JP2013157973A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ基材部に磁性複合材料を用いたアンテナ装置において、良好な円偏波の放射（受信）を実現することである。
【解決手段】アンテナ装置としてのパッチアンテナ１０は、アンテナ電極１２と、グランド部１３と、アンテナ基材部１１と、給電点Ｐと、を備える。アンテナ電極１２の平面の中心点Ｏを中心として、アンテナ電極１２の最長の電流ルートである長軸に直交する短軸から当該長軸へ回転する方向に、当該長軸と当該短軸との中間の軸を基準とした給電点Ｐの角度である給電角度Ｆangは、アンテナ基材部１１の比誘電率及び比透磁率に基づく短縮率に対する給電角度Ｆangにおいて、アンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナの給電角度Ｆangの特性曲線よりも大きい。
【選択図】図２

Description

本発明は、円偏波の通信用のアンテナ装置に関する。

従来、高周波数帯の通信用のアンテナ装置として、パッチアンテナが知られている。パッチアンテナは、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）アンテナ、ＥＴＣ（Electronic Toll Collection System）アンテナとして用いられている。

ここで、図１５を参照して、従来のパッチアンテナ８０の構成を説明する。図１５は、パッチアンテナ８０の平面図である。

パッチアンテナ８０は、円偏波通信用の１点給電のパッチアンテナである。図１５に示すように、パッチアンテナ８０は、アンテナ基材部８１と、アンテナ電極８２と、グランド部８３と、給電ピン８４と、を備える。

アンテナ基材部８１は、上面が正方形の直方体の形状を有するセラミック等の誘電体製の基材である。アンテナ電極８２は、アンテナ基材部８１の上面に形成された金属製の電極である。グランド部８３は、アンテナ基材部８１の下面に設けられ、接地された金属製のグランド板である。給電ピン８４は、アンテナ電極８２に電気的に接続され、アンテナ基材部８１、アンテナ電極８２及びグランド部８３を貫通する金属製の給電ピンである。給電ピン８４とアンテナ電極８２との接続点を給電点Ｐとする。

アンテナ基材部８１を用いることで、アンテナ基材部８１の誘電体の比誘電率による波長短縮効果により、パッチアンテナ８０を小型化できる。

アンテナ電極８２は、正方形の電極から１対の対角部分を切り欠いた形状を有し、縮退分離素子としての摂動素子８２１を有する。摂動素子８２１を有することにより、アンテナ電極８２に２つの共振モードを発生させている。より具体的には、アンテナ電極８２に、電極内の最長の電流ルートと、当該最長の電流ルートに直交する電流ルートとが発生する。最長の電流ルートの電極長を長軸長Ｌ１とする。長軸長Ｌ１の電流ルートに直交する電流ルートの電極長を短軸長Ｌ２とする。長軸長Ｌ１の共振モードと、短軸長Ｌ２の共振モードとの振幅が同じで、位相差が９０°となるように、アンテナ電流を給電ピン８４に流すことで、パッチアンテナ８０から円偏波の電波が放射される。長軸長Ｌ１の共振モードを第１モードとし、短軸長Ｌ２の共振モードを第２モードとする。

また、アンテナ基材部に磁性体を用いたパッチアンテナが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、アンテナ基材部に磁性複合材料（磁性誘電体）を用いたパッチアンテナが知られている（例えば、特許文献２参照）。磁性複合材料は、誘電体と同様の比誘電率を有するとともに、磁性体と同様の比透磁率を有する。波長短縮効果による短縮率ＳＲは、次式（１）で表される。
ＳＲ＝１／（εｒ・μｒ）^１／２ …（１）
但し、εｒ：比誘電率、μｒ：比透磁率、である。

このため、アンテナ基材部に磁性体又は磁性複合材料を用いることでも、パッチアンテナを小型化できる。

特開２０００−８２９１４号公報 特開２０１１−４９８０２号公報

図１６（ａ）、図１６（ｂ）を参照して、アンテナ基材部８１に誘電体又は磁性複合材料を用いたパッチアンテナ８０の周波数に対する電流の振幅分布及び位相分布を説明する。図１６（ａ）は、アンテナ基材部８１に誘電体又は磁性複合材料を用いたパッチアンテナ８０の周波数に対する電流の振幅分布を示す図である。図１６（ｂ）は、アンテナ基材部８１に誘電体又は磁性複合材料を用いたパッチアンテナ８０の周波数に対する電流の位相分布を示す図である。

図１６（ａ）、図１６（ｂ）に示すように、アンテナ基材部８１に誘電体を用いたパッチアンテナ８０の長軸長Ｌ１に対応する共振周波数を周波数ｆａ１とし、短軸長Ｌ２に対応する共振周波数を周波数ｆａ２とする。また、アンテナ基材部８１に磁性複合材料を用いたパッチアンテナ８０の長軸長Ｌ１に対応する共振周波数を周波数ｆ１とし、短軸長Ｌ２に対応する共振周波数を周波数ｆ２とする。周波数ｆａ１，ｆａ２の中心周波数と周波数ｆ１，ｆ２の中心周波数とを周波数ｆ０とする。

