JP2005223712A - 平面アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】比帯域幅を６０％以上の超広帯域にできる平面アンテナを提供する。
【解決手段】誘電体基板１の裏面にグランド導体５が設けられており、グランド導体５の形状が四角形の１つの角付近を切り欠いたような形状であり、この切り欠いた領域をくぼみ領域７というとき、くぼみ領域７の誘電体基板１の表面の領域に半楕円形状パッチ導体２が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は平面アンテナに関し、特に通信用、測定用及び放送用に用いられるマイクロ波及びミリ波領域の平面アンテナに関する。

近年、ウルトラワイドバンド伝送方式と呼ばれる通信技術が注目を集めている。ウルトラワイドバンド伝送方式とは、非常に短いパルス幅（例えば、１ｎｓｅｃ以下）のインパルス信号を所定の繰り返し周期で送信して情報を伝送する伝送方式をいう。したがって、その使用する周波数帯域幅は、携帯電話又は無線ＬＡＮ通信で使用されている帯域幅と比較して超広帯域である。また、超広帯域であることから、ワイヤレスパーソナルエリアネットワークへの応用において、１００Ｍｂｐｓ程度の超高速無線伝送を提供するものとして有望視されている。

このワイヤレスパーソナルエリアネットワークとして用いられる近距離無線通信装置としては、例えば、近距離無線通信装置が搭載された携帯情報端末装置、ノート型のパーソナルコンピュータ等が挙げられる。したがって、近距離無線通信装置に備えられているアンテナは小型で広帯域な周波数に対応する必要がある。

従来、広帯域の特性を有するアンテナとして、ディスクモノポールアンテナが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。この従来例はディスク形状からなる放射素子とグランドとなる金属平板から構成され、放射素子が存在する平面と金属平板が存在する平面とは直交しており、放射素子と金属平板が立体的な配置であるため、アンテナ全体の占有領域は大きくなる問題があった。

この問題を解決すべく、上記従来例とは別の従来例では、絶縁性基板の両側にディスク形状の導電性パターンをそれぞれ形成し、一つの導電性パターンにマッチングパターンを介して同軸コネクタの外側導体を接続し、他方の導電性パターンにマイクロストリップラインを介して同軸コネクタの中心導体を接続して、平面的で薄いアンテナを提供している（例えば、特許文献３参照）。

一方、前述した近距離無線通信装置に備えるアンテナとしては、装置全体の小型化のために、ＲＦ回路等が設けられる回路基板上にアンテナを配置するいわゆる表面実装型アンテナが好ましい（例えば、特許文献４）。しかし、この表面実装型アンテナは、回路基板に設けられているグランド導体がアンテナに近接するため、帯域幅が狭くなる等のアンテナ特性が劣化する問題があった。

特開平１０−１５０３１８号公報 特開２００２−１６４７３１号公報 特開平１０−２７６０３３号公報 特開２００３−１１０３４５号公報

本発明は、従来技術の有する前述の欠点を解消する平面アンテナの提供を目的とする。

本発明は、前述の課題を解決すべくなされたものであり、単層の誘電体基板の一つの面、複数層の誘電体基板の一つの面又は複数層の誘電体基板の一つの層にパッチ導体が設けられており、該単層の誘電体基板の他の面、該複数層の誘電体基板の他の面又は該複数層の誘電体基板の他の層にグランド導体が設けられている平面アンテナにおいて、
グランド導体の形状が四角形の１つの角付近を切り欠いたような形状又は略四角形の１つの角付近を切り欠いたような形状であり、この切り欠いた領域をくぼみ領域というとき、
該くぼみ領域の誘電体基板の領域に上記パッチ導体が設けられており、
該パッチ導体が半楕円形状又は略半楕円形状であることを特徴とする平面アンテナを提供する。

本発明は、誘電体基板のくぼみ領域に半楕円形状又は略半楕円形状のパッチ導体が設けられているために、小型で広帯域な周波数に対応できる。また、最短間隔Ｌが０．０８λ_Ｃ≦Ｌ≦０．３３λ_Ｃとすることで、帯域幅を広げることができ、比帯域幅を６０％以上の超広帯域にすることも可能である。

