パッチアンテナ
【課題】高さ方向のサイズが小さく、複数の周波数帯域においてモノポールアンテナと類似した放射特性を持つパッチアンテナを提供する。
【解決手段】パッチアンテナ（１、２）は、下から順に、接地電極（１１、３１）と、第１の周波数に対応する外径を持つリング状の第１のパッチ（１３、３３）と、第１の周波数よりも高い第２の周波数に対応する外径を持つリング状の第２のパッチ（１４、３４）とを有する。さらに第１及び第２のパッチは、それぞれ、一端がパッチの内縁と接続され、他端が接地電極と接続される円筒状の導体（２２、２４、３９、４０）により接地電極と電気的に接続される。そして同軸線路である第１の給電線（１５、３６）が第１のパッチの内縁よりも外側に位置する第１の給電点に接続され、第１の導体と第２の導体との間を通る同軸線路である第２の給電線（１６、３７）が第２のパッチの内縁よりも外側に位置する第２の給電点に接続される。
【解決手段】パッチアンテナ（１、２）は、下から順に、接地電極（１１、３１）と、第１の周波数に対応する外径を持つリング状の第１のパッチ（１３、３３）と、第１の周波数よりも高い第２の周波数に対応する外径を持つリング状の第２のパッチ（１４、３４）とを有する。さらに第１及び第２のパッチは、それぞれ、一端がパッチの内縁と接続され、他端が接地電極と接続される円筒状の導体（２２、２４、３９、４０）により接地電極と電気的に接続される。そして同軸線路である第１の給電線（１５、３６）が第１のパッチの内縁よりも外側に位置する第１の給電点に接続され、第１の導体と第２の導体との間を通る同軸線路である第２の給電線（１６、３７）が第２のパッチの内縁よりも外側に位置する第２の給電点に接続される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、複数の周波数帯域において利用可能なパッチアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人体上の互いに異なる位置に取り付けられた複数の通信機器間で通信するボディエリアネットワーク(Body Area Network、BAN)の研究が進められている。BANは、例えば、ヘルスケアの分野への応用が期待されている。例えば、人体の所定の部位、例えば、手首に取り付けられた生体センサと接続された小型通信機が、人体上の他の位置、例えば、胴体に取り付けられたコントローラと無線通信することにより、その生体センサにより取得された生体情報をコントローラへ送信する。そしてコントローラは、例えば、無線通信回線を介して、医療施設に配置された医療情報管理システムへ、コントローラが取り付けられた人の識別情報またはコントローラの識別情報とともに、生体情報を送信する。
【０００３】
このように、BANでは、人体に通信機器が取り付けられるので、その通信機器が有するアンテナは小型であることが好ましく、特に、人体の表面に垂直な方向のサイズが小さいことが好ましい。さらに、BANでは、３台以上の通信機器が人体に取り付けられることがある。この場合、各通信機器は、それぞれ異なる周波数帯域を利用する。そのため、BANで利用される通信機器が有するアンテナは、複数の周波数帯域を利用可能であることが好ましい。
【０００４】
一方、小型で、複数の周波数帯域を利用可能なパッチアンテナが提案されている（例えば、特許文献１〜５を参照）。これらの特許文献に開示されたパッチアンテナは、積層された複数の平板状の導体（パッチ）を有し、例えば、全地球測位システム(Global Positioning System、GPS)において利用可能なように、その導体の表面に対して垂直な方向に対して良好な放射特性を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−６８０９６号公報
【特許文献２】特開平０６−３０３０２８号
【特許文献３】特開２００２−３０５４０９号
【特許文献４】特開２００３−２５８５４０号公報
【特許文献５】特表２００９−５０１４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
BANでは、人体の姿勢が変わるにつれて、通信機器が取り付けられた人体の複数の部位間の相対的な位置関係も変動することがある。さらに、人体の表面に対して垂直な方向には、人体の他の部位が存在しない可能性が高いので、BANにて通信される他の通信機器が存在しない可能性が高い。そのため、BANで利用されるアンテナが人体の表面に取り付けられた状態で、そのアンテナの人体の表面に対して平行な方向の放射特性が、人体の表面に垂直な方向の放射特性よりも優れていることが好ましい。さらにそのアンテナは、人体の表面に対して平行な面において指向性を持たないことが好ましい。したがって、例えば、BANで利用されるアンテナは、人体の表面に対して垂直に設置したモノポールアンテナの放射特性と類似した放射特性を有することが好ましい。しかしこのようなモノポールアンテナは、少なくとも、利用する周波数に対応する波長の約1/4の長さを持つので、人体の表面に対して垂直な方向のサイズが大き過ぎ、人体に取り付けるには適さない。
一方、上記の特許文献に開示された何れのパッチアンテナも、平板状の導体の表面に対して垂直な方向に指向性を有するので、BANには適さない。
【０００７】
そこで、本明細書は、高さ方向のサイズが小さく、かつ、複数の周波数帯域においてモノポールアンテナと類似した放射特性を持つパッチ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】
【０００８】
一つの実施形態によれば、パッチアンテナが提供される。このパッチアンテナは、基板と、基板上に配置された接地電極と、接地電極よりも上側に配置され、第１の周波数を持つ信号を空中へ送信または空中から受信するために、第１の周波数に対応する外径を持つリング状に形成された導電性を有する第１のパッチと、第１のパッチよりも上側に配置され、第１の周波数よりも高い第２の周波数を持つ信号を空中へ送信または空中から受信するために、第２の周波数に対応する外径を持つリング状に形成された導電性を有する第２のパッチと、接地電極上に配置され、接地電極、第１のパッチ及び第２のパッチが略平行となるように第１のパッチ及び第２のパッチを支持する誘電体と、一端が第１のパッチの内縁と接続され、他端が接地電極と接続される円筒状の第１の導体と、第１の導体内を通るように配置され、一端が第２のパッチの内縁と接続され、他端が接地電極と接続される円筒状の第２の導体と、第１のパッチの内縁よりも外側に位置する第１の給電点において第１のパッチと接続され、少なくとも一部が同軸線路である第１の給電線と、第１の導体と第２の導体との間を通り、第２のパッチの内縁よりも外側に位置する第２の給電点において第２のパッチと接続され、少なくとも一部が同軸線路である第２の給電線とを有する。
【０００９】
本発明の目的及び利点は、請求項において特に指摘されたエレメント及び組み合わせにより実現され、かつ達成される。
上記の一般的な記述及び下記の詳細な記述の何れも、例示的かつ説明的なものであり、請求項のように、本発明を限定するものではないことを理解されたい。
【発明の効果】
【００１０】
本明細書に開示されたパッチアンテナは、高さ方向のサイズが小さく、かつ、複数の周波数帯域においてモノポールアンテナと類似した放射特性を持つ。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係るパッチアンテナの透過斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係るパッチアンテナの概略側面図である。
