指向性アンテナ
【課題】良好な指向性特性を有する平面アンテナを提供する。
【解決手段】指向性を有する平面アンテナ１として、第１の放射素子１１と、第１の放射素子１１から実質的にλ／４だけ離れた位置に第１の放射素子１１と並行に延びる第２の放射素子２１と、第１の放射素子１１と第２の放射素子２１とを電気的に接続する接続部３０と、接続部３０と並行に配置されたグランド板４０と、グランド板４０と前記第１の放射素子１１との間に給電部５０を設けた。
【解決手段】指向性を有する平面アンテナ１として、第１の放射素子１１と、第１の放射素子１１から実質的にλ／４だけ離れた位置に第１の放射素子１１と並行に延びる第２の放射素子２１と、第１の放射素子１１と第２の放射素子２１とを電気的に接続する接続部３０と、接続部３０と並行に配置されたグランド板４０と、グランド板４０と前記第１の放射素子１１との間に給電部５０を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地上波デジタル放送又は無線通信サービスに向けた平面形状を有する指向性アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、無線通信又は無線放送に用いる多くの平面アンテナの研究が成されている。また、アンテナで送受信する無線規格毎に様々な取り組みが成されている。
【０００３】
上記平面アンテナに関連する技術は、例えば、非特許文献１ないし２に記載されている。
【０００４】
非特許文献１には、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）用平面型ダイポールアンテナに関する技術が記載されている。非特許文献１に記載されたＵＷＢ用平面型ダイポールアンテナは、平面形状を有し、ダイポールアンテナを構成する放射素子を台形形状にすると共に放射素子の寸法を調節することで、ＦＣＣ（Federal Communications Commission）によるＵＷＢの策定周波数帯３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚにおいてＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）＝２以下を達成する広帯域アンテナを実現している。
【０００５】
また、上記アンテナに加えて、ＵＷＢ用平面型ダイポールアンテナの台形形状に切り欠けを設けて非対称とすることで、無線ＬＡＮ周波数帯を含む２．２９ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚにおいてＶＳＷＲ＝２以下を達成する広帯域アンテナを実現している。
【０００６】
非特許文献２には、非特許文献１の平面型ダイポールアンテナに加え、多くの平面型アンテナについての形状及び特性について明瞭に記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】堀田 篤 岩崎 久雄 ＵＷＢ・無線ＬＡＮ対応広帯域平面ダイポールアンテナの検討（電子情報通信学会論文誌 B Vol.Ｊ89-B No.9 pp1633-1640,2006）
【非特許文献２】倉本 晶夫 ワイヤレスＰＡＮを目指した広帯域アンテナ（電子情報通信学会論文誌 B Vol.Ｊ90-B No.9 pp797-809）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、研究されているアンテナは、形状、大きさ等に特徴を有するものの、改善の余地を残す。
一例として、所定方向への電波の放射を抑制することについて、非特許文献１ないし２では、検討されていない。即ち、上記非特許文献に記載されたアンテナは、方位方向に無指向性の放射パターンを有しており、以下のような解決すべき課題がある。
１）特定の方向のみと通信をおこなうために、特定の方向に放射パターンのビームを指向させることができない。
２）人体などの誘電体が存在する場合、反射が生じ、アンテナ自身の入力インピーダンス特性が劣化する。
【０００９】
本発明の目的は、使用態様に合わせて自由度のある指向性をもたせた平面型アンテナの提供にある。
また、本発明の別の目的は、使用態様に合わせて自由度のあるVSWRの設定をも可能とする指向性をもたせた平面型アンテナの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の指向性アンテナは、第１の放射素子と、前記第１の放射素子から実質的にλ／４だけ離れた位置に前記第１の放射素子と並行に延びる第２の放射素子と、前記第１の放射素子と前記第２の放射素子とを電気的に接続する接続部と、前記接続部と並行に配置されたグランド板と、前記グランド板と前記第１の放射素子との間に設けられた給電部とを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、使用態様に合わせて指向性をもたせた広帯域を実現する平面型アンテナを提供できる。また、使用態様に合わせて自由度のあるVSWRの設定をも可能とする指向性をもたせた平面型アンテナを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の一形態である平面アンテナ１を示す概略図である。
【図２】実施例１の平面アンテナ１００を示す構成図である。
【図３】平面アンテナ１００のXY面指向性に関するシミュレーション結果を示す図である。
【図４】平面アンテナ１００のYZ面指向性に関するシミュレーション結果を示す図である。
【図５】平面アンテナ１００の動作電流分布を示す図である。
【図６】実施例２の平面アンテナ２００を示す構成図である。
【図７】平面アンテナ２００の接続部とグランド板との距離に基づくVSWR値の変化を示す図である。
【図８】第２の実施の一形態である平面アンテナ２を示す概略図である。
【図９】実施例３の平面アンテナ３００を示す構成図である。
