JP2010220266A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正面方向への十分な利得を確保しつつ小型化が可能なアンテナ装置を提供する。
【解決手段】平行に素子間隔Ｄで配列されたパッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂを具備する。各パッチアンテナ素子１Ａ（１Ｂ）は、電極３Ａ，４Ａ（３Ｂ，４Ｂ）を誘電体基体２Ａ（２Ｂ）の対向する正面２Ａａ（２Ｂａ）と背面２Ａｂ（２Ｂｂ）とにそれぞれ設けて形成した素子である。そして、パッチアンテナ素子１Ａを給電素子とし、パッチアンテナ素子１Ｂを無給電素子とした。これにより、リアクタンス回路５によってパッチアンテナ素子１Ｂ側からの電波の位相や振幅を調整すると共に素子間隔Ｄを適宜設定することで、パッチアンテナ素子１Ａの正面方向への利得を増大させると共に背面方向の電波を抑圧して、Ｆ／Ｂ比を増大させる。
【選択図】図１４

Description

この発明は、ＵＨＦ帯ＲＦＩＤのハンディターミナル等に使用可能なアンテナ装置に関するものである。

パッチアンテナ素子は、導体によって形成されるグラウンド電極と、このグラウンド電極上に載置された誘電体基体と、この誘電体基体上に形成された導体の放射電極とで構成されている。
かかる構成のパッチアンテナ素子は、薄型化が可能で且つ高利得が得られるだけでなく、同軸線路やマイクロストリップ線路等の不平衡回路との相性が良く、これらの回路に容易に整合させることができる等の多くのメリットがある。
このことから、パッチアンテナ素子はＲＦＩＤのハンディターミナルやその他の送受信機に広く使用されている（例えば、特許文献１参照）。

また、アンテナ装置には、パッチアンテナ素子をパッチアンテナ素子として用い、これら複数のパッチアンテナ素子を配列して構成したアンテナ装置も考案されている（例えば、特許文献２参照）。
かかるアンテナ装置は、平面的構成を採っているのが、一般的である。すなわち、複数の放射電極を１枚の誘電体基体の広い表面に平面的に配列し、同軸ケーブルを誘電体基体の裏面側から各放射電極に接続して、給電部からの電力をこの同軸ケーブルを通じて各放射電極に給電したり、又はストリップラインを誘電体基体の裏面等に設けて、給電部からの電力をこのストリップラインを通じて各放射電極に電磁結合させることで、放射電極からの電波を誘電体基体表面に対して垂直な正面方向に放射する。

特開２００６−２４５７５１号公報 特開２００１−１１１３３６号公報

しかし、上記した従来のパッチアンテナ素子には、次のような問題がある。
パッチアンテナ素子を小型化する場合には、誘電体基体の比誘電率を高くする方法がとられる。しかし、誘電体基体の比誘電率を高くして、アンテナ電極のサイズを小さくすると共に、グランド電極のサイズをも小さくしようとすると、背面のグランド側への放射が増加し、正面側への放射利得が減少してしまう。
すなわち、パッチアンテナ素子を小型化すると、Ｆ／Ｂ比（Front to Back ratio）が劣化し、急激に正面方向の利得が低下するという不具合が生じる。
したがって、高誘電率基体を用いたパッチアンテナ素子において、所望の利得やＦ／Ｂ比を得ようとすると、グランドサイズを半波長程度以上に設定しなければならず、パッチアンテナ素子の小型化が困難であった。
このように、従来のパッチアンテナによるパッチアンテナ素子では、利得やＦ／Ｂ比の増加と装置の小型化との両方を同時に得ることができなかった。

そして、従来のアンテナ装置では、複数の放射電極を１枚の誘電体基体の広い表面に配列した平面構成を採用しているので、広い実装面積を小型の電子機器内に必要とし、狭いアンテナ実装領域には、実装することができない。これに対して、アンテナ素子数を減らして、小型化する方法も考えられるが、アンテナ素子数を減らすと、所望の利得を得ることができなくなってしまう。

この発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、正面方向への十分な利得を確保しつつ小型化が可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明に係るアンテナ装置は、第１の電極及び第２の電極を誘電体基体の少なくとも対向する概略平行な二面にそれぞれ設けて形成したパッチアンテナ素子を、１対設け、これら１対のパッチアンテナ素子の一方のパッチアンテナ素子の第２の電極と他方のパッチアンテナ素子の第１の電極とが向き合うように平行に所定間隔で配列し、一方のパッチアンテナ素子に給電して給電素子とすると共に、他方のパッチアンテナ素子を無給電素子とした構成とする。
かかる構成により、給電素子である一方のパッチアンテナ素子に給電すると、所定周波数の電磁波が、パッチアンテナ素子から放射される。そして、他方のパッチアンテナ素子と電磁結合して、他方のパッチアンテナ素子が当該所定周波数で共振する。
このとき、他方のパッチアンテナ素子自体のリアクタンス値や１対のパッチアンテナ素子の間隔を適宜設定することで、他方のパッチアンテナ素子から放射される電磁波を一方のパッチアンテナ素子から他方のパッチアンテナ素子に向かう電磁波と干渉させることができる。
具体的には、リアクタンス値を適宜設定することで、他方のパッチアンテナ素子から放射される電磁波の位相や振幅を変えると共に、１対のパッチアンテナ素子の間隔を波長に対応させて設定することで、一方のパッチアンテナ素子から正面方向に放射する電磁波の利得を高くすることができると共に、背面方向に存する電磁波を減衰させて、Ｆ／Ｂ比を高めることができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載のアンテナ装置において、パッチアンテナ素子は、正面と背面とが互いに対向し且つこれら正面及び背面に垂直な断面がほぼ長方形状をなす上記誘電体基体と、当該誘電体基体の正面に形成され且つ上記給電部に接続された上記第１の電極と、当該誘電体基体の背面に形成された上記第２の電極とを備え、第１の電極の幅を、励振方向を向く当該第１の電極の長さの４分の１以下に設定すると共に、第２の電極の幅を、励振方向を向く当該第２の電極の長さの４分の１以下に設定し、誘電体基体の正面及び背面のそれぞれの幅を、第１及び第２の電極のそれぞれの幅に等しく設定すると共に、当該誘電体基体の厚さを当該幅の１倍以上に設定した構成とする。
かかる構成により、給電部から一方のパッチアンテナ素子の第１の電極に給電すると、所定周波数の電磁波が、第１の電極から放射される。このとき、第１の電極と第２の電極の幅がそれぞれその長さの４分の１以下に設定され、しかも、誘電体基体の正面及び背面の幅もこれら第１及び第２の電極のそれぞれの幅に等しく設定されているので、パッチアンテナ素子全体の小型化は図られているが、パッチアンテナ素子の利得が低下するおそれがある。しかし、このパッチアンテナ素子では、誘電体基体の厚さが当該幅の１倍以上に設定されているので、利得の低下が抑えられ、十分な利得を確保することができる。

