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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022074722
(43)【公開日】2022-05-18
(54)【発明の名称】平面アンテナ
(51)【国際特許分類】
H01Q 13/08 20060101AFI20220511BHJP
H01Q 21/24 20060101ALI20220511BHJP
【ＦＩ】
H01Q13/08
H01Q21/24
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020185027
(22)【出願日】2020-11-05
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、支出負担行為担当官、総務省大臣官房会計課企画官、研究テーマ「ミリ波帯におけるロボット等のワイヤフリー化に向けた無線制御技術の研究開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】393031586
【氏名又は名称】株式会社国際電気通信基礎技術研究所
(71)【出願人】
【識別番号】504190548
【氏名又は名称】国立大学法人埼玉大学
(74)【代理人】
【識別番号】100115749
【弁理士】
【氏名又は名称】谷川 英和
(74)【代理人】
【識別番号】100121223
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 悟道
(72)【発明者】
【氏名】清水 聡
(72)【発明者】
【氏名】佐久間 和司
(72)【発明者】
【氏名】芹澤 和伸
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 義規
(72)【発明者】
【氏名】大平 昌敬
【テーマコード（参考）】
5J021
5J045
【Ｆターム（参考）】
5J021AA02
5J021AA09
5J021AA10
5J021AA11
5J021AB06
5J021CA03
5J021FA23
5J021GA08
5J021JA02
5J021JA05
5J045AA02
5J045AA12
5J045CA01
5J045DA10
(57)【要約】
【課題】放射方向を広げることができると共に、より広い帯域特性を実現することができる平面アンテナを提供する。
【解決手段】平面アンテナ１は、第１面及び第２面を有する誘電体基板３と、第１面に配置されたマイクロストリップラインによって構成された２個の共振器５１，５３を有する共振部５と、第１面に配置され、共振部５に接続された放射素子７１，７３を有するアンテナ部７と、第２面に形成されたグラウンド層とを備える。アンテナ部７は、２以上の共振方向を有している。
【選択図】図１
【解決手段】平面アンテナ１は、第１面及び第２面を有する誘電体基板３と、第１面に配置されたマイクロストリップラインによって構成された２個の共振器５１，５３を有する共振部５と、第１面に配置され、共振部５に接続された放射素子７１，７３を有するアンテナ部７と、第２面に形成されたグラウンド層とを備える。アンテナ部７は、２以上の共振方向を有している。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１面及び第２面を有する誘電体基板と、
前記第１面に配置されたマイクロストリップラインによって構成された２個以上の共振器を有する共振部と、
前記第１面に配置され、前記共振部に接続された１個以上の放射素子を有するアンテナ部と、
前記第２面に形成されたグラウンド層と、を備え、
前記アンテナ部は、２以上の共振方向を有している、平面アンテナ。
前記第１面に配置されたマイクロストリップラインによって構成された２個以上の共振器を有する共振部と、
前記第１面に配置され、前記共振部に接続された１個以上の放射素子を有するアンテナ部と、
前記第２面に形成されたグラウンド層と、を備え、
前記アンテナ部は、２以上の共振方向を有している、平面アンテナ。
【請求項2】
前記アンテナ部は、共振方向が異なる２個以上の放射素子を有している、請求項１記載の平面アンテナ。
【請求項3】
前記アンテナ部は、共振方向が直交する２個の放射素子を有している、請求項２記載の平面アンテナ。
【請求項4】
前記アンテナ部は、共振方向が直交する二重共振モードの放射素子を有しており、
前記グラウンド層は、平面視において前記放射素子に相当する箇所の少なくとも一部に開口を有する、請求項１記載の平面アンテナ。
前記グラウンド層は、平面視において前記放射素子に相当する箇所の少なくとも一部に開口を有する、請求項１記載の平面アンテナ。
【請求項5】
前記グラウンド層は、平面視において前記放射素子に相当する箇所の少なくとも一部に開口を有する、請求項１から請求項３のいずれか記載の平面アンテナ。
【請求項6】
前記共振部は、２個以上の半波長共振器を有する、請求項１から請求項５記載の平面アンテナ。
【請求項7】
前記放射素子の共振方向における一端側は前記グラウンド層に短絡している、請求項１から請求項６のいずれか記載の平面アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、１以上の放射素子を有する平面アンテナに関する。
【背景技術】
【0002】
