JP2009188895A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】給電素子の上方に２つの無給電素子を配置したマイクロストリップパッチアンテナ構成においてインピーダンス比帯域幅を最大化可能なアンテナ装置を得る。
【解決手段】地導体４に対して誘電体５を介して配置されたパッチ導体１と、パッチ導体１に対して地導体４とは反対側に誘電体６を介して配置されたパッチ導体２と、パッチ導体２に対してパッチ導体１とは反対側に誘電体７を介して配置されたパッチ導体３と、地導体４とパッチ導体１との間に高周波電力を供給する給電線路とを備えている。パッチ導体２の寸法Ｗ２、パッチ導体３のＷ３、パッチ導体３の電気的等価寸法Ｗ３ｅ、パッチ導体２、３の間隔ｔ３、誘電体７の比誘電率εｒ３は、Ｗ３≦Ｗ２≦Ｗ３ｅ（ｔ３，εｒ３）を満足するように選定されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、無線通信装置やレーダ装置などに適用されるアンテナ装置に関するものである。

従来から、無線通信装置やレーダ装置に設けられるアンテナ装置には、様々な形態があり、要求される大きさなどの物理的制約、放射指向性、動作周波数帯域幅などに応じて、適宜、最適な形態が選定される。
特に、平面アンテナの代表格であるマイクロストリップパッチアンテナは、薄型、軽量、低コストなどの物理的利点、製造性の利点に加え、比較的容易に円偏波放射や直交偏波共用化が行えるという電気的利点を有するので、多くの無線通信装置やレーダ装置に応用されている。

マイクロストリップアンテナは、上述のように多くの利点を有しているが、給電素子のみを設けた場合には、本質的に入力インピーダンスの周波数特性が急峻であることから、動作周波数帯域幅が狭いという１つの大きな課題を有している。
この課題を克服するために、１９７０年代から多くの研究がなされ、これらの研究成果は、この種のアンテナ装置の応用範囲の拡張に大きく貢献している。

マイクロストリップアンテナのインピーダンス広帯域化に関する複数の従来技術のうち、最も効果的な方法として、１つの無給電素子（しばしば、寄生素子または非励振素子とも呼ばれる）を給電素子の上方に設置する方法があげられる（たとえば、非特許文献１参照）。
上記非特許文献１には、給電素子と無給電素子との間隔、無給電素子のサイズなどを実験的に最適化した結果、反射特性の要求性能ＶＳＷＲ＜１．５の比帯域幅約１３％を達成可能であることが示されている。

一方、さらにインピーダンス比帯域幅を増すために、給電素子の上方に２つの無給電素子を配置する方法も研究されている（たとえば、非特許文献２参照）。
上記非特許文献２の結論としては、要求性能（反射特性）ＶＳＷＲ≦２となる比帯域幅は約１９％であることが示されている。この結果は、要求性能ＶＳＷＲの目標値の差異が「１．５」、「２」であることを考慮すると、無給電素子を１つ設けて得られるインピーダンス比帯域幅と大差がなく、２つ目の無給電素子を設置した効果が十分に発揮されていないと考えられる。

実際、非特許文献２では、給電素子および２つの無給電素子の寸法をすべて同一値に選定し、各素子間の距離（間隔）変化のみを検討している。
以上のように、給電素子の上方に２つの無給電素子を配置する方法（非特許文献２）は、給電素子の上方に１つの無給電素子を配置する方法（非特許文献１）に比べて、大幅にインピーダンス比帯域幅を増大させる可能性を有しているものの、広帯域化の条件に関して十分に研究されていないので、その効果が十分に発揮されていないのが現状である。

堀俊和、「広帯域・マルチバンドプリントアンテナ」電子情報通信学会論文誌Ｂ、ｖｏｌ．Ｊ８７−Ｂ、ｎｏ．９、ｐｐ．１１３０−１１３９、Ｓｅｐｔ．２００４ Ｕ．Ｋ．Ｒｅｖａｎｋａｒ ａｎｄ Ａ．Ｋｕｍａｒ「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ−Ｌａｙｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ａｎｔｅｎｎａｓ」Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．、ｖｏｌ．２７、ｎｏ．１３、ｐｐ．１１８７−１１８９、Ｊｕｎｅ １９９１