【図１０】平面アンテナ３００の放射素子形状に基づくVSWR値の変化を示す図である。
【図１１】第３の実施の一形態である平面アンテナ３を示す概略図である。
【図１２】第４の実施の一形態である平面アンテナ４を示す概略図である。
【図１３】実施例４の平面アンテナ４００を示す構成図である。
【図１４】平面アンテナ４００の周波数-VSWR特性を示す図である。
【図１５】平面アンテナ４００のXY面指向性に関するシミュレーション結果を示す図である。
【図１６】平面アンテナ４００のYZ面指向性に関するシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて、詳細に説明する。
【００１４】
図１は、第１の実施の一形態である平面アンテナ１を示す概略図である。
（構造）
図１に示すように平面アンテナ１は、放射素子１１と放射素子２１と両放射素子を電気的に接続する接続部３０が片端に形成され、給電部５０を境としてグランド板４０がもう片端に形成されたアンテナである。給電部５０は、グランド板４０と放射素子１１との間に設けられ、放射素子１１と放射素子２１との両素子の給電点として機能する。
【００１５】
放射素子１１と放射素子２１は、同一方向に設けられている。放射素子２１は、放射素子１１から実質的にλ／４だけ離れた位置に放射素子１１と平行（並行）に延びる様に配設される。接続部３０とグランド板４０とは、平行に同程度の長さに設けられている。
【００１６】
（作用）
給電部５０からアンテナ１に電力が供給されると、放射素子１１、２１や接続部３０、グランド板４０に電流が流れ、それぞれの形状や長さなどに応じて電流定在波が分布する。グランド板４０側では２次元状の電流が分布し、その分布形態は、対象とする周波数（あるいは波長）とグランド板寸法などの関係から決定される。
【００１７】
一方、放射素子側では、波長と素子長の関係から決まる電流分布が形成される。給電部５０から流れ出る電流は、放射素子１１側と放射素子２１側に分流されることになるが、放射素子１１と放射素子２１は、実質的にλ/４だけ距離を隔てて配されているため、放射素子１１に流れる電流に対し、接続部３０を介して到達する放射素子２１に流れる電流は、電流の位相で言うと９０度だけ位相が遅れて流れるようになる。
【００１８】
指向性を考える際、放射素子２１と放射素子１１との電磁波の合成を考慮する必要がある。放射素子２１から放射する電磁波は、放射素子１１に対して、素子の電流位相が９０度遅れる。また、放射素子２１から放射素子１１の方向に放射される電磁波も、放射素子１１までの伝播距離がλ／４だけ離れている。このため、放射素子１１の右側の空間では、放射素子１１から放射される電磁波に対し、放射素子２１の電磁波はちょうどλ／２だけ遅れ、すなわち逆位相となり、互いに打ち消すように作用し、結果として電磁波の強度は小さくなる。
【００１９】
一方、放射素子２１の左側の空間では、放射素子１１から放射された電磁波はλ／４だけ離れているため放射素子２１に９０度遅れて到達する。放射素子２１から放射される電磁波は、実質的にλ／４分の時間だけ遅れる様に接続部３０を調整されている為、放射素子１１から放射された電磁波に対して位相が９０度遅れて放射される。
【００２０】
このため、放射素子１１と放射素子２１の電磁波は同相となり、互いに合成するように作用し、電磁波の強度が大きくなる。これが本発明のアンテナ構成において、放射素子２１が配置される側の空間の指向性が顕著になる理由である。
【００２１】
本アンテナ構成では、接続部にも電流が流れ、電磁波を放射する。当該電流は、後述の図５に示すように、接続部に向かい合っているグランド板の上辺部を流れる電流とちょうど逆方向となり、接続部の電流から放射される電磁波は打ち消すように作用し、放射指向性へ与える影響は小さい。なお、グランド板上に分布する２次元の電流は、素子１１と２１の電流に比べると小さい傾向であった。
【００２２】
以上、本発明によるアンテナ構成では、放射素子１１および２１を実質的にλ／４の長さを有する接続部によりつなぎ、各素子の電流に位相差を生じさせることにより、給電部に対して放射素子２１が配置される側の空間（＋ｘ方向）に指向性を向けることが可能となる。
【００２３】
次に、実施の形態の平面アンテナの特性について説明する。
【００２４】
[実施例１：特性説明]
○指向性
実施の一形態に係る実施例１の平面アンテナ１００を説明する。
図２は、実施例１の平面アンテナ１００を示す構成図である。平面アンテナ１００の各寸法は、図２に示す様に、W=200,H=125,S1=125,S2=125,S3=25,S4=10,S5=10,S6=135（単位はmm）とした。このような寸法形状とすることで、平面アンテナ１００は図において左方向に対して放射を強化すると共に、右方向に対して放射を抑制できる。
【００２５】
図３及び図４は、平面アンテナ１００の指向性に関するシミュレーション結果を示す図である。シミュレーションは、三次元電磁界シミュレータを用いた。平面アンテナ１００は、図３に示す様に、XY面において0度方向への放射が強化されると共に180度方向への放射が抑制される。また、図４に示す様にYZ面の指向性は、八の字型の指向性特性を有する。
【００２６】
図５は、周波数６２０ＭＨｚにおける平面アンテナ１００の動作電流分布を示す図である。同図（ａ）は電流のポテンシャル分布、（ｂ）は電流のベクトル分布を表したものである。図５（ｂ）のシミュレーション結果に示す様に、平面アンテナ１００の動作時は、接続部とグランド板の上辺部における電流が互いに逆向きに発生する。
【００２７】
なお、本発明では、接続部に流れる電流による放射の影響を少なくするため、上記のように接続部とグランド板とは、平行に同程度の長さに設けられていることが望ましい。また、当該電流による影響を抑制するため、接続部とグランド板との距離を小さくしても良い。その理由を以下に実施例２を示して説明する。
【００２８】
