(57)【要約】【課題】ＥＢＧ構造を適用したＭＳＡの放射特性を向上することが可能なアンテナ装置を提供する。【解決手段】マイクロストリップアンテナ１０２を挟んで平行に配列された複数の金属パッチの列を備えたアンテナ装置である。金属パッチ１０４はマイクロストリップアンテナ１０２より共振周波数が高く、マイクロストリップアンテナ１０２の一方向の両側に少なくとも２列配列されている。また、マイクロストリップアンテナの給電点Ｐから辺ｂの一方までの距離ｄは、マイクロストリップアンテナ１０２の中心から当該辺ｂまでの距離より短い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロストリップアンテナを挟んで平行に配列された複数の金属パッチの列を備えたアンテナ装置であって、
前記複数の金属パッチは前記マイクロストリップアンテナより共振周波数が高く、前記マイクロストリップアンテナの両側に少なくとも２列配列されており、前記金属パッチの列に含まれた隣接する金属パッチの中心間の距離は全て等しいことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記マイクロストリップアンテナの片側に配置された金属パッチの列の中心軸間の距離は、前記金属パッチの列に含まれた隣接する金属パッチの中心間の距離と等しいことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記金属パッチの列は、前記マイクロストリップアンテナが発生させる電界の向きと垂直に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記マイクロストリップアンテナは長方形であり、前記金属パッチの列は前記長方形の短辺と平行に配列されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記マイクロストリップアンテナの中心から、該マイクロストリップアンテナに最も近い前記金属パッチの列の中心を通る軸までの距離は、前記マイクロストリップアンテナの共振波長の０．４〜０．８倍であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記金属パッチの列に含まれる金属パッチの数は３以上であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置に関し、より詳細には、マイクロストリップアンテナとＥＢＧ構造とを用いたアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アンテナ技術は、移動通信を含む無線通信技術を支えるキー・テクノロジーの１つである。アンテナ技術のうち、マイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）を含む平面アンテナが最近特に注目を集めている。その主な理由は、フォトエッチング技術により構成されるため大量生産に適している、平面構造を有するためコンパクトに構成できる、設計性・装着性に優れているといった多様な利点があることによる。
【０００３】
ＭＳＡは、地板上に方形または円形の金属エレメントを設けた非常に薄いアンテナである。このアンテナは金属エレメント側に指向性があるが、単体では不要放射によりそれほど鋭い主ビームが得られない。
【０００４】
ＭＳＡの不要放射を抑制する技術として、無給電パッチを近接して配置する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。更に、狭間隔で周期的に配列された金属パッチにより構成されたＥＢＧ（電磁バンド−ギャップ）構造が、マイクロ波コンポーネントやアンテナに適用するために近年盛んに研究されている。
【０００５】
ＥＢＧ構造は周波数バンド抑圧の特長を有しており、電波の不要放射を抑えることが可能である。有限地板上のＭＳＡでは、エッジの回折がリップルと背面放射として放射パターンに影響する。このため、ＭＳＡを実装した基板にＥＢＧ構造を適用すると、不要放射を抑えることができると考えられている。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２４６８５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＥＢＧ構造は、不要放射の抑制という効果を有しているが、従来考えられている構造では放射方向の利得を向上させることができていないという問題があった。
