JP2005167966A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型のアンテナを有し、動作周波数帯域を広帯域とするアンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ本体部１０は、誘電体基体１６に平面状の放射導体１１と給電線１４とが設けられて構成される。放射導体１１は、円形の形状を有する第１の形状要素１２と半楕円形の形状を有する第２の形状要素１３とが、互いに一部分を共有するように組み合わせて構成されている。第２の形状要素１２のうち第１の形状要素１２からみて第２の形状要素１３の位置方向における周縁部において、給電線１４が放射導体１１と接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置、特に通信用、測距用又は放送用に用いられるマイクロ波領域（３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚ）及びミリ波領域（３０〜３００ＧＨｚ）のアンテナ装置に関する。

従来より、動作周波数帯域が広帯域のアンテナとして、非特許文献１に開示されるディスクモノポールアンテナが知られている。図３１は、このディスクモノポールアンテナを示す図である。このディスクモノポールアンテナは、同軸線路１０２に接続された平面ディスクモノポール１０１を備えて構成される。具体的には、平面ディスクモノポール１０１は金属平板１０３から所定の距離Ｌ離れた位置に、金属平板１０３に対して垂直に立設するように配設される。そして、距離Ｌを調整することで、所望の特性を有するように最適なマッチングが可能となっている。

また、図３２に示すように、特許文献１に開示されるアンテナも知られている。このアンテナは、金属平板１０３から立設した平面モノポール１０５を備えている。平面モノポール１０５は、ディスク形状（円形状）の横幅を縮小して先細り形状とした平面構造のモノポールである。この平面モノポール１０５と図示されないコーナーリフレクターと金属平板１０３とを用いて、動作周波数帯域を広帯域化したモノポールアンテナを構成する。コーナーリフレクターとは、所定のサイズの２つの平板のエッジを接合し、この接合部分がくの字状に折り曲げられた構造体で、コーナーリフレクターが金属平板１０３に垂直に、かつコーナリフレクターの二つの平面が直交するように立設される。一方、先細り形状を成した平面モノポール１０５の下部には直線カット部１０６が形成され、金属平板１０３と先細り形状の平面モノポール１０５の端との距離が所定の距離Ｌとなるように設定される。

また、非特許文献２には、動作周波数帯域が広帯域の平面ダイポールアンテナを開示している。この平面ダイポールアンテナは、同形状の一対の金属導体を放射導体として一定の距離離間させて誘電体上に設け、この離間した間の領域から一対の金属導体に給電する、ダイポールアンテナの構成となっている。

M. Hammoud et al, "Matching The Input Impedance of A Broadband Disc Monopole", Electron. Lett., Vol.29, No.4, pp.406-407, 1993 特許第３１１４７９８号公報 Sung-Bae Cho et.al., "ULTRA WIDEBAND PLANAR STEPPED-FAT DIPOLE ANTENNA FOR HIGH RESOLUTION IMPULSE RADAR", 2003 Asia-Pacific Microwave Conference

図３１と図３２に示されるアンテナ装置は、ともにモノポールアンテナを用いる。これらのアンテナは、上記平面ディスクモノポール１０１又は上記平面モノポール１０５からなる放射素子と金属平板１０３からなるグランド導体とを有して構成される。そして、放射素子とグランド導体とが垂直かつ直交するように配設される。このため、放射素子はグランド導体に対して３次元配置となって立設し、３次元構造体のアンテナとして３次元的に空間を占有する。また、図３１に示すアンテナでは金属平板１０３の大きさは、平面ディスクモノポール１０１の直径の約１０倍程度の大きさが必要とされ、例えば３００ｍｍ×３００ｍｍとなって形状が大きくなる。一方、図３２に示されるアンテナ装置では、アンテナ及び図示されないコーナリフレクターがグランド導体に対して垂直に配設される。このため、アンテナ及びコーナリフレクターはグランド導体に対して３次元配置となって立説し、３次元構造体のアンテナ装置として３次元的に空間を占有する。
このように図３１及び図３２に示すアンテナは立体的な構造体を成し形状が大きくなるため、小型のアンテナ装置には適さない。

また、図３２では、例えば長さが３６ｍｍの先細り形状の平面モノポール１０５に対し１〜２ｍｍ程度の直線カット部１０６を形成することで、異なる周波数に対して良好なインピーダンスマッチングを行なう。しかし、平面モノポール１０５の放射導体は上述のコーナーリフレクターの大きさに応じて定まる先細り形状のために動作周波数帯域が必ずしも十分に広帯域とならない。例えば、後述する比帯域幅では３３％程度にすぎない。

非特許文献２で開示する平面ダイポールアンテナは動作周波数帯域が広帯域であるが、放射導体を成す一対の金属導体はステップ状の形状を成す必要があるため設計自由度の高いアンテナとはいえない。

そこで、本発明は、従来のような立体構造体として占有体積を占めることのない小型のアンテナを有するアンテナ装置であって、動作周波数帯域を従来に比べて広帯域とする設計自由度の高い、高利得のアンテナ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、誘電体基体に平面状の放射導体と給電線とが設けられ、該放射導体は、多角形、略多角形、円形、略円形、楕円形及び略楕円形の中から選ばれる形状を有する第１の形状要素と、多角形、略多角形、円形、略円形、楕円形、略楕円形、台形及び略台形の中から選ばれる形状の少なくとも一部分を有する第２の形状要素とが互いに共有部分を有するように配されて構成され、該給電線が該放射導体と接続されていることを特徴とするアンテナ装置を提供する。

ここで、第２の形状要素の成す形状は、多角形、略多角形、円形、略円形、楕円形、略楕円形、台形及び略台形の形状全体を有するのみならず、これらの形状の中から選ばれる形状を部分的に有する形状を含む。例えば半円、半楕円、又は多角形や台形の半分の形状等を含む。

前記給電線は、例えば、前記放射導体の縁部のうち前記第１の形状要素からみて前記第２の形状要素の位置方向における第２の形状要素の周縁部で、前記放射導体と接続される。この場合、前記給電線は、前記放射導体と同じ平面上に設けられており、この平面上で接続される。
又は、前記給電線は、前記平面に対して傾斜した方向から、又は略垂直の方向から接続されてもよい。この場合、第２の形状要素の前記周縁部で接続されなくてもよい。
さらに、前記アンテナ装置には、前記放射導体及び前記給電線が前記誘電体基体の表面に、又は該誘電体基体内に設けられてアンテナ本体部が構成されており、該アンテナ本体部が絶縁性基板に実装されており、該絶縁性基板の、該誘電体基体とは反対側の面又は該絶縁性基板の内部にはグランド導体が設けられており、該放射導体が該グランド導体に対して平行又は略平行になるように該誘電体基体が配されて該アンテナ本体部が該絶縁性基板に実装されることが好ましい。

その際、前記絶縁性基板には前記グランド導体とともに伝送線路を構成する信号線が設けられており、該信号線が前記給電線と接続される。例えば、前記誘電体基体に設けられたビアを介して接続される。また、前記誘電体基体には、例えば、前記給電線に対して対称な位置に一対のアースパターンが設けられる。
また、前記絶縁性基板に実装される前記アンテナ本体部は、前記グランド導体が形成されていない絶縁性基板の露出部に対向する絶縁性基板の反対側の面の領域に配されて固定される。すなわち、前記アンテナ本体部は前記グランド導体とは互いに対向しない位置に、前記グランド導体と平行に配される。

さらに、前記アンテナ装置には、前記放射導体から放射される電波を反射する反射体が、前記絶縁性基板からから離間して配されることが好ましい。該反射体は、例えば反射面が平面である金属平板であってもよいし、反射面が曲面を成した円柱、円柱の一部、球又は球の一部等の形状を有する反射体であってもよい。例えば、前記反射体が平板であり、前記絶縁性基板の前記グランド導体に対して平行又は略平行に配される。
さらに、前記反射体と前記絶縁性基板との間に空気層が設けられていることが好ましい。さらに、前記反射体と前記絶縁性基板との間に誘電体層が設けられていることも好ましい。その際、前記誘電体層には、好ましくは比誘電率が１．５〜２０の範囲の誘電体が、さらに好ましくは比誘電率が２〜１０の範囲の誘電体が用いられる。
前記誘電体層及び前記空気層の双方が設けられる場合、前記絶縁性基板、前記空気層、前記誘電体層、前記反射体の順に並ぶように、前記誘電体層を前記反射体の表面に配設することが好ましい。

