特開 2023-106892 アンテナ及びその製造方法

(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】P2023106892

(43)【公開日】2023-08-02

(54)【発明の名称】アンテナ及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01Q 13/08 20060101AFI20230726BHJP

   H01Q 19/10 20060101ALI20230726BHJP

   H01P 11/00 20060101ALI20230726BHJP

【ＦＩ】

H01Q13/08

H01Q19/10

H01P11/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022007881

(22)【出願日】2022-01-21

(71)【出願人】

【識別番号】591250606

【氏名又は名称】三省電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100079164

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 勇

(72)【発明者】

【氏名】中野 久松

(72)【発明者】

【氏名】阿部 智希

(72)【発明者】

【氏名】清藤 巌

(72)【発明者】

【氏名】小西 隆義

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 誠

【テーマコード（参考）】

5J020

5J045

【Ｆターム（参考）】

5J020BA04

5J020BC13

5J020BD03

5J020CA04

5J020CA05

5J020DA02

5J020DA03

5J020DA04

5J045AA05

5J045AA21

5J045AB05

5J045DA10

5J045FA08

5J045MA07

(57)【要約】

【課題】メタマテリアル技術を応用してＥＢＧ反射板及びグランドのＥＢＧ構造体から漏洩する電磁波を抑制するアンテナ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】小形構造を有するアンテナであって、前後双方向に電磁界を放射するアンテナ素子１と、アンテナ素子１の後方への放射を前方へ反射するＥＢＧ反射板２と、ＥＢＧ反射板２から後方へ漏洩する電磁波を捕捉して抑制する誘電体層４と、を有している。誘電体層４でＥＢＧ反射板２から後方へ放射する漏洩電磁波を抑制することにより、小さな反射面積を有しながら単方向に電磁界を放射させる。誘電体層４を設けることにより、ＥＢＧ反射板２から後方へ漏洩する電磁波を捕捉して抑制するため、装置のアンテナ搭載エリアに金属部分が存在してもアンテナを金属部分等に接触させて搭載することができ、アンテナ搭載に課される制限を排除することができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

小形構造を有するアンテナであって、
前後双方向に電磁界を放射するアンテナ素子と、
前記アンテナ素子の後方への放射を前方へ反射するＥＢＧ反射板と、
前記ＥＢＧ反射板から後方へ漏洩する電磁波を捕捉して抑制する誘電体層と、
を有することを特徴とするアンテナ。

【請求項2】

前記アンテナであって、
前記誘電体層が前記ＥＢＧ反射板のグランドに対峙する金属面を有していることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。

【請求項3】

前記アンテナであって、
前記ＥＢＧ反射板の電磁波反射面を前記アンテナ素子の放射面より広く設定していることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。

【請求項4】

前記アンテナであって、
前記誘電体層の前記金属面が金属板からなる平面構造であることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。

【請求項5】

前記アンテナであって、
前記誘電体層は、前記ＥＢＧ反射板のグランドと前記金属板の間に誘電体を有し、放射を抑制しつつ前記漏洩電磁波を減衰させる構造であることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ。

【請求項6】

前記アンテナであって、
前記アンテナ素子に放射面がパッチ状の逆Ｆアンテナ素子を用いたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。

【請求項7】

前記アンテナであって、
前記誘電体層の前記金属面が、金属板からなる平面構造と、前記平面構造の縁部から立ち上げた側面構造の組合せからなるキャビティ構造であることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。

【請求項8】

前記アンテナであって、
前記アンテナ素子の放射面と前記ＥＢＧ反射板の反射面間の距離、及び前記誘電体層の厚さ寸法をそれぞれ１／４λ（λ：使用周波数の波長）以下に設定したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のアンテナ。

【請求項9】

前記アンテナにおいて、
前記ＥＢＧ反射板のグランドに沿わせて同軸ケーブルを配置し、前記同軸ケーブルの内部導線を前記アンテナ素子の給電部に接続し、且つ前記同軸ケーブルの外部導線を前記ＥＢＧ反射板のグランドに接続したことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。

【請求項10】

前記アンテナにおいて、
前記誘電体層の前記金属板の最小寸法を前記ＥＢＧ反射板のグランドの寸法とほぼ同一に設定したことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。

【請求項11】

小形構造を有するアンテナの製造方法であって、
第１の誘電体基板を芯材に使用して前後双方向に電磁界を放射するアンテナ素子を形成する組立ステップと、
第２の誘電体基板を芯材に使用して前記アンテナ素子の後方への放射を前方へ反射するＥＢＧ反射板を形成する組立ステップと、
第３の誘電体基板を芯材に使用して前記ＥＢＧ反射板から後方へ漏洩する電磁波を捕捉して抑制する誘電体層を形成する組立ステップと、
前記アンテナ素子と前記ＥＢＧ反射板と前記誘電体層を三層構造に積層する組立ステップとを、実施することを特徴とするアンテナの製造方法。

【請求項12】

前記アンテナの製造方法であって、
前記アンテナ素子の給電部及びマッチング調節用接地部を前記ＥＢＧ反射板のグランドに向けて形成する組立ステップと、
前記第２の誘電体基板と前記第３の誘電体基板の対面する端面の少なくとも一方の端面に、同軸ケーブルを受け入れて誘電体基板外に導出する座繰り、及び前記同軸ケーブルと前記アンテナ素子を結合する座繰りを形成する組立ステップと、
前記同軸ケーブルを前記座繰りに受け入れて内部芯線を前記給電部に前記座繰り内で接続し、前記マッチング調節用接地部を前記ＥＢＧ反射板のグランドに前記座繰り内で接続する組立ステップと、を実施することを特徴とする請求項１１に記載のアンテナの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アンテナ素子からの後方放射を抑制するアンテナ及びその製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

高実装密度に起因してアンテナ設置面積を十分に確保することは困難な状況にあり、アンテナの小形化、軽量化、薄型化が要求されている。前記要求に対応するアンテナとして低姿勢構造のアンテナが開発され、そのアンテナの一つとして逆Ｆアンテナが開発されている（特許文献１）

