JP4678351B2

JP4678351B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP4678351B2
Application number: JP2006240145A
Authority: JP
Inventors: 崇 ▲柳▼; 泰弘西岡; 昌孝大塚; 弘行植松; 拓郎佐々木; 徹哉田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2026-09-05
Also published as: JP2008066838A

Description

この発明は、平面アンテナのインピーダンス広帯域化に関し、特にマイクロストリップアンテナのインピーダンス広帯域化に関する。

平面アンテナの代表例であるマイクロストリップアンテナ（以下、ＭＳＡと称す。）は、素子単体では一般に非常に狭帯域であり、通常のＭＳＡでは、比帯域幅は数％以下である。

従来の広帯域化の手法としては、基板の誘電体部の厚さを厚くする方法や、給電部に直列共振回路を設ける方法がある。後者の方法では、マイクロストリップアンテナのＬ−ｐｒｏｂｅ給電が知られており、給電プローブが放射導体と平行となる部分で形成される容量性インピーダンスと給電プローブ自身が持つ誘導性インピーダンスにより、給電部に形成された直列共振回路を介してパッチ導体を励振し、並列共振器であるＭＳＡに直列共振回路を接続して広帯域化を実現している（例えば、非特許文献１参照）。

Ｋｉｎ−ＬｕＷｏｎｇ、"ＣｏｍｐａｃｔａｎｄＢｒｏａｄｂａｎｄＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐＡｎｔｅｎｎａｓ"、５３ページ、Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ、ＮｅｗＹｏｒｋ、２００２年発行

従来のアンテナ装置では、誘導性インピーダンスは給電プローブが有するインダクタンスによって得ているから、インダクタンスの値を大きくするためには給電プローブを長くしなければならず、アンテナの高さが高くなってアンテナが大型化するという問題があった。また、基板の誘電体部の厚さを厚くする方法もアンテナが大型化するという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、アンテナの大型化を抑えつつアンテナの動作周波数帯域を広げた構成の、広帯域特性を有するアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係わるアンテナ装置は、地導体、放射導体、給電線路、給電プローブを有し、前記給電線路からの前記給電プローブと前記地導体間への給電により励振されるマイクロストリップアンテナで成るアンテナ装置であって、前記放射導体と重なる部位を有し、前記部位の一端が前記放射導体に短絡接続されて前記放射導体との間でショートスタブを形成する第１の導体と、前記第１の導体および前記放射導体と重なる部位を有し、一端が開放され他端が前記給電プローブに接続されて前記第１の導体との間でオープンスタブを形成する第２の導体とを備えて誘導性インピーダンスと容量性インピーダンスを生成し、前記地導体が形成された平面に略平行に、前記放射導体、前記第１の導体、前記第２の導体をこの順に配置したことを特徴とするものである。

この発明は、オープンスタブおよびショートスタブをマイクロストリップアンテナに装荷したので、並列共振特性をもつマイクロストリップアンテナにオープンスタブとショートスタブにより生成されるキャパシタンスとインダクタンスによる直列共振回路を接続したことと等価になり、キャパシタンスとインダクタンスはスタブ導体の幅や長さなどで調整できるため、マイクロストリップアンテナでなるアンテナ装置の厚さを増すことなくアンテナ装置の動作周波数帯域を広げる効果が得られる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わるアンテナ装置の構成を示す構成説明図である。図１（ａ）はその正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）中のＡ−Ａ’断面図である。図において、１は任意形状で有限の大きさを持つ地導体であり、ここでは矩形で例示する。また、２は地導体１と所定の距離を隔てて配置される板状の導体からなる任意形状の放射導体であり、ここでは例えば円形とする。３は放射導体２から見て地導体１と反対側に、放射導体２と所定の距離を隔てて配置される板状の導体からなるショートスタブを形成する導体である。４は導体３から見て地導体１および放射導体２と反対側に、導体３と所定の距離を隔てて配置される板状の導体からなる任意形状のオープンスタブを形成する導体である。５は一部が導体４と電気的に接続された給電プローブである。６はアンテナに給電するための給電線路として例示する同軸線路であり、同軸線路６の内導体は給電プローブ５を介して導体４に接続されている。また、同軸線路６の外導体は地導体１に接続されている。７は放射導体２と導体３の一部を電気的に接続する導体である。