実施例２に係る平面アンテナ２００を説明する。ここでは、接続部３０とグランド板４０との距離関係に起因するVSWR値の変化をシミュレーションした。
【００２９】
[実施例２：特性説明]
○広帯域化
図６は、実施例２の平面アンテナ２００を示す構成図である。平面アンテナ２００の各寸法は、図６に示す様に、W=180,H=112.5,S1=112.5,S2=112.5,S3=22.5,S4=9（単位はmm）とした。図に示す様に、接続部長を固定長（112.5mm）として、グランド板との距離をパラメータSとして、パラメータSの値に因るVSWR値の変化をシミュレーションした。
【００３０】
図７は、接続部とグランド板との距離に基づくVSWR値の変化を示すシミュレーション結果を示す図である。図から判るように、パラメータSが短くなるに従い、低域から高域全体のVSWR特性が改善された。即ち、VSWR値の改善には、パラメータSの値を減少させることが有効に働く。
【００３１】
このように接続部とグランド板との距離はλ/５０以下、望ましくは更に短いことが望ましい。ただし、これらの値は、使用状況に応じて適宜調整されるべき設計要件であり、原則は、使用波長に対して十分小さな値で調整する。状況によって、1/500〜1/20波長程度の値もとりえる。
【００３２】
また、グランド板の寸法も適宜調整されるものである。上記のようにグランド板の長さは、接続部より、同等以上の長さであることがのぞましく、通常は、λ／４以上の長さにすれば良い。また、グランド板のｚ方向の長さもλ／４以上の長さが望ましい。ただし、今件も、使用条件によって調整されるべき設計要件であり、グランド板の長さ（ｘ方向のみならずｚ方向の長さも）が、接続部あるいはλ／４の長さと同等または、若干短いこともありえる。
【００３３】
以上述べたように放射素子を用いて平面アンテナを構成することによって、使用態様に合わせて指向性をもたせた広帯域を実現する平面アンテナを提供できる。具体的には、電波放射時に＋Ｘ方向への指向性を強化し、−Ｘ方向への指向性を減少させる。
【００３４】
次に、第２の実施の一形態を示す。尚、第１の実施の一形態と同一部分には、同一符号を付して、説明を省略する。
【００３５】
図８は、第２の実施の一形態である平面アンテナ２を示す概略図である。
図８に示すように平面アンテナ２は、放射素子１２と放射素子２２と両放射素子を電気的に接続する接続部３０を片端として、グランド板４０を片端とするアンテナである。給電部５０は、グランド板４０と放射素子１２との間に設けられている。
【００３６】
放射素子１２と放射素子２２とは、逆三角形方向のテーパー形状である。放射素子２２は、放射素子１２から実質的にλ／４だけ離れた位置に放射素子１２と並行に延びる様に配設される。
【００３７】
このように、放射素子１２と放射素子２２とにテーパー形状を付することで、以下に示すように、平面アンテナ２の共振特性を広げるため、指向性をもたせつつ広帯域化できる。
【００３８】
［実施例３：特性説明］
○広帯域化
実施例３に係る平面アンテナ３００を説明する。実施例３では、放射素子形状に基づくVSWRの変化をシミュレーションした。
【００３９】
図９は、実施例３の平面アンテナ３００を示す構成図である。平面アンテナ３００の各寸法は、図９に示す様に、W=160,H=97.5,S1=105,S2=90,S3=22.5,S4=7,S5=3,S6=108（単位はmm）とした。
【００４０】
図１０は、放射素子形状に基づくVSWR値の変化を示すシミュレーション結果を示す図である。図に示す様に、放射素子長を固定長（105mm）として、放射素子の上辺に変更するパラメータSを付与して、パラメータSの値に因るVSWR値の変化をシミュレーションした。図から判るように、パラメータSが長くなるに従い、低域VSWR特性が改善された。即ち、VSWR値の低域特性の改善には、パラメータSの値を増加させることが有効である。
【００４１】
このような寸法形状とすることで、平面アンテナ３００は図において左方向に対して放射を強化すると共に、右方向に対して放射を抑制できる。また、放射素子をテーパー形状に形成したことにより、低域VSWR特性の改善している。
【００４２】
図１１は、第３の実施の一形態である平面アンテナ３を示す概略図である。
図１１に示すように平面アンテナ３は、放射素子１３と放射素子２３と両放射素子を電気的に接続する接続部３０を片端として、グランド板４０を片端とするアンテナである。給電部５０は、グランド板４０と放射素子１３との間に設けられている。
【００４３】
放射素子１３と放射素子２３は、同一方向に、接続部３０に対して斜傾して設けられている。放射素子２３は、放射素子１３から実質的にλ／４だけ離れた位置に放射素子１３と平行に延びる様に配設される。
【００４４】
このように、放射素子１３と放射素子２３を接続部３０に対して傾斜させても良い。
【００４５】
図１２は、第４の実施の一形態である平面アンテナ４を示す概略図である。
図１２に示す平面アンテナ４は、柔軟性を有する導電性材料を用いて構成される。平面アンテナ４は、放射素子１４と放射素子２４と両放射素子を電気的に接続する接続部３４を片端として、グランド板４４を片端とするアンテナである。給電部５０は、グランド板４４と放射素子１４との間に設けられている。
【００４６】
接続部３４は、放射素子１４及び放射素子２４と同一材料であっても良いし、放射素子１４や放射素子２４と異なり、柔軟性を阻害しない程度の硬度を持たせても良い。接続部３４に一定の硬度を持たせることによって、放射素子１４と放射素子２４との距離を一定に保つ。また、グランド板４４の上辺も、接続部３４と同様に、一定の硬度を持たせることが望ましい。
【００４７】
なお、平面アンテナをＰＷＢ（Printed Wiring Board）やＦＰＣ(Flexible Printed Circuit)、導電布、導電性シート等に設ける際は、基材の誘電率（あるいは透磁率）によって、波長短縮効果が生じる。このため、接続部の長さは、当該効果を考慮した上で実質的にλ／４相当の長さになるように長さを調節する。
