JP6232946B2 - 平面アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、平面アンテナに関する。

近年、Radio Frequency IDentification(RFID)システムが広く利用されている。RFIDシステムには、代表的には、通信媒体としてUHF帯(900MHz帯）またはマイクロ波(2.45GHz)に相当する電磁波を利用するものと、相互誘導磁界を利用するものがある。このうち、UHF帯の電磁波を利用するRFIDシステムが、比較的通信可能な距離が長いので注目されている。

タグリーダが、UHF帯の電磁波を利用する無線ICタグと通信するために利用可能なアンテナとして、マイクロストリップラインをアンテナとして利用するマイクロストリップアンテナが提案されている（例えば、特許文献１及び２を参照）。なお、無線ICタグを、以下では、説明の便宜上、RFIDタグと呼ぶ。

特開平４−２８７４１０号公報 特開２００７−３０６４３８号公報

一方、棚にタグリーダのアンテナを組み込んで、その棚に置かれる物品に付されたRFIDタグとタグリーダとの間で通信することで、棚に置かれた物品を管理することが提案されている。

このような棚に組み込まれるアンテナは、シェルフアンテナと呼ばれる。シェルフアンテナは、そのシェルフアンテナが組み込まれた棚の何れの場所に置かれた物品のRFIDタグとも通信できるように、通信に利用される特定の周波数を持つ電波について、シェルフアンテナの表面近傍で、均一かつ強い電場を形成できることが好ましい。

そこで、本明細書は、アンテナの表面近傍において電場の均一性を向上でき、かつ電場の強度を強くすることが可能な平面アンテナを提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、平面アンテナが提供される。この平面アンテナは、誘電体により形成される基板と、基板の一方の面に形成され、一端が給電され、他端が開放端または接地される分布定数線路と、分布定数線路から放射または分布定数線路により受信される所定の設計波長を持つ電波に応じた、分布定数線路を流れる電流の定常波の節点の何れかの近傍における分布定数線路と電磁結合可能な範囲内でかつ基板のその一方の面に配置される、少なくとも一つの第１の共振器とを有する。

本発明の目的及び利点は、請求項において特に指摘されたエレメント及び組み合わせにより実現され、かつ達成される。
上記の一般的な記述及び下記の詳細な記述の何れも、例示的かつ説明的なものであり、請求項のように、本発明を限定するものではないことを理解されたい。

本明細書に開示された平面アンテナは、そのアンテナの表面近傍において電場の均一性を向上でき、かつ電場の強度を強くすることができる。

第１の実施形態によるシェルフアンテナの斜視図である。 （ａ）は、図１においてAA'で示された線について矢印の方向から見たシェルフアンテナの側面断面図であり、（ｂ）は、図１においてBB'で示された線について矢印の方向から見たシェルフアンテナの側面断面図である。 図１に示されたシェルフアンテナの平面図である。 第１の実施形態によるシェルフアンテナのアンテナ特性のシミュレーションに用いた各部の寸法を示す、シェルフアンテナの平面図である。 第１の実施形態によるシェルフアンテナのSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施形態に係るシェルフアンテナの表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施形態の変形例によるシェルフアンテナの平面図である。 図７に示した変形例によるシェルフアンテナのSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。 図７に示した変形例によるシェルフアンテナの表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施形態のさらなる変形例によるシェルフアンテナの平面図である。 図１０に示した変形例によるシェルフアンテナのSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。 図１０に示した変形例によるシェルフアンテナの表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。 第２の実施形態によるシェルフアンテナの平面図である。 第２の実施形態によるシェルフアンテナのアンテナ特性のシミュレーションに用いた各部の寸法を示す、シェルフアンテナの平面図である。 第２の実施形態によるシェルフアンテナのSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、ある時点におけるシェルフアンテナの表面近傍における電場の向きを示す図である。 第２の実施形態の変形例によるシェルフアンテナの平面図である。 図１０に示した変形例によるシェルフアンテナのSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。 第２の実施形態のさらなる変形例によるシェルフアンテナの平面図である。 各実施形態のさらに他の変形例によるシェルフアンテナの平面図である。 第３の実施形態によるシェルフアンテナの平面図である。 第３の実施形態によるシェルフアンテナのアンテナ特性のシミュレーションに用いた各部の寸法を示す、シェルフアンテナの平面図である。 第３の実施形態によるシェルフアンテナのSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。 第３の実施形態によるシェルフアンテナの表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。

以下、図を参照しつつ、様々な実施形態による、平面アンテナについて説明する。
この平面アンテナは、一端が給電点と接続され、他端が開放端となっているか、または接地電極と短絡される導線を含むマイクロストリップラインをマイクロストリップアンテナとして利用する。そのため、この平面アンテナでは、マイクロストリップアンテナを流れる電流が導線の他端で反射されることにより、その電流が定常波となる。そして定常波の節点(nodal point)では、流れる電流が極小となり、かつ、その周囲の電場の強度が極大となる。そこでこの平面アンテナでは、マイクロストリップラインを形成する導線と同一平面上における、その定常波の節点(nodal point)の何れかの近傍におけるマイクロストリップアンテナと電磁結合可能な範囲内に、少なくとも一つの共振器が配置される。これにより、この平面アンテナは、アンテナ表面の近傍における電場の均一性及び強度を向上させる。

