(57)【要約】【課題】メタマテリアル０次共振器アンテナと回路基板とが積層されており、積層によるメタマテリアル０次共振器アンテナの利得の低下が抑制されているアンテナ装置を提供する。【解決手段】メタマテリアルアンテナ１０、絶縁板３０、回路基板２０を貫通する貫通ビア４０を、アンテナエレメント１２において、２つのアンテナビア１４の中間に形成される電流密度が疎の領域に設ける。【選択図】図１
2014107746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性材料よりなるアンテナ基板と、このアンテナ基板の一方の面に配置された金属箔よりなるアンテナエレメントと、他方の面に配置された金属箔よりなるアンテナグランドと、前記アンテナ基板を貫通して前記アンテナエレメントとアンテナグランドを接続するアンテナビアとを有するメタマテリアル０次共振器アンテナと、
絶縁基板の一方の面に回路グランドが積層された回路基板とを備え、
前記メタマテリアル０次共振器アンテナと前記回路基板とが、前記アンテナグランドと前記回路グランドとが対向する向きで絶縁板を挟んで積層されており、
前記アンテナエレメントにおいて電流密度が疎の領域に、前記メタマテリアル０次共振器アンテナ、絶縁板、回路基板を貫通する貫通ビアが設けられており、
前記アンテナエレメントには、前記貫通ビアとこのアンテナエレメントとが導通しないようにするために、貫通ビアが設けられている部分にエレメント貫通穴が形成されていることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記メタマテリアル０次共振器アンテナは前記アンテナビアを複数備え、
前記貫通ビアは、アンテナエレメントにおいて互いに近接する２つの前記アンテナビアの中間部に形成された電流密度が疎の領域である中間疎領域に設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記メタマテリアル０次共振器アンテナの動作周波数において、前記アンテナグランドと前記回路グランドとの間に、前記アンテナグランドと前記アンテナエレメントとの間の電界と同じ方向の電界が形成されるように、前記貫通ビアが一つの前記中間疎領域に複数本形成されていることを特徴とするアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタマテリアルの応用技術である０次共振を利用した共振器アンテナを備えたアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
メタマテリアルは、材料固有の特性だけでは実現困難である特異な電波伝搬を、電波の波長λより十分に小さい周期的な構造を作り込むことで実現する技術である。その応用技術として、金属箔製のアンテナエレメントとアンテナグランドを絶縁性の基材を介して配置し、それらの間をビアでつないだ構造を基本構造とし、基本構造を周期化することで、共振モードが０次のアンテナ（０次共振器アンテナ）となることが知られている（たとえば特許文献１）。このアンテナは、メタマテリアル０次共振器アンテナと呼ばれる。また、メタマテリアル０次共振器アンテナは一般に複数のセルが並んだ周期構造を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１０−５０２１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
小型の携帯機器にメタマテリアル０次共振器アンテナを搭載する場合には、搭載スペースが限られる。そこで、メタマテリアル０次共振器アンテナと、このメタマテリアル０次共振器アンテナを制御する回路等を備えた回路基板を一体に積層することが考えられる。
【０００５】
メタマテリアル０次共振器アンテナと回路基板とを積層した状態で、アンテナグランドと回路基板のグランド（以下、回路グランド）とを接続するには、アンテナグランドと回路基板とを貫通する貫通ビアを用いる方法が、製造コストの面から現実的である。
【０００６】
貫通ビアを用いる場合、アンテナグランドと回路グランドとを同電位にすることが好ましい。これら２つのグランドを同電位にすることが好ましい理由は、給電はアンテナ入力部と回路グランド間に電圧を印加することで行うため、アンテナグランドと回路グランドの間に電位差が発生すると、アンテナに所望の電力が入力できないからである。
【０００７】
アンテナグランドと回路グランドを同電位にするには、より多くの貫通ビアを用いることが好ましい。貫通ビアが多いほど、２つのグランド間の抵抗が小さくなる、すなわち、電圧降下が小さくなるからである。
【０００８】
しかし、貫通ビアは、アンテナグランドと回路グランドとを接続させるものであり、アンテナエレメントとは導通させないようにする必要がある。そのため、アンテナエレメントにおいて貫通ビアが形成されている周囲はエレメントを除去してしまう。これにより、アンテナエレメントの周期構造が崩れてアンテナ利得が低下することになり、エレメントを除去する数が多いほど、利得が低下する恐れがある。