請求項３の発明は、請求項２に記載のアンテナ装置において、パッチアンテナ素子の第１又は第２の電極の少なくとも一方の長さを、誘電体基体の正面又は背面の長さよりも長く設定し、その長さ方向の両端部を折り曲げて、当該誘電体基体の両端面に配設した構成とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載のアンテナ装置において、パッチアンテナ素子の第２の電極の長さを、第１の電極の長さよりも長く設定した構成とする。

請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載のアンテナ装置において、無給電素子であるパッチアンテナ素子の第１の電極にリアクタンス回路の入力端を接続すると共に第２の電極に出力端を接続することにより、当該パッチアンテナ素子に当該リアクタンス回路を接続して終端した構成とする。
かかる構成により、無給電素子であるパッチアンテナ素子に接続されたリアクタンス回路のリアクタンス値を変えることで、パッチアンテナ素子自体を大きくすることなく、無給電素子側のリアクタンス値を大きくすることができる。

以上詳しく説明したように、請求項１の発明に係るアンテナ装置によれば、それぞれ誘電体基体に電極を設けて形成した１対のパッチアンテナ素子によってアンテナ装置を構成し、かかる構成によって、正面方向に放射する電磁波の利得やＦ／Ｂ比を高めることができるので、正面方向への十分な利得やＦ／Ｂ比を確保しつつ小型化を図ることができるアンテナ装置を提供することができるという優れた効果がある。

請求項２の発明に係るアンテナ装置によれば、パッチアンテナ素子の第１及び第２の電極の幅が長さの４分の１以下に設定され、誘電体基体の幅が第１及び第２の電極の幅に等しく設定されているので、パッチアンテナ素子全体の小型化を図ることができる。しかも、誘電体基体の厚さが当該幅の１倍以上に設定されて、電磁波の利得の低下が抑えられているので、十分な利得を確保することができる。すなわち、この発明によれば、所望の利得を確保しつつ装置の小型化を図ることができるという優れた効果がある。したがって、パッチアンテナ素子の体積サイズを、従来のパッチアンテナ素子の約１／２のサイズまでに小型化しても、同等の利得を得ることができる。

特に、請求項３の発明によれば、第１及び第２の電極のいずれかの両端部を、折り曲げて、誘電体基体の両端面に配設したので、パッチアンテナ素子をより一層、小型化することができる。

また、請求項４の発明によれば、第２の電極の長さを、第１の電極の長さよりも長く設定したので、パッチアンテナ素子の小型化を保持しつつ、正面方向への利得を効果的に高めることができる。

特に、請求項５の発明によれば、パッチアンテナ素子自体を大きくすることなく、無給電素子側のリアクタンス値を大きくすることができるので、アンテナ装置のさらなる小型化が可能となる。

参考技術例１に係るパッチアンテナ素子を示す斜視図である。 図１のパッチアンテナ素子の縦断面図である。 図１のパッチアンテナ素子の横断面図である。 図１のパッチアンテナ素子の展開図である。 従来型のパッチアンテナ素子を示す斜視図である。 従来型のパッチアンテナ素子とその電流分布を模式的に示す正面図である。 電極の幅と誘電体基体の厚みとの関係を説明するための斜視図である。 パッチアンテナ素子の幅及び厚さと利得との関係を示す線図である。 パッチアンテナ素子の幅及び厚さと効率との関係を示す線図である。 参考技術例１のパッチアンテナ素子が示す作用及び効果を説明するための断面図である。 参考技術例２に係るパッチアンテナ素子を示す斜視図である。 第２の電極の長さの変化の態様を示す斜視図である。 第２の電極の長さと利得，Ｆ／Ｂ比及び帯域との相関関係を示す線図である。 この発明の一実施例に係るアンテナ装置を示す概略斜視図である。 パッチアンテナ素子の展開図である。 給電素子であるパッチアンテナ素子の概略断面図である。 無給電素子であるパッチアンテナ素子の概略断面図である。 実施例のアンテナ装置が示す作用及び効果を説明するための概略側面図である。 素子間隔と利得との相関図である。 素子間隔とＦ／Ｂ比との相関図である。 リアクタンス値及び素子間隔と利得との相関図である。 リアクタンス値及び素子間隔とＦ／Ｂ比との相関図である。 実施例の第１変形例を示す斜視図である。 実施例の第２変形例を示す斜視図である。 実施例の第３変形例を示す斜視図である。 実施例の第４変形例を示す斜視図である。 １対のパッチアンテナ素子の配列を示す斜視図である。

この発明の実施例に係るアンテナ装置では、特別な構造のパッチアンテナ素子を適用するので、まず、このアンテナ素子を以下の参考技術例１，２を用いて説明する。

（参考技術例１）
図１は、参考技術例１に係るパッチアンテナ素子を示す斜視図であり、図２は、図１のパッチアンテナ素子の縦断面図であり、図３は、図１のパッチアンテナ素子の横断面図であり、図４は、図１のパッチアンテナ素子の展開図である。
図１に示すように、この参考技術例のパッチアンテナ素子１は、誘電体基体２と第１の電極３と第２の電極４とを備えている。

