JP2022151068A - アンテナ装置、通信装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】動作周波数を増大しつつ、より小型化が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、地板１と、線状給電素子６と、２つのマッシュルームセル２とを備える。線状給電素子６は、地板１と平行に配置された直線状の導体素子であって端部が給電回路と接続されている。各マッシュルームセル２は、地板１に平行な対向導体板３と当該対向導体板３の中心を地板１と電気的に接続する短絡部４とを組み合わせたマッシュルーム構造を有する。各マッシュルームセル２は、線状給電素子６に沿って並んで配置されている。【選択図】図１

Description

本開示は、メタマテリアルの応用技術である０次共振を利用したアンテナを備えたアンテナ装置、通信装置に関する。
特許文献１には、グランドとして機能する平板状の金属導体である地板と、当該地板に対向するように配置される平板状の金属導体であるパッチ部と、パッチ部の中央を地板に電気的に接続する短絡部と、を備える構造のアンテナが開示されている。この構造は、いわゆるマッシュルーム構造であり、メタマテリアルの基本構造と同じである。この種のアンテナ装置は、１つの側面において、メタマテリアル技術を応用したアンテナと解することができるため、メタマテリアルアンテナと称されることがある。
メタマテリアルアンテナでは、地板とパッチ部との間に形成される静電容量と、短絡部が備えるインダクタンスとによって、その静電容量とインダクタンスに応じた周波数において並列共振を生じさせる。なお、メタマテリアルの分散特性のうち、位相定数βがゼロ（０）となる周波数で共振する現象は０次共振と呼ばれる。位相定数βは、伝送線路を伝搬する波の伝搬係数γの虚部である。上記アンテナは、１つの側面において、所望の動作周波数において０次共振モードで動作するように設計されたアンテナと解することができる。故に、上記アンテナは０次共振アンテナとも称されることもある。
特許文献２には、メタマテリアルアンテナの動作周波数範囲の拡大を目的とした構成が開示されている。すなわち、特許文献２には、三角形のパッチ部と短絡部とを１セットとして備える６個のセルを全体として正六角形状となるように配置し且つその外側にループ状の導体部材であるループ部を配置した構成が開示されている。特許文献２の構成において給電点はループ部に設けられており、各セルにはループ部を介して給電される。なお、特許文献３には、特許文献２に開示の構成の改良版として、４個のセルとループを用いた構成が開示されている。
特開２０１７－５６６３号公報 特開２０１７－１５３０３２号公報 特開２０１９－１２９４３９号公報
アンテナ装置は小型化が要求されている。特許文献２－３に開示の構成によれば動作周波数の拡大効果が期待できるが、対象周波数で動作するセルを４個又は６個配置する必要があるとともに、ループ状の給電用導体が必要となる。そのため、サイズの観点で改善の余地があった。
本開示は、上記の着眼点に基づいて成されたものであり、その目的の１つは、動作周波数範囲を増大しつつ、より小型化が可能なアンテナ装置、通信装置を提供することにある。
ここに開示されるアンテナ装置は、平板状の導体部材である地板（１）と、非ループ状に形成されてあって任意の位置に給電点が設けられた、線状の導体部材である線状給電素子（６）と、導体部材を用いてなる第１マッシュルームセル（２Ａ）と、導体部材を用いてなる第２マッシュルームセル（２Ｂ）と、を備え、第１マッシュルームセル及び第２マッシュルームセルはそれぞれ、地板と所定の間隔をおいて配置された平板状の導体部材である対向導体板（３）と、対向導体板と地板とを電気的に接続する短絡部（４）と、を含み、短絡部が備えるインダクタンスと、地板と対向導体板とが形成する静電容量とを用いて所定の対象周波数で並列共振するように構成されており、線状給電素子は、複数の対向導体板のそれぞれと、所定の結合限界値未満の間隔を有するように配置されている。
上記構成において線状給電素子は各対向導体板との間隔が所定値未満となるように配置されていることによって対象周波数付近で電磁気的に結合する。そのため、各マッシュルームセルには線状給電素子を介して間接的に給電が行われることとなる。ただし、線状給電素子において、給電点から第１マッシュルームセルに至るまでの長さと、給電点から第２マッシュルームセルに至るまでの長さは相違する。そのため、各マッシュルームセルに接続する、線状給電素子由来のインダクタンス成分は微小量異なる。その結果、第１マッシュルームセルの共振周波数と第２マッシュルームセルの共振周波数もまた微小量（例えば対象周波数の５％程度）ずれる。その結果、装置全体としては動作帯域が広がる。また上記構成ではマッシュルームセルは少なくとも２つあればよく、４つ又は６つのマッシュルームセルを必要としない。加えて、線状給電素子もまたループ状である必要はない。故に上記構成によれば、動作周波数範囲を増大しつつ、より小型化が可能となる。
また、ここに開示される通信装置は、平板状の導体部材である地板（１）と、非ループ状に形成されてあって任意の位置に給電点が設けられた、線状の導体部材である線状給電素子（６）と、導体部材を用いてなる第１マッシュルームセル（２Ａ）と、導体部材を用いてなる第２マッシュルームセル（２Ｂ）と、所定の対象周波数の無線信号を送信又は受信するための信号処理を行う回路モジュール（９１）と、を備え、第１マッシュルームセル及び第２マッシュルームセルはそれぞれ、地板と所定の間隔をおいて配置された平板状の導体部材である対向導体板（３）と、対向導体板と地板とを電気的に接続する短絡部（４）と、を含み、短絡部が備えるインダクタンスと、地板と対向導体板とが形成する静電容量とを用いて対象周波数で並列共振するように構成されており、線状給電素子は、複数の対向導体板のそれぞれと、所定の結合限界値未満の間隔を有するように配置されている。
当該構成によれば、上記のアンテナ装置と同様の理由により、動作周波数を増大しつつ、より小型化が可能となる。
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、本開示の技術的範囲を限定するものではない。
アンテナ装置１００の外観斜視図である。 アンテナ装置１００の平面図である。 図１に示すＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面を概念的に示す図である。 図１に示すＩＶ－ＩＶ線に沿った断面を概念的に示す図である。 メタマテリアルアンテナの基本構成を説明するための図である。 メタマテリアルアンテナの基本構成の指向性を示す図である。 提案構成の等価回路図である。 提案構成において短絡部の半径を変化させたときの周波数ごとのＶＳＷＲを示す図である。 提案構成（ｒ＝５ｍｍ）における１．２ＧＨｚでの指向性を示す図である。 提案構成（ｒ＝５ｍｍ）における１．３ＧＨｚでの指向性を示す図である。 比較構成と提案構成とのＶＳＷＲ特性を並べて示す図である。 比較構成を説明するための図である。 第１変形構成を説明するための図である。 第１変形構成のＶＳＷＲ特性を示す図である。 第１変更構成に対応する比較構成を説明するための図である。 第１変形構成における１．１６ＧＨｚでの指向性を示す図である。 第１変形構成における１．３２ＧＨｚでの指向性を示す図である。 提案構成の他の構成例を示す図である。 提案構成の他の構成例を示す図である。 提案構成の他の構成例を示す図である。 提案構成の他の構成例を示す図である。 提案構成の他の構成例を示す図である。 提案構成の他の構成例を示す図である。 提案構成の他の構成例を示す図である。 提案構成の他の構成例を示す図である。 提案構成の他の構成例を示す図である。 提案構成の他の構成例を示す図である。 提案構成の他の構成例を示す図である。 第２変形構成を説明するための図である。 短絡部の半径を小さくするほどＶＳＷＲが３以下となる周波数が少なくなることを説明するための図である。 第２変形構成（ｒ＝１ｍｍ）のＶＳＷＲ特性を示す図である。 第２変形構成（ｒ＝１ｍｍ）の８１０ＭＨｚでの指向性を示す図である。 第２変形構成（ｒ＝１ｍｍ）の９３０ＭＨｚでの指向性を示す図である。 他の構成例を示す図である。 他の構成例を示す図である。 他の構成例を示す図である。 図３６に示すＸＸＸＶＩＩ－ＸＸＸＶＩＩ線に沿った断面を概念的に示す図である。 第３変形構成を説明するための図である。 図３８に示すＸＸＸＩＸ－ＸＸＸＩＸ線に沿った断面を概念的に示す図である。 第３変形構成におけるＶＳＷＲ特性を示す図である。 第３変形構成における指向性を試験した結果を示す図である。 他の構成例を示す図である。 第４変形構成を説明するための図である。 第４変形構成におけるＶＳＷＲ特性を示す図である。 第４変形構成の８２０ＭＨｚでの指向性を示す図である。 第４変形構成の９８０ＭＨｚでの指向性を示す図である。
以下、本開示の実施形態について図を用いて説明する。なお、以降において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。
＜前置き＞
本開示のアンテナ装置１００は、例えば、車両などの移動体に取り付けられて用いられる。アンテナ装置１００は、国際電気通信連合によって規定されている、産業及び科学などの分野で汎用的に使うために割り当てられた周波数の帯域（いわゆるＩＳＭバンド）に属する電波を送受信可能に構成されている。便宜上、アンテナ装置１００が送受信の対象とする帯域のことを対象周波数帯と称する。アンテナ装置１００は、送信と受信の何れか一方のみに利用されても良い。電波の送受信には可逆性があるため、或る周波数の電波を送信可能な構成は、当該周波数の電波を受信可能な構成でもある。以下における送受信との記載は送信と受信の少なくとも何れか一方を意味する。
送受信の対象とする帯域の中心周波数である主対象周波数は、ここでは一例として１．３ＧＨｚとする。アンテナ装置１００は、主対象周波数だけでなく、主対象周波数を基準として定まる所定範囲内の周波数の電波もまた送受信可能である。例えばアンテナ装置１００は、後述するように１．２ＧＨｚから１．４ＧＨｚまでの帯域（以降、１．３ＧＨｚ帯）に属する周波数を送受信可能に構成されている。
もちろん、主対象周波数は適宜設計されれば良く、他の態様として例えば７６０ＭＨｚや、８５０ＭＨｚ、９００ＭＨｚ、１．１７ＧＨｚ、１．２８ＧＨｚ、１．５５ＧＨｚ、２．４ＧＨｚ、５．９ＧＨｚ等としてもよい。例えば、アンテナ装置１００は、Bluetooth Low Energy（Bluetoothは登録商標）や、Wi-Fi（登録商標）等といった、近距離無線通信で使用される周波数帯の電波を送受信可能に構成されていてもよい。また、アンテナ装置１００は、ＵＷＢ－ＩＲ（Ultra Wide Band - Impulse Radio）通信で使用される周波数帯で動作するように設計されていても良い。
以降における「λ」は、主対象周波数の電波の波長（以降、対象波長とも記載）を表す。例えば「λ／２」及び「０．５λ」は対象波長の半分の長さを指し、「λ／４」及び「０．２５λ」は対象波長の４分の１の長さを指す。なお、真空中及び空気中における１．３ＧＨｚの電波の波長（つまりλ）は２３０．６ｍｍである。以下の部材の寸法は、１．３ＧＨｚを想定した場合の一例であって、主対象周波数に応じて変更可能である。周波数と波長は反比例の関係にあるため、例えば、２．６ＧＨｚを主対象周波数とする場合には、以下に例示する寸法を１／２倍した値を目安として本開示を実施する事ができる。実効的な波長は誘電体による短縮効果を受けることを踏まえて、各部材の寸法は調整されうる。
当該アンテナ装置１００は、例えばケーブルを介して、車両に搭載されている通信用のＥＣＵ（Electronic Control Unit）と接続されて使用される。アンテナ装置１００が受信した信号は、通信用ＥＣＵに逐次出力される。また、アンテナ装置１００は通信用ＥＣＵから入力される信号に基づいて動作し、電波を放射する。通信用ＥＣＵ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に対して送信信号を入力する装置である。
ここでは一例としてアンテナ装置１００と通信用ＥＣＵとは、ＡＶ線で接続する場合を想定して説明する。ＡＶ線は、自動車用低圧電線であって、軟銅より線を例えば塩化ビニルなどの絶縁材料で被覆することによって実現されている。ＡＶ線の「Ａ」は自動車用低圧電線を指し、「Ｖ」はビニルを指す。アンテナ装置１００に接続するＡＶ線としては、接地電位を提供するためのＡＶ線である接地用ケーブルと、信号が流れるＡＶ線である信号用ケーブルとがある。なお、アンテナ装置１００と通信用ＥＣＵとの接続ケーブルとしては、自動車用薄肉低圧電線（ＡＶＳＳケーブル）や、自動車用圧縮導体超薄肉塩化ビニル絶縁低圧電線（ＣＩＶＵＳケーブル）なども採用可能である。ＡＶＳＳの「ＳＳ」は極薄肉型を指す。ＣＩＶＵＳの「Ｃ」は圧縮導体型、「Ｉ」はＩＳＯ規格、「Ｖ」はビニル、「ＵＳ」は超極薄肉型を指す。また、アンテナ装置１００と通信用ＥＣＵとを接続するケーブルとしては同軸ケーブルやフィーダ線など、その他の通信ケーブルを用いて接続しても良い。
本開示での「平行」とは完全な平行状態に限らない。数度から１５度程度傾いていても良い。つまり概ね平行である状態（いわゆる略平行な状態）を含みうる。本開示における「垂直」という表現についても、完全に垂直な状態に限らず、数度～１５度程度傾いている態様も含まれる。本開示において対向とは、所定の間隔を有して向き合っている状態を示す。
＜アンテナ装置１００の具体的な構成について＞
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等に示すように、地板１、第１マッシュルームセル２Ａ、第２マッシュルームセル２Ｂ、支持部５、及び、線状給電素子６を備える。便宜上、図１～図４に示すアンテナ装置１００は、別途後述する基本構成２００や比較構成３００と区別するために、提案構成とも称する。
第１マッシュルームセル２Ａ及び第２マッシュルームセル２Ｂはそれぞれ、対向導体板３と、対向導体板３の中央領域を地板１と電気的に接続する短絡部４とを備える。このような構造は、メタマテリアルの基本構造であるマッシュルーム構造に相当する。第１マッシュルームセル２Ａ及び第２マッシュルームセル２Ｂは、以下に説明の通り、地板１との協働によりメタマテリアルアンテナとして動作するように設定されている。なお、図２では地板１を明示するために、支持部５の図示を省略している。第１マッシュルームセル２Ａと第２マッシュルームセル２Ｂを区別しない場合にはこれらをマッシュルームセル２と記載する。マッシュルームセル２は、共振器あるいは共振構造体と呼ぶこともできる。
便宜上、第１マッシュルームセル２Ａが備える対向導体板３と、第２マッシュルームセル２Ｂが備える対向導体板３とを区別する場合、第１マッシュルームセル２Ａが備える対向導体板３のことを第１対向導体板３Ａと記載する。また、第２マッシュルームセル２Ｂが備える対向導体板３のことを第２対向導体板３Ｂと記載する。第１短絡部４Ａとの記載は第１マッシュルームセル２Ａの短絡部４を指し、第２短絡部４Ｂとの記載は第２マッシュルームセル２Ｂの短絡部４を指す。第１マッシュルームセル２Ａが備える要素と、第２マッシュルームセル２Ｂが備える要素とを区別しない場合には単に対向導体板３、短絡部４と記載する。
本実施形態では一例として第１対向導体板３Ａと第２対向導体板３Ｂは、同一形状に構成されている。また第１短絡部４Ａと第２短絡部４Ｂも同一形状とする。
第１マッシュルームセル２Ａと第２マッシュルームセル２Ｂは、所定の間隔Ｄａｂをおいて所定の並列方向に沿って地板１の上側に形成されている。図１等の種々の図に示すＸ軸は、第１マッシュルームセル２Ａと第２マッシュルームセル２Ｂが並ぶ方向である並列方向を表している。つまりＸ軸方向が並列方向に対応する。また、Ｘ軸はアンテナ装置１００にとっての高さ方向を示している。Ｙ軸は、Ｘ軸及びＺ軸に直交する軸である。Ｙ軸方向が幅方向に対応する。これらＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を備える３次元座標系は、アンテナ装置１００の構成を説明するための概念である。以降では適宜Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を用いてアンテナ装置１００の構成について説明する。
地板１は、銅などの導体を素材とする板状の導体部材である。地板１は、後述する板状の支持部５の下側面に沿って設けられている。ここでの板状には金属箔のような薄膜状も含まれる。つまり、地板１はプリント配線板等の樹脂製の板の表面に電気メッキ等によってパターン形成されたものでもよい。また、地板１は、複数の導体層及び絶縁層を含む多層基板の内部に配置された導体層を用いて実現されていても良い。この地板１は、例えば電源回路などを介して接地用のケーブルと電気的に接続され、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。
地板１は、上面視において第１対向導体板３Ａ及び第２対向導体板３Ｂなどを内包する大きさを有する。地板１は、長方形状に形成されている。Ｘ軸方向は地板１の長手方向に相当し、Ｙ軸は地板１の短手方向に相当する。地板１の短辺の長さは、例えば、電気的に０．４λに相当する値に設定されている。また、地板１の長辺の長さは、電気的に１．２λ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。当該構成は、短手方向の長さが対象波長よりも短く、かつ、長手方向の長さは短手方向の２倍以上に設定された構造に相当する。なお、地板１の短辺の長さは、０．６λや、０．８λなどであってもよい。地板１の長手方向の長さは、１．０λや、１．５λなどであってもよい。なお、漏洩電流抑制、動作安定性、又はその他の観点において、地板１の各辺は、例えば０．７５λ以上の長さを有していることが好ましい。
なお、地板１の寸法は適宜変更可能である。また、地板１を上側から見た形状（以降、平面形状）は適宜変更可能である。地板１は上面視において各対向導体板の略全面と重なる大きさ／形状を有していればよい。ここでは一例として地板１の平面形状を長方形状とするが、他の態様として地板１の平面形状は、円形や、正方形状であってもよい。また、六角形や、八角形など、その他の多角形状であってもよい。矩形状との表現には、長方形と正方形とが含まれる。円形との表現には真円だけでなく楕円形も含めることができる。なお、地板１から対向導体板３に向かう方向、すなわちＺ軸正方向がアンテナ装置１００にとっての上方向に相当する。
各対向導体板３は、銅などの導体を素材とする板状の導体部材である。ここでの板状には、前述の通り、銅箔などの薄膜状も含まれる。対向導体板３は、支持部５を介し、地板１と対向するように配置されている。対向導体板３もまた地板１と同様にプリント配線板等の、樹脂製の板の表面にパターン形成されたものでもよい。
各対向導体板３は、地板１と対向するように配置されることで、対向導体板３の面積、及び、対向導体板３と地板１との間隔に応じた静電容量を形成する。対向導体板３は、短絡部４が備えるインダクタンスと主対象周波数において並列共振する静電容量を形成する大きさに形成されている。対向導体板３の面積は、所望の静電容量を提供するように適宜設計されればよい。所望の静電容量とは、短絡部４のインダクタンスとの協働により主対象周波数で動作する静電容量である。なお、動作周波数をｆ、短絡部４が備えるインダクタンスをＬｓ、対向導体板３が地板１との間に形成する静電容量をＣとすると、ｆ≒１／｛２π√（Ｌｓ・Ｃ）｝の関係が成り立つ。当業者であれば、当該関係式をもとに、適正な対向導体板３の面積を決定することができる。
例えば対向導体板３は、一辺が電気的に６０ｍｍの正方形状に形成されている。なお、６０ｍｍという値は、電気的に約０．２５λに相当する。もちろん、対向導体板３の一辺の長さは適宜変更可能であり、２０ｍｍや、３０ｍｍ、４０ｍｍなどであっても良い。対向導体板３の寸法は、対象波長や、誘電体の支持部５が提供する波長短縮効果などを鑑みて決定されうる。なお、対向導体板３の平面形状は、円形や、正八角形、正六角形などであってもよい。また、対向導体板３は、長方形状や長楕円形などであってもよい。
第１対向導体板３Ａと第２対向導体板３Ｂは、Ｘ軸方向に沿うように所定の間隔をおいて並んでいる。第１対向導体板３ＡのＸ軸正方向側の縁部と、第２対向導体板３ＢのＸ軸負方向側の縁部は互いに平行である。第１対向導体板３Ａと第２対向導体板３Ｂとの間隔である導体板間隔Ｄａｂは例えば０．２ｍｍ～３ｍｍなどに設定されている。