次に動作について説明する。
ここでは、同軸線路６に交流電源が接続されているものとして説明する。上記交流電源から出力された交流信号は、同軸線路６の内導体に（＋）（プラス）電荷、外導体に（−）（マイナス）電荷を配して同軸線路６内部を伝送し、地導体１と同軸線路６の外導体とが接する位置に到達する。そして、内導体上を移動してきた（＋）電荷は給電プローブ５に、外導体上を移動してきた（−）電荷は地導体１に流入する。この動作は、地導体１と給電プローブ５の間に電圧を印加することに相当する。給電プローブ５に流入した（＋）電荷は導体４に達し、導体３と導体４が波長に比べて小さい間隔を隔てて配置されている場合には、導体４に達した（＋）電荷のクーロン引力によって、導体３に（−）電荷が誘起される。同軸線路６は交流電源に接続されているので、電荷の極性は交流周波数に応じて周期的に変化する。導体３に電荷の移動が生ずるので、導体３に高周波電流が流れる。このように、導体４と導体３は高周波的には容量性結合する。この等価容量は静電容量で考えるならば、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄで見積もられる。ここで、Ｓは対向する導体の面積、ｄは導体間の距離、εは導体間の誘電率である。あるいは、導体４と導体３は先端開放の伝送線路（オープンスタブ）と考えることもできる。

導体４の長さをＬ_ＯＳとすると、オープンスタブのインピーダンスＺ_ＯＳは次式で表される。

ここでＺ_{０_ＯＳ}は、導体４の幅Ｗ_ＯＳ、導体３と導体４の間隔ｔ_ＯＳ、導体３と導体４の間の比誘電率ε_ｒ３によって決定される伝送線路の特性インピーダンス、λは使用周波数に対する実効波長である。
したがって、導体４の長さＬ_ＯＳが、

を満足するとき、この伝送線路は容量性インピーダンスとなる。
前記導体３と導体４との結合と同様に、導体３に電荷移動が生じた場合、それに応じて放射導体２上の導体３と近接した部分にも電荷移動が生じ、電流が流れる。この場合、導体３と放射導体２に流れる電流は逆位相になると考えられるので、導体３と放射導体２は導体３の先端を導体７で短絡された伝送線路（ショートスタブ）として動作すると考えられる。導体３の長さをＬ_ＳＳとすると、ショートスタブのインピーダンスＺ_ＳＳは次式で表される。

ここでＺ_{０_ｓｓ}は、導体３の幅Ｗ_ＳＳ、放射導体２と導体３の間隔ｔ_ＳＳ、放射導体２と導体３の間の比誘電率ε_ｒ２によって決定されるショートスタブの特性インピーダンス、λは使用周波数に対する実効波長である。
したがって、導体３の長さＬ_ＳＳが、

