(57)【要約】【課題】スロットアンテナ装置において接地構造に起因して放射動作が不安定になることを防止する。【解決手段】広帯域スロットアンテナ装置は、接地導体１０３と、接地導体１０３において放射方向に沿って形成された片端開放のスロット１１１と、スロット１１１と少なくとも一部で交差してスロット１１１に高周波信号を給電する高周波給電線路１１３と、外部回路に接続される平衡給電線路３０３ａ，３０３ｂと、高周波給電線路１１３及び平衡給電線路３０３ａ，３０３ｂの間に接続さられ、能動素子を含み、接地導体１０３に接続された高周波信号処理回路３０１とを含む。接地導体１０３は、スロット１１１を通りかつ放射方向に平行な軸に対して対称に構成され、接地導体１０３の＋Ｘ側の辺において接地導体１０３の対称の軸上に、外部回路の接地に接続される接地端子１１７Ｇを備え、接地端子１１７Ｇは接地導体１０３の対称の軸上に設けられる。【選択図】図１
2008306709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射方向に向いた第１の部分と、上記第１の部分以外の第２の部分とを含む外周を有する接地導体と、
上記接地導体の外周の第１の部分の中央を開放端とするように、上記接地導体において上記放射方向に沿って形成された片端開放のスロットと、
上記接地導体に近接するストリップ導体を備えて構成され、上記スロットと少なくとも一部で交差して上記スロットに高周波信号を給電する第１の給電線路と、
上記接地導体に近接するストリップ導体を備えて構成され、外部回路に接続される第２の給電線路と、
第１及び第２の給電線路の間に接続され、上記接地導体に接続され、能動素子を含み、送受信される高周波信号に対して所定の処理を行う信号処理手段とを備えたスロットアンテナ装置であって、
上記接地導体は、上記スロットを通りかつ上記放射方向に平行な軸に対して対称に構成され、上記接地導体の外周の第２の部分において上記接地導体の対称の軸上に、上記外部回路の接地に接続される接地端子を備え、
上記接地端子は、上記接地導体の対称の軸上に設けられたことにより、上記接地導体の不平衡モードのインピーダンスに対して高い入出力インピーダンスを有することを特徴とするスロットアンテナ装置。
【請求項２】
上記第１の給電線路は開放端で終端され、
上記第１の給電線路において、上記開放端から、動作帯域の中心周波数における４分の１実効波長の長さにわたる領域は、５０Ωよりも高い特性インピーダンスを有するインダクティブ領域として構成され、
上記インダクティブ領域のほぼ中央において上記第１の給電線路と上記スロットが交差することを特徴とする請求項１記載のスロットアンテナ装置。
【請求項３】
上記第１の給電線路は、上記スロット付近の第１の地点において、少なくとも２本の分岐線路を含む分岐線路群に分岐され、上記分岐線路群のうちの少なくとも２本の分岐線路は、上記第１の地点とは異なる上記スロット付近の第２の地点において相互に接続され、上記第１の給電線路に少なくとも１つのループ配線を形成し、
上記少なくとも１つのループ配線の各ループ長のうちの最大値は、動作帯域の上限周波数における１実効波長未満の長さに設定され、
上記分岐線路群のうち、上記ループ配線を形成せずに開放端で終端されるすべての分岐線路の分岐長は、上記動作帯域の上限周波数において４分の１実効波長未満であることを特徴とする請求項１又は２記載のスロットアンテナ装置。
【請求項４】
上記各ループ配線は上記スロットと上記接地導体との境界線と交差し、上記スロットは、上記境界線と上記ループ配線とが交差する地点であって、上記スロットの開放端からそれぞれ異なる距離を有する２点以上の地点において励振されることを特徴とする請求項３記載のスロットアンテナ装置。
【請求項５】
上記接地導体は、上記接地導体の外周の第１の部分において、上記スロットの開放端から上記外周の第１の部分の両端までの距離が上記スロットの共振周波数における４分の１実効波長以上の長さにそれぞれなるように構成され、これにより、上記接地導体は上記スロットの共振周波数よりも低い周波数で動作することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のスロットアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波帯及びミリ波帯などのアナログ高周波信号、もしくはデジタル信号を送信、受信するスロットアンテナ装置に関し、特に、接地構造に起因して放射動作が不安定になることを防止したスロットアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二つの理由から、従来よりもはるかに広い帯域で動作可能な無線デバイスが必要となっている。第１の理由は、広大な周波数帯域の使用が認可された新規な近距離無線向け通信システム、すなわちウルトラワイドバンド（以下、ＵＷＢという。）無線通信システムを実現するためであり、第２の理由は、異なる周波数を用いて乱立する複数の通信システムを一台の端末で利用するためである。
【０００３】
例えば米国においてＵＷＢ向けに認可された３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚまでの周波数帯域は、動作帯域の中心周波数ｆ０で規格化した比帯域に換算すると、１０９．５％という広大な帯域を示す値に相当している。一方、基本的なアンテナとして知られるパッチアンテナや２分の１実効波長スロットアンテナの動作帯域は、比帯域換算ではそれぞれ５％未満、１０％未満でしかなく、ＵＷＢのような広帯域性は実現できない。また、現在世界で無線通信用に使用されている周波数帯域を例にとると、１．８ＧＨｚ帯から２．４ＧＨｚ帯を同一アンテナでカバーするためには３０％程度の比帯域が実現できなければならず、また、８００ＭＨｚ帯及び２ＧＨｚ帯を同時にカバーする場合には、同様に９０％程度の比帯域が実現できなければならない。さらに、８００ＭＨｚ帯から２．４ＧＨｚ帯まで同時にカバーするためには、１００％以上の比帯域が必要となる。同一端末で同時に扱うシステム数が増加し、カバーすべき周波数帯域が広がるほど、広帯域な小型アンテナの実現が望まれることになる。
【０００４】
また、高速通信システム用に設計されるアンテナの給電線路や高周波デバイスの回路に利用する伝送線路として、耐ノイズ性に優れ、低電圧駆動が可能な平衡線路の適用が検討されている。従来使用されてきた不平衡線路が平面状の接地導体と１本のストリップ状の信号線路導体とによって形成されるのに対し、平衡線路は平面状の接地導体と２本の平行なストリップ状の信号線路導体とによって形成される。平衡線路では、誘電体基板上の同一平面内に設けた二本の信号線路間の電位差として信号を伝送するために、特有の入出力端子の構造及び回路が必要となる。高速な通信システムに適した高周波デバイスを設計するために、アンテナの給電線路や、給電線路に接続して用いるアンテナスイッチや増幅器などの能動デバイス、帯域通過フィルタなどの受動デバイスに平衡線路を適用することができる。
【０００５】
図３４Ａ、図３４Ｂ及び図３４Ｃに模式図を示す片端開放４分の１実効波長スロットアンテナは、最も基本的な平面アンテナの一つである（以下、第１の従来例という。）。図３４Ａは、一般的な４分の１実効波長スロットアンテナの構造を示す上面模式図であり（裏面の接地導体１０３を透視により示す）、図３４Ｂは、図３４Ａのスロットアンテナの断面模式図であり、図３４Ｃは、図３４Ａのスロットアンテナの裏面の構造を透視により示す模式図である。図３４Ａ、図３４Ｂ及び図３４Ｃに示すように、誘電体基板１０１の表面に給電線路１１３があり、裏面側にある無限の接地導体１０３の外縁１０５ａから奥行き方向１０９ａに幅Ｗｓ及び長さＬｓを有する切り欠きが形成され、この切り欠きは、開放端１０７にて先端が開放されたスロット共振器１１１として機能する。スロット１１１は、接地導体１０３の一部の領域において導体を厚み方向に完全に除去して得られる回路要素であり、実効波長の４分の１がスロット長Ｌｓに相当するときの周波数ｆｓ付近で共振する。幅方向１０９ｂに形成された給電線路１１３はスロット１１１と一部で交差し、スロット１１１を電磁気的に励振する。外部回路とは入力端子を介して接続される。なお、給電線路１１３の先端開放終端点１１９からスロット１１１までの距離Ｌｍは、入力インピーダンスの整合を図るために、周波数ｆｓにおいて４分の１実効波長程度となるよう設定されることが一般的である。また、給電線路１１３の特性インピーダンスが５０Ωに設定されるように、線路幅Ｗ１は基板の厚さＨ及び基板の誘電率に応じて設計されることが一般的である。
【０００６】
図３５Ａ、図３５Ｂ及び図３５Ｃに示すように、特許文献１においては、第１の従来例に示した４分の１実効波長スロットアンテナを複数の共振周波数で動作させるための構造が開示されている（以下、第２の従来例という。）。スロット１１１はスロット長Ｌｓを有し、開放端から距離Ｌｓ２の位置の点１６ａ及び１６ｂを高周波的に接続するように容量性リアクタンス素子１６を備える。給電点１５において複数の共振周波数で励振させると、図３５Ｂ及び図３５Ｃに示すように異なるスロット長Ｌｓ、Ｌｓ２で動作し、帯域を広げることができる。しかしながら、特許文献１内で示された周波数特性では、現在望まれているほどの超広帯域特性を得るに至らない。
【０００７】