【００４８】
このように、柔軟性を有する導電性材料を用いて、平面アンテナを構成することで、電波放射時に＋Ｘ方向への指向性を強化し、−Ｘ方向への指向性を減少させる。
【００４９】
上記実施の形態の様に、平面アンテナにおいて２つの放射素子を実質的にλ／４離して設けることにより、２つの放射素子間の受給電位相差が接続部を介してλ／４となる。即ち、接続部を介して２つの放射素子に位相差給電を行うと共に接続部からの放射をグランド板からの放射によって打ち消すことによって、良好な指向性を持たせた平面アンテナとできる。
【００５０】
また、放射素子の形状、グランド板の形状、放射素子の傾斜、アンテナの素材を適時使用態様に合わせて調整することで、指向性を有して且つ所望のVSWR値を満足する平面アンテナを提供できる。
【００５１】
尚、平面アンテナの材質としては、金属板でも良いし、ＰＷＢやＦＰＣ、導電布、導電性シートにアンテナ素子を貼り付け又はプリンティングしても良い。
【００５２】
最後にワンセグ放送受信用平面アンテナの特性について説明する。
[実施例４]
実施例４に係る平面アンテナ４００を説明する。
図１３は、実施例４の平面アンテナ４００を示す構成図である。
【００５３】
平面アンテナ４００の各寸法は、図１３に示す様に、W=136,H=82,S1=89,S2=80,S3=19,S4=6,S5=3,S6=92（単位はmm）とする。平面アンテナ４００は、放射素子を２つのテーパー型素子で構成し、左側素子に位相差給電し、放射指向性に偏りを持たせた構造とした。アンテナの寸法は136×174[mm]である。
【００５４】
図１４は、平面アンテナ４００のVSWR変化のシミュレーション結果を示す説明図である。図から判るように、ワンセグ放送の受信に求められる周波数帯域（UHF 帯470〜770MHz）において、VSWR≦２を満足する。また、上記寸法形状とすることで平面アンテナ４００は、図における左方向に対して放射を強化すると共に、右方向に対して放射を抑制できる。
【００５５】
図１５及び図１６は、平面アンテナ４００の指向性のシミュレーション結果を示す図である。平面アンテナ４００は、図１５に示す様に、XY面において0度方向への放射が強化されると共に180度方向への放射が抑制される。また、平面アンテナ４００のYZ面の指向性は、図１６に示す様に八の字型の指向性特性を示す。
【００５６】
上記平面アンテナ４００は、指向性を有して、VSWR≦２を実現しつつ小型化に成功している為、例えばウェアラブルアンテナ等に使用できる。
【００５７】
具体的には、平面アンテナ４００の指向性特性を利用し、人体方向への放射を抑圧できる。また、放射が抑圧されている方向へ人体を設置することで、人体によるアンテナ特性の劣化を軽減できる。
【００５８】
即ち、本発明の平面アンテナをウェアラブルアンテナ化した場合、人体方向への放射を抑圧可能とし、加えて人体によるアンテナ特性の劣化を軽減できる。例えば、被服の人体外方（腕や肩、足などから外に向かう方向）に強指向性方向を向けて平面アンテナを設けることによって、人体が有する誘電体としての特性を考慮して、人体及びアンテナ特性の両方に良好なウェアラブルアンテナを実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、例えばＵＨＦ帯やＵＷＢ、2GHz帯、5GHz帯を１つの帯域又は複数の帯域に跨って使用する平面アンテナに適用できる。また、ＷｉＭＡＸ、ＷＵＳＢ、ＷＬＡＮ、ＬＴＥ、ワンセグ放送などの通信規格に対応した平面アンテナに適用できる。
【符号の説明】
【００６０】
１、２、３、４ 平面アンテナ
１１、１２、１３、１４ 第１の放射素子（放射エレメント）
２１、２２、２３、２４ 第２の放射素子（放射エレメント）
３０、３４ 接続部
４０、４４ グランド板
５０ 給電部
１００、２００、３００、４００ 平面アンテナ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地上波デジタル放送又は無線通信サービスに向けた平面形状を有する指向性アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、無線通信又は無線放送に用いる多くの平面アンテナの研究が成されている。また、アンテナで送受信する無線規格毎に様々な取り組みが成されている。
【０００３】
上記平面アンテナに関連する技術は、例えば、非特許文献１ないし２に記載されている。
【０００４】
非特許文献１には、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）用平面型ダイポールアンテナに関する技術が記載されている。非特許文献１に記載されたＵＷＢ用平面型ダイポールアンテナは、平面形状を有し、ダイポールアンテナを構成する放射素子を台形形状にすると共に放射素子の寸法を調節することで、ＦＣＣ（Federal Communications Commission）によるＵＷＢの策定周波数帯３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚにおいてＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）＝２以下を達成する広帯域アンテナを実現している。
【０００５】
また、上記アンテナに加えて、ＵＷＢ用平面型ダイポールアンテナの台形形状に切り欠けを設けて非対称とすることで、無線ＬＡＮ周波数帯を含む２．２９ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚにおいてＶＳＷＲ＝２以下を達成する広帯域アンテナを実現している。
【０００６】
