平面アンテナ装置
【課題】平面アンテナのアンテナ面積の拡大を抑制しながら放射効率ηを向上させる。
【解決手段】ＧＮＤ導体５は、誘電体基板１００の一面に配置された導体パターンによって形成され、開口部２及び３が設けられている。また、伝送線路４も導体パターンによって誘電体基板１００上に形成されている。伝送線路４は、開口部２を囲む周囲導体１１〜１２並びに開口部３を囲む周囲導体１３〜１４に信号を供給する。また、開口部２及び３は、伝送線路４を軸として線対称に配置されている。さらに、開口部２及び３の開口面積は、伝送線路４から供給されて周囲導体１１〜１４を流れるループ電流によって、開口部２及び周囲導体１１〜１２を含む領域が磁界放射型の第１のループ放射素子として動作し、開口部３及び周囲導体１３〜１４を含む領域が磁界放射型の第２のループ放射素子として動作するよう決定されている。
【解決手段】ＧＮＤ導体５は、誘電体基板１００の一面に配置された導体パターンによって形成され、開口部２及び３が設けられている。また、伝送線路４も導体パターンによって誘電体基板１００上に形成されている。伝送線路４は、開口部２を囲む周囲導体１１〜１２並びに開口部３を囲む周囲導体１３〜１４に信号を供給する。また、開口部２及び３は、伝送線路４を軸として線対称に配置されている。さらに、開口部２及び３の開口面積は、伝送線路４から供給されて周囲導体１１〜１４を流れるループ電流によって、開口部２及び周囲導体１１〜１２を含む領域が磁界放射型の第１のループ放射素子として動作し、開口部３及び周囲導体１３〜１４を含む領域が磁界放射型の第２のループ放射素子として動作するよう決定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信に利用可能な平面アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信装置において、アプリケーションの多様化に伴い、無線通信装置の小型化、高性能化、高効率化が求められている。無線通信装置の大きさはアンテナの大きさに大きく依存している。中でも、誘電体基板上にレイアウトパタンとして配置できる小型の平面アンテナに関して更なる放射効率向上の必要性が高まっている。
【０００３】
特許文献１は、非共振型の平面スロットダイポールアンテナ装置を開示している。このアンテナ装置の構成及び特性について以下に説明する。図１１は、特許文献１に示されたアンテナ装置の構成を示す平面図である。図１２は、図１１に示したアンテナ装置のアンテナ部１０１を抜き出して示した平面図である。図１１に示すアンテナ装置は、アンテナ部１０１及び整合部１０６を含む。整合部１０６は、アンテナ部１０１と図示しない外部回路（信号源）との間のインピーダンス整合を行う。
【０００４】
スロットダイポールアンテナとしてのアンテナ部１０１は、誘電体基板上に形成された導体１０５に開口部（スロット）１０２及び１０３を設けることで形成されている。つまり、図１１及び１２に示す開口部１０２及び１０３には、下層の誘電体基板が露出している。図１１及び１２の例では、アンテナ部１０１は、コプレーナ導波路（ＣＰＷ：Coplanar Waveguide）を介して整合部１０６に接続されている。微小な非共振型アンテナであるから、図１１及び１２において、アンテナ長Ｌは波長λに比べてはるかに小さい（つまりＬ＜＜λ）。特許文献１には、電磁界シミュレーションによるアンテナ部１０１のインピーダンスＺａの解析結果が示されている。これによると、アンテナ部１０１の放射抵抗ＲａおよびリアクタンスＸａの傾きは無線信号の中心周波数（例えば５．０ＧＨｚ）付近で一定となる。よって、このアンテナ部１０１の等価回路は、図１３に示すように、放射抵抗ＲａとリアクタンスＸａの直列回路で表すことができる。
【０００５】
整合部１０６は、伝送線路１０４とインバータ１０７を有する。伝送線路１０４は、２本の並行する信号線である。これらの信号線は一端がアンテナ部１０１と接続され、他端はインバータ１０７を介して外部回路（信号源）に接続される。整合部１０６は、式（１）の設計公式に基づいて求められる伝送線路１０４の特性インピーダンスＺ１及び電気長θ０を用いて設計される。
【数１】
式（１）において、Ｑｅ１は共振器の外部Ｑ（外部回路との結合量）である。関数Ｓｉｎｃ（θ）は、ｓｉｎθ／θである。式（１）に示した設計公式は、整合回路付きアンテナ等価回路とフィルタ理論に基づく回路が等価となる条件に基づいて導出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第０６／１２６３２０号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されたアンテナ装置は、小型の無線通信装置に搭載される場合に、アンテナ部１０１の放射効率を高めることが困難であるという問題がある。その理由を以下に説明する。アンテナへの入射電力をＰＡ［Ｗ］、アンテナの放射電力をＰＲ［Ｗ］、アンテナの放射抵抗をＲａ［Ω］、損失抵抗をＲＬ［Ω］とすると、一般的に、放射効率ηは式（２）で示される。
【数２】
【０００８】
図１２に示したアンテナ部１０１、つまり非共振型の平面スロットダイポールアンテナの放射抵抗Ｒａ［Ω］は、式（３）で表わされる。
【数３】
式（３）において、Ｌ［μｍ］はアンテナ長であり、λ［μｍ］は無線信号の波長である。つまり、図１２に示した非共振型の平面スロットダイポールアンテナの放射抵抗はアンテナ長Ｌに依存する。
【０００９】
スロットダイポールアンテナの特性は、理想的には、スロットの周囲に配置される周囲導体（図１１及び１２の例えば周囲導体１１１〜１１４）を無限大として考えられるものである。このため、無線通信装置の小型化のために、限られた面積内に図１１の平面アンテナ装置を配置する場合を想定すると、アンテナ長Ｌを伸ばすことが面積制約上容易でない。このため、式（３）に示した放射抵抗Ｒａを高めることが難しく、放射抵抗Ｒａに依存する放射効率ηを向上させることも難しい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様にかかる平面アンテナ装置は、誘電体基板、接地導体、及び伝送線路を含む。前記接地導体は、前記誘電体基板の一面に配置された導体パターンによって形成され、第１及び第２の開口部が設けられている。また、前記伝送線路も前記導体パターンによって形成されている。前記伝送線路は、前記第１の開口部を囲む第１の周囲導体及び前記第２の開口部を囲む第２の周囲導体に信号を供給する。また、前記第１及び第２の開口部は、前記伝送線路を軸として線対称に配置されている。さらに、前記第１及び第２の開口部の開口面積は、前記伝送線路から供給されて前記第１及び第２の周囲導体を流れるループ電流によって、前記第１の開口部及び前記第１の周囲導体を含む領域が磁界放射型の第１のループ放射素子として動作し、前記第２の開口部及び前記第２の周囲導体を含む領域が磁界放射型の第２のループ放射素子として動作するよう決定されている。
【００１１】
上述した本発明の一態様によれば、第１及び第２の開口部の面積を拡大することで、図１１に示した電界放射型のスロットダイポールアンテナ特性を持つアンテナ装置とは対照的に、磁界放射型のループアンテナ特性を得ることができる。なお、ループアンテナの放射効率ηは、ループ面積、すなわち第１及び第２の開口部の開口面積に依存する。上記の本発明の一態様にかかる平面アンテナ装置は、アンテナ面積の拡大を抑制しながら第１及び第２の開口部を拡大することが容易であるため、放射効率ηの向上が容易になる。
【発明の効果】
【００１２】
上述した本発明の一態様によれば、アンテナ面積の拡大を抑制しながら放射効率ηを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係るアンテナ装置の構成例を示す平面図である。
【図２】図１に示したアンテナ装置の一部（アンテナ部１）を示す平明図である。
【図３】シミュレーションを行った平面アンテナ装置の平面図である。