以下に説明する各実施形態では、本明細書に開示される各平面アンテナは、シェルフアンテナとして形成される。しかし、本明細書に開示される各平面アンテナは、シェルフアンテナ以外の用途、例えば、RFIDタグとの通信に利用される様々な近接場(near-field)アンテナとして用いられてもよい。

図１は、第１の実施形態によるシェルフアンテナの斜視図であり、図２（ａ）は、図１においてAA'で示された線について矢印の方向から見たシェルフアンテナの側面断面図である。図２（ｂ）は、図１においてBB'で示された線について矢印の方向から見たシェルフアンテナの側面断面図である。また図３は、図１に示されたシェルフアンテナの平面図である。

シェルフアンテナ１は、基板１０と、基板１０の下側の面に設けられた接地電極１１と、基板１０の上側の面に設けられた導体１２と、導体１２と同一平面に設けられた複数の共振器１３−１〜１３−４を有する。

基板１０は、接地電極１１、導体１２及び共振器１３−１〜１３−４を支持する。基板１０は、誘電体により形成され、これにより、接地電極１１と、導体１２及び共振器１３−１〜１３−４は互いに絶縁されている。例えば、基板１０は、FR-4といったガラスエポキシ樹脂により形成される。あるいは、基板１０は、層状に形成可能な他の誘電体により形成されてもよい。また、基板１０の厚さは、シェルフアンテナ１の特性インピーダンスが所定の値、例えば、50Ωまたは75Ωとなるように決定される。

接地電極１１、導体１２及び共振器１３−１〜１３−４は、例えば、銅、金、銀、ニッケルといった金属またはこれらの合金若しくはその他の導電性を有する材料によって形成される。そして接地電極１１、導体１２及び共振器１３−１〜１３−４は、例えば、エッチングまたは接着によって基板１０の下側の面及び上側の面に固定される。

接地電極１１は、接地された平板状の導体であり、基板１０の下側の面全体を覆うように設けられる。

導体１２は、基板１０の上側の面に設けられた線状の導体であり、基板１０の長手方向と略平行に、かつ、基板１０を短手方向に沿って略２等分する位置に配置されている。そして導体１２の一端が給電点１２ａとなっており、シェルフアンテナ１を介して放射または受信される無線信号を処理する通信回路（図示せず）と接続される。一方、導体１２の他端１２ｂは開放端となっている。導体１２、接地電極１１及び基板１０は、マイクロストリップアンテナとして機能する、分布定数線路の一例であるマイクロストリップラインを形成する。

導体１２の端点１２ｂが開放端となっているため、このマイクロストリップアンテナから放射される電波、あるいはこのマイクロストリップアンテナで受信される電波によって導体１２を流れる電流は、定常波となる。そのため、導体１２の端点１２ｂ、すなわち、マイクロストリップアンテナの開放端から、その電波の波長の1/2の整数倍に相当する距離だけ離れた位置に、その定常波の節点が形成される。なお、導体１２は、誘電体である基板１０の上側の面に配置されているので、基板１０上での電波の波長は、空気中の波長と比較して、基板１０の比誘電率に応じて短くなることに留意されたい。定常波の各節点では、電流が極小値となるとともに、その節点の周囲に相対的に強い電場が形成される。なお、以下では、便宜上、マイクロストリップアンテナから放射またはマイクロストリップアンテナで受信される電波の波長を設計波長と呼ぶ。また設計波長をλで表す。

共振器１３−１〜１３−４は、それぞれ、長手方向に沿って設計波長の1/2と略等しい長さを持ち、かつ、一周の長さが設計波長と略等しいループ状の導体で形成され、基板１０の上側の面に設けられる。すなわち、導体１２と共振器１３−１〜１３−４は、同一平面に設けられる。

上記のように、導体１２に沿って、マイクロストリップアンテナの開放端１２ｂから設計波長の1/2の整数倍に相当する距離だけ離れた位置において、導体１２の周囲に相対的に強い電場が形成される。そこで各共振器１３−１〜１３−４は、導体１２の開放端１２ｂから、導体１２に沿って、設計波長の1/2の略整数倍の距離の位置において、各共振器の一端が導体１２と電磁結合する範囲内に位置するように配置される。これにより、各共振器１３−１〜１３−４は、設計波長を持つ電波に対して、その電波によって導体１２を流れる電流の定常波の節近傍の電場によってマイクロストリップアンテナと電磁結合する。そのため、各共振器１３−１〜１３−４も、設計波長を持つ電波を放射または受信できる。さらに、共振器１３−１〜１３−４の長手方向は、導体１２と直交するように配置される。そのため、共振器１３−１〜１３−４のそれぞれが、マイクロストリップアンテナによる電場と異なる方向に広がりを持つ電場を形成できる。その結果として、シェルフアンテナ１の表面近傍における電場は、マイクロストリップアンテナのみにより生じる電場よりも均一性及び強度が向上する。