【０００９】
本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、メタマテリアル０次共振器アンテナと回路基板とが積層されており、積層によるメタマテリアル０次共振器アンテナの利得の低下が抑制されているアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
その目的を達成するための請求項１記載の発明は、絶縁性材料よりなるアンテナ基板と、このアンテナ基板の一方の面に配置された金属箔よりなるアンテナエレメントと、他方の面に配置された金属箔よりなるアンテナグランドと、前記アンテナ基板を貫通して前記アンテナエレメントとアンテナグランドを接続するアンテナビアとを有するメタマテリアル０次共振器アンテナと、絶縁基板の一方の面に回路グランドが積層された回路基板とを備え、前記メタマテリアル０次共振器アンテナと前記回路基板とが、前記アンテナグランドと前記回路グランドとが対向する向きで絶縁板を挟んで積層されており、前記アンテナエレメントにおいて電流密度が疎の領域に、前記メタマテリアル０次共振器アンテナ、絶縁板、回路基板を貫通する貫通ビアが設けられており、前記アンテナエレメントには、前記貫通ビアとこのアンテナエレメントとが導通しないようにするために、貫通ビアが設けられている部分にエレメント貫通穴が形成されていることを特徴とするアンテナ装置である。
【００１１】
メタマテリアルは周期構造を有しており単位セルは波長に比べ十分小さいので、従来、メタマテリアルは多数の単位セルを並べた周期構造全体でどのような特性が得られるかが説明され、また、周期構造全体で発現する特性を利用して、具体的な装置の開発が進められている。たとえば、メタマテリアルの応用技術であるメタマテリアル０次共振器アンテナは、周期構造を構成する個々の単位セルの電磁界が全て同じ位相で励振されることを利用したアンテナである。
【００１２】
しかし、本発明者は、メタマテリアルのミクロ的な特性を解析した。具体的には、一つ一つの単位セルにおける電流分布を解析した。そして、解析の結果、アンテナエレメントの電流密度は一様ではなく分布があり、電流密度が密の領域や疎の領域があることを発見した。さらに、この発見に基づき次のように推定した。
【００１３】
電波はアンテナを構成する導体を流れる電流により発生するものである。従って、アンテナエレメントにおいて電流密度が疎な領域ほど貫通穴がアンテナ利得に与える影響は少ないはずであると本発明者は推定した。
【００１４】
そこで、本発明では、メタマテリアル０次共振器アンテナと回路基板とを貫通する貫通ビアおよびエレメント貫通穴を、アンテナエレメントにおいて電流密度が疎の領域に設けたのである。このようにすることにより、後にシミュレーション結果を示すように、メタマテリアル０次共振器アンテナと回路基板とを積層しても、積層によるメタマテリアル０次共振器アンテナの利得の低下が抑制される。
【００１５】
請求項２記載の発明は、前記メタマテリアル０次共振器アンテナは前記アンテナビアを複数備え、前記貫通ビアは、アンテナエレメントにおいて互いに近接する２つの前記アンテナビアの中間部に形成された電流密度が疎の領域である中間疎領域に設けられていることを特徴とする。
【００１６】
本発明者は、上記中間疎領域が形成される機構を究明し、中間疎領域が形成される機構を利用して請求項２記載の発明をした。まず、本発明者が究明した、中間疎領域が形成される機構を説明する。
【００１７】
周期構造の単位セルにアンテナビアを備えるメタマテリアル０次共振器アンテナにおいて、０次共振の動作周波数では複数のセルの各アンテナビアが位置する点での電流位相は互いに一致する。そのため、上下方向あるいは斜め方向に互いに近接する２つのアンテナビアの中点では、一方のセルにから中点に流れ込む電流位相と、他方のセルから中点に流れ込む電流位相とが互いに逆になるので、電流が打ち消し合う。その結果、互いに近接する２つのアンテナビアの中間部に、電流密度が疎の領域である中間疎領域が形成される。
【００１８】
貫通ビアがない場合には、アンテナグランドおよびアンテナエレメントともに、上記機構により中間疎領域が形成される。アンテナグランドと回路グランドの電位を近づけるためには、より多く電流をアンテナグランドから回路グランドに流すことが好ましい。したがって、アンテナグランドにおいて、貫通ビアが設けられる前に生じている中間疎領域に貫通ビアを設けたとしても、アンテナグランドと回路グランドとの接続効果は高くないように思われる。
【００１９】