【図４】比較例に係る平面アンテナ装置の電界分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】比較例に係る平面アンテナ装置の電流分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る平面アンテナ装置の電界分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る平面アンテナ装置の電流分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態にかかるアンテナ装置の構成例を示す平面図である。
【図９】図１に示したアンテナ部１を流れる電流及び磁界の様子を示す平明図である。
【図１０】図１に示したアンテナ部１に生じる磁界及び磁束密度を示す概念図である。
【図１１】背景技術に係るアンテナ装置の平面図である。
【図１２】図１１に示したアンテナ装置の一部（アンテナ部１０１）を示す平明図である。
【図１３】図１２のアンテナ部１０１の等価回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略される。
【００１５】
＜発明の実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態に係る平面アンテナ装置の構成例を示す平面図である。図１のアンテナ装置の概略構成は、図１１及び１２に示した平面アンテナ装置と同様である。すなわち、アンテナ部１は、誘電体基板１００上に配置された導体パターンによって形成されているＧＮＤ導体５に、開口部（スロット）２及び３を設けることで形成されている。図１に示す開口部２及び３には、下層の誘電体基板が露出している。開口部２及び３は、伝送線路４を軸として線対称となるように設けられている。アンテナ部１は、伝送線路４及び図示しないインピーダンス整合回路を介して外部回路（信号源）に接続される。図１の例では、伝送線路４はコプレーナ導波路である。インピーダンス整合回路（不図示）は、図１１に示したインバータ１０７等と同様とすればよい。
【００１６】
しかしながら、図１及び２に示す本実施の形態にかかる平面アンテナ装置は、開口部２及び３の詳細な配置、形状、及び開口面積が図１１に示したものとは異なる。つまり、本実施の形態では、所望の無線周波数において表皮効果の影響（表面深さの不足よる電流減少）を受けない程度までアンテナ部１の周囲導体（導体１１〜１４）の幅を狭め、これに伴って開口部２及び３の開口面積を拡大している。このような形状を採用したことによって、本実施の形態に係るアンテナ部１の放射特性は、微小ダイポールアンテナの放射特性（つまり電界放射型）ではなく、微小ループアンテナの放射特性（つまり磁界放射型）が支配的となる。この放射特性は、開口部２の周囲導体１１及び１２を流れるループ電流（第一ループ）と、開口部３の周囲導体１３〜１４を流れるループ電流（第二ループ）によってもたらされると考えられる。つまり、開口部２とその周囲導体１１〜１２を含む領域は第１のループ放射素子として動作し、開口部３とその周囲導体１３〜１４を含む領域は第２のループ放射素子として動作する。
【００１７】
微小ループアンテナの場合、周囲導体１１〜１４の幅は、ループ電流の流れを阻害しない程度とすればよい。つまり、微小ループアンテナの場合は、微小スロットダイポールアンテナとは異なり、周囲導体１１〜１４の幅を必要以上に確保する必要がない。また、微小ループアンテナの放射抵抗は、開口面積（電流ループで囲まれた面積）に比例する。したがって、本実施の形態にかかるアンテナ装置によれば、周囲導体１１〜１４の幅を削って、代わりに開口部２及び３を拡大することで、平面アンテナの面積拡大を抑えながら放射効率を向上することができる。このため、本実施の形態にかかるアンテナ装置は、無線通信装置の小型化に好適である。
【００１８】
以下では、アンテナ部１の磁界放射の様子について説明する。図２は、アンテナ部１を流れるループ電流とループ電流によって作られる磁界を示している。アンテナ部１には伝送線路４から往路電流Ｃ１が供給される。往路電流Ｃ１は、開口部２の周囲導体１１及び１２（第一ループ）を流れる復路電流Ｃ２と、開口部３の周囲導体１３及び１４（第二ループ）を流れる復路電流Ｃ３に分かれる。第一ループへ流れる復路電流Ｃ２によって、第一ループでの復路磁界Ｍ２が発生する。同様に、第二ループへ流れる復路電流Ｃ３によって、第二ループでの復路磁界Ｍ３が発生する。復路磁界Ｍ２及び￥Ｍ３並びに往路磁界Ｍ１によって、アンテナ部１において磁束が局在化し、強い電磁波が空間に放射される。
【００１９】
また、図１及び２に示したように、伝送線路４を軸に開口部２及び３を線対称に配置するレイアウトを採用したことによって、高周波電流の性質から復路電流Ｃ２及びＣ３はＧＮＤ導体５へ向かう最短経路で導体端に沿って流れる。これにより、往路電流Ｃ１と逆向きの電流Ｃ２及びＣ３が流れることで伝送線路４内での磁界の広がりが抑制され、アンテナ部１の電波放射の乱れが抑制される。
【００２０】
以下では、本実施の形態にかかるループアンテナ特性を示す平面アンテナ装置の電界分布及び電流分布のシミュレーション結果について説明する。また、比較例として、図１１に示したダイポールアンテナ特性を示す平面アンテナ装置の電界分布及び電流分布のシミュレーション結果についても説明する。図３（ａ）及び（ｂ）は、シミュレーションを行った平面アンテナ装置の平面図である。図３（ａ）は図１１に示したダイポールアンテナ特性の平面アンテナ装置を示しており、図３（ｂ）はループアンテナ特性を示す本実施の形態に係る平面アンテナ装置を示している。図３（ｂ）に示したアンテナ装置は、図３（ａ）に比べて周囲導体１１〜１４の面積が削減され、開口部２及び３が拡大されている。インバータ７は、インバータ１０７と同様の構成とすればよい。
【００２１】
図４は、図３（ａ）に示した比較例の平面アンテナ装置の電界（絶対値）の分布を示している。また、図５は、図３（ａ）に示した比較例の平面アンテナ装置の電流分布のシミュレーション結果である。図４からは、点線の楕円で囲んでいるように、スロット（開口部）１０２及び１０３それぞれの長辺に沿って大きな電界が発生していることが分かる。なお、各スロットの２つの長辺の間では接地電位（ＧＮＤ）を中心に正負が反転している。図５からは、スロット１０２及び１０３の周囲に沿って電流が流れることが分かるが、図５のスロット１０２及び１０３の周囲の電流経路の幅は約１００μｍである。
【００２２】
これに対して、図６は、図３（ｂ）に示した本実施の形態に係る平面アンテナ装置の電界（絶対値）の分布を示している。また、図７は、図３（ｂ）に示した本実施の形態に係る平面アンテナ装置の電流分布のシミュレーション結果である。図６からは、点線の楕円で囲んでいるように、スロット（開口部）２及び３の長辺（特に図の上側の長辺）に沿って発生する電界が図４に比べて弱いことが分かる。つまり、図６では、スロットダイポールアンテナで現れる電界分布が存在していない。また、図７からは、スロット２及び３の周囲に沿って周囲導体１１〜１４を電流が流れる。図７のスロット２及び３の周囲の電流経路の幅は約２００μｍであり、図５のそれに比べて約２倍に拡大している。このことから、図３（ｂ）のアンテナ装置は、磁界を主体としたループアンテナの放射特性を持つと考えられる。
【００２３】
図４〜７に示したシミュレーション結果から次のことを結論できる。すなわち、図３（ｂ）のアンテナ装置のように開口部２及び３の面積を拡大することで、スロットダイポールアンテナ動作からループアンテナ動作に変化する。
【００２４】
続いて以下では、本実施の形態に係る平面アンテナ装置の放射効率の観点からみた利点について説明する。式（３）に示したように、平面スロットダイポールアンテナの放射抵抗Ｒａはアンテナ長Ｌに依存する。しかし、図１１のアンテナ部１０１の周囲導体の面積を確保する必要から、アンテナ長Ｌを十分に長くすることができなかった。これに対して、図１に示すアンテナ部１のレイアウトでは、周囲導体１１〜１４の面積を削減し、開口部２及び３の面積拡大を図っているため、図１のアンテナ長Ｌ１及びアンテナ幅Ｗ１は、図１１のアンテナ長Ｌ及びアンテナ幅Ｗよりそれぞれ長くすることができる。
【００２５】
