(57)【要約】【課題】従来技術と同程度以上の広帯域化かつマルチバンド化を実現しながら、片面基板に構成可能な平面アンテナを提供する。【解決手段】誘電体基板の一方の板面に設けられた接続素子と、一方の板面に設けられ、一端が互いに離されて、接続素子の一辺に接続され、かつ、接続素子から遠ざかる方向に延長された形状の２本の第一帯状素子と、一方の板面の２本の第一帯状素子同士の間に、一端が互いに離されて、接続素子の一辺に接続され、かつ、接続素子から遠ざかる方向に延長された形状の２本の第二帯状素子と、一方の板面に互いに分離されて設けられ、２本の第一帯状素子と接続され、これら接続部に対して互いに外側に配置されている２つの板状素子と、一方の板面の２本の第二帯状素子同士の間に設けられる直線素子とを含む。接続素子と直線素子との間に給電点が位置し、直線素子は、接続素子から遠ざかる方向に給電点から延長された形状である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、
前記誘電体基板の一方の板面に設けられた接続素子と、
前記一方の板面に設けられ、一端が互いに離されて、前記接続素子の一辺に接続され、かつ、前記接続素子から遠ざかる方向に延長された形状の２本の第一帯状素子と、
前記一方の板面の前記２本の第一帯状素子同士の間に、一端が互いに離されて、前記接続素子の一辺に接続され、かつ、前記接続素子から遠ざかる方向に延長された形状の２本の第二帯状素子と、
前記一方の板面に互いに分離されて設けられ、前記２本の第一帯状素子と接続され、これら接続部に対して互いに外側に配置されている２つの板状素子と、
前記一方の板面の前記２本の第二帯状素子同士の間に設けられる直線素子とを含み、
前記接続素子と前記直線素子との間に給電点が位置し、
前記直線素子は、前記接続素子から遠ざかる方向に前記給電点から延長された形状である、
平面アンテナ。
【請求項２】
請求項１記載の平面アンテナであって、
前記第二帯状素子は、前記接続素子から遠ざかるに従って先細りになるテーパ形状である、
平面アンテナ。
【請求項３】
請求項１または２記載の平面アンテナであって、
前記接続素子の前記直線素子と向かい合う辺は、前記直線素子に対して、逆方向に凹んだ形状である、
平面アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は広帯域化かつマルチバンド化が可能な平面アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
広帯域化かつマルチバンド化が可能な平面アンテナとして、特許文献１の平面アンテナが知られている。特許文献１の平面アンテナは、誘電体基板を備え、誘電体基板の一方の板面に地板、２本の第一帯状素子、２本の第二帯状素子及び２つの板状素子を具備し、誘電体基板の他方の板面にモノポール素子を具備する。２本の第二帯状素子は、第一帯状素子同士の間に、一端が互いに離されて、地板の一辺に接続され、かつ、地板から遠ざかる方向に平行に延長されている。また、第二帯状素子は第一帯状素子よりも短い。
【０００３】
特許文献１は、小型、かつ、700 MHz帯から900 MHz帯と2 GHzにおいて広帯域かつマルチバンドなVSWR特性、無指向性の放射パターン特性を持つ。特許文献１のアンテナは、中央給電１波長ダイポールアンテナの給電点をオフセットすることにより、インピーダンス整合を改善し、その先端を折り曲げ、アンテナ高の低減を図ったオフセット折り曲げダイポールアンテナの技術を複数組み合わせることにより、マルチバンド化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２２６６９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の平面アンテナは、誘電体基板の両面を用いてアンテナを構成するため，フィルム基板のような片面基板に構成することができない。
【０００６】