【図３】950MHzにおける、パッチアンテナの放射特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】950MHzにおける、S22パラメータのシミュレーション結果を示す図である。
【図５】2.45GHzにおける、パッチアンテナの放射特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】2.45GHzにおける、S11パラメータのシミュレーション結果を示す図である。
【図７】第２の実施形態によるパッチアンテナの概略平面図である。
【図８】第２の実施形態によるパッチアンテナの概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図を参照しつつ、様々な実施形態によるパッチアンテナについて説明する。
このパッチアンテナは、複数の周波数帯域を利用可能なパッチアンテナ（マイクロストリップアンテナとも呼ばれる）であり、積層された複数のパッチを持つ。そしてこのパッチアンテナは、BANに適するように、それぞれのパッチに対応する無線周波数において、そのパッチアンテナの表面に対して垂直に設けられたモノポールアンテナの放射特性と類似する放射特性を持つ。
【００１３】
図１は、第１の実施形態によるパッチアンテナの透過斜視図であり、図２は、図１のＡＡ’における線を矢印の方から見た、第１の実施形態によるパッチアンテナの概略側面図である。
パッチアンテナ１は、下側から順に、絶縁体である基板１０と、接地電極１１と、平板のリング状に形成された二つのパッチ、すなわち、低周波用パッチ１３及び高周波用パッチ１４とを有する。さらにパッチアンテナ１は、低周波用パッチ１３及び高周波用パッチ１４を支持する誘電体１２を有する。さらにパッチアンテナ１は、低周波用パッチ１３に給電する給電線１５と、高周波用パッチ１４に給電する給電線１６とを有する。なお、パッチアンテナ１がBANに利用される場合、例えば、図２における基板１０の下側の面が人体の表面に対向するように、パッチアンテナ１は人体に取り付けられる。
【００１４】
接地電極１１は、接地された平板状の導体であり、基板１０の上側の表面に設けられる。接地電極１１の面積は、低周波パッチ１３の面積よりも大きい。そしてパッチアンテナ１を上方から見た場合に、接地電極１１は、低周波パッチ１３全体と重なるように配置される。
【００１５】
誘電体１２は、接地電極１１上に設けられ、低周波用パッチ１３及び高周波用パッチ１４を支持する。誘電体１２の厚さは、低周波用パッチ１３と高周波用パッチ１４がマイクロストリップアンテナとして機能するように、誘電体１２の誘電率に応じて設定される。本実施形態では、誘電体１２の厚さは、4.5mmに設定される。
【００１６】
誘電体１２は、低周波用パッチ１３と接地電極１１との間に配置される下層１２ａと、低周波用パッチ１３と高周波用パッチ１４との間に配置される上層１２ｂとを有する。誘電体１２の下層１２ａ及び上層１２ｂは、基板１０、接地電極１１、下層１２ａ及び上層１２ｂを貫通するように形成されたネジ孔に挿入されたネジにより、接地電極１１上に固定される。あるいは、誘電体１２の下層１２ａ及び上層１２ｂは、他の様々な固定方法、例えば接着により、接地電極１１上に固定されてもよい。
【００１７】
下層１２ａの上面には、例えば、低周波用パッチ１３の外径と略一致する窪みが形成されており、その窪みに低周波用パッチ１３が配置される。そして低周波用パッチ１３及び下層１２ａの上側に誘電体１２の上層１２ｂが配置されることにより、その窪みよりも外側において、下層１２ａと上層１２ｂが接し、低周波用パッチ１３が下層１２ａと上層１２ｂの間に固定される。
【００１８】
また下層１２ａの略中央部には、低周波用パッチ１３の内径と略一致する直径を持つ略円形の貫通孔２１が垂直方向に沿って形成されており、その貫通孔２１の内壁に沿って円筒状に形成された導体２２が設けられている。さらに、円筒状の導体２２の内部はエアギャップとなっている。なお、導体２２の内部も誘電体で充填されていてもよい。そして導体２２の上端は低周波用パッチ１３と接続され、一方、導体２２の下端は接地電極１１と接続されている。したがって、低周波用パッチ１３は、導体２２を介して接地電極１１と電気的に接続されている。これにより、低周波用パッチ１３が高周波用パッチ１４に対する接地電極として機能する。
【００１９】
同様に、上層１２ｂの略中央部には、貫通孔２１の直径よりも小さく、高周波用パッチ１４の内径と略一致する直径を持つ略円形の貫通孔２３が垂直方向に沿って形成されている。その貫通孔２３内には、円筒状に形成された導体２４が設けられている。円筒状の導体２４の内部はエアギャップとなっている。なお、導体２４の内部も誘電体で充填されていてもよい。導体２４の上部は、貫通孔２３の内壁に沿っており、そして導体２４の上端は高周波用パッチ１４と接続されている。一方、導体２４の下部は、誘電体１２の下層１２ａの貫通孔２１内に延ばされており、導体２４の下端は接地電極１１と接続されている。したがって、高周波用パッチ１４は、導体２４を介して接地電極１１と電気的に接続されている。さらに、上層１２ｂの上面にも、高周波用パッチ１４を固定するために、高周波用パッチ１４の外径と略一致する窪みが形成されていてもよい。
【００２０】
低周波用パッチ１３は、リング状に形成された平板状の導体であり、誘電体１２の下層１２ａと上層１２ｂとの間に接地電極１１と略平行に配置される。低周波用パッチ１３は、パッチアンテナ１が利用可能な二つの周波数のうちの低い方の第１の周波数を持つ信号を給電線１５を介して受け取り、その信号を無線信号として空中に放射する。あるいは、低周波用パッチ１３は、第１の周波数を持つ無線信号を受信し、電気信号として給電線１５へ渡す。そのために、低周波用パッチ１３の外径及び内径は、TM01モードにおいて第１の周波数が共振周波数となるように設定される。例えば、第１の周波数が950MHzである場合、低周波用パッチ１３の直径は、62mmに設定される。また、低周波用パッチ１３は、中心点対称な形状であるリング状に形成されているので、パッチアンテナ１は、第１の周波数を持つ信号についてパッチアンテナ１の表面に平行な面内で指向性を持たない。
【００２１】
低周波用パッチ１３は、低周波用パッチ１３の内縁１３ａよりも外側に設けられた給電点１３ｂにおいて、給電線１５と接続されている。これにより、低周波用パッチ１３の表面と平行な方向の放射特性が、その表面に対して垂直な方向の放射特性よりも良好となる。内縁１３ａから給電点１３ｂまでの距離は、給電点１３ｂにおいて、第１の周波数についての低周波用パッチ１３のインピーダンスが給電線１５のインピーダンスと整合するように決定される。
【００２２】
給電線１５は、接地電極１１及び基板１０に垂直方向に形成された貫通孔１７内を通って通信回路（図示せず）と接続される。給電線１５は、中心部に位置する内側導線と、その内側導線の周囲に設けられた外周導体とを有する同軸線路である。これにより、給電線１５のインピーダンスを低周波用パッチ１３のインピーダンスと整合させることが容易となる。そして、給電線１５の外周導体は接地電極１１と接続され、内側導線が誘電体１２の下層１２ａを貫通して給電点１３ｂにて低周波用パッチ１３と接続される。
【００２３】
