JP2018067882A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】利得の低下を抑制しつつ、地板面積を削減可能なアンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ装置１００は、平板状の導体部材であるパッチパターン１０と、導体を用いて実現されるグランドパターン２０と、を備える。グランドパターン２０は、パッチパターン１０と対向する長方形状のパッチ対向部２１と、パッチ対向部２１が備える１組の対辺に相当する縁部に沿ってアンテナ下方に向けて立設されている２つの側壁部２２と、側壁部２２を介してパッチ対向部２１と対向配置されている２つの背面部２３と、を備える。パッチ対向部２１の短辺は送受信の対象とする電波の半波長よりも短く設定されている。ただし、第１背面部２３Ａの開放端から第２背面部２３Ｂの開放端までの周長は、半波長よりも長く設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、同軸ケーブルの外部導体と接続されて接地電位を提供する平板状の導体部材である地板を備えるアンテナ装置に関する。

従来、地板を備えるアンテナ装置として、モノポールアンテナやパッチアンテナなど、種々のアンテナ装置が提案及び開発されている（例えば特許文献１）。これら地板に流れる電流を利用したアンテナ装置において、地板の面積（以降、地板面積）が、送受信の対象とする電波の波長に対して不十分である場合、地板によるミラー効果が不十分となり、本来の放射方向での利得が低減してしまう。また、地板の面積が不十分である場合には、地板から同軸ケーブルの外部導体に漏洩する電流（以下、漏洩電流）が増大し、利得が低下することがある。

つまり、アンテナ装置の特性を十分に安定させるためには、送受信の対象とする電波（以降、対象電波）の波長に応じた面積の地板が必要となる。そのため、小型化のために地板の面積を縮小しようとすると、アンテナ装置の特性が不安定になってしまう。

なお、矩形状に形成された地板を用いるアンテナ装置において、その特性を十分に安定させるためには、地板の１辺当りの長さを対象電波の半波長以上（例えば０．７５波長）に設定する必要があることが一般的に知られている。

特開２０１０−２２６６３３号公報

アンテナ装置は、さらなる小型化が望まれている。また、地板の周辺に他の部品を配置したいという要求もある。地板の周りに部品を配置すれば、当然、その追加部品の配置に必要な面積だけ、アンテナ装置全体としての上面視における面積（以降、アンテナ面積）は増大してしまう。一方、追加部品の配置のために地板の面積を削減しようとすると、アンテナ装置としての利得が低下してしまう。

本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、利得の低下を抑制しつつ、地板の面積を削減可能なアンテナ装置を提供することにある。

その目的を達成するための第１の発明は、同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続される導体部材である放射素子（１０）と、同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続される平板状の導体部材である平板部（２１）と、を備え、放射素子は、平板部と所定の間隔をおいて対向するように、又は、平板部から立設するように配置されており、平板部の形状は、線対称であって、かつ、或る端部から対称軸を介して反対側に位置する端部までの長さが送受信の対象とする電波の半波長よりも短く設定されている部分である幅詰領域を備える形状であり、幅詰領域を形成する対称軸と平行な２つの端部のうち、少なくとも一方の端部には、当該端部に沿って、平板部から見て放射素子が存在しない方向に向かって導体部材である側壁部（２２）が設けられていることを特徴とする。

通常、地板の長さが半波長よりも短い場合には地板上に逆位相電流が発生し、アンテナとしての利得が低下する。一方、以上の構成では、幅詰領域の端部には放射素子が存在しない方向へと板状の導体部材である側壁部が設けられている。このような構成によれば、平板部だけでなく、側壁部にも電流が分布する。そのため、地板としての平板部上に逆位相で生じる電流の量を抑制することができる。その結果、利得の低下を抑制しつつ、地板の面積を削減することができる。

また、目的を達成するための第２の発明は、同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続される導体部材である放射素子（１０）と、同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続される平板状の導体部材である平板部（２１）と、を備え、放射素子は、平板部と所定の間隔をおいて対向するように、又は、平板部から立設するように配置されており、平板部の形状は、互いに対向し合う直線状の第１縁部と第２縁部を備える形状であり、第１縁部と第２縁部との距離は、送受信の対象とする電波の半波長よりも短く設定されており、第１、第２縁部のうち、少なくとも一方の縁部には、当該縁部に沿い、かつ、平板部から見て放射素子が存在しない方向に向かって、導体部材である側壁部（２２）が設けられていることを特徴とする。