ただし、導体１２上の設計波長の1/2の間隔の位置同士では、マイクロストリップラインを流れる電流の位相が反転している。そのため、導体１２の幅方向について同じ側に設計波長の1/2の間隔で二つの共振器を配置すると、その二つの共振器を流れる電流の位相が逆相、すなわち、流れる電流の向きが逆になる。その結果として、その二つの共振器により生じる電場が互いに打ち消しあってしまう。一方、導体１２の幅方向について同じ側に設計波長の整数倍の間隔で二つの共振器を配置すると、その二つの共振器を流れる電流の位相は同相、すなわち、流れる電流の向きが同じとなる。同様に、設計波長の1/2の間隔で、導体１２を挟むように二つの共振器を配置した場合も、その二つの共振器を流れる電流の向きが同じとなる。二つの共振器を流れる電流の向きが同じであれば、各共振器により生じる電場は互いに強め合う。そこで本実施形態では、各共振器は、導体１２を挟んで交互に配置されている。また、隣接する二つの共振器は、それぞれ、その一端が導体１２の隣接する二つの節点近傍における導体１２と電磁結合可能な範囲内に位置するように配置される。したがって、隣接する二つの共振器についての導体１２と電磁結合する側の端部間の間隔が設計波長の略1/2となる。具体的には、共振器１３−１は、開放端１２ｂから、設計波長のλ/2の距離だけ離れた位置の近傍に配置される。また共振器１３−２は、共振器１３−１と同じ側に、共振器１３−１からλの距離だけ離れた位置の近傍に配置される。一方、共振器１３−３、１３−４は、それぞれ、共振器１３−１、１３−２とは導体１２を挟んで反対側に、共振器１３−１、１３−２からλ/2の距離だけ離れた位置の近傍に配置される。すなわち、共振器１３−３、１３−４は、開放端１２ｂから、λ、2λの距離だけ離れた位置の近傍に配置される。

さらに、各共振器１３−１〜１３−４は、ループ状に形成され、かつ、長手方向に沿って設計波長の略1/2の長さを持つ。シェルフアンテナ１が放射または受信する電波により各共振器を流れる電流は交流電流であるので、その交流電流の波長の1/2ごとに位相が反転する、すなわち、電流の向きが反転する。そのため、長手方向に沿って設計波長の略1/2の長さを持つループ形状に形成された共振器では、その共振器の長手方向に沿った二つの部分に流れる電流の向きは同一となる。そのため、その二つの部分のそれぞれにより生じる電場は互いに強め合うことができる。

以下、シェルフアンテナ１のアンテナ特性のシミュレーション結果について説明する。
図４は、シミュレーションに利用した各部の寸法を示すシェルフアンテナ１の平面図である。図５は、シェルフアンテナ１のSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。また図６は、シェルフアンテナ１の表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。このシミュレーションにおいて、基板１０を形成する誘電体の比誘電率εrは4.0、誘電正接tanδは0.01である。また、接地電極１１、導体１２及び共振器１３−１〜１３−４の何れも、銅（導電率σ=5.8×10⁷S/m）で形成される。

図４に示されるように、基板１０は、導体１２の長手方向に沿った長さが500mmであり、導体１２の長手方向に直交する方向の長さが240mmである。また基板１０の厚さは、3mmである。
さらに、導体１２の幅は6mmであり、給電点１２ａから開放端１２ｂまでの長さは417mmである。一方、各共振器１３−１〜１３−４を形成する導体の幅は3mmであり、長手方向に沿った２本の導体間の間隔は5mmである。さらに、各共振器の長手方向に沿った長さは85mm（ループの内側の長手方向に沿った間隔は79mm）である。そして、導体１２の開放端１２ｂから共振器１３−１までの距離は84mmである。さらに、共振器１３−１と共振器１３−２の間隔及び共振器１３−３と共振器１３−４の間隔は171mmである。そして共振器１３−４から給電点１２ａまでの距離は40mmである。

図５において、横軸は周波数[GHz]を表し、縦軸はS11パラメータの値[dB]を表す。そしてグラフ５００は、有限積分法による電磁場のシミュレーションにより得られた、シェルフアンテナ１のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ５００に示されるように、シェルフアンテナ１は、RFIDシステムで利用される900MHz帯域内の930MHz近傍において、S11パラメータが良好なアンテナ特性の目安とされる-10dB以下となっていることが分かる。

図６において、グラフ６００は、シェルフアンテナ１の表面から上方に30cmの位置における、シェルフアンテナ１の表面に平行な面の電場の強度分布を表す。ただし、電波の周波数は930MHzであるとする。グラフ６００において、濃度が濃いところほど、電場が強い。グラフ６００に示されるように、電場は、導体１２の長手方向に沿った方向だけでなく、導体１２の長手方向と直交する方向にも、均一に広がっていることが分かる。

以上に説明してきたように、このシェルフアンテナでは、マイクロストリップアンテナの一端が開放端として形成されることでマイクロストリップアンテナを流れる電流が定常波となる。そして、定常波の節点の近傍において、マイクロストリップラインを形成する導体と同一平面上に１以上の共振器が配置されることで、マイクロストリップアンテナと共振器とが電磁結合する。そのため、このシェルフアンテナは、マイクロストリップアンテナと各共振器の両方から電波を放射したり、その両方で電波を受信できるので、シェルフアンテナの表面近傍における電場の均一性を向上できるとともに、その電場の強度を高くすることができる。さらに、このシェルフアンテナでは、共振器とマイクロストリップラインを形成する導体が同一平面上に配置されるので、基板を多層構造にする必要が無い。そのため、このシェルフアンテナは、製造コストを抑制できる。

