(57)【要約】【課題】アンテナ特性への影響を抑制しながらも、給電線損失を低減し、かつ、装置全体を小型化すること。【解決手段】平面状に構成された第１地導体板と、第１絶縁体を介して前記第１地導体板に平行配置された放射素子板と、前記第１地導体板と前記放射素子板との間に、前記第１地導体板に対して垂直に設けられた平面状の第２地導体板と、前記第２地導体板に対して第２絶縁体を介して平行配置され、前記放射素子板が送受信する高周波を処理する電子回路の一部を構成する伝送線路と、前記放射素子板の給電点と前記伝送線路とを電気的に接続する給電線とを備えるアンテナ装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面状に構成された第１地導体板と、
第１絶縁体を介して前記第１地導体板に平行配置された放射素子板と、
前記第１地導体板と前記放射素子板との間に、前記第１地導体板に対して垂直に設けられた平面状の第２地導体板と、
前記第２地導体板に対して第２絶縁体を介して平行配置され、前記放射素子板が送受信する高周波を処理する電子回路の一部を構成する伝送線路と、
前記放射素子板の給電点と前記伝送線路とを電気的に接続する給電線と、
を備えることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記放射素子板の偏波面方向において、前記第２地導体板、前記第２絶縁体および前記伝送線路が配置される領域が、前記放射素子板の中心から前記放射素子板の偏波面方向の長さの６分の１の範囲に含まれるように配置されている、
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】
前記伝送線路を伝搬する高周波の電界は、前記伝送線路と前記第２地導体板との間に、前記第１地導体板に平行な平面に沿って発生している、
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】
前記伝送線路は、前記電子回路の各構成素子を接続している線路である、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記電子回路は、前記給電点から入力された高周波を整流する整流回路部と、前記整流回路部によって整流された電流の電圧を安定化させる昇圧・降圧回路部とを少なくとも備える、
ことを特徴とする請求項４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、アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パッチアンテナ（またはマイクロストリップアンテナとも呼ばれる）の一般的給電方法として、背面給電方式が知られている。この背面給電方式は、地導体板と誘電体基板を貫く給電線を用いて地導体板の裏面から放射素子に給電するものである（例えば特許文献１参照）。このような背面給電方式では、給電線に接続される電子回路も地導体板の裏面に設けられている。例えば、受信側のパッチアンテナである場合、整流回路や昇圧回路など、送信側のパッチアンテナである場合、アンプやオシレーターなどが、地導体板の裏面に設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２０１１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような背面給電方式のパッチアンテナの場合、給電線が地導体板と誘電体基板を貫くので、その配線距離が長くなり、給電線で発生する電力損失が大きくなってしまう。また、地導体板の裏面に電子回路を配置することにより、アンテナ装置全体も大型化してしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、アンテナ特性への影響を抑制しながらも、給電線損失を低減し、かつ、装置全体を小型化し得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】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るアンテナ装置は、平面状に構成された第１地導体板と、第１絶縁体を介して前記第１地導体板に平行配置された放射素子板と