ハーネスの無線化（ワイヤレスハーネス）は、ロボットアームをはじめとするメカトロ機器内部において可動部での有線配線の線噛み問題等を根本的に解決する方法として期待されている（例えば、非特許文献１参照）。特に、周波数資源の有効活用の観点からミリ波を利用したワイヤレスハーネスについては、ロボットアーム等の機器への適用が有望視されている。そのような無線化においては、無線モジュールとの一体化や低コスト化の観点から、平面アンテナを用いることが望まれている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【非特許文献1】伴弘司、北沢祥一、小林聖、「省資源・省エネに有用なワイヤレスハーネス技術」、信学通ソマガジン、Ｎｏ．２５、ｐｐ．２５－３２、２０１３年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ロボットアーム等のように、向きの変わる機器に実装される平面アンテナの指向性が狭い場合には、ロボットアーム等の機器が向きを変えることにより放射方向が変化し、伝送品質に影響を与えることがある。そのような伝送品質への影響を低減するために、向きの変わる機器に実装される平面アンテナは、その機器の向きによらずに送受信できる放射特性が求められる。すなわち、平面アンテナの放射方向は広いことが好ましい。
【0005】
また、平面アンテナとして一般的なマイクロストリップアンテナは、比帯域幅が数％以下と狭帯域であるという問題があった。なお、マイクロストリップアンテナのような平面アンテナの周波数帯域幅を広げるための方法として、誘電体基板の厚みを厚くする方法やアンテナの幅（共振モードの電流方向とは直交する方向の長さ）を増やす方法がある。つまり、アンテナの放射Ｑ値を下げる方法である。しかしながら、誘電体基板の厚みが制限されるミリ波帯等の高周波数帯では、自ずと放射Ｑ値の下限が制限されるため、例えば６０ＧＨｚ帯の免許不要の広い周波数帯に対応した広帯域特性を平面アンテナ単体で実現するのは困難である。
【0006】
本発明は、上記事情に応じてなされたものであり、より広い放射特性と、より広い帯域特性とを有する平面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】
【0007】
上記目的を達成するため、本発明の一態様による平面アンテナは、第１面及び第２面を有する誘電体基板と、第１面に配置されたマイクロストリップラインによって構成された２個以上の共振器を有する共振部と、第１面に配置され、共振部に接続された１個以上の放射素子を有するアンテナ部と、第２面に形成されたグラウンド層と、を備え、アンテナ部は、２以上の共振方向を有している、ものである。
【0008】
このような構成により、２以上の異なる共振方向を有することによって、放射方向を広げることができる。したがって、例えば、平面アンテナがロボットアームなどの向きの変わる機器に実装されたとしても、信号を適切に送受信することができるようになる。また、放射素子の前段に２個以上の共振器を備えることによって、広帯域化を実現することもできるようになる。
【0009】
また、本発明の一態様による平面アンテナでは、アンテナ部は、共振方向が異なる２個以上の放射素子を有していてもよい。
【0010】
このような構成により、共振方向が異なる２個以上の放射素子を用いることによって、放射方向を広げることができる。
【0011】
また、本発明の一態様による平面アンテナでは、アンテナ部は、共振方向が直交する２個の放射素子を有していてもよい。
【0012】
このような構成により、複数の直交偏波を放射することができるようになり、放射方向を広げることができる。
【0013】
また、本発明の一態様による平面アンテナでは、アンテナ部は、共振方向が直交する二重共振モードの放射素子を有しており、グラウンド層は、平面視において放射素子に相当する箇所の少なくとも一部に開口を有してもよい。
【0014】
このような構成により、１個の放射素子により、２つの異なる共振方向を実現することができる。また、開口の大きさにより、各共振方向に対応する放射Ｑ値を変更することもできるようになる。
【0015】
また、本発明の一態様による平面アンテナでは、グラウンド層は、平面視において放射素子に相当する箇所の少なくとも一部に開口を有してもよい。
【0016】
このような構成により、グラウンド層側からも、電波の送受信を行うことができるようになる。
【0017】
また、本発明の一態様による平面アンテナでは、共振部は、２個以上の半波長共振器を有してもよい。
【0018】
このような構成により、例えば、共振部を、並列に配置された２個の両端短絡半波長共振器によって構成することができる。
【0019】
また、本発明の一態様による平面アンテナでは、放射素子の共振方向における一端側はグラウンド層に短絡していてもよい。
【0020】
このような構成により、誘電体基板に垂直な方向の成分の利得を増やすことができる。
【発明の効果】
【0021】
本発明の一態様による平面アンテナによれば、放射方向を広げることができると共に、より広い帯域特性を実現することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明の実施の形態による平面アンテナの構成を示す平面図
【図2】同実施の形態による平面アンテナの結合トポロジーを示す図
【図3A】同実施の形態における一方の放射素子の放射パターンの一例を示す図
【図3B】同実施の形態における一方の放射素子の放射パターンの一例を示す図
【図4A】同実施の形態における２個の放射素子の放射パターンの一例を示す図
【図4B】同実施の形態における２個の放射素子の放射パターンの一例を示す図
【図5】同実施の形態における平面アンテナの周波数特性の一例を示す図
【図6】同実施の形態による平面アンテナの構成の他の一例を示す平面図
【図7】同実施の形態におけるグラウンド層の他の一例を示す図
【図8A】同実施の形態による平面アンテナの構成の他の一例を示す平面図
【図8B】同実施の形態による平面アンテナの構成の他の一例を示す平面図
【図9A】同実施の形態による平面アンテナの構成の他の一例を示す平面図
【図9B】同実施の形態による平面アンテナの構成の他の一例を示す平面図
【図10A】同実施の形態による平面アンテナの構成の他の一例を示す平面図
【図10B】同実施の形態による平面アンテナの構成の他の一例を示す平面図
【図11A】同実施の形態による平面アンテナの構成の他の一例を示す平面図