高周波用パッチ１４も、リング状に形成された平板状の導体であり、誘電体１２の上層１２ｂの上面に接地電極１１及び低周波用パッチ１３と略平行に配置される。さらに、高周波用パッチ１４は、高周波用パッチ１４の中心と低周波用パッチ１３の中心が略一致するように、すなわち、高周波用パッチ１４の外周と低周波用パッチ１３の外周が同心円となるように配置される。
高周波用パッチ１４は、パッチアンテナ１が利用可能な二つの周波数のうちの高い方の第２の周波数を持つ信号を給電線１６を介して受け取り、その信号を無線信号として空中に放射する。あるいは、高周波用パッチ１４は、第２の周波数を持つ無線信号を受信し、電気信号として給電線１６へ渡す。そのために、高周波用パッチ１４の外径及び内径は、第２の周波数が共振周波数となるように設定される。一般に、共振周波数が高いほど、リング状のパッチの外径及び内径のサイズは小さくなる。したがって、高周波用パッチ１４の外径及び内径は、それぞれ、低周波用パッチ１３の外径及び内径よりも小さい。例えば、第２の周波数が2.45GHzである場合、高周波用パッチ１４の外径は、22.5mmに設定される。また、高周波用パッチ１４も、低周波用パッチ１３と同様にリング状に形成されているので、パッチアンテナ１は、第２の周波数を持つ信号についてパッチアンテナ１の表面に平行な面内で指向性を持たない。
【００２４】
さらに、高周波用パッチ１４は、高周波用パッチ１４の内縁１４ａよりも外側に設けられた給電点１４ｂにおいて、給電線１６と接続されている。これにより、高周波用パッチ１４の表面と平行な方向の放射特性が、その表面に対して垂直な方向の放射特性よりも良好となる。内縁１４ａから給電点１４ｂまでの距離は、給電点１４ｂにおいて第２の周波数についての高周波用パッチ１４のインピーダンスが給電線１６のインピーダンスと整合するように決定される。
【００２５】
給電線１６は、接地電極１１及び基板１０に垂直方向に形成された貫通孔１８と、導体２４と導体２２の間を通って通信回路（図示せず）と接続される。給電線１６も、給電線１５と同様に、中心部に位置する内側導線と、その内側導線の周囲に設けられた外周導体とを有する同軸線路である。これにより、給電線１６のインピーダンスを高周波用パッチ１４のインピーダンスと整合させることが容易となる。そして、給電線１６の外周導体は接地電極１１と接続され、内側導線が誘電体１２の下層１２ａの貫通孔２１内の導体２２と導体２４の間を通り、誘電体１２の上層１２ｂを貫通して給電点１４ｂにて高周波用パッチ１４と接続される。
【００２６】
給電線１５と給電線１６とは、給電線１５を通る信号と給電線１６を通る信号との間で電磁波干渉が生じることを防止できる程度に離して配置されることが好ましい。本実施形態では、給電線１５及び給電線１６は、給電線１５、各パッチの中心及び給電線１６の順で直線状に並ぶように配置される。変形例では、給電線１５と各パッチの中心を結ぶ線と、給電線１６と各パッチの中心を結ぶ線とが略直交するように、給電線１５と給電線１６は配置されてもよい。あるいはまた、給電線１５と各パッチの中心を結ぶ線と、給電線１６と各パッチの中心を結ぶ線とが鈍角をなすように、給電線１５と給電線１６は配置されてもよい。
【００２７】
なお、接地電極１１、低周波用パッチ１３、高周波用パッチ１４、及び円筒状導体２２、２４は、例えば、銅、金、銀、ニッケルといった金属またはこれらの合金若しくはその他の導電性を有する材料によって形成される。また誘電体１２は、例えば、FR-4といったガラスエポキシ樹脂により形成される。あるいは、誘電体１２は、層状に形成可能な他の誘電体であってもよい。
【００２８】
上記のような構成を有することにより、パッチアンテナ１は、基板１０の表面に対して垂直に形成した仮想的なモノポールアンテナの放射特性と類似する放射特性を有する。
【００２９】
図３は、第１の周波数が950MHzである場合における、TM01モードについてのパッチアンテナ１の放射特性のシミュレーション結果を示す図である。図３において、x軸は基板１０の表面と平行な方向を表し、z軸は基板１０の表面に対して垂直な方向を表す。したがって、パッチアンテナ１が人体の表面に取り付けられた状態では、x軸は人体の表面と略平行な方向となり、z軸は、人体の表面に対して略垂直な方向となる。そしてグラフ３００は、パッチアンテナ１の利得(dBi単位)を濃度で表す。濃度が濃いほど、利得も高い。図３から明らかなように、パッチアンテナ１では、周波数950MHzにおいて、基板１０の表面に対して平行な面に沿った利得が基板１０の表面に対して垂直な方向の利得よりも高いことが分かる。
【００３０】
図４は、第１の周波数が950MHzである場合における、S22パラメータのシミュレーション結果を示す図である。なお、図４において、横軸は周波数(GHz単位)を表し、縦軸はS22パラメータの絶対値をデシベル単位で表す。グラフ４００は、パッチアンテナ１のS22パラメータのシミュレーション値を示す。
グラフ４００に示されるように、950MHzにおいて、S22パラメータの値は、良好なアンテナ特性の目安とされる-10dB以下となっていることが分かる。
【００３１】
図５は、第２の周波数が2.45GHzである場合における、TM01モードについてのパッチアンテナ１の放射特性のシミュレーション結果を示す図である。図５において、x軸は基板１０の表面と平行な方向を表し、z軸は基板１０の表面に対して垂直な方向を表す。したがって、パッチアンテナ１が人体の表面に取り付けられた状態では、x軸は人体の表面と略平行な方向となり、z軸は、人体の表面に対して略垂直な方向となる。そしてグラフ５００は、パッチアンテナ１の利得(dBi単位)を濃度で表す。濃度が濃いほど、利得も高い。図５から明らかなように、パッチアンテナ１では、周波数2.45GHzにおいて、基板１０の表面に対して平行な面に沿った利得が基板１０の表面に対して垂直な方向の利得よりも高いことが分かる。
【００３２】
図６は、第２の周波数が2.45GHzである場合における、S11パラメータのシミュレーション結果を示す図である。なお、図６において、横軸は周波数(GHz単位)を表し、縦軸はS11パラメータの絶対値をデシベル単位で表す。グラフ６００は、パッチアンテナ１のS11パラメータのシミュレーション値を示す。グラフ６００に示されるように、2.45GHzにおいて、S11パラメータの値は、-10dB以下となっていることが分かる。
なお、図３〜図６に示されたシミュレーション値は、有限積分法を用いた電磁界シミュレーションにより算出した。
【００３３】
以上に説明してきたように、このパッチアンテナは、基板の表面に対して垂直な方向のサイズが小さく、かつ、基板の表面に対して仮想的に垂直に設けたものポールアンテナと類似する放射特性を持つ。そのため、このパッチアンテナは、BANでの使用に適している。
【００３４】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。他の実施形態によれば、パッチアンテナは、３種類以上の周波数を利用可能なように、３層以上に積層されたパッチを有してもよい。
【００３５】
図７は、３種類の周波数を利用可能な、第２の実施形態によるパッチアンテナ２の概略平面図であり、図８は、図７のＢＢ’における線において矢印の方向に沿って見たパッチアンテナ２の概略側面断面図である。パッチアンテナ２は、下側から順に、絶縁体である基板３０と、接地電極３１と、誘電体３２とを有する。さらにパッチアンテナ２は、下側から順に、誘電体３２の内部に配置された低周波用パッチ３３及び中周波用パッチ３４と、誘電体３２の上面に設けられた高周波用パッチ３５とを有する。さらに、パッチアンテナ２は、各パッチ３３〜３５に給電する給電線３６〜３８を有する。なお、パッチアンテナ２がBANに利用される場合、例えば、図８における基板３０の下側の面が人体の表面に対向するように、パッチアンテナ２は人体に取り付けられる。