ここで、本発明者は、中間疎領域は電流が打ち消し合って生じているのであるから、電流が打ち消されないようにすれば、電流密度を高くすることができると考えた。そこで、この発明では、アンテナグランドと回路グランドとを接続させる貫通ビアの位置をアンテナエレメントの中間疎領域とした。
【００２０】
これにより、互いに近接する２つのアンテナビアを通りアンテナエレメントからアンテナグランドに流れた電流は、打ち消しあう前に貫通ビアを通り回路グランドへ流れる。よって、アンテナグランドにおいて貫通ビアが貫通している部分は電流密度が密になる。
【００２１】
このように、本発明では、アンテナグランドと回路グランドを接続するための必須構成である貫通ビアにより、貫通ビアを設ける前は電流密度が疎であった領域を電流密度が密の領域に変化させてアンテナグランドと回路グランドとを接続させている。その結果、グランド間に流れる電流が多くなるので、少ない貫通ビアでアンテナグランドと回路グランドの電位を近づけることができる。
【００２２】
なお、アンテナエレメントには、貫通ビアと導通しないようにするためにエレメント貫通穴が形成されている。したがって、貫通ビアを通していない状態で中間疎領域であった場所に貫通ビアを設けても、アンテナエレメントの中間疎領域は影響を受けないので、貫通ビアおよびエレメント貫通穴はアンテナエレメントの中間疎領域に設けられることになる。よって、貫通ビアおよびエレメント貫通穴を設けることによるメタマテリアル０次共振器アンテナの利得の低下も抑制される。
【００２３】
請求項３記載の発明は、前記メタマテリアル０次共振器アンテナの動作周波数において、前記アンテナグランドと前記回路グランドとの間に、前記アンテナグランドと前記アンテナエレメントとの間の電界と同じ方向の電界が形成されるように、前記貫通ビアが一つの前記中間疎領域に複数本形成されていることを特徴とする。
【００２４】
アンテナグランドと回路グランドとが電流密度が密な領域に設けられた貫通ビアにより互いに接続されている構成は、２枚の金属箔の間をビアで導通させてそのビアを通って一方の金属箔から他方の金属箔へ電流が流れる構成である。よって、アンテナグランドと回路グランドとの間もメタマテリアル０次共振器アンテナとしての機能が現れる。これを第２のメタマテリアル０次共振器アンテナと呼ぶことにする。また、ここでは、この第２のメタマテリアル０次共振器アンテナに対し、アンテナエレメント、アンテナグランド、アンテナビアを有するメタマテリアル０次共振器アンテナを、第１のメタマテリアル０次共振器アンテナと呼ぶことにする。
【００２５】
メタマテリアル０次共振器アンテナは、単位セルにおけるアンテナエレメントとアンテナグランド間の容量結合によるキャパシタンス成分Ｃとそれらの間を連結するビアによるインダクタンス成分Lによる並列共振器であり、その共振周波数ｆｒは以下の式となる。
【数１】
2014107746.tif 000003
【００２６】
よって、インダクタンス成分Ｌを調整することにより共振周波数を調整することができる。請求項３記載の発明は、貫通ビアを複数本備えており、貫通ビアの本数が変わると、上記インダクタンス成分Lの大きさが変化する。すなわち、請求項３のように貫通ビアを複数本備える構成とすれば、インダクタンス成分Lを調整することができ、これにより、貫通ビアが１本では困難であった動作周波数の調整が可能となる。そして、調整により、第２のメタマテリアル０次共振器アンテナの動作周波数を、第１のメタマテリアル０次共振器アンテナの動作周波数に合わせる。これにより、第１のメタマテリアル０次共振器アンテナの動作周波数におけるアンテナ装置の利得がより向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態となるアンテナ装置１の断面図である。
【図２】アンテナ装置１の平面図である。
【図３】シミュレーションに用いた単体のメタマテリアルアンテナ１０の構成図である。
【図４】図３に示すメタマテリアルアンテナ１０の周波数に対する電圧定在波比の周波数特性を示すグラフである。
【図５】図３に示すメタマテリアルアンテナ１０の共振周波数（動作周波数）における電界強度を示す図である。
【図６】図３に示すメタマテリアルアンテナ１０の共振周波数における水平面指向性のうち、アンテナの厚みに直交する方向成分を示す図である。
【図７】図３に示した構成でのアンテナエレメント１２の電流分布を示す図である。
【図８】図３に示した構成でのアンテナグランド１３の電流分布を示す図である。
【図９】図３に示すメタマテリアルアンテナ１０の電流の流れを説明するための図である。
【図１０】図９において二重丸で示す領域に貫通ビア４０を通したときの電流の流れを説明する図である。
【図１１】貫通ビア４０を通したときのメタマテリアルアンテナ１０の特性を確認するためのモデルを示す図である。
【図１２】図１１に示した構成におけるアンテナエレメント１２の電流分布を示す図である。
【図１３】図１１に示した構成におけるメタマテリアルアンテナ１０の周波数に対する電圧定在波比の周波数特性を示すグラフである。