本発明のアンテナ装置における平面状の放射導体は、多角形、略多角形、円形、略円形、楕円形及び略楕円形の中から選ばれる形状を有する第１の形状要素及び多角形、略多角形、円形、略円形、楕円形、略楕円形、台形及び略台形の中から選ばれる形状の少なくとも一部分を有する第２の形状要素が、互いに共有部分を有する形状を成し、給電線がこの放射導体と接続される。このため、動作周波数帯域が従来のアンテナに比べて広帯域化され、しかもインピーダンスマッチングが良好な、設計自由度の高いアンテナ装置を実現する。
また、誘電体基体とこの誘電体基体に設けられる放射導体と給電線とにより構成されるアンテナ本体部は平面構造となるため、アンテナ本体部を回路基板等の絶縁性基板の表面に実装する表面実装型のアンテナ装置を提供することができる。

本発明では、絶縁性基板の表面の一部にグランド導体のない露出部を設け、その露出部に対向する絶縁性基板の反対側の面の領域に、アンテナ本体部を実装することができる。特に、絶縁性基板の端部に接するように露出部を設け、アンテナ本体部をこの絶縁性基板の端部付近に配することができる。このため、アンテナ本体部に必要とされる絶縁性基板の露出部を小さくすることができ、従来に比べて小型で動作周波数帯域の広いアンテナ装置を提供することができる。
また、アンテナ本体部を回路基板の端部付近に配することができるため、周辺回路を配置するための領域を拡大することができ、通信装置全体の小型化が可能となる。

さらに、放射導体から放射される電波を反射する反射体を前記絶縁性基板に対して、離間して配することで、高利得のアンテナ装置を提供することができる。また、反射体と絶縁性基板との間に誘電体層を設けることで、さらには誘電体層と絶縁性基板との間に空気層を設けることで、より高利得のアンテナ装置を提供できる。特に、平面構造のアンテナ本体部、絶縁性基板、誘電体層及び反射体を平行、略平行に配設することにより小型で高利得のアンテナ装置を提供できる。

以下、本発明のアンテナ装置について、添付の図面に示される好適実施形態を基に詳細に説明する。

図１は、本発明のアンテナ装置の一実施形態であるアンテナ装置１の有するアンテナ本体部１０の平面図である。図２は、アンテナ装置１の平面図である。図３は、図２に示すアンテナ装置１を図２中の直線Ａ−Ｂで切断した断面図である。
アンテナ本体部１０は、回路基板等の絶縁性基板１７の表面に実装する表面実装型のアンテナとして機能し、放射導体１１、給電線１４及び誘電体基体１６を有して構成される。

放射導体１１は、誘電体基体１６の内部に形成された平面状の金属導体である。
放射導体１１は、円形の形状を成す第１の形状要素１２と、楕円形の形状を部分的に有する半楕円形状の第２の形状要素１３とが一部分を共有するように配された形状を成す。そして、放射導体１１と給電線１４とは第２の形状要素１３の周縁部において接続されている。この接続位置は、第１の形状要素１２からみて第２の形状要素１３の位置方向の周縁部である。
給電線１４は、図３に示すように、回路基板等の絶縁性基板１７に設けられた伝送線路の信号線１９とビア２０を介して接続された給電線である。
このような放射導体１１と給電線１４とは、誘電体基体１６の同一の平面上に設けられる。
また、誘電体基体１６には、給電線１４の左右対称の位置に電位０を確保し、アンテナのインピーダンスマッチングを有効に行なうアースパターン１５ａ，１５ｂが形成される。これらのアースパターン１５ａ，１５ｂは、例えば絶縁体基板１７に設けられた図示されない補助パターン及びビアを介してグランド導体１８と接続されるように構成される。

図４は放射導体１１の形状を具体的に説明する図である。
放射導体１１の第１の形状要素１２は円形のディスク形状を成し、第２の形状要素１３は楕円形状を部分的に有する半楕円形状を成す。図４中、仮想線（一点鎖線）で囲まれる部分は第１の形状要素１２と第２の形状要素１３との共有部分である。したがって、第１の形状要素１２に対応する金属導体及び第２の形状要素１３に対応する金属導体をそれぞれ別々に形成して放射導体１１を形成する場合、円形状及び半楕円形状の双方の全輪郭が放射導体１１のパターン形状の輪郭として現れない。また、第１の形状要素１２と第２の形状要素１３とが互いに一部分を共有するように組み合わせた形状を一体的に形成する場合においても、放射導体１１には、円形状及び楕円形状の全輪郭が放射導体１１のパターン形状の輪郭として現れない。

図４に示す放射導体１１は、第２の形状要素１３である半楕円形状のうち曲率半径が最も小さくなる部分が第１の形状要素１２の円形状の略中央付近に位置する。また、第２の形状要素１３の半楕円形状のうち直線部分（楕円形状を半分に切断した側の部分）は第１の形状要素１２から突き出るように配されている。さらに、放射導体１１は、第１の形状要素１２の中心点及び第２の形状要素１３の中心点を結ぶ直線を線対称の軸とする線対称形状を成しており、この線対称軸上の放射導体１１の縁部（直線部分）において給電線１４と接続されている。
また、放射導体１１の形状を後述するように縦長さ比率αで規定するために、図４では第１の形状要素の縦方向の長さＬ₃₁及び第１の形状要素から突き出た第２の形状要素の縦方向の長さＬ₃₂が定義されている。

アンテナ本体部１０は、図２、３に示すように、グランド導体１８を形成した絶縁性基板１７の表面に実装され、アンテナとして動作するアンテナ装置１を構成する。絶縁性基板１７には伝送線路であるストリップ線路が形成され、例えばマイクロストリップ伝送線路によりアンテナ本体部１０への給電が行われる。
図３に示すように、絶縁性基板１７の一方の面（図３において下面）にグランド導体１８を、他方の面（図３において上面）にストリップ線路の信号線１９をそれぞれ形成し、この信号線１９の形成された面の側にアンテナ本体部１０が実装されている。アンテナ本体部１０は誘電体基体１６の内部に放射導体１１と給電線１４が形成されており、放射導体１１とストリップ線路の信号線１９との接続は誘電体基体１６に設けられたビア２０を通じて行われている。また、絶縁性基板１７のグランド導体１８の設けられている面には、図２に示すように絶縁性基板１７の端部に接するようにグランド導体１８のない露出部２４が設けられており、この露出部２４を挟んで対向する、絶縁性基板の反対側の面の領域（以降、露出部対向領域という）にアンテナ本体部１０は実装される。したがって、アンテナ本体部１０は絶縁性基板１７の端部付近に配される。

このようなアンテナ装置１では、上述したように、円形の形状を成す第１の形状要素１２及び半楕円形状を成す第２の形状要素１３とが部分的に共有して組み合わされた形状を成しており、これにより後述する例で示すように比帯域幅が向上し、作動周波数帯域が広帯域となる。
なお、本発明におけるアンテナの放射導体の形状は、多角形、略多角形、円形、略円形、楕円形、略楕円形の中から選ばれる形状を有する第１の形状要素と、多角形、略多角形、円形、略円形、楕円形、略楕円形、台形及び略台形の中から選ばれる形状の少なくとも一部分を有する第２の形状要素とを互いに共有部分を有するように配した形状であればいずれの形状であってもよい。

図３では、誘電体基体１６の内部に放射導体１１と給電線１４とを設けるが、誘電体基体１６の表面に設けてもよい。また、誘電体基体１６は積層基体としてもよい。積層基体を用いる場合、積層基体の表面層に放射導体１１及び給電線１４を設けてもよく、また、２層目、３層目などの内層に設けてもよい。この場合、放射導体１１及び給電線１４を２つの層で挟み込むように形成してもよい。

誘電体基体１６が積層基体の場合、この積層基体は１つの比誘電率を持つ１種類の誘電体層を積層したものでもよく、後述する図１６に示すように少なくとも２種類以上の異なる比誘電率を持つ誘電体層を積層したものでもよい。
誘電体基体１６に放射導体１１を設けることで、誘電体の波長短縮効果を用いてアンテナ本体部１０の小型化が可能となる。この場合、放射導体１１の設置位置や誘電体基体１６の比誘電率、又は２種類以上の比誘電率の組み合わせに応じて、実効的な比誘電率が決まる。したがって、実効的な比誘電率に応じて波長短縮効果が可能となり、この実効的な比誘電率を適宜選択、調整することによって動作周波数帯域の広いアンテナ本体部１０を実現することができる。