また、アンテナ部１の放射特性は、放射抵抗が開口面積に比例し、かつ無限導体を必要としないループアンテナに近い特性となる。開口部２（第一ループ）及び開口部３（第二ループ）の開口面積を共にＡ、開口部（ループ）の数を２個とすると、ループアンテナとみなしたアンテナ部１の放射抵抗ＲＲは、式（４）で示すことができる。つまり、アンテナ部１の放射抵抗ＲＲは、第一及び第二ループ各々の開口面積Ａに比例する。
【数４】
【００２６】
次に、図１のループアンテナ長Ｌ１を、図１１のアンテナ長Ｌと等しいと仮定した場合、図１１のアンテナ部１０１の放射抵抗Ｒａと図１のアンテナ部１の放射抵抗ＲＲの比は式（５）で示される。
【数５】
【００２７】
式（５）から、放射抵抗ＲＲが放射抵抗Ｒａを上回るためのアンテナ幅Ｗ１の条件は、式（６）のように表わすことができる。
【数６】
式（５）では、図１のアンテナ長Ｌ１が図１１のアンテナ長Ｌと等しいと仮定した。しかしながら、上述のように、本実施の形態では周囲導体１２及び１４の幅を削減できるため、図１のアンテナ長Ｌ１は図１１のアンテナ長Ｌより長くすることができる。よって、図１のアンテナ幅Ｗ１が少なくとも式（６）に示した条件を満たすことで、本実施の形態に係るアンテナ部１の放射抵抗ＲＲは、図１１のアンテナ部１０１の放射抵抗ＲＲより大きくなる。
【００２８】
＜発明の実施の形態２＞
図８は、本発明の実施の形態に係る平面アンテナ装置の構成例を示す平面図である。図８のアンテナ装置の概略構成は、図１１及び１２に示した平面アンテナ装置と同様である。すなわち、アンテナ部２１は、誘電体基板２００上に配置された導体パターンによって形成されているＧＮＤ導体３６に、開口部（スロット）２５及び２６を設けることで形成されている。図８に示す開口部２５及び２６には、下層の誘電体基板２００が露出している。開口部２５及び２６は、伝送線路２３を軸として線対称となるように設けられている。図８の例では、伝送線路２３はコプレーナ導波路である。アンテナ部２１は、整合部２２を介して外部回路（信号源）に接続される。
【００２９】
しかしながら、図８に示す本実施の形態にかかる平面アンテナ装置は、開口部２５及び２６の詳細な配置、形状、及び開口面積が図１１に示したものとは異なる。つまり、本実施の形態では、所望の無線周波数において表皮効果の影響（表面深さの不足よる電流減少）を受けない程度までアンテナ部２１の周囲導体（導体３１〜３４）の幅を狭め、これに伴って開口部２５及び２６の開口面積を拡大している。このような形状を採用したことによって、本実施の形態に係るアンテナ部２１の放射特性は、微小ダイポールアンテナの放射特性（つまり電界放射型）ではなく、微小ループアンテナの放射特性（つまり磁界放射型）が支配的となる。この放射特性は、開口部２５の周囲導体３１及び３２を流れるループ電流（第一ループ）と、開口部２６の周囲導体３３〜３４を流れるループ電流（第二ループ）によってもたらされると考えられる。
【００３０】
さらに、図８の平面アンテナ装置は、コプレーナ導波路としての伝送線路２３の周囲領域（図８中の領域Ａ）の導体を取り去り、細長いオープンスタブ３５をＧＮＤ導体３６から開口部２５及び２６内に張り出させた形状を有している。オープンスタブ３５は、所望の無線信号波長の４分の１（λ／４）を基準に、開口部２５及び２６の周囲長に応じて短縮された長さに調整される。オープンスタブ３５を設けることで、開口部２５とスタブ３５によって形成されるループアンテナの形状を四角形に近づけることができる。これにより、開口部２５及び２６の開口面積がさらに拡大されている。開口部２６とスタブ３５によって形成されるもう１つのループアンテナについても同様である。
【００３１】
また、オープンスタブ３５の長さを適宜変更することによって、ループアンテナの電気長を容易に調整でき、所望周波数（共振周波数）に整合させることが容易になる。つまり、オープンスタブ３５は、後述する復路電流Ｃ５及びＣ６の帰路としての役割と、ループアンテナの電気長を所望周波数に整合させる役割とを併せ持っている。オープンスタブの長さによってループアンテナの電気長を調整可能であるため、例えば、設計期間の短縮などの利点が得られる。
【００３２】
以下では、アンテナ部２１の磁界放射の様子について説明する。図９は、整合部２２を介して信号線２４からアンテナ部２１に信号が供給された場合に、アンテナ部２１を流れるループ電流とループ電流によって作られる磁界を示している。アンテナ部２１への信号供給に伴って、伝送線路２３に往路電流Ｃ１が発生する。往路電流Ｃ１は往路磁界Ｍ１を発生する。往路電流Ｃ１は、開口部２５の周囲導体３１及び３２（第一ループ）を流れる復路電流Ｃ２と、開口部２６の周囲導体３３及び３４（第二ループ）を流れる復路電流Ｃ３に分かれる。第一ループを流れる復路電流Ｃ２によって、第一ループでの復路磁界Ｍ２が発生する。同様に、第二ループを流れる復路電流Ｃ３によって、第二ループでの復路磁界Ｍ３が発生する。復路磁界Ｍ２及びＭ３並びに往路磁界Ｍ１によって、アンテナ部２１で伝送線路２３を含まない領域（開口部２５及び２６の線路２３と対向していない領域）において磁束が局在化し、強い電磁波が空間に放射される。
【００３３】
整合部２２の位置では、第一ループでの復路磁界Ｍ２と第二ループでの復路磁界Ｍ３によって磁界は相殺される。つまり、開口部２５及び２６が伝送線路２３を軸に線対称に配置されたレイアウトによって、アンテナ部２１から整合部２２に及ぶ磁界の影響が軽減される。ここで、整合部２２での電磁界の漏れを軽減する為に伝送線路２３が用いられている。つまり、高周波電流の性質から復路電流Ｃ２及びＣ３はＧＮＤ導体３６へ向かう最短経路で導体端に沿って流れる。このため、往路電流Ｃ１と逆向きの主たる復路電流Ｃ５及びＣ６がスタブ３５の表面を流れることになる。よって、伝送線路２３内での磁界Ｍ４の広がりが抑制され、アンテナ部２１の電波放射の乱れが抑制される。
【００３４】
帯域設計を行う場合を除いて、伝送線路２３の特性インピーダンスは重要ではなく、電気長θが重要である。この為、伝送線路２３、つまりコプレーナ導波路としてのＧＮＤ導体（スタブ）３５の幅は、伝送線路２３でのＧＮＤ導体間隔Ｌ３の２倍の幅を必要としない。よって、整合部２２の必要面積を縮小できる。スタブ３５の幅の削減により面積縮小できた整合部２２をアンテナ部２１の中へ配置することによって、開口部２５に沿った第一ループ及び開口部２６に沿った第二ループによって形成される２つのループアンテナの周囲長をλ／２に近づけ、かつ開口面積を広げることができる。これにより、より強い共振が得られ、往路電流Ｃ１、第一ループでの復路電流Ｃ２、第二ループでの復路電流Ｃ３が増加する。
【００３５】
なお、オープンスタブ３５の幅は、表皮効果の影響（表面深さの不足よる電流減少）を受けないことが条件となる。開口部２５及び２６内にオープンスタブ３５を配置している為、伝送線路２３で発生する電磁界は周囲へ影響を与えない。また、第一及び第二ループからの磁界は、これら２つのループの中間位置で磁束密度が最も弱い。このため、これら２つのループの中間位置に伝送線路２３を配置しても、伝送線路２３とアンテナは互いの動作を阻害しない。伝送線路２３が第一及び第二のループによって挟まれる形状となるが、これら２つのループには、図８における第一ループでの復路電流Ｃ２及び第二ループでの復路電流Ｃ３で示される向きと大きさが実質的に等しい電流が流れる。
【００３６】
図１０（ａ）は、図８におけるアンテナ部２１の磁界の向きを示す図である。第一ループでの復路電流Ｃ２による磁界及びその向きと、第二ループでの復路電流Ｃ３による磁界及びその向きを表している。２つの復路電流Ｃ２及びＣ２による磁界が交差する部分、すなわち第一及び第二ループの磁界が重なる部分では、磁界の向きが異なるために磁界が打ち消される。
【００３７】
図１０（ｂ）は、図８における伝送線路２３の部分の磁束密度を示す図である。図中の楕円４０に囲まれた範囲が伝送線路２３の位置に相当する。伝送線路２３の位置では、第一及び第二ループからの磁界が打ち消される事によって磁束密度が小さくなる。つまり、伝送線路２３への影響は低減される。一方、第一ループでの復路電流Ｃ２及び第二ループでの復路電流Ｃ３の向きと伝送線路２３を流れる往路電流Ｃ１の向きが異なっていることで、２つのループと伝送線路２３の中間位置では磁束密度が増加し、空間への磁界の放射を増加させ、ループアンテナ特性は良好なものとなる。つまり、伝送線路２３（２つのスタブ３５）を開口部２５及び２６の中に設けたことによる磁界放射特性への弊害は無い。
