JPWO2016148274A1 - アンテナ及び無線通信装置 - Google Patents

Abstract

無線通信用の小型アンテナは、反射板基板と、反射板基板上に配置された誘電体基板と、誘電体基板の主平面に形成され電波を放射する放射素子と、誘電体基板の主平面に設けられ放射素子に電力を供給する給電部と、誘電体基板の主平面であって放射素子と反射板基板との間の領域に形成される複数のスプリットリング共振部とを具備する。反射板基板は、放射素子が放射した電波を反射板基板の方向へ反射させる。複数のスプリットリング共振部のそれぞれは互いに離間して対向する第１端部と第２端部とを有するスプリット部と、第１端部と第２端部とを接続するリング部とを有する。

Description

本発明は、アンテナ及び無線通信装置に関する。
本願は、２０１５年３月１９日に日本国に出願された特願２０１５−５５８３１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、無線通信回線の増加に伴い無線通信における電波干渉が発生しやすくなっている。そのため、ビームフォーミング技術を用いた無線通信が行われている。ビームフォーミング技術では、複数のアンテナ素子をアレイ状に配置したアンテナを使用して指向性を強めて特定の方向のみへの強い電波を送信することで電波干渉を抑制している。一般的に、ビームフォーミング技術のように特定の方向に対して無線通信を行う場合には、アンテナ素子と反射板との間隔を波長の４分の１程度とし、アンテナ素子から放射された電波のうちの一部を反射板によって反射させることで、所望の方向の電波を強めている。

特許文献１は、アンテナ用のグランドプレーンメッシュにおける表面電流削減に係る技術を開示している。ここでは、周期的な構造によって表面インピーダンスを制御した高インピーダンスの面を反射板として用いることにより、反射板における反射波の位相を制御し、アンテナ素子と反射板との距離を波長の４分の１より小さくすることを可能としている。特許文献２は、ダイポールアンテナと反射器との間に磁性体や誘電体を備えて、波長短縮効果による低背化を実現したアンテナに係る技術を開示している。特許文献３は、互いに平行な表面上に放射素子とグランドプレーンとを設置した誘電体基板を備えるアンテナ装置を開示している。アンテナ装置において、誘電体基板は線状の放射素子の延伸方向に対して垂直な方向に比透磁率の異方性を有している。また、誘電体基板はグランドプレーンに対して垂直になるように配列された複数の金属インクルージョン（スプリットリング）を有している。

米国特許第６２６２４９５号公報 特開２００６−２２２８７３号公報 特開２００８−１８２３３８号公報

ところで、特許文献１に記載のアンテナでは、高インピーダンスの面を形成するための構造により反射板自体の厚さが増加するため、反射板を含んだアンテナ全体の小型化が困難であった。同様に、特許文献２及び特許文献３に記載のアンテナでも小型化が困難であった。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、誘電体基板と反射板導体からなる構造に拘らず小型化が可能なアンテナと、当該アンテナを搭載した無線通信装置とを提供することを目的とする。

本発明の第１態様において、アンテナは、反射板基板と、反射板基板上に配置された誘電体基板と、誘電体基板の主平面に形成され電波を放射する放射素子と、誘電体基板の主平面に設けられ放射素子に電力を供給する給電部と、誘電体基板の主平面であって放射素子と反射板基板との間の領域に形成される複数のスプリットリング共振部とを具備する。反射板基板は、放射素子が放射した電波を反射板基板の方向へ反射させる。複数のスプリットリング共振部のそれぞれは互いに離間して対向する第１端部と第２端部とを有するスプリット部と、第１端部と第２端部とを接続するリング部とを有する。

本発明の第２態様において、無線通信装置は、アンテナと、アンテナを介して行う通信を制御する通信制御部とを具備する。

本発明によれば、アンテナを小型化することができる。つまり、アンテナの放射素子の動作周波数において、スプリットリング共振部の周囲の電磁波の波長（すなわち、反射板導体と放射素子との間の領域における電磁波の波長）を短くすることができるため、アンテナの高さを低くすることができる。

本発明の実施例１に係るアンテナの正面図である。 本発明の実施例１に係るアンテナの左側面図である。 実施例１に係るアンテナの誘電体基板上に形成されるスプリットリング共振部の第１の変形例を示す斜視図である。 実施例１に係るアンテナの誘電体基板上に形成されるスプリットリング共振部の第２の変形例を示す斜視図である。 本発明の実施例２に係るアンテナの正面図である。 本発明の実施例２の変形例に係るアンテナの正面図である。 本発明の実施例３に係るアンテナの表面側の斜視図である。 本発明の実施例３に係るアンテナの裏面側の斜視図である。 実施例３に係るアンテナの誘電体基板に形成された放射素子の第１の変形例を示す斜視図である。 実施例３に係るアンテナの誘電体基板に形成された放射素子の第２の変形例を示す斜視図である。 実施例３に係るアンテナの誘電体基板に形成された放射素子の第３の変形例を示す斜視図である。 実施例３に係るアンテナの誘電体基板に形成された放射素子の第４の変形例を示す正面図である。 実施例３に係るアンテナの誘電体基板に形成された放射素子の第５の変形例を示す正面図である。 実施例３に係るアンテナの誘電体基板に形成された放射素子の第６の変形例を示す正面図である。 実施例３に係るアンテナの誘電体基板に形成された放射素子の第７の変形例を示す正面図である。 実施例３に係るアンテナの誘電体基板に形成された放射素子の第８の変形例を示す斜視図である。 本発明の実施例４に係るアンテナの斜視図である。 本発明の実施例４の変形例に係るアンテナの斜視図である。 本発明に係るアンテナの基本構成を示す正面図である。