パッチアンテナ８０で円偏波が発生する条件は、長軸長Ｌ１、短軸長Ｌ２に対応する第１モード、第２モードの振幅が同じで、位相が９０°ずれていることである。一般的に振幅と位相とは、アンテナ基材部８１に誘電体を用いてパッチアンテナ８０を小型化していくと、図１６（ａ）に示すように、周波数ｆａ１，ｆａ２の間の帯域が狭帯域になる。このとき、図１６（ｂ）に示すように、あまりに狭帯域になると、位相差を９０°とることが難しい。これに対し、アンテナ基材部８１に磁性複合材料を用いたパッチアンテナ８０では、周波数ｆ１，ｆ２の間の帯域が比較的広帯域になり、位相差を９０°とることが容易である。

一般的に、アンテナのアンテナ基材部に磁性材料を用いると、アンテナの入力インピーダンスが増加したり、広帯域化することが知られている。そして、図１６（ａ）、図１６（ｂ）に示したように、パッチアンテナのアンテナ基材部に磁性複合材料を用いると、広帯域化することが確認されている。しかし、アンテナ基材部に磁性複合材料を用いるパッチアンテナが円偏波を放射させるのに適切且つ具体的な構造値については明らかにされていない。

本発明の課題は、磁性複合材料を用いたアンテナ装置において、良好な円偏波の放射（受信）を実現することである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明のアンテナ装置は、
平面形状のアンテナ電極と、
平面形状のグランド部と、
前記アンテナ電極及び前記グランド部の間に挟まれ、誘電体及び磁性体を含む磁性複合材料のアンテナ基材部と、
前記アンテナ電極に接続される給電点と、を備え、
前記アンテナ電極の平面の中心点を中心として、当該アンテナ電極の最長の電流ルートである長軸に直交する短軸から当該長軸へ回転する方向に、当該長軸と当該短軸との中間の軸を基準とした前記給電点の角度である給電角度は、前記アンテナ基材部の比誘電率及び比透磁率に基づく短縮率に対する給電角度において、アンテナ基材部が誘電体のパッチ
アンテナの給電角度の特性曲線よりも大きいことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記アンテナ電極は、正方形の電極から１対の対角部分を切り欠いた形状の電極であり、
前記誘電体のアンテナ基材部を有するパッチアンテナの給電角度の特性曲線は、
給電角度をＦangとし、短縮率をＳＲとして、
Ｆang［ｄｅｇ．］＝１５ｔａｎ^−１（１５ＳＲ−０．５）−１７
であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記アンテナ電極は、長方形の電極であり、
前記誘電体のアンテナ基材部を有するパッチアンテナの給電角度Ｆangの特性曲線は、
給電角度をＦangとし、短縮率をＳＲとして、
Ｆang［ｄｅｇ．］＝２０ｔａｎ^−１（１６ＳＲ−２．２）−２２
であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
前記アンテナ基材部の比誘電率及び比透磁率に基づく短縮率は、０．４以下であることを特徴とする。

本発明によれば、磁性複合材料を用いたアンテナ装置において、良好な円偏波の放射（受信）を実現できる。

（ａ）は、本発明に係る第１の実施の形態のパッチアンテナの斜視図である。（ｂ）は、（ａ）の小型化したパッチアンテナの斜視図である。 （ａ）は、長軸長、短軸長等を示した第１の実施の形態のパッチアンテナの平面図である。（ｂ）は、給電点の位置を示す給電角度等を示した第１の実施の形態のパッチアンテナの平面図である。 誘電体のパッチアンテナと第１の実施の形態のパッチアンテナとにおける短縮率に対する給電角度の分布を示す図である。 誘電体のパッチアンテナと第１の実施の形態のパッチアンテナとにおける短縮率に対する放射効率の分布を示す図である。 誘電体のパッチアンテナと第１の実施の形態のパッチアンテナとにおける短縮率に対する長軸短軸比の分布を示す図である。 誘電体のパッチアンテナと第１の実施の形態のパッチアンテナとにおける短縮率に対する中心から給電点への長さの比の分布を示す図である。 短縮率に対する給電角度における第１の実施の形態のパッチアンテナの応用範囲を示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態のパッチアンテナの平面図である。 誘電体のパッチアンテナと第２の実施の形態のパッチアンテナとにおける短縮率に対する給電角度の分布を示す図である。 誘電体のパッチアンテナと第２の実施の形態のパッチアンテナとにおける短縮率に対する放射効率の分布を示す図である。 誘電体のパッチアンテナと第２の実施の形態のパッチアンテナとにおける短縮率に対する長軸短軸比の分布を示す図である。 誘電体のパッチアンテナと第２の実施の形態のパッチアンテナとにおける短縮率に対する中心から給電点への長さの比の分布を示す図である。 短縮率に対する給電角度における第２の実施の形態のパッチアンテナの応用範囲を示す図である。 （ａ）は、変形例の第１のアンテナ電極の平面図である。（ｂ）は、変形例の第２のアンテナ電極の平面図である。（ｃ）は、変形例の第３のアンテナ電極の平面図である。（ｄ）は、変形例の第４のアンテナ電極の平面図である。（ｅ）は、変形例の第５のアンテナ電極の平面図である。 従来例のパッチアンテナの平面図である。 （ａ）は、アンテナ基材部に誘電体又は磁性複合材料を用いた従来例のパッチアンテナの周波数に対する電流の振幅分布を示す図である。（ｂ）は、アンテナ基材部に誘電体又は磁性複合材料を用いた従来例のパッチアンテナの周波数に対する電流の位相分布を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明に係る第１、第２の実施の形態及び変形例を順に詳細に説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。