【００３８】
続いて以下では、本実施の形態に係る平面アンテナ装置の放射効率の観点からみた利点について説明する。本実施の形態に係るアンテナ部２１の放射抵抗ＲＲが、図１１のアンテナ部１０１の放射抵抗ＲＲより大きくなることは、発明の実施の形態１に係るアンテナ部１と同様に説明できる。すなわち、式（３）に示したように、平面スロットダイポールアンテナの放射抵抗Ｒａはアンテナ長Ｌに依存する。しかし、図１１のアンテナ部１０１の周囲導体の面積を確保する必要から、アンテナ長Ｌを十分に長くすることができなかった。これに対して、図８に示すアンテナ部２１のレイアウトでは、周囲導体３１〜３４の面積を削減し、開口部２５及び２６の面積拡大を図っているため、図８のアンテナ長Ｌ２及びアンテナ幅Ｗ２は、図１１のアンテナ長Ｌ及びアンテナ幅Ｗよりそれぞれ長くすることができる。
【００３９】
また、アンテナ部２１の放射特性は、放射抵抗が開口面積に比例し、かつ無限導体を必要としないループアンテナに近い特性となる。開口部２５（第一ループ）及び開口部２６（第二ループ）の開口面積を共にＡ、開口部（ループ）の数を２個とすると、ループアンテナとみなしたアンテナ部２１の放射抵抗ＲＲは、上述した式（４）と同様に、式（７）で示すことができる。つまり、アンテナ部２１の放射抵抗ＲＲは、第一及び第二ループ各々の開口面積Ａに比例する。
【数７】
【００４０】
次に、図８のループアンテナ長Ｌ２を、図１１のアンテナ長Ｌと等しいと仮定した場合、図１１のアンテナ部１０１の放射抵抗Ｒａと図８のアンテナ部２１の放射抵抗ＲＲの比は式（８）で示される。
【数８】
【００４１】
式（８）から、放射抵抗ＲＲが放射抵抗Ｒａを上回るためのアンテナ幅Ｗ２の条件は、式（９）のように表わすことができる。
【数９】
式（８）では、図８のアンテナ長Ｌ２が図１１のアンテナ長Ｌと等しいと仮定した。しかしながら、上述のように、本実施の形態では周囲導体３２及び３４の幅を削減できるため、図８のアンテナ長Ｌ２は図１１のアンテナ長Ｌより長くすることができる。よって、発明の実施の形態１で説明した図１のアンテナ部１と同様に、図８のアンテナ幅Ｗ２が少なくとも式（９）に示した条件を満たすことで、本実施の形態に係るアンテナ部２１の放射抵抗ＲＲは、図１１のアンテナ部１０１の放射抵抗ＲＲより大きくなる。さらに、図８の構成では、伝送線路２３の周囲（図８の領域Ａ）の導体を廃して開口部２５及び２６の幅Ｗ２も拡大している。このため、アンテナ部２１の放射抵抗ＲＲをさらに増大できる。
【００４２】
また、ループアンテナの共振周波数を所望の周波数に近づける為には、第一ループ及び第二ループの周囲長をそれぞれλ／２に近づける必要がある。式（１０）は図１１のアンテナ部１０１に設けられたスロット１０２及び１０３の周囲長を表す式である。
【数１０】
【００４３】
図１１のアンテナ装置と同一面積を維持したままで、スロット１０２及び１０３それぞれの周囲長をλ／２に近づける為には、図１１における伝送線路１０４の周囲導体面積を取り去り、削減した周囲導体の周囲長をスロット１０２及び１０３の周囲長に加えるとよい。つまり、本実施の形態にかかるアンテナ装置（図８）のアンテナ部２１の形状を採用するとよい。オープンスタブ３５を含む伝送線路２３の長さは、所望の無線信号波長の４分の１（λ／４）を基準に、アンテナ部２１の周囲長及びアンテナ幅Ｗ２等から決定される短縮係数αを基準値に乗ずることによって、アンテナの共振をとる様に決定すればよい。図８の開口部（スロット）２５及び２６各々の周囲長は、アンテナ長Ｌ２、アンテナ幅Ｗ２、アンテナ周囲長の一部Ｗ４、及び短縮係数αを用いて式（１１）及び（１２）で表わすことができる。式（１０）と式（１２）を比較した場合、式（１０）よりも式（１２）のほうがスロット周囲長を延ばすことができ、スロット周囲長をλ／２に近づけることが容易になる。よって、共振により、いっそう大きい電流をアンテナ部２１へ流すことができる。
【数１１】
【数１２】
【００４４】
図８において、伝送線路２３の特性インピーダンスは、ＧＮＤ導体３６を無限平面導体とした前提で設計すればよい。しかしながら、実際は、ＧＮＤ導体３６は有限の導体であるため、理論値からのずれを考慮することが好ましい。よって、例えば、オープンスタブ３５の幅は、伝送線路２３でのＧＮＤ導体間隔Ｌ３の２倍以上とすればよい。特性インピーダンスの考慮を必要としない場合は、伝送線路２３長さＷ３のみが重要となるので、オープンスタブ３５の幅を、表皮効果の影響を受けない幅までさらに削減するとよい。
【００４５】
さらに、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【００４６】
上述した発明の実施の形態２の一部又は全体は、例えば、以下の付記１〜４のようにも記載され得る。
（付記１）
誘電体基板と、
前記誘電体基板の一面に配置された導体パターンによって形成され、第１及び第２の開口部が設けられた接地導体と、
前記導体パターンによって形成され、前記第１及び第２の開口部の間に延在して配置されるとともに、前記第１及び第２の開口部を囲む周囲導体に信号を供給するコプレーナ導波路と、
を備え、
前記第１及び第２の開口部は、前記コプレーナ導波路を軸として線対称に配置されている、平面アンテナ装置。
【００４７】
（付記２）
前記コプレーナ導波路は、
外部回路に結合される中心導体と、
前記接地導体から延び、前記中心導体の両側に前記中心導体と並行に配置された第１及び第２のオープンスタブと、
を備える、付記１に記載の平面アンテナ装置。
【００４８】
（付記３）
前記コプレーナ導波路から供給されて前記周囲導体を流れるループ電流によって、磁界放射型のループアンテナとして動作することを特徴とする、付記１又は２に記載の平面アンテナ装置。
【００４９】
（付記４）
前記周囲導体の幅は、前記信号の中心周波数において、表皮深さの不足により前記ループ電流の流れを妨げることがないよう決定されている、付記１〜３のいずれか１項に記載の平面アンテナ装置。
【符号の説明】
【００５０】
１ アンテナ部
２ 開口部（第一ループ）
３ 開口部（第二ループ）
４ 伝送線路（コプレーナ導波路）
５ ＧＮＤ導体
７ インバータ
１１〜１４ 周囲導体
２１ アンテナ部
２２ 整合部
２３ 伝送線路（コプレーナ導波路）
２４ 信号線
２５ 開口部（第一ループ）
２６ 開口部（第二ループ）
２７ インバータ
３１〜３４ 周囲導体
３５ 伝送線路として寄与するＧＮＤ導体（オープンスタブ）
３６ ＧＮＤ導体
１００ 誘電体基板
２００ 誘電体基板
Ｃ１ 往路電流
Ｃ２ 第一ループでの復路電流
Ｃ３ 第二ループでの復路電流
Ｃ４ 復路電流
Ｃ５ 復路電流
Ｍ１ 往路磁界
Ｍ２ 第一ループでの復路磁界
Ｍ３ 第二ループでの復路磁界
Ｍ４ 伝送線路内に生じる磁界
Ｌ１ アンテナ長
Ｌ２ アンテナ長
Ｌ３ 伝送線路内でのＧＮＤ導体間隔
Ｗ１ アンテナ幅
Ｗ２ アンテナ幅
Ｗ３ 伝送線路長
Ｗ４ アンテナ周囲長の一部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信に利用可能な平面アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信装置において、アプリケーションの多様化に伴い、無線通信装置の小型化、高性能化、高効率化が求められている。無線通信装置の大きさはアンテナの大きさに大きく依存している。中でも、誘電体基板上にレイアウトパタンとして配置できる小型の平面アンテナに関して更なる放射効率向上の必要性が高まっている。
【０００３】
特許文献１は、非共振型の平面スロットダイポールアンテナ装置を開示している。このアンテナ装置の構成及び特性について以下に説明する。図１１は、特許文献１に示されたアンテナ装置の構成を示す平面図である。図１２は、図１１に示したアンテナ装置のアンテナ部１０１を抜き出して示した平面図である。図１１に示すアンテナ装置は、アンテナ部１０１及び整合部１０６を含む。整合部１０６は、アンテナ部１０１と図示しない外部回路（信号源）との間のインピーダンス整合を行う。
【０００４】
