JP2016058843A - 平面アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】通信可能範囲を広くすることが可能な平面アンテナを提供する。【解決手段】平面アンテナ１は、接地電極１１とともにマイクロストリップアンテナを形成する導体１２と、導体１２の長手方向に沿って所定の間隔で導体１２と電磁結合するように配置される複数の共振器（１３−１〜１３−ｎ）と、隣接する二つの共振器の所定数の組ごとに設けられるスイッチ（１４−１、１４−２）とを有する。導体１２の開放または接地される端に最も近い共振器（１３−１）は、マイクロストリップアンテナを流れる電流の定常波の節点のうち、導体の他端以外でその他端に最も近い節点と交差するように配置される。共振器の所定数の各組について、導体１２は、二つの共振器の間で並列に配置される互いに長さの異なる少なくとも二つの部分導体（１２ｃ、１２ｄ）を有し、各スイッチ（１４−１、１４−２）は、部分導体のうちの何れか一つを導体の他の部分と接続する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、平面アンテナに関する。

近年、Radio Frequency IDentification(RFID)システムが広く利用されている。RFIDシステムには、代表的には、通信媒体としてUHF帯(900MHz帯）またはマイクロ波(2.45GHz)に相当する電磁波を利用するものと、相互誘導磁界を利用するものがある。このうち、UHF帯の電磁波を利用するRFIDシステムが、比較的通信可能な距離が長いので注目されている。

タグリーダが、UHF帯の電磁波を利用する無線ICタグと通信するために利用可能なアンテナとして、マイクロストリップラインをアンテナとして利用するマイクロストリップアンテナがある。なお、無線ICタグを、以下では、説明の便宜上、RFIDタグと呼ぶ。このようなマイクロストリップアンテナを、タグリーダのアンテナとして棚に組み込んで、その棚に置かれる物品に付されたRFIDタグとタグリーダとの間で通信することで、棚に置かれた物品を管理することが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

このような棚に組み込まれるアンテナは、シェルフアンテナと呼ばれる。シェルフアンテナは、そのシェルフアンテナが組み込まれた棚の何れの場所に置かれた物品のRFIDタグとも通信できるように、通信に利用される特定の周波数を持つ電波について、シェルフアンテナの表面近傍で、均一かつ強い電場を形成できることが好ましい。そこで、特許文献１に開示された近接場アンテナは、マイクロストリップアンテナを流れる電流の接点の何れかの近傍のマイクロストリップアンテナと電磁結合可能な範囲内に少なくとも一つの共振器を有する。

棚の形状によっては、棚に組み込み可能なシェルフアンテナのサイズが、棚自体のサイズよりも小さいことがある。また、棚の種類によっては、RFIDタグを読み取り可能な範囲を適切に設定するために、棚のサイズに応じて、シェルフアンテナのサイズをカスタマイズすることが要求されることもある。そのため、シェルフアンテナは、自身のサイズよりも広い読取可能範囲を持つことが好ましいことがある。

一方、アンテナの指向性を変更可能な技術が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。例えば、特許文献２に開示されたアンテナ装置は、所定周波数で共振する電気長を持ち、給電点と、折り曲げられた第１先端部とを有する給電素子と、第１先端部と向き合って近接配置され折り曲げられた第２先端部を有する無給電素子を有する。そしてこのアンテナ装置は、無給電素子に設けられた少なくとも一つのスイッチのオン・オフを切り替えることで、無給電素子の電気長を可変制御して、指向性を変化させる。

特開２０１４−６０６９２号公報 特開２００６−１８６８５１号公報

しかしながら、特許文献２に開示されたアンテナ装置では、指向性は、アンテナの表面と平行な面内で、互いに直交する２方向の間で変化する。そのため、このアンテナ装置を棚に組み込んでも、RFIDタグを読み取り可能な範囲を十分に拡張できないおそれがあった。

そこで、本明細書は、通信可能範囲を広くすることが可能な平面アンテナを提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、平面アンテナが提供される。この平面アンテナは、第１の誘電体層と、その第１の誘電体層に積層された第２の誘電体層とを有する基板と、第１の誘電体層の第２の誘電体層と対向する面と反対側の面に配置された接地電極と、第１の誘電体層と第２の誘電体層との間に配置され、接地電極とともにマイクロストリップアンテナを形成する導体であって、その導体の一端は給電され、他端は開放または接地される導体と、導体の長手方向に沿って所定の間隔で第２の誘電体層の第１の誘電体層と対向する面と反対側の面に、導体と電磁結合するように配置される複数の共振器と、複数の共振器のうちの隣接する二つの共振器の所定数の組のそれぞれに設けられるスイッチとを有する。
複数の共振器のうちの導体の他端に最も近い第１の共振器は、マイクロストリップアンテナから放射またはマイクロストリップアンテナにより受信される所定の設計波長を持つ電波に応じた、マイクロストリップアンテナを流れる電流の定常波の節点のうち、導体の他端以外でその他端に最も近い節点と交差するように配置される。隣接する二つの共振器の所定数の組のそれぞれについて、導体は、その組の二つの共振器の間で並列に配置される互いに長さの異なる少なくとも二つの部分導体を有し、スイッチは、少なくとも二つの部分導体のうちの何れか一つを導体の他の部分と接続する。