（第１の実施の形態）
図１（ａ）〜図７を参照して、本発明に係る第１の実施の形態を説明する。先ず、図１（ａ）〜図２（ｂ）を参照して、本実施の形態のアンテナ装置としてのパッチアンテナ１０の装置構成を説明する。図１（ａ）は、パッチアンテナ１０の斜視図である。図１（ｂ）は、小型化したパッチアンテナ１０の斜視図である。図２（ａ）は、長軸長Ａｌ１、短軸長Ａｌ２等を示したパッチアンテナ１０の平面図である。図２（ｂ）は、給電点Ｐの位置を示す給電角度Ｆang等を示したパッチアンテナ１０の平面図である。

本実施の形態のパッチアンテナ１０は、円偏波通信用の１点給電で切り欠けモデルのパッチアンテナである。ここでは、パッチアンテナ１０が、ＧＰＳ衛星から出射された右旋円偏波としてのＧＰＳ信号を受信するＧＰＳアンテナである例を説明する。しかし、パッチアンテナ１０がＧＰＳアンテナである構成に限定されるものではない。

図１（ａ）に示すように、パッチアンテナ１０は、アンテナ基材部１１と、アンテナ電極１２と、グランド部１３と、給電ピン１４と、を備える。

アンテナ基材部１１は、上面が正方形の直方体の形状を有する磁性複合材料製の基材である。アンテナ基材部１１の磁性複合材料は、磁性体及び誘電体を含む材料であり、鉄やフェライト等の磁性粒子が、絶縁性を有する誘電体の樹脂又は無機誘電体中に分散したバルク材により構成される。しかし、これに限定されるものではなく、アンテナ基材部１１の磁性複合材料は、誘電体の表面に磁性体の薄膜が形成された構成を有することとしてもよい。

アンテナ電極１２は、アンテナ基材部１１の上面に形成された銀箔、銅箔等の金属製の電極である。アンテナ電極１２は、正方形の電極から１対の対角部分を切り欠いた形状を有し、縮退分離素子としての摂動素子１２１を有する。

グランド部１３は、アンテナ基材部１１の下面に設けられ、接地された正方形で銅板等の金属製のグランド板である。アンテナ基材部１１は、アンテナ電極１２及びグランド部１３に挟まれている。なお、アンテナ基材部１１の下面に金属製のグランド電極を形成する構成としてもよい。このグランド電極の平面の外形は、例えば、アンテナ基材部１１の平面の外形と同じにされる。

給電ピン１４は、アンテナ電極１２に電気的に接続され、アンテナ基材部１１及びグランド部１３を貫通する金属製の給電ピンである。給電ピン１４は、グランド部１３に電気的に接続されていない。給電ピン１４とアンテナ電極１２との接続点を給電点Ｐとする。

アンテナ基材部１１の磁性複合材料の比誘電率をεｒとし、同じく比透磁率をμｒとする。アンテナ基材部１１の磁性複合材料の比誘電率εｒ及び比透磁率μｒを変化させて、パッチアンテナ１０のアンテナ特性を解析した。

次いで、パッチアンテナ１０の各部のパラメータを説明する。図１（ａ）に示すように、アンテナ基材部１１の平面の正方形の１辺の長さを長さＭｌ［ｍｍ］とする。グランド部１３の正方形の１辺の長さを長さＧｌ［ｍｍ］とする。Ｇｌ＝２×Ｍｌとする。摂動素子１２１を除く前のアンテナ電極１２の正方形の１辺の長さをＡｌ［ｍｍ］とする。Ａｌ＝０．８×Ｍｌとする。アンテナ基材部１１の厚みを厚みＭｔ［ｍｍ］とする。Ｍｔ＝２［ｍｍ］で固定とした。

アンテナ基材部１１の磁性複合材料の比誘電率εｒ及び比透磁率μｒを上げると、上記式（１）の短縮率で表される波長短縮効果により、図１（ｂ）に示すように、厚みＭｔ［ｍｍ］以外のパッチアンテナ１０の各長さのパラメータが短縮され、パッチアンテナ１０が小型化される。