従来のアンテナ装置では、非特許文献２のように、インピーダンス比帯域幅を増すために、給電素子の上方に２つの無給電素子を配置しているものの、広帯域化の条件が十分に研究されていないので、その効果を十分に発揮することができないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、給電素子の上方に２つの無給電素子を配置したマイクロストリップパッチアンテナにおいて、そのインピーダンス比帯域幅を最大化するために、当該アンテナを構成する構造パラメータの条件を明確に設定したアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明によるアンテナ装置は、地導体と、地導体に対して所定の間隔を隔てて配置された第１のアンテナ導体と、第１のアンテナ導体に対して地導体とは反対側に所定の間隔を隔てて配置された第２のアンテナ導体と、第２のアンテナ導体に対して第１のアンテナ導体とは反対側に所定の間隔を隔てて配置された第３のアンテナ導体と、地導体と第１のアンテナ導体との間に配置された第１の誘電体と、第１のアンテナ導体と第２のアンテナ導体との間に配置された第２の誘電体と、第２のアンテナ導体と第３のアンテナ導体との間に配置された第３の誘電体と、地導体と第１のアンテナ導体との間に形成される空間に高周波電力を供給する給電線路とを備え、第２のアンテナ導体の物理的寸法Ｗ２と、第３のアンテナ導体の物理的寸法Ｗ３と、第３のアンテナ導体端部における電磁界の広がりの効果を考慮した第３のアンテナ導体の電気的等価寸法Ｗ３ｅと、第２のアンテナ導体と第３のアンテナ導体との間隔ｔ３と、第３の誘電体の比誘電率εｒ３とは、以下の不等式、Ｗ３≦Ｗ２≦Ｗ３ｅ（ｔ３，εｒ３）を満足するように選定されたものである。

この発明によれば、給電素子の上方に２つの無給電素子を配置したマイクロストリップパッチアンテナのインピーダンス比帯域幅を最大化することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の基本構成を示す側断面図である。
図１において、任意の導電性材料により形成された第１〜第３のパッチ導体（以下、単に「パッチ導体」という）１〜３は、所定の間隔を介して互いに対向配置されており、それぞれ第１〜第３のアンテナ導体を構成している。

地導体４は、任意の導電性材料により形成され、所定の間隔を介してパッチ導体１に対向配置されている。
第１〜第３の誘電体（以下、単に「誘電体」という）５〜７は、任意の誘電体材料（空気層であってもよい）により形成され、地導体４およびパッチ導体１〜３の各間に介在されている。

導体８は、任意の導電性材料により形成され、給電点９を介してパッチ導体１と地導体４との間に配設されるとともに、一端がパッチ導体１に接続されている。
給電点９は、任意の給電線路（図示せず）からの給電により、導体８とパッチ導体１の間に高周波電力を給電する。

また、後述するように、各誘電体５〜７に関連して、第１〜第３の共振器（以下、単に「共振器」という）２１〜２３が構成される。
すなわち、誘電体５とその両側の地導体４およびパッチ導体１とにより共振器２１（給電素子）が構成され、誘電体６とその両側のパッチ導体１、２とにより共振器２２（無給電素子）が構成され、誘電体７とその両側のパッチ導体２、３とにより共振器２３（無給電素子）が構成される。

パッチ導体１〜３の各寸法（ｘ軸方向）と、誘電体５〜７の各電気定数（比誘電率、誘電正接）および厚さ（ｚ軸方向）とを適切に選定し、給電点９に高周波電力を印加することにより、所望の周波数帯で広帯域にわたって電波を効率良く遠方に放射するアンテナを構成することができる。

次に、数値電磁界解析に基づく図２の説明図を参照しながら、図１のアンテナ装置の動作周波数帯域幅を広帯域にするための条件について説明する。
ここでは、パッチ導体１〜３の形状をすべて正方形とし、パッチ導体１の辺とｘ軸との交差点に導体８を接続した状態を考慮する。なお、ｘ軸は、パッチ導体１の中心を通りパッチ導体１のいずれか一辺と平行となるように定義した軸である。

図２（ａ）、（ｂ）は、給電点９に高周波電圧を印加したときの、ｘ−ｚ面内の電界のｚ（厚み）方向成分の分布を示す説明図であり、左側が振幅分布、右側が位相分布をそれぞれ示している。ここで、高周波電圧は、所望帯域の中心周波数ｆ０に対して、周波数ｆ（＝１．０７５×ｆ０）を有する。
図２において、各領域の濃淡は、振幅分布（左側）では振幅強度（３ｄＢ／ｄｉｖ）、位相分布（右側）では位相角（０°〜±１８０°）を表している。

図２（ａ）は、パッチ導体１〜３の各一辺の物理長Ｗ１〜Ｗ３［λ０＿ａｉｒ］を、Ｗ１＝０．３６、Ｗ２＝０．４２７、Ｗ３＝０．３７３に選定し、誘電体５〜７の各比誘電率εｒ１〜εｒ３を、εｒ１＝εｒ２＝εｒ３＝１に選定し、各厚さｔ１〜ｔ３［λ０＿ａｉｒ］を、ｔ１＝０．０２７、ｔ２＝０．０４７、ｔ３＝０．０６７に選定した場合の分布を示す。ここで、λ０＿ａｉｒは、中心周波数ｆ０に対応する空気中波長である。

また、図２（ｂ）は、パッチ導体３の寸法をＷ３＝０．６［λ０＿ａｉｒ］に変更し、同様の計算を施した場合の解析結果を示している。
図２（ａ）、（ｂ）の計算結果から、パッチ導体３からパッチ導体１および地導体４への電気力線は発生していないことが分かる。
また、図２（ｂ）のように、パッチ導体３の寸法Ｗ３がパッチ導体２の寸法Ｗ２の１．５倍程度に大きく変更されても、パッチ導体３からパッチ導体１および地導体４への電気力線は発生していないことが分かる。