【図１４】図１１に示した構成におけるメタマテリアルアンテナ１００の共振周波数における電界強度を示す図である。
【図１５】図１１に示した構成におけるメタマテリアルアンテナ１０の共振周波数における水平面指向性のうち、アンテナの厚みに直交する方向成分を示す図である。
【図１６】第２実施形態においてアンテナ特性を確認するために行ったシミュレーションのモデルを示す図である。
【図１７】図１６に示した構成におけるメタマテリアルアンテナ１００の周波数に対する電圧定在波比の周波数特性を示すグラフである。
【図１８】図１６に示した構成におけるメタマテリアルアンテナ１００の共振周波数における電界強度を示す図である。
【図１９】図１６に示した構成におけるメタマテリアルアンテナ１００の共振周波数における水平面指向性のうち、アンテナの厚みに直交する方向成分を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態となるアンテナ装置１（以下、単にアンテナ装置１）の断面図であって、図２のＩ−Ｉ線で切断した図である。
【００２９】
アンテナ装置１は、メタマテリアル０次共振器アンテナ（以下、メタマテリアルアンテナという）１０と、回路基板２０と、それらの間に挟まれた絶縁板３０を有する。
【００３０】
メタマテリアルアンテナ１０は、絶縁性材料からなるアンテナ基板１１を有する。このアンテナ基板１１には、たとえばガラスエポキシ基板を用いる。アンテナ基板１１の厚さは、アンテナ装置１が放射する電波の波長よりも十分に短い厚さとなっている。このアンテナ装置１が２．４ＧＨｚの電波すなわち１２５ｍｍの波長の電波を放射する場合、アンテナ基板１１の厚さは、たとえば約１．６ｍｍとする。
【００３１】
メタマテリアルアンテナ１０は、アンテナ基板１１の他に、アンテナエレメント１２、アンテナグランド１３、アンテナビア１４を有する。アンテナエレメント１２はたとえば銅箔であり、アンテナ基板１１の回路基板２０に対向していない側の面に積層されている。このアンテナエレメント１２には、貫通ビア４０と接触しないように、エレメント貫通穴１２ａが形成されている。
【００３２】
アンテナグランド１３も銅箔製であり、アンテナ基板１１の、アンテナエレメント１２が積層されている側とは反対側の面に積層されている。
【００３３】
アンテナビア１４はアンテナ基板１１を貫通しており、アンテナエレメント１２とアンテナグランド１３とを電気的に接続している。第１実施形態のメタマテリアルアンテナ１０はこのアンテナビア１４を２つ備えている。この２つのアンテナビア１４により、メタマテリアルアンテナ１０は、それら２つのアンテナビア１４の中間付近を境界とする略等しい大きさの２つのセルに分けられる。
【００３４】
アンテナエレメント１２とアンテナグランド１３とによりコンデンサを構成し、それらをつなぐアンテナビア１４がインダクタとなるので、メタマテリアルの特性が現れる。これにより、２４００ＭＨｚにおいて共振モードが０次のアンテナ（すなわち０次共振器アンテナ）として機能し、電界をアンテナの厚みに直交する方向（すなわち積層に直行する方向）に強く出すことができる。
【００３５】
回路基板２０は、絶縁基板２１、回路グランド２２、回路ビア２３を備えている。絶縁基板２１は、たとえばガラスエポキシ基板であり、厚さはたとえば０．９ｍｍである。回路グランド２２は、たとえば銅箔製であり、絶縁基板２１の絶縁板３０側の面に積層されている。
【００３６】
絶縁基板２１において回路グランド２２の反対側の面には回路部品６０が固定される。回路部品６０は、メタマテリアルアンテナ１０の制御をするための部品や、メタマテリアルアンテナ１０により送受信する信号を用いた制御を行う部品等である。回路ビア２３は、絶縁基板２１を貫通しており、回路グランド２２と、絶縁基板２１において回路グランド２２とは反対側の面に設けられた回路パターン２４とを接続する。回路パターン２４には回路部品６０が接続されている。
【００３７】
絶縁板３０も、アンテナ基板１１や回路基板２１と同様、ガラスエポキシ基板等を用いることができる。厚さは任意であるが、たとえば、アンテナ基板１１や回路基板２１と同程度の厚さとする。
【００３８】
アンテナ装置１は、メタマテリアルアンテナ１０、回路基板２０、絶縁板３０の他に、貫通ビア４０、給電ビア５０も備える。貫通ビア４０は、メタマテリアルアンテナ１０、絶縁板３０、回路基板２０を貫通する。これにより、アンテナグランド１３と回路グランド２２とが導通する。なお、前述のように、アンテナエレメント１２にはエレメント貫通穴１２ａが形成されているため、アンテナエレメント１２は貫通ビア４０とは導通しない。
【００３９】
給電ビア５０は、回路基板２０、絶縁板３０、アンテナ基板１１を貫通している。給電ビア５０一方の端は、アンテナ基板１１のアンテナエレメント１２と同じ面に積層された給電ライン１５に接続し、他方の端は回路パターン２４に接続している。給電ライン１５の他方の端はアンテナエレメント１２に接続している。