そこで、本発明は、従来技術と同程度以上の広帯域化かつマルチバンド化を実現しながら、片面基板に構成可能な平面アンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様によれば、平面アンテナは、誘電体基板と、誘電体基板の一方の板面に設けられた接続素子と、一方の板面に設けられ、一端が互いに離されて、接続素子の一辺に接続され、かつ、接続素子から遠ざかる方向に延長された形状の２本の第一帯状素子と、一方の板面の２本の第一帯状素子同士の間に、一端が互いに離されて、接続素子の一辺に接続され、かつ、接続素子から遠ざかる方向に延長された形状の２本の第二帯状素子と、一方の板面に互いに分離されて設けられ、２本の第一帯状素子と接続され、これら接続部に対して互いに外側に配置されている２つの板状素子と、一方の板面の２本の第二帯状素子同士の間に設けられる直線素子とを含む。接続素子と直線素子との間に給電点が位置し、直線素子は、接続素子から遠ざかる方向に給電点から延長された形状である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の平面アンテナでは、従来技術と同程度以上の広帯域化かつマルチバンド化を実現しながら、片面基板に構成することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第一実施形態の平面アンテナの構成例を示す図。
【図２】板状素子１１２１Ａ及び１１２１Ｂの形状の例を示す図。
【図３】平面アンテナ１１００の寸法を示すための記号を説明する図。
【図４】寸法の例を示す図。
【図５】ＶＳＷＲの周波数特性の計算結果を示す図。
【図６】803MHzにおける放射パターンの計算結果を示す図。
【図７】2019MHzにおける放射パターンの計算結果を示す図。
【図８】第一実施形態の平面アンテナを流れる電流を説明するための図。
【図９】第二帯状素子の形状の例を示す図。
【図１０】接続素子の形状の例を示す図。
【図１１】ＶＳＷＲの周波数特性の計算結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。
【００１１】
[第一実施形態]
図１に本実施形態の平面アンテナの構成例を示す。平面アンテナ１１００は誘電体基板とその誘電体基板上に設けられた素子などで構成されている。図１は誘電体基板１７の一方の板面１７Ａ側から見た図である。図２は、板状素子１１２１Ａ及び１１２１Ｂの形状の例を示す。図３は、平面アンテナ１１００の寸法を示すための記号を説明する図である。図４に寸法の例を示す。
【００１２】
＜平面アンテナ１１００＞
平面アンテナ１１００は、誘電体基板１７、接続素子３５、２本の第一帯状素子１２３Ａ，１２３Ｂ、２本の第二帯状素子１２４Ａ，１２４Ｂ、２つの板状素子１１２１Ａ，１１２１Ｂ及び直線素子１１２９を具備する。接続素子３５、２本の第一帯状素子１２３Ａ，１２３Ｂ、２本の第二帯状素子１２４Ａ，１２４Ｂ、２つの板状素子１１２１Ａ，１１２１Ｂ及び直線素子１１２９は、誘電体基板１７の一方の板面１７Ａに設けられる。このような構成により、片面基板に構成することができる。
【００１３】
＜誘電体基板１７および接続素子３５＞
本実施形態では、誘電体基板１７は長方形であり、板面１７ＡはＹＺ平面に平行である。接続素子３５は、誘電体基板１７の一方の板面１７Ａに設けられる。本実施形態では、接続素子３５は略長方形であり、長方形である板面１７Ａの短手方向(図１のY軸方向)に平行な一辺に、略長方形である接続素子３５の長手方向(図１のY軸方向)に平行な一辺が沿う形状である。さらに、接続素子３５の、後述する直線素子１１２９と向かい合う辺は、直線素子１１２９に対して、(向かい合う方向に対して)逆方向に凹んだ形状である。なお、この凹んだ形状を備えることから「略」長方形とする。別の言い方をすると、接続素子３５は、直線素子１１２９と向かい合う辺において、逆方向に凹んだ形状を備える長方形状である。
【００１４】
例えば、第一実施形態の誘電体基板１７は比誘電率３．０、厚さ０．１３５ｍｍであり、大きさは７１．９ｍｍ×１０８．０ｍｍであり、接続素子３５の大きさは６５．０ｍｍ×１０．５ｍｍである。なお、これら数値に関しては、目標とする周波数特性に応じて、適宜変更可能である。
【００１５】
＜直線素子１１２９＞
第一実施形態の直線素子１１２９は、誘電体基板１７の一方の板面１７Ａの２本の第二帯状素子同士１２４Ａ，１２４Ｂの間に設けられる。
【００１６】
接続素子３５と直線素子１１２９との間に給電点が位置する。
【００１７】
直線素子１１２９は、接続素子３５から遠ざかる方向（換言すると、後述する第一帯状素子１２３Ａ，１２３Ｂ若しくは第二帯状素子１２４Ａ，１２４Ｂの延長方向、又は、板状素子１１２１Ａ，１１２１Ｂの存在する方向）に給電点から延長された形状である。