したがって、パッチ導体２、３とパッチ導体２、３間に位置する誘電体７とにより、１つの共振器２３が構成され、共振器２３の共振周波数Ｆｒ３は、誘電体７の比誘電率εｒ３、厚さｔ３、およびパッチ導体２、３の寸法Ｗ２、Ｗ３のみによってほぼ決定され、誘電体５、６の各比誘電率εｒ１、εｒ２および各厚さｔ１、ｔ２にはほぼ無関係であることが分かる。

これに対し、パッチ導体２からの電気力線は、パッチ導体１および地導体４の両方に向かって発生している。このことは、厚み方向の中間位置に形成される共振器２２の共振周波数Ｆｒ２が、上記共振器２３のようにパッチ導体２、３および誘電体６の寸法や特性のみでほぼ決定されるのではなく、誘電体５の厚さｔ１および電気定数にも依存することを示している。

次に、図３の説明図を参照しながら、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置のインピーダンス周波数特性について説明する。
図３は入力インピーダンス周波数特性をスミスチャート（Ｓｍｉｔｈ ｃｈａｒｔ）上に示した説明図である。図３において、入力インピーダンス周波数特性は、破線矢印のように低周波側から時計回りにトレースしたインピーダンス軌跡により示されている。

ここでは、前述の図２（ａ）を計算した寸法を基本として、パッチ導体３の寸法Ｗ３を、図３（ａ）のように、Ｗ３＝０．３２［λ０＿ａｉｒ］、図３（ｂ）のように、Ｗ３＝０．３７３［λ０＿ａｉｒ］、図３（ｃ）のように、Ｗ３＝０．４２７［λ０＿ａｉｒ］に変化させた場合の特性を示している。

図３（ａ）〜（ｃ）において、インピーダンス軌跡上のマーカ（白丸）は、低周波側の一端から順に、「０．８」、「０．９」、「１．０」、「１．０７５」、「１．１２５」［×ｆ０］を示している。
図３（ｂ）のように、Ｗ３＝０．３７３［λ０＿ａｉｒ］の場合には、２つのインピーダンスキンクＫ１、Ｋ２が近接して生じる。ここでキンク（Ｋｉｎｋ）は、よじれ、結び目の意味である。このキンク効果によって、インピーダンス軌跡が広帯域にわたって一定範囲に集中し、いわゆる「インピーダンス広帯域化」が実現していることが分かる。

低周波側から数えて１つ目のキンクＫ１は、地導体４、パッチ導体１、および誘電体５が形成する共振器２１と共振器２２とが電磁結合することにより発生するものであり、このキンクＫ１の中心周波数（先端部のマーカ参照）は、共振器２２の共振周波数Ｆｒ２とほぼ一致する。
また、２つ目のキンクＫ２は、共振器２２、２３が電磁結合することにより発生するものであり、その中心周波数は、共振器２３の共振周波数Ｆｒ３とほぼ一致する。

このことは、たとえば公知文献１（Ｈ．Ｏｈｍｉｎｅ、Ｙ．Ｓｕｎａｈａｒａ、ａｎｄ Ｍ．Ｍａｔｓｕｎａｇａ、「Ａｎ Ａｎｎｕｌａｒ−Ｒｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ａｎｔｅｎｎａ Ｆｅｄ ｂｙ ａ Ｃｏ−Ｐｌａｎａｒ Ｆｅｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｕｓｅ」ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｖｏｌ．４５、ｎｏ．６、ｐｐ．１００１−１００８、Ｊｕｎｅ．１９９７）に示されている。

一方、図３（ａ）のように、Ｗ３＝０．３２［λ０＿ａｉｒ］の場合には、キンクＫ２がほぼ消滅している。この結果、図３（ｂ）（Ｗ３＝０．３７３［λ０＿ａｉｒ］）に比べると、インピーダンス広帯域性が損なわれている。
この現象は、パッチ導体３の寸法Ｗ３がパッチ導体２の寸法Ｗ２に比べて小さくなり過ぎると、共振器２３への電磁結合度が弱まり、共振器２３に電磁エネルギーが供給されなくなったことに起因している。

逆に、図３（ｃ）のように、Ｗ３＝０．４２７［λ０＿ａｉｒ］（＝Ｗ２）とした場合には、キンクＫ２が大きくなり過ぎて広帯域性が失われてしまっている。
また、図示しないが、パッチ導体３の寸法Ｗ３をさらに増大させると、キンクＫ２が大きくなり、広帯域性が失われる傾向にあることが分かっている。このような現象は、共振器２３への電磁結合度が強まり過ぎたために生じたものと考えられる。

