JP2002271131A - 平面アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】平面アンテナを薄型でかつ広帯域の特性をもつ
ようにする。 【解決手段】給電線路１の一端は同軸レセプタクル６に
接続され、他端は誘電体平板１５に形成されたビアホー
ル３を介して、アンテナ素子１の給電点に接続されてい
る。誘電体平板１５に金属導体のアンテナ素子２及びそ
のアンテナ素子に給電するストリップ導体からなる伝送
線路１が形成されたアンテナにおいて、伝送線路１の略
同じ場所に幅が同じで長さが異なる２個のスタブ４及び
５が形成されている。少なくとも一部に伝送線路1を用
いて給電を行うアンテナにおいて、伝送線路1の略同じ
場所に形状の異なる複数のスタブ４，５を設けることを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は平面アンテナ、更に
詳しく言えば、誘電体平板上に金属導体のパッチ（以下
アンテナ素子とも称呼）及び、そのアンテナ素子に給電
するためのストリップ状の伝送線路が形成されたいわゆ
る平面アンテナに係り、特に無線LANや高度道路交通シ
ステム（ITS：Intelligent Transport Systems）などの
通信端末や基地局に用いられる薄型で広帯域特性をもつ
平面アンテナの構造に係る。

【０００２】

【従来の技術】現在、無線LANやITSなど、無線を用いた
種々のサービスが検討されている。ITS応用で車に搭載
する無線装置に装備するアンテナは、美観や設置スペー
スの観点からも装置は高性能で小型であることが望まれ
る。また無線LANで使用する無線装置は、アンテナ及び
その周辺部もPCカードと同じ厚さでパッケージに収納で
きるような小型・薄型であることが望ましい。これらの
システムに用いられるアンテナにパッチアンテナすなわ
ち平面アンテナがあるが、パッチアンテナはアンテナを
構成する誘電体基板が薄いほうが帯域は狭く、また一般
に基板が薄いほうが基板単価は安い。パッチアンテナを
構成する基板を薄くして薄型化、低コスト化をはかる場
合は、帯域が狭くなるためパッチアンテナの広帯域化が
必要である。

【０００３】この種の平面アンテナとして、図１０に示
すような、誘電体平面基板上に複数のアンテナ素子を形
成し、そのそれぞれに対し、導体給電パターンの給電用
伝送線路を設ける平面アンテナが知られている（特開20
00−134028号公報）。なお、図１０は、上記平面アンテ
ナの給電用伝送線路が形成された面のみを示す平面図で
あり、複数のアンテナ素子は、示されておらず、伝送線
路が形成された面と反対側の面に形成されている。

【０００４】すなわち、基板の一面に同軸線給電点から
複数のアンテナ素子の給電点に伸びて分岐するストリッ
プ線路による給電伝送線路を具え、ストリップ線路24a
の中間にスタブ25aが形成され、同様にストリップ線路2
4bの中間部にもスタブ25bが形成される。スタブ25a、25
bから先のストリップ線路は同軸ケーブルの給電点側よ
りも幅が広くなっている。さらに分岐された線路26a、2
6b、26c、26dも同様に中間部にスタブ27a、27b、27c、2
7dが形成され、線路の幅についても同様に変化をつけて
いる。このように給電伝送線路の中間に伝送線路の分岐
部を挟んでスタブを設けることにより、インピーダンス
整合を実現している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来知られてい
る平面アンテナは、複数のアンテナ素子を配置するもの
である。従って、給電伝送線路には、複数のアンテナ素
子（パッチ）の給電点までに、分岐点を挟んで離れた位
置に２つのスタブ（例えばスタブ25aとスタブ27a）を設
けている。給電伝送線路に設けられた複数のスタブのう
ち同じ場所に設けたスタブは、インピーダンスの整合を
とるためと、電流を逆方向にして放射をキャンセルにす
ることを目的とし、そのため、伝送線路の両側に対象と
なるように形成している。

【０００６】更に、１つのアンテナ素子に対する複数の
スタブは、伝送線路の異なる幅の部分に設けられ、離れ
た位置に形成されている。すなわち、上記従来知られて
いるアンテナは、単一のアンテナ素子を持つアンテナの
小型化、広帯域化については、考慮されていない。