上記の構成もまた、上述した第１の発明と同様の作用によって利得の低下を抑制しつつ、地板の面積を削減することができる。

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

本実施形態のアンテナ装置１００の俯瞰斜視図である。 アンテナ装置１００の仰瞰斜視図である。 図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線におけるアンテナ装置１００の断面図である。 アンテナ装置１００の上面図である。 一般的なパッチアンテナ１００Ｘの構成を示した図である。 グランド板２０ＸのＹ軸方向の長さＬαとＹ軸方向における電流分布について説明するための図である。 グランド板２０ＸのＹ軸方向の長さＬαと利得の関係についてのシミュレーション結果を示す図である。 本実施形態のアンテナ装置１００の作動を説明するための図である。 側壁部２２の高さＨ、背面部２３の長さγ、及び利得の関係をシミュレーションした結果を示す図である。 側壁部２２と背面部２３を設けることによる効果を示す図である。 アンテナ装置１００の変形例を示す図である。 グランドパターン２０の変形例を示す図である。 グランドパターン２０の変形例を示す図である。 アンテナ装置１００の変形例を示す図である。 図１４に示すアンテナ装置１００の背面図である。 アンテナ装置１００の変形例を示す図である。 アンテナ装置１００の変形例を示す図である。

［実施形態］
以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。本実施形態に係るアンテナ装置１００は、概略的には、周知のパッチアンテナと同様の動作原理によって所定の周波数の円偏波を送受信するように構成されている。もちろん、当該アンテナ装置１００は、送信と受信の何れか一方のみに供されても良い。

送受信の対象とする電波（以降、対象電波）は、適宜設計されればよく、ここでは一例として１．５７５ＧＨｚの電波とする。もちろん、対象電波は適宜設計されれば良く、他の態様として例えば３００ＭＨｚや、７６０ＭＨｚ、９００ＭＨｚ、５．９ＧＨｚ等の電波としてもよい。以降では、対象電波の周波数のことを対象周波数と称するとともに、対象電波の波長のことを対象波長とも称する。

このアンテナ装置１００は、例えば同軸ケーブルを介して図示しない無線機と接続されており、アンテナ装置１００が受信した信号は逐次無線機に出力される。また、アンテナ装置１００は無線機から入力される電気信号を電波に変換して空間に放射する。無線機は、アンテナ装置１００が受信した信号を利用するとともに、当該アンテナ装置１００に対して送信信号に応じた高周波電力を供給するものである。なお、アンテナ装置１００と無線機とは、同軸ケーブルのほかに、周知の整合回路やフィルタ回路などを介して接続される構成となっていても良い。

＜アンテナ装置１００の構成＞
以下、アンテナ装置１００の具体的な構成について述べる。アンテナ装置１００は、図１〜図４に示すように、パッチパターン１０、グランドパターン２０、及び給電部３０を備える。なお、図１は、アンテナ装置１００を斜め上方向から見たときの外観を表した図（つまり俯瞰斜視図）であり、図２はアンテナ装置１００を斜め下方向から見たときの外観を表した図（つまり仰瞰斜視図）である。アンテナ装置１００にとっての上方向とは、グランドパターン２０からパッチパターン１０に向かう方向とする。

パッチパターン１０は、銅などの導体を素材とする板状の導体部材である。なお、ここでの板状には、例えば箔のような薄膜状も含まれる。パッチパターン１０は、図示しない支持部材を介して、グランドパターン２０と対向するように配置されている。支持部材は、樹脂などの誘電体を用いて実現されれば良い。支持部材の形状は板状であってもよいし、グランドパターン２０とパッチパターン１０とを所定の間隔をおいて対向するように支持する複数の柱であってもよい。

パッチパターン１０の上面視における形状（以降、平面形状）は、正方形の１組の対角部に切り欠き部１１を設けた形状となっている。切り欠き部１１は、円偏波を放射するための構造であり、周知の縮退分離素子や摂動素子と称されるものに相当する。切り欠き部１１によって、元の正方形から削られる部分の面積は、周知の縮退分離法によって定まる面積となっていればよい。なお、本実施形態ではパッチパターン１０に切り欠き部１１を設けることによって円偏波を送受信可能に構成しているが、他の態様として、給電点を２箇所に設ける方式（いわゆる二点給電方式）によって、円偏波を送受信可能に構成してもよい。

パッチパターン１０の１辺の長さＬｐは、電気的に対象波長の約半分の長さとなっている。ここでの電気的な長さとは、フリンジング電界や、誘電体による波長短縮効果などを考慮した、実効的な長さである。仮に図示しない支持部材によって対象電波の波長が短縮されている場合には、その短縮された波長の半分の長さとなっていれば良い。なお、パッチパターン１０の１辺の長さとは、切り欠き部１１を無視した場合の形状、すなわち正方形における１辺の長さである。

ここでは一例として、対象波長の電気的な長さ（以降、λ）は支持部材の波長短縮効果によって５０ｍｍとなっているものとする。また、パッチパターン１０の１辺の長さＬｐは、フリンジング電界等の影響を考慮して、対象電波の半波長（つまりλ／２）である２５ｍｍよりも僅かに短い値（例えば２３ｍｍ）に設定されているものとする。

なお、本実施形態ではパッチパターン１０の平面形状を、正方形に切り欠き部１１を設けた形状とするが、これに限らない。その他の構成としてパッチパターン１０の平面形状は、長方形状であってもよいし、長方形以外の形状（例えば円形や八角形等）であってもよい。

