JP6693773B2 - アンテナ及び太陽電池 - Google Patents

Description

本発明はアンテナ、特に基板を用いたアンテナとこのアンテナを用いた太陽電池などの応用機器に関する。

近年、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）通信に用いられるアンテナのように、対応周波数範囲が広い広帯域のアンテナの開発が行われている。このようなアンテナとして本願発明者は、特許文献１に示されるような、対応周波数範囲が数十ＧＨｚに及ぶ無指向性の平面型アンテナを提案している。

特許文献１の平面型アンテナは、絶縁性の基板の一面に導電性パターンを備えている。この導電性パターンは、矩形状をなす一対のグランドパターンと、これらのグランドパターンの相互間に形成される空隙に配されグランドパターンの一端側から他端側にむけて延在する線路部、及び線路部に連結するとともにグランドパターンから離れるに従って漸次外側に広がる拡大部を備えるエレメントパターンとで構成されている。

特開２０１１−６６８６５号公報

ところで特許文献１では、拡大部が半円型、楕円型、Ｕ字状型、三角形型になる様々なアンテナを提案しているが、本願発明者が更に検討を重ねたところ、対応周波数範囲及びリターンロスは、拡大部の形状によって大きく変わることが見出された。このため、より広帯域で且つ高効率で電磁波を送受信できるアンテナを得るには、パターン形状の最適化を図る必要があった。

本発明は、このような問題点を解決することを課題とするものであり、パターン形状を最適化することによって、対応周波数範囲がより広く且つ効率の良いアンテナを提供することを目的とする。併せて、このアンテナを用いた各種の応用機器を提案する。

本発明は、絶縁性の基板と、該基板の一面側に設けられる一面側導電性パターンと、該基板の他面側に設けられる他面側導電性パターンとを備え、
前記一面側導電性パターンは、矩形状をなす一対のグランドパターンと、該グランドパターンの相互間に形成される空隙に配され該グランドパターンの一端側から他端側にむけて延在する線路部、及び該線路部に連結するとともに該グランドパターンから離間する円形部を備えるエレメントパターンとを備え、
前記他面側導電性パターンは、前記グランドパターン及び前記エレメントパターンに重なっており、
前記円形部の直径をＤとし、前記グランドパターンの他端側縁部から該円形部の他端側縁部までの距離をｈとする場合、前記一面側導電性パターンは、ｈ＝（１〜１．５）×Ｄの関係を有し、
前記基板は、第一斜面と第二斜面とが頂部でつながる山形或いは波形形状をなすものであり、
前記一面側導電性パターンは、一の前記グランドパターンと一の前記エレメントパターンとからなる第一アンテナパターン及び一の前記グランドパターンと一の前記エレメントパターンとからなる第二アンテナパターンを備え、
前記第一アンテナパターンは、前記第一斜面において前記エレメントパターンの円形部が前記頂部側に位置するように配され、前記第二アンテナパターンは、前記第二斜面において前記エレメントパターンの円形部が前記頂部側に位置するように配されるアンテナである。

また本発明は、絶縁性の基板と、該基板の一面側に設けられる一面側導電性パターンと、該基板の他面側に設けられる他面側導電性パターンとを備え、
前記一面側導電性パターンは、矩形状をなす一対のグランドパターンと、該グランドパターンの相互間に形成される空隙に配され該グランドパターンの一端側から他端側にむけて延在する線路部、及び該線路部に連結するとともに該グランドパターンから離間する円形部を備えるエレメントパターンとを備え、
前記他面側導電性パターンは、前記グランドパターン及び前記エレメントパターンに重なっており、
前記円形部の直径をＤとし、前記グランドパターンの他端側縁部から該円形部の他端側縁部までの距離をｈとする場合、前記一面側導電性パターンは、ｈ＝（１〜１．５）×Ｄの関係を有し、
前記基板は、第三側面と第四側面とが天面でつながる矩形形状をなすものであり、
前記一面側導電性パターンは、一の前記グランドパターンと一の前記エレメントパターンとからなる第三アンテナパターン及び一の前記グランドパターンと一の前記エレメントパターンとからなる第四アンテナパターンを備え、
前記第三アンテナパターンは、前記グランドパターンが前記第三側面に配されるとともに前記円形部が前記天面に配され、前記第四アンテナパターンは、前記グランドパターンが前記第四側面に配されるとともに前記円形部が前記天面に配されるアンテナである。

