JP2018207346A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの周波数の円偏波を受信可能であって、かつ、給電点の数を抑制可能なアンテナ装置を提供する。【解決手段】アンテナ装置は、地板と、１辺の長さが第１周波数の電波の波長λ１の半分に相当する長さに設定されている正方形状の板状導体であるパッチパターン２と、２つの給電点５、６を備えるパッチアンテナとして構成されている。また、パッチパターン２には、１辺の長さが第１周波数よりも高い第２周波数の電波の波長λ２の半分に相当する長さに設定されている正方形状の領域（以降、サブパッチ部２１）を形成するようにＬ型スリット４が形成されている。２つの給電点５，６は、パッチパターン２が備える対称軸とサブパッチ部２１が備える対称軸の交点にそれぞれ配置されている。【選択図】図４

Description

本発明は、複数周波数の円偏波を送信又は受信可能なアンテナ装置に関する。

従来、円偏波を送受信可能なアンテナ装置として、パッチアンテナに給電点を２つ設けた構成が知られている。そのような構成では、２つの給電点は互いに直交する２つの直線上にそれぞれ配置される必要がある。また、各給電点は、放射素子上に流れる電流の位相差が９０°となるように調整された位相調整路と接続されている必要がある。

また、特許文献１には、複数の周波数の円偏波を送受信可能なパッチアンテナとして、正方形状の第１放射素子の外側に、環状の第２放射素子を配置した構成が開示されている。第１放射素子と第２放射素子のそれぞれには、給電点が２つずつ設けられている。また、放射素子毎に（換言すれば周波数毎に）、位相調整回路としての９０°ハイブリッド回路も設けられている。このような構成によれば２つの周波数の円偏波を受信することができる。

特開２００３−１５２４３１号公報

特許文献１に開示の構成では、送受信の対象とする周波数毎に、給電点を２つずつ設ける必要がある。例えば、特許文献１に開示のアンテナ装置を、仮に２つの周波数で動作させるためには、給電点を合計４つ設ける必要がある。当然、給電点の数が多いほど、例えば位相調整回路やインピーダンス調整回路といった、給電系の回路が複雑化してしまう。

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、２つの周波数の円偏波を受信可能であって、かつ、給電点の数を抑制可能なアンテナ装置を提供することにある。なお、ここでの円偏波とは、軸比が１ｄＢとなる（つまり真円）の円偏波に限らず、例えば軸比が３ｄＢとなるような楕円偏波も円偏波に該当するものとする。

その目的を達成するための本発明は、所定の第１周波数の円偏波と、第１周波数よりも高い所定の第２周波数の円偏波のそれぞれを送信又は受信するためのアンテナ装置であって、板状の導体部材である地板（１）と、地板と所定の間隔をおいて対向するように設置された板状の導体部材であって、互いになす角度が直角と見なすことができる角度となっている２つの軸である第１軸（Ａｘ１）と第２軸（Ａｙ１）のそれぞれに対して線対称な形状に形成されているパッチパターン（２）と、給電点としての第１給電点（５）と、第１給電点とは異なる位置に設けられた給電点としての第２給電点（６）と、を備え、パッチパターンの第１軸方向の長さ及び第２軸方向の長さは、何れも電気的に第１周波数の電波の波長である第１波長の半分に相当する長さに設定されており、パッチパターンには、第１周波数の電流の伝搬は阻害しない一方、第２周波数の電流の伝搬を阻害する幅を有するスリットが少なくとも１つ配置されており、スリットは、パッチパターンと相似形状であって、第１軸に平行な直線と第２軸に平行な直線のそれぞれに対して線対称な形状のサブパッチ部（２１）をパッチパターンの縁部の一部と協働して形成するように配置されており、サブパッチ部の、第１軸に平行であってサブパッチ部の対称軸として作用する直線である第３軸が延びる方向の長さ、及び、第２軸に平行であってサブパッチ部の対称軸として作用する直線である第４軸が延びる方向の長さは、何れも電気的に第２周波数の電波の波長である第２波長の半分に相当する長さに設定されており、パッチパターンにおいてサブパッチ部以外の領域である剰余領域とサブパッチ部とは少なくとも１箇所で電気的に接続されており、第１給電点及び第２給電点は、サブパッチ部に配置されていることを特徴とする。

上記構成において、第１軸はパッチパターンにとっての１つの対称軸であり、第２軸は、パッチパターンにとっての第１軸以外の対称軸であって、第１軸と直交していると見なすことができる対称軸である。また、第３軸はパッチパターンにとっての１つの対称軸であり、第４軸は、パッチパターンにとっての第３軸以外の対称軸であって、第４軸と直交していると見なすことができる対称軸である。なお、第３軸は第１軸と平行であり、第４軸は第２軸と平行であるため、第３軸と第４軸がなす角度もまた、直角と見なすことができる角度となっている。

パッチパターンの第１軸が延びる方向（つまり第１軸方向）の長さ、及び、第２軸が延びる方向（つまり第２軸方向）の長さは何れも電気的に第１波長の半分に相当する長さに設定されている。また、スリットの幅は第１周波数の電流の伝搬は阻害しない値に設定されているため、第１周波数でパッチパターンを励振させるうえで、スリットの存在は無視することができる。