非特許文献１では、２分の１実効波長スロットアンテナである両端短絡スロット共振器を広帯域に動作させる方法が開示された（以下、第３の従来例という。）。図３６は、非特許文献１に記載のスロットアンテナの構造を示す上面模式図であり、図３６では、基板の裏面の接地導体１０３及びスロット１１１を透視により示す。接地導体１０３には、所定幅Ｗｓと二分の一実効波長に相当する長さＬｓとを有するスロット１１１が形成され、スロット１１１は、その中心から距離ｄだけオフセットした位置５１ａにおいて給電線路１１３と結合している。従来のスロットアンテナの入力インピーダンス整合方法としては、給電線路１１３の先端開放終端点１１９から周波数ｆｓに対して４分の１実効波長となる位置において給電線路１１３をスロット共振器１１１と交差させ、励振する方法が採用されてきた。しかし、図３６に示すように、第３の従来例では、給電線路１１３の先端開放終端点１１９から距離Ｌｉｎｄにわたる領域を、５０Ωよりも高い特性インピーダンスを有する伝送線路であるインダクティブ領域１２１へ置換し、得られるインダクティブ領域１２１のほぼ中央でスロット１１１と結合している（すなわち、図３６において距離ｔ１、ｔ２はほぼ等しい）。ここで、インダクティブ領域１２１の幅Ｗ２は給電線路１１３の幅よりも狭い所定幅に設定され、その長さＬｉｎｄは動作帯域の中心周波数ｆ０における４分の１実効波長に設定され、インダクティブ領域１２１はスロット共振器とは別の４分の１波長共振器として機能する。この結果、通常のスロットアンテナでは単一だった等価回路構造内の共振器数が二つに増え、且つ、近接した周波数で共振する共振器同士を結合させることにより複共振動作を得ている。非特許文献１中の図２（ｂ）に示す例では、比帯域３２％（４．１ＧＨｚ付近から５．７ＧＨｚ付近）で−１０ｄＢ以下の良好な反射インピーダンス特性が得られている。非特許文献１内図４の周波数に対する反射特性の実測結果において比較されているように、第３の従来例のアンテナの比帯域は、同一基板条件で作製したという通常のスロットアンテナの比帯域９％よりもはるかに広帯域である。
【０００８】
また、図３７は、非特許文献２に記載の携帯電話用アンテナの測定方法を示す概念図である（以下、第４の従来例という。）。ネットワークアナライザ１により試験対象の携帯電話機２を測定するとき、従来では、高周波（ＲＦ）ケーブル等の高周波の不平衡給電回路を介してこれらを接続していた。しかしながら、非特許文献２によれば、アンテナ動作のために確保できる接地導体の面積が有限である小型の通信端末においては、不平衡給電回路を用いて給電すると、接地導体に生じた不平衡接地導体電流が測定装置内の給電回路の接地導体へ逆流し、放射特性やインピーダンス特性の測定精度自体が影響を受けるということが報告されている。このため、図３７に示すように、非特許文献２においては、高周波の不平衡給電回路による給電を行わず、携帯電話機２内に入力端子及び出力端子としてフォトダイオード（ＰＤ）２ａ及び発光ダイオード（ＬＤ）２ｃを設け、さらにネットワークアナライザ２側にも発光ダイオード４及びフォトダイオード５を設け、光ファイバ（図３７では点線で示す。）によりこれらを接続している。ネットワークアナライザ２から出力される信号Ｓ１と、アンテナ３の給電点Ｓ３から反射されてネットワークアナライザ２に入力される信号Ｓ２とを、それぞれ別の光ファイバで伝達させる。アンテナ３に対する入射波と反射波はサーキュレータ２ｂによって分離される。光ファイバを用いたことにより給電時に携帯電話機２内の接地導体を給電系と孤立させることができ、小型アンテナにおける不平衡接地導体電流の悪影響を回避した測定を実現することができる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−３３６３２８号公報。
【非特許文献１】L. Zhu, et al., "A Novel Broadband Microstrip-Fed Wide Slot Antenna With Double Rejection Zeros", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 2, pp. 194-196, 2003.
【非特許文献２】深沢ほか，「光ファイバーを用いた携帯端末用アンテナのインピーダンス測定」，２００３年電子情報通信学会総合大会講演論文集，Ｂ−１−２０６，２０６ページ，２００３年。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、従来のスロットアンテナにおいては広帯域化が十分ではなかった、それだけでなく、仮に小型な形状で広帯域性を実現できたとしても、放射特性や入力インピーダンス特性はアンテナと外部の不平衡給電回路との接続状況に依存した不安定なものになるので、アンテナを無線通信端末装置に搭載した際の特性を把握することが困難であった。
【００１１】
第１に、第１の従来例のように、その構造内に単一の共振器しか有さない通常の片端開放スロットアンテナの場合、共振モードで動作する帯域が制限されるので、良好な反射インピーダンス特性が得られる周波数帯域は、１０％弱程度の比帯域に限られる。
【００１２】
第２の従来例においては、スロットへの容量性リアクタンス素子の導入により広帯域動作を実現しているものの、チップコンデンサなどの追加部品が必要になること、また新たに導入された追加部品の特性ばらつきによりアンテナの特性がばらつくことが容易に想像される。また、特許文献１内の図１４や図１８に開示された例より判断すれば、低反射な入力インピーダンス整合特性を超広帯域に実現することは困難である。
【００１３】
第３の従来例においては、比帯域特性は３５％程度に限られている。また、２分の１実効波長共振器である両端短絡スロット共振器の使用は、４分の１実効波長共振器である片端開放スロット共振器を使用する第１の従来例や第２の従来例のアンテナと比較すると、小型化の点で不利である。
【００１４】
そこで、第１又は第２の従来例に係る４分の１実効波長スロットアンテナの設計に、第３の従来例に係る複共振動作の原理を導入したとしても、非特許文献２で指摘されたように、アンテナ動作時には、アンテナに対して接続される不平衡給電回路の接地導体に不平衡接地導体電流が逆流してしまう。アンテナの放射特性や入力インピーダンス特性は、不平衡接地導体電流が流れる不平衡給電回路の形状に依存して、例えば特性把握のためにアンテナに接続する同軸ケーブルの長さに依存して変化してしまう。特に、放射特性は、外部回路の状況により劇的に特性が変化してしまう。
【００１５】
本発明の目的は、以上の課題を解決し、片端開放スロットアンテナを基本構成とした小型広帯域スロットアンテナ装置であって、従来よりも広帯域動作を可能とし、且つ、接地構造（すなわち外部回路との接続）に起因して放射動作が不安定になる要因を除去し、安定動作を実現したスロット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】
【００１６】
本発明の態様に係るスロットアンテナ装置は、
放射方向に向いた第１の部分と、上記第１の部分以外の第２の部分とを含む外周を有する接地導体と、
上記接地導体の外周の第１の部分の中央を開放端とするように、上記接地導体において上記放射方向に沿って形成された片端開放のスロットと、
上記接地導体に近接するストリップ導体を備えて構成され、上記スロットと少なくとも一部で交差して上記スロットに高周波信号を給電する第１の給電線路と、
上記接地導体に近接するストリップ導体を備えて構成され、外部回路に接続される第２の給電線路と、
第１及び第２の給電線路の間に接続され、上記接地導体に接続され、能動素子を含み、送受信される高周波信号に対して所定の処理を行う信号処理手段とを備えたスロットアンテナ装置であって、
上記接地導体は、上記スロットを通りかつ上記放射方向に平行な軸に対して対称に構成され、上記接地導体の外周の第２の部分において上記接地導体の対称の軸上に、上記外部回路の接地に接続される接地端子を備え、
上記接地端子は、上記接地導体の対称の軸上に設けられたことにより、上記接地導体の不平衡モードのインピーダンスに対して高い入出力インピーダンスを有することを特徴とする。
【００１７】
上記スロットアンテナ装置において、
上記第１の給電線路は開放端で終端され、
上記第１の給電線路において、上記開放端から、動作帯域の中心周波数における４分の１実効波長の長さにわたる領域は、５０Ωよりも高い特性インピーダンスを有するインダクティブ領域として構成され、
上記インダクティブ領域のほぼ中央において上記第１の給電線路と上記スロットが交差することを特徴とする。
【００１８】
また、上記スロットアンテナ装置において、
上記第１の給電線路は、上記スロット付近の第１の地点において、少なくとも２本の分岐線路を含む分岐線路群に分岐され、上記分岐線路群のうちの少なくとも２本の分岐線路は、上記第１の地点とは異なる上記スロット付近の第２の地点において相互に接続され、上記第１の給電線路に少なくとも１つのループ配線を形成し、
上記少なくとも１つのループ配線の各ループ長のうちの最大値は、動作帯域の上限周波数における１実効波長未満の長さに設定され、
上記分岐線路群のうち、上記ループ配線を形成せずに開放端で終端されるすべての分岐線路の分岐長は、上記動作帯域の上限周波数において４分の１実効波長未満であることを特徴とする。
【００１９】