そして、前記グランドパターンの他端側縁部から前記円形部の他端側縁部までの距離ｈが、２００ｎｍ〜１０００ｎｍであるアンテナによって太陽電池とすることができる。

特許文献１での検討を踏まえつつ本願発明者が検討を重ねたところ、拡大部の形状として円形状を採用した場合は、対応周波数範囲が広く効率の良いアンテナが得られることを見出した。そして更に検討を加えたところ、グランドパターン及びエレメントパターンを設けた基板の一面側に対し、その反対に位置する他面側にグランドパターン及びエレメントパターンに重なる他面側導電性パターンを設け、更に円形部の直径をＤとし、グランドパターンの他端側縁部から該円形部の他端側縁部までの距離をｈとする時、一面側導電性パターンがｈ＝（１〜１．５）×Ｄの関係性を有する場合は、対応周波数範囲がより広くより効率の良いアンテナを得ることができる。

そして基板は、第一斜面と第二斜面とが頂部でつながる山形或いは波形形状をなすものであって、一面側導電性パターンは、一のグランドパターンと一のエレメントパターンとからなる第一アンテナパターン及び一のグランドパターンと一のエレメントパターンとからなる第二アンテナパターンを備え、第一アンテナパターンは、第一斜面においてエレメントパターンの円形部が頂部側に位置するように配され、第二アンテナパターンは、第二斜面においてエレメントパターンの円形部が頂部側に位置するように配される場合は、電磁波の送受信に係わるエレメントパターンの円形部をより高い密度で配することができるため、平面型のアンテナよりも高い効率のアンテナとすることができる。

またこのような効果は、基板を、第三側面と第四側面とが天面でつながる矩形形状をなすものとし、一面側導電性パターンは、一のグランドパターンと一のエレメントパターンとからなる第三アンテナパターン及び一のグランドパターンと一のエレメントパターンとからなる第四アンテナパターンを備え、第三アンテナパターンは、グランドパターンが第三側面に配されるとともに円形部が天面に配され、第四アンテナパターンは、グランドパターンが第四側面に配されるとともに円形部が天面に配されるようにしても得ることができる。

ところでこのアンテナは、グランドパターンの他端側縁部から円形部の他端側縁部までの距離ｈが実効長になるモノポールアンテナであるといえ、距離ｈを変更することによって送受信可能な電磁波の周波数帯域を変更することができる。そして、本発明に従うアンテナにおいて、ｈ＝（１〜１．５）×Ｄである時に送受信可能な電磁波の周波数λは、少なくともλ＝（１〜４）×ｈの関係にあることが認められる。ここで、図８に示すように太陽エネルギーの波長分布は、電磁波（光）の波長が２００ｎｍ〜４０００ｎｍの範囲で極大となる。従って距離ｈが２００ｎｍ〜１０００ｎｍであれば、太陽光におけるエネルギーが高い範囲の電磁波（光）を効率よく捉えられるので、変換効率の高い太陽電池を得ることができる。しかもこのアンテナは無指向性であるので、太陽の動きに合わせて向きを変える必要はない。従って、このアンテナを利用した太陽電池では、固定したままであっても朝から夕方まで効率よく発電させることができる。

本発明に従うアンテナの一実施形態を示した平面図及び断面図である。 図１に示すアンテナによる周波数とリターンロスとの関係を示す図であって、（ａ）はｈ＝３０ｍｍでの関係を示し、（ｂ）はｈ＝２８ｍｍでの関係を示す。 図１に示すアンテナによる周波数とリターンロスとの関係を示す図であって、（ａ）はｈ＝２５ｍｍでの関係を示し、（ｂ）はｈ＝２０ｍｍでの関係を示す。 図１に示すアンテナによる周波数とリターンロスとの関係を示す図であって、（ａ）はｈ＝１５ｍｍでの関係を示し、（ｂ）はｈ＝１０ｍｍでの関係を示す。 図１に示すアンテナを用いた太陽電池の一実施形態を示した正面図及び側面図である。 図１に示すアンテナを用いた太陽電池の他の実施形態を示した平面図及び側面図である。 図１に示すアンテナを用いた太陽電池の更に他の実施形態を示した平面図、側面図及び矢視図である。 太陽エネルギーの波長分布を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明に従うアンテナの一実施形態について説明する。