、前記第１地導体板と前記放射素子板との間に、前記第１地導体板に対して垂直に設けられた平面状の第２地導体板と、前記第２地導体板に対して第２絶縁体を介して平行配置され、前記放射素子板が送受信する高周波を処理する電子回路の一部を構成する伝送線路と、前記放射素子板の給電点と前記伝送線路とを電気的に接続する給電線とを備えることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係るアンテナ装置は、上記発明において、前記放射素子板の偏波面方向において、前記第２地導体板、前記第２絶縁体および前記伝送線路が配置される領域が、前記放射素子板の中心から前記放射素子板の偏波面方向の長さの６分の１の範囲に含まれるように配置されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係るアンテナ装置は、上記発明において、前記伝送線路を伝搬する高周波の電界は、前記伝送線路と前記第２地導体板との間に、前記第１地導体板に平行な平面に沿って発生していることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係るアンテナ装置は、上記発明において、前記伝送線路は、前記電子回路の各構成素子を接続している線路であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係るアンテナ装置は、上記発明において、前記電子回路は、前記給電点から入力された高周波を整流する整流回路部と、前記整流回路部によって整流された電流の電圧を安定化させる昇圧・降圧回路部とを少なくとも備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るアンテナ装置は、アンテナ特性への影響を抑制しながらも、給電線損失を低減し、かつ、装置全体を小型化し得るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、第１実施形態に係るアンテナ装置の上面図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係るアンテナ装置のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３は、第１実施形態に係るアンテナ装置のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図４は、伝送線路の具体例となる線路パターン図である。
【図５】図５は、図４に示される伝送線路上に構成する電子回路の回路図である。
【図６】図６は、図５に示される電子回路を構成するために、図４に記載の線路パターン図上に電子部品を配置した模式図である。図４に示される伝送線路と図５に示される電子回路との対応関係を示す模式図である。
【図７】図７は、伝送線路と第２地導体板との間に生じる電界について説明する模式図である。
【図８】図８は、伝送線路と第２地導体板との間に生じる電界と、第１地導体板と放射素子板との間に生じる電界との関係を説明する模式図である。
【図９】図９は、第２実施形態に係るアンテナ装置の上面図である。
【図１０】図１０は、第２実施形態に係るアンテナ装置のＤ−Ｄ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して本発明に係るアンテナ装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。
【００１４】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るアンテナ装置の上面図であり、図２は、第１実施形態に係るアンテナ装置のＡ−Ａ断面図であり、図３は、第１実施形態に係るアンテナ装置のＢ−Ｂ断面図である。
【００１５】
図１に示されるように、第１実施形態に係るアンテナ装置１００は、平面状に構成された第１地導体板１１０と、第１地導体板１１０に平行配置された放射素子板１２０とを備える、いわゆるパッチアンテナとして構成されている。第１地導体板１１０は、いわゆるグランドとして機能する電気伝導体である。この場合のグランドとは、必ずしも大地に接地したものに限らず、基準電位を与える電気伝導体としての意味で用いられている。
