発揮するよう設計される。無線通信機器のアンテナとして、誘電体基板上にグラウンド導体及び方形（長方形又は正方形）や円形のアンテナ導体を形成したパッチアンテナ構造の平面アンテナが広く用いられている。このパッチアンテナ構造の平面アンテナでは、アンテナ導体の大きさと誘電体基板の誘電率によってアンテナを動作させる共振周波数が決まる。

一般にパッチアンテナ構造では１つのアンテナを広い周波数帯で動作させることは難しく、アンテナは特定の周波数帯でしか使用できない。通信周波数帯を変更するには、アンテナを共振周波数の異なるものに取り替える必要がある。これには共振周波数の異なるアンテナをあらかじめ用意しなければならないという問題点がある。

他にも平面アンテナの共振周波数に関して次のような問題がある。すなわち、アンテナ導体の大きさや誘電体基板の誘電率が製造条件による公差を含むため、アンテナの共振周波数は設計値に対して変動する。また、アンテナは通信機器内部において他の電子デバイスとともに高密度に実装される。このときアンテナ導体が周囲の電子デバイスや金属部品などと電気的に結合することによってもアンテナの共振周波数は変動する。

アンテナの共振周波数が目的の通信周波数帯と合致しない場合には、アンテナ導体の大きさを変更するなどしてアンテナを再度製作しなければならないという問題点がある。以上の問題点から、通信周波数帯の変更や通信周波数帯とアンテナの共振周波数を合致させるため、アンテナの共振周波数を変化させる技術が必要とされている。

平面アンテナの共振周波数を変化させる技術に関して、例えば特許文献１及び特許文献２に示される技術がある。特許文献１では、誘電体基板の表面に基本パッチ部と付加パッチ部が形成され、両パッチ間がＰＩＮダイオードで接続されているものが開示されている。このダイオードに印加する制御用の直流電圧により両パッチの電気的な接続を切り替えている。これにより基本パッチ部と付加パッチ部との電気的な接続を切り替え、アンテナ導体の実効的な大きさを変えることでアンテナの共振周波数を変化させている。

特許文献２では、アンテナ導体となる給電素子の周囲にマトリックス状に分割された無給電素子が配置されているものが開示されている。隣接する無給電素子をＰＩＮダイオード等により接続し、その選択的なスイッチングにより導通する無給電素子の面積を変えている。これによりアンテナ導体の共振周波数を変化させ、目的の共振周波数を得ている。

特許文献３では、第１の誘電体基板上に形成されたアンテナ導体表面に第２の誘電体基板を配設している。第２の誘電体基板の波長短縮効果によりアンテナ導体の共振周波数を低周波化している。

特開平１０−１９０３４７号公報 特開２００６−１１５４５１号公報 特開２００３−１７９４２７号公報

しかしながら、上記特許文献１および特許文献２に開示される技術では、半導体素子のスイッチングを行うための電源と制御回路が必要であり、さらにバイアス配線や制御用配線を引き回す必要がある。このためアンテナ装置の構成が複雑になり、設計に手間がかかるという問題がある。また、特許文献３に開示される技術では、第２の誘電体基板をアンテナ導体表面に配設するため、第１の誘電体基板と第２の誘電体基板とを半田付けなどで固定する工程を必要とする。しかし、このようにして固定された誘電体基板は容易に交換することはできず、第２の誘電体基板を配置した後にアンテナ導体の共振周波数を再度調整することは困難である。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、電子回路や配線の引き回しを必要とせず、簡易な構成で共振周波数を調整可能な平面アンテナ、無線モジュール及び無線システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る平面アンテナは、板状の第一誘電体と、該第一誘電体の一方の面側に配されたアンテナ導体と、前記第一誘電体の他方の面側に配されたグランド導体と、を有する第一層と、該第一層に積層される板状の第二誘電体と、該第二誘電体に積層されるパッド導体と、を有する第二層と、前記第二誘電体と接する前記アンテナ導体又は前記グランド導体の何れか一方と、前記パッド導体と、を異なる電位に維持した状態で、前記アンテナ導体又は前記グランド導体の何れか他方と、前記パッド導体と、を同電位に接続する接続導体と、誘電体基板の上下面にそれぞれアンテナ導体およびグラウンド導体が取り付けられ、厚さ方向に複数の貫通孔が穿孔された板状アンテナと、前記板状アンテナの貫通孔に選択的に取り付けられる共振周波数調整部材と、を備えていることを特徴とする。

また、本発明に係る無線モジュールは、本発明に係る平面アンテナを備えていることを特徴とする。さらに、本発明に係る無線システムは、本発明に係る無線モジュールを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、電子回路や配線の引き回しを必要とせず、簡易な構成で共振周波数を調整することができる。
また、本発明によれば、電源や制御回路またはバイアス配線や制御配線を必要とせず、また、共振周波数調整用の誘電体基板を半田付けなどで固定する必要もなく、共振周波数調整部材の取り付け／取り外しにより、アンテナの製造後であっても容易に共振周波数を調整することができる効果がある。

