JPH08321718A - アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 有限な大きさの地導体板上にアンテナ素子を
配置して片側短絡パッチアンテナを構成した場合に良好
な帯域特性を実現する。 【構成】裏面に矩形状の地導体板１０２が形成された誘
電体基板１０１上に地導体板１０２に対して短絡された
短絡辺をそれぞれ有する一対のアンテナ素子１０３，１
０４を配置した片側短絡パッチアンテナにおいて、アン
テナ素子１０３，１０４を各々の短絡辺が地導体板１０
２の対向する二辺のエッジ近傍に位置するように配置す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、携帯無線機などに用い
られるアンテナに係り、特に有限の大きさの地導体板上
に複数のアンテナ素子を配置して構成される片側短絡パ
ッチアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯無線機の小形化、薄型化が進
んでおり、それに伴い送受信に用いられるアンテナも小
形、薄型であることが重要になってきている。このよう
なアンテナの一つとして、片側短絡パッチアンテナが提
案されている。片側短絡パッチアンテナは、地導体板上
にパッチアンテナと呼ばれるアンテナ素子を形成し、そ
のアンテナ素子の一辺を短絡辺とすることによってアン
テナ素子の面積が半分で済むようにしたものである。

【０００３】片側短絡パッチアンテナの例として、例え
ば特開平６−８５５２８号公報には２つ以上のアンテナ
素子に位相差給電を行い、その位相差により放射パター
ンを変化させるようにしたものが提案されている。そし
て、この公知例では２つのアンテナ素子を各々の短絡辺
を近接させて配置することによって、より小形化を達成
している。

【０００４】このような片側短絡パッチアンテナにおい
ては、２つのアンテナ素子の入力インピーダンスの周波
数特性が一致していることが良好な放射特性を得る上で
必要な条件である。もし周波数特性が一致しない場合、
周波数によっていずれか一方のアンテナ素子に給電電流
の反射が生じ、この反射電流が他方のアンテナ素子へと
流れ込んでしまうため、２つのアンテナ素子間の給電位
相差が所望の値から変化したり、両アンテナ素子への給
電電力のバランスが変化してしまい、結果として所望の
放射特性が得られなくなる。

【０００５】この給電電流の反射を打ち消す方法とし
て、給電系にハイブリッド給電方式を用いる方法があ
る。しかしながら、この方法では反射してきた不要電力
を吸収するため、アンテナの給電点からアンテナ素子に
給電された電力の全ては放射されなくなり、アンテナの
放射効率（給電電力に対する放射電力の比）が低下する
ことが予想される。

【０００６】また、アンテナは環境の変化によって特性
が変化する。移動通信用の端末は、様々な環境下で使用
されることから、場合によってはアンテナの入力インピ
ーダンスの周波数特性が変化し、帯域の中心周波数がず
れてしまうこととなる。従って、移動通信に用いられる
アンテナの帯域特性（アンテナの入力インピーダンスと
給電線のインピーダンスがほぼ一致する周波数帯域）
は、中心周波数が多少ずれても構わないように広帯域で
あることが有利になる。

【０００７】アンテナの特性は、アンテナ素子が配置さ
れている地導体板のパラメータに深い関連がある。一般
に、地導体板の大きさが有限で、しかも波長に比べて非
常に小さい場合、アンテナの帯域特性は狭くなる。小形
化された無線端末に上記の片側短絡パッチアンテナを応
用する場合、地導体板の大きさが制限されるので、帯域
特性が狭くなることが予想される。このような状況で
は、片側短絡パッチアンテナにおける２つのアンテナ素
子の入力インピーダンスを一致させることが難しくな
る。また、両アンテナ素子の入力インピーダンスを一致
させたとしても、先に述べたように実使用時において生
じる環境の変化によるアンテナ素子の入力インピーダン
スの変化による共振周波数のずれによって、所望の帯域
特性が得られなくなってしまう。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、有限な
大きさを有する地導体板上に複数のアンテナ素子を配置
して片側短絡パッチアンテナを構成しようとする場合、
アンテナ素子の入力インピーダンスの周波数特性を広く
とることが非常に重要であるにもかかわらず、従来では
この点が考慮されておらず、結果的に所望の帯域特性を
実現することが困難であるという問題があった。