本発明の目的及び利点は、請求項において特に指摘されたエレメント及び組み合わせにより実現され、かつ達成される。
上記の一般的な記述及び下記の詳細な記述の何れも、例示的かつ説明的なものであり、請求項のように、本発明を限定するものではないことを理解されたい。

本明細書に開示された平面アンテナは、通信可能範囲を広くすることができる。

平面アンテナの一つの実施形態によるシェルフアンテナの透過平面図である。 図１においてAA'で示された線について矢印の方向から見たシェルフアンテナの側面断面図である。 （ａ）は、隣接する二つの共振器間の導体の部分拡大図であり、（ｂ）はその二つの共振器間に設けられるスイッチの制御に関する回路ブロック図である。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、隣接する二つの共振器間の導体の長さが設計波長と等しい場合、設計波長よりも長い場合、設計波長よりも短い場合における、各共振器から放射される電波のメインローブの方向を示す図である。 シミュレーションに利用した各部の寸法を示すシェルフアンテナの平面図である。 シェルフアンテナのSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、シェルフアンテナの利得のシミュレーション結果を示す図である。 長い方の部分導体が導体本体に接続された場合におけるシェルフアンテナの表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。 短い方の部分導体が導体本体に接続された場合におけるシェルフアンテナの表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。 変形例による、シェルフアンテナの透過平面図である。

以下、図を参照しつつ、平面アンテナについて説明する。
この平面アンテナは、一端が給電点と接続され、他端が開放端となっているか、または接地される、線状の導体を含むマイクロストリップラインをマイクロストリップアンテナとして利用する。そのため、この平面アンテナでは、マイクロストリップラインを流れる電流が導体の他端で反射されることにより、その電流が定常波となる。そしてその電流の波長の整数倍の間隔で発生する定常波の節点(nodal point)では、流れる電流が極小となり、かつ、その周囲の電場の強度が極大となる。そこでこの平面アンテナでは、マイクロストリップラインを形成する導体の開放または接地された端部以外で、その端部に最も近い定常波の節点から順に、所定の間隔ごとに、マイクロストリップラインと電磁結合する共振器が配置される。これにより、この平面アンテナは、各共振器からも電波の放射または受信を可能として、アンテナ表面の近傍における電場の均一性及び強度を向上させる。

さらに、この平面アンテナでは、マイクロストリップラインを形成する導体が、共振器間で互いに長さの異なり、かつ、並列に配置される二つの部分導体を有する。そしてこの平面アンテナは、スイッチにより、所定のスイッチング周波数でその二つの部分導体を交互に導体の他の部分と通電可能に接続することで、共振器間の導体の長さを変える。これにより、導体の長手方向（すなわち、マイクロストリップラインの給電点と他方の端点を結ぶ直線に平行な方向）における指向性をそのスイッチング周波数で時間的に変化させる。

以下に説明する実施形態では、本明細書に開示される平面アンテナは、シェルフアンテナとして形成される。しかし、本明細書に開示される平面アンテナは、シェルフアンテナ以外の用途、例えば、RFIDタグとの通信に利用される様々な近接場(near-field)アンテナとして用いられてもよい。

図１は、一つの実施形態によるシェルフアンテナの透過平面図である。図２は、図１においてAA'で示された線について矢印の方向から見たシェルフアンテナの側面断面図である。

シェルフアンテナ１は、基板１０と、基板１０の下側の面に設けられた接地電極１１と、基板１０の二つの誘電体層の間に設けられた導体１２と、基板１０の上面に設けられた複数の共振器１３−１〜１３−ｎ（ただしｎは２以上の整数）を有する。