スロットダイポールアンテナとしてのアンテナ部１０１は、誘電体基板上に形成された導体１０５に開口部（スロット）１０２及び１０３を設けることで形成されている。つまり、図１１及び１２に示す開口部１０２及び１０３には、下層の誘電体基板が露出している。図１１及び１２の例では、アンテナ部１０１は、コプレーナ導波路（ＣＰＷ：Coplanar Waveguide）を介して整合部１０６に接続されている。微小な非共振型アンテナであるから、図１１及び１２において、アンテナ長Ｌは波長λに比べてはるかに小さい（つまりＬ＜＜λ）。特許文献１には、電磁界シミュレーションによるアンテナ部１０１のインピーダンスＺａの解析結果が示されている。これによると、アンテナ部１０１の放射抵抗ＲａおよびリアクタンスＸａの傾きは無線信号の中心周波数（例えば５．０ＧＨｚ）付近で一定となる。よって、このアンテナ部１０１の等価回路は、図１３に示すように、放射抵抗ＲａとリアクタンスＸａの直列回路で表すことができる。
【０００５】
整合部１０６は、伝送線路１０４とインバータ１０７を有する。伝送線路１０４は、２本の並行する信号線である。これらの信号線は一端がアンテナ部１０１と接続され、他端はインバータ１０７を介して外部回路（信号源）に接続される。整合部１０６は、式（１）の設計公式に基づいて求められる伝送線路１０４の特性インピーダンスＺ１及び電気長θ０を用いて設計される。
【数１】
式（１）において、Ｑｅ１は共振器の外部Ｑ（外部回路との結合量）である。関数Ｓｉｎｃ（θ）は、ｓｉｎθ／θである。式（１）に示した設計公式は、整合回路付きアンテナ等価回路とフィルタ理論に基づく回路が等価となる条件に基づいて導出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第０６／１２６３２０号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されたアンテナ装置は、小型の無線通信装置に搭載される場合に、アンテナ部１０１の放射効率を高めることが困難であるという問題がある。その理由を以下に説明する。アンテナへの入射電力をＰＡ［Ｗ］、アンテナの放射電力をＰＲ［Ｗ］、アンテナの放射抵抗をＲａ［Ω］、損失抵抗をＲＬ［Ω］とすると、一般的に、放射効率ηは式（２）で示される。
【数２】
【０００８】
図１２に示したアンテナ部１０１、つまり非共振型の平面スロットダイポールアンテナの放射抵抗Ｒａ［Ω］は、式（３）で表わされる。
【数３】
式（３）において、Ｌ［μｍ］はアンテナ長であり、λ［μｍ］は無線信号の波長である。つまり、図１２に示した非共振型の平面スロットダイポールアンテナの放射抵抗はアンテナ長Ｌに依存する。
【０００９】
スロットダイポールアンテナの特性は、理想的には、スロットの周囲に配置される周囲導体（図１１及び１２の例えば周囲導体１１１〜１１４）を無限大として考えられるものである。このため、無線通信装置の小型化のために、限られた面積内に図１１の平面アンテナ装置を配置する場合を想定すると、アンテナ長Ｌを伸ばすことが面積制約上容易でない。このため、式（３）に示した放射抵抗Ｒａを高めることが難しく、放射抵抗Ｒａに依存する放射効率ηを向上させることも難しい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様にかかる平面アンテナ装置は、誘電体基板、接地導体、及び伝送線路を含む。前記接地導体は、前記誘電体基板の一面に配置された導体パターンによって形成され、第１及び第２の開口部が設けられている。また、前記伝送線路も前記導体パターンによって形成されている。前記伝送線路は、前記第１の開口部を囲む第１の周囲導体及び前記第２の開口部を囲む第２の周囲導体に信号を供給する。また、前記第１及び第２の開口部は、前記伝送線路を軸として線対称に配置されている。さらに、前記第１及び第２の開口部の開口面積は、前記伝送線路から供給されて前記第１及び第２の周囲導体を流れるループ電流によって、前記第１の開口部及び前記第１の周囲導体を含む領域が磁界放射型の第１のループ放射素子として動作し、前記第２の開口部及び前記第２の周囲導体を含む領域が磁界放射型の第２のループ放射素子として動作するよう決定されている。
【００１１】
上述した本発明の一態様によれば、第１及び第２の開口部の面積を拡大することで、図１１に示した電界放射型のスロットダイポールアンテナ特性を持つアンテナ装置とは対照的に、磁界放射型のループアンテナ特性を得ることができる。なお、ループアンテナの放射効率ηは、ループ面積、すなわち第１及び第２の開口部の開口面積に依存する。上記の本発明の一態様にかかる平面アンテナ装置は、アンテナ面積の拡大を抑制しながら第１及び第２の開口部を拡大することが容易であるため、放射効率ηの向上が容易になる。
【発明の効果】
【００１２】
上述した本発明の一態様によれば、アンテナ面積の拡大を抑制しながら放射効率ηを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係るアンテナ装置の構成例を示す平面図である。
【図２】図１に示したアンテナ装置の一部（アンテナ部１）を示す平明図である。
【図３】シミュレーションを行った平面アンテナ装置の平面図である。
【図４】比較例に係る平面アンテナ装置の電界分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】比較例に係る平面アンテナ装置の電流分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る平面アンテナ装置の電界分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る平面アンテナ装置の電流分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態にかかるアンテナ装置の構成例を示す平面図である。
【図９】図１に示したアンテナ部１を流れる電流及び磁界の様子を示す平明図である。
【図１０】図１に示したアンテナ部１に生じる磁界及び磁束密度を示す概念図である。
【図１１】背景技術に係るアンテナ装置の平面図である。
【図１２】図１１に示したアンテナ装置の一部（アンテナ部１０１）を示す平明図である。
【図１３】図１２のアンテナ部１０１の等価回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略される。
【００１５】
＜発明の実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態に係る平面アンテナ装置の構成例を示す平面図である。図１のアンテナ装置の概略構成は、図１１及び１２に示した平面アンテナ装置と同様である。すなわち、アンテナ部１は、誘電体基板１００上に配置された導体パターンによって形成されているＧＮＤ導体５に、開口部（スロット）２及び３を設けることで形成されている。図１に示す開口部２及び３には、下層の誘電体基板が露出している。開口部２及び３は、伝送線路４を軸として線対称となるように設けられている。アンテナ部１は、伝送線路４及び図示しないインピーダンス整合回路を介して外部回路（信号源）に接続される。図１の例では、伝送線路４はコプレーナ導波路である。インピーダンス整合回路（不図示）は、図１１に示したインバータ１０７等と同様とすればよい。
【００１６】
しかしながら、図１及び２に示す本実施の形態にかかる平面アンテナ装置は、開口部２及び３の詳細な配置、形状、及び開口面積が図１１に示したものとは異なる。つまり、本実施の形態では、所望の無線周波数において表皮効果の影響（表面深さの不足よる電流減少）を受けない程度までアンテナ部１の周囲導体（導体１１〜１４）の幅を狭め、これに伴って開口部２及び３の開口面積を拡大している。このような形状を採用したことによって、本実施の形態に係るアンテナ部１の放射特性は、微小ダイポールアンテナの放射特性（つまり電界放射型）ではなく、微小ループアンテナの放射特性（つまり磁界放射型）が支配的となる。この放射特性は、開口部２の周囲導体１１及び１２を流れるループ電流（第一ループ）と、開口部３の周囲導体１３〜１４を流れるループ電流（第二ループ）によってもたらされると考えられる。つまり、開口部２とその周囲導体１１〜１２を含む領域は第１のループ放射素子として動作し、開口部３とその周囲導体１３〜１４を含む領域は第２のループ放射素子として動作する。
