JP6903954B2 - スロットアンテナ - Google Patents

Description

本発明はスロットアンテナに関する。

平板状の放射導体を用いたアンテナ装置としては、パッチアンテナの他にスロットアンテナが広く知られている（特許文献１及び２参照）。スロットアンテナは、平板状の放射導体にスロット（閉じた開口部）形成された構造を有しており、スロットの位置や形状、給電点の位置などを調整することによって所望の周波数で共振させることができる。

特開２００７−３３６１７０号公報 特開平９−１１６３１１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたスロットアンテナは、同軸ケーブルを用いて給電を行っていることから給電構造が複雑であり、スマートフォンなどの携帯型電子機器への適用が困難であるという問題があった。また、特許文献２に記載されたスロットアンテナは、マイクロストリップラインを用いて給電を行っていることから、マイクロストリップラインと放射導体との結合が弱いという問題があった。また、特許文献１及び２に記載されたスロットアンテナは、いずれもアンテナ利得が低いという問題もあった。

したがって、本発明の目的は、給電構造がシンプルであり、且つ、高いアンテナ利得を得ることが可能なスロットアンテナを提供することである。

本発明によるスロットアンテナは、スロットを介して両側に位置する第１及び第２の領域を有する平板状の放射導体と、前記放射導体と重なるよう、前記放射導体と平行に配置された平板状の反射導体と、前記放射導体に対して垂直に延在し、前記放射導体の前記第１の領域に接続された給電導体と、前記放射導体に対して垂直に延在し、前記放射導体の前記第２の領域に接続された接地導体とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、放射導体に対して垂直な給電導体および接地導体を用いていることから、シンプル且つ確実な給電を行うことができる。しかも、反射導体側に放射された電磁波は、反射導体によって反射し、反対側へと放射されることから、従来のスロットアンテナと比べて高いアンテナ利得を得ることが可能となる。

本発明において、前記給電導体は、前記反射導体を貫通して設けられていても構わない。これによれば、給電導体と反射導体の干渉をシンプルな構造によって防止することができる。

本発明において、前記接地導体は、前記反射導体に接続されていても構わないし、前記反射導体を貫通して設けられていても構わない。前者は反射導体にグランド電位を与える場合に好適であり、後者は反射導体にグランド電位とは異なる電位を与える場合に好適である。

本発明によるスロットアンテナは、前記反射導体と同一平面上に設けられた別の接地導体をさらに備え、前記接地導体の端部が前記別の接地導体に接続されていても構わない。これによれば、反射導体と別の接地導体を同時に形成することができることから、製造工程を増やすことなく、簡単な構成によって接地導体にグランド電位を与えることが可能となる。

本発明において、前記放射導体と前記反射導体の距離は、アンテナ共振信号の波長の１／４以下であることが好ましい。これによれば、全体の厚みを薄くすることができるとともに、反射導体による反射効率を高めることが可能となる。

本発明によるスロットアンテナは、誘電体層をさらに備え、前記放射導体は前記誘電体層の一方の表面又はその近傍に形成され、前記反射導体は前記誘電体層の他方の表面又はその近傍に形成されていても構わない。これによれば、プリント基板やＬＴＣＣ基板などの基板自体にスロットアンテナを形成することが可能となる。

本発明によるスロットアンテナは、前記放射導体から見て前記反射導体とは反対側に位置し、前記放射導体と重なるよう、前記放射導体と平行に配置された平板状の励振導体をさらに備えていても構わない。これによれば、励振導体が放射導体によって励振されることから、アンテナ特性を向上させることが可能となる。

この場合、前記励振導体はフローティング状態であっても構わないし、前記放射導体の前記スロットと重なる位置にスロットが形成されていても構わない。前者によればアンテナ帯域を広帯域化することが可能となり、後者によればデュアルバンド化することが可能となる。また、後者の場合、前記励振導体は、前記スロットを介して両側に位置する第３及び第４の領域を有し、前記給電導体は、前記放射導体の前記第１の領域及び前記励振導体の前記第３の領域に接続され、前記接地導体は、前記放射導体の前記第２の領域及び前記励振導体の前記第４の領域に接続されていても構わない。これによれば、励振導体が放射導体と同様に振る舞うことから、アンテナ特性をより向上させることが可能となる。