【０００９】本発明は、このような問題点を解決し、有
限な大きさの地導体板上にアンテナ素子を配置して片側
短絡パッチアンテナを構成した場合に良好な帯域特性を
実現できるアンテナを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、矩形状の地導
体板の同一面上に、該地導体板に対して短絡された短絡
辺をそれぞれ有する一対のアンテナ素子を配置した片側
短絡パッチアンテナにおいて、これら一対のアンテナ素
子を各々の短絡辺が地導体板の対向する二辺の近傍にそ
れぞれ位置するように配置したことを特徴とする。

【００１１】また、このようなアンテナにおいて、一対
のアンテナ素子に対して所定の電力比および位相差で給
電を行う給電手段を備えたことを特徴とする。

【００１２】

【作用】片側短絡パッチアンテナでは、地導体板に対し
て短絡されたアンテナ素子の短絡辺と反対側の辺が電波
を放射する放射端となる。ここで、本発明のようにアン
テナ素子をその短絡辺が地導体板の対向する二辺の近
傍、つまり地導体板のエッジの近傍に位置するように配
置すると、アンテナ素子の放射端は地導体板のエッジか
ら十分に離れることになる。これにより地導体板上から
も放射が生じるため、アンテナ素子のＱを低下させるこ
とができる。従って、アンテナ素子のインピーダンスの
周波数特性が拡大され、より広い範囲にわたってアンテ
ナからの反射が小さくなることから、特に３ｄＢハイブ
リッド回路を用いて給電を行った場合、放射効率の帯域
特性が向上する。また、３ｄＢハイブリッド回路を用い
ない場合にも、一対のアンテナ素子への給電電力のバラ
ンスや位相差の変化の周波数特性が改善され、より広い
周波数帯域にわたって所望の放射パターンを得ることが
できる。

【００１３】さらに、一対のアンテナ素子に対する給電
電力の比および給電位相差を調整することによって、良
好な帯域特性を保持しつつ所望のパターンを得ることが
可能となる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００１５】図１は、本発明の一実施例に係る片側短絡
パッチアンテナの構成を示す斜視図である。図１におい
て、矩形状の誘電体基板１０１は、図の例では長方形状
であり、長辺と短辺を有する。この誘電体基板１０１の
裏面には地導体板１０２が一様に形成され、表面には一
対のアンテナ素子１０３，１０４が形成されている。ア
ンテナ素子１０３，１０４は矩形状、図の例では長方形
状であり、その長辺が誘電体基板１０１の短辺に平行と
なるように配置されている。使用波長（使用周波数での
波長）をλとすると、誘電体基板１０１および地導体板
１０２の長辺の寸法はλ／２〜λ／４程度、短辺の寸法
はλ／３〜λ／４程度であればよい。また、アンテナ素
子１０３，１０４の長辺の寸法はλ／４、短辺の寸法は
εｒ^1/2×λ／４程度であればよい。

【００１６】アンテナ素子１０３，１０４は各々の一つ
の長辺近傍において、スルーホール１０５，１０６によ
って、地導体板１０２に対して短絡されている。ここ
で、アンテナ素子１０３，１０４の各々の短絡辺（図の
例では、各々一つの長辺）は、地導体板１０２の対向す
る二辺（この例では短辺）の近傍にそれぞれ位置してい
ることが特徴である。