本発明の第１の実施形態に係る平面アンテナを示す分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る平面アンテナの接続導体によるパッド導体とグラウンド導体の接続を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る平面アンテナの接続導体、アンテナ導体、グラウンド導体、パッド導体の接続を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る平面アンテナにおけるパッチアンテナの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る平面アンテナにおけるＴＥ１０モードの電圧分布を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る平面アンテナにおけるＴＥ２０モードの電圧分布を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る平面アンテナの変形例を示す分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る平面アンテナの変形例における接続導体によるパッド導体とグラウンド導体、金属筐体の接続を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る平面アンテナの変形例における接続導体、アンテナ導体、グラウンド導体、パッド導体、金属筐体の接続を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る平面アンテナを示す分解斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る平面アンテナの接続導体によるパッド導体とアンテナ導体の接続を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る平面アンテナの接続導体、アンテナ導体、グラウンド導体、パッド導体の接続を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る平面アンテナを示す分解斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る平面アンテナの接続導体による接続形態を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る平面アンテナの接続形態を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る平面アンテナの変形例における接続導体による接続形態を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る平面アンテナの変形例における接続形態を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る平面アンテナの電磁界シミュレーションモデルを示す全体図である。 図１８における接続導体、アンテナ導体、グラウンド導体、パッド導体の接続を示す断面図である。 電磁界シミュレーションモデルにおける接続導体によるパッド導体とグラウンド導体の接続パターン（６箇所）を示す図である。 電磁界シミュレーションモデルにおける接続導体によるパッド導体とグラウンド導体の接続パターン（１０箇所）を示す図である。 電磁界シミュレーションモデルにおける接続導体によるパッド導体とグラウンド導体の接続パターン（２２箇所）を示す図である。 パッド導体の個数を変化させたときの電力反射係数のシミュレーション結果を示すグラフである。 パッド導体の大きさを変化させたときの電力反射係数のシミュレーション結果を示すグラフである。 パッド導体とアンテナ導体間の誘電体厚さを変化させたときの電力反射係数のシミュレーション結果を示すグラフである。 アンテナ導体とグラウンド導体間を１．６ｍｍ、パッド導体とアンテナ導体間を０．２ｍｍ、パッド導体の大きさを３ｍｍ×３ｍｍとしたときの電力反射係数のシミュレーション結果を示すグラフである。 アンテナ導体とグラウンド導体間を１．２ｍｍ、パッド導体とアンテナ導体間を０．２ｍｍ、パッド導体の大きさを３ｍｍ×３ｍｍとしたときの電力反射係数のシミュレーション結果を示すグラフである。 アンテナ導体とグラウンド導体間を０．８ｍｍ、パッド導体とアンテナ導体間を０．２ｍｍ、パッド導体の大きさを３ｍｍ×３ｍｍとしたときの電力反射係数のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の第４の実施形態による平面アンテナの構成を示す断面図である。 第４の実施形態による平面アンテナの要部の構成を示す斜視図である。 第４の実施形態による平面アンテナの分解斜視図である。 第４の実施形態による平面アンテナと金属筐体との接続例を示す斜視図である。 第４の実施形態による平面アンテナと金属筐体との接続例を示す斜視図である。 第４の実施形態による平面アンテナと金属筐体との接続例を示す分解斜視図である。 第４の実施形態による平面アンテナの要部である板状アンテナの斜視図である。 第４の実施形態による板状アンテナにおけるＴＥ１０モードの電圧分布を示す図である。 第４の実施形態による板状アンテナにおけるＴＥ２０モードの電圧分布を示す図である。 本発明の第５の実施形態による平面アンテナの構成を示す断面図である。 第５の実施形態による平面アンテナの分解斜視図である。 本発明の第６の実施形態による平面アンテナの構成を示す断面図である。 第６の実施形態による平面アンテナの分解斜視図である。 第４の実施形態による平面アンテナの電磁界シミュレーションモデルを示す斜視図である。 同モデルの断面図である。 同モデルにおける共振周波数調整部材の配置例を示す図である。 同モデルにおける共振周波数調整部材の配置例を示す図である。 同モデルにおける共振周波数調整部材の配置例を示す図である。 同モデルによる共振周波数の測定結果を示す図である。 同モデルによる共振周波数の測定結果を示す図である。 同モデルによる共振周波数の測定結果を示す図である。 同モデルによる共振周波数の測定結果を示す図である。

本発明に係る第１の実施形態について、図１から図９を参照して説明する。
本実施形態に係る無線システム１が有する無線モジュール２の平面アンテナ１０は、図１から図３に示すように、板状の第一誘電体１１と、第一誘電体１１の一方の面１１ａ側に配された方形のアンテナ導体１２と、第一誘電体１１の他方の面１１ｂ側に配されたグランド導体１３と、を有する第一層１５と、第一層１５に積層される板状の第二誘電体１６と、第二誘電体１６に積層されるパッド導体１７と、を有する第二層１８と、第二誘電体１６と接するアンテナ導体１２と、パッド導体１７と、を異なる電位に維持した状態で、グランド導体１３と、パッド導体１７と、を同電位に接続する接続導体２０と、を備えている。