【０００８】
ＭＳＡの利得を向上する方法としては、アンテナ素子を複数配置し、それぞれに給電する方法(アレーアンテナ)が広く用いられている。しかしながら、アレーアンテナは各アンテナに電力を供給する必要があり、多素子アレーアンテナの場合には給電回路が複雑になり損失の要因となっている。
【０００９】
この問題は、従来のＥＢＧ構造において主たる放射特性を向上させる構成法が明らかにされていなかったことに起因している。
【００１０】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＥＢＧ構造を適用したＭＳＡの放射特性を向上することが可能な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】
【００１１】
このような目的を達成するために、本発明では、ＥＢＧ構造をＭＳＡの両側に配置したアンテナにおいて、そのＥＢＧ列を指向性利得が最大になるような距離に配置した。
【００１２】
本発明の一実施形態によれば、本発明に係るアンテナ装置は、マイクロストリップアンテナを挟んで平行に配列された複数の金属パッチの列を備えたアンテナ装置であって、前記複数の金属パッチは前記マイクロストリップアンテナより共振周波数が高く、前記マイクロストリップアンテナの両側に少なくとも２列配列されており、前記金属パッチの列に含まれた隣接する金属パッチの中心間の距離は全て等しい。
【００１３】
このような構成により、利得を向上させ、指向性を鋭くすることが可能となる。
【００１４】
ここで、マイクロストリップアンテナの片側に配置された金属パッチの列の中心軸間の距離は、前記金属パッチの列に含まれた隣接する金属パッチの中心間の距離と等しいものとすることができる。
【００１５】
また、金属パッチの列は、前記マイクロストリップアンテナが発生させる電界の向きと垂直に配置されているものとすることができる。
【００１６】
また、マイクロストリップアンテナは長方形であり、前記金属パッチの列は前記長方形の短辺と平行に配列されているものとすることができる。
【００１７】
ここで、前記マイクロストリップアンテナの中心から、該マイクロストリップアンテナに最も近い前記金属パッチの列の中心を通る軸までの距離は、前記マイクロストリップアンテナの共振波長の０．４〜０．８倍であることが好ましい。
【００１８】
また、前記金属パッチの列に含まれる金属パッチの数は３以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、不要放射を抑制するＥＢＧ構造を適用したＭＳＡにおいて、給電損失がなくなり所望放射方向の利得が向上するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２１】
図１および図２は、本実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す。これらの図に示すように、アンテナ装置は、矩形のＭＳＡ１０２と、当該ＭＳＡとほぼ同一平面上に、当該ＭＳＡの１辺と平行に配列された複数の矩形の金属パッチ１０４とを含んでいる。これら２種類の金属エレメントは、銅製または真鍮製とすることができる。
【００２２】
ＭＳＡ１０２の横の長さａおよび縦の長さｂには、ａ＞ｂという関係がある。また、金属パッチ１０４は、ＭＳＡ１０２よりも高い共振周波数を有する。
【００２３】
アンテナ装置の背面には、ＭＳＡ１０２と金属パッチ１０４より面積の広い接地金属面１０８が設けられている。この接地金属面１０８も金属エレメントと同様に、銅製または真鍮製とすることができる。複数の金属パッチ１０４は距離ｈを隔てて接地金属面１０８に接続したマッシュルーム型ＥＢＧ構造を構成しており、ＭＳＡ１０２の一方向の両側に２列ずつ周期（金属パッチの中心間の距離）Ｔで配列されている。
【００２４】
以下、金属パッチを周期的に配列した構造をＥＢＧ構造と呼び、ＥＢＧ構造に含まれる金属パッチの各列をＥＢＧ列と呼ぶ。この場合において、金属パッチはＥＢＧ要素とも呼ばれる。
【００２５】