上記検討では、パッチ導体３の寸法Ｗ３のみを変化させたので、寸法Ｗ３を小さくするほど、共振器２３の共振周波数Ｆｒ３が上昇して、共振器２２の共振周波数Ｆｒ２から遠ざかるという現象が生じる。したがって、各共振器２３、２２の共振周波数Ｆｒ３、Ｆｒ２が離れることによってキンクＫ２が消滅したのか、共振器２３（パッチ導体３）のサイズが物理的に小さくなったことによってキンクＫ２が消滅したのかが不明確である。

そこで、キンクＫ２が消滅原因を判別するために、共振器２３の共振周波数Ｆｒ３がほぼ一定となるように、パッチ導体３の寸法Ｗ３を変化させたときのインピーダンス周波数特性を解析する。
まず、共振器２３の共振周波数Ｆｒ３がほぼ一定となるように、以下の式（１）、式（２）、式（３）を用いて、パッチ導体３の寸法Ｗ３と誘電体７の比誘電率εｒ３とを定める。

ただし、式（１）〜式（３）において、Ｗ３ｅはパッチ導体端部での電界広がり効果を考慮したパッチ導体３の等価パッチ長であり、εｅ３は共振器２３の実効比誘電率、ｔ３は誘電体７の厚さである。なお、式（１）〜式（３）は、方形マイクロストリップパッチアンテナの基本モード（ＴＭ１０またはＴＭ０１モード）に対するものである。
このことは、たとえば公知文献２（羽石、平澤、鈴木による「小形・平面アンテナ」、コロナ社、１９９６）に参照することができる。

図４は各パラメータ（εｒ３、Ｗ３、Ｗ３ｅ）の選定例を示す説明図であり、図５は入力インピーダンス計算結果を示す説明図である。
図４（ａ）〜（ｃ）の選定パラメータと、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の計算結果とがそれぞれ対応している。

ここで、共振器２３の共振周波数Ｆｒ３は、パッチ導体３の寸法Ｗ３が無限大であるものと仮定して算出している。共振周波数Ｆｒ３が一定となるようにパラメータを選定しても、寸法Ｗ３を小さくするにしたがってキンクＫ２が小さくなり、特に、パッチ導体３の等価パッチ長Ｗ３ｅがパッチ導体２の寸法Ｗ２よりも小さくなると、インピーダンス広帯域性が損なわれることが分かる。

上述の検討結果から、図１のアンテナ構造に対するインピーダンス広帯域化のための１つの必要条件は、以下の式（４）を満たすことと考えられる。

Ｗ３≦Ｗ２≦Ｗ３ｅ（ｔ３，εｒ３） ・・・（４）

ここで、パッチ導体３の等価パッチ長（電気的等価寸法）Ｗ３ｅは、前述の式（２）から明らかなように、パッチ導体２とパッチ導体３との間隔ｔ３と、誘電体７の比誘電率εｒ３との関数である。

ただし、式（４）が満足されていても、必ずしも要求性能ＶＳＷＲに対して広帯域化が最適に図れるわけではない。
図６は式（４）を満足するように、寸法Ｗ２、Ｗ３、Ｗ３ｅ、間隔ｔ３および誘電率εｒ３を選定したときのインピーダンス周波数特性をスミスチャート上に描いた説明図である。

図６において、最も内側の円（一方のキンクのみを含む）は、ＶＳＷＲ＝１．５の領域を示し、その外側の円（両方のキンクを含む）は、ＶＳＷＲ＝２の領域を示している。
ここで、要求性能ＶＳＷＲ＜２ならば、パッチ導体３を装荷した効果によって広帯域化が実現されていると言えるが、要求性能ＶＳＷＲ＜１．５に対しては、十分に広帯域化が実現されていない。

このような場合には、（４）式を満足する範囲内で、共振周波数Ｆｒ２、Ｆｒ３をさらに接近させるように構造パラメータを微調整すればよい。これにより、キンクＫ１、Ｋ２がスミスチャート上で近接、交差するように、または、一方が他方を含むようにスミスチャート上の狭い範囲に集中するようになるので、より厳しい要求性能に対しても十分に広帯域化を図ることができる。

図７（ａ）は式（４）を満足する範囲内でキンクＫ１、Ｋ２が互いに交差するように設計された場合のインピーダンス周波数特性を示す説明図である。
なお、図７（ａ）の効果を明確化するために、図７（ｂ）として、パッチ導体３および誘電体７が存在しない（共振器２３が形成されない）場合の特性（比較対象）も示している。
また、図７（ａ）、（ｂ）において、下図は、それぞれ、リターンロスの周波数特性を示している。

図７（ａ）において、上図は、パッチ導体１〜３の形状をすべて円形とし、各物理的半径ａ１〜ａ３［λ０＿ａｉｒ］を、それぞれ、ａ１＝０．１５１、ａ２＝０．１８５、ａ３＝０．１７４に選定し、誘電体５〜７の各比誘電率εｒ１〜εｒ３を、それぞれ、εｒ１＝３．４、εｒ２＝１．９、εｒ３＝１．９に選定し、誘電体５〜７の各厚さｔ１〜ｔ３［λ０＿ａｉｒ］を、それぞれ、ｔ１＝０．００９、ｔ２＝０．０２７、ｔ３＝０．０４５に選定したときの、インピーダンス周波数特性をスミスチャート上に示したものである。