【００１７】
微小ループアンテナの場合、周囲導体１１〜１４の幅は、ループ電流の流れを阻害しない程度とすればよい。つまり、微小ループアンテナの場合は、微小スロットダイポールアンテナとは異なり、周囲導体１１〜１４の幅を必要以上に確保する必要がない。また、微小ループアンテナの放射抵抗は、開口面積（電流ループで囲まれた面積）に比例する。したがって、本実施の形態にかかるアンテナ装置によれば、周囲導体１１〜１４の幅を削って、代わりに開口部２及び３を拡大することで、平面アンテナの面積拡大を抑えながら放射効率を向上することができる。このため、本実施の形態にかかるアンテナ装置は、無線通信装置の小型化に好適である。
【００１８】
以下では、アンテナ部１の磁界放射の様子について説明する。図２は、アンテナ部１を流れるループ電流とループ電流によって作られる磁界を示している。アンテナ部１には伝送線路４から往路電流Ｃ１が供給される。往路電流Ｃ１は、開口部２の周囲導体１１及び１２（第一ループ）を流れる復路電流Ｃ２と、開口部３の周囲導体１３及び１４（第二ループ）を流れる復路電流Ｃ３に分かれる。第一ループへ流れる復路電流Ｃ２によって、第一ループでの復路磁界Ｍ２が発生する。同様に、第二ループへ流れる復路電流Ｃ３によって、第二ループでの復路磁界Ｍ３が発生する。復路磁界Ｍ２及び￥Ｍ３並びに往路磁界Ｍ１によって、アンテナ部１において磁束が局在化し、強い電磁波が空間に放射される。
【００１９】
また、図１及び２に示したように、伝送線路４を軸に開口部２及び３を線対称に配置するレイアウトを採用したことによって、高周波電流の性質から復路電流Ｃ２及びＣ３はＧＮＤ導体５へ向かう最短経路で導体端に沿って流れる。これにより、往路電流Ｃ１と逆向きの電流Ｃ２及びＣ３が流れることで伝送線路４内での磁界の広がりが抑制され、アンテナ部１の電波放射の乱れが抑制される。
【００２０】
以下では、本実施の形態にかかるループアンテナ特性を示す平面アンテナ装置の電界分布及び電流分布のシミュレーション結果について説明する。また、比較例として、図１１に示したダイポールアンテナ特性を示す平面アンテナ装置の電界分布及び電流分布のシミュレーション結果についても説明する。図３（ａ）及び（ｂ）は、シミュレーションを行った平面アンテナ装置の平面図である。図３（ａ）は図１１に示したダイポールアンテナ特性の平面アンテナ装置を示しており、図３（ｂ）はループアンテナ特性を示す本実施の形態に係る平面アンテナ装置を示している。図３（ｂ）に示したアンテナ装置は、図３（ａ）に比べて周囲導体１１〜１４の面積が削減され、開口部２及び３が拡大されている。インバータ７は、インバータ１０７と同様の構成とすればよい。
【００２１】
図４は、図３（ａ）に示した比較例の平面アンテナ装置の電界（絶対値）の分布を示している。また、図５は、図３（ａ）に示した比較例の平面アンテナ装置の電流分布のシミュレーション結果である。図４からは、点線の楕円で囲んでいるように、スロット（開口部）１０２及び１０３それぞれの長辺に沿って大きな電界が発生していることが分かる。なお、各スロットの２つの長辺の間では接地電位（ＧＮＤ）を中心に正負が反転している。図５からは、スロット１０２及び１０３の周囲に沿って電流が流れることが分かるが、図５のスロット１０２及び１０３の周囲の電流経路の幅は約１００μｍである。
【００２２】
これに対して、図６は、図３（ｂ）に示した本実施の形態に係る平面アンテナ装置の電界（絶対値）の分布を示している。また、図７は、図３（ｂ）に示した本実施の形態に係る平面アンテナ装置の電流分布のシミュレーション結果である。図６からは、点線の楕円で囲んでいるように、スロット（開口部）２及び３の長辺（特に図の上側の長辺）に沿って発生する電界が図４に比べて弱いことが分かる。つまり、図６では、スロットダイポールアンテナで現れる電界分布が存在していない。また、図７からは、スロット２及び３の周囲に沿って周囲導体１１〜１４を電流が流れる。図７のスロット２及び３の周囲の電流経路の幅は約２００μｍであり、図５のそれに比べて約２倍に拡大している。このことから、図３（ｂ）のアンテナ装置は、磁界を主体としたループアンテナの放射特性を持つと考えられる。
【００２３】
図４〜７に示したシミュレーション結果から次のことを結論できる。すなわち、図３（ｂ）のアンテナ装置のように開口部２及び３の面積を拡大することで、スロットダイポールアンテナ動作からループアンテナ動作に変化する。
【００２４】
続いて以下では、本実施の形態に係る平面アンテナ装置の放射効率の観点からみた利点について説明する。式（３）に示したように、平面スロットダイポールアンテナの放射抵抗Ｒａはアンテナ長Ｌに依存する。しかし、図１１のアンテナ部１０１の周囲導体の面積を確保する必要から、アンテナ長Ｌを十分に長くすることができなかった。これに対して、図１に示すアンテナ部１のレイアウトでは、周囲導体１１〜１４の面積を削減し、開口部２及び３の面積拡大を図っているため、図１のアンテナ長Ｌ１及びアンテナ幅Ｗ１は、図１１のアンテナ長Ｌ及びアンテナ幅Ｗよりそれぞれ長くすることができる。
【００２５】
また、アンテナ部１の放射特性は、放射抵抗が開口面積に比例し、かつ無限導体を必要としないループアンテナに近い特性となる。開口部２（第一ループ）及び開口部３（第二ループ）の開口面積を共にＡ、開口部（ループ）の数を２個とすると、ループアンテナとみなしたアンテナ部１の放射抵抗ＲＲは、式（４）で示すことができる。つまり、アンテナ部１の放射抵抗ＲＲは、第一及び第二ループ各々の開口面積Ａに比例する。
【数４】
【００２６】
次に、図１のループアンテナ長Ｌ１を、図１１のアンテナ長Ｌと等しいと仮定した場合、図１１のアンテナ部１０１の放射抵抗Ｒａと図１のアンテナ部１の放射抵抗ＲＲの比は式（５）で示される。
【数５】
【００２７】
式（５）から、放射抵抗ＲＲが放射抵抗Ｒａを上回るためのアンテナ幅Ｗ１の条件は、式（６）のように表わすことができる。
【数６】
式（５）では、図１のアンテナ長Ｌ１が図１１のアンテナ長Ｌと等しいと仮定した。しかしながら、上述のように、本実施の形態では周囲導体１２及び１４の幅を削減できるため、図１のアンテナ長Ｌ１は図１１のアンテナ長Ｌより長くすることができる。よって、図１のアンテナ幅Ｗ１が少なくとも式（６）に示した条件を満たすことで、本実施の形態に係るアンテナ部１の放射抵抗ＲＲは、図１１のアンテナ部１０１の放射抵抗ＲＲより大きくなる。
【００２８】
＜発明の実施の形態２＞
図８は、本発明の実施の形態に係る平面アンテナ装置の構成例を示す平面図である。図８のアンテナ装置の概略構成は、図１１及び１２に示した平面アンテナ装置と同様である。すなわち、アンテナ部２１は、誘電体基板２００上に配置された導体パターンによって形成されているＧＮＤ導体３６に、開口部（スロット）２５及び２６を設けることで形成されている。図８に示す開口部２５及び２６には、下層の誘電体基板２００が露出している。開口部２５及び２６は、伝送線路２３を軸として線対称となるように設けられている。図８の例では、伝送線路２３はコプレーナ導波路である。アンテナ部２１は、整合部２２を介して外部回路（信号源）に接続される。
【００２９】
しかしながら、図８に示す本実施の形態にかかる平面アンテナ装置は、開口部２５及び２６の詳細な配置、形状、及び開口面積が図１１に示したものとは異なる。つまり、本実施の形態では、所望の無線周波数において表皮効果の影響（表面深さの不足よる電流減少）を受けない程度までアンテナ部２１の周囲導体（導体３１〜３４）の幅を狭め、これに伴って開口部２５及び２６の開口面積を拡大している。このような形状を採用したことによって、本実施の形態に係るアンテナ部２１の放射特性は、微小ダイポールアンテナの放射特性（つまり電界放射型）ではなく、微小ループアンテナの放射特性（つまり磁界放射型）が支配的となる。この放射特性は、開口部２５の周囲導体３１及び３２を流れるループ電流（第一ループ）と、開口部２６の周囲導体３３〜３４を流れるループ電流（第二ループ）によってもたらされると考えられる。