【0003】

特許文献１は、一対のアンテナ素子から電磁波を放射させており、前記一対のアンテナ素子からの電磁波の結合を抑制するため、前記逆Fアンテナ素子の後方にＥＢＧ板を配置している。

【0004】

特許文献１は、一対のアンテナ素子からの電磁波の結合を抑制するため、アンテナ素子とＥＢＧ板の間の距離を１／４λ（λは使用周波数の波長）に設定している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第５１１２２０４号公報

【特許文献2】特許第５５２７３１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１は、ＥＢＧ板を一対のアンテナ素子の後方に配置しており、前記ＥＢＧ板の縁部での周期境界条件に着目していない。

【0007】

そのため、特許文献１のＥＢＧ板の縁部から電磁波が食み出し、ＥＢＧ板から後方のグランドに向けた電界が生じる可能性があり、その漏洩電磁波がアンテナ素子からの前方放射に影響を与えるという課題が残されている。

【0008】

特許文献２は、アンテナエレメントとマッシュルーム型周期構造とグランドを３層構造に形成した構造を採用することにより、アンテナの低背化を実現させている。

【0009】

特許文献２はアンテナの低背化を実現するため、共振器を用いることにより、マッシュルーム型周期構造の専有面積をアンテナエレメントのサイズ以下に抑える構造を採用している。

【0010】

特許文献２は、マッシュルーム型周期構造の縁部での周期境界条件に着目しておらず、マッシュルーム型周期構造の縁部から電磁波が食み出し、後方のグランドに向けた電界が生じ、その漏洩電磁波がアンテナ素子からの前方放射に影響を与えるという課題が残されていた。

【0011】

近年普及が拡大中のＩｏＴ／Ｍ２Ｍにおける無線端末の設置条件は、代表的なＬＰＷＡ（Low Power Wide Area:商標）システムに見られるように、金属装置に直接取り付ける場合や、近傍に金属部品や水などがある場所に設置するなど、アンテナに最適な設置場所を確保することが困難になっており、電波の送受信環境はアンテナに悪影響を与える最悪の環境になっているのが実情である。

【0012】

特許文献２はマッシュルーム型周期構造から後方への漏洩電磁波を抑止する手段が講じられていないため、前記グランドを装置のアンテナ搭載エリアの金属部分に接近させて搭載させた際に、前記漏洩電磁波が逆位相の反射波として前方向へ反射されてしまい、アンテナの利得の劣化を招くという課題がある。このため、特許文献２のアンテナを装置に装備する際に搭載箇所が限定されるという課題がある。

【0013】

本発明の目的は、メタマテリアル技術を応用してＥＢＧ反射板及びグランドのＥＢＧ構造体から漏洩する電磁波を抑制するアンテナ及びその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

一般に小さな反射板を有するアンテナは前後双方向（±ｚ方向）の電磁界を放射する。その双方向放射は反射板の反射面積の増加に伴い単方向放射へと変化するが、反射板面積の増加はアンテナ体積の増加を意味する。
本発明は、小さな反射面積を有しながら単方向に電磁界を放射するアンテナを提供するものである。

【0015】

具体的には、前記目的を達成するため、本発明に係るアンテナは、小形構造を有するアンテナであって、前後双方向に電磁界を放射するアンテナ素子と、前記アンテナ素子の後方への放射を前方へ反射するＥＢＧ反射板と、前記ＥＢＧ反射板から後方へ漏洩する電磁波を捕捉して抑制する誘電体層と、を有することを特徴とする。

【0016】

前記アンテナであって、前記誘電体層が前記ＥＢＧ反射板のグランドに対峙する金属面を有していることを特徴とする。

【0017】

前記アンテナであって、前記ＥＢＧ反射板の電磁波反射面を前記アンテナ素子の放射面より広く設定していることを特徴とする。

【0018】

前記アンテナであって、前記誘電体層の前記金属面が金属板からなる平面構造であることを特徴とする。

【0019】

前記アンテナであって、前記誘電体層は、前記ＥＢＧ反射板のグランドと前記金属板の間に誘電体を有し、放射を抑制しつつ前記漏洩電磁波を減衰させる構造であることを特徴とする。

【0020】

前記アンテナであって、前記アンテナ素子に放射面がパッチ状の逆Ｆアンテナ素子を用いたことを特徴とする。

【0021】

前記アンテナであって、前記誘電体層の前記金属面が、金属板からなる平面構造と、前記平面構造の縁部から立ち上げた側面構造の組合せからなるキャビティ構造であることを特徴とする。

【0022】

前記アンテナであって、前記アンテナ素子の放射面と前記ＥＢＧ反射板の反射面間の距離、及び前記誘電体層の厚さ寸法をそれぞれ１／４λ（λは使用周波数の波長）以下に設定したことを特徴とする。

【0023】

前記アンテナであって、前記ＥＢＧ反射板のグランドに沿わせて同軸ケーブルを配置し、前記同軸ケーブルの内部導線を前記アンテナ素子の給電部に接続し、且つ前記同軸ケーブルの外部導線を前記ＥＢＧ反射板のグランドに接続したことを特徴とする。

【0024】

前記アンテナであって、前記誘電体層の前記金属板の最小寸法を前記ＥＢＧ反射板のグランドの寸法とほぼ同一に設定したことを特徴とする。

【0025】

本発明に係る小形構造を有するアンテナの製造方法は、第１の誘電体基板を芯材に使用して前後双方向に電磁界を放射するアンテナ素子を形成する組立ステップと、第２の誘電体基板を芯材に使用して前記アンテナ素子の後方への放射を前方へ反射するＥＢＧ反射板を形成する組立ステップと、第３の誘電体基板を芯材に使用して前記ＥＢＧ反射板から後方へ漏洩する電磁波を捕捉して抑制する誘電体層を形成する組立ステップと、前記アンテナ素子と前記ＥＢＧ反射板と前記誘電体層を三層構造に積層する組立ステップとを、実施することを特徴とする。