図７（ａ）、（ｂ）の上図において、スミスチャートの中心の円は、ＶＳＷＲ＝１．５（リターンロス＝−１４ｄＢ）の領域（下図の周波数特性中の１点鎖線参照）を示している。
図７（ａ）の上図において、２つのキンクＫ１、Ｋ２は、中心の円領域内で近接、交差している。

また、図７（ａ）の下図において、ＶＳＷＲ＜１．５の比帯域幅（正規化周波数０．８８〜１．０８５の破線矢印）が２０．５％だけ得られることが分かる。
なお、円形パッチの基本モード（ＴＭ１１モード）に対する共振周波数Ｆｒ３および等価パッチ径ａ３ｅは、たとえば、以下の式（５）、式（６）を用いて算出することができる（前述の公知文献２参照）。

式（５）、式（６）は、パッチ導体１および誘電体５の寸法および電気定数を、図７（ａ）の各パラメータと同一に選定し、また、誘電体６の電気定数も、図７（ａ）と同一値に選定し、ＶＳＷＲ＜１．５の比帯域幅がほぼ最大となるように、パッチ導体２および誘電体６の寸法を選定した結果である。

このとき、図７（ｂ）における選定寸法は、ａ２＝０．１９２［λ０＿ａｉｒ］、ｔ２＝０．０５６［λ０＿ａｉｒ］であり、図７（ｂ）の下図のように、比帯域幅（正規化周波数０．９３〜１．０５６の破線矢印）は、１２．６％しか得られておらず、共振器２３を付加する効果を明確に確認することができる。

さらに、図７（ａ）、（ｂ）における各誘電体６の厚さｔ２を比較すると、厚さｔ２の選定方法に関する有益な指針が得られる。
すなわち、図７（ａ）のように共振器２３を付加して要求性能（ＶＳＷＲ、リターンロス）に対する比帯域幅を最大にしたい場合、共振器２３を付加する前に最大比帯域幅を得たときよりも、誘電体６の厚さｔ２を薄くした方が共振器２３を付加したときに最大比帯域幅を得られる、ということを図７は示唆している。

この指針の妥当性については、他のいくつかの電磁界シミュレーションにより、ある程度確認されている。本質的には、誘電体６の厚さｔ２というよりも、パッチ導体１とパッチ導体２との間の距離（間隔）であると考えられる。
なお、誘電体５〜７が、それぞれ誘電率の異なる複数の誘電体層で構成されている場合には、たとえば、前述の公知文献１に示されているように、静電近似によって実効誘電率を求めることができ、誘電率の異なる複数の誘電体層を、等価的に実効誘電率を有する単一誘電体層に置き換えることができる。

ところで、地導体４とパッチ導体１とからなる共振器２１（給電素子）への給電方法としては、多くの論文、特許または技術書で開示されている。すなわち、装置に対する物理的制約、装置を構成する各コンポーネントの配置、アンテナ放射特性への要求などを勘案し、製作する装置に対して最適な給電方法を選定すればよい。
たとえば、地導体４の上方（パッチ導体１がある方）にストリップ導体を配置し、その先端をパッチ導体１に接続するか、地導体４とパッチ導体１との間に挿入する構成の「マイクロストリップ線路給電方式」が考えられる。

また、地導体４に穴を開けて、その穴内に同軸線路を接続する「同軸線路給電方式」、または、地導体４に適当な形状のスロットを開けるとともに、地導体４に対してパッチ導体１とは反対側に設けられたマイクロストリップ線路（または、トリプレート線路）のストリップ導体の一部を、上記スロットにオーバーラップさせる構成の給電方式などがある。

また、パッチ導体１〜３および誘電体５〜７の具体的な形成方法としては、たとえば前述の非特許文献２に示されているように、パッチ導体１〜３をそれぞれ別々の誘電体基板にエッチングで形成し、パッチ導体１〜３を、スペーサを介して物理的に結合する方法がある。

以上のように、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置は、地導体４と、地導体４に対して所定の間隔を隔てて配置されたパッチ導体１（第１のアンテナ導体）と、パッチ導体１に対して地導体４とは反対側に所定の間隔を隔てて配置されたパッチ導体２（第２のアンテナ導体）と、パッチ導体２に対してパッチ導体１とは反対側に所定の間隔を隔てて配置されたパッチ導体３（第３のアンテナ導体）と、地導体４とパッチ導体１との間に配置された第１の誘電体５と、パッチ導体１とパッチ導体２との間に配置された第２の誘電体６と、パッチ導体２とパッチ導体３との間に配置された第３の誘電体７と、地導体４とパッチ導体１との間に形成される空間に高周波電力を供給する給電線路（給電点９に対する給電手段）とを備えている。

