JP7158606B2 - アンテナ装置および無線通信機能付きセンサ - Google Patents

Description

本発明は、無線通信装置などに用いられるアンテナ装置、および当該アンテナ装置を備える無線通信機能付きセンサに関する。

無線通信がマルチパス環境下で行われる場合、マルチパスフェージングによる通信品質の劣化を回避するために、無線通信装置にダイバーシチ機能を持たせることが有効である。ダイバーシチ機能を有する無線通信装置では、複数のアンテナを使用して、各アンテナの利得を高くし、かつ各アンテナ間の相関を低くすることが求められる。各アンテナの放射パターンが似ている場合は当該各アンテナ間の相関が高くなり、各アンテナの放射パターンが似ていない場合は当該各アンテナ間の相関が低くなる。また、アンテナ間の結合量を低くすることは、アンテナ間の相関を低くすることと等価である。

従来、２つのアンテナで構成されるダイバーシチアンテナにおいて、アンテナ間の相関を低減する方法が検討されている。例えば、一方のアンテナの給電点近傍にスリットを設け、スリット部分に電流を集中させることによってアンテナ間の相関を低減する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、電磁シールドにスリットを設けることによって電磁シールド上における高周波電流分布を変更し、水平方向におけるアンテナ利得を改善する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１３－１９７７８７号公報 特許第３２５１６８０号公報

特許文献１の技術を用いることによって、アンテナ間の相関を低減することが可能である。一方、通信品質を向上させるためには、アンテナ間の相関を低減するだけでなく、特定の面内における平均化利得を増加させることも必要である。ここで、平均化利得とは、ある面内における利得の平均をいう。

同一型かつ固定式であり、地上から同程度の高さに設けられたアンテナ装置間で通信を行う場合、通信相手であるアンテナ装置は概ね同一の水平面内（所望とする特定の面内）に位置する。従って、水平面内の通信相手方向において、アンテナ装置が備える２つのアンテナの利得を平均的に高くすることによって、長距離通信が可能となる。ここで、固定式のアンテナ装置とは、使用時に向きが変わらず、すべて同一の向きに固定して設置されるアンテナ装置のことをいう。

従来、所望とする特定の面内における平均化利得の増加を目的とした対策がなされておらず、水平面内すなわち通信相手方向のアンテナ利得が低く、通信品質が低いという課題がある。特許文献１の技術では、地板上辺（利得を増加させたい所望の面内と平行な辺）の電流を遮る手段がないため、当該地板上辺に電流が流れて放射する。これにより、所望の面内と直交する面において放射量が増加するため、所望の面内において平均化利得を向上させることが困難である。また、スリットの位置が給電点に近接しているため、良好な整合状態が得られない。

また、特許文献２の技術は、電磁シールドが地板として動作する１／４波長の不平衡系アンテナにおいて、給電点から１／４波長離れた位置にスリットを設けることによって電磁シールド上を流れる高周波電流を遮断し、１／２波長ダイポールアンテナに類似する高周波電流分布とすることによって水平方向における利得を改善している。しかし、高周波電流分布が１／２波長ダイポールアンテナに類似するためには、地板の形状が携帯電話のような略長方形であり、かつアンテナが長手方向の端部に設けられ、地板上の高周波電流は長手方向に流れると近似できる必要がある。また、特定の面内におけるアンテナ利得を改善するためには、当該特定の面に対して地板の長手方向を垂直にする必要がある。すなわち、アンテナは、特定の面内に平行な辺に設けられる必要がある。

特許文献２では、地板の形状が正方形に近い場合、すなわち高周波電流が地板上の特定の辺に平行な方向だけに流れない場合、およびアンテナをアンテナ利得を改善したい面に対して垂直な辺に設けた場合について、何ら言及されていない。また、特許文献２では、地板におけるアンテナの取り付け位置と対抗する一辺にスリットの終点を近づけた構成および効果について何ら言及されていない。

このように、従来では、２つのアンテナで構成されるダイバーシチアンテナを備えるアンテナ装置において、通信品質の改善の余地があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、通信品質を向上させることが可能なアンテナ装置、および当該アンテナ装置を備える無線通信機能付きセンサを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明によるアンテナ装置は、方形の誘電体基板と、誘電体基板上に設けられた導電性の地板と、誘電体基板上であって、誘電体基板の一辺である第１基板辺に沿って設けられた第１アンテナと、誘電体基板上であって、第１基板辺と直交する第２基板辺に沿って設けられた第２アンテナと、誘電体基板上であって、第１アンテナと地板との間に設けられ、第１アンテナに給電する第１給電点と、誘電体基板上であって、第２アンテナと地板との間に設けられ、第２アンテナに給電する第２給電点とを備え、地板は、第１基板辺と平行な２つの辺のうち第１アンテナに近い方の辺である第１地板辺と、第１地板辺に対向する第２地板辺と、第２基板辺と平行な２つの辺のうち第２アンテナに近い方の辺である第３地板辺と、第３地板辺に対向する第４地板辺とを有し、第２地板辺を始点とする、または第３地板辺でありかつ第２給電点よりも第２地板辺側を始点とするスリットを有する。

本発明によると、アンテナ装置は、誘電体基板上に設けられた導電性の地板と、誘電体基板の第１基板辺に沿って設けられた第１アンテナと、第１基板辺と直交する第２基板辺に沿って設けられた第２アンテナと、第１アンテナと地板との間に設けられ第１アンテナに給電する第１給電点と、第２アンテナと地板との間に設けられ第２アンテナに給電する第２給電点とを備え、地板は、第１基板辺と平行な２つの辺のうち第１アンテナに近い方の辺である第１地板辺と、第１地板辺に対向する第２地板辺と、第２基板辺と平行な２つの辺のうち第２アンテナに近い方の辺である第３地板辺と、第３地板辺に対向する第４地板辺とを有し、第２地板辺を始点とする、または第３地板辺でありかつ第２給電点よりも第２地板辺側を始点とするスリットを有するため、通信品質を向上させることが可能となる。