なお、変形例によれば、導体１２の給電点と反対側の端点１２ｂは、例えば、基板１０に形成されたビアを介して接地電極１１と短絡されていてもよい。この場合には、端点１２ｂは、マイクロストリップラインを流れる電流にとっての固定端となる。そのため、端点１２ｂを固定端として、導体１２を流れる電流の節点の位置が特定される。すなわち、端点１２ｂから、導体１２の長手方向に沿って(1/4+n/2)λ(nは0以上の整数であり、λは設計波長)の距離だけ離れた位置が節点となる。そして各共振器は、導体１２の長手方向に沿って、端点１２ｂから(1/4)λの位置から順に、隣接する共振器間の間隔がλ/2となるように、導体１２を挟んで交互に配置される。

また他の変形例によれば、各共振器の形状は、ループ形状に限定されない。
図７は、この変形例によるシェルフアンテナ２の平面図である。シェルフアンテナ２は、上記の実施形態によるシェルフアンテナ１と比較して、共振器の形状のみが異なる。そこで以下では、共振器について説明する。
この変形例では、各共振器２３−１〜２３−４は、それぞれ、ヘアピン状に形成されたダイポールアンテナであり、図１に示された各共振器１３−１〜１３−４と比較して、導体１２から離れている側の端部が開放されている点で異なる。ただし、この例でも、各共振器２３−１〜２３−４の長手方向の長さは設計波長の1/2に設定される。また、各共振器は、基板１０の上側の面に導体１２を挟んで交互に配置されている。また隣接する二つの共振器についての導体１２と電磁結合する側の端部間の間隔が設計波長の1/2となるように、すなわち、隣接する二つの共振器は、それぞれ、その一端が導体１２の隣接する二つの節点近傍における導体１２と電磁結合可能な範囲内に位置するように配置される。

図８は、シェルフアンテナ２のSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。また図９は、シェルフアンテナ２の表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。なお、図８及び図９のシミュレーションにおいて、各部の寸法及び電気特性は、第１の実施形態についてのシミュレーションにおける各部の寸法及び電気特性と同じとした。

図８において、横軸は周波数[GHz]を表し、縦軸はS11パラメータの値[dB]を表す。そしてグラフ８００は、有限積分法による電磁場のシミュレーションにより得られた、シェルフアンテナ２のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ８００に示されるように、シェルフアンテナ２は、940MHz近傍において、S11パラメータがほぼ-10dBとなっていることが分かる。

図９において、グラフ９００は、シェルフアンテナ２の表面から上方に30cmの位置における、シェルフアンテナ２の表面に平行な面の電場の強度分布を表す。ただし、電波の周波数は940MHzであるとする。グラフ９００において、濃度が濃いところほど、電場が強い。グラフ９００に示されるように、電場は、導体１２の長手方向に沿った方向だけでなく、導体１２の長手方向と直交する方向にも、均一に広がっていることが分かる。

また、共振器は、設計波長の半分の長さを持つダイポールアンテナであってもよい。
図１０は、この変形例によるシェルフアンテナ３の平面図である。シェルフアンテナ３は、第１の実施形態によるシェルフアンテナ１と比較して、共振器の形状のみが異なる。そこで以下では、共振器について説明する。
この変形例では、各共振器３３−１〜３３−４は、それぞれ、直線状の導体により形成されたダイポールアンテナである。ただし、この例でも、各共振器３３−１〜３３−４の長手方向の長さは設計波長の1/2に設定される。また、各共振器は、基板１０の上側の面に導体１２を挟んで交互に配置されている。また隣接する二つの共振器についての導体１２と電磁結合する側の端部間の間隔が設計波長の1/2となるように、すなわち、隣接する二つの共振器は、それぞれ、その一端が導体１２の隣接する二つの節点近傍における導体１２と電磁結合可能な範囲内に位置するように配置される。この変形例では、各共振器３３−１〜３３−４がマイクロストリップラインと電磁結合するために、各共振器とマイクロストリップラインを形成する導体１２間の間隔は、第１の実施形態または上記の変形例による共振器と導体間の間隔よりも狭いことが好ましい。

図１１は、シェルフアンテナ３のSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。また図１２は、シェルフアンテナ３の表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。なお、図１１及び図１２のシミュレーションにおける、各部の寸法及び電気特性は、第１の実施形態についてのシミュレーションにおける各部の寸法及び電気特性と比較して、共振器の寸法及び配置のみが異なる。このシミュレーションでは、各共振器３３−１〜３３−４を形成する導体の幅は15mmとし、長手方向に沿った各共振器の長さは83.3mmである。さらに、共振器３３−１と共振器３３−２の間隔及び共振器３３−３と共振器３３−４の間隔を167mmとした。そして給電点１２ａから共振器３３−２、３３−４までの距離を、それぞれ、129、38mmとした。また、各共振器と導体１２間の間隔を1.5mmとした。

図１１において、横軸は周波数[GHz]を表し、縦軸はS11パラメータの値[dB]を表す。そしてグラフ１１００は、有限積分法による電磁場のシミュレーションにより得られた、シェルフアンテナ３のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ１１００に示されるように、シェルフアンテナ３は、930MHz近傍において、S11パラメータが-10dB以下となっていることが分かる。

図１２において、グラフ１２００は、シェルフアンテナ３の表面から上方に30cmの位置における、シェルフアンテナ３の表面に平行な面の電場の強度分布を表す。ただし、電波の周波数は940MHzであるとする。グラフ１２００において、濃度が濃いところほど、電場が強い。グラフ１２００に示されるように、電場は、導体１２の長手方向に沿った方向だけでなく、導体１２の長手方向と直交する方向にも、均一に広がっていることが分かる。