上記構成において、パッチ導体２の物理的寸法Ｗ２と、パッチ導体３の物理的寸法Ｗ３と、パッチ導体３の導体端部における電磁界の広がりの効果を考慮したパッチ導体３の電気的等価寸法Ｗ３ｅと、パッチ導体２とパッチ導体３との間隔（第３の誘電体７の厚さ）ｔ３と、第３の誘電体の比誘電率εｒ３とは、以下の不等式、Ｗ３≦Ｗ２≦Ｗ３ｅ（ｔ３，εｒ３）を満足するように選定されている。

また、パッチ導体１とパッチ導体２との間隔は、パッチ導体３がない場合に、所望の反射特性に対応した要求性能を満足する周波数帯域幅が最大となるように選定された、パッチ導体１とパッチ導体２との間隔よりも小さい値に選定されている。
これにより、共振器２１（給電素子）の上方に２つの共振器２２、２３（無給電素子）を配置したマイクロストリップパッチアンテナのインピーダンス比帯域幅を最大にすることができる。

実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１）では、パッチ導体１〜３および誘電体５〜７の具体的な形成方法として、非特許文献２に示された方法を適用したが、さらに低コスト化を実現するために他の方法を適用してもよい。
たとえば、上記非特許文献２の形成方法では、スペーサが必要になるので、部品点数および組立工程が増大すること、また、周波数が高くなるほど（波長が短くなるほど）スペーサへの物理寸法の公差要求値が厳しくなり高コストになること、などが課題として考えられる。

図８はこの発明の実施の形態２によるパッチ導体１〜３および誘電体５〜７の形成方法を説明するための側断面図である。
図８において、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ａ」を付して詳述を省略する。

この場合、誘電体７Ａは、導体メッキ可能な成型樹脂からなり、その両面には、パッチ導体２とパッチ導体３がメッキにより個別に形成されている。
誘電体７Ａおよびパッチ導体２、３からなる樹脂成型品１０は、結合部１０ａを介して誘電体５に結合されている。
なお、樹脂成型品１０の誘電体５への結合方法としては、結合部１０ａに局所的に超音波をあてる超音波融着法などを用いればよい。

以上のように、この発明の実施の形態２による第３の誘電体７Ａは、メッキ可能な成型樹脂により形成され、パッチ導体２、３は、第３の誘電体７Ａの各表面に個別に形成されている。
これにより、前述の形成方法に比べて、スペーサが不要になるので低コスト化を実現することができる。

実施の形態３．
なお、上記実施の形態２（図８）では、成型樹脂からなる誘電体７Ａと、パッチ導体２、３とにより構成された樹脂成型品１０を、誘電体５に結合したが、さらに低コスト化を実現するために他の方法を適用してもよい。
たとえば、図８のように構成されたアンテナ装置を素子アンテナとして、当該アンテナを複数個並べてアレーアンテナとする場合、使用波長と樹脂成型品の製作可能限界サイズとの関係によっては、１つずつ結合する必要が生じるので組立工程時間が長くなり、この結果、製作コストが増大するという課題がある。

図９はこの発明の実施の形態３による形成方法を説明するための側断面図である。
図９において、前述（図１、図８参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ｂ」を付して詳述を省略する。
この場合、誘電体６Ｂ、７Ｂは、任意の誘電材料に空気を混入した発泡体により構成されており、誘電体７Ｂの各表面には、パッチ導体２および３がメッキにより個別に形成されている。

発泡体からなる誘電体７Ｂに対して、直接導体メッキを施すことができない場合には、図９に示すように、メッキ可能な材料１１を誘電体７Ｂの両面に、それぞれ、貼付、接着または溶着した後、メッキ可能な材料１１上に、パッチ導体２および３をメッキにより個別に形成する。これにより、誘電体７Ｂと、メッキ可能な材料１１と、パッチ導体２、３とからなる無給電素子部品１２（共振器２３）が形成される。

以下、地導体４上に、誘電体５、誘電体６Ｂ（発泡体）および無給電素子部品１２を順に積み重ねて、図９のように、接着シート１３（または、接着剤）で結合することにより、アンテナ装置を製作することができる。

一般に、発泡体は、空気の含有率を変えることによって誘電率および誘電正接を連続的に選定することができるので、誘電体６Ｂ、７Ｂを発泡体で形成することにより、アンテナ装置としての設計自由度が増大し、より最適なアンテナ特性を得ることが可能となる。

なお、誘電体７Ｂ（発泡体）の表面に導体メッキが可能である場合には、メッキ可能な材料１１が不要になることは言うまでもない。
また、メッキ可能な材料１１は、エッチング可能な材料であってもよく、この場合、パッチ導体２、３は、誘電体７Ｂの各表面に形成されたエッチング可能な材料上に、エッチングにより個別に形成される。