さらに、上記スロットアンテナ装置において、上記各ループ配線は上記スロットと上記接地導体との境界線と交差し、上記スロットは、上記境界線と上記ループ配線とが交差する地点であって、上記スロットの開放端からそれぞれ異なる距離を有する２点以上の地点において励振されることを特徴とする。
【００２０】
またさらに、上記スロットアンテナ装置において、上記接地導体は、上記接地導体の外周の第１の部分において、上記スロットの開放端から上記外周の第１の部分の両端までの距離が上記スロットの共振周波数における４分の１実効波長以上の長さにそれぞれなるように構成され、これにより、上記接地導体は上記スロットの共振周波数よりも低い周波数で動作することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の広帯域スロットアンテナ装置によれば、従来のスロットアンテナにおいては実現困難だった広帯域動作を得ることができるだけでなく、アンテナに接続される外部の不平衡給電回路との接続によって生じる放射特性の不安定さを除去し、安定して動作させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面において、同一の符号は同様の構成要素を示す。
【００２３】
第１の実施形態．
図１は、本発明の第１の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線における断面模式図である。図１及び他の上面模式図では、基板１０１の裏面の構造を透視により（すなわち点線で）示す。説明のために、各図面に示すようなＸＹＺ座標を参照する。
【００２４】
本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置は、放射方向（すなわち−Ｘ方向）に向いた第１の部分と、それ以外の第２の部分とを含む外周を有する接地導体１０３と、接地導体１０３の外周の第１の部分の中央を開放端１０７とするように、接地導体１０３において放射方向に沿って形成された片端開放のスロット１１１と、接地導体１０３に近接するストリップ導体を備えて構成され、スロット１１１と少なくとも一部で交差してスロット１１１に高周波信号を給電する高周波給電線路１１３と、接地導体１０３に近接するストリップ導体を備えて構成され、外部回路に接続される平衡給電線路３０３ａ，３０３ｂと、高周波給電線路１１３及び平衡給電線路３０３ａ，３０３ｂの間に接続され、接地導体１０３に接続され、能動素子を含み、送受信される高周波信号に対して所定の処理を行う高周波信号処理回路３０１とを備えて構成される。さらに、本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置において、接地導体１０３は、スロット１１１を通りかつ放射方向に平行な軸に対して対称に構成され、接地導体１０３の外周の第２の部分において接地導体１０３の対称の軸上に、外部回路の接地に接続される接地端子１１７Ｇを備え、接地端子１１７Ｇは、接地導体１０３の対称の軸上に設けられたことにより、接地導体１０３の不平衡モードのインピーダンスに対して高い入出力インピーダンスを有することを特徴とし、これにより、接地構造（すなわち、外部接地導体構造へ接続される接地端子位置）に起因して放射動作が不安定になることを防止することができる。
【００２５】
図１を参照すると、誘電体基板１０１の裏面には、有限の面積と所定形状とを有する接地導体１０３が形成されている。接地導体１０３は、一端が開放されたスロット１１１を形成する１つの辺と、それ以外の他の複数の辺とを備えて、実質的に多辺形形状に構成される。本実施形態の場合、接地導体１０３は長方形であり、−Ｘ側の辺１０５ａ１、１０５ａ２と、＋Ｘ側の辺１０５ｂと、＋Ｙ側の辺１０５ｃと、−Ｙ側の辺１０５ｄとを含む。接地導体１０３の−Ｘ側の辺の中点付近（すなわち、−Ｘ側の辺の第１の部分１０５ａ１と第２の部分１０５ａ２との間）において上記辺に直交する方向（すなわち＋Ｘ方向）に接地導体１０３を切り欠いて、幅Ｗｓ及び長さＬｓを有する矩形形状のスロット１１１が形成される。従って、スロット１１１の−Ｘ側の端部は開放端１０７として構成され、＋Ｘ側の端部は短絡端１２５として構成される。スロット１１１は、４分の１実効波長を有する片端開放の給電スロット共振器として機能する（スロットアンテナモード）。スロット幅Ｗｓがスロット長Ｌｓに比べて無視できるものと仮定した場合は、スロット１１１の共振周波数ｆｓは、実効波長の４分の１がスロット長Ｌｓに相当するときの周波数である。また、上記仮定が成立しない場合は、スロット幅を考慮したスロット長（Ｌｓ×２＋Ｗｓ）÷２が、４分の１実効波長に相当するように構成される。本発明の各実施形態において、スロット１１１の共振周波数ｆｓは、動作周波数帯域（例えば３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚ）の中心周波数ｆ０程度に設定されることが好ましい。誘電体基板１０１の表面には、スロット１１１と実質的に直交する方向（すなわちＹ軸方向）に延在し、少なくとも一部でスロット１１１と上下に交差する高周波給電線路１１３が形成されている。高周波給電線路１１３の一部の領域は、詳細後述するようにインダクティブ領域１２１として構成されている。高周波給電線路１１３は、接地導体１０３と、誘電体基板１０１の表面のストリップ導体と、それらの間の誘電体基板１０１とからなるマイクロストリップ線路として構成され、以下、本明細書では、説明の簡単化のために表面のストリップ導体のみを高周波給電線路１１３と呼ぶ。スロット１１１からの放射の主ビーム方向は、スロット１１１の短絡端１２５から開放端１０７を臨む方向（すなわち−Ｘ方向）に向かうので、本明細書では−Ｘ方向を「前方」とみなし、＋Ｘ方向を「後方」とみなし、また、Ｙ軸方向を広帯域スロットアンテナ装置の「幅方向」と呼ぶ。なお、本明細書では、接地導体１０３を構成している導体層が厚み方向に完全に除去されている構造をスロットと定義している。すなわち、接地導体１０３の表面が一部の領域で削られて、厚みを減じただけの構造ではない。高周波給電線路１１３は、誘電体基板１０１の表面に設けられた高周波信号処理回路３０１に接続され、高周波信号処理回路３０１は、詳細後述されるように広帯域スロットアンテナ装置の外部回路（図示せず。）に接続される。
【００２６】
本明細書内では、図２に示すように、誘電体基板１０１の表面（すなわち最上面）に高周波給電線路１１３が配置され、誘電体基板１０１の裏面（すなわち最下面）に接地導体１０３が配置された構造について主に説明しているが、図２の構造に代えて、図３に示す異なる構造を採用してもよい。図３は、図２の断面構成に対する変形例の構成を示す断面模式図である。図３に示す広帯域スロットアンテナ装置は、図２の構成に加えて、接地導体１０３の下面に設けられた誘電体層１０１ａを備える。このように、本実施形態の広帯域スロットアンテナ装置では多層基板を採用してもよく、このとき、高周波給電線路１１３、接地導体１０３のいずれか、もしくはその両方が、基板の内層面に配置されていてもよい。また、高周波給電線路１１３に対して接地導体１０３として機能する導体配線面は構造内に一つに限定される必要はなく、高周波給電線路１１３が形成された層を挟んで対向する２つの接地導体が設けられた構造でもよい。すなわち、本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置は、マイクロストリップ線路構造だけでなくストリップ線路構造の回路構成を少なくとも一部において採用した回路構成においても同様の効果を得ることができる。また、コプレーナ線路、グランド付コプレーナ線路構造についてもそれぞれ同様である。
【００２７】
ダイポールアンテナとして機能する接地導体１０３．
次に、接地導体１０３の幅方向におけるサイズについて課される条件について説明する。接地導体１０３は、前述のように有限領域の導体構造であり、特に、−Ｘ側の辺において、開放端１０７から＋Ｙ方向に長さＷｇ１だけ延在する部分１０５ａと、開放端１０７から−Ｙ方向に長さＷｇ２だけ延在する部分１０５ｂとを含むように構成される。ここで、−Ｙ側の辺１０５ａ、１０５ｂの長さＷｇ１、Ｗｇ２は、スロット１１１の共振周波数ｆｓにおいて４分の１実効波長に相当する長さＬｓｗ以上の値をとる。この条件は、スロットアンテナモードのアンテナ放射特性を安定させるために必要な条件である。
【００２８】
