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JPWO2015049816A1 - アンテナ装置 - Google Patents

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JPWO2015049816A1
JPWO2015049816A1 JP2015540362A JP2015540362A JPWO2015049816A1 JP WO2015049816 A1 JPWO2015049816 A1 JP WO2015049816A1 JP 2015540362 A JP2015540362 A JP 2015540362A JP 2015540362 A JP2015540362 A JP 2015540362A JP WO2015049816 A1 JPWO2015049816 A1 JP WO2015049816A1
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博 鳥屋尾
博 鳥屋尾
嘉晃 笠原
嘉晃 笠原
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/20Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave

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Abstract

本発明は偏波の制御が可能なCRLH漏洩波アンテナを提供する。本発明のアンテナ装置は、導体プレーン11と、導体プレーンと対向する、線状の信号導体12と、導体プレーン11及び信号導体12と電気的に接続する、複数の導体ビア13と、を備え、導体プレーン11は複数のスロット14を有する。導体プレーン11と平行な面に対して平面視した時、スロット14は、信号導体12と所定の角度をもって交差している。導体ビア13及びスロット14は、信号導体12に沿って交互に並んでいる。

Description

本発明はアンテナ装置に関する。
近年、メタマテリアルによって電磁波の伝播特性を制御できることが明らかになっている。メタマテリアルとは、例えば特定の構造を有する導体パターンを周期的に配置したものを含む。代表的なメタマテリアルとして、右手系/左手系複合(CRLH:Composite Right/Left-Handed)線路が挙げられる。
特許文献1に示すように、CRLH線路は、導体パターンからなるユニットセルを複数並べて構成された伝送線路である。CRLH線路の特性は、特定の周波数帯において1次元の右手系媒質や左手系媒質として性質を示すことである。特許文献2,3には、このCRLH線路を、漏洩波アンテナとして利用することが開示されている。
米国特許第7446712号明細書 特開2008−054146号公報 国際公開第2011/114746号
発明者らは、上記CRLH漏洩波アンテナでは、所望の偏波を放射することが難しいと考えた。ここで所望の偏波とは、電場及び磁場の振動方向が所望の方向からなる電波である。本発明の目的は偏波の制御が可能なCRLH漏洩波アンテナを提供することである。
本発明のアンテナ装置は、導体プレーンと、前記導体プレーンと対向する、線状の信号導体と、前記導体プレーン及び前記信号導体と電気的に接続する、複数の導体ビアと、を備え、前記導体プレーンは複数のスロットを有する。
前記導体プレーンと平行な面に対して平面視した時、前記スロットは、前記信号導体と所定の角度をもって交差している。前記導体ビア及び前記スロットは、前記信号導体に沿って交互に並んでいる。
本発明の他の態様のアンテナ装置は、導体プレーンと対向する、線状の信号導体と、前記導体プレーン及び前記各信号導体と電気的に接続する、複数の導体ビアと、前記導体プレーンに設けられた複数のスロットと、を有するアンテナを少なくとも2つ備える。
(1)前記2つのアンテナにおいて、前記信号導体が互いに実質的に平行であることが好ましい。前記スロットが互いの延長線上で実質的に直交することが好ましい。
(2)前記2つのアンテナのそれぞれにおいて、前記導体プレーンと平行な面に対して平面視した時、前記スロットは、前記信号導体と所定の角度をもって交差している。前記導体ビア及び前記スロットは、前記信号導体に沿って交互に並んでいる。
本発明の電子装置は上記アンテナ装置を、少なくとも1つ備える。
本発明によれば、偏波の制御が可能なCRLH漏洩波アンテナを提供することができる。
第1実施形態にかかるアンテナ装置の斜視図である。 第1実施形態にかかるアンテナ装置の平面図である。 図2のIII−III断面における断面図である。 第1実施形態の他の態様にかかるアンテナ装置の平面図その1である。 第1実施形態の他の態様にかかるアンテナ装置の平面図その2である。 図2,3に示したユニットセルの等価回路図である。 第1実施形態の他の態様にかかるアンテナ装置の平面図その3である。 第2実施形態に係るアンテナ装置の斜視図である。 図8のIX−IX断面における断面図である。 第3実施形態にかかるアンテナ装置の平面図である。 第4実施形態にかかるアンテナ装置の平面図である。
