アンテナ装置
【課題】小形で高い利得が得られるアンテナ装置を手頃な価格で提供する。
【解決手段】誘電体層１０の前面にアンテナパターン１１が形成され、裏面にグランド層１２が形成され、厚み部分に給電ピン１３が挿入されて成るアンテナ基板１を有するアンテナ装置において、アンテナパターン１１の直径Ａが当該パターンに流れるＲＦ信号の波長λの１／２になるようにする一方、誘電体板１０の一辺の長さＢをλより短くする。グランド層１２には、複数のスペーサ３を介して金属製プレート２が連結される。スペーサ３も金属製であるため、金属製プレート２はグランド層１２に対して電気的にも接続された状態となる。電界の発生によりグランド層に流れた電流は各スペーサ３や金属製プレート２の一部に伝搬し、その伝搬範囲の金属がグランド層１２に連続するグランドとして機能する。
【解決手段】誘電体層１０の前面にアンテナパターン１１が形成され、裏面にグランド層１２が形成され、厚み部分に給電ピン１３が挿入されて成るアンテナ基板１を有するアンテナ装置において、アンテナパターン１１の直径Ａが当該パターンに流れるＲＦ信号の波長λの１／２になるようにする一方、誘電体板１０の一辺の長さＢをλより短くする。グランド層１２には、複数のスペーサ３を介して金属製プレート２が連結される。スペーサ３も金属製であるため、金属製プレート２はグランド層１２に対して電気的にも接続された状態となる。電界の発生によりグランド層に流れた電流は各スペーサ３や金属製プレート２の一部に伝搬し、その伝搬範囲の金属がグランド層１２に連続するグランドとして機能する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信用のアンテナ装置、特に、パッチアンテナの構成を具備するアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パッチアンテナ用のアンテナ基板は、誘電体板の一方の面にアンテナパターンとして機能する導電層が形成され、他方の面にグランド層が形成された構成をとる。アンテナパターンは、アンテナ基板の厚み部分に挿入された給電ピンに電気接続され、給電ピンは、ＲＦ信号（高周波信号）を伝送する同軸ケーブルに電気接続される。同軸ケーブルからのＲＦ信号が給電ピンを介してアンテナパターンに供給されると、アンテナパターンとグランド層との間に電界が発生して、電波が放射される。
【０００３】
特許文献１には、上記の基本的なアンテナ基板の構成が、従来技術として開示されている。さらに特許文献１には、アンテナ基板の裏面にグランド層を設けずに、一端縁に凸段部を有するフレキシブル基板を一体に接合し、このフレキシブル基板の裏面に、マイクロストリップラインとグランド層とをそれぞれ凸段部まで延出させて、凸段部を同軸ケーブルの接続用のリード部として機能させることが記載されている。
【０００４】
また特許文献２には、天面にアンテナパターン（同文献ではパッチ電極と記載。）が設けられた誘電体板と、アンテナパターンと電気的に接続された高周波回路が搭載されている回路基板と、この回路基板を収納するシールドケースとを具備するアンテナ装置において、シールドケースの天板部を誘電体板の底面の周囲に張り出させ、高周波回路に高周波信号を給電することにより、シールドケースをグランドとして機能させることが、記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−３３７９０７号公報
【特許文献２】特開２００４−７２３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パッチアンテナで電波を効率良く放出するには、アンテナパターンの幅を、電波の波長の半分の長さに設定すると共に、アンテナパターンに対するグランド層の張り出し幅（アンテナパターンの端縁より外側の部分の幅をいう。）を十分に大きくする必要がある。具体的には、グランド層の張り出し幅は、アンテナパターンの幅の１／２以上は必要であるとされる。したがって、誘電体板の各辺には、少なくとも電波の波長に相当する長さ（すなわちアンテナパターンの幅の２倍）を設定するのが望ましいと考えられる。
【０００７】
近年、ＲＦＩＤシステムの普及に伴い、より小形のアンテナ装置が求められているが、小形であっても、十分な強度の電波を放射する必要がある。
【０００８】
上記したように、アンテナパターンやアンテナ基板のサイズは電波の波長を考慮して定められるが、アンテナ基板における電波の波長は、誘電体による波長短縮効果によって短縮される。波長の短縮効果は誘電率が高いほど大きくなるので、誘電率が高い材料により誘電体板を製作すれば、電波の波長が大幅に短縮され、短縮された波長に合わせて誘電体板を小形にすることができる。
【０００９】
しかしながら、誘電率が高い基板を使用すると開口面積が小さくなるため、利得が小さくなる。利得を高めるには、誘電体板を大きくする必要があるが、それでは小形化を実現できない。また誘電率の高い材料を使用すると、コスト高になるという問題も生じる。
一方、誘電率の低い材料による誘電体板を使用すれば、利得を高め、コストを下げることができるが、電波の波長を十分に短縮できないため、誘電体板を小形にするのは、やはり困難である。
【００１０】