本発明の実施形態に係る接地導体１０３は、回路面積を有限な値に限定することにより、接地導体構造全体を利用した接地導体ダイポールアンテナモードとしても動作する。この接地導体ダイポールアンテナモードの場合も、スロット１１１によるスロットアンテナモードの場合も、スロット１１１の短絡端１２５に高周波電流が集中して流れる点が共通している。よって、両アンテナは、共通する回路基板を用いながら、共通する偏波特性の放射特性を同時に提供できる。また、スロットアンテナモードの放射だけでなく、この接地導体ダイポールアンテナモードの放射の主ビーム方向も、−Ｘ方向に向かう。よって、接地導体ダイポールアンテナモードの共振周波数ｆｄを、スロット１１１の共振周波数ｆｓと相違させ、且つ、周波数ｆｓよりもやや低くなるよう設定できれば、本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置の動作帯域は、スロットアンテナモードのみを用いた場合よりも、低域側に飛躍的に拡大した特性を実現することができる。接地導体１０３がほぼ中央部にスロット１１１を有するので、接地導体ダイポールアンテナモードの共振器の実効長は延長される。このため、本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置において、−Ｘ側の辺の部分１０５ａ、１０５の長さＷｇ１、Ｗｇ２が、４分の１実効波長に相当する長さＬｓｗ以上の値に構成されているときは、接地導体ダイポールアンテナモードの共振周波数ｆｄは必ずスロット１１１の共振周波数ｆｓよりも低くなり、広帯域動作が保証される。このとき、周波数ｆｄが、広帯域スロットアンテナ装置の動作帯域の下限周波数ｆＬ（例えば、前述のように３．１ＧＨｚ）になる。周波数ｆｄが周波数ｆｓより著しく低い値をとるよう、−Ｘ側の辺の部分１０５ａ、１０５の長さＷｇ１、Ｗｇ２を極端に大きな値に構成することは、小型化の点から現実的ではない。すなわち、−Ｘ側の辺の部分１０５ａ、１０５の長さＷｇ１、Ｗｇ２をともに長さＬｓｗ以上の必要最低限な値に構成すれば、小型アンテナの形態で、接地導体ダイポールアンテナモードの共振周波数ｆｄをスロットアンテナモードの動作帯域に近接させることが可能となるものである。
【００２９】
高周波給電線路１１３に導入されるインダクティブ領域１２１．
図１に示したように、高周波給電線路１１３上において、その先端開放終端点１１９より所定長さＬｉｎｄに相当する領域は、高周波給電線路１１３の特性インピーダンス（すなわち５０オーム）よりも高い特性インピーダンスを有する配線により形成されたインダクティブ領域１２１として構成される。長さＬｉｎｄは、スロット１１１の共振周波数ｆｓ（すなわち、前述のように広帯域スロットアンテナ装置の動作帯域の中心周波数ｆ０に等しい）において４分の１実効波長程度に相当する値を有する。すなわち、インダクティブ領域１２１は４分の１実効波長共振器を形成し、スロット１１１が形成する４分の１実効波長共振器と結合し、複共振化をもたらし、結果的にスロット１１１のスロットアンテナモードとしてのアンテナ動作帯域を効果的に増大させる。インダクティブ領域１２１の長手方向（すなわちＹ軸方向）のほぼ中央において、インダクティブ領域１２１とスロット１１１が交差する。
【００３０】
なお、第１の従来例において接地導体を有限な面積に限定しても、スロットアンテナモードの動作帯域自体が限定されているならば、接地導体ダイポールアンテナモードの帯域との連続性の確保は著しく困難であり、本発明の実施形態に係る効果と同様の効果が得られない。上述したように、スロットアンテナモードの動作帯域が低域側に拡大することによって、接地導体ダイポールアンテナモードの動作帯域と連続する広大な動作帯域でアンテナ動作が実現する。
【００３１】
高周波信号処理回路３０１と外部回路との接続．
高周波信号処理回路３０１は、誘電体基板１０１の表面において、高周波給電線路１１３と、誘電体基板１０１の表面に設けられる他の少なくとも１つの給電線路（図１の場合は、二本の平行なストリップ状の信号線路導体によりそれぞれ構成される平衡給電線路３０３ａ及び３０３ｂ）とを互いに接続するように設けられる。後者の給電線路は、誘電体基板１０１の外縁の所定の位置に設けられた高周波給電点３０５を介して、高周波信号を処理する外部回路（図示せず。）に接続される。本実施形態において、高周波給電点３０５は、誘電体基板１０１の−Ｙ側の辺１０５ｄのほぼ中央に設けられる。この構成により、高周波信号処理回路３０１は、外部回路から平衡給電線路３０３ａ及び３０３ｂを介して入力される送信信号に対して所定の信号変換を実行して高周波給電線路１１３に出力するとともに、高周波給電線路１１３を介して入力される受信信号に対して所定の信号変換を実行して平衡給電線路３０３ａ及び３０３ｂに出力する。また、高周波信号処理回路３０１は、誘電体基板１０１を貫通するスルーホール導体による接地電極３０９を介して、接地導体１０３に接続される。接地導体１０３は、前述のように長方形形状であるのでスロット１１１を通りかつ放射方向（Ｘ軸方向）に平行な軸に対して対称に構成され、＋Ｘ側の辺１０５ｂのほぼ中央（すなわち上記対称の軸上）において接地端子１１７Ｇを有する。接地端子１１７Ｇは、同軸ケーブル１３５の外部導体１３５ｂを介して外部回路の接地に接続される。また、高周波信号処理回路３０１はさらに、必要に応じて、誘電体基板１０１の表面に設けられた制御線３０４に接続され、制御線３０４は、誘電体基板１０１の外縁の所定の位置に設けられた制御端子１１７まで延伸され、制御端子１１７を介して外部回路に接続される。本実施形態では、制御端子１１７を接地端子１１７Ｇに近接させて設け、接地導体１０３と外部回路の接地とを接続するものと同じ同軸ケーブル１３５の内部導体１３５ａを介して、制御線３０４を外部回路に接続する。本実施形態において、平衡給電線路３０３ａ，３０３ｂ及び制御線３０４は、高周波給電線路１１３と同様にマイクロストリップ線路として構成される。
【００３２】
高周波信号処理回路３０１は、少なくとも、増幅器又は送受信切り換えスイッチなどの能動素子を含む。高周波信号処理回路３０１内の能動素子は、同軸ケーブル１３５及び制御線３０４を介して、外部回路から制御されることが可能である。高周波信号処理回路３０１に含まれる能動素子の正常動作のためには、基準電位の入力が必要であり、従って、高周波信号処理回路３０１は、接地電極３０９、接地導体１０３及び接地端子１１７Ｇを介して外部回路の接地に接続されている。このため、接地端子１１７ＧはＤＣ給電点とみなすこともできる。本実施形態において、高周波給電線路１１３は不平衡給電線路であり、外部回路に接続される側の給電線路は平衡給電線路３０３ａ，３０３ｂであるので、高周波信号処理回路３０１はさらに、平衡・不平衡変換回路を含む。また、高周波信号処理回路３０１は、平衡・不平衡変換回路のほかに帯域通過フィルタ回路や帯域阻止フィルタ回路を含んでもよく、さらに、能動素子と、以上に述べた回路の一部又はすべてとを含む集積モジュールとして構成されてもよい。
【００３３】
平衡給電線路３０３ａ，３０３ｂの高周波給電点３０５が設けられる位置は、必ずしも誘電体基板１０１の−Ｙ側の辺１０５ｄの中央でなくてもよく、また、制御端子１１７が設けられる位置は、必ずしも誘電体基板１０１の＋Ｘ側の辺１０５ｂの中央でなくてもよい。一方、接地端子１１７Ｇが設けられる位置は、以下に説明するように、＋Ｘ側の辺１０５ｂのほぼ中央でなければならない。
【００３４】
図４は、図１の広帯域スロットアンテナ装置における高周波信号処理回路３０１のブロック図である。高周波信号処理回路３０１は、図４内の点線で囲まれた回路構成を有している。なお、図４内で高周波給電線路１１３に接続された「アンテナ３０２」とは、高周波信号を空間に放射したり受信したりする回路の最先端を概略表示する記号である。すなわち、図１における高周波給電線路１１３のインダクティブ領域１２１に相当する。図４に示す高周波信号処理回路３０１は、１つのアンテナ３０２と、２系統の平衡給電線路３０３ａ，３０３ｂとに接続された構成を有し、制御線３０４を介して外部回路から制御される高周波スイッチＩＣ３０６により、平衡給電線路３０３ａ，３０３ｂのいずれか一方を高周波給電線路１１３に接続する。高周波信号処理回路３０１内において、平衡給電線路３０３ａと高周波スイッチＩＣ３０６との間には、平衡・不平衡変換回路３０８ａが設けられる一方、平衡給電線路３０３ｂと高周波スイッチＩＣ３０６との間には、平衡・不平衡変換回路３０８ｂと帯域通過フィルタ３０７とが直列に設けられる。高周波信号処理回路３０１の接地３０１Ｇは、前述のように接地電極３０９を介して接地導体１０３に接続される。一方、図５は、図４の高周波信号処理回路３０１に対する変形例の高周波信号処理回路３０１ａを示すブロック図である。図５に示す高周波信号処理回路３０１ａは、１つのアンテナ３０２と、１系統の平衡給電線路３０３とに接続された構成を有し、図５の構成では、高周波信号処理回路３０１ａ内において、高周波給電線路１１３と平衡給電線路３０３との間には、帯域通過フィルタ３０７と平衡・不平衡変換回路３０８とが直列に設けられる。図４に示す回路は、例えば、平衡給電線路３０３ａを介して送信信号を伝送するとともに平衡給電線路３０３ｂを介して受信信号を伝送し、高周波スイッチＩＣ３０６によりアンテナ３０２を送受信用に共用する場合に利用可能であり、図５に示す回路は、アンテナ３０２を受信専用に使用する場合に利用可能である。図４及び図５のいずれの場合も、高周波信号の給電は、平衡給電線路３０３ａ，３０３ｂ又は３０３と、外部回路の平衡線路（図示せず。）との接続を通して行われ、高周波給電点３０５においては接地導体１０３が外部回路と接続されないよう設定することができるので、後述する不平衡電流の外部回路への流出の回避が可能であり、理想的な高周波信号の給電が実現できる。
【００３５】
なお、本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置に設けられる高周波信号処理回路は、図４及び図５の例に限定されるものではない。図４の構成は、時分割複信方式（送信と受信の信号を短い時間に分けて交互に伝送する方式）向けであるが、高周波スイッチＩＣ３０６を使用する代わりに、周波数複信方式（送信と受信の信号の周波数帯域を分けて伝送する方式）で利用される周波数フィルタであるデュプレクサや、アンテナを複数の通信方式で共用するために使用されるダイプレクサを使用してもよい。また、高周波信号処理回路内にインピーダンス整合回路を実装することが可能である。