本発明の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

本発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成の一例を示す図である。 比較用アンテナ装置の構成の一例を示す図である。 座標系を説明するための図である。 比較用アンテナ装置における電流の向きを示す図である。 比較用アンテナ装置における電流の向きを示す図である。 比較用アンテナ装置の放射パターンの一例を示す図である。 本発明の実施の形態１によるアンテナ装置の放射パターンの一例を示す図である。 本発明の実施の形態１によるアンテナ装置における電流の向きを示す図である。 本発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１によるアンテナ装置の放射パターンの一例を示す図である。 本発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１によるアンテナ装置の放射パターンの一例を示す図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナ装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナ装置の放射パターンの一例を示す図である。 本発明の実施の形態１によるアンテナ装置のインピーダンス特性の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナ装置のインピーダンス特性の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１によるアンテナ装置の電流強度分布の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナ装置の電流強度分布の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナの放射効率を比較した表である。 本発明の実施の形態１によるアンテナ装置の電界強度分布の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナ装置の電界強度分布の一例を示す図である。 本発明の実施の形態３によるアンテナ装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態４によるアンテナ装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態４によるアンテナ装置における電流の向きを示す図である。 本発明の実施の形態５による測定システムの構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１～５によるアンテナ装置におけるスリット長と水平面内平均利得の最悪値の改善量との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１～５によるアンテナ装置を適用した通信システムの一例を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。なお、各図面において、同一または同等の部分には同一の符号を付している。また、第１アンテナ３および第２アンテナ４（例えば、後述の図１参照）は同一周波数で動作するものとし、動作周波数をｆ、当該動作周波数の自由空間波長をλ、電気波長をλ_ｇとする。

図２７は、以下で説明する実施の形態１～５によるアンテナ装置を適用した通信システムの一例を示す図である。図２７に示すように、アンテナ装置３１，３２，３３のそれぞれは、支持具の上部であって地上から同程度の高さの位置に設けられている。具体的には、アンテナ装置３１は高さｈ１の位置に設けられ、アンテナ装置３２は高さｈ２の位置に設けられ、アンテナ装置３３は高さｈ３の位置に設けられている。ここで、ｈ１≒ｈ２≒ｈ３である。

アンテナ装置３１，３２，３３間で無線通信する際、通信相手は概ね水平面内に位置するため、水平面内のアンテナ利得を増加させることによってアンテナ装置３１，３２，３３間の通信可能距離が延びる。また、十分な通信感度（利得）を有することによって、通信エラー率が下がり、通信品質の向上にも寄与する。以下では、各実施の形態１～５によるアンテナ装置について詳細に説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態１によるアンテナ装置の構成の一例を示す図である。

図１に示すように、アンテナ装置は、誘電体基板１と、地板２と、第１アンテナ３と、第２アンテナ４と、第１給電点５と、第２給電点６と、スリット７とを備えている。地板２は、略方形であり、第１地板辺である地板下辺２１、第３地板辺である地板左辺２２、第２地板辺である地板上辺２３、および第４地板辺である地板右辺２４を有している。また、中心線８は、地板２を上下の２つの領域に分割する直線である。なお、図１中における上方向は＋ｚ軸方向に相当し、下方向は－ｚ軸方向に相当し、右方向は＋ｙ軸方向に相当し、左方向は－ｙ軸方向に相当する。他のアンテナ装置を示す図面においても同様である。

方形の誘電体基板１上には、第１アンテナ３および第２アンテナ４の接地導体となる導電性の地板２が設けられている。誘電体基板１は、例えばガラスエポキシで構成されている。本明細書では、誘電体基板１のパラメータとして、比誘電率ε_ｒ＝４．４、誘電正接ｔａｎδ＝０．０２、基板厚３．１Ｅ－３λを一例として用い、解設計結果を示す。アンテナ装置を動作させるためには、地板２上に電子部品を設け、誘電体基板１と地板２とでプリント回路基板を構成する必要があるが、本明細書では概略的に、地板２を誘電体基板１の表面に設けられた単一面の導体として扱う。

第１アンテナ３および第２アンテナ４は、誘電体基板１上にエッチング加工などによって形成された導体パターンである。なお、第１アンテナ３および第２アンテナ４は、板金または金属線で構成してもよい。

第１アンテナ３の給電点である第１給電点５は、第１アンテナ３と地板２との間に設けられている。第２アンテナ４の給電点である第２給電点６は、第２アンテナ４と地板２との間に設けられている。

第１アンテナ３は、第１給電点５から延伸して途中で２手に分岐し、一方は誘電体基板１の下部である第１基板辺に沿って＋ｙ軸方向に延伸し、他方は地板２に短絡されている。第１アンテナ３は、短絡部を設けることによって逆Ｆアンテナとして振る舞い、第１アンテナ３と第１給電点５とのインピーダンス整合が容易になる。なお、短絡部を設けることは、アンテナ装置の動作に必須ではない。このように、第１アンテナ３は誘電体基板１の下部に設けられ、第１給電点５は誘電体基板１の左下部に設けられる。