故に、第１給電点及び第２給電点のそれぞれから、第１周波数であって且つ位相が９０°ずれた電流を流すことによって、パッチパターン上に、互いに直交する向きに流れる二つの電流を９０°位相で励振させることができる。すなわち、上記構成によれば、第１周波数の円偏波を送信させることができる。

また、スリットの幅は、第２周波数の電流の伝搬を阻害する幅に設定されているとともに、第１給電点及び第２給電点はサブパッチ部に配置されているため、各給電点から第２周波数の電流を入力した場合、第２周波数の電流は主としてサブパッチ部に分布する。つまり、サブパッチ部はサブパッチ部以外の領域（以降、剰余領域）とは独立して励振する。

そして、サブパッチ部の第３軸が延びる方向（つまり第３軸方向）の長さ、及び、第４軸が延びる方向（つまり第４軸方向）の長さは何れも電気的に第２波長の半分に相当する長さに設定されている。このような構成によれば、第１給電点及び第２給電点のそれぞれから、第２周波数であって且つ位相が９０°ずれた電流を流すことによって、サブパッチ部上に、互いに直交する向きに流れる二つの電流を９０°位相で励振させることができる。すなわち、上記の構成によれば第２周波数の円偏波を送信させることができる。

なお、円偏波の送受信には可逆性があるため、第１周波数の円偏波を送信可能であるということは、第１周波数の円偏波を受信可能であることを意味する。つまり、上記構成によれば、第１周波数の円偏波を受信することもできる。第２周波数についても同様である。

つまり、以上で述べた構成によれば、第１周波数と第２周波数のそれぞれの円偏波を送受信可能である。また、上記構成によれば第１周波数と第２周波数のそれぞれの円偏波を送受信させるために必要となる給電点の数は２つでよい。すなわち、上記の構成によれば、２つの周波数の円偏波を受信可能なアンテナ装置において、給電点の数を抑制することができる。

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、１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。

本実施形態におけるアンテナ装置１００の外観斜視図である。 アンテナ装置１００の断面図である。 Ｌ型スリット４の役割を説明するための図である。 パッチパターン２の構成を説明するための図である。 第１周波数での作動を説明するための図である。 第２周波数での作動を説明するための図である。 周波数毎の軸比及び利得を試験した結果を示す図である。 第１周波数での垂直面での指向性を試験した結果を示す図である。 第２周波数での垂直面での指向性を試験した結果を示す図である。 変形例１の構成を説明するための図である。 変形例２の構成を示した図である。 変形例３の構成の一例を示した図である。 変形例３の構成の一例を示した図である。 変形例３の構成の一例を示した図である。 変形例３の構成の一例を示した図である。 変形例４の構成の一例を示した図である。 変形例４の構成の一例を示した図である。

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、以下の説明の通り、第１周波数と第２周波数の所定の２つの周波数の右旋円偏波を送受信するように構成されている。ここでは一例として第１周波数は１１７０ＭＨｚに設定されており、第２周波数は１５５０ＭＨｚに設定されている。送受信の対象とする２つの周波数のうち、相対的に低いほうが第１周波数に該当する。

もちろん、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良く、他の態様として例えば１２７６ＭＨｚや、７６０ＭＨｚ、９００ＭＨｚ、１．５７５ＧＨｚ、５．９ＧＨｚ等の電波としてもよい。また、アンテナ装置１００は、第１周波数を基準として定まる所定の周波数帯の電波を送受信可能に構成されていても良い。第２周波数についても同様である。アンテナ装置１００は、右旋円偏波ではなく左旋円偏波を送受信するように構成しても良い。さらに、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。

以降では、第１周波数の電波の波長のことを第１波長と称するとともに、第２周波数の電波の波長のことを第２波長と称する。以降におけるλ１とは第１波長を指し、λ２とは第２波長を指すものとする。例えば０．５×λ１とは第１波長の半分の長さを指し、０．２５×λ２は第２波長の４分の１の長さを指すものとする。

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と同軸ケーブルとの接続部分には、インピーダンスを整合させるための回路（いわゆるインピーダンス整合回路）が設けられていても良い。また、アンテナ装置１００と同軸ケーブルの接続部分には、インピーダンス整合回路のほかに、位相調整回路が設けられていても良い。位相調整回路は、同軸ケーブルの内部導体から入力された所定の周波数（以降、動作周波数）の電流を９０°の位相差を有する２つの電流に分配して出力する回路である。位相調整回路は、周知の９０°ハイブリッド回路（換言すればブランチ・ライン・カプラ）を用いて実現されれば良い。本実施形態ではアンテナ装置１００と無線機とを同軸ケーブルで接続する場合を想定して説明するが、フィーダ線など、その他の周知の給電ケーブルを用いて接続しても良い。

＜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及び図２に示すように、地板１、パッチパターン２、支持部３、Ｌ型スリット４、第１給電点５、及び第２給電点６を備える。便宜上以降では、地板１に対してパッチパターン２が設けられている側を、アンテナ装置１００にとっての上側として各部の説明を行う。