本発明に係るアンテナについて実施例とともに添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るアンテナ１００の正面図である。図２は、実施例１に係るアンテナ１００の左側面図である。アンテナ１００は、反射板導体１０１と、誘電体基板１０５とを備える。図２に示すように、誘電体基板１０５は反射板導体１０１と略垂直に配置される。反射板導体１０１は、二次元平面（ＸＹ平面）上に配置された導電性の反射板導体である。誘電体基板１０５は非導電性の誘電体基板である。誘電体基板１０５には、放射素子１０２と、１つ以上のスプリットリング共振部１１０とが形成される。反射板導体１０１は、放射素子１０２から放射された電波を放射素子１０２の方向へ反射させる。

放射素子１０２は、反射板導体１０１と一定の距離を隔てた誘電体基板１０５の主平面の表面層の位置に形成される。放射素子１０２は、誘電体基板１０５の主平面に設けられ放射素子１０２に電力を供給する給電部１０４から一方向（例えば、図１の右方向）に延伸した直線状の第１放射エレメント１０３（第１導体）を備える。また、放射素子１０２は給電部１０４から他方向（例えば、図１の左方向）に延伸した直線状の第２放射エレメント１０３（第２導体）を備える。放射エレメント１０３は電波を放射する。給電部１０４は、無線周波数（ＲＦ）回路（不図示）に接続されており、放射素子１０２に電力を供給する。このとき、放射素子１０２はダイポール型のアンテナとして動作する。

複数のスプリットリング共振部１１０が誘電体基板１０５の主平面において放射素子１０２と反射板導体１０１との間の領域に形成される。スプリットリング共振部１１０は、互いに離間して対向する第１端部と第２端部とを有するスプリット部１１２と、第１端部と第２端部とを接続するリング部１１１とより構成される。なお、誘電体基板１０５と、誘電体基板１０５の主平面に形成された放射素子１０２と、誘電体基板１０５の主平面にそれぞれ形成されたスプリットリング共振部１１０と、をアンテナ本体とする。

図１及び図２は、放射素子１０２及びスプリットリング共振部１１０が誘電体基板１０５の主平面における表面層に形成されたアンテナ１００を示している。しかし、実施例１に係るアンテナ１００は放射素子１０２及びスプリットリング共振部１１０を誘電体基板１０５の表面層に形成したアンテナの構成に限定されるものではない。実施例１に係るアンテナ１００では、放射素子１０２及びスプリットリング共振部１１０は誘電体基板１０５の主平面における表面層及び内部の少なくとも一方に形成されてもよい。

一般的に、放射素子１０２及びスプリットリング共振部１１０は銅箔で形成されるが、導体であれば銅箔以外の素材で形成されてもよい。また、放射素子１０２及びスプリットリング共振部１１０は同一の素材で形成されてもよいし、異なる素材で形成されてもよい。

また、誘電体基板１０５は非導電性の材料であればどのような材料を用いて製造されてもよい。さらに、誘電体基板１０５の製造プロセスも限定されるものではない。例えば、誘電体基板１０５はガラスエポキシ樹脂を用いたプリント基板であってもよい。或いは、誘電体基板１０５はセラミックス材料を用いた基板であってもよい。セラミックス材料を用いた基板は、例えば、ＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）技術を用いて製造した低温焼成積層セラミックス基板などである。

一般的に、反射板導体１０１は金属材料で形成される。具体的には、反射板導体１０１は誘電体基板に貼り合わされた銅箔で形成される。しかし、実施例１に係るアンテナ１００に適用される反射板導体１０１はどのような導電性材料で形成されてもよい。

実施例１に係るアンテナ１００において、スプリットリング共振部１１０はリング部１１１が有するインダクタンスと、スプリット部１１２が有するキャパシタンスとによりＬＣ共振器として動作する。また、スプリットリング共振部１１０では放射素子１０２が放射する電磁波により磁界が発生する。この磁界は、リング部１１１を貫通する。スプリットリング共振部１１０は、磁界がリング部１１１を貫通することで共振する。スプリットリング共振部１１０による共振と、放射素子１０２が放射する電磁波により生じた電界とが相互作用し、スプリットリング共振部１１０の周囲の実効的な透磁率が変化する。特に、スプリットリング共振部１１０が共振周波数の近傍で共振した場合、スプリットリング共振部１１０の周囲の実効的な透磁率が大きくなる。そのため、スプリットリング共振部１１０を共振周波数の近傍で共振させることにより、放射素子１０２が放射する電磁波のスプリットリング共振部１１０の周囲における波長を短くすることができる。