また、第１の形状要素１２と第２の形状要素１３は同一平面上に形成するが、給電線１４とアースパターン１５ａ、１５ｂは、第１の形状要素１２と第２の形状要素１３と同一の平面又は異なる別平面上に形成してもよい。異なる別平面に形成する場合、図３に示すような誘電体基体１６の内部にあるビアを用いて、第２の形状要素１３と給電線１４と接続し、また給電線１４とストリップ線路の信号線１９とを接続することができる。さらに、給電線１４を長さ方向（図１における縦方向）で２分割して２つの給電線としてもよい。この場合、一方の給電線は、第１の形状要素１２及び第２の形状要素１３と同一平面上に形成して、第２の形状要素１３と接続させる。他方の給電線は、第１の形状要素１２及び第２の形状要素１３と異なる別平面上に形成してストリップ線路の信号線１９とを接続させるとともに、図３に示すビア２０を介して、前記一方の給電線に接続させる。

また、ストリップ線路の信号線１９から給電線１４への接続は図３に示すビア２０を用いて行ってもよいし、誘電体基体１６の端に信号線のパターンを設け、このパターンを介して接続してもよい。また、放射導体１１は誘電体基体１６に限らず、放射導体１１とアースパターン１５ａ，１５ｂは、絶縁性基板１７の基板表面上に形成してもよい。前述したように波長短縮効果をさらに得る場合、絶縁性基板１７の基板表面上に形成した放射導体１１の上に誘電体基体を別途設けるとよい。放射導体１１を絶縁性基板１７の基板表面上に形成する場合、放射導体１１へ給電するためのマイクロストリップ伝送線路等の伝送線路と放射導体１１とを、同じ絶縁性基板１７上に形成することができる。

アンテナ装置１は、図２，３に示されるように、グランド導体１８を形成した絶縁性基板１７にアンテナ本体部１０を表面実装することで構成される。グランド導体１８は、例えば誘電体などの絶縁性基板１７の背面にプリント印刷を利用して形成される。この場合、アンテナ本体部１０へ給電するための伝送線路、例えばマイクロストリップ伝送線路などのストリップ線路の信号線は絶縁性基板１７の表面にプリント印刷により形成される。
なお、絶縁性基板１７は積層基板を用いることもできるが、この場合、グランド導体１８は積層基板の表層ではなく、２層目、３層目などの内層に設けられてその上に絶縁層が設けられた構成であってもよい。

さらに、絶縁体基板１７に形成するアンテナ本体部１０へ給電するための伝送線路は、マイクロストリップ伝送線路に限らず、絶縁体基板１７の同一面上にグランド導体と信号線を設けるコプレーナ線路などであってもよい。この場合、コプレーナ線路のグランド導体がグランド導体１８の機能を行う。コプレナー線路が形成された表面にアンテナ本体部１０を実装してもよいし、背面に実装してもよい。
また、アンテナ本体部１０とグランド導体１８は同一基板の同一平面上に配置してもよい。この場合、アンテナ本体部１０を構成する誘電体基体１６などの基体は不必要である。露出部２４に対向する露出部対向領域にアンテナ本体部１０を形成し、基板の背面にストリップ線路を形成し、ビアを介してアンテナ本体部１０に給電するように構成することができる。すなわち、グランド導体１８が形成される面とアンテナ本体部１０の放射導体１０の形成される面とが平行になるようアンテナ本体部１０を配するとよい。

また、アンテナ本体部１０を形成する誘電体基体１６の表面やグランド導体１８を形成する絶縁性基板１７には、アンテナ本体部１０をはんだ付けなどで絶縁性基板１７に固定実装するための端子が設けられてもよい。このような端子を数カ所設けることで、無線通信装置などの通信用機器に用いられる場合でも、取り扱い中にアンテナ本体部１０が絶縁性基板１７から脱落することを防ぐことができる。また、このような端子は、例えば、絶縁性基板１７に設けられたストリップ線路の信号線１９と誘電体基体１６に設けられた給電線１４とをはんだ付けなどで接続する場合に用いてもよい。この場合、脱落防止と電気的な接続を同時に実現できる。

このような端子を設けるために、アンテナ素子１０の端（誘電体基体１６の端）とグランド導体１８との間の距離Ｌ₁（図３参照）は、アンテナとしての特性を損なわないように、信号線の配線方向において通常−５ｍｍ〜５ｍｍの範囲に設定される。例えば、距離Ｌ₁が−５ｍｍの場合は、図３においてグランド導体１８とアンテナ素子１０が５ｍｍの範囲で重なる。
このようなアンテナ装置１は、直線偏波の送受信を行なうアンテナ装置として好適に用いることができる。

次に、このようなアンテナ装置１についての送受信特性について説明する。
図５は、図２，３に示すアンテナ装置１のＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio)の周波数特性の一例を示している。一般に伝送線路にアンテナ等の負荷が接続されたり、別の特性インピーダンスを持つ伝送線路等が接続された場合、接続部分の不連続性により伝送される信号の進行波の一部が反射されて後退波が発生する。そして、この後退波が進行波と同一伝送線路上に共存して定在波が作られる。ＶＳＷＲはこのときの定在波として現れる電圧信号の最小値に対する最大値の比率をいう。したがってＶＳＷＲが１に近づくほどアンテナ本体部１０のインピーダンスマッチングが良好に行なわれ、この結果アンテナ本体部１０のリターンロスが小さくなり特性が向上するといえる。

図５に示すＶＳＷＲの周波数特性では、ＶＳＷＲを縦軸に、周波数を横軸にとっている。したがって、広帯域にわたる作動周波数を有するには、ＶＳＷＲが１に近い周波数の範囲が広いことが必要である。ＶＳＷＲが２．０より小さい場合、良好な送受信特性を有することから、ＶＳＷＲの周波数特性において、ＶＳＷＲが２．０より小さい周波数帯域幅を用いて広帯域にわたる作動周波数を有するか否かを判定することができる。そこで、ＶＳＷＲが２より小さい上限の周波数をｆ_H、下限の周波数をf_Lとすると下記式にて定める比帯域幅により動作周波数帯域の広狭を判定することができる。
比帯域幅 ＝ ２・（ｆ_H−f_L）／（ｆ_H＋f_L）×１００（％）
比帯域幅が大きいほど作動周波数帯域幅が広いことを意味する。
図２，３に示すアンテナ装置１におけるＶＳＷＲの周波数特性については、種々の例を挙げて後述する。
なお、本発明のアンテナ装置においてＶＳＷＲが２．０より小さい周波数帯域幅を用いたときの比帯域幅が４０％以上である。本発明のアンテナ装置では、好ましくは、ＶＳＷＲが２．２より小さい周波数帯域幅を用いたときの比帯域幅は７５％以上であり、より好ましくは、ＶＳＷＲが２．４より小さい周波数帯域幅を用いたときの比帯域幅は８５％以上であり、特に好ましくは、ＶＳＷＲが２．６より小さい周波数帯域幅を用いたときの比帯域幅は９０％以上であり、最も好ましくは、ＶＳＷＲが３．０より小さい周波数帯域幅を用いたときの比帯域幅は１００％以上である。

次に、本発明のアンテナ装置の他の実施形態であるアンテナ装置について説明する。
図６及び７は、図１に示すアンテナ装置１の構成に、リフレクター４１及び誘電体層５１を配設したアンテナ装置２である。
図６は、アンテナ装置２の平面図であり、図７は、図６に示すアンテナ装置２を図６中の直線Ｃ−Ｄで切断した断面図である。アンテナ装置２は、送信及び受信の少なくとも一方を行うアンテナ装置である。

アンテナ装置２では、アンテナ装置１と同様に、アンテナ本体部１０が回路基板等の絶縁性基板１７の表面に実装されている。一方、リフレクター４１及び誘電体層５１が、絶縁性基板１７のグランド導体１８が設けられた面の側に、絶縁性基板１７に沿って配設されている。
アンテナ本体部１０は上述したように絶縁性基板１７の表面に実装される表面実装型のアンテナである。アンテナ本体部１０及び絶縁性基板１７についての説明は上述したので省略する。

リフレクター４１は金属平板であり、アンテナ本体部１０から放射された電波をリフレクター４１の表面の法線方向に鋭い指向性を形成して利得を向上させる機能を有する。図６，７に示すようにリフレクター４１は絶縁性基板１７に沿って配設されているのでアンテナ本体部１０から放射された電波はＺ方向に反射する。なお、リフレクター４１の表面は平面状のものに限らず、例えば円柱、円柱の一部、球又は球の一部等の曲面を表面に有するリフレクターであってもよい。例えば、円柱の一部の形状を表面に有するリフレクターとすると、リフレクターの表面のうち直線に沿った部分では、電波の指向性を一方向に強め、曲線で表される部分では、電波の指向性をブロードにすることができる。
また、リフレクター４１の材質は金属に限られず、電波を反射するものなら何でもよい。例えばガラス板等の誘電体基板に透明導電膜を形成したものを用いてもよい。人工磁気導体として作用するＥＢＧ構造（Electromagnetic Band Gap)を用いてもよい。
リフレクター４１の表面には誘電体層５１が配設されている。