導体板間隔Ｄａｂ及び対向導体板３の寸法は、図２に示す中心間距離Ｄｃｎがλ／４の奇数倍とならないように設定されている。中心間距離Ｄｃｎは、第１対向導体板３Ａの中心から第２対向導体板３Ｂの中心までの距離に相当する。なお、対向導体板３の中心とは、例えば対向導体板３が正方形状や長方形状である場合には、対角線の交点に相当する。本開示では対向導体板３の中心のことを以降では導体板中心とも記載する。なお、対向導体板３が三角形である場合には、その内心を中心として採用することができる。三角形の対向導体板３の中心は、垂心や外心であってもよい。対向導体板３の中心は幾何的に決定される。
中心間距離Ｄｃｎがλ／４の奇数倍ではない状態とは、λ／４の奇数倍となる値からさらにλ／４０以上離れた値となっている状態を指す。中心間距離Ｄｃｎが１／λの奇数倍となると、特許文献１に開示のように第２マッシュルームセル２Ｂが第１マッシュルームセル２Ａにとって反射素子として作動する恐れが生じる。中心間距離Ｄｃｎが１／λの奇数倍とならないように調整することで、指向性に偏りが生じることを抑制することができる。
また、導体板間隔Ｄａｂは、第１対向導体板３Ａと第２対向導体板３Ｂとが高周波的に結合する値に設定されていることが好ましい。高周波的な結合とは、１つの局面において、主対象周波数において容量結合することを指す。例えば導体板間隔Ｄａｂは０．２ｍｍや０．５ｍｍ、１．０ｍｍなど、３ｍｍ以下に設定されている。上記構成は、別の観点によれば、対向導体板３の２倍の長さを有する矩形状の導体パターンを、導体板間隔Ｄａｂ相当の幅を有するスリットで２分割した構成に相当する。なお、主対象周波数において結合する間隔の上限値である結合限界値としては、例えば０．０１λ～０．０２λ程度の値が想定される。以降における「近接」とは、非接触であって、且つ、間隔が結合限界値未満の状態で互いに平行である配置態様を指す。
各短絡部４は、地板１と対向導体板３とを電気的に接続する導電性の部材である。短絡部４は、導電性のピン（以降、ショートピン）を用いて実現されれば良い。短絡部４としてのショートピンの径や長さを調整することによって、短絡部４が備えるインダクタンスを調整することができる。短絡部４の半径（ｒ）は、例えば５ｍｍに設定されている。もちろん、半径は１ｍｍや３ｍｍであってもよい。
なお、短絡部４は、一端が地板１と電気的に接続され、他端が対向導体板３と電気的に接続された線状の部材であればよい。アンテナ装置１００がプリント配線板を基材として用いて実現される場合には、プリント配線板に設けられたビアを短絡部４として利用することができる。
短絡部４は、例えば導体板中心に位置するように設けられている。なお、短絡部４の形成位置は、厳密に導体板中心と一致している必要はない。短絡部４は導体板中心から数ｍｍ程度ずれていてもよい。短絡部４は、対向導体板３の中央領域に形成されていれば良い。対向導体板３の中央領域とは、導体板中心から縁部までを１：５に内分する点を結ぶ線よりも内側の領域を指す。中央領域は、別の観点によれば、対向導体板３を６分の１程度に相似縮小した同心図形が重なる領域に相当する。
支持部５は、地板１と対向導体板３とを、所定の間隔をおいて互いに対向配置するための板状部材である。支持部５は矩形平板状であり、支持部５の大きさは平面視において地板１とほぼ同じ大きさである。支持部５は、例えばガラスエポキシ樹脂など、所定の比誘電率を有する誘電体を用いて実現されている。ここでは一例として支持部５は比誘電率４．３のガラスエポキシ樹脂（換言すれば、ＦＲ４：Flame Retardant Type 4）を用いて実現されている。
本実施形態では一例として支持部５の厚さは、例えば６．０～７．０ｍｍ程度に設定されている。支持部５の厚さは、地板１と対向導体板３との間隔Ｈに対応する。支持部５の厚さを調整することで、対向導体板３と地板１との間隔Ｈを調整することができる。支持部５の厚さの具体的な値は、シミュレーションや試験によって適宜決定されれば良い。もちろん、支持部５の厚さは、３．０ｍｍや、５．０ｍｍなどであってもよい。
なお、支持部５は前述の役割を果たせればよく、支持部５の形状は適宜変更可能である。対向導体板３を地板１に対向配置するための構成は、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と対向導体板３の間は、支持部５としての樹脂が充填された構成を採用するが、これに限らない。地板１と対向導体板３の間は、中空や真空となっていてもよい。支持部５としては、ハニカム構造などを採用することもできる。さらに、以上で例示した構造が組み合わさっていてもよい。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、対向導体板３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５として利用してもよい。
支持部５の厚さは、短絡部４の長さを調整するパラメータ、換言すれば、短絡部４が提供するインダクタンスを調整するパラメータとして機能する。加えて支持部５の厚さは、地板１と対向導体板３とが対向することによって形成される静電容量を調整するパラメータとしても機能する。
線状給電素子６は、各対向導体板３に対して間接的に給電するための線状導体である。ここでは一例として線状給電素子６は、Ｘ軸方向に伸びる直線状の導体である。線状給電素子６は、支持部５の上側面４１において、第１対向導体板３Ａ及び第２対向導体板３ＢのＹ軸負方向側に形成されている。すなわち、線状給電素子６は、第１対向導体板３Ａ及び第２対向導体板３ＢのそれぞれのＹ軸負方向側の縁部と、所定の結合限界値以下の間隔を有するようにパターン形成されている。線状給電素子６と各対向導体板３との間隔Ｄ６３は、例えば０．５ｍｍや１．０ｍｍなど、１．５ｍｍ未満に設定されている。
当該配置態様は、別の観点によれば、線状給電素子６に沿うように第１マッシュルームセル２Ａ及び第２マッシュルームセル２Ｂを並べた態様に相当する。なお、線状給電素子６は、各対向導体板３と高周波結合するように、各対向導体板３の少なくとも一部と近接するように形成されていればよく、配置態様は適宜変更可能である。
便宜上、線状給電素子６が備える２つの端部のうち、Ｘ軸負方向側の端部を第１端部６１と称するとともに、反対側の端部を第２端部６２と称する。また、各対向導体板３において、線状給電素子６と近接する縁部のことを給電素子近接縁３１とも記載する。図１等に示す例では、各対向導体板３が備えるＸ軸に平行な２つの縁部のうち、相対的にＹ軸負方向側の縁部が給電素子近接縁３１に相当する。
線状給電素子６の一端、例えばＸ軸負方向側の端部（つまり第１端部６１）には、給電点が形成されている。給電点は、送受信回路の信号用端子と線状給電素子６とが、例えばマイクロストリップ線路などを含む配線パターンを介して、電気的に接続される部分である。給電点は、電源又は給電線との接続箇所と解することができる。給電点は、線状給電素子６上の任意の位置に配置可能である。給電点は、線状給電素子６において、第１マッシュルームセル２Ａと対向する区間に設けられていることが好ましい。給電点に対して近いほうのマッシュルームセル２が第１エレメントと解することができる。
なお、線状給電素子６への給電方式としては、直結給電方式や電磁結合方式など多様な方式を採用可能である。直結給電方式は、線状給電素子６と送受信回路の信号用端子とが配線パターンやビアなどの導体を介して電気的に直接接続される方式を指す。電磁結合方式は、給電用のマイクロストリップ線路等と線状給電素子６との電磁結合を利用した給電方式を指す。
線状給電素子６の長さ、換言すれば第１端部６１と第２端部６２の位置は、各対向導体板３への間接的な給電が可能な範囲において、適宜変更可能である。ここでは一例として線状給電素子６は、第１対向導体板３ＡのＸ軸負方向側の角部から第２対向導体板３ＢのＸ軸正方向側の角部まで形成されているものとする。線状給電素子６は、第１端部６１が第１対向導体板３Ａの中心よりもＸ軸負方向側に位置し、かつ、第２端部６２が第２対向導体板３Ｂの中心よりもＸ軸正方向側に位置していることが好ましい。
なお、線状給電素子６は各対向導体板３の周りに配置されていればよく、他の構成例として別途後述するように、線状給電素子６は、Ｌ字型であってもよいし、枝部などを有していてもよい。また、線状給電素子６は、対向導体板３の下側や上側に配置されていてもよい。第２端部６２は開放端となっていても良いし、所定の抵抗値を有する抵抗素子で終端されていても良い。
＜メタマテリアルアンテナの基本構成とその作動について＞
アンテナ装置１００の作動を説明する前に、ここでは図５、図６を用いて、メタマテリアルアンテナの基本構成２００とその動作原理について説明する。図５はメタマテリアルアンテナの基本構成２００を示したものであって、地板１と対向導体板３と短絡部４とを備える。給電点は、対向導体板３においてインピーダンス整合を取ることができる位置に配置される。ここでのインピーダンス整合とは、信号を送り出す側のインピーダンス値と信号を受け取る側のインピーダンス値を略同一とすることを指す。
メタマテリアルアンテナは、メタマテリアルの分散特性のうち、位相定数βがゼロとなる周波数で共振する現象である０次共振を利用したアンテナである。メタマテリアルアンテナにおいては、地板１と対向導体板３との間に形成される静電容量と、短絡部４が備えるインダクタとのＬＣ並列共振によって動作することを特徴とする。
対向導体板３は、短絡部４が備えるインダクタと所望の周波数（動作周波数）において並列共振するキャパシタを形成する面積を有するように設計されている。また、対向導体板３は、その中央領域に設けられた短絡部４で地板１に短絡されている。なお、インダクタの値（インダクタンス）は、短絡部４の各部寸法、たとえば径およびＺ方向長さに応じて定まる。
このため、動作周波数の電力が給電されると、インダクタとキャパシタとの間のエネルギー交換によって並列共振が生じ、地板１と対向導体板３との間に、地板１に対して垂直な電界が発生する。すなわち、Ｚ軸方向の電界が発生する。この垂直電界は、短絡部４から対向導体板３の縁部に向かって伝搬していき、対向導体板３の縁部において垂直偏波となって空間を伝搬していく。なお、ここでの垂直偏波とは、電界の振動方向が地板１や対向導体板３に対して垂直な電波を指し、地板垂直偏波と呼ぶこともできる。
図６は基本構成２００について、電磁界シミュレーションを行った結果を示している。ＬＣ並列共振によって生じる垂直電界の伝搬方向は、短絡部４を中心として対称であるため、アンテナ水平面における全方位に対して同程度の利得を有する。換言すれば、１つのメタマテリアルアンテナは、対向導体板３の中央領域から縁部に向かう全方向に指向性を有する。特に、地板１が水平となるように配置されている場合、メタマテリアルアンテナは水平方向に対して指向性を有する。
なお、ここでのアンテナ水平面とは、地板１及び対向導体板３に平行な平面を指す。以降では、対向導体板３の中心からその縁部に向かう方向を、アンテナ水平方向とも称する。アンテナ水平方向は、別の観点によれば、Ｚ軸方向に対して直交する方向であって、Ｘ軸方向やＹ軸方向を含む。アンテナ水平方向は、端的に言えば、アンテナ装置にとっての横方向（換言すれば側方）に相当する。
また、アンテナが電波を送信（放射）する際の作動と、電波を受信する際の作動は、互いに可逆性を有する。以上では電波を放射する際を例にとって説明したが、上記構成によれば、アンテナ水平方向から到来する垂直偏波を受信できる。
ところで、メタマテリアルアンテナの他に地板に対向する金属板を用いたアンテナとしては、パッチアンテナや板状逆Ｆアンテナがある。パッチアンテナや板状逆Ｆアンテナは電流の経路長がλ／４の整数倍となることで生じる共振現象を利用するアンテナであって、メタマテリアルアンテナとは動作原理からして異質なものである。また、パッチアンテナや板状逆Ｆアンテナは動作原理上、放射素子がλ／４の整数倍となる寸法を有する必要がある一方、メタマテリアルアンテナは対向導体板３がλ／４の整数倍の長さを有することを必要としない。さらに、指向性の観点においてもメタマテリアルアンテナは、パッチアンテナ及び板状逆Ｆアンテナとは異質である。すなわち、パッチアンテナや板状逆Ｆアンテナは地板に対して垂直な方向（つまり上方向）にビームを形成するのに対し、メタマテリアルアンテナは、基本的にアンテナ上方向ではなくアンテナ横方向にビームを形成する。このように動作原理及び指向性などの観点から、メタマテリアルアンテナは、パッチアンテナ及び板状逆Ｆアンテナとは異質なものである。
＜アンテナ装置１００の動作について＞
上記のメタマテリアルアンテナの基本構成２００等を踏まえ、ここでは提案構成としてのアンテナ装置１００の動作を説明する。上記構成において給電点は線状給電素子６に設けられており、且つ、線状給電素子６は各対向導体板３と近接配置されている。そのため、線状給電素子６から第１対向導体板３Ａ、第１短絡部４Ａを通って地板１に至る経路と、線状給電素子６から第２対向導体板３Ｂ、第２短絡部４Ｂを通って地板１に至る経路のそれぞれで電流が流れる。つまり、各マッシュルームセル２には線状給電素子６を介して間接的に給電が行われる。
ここで、各マッシュルームセル２の対向導体板３は、それぞれその中央領域に設けられた短絡部４で地板１に短絡されており、かつ、対向導体板３の面積は、短絡部４が備えるインダクタンスと主対象周波数においてＬＣ並列共振する静電容量を形成する面積となっている。
このため、線状給電素子６を介して主対象周波数の電力が供給されると、各マッシュルームセル２ではＬＣ並列共振が生じ、それぞれがメタマテリアルアンテナとして動作する。すなわち、地板１と対向導体板３との間に、地板１および対向導体板３に対して垂直な電界を形成し、アンテナ水平方向に向けて地板垂直偏波を放射する。
図７は図１等に示すアンテナ装置１００の等価回路である。図７に示すＺＳＬ１及びＺＳＬ２は、線状給電素子６のインピーダンスである。具体的に、ＺＳＬ１は、線状給電素子６のうち、第１マッシュルームセル２Ａが励振する際に電流が流れる区間のインピーダンスを表す。また、ＺＳＬ２は、線状給電素子６のうち、第２マッシュルームセル２Ｂが励振する際に電流が流れる区間のインピーダンスから、ＺＳＬ１を差し引いたパラメータに相当する。Ｃｇ１は、線状給電素子６と第１対向導体板３Ａとの間隙によるキャパシタンスを表しており、Ｃｇ２は、線状給電素子６と第２対向導体板３Ｂとの間隙によるキャパシタンスを表している。Ｃｅは、第１対向導体板３Ａと第２対向導体板３Ｂとの間隙によるキャパシタンスを表している。Ｌｅ１は、第１対向導体板３Ａにおいて電流が線状給電素子６から第１短絡部４Ａまで流れる経路のインダクタンスを表している。Ｌｅ２は、第２対向導体板３Ｂにおいて電流が線状給電素子６から第２短絡部４Ｂまで流れる経路のインダクタンスを表している。Ｌｖ１は、第１短絡部４Ａのインダクタンスを表している。Ｌｖ２は、第２短絡部４Ｂのインダクタンスを表している。Ｃ１は、第１対向導体板３Ａと地板１とによって形成されるキャパシタンスを表している。Ｃ２は、第２対向導体板３Ｂと地板１とによって形成されるキャパシタンスを表している。
図７に示すように第１マッシュルームセル２Ａと第２マッシュルームセル２Ｂとでは電流が流れる経路が異なる。そのため、第１マッシュルームセル２Ａが主体的に動作するモードと、第２マッシュルームセル２Ｂが主体的に動作するモードとで、線状給電素子６に由来するインダクタンス成分やキャパシタンスが微小量異なる。これに伴い、第１マッシュルームセル２Ａと第２マッシュルームが良好となりうる共振周波数は微量相違する。第１マッシュルームセル２Ａと第２マッシュルームセル２Ｂの共振周波数が微量ずれることにより、主対象周波数を中心に、全体としての動作帯域が広がるように作用する。ここでの微量とは、例えば主対象周波数の１５％以下、すなわち２００ＭＨｚ以下を指す。より具体的には、第１マッシュルームセル２Ａと第２マッシュルームセル２Ｂの共振周波数は、１０ＭＨｚ～１００ＭＨｚ程度相違しうる。
加えて、第１対向導体板３Ａと第２対向導体板３Ｂは電磁気的に（高周波的に）結合するように近接配置されている。当該構成も一因となって、第１マッシュルームセル２Ａと第２マッシュルームセル２Ｂを含む全体において、電波放射に寄与する部分は、周波数に応じて連続的に変化する。その結果、基本構成２００に比べて動作周波数は広帯域化しうる。なお、各マッシュルームセル２は、その共振周波数よりも低い周波数においては容量性リアクタンスとして作用し、共振周波数より高い周波数では誘導性リアクタンスとして作用する。２つのマッシュルームセル２の共振周波数は、仮に両者が完全に同一の寸法であっても前述の通り、給電経路の違いにより、共振周波数は微量に相違する。よって、周波数によっては片方のマッシュルームセル２に、他方のマッシュルームセル２が誘導性又は容量性インダクタンスとして並列接続しているように振る舞う。その結果、動作帯域はより一層増大しうる。
図８は、提案構成において第１対向導体板３Ａ及び第２対向導体板３Ｂの寸法を一定としつつ、短絡部４の半径ｒを変更した場合の周波数毎の電圧定在波比（ＶＳＷＲ：Voltage Standing Wave Ratio）の測定結果を示すグラフである。なお、半径ｒを変更することは、Ｌｖ１及びＬｖ２を変更することに対応する。
図８に示すグラフの横軸は周波数を表しており、縦軸はＶＳＷＲを表している。点線がｒ＝１ｍｍの周波数毎のＶＳＷＲを表しており、破線がｒ＝３ｍｍの周波数毎のＶＳＷＲを、実線がｒ＝５ｍｍの周波数毎のＶＳＷＲを、それぞれ示している。
図８に示すように、短絡部４の半径ｒが小さいほど、ＶＳＷＲが劣化することがわかる。これは半径が小さくなるほど、インピーダンスのミスマッチングが増大することが要因として想定される。また、半径ｒを１ｍｍ、３ｍｍ、及び５ｍｍの何れかとする構成の中ではｒ＝５ｍｍとする構成において最もＶＳＷＲ特性が良好となり、広帯域で動作することがわかる。
なお、通信用のアンテナの技術分野では一般的に、ＶＳＷＲが３以下となる範囲が実用可能な周波数と見なされる事が多い。そのような当技術分野において慣用されている基準に則れば、提案構成は、主対象周波数用のアンテナとして十分に実用可能なレベルで動作することがわかる。また、提案構成によれば、１．２ＧＨｚ～１．４ＧＨｚまでの周波数帯で、ＶＳＷＲが３以下となる。つまり、２００ＭＨｚ程度の動作帯域を実現できる。ここでの動作帯域とは、信号の送受信に使用可能な周波数帯であって、便宜上、ＶＳＷＲが３以下となる周波数の範囲を指すものとする。
また、図９及び図１０は短絡部４の半径ｒ＝５ｍｍとした提案構成の、ＸＹ平面における指向性を示す図である。図９は１．２ＧＨｚでの指向性を示しており、図１０は１．３ＧＨｚでの指向性を示している。図９、図１０に示すように、提案構成においても、Ｘ軸方向において偏りは生じるものの、基本構成２００と同様にアンテナ水平方向の全方位に対して放射が得られる事がわかる。
また、図１１は、提案構成のＶＳＷＲを、２種類の比較構成３００ａ、３００ｂのＶＳＷＲと比較して示したグラフである。比較構成３００ａは、図１２の（Ａ）に示すように、提案構成から線状給電素子６を除去し、且つ、第１対向導体板３Ａにおいてインピーダンス整合がとれる位置に給電点を設けた構成である。比較構成３００ｂは、直線状の線状給電素子６の代わりに、２つの対向導体板３を囲むようにループ状の導体素子であるループ部Ｒｐを配置し、当該ループ部に給電点を設けた構成である。
提案構成と比較構成３００ａ、３００ｂとは上記相違点以外の他の構成、例えば対向導体板３の寸法や短絡部４の半径等は同じである。例えば第１対向導体板３Ａと第１対向導体板３Ａは同一寸法である。なお、何れの構成も短絡部４の半径ｒは５ｍｍに設定されている。図１２でも地板１を明示するために支持部５の図示を省略している。
図１１に示すグラフにおける実線は提案構成でのＶＳＷＲを示している。図１１のグラフ中の破線は比較構成３００ａでのＶＳＷＲを示しており、点線は比較構成３００ｂでのＶＳＷＲを示している。図１１に示すように、比較構成３００ａでは主対象周波数の１１．７％程度の動作帯域が実現される一方、提案構成によれば、主対象周波数の１５．６％程度の動作帯域が実現される。このように提案構成によれば比較構成３００ａよりも動作帯域を拡張することができる。
なお、比較構成３００ａにおいても、第２マッシュルームセル２Ｂが第１マッシュルームセル２Ａと電磁気的に結合することで、第２マッシュルームセル２Ｂも電波を放射しうる。その際、第１マッシュルームセル２Ａと第２マッシュルームセル２Ｂとでは給電点からの短絡部４までの経路が異なるため、共振周波数が微量相違する。その結果、比較構成３００においても基本構成２００より動作帯域を拡張させることができる。ただし、第１マッシュルームセル２Ａに給電点が設けられていることに起因して、第２マッシュルームセル２Ｂが励振しにくい。その結果、比較構成３００では提案構成ほどの帯域拡張効果は得られない。
また、比較構成３００ｂでは１．２６ＧＨｚ付近でループ部と対向導体板３との間隙に電界が集中し、反共振が生じてしまう。これに対し提案構成によれば反共振が生じることなく、約１１８０ＭＨｚから約１３８０ＭＨｚまで連続的にＶＳＷＲを３以下に抑制する事ができる。
＜提案構成の効果について＞
上記提案構成は、１つの局面において、マッシュルームセル２を２つ並べ、それらの近傍に配置した非ループ状の線状給電素子６を介して間接的に各マッシュルームセル２に給電する構成に相当する。当該提案構成によれば、２つのマッシュルームセル２がそれぞれ電流経路の違いに由来して僅かに異なる周波数で動作するとともに、全体としての動作帯域は各マッシュルームセル２の動作帯域が結合した範囲となる。故に、基本構成２００に比べて主対象周波数を中心として動作帯域を拡張することができる。比較構成３００よりも動作帯域を増大することができる。
さらに、本開示の提案構成によれば、複数の対向導体板を囲むようにループ状の線状導体を配置する必要がない。故に、給電用の線状素子の長さを短くすることができ、製造コストを低減可能となる。また、複数の対向導体板を囲むようにループ状の線状導体を配置する必要がないため、全体としてのサイズを抑制可能となる。
以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示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補足事項や変形例も本開示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。例えば下記の種々の補足や変形例などは、技術的な矛盾が生じない範囲において適宜組み合わせて実施することができる。なお、以上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ことがある。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上記説明を適用することができる。
＜第２マッシュルームセル２Ｂの構造についての補足＞
上述した１つの実施形態では第１対向導体板３Ａと第２対向導体板３Ｂを同一寸法とする構成を開示したがこれに限らない。第１対向導体板３Ａと第２対向導体板３Ｂは異なる大きさであってもよい。
例えば図１３に示すように、第２対向導体板３ＢのＸ軸方向の長さである第２横長Ｗｘ２は第１対向導体板３ＡのＸ軸方向の長さである第１横長Ｗｘ１よりも長く設定されていても良い。なお、図１３に示すＷｙ１は、第１対向導体板３ＡのＹ軸方向の長さである第１縦長を表し、Ｗｙ２は、第２対向導体板３ＢのＹ軸方向の長さである第２縦長を表している。図１３に示す例ではＷｙ１＝Ｗｙ２とした構成を示している。
より具体的には、アンテナ装置１００は、Ｗｘ１＝５０ｍｍ、Ｗｘ２＝７０ｍｍ、Ｗｙ１＝Ｗｙ２＝６０ｍｍとすることができる。なお、前述の実施形態として開示の提案構成は、Ｗｘ１＝Ｗｘ２＝Ｗｙ１＝Ｗｙ２＝６０ｍｍとした構成に相当する。便宜上、Ｗｘ１＝５０ｍｍ、Ｗｘ２＝７０ｍｍ、Ｗｙ１＝Ｗｙ２＝６０ｍｍとした図１３に示す構成を第１変形構成と称する。対向導体板３と地板１との間隔は例えば６．０ｍｍなど、支持部５の比誘電率に応じた値が設定される。
図１４は、第１変形構成と、前述の提案構成と、第１変形構成に対する比較構成３００のそれぞれにおけるＶＳＷＲの測定結果を示すグラフである。図１４に示す実線は第１変形構成におけるＶＳＷＲを示し、一点鎖線は提案構成におけるＶＳＷＲを示す。破線は、第１変形構成に対応する比較構成３００でのＶＳＷＲを示す。
第１変形構成に対応する比較構成３００とは、図１５に示すように第１変形構成から線状給電素子６を除去し、且つ、第１対向導体板３Ａのインピーダンス整合がとれる位置に給電点を設けた構成である。第１変形構成に対応する比較構成３００と第１変形構成とは、上記相違点以外の部分、例えば対向導体板３の寸法や短絡部４の半径等は同じである。図１４に示すシミュレーションにおいては、Ｗｘ１＝５０ｍｍ、Ｗｘ２＝７０ｍｍ、Ｗｙ１＝Ｗｙ２＝６０ｍｍ、ｒ＝５ｍｍに設定している。
図１４に示すように第１変形構成によれば提案構成よりもさらに動作帯域を拡大することができる。具体的には提案構成の動作帯域が主対象周波数の１５．６％程度であったのに対し、第１変形構成によれば動作帯域を主対象周波数の約２０％（２０．８％）まで拡大することができる。その要因としては、第１対向導体板３Ａと第２対向導体板３Ｂの面積を異ならせることで、それぞれの動作周波数の乖離度が増大することが考えられる。
また、図１６及び図１７は第１変形構成のＸＹ平面における指向性を示す図である。図１６は１．１６ＧＨｚでの指向性を示しており、図１７は１．３２ＧＨｚでの指向性を示している。図１６、図１７に示すように、第１変形構成においても基本構成２００及び提案構成と同様にアンテナ水平方向の全方位に対して概ね０ｄＢ以上の利得を備える事がわかる。また、第１変形構成によれば、提案構成よりもＸ軸正方向、すなわち第１マッシュルームセル２Ａから見て第２マッシュルームセル２Ｂが存在する方向における利得の改善効果が得られることがわかる。
なお、第１変形構成は、第２対向導体板３Ｂの面積を第１対向導体板３Ａの１．４倍に設定した構成に相当する。第１対向導体板３Ａに対する第２対向導体板３Ｂの面積の倍率（面積比）は、１．４に限らず、１．１や１．２、１．３などであっても良い。
以上では第１対向導体板３Ａと第２対向導体板３ＢのＸ軸方向の長さである第１横長Ｗｘ１と第２横長Ｗｘ２を異ならせる態様を開示したが、第１対向導体板３Ａと第２対向導体板３Ｂとは図１８に示すようにＹ軸方向の長さが異なっていても良い。つまり第１縦長Ｗｙ１と第２縦長Ｗｙ２が異なっていても良い。一例として図１８では、Ｗｙ１＞Ｗｙ２、Ｗｘ１＝Ｗｘ２とした構成を示している。もちろん、さらなる他の構成として第１対向導体板３Ａと第２対向導体板３Ｂは、Ｗｘ１≠Ｗｘ２、かつＷｙ１≠Ｗｙ２となるように設計されていても良い。
また、図１９に示すように、線状給電素子６と第１対向導体板３Ａとの間隔Ｄ６３Ａと、線状給電素子６と第２対向導体板３Ｂとの間隔Ｄ６３Ｂは相違していても良い。当該構成によっても上記提案構成などと同様に作動し、同様の効果が得られる。なお、図１９ではＤ６３Ａ＞Ｄ６３Ｂとした構成を示している。アンテナ装置１００はＤ６３Ａ＜Ｄ６３Ｂとなるように構成されていてもよい。線状給電素子６と対向導体板３との間隔６３を大きくするほど、対向導体板３と線状給電素子６との電磁的結合度合いが弱まる。具体的には図７の等価回路に示すＣｇ１が小さくなるように作用する。
＜マッシュルームセル２の配置数及びレイアウトについて＞
以上ではマッシュルームセル２を２つ並べた構成を開示したがこれに限らない。アンテナ装置１００が備えるマッシュルームセル２は図２０、図２１に示すようにマッシュルームセル２は３個配置されていても良い。図２０では第３マッシュルームセル２Ｃを第２マッシュルームセル２ＢのＸ軸正方向側に配置した構成、換言すれば、３つのマッシュルームセル２をＸ軸方向に並べた構成を開示している。また、図２１では前述の提案構成において、第３マッシュルームセル２Ｃを線状給電素子６のＹ軸負方向側に配置した構成を示している。図２１に示す構成は、線状給電素子６の片側に２つのマッシュルームセル２を並列配置し、且つ、その反対側に１つのマッシュルームセル２を配置した構成に相当する。各マッシュルームセル２の寸法は均一であってもよいし、不均一であってもよい。
なお、図２１に示す構成では、第３マッシュルームセル２Ｃは、第１マッシュルームセル２Ａや第２マッシュルームセル２Ｂと連動して動くというよりも、独立して動作する傾向が強い。よって、第３マッシュルームセル２Ｃは、主対象周波数とは異なる副対象周波数用のアンテナとして利用することができる。例えば主対象周波数が１．３ＧＨｚである場合、副対象周波数は７００ＭＨｚや２．４ＧＨｚなどとすることができる。第３マッシュルームセル２Ｃは、副対象周波数で動作するように設計可能である。このように図２１に示す構成によれば、アンテナ装置１００を複数の周波数帯で動作可能とする事ができる。
＜対向導体板３の形状について＞
図２２及び図２３に示すように、対向導体板３の形状としては多様な形状を採用可能である。例えば第２対向導体板３Ｂは、図２２に示すように、矩形状において１組の対角に切り欠き部を形成した形状であっても良い。また、図２３に示すように第２対向導体板３Ｂは、第１対向導体板３Ａの縁部と対向する縁部と、線状給電素子６と対向する縁部を有する三角形状であっても良い。第２対向導体板３Ｂは、線状給電素子６及び第１対向導体板３Ａのそれぞれと所定の結合限界値未満の間隔をおいて対向する縁部を有するように構成されていることが好ましい。
図２２、図２３では第２対向導体板３Ｂの変形例を示しているが、第１対向導体板３Ａについても同様に多様な形状を採用可能である。第１対向導体板３Ａは、線状給電素子６及び第２対向導体板３Ｂのそれぞれと所定の結合限界値未満の間隔をおいて対向する縁部を有するように構成されていればよい。
＜線状給電素子６の形状及び長さについて＞
上述した実施形態では給電点を線状給電素子６のＸ軸負方向側の端部（つまり第１端部６１）に設けた態様を開示したがこれに限らない図２４に示すように給電点は第１端部６１と第２端部６２の途中に形成されていても良い。また、上記実施形態では、線状給電素子６の長さを、第１横長Ｗｘ１及び第２横長Ｗｘ２の合算値以上に設定した構成を開示したがこれに限らない。図２５に示すように線状給電素子６の長さを、第１横長Ｗｘ１及び第２横長Ｗｘ２の合算値よりも短く設定されていても良い。なお、線状給電素子６は、第１横長Ｗｘ１及び第２横長Ｗｘ２の合算値よりも長くしたほうが動作帯域は向上することがシミュレーションにより確認できた。当該知見に基づき、線状給電素子６は、第１横長Ｗｘ１及び第２横長Ｗｘ２の合算値よりも大きく所定量設定されていることが好ましい。ここでの所定量は例えばλ／５０以上であることが好ましい。例えば線状給電素子６は、第１横長Ｗｘ１及び第２横長Ｗｘ２の合算値よりも９ｍｍ～１０ｍｍ（約λ／２５）程度長く設定されていることが好ましい。
また、以上では、線状給電素子６をＸ軸方向に平行な直線状とする態様を開示したが、これに限らない。図２６に示すように、Ｌ字型に折り曲げられていても良い。すなわち、線状給電素子６は、Ｘ軸に平行であって第１対向導体板３Ａと近接する区間と、Ｙ軸に平行であって第１対向導体板３Ａと第２対向導体板３Ｂの間に延設された区間とを有するように構成されていても良い。便宜上、線状給電素子６においてＸ軸に平行な部分をＸ軸平行部６ｘと称するとともに、Ｙ軸に平行な部分をＹ軸平行部６ｙと称する。図２６に示す例では、線状給電素子６において第１対向導体板３Ａと第２対向導体板３Ｂの間に延設された部分がＹ軸平行部６ｙに相当する。Ｙ軸平行部６ｙは、第１対向導体板３Ａと第２対向導体板３Ｂのそれぞれに近接する。
さらに、線状給電素子６は、図２７に示すようにＹ軸に平行な直線状に形成されていても良い。その場合、線状給電素子６は、第１対向導体板３Ａと第２対向導体板３Ｂの間に配置される。その他、線状給電素子６は、図２８に示すように略Ｔ字型に形成されていても良い。図２８では給電点を中央からＸ軸負方向側に所定量ずれた位置に設けた構成を示しているが、給電点は中央に設けられていても良い。
また、図２９に示すように各対向導体板３に給電素子近接縁３１から導体板中心に向かう所定幅の切り込み部３２を設けるとともに、線状給電素子６には当該切り込み部３２の内部を通って導体板中心に向かう枝部６３を設けてもよい。ここでの導体板中心は短絡部４と対向導体板３の接続点と読み替える事ができる。図２９に示すように、各対向導体板３の中央に向かって伸びる枝部６３を線状給電素子６に設けた構成を第２変形構成とも称する。便宜上、線状給電素子６において枝部６３以外の部分を本線部６４と称する。
切り込み部３２は直線状である。切り込み部３２の幅である切り込み幅Ｗｃは、枝部６３との非接触を保つことができる値に設定される。例えば切り込み幅Ｗｃは、枝部６３の幅よりも１ｍｍ～２ｍｍ大きく設定される。仮に枝部６３の幅が３ｍｍである場合には、切り込み幅Ｗｃは５ｍｍ～６ｍｍ程度に設定されうる。また、枝部６３の幅が２ｍｍである場合には、切り込み幅Ｗｃは４ｍｍ程度に設定されうる。切り込み部３２は、例えば給電素子近接縁３１のうち、導体板中心に最も近い位置に設けられている。換言すれば、切り込み部３２は、導体板中心から給電素子近接縁３１に下ろした垂線に沿うように形成されうる。なお、切り込み部３２の形成位置は導体板中心よりも左右に所定量ずれていてもよい。
切り込み部３２のＹ軸方向の長さは、切り込み部３２の奥側端部が短絡部４の真上までは至らないように、対向導体板３のＹ軸方向の長さの半分未満に設定される。切り込み部３２の長さは、例えば、導体板中心から給電素子近接縁３１までの距離の２５％～９９％の範囲で設定される。より具体的には、対向導体板３のＹ軸方向の長さが６０ｍｍである場合には、つまり導体板中心から給電素子近接縁３１までの距離が３０ｍｍである場合には、切り込み部３２の長さは２０ｍｍや、２４ｍｍ、２５ｍｍ、２６ｍｍなどに設定されうる。切り込み部３２の長さは、後述するように、インピーダンス整合がとれるように設定される。枝部６３は、上述した切り込み部３２の内側において対向導体板３と接触しないように配置された線状導体である。
メタマテリアルアンテナの基本構成２００においては、対向導体板３に給電点を設けるため、インピーダンスを整合可能な任意の位置に給電点を設けることができる。一方、上述した提案構成としてのアンテナ装置１００では、給電点は線状給電素子６上に設けられているため、インピーダンス整合を取りにくいといった製造上の課題を有する。そのような課題に対し、図２９に示す構成によれば、対向導体板３に対する実質的な給電箇所を調整可能となる。ひいてはインピーダンス整合を取りやすくなるといった利点を有する。
ところで、短絡部４のインダクタンスが大きいほど、あるいは対向導体板３が形成するキャパシタンスが大きいほど、動作周波数を下げることができる。短絡部４のインダクタンスは短絡部４の半径ｒが小さいほど大きくなる。また、キャパシタンスは対向導体板３の面積が大きいほど大きくなる。つまり、実体的には、短絡部４の半径ｒを小さくするほど、あるいは、対向導体板３のサイズを大きくするほど、動作周波数を下げることが可能となる。ただし、対向導体板３の面積を大きくすることは装置サイズの増大につながるため、避けたいといった技術的要求がある。
そのような事情に基づき、本開示の開発者らは、短絡部４の半径ｒを小さくすることでアンテナ装置１００の動作周波数を下げることを検討した。しかしながら、開発者らは上記方針での検討を進めたところ、図３０に示すように短絡部４の半径を小さくするほど、ＶＳＷＲが劣化するといった知見を得た。これの原因としては、半径ｒを小さくするほど、給電素子近接縁３１から短絡部４までの距離が増大し、インピーダンスのミスマッチング度合いが増大するためであると考えられる。なお、図３０の点線はｒ＝１ｍｍとした場合のＶＳＷＲを、破線はｒ＝３ｍｍとした場合のＶＳＷＲを、実線はｒ＝５ｍｍとした場合のＶＳＷＲをそれぞれ示している。また、図３０は、図２９に示す構成のＷｙ１＝Ｗｙ２＝６０ｍｍ、Ｗｘ１＝５０ｍｍ、Ｗｘ２＝６０ｍｍ、Ｄａｂ＝０．２ｍｍ、Ｗｃ＝５ｍｍ、切り込み部３２の長さを２６ｍｍに設定した場合のシミュレーション結果である。
そのような新規の課題に対しても、図２９に示す構成によれば、実質的な給電位置を給電素子近接縁３１よりも内側に形成することができ、インピーダンス整合を取りやすくなる。つまり、線状給電素子６の構造として図２９に示すようにＴ字型を採用することで、アンテナサイズの増大を抑制しつつ、動作周波数の低下を実現可能となる。
図３１は短絡部４の半径を１ｍｍとした場合において、切り込み部３２の長さを２４ｍｍ、切り込み部３２の奥側端部から１ｍｍ手前まで枝部６３を形成した場合のＶＳＷＲを測定した結果を示している。切り込み部３２の奥側端部と導体板中心との距離は５ｍｍ、切り込み幅Ｗｃは５ｍｍ、枝部６３の幅は３ｍｍとしている。当該構成によれば図３１に示すように対向導体板３の寸法を維持したまま、８１０ＭＨｚ及び９３０ＭＨｚでもメタマテリアルアンテナとして動作させることが可能となる。なお、図３２は８１０ＭＨｚでの指向性を示しており、図３３は、９３０ＭＨｚでの指向性を示している。図３２及び図３３に示すように、主対象周波数以外の副周波数においても、アンテナ水平方向に対して無指向性を示しており、メタマテリアルアンテナとして動作していることがわかる。
＜全体構成についての補足＞
上述した実施形態では一例として板状の支持部５の上面に対向導体板３を配置し、その裏面に地板１を配置した構成、換言すれば、対向導体板３と地板１との間に誘電体材料を充填した構成を開示したがこれに限らない。例えば図３４に示すように、表面に対向導体板３をパターン形成した誘電体板７と地板１との間は中空であっても良い。誘電体板７の厚みは、例えば０．８ｍｍなど、０．５ｍｍ～２．５ｍｍとすることができる。
誘電体板７は、短絡部４で地板１に対して固定されても良いし、図示しない支柱としての部材で地板１に対して固定されていても良い。支柱の材料は、誘電体でもよいし導体でもよい。もちろん、対向導体板３はそれ単体で板状形状を維持可能な厚みを有する板金であってもよい。対向導体板３が板金で実現されている場合には、誘電体板７は省略可能である。
また、アンテナ装置１００は、対向導体板３等を収容するケース８を備えうる。対向導体板３及び線状給電素子６は、ケース８の内側面に一体的に設けられていても良い。当該構成によれば、対向導体板３を支持するための部材を省略することができる。なお、図３５はケース８内部の構成を概念的に示す図である。図３４及び図３５は図４と同様、第１短絡部４Ａと第２短絡部４Ｂとを通る断面を概念的に示したものである。図３４及び図３５では線状給電素子６は図示されていないが図示する断面とは別の位置に形成されている。
ケース８は例えば上下方向に分離可能に構成されているアッパーケースとロアケースとが組み合わさることで構成されていてもよい。ケース８の構成は、実体的又は仮想的にケース底部８１、側壁部８２、及びケース天板部８３に分けて取り扱うことができる。ケース底部８１は、ケース８の底を提供する構成である。ケース底部８１は、平板状に形成されている。ケース８内において、地板１は、地板１がケース底部８１と対向するように配置されている。側壁部８２は、ケース８の側面を提供する構成であって、ケース底部８１の縁部から上方に向かって立設されている。ケース天板部８３は、ケース８の上面部を提供する構成である。本実施形態のケース天板部８３は平板状に形成されている。
図３５に示す構成例は１つの側面において、ケース天板部８３の内側面に線状給電素子６を配置するとともに当該線状給電素子６に沿うように２つの対向導体板３を並列形成した構成に相当する。線状給電素子６は、例えば側壁部８２の内側面等に沿って形成された給電線路と当接することで、給電されうる。側壁部８２の高さは、対向導体板３と地板１とが所望の静電容量を形成する値となるように設計されている。
ケース８は、例えばポリカーボネート（ＰＣ：polycarbonate）樹脂を用いて構成されている。なお、ケース８の材料としては、ＰＣ樹脂にアクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体（いわゆるＡＢＳ）を混ぜた合成樹脂や、ポリプロピレン（ＰＰ：polypropylene）など、多様な樹脂を採用できる。ケース天板部８３の外側表面の形状としては、平板状に限らず、ドーム型など多様な形状を採用することができる。
加えて、アンテナ装置１００は図３６及び図３７に示すように、送受信回路９１や電源回路９２が形成された回路基板９を収容する金属製のシールドケース１０を備えていても良い。シールドケース１０は、マッシュルームセル２が放射する電波から種々の回路を保護するための構成であるため、回路保護ケースと呼ぶこともできる。図３７は図３６に示すＸＸＸＶＩＩ－ＸＸＸＶＩＩ線に沿った断面での、アンテナ装置１００の構成を概念的に示す図である。図３６及び図３７では、シールドケース１０は下側面が開口した、扁平な直方体状に形成されてあって、地板１上に配置されることで地板１をシールドケース１０の底部として利用する構成を示している。もちろん他の態様として、シールドケース１０の底部は、地板１とは独立した部材として形成されていても良い。シールドケース１０は、ここでは一例として地板１と電気的に接続されている。他の態様としてシールドケース１０は地板１と電気的に接続されていなくとも良い。