地板１は、銅などの導体を素材とする板状（箔を含む）の導体部材である。この地板１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。なお、地板１は、アンテナ装置１００を安定して動作させるために必要な大きさを備えていればよい。地板１は、少なくともパッチパターン２以上の大きさに設定されていればよい。ここでは一例として、パッチパターン２の１．１倍程度の大きさに設定されているものとするが、他の構成として地板１はパッチパターン２と同一の寸法に形成されていても良い。

また、地板１を上側から見た形状（以降、平面形状）は適宜設計されればよい。ここでは一例として地板１の平面形状を正方形状とするが、他の態様として地板１の平面形状は、正方形以外の長方形であってもよいし、その他の多角形状であってもよい。また、円形（楕円を含む）状であってもよい。もちろん、直線部分と曲線部分とを組み合わせた形状であってもよい。

パッチパターン２は、銅などの導体を素材とする板状の導体部材である。パッチパターン２は、支持部３によって、地板１と対向するように配置されている。なお、ここでは一例としてパッチパターン２の平面形状は正方形とする。他の態様としてパッチパターン２は、円形や正六角形、正八角形、正三角形などであってもよい。

パッチパターン２の１辺の長さ（以降、パッチ長）Ｌ１は、第１周波数において共振するように、電気的に０．５×λ１に相当する長さに設定されている。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。仮に誘電体を素材とする支持部３によって第１波長λ１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。ここでは一例として第１波長λ１は、支持部３によって４４ｍｍまで短縮されているものとする。

なお、フリンジング電界を考慮すれば１辺の実体的な長さは、第１波長λ１の半分以下に設定することもできる。例えばパッチ長Ｌ１は、第１波長λ１の４割程度の長さに設定できる場合もある。また、パッチ長Ｌ１は、第１波長λ１の６割程度の長さに設定されていても第１周波数において共振しうる。パッチ長Ｌ１は所望のアンテナ特性（例えば軸比や利得）が得られるように微調整されるべきパラメータである。

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２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２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、地板１からパッチパターン２に向かう方向を正方向とする軸とする。

パッチパターン２には、給電点としての第１給電点５、第２給電点６が設けられている。第１給電点５及び第２給電点６はそれぞれ、同軸ケーブルの内部導体とパッチパターン２とが、位相調整回路を介して電気的に接続される部分である。パッチパターン２上における第１給電点５や第２給電点６の設置位置については別途後述する。

支持部３は、地板１に対するパッチパターン２の位置及び姿勢を支持するための部材である。ここでは一例として支持部３は、樹脂等の誘電体を素材とする所定の厚みを備える板状の部材とする。支持部３の厚みは第１波長λ１や第２波長λ２に応じて適宜設計されればよい。例えば厚みは５ｍｍに設定されている。

支持部３は、所定の比誘電率を備える誘電体材料を用いて形成されればよい。例えば支持部３は比誘電率３６程度の誘電体を用いて実現されれば良い。仮に支持部３が比誘電率３６の誘電体を用いて実現されている場合、当該支持部３による波長短縮効果によって、第１波長λ１や第２波長λ２は真空中の長さの６分の１程度まで短縮される。具体的には、第１波長λ１は４３ｍｍ、第２波長λ２は３２ｍｍまで短縮される。もちろん、支持部３を構成する誘電体が備える比誘電率は適宜設計されればよく、３０や３８、４０などであってもよい。

なお、支持部３は前述の役割を果たせればよく、支持部３の形状は板状に限らない。他の実施態様として支持部３は、地板１とパッチパターン２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。また、本実施形態において地板１とパッチパターン２の間は、樹脂（すなわち支持部３）で充填されているものとするが、これに限らない。地板１とパッチパターン２とで挟まれる空間の一部又は全部は中空となっていてもよい。なお、アンテナ装置１００がプリント配線板を用いて実現される場合には、プリント配線板が備える複数の導体層を、地板１や、パッチパターン２として利用するとともに、導体層を隔てる樹脂層を支持部３として利用してもよい。

Ｌ型スリット４は、パッチパターン２にＬ字状に延設されているスリットである。Ｌ型スリット４は、その角部がパッチパターン２の１つの対角線上に位置し、かつ、直線部分がＸ軸及びＹ軸のそれぞれと平行となるように配置されている。これにより、Ｌ型スリット４とパッチパターン２の縁部とで囲まれる領域（図３中のハッチングを付与した領域）は、パッチパターン２と相似形状となる。換言すれば、Ｌ型スリット４は、パッチパターン２の縁部の一部と協働して、パッチパターン２と相似形状のサブパッチ部２１を形成するように配置されている。サブパッチ部２１は後述するように第２周波数において共振電流が流れる領域である。なお、本実施形態のパッチパターン２は正方形状であるためサブパッチ部２１もまた正方形状となる。