パッチパターン１０は、後述する給電部３０によって、同軸ケーブルの内部導体と直接的又は間接的に接続されている。なお、間接的に接続されている構成とは、インピーダンス整合回路やフィルタ回路等を介して接続されている構成や、電磁気結合によって接続されている構成を含む。いずれにしても、パッチパターン１０は、同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続されていれば良い。パッチパターン１０が請求項に記載の放射素子に相当する。

便宜上以降では、それぞれが互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸を備える三次元座標系の概念を適宜導入して、アンテナ装置１００の構成を説明する。Ｘ軸はパッチパターン１０が備える或る１つの辺に平行な軸とし、Ｙ軸は、Ｘ軸を含むパッチパターン１０と平行な平面においてＸ軸と直交する軸とする。Ｚ軸は、Ｘ軸及びＹ軸のそれぞれと直交し、かつ、グランドパターン２０からパッチパターン１０に向かう方向を正方向とする軸とする。

グランドパターン２０は、銅などの導体を用いて実現されている。このグランドパターン２０は、同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続されて、アンテナ装置１００におけるグランド電位（換言すれば接地電位）を提供する。

グランドパターン２０は、パッチパターン１０と対向する平板状のパッチ対向部２１と、パッチ対向部２１の縁部の一部からパッチパターン１０が存在しない側に向けて立設されている側壁部２２と、側壁部２２を介してパッチ対向部２１と対向配置されている背面部２３と、を備える。同軸ケーブルとの接続点はパッチ対向部２１に設けられている。そのため、パッチ対向部２１が請求項に記載の平板部に相当する。

なお、パッチ対向部２１にとってパッチパターン１０が存在しない方向とは、Ｚ軸の負方向に相当する。側壁部２２はパッチ対向部２１に対して垂直であり、背面部２３は上面視においてパッチ対向部２１と重なるように設けられているため、アンテナ装置１００を上方から見たときのグランドパターン２０の面積（以降、グランド面積）は、パッチ対向部２１の面積と一致する。

パッチ対向部２１は、図４に示すように、Ｘ軸に平行な縁部と、Ｙ軸に平行な縁部とを備える長方形状に形成されている。Ｘ軸方向の長さＬｘは、電気的にλ／２以上に設定されていればよい。ここでは一例として、Ｘ軸方向の長さＬｘは、電気的にλ／２（つまり２５ｍｍ）に設定されている。また、Ｙ軸方向の長さＬｙは、電気的にλ／２よりも短い値（例えば１８ｍｍ）に設定されている。

便宜上以降では、長方形状のパッチ対向部２１が備える４つの縁部のうち、Ｘ軸に平行な縁部を長縁部と称し、Ｙ軸に平行な縁部を短縁部と称する。それぞれ長方形の長辺や短辺に相当するためである。パッチ対向部２１は、互いに対向しあう２つの長縁部と、互いに対向し合う２つの短縁部を備える。２つの長縁部のうち、相対的にＸ軸負方向側に位置する長縁部を第１長縁部と称し、相対的にＸ軸正方向側に位置する長縁部を第２長縁部と称する。

第１長縁部、第２長縁部のそれぞれが、請求項に記載の幅詰領域を形成する対称軸と平行な２つの端部に相当する。なお、パッチ対向部２１の全領域が請求項に記載の幅詰領域に相当する。また、第１長縁部、第２長縁部は、請求項に記載の第１縁部、第２縁部にも相当する。

グランドパターン２０は、パッチ対向部２１の中心がパッチパターン１０の中心と上面視において重なるように配置される。パッチ対向部２１は、Ｘ軸方向においてはパッチパターン１０よりも長い一方、Ｙ軸方向においてはパッチパターン１０よりも短く形成されているため、上面視においてパッチ対向部２１はＸ軸方向の端部のみがパッチパターン１０からはみ出た構成となる。パッチ対向部２１が備える２つの面のうち、パッチパターン１０と対向する側の面をパッチ対向面と称し、その反対側の面を裏側面と称する。

なお、本実施形態ではパッチ対向部２１の上面視における形状（以降、平面形状）を矩形状としているが、これに限らない。パッチ対向部２１は、例えばひし形や、円形、正六角形、正八角形等といった、線対称な形状であれば良い。ここでの円形には楕円形も含む。また、パッチ対向部２１は、概略的に線対称となっていればよい。そのため、上述した種々の線対称な形状の外縁部に切り込みを設けた形状や、凸部を設けた形状、輪郭をミアンダ状に形成した形状等も、線対称な形状に含まれる。

側壁部２２は、パッチ対向部２１が備える長縁部からＺ軸負方向に向けて長縁部に沿って立設された長方形状の板状導体部材である。側壁部２２は、第１長縁部と第２長縁部のそれぞれに配置されている。便宜上、第１長縁部に沿って配置されている側壁部２２と、第２長縁部に沿って配置されている側壁部２２とを区別する場合には、第１側壁部２２Ａ、第２側壁部２２Ｂと記載する。第１側壁部２２Ａは、第１長縁部に沿って配置されている側壁部２２であり、第２側壁部２２Ｂは、第２長縁部に沿って配置されている側壁部２２である。