このように、従来型のアンテナ装置では、小形化と高利得との双方を実現するのは困難である。本発明は、この問題に着目してなされたもので、小形で高い利得を得られるアンテナ装置を手頃な価格で提供することを、課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によるアンテナ装置は、誘電体板の一方の面にアンテナパターンが形成され、他方の面にグランド層が形成され、厚み部分にアンテナパターンへの給電のための給電ピンが配備されて成るアンテナ基板を具備するもので、アンテナ基板のグランド層の形成面側に金属製プレートが対向配備されると共に、金属製プレートとグランド層とが複数の金属製のスペーサを介して連結されかつ電気接続されていることを、特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、電界の発生によってグランド層に流れた電流が各スペーサや金属製プレートにも伝搬し、この電流の伝搬範囲の金属がグランド層に連なるグランドとして機能するので、アンテナパターンに対するグランド層の張り出し幅が十分でなくとも、放射効率を十分に高めることができる。よって、誘電率が比較的低いため、誘電体による波長の短縮効果が低い材料により誘電体板が製作される場合でも、誘電体板の一辺の長さを電波の波長より短くすることが可能になり、アンテナ基板を小形化することができる。また、誘電率の低い材料を使用すれば、基板が小さくなっても、アンテナパターンを大きくすることができる。すなわち、開口面積を大きくすることができるため、高い利得を確保することができる。さらに、コストを削減することも可能になる。
【００１３】
特許文献２に記載された発明は、誘電体板の下方のシールドケースにグランドの機能を補完させているが、誘電体板の全面をシールドケースに密着させており、本発明の特徴は何ら示されていない。また、特許文献２に記載された発明では、シールドケース内に回路基板を配備して、その基板を介して同軸ケーブルと給電ピンとを接続しており、構成が大変複雑になる。これに対し、本発明では、アンテナ基板と金属製プレートとをスペーサを介して連結することで足り、シンプルな構成となる。
【００１４】
また、以下に述べるように、アンテナ基板と金属製プレートとの間の隙間に同軸ケーブルを挿入して、アンテナ基板に接続することができるので、同軸ケーブルを装置の背面に突出させずに済む。よって、壁面などへの取り付けを容易にすることができる。
【００１５】
上記のアンテナ装置の一実施形態では、誘電体板のグランド層の形成面には、給電ピンへの接続箇所を含む所定範囲にグランド層から離れた導体パターンが形成される。また、アンテナ基板と金属製プレートとの間の隙間に同軸ケーブルが挿入され、この同軸ケーブルの内導体が上記の導体パターンに、外導体がグランド層に、それぞれ接続される。
【００１６】
上記のアンテナ装置の他の実施形態では、誘電体板のグランド層の形成面には、給電ピンへの接続箇所を含む所定範囲にグランド層から離れた第１の導体パターンが形成され、第１の導体パターンの近傍に第１の導体パターンおよびグランド層から離れた第２の導体パターンが形成される。さらに、第１および第２の導体パターンはコンデンサを介して直列に接続される。アンテナ基板と金属製プレートとの間の隙間には同軸ケーブルが挿入され、この同軸ケーブルの内導体が第２の導体パターンに、外導体がグランド層に、それぞれ接続される。
【００１７】
アンテナの利得は誘電体板の体積が大きくなるほど高められるので、誘電体板の面積を変更することなく利得を確保するには、誘電体板の厚みを増やす必要がある。しかし、基板の厚みを増やすと、給電ピンの長さによるリアクタンス成分が生じるため、この成分を打ち消す回路が必要になる。
【００１８】
上記の実施形態は、この問題を考慮して、同軸ケーブルの内導体と給電ピンとを、インピーダンス変換用のコンデンサを介して直列に接続したものである。このコンデンサにより給電ピンのリアクタンス成分を打ち消して、アンテナ基板におけるＲＦ信号の経路のインピーダンスを同軸ケーブルのインピーダンスに整合させることができる。よって、放射効率を低下させることなく、基板の厚みによって利得を高めることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、アンテナパターンに対するグランド層の張り出し幅が十分でなくとも、金属製スペーサやこれに連結される金属製プレートによってグランドの機能が補完され、電波を支障なく放射することが可能になる。これにより、誘電率が低めの材料を用いても誘電体板を小形化することができ、利得も高めることができ、さらにコストを抑えることができる。よって、小形で高い利得が得られるアンテナ装置を手頃な価格で提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】アンテナ装置の主要部の構成を示す側面図および正面図である。
【図２】誘電率と利得との関係を示すグラフである。
【図３】アンテナ基板の裏面側の全体構成を示す正面図、および同軸ケーブルへの接続箇所の拡大図である。
【図４】アンテナ基板と金属製プレートとの連結体とレドームとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、ＲＦＩＤシステム用のアンテナ装置の主要部の構成を示す。図１（１）は主要部の側面図で、図１（２）はその正面図である。
【００２２】
この実施例のアンテナ装置の主要部は、アンテナ基板１と金属製プレート２との連結体である。アンテナ基板１は、四隅が切り欠かれた正方形状の誘電体板１０の両面にそれぞれ導電層１１，１２が形成された構成のものである。前面側の導電層１１は、対向する２箇所の円弧が切り欠かれた円の形状を有し、アンテナパターンとして機能する。背面側の導電層１２は背面のほぼ全体に形成されて、グランド層として機能する。なお、アンテナパターン１１は円形状に限らず、正方形状としてもよい。
【００２３】
アンテナ基板１の四隅にはそれぞれ金属製のスペーサ３が連結され、これらのスペーサ３の他端に金属製プレート２が連結される。金属製プレート２は、アンテナ基板１よりやや大きい矩形状の板体である。アンテナ基板１のグランド層１２の表面はレジストにより覆われているが、スペーサ３が連結される場所ではレジストが除去され、各スペーサ３はグランド層１２に連結される。これにより、グランド層１２とスペーサ３と金属製プレート２との三者は一体化されると共に、電気的にも接続された状態となる。
【００２４】