したがって、実施例１に係るアンテナ１００は放射素子１０２の動作周波数において、スプリットリング共振部１１０の周囲の電磁波の波長（すなわち、反射板導体１０１と放射素子１０２との間の領域における電磁波の波長）を短くすることができる。その結果、アンテナ１００の高さを低くすることができる。また、反射板導体１０１は厚さに関係なくどのような導電性材料で形成されてもよい。したがって、反射板導体１０１の厚さを薄くすることができ、反射板導体１０１の厚さを含めたアンテナ１００の高さを低くすることができる。

実施例１に係るアンテナ１００では、スプリットリング共振部１１０と放射素子１０２とが誘電体基板１０５の同一平面上に形成されるため、スプリットリング共振部１１０以外の追加の部材又は部品を用いずにアンテナ１００の高さを低くすることができる。

図１に示すアンテナ１００は、合計８個のスプリットリング共振部１１０を備える。すなわち、アンテナ１００の幅方向（図１におけるｘ軸方向）に４列、かつ、アンテナ１００の高さ方向（図１におけるｚ軸方向）に２段のスプリットリング共振部１１０を備える。しかし、実施例１に係るアンテナ１００の構成は図１の構成に限定されるものではない。例えば、アンテナ１００の高さ方向に１段のスプリットリング共振部１１０を配列してもよい。この場合、図１に示すスプリットリング共振部１１０の２段配列に比べて、スプリットリング共振部１１０を１段配列に低減することができ、アンテナ１００の高さ（すなわち、放射素子１０２及びスプリットリング共振部１１０を形成した誘電体基板１０５の高さ）を低くすることができる。ただし、スプリットリング共振部１１０の数を増やすことでスプリットリング共振部１１０の周囲の透磁率を大きくすることができるため、スプリットリング共振部１１０の周囲の透磁率の変化はアンテナ１００の高さに依存する。そのため、スプリットリング共振部１１０をアンテナ１００の高さ方向に１段に配列すると、アンテナ１００の高さを最小にすることができるが、透磁率を考慮するとスプリットリング共振部１１０を１段配列に限定する必要はない。つまり、発振周波数、スプリットリング共振部１１０のサイズ、誘電体基板１０５の材質などの種々のパラメタを考慮してアンテナ１００を設計することが望ましい。

スプリットリング共振部１１０のサイズを大きくして電流経路を長くすることでインダクタンスを大きくするか、或いは、スプリット部１１２において不連続となる導体間の距離（すなわち、第１端部と第２端部との間隔）を短くしてキャパシタンスを大きくすることで、スプリットリング共振部１１０の共振周波数を低減することができる。スプリットリング共振部１１０のキャパシタンスを大きくする方法について図３及び図４を参照して説明する。図３に示す構成では、スプリット部１１２の第１端部及び第２端部の両方に直線状の導体によって形成される導体ビア１２１を備えている。また、スプリット部１１２の静電増加させるため、第１端部及び第２端部から延伸する導体ビア１２１に対して補助導体１２０が備えられる。図４に示す構成では、スプリット部１１２の第１端部及び第２端部の一方に導体ビア１２１を備えている。また、スプリット部１１２の静電増加させるため、第１端部及び第２端部の一方から延伸する導体ビア１２１に対して補助導体１２０が備えられる。誘電体基板１０５において、スプリットリング共振部１１０が設けられた層と異なる層に補助導体１２０を設けている。そして、補助導体１２０とスプリット部１１２とを導体ビア１２１を介して電気的に接続する。

図３又は図４に示す構成により、スプリットリング共振部１１０のスプリット部１１２において対向する導体面積が補助導体１２０の分だけ増加するため、スプリットリング共振部１１０のサイズを大きくすることなく、キャパシタンスを大きくすることができる。図３に示す構成では、一対のＬ字型の補助導体１２０が一対の導体ビア１２１を介してスプリット部１１２の第１端部及び第２端部に対向して配置されている。図４に示す構成では、スプリット部１１２の第１端部と第２端部とは形状が異なり、例えば、第１端部に対して導体ビア１２１が備えられ、その導体ビア１２１の先端部にＬ字型の補助導体１２０を接続し、その補助導体１２０の一部が第２端部に対向して配置されている。すなわち、補助導体１２０はスプリット部１１２の第１端部に導体ビア１２１を介して接続されているものの、その補助導体１２０はスプリット部１１２の第２端部に対してｙ軸方向に重複するように配置されている。図３又は図４に示す構成により、スプリット部１１２において対向する導体面積をさらに増加させることができ、スプリットリング共振部１１０のサイズを大きくすることなく、キャパシタンスを効率的に増加させることができる。