このように、本発明によるスロットアンテナは給電構造がシンプルであり、且つ、高いアンテナ利得を得ることが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態によるスロットアンテナ１０Ａの構造を示す略斜視図である。 図２は、スロットアンテナ１０Ａの平面図である。 図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図４は、スロットアンテナ１０Ａの支持方法を説明するための略断面図である。 図５は、スロットアンテナ１０Ａの別の支持方法を説明するための略断面図である。 図６は、本発明の第２の実施形態によるスロットアンテナ１０Ｂの構造を示す平面図である。 図７は、図６のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 図８は、スロットアンテナ１０Ｂの変形例を示す断面図である。 図９は、本発明の第３の実施形態によるスロットアンテナ１０Ｃの構造を示す略斜視図である。 図１０は、スロットアンテナ１０Ｃの断面図である。 図１１は、本発明の第４の実施形態によるスロットアンテナ１０Ｄの構造を示す略斜視図である。 図１２は、スロットアンテナ１０Ｄの断面図である。 図１３は、本発明の第５の実施形態によるスロットアンテナ１０Ｅの構造を示す略斜視図である。 図１４は、スロットアンテナ１０Ｅの断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態によるスロットアンテナ１０Ａの構造を示す略斜視図である。また、図２はスロットアンテナ１０Ａの平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図１〜図３に示すように、本実施形態によるスロットアンテナ１０Ａは、ｘｙ平面を有する平板状の放射導体２０と、ｘｙ平面を有する平板状の反射導体３０とを備えている。特に限定されるものではないが、本実施形態では放射導体２０と反射導体３０の平面サイズが同じであり、両者はｚ方向に重なるよう配置されている。

放射導体２０のｘ方向における中央部には、ｙ方向に延在するスロットＳ１が形成されている。スロットＳ１は閉じた開口部であり、スロットＳ１を介してｘ方向の両側に位置する第１の領域２１と第２の領域２２は、スロットＳ１のｙ方向における両端に位置する接続部２３を介して接続されている。

放射導体２０の第１の領域２１には、給電導体４１が接続されている。給電導体４１は、ＲＦ回路１００から出力される送信信号を放射導体２０の第１の領域２１に供給するとともに、放射導体２０によって受信した受信信号をＲＦ回路１００に供給する役割を果たす。給電導体４１はｚ方向に延在しており、本実施形態においては、反射導体３０の一部を切り欠いた貫通孔３１を介して放射導体２０に接続されている。これにより、給電導体４１と反射導体３０の接触が防止されている。

一方、放射導体２０の第２の領域２２には、接地導体４２が接続されている。接地導体４２は、放射導体２０の第２の領域２２にグランド電位を供給する役割を果たす。接地導体４２もｚ方向に延在している。本実施形態においては、反射導体３０にグランド電位が与えられており、放射導体２０の第２の領域２２と反射導体３０を接地導体４２によって接続することにより、放射導体２０の第２の領域２２にグランド電位が与えられる。

反射導体３０は、放射導体２０から放射される電磁波を反射する役割を果たす。つまり、放射導体２０からは、主にｚ方向における両側に向けて電磁波が放射されるところ、下側（ｚ方向のマイナス側）に放射された電磁波の一部が反射導体３０によって反射し、上側（ｚ方向のプラス側）に放射される。これにより、上側（ｚ方向のプラス側）に放射される電磁波が強められることから、アンテナ利得が向上する。しかも、本実施形態では、ｚ方向に延在する給電導体４１を用いることによって放射導体２０の第１の領域２１に直接給電していることから、シンプルな構造によって確実な給電を行うことができる。

放射導体２０と反射導体３０のｚ方向における距離Ｌ１は、アンテナ共振周波数をもつ信号の波長の１／４以下であることが好ましい。これによれば、スロットアンテナ１０Ａの全体の厚みを薄くすることができるとともに、反射導体３０による反射効率を高めることが可能となる。但し、放射導体２０と反射導体３０の距離Ｌ１が近すぎると、放射導体と反射導体とが容量結合するという問題が発生するため、放射導体２０と反射導体３０のｚ方向における距離は、アンテナ共振信号の波長の１／１０以上とすることが好ましい。ここで「波長」とは、放射導体２０と反射導体３０の間が自由空間である場合には、自由空間における１波長の長さを指し、放射導体２０と反射導体３０との間に誘電体が介在する場合には、誘電体の波長短縮効果を考慮した１波長の長さを指す。

図４及び図５は、スロットアンテナ１０Ａの支持方法を説明するための略断面図である。

図４に示す例では誘電体層５０を用い、誘電体層５０の一方の表面５０ａに放射導体２０を形成し、誘電体層５０の他方の表面５０ｂに反射導体３０を形成している。給電導体４１及び接地導体４２は、誘電体層５０を貫通して設けられている。誘電体層５０としては、プリント基板やＬＴＣＣ基板などの回路基板の一部を用いることができ、この場合、給電導体４１及び接地導体４２は回路基板の一部を貫通するスルーホール導体によって構成される。かかる構成によれば、誘電体層５０の表裏に導体パターンを形成するとともに、スルーホール導体を形成することによってスロットアンテナ１０Ａを構成することが可能となる。また、放射導体２０を一方の表面５０ａではなくその近傍に形成しても構わないし、反射導体３０を他方の表面５０ｂではなくその近傍に形成しても構わない。