【００３０】
さらに、図８の平面アンテナ装置は、コプレーナ導波路としての伝送線路２３の周囲領域（図８中の領域Ａ）の導体を取り去り、細長いオープンスタブ３５をＧＮＤ導体３６から開口部２５及び２６内に張り出させた形状を有している。オープンスタブ３５は、所望の無線信号波長の４分の１（λ／４）を基準に、開口部２５及び２６の周囲長に応じて短縮された長さに調整される。オープンスタブ３５を設けることで、開口部２５とスタブ３５によって形成されるループアンテナの形状を四角形に近づけることができる。これにより、開口部２５及び２６の開口面積がさらに拡大されている。開口部２６とスタブ３５によって形成されるもう１つのループアンテナについても同様である。
【００３１】
また、オープンスタブ３５の長さを適宜変更することによって、ループアンテナの電気長を容易に調整でき、所望周波数（共振周波数）に整合させることが容易になる。つまり、オープンスタブ３５は、後述する復路電流Ｃ５及びＣ６の帰路としての役割と、ループアンテナの電気長を所望周波数に整合させる役割とを併せ持っている。オープンスタブの長さによってループアンテナの電気長を調整可能であるため、例えば、設計期間の短縮などの利点が得られる。
【００３２】
以下では、アンテナ部２１の磁界放射の様子について説明する。図９は、整合部２２を介して信号線２４からアンテナ部２１に信号が供給された場合に、アンテナ部２１を流れるループ電流とループ電流によって作られる磁界を示している。アンテナ部２１への信号供給に伴って、伝送線路２３に往路電流Ｃ１が発生する。往路電流Ｃ１は往路磁界Ｍ１を発生する。往路電流Ｃ１は、開口部２５の周囲導体３１及び３２（第一ループ）を流れる復路電流Ｃ２と、開口部２６の周囲導体３３及び３４（第二ループ）を流れる復路電流Ｃ３に分かれる。第一ループを流れる復路電流Ｃ２によって、第一ループでの復路磁界Ｍ２が発生する。同様に、第二ループを流れる復路電流Ｃ３によって、第二ループでの復路磁界Ｍ３が発生する。復路磁界Ｍ２及びＭ３並びに往路磁界Ｍ１によって、アンテナ部２１で伝送線路２３を含まない領域（開口部２５及び２６の線路２３と対向していない領域）において磁束が局在化し、強い電磁波が空間に放射される。
【００３３】
整合部２２の位置では、第一ループでの復路磁界Ｍ２と第二ループでの復路磁界Ｍ３によって磁界は相殺される。つまり、開口部２５及び２６が伝送線路２３を軸に線対称に配置されたレイアウトによって、アンテナ部２１から整合部２２に及ぶ磁界の影響が軽減される。ここで、整合部２２での電磁界の漏れを軽減する為に伝送線路２３が用いられている。つまり、高周波電流の性質から復路電流Ｃ２及びＣ３はＧＮＤ導体３６へ向かう最短経路で導体端に沿って流れる。このため、往路電流Ｃ１と逆向きの主たる復路電流Ｃ５及びＣ６がスタブ３５の表面を流れることになる。よって、伝送線路２３内での磁界Ｍ４の広がりが抑制され、アンテナ部２１の電波放射の乱れが抑制される。
【００３４】
帯域設計を行う場合を除いて、伝送線路２３の特性インピーダンスは重要ではなく、電気長θが重要である。この為、伝送線路２３、つまりコプレーナ導波路としてのＧＮＤ導体（スタブ）３５の幅は、伝送線路２３でのＧＮＤ導体間隔Ｌ３の２倍の幅を必要としない。よって、整合部２２の必要面積を縮小できる。スタブ３５の幅の削減により面積縮小できた整合部２２をアンテナ部２１の中へ配置することによって、開口部２５に沿った第一ループ及び開口部２６に沿った第二ループによって形成される２つのループアンテナの周囲長をλ／２に近づけ、かつ開口面積を広げることができる。これにより、より強い共振が得られ、往路電流Ｃ１、第一ループでの復路電流Ｃ２、第二ループでの復路電流Ｃ３が増加する。
【００３５】
なお、オープンスタブ３５の幅は、表皮効果の影響（表面深さの不足よる電流減少）を受けないことが条件となる。開口部２５及び２６内にオープンスタブ３５を配置している為、伝送線路２３で発生する電磁界は周囲へ影響を与えない。また、第一及び第二ループからの磁界は、これら２つのループの中間位置で磁束密度が最も弱い。このため、これら２つのループの中間位置に伝送線路２３を配置しても、伝送線路２３とアンテナは互いの動作を阻害しない。伝送線路２３が第一及び第二のループによって挟まれる形状となるが、これら２つのループには、図８における第一ループでの復路電流Ｃ２及び第二ループでの復路電流Ｃ３で示される向きと大きさが実質的に等しい電流が流れる。
【００３６】
図１０（ａ）は、図８におけるアンテナ部２１の磁界の向きを示す図である。第一ループでの復路電流Ｃ２による磁界及びその向きと、第二ループでの復路電流Ｃ３による磁界及びその向きを表している。２つの復路電流Ｃ２及びＣ２による磁界が交差する部分、すなわち第一及び第二ループの磁界が重なる部分では、磁界の向きが異なるために磁界が打ち消される。
【００３７】
図１０（ｂ）は、図８における伝送線路２３の部分の磁束密度を示す図である。図中の楕円４０に囲まれた範囲が伝送線路２３の位置に相当する。伝送線路２３の位置では、第一及び第二ループからの磁界が打ち消される事によって磁束密度が小さくなる。つまり、伝送線路２３への影響は低減される。一方、第一ループでの復路電流Ｃ２及び第二ループでの復路電流Ｃ３の向きと伝送線路２３を流れる往路電流Ｃ１の向きが異なっていることで、２つのループと伝送線路２３の中間位置では磁束密度が増加し、空間への磁界の放射を増加させ、ループアンテナ特性は良好なものとなる。つまり、伝送線路２３（２つのスタブ３５）を開口部２５及び２６の中に設けたことによる磁界放射特性への弊害は無い。
【００３８】
続いて以下では、本実施の形態に係る平面アンテナ装置の放射効率の観点からみた利点について説明する。本実施の形態に係るアンテナ部２１の放射抵抗ＲＲが、図１１のアンテナ部１０１の放射抵抗ＲＲより大きくなることは、発明の実施の形態１に係るアンテナ部１と同様に説明できる。すなわち、式（３）に示したように、平面スロットダイポールアンテナの放射抵抗Ｒａはアンテナ長Ｌに依存する。しかし、図１１のアンテナ部１０１の周囲導体の面積を確保する必要から、アンテナ長Ｌを十分に長くすることができなかった。これに対して、図８に示すアンテナ部２１のレイアウトでは、周囲導体３１〜３４の面積を削減し、開口部２５及び２６の面積拡大を図っているため、図８のアンテナ長Ｌ２及びアンテナ幅Ｗ２は、図１１のアンテナ長Ｌ及びアンテナ幅Ｗよりそれぞれ長くすることができる。
【００３９】
また、アンテナ部２１の放射特性は、放射抵抗が開口面積に比例し、かつ無限導体を必要としないループアンテナに近い特性となる。開口部２５（第一ループ）及び開口部２６（第二ループ）の開口面積を共にＡ、開口部（ループ）の数を２個とすると、ループアンテナとみなしたアンテナ部２１の放射抵抗ＲＲは、上述した式（４）と同様に、式（７）で示すことができる。つまり、アンテナ部２１の放射抵抗ＲＲは、第一及び第二ループ各々の開口面積Ａに比例する。
【数７】
【００４０】
次に、図８のループアンテナ長Ｌ２を、図１１のアンテナ長Ｌと等しいと仮定した場合、図１１のアンテナ部１０１の放射抵抗Ｒａと図８のアンテナ部２１の放射抵抗ＲＲの比は式（８）で示される。
【数８】
【００４１】
式（８）から、放射抵抗ＲＲが放射抵抗Ｒａを上回るためのアンテナ幅Ｗ２の条件は、式（９）のように表わすことができる。
【数９】
式（８）では、図８のアンテナ長Ｌ２が図１１のアンテナ長Ｌと等しいと仮定した。しかしながら、上述のように、本実施の形態では周囲導体３２及び３４の幅を削減できるため、図８のアンテナ長Ｌ２は図１１のアンテナ長Ｌより長くすることができる。よって、発明の実施の形態１で説明した図１のアンテナ部１と同様に、図８のアンテナ幅Ｗ２が少なくとも式（９）に示した条件を満たすことで、本実施の形態に係るアンテナ部２１の放射抵抗ＲＲは、図１１のアンテナ部１０１の放射抵抗ＲＲより大きくなる。さらに、図８の構成では、伝送線路２３の周囲（図８の領域Ａ）の導体を廃して開口部２５及び２６の幅Ｗ２も拡大している。このため、アンテナ部２１の放射抵抗ＲＲをさらに増大できる。
【００４２】