【００３６】
第１の実施形態と同様に、パッチアンテナ２が有する各パッチ３３〜３５は、それぞれ、リング状に形成された平板状の導体であり、接地電極３１と略平行に積層され、各パッチ３３〜３５は、その中心が略一致するように配置される。そして最も下側に配置されるパッチ３３は、パッチアンテナ２が利用可能な３種類の周波数のうちの最も低い第１の周波数（例えば、440MHz）に対応する。パッチ３４は、パッチアンテナ２が利用可能な３種類の周波数のうちの中間の第２の周波数（例えば、950MHz）に対応する。そして最も上側に配置されるパッチ３５は、パッチアンテナ２が利用可能な３種類の周波数のうちの最も高い第３の周波数（例えば、2.45GHz）に対応する。パッチ３３〜３５の外径及び内径は、パッチ３３〜３５が送信または受信する信号の周波数が共振周波数となるように設定される。したがって、パッチ３３の外径及び内径が最も大きく、パッチ３５の外径及び内径が最も小さい。
【００３７】
パッチ３３〜３５は、それぞれ、その内縁部において、下端が接地電極３１と接する円筒状の導体３９〜４１の上端と接続されている。そのため、パッチ３３〜３５は、その内縁部を介して接地電極３１と電気的に接続されている。またパッチ３３は、その内縁部よりも外側に位置する給電点３３ａにて、同軸線路である給電線３６の内側導線と接続されている。同様に、パッチ３４は、その内縁部よりも外側に位置する給電点３４ａにて、同軸線路である給電線３７の内側導線と接続されている。さらに、パッチ３５は、その内縁部よりも外側に位置する給電点３５ａにて、同軸線路である給電線３８の内側導線と接続されている。各給電線が有する同軸線路の外周導体は、それぞれ、接地電極３１と接続されている。
そして給電点３３ａ及び給電線３６は、パッチ３３の内縁よりも外側で、第１の周波数において給電線３６のインピーダンスとパッチ３３のインピーダンスが整合する位置に配置される。また、給電線３７の内側導線は、導体３９と導体４０の間を通るように配置される。そして給電線３７が接続する給電点３４ａは、パッチ３４の内縁よりも外側かつパッチ３３の内縁よりも内側で、第２の周波数において給電線３７のインピーダンスとパッチ３４のインピーダンスが整合する位置に配置される。同様に、給電線３８の内側導線は、導体４０と導体４１の間を通るように配置される。そして給電線３８が接続する給電点３５ａは、パッチ３５の内縁よりも外側かつパッチ３４の内縁よりも内側で、第３の周波数において給電線３８のインピーダンスとパッチ３５のインピーダンスが整合する位置に配置される。
【００３８】
また、各給電線３６〜３８を通る信号間で電磁波干渉が生じることを防止するために、各給電線３６〜３８と各パッチの中心を結ぶ３本の直線のそれぞれがなす角が120°となるように、各給電線３６〜３８及び各給電点３３ａ〜３５ａは配置される。なお、各給電線３６〜３８のうちの何れか二つが、各パッチの中心を挟んで直線状に並ぶように配置され、他の一つと各パッチの中心を結ぶ直線が、その二つの給電線を結ぶ直線に対して直交するように、各給電線は配置されてもよい。
【００３９】
第２の実施形態によるパッチアンテナ２は、上記のような構成を有することにより、３種類の周波数を利用できる。そしてパッチアンテナ２も、第１〜第３の周波数において、基板３０の表面に対して垂直に設けられた仮想的なモノポールアンテナの放射特性と同様の放射特性を持つ。そしてパッチアンテナ２において、接地電極３１から最も上側のパッチ３５までの高さは、高々数mm程度であり、パッチアンテナ２の垂直方向のサイズは小さい。したがって、このパッチアンテナ２も、BANにおいて好適に利用できる。
【００４０】
ここに挙げられた全ての例及び特定の用語は、読者が、本発明及び当該技術の促進に対する本発明者により寄与された概念を理解することを助ける、教示的な目的において意図されたものであり、本発明の優位性及び劣等性を示すことに関する、本明細書の如何なる例の構成、そのような特定の挙げられた例及び条件に限定しないように解釈されるべきものである。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、本発明の精神及び範囲から外れることなく、様々な変更、置換及び修正をこれに加えることが可能であることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４１】
１、２ パッチアンテナ
１０、３０ 基板
１１、３１ 接地電極
１２、３２ 誘電体
１３、３３ 低周波用パッチ
３４ 中周波用パッチ
１４、３５ 高周波用パッチ
１３ｂ、１４ｂ、３３ａ〜３５ａ 給電点
１５、１６、３６〜３８ 給電線
２２、２４、３９〜４１ 円筒状導体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、複数の周波数帯域において利用可能なパッチアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人体上の互いに異なる位置に取り付けられた複数の通信機器間で通信するボディエリアネットワーク(Body Area Network、BAN)の研究が進められている。BANは、例えば、ヘルスケアの分野への応用が期待されている。例えば、人体の所定の部位、例えば、手首に取り付けられた生体センサと接続された小型通信機が、人体上の他の位置、例えば、胴体に取り付けられたコントローラと無線通信することにより、その生体センサにより取得された生体情報をコントローラへ送信する。そしてコントローラは、例えば、無線通信回線を介して、医療施設に配置された医療情報管理システムへ、コントローラが取り付けられた人の識別情報またはコントローラの識別情報とともに、生体情報を送信する。
【０００３】
このように、BANでは、人体に通信機器が取り付けられるので、その通信機器が有するアンテナは小型であることが好ましく、特に、人体の表面に垂直な方向のサイズが小さいことが好ましい。さらに、BANでは、３台以上の通信機器が人体に取り付けられることがある。この場合、各通信機器は、それぞれ異なる周波数帯域を利用する。そのため、BANで利用される通信機器が有するアンテナは、複数の周波数帯域を利用可能であることが好ましい。
【０００４】
一方、小型で、複数の周波数帯域を利用可能なパッチアンテナが提案されている（例えば、特許文献１〜５を参照）。これらの特許文献に開示されたパッチアンテナは、積層された複数の平板状の導体（パッチ）を有し、例えば、全地球測位システム(Global Positioning System、GPS)において利用可能なように、その導体の表面に対して垂直な方向に対して良好な放射特性を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−６８０９６号公報
【特許文献２】特開平０６−３０３０２８号
【特許文献３】特開２００２−３０５４０９号
【特許文献４】特開２００３−２５８５４０号公報
【特許文献５】特表２００９−５０１４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