次に、本発明の実施例２に係るアンテナ２００について図５を参照して説明する。アンテナ１００と同様に、アンテナ２００は反射板導体１０１と誘電体基板１０５とを備える。誘電体基板１０５には、複数のスプリットリング共振部１１０と、給電部１０４とに加えて放射素子２０２と放射エレメント２０３とが備えられている。実施例２に係るアンテナ２００は実施例１に係るアンテナ１００と以下の点において相違する。
（１）放射素子２０２は、誘電体基板１０５の主平面において給電部１０４から延伸したＬ字形状の導体を備える。給電部１０４は、放射素子２０２に電力を供給する。
（２）放射素子２０２は、放射エレメント２０３と、給電部２０４とを備える。
（３）放射エレメント２０３は、電波を放射する。
（４）放射エレメント２０３はＬ字型の形状を有し、誘電体基板１０５の表面層に設けられる。放射エレメント２０３の一部は、放射エレメント２０３が放射した電波を放射素子２０２の方向に反射させる反射板導体１０１と略平行な導体である。
（５）給電部１０４は無線周波数（ＲＦ）回路（不図示）に接続されており、放射素子２０２に電力を供給する。給電部１０４の一端はＬ字形状の放射エレメント２０３の下端に接続され、その他端は反射板導体１０１に接続されている。

上述の放射素子２０２は、逆Ｌ字型アンテナとして動作する。また、複数のスプリットリング共振部１１０が誘電体基板１０５の主平面における放射エレメント２０３の反射板導体１０１と略平行な導体部分と反射板導体１０１との間の領域に形成される。

スプリットリング共振部１１０は、放射素子２０２が放射する電磁波により磁界を発生する。磁界はスプリットリング共振部１１０のリング部１１１を貫通する。磁界がリング部１１１を貫通することで、スプリットリング共振部１１０は共振する。スプリットリング共振部１１０の共振と放射素子２０２が放射する電磁波により生じた磁界とが相互作用し、スプリットリング共振部１１０の周囲の実効的な透磁率が変化する。特に、スプリットリング共振部１１０が共振周波数の近傍で共振した場合、スプリットリング共振部１１０の周囲の実効的な透磁率が大きくなる。そのため、スプリットリング共振部１１０を共振周波数の近傍で共振させることにより、放射素子２０２が放射する電磁波のスプリットリング共振部１１０の周囲における波長を短くすることができる。

したがって、実施例２に係るアンテナ２００は、放射素子２０２の動作周波数において、スプリットリング共振部１１０の周囲の電磁波の波長（すなわち、反射板導体１０１と放射素子２０２との間の領域における電磁波の波長）を短くすることができる。その結果、アンテナ２００の高さを低くすることができる。また、反射板導体１０１は厚さに関係なくどのような導電性材料で形成してもよい。したがって、反射板導体１０１の厚さを薄くすることができ、反射板導体１０１の厚さを含めたアンテナ２００の高さを低くすることができる。

図５に示すアンテナ２００では、放射素子２０２として逆Ｌ字型アンテナを用いているが、これに限定されるものではない。放射素子２０２として、モノポールアンテナなどの変形例を用いることができる。或いは、図６に示すように、放射素子２０２の放射エレメント２０３として逆Ｆ字型アンテナを用いてもよい。

次に、本発明の実施例３に係るアンテナ３００について図７及び図８を参照して説明する。アンテナ３００は、反射板導体１０１と、誘電体基板３０５とにより構成される。誘電体基板３０５の主平面には複数のスプリットリング共振部１１０が配列されている。実施例３のアンテナ３００は実施例１のアンテナ１００と以下の点において相違する。
（１）誘電体基板３０５の主平面に形成される放射素子３０２は、給電部３０４と、放射素子共振部３０６と、給電線３１１と、導体ビア３１３とを備える。
（２）放射素子共振部３０６は、誘電体基板３０５の主平面（すなわち、図７のｙ軸の負方向側から見たｘｚ平面の表面）に設けられている。放射素子共振部３０６は、放射素子スプリット部３１２と、放射素子リング部３０３とを備える。放射素子リング部３０３の内側の領域を開口３１４と呼ぶ。
（３）放射素子共振部３０６は、互いに離間して対向する２つの端部（すなわち、第３端部と第４端部）を有する放射素子スプリット部３１２と、２つの端部を接続する放射素子リング部３０３とを備える。放射素子共振部３０６は、誘電体基板３０５の主平面に形成される。放射素子共振部３０６は略Ｃ字形状を有しており、開口３１４を囲むとともに、その周方向の一部に放射素子スプリット部３１２が形成されている。放射素子スプリット部３１２は、誘電体基板３０５の主平面に形成される。
（４）給電部３０４は、無線周波数（ＲＦ）回路（不図示）に接続されており、放射素子３０２に電力を供給する。給電部３０４の一端は、給電線３１１の一端に接続され、その他端は反射板導体１０１に接続されている。
（５）給電線３１１は、誘電体基板３０５の主平面の裏面（すなわち、図６においてｙ軸の正方向からみたｘｚ平面の表面）に設けられる。給電線３１１は線状の導体である。給電線３１１の一端は給電部３０４に接続され、その他端は放射素子共振部３０６において反射板導体１０１から離れた側（すなわち、ｚ軸の正方向側）に位置する導体ビア３１３に接続されている。誘電体基板３０５の表面に形成された接続部３１０は誘電体基板３０５の裏面に形成された給電線３１１とｙ軸方向から見て重複している。つまり、誘電体基板３０５の主平面から見て給電線３１１は接続部３１０と重なる位置に配置されている。給電線３１１は、給電部３０４から延伸して放射素子リング部３０３の内部領域（開口３１４）を跨いで放射素子リング部３０３に到達している。
（６）接続部３１０は、誘電体基板３０５の主平面においてｚ軸方向に延伸する導体である。接続部３１０は、放射素子共振部３０６と反射板導体１０１とを電気的に接続する。接続部３１０の一端は、放射素子共振部３０６において反射板導体１０１に近い側（すなわち、ｚ軸の負方向側）に位置する中央付近に接続されている。接続部３１０の他端は、反射板導体１０１に接続されている。