図１に示す符号１は、本発明に従うアンテナの一実施形態を示す。アンテナ１は、絶縁性の基板２と、基板２の一面側に設けられる一面側導電性パターン３と、基板２の他面側に設けられる他面側導電性パターン４とを備えている。基板２としては、例えばテフロン（登録商標）製の基板や、ガラス基材エポキシ樹脂積層板（ＦＲ４）、可撓性を有するポリイミド樹脂フィルム等が用いられる。また一面側導電性パターン３及び他面側導電性パターン４は、導電性のある薄い金属、例えば銅薄やアルミニウム箔等で形成される。

一面側導電性パターン３には、矩形状をなす一対のグランドパターン５が含まれる。また一対のグランドパターン５の間には空隙６が形成されている。そして空隙６には、グランドパターンの一端側（図１では下側）から他端側（図１では上側）に向けて延在する線路部７が設けられている。本実施形態の線路部７は、グランドパターンの一端側から他端側に向けて同一幅で延在している。また線路部７の他端側の端部には、グランドパターン５から離間する円形部８が連結している。ここで、線路部７と円形部８とを合せてエレメントパターン９と称する。

なお、図示は省略するが、グランドパターン５には同軸ケーブルの外部導体線が接続されていて、グランドパターン５をグランド電位に維持している。また線路部７の一端側には同軸ケーブルの芯線が接続されていて、円形部８から電磁波を放射するために不図示の送信機から高周波電力を伝送したり、円形部８で取得した電磁波の高周波電力を不図示の受信機に伝送したりすることができる。

他面側導電性パターン４は、基板２に正対した状態においてグランドパターン５及びエレメントパターン９に重なるように設けられている。本実施形態では、基板２の他面側の全域に亘って設けられている。

このような形状になるアンテナ１を、特許文献１に示すような他の形状のアンテナと比較しながら種々の検討を重ねたところ、アンテナ１のようにエレメントパターン９として円形部８を備えるものは、対応周波数範囲が広くリターンロスが小さいことが見出された。そして更に最適な形状を見出すべく、グランドパターン５に対する円形部８の位置を変えて確認を行ったところ、円形部８の直径をＤとし、グランドパターン５の他端側縁部から円形部８の他端側縁部までの距離をｈとする場合においてｈ＝（１〜１．５）×Ｄの関係を有する場合は、対応周波数範囲がより広くリターンロスがより小さいアンテナを得ることができることが見出された。

この点を、図２〜図４を参照しながら説明する。図２〜図４は、グランドパターン５に対する円形部８の位置を変えて確認を行った際の周波数とリターンロスとの関係を示している。図２〜図４では、Ｄ＝１０ｍｍに固定した状態でｈを変えて確認を行った。なお、空隙６の幅ｗ１は８．４ｍｍであり、線路部７の幅ｗ１は２．５ｍｍである。また図２（ａ）は、ｈ＝３０ｍｍでの結果を示し、図２（ｂ）はｈ＝２８ｍｍでの結果を示し、図３（ａ）はｈ＝２５ｍｍでの結果を示し、図３（ｂ）はｈ＝２０ｍｍでの結果を示し、図４（ａ）はｈ＝１５ｍｍでの結果を示し、図４（ｂ）はｈ＝１０ｍｍでの結果を示す。

図２（ａ）〜図３（ｂ）に示すようにｈ＝２０〜３０ｍｍでは、リターンロスが−５ｄＢ以下になる周波数範囲は少なくとも７ＧＨｚ以上であった。またリターンロスは周波数に応じて大きく変動していた。一方、図４（ａ）に示すようにｈ＝１５ｍｍでは、対応周波数範囲が４．５ＧＨｚ〜３５ＧＨｚ（図４（ａ）に示すカーブから、周波数の上限は少なくとも３５ＧＨｚであると言える）であって、図４（ｂ）に示すようにｈ＝１０ｍｍでは、対応周波数範囲が５ＧＨｚ〜３０ＧＨｚであった。しかもｈ＝１０ｍｍ〜１５ｍｍの範囲では、周波数が変わってもリターンロスの変動が抑えられていた。すなわちアンテナ１は、ｈ＝１０ｍｍ〜１５ｍｍの範囲、換言するとｈ＝（１〜１．５）×Ｄの範囲では、より広帯域で且つ高効率で電磁波を送受信することができる。特に図４（ａ）に示すようにｈ＝１５ｍｍ、換言するとｈ＝１．５×Ｄの関係を満たす場合は、より広帯域で且つ高効率で電磁波を送受信することができる。