Ｌ型スリット４の角部は、パッチパターン２の対角線上においてサブパッチ部２１の１辺の長さ（以降、サブパッチ長）Ｌ２が、電気的に０．５×λ２に相当する長さとなる位置に配置されている。すなわち、パッチパターン２の１つの角部からＸ軸方向に０．５×λ２離れており、且つ、当該角部からＹ軸方向に０．５×λ２離れた位置に配置されている。

図３の符号２２で指し示す領域は、パッチパターン２においてサブパッチ部２１以外の領域（以降、剰余領域）である。本実施形態のサブパッチ部２１は、パッチパターン２の１つの角部を共有するように形成されるため、剰余領域２２は概略的に、Ｘ軸方向の長さとＹ軸方向の長さが等しいＬ字型となる。なお、Ｘ軸方向が請求項に記載の第１軸方向に相当し、Ｙ軸方向が請求項に記載の第２軸方向に相当する。

便宜上以降では、Ｌ型スリット４においてＸ軸に平行な部分をＸ軸平行部４Ｘと称するとともに、Ｙ軸に平行な部分をＹ軸平行部４Ｙと称する。Ｘ軸平行部４Ｘは、換言すれば、パッチパターン２が備えるＸ軸に平行な１つの辺と、０．５×λ２をおいて対向するように形成された直線状のスリットである。また、Ｙ軸平行部４Ｙは、換言すれば、パッチパターン２が備えるＹ軸に平行な１つの辺と、０．５×λ２をおいて対向するように形成された直線状のスリットである。

Ｘ軸平行部４Ｘ及びＹ軸平行部４Ｙのそれぞれの長さは、適宜設計されれば良い。Ｘ軸平行部４Ｘ及びＹ軸平行部４Ｙの長さは、後述するように第２周波数においてサブパッチ部２１が剰余領域２２とは独立して励振するように、サブパッチ長Ｌ２の半分（つまり０．２５×λ２）よりも長い値に設定されていることが好ましい。ただし、Ｘ軸平行部４Ｘ及びＹ軸平行部４Ｙのそれぞれの長さは、サブパッチ部２１と剰余領域２２とが完全に分離しないように、サブパッチ長Ｌ２よりも小さい値に設定されているものとする。つまり、Ｘ軸平行部４Ｘ及びＹ軸平行部４Ｙのそれぞれの長さは、０．２５×λ２よりも長く且つ０．５×λ２よりも短い値に設定される。

ここでは一例として、Ｘ軸平行部４Ｘ及びＹ軸平行部４Ｙのそれぞれの長さは０．９×Ｌ２＝０．４５×λ２に設定されているものとする。もちろん、Ｌ２に乗じる値は、０．９に限らず、０．６や０．７、０．８などであっても良い。なお、Ｘ軸平行部４ＸとＹ軸平行部４Ｙは必ずしも同じ長さである必要はない。Ｘ軸平行部４ＸとＹ軸平行部４Ｙは異なる長さに設定されていても良い。

Ｘ軸平行部４ＸやＹ軸平行部４Ｙの幅（以降、スリット幅）Ｗは、第１周波数の電流の伝搬は阻害しない一方、第２周波数の電流の伝搬を阻害（換言すれば抑制）する長さに設定されている。そのような設定によれば、Ｌ型スリット４は第１周波数においてはサブパッチ部２１と剰余領域とが容量結合してパッチパターン２全体で励振する一方、第２周波数ではサブパッチ部２１が剰余領域２２とは独立して励振させる作用をもたらす。

例えば、スリット幅Ｗは、第２波長λ２の１０分の１以上に設定されていれば、第２周波数の電流の剰余領域２２への伝搬をある程度抑制（換言すれば阻害）できる。また、スリット幅Ｗは大きいほど第２周波数の電流の剰余領域２２への伝搬を抑制できる。故に、スリット幅Ｗは、第２波長λ２の１０分の１以上に設定されていることが好ましい。ただし、スリット幅Ｗが大きすぎると、Ｌ型スリット４が第２周波数の電流の伝搬を阻害してしまうことなる。故に、スリット幅Ｗは、第２波長λ２の１０分の１以上、且つ、第１波長λ１の１０分の１以下の値に設定されていることが好ましい。

以上で述べたアンテナ装置１００は、例えば、車両などの移動体で用いられる。当該アンテナ装置１００を車両で用いる場合には、車両の屋根部において、地板１が略水平であって、地板１からパッチパターン２に向かう方向が天頂方向と略一致するように設置されればよい。

＜給電点の設置位置について＞
ここでは図４を用いて、パッチパターン２の形状について改めて説明するとともに、当該パッチパターン２における第１給電点５及び第２給電点６の設置位置について説明する。まず、前提として本実施形態におけるパッチパターン２は正方形状であるため、パッチパターン２は、パッチパターン２の中心Ｃ１を通ってＸ軸に平行な直線（以降、第１横軸）Ａｘ１に対して線対称である。また、パッチパターン２は、中心Ｃ１を通ってＹ軸に平行な直線（以降、第１縦軸）Ａｙ１に対しても線対称である。すなわち、パッチパターン２は、互いに直交する２つの対称軸のそれぞれに対して線対称な形状に形成されている。