【００１７】アンテナ素子１０３，１０４の短絡辺と隣
接する各々一方の辺は、誘電体基板１０１上に形成され
た給電線路１０７，１０８の一端にそれぞれ接続され
る。アンテナ素子１０３，１０４の入力インピーダンス
は、給電線路１０７，１０８の接続位置によって変化す
る。従って、給電線路１０７，１０８の接続位置は、ア
ンテナ素子１０３，１０４と給電線路１０７，１０８と
のインピーダンス整合がとれるように決定する。

【００１８】給電線路１０７，１０８の他端は、３ｄＢ
ハイブリッド回路１０９の第１、第２のポートに接続さ
れている。また、３ｄＢハイブリッド回路１０９の第３
のポートは給電点１１０に接続され、第４のポートは無
反射終端素子１１１およびスルーホール１１０を介して
地導体板１０２に接続されている。送信時には給電点１
１０に高周波信号が注入され、３ｄＢハイブリッド回路
１０９により、アンテナ素子１０３，１０４に対して
１：１の電力比で、かつ９０°の位相差をもって給電が
行われる。

【００１９】一方、図２は従来技術（特開平６−８５５
２８号公報）に基づく片側短絡パッチアンテナを示した
ものである。この従来例のアンテナは、図１に示した本
実施例のアンテナとはアンテナ素子１０３，１０４の配
置が異なる。すなわち、図１ではアンテナ素子１０３，
１０４の短絡辺（スルーホール１０５，１０６の形成位
置の近傍の辺）が外側、つまり地導体板１０２の対向す
る二辺であるエッジ近傍に位置しているのに対し、図２
の従来例のアンテナではアンテナ素子１０３，１０４の
短絡辺が内側、つまり地導体板１０２の対向する二辺の
エッジから遠い位置にある。

【００２０】言い換えれば、図１ではアンテナ素子１０
３，１０４の放射端が内側に位置しているのに対して、
図２では放射端が外側、つまり地導体板１０２のエッジ
近傍にある。

【００２１】このようなアンテナ素子１０３，１０４の
配置の相違により、以下に実験結果を用いて説明するよ
うに、本実施例のアンテナは従来例のアンテナに比較し
て優れた特性を示す。

【００２２】具体的な設計例として、図１および図２の
構成の片側短絡パッチアンテナにおいて、長辺および短
辺の寸法が８５ｍｍ×５５ｍｍ、厚さが０．８ｍｍで、
比誘電率３の誘電体基板１０１を用い、裏面には地導体
板１０２を蒸着により一様に形成し、表面にはアンテナ
素子１０３，１０４と給電線路１０７，１０８を蒸着お
よびエッチングにより形成した。アンテナ素子１０３，
１０４は、５０ｍｍ×２３ｍｍの大きさで、１．９ＧＨ
ｚで共振するようにした。また、アンテナ素子１０３，
１０４と地導体板１０２を短絡するためのスルーホール
１０５，１０６は５ｍｍ間隔で複数個形成した。３ｄＢ
ハイブリッド回路１０９には、市販されている素子を用
いた。無反射終端素子１１１としては５０Ωの抵抗を用
い、一端をハイブリッド回路１０９に接続し、他端をス
ルーホール１１２を介して地導体板１０２に短絡した。

【００２３】アンテナ素子１０３，１０４の配置は、図
１の本実施例のアンテナにおいてはスルーホール１０
５，１０６による短絡辺を誘電体基板１０１の短辺のエ
ッジ近傍に位置させ、また図２の従来例のアンテナにお
いては短絡辺を内側にし、短絡辺と反対側の辺である放
射端を誘電体基板１０１の短辺のエッジから５ｍｍ程度
離れた所に位置させた。

【００２４】図３（ａ）（ｂ）は、図１および図２のア
ンテナの放射パターンを示した図である。いずれの場合
も、ビームは正面方向であるｚ軸の方向から２０°程度
チルトしている。このようにアンテナ素子１０３，１０
４に位相差給電を行うことによって、ビームが傾き、所
望の指向性が得られることが確認できる。