誘電体層５１は、絶縁性基板１７とリフレクター４１との間に配設された誘電体からなり、リフレクター４１とともに用いることでアンテナ装置２が高利得になるように機能する。本実施形態においては、誘電体層５１をリフレクター４１の表面に配設しているが、本発明においては絶縁性基板１７とリフレクター４１との間の所望の位置に配設されていればよい。しかし、アンテナ装置２の動作周波数帯域中の低周波において高利得を維持するためには、絶縁性基板１７、空気層６１、誘電体層５１、リフレクター４１の順になるように、誘電体層５１をリフレクター４１の表面に配設することが好ましい。誘電体層５１の比誘電率は特に制限されないが、好ましくは比誘電率は１．５〜２０、さらに好ましくは２〜１０であることがよい。

本実施形態においてリフレクター４１は絶縁性基板１７に沿って配設されているが、本発明においてリフレクター４１は必ずしも絶縁性基板１７に沿って配設する必要はない。電波を反射させたい方向に応じて絶縁性基板１７に対するリフレクター４１及び誘電体層５１の向きを変えてもよい。例えば図６、７中のＺ軸からＹ軸の方向にθ＝２０度傾斜させた方向において電波の最大放射強度を得るには、絶縁性基板１７に対してリフレクター４１及び誘電体層５１をＹ軸方向に２０度傾斜させて配設するとよい。また、図６、７中のＸ軸方向において電波の最大放射強度を得るには、図６、７中のＸ軸方向にリフレクター４１及び誘電体層５１の面が向くように、すなわち絶縁性基板１７に対して垂直方向になるように配設するとよい。
なお、絶縁性基板１７と、リフレクター４１及び誘電体層５１とは平行又は略平行になるように配設されることが好ましい。これにより略平面状のアンテナ装置を構成することができ、小型のアンテナ装置を提供することができる。リフレクター４１及び誘電体層５１は、絶縁性基板１７を挟んでアンテナ本体部１０と反対側に配設してもよいし、アンテナ本体部１０の側に配設してもよい。

図６では、リフレクター４１の横方向（Ｘ方向）の長さをＬ₄₁、縦方向（Ｙ方向）の長さをＬ₄₂としてリフレクター４１の形状が定義されている。また、図７では、リフレクター４１の配設される位置が絶縁性基板１７から間隔Ｌ₄₃離れた位置として定義されている。

リフレクター４１の大きさ（長さＬ₄₁,Ｌ₄₂）は、金属平板が電波の反射板として機能するように設定されている。リフレクター４１が所定の値より小さい場合反射板として機能しない。アンテナ装置２が広帯域の周波数範囲においてリフレクター４１が機能し、広帯域にわたり高利得の特性を示すように長さＬ₄₁,Ｌ₄₂が設定される。
例えばアンテナ装置２では、長さＬ₄₁及び／又は長さＬ₄₂は３０ｍｍ以上あればよい。リフレクター４１の横方向の長さＬ₄₁及び／又は縦方向の長さＬ₄₂は、絶縁性基板１７の対応する方向の長さと同等以上であることが好ましいが、リフレクター４１の横方向の長さＬ₄₁及び縦方向の長さＬ₄₂のいずれか一方が少なくとも絶縁性基板１７の対応する方向の長さと同等以上であればよい。例えば、リフレクター４１の横方向の長さＬ₄₁が絶縁性基板１７の横方向の長さより短くても、リフレクター４１の縦方向の長さＬ₄₂が絶縁性基板１７の縦方向の長さより長ければよい。さらに好ましくは、長さＬ₄₁及び／又は長さＬ₄₂は絶縁性基板１７の横方向の長さ及び／又は縦方向の長さの１．３倍以上であり、例えば４０ｍｍ以上であることがよい。

また、間隔Ｌ₄₃を調整することにより広帯域の周波数範囲においてリフレクター４１が機能し、広帯域にわたって高利得のアンテナ装置を提供することができる。アンテナ装置２における間隔Ｌ₄₃は５〜２５ｍｍの範囲にあることが好ましく、より好ましくは７〜２２ｍｍの範囲にあることがよい。この範囲において、３〜５ＧＨｚの広い動作周波数帯域において高利得の特性を示す。

また、図６において、誘電体層５１の横方向の長さをＬ₅₁、縦方向の長さをＬ₅₂、図７において、厚さをＬ₅₃として誘電体層５１の形状が定義されている。
誘電体層５１の形状が所定の大きさより小さくなるとアンテナ装置２の利得は低下する。長さＬ₅₁及び長さＬ₅₂を所定の範囲に設定することにより広帯域の周波数範囲においてアンテナ装置２が高利得の特性となるように機能する。
例えばアンテナ装置２では、長さＬ₅₁及び／又はＬ₅₂は３０ｍｍ以上あればよい。誘電体層５１の横方向の長さＬ₅₁及び／又は縦方向の長さＬ₅₂は、絶縁性基板１７の対応する方向の長さと同等以上であることが好ましい。しかし、誘電体層５１の横方向の長さＬ₅₁及び縦方向の長さＬ₅₂のいずれか一方が、少なくとも絶縁性基板１７の対応する方向の長さと同等以上であればよい。例えば、誘電体層５１の横方向の長さＬ₅₁が絶縁性基板１７の横方向の長さより短くても、誘電体層５１の縦方向の長さＬ₅₂が絶縁性基板１７の縦方向の長さより長ければよい。さらに好ましくは、長さＬ₅₁及び／又は長さＬ₅₂は絶縁性基板１７の横方向の長さ及び／又は縦方向の長さの１．３倍以上であり、例えば４０ｍｍ以上であることがよい。

誘電体層５１の厚さＬ₅₃は、所定の範囲に設定することにより広帯域の周波数範囲においてアンテナ装置２が高利得の特性となるように機能する。誘電体層５１の厚さＬ₅₃の範囲については後述する。

次に、本発明のアンテナ装置について種々の例に基づいて具体的にアンテナ装置の特性を説明する。

例１（実施例）
図５は、以下に説明する例１のアンテナ装置１におけるＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。図５中には、比較例として、例１と異なる図３３に示されるアンテナを用いた後述する例７（比較例）におけるＶＳＷＲの周波数特性も示されている。この周波数特性はＦＩ（Finite-Integration)法による電磁界シミュレーションにより算出されたものである。
例１は、図１に示すアンテナ本体部１０を有するアンテナ装置１を用いた例である。例７は、図１に示すアンテナ本体部１０の替わりに、図３３に示されるように円形状の放射導体１１１により構成されたアンテナ本体部１１０を用いたアンテナ装置である。詳細は後述する。
例１及び例７ともに、図２に示すように、アンテナ本体部１０，１１０は絶縁性基板１７の一方の面に実装され、他方の面にはグランド導体１８が形成されている。

なお、例１におけるアンテナ装置１の主要部の寸法が、以降に述べる例２〜７とともに表１に示されている。表１中におけるアースパターン、誘電体基体、絶縁性基板及びグランド導体の項目中の縦、横は図２，図６における縦方向の長さ、横方向の長さをいう。

図５に示すように、例１における周波数特性の比帯域幅は１２０％であり、例７における周波数特性の比帯域幅は４０％である。例１の方が比帯域幅は広く、動作周波数帯域が広い。さらに、例１はＶＳＷＲの値が１に近づいており、アンテナにおけるリターンロスが小さくなってアンテナとしての送受信特性が向上する。したがって、第１の形状要素１２と第２の形状要素１３の一部が共有化するように形状を成した放射導体１１によって、比帯域幅を広くすることができるとともに、広帯域にわたって最適なインピーダンスマッチングを達成することができる。すなわち、放射導体１１が第２の形状要素１３を備えることで比帯域幅を向上させるだけでなく、良好なインピーダンスマッチングを実現する。
これより放射導体１１における第１の形状要素１２の大きさに応じて、第２の形状要素１３の形状を適宜調整することで、広帯域にわたって最適なインピーダンスのマッチングを実現できることがわかる。また、第２の形状要素１３における楕円形状の長軸半径及び短軸半径を適宜調整し、より広範囲の周波数帯域において良好なマッチングを得ることが可能となる。