また、本発明の平面アンテナとは別の回路が設けられている回路基板の一部の領域に本発明の平面アンテナを設けられることができるため、小型であるノート型のパーソナルコンピュータ等の、近距離無線通信装置が搭載された携帯情報端末装置に組み込み易いという効果も認められる。

以下、本発明の平面アンテナを添付の図面に示される好適実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の平面アンテナの一実施形態を示す平面アンテナの平面図である。以下の説明において、特記しない場合には、方向は図面上での方向をいうものとする。

図１において、１は第１の誘電体基板、２はパッチ導体、３は給電導体、４は給電部、５はグランド導体、６はくぼみ領域に接するグランド導体５の右側の辺（グランド導体の最長辺に対向する、くぼみ領域の対辺）、７はくぼみ領域、８は第２の誘電体基板、９はグランド導体の最長辺、Ｄ_１はくぼみ領域７の縦長（第１の誘電体基板１の縦長）、Ｄ_２はくぼみ領域７の横長（第１の誘電体基板１の横長）、Ｄ_３はグランド導体５の縦長（第２の誘電体基板８の縦長）、Ｄ_４はグランド導体５の横長（第２の誘電体基板８の横長）、Ｌは最長辺８の対辺であってくぼみ領域７に接しているグランド導体５の辺と、パッチ導体２との最短間隔である。

図１に示す例では、第１の誘電体基板１の大きさがＤ_１×Ｄ_２であり、くぼみ領域７の大きさと一致するように記載されているが、これに限定されず、第１の誘電体基板１の大きさがくぼみ領域７の大きさと一致しなくても使用できる。

図１に示す例では、第２の誘電体基板８の大きさがＤ_３×Ｄ_４であるように記載されているが、これに限定されず、第２の誘電体基板８の大きさがＤ_３×Ｄ_４より大きくても使用できる。

図１に示す例では、裏面にグランド導体５が設けられている単層の第２の誘電体基板８に、表面にパッチ導体２が設けられている第１の誘電体基板１を重ねて固着している。しかし、これに限定されず、単層の誘電体基板の一つの面、複数層の誘電体基板の一つの面又は複数層の誘電体基板の一つの層にパッチ導体が設けられており、該単層の誘電体基板の他の面、該複数層の誘電体基板の他の面又は該複数層の誘電体基板の他の層にグランド導体が設けられていてもよい。

図１に示す例では、グランド導体５の形状は四角形の１つの角付近を切り欠いたような形状又は略四角形の１つの角付近を切り欠いたような形状である。この切り欠いた領域をくぼみ領域７というとき、くぼみ領域７の第１の誘電体基板１の領域に半楕円形状又は略半楕円形状のパッチ導体２が設けられている。

ここで、くぼみ領域７とは、グランド導体５が設けられている、単層若しくは複数層の第２の誘電体基板８の同面又は複数層の誘電体基板の同層でグランド導体５が設けられていない、第２の誘電体基板８の材質が露出して剥き出しになっている領域をいう。なお、くぼみ領域７の上に絶縁物質が設けられていてもよい。

図１に示す例では、パッチ導体２の半楕円形状の長軸がグランド導体５の一辺と平行又は略平行になるようにパッチ導体２が配されている。さらに、パッチ導体２の形状が上から見たときの船形状に似ているので、パッチ導体２の形状を船形状というとき、パッチ導体２の船首がグランド導体５側を向いていない。線状又は帯状の給電導体３は、パッチ導体２の長軸とパッチ導体２の短軸との交点又はこの交点近傍でパッチ導体２に付設されている。