上記のアンテナ基板１には、適所に、導体を含むスルーホール１３が設けられ、このスルーホール１３が給電ピン１３として機能する。給電ピン１３は、アンテナパターン１１に電気接続される。また、アンテナ基板１と金属製プレート２との間の隙間には、ＲＦ信号を伝送するための同軸ケーブル４が挿入される。詳細については後記するが、同軸ケーブル４は、アンテナ基板１の裏面に沿って給電ピン１３への接続箇所付近まで導かれ、ケーブル内の外導体がグランド層１２に、内導体が給電ピン１３に、それぞれ電気接続される。この接続により、ＲＦ信号が給電ピン１３を介してアンテナパターン１１に導かれて、アンテナパターン１１とグランド層１２との間に電界が生じ、電波が放射される。
【００２５】
図１（２）では、アンテナパターン１１の直径をＡとし、誘電体板１０の一辺の長さをＢとしている。
パッチアンテナでは、アンテナパターンの幅長さを、電波の波長λの半分にし、アンテナパターンに対するグランド層の張り出し幅をλ／４以上とするのが理想的であるとされている。したがって、誘電体板１０の一辺には、少なくとも一波長分の長さが必要となる。
これを図１（２）のＡ，Ｂにより表すと、Ｂ≧２×Ａとするのが望ましい、ということになる。
【００２６】
ところが、図１（２）に示す誘電体板１０の一辺の長さＢは、Ａの２倍よりもはるかに短い。したがって、Ａ＝λ／２としても、裏面のグランド層１２のアンテナパターン１１からの張り出し幅は大幅に不足することになり、アンテナ基板１のみでは、電波の放射効率を十分に高められないおそれがある。
【００２７】
しかしながら、この実施例では、グランド層１２に連結されているスペーサ３および金属製プレート２にグランド層１２に流れた電流が伝搬するので、この電流の伝搬範囲の金属をグランド層１２に連なるグランドとして機能させることができる。特に、グランド層１２に直接連結されているスペーサ３を柱状にしたことによって、スペーサ３の長さ方向に沿って効率良く電流が流れるので、電波を放射する上で不足していたグランド層１２の面積を補完することができる。これにより、電波を安定して放射することが可能になる。
【００２８】
なお、上記の実施例で使用されるスペーサ３は円柱状であるが、これに限らず、角柱や三角柱のスペーサ３を設けてもよい。また、スペーサ３の数は４個に限らず、より多くのスペーサ３を設けてもよい。
スペーサ３や金属製プレート２の材料も特に限定されるものではないが、たとえば、鉄、アルミニウム、ステンレスなどを使用することができる。また、アンテナ基板１に対する金属製プレート２の張り出し幅は、後記するレジーム６の支持に支障がない範囲で、必要に応じて調整することができる。
【００２９】
上記構成のアンテナ装置によれば、誘電率が比較的低い材料により誘電体板１０を製作することによって、アンテナ基板１を小形にすると共に、利得を高め、コストを下げることができる。
以下、これらの効果が得られる理由について、説明する。
【００３０】
アンテナ基板１における電波は、誘電体板１０の誘電率に応じて短縮される。具体的には、誘電率をεｒとすると、短縮後の波長λは、元の波長の約１／√εｒ倍となる。
したがって、誘電率の高い材料により誘電体板１０を製作すれば、波長を大幅に短縮することができる。
【００３１】
先に述べたように、従来型のパッチアンテナでは、誘電体板１０の一辺の長さを電波の波長λ以上にすることを好ましい条件とする。ここで、上記の波長短縮の効果に着目すると、誘電率の高い誘電体板１０を用いて電波の波長を大幅に短縮することによって、上記の好ましい条件を満たすと共に誘電体板１０を小形にすることができると思われる。
【００３２】
たとえば、ＵＨＦ帯域（８６０〜９５０ＭＨｚ）の電波の波長は約３０ｃｍであるが、誘電体板１０の誘電率εｒを６とすると、アンテナ基板１内での波長は約１２ｃｍに短縮される。よって、１２ｃｍ平方の誘電体板１０に直径６ｃｍのアンテナパターン１１を形成することができる。しかしながら、図２に示すように、誘電体板１０の誘電率が高くなると、利得は大幅に低減する。
【００３３】
図２は、アンテナ基板１の体積、周波数帯域、および放射効率がそれぞれ一定であるものとして、誘電率と利得との関係を示したものである。また、利得を、誘電率が１（空気の誘電率）のときの利得により正規化して示す。
このグラフによれば、誘電率εｒが６の場合の利得は、誘電率が１の場合の０．２倍にも満たない。
【００３４】
周波数帯域や放射効率（または損失）を同程度に設計した場合、アンテナ基板１から放射される電波の利得は誘電体板１０の体積にほぼ比例する。したがって、高誘電率の誘電体板１０の面積を小さくすると、利得は非常に小さくなる。誘電体板１０の厚み部分を増加することには限界があるため、利得を高めるには誘電体板１０の面積を増やさなければならないが、そうなると、誘電体板１０を小形にできなくなる。
【００３５】
誘電率の低い材料により誘電体板１０を製作すれば、利得を高めることはできるが、電波の波長の短縮効果は小さくなる。したがって、この場合にも、アンテナ基板１の小形化は困難になる。
このように、従来型のパッチアンテナにおいては、アンテナ基板１の小形化と高利得とを同時に実現するのは困難である。
【００３６】
しかし、図１に示した構成のアンテナ装置によれば、スペーサ３と金属製プレート２とによりグランドの機能が補完されるので、アンテナ基板１の一辺の長さＢを波長λより小さくすることができる。したがって、誘電率がある程度低い材料により誘電体板１０を製作しても、アンテナパターン１１の直径Ａをλ／２にすることができる範囲で誘電体板１０を縮小することができる。また誘電率を低くすることによって、利得を高めることが可能になる。
【００３７】
たとえば、図２のグラフによれば、誘電率εｒを３．５付近にすると、誘電率が６の場合の約２倍の利得を得ることができる。また、誘電率εｒが３．５であれば、３０ｃｍの波長を約１６ｃｍに短縮することができるから、アンテナパターン１１の径Ａを約８ｃｍ程度にできる。したがって、誘電率εｒが３．５の材料による誘電体板１０の一辺の長さを、誘電率εｒが６の材料を用いて短縮される波長に合わせて１２ｃｍとした場合、誘電率εｒが６の場合よりもはるかに高い利得を得ることができる。また、利得に余裕があれば、誘電体板１０の一辺を１２ｃｍより短くすることもできる（ただし、８ｃｍよりは大きくする。）。
【００３８】
つぎに図３を用いて、アンテナ基板１と同軸ケーブル４との接続状態を説明する。