誘電体基体２は、直方体状をなす。具体的には、図２に示すように、誘電体基体２の正面２ａと背面２ｂとが互いに対向し、図３に示すように、正面２ａ及び背面２ｂに垂直な断面が長方形をなす。つまり、誘電体基体２の側面２ｃ，２ｄが、破線で示すような中膨れではなく、実線で示すような直線状をなす。
第１及び第２の電極３，４は、図４に示すように、誘電体基体２の正面２ａ，背面２ｂの全面にそれぞれ設けられている。すなわち、この参考技術例では、誘電体基体２の正面２ａ，背面２ｂの幅を、第１及び第２の電極３，４の幅Ｗに等しく設定している。さらに、この参考技術例では、誘電体基体２の厚さＴを、第１及び第２の電極３，４の幅Ｗの１倍以上に設定して、誘電体基体２に厚みを持たせている。

図１において、第１の電極３は、誘電体基体２の正面２ａ上にパターン形成された放射電極であり、給電線としての同軸ケーブル１２０を通じて給電部１００に接続され、その長さ方向（図１で上下方向）を励振方向とする。
具体的には、図２に示すように、第１の電極３に至る孔２ｇ，４ａを誘電体基体２，第２の電極４にそれぞれ開け、同軸ケーブル１２０の内部導体１２１をこれら孔２ｇ，４ａに挿通させて、第１の電極３に接続し、第１の電極３を給電部１００に電気的に接続した。また、同軸ケーブル１２０の外部導体１２２は第２の電極４に接続した。
かかる第１の電極３の幅Ｗは、励振方向を向く第１の電極３の長さＬの４分の１以下に設定した。

図１において、第２の電極４は、誘電体基体２の背面２ｂ上にパターン形成された無給電電極であり、第１の電極３と同様に、この第２の電極４の幅Ｗも、第２の電極４の長さＬの４分の１以下に設定されている。
すなわち、この参考技術例のパッチアンテナ素子１は、細長い直方体状に形成されており、従来型の正方形のパッチアンテナ素子よりも、小型に形成されている。

以下、このパッチアンテナ素子１の小型化の設定方法について、説明する。
図５は、従来型のパッチアンテナ素子を示す斜視図であり、図６は、従来型のパッチアンテナ素子とその電流分布を模式的に示す正面図である。
図５に示すように、従来のパッチアンテナ素子１′では、正方形状の第１の電極３′が誘電体基体２′の正面に配されると共に、第２の電極４′が誘電体基体２′の裏面に配された構成を成しており、所定周波数の電力を給電部１００から第１の電極３′に給電することで、所定の共振周波数の電磁波を正面側に放射するようになっている。
しかし、このようなパッチアンテナ素子１′では、例えば、第１の電極３′の幅Ｗ及び長さＬが共に同一の長さに設定され、占有面積が大きい。しかも、図６に示すように、第１の電極３′の励振時における電流が、第１の電極３′の側辺３′ａ側寄りのＩで示す領域に集中する。すなわち、破線で示すように、電流は、第１の電極３′の中央部３′ｂ側にはあまり流れないため、第１の電極３′の中央部３′ｂが励振に寄与せずに遊んだ状態になっている。
そこで、発明者は、この遊びの部分をなくして、パッチアンテナ素子の小型化を図るべく、考察を行った。
図７は、電極の幅と誘電体基体の厚みとの関係を説明するための斜視図である。
図７の（ａ）に示すように、第１の電極３′と第２の電極４′との幅Ｗを狭くして、図６に示す電流の余り流れない領域３′ｂをなくすことで、パッチアンテナ素子１′の小型化を図ることができる。
しかし、このパッチアンテナ素子１′では、第２の電極４′の幅Ｗも狭くするため、第１の電極３′に分布する電流Ｉも小さくなり、正面方向への利得が低下してしまう。そこで、図７の（ｂ）に示すように、第１の電極３′の幅Ｗに対応させて、誘電体基体２′の厚さＴを厚くすることにより、第１の電極３′に分布する電流Ｉを大きくすることができ、この結果、正面方向への利得を高くすることが考えられる。
しかしながら、小型にするために、電極３′，４′の幅Ｗを余り小さくすると、利得を得るために、誘電体基体２′の厚さＴを厚くしなければならず、結局、パッチアンテナ素子１′が厚さ方向に大型化してしまう。かといって、誘電体基体２′の厚さＴをあまり厚くしないようにすると、電極３′，４′の幅Ｗを大きくしなければならず、結局、パッチアンテナ素子１′が幅方向に大型化してしまう。
そこで、発明者は、第１の電極３′の幅Ｗや誘電体基体２′の厚さＴをどのような範囲に設定すると、その体積が、従来型のパッチアンテナ素子よりも小さく、しかも利得が従来型の利得以上になるかを、次のようなシミュレーションを用いて考察した。