【図11B】同実施の形態による平面アンテナの構成の他の一例を示す平面図
【図12】同実施の形態による平面アンテナの構成の他の一例を示す平面図
【図13】同実施の形態による平面アンテナの構成の他の一例を示す平面図
【図14】同実施の形態による平面アンテナの実装されたロボットアームを示す図
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下、本発明による平面アンテナについて、実施の形態を用いて説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素は同一または相当するものであり、再度の説明を省略することがある。本実施の形態による平面アンテナは、２以上の異なる共振方向を有する１以上の放射素子と、その１以上の放射素子の前段の２個以上の共振器とを有するものである。
【0024】
図１は、本実施の形態による平面アンテナ１の構成を示す平面図である。本実施の形態による平面アンテナ１は、誘電体基板３と、共振部５と、アンテナ部７と、グラウンド層９とを備える。この平面アンテナ１は、マイクロストリップアンテナである。平面アンテナ１が送受信する電波の周波数は特に限定されるものではないが、例えば、１ＧＨｚから３００ＧＨｚの範囲の周波数であってもよく、ミリ波帯（３０～３００ＧＨｚ）の周波数であってもよい。
【0025】
誘電体基板３は、平板状の基板であり、図１で示される面である第１面と、その第１面と反対側の面である第２面とを有する。なお、第１面を正面、第２面を背面と呼ぶこともある。
【0026】
共振部５は、誘電体基板３の第１面に配置されたマイクロストリップラインによって構成された２個以上の共振器を有する。図１では、共振部５が２個の共振器５１，５３を有しており、その共振器５１，５３が、共振方向が平行になるように並列に配置された直線状の半波長共振器である場合について示している。それ以外の共振器については後述する。共振器５１，５３の両端は、ビア５０によってグラウンド層９に短絡している。したがって、共振器５１，５３は、両端短絡マイクロストリップ半波長共振器である。前段側の共振器５１は、マイクロストリップラインによって構成された入力線１１に接続されている。また、共振器５１，５３は、マイクロストリップラインによって構成された接続線５１ａによって接続されている。
【0027】
アンテナ部７は、誘電体基板３の第１面に配置され、共振部５に接続された１個以上の放射素子を備える。アンテナ部７は通常、共振部５の最後段の共振器５３に接続される。また、アンテナ部７は、２以上の異なる共振方向を有しているものとする。すなわち、アンテナ部７が有する１個または２個以上の放射素子によって、２以上の異なる共振方向が実現されるものとする。共振方向とは、共振モードの電流方向のことである。２つの異なる共振方向は直交していてもよく、またはそうでなくてもよい。アンテナ部７が２個以上の放射素子を有する場合には、少なくとも２個の放射素子の共振方向は異なっているものとする。本実施の形態では、アンテナ部７が有する放射素子が単一共振モードである場合について主に説明し、二重共振モードである場合については後述する。なお、放射素子の形状は、例えば、矩形状であってもよく、正方形状であってもよく、楕円形状であってもよく、円形状であってもよい。本実施の形態では、放射素子が矩形状である場合について主に説明する。図１では、アンテナ部７が２個の矩形状の放射素子７１，７３を有する場合について示している。それ以外の放射素子については後述する。なお、放射素子７１，７３は、同形状であり、実線の両矢印で示される共振方向が直交するように配置されている。したがって、平面アンテナ１では複数の直交偏波を送受信することができる。放射素子７１，７３は、それぞれマイクロストリップラインによって構成された接続線７１ａ，７３ａによって共振器５３に接続されている。また、アンテナ部７が有する２個以上の放射素子から放射される電波の偏波方向が直交している場合には、２個以上の放射素子が同位相で励振されなくてもよいが、２個以上の放射素子の偏波方向が直交していない場合には、２個以上の放射素子が同位相で励振されることが好適である。
【0028】
グラウンド層９は、誘電体基板３の第２面に形成されているグラウンド導体である。なお、誘電体基板３の第２面の全体にグラウンド層９が形成されていてもよく、グラウンド層９の一部に開口が設けられていてもよい。図１の平面アンテナ１では、誘電体基板３の第２面の全体に図示しないグラウンド層９が形成されているものとする。なお、開口を有するグラウンド層９については後述する。
【0029】
図２は、図１で示される平面アンテナ１の結合トポロジーを示す図である。図２において、各ノードが共振器または放射素子を示しており、各リンクが結合を示している。図２において、ノード１，２がそれぞれ共振器５１，５３に相当し、２個のノード３が放射素子７１，７３に相当している。
【0030】
図１で示される矩形状の放射素子７１，７３において、共振方向の長さ（実線の両矢印で示される長さ）で共振周波数ｆ03を調整でき、共振方向に直交する方向の長さ（破線の両矢印で示される長さである。以下、この方向の長さを「幅」と呼ぶこともある。）で放射素子７１，７３の放射Ｑ値Ｑrを調整できる。２個の放射素子７１，７３は、共振器５３と２箇所で結合している。放射素子７１，７３と、共振器５３との接続位置によって結合係数ｋ23を調整できる。なお、共振器５３の共振方向（図１における左右方向）における放射素子７１の接続位置の共振器５３の一端からの距離と、放射素子７３の接続位置の共振器５３の他端からの距離とを同じにすることによって、すなわち、放射素子７１，７３の接続位置が、共振器５３の共振方向において対称となるようにすることによって、２個の放射素子７１，７３の結合係数ｋ23を同じにすることができる。
【0031】
