JP7051068B2

JP7051068B2 - アンテナ及び通信装置

Info

Publication number: JP7051068B2
Application number: JP2018076866A
Authority: JP
Inventors: 滋牧野
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2018-04-12
Filing date: 2018-04-12
Publication date: 2022-04-11
Anticipated expiration: 2038-04-12
Also published as: JP2019186788A

Description

本発明は、自由空間及び導体上のいずれの場合にも適用できる小型アンテナ及びそれを用いた通信装置に関する。

本出願に係る発明者は、先にメタマテリアル技術を用いた薄型で小型のアンテナを提案している（特許文献１，２）。
本発明者は、さらに小型を図ることが可能なアンテナを検討した結果、本発明に至った。

特開２０１６－１４６５５８号公報特開２０１１－５５０５４号公報

本発明は、薄型でありながら外型寸法が小さい小型のアンテナ及びそれを用いた小型の通信装置の提供を目的とする。

本発明に係るアンテナは、第１誘電体層と、前記第１誘電体層の一方の面に形成した金属からなるベース層と、前記ベース層から立設した鏡像壁層を有し、前記第１誘電体層の他方の面であって、前記鏡像壁層との間に所定の隙間を形成して設けた放射素子層を有し、前記放射素子層の上部であって、当該放射素子層と平行に配置したアンテナ素子を有することを特徴とする。

特許文献１に開示されているアンテナは、中央部のスリットを介して両側に板状の放射素子層とその上側に誘電体層を介して、ダイポールアンテナとして作動する一対の非接触型の給電素子を配設したものである。
これにより、インピーダンス整合がとれた薄型であって自由空間のみならず、導体上であっても使用できる小型のアンテナが得られた。
これに対して、本発明は上記スリット部の位置に反射板として機能する鏡像壁層を立設し、さらなる小型化を図った点に特徴がある。
本発明において、アンテナ素子は前記放射素子層の上面に第２誘電体層を介して配置してあり、前記アンテナ素子と前記鏡像壁層とに給電点を設ける態様が考えられる。
この場合にアンテナ素子は前記鏡像壁層からカギ状に延在させる例と、前記鏡像壁層との間に所定の隙間を形成して配置する例が考えられる。

本発明において、アンテナ素子はダイポールアンテナとして作動する一対のアンテナ素子からなる態様が含まれる。
また、鏡像壁層は複数立設してあり、前記アンテナ素子は前記複数の鏡像壁層の間に配置してあってもよい。
この場合に詳細は後述するが、図２に示すようにアンテナ素子と鏡像壁層とに給電点Ｆ_１，Ｆ_２を形成する態様と、図１９に示すように一対のアンテナ素子にそれぞれ給電点Ｆ_１，Ｆ_２を設ける態様がある。
アンテナ素子と鏡像壁層に給電点Ｆ_１，Ｆ_２を形成する場合には、その高さをほぼ同じにするのがよい。
一方、一対のアンテナ素子に給電点Ｆ_１，Ｆ_２を設ける場合には、鏡像壁層の高さは給電点より低くてもよい。
ここでアンテナ素子は、前記鏡像壁層の立設方向に沿った中心線と直角方向に配置する他には、前記鏡像壁層の立設中心線と水平方向に直交する水平中心線から所定の距離だけオフセットさせて配設してある形態にあっては、２周波数共用／広帯域型の小型アンテナが実現可能となる。

本発明において、第１誘電体層及び第２誘電体層は誘電層として作用するものであれば、樹脂板等の非導電体のみならず、空間層であってもよい。
ベース層及び鏡像壁層は金属製であり、一体的に形成してもよく、別体を接合してもよい。
放射素子層は金属製であり、ベース層との間に第１誘電体層を挟み、概ね平行に配設されているものであれば、平面形状のみならず曲面形状であってもよい。
放射素子層は、鏡像壁層との間にスリット状の所定の隙間を有する以外は、ベース層と概ね同じ外形形状であってよい。
また、放射素子層は、長さ方向の内側に切り欠き部を設けた複数の放射素子片部にしてもよい。
また、一対のアンテナ素子に対応させて、この放射素子層を複数にしてもよい。

本発明において鏡像壁層は、反射板として作用し、放射素子層及びアンテナ素子を写像させるのが目的であり、板状のみならず格子状，メッシュ状等であってもよい。

本発明に係るアンテナは、通信モジュールと組み合せることで小型の通信装置となる。

本発明に係るアンテナは、鏡像壁層を設けることで、左右対称に放射素子層及び給電素子を形成した特許文献１に記載のアンテナと等価的になり、従来の約半分以下の大きさにすることが可能となる。
また、特許文献２に記載の構造に適用することで、小型のアンテナになる。