10 アンテナ装置 11 導体プレーン
12 信号導体 13 導体ビア
14 スロット 15,17 給電線
20 アンテナ装置 21 導体プレーン
23 導体ビア 25 スロット
27 スロット 28,29 アンテナ
30 アンテナ装置 32 信号導体
33 導体ビア 34 スロット
35,37 給電線 39 信号入力装置
50 アンテナ装置 54 スロット
60 アンテナ装置 61〜69 スロット
本実施形態にかかるアンテナ装置はメタマテリアルとしての特性を示すアンテナ装置である。以下、本発明の各実施形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
[第1実施形態]
(1.概要)
図1に示すように、アンテナ装置10はCRLH漏洩波アンテナを備える。アンテナ装置10は導体プレーン11と、信号導体12と、複数の導体ビア13とを備える。
信号導体12は線状である。信号導体12は導体プレーン11と対向する。複数の導体ビア13はそれぞれ、導体プレーン11に電気的に接続する。複数の導体ビア13はそれぞれ、さらに信号導体12に電気的に接続する。
導体プレーン11は複数のスロット14を有する。複数のスロット14は、導体プレーン11に設けられた開口である。かかる開口又は開孔は導体プレーン11の一方の面から他方の面に至って、導体プレーン11を貫通することが好ましい。
図2に示すように、導体プレーン11と平行な面に対して平面視した時、各スロット14は、信号導体12と所定の角度をもって交差している。各導体ビア13及び各スロット14は、信号導体12に沿って交互に並んでいる。
ここでアンテナ装置10中、上記構成要素は全てCRLH漏洩波アンテナを構成するために必須である。
上記CRLH漏洩波アンテナは、伝送線路の正方向だけでなく直上方向や負方向へも漏洩波を放射することが可能である。このため、アンテナ装置10は、従来の漏洩同軸ケーブルを備えるアンテナ装置などと比べて、広角なビーム走査に適する。
上記CRLH漏洩波アンテナは、進行波アンテナの一種である。上記CRLH漏洩波アンテナは、共振型アンテナと比べた場合、いくつかの利点を示す。利点の一つは、上記CRLH漏洩波アンテナが、共振型アンテナと比べて動作帯域が広いことである。
また上記CRLH漏洩波アンテナは、薄型でも放射効率が比較的高いという利点も有する。これに比べて、共振型アンテナでは、薄型になるほど放射効率が低下する。このためアンテナ装置10は、共振型アンテナを備えるアンテナ装置に比べて、装置の小型化、薄型化の点で有用である。
(2.課題と効果の簡単な説明)
CRLH漏洩波アンテナは導体パターン又は導体エレメントを有する。これらに流れる電流は漏洩波を生じる。しかしながら、それぞれの導体パターン又は導体エレメントに流れる電流の方向を制御することは困難である。
このため従来技術においては所望の偏波を実現することが難しい。ここで所望の偏波とは、電場及び磁場の振動方向が所望の方向からなる電波である。アンテナ装置10の備えるCRLH漏洩波アンテナは後述するように偏波の制御が可能である。
(3.導体プレーン)
図1,2に示すように、導体プレーン11はシート状の導体である。導体プレーン11はスロット14以外にも延在部分を有する。導体プレーン11は金属箔又は金属膜である。金属箔はCu(銅)箔であることが好ましい。金属膜はCu膜であることが好ましい。
図3に示すようにアンテナ装置10は絶縁層16を有する。絶縁層16は導体プレーン11に対して、信号導体12側に位置する。絶縁層16は導体プレーン11及び信号導体12の間に位置することが好ましい。絶縁層16はさらに導体プレーンの延在部分に対して、信号導体12側に位置してもよい。絶縁層16は導体プレーン11及び信号導体12の間に貫通孔を有してもよい。
(4.信号導体)
図1〜3に示す信号導体12は、金属箔又は金属膜である。金属箔はCu(銅)箔であることが好ましい。金属膜はCu膜であることが好ましい。信号導体12は、絶縁層16に対して、導体プレーン11と反対側に位置する。信号導体12は、導体プレーン11と、実質的に平行な面に位置することが好ましい。
信号導体12は複数の貫通孔18を備えることが好ましい。複数の貫通孔18は信号導体12の長手方向に沿って、並んでいることが好ましい。複数の導体ビア13は貫通孔18の内壁に接することが好ましい。複数の導体ビア13は貫通孔18を貫通することが好ましい。上記貫通孔18は信号導体12及び導体ビア13の間の電気的な接続を安定にする。