図８は、パッチアンテナ素子の幅及び厚さと利得との関係を示す線図であり、図９は、パッチアンテナ素子の幅及び厚さと効率との関係を示す線図である。
発明者は、パッチアンテナ素子１の誘電体基体２として、比誘電率が６．４、誘電損失（tanδ）が０．００２の誘電体を用い、その長さＬを８０ｍｍに設定した。すなわち、第１及び第２の電極３，４及び誘電体基体２の長さＬが８０ｍｍのパッチアンテナ素子１を用い、周波数９１０ＭＨｚの電力を給電した。そして、パッチアンテナ素子１の幅Ｗ（第１及び第２の電極３，４及び誘電体基体２の幅）と厚さＴ（誘電体基体２の厚さ）を変えながら、パッチアンテナ素子１の各利得をシミュレーションしたところ、図８の利得曲線Ｇ１〜Ｇ４で示すような結果を得た。ここで、利得曲線Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４は、１ｄＢｉ，２ｄＢｉ，３ｄＢｉ，３．５ｄＢｉの各利得における幅Ｗと厚さＴとの関係を示し、領域Ｊは、従来型のパッチアンテナ素子が採っている幅Ｗ及び厚さＴの範囲を示し、領域Ｈは、この参考技術例のパッチアンテナ素子が採る幅Ｗ及び厚さＴの範囲を示す。
図８の領域Ｊで示すように、従来型のパッチアンテナ素子では、３ｄＢｉの利得を得ようとすると、幅Ｗが約６５ｍｍ以上で厚さＴが約８ｍｍ程度必要があり、その体積は、最低でも約４１．６ｃｃになる。これに対して、領域Ｈで示すように、幅Ｗを長さ８０ｍｍの４分の１以下で、厚さＴを幅Ｗ以上に設定したパッチアンテナ素子１において、３ｄＢｉの利得を得るには、幅Ｗが２０ｍｍで厚さＴが約２０ｍｍ程度であればよく、その体積は、約３２ｃｃ程度でよい。すなわち、長さ８０ｍｍのパッチアンテナ素子１において、幅Ｗを長さの４分の１以下で、厚さＴを幅Ｗ以上に設定することで、同じ利得を得ながら、その体積を従来型のパッチアンテナ素子の体積に対して約２５パーセント以上も削減することができることを確認した。
次に、発明者は、上記と同様の比誘電率，誘電損失及び長さを有した誘電体基体２と第１及び第２の電極３，４とを備えたパッチアンテナ素子１を用い、周波数９１０ＭＨｚの電力を給電した。そして、幅Ｗと厚さＴを変えながら、パッチアンテナ素子１の各効率をシミュレーションしたところ、図９の効率曲線Ｅ１〜Ｅ３で示すような結果を得た。ここで、効率曲線Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３は、７０％，８０％，９０％の各効率における幅Ｗと厚さＴとの関係を示す。
図９の領域Ｊで示すように、従来型のパッチアンテナ素子では、９０％の効率を得ようとすると、幅Ｗが約７０ｍｍ以上で厚さＴが約１０ｍｍ程度必要があり、その体積は、最低でも約５６ｃｃになる。これに対して、領域Ｈで示すように、幅Ｗを長さ８０ｍｍの４分の１以下で、厚さＴを幅Ｗ以上に設定したパッチアンテナ素子１において、９０％の効率を得るには、幅Ｗが２０ｍｍで厚さＴが約２５ｍｍ程度であればよく、その体積は、最高でも約４０ｃｃ程度でよい。すなわち、長さ８０ｍｍのパッチアンテナ素子１において、幅Ｗを長さの４分の１以下で、厚さＴを幅Ｗ以上に設定することで、同じ効率を得ながら、その体積を従来型のパッチアンテナ素子の体積に対して約２９パーセント以上も削減することができることを確認した。
発明者は、このようなシミュレーションの結果を踏まえて考察した結果、パッチアンテナ素子１の厚さＴを、幅Ｗの１倍以上に設定し、幅Ｗを、長さＬの４分の１以下に設定することで、３ｄＢｉ利得及び９０％効率という従来型のパッチアンテナ素子と同じ利得及び効率で、従来型のパッチアンテナ素子よりも小型にすることができるという結論に達した。
そこで、この参考技術例では、上記したように、パッチアンテナ素子１の誘電体基体２の厚さＴを第１及び第２の電極３，４の幅Ｗの１倍以上に設定し、第１及び第２の電極３，４の幅Ｗを、第１及び第２の電極３，４の長さＬの４分の１以下に設定した。

次に、この参考技術例のパッチアンテナ素子１が示す作用及び効果について説明する。
図１０は、この参考技術例のパッチアンテナ素子１が示す作用及び効果を説明するための断面図である。
図１０に示すように、所定周波数の電力Ｗ０を給電部１００から同軸ケーブル１２０を通じて第１の電極３に給電すると、第１の電極３が放射電極として機能し、また、接地された同軸ケーブル１２０の外部導体１２２に接続された第２の電極４が、グランド電極として機能する。この結果、第１の電極３で励振された所定周波数の電磁波Ｖが、正面側（図１０の左側）に放射されることとなる。
このとき、第１及び第２の電極３，４の幅Ｗがそれぞれその長さＬの４分の１以下に設定され、しかも、誘電体基体２の正面２ａ及び背面２ｂの幅もこれら第１及び第２の電極３，４の幅Ｗに等しく設定されているので、パッチアンテナ素子１全体の小型化は図られている。したがって、電子部品が高密度実装され、アンテナ実装領域が狭いＲＦＩＤのハンディターミナルやその他の送受信機においても、このパッチアンテナ素子１は容易に実装することができる。しかも、誘電体基体２の厚さＴが第１及び第２の電極３，４の幅Ｗの１倍以上に設定されているので、第１の電極３から放射される電磁波Ｖの利得の低下がない。このため、十分な利得の電磁波Ｖが、パッチアンテナ素子１の正面方向に放射される。
このように、この参考技術例のパッチアンテナ素子１によれば、小型でありながら、正面方向への高い利得を得ることができる。

（参考技術例２）
次に、参考技術例２について説明する。
図１１は、参考技術例２に係るパッチアンテナ素子を示す斜視図である。
この参考技術例は、第１及び第２の電極３，４の長さが異なる点が、上記参考技術例１と異なる。
図１１に示すように、この参考技術例のパッチアンテナ素子１′′では、第２の電極４の長さを第１の電極３の長さ（Ｌ）よりも長く設定した。具体的には、第１の電極３の長さＬ及び幅Ｗは、上記参考技術例１と同様であるが、第２の電極４の長さを参考技術例１の場合よりも、長く設定し、第２の電極４の長さを誘電体基体２の背面２ｂの長さＬよりも長い長さ（Ｌ＋Ｌ２×２）にした。そして、第２の電極４の両端部４１，４２を折り曲げて、誘電体基体２の両端面２ｅ，２ｆに配設した。

かかる構成により、本来、第２の電極４の長さ（Ｌ＋Ｌ２×２）分の長さを有する誘電体基体を必要とするところを、従前の長さＬの誘電体基体２で済むので、折り曲げ部４１，４２の長さ（Ｌ２×２）分だけ、パッチアンテナ素子自体を小型化することができる。
また、グランド電極として機能する第２の電極４の長さを長くすることで、第１の電極３から背面側（第２の電極４側）に向かう電磁波を低減させることができる。これにより、パッチアンテナ素子の小型化を保持しつつ、Ｆ／Ｂ比を高め、その結果、正面方向（第１の電極３の左方向）への利得を高めることができる。