パッド導体１７は、アンテナ導体１２とグランド導体１３との間の電圧が大きい箇所や小さい箇所に複数配されている。
接続導体２０は、パッド導体１７と接続される第一接続部２１と、グランド導体１３と接続される第二接続部２２と、第一接続部２１及び第二接続部２２とを接続する本体部２３と、を備えている。

第一誘電体１１、アンテナ導体１２、第二誘電体１６、グランド導体１３、及びパッド導体１７には、それぞれ厚さ方向に本体部２３が貫通可能な位置に貫通孔２５が配されている。第一誘電体１１、アンテナ導体１２、第二誘電体１６、及びグランド導体１３には、貫通孔２５が複数配されている。各パッド導体１７には、貫通孔２５が一つ配されている。貫通孔２５は、本体部２３よりも大径に形成されている。そのため、接続導体２０と接触しないパッド導体１７と、アンテナ導体１２と、は異電位に維持されている。

接続導体２０は、すべてのパッド導体１７とグランド導体１３とを接続するものではなく、平面アンテナ１０の共振周波数を調整する際、所望の共振周波数を得るために必要な箇所のパッド導体１７と対応するグランド導体１３とを選択して接続する。
アンテナ導体１２に対する給電構造は、背面給電や共平面給電、或いは電磁結合型給電といった構造を用途に応じて採用すればよい。

次に、この平面アンテナ１０の作用について説明する。
図４に示すような平面アンテナ１０では、アンテナ導体１２とグランド導体１３との間の電圧がアンテナ導体１２に沿って半波長の定在波を生じる基本共振モードが主に使用される。
この基本共振モードにおいてアンテナ導体１２とグランド導体１３との間に図５に示す電圧が生じる。すなわち、ｙ方向には分布を持たず、ｘ方向の端部で最大、中央部で最小となる半波長の電圧定在波が生じる。

平面アンテナ１０では、アンテナ導体１２とパッド導体１７との間のキャパシタンスが、アンテナ導体１２とグランド導体１３との間に付加され、両導体間の電圧に対して作用してアンテナの共振周波数が低下する。ここで、パッド導体１７が大きいほどアンテナ導体１２との間に形成されるキャパシタンスも大きく、アンテナの共振周波数も大きく低下する。また、アンテナ導体１２とグランド導体１３との間の電圧が大きい箇所に配置されたキャパシタンスによって共振周波数が大きく低下する一方、電圧が小さい箇所に配置されたキャパシタンスによって共振周波数が小さく低下する。

この無線システム１、無線モジュール２、平面アンテナ１０によれば、パッド導体１７の大きさ及び配設位置、すなわちパッド導体１７とアンテナ導体１２との間のキャパシタンスの大きさ、及びキャパシタンスが付加される箇所におけるアンテナ導体１２とグランド導体１３との間の電圧の大きさにより、アンテナの共振周波数を変化する割合を調整することができる。

より高調波の共振モードでアンテナを使用する場合も同様に考えてよい。
例えば図６に示すように、アンテナ導体１２とグランド導体１３との間に１波長の電圧定在波が生じる共振モードでは、アンテナ導体１２のｘ方向両端および中央部で電圧が大きく、これらの中間部では電圧が小さい。
このとき、アンテナ導体１２のｘ方向両端および中央部に形成されたパッド導体１７による共振周波数の変化は相対的に大きく、端部と中央部の中間に形成されたパッド導体１７による共振周波数の変化は相対的に小さい。

なお、図７から図９に示すように、第二接続部２２を介してグランド導体１３と電気的に接続された金属筐体（導電性筐体）２７を備えた平面アンテナ３０でもよい。この場合、本体部２３が非導電性であれば、共振周波数を変化させることなくアンテナ導体１２等が金属筐体２７に固定される。すなわち、本体部を導電性のものと非導電性のものとで使いわけることによって、必要な周波数で共振するようにアンテナ導体１２の共振周波数を変化させつつ、アンテナ導体１２を金属筐体２７に安定して固定することが可能となる。

次に、第２の実施形態について図１０から図１２を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る平面アンテナ４０の第二誘電体１６が、第一層１５のグランド導体１３に積層され、接続導体２０が、パッド導体１７と、アンテナ導体１２と、を同電位に接続するとともに、パッド導体１７と、グランド導体１３と、が異電位に維持されているとした点である。

すなわち、本実施形態に係る平面アンテナ４０は、第１の実施形態に係る平面アンテナ１０のアンテナ導体１２とグランド導体１３とを入れ替えた構成となっている。接続導体２０の第二接続部２２は、アンテナ導体１２と接続されている。

次に、この平面アンテナ４０の作用について説明する。この平面アンテナ４０は、パッド導体１７とグランド導体１３との間のキャパシタンスがアンテナ導体１２とグランド導体１３との間に付加されることになる。この際、平面アンテナ４０の共振周波数が変化する。

この平面アンテナ４０によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。
すなわち、パッド導体１７をアンテナ導体１２若しくはグランド導体１３の何れとも対向させても同様の効果が得られる。このため、他の電子回路が形成されるプリント基板内にアンテナを設ける際には、プリント基板の層構成やアンテナへの給電回路の構成に応じて、パッド導体１７をアンテナ導体１２またはグランド導体１３の何れかに対向させるかを選択することができる。