第２アンテナ４は、第２給電点６から延伸して途中で２手に分岐し、一方は誘電体基板１の左部である第２基板辺に沿って＋ｚ軸方向に延伸し、他方は地板２に短絡されている。第２アンテナ４は、短絡部を設けることによって逆Ｆアンテナとして振る舞い、第２アンテナ４と第２給電点６とのインピーダンス整合が容易になる。なお、第１アンテナ３と同様、短絡部を設けることは、アンテナ装置の動作に必須ではない。このように、第２アンテナ４は誘電体基板１の左部に設けられ、第２給電点６は誘電体基板１の左下部に設けられる。図１に示すように、第１アンテナ３および第２アンテナ４は対称的な位置に配置されている。

第１給電点５および第２給電点６を誘電体基板１の左下部において近接させ、かつ第１アンテナ３と第２アンテナ４とをそれぞれが直交する方向に配置することによって、第１アンテナ３と第２アンテナ４との相関が低くなり、第１アンテナ３および第２アンテナ４はダイバーシチアンテナとして有効に動作する。なお、図１では、第１給電点５および第２給電点６を併記しているが、ダイバーシチアンテナとして動作する際は、第１アンテナ３および第２アンテナ４が同時に給電されることはない。

スリット７は、地板左辺２２において第２給電点６から＋ｚ軸方向に０．０１８λ離れた位置を始点として、＋ｙ軸方向に０．１８λ（０．２２λ_ｇ）の長さである。なお、本明細書では、誘電体基板１および地板２のサイズは、図１に示す寸法で統一して解析結果を示す（他の図では寸法の記載を省略している場合がある）。

図２は、本実施の形態１によるアンテナ装置と比較するために準備した比較用アンテナ装置の構成の一例を示す図である。図２に示すように、比較用アンテナ装置では、地板２にスリットが設けられていない。その他の構成は、図１に示すアンテナ装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

図３は、座標系を説明するための図である。本明細書では、ｘｙ面を水平面と定義し、第１アンテナ３および第２アンテナ４のｘｙ面内における平均化利得の最悪値を改善することを目的とする。ここで、第１アンテナ３および第２アンテナ４のｘｙ面内における平均化利得の最悪値とは、第１アンテナ３のｘｙ面内における平均化利得の値と、第２アンテナ４のｘｙ面内における平均化利得の値とのうち、利得が悪い方の値をいう。

図２に示すような地板２にスリットを設けていないアンテナ装置を比較用アンテナ装置として採用しているが、当該比較用アンテナ装置に対する本実施の形態１によるアンテナ装置の優位性は、特許文献１の技術に対する本実施の形態１によるアンテナ装置の優位性としてそのまま成立する。なぜなら、本実施の形態１では地板２の地板上辺２３に分布する高周波電流を抑制することを指向しているが、特許文献１において示されている位置（アンテナの給電点よりも下側の位置）にスリットを設けても、本実施の形態１における地板２の地板上辺２３に相当する辺に流れる電流を抑制することができないためである。

次に、アンテナ装置の動作について説明する。

まず、本実施の形態１によるアンテナ装置が解決する課題について説明する。図４，５は、比較用アンテナ装置における電流の向きを示す図である。図４は第１アンテナ３の給電時の電流の向きを示し、図５は第２アンテナ４の給電時の電流の向きを示している。なお、図４，５において、ハッチングされた矢印は電流の向きを示している。

図４に示すように、第１アンテナ３の給電時において、第１アンテナ３と当該第１アンテナ３に対向する地板下辺２１とは波長比で近接しているため、地板下辺２１には第１アンテナ３とは逆向きの電流が流れる。従って、地板下辺２１および第１アンテナ３のそれぞれを流れる電流間の放射は相殺されるため、主たる放射源にならない。一方、地板左辺２２および地板右辺２４には－ｚ軸方向の同相の電流が流れるため、地板左辺２２および地板右辺２４からの放射が支配的になる。これらの放射は、ｚ軸に沿う電流源からの放射となるため、ｘｙ面内において高利得の無指向性放射パターン（ｚｘ面内において８の字の指向性）となり、ｘｙ面内における平均化利得が高くなる。

図５に示すように、第２アンテナ４の給電時では、第１アンテナ３の給電時における電流分布と直交する電流分布となり、ｙ軸方向に沿う電流源からの放射が支配的になる。従って、ｚｘ面内において無指向性放射パターン（ｘｙ面内において８の字の指向性）となり、ｘｙ面内における平均化利得が第１アンテナ３と比較して低くなる。

図６は、図２に示す比較用アンテナ装置において、第１アンテナ３のおよび第２アンテナ４のそれぞれの給電時の放射パターン（Ｅ_φおよびＥ_θの両偏波の合成利得）を示す図である。上述の通り、第１アンテナ３の給電時は平均化利得が高く、第２アンテナ４の給電時は平均化利得が低い。

次に、地板２にスリット７を設けることによって得られる効果について説明する。以下では、平均化利得が低い第２アンテナ４の給電時の動作について説明する。

図７は、図１に示す本実施の形態１によるアンテナ装置において、第１アンテナ３のおよび第２アンテナ４のそれぞれの給電時の放射パターン（Ｅ_φおよびＥ_θの両偏波の合成利得）を示す図である。図７に示すように、図６に示す比較用アンテナ装置と比較すると、地板２にスリット７を設けることによって第１アンテナ３の給電時のｘｙ面内における平均化利得は低下するが、本実施の形態１の目的は第１アンテナ３および第２アンテナ４のｘｙ面内における平均化利得の最悪値を改善することである。従って、本実施の形態１では、第１アンテナ３の給電時のｘｙ面内における平均化利得の低下を抑えつつ、第２アンテナ４の給電時のｘｙ面内における平均化利得を増加させることによって、第１アンテナ３および第２アンテナ４のｘｙ面内における平均化利得の最悪値を改善する。