基板１０は、接地電極１１、導体１２及び共振器１３−１〜１３−ｎを支持する。また基板１０は、相対的に下側に位置する誘電体層である下側層１０−１と、下側層１０−１の上方に積層された誘電体層である上側層１０−２とを有する。これにより、接地電極１１、導体１２及び共振器１３−１〜１３−ｎは互いに絶縁されている。例えば、下側層１０−１及び上側層１０−２は、それぞれ、FR-4といったガラスエポキシ樹脂により形成される。あるいは、下側層１０−１及び上側層１０−２は、層状に形成可能な他の誘電体により形成されてもよい。また、下側層１０−１及び上側層１０−２は同じ誘電体で形成されてもよく、あるいは、互いに異なる誘電体で形成されてもよい。また、基板１０の下側層１０−１の厚さは、シェルフアンテナ１の特性インピーダンスが所定の値、例えば、50Ωまたは75Ωとなるように決定される。

接地電極１１、導体１２及び共振器１３−１〜１３−ｎは、例えば、銅、金、銀、ニッケルといった金属またはこれらの合金若しくはその他の導電性を有する材料によって形成される。そして接地電極１１、導体１２及び共振器１３−１〜１３−ｎは、例えば、エッチングまたは接着によって基板１０の各層の何れかの面に固定される。

接地電極１１は、接地された平板状の導体であり、基板１０の下側層１０−１の下側の面全体を覆うように設けられる。

導体１２は、基板１０の下側層１０−１と上側層１０−２の間に設けられた線状の導体であり、基板１０の長手方向に沿って配置されている。そして導体１２の一端が給電点１２ａとなっており、シェルフアンテナ１を介して放射または受信される電波に重畳される無線信号を処理する通信回路（図示せず）と接続される。一方、導体１２の他端１２ｂは開放端となっている。導体１２、接地電極１１及び基板１０の下側層１０−１は、マイクロストリップアンテナとして機能するマイクロストリップラインを形成する。

導体１２の端点１２ｂが開放端となっているため、このマイクロストリップアンテナから放射される電波、あるいはこのマイクロストリップアンテナで受信される電波によって導体１２を流れる電流は定常波となる。そのため、導体１２の端点１２ｂ、すなわち、マイクロストリップアンテナの開放端から、その電波の波長の1/2の整数倍に相当する距離だけ離れた位置に、その定常波の節点が形成される。なお、導体１２は、下側層１０−１と上側層１０−２の間に配置されているので、電波の波長は、下側層１０−１の比誘電率及び上側層１０−２の比誘電率に応じて短くなることに留意されたい。定常波の各節点では、電流が極小値となるとともに、その節点の周囲に相対的に強い電場が形成される。なお、以下では、便宜上、マイクロストリップアンテナから放射またはマイクロストリップアンテナで受信される電波の波長を設計波長と呼ぶ。また設計波長をλで表す。

また、導体１２は、隣接する二つの共振器１３−ｍと１３−(m+1)（ただし、１≦ｍ＜ｎ）のそれぞれについて、その二つの共振器間において、複数の箇所で直角に折り曲げられた蛇行形状となるように形成される。これにより、隣接する二つの共振器間の間隔、すなわち直線距離が設計波長λよりも短くなるので、各共振器から放射される電波同士が互いに強め合うことができる。

さらに、シェルフアンテナ１の指向性を時間的に変化させるために、隣接する二つの共振器１３−ｍと１３−(m+1)の組のそれぞれについて、その二つの共振器間において、導体１２は、並列に形成された二つの部分導体を有する。なお、部分導体及びシェルフアンテナ１の指向性の詳細については後述する。

共振器１３−１〜１３−ｎは、それぞれ、設計波長λまたはその整数倍と略等しい長さを持つ線状の導体で形成され、導体１２と電磁結合可能なように、導体１２の長手方向に沿って所定の間隔で基板１０の上側層１０−２の表面に設けられる。そのため、各共振器１３−１〜１３−ｎも、設計波長λを持つ電波を放射または受信できる。なお、本実施形態では、各共振器の長さは設計波長λと略等しいものとした。

上記のように、導体１２に沿って、マイクロストリップラインの開放端１２ｂから設計波長λの1/2の整数倍に相当する距離だけ離れた位置は、開放端１２ｂに最も近い、設計波長λを持つ電波に応じて導体１２を流れる電流の定常波の節点となる。そのため、その位置における導体１２の周囲には、相対的に強い電場が形成される。そこで共振器１３−１は、開放端１２ｂから、導体１２に沿って設計波長λの1/2の距離の位置に配置される。これにより、共振器１３−１は、設計波長λを持つ電波によって導体１２を流れる電流により生じる電場によって導体１２と良好に電磁結合する。

さらに、共振器１３−１〜１３−ｎの長手方向は、導体１２と直交するように配置される。そのため、共振器１３−１〜１３−ｎのそれぞれが、マイクロストリップアンテナによる電場と異なる方向に広がりを持つ電場を形成できる。その結果として、シェルフアンテナ１の表面近傍における電場は、マイクロストリップアンテナのみにより生じる電場よりも均一性及び強度が向上する。