【００２５】図４は、図１および図２のアンテナの放射
効率の周波数特性を示したグラフである。従来例のアン
テナでは、図４の破線に示されるように周波数によって
アンテナの放射効率が著しく劣化していることが分か
る。これは前述した通り、アンテナ素子１０３，１０４
で反射が生じていることが原因であると予想される。す
なわち、従来例のアンテナではアンテナ素子１０３，１
０４の放射端が地導体板１０２のエッジ部分に近接して
いるため、アンテナ素子１０３，１０４から放射される
電波の一部が地導体板１０２のエッジ部分に回り込み、
このエッジ部分からの放射により損失が生じることにな
る。この地導体板１０２による放射損失によってアンテ
ナ素子１０３，１０４のＱが低下し、インピーダンスの
周波数特性が結果するために、放射効率の帯域特性が劣
化するのである。

【００２６】これに対して、本実施例のアンテナでは図
４の実線に示されるように従来例のアンテナに比較して
放射効率の帯域特性が広がっていることが分かる。これ
は図１に示されるようにアンテナ素子１０３，１０４の
放射端が地導体板１０２のエッジから十分離れているた
めに、地導体板１０２からの不要な放射がなくなること
によるものである。

【００２７】このように本発明によれば、広い帯域にわ
たって良好な放射効率特性を維持することが可能とな
る。

【００２８】図５（ａ）は、本発明の他の実施例に係る
片側短絡パッチアンテナを示す図であり、３ｄＢハイブ
リッド回路１０９を誘電体基板１０１上に蒸着・エッチ
ングにより形成した導体パターンからなる平面回路で実
現した点が図１の実施例と異なる。このような平面回路
からなる３ｄＢハイブリッド回路１０９は、工程上、ア
ンテナ素子１０３，１０４および給電線路１０７，１０
８と同時に製作することが可能であり、従ってアンテナ
の量産性を向上させることができる。

【００２９】より具体的には、本実施例の３ｄＢハイブ
リッド回路１０９は図５（ｂ）に示されるように一辺の
長さａがλ／４の矩形リング状の導体パターンからなっ
ており、第１、第２のポートは給電線路１０７，１０８
に、第３のポートは給電点１１０に、第４のポートは無
反射終端素子１１１およびスルーホール１１０を介して
地導体板１０２にそれぞれ接続されている。この場合
も、アンテナ素子１０３，１０４の入力インピーダンス
は、給電線路１０７，１０８の接続位置によって変化す
るので、給電線路１０７，１０８の接続位置はアンテナ
素子１０３，１０４と給電線路１０７，１０８とのイン
ピーダンス整合がとれるように決定する。

【００３０】本実施例では、アンテナ素子１０３，１０
４に対する給電線路１０７，１０８の接続位置により、
アンテナ素子１０３，１０４の給電位相差が変化する。
すなわち、これらの接続位置をアンテナ素子１０３，１
０４の給電線路１０７，１０８が接続される辺の中央か
らどの程度オフセットしたかによって給電線路１０７，
１０８の電気長が変化するので、それに見合ってアンテ
ナ素子１０３，１０４の給電位相差がつくことになる。

【００３１】また、本実施例の構成では給電点１１０よ
り注入された給電電流は、３ｄＢハイブリッド回路１０
９により端子Ａ側と端子Ｂ側に振り分けられる。この場
合、給電電流が端子Ａに辿り着くまでの経路はＢまでに
比べてλ／４だけ短くなることから、端子Ａと端子Ｂで
はこの距離差の分だけ位相差が生じることになる。

【００３２】そこで、本実施例では給電線路１０７，１
０８の電気長の差と、給電点１１０から端子Ａと端子Ｂ
への距離差の両方によって、アンテナ素子１０３，１０
４に対して所望の位相差給電を行っている。なお、端子
Ａ，Ｂに生じた反射波は、無反射終端素子１１１によっ
て吸収されるので、反射による端子間の干渉を低減する
ことができる。