図８は、図１に示す本実施の形態１によるアンテナ装置において、第２アンテナ４の給電時の電流の向きを示す図である。図８に示すように、地板左辺２２を流れる電流はスリット７に沿って流れ、スリット７の両サイドでは逆向きの電流が流れる。ここで、スリット７の両サイドとは、スリット７を構成し、かつスリット７の幅方向に対向する２つの辺のことをいう。

長さが約λ_ｇ／４のスリット７はチョークとして動作し、地板２の外形に沿って地板上辺２３を流れ得る電流を遮断する。以下では、スリット７の長さのことをスリット長という。スリット７のスリット長は、約λ_ｇ／４であることが望ましい。なぜなら、スリット７を流れる電流によって、スリット７上には定在波（電流分布の腹と節）が生じる。そして、スリット７のスリット長がλ_ｇ／４の場合、スリット７の終点では電流値の腹（インピーダンス最小）、スリット７の始点では電流値の節（インピーダンス最大）が生じる。このように、スリット７の始点でインピーダンスが最大となることから、第２給電点６からの電流はスリット長がλ_ｇ／４であるスリット７によって最も遮断される。スリット７における定在波分布によって電流が遮断されるため、地板２のサイズと、第１アンテナ３および第２アンテナ４のそれぞれのアンテナ長は、スリット長λ_ｇ／４に大きく影響しない。

これにより、地板上辺２３における電流源からの放射が抑制される。また、スリット７の終点付近である地板右辺２４付近では、＋ｚ軸方向を向く電流分布となるため、ｘｙ面内において無指向性の電波が放射される。このことは、ｘｙ面内における平均化利得の増加に寄与する。

上記より、図７に示すように、第１アンテナ３の給電時および第２アンテナ４の給電時のｘｙ面内における平均化利得の最悪値は、図６に示す比較用アンテナ装置よりも向上する。このように、本実施の形態１によるアンテナ装置は、地板左辺２２を始点とするスリット７を設けることによって、第１アンテナ３の給電時および第２アンテナ４の給電時のｘｙ面内における平均化利得の最悪値を改善することができる。

＜変形例１＞
図９は、本実施の形態１の変形例１によるアンテナ装置の構成の一例を示す図であり、第２アンテナ４の給電時の電流の向きを示している。なお、図９において、ハッチングされた矢印は電流の向きを示している。図９に示すアンテナ装置は、地板２に設けられたスリット７の位置および形状が図１に示すアンテナ装置と異なっている。その他の構成は、図１に示すアンテナ装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

図９に示すように、スリット７の始点は、地板上辺２３に位置している。スリット７の始点が地板上辺２３に位置する場合、スリット７の始点よりも地板右辺２４側では、スリット７によって電流が遮断される。従って、ｚｘ面内において放射される無指向性の電波の利得を低くすることができる。そして、スリット７の終点付近である地板右辺２４付近で－ｚ軸方向に電流を形成することができるため、ｘｙ面内における平均化利得を向上させることができる。

図１０は、図９に示すアンテナ装置において、第１アンテナ３のおよび第２アンテナ４のそれぞれの給電時の放射パターン（Ｅ_φおよびＥ_θの両偏波の合成利得）を示す図である。図６に示す比較用アンテナ装置の放射パターンと比較すると、第１アンテナ３の給電時および第２アンテナ４の給電時のｘｙ面内における平均化利得の最悪値は向上している。

このように、地板上辺２３を始点とするスリット７を設けることによって、第１アンテナ３の給電時および第２アンテナ４の給電時のｘｙ面内における平均化利得の最悪値を改善することができる。また、スリット７の形状は、図９に示す形状に限らず、地板上辺２３から－ｚ軸方向にまっすく延伸した形状であっても、第１アンテナ３の給電時および第２アンテナ４の給電時のｘｙ面内における平均化利得の最悪値を向上させることができる。図９に示すようにスリット７の形状を曲げる狙いは、スリット長を稼ぐことと、地板２においてスリット７が設けられるエリアを小さくすることにある。

＜変形例２＞
図１１は、本実施の形態１の変形例２によるアンテナ装置の構成の一例を示す図である。図１１に示すアンテナ装置は、スリット７の終点が第１給電点５および第２給電点６の近くに位置することを特徴としている。その他の構成は、図１に示すアンテナ装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

図１１に示すように、第２アンテナ４の給電時は、スリット７によって地板上辺２３の電流が遮断され、地板右辺２４でｚ軸に平行な方向（－ｚ軸および＋ｚ軸の両方を含む）の電流分布が生じるため、ｘｙ面内における平均化利得を増加させることができる。

図１２は、図１１に示すアンテナ装置において、第１アンテナ３のおよび第２アンテナ４のそれぞれの給電時の放射パターン（Ｅ_φおよびＥ_θの両偏波の合成利得）を示す図である。図６に示す比較用アンテナ装置の放射パターンと比較すると、第１アンテナ３の給電時および第２アンテナ４の給電時のｘｙ面内における平均化利得の最悪値は向上している。

このように、地板左辺２２を始点とし、終点を第１給電点５および第２給電点６に近接するようにスリット７を設けた場合であっても、第１アンテナ３の給電時および第２アンテナ４の給電時のｘｙ面内における平均化利得の最悪値を改善することができる。また、スリット７の形状は、図１１に示す形状に限らず、スリット７の始点を第２給電点６に近づけた形状、あるいはスリット７を左斜下または右斜下に延伸して終点を第１給電点５および第２給電点６に近づけた形状であっても、第１アンテナ３の給電時および第２アンテナ４の給電時のｘｙ面内における平均化利得の最悪値を向上させることができる。