以上のように、この発明の実施の形態３による第２および第３の誘電体６Ｂ、７Ｂは、発泡体で形成されており、パッチ導体２、３は、第３の誘電体７Ｂの各表面にメッキにより個別に形成され、第１〜第３の誘電体５、６Ｂ、７Ｂは、接着シート１３（接着材料）を介して結合される。

また、第３の誘電体７Ｂの各表面に貼付または溶着されたメッキ（または、エッチング）可能な材料１１（第１および第２の材料）を備えており、パッチ導体２、３は、各材料１１上に個別に形成されている。
これにより、前述（図８参照）の形成方法に比べて、結合部１０ａが不要となるので、組立工程時間が低減されて、さらに低コスト化を実現することができる。

実施の形態４．
なお、上記実施の形態３（図９）では、誘電体５と、発泡体からなる誘電体６Ｂと、共振器２３を構成する無給電素子部品１２とを、接着シート１３を介して結合したが、厚み方向の寸法精度を向上させるために、他の結合方法を適用してもよい。

一般に、アンテナ装置においては、使用電波の波長が短くなるほど、特に厚み方向の寸法精度が要求されるので、前述（図９）の構成では、接着シート１３の厚さ（または、接着材料の塗布量、塗布厚）の管理が困難になる。特に、一般的な接着材料の電気特性は、高誘電率、高誘電正接なので、波長が短くなるほど、接着材料のインピーダンス特性や放射効率への悪影響が大きくなるという課題がある。

図１０はこの発明の実施の形態４による形成方法を説明するための側断面図である。
図１０において、前述（図９参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。

この場合、誘電体５、誘電体６Ｂ（発泡体）および無給電素子部品１２は、所定位置に貫通穴が形成されており、ネジ１４およびナット１５を介して、互いに密着するように固定されている。
なお、ネジ１４を構成する材料としては、インピーダンス特性や放射特性への悪影響を考えた場合、一般には低誘電率樹脂材料（テフロン（登録商標）など）が好ましいが、放射特性への悪影響が許容範囲であれば、高誘電率樹脂や金属など任意の材料を用いることができる。

以上のように、この発明の実施の形態４（図１０）による第２および第３の誘電体６Ｂ、７Ｂは、発泡体により形成され、パッチ導体２、３は、第３の誘電体７Ｂの各表面にメッキにより個別に形成され、第１〜第３の誘電体５、６Ｂ、７Ｂは、ネジ１４およびナット１５を介して結合されている。

また、第３の誘電体７Ｂの各表面に貼付または溶着されたメッキ（または、エッチング）可能な材料１１（第１および第２の材料）を備え、パッチ導体２、３は、各材料１１上に個別に形成され、第１〜第３の誘電体５、６Ｂ、７Ｂは、ネジ１４およびナット１５を介して結合されている。

これにより、各誘電体間の接着材料（接着シート１３）が不要となるので、厚み方向の寸法精度が向上し、放射効率低下などの問題を回避することができる。
また、ネジ１４を取り外すことによって容易に分解することができるので、リペア性が改善される。

実施の形態５．
なお、上記実施の形態４（図１０）では、ネジ１４と螺号するナット１５を用いたが、図１１に示すように、地導体４Ｃの厚さを十分に（メネジが２、３回転分以上は切れるように）大きく構成して、地導体４Ｃの所定位置にメネジを形成し、ネジ１４を地導体４Ｃのメネジに螺号させて固定してもよい。

図１１はこの発明の実施の形態５による結合方法を説明するための側断面図である。
図１１において、前述（図１０参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ｃ」を付して詳述を省略する。
この場合、第３の誘電体の各表面にメッキにより個別に形成されたパッチ導体２、３は、地導体４Ｃの所定位置に設けられたメネジと、第１〜第３の誘電体５、６Ｂ、７Ｂを貫通してメネジに螺号されたネジ１４とを備えている。

また、第３の誘電体７Ｂの各表面に貼付または溶着されたメッキ（または、エッチング）可能な材料１１（第１および第２の材料）を備え、パッチ導体２、３は、各材料１１上に個別に形成されるとともに、地導体４Ｃの所定位置に設けられたメネジと、第１〜第３の誘電体５、６Ｂ、７Ｂを貫通してメネジに螺号されたネジ１４とを備えている。
図１１の構成により、図１０の場合と比べて、ナット１５が不要となるので、部品点数が低減できるとともに製作工程が単純化され、さらに低コスト化が可能になる。

なお、図１１においては、厚さの大きい地導体４Ｃにメネジを形成したが、図１２に示すように、地導体４の裏面側に任意材料１６を密着させ、任意材料１６の所定位置にメネジを切り、任意材料１６のメネジとネジ１４とにより、第１〜第３の誘電体５、６Ｂ、７Ｂを固定してもよい。
この場合も、図１１の場合と同等の作用効果を奏することは言うまでもない。