本発明に係るアンテナの構造例を示す。（ａ）はアンテナの断面構造を示し、（ｂ）はアンテナ素子を配置したアンテナ基板、（ｃ）は放射素子層を配置したグリッド基板、（ｄ）はベース層を配置した金属基板を示す。本発明に係る図１，２に示したアンテナ（Ａ）と図３２に示した従来のアンテナ（Ｂ）とのインピーダンス特性の比較を示す。左のグラフは自由空間におけるインピーダンス特性を示し、右のグラフは金属上（導体上）でのインピーダンス特性を示す。Ｘはリアクタンス成分、Ｒはレジスタンス成分を示す。図１，２に示したアンテナ（Ａ）と従来のアンテナ（Ｂ）とのＶＳＷＲ特性を示す。放射パターンを示す。アンテナ素子をオフセット配置した２周波数対応型のアンテナの構造例を示す。（ａ）は断面構造、（ｂ）はアンテナ基板、（ｃ）はグリッド基板、（ｄ）は金属基板を示す。設計比較したアンテナ仕様表を示す。図８のアンテナ仕様におけるインピーダンス特性を示す。図８のアンテナ仕様におけるＶＳＷＲ特性を示す。図８のアンテナ仕様における放射パターンを示す。本発明に係るオフセット型のアンテナ（Ａ）の仕様と従来のアンテナ（Ｂ）の仕様比較を示す。共振周波数５ＧＨ_Ｚタイプのアンテナ仕様における本発明（Ａ）と従来（Ｂ）との比較を示す。オフセット型アンテナのインピーダンス特性を示す。オフセット型アンテナのＶＳＷＲ特性を示す。オフセット型アンテナの放射パターンを示す。放射素子層の内側を切り欠いた例を示し、（ａ）～（ｄ）は図２に相当し、（ｅ）は斜視図を示す。アンテナ素子の変形例を示す。一対のアンテナ素子の例を示す。図１９に示したアンテナの（ａ）インピーダンス特性、（ｂ）ＶＳＷＲ特性を示す。図１９に示したアンテナの放射特性を示す。２つの鏡像壁層を対向立設した例を示す。図２２に示したアンテナの（ａ）インピーダンス特性、（ｂ）ＶＳＷＲ特性を示す。図１９に示したアンテナの放射特性を示す。一対の鏡像壁層の間に一対のアンテナ素子を配置した例を示す。図２５に示したアンテナの（ａ）インピーダンス特性、（ｂ）ＶＳＷＲ特性を示す。図２５に示したアンテナの放射特性を示す。一対の鏡像壁層の間に１つのアンテナ素子を配置した例を示す。図２８に示したアンテナの（ａ）インピーダンス特性、（ｂ）ＶＳＷＲ特性を示す。図２８に示したアンテナの放射特性を示す。従来のアンテナ構造例を示す。特許文献２のアンテナと比較した例を示す。

本発明に係るアンテナの構造例を以下、図に基づいて説明する。
図１，２に、本発明に係るアンテナの構造例を示し、比較のため、引用文献１に開示されているアンテナの構造例を従来例として図３１に示す。
また、引用文献２に開示されたアンテナとの比較を図３２に示す。
図３２においてＭは、鏡像面を示す。
第１誘電体層１２の一方の面（下面）に、金属製のベース層１１ａを配設し、その一端から第１誘電体層１２の端部に沿って立設した鏡像壁層１１ｂを設けてある。
ベース層１１ａと鏡像壁層１１ｂとは、側面視で略Ｌ字形状の金属層１１を形成していることになる。
第１誘電体層１２の他方の面（上面）には、鏡像壁層１１ｂとの間に所定の隙間としてスリット部Ｓを設けて、金属製の放射素子層１３を形成してある。
放射素子層１３の上面には、第２誘電体層１４を形成し、その上にアンテナ素子１５を配設した。
このアンテナ素子１５は、鏡像壁層の面に対して直角方向に配設してある。
アンテナ素子１５は、非接触型であり、鏡像壁層１１ｂを反射面としたダイポールアンテナとして作動する。
アンテナ素子１５と、鏡像壁層１１ｂとの間にも所定の隙間として、スリット部Ｓを形成してあり、そのスリット幅（ｓ）は図２に示すように、放射素子層１３のスリット幅（ｓ）と同じである。
図２（ｂ）は第２誘電体層１４の上面にアンテナ素子１５を配置したアンテナ基板であり、（ｃ）は放射素子層１３を配置したグリッド基板を示す。（ｄ）はベース層１１ａを表した金属基板である。
本実施例では、アンテナ素子１５に給電点Ｆ_１を形成し、鏡像壁層１１ｂの上端部に給電点Ｆ_２とを形成し、給電点Ｆ_１，Ｆ_２が同じ高さになるように設定してある。