図２（ａ）に示すように、摂動素子１２１を有することにより、アンテナ電極１２に２つの共振モードを発生させている。アンテナ電極１２に、電極内の最長の電流ルートと、当該最長の電流ルートに直交する電流ルートとが発生する。最長の電流ルートの電極長を長軸長Ａｌ１とする。長軸長Ａｌ１の電流ルートに直交する電流ルートの電極長を短軸長Ａｌ２とする。長軸長Ａｌ１の共振モードと、短軸長Ａｌ２の共振モードとの振幅が同じで、位相差が９０°となるように、アンテナ電流を給電ピン１４に流すことで、パッチアンテナ１０から円偏波の電波が放射される。長軸長Ａｌ１の共振モードを第１モードとし、短軸長Ａｌ２の共振モードを第２モードとする。

短軸長Ａｌ２の軸（短軸）の延長上における摂動素子１２１の長さを長さＡｄ［ｍｍ］とする。また、短軸と、長軸長Ａｌ１の軸（長軸）との交点であり、アンテナ電極１２の平面の中心点を中心点Ｏとする。

長軸及び短軸により、アンテナ電極１２は、４つの領域ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３，ＡＲ４に分けられる。領域ＡＲ１，ＡＲ２内に給電点Ｐを設ける場合に、パッチアンテナ１０は、右旋円偏波を放射する。ＧＰＳ信号は、右旋円偏波である。

図２（ｂ）に示すように、中心点Ｏから給電点Ｐまでの長さＰｌとＡｌ／２の比をＦｒとする。また、長軸と短軸との中間の軸を軸Ａｍとする。中心点Ｏを中心として短軸から長軸に反時計回りに回転する方向において、短軸から長軸への方向をプラスとした場合に、軸Ａｍを基準とした給電点Ｐの角度を給電角度Ｆang［ｄｅｇ．（degree）］とする。また、軸Ａｍにおける中心点Ｏからアンテナ電極１２の端辺までの距離は、Ａｌ／２である。

パッチアンテナ１０の設計条件は、ＧＰＳ信号の周波数１．５７５［ＧＨｚ］において良好な右旋円偏波が得られることとした。より具体的には、周波数１．５７５［ＧＨｚ］において、次式（２）、式（３）を満たすことをパッチアンテナ１０の設計条件とした。ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）＜１．５ …（２）
軸比［ｄＢ］＜１．０ …（３）

ちなみに、一般的なＧＰＳアンテナの仕様は、周波数１．５７５４２［ＧＨｚ］において、ＶＳＷＲ＜２であり、軸比［ｄＢ］＜３である。

次いで、アンテナ基材部１１の比誘電率εｒ及び比透磁率μｒを変化させた場合のパッチアンテナ１０の各パラメータの数値を説明する。

先ず、パッチアンテナ１０との比較のために、パッチアンテナ１０と同じ形状でアンテナ基材部を誘電体にしたパッチアンテナの各パラメータの数値を次表１に示す。誘電体の比透磁率μｒ＝１で固定とし、比誘電率εｒを変化させている。誘電体の誘電損失ｔａｎδεを０．００１とし、誘電体の磁性損失ｔａｎδμを０とした。

また、アンテナ基材部１１を（εｒ：μｒ）＝（５０：５０）の磁性複合材料としたパッチアンテナ１０の各パラメータの数値を次表２に示す。但し、（εｒ：μｒ）における比誘電率εｒ及び比透磁率μｒの比率の値は、百分率での値とし、以下同様である。アンテナ基材部１１の磁性複合材料の誘電損失ｔａｎδεを０．００１とし、アンテナ基材部１１の磁性複合材料の磁性損失ｔａｎδμを０．００１とし、以下同様である。

また、アンテナ基材部１１を（εｒ：μｒ）＝（６６．７：３３．３）の磁性複合材料としたパッチアンテナ１０の各パラメータの数値を次表３に示す。

また、アンテナ基材部１１を（εｒ：μｒ）＝（８０：２０）の磁性複合材料としたパッチアンテナ１０の各パラメータの数値を次表４に示す。

次に、図３〜図７を参照して、表１〜表４で説明したアンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナと、パッチアンテナ１０と、における短縮率に対するアンテナ特性及びパラメータの解析結果を説明する。図３は、誘電体のパッチアンテナとパッチアンテナ１０とにおける短縮率ＳＲに対する給電角度Ｆangの分布を示す図である。図４は、誘電体のパッチアンテナとパッチアンテナ１０とにおける短縮率ＳＲに対する放射効率の分布を示す図である。図５は、誘電体のパッチアンテナとパッチアンテナ１０とにおける短縮率ＳＲに対する長軸短軸比の分布を示す図である。図６は、誘電体のパッチアンテナとパッチアンテナ１０とにおける短縮率ＳＲに対するＦｒの分布を示す図である。図７は、短縮率ＳＲに対する給電角度Ｆangにおけるパッチアンテナ１０の応用範囲を示す図である。