【００３６】
高周波給電線路１１３がスロット１１１を励振することによって生じるスロットアンテナモードにおいて、スロット１１１の短絡端１２５には共通して高周波電流が生じる。図６は、図１の広帯域スロットアンテナ装置の接地導体１０３に流れる高周波電流を示す模式図である。図６の矢印で示すように、生じた高周波電流はスロット１１１と接地導体１０３の境界線に沿って流れ、開放端１０７に達すると接地導体１０３の外縁に沿って流れる。ここで、接地導体１０３の外縁に別の導体を接続すると、この接続された導体のインピーダンスが極めて低いので、接続された導体への高周波電流の流入を防ぐことは極めて困難になる。しかし、上述したように対称性の高い位置に接地端子１１７Ｇを配置することは、この不平衡モードで接地導体１０３を流れる高周波電流（これは不平衡モードのインピーダンスを有する。）に対して極めて高い入出力インピーダンスを実現する。なお、平衡給電線路３０３ａ，３０３ｂが外部回路に接続される高周波給電点３０５では、接地導体１０３を外部回路と接続しないように設計することが可能なので、高周波給電点３０５における非平衡接地導体電流の外部回路への流出を回避できる。
【００３７】
図１に示した広帯域スロットアンテナ装置構造内の接地導体１０３は、対称性の高い有限の接地導体対１０３−１、１０３−２をスロット１１１の短絡端１２５において組み合わせた導体構造とみなすことができる。図７は、平衡モードの場合の接地導体１０３における高周波電流の流れ方を示す模式図であり、図８は、不平衡モードの場合の接地導体１０３における高周波電流の流れ方を示す模式図である。図７及び図８では、接地導体１０３における高周波電流の流れ方を、各モードの給電構造との関係としてそれぞれ模式的に示した。平衡モードにおいては、対となる接地導体１０３−１、１０３−２に、給電点１５より矢印の向きに流れる高周波電流１３１ａ、１３１ｂが逆相で給電されることに等しく、結果的に接地導体対の接続点、すなわちスロット１１１の短絡端１２５に最も強い同相の高周波電流が流れていることと等しくなる。一方、不平衡モードにおいては、対となる接地導体１０３−１、１０３−２に、給電点１５（所定インピーダンスＲを介して接地されたものとみなす。）より矢印の向きに流れる高周波電流１３１ａ、１３１ｂが同相で給電されることに等しく、結果的に接地導体対の接続点、すなわちアンテナ給電点１５において、高周波電流を相殺させることができる。これは、接地導体対１０３−１、１０３−２の構成の対称性が高くなるほど、接地端子１１７Ｇが接地導体１０３の対称点に設けられるほど、接地端子１１７Ｇからは接地導体１０３の不平衡モードの入出力インピーダンスが高くなることを意味する。よって、本発明の実施形態に係る接地端子１１７Ｇの配置条件によれば、接地導体１０３に外部回路を接続しても、外部回路への不平衡接地導体電流の逆流を回避することができる。
【００３８】
なお、第３の従来例に係る２分の１実効波長のスロットアンテナにおいては、スロット共振器の両端の短絡点に生じた高周波電流がスロットの外縁に沿って流れるだけで、接地導体１０３の外縁に沿って流れる電流は生じない。よって、接地導体１０３の外縁に沿って流れる不平衡接地導体電流が起こす課題は、小型化、広帯域化に有利な片端開放スロット共振器を採用し不平衡給電を行う場合に特有のものである。
【００３９】
なお、本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置において、スロット１１１の形状は矩形である必要はなく、任意の形状に置換可能である。特に、主スロットに多数の細かく短いスロットを並列接続することにより、回路的には主スロットに直列のインダクタンスを付加することができ、主スロットのスロット長を短縮できるので実用上好ましい。また、主スロットのスロット幅を狭くして、ミアンダ形状などに折り曲げ小型化を図った条件でも、本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置の広帯域化の効果を変わりなく得ることができる。
【００４０】
なお、本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置において、高周波給電点３０５と高周波信号処理回路３０１との間の給電線路は平衡給電線路に限定されず、不平衡給電線路であってもよい。この場合であっても、接地端子１１７Ｇを接地導体１０３の＋Ｘ側の辺１０５ｂのほぼ中央に設けることにより、本発明の実施形態に係る有利な効果を得ることができる。
【００４１】
第２の実施形態．
次に、本発明の第２の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置について説明する。図９は、本発明の第２の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図である。第２の実施形態では、図１の高周波給電線路１１３における少なくとも一部の領域（好ましくはインダクティブ領域１２１）をループ配線１２３へと置換したことを特徴とし、これにより、第１の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置よりも更なる広帯域化特性を実現する。
【００４２】
高周波給電線路１１３は、スロット１１１付近の第１の地点において、少なくとも２本の分岐線路を含む分岐線路群に分岐され、これらの分岐線路群のうちの少なくとも２本の分岐線路は、第１の地点とは異なるスロット１１１付近の第２の地点において相互に接続され、高周波給電線路１１３に少なくとも１つのループ配線を形成する。
【００４３】
図９に示すように、本実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置において、高周波給電線路１１３のインダクティブ領域１２１は、スロット１１１と交差する位置付近においてループ配線１２３へと置換されている。従って、ループ配線１２３は、スロット１１１の長手方向（すなわちＸ軸方向）に沿うスロット１１１及び接地導体１０３間の＋Ｙ側の境界線２３７と、−Ｙ側の境界線２３９との少なくとも一方と交差する。ループ配線１２３のループ長Ｌｌｏは、広帯域スロットアンテナ装置の動作帯域の上限周波数ｆＨ（例えば、前述のように１０．６ＧＨｚ）における実効波長の１倍未満に構成される。すなわち、ループ配線１２３の共振周波数ｆｌｏは、周波数ｆＨより高く設定される。また、高周波給電線路１１３は、ループ配線１２３を含むように構成されるだけでなく、高周波給電線路１１３の一部が分岐され開放スタブを形成するように構成されてもよく、この場合、そのスタブ長は、動作帯域の上限周波数ｆＨのときにおける４分の１実効波長に相当する長さ未満に構成される。すなわち、開放スタブの共振周波数ｆｓｔは、周波数ｆＨより高く設定される。このように、第２の実施形態においては、インダクティブ領域１２１において高周波給電線路１１３から配線を分岐することにより、広帯域スロットアンテナ装置の帯域特性を劇的に改善するが、この特性改善は分岐された配線単独の共振現象を積極的に利用したものではなく、スロット１１１とループ配線１２３との組み合わせにより初めて発現する現象を利用したものである。
【００４４】
本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置におけるループ配線１２３は、スロット１１１の励振位置を複数個に増大させることと、入力インピーダンス整合回路の電気長を調整することという、二つの機能を同時に果たし、アンテナ動作の超広帯域化を実現している。以下、ループ配線１２３が果たしている機能について詳しく説明する。
【００４５】
ここで図１０を参照して、裏面に無限面積の接地導体を仮定した一般的な高周波回路においてループ配線構造が用いられた場合の高周波特性についてまず説明する。図１０には、経路長Ｌｐ１を有する第１の経路２０５と、経路長Ｌｐ２を有する第２の経路２０７とからなるループ配線１２３が、入力端子２０１及び出力端子２０３間に接続された回路模式図を示す。経路長Ｌｐ１及びＬｐ２の和が伝送信号にとって実効波長の１倍に相当するという条件でループ配線１２３は共振状態となり、この条件下でループ配線１２３はリング共振器として用いられることがある。しかし、経路長Ｌｐ１及びＬｐ２の和が伝送信号の実効波長より短い場合は、急峻な周波数応答を示さないので、通常の高周波回路ではループ配線１２３を積極的に使用する必要がない。無限面積の均一な接地導体を有する一般的な高周波回路で、非共振な帯域では、ループ配線１２３の導入に伴う局所的な高周波電流分布の変動は、マクロな高周波特性としては平均化されてしまうからである。
【００４６】
一方、図９に示したように、本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置でのループ配線１２３の導入は、上述した一般的な高周波回路では得られなかった特有の効果を提供する。ループ配線１２３は、スロット１１１と接地導体１０３との境界線２３７、２３９と交差し、スロット１１１は、境界線２３７、２３９とループ配線１２３とが交差する地点であって、スロット１１１の開放端１０７からそれぞれ異なる距離を有する２点以上の地点において励振される。詳しくは、接地導体１０３上の高周波電流は、ループ配線１２３の第１の経路２０５に沿って１３１ｃの方向へと導かれ、ループ配線１２３の第２の経路２０７に沿って１３１ｄの側へも導かれる。結果として、接地導体１０３上における高周波電流の流れに１３１ｃと１３１ｄという異なる経路を生じさせることができ、スロット１１１を複数の位置で励振することができる。接地導体１０３において高周波電流分布をスロット１１１近傍で局所的に変化させることは、スロットアンテナモードの共振特性を変調し、同モードでのアンテナ動作帯域を劇的に拡大する。