を満足するとき、このショートスタブは誘導性インピーダンスとなる。

上述した動作を電磁界およびアンテナ解析において広く用いられているＦＤＴＤ法によって数値計算した結果を示しながら説明する。
図２は無給電素子付きマイクロストリップアンテナのインピーダンス特性を解析したものである。なお、マイクロストリップアンテナに無給電素子１１が設けられていてもいなくても、それらのインピーダンスはともに並列共振特性を示すので、動作を説明するのに一般性を失うことはない。図２（ａ）は図３（ａ）に示すような従来の無給電素子付きマイクロストリップアンテナが有するインピーダンス特性の一例を表すスミスチャート図である。図２（ｂ）および図２（ｃ）は、図３（ｂ）に示すように、図２（ａ）のインピーダンスを有するマイクロストリップアンテナに図１の導体３と導体７に相当する導体を設けた場合のインピーダンス特性を表すスミスチャート図であり、図２（ｂ）はＬ_ＳＳ≒０．０７λ、図２（ｃ）はＬ_ＳＳ≒０．１λの場合である。図２（ｂ）を図２（ａ）と比較すると、図２（ｂ）の方がインピーダンス軌跡が高リアクタンス側に移動していることがわかる。これは図２（ａ）のインピーダンス特性を有するマイクロストリップアンテナの給電部にインダクタンスＬを直列に装荷したことと等価であることを表している。式（４）に示す範囲内でＬ_ＳＳが大きくなるほど式（３）のＺ_ＳＳの絶対値は大きくなる（等価インダクタンスＬの値は大きくなる）から、図２（ｃ）では図２（ｂ）より更に高リアクタンス側に移動している。以上のＦＤＴＤ計算結果から、放射導体２、導体３および導体７がショートスタブとして動作し、アンテナ給電部に直列に装荷される等価インダクタンスとして表現できることがわかる。

次に、導体３と導体４で構成される部位の動作をＦＤＴＤ計算により確認する。図４は、図５に示すように、ショートスタブを設けた無給電素子付きマイクロストリップアンテナに導体４に相当する構造を追加した場合のインピーダンス特性を示すスミスチャート図である。図４（ａ）は追加前、図４（ｂ）はＬ_ＯＳ≒０．１７λ、図４（ｃ）はＬ_ＯＳ≒０．０８λの場合である。図４（ｂ）と図４（ａ）と比較すると、図４（ｂ）の方がインピーダンス軌跡が低リアクタンス側に移動していることがわかる。これは図４（ａ）のインピーダンス特性を有するマイクロストリップアンテナの給電部にキャパシタンスＣを直列に装荷したことと等価であることを表している。式（２）に示す範囲内でＬ_ＯＳが小さくなるほど式（１）に示すＺ_ＯＳの絶対値は大きくなる（等価キャパシタンスＣの値は小さくなる）から、図４（ｃ）の方がより低リアクタンス側に移動している。以上のＦＤＴＤ計算結果から、導体４および導体３がオープンスタブとして動作し、アンテナ給電部に直列に装荷される等価キャパシタンスとして表現できることがわかる。

以上のことから、本発明のアンテナ装置は、図６のような回路と等価であることが導かれる。図６において、Ｚ_ａはマイクロストリップアンテナのインピーダンス、Ｌ_Ｐは給電プローブ５が有するインダクタンスである。すなわち、オープンスタブおよびショートスタブをマイクロストリップアンテナに装荷した本発明のアンテナ装置は、並列共振特性をもつマイクロストリップアンテナに直列共振回路を接続したことと等価であり、アンテナの広帯域化を実現することができる。スタブ構造を持たない場合の無給電素子付きマイクロストリップアンテナのＶＳＷＲの周波数特性は図２（ａ）のインピーダンス特性を使用周波数帯の中心周波数ｆ_０で整合を取ったものを例に取ると図７（ａ）に示すようになる。一方、本発明の構造を適用した場合のＶＳＷＲの周波数特性は図７（ｂ）に示すようになる。図７（ａ）ではＶＳＷＲ＜１．５となる比帯域幅が１３．２％であるのに対し、図７（ｂ）に示した本発明の構造を適用した場合の比帯域幅は２０．１％であり、大幅に広帯域化されている。