【００３３】さらに、本実施例では図６に示されるよう
にアンテナ素子１０３（１０４）の放射端と３ｄＢハイ
ブリッド回路１０９を構成する給電線路との間の距離ｄ
が短い場合、両者間の相互干渉を考慮する必要が生じ
る。すなわち、この場合にはアンテナ素子１０３，１０
４の放射端から放射された電波が給電線路に入り込んだ
り、導体であるアンテナ素子１０３，１０４との相互結
合が大きくなることによって、給電線路の特性インピー
ダンスが変化してしまい、結果として給電電力が等分配
されなくなるおそれが生じる。また、３ｄＢハイブリッ
ド回路１０９の給電線路が近付くことにより、アンテナ
素子１０３，１０４の共振周波数が変動してしまうこと
が予想される。

【００３４】これに対して、図６（ｂ）に示されるよう
に３ｄＢハイブリッド回路１０９の中央部分の給電線路
を長さはそのままにしながらその形状を湾曲させると、
アンテナ素子１０３，１０４の放射端と給電線路間の距
離ｄを十分に離すことが可能となり、これによって上述
のような弊害を低減することができる。

【００３５】図７は、本発明の別の実施例に係る片側短
絡パッチアンテナを示している。本実施例は、図７
（ａ）に示されるような形状の導体板２０１を同図
（ｂ）（ｃ）に示すように折り曲げることにより、地導
体板２０２とアンテナ素子２０３，２０４および短絡板
２０５，２０６を一体化して構成するようにしたもので
ある。これによって量産性がさらに向上し、より安価に
アンテナを提供することができる。ここで、地導体板２
０２とアンテナ素子２０３，２０４との間は所定距離離
れており、この空間の空気層が誘電体層として機能す
る。従って、本実施例では誘電体基板が省略されてい
る。

【００３６】また、本実施例では地導体板２０２の裏
面、すなわち、アンテナ素子２０３，２０４が形成され
た面と反対側の裏面上に、給電線路２０７，２０８、電
力分配器２１２、移相器２１３および無線回路２１４が
配置されている。給電線路２０７，２０８の電力分配器
２１２および移相器２１３が接続された側と反対側の端
部は、地導体板２０２を非接触で貫通してアンテナ素子
２０３，２０４の給電点２１０，２１１にそれぞれ接続
されている。

【００３７】本実施例の動作を送信時をモデルとして説
明すると、無線回路２１４から出力された高周波信号は
給電線路を通って分配器２１２に入力され、給電線路２
０７，２０８に等分配される。給電線路２０７に分配さ
れた高周波信号はそのままアンテナ素子２０３に給電さ
れ、給電路２０８側に分配された高周波信号は移相器２
１２によって位相シフトされた後、アンテナ素子２０４
に給電される。従って本実施例によると、アンテナのビ
ームを任意の所望の方向に向けることができ、しかも帯
域特性に優れたアンテナ一体型の無線機を構成すること
ができる。

【００３８】図８は、本発明のさらに別の実施例に係る
片側短絡パッチアンテナを示す図である。長方形状の誘
電体基板３０１の裏面には地導体板３０２が一様に形成
され、表面には一対の長方形状のアンテナ素子３０３，
３０４が形成されている。アンテナ素子３０３，３０４
は、長辺が誘電体基板３０１の短辺に平行となるように
配置されている。アンテナ素子３０３，３０４は各々の
一つの長辺が誘電体基板３０１の短辺の側面に形成され
た短絡板３０５，２０６によって地導体板３０２に対し
て短絡されている。従って、今までの実施例と同様にア
ンテナ素子３０３，３０４の各々の短絡辺は、地導体板
３０２の対向する二辺（この例では短辺）の近傍にそれ
ぞれ位置している。