【００４７】
図１３及び図１４に伝送線路断面構造を模式的に示し説明すると、図１３のような一般的な伝送線路において高周波電流が集中して分布するのは、ストリップ導体（すなわち給電線路）４０１側では配線の端部４０３、４０５であり、接地導体１０３側ではストリップ導体４０１の中央部に対向する領域４０７である。よって、スロット１１１の近傍において高周波給電線路１１３のストリップ導体の幅を太くするだけでは、接地導体１０３側における高周波電流の分布には大きな変化は起こらない。図１４に示すように、ストリップ導体を二本の経路２０５、２０７に分岐することによって初めて、各経路２０５、２０７とそれぞれ対向する異なる接地導体領域４１３、４１５に、高周波電流を分離して分布させることができる。
【００４８】
また、本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置で新たに導入されたループ配線１２３は、スロット１１１の励振位置を複数個にする機能を果たすだけでなく、高周波給電線路１１３の電気長を調整する機能をも有している。ループ配線１２３を導入したことによる高周波給電線路１１３の電気長の変動は、高周波給電線路１１３の共振状態をさらに複共振状態に転じさせ、本発明の実施形態に係る動作帯域の拡大効果をさらに高めている。すなわち、スロット１１１付近へループ配線１２３を導入したことにより、ループ配線１２３を構成する二本の経路２０５，２０７のうち電気長が短い経路を通る場合と電気長が長い経路を通る場合との電気長の違いが、スロット１１１とインダクティブ領域１２１が結合して得られる共振現象を、２以上の数の複数の周波数で起こすことになり、既に得られていた広帯域なインピーダンス整合条件をさらに広帯域化するものである。
【００４９】
以上説明したように、スロット１１１自体が有する共振現象を複共振化する第１の機能と、スロット１１１に結合する高周波給電線路１１３の共振現象を複共振化する第２の機能の組み合わせにより、本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置は従来のスロットアンテナ装置よりも広い帯域で動作することが可能となる。
【００５０】
本実施形態において、接地導体１０３上における高周波給電点３０５、制御端子１１７及び接地端子１１７Ｇの配置については、第１の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置と同様である。
【００５１】
但し、ループ配線１２３に関しては、広帯域なインピーダンス整合特性を維持するために、ループ配線１２３が単独で共振しない条件で用いる制約が生じる。図１０に示したループ配線１２３を例にとると、経路長Ｌｐ１とＬｐ２の和であるループ長Ｌｐが動作帯域の上限周波数ｆＨにおける実効波長の１倍未満に構成される。構造内に複数のループ配線が存在する場合、内部に別の小ループを含まないようなループ配線のうちで最も大きいループ配線が、上記条件を満足する必要がある。
【００５２】
一方、ループ配線よりも一般的な高周波回路として、図１１に示す開放スタブがある。図１５は、本発明の第２の実施形態の第１の変形例に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図である。図１５に示すように、本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置の高周波給電線路１１３から分岐される配線のうちいくつかは開放スタブ２１３の構造をとるものもあってよい。しかし、本発明の目的のためには、広帯域特性の観点から、開放スタブの使用よりもループ配線の使用が有利である。開放スタブ２１３は４分の１実効波長共振器なので、スタブ長Ｌｐは、最長の場合でも、周波数ｆＨのときにおける４分の１実効波長に相当する長さ未満に構成される。図１２に、ループ配線１２３の極端な例を示し、開放スタブ２１３と比較したループ配線１２３の優位点を説明する。ループ配線１２３において一方の経路長Ｌｐ２を極端に小さくすると、ループ配線１２３は見かけ上開放スタブ２１３に限りなく近づく。しかし、経路長Ｌｐ２が０に近づいた場合のループ配線１２３の共振周波数は、実効波長が他方の経路長Ｌｐ１に相当するときの周波数であり、開放スタブ２１３の共振周波数は、実効波長の４分の１が開放スタブ２１３の経路長Ｌｐ３に相当するときの周波数である。仮にループ配線１２３の経路長Ｌｐ１の半分が開放スタブ２１３の経路長Ｌｐ３と等しいという条件で二つの構造を比較すると、ループ配線１２３の最低次の共振周波数はスタブ配線２１３の最低次の共振周波数の２倍に相当する。以上の説明より、広い動作帯域内で不要な共振現象を回避するための給電線路構造としては、開放スタブ２１３よりもループ配線１２３の方が周波数帯域に換算すると２倍有効である。また、図１１の開放スタブ２１３の開放終端点１１９では回路的に開放となるので高周波電流が流れず、従って、仮にスロット１１１付近に開放終端点１１９が配置されても、スロット１１１との電磁的結合が生じにくい。一方、図１２に示すように、ループ配線１２３の一点２１３ｃは回路的には決して開放とはならず高周波電流が必ず流れ、スロット１１１付近へ配置すればスロット１１１への電磁的結合が得やすい。この点からも、本発明の目的には、ループ配線の採用が開放スタブの採用よりも有利である。
【００５３】
本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置を広帯域化するために、線路幅が太い線路、もしくは開放スタブを採用するのではなく、ループ配線を導入することが最も効果的であるということが、以上の説明で説明された。
【００５４】
図１６は、本発明の第２の実施形態の第２の変形例に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図である。図１２の変形例は、高周波給電線路１１３の分岐線路部の分岐本数が３の場合を示す。経路２０９を経路２０５、２０７の中間に挿入すれば、元の経路２０５及び２０７からなるループ配線に代えて、経路２０５及び２０９からなるループ配線と、経路２０７及び２０９からなるループ配線とが形成される。これらのループ配線の各ループ長のうちの最大値は、広帯域スロットアンテナ装置の動作帯域の上限周波数における１実効波長未満の長さに構成される。本変形例の構成によれば、図９の場合よりもループ配線の経路長が短縮されてループ配線の共振周波数を向上できるので、動作帯域の拡大の点から有効である。
【００５５】
高周波給電線路１１３を分岐する分岐線路の本数は三本以上の値に構成しても構わないが、二本に分岐した場合の特性と比べて動作帯域の飛躍的な拡大は望めない。複数に分岐された分岐線路群の中で高周波電流の分布強度が高いのは、両端の経路２０５、２０７のみであり、両者の間に配線される経路２０９に流れる高周波電流の強度が強くならないからである。しかし、経路２０９を経路２０５、２０７の中間に挿入することにより、経路２０５、２０７からなるループ配線の共振周波数を向上できるので、動作帯域の拡大の点からは有効である。
【００５６】
図１７は、本発明の第２の実施形態の第３の変形例に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図であり、図１８は、本発明の第２の実施形態の第４の変形例に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図である。図１７及び図１８を参照して、ループ配線１２３とスロット１１１との位置関係について説明する。
【００５７】
ループ配線１２３とスロット１１１の配置関係としては、ループ配線１２３がスロット１１１付近にある条件ならば本発明の実施形態に係る効果を得ることが可能である。好ましくは、図９に示したように、ループ配線１２３の経路２０５，２０７は、スロット１１１の長手方向に沿う＋Ｙ側の境界線２３７と−Ｙ側の境界線２３９との少なくともいずれか一方と交差する。しかしながら、図１７及び図１８の変形例に示すように、ループ配線１２３がスロット１１１と接地導体１０３の境界線２３７、２３９のいずれとも交差しない構成であっても、本発明の実施形態に係る効果を得ることは可能である。スロット１１１を励振する高周波電流には、第１の経路２０５と第２の経路２０７の経路差だけ位相差が生じ、入力インピーダンス整合条件をより広帯域に転じせしめる効果が発生するからである。厳密には、ループ配線１２３の最も外側（すなわち＋Ｙ側）の点１４１と境界線２３７（もしくは２３９）との間の間隔が、高周波給電線路１１３の配線幅の一倍未満である状態であればよい。上記間隔が高周波給電線路１１３の配線幅よりも短く構成されれば、ストリップ導体の両端に流れる高周波電流の位相差に対応して接地導体１０３側を流れる局所的な高周波電流の間に生じている位相差は消失しないからである。
【００５８】