また、式（１）と式（３）は独立な関係にあるから、前記直列共振回路の等価インダクタンスＬと等価キャパシタンスＣは互いに独立に選定できる。

また、等価インダクタンスＬの値は、放射導体２と導体３の間隔ｔ_ＳＳを一定としたままでも、導体３の幅Ｗ_ＳＳおよび長さＬ_ＳＳ、放射導体２と導体３の間の比誘電率ε_ｒ２によっても調整可能である。キャパシタンスＣの値は、導体３と導体４の間隔ｔ_ＯＳを一定としたままでも、導体４の幅Ｗ_ＯＳおよび長さＬ_ＳＳ、導体３と導体４の間の比誘電率ε_ｒ３によっても調整可能である。すなわち、アンテナの厚みを増すことなくインピーダンスの調整を行うことができるため、薄型化しやすい利点がある。

なお、上記ショートスタブとオープンスタブは、その長さを調整することにより、ショートスタブでキャパシタンスを生成し、オープンスタブでインダクタンスを生成することも可能である。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２に係わるアンテナ装置を断面図で示す構成説明図である。実施の形態１では導体３と導体４を放射導体２から見て地導体１と反対側に配置したが、本実施の形態ではこれらを地導体１と放射導体２の間に配置した点において実施の形態１と相違する。この場合、放射導体２と導体３はインピーダンスが式（３）で与えられるショートスタブとして動作し、導体３と導体４はインピーダンスが式（１）で与えられるオープンスタブとして動作することは実施の形態１と同様である。

しかし、導体４と地導体１が近接し、これらがオープンスタブとして動作してしまう場合には、等価回路モデルは図９のようになり、図６の回路に対し、並列に等価キャパシタンスＣ_ｇが挿入されたものとなる。この場合、等価キャパシタンスＣ_ｇは導体４の幅Ｗ_ＯＳと長さＬ_ＯＳ、導体４と地導体１の間隔ｔ_ｇ、導体４と地導体１の間の比誘電率ε_{ｒ_ｇ}によって決定されるため、Ｃ_ｇを独立に調整することが困難となる。しかし、導体４と地導体１の間隔ｔ_ｇ、導体３と導体４の間隔ｔ_ＯＳ、使用周波数、導体４と地導体１の間の比誘電率ε_{ｒ_ｇ}、導体３と導体４の間の比誘電率ε_ｒ３などを適切に選定することによって、等価キャパシタンスＣ_ｇを無視しても差し支えない程度に小さくでき、実質的に図６に示す等価回路になる。

したがって、本実施の形態とすることによって実施の形態１において説明した原理と同様にアンテナの広帯域化が実現でき、実施の形態１に比べて薄型なアンテナ装置を得ることができる。

実施の形態３．
図１０は、この発明の実施の形態３に係わるアンテナ装置を示す構成説明図であり、図１０（ａ）はその正面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）中のＡ−Ａ’断面図である。実施の形態１との相違点は、放射導体２と導体４を略同一平面に配置した点である。この場合、導体３が放射導体２と対向する部分ではインピーダンスが式（３）で与えられるショートスタブとして動作し、導体３が導体４と対向する部分ではインピーダンスが式（１）で与えられるオープンスタブとして動作することは実施の形態１と同様である。また、導体４と地導体１との間ではこれらはオープンスタブとして動作することは実施の形態２と同様であるから、本実施の形態に対しても等価回路モデルを図９のように表現でき、導体４と地導体１の間隔ｔ_ｇ、導体３と導体４の間隔ｔ_ＯＳ、使用周波数、導体４と地導体１の間の比誘電率ε_{ｒ_ｇ}、導体３と導体４の間の比誘電率ε_ｒ３などを適切に選定することによって、等価キャパシタンスＣ_ｇを無視しても差し支えない程度に小さくでき、実質的に図６に示す等価回路になる。したがって、本実施の形態とすることによって、実施の形態１において説明した原理と同様にしてアンテナの広帯域化が実現できる。また、放射導体２と導体４を略同一平面上に配置したので、実施の形態１に比べて薄型化でき、誘電体多層基板を用いて構成する場合、層数を減らすことができるので製作効率が向上し、製作コストの低減が可能となる。