【0026】

前記アンテナの製造方法であって、前記アンテナ素子の給電部及び接地部を前記ＥＢＧ反射板のグランドに向けて形成する組立ステップと、前記第２の誘電体基板と前記第３の誘電体基板の対面する端面の少なくとも一方の端面に、同軸ケーブルを受け入れて誘電体基板外に導出する座繰り、及び前記同軸ケーブルと前記アンテナ素子を結合する座繰りを形成する組立ステップと、前記同軸ケーブルを前記座繰りに受け入れて内部芯線を前記給電部に前記座繰り内で接続し、前記マッチング調節用接地部を前記ＥＢＧ反射板のグランドに前記座繰り内で接続する組立ステップと、を実施することを特徴とする。

【発明の効果】

【0027】

以上説明したように本発明によれば、前後双方向に電磁界を放射するアンテナ素子と、前記アンテナ素子の後方への放射を前方へ反射するＥＢＧ反射板と、前記ＥＢＧ反射板に対峙する金属面を有し前記ＥＢＧ反射板から後方へ漏洩する電磁波を捕捉して抑制する誘電体層と、を有している。
ＥＢＧ反射板の反射面積とアンテナ素子後方への放射量は反比例の関係にあるが、本発明は前記ＥＢＧ反射板を採用することにより、反射面積を縮小させ、且つ前記誘電体層を追加することにより、小さな反射面積を有しながら単方向に電磁界を放射することができるものである。

【0028】

さらに、本発明によれば、前記誘電体層を設けることにより、前記ＥＢＧ反射板から後方へ漏洩する電磁波を捕捉して抑制するため、装置のアンテナ搭載エリアに金属部分が存在してもアンテナを装置に接触させて搭載することができ、アンテナ搭載に課される制限を排除することができるばかりでなく、アンテナの実効高さ寸法を低く抑えて小形化を実現することができる。
さらに、小形化構造を維持して前記ＥＢＧ反射板から後方へ漏洩する漏洩電磁波を抑制することができ、前方向でのアンテナの利得低下のおそれがなく、安定した通信を実現することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明の実施形態に係るアンテナを示す斜視図である。

【図2】本発明の実施形態に係るアンテナを底面側から見た斜視図である。

【図3】図１のIII－III線に沿う断面図である。

【図4】本発明の実施形態に係るＥＢＧ反射板を示す平面図である。

【図5】本発明の実施形態におけるアンテナ素子とＥＢＧ反射板の関係を示す斜視図である。

【図6】本発明の実施形態に係るアンテナにおける一例の誘電体層を示す斜視図である。

【図7】（ａ）（ｂ）は本発明の実施形態に係るアンテナの仰角面内放射パターンをシミュレーションした結果を示す特性図である。

【図8】（ａ）（ｂ）は比較のため誘電体層を有しないアンテナの仰角面内放射パターンをシミュレーションした結果を示す特性図である。

【図9】本発明の実施形態に係るアンテナと比較のためのアンテナのＶＳＷＲ及び前方向における利得の周波数応答をシミュレーションした結果を示す特性図である。

【図10】本発明の実施形態に係るアンテナにおける他の例の誘電体層を示す断面図である。

【図11】本発明の実施形態に係るアンテナにおける他の例の誘電体層を示す斜視図である。

【図12】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は本発明に係るアンテナを誘電体基板毎に分解し製造方法の製造過程における誘電体基板の状態を示す斜視図である。

【図13】図１２に示す本発明の実施形態に係るアンテナへの給電構造の製造方法により製造したアンテナを示す斜視図である。

【図14】（ａ）は図１３に示す本発明の実施形態に係るアンテナの内部構造を示す断面図、（ｂ）はシミュレーションした放射パターンを示す特性図である。

【図15】（ａ）は、本発明の実施形態に係るアンテナを金属板上に設置した状態を示す平面図、（ｂ）はシミュレーションした放射パターンを示す特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下、本発明の実施形態を図に基づいて詳細に説明する。

【0031】

一般に小さな反射板を有するアンテナは前後双方向（±ｚ方向）の電磁界を放射するが、その双方向放射は反射板の反射面積の増加に伴い単方向放射へと変化する。そのため、反射板面積の増加はアンテナ体積の増加を意味する。すなわち、ＥＢＧ反射板の反射面積とアンテナ素子後方への放射量は反比例の関係にある。
本発明はアンテナの小形化構造を実現するため、メタマテリアル技術を応用したＥＢＧ反射板を設けることにより、ＥＢＧ反射板を設けない場合と比較して反射面積を縮小して小形化を実現し、さらにＥＢＧ反射板から後方へ放射する漏洩電磁波を抑制することにより、小さな反射面積を有しながら単方向に電磁界を放射させることを実現している。

【0032】

ＥＢＧ反射板の反射面積とアンテナ素子後方への放射量は反比例の関係にあるから、ＥＢＧ反射板を採用することによりアンテナの小形化を実現できるが、その反面、ＥＢＧ反射板の反射面積がＥＢＧ反射板を設けない場合と比較して縮小されているから、ＥＢＧ反射板から後方への漏洩電磁波の放射量が増加する。
従って、特許文献２に示すアンテナ素子の放射面積よりＥＢＧ反射板の反射面積を小さく設定するというメタマテリアル技術を採用すると、上述した反比例の関係から単方向への電磁波の放射を抑制することは不可能であり、縮小した反射面積分だけ漏洩電磁波の後方への放射を増加させてしまうことになる。

【0033】

そこで、本発明は、ＥＢＧ反射板の後方へ誘電体層を設け、その誘電体層でＥＢＧ反射板から後方へ放射する漏洩電磁波を抑制することにより、小さな反射面積を有しながら単方向に電磁界を放射させる、すなわち漏洩電磁波の後方への放射を抑制して小さな反射面積を有しながら単方向に電磁界を放射させることを実現している。