また、サブパッチ部２１はパッチパターン２と相似形状であるため、サブパッチ部２１もまた互いに直交する２つの対称軸のそれぞれに対して線対称な形状に形成されていることとなる。すなわち、サブパッチ部２１は、サブパッチ部２１の中心Ｃ２を通ってＸ軸に平行な直線（以降、第２横軸）Ａｘ２に対して線対称であるとともに、中心Ｃ２を通ってＹ軸に平行な直線（以降、第２縦軸）Ａｙ２に対しても線対称である。第２横軸Ａｘ２が請求項に記載の第３軸に相当し、第２縦軸Ａｙ２が請求項に記載の第４軸に相当する。

第１給電点５及び第２給電点６は、図４に示すように、少なくともサブパッチ部２１となる領域内に配置する。具体的には、第１給電点５は、第１横軸Ａｘ１と第２縦軸Ａｙ２の交点に配置するとともに、第２給電点６は、第１縦軸Ａｙ１と第２横軸Ａｘ２の交点に配置する。このようなレイアウトは、パッチパターン２にとっては、中心Ｃ１を通る互いに直交する２つの軸Ａｘ１、Ａｙ１上に１つずつ給電点が配置された構成に相当する。また、サブパッチ部２１にとっても、中心Ｃ２を通る互いに直交する２つの軸Ａｘ２、Ａｙ２上に１つずつ給電点が配置された構成に相当する。第１横軸Ａｘ１が請求項に記載の第１軸に相当し、第１縦軸Ａｙ１が請求項に記載の第２軸に相当する。

なお、第１給電点５への給電は、同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続している導電性のピン（以降、給電ピン）を用いて実現されればよい。給電ピンは、地板１、支持部３を貫通して、パッチパターン２の一点（つまり第１給電点５）と内部導体とを接続する。第２給電点６もまた、給電ピンを用いて実現されればよい。なお、地板１において第１給電点５と重なる位置には、給電ピンとの非接触を確保するための孔部が設けられている。また、地板１において第２給電点６と重なる位置にも、第２給電点６を形成する給電ピンとの非接触を確保するための孔部が設けられている。同軸ケーブルの内部導体と給電ピンとが電気的に接続している態様には、直接的に接続している態様だけでなく、それらの間にインピーダンス整合回路や位相調整回路が介在している態様も含まれる。

なお、本実施形態ではパッチパターン２への給電方式として導電性のピンを用いた直結給電方式を採用しているが、これに限らない。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。

＜アンテナ装置１００の作動＞
上記の第１給電点５及び第２給電点６の設置態様は、パッチパターン２にとっては、中心Ｃ１を通る互いに直交する２つの軸Ａｘ１、Ａｙ１上に１つずつ給電点が配置された構成に相当する。また、パッチパターン２の第１横軸Ａｘ１が延びる方向の長さ、第１縦軸Ａｙ１が延びる方向の長さは何れも電気的に０．５×λ１に相当する長さに設定されている。故に、第１給電点５及び第２給電点６のそれぞれから、第１周波数であって且つ位相が９０°ずれた電流を流すことによって、図５に示すように互いに直交する二つの電流をパッチパターン２上に励振させることができる。

すなわち、上記構成によれば、第１周波数の円偏波を送信させることができる。なお、電波の送信／受信には可逆性があるため、第１周波数の円偏波を送信可能であるということは、第１周波数の円偏波を受信可能であることを意味する。つまり、上記構成によれば、第１周波数の円偏波を受信することもできる。

また、上記の第１給電点５及び第２給電点６の設置態様は、サブパッチ部２１にとっては、中心Ｃ２を通る互いに直交する２つの軸Ａｘ２、Ａｙ２上に１つずつ給電点が配置された構成に相当する。さらに、サブパッチ部２１の第２横軸Ａｘ２が延びる方向の長さ、第２縦軸Ａｙ２が延びる方向の長さは何れも電気的に０．５×λ２に相当する長さに設定されている。故に、第１給電点５及び第２給電点６のそれぞれから、第２周波数であって且つ位相が９０°ずれた電流を流すことによって、図６に示すように、互いに直交する二つの電流をサブパッチ部２１上に励振させることができる。

すなわち、上記の構成によれば第２周波数の円偏波を送信させることができる。また、電波の送信／受信には可逆性があるため、第２周波数の円偏波を送信可能であるということは、第２周波数の円偏波を受信可能であることを意味する。つまり、上記構成によれば、第２周波数の円偏波を受信することもできる。

以上で述べたように本実施形態のアンテナ装置１００は、第１周波数と第２周波数のそれぞれの円偏波を受信可能である。また、第１周波数と第２周波数のそれぞれの円偏波を受信するために必要となる給電点の数は２つでよい。すなわち、上記の構成によれば、２つの周波数の円偏波を受信可能なアンテナ装置において、給電点の数を抑制することができる。

図７は、上記構成の周波数毎の円偏波の軸比や利得を試験した結果を示したものである。図７中の実線は、周波数毎の軸比を表しており、破線は周波数毎の利得を表している。図７に示すように、上記の構成によれば第１周波数である１１７０ＭＨｚでは、２．５ｄＢの軸比を達成できるとともに、４．４ｄＢｉｃの利得を実現することができる。また、第２周波数である１５５０ＭＨｚでは、２ｄＢの軸比を達成できるとともに、４．３ｄＢｉｃの利得を実現することができる。つまり、第１周波数と第２周波数のそれぞれにおいて軸比と利得を両立させる事ができる。なお、円偏波を送信／受信するためのアンテナとしては軸比が３ｄＢ以下に抑制されていれば十分である。

図８は第１周波数での垂直面での放射指向性を試験した結果を示す図であり、図９は第２周波数での垂直面での放射指向性を試験した結果を示す図である。図８、図９に示すように第１周波数、第２周波数の何れにおいても右旋円偏波の利得を左旋円偏波の利得よりも十分に大きく設定することができる。すなわち、第１周波数の右旋円偏波を送信又は受信するためのアンテナとして十分な性能となっている。

ところで、第１周波数の右旋円偏波を送信又は受信するための他の構成（以降、比較構成）としては、第１周波数用のパッチパターンと第２周波数用のパッチパターンを積層することで、第１、第２周波数の円偏波を送受信可能なアンテナ装置を想定される。そのような比較構成では、各周波数に応じたパッチパターンを積層する必要があるため、アンテナ装置全体としての高さが高くなってしまう恐れがある。対して本実施形態のアンテナ装置１００によれば、１つの平面内に第１周波数で動作する領域と、第２周波数で動作する領域が形成されているため、アンテナ装置１００の高さを抑制することができる。

さらに、上記のアンテナ装置１００は、パッチパターン２にスリットを設けることによって、パッチパターン２に第２周波数で励振する領域を形成する。つまり、第２周波数の円偏波の受信機能を提供するサブパッチ部２１は、パッチパターン２の内部に形成される。そのため、アンテナ装置１００のＸＹ平面でのサイズを抑制することもできる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、以降で述べる種々の変形例も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。なお、前述の実施形態で述べた部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。また、構成の一部のみに言及している場合、他の部分については先に説明した実施形態の構成を適用することができる。

［変形例１］
上述した実施形態では第１横軸Ａｘ１と第２縦軸Ａｙ２との交点、及び、第１縦軸Ａｙ１と第２横軸Ａｘ２との交点の、それぞれに給電点を配置した構成を開示したがこれに限らない。各給電点は、各軸からずれた位置に配置されていても良い。第１給電点５は第１横軸Ａｘ１との距離が所定の許容距離以内であり、かつ、第２縦軸Ａｙ２との距離が許容距離以内となる位置に配置されていれば良い。また、第２給電点６は第１縦軸Ａｙ１との距離が許容距離以内であり、かつ、第２横軸Ａｘ２との距離が許容距離以内となる位置に配置されていれば良い。図１０のＡｒ１は第１横軸Ａｘ１との距離が所定の許容距離以内であり、かつ、第２縦軸Ａｙ２との距離が許容距離以内となる領域を概念的に表している。また、図１０中のＡｒ２は、第１縦軸Ａｙ１との距離が許容距離以内であり、かつ、第２横軸Ａｘ２との距離が許容距離以内となる領域を概念的に表している。

ここでの許容距離とは、インピーダンスの不整合に由来する軸比及び利得の劣化が所定の許容範囲内となる距離の上限値である。なお、第１縦軸Ａｙ１や第１横軸Ａｘ１に対する許容距離と、第２縦軸Ａｙ２や第２横軸Ａｘ２に対する許容距離とは異なる値に設定されていても良い。その場合、第１縦軸Ａｙ１や第１横軸Ａｘ１に対する許容距離は第１波長λ１に所定の比率（例えば２０分の１）を乗じた値とし、第２縦軸Ａｙ２や第２横軸Ａｘ２に対する許容距離は第２波長λ２に所定の比率（例えば２０分の１）を乗じた値とすればよい。

［変形例２］
また、他の態様として、図１１に示すように、中心Ｃ１を円の中心とする半径Ｒ１の円（以降、第１円）と、中心Ｃ２を円の中心とする半径Ｒ２の円（以降、第２円）の交点に給電点を配置しても良い。半径Ｒ１は中心Ｃ１から中心Ｃ２までの長さより大きい値に設定されればよい。また、半径Ｒ２の値は、半径Ｒ１と半径Ｒ２の比が第１波長λ１と第２波長λ２の比と一致するように設定されることが好ましい。半径Ｒ１が請求項に記載の第１長さに相当し、半径Ｒ２が請求項に記載の第２長さに相当する。

以上の構成によれば、中心Ｃ１及び中心Ｃ２のそれぞれから各給電点までの距離が等しくなるので、２つの周波数でのインピーダンスを近い値となる。その結果、２つの周波数で１つのインピーダンス整合回路を共用させることができ、回路構成を簡略化することができる。なお、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。

［変形例３］
上述した実施形態等では、ひとつながりに形成されたＬ字状のスリットを設けることによって、サブパッチ部２１を形成する態様を開示したが、サブパッチ部２１を実現するためのスリットの形成態様はこれに限らない。

