JP4435217B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、薄型小形な無線装置向けのアンテナ装置に関し、特に高インピーダンス基板に対するアンテナの実装技術に関する。

アンテナ装置の薄型化のために金属板（地板）とアンテナを近接させる技術としてEBG（Electromagnetic Band Gap）基板が知られている。EBG基板は、金属板上のある高さに導体板をマトリクス状に配置し、各導体板と金属板とを線状導体素子で接続したものである。このEBG基板は、分布定数回路によってLCの並列共振回路を作ることにより、高インピーダンスを実現し、金属板上に発生する不要な電流分布を抑圧するものである。

しかしながら、EBG基板上にも電流は分布するためEBG基板とアンテナを非常に近接させて配置したときにアンテナの特性劣化が発生する。これは、アンテナ上の電流分布がEBG基板上に分布する電流からの影響を受けて大きく変動してしまい、整合がとれなくなることが原因である。特に給電点近傍における急激な電流の変化は、大きな整合特性の劣化を引き起こす。

このため、一般にEBG基板では、アンテナとEBG基板とを大きく近接させないという方法により、相互結合による特性変動を抑圧している。このような方法では、アンテナ装置の薄型化にも限界がある。

特開2005-110273公報には、EBG基板の単位セルをひとつ抜いてそこにアンテナをＥＢＧ基板に垂直に配置する方法が記載されている。しかしこの公報に記載のように配置することは、そもそものEBG基板の目的のひとつであるアンテナの薄型化を阻害する原因になる。また、EBG基板の単位セルの大きさが比較的大きい場合、アンテナ上の電流により誘導される不要な電流がEBG基板に生じてしまう。

また、ＥＢＧ基板の電流の影響が小さいと考えられる導体板間の隙間にアンテナを配置する方法が米国特許第6768476号に示されているが、この場合でも、EBG基板上の電流の影響を受け、電流分布が変化し、アンテナのインピーダンス整合特性が大きく劣化する問題がある。
特開2005-110273公報 米国特許第6768476号

本発明は、薄型化されかつインピーダンス特性に優れた、EBG基板を用いたアンテナ装置を提供する。

本発明の一態様としてのアンテナ装置は、有限地板と、第１の隙間ライン又は、前記第１の隙間ラインに直交する第２の隙間ラインに沿って配置された複数の導体板と、前記有限地板と前記複数の導体板とをそれぞれ接続する複数の第１の線状導体素子と、前記第１の隙間ラインに配置された第２および第３の線状導体素子と、前記第２および第３の線状導体素子の相近接する一端間に配置され各前記一端から給電を行う給電点とを有するアンテナ素子と、を備え、前記給電点は、前記第１の隙間ラインと前記第２の隙間ラインとの交差部の領域のうち前記第２の隙間ラインの中心線からずれた位置に配置されたことを特徴とする。

本発明により、優れたインピーダンス特性を維持したままアンテナ装置を薄型化できる。

まず本発明者らが本発明をなす以前から知っていた、EBG（Electromagnetic Band Gap）基板を用いたアンテナ装置について説明する。

図６は、複数の導体板１００１が地板（図示せず）上にｎ×ｍのマトリクス状に配置されたEBG基板における各導体板１００１上の電流分布を示す。各導体板１００１はその中心において地板と線状導体素子１００２によって接続されている。ここでは説明の簡単のためｎ×ｍのマトリクス状に配置された導体板１００１のうち４つの導体板１００１のみに着目している。図示の各導体板１００１上の電流分布に示されるように、EBG基板を構成する各導体板１００１では、動作状態において導体板１００１の各辺に沿って辺の中央に向かって互いに逆相となる２つの電流が流れ、また導体板１００１の中心部分には、比較的強い電流が流れることが分かる。

図７は、上記EBG基板にダイポールアンテナを配置したアンテナ装置においてダイポールアンテナの電流分布を示したものである。図８は、該アンテナ装置の側面図である。ダイポールアンテナは、線状導体素子１００３，１００４と給電点１００６とからなる。このダイポールアンテナは、導体板列間の隙間ラインに配置され、給電点１００６は、導体板１００１の辺の中央付近に位置している。給電点１００６には図８に示す通り、給電線１００５から高周波電流が与えられる。各導体板１００１は地板１０００上においてマトリクス状に配置されている。図７（Ａ）に示される電流分布は、EBG基板上の電流（導体板を流れる電流）に起因してダイポールアンテナ上に発生した誘導電流の分布と、ダイポールアンテナ上に元々存在する電流の分布とをそれぞれ別個に示し、図７（Ｂ）に示される電流分布は、これら両方の電流を足し合わせた、実際にダイポールアンテナを流れる電流（合成電流）の分布を示す。