図３（１）は、アンテナ基板１の裏面の全体構成を同軸ケーブル４との関係と共に示したものであり、図３（２）は、そのうちの同軸ケーブル４に接続される箇所の付近（図３（１）中の点線枠内）を拡大したものである。なお、図中の白い部分１７は、グランド層１２を被覆するレジストであり、実際には緑色である。
【００３９】
レジスト１７は、先に述べたスペーサ３への連結箇所のほか、同軸ケーブル４の先端部分に対応する箇所で除去されており、この箇所の一部でグランド層１２が露出する。またこの露出部分の横手の帯状の領域１０１内には、マイクロストリップライン１４と小さな導体パターン１５とが微小な間隔を隔てて形成されている。また、導体パターン１５と前面側の導体パターン１５に対応する箇所との間には、スルーホールによる給電ピン１３が設けられる。
【００４０】
なお、マイクロストリップライン１４および導体パターン１５の周囲の導電層は除去されるので、これらはグランド層１２から電気的に独立した状態となる。グランド層１２の露出箇所でも、その周縁に沿って導電層の除去領域１０２，１０３，１０４が形成されているが、こちらの領域１０２，１０３，１０４はサーマルランドとして機能する。グランド層１２の露出箇所は、サーマルランド１０２，１０３，１０４を介して、レジスト１７が被覆されている箇所のグランド層１２と連なった状態にある。
【００４１】
グランド層１２の露出箇所には同軸ケーブル４の外導体４１が接続され、マイクロストリップライン１４には同軸ケーブル４の内導体４２が接続される。また、マイクロストリップライン１４の先端部と導体パターン１５とは、コンデンサ５を介して接続される。
【００４２】
誘電体板１０の板面の面積を変更せずに利得を高めるには、誘電体板１０の厚みを大きくすれば良いが、そうすると、給電ピン１３の長さによるリアクタンス成分が生じる。しかし、図３の例では、同軸ケーブル４と給電ピン１３とがコンデンサ５を介して直列に接続された状態となるので、給電ピン１３によるリアクタンス成分はコンデンサ５により打ち消されて、アンテナ基板１側のＲＦ信号の信号経路のインピーダンスを同軸ケーブル４のインピーダンスに整合させることができる。よって、アンテナパターン１からの電波を効率良く放射させることが可能になる。
【００４３】
なお、誘電体板１０が薄く、給電ピン１３のリアクタンス成分を考慮する必要がない場合には、コンデンサ５を設けることなく、マイクロストリップライン１４と導体パターン１５とを一体化し、これに同軸ケーブル４の内導体４２を接続してもよい。
【００４４】
図４は、上記のアンテナ基板１と金属製プレート２との連結体にレドーム６を被せた状態を示す。レドーム６は底面が開放された樹脂製ケースであって、開放端縁が金属製プレート２の張り出し部分に支持される。レドーム６の側面には、同軸ケーブル４を挿入するための孔（図示せず。）が設けられ、この孔より挿入された同軸ケーブル４が、上述した方法でアンテナ基板１の裏面に接続される。
【００４５】
上記の構成によれば、金属製プレート２の裏面がアンテナ装置の背面となるので、同軸ケーブル４の接続部が裏面に露出することがなく、壁面などへのアンテナ装置の取り付けが容易になる。
【００４６】
上記のレドーム６を耐熱性、耐薬品性の高い材料により製作すれば、設置される環境を問わずに、アンテナ基板１を万全に保護することが可能になる。具体的な材料としては、たとえばＰＰＳ樹脂が適切である。
【００４７】
ただし、誘電体板１０の誘電率を３．５付近にすると、ＰＰＳ樹脂の誘電率はそれより高くなる（約４の誘電率）ため、アンテナ基板１をレドーム６に密着させると、レドーム６の誘電率の影響でアンテナ基板１における電波の波長短縮効果が高められ、利得が低下するおそれがある。このため、この実施例では、レドーム６の前板とアンテナ基板１との間にある程度の隙間を設けるようにしている。
【００４８】
なお、上記の隙間の大きさは、アンテナ装置の設計時に、レドーム６の前板とアンテナ基板１との間の距離ｄ（図４を参照。）を利得を計測しながら少しずつ調整することによって定められる。また、距離ｄの変更に応じて、アンテナパターン１１の直径Ａや給電ピン１３の位置も、同様に少しずつ変更され、適切な利得が得られたときの設定状態が確定される。
【００４９】
また、上記のアンテナ装置においては、アンテナ基板１とレドーム６との間に、無給電素子が搭載された第２のアンテナ基板１を配置することもできるが、この場合には、第２のアンテナ基板１とレドーム６との間、および各アンテナ基板１の間にそれぞれ隙間を設けることを前提として、それぞれの間の距離を調整する。
【符号の説明】
【００５０】
１ アンテナ基板
２ 金属製プレート
３ スペーサ
４ 同軸ケーブル
５ コンデンサ
１０ 誘電体板
１１ アンテナパターン
１２ グランド
１３ 給電ピン（スルーホール）
１４，１５ 導体パターン
４１ 外導体
４２ 内導体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信用のアンテナ装置、特に、パッチアンテナの構成を具備するアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パッチアンテナ用のアンテナ基板は、誘電体板の一方の面にアンテナパターンとして機能する導電層が形成され、他方の面にグランド層が形成された構成をとる。アンテナパターンは、アンテナ基板の厚み部分に挿入された給電ピンに電気接続され、給電ピンは、ＲＦ信号（高周波信号）を伝送する同軸ケーブルに電気接続される。同軸ケーブルからのＲＦ信号が給電ピンを介してアンテナパターンに供給されると、アンテナパターンとグランド層との間に電界が発生して、電波が放射される。
【０００３】
特許文献１には、上記の基本的なアンテナ基板の構成が、従来技術として開示されている。さらに特許文献１には、アンテナ基板の裏面にグランド層を設けずに、一端縁に凸段部を有するフレキシブル基板を一体に接合し、このフレキシブル基板の裏面に、マイクロストリップラインとグランド層とをそれぞれ凸段部まで延出させて、凸段部を同軸ケーブルの接続用のリード部として機能させることが記載されている。