【０００７】本発明の目的は、平面型アンテナの給電に
用いる伝送線路並びにスタブの配置に要する面積を小さ
くすると同時に広帯域特性のよい平面アンテナを実現す
ることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の平面アンテナは、誘電体平板の一面に金属
導体のアンテナ素子及びそのアンテナ素子に給電するス
トリップ導体からなる伝送線路が形成された平面アンテ
ナにおいて、前記伝送線路の略同じ場所に形状の異なる
複数のスタブを設けて構成される。

【０００９】ここでスタブの形状が異なるとは、長さ又
は幅のいずれか少なくとも一方が異なればよい。同じ場
所とは、複数のスタブの中心線と前記伝送線路の中心線
の交わる点が略一点になることをいう。上記複数のスタ
ブは前記伝送線路の左右両側又は一方の側のみに配置し
てもよい。

【００１０】さらに、平面アンテナが2点給電による円
偏波アンテナである場合は、前記スタブを、アンテナ素
子への給電電力を２つに分配するための分岐点とアンテ
ナ素子への給電点との間をつなぐ２つの伝送線路それぞ
れの各給電点から等しく離れた伝送線路上に設ける。

【００１１】本発明の平面アンテナは、以下の実施例に
示すような単一のアンテナ素子と複数のスタブが形成さ
れるのみで、平面形状を小型にすることができると同時
に、以下の理由によって、使用帯域すなわち反射係数が一
定の範囲以下となる周波数の範囲を拡大できる。一定の
特性インピーダンスを持つ伝送線路の先端にアンテナ素
子（パッチ）を接続した場合の上記伝送線路の給電側か
ら見た反射係数は図９の（a）のスミスチャートのよう
に表される。周波数を変動すると反射係数S11は曲線16
のように変化する。この曲線16の中で、反射係数S11が
一定以下（例えば−１０ｄＢ以下）となるのは、反射係
数S11を示す円１７の内部(太線)の範囲であるが、スタブ
が無い場合及びスタブが一つの場合には、円の内部曲線
は単調な変化をするため、円の内部の周波数変動範囲
（周波数１ないし周波数２の範囲）は狭い。伝送線路の
途中に所定の形状を有する特性の異なる複数のスタブを
設けた場合、周波数を変えた場合の反射係数S11を示す
円１７内の曲線は図９の(ｂ)のように複雑に変化し、円
の内部の周波数変動範囲（周波数３ないし周波数４の範
囲）は拡大され、平面アンテナの帯域拡大が実現され
る。前記従来の発明では、単一のアンテナ素子を持つア
ンテナの小型化、広帯域化にたいして何ら考慮されてお
らず、また複数のスタブもその間隔をあけて配置されて
いた。これに対して、本発明は、伝送線路の略同位置に
形状の異なる複数のスタブを設けても同じ効果を得られ
ることを新たに見出すことによりなされてものである。
従って、これまでスタブの間に設けていた間隔を膜巣こ
とができ、アンテナの小型化をはかることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を詳細に説明する。なお、実施形態を説明するた
めの全図において、同一の機能、構成部を有するものは
同一符号をつけ、その繰り返しの説明は省略する。

【００１３】図１及び図２は、それぞれ本発明による平
面アンテナの第一の実施例の構成を示す平面図及びその
断面図である。本実施例のアンテナは、断面図に示すよ
うに、誘電体平板１５に金属導体のアンテナ素子２及び
そのアンテナ素子に給電するストリップ導体からなる伝
送線路１が形成されたアンテナにおいて、伝送線路１の
略同じ場所に幅が同じで長さが異なる２個のスタブ４及
び５が形成されている。給電線路１の一端は同軸レセプ
タクル６に接続され、他端は誘電体平板１５に形成され
たビアホール３を介して、アンテナ素子１の給電点に接
続されている。誘電体平板１５は図２の断面図に示すよ
うに、グランドを形成する導体層７の上下に形成された
第１誘電体層9及び第２誘電体層８からなり、アンテナ素
子２は、第２誘電体層８上面に形成され、伝送線路１及
び複数のスタブ４，５は第１誘電体９上に形成されてい
る。伝送線路１のアンテナ素子２への給電部は伝送線路
１の先端部から誘電体平板（８，９）及びグランド７を
かんつうして形成されたビアホール３を介して行う。本
実施例では、パッチアンテナ２の共振周波数を5.8GHｚ
とした。パッチ２とグランド７の間の誘電体層８の厚さ
は0.8ｍｍ、グランド７と給電線路１の間の誘電体層９
の厚さは0.2ｍｍの厚さとした。誘電体７，８は比誘電
率が2.6、誘電正接が0.0015のテフロン（登録商標）系
基板を用いた。給電線路１は特性インピーダンスが50オ
ームであるマイクロストリップラインにより形成した。
また、オープンスタブ４及び５の幅は同じで0.58ｍｍ、
長さはそれぞれ7.0ｍｍ並びに10.4ｍｍとした。