次に、第３の実施形態について図１３から図１５を参照しながら説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第３の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る平面アンテナ５０が、第一層１５に積層される第三誘電体５１と、第三誘電体５１に積層される第二パッド導体５２と、を備え、接続導体５３が、パッド導体１７と第二パッド導体５２とを同電位に接続するとした点である。

第二パッド導体５２は、パッド導体１７と同様に複数配されている。接続導体５３は、第二パッド導体５２とグランド導体１３とを電気的に接続するための短絡導体５５をさらに備えている。なお、図１６及び図１７に示すように、パッド導体１７とアンテナ導体１２との間に短絡導体５５が配された平面アンテナ６０としてもよい。

この平面アンテナ５０では、パッド導体１７とアンテナ導体１２との間のキャパシタンスがアンテナ導体１２とグランド導体１３との間に付加され、共振周波数を変化させる。
一方、平面アンテナ６０では、第二パッド導体５２とグランド導体１３との間のキャパシタンスがアンテナ導体１２とグランド導体１３との間に付加され、共振周波数を変化させる。

この平面アンテナ５０，６０によれば、多層プリント基板中に他の電子回路とともに平面アンテナを形成する場合、アンテナ導体及びグランド導体の両者が誘電体基板の内層に形成されることがあっても、第１の実施形態と同様に共振周波数を調節することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、パッド導体１７や第二パッド導体５２の大きさは、異なる大きさであってもよい。この場合には、アンテナ導体１２とグランド導体１３との間の電圧が大きい箇所や小さい箇所に配されることによって、より好適にアンテナ導体１２とグランド導体１３との間のキャパシタンスを調節することができる。

第１の実施形態に係る平面アンテナ１０に対して、共振周波数の変化に関するシミュレーションを実施した。
ここで、図１８に示すように、平面アンテナ１０は、大きさ５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さｔ１の基板である第一誘電体１１の他方の面１１ｂ側に５０ｍｍ×５０ｍｍのグランド導体１３が形成され、一方の面１１ａ側の中心部に３０ｍｍ×３０ｍｍのアンテナ導体１２が形成されている。さらに、厚さｔ２の第二誘電体１６がアンテナ導体１２の上部に形成され、２２箇所に大きさｄ×ｄのパッド導体が配されている。第一誘電体１１及び第二誘電体１６はフッ素樹脂基板とし、その比誘電率を２．４、誘電正接を０．００２とした。

図１８中にＰで示す信号源接続位置において、アンテナ導体１２とグランド導体１３との間に不図示の５０Ωの抵抗と電圧源とを直列に接続し、平面アンテナ１０への給電部とした。ここでは、ｘ軸方向に半波長の電圧定在波を生じる基本モードでパッチアンテナを利用することとする。給電部の抵抗とアンテナの入力インピーダンスとを整合させるため、アンテナ導体１２のｘ軸方向の端から１０．５ｍｍ、ｙ軸方向の中心部に信号源接続位置Ｐが設けられている。

図１９に示すように、パッド導体１７、アンテナ導体１２、及びグランド導体１３には、それぞれ直径１．５ｍｍの貫通孔２５が設けられている。第一接続部２１及び第二接続部２２は直径２ｍｍ、厚さ０．５ｍｍとされ、本体部２３は、直径１ｍｍとされて、接続導体２０によってパッド導体１７とグランド導体１３とが接続されている。

図２０から図２２に示すように、黒丸を描いたパッド導体１７に接続導体２０を配置して、３種（それぞれパターン１，２，３と称す）、及び共振周波数の基準として接続導体２０を配置しないパターンの計４種をシミュレーション対象とした。このようなシミュレーションモデルにおいて、不図示の信号源からの入力電力と反射電力の比である電力反射係数を計算した。なお、このシミュレーションには電磁界解析手法であるＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を使用した。

ｔ１＝１．６ｍｍ、ｔ２＝０．２ｍｍ、ｄ＝３ｍｍとしたときの接続導体２０の配置パターン１，２，３に対するシミュレーション結果を図２３に示す（図中、６１が、接続導体を配置しないときの電力反射係数、７１がパターン１のときの電力反射係数、７２がパターン２のときの電力反射係数、７３がパターン３のときの電力反射係数を示す）。

また、ｔ１＝１．６ｍｍ、ｔ２＝０．２ｍｍ、接続導体２０の配置をパターン１としたときのパッド導体１７の大きさｄ＝２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍに対するシミュレーション結果を図２４に示す（図中、８１がｄ＝２ｍｍのときの電力反射係数、８２がｄ＝３ｍｍのときの電力反射係数、８３がｄ＝４ｍｍのときの電力反射係数を示す）。

さらに、ｔ１＝１．６ｍ、ｄ＝３ｍｍ、接続導体２０の配置をパターン１としたときの、第二誘電体１６の厚さｔ２＝０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍに対するシミュレーション結果を図２５に示す（図中、９１がｔ２＝０．３ｍｍのときの電力反射係数、９２がｔ２＝０．２ｍｍのときの電力反射係数、９３がｔ２＝０．１ｍｍのときの電力反射係数を示す）。