信号導体12は図中のx軸と平行な方向に直線状に延在している。信号導体12は複数の貫通孔18以外に開口を有しない、一様な板又は膜であることが好ましい。
図2,3に示すように、アンテナ装置10はさらに給電線15及び給電線17を備えることが好ましい。信号導体12の少なくとも一方の端部は、給電線15又は給電線17と接続する。不図示の無線回路は信号を給電線15又は給電線17に送る又は給電する。給電線15及び給電線17は、無線回路から該信号を受け、信号導体12に該信号を入力する。
給電線15,17は、例えばCu膜などの金属膜である。給電線15,17は導体プレーン11と対向する。給電線15,17及び導体プレーン11の間に絶縁層16が位置する。
上述のように、給電線15,17は、信号導体12の両端に電気的に接続する。給電線15,17は、信号導体12に直接接続していてもよい。給電線15又は17は、信号導体12に容量結合していてもよい。
所定の場合、無線回路と接続されていない側の給電線が存在する。この場合、不図示のインピーダンスが、かかる給電線の、信号導体12とは反対側の終端に位置することが好ましい。かかるインピーダンスはアンテナ装置10が不要な反射を行わないようになる。所定のインピーダンスが、給電線15,17の終端に接続していなくとも、アンテナ装置10はCRLH漏洩波アンテナとして機能する。
(5.導体ビア)
図1〜3に示すように、導体ビア13は、導体プレーン11と信号導体12とを電気的に接続する。このため図6に示すように導体ビア13は、インダクタンスLとして機能する。図6については後述する。図3に示すように導体ビア13は、上記絶縁層16の貫通孔56に位置する。
導体ビア13の形成に際しては、貫通孔56の内壁を金属メッキすることが好ましい。かかる金属メッキ部分は導体ビア13となることができる。上述の通り導体ビア13は導体プレーン11と信号導体12を電気的に接続するものである。かかる導体ビア13の条件を満たす方法であれば、上記金属メッキ以外の他の形成方法を採用できる。
図1〜3に示すように複数の導体ビア13は、信号導体12の長手方向に沿って、並んでいる。導体ビア13は、3以上並ぶことが好ましい。導体ビア13は、一定間隔で並ぶことが好ましい。アンテナ装置10は、導体ビア13の繰り返し構造を備える。
複数の導体ビア13は導体プレーン11及び信号導体12の間に位置する。導体ビア13は導体プレーン11に接することが好ましい。導体ビア13は信号導体12に接することが好ましい。上記導体ビア13は導体プレーン11及び信号導体12との間で安定な電気的接続を形成する。
また、図1〜3では導体ビア13が信号導体12に直接接続される場合を例に示したが、信号導体12と導体プレーン11が電気的に接続されていれば必ずしも図1〜3の構成に限定されない。たとえば図4に示すように、信号導体12が複数の分岐52を備え、該分岐と導体ビア13が接続されるような構成を考えることもできる。
上記により、信号導体12と導体プレーン11は、分岐52と導体ビア13を介して電気的に接続される。図4の構成では、導体ビア13だけでなく分岐52も含めてインダクタンスLを形成するため、よりインダクタンスLを大きくすることが可能となる。
さらに、図4では分岐52が信号導体12の一方の側面だけに備えられている場合を例に示したが、図5に示すように分岐52,53が信号導体12の両方の側面に備えられるような構成も当然考えることができる。
かかる構成では、分岐52,53に接続する導体ビア13のペア、及び各スロット14は、信号導体12に沿って交互に並んでいる。図5の構成では給電線15側と17側から見て対称になるため、給電線15、17から見たアンテナ入力インピーダンスを互いに同一の値にすることができる。
(6.スロット)
図1〜3に示すように、スロット14は、信号導体12の長手方向に沿って、並んでいることが好ましい。スロット14は、3以上並ぶことが好ましい。スロット14は、一定間隔で並ぶことが好ましい。導体プレーン11は、スロット14の繰り返し構造を備える。
各スロット14は各導体ビア13と交互に並んでいることが好ましい。スロット14は導体ビア13と列を形成していることが好ましい。導体ビア13及びスロット14のペアが周期的に繰り返すことが好ましい。隣り合うスロット14の間ごとに、導体ビア13が位置していることが好ましい。
図2は、導体プレーン11と平行な面に対して平面視した時のアンテナ装置10を示す。上記平面視において、全てのスロット14は、信号導体12と所定の角度をもって交差することが好ましい。より具体的には、上記平面視において、スロット14の長手方向にある端点の内、一方の端点及び他方の端点を結ぶ線分と、信号導体12の中心線とが、所定の角度をもって交差することが好ましい。
また上記平面視において、スロット14の長手方向及び信号導体12の長手方向のなす角度は0度より大きく180度より小さいことが好ましい。また上記平面視において、スロット14の長手方向及び信号導体12の長手方向は、実質的に平行ではないことが好ましい。なおスロット14のうち、二又は三以上のスロット14では、それらの長手方向が、互いに、実質的に平行であることが好ましい。