【0034】

本発明によれば、前記誘電体層を設けることにより、前記ＥＢＧ反射板から後方へ漏洩する電磁波を捕捉して抑制するため、装置のアンテナ搭載エリアに金属部分が存在してもアンテナを金属部分に接触させて搭載することができ、アンテナ搭載に課される制限を排除することができるばかりでなく、アンテナの実行高さ寸法を低く抑えて小形化を実現することができ、前記ＥＢＧ反射板から後方へ漏洩する漏洩電磁波を抑制することができ、前方向でのアンテナの利得を増加させることができるものである。

【0035】

具体的に説明すると、本発明の実施形態に係るアンテナは図１及び図３に示すように、小形構造を有するアンテナであって、前後双方向に電磁界を放射するアンテナ素子１と、アンテナ素子１の後方への放射を前方へ反射するＥＢＧ反射板２と、ＥＢＧ反射板２から後方へ漏洩する電磁波を捕捉して抑制する誘電体層４と、を有している。

【0036】

以下の説明では、アンテナ素子１にパッチ状平面による低姿勢構造の逆Ｆアンテナ素子を用いており、アンテナ素子１を逆Ｆアンテナ素子１として表記することにする。

【0037】

本発明の実施形態に係るアンテナは図１、図２及び図３に示すように、最上層に逆Ｆアンテナ素子１を配置し、その下層にＥＢＧ反射板２を配置し、さらにその下層に誘電体層４を配置した３層構造として構築している。

【0038】

図１、図２及び図３に示すように、逆Ｆアンテナ素子１のパッチ状放射面１ａは誘電体基板５の上面に形成し、誘電体基板５の下面にＥＢＧ反射板２を配置している。さらに図１、図２及び図３に示すように、誘電体基板５の下層に誘電体基板６を配置し、誘電体基板６の下面にグランド３を形成している。

【0039】

本発明の実施形態に係る逆Ｆアンテナ素子１を更に詳細に説明すると、逆Ｆアンテナ素子１は図１、図３及び図５に示すように、誘電体基板５の上面に形成したパッチ状放射面１ａと、誘電体基板５を上下に貫通して上端でパッチ状放射面１ａに接続した給電部１ｂと、誘電体基板５を上下に貫通して上端でパッチ状放射面１ａに接続すると共に下端でグランド３に接続したマッチング調節用接地部１ｃから構成されている。逆Ｆアンテナ素子１の給電線１ｂに後述の同軸ケーブル１２の内部導線１２ａを接続し、且つマッチング調節用接地部１ｃに後述の同軸ケーブル１２の外部導線１２ｂに接続することにより、逆Ｆアンテナ素子１に送信用データを伝送し、逆Ｆアンテナ素子１で受信した受信データを同軸ケーブル１２を介して外部に取り出すように構成されている。

【0040】

誘電体基板５は厚さＢ、比誘電率εｒの特性を有しており、使用周波数が５．１５ＧＨｚの場合、厚さＢを１．６ｍｍ、比誘電率εｒを２．３３に設定する。ただし、使用周波数は５．１５ＧＨｚに限定されるものではなく、同様に、厚さＢ＝１．６ｍｍ、比誘電率εｒ=２．３３に限定されるものではない。
誘電体基板６は厚さＢ、比誘電率εｒの特性を有しており、使用周波数が５．１５ＧＨｚの場合、厚さＢを１．６ｍｍ、比誘電率ε２を２．６に設定する。ただし、使用周波数は５．１５ＧＨｚに限定されるものではなく、同様に、厚さＢ＝１．６ｍｍ、比誘電率εｒ=２．３３に限定されるものではない。使用周波数の波長をλとすると、厚さ１．６ｍｍは約１／３６．４λとなる。

【0041】

以上の寸法関係から明らかなように、誘電体基板５及び６の厚さＢは使用周波数の波長λに関係つけられており、誘電体基板５，６の厚さは使用周波数の波長λの約１／４λ以下に設定することが望ましいものであり、使用（設計）周波数の波長をλとした場合、小型化を実現するには、１／１０λ以下にすることが特に望ましいものである。

【0042】

上述したように、誘電体基板５の厚さＢは１／４λ以下に設定されているから、アンテナ素子１の放射面１ａがＥＢＧ反射板２の反射面２ａに接近して配置されることになり、アンテナ素子１の放射面１ａがＥＢＧ反射板２の反射面２ａの間の距離は１／４λ以下に設定されている。

【0043】

逆Ｆアンテナ１の給電部１ｂ及び接地部１ｃは図５に示すように、ＥＢＧ反射基板２（後述の反射素子２ｂ）から絶縁して誘電体基板６を上下に貫通している。

【0044】

図１に示す実施形態では、アンテナ素子１として逆Ｆアンテナ素子を用いたが、これに限られるものではなく、直線状放射型のアンテナ素子、直線偏波あるいは円偏波の電磁波を放射するアンテナであってもよく、逆Ｆアンテナに限られるものではなく、要は前後双方向に電磁波を放射する構成であれば、いずれのものであっても良いものである。

【0045】

ＥＢＧ反射板２を具体的に説明する。ＥＢＧ反射板２は逆Ｆアンテナ素子１から後方への放射電磁波を前方（+ｚ方向）に反射させる反射面２ａを形成する反射素子２ｂと、誘電体基板６を上下に貫通して反射面２ａとグランド３を接続しているビア２ｃを有している。

【0046】

反射面２ａを形成する反射素子２ｂは図１、図３及び図４に示すように、誘電体基板６の上面に周期的に配列して相互間を電気的に絶縁して６個形成してある。複数の反射素子２ｂは誘電体基板６に上下方向に貫通させて形成したビア２ｃによりグランド３に並列に接続されており、反射素子２ｂ及びビア２ｃ並びにグランド３がマッシュルーム形素子を構成している。

【0047】

周期的に配列したマッシュルーム形素子は人工的な磁気壁を形成することになり、この人工的な磁気壁は逆Ｆアンテナ素子１から後方へ放射される電磁波を前方へ反射させるＥＢＧ反射板２を形成している。