以下、部分導体及びシェルフアンテナ１の指向性及び通信可能範囲について説明する。
図３（ａ）は、隣接する二つの共振器間の導体１２の部分拡大図であり、図３（ｂ）はその二つの共振器間に設けられるスイッチの制御に関する回路ブロック図である。隣接する二つの共振器１３−ｍと１３−(m+1)の組のそれぞれについて、その二つの共振器間において、導体１２は、互いに長さが異なり、かつ、並列に形成された二つの部分導体１２ｃ、１２ｄを有する。そして部分導体１２ｃ及び１２ｄのそれぞれの一端は、導体１２の他の部分である導体１２の開放端１２ｂ側の本体と通電可能に接続される。一方、部分導体１２ｃの他端は、スイッチ１４−１を介して導体１２の他の部分である導体１２の給電点１２ａ側の本体と通電可能に接続される。また、部分導体１２ｄの他端は、スイッチ１４−２を介して導体１２の給電点１２ａ側の本体と通電可能に接続される。

本実施形態では、部分導体１２ｃは部分導体１２ｄよりも長い。そしてスイッチ１４−１がオンとなり、部分導体１２ｃを介して電流が流れる場合には、隣接する二つの共振器間の電流の経路長となる導体１２の長さが設計波長λよりも長くなるように、部分導体１２ｃは形成される。一方、スイッチ１４−２がオンとなり、部分導体１２ｄを介して電流が流れる場合には、隣接する二つの共振器間の電流の経路長となる導体１２の長さが設計波長λよりも短くなるように、部分導体１２ｄは形成される。なお、隣接する二つの共振器間の導体１２の長さは、部分導体１２ｃ及び部分導体１２ｄの何れが導体１２本体と接続される場合についても、(1/2)λよりも長く、かつ、(3/2)λよりも短いことが好ましい。隣接する二つの共振器間の導体１２の長さが設計波長の1/2に設計波長の整数倍を加えた長さとなる場合、その二つの共振器に流れる電流の位相が互いに反転する。そのため、その二つの共振器のそれぞれにより生じる電場が互いに打ち消し合ってしまう。そこで二つの共振器間の導体１２の長さが(1/2)λよりも長く、かつ、(3/2)λよりも短くなるように、部分導体１２ｃ及び１２ｄの長さが設定されることで、その二つの共振器から生じる電場が互いに打ち消し合うことが抑制される。

スイッチ１４−１及びスイッチ１４−２は、それぞれ、制御回路１５からの制御信号に従って、所定のスイッチング周波数でスイッチ１４−１とスイッチ１４−２の何れか一方がオンとなり、かつ他方がオフとなるように、交互にオンとオフとを繰り返す。なお、スイッチング周波数は、シェルフアンテナ１からの電波を受信、または、シェルフアンテナ１が受信する電波を送信する装置（例えばRFIDタグ）の通信に支障が無い周波数であればよく、例えば、数MHzに設定される。これにより、シェルフアンテナ１は、給電点１２ａ側へ向かう電場と開放端１２ｂ側へ向かう電場を交互に形成できるので、給電点１２ａよりも外側に位置する装置と開放端１２ｂよりも外側に位置する装置とも通信可能となる。
なお、シェルフアンテナ１の指向性を適切に調整するために、制御回路１５は、隣接する二つの共振器の組のそれぞれについて、部分導体１２ｃが導体１２に接続されるタイミングが同期するように各共振器の組のスイッチ１４−１を制御することが好ましい。同様に、制御回路１５は、隣接する二つの共振器の組のそれぞれについて、部分導体１２ｄが導体１２に接続されるタイミングが同期するように各共振器の組のスイッチ１４−２を制御することが好ましい。

また、スイッチ１４−１及びスイッチ１４−２は、例えば、ダイオードで形成された、Single pole, single throw(SPST)タイプのＲＦスイッチとすることができる。あるいは、スイッチ１４−１とスイッチ１４−２の代わりに、部分導体１２ｃと部分導体１２ｄの何れか一方を、導体１２の給電点１２ａ側の本体と接続する一つのSingle pole, dual throw(SPDT)タイプのスイッチが用いられてもよい。この場合には、そのスイッチは、例えば、電界効果トランジスタで形成された、SPDTタイプのＲＦスイッチとすることができる。