【０００４】
また特許文献２には、天面にアンテナパターン（同文献ではパッチ電極と記載。）が設けられた誘電体板と、アンテナパターンと電気的に接続された高周波回路が搭載されている回路基板と、この回路基板を収納するシールドケースとを具備するアンテナ装置において、シールドケースの天板部を誘電体板の底面の周囲に張り出させ、高周波回路に高周波信号を給電することにより、シールドケースをグランドとして機能させることが、記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−３３７９０７号公報
【特許文献２】特開２００４−７２３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パッチアンテナで電波を効率良く放出するには、アンテナパターンの幅を、電波の波長の半分の長さに設定すると共に、アンテナパターンに対するグランド層の張り出し幅（アンテナパターンの端縁より外側の部分の幅をいう。）を十分に大きくする必要がある。具体的には、グランド層の張り出し幅は、アンテナパターンの幅の１／２以上は必要であるとされる。したがって、誘電体板の各辺には、少なくとも電波の波長に相当する長さ（すなわちアンテナパターンの幅の２倍）を設定するのが望ましいと考えられる。
【０００７】
近年、ＲＦＩＤシステムの普及に伴い、より小形のアンテナ装置が求められているが、小形であっても、十分な強度の電波を放射する必要がある。
【０００８】
上記したように、アンテナパターンやアンテナ基板のサイズは電波の波長を考慮して定められるが、アンテナ基板における電波の波長は、誘電体による波長短縮効果によって短縮される。波長の短縮効果は誘電率が高いほど大きくなるので、誘電率が高い材料により誘電体板を製作すれば、電波の波長が大幅に短縮され、短縮された波長に合わせて誘電体板を小形にすることができる。
【０００９】
しかしながら、誘電率が高い基板を使用すると開口面積が小さくなるため、利得が小さくなる。利得を高めるには、誘電体板を大きくする必要があるが、それでは小形化を実現できない。また誘電率の高い材料を使用すると、コスト高になるという問題も生じる。
一方、誘電率の低い材料による誘電体板を使用すれば、利得を高め、コストを下げることができるが、電波の波長を十分に短縮できないため、誘電体板を小形にするのは、やはり困難である。
【００１０】
このように、従来型のアンテナ装置では、小形化と高利得との双方を実現するのは困難である。本発明は、この問題に着目してなされたもので、小形で高い利得を得られるアンテナ装置を手頃な価格で提供することを、課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によるアンテナ装置は、誘電体板の一方の面にアンテナパターンが形成され、他方の面にグランド層が形成され、厚み部分にアンテナパターンへの給電のための給電ピンが配備されて成るアンテナ基板を具備するもので、アンテナ基板のグランド層の形成面側に金属製プレートが対向配備されると共に、金属製プレートとグランド層とが複数の金属製のスペーサを介して連結されかつ電気接続されていることを、特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、電界の発生によってグランド層に流れた電流が各スペーサや金属製プレートにも伝搬し、この電流の伝搬範囲の金属がグランド層に連なるグランドとして機能するので、アンテナパターンに対するグランド層の張り出し幅が十分でなくとも、放射効率を十分に高めることができる。よって、誘電率が比較的低いため、誘電体による波長の短縮効果が低い材料により誘電体板が製作される場合でも、誘電体板の一辺の長さを電波の波長より短くすることが可能になり、アンテナ基板を小形化することができる。また、誘電率の低い材料を使用すれば、基板が小さくなっても、アンテナパターンを大きくすることができる。すなわち、開口面積を大きくすることができるため、高い利得を確保することができる。さらに、コストを削減することも可能になる。
【００１３】
特許文献２に記載された発明は、誘電体板の下方のシールドケースにグランドの機能を補完させているが、誘電体板の全面をシールドケースに密着させており、本発明の特徴は何ら示されていない。また、特許文献２に記載された発明では、シールドケース内に回路基板を配備して、その基板を介して同軸ケーブルと給電ピンとを接続しており、構成が大変複雑になる。これに対し、本発明では、アンテナ基板と金属製プレートとをスペーサを介して連結することで足り、シンプルな構成となる。
【００１４】
また、以下に述べるように、アンテナ基板と金属製プレートとの間の隙間に同軸ケーブルを挿入して、アンテナ基板に接続することができるので、同軸ケーブルを装置の背面に突出させずに済む。よって、壁面などへの取り付けを容易にすることができる。
【００１５】
上記のアンテナ装置の一実施形態では、誘電体板のグランド層の形成面には、給電ピンへの接続箇所を含む所定範囲にグランド層から離れた導体パターンが形成される。また、アンテナ基板と金属製プレートとの間の隙間に同軸ケーブルが挿入され、この同軸ケーブルの内導体が上記の導体パターンに、外導体がグランド層に、それぞれ接続される。
【００１６】
上記のアンテナ装置の他の実施形態では、誘電体板のグランド層の形成面には、給電ピンへの接続箇所を含む所定範囲にグランド層から離れた第１の導体パターンが形成され、第１の導体パターンの近傍に第１の導体パターンおよびグランド層から離れた第２の導体パターンが形成される。さらに、第１および第２の導体パターンはコンデンサを介して直列に接続される。アンテナ基板と金属製プレートとの間の隙間には同軸ケーブルが挿入され、この同軸ケーブルの内導体が第２の導体パターンに、外導体がグランド層に、それぞれ接続される。
【００１７】