【0048】

本発明の実施形態においては、ＥＢＧ反射板２を採用することにより、ＥＢＧ反射板２を設けない場合と比較してアンテナ素子１から後方へ放射される放射電磁波を前方向（+ｚ方向）に反射させる反射面２ａの面積を縮小させている。ＥＢＧ反射板２を設けた分だけＥＢＧ反射板２の反射面２ａの面積を縮小させているが、ＥＢＧ反射板２の反射面２ａの面積とアンテナ素子１の放射面１ａから後方への放射量が反比例の関係にあるから、アンテナ素子１の放射面１ａから後方への放射量を可及的速やかに減少させるため、ＥＢＧ反射板２の反射面２ａの面積Ｓ１をアンテナ素子１の放射面１ａの面積Ｓ２より広く設定している。

【0049】

図に示す実施形態ではＥＢＧ反射板２の反射素子２ｂを誘電体基板６上に６個に形成しているが、ＥＢＧ反射板２の反射素子２ｂの設置個数は６個に形成されるものではなく、また図に示すＥＢＧ反射基板２の反射素子２ｂは正方形に成形したが、これに限られるものではなく、長方形あるいは多角形等に成形してもよく、図に示す形状に限られるものではない。複数のＥＢＧ反射板２の反射素子２ｂは図４に示すように、相互間を絶縁して誘電体基板６の上面に形成している。

【0050】

本発明の実施形態は、ＥＢＧ反射板２に対峙させて金属面４ａを有する誘電体層４を有しており、ＥＢＧ反射板２から後方へ漏洩する電磁波を捕捉して抑制することにより、アンテナ素子１の前方向（+ｚ方向）でのアンテナの利得増加を実現させている。

【0051】

誘電体層４の構造を詳細に説明する。誘電体層４は図１、図２、図３及び図６に示すように、ＥＢＧ反射板２のグランド３に対峙させた金属面４ａを形成する平坦な金属板７を有しており、この金属板７により平面構造の金属面４ａを形成している。図３に示すように、金属板７の最小寸法はグランド３の寸法とほぼ同一寸法に設定している。これらの寸法設定はアンテナのインピーダンスを安定化させるものであり、そのインピーダンスが安定する範囲内では、金属板７の寸法をグランド３の寸法より拡大させても良いものである。

【0052】

次に、誘電体層４の実施形態を図３、図４、図６、図９、図１０及び図１１に基づいて詳細に説明する。

【0053】

図３、図６に示す実施形態に係る誘電体層４は、誘電体基板９の上面にグランド３を形成し、その下面に平坦な金属板７を形成することにより、ＥＢＧ反射板２のグランド３と金属板７の間に誘電体である誘電体基板９を有し、ＥＢＧ反射板２から漏洩する漏洩電磁波を捕捉して減衰させる構造を構築している。
誘電体基板９は厚さＢ、比誘電率εｒの特性を有しており、使用周波数が５．１５ＧＨｚの場合、厚さＢを１．６ｍｍ、比誘電率εｒを２．３３に設定する。ただし、使用周波数は５．１５ＧＨｚに限定されるものではなく、同様に、厚さＢ＝１．６ｍｍ、比誘電率εｒ=２．３３に限定されるものではない。
また、金属板７はグランド３に対峙する端面が平坦面であればよく、反対面に凹凸等が存在する場合であっても良いものである。設計（使用）周波数の波長をλとすると、厚さ１．６ｍｍは約１／３６．４λとなる。

【0054】

以上の寸法関係から明らかなように、誘電体基板９の厚さＢは使用周波数の波長λに関係つけられており、誘電体基板９の厚さは使用周波数の波長λの約１／４λ以下に設定することが望ましいものであり、使用（設計）周波数の波長をλとした場合、小型化を実現するには、１／１０λ以下にすることが特に望ましいものである。

【0055】

上述したように、誘電体基板９の厚さＢは１／４λ以下に設定され、その誘電体基板９を挟んでグランド３及び金属板７が形成されているから、誘電体層４の厚さ寸法が約１／４λ以下に設定されることになる。

【0056】

図１０及び図１１に示す実施形態に係る誘電体層４は、誘電体基板９の下面に形成した平坦な金属板７からなる平面構造の金属面４ａと、金属板７の周縁をグランド３側に立ち上げた側壁１０からなる金属面４ｂの組合せからなるキャビティ構造１１を構成している。

【0057】

図１０及び図１１に示す実施形態に係る誘電体層４は、グランド３側に側壁１０を立ち上げて両者間に隙間ｄを確保し、誘電体基板９の比誘電率εと隙間ｄの関係に基づいてＥＢＧ反射板２から漏洩した電磁波を捕捉して抑制している。キャビティ構造１１内はエネルギー密度が高く、金属板７及び側壁１０並びにグランド３の表面を漏洩電磁波が流れることによるジュール損失と電界による誘電体内の誘電体損失による熱損失等が大きくなり、ＥＢＧ反射板２から漏洩する漏洩電磁波のエネルギーが熱に変換されて減衰される。

【0058】

図３及び図６に示す実施形態に係る誘電体層４による漏洩電磁波の抑制効果をシミュレーションした結果に基づいて説明する。

【0059】

図３に示すように、逆アンテナ素子１の給電部１ｂから励振させている。その励振周波数を５．１５ＧＨｚに設定し、誘電体基板５の厚さＢを１．６ｍｍ、比誘電率εｒを２．３３に設定し、誘電体基板６の厚さＢを１．６ｍｍ、比誘電率εｒを２．６に設定している。さらに、誘電体基板９の厚さＢを誘電体基板５及び誘電体基板６の厚さと同一に設定している。

【0060】

図７（ａ）（ｂ）は、本発明の実施形態に係るアンテナの仰角面内放射パターンをシミュレーションした結果を示す特性を示している。図８（ａ）（ｂ）は、比較のため誘電体層４を装備していないアンテナの仰角面内放射パターンをシミュレーションした結果を示している。

【0061】

図７（ａ）に示す実線が本発明の実施形態に係るアンテナにおける電界のθ方向成分Ｅθを、図７（ｂ）に示す点線が本発明の実施形態に係るアンテナにおける電界のφ方向成分Ｅφを表している。