両端をグラウンド層９に短絡した共振器５３の電界分布は、共振器５３の中心について偶対称となるため、２個の放射素子７１，７３は同位相で励振される。また、上記のように２個の放射素子７１，７３の結合係数ｋ23を同じにすれば、２個の放射素子７１，７３は同振幅で励振される。
【0032】
共振器５１，５３の間は、半波長よりも短い接続線５１ａによって接続されることによって結合しており、接続線５１ａの長さ、及び接続線５１ａの接続位置によって結合係数ｋ12を調整できる。共振器５１，５３の共振周波数ｆ01、ｆ02は、それぞれの線路長を変えることによって調整できる。さらに、入力線１１と共振器５１との結合を表す外部Ｑ値Ｑeは、共振器５１に対する入力線１１の接続位置で調整できる。
【0033】
図３Ａ，図３Ｂで示されるように、図１の右側の放射素子７１によって主にｘ成分の偏波が平面アンテナ１の正面方向（すなわち、＋ｚ方向）に放射され、さらにｚ成分の偏波が図１の±ｘ方向に放射される。それに対して、図１の左側の放射素子７３によって主にｙ成分の偏波が平面アンテナ１の正面方向に放射され、さらにｚ成分の偏波が図１の±ｙ方向に放射される。よって、２個の放射素子７１，７３のｚ成分の偏波は直交していないため、同位相で励振される。このように、２個の放射素子７１，７３を用いると、図４Ａ，図４Ｂで示されるように、同時にｘ成分とｙ成分の偏波が平面アンテナ１の正面方向に放射され、ｚ成分の偏波がｘｙ平面の水平方向（実際にはグラウンド層９の影響で打ち上げ角が生じる）に放射される。
【0034】
したがって、放射素子７１，７３の共振周波数、放射Ｑ値、共振器５１，５３の共振周波数、外部Ｑ値、及び各結合係数を適切に設計すれば、所定の周波数帯域幅でリターンロスを抑えながら、直交３偏波の放射が可能となる。すなわち、放射方向を広げることができるようになる。
【0035】
次に、放射素子７１，７３の共振周波数と、放射Ｑ値、共振器５１，５３の共振周波数、外部Ｑ値、各結合係数を決める具体的な方法について説明する。図２の結合トポロジーの原型低域通過フィルタの周波数領域における規格化結合行列［Ｍ］は、次式で示される。なお、この規格化結合行列は、中心周波数や帯域幅にはよらない規格化結合係数で構成される行列である。
【数1】
【0036】
なお、図２の結合トポロジーにおいて、伝達関数、及び共振器の個数を決めることによって規格化結合行列の各行列要素の値は決定される。共振器の個数とは、共振部５に含まれる共振器だけでなく、アンテナ部７に含まれる放射素子も共振器と考えた場合の個数である。また、図２では、２個の放射素子７１，７３は対称であるため、１個の放射素子のみについて考える。したがって、図２の例では、共振器の個数は３個となり、上記の規格化結合行列［Ｍ］となる。以下の説明では、伝達関数が所定の通過域のリプル幅を有するチェビシェフ関数であり、共振器の個数が３個である場合について説明する。
【0037】
原型低域通過フィルタの規格化結合行列の各行列要素と、帯域通過フィルタの結合行列の各行列要素との関係を用いることによって、共振部５及びアンテナ部７を有する帯域通過フィルタの結合係数や共振周波数、入力側及び出力側の外部Ｑ値を求めることができる。以下、そのことについて説明する。ここで、帯域通過フィルタの中心周波数をｆ0、周波数帯域幅をΔｆとすると、共振器５１，５３間の結合係数ｋi,i+1（ここでは、ｉ＝１）は次式で表される。なお、中心周波数ｆ0は、設計者が所望の値に決めることができる。一方、周波数帯域幅Δｆは、後述するように、放射素子７１の放射Ｑ値によって決まる。また、結合係数等の添え字におけるコンマ（，）は、２個の添え字を区別し易くするために便宜上、付けたものである。
【数2】
【0038】
また、共振器５３と放射素子７１（または放射素子７３）との間の結合係数ｋi,i+1（ここでは、ｉ＝２）は、放射素子７１，７３に対して電力を２分配するため、次式のように係数「１／√２」を掛けることになる。なお、放射素子７１，７３ごとに共振器５３との結合係数が異なる場合であっても、それに応じた係数を掛けることによって、共振器の個数が３個であるとして結合係数等を求めることができる。
【数3】
【0039】
また、放射素子７１（または放射素子７３）の放射Ｑ値Ｑrは、規格化結合行列の要素ＭN,L（Ｎは共振器の個数であり、ここではＮ＝３）を用いて、次式のように示される。
【数4】
【0040】
したがって、規格化結合行列の要素ＭN,Lが決まれば、実現できる周波数帯域幅Δｆの上限は、物理的に実現可能な放射素子７１（または放射素子７３）の放射Ｑ値Ｑrによって決まることになる。放射Ｑ値Ｑrは、誘電体基板３の厚みに応じて下限が決まるからである。なお、上限までの範囲内の所望の周波数帯域幅Δｆとなるように、放射Ｑ値Ｑrを決定してもよい。
【0041】
同様に、外部Ｑ値Ｑeは、規格化結合行列の要素ＭS1を用いて次式のように表される。
【数5】
【0042】
放射素子７１（または放射素子７３）と、共振器５１，５３との共振周波数ｆ0iは、規格化結合行列の対角要素Ｍii（ここでは、ｉ＝１，２，３）を用いて次式の方程式を解くことによって求められる。
【数6】
【0043】
このようにして、規格化結合行列の各要素に応じて、各結合係数、各共振周波数、放射Ｑ値、外部Ｑ値が決まることになる。そして、その決定された結合係数等に応じて、入力線１１の接続位置、共振器５１，５３の長さ、接続線５１ａの位置及び長さ、接続線７１ａ、７３ａの接続位置、放射素子７１，７３の幅及び共振方向の長さが決まることになる。したがって、その決まった内容に応じた平面アンテナ１を構成することによって、所望の中心周波数ｆ0、周波数帯域幅Δｆの帯域特性を有すると共に、直交３偏波を放射することができる、リターンロスを抑えた平面アンテナ１を実現することができるようになる。
【0044】