実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４に係わるアンテナ装置を示す構成説明図であり、図１１（ａ）はその正面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）中のＡ−Ａ’断面図である。実施の形態１との相違点は、導体３が放射導体２に投影される部分の放射導体２に凹部を設け、導体３を凹部内に設け、地導体１から導体４までの距離を地導体１から放射導体２までの最大距離と同程度以下としたことである。このような構成としても、放射導体２と導体３がショートスタブとして動作し、導体３と導体４がオープンスタブとして動作するという原理は変わらない。したがって、実施の形態１において説明した原理と同様にしてアンテナの広帯域化が実現できる。また、本実施の形態とすることによって、実施の形態１に比べてアンテナ装置を薄型化できる。

実施の形態５．
前記実施の形態１〜４での例示による構成では、導体３と導体４が形成するオープンスタブによって等価キャパシタンスＣを生成する構成を示していたが、等価キャパシタンスＣを得る方法はこれに限るものではなく、他の構成例を示す。

図１２は、この発明の実施の形態５に係わるアンテナ装置を示す構成説明図であり、図１２（ａ）はその正面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）中のＡ−Ａ’断面図である。実施の形態１との相違点は、導体３の一部を切除して導体３に切り抜き穴を設け、その切り抜き穴の内に導体４を導体３と絶縁して配置し、導体３と導体４とが容量性結合するようにした点であり、ここでは前記切り抜き穴と導体４の形状を円形とした場合を例示している。図１２においては、導体３と導体４によって図６の等価キャパシタンスＣを形成でき、導体３と導体４の間隔や前記切り抜き穴と導体４の形状などを調整することにより所望の等価キャパシタンスＣを得ることができる。したがって、実施の形態１において説明した原理と同様にしてアンテナの広帯域化が実現できる。また、導体３と導体４を略同一平面上に配置したので、実施の形態１に比べて薄型化でき、アンテナを誘電体多層基板を用いて構成する場合には、層数を減らすことができるので製作効率が向上し、製作コストの低減が可能となる。

また、図１３は、この発明の実施の形態５に係わるアンテナ装置を示す構成説明図であり、前記図１２（ｂ）と同様の断面図である。導体３の端部に導体４を給電プローブ５にほぼ平行に所定の距離を隔てて隣接させて配置し、導体４と給電プローブ５とが容量性結合するようにしたものであり、導体４と給電プローブ５の間隔や導体４の形状などを調整することにより所望の等価キャパシタンスＣを得ることができる。したがって、実施の形態１において説明した原理と同様にしてアンテナの広帯域化が実現できる。また、導体４を給電プローブ５にほぼ平行に配置したので、実施の形態１に比べて薄型化できる。

実施の形態６．
図１４は、この発明の実施の形態６に係わるアンテナ装置を示す構成説明図であり、図１４（ａ）はその断面図、図１４（ｂ）は地導体１が形成されている面での配置を示す図である。図１４において、８は地導体１の一部を切除して給電プローブ５を囲むように地導体１に設けた任意形状の切り抜き穴である。ここでは例えば円形の切り抜き穴としている。９ａは切り抜き穴８の内部に地導体１と絶縁して配置された導体である。９ｂは９ａと適当な間隙を隔てて対向させて設けられる導体である。１０はマイクロストリップ線路であり、マイクロストリップ線路１０の一端は導体９ｂと電気的に接続され、マイクロストリップ線路１０の地板は地導体１に電気的に接続される。

以上のことから、本実施の形態においては、導体９ａと導体９ｂによって図６の等価キャパシタンスＣを形成でき、導体９ａと導体９ｂの間隔や導体９ａと導体９ｂの形状・寸法などを調整することにより所望の等価キャパシタンスＣを得ることができる。したがって、実施の形態１において説明した原理と同様にしてアンテナの広帯域化が実現できる。また、図１４において、導体３と導体７を放射導体２から見て地導体１と反対側に配置しているが、地導体１と放射導体２の間に配置してもよい。なお、このように配置することにより、アンテナの広帯域化が実現できると共に、実施の形態１に比べて薄型なアンテナを得ることができる。