本実施形態では、共振器１３−１〜１３−ｎがそれぞれ電波を放射または受信できる。そのため、シェルフアンテナ１の長手方向についての指向性は、共振器１３−１〜１３−ｎを一つのアンテナとしたときのアレーアンテナについての指向性と同様に考えることができる。この場合、アレーファクタは、次式で与えられる。
ここで、αは、隣接する二つの共振器の位置での導体１２を流れる電流間の位相差を表す。ｄは、隣接する二つの共振器間の直線距離を表す。またβは伝搬係数である。そしてψは、各共振器により形成される電場の方向を表す。
（１）式から、各共振器により形成される電場のメインローブの方向ψmと位相差αの関係は次式で表される。
したがって、位相差αが0°であれば、各共振器により形成される電場のメインローブの方向は、各共振器が並んでいる方向に対して直交する方向、すなわち、基板１０の表面に対する法線方向となる。一方、位相差αが0°よりも小さいか、あるいは、0°よりも大きい場合、各共振器により形成される電場のメインローブの方向は、基板１０の表面に対する法線方向に対して、導体１２の長手方向、すなわち、シェルフアンテナ１の長手方向に沿って傾く。したがって、隣接する二つの共振器間の導体１２の長さを変えることで、その二つの共振器の位置での電流間の位相差が変化するので、シェルフアンテナ１は、その長手方向における指向性を変化させることができる。

図４（ａ）〜図４（ｃ）は、それぞれ、隣接する二つの共振器間の導体１２の長さλmが、設計波長λと等しい場合、設計波長λよりも長い場合、設計波長λよりも短い場合における、各共振器により形成される電場のメインローブの方向を示す図である。

図４（ａ）に示されるように、長さλmが設計波長λと等しい場合、各共振器の位置での導体１２を流れる電流の位相は同一となる。そのため、各共振器により形成される電場のメインローブの方向は、矢印４０１で示されるように、基板１０の表面に対する法線方向と略平行となる。

一方、部分導体１２ｃが導体１２本体と接続されると、長さλmが設計波長λよりも長くなる。そのため、隣接する二つの共振器のうちの開放端１２ｂに近い方の共振器の位置における、導体１２を流れる電流の位相を基準とすると、その二つの共振器のそれぞれの位置における、導体１２を流れる電流間の位相差は負となる。したがって、各共振器により形成される電場のメインローブの方向は、図４（ｂ）における矢印４０２で示されるように、基板１０の表面に対する法線方向ｎよりも開放端１２ｂ側を向く。なお、長さλmが設計波長λよりも長いほど、基板１０の表面に対する法線方向に対する、各共振器により形成される電場のメインローブの方向の傾き角は大きくなり、基板１０の表面近傍において開放端１２ｂよりも外側の通信可能範囲が広くなる。

逆に、部分導体１２ｄが導体１２本体と接続されると、長さλmが設計波長λよりも短くなる。そのため、隣接する二つの共振器のうちの開放端１２ｂに近い方の共振器の位置における、導体１２を流れる電流の位相を基準とすると、その二つの共振器のそれぞれの位置における、導体１２を流れる電流間の位相差は正となる。したがって、各共振器により形成される電場のメインローブの方向は、図４（ｃ）における矢印４０３で示されるように、基板１０の表面に対する法線方向ｎよりも給電点１２ａ側を向く。なお、長さλmが設計波長λよりも短いほど、基板１０の表面に対する法線方向に対する、各共振器により形成される電場のメインローブの方向の傾き角は大きくなり、基板１０の表面近傍において給電点１２ａよりも外側の通信可能範囲が広くなる。

このように、部分導体１２ｃと部分導体１２ｄとを交互に導体１２本体と通電可能に接続することで、シェルフアンテナ１の各共振器により形成される電場のメインローブの方向が、給電点１２ａ側と開放端１２ｂ側とで交互に変化する。その結果として、シェルフアンテナ１は、シェルフアンテナ１の長手方向におけるその通信可能範囲を、給電点１２ａよりも外側と開放端１２ｂの外側の何れにも広げることができる。そのため、シェルフアンテナ１の通信可能範囲は、シェルフアンテナ１の長手方向のサイズよりも広くなる。

以下、シェルフアンテナ１のアンテナ特性のシミュレーション結果について説明する。
図５は、シミュレーションに利用した各部の寸法を示すシェルフアンテナ１の平面図である。図５において、説明の便宜上、シェルフアンテナ１の表面に平行、かつ、シェルフアンテナ１の長手方向をx軸とし、シェルフアンテナ１の表面に平行、かつ、x軸と直交する方向をy軸とする。そしてシェルフアンテナ１の表面の法線方向をz軸とする。図６は、シェルフアンテナ１のSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。また図７（ａ）及び図７（ｂ）は、シェルフアンテナ１の利得のシミュレーション結果を示す図である。さらに、図８及び図９は、シェルフアンテナ１の表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。