非特許文献２には、非特許文献１の平面型ダイポールアンテナに加え、多くの平面型アンテナについての形状及び特性について明瞭に記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】堀田 篤 岩崎 久雄 ＵＷＢ・無線ＬＡＮ対応広帯域平面ダイポールアンテナの検討（電子情報通信学会論文誌 B Vol.Ｊ89-B No.9 pp1633-1640,2006）
【非特許文献２】倉本 晶夫 ワイヤレスＰＡＮを目指した広帯域アンテナ（電子情報通信学会論文誌 B Vol.Ｊ90-B No.9 pp797-809）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、研究されているアンテナは、形状、大きさ等に特徴を有するものの、改善の余地を残す。
一例として、所定方向への電波の放射を抑制することについて、非特許文献１ないし２では、検討されていない。即ち、上記非特許文献に記載されたアンテナは、方位方向に無指向性の放射パターンを有しており、以下のような解決すべき課題がある。
１）特定の方向のみと通信をおこなうために、特定の方向に放射パターンのビームを指向させることができない。
２）人体などの誘電体が存在する場合、反射が生じ、アンテナ自身の入力インピーダンス特性が劣化する。
【０００９】
本発明の目的は、使用態様に合わせて自由度のある指向性をもたせた平面型アンテナの提供にある。
また、本発明の別の目的は、使用態様に合わせて自由度のあるVSWRの設定をも可能とする指向性をもたせた平面型アンテナの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の指向性アンテナは、第１の放射素子と、前記第１の放射素子から実質的にλ／４だけ離れた位置に前記第１の放射素子と並行に延びる第２の放射素子と、前記第１の放射素子と前記第２の放射素子とを電気的に接続する接続部と、前記接続部と並行に配置されたグランド板と、前記グランド板と前記第１の放射素子との間に設けられた給電部とを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、使用態様に合わせて指向性をもたせた広帯域を実現する平面型アンテナを提供できる。また、使用態様に合わせて自由度のあるVSWRの設定をも可能とする指向性をもたせた平面型アンテナを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の一形態である平面アンテナ１を示す概略図である。
【図２】実施例１の平面アンテナ１００を示す構成図である。
【図３】平面アンテナ１００のXY面指向性に関するシミュレーション結果を示す図である。
【図４】平面アンテナ１００のYZ面指向性に関するシミュレーション結果を示す図である。
【図５】平面アンテナ１００の動作電流分布を示す図である。
【図６】実施例２の平面アンテナ２００を示す構成図である。
【図７】平面アンテナ２００の接続部とグランド板との距離に基づくVSWR値の変化を示す図である。
【図８】第２の実施の一形態である平面アンテナ２を示す概略図である。
【図９】実施例３の平面アンテナ３００を示す構成図である。
【図１０】平面アンテナ３００の放射素子形状に基づくVSWR値の変化を示す図である。
【図１１】第３の実施の一形態である平面アンテナ３を示す概略図である。
【図１２】第４の実施の一形態である平面アンテナ４を示す概略図である。
【図１３】実施例４の平面アンテナ４００を示す構成図である。
【図１４】平面アンテナ４００の周波数-VSWR特性を示す図である。
【図１５】平面アンテナ４００のXY面指向性に関するシミュレーション結果を示す図である。
【図１６】平面アンテナ４００のYZ面指向性に関するシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて、詳細に説明する。
【００１４】
図１は、第１の実施の一形態である平面アンテナ１を示す概略図である。
（構造）
図１に示すように平面アンテナ１は、放射素子１１と放射素子２１と両放射素子を電気的に接続する接続部３０が片端に形成され、給電部５０を境としてグランド板４０がもう片端に形成されたアンテナである。給電部５０は、グランド板４０と放射素子１１との間に設けられ、放射素子１１と放射素子２１との両素子の給電点として機能する。
【００１５】
放射素子１１と放射素子２１は、同一方向に設けられている。放射素子２１は、放射素子１１から実質的にλ／４だけ離れた位置に放射素子１１と平行（並行）に延びる様に配設される。接続部３０とグランド板４０とは、平行に同程度の長さに設けられている。
【００１６】
（作用）
給電部５０からアンテナ１に電力が供給されると、放射素子１１、２１や接続部３０、グランド板４０に電流が流れ、それぞれの形状や長さなどに応じて電流定在波が分布する。グランド板４０側では２次元状の電流が分布し、その分布形態は、対象とする周波数（あるいは波長）とグランド板寸法などの関係から決定される。
【００１７】
一方、放射素子側では、波長と素子長の関係から決まる電流分布が形成される。給電部５０から流れ出る電流は、放射素子１１側と放射素子２１側に分流されることになるが、放射素子１１と放射素子２１は、実質的にλ/４だけ距離を隔てて配されているため、放射素子１１に流れる電流に対し、接続部３０を介して到達する放射素子２１に流れる電流は、電流の位相で言うと９０度だけ位相が遅れて流れるようになる。
【００１８】
指向性を考える際、放射素子２１と放射素子１１との電磁波の合成を考慮する必要がある。放射素子２１から放射する電磁波は、放射素子１１に対して、素子の電流位相が９０度遅れる。また、放射素子２１から放射素子１１の方向に放射される電磁波も、放射素子１１までの伝播距離がλ／４だけ離れている。このため、放射素子１１の右側の空間では、放射素子１１から放射される電磁波に対し、放射素子２１の電磁波はちょうどλ／２だけ遅れ、すなわち逆位相となり、互いに打ち消すように作用し、結果として電磁波の強度は小さくなる。
【００１９】