例２（実施例）
図８は、例２のアンテナ装置１のＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。このアンテナ装置１は、図１に示すアンテナ本体部１０を有し、例１と寸法の異なるアンテナ本体部１０を絶縁体基板１７に実装したアンテナ装置である。図８に示す周波数特性はＦＩ法による電磁界シミュレーションにより算出されたものである。例２のアンテナ装置１の主要部の寸法は表１に示されている。
この他に、例２における給電線１４の長さは０．７ｍｍである。誘電体基体１６の厚さは１．２ｍｍであり、放射導体１１は誘電体基体１６の内部に設けている。誘電体基体１６は、図１６に示すように異なる比誘電率を有する２種類の誘電体層（第１の誘電体層３２及び第２の誘電体層３３）の内部に放射導体１１が形成された構成である。第１の誘電体層３２は比誘電率が２２．７で、第２の誘電体層３３は比誘電率が６．６である。
図８に示すＶＳＷＲの周波数特性から求められる比帯域幅は１１５％であり、図５に示す例７の比帯域幅４０％に比べて動作周波数帯域が広い。

例３（実施例）
図９は、上述の例２と略同様の構成のアンテナ装置を作製したときのアンテナ装置のＶＳＷＲの周波数特性の測定結果を示すグラフである。
具体的には、誘電体基体１６は例２と同様に異なる比誘電率を有する２種類の誘電体層（第１の誘電体層３２及び第２の誘電体層３３）によって構成した。この誘電体基体１６の内部に、誘電体基体１６の厚さ方向の略中央の部分にアンテナ本体部１０を構成する放射導体１１及び給電線１４を同一平面に形成した。第１の誘電体層３２はそれぞれ比誘電率が２２．７、厚さが０．３ｍｍであり、第２の誘電体層３３はそれぞれ比誘電率が７．６、厚さが０．３ｍｍである。

例３のアンテナ装置１の主要部の寸法は表１に示されている。
この他の寸法として、誘電体基体１６の全体の厚さは１．２ｍｍである。絶縁性基板１７の厚さは０．８ｍｍである。第２の形状要素１３である半楕円形状のうち曲率半径が最も小さくなる部分が第１の形状要素１２の円形状の略中央付近に位置し、又第２の形状要素１３の半楕円形状のうち直線部分（楕円形状を半分に切断した側の部分）は第１の形状要素１２から突き出るように配した。第１の形状要素１２からみて第２の形状要素１３の位置方向の周縁部に接続される給電線１４は長さは０．９ｍｍ、幅は０．２ｍｍである。第２の形状要素１３と接続されない給電線１４の他方の周縁部は、誘電体基体１６の端（図１では誘電体基体１６の下辺）から０．８ｍｍ離れた位置にある。

一方、アースパターン１５ａ，１５ｂを絶縁性基板１７と接する側の誘電体基体１６の面上に設け、図示されない給電パッドをアースパターン１５ａ，１５ｂの間に配した。図示されない給電パッドの大きさは縦１．１ｍｍ、横１．４ｍｍである。アースパターン１５ａ，１５ｂと図示されない給電パッドとの間隔はそれぞれ０．５ｍｍである。この給電パッドをビア２０を介して給電線１４の端部に接続した。

グランド導体１８を有する絶縁性基板１７は、厚さ０．８ｍｍ、銅箔厚さ０．０１８ｍｍの両面銅貼り樹脂基板（松下電工社製Ｒ−１７６６Ｔ、比誘電率４．７）を用いて作製した。絶縁性基板１７の一方の面には信号線１９を、他方の面にはグランド導体１８を設け、誘電体基体１６を、信号線１９の形成された絶縁性基板１７の一方の面の端（図２に示す絶縁性基板１７の右上端）に実装した。
伝送線路の信号線１９はマイクロストリップ伝送線路の信号線とし、横幅は１．４ｍｍである。グランド導体１８、信号線１９及び図示しない接合パッド（給電パッドと接合するパッド）等の導体パターンをエッチングにより形成した。これらの導体には金フラッシュ処理を施し、接合パッド以外の導体の表面の部分は半田レジストで被覆した。
絶縁性基板１７の接合パッドの位置に鉛フリークリーム（千住金属社製 Ｍ７０５）をメタルマスクを用いて印刷した。誘電体基体１６を所定の位置に位置合わせして絶縁性基板１７に載せ、この後２５０℃で加熱して絶縁性基板１７と誘電体基体１６とを半田で溶着接合した。これにより、信号線１９を誘電体基体１６の給電パッドと接続し、さらにアースパターン１５ａ，１５ｂを絶縁性基板１７に設けられた図示されない接合パッド及びビアを介してグランド導体１８と接続した。

こうして作製されたアンテナ装置についてＶＳＷＲの測定を行い、図９に示す測定結果を得た。このときの比帯域幅は１２０％であり、図５に示す例７の比帯域幅４０％に比べて動作周波数帯域幅が広いことがわかる。
さらに、第２の形状要素１３を長方形形状としたアンテナ装置を作製した場合も同様な比帯域幅を有することが確認された。

例４，５，６（実施例）
図１０〜１２は、放射導体１１の形状を変えた例４〜６を示す図である。
図１０に示す放射導体１１を用いたアンテナ装置１を例４、図１１に示す放射導体１１を用いたアンテナ装置１を例５、図１２に示す放射導体１１を用いたアンテナ装置１を例６として表す。
図１０に示す例４、図１１に示す例５及び図１２に示す例６のアンテナ装置１の主要部の寸法は表１に示されている。
例４及び例５では、放射導体１１の第２の形状要素１３である半楕円形状のうち曲率半径の最も小さくなる部分を第１の形状要素１２と共有化するように組み合わせて放射導体１１を配している。例４では第１の形状要素１２の長軸を図１０において横方向に、例５では第１の形状要素１２の長軸を図１１において縦方向に定めている。
なお、以降において、図１０におけるアンテナ本体部１０は、第１の形状要素１２の長軸を図中横方向に定めたものとし、図１１におけるアンテナ本体部１０は、第１の形状要素１２の長軸を図中縦方向に定めたものとして区別して扱う。
図１２は、放射導体１１の第１の形状要素１２を六角形形状に、第２の形状要素１３を半楕円形状にし、第２の形状要素１３である半楕円形状のうち曲率半径が小さい部分を給電線１４と接続するように配置したものである。
表１中の例６における六角形形状の縦（第１の形状要素１２の項目）は図１２における縦方向を、横は図１２における横方向の長さである。第２の形状要素１３の半楕円形状は楕円形状を短軸方向に沿って切断したものである。

図１３は、例４，５のＶＳＷＲの周波数特性を示す。この周波数特性はＦＩ法による電磁界シミュレーションにより算出されたものである。図１３より、例４及び例５とも例１とほぼ同等の比帯域幅を有し、図５に示す比帯域幅４０％の例７に比べて動作周波数帯域が広い。
図１４は、さらに例６のＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。図１４より、ＶＳＷＲが３以下となる周波数帯域幅が図５に示す例１の周波数帯域幅とほぼ同等であり、比帯域幅が６１％程度である。このように第１の形状要素１２は、円、楕円又は三角形、四角形、六角形、八角形といった多角形、略円、略楕円又は略多角形などの中から選択した形状を有し、第２の形状要素１３は、円、楕円、多角形、台形、略円、略楕円、略多角形、又は略台形などの中から選択した形状の少なくとも一部分を有することで、いずれの組み合わせにおいても８０％以上の比帯域幅が得られる。これにより、図３１〜３３に示すような円形状の形状要素を用いたアンテナに比べて比帯域幅が向上した広帯域の動作周波数の特性を実現する。より良好な広帯域の動作周波数を得るには、第１の形状要素１２及び第２の形状要素１３は、円形、楕円形及び円形や楕円の形状に近い多角形のいずれかの形状を用いることが好ましい。
このように、本発明においては、放射導体１１における第１の形状要素１２及び第２の形状要素１３の組み合わせは、図１のような円形状及び半楕円形状の組み合わせに限らない。第１の形状要素１２は、多角形、略多角形、円形、略円形、楕円形及び略楕円形の中から選ばれる形状を用い、第２の形状要素１３は多角形、略多角形、円形、略円形、楕円形、略楕円形、台形及び略台形から選択される形状の一部分を少なくとも用いた形状であればよい。

例７（比較例）
例７は、図１に示すアンテナ本体部１０の替わりに円形状の放射導体１１１により構成されたアンテナ本体部１１０（図３３参照）を用いたアンテナ装置であり、本発明のアンテナ装置に含まれない。図３３中の符号１１４は給電線であり、符号１１５ａ，１１５ｂはアースパターンであり、符号１１６は誘電体基体である。給電線１１４、アースパターン１１５ａ，１１５ｂ及び誘電体基体１１６は、図１に示す給電線１４、アースパターン１５ａ，１５ｂ及び誘電体基体１６と同様の構成である。
図３３に示すアンテナ１１０は、図３１に示す放射導体である平面ディスクモノポール１０１が金属平板１０３に垂直に立設する形態ではなく、図３に示すような絶縁性基板１７に放射導体１１１が平行に配置されて構成されている。
図３３に示す例７のアンテナ装置の主要部の寸法は表１に示されている。
図５に示す例７の比帯域幅は４０％である。