上記で説明した図１，９，１１のアンテナ装置は、第１アンテナ３の給電時および第２アンテナ４の給電時のｘｙ面内における平均化利得の最悪値を改善するためには、ｘｙ面内における平均化利得が低くなる第２アンテナ４の給電時に地板上辺２３の電流をスリット７によって遮断する必要があることを明らかにした。すなわち、スリット７の始点は、地板左辺２２または地板上辺２３に設ける必要がある。

また、スリット７の始点を地板上辺２３に設けた図９に示すアンテナ装置よりも、スリット７の始点を地板左辺２２に設けた図７，１２に示すアンテナ装置の方が、第１アンテナ３の給電時および第２アンテナ４の給電時のｘｙ面内における平均化利得の最悪値が向上している。これは、地板左辺２２にスリット７の始点を設けることによって、地板上辺２３を流れる電流を遮断する効果が向上するためである。すなわち、第１アンテナ３の給電時および第２アンテナ４の給電時のｘｙ面内における平均化利得の最悪値をより向上させるためには、スリット７の始点を地板上辺２３に設ける場合、当該始点を地板左辺２２側に寄せることが望ましい。

上記では、第１アンテナ３の給電時および第２アンテナ４の給電時のｘｙ面内における平均化利得の最悪値を改善するためには、地板右辺２４付近でｚ軸方向を向く電流分布を発生させる必要があることを明らかにした。地板右辺２４付近でｚ軸方向を向く電流分布を発生させる手法としては、スリット７の終点を地板右辺２４に近接させることが挙げられる。しかし、図１１に示すスリット７の形状のように、スリット７の終点は必ずしも地板右辺２４に近接させる必要はないことを示した。すなわち、スリット７の終点、およびスリット７の形状には自由度があるといえる。

＜実施の形態２＞
図１３は、本実施の形態２によるアンテナ装置の構成の一例を示す図である。本実施の形態２によるアンテナ装置は、実施の形態１で説明した図１に示すアンテナ装置よりも、スリット７の終点が第２給電点６から離れていることを特徴としている。その他の構成は、図１に示すアンテナ装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

図１３に示すように、スリット７の始点を第２給電点６から遠ざけた位置に設けることによって、５０Ω系の給電点に対する第２アンテナ４のインピーダンス整合の状態を良好にすることができる。また、スリット７の終点を地板右辺２４付近とすることによって、第２アンテナ４の放射効率を向上させることができる（詳細は後述する）。

スリット７は、地板左辺２２において第２給電点６から＋ｚ軸方向に０．１１λ離れた位置を始点として、＋ｙ軸方向に０．１８λ（０．２２λ_ｇ）延伸している。

図１４は、図１３に示すアンテナ装置において、第１アンテナ３のおよび第２アンテナ４のそれぞれの給電時の放射パターン（Ｅ_φおよびＥ_θの両偏波の合成利得）を示す図である。図６に示す比較用アンテナ装置の放射パターンと比較すると、第１アンテナ３の給電時および第２アンテナ４の給電時のｘｙ面内における平均化利得の最悪値は向上している。また、第１アンテナ３および第２アンテナ４における利得が低い方向と高い方向とが逆転しており、ダイバーシチに有効な特性が得られる。

図１５は、図１に示すアンテナ装置の同一周波数帯における入力インピーダンス特性（スミスチャート）を示す図である。図１６は、図１３に示すアンテナ装置の同一周波数帯における入力インピーダンス特性（スミスチャート）を示す図である。図１７は、図１に示すアンテナ装置の同一周波数帯における地板２上の電流強度分布を示す図である。図１８は、図１３に示すアンテナ装置の同一周波数帯における地板２上の電流強度分布を示す図である。

図１，１３に示す各アンテナ装置の電流強度分布を比較すると、スリット７の始点が給電点に近い図１に示すアンテナ装置では、スリット７の周囲に電流が集中しているため第２給電点６付近の電流値が大きくなり、第２アンテナ４のインピーダンスが低くなる。すなわち、５０Ω系の第２給電点６に対するインピーダンス整合の状態が悪化する。また、スリット７はチョークとして動作するため、給電点から見てスリット７の反対側には放射に寄与する電流が流れない。従って、放射素子として活用することができる実効的な地板２のサイズは、スリット７と第２給電点６とに挟まれた狭い領域となる。不平衡型の小形アンテナ素子では、地板２にも電流を流してアンテナとして活用することによって、良好なアンテナ性能が得られる。図１に示すアンテナ装置では、第２アンテナ４のインピーダンス整合の状態が良好ではなく、地板２も有効に活用していないため、良好なアンテナ性能が得られない。一方、図１３に示すアンテナ装置では、図１に示すアンテナ装置で起きた現象が緩和されるため、良好なアンテナ性能が得られる。

図１９は、図１１に示すアンテナ装置および図１３に示すアンテナ装置のアンテナの放射効率を比較した表であり、両者の差分を示している。

図１１に示すアンテナ装置では、電流が大きくなる地板２の第２給電点６付近に、スリット７において電流が最大となる終点が近接することによって、第２給電点６付近に電流が集中する。導体損は電流の二乗に比例するため、特定の領域に電流が集中すると、トータルの導体損（電力損）は大きくなる。

例えば、抵抗をＲ、電流をＩ、導体損をＰとした場合について考察する。電流が均等であるとき、すなわちＩ_１＝Ｉ_２＝１（Ｉ_１＋Ｉ_２＝２）であるとき、Ｐ＝ＲＩ_１ ^２＋ＲＩ_２ ^２＝２Ｒとなる。一方、電流が特定の領域に集中しているとき、すなわちＩ_１＝１．５かつＩ_２＝０．５（Ｉ_１＋Ｉ_２＝２）であるとき、Ｐ＝ＲＩ_１ ^２＋ＲＩ_２ ^２＝２．５Ｒとなる。