図５は、そのようにして設計された平面アンテナ１の正面での３成分のトータルの利得と、反射係数Ｓ11との周波数に応じた変化を示す図である。図５で示されるように、平面アンテナ１は、帯域通過フィルタとしての周波数選択特性を有している。また、所定の周波数帯域内で、周波数依存性の低い平坦な利得特性も実現できている。なお、周波数帯域幅は、帯域通過フィルタと同様に、放射素子を含む複数の共振器間の結合度によって広げることができる。そのため、結合が強いほど周波数帯域幅は広くなる。したがって、放射素子単体のみを有する平面アンテナよりも、本実施の形態による平面アンテナ１の方が、より広い周波数帯幅で良好なインピーダンス整合を実現することができることになる。
【0045】
なお、共振器間での飛び越し結合（すなわち、非隣接共振器による結合）を用いた場合には、阻止域に伝送零点（減衰極）を生成することができ、より急峻な周波数選択特性を得ることができるようになる。
【0046】
上記説明では、図１で示される３個の共振器を有する帯域通過フィルタの各結合係数、各共振周波数、放射Ｑ値、外部Ｑ値を、原型低域通過フィルタの規格化結合行列の各行列要素の値を用いて算出する場合について説明したが、他の構成の帯域通過フィルタについても、同様に各結合係数、各共振周波数、放射Ｑ値、外部Ｑ値を、原型低域通過フィルタの規格化結合行列の各行列要素の値を用いて算出できることは明らかである。したがって、図１以外の構成の平面アンテナ１についても、共振部５が有する共振器、及びアンテナ部７が有する放射素子を帯域通過フィルタとみなして、同様にして、リターンロスを抑えた平面アンテナ１を実現できることは言うまでもない。
【0047】
以上のように、本実施の形態による平面アンテナ１によれば、放射素子７１，７３を有するアンテナ部７と、その前段に配置された２個の共振器５１，５３を有する共振部５とを有することによって、放射方向を広げることができると共に、より広い周波数帯域を実現することができるようになる。また、所定の周波数帯域内で、良好なインピーダンス整合特性を実現することができ、平坦な利得特性を得ることもできる。また、共振器５１，５３の接続に接続線５１ａを用いていることによって、狭ギャップ構造のように、わずかな製作誤差が特性に大きく影響するようなこともない。さらに、共振器５１，５３において両端短絡構造を採用していることによって、共振器５１，５３の端部におけるエッチング精度による共振周波数のずれも最小限に抑えることができる。
【0048】
次に、本実施の形態による平面アンテナ１の変形例について説明する。
［一端が短絡した放射素子］
図６で示されるように、放射素子７１，７３は、共振方向における一端側がグラウンド層９に短絡したものであってもよい。図６では、矩形状の放射素子７１，７３における共振方向に直交する方向の辺のうち、電力供給側の一辺が、ビア５０によってグラウンド層９に接続されている。その結果、アンテナ部７は、２個の板状逆Ｆアンテナを有しているものとなる。この場合には、放射素子７１，７３は、それぞれ１／４波長共振アンテナとして動作することになる。したがって、放射素子７１，７３の上面のパッチ部分からの放射だけでなく、グラウンド層９に対して垂直な導通ビア５０からの放射が発生する。これによって、ｚ成分の利得を増やすことができる。また、図１の平面アンテナ１では、ｚ成分の利得の角度特性においてｘ軸またはｙ軸方向が他の方向に比べてやや利得が高くなるが、図６の平面アンテナ１では、水平方向の角度によるｚ成分の利得の偏差を減少させることもできる。ただし、それによってｘ成分、ｙ成分の利得の減少や、放射パターンの単向性がやや犠牲になる。
［一端が短絡した放射素子］
図６で示されるように、放射素子７１，７３は、共振方向における一端側がグラウンド層９に短絡したものであってもよい。図６では、矩形状の放射素子７１，７３における共振方向に直交する方向の辺のうち、電力供給側の一辺が、ビア５０によってグラウンド層９に接続されている。その結果、アンテナ部７は、２個の板状逆Ｆアンテナを有しているものとなる。この場合には、放射素子７１，７３は、それぞれ１／４波長共振アンテナとして動作することになる。したがって、放射素子７１，７３の上面のパッチ部分からの放射だけでなく、グラウンド層９に対して垂直な導通ビア５０からの放射が発生する。これによって、ｚ成分の利得を増やすことができる。また、図１の平面アンテナ１では、ｚ成分の利得の角度特性においてｘ軸またはｙ軸方向が他の方向に比べてやや利得が高くなるが、図６の平面アンテナ１では、水平方向の角度によるｚ成分の利得の偏差を減少させることもできる。ただし、それによってｘ成分、ｙ成分の利得の減少や、放射パターンの単向性がやや犠牲になる。
【0049】
［開口を有するグラウンド層］
図１及び図６で示される平面アンテナ１では、誘電体基板３の背面（すなわち第２面）の全面にグラウンド層９が形成されている場合について説明したが、そうでなくてもよい。ｘ成分、ｙ成分の偏波を、平面アンテナ１の背面側にも放射させる場合には、図７に示すように、グラウンド層９は、放射素子７１，７３の背面側の少なくとも一部に開口９ａ，９ｂを有していてもよい。すなわち、グラウンド層９は、平面視（すなわち、誘電体基板３の法線方向から見た場合）において、放射素子７１，７３に相当する箇所の少なくとも一部に開口９ａ，９ｂを有していてもよい。なお、図７は、第２面側から見た平面アンテナ１を示す図である。このように、平面アンテナ１が、グラウンド層９に開口９ａ，９ｂを有するマイクロストリップアンテナとなることによって、放射素子７１，７３の幅だけでなく、開口９ａ，９ｂの大きさによっても放射Ｑ値を調整できるようになる。
図１及び図６で示される平面アンテナ１では、誘電体基板３の背面（すなわち第２面）の全面にグラウンド層９が形成されている場合について説明したが、そうでなくてもよい。ｘ成分、ｙ成分の偏波を、平面アンテナ１の背面側にも放射させる場合には、図７に示すように、グラウンド層９は、放射素子７１，７３の背面側の少なくとも一部に開口９ａ，９ｂを有していてもよい。すなわち、グラウンド層９は、平面視（すなわち、誘電体基板３の法線方向から見た場合）において、放射素子７１，７３に相当する箇所の少なくとも一部に開口９ａ，９ｂを有していてもよい。なお、図７は、第２面側から見た平面アンテナ１を示す図である。このように、平面アンテナ１が、グラウンド層９に開口９ａ，９ｂを有するマイクロストリップアンテナとなることによって、放射素子７１，７３の幅だけでなく、開口９ａ，９ｂの大きさによっても放射Ｑ値を調整できるようになる。