実施の形態７．
図１５は、この発明の実施の形態７に係わるアンテナ装置を断面図で示す構成説明図である。ここでは、図１で示したアンテナ装置を例にして説明する。図において、１１はアンテナ装置の動作周波数帯の中心周波数近傍で共振する電気長を有する無給電素子であり、例示した図１に示したアンテナ装置の放射導体２と電磁結合して複共振を生じる位置に配置されている。ここでは、図１５に示すように、無給電素子１１を導体４から見て地導体１と反対側に設置した例を示して説明する。

一般に、無給電素子を設けたマイクロストリップアンテナでは、放射導体である励振素子と無給電素子との結合によって複共振特性が得られ、無給電素子の形状および励振素子と無給電素子との位置関係を適切に選定することにより広帯域化できることが知られている。図１６（ａ）は、図１５の構造から導体３、導体４および導体７を排除し、給電プローブ５と放射導体２を接続して一般的な無給電素子付きマイクロストリップアンテナ構造とした場合のＶＳＷＲ周波数特性である。ＶＳＷＲ＜１．５の比帯域幅は１３．２％であり、無給電素子を有しないマイクロストリップアンテナの比帯域幅が数％であるのに比べて広帯域である。一方、図１６（ｂ）は図１５に示す実施の形態７に係わるアンテナ装置の場合のＶＳＷＲ周波数特性である。導体３、導体４および導体７を付加した構造とすることによって、ＶＳＷＲ＜１．５の比帯域幅は２０．９％になり、大幅に広帯域化できることがわかる。

なお、無給電素子１１は、地導体１と放射導体２の間や放射導体２の横など、放射導体２と電磁結合し、複共振特性が得られるように設ければよく、上記説明の構成に限るものではない。また、以上のことから、無給電素子を付加した構造は、実施の形態１〜６に記載の何れの実施の形態のアンテナ装置に対しても同様に有効である。

実施の形態８．
図１７は、この発明の実施の形態８に係わるアンテナ装置を断面図で示す構成説明図である。図１７は、図１に示したアンテナ装置に相当するアンテナ装置を例として、放射導体２の共振方向の長さをほぼ半分にし、いわゆるショートパッチアンテナを構成した例である。図１７において、１２は放射導体２と地導体１とを電気的に接続する導体である。なお、実施の形態１のアンテナ装置に相当するアンテナ装置を例示して説明するが、これに限らず実施の形態１〜７の何れの形態のアンテナ装置に相当するアンテナ装置に対しても同様に適用できる。

ここで、マイクロストリップアンテナの放射導体上の電流は共振方向の両端で０になるため、放射導体が略１／２波長で共振して定在波の電流になっているときにはマイクロストリップアンテナの放射導体の中央で電流が最大になることは良く知られている。定在波では電圧は電流と位相が９０度異なるから、放射導体の共振方向の中央で電界は０となる。したがって、放射導体の中央で放射導体と地導体を短絡して放射導体の大きさを半分にしても、マイクロストリップアンテナ内部の電磁界分布は変わらない。この原理を利用して放射導体の共振方向の長さを略１／４波長に小型化したものが、いわゆるショートパッチアンテナであり、この実施の形態８のアンテナ装置がこれに該当する。また、ショートパッチアンテナのインピーダンス特性も、通常のマイクロストリップアンテナと同様に並列共振特性となるので、図１７に示すアンテナ装置でも、図１に示したアンテナ装置と同様にショートスタブを形成する導体３およびオープンスタブを形成する導体４を設けているため広帯域化できる。

以上のことから、この実施の形態８のアンテナ装置によれば、実施の形態１〜７のアンテナ装置に比べてそれぞれの放射導体２の共振方向の長さを半分にできると共に地導体１も小さくできるため、アンテナ装置を約半分に小型化できるという効果がある。