図５に示す例では、互いに対向する２つの支持体５１，５２を用い、支持体５１の表面に放射導体２０を形成し、支持体５２の表面に反射導体３０を形成している。給電導体４１及び接地導体４２は、支持体５１と支持体５２との間に設けられ、例えば接続ピンなどを用いることができる。支持体５１，５２としては、プリント基板などの回路基板のほか、携帯型電子機器の筐体などを用いることができる。かかる構成によれば、携帯型電子機器の内部に形成される空間を利用してスロットアンテナ１０Ａを構成することが可能となる。

＜第２の実施形態＞
図６は、本発明の第２の実施形態によるスロットアンテナ１０Ｂの構造を示す平面図であり、図７は図６のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

図６及び図７に示すように、本実施形態によるスロットアンテナ１０Ｂは、反射導体３０に別の貫通孔３２が設けられており、貫通孔３２を介して接地導体４２が設けられている点において、第１の実施形態によるスロットアンテナ１０Ａと相違している。その他の構成は、第１の実施形態によるスロットアンテナ１０Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態においては、接地導体４２と反射導体３０が接触しないことから、反射導体３０に任意の電位を与えることが可能となる。一例として、反射導体３０に電源電位を与えても構わないし、基板に形成された信号配線の一部を反射導体３０として用いることも可能である。

また、変形例である図８に示すように、反射導体３０に切り欠き３２ａを設け、切り欠き３２ａに囲まれた領域内に、反射導体３０と接しないよう同一平面上に別の接地導体４２ａを形成しても構わない。接地導体４２ａは、接地導体４２と平面視で重なる位置に設けられ、接地導体４２の下端部と接続される。このように、反射導体３０と同一平面上に位置する接地導体４２ａを設ければ、製造工程を増やすことなく、簡単な構成によって接地導体４２にグランド電位を与えることが可能となる。

本実施形態が例示するように、本発明において反射導体３０にグランド電位を与えることは必須でない。

＜第３の実施形態＞
図９は、本発明の第３の実施形態によるスロットアンテナ１０Ｃの構造を示す略斜視図であり、図１０はスロットアンテナ１０Ｃの断面図である。

図９及び図１０に示すように、本実施形態によるスロットアンテナ１０Ｃは、励振導体６０が追加されている点において、第１の実施形態によるスロットアンテナ１０Ａと相違している。その他の構成は、第１の実施形態によるスロットアンテナ１０Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

励振導体６０は、放射導体２０から見て反射導体３０とは反対側に位置する平板状の導体であり、放射導体２０及び反射導体３０とｚ方向に重なるよう、放射導体２０及び反射導体３０と平行に配置される。つまり、励振導体６０もｘｙ平面を有し、励振導体６０と反射導体３０によって放射導体２０が挟まれた構造を有している。本実施形態においては放射導体２０、反射導体３０及び励振導体６０の平面サイズが同じであり、これらはｚ方向に重なるよう配置されている。

励振導体６０は、どの配線にも接続されることなくフローティング状態であり、放射導体２０から放射される電磁波によって励振される。これにより、励振導体６０からも電磁波が放射されることから、アンテナ帯域を広帯域化することが可能となる。励振導体６０の平面サイズや、励振導体６０と放射導体２０との距離Ｌ２については、励振導体６０に求められる放射特性に応じて設計すればよい。

＜第４の実施形態＞
図１１は、本発明の第４の実施形態によるスロットアンテナ１０Ｄの構造を示す略斜視図であり、図１２はスロットアンテナ１０Ｄの断面図である。

図１１及び図１２に示すように、本実施形態によるスロットアンテナ１０Ｄは、励振導体６０にスロットＳ２が設けられている点において、第３の実施形態によるスロットアンテナ１０Ｃと相違している。その他の構成は、第３の実施形態によるスロットアンテナ１０Ｃと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

励振導体６０に設けられたスロットＳ２は、放射導体２０に設けられたスロットＳ１と重なる位置に設けられ、スロットＳ１と同じ形状及び同じサイズを有している。つまり、スロットＳ２はｙ方向に延在する閉じた開口部であり、スロットＳ２を介してｘ方向の両側に位置する第３の領域６１と第４の領域６２は、スロットＳ２のｙ方向における両端に位置する接続部６３を介して接続されている。

かかる構成により、放射導体２０によって励振される励振導体６０が別のスロットアンテナとして機能することから、デュアルバンド化することが可能となる。励振導体６０の平面サイズ、励振導体６０と放射導体２０との距離Ｌ２、スロットＳ２の位置、形状、サイズなどについては、励振導体６０に求められる放射特性に応じて設計すればよい。