【００４０】
図２はアンテナ装置１の平面図である。図２に示すように、第１実施形態のアンテナエレメント１２は長方形であり、給電ライン１５はアンテナエレメント１２の１つの辺の中点に接続している。また、２つのアンテナビア１４は、給電ライン１５が接続されている点を一端とするアンテナエレメント１２の２等分線上に位置する。
【００４１】
貫通ビア４０は、上記２等分線上において、２つのアンテナビア１４の中点に形成されている。貫通ビア４０を通る二点鎖線、すなわち、２つのアンテナビア１４の中点を通る垂線は、２つのアンテナビア１４によりメタマテリアルアンテナ１０に形成される２つのセルの境界を示している。
【００４２】
これら図１、図２に示したアンテナ装置１の製造方法は、まず、メタマテリアルアンテナ１０、回路基板２０を別々に製造する。その後、それらを絶縁板３０を挟んで積層する。そのため、アンテナグランド１３と回路グランド２２とを接続させる方法として、コスト面から貫通ビア４０を用いている。
【００４３】
この貫通ビア４０がアンテナエレメント１２と導通しないようにするため、アンテナエレメント１２にはエレメント貫通穴１２ａを形成する。ここで、メタマテリアルアンテナ１０、絶縁板３０、回路基板２０を貫通する貫通穴を任意の位置に形成してしまうとすれば、メタマテリアルアンテナ１０の周期構造が崩れてしまい、アンテナ利得が低下してしまう。
【００４４】
しかし、第１実施形態の位置に貫通ビア４０を形成すると、アンテナ利得は低下しない。それどころか、結果としてアンテナ利得はやや上昇した。次に、第１実施形態のアンテナ装置１が、単体のメタマテリアルアンテナ１０よりもアンテナ利得が上昇したことを確認したシミュレーション結果を説明する。
【００４５】
まず、単体のメタマテリアルアンテナ１０の特性を説明する。図３は、シミュレーションに用いた単体のメタマテリアルアンテナ１０の構成図である。図３に示すように、シミュレーションに用いたメタマテリアルアンテナ１０の構成は、アンテナ基板１１の上に、長方形のアンテナエレメント１２が積層されている。また、図示しない裏面にアンテナグランド１３が積層されている。これらアンテナエレメント１２とアンテナグランド１３とが２つのアンテナビア１４により接続されており、アンテナエレメント１２には、給電ライン１５が接続されている。すなわち、図３に示す構成は、エレメント貫通穴１２ａが形成されておらず、貫通ビア４０が貫通していない以外は、図１に示したメタマテリアルアンテナ１０と同じである。
【００４６】
図４は、図３に示すメタマテリアルアンテナ１０の周波数に対する電圧定在波比の周波数特性を示し、図５は図３に示すメタマテリアルアンテナ１０の共振周波数（動作周波数）における電界強度を示し、図６は図３に示すメタマテリアルアンテナ１０を水平に載置したときの共振周波数における水平面指向性のうち、アンテナの厚みに直交する方向成分（すなわち積層に直行する方向成分）を示す図である。
【００４７】
図４に示すように、単体のメタマテリアルアンテナ１０は、約２４３０ＭＨｚに共振周波数があることが分かる。図５から、単体のメタマテリアルアンテナ１０は、アンテナエレメント１２とアンテナグランド１３との間の電界が位置によらず一様、すなわち、共振モードが０次になっており、アンテナエレメント１２とアンテナグランド１３の間の電界の向きは一様にアンテナグランド１３からアンテナエレメント１２に向かう向きになっていることが分かる。図６から、単体のメタマテリアルアンテナ１０は水平面指向性がほぼ無指向性であることが分かる。また、図６には、単体のメタマテリアルアンテナ１０の利得が−８．１ｄＢであることも示している。
【００４８】
次に、図３に示した構成でのアンテナエレメント１２の電流分布、および、アンテナグランド１３の電流分布を、それぞれ図７、図８に示す。図７から、アンテナエレメント１２を流れる電流は、２つのアンテナビア１４に向かって流れており、それら２つのアンテナビア１４の付近が電流密度が密になっていることが分かる。一方、アンテナエレメント１２の外縁部は電流密度が疎になっている。さらに、２つのアンテナビア１４の中点付近も電流密度が疎になっていることが分かる。また、図８から、アンテナグランド１３を流れる電流も外縁部、および、アンテナビア１４の中点付近で疎になっていることが分かる。
【００４９】
図９は、図３に示すメタマテリアルアンテナ１０の電流の流れを説明するための図であり、矢印が電流の流れを表している。ただし、図示の便宜上から矢印は直線で示しているが、アンテナに流れる電流は高周波であるため、図９はある位相での電流の向きを矢印で示しており、１８０度位相回転した場合は、矢印が各々逆方向を向く。また、図９はメタマテリアルアンテナ１０の断面図であるが、電流の流れを示す矢印を分かりやすくするため、ハッチングは省略してある。