ここでは、アンテナ電極１２及びグランド部１３を銅製とした。銅の導電率は、５．８×１０^７［Ｓ／ｍ］である。図３〜図６においては、アンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナと、アンテナ基材部１１が（εｒ：μｒ）＝（８０：２０）、（６６．７：３３．３）又は（５０：５０）の磁性複合材料であるパッチアンテナ１０とにおいて、周波数１．５７５［ＧＨｚ］の良好な右旋円偏波が得られる条件、つまり、周波数１．５７５［ＧＨｚ］において、式（２）、式（３）を満たす点をプロットした。各プロット点において、短縮率ＳＲが大きいほど比誘電率εｒ及び比透磁率μｒが小さく、短縮率が小さいほど比誘電率εｒ及び比透磁率μｒが大きい。

図３に示すように、誘電体のパッチアンテナと、（εｒ：μｒ）＝（８０：２０）、（６６．７：３３．３）、（５０：５０）のパッチアンテナ１０とにおいて、短縮率ＳＲに対する給電角度Ｆangの分布が得られた。図３において、（Ｘ，Ｙ）＝（εｒ，μｒ）で
ある。但し、Ｘ，Ｙは、εｒ，μｒの変数である。誘電体のパッチアンテナにおいて、短縮率ＳＲが小さくなるにつれて、給電角度Ｆangの値が減少している。（εｒ：μｒ）＝（８０：２０）、（６６．７：３３．３）、（５０：５０）のパッチアンテナ１０において、短縮率ＳＲが小さくなるにつれて、給電角度Ｆangの値が増加しているとともに、パッチアンテナ１０の給電角度Ｆangの値は、誘電体のパッチアンテナの給電角度Ｆangの値よりも大きい。

図４に示すように、誘電体のパッチアンテナと、（εｒ：μｒ）＝（８０：２０）、（６６．７：３３．３）、（５０：５０）のパッチアンテナ１０とにおいて、短縮率ＳＲに対する放射効率が得られた。誘電体のパッチアンテナと、（εｒ：μｒ）＝（８０：２０）、（６６．７：３３．３）、（５０：５０）のパッチアンテナ１０とにおいて、短縮率ＳＲが小さくなるにつれて、放射効率の値が減少している。特に、短縮率ＳＲの値が０．４以下になると急激に放射効率の値が減少している。

図５に示すように、誘電体のパッチアンテナと、（εｒ：μｒ）＝（８０：２０）、（６６．７：３３．３）、（５０：５０）のパッチアンテナ１０とにおいて、短縮率ＳＲに対する長軸短軸比の分布が得られた。長軸短軸比は、次式（４）で表される。
Ａｌ２／Ａｌ１ …（４）
パッチアンテナ１０の長軸短軸比の値は、誘電体のパッチアンテナの長軸短軸比の値以下となっている。

図６に示すように、誘電体のパッチアンテナと、（εｒ：μｒ）＝（８０：２０）、（６６．７：３３．３）、（５０：５０）のパッチアンテナ１０とにおいて、短縮率ＳＲに対するＦｒの分布が得られた。誘電体のパッチアンテナと、（εｒ：μｒ）＝（８０：２０）、（６６．７：３３．３）、（５０：５０）のパッチアンテナ１０とにおいて、短縮率ＳＲが小さくなるにつれて、Ｆｒの値が減少している。

図３〜図６の解析結果をまとめると、図７に示すように、パッチアンテナ１０について、短縮率ＳＲに対する給電角度Ｆangにおいて、周波数１．５７５［ＧＨｚ］において良好な右旋円偏波が得られる応用範囲が得られる。応用範囲は、誘電体のパッチアンテナの短縮率ＳＲに対する給電角度Ｆangの特性曲線（プロット点の近似曲線）よりも給電角度Ｆangが大きい範囲である。誘電体のパッチアンテナの短縮率ＳＲに対する給電角度Ｆangの特性曲線は、次式（５）により表される。
Ｆang［ｄｅｇ．］＝１５ｔａｎ^−１（１５ＳＲ−０．５）−１７ …（５）

さらに、応用範囲は、給電角度Ｆangが次式（５）の曲線より大きい範囲で、且つ図４の解析結果により好ましい放射効率が得られる短縮率ＳＲが０．４以下の範囲とした。パッチアンテナ１０を、この応用範囲内で設計する。

以上、本実施の形態によれば、パッチアンテナ１０は、アンテナ電極１２と、グランド部１３と、アンテナ基材部１１と、給電点Ｐ（給電ピン１４）と、を備える。パッチアンテナ１０の給電角度Ｆangは、短縮率ＳＲに対する給電角度Ｆangにおいて、アンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナの給電角度Ｆangの式（５）の特性曲線よりも大きい。このため、アンテナ基材部１１に磁性複合材料を用いたパッチアンテナ１０において、良好な円偏波の放射（受信）を実現できる。

また、パッチアンテナ１０の短縮率ＳＲは、０．４以下である。このため、パッチアンテナ１０において、放射効率を高めることができる。

（第２の実施の形態）
図８〜図１３を参照して、本発明に係る第２の実施の形態を説明する。先ず、図８を参照して、本実施の形態のアンテナ装置としてのパッチアンテナ２０の装置構成を説明する。図８は、パッチアンテナ２０の平面図である。