実施の形態９．
図１８は、この発明の実施の形態９に係わるアンテナ装置を断面図で示す構成説明図である。図１８において、１３および１４は一端が給電プローブ５に接続され、地導体１と所定の距離を隔てて配置された導体で、それぞれスタブを形成するものであり、導体１３は他端が導体１５により地導体１と電気的に接続されたショートスタブ、導体１４はオープンスタブとして動作する。なお、実施の形態１のアンテナ装置を例示して説明するが、これに限らず実施の形態１〜８の何れの形態に対しても同様に適用できる。

導体１３の長さをＬ_１３とすると、ショートスタブのインピーダンスＺ_１３は次式で表される。

ここでＺ_{０_１３}は、導体１３の幅Ｗ_１３、地導体１と導体１３の間隔ｔ_１３、地導体１と導体１３の間の比誘電率ε_ｒ１３によって決定されるショートスタブの特性インピーダンス、λは使用周波数に対する実効波長である。したがって、導体１３の長さＬ_１３が

を満足するとき、このショートスタブは誘導性インピーダンスとなる。したがって、導体１３と地導体１との間で形成されるショートスタブはアンテナ給電部に並列に装荷される等価インダクタンスＬ’として表現できることがわかる。
また、導体１４の長さをＬ_１４とすると、オープンスタブのインピーダンスＺ_１４は次式で表される。

ここでＺ_{０_１４}は、導体１４の幅Ｗ_ＯＳ、地導体１と導体１４の間隔ｔ_１４、地導体１と導体１４の間の比誘電率ε_ｒ１４によって決定される伝送線路の特性インピーダンス、λは使用周波数に対する実効波長である。
したがって、導体１４の長さＬ_１４が、

を満足するとき、この伝送線路は容量性インピーダンスとなる。したがって、導体１４と地導体１との間で形成されるオープンスタブはアンテナ給電部に並列に装荷される等価キャパシタンスＣ’として表現できることがわかる。

以上のことから、本実施の形態の等価回路モデルは図１９に示すように、図６の回路に対してキャパシタンスＣ’と引用インダクタンスＬ’とからなる並列共振回路を接続したことと等価であり、実施の形態１に比べて更に広帯域化することができる。また、図２０は図１８に示す構造とした時のＶＳＷＲ周波数特性であり、実施の形態１で示した図１の構成に導体１３、導体１４および導体１５によるショートスタブとオープンスタブを付加した構成とした場合である。
以上のように、更にショートスタブとオープンスタブを付加することによって、ＶＳＷＲ＜１．５の比帯域幅は２３．８％となり、更に広帯域化できることがわかる。

実施の形態１０．
以上の実施の形態１〜９のアンテナ装置では給電構造が１つであり、１つの直線偏波を放射するものについて説明したが、この実施の形態１０では、給電構造が２つの場合について説明する。また、放射導体２は円形、正方形などの回転対称形に形成する。
図２１は、この発明の実施の形態１０に係わるアンテナ装置を示す構成説明図であり、図２１（ａ）はその平面図、図２１（ｂ）はその側面図である。図２１において、１６ａは第１の直線偏波を放射させるための給電構造、１６ｂは第２の直線偏波を放射させるための給電構造である。なお、給電構造１６ａおよび給電構造１６ｂのそれぞれは図１に示したアンテナ装置の給電構造と同様のものであり、導体１７ａから導体２１ａおよび導体１７ｂから導体２１ｂで形成され、互いに直交させて配置され、互いに直交する第１の直線偏波と第２の直線偏波を放射する。また、２２は図２１（ａ）における導体２の中心、２３ａは中心２２と第１の給電構造１６ａの中心を通るｙ軸、２３ｂは中心２２と第２の給電構造１６ｂの中心を通るｘ軸である。