例８（実施例）
本発明のアンテナ装置１では、アースパターン１５ａ，１５ｂは必ずしも設ける必要はない。図１５は、例１からアースパターン１５ａ，１５ｂを取り除いた例８のＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。この周波数特性はＦＩ法による電磁界シミュレーションにより算出されたものである。例８のアンテナ装置１の主要部の寸法は、以降に述べる例９〜１８の主要部の寸法とともに下記表２に示されている。表２中におけるアースパターン、誘電体基体、絶縁性基板及びグランド導体の各項目中の縦、横は図２、図６における縦方向の長さ、横方向の長さをいう。

図１５に示すように、例８では比帯域幅が５７％で、例１に比べて比帯域幅が向上している。一方、例８では例１に比べてＶＳＷＲの値が１から遠ざかっている。これより、アースパターン１５ａ，１５ｂは、動作周波数帯域の幅に影響を与えず、給電線１４と作用してインピーダンスマッチングを効果的に行なうことがわかる。このようにアースパターン１５ａ，１５ｂを取り除くことでＶＳＷＲが１から遠ざかることから、インピーダンスマッチングを効果的に行なうにはアースパターン１５ａ，１５ｂを設けることが好ましい。さらに、絶縁体基板１７に補助パターン及びビアを設け（図示せず）、補助パターン及びビアを介してアースパターン１５ａ，１５ｂとグランド導体１８を接続することがさらに好ましい。

例９，１０，１１（実施例）
図１６は、異なる比誘電率を有する２種類の誘電体層の内部に放射導体１１を形成したアンテナ本体部１０を示す図である。図１７は、誘電体基体１６の比誘電率を変化させたときのＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。この周波数特性はＦＩ法による電磁界シミュレーションにより算出されたものである。例９は、比誘電率が６．６の１種類の誘電体積層基体の内部に放射導体１１を形成したものであり、例１０誘電率が２２．７の１種類の誘電体積層基体の内部に放射導体１１を形成したものである。例１１は図１６に示すように異なる比誘電率を有する２種類の誘電体層の内部に放射導体１１を形成したものである。第１の誘電体層３２は比誘電率が２２．７で、第２の誘電体層３３は比誘電率が６．６である。
例９〜１１のアンテナ装置１の主要部の寸法は表２に示されている。
図１７に示すように例９〜１１とも比帯域幅は、図５に示す例７の比帯域幅に比べて広いことがわかる。

例１２（実施例）
アンテナ本体部１０が絶縁性基板１７に実装される部分は、図２に示されるようにグランド導体１８が形成されず絶縁性基板１７が露出する露出部２４と対向する露出部対向領域である。このとき、グランド導体１８の形状及び大きさによって広い動作周波数帯域を有する周波数特性が大きく損なわれることはない。
図１８は、グランド導体１８の大きさが例１１と異なる例１２のＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。この周波数特性はＦＩ法による電磁界シミュレーションにより算出されたものである。例１２のアンテナ装置１の主要部の寸法は表２に示されている。
図１８からわかるように、グランド導体１８の形状を大きくすると比帯域幅は向上する。したがって、例１１と同程度以上の大きさのグランド導体１８を形成する限りにおいて広い動作周波数帯域を有する周波数特性は損なわれない。

例１３（実施例）
図２に示すアンテナ本体部１０は、グランド導体１８が形成されない領域、すなわち絶縁性基板１７の露出部２４に対向する露出部対向領域に配して構成されるが、アンテナ本体部１０の配する位置によって広い動作周波数帯域を有する周波数特性は損なわれない。
図１９は、図１に示すアンテナ本体部１０を絶縁性基板１７の露出部２４の中央部に配した例１３のＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。この周波数特性はＦＩ法による電磁界シミュレーションにより算出されたものである。
例１３のアンテナ装置１の主要部の寸法は表２に示されている。
例１２ではアンテナ素１０を絶縁性基板１７の露出部対向領域の右端部に配置している。例１３においても例１２と同様に良好な特性を示している。しかし、例１２に比較して若干、比帯域幅が減少している。このことから、アンテナ本体部１０は絶縁性基板１７の露出部対向領域の端部に配置されることが好ましい。さらに、絶縁性基板１７の４隅のいずれかに配置されることが好ましい。図２では図中右上端にアンテナ本体部１０を配置しているが、左上端、右下端又は左下端に配置してもよい。

例１４，１５（実施例）
本発明では、図２０に示すように、絶縁性基板１７の露出部対向領域にアンテナ本体部１０が設けられるが、アンテナ本体部１０の端（誘電体基体１６の端）から距離Ｌ₂離れた位置に、第２のグランド導体１５の端部を持つように第２のグランド導体１５を設けてもよい。距離Ｌ₂は、信号線の配線方向と直交する方向における距離である。

図２１は、図２０中の距離Ｌ₂を３ｍｍとする例１４と距離Ｌ₂を０ｍｍとする例１５のＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。この周波数特性はＦＩ法による電磁界シミュレーションにより算出されたものである。例１４,１５のアンテナ装置１における主要部の寸法は表２に示されている。
例１４では比帯域幅が５０％で、比帯域幅が大きく広帯域の動作周波数帯域を有する。例１５では比帯域幅が半分程度の４２％程度に減少する。したがって、アンテナ本体部１０を実装したアンテナ装置の構成において、距離Ｌ₂が３ｍｍ以上となるように第２のグランド導体１５を設けることが好ましい。
グランド導体１８を形成する絶縁性基板１７は、他の回路素子などが配置された回路基板とすることもできる。この場合、回路基板のグランド導体がグランド導体１８となる。アンテナ本体部１０は、回路基板の露出部対向領域、すなわち絶縁性基板１７の露出部２４に対向する反対側の面の領域に配置される。したがって、回路基板の露出部以外の領域は他の回路素子などを配置するスペースとして利用することができる。第２のグランド導体１５を設けると、この他の回路素子などを配置するスペースを増やすことができる。
このように、第２のグランド導体１５を設けることで露出部２４を小さくすることができ、小型な構成でかつ動作周波数帯域が広いアンテナ装置を提供することができる。

例１６，１７（実施例）
次に、図４に示す放射導体１１の形状と比帯域幅との関係を説明する。
放射導体１１の形状を表す指標として、図４に示すように放射導体１１の第１の形状要素１２の縦方向の長さＬ₃₁及び第１の形状要素１２から突き出た第２の形状要素１３の縦方向の長さＬ₃₂を用いて下記式（１）で表される縦長さ比率αを定めた。Ｌ₃₁＋Ｌ₃₂は放射導体１１のパターン形状の輪郭として現れる全体の縦長さである。

図４に示す放射導体１１の形状では、第２の形状要素１３の半楕円形状のうち、曲率半径が最も小さくなる部分が第１の形状要素１２の円形状の略中央付近に位置しているが、この部分が中央付近に位置するように拘束する必要は必ずしもない。上記拘束をはずして縦長さ比率αを調整することにより、比帯域幅の広い、広帯域の動作周波数帯域を有するアンテナ装置を得ることができる。

例１６のアンテナ装置１は、例１，２と同様の構成であり、表２に主要部の寸法が示されている。
放射導体１１は、図１６に示すように異なる比誘電率を有する２種類の誘電体層の内部に形成した。第１の誘電体層３２はそれぞれ比誘電率が１８．５、厚さが０．２５ｍｍであり、第２の誘電体層３３はそれぞれ比誘電率が７．２、厚さが０．２５ｍｍである。誘電体基体１６の全体の厚さは１．０ｍｍである。
第１の形状要素１２からみて第２の形状要素１３の位置方向の周縁部に接続される給電線１４は長さが０．９ｍｍ、幅が０．２ｍｍであり、第２の形状要素１３と接続されない給電線１４の他方の周縁部は、誘電体基体１６の端（図１では誘電体基体１６の下辺）から０．７ｍｍ離れた位置である。

一方、アースパターン１５ａ，１５ｂを絶縁性基板１７と接する側の誘電体基体１６の面上に設け、図示されない給電パッドをアースパターン１５ａ，１５ｂの間に配した。図示されない給電パッドの大きさは縦１．１ｍｍ、横１．４ｍｍである。アースパターン１５ａ，１５ｂと図示されない給電パッドとの間隔はそれぞれ０．５ｍｍである。この給電パッドはビア２０を介して給電線１４の端部に接続する。
絶縁性基板１７の厚さは０．８ｍｍ、比誘電率は４．７である。絶縁性基板１７には、一方の面に信号線１９を、他方の面にグランド導体１８を設け、図２に示すように、誘電体基体１６を信号線１９の形成された面の側の右上端部に配置した。信号線１９はマイクロストリップ伝送線路の信号線とし、横幅は１．４ｍｍである。信号線１９を誘電体基体１６の給電パッドと接続し、さらにアースパターン１５ａ，１５ｂを絶縁性基板１７に設けられた図示されない給電パッド及びビアを介してグランド導体１８と接続した。