図３に示すＨは、側壁部２２のＺ軸方向の長さ（換言すれば高さ）を表している。側壁部２２の高さＨは、後述する背面部２３のＹ軸方向における長さγと合わせて適宜設計されれば良い。

便宜上、側壁部２２においてパッチ対向部２１と接合している部分を上側端部と称する。また、側壁部２２においてＺ軸負方向側の端部（つまり相対的に下側の端部）を下側端部と称する。側壁部２２は側面視において長方形状となる板状の部材であるため、下側端部もまたパッチ対向部２１と平行である。

背面部２３は、側壁部２２の下側端部から、パッチ対向部２１の裏側面と対向するように延設された板状の導体部材である。背面部２３は、側壁部２２の下側端部に沿って長方形状に形成されている。背面部２３は、第１側壁部２２Ａと第２側壁部２２Ｂのそれぞれの下側端部に配置されている。

便宜上、第１側壁部２２Ａの下側端部に沿って配置されている背面部２３と、第２側壁部２２Ｂの下側端部に沿って配置されている背面部２３とを区別する場合には、第１背面部２３Ａ、第２背面部２３Ｂと記載する。

第１背面部２３Ａは、第１側壁部２２Ａの下側端部から第２側壁部２２Ｂの下側端部に向けて形成されている背面部２３である。第１背面部２３ＡにおいてＹ軸正方向側の端部は、何れの部材とも接続されておらず、開放端となっている。第２背面部２３Ｂは、第２側壁部２２Ｂの下側端部から第１側壁部２２Ａの下側端部に向けて形成されている背面部２３である。第２背面部２３ＢにおいてＹ軸負方向側の端部は、何れの部材とも接続されておらず、開放端となっている。

背面部２３のＸ軸方向の長さは、側壁部２２やパッチ対向部２１のＸ軸方向の長さＬｘと等しい。背面部２３のＹ軸方向の長さγは、前述の通り、側壁部２２の高さＨと合わせて試験等によって決定されればよい。

但し、パッチ対向部２１のＹ軸方向長さＬｙと、側壁部２２の高さＨを２倍した値の和は、対象電波の半波長（つまりλ／２）よりも短く設定されている。また、パッチ対向部２１のＹ軸方向長さＬｙと、側壁部２２の高さＨを２倍した値と、背面部２３の長さγを２倍した値の合計値（以降、合計長）が、対象電波のλ／２よりも長くなるように設定されているものとする。つまり、Ｌｙ、Ｈ，γは、下記式を満たすように設定されている。
（式） Ｌｙ＋Ｈ×２＜λ／２＜Ｌｙ＋Ｈ×２＋γ×２
ここでは一例として高さＨは２ｍｍに設定されている。また、長さγは６ｍｍに設定されているものとする。すなわち、本実施形態の合計長は３４ｍｍに設定されている。合計長は、第１背面部２３Ａの開放端から第２背面部２３Ｂの開放端までのグランドパターン２０の表面に沿った長さ（つまり周長）に相当する。合計長が請求項に記載の周長に相当する。

なお、本実施形態では一例として、パッチ対向部２１が備える２つの長縁部の両方に側壁部２２及び背面部２３を設けているが、変形例７として後述するように側壁部２２や背面部２３は１つだけであっても良い。

給電部３０は、同軸ケーブルの内部導体とパッチパターン１０とを電気的に接続する構成である。本実施形態では一例として給電部３０は、導電性のピン（以降、給電ピン）３１を用いて実現されている。給電ピン３１は、グランドパターン２０が備えるパッチ対向部２１の中心に設けられた図示しない孔部を通ってパッチパターン１０の中心と電気的に接続されている。

給電ピン３１とパッチパターン１０との接続点（以降、給電点）は、対象周波数において同軸ケーブルとアンテナ装置１００とのインピーダンスの整合が取れる位置に設けられればよい。本実施形態では、パッチパターン１０の中心に給電点を設けているが、その他の場所に設けても良い。インピーダンスの整合が取れている状態とは、完全な整合状態に限らず、インピーダンスの不整合による損失が所定の許容範囲内となっている状態を含む。

なお、パッチ対向部２１に設けられた孔部によって、グランドパターン２０と給電ピン３１との電気的な非接続は保持される。また、同軸ケーブルの外部導体とグランドパターン２０との接続点（以降、接地点）は、パッチ対向部２１が備える給電ピン３１を通すための孔部の付近に設けられている。さらに、本実施形態ではアンテナ装置１００への給電方式として直結給電方式を採用しているが、他の態様として、マイクロストリップ線路等を用いた電磁結合給電方式を採用しても良い。

＜本実施形態の作動について＞
次に、図５に示す従来のパッチアンテナ１００Ｘを用いて、本実施形態によれば地板面積を低減しつつ、利得の低下を抑制することができる理由について説明する。なお、従来のパッチアンテナ１００Ｘとは、本実施形態のアンテナ装置１００から側壁部２２と背面部２３を除去した構成であって、パッチ部１０Ｘと、グランド板２０Ｘとを備える。