図７（Ａ）および図７（Ｂ）を比較して明らかなように、ダイポールアンテナ上の合成電流は、EBG基板上の電流（各導体板の電流）の影響により、元々存在する電流から、比較的大きく変化していることが理解される。これは、ダイポールアンテナ上の電流が正または負であるのに対し、ＥＢＧ基板上の電流は正負の反転が繰り返されているからである適正な波形信号を送信または受信するためには給電点１００６における電流分布は非常に重要である。

このようなEBG基板上の電流によるアンテナ特性の変化は、EBG基板における導体板の周期ａ（導体板の配置ピッチ）が波長λに比べて非常に小さいａ＜＜λのときには問題にならず、周期ａが波長λの大きさに近づくにつれて大きな問題となる。なぜなら、ａ＜＜λのときは、先に述べたＥＢＧ基板上の電流分布の正負の反転周期が小さいため、アンテナ上において反転する電流がお互いにキャンセルすると考えることが可能だからである。

本実施の形態では、アンテナ上においてお互いにキャンセルすると考えることができない程度に周期aが大きくとも、アンテナをEBG基板に近づけて薄型化可能としたアンテナ装置を実現するものである。以下、図面を参照しながら本実施の形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態としてのアンテナ装置の構成を示す。図１（Ａ）は該アンテナ装置の上面図、図１（Ｂ）は該アンテナ装置の側面図である。

有限地板（地板）１００からある高さにおいて、板状の導体素子（導体板）１０１が２横列×４縦列のマトリクス状に配置されている。マトリクスは、２横列×４縦列に限定されず、２以上の整数ｎ、ｍを用いて、ｎ横列×ｍ縦列でもよい。各導体板１００１の面はそれぞれ地板１００に対して略平行である。各導体板１００１は、それぞれその中央において線状導体素子１０２によって地板１００と接続されている。導体板１００１と線状導体素子１０２との接続位置は導体板１００１の中央でなくともよく、所望する通信特性に応じて任意の位置に設定できる。地板１００と、マトリクス状の導体板１００１と、各導体板の線状導体素子１０２とはEBG（Electromagnetic Band Gap）基板を成している。

線状導体素子１０２の長さｈは、波長λに比べて非常に小さい（ｈ＜＜λ）。隣接する導体板１００１の間の浮遊キャパシタと、線状導体素子１０２の浮遊インダクタとの組み合わせによりEBG基板には並列共振回路が周期的に配置され、これにより地板面全体が高インピーダンス化されている。

導体板１００１の一辺の長さは、当該導体板１００１の一辺の長さと線状導体素子１０２の長さとの和が、四分の一波長程度の長さとなるように調整されている。この四分の一波長という長さは、電気的な長さのことを意味しており、導体板の近傍に配置されている媒質や、導体板１００１間の距離などにより変化する。

このようなＥＢＧ基板に対して、線状導体素子１０３、１０４と給電点１０６とを含むダイポールアンテナが配置されている。より詳しくは、線状導体素子１０３、１０４が、第１の方向（紙面に沿って横方向）に配置される導体板列間に形成される第１の隙間ラインに一直線状に近接配置され、線状導体素子１０３、１０４の相近接する一端間にこれらの一端から給電を行う給電点１０６が配置される。そして、この給電点１０６は、上記第１の方向に略直交する第２の方向（紙面に沿って縦方向）に配置される導体板列間に形成される第２の隙間ラインと上記第１の隙間ラインとの交差部に位置している。厳密には、給電点１０６は、交差部領域の中央あるいは第２の隙間ラインの中心線からすこしずれて位置しており、このように配置することで、より優れたインピーダンス特性を得られることが本発明者らによるシミュレーションにより確認されている。ダイポールアンテナの長さは半波長程度であり、導体板１００１と同じ高さまたはこれよりわずかに高い高さに配置されている。給電点１０６には給電線１０５が接続され、給電点１０６に給電線１０５を介して図示しない無線部からの高周波電流が与えられる。