BANでは、人体の姿勢が変わるにつれて、通信機器が取り付けられた人体の複数の部位間の相対的な位置関係も変動することがある。さらに、人体の表面に対して垂直な方向には、人体の他の部位が存在しない可能性が高いので、BANにて通信される他の通信機器が存在しない可能性が高い。そのため、BANで利用されるアンテナが人体の表面に取り付けられた状態で、そのアンテナの人体の表面に対して平行な方向の放射特性が、人体の表面に垂直な方向の放射特性よりも優れていることが好ましい。さらにそのアンテナは、人体の表面に対して平行な面において指向性を持たないことが好ましい。したがって、例えば、BANで利用されるアンテナは、人体の表面に対して垂直に設置したモノポールアンテナの放射特性と類似した放射特性を有することが好ましい。しかしこのようなモノポールアンテナは、少なくとも、利用する周波数に対応する波長の約1/4の長さを持つので、人体の表面に対して垂直な方向のサイズが大き過ぎ、人体に取り付けるには適さない。
一方、上記の特許文献に開示された何れのパッチアンテナも、平板状の導体の表面に対して垂直な方向に指向性を有するので、BANには適さない。
【０００７】
そこで、本明細書は、高さ方向のサイズが小さく、かつ、複数の周波数帯域においてモノポールアンテナと類似した放射特性を持つパッチ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】
【０００８】
一つの実施形態によれば、パッチアンテナが提供される。このパッチアンテナは、基板と、基板上に配置された接地電極と、接地電極よりも上側に配置され、第１の周波数を持つ信号を空中へ送信または空中から受信するために、第１の周波数に対応する外径を持つリング状に形成された導電性を有する第１のパッチと、第１のパッチよりも上側に配置され、第１の周波数よりも高い第２の周波数を持つ信号を空中へ送信または空中から受信するために、第２の周波数に対応する外径を持つリング状に形成された導電性を有する第２のパッチと、接地電極上に配置され、接地電極、第１のパッチ及び第２のパッチが略平行となるように第１のパッチ及び第２のパッチを支持する誘電体と、一端が第１のパッチの内縁と接続され、他端が接地電極と接続される円筒状の第１の導体と、第１の導体内を通るように配置され、一端が第２のパッチの内縁と接続され、他端が接地電極と接続される円筒状の第２の導体と、第１のパッチの内縁よりも外側に位置する第１の給電点において第１のパッチと接続され、少なくとも一部が同軸線路である第１の給電線と、第１の導体と第２の導体との間を通り、第２のパッチの内縁よりも外側に位置する第２の給電点において第２のパッチと接続され、少なくとも一部が同軸線路である第２の給電線とを有する。
【０００９】
本発明の目的及び利点は、請求項において特に指摘されたエレメント及び組み合わせにより実現され、かつ達成される。
上記の一般的な記述及び下記の詳細な記述の何れも、例示的かつ説明的なものであり、請求項のように、本発明を限定するものではないことを理解されたい。
【発明の効果】
【００１０】
本明細書に開示されたパッチアンテナは、高さ方向のサイズが小さく、かつ、複数の周波数帯域においてモノポールアンテナと類似した放射特性を持つ。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係るパッチアンテナの透過斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係るパッチアンテナの概略側面図である。
【図３】950MHzにおける、パッチアンテナの放射特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】950MHzにおける、S22パラメータのシミュレーション結果を示す図である。
【図５】2.45GHzにおける、パッチアンテナの放射特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】2.45GHzにおける、S11パラメータのシミュレーション結果を示す図である。
【図７】第２の実施形態によるパッチアンテナの概略平面図である。
【図８】第２の実施形態によるパッチアンテナの概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図を参照しつつ、様々な実施形態によるパッチアンテナについて説明する。
このパッチアンテナは、複数の周波数帯域を利用可能なパッチアンテナ（マイクロストリップアンテナとも呼ばれる）であり、積層された複数のパッチを持つ。そしてこのパッチアンテナは、BANに適するように、それぞれのパッチに対応する無線周波数において、そのパッチアンテナの表面に対して垂直に設けられたモノポールアンテナの放射特性と類似する放射特性を持つ。
【００１３】
図１は、第１の実施形態によるパッチアンテナの透過斜視図であり、図２は、図１のＡＡ’における線を矢印の方から見た、第１の実施形態によるパッチアンテナの概略側面図である。
パッチアンテナ１は、下側から順に、絶縁体である基板１０と、接地電極１１と、平板のリング状に形成された二つのパッチ、すなわち、低周波用パッチ１３及び高周波用パッチ１４とを有する。さらにパッチアンテナ１は、低周波用パッチ１３及び高周波用パッチ１４を支持する誘電体１２を有する。さらにパッチアンテナ１は、低周波用パッチ１３に給電する給電線１５と、高周波用パッチ１４に給電する給電線１６とを有する。なお、パッチアンテナ１がBANに利用される場合、例えば、図２における基板１０の下側の面が人体の表面に対向するように、パッチアンテナ１は人体に取り付けられる。
【００１４】
接地電極１１は、接地された平板状の導体であり、基板１０の上側の表面に設けられる。接地電極１１の面積は、低周波パッチ１３の面積よりも大きい。そしてパッチアンテナ１を上方から見た場合に、接地電極１１は、低周波パッチ１３全体と重なるように配置される。
【００１５】
誘電体１２は、接地電極１１上に設けられ、低周波用パッチ１３及び高周波用パッチ１４を支持する。誘電体１２の厚さは、低周波用パッチ１３と高周波用パッチ１４がマイクロストリップアンテナとして機能するように、誘電体１２の誘電率に応じて設定される。本実施形態では、誘電体１２の厚さは、4.5mmに設定される。
【００１６】
誘電体１２は、低周波用パッチ１３と接地電極１１との間に配置される下層１２ａと、低周波用パッチ１３と高周波用パッチ１４との間に配置される上層１２ｂとを有する。誘電体１２の下層１２ａ及び上層１２ｂは、基板１０、接地電極１１、下層１２ａ及び上層１２ｂを貫通するように形成されたネジ孔に挿入されたネジにより、接地電極１１上に固定される。あるいは、誘電体１２の下層１２ａ及び上層１２ｂは、他の様々な固定方法、例えば接着により、接地電極１１上に固定されてもよい。
【００１７】
下層１２ａの上面には、例えば、低周波用パッチ１３の外径と略一致する窪みが形成されており、その窪みに低周波用パッチ１３が配置される。そして低周波用パッチ１３及び下層１２ａの上側に誘電体１２の上層１２ｂが配置されることにより、その窪みよりも外側において、下層１２ａと上層１２ｂが接し、低周波用パッチ１３が下層１２ａと上層１２ｂの間に固定される。
【００１８】