アンテナの利得は誘電体板の体積が大きくなるほど高められるので、誘電体板の面積を変更することなく利得を確保するには、誘電体板の厚みを増やす必要がある。しかし、基板の厚みを増やすと、給電ピンの長さによるリアクタンス成分が生じるため、この成分を打ち消す回路が必要になる。
【００１８】
上記の実施形態は、この問題を考慮して、同軸ケーブルの内導体と給電ピンとを、インピーダンス変換用のコンデンサを介して直列に接続したものである。このコンデンサにより給電ピンのリアクタンス成分を打ち消して、アンテナ基板におけるＲＦ信号の経路のインピーダンスを同軸ケーブルのインピーダンスに整合させることができる。よって、放射効率を低下させることなく、基板の厚みによって利得を高めることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、アンテナパターンに対するグランド層の張り出し幅が十分でなくとも、金属製スペーサやこれに連結される金属製プレートによってグランドの機能が補完され、電波を支障なく放射することが可能になる。これにより、誘電率が低めの材料を用いても誘電体板を小形化することができ、利得も高めることができ、さらにコストを抑えることができる。よって、小形で高い利得が得られるアンテナ装置を手頃な価格で提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】アンテナ装置の主要部の構成を示す側面図および正面図である。
【図２】誘電率と利得との関係を示すグラフである。
【図３】アンテナ基板の裏面側の全体構成を示す正面図、および同軸ケーブルへの接続箇所の拡大図である。
【図４】アンテナ基板と金属製プレートとの連結体とレドームとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、ＲＦＩＤシステム用のアンテナ装置の主要部の構成を示す。図１（１）は主要部の側面図で、図１（２）はその正面図である。
【００２２】
この実施例のアンテナ装置の主要部は、アンテナ基板１と金属製プレート２との連結体である。アンテナ基板１は、四隅が切り欠かれた正方形状の誘電体板１０の両面にそれぞれ導電層１１，１２が形成された構成のものである。前面側の導電層１１は、対向する２箇所の円弧が切り欠かれた円の形状を有し、アンテナパターンとして機能する。背面側の導電層１２は背面のほぼ全体に形成されて、グランド層として機能する。なお、アンテナパターン１１は円形状に限らず、正方形状としてもよい。
【００２３】
アンテナ基板１の四隅にはそれぞれ金属製のスペーサ３が連結され、これらのスペーサ３の他端に金属製プレート２が連結される。金属製プレート２は、アンテナ基板１よりやや大きい矩形状の板体である。アンテナ基板１のグランド層１２の表面はレジストにより覆われているが、スペーサ３が連結される場所ではレジストが除去され、各スペーサ３はグランド層１２に連結される。これにより、グランド層１２とスペーサ３と金属製プレート２との三者は一体化されると共に、電気的にも接続された状態となる。
【００２４】
上記のアンテナ基板１には、適所に、導体を含むスルーホール１３が設けられ、このスルーホール１３が給電ピン１３として機能する。給電ピン１３は、アンテナパターン１１に電気接続される。また、アンテナ基板１と金属製プレート２との間の隙間には、ＲＦ信号を伝送するための同軸ケーブル４が挿入される。詳細については後記するが、同軸ケーブル４は、アンテナ基板１の裏面に沿って給電ピン１３への接続箇所付近まで導かれ、ケーブル内の外導体がグランド層１２に、内導体が給電ピン１３に、それぞれ電気接続される。この接続により、ＲＦ信号が給電ピン１３を介してアンテナパターン１１に導かれて、アンテナパターン１１とグランド層１２との間に電界が生じ、電波が放射される。
【００２５】
図１（２）では、アンテナパターン１１の直径をＡとし、誘電体板１０の一辺の長さをＢとしている。
パッチアンテナでは、アンテナパターンの幅長さを、電波の波長λの半分にし、アンテナパターンに対するグランド層の張り出し幅をλ／４以上とするのが理想的であるとされている。したがって、誘電体板１０の一辺には、少なくとも一波長分の長さが必要となる。
これを図１（２）のＡ，Ｂにより表すと、Ｂ≧２×Ａとするのが望ましい、ということになる。
【００２６】
ところが、図１（２）に示す誘電体板１０の一辺の長さＢは、Ａの２倍よりもはるかに短い。したがって、Ａ＝λ／２としても、裏面のグランド層１２のアンテナパターン１１からの張り出し幅は大幅に不足することになり、アンテナ基板１のみでは、電波の放射効率を十分に高められないおそれがある。
【００２７】
しかしながら、この実施例では、グランド層１２に連結されているスペーサ３および金属製プレート２にグランド層１２に流れた電流が伝搬するので、この電流の伝搬範囲の金属をグランド層１２に連なるグランドとして機能させることができる。特に、グランド層１２に直接連結されているスペーサ３を柱状にしたことによって、スペーサ３の長さ方向に沿って効率良く電流が流れるので、電波を放射する上で不足していたグランド層１２の面積を補完することができる。これにより、電波を安定して放射することが可能になる。
【００２８】
なお、上記の実施例で使用されるスペーサ３は円柱状であるが、これに限らず、角柱や三角柱のスペーサ３を設けてもよい。また、スペーサ３の数は４個に限らず、より多くのスペーサ３を設けてもよい。
スペーサ３や金属製プレート２の材料も特に限定されるものではないが、たとえば、鉄、アルミニウム、ステンレスなどを使用することができる。また、アンテナ基板１に対する金属製プレート２の張り出し幅は、後記するレジーム６の支持に支障がない範囲で、必要に応じて調整することができる。
【００２９】
上記構成のアンテナ装置によれば、誘電率が比較的低い材料により誘電体板１０を製作することによって、アンテナ基板１を小形にすると共に、利得を高め、コストを下げることができる。
以下、これらの効果が得られる理由について、説明する。
【００３０】
アンテナ基板１における電波は、誘電体板１０の誘電率に応じて短縮される。具体的には、誘電率をεｒとすると、短縮後の波長λは、元の波長の約１／√εｒ倍となる。