図１に示す例では、ＥＢＧ列１０６がＭＳＡ１０２の左右両側に、Ｙ軸に平行に配置されている。以下、このような配置を「Ｙ−配置」という。ここで、ＥＢＧ列１０６はそれぞれ６個のＥＢＧ要素１０４で構成される。
【００２６】
図２に示す例では、ＥＢＧ列１０６がＭＳＡ１０２の上下に、Ｘ軸に平行に配置されている。以下、このような配置を「Ｘ−配置」という。ここで、ＥＢＧ列１０６はそれぞれ６個のＥＢＧ要素１０４で構成される。
【００２７】
図３を参照し、ＥＢＧ列の数え方について説明する。ＥＢＧ列は、ＭＳＡを挟む形でＭＳＡの中心から対称的に配置された１対の列を１列と数える。従って、ＥＢＧ３０４がＭＳＡ３０２の両側に２列ずつ配置されている場合に、ＥＢＧ列３０６は２列となる。
【００２８】
ＥＢＧ３０４が縦に配列されている場合は、全て周期Ｔで配列される。ＥＢＧ列３０６が２以上の場合には、横方向にもＥＢＧ構造が配列されるが、このときの配列の周期も、縦方向と同じくＴとなる。即ち、ＭＳＡ３０２の片側に配置された金属パッチの列３０６の中心軸間の距離は、金属パッチの列３０６に含まれた隣接する金属パッチ３０４の中心間の距離と等しくＴである。
【００２９】
再び図１および図２を参照すると、ＥＢＧ構造と方形ＭＳＡの間の距離ｄは、最も近いＥＢＧ列の中心を通る軸とＭＳＡの中心間の距離と定義される。距離ｄは、後述するようにＭＳＡの共振波長の０．４〜０．８倍であることが望ましい。
【００３０】
また、図１に示す例では、辺ｂの一方の中点から延びる垂線上であって、辺ｂからの距離ｃの位置Ｐに給電点が位置し、給電ラインＬを介して電力が供給される。このように給電点を配置すると、ＭＳＡ１０２内で図面横方向に電流が流れて電界の向き（Ｅ方向）が図面横方向に発生する。ＥＢＧ列は、マイクロストリップアンテナが発生させる電界の向きと平行な配置（Ｈ−面配置）ではなく、電界の向きと垂直な配置（Ｅ−面配置）とする。
【００３１】
本実施形態に係るアンテナ装置を実際に製造する場合、ＭＳＡおよび金属パッチは、銅または真鍮の金属板を切り取ることにより形成することができる。この場合、金属パッチと短絡ピンとの接続、および有限地板と短絡ピンとの接続は、半田付けにより行うことができる。また、有限地板に穴を開けて給電ラインを通し、当該給電ラインの一端にＭＳＡを半田付けにより接続することができる。
【００３２】
以上述べた以外にも、種々の実施形態が可能である。
【００３３】
例えば、上述の実施形態では接地金属面と、ＭＳＡおよびＥＢＧ構造との間には何も設けられていないが、テフロン（登録商標）（ＰＴＦＥ）基板やＢＴレジン基板などの誘電体基板上にＭＳＡ等を設けることとしてもよい。この場合、ＭＳＡやＥＢＧ構造等の金属エレメントを誘電体基板上にエッチングで形成することが可能である。
【００３４】
また、上述の実施形態ではマッシュルーム型ＥＢＧ構造を例に挙げたが、接地されていないＥＢＧ構造を採用しても本発明の効果を奏することができる。
【００３５】
また、上述の実施形態では、辺ｂの一方の中点から延びる垂線上であって、辺ｂからの距離ｃの位置Ｐに給電点が位置するが、給電点は更に上下方向にずれて、辺ａのいずれか一方の近くに位置してもよい。この場合は電界の向きが図面縦方向にも発生するので、図1のようにＭＳＡの左右にＥＢＧ列を配置するだけでなく、上下にもそれぞれ２列のＥＢＧ列を配置したほうが、効果が高くなる。
【００３６】
本発明は、ＭＳＡが正方形、円形、楕円形のいずれでも効果を奏することができる。但し、ＥＢＧ列をＥ−面配置とした場合に効果が高い。
【００３７】
以上述べた形態以外にも種々の変形が可能である。しかしながら、特許請求の範囲に記載された技術思想に基づくものである限り、その変形は本発明の技術範囲内となる。
【００３８】
以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例】
【００３９】
図１に示すアンテナ装置について、シミュレータ（ＰＬＡＮＣ−ＭＭ）を用いて解析を行った。解析モデルは、材料を理想的な金属とし、ＭＳＡが周波数２．０ＧＨｚで動作するように設計した。ＭＳＡのサイズは、ａ＝６６ｍｍ、ｂ＝５０ｍｍ、ｃ＝７．５ｍｍとした。そして、ＥＢＧ金属パッチの幅ｗを３０ｍｍとし、半径ｒが１ｍｍである短絡ピンによってショートした。配列の周期Ｔは３２ｍｍとした。また、ＭＳＡおよび金属パッチは、無限大の地板から距離ｈ＝１０ｍｍ離して配置した。これらのパラメータは、ＭＳＡの共振周波数における禁止帯の特性を持つように選ばれている。