なお、上記の実施形態または変形例において、各共振器は、マイクロストリップラインを形成する導体１２から離れるにつれて給電に近づくか、あるいは給電点から離れるように、傾けて配置されてもよい。あるいは、各共振器は曲線状、例えば、円弧状、あるいは、蛇行状に形成されてもよい。ただし、各共振器が曲線状に形成される場合でも、各共振器の長手方向に沿った長さは、設計波長の略1/2であることが好ましい。共振器の長手方向の長さが設計波長の1/2を超えると、共振器内で流れる電流の向きが異なる部分が存在することになるので、電流の向きが異なる部分から生じた電場同士が互いに打ち消しあって、電場を弱めてしまうためである。

次に、第２の実施形態によるシェルフアンテナについて説明する。第２の実施形態によるシェルフアンテナは、第１の実施形態によるシェルフアンテナと比較して、生じる電場が円偏波となるように共振器を配置した点で異なる。そこで以下では、共振器に関連する部分について説明する。第２の実施形態によるシェルフアンテナのその他の構成要素については、第１の実施形態によるシェルフアンテナの対応する構成要素の説明を参照されたい。

図１３は、第２の実施形態によるシェルフアンテナの平面図である。
第２の実施形態によるシェルフアンテナ４においても、４個の共振器４３−１〜４３−４は、それぞれ、長手方向に沿って設計波長の略1/2の長さを持つループ状の導体で形成され、基板１０の上側の面に設けられる。すなわち、各共振器４３−１〜４３−４と導体１２は同一平面に配置される。ただし、第１の実施形態によるシェルフアンテナ１と異なり、シェルフアンテナ４では、共振器４３−１及び４３−２は、それぞれ、長手方向が導体１２の長手方向と略平行となるように、すなわち、共振器４３−３及び４３−４と略直交するように配置される。さらに、共振器４３−１及び４３−２は、マイクロストリップラインを流れる電流の定常波の腹の部分、すなわち、マイクロストリップラインを流れる電流により生じる磁場が極大となる部分に近接するように配置される。そして共振器４３−１及び４３−２は、それぞれ、その一端が、共振器４３−３及び４３−４が配置された、マイクロストリップラインを流れる電流の定常波の節の近傍に配置される。共振器４３−１及び４３−２の長手方向の長さは設計波長λの略1/2であり、かつ、定常波の節点から隣接する腹までの距離はλ/4なので、共振器４３−１及び４３−２の中央付近がマイクロストリップラインを流れる電流の定常波の腹の部分に近接する。これにより、マイクロストリップラインを流れる電流またはその電流により生じる磁場によってマイクロストリップラインと共振器４３−１及び４３−２が電磁結合する。なお、共振器４３−１及び４３−２は、導体１２と略平行に配置される。そのため、共振器４３−１及び４３−２と導体１２の間隔は、共振器４３−３及び４３−４と導体１２の間隔よりも広くても、共振器４３−１及び４３−２は、導体１２と電磁結合できる。
なお、導体１２と略平行に配置される共振器４３−１及び４３−２は、導体１２を流れる電流の定常波の腹に近接していればよく、その共振器の一端の導体１２の長手方向に沿った位置は、導体１２と略直交に配置される何れの共振器の位置と異なっていてもよい。

また、共振器４３−１及び４３−２を流れる電流が同相となるように、共振器４３−１の給電点１２ａ側の端点と共振器４３−２の給電点１２ａ側の端点間の間隔はλとほぼ等しい。同様に、共振器４３−３及び４３−４を流れる電流が同相となるように、共振器４３−３と共振器４３−４間の間隔はλとほぼ等しい。

上記のように各共振器が配置されることにより、共振器４３−１及び４３−２は、導体１２の長手方向と略平行な電場を生じさせ、一方、共振器４３−３及び４３−４は、導体１２の長手方向と略直交する電場を生じさせる。また、定常波の節点における電流の位相は、その節点に隣接する腹における電流の位相に対してπ/4ずれる。そのため、共振器４３−１及び４３−２を流れる電流の位相と共振器４３−３及び４３−４を流れる電流の位相もπ/4ずれる。そして各共振器を流れる電流の位相は同期して変動するので、共振器４３−１及び共振器４３−３から生じる電場は、結果として円偏波となる。同様に、共振器４３−２及び共振器４３−４から生じる電場も円偏波となる。そのため、シェルフアンテナ４の表面近傍において、各共振器を流れる電流の位相の変化に応じて、導体１２の長手方向に平行な方向の瞬時的な電場の成分の強度と導体１２の長手方向と直交する方向の瞬時的な電場の成分の強度の組み合わせも変動する。その結果として、瞬時的な電場の向きも変動する。そのため、シェルフアンテナ４は、電場の向きによらずに電場の強さを均一化できる。