上記より、導体損を小さくする（すなわち、放射効率を高くする）ためには、スリット７の終点を第２給電点６から遠ざけた地板右辺２４側に寄せることが望ましい。

図２０，２１を用いて誘電体損について説明する。図２０は、図１１に示すアンテナ装置の電界強度分布を示す図である。図２１は、図１３に示すアンテナ装置の電界強度分布を示す図である。

図２０に示すように、図１１に示すアンテナ装置では、スリット７に沿って大きな電界が生じている。一方、図２１に示すように、図１３に示すアンテナ装置では、電界強度の大きな範囲が図１１に示すアンテナ装置よりも小さい。誘電体損は、電界強度の二乗に比例して大きくなるため、電界強度が小さい図１３に示すアンテナ装置の方が誘電体損が小さく、すなわち放射効率の向上が可能である。

以上のことから、本実施の形態２では、スリット７の始点を第２給電点６から遠ざけることによって、第２アンテナ４のインピーダンス整合の状態が改善することを示した。すなわち、スリット７の始点は、地板左辺２２における地板上辺２３側に寄せることが望ましい。また、スリット７の終点を第２給電点６から遠ざけることによって、放射効率が向上することを示した。すなわち、スリット７の終点は、地板右辺２４側に寄せることが望ましい。

＜実施の形態３＞
図２２は、本実施の形態３によるアンテナ装置の構成の一例を示す図である。本実施の形態３によるアンテナ装置は、スリット７の始点が地板上辺２３に位置し、かつスリット７の形状がＬ字形状であることを特徴としている。その他の構成は、図１に示すアンテナ装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

スリット７の始点は、地板上辺２３の左端部に位置し、スリット７の形状はＬ字形状である。スリット７の動作周波数は、スリット長に依存するため、低い周波数でスリット７を動作させるためにはスリット長を長くする必要がある。そのため、図２２に示すように、スリット７をＬ字に折り曲げて配置している。Ｌ字のｚ軸方向の長さを短くすることによって、スリット７がない地板２の方形面積を広げることができる。これにより、地板２上に実装される電子部品の専有面積が広がり、電子部品のレイアウトなどの観点において回路基板の設計が容易となる。

スリット７の始点が地板上辺２３の地板左辺２２側に位置し、かつスリット７の終点が地板右辺２４付近に位置するため、第１アンテナ３の給電時および第２アンテナ４の給電時のｘｙ面内における平均化利得の最悪値を向上させるだけでなく、良好なインピーダンス整合、および高い放射効率を得ることができる。

以上のことから、本実施の形態３によれば、スリット７の始点を地板上辺２３としたＬ字形状のスリット７を設けることによって、第１アンテナ３の給電時および第２アンテナ４の給電時のｘｙ面内における平均化利得の最悪値を向上させることができる。また、スリット７の動作周波数の低周波数化、および回路基板の設計の容易化を実現することができる。

＜実施の形態４＞
図２３は、本実施の形態４によるアンテナ装置の構成の一例を示す図である。本実施の形態４によるアンテナ装置は、スリット７の始点と終点との間に電子部品１０を設けることを特徴とする。その他の構成は、図１に示すアンテナ装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

電子部品１０は、例えば抵抗、インダクタ、またはキャパシタなどであり、スリット７の幅方向を跨いで両端が地板２に接続されている。電子部品１０を設けることによって、等価的なスリット長を調整することができる。

プリント基板の作製工程において第１アンテナ３および第２アンテナ４のパターンの形成、およびスリット７のスリット長を決定した後に、スリット７の動作周波数を調整したい場合、スリット長を変えたプリント基板を再製造することはコストがかかる。このようなプリント基板の再製造を避けて、スリット７の動作周波数を可変とするために、スリット７の途中に電子部品１０を設ける。なお、電子部品１０は、適宜設計によって複数個設けてもよい。

例えば、電子部品としてジャンパー抵抗を用いた場合について考察する。スリット７の全長の１０％の距離だけ、スリット７の終点から始点側にシフトした位置にジャンパー抵抗を設ける。このような構成とすることによって、スリット７の動作周波数を１０％高くすることができる。

図２４は、図２３に示すアンテナ装置における電流の流れを示す図である。なお、図中のハッチングされた矢印は電流の向きを示している。

図２４に示すように、スリット７に沿って流れる電流は、短絡素子として動作するジャンパー抵抗を流れ、ジャンパー抵抗よりも地板右辺２４側には流れない。

電子部品１０の両端は、半田などによって地板２に導通させる必要があるが、電子部品１０を実装するためには、スリット７の途中に実装用のパッド（ランド）をあらかじめ設ける必要がある。しかし、製造上設けることができるパッドは有限であり、設けられたパッドの間隔は離散的になるため、限られたパッドの位置では所望の周波数で動作するスリット７に調整することができない場合がある。この場合、電子部品１０としてインダクタまたはキャパシタであるリアクタンス素子を用いることによって、スリット７の始点から終点側をみたスリット７のインピーダンスを細かく調整可能であるため、スリット７の動作周波数も細かく調整することができる。また、電子部品１０としてジャンパー抵抗またはリアクタンス素子ではなく抵抗素子を用いる場合でも、スリット７のインピーダンスを調整することが可能である。

スリット７の動作周波数を調整するために、電子部品１０として可変素子（可変インダクタンス、可変キャパシタ、可変抵抗、スイッチなど）を用いることも可能である。これにより、スリット７の動作周波数を切り替えることができ、第１アンテナ３および第２アンテナ４をマルチバンドで設計している場合、各周波数に適したスリット７の動作を実現することができる。このように、本実施の形態４によれば、スリット７の途中に電子部品１０を設けることによって、プリント基板を再設計することなく等価的なスリット長を調整することができる。