なお、送受信回路９１は、無線信号の送信及び受信少なくとも何れか一方を行うための回路であって、種々の信号処理を実施する。送受信回路９１は、変調、復調、周波数変換、増幅、デジタルアナログ変換、および検波の少なくとも何れか１つを実施する回路モジュールとすることができる。送受信回路９１は例えばＩＣチップなどを用いて実現されうる。電源回路９２は、車両電源から供給されている電圧を、各回路の動作電圧に変換して出力する回路モジュールである。電源回路９２は、通信ＥＣＵからの制御信号に基づき、アンテナ装置１００が備える回路への電力の供給状態を切り替える回路とすることができる。
図３６等では、シールドケース１０が対向導体板３の全面と対向する、十分なサイズを有する態様を開示したが、これに限らない。例えば図３８に示すように、シールドケース１０は、各対向導体板３の一部がシールドケース１０とは重ならない領域である非重なり部３３が生じる寸法／位置関係に設定されていてもよい。便宜上、対向導体板３のうち、上面視においてシールドケース１０と重なる部分、つまりシールドケース１０と対向する領域を重なり部３４とも記載する。図３６として先に示した例は、各対向導体板３全体が重なり部３４となる例に相当する。
図３８において、相対的に密度の低いドットパターンのハッチングを施している部分が非重なり部３３を示し、相対的に密度の高いドットパターンを付与している部分が重なり部３４に相当する。図３８では地板１を示すために支持部５の図示は省略している。図３９はＸＸＸＩＸ－ＸＸＸＩＸ線での断面を概念的に示した図である。図３８に示す構成は、第１対向導体板３Ａ及び第２対向導体板３ＢのそれぞれのＹ軸正方向側に位置する縁部が上面視においてシールドケース１０よりも外側に飛び出した構成に相当する。
便宜上、図３８に示す構成を第３変形構成とも称する。第３変形構成において、線状給電素子６は、上面視においてシールドケース１０と重なる位置、例えばシールドケース１０のＹ軸負方向側の縁部に沿うように配置されている。もちろん、線状給電素子６は、シールドケース１０と重ならない位置に設けられていても良い。
また、給電点は、線状給電素子６において、第１対向導体板３ＡのＸ軸負方向側の縁部よりも所定のオフセット量ＷｏｆだけＸ軸正方向側に配置されている。オフセット量Ｗｏｆは、例えば１６ｍｍに設定されている。オフセット量Ｗｏｆは０ｍｍ～２０ｍｍの範囲で、インピーダンス整合が取れる値に変更可能である。また、第３変形構成において、線状給電素子６は、Ｙ軸負方向側の縁部よりもさらにＸ軸負方向側に飛出したスタブ部６５を備える。スタブ部６５は本線部６４の一部に相当する。スタブ部６５の長さＷｓｔは例えば４０ｍｍである。スタブ部６５は、インピーダンスの整合性を高めるための任意の要素である。スタブ部６５の長さＷｓｔは、１０ｍｍや２０ｍｍなど、適宜変更可能である。
第３変形構成において地板１と対向導体板３との間隔Ｈは２０ｍｍ、シールドケース１０の上面と対向導体板３との間隔は６．５ｍｍに設定されている。Ｗｘ１＝Ｗｘ２＝６０ｍｍ、Ｗｙ１＝Ｗｙ２＝８０ｍｍに設定されている。これらの設定値は後述するシミュレーションの条件を示すパラメータとしての一例であって、適宜変更されうる。
なお、図３６に示す例では、シールドケース１０の上面部と対向導体板３とのＺ方向距離によって対向導体板３が形成する静電容量が定まる。シールドケース１０は地板１と電気的に接続されてあってグランド電位を提供する部材として機能するため、１つの側面においてシールドケース１０は、地板１の一部とみなす事ができる。
第３変形構成では、重なり部３４とシールドケース１０が形成する静電容量である重なり部容量と、非重なり部３３と地板１が形成する静電容量である非重なり部容量の合計値に基づいて主対象周波数が定まる。なお、非重なり部容量は、対向導体板３と地板１との離隔と、非重なり部３３の面積とに基づいて定まる。重なり部容量は、対向導体板３とシールドケース１０との離隔と、重なり部３４の面積と、に応じて定まる。当業者であれば所望の主対象周波数でアンテナ装置１００が動作するように各構成の寸法を設定することができる。
ところで装置を小型化しようとすると、地板１と対向導体板３との離隔は小さい方が好ましい。地板１と対向導体板３との離隔は小さいほど、装置の高さを抑制できるとともに、対向導体板３が地板１またはシールドケース１０と協働して形成する静電容量が大きくなるため、対向導体板３の面積も低減可能となるためである。
しかしながら、図３６に示すように対向導体板３全体がシールドケース１０と対向するように配置した構成では、アンテナとしての電気的体積が小さく、放射抵抗が例えば給電線の一般的な抵抗値である５０Ωの３分の１以下になりうる。放射抵抗が小さいほどインピーダンスが整合できる範囲が狭まり、アンテナ装置１００としては狭帯域化してしまう。具体的には、５０Ωの同軸ケーブルを用いる場合、アンテナのインピーダンスが１８Ω以下となるとＶＳＷＲが３を超過してしまう。アンテナの放射抵抗をＺＬ、通信ケーブルのインピーダンスをＺ０とすると、定性的に、反射係数Γは、｜（ＺＬ－Ｚ０）／（ＺＬ＋Ｚ０）｜で定まり、ＶＳＷＲは（１＋Γ）／（１－Γ）で求まる。なお、ΓはＳパラメータのＳ１１に相当する。この定性式からも放射抵抗が小さすぎると、ＶＳＷＲが増大（悪化）することがわかる。
そのような課題に対し、図３８に示すように非重なり部３３を設けた構成によれば電気的体積が増大し、放射抵抗もまた増大する。その結果、ＶＳＷＲが３以下となる周波数範囲を増大させることができる。つまり、非重なり部３３を設けた構成によれば、アンテナ装置１００の小型化と広帯域化とを両立可能となる。非重なり部３３のＹ軸方向長さである飛出幅Ｗτは、所望の放射抵抗が得られるように適宜変更可能である。飛出幅Ｗτは入力インピーダンスと出力インピーダンスが整合するように設定することができる。飛出幅Ｗτは例えば１０ｍｍや、１５ｍｍ、２０ｍｍなどに設定可能である。飛出幅Ｗτは、対向導体板３のＹ軸方向長さを調整することで調整されても良いし、シールドケース１０のＹ軸方向長さを調整することで調整されても良い。なお、第１対向導体板３Ａの飛出幅Ｗτと第２対向導体板３Ｂの飛出幅Ｗτは相違していても良い。
図４０は、図３８に示す第３変形構成と、所定の第３比較構成とのＶＳＷＲの測定結果を示すグラフである。ここでの第３比較構成とは、対向導体板３に非重なり部３３を設けなかった構成、すなわち、対向導体板３の全面が重なり部となっている構成を指す。第３変形構成も第３比較構成も、第１対向導体板３Ａ及び第２対向導体板３ＢのＹ軸方向長は何れも８０ｍｍ、Ｘ軸方向長は６０ｍｍに設定されている。また、第３変形構成の飛出幅Ｗτは２０ｍｍに設定されている。図４０の実線は第３変形構成の周波数ごとのＶＳＷＲを示しており、破線は第３変形構成の周波数ごとのＶＳＷＲを示している。図４０では一例として相対的に６５０ＭＨｚ～１０００ＭＨｚの範囲でのＶＳＷＲの試験結果を示している。
図４０に示すように、第３変形構成によれば、非重なり部３３によって電気的体積が増大することに伴って放射抵抗が増大し、インピーダンスの整合範囲の拡大、ひいては広帯域化を実現できる。図４１は第３変形構成での７００ＭＨｚ、８００ＭＨｚ、及び９００ＭＨｚでの指向性をシミュレーションした結果である。図４１に示すように何れの周波数においてもアンテナ水平方向の全方位に対して放射特性を有すること、換言すればメタマテリアルアンテナとして動作している事がわかる。
なお、図４０ではＹ軸正方向側に非重なり部３３が生じるようにシールドケース１０を配置した構成を開示したが、対向導体板３とシールドケース１０との位置関係はこれに限定されない。例えば、Ｙ軸負方向側に非重なり部３３を形成しても良い。また図４２に示すように、第１対向導体板３Ａと第２対向導体板３Ｂを包含する矩形領域の中央にシールドケース１０を配置し、アンテナ装置１００の中心から見て全方位に非重なり部３３を形成しても良い。
図４２は、第１対向導体板３ＡのＹ軸正方向側の縁部、Ｙ軸負方向側の縁部、及びＸ軸負方向側の縁部がシールドケース１０の外側に飛び出した構成に相当する。また、図４２に示す構成は、第２対向導体板３ＢのＹ軸正方向側の縁部、Ｙ軸負方向側の縁部、及びＸ軸負方向側の縁部がシールドケース１０の外側に飛び出した構成に相当する。さらに、図４２に示す構成は、端的にいえば、並列方向に直交する方向の両側に位置する縁部が、シールドケース１０の外側に飛び出すように配置した例に相当する。Ｘ軸方向の飛出幅ＷτとＹ軸方向の飛出幅Ｗτは同じであってもよいし、異なっていても良い。また、シールドケース１０の寸法に応じてＸ軸方向の飛出幅Ｗτは０となってもよい。
なお、上記のように非重なり部３３を設けた構成や、種々の構成もケース８を備えうる。ケース８の内部には封止材としてのゲルが、各対向導体板３を覆うように封入されていてもよい。
＜給電方法の補足＞
以上では、対向導体板３と同一平面に線状給電素子６を設け、対向導体板３の縁部と線状給電素子６とを電磁気的に結合させることにより対向導体板３に給電する構成を例示したが、対向導体板３への間接的な給電方法はこれに限らない。例えば図４３に示すように、対向導体板３の下側に線状給電素子６を配置するとともに、対向導体板３において線状給電素子６の上側にスロット３５を設けることで、スロット３５を介して給電するように構成されていても良い。便宜上、スロット３５を介して給電するように変形した提案構成を第４変形構成とも称する。
各対向導体板３に設けるスロット３５は、短辺に対して長辺が３倍以上の長さを有する矩形状であって、上面視において長手方向が線状給電素子６に対して直角となる姿勢で設けられる。スロット３５は、線状給電素子６の真上において、例えば長手方向の延長線上に導体板中心が位置する姿勢で設けられる。ここでは一例としてＸ軸方向に線状給電素子６が延設されているため、スロット３５は長手方向がＹ軸と平行となる姿勢で設けられる。スロット３５のＹ軸方向長は例えば５ｍｍ～２５ｍｍなどに設定されうる。スロット３５のＸ軸方向長は例えば１ｍｍ～５ｍｍなどに設定されうる。なお、スロット３５の形状は、例えば結合度の改善を目的としてドッグボーン型など、長方形以外の形状を採用可能である。第１対向導体板３Ａに設けるスロット３５と第２対向導体板３Ｂに設けるスロット３５は、Ｘ軸方向長やＹ軸方向長が相違していても良い。
上記構成によれば、線状給電素子６を対向導体板３の上側または下側に配置することができるため、装置全体としてのＹ軸方向またはＸ軸方向の長さを低減可能となる。また、スロット３５の位置を調整することでマッシュルームセル２への実質的な給電位置を変更可能となる。故に、提案構成に比べてインピーダンス整合を取りやすくなるといった利点を有する。
スロット３５を用いて対向導体板３の上側または下側から給電する構成によれば、図４４に示すように、複数の周波数で動作可能となる。なお、図４４は、Ｗｙ１＝Ｗｙ２＝５７ｍｍ、Ｗｘ１＝４０ｍｍ、Ｗｘ２＝７０ｍｍに設定した場合のＶＳＷＲ特性を示している。なお、線状給電素子６は、対向導体板３よりも０．８ｍｍ下側となる平面において、短絡部４から１１ｍｍ、Ｙ軸負方向側となる位置に、Ｘ軸に平行な態様で形成されている。第１対向導体板３Ａに設けたスロット３５のＸ軸方向長さ（つまり幅）は２ｍｍ、スロット３５のＹ軸方向の長さは２３ｍｍに設定している。第２対向導体板３Ｂに設けたスロット３５の幅は１ｍｍ、Ｙ軸方向の長さは２３ｍｍに設定している。
上記構成によれば、図４４に示すように、８２０ＭＨｚ付近と９８０ＭＨｚ付近でメタマテリアルアンテナとして動作させることが可能となる。なお、図４５は８２０ＭＨｚでの指向性を示しており、図４６は、９８０ＭＨｚでの指向性を示している。図４５及び図４６に示すように、主対象周波数以外の副周波数においても、アンテナ水平方向に対して無指向性を示しており、メタマテリアルアンテナとして動作していることがわかる。これらの結果は、１．３ＧＨｚを主対象周波数とする構成に対し、対向導体板３等の寸法を大幅に変更することなく、相対的に低い周波数でメタマテリアルアンテナとして動作させること、及び、複数の周波数帯で動作させることが可能となることを意味する。
＜アンテナ装置１００の使用方法について＞
上述したアンテナ装置１００は、例えば、車両のルーフ部の中央や中央よりも所定量前方または後方にずれた位置に取り付けられて使用される。アンテナ装置１００はルーフ部を形成する略平坦な鉄板の上に載置されてもよいし、ルーフ部に設けられたアンテナ装置１００を取り付けるための凹部または穴部に収容されてもよい。また、アンテナ装置１００は車室内の天井面やダッシュボードの上面に取り付けられて使用されても良い。アンテナ装置１００の指向性は、厚み方向に直交する方向に向いているため、上記の取り付け姿勢で取り付けられたアンテナ装置１００は、水平方向または斜め上方から到来する電波を受信するための装置として機能しうる。より具体的には、３ＧやＬＴＥ、４Ｇ、５Ｇなどといった移動体通信システムを構成する無線基地局と通信するための装置として機能しうる。
アンテナ装置１００は、他の用途として、車両のピラーや、ドアパネル、バンパなどといった、車両の外側面において、地板１が取り付け先のボディ表面と略平行となる姿勢で取り付けて使用されてもよい。当該構成によれば車両のボディに沿う方向にビームが形成されるため、例えばユーザの携帯端末が車両の近傍に存在するか否かを判定するため通信機として利用することができる。あるいは車室内の床部または天井部の中央付近に取り付けられて、ユーザが携帯する携帯端末と無線通信するための装置として使用されても良い。
上述したアンテナ装置１００の他、当該アンテナ装置１００を構成要素とする車両用通信システムや、当該アンテナ装置１００を備える車両など、種々の形態も本開示の範囲に含まれる。また、上記のアンテナ装置１００は車両で使用されるものに限定されない。建物内の通信装置や、道路沿いに配置される通信設備である路側機などに適用することができる。また、上記アンテナ装置１００は、データ通信を実施するためのものに限らず、無線信号の送受信結果に基づいて通信相手の位置を特定する位置推定用のアンテナ装置としても利用可能である。つまり、アンテナ装置１００は無線信号を用いた位置推定の技術分野におけるアンカーノードとして利用されても良い。
１００ アンテナ装置、１ 地板、２ マッシュルームセル、２Ａ 第１マッシュルームセル、２Ｂ 第２マッシュルームセル、３ 対向導体板、３Ａ 第１対向導体板、３Ｂ 第２対向導体板、４ 短絡部、４Ａ 第１短絡部、４Ｂ 第２短絡部、５ 支持部、６ 線状給電素子、７ 誘電体板、８ ケース、９ 回路基板、１０ シールドケース、３１ 給電素子近接縁（近接縁）、３２ 切り込み部、３３ 非重なり部、３４ 重なり部、３５ スロット、６３ 枝部、６４ 本線部、９１ 送受信回路（回路モジュール）。

Claims (11)

  1. 平板状の導体部材である地板（１）と、
    非ループ状に形成されてあって任意の位置に給電点が設けられた、線状の導体部材である線状給電素子（６）と、
    導体部材を用いてなる第１マッシュルームセル（２Ａ）と、
    導体部材を用いてなる第２マッシュルームセル（２Ｂ）と、を備え、
    前記第１マッシュルームセル及び前記第２マッシュルームセルはそれぞれ、前記地板と所定の間隔をおいて配置された平板状の導体部材である対向導体板（３）と、前記対向導体板と前記地板とを電気的に接続する短絡部（４）と、を含み、前記短絡部が備えるインダクタンスと、前記地板と前記対向導体板とが形成する静電容量とを用いて所定の対象周波数で並列共振するように構成されており、
    前記線状給電素子は、複数の前記対向導体板のそれぞれと、所定の結合限界値未満の間隔を有するように配置されているアンテナ装置。
  2. 請求項１に記載のアンテナ装置であって、
    前記地板と前記対向導体板の間には、前記対象周波数の無線信号を送信又は受信するための信号処理を行う回路が配された回路基板を収容する金属製のシールドケース（１０）が、前記地板と電気的に接続するように配置されているアンテナ装置。
  3. 請求項２に記載のアンテナ装置であって、
    前記対向導体板の縁部の一部は、上面視において前記シールドケースの外側にはみ出すように形成されているアンテナ装置。
  4. 請求項３に記載のアンテナ装置であって、
    前記第１マッシュルームセル及び前記第２マッシュルームセルは所定の並列方向に沿って所定の間隔をおいて配置されており、
    前記対向導体板が前記並列方向に直交する方向である幅方向の長さは、前記シールドケースの前記幅方向の長さよりも大きく設定されているアンテナ装置。
  5. 請求項４に記載のアンテナ装置であって、
    前記第１マッシュルームセル及び前記第２マッシュルームセルのそれぞれの前記対向導体板は矩形状であって、
    各前記対向導体板は、前記幅方向の両側の縁部が前記シールドケースの外側にはみ出すように配置されているアンテナ装置。
  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、
    前記線状給電素子は、前記対向導体板の縁部の一部と近接するように形成されており
    前記対向導体板において前記線状給電素子と近接する縁部である近接縁（３１）には、当該近接縁から内側に向かって伸びる切り込み部（３２）が設けられており、
    前記線状給電素子は、前記切り込み部の内側に入り込むように形成された線状の枝部（６３）を備えるアンテナ装置。
  7. 請求項６に記載のアンテナ装置であって、
    前記第１マッシュルームセル及び前記第２マッシュルームセルは所定の並列方向に沿って所定の間隔をおいて配置されており、
    前記線状給電素子は、前記並列方向に沿って伸びる本線部（６４）と、前記枝部とを含み、
    前記枝部及び前記切り込み部は、前記本線部に対して直角に形成されており、
    前記切り込み部は、前記枝部に対して前記結合限界値未満の離隔を有するように形成されているアンテナ装置。
  8. 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１マッシュルームセルの前記対向導体板と前記第２マッシュルームセルの前記対向導体板は、同一の平面において、所定の並列方向に沿って所定の間隔をおいて配置されており、
    前記線状給電素子は、前記並列方向に沿うように、前記対向導体板の上側又は下側に配置されており、
    前記第１マッシュルームセル及び前記第２マッシュルームセルのそれぞれの前記対向導体板において、前記線状給電素子と対向する部分の一部には給電用のスロット（３５）が形成されているアンテナ装置。
  9. 請求項１から８の何れか１項に記載のアンテナ装置であって、
    前記第１マッシュルームセルの前記対向導体板である第１対向導体板と、前記第２マッシュルームセルの前記対向導体板である第２対向導体板とは互いに寸法が異なっているアンテナ装置。
  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、
    前記第１マッシュルームセルの前記対向導体板と前記線状給電素子との離隔と、前記第２マッシュルームセルの前記対向導体板と前記線状給電素子との離隔は異なっているアンテナ装置。
  11. 平板状の導体部材である地板（１）と、
    非ループ状に形成されてあって任意の位置に給電点が設けられた、線状の導体部材である線状給電素子（６）と、
    導体部材を用いてなる第１マッシュルームセル（２Ａ）と、
    導体部材を用いてなる第２マッシュルームセル（２Ｂ）と、
    所定の対象周波数の無線信号を送信又は受信するための信号処理を行う回路モジュール（９１）と、を備え、
    前記第１マッシュルームセル及び前記第２マッシュルームセルはそれぞれ、前記地板と所定の間隔をおいて配置された平板状の導体部材である対向導体板（３）と、前記対向導体板と前記地板とを電気的に接続する短絡部（４）と、を含み、前記短絡部が備えるインダクタンスと、前記地板と前記対向導体板とが形成する静電容量とを用いて前記対象周波数で並列共振するように構成されており、
    前記線状給電素子は、複数の前記対向導体板のそれぞれと、所定の結合限界値未満の間隔を有するように配置されている通信装置。
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