ところでアンテナ１は、グランドパターン５の他端側縁部から円形部８の他端側縁部までの距離ｈが実効長になるモノポールアンテナであって、距離ｈを変更することによって送受信可能な電磁波の周波数帯域を変更することができる。ここでアンテナ１は、図４（ｂ）に示すようにｈ＝１０ｍｍ（ｈ＝Ｄ）では５ＧＨｚ〜３０ＧＨｚ（波長１０ｍｍ〜６０ｍｍ）の周波数となる電磁波を送受信することが可能であって、距離ｈとの関係においては周波数λ＝（１〜６）×ｈの電磁波を送受信することが可能であるといえる。更に、図４（ａ）に示すようにｈ＝１５ｍｍ（ｈ＝１．５×Ｄ）では、４．５ＧＨｚ〜３５ＧＨｚ（波長８．６ｍｍ〜６６．７ｍｍ）の周波数となる電磁波を、リターンロスを抑えて送受信することができるため、距離ｈとの関係においては周波数λ＝（０．６〜４．４）×ｈの電磁波を送受信することが可能であるといえる。すなわち、ｈ＝（１〜１．５）×Ｄを満たす上述したアンテナ１においては、λ＝（１〜６）×ｈとλ＝（０．６〜４．４）×ｈの範囲が重なる少なくともλ＝（１〜４）×ｈの周波数を送受信できるといえる。

ここで図８に示すように太陽エネルギーの波長分布は、電磁波（光）の波長が２００ｎｍ〜４０００ｎｍの範囲で極大となる。すなわち、上述したアンテナ１においてはλ＝（１〜４）×ｈの周波数を送受信することができるので、ｈ＝２００ｎｍ〜１０００ｎｍであれば、波長が２００ｎｍ〜４０００ｎｍの範囲の電磁波（光）を効率よく捉えられ、変換効率の高い太陽電池を得ることができる。しかもアンテナ１は、図１に示すＸ−Ｚ方向において無指向性であるので、太陽の動きに合わせて向きを変える必要はない。従って、例えば図５に示すようにアンテナ１を多数並べたＬ字アングル状の太陽電池を固定したまま用いる場合でも、朝から夕方まで効率よく発電させることができる。なお、アンテナ１を太陽電池として利用するには、例えば既存の半導体製造装置を用いて製造することができる。

本発明に従うアンテナは、太陽からの光を捉えて電力を得るだけでなく、逆に供給した電力を光に変換することもできるので、ディスプレイとして応用することも可能である。また距離ｈを変えることによって送受信できる電磁波の波長を変えることができるため、例えば波長１００μｍ〜４００ｎｍの電磁波を照射できるようにしてレーザー核融合に用いられる応用機器として利用することもできる。

ところで、アンテナ１における円形部８は電磁波の放射部として機能するものであり、円形部８が密に配置できればより効率の高いアンテナとすることができる。そのためには、例えば図６に示すような形態にすることが好ましい。ここで図６に示すアンテナ１’は、基板２が山形形状になるものであって、第一斜面１０と第二斜面１１とが頂部１２でつながった形態をなしている。そして一面側導電性パターン３は、グランドパターン５Ａとエレメントパターン９Ａとからなる第一アンテナパターンＡと、グランドパターン５Ｂとエレメントパターン９Ｂとからなる第二アンテナパターンＢを備えている。ここで第一アンテナパターンＡは、第一斜面１０においてエレメントパターン９Ａの円形部８Ａが頂部１２側に位置するように配され、第二アンテナパターンＢは、第二斜面１１においてエレメントパターン９Ｂの円形部８Ｂが頂部１２側に位置するように配される。すなわち、基板２に正対する向きにおいて円形部８が密に配置されることになるので、アンテナの効率を落とすことなく省スペース化が図れることになる。なお基板２は、図６では第一斜面１０と第二斜面１１とを平面状にして山形形状としたが、これらを曲線状にして波形形状にしてもよい。