また、ｔ２＝０．２ｍｍ、ｄ＝３ｍｍ、接続導体２０の配置をパターン１としたときの、第一誘電体１１の厚さｔ１＝１．６ｍｍに対するシミュレーション結果を図２６に示す（図中、１０１が本条件下での電力反射係数、６１が接続導体を配置しないときの電力反射係数を示す）。

また、ｔ２＝０．２ｍｍ、ｄ＝３ｍｍ、接続導体２０の配置をパターン１としたときの、第一誘電体１１の厚さｔ１＝１．２ｍｍに対するシミュレーション結果を図２７に示す（図中、１１１が本条件下での電力反射係数、１１２が接続導体を配置しないときの電力反射係数を示す）。

さらに、ｔ２＝０．２ｍｍ、ｄ＝３ｍｍ、接続導体２０の配置をパターン１としたときの、第一誘電体１１の厚さｔ１＝０．８ｍｍに対するシミュレーション結果を図２８に示す（図中、１２１が本条件下での電力反射係数、１２２が接続導体を配置しないときの電力反射係数を示す）。

なお、これら図２３から図２８には、シミュレーションで計算した反射係数のうち、基本モードにおける共振周波数付近の結果のみを表示している。これらの図において、反射係数が最小となる周波数が共振周波数である。

図２３から図２５に示すように、パッド導体１７とグランド導体１３との接続数を増やす、パッド導体を大きくする、又は第二誘電体１６の厚さを薄くするほど、すなわち、パッド導体１７とアンテナ導体１２との間に形成されるキャパシタンスを増加するほど、共振周波数が低下することがわかった。

また図２６から図２８に示すように、パッド導体１７とアンテナ導体１２との間のキャパシタンスが同一であっても、アンテナ導体１２とグランド導体１３との間の誘電体が厚いほど、共振周波数を低下する割合が大きいことがわかった。これは、アンテナ導体１２とグランド導体１３との間の誘電体が厚いほど、両導体間のキャパシタンスは小さくなり、これに付加されるパッド導体１７とアンテナ導体１２との間のキャパシタンスが相対的に大きくなるためである。

以上から、パッド導体１７とアンテナ導体１２との間のキャパシタンス、及びアンテナ導体１２とグランド導体１３との間のキャパシタンスを変化させることにより、共振周波数を調整可能であることがわかった。

次に、図面を参照し第４の実施形態について説明する。
図２９は本発明の第４の実施形態による平面アンテナ１００の構成を示す断面図、図３０は平面アンテナ１００のアンテナ導体２００、誘電体基板３００、グラウンド導体４００の構成を示す斜視図、図３１は平面アンテナ１００の分解斜視図である。この平面アンテナ１００において、図２９、図３０に示すように、板状の誘電体基板３００の上下面にそれぞれ薄板状のアンテナ導体２００およびグラウンド導体４００が取り付けられ、板状アンテナが構成されている。誘電体基板３００には複数の貫通孔５００（図２９）が形成され、アンテナ導体２００およびグラウンド導体４００には、図３０に示すように、貫通孔５００と同じ位置に貫通孔５００よりわずかに大径の孔５００ａおよび孔５００ｂが穿孔されている。

貫通孔５００、５００・・・の位置には、図３１に示す共振周波数調整部材６００が選択的に取り付けられる。この共振周波数調整部材６００は、小円盤状の上部導体７００（上記、パッド導体１７と第一接続部２１で構成したもの）と、この上部導体７００とほぼ同形の下部導体８００と、上部導体７００と下部導体８００を接続する接続導体９００と、上部導体７００とアンテナ導体２００との間に介装される誘電シート１０００から構成されている。ここで、接続導体９００の径は誘電体基板３００の貫通孔５００の径とほぼ同じであり、したがって、接続導体９００がアンテナ導体２００およびグラウンド導体４００に接触することはない。また、接続導体９００の下端部には雄ネジが形成され、下部導体８００には該雄ネジと螺合する雌ネジが形成されている。また、誘電シート１０００の平面サイズは上部導体７００と同じ程度あればよく、アンテナ導体全体を覆うほど大きなシートを用意する必要はない。そして、この共振周波数調整部材６００は、図２９に示すように、上部導体７００とアンテナ導体２００との間に誘電シート１０００が介挿され、下部導体８００がグラウンド導体４００に密着されて電気的に接続された状態で、貫通孔５００に取り付けられる。

このような構成において、共振周波数調整部材６００は平面アンテナ１００の共振周波数を調整する際、所望の共振周波数を得るために貫通孔５００，５００・・・の中から必要な箇所に配置して取り付けられる。大きさの異なる上部導体７００や、異なる誘電率や厚さを有する複数の誘電シート１０００を用いることにより、アンテナ導体２００とグラウンド導体４００間の複数個所にそれぞれ異なる容量のキャパシタンスを付加することができる。これにより、アンテナの共振周波数を微調整することが可能となる。また、上部導体７００および接続導体９００と下部導体８００がボルト・ナットと同様の取り付け構造であるので、半田付けなどで固定する必要はなく、アンテナの共振周波数を調整する際の交換作業を容易に行うことができる。