一方、放射素子２１の左側の空間では、放射素子１１から放射された電磁波はλ／４だけ離れているため放射素子２１に９０度遅れて到達する。放射素子２１から放射される電磁波は、実質的にλ／４分の時間だけ遅れる様に接続部３０を調整されている為、放射素子１１から放射された電磁波に対して位相が９０度遅れて放射される。
【００２０】
このため、放射素子１１と放射素子２１の電磁波は同相となり、互いに合成するように作用し、電磁波の強度が大きくなる。これが本発明のアンテナ構成において、放射素子２１が配置される側の空間の指向性が顕著になる理由である。
【００２１】
本アンテナ構成では、接続部にも電流が流れ、電磁波を放射する。当該電流は、後述の図５に示すように、接続部に向かい合っているグランド板の上辺部を流れる電流とちょうど逆方向となり、接続部の電流から放射される電磁波は打ち消すように作用し、放射指向性へ与える影響は小さい。なお、グランド板上に分布する２次元の電流は、素子１１と２１の電流に比べると小さい傾向であった。
【００２２】
以上、本発明によるアンテナ構成では、放射素子１１および２１を実質的にλ／４の長さを有する接続部によりつなぎ、各素子の電流に位相差を生じさせることにより、給電部に対して放射素子２１が配置される側の空間（＋ｘ方向）に指向性を向けることが可能となる。
【００２３】
次に、実施の形態の平面アンテナの特性について説明する。
【００２４】
[実施例１：特性説明]
○指向性
実施の一形態に係る実施例１の平面アンテナ１００を説明する。
図２は、実施例１の平面アンテナ１００を示す構成図である。平面アンテナ１００の各寸法は、図２に示す様に、W=200,H=125,S1=125,S2=125,S3=25,S4=10,S5=10,S6=135（単位はmm）とした。このような寸法形状とすることで、平面アンテナ１００は図において左方向に対して放射を強化すると共に、右方向に対して放射を抑制できる。
【００２５】
図３及び図４は、平面アンテナ１００の指向性に関するシミュレーション結果を示す図である。シミュレーションは、三次元電磁界シミュレータを用いた。平面アンテナ１００は、図３に示す様に、XY面において0度方向への放射が強化されると共に180度方向への放射が抑制される。また、図４に示す様にYZ面の指向性は、八の字型の指向性特性を有する。
【００２６】
図５は、周波数６２０ＭＨｚにおける平面アンテナ１００の動作電流分布を示す図である。同図（ａ）は電流のポテンシャル分布、（ｂ）は電流のベクトル分布を表したものである。図５（ｂ）のシミュレーション結果に示す様に、平面アンテナ１００の動作時は、接続部とグランド板の上辺部における電流が互いに逆向きに発生する。
【００２７】
なお、本発明では、接続部に流れる電流による放射の影響を少なくするため、上記のように接続部とグランド板とは、平行に同程度の長さに設けられていることが望ましい。また、当該電流による影響を抑制するため、接続部とグランド板との距離を小さくしても良い。その理由を以下に実施例２を示して説明する。
【００２８】
実施例２に係る平面アンテナ２００を説明する。ここでは、接続部３０とグランド板４０との距離関係に起因するVSWR値の変化をシミュレーションした。
【００２９】
[実施例２：特性説明]
○広帯域化
図６は、実施例２の平面アンテナ２００を示す構成図である。平面アンテナ２００の各寸法は、図６に示す様に、W=180,H=112.5,S1=112.5,S2=112.5,S3=22.5,S4=9（単位はmm）とした。図に示す様に、接続部長を固定長（112.5mm）として、グランド板との距離をパラメータSとして、パラメータSの値に因るVSWR値の変化をシミュレーションした。
【００３０】
図７は、接続部とグランド板との距離に基づくVSWR値の変化を示すシミュレーション結果を示す図である。図から判るように、パラメータSが短くなるに従い、低域から高域全体のVSWR特性が改善された。即ち、VSWR値の改善には、パラメータSの値を減少させることが有効に働く。
【００３１】
このように接続部とグランド板との距離はλ/５０以下、望ましくは更に短いことが望ましい。ただし、これらの値は、使用状況に応じて適宜調整されるべき設計要件であり、原則は、使用波長に対して十分小さな値で調整する。状況によって、1/500〜1/20波長程度の値もとりえる。
【００３２】
また、グランド板の寸法も適宜調整されるものである。上記のようにグランド板の長さは、接続部より、同等以上の長さであることがのぞましく、通常は、λ／４以上の長さにすれば良い。また、グランド板のｚ方向の長さもλ／４以上の長さが望ましい。ただし、今件も、使用条件によって調整されるべき設計要件であり、グランド板の長さ（ｘ方向のみならずｚ方向の長さも）が、接続部あるいはλ／４の長さと同等または、若干短いこともありえる。
【００３３】
以上述べたように放射素子を用いて平面アンテナを構成することによって、使用態様に合わせて指向性をもたせた広帯域を実現する平面アンテナを提供できる。具体的には、電波放射時に＋Ｘ方向への指向性を強化し、−Ｘ方向への指向性を減少させる。
【００３４】
次に、第２の実施の一形態を示す。尚、第１の実施の一形態と同一部分には、同一符号を付して、説明を省略する。
【００３５】
図８は、第２の実施の一形態である平面アンテナ２を示す概略図である。
図８に示すように平面アンテナ２は、放射素子１２と放射素子２２と両放射素子を電気的に接続する接続部３０を片端として、グランド板４０を片端とするアンテナである。給電部５０は、グランド板４０と放射素子１２との間に設けられている。
【００３６】
放射素子１２と放射素子２２とは、逆三角形方向のテーパー形状である。放射素子２２は、放射素子１２から実質的にλ／４だけ離れた位置に放射素子１２と並行に延びる様に配設される。
【００３７】
このように、放射素子１２と放射素子２２とにテーパー形状を付することで、以下に示すように、平面アンテナ２の共振特性を広げるため、指向性をもたせつつ広帯域化できる。