ここで、円形マイクロストリップアンテナの内部電界Ｅ_ｚは、給電構造１６ｂの一部を形成する導体１９ｂがｘ軸上にあって同軸線路２０ｂから給電する場合、

で表される。ここで、ｍ、ｎは正整数でモード次数、Ｊ_ｍはｍ次の第１種ベッセル関数、ρは中心２２からの距離、φはｘ軸を起点としてｙ軸方向を正の向きにとる周方向の角度である。

ＴＭ_１１モード（基本モード）を励振する場合には、ｃｏｓ（φ）＝０、即ちφ＝π／２または３π／２の位置では電界が零となるので、この位置に２つ目の給電構造１６ａを配置すれば、１６ｂから給電された電磁波は１６ａに干渉せず、逆もまた干渉しない。このように構成することにより直交偏波共用化が実現でき、同軸線路２０ａ、２０ｂ各々に入射する電磁波の振幅比と位相差を任意に制御できる回路を備えれば、任意の向きの直線偏波、円偏波など、所望の偏波を放射することが可能となる。例えば、一方の給電構造１６ａに印加する電圧と他方の給電構造１６ｂに印加する電圧の位相差を９０度にすれば、円偏波が放射される。

以上のように、この発明のアンテナ装置によれば、従来の２点給電マイクロストリップアンテナよりも動作周波数帯域幅を広げることが可能となる。また、偏波共用とすることで、アンテナ装置の設置スペースを節約することができ、さらに低コスト化できるという効果がある。

また、例えばＴＭ_２１モードのような高次モードを励振する場合、ｃｏｓ（２φ）＝０、即ちφ＝π／４、３π／４、５π／４、７π／４で電界が零になるので、例えば図２１（ｃ）に示すように、これらの位置に２つ目の給電構造１６ａを配置すればよい。

実施の形態１１．
この発明の実施の形態１１に係わるアンテナ装置は、次に説明するようなアレーアンテナが形成されたアンテナ装置である。
前記の実施の形態１〜１０で説明したアンテナ装置のいずれかの構成をアレーアンテナの素子アンテナの構成とし、その複数個を適宜に配列して給電することによりアレーアンテナを構成することができる。なお、それぞれのアレーアンテナについては図示省略する。このようにアレー化した場合にも、素子アンテナとした本願発明のアンテナ装置の特性が反映され、薄型で広帯域なアレーアンテナを得ることができる。

以上説明した実施の形態１〜９において、地導体１、放射導体２、導体３、導体４などの配置は、誘電体を介して行なっても良い。また、各々の間を異なる比誘電率を有する誘電体で充填しても良い。また、アンテナ装置全体を適当な比誘電率を有する誘電体で覆っても良い。このように誘電体を用いる場合、誘電体多層基板に導体パターンをエッチングする方法、樹脂成形品と板金を組み合わせる方法、樹脂成形品にメッキを施す方法などが適用でき、製造が容易になる。さらに、実施の形態１０および実施の形態１１のアンテナ装置においても、上記同様の扱いが可能である。

なお、以上説明した実施の形態において、給電プローブ５は放射導体２の外側に外して配置するものに限らず、放射導体２と絶縁して貫通させる配置でも良い。

また、以上説明した実施の形態において、給電線路は同軸線路６に限るものではなく、マイクロストリップ線路、トリプレート線路、コプレーナ線路など、地導体１と給電プローブ５の間に電位差を与える線路であればよく、利用形態に応じて適宜最適な線路を選択すれば良い。

この発明の実施の形態１に係わるアンテナ装置の構成を示す構成説明図である。無給電素子付きマイクロストリップアンテナのインピーダンス特性を解析するためのスミスチャート図である。図２のインピーダンス特性解析の対象にしたマイクロストリップアンテナの構成を示す構成説明図である。この発明の実施の形態１に係わるアンテナ装置の効果を説明するためのインピーダンス特性を示すスミスチャート図である。図４のインピーダンス特性解析の対象にした無給電素子付きマイクロストリップアンテナの構成を示す構成説明図である。この発明の実施の形態１に係わるