JP2021114766A - 無線アンテナ、無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ低コストでサービスエリアを形成することのできる無線アンテナを提供する。【解決手段】無線アンテナ１００は、誘電体で形成されたケーブル状の導波路１１０と、誘電体で形成された１個以上の塊体１１０ｃを含む。導波路１１０の誘電率は、導波路１１０の周囲の誘電率よりも大きい。塊体１１０ｃは、導波路１１０上に位置する。導波路１１０の一端は、例えば、ミリ波あるいは準ミリ波の周波数を持つ信号を生成する信号生成装置８００に接続される。塊体１１０ｃから電磁波が放射され、通信端末２００はこの電磁波を受信する。【選択図】図１

Description

本発明は、無線アンテナとこの無線アンテナを用いた無線通信システムに関する。

本出願は２０２０年１月１７日に出願された日本国特許出願第２０２０−００６２９７号に基づく優先権を主張し、日本国特許出願第２０２０−００６２９７号に開示された全てがここに取り込まれている。

現在、携帯電話など電磁波を用いた移動体無線通信サービスが広く普及している。このような無線通信サービスを利用して、動画配信などの高い通信速度と大きな通信容量を必要とするサービスがユーザに提供されている。このため、データトラフィック量の飛躍的な増加に対応するため無線通信サービスの高速化と大容量化が進められている。無線通信では、一般的に、使用する周波数帯域幅が広いほど通信速度が速くなり通信容量が大きくなる。したがって、無線通信サービスを提供する事業者は、周波数帯域幅ができるだけ広いチャネルを確保することを望んでいる。しかし、無線通信に用いられる周波数の使用には制限が設けられており、一般的に、移動通信で用いられている周波数帯付近では広帯域のチャネルの確保が困難である。

そこで、広い帯域幅のチャネルを得るため、ミリ波（30GHz〜300GHz）や準ミリ波（明確な定義はないがおよそ20GHz〜30GHz）と呼ばれる高周波領域の移動体通信への適用が検討されている（非特許文献１）。

「ドコモ５Ｇホワイトペーパー ２０２０年以降の５Ｇ無線アクセスにおける要求条件と技術コンセプト」、株式会社ＮＴＴドコモ、2014年9月

このような高周波領域では、よく知られているように、移動体無線通信が用いている数GHz以下という周波数領域に比べて、伝送ケーブルとしてこれまで広く用いられてきた同軸ケーブルの損失が高くなり、離れた場所に設置された送信信号を生成する装置とアンテナとの間を同軸ケーブルで接続することが困難となる。したがって、送信信号を生成する装置をできるだけアンテナの近くに配置することや、送信信号を生成する装置とアンテナとを一体に製造することが必要になる。

また高周波領域の利用には別の課題もある。フリスの伝達公式（１）によれば、送信アンテナから距離Ｄだけ離れた地点に設けられた受信アンテナにおける電磁波の受信電力Ｐは周波数ｆの二乗に反比例する。ｃは光速、Ｇ_Sは送信側アンテナゲイン、Ｇ_Rは受信側アンテナゲイン、Ｐ_Sは送信電力である。

このため、高周波領域を利用する場合、一つの送信アンテナがカバーするサービスエリアは、数GHz以下の周波数を利用した場合に比べて狭くなり、従来のサービスエリアと同じ広さのサービスエリアをカバーするにはアンテナゲインを大きくする必要があり、結果、多数のアンテナが必要となる。多数のアンテナを設ける場合、例えば一つの送信装置からの信号を分配して離れた場所にある複数のアンテナに信号を伝送する方法が考えられるが、同軸ケーブルを用いる場合、既述のとおり損失が大きいため効率が悪い。各アンテナの近傍に送信信号を生成する装置を配置する場合もしくはアンテナと送信信号を生成する装置とを一体に製造した場合は、送信信号を生成する装置の数だけコストがかかる。

そこで、本発明は、簡易かつ低コストでサービスエリアを形成することのできる無線アンテナとこの無線アンテナを用いた無線通信システムを提供することを目的とする。

ここで述べる技術事項は、特許請求の範囲に記載された発明を明示的にまたは黙示的に限定するためではなく、さらに、本発明によって利益を受ける者（例えば出願人と権利者である）以外の者によるそのような限定を容認する可能性の表明でもなく、単に、本発明の要点を容易に理解するために記載される。他の観点からの本発明の概要は、例えば、この特許出願の出願時の特許請求の範囲から理解できる。
本発明の無線アンテナは周囲の誘電率よりも大きい誘電率を持つ誘電体導波路を持ち、この誘電体導波路上または誘電体導波路の近傍に誘電体で形成された塊体が位置している。塊体は、電磁波の放射と吸収を行う部位である。塊体と通信端末との間で電磁波の送受信が実現される。

本発明によると、電磁波の放射部あるいは吸収部が誘電体導波路上または誘電体導波路の近傍の塊体で実現されるので、簡易かつ低コストでサービスエリアを形成することができる。

無線アンテナの構成例。 誘電体導波路の断面図。（ａ）第１例。（ｂ）第２例。（ｃ）第３例。（ｄ）第４例。（ｅ）第５例。（ｆ）第６例。 塊体を持たない導波路の通過損失を示す図。 塊体を持つ導波路の通過損失を示す図。 塊体が存在する部位での放射パターンを示す図。（ａ）φ=0度、-180≦θ≦180度の範囲における利得。（ｂ）θ=87度、-180≦φ≦180度の範囲における利得。 方位角φと極角θの定義を説明する図。 塊体を持つ導波路の通過損失を示す図。 塊体が存在する部位での放射パターンを示す図。（ａ）φ=0度、-180≦θ≦180度の範囲における利得。（ｂ）θ=130度、-180≦φ≦180度の範囲における利得。 無線アンテナの変形例。（ａ）誘電体に反射体を設置した例。（ｂ）支持部材に反射体を設置した例。 塊体が近傍に位置する誘電体導波路の断面図。（ａ）第１例。（ｂ）第２例。（ｃ）第３例。 分岐構図を持つ誘電体導波路の例。 誘電体導波路が媒体に接続されている構造。（ａ）第１例。（ｂ）第２例。 無線アンテナの変形例。（ａ）誘電体に反射体を設置した例。（ｂ）支持部材に反射体を設置した例。

図面を参照して本発明の実施形態を説明する。実施形態の無線通信システム１は、実施形態の無線アンテナ１００と、通信端末２００と、信号生成装置８００を含む。無線アンテナ１００は、図１に示すように、誘電体で形成された細長いケーブル状の導波路１１０と、誘電体で形成された１個以上の塊体１１０ｃを含む構成を持つ。導波路１１０は、直線状に伸びていてもよいし、図１に示すように少し蛇行するように、換言すれば、後述する導波路１１０の低損失伝播に悪影響を及ぼさない程度の曲げを持つように伸びていてもよいし、あるいは、分岐構造を持っていてもよい。導波路１１０の分岐構造については後述する。各塊体１１０ｃは、導波路１１０と同じ誘電体でもよいし、導波路１１０と異なる誘電体でもよい。各塊体１１０ｃは、導波路１１０上に位置する。この場合、塊体１１０ｃは、導波路１１０から突起のように突出している。あるいは、各塊体１１０ｃは、導波路１１０から離れた導波路１１０の近傍に位置する。あるいは、Ｎ個（ただし、Ｎは２以上の予め定められた整数である）の塊体１１０ｃのうちｎ個（ただし、ｎは１≦ｎ＜Ｎを満たす予め定められた整数である）の塊体１１０ｃは導波路１１０上に位置しており、残りのＮ−ｎ個の塊体１１０ｃは導波路１１０から離れた導波路１１０の近傍に位置する。この実施形態では、導波路１１０の一端は、ミリ波（30GHz〜300GHz）あるいは準ミリ波（明確な定義はないがおよそ20GHz〜30GHz）の周波数を持つ信号を生成する信号生成装置８００に接続されている。この信号の種類に限定はなく、アナログ信号でも、デジタル信号でも、離散時間信号でも、連続時間信号でもよい。導波路１１０の他端は、図１に示す例では、何にも接続されず開放されているが、短絡されていてもよいし、アンテナ（例えば、線状アンテナ、開口面アンテナなど）に接続されていてもよいし、あるいは、終端されていてもよい。

導波路１１０は、導波路１１０の長手方向の任意の位置（ただし、塊体１１０ｃが存在する部位を除く）における当該長手方向に垂直な断面図である図２（ａ）に示すように、形状と大きさが共に一定の断面を持つ。この例では、導波路１１０の断面形状は長方形である。したがって、導波路１１０は、導波路１１０の長手方向と直交する方向において互いに対向する二つの長辺側面１１１と、導波路１１０の長手方向と直交する方向において互いに対向する二つの短辺側面１１３を持つ。長辺側面１１１は、幅（つまり、導波路１１０の長手方向と直交する方向の長さ）が断面の長方形の長辺の長さに等しい側面であり、短辺側面１１１は、幅が断面の長方形の短辺の長さに等しい側面である。このように、導波路１１０は、塊体１１０ｃが存在する部位を除いて一様な構造、つまり、任意の位置（ただし、塊体１１０ｃが存在する部位を除く）での断面の形状と大きさが共に一定であり、材質が任意の位置（ただし、塊体１１０ｃが存在する部位を除く）で一定である構造を持っている。なお、図２（ａ）では、導波路１１０の断面形状は長方形であるが、このような構造に限定されず、例えば、正方形あるいは円であってもよい。

導波路１１０の誘電率は、導波路１１０の周囲の誘電率よりも大きい。図２（ａ）に示す例では、導波路１１０の周囲は空気であり、空気の誘電率はおよそ１であるので、導波路１１０の誘電率は１よりも大きい。このため、導波路１１０の上記一端に入力された信号生成装置８００からの信号の電磁界は、塊体１１０ｃが存在しない場合、誘電率の大きい導波路１１０に集中して、導波路１１０の上記他端に向かって低損失に伝わり、導波路１１０の上記他端に至る。

各塊体１１０ｃの形状は、一切の限定が無く、例えば、多角柱、円柱、球あるいはそれらのうちのいずれかの一部分である。塊体１１０ｃの総数が２以上である場合、これら塊体１１０ｃの一部が共通して持つ形状が、これら塊体１１０ｃの他の一部あるいは全部が共通して持つ形状と同じでもよいし異なっていてもよい。あるいは、これら塊体１１０ｃのうちの互いに異なる任意の２個の塊体１１０ｃが、互いに異なる形状を持っていてもよい。さらに、塊体１１０ｃの数が２以上である場合、これら塊体１１０ｃの一部が共通して持つ大きさが、これら塊体１１０ｃの他の一部あるいは全部が共通して持つ大きさと同じでもよいし異なっていてもよい。あるいは、これら塊体１１０ｃのうちの互いに異なる任意の２個の塊体１１０ｃが、互いに異なる大きさを持っていてもよい。

導波路１１０上での塊体１１０ｃの位置は、好ましくは、導波路１１０の両端を除く位置であり、さらに好ましくは、不整合が発生しにくく、且つ、伝播モードの変換が発生しにくい位置である。塊体１１０ｃの総数が２以上である場合、これら塊体１１０ｃのうちの互いに異なる任意の２個の塊体１１０ｃの導波路１１０の一端からその長手方向に沿って計測した距離が互いに異なってもよいし、例えば、互いに異なる或る２個以上の塊体１１０ｃの導波路１１０の一端からその長手方向に沿って計測した距離が互いに等しくてもよい。後者の場合、これら２個以上の塊体１１０ｃは、導波路１１０の周上の異なる位置に位置する。さらに、この後者の場合、導波路１１０を伝わる電磁波の伝播モードを考慮すると、好ましくは、２個の塊体１１０ｃが導波路１１０の周上の互いに１８０度離れた位置に位置する。導波路１１０の長手方向に垂直な断面図である図２（ｂ）は、互いに対向する２個の長辺側面１１１のそれぞれに１個の三角柱体である塊体１１０ｃが存在しており、塊体１１０ｃの幅つまり三角柱体の高さが断面の長方形の長辺の長さと等しい例を示している。導波路１１０の長手方向に垂直な断面図である図２（ｃ）は、導波路１１０の円周上の互いに１８０度離れた位置に２個の略球体状の塊体１１０ｃが存在する例を示している。塊体１１０ｃが三角柱体である場合の導波路１１０の長手方向に沿った断面図を図２（ｅ）に示し、塊体１１０ｃが半円柱体である場合の導波路１１０の長手方向に沿った断面図を図２（ｆ）に示す。

塊体１１０ｃが導波路１１０上に位置する例において、各塊体１１０ｃは、導波路１１０と一体に形成された物でもよいし、導波路１１０と別に形成された物でもよい。後者の場合、各塊体１１０ｃは、導波路１１０に取り付けられるが、その後、導波路１１０から取り外せなくてもよいし、導波路１１０から取り外せてもよい。各塊体１１０ｃが導波路１１０から取り外せる場合であっても、ひとたび各塊体１１０ｃが導波路１１０に取り付けられたならば、各塊体１１０ｃが導波路１１０上で動かないことが望まれる。各塊体１１０ｃは導波路１１０に密着した状態にある。このため、塊体１１０ｃを導波路１１０に取り付ける場合、塊体１１０ｃは、塊体１１０ｃが取り付けられる導波路１１０の部位の局所的表面形状と同じ表面形状を持つ密着面を持ち、例えば、導波路１１０が細長い直方体であれば塊体１１０ｃの密着面は少なくとも１個の平面で構成され（図２（ｂ）参照）、導波路１１０が細長い円柱であれば塊体１１０ｃの密着面は円柱面の一部である（図２（ｃ）参照）。塊体１１０ｃを導波路１１０に密着させる際に接着剤または粘着剤を用いる場合、接着剤または粘着剤の誘電率は導波路１１０の誘電率と同じ程度か、または、塊体１１０ｃの誘電率と同じ程度であることが望ましい。

塊体１１０ｃが導波路１１０から離れた導波路１１０の近傍に位置する例において、塊体１１０ｃと導波路１１０との間の距離の上限は、塊体１１０ｃの誘電率、導波路１１０の誘電率、塊体１１０ｃと導波路１１０との間の媒質（媒質として、空気または発砲プラスチックを例示できる）の誘電率、導波路１１０を伝播する信号の強度、導波路１１０の断面の形状、導波路１１０の断面の大きさなどによって決まる。ただし、ここで「塊体１１０ｃと導波路１１０との間の距離」は、塊体１１０ｃ上の任意の点と導波路１１０上の任意の点との間の距離のうち最短のものをいう。塊体１１０ｃと導波路１１０との間の距離が上記上限以下であれば、塊体１１０ｃは後述する放射部としてあるいは受信部として機能する。

塊体１１０ｃと導波路１１０との位置関係は、永続的関係でもよいし、一時的関係でもよい。永続的関係の場合、例えば図１０（ａ）に示すように、導波路１１０に固定された取付部品３１０に、塊体１１０ｃが固定されている。取付部品３１０の材質は、誘電体でもよいし金属でもよい。ただし、塊体１１０ｃと導波路１１０との間に電気伝導体（例えば、取付部品３１０の材質が金属である場合、取付部品３１０の一部または全部である）が存在することを避けることが望ましい。取付部品３１０は、塊体１１０ｃを保持するホルダーとしての役割と、塊体１１０ｃと導波路１１０との間の距離を一定に保つスペーサーとしての役割を担っている。

一時的関係の場合、例えば図１０（ｂ）に示すように、筒状のスライダー３２０に塊体１１０ｃを固定し、このスライダー３２０を導波路１１０に取り付ける。スライダー３２０は、導波路１１０に沿って移動できる。スライダー３２０の材質は、誘電体でもよいし金属でもよい。ただし、この例においても、塊体１１０ｃと導波路１１０との間に電気伝導体（例えば、スライダー３２０の材質が金属である場合、スライダー３２０の一部または全部である）が存在することを避けることが望ましい。スライダー３２０は、塊体１１０ｃを保持するホルダーとしての役割と、塊体１１０ｃと導波路１１０との間の距離を一定に保つスペーサーとしての役割を担っている。

一時的関係の他の例として、塊体１１０ｃが可動物（可動物として、履物、アンクレットのような人体に着用する物、あるいは、搬送ロボットを例示できる）に取り付けられており、導波路１１０の全部または一部が床、通路のような構造物に埋設されている形態を例示できる。図１０（ｃ）に可動物が搬送ロボット３３０の場合の例を示す。この場合、構造物上を移動する可動物が導波路１１０に近づいたとき、つまり、可動物に取り付けられた塊体１１０ｃが、導波路１１０からの距離が上記上限以下である範囲に入ったとき、塊体１１０ｃは後述する放射部としてあるいは受信部として機能する。可動物が受信機あるいは送信機を持っている場合（可動物は、必要に応じて、増幅器などの電子部品を持っていてもよい）、信号生成装置８００（後述するとおり、信号生成装置８００に限らず、受信装置、あるいは、送受信装置でもよい）と可動物の受信機あるいは送信機との間で、通信が実現する。塊体１１０ｃが可動物に取り付けられている例によると、可動物が導波路１１０に近づいたときだけ電磁波の放射が発生するので、エネルギーの利用効率が向上する。

図２（ａ）〜（ｃ）に示す例に限定されず、一つ以上の塊体１１０ｃを持つ導波路１１０の外周に、誘電体で形成された被覆部１１０ｂを配置してもよい（導波路１１０の長手方向に垂直な断面図である図２（ｄ）参照）。被覆部１１０ｂは、導波路１１０および導波路１１０上の塊体１１０ｃに密着している。この例に限らず、被覆部１１０ｂは、塊体１１０ｃを除き、あるいは、塊体１１０ｃが位置する導波路１１０の部位および塊体１１０ｃを除き、導波路１１０を被覆してもよい。導波路１１０の誘電率および塊体１１０ｃの誘電率は、被覆部１１０ｂの誘電率よりも大きい。このため、導波路１１０の上記一端に入力された信号生成装置８００からの信号の電磁界は、塊体１１０ｃが存在しない場合、誘電率の大きい導波路１１０に集中して、導波路１１０の上記他端に向かって低損失に伝わり、導波路１１０の上記他端に至る。

各塊体１１０ｃは、電磁波（帯域としては電波である）を放射する放射部として機能することができる。塊体１１０ｃにおいて電磁波の放射によって失われる電力は、主に、塊体１１０ｃの形状、大きさ、数およびその誘電率に依存する。より強い電力の電磁波を放射する観点から、例えば、塊体１１０ｃの誘電率は導波路１１０の誘電率と同じまたは大きいことが好ましい。さらに好ましくは、損失の観点から、使用する電磁波の周波数帯において誘電正接が小さい材料が導波路１１０と塊体１１０ｃのそれぞれの誘電体として選定される。一般に、誘電率が高くなると誘電正接が大きくなるので、放射量と損失量を考慮して、導波路１１０と塊体１１０ｃのそれぞれの誘電体が持つべき誘電率が決定される。このように、塊体１１０ｃが存在する場合、信号生成装置８００からの信号は、この塊体１１０ｃで電磁波として放射される。なお、「放射」とは、塊体１１０ｃに到達した信号の電力のうち電磁波の放射によって失われる電力が、当該塊体１１０ｃが存在しない場合に実際には発生する伝送損失を超えることをいう。塊体１１０ｃで電磁波の放射によって失われる電力は、通常、塊体１１０ｃに到達した信号の電力の一部であり、残余の電力を持った信号は導波路１１０において塊体１１０ｃが位置する部位を通過する。塊体１１０ｃを通過した信号は、導波路１１０を伝わり、隣の塊体１１０ｃに向かって、隣の塊体１１０ｃが無ければ導波路１１０の上記他端に向かって、低損失に伝播する。塊体１１０ｃで放射された電磁波は、携帯電話などの通信端末２００が持つ無線アンテナ（図示せず）によって受信される。

導波路１１０は、単一の製品としての構成を持っていてもよいし、例えば同一の構造を持つ複数の導波路（以下、サブ導波路と呼称する）が一列に接続された構成を持っていてもよい。後者の場合、サブ導波路とサブ導波路との接続として、光ファイバーを参考に、融着による接続またはコネクタを用いる接続を採用できる。あるいは、溶接または溶着によって、サブ導波路とサブ導波路を互いに接続してもよい。互いに接続された隣り合う２個のサブ導波路の一方のサブ導波路の誘電率は、他方のサブ導波路の誘電率と異なってもよい。

導波路１１０は分岐構造を持っていてもよい。分岐形状および分岐数に限定は無い。図１１に、分岐数が２の場合のＴ型導波路１１０の例を示す。分岐構造を持つ導波路１１０は、単一の製品としての構成を持っていてもよいし、例えば同一の構造を持つ複数のサブ導波路を接続した構成を持っていてもよい。後者の場合、サブ導波路とサブ導波路との接続として、例えば分岐導波管３５０を用いる接続を採用できる。

上述の実施形態では、導波路１１０の一端は信号生成装置８００に物理的に接続されているが、この構成に限定されない。例えば図１２に示すように、導波路１１０の一端を電磁波を伝播できる媒体の一部に接続し、媒体の他部を信号生成装置８００に接続してもよい。媒体として、導波路１１０の材料と異なる材料で作られた線路（例えば、同軸線路、あるいは、導波路１１０の誘電率と異なる誘電率を持つ導波路である）、あるいは、空気を例示できる。媒体が空気である場合から理解できるように、「接続」という用語は、必ずしも物理的接続のみを意味せず、電磁波が伝播可能である物理的態様を意味する。媒体が線路１１０ａである場合、図１２（ａ）に示すように、線路１１０ａと導波路１１０は例えばコネクタ３６０を用いて互いに接続される。媒体が空気である場合、例えば図１２（ｂ）に示すように、信号生成装置８００に取り付けたアンテナ装置３７０ａと、導波路１１０の一端に取り付けたアンテナ装置３７０ｂによって、信号生成装置８００と導波路１１０との間で電磁波の伝播が実現する。導波路１１０の一端に取り付けるアンテナ装置３７０ｂは、例えば、捕捉した電磁波を増幅するレピーター（repeater）を含んでもよい。ただし、信号生成装置８００に取り付けたアンテナ装置３７０ａと導波路１１０の一端とのアラインメントが良好である場合、導波路１１０の一端が直接、信号生成装置８００からの信号を受信してもよい。

図３は、空気（誘電率：1）で囲まれた導波路１１０（誘電率：2、短辺：4mm、長辺：8mm、長さ：30mm）の通過損失（Sパラメータ：S21）を示している。ただし、この導波路１１０は、塊体１１０ｃを持たない。ここで、誘電正接によって生じる損失（誘電体損失）は無いものとした。図３から、導波路１１０に塊体１１０ｃが存在しない場合は信号が無損失で通過していることがわかる。

図４は、空気（誘電率：1）で囲まれた導波路１１０（誘電率：2、短辺：4mm、長辺：8mm、長さ：30mm）の通過損失（Sパラメータ：S21）を示している。ただし、この導波路１１０は、導波路１１０の一端から15mmの位置において、導波路１１０の長辺側面１１１のそれぞれに１個の塊体１１０ｃ(誘電率：1.5)を持つ。塊体１１０ｃの形状は半円柱体であり、円の半径は2.7mm、長さは導波路１１０の長辺と同じく8mmである。ここで、誘電体損失は無いものとした。図４から導波路１１０に塊体１１０ｃが存在する場合、塊体１１０ｃから電磁波が放射されることがわかる。誘電体損失を考慮していないため、導波路１１０に塊体１１０ｃを取り付けたことによる損失の殆どは、導波路１１０の外部への電磁波の放射に依る。

図５は、空気（誘電率：1）で囲まれた導波路１１０（誘電率：2、短辺：4mm、長辺：8mm、長さ：30mm）の、塊体１１０ｃが存在する部位での放射パターンを表している。ただし、この導波路１１０は、導波路１１０の一端から15mmの位置において、導波路１１０の長辺側面１１１のそれぞれに１個の塊体１１０ｃ(誘電率：1.5)を持つ。塊体１１０ｃの形状は半円柱体であり、円の半径は2.7mm、長さは導波路１１０の長辺と同じく8mmである。放射パターンは、図６に定義される方位角φと極角θによって示されている。導波路１１０は、その短辺側面の幅方向がx方向に一致し、その長辺側面の幅方向がy方向に一致し、その高さ方向（つまり、導波路１１０の長手方向）がz方向に一致するように配置されている。図５（ａ）はφ=0度、-180≦θ≦180度の範囲における利得(dBi)を示しており、図５（ｂ）はθ=87度、-180≦φ≦180度の範囲における利得(dBi)を示している。図５から、導波路１１０の長辺側面１１１の正面方向(φ=0度、±180度、θ=±87度)、つまり塊体１１０ｃが突出している方向に利得が0dBi以上である強い領域があり、電磁波を放射していることが分かる。

図７は、空気（誘電率：1）で囲まれた導波路１１０（誘電率：2、短辺：4mm、長辺：8mm、長さ：30mm）の、塊体１１０ｃが存在する部位での通過損失を表している。ただし、この導波路１１０は、導波路１１０の一端から15mmの位置において、導波路１１０の長辺側面１１１のそれぞれに１個の塊体１１０ｃ(誘電率：1.5)を持つ。塊体１１０ｃの形状は半円柱体であり、円の半径は4mm、長さは導波路１１０の長辺と同じく8mmである。ここで、誘電体によって発生する損失は無いものとした。図７から、塊体１１０ｃ（この例では半円柱体）の半径を大きくし、導波路１１０との密着面を大きくすることによって、塊体１１０ｃから放射される電磁波が強くなることが分かる。このように、半円柱体の半径を変更することによって、換言すれば、放射面つまり半円柱体の円柱面の面積を変更することによって、放射電力を制御することができる。塊体１１０ｃの形状が多角柱体の場合であっても、同様に、放射面つまり多角柱体の多角柱面（言い換えれば各矩形側面）の面積を変更することによって、放射電力を制御することができる。

図８は、空気（誘電率：1）で囲まれた導波路１１０（誘電率：2、短辺：4mm、長辺：8mm、長さ：30mm）の、塊体１１０ｃが存在する部位での放射パターンを表している。ただし、この導波路１１０は、導波路１１０の一端から15mmの位置において、導波路１１０の長辺側面１１１のそれぞれに１個の塊体１１０ｃ(誘電率：1.5)を持つ。塊体１１０ｃの形状は半円柱体であり、円の半径は4mm、長さは導波路１１０の長辺と同じく8mmである。放射パターンは、図６に定義される方位角φと極角θによって示されている。導波路１１０は、その短辺側面の幅方向がx方向に一致し、その長辺側面の幅方向がy方向に一致し、その高さ方向（つまり、導波路１１０の長手方向）がz方向に一致するように配置されている。図８（ａ）はφ=0度、-180≦θ≦180度の範囲における利得(dBi)を示しており、図８（ｂ）はθ=130度、-180≦φ≦180度の範囲における利得(dBi)を示している。図８から、導波路１１０の長辺側面の斜め前方(φ=0度、±180度、θ=±130度)、つまり塊体１１０ｃが突出している方向から斜めにずれた方向に利得が0dBi以上の強い領域があり、電磁波を放射していることが分かる。このように、半円柱体の半径を変更することで、放射方向を制御することができる。

既述のとおり、互いに異なる２個の塊体１１０ｃの導波路１１０の一端からその長手方向に沿って計測した距離が互いに等しく、且つ、当該２個の塊体１１０ｃが導波路１１０の周上の互いに１８０度離れた位置に位置する場合、例えば図８からわかるように、二方向に放射が行われることがわかる。放射方向を一方向に限定したい場合、導波路１１０の長手方向に沿った断面図である図９に示すように、希望しない放射方向に電磁波を放射する塊体１１０ｃの上方に反射体１５０を設置する。図９（ａ）に示す例では、導波路１１０の誘電率よりも小さい誘電率を持つ誘電体１６０で導波路１１０を囲んでおり、誘電体１６０の外表面に反射体１５０を設置している。反射体１５０は、金属でもよいし、導波路１１０の誘電率あるいは塊体１１０ｃの誘電率と異なる誘電率を持つ誘電体でもよいが、塊体１１０ｃから放射された電磁波が好ましくは全反射する条件を有するものである。図９（ａ）に示す例に限定されず、図９（ｂ）に示すように、反射体１５０を支持する機能を有する支持部材１６５を用いてもよい（この例は、例えば図９（ａ）の例において誘電体１６０が空気である場合に有用である）。

導波路１１０上の或る部位あるいは導波路１１０から離れた導波路１１０の近傍に１個の塊体１１０ｃが存在する場合であっても、塊体１１０ｃから、導波路１１０から離れる第１の向きだけでなく、第１の向きと反対の第２の向きにも電磁波は放射される。放射方向を第１の向きに限定したい場合、導波路１１０の長手方向に沿った断面図である図１３に示すように、第２の向きにおいて塊体１１０ｃの上方に反射体１５０を設置する。図１３（ａ）に示す例では、導波路１１０の誘電率よりも小さい誘電率を持つ誘電体１６０で導波路１１０を囲んでおり、誘電体１６０の外表面に反射体１５０を設置している。反射体１５０は、金属でもよいし、導波路１１０の誘電率あるいは塊体１１０ｃの誘電率と異なる誘電率を持つ誘電体でもよいが、塊体１１０ｃから放射された電磁波が好ましくは全反射する条件を有するものである。図１３（ａ）に示す例に限定されず、図１３（ｂ）に示すように、反射体１５０を支持する機能を有する支持部材１６５を用いてもよい（この例は、例えば図１３（ａ）の例において誘電体１６０が空気である場合に有用である）。

導波路１１０が２個以上の塊体１１０ｃを持つ場合、塊体１１０ｃの総数は、電磁波の放射によって失われる所望の電力に応じて定められる。導波路１１０の上記一端に入力される信号生成装置８００からの信号の電力は、各塊体１１０ｃと導波路１１０の上記他端とで電磁波の放射によって失われる電力の総和に、導波路１１０において導波路として機能する部分での実際には発生する伝送損失を加えた総電力であることが必要である。

あるいは、導波路１１０の上記一端に入力される信号生成装置８００からの信号の電力（以下、入力電力と呼称する）が予め定まっている場合には、導波路１１０において導波路として機能する部分での実際には発生する伝送損失を入力電力から除いた電力が、各塊体１１０ｃと導波路１１０の上記他端とで電磁波の放射によって失われる電力に分配され、各塊体１１０ｃでの放射の程度は、分配される電力に応じて定められる。例えば、各塊体１１０ｃで等しい放射損失が望まれる場合がある。この場合、Ｎ個の塊体１１０ｃが在るとして信号生成装置８００に近い方から１番目、２番目、…、ｉ番目、…、Ｎ番目の塊体１１０ｃと呼称すると、第ｉ番目の塊体１１０ｃが位置する部位に到達する信号の電力のうち式（２）で表される割合の電力を放射によって損失するように第ｉ番目の塊体１１０ｃの放射の程度を調整すればよい。この場合、Ｎ番目の塊体１１０ｃでは、ここに到達した信号の電力のほぼ全部が放射によって損失されるため、導波路１１０の上記他端での電磁波の放射はほぼ無い。例えばＮ＝５の場合、１番目、２番目、３番目、４番目の各塊体１１０ｃは、それぞれ、到達した信号のうち、-7dB（５分の１），-6dB（４分の１），-4.8dB（３分の１），-3dB（２分の１）を電磁波として放射し、５番目の塊体１１０ｃは、可能な限り、到達した信号の全電力を電磁波として放射する。

式（２）によると第ｉ番目の塊体１１０ｃに到達する信号の電力と放射損失の割合はｉの増大とともに大きくなるため、ｉの増大に伴いｉ番目の塊体１１０ｃでは放射電力が大きくなるように塊体１１０ｃの形状や大きさなどが選定される。

図２（ｂ）〜図２（ｆ）に示す実施形態の無線アンテナ１００では、塊体１１０ｃの密着状態の保持が恒久的な方法でなされなければ、導波路１１０の一部を電磁波の放射部として機能させる塊体１１０ｃの密着状態はいつでも解消可能である。つまり、導波路１１０の一部を電磁波の放射部として機能させる必要のある期間では塊体１１０ｃの密着状態は保持され続けるが、当該必要が無くなった場合、放射部として機能する部位の塊体１１０ｃの密着状態が解消される。密着状態が解消された部位は、電磁波の放射部としての機能を失うとともに導波路として機能する。このため、サービスエリアの変更に応じて電磁波の放射部の位置、つまり塊体１１０ｃを導波路１１０に取り付ける位置を容易に変更することができる。

上述の無線アンテナ１００は、送信用のアンテナとしてではなく、受信用のアンテナとしても使用できる。この場合、例えば、導波路１１０の上記一端には、信号生成装置８００に替えて受信装置が接続される。例えば携帯電話から発せられた電磁波は受信部（無線アンテナ１００を送信用のアンテナと使用したときの塊体１１０ｃである）で吸収され、導波路１１０によって受信装置に伝達される。３ｄＢの損失は、受信部で吸収された電磁波が導波路１１０の上記一端と上記他端とに向かって分配されることによって発生する。導波路１１０の上記一端には、信号生成装置８００に替えて送信機能と受信機能の両方を持つ送受信装置が接続されてもよい。この他、（１）上記一端に信号生成装置８００が接続されている導波路１１０の上記他端に受信装置を接続する構成も採用できるし、（２）上記一端に送受信装置が接続されている導波路１１０の上記他端に受信装置を接続する構成も採用できるし、（３）無線アンテナ１００の上記一端と上記他端のそれぞれに受信装置を接続する構成も採用できるし、（４）無線アンテナ１００の上記一端と上記他端のそれぞれに送受信装置を接続する構成も採用できる。特に、（２），（３），（４）の構成によると、図示しない合成装置が導波路１１０の両端に接続された装置の受信機能で受信した電磁波を合成することによって、上述の３ｄＢの損失を解消することができる。