【００５０】
矢印で示すように、電流はアンテナエレメント１２においてはアンテナビア１４に向かって流れ、アンテナビア１４を通りアンテナグランド１３へ流れる。アンテナグランド１３では、アンテナビア１４から放射状に流れる。
【００５１】
図９において、一重丸および二重丸は電流密度が疎になる領域を示している。ただし、一重丸は開放端であるために電流密度が疎になっている領域を示しており、二重丸は電流が打ち消しあうことにより疎になっている領域を示している。
【００５２】
電流が打ち消しあうのは、高周波の状態で流れる電流が互いに逆位相になることによるものである。メタマテリアルアンテナ１０の電流分布において電流の腹（定在波の振幅が最も大きい場所）はアンテナビア１４を基準として形成されるので、アンテナエレメント１２において各アンテナビア１４が位置する点での電流位相は互いに一致する。そのため、２つのアンテナビア１４の中点では、一方のセルにおける電流位相と他方のセルにおける電流位相とが互いに逆になる。その結果、電流が打ち消され、電流密度が疎の領域が形成されるのである。このように、電流が打ち消し合うのは２つのアンテナビア１４の中間付近であることから、電流が打ち消し合うことにより生じる電流密度が疎の領域を中間疎領域と呼ぶことにする。
【００５３】
本発明者は、アンテナエレメント１２において電流密度が疎になっている領域であれば、貫通ビア４０を通すためにアンテナエレメント１２にエレメント貫通穴１２ａを形成しても利得の低下は少ないと考えた。この考えによれば、アンテナエレメント１２の外縁部あるいは２つのアンテナビア１４の中間付近にエレメント貫通穴１２ａを形成することが好ましいことになる。
【００５４】
さらに本発明者は、中間疎領域は、電流が打ち消し合っているために電流密度が疎になっている点に着目した。そして、アンテナグランド１３においてアンテナビア１４の中間付近に貫通ビアを通せば、アンテナグランド１３の二重丸で示す領域で電流が打ち消されることなく、下方へ電流を流すことができると考えた。
【００５５】
図１０は、図９において二重丸で示す領域に貫通ビア４０を通したときの電流の流れを説明する図である。図１０に示すように、貫通ビア４０がアンテナグランド１３において２つのアンテナビア１４の中間を通ることにより、貫通ビア４０がないときは打ち消しあっていた電流が貫通ビア４０を流れることになる。その結果、貫通ビア４０がないときは疎であった領域が貫通ビア４０が通ることにより電流密度が密の領域に変化する。
【００５６】
一方、アンテナエレメント１２において貫通ビア４０が位置する部分は、エレメント貫通穴１２ａが形成される。これにより、貫通ビア４０はアンテナエレメント１２とは接触しない。よって、アンテナエレメント１２において貫通ビア４０が位置する領域の電流密度は疎のままである。よって、特性変化は少ないと考察できる。なお、後に、実際にアンテナ特性の変化が少なかったことを示すシミュレーション結果を説明する。
【００５７】
図１０に示す電流の流れは図１にも示しており、貫通ビア４０が通ることにより、電流密度が密の領域でアンテナグランド１３と回路グランド２２とが導通することになる。よって貫通ビア４０によるアンテナグランド１３と回路グランド２２との接続効果が大きくなる。
【００５８】
次に、貫通ビア４０を通してもアンテナ特性が劣化しないことを確認したシミュレーション結果を説明する。図１１は、貫通ビア４０を通したときのメタマテリアルアンテナ１０の特性を確認するためのモデルを示す図であり、（Ａ）はこのモデルの全体構成を示す斜視図、（Ｂ）は導体部分の構成を示す図である。
【００５９】
シミュレーションに用いた構成は、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、メタマテリアルアンテナ１０に絶縁板３０、回路グランド２２を積層した構成である。また、メタマテリアルアンテナ１０には２つのアンテナビア１４の中間に貫通ビア４０が通っている。この貫通ビア４０は、アンテナグランド１３および回路グランド２２とは導通するが、エレメント貫通穴１２ａがアンテナエレメント１２に形成されているので、アンテナエレメント１２と貫通ビア４０とは導通しない。
【００６０】
図１２は、図１１に示した構成におけるアンテナエレメント１２の電流分布を示す図である。図１２から分かるように、貫通ビア４０を通しても、貫通ビア４０の付近のアンテナエレメント１２の電流密度は疎のままである。また、図１２と図６７比較から、アンテナエレメント１２に流れる電流は、貫通ビア４０を通してもほとんど変化しないことが分かる。
【００６１】
図１３は、図１１に示した構成におけるメタマテリアルアンテナ１０の周波数に対する電圧定在波比の周波数特性を示し、図１４は図１１に示すメタマテリアルアンテナ１０の共振周波数（動作周波数）における電界強度を示し、図１５は、図１１に示した構成におけるメタマテリアルアンテナ１０の共振周波数における水平面指向性を示す図である。