【００１８】
図１に示す直線素子１１２９は、例えば、誘電体基板１７の短手方向の中心に配置され、その形状は長方形であり、幅は３ｍｍ、長さは８２．５ｍｍである。なお、本実施例は発明の内容を限定するものではない。直線素子１１２９の形状や長さ等は、目標する共振周波数等により適宜変更可能である。
【００１９】
＜第一帯状素子１２３Ａ，１２３Ｂ＞
２本の第一帯状素子１２３Ａ，１２３Ｂは、一方の板面１７Ａに設けられ、一端が互いに離されて、接続素子３５の一辺に接続され、かつ、接続素子３５から遠ざかる方向に平行に延長された形状である。
【００２０】
図１の例では、第一帯状素子１２３Ａ，１２３Ｂは、互いに平行にかつ接続素子３５の接続された一辺と垂直な方向（Ｚ方向）に延長されている。
【００２１】
例えば、誘電体基板１７が長方形の場合には、第一帯状素子１２３Ａ，１２３Ｂは、誘電体基板１７の長手方向と平行に配置される。例えば、第一帯状素子１２３Ａ，１２３Ｂは長方形であり、その幅は３．２mmで、第一帯状素子１２３Ａ，１２３Ｂは２８．５mm離して配置される。なお、本実施例は発明の内容を限定するものではない。目標とする共振周波数等により、幅や形状等は適宜変更可能である。
【００２２】
＜板状素子１１２１Ａ，１１２１Ｂ＞
板状素子１１２１Ａ，１１２１Ｂは、一方の板面１７Ａに互いに分離されて設けられ、２本の第一帯状素子１２３Ａ及び１２３Ｂと接続され、これら接続部に対して互いに外側に配置されている。さらに、２つの板状素子１１２１Ａ及び１１２１Ｂはそれぞれ、その第一帯状素子１２３Ａ、１２３Ｂと接する辺である第１縁辺ＡＢ及びＡ’Ｂ’と、その第１縁辺ＡＢ、Ａ’Ｂ’の接続素子３５側の頂点Ａ、Ａ’を起点として互いに外側にかつ接続素子３５方向に向かうように形成された第２縁辺ＡＰ及びＡ’Ｐ’を備える（図２参照）。例えば、板状素子１１２１Ａは、第１縁辺である短辺ＡＢと、短辺ＡＢに平行な長辺ＣＰを有する台形状である。第２縁辺は短辺ＡＢと長辺ＣＰの接続素子３５側の頂点ＡとＰを結ぶ辺ＡＰである。板状素子１１２１Ｂも同様の形状を有し、２つの板状素子１１２１Ａ、１１２１Ｂは、短辺ＡＢとＡ’Ｂ’が平行に対向するように配置される。なお、板状素子は、第一帯状素子１２３Ａ，１２３Ｂと接する辺である第１縁辺と、その第１縁辺の接続素子３５側の頂点を起点として互いに外側にかつ接続素子３５方向に向かうように形成された第２縁辺を備えていれば、図２に示した形状に限定しなくてもよい。この点は、特許文献１に示されているので、詳細な説明は省略する。なお、本実施例は発明の内容を限定するものではない。台形素子の形状は、目標とする共振周波数等により適宜変更可能である。
【００２３】
＜第二帯状素子１２４Ａ，１２４Ｂ＞
２本の第二帯状素子１２４Ａ，１２４Ｂは、一方の板面１７Ａの２本の第一帯状素子１２３Ａ，１２３Ｂ同士の間に、一端が互いに離されて、接続素子３５の一辺に接続され、かつ、接続素子３５から遠ざかる方向に平行に延長された形状である。また、第二帯状素子１２４Ａ，１２４Ｂはそれぞれ第一帯状素子１２３Ａ，１２３Ｂよりも短い。本実施形態では、２本の第二帯状素子１２４Ａ，１２４Ｂは、接続素子３５の接続された一辺と垂直な方向に延長されており、第一帯状素子１２３Ａ，１２３Ｂとも平行である。別の言い方をすると、本実施形態では、２本の第二帯状素子１２４Ａ，１２４Ｂは、長方形の誘電体基板１７の基板の長手方向と平行に配置される。なお、本実施形態では、第二帯状素子１２４Ａ，１２４Ｂは、接続素子３５に接続された部分（図１中、破線で示す）を下底とする台形状であり、上底よりも下底のほうが長い。ただし、第二帯状素子１２４Ａ，１２４Ｂを厳密に台形に限定する必要はなく、インピーダンス整合に問題の生じない範囲で各辺に多少の凹凸があってもよい。なお、第二帯状素子１２４Ａ，１２４Ｂの長手方向（Z軸方向）の長さは、直線素子１１２９の長手方向（Z軸方向）の長さよりも長い。
【００２４】
例えば、第二帯状素子１２４Ａ，１２４Ｂは、誘電体基板１７の長手方向の中心線に対して線対称に配置される。なお、本実施例は発明の内容を限定するものではない。目標とする共振周波数等により、幅や形状等は適宜変更可能である。
【００２５】
＜VSWR周波数特性＞