また下層１２ａの略中央部には、低周波用パッチ１３の内径と略一致する直径を持つ略円形の貫通孔２１が垂直方向に沿って形成されており、その貫通孔２１の内壁に沿って円筒状に形成された導体２２が設けられている。さらに、円筒状の導体２２の内部はエアギャップとなっている。なお、導体２２の内部も誘電体で充填されていてもよい。そして導体２２の上端は低周波用パッチ１３と接続され、一方、導体２２の下端は接地電極１１と接続されている。したがって、低周波用パッチ１３は、導体２２を介して接地電極１１と電気的に接続されている。これにより、低周波用パッチ１３が高周波用パッチ１４に対する接地電極として機能する。
【００１９】
同様に、上層１２ｂの略中央部には、貫通孔２１の直径よりも小さく、高周波用パッチ１４の内径と略一致する直径を持つ略円形の貫通孔２３が垂直方向に沿って形成されている。その貫通孔２３内には、円筒状に形成された導体２４が設けられている。円筒状の導体２４の内部はエアギャップとなっている。なお、導体２４の内部も誘電体で充填されていてもよい。導体２４の上部は、貫通孔２３の内壁に沿っており、そして導体２４の上端は高周波用パッチ１４と接続されている。一方、導体２４の下部は、誘電体１２の下層１２ａの貫通孔２１内に延ばされており、導体２４の下端は接地電極１１と接続されている。したがって、高周波用パッチ１４は、導体２４を介して接地電極１１と電気的に接続されている。さらに、上層１２ｂの上面にも、高周波用パッチ１４を固定するために、高周波用パッチ１４の外径と略一致する窪みが形成されていてもよい。
【００２０】
低周波用パッチ１３は、リング状に形成された平板状の導体であり、誘電体１２の下層１２ａと上層１２ｂとの間に接地電極１１と略平行に配置される。低周波用パッチ１３は、パッチアンテナ１が利用可能な二つの周波数のうちの低い方の第１の周波数を持つ信号を給電線１５を介して受け取り、その信号を無線信号として空中に放射する。あるいは、低周波用パッチ１３は、第１の周波数を持つ無線信号を受信し、電気信号として給電線１５へ渡す。そのために、低周波用パッチ１３の外径及び内径は、TM01モードにおいて第１の周波数が共振周波数となるように設定される。例えば、第１の周波数が950MHzである場合、低周波用パッチ１３の直径は、62mmに設定される。また、低周波用パッチ１３は、中心点対称な形状であるリング状に形成されているので、パッチアンテナ１は、第１の周波数を持つ信号についてパッチアンテナ１の表面に平行な面内で指向性を持たない。
【００２１】
低周波用パッチ１３は、低周波用パッチ１３の内縁１３ａよりも外側に設けられた給電点１３ｂにおいて、給電線１５と接続されている。これにより、低周波用パッチ１３の表面と平行な方向の放射特性が、その表面に対して垂直な方向の放射特性よりも良好となる。内縁１３ａから給電点１３ｂまでの距離は、給電点１３ｂにおいて、第１の周波数についての低周波用パッチ１３のインピーダンスが給電線１５のインピーダンスと整合するように決定される。
【００２２】
給電線１５は、接地電極１１及び基板１０に垂直方向に形成された貫通孔１７内を通って通信回路（図示せず）と接続される。給電線１５は、中心部に位置する内側導線と、その内側導線の周囲に設けられた外周導体とを有する同軸線路である。これにより、給電線１５のインピーダンスを低周波用パッチ１３のインピーダンスと整合させることが容易となる。そして、給電線１５の外周導体は接地電極１１と接続され、内側導線が誘電体１２の下層１２ａを貫通して給電点１３ｂにて低周波用パッチ１３と接続される。
【００２３】
高周波用パッチ１４も、リング状に形成された平板状の導体であり、誘電体１２の上層１２ｂの上面に接地電極１１及び低周波用パッチ１３と略平行に配置される。さらに、高周波用パッチ１４は、高周波用パッチ１４の中心と低周波用パッチ１３の中心が略一致するように、すなわち、高周波用パッチ１４の外周と低周波用パッチ１３の外周が同心円となるように配置される。
高周波用パッチ１４は、パッチアンテナ１が利用可能な二つの周波数のうちの高い方の第２の周波数を持つ信号を給電線１６を介して受け取り、その信号を無線信号として空中に放射する。あるいは、高周波用パッチ１４は、第２の周波数を持つ無線信号を受信し、電気信号として給電線１６へ渡す。そのために、高周波用パッチ１４の外径及び内径は、第２の周波数が共振周波数となるように設定される。一般に、共振周波数が高いほど、リング状のパッチの外径及び内径のサイズは小さくなる。したがって、高周波用パッチ１４の外径及び内径は、それぞれ、低周波用パッチ１３の外径及び内径よりも小さい。例えば、第２の周波数が2.45GHzである場合、高周波用パッチ１４の外径は、22.5mmに設定される。また、高周波用パッチ１４も、低周波用パッチ１３と同様にリング状に形成されているので、パッチアンテナ１は、第２の周波数を持つ信号についてパッチアンテナ１の表面に平行な面内で指向性を持たない。
【００２４】
さらに、高周波用パッチ１４は、高周波用パッチ１４の内縁１４ａよりも外側に設けられた給電点１４ｂにおいて、給電線１６と接続されている。これにより、高周波用パッチ１４の表面と平行な方向の放射特性が、その表面に対して垂直な方向の放射特性よりも良好となる。内縁１４ａから給電点１４ｂまでの距離は、給電点１４ｂにおいて第２の周波数についての高周波用パッチ１４のインピーダンスが給電線１６のインピーダンスと整合するように決定される。
【００２５】
給電線１６は、接地電極１１及び基板１０に垂直方向に形成された貫通孔１８と、導体２４と導体２２の間を通って通信回路（図示せず）と接続される。給電線１６も、給電線１５と同様に、中心部に位置する内側導線と、その内側導線の周囲に設けられた外周導体とを有する同軸線路である。これにより、給電線１６のインピーダンスを高周波用パッチ１４のインピーダンスと整合させることが容易となる。そして、給電線１６の外周導体は接地電極１１と接続され、内側導線が誘電体１２の下層１２ａの貫通孔２１内の導体２２と導体２４の間を通り、誘電体１２の上層１２ｂを貫通して給電点１４ｂにて高周波用パッチ１４と接続される。
【００２６】
給電線１５と給電線１６とは、給電線１５を通る信号と給電線１６を通る信号との間で電磁波干渉が生じることを防止できる程度に離して配置されることが好ましい。本実施形態では、給電線１５及び給電線１６は、給電線１５、各パッチの中心及び給電線１６の順で直線状に並ぶように配置される。変形例では、給電線１５と各パッチの中心を結ぶ線と、給電線１６と各パッチの中心を結ぶ線とが略直交するように、給電線１５と給電線１６は配置されてもよい。あるいはまた、給電線１５と各パッチの中心を結ぶ線と、給電線１６と各パッチの中心を結ぶ線とが鈍角をなすように、給電線１５と給電線１６は配置されてもよい。
【００２７】
なお、接地電極１１、低周波用パッチ１３、高周波用パッチ１４、及び円筒状導体２２、２４は、例えば、銅、金、銀、ニッケルといった金属またはこれらの合金若しくはその他の導電性を有する材料によって形成される。また誘電体１２は、例えば、FR-4といったガラスエポキシ樹脂により形成される。あるいは、誘電体１２は、層状に形成可能な他の誘電体であってもよい。
【００２８】
上記のような構成を有することにより、パッチアンテナ１は、基板１０の表面に対して垂直に形成した仮想的なモノポールアンテナの放射特性と類似する放射特性を有する。
【００２９】