【００６２】
図１３から、貫通ビア４０を通したメタマテリアルアンテナ１０の共振周波数は約２４２０ＭＨｚであり、貫通ビア４０がない場合の共振周波数（約２４３０ＭＨｚ）とほぼ同じであることが分かる。図１４から、貫通ビア４０を通しても、アンテナエレメント１２とアンテナグランド１３との間の電界が位置によらず一様である状態、すなわち、０次共振モードが維持されていることが分かる。また、図１６に示されている水平面指向性はほぼ無指向性であることから、指向性もほとんど変化していないことが分かる。
【００６３】
更に、図１４に示すように、メインローブの利得は−６．４ｄＢとなっている。これは、図６に示す単体のメタマテリアルアンテナ１０の利得、−８．１ｄＢよりも高い。すなわち、利得が向上していることが分かる。このように、利得が向上した理由は、メタマテリアルアンテナ１０の実効長が長くなったからであると推定している。
【００６４】
なお、メタマテリアルアンテナ１０の実効長を長くする作用とは別に、図１３には約１６００ＭＨｚにもピークが生じていることから、アンテナグランド１３と回路グランド２２との間は、別のメタマテリアルアンテナとしても機能していると推定できる（後述する第２実施形態ではこれを利用する）。
【００６５】
以上、説明した第１実施形態によれば、メタマテリアルアンテナ１０、絶縁板３０、回路基板２０を貫通する貫通ビア４０を、アンテナエレメント１２において、２つのアンテナビア１４の中間に形成される電流密度が疎の領域に設けている。そのため、メタマテリアルアンテナ１０と回路基板２０とが積層されても、積層によるメタマテリアルアンテナ１０の利得の低下が抑制される。
【００６６】
さらに、第１実施形態では、貫通ビア４０を設けているのは、アンテナエレメント１２において電流密度が疎となる２つの領域（すなわち、アンテナエレメント１２の外縁部および中間疎領域）のうちの中間疎領域である。
【００６７】
アンテナエレメント１２の中間疎領域に対向するアンテナグランド１３の領域は、貫通ビア４０がなければ電流が逆向きに打ち消し合って疎となるが、貫通ビア４０を通すことで、２つのアンテナビア１４からアンテナグランド１３を他方のアンテナビア１４へ向かう電流は、貫通ビア４０があることにより打ち消されずに、貫通ビア４０を通り回路グランド２２へ流れる。よって、アンテナグランド１３において貫通ビア４０が貫通している部分は電流密度が密になるので、一つの貫通ビア４０でも、アンテナグランド１３と回路グランド２２の電位を近づけることができる。
【００６８】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態を説明する。なお、第２実施形態以下の説明において、それまでに使用した符号と同一番号の符号を有する要素は、特に言及する場合を除き、それ以前の実施形態における同一符号の要素と同一である。また、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した実施形態を適用することができる。
【００６９】
第２実施形態のメタマテリアルアンテナ１００は、中間疎領域に複数本、具体的には４本の貫通ビア１０１、１０２、１０３、１０４を通している。その他の構成は第１実施形態と同じである。
【００７０】
図１６は、第２実施形態においてアンテナ特性を確認するために行ったシミュレーションのモデルを示す図である。図１６（Ａ）はシミュレーションに用いたモデルの全体構成図、（Ｂ）は導体部分の構成を示す図、（Ｃ）は図（Ｂ）のＣ矢視図である。第２実施形態のモデルは、貫通ビアが４本である以外は図１０に示す第１実施形態のモデルと同じである。
【００７１】
図１７は、図１６に示した構成におけるメタマテリアルアンテナ１００の周波数に対する電圧定在波比の周波数特性を示すグラフであり、図１８は図１６に示すメタマテリアルアンテナ１０の共振周波数における電界強度を示し、図１９は、図１６に示した構成におけるメタマテリアルアンテナ１００の共振周波数における水平面指向性を示す図である。
【００７２】
図１７から、メタマテリアルアンテナ１００の共振周波数は、約２４００ＭＨｚであり、図４に示した貫通ビアがないメタマテリアルアンテナ１０の共振周波数（約２４３０ＭＨｚ）とほぼ同じであることが分かる。
【００７３】
また、図１７と図１３の比較から、第１実施形態では約１６００ＭＨｚにピークが存在していたが、第２実施形態では、その位置にピークは存在していないことが分かる。第１実施形態において約１６００ＭＨｚにあるピークは、アンテナグランド１３と回路グランド２２との間がメタマテリアルアンテナとして機能したことによるものである。
【００７４】