したがって、誘電率の高い材料により誘電体板１０を製作すれば、波長を大幅に短縮することができる。
【００３１】
先に述べたように、従来型のパッチアンテナでは、誘電体板１０の一辺の長さを電波の波長λ以上にすることを好ましい条件とする。ここで、上記の波長短縮の効果に着目すると、誘電率の高い誘電体板１０を用いて電波の波長を大幅に短縮することによって、上記の好ましい条件を満たすと共に誘電体板１０を小形にすることができると思われる。
【００３２】
たとえば、ＵＨＦ帯域（８６０〜９５０ＭＨｚ）の電波の波長は約３０ｃｍであるが、誘電体板１０の誘電率εｒを６とすると、アンテナ基板１内での波長は約１２ｃｍに短縮される。よって、１２ｃｍ平方の誘電体板１０に直径６ｃｍのアンテナパターン１１を形成することができる。しかしながら、図２に示すように、誘電体板１０の誘電率が高くなると、利得は大幅に低減する。
【００３３】
図２は、アンテナ基板１の体積、周波数帯域、および放射効率がそれぞれ一定であるものとして、誘電率と利得との関係を示したものである。また、利得を、誘電率が１（空気の誘電率）のときの利得により正規化して示す。
このグラフによれば、誘電率εｒが６の場合の利得は、誘電率が１の場合の０．２倍にも満たない。
【００３４】
周波数帯域や放射効率（または損失）を同程度に設計した場合、アンテナ基板１から放射される電波の利得は誘電体板１０の体積にほぼ比例する。したがって、高誘電率の誘電体板１０の面積を小さくすると、利得は非常に小さくなる。誘電体板１０の厚み部分を増加することには限界があるため、利得を高めるには誘電体板１０の面積を増やさなければならないが、そうなると、誘電体板１０を小形にできなくなる。
【００３５】
誘電率の低い材料により誘電体板１０を製作すれば、利得を高めることはできるが、電波の波長の短縮効果は小さくなる。したがって、この場合にも、アンテナ基板１の小形化は困難になる。
このように、従来型のパッチアンテナにおいては、アンテナ基板１の小形化と高利得とを同時に実現するのは困難である。
【００３６】
しかし、図１に示した構成のアンテナ装置によれば、スペーサ３と金属製プレート２とによりグランドの機能が補完されるので、アンテナ基板１の一辺の長さＢを波長λより小さくすることができる。したがって、誘電率がある程度低い材料により誘電体板１０を製作しても、アンテナパターン１１の直径Ａをλ／２にすることができる範囲で誘電体板１０を縮小することができる。また誘電率を低くすることによって、利得を高めることが可能になる。
【００３７】
たとえば、図２のグラフによれば、誘電率εｒを３．５付近にすると、誘電率が６の場合の約２倍の利得を得ることができる。また、誘電率εｒが３．５であれば、３０ｃｍの波長を約１６ｃｍに短縮することができるから、アンテナパターン１１の径Ａを約８ｃｍ程度にできる。したがって、誘電率εｒが３．５の材料による誘電体板１０の一辺の長さを、誘電率εｒが６の材料を用いて短縮される波長に合わせて１２ｃｍとした場合、誘電率εｒが６の場合よりもはるかに高い利得を得ることができる。また、利得に余裕があれば、誘電体板１０の一辺を１２ｃｍより短くすることもできる（ただし、８ｃｍよりは大きくする。）。
【００３８】
つぎに図３を用いて、アンテナ基板１と同軸ケーブル４との接続状態を説明する。
図３（１）は、アンテナ基板１の裏面の全体構成を同軸ケーブル４との関係と共に示したものであり、図３（２）は、そのうちの同軸ケーブル４に接続される箇所の付近（図３（１）中の点線枠内）を拡大したものである。なお、図中の白い部分１７は、グランド層１２を被覆するレジストであり、実際には緑色である。
【００３９】
レジスト１７は、先に述べたスペーサ３への連結箇所のほか、同軸ケーブル４の先端部分に対応する箇所で除去されており、この箇所の一部でグランド層１２が露出する。またこの露出部分の横手の帯状の領域１０１内には、マイクロストリップライン１４と小さな導体パターン１５とが微小な間隔を隔てて形成されている。また、導体パターン１５と前面側の導体パターン１５に対応する箇所との間には、スルーホールによる給電ピン１３が設けられる。
【００４０】
なお、マイクロストリップライン１４および導体パターン１５の周囲の導電層は除去されるので、これらはグランド層１２から電気的に独立した状態となる。グランド層１２の露出箇所でも、その周縁に沿って導電層の除去領域１０２，１０３，１０４が形成されているが、こちらの領域１０２，１０３，１０４はサーマルランドとして機能する。グランド層１２の露出箇所は、サーマルランド１０２，１０３，１０４を介して、レジスト１７が被覆されている箇所のグランド層１２と連なった状態にある。
【００４１】
グランド層１２の露出箇所には同軸ケーブル４の外導体４１が接続され、マイクロストリップライン１４には同軸ケーブル４の内導体４２が接続される。また、マイクロストリップライン１４の先端部と導体パターン１５とは、コンデンサ５を介して接続される。
【００４２】
誘電体板１０の板面の面積を変更せずに利得を高めるには、誘電体板１０の厚みを大きくすれば良いが、そうすると、給電ピン１３の長さによるリアクタンス成分が生じる。しかし、図３の例では、同軸ケーブル４と給電ピン１３とがコンデンサ５を介して直列に接続された状態となるので、給電ピン１３によるリアクタンス成分はコンデンサ５により打ち消されて、アンテナ基板１側のＲＦ信号の信号経路のインピーダンスを同軸ケーブル４のインピーダンスに整合させることができる。よって、アンテナパターン１からの電波を効率良く放射させることが可能になる。
【００４３】
なお、誘電体板１０が薄く、給電ピン１３のリアクタンス成分を考慮する必要がない場合には、コンデンサ５を設けることなく、マイクロストリップライン１４と導体パターン１５とを一体化し、これに同軸ケーブル４の内導体４２を接続してもよい。
【００４４】