この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置を示す側断面図である。 この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の給電点に高周波電圧を印加したときの電界の厚み方向成分の分布を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の入力インピーダンス周波数特性をスミスチャート上に示した説明図である。 この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の各パラメータの選定例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の入力インピーダンス計算結果を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置による条件を満足するように各パラメータを選定したときのインピーダンス周波数特性をスミスチャート上に描いた説明図である。 この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の条件を満足する範囲内で設計された場合のインピーダンス周波数特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置を示す側断面図である。 この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置を示す側断面図である。 この発明の実施の形態４に係るアンテナ装置を示す側断面図である。 この発明の実施の形態５に係るアンテナ装置を示す側断面図である。 この発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の他の構成例を示す側断面図である。

符号の説明

１〜３ 第１〜第３のパッチ導体（第１〜第３のアンテナ導体）、４、４Ｃ 地導体、５ 第１の誘電体、６、６Ｂ 第２の誘電体、７、７Ａ、７Ｂ 第３の誘電体、９ 給電点、１０ 樹脂成型品、１０ａ 結合部、１１ メッキ可能な材料、１２ 無給電素子部品、１３ 接着シート、１４ ネジ、１５ ナット、２１ 第１の共振器（給電素子）、２２、２３ 第２、第３の共振器（無給電素子）。

Claims (9)

1. 地導体と、
   前記地導体に対して所定の間隔を隔てて配置された第１のアンテナ導体と、
   前記第１のアンテナ導体に対して前記地導体とは反対側に所定の間隔を隔てて配置された第２のアンテナ導体と、
   前記第２のアンテナ導体に対して前記第１のアンテナ導体とは反対側に所定の間隔を隔てて配置された第３のアンテナ導体と、
   前記地導体と前記第１のアンテナ導体との間に配置された第１の誘電体と、
   前記第１のアンテナ導体と前記第２のアンテナ導体との間に配置された第２の誘電体と、
   前記第２のアンテナ導体と前記第３のアンテナ導体との間に配置された第３の誘電体と、
   前記地導体と前記第１のアンテナ導体との間に形成される空間に高周波電力を供給する給電線路とを備え、
   前記第２のアンテナ導体の物理的寸法Ｗ２と、
   前記第３のアンテナ導体の物理的寸法Ｗ３と、
   前記第３のアンテナ導体端部における電磁界の広がりの効果を考慮した前記第３のアンテナ導体の電気的等価寸法Ｗ３ｅと、
   前記第２のアンテナ導体と前記第３のアンテナ導体との間隔ｔ３と、
   前記第３の誘電体の比誘電率εｒ３とは、以下の不等式、
   Ｗ３≦Ｗ２≦Ｗ３ｅ（ｔ３，εｒ３）
   を満足するように選定されたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第１のアンテナ導体と前記第２のアンテナ導体との間隔は、
   前記第３のアンテナ導体がない場合に、所望の反射特性に対応した要求性能を満足する周波数帯域幅が最大となるように選定された、前記第１のアンテナ導体と前記第２のアンテナ導体との間隔よりも小さい値に選定されたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第３の誘電体は、メッキ可能な成型樹脂により形成され、
   前記第２および第３のアンテナ導体は、前記第３の誘電体の各表面に個別に形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第２および第３の誘電体は、発泡体で形成され、
   前記第２および第３のアンテナ導体は、前記第３の誘電体の各表面にメッキにより個別に形成され、
   前記第１〜第３の誘電体は、接着材料を介して結合されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
5. 前記第２および第３の誘電体は、発泡体により形成され、
   前記第３の誘電体の各表面に貼付または溶着されたメッキまたはエッチング可能な第１および第２の材料を備え、
   前記第２および第３のアンテナ導体は、前記第１および第２の材料上に個別に形成され、
   前記第１〜第３の誘電体は、接着材料を介して結合されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
6. 前記第２および第３の誘電体は、発泡体により形成され、
   前記第２および第３のアンテナ導体は、前記第３の誘電体の各表面にメッキにより個別に形成され、
   前記第１〜第３の誘電体は、ネジおよびナットを介して結合されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
7. 前記第２および第３の誘電体は、発泡体により形成され、
   前記第３の誘電体の各表面に貼付または溶着されたメッキまたはエッチング可能な第１および第２の材料を備え、
   前記第２および第３のアンテナ導体は、前記第１および第２の材料上に個別に形成され、
   前記第１〜第３の誘電体は、ネジおよびナットを介して結合されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
8. 前記第２および第３の誘電体は、発泡体により形成され、
   前記第２および第３のアンテナ導体は、前記第３の誘電体の各表面にメッキにより個別に形成され、
   前記地導体の所定位置に設けられたメネジと、
   前記第１〜第３の誘電体を貫通して前記メネジに螺号されたネジと
   を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
9. 前記第２および第３の誘電体は、発泡体により形成され、
   前記第３の誘電体の各表面に貼付または溶着されたメッキまたはエッチング可能な第１および第２の材料を備え、
   前記第２および第３のアンテナ導体は、前記第１および第２の材料上に個別に形成され、
   前記地導体の所定位置に設けられたメネジと、
   前記第１〜第３の誘電体を貫通して前記メネジに螺号されたネジと
   を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。

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