【００４０】
図４は、図１に示すようにＹ−配置のＥＢＧ構造がＭＳＡの左右両側に位置しているときのＥ−面放射パターン（ｘ−ｚ面）を示す。ＥＢＧ列の数は、図４（ａ）の場合は１列であり、図４（ｂ）の場合は３列である。１列のＥＢＧ構造のＭＳＡの放射パターンは、図４（ａ）で示されるようにＥＢＧ構造の影響で劣化した。他方、３列のＥＢＧ構造ＭＳＡの放射パターンは図４（ｂ）で示されるように改善され、指向性利得はより高くなった。
【００４１】
図５は、図１に示すようにＹ−配置のＥＢＧ列がＭＳＡの左右両側に位置しているときの距離ｄと指向性の利得との関係を示す。図５のパラメータはＥＢＧ列の数である。図５より、ＭＳＡが距離ｄ＝０．４λ〜０．８λにおいて指向性利得が向上し、ｄ＝０．５５λ〜０．６λのときに最大指向性になることがわかった。そして、ＥＢＧ列の数が増加するに従って、ＥＢＧ構造ＭＳＡの最大指向性利得は、より向上した。ここで、ＭＳＡ単体の指向性利得は９．２ｄＢｉである。従って、ＥＢＧ構造を適用したＭＳＡの最大指向性利得はＭＳＡ単体よりおよそ２ｄＢ向上した。
【００４２】
図６はＥＢＧ列数と最大指向性利得（ｄＢｉ）との関係を示す。Ｙ−配置の場合には、ＥＢＧ列数が増加するに従って、最大指向性利得が増加した。また、ＥＢＧ構造を適用したＭＳＡの指向性利得は、ＥＢＧ構造のないＭＳＡの指向性利得より高くなった。本実施例に係るＥＢＧ構造による指向性利得の改善は、４列のＹ−配置のＥＢＧ構造の場合において２．１ｄＢであった。
【００４３】
図７は、指向性利得が最大であるときのＥＢＧ列数と最適な距離ｄoptとの関係を示し、縦軸は最適な距離ｄoptを波長λで割った値としている。同図から、最適な距離ｄoptはＥＢＧ構造の配置に依存していることがわかった。また、Ｘ−配置のＥＢＧ列数が２から４であるときに、距離ｄoptが０．８λであることがわかった。更に、Ｙ−配置ＥＢＧ構造の最適な距離ｄoptはＸ−配置ＥＢＧ構造のそれより狭いことがわかった。
【００４４】
図８は、最大指向性利得のときのＭＳＡの放射パターンを示す。図８（ａ）はＹ−配置ＥＢＧ構造におけるＥ−面放射パターン（ｘ−ｚ面）を示し、図８（ｂ）はＸ−配置ＥＢＧ構造におけるＨ−面放射パターン（ｙ−ｚ面）を示す。ＥＢＧ列数が増加するに従って、主ビームが鋭くなり、特にＹ−配置のＥＢＧ構造を適用したＭＳＡにおいて効果が顕著であることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、屋内基地局アンテナやブースター用アンテナとしての利用価値が高く、それらのサービス品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図３】ＥＢＧ列の数え方を説明するための図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施例にかかるＹ−配置のＥＢＧ構造がＭＳＡの両側に位置しているときのＥ−面放射パターン（ｘ−ｚ面）を示す図である。
【図５】アンテナ装置の解析モデルにおける、Ｙ−配置のＥＢＧ列がＭＳＡの両側に位置しているときの距離ｄと指向性の利得との関係を示す図である。
【図６】アンテナ装置の解析モデルにおける、ＥＢＧ列数と最大指向性利得との関係を示す図である。
【図７】アンテナ装置の解析モデルにおける、指向性利得が最大であるときのＥＢＧ列数と最適な距離ｄoptとの関係を示す図である。
【図８】（ａ）はアンテナ装置の解析モデルにおけるＹ−配置ＥＢＧ構造のＥ−面放射パターン（ｘ−ｚ面）を示す図、（ｂ）はアンテナ装置の解析モデルにおけるＸ−配置ＥＢＧ構造のＨ−面放射パターン（ｙ−ｚ面）を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０２  マイクロストリップアンテナ
１０４  金属パッチ
１０６  ＥＢＧ列
３０２  マイクロストリップアンテナ
３０４  金属パッチ
３０６  ＥＢＧ列
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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