(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面に導電パターン（１１ａ）が形成され、反対面にグランドパターン（１１ｂ）が形成され、前記導電パターン（１１ａ）とグランドパターン（１１ｂ）間を導通させるスルーホール（１１ｃ）が形成された絶縁層（１１）を有し、給電パターン（１２）への給電に応じて、前記スルーホール（１１ｃ）のインダクタンス成分と、前記導電パターン（１１ａ）と前記グランドパターン（１１ｂ）間のキャパシタンス成分との並列共振により、前記絶縁層（１１）に形成された前記グランドパターン（１１ｂ）に対して垂直で、かつ、前記導電パターン上の任意の位置で電界が同一方向を向くような偏波を発生するメタマテリアルアンテナであって、
前記スルーホール（１１ｃ）のインダクタンス成分と、前記導電パターン（１１ａ）と前記グランドパターン（１１ｂ）間のキャパシタンス成分とで構成されるブロックが複数並列に配列された構造となっており、
それぞれの前記ブロックにおいて、前記スルーホール（１１ｃ）が形成された前記絶縁層（１１）の第１の領域の周囲に、前記導電パターン（１１ａ）と前記グランドパターン（１１ｂ）間の厚さが前記第１の領域よりも薄い第２の領域を形成してそのブロックにおける前記キャパシタンス成分を増加させた構成となっており、
前記第１の領域から前記第２の領域にかけて前記導電パターン（１１ａ）と前記グランドパターン（１１ｂ）間の厚さが傾斜するように変化していることを特徴とするメタマテリアルアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタマテリアルアンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板の一面に導電パターンを形成し、基板の反対面にグランドパターンを形成したパッチアンテナ（マイクロストリップラインアンテナ）が広く普及している。このようなパッチアンテナでは、電波が伝搬する方向に進むに従い位相が回転する。
【０００３】
また、基板の一面に導電パターンを形成し、基板の反対面にグランドパターンを形成し、導電パターンとグランドパターン間をスルーホールで導通させるようにして、電波の伝搬方向に進んでも位相が回転しないようにしたメタマテリアルアンテナと呼ばれるパッチアンテナが実用化されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＵＳ７９１１３８６  Ｂ１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のメタマテリアルアンテナの構造を図１１に示す。この図に示すように、メタマテリアルアンテナは、基板１１の一面に導体板１１ａを形成し、基板１１の反対面にグランド板１１ｂを形成し、導体板１１ａとグランド板１１ｂ間をスルーホール１１ｃで導通させるように構成されている。
【０００６】
図１１に示したメタマテリアルアンテナの等価回路を図１２に示す。この図に示すメタマテリアルアンテナにおいて、スルーホール１１ｃによるインダクダンス成分をＬ、メタマテリアルアンテナの導体板１１ａとグランド１１ｂ板間のキャパシタンス成分をＣとすると、メタマテリアルアンテナの動作周波数は、ω＝１／√（ＬＣ）として表される。また、誘電率をε、導体板１１ａの面積をＳ、導体板１１ａとグランド板１１ｂ間の厚さをｄとすると、導体板１１ａとグランド板１１ｂ間で形成されるキャパシタンス成分Ｃは、Ｃ＝ε・（Ｓ／ｄ）として表される。
【０００７】
このようなメタマテリアルアンテナにおいて、アンテナの占有面積を縮小化したいという要求がある。しかし、アンテナの占有面積の縮小化のため、導体板１１ａの面積Ｓを小さくすると、導体板１１ａとグランド板１１ｂ間で形成されるキャパシタンス容量Ｃが小さくなり、動作周波数ωが高周波側にシフトしてしまうといった問題が生じる。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑みたもので、動作周波数を変更することなく、導電パターンの専有面積の縮小化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、一面に導電パターン（１１ａ）が形成され、反対面にグランドパターン（１１ｂ）が形成され、導電パターン（１１ａ）とグランドパターン（１１ｂ）間を導通させるスルーホール（１１ｃ）が形成された絶縁層（１１）を有し、給電パターン（１２）への給電に応じて、スルーホール（１１ｃ）のインダクタンス成分と、導電パターン（１１ａ）とグランドパターン（１１ｂ）間のキャパシタンス成分との並列共振により、絶縁層（１１）に形成されたグランドパターン（１１ｂ）に対して垂直で、かつ、導電パターン上の任意の位置で電界が同一方向を向くような偏波を発生するメタマテリアルアンテナであって、スルーホール（１１ｃ）のインダクタンス成分と、導電パターン（１１ａ）とグランドパターン（１１ｂ）間のキャパシタンス成分とで構成されるブロックが複数並列に配列された構造となっており、それぞれのブロックにおいて、スルーホール（１１ｃ）が形成された絶縁層（１１）の第１の領域の周囲に、導電パターン（１１ａ）とグランドパターン（１１ｂ）間の厚さが第１の領域よりも薄い第２の領域を形成してそのブロックにおけるキャパシタンス成分を増加させた構成となっている。そして、前記第１の領域から前記第２の領域にかけて前記導電パターン（１１ａ）と前記グランドパターン（１１ｂ）間の厚さが傾斜するように変化している。