また、図３２〜図３４に示すように、下部導体８００を金属筐体１５００に取り付けることで、平面アンテナ１００を金属筐体１５００上に固定する実装方法も可能である。これは、図２９において上部導体７００および接続導体９００を導電性のネジとし、下部導体８００を金属筐体１５００に取り付けられたスタッドと考えればよい。また、このとき接続導体９００を非導電性の接続体に置き換えれば、共振周波数を変化することなく平面アンテナ１００を金属筐体１５００に固定することができる。すなわち、導電性のネジとプラスチックなどの非導電性のネジを使いわけることで、必要な周波数で共振するように平面アンテナ１００の共振周波数を変化させつつ、平面アンテナ１００を金属筐体１５００に安定して固定することが可能となる。

ここで、本実施形態における平面アンテナ１００の共振モードとパッド導体の形成位置について説明する。図３５は誘電体基板３００の上下面に方形のアンテナ導体とグラウンド導体とを形成したパッチアンテナである。 このようなパッチアンテナでは、アンテナ導体２００とグラウンド導体４００間の電圧がアンテナ導体２００に沿って半波長の定在波を生じる基本共振モードが主に使用される。

図３５の構成では、この基本共振モードにおいてアンテナ導体とグラウンド導体間に図３６に示す電圧が生じる。すなわち、ｙ方向には分布を持たず、ｘ方向の端部で最大、中央部で最小となる半波長の電圧定在波が生じる。本実施形態の平面アンテナ１００では、アンテナ導体２００と上部導体７００間のキャパシタンスによりアンテナの共振周波数を調整する。このキャパシタンスはアンテナ導体２００とグラウンド導体４００間に付加され、両導体間の電圧に対して作用してアンテナ１００の共振周波数を低下させる。付加されるキャパシタンスの大きさは、上部導体７００とアンテナ導体２００の対向する面積、これらの導体間に配置された誘電シート１０００の厚さおよび誘電率によって決まる。アンテナ導体２００とグラウンド導体４００間に付加されるキャパシタンスが大きいほど、平面アンテナ１００の共振周波数は大きく低下する。なお、誘電シート１０００の誘電率は、共振周波数調整部材６００の場所により異なるようにしてもよい。

また、アンテナ導体２００とグラウンド導体４００間の電圧が大きい箇所に配置されたキャパシタは共振周波数を大きく低下させ、電圧が小さい箇所に配置されたキャパシタは共振周波数を小さく低下させる。上部導体７００の大きさや、誘電シート１０００の厚さ、誘電率を変化させることでアンテナ導体２００とグラウンド導体４００間に付加されるキャパシタンスを制御できる。さらに、アンテナ導体２００に対する上部導体７００、下部導体８００、接続導体９００、誘電シート１０００の配置位置を変えることにより、アンテナ導体２００とグラウンド導体４００間の電圧の大きさに応じてアンテナの共振周波数を変化させる割合を調整することができる。
以上のように、上部導体７とアンテナ導体２００間に形成されるキャパシタンスの大きさと、このキャパシタンスを付加する位置を調整することにより、平面アンテナ１００の共振周波数を制御することが可能となる。

より高調波の共振モードで平面アンテナ１を使用する場合も同様に考えてよい。例えば図３７に示すようにアンテナ導体２００とグラウンド導体４００間に１波長の電圧定在波が生じる共振モードでは、アンテナ導体２００のｘ方向両端および中央部で電圧が大きく、これらの中間部では電圧が小さい。このとき、アンテナ導体２００のｘ方向両端および中央部に形成されたキャパシタンスによる共振周波数の変化は相対的に大きく、端部と中央部の中間に形成されたキャパシタンスによる共振周波数の変化は相対的に小さい。
なお、これらの図にはアンテナ導体に対する給電構造は描かれていないが、背面給電や共平面給電、および電磁結合型給電といった構造を用途に応じて採用すればよい。

次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
図３８、図３９は本発明の第５の実施形態による平面アンテナ２１００の構成を示す断面図および分解斜視図である。この第５の実施形態においては、グラウンド導体４００と下部導体８００間に誘電シート１１００が配置され、下部導体８００は接続導体９００と上部導体７００を介してアンテナ導体２００と電気的に接続されている。この構成では、下部導体８００とグラウンド導体４００間にキャパシタンスが形成される。上部導体７００とアンテナ導体２００が電気的に接続されているため、このキャパシタンスはアンテナ導体２００とグラウンド導体４００間に付加される。これにより平面アンテナ２１００の共振周波数を変化させることができる。

このように、本発明の平面アンテナでは誘電シートをアンテナ導体と上部導体間、またはグラウンド導体と下部導体間のどちらに配置しも同じ効果が得られる。 このため、平面アンテナの配置位置や給電回路の構成などに応じて、誘電シートをアンテナ導体側もしくはグラウンド導体側に配置するかを選択することができる。