一般的に、導体ビア３１３は誘電体基板３０５にドリルで形成された貫通孔にメッキ加工を施すことで形成される。ここで、導体ビア３１３は異なる導電体層同士を電気的に接続できればよい。例えば、導体ビア３１３はレーザーで形成されるレーザービア、或いは、銅線などを用いて形成するビアであってもよい。

図７及び図８に示されるアンテナ３００では、放射素子共振部３０６が誘電体基板３０５の主平面に形成され、給電線３１１が誘電体基板３０５の主平面の裏面側に形成されるものとしたが、これに限定されるものではない。ここで、放射素子共振部３０６と給電線３１１とは、誘電体基板３０５のおける異なる導電体層に形成されていればよい。例えば、放射素子共振部３０６を誘電体基板３０５の主平面に形成し、給電線３１１を誘電体基板３０５の内部の導電体層に形成してもよい。

実施例３に係るアンテナ３００において、放射素子共振部３０６は開口３１４を囲む略Ｃ字形状の導体に沿って生じるインダクタンスと、放射素子スプリット部３１２において対向する導体（すなわち、第３端部と第４端部）間に生じるキャパシタンスとが、ＬＣ直列共振回路（すなわち、スプリットリング共振部）として機能する。スプリットリング共振部１１０の共振周波数付近では、放射素子共振部３０６に大きな電流が流れ、その一部の電流成分が電波放射に寄与することにより、アンテナとして動作する。

給電線３１１は、接続部３１０と容量結合することで、接続部３１０と、誘電体基板３０５とともに、伝送線路を形成する。その結果、給電部３０４から出力されたＲＦ信号は給電線３１１を経由して伝送され、放射素子共振部３０６に供給される。

実施例３に係るアンテナ３００において、放射素子共振部３０６はアンテナとして動作する。放射素子共振部３０６が放射する電磁波により磁界が発生する。磁界は、スプリットリング共振部１１０のリング部１１１を貫通する。スプリットリング共振部１１０は、磁界がリング部１１１を貫通することで共振する。スプリットリング共振部１１０の共振と、放射素子共振部３０６が放射する電磁波により発生した電界とが相互作用し、スプリットリング共振部１１０の周囲の実効的な透磁率が変化する。特に、スプリットリング共振部１１０が共振周波数の近傍で共振した場合、スプリットリング共振部１１０の周囲の実効的な透磁率が大きくなる。そのため、スプリットリング共振部１１０を共振周波数の近傍で共振させることにより、放射素子共振部３０６が放射する電磁波のスプリットリング共振部１１０の周囲における波長を短くすることができる。

したがって、実施例３に係るアンテナ３００は、放射素子共振部３０６の動作周波数において、スプリットリング共振部１１０の周囲の電磁波の波長（すなわち、反射板導体１０１と放射素子共振部３０６との間の領域における電磁波の波長）を短くすることができる。その結果、アンテナ３００の高さを低くすることができる。また、反射板導体１０１は厚さに関係なくどのような導電性材料で形成してもよい。したがって、反射板導体１０１の厚さを薄くすることができ、反射板導体１０１の厚さを含めたアンテナ３００の高さを低くすることができる。

実施例３に係るアンテナ３００において、放射素子共振部３０６はＬＣ直列共振回路として機能する。スプリットリング共振部１１０の共振周波数付近では、放射素子共振部３０６に大きな電流が流れ、その一部の電流成分が電波放射に寄与することによりアンテナとして動作する。

実施例３に係るアンテナ３００において、放射素子共振部３０６のリングのサイズを大きくすることでインダクタンスを大きくするか、或いは、放射素子スプリット部３１２において対向する導体間の間隔を狭くしてキャパシタンスを大きくすることで、共振周波数を低くすることができる。また、ＬＣ直列共振回路として機能する放射素子共振部３０６をアンテナとして用いることで、放射素子スプリット部３１２に補助導体３２０を接続して共振周波数を低くすることができる。

放射素子スプリット部３１２におけるキャパシタンスを大きくする方法として図９〜図１１に示す構成を用いることができる。図９は、放射素子３０２の第１変形例を示す斜視図である。図９の放射素子３０２では、誘電体基板３０５において給電線３１１と同一の層に一対のＬ字形状の補助導体３２０を設けている。一対の補助導体３２０は、一対の導体ビア３２１を介して放射素子スプリット部３１２の一対の対向する端部に電気的に接続されている。一対の補助導体３２０は互いに独立した導体であるが、給電線３１１と同一の層に形成されている。また、補助導体３２０は放射素子共振部３０６が設けられた層と異なる層に形成されている。