ループ配線１２３は、インダクティブ領域１２１内に形成される。ループ配線１２３の配線幅は、インダクティブ領域１２１における高周波給電線路１１３の配線幅と同等、もしくは細く構成されることが好ましい。ループ配線は複数形成されてよい。複数設けられたループ配線同士は直列に接続されてもよいし、並列に接続されてもよい。二つのループ配線が直接接続されてもよいし、任意の形状の伝送線路を介して間接的に接続されてもよい。
【００５９】
また、本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置において、接地端子１１７Ｇにおける接地導体１０３と外部回路との接続は、誘電体基板１０１の裏面のみで行うものとは限定されない。すなわち、誘電体基板１０１の表面において＋Ｘ側の辺のほぼ中央に接地端子を設け、誘電体基板１０１の表面から裏面に貫通するスルーホール導体により接地端子を接地導体１０３に接続することにより、誘電体基板１０１の表面の接地端子から外部回路に接続してもよい。上記構成においても、本発明の有利な効果は消失しない。むしろ、誘電体基板１０１の表面において高周波信号導体、接地導体の接続が可能となるので、本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置の外部実装基板への表面実装を行うこともできる。
【実施例】
【００６０】
本発明の各実施形態に係る効果を明らかにするため、本発明の実施例のスロットアンテナ装置、及び比較例のスロットアンテナ装置の入力インピーダンス特性、放射特性を、市販の電磁界解析シミュレータにより解析した。図１９は、本発明の第１の実施例に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図であり、図２０は、本発明の第２の実施例に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図である。図２１は、本発明の第１及び第２の比較例（後述するように、図１９内の距離Ｌｍが異なる。）に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図である。表１は、本発明の第１及び第２の実施例に共通する回路基板の設定パラメータを示す。また、表２は、第１及び第２の比較例に共通する回路基板の設定パラメータを示す。
【００６１】
【表１】
2008306709.tif 000003
【表２】
2008306709.tif 000004
【００６２】
第２の実施例において、ループ配線の幅Ｗ３は０．２５ｍｍであり、ループ配線１２３の経路間の距離ｄｏｆｆは１．４ｍｍである。また、第１の比較例において、高周波給電線路１１３の先端開放終端点１１９からのスロット１１１のオフセット距離Ｌｍは４．５ｍｍであり、第２の比較例においては距離Ｌｍは９ｍｍである。実施例及び比較例のそれぞれにおいて、接地導体１０３の接続端子１１７Ｇと外部回路の接地とを接続する同軸ケーブル１３５の外部導体１３５ｂとして、所定長さＬｃの銅線（以下、銅線１３５という。）が接続端子１１７Ｇに接続されていることを想定し、銅線１３５の長さＬｃを０ｍｍ、５０ｍｍ及び１５０ｍｍに変化させて解析を行った。銅線１３５の長さＬｃを５０ｍｍ及び１５０ｍｍに設定しているときには、銅線１３５の先端にて理想的なＤＣ給電（接地）が行われることを仮定し、これにより、不平衡給電回路として接続される長さＬｃの銅線１３５が特性に与える影響を含めた、スロットアンテナ装置の動作安定性、広帯域性を解析した。また、銅線１３５の長さＬｃをゼロに設定しているときには、接地端子１１７Ｇにて理想的なＤＣ給電（接地）が行われることを仮定した解析を行った。
【００６３】
すべてのスロットアンテナ装置において、同サイズの回路基板での作製を前提に条件を設定した。導体パターンは、厚さ４０ミクロンの銅配線を仮定しており、ウェットエッチングにて形成できる精度範囲となるよう考慮した。
【００６４】
図中、高周波給電点３０５として示した箇所では、平衡給電線路３０３にディファレンシャルモードの入力インピーダンス１００オームでの差動給電を行う設定を仮定した。図１９及び図２０に示す実施例においては、接地導体１０３の接地端子１１７Ｇを＋Ｘ側の辺のほぼ中央に設けているので、銅線１３５の配向方向はＸ軸方向である一方、図２１に示す比較例においては、接地端子１１７Ｇを誘電体基板１０１の−Ｙ側の辺に配置しているので、銅線１３５の配向方向はＹ軸方向である。なお、高周波信号処理回路３０１は、受動回路である平衡・不平衡変換回路を含み、周波数ごとに理想的な回路特性を仮定した。高周波信号処理回路３０１の大きさと電極パターンは、近距離の超広帯域無線通信向けに市販されている平衡・不平衡変換回路の製品の仕様に従い、スルーホール導体による接地電極３０９を含めて設計した。
【００６５】
図２２は、第１及び第２の実施例において、Ｌｃ＝１５０ｍｍのときの周波数に対する反射損失の特性を示すグラフであり、図２３は、第１及び第２の比較例において、Ｌｃ＝１５０ｍｍのときの周波数に対する反射損失の特性を示すグラフである。図２２を参照すると、第１の実施例は、３．２ＧＨｚから１１ＧＨｚ以上にわたって−７．５ｄＢ以下の低反射特性を維持した。さらに、第２の実施例は、３．１ＧＨｚから１１ＧＨｚ以上までの全帯域で反射損失が−１０ｄＢ以下という広帯域な低反射特性を示した。一方、図２３を参照すると、第１の比較例においては、３．０４ＧＨｚから３．７３ＧＨｚまでの２０％の比帯域範囲において反射損失が−１０ｄＢを下回り、２．９ＧＨｚから４．３ＧＨｚでは反射損失が−７．５ｄＢを下回ったが、６．３ＧＨｚでは反射損失は−４．９ｄＢに達し広帯域特性が得られなかった。第２の比較例においては、２．５ＧＨｚから８ＧＨｚまでにおいて反射損失は−３ｄＢから−４ｄＢ程度であり、低反射特性を得ることができなかった。図２２に示した本発明の実施例を図２３に示した比較例と比較すれば明らかなように、第１及び第２の実施例とも動作帯域の広帯域化が実現された。なお、銅線１３５の長さＬｃの変更が入力インピーダンスに与える影響は、実施例においても比較例においても殆どなかった。
【００６６】
図２４乃至図２９に、第２の実施例に係る放射特性図を示す。図２４及び図２５は、動作周波数が３ＧＨｚの場合におけるＬｃ＝０ｍｍ，５０ｍｍ，１５０ｍｍのときの放射特性図である。図２６及び図２７は、動作周波数が６ＧＨｚの場合におけるＬｃ＝０ｍｍ，５０ｍｍ，１５０ｍｍのときの放射特性図である。図２８及び図２９は、動作周波数が９ＧＨｚの場合におけるＬｃ＝０ｍｍ，５０ｍｍ，１５０ｍｍのときの放射特性図である。図２４乃至図２９中で細線で示したデータは、比較のために示した、銅線１３５の長さＬｃがゼロの場合の放射特性である。図２４乃至図２９によれば、第２の実施例においては銅線１３５の長さＬｃに殆ど依存しない安定した放射特性が実現し、本発明の目的が達成されたことが確認された。第１の実施例においても同様に、銅線１３５の長さＬｃに依存しない安定した放射特性が得られた。また、第１及び第２の実施例においては、動作全帯域において、ＸＺ面での放射特性を含むすべての放射特性について、同様の効果を得ることができた。
【００６７】
次に、図３０乃至図３３に、第１の比較例に係る放射特性図を示す。図３０及び図３１は、動作周波数が３ＧＨｚの場合におけるＬｃ＝０ｍｍ，５０ｍｍ，１５０ｍｍのときの放射特性図である。図３２及び図３３は、動作周波数が６ＧＨｚの場合におけるＬｃ＝０ｍｍ，５０ｍｍ，１５０ｍｍのときの放射特性図である。図３０乃至図３３中に細線で示したデータは、比較のために示した、銅線１３５の長さＬｃがゼロの場合の放射特性である。図３０乃至図３３より明らかなように、比較例においては、すべての周波数において、放射特性が外部回路の銅線１３５の長さＬｃに強く依存する傾向が確認された。本発明の目的である不平衡接地導体電流の悪影響の回避がなされれば３つの放射特性は一致するはずであるが、銅線１３５の長さＬｃに依存して全く異なる特性が得られてしまっている。
【００６８】
以上説明したように、本発明の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置によれば、接地構造に起因して放射動作が不安定になることを防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明に係る広帯域スロットアンテナ装置は、回路占有面積、製造コストを増大させることなく、インピーダンス整合帯域を拡大させることができるので、従来複数のアンテナを搭載しなければ実現できなかった高機能端末を簡易な構成で実現することが可能となる。また、従来よりもはるかに広い周波数帯域を利用するＵＷＢシステムの実現にも貢献することができる。また、チップ部品を使用せず動作帯域が拡大できるので、製造時のばらつきに対する耐性の強いアンテナとしても有用である。また、スロットアンテナモードの周波数帯域よりも低域において、スロットアンテナモードの場合と同一偏波特性である接地導体ダイポールアンテナモードで動作するので、小型な広帯域スロットアンテナ装置として利用できる。また、デジタル信号を無線で送受信するような、超広帯域な周波数特性を必要とするようなシステムにおいても小型アンテナとして使用されうる。いずれの場合においても、端末に実装される場合、本スロットアンテナ装置に不平衡給電回路を接続しても安定した放射動作を維持することができる優れた特性を提供しうる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線における断面模式図である。