【００１６】
放射素子板１２０は、空間中の電磁波を高周波エネルギーに変換、または、高周波エネルギーを空間中の電磁波に変換する素子である。すなわち、アンテナ装置１００は、受信用および／または送信用のアンテナとして用いることが可能である。なお、図１に示される放射素子板１２０は矩形板であるが、本発明の実施は放射素子板１２０に限定されず、円形などのパッチアンテナとして一般的に使用されている他の形状としてもよい。さらに、直線偏波に限らず、摂動を設けて円偏波としても良い。
【００１７】
図２および図３に示されるように、第１地導体板１１０と放射素子板１２０との間には、第１絶縁体１１１が設けられている。第１絶縁体１１１は、誘電体で構成してもよく、単に空気で構成してもよい。
【００１８】
さらに、第１実施形態に係るアンテナ装置１００は、第１地導体板１１０と放射素子板１２０との間に、第２地導体板１３０を備えている。この第２地導体板１３０は、第１地導体板１１０に対して垂直に設けられており、第１地導体板１１０および第２地導体板１３０は、一体的にグランドとして機能している。
【００１９】
平面状に構成された第２地導体板１３０上には、誘電体としての第２絶縁体１３３および電気伝導体としての伝送線路１３１が積層配置されている。つまり、第２地導体板１３０、第２絶縁体１３３および伝送線路１３１は、一体的な板状構成となっている。伝送線路１３１は、グランドとして機能する第２地導体板１３０に対して第２絶縁体１３３を介して平行配置された、いわゆるマイクロストリップラインとして構成されている。
【００２０】
伝送線路１３１は、後に詳述するように、第１地導体板１１０と放射素子板１２０との間に配置する電子回路の各構成素子を電気的に接続させるために用いられる。また、伝送線路１３１は、マイクロストリップラインに限らず、ストリップラインやスロットラインやコプレーナ導波路などを用いてもよい。
【００２１】
伝送線路１３１は、給電線１３２を介して放射素子板１２０上の給電点１２１に電気的に接続されている。放射素子板１２０における給電点１２１の位置は、給電線１３２および伝送線路１３１のインピーダンスに整合する位置に設定されている。例えば、一般に用いられる同軸ケーブルやマイクロストリップラインのインピーダンスである５０Ωに整合するように設計する場合、第１絶縁体１１１の誘電率などにも依存するが、放射素子板１２０の偏波面方向の長さＡ１のおよそ４分の１程度の位置に給電点１２１の位置ａ１を設定することが適切となる。つまり、ａ１は、およそＡ１／４となる。
【００２２】
次に、伝送線路１３１の構成について具体的電子回路例に基づいた説明を行う。ただし、以下で説明する電子回路の例により本発明の実施が制限されるものではない。本発明の実施に際しては、アンテナ装置１００の使用目的によって、適切な電子回路の構成を採用することができる。
【００２３】
図４は、伝送線路の具体例となる線路パターン図であり、図５は、図４に示される伝送線路上に構成する電子回路の回路図である。図６は、図５に示される電子回路を構成するために、図４に記載の線路パターン図上に電子部品を配置した模式図である。
【００２４】
図４に示されるように、伝送線路１３１は、第２地導体板１３０上に形成された第２絶縁体１３３層のさらに上に形成されている。図４において、伝送線路１３１は、ハッチングが施された領域に形成された電気伝導体層である。伝送線路１３１は、図５に示される電子回路の各構成素子間を接続する線路として機能する。なお、図４に示される伝送線路１３１には高周波を伝搬する領域と直流が流れる領域とが含まれるが、ここでは両者を区別せず伝送線路１３１として指称する。
【００２５】
図５に示されるように、伝送線路１３１上に構成する電子回路１３４の例は、入力部１３４ａ、整流回路部１３４ｂ、昇圧・降圧回路部１３４ｃ、および制御回路部１３４ｄを備え、電子回路１３４全体として入力された高周波を直流化した後に出力する回路として機能する。すなわち、図５に示される電子回路１３４を備えたアンテナ装置１００は、放射素子板１２０が受信した電磁波から直流を得ることができ、いわゆるレクテナとして機能する。なお、取得した電力は、別途の充電装置に蓄えた後に利用してもよく、また、別途の電子回路に供給して直接利用してもよい。
【００２６】