【００１４】第１の実施例では、パッチ２への給電点は
中心周波数においてインピーダンスが50オームとなる位
置とし、そこにビアホール３を設けた。オープンスタブ
４及び５は給電点から8.29ｍｍのところが、スタブの幅
の中心となる位置に配置した。

【００１５】図３は、上記実施例による反射特性の測定
結果を示す。本測定は、図１に示すアンテナに同軸レセ
プタクル６を接続し測定した結果を点線で示す。また、
図４に示すように、図１のアンテナと同一設計で給電線
路にスタブを設けていない場合の反射特性を実線で示
す。図３に示した反射特性より、スタブ４，５がない場
合は、反射特性S11が10dB以下となる帯域が約120MHzで
あったが、スタブ４，５を設けることにより反射特性S1
1が10dB以下となる帯域が約180MHzとなり、アンテナを
広帯域化することができた。また、図４に示すようにス
タブ４，５がない場合に約180MHzの帯域を得るために
は、パッチとグランドの間の基板として1.5倍程度以上
の厚さの基板が必要である。このように本実施例によれ
ば、基板を構成する誘電体層、８を薄くするとともに、
同じ位置に小さなスタッブ４、５を付加した簡易な構成
により、アンテナの広帯域化と薄型化とを同時に実現で
きる。図５は、本発明による平面アンテナの第二の実施
例を示す平面図である。本実施例は、裏面にグランド用
の導体層が形成された１つの誘電体層の表面にアンテナ
素子（パッチ）２と、給電線路１及びスタブ４、５を形
成したものである。本実施例はアンテナ素子が比較的小
さな場合、最も簡単かつ小型に形成できる。

【００１６】図６は、本発明による平面アンテナの第三
の実施例を示す平面図である。本実施例は、図１のパッ
チアンテナと同様に３つの導体層と２つの誘電体層とか
ら構成されているが、本実施例は２点給電による円偏波
アンテナを構成している。本実施例においては、２つの
給電点３に等しく電力を分配するために、同軸レセプタ
クル６とアンテナ素子２への給電点となるビアホール３
の間にウイルキンソン型の電力分配器10を設けている。
電力分配器10と２つの給電点３との間の給電線路に２つ
の形状の異なるオープンスタブ４、並びにオープンスタ
ブ５をそれぞれ配置している。スタブ４、５を設ける位
置は、アンテナ素子２への給電点３から等しく離れた位
置に設けた。

【００１７】本実施例においては給電点から11.29mmの
ところに、長さが7.0mm並びに10.1mmのスタブを設け
た。これらのスタブは図６に示すように、給電線路の片
側に給電線路に対して約60度の角度を持たせて配置し
た。給電線路をこのような構造とすることによって、２
つの給電点における反射特性が10dB以下となる帯域を広
くすることができ、その結果として広帯域において軸比
特性の良い円偏波アンテナを得られた。

【００１８】図７は、本発明による平面アンテナの第四
の実施例を示す平面図である。本実施例は図６のウイル
キンソン型電力分配器10のかわりに、ブランチラインタ
イプの3dBハイブリッド11を用いたものである。本実施
例もスタブは、3dBハイブリッド11と給電点の間の給電
線路上に、給電点から等しく離れた位置にそれぞれ同じ
オープンスタブ４及び5を配置したものである。スタブ
は図示のように、給電線路の左右両側に1つづつ設けて
も、図６に示すように給電線路の片側に２つ設けてもよ
い。

【００１９】図８は、本発明による平面アンテナの第五
の実施例を示す平面図である。本実施例は、第一の実施
例と同様に３つの導体層と２つの誘電体層とから構成さ
れている。本実施例では、給電線路を形成した基板に高
周波回路モジュール12を搭載している。本実施例によれ
ば、従来技術に比較して広帯域化のために設けたスタ
ブ、並びに給電線路の設置に要するスペースを小さくす
ることができるため、高周波回路モジュール12や、図8
には示されていないが、ディスクリート部品を搭載する
場合に、それらの搭載できる場所を広くすることができ
る。そのため、従来技術に比較して、高周波回路モジュ
ール12、ディスクリート部品等の回路部品搭載や配線の
引き回しに、より自由度を持たせることができる。