【0062】

図８（ａ）に示す実線が比較用のアンテナにおける電界のθ方向成分Ｅθを、図８（ｂ）に示す点線が比較用の従来のアンテナにおける電界のφ方向成分Ｅφを表している。

【0063】

図７に示すように、本発明の実施形態の誘電体層４を追加装備したアンテナの仰角面内放射パターンから明らかなように、ＥＢＧ構造体から後方（-ｚ方向）への放射が抑制されていることがわかる。

【0064】

さらに、アンテナ素子１の前方向（+ｚ方向）での利得が約２．２ｄＢ増加しており、使用周波数５．１５ＧＨｚにおける利得が約５．９ｄＢｉであった。利得の３ｄＢ降下周波数比帯域幅は約２０％であった。

【0065】

図９のＰ１は本発明の実施形態に係るアンテナにおける電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数応答を示しており、図９のＰ２は比較用のアンテナにおける電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数応答を示している。

【0066】

アンテナにおいては電圧定在波（ＶＳＷＲ）が２以下であることが要求される。本発明の実施形態に係るアンテナは図９から明らかなように、設計周波数５．１５ＧＨｚ周辺において、ＶＳＷＲは２以下である。さらに、本発明の実施形態では図９から明らかなように、ＶＳＷＲが２以下となる周波数比帯域幅を約７％である。

【0067】

次に、本発明に係るアンテナにおけるアンテナ素子１への給電構造を図１３及び図１４に基づいて説明する。

【0068】

図１３及び図１４（ａ）に示すように、同軸ケーブル１２によりアンテナ素子１への給電を実施している。図１３に示すように、同軸ケーブル１２はＥＢＧ反射板２のグランド３に沿わせて配置し、同軸ケーブル１２の内部導線１２ａをアンテナ素子１の給電部１ｂに接続し、且つ同軸ケーブル１２の外部導線１２ｂをＥＢＧ反射板２のグランド３に接続している。

【0069】

同軸ケーブル１２は、ＥＢＧ反射板２のグランド３に沿わせて誘電体基板６及び誘電体基板９の合せ面から外部に導出させている。同軸ケーブル１２の導出方向Ｈは図１３に示すように図示した方向に特定されるものではない。

【0070】

次に、本発明に係るアンテナの製造方法を図１２に基づいて説明する。図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）はアンテナの製造方法の製造過程における分解した誘電体基板の状態を図示している。図１２（ａ）はアンテナ素子１を形成する誘電体基板５を斜め方向から見た状態を図示している。図１２（ｂ）はＥＢＧ反射板２及びグランド３を形成する誘電体基板６を斜め方向から見た状態を図示している。図１２（ｃ）は図１２（ｂ）の誘電体基板６を回転軸ｘの周りにグランド３が上向きになる姿勢に回転させて斜め方向から見た状態を図示している。図１２（ｄ）は誘電体層４を形成する誘電体基板９を斜め方向から見た状態を図示している。

【0071】

図１２（ａ）に示すように、第１の誘電体基板を芯材に使用して前後双方向に電磁界を放射するアンテナ素子１を形成する組立ステップを実施する。具体的に説明すると、図１２（ａ）に示すように、第１の誘電体基板としての誘電体基板５の上面に逆Ｆアンテナ素子１のパッチ状放射面１ａを形成する。一例としてエッチング処理によりパッチ状放射面１ａを誘電体基板５の上面に形成する。

【0072】

その後、誘電体基板５のパッチ状放射面１ａ内に図１２（ｂ）に示す誘電体基板６に達するスルーホールＴ１，Ｔ２を開口する。１つのスルーホールＴ１は逆Ｆアンテナ素子１の給電部１ｂを形成するためのものであり、残りのスルーホールＴ２は逆Ｆアンテナ素子１のマッチング調節用接地部１ｃを形成するためのものである。

【0073】

図１２（ｂ）（ｃ）に示すように、第２の誘電体基板を芯材に使用してアンテナ素子１の後方への放射を前方へ反射するＥＢＧ反射板２を形成する組立ステップを実施する。具体的に説明すると、図１２（ｂ）に示すように、第２の誘電体基板としての誘電体基板６の上面にＥＢＧ反射板２の反射面２ａを構成する６個の反射素子２ｂを形成する。６個の反射素子２ｂの相互間を絶縁している。一例として、エッチング処理により６個の反射素子２ｂを誘電体基板６の上面に形成する。また、エッチング処理により隣接する反射素子２ｂ間を切り離して絶縁している。また、エッチング処理により誘電体基板５のスルーホールＴ１，Ｔ２に対応する部位にスペース１７を隣接する反射素子２ｂから切り離して形成する。

【0074】

図１２（ｃ）に示すように、誘電体基板６の反射素子２ｂを形成する面と反対側の面にグランド３を全面に形成する。

【0075】

図１２（ｂ）に示すように、反射素子２ｂを形成した後、或いは反射素子２ｂを形成する際、各々の反射素子２ｂ内に図１２（ｂ）（ｃ）に示すように誘電体基板６を上下に貫通するスルーホールＴ３を開口し、図１２（ｂ）に示すスペース１７内に図１２（ａ）に示す誘電体基板５のスルーホールＴ１，Ｔ２に連通させてスルーホールＴ４，Ｔ５を誘電体基板６の上下に貫通させて開口する。

【0076】

図１２（ｃ）に示すように、誘電体基板６の反射素子２ｂを形成した面と反対側の面上にグランド３を全面に形成する。図１２（ｃ）に示すように、グランド３を形成する際、誘電体基板６のスルーホールＴ４の部位にスペース１８を形成し、誘電体基板６のスルーホールＴ４の開口部位をグランド３から切り離して絶縁している。図１２（ｃ）に示すように、グランド３を形成する際、スルーホールＴ５の開口端がグランド３に接続した状態でスルーホール５を誘電体基板６に形成する。

【0077】

図１２（ｂ）（ｃ）に示すように、誘電体基板６のスルーホールＴ３内に金メッキを充填させて誘電体基板６にビア２ｃを形成し、誘電体基板６の複数の反射素子２ｂをグランド３にビア２ｃで並列に接続する。ここに、図１２（ｂ）（ｃ）に示す誘電体基板６の反射素子２ｂ，ビア２ｃ及びグランド３がマッシュルーム形素子のＥＢＧ反射板２を構成している。