図５は第一実施形態のＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio：電圧定在波比）の周波数特性の計算結果を示す。第一実施形態のVSWR周波数特性は、700 MHz帯から900 MHz帯においては、特許文献１と同等となるが、高域周波数において、特許文献１と比べて、広帯域な周波数帯において良好なインピーダンス整合が得られる。 
【００２６】
＜放射パターン＞
図６に803MHzにおける第一実施形態の放射パターンを、図７に2019MHzにおける放射パターンを示す。各図において、ＸＹ平面の主偏波（実線）及び交差偏波（破線）の放射パターン（Ｚ方向を鉛直方向としたときの水平方向の放射パターン）の計算結果、並びに、ＺＸ平面の主偏波（実線）及び交差偏波（破線）の放射パターン（Ｚ方向を鉛直方向としたときの鉛直方向の放射パターン）の計算結果を示す。なお、図４の寸法では、低い周波数帯の中心を803MHz、高い周波数帯の中心を2019MHzとすることを前提とした。図５の実線は本実施形態において図４に示した寸法のときのＶＳＷＲの周波数特性、点線は従来技術(特許文献１の場合)のＶＳＷＲの周波数特性を示している。この寸法であれば、２つの周波数帯でＶＳＷＲを２以下にできるので、良好なインピーダンス整合が実現できることが分かる。また、図６（Ａ）、図７（Ａ）より、直線素子１１２９の長手方向を鉛直方向にしたときには、水平方向においては主偏波を２つの周波数帯で無指向にできることが分かる。なお、平面アンテナ１１００の形状であれば、放射パターンは、ＶＳＷＲが２以下となる２つの周波数帯に限らず（周波数によらず）、ほぼ無指向にできる。つまり、全ての帯域において、ダイポールと類似した水平面無指向性、垂直面8の字形の放射パターンが得られる。この平面アンテナであれば、低い周波数帯の中心である803GHzの波長(373mm)と比べると、0.29波長分の長さで平面アンテナを実現できるので、ダイポールアンテナの0.5波長，グランド板付きモノポールアンテナの0.5波長と比べて、大幅にアンテナを小型にできることが分かる。
【００２７】
＜アンテナ動作原理＞
本実施形態では、平面アンテナ１１００は、２つの周波数帯において電波を送受信する。平面アンテナ１１００は、２つのオフセット給電折り曲げダイポールアンテナからなる。図８は、２つのオフセット給電折り曲げダイポールアンテナにそれぞれ流れる電流を示す。
(1)２つの周波数帯の低い方の周波数帯は、直線素子と、接続素子、第一帯状素子及び板状素子とからなるオフセット給電折り曲げダイポールアンテナにより電波を送受信する。図８の電流Ａ（実線）がこのオフセット給電折り曲げダイポールアンテナを流れる。なお、より詳細には、２つの周波数帯の低い方の周波数帯は、その中の２つの共振周波数を含み、２つの共振周波数のうちの低いほうの周波数（図４の寸法の場合、７００ＭＨｚ）は、このオフセット給電折り曲げダイポールアンテナにより共振する。一方、２つの共振周波数のうちの高いほうの周波数（図４の寸法の場合、900MHz）は、直線素子により共振する。図８の電流Ｄ（二点鎖線）がこの直線素子を流れる。低い方の周波数帯において、２共振特性が広帯域特性を引き起こしている。なお、本実施形態では、２つの周波数帯の低い方の周波数帯を700-900MHzとしているが、適宜変更してもよい。例えば、周波数帯を低くする（例えば600-800MHz）場合には第一帯状素子、板状素子、モノポール素子の長さを少し（インピーダンス整合に問題が生じない範囲で）大きく（電気的に大きく）し、直線素子と、接続素子、第一帯状素子及び板状素子とからなるオフセット給電折り曲げダイポールアンテナの長さを大きくすればよいし、高くする場合にはこれらを小さくすればよい。
(2)２つの周波数帯の高い方の周波数帯（図４の寸法の場合、2019MHz）は、直線素子と、接続素子及び第二帯状素子とからなるオフセット給電折り曲げダイポールアンテナにより共振する。図８の電流Ｂ（破線）がこのオフセット給電折り曲げダイポールアンテナを流れる。
【００２８】