次に、本発明の第６の実施形態について説明する。
図４０、図４１は本発明の第６の実施形態による平面アンテナ３１００の構成を示す断面図および分解斜視図である。この第６の実施形態においては、誘電シート１０００を介してアンテナ導体２００と対向して電極導体１２００が配置され、電極導体１２００は上部導体７００と接続導体９００および下部導体８００を介してグラウンド導体４００と電気的に接続されている。この構成では、電極導体１２００とアンテナ導体２００間にキャパシタンスが形成される。このキャパシタンスの大きさは電極導体１２００の平面サイズによって決まる。例えば上部導体７００、接続導体９００、下部導体８００をボルトとナットによるネジ止めで構成した場合でも、同一のボルトとナットを使用しながら電極導体１２００のみを取り替えることによりキャパシタンスの大きさを制御し、平面アンテナ３１００の共振周波数を調整することができる。

次に、前述した第４の実施形態による平面アンテナ１の共振周波数の変化に関するシミュレーション結果を述べる。
図４２はシミュレーションモデルの分解斜視図、図４３は上部導体７００、接続導体９００、下部導体８００と誘電シート１０００の接続および位置関係を示す断面図である。図４２に示すように、大きさ５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの誘電体基板３００の底面に５０ｍｍ×５０ｍｍのグラウンド導体４００を形成し、上面の中心部に３０ｍｍ×３０ｍｍのアンテナ導体２００を形成した。誘電体基板３００はフッ素樹脂基板を想定し、その比誘電率を２．４、誘電正接を０．００２とした。図４２中にＰで示す信号源接続位置において、アンテナ導体２００とグラウンド導体４００との間に５０Ωの抵抗と電圧源を直列に接続し、アンテナへの給電部とした。ここでは、ｘ軸方向に半波長の電圧定在波を生じる基本モードでパッチアンテナを利用することとし、給電部の抵抗とアンテナの入力インピーダンスを整合させるため、アンテナ導体のｘ軸方向の端から１０．５ｍｍ、ｙ軸方向の中心部に信号源接続位置Ｐを設けた。

誘電体基板３００の１２箇所に接続導体を貫通させるため１ｍｍ×１ｍｍの貫通孔５００(図４３)を形成した。同じ位置においてアンテナ導体２００とグラウンド導体４００には１．５ｍｍ×１．５ｍｍの孔５００ａ、５００ｂを形成した。上部導体７００は厚さ０．５ｍｍ、１辺がｄの正方形、誘電シート１０００は厚さｔ、面内方向の大きさは上部導体７００と同じとした。誘電シート１０００の比誘電率は２．０、誘電正接は０．００１とした。下部導体８００は厚さ０．５ｍｍ、２ｍｍ×２ｍｍの正方形とし、グラウンド導体４００と接触させて両者を電気的に接続した。接続導体９００は１ｍｍ×１ｍｍの角柱とし、上部導体７００と下部導体８００を接続した。図４４〜図４６に上部導体７００、下部導体８００、接続導体９００および誘電シート１０００からなる共振周波数調整部材の配置パターン例を示す。ここでは図４４〜図４６の３種、および共振周波数の基準として共振周波数調整部材を配置しないパターンの計４種をシミュレーション対象とした。

このようなシミュレーションモデルにおいて、信号源からの入力電力と反射電力の比である電力反射係数を計算した。なお、このシミュレーションには電磁界解析手法であるＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を使用した。
図４７にｔ＝０．４ｍｍ、ｄ＝３ｍｍとしたときの図４４〜図４６の各パターンに対するシミュレーション結果を示す。図において、５１は共振周波数調整部材を配置しない場合（以下、同様）、６１〜６３はそれぞれ共振周波数調整部材を図４４〜図４６の位置に配置した場合である。

図４８にｔ＝０．４ｍｍとし、図４４の配置パターンとしたときの上部導体７００の大きさｄ＝２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍに対するシミュレーション結果を示す。図において、７１〜７３はそれぞれ上部導体７００の大きさがｄ＝２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍの場合である。図４９にｄ＝３ｍｍとし、図４４の配置パターンとしたときの誘電シート１０００の厚さｔ＝０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍに対するシミュレーション結果を示す。図において、８１〜８３はそれぞれ誘電シート１０００の厚さがｔ＝０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍの場合である。図５０にｔ＝０．４ｍｍ、ｄ＝３ｍｍとし、図４４の配置パターンとしたときの誘電シート１０００の比誘電率を２．０、４．０、６．０に対するシミュレーション結果を示す。図において、９１〜９３はそれぞれ比誘電率が２．０、４．０、６．０の場合である。なお、これら図４７〜図５０には、シミュレーションで計算した反射係数のうち、基本モードにおける共振周波数付近の結果のみを表示している。