以下、第２の実施形態によるシェルフアンテナ４のアンテナ特性についてのシミュレーション結果について説明する。
図１４は、第２の実施形態によるシェルフアンテナ４のアンテナ特性のシミュレーションに用いた各部の寸法を示す、シェルフアンテナ４の平面図である。図１５は、シェルフアンテナ４のSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。また図１６（ａ）〜図１６（ｃ）は、シェルフアンテナ４の表面近傍に形成される電場の向きの時間変化のシミュレーション結果を示す図である。なお、このシミュレーションにおける、各部の寸法及び電気特性は、第１のシミュレーションにおける各部の寸法及び電気特性と比較して、共振器４３−１及び４３−２の寸法及び配置と基板１０の幅のみが異なる。このシミュレーションでは、基板１０の幅は180mmである。また、共振器４３−１及び４３−２の長手方向の長さは87mmであり、共振器４３−１と４３−２間の間隔は95mmである。また、給電点１２ａから共振器４３−１までの距離、及び、給電点１２ａから共振器４３−２までの距離は、それぞれ、給電点１２ａから共振器４３−３、４３−４までの距離と等しい。さらに、共振器４３−１及び４３−２と導体１２間の間隔は3mmであり、共振器４３−３及び４３−４と導体１２間の間隔は2mmである。

図１５において、横軸は周波数[GHz]を表し、縦軸はS11パラメータの値[dB]を表す。そしてグラフ１５００は、有限積分法による電磁場のシミュレーションにより得られた、シェルフアンテナ４のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ１５００に示されるように、シェルフアンテナ４は、930MHz近傍において、S11パラメータが-10dB以下となっていることが分かる。

図１６（ａ）〜図１６（ｃ）において、各矢印１６０１〜１６０３は、それぞれ、マイクロストリップライン上のある点において、電流の位相が０〜２πまで変化する間の異なる時刻における、その矢印の位置における電場の向きを表す。図１６（ａ）〜図１６（ｃ）に示されるように、シェルフアンテナ４上の各部において、電場の向きが、時間経過とともに変化することが分かる。

以上に説明してきたように、第２の実施形態によれば、シェルフアンテナは、その表面近傍において電場の向きによらずに電場の強さを均一化できる。シェルフアンテナが、他の通信装置、例えば、シェルフアンテナ上に載置される物品に付されたＲＦＩＤタグと通信する場合、シェルフアンテナに対して他の通信装置は様々な方向を向く可能性がある。しかし、この実施形態によれば、シェルフアンテナは、電場の方向によらずに電場の強度を均一化できる。そのため、シェルフアンテナは、他の通信装置のアンテナの向きによらず、他の通信装置と良好に通信できる。またこのシェルフアンテナでは、マイクロストリップラインを形成する導体の幅方向についての一方の側の共振器は、共振器の長手方向がその導体の長手方向と略平行になるように配置される。そのため、その導体の長手方向と直交する方向のサイズが第１の実施形態によるシェルフアンテナよりも小さくなる。そのため、シェルフアンテナ全体が小型化できる。

第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、導体１２の給電点と反対側の端点１２ｂは、例えば、基板１０に形成されたビアを介して接地電極１１と短絡されていてもよい。

また第２の実施形態においても、各共振器の形状は、ループ形状に限定されない。例えば、共振器は、設計波長の半分の長さを持つダイポールアンテナであってもよい。
図１７は、この変形例によるシェルフアンテナ５の平面図である。シェルフアンテナ５は、上記の第２の実施形態によるシェルフアンテナ４と比較して、共振器の形状のみが異なる。そこで以下では、共振器について説明する。

この変形例では、各共振器５３−１〜５３−４は、それぞれ、直線状の導体により形成されたダイポールアンテナである。ただし、この例でも、各共振器５３−１〜５３−４の長手方向の長さは設計波長の略1/2に設定される。

図１８は、シェルフアンテナ５のSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。なお、図１８のシミュレーションにおける、各部の寸法及び電気特性は、第２の実施形態についてのシミュレーションにおける各部の寸法及び電気特性と比較して、共振器５３−１及び５３−２の配置のみが異なる。このシミュレーションでは、共振器５３−１と５３−２間の間隔は98.7mmである。また、導体１２の開放端１２ｂから共振器５３−１までの距離は69.35mmであり、給電点１２ａから共振器５３−２までの距離は82.35mmである。さらに、共振器５３−１及び５３−２と導体１２間の間隔は3mmである。

図１８において、横軸は周波数[GHz]を表し、縦軸はS11パラメータの値[dB]を表す。そしてグラフ１８００は、有限積分法による電磁場のシミュレーションにより得られた、シェルフアンテナ５のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ１８００に示されるように、シェルフアンテナ５は、930MHz〜950MHz近傍において、S11パラメータが-10dB以下となっていることが分かる。

図１９は、第２の実施形態のさらに他の変形例によるシェルフアンテナ６の平面図である。シェルフアンテナ６は、図１３に示されたシェルフアンテナ４と比較して、マイクロストリップラインを形成する線状の導体の形状及び共振器の配置が異なる。