【００２０】以上述べた実施例においては、スタブはオ
ープンスタブを用いたが、スタブの形状をショートスタ
ブにした場合でも同様の効果が得られることは明らかで
ある。

【００２１】本発明によるアンテナは、広帯域化、薄型
化、小型化、低価格化を同時に実現できる。特に薄型化
の観点からはPCカードへの搭載もできる。また本発明の
アンテナを複数個並べてアレーアンテナとし、無線LAN
やITS、並びに固定無線アクセス用基地局用アンテナを
形成することもできるし、上記の端末局用アンテナとし
ても用いることができる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、従来のアンテナ作製プ
ロセスに大きな変更を伴うことなく、また容量やスイッ
チなどの新たな部品を追加することなく、アンテナを広
帯域化することができる。またアンテナ広帯域化のため
に設けるスタブを、給電線路の略同じ場所に2つ以上設
ける構成とすることにより、従来に比べて給電線路とス
タブの配置に要する面積を小さくすることができ、回路
モジュールやディスクリート部品を搭載できる面積が広
くなり、それらの部品の設置の自由度が向上する。

【００２３】また本発明を用いれば、従来と同じ帯域を
より薄い基板で実現できるため、基板単価を安くして、
アンテナの低コスト化をはかることができる。

【００２４】このように、本発明により小型、薄型、低
コスト、広帯域のアンテナを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による平面アンテナの第一の実施例の構
成を示す平面図。

【図２】本発明による平面アンテナの第一の実施例の構
成を示す断面図。

【図３】本発明による平面アンテナの第一の実施例の反
射特性図。

【図４】スタブのない平面アンテナの給電線路のパタン
を示す平面図。

【図５】本発明による平面アンテナの第二の実施例の構
成を示す平面図。

【図６】本発明による平面アンテナの第三の実施例の示
す平面図。

【図７】本発明による平面アンテナの第四の実施例の構
成を示す平面図。

【図８】本発明による平面アンテナの第五の実施例の構
成を示す平面図。

【図９】本発明による平面アンテナの動作説明のための
スミスチャート図。

【図10】従来知られている平面アンテナの例を示す平面
図。

【符号の説明】

１…給電線路、２…パッチ、３…ビアホール、４、５…
オープンスタブ、６…同軸レセプタクル、７…グラン
ド、８、９…誘電体、10…ウイルキンソン型電力分配
器、11…ブランチラインタイプの3dBハイブリッド、12
…高周波回路モジュール、15…誘電体平板、1524a、24
b、26a、26b、26c、26d…ストリップ線路、25a、25b、2
7a、27b、27c、27d…スタブ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】誘電体平板に金属導体のアンテナ素子及び
   そのアンテナ素子に給電するストリップ導体からなる伝
   送線路が形成されたアンテナにおいて、前記伝送線路の
   略同じ場所に形状の異なる複数のスタブが設けられたこ
   とを特徴とする平面アンテナ。
2. 【請求項２】請求項１記載のアンテナであって、前記誘
   電体平板はグランドを形成する導体層の上下に形成され
   た第１誘電体層及び第２誘電体層からなり、前記アンテ
   ナ素子は、前記第１誘電体層上に形成され、前記伝送線
   路及びスタブは前記第２誘電体上に形成され、前記伝送
   線路の前記アンテナ素子への給電部は前記伝送線路と上
   記アンテナ素子との間に形成されたビアホールを介して
   行うことを特徴とする平面アンテナ。
3. 【請求項３】請求項１記載のアンテナであって、前記ア
   ンテナ素子、前記伝送線路及び前記スタブが前記誘電体
   平板の同一平面に形成されたことを特徴とする平面アン
   テナ。
4. 【請求項４】請求項１、２又は３に記載のアンテナであ
   って、前記アンテナ素子は2点給電による円偏波アンテ
   ナ素子であり、前記伝送線路は前記2点給電を行うため
   の分岐線路をもち、前記スタブはアンテナ素子への給電
   点との間を繋ぐ２つの分岐伝送線路それぞれの各給電点
   から等しく離れた伝送線路上に設けられたことを特徴と
   する平面アンテナ。
5. 【請求項５】請求項１ないし４の何れか１つに記載のア
   ンテナであって、前記誘電体平板の前記伝送線路が形成
   された面に前記伝送線路に結合される高周波回路部品が
   搭載されたことを特徴とする平面アンテナ。