ところで、この参考技術例のように、第１及び第２の電極３，４の長さを有するパッチアンテナ素子１′′を設計する場合、給電部１００側の負荷（例えば５０Ω）との整合を図る必要がある。特定の周波数において、負荷と整合可能な第１及び第２の電極３，４の長さは、いろいろあり、負荷と整合する第２の電極４の長さが決まれば、第１の電極３の長さも第２の電極４の長さに対応して決まる。そして、特定の周波数で、負荷と整合する第２の電極４の長さは、誘電体基体２の背面２ｂの長さだけでなく、両端面２ｅ，２ｆ及び正面２ａの長さにも至る。
しかしながら、パッチアンテナ素子１′′の利得やＦ／Ｂ比及び帯域といった放射特性は、第２の電極４の長さによって異なる。したがって、これら利得やＦ／Ｂ比及び帯域等を考慮して、最適なパッチアンテナ素子１′′を設計する必要がある。

そこで、発明者は、長さが異なる第１及び第２の電極３，４を、比誘電率が６．４、誘電損失が０．００２、長さＬ，幅Ｗ及び厚さＴがそれぞれ８０ｍｍ，１０ｍｍ，３０ｍｍの誘電体基体２に形成した。そして、周波数９１０ＭＨｚの電力を、このパッチアンテナ素子１′′に給電し、第２の電極４の長さを変えながら、パッチアンテナ素子１′′の利得，Ｆ／Ｂ比及び帯域とをシミュレーションした。
図１２は、第２の電極４の長さの変化の態様を示す斜視図であり、図１３は、第２の電極４の長さと利得，Ｆ／Ｂ比及び帯域との相関関係を示す線図である。
図１２の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）及び（ｅ）は、折り曲げ部４１，４２の長さを含む第２の電極４の全長Ｌ＋Ｌ２×２をそれぞれ、１０１ｍｍ，１０８ｍｍ，１１４ｍｍ，１３０ｍｍ及び１４０ｍｍに設定したときのパッチアンテナ素子１′′を示している。かかるパッチアンテナ素子１′′において、特定の周波数で負荷との整合を図るため、折り曲げ部３１，３２を含む第１の電極３の全長Ｌ＋Ｌ１×２は、第２の電極４が長くなるに従って、短くなるように設定する。
シミュレーションは、図１２の（ａ）〜（ｅ）に示す第２の電極４の各長さを有するパッチアンテナ素子１′′と、第２の電極４の全長が１０４ｍｍ，１１３ｍｍ，１１６ｍｍ，１２０ｍｍのパッチアンテナ素子１′′との各装置について、周波数９１０ＭＨｚの電力を供給し、第２の電極４の各長さにおける利得，Ｆ／Ｂ比及び帯域を測定した。
すると、図１３の利得曲線Ｓ１で示すように、第２の電極４の全長が１０８ｍｍ付近の時に、利得が最大となった。また、Ｆ／Ｂ比曲線Ｓ２で示すように、Ｆ／Ｂ比は、第２の電極４の全長が１１４ｍｍ〜１３０ｍｍのあたりで、大きくなっている。そして、帯域曲線Ｓ３で示すように、帯域は、第２の電極４の全長が長くなるに従って広がっていった。しかし、帯域に関しては、第２の電極４を長くする程広がるが、それに反して、利得やＦ／Ｂ比が低下し、また、５０Ω負荷との整合も得にくくなるので、第２の電極４の長さを１４０ｍｍ以上に設定する利点はほとんどない。
以上のシミュレーションの結果から、比誘電率が６．４、誘電損失が０．００２、長さＬ，幅Ｗ及び厚さＴがそれぞれ８０ｍｍ，１０ｍｍ，３０ｍｍの誘電体基体２を使用する場合には、第２の電極４の長さを１０８ｍｍ〜１３０ｍｍ以内（図１２の（ｂ）〜（ｄ）の態様）に設定することが、利得，Ｆ／Ｂ比及び帯域の面から好ましいといえる。
その他の構成、作用及び効果は、上記参考技術例１と同様であるので、その記載は省略する。

（実施例１）
ここで、この発明の実施例に係るアンテナ装置について説明する。
図１４は、この発明の一実施例に係るアンテナ装置を示す概略斜視図であり、図１５は、パッチアンテナ素子の展開図であり、図１６は、給電素子であるパッチアンテナ素子の概略断面図であり、図１７は、無給電素子であるパッチアンテナ素子の概略断面図である。

図１４に示すように、この実施例のアンテナ装置２００は、平行に所定間隔Ｄで配列された１対のパッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂを具備する。
この実施例では、上記参考技術例１のパッチアンテナ素子１を１対のパッチアンテナ素子として用いた。そこで、理解を容易にするため、給電素子であるパッチアンテナ素子自体及びその構成部分には「Ａ」を付した符号を用い、無給電素子であるパッチアンテナ素子自体及びその構成部分には「Ｂ」を付した符号を用いた。なお、図１１及び図１２に示したパッチアンテナ素子もパッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂとして用いることができることは勿論である。
すなわち、パッチアンテナ素子１Ａ（１Ｂ）は、電極３Ａ，４Ａ（３Ｂ，４Ｂ）を直方体状の誘電体基体２Ａ（２Ｂ）の対向する正面２Ａａ（２Ｂａ）と背面２Ａｂ（２Ｂｂ）とにそれぞれ設けることで、形成されている。
そして、図１５に示すように、誘電体基体２Ａ（２Ｂ）が、正面２Ａａ（２Ｂａ）と背面２Ａｂ（２Ｂｂ）と側面２Ａｃ（２Ｂｃ）及び２Ａｄ（２Ｂｄ）と端面２Ａｅ（２Ｂｅ）及び２Ａｆ（２Ｂｆ）とを有し、電極３Ａ，４Ａ（３Ｂ，４Ｂ）が正面２Ａａ（２Ｂａ），背面２Ａｂ（２Ｂｂ）の略全面に形成されている。