【００３８】
［実施例３：特性説明］
○広帯域化
実施例３に係る平面アンテナ３００を説明する。実施例３では、放射素子形状に基づくVSWRの変化をシミュレーションした。
【００３９】
図９は、実施例３の平面アンテナ３００を示す構成図である。平面アンテナ３００の各寸法は、図９に示す様に、W=160,H=97.5,S1=105,S2=90,S3=22.5,S4=7,S5=3,S6=108（単位はmm）とした。
【００４０】
図１０は、放射素子形状に基づくVSWR値の変化を示すシミュレーション結果を示す図である。図に示す様に、放射素子長を固定長（105mm）として、放射素子の上辺に変更するパラメータSを付与して、パラメータSの値に因るVSWR値の変化をシミュレーションした。図から判るように、パラメータSが長くなるに従い、低域VSWR特性が改善された。即ち、VSWR値の低域特性の改善には、パラメータSの値を増加させることが有効である。
【００４１】
このような寸法形状とすることで、平面アンテナ３００は図において左方向に対して放射を強化すると共に、右方向に対して放射を抑制できる。また、放射素子をテーパー形状に形成したことにより、低域VSWR特性の改善している。
【００４２】
図１１は、第３の実施の一形態である平面アンテナ３を示す概略図である。
図１１に示すように平面アンテナ３は、放射素子１３と放射素子２３と両放射素子を電気的に接続する接続部３０を片端として、グランド板４０を片端とするアンテナである。給電部５０は、グランド板４０と放射素子１３との間に設けられている。
【００４３】
放射素子１３と放射素子２３は、同一方向に、接続部３０に対して斜傾して設けられている。放射素子２３は、放射素子１３から実質的にλ／４だけ離れた位置に放射素子１３と平行に延びる様に配設される。
【００４４】
このように、放射素子１３と放射素子２３を接続部３０に対して傾斜させても良い。
【００４５】
図１２は、第４の実施の一形態である平面アンテナ４を示す概略図である。
図１２に示す平面アンテナ４は、柔軟性を有する導電性材料を用いて構成される。平面アンテナ４は、放射素子１４と放射素子２４と両放射素子を電気的に接続する接続部３４を片端として、グランド板４４を片端とするアンテナである。給電部５０は、グランド板４４と放射素子１４との間に設けられている。
【００４６】
接続部３４は、放射素子１４及び放射素子２４と同一材料であっても良いし、放射素子１４や放射素子２４と異なり、柔軟性を阻害しない程度の硬度を持たせても良い。接続部３４に一定の硬度を持たせることによって、放射素子１４と放射素子２４との距離を一定に保つ。また、グランド板４４の上辺も、接続部３４と同様に、一定の硬度を持たせることが望ましい。
【００４７】
なお、平面アンテナをＰＷＢ（Printed Wiring Board）やＦＰＣ(Flexible Printed Circuit)、導電布、導電性シート等に設ける際は、基材の誘電率（あるいは透磁率）によって、波長短縮効果が生じる。このため、接続部の長さは、当該効果を考慮した上で実質的にλ／４相当の長さになるように長さを調節する。
【００４８】
このように、柔軟性を有する導電性材料を用いて、平面アンテナを構成することで、電波放射時に＋Ｘ方向への指向性を強化し、−Ｘ方向への指向性を減少させる。
【００４９】
上記実施の形態の様に、平面アンテナにおいて２つの放射素子を実質的にλ／４離して設けることにより、２つの放射素子間の受給電位相差が接続部を介してλ／４となる。即ち、接続部を介して２つの放射素子に位相差給電を行うと共に接続部からの放射をグランド板からの放射によって打ち消すことによって、良好な指向性を持たせた平面アンテナとできる。
【００５０】
また、放射素子の形状、グランド板の形状、放射素子の傾斜、アンテナの素材を適時使用態様に合わせて調整することで、指向性を有して且つ所望のVSWR値を満足する平面アンテナを提供できる。
【００５１】
尚、平面アンテナの材質としては、金属板でも良いし、ＰＷＢやＦＰＣ、導電布、導電性シートにアンテナ素子を貼り付け又はプリンティングしても良い。
【００５２】
最後にワンセグ放送受信用平面アンテナの特性について説明する。
[実施例４]
実施例４に係る平面アンテナ４００を説明する。
図１３は、実施例４の平面アンテナ４００を示す構成図である。
【００５３】
平面アンテナ４００の各寸法は、図１３に示す様に、W=136,H=82,S1=89,S2=80,S3=19,S4=6,S5=3,S6=92（単位はmm）とする。平面アンテナ４００は、放射素子を２つのテーパー型素子で構成し、左側素子に位相差給電し、放射指向性に偏りを持たせた構造とした。アンテナの寸法は136×174[mm]である。
【００５４】
図１４は、平面アンテナ４００のVSWR変化のシミュレーション結果を示す説明図である。図から判るように、ワンセグ放送の受信に求められる周波数帯域（UHF 帯470〜770MHz）において、VSWR≦２を満足する。また、上記寸法形状とすることで平面アンテナ４００は、図における左方向に対して放射を強化すると共に、右方向に対して放射を抑制できる。
【００５５】
図１５及び図１６は、平面アンテナ４００の指向性のシミュレーション結果を示す図である。平面アンテナ４００は、図１５に示す様に、XY面において0度方向への放射が強化されると共に180度方向への放射が抑制される。また、平面アンテナ４００のYZ面の指向性は、図１６に示す様に八の字型の指向性特性を示す。
【００５６】
上記平面アンテナ４００は、指向性を有して、VSWR≦２を実現しつつ小型化に成功している為、例えばウェアラブルアンテナ等に使用できる。
【００５７】
具体的には、平面アンテナ４００の指向性特性を利用し、人体方向への放射を抑圧できる。また、放射が抑圧されている方向へ人体を設置することで、人体によるアンテナ特性の劣化を軽減できる。