【0078】

図１２（ａ）に示す誘電体基板５のスルーホールＴ１，Ｔ２及び図１２（ｂ）に示す誘電体基板６のスルーホールＴ４，Ｔ５内に金メッキを充填させて誘電体基板５及び６に図３に示す給電部１ｂ及びマッチング調節用接地部１ｃを形成する。スペース１７が誘電体基板６に確保してあるため、給電部１ｂ及びマッチング調節用接地部１ｃは反射素子２ｂから絶縁している。スペース１８が誘電体基板６に確保されているため、給電部１ｂは誘電体基板６のグランド３から絶縁している。スルーホールＴ５の開口端がグランド３に接続しているため、マッチング調節用接地部１ｃがグランド３に接続した状態で形成する。

【0079】

従って、給電部１ｂは図３及び図１３に示すように、上端が図１２（ａ）に示すパッチ状放射面１ａに接続しており、下端がグランド３から絶縁している。マッチング調節用接地部１ｃは図３及び図１３に示すように、上端が図１２（ｂ）に示す反射素子２ｂに接続し、下端がグランド３に接続している。
ここに、パッチ状放射面１ａ，給電部１ｂ及びマッチング調節用接地部１ｃがアンテナ素子１を構成している。図１３に示すアンテナ素子１は逆Ｆアンテナ素子を使用しているが、アンテナ素子１は前後方向に電磁波を放射する構成であれば逆Ｆアンテナ素子以外のアンテナ素子を用いても良いものである。

【0080】

図１２（ｄ）に示すように、第３の誘電体基板を芯材に使用してＥＢＧ反射板２から後方へ漏洩する電磁波を捕捉して抑制する誘電体層４を形成する組立ステップを実施する。具体的に説明すると、図１２（ｄ）に示すように、第３の誘電体基板としての誘電体基板９の一面に金属面４ａを全面に形成する。
図１２（ｄ）の実施形態では、誘電体基板９の金属面４ａを金属板７により構成している。金属板７は誘電体基板９に金メッキをする或いは金属箔を張り付ける等により形成する。

【0081】

以上の組立ステップを経たのち、アンテナ素子１とＥＢＧ反射板２と誘電体層４を三層構造に積層する組立ステップを実施する。具体的に説明すると、図１２（ｄ）に示すように金属板７を下面側に位置させて誘電体基板９上に、図１２（ｂ）に示すように反射素子２ｂを上面側に位置させて誘電体基板６に積層する。
積層の際、誘電体基板６のスルーホールＴ３内の金メッキと誘電体基板９のグランド３が接続するように位置決めして誘電体基板６と誘電体基板９を積層させて両者間を接合する。
積層の際、誘電体基板５のスルーホールＴ１，Ｔ２の金メッキと誘電体基板６のスルーホールＴ４，Ｔ５内の金メッキを位置決めして誘電体基板５と誘電体基板６を接合する。
三層構造に積層した際、誘電体基板６のスルーホールＴ５内の金メッキが誘電体基板６のグランド３に接続し、誘電体基板６のスルーホールＴ４内の金メッキがスペース１８によりグランド３から切り離して位置することになる。

【0082】

なお、図示した実施形態では、スルーホールＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５を誘電体基板５，６，９毎に形成したが、これに限られるものではなく、誘電体基板５，６，９を積層した段階でこれらの誘電体基板５，６，９を渡って連続して形成し、それらのスルーホールＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５に連続して金メッキを充填するようにしても良いものである。
図示した実施形態では、誘電体基板５にアンテナ素子１を複数形成し、誘電体基板６にＥＢＧ反射板２を誘電体基板５のアンテナ素子１に対応させて複数形成し、誘電体基板５，６，９を積層した状態でアンテナ素子１を単位として個々に分離してアンテナを構築するようにしても良いものである。
組立ステップを記述した順番で行う必要はなく、誘電体基板５にアンテナ素子１を形成する組立ステップと、誘電体基板６にＥＢＧ反射板２を形成する組立ステップと、誘電体基板９に誘電体層４を形成する組立ステップとを製造効率を考慮して順次変更して実施することは可能である。

【0083】

次に、アンテナ素子１に同軸ケーブル１２を接続する構造の製造過程における誘電体基板の状態を図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）に基づいて説明する。

【0084】

図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、アンテナ素子１の給電部１ａ及びマッチング調節用接地部１ｂをＥＢＧ反射板２のグランド３に向けて形成する組立ステップを実施する。具体的には記述したように図１２（ａ）に示す誘電体基板５及び図１２（ｂ）に示す誘電体基板６のスルーホールＴ１，Ｔ２，Ｔ４，Ｔ５を形成し、そのスルーホールＴ１，Ｔ２，Ｔ４，Ｔ５内に金メッキを充填し、アンテナ素子１のパッチ状放射面１ａに接続した給電部１ｂ及びマッチング調節用接地部１ｃを図１２（ｄ）に示す誘電体基板９のグランド３に向けて形成する。

【0085】

図１２（ｂ）に示すように、誘電体基板６の反射素子２ｂと反対側の面に同軸ケーブル１２を受け入れる座繰り１４を形成し、アンテナ素子１の給電部１ｂに達する座繰り１３を座繰り１４に連通させて誘電体基板６に形成する。
図１２（ｃ）に示すように、誘電体基板９のグランド３を形成した面に同軸ケーブル１２を受け入れる座繰り１４を形成し、アンテナ素子１の給電部１ｂを受け入れる座繰り１３を座繰り１４に連通させて誘電体基板６に形成する。図１２（ｄ）に示すように、誘電体基板９の座繰り１３の端部を誘電体基板９のスペース１８内に開口し、座繰り１４内にパーツ１５をグランド３に接続して装着する。

【0086】

図１３に示すように、誘電体基板６の座繰り１４と誘電体基板９の座繰り１４で同軸ケーブル１２を挟んで支持するとともに、同軸ケーブル１２を誘電体基板９のグランド３に沿って外部に導出する。
図１２（ｂ）に示す誘電体基板６の座繰り１３及び図１２（ｃ）に示す誘電体基板９の座繰り１３内に同軸ケーブル１２の内部導線１２ａを受け入れ、誘電体基板９の座繰り１３が開口したスペース１８内で同軸ケーブル１２の内部導線１２ａをアンテナ素子１の給電部１ｂに接続する。
図１２（ｄ）に示すように、誘電体基板９のパーツ１５に同軸ケーブル１２の外部導線１２ｂを接続し、同軸ケーブル１２の外部導線１２ｂをパーツ１５でグランド３に接続する。同軸ケーブル１２の外部導線１２ｂをパーツ１５でグランド３に接続した際、パーツ１５と外部導体１２ｂの半田付け箇所を誘電体基板９に形成した逃げ部１９内に収めることにより、誘電体基板６と誘電体基板９を密着させる。

【0087】

実施形態では、パーツ１５を介して同軸ケーブル１２を取り付ける構造を図示したが、パーツ１５の誘電体基板６への食い込み量を制御することによりパーツ１５による影響を抑制することが望ましいものである。また、パーツ１５を用いる接続構造に限られるものではなく、点付け接合あるいは圧着接合等により同軸ケーブルとアンテナ素子を接合するようにしても良いものである。

【0088】

以上の製造過程を経て図１３に示すアンテナが完成する。

【0089】

図１２及び図１３に示す実施形態では、座繰り１３，１４を誘電体基板６及び誘電体基板９の双方に形成したが、これに限られるものではなく、図１２（ｂ）に示す誘電体基板６と図１２（ｃ）に示す誘電体基板９の対面する端面の少なくとも一方の端面に、同軸ケーブル１２を受け入れて誘電体基板５，６外に導出する座繰り１４、及び同軸ケーブル１２とアンテナ素子１を結合する座繰り１３を形成しても良いものである。

【0090】

図１２及び図１３に示す製造過程を経て図１４（ａ）に示すアンテナが完成する。図１４（ａ）に示すアンテナの放射パターンをシミュレーションした結果を図１４（ｂ）に示す。
図１４（ａ）と図７（ａ）に示す特性を比較すると明らかなように、図１４（ａ）に示す同軸ケーブル１２を用いた給電構造でアンテナ素子１に給電を実施しても、実用可能な範囲の放射パターンを得ており、図１４（ａ）に示す給電構造を採用することによる課題を生じることはないものである。

【0091】

図１４（ａ）に示す同軸ケーブル１２による給電構造を採用した本発明の実施形態に係るアンテナを図１５（ａ）に示すように外部の金属板１６に直に搭載した場合をシミュレーションした結果を図１５（ｂ）に示す。
図１５（ａ）と図７（ａ）に示す特性を比較すると明らかなように、図１５（ａ）に示す同軸ケーブルを用いた給電構造を装備したアンテナ素子１を外部の金属板（金属装置）に直に搭載しても、実用可能な範囲の放射パターンを得ており、図１５（ａ）に示す給電構造を採用することによる課題を生じることはないものである。

【0092】

代表的なＬＰＷＡ（Low Power Wide Area:商標）システムに見られるように、金属装置に直接取り付ける場合や、近傍に金属部品や水などがある場所に設置することができ、常に安定したアンテナの設置を実現できることになる。

【0093】

以上のシミュレーションした結果から、本発明の実施形態の誘電体層４を追加装備することにより、後方（-ｚ方向）への放射を抑制することができ、前方向（+ｚ方向）の利得を約２．２ｄＢ増加することが分かった。

【0094】

以上の結果は図１０及び図１１に示す本発明の実施形態の誘電体層４を追加装備したアンテナにおいても同様の傾向を示している。

【0095】

以上のように、本発明の実施形態によれば、ＥＢＧ構造体から漏洩するする漏洩電磁波が誘電体層により捕捉して抑制することにより、ＥＢＧ構造体からの漏洩電磁波が減衰されることにより、アンテナ素子から前方に放射される電磁波に影響を与えることはなく、且つ所望の放射パターンを確保することができ、アンテナ素子の利得低下のおそれがなく、安定した通信を実現することができるものである。

【0096】

さらに、アンテナ素子とＥＢＧ反射板の間隔、ＥＢＧ反射板とグランドの間隔及びグランドと金属板の間隔を１／４λ（λ：使用周波数の波長）以下に設定することにより、アンテナ素子と誘電体層の金属面の間隔を狭くすることができ、アンテナの低姿勢化に寄与することができる。

【0097】

さらに、本発明の実施形態は、ＥＢＧ構造体から漏洩する漏洩電磁波を誘電体層で抑止している。
近年普及が拡大中のＩｏＴ／Ｍ２Ｍにおける無線端末の設置条件は、代表的なＬＰＷＡ（Low Power Wide Area:商標）システムに見られるように、金属装置に直接取り付ける場合や、近傍に金属部品や水などがある場所に設置するなどが要求されるが、本発明の実施形態では、誘電体層の金属板を金属装置に接近させて搭載させる、或いは誘電体層の金属板を金属装置に接触させて搭載しても、漏洩電磁波によるアンテナの利得への影響が抑制することができ、電波の送受信環境に左右されることがなく設置することができる。

【産業上の利用可能性】

【0098】

本発明によれば、低姿勢化の設置条件を満たすことができるばかりでなく、近年普及が拡大しているＩｏＴ／Ｍ２Ｍにおける無線端末の設置条件を大幅に緩和することができるという利点を有している。

【符号の説明】

【0099】

１ アンテナ素子
１ａ パッチ状放射面
１ｂ 給電部
１ｃ マッチング調節用接地部
２ ＥＢＧ反射板
２ａ ＥＢＧ反射板の反射面
３ グランド
４ 誘電体層
４ａ 金属面
５，６，９ 誘電体基板
７ 金属板
１０ 側壁
１１ キャビティ構造

【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】