図２は、図１のダイポールアンテナ上の電流分布を説明する図である。図２（Ａ）はEBG基板上に生じた電流によりダイポールアンテナ上に発生する誘導電流と、ダイポールアンテナ上に元々存在する電流とを示す。図２（Ｂ）は、これらの電流を足し合わせたときの合成電流（実際にダイポールアンテナを流れる電流）を示す。

図７に示した例と比較することで明らかなように、図２の例では、給電点１０６の近傍において、線状導体素子１０２と１０３の電流（合成電流）と、線状導体素子１０２と１０３に元々存在する電流と差は、小さくなっている。この理由について述べると以下の通りである。

EBG基板上の電流は、１つの導体板１００１上において、導体板１００１の頂点（角）から隣接する頂点までを、線状導体素子１０２との接続点を介して、正弦波状の分布をとる。従って、導体板１００１と線状導体素子１０２との接続点にて電流は最大となり、各頂点において最小となる（図６参照）。したがって、導体板１００１の頂点があつまる交差部分（第１の隙間ラインと第２の隙間ラインとの交差部分）に給電点１０６を配置すれば、導体板１００１上の電流に起因して給電点１０６に生じる誘導電流は小さくなり、この結果、給電点１０６における電流の変化（給電点１０６における電流分布の不連続性）は小さくなる。従って、ダイポールアンテナにおける給電点の電流は、EBG基板への近接前の状態（ダイポールアンテナをEGB基板から大きく離した状態）に近くなり、この結果、インピーダンス整合が取りやすくなる。

このようにして、ダイポールアンテナとEBG基板間の近接が可能となり、その結果としてアンテナ装置の薄型化が可能となる。もちろん、地板１００上にマトリクス状に配置された導体板１００１と各導体板１００１と地板１００とを接続する線状導体素子１０２とにより構成されたＥＢＧ基板により、地板１００上に生じるイメージ電流が抑制され、その結果としてアンテナの利得向上およびインピーダンス整合が取りやすくなるなどの効果は失われることはなく、本発明適用前と同様に得ることができる。ＥＢＧ基板の電流によるアンテナ上の電流の変化は、導体板が波長の数分の一程度の大きさとなる比較的大きい場合に特に問題になるが、本実施形態のアンテナ装置ではこのような大きな導体板を用いた場合においても薄型化と優れたインピーダンス特性との両方を実現できる。導体板の一辺の長さは、原理上、その最大サイズは、使用波長をλとしたとき、略λ／４であるが、このようなときでも本実施形態は優れた効果を発揮できる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態としてのアンテナ装置の構成を示す。図３（Ａ）は該アンテナ装置の上面図、図３（Ｂ）は該アンテナ装置の側面図である。

本アンテナ装置は、ダイポールアンテナの給電点１０６が、隙間ラインの交差部の領域の中央から、導体板の一辺の長さの四分の一以下の距離Ｌだけ第１の隙間ライン（図面に沿って横方向のライン）に沿ってオフセットされている、あるいは、第１の隙間ラインに沿って第２の隙間ラインの中心線から距離Ｌだけ離れた位置に配置されていることを特徴とする。他の要素については第１の実施形態と同様であるため、同一の要素には同一の参照符号を付して、詳細な説明を省略する。

このように、交差部の領域の中央または第２の隙間ラインの中心線から上記距離Ｌだけ離れた位置に給電点１０６を配置すると、ダイポールアンテナの給電点１０６近傍に加算されるEBG基板からの誘導電流の位相が同じ方向にそろう。これにより、給電点１０６近傍においてダイポールアンテナ上の電流の変化をさらに小さくすることが可能となる。この結果、給電点１０６における電流の不連続が小さくなり、アンテナのインピーダンス整合が取りやすくなる。

図４は、図３のダイポールアンテナ上の電流分布を説明する図である。図４（Ａ）はEBG基板上に生じた電流によりダイポールアンテナ上に発生する誘導電流と、ダイポールアンテナ上に元々存在する電流とをそれぞれ別個に示す。図４（Ｂ）はこれらの電流を足し合わせたときの合成電流（ダイポールアンテナを実際に流れる電流）を示す。

図２の例（第１の実施形態）と比較して理解されるように、図４の例では、給電点１０６の近傍において、線状導体素子１０２と１０３上の合成電流と、線状導体素子１０２と１０３に元々存在する電流と差は、第１の実施形態よりも、さらに小さくなっている。