本実施の形態のパッチアンテナ２０は、右旋円偏波通信用の１点給電で長方形モデルのパッチアンテナである。ここでは、パッチアンテナ２０が、ＧＰＳアンテナである例を説明するが、これに限定されるものではない。

図８に示すように、パッチアンテナ２０は、アンテナ基材部２１と、アンテナ電極２２と、グランド部２３と、給電ピン２４と、を備える。

アンテナ基材部２１、グランド部２３、給電ピン２４は、第１の実施の形態のパッチアンテナ１０のアンテナ基材部１１、グランド部１３、給電ピン１４と同様の構成である。

アンテナ電極２２は、アンテナ基材部２１の上面に形成された銀箔、銅箔等の金属製の電極である。アンテナ電極２２は、正方形の電極から対向する１対の端辺の矩形部分を切り取った長方形の形状を有し、縮退分離素子としての摂動素子２２１を有する。

次いで、パッチアンテナ２０の各部のパラメータを説明する。図８に示すように、摂動素子２２１を有することにより、アンテナ電極２２に２つの共振モードを発生させている。アンテナ電極２２に、電極内の最長の電流ルートと、当該最長の電流ルートに直交する電流ルートとが発生する。最長の電流ルートの電極長を長軸長Ａｌ１とする。長軸長Ａｌ１の電流ルートに直交する電流ルートの電極長を短軸長Ａｌ２とする。長軸長Ａｌ１の共振モードと、短軸長Ａｌ２の共振モードとの振幅が同じで、位相差が９０°となる周波数のアンテナ電流を給電ピン２４に流すことで、パッチアンテナ２０から円偏波の電波が放射される。長軸長Ａｌ１の共振モードを第１モードとし、短軸長Ａｌ２の共振モードを第２モードとする。

短軸長Ａｌ２の線（短軸）の延長上における摂動素子２２１の長さを長さＡｄ［ｍｍ］とする。また、短軸と、長軸長Ａｌ１の軸（長軸）との交点であり、アンテナ電極２２の平面の中心点を中心点Ｏとする。

また、パッチアンテナ１０と同様に、アンテナ基材部２１の平面の正方形の１辺の長さを長さＭｌ［ｍｍ］とする。グランド部２３の１辺の長さを長さＧｌ［ｍｍ］（＝２×Ｍｌ）とする。アンテナ基材部２１の厚みを厚みＭｔ［ｍｍ］（＝２［ｍｍ］）とする。

図８に示すように、中心点Ｏから給電点Ｐまでの長さＰｌとＡｌ／２の比をＦｒとする。また、長軸と短軸との中間の軸を軸Ａｍとする。中心点Ｏを中心として短軸から長軸に反時計回りに回転する方向において、短軸から長軸への方向をプラスとした場合に、軸Ａｍを基準とした給電点Ｐの角度を給電角度Ｆang［ｄｅｇ．］とする。

パッチアンテナ２０の設計条件は、パッチアンテナ１０と同様に、ＧＰＳ信号の周波数１．５７５［ＧＨｚ］において良好な右旋円偏波が得られること、つまり、周波数１．５７５［ＧＨｚ］において、式（２）、式（３）を満たすこととした。領域ＡＲ１，ＡＲ２内に給電点Ｐを設ける場合に、パッチアンテナ２０は、右旋円偏波を放射する。

次いで、アンテナ基材部２１の比誘電率εｒ及び比透磁率μｒを変化させた場合のパッチアンテナ２０の各パラメータの数値を説明する。但し、アンテナ電極２２及びグランド部２３は、銅製とした。

先ず、パッチアンテナ２０との比較のために、パッチアンテナ１０と同じ形状でアンテナ基材部を誘電体にしたパッチアンテナの各パラメータの数値を次表５に示す。誘電体の比透磁率μｒ＝１で固定とし、比誘電率εｒを変化させる。誘電体の誘電損失ｔａｎδεを０．００１とし、誘電体の磁性損失ｔａｎδμを０とした。

また、アンテナ基材部２１を（εｒ：μｒ）＝（５０：５０）の磁性複合材料としたパッチアンテナ２０の各パラメータの数値を次表６に示す。アンテナ基材部２１の磁性複合材料の誘電損失ｔａｎδεを０．００１とし、アンテナ基材部２１の磁性複合材料の磁性損失ｔａｎδμを０．００１とした。

次に、図９〜図１３を参照して、表５及び表６で説明したアンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナと、パッチアンテナ２０と、における短縮率に対するアンテナ特性及びパラメータの解析結果を説明する。図９は、誘電体のパッチアンテナとパッチアンテナ２０とにおける短縮率ＳＲに対する給電角度Ｆangの分布を示す図である。図１０は、誘電体のパッチアンテナとパッチアンテナ２０とにおける短縮率ＳＲに対する放射効率の分布を示す図である。図１１は、誘電体のパッチアンテナとパッチアンテナ２０とにおける短縮率ＳＲに対する長軸短軸比の分布を示す図である。図１２は、誘電体のパッチアンテナとパッチアンテナ２０とにおける短縮率ＳＲに対するＦｒの分布を示す図である。図１３は、短縮率ＳＲに対する給電角度Ｆangにおけるパッチアンテナ２０の応用範囲を示す図である。