これらの図において、反射係数が最小となる周波数が共振周波数である。図４７では共振周波数調整部材の配置数を増やすほど、図４８では上部導体７００が大きいほど共振周波数が低下する。図４９では誘電シート１０００が薄いほど、図５０では誘電シート１０００の比誘電率が高いほど共振周波数は低下する。これらの結果より、アンテナ導体２００とグラウンド導体４００間に付加されるキャパシタンスを大きくするほど共振周波数は低周波化する。
以上から、上部導体７００の大きさや誘電シート１０００の厚さ、比誘電率により上部導体７００とアンテナ導体２００間のキャパシタンスを増減させ、その配置箇所や個数を変化させることで平面アンテナ１００の共振周波数を制御できることが分かる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１ 無線システム
２ 無線モジュール
１０，３０，４０，５０，６０ 平面アンテナ
１１ 第一誘電体
１１ａ 一方の面
１１ｂ 他方の面
１２ アンテナ導体
１３ グランド導体
１５ 第一層
１６ 第二誘電体
１７ パッド導体
１８ 第二層
２０，５３ 接続導体
２７ 金属筐体（導電性筐体）
５１ 第三誘電体
５２ 第二パッド導体
１００，２１００，３１００…平面アンテナ
２００…アンテナ導体
３００…誘電体基板
４００…グラウンド導体
５００…貫通孔
５００ａ，５００ｂ…孔
６００…共振周波数調整部材
７００…上部導体
８００…下部導体
９００…接続導体
１０００…誘電シート
１５００…金属導体

Claims (15)

1. 板状の第一誘電体と、該第一誘電体の一方の面側に配されたアンテナ導体と、前記第一誘電体の他方の面側に配されたグランド導体と、を有する第一層と、
   該第一層に積層される板状の第二誘電体と、該第二誘電体に積層されるパッド導体と、を有する第二層と、
   前記第二誘電体と接する前記アンテナ導体又は前記グランド導体の何れか一方と、前記パッド導体と、を異なる電位に維持した状態で、前記アンテナ導体又は前記グランド導体の何れか他方と、前記パッド導体と、を同電位に接続する接続導体と、
   誘電体基板の上下面にそれぞれアンテナ導体およびグラウンド導体が取り付けられ、厚さ方向に複数の貫通孔が穿孔された板状アンテナと、
   前記板状アンテナの貫通孔に選択的に取り付けられる共振周波数調整部材と、
   を備えていることを特徴とする平面アンテナ。
2. 前記パッド導体が複数配され、
   前記接続導体が、前記パッド導体の少なくとも一つと接続されていることを特徴とする請求項１に記載の平面アンテナ。
3. 前記グランド導体と電気的に接続された導電性筐体を備え
   前記パッド導体と、前記グランド導体と、が前記接続導体によって同電位に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の平面アンテナ。
4. 前記第二誘電体が、前記第一誘電体の前記一方の面側に配され、
   前記グランド導体を挟んで積層される第三誘電体と、
   該第三誘電体に積層される第二パッド導体と、
   を備え、
   前記接続導体が、前記パッド導体と前記第二パッド導体とを同電位に接続することを特徴とする請求項１又は２に記載の平面アンテナ。
5. 前記第二パッド導体が複数配され、前記接続導体が、前記パッド導体の少なくとも一つと前記第二パッド導体の少なくとも一つとに接続されていることを特徴とする請求項４に記載の平面アンテナ。
6. 請求項１から５の何れか一つに記載の平面アンテナを備えていることを特徴とする無線モジュール。
7. 請求項６に記載の無線モジュールを備えていることを特徴とする無線システム。
8. 前記共振周波数調整部材は、
   前記アンテナ導体に対向して配置される上部導体と、
   前記グラウンド導体に密着して配置される下部導体と、
   前記貫通孔に挿入され、前記上部導体と前記下部導体を接続する接続導体と、
   前記上部導体および前記アンテナ導体の間に介挿される誘電シートと、
   を具備することを特徴とする請求項１に記載の平面アンテナ。
9. 前記共振周波数調整部材は、
   前記アンテナ導体に密着して配置される上部導体と、
   前記グラウンド導体に対向して配置される下部導体と、
   前記貫通孔に挿入され、前記上部導体と前記下部導体を接続する接続導体と、
   前記下部導体および前記グラウンド導体の間に介挿される誘電シートと、
   を具備することを特徴とする請求項１に記載の平面アンテナ。
10. 前記共振周波数調整部材は、
    前記アンテナ導体に対向して配置される上部導体と、
    前記上部導体に密着して配置される電極導体と、
    前記グラウンド導体に密着して配置される下部導体と、
    前記貫通孔に挿入され、前記上部導体と前記下部導体を接続する接続導体と、
    前記電極導体および前記アンテナ導体の間に介挿される誘電シートと、
    を具備することを特徴とする請求項１に記載の平面アンテナ。
11. 前記接続導体の下端部に雄ネジが形成され、前記下部導体に前記雄ネジと螺合する雌ネジが形成されていることを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれかの項に記載の平面アンテナ。
12. 前記下部導体が金属筐体の前記貫通孔に対応する位置に予め取り付けられていることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の平面アンテナ。
13. 前記上部導体の前記アンテナ導体に対向する面積を大にすることにより共振周波数を低下させることを特徴とする請求項８に記載の平面アンテナ。
14. 前記下部導体の前記グラウンド導体に対向する面積を大にすることにより共振周波数を低下させることを特徴とする請求項９に記載の平面アンテナ。
15. 前記アンテナ導体およびグラウンド導体間の電圧が大の箇所に前記共振周波数調整部材を取り付けて共振周波数を大きく低下させ、該電圧が小の箇所に前記共振周波数調整部材を取り付けて共振周波数を小さく低下させることを特徴とする請求項１，請求項８〜請求項１２のいずれかの項に記載の平面アンテナ。

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