アンテナ装置２００は、図１４に示すように、パッチアンテナ素子１Ａの背面２Ａｂの電極４Ａとパッチアンテナ素子１Ｂの正面２Ｂａの電極３Ｂとが向き合うように、パッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂを平行に間隔Ｄで配列した構成になっている。
給電素子であるパッチアンテナ素子１Ａには、給電部１００から引き出された同軸ケーブル１２０が接続されている。
具体的には、図１６に示すように、パッチアンテナ素子１Ａの電極３Ａに至る孔２Ａｇ，４Ａａを誘電体基体２Ａと電極４Ａとに開け、同軸ケーブル１２０の内部導体１２１をこの孔２Ａｇ，４Ａａに挿通させて、電極３Ａに接続した。また、同軸ケーブル１２０の外部導体１２２は電極４Ａに接続した。

無給電素子であるパッチアンテナ素子１Ｂには、正面及び背面側の電極間にリアクタンス回路５が接続されている。
具体的には、図１７に示すように、パッチアンテナ素子１Ｂの電極３Ｂに至る孔２Ｂｇ，４Ｂａを誘電体基体２Ｂと電極４Ｂとに開け、導線１３０をこの孔２Ｂｇ，４Ｂａに挿通させて、その一方端を電極３Ｂに接続すると共に、他方端をリアクタンス回路５の入力端に接続した。そして、リアクタンス回路５の出力端を導線１３１に接続させると共に、この導線１３１を接地された背面側の電極４Ｂに接続した。

このようなパッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂは、図１４及び図１５に示すように、同形であり、各電極３Ａ，３Ｂ（４Ａ，４Ｂ）の幅Ｗが長さＬよりも短く設定されている。つまり、パッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂを共に細長い四角柱状に形成することで、一般的な正方形の素子と比べ、幅方向について小型化を図っている。
また、この実施例では、無給電素子であるパッチアンテナ素子１Ｂを、給電素子であるパッチアンテナ素子１Ａの放射方向に対して逆側の位置に配した。
具体的には、アンテナ装置２００は、電磁波の放射方向をパッチアンテナ素子１Ａの電極３Ａ側に設定しており、この方向への電磁波の利得を高めるべく、パッチアンテナ素子１Ｂを、パッチアンテナ素子１Ａの電磁波の放射方向の逆側、すなわち、パッチアンテナ素子１Ａの図１４の右側に間隔Ｄだけ離して配置した。
そして、パッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂの間隔Ｄを、ＵＨＦ帯の使用周波数における自由空間波長の０．１２倍以上０．３０倍以下に設定した。

次に、この実施例のアンテナ装置２００が示す作用及び効果について説明する。
図１８は、この実施例のアンテナ装置２００が示す作用及び効果を説明するための概略側面図である。
図１８に示すように、所定周波数の信号を給電部１００から同軸ケーブル１２０を介してパッチアンテナ素子１Ａに給電すると、パッチアンテナ素子１Ａが励振し、実線で示すように、所定周波数の電磁波Ｖ２が、パッチアンテナ素子１Ａの電極３Ａ，４Ａからパッチアンテナ素子１Ａの正面側と背面側とに放射される。
そして、電極４Ａ側から放射された電磁波Ｖ２が、パッチアンテナ素子１Ｂと電磁結合して、パッチアンテナ素子１Ｂが当該所定の周波数で共振し、破線で示すように、電磁波Ｖ３を電極３Ｂ，４Ｂからパッチアンテナ素子１Ｂの正面側と背面側に放射する。この電磁波Ｖ３の位相や振幅は、パッチアンテナ素子１Ｂのリアクタンス回路５のリアクタンス値とパッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂの素子間隔Ｄとを適宜設定することで、調整することができる。
したがって、パッチアンテナ素子１Ｂの電磁波Ｖ３の位相や振幅を適宜調整することで、パッチアンテナ素子１Ｂの背面側に向かう電磁波Ｖ３とパッチアンテナ素子１Ａからの電磁波Ｖ２とを干渉させて、抑圧することができる。そして、パッチアンテナ素子１Ｂの正面側に向かう電磁波Ｖ３とパッチアンテナ素子１Ａの正面側に放射される電磁波Ｖ２とを干渉させることで、強め合わせることができる。
これにより、アンテナ装置２００の正面方向（図１８の左方向）の電磁波の利得を高めることができると共に、アンテナ装置２００の正面方向の電磁波の利得と背面方向の電磁波の利得の比であるＦ／Ｂ比をも高めることができる。

発明者は、かかる効果を確認すべく、つぎのような実験を行った。
図１９は、素子間隔Ｄと利得との相関図であり、図２０は、素子間隔ＤとＦ／Ｂ比との相関図である。
この実験では、誘電体基体２Ａ，２Ｂの比誘電率が６．４で、幅Ｗ，長さＬ及び厚さＴが１５ｍｍ，８０ｍｍ及び１５ｍｍのパッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂを構成し、周波数９２０ＭＨｚの信号を給電部１００からパッチアンテナ素子１Ａに給電した。そして、パッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂの素子間隔Ｄを変化させて、各素子間隔Ｄでの利得とＦ／Ｂ比とを解析したところ、図１９及び図２０に示す曲線Ｓ４で示す結果を得た。
なお、この実験における素子間隔Ｄは、使用周波数９２０ＭＨｚにおける波長の倍数を示している。
図１９の曲線Ｓ４から明らかなように、このアンテナ装置２００では、素子間隔Ｄを波長の０．１２倍〜０．３０倍に設定することで、約５ｄＢ以上の利得を得ることが確認された。
また、Ｆ／Ｂ比においても、図２０の曲線Ｓ４で示すように、素子間隔Ｄを波長の０．１２倍〜０．３０倍に設定することで、約７．５ｄＢ以上を得ることができた。