また、このような効果は図７のような形態でも得ることができる。ここで図７に示すアンテナ１”は、基板２が矩形形状になるものであって、第三側面１３と第四側面１４とが天面１５でつながった形態をなしている。そして一面側導電性パターン３は、グランドパターン５Ｃとエレメントパターン９Ｃとからなる第三アンテナパターンＣ及びグランドパターン５Ｄとエレメントパターン９Ｄとからなる第四アンテナパターンＤを備え、第三アンテナパターンＣは、グランドパターン５Ｃが第三側面１３に配されるとともに円形部８Ｃが天面１５に配され、第四アンテナパターンＤは、グランドパターン５Ｄが第四側面１４に配されるとともに円形部８Ｄが天面１５に配される。すなわち、このような形態であっても基板２に正対する向きにおいて円形部８を密に配置することができる。

１：アンテナ
２：基板
３：一面側導電性パターン
４：他面側導電性パターン
５：グランドパターン
６：空隙
７：線路部
８：円形部
９：エレメントパターン
１０：第一斜面
１１：第二斜面
１２：頂部
１３：第三側面
１４：第四側面
１５：天面
Ａ：第一アンテナパターン
Ｂ：第二アンテナパターン
Ｃ：第三アンテナパターン
Ｄ：第四アンテナパターン

Claims (3)

1. 絶縁性の基板と、該基板の一面側に設けられる一面側導電性パターンと、該基板の他面側に設けられる他面側導電性パターンとを備え、
   前記一面側導電性パターンは、矩形状をなす一対のグランドパターンと、該グランドパターンの相互間に形成される空隙に配され該グランドパターンの一端側から他端側にむけて延在する線路部、及び該線路部に連結するとともに該グランドパターンから離間する円形部を備えるエレメントパターンとを備え、
   前記他面側導電性パターンは、前記グランドパターン及び前記エレメントパターンに重なっており、
   前記円形部の直径をＤとし、前記グランドパターンの他端側縁部から該円形部の他端側縁部までの距離をｈとする場合、前記一面側導電性パターンは、ｈ＝（１〜１．５）×Ｄの関係を有し、
   前記基板は、第一斜面と第二斜面とが頂部でつながる山形或いは波形形状をなすものであり、
   前記一面側導電性パターンは、一の前記グランドパターンと一の前記エレメントパターンとからなる第一アンテナパターン及び一の前記グランドパターンと一の前記エレメントパターンとからなる第二アンテナパターンを備え、
   前記第一アンテナパターンは、前記第一斜面において前記エレメントパターンの円形部が前記頂部側に位置するように配され、前記第二アンテナパターンは、前記第二斜面において前記エレメントパターンの円形部が前記頂部側に位置するように配されるアンテナ。
2. 絶縁性の基板と、該基板の一面側に設けられる一面側導電性パターンと、該基板の他面側に設けられる他面側導電性パターンとを備え、
   前記一面側導電性パターンは、矩形状をなす一対のグランドパターンと、該グランドパターンの相互間に形成される空隙に配され該グランドパターンの一端側から他端側にむけて延在する線路部、及び該線路部に連結するとともに該グランドパターンから離間する円形部を備えるエレメントパターンとを備え、
   前記他面側導電性パターンは、前記グランドパターン及び前記エレメントパターンに重なっており、
   前記円形部の直径をＤとし、前記グランドパターンの他端側縁部から該円形部の他端側縁部までの距離をｈとする場合、前記一面側導電性パターンは、ｈ＝（１〜１．５）×Ｄの関係を有し、
   前記基板は、第三側面と第四側面とが天面でつながる矩形形状をなすものであり、
   前記一面側導電性パターンは、一の前記グランドパターンと一の前記エレメントパターンとからなる第三アンテナパターン及び一の前記グランドパターンと一の前記エレメントパターンとからなる第四アンテナパターンを備え、
   前記第三アンテナパターンは、前記グランドパターンが前記第三側面に配されるとともに前記円形部が前記天面に配され、前記第四アンテナパターンは、前記グランドパターンが前記第四側面に配されるとともに前記円形部が前記天面に配されるアンテナ。
3. 前記グランドパターンの他端側縁部から前記円形部の他端側縁部までの距離ｈが、２００ｎｍ〜１０００ｎｍである請求項１又は２のアンテナを用いた太陽電池。

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