【００１０】
このような構成によれば、スルーホール（１１ｃ）が形成された絶縁層（１１）の第１の領域の周囲に、当該第１の領域よりも導電パターン（１１ａ）とグランドパターン（１１ｂ）間の厚さの薄い第２の領域が形成されており、導電パターンの専有面積を縮小化して導電パターン（１１ａ）とグランドパターン（１１ｂ）間のキャパシタンス成分が小さくなっても、スルーホール（１１ｃ）によるインダクダンス成分が維持されたまま、第２の領域により、導電パターン（１１ａ）とグランドパターン（１１ｂ）間のキャパシタンス成分を大きくすることができるので、動作周波数を変更することなく、導電パターンの専有面積の縮小化を図ることができる。
【００１１】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るメタマテリアルアンテナの構造を示す図である。
【図２】図１中の矢印Ａ方向からメタマテリアルアンテナを見た様子を示した図である。
【図３】図１中の矢印Ｂ方向からメタマテリアルアンテナを見た様子を示した図である。
【図４】本メタマテリアルアンテナのキャパシタンス容量について説明するための図である。
【図５】（ａ）は、図１に示した本実施形態に係るメタマテリアルアンテナの各部の寸法を示した図、（ｂ）は、図１１に示した従来のメタマテリアルアンテナの各部の寸法を示した図である。
【図６】図５（ａ）に示したメタマテリアルアンテナと、図５（ｂ）に示したメタマテリアルアンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数特性を示す図である。
【図７】メタマテリアルアンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数特性を示す図である。
【図８】図５（ａ）に示したメタマテリアルアンテナの第２の領域の導電パターンの厚さｔｔを変化させた場合の、動作周波数の特性を示す図である。
【図９】変形例について説明するための図である。
【図１０】図９中の各構造の電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数特性を示す図である。
【図１１】従来のメタマテリアルアンテナの構造を示す図である。
【図１２】図１１中のメタマテリアルアンテナの等価回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態に係るメタマテリアルアンテナの構造を図１に示す。また、図１中の矢印Ａ方向からメタマテリアルアンテナを見た様子を図２に示す。また、図１中の矢印Ｂ方向からメタマテリアルアンテナを見た様子を図３に示す。
【００１４】
本メタマテリアルアンテナは、アンテナ体格が大きくなるＵＨＦ帯の周波数を使用する車々間通信等のインフラ強調システムに用いられる。なお、本メタマテリアルアンテナは、所謂、左手系メタマテリアル技術を用いて構成されている。
【００１５】
本メタマテリアルアンテナは、誘電体から成る絶縁層１１を有している。絶縁層１１の一面（図２中、上面）には導電パターン１１ａが形成され、絶縁層１１の反対面（図２中、下面）にはグランドパターン１１ｂが形成されている。また、導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂの間には、導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間を導通させるスルーホール１１ｃが形成されている。また、導電パターン１１ａには、給電のための給電パターン１２が接続されている。
【００１６】
また、図２に示すように、絶縁層１１の一面は、スルーホール１１ｃの周囲が絶縁層１１と垂直方向に突出している。換言すると、スルーホール１１ｃが形成された第１の領域の周囲に、当該第１の領域よりも導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間の厚さの薄い第２の領域が形成されている。
【００１７】
本実施形態において、図３中の１段目、２段目、３段目、４段目に示すように、絶縁層１１に形成された１つのスルーホール１１ｃを含む領域を１つのブロックとして説明する。すなわち、本メタマテリアルアンテナは、給電パターン１２に近い一方のブロックを１段目とした４段構成となっている。