例えば図１２に示すように、直線状のスリット４１、４２をサブパッチ部２１の縁部に沿うように配置することで、サブパッチ部２１を形成しても良い。このような構成は、Ｌ型スリット４のＸ軸平行部４ＸとＹ軸平行部４Ｙとを角部で分断した構成に相当する。スリット４１やＸ軸平行部４Ｘが請求項に記載の第１スリットに相当し、スリット４２やＹ軸平行部４Ｙが請求項に記載の第２スリットに相当する。

また、図１３に示すように、Ｘ軸平行部４Ｘ及びＹ軸平行部４Ｙの相対的に短く設定する代わりに、その延長線上に、直線状のスリット４１、４２を配置することでサブパッチ部２１を形成しても良い。Ｘ軸方向に直列的に並ぶスリットの合計長が電気的に０．５×λ２に相当する長さとなっていれば良い。同様に、Ｙ軸方向に直列的に並ぶスリットの合計長が電気的に０．５×λ２に相当する長さとなっていれば良い。なお、このような構成は、０．５×λ２に設定されたＸ軸平行部４Ｘ及びＹ軸平行部４Ｙを有するＬ型スリット４の途中に、サブパッチ部２１と剰余領域２２とを電気的に接続する架橋部を設けることによって複数区間に分割した構成に相当する。

さらに、サブパッチ部２１は、サブパッチ部２１の仮想的な輪郭線に沿うように複数のスリットを断続的に配置することで実現されていても良い。その場合、サブパッチ部２１の輪郭線のうち、Ｘ軸に平行な部分に沿って配置されるスリットの合計長が０．２５×λ２以上となっていればよい。サブパッチ部２１の輪郭線のうち、Ｙ軸に平行な部分に沿って配置されるスリットもまた、合計長が０．２５×λ２以上となっていればよい。なお、サブパッチ部２１と剰余領域２２とは少なくとも一箇所で電気的に接続されていればよく、図１４に示すように、スリット４１、スリット４２がパッチパターン２の縁部と接続していても良い。

また、サブパッチ部２１は、図１５に示すようにコ（又はΠ）の字状のスリット（以降、コ型スリット）４Ｂを設けることによって形成されてもよい。当然、図１５に示すコ型スリット４Ｂは複数区間に分割されていてもよい。また、コ型スリット４ＢにおいてＹ軸に平行な２つの部分（換言すれば左右の足）の長さは異なる値に設定されていてもよい。

なお、サブパッチ部２１は必ずしも角部に配置されている必要は無い。図１５に示すようにパッチパターン２の対称軸と、サブパッチ部２１の対称軸が重ならない位置に形成されればよい。但し、角部に配置したほうが、パッチパターン２の縁部をサブパッチ部２１の縁部として利用できる部分が長くなるため、サブパッチ部２１を第２周波数で励振する領域として安定して動作させることができる。また、パッチパターン２に形成するスリットの長さも低減でき、加工の手間を抑制することができる。故に、サブパッチ部２１は、角部に配置することが好ましい。

［変形例４］
以上では、パッチパターン２の形状を正方形状とする態様を開示したが、これに限らない。パッチパターン２は、互いになす角度が直角と見なすことができる角度となっている２つの軸のそれぞれに対して線対称な形状に形成されていればよい。ここでの直角と見なすことができる角度とは、９０°を中心とする所定の角度範囲に含まれる角度である。ここでは６０°から１２０°までの角度は、直角と見なす事ができるものとする。故に、正方形以外にも、円形（楕円を含む）や、正方形以外の長方形、正八角形、正六角形、正三角形なども、互いになす角度が直角と見なすことができる角度となっている２つの軸のそれぞれに対して線対称な形状に該当する。

したがって、例えばパッチパターン２は図１６に示すように長方形状に形成されていても良い。ただし、パッチパターン２を長方形状に形成する場合には、長辺と短辺のそれぞれの長さは、円偏波の軸比が所定の許容範囲（例えば３ｄＢ）となるように、電気的に０．５×λ２に相当する長さと基準として定まる値に設定されているものとする。

また、パッチパターン２は、図１７に示すように円形状に形成されていても良い。その場合には、円弧状のスリット（以降、円弧型スリット）４Ｃを配置することによって、第２波長λ２の半分の長さの直径を有する円形のサブパッチ部２１を形成すればよい。円弧型スリット４Ｃの長さは、１周の半分以上、より好ましくは７割以上となっていることが好ましい。なお、円形は、対称軸を無数に備える形状に相当する。第１横軸Ａｘ１や第１縦軸Ａｙ１に相当する軸とは、円の中心を通って互いに直交する２つの線を採用すればよい。なお、円の中心を通って互いになす角度が６０°以上となる２つの線を第１横軸Ａｘ１や第１縦軸Ａｙ１として採用しても良い。第２横軸Ａｘ２は、第１横軸Ａｘ１に平行であって、サブパッチ部２１の中心を通る線とすればよい。第２縦軸Ａｙ２は第１縦軸Ａｙ１に平行であって、サブパッチ部２１の中心を通る線とすればよい。