パッチ部１０Ｘは、本実施形態のパッチパターン１０に相当する部材であって、パッチパターン１０と同一の寸法に形成されている。グランド板２０Ｘは、同軸ケーブルの外部導体と接続される平板状の部材である。グランド板２０ＸのＸ軸方向長さは、本実施形態と同様に、対象電波のλ／２に形成されているものとする。

図中の符号Ｌｎ１で示す破線は、グランド板２０Ｘの中心を通るＹ軸に平行な直線であり、符号Ｍで示す点は、直線Ｌ１とＹ軸に平行な縁部（以降、Ｙ軸平行縁部）との交点を表している。交点Ｍは、Ｙ軸平行縁部の中点に相当する。図中のＬαはグランド板２０ＸのＹ軸方向の長さを表している。

図６の（Ａ）は、Ｙ軸平行縁部における電流分布を概念的に表したグラフである。Ｙ軸平行縁部には、図６に示すように、中点Ｍを中心として定在波が生じる。ここで、図６の（Ｂ−１）に示すように、Ｙ軸方向長さＬαがλ／２よりも短い場合には、同図（Ａ）において符号Ｉｍで示す面積に応じた電流（以降、はみ出し成分）が、逆位相電流となる。このはみ出し成分Ｉｍは、グランド板２０Ｘの裏側に電波を放射するように作用する。つまり、Ｙ軸方向の長さＬαがλ／２未満の場合には、はみ出し成分Ｉｍが逆位相電流として作用するため、アンテナとしての利得が低下してしまう。

一方、Ｙ軸方向長さＬαがλ／２となっている場合には、Ｙ軸平行縁部の端部が定在波の節と一致するため、逆位相電流が生じにくい。つまり、利得の低下が生じにくい。故に、一般的にグランド板２０Ｘの１辺は図７に示すように少なくともλ／２以上に設計される。なお、図７は、グランド板２０ＸのＸ軸方向長さをλ／２に設定している状態においてＹ軸方向の長さＬαを変化させたときの利得の変化をシミュレーションした結果を表している。

一方、本実施形態の構成では第１背面部２３Ａの開放端から第２背面部２３Ｂの開放端までの周長（つまり合計長）がλ／２よりも長く設定されている。そのため、図８に示すようにパッチ対向部２１だけでなく、側壁部２２及び背面部２３にも電流が流れる。具体的には、はみ出し成分Ｉｍが側壁部２２から背面部２３の途中まで分布する。また、背面部２３の残り領域には、逆位相成分Ｉｎが分布する。

ここで、はみ出し成分Ｉｍのうちの背面部２３に分布している成分Ｉｍａと、逆位相成分Ｉｎの大きさが等しい場合、これらが互いに打ち消し合い、実質的な電流分布は同図の（Ｃ）に示すようになる。つまり、パッチ対向部２１に分布する電流に対して逆位相の電流が存在しなくなる。

したがって、側壁部２２の高さＨ、及び、背面部２３の長さγを調整することにより、Ｙ軸方向の長さＬｙをλ／２よりも小さくしつつ、利得の低下を抑制することができる。図９は、側壁部２２の高さＨを１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍのそれぞれに設定した構成において、背面部２３の長さγを０ｍｍから９ｍｍまで変化させたときの利得のシミュレーション結果を表している。図９の長破線はＨ＝１ｍｍに設定した構成のシミュレーション結果を表しており、一点鎖線はＨ＝２ｍｍに設定した構成のシミュレーション結果を表しており、二点鎖線はＨ＝３ｍｍに設定した構成のシミュレーション結果を表している。

また、点線は図５に示すパッチアンテナ１００Ｘにおいてグランド板２０ＸのＹ軸方向長さＬαをλ／２に設定したときのシミュレーション結果を表している。つまり、点線は、十分な大きさを有するグランド板２０Ｘを備える、従来の（換言すれば基本的な）パッチアンテナ１００Ｘ（以降、基本パッチアンテナ）でのシミュレーション結果を表している。

短破線は、グランド板２０Ｘの大きさを本実施形態のアンテナ装置１００が備えるパッチ対向部２１と同じ寸法（Ｌα＝Ｌｙ＝１８ｍｍ）に設定したときのシミュレーション結果を表している。なお、グランド板２０Ｘの大きさをパッチ対向部２１と同じ寸法に設定したパッチアンテナ１００Ｘは、本実施形態のアンテナ装置１００において側壁部２２及び背面部２３を除去した構成（以降、側壁部背面部なし構成）に相当する。

図９に示すように、仮にγ＝０（つまり背面部無し）とした場合であっても、何れのＨにおいても、短破線で示す側壁部背面部なし構成よりも高い利得が得られる。つまり、側壁部２２を配置しさえすれば、側壁部背面部なし構成よりも利得を向上させることができる。