次に、誘電体基体２Ａ，２Ｂの比誘電率を変えて、パッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂを小型にした。
具体的には、誘電体基体２Ａ，２Ｂの比誘電率を３Ａに設定し、パッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂの幅Ｗ，長さＬ及び厚さＴを１５ｍｍ，５５ｍｍ及び１０ｍｍに設定して、上記と同様の実験を行ったところ、図１９の曲線Ｓ５で示すように、素子間隔Ｄが波長の０．１２倍〜０．３０倍の範囲で、約４ｄＢ以上の利得を得ることができると共に、図２０の曲線Ｓ５で示すように、約６ｄＢ以上のＦ／Ｂ比を得ることができた。
さらに、誘電体基体２Ａ，２Ｂの比誘電率を３８に上げ、パッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂの幅Ｗ，長さＬ及び厚さＴを１０ｍｍ，４０ｍｍ及び１５ｍｍに設定して、上記と同様の実験を行ったところ、図１９の曲線Ｓ６で示すように、素子間隔Ｄが波長の０．１２倍〜０．３０倍の範囲で、約３ｄＢ以上の利得を得ることができると共に、図２０の曲線Ｓ６で示すように、約５ｄＢ以上のＦ／Ｂ比を得ることができた。
すなわち、この実施例のアンテナ装置２００によれば、パッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂの素子間隔Ｄを使用周波数における波長の０．１２倍〜０．３０倍の範囲に設定することで、長さが４０ｍｍという超小型のパッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂを用いても、約３ｄＢ以上の利得と約５ｄＢ以上のＦ／Ｂ比を得ることが確認された。

次に、発明者は、パッチアンテナ素子１Ｂのリアクタンス回路５のリアクタンス値とアンテナ装置２００の利得との関係及びリアクタンス値とＦ／Ｂ比との関係を、素子間隔Ｄを波長の０．１５倍〜０．２４倍の範囲で変化させながら確認した。
図２１は、リアクタンス値及び素子間隔Ｄと利得との相関図であり、図２２は、リアクタンス値及び素子間隔ＤとＦ／Ｂ比との相関図である。
この実験では、誘電体基体２Ａ，２Ｂの比誘電率が６．４で、幅Ｗ，長さＬ及び厚さＴが１５ｍｍ，８０ｍｍ及び１５ｍｍのパッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂを構成し、周波数９２０ＭＨｚの信号を給電部１００からパッチアンテナ素子１Ａに給電した。そして、パッチアンテナ素子１Ｂのリアクタンス回路５のリアクタンス値を変化させながら、各素子間隔Ｄにおける利得とＦ／Ｂ比とを解析した。
すると、図２１及び図２２の曲面Ｓｇ，Ｓｆｂで示す結果を得た。
図２１の曲面Ｓｇから明らかなように、リアクタンス回路５のリアクタンス値を概ねｊ１．０Ω付近の値に設定すると、６ｄＢ以上の利得を得ることができる。通常、同じサイズの単体のパッチアンテナ素子を用いた場合には、３〜４ｄＢ程度が限度であるのに対して、この実施例のアンテナ装置２００では、同じ大きさで２〜３ｄＢ程度高い利得を得ることができる。
また、図２２の曲面Ｓｆｂから明らかなように、リアクタンス回路５のリアクタンス値を概ねｊ１．０Ω付近の値に設定すると、１０ｄＢ以上のＦ／Ｂ比を得ることができる。しかも、リアクタンス回路５のリアクタンス値と素子間隔Ｄとを最適値に設定することで、２０ｄＢ以上のＦ／Ｂ比を得ることができる。

以上のように、この実施例のアンテナ装置２００によれば、小型でありながら、正面方向への高い利得と大きなＦ／Ｂ比を得ることができる。
また、素子として、パッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂを用いるため、同軸線路等の不平衡回路との整合が容易であり、信号を給電部１００からアンテナ装置２００に効率よく給電することができる。
さらに、パッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂのうちのパッチアンテナ素子１Ｂを無給電の非励振素子としたので、パッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂの双方を励振素子とするアンテナに比べると、信号の分配回路等を必要としない分、構造が簡単となり、アンテナ装置２００自体のコストを低廉化することができる。
その他の構成、作用及び効果は、上記参考技術例１，２と同様であるので、その記載は省略する。

なお、この発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内において種々の変形や変更が可能である。

また、上記実施例及び参考技術例では、図１や図１１に示したように、誘電体基体２の正面２ａ全面に形成した電極３に対して、電極４の全長を等しいか又は長くした例を示した。しかし、図２３に示すように、長さＬが誘電体基体２の正面２ａの長さよりも短い第１の電極３を正面２ａ上に形成して、第２の電極４の全長をこの第１の電極３よりも相対的に長くしたパッチアンテナ素子を有したアンテナ装置も、この発明の範囲に含まれることは勿論である。
また、上記実施例及び参考技術例では、電極４を電極３よりも長くして、その両端部４１，４２を誘電体基体２の両端面２ｅ，２ｆに折り曲げて配置した例を示した。しかし、電極３，４の少なくとも一方の長さを誘電体基体２の正面２ａ，背面２ｂの長さよりも長く設定し、その電極を両端面２ｅ，２ｆに折り曲げて配置することもできる。したがって、電極３を電極４よりも長くして、その両端部を折り曲げて誘電体基体２の両端面２ｅ，２ｆに配置したものを有するアンテナ装置も、この発明の範囲に含まれる。

また、上記実施例及び参考技術例では、図１や図１４等に示したように、誘電体基体２（２Ａ，２Ｂ）を直方体に形成し、電極３，４をその正面２ａ（２Ａａ，２Ｂａ），背面２ｂ（２Ａｂ，２Ｂｂ）全面に形成して、パッチアンテナ素子全体を直方体形状にした例を示した。しかし、パッチアンテナ素子１の幅Ｗと長さＬと厚さＴとが所定の条件を満たし、且つその断面形状がほぼ長方形の形状であれば、パッチアンテナ素子１の形状は任意である。したがって、例えば、図２４に示すように、両端面２ｅ，２ｆ（２Ａｅ，２Ａｆ、２Ｂｅ，２Ｂｆ）が半円形に湾曲した形状のパッチアンテナ素子や、図２５に示すように、誘電体基体２（２Ａ，２Ｂ）の中央部に空間２ｈを有したパッチアンテナ素子を備えたアンテナ装置も、この発明の範囲内に含まれる。

上記実施例及び参考技術例では、図２，図１０及び図１６に示したように、給電素子としてのパッチアンテナ素子１（パッチアンテナ素子１Ａ）への給電構造として、給電部１００から引き出された同軸ケーブル１２０の内部導体１２１をパッチアンテナ素子１（１Ａ）の誘電体基体２（２Ａ）や電極４（４Ａ）の孔２ｇ，４ａ（２Ａｇ，４Ａａ）に挿通して電極３（３Ａ）に接続すると共に、外部導体１２２を電極４（４Ａ）に接続する構造を採用したが、給電構造はこれに限定されるものではない。
例えば、図２６に示すように、同軸ケーブル１２０をパッチアンテナ素子１（パッチアンテナ素子１Ａ）の側面に接続することにより、誘電体基体２（２Ａ）や電極４（４Ａ）に孔を開けることなく、給電することができる。すなわち、電極３，４（３Ａ，４Ａ）の延出部３３，４３を誘電体基体２（２Ａ）の側面２ｄ（２Ａｄ）上に形成し、同軸ケーブル１２０の内部導体１２１を電極３（３Ａ）の延出部３３に接続すると共に、外部導体１２２を電極４（４Ａ）の延出部４３に接続することで、給電部１００からパッチアンテナ素子１（パッチアンテナ素子１Ａ）に給電することができる。
また、同軸ケーブル１２０を用いずに電磁結合を用いて、給電部１００からパッチアンテナ素子１（パッチアンテナ素子１Ａ）に給電することもできる。

また、小型で且つ電極３Ａ，４Ａ（３Ｂ，４Ｂ）がほぼ同サイズの場合には、どちらがグラウンド電極で、どちらがアンテナ電極なのか、明確な区別がつきにくい。そして、どちらをグラウンド電極及びアンテナ電極としても、アンテナ特性が大きく相違することはない。
したがって、図２７に示すようなパッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂの配列を有したアンテナ装置であっても、上記実施例のアンテナ装置と同様の作用及び効果を奏する。すなわち、図２７（ａ）に示すように、パッチアンテナ素子１Ａを通常とは逆向きにしたり、同図（ｂ）に示すように、パッチアンテナ素子１Ｂを通常とは逆向きにし、また、同図（ｃ）に示すように、パッチアンテナ素子１Ａ，１Ｂの双方を通常と逆向きにしても、上記実施例のアンテナ装置と同様の特性を発揮する。そして、これらの配列を有したアンテナ装置もこの発明の範囲内に含まれる。

１，１Ａ，１Ｂ…パッチアンテナ素子、 ２，２Ａ，２Ｂ…誘電体基体、 ２ａ，２Ａａ，２Ｂａ…正面、 ２ｂ，２Ａｂ，２Ｂｂ…背面、 ２ｃ，２ｄ，２Ａｃ，２Ａｄ，２Ｂｃ，２Ｂｄ…側面、 ２ｅ，２ｆ，２Ａｅ，２Ａｆ，２Ｂｅ，２Ｂｆ…端面、 ２ｇ，４ａ，２Ａｇ，４Ａａ，２Ｂｇ，４Ｂａ…孔、 ２ｈ…空間、 ３，４，３Ａ，４Ａ，３Ｂ，４Ｂ…電極、 ５…リアクタンス回路、 ３１，３２…折り曲げ部、 ３３，４３…延出部、 ４１，４２…両端部、 １００…給電部、 １２０…同軸ケーブル、 １２１…内部導体、 １２２…外部導体、 １３０，１３１…導線、 ２００…アンテナ装置、 Ｄ…間隔、 Ｌ…長さ、 Ｔ…厚さ、 Ｖ，Ｖ２，Ｖ３…電波、 Ｗ…幅、 Ｗ０…電力。

Claims (5)

1. 第１の電極及び第２の電極を誘電体基体の少なくとも対向する概略平行な二面にそれぞれ設けて形成したパッチアンテナ素子を、１対設け、これら１対のパッチアンテナ素子の一方のパッチアンテナ素子の第２の電極と他方のパッチアンテナ素子の第１の電極とが向き合うように平行に所定間隔で配列し、
   上記一方のパッチアンテナ素子に給電して給電素子とすると共に、上記他方のパッチアンテナ素子を無給電素子とした、
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 上記パッチアンテナ素子は、
   正面と背面とが互いに対向し且つこれら正面及び背面に垂直な断面がほぼ長方形状をなす上記誘電体基体と、当該誘電体基体の正面に形成され且つ上記給電部に接続された上記第１の電極と、当該誘電体基体の背面に形成された上記第２の電極とを備え、
   上記第１の電極の幅を、励振方向を向く当該第１の電極の長さの４分の１以下に設定すると共に、上記第２の電極の幅を、励振方向を向く当該第２の電極の長さの４分の１以下に設定し、
   上記誘電体基体の正面及び背面のそれぞれの幅を、上記第１及び第２の電極のそれぞれの幅に等しく設定すると共に、当該誘電体基体の厚さを当該幅の１倍以上に設定した、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 上記パッチアンテナ素子の第１又は第２の電極の少なくとも一方の長さを、上記誘電体基体の正面又は背面の長さよりも長く設定し、その長さ方向の両端部を折り曲げて、当該誘電体基体の両端面に配設した、
   ことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 上記パッチアンテナ素子の第２の電極の長さを、上記第１の電極の長さよりも長く設定した、
   ことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 上記無給電素子であるパッチアンテナ素子の第１の電極にリアクタンス回路の入力端を接続すると共に第２の電極に出力端を接続することにより、当該パッチアンテナ素子に当該リアクタンス回路を接続して終端した、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のアンテナ装置。

Images