偏波方向の制御は、スロット14の長手方向及び信号導体12の長手方向のなす角度を適切に設計して行うことが好ましい。
図1,2に示すように向かい合う縁部が開口、すなわちスロット14を挟むことが好ましい。導体ビア13の成す列の+y側では、縁部44及び縁部45からなる組が向かい合っている。縁部44は−x側に位置する。縁部45は+x側に位置する。
導体ビア13の成す列の−y側では、縁部46及び縁部47からなる組が向かい合っている。縁部46は−x側に位置する。縁部47は+x側に位置する。かかる縁部の組は導体ビア13の成す列の両側に位置することが好ましい。
かかる縁部は、互いに平行であるか、又は互いの間隔が一定であることが好ましい。本実施形態では互いに直線状であることが好ましい。縁部44〜47はそれぞれ直線状の縁部である。縁部44及び縁部45は互いに平行である。縁部46及び縁部47は互いに平行である。
図6に示すようにスロット14は、ショートスタブ(Short Stub)として機能する。また、スロット14には磁流が生じる。このため、スロット14は電磁波の放射源としても作動する。このときスロット14はスロットアンテナと同様の原理で作動する。本実施形態では、導体プレーン11にスロット14を形成する。スロット14の形成方法は、エッチング処理、又はその他の方法でよい。
図1,2に示す例において、スロット14の形状は直線状である。一方で本実施形態ではスロットの形状は直線に限定されない。
図7に示すように他の態様にかかるアンテナ装置50はスロット14と異なる形状のスロット54を有する。スロット54は折れ曲がりを有することが好ましい。スロット54の形状の一例はミアンダ形状である。
導体プレーン11と平行な面に対して平面視した時、スロット54の始点と終点を結ぶ線分は、信号導体12と所定の角度をもって交差している。ここで始点は開口の一方の端点を示す。終点は開口の他方の端点を示す。
スロット54の始点と終点を結ぶ線分は、スロット14の始点と終点を結ぶ線分よりも短い。一方でスロット54は、スロット14と同等の、縁部に沿った開口の一方の端点から他方の端点までの長さを有する。このため、アンテナ装置50は、アンテナ装置10よりも小さい実装面積を有する。上記スロット54を備えるアンテナ装置50は、CRLH漏洩波アンテナの、面積又は体積当たりの実装効率が高い。
(7.ユニットセル及びCRLH線路)
図2,3に示すように、導体ビア13及びスロット14は、ユニットセル40を形成する要素である。ユニットセル40の構成要素は導体プレーン11の一部、信号導体12の一部、導体ビア13及びスロット14である。
ここで導体プレーン11の一部には、縁部44〜47、並びにスロット14の長手方向にある一方及び他方の端点を含む。また信号導体12の一部には、信号導体12中のスロット14と対向する領域から導体ビア13と接する領域までを含む。
アンテナ装置10中では、複数のユニットセル40が所定の間隔で連続している。アンテナ装置10は、ユニットセル40の繰り返し構造を備える。このため、複数のユニットセル40はCRLH線路19を形成する。CRLH線路19は複数のユニットセル40を備える。給電線15,17は、それぞれ上記CRLH線路19の両端に電気的に接続する。ここでCRLH線路の両端とは、信号導体12の両端である。
いずれかのユニットセル40において、その構成要素の寸法が異なっていてもよい。いずれかのユニットセル40において、構成要素の一部が備わっていなくともよい。例えば図1〜3では、CRLH線路19の両端部にスロット14が位置する。このため上記CRLH線路19は、完全に同一なユニットセル40のみを備える繰り返し構造に限定されない。
しかしながら、かかる構造はCRLH線路19により良い効果をもたらす。かかる構造は、CRLH線路19の給電線15の側の入力インピーダンスと、CRLH線路19の給電線17の側の入力インピーダンスを、より近い値にすることが出来る。好ましい態様において上記入力インピーダンスは実質的に同一である。
上述のとおり、複数のユニットセル40は所定の間隔で連続している。以下、これを周期性という場合がある。しかしながら、一部のユニットセル40において構成要素の一部の位置がずれていてもよい。また、CRLH線路19において、一部のユニットセル40そのものの位置がずれていてもよい。
CRLH線路19においては、厳密な意味での、周期性が崩れていてもよい。上述のとおり、アンテナ装置10は、ユニットセル40の繰り返し構造を備える。このため、CRLH線路19は、CRLH線路としての特性を発揮する。周期性は欠陥を有していてもよい。すなわち例外的に、一部のユニットセル40は所定の間隔で連続していなくともよい。なおこれらの欠陥が生じる要因としては、例えば製造誤差などが考えられる。
(8.ユニットセルの詳細)
図6に示すように、導体プレーン11と信号導体12とは対向している。このため、これらの間には寄生容量Cが生じる。また導体ビア13は導体プレーン11と信号導体12とを接続している。
導体ビア13は、導体プレーン11と信号導体12との間に、インダクタンスLを生じる。このため、並列回路Sは寄生容量C及びインダクタンスLを有する。並列回路Sは導体プレーン11と信号導体12との間に位置する。
本実施形態ではスロット14の長さをdとする。スロット14の長さとは、スロット14を成す開口の、長手方向にある端点の内、一方の端点から他方の端点までの長さである。また縁部44〜47に沿って測った長さである。なお本実施形態では縁部44〜47の長さはいずれもd/2である。
スロット14はショートスタブを有する。ショートスタブはスロット14の中央から縁部44,45側及び縁部46,47側に向かって延在する。ショートスタブの長さはd/2である。各ショートスタブは互いに並列接続していると考えることが出来る。
ここでショートスタブの入力インピーダンスをZとする。スロット14はZ/2の負荷又はインピーダンスを生じる。また導体プレーン11は寄生インダクタンスLを有している。このため、導体プレーン11は、スロット14より生じる負荷Z/2及び寄生インダクタンスLを有する直列回路Dを備える。
(9.バランス条件)
上述のとおりCRLH線路19(図1)、又はユニットセル40若しくは直列回路D(図6)に信号が入力する。信号は伝送線路上において所定の波長を有する。かかる波長の1/4、1/2、3/4から定まる周波数を、それぞれf1、f2、f3とする。ここで、f1、f2、f3は、ショートスタブの長さd/2が、波長の1/4、1/2、3/4とおおよそ一致する周波数として定義する。
上述のように直列回路Dは長さd/2のショートスタブを有する。ここでd/2の値が、上記波長の1/4、1/2、又は3/4に実質的に一致する場合を考察する。並列回路Sは共振周波数fを有するものとする。寄生容量C及びインダクタンスLは、並列回路Sに共振周波数fの共振を生じる。
寄生インダクタンスLが十分小さいときは、ショートスタブの入力インピーダンスZが直列回路Dのインピーダンスを実質的に決定する。
動作周波数fが、f1<f<f2の範囲にあるときは、入力インピーダンスZは容量性となる。またこのとき、CRLH線路19中の実効透磁率は負となる。一方、動作周波数fが、f2<f<f3の範囲にあるとき、入力インピーダンスZは誘導性となる。またこのとき、CRLH線路19中の実効透磁率は正となる。
動作周波数fが、f<fsの範囲にあるとき、並列回路Sは誘導性となる。またこのとき、CRLH線路19中の実効誘電率は負となる。一方、動作周波数fが、f>fsの範囲にあるとき、並列回路Sは容量性となる。またこのとき、CRLH線路19中の実効誘電率は正となる。
したがって、動作周波数fが、f1<f<f2かつf<fsの範囲にあるとき、CRLH線路19は、負の実効透磁率と負の実効誘電率を同時に実現する。この場合、CRLH線路19は左手系媒質として動作する。
このとき伝送線路と空間又は大気中との間の屈折率は負となる。このためCRLH線路19は漏洩波を電力の進行方向に対して後方に放射する。漏洩波は電力の進行方向に対して後方に屈折して放射される。なお電力の進行方向は、給電線15又は給電線17が、信号導体12に信号を入力する方向に依存する(図2,3)。
また、動作周波数fが、f2<f<f3かつf>fsの範囲にあるとき、CRLH線路19は、正の実効透磁率と正の実効誘電率を同時に実現する。この場合、本実施形態のCRLH線路19は、右手系媒質として動作する。
このとき伝送線路と空間又は大気中の間の屈折率は正となる。このためCRLH線路19は漏洩波を電力の進行方向に対して前方に放射する。漏洩波は電力の進行方向に対しては前方に屈折して放射される。
本実施形態では、CRLH線路19が左手系媒質として動作する動作周波数fの帯域を左手系の帯域という。本実施形態では、CRLH線路19が右手系媒質として動作する動作周波数fの帯域を右手系の帯域という。
本実施形態では、動作周波数fが、左手系の帯域及び右手系の帯域に挟まれた帯域に含まれる場合がある。かかる帯域では、実効誘電率及び実効透磁率のうちの一方が負となり他方が正となる。かかるCRLH線路の特性をバンドギャップ特性という。
本実施形態ではf2=fsとなる条件を「バランス条件」と呼ぶものとする。CRLH線路19がバランス条件を満たす場合には、バンドギャップが消失する。このとき、左手系の帯域と右手系の帯域とが連続する。
CRLH線路19がバランス条件を満たす場合には、左手系の帯域と右手系の帯域とは所定の動作周波数f又は周波数で切り替わる。かかる周波数ではCRLH線路19が0次共振の状態となる。このとき漏洩波は電力の進行方向に対して垂直に屈折して放射される。
CRLH線路19はバランス条件を満たすことが好ましい。このためCRLH線路19中の各構成要素は所定の条件を満たすことが好ましい。バランス条件を満たす構造パラメータの組み合わせは、アンテナ装置に応じて種々の態様をとることができる。ここで構造パラメータとは、ユニットセル40、導体プレーン11、信号導体12、導体ビア13、及びスロット14の形状、大きさ、長さ、その他を表すパラメータである。
(10.作用及び効果)
アンテナ装置10は、動作周波数fの信号から漏洩波を生じる。CRLH線路19がバランス条件を満たす場合、動作周波数fは左手系の帯域、右手系の帯域、0次共振のいずれかにある。このためアンテナ装置10は、所望の方向に電磁波を放射する漏洩波アンテナとして機能することが出来る。
上述のとおり、導体プレーン11と平行な面に対して平面視した時、各スロット14は、信号導体12と所定の角度をもって交差している(図1,2)。このため、アンテナ装置10は、電磁波の放射源となる磁流の方向を変化させることができる。アンテナ装置10が、所望の磁流の方向を有するように所定の角度を適宜設定することが出来る。このためアンテナ装置10は、偏波方向の制御が可能なCRLH漏洩波アンテナとして機能する。
[第2実施形態]
図8,9に示すように、本実施形態のアンテナ装置20は第1プレーンとして、導体プレーン11を備える。アンテナ装置20は第2プレーンとして、他の導体プレーン21をさらに備える。アンテナ装置20は、第2プレーン、及び絶縁層26をさらに有する点を除いてアンテナ装置10と同等の構成を備える。
導体プレーン21は、導体プレーン11と対向する。信号導体12は、導体プレーン11及び導体プレーン21の間に位置する。導体プレーン21は、他の複数の導体ビア23を介して信号導体12と電気的に接続する。
導体ビア23は絶縁層26を貫通する。図9に示すように導体ビア23は、絶縁層26の貫通孔57に位置する。導体ビア23の形成に際しては、貫通孔56の内壁を金属メッキすることが好ましい。導体ビア23は導体プレーン21を貫通してもよい。
導体ビア23及び導体ビア13は、一体化した導体ビアを形成してよい。一体化した導体ビアは上述の貫通孔18を貫通することが好ましい。導体プレーン21は、導体ビア23にかわり、複数の一体化した導体ビアを介して導体プレーン11及び信号導体12と電気的に接続してもよい。
スロット14は導体ビア23の列の間に位置する。スロット25,27は導体ビア23の列の間の外に位置する。スロット25は導体ビア23の列中、不図示の給電線15側の端にある導体ビア23よりも外側に位置する。スロット27は導体ビア23の列中、不図示の給電線17側の端にある導体ビア23よりも外側に位置する。
スロット25は信号導体12の、不図示の給電線15近傍の部分と対向する。スロット27は信号導体12の、給電線17近傍の部分と対向する。スロット群24はスロット14,25,27を備える。導体プレーン11はスロット群24を備える。
図8,9に示すように、スロット25,27はスロット14よりも細い。このため、CRLH線路と給電線15、17との間の容量を増加させることができるため、CRLH線路と給電線路15、17とのインピーダンスを整合する効果をもたらす。ただし、スロット25、27は必ずしもスロット14より細い必要があるわけではない。たとえば、同じ細さでも本質的な動作には大きく影響を与えない。
図9に示す絶縁層16は、第1絶縁層である。絶縁層26は、第2絶縁層である。絶縁層26は信号導体12及び導体プレーン21の間に位置する。導体プレーン21は金属箔又は金属膜である。金属箔はCu(銅)箔であることが好ましい。金属膜はCu膜であることが好ましい。導体プレーン21はシート状の導体である。導体プレーン21は導体プレーン11と対向する延在部分を有する。
導体プレーン21は、上記ショートスタブが導体プレーン11と反対側の方向に放射した電磁波を遮蔽することができる。かかる方向は図中のz軸の正方向である。アンテナ装置20は漏洩波の放射方向を図中のz軸負方向に限定することができる。
なお導体プレーン21は、導体プレーン11に対して、信号導体12と反対側に位置していてもよい。この場合、アンテナ装置20は漏洩波の放射方向を図中のz軸正方向に限定することができる。
アンテナ装置20は漏洩波のビーム方向を、導体プレーン11の信号導体12側とその反対側のうち、特定の側に向けることが可能である。また、アンテナ装置20は、第1実施形態と同様の作用及び効果に加え、上記作用及び効果を有する。
[第3実施形態]
(1.概要)
図10に示すようにアンテナ装置30はアンテナを少なくとも2つ備える。本実施形態では、かかる2つのアンテナはアンテナ28及びアンテナ29である。アンテナ装置30は、第1実施形態におけるアンテナ装置10を2つ並べて配置したものに相当する。