第１の実施形態では、給電点それ自体における電流の変化は小さいものの、その前後における電流分布の変化が第２の実施形態よりも大きいことから、給電線１０５上に不要な電流漏洩が第２の実施形態に比べて流れる可能性がある。一方第２の実施形態では、給電点の前後における電流分布の変化は小さいものの、給電点自体における電流の変化は第１の実施形態よりも生じる。したがって第１の実施形態と第２の実施形態の2種を仕様にあわせて適用することが望まれる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態としてのアンテナ装置の構成を示す。図５（Ａ）は該アンテナ装置の上面図、図５（Ｂ）は該アンテナ装置の側面図である。

本実施形態では、各導体板のうち、隣接する導体板がない方向の部位を半分削除した構成になっている。したがって、図示の例では、マトリクス状に配置された導体板のうち、マトリクスの角部に位置する導体板２０１は元のサイズの４分の１になっており、それ以外の導体板３０１は元のサイズの２分の１になっている。ＥＢＧ基板では、導体板間の間隙に生じるキャパシタンスと、キャパシタンスを短絡する線状導体素子１０２と、導体板（２０１、３０１）のインダクタンスとによる並列共振により動作し高インピーダンス特性を発揮する。従って、１つの導体板全体において線状導体素子１０２から見て隣接する導体板がない部分は、動作には寄与しない。この点に鑑み、本実施形態では、導体板において動作に寄与しない部位を削除することで、地板１００の大きさ、ひいてはアンテナ装置全体を小型化している。

以上に各実施形態が説明された本発明は、携帯電話や無線ＬＡＮを用いたＰＣなどの無線端末に代表される無線通信や、地デジ受信用アンテナ、これ以外にもレーダ用のアンテナなどへの適用も可能である。特に薄型化が必要になる移動体の表面に配置されるアンテナに適している。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態としてのアンテナ装置の構成を示す図 図１のダイポールアンテナ上の電流分布を説明する図 本発明の第２の実施形態としてのアンテナ装置の構成を示す図 図３のダイポールアンテナ上の電流分布を説明する図 本発明の第３の実施形態としてのアンテナ装置の構成を示す図 ＥＢＧ基板における各導体板上の電流分布を説明する図 本発明をなす以前におけるアンテナ装置に搭載されたダイポールアンテナ上の電流分布を説明する図 図７のアンテナ装置の側面図

符号の説明

１００：地板（有限地板）
１００１：導体板
１０２：線状導体素子
１０３：線状導体素子
１０４：線状導体素子
１０５：給電線
１０６：給電点

Claims (5)

1. 有限地板と、
   第１の隙間ライン又は、前記第１の隙間ラインに直交する第２の隙間ラインに沿って配置された複数の導体板と、
   前記有限地板と前記複数の導体板とをそれぞれ接続する複数の第１の線状導体素子と、 前記第１の隙間ラインに配置された第２および第３の線状導体素子と、前記第２および第３の線状導体素子の相近接する一端間に配置され各前記一端から給電を行う給電点とを有するアンテナ素子と、を備え、
   前記給電点は、前記第１の隙間ラインと前記第２の隙間ラインとの交差部の領域のうち前記第２の隙間ラインの中心線からずれた位置に配置されたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 有限地板と、
   第１の隙間ライン又は、前記第１の隙間ラインに直交する第２の隙間ラインに沿って配置された複数の導体板と、
   前記有限地板と前記複数の導体板とをそれぞれ接続する複数の第１の線状導体素子と、 前記第１の隙間ラインに配置された第２および第３の線状導体素子と、前記第２および第３の線状導体素子の相近接する一端間に配置され各前記一端から給電を行う給電点とを有するアンテナ素子と、を備え、
   前記給電点は、前記第１の隙間ラインに沿って、前記第2の隙間ラインの中心線から距離Ｌ（Ｌは、前記導体板の一辺の長さの４分の１以下の正数）だけ離れた位置に配置されたことを特徴とするアンテナ装置。
3. 前記導体板の一辺の長さは、使用波長をλとしたとき、略λ／４であ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。
4. 前記複数の導体板は、マトリクス状に配置されており、前記複数の導体板のうち最外周に位置する導体板は、その外周部において前記第１の線状導体素子を介して前記有限地板に接続されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
5. 前記アンテナ素子の長さは、使用波長の約２分の１であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。

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