【００１８】
本メタマテリアルアンテナは、給電パターン１２への給電に応じて、スルーホール１１ｃのインダクタンス成分と、導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間のキャパシタンス成分との並列共振により、絶縁層１１に形成されたグランドパターン１１ｂに対して垂直で、かつ、導電パターン上の任意の位置で電界が同一方向を向くような偏波を発生する。
【００１９】
ここで、図１１に示した従来のメタマテリアルアンテナの基本構成について説明する。図１１に示した従来のメタマテリアルアンテナは絶縁層１１の厚さが全領域で均一となっている。
【００２０】
また、図１２に示した従来のメタマテリアルアンテナの等価回路において、図中のインダクタンス成分Ｌ１１は、各スルーホール１１ｃのインダクタンス成分であり、キャパシタンス成分Ｃ１は、導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間のキャパシタンス成分である。また、インダクタンス成分Ｌ１２は、スルーホール１１ｃ間の導電パターンのインダクタンス成分である。
【００２１】
メタマテリアルアンテナのスルーホール１１ｃによるインダクダンス成分をＬ、メタマテリアルアンテナの導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間のキャパシタンス成分をＣとすると、メタマテリアルアンテナの動作周波数は、ω＝１／√（ＬＣ）として表される。また、誘電率をε、導電パターン１１ａの面積をＳ、導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間の厚さをｄとすると、導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間で形成されるキャパシタンス成分Ｃは、Ｃ＝ε・（Ｓ／ｄ）として表される。
【００２２】
このようなメタマテリアルアンテナにおいて、アンテナの占有面積の縮小化のため、導電パターン１１ａの面積Ｓを小さくすると、導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間で形成されるキャパシタンス容量Ｃが小さくなり、動作周波数ωが高周波側にシフトしてしまう。
【００２３】
また、導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間の全体の厚さを薄くした場合、動作周波数ωを低周波側にシフトさせることはできるものの、スルーホールにより形成されるインダクダンスＬも小さくなるため、アンテナ性能が低下してしまう。
【００２４】
そこで、本メタマテリアルアンテナは、図４に示すように、スルーホール１１ｃが形成された第１の領域の周囲に、当該第１の領域よりも導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間の厚さの薄い第２の領域を形成することで、動作周波数を変更することなく、アンテナの占有面積の縮小化を図っている。
【００２５】
図４中に示されるメタマテリアルアンテナの導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間で形成されるキャパシタンス容量Ｃは、アンテナの専有面積をＳ、第１の領域の導電パターン１１ａの厚さをｄ、第２の領域の導電パターン１１ａの厚さをｔｔとした場合、図４中の数式１のように表すことができる。
【００２６】
アンテナの専有面積、すなわち導電パターン１１ａの専有面積の縮小化により導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間で形成されるキャパシタンス成分Ｃが減少しても、絶縁層１１の一面に形成された凸部（第１の領域）の両側の（第２の領域）の厚さｄを薄くしてキャパシタンス成分Ｃを増加させることで、ほぼ同じ動作周波数で動作するようになっている。
【００２７】
次に、図５、図６を参照して、図１に示した本実施形態に係るメタマテリアルアンテナと、図１１に示した従来タイプのメタマテリアルアンテナの周波数に対する電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の特性について説明する。
【００２８】
図５（ａ）に、図１に示した本実施形態に係るメタマテリアルアンテナの寸法を示す。図５（ｂ）に、図１１に示した従来のメタマテリアルアンテナの寸法を示す。図５（ａ）に示されているメタマテリアルアンテナの導電パターン１１ａのサイズは、１００ｍｍ×５０ｍｍとなっており、図５（ｂ）に示されているメタマテリアルアンテナの導電パターン１１ａのサイズは、１２０ｍｍ×６０ｍｍとなっている。つまり、図５（ａ）に示されているメタマテリアルアンテナの導電パターン１１ａの専有面積は、図５（ｂ）に示されているメタマテリアルアンテナと比較して約３０パーセント（％）少なくなっている。