また、図９に示すように側壁部２２の高さＨを短く設定しても背面部２３の長さγを長くすることによって、利得を向上させることができる。何れのＨにおいてもγを調整することで基本パッチアンテナと同等以上の利得を実現することが出来る。例えばＨ＝１ｍｍに設定した場合には、γ＝８ｍｍに設定することによって、基本パッチアンテナと同様の利得を実現することが出来る。Ｈ＝２ｍｍに設定した場合には、γ＝６ｍｍに設定することによって、基本パッチアンテナよりも高い利得を実現することが出来る。Ｈ＝３ｍｍに設定した場合には、γ＝２〜５ｍｍに設定することによって、基本パッチアンテナと同等の利得を実現することができる。

図１０は、側壁部背面部なし構成と、本実施形態のアンテナ装置１００の放射指向性を比較した結果を表している。なお、図１０では、実線が本実施形態のアンテナ装置１００の放射指向性を表しており、破線が側壁部背面部なし構成の放射指向性を表している。図１０に示すように、側壁部２２及び背面部２３を設けることによって、Ｚ軸負方向（つまりアンテナ後ろ側）への電波の放射を抑制し、Ｚ軸正方向での利得を高める事ができる。

＜実施形態のまとめ＞
上述した構成では、パッチ対向部２１に側壁部２２及び背面部２３を付加することによって、パッチ対向部２１のＹ軸方向の長さＬｙが対象波長の半分未満に設定されていても、利得が低減してしまうことを抑制することができる。また、側壁部２２の高さＨ及び背面部２３の長さγを調整することによって基本パッチアンテナよりも利得を向上させることも可能である。

また、上記構成におけるグランド面積はパッチ対向部２１の面積に相当する。上記構成によれば、パッチ対向部２１のＹ軸方向の長さＬｙを基本パッチアンテナよりも７ｍｍ程度削減できる。すなわち、上記構成によれば基本パッチアンテナよりも面積を２８％程度削減できることになる。そして、その削減できたスペースには別の部品を配置することができるため、追加部品の配置に伴うアンテナ面積の増大も抑制することができる。

なお、グランドパターン２０を構成するパッチ対向部２１、側壁部２２、背面部２３は、１つの板金を折曲げ加工することによって形成すればよい。また、側壁部２２及び背面部２３を板金で形成し、パッチ対向部２１にハンダ付けすることで実現してもよい。パッチ対向部２１は、アディティブ法やサブトラクティブ法などの周知の手法によってプリント基板の表面などにパターン形成されてもよい。

［変形例１］
側壁部２２は、複数の導電性のピンを一列に配置することによって実現されていても良い。仮にパッチ対向部２１をプリント基板の或る一層（例えば表面）に形成し、背面部２３を他層に形成する場合には、側壁部２２は、それら２つの層を接続する複数の貫通ビアを、パッチ対向部２１の縁部に沿って一列に配置することによって実現されれば良い。

［変形例２］
グランドパターン２０は、図１１に示すように背面部２３を備えていなくともよい。換言すれば、グランドパターン２０は、パッチ対向部２１と側壁部２２とを備えていればよい。側壁部２２の高さＨは適宜設計されれば良い。側壁部２２が設けられてさえいれば、側壁部２２を備えない想定構成よりも高い利得が得られることはシミュレーションによって確認できている。

なお、第１側壁部２２ＡのＺ軸負方向側の端部から第２側壁部２２ＢのＺ軸負方向側の端部までのグランドパターン２０の表面に沿った長さ（いわゆる周長）は、対象電波のλ／２となっていることが好ましい。この変形例２における周長はＬｙ＋Ｈ×２である。つまり、Ｌｙ＋Ｈ×２が電気的にλ／２と一致するように、Ｌｙ及びＨが設定されていることが好ましい。なお、ここでの一致している状態とは、完全な一致に限らず、略一致も含む。略一致とする範囲は、アンテナ装置１００として十分な利得が得られる範囲に相当し、例えば±２５％程度とすれば良い。

［変形例３］
以上では、パッチ対向部２１の全領域のＹ軸方向長さをλ／２未満とする構成を開示したが、これに限らない。図１２に示すように一部のみを半波長未満としてもよい。図１２に示すグランドパターン２０は、Ｘ軸方向の中央部付近における、Ｙ軸負方向側の端部からＹ軸正方向側の端部までの長さが、対象電波のλ／２よりも短く設定した構成である。パッチ対向部２１は、破線Ｌｎ２を対称軸として線対称に形成されている。図１２においてドットパターンのハッチングを施している領域Ａｒが請求項に記載の幅詰領域に相当する。なお、図１２では幅詰領域Ａｒを明示するため、第１側壁部２２Ａは透過させている。

なお、図１２中のＬｙ１はパッチ対向部２１全体のＹ軸方向の長さを表しており、例えばＬｙ１＝λ／２に設定されている。Ｌｙ２は、幅詰領域ＡｒのＹ軸方向の長さを表しており、Ｌｙ２＜λ／２に設定されている。Ｌｙ２は例えば０．３６λなどとすればよい。