図１０は、放射素子３０２の第２の変形例を示す斜視図である。図１０の放射素子３０２では、一対のＬ字形状の補助導体３２０は放射素子共振部３０６が形成された層と異なる層に形成されている。一対の補助導体３２０は一対の導体ビア３２１を介して放射素子スプリット部３１２の一対の対向する端部に電気的に接続されている。なお、一対の補助導体３２０は放射素子共振部３０６が形成された層に対して給電線３１１が形成された層と反対側の層に形成されている。

図１１は、放射素子３０２の第３の変形例を示す斜視図である。図１１の放射素子３０２では、Ｌ字形状の補助導体３２０は放射素子共振部３０６が形成された層と異なる層に形成されている。補助導体３２０は、導体ビア３２１を介して放射素子スプリット部３１２の一方の端部に電気的に接続され、他方の端部と対向して配置されている。補助導体３２０は独立した導体であり、給電線３１１と同一の層に形成されている。また、補助導体３２０の一部は、図１１のｙ軸の正方向から見て、放射素子スプリット部３１２の他方の端部と重複して配置されている。

図９〜図１１に示す放射素子３０２の構成により、放射素子スプリット部３１２において対向する導体面積をさらに増加することができ、放射素子共振部３０６のサイズを大きくすることなく、放射素子スプリット部３１２のキャパシタンスを効率的に大きくすることができる。

また、放射素子スプリット部３１２のキャパシタンスを小さくする方法として図１２に示す構成を用いることができる。図１２は、放射素子３０２の第４の変形例を示す正面図である。図１２では、放射素子スプリット部３１２の一対の端部の対向する面積を小さくしている。これにより、放射素子スプリット部３１２のキャパシタンスを小さくすることができ、放射素子共振部３０６の共振周波数を高くすることができる。

良好な放射効率を得るためには、放射素子共振部３０６は誘電体基板３０５の主平面において反射板導体１０１の広がり方向に長い形状であることが望ましい。例えば、図７に示した放射素子共振部３０６の場合、良好な放射効率を得るためには、放射素子共振部３０６をｘ軸方向に長い形状とすることが望ましい。図７では、放射素子共振部３０６は長方形状であるが、これに限定するものではない。例えば、放射素子共振部３０６を楕円形状やボウタイ形状としてもよい。また、楕円形状やボウタイ形状の放射素子共振部３０６において良好な放射効率を得るためには、誘電体基板３０５の主平面において反射板導体１０１の広がり方向に長い形状とすることが望ましい。

また、誘電体基板３０５の主平面において、放射素子共振部３０６は反射板導体１０１の広がり方向の両端部に導電性の放射部を備えてもよい。図１３は、放射素子３０２の第５の変形例を示す正面図である。図１３において、放射素子共振部３０６の両端側に放射部３３０が備えられている。放射部３３０の高さは放射素子共振部３０６の高さ（すなわち、ｚ軸方向の長さ）よりも小さい。図１４は、放射素子３０２の第６の変形例を示す正面図である。図１４において、放射素子共振部３０６の両端側に放射部３３０が備えられている。放射部３３０の高さは放射素子共振部３０６の高さ（すなわち、ｚ軸方向の長さ）よりも大きい。

図１３又は図１４の構成により、放射素子共振部３０６において放射に寄与するｘ軸方向の電流を放射部３３０に誘導することができる。その結果、放射素子共振部３０６の放射効率を向上することができる。図１３及び図１４では、放射部３３０の高さと放射素子共振部３０６の高さとを異ならしめているが、これに限定されるものではない。例えば、放射素子共振部３０６の両端側に放射素子共振部３０６の高さと同一の高さを有する放射部３３０を備えてもよい。

上述のように、放射素子共振部３０６の両端側に放射部３３０を備える場合、誘電体基板３０５の主平面において放射素子共振部３０６と放射部３３０との合成体が反射板導体１０１の広がり方向に長い形状であればよい。そのため、誘電体基板３０５の主平面において、放射素子共振部３０６自体が反射板導体１０１の広がり方向に長い形状である必要なない。図１５は、放射素子３０２の第７の変形例を示す正面図である。図１５に示すように、放射素子共振部３０６は高さ方向に長くした長方形状としてもよい。或いは、放射素子共振部３０６を正方形、円形、三角形としてもよい。

また、給電線３１１と接続部３１０とで形成される伝送線路の特性インピーダンスは、給電線３１１の幅と、給電線３１１と接続部３１０とのそれぞれの層の間隔に基づいて設計することができる。そのため、伝送線路の特性インピーダンスをＲＦ回路のインピーダンスに整合させることで、伝送線路の端部でＲＦ回路の信号を反射することなくアンテナに給電することができる。但し、伝送線路の特性インピーダンスがＲＦ回路のインピーダンスと整合していない場合であっても、本発明の効果に実質的な影響を与えない。なお、実施例３に係るアンテナ３００の放射素子３０２では、給電線３１１と放射素子共振部３０６との接続位置を変更することで、給電線３１１とスプリットリング共振部１１０とのインピーダンスを整合させることができる。