図９〜図１３においては、アンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナと、アンテナ基材部２１が（εｒ：μｒ）＝（５０：５０）の磁性複合材料のパッチアンテナ２０とにおいて、周波数１．５７５［ＧＨｚ］において良好な右旋円偏波が得られる条件、つまり、周波数１．５７５［ＧＨｚ］において、式（２）、式（３）を満たす点をプロットした。各プロット点において、短縮率が大きいほど比誘電率εｒ及び比透磁率μｒが小さく、短縮率が小さいほど比誘電率εｒ及び比透磁率μｒが大きい。

図９に示すように、誘電体のパッチアンテナと、（εｒ：μｒ）＝（５０：５０）のパッチアンテナ２０とにおいて、短縮率ＳＲに対する給電角度Ｆangの分布が得られた。誘電体のパッチアンテナにおいて、短縮率ＳＲが小さくなるにつれて、給電角度Ｆangの値が減少している。（εｒ：μｒ）＝（５０：５０）のパッチアンテナ２０において、短縮率ＳＲが小さくなるにつれて、給電角度Ｆangの値が増加しているとともに、パッチアンテナ２０の給電角度Ｆangの値は、誘電体のパッチアンテナの給電角度Ｆangの値よりも大きい。

図１０に示すように、誘電体のパッチアンテナと、（εｒ：μｒ）＝（５０：５０）のパッチアンテナ２０とにおいて、短縮率ＳＲに対する放射効率が得られた。誘電体のパッチアンテナと、（εｒ：μｒ）＝（５０：５０）のパッチアンテナ２０とにおいて、短縮率ＳＲが小さくなるにつれて、放射効率の値が減少している。特に、短縮率ＳＲの値が０．４以下になると急激に放射効率の値が減少している。

図１１に示すように、誘電体のパッチアンテナと、（εｒ：μｒ）＝（５０：５０）のパッチアンテナ２０とにおいて、短縮率ＳＲに対する長軸短軸比の分布が得られた。パッチアンテナ２０の長軸短軸比の値は、誘電体のパッチアンテナの長軸短軸比の値以下となっている。

図１２に示すように、誘電体のパッチアンテナと、（εｒ：μｒ）＝（５０：５０）のパッチアンテナ２０とにおいて、短縮率ＳＲに対するＦｒの分布が得られた。誘電体のパッチアンテナと、（εｒ：μｒ）＝（５０：５０）のパッチアンテナ２０とにおいて、短縮率ＳＲが小さくなるにつれて、Ｆｒの値が減少している。

図９〜図１２の解析結果をまとめると、図１３に示すように、パッチアンテナ２０について、周波数１．５７５［ＧＨｚ］において良好な右旋円偏波が得られる応用範囲が得られる。図１３は、短縮率ＳＲに対する給電角度Ｆangの分布である。応用範囲は、誘電体のパッチアンテナの短縮率ＳＲに対する給電角度Ｆangの特性曲線（プロット点の近似曲線）よりも給電角度Ｆangが大きい範囲である。誘電体のパッチアンテナの短縮率ＳＲに対する給電角度Ｆangの曲線は、次式（６）により表される。
Ｆang［ｄｅｇ．］＝２０ｔａｎ^−１（１６ＳＲ−２．２）−２２ …（６）

さらに、応用範囲は、次式（６）の曲線より大きい範囲で、且つ図１０の解析結果により好ましい放射効率が得られる短縮率ＳＲが０．４以下の範囲とした。パッチアンテナ２０を、この応用範囲内で設計する。

以上、本実施の形態によれば、パッチアンテナ２０は、アンテナ電極２２と、グランド部２３と、アンテナ基材部２１と、給電点Ｐ（給電ピン２４）と、を備える。パッチアンテナ２０の給電角度Ｆangは、短縮率ＳＲに対する給電角度Ｆangにおいて、アンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナの給電角度Ｆangの式（６）の特性曲線よりも大きい。このため、アンテナ基材部２１に磁性複合材料を用いたパッチアンテナ２０において、良好な円偏波の放射（受信）を実現できる。

また、パッチアンテナ２０の短縮率ＳＲは、０．４以下である。このため、パッチアンテナ２０において、放射効率を高めることができる。

（変形例）
図１４（ａ）〜（ｅ）を参照して、上記実施の形態の変形例を説明する。図１４（ａ）は、本変形例のアンテナ電極３２の平面図である。図１４（ｂ）は、本変形例のアンテナ電極４２の平面図である。図１４（ｃ）は、本変形例のアンテナ電極５２の平面図である
。図１４（ｄ）は、本変形例のアンテナ電極６２の平面図である。図１４（ｅ）は、本変形例のアンテナ電極７２の平面図である。

上記各実施の形態のパッチアンテナ１０，２０において、アンテナ電極１２，２２を、図１４（ａ）に示すアンテナ電極３２に替えることとしてもよい。アンテナ電極３２は、互いに直交する長軸長Ａｌ１及び短軸長Ａｌ２を有する。