利用する通信周波数帯域の中心周波数の真空中における波長をλ_Ｃとするとき、最短間隔Ｌが０．０６≦Ｌ／λ_Ｃ≦０．３４、特には０．０８≦Ｌ／λ_Ｃ≦０．３３であることが比帯域幅が拡がるので好ましい。ここで、利用する通信周波数帯域とは反射損失（Ｓ_１１）が−１０ｄＢ以下になる周波数帯域をいい、λ_Ｃはこの利用する通信周波数帯域の中心周波数の波長である。比帯域幅は、この利用する通信周波数帯域の帯域幅を相対的に表した指標である。

反射損失が−１０ｄＢ以下になる値の境となる２つの周波数のうち、高域側の周波数をｆ_Ｈとし、低域側の周波数をｆ_Ｌとし、ｆ_Ｈとｆ_Ｌとの中心周波数をｆ_Ｃとするとき、比帯域幅は（ｆ_Ｈ−ｆ_Ｌ）／ｆ_Ｃで表される。ここで、ｆ_Ｃは（ｆ_Ｈ＋ｆ_Ｌ）／２であることより、最終的に比帯域幅は２（ｆ_Ｈ−ｆ_Ｌ）／（ｆ_Ｈ＋ｆ_Ｌ）で表される。

第１の誘電体基板１の比誘電率と、第２の誘電体基板８の比誘電率とが異なっていても使用できる。また、第１の誘電体基板１と第２の誘電体基板８とが複数層を備える積層基板である場合、それぞれの層の比誘電率が異なっていても使用できる。

第２の誘電体基板８に第１の誘電体基板１を重ねて固着する手段は、誘電体基板１，８に設けられている金属の半田付けによる固定、接着剤による貼着、金具による固定等特に限定されない。第２の誘電体基板８の面又は層であって、グランド導体５が設けられていない面の領域又は層の領域に本発明の平面アンテナ以外の回路が設けられていてもよい。

以下に実施例を用いて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例には限定されず、本発明の要旨を損なわない限り、各種の改良や変更も本発明に含まれる。以下、図面にしたがって、実施例を詳細に説明する。なお、以下に述べる特性図はすべてＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ）による計算値である。

「例１（実施例）」
第２の誘電体基板８の背面にグランド導体５を形成し、第２の誘電体基板８の表面に第１の誘電体基板１を配設したような、図１に示すような平面アンテナを想定した。

第２の誘電体基板８に第１の誘電体基板１を接着剤で貼り付けるようにして、図１に示すような平面アンテナを製作した。各部の寸法、定数は以下のとおりである。また、比帯域幅（％表示）−Ｌ／λ_Ｃの関係を図２に示し、Ｌ／λ_Ｃが０．１５のときの反射損失−周波数の関係を図３に示す。なお、図２では、本発明の数値限定の範囲である０．０６≦Ｌ／λ_Ｃ≦０．３４以外の範囲も含んでいるため、比較例を含んでいることになる。

第１の誘電体基板１の厚さ １．０ｍｍ、
第１の誘電体基板１の比誘電率 １０．０、
第２の誘電体基板８の厚さ ０．５ｍｍ、
第２の誘電体基板８の比誘電率 ４．４、
Ｄ_１ １０．０ｍｍ、
Ｄ_２ ４．０ｍｍ、
Ｄ_３ ７５．０ｍｍ、
Ｄ_４ ７５．０ｍｍ、
パッチ導体２の長軸（楕円の長軸の半分の長さ） ８．０ｍｍ、
パッチ導体２の短軸（楕円の短軸） ４．０ｍｍ、
パッチ導体２とグランド導体８との間隔（パッチ導体と接地導体との間の誘電体層の厚さ） 、
１．０ｍｍ。

なお、例１では、Ｄ_１は第１の誘電体基板１の縦長、Ｄ_２は第１の誘電体基板１の横長、Ｄ_３は第２の誘電体基板８の縦長（グランド導体５の縦長）、Ｄ_４は第２の誘電体基板８の横長（グランド導体５の横長）になっている。

「例２（実施例）」
Ｄ_３、Ｄ_４の値を以下のとおりに変更した以外は、例１と同様の仕様とした自動車用高周波ガラスアンテナを想定した。比帯域幅（％表示）−Ｌ／λ_Ｃの関係を図４に示した。