放射導体１１の第１の形状要素１２と第２の形状要素１３と給電線１４は誘電体基体１６の内部（厚さ方向の略中央の部分）に同一平面上に形成した。第２の形状要素１３の半楕円形状のうち直線部分（楕円形状を半分に切断した側の部分）は第１の形状要素１２から突き出るように配した。第１の形状要素１２の横方向の長さは８．６ｍｍ、放射導体１１の縦方向の全体の長さＬ₃₁＋Ｌ₃₂は８．２ｍｍとし、長さＬ₃₁を変化させて縦長さ比率αを変化させた。したがって、第１の形状要素１２は縦長さ比率αに応じて楕円形状又は円形状に変化する。

図２２は、例１６のアンテナ装置１の縦長さ比率αと比帯域幅との関係を表す特性図である。この特性図はＦＩ法による電磁界シミュレーションにより算出されたＶＳＷＲの周波数特性を用いて求めたものである。
図２２によれば、縦長さ比率αが３０〜９５％の広い範囲にわたり４０％以上の比帯域幅を得ることができ、好ましくは縦長さ比率αが４２〜９３％の範囲（５０％以上の比帯域幅）、より好ましくは縦長さ比率αが５０〜９２％の範囲（６０％以上の比帯域幅）にあることがよい。このように放射導体１１の形状を規定することが好ましい。

さらに、上記縦長さ比率αが６４％の放射導体１１を有するアンテナ装置１を例１７として作製し、ＶＳＷＲを測定した。図２３は、ＶＳＷＲの周波数特性の測定結果を示すグラフである。
例１７のアンテナ装置１は、例３と同様な作製方法を用いて作製した。
例１７のアンテナ装置１の主要部の寸法は表２に示されている。
このときの放射導体１１のパターン形状として現れる縦方向の全体の長さＬ₃₁＋Ｌ₃₂は８．１ｍｍである。放射導体１１の形状以外は例１６と同様の構成とした。

図２３に示す例１７の比帯域幅は６９％である。
また、第２の形状要素１３を長方形形状とし、長さＬ₃₂を２．９ｍｍ、横方向の長さを０．８ｍｍとした場合も同様の比帯域幅を得ることが確認された。

例１８（実施例）
さらに、放射導体１１の形状を変えたアンテナ装置を例１８として説明する。
図２４は、例１８のＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。この周波数特性はＦＩ法による電磁界シミュレーションにより算出されたものである。
例１８のアンテナ装置１の主要部の寸法は表２に示されている。なお、例１８の第２の形状要素１３の「正方形形状 １辺２ｍｍ」は、第１の形状要素１２から突き出た形状が一辺２ｍｍの正方形形状であることを意味する。
また、給電線１４の長さは０．７ｍｍ、幅０．２ｍｍである。給電線１４の右端とアースパターン１５ａの左端の間隔、及び給電線１４の左端とアースパターン１５ｂの右端の間隔は２ｍｍである。さらに、図２に示すようにアンテナ本体部１０を絶縁性基板１７ｂの上面に実装した。アンテナ本体部１０を実装した側と反対側にグランド導体１８を形成した。
図２４に示す例１８の比帯域幅は６８％である。

次に、図６，７に示すように、アンテナ本体部１０、絶縁性基板１７を備えるアンテナ装置１の構成にリフレクター４１、さらには誘電体層５１を付加したアンテナ装置２について説明する。
例１９（実施例）
例１９としてアンテナ装置２に用いるアンテナ本体部１０の放射導体１１は、図１６に示すように異なる比誘電率を有する２種類の誘電体層からなる誘電体基体１６の内部に形成した。アンテナ装置２は、例１６と同じ構成に、リフレクター４１を付加したものである。
例１９のアンテナ装置２の主要部の寸法は、後述する例２０，２１の寸法とともに下記表３に示されている。表３中におけるアースパターン、誘電体基体、絶縁性基板及びグランド導体の各項目中の縦、横は図２、図６における縦方向の長さ、横方向の長さをいう。

なお、放射導体１１の第１の形状要素１２から突き出た第２の形状要素１３の縦方向の長さＬ₃₂は１．８ｍｍである。リフレクター４１の略中央付近に絶縁性基板１７を配設し、絶縁性基板１７とリフレクター４１とが略平行になるように構成した。リフレクター４１は絶縁性基板から所望の間隔（間隔Ｌ₄₃）離れて配設される。

図２５は、アンテナ装置２の間隔Ｌ₄₃を変化させたときの、図６，７におけるＺ軸方向（θ＝０度）の利得の特性を示す特性図である。この特性はＦＩ法による電磁界シミュレーションにより算出されたものである。
図２５に示すように、間隔Ｌ₄₃を調整することにより、広帯域の周波数範囲でリフレクター４１が機能し、アンテナ装置２は広帯域にわたり高利得の特性を示す。間隔Ｌ₄₃の好ましい範囲は５〜２５ｍｍの範囲であり、この範囲において３〜５ＧＨｚの広帯域の周波数範囲で高利得の特性を有する。間隔Ｌ₄₃はさらに好ましくは７〜２２ｍｍの範囲にあることがよい。
図２６は、間隔Ｌ₄₃を７．５ｍｍとしたときの、図６，７に示すＸ−Ｚ面の垂直偏波の指向性を示す特性図である。この指向性もＦＩ法による電磁界シミュレーションにより算出されたものである。図２６に示すように、例１９のアンテナ装置２は、θ＝０度の近傍において広帯域（周波数帯域）にわたり高利得の特性を示す。

一方、図２７は、間隔Ｌ₄₃を１０ｍｍとし、横方向(図６，７中の横方向）の長さＬ₄₁を変化させたときの、図６，７におけるＺ軸方向（θ＝０度）の利得の特性を示す特性図である。この特性はＦＩ法による電磁界シミュレーションにより算出されたものである。なお、長さＬ₄₂は長さＬ₄₁と同じにした。
図２７に示すように、長さＬ₄₁及び長さＬ₄₂を調整することにより、広帯域の周波数範囲でリフレクター４１が機能し、アンテナ装置２は広帯域にわたり高利得の特性を示す。長さＬ₄₁及び／又は長さＬ₄₂の好ましい範囲は３０ｍｍ以上である。絶縁性基板１７の形状は、縦２８ｍｍ、横３０ｍｍであるため、リフレクター４１の長さＬ₄₁及び／又は長さＬ₄₂は、絶縁性基板１７の対応する方向の長さと同等以上であることが好ましい。例えばリフレクター４１の長さＬ₄₁が絶縁性基板１７の横方向の長さよりも短くても、長さＬ₄₂が絶縁性基板１７の縦方向の長さよりも長ければよい。さらに好ましくは、リフレクター４１の長さＬ₄₁及び／又は長さＬ₄₂が４０ｍｍ以上あればよい。すなわち、リフレクター４１の長さＬ₄₁及び／又は長さＬ₄₂のそれぞれが、絶縁性基板１７の対応する縦方向の長さ及び／又は横方向の長さの１．３倍以上あればよい。
このようにリフレクター４１の長さＬ₄₁、長さＬ₄₂、間隔Ｌ₄₃を調整することで、金属平板をリフレクターとして有効に機能させることができる。

例２０（実施例）
次に、例１９のアンテナ装置２における放射導体１１の第１の形状要素１２と第２の形状要素１３の形状のみを変更したアンテナ装置２を例２０として説明する。
例２０のアンテナ装置２の主要部の寸法は表３に示されている。
放射導体１１のパターン形状の輪郭として現れる縦方向の全体の長さＬ₃₁＋Ｌ₃₂が８．１ｍｍであり、長さＬ₃₂が２．９ｍｍである。

図２８は、間隔Ｌ₄₃は１０ｍｍであるときの、図６，７に示すＸ−Ｚ面の垂直偏波の指向性を示す特性図である。この指向性もＦＩ法による電磁界シミュレーションにより算出されたものである。
図２８に示すように、例２０のアンテナ装置２はθ＝０度の近傍において広帯域（周波数帯域）にわたり高利得の特性を示す。
また、第２形状要素１３を長方形形状とし、長さＬ₃₂が２．９ｍｍ、横方向の長さが０．８ｍｍである場合も図２８と同様の指向性を有することが確認された。