同様にして、パッチアンテナ１０，２０において、アンテナ電極１２，２２を、図１４（ｂ）〜図１４（ｅ）に示すアンテナ電極３２，４２，５２，６２又は７２に替えることとしてもよい。アンテナ電極３２，４２，５２，６２，７２は、互いに直交する長軸長Ａｌ１及び短軸長Ａｌ２を有する。

アンテナ電極３２，４２，５２，６２又は７２を備えたパッチアンテナの給電角度Ｆangは、上記各実施の形態のパッチアンテナ１０，２０と同様に、短縮率ＳＲに対する給電角度Ｆangにおいて、アンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナの給電角度Ｆangの特性曲線よりも大きくする。また、アンテナ電極３２，４２，５２，６２又は７２を備えたパッチアンテナの短縮率ＳＲは、０．４以下とする。

以上、本変形例によれば、磁性複合材料のアンテナ基材部１１，２１と、アンテナ電極３２，４２，５２，６２又は７２と、を備えるパッチアンテナ１０，２０の給電角度Ｆangは、短縮率ＳＲに対する給電角度Ｆangにおいて、アンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナの給電角度Ｆangの特性曲線よりも大きくする。このため、上記各実施の形態のパッチアンテナ１０，２０と同様に、アンテナ電極３２，４２，５２，６２又は７２を備え、アンテナ基材部に磁性複合材料を用いたパッチアンテナにおいて、良好な円偏波の放射（受信）を実現できる。

また、アンテナ電極３２，４２，５２，６２又は７２を備えたパッチアンテナの短縮率ＳＲは、０．４以下である。このため、アンテナ電極３２，４２，５２，６２又は７２を備えたパッチアンテナにおいて、放射効率を高めることができる。

なお、上記各実施の形態及び変形例における記述は、本発明に係るパッチアンテナの一例であり、これに限定されるものではない。

上記各実施の形態及び変形例において、周波数がＧＰＳ信号の周波数１．５７５［ＧＨｚ］におけるパッチアンテナの条件を示したが、この周波数に限定するものではない。周波数を変化した場合に、当該変化した周波数に対応して、パッチアンテナ（の各パラメータ）をスケーリングすればよい。

また、上記各実施の形態及び変形例において、右旋円偏波の通信を行うパッチアンテナの条件を示したが、これに限定するものではない。左旋円偏波の通信を行う場合には、パッチアンテナ１０，２０において、領域ＡＲ３，ＡＲ４内に給電点Ｐを設け、中心点Ｏを中心として短軸から長軸に時計回りに回転する方向において、短軸から長軸への方向をプラスとした場合に、軸Ａｍを基準とした給電点Ｐの角度を給電角度Ｆang［ｄｅｇ．］とすればよい。つまり、右旋円偏波と左旋円偏波とでは、長軸を基準として、給電点Ｐの位置が線対称となる。

その他、上記実施の形態におけるパッチアンテナ１０，２０の細部構成及び詳細動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

今回開示された実施の形態及び変形例はすべての点で例示であって制限的なものではな
いと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０，２０，８０ パッチアンテナ
１１，２１，８１ アンテナ基材部
１２，２２，３２，４２，５２，６２，７２，８２ アンテナ電極
１２１，２２１，８２１ 摂動素子
１３，２３，８３ グランド部
１４，２４，８４ 給電ピン
Ｐ 給電点
Ｏ 中心点

Claims (4)

1. 平面形状のアンテナ電極と、
   平面形状のグランド部と、
   前記アンテナ電極及び前記グランド部の間に挟まれ、誘電体及び磁性体を含む磁性複合材料のアンテナ基材部と、
   前記アンテナ電極に接続される給電点と、を備え、
   前記アンテナ電極の平面の中心点を中心として、当該アンテナ電極の最長の電流ルートである長軸に直交する短軸から当該長軸へ回転する方向に、当該長軸と当該短軸との中間の軸を基準とした前記給電点の角度である給電角度は、前記アンテナ基材部の比誘電率及び比透磁率に基づく短縮率に対する給電角度において、アンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナの給電角度の特性曲線よりも大きいことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記アンテナ電極は、正方形の電極から１対の対角部分を切り欠いた形状の電極であり、
   前記誘電体のアンテナ基材部を有するパッチアンテナの給電角度の特性曲線は、
   給電角度をＦangとし、短縮率をＳＲとして、
   Ｆang［ｄｅｇ．］＝１５ｔａｎ^−１（１５ＳＲ−０．５）−１７
   であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記アンテナ電極は、長方形の電極であり、
   前記誘電体のアンテナ基材部を有するパッチアンテナの給電角度Ｆangの特性曲線は、
   給電角度をＦangとし、短縮率をＳＲとして、
   Ｆang［ｄｅｇ．］＝２０ｔａｎ^−１（１６ＳＲ−２．２）−２２
   であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記アンテナ基材部の比誘電率及び比透磁率に基づく短縮率は、０．４以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。

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