アンテナ28は信号導体12と、複数の導体ビア13とを備える。アンテナ29は信号導体32と、複数の導体ビア33とを備える。信号導体32は信号導体12と同様の構成要素である。導体ビア33は導体ビア33と同様の構成要素である。
信号導体32は複数の貫通孔38を備えることが好ましい。貫通孔38は貫通孔18と同様の構成要素である。貫通孔38は信号導体32及び導体ビア33の間の電気的な接続を安定にする。アンテナ28,29はアンテナ装置10と同等の構成を有する。
アンテナ28,29は別個に、複数のスロットを備える。アンテナ28は複数のスロット14を備える。アンテナ29は複数のスロット34を備える。スロット14,34は導体プレーン11内に位置する。本実施形態においてアンテナ28,29は導体プレーン11を共有する。導体プレーンはアンテナ28,29がそれぞれ別個に有していてもよい。
(2.配置の特徴)
図10に示すように、アンテナ装置30はさらに下記特徴(1)、(2)を有する。
<特徴(1)>
(1−1)かかる2つのアンテナにおいて、信号導体12,32が互いに実質的に平行である。
(1−2)かかる2つのアンテナにおいて、スロット14,34が互いの延長線上で実質的に直交する。これは、スロット14,34のそれぞれの長手方向の延長線上で互いに直交することをさす。なお本実施形態において延長線上で直交する両スロットは、必ずしも交差していない。
図10に示すように、本実施形態ではスロット14,34が互いに交差しない。しかしながら上述のように導体プレーンをアンテナごとに設けることができる。かかる場合には、いずれかの導体プレーンに対して平面視したときに、スロット14,34が互いに交差してもよい。
<特徴(2)>
導体プレーン11と平行な面に対して平面視した時、かかる2つのアンテナのそれぞれにおいて、アンテナ装置30は次の特徴を有する。かかる特徴は第1,2実施形態と同様である。
(2−1)スロット14,34は、信号導体12,32とそれぞれ所定の角度をもって交差している。
(2−2)導体ビア13,33及びスロット14,34は、それぞれ信号導体12,32に沿って交互に並んでいる。
(3.信号入力装置)
図10に示すようにアンテナ装置30は信号入力装置39をさらに備えることが好ましい。かかる信号入力装置39は、無線回路に接続する。無線回路は互いに90°の位相差をもつ2つの信号を、信号入力装置39に送る。信号入力装置39はかかる2つの信号を無線回路から受けて、上記アンテナに入力する。
具体的には、信号入力装置39は2つの信号の一方を、上記2つのアンテナの一方に入力する。すなわち信号入力装置39は給電線15又は17を介してアンテナ28に、上記2つの信号の一方を入力する。
さらに信号入力装置39は2つの信号の他方を、上記2つのアンテナの他方に入力する。すなわち信号入力装置39は給電線35又は37を介してアンテナ29に、上記2つの信号の他方を入力する。たとえば、信号入力装置39は90度ハイブリッドであってもよいし、2分配器と位相器で構成されていてもよい。
(4.作用と効果)
スロット14に生じる磁流は、スロット34に生じる磁流と実質的に直交する。したがって、アンテナ28及びアンテナ29の放射する電磁波又は偏波も直交する。アンテナ装置30は、アンテナ28,29に、互いに90°位相差を付けた信号を入力する。このため、アンテナ装置30は、円偏波を放射することが可能なCRLH漏洩波アンテナとなる。アンテナ装置30は、第1実施形態と同様の作用及び効果に加え、上記作用及び効果を有する。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。アンテナ装置30は、アンテナ装置20と同じ特徴を有してもよい。
[第4実施形態]
本実施形態のアンテナ装置60は、ユニットセルごとに放射効率が異なるように構成されている点が、第1実施形態の漏洩波アンテナと異なる。
図11に示すように、ユニットセルの構成要素は導体プレーン11の一部、信号導体12の一部、導体ビア13及びスロット群69の各スロット61〜68である。スロット群69中、給電線15から近い順にスロット61からスロット68まで並んでいる。図11中では、ユニットセルのうち、スロット63を備えるユニットセル70が代表して描かれている。
スロット61からスロット64までは、給電線15から遠ざかるにしたがい、信号導体12と交差する部分の開口幅が大きくなっている。スロット65からスロット68までは、給電線17に近づくにしたがい、信号導体12と交差する部分の開口幅が小さくなっている。
上記のようにユニットセルごとにスロット61〜68の幅を変化させることで、ユニットセルごとの放射効率を変化させる構成を考えることができる。このとき、スロット61〜68の幅が大きい程、放射効率を大きくすることができる。
アレイアンテナの分野において、正規分布(2項分布)に従い、各アンテナ素子の入力パワー比を決定すると、サイドローブのない指向性パターンを実現できることが知られている。