【0050】
［複数の線路での結合］
平面アンテナ１の共振器５１，５３は、図８Ａで示されるように、複数の線路で結合されてもよい。図８Ａで示される平面アンテナ１の入力線１１は、共振器５１との接続側において２個の線路１１ａ，１１ｂに分岐している。そして、その２個の線路１１ａ，１１ｂによって共振器５１に結合している。また、共振器５１，５３間も、２個の接続線５１ａ，５１ｂによって結合されている。図８Ａで示される平面アンテナ１は、左右対称の構造となっている。この場合にも、上記した図１の平面アンテナ１と同様にして、規格化結合行列の各行列要素の値から、各結合係数や各共振周波数等を求めることができ、それに応じて平面アンテナ１を設計することによって、放射方向を広げることができると共に、より広い帯域特性を実現することができるようになる。後述する他の平面アンテナ１についても同様である。
平面アンテナ１の共振器５１，５３は、図８Ａで示されるように、複数の線路で結合されてもよい。図８Ａで示される平面アンテナ１の入力線１１は、共振器５１との接続側において２個の線路１１ａ，１１ｂに分岐している。そして、その２個の線路１１ａ，１１ｂによって共振器５１に結合している。また、共振器５１，５３間も、２個の接続線５１ａ，５１ｂによって結合されている。図８Ａで示される平面アンテナ１は、左右対称の構造となっている。この場合にも、上記した図１の平面アンテナ１と同様にして、規格化結合行列の各行列要素の値から、各結合係数や各共振周波数等を求めることができ、それに応じて平面アンテナ１を設計することによって、放射方向を広げることができると共に、より広い帯域特性を実現することができるようになる。後述する他の平面アンテナ１についても同様である。
【0051】
［ギャップでの結合］
平面アンテナ１の共振器５１，５３は、図９Ａで示されるように、ギャップで結合されてもよい。図９Ａで示される平面アンテナ１の入力線１１は、共振器５１側に、共振器５１と平行に設けられた線路１１ｃを有している。そして、線路１１ｃと共振器５１とは、両者間のギャップによって結合しており、また、共振器５１，５３も、両者間のギャップによって結合している。このように、接続線を介さないでギャップによって結合が行われてもよい。この図９Ａで示される平面アンテナ１も、左右対称の構造である。
平面アンテナ１の共振器５１，５３は、図９Ａで示されるように、ギャップで結合されてもよい。図９Ａで示される平面アンテナ１の入力線１１は、共振器５１側に、共振器５１と平行に設けられた線路１１ｃを有している。そして、線路１１ｃと共振器５１とは、両者間のギャップによって結合しており、また、共振器５１，５３も、両者間のギャップによって結合している。このように、接続線を介さないでギャップによって結合が行われてもよい。この図９Ａで示される平面アンテナ１も、左右対称の構造である。
【0052】
［両端開放マイクロストリップ半波長共振器を有する共振部］
平面アンテナ１の共振部５が有する共振器６１，６３は、図１０Ａで示されるように、マイクロストリップラインで構成された、両端開放半波長共振器であってもよい。図１０Ａで示される共振部５では、共振器６１，６３はギャップで結合されており、また、入力線１１と共振器６１もギャップで結合されている。この場合には、共振器６１，６３は、グラウンド層９と接続されなくてよいため、平面アンテナ１の製造がより容易になる。図１０Ａでは、放射素子７１，７３の各接続線７１ａ，７３ａは共振器６３の同じ位置に接続されているため、放射素子７１，７３はそれぞれ同位相、同振幅で励振されることになる。
平面アンテナ１の共振部５が有する共振器６１，６３は、図１０Ａで示されるように、マイクロストリップラインで構成された、両端開放半波長共振器であってもよい。図１０Ａで示される共振部５では、共振器６１，６３はギャップで結合されており、また、入力線１１と共振器６１もギャップで結合されている。この場合には、共振器６１，６３は、グラウンド層９と接続されなくてよいため、平面アンテナ１の製造がより容易になる。図１０Ａでは、放射素子７１，７３の各接続線７１ａ，７３ａは共振器６３の同じ位置に接続されているため、放射素子７１，７３はそれぞれ同位相、同振幅で励振されることになる。
【0053】
［マイクロストリップ１／４波長共振器を有する共振部］
平面アンテナ１の共振部５が有する共振器８１，８３は、図１１Ａで示されるように、マイクロストリップラインで構成された、１／４波長共振器であってもよい。この場合には、共振器８１，８３は、それぞれ一端側が短絡している。すなわち、共振器８１，８３の一端側は、それぞれビア５０によってグラウンド層９に接続されている。図１１Ａで示される共振部５では、共振器８１，８３はギャップで結合されており、また、入力線１１と共振器８１もギャップで結合されている。この場合には、共振器８１，８３の共振方向の長さを短くすることができ、図１０Ａで示される平面アンテナ１よりも、より小型化することができる。図１１Ａでも、図１０Ａと同様に、放射素子７１，７３はそれぞれ同位相、同振幅で励振されることになる。
平面アンテナ１の共振部５が有する共振器８１，８３は、図１１Ａで示されるように、マイクロストリップラインで構成された、１／４波長共振器であってもよい。この場合には、共振器８１，８３は、それぞれ一端側が短絡している。すなわち、共振器８１，８３の一端側は、それぞれビア５０によってグラウンド層９に接続されている。図１１Ａで示される共振部５では、共振器８１，８３はギャップで結合されており、また、入力線１１と共振器８１もギャップで結合されている。この場合には、共振器８１，８３の共振方向の長さを短くすることができ、図１０Ａで示される平面アンテナ１よりも、より小型化することができる。図１１Ａでも、図１０Ａと同様に、放射素子７１，７３はそれぞれ同位相、同振幅で励振されることになる。