例２１（実施例）
さらに図６，７に示すアンテナ装置２における誘電体層５１の特性を説明する。
アンテナ装置２は、例１９と同様の構成と寸法を有するアンテナ本体部１０と絶縁性基板１７に対して、金属平面のリフレクター４１を絶縁性基板１７の略中央付近に配設し、絶縁性基板１７とリフレクター４１とが略平行になるように構成した。
例２１におけるアンテナ装置２の主要部の寸法は表３に示されている。
なお、絶縁性基板１７、空気層６１、誘電体層５１、リフレクター４１の順に並び、空気層６１及び誘電体層５１がリフレクター４１と略平行である。
このようなアンテナ装置２では、誘電体層５１の厚さＬ₅₃を所定の範囲に設定することにより、広帯域の周波数範囲で誘電体層５１が機能し、アンテナ装置２は広帯域にわたり高利得の特性を示す。

図２９は、間隔Ｌ₄₃に対する厚さＬ₅₃の比率βを変化させたときの、図６，７におけるＺ軸方向（θ＝０度）の利得の特性を示す特性図である。この特性はＦＩ法による電磁界シミュレーションにより算出されたものである。
なお比率βは下記式（２）によって表される。

図２９に示されるように、比率βを調整、すなわち誘電体層５１の厚さＬ₅₃を調整することにより、広帯域の周波数範囲で誘電体層５１が機能し、アンテナ装置２は広帯域にわたり高利得の特性を示す。好ましくは比率βが５〜８０％の範囲にあることがよく、この範囲において３〜５ＧＨｚの広帯域の周波数範囲で高利得の特性を有する。さらに比率βが１０〜７０％の範囲にあることがよく、この範囲において３〜４ＧＨｚの広帯域の周波数範囲で高利得の特性を有する。特に好ましくは比率βが１０〜６０％の範囲にあることがよい。
図２９に示すように、比率β＝４０％（誘電体層５１の厚さＬ₅₃が４ｍｍ）の場合、誘電体層５１がなくリフレクター４１のみの場合（比率β＝０）と比較して３ＧＨｚにおいて２ｄＢｉ、４ＧＨｚにおいて１．２ｄＢｉ利得が向上する。
図３０は、比率βが４０％のときの、図６，７に示すＸ−Ｚ面の垂直偏波の指向性を示す特性図である。この指向性もＦＩ法による電磁界シミュレーションにより算出されたものである。図３０に示すように、例２１のアンテナ装置２はθ＝０度の近傍において広帯域にわたり高利得の特性を示す。
また、第２形状要素１３を長方形形状とし、長さＬ₃₂が２．９ｍｍ、横方向の長さが０．８ｍｍの場合も図２９、３０と同様の指向性を有することが確認された。

以上、放射導体１１にマイクロストリップ線路などの不平行線路を接続したモノポールアンテナの説明をしたが、本発明では、これに限定されず放射導体１１又はアンテナ本体部１０を２つペアで設けダイポールアンテナとして用いてもよい。この場合、平行線路の一方の信号線を一方の放射導体１１又はアンテナ本体部１０へ接続し、平行線路のもう一方の信号線をもう一方の放射導体１１又はアンテナ本体部１０へ接続する。また、不平衡線路をバランを介して平衡線路へ変換し、上記のようにそれぞれの放射導体１１又はアンテナ本体部１０へ接続してもよい。

以上、本発明のアンテナ装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

本発明のアンテナ装置が有するアンテナ本体部の一実施形態の平面図である。 本発明のアンテナ装置の一実施形態の平面図である。 図２に示すアンテナ装置を直線Ａ−Ｂで切断したときの断面図である。 図１に示す放射導体の形状を説明する説明図である。 本発明のアンテナ装置の例１におけるＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。 本発明のアンテナ装置の他の実施形態の平面図である。 図６に示すアンテナ装置を直線Ｃ−Ｄで切断したときの断面図である。 本発明のアンテナ装置の例２におけるＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。 本発明のアンテナ装置の例３におけるＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。 本発明のアンテナ装置に用いるアンテナ本体部の他の実施形態を示す図である。 本発明のアンテナ装置に用いるアンテナ本体部の他の実施形態を示す図である。 本発明のアンテナ装置に用いるアンテナ本体部の他の実施形態を示す図である。 本発明のアンテナ装置の例４，５におけるＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。 本発明のアンテナ装置の例６におけるＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。 図１に示す例１からアースパターンを取り除いた例８におけるＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。 本発明のアンテナ装置に用いるアンテナ本体部の他の実施形態を示す図である。 本発明のアンテナ装置の例９〜１１におけるＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。 本発明のアンテナ装置の例１２におけるＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。 本発明のアンテナ装置の例１３におけるＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。 本発明のアンテナ装置の他の実施形態を示す図である。 本発明のアンテナ装置の例１４，１５におけるＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。 本発明のアンテナ装置の例１６における縦長さ比率αと比帯域幅との関係を表す特性図である。 本発明のアンテナ装置の例１６におけるＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。 本発明のアンテナ装置の例１８におけるＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。 本発明のアンテナ装置の例１９におけるアンテナ装置の間隔Ｌ₄₃を変化させたときのアンテナ装置の利得の特性を示す特性図である。 本発明のアンテナ装置の例１９における間隔Ｌ₄₃を７．５ｍｍとしたときの垂直偏波の指向性を示す特性図である。 本発明のアンテナ装置の例１９における長さＬ₄₁を変化させたときのアンテナ装置の利得の特性を示す特性図である。 本発明のアンテナ装置の例２０における垂直偏波の指向性を示す特性図である。 本発明のアンテナ装置の例２１にアンテナ装置の利得の特性を示す特性図である。 本発明のアンテナ装置の例２１における比率βが４０％のときの垂直偏波の指向性を示す特性図である。 従来のディスクモノポールアンテナを示す図である。 従来のモノポールアンテナを示す図である。 従来のアンテナを示す図である。

符号の説明

１，２ アンテナ装置
１０，１１０ アンテナ本体部
１１，１１１ 放射導体
１２ 第１の形状要素
１３ 第２の形状要素
１４ 給電線
１５ａ，１５ｂ，１１５ａ，１１５ｂ アースパターン
１６，１１６ 誘電体基体
１７ 絶縁性基板
１８ グランド導体
１９ 信号線
２４ 露出部
３２ 第１の誘電体層
３３ 第２の誘電体層
４１ リフレクター
５１ 誘電体層
６１ 空気層
１０１ 平面ディスクモノポールアンテナ
１０２ 同軸線路
１０３ 金属平板
１０５ 平面モノポール
１０６ 直線カット部

Claims (10)

1. 誘電体基体に平面状の放射導体と給電線とが設けられ、
   該放射導体は、多角形、略多角形、円形、略円形、楕円形及び略楕円形の中から選ばれる形状を有する第１の形状要素と、
   多角形、略多角形、円形、略円形、楕円形、略楕円形、台形及び略台形の中から選ばれる形状の少なくとも一部分を有する第２の形状要素とが互いに共有部分を有するように配されて構成され、
   該給電線が該放射導体と接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記給電線は、前記放射導体の縁部のうち前記第１の形状要素からみて前記第２の形状要素の位置方向における第２の形状要素の周縁部で、該放射導体と接続されている請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記放射導体及び前記給電線が前記誘電体基体の表面に、又は該誘電体基体内に設けられてアンテナ本体部が構成されており、
   該アンテナ本体部が絶縁性基板に実装されており、
   該絶縁性基板の、該誘電体基体とは反対側の面又は該絶縁性基板の内部にはグランド導体が設けられており、
   該放射導体が該グランド導体に対して平行又は略平行になるように該誘電体基体が配されて該アンテナ本体部が該絶縁性基板に実装されている請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記絶縁性基板には前記グランド導体とともに伝送線路を構成する信号線が設けられており、該信号線が前記給電線と接続されている請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記誘電体基体には、前記給電線に対して対称な位置に一対のアースパターンが設けられている請求項１〜４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
6. 前記放射導体から放射される電波を反射する反射体が、前記絶縁性基板から離間して配されている請求項３又は４に記載のアンテナ装置。
7. 前記反射体は平板であり、前記絶縁性基板の前記グランド導体に対して平行又は略平行に配されている請求項６に記載のアンテナ装置。
8. 前記反射体と前記絶縁性基板との間に空気層が設けられている請求項６又は７に記載のアンテナ装置。
9. 前記反射体と前記絶縁性基板との間に誘電体層が設けられている請求項６〜８のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
10. 前記誘電体層には比誘電率が１．５〜２０の範囲の誘電体が用いられている請求項９に記載のアンテナ装置。

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