また、アンテナ３００において、仮想グラウンド面が放射素子共振部３０６のｘ軸方向の中央付近を含みｘ軸に直交するｙｚ平面に形成される。放射素子３０２の接続部３１０が仮想グラウンド面の近傍であり、接続部３１０の延伸方向が仮想グラウンド面に沿っていることが好ましい。詳細には、仮想グラウンド面からｘ軸の正方向又はｘ軸の負方向における放射素子共振部３０６のｘ軸方向の大きさ、或いは、放射素子共振部３０６と放射部３３０との合成体のｘ軸方向の大きさの４分の１の範囲であればおおよそグラウンドとみなすことができる。このため、接続部３１０は上記の範囲内に位置することが好ましい。なお、仮想グラウンド面とは電位がゼロとなる面であり、本実施例では、放射素子共振部３０６の鏡像面であるｙｚ平面が仮想グラウンド面となる。仮想グラウンド面における金属の存在・不存在に拘らず、アンテナ３００における電磁界分布は変化しない。つまり、電磁界分布は仮想グラウンド面に存在する金属の影響を受けない。

このため、放射素子３０２の接続部３１０のｘ軸方向の大きさは、放射素子共振部３０６のｘ軸方向の大きさ、或いは、放射素子共振部３０６と放射部３３０との合成体のｘ軸方向の大きさの２分の１以下であることが好ましい。しかし、接続部３１０の位置が上記の範囲外であっても本発明の本質的な効果には影響を与えない。また、接続部３１０のｘ軸方向の大きさが上記の範囲外であっても本発明の本質的な効果には影響を与えない。

図１６は、放射素子３０２の第８の変形例を示す斜視図である。図１６に示す放射素子３０２はｙ軸方向に２段構成となっている。つまり、放射素子共振部３０６（第１放射素子共振部）が、放射素子リング部３０３（第１放射素子リング部）と、放射素子スプリット部３１２（第１放射素子スプリット部）とを備える。また、放射素子共振部３４６（第２放射素子共振部）が、放射素子リング部３４０（第２放射素子リング部）と、放射素子スプリット部３５０（第２放射素子スプリット部）とを備える。図１６に示すように、誘電体基板３０５の主平面に形成される放射素子共振部３０６（第１放射素子共振部）及び接続部３１０（第１接続部）が設けられた層と異なる層であって、かつ、給電線３１１と異なる層に、放射素子共振部３４６（第２放射素子共振部）及び接続部３４１（第２接続
部）を配置してもよい。放射素子共振部３０６と放射素子共振部３４６とは複数の導体ビア３４２を介して電気的に接続され、接続部３１０と接続部３４１とは複数の導体ビア３４２を介して電気的に接続される。また、給電線３１１は接続部３１０と接続部３４１との間に配置される。このため、放射素子共振部３０６と放射素子共振部３４６とは１つの放射素子共振部として動作する。これにより、給電線３１１は放射素子共振部３０６及び接続部３１０と、放射素子共振部３４６及び接続部３４１とによって遮蔽され、給電線３１１からの不要な放射や給電線３１１と周囲の電磁界との不要な結合を低減することができる。

次に、本発明の実施例４に係るアンテナ４００について説明する。図１７は、本発明の実施例４に係るアンテナ４００の斜視図である。実施例４に係るアンテナ４００は、実施例３に係るアンテナ３００を複数備える。アンテナ４００において、アンテナ本体が反射板導体１０１の表面上に誘電体基板３０５の主平面に沿う方向に複数配置される。また、アンテナ４００において、アンテナ本体が反射板導体１０１の表面上に誘電体基板３０５の主平面に交差する方向に複数配置される。このため、アンテナ４００はアンテナ本体がアレイ状に配列されている。放射素子３０２の接続部３１０はそれぞれ反射板導体１０１に電気的に接続されており、給電線３１１はそれぞれ無線周波数（ＲＦ）回路（不図示）に接続されている。

実施例４に係るアンテナ４００では、放射素子３０２の動作周波数においてスプリットリング共振部１１０の周囲の電磁波の波長（すなわち、反射板導体１０１と放射素子３０２との間の領域における電磁波の波長）を短くすることができる。その結果、アンテナ４００の高さを低くすることができる。また、反射板導体１０１は厚さに関係なくどのような導電性材料で形成してもよい。したがって、反射板導体１０１の厚さを薄くすることができ、反射板導体１０１の厚さを含めたアンテナ４００の高さを低くすることができる。

実施例４に係るアンテナ４００によれば、複数の放射素子３０２に位相差を設けたＲＦ信号をそれぞれ入力することで、所望の方向にビームフォーミングを行うことが可能となる。図１８は、本発明の実施例４に係るアンテナ４００の変形例を示す斜視図である。ここで、アンテナ４００を構成するアンテナ３００が備える複数の放射素子３０２と複数のスプリットリング共振部１１０とを、ｘ軸方向に沿う一列ごとに一つの誘電体基板３０５に形成してもよい。これにより、複数の放射素子３０２の位置合わせを行う工数を低減することができ、アンテナ４００の組み立てを容易に行うことができる。なお、図１７及び図１８において、アンテナ４００は実施例３に係るアンテナ３００をアレイ状に複数配置したが、これに限定されるものではない。例えば、アンテナ４００において実施例１に係るアンテナ１００または実施例２に係るアンテナ２００をアレイ状に複数配置するようにしてもよい。