＜実施の形態５＞
図２５は、本実施の形態５による測定システムの構成の一例を示す図である。本実施の形態５による測定システムは、実施の形態２で説明した図１３に示すアンテナ装置と、計測部１１とを備えることを特徴としている。なお、図２５では、図１３に示すアンテナ装置を図示しているが、図１，９，１１，２２，２３に示すアンテナ装置であってもよい。

図２５に示すように、計測部１１は、アンテナ装置における地板上辺２３側に配置されている。また、計測部１１とアンテナ装置とは、両端に接続コネクタ１３，１４を有する接続ケーブル１２によって電気的に接続されている。具体的には、接続ケーブル１２の接続コネクタ１３は、アンテナ装置の地板右辺２４に接続されている。例えば、測定システムは、センサネットワークに設けられた無線通信機能付きセンサである。

次に、測定システムの動作について説明する。

計測部１１で計測されたデータは、接続ケーブル１２を介してアンテナ装置に送られ、アンテナ装置から放射される電波で通信相手まで送信される。構成要素に金属を含む計測部１１が、電波の放射源である地板２に近接して配置されると、アンテナ性能に影響を及ぼす。ここで、計測部１１が地板２に近接するとは、例えば、計測部１１と地板上辺２３との距離が０．１λ以下であることをいう。なお、計測部１１は、計測したデータに限らず、計測部１１のＩＤ、および計測した時刻の情報などを、アンテナ装置を介して通信相手に送信してもよい。

地板２にスリット７を設けていない場合、第２アンテナ４の給電時に地板上辺２３にも大きな電流が流れ、近接する計測部１１の金属部に地板上辺２３側と逆相の電流が誘起され、アンテナの放射効率が劣化する。また、計測部１１に誘起された高周波電流が放射源となり、不要な放射の発生によって所望の放射パターンが得られなくなる。

一方、地板２にスリット７が設けられている場合、スリット７によって地板上辺２３の電流が遮断されるため、地板２にスリット７を設けていない場合に生じる上記問題が緩和される。このように、本実施の形態５では、計測部１１が地板上辺２３側に配置された場合でも、アンテナ性能の劣化を軽減することができる。

なお、接続ケーブル１２の接続コネクタ１３を地板右辺２４に接続する利点は２つある。１つ目は、接続コネクタ１３を地板２において電流が大きい第１給電点５および第２給電点６から離すことによって、接続ケーブル１２に流れ込む電流を小さくし、接続ケーブル１２の這い回しが変化した際のアンテナ装置の性能変動を抑えることができる。２つ目は、地板右辺２４付近は計測部１１が配置されないため、接続コネクタ１３の設置スペースを十分に確保することができる。例えば、地板上辺２３に接続コネクタ１３を設ける場合、地板上辺２３付近では、地板２、接続ケーブル１２、および計測部１１が密集するため、それらに流れる電流から放射される電波が打ち消し合い、アンテナ性能が劣化する。

＜実施の形態１～５の共通事項＞
＜スリット長およびスリット幅について＞
図２６は、図１３に示すアンテナ装置とスリット７を設けないアンテナ装置（例えば、図２参照）とのそれぞれにおいて、スリット長をパラメータにしたときの第１アンテナ３の給電時および第２アンテナ４の給電時の水平面内における平均化利得の最悪値の比較結果を示す図である。なお、平均化利得は、導体損および誘電体損を考慮している。また、スリット長が０．１６λ以上になる場合は、スリット７を－ｚ軸方向に曲げてＬ字形状にしてモデル化する。

図２６に示すように、スリット長を０．１２～０．２５λ（０．１５～０．３λ_ｇ）とすることによって、スリット７を設けないアンテナ装置と比較して、水平面内における平均化利得の最悪値を０．５ｄＢ以上改善することができる。

自由空間波長λと電気波長λ_ｇとの比は、使用する誘電体基板１の厚みまたは比誘電率によって異なる。従って、自由空間波長で表現した上記のスリット長の範囲（０．１２～０．２５λ）は、今回の解析に用いた誘電体基板１（比誘電率ε_ｒ＝４．４、誘電正接ｔａｎδ＝０．０２、基板厚３．１Ｅ－３λ）の使用時に限った値であり、重要な寸法は電気波長で表現した上記のスリット長の範囲（０．１５～０．３λ_ｇ）である。最悪値の改善量が最も大きいスリット長０．２λは、電気波長０．２４λ_ｇであり、実施の形態１で説明したスリット長の推奨寸法である約λ_ｇ／４に対応する。また、無線通信機として必要な部品を実装する面積の確保、およびスリット７に対向する辺に流れる電流を逆位相とすることを維持するために、スリット幅はλ／１０以下であることが望ましい。

＜スリット形状について＞
図１，９，１１，１３，１５に示すスリット形状は一例である。スリット７は、１箇所以上で折り曲げたり、円弧状に曲げたり、メアンダ形状にしたりするなど、適宜設計事項の範囲内である。ただし、スリット長については、上述の通り０．１５～０．３λ_ｇの範囲内とすることによって、より高い効果が得られる。

＜アンテナ形状について＞
第１アンテナ３および第２アンテナ４は、限られた範囲内で任意の形状とし、インピーダンスの調整および帯域の調整を図ることは適宜設計事項の範囲内である。本明細書では逆Ｆアンテナを用いて説明したが、給電することによって地板にも電流が流れる不平衡型のアンテナを用いた場合でも同様の効果が得られる。