図４は、上記のアンテナ基板１と金属製プレート２との連結体にレドーム６を被せた状態を示す。レドーム６は底面が開放された樹脂製ケースであって、開放端縁が金属製プレート２の張り出し部分に支持される。レドーム６の側面には、同軸ケーブル４を挿入するための孔（図示せず。）が設けられ、この孔より挿入された同軸ケーブル４が、上述した方法でアンテナ基板１の裏面に接続される。
【００４５】
上記の構成によれば、金属製プレート２の裏面がアンテナ装置の背面となるので、同軸ケーブル４の接続部が裏面に露出することがなく、壁面などへのアンテナ装置の取り付けが容易になる。
【００４６】
上記のレドーム６を耐熱性、耐薬品性の高い材料により製作すれば、設置される環境を問わずに、アンテナ基板１を万全に保護することが可能になる。具体的な材料としては、たとえばＰＰＳ樹脂が適切である。
【００４７】
ただし、誘電体板１０の誘電率を３．５付近にすると、ＰＰＳ樹脂の誘電率はそれより高くなる（約４の誘電率）ため、アンテナ基板１をレドーム６に密着させると、レドーム６の誘電率の影響でアンテナ基板１における電波の波長短縮効果が高められ、利得が低下するおそれがある。このため、この実施例では、レドーム６の前板とアンテナ基板１との間にある程度の隙間を設けるようにしている。
【００４８】
なお、上記の隙間の大きさは、アンテナ装置の設計時に、レドーム６の前板とアンテナ基板１との間の距離ｄ（図４を参照。）を利得を計測しながら少しずつ調整することによって定められる。また、距離ｄの変更に応じて、アンテナパターン１１の直径Ａや給電ピン１３の位置も、同様に少しずつ変更され、適切な利得が得られたときの設定状態が確定される。
【００４９】
また、上記のアンテナ装置においては、アンテナ基板１とレドーム６との間に、無給電素子が搭載された第２のアンテナ基板１を配置することもできるが、この場合には、第２のアンテナ基板１とレドーム６との間、および各アンテナ基板１の間にそれぞれ隙間を設けることを前提として、それぞれの間の距離を調整する。
【符号の説明】
【００５０】
１ アンテナ基板
２ 金属製プレート
３ スペーサ
４ 同軸ケーブル
５ コンデンサ
１０ 誘電体板
１１ アンテナパターン
１２ グランド
１３ 給電ピン（スルーホール）
１４，１５ 導体パターン
４１ 外導体
４２ 内導体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体板の一方の面にアンテナパターンが形成され、他方の面にグランド層が形成され、厚み部分に前記アンテナパターンへの給電のための給電ピンが配備されて成るアンテナ基板を具備するアンテナ装置において、
前記アンテナ基板のグランド層の形成面側に金属製プレートが対向配備されると共に、金属製プレートとグランド層とが複数の金属製のスペーサを介して連結されかつ電気接続されていることを、特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記アンテナ基板のグランド層の形成面には、前記給電ピンへの接続箇所を含む所定範囲にグランド層から離れた導体パターンが形成され、
前記アンテナ基板と金属製プレートとの間の隙間には同軸ケーブルが挿入され、この同軸ケーブルの内導体が前記導体パターンに、外導体が前記グランド層に、それぞれ接続される、請求項１に記載されたアンテナ装置。
【請求項３】
前記アンテナ基板のグランド層の形成面には、前記給電ピンへの接続箇所を含む所定範囲にグランド層から離れた第１の導体パターンが形成され、第１の導体パターンの近傍に第１の導体パターンおよびグランド層から離れた第２の導体パターンが形成され、第１および第２の導体パターンがコンデンサを介して直列に接続されており、
前記アンテナ基板と金属製プレートとの間の隙間には同軸ケーブルが挿入され、この同軸ケーブルの内導体が前記第２の導体パターンに、外導体が前記グランド層に、それぞれ接続される、請求項１に記載されたアンテナ装置。
【請求項１】
誘電体板の一方の面にアンテナパターンが形成され、他方の面にグランド層が形成され、厚み部分に前記アンテナパターンへの給電のための給電ピンが配備されて成るアンテナ基板を具備するアンテナ装置において、
前記アンテナ基板のグランド層の形成面側に金属製プレートが対向配備されると共に、金属製プレートとグランド層とが複数の金属製のスペーサを介して連結されかつ電気接続されていることを、特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記アンテナ基板のグランド層の形成面には、前記給電ピンへの接続箇所を含む所定範囲にグランド層から離れた導体パターンが形成され、
前記アンテナ基板と金属製プレートとの間の隙間には同軸ケーブルが挿入され、この同軸ケーブルの内導体が前記導体パターンに、外導体が前記グランド層に、それぞれ接続される、請求項１に記載されたアンテナ装置。
【請求項３】
前記アンテナ基板のグランド層の形成面には、前記給電ピンへの接続箇所を含む所定範囲にグランド層から離れた第１の導体パターンが形成され、第１の導体パターンの近傍に第１の導体パターンおよびグランド層から離れた第２の導体パターンが形成され、第１および第２の導体パターンがコンデンサを介して直列に接続されており、
前記アンテナ基板と金属製プレートとの間の隙間には同軸ケーブルが挿入され、この同軸ケーブルの内導体が前記第２の導体パターンに、外導体が前記グランド層に、それぞれ接続される、請求項１に記載されたアンテナ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−４６３３５（Ｐ２０１３−４６３３５Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８４５１８（Ｐ２０１１−１８４５１８）
【出願日】平成２３年８月２６日（２０１１．８．２６）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２６日（２０１１．８．２６）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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