【００２９】
図６に、図５（ａ）に示したメタマテリアルアンテナと、図５（ｂ）に示したメタマテリアルアンテナの周波数に対する電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の特性を示す。図５（ａ）に示されているメタマテリアルアンテナは、ＶＳＷＲ＝３としたときの帯域が７メガヘルツ（ＭＨｚ）となっている。また、図５（ｂ）に示されているメタマテリアルアンテナは、ＶＳＷＲ＝３としたときの帯域が１３メガヘルツ（ＭＨｚ）となっている。
【００３０】
また、図５（ａ）に示されているメタマテリアルアンテナ、図５（ｂ）に示されているメタマテリアルアンテナともに、動作周波数は７３０メガヘルツ（ＭＨｚ）〜７５５メガヘルツ（ＭＨｚ）程度となっており、ほぼ同じ動作周波数を実現することができている。
【００３１】
参考として、図１１に示した従来のメタマテリアルアンテナのように絶縁層１１の厚さｄ（ｄ＝６．４ｍｍ）を全領域で一定としたまま、図５（ａ）に示したメタマテリアルアンテナと同様に、導電パターン１１ａのサイズを１００ｍｍ×５０ｍｍまで縮小した場合の周波数に対する電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の特性を図７に示す。
【００３２】
このように、従来のメタマテリアルアンテナのように絶縁層１１の厚さを全領域で一定としたまま、導電パターン１１ａのサイズを単純に縮小した場合、専有面積の縮小化により導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間のキャパシタンス成分Ｃが減少するため、図７に示すように、動作周波数が１０９０メガヘルツ（ＭＨｚ）帯となり、高周波側に大幅にシフトしてしまう。
【００３３】
図８に、図５（ａ）に示したメタマテリアルアンテナの第２の領域の導電パターン１１ａの厚さｔｔを変化させた場合の動作周波数の特性を示す。この図に示すように、第２の領域の導電パターン１１ａの厚さｔｔを薄くするほど動作周波数は低くなる。したがって、第２の領域の導電パターン１１ａの厚さｔｔを最適値に設定することにより、所望の動作周波数を得ることが可能である。
【００３４】
上記した構成によれば、スルーホール１１ｃが形成された絶縁層１１の第１の領域の周囲に、当該第１の領域よりも導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間の厚さの薄い第２の領域が形成されており、導電パターンの専有面積を縮小化して導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間のキャパシタンス成分Ｃが小さくなっても、スルーホール１１ｃによるインダクダンス成分Ｌが維持されたまま、第２の領域により、導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間のキャパシタンス成分Ｃを大きくすることができるので、動作周波数を変更することなく、導電パターンの専有面積の縮小化を図ることができる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々なる形態で実施することができる。
【００３６】
例えば、上記実施形態では、図２に示したように第１の領域における導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間の厚さと第２の領域における導電パターン１１ａとグランドパターン１１ｂ間の厚さを２段階とした構成を示したが、例えば、図９（ａ）に示すような多段構造、図９（ｂ）に示すようなテーパ構造、図９（ｃ）に示すようなＷ型構造等とすることもできる。
【００３７】
図１０に、図９（ａ）〜（ｃ）に示した各構造のメタマテリアルアンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数特性を示す。図１０に示されるように、第２の領域の構造により、メタマテリアルアンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数特性を異ならせることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１１    絶縁層
１１ａ  導電パターン
１１ｂ  グランドパターン
１１ｃ  スルーホール
１２    給電パターン
【図１】
0005842731.tif 000002
【図２】
0005842731.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005842731.tif 000011
【図１１】
0005842731.tif 000012
【図１２】
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