Ｌｘ１は、パッチ対向部２１全体のＸ軸方向の長さを表しており、例えばＬｘ１＝λ／２に設定されている。Ｌｘ２は幅詰領域ＡｒのＹ軸方向の長さを表しており、Ｌｘ２の具体的な値は適宜設計されれば良い。ただし、Ｌｘ２が大きいほど、地板面積の削減量を大きくすることができる。つまり、Ｌｘ２は大きいほど好ましい。もちろん、Ｌｘ２の上限はＬｘ１である。なお、Ｌｘ２＝Ｌｘ１とした構成が、変形例２で示したグランドパターン２０に相当する。この変形例３に示す側壁部２２に背面部２３を設けても良い。

［変形例４］
以上では、互いに対向するように２つの側壁部２２を設けた構成を開示したが、これに限らない。図１３に示すようにパッチ対向部２１をＴ字形状に形成し、第１側壁部２２Ａ、第２側壁部２２Ｂに加えて、３つ目の側壁部（以降、第３側壁部）２２Ｃが設けられていてもよい。

このような構成によれば、基本パッチアンテナに対してＸ軸方向の長さＬｘも低減する事ができる。なお、図中の符号Ｌｎ２は、パッチ対向部２１における対称軸を表している。パッチ対向部２１は、破線Ｌｎ２で対称軸として線対称に形成されている。この変形例４に示す各側壁部２２に背面部２３を設けても良い。

［変形例５］
また、図１４及び図１５に示すように、パッチ対向部２１を矩形状に形成し、当該パッチ対向部２１が備える４つの縁部のそれぞれに側壁部２２を設けても良い。つまり、グランドパターン２０は、第１側壁部２２Ａ、第２側壁部２２Ｂ、第３側壁部２２Ｃ、及び第４側壁部２２Ｄを備えていても良い。

第１側壁部２２Ａにとって、第２側壁部２２Ｂ及び第４側壁部２２Ｄのそれぞれは隣接する側壁部２２である。図１５に示すＣＬは、第１側壁部２２Ａと第２側壁部２２Ｂの間、第１側壁部２２Ａと第４側壁部２２Ｄとの間の離隔を表している。第１側壁部２２Ａと第２側壁部２２Ｂの間、第１側壁部２２Ａと第４側壁部２２Ｄとの間には、それらが電磁気的に結合しないように、所定の間隔ＣＬが設けられている。他の側壁部２２についても同様である。

なお、仮に或る側壁部２２が他の側壁部２２と電磁気的に結合してしまうと電流の経路が変わってしまい、上述した効果が得られなくなってしまう。間隔ＣＬは、対象電波の波長の１００分の１以上であればよい。

このような構成によれば、変形例４よりもパッチ対向部２１のＸ軸方向の長さＬｘを削減することが出来る。なお、このような構成においては、パッチ対向部２１の全領域が幅詰領域Ａｒに相当する。

［変形例６］
矩形状に形成したパッチ対向部２１が備える４つの辺のそれぞれに、図１６に示すように、側壁部２２及び背面部２３の組み合わせを設けても良い。つまり、グランドパターン２０は、第１背面部２３Ａ、第２背面部２３Ｂ、第３背面部２３Ｃ、及び第４背面部２３Ｄを備えていても良い。各背面部２３は、隣接する背面部２３に対して所定の間隔ＣＬを有するように形成される。各背面部２３は例えば等脚台形状に形成されれば良い。

［変形例７］
さらに、アンテナ装置１００が備える側壁部２２及び背面部２３の数は、図１７に示すように、１つずつであってもよい。また、背面部２３を備えずに、矩形状に形成されたパッチ対向部２１の１つの縁部に沿って側壁部２２を１つだけ備えるように構成されていてもよい。

［変形例８］
なお、側壁部２２は、線対称な図形が備える対称軸と平行な縁部に設けなくともよい。例えば、変形例４に示すパッチ対向部２１はＹ軸と平行な方向においては線対称ではない。しかしながら、上述した変形例４に示すパッチ対向部２１において、第１側壁部２２Ａ、第２側壁部２２Ｂを設けずに、第３側壁部２２Ｃのみを設けた構成を採用してもよい。そのような構成によっても地板面積の削減と、利得の維持を両立させることができる。

図１３に示す例では、Ｙ軸に平行であって互いに対向し合う２つの縁部が、請求項に記載の第１縁部、第２縁部にも相当する。また、Ｙ軸に平行な縁部のうち、Ｘ軸負方向側の縁部に側壁部２２を設けてもよい。つまり、第１、第２縁部の何れか一方にのみ側壁部が設けられていても良いし、両方に側壁部が設けられてもよい。この変形例８として開示するアンテナ装置１００においては、パッチ対向部２１は必ずしも線対称な図形である必要はなく、互いに対向し合う１対の直線状の外縁部分を備える形状であれば良い。

さらに、互いに対向し合う直線上の外縁部である第１外縁部と第２外縁部の両方に側壁部を設ける場合には、変形例２で言及したように、第１外縁部に設けた側壁部のＺ軸負方向方側の端部から、第２外縁部に設けた側壁部のＺ軸負方向方側の端部までの周長が、対象電波のλ／２となっていることが好ましい。