上述の各種の実施形態に開示された技術的特徴は互いに排他的であるとは限らない。技術的観点から矛盾の無い限り、或る実施形態の技術的特徴を他の実施形態の技術的特徴に適用してもよい。

＜補遺＞
明細書と特許請求の範囲では、「接続された」という用語とこのあらゆる語形変形は、２又はそれ以上の要素間の直接的又は間接的な接続を意味し、互いに「接続」された２つの要素の間に１つ以上の中間要素が存在することを含むことができる。

明細書と特許請求の範囲では、用語「含む」とその語形変化は非排他的表現として使用されている。例えば、「ＸはＡとＢを含む」という文は、ＸがＡとＢ以外の構成要素（例えばＣ≠Ａ且つＣ≠ＢであるＣ）を含むことを否定しない。また、明細書と特許請求の範囲において或る文が用語「含む」またはその語形変化が否定辞と結合した語句を含む場合、当該文は用語「含む」またはその語形変化の目的語について言及するだけである。したがって、例えば「ＸはＡとＢを含まない」という文は、ＸがＡとＢ以外の構成要素を含む可能性を認めている。さらに、明細書あるいは特許請求の範囲において使用されている用語「または」は排他的論理和ではないことが意図される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更と変形が許される。選択され且つ説明された実施形態は、本発明の原理およびその実際的応用を解説するためのものである。本発明は様々な変更あるいは変形を伴って様々な実施形態として使用され、様々な変更あるいは変形は期待される用途に応じて決定される。そのような変更および変形のすべては、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲に含まれることが意図されており、公平、適法および公正に与えられる広さに従って解釈される場合、同じ保護が与えられることが意図されている。

Claims (10)

1. ミリ波帯または準ミリ波帯の信号を送受信可能な無線アンテナであって、
   誘電体で形成されたケーブル状の導波路と、誘電体で形成された１個以上の塊体を含み、
   上記導波路の誘電率は、上記導波路の周囲の誘電率よりも大きく、
   上記塊体は、上記導波路上に位置する
   無線アンテナ。
2. 請求項１に記載の無線アンテナにおいて、
   上記塊体は、上記導波路に固定されている
   ことを特徴とする無線アンテナ。
3. 請求項１に記載の無線アンテナにおいて、
   上記塊体は、上記導波路から取り外せる
   ことを特徴とする無線アンテナ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の無線アンテナにおいて、
   上記導波路の長手方向に直交する断面の形状が長方形であり、上記導波路は二つの長辺側面を有しており、
   上記塊体は、上記二つの長辺側面の一方、または、上記二つの長辺側面の両方、に位置する
   ことを特徴とする無線アンテナ。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の無線アンテナにおいて、
   上記塊体は、円柱面または多角柱面を持つ
   ことを特徴とする無線アンテナ。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の無線アンテナにおいて、
   上記塊体の誘電率は、上記導波路の誘電率以上である
   ことを特徴とする無線アンテナ。
7. ミリ波帯または準ミリ波帯の信号を送受信可能な無線アンテナであって、
   誘電体で形成されたケーブル状の導波路と、誘電体で形成された１個以上の塊体を含み、
   上記導波路の誘電率は、上記導波路の周囲の誘電率よりも大きく、
   上記塊体は、上記導波路の近傍に位置する
   無線アンテナ。
8. ミリ波帯または準ミリ波帯の信号を送受信可能な無線アンテナであって、
   誘電体で形成されたケーブル状の導波路と、誘電体で形成された１個以上の塊体を含み、
   上記導波路の誘電率は、上記導波路の周囲の誘電率よりも大きく、
   上記導波路は分岐構造を持っており、
   上記塊体は、上記導波路上に、または、上記導波路の近傍に位置する
   無線アンテナ。
9. ミリ波帯または準ミリ波帯の信号を送受信可能な無線アンテナであって、
   誘電体で形成されたケーブル状の導波路と、誘電体で形成された１個以上の塊体を含み、
   上記導波路の誘電率は、上記導波路の周囲の誘電率よりも大きく、
   上記導波路は、電磁波を伝播できる媒体に接続しており、
   上記塊体は、上記導波路上に、または、上記導波路の近傍に位置する
   無線アンテナ。
10. 無線アンテナと通信端末とを含む無線通信システムであって、
    上記無線アンテナは、誘電体で形成されたケーブル状の導波路と、誘電体で形成された１個以上の塊体を含み、
    上記導波路の誘電率は、上記導波路の周囲の誘電率よりも大きく、
    上記塊体は、上記導波路上に位置しており、
    上記通信端末は、上記通信端末のアンテナで、上記塊体から放射された電磁波を受信し、
    上記塊体は、上記通信端末のアンテナからの電磁波を受信する
    ことを特徴とする無線通信システム。

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