この変形例では、基板１０の下側面全体を覆うように設けられた接地電極（図示せず）とともにマイクロストリップラインを形成する導体２２は、ジグザグに折り曲げられる。この例では、放射する電波が円偏波を形成する、導体２２の長手方向と略平行に配置される共振器６３と、導体２２の長手方向と略直交して配置される共振器６４との組が一つ配置されるごとに、導体２２は直角に折り曲げられる。また、上記の第２の実施形態と同様に、各共振器６４は、導体２２を流れる電流の定常波の節点近傍において、電場によって導体２２と電磁結合可能なように配置される。一方、各共振器６３は、導体２２を流れる電流の定常波の腹に近接して、その電流によって導体２２と電磁結合可能なように配置される。隣接する二つの共振器６４間の導体２２に沿った距離は、設計波長と略等しい。ただし、導体２２の同じ側に、設計波長だけ離して二つの共振器６４を配置すると、その二つの共振器６４を流れる、互いに直交する電流が同相となるため、電場が円偏波とならない。そこで、第２の実施形態と異なり、導体２２の幅方向についての同一の側には、導体２２の長手方向と略平行に配置される共振器６３と、導体２２の長手方向と略直交して配置される共振器６４とが交互に配置される。

この変形例によるシェルフアンテナ６では、共振器間の間隔が第２の実施形態よりも短縮されるので、シェルフアンテナ６は、より強い電場を生じることができる。

図２０は、上記の各実施形態のさらに他の変形例によるシェルフアンテナ７の平面図である。シェルフアンテナ７は、上記の各実施形態または変形例によるシェルフアンテナと比較して、マイクロストリップラインを形成する線状の導体の形状が異なる。この変形例では、基板１０の下側の面を覆うように設けられた接地電極（図示せず）とともにマイクロストリップラインを形成する導体３２は、給電点３２ａから他端へ向かう途中で分岐して、略平行な２本のマイクロストリップライン３２ｃ、３２ｄとなる。各マイクロストリップライン３２ｃ、３２ｄの端点は、上記の各実施形態または変形例と同様に、開放端となるか、または基板１０の下側の面に設けられた接地電極と短絡される。そしてこの例でも、各マイクロストリップライン３２ｃ、３２ｄに対して、そのマイクロストリップラインを流れる電流の節の近傍において、設計波長の略1/2の長さを持つ１以上の共振器７３が配置される。そして各マイクロストリップライン３２ｃ、３２ｄと各共振器７３が電磁結合することにより、基板１０の表面の電場の分布が均一化され、かつ、強められる。なお、各共振器７３は、ループ状に形成された導体でもよく、あるいは、ダイポールアンテナであってもよい。この変形例では、共振器及びマイクロストリップラインが配置されている範囲が広くなるので、上記の実施形態または変形例よりも、電波の送受信が可能な範囲が広くなる。

なお、上記の実施形態または変形例において、マイクロストリップラインを形成する導体１２及び各共振器の上に誘電体層を設けて、導体１２及び各共振器を誘電体でサンドイッチしてもよい。これにより、各誘電体層の比誘電率に応じて、導体１２及び各共振器における、電波の設計波長に相当する実際の長さが短くなるので、アンテナ全体がより小型化される。

さらに他の実施形態によれば、マイクロストリップラインの代わりに、他の形態の分布定数線路が用いられてもよい。

図２１は、第３の実施形態によるシェルフアンテナの平面図である。このシェルフアンテナ８では、マイクロストリップラインの代わりに、分布定数線路としてレッヘル線が用いられる。シェルフアンテナ８では、誘電体で形成される基板１０の一方の面上に、レッヘル線８１と共振器８３−１〜８３−４が配置される。なお、この実施形態では、レッヘル線８１自体が分布定数線路として機能するので、基板１０の他方の面に接地電極は設けられなくてよい。そのため、基板１０は、主として、レッヘル線８１と共振器８３−１〜８３−４を支持するために利用される。

レッヘル線８１は互いに平行な２本の導線８１ａ及び８１ｂを有する。そして導線８１ａを流れる電流の向きと導線８１ｂを流れる電流の向きは逆である。そのため、導線８１ａと電磁結合するように、導線８１ａに近接して配置される共振器８３−１と、導線８１ｂと電磁結合するように、導線８１ｂに近接して配置される共振器８３−３とは、レッヘル線８１の長手方向における同じ位置に配置されてもよい。同様に、共振器８３−２と共振器８３−４とは、レッヘル線８１の長手方向における同じ位置に配置されてもよい。

また、レッヘル線８１の給電点８１ｃと反対側の端点８１ｄは、レッヘル線８１を流れる電流が定常波となるように、開放端とされるか、あるいは、接地される。そして各共振器８３−１〜８３−４は、レッヘル線８１を流れる電流の定常波の節近傍における電磁結合可能な範囲内に各共振器の一端が位置するように配置される。すなわち、端点８１ｄが開放端であれば、共振器８３−１及び８３−３は、端点８１ｄから設計波長λの1/2の整数倍の位置の近傍に配置される。一方、端点８１ｄが接地されていれば、すなわち、端点８１ｄが固定端であれば、共振器８３−１及び８３−３は、端点８１ｄからλ×(1/4+n/2)(nは、0以上の整数)の位置の近傍に配置される。さらに、各共振器８３−１〜８３−４を流れる電流が同相となるように、共振器８３−１及び８３−３と、共振器８３−２及び８３−４間の間隔は、λと略等しくなるように、各共振器は配置される。またこの実施形態においても、各共振器の長手方向の長さは、設計波長の略1/2であることが好ましい。

以下、シェルフアンテナ８のアンテナ特性のシミュレーション結果について説明する。
図２２は、シミュレーションに利用した各部の寸法を示すシェルフアンテナ８の平面図である。図２３は、シェルフアンテナ８のSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。また図２４は、シェルフアンテナ８の表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。このシミュレーションにおいて、基板１０を形成する誘電体の比誘電率εrは2.2、誘電正接tanδは0.00である。また、レッヘル線８１及び共振器８３−１〜８３−４の何れも、銅（導電率σ=5.8×10⁷S/m）で形成される。

図２２に示されるように、基板１０は、レッヘル線８１の長手方向に沿った長さが800mmであり、レッヘル線８１の長手方向に直交する方向の長さが400mmである。また基板１０の厚さは、0.6mmである。
さらに、レッヘル線８１の各導線８１ａ、８１ｂの幅は2mmであり、導線間の間隔は4mmである。給電点８１ｃから開放端８１ｄまでの長さは670mmである。一方、各共振器８３−１〜８３−４を形成する導体の幅は6mmである。さらに、各共振器の長手方向に沿った長さは140.8mmである。そして、開放端８１ｄから共振器８３−１、８３−３までの距離は146mmである。さらに、共振器８３−１と共振器８３−２の間隔及び共振器８３−３と共振器８３−４の間隔は292mmである。そして共振器８３−２、８３−４から給電点８１ｃまでの距離は220mmである。また、各共振器とレッヘル線８１との間隔は0.2mmである。

図２３において、横軸は周波数[GHz]を表し、縦軸はS11パラメータの値[dB]を表す。そしてグラフ２３００は、有限積分法による電磁場のシミュレーションにより得られた、シェルフアンテナ８のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ２３００に示されるように、シェルフアンテナ８は、920MHz近傍において、S11パラメータが良好なアンテナ特性の目安とされる-10dB以下となっていることが分かる。

図２４において、グラフ２４００は、シェルフアンテナ８の表面から上方に30cmの位置における、シェルフアンテナ１の表面に平行な面の電場の強度分布を表す。ただし、電波の周波数は920MHzであるとする。グラフ２４００において、濃度が濃いところほど、電場が強い。グラフ２４００に示されるように、電場は、レッヘル線８１の長手方向に沿った方向だけでなく、レッヘル線８１の長手方向と直交する方向にも、均一に広がっていることが分かる。

この実施形態によれば、基板の裏面に接地電極を設ける必要が無く、そのため、シェルフアンテナの特性インピーダンスを調節する際に、基板の厚さを考慮する必要が無い。そのため、この実施形態によれば、シェルフアンテナをより薄型化できる。

なお、上記の各実施形態または変形例において、共振器の数は例示された数に限定されず、１以上あればよい。

ここに挙げられた全ての例及び特定の用語は、読者が、本発明及び当該技術の促進に対する本発明者により寄与された概念を理解することを助ける、教示的な目的において意図されたものであり、本発明の優位性及び劣等性を示すことに関する、本明細書の如何なる例の構成、そのような特定の挙げられた例及び条件に限定しないように解釈されるべきものである。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、本発明の精神及び範囲から外れることなく、様々な変更、置換及び修正をこれに加えることが可能であることを理解されたい。

１〜８ シェルフアンテナ（平面アンテナ）
１０ 基板
１１ 接地電極
１２、２２、３２ 導体
１２ａ、３２ａ 給電点
３２ｃ、３２ｄ マイクロストリップライン
１２ｂ 開放端
８１ レッヘル線
１３−１〜１３−４ 共振器
２３−１〜２３−４ 共振器
３３−１〜３３−４ 共振器
４３−１〜４３−４ 共振器
５３−１〜５３−４ 共振器
６３、６４ 共振器
７３ 共振器
８３−１〜８３−４ 共振器

Claims (4)

1. 誘電体により形成される基板と、
   前記基板の他方の面に配置される接地電極と、前記基板の一方の面に配置される線状の導体とを有するマイクロストリップラインであり、一端が給電され、他端が開放端または接地される分布定数線路と、
   前記分布定数線路から放射または前記分布定数線路により受信される所定の設計波長を持つ電波に応じた、前記分布定数線路を流れる電流の定常波の節点の何れかの近傍における前記分布定数線路と電磁結合可能な範囲内でかつ前記基板の前記一方の面に配置される、少なくとも一つの第１の共振器と、
   前記電流の定常波の腹の何れかの近傍における前記導体と電磁結合可能な範囲内でかつ前記基板の前記一方の面において、前記導体と平行に配置される、少なくとも一つの第２の共振器と、
   を有し、
   前記少なくとも一つの第１の共振器は、前記少なくとも一つの第２の共振器と直交するように配置される平面アンテナ。
2. 前記少なくとも一つの第１の共振器は複数の第１の共振器を有し、前記複数の第１の共振器のそれぞれは、前記導体を挟んで交互に配置され、かつ、隣接する二つの第１の共振器のそれぞれが前記導体を流れる電流の隣接する二つの節点における電磁結合可能な範囲に配置される、請求項１に記載の平面アンテナ。
3. 前記複数の第１の共振器のそれぞれは、該第１の共振器の長手方向に沿って前記設計波長の1/2の長さを有する、請求項１または２に記載の平面アンテナ。
4. 前記導体は、前記第１の共振器と前記第２の共振器の組が一つ配置される度に折り曲げられるように形成され、かつ、前記導体の長手方向に沿って、前記導体の同一の側に、前記第１の共振器と前記第２の共振器とが前記設計波長の間隔で交互に配置される、請求項１に記載の平面アンテナ。