本実施形態では、第二帯状素子は、接続素子に接続された部分（図１中、破線で示す）を下底とする台形状であり、上底よりも下底のほうが長い。このような形状により、連続的にオフセット給電折り曲げダイポールアンテナの長さが変わるように見えるため、連続的に共振周波数が変化し、広帯域な特性が得られると考えられる。そのため、必ずしも本実施形態のような台形状である必要はなく、第二帯状素子の幅（接続素子から遠ざかる方向に対して垂直な方向(Y軸方向)における長さ）が、接続素子から遠ざかるに従って小さくなる（先細り）形状、つまり、テーパ形状であればよい。また、本実施形態では、台形の脚のうち、第一帯状素子側の脚は下底に対して垂直であるが、必ずしも垂直である必要はない。例えば、図９のような形状（第一帯状素子側の脚と第一帯状素子とのY軸方向における距離が接続素子から遠ざかるに従って大きくなる形状）であってもよい。
【００２９】
なお、本実施形態では、２つの周波数帯の高い方の周波数帯の中心を2019MHzとしているが、適宜変更してもよい。例えば、共振周波数を低くする場合には第二帯状素子、直線素子の長さを少し（インピーダンス整合に問題が生じない範囲で）大きく（電気的に大きく）し、直線素子と、接続素子及び第二帯状素子とからなるオフセット給電折り曲げダイポールアンテナの長さを大きくすればよいし、高くする場合にはこれらを小さくすればよい。
【００３０】
＜効果＞
このような構成により、平面アンテナでは、従来技術と同程度以上の広帯域化かつマルチバンド化を実現しながら、片面基板に構成することができる。なお、誘電体基板の一方の面に全てのアンテナ素子を配置することで、以下のようなメリットを得ることができる。(i)M2M(Machine to Machine)の通信用アンテナとして様々なものに張り付けて利用することができる。(ii)両面より片面のほうが、シンプル化可能であり、コスト削減につながると考えられる。
【００３１】
本実施形態の平面アンテナは、図５に示すようなVSWR周波数を持つ。本実施形態のVSWR周波数特性は、700MHz帯から900MHz帯においては、特許文献１と同等となるが、高域周波数において、特許文献１と比べて、大幅にインピーダンス整合が良い帯域が拡大し、良好なインピーダンス整合が得られる。また、図６及び図７に示すように全ての帯域において、ダイポールと類似した水平面無指向性、垂直面8の字形の放射パターンが得られる。
【００３２】
＜変形例＞
また、上述の通り、本実施形態では、接続素子の直線素子と向かい合う辺は、直線素子に対して、逆方向に凹んだ形状である。しかしながら、必ずしも逆方向に凹んだ形状である必要はなく、図１０のような形状（逆方向に凹んでいない形状）であってもよい。目的とする周波数特性に応じて，凹ませて合った部分を接続素子よりZ方向に凸形状とすることも可能である。
【００３３】
図１１は、本実施形態、図９及び図１０の形状に対応するＶＳＷＲ周波数特性を示す。図９の形状（第一帯状素子側の脚と第一帯状素子とのY軸方向における距離が接続素子から遠ざかるに従って大きくなる形状）では第一実施形態と同程度の広帯域化を実現することができ、図１０の形状では従来技術と同程度の広帯域化を実現することができる。しかし、図１０の形状では、2GHz帯周辺で本実施形態と比べ狭帯域化している。これは、本実施形態の接続素子の凹んだ形状を凹んでいない形状(平らな形状)にし、直線素子を接続素子から遠ざかる方向に移動したのみであるため、電気的な経路として第二帯状素子が短く見えているからであると考えれる。さらに、第二帯状素子の長さを調整すれば更なる特性改善が可能であると考えられる。
【００３４】
本実施形態では、第二帯状素子は、接続素子から遠ざかるに従って先細りになるテーパ形状であるが、必ずしもテーパ形状ある必要はない。例えば、長方形状であってもよい。ただし、その場合、連続的にオフセット給電折り曲げダイポールアンテナの長さが変わるようには見えないため、連続的に共振周波数が変化しない。結果として、本実施形態程の広帯域化は難しいとしても、従来技術と同程度の広帯域化を実現することができると考えられる。
【００３５】
＜その他の変形例＞
本発明は上記の実施形態及び変形例に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１７  誘電体基板
１７Ａ  板面
３５  接続素子
１２３Ａ，１２３Ｂ  第一帯状素子
１２４Ａ，１２４Ｂ  第二帯状素子
１１００  平面アンテナ
１１２１Ａ，１１２１Ｂ  板状素子
１１２９  直線素子
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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