【0054】
［２個を超える放射素子を有するアンテナ部］
平面アンテナ１のアンテナ部７は、図１２で示されるように、４個の放射素子７５ａ，７５ｂ，７７ａ，７７ｂを有してもよい。図１２では、放射素子７５ａ，７５ｂの共振方向は同じであり、放射素子７７ａ，７７ｂの共振方向は同じであり、放射素子７５ａ，７５ｂの共振方向と、放射素子７７ａ，７７ｂの共振方向とは直交している。したがって、図１２で示される平面アンテナ１は、実質的に図８Ａで示される平面アンテナ１と同様のものとなるが、１個の共振方向の放射に２個の放射素子が用いられるため、各共振方向についてアレイアンテナが構成されていると考えることもできる。なお、４個の放射素子７５ａ，７５ｂ，７７ａ，７７ｂへの給電は、逆相給電にならないことが好適である。図１２では、アンテナ部７の有する放射素子の個数が４個である場合について示しているが、アンテナ部７は、３個の放射素子を有していてもよく、または、５個以上の放射素子を有していてもよい。また、アンテナ部７が有する少なくとも２個の放射素子は、例えば、共振方向が直交していてもよい。また、アンテナ部７は、共振方向が直交しない２個以上の放射素子を有していてもよい。なお、アンテナ部７が、偏波方向が直交しない２個以上の放射素子を有する場合には、各放射素子は同位相で励振されることが好適である。
平面アンテナ１のアンテナ部７は、図１２で示されるように、４個の放射素子７５ａ，７５ｂ，７７ａ，７７ｂを有してもよい。図１２では、放射素子７５ａ，７５ｂの共振方向は同じであり、放射素子７７ａ，７７ｂの共振方向は同じであり、放射素子７５ａ，７５ｂの共振方向と、放射素子７７ａ，７７ｂの共振方向とは直交している。したがって、図１２で示される平面アンテナ１は、実質的に図８Ａで示される平面アンテナ１と同様のものとなるが、１個の共振方向の放射に２個の放射素子が用いられるため、各共振方向についてアレイアンテナが構成されていると考えることもできる。なお、４個の放射素子７５ａ，７５ｂ，７７ａ，７７ｂへの給電は、逆相給電にならないことが好適である。図１２では、アンテナ部７の有する放射素子の個数が４個である場合について示しているが、アンテナ部７は、３個の放射素子を有していてもよく、または、５個以上の放射素子を有していてもよい。また、アンテナ部７が有する少なくとも２個の放射素子は、例えば、共振方向が直交していてもよい。また、アンテナ部７は、共振方向が直交しない２個以上の放射素子を有していてもよい。なお、アンテナ部７が、偏波方向が直交しない２個以上の放射素子を有する場合には、各放射素子は同位相で励振されることが好適である。
【0055】
［１個の放射素子を有するアンテナ部］
平面アンテナ１のアンテナ部７は、図１３で示されるように、１個の放射素子７９を有してもよい。その放射素子７９は、両矢印で示される共振方向が直交する二重共振モードの放射素子、すなわち正方形状の放射素子である。放射素子７９は、マイクロストリップラインによって構成された接続線７９ａ，７９ｂによって共振器５３に接続されている。この場合には、放射素子７９の大きさ（一辺の長さ）は、放射素子７９の共振周波数によって決まるため、放射素子７９の大きさによって放射Ｑ値を変更することができなくなる。そのため、図１３で示される平面アンテナ１のグラウンド層９は、平面視において放射素子７９に相当する箇所の少なくとも一部に開口を有しているものとする。そして、その開口の大きさによって、放射Ｑ値を調整するものとする。なお、図１３では、放射素子７９が正方形状である場合について示しているが、放射素子７９は、例えば円形状であってもよい。
平面アンテナ１のアンテナ部７は、図１３で示されるように、１個の放射素子７９を有してもよい。その放射素子７９は、両矢印で示される共振方向が直交する二重共振モードの放射素子、すなわち正方形状の放射素子である。放射素子７９は、マイクロストリップラインによって構成された接続線７９ａ，７９ｂによって共振器５３に接続されている。この場合には、放射素子７９の大きさ（一辺の長さ）は、放射素子７９の共振周波数によって決まるため、放射素子７９の大きさによって放射Ｑ値を変更することができなくなる。そのため、図１３で示される平面アンテナ１のグラウンド層９は、平面視において放射素子７９に相当する箇所の少なくとも一部に開口を有しているものとする。そして、その開口の大きさによって、放射Ｑ値を調整するものとする。なお、図１３では、放射素子７９が正方形状である場合について示しているが、放射素子７９は、例えば円形状であってもよい。
【0056】
［３個以上の共振器を有する共振部］
平面アンテナ１の共振部５は、３個以上の共振器を有していてもよい。共振部５は、例えば、図８Ｂ、図９Ｂで示されるように、共振器５１，５３，５５を有していてもよく、図１０Ｂで示されるように、共振器６１，６３，６５を有していてもよく、図１１Ｂで示されるように、共振器８１，８３，８５を有していてもよい。図８Ｂでは、共振器５１，５５は、２個の接続線５５ａ，５５ｂによって接続されており、図９Ｂでは、共振器５１，５５は、ギャップで結合されており、また、入力線１１の線路１１ｃと共振器５５もギャップで結合されている。図１０Ｂでは、共振器６１，６５はギャップで結合されており、また、入力線１１と共振器６５もギャップで結合されている。図１１Ｂで示される共振部５では、共振器８１，８５はギャップで結合されており、また、入力線１１と共振器８５もギャップで結合されている。それらの例では、共振部５が３個の共振器を有する場合について示しているが、共振部５は、４個以上の共振器を有していてもよいことは言うまでもない。このように、共振部５が有する共振器の個数が増えることによって、損失は増えることになる。すなわち、平面アンテナ１の利得は減少する。一方、より急峻な周波数選択特性を得ることができるようになる。