図５に示されるように、入力部１３４ａは、電源Ｖ１、コンデンサＣ１、およびインダクタＬ１を直列に備えている。電源Ｖ１は、給電点１２１を仮想的に表したものであり、放射素子板１２０が受信する高周波に相当する電力を発生しているものと仮定している。コンデンサＣ１およびインダクタＬ１は、入力フィルタとして機能し、放射素子板１２０が受信する高周波のうち、所望周波数のみの高周波を透過する。
【００２７】
整流回路部１３４ｂは、ダイオードＤ１、ダイオードＤ２、およびコンデンサＣ２を備えている。ダイオードＤ１は、電源側から見て並列かつ逆バイアス方向で接続されており、ダイオードＤ２は、電源側から見て直列かつ順バイアス方向で接続されており、コンデンサＣ２は、ダイオードＤ２の後段に、電源側から見て並列に接続されている。ダイオードＤ１およびダイオードＤ２は、入力部１３４ａから入力された高周波を整流する機能を担っている。コンデンサＣ２は、ダイオードＤ１およびダイオードＤ２によって整流された電流の脈動を平滑化する機能を担っている。
【００２８】
昇圧・降圧回路部１３４ｃは、ツェナーダイオードＤ３および電解コンデンサＣ３を備えている。ツェナーダイオードＤ３は、電源側から見て並列かつ逆バイアス方向で接続されており、電解コンデンサＣ３は、ツェナーダイオードＤ３の後段に、電源から見て並列に接続されている。ツェナーダイオードＤ３は、逆バイアス方向に所定の電圧（ツェナー電圧という）が掛けられると、電流が流れるダイオードである。上記のようにツェナーダイオードＤ３を接続した場合、整流回路部１３４ｂを経由した電圧がツェナー電圧以上に上がると、ツェナーダイオードＤ３の逆バイアス方向に電流が流れ始めるので、ツェナーダイオードＤ３の後段における電圧がツェナー電圧に維持される。電解コンデンサＣ３は、ツェナーダイオードＤ３の後段における電圧を安定化させるためのものである。
【００２９】
制御回路部１３４ｄは、集積回路ＩＣ、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５、ダイオードＤ４、コンデンサＣ４，Ｃ５を備えている。制御回路部１３４ｄは、整流回路部１３４ｂおよび昇圧・降圧回路部１３４ｃによって直流に変換された電流を、一定の電圧で出力端子（ＤＣ  ＯＵＴ）から電力供給するための制御を行う回路である。
【００３０】
上記説明した電子回路１３４の各構成素子は、図６に示されるように伝送線路１３１上に配置される。図６から解るように、伝送線路１３１の線路パターンは、レクテナとして機能する電子回路１３４を構成するために好適な配置となっている。したがって、上記説明した構成に従えば、アンテナ装置１００は、放射素子板１２０が受信した電磁波から直流を得る電子回路１３４を、第１地導体板１１０と放射素子板１２０との間に備えたレクテナとして構成される。
【００３１】
次に、図７および図８を参照しながら、上記説明したアンテナ装置１００の作用および効果について説明する。図７は、伝送線路と第２地導体板との間に生じる電界について説明する模式図であり、図８は、伝送線路と第２地導体板との間に生じる電界と、第１地導体板と放射素子板との間に生じる電界との関係を説明する模式図である。なお、図７は、例えば図４に示されたＣ−Ｃ断面における電界の様子を模式的に表したものに相当し、図８は、図２に示される第２地導体板の周辺における電界の様子を模式的に表したものに相当している。
【００３２】
図７に示されるように、伝送線路１３１を伝搬する高周波は、伝送線路１３１から第２地導体板１３０に向かう電界Ｅｌと、伝送線路１３１の周囲を囲む方向の磁界（不図示）からなる。伝送線路１３１から第２地導体板１３０に向かう電界Ｅｌは、伝送線路１３１を伝搬する高周波の伝搬方向（図７中では紙面垂直方向）に直交する平面に沿って発生している。
【００３３】
一方、図８に示されるように、第２地導体板１３０は、第１地導体板１１０に対して垂直に設けられており、伝送線路１３１は、第２地導体板１３０に対して平行に配置されている。したがって、伝送線路１３１から第２地導体板１３０に向かう電界Ｅｌは、第１地導体板１１０に平行な平面に沿って発生していることになる。
【００３４】