図３は、第１の周波数が950MHzである場合における、TM01モードについてのパッチアンテナ１の放射特性のシミュレーション結果を示す図である。図３において、x軸は基板１０の表面と平行な方向を表し、z軸は基板１０の表面に対して垂直な方向を表す。したがって、パッチアンテナ１が人体の表面に取り付けられた状態では、x軸は人体の表面と略平行な方向となり、z軸は、人体の表面に対して略垂直な方向となる。そしてグラフ３００は、パッチアンテナ１の利得(dBi単位)を濃度で表す。濃度が濃いほど、利得も高い。図３から明らかなように、パッチアンテナ１では、周波数950MHzにおいて、基板１０の表面に対して平行な面に沿った利得が基板１０の表面に対して垂直な方向の利得よりも高いことが分かる。
【００３０】
図４は、第１の周波数が950MHzである場合における、S22パラメータのシミュレーション結果を示す図である。なお、図４において、横軸は周波数(GHz単位)を表し、縦軸はS22パラメータの絶対値をデシベル単位で表す。グラフ４００は、パッチアンテナ１のS22パラメータのシミュレーション値を示す。
グラフ４００に示されるように、950MHzにおいて、S22パラメータの値は、良好なアンテナ特性の目安とされる-10dB以下となっていることが分かる。
【００３１】
図５は、第２の周波数が2.45GHzである場合における、TM01モードについてのパッチアンテナ１の放射特性のシミュレーション結果を示す図である。図５において、x軸は基板１０の表面と平行な方向を表し、z軸は基板１０の表面に対して垂直な方向を表す。したがって、パッチアンテナ１が人体の表面に取り付けられた状態では、x軸は人体の表面と略平行な方向となり、z軸は、人体の表面に対して略垂直な方向となる。そしてグラフ５００は、パッチアンテナ１の利得(dBi単位)を濃度で表す。濃度が濃いほど、利得も高い。図５から明らかなように、パッチアンテナ１では、周波数2.45GHzにおいて、基板１０の表面に対して平行な面に沿った利得が基板１０の表面に対して垂直な方向の利得よりも高いことが分かる。
【００３２】
図６は、第２の周波数が2.45GHzである場合における、S11パラメータのシミュレーション結果を示す図である。なお、図６において、横軸は周波数(GHz単位)を表し、縦軸はS11パラメータの絶対値をデシベル単位で表す。グラフ６００は、パッチアンテナ１のS11パラメータのシミュレーション値を示す。グラフ６００に示されるように、2.45GHzにおいて、S11パラメータの値は、-10dB以下となっていることが分かる。
なお、図３〜図６に示されたシミュレーション値は、有限積分法を用いた電磁界シミュレーションにより算出した。
【００３３】
以上に説明してきたように、このパッチアンテナは、基板の表面に対して垂直な方向のサイズが小さく、かつ、基板の表面に対して仮想的に垂直に設けたものポールアンテナと類似する放射特性を持つ。そのため、このパッチアンテナは、BANでの使用に適している。
【００３４】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。他の実施形態によれば、パッチアンテナは、３種類以上の周波数を利用可能なように、３層以上に積層されたパッチを有してもよい。
【００３５】
図７は、３種類の周波数を利用可能な、第２の実施形態によるパッチアンテナ２の概略平面図であり、図８は、図７のＢＢ’における線において矢印の方向に沿って見たパッチアンテナ２の概略側面断面図である。パッチアンテナ２は、下側から順に、絶縁体である基板３０と、接地電極３１と、誘電体３２とを有する。さらにパッチアンテナ２は、下側から順に、誘電体３２の内部に配置された低周波用パッチ３３及び中周波用パッチ３４と、誘電体３２の上面に設けられた高周波用パッチ３５とを有する。さらに、パッチアンテナ２は、各パッチ３３〜３５に給電する給電線３６〜３８を有する。なお、パッチアンテナ２がBANに利用される場合、例えば、図８における基板３０の下側の面が人体の表面に対向するように、パッチアンテナ２は人体に取り付けられる。
【００３６】
第１の実施形態と同様に、パッチアンテナ２が有する各パッチ３３〜３５は、それぞれ、リング状に形成された平板状の導体であり、接地電極３１と略平行に積層され、各パッチ３３〜３５は、その中心が略一致するように配置される。そして最も下側に配置されるパッチ３３は、パッチアンテナ２が利用可能な３種類の周波数のうちの最も低い第１の周波数（例えば、440MHz）に対応する。パッチ３４は、パッチアンテナ２が利用可能な３種類の周波数のうちの中間の第２の周波数（例えば、950MHz）に対応する。そして最も上側に配置されるパッチ３５は、パッチアンテナ２が利用可能な３種類の周波数のうちの最も高い第３の周波数（例えば、2.45GHz）に対応する。パッチ３３〜３５の外径及び内径は、パッチ３３〜３５が送信または受信する信号の周波数が共振周波数となるように設定される。したがって、パッチ３３の外径及び内径が最も大きく、パッチ３５の外径及び内径が最も小さい。
【００３７】
パッチ３３〜３５は、それぞれ、その内縁部において、下端が接地電極３１と接する円筒状の導体３９〜４１の上端と接続されている。そのため、パッチ３３〜３５は、その内縁部を介して接地電極３１と電気的に接続されている。またパッチ３３は、その内縁部よりも外側に位置する給電点３３ａにて、同軸線路である給電線３６の内側導線と接続されている。同様に、パッチ３４は、その内縁部よりも外側に位置する給電点３４ａにて、同軸線路である給電線３７の内側導線と接続されている。さらに、パッチ３５は、その内縁部よりも外側に位置する給電点３５ａにて、同軸線路である給電線３８の内側導線と接続されている。各給電線が有する同軸線路の外周導体は、それぞれ、接地電極３１と接続されている。
そして給電点３３ａ及び給電線３６は、パッチ３３の内縁よりも外側で、第１の周波数において給電線３６のインピーダンスとパッチ３３のインピーダンスが整合する位置に配置される。また、給電線３７の内側導線は、導体３９と導体４０の間を通るように配置される。そして給電線３７が接続する給電点３４ａは、パッチ３４の内縁よりも外側かつパッチ３３の内縁よりも内側で、第２の周波数において給電線３７のインピーダンスとパッチ３４のインピーダンスが整合する位置に配置される。同様に、給電線３８の内側導線は、導体４０と導体４１の間を通るように配置される。そして給電線３８が接続する給電点３５ａは、パッチ３５の内縁よりも外側かつパッチ３４の内縁よりも内側で、第３の周波数において給電線３８のインピーダンスとパッチ３５のインピーダンスが整合する位置に配置される。
【００３８】
また、各給電線３６〜３８を通る信号間で電磁波干渉が生じることを防止するために、各給電線３６〜３８と各パッチの中心を結ぶ３本の直線のそれぞれがなす角が120°となるように、各給電線３６〜３８及び各給電点３３ａ〜３５ａは配置される。なお、各給電線３６〜３８のうちの何れか二つが、各パッチの中心を挟んで直線状に並ぶように配置され、他の一つと各パッチの中心を結ぶ直線が、その二つの給電線を結ぶ直線に対して直交するように、各給電線は配置されてもよい。
【００３９】
第２の実施形態によるパッチアンテナ２は、上記のような構成を有することにより、３種類の周波数を利用できる。そしてパッチアンテナ２も、第１〜第３の周波数において、基板３０の表面に対して垂直に設けられた仮想的なモノポールアンテナの放射特性と同様の放射特性を持つ。そしてパッチアンテナ２において、接地電極３１から最も上側のパッチ３５までの高さは、高々数mm程度であり、パッチアンテナ２の垂直方向のサイズは小さい。したがって、このパッチアンテナ２も、BANにおいて好適に利用できる。
【００４０】