平面アンテナ１の共振部５は、３個以上の共振器を有していてもよい。共振部５は、例えば、図８Ｂ、図９Ｂで示されるように、共振器５１，５３，５５を有していてもよく、図１０Ｂで示されるように、共振器６１，６３，６５を有していてもよく、図１１Ｂで示されるように、共振器８１，８３，８５を有していてもよい。図８Ｂでは、共振器５１，５５は、２個の接続線５５ａ，５５ｂによって接続されており、図９Ｂでは、共振器５１，５５は、ギャップで結合されており、また、入力線１１の線路１１ｃと共振器５５もギャップで結合されている。図１０Ｂでは、共振器６１，６５はギャップで結合されており、また、入力線１１と共振器６５もギャップで結合されている。図１１Ｂで示される共振部５では、共振器８１，８５はギャップで結合されており、また、入力線１１と共振器８５もギャップで結合されている。それらの例では、共振部５が３個の共振器を有する場合について示しているが、共振部５は、４個以上の共振器を有していてもよいことは言うまでもない。このように、共振部５が有する共振器の個数が増えることによって、損失は増えることになる。すなわち、平面アンテナ１の利得は減少する。一方、より急峻な周波数選択特性を得ることができるようになる。
【0057】
［ギャップの結合と線路での結合との混合］
図８Ａ、図８Ｂでは、複数の共振器が線路で結合される場合について説明し、図９Ａ、図９Ｂでは、複数の共振器がギャップで結合される場合について説明したが、共振部５が有する複数の共振器のうち、ある共振器間は線路で結合され、別の共振器間はギャップで結合されてもい。例えば、共振部５が、図８Ｂ、図９Ｂと同様に、並列に配置された３個の共振器５５，５１，５３を有する場合に、共振器５５，５１間は線路で結合され、共振器５１，５３間はギャップで結合されてもよい。
図８Ａ、図８Ｂでは、複数の共振器が線路で結合される場合について説明し、図９Ａ、図９Ｂでは、複数の共振器がギャップで結合される場合について説明したが、共振部５が有する複数の共振器のうち、ある共振器間は線路で結合され、別の共振器間はギャップで結合されてもい。例えば、共振部５が、図８Ｂ、図９Ｂと同様に、並列に配置された３個の共振器５５，５１，５３を有する場合に、共振器５５，５１間は線路で結合され、共振器５１，５３間はギャップで結合されてもよい。
【0058】
［ロボットアームに実装された平面アンテナ］
図１４は、平面アンテナ１をロボットアーム１００に実装した例を示す図である。図１４で示されるように、ロボットアーム１００の各アーム、及び先端部に複数の平面アンテナ１が配置されている。そして、ロボットアーム１００を制御する信号は、台座部分の基地局のアンテナ１０１から送信される。基地局からの信号は、各平面アンテナ１で受信され、モータやアクチュエータ等の制御が行われることになる。また、ロボットアーム１００内のセンサ情報（例えば、エンコーダの値など）は、ロボットアーム１００の平面アンテナ１から基地局のアンテナ１０１に送信される。この場合には、ロボットアーム１００が動作することに応じて平面アンテナ１の位置関係は変化するが、本実施の形態による平面アンテナ１のように、より広い放射方向を有していることによって、常に安定した無線通信を行うことができるようになる。
図１４は、平面アンテナ１をロボットアーム１００に実装した例を示す図である。図１４で示されるように、ロボットアーム１００の各アーム、及び先端部に複数の平面アンテナ１が配置されている。そして、ロボットアーム１００を制御する信号は、台座部分の基地局のアンテナ１０１から送信される。基地局からの信号は、各平面アンテナ１で受信され、モータやアクチュエータ等の制御が行われることになる。また、ロボットアーム１００内のセンサ情報（例えば、エンコーダの値など）は、ロボットアーム１００の平面アンテナ１から基地局のアンテナ１０１に送信される。この場合には、ロボットアーム１００が動作することに応じて平面アンテナ１の位置関係は変化するが、本実施の形態による平面アンテナ１のように、より広い放射方向を有していることによって、常に安定した無線通信を行うことができるようになる。
【0059】
［放射素子の形状］
本実施の形態では、アンテナ部７が有する１個以上の放射素子が矩形状である場合について主に説明したが、上記したように、放射素子は矩形状以外の形状、例えば、円形状や楕円形状であってもよい。したがって、上記したアンテナ部７において、例えば、矩形状の放射素子に代えて、楕円形状の放射素子を用いてもよい。
本実施の形態では、アンテナ部７が有する１個以上の放射素子が矩形状である場合について主に説明したが、上記したように、放射素子は矩形状以外の形状、例えば、円形状や楕円形状であってもよい。したがって、上記したアンテナ部７において、例えば、矩形状の放射素子に代えて、楕円形状の放射素子を用いてもよい。
【0060】
また、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【0061】
以上より、本発明の一態様による平面アンテナによれば、放射方向を広げることができると共に、より広い帯域特性を実現することができるという効果が得られ、例えば、ロボットアーム等に実装される平面アンテナとして有用である。
【符号の説明】
【0062】
１ 平面アンテナ
３ 誘電体基板
５ 共振部
７ アンテナ部
９ グラウンド層
１１ 入力線
５０ ビア
５１、５３、５５、６１、６３，６５、８１、８３、８５ 共振器
７１、７３、７５ａ、７５ｂ、７７ａ、７７ｂ、７９ 放射素子
３ 誘電体基板
５ 共振部
７ アンテナ部
９ グラウンド層
１１ 入力線
５０ ビア
５１、５３、５５、６１、６３，６５、８１、８３、８５ 共振器
７１、７３、７５ａ、７５ｂ、７７ａ、７７ｂ、７９ 放射素子
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図12】
【図13】
【図14】