また、第２地導体板１３０の周辺における第１地導体板１１０と放射素子板１２０との間に発生する電界Ｅａは、第１地導体板１１０および放射素子板１２０に対して垂直である。結果、伝送線路１３１から第２地導体板１３０に向かう電界Ｅｌと第１地導体板１１０と放射素子板１２０との間に発生する電界Ｅａとが互いに直交することになる。このことは、伝送線路１３１から第２地導体板１３０に向かう電界Ｅｌと第１地導体板１１０と放射素子板１２０との間に発生する電界Ｅａとが互いに干渉し難くなっていることを意味する。
【００３５】
さらに、図８から明らかなように、伝送線路１３１が第１地導体板１１０と放射素子板１２０との間に配置されているので、放射素子板１２０の給電点１２１と伝送線路１３１とを電気的に接続する給電線１３２が、第１地導体板１１０の裏面から放射素子板１２０へ給電する背面給電方式と比較して短い。結果、給電線１３２において発生する電力損失も小さくなる。また、第１地導体板１１０と放射素子板１２０との間に、放射素子板１２０が受信する高周波を処理する電子回路を構成しているので、第１地導体板１１０の裏面に電子回路を構成することに比べてアンテナ装置１００全体として小型化されている。
【００３６】
以上のように、第１実施形態に係るアンテナ装置１００は、平面状に構成された第１地導体板１１０と、第１絶縁体１１１を介して第１地導体板１１０に平行配置された放射素子板１２０と、第１地導体板１１０と放射素子板１２０との間に、第１地導体板１１０に対して垂直に設けられた平面状の第２地導体板１３０と、第２地導体板１３０に対して第２絶縁体１３３を介して平行配置された伝送線路１３１と、放射素子板１２０に伝送線路１３１を電気的に接続する給電点１２１とを備えるので、伝送線路１３１から第２地導体板１３０に向かう電界Ｅｌと第１地導体板１１０と放射素子板１２０との間に発生する電界Ｅａとが互いに干渉する影響を抑制することができ、アンテナ特性への影響を抑制しながらも、給電線１３２の損失を低減し、かつ、アンテナ装置１００全体が小型化される。
【００３７】
（第２実施形態）
次に、図９および図１０を参照しながら、アンテナ特性への影響をさらに抑制する構成を採用した本発明の第２実施形態に係るアンテナ装置について説明する。なお、第２実施形態に係るアンテナ装置は、第１実施形態に係るアンテナ装置と構成が共通する部分も多いので、以下の説明では、第１実施形態に係るアンテナ装置と相違する構成のみを説明する。したがって、以下で説明されない第２実施形態に係るアンテナ装置の構成については、第１実施形態に係るアンテナ装置と構成が共通しているものと理解されるべきである。
【００３８】
図９は、第２実施形態に係るアンテナ装置の上面図であり、図１０は、第２実施形態に係るアンテナ装置のＤ−Ｄ断面図である。
【００３９】
図９および図１０に示されるように、第２実施形態に係るアンテナ装置２００は、平面状に構成された第１地導体板２１０と、第１地導体板２１０に平行配置された放射素子板２２０とを備えている。なお、図９に示される放射素子板２２０は矩形板であるが、本発明の実施は放射素子板２２０に限定されず、円形などのパッチアンテナとして一般的に使用されている他の形状としてもよい。さらに、直線偏波に限らず、摂動を設けて円偏波としても良い。また、第１地導体板２１０と放射素子板２２０との間には、第１絶縁体２１１が設けられている。第１絶縁体２１１は、誘電体で構成してもよく、単に空気で構成してもよい。
【００４０】
さらに、第２実施形態に係るアンテナ装置２００は、第１地導体板２１０と放射素子板２２０との間に、第２地導体板２３０を備えている。この第２地導体板２３０は、第１地導体板２１０に対して垂直に設けられており、第２地導体板２３０の位置は、放射素子板２２０の偏波面方向における長さＡ２における中央付近に位置している。第２地導体板２３０上には、誘電体としての第２絶縁体２３３および電気伝導体としての伝送線路２３１が積層配置されている。
【００４１】
第２地導体板２３０、第２絶縁体２３３および伝送線路２３１は、一体的な板状構成となっており、これら第２地導体板２３０、第２絶縁体２３３および伝送線路２３１が配置される領域は、放射素子板２２０の偏波面方向における中心Ｏから長さＡ２の６分の１の範囲に含まれるように配置されることが好ましい。
【００４２】