ここに挙げられた全ての例及び特定の用語は、読者が、本発明及び当該技術の促進に対する本発明者により寄与された概念を理解することを助ける、教示的な目的において意図されたものであり、本発明の優位性及び劣等性を示すことに関する、本明細書の如何なる例の構成、そのような特定の挙げられた例及び条件に限定しないように解釈されるべきものである。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、本発明の精神及び範囲から外れることなく、様々な変更、置換及び修正をこれに加えることが可能であることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４１】
１、２ パッチアンテナ
１０、３０ 基板
１１、３１ 接地電極
１２、３２ 誘電体
１３、３３ 低周波用パッチ
３４ 中周波用パッチ
１４、３５ 高周波用パッチ
１３ｂ、１４ｂ、３３ａ〜３５ａ 給電点
１５、１６、３６〜３８ 給電線
２２、２４、３９〜４１ 円筒状導体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
基板上に配置された接地電極と、
前記接地電極よりも上側に配置され、第１の周波数を持つ信号を空中へ送信または空中から受信するために、当該第１の周波数に対応する外径を持つリング状に形成された導電性を有する第１のパッチと、
前記第１のパッチよりも上側に配置され、前記第１の周波数よりも高い第２の周波数を持つ信号を空中へ送信または空中から受信するために、当該第２の周波数に対応する外径を持つリング状に形成された導電性を有する第２のパッチと、
前記接地電極上に配置され、前記接地電極、前記第１のパッチ及び前記第２のパッチが略平行となるように前記第１のパッチ及び前記第２のパッチを支持する誘電体と、
一端が前記第１のパッチの内縁と接続され、他端が前記接地電極と接続される円筒状の第１の導体と、
前記第１の導体内を通るように配置され、一端が前記第２のパッチの内縁と接続され、他端が前記接地電極と接続される円筒状の第２の導体と、
前記第１のパッチの内縁よりも外側に位置する第１の給電点において前記第１のパッチと接続され、少なくとも一部が同軸線路である第１の給電線と、
前記第１の導体と前記第２の導体との間を通り、前記第２のパッチの内縁よりも外側に位置する第２の給電点において前記第２のパッチと接続され、少なくとも一部が同軸線路である第２の給電線と、
を有するパッチアンテナ。
【請求項２】
前記第１の給電線及び前記第２の給電線は、前記第１の給電線、前記第１のパッチの中心、及び前記第２の給電線の順に直線状に並べて配置される、請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項３】
前記第１の給電線と前記第１のパッチの中心を結ぶ線と、前記第２の給電線と前記第１のパッチの中心を結ぶ線とが直交するように前記第１の給電線及び前記第２の給電線が配置される、請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項４】
前記第２のパッチよりも上側に配置され、前記第２の周波数よりも高い第３の周波数を持つ信号を空中へ送信または空中から受信するために、当該第３の周波数に対応する外径を持つリング状に形成された導電性を有する第３のパッチと、
前記第２の導体内を通るように配置され、一端が前記第３のパッチの内縁と接続され、他端が前記接地電極と接続される円筒状の第３の導体と、
前記第２の導体と前記第３の導体との間を通り、前記第３のパッチの内縁よりも外側に位置する第３の給電点において前記第３のパッチと接続され、少なくとも一部が同軸線路である第３の給電線と、
をさらに有する請求項１〜３の何れか一項に記載のパッチアンテナ。
【請求項１】
基板と、
基板上に配置された接地電極と、
前記接地電極よりも上側に配置され、第１の周波数を持つ信号を空中へ送信または空中から受信するために、当該第１の周波数に対応する外径を持つリング状に形成された導電性を有する第１のパッチと、
前記第１のパッチよりも上側に配置され、前記第１の周波数よりも高い第２の周波数を持つ信号を空中へ送信または空中から受信するために、当該第２の周波数に対応する外径を持つリング状に形成された導電性を有する第２のパッチと、
前記接地電極上に配置され、前記接地電極、前記第１のパッチ及び前記第２のパッチが略平行となるように前記第１のパッチ及び前記第２のパッチを支持する誘電体と、
一端が前記第１のパッチの内縁と接続され、他端が前記接地電極と接続される円筒状の第１の導体と、
前記第１の導体内を通るように配置され、一端が前記第２のパッチの内縁と接続され、他端が前記接地電極と接続される円筒状の第２の導体と、
前記第１のパッチの内縁よりも外側に位置する第１の給電点において前記第１のパッチと接続され、少なくとも一部が同軸線路である第１の給電線と、
前記第１の導体と前記第２の導体との間を通り、前記第２のパッチの内縁よりも外側に位置する第２の給電点において前記第２のパッチと接続され、少なくとも一部が同軸線路である第２の給電線と、
を有するパッチアンテナ。
【請求項２】
前記第１の給電線及び前記第２の給電線は、前記第１の給電線、前記第１のパッチの中心、及び前記第２の給電線の順に直線状に並べて配置される、請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項３】
前記第１の給電線と前記第１のパッチの中心を結ぶ線と、前記第２の給電線と前記第１のパッチの中心を結ぶ線とが直交するように前記第１の給電線及び前記第２の給電線が配置される、請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項４】
前記第２のパッチよりも上側に配置され、前記第２の周波数よりも高い第３の周波数を持つ信号を空中へ送信または空中から受信するために、当該第３の周波数に対応する外径を持つリング状に形成された導電性を有する第３のパッチと、
前記第２の導体内を通るように配置され、一端が前記第３のパッチの内縁と接続され、他端が前記接地電極と接続される円筒状の第３の導体と、
前記第２の導体と前記第３の導体との間を通り、前記第３のパッチの内縁よりも外側に位置する第３の給電点において前記第３のパッチと接続され、少なくとも一部が同軸線路である第３の給電線と、
をさらに有する請求項１〜３の何れか一項に記載のパッチアンテナ。
【図１】
【図２】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図３】
【図５】
【図２】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図３】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−９０１８３（Ｐ２０１３−９０１８３Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２９６０４（Ｐ２０１１−２２９６０４）
【出願日】平成２３年１０月１９日（２０１１．１０．１９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１９日（２０１１．１０．１９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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