このシミュレーションにおいて、設計波長λは、周波数919MHzに対応する波長とした。また、基板１０の下側層１０−１及び上側層１０−２は、FR-4(比誘電率εr=4.3、誘電正接tanδは0.01)で形成されるものとした。そして接地電極１１、導体１２及び共振器１３−１〜１３−ｎの何れも、銅（導電率σ=5.8×10⁷S/m）で形成されるものとした。

図５に示されるように、基板１０は、導体１２の長手方向に沿った長さが730mmであり、導体１２の長手方向に直交する方向の長さが200mmである。
さらに、各共振器１３−１〜１３−ｎの長さは178mmであり、隣接する二つの共振器間の直線距離は45mmである。また、隣接する二つの共振器間において、x軸方向と平行な導体１２の４個の部分の長さをそれぞれ13mmとした。そして部分導体１２ｃが導体１２本体に接続される場合、導体１２の折り曲げられた部分のうちy軸方向に平行な最も長い部分の長さhは73mmであり、隣接する二つの共振器間の導体１２の長さは192mmとなる。一方、部分導体１２ｄが導体１２本体に接続される場合、長さhは61mmであり、隣接する二つの共振器間の導体１２の長さは174mmとなる。この例では、部分導体１２ｃと部分導体１２ｄの何れが導体１２本体と接続される場合でも、導体１２を流れる電流の経路は共振器間で折り曲げられた形状となるので、y軸方向にも広がりを持つ電場が形成される。

図６において、横軸は周波数[GHz]を表し、縦軸はS11パラメータの値[dB]を表す。そしてグラフ６００は、有限積分法による電磁場のシミュレーションにより得られた、シェルフアンテナ１のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ６００に示されるように、シェルフアンテナ１は、RFIDシステムで利用される900MHz帯域内で、S11パラメータが良好なアンテナ特性の目安とされる-10dB以下となっていることが分かる。特に、920MHzの近傍において、S11パラメータは最も低い値となっていることが分かる。

図７（ａ）及び図７（ｂ）において、x軸を表す矢印の方向は、開放端１２ｂへ向かう方向を表す。そして図７（ａ）は、長い方の部分導体１２ｃが導体１２本体に接続された場合のシェルフアンテナ１の利得の分布７００を示す。部分導体１２ｃが導体１２本体と接続される場合、隣接する二つの共振器間の導体１２の長さλmは、設計波長λよりも長くなる。そのため、各共振器により形成される電場のメインローブの方向が開放端１２ｂ側へ傾くので、分布７００に示されるように、基板１０の法線方向よりも、開放端１２ｂに近い方の利得が高くなる。

また、図７（ｂ）は、短い方の部分導体１２ｄが導体１２本体に接続された場合のシェルフアンテナ１の利得の分布７１０を示す。部分導体１２ｄが導体１２本体と接続される場合、隣接する二つの共振器間の導体１２の長さλmは、設計波長λよりも短くなる。そのため、各共振器により形成される電場のメインローブの方向が給電点１２ａ側へ傾くので、分布７１０に示されるように、基板１０の法線方向よりも、給電点１２ａに近い方の利得が高くなる。

図８は、長い方の部分導体１２ｃが導体１２本体に接続された場合におけるシェルフアンテナ１の表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。図８において、x軸を表す矢印の方向は、開放端１２ｂへ向かう方向を表す。また図８において、分布８０１〜８０３は、それぞれ、基準点における電場の位相が180°、240°、300°の場合における、シェルフアンテナ１の表面から上方に20cmの位置でのシェルフアンテナ１の表面に平行な面の電場の強度分布を表す。ただし、各分布において、濃度が濃いところほど、電場が強いことを表す。分布８０１〜８０３に示されるように、位相が進むにつれて、電場が強くなる位置が開放端１２ｂ側へ向かっており、このことから、電場のメインローブが開放端１２ｂ側へ向かっていることが分かる。そのため、長い方の部分導体１２ｃが導体１２本体に接続された場合、シェルフアンテナ１の通信可能範囲は、開放端１２ｂよりも外側へ広がっていることが分かる。

図９は、短い方の部分導体１２ｄが導体１２本体に接続された場合におけるシェルフアンテナ１の表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。図９において、x軸を表す矢印の方向は、開放端１２ｂへ向かう方向を表す。また図９において、分布９０１〜９０３は、それぞれ、基準点における電場の位相が180°、240°、300°の場合における、シェルフアンテナ１の表面から上方に20cmの位置でのシェルフアンテナ１の表面に平行な面の電場の強度分布を表す。ただし、各分布において、濃度が濃いところほど、電場が強いことを表す。分布９０１〜９０３に示されるように、位相が進むにつれて、電場が強くなる位置が給電点１２ａ側へ向かっており、このことから、電場のメインローブが給電点１２ａ側へ向かっていることが分かる。そのため、シェルフアンテナ１の通信可能範囲は、給電点１２ａよりも外側へ広がっていることが分かる。