図１０に示されるように、第１地導体板２１０と放射素子板２２０との間に発生する電界Ｅａの大きさは、放射素子板２２０の偏波面方向における端部から中心Ｏに向かって減衰し、中心Ｏにおいて理論上ゼロになる。第２地導体板２３０、第２絶縁体２３３および伝送線路２３１が配置される領域が、放射素子板２２０の偏波面方向における中心Ｏから長さＡ２の６分の１の範囲に含まれる場合、電界Ｅａの大きさが最大値の２分の１以下である。よって、第２地導体板２３０、第２絶縁体２３３および伝送線路２３１が配置される領域が、放射素子板２２０の偏波面方向における中心Ｏから長さＡ２の６分の１の範囲に含まれる場合、伝送線路２３１の電界とアンテナの電界Ｅａとが直交するという作用に加えて、電界Ｅａの大きさが小さいことによる干渉の抑制効果が得られる。
【００４３】
先述のように、放射素子板２２０における給電点２２１の位置は、給電線２３２および伝送線路２３１のインピーダンスに整合する位置に設定される。一方、給電点２２１の位置が放射素子板２２０の偏波面方向における中心Ｏに近いほど、放射素子板２２０の特性インピーダンスが小さくなることが知られている。したがって、図１０に示されるように、給電点２２１の位置ａ２を、放射素子板２２０の偏波面方向における長さＡ２における中央付近に配置する場合（つまりａ２がＡ２／２に近い）、給電線２３２および伝送線路２３１のインピーダンスも低く設計する必要がある。
【００４４】
例えばマイクロストリップラインのインピーダンスは、第２絶縁体２３３の厚さおよび誘電率、伝送線路２３１の線路幅などによって定まる。第２絶縁体２３３の厚さを小さくする、または誘電率の高い第２絶縁体２３３を用いるなどの方法により、インピーダンスを低下させれば、給電点２２１の位置ａ２を、放射素子板２２０の偏波面方向における長さＡ２における中央付近に近づけることが可能である。
【００４５】
以上説明した構成により、第２実施形態に係るアンテナ装置は、伝送線路２３１から第２地導体板２３０に向かう電界と第１地導体板２１０と放射素子板２２０との間に発生する電界Ｅａとが互いに干渉する影響をより抑制することができるので、アンテナ特性への影響を一段と抑制しながらも、給電線２３２の損失を低減し、かつ、アンテナ装置２００全体が小型化される。
【００４６】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、本発明の実施は上記実施形態により限定されるものではない。先述したように、本発明は、受信用アンテナ装置、送信用アンテナ装置、および送受信アンテナ装置の何れに対しても適用し得る。例えば送信用アンテナ装置の場合、第１地導体板と放射素子板との間に配置し、放射素子板が送信する高周波を処理する電子回路として、増幅器および発振器などを含むものを構成することができる。また、送受信アンテナ装置の場合、第１地導体板と放射素子板との間に配置し、放射素子板が送受信する高周波を処理する電子回路に高周波スイッチを備える構成が好適である。
【００４７】
また、第１地導体板と放射素子板との間に配置する電子回路の構成素子は、上記説明した素子に限定されるものではなく、トランジスタ、集積回路、ダイオード、オペアンプ、抵抗、コイル、コンデンサ、基板、端子、スイッチ、線材など一般的に電子回路で用いられる素子を適宜選択して用いることが可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１００，２００  アンテナ装置
１１０，２１０  第１地導体板
１１１，２１１  第１絶縁体
１２０，２２０  放射素子板
１２１，２２１  給電点
１３０，２３０  第２地導体板
１３１，２３１  伝送線路
１３２，２３２  給電線
１３３，２３３  第２絶縁体
１３４  電子回路
１３４ａ  入力部
１３４ｂ  整流回路部
１３４ｃ  昇圧・降圧回路部
１３４ｄ  制御回路部
【図１】
2016046729.tif 000003
【図２】
2016046729.tif 000004
【図３】
2016046729.tif 000005
【図４】
2016046729.tif 000006
【図５】
2016046729.tif 000007
【図６】
2016046729.tif 000008
【図７】
2016046729.tif 000009
【図８】
2016046729.tif 000010
【図９】
2016046729.tif 000011
【図１０】
2016046729.tif 000012