【図３】図２の断面構成に対する変形例の構成を示す断面模式図である。
【図４】図１の広帯域スロットアンテナ装置における高周波信号処理回路３０１のブロック図である。
【図５】図４の高周波信号処理回路３０１に対する変形例の高周波信号処理回路３０１ａを示すブロック図である。
【図６】図１の広帯域スロットアンテナ装置の接地導体１０３に流れる高周波電流を示す模式図である。
【図７】平衡モードの場合の接地導体１０３における高周波電流の流れ方を示す模式図である。
【図８】不平衡モードの場合の接地導体１０３における高周波電流の流れ方を示す模式図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図である。
【図１０】無限接地導体構造を裏面に有する一般的な高周波回路構造において、信号配線をループ配線により分岐した分岐部を有する二回路の模式図である。
【図１１】無限接地導体構造を裏面に有する一般的な高周波回路構造において、信号配線を先端開放スタブ配線により分岐した分岐部を有する二回路の模式図である。
【図１２】無限接地導体構造を裏面に有する一般的な高周波回路構造において、信号配線をループ配線により分岐した分岐部を有する二回路で、特に第２の経路が極端に短く構成された場合の模式図である。
【図１３】一般的な伝送線路が設けられた場合の接地導体における高周波電流の集中位置を説明するための断面構造図である。
【図１４】分岐された伝送線路が設けられた場合の接地導体における高周波電流の集中位置を説明するための断面構造図である。
【図１５】本発明の第２の実施形態の第１の変形例に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図である。
【図１６】本発明の第２の実施形態の第２の変形例に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図である。
【図１７】本発明の第２の実施形態の第３の変形例に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態の第４の変形例に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図である。
【図１９】本発明の第１の実施例に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図である。
【図２０】本発明の第２の実施例に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図である。
【図２１】本発明の第１及び第２の比較例に係る広帯域スロットアンテナ装置の構造を示す上面模式図である。
【図２２】第１及び第２の実施例において、Ｌｃ＝１５０ｍｍのときの周波数に対する反射損失の特性を示すグラフである。
【図２３】第１及び第２の比較例において、Ｌｃ＝１５０ｍｍのときの周波数に対する反射損失の特性を示すグラフである。
【図２４】第２の実施例において、動作周波数が３ＧＨｚの場合のＬｃ＝０ｍｍ，５０ｍｍのときの放射特性図である。
【図２５】第２の実施例において、動作周波数が３ＧＨｚの場合のＬｃ＝０ｍｍ，１５０ｍｍのときの放射特性図である。
【図２６】第２の実施例において、動作周波数が６ＧＨｚの場合のＬｃ＝０ｍｍ，５０ｍｍのときの放射特性図である。
【図２７】第２の実施例において、動作周波数が６ＧＨｚの場合のＬｃ＝０ｍｍ，１５０ｍｍのときの放射特性図である。
【図２８】第２の実施例において、動作周波数が９ＧＨｚの場合のＬｃ＝０ｍｍ，５０ｍｍのときの放射特性図である。
【図２９】第２の実施例において、動作周波数が９ＧＨｚの場合のＬｃ＝０ｍｍ，１５０ｍｍのときの放射特性図である。
【図３０】第１の比較例において、動作周波数が３ＧＨｚの場合のＬｃ＝０ｍｍ，５０ｍｍのときの放射特性図である。
【図３１】第１の比較例において、動作周波数が３ＧＨｚの場合のＬｃ＝０ｍｍ，１５０ｍｍのときの放射特性図である。
【図３２】第１の比較例において、動作周波数が６ＧＨｚの場合のＬｃ＝０ｍｍ，５０ｍｍのときの放射特性図である。
【図３３】第１の比較例において、動作周波数が６ＧＨｚの場合のＬｃ＝０ｍｍ，１５０ｍｍのときの放射特性図である。
【図３４Ａ】一般的な４分の１実効波長スロットアンテナ（第１の従来例）の構造を示す上面模式図である。
【図３４Ｂ】図３４Ａのスロットアンテナの断面模式図である。
【図３４Ｃ】図３４Ａのスロットアンテナの裏面の構造を透視により示す模式図である。
【図３５Ａ】特許文献１に記載の４分の１実効波長スロットアンテナ（第２の従来例）の構造を示す模式図である。
【図３５Ｂ】低周波帯で動作時の図３４Ａのスロットアンテナを示す模式図である。
【図３５Ｃ】高周波帯で動作時の図３４Ａのスロットアンテナを示す模式図である。
【図３６】非特許文献１に記載のスロットアンテナ（第３の従来例）の構造を示す上面模式図である。
【図３７】非特許文献２に記載の携帯電話用アンテナの測定方法（第４の従来例）を示す概念図である。
【符号の説明】
【００７１】
１５…給電点、
１０１…誘電体基板、
１０１ａ…誘電体層、
１０３，１０３−１，１０３−２…接地導体、
１０５ａ１，１０５ａ２…−Ｘ側の辺、
１０５ｂ…＋Ｘ側の辺、
１０５ｃ…＋Ｙ側の辺、
１０５ｄ…−Ｙ側の辺、
１０７…開放端、
１１１…スロット、
１１３…高周波給電線路、
１１７…制御端子、
１１７Ｇ…接地端子
１１９…開放終端点、
１２１…インダクティブ領域、
１２３…ループ配線、
１２５…短絡端、
１３１，１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃ，１３１ｄ…接地導体に生じる高周波電流の流れ、
１３５…同軸ケーブル、
１３５ａ…内部導体、
１３５ｂ…外部導体、
１４１…ループ配線の最も外側の点、
２０１，２０３…入出力端子、
２０５，２０７，２０９…経路、
２１３…開放スタブ、
２３７，２３９…接地導体とスロットとの境界線、
３０１，３０１ａ…高周波信号処理回路、
３０１Ｇ…接地、
３０２…アンテナ、
３０３，３０３ａ，３０３ｂ…平衡給電線路、
３０４…制御線、
３０５…高周波給電点、
３０６…高周波スイッチＩＣ、
３０７…帯域通過フィルタ、
３０８，３０８ａ，３０８ｂ…平衡・不平衡変換回路、
３０９…接地電極、
４０１…ストリップ導体、
４０３，４０５…ストリップ導体の端部、
４０７…ストリップ導体の中央部に対向する接地導体上の領域、
４１３，４１５…ストリップ導体分岐に基づき接地導体に高周波電流が誘起される領域。
【図１】
2008306709.tif 000005
【図２】
2008306709.tif 000006
【図３】
2008306709.tif 000007
【図４】
2008306709.tif 000008
【図５】
2008306709.tif 000009
【図６】
2008306709.tif 000010
【図７】
2008306709.tif 000011
【図８】
2008306709.tif 000012
【図９】
2008306709.tif 000013
【図１０】
2008306709.tif 000014
【図１１】
2008306709.tif 000015
【図１２】
2008306709.tif 000016
【図１３】
2008306709.tif 000017
【図１４】
2008306709.tif 000018
【図１５】
2008306709.tif 000019
【図１６】
2008306709.tif 000020
【図１７】
2008306709.tif 000021
【図１８】
2008306709.tif 000022
【図１９】
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【図２０】
2008306709.tif 000024
【図２１】
2008306709.tif 000025
【図２２】
2008306709.tif 000026
【図２３】
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【図２４】
2008306709.tif 000028
【図２５】
2008306709.tif 000029
【図２６】
2008306709.tif 000030
【図２７】
2008306709.tif 000031
【図２８】
2008306709.tif 000032
【図２９】
2008306709.tif 000033
【図３０】
2008306709.tif 000034
【図３１】
2008306709.tif 000035
【図３２】
2008306709.tif 000036
【図３３】
2008306709.tif 000037
【図３４Ａ】
2008306709.tif 000038
【図３４Ｂ】
2008306709.tif 000039
【図３４Ｃ】
2008306709.tif 000040
【図３５Ａ】
2008306709.tif 000041
【図３５Ｂ】
2008306709.tif 000042
【図３５Ｃ】
2008306709.tif 000043
【図３６】
2008306709.tif 000044
【図３７】
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