＜地板のサイズについて＞
本明細書で示した例では、誘電体基板１のサイズを０．２５λ×０．２５λとしているが、アンテナからの電波の放射は地板２を流れる高周波電流によって引き起こされるため、誘電体基板１のサイズはこれに限るものではない。また、スリット７の動作という観点では、地板２のサイズには影響されず、第１アンテナ３および第２アンテナ４とスリット７との相対位置、およびスリット長に依存する。従って、地板２のサイズは任意であるが、水平面であるｘｙ面内における平均化利得を高くするためには、地板２上に高周波電流分布の節ができないようにする必要がある。

上記より、本明細書に従ってｘｙ面内における平均化利得を向上させるためには、地板２のサイズを（０．２５λ_ｇ±０．１λ_ｇ）×（０．２５λ_ｇ±０．１λ_ｇ）とすることが望ましい。

１／４波長の不平衡系アンテナが地板２の角部に配置されたとき、地板２のサイズが０．３５λ_ｇ×０．３５λ_ｇを超えると、地板２上に電流分布の節ができるため放射パターンにヌルが発生し、平均化利得の低下につながる。また、スリット７を設けるエリアを確保するために、地板２のサイズを０．１λ_ｇ×０．１λ_ｇ以上とすることが望ましい。

＜対称配置について＞
各実施の形態１～５で説明したアンテナ装置では、第１アンテナ３は地板下辺２１の下側に配置され、第２アンテナ４は地板左辺２２の左側に配置されている。このような構成とした場合、第２アンテナ４のｘｙ面内における平均化利得が低下するため、地板左辺２２または地板上辺２３を始点とするスリット７を地板２に設けることについて説明した。

一方、ｚｘ面内における平均化利得を増加させる場合は、アンテナ装置の対称性により、第１アンテナ３の利得を改善する必要がある。このとき設けるスリット７は、第２アンテナ４のｘｙ面内における平均化利得を増加させるために設けたスリット７を、地板２の右上角と左下角とを結ぶ直線を対称線として対称配置した位置に設ける必要があることは、アンテナの対称性から自明である。

＜アンテナの可逆性について＞
各実施の形態１～５では、説明を容易にするために、送信アンテナ装置または受信アンテナ装置を一例として説明したが、同様の効果はアンテナ装置の可逆性（reciprocity）によって送信アンテナ装置または受信アンテナ装置のいずれでも得られることは当業者にとって周知である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

１ 誘電体基板、２ 地板、３ 第１アンテナ、４ 第２アンテナ、５ 第１給電点、６ 第２給電点、７ スリット、８ 中心線、１０ 電子部品、１１ 計測部、１２ 接続ケーブル、１３，１４ 接続コネクタ、２１ 地板下辺、２２ 地板左辺、２３ 地板上辺、２４ 地板右辺、３１，３２，３３ アンテナ装置。

Claims (8)

1. 方形の誘電体基板と、
   前記誘電体基板上に設けられた導電性の地板と、
   前記誘電体基板上であって、前記誘電体基板の一辺である第１基板辺に沿って設けられた第１アンテナと、
   前記誘電体基板上であって、前記第１基板辺と直交する第２基板辺に沿って設けられた第２アンテナと、
   前記誘電体基板上であって、前記第１アンテナと前記地板との間に設けられ、前記第１アンテナに給電する第１給電点と、
   前記誘電体基板上であって、前記第２アンテナと前記地板との間に設けられ、前記第２アンテナに給電する第２給電点と、
   を備え、
   前記地板は、前記第１基板辺と平行な２つの辺のうち前記第１アンテナに近い方の辺である第１地板辺と、前記第１地板辺に対向する第２地板辺と、前記第２基板辺と平行な２つの辺のうち前記第２アンテナに近い方の辺である第３地板辺と、前記第３地板辺に対向する第４地板辺とを有し、前記第２地板辺を始点とする、または前記第３地板辺でありかつ前記第２給電点よりも前記第２地板辺側を始点とするスリットを有する、アンテナ装置。
2. 平面視において、前記第１地板辺および前記第２地板辺の各中心を結ぶ直線と、前記第３地板辺および前記第４地板辺の各中心を結ぶ直線とで前記地板を４つの等面積の領域に分割した場合において、前記スリットの始点は、前記第２地板辺および前記第３地板辺を含む領域の辺に位置する、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 平面視において、前記第１地板辺および前記第２地板辺の各中心を結ぶ直線で前記地板を２つの等面積の領域に分割した場合において、前記スリットの終点は、前記第４地板辺を含む領域内に位置する、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記地板における電気波長をλ_ｇとしたとき、
   前記地板の外形は、（０．２５λ_ｇ±０．１λ_ｇ）×（０．２５λ_ｇ±０．１λ_ｇ）である、請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
5. 前記スリットの始点は、前記第２地板辺でありかつ前記第４地板辺よりも前記第３地板辺の近くに位置する、請求項１から４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
6. 前記スリットの始点と終点との間に設けられた電子部品をさらに備え、
   前記電子部品の両端は、前記スリットの幅方向を跨いで前記地板に接続される、請求項１から５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
7. 前記スリットの長さは、前記地板上における電気波長の０．１５～０．３０倍である、請求項１から６のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のアンテナ装置と、
   前記アンテナ装置から放射される電波で外部へ送信されるセンサデータを計測する計測部と、
   前記アンテナ装置と前記計測部とを接続するケーブルとを備え、
   前記計測部は、前記アンテナ装置における前記第２地板辺に対向して配置され、
   前記ケーブルは、一端が前記計測部に接続され、他端が前記アンテナ装置における前記第４地板辺に接続された、無線通信機能付きセンサ。

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