以上に説明してきたように、このシェルフアンテナでは、マイクロストリップラインを形成する導体と電磁結合する複数の共振器のうちの隣接する二つの共振器間における、その導体の長さが所定のスイッチング周波数で切り替えられる。そのため、このシェルフアンテナでは、そのスイッチング周波数で、シェルフアンテナの長手方向における指向性が切り替えられる。そのため、このシェルフアンテナは、その長手方向に沿って、通信可能範囲をアンテナ本体のサイズよりも広げることができる。

なお、変形例によれば、導体１２の給電点１２ａと反対側の端点１２ｂは、例えば、基板１０に形成されたビアを介して接地電極１１と短絡させて接地されてもよい。この場合には、端点１２ｂは、マイクロストリップラインを流れる電流にとっての固定端となる。そのため、端点１２ｂを固定端として、導体１２を流れる電流の節点の位置が特定される。すなわち、端点１２ｂから、導体１２の長手方向に沿って(1/4+n/2)λ(nは0以上の整数であり、λは設計波長)の距離だけ離れた位置が節点となる。そこで各共振器は、導体１２の長手方向に沿って、端点１２ｂ以外で端点１２ｂに最も近い節点となる、端点１２ｂから(1/4)λの位置から順に、所定の間隔で配置される。

また他の変形例によれば、部分導体１２ｃと部分導体１２ｄの何れが導体１２の本体と接続される場合でも、隣接する二つの共振器間の導体１２の長さλmが設計波長λよりも短くなるように、部分導体１２ｃと部分導体１２ｄは形成されてもよい。この場合には、何れの部分導体が導体１２本体に接続される場合でも、各共振器により形成される電場のメインローブの方向は、基板１０の表面の法線よりも給電点１２ａ側を向くことになる。逆に、部分導体１２ｃと部分導体１２ｄの何れが導体１２の本体と接続される場合でも、隣接する二つの共振器間の導体１２の長さλmが設計波長λよりも長くなるように、部分導体１２ｃと部分導体１２ｄは形成されてもよい。この場合には、何れの部分導体が導体１２本体に接続される場合でも、各共振器により形成される電場のメインローブの方向は、基板１０の表面の法線よりも開放端１２ｂ側を向くことになる。
さらに、部分導体１２ｃと部分導体１２ｄの何れか一方について、導体１２本体に接続された場合に、隣接する二つの共振器間の導体１２の長さλmが設計波長λと等しくなるように、その部分導体は形成されてもよい。この場合には、その部分導体が導体１２本体に接続される場合、各共振器により形成される電場のメインローブの方向は、基板１０の表面の法線と略平行となる。

このように、二つの部分導体１２ｃと１２ｄの長さに応じて、シェルフアンテナ１の通信可能範囲の位置が変化する。したがって、必要とされる通信可能範囲とシェルフアンテナ１との位置関係に応じて、二つの部分導体１２ｃと１２ｄの長さが設定されればよい。

さらに他の変形例によれば、導体１２は、隣接する二つの共振器の組ごとに、その共振器間で並列に配置される、互いに長さの異なる３個以上の部分導体を有していてもよい。さらに、各部分導体と導体本体との間にスイッチが配置されてもよい。そしてそれら部分導体のうちの何れか一つが、所定のスイッチング周波数で交互に導体１２本体と接続されるように、各スイッチは制御されてもよい。
この場合には、シェルフアンテナ１は、シェルフアンテナ１から放射される電波のメインローブの方向を、３以上の異なる方向の間で変化させることができるので、通信可能範囲をより広くすることができる。

また、隣接する二つの共振器間で、マイクロストリップラインを形成する導体は蛇行形状以外の形状となるように形成されてもよい。

図１０は、変形例による、シェルフアンテナの透過平面図である。図１０において、シェルフアンテナの各部には、図１に示されたシェルフアンテナ１の対応する構成要素と同じ参照番号を付した。この変形例によるシェルフアンテナ２は、図１に示されるシェルフアンテナ１と比較して、マイクロストリップラインを形成する導体の形状が異なる。そこで以下では、マイクロストリップラインを形成する導体の形状について説明する。