＜第５の実施形態＞
図１３は、本発明の第５の実施形態によるスロットアンテナ１０Ｅの構造を示す略斜視図であり、図１４はスロットアンテナ１０Ｅの断面図である。

図１３及び図１４に示すように、本実施形態によるスロットアンテナ１０Ｅは、給電導体４１によって放射導体２０の第１の領域２１と励振導体６０の第３の領域６１が接続され、接地導体４２によって放射導体２０の第２の領域２２と励振導体６０の第４の領域６２が接続されている点において、第４の実施形態によるスロットアンテナ１０Ｄと相違している。その他の構成は、第４の実施形態によるスロットアンテナ１０Ｄと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態においては、励振導体６０の第３の領域６１に直接給電されるとともに、励振導体６０の第４の領域にグランド電位が直接与えられる。このため、励振導体６０は放射導体２０によって励振されるだけでなく、実質的に別の放射導体としても機能する。これにより、アンテナ利得をよりいっそう高めることが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上述した各実施形態では単一のスロットアンテナについて説明したが、複数のスロットアンテナをライン状あるいはマトリクス状に配置することによって、いわゆるフェーズドアレイを構成することも可能である。

１０Ａ〜１０Ｅ スロットアンテナ
２０ 放射導体
２１ 第１の領域
２２ 第２の領域
２３ 接続部
３０ 反射導体
３１，３２ 貫通孔
３２ａ 切り欠き
４１ 給電導体
４２，４２ａ 接地導体
５０ 誘電体層
５０ａ，５０ｂ 表面
５１，５２ 支持体
６０ 励振導体
６１ 第３の領域
６２ 第４の領域
６３ 接続部
１００ ＲＦ回路
Ｓ１，Ｓ２ スロット

Claims (10)

1. スロットを介して両側に位置する第１及び第２の領域を有する平板状の放射導体と、
   前記放射導体と重なるよう、前記放射導体と平行に配置された平板状の反射導体と、
   前記放射導体に対して垂直に延在し、前記放射導体の前記第１の領域に接続された給電導体と、
   前記放射導体に対して垂直に延在し、前記放射導体の前記第２の領域に接続された接地導体と、を備え、
   前記反射導体は、貫通孔を有し、
   前記給電導体は、前記反射導体を貫通するよう、前記貫通孔を介して前記放射導体に接続されていることを特徴とするスロットアンテナ。
2. 前記接地導体は、前記反射導体に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のスロットアンテナ。
3. スロットを介して両側に位置する第１及び第２の領域を有する平板状の放射導体と、
   前記放射導体と重なるよう、前記放射導体と平行に配置された平板状の反射導体と、
   前記放射導体に対して垂直に延在し、前記放射導体の前記第１の領域に接続された給電導体と、
   前記放射導体に対して垂直に延在し、前記放射導体の前記第２の領域に接続された接地導体と、を備え、
   前記接地導体は、前記反射導体を貫通して設けられていることを特徴とするスロットアンテナ。
4. スロットを介して両側に位置する第１及び第２の領域を有する平板状の放射導体と、
   前記放射導体と重なるよう、前記放射導体と平行に配置された平板状の反射導体と、
   前記放射導体に対して垂直に延在し、前記放射導体の前記第１の領域に接続された給電導体と、
   前記放射導体に対して垂直に延在し、前記放射導体の前記第２の領域に接続された接地導体と、
   前記反射導体と同一平面上に設けられた別の接地導体と、を備え、
   前記接地導体の端部が前記別の接地導体に接続されていることを特徴とするスロットアンテナ。
5. 前記放射導体と前記反射導体の距離は、アンテナ共振信号の波長の１／４以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のスロットアンテナ。
6. 誘電体層をさらに備え、
   前記放射導体は前記誘電体層の一方の表面又はその近傍に形成され、前記反射導体は前記誘電体層の他方の表面又はその近傍に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のスロットアンテナ。
7. 前記放射導体から見て前記反射導体とは反対側に位置し、前記放射導体と重なるよう、前記放射導体と平行に配置された平板状の励振導体をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のスロットアンテナ。
8. 前記励振導体はフローティング状態であることを特徴とする請求項７に記載のスロットアンテナ。
9. 前記励振導体には、前記放射導体の前記スロットと重なる位置にスロットが形成されていることを特徴とする請求項７に記載のスロットアンテナ。
10. 前記励振導体は、前記スロットを介して両側に位置する第３及び第４の領域を有し、
    前記給電導体は、前記放射導体の前記第１の領域及び前記励振導体の前記第３の領域に接続され、
    前記接地導体は、前記放射導体の前記第２の領域及び前記励振導体の前記第４の領域に接続されることを特徴とする請求項９に記載のスロットアンテナ。

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