１００ アンテナ装置、１ 地板、２ パッチパターン、３ 支持部、４ Ｌ型スリット、５ 第１給電点、６ 第２給電点、２１ サブパッチ部、Ａｘ１ 第１横軸、Ａｙ１ 第１縦軸、Ａｘ２ 第２横軸、Ａｙ２ 第２縦軸

Claims (10)

1. 所定の第１周波数の円偏波と、前記第１周波数よりも高い所定の第２周波数の円偏波のそれぞれを送信又は受信するためのアンテナ装置であって、
   板状の導体部材である地板（１）と、
   前記地板と所定の間隔をおいて対向するように設置された板状の導体部材であって、互いになす角度が直角と見なすことができる角度となっている２つの軸である第１軸（Ａｘ１）と第２軸（Ａｙ１）のそれぞれに対して線対称な形状に形成されているパッチパターン（２）と、
   給電点としての第１給電点（５）と、
   前記第１給電点とは異なる位置に設けられた給電点としての第２給電点（６）と、を備え、
   前記パッチパターンの第１軸方向の長さ及び第２軸方向の長さは、何れも電気的に前記第１周波数の電波の波長である第１波長の半分に相当する長さに設定されており、
   前記パッチパターンには、前記第１周波数の電流の伝搬は阻害しない一方、前記第２周波数の電流の伝搬を阻害する幅を有するスリット（４）が少なくとも１つ配置されており、
   前記スリットは、前記パッチパターンと相似形状であって、前記第１軸に平行な直線と前記第２軸に平行な直線のそれぞれに対して線対称な形状のサブパッチ部（２１）を前記パッチパターンの縁部の一部と協働して形成するように配置されており、
   前記サブパッチ部の、前記第１軸に平行であって前記サブパッチ部の対称軸として作用する前記直線である第３軸が延びる方向の長さ、及び、前記第２軸に平行であって前記サブパッチ部の対称軸として作用する前記直線である第４軸が延びる方向の長さは、何れも電気的に前記第２周波数の電波の波長である第２波長の半分に相当する長さに設定されており、
   前記パッチパターンにおいて前記サブパッチ部以外の領域である剰余領域と前記サブパッチ部とは少なくとも１箇所で電気的に接続されており、
   前記第１給電点及び第２給電点は、前記サブパッチ部に配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   前記第１給電点は、前記サブパッチ部において、前記第１軸との距離が所定の許容距離以内であり、かつ、前記第４軸との距離が前記許容距離以内となる位置に配置されており、
   前記第２給電点は、前記サブパッチ部において、前記第２軸との距離が前記許容距離以内であり、かつ、前記第１軸に平行であって前記サブパッチ部の対称の軸として作用する直線である前記第３軸との距離が前記許容距離以内となる位置に配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項２に記載のアンテナ装置であって、
   前記第１給電点は、前記第１軸と前記第４軸とが交わる点に配置されており、前記第２給電点は、前記第２軸と前記第３軸とが交わる点に配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   前記第１給電点は、前記第１軸と前記第２軸との交点を中心とし、かつ、所定の第１長さを半径とする円である第１円と、前記第３軸と前記第４軸との交点を中心とし、かつ、前記第１長さよりも短い所定の第２長さを半径とする円である第２円との交点のうちの何れか一方に配置されており、
   前記第２給電点は、前記第１円と前記第２円との交点のうちの他方に配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項４に記載のアンテナ装置であって、
   前記第１長さ及び前記第２長さのそれぞれは、前記第１長さと前記第２長さの比が前記第１波長と前記第２波長の比と等しくな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。
6. 請求項１から５の何れか１項に記載のアンテナ装置であって、
   前記第３軸が前記第１軸とは重ならず、且つ、前記第４軸が前記第２軸と重ならないように前記スリットは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１から６の何れか１項に記載のアンテナ装置であって、
   前記パッチパターンは、１辺の長さが前記第１波長の半分に相当する長さに設定された正方形状であって、
   前記パッチパターンには、前記スリットとして、前記第１軸に平行に延設されているスリットである第１スリット（４Ｘ、４１）と、前記第２軸に平行に延設されているスリットである第２スリット（４Ｙ、４２）と、が設けられており、
   前記第１スリット及び前記第２スリットのそれぞれの長さは何れも前記第２波長の半分よりも短い値に設定されていることを特徴とするアンテナ装置。
8. 請求項７に記載のアンテナ装置であって、
   前記第１スリット及び前記第２スリットのそれぞれの長さは、前記第２波長の４分の１よりも長いことを特徴とするアンテナ装置。
9. 請求項７又は８に記載のアンテナ装置であって、
   前記スリットは、全体としてＬ字型であって、前記パッチパターンの１つの角部が前記サブパッチ部の１つの角部となるように配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
10. 請求項１から９の何れか１項に記載のアンテナ装置であって、
    前記スリットの幅は、前記第１波長の１０分の１よりも小さく、かつ、前記第２波長の１０分の１よりも大きい値に設定されていることを特徴とするアンテナ装置。

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