【００５８】
即ち、本発明の平面アンテナをウェアラブルアンテナ化した場合、人体方向への放射を抑圧可能とし、加えて人体によるアンテナ特性の劣化を軽減できる。例えば、被服の人体外方（腕や肩、足などから外に向かう方向）に強指向性方向を向けて平面アンテナを設けることによって、人体が有する誘電体としての特性を考慮して、人体及びアンテナ特性の両方に良好なウェアラブルアンテナを実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、例えばＵＨＦ帯やＵＷＢ、2GHz帯、5GHz帯を１つの帯域又は複数の帯域に跨って使用する平面アンテナに適用できる。また、ＷｉＭＡＸ、ＷＵＳＢ、ＷＬＡＮ、ＬＴＥ、ワンセグ放送などの通信規格に対応した平面アンテナに適用できる。
【符号の説明】
【００６０】
１、２、３、４ 平面アンテナ
１１、１２、１３、１４ 第１の放射素子（放射エレメント）
２１、２２、２３、２４ 第２の放射素子（放射エレメント）
３０、３４ 接続部
４０、４４ グランド板
５０ 給電部
１００、２００、３００、４００ 平面アンテナ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の放射素子と、
前記第１の放射素子から実質的にλ／４だけ離れた位置に前記第１の放射素子と並行に延びる第２の放射素子と、
前記第１の放射素子と前記第２の放射素子とを電気的に接続する接続部と、
前記接続部と並行に配置されたグランド板と、
前記グランド板と前記第１の放射素子との間に設けられた給電部と
を有する指向性アンテナ。
【請求項２】
前記第１の放射素子と前記第２の放射素子は、上辺を広げたテーパー形状を有することを特徴とする請求項１記載の指向性アンテナ。
【請求項３】
前記グランド板は、前記接続部に対する並行方向に、前記接続部より長い形状を有することを特徴とする請求項１又は２記載の指向性アンテナ。
【請求項４】
前記第１の放射素子と前記第２の放射素子は、並行に傾斜した形状を有することを特徴とする請求項１ないし３の何れか一記載の指向性アンテナ。
【請求項５】
柔軟性を有する素材を用いて構成されることを特徴とする請求項１ないし４の何れか一記載の指向性アンテナ。
【請求項６】
前記接続部は、前記第１の放射素子及び前記第２の放射素子よりも硬度を有するように構成されることを特徴とする請求項５記載の指向性アンテナ。
【請求項７】
前記グランド板の前記接続部と並行に配置される近端部は、前記接続部と同等の硬度を有するように構成されることを特徴とする請求項６記載の指向性アンテナ。
【請求項８】
ＰＷＢ、ＦＰＣ、導電布、導電性シートの何れかに構成されることを特徴とする請求項１ないし７の何れか一記載の指向性アンテナ。
【請求項９】
請求項１ないし８の何れかの指向性アンテナを有することを特徴とする被服。
【請求項１０】
装着者の人体に対して、体方向に弱指向性方向を向けると共に外方向に強指向性方向を向けて、請求項１ないし８の何れかの指向性アンテナを、設けたことを特徴とする被服。
【請求項１】
第１の放射素子と、
前記第１の放射素子から実質的にλ／４だけ離れた位置に前記第１の放射素子と並行に延びる第２の放射素子と、
前記第１の放射素子と前記第２の放射素子とを電気的に接続する接続部と、
前記接続部と並行に配置されたグランド板と、
前記グランド板と前記第１の放射素子との間に設けられた給電部と
を有する指向性アンテナ。
【請求項２】
前記第１の放射素子と前記第２の放射素子は、上辺を広げたテーパー形状を有することを特徴とする請求項１記載の指向性アンテナ。
【請求項３】
前記グランド板は、前記接続部に対する並行方向に、前記接続部より長い形状を有することを特徴とする請求項１又は２記載の指向性アンテナ。
【請求項４】
前記第１の放射素子と前記第２の放射素子は、並行に傾斜した形状を有することを特徴とする請求項１ないし３の何れか一記載の指向性アンテナ。
【請求項５】
柔軟性を有する素材を用いて構成されることを特徴とする請求項１ないし４の何れか一記載の指向性アンテナ。
【請求項６】
前記接続部は、前記第１の放射素子及び前記第２の放射素子よりも硬度を有するように構成されることを特徴とする請求項５記載の指向性アンテナ。
【請求項７】
前記グランド板の前記接続部と並行に配置される近端部は、前記接続部と同等の硬度を有するように構成されることを特徴とする請求項６記載の指向性アンテナ。
【請求項８】
ＰＷＢ、ＦＰＣ、導電布、導電性シートの何れかに構成されることを特徴とする請求項１ないし７の何れか一記載の指向性アンテナ。
【請求項９】
請求項１ないし８の何れかの指向性アンテナを有することを特徴とする被服。
【請求項１０】
装着者の人体に対して、体方向に弱指向性方向を向けると共に外方向に強指向性方向を向けて、請求項１ないし８の何れかの指向性アンテナを、設けたことを特徴とする被服。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−２００２１１（Ｐ２０１０−２００２１１Ａ）
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４５２７８（Ｐ２００９−４５２７８）
【出願日】平成２１年２月２７日（２００９．２．２７）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【出願人】（５９９０１６４３１）学校法人 芝浦工業大学 (109)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２７日（２００９．２．２７）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【出願人】（５９９０１６４３１）学校法人 芝浦工業大学 (109)
【Ｆターム（参考）】
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