図１９は、本発明に係るアンテナ１００の基本構成を示す正面図である。アンテナ１００は、少なくとも反射板導体１０１と、放射素子１０２と、誘電体基板１０５と、複数のスプリットリング共振部１１０とを備える。放射素子１０２は、誘電体基板１０５の主平面に形成されて電波を放射する。反射板導体１０１は、放射素子１０２が放射した電波を放射素子１０２の方向へ反射させる。複数のスプリットリング共振部１１０が、誘電体基板１０５の主平面における放射素子１０２と反射板導体１０１との間の領域にそれぞれ形成される。各々のスプリットリング共振部１１０は、互いに離間して対向する第１端部と第２端部とを有するスプリット部１１２と、第１端部と第２端部とを接続するリング部１１１とを備える。

なお、上述の実施例に係るアンテナはそれぞれ無線通信装置に用いられるものである。無線通信装置は、上述の実施例に係るアンテナの何れか１つと、当該アンテナを介して行う通信を制御する通信制御部とを備える。

最後に、本発明に係るアンテナについて上述の実施例とともに説明したが、これらの実施例は例示的なものであり限定的なものではない。また、特許請求の範囲に定義される発明の要旨を逸脱しない範囲内で上述の実施例に対して設計変更や改変を行うことも可能であり、本発明は上述の実施例以外にも種々の変形例を包含するものである。

本発明は無線通信装置に用いられるアンテナに適用されるものであるが、通信機能を有する情報端末やその他の装置にも適用することができる。

１００、２００、３００、４００ アンテナ
１０１ 反射板導体
１０２、２０２、３０２ 放射素子
１０３、２０３ 放射エレメント
１０４、２０４、３０４ 給電部
１０５、３０５ 誘電体基板
１１０ スプリットリング共振部
１１１ リング部
１１２ スプリット部
１２０、３２０ 補助導体
１２１、３１３、３２１、３４２ 導体ビア
３０３、３４０ 放射素子リング部
３０６、３４６ 放射素子共振部
３１０、３４１ 接続部
３１１ 給電部
３１２ 放射素子スプリット部
３１４ 開口
３３０ 放射部

Claims (9)

1. 反射板基板と、
   前記反射板基板上に配置された誘電体基板と、
   前記誘電体基板の主平面に形成され、電波を放射する放射素子と、
   前記誘電体基板の主平面に設けられ、前記放射素子に電力を供給する給電部と、
   前記誘電体基板の主平面であって、前記放射素子と前記反射板基板との間の領域に形成される複数のスプリットリング共振部と、を具備し、
   前記反射板基板は前記放射素子が放射した電波を前記反射板基板の方向へ反射させるものであり、
   前記複数のスプリットリング共振部のそれぞれは互いに離間して対向する第１端部と第２端部とを有するスプリット部と、前記第１端部と前記第２端部とを接続するリング部とを有するようにしたアンテナ。
2. 前記複数のスプリットリング共振部のそれぞれは、前記スプリット部の第１端部及び第２端部の少なくとも一方に接続された直線状の導体により形成される導体ビアと、
   前記導体ビアを介して前記スプリット部の第１端部及び第２端部の少なくとも一方に接続され、前記スプリット部の静電容量を増加させる補助導体と、を具備する請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記放射素子は、前記給電部から一方向に延伸した直線状の第１導体と、前記給電部から他方向に延伸した直線状の第２導体と、を具備する請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記放射素子は、前記給電部から延伸したＬ字形状の導体を具備する請求項１に記載のアンテナ。
5. 前記放射素子は、互いに離間して対向する第３端部と第４端部とを有する放射素子スプリット部と、前記放射素子スプリット部の第３端部と第４端部とを接続する放射素子リング部とを有する放射素子共振部と、
   前記放射素子リング部から前記反射板導体へ延伸して前記反射板導体に電気的に接続された接続部と、
   前記給電部から前記放射素子リング部の内側の領域を跨いで前記放射素子リング部に電気的に接続された給電線と、を具備する請求項１に記載のアンテナ。
6. 前記給電線は、前記誘電体基板に対して前記放射素子の前記接続部と反対側に形成され、前記誘電体基板の主平面から見て前記放射素子の前記接続部に重なる位置に配置した請求項５に記載のアンテナ。
7. 少なくとも前記誘電体基板と、前記放射素子と、前記複数のスプリットリング共振部とを備えるアンテナ本体を前記反射板導体の表面上に前記誘電体基板の主平面に沿う方向に複数配置した請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載のアンテナ。
8. 少なくとも前記誘電体基板と、前記放射素子と、前記複数のスプリットリング共振部とを備えるアンテナ本体を前記反射板導体の表面上に前記誘電体基板の主平面に交差する方向に複数配置した請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載のアンテナ。
9. 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載のアンテナと、
   前記アンテナを介して行う通信を制御する通信制御部と、を具備する無線通信装置。

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