また、側壁部２２には上述したように背面部２３が設けられていてもよい。仮に、第１外縁部と第２外縁部のそれぞれに、側壁部２２と背面部２３を設ける場合には、上述した実施形態と同様に、一方の背面部の端部から他方の背面部までの周長が対象電波のλ／２以上となっていることが好ましい。

［変形例９］
以上では、パッチアンテナに本発明を適用した態様を開示したが、これに限らない。例えば、本発明は、モノポールアンテナに適用してもよい。つまり、放射素子としての線状の導体部材が、グランドパターン２０に立設されている構成に適用しても良い。その場合、側壁部２２は、パッチ対向部２１に相当する平板状の導体部材（以降、平板部）の縁部の一部に沿って、線状の導体部材とは反対側に向けて設けられていればよい。本発明は、接地電位を提供する平板状の導体を用いた不平衡給電型のアンテナに適用可能である。

１００ アンテナ装置、１０ パッチパターン（放射素子）、１１ 切り欠き部、２０ グランドパターン、２１ パッチ対向部（平板部）、２２ 側壁部、２３ 背面部、３０ 給電部、３１ 給電ピン

Claims (11)

1. 同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続される導体部材である放射素子（１０）と、
   同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続される平板状の導体部材である平板部（２１）と、を備え、
   前記放射素子は、前記平板部と所定の間隔をおいて対向するように、又は、前記平板部から立設するように配置されており、
   前記平板部の形状は、線対称であって、かつ、或る端部から対称軸を介して反対側に位置する端部までの長さが送受信の対象とする電波の半波長よりも短く設定されている部分である幅詰領域を備える形状であり、
   前記幅詰領域を形成する前記対称軸と平行な２つの端部のうち、少なくとも一方の端部には、当該端部に沿って、前記平板部から見て前記放射素子が存在しない方向に向かって導体部材である側壁部（２２）が設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１において、
   前記側壁部は、前記幅詰領域を形成する前記対称軸と平行な２つの端部の両方に、それぞれ第１側壁部及び第２側壁部として形成されていることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項２において、
   前記第１側壁部及び前記第２側壁部の前記平板部に直交する方向における長さは、前記第１側壁部において前記平板部と接していない方の端部から、前記第２側壁部において前記平板部と接していない方の端部までの周長が、前記電波の半波長と一致するように設定されていることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項１において、
   前記平板部に直交する方向において前記側壁部が備える端部のうち、前記平板部と接していない方の端部には、前記平板部と対向するように平板状の導体部材である背面部（２３）が設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項４において、
   前記側壁部は、前記幅詰領域を形成する前記対称軸と平行な２つの端部の両方に、それぞれ第１側壁部及び第２側壁部として形成されており、
   前記背面部は、前記第１側壁部及び前記第２側壁部のそれぞれに、第１背面部、第２背面部として設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
6. 請求項５において
   前記第１側壁部において前記平板部と接していない方の端部から、前記第２側壁部において前記平板部と接していない方の端部までの周長は前記電波の半波長よりも短くなるように、前記幅詰領域、前記第１側壁部、及び前記第２側壁部が形成されていることを特徴とするアンテナ装置。
7. 請求項６において
   前記第１側壁部に設けられている前記背面部である第１背面部において前記第２側壁部が存在する側の端部から、前記第２側壁部に設けられている前記背面部である第２背面部において前記第１側壁部が存在する側の端部までの周長が、前記電波の半波長よりも長いことを特徴とするアンテナ装置。
8. 請求項１から７の何れか１項において、
   前記平板部は、各辺の長さが前記電波の半波長未満に設定された長方形状に形成されており、
   前記平板部の各辺に前記側壁部が設けられており、
   或る前記側壁部と、その側壁部に隣接する前記側壁部との間には所定の離隔が設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
9. 同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続される導体部材である放射素子（１０）と、
   同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続される平板状の導体部材である平板部（２１）と、を備え、
   前記放射素子は、前記平板部と所定の間隔をおいて対向するように、又は、前記平板部から立設するように配置されており、
   前記平板部の形状は、互いに対向し合う直線状の第１縁部と第２縁部を備える形状であり、
   前記第１縁部と前記第２縁部との距離は、送受信の対象とする電波の半波長よりも短く設定されており、
   前記第１縁部及び前記第２縁部のうち、少なくとも一方の縁部には、当該縁部に沿い、かつ、前記平板部から見て前記放射素子が存在しない方向に向かって、導体部材である側壁部（２２）が設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
10. 請求項９において、
    前記平板部に直交する方向において前記側壁部が備える端部のうち、前記平板部と接していない方の端部には、前記平板部と対向するように平板状の導体部材である背面部（２３）が設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
11. 請求項１から９の何れか１項において、
    前記放射素子は前記平板部に対して平行に配置されており、
    パッチアンテナとして動作するように構成されていることを特徴とするアンテナ装置。

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