従来例として、図３１に特許文献１のアンテナの構造例を示す。
金属板１１１の上に第１誘電体層１１２を形成し、その上にｓ×２倍のスリット部を中央部に設け、その両側に放射素子層１１３を配置してある。
この放射素子層１１３の上に、第２誘電体層１１４を形成し、さらにその上に一対の給電素子１１５を有する。
一対の給電素子からなるダイポールアンテナはａ×２＋ｓ×２の長さになる。
本発明に係るアンテナを以下、この従来例と比較しながら説明する。

図２に示した本発明に係るアンテナのパラメータを下記のとおり設定し、図３１の従来のアンテナと比較した。
給電点（Feeding point）は、図１，図２（ａ）及び図３１（ａ）に示したＦ_１とＦ_２である。
本実施例は、アンテナ素子１５のスリット側端部の給電点Ｆ_１、鏡像壁層１１ｂの上端部の給電点Ｆ_２とし、この２点で給電する。
図３１の従来例では、一対の給電素子１１５に給電点Ｆ_１，Ｆ_２を有する。
高さＨ：４ｍｍ
長さＬ：２９．７ｍｍ
幅Ｗ：３０ｍｍ
放射素子長さｇ：２９．４５ｍｍ
スリット幅ｓ：０．２５ｍｍ
アンテナ素子長さａ：１２ｍｍ
アンテナ素子幅ｗｗ：１ｍｍ
第１誘電体厚みｔ_１：３．１２ｍｍ，比誘電率ε_１：２．５９
第２誘電体厚みｔ_２：０．７４ｍｍ，比誘電率ε_２：２．５３
金属層（放射素子層）には厚み０．０１８ｍｍの銅箔を用いた。
なお、図３１においては、計算式に上記の数値を入力した。

図３にインビーダンス特性を示し、Ｘはリアクタンス成分、Ｒはレジスタンス成分を示す。
図４にＶＳＷＲ特性を示す。
図５に放射パターンを示す。
（Ａ）は本発明に係るアンテナ、（Ｂ）は比較例を示す。
図３，４において左側のグラフは自由空間におけるアンテナ特性、右側のグラフは金属上でのアンテナ特性を示す。
２．４５ＧＨ_Ｚ付近でＶＳＷＲが、ほぼ１であり整合がとれている。
共振周波数２．４５ＧＨ_Ｚで基準化すると、Ｌ＝０．２５λ，Ｈ＝０．０３３λ，Ｗ＝０．２５λとなる。

次に、図６，７に示すようにアンテナ素子１５を放射素子層１３の水平中心線Ｇ_０よりも、図７（ｂ）では下側ｄだけオフセットさせた。
各パラメータの設定値を図８の表に示す。
図９にインピーダンス特性、図１０にＶＳＷＲ特性、図１１に放射パターンを示す。
図８の表において、ベース層（金属基板）の長さＬを基板長さＬと表現してあり、３１．５ｍｍ，３０．５ｍｍ，２９．７５ｍｍ，２９．６５ｍｍに対応させて基板の幅Ｗを（ア）２４ｍｍ，（イ）２７ｍｍ，（ウ）３０ｍｍ，（エ）３３ｍｍとそれぞれ設定した。
また、アンテナ素子１５の長さを図８の表ではアンテナ長ａと表現し、アンテナ基板の水平中心線Ｇ_０（鏡像壁層１１ｂの立設中心線に対して水平方向に直交する中心線）からの下側へのオフセット量ｄを（ア）～（エ）に対応して８ｍｍ，９．５ｍｍ，１１ｍｍ，１２．５ｍｍに設定した。
図９に示したインピーダンス特性及び図１０に示したＶＳＷＲの特性を見ると、２．４５ＧＨ_Ｚ付近の共振周波数ｆ_１は、アンテナ長ａとグリッド幅ｇの値で決定されるのに対して、基板幅Ｗとオフセット量ｄを設定することで第２の共振周波数ｆ_２がシフトして出現することが分かる。
図１１の放射パターンを見ると（ア）～（エ）のいずれにおいても放射パターンに大きな差がないことが分かる。

図１２は基板幅Ｗ＝２７ｍｍにおける、本発明に係るアンテナ（Ａ）と従来のアンテナ（Ｂ）とを計算で比較した例を示す。
長さが従来の約半分になることが分かる。
図１３にｆ_１：５．２５ＧＨ_Ｚ，ｆ_２：５．６５ＧＨ_Ｚに設定した場合のアンテナの仕様の計算例を示す。
（Ａ）は本発明、（Ｂ）は従来例である。
その場合のインピーダンス特性を図１４，ＶＳＷＲ特性を図１５，放射パターンを図１６に示す。
この場合も、アンテナの長さが従来例に対して約半分になる。

図１７に示したアンテナの実施例は、放射素子層１３ａの内側を切り欠いて、複数の片部ｇ_１，ｇ_２にて形成した例を示す。
この効果は、特許文献１に記載と同様の効果を示す。

図１８は、アンテナ素子１５ａを鏡像壁層１１ｂからカギ型に延在させたａ_１とａ_２からなり、ａ_２と鏡像壁層１１ｂとの間に隙間を形成し、給電点Ｆ_１，Ｆ_２とした例である。

図１９は、第２誘電体層１４の上面に一対のアンテナ素子１５ｂ，１５ｃを配置し、給電点Ｆ_１，Ｆ_２とした例である。
この場合には鏡像壁層１１ｂの高さは、放射素子１３ｃよりも高ければアンテナ素子１５ｃの高さよりも低くてもよい。
Ｈ：４ｍｍ，Ｗ：３０ｍｍ，Ｌ：４８．３ｍｍ
放射素子１３ｂ，１３ｃのグリッド幅、ｇ_１：３１ｍｍ，ｇ_２：１６ｍｍ，スリットＳ_１：０．５ｍｍ，スリットＳ：０．２５ｍｍに設計した場合のインピーダンス特性を図２０、放射特性を図２１にそれぞれ示す。
図２に示した基本型に比較して低いインピーダンスとなり、広帯域化している。

図２２に示した実施例は、ベース層１１ａの両側から対向させて、第１の鏡像壁層１１ｂと、第２の鏡像壁層１１ｃを立設し、その間に一対のアンテナ素子１５ｂ，１５ｃを配設した例である。
アンテナ素子１５ｂ，１５ｃにそれぞれ給電点Ｆ_１，Ｆ_２を形成してある。
アンテナ素子１５ｂ，１５ｃは、線状アンテナであり、鏡像壁層１１ｂの立設面と直交する方向であって、片側に直線状に配置してある。
この場合に、放射素子層を１３ｄと１３ｅに分割配置した。
Ｈ：４ｍｍ，Ｗ：３０ｍｍ，Ｌ：３９ｍｍ，ｇ_１＝ｇ_２：１９ｍｍ，ｓ_１：０．５ｍｍ，ｓ_２＝ｓ_３：０．２５ｍｍに設計した。
この場合のインピーダンス特性を図２３，放射特性を図２４にそれぞれ示す。
この場合も基本型に比較して、広帯域化している。

図２５に示したアンテナは、図２２に比較して、Ｌ：３２．５ｍｍ，ｇ_５：７ｍｍ，ｇ_６：２４．５ｍｍ設計した場合で、そのインピーダンス特性を図２６、放射特性を図２７に示す。

図２８には、対向配置した第１，第２の鏡像壁層１１ｂ，１１ｃの間にアンテナ素子１５ｄを直線状に配設し、アンテナ素子１５ｄと一方の鏡像壁層とに給電点Ｆ_１，Ｆ_２を設けた例である。
図２８にて、Ｈ：４ｍｍ，Ｗ：３０ｍｍ，Ｌ：２２．６ｍｍ，ｇ：２２．１ｍｍ，ｓ：０．２５ｍｍに設計した場合のインピーダンス特性と放射特性を図２９，図３０に示す。

１１金属層
１１ａベース層
１１ｂ鏡像壁層
１２第１誘電体層
１３放射素子層
１４第２誘電体層
１５アンテナ素子

Claims

第１誘電体層と、
前記第１誘電体層の一方の面に形成した金属からなるベース層と、前記ベース層から立設した鏡像壁層を有し、
前記第１誘電体層の他方の面であって、前記鏡像壁層との間に所定の隙間を形成して設けた放射素子層を有し、
前記放射素子層は前記ベース層と導通していないプレート状であり、
前記放射素子層の上部であって、当該放射素子層と平行に配置したアンテナ素子を有し、
前記アンテナ素子は前記放射素子層の上面に第２誘電体層を介して配置してあり、前記アンテナ素子と前記鏡像壁層とに給電点を設けてあることを特徴とするアンテナ。
前記アンテナ素子は前記鏡像壁層との間に所定の隙間を形成して配置してあることを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
前記鏡像壁層は複数立設してあり、前記アンテナ素子は前記複数の鏡像壁層の間に配置してあることを特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ。
請求項１～３のいずれかに記載のアンテナと、通信モジュールとを組み合せたことを特徴とする通信装置。