この第２実施形態は、第１実施形態において１６００ＭＨｚにピークが現れたことにより、アンテナグランド１３と回路グランド２２との間もメタマテリアルアンテナとしての機能が発現したことに気づいたことに基づいている。第１実施形態における１６００ＭＨｚのピークを、第２実施形態では、もともとのメタマテリアルアンテナ１０の共振周波数に合わせるために、貫通ビアの本数を調整している。
【００７５】
メタマテリアルアンテナは、金属箔の間をつなぐインダクタが大きくなると共振周波数が低くなる。また、貫通ビアの本数を増やすとインダクタは小さくなる。そこで、第１実施形態では１本の貫通ビア４０のみであったが、第２実施形態では、貫通ビアの本数を調整して（増やして）アンテナグランド１３と回路グランド２２との間のメタマテリアルアンテナの共振周波数をメタマテリアルアンテナ１０の共振周波数に合わせた。
【００７６】
なお、図１７には、共振周波数（約２４００ＭＨｚ）に近い約２６３０ＭＨｚをピークとする波形が存在する。このピークは、アンテナ装置１００の構造を複雑にした結果、副次的に生じたピークであり、第１実施形態の図１３において約１６００ＭＨｚに現れていたピークは、図１７では約２４００ＭＨｚに存在するピークに重なっていると推定している。このように推定している理由は、次に示すように、共振周波数（約２４００ＭＨｚ）の利得が向上しているからである。
【００７７】
貫通ビアの本数を調整した結果、４本の貫通ビア１０１〜１０４を備えることにより、共振周波数を合わせることができた。メタマテリアルアンテナ１０の共振周波数（２４００MHｚ）における電界分布の図である図１８から、この共振周波数において、アンテナグランド１３と回路グランド２２との間も０次共振器アンテナとして機能していることが分かる。また、図１９に示すように、水平面指向性はほとんど変化していないこと、および、メインローブの利得が−４．６ｄBに向上していることが分かる。
【００７８】
以上、説明した第２実施形態では、周波数に対する電圧定在波比の変化を示すグラフにおいて、第２のメタマテリアルアンテナ、すなわち、アンテナグランド１３と回路グランド２２との間のメタマテリアルアンテナのピーク波形が、メタマテリアルアンテナ１０のピーク波形に重なるようにした。これにより、ピーク波形が重なっている分、メタマテリアルアンテナ１０のピークは低下する。すなわち、メタマテリアルアンテナ１０の利得をより向上させることができる。
【００７９】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【００８０】
たとえば、前述の第１、第２実施形態では、アンテナエレメント１２の中間疎領域に貫通ビア４０、１０１〜１０４を形成していた。しかし、アンテナエレメント１２の外縁部も電流密度が疎になるので、この外縁部に貫通ビアを設けてもよい。
【００８１】
また、前述の第１、第２実施形態のメタマテリアルアンテナ１０は、２つのアンテナビア１４を備えて２つの単位セルに分けられる構成であったが、メタマテリアルアンテナの単位セルの数は前述の実施形態に限定されない。たとえば、縦横に２つずつ、あるいは、それ以上の数の単位セルが並ぶ構成であってもよい。この場合、縦横に隣合うアンテナビアの中間部に中間疎領域が形成されるだけでなく、斜め隣に近接するアンテナビアの間にも中間疎領域が形成される。貫通ビアは後者の中間疎領域に設けてもよい。
【００８２】
また、前述の実施形態では、アンテナグランド１３と回路グランド２２は絶縁板３０のみを挟んで積層されていた。しかし、本発明は前述の実施形態に限定されず、絶縁板３０以外の部材を絶縁板３０とともにアンテナグランド１３と回路グランド２２とが挟む態様でもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１：アンテナ装置、      １０：メタマテリアル０次共振器アンテナ（メタマテリアルアンテナ）、      １１：アンテナ基板、      １２：アンテナエレメント、      １２ａ：エレメント貫通穴、      １３：アンテナグランド、      １４：アンテナビア、      １５：給電ライン、      ２０：回路基板、      ２１：絶縁基板、      ２２：回路グランド、      ２３：回路ビア、      ２４：回路パターン、      ３０：絶縁板、      ４０：貫通ビア、      ５０：給電ビア、      ６０：回路部品、      １００：メタマテリアル０次共振器アンテナ（メタマテリアルアンテナ）、    １０１：貫通ビア、      １０２：貫通ビア、      １０３：貫通ビア、      １０４：貫通ビア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１９】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１８】
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