Ｄ_３ ５０．０ｍｍ、
Ｄ_４ ５０．０ｍｍ。

「例３（実施例）」
Ｄ_３、Ｄ_４の値を以下のとおりに変更した以外は、例１と同様の仕様とした自動車用高周波ガラスアンテナを想定した。比帯域幅（％表示）−Ｌ／λ_Ｃの関係を図５に示した。

Ｄ_３ ４０．０ｍｍ、
Ｄ_４ ４０．０ｍｍ。

本発明は、ワイヤレスパーソナルエリアネットワークとして用いられる近距離無線通信装置が搭載された携帯情報端末装置、ノート型のパーソナルコンピュータ等に利用される。

本発明の平面アンテナの一実施形態を示す平面アンテナの平面図。 例１の比帯域幅−Ｌ／λ_Ｃの関係図。 例１の反射損失−周波数の関係図。 例２の比帯域幅−Ｌ／λ_Ｃの関係図。 例３の比帯域幅−Ｌ／λ_Ｃの関係図。

符号の説明

１：第１の誘電体基板
２：パッチ導体
３：給電導体
４：給電部
５：グランド導体
６：くぼみ領域に接するグランド導体５の右側の辺
７：くぼみ領域
８：第２の誘電体基板
９：グランド導体の最長辺
Ｄ_１：くぼみ領域７の縦長
Ｄ_２：くぼみ領域７の横長
Ｄ_３：グランド導体５の縦長
Ｄ_４：グランド導体５の横長
Ｌ：最長辺８の対辺であってくぼみ領域７に接しているグランド導体５の辺と、パッチ導体２との最短間隔。

Claims (5)

1. 単層の誘電体基板の一つの面、複数層の誘電体基板の一つの面又は複数層の誘電体基板の一つの層にパッチ導体が設けられており、該単層の誘電体基板の他の面、該複数層の誘電体基板の他の面又は該複数層の誘電体基板の他の層にグランド導体が設けられている平面アンテナにおいて、
   グランド導体の形状が四角形の１つの角付近を切り欠いたような形状又は略四角形の１つの角付近を切り欠いたような形状であり、この切り欠いた領域をくぼみ領域というとき、
   該くぼみ領域の誘電体基板の領域に上記パッチ導体が設けられており、
   該パッチ導体が半楕円形状又は略半楕円形状であることを特徴とする平面アンテナ。
2. 前記パッチ導体の半楕円形状の長軸が前記グランド導体の一辺と平行又は略平行になるようにパッチ導体が配されており、
   パッチ導体の形状を船形状というとき、パッチ導体の船首がグランド導体側を向いていない請求項１に記載の平面アンテナ。
3. 利用する通信周波数帯域の中心周波数の真空中における波長をλ_Ｃとするとき、
   前記グランド導体の前記一辺の対辺であって前記くぼみ領域に接しているグランド導体の辺と、パッチ導体との最短間隔Ｌが０．０６≦Ｌ／λ_Ｃ≦０．３４である請求項１又は２に記載の平面アンテナ。
4. 前記グランド導体の形状が長方形の１つの角付近を切り欠いたような形状又は略長方形の１つの角付近を切り欠いたような形状であり、
   前記パッチ導体の長軸がグランド導体の最長辺と平行又は略平行になるようにパッチ導体が配されており、
   利用する通信周波数帯域の中心周波数の真空中における波長をλ_Ｃとするとき、
   該最長辺の対辺であって前記くぼみ領域に接しているグランド導体の辺とパッチ導体との最短間隔Ｌが０．０６≦Ｌ／λ_Ｃ≦０．３４である請求項１又は２に記載の平面アンテナ。
5. 前記パッチ導体が設けられている誘電体基板を第１の誘電体基板といい、前記グランド導体が設けられている誘電体基板を第２の誘電体基板というとき、第２の誘電体基板に第１の誘電体基板を重ねて固着してなる請求項１、２、３又は４に記載の平面アンテナ。
   

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