【００３９】アンテナ素子３０３，３０４の短絡辺と隣
接する各々一方の辺は、誘電体基板３０１上に形成され
た給電線路３０７の両端にそれぞれ接続される。アンテ
ナ素子３０３，３０４の入力インピーダンスは、給電線
路３０７の接続位置によって変化する。従って、給電線
路３０７の接続位置はアンテナ素子３０３，３０４と給
電線路３０７とのインピーダンス整合がとれるように決
定する。給電線路３０７には給電点３０８が設けられて
いる。送信時には給電点３０８に送信ＲＦ信号が注入さ
れ、給電線路３０７によりアンテナ素子３０３，３０４
に対して所定の例えば１：１の電力比で、かつ所定の位
相差をもって給電が行われる。本実施例の場合の給電位
相差は、アンテナ素子３０３，３０４に対する給電線路
３０７の接続位置と、給電線路３０７上の給電点３０８
の位置によって決まる。

【００４０】このように本発明は、３ｄＢハイブリッド
回路のような給電回路を持たない片側短絡パッチアンテ
ナにも適用が可能であり、基本的に先の実施例と同様の
効果を得ることができる。

【００４１】なお、本発明は上述した実施例に限られる
ものではなく、種々変形して実施することができる。例
えば、実施例ではアンテナ素子の形状が矩形状の場合に
着いて説明してきたが、本発明は他の任意の形状のアン
テナ素子を有する片側短絡パッチアンテナについて有効
である。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば有
限の大きさの地導体板上にアンテナ素子を形成して構成
される片側短絡パッチアンテナにおいて、広い帯域にわ
たって高い放射効率を有する良好な帯域特性を実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るアンテナの構成を示す
斜視図

【図２】従来例のアンテナの構成を示す斜視図

【図３】本発明の一実施例と従来例のアンテナの放射パ
ターンの一例を示す図

【図４】本発明の一実施例と従来例のアンテナの放射効
率の周波数特性を示す図

【図５】本発明の他の実施例に係るアンテナの構成を示
す斜視図および要部の平面図

【図６】本発明のアンテナにおける給電線路を説明する
ための平面図

【図７】本発明の別の実施例に係るアンテナの構成と製
作過程を示す斜視図

【図８】本発明のさらに別の実施例に係るアンテナの構
成を示す斜視図

【符号の説明】

１０１…誘電体基板 １０２…地導体板 １０３，１０４…アンテナ素子 １０５，１０６…スルーホール １０７，１０８…給電線路 １０９…３ｄＢハイブリッド回路（給電手段） １１０…給電点 １１１…無反射終端素子 １１２…スルーホール ２０１…導体板 ２０２…地導体板 ２０３，２０４…アンテナ素子 ２０５，２０６…短絡辺 ２０７，２０８…給電線路 ２１０，２１１…給電点 ２１２…分配器（給電手段） ２１３…移相器（給電手段） ２１４…無線回路 ３０１…誘電体基板 ３０２…地導体板 ３０３，３０４…アンテナ素子 ３０５，３０６…短絡板 ３０７…給電線路 ３０８…給電点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩崎 久雄 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 鈴木 康夫 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】矩形状の地導体板と、 この地導体板の同一面上に配置され、該地導体板に対し
   て短絡された短絡辺をそれぞれ有する一対のアンテナ素
   子とを備え、 前記一対のアンテナ素子は、各々の短絡辺が前記地導体
   板の対向する二辺の近傍にそれぞれ位置するように配置
   されていることを特徴とするアンテナ。
2. 【請求項２】矩形状の地導体板と、 この地導体板の同一面上に配置され、該地導体板に対し
   て短絡された短絡辺をそれぞれ有する一対のアンテナ素
   子と、 これら一対のアンテナ素子に対して所定の電力比および
   位相差で給電を行う給電手段とを備え、 前記一対のアンテナ素子は、各々の短絡辺が前記地導体
   板の対向する二辺の近傍にそれぞれ位置するように配置
   されていることを特徴とするアンテナ。