本実施形態のアンテナ装置60は、信号導体12に沿って各々のスロット61〜68の放射効率が正規分布(2項分布)に従うように構成することで、信号導体12に沿って正規分布に近い電力放射量分布を持った漏洩波アンテナを実現することが可能となる。これにより、アレイアンテナと同様にサイドローブレベルの低いアンテナ装置を提供することができる。
また、アレイアンテナの分野で知られるように、チェビシェフの多項式やテーラー分布に従うような電力放射量を実現するように、スロット61〜68の形状を調整することで、サイドローブレベルやメインビーム幅を制御することが可能となる。本発明に係るアンテナ装置60により、そのような電力放射量を実現するようなアンテナ装置を提供することができる。
図11では、スロット群69中のスロットの幅を変化させることで放射効率を変化させる構成を例に示したが、当然他の方法で放射効率を変化させてもよい。たとえば、スロット61〜68の長さを変化させるような構成も当然考えることができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。応用例の一つは上記アンテナ装置を少なくとも1つ備える電子装置である。かかる電子装置は、好ましい態様において、移動体通信、衛星通信、携帯無線、自動車電話、誘導無線、ナビゲーション、レーダ、又は放送用の電子装置である。
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、2013年10月3日に出願された日本出願特願2013−208063を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (8)

  1. 導体プレーンと、
    前記導体プレーンと対向する、線状の信号導体と、
    前記導体プレーン及び前記信号導体と電気的に接続する、複数の導体ビアと、を備え、
    前記導体プレーンは複数のスロットを有し、
    前記導体プレーンと平行な面に対して平面視した時、前記スロットは、前記信号導体と所定の角度をもって交差しており、
    前記導体ビア及び前記スロットは、前記信号導体に沿って交互に並んでいる、
    アンテナ装置。
  2. 前記導体プレーンと平行な面に対して平面視した時、前記スロットの長手方向にある端点の内、一方の端点及び他方の端点を結ぶ線分と、前記信号導体の中心線とが、所定の角度をもって交差する、
    請求項1に記載のアンテナ装置。
  3. 前記信号導体の少なくとも一方の端部は、給電線と接続し、
    前記給電線は、無線回路から送られる信号を、前記信号導体に入力する、
    請求項1又は2に記載のアンテナ装置。
  4. 第1プレーンとして、前記導体プレーンを備え、
    第2プレーンとして、他の導体プレーンをさらに備え、
    前記第2プレーンは、前記第1プレーンと対向し、
    前記信号導体は、前記第1プレーン及び前記第2プレーンの間に位置し、
    前記第2プレーンは、前記複数の導体ビアを介して前記導体プレーン及び前記信号導体と電気的に接続する、
    請求項1〜3のいずれかに記載のアンテナ装置。
  5. 第1プレーンとして、前記導体プレーンを備え、
    第2プレーンとして、他の導体プレーンをさらに備え、
    前記第2プレーンは、前記第1プレーンと対向し、
    前記信号導体は、前記第1プレーン及び前記第2プレーンの間に位置し、
    前記第2プレーンは、他の複数の導体ビアを介して前記信号導体と電気的に接続する、
    請求項1〜3のいずれかに記載のアンテナ装置。
  6. 導体プレーンと対向する、線状の信号導体と、
    前記導体プレーン及び前記各信号導体と電気的に接続する、複数の導体ビアと、
    前記導体プレーンに設けられた複数のスロットと、
    を有するアンテナを少なくとも2つ備え、
    (1)前記2つのアンテナにおいて、
    前記信号導体が互いに実質的に平行であり、
    前記スロットが互いの延長線上で実質的に直交し、
    (2)前記2つのアンテナのそれぞれにおいて、
    前記導体プレーンと平行な面に対して平面視した時、前記スロットは、前記信号導体と所定の角度をもって交差しており、
    前記導体ビア及び前記スロットは、前記信号導体に沿って交互に並んでいる、
    アンテナ装置。
  7. 信号入力装置をさらに備え、
    前記信号入力装置は、互いに90°の位相差をもつ2つ信号の一方を前記2つのアンテナの一方に入力し、かつ前記2つの信号の他方を前記2つのアンテナの他方に入力する、
    請求項6に記載のアンテナ装置。
  8. 請求項1から7のいずれかに記載のアンテナ装置を、少なくとも1つ備えることを特徴とする電子装置。
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