また、ループアンテナの共振周波数を所望の周波数に近づける為には、第一ループ及び第二ループの周囲長をそれぞれλ／２に近づける必要がある。式（１０）は図１１のアンテナ部１０１に設けられたスロット１０２及び１０３の周囲長を表す式である。
【数１０】
【００４３】
図１１のアンテナ装置と同一面積を維持したままで、スロット１０２及び１０３それぞれの周囲長をλ／２に近づける為には、図１１における伝送線路１０４の周囲導体面積を取り去り、削減した周囲導体の周囲長をスロット１０２及び１０３の周囲長に加えるとよい。つまり、本実施の形態にかかるアンテナ装置（図８）のアンテナ部２１の形状を採用するとよい。オープンスタブ３５を含む伝送線路２３の長さは、所望の無線信号波長の４分の１（λ／４）を基準に、アンテナ部２１の周囲長及びアンテナ幅Ｗ２等から決定される短縮係数αを基準値に乗ずることによって、アンテナの共振をとる様に決定すればよい。図８の開口部（スロット）２５及び２６各々の周囲長は、アンテナ長Ｌ２、アンテナ幅Ｗ２、アンテナ周囲長の一部Ｗ４、及び短縮係数αを用いて式（１１）及び（１２）で表わすことができる。式（１０）と式（１２）を比較した場合、式（１０）よりも式（１２）のほうがスロット周囲長を延ばすことができ、スロット周囲長をλ／２に近づけることが容易になる。よって、共振により、いっそう大きい電流をアンテナ部２１へ流すことができる。
【数１１】
【数１２】
【００４４】
図８において、伝送線路２３の特性インピーダンスは、ＧＮＤ導体３６を無限平面導体とした前提で設計すればよい。しかしながら、実際は、ＧＮＤ導体３６は有限の導体であるため、理論値からのずれを考慮することが好ましい。よって、例えば、オープンスタブ３５の幅は、伝送線路２３でのＧＮＤ導体間隔Ｌ３の２倍以上とすればよい。特性インピーダンスの考慮を必要としない場合は、伝送線路２３長さＷ３のみが重要となるので、オープンスタブ３５の幅を、表皮効果の影響を受けない幅までさらに削減するとよい。
【００４５】
さらに、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【００４６】
上述した発明の実施の形態２の一部又は全体は、例えば、以下の付記１〜４のようにも記載され得る。
（付記１）
誘電体基板と、
前記誘電体基板の一面に配置された導体パターンによって形成され、第１及び第２の開口部が設けられた接地導体と、
前記導体パターンによって形成され、前記第１及び第２の開口部の間に延在して配置されるとともに、前記第１及び第２の開口部を囲む周囲導体に信号を供給するコプレーナ導波路と、
を備え、
前記第１及び第２の開口部は、前記コプレーナ導波路を軸として線対称に配置されている、平面アンテナ装置。
【００４７】
（付記２）
前記コプレーナ導波路は、
外部回路に結合される中心導体と、
前記接地導体から延び、前記中心導体の両側に前記中心導体と並行に配置された第１及び第２のオープンスタブと、
を備える、付記１に記載の平面アンテナ装置。
【００４８】
（付記３）
前記コプレーナ導波路から供給されて前記周囲導体を流れるループ電流によって、磁界放射型のループアンテナとして動作することを特徴とする、付記１又は２に記載の平面アンテナ装置。
【００４９】
（付記４）
前記周囲導体の幅は、前記信号の中心周波数において、表皮深さの不足により前記ループ電流の流れを妨げることがないよう決定されている、付記１〜３のいずれか１項に記載の平面アンテナ装置。
【符号の説明】
【００５０】
１ アンテナ部
２ 開口部（第一ループ）
３ 開口部（第二ループ）
４ 伝送線路（コプレーナ導波路）
５ ＧＮＤ導体
７ インバータ
１１〜１４ 周囲導体
２１ アンテナ部
２２ 整合部
２３ 伝送線路（コプレーナ導波路）
２４ 信号線
２５ 開口部（第一ループ）
２６ 開口部（第二ループ）
２７ インバータ
３１〜３４ 周囲導体
３５ 伝送線路として寄与するＧＮＤ導体（オープンスタブ）
３６ ＧＮＤ導体
１００ 誘電体基板
２００ 誘電体基板
Ｃ１ 往路電流
Ｃ２ 第一ループでの復路電流
Ｃ３ 第二ループでの復路電流
Ｃ４ 復路電流
Ｃ５ 復路電流
Ｍ１ 往路磁界
Ｍ２ 第一ループでの復路磁界
Ｍ３ 第二ループでの復路磁界
Ｍ４ 伝送線路内に生じる磁界
Ｌ１ アンテナ長
Ｌ２ アンテナ長
Ｌ３ 伝送線路内でのＧＮＤ導体間隔
Ｗ１ アンテナ幅
Ｗ２ アンテナ幅
Ｗ３ 伝送線路長
Ｗ４ アンテナ周囲長の一部
【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面に配置された導体パターンによって形成され、第１及び第２の開口部が設けられた接地導体と、
前記導体パターンによって形成され、前記第１の開口部を囲む第１の周囲導体及び前記第２の開口部を囲む第２の周囲導体に信号を供給する伝送線路と、
を備え、
前記第１及び第２の開口部は、前記伝送線路を軸として線対称に配置され、
前記第１及び第２の開口部の開口面積は、前記伝送線路から供給されて前記第１及び第２の周囲導体を流れるループ電流によって、前記第１の開口部及び前記第１の周囲導体を含む領域が磁界放射型の第１のループ放射素子として動作し、前記第２の開口部及び前記第２の周囲導体を含む領域が磁界放射型の第２のループ放射素子として動作するよう決定されている、
平面アンテナ装置。
【請求項２】
前記伝送線路はコプレーナ導波路である、請求項１に記載の平面アンテナ装置。
【請求項３】
前記コプレーナ導波路は、前記第１及び第２の開口部の間に延在して配置されている、請求項２に記載の平面アンテナ装置。
【請求項４】
前記コプレーナ導波路は、
外部回路に結合される中心導体と、
前記接地導体から延び、前記中心導体の両側に前記中心導体と並行に配置された第１及び第２のオープンスタブと、
を備える、請求項３に記載の平面アンテナ装置。
【請求項５】
前記第１及び第２の周囲導体の幅は、前記信号の中心周波数において、表皮深さの不足により前記ループ電流の流れを妨げることがないよう決定されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の平面アンテナ装置。
【請求項１】
誘電体基板と、
前記誘電体基板の一面に配置された導体パターンによって形成され、第１及び第２の開口部が設けられた接地導体と、
前記導体パターンによって形成され、前記第１の開口部を囲む第１の周囲導体及び前記第２の開口部を囲む第２の周囲導体に信号を供給する伝送線路と、
を備え、
前記第１及び第２の開口部は、前記伝送線路を軸として線対称に配置され、
前記第１及び第２の開口部の開口面積は、前記伝送線路から供給されて前記第１及び第２の周囲導体を流れるループ電流によって、前記第１の開口部及び前記第１の周囲導体を含む領域が磁界放射型の第１のループ放射素子として動作し、前記第２の開口部及び前記第２の周囲導体を含む領域が磁界放射型の第２のループ放射素子として動作するよう決定されている、
平面アンテナ装置。
【請求項２】
前記伝送線路はコプレーナ導波路である、請求項１に記載の平面アンテナ装置。
【請求項３】
前記コプレーナ導波路は、前記第１及び第２の開口部の間に延在して配置されている、請求項２に記載の平面アンテナ装置。
【請求項４】
前記コプレーナ導波路は、
外部回路に結合される中心導体と、
前記接地導体から延び、前記中心導体の両側に前記中心導体と並行に配置された第１及び第２のオープンスタブと、
を備える、請求項３に記載の平面アンテナ装置。
【請求項５】
前記第１及び第２の周囲導体の幅は、前記信号の中心周波数において、表皮深さの不足により前記ループ電流の流れを妨げることがないよう決定されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の平面アンテナ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１９９８４２（Ｐ２０１１−１９９８４２Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８７１５９（Ｐ２０１０−２８７１５９）
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
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