この変形例でも、マイクロストリップラインを形成する導体１２は、隣接する二つの共振器の組ごとに、その二つの共振器間に並列に配置される、互いに長さの異なる二つの部分導体１２ｃと１２ｄとを有する。ただし、この変形例では、相対的に短い方の部分導体１２ｄが導体１２本体に接続される場合、隣接する二つの共振器間で導体１２は直線となる。一方、相対的に長い方の部分導体１２ｃは、U字状に形成され、部分導体１２ｄに隣接して配置される。そして部分導体１２ｃと部分導体１２ｄとが、スイッチ（図示せず）により交互に導体１２本体と通電可能に接続される。

この変形例では、隣接する二つの共振器間の距離が長く、導体１２もほぼ直線状となるので、シェルフアンテナ２の短手方向における読み取り可能範囲は、上記の実施形態によるシェルフアンテナ１の短手方向における読み取り可能範囲よりも狭くなる。しかし、シェルフアンテナ１よりもシェルフアンテナ２の方が共振器の数が少なくて済む。

また、隣接する二つの共振器の組の全てについて、その二つの共振器間に並列に配置される複数の部分導体が設けられなくてもよい。例えば、隣接する二つの共振器の組のうちの少なくとも一つ以上の所定数の組について、上記の実施形態のように並列に配置される複数の部分導体と、それら部分導体の何れかを導体本体と接続するスイッチが設けられてもよい。この場合にも、導体本体と接続する部分導体を切り替えることで、シェルフアンテナの指向性を変えることができる。

ここに挙げられた全ての例及び特定の用語は、読者が、本発明及び当該技術の促進に対する本発明者により寄与された概念を理解することを助ける、教示的な目的において意図されたものであり、本発明の優位性及び劣等性を示すことに関する、本明細書の如何なる例の構成、そのような特定の挙げられた例及び条件に限定しないように解釈されるべきものである。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、本発明の精神及び範囲から外れることなく、様々な変更、置換及び修正をこれに加えることが可能であることを理解されたい。

１、２ シェルフアンテナ（平面アンテナ）
１０ 基板
１０−１ 下側層
１０−２ 上側層
１１ 接地電極
１２ 導体
１２ａ 給電点
１２ｂ 開放端
１２ｃ、１２ｄ 部分導体
１３−１〜１３−ｎ 共振器
１４−１、１４−２ スイッチ
１５ 制御回路

Claims (4)

1. 第１の誘電体層と、該第１の誘電体層に積層された第２の誘電体層とを有する基板と、
   前記第１の誘電体層の前記第２の誘電体層と対向する面と反対側の面に配置された接地電極と、
   前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層との間に配置され、前記接地電極とともにマイクロストリップアンテナを形成する導体であって、該導体の一端は給電され、該導体の他端は開放または接地される導体と、
   前記導体の長手方向に沿って所定の間隔で前記第２の誘電体層の前記第１の誘電体層と対向する面と反対側の面に、前記導体と電磁結合するように配置される複数の共振器と、
   前記複数の共振器のうちの隣接する二つの共振器の所定数の組のそれぞれに設けられるスイッチとを有し、
   前記複数の共振器のうちの前記導体の他端に最も近い第１の共振器は、前記マイクロストリップアンテナから放射または前記マイクロストリップアンテナにより受信される所定の設計波長を持つ電波に応じた、前記マイクロストリップアンテナを流れる電流の定常波の節点のうち、前記導体の他端以外で該他端に最も近い節点と交差するように配置され、
   前記共振器の前記所定数の組のそれぞれについて、前記導体は、当該組の二つの共振器の間で並列に配置される互いに長さの異なる少なくとも二つの部分導体を有し、前記スイッチは、前記少なくとも二つの部分導体のうちの何れか一つを前記導体の他の部分と接続する、
   平面アンテナ。
2. 前記少なくとも二つの部分導体のうちの一つが前記導体の他の部分と接続された場合に前記二つの共振器の間の前記導体の長さは前記設計波長よりも長くなり、前記少なくとも二つの部分導体のうちの他の一つが前記導体の他の部分と接続された場合に前記二つの共振器の間の前記導体の長さは前記設計波長よりも短くなるように、前記少なくとも二つの部分導体の長さは設定される、請求項１に記載の平面アンテナ。
3. 前記所定の間隔が前記設計波長よりも短くなるように前記複数の共振器は配置され、
   前記導体は、前記少なくとも二つの部分導体のうちの何れが前記導体の他の部分と接続される場合でも、前記導体上の前記電流が流れる経路が前記二つの共振器間で折り曲げられた形状となるように形成される、請求項１または２に記載の平面アンテナ。
4. 前記共振器の前記所定数の組のそれぞれについて、所定のスイッチング周波数で前記少なくとも二つの部分導体のそれぞれを前記導体の他の部分と交互に接続するよう前記スイッチを制御する制御回路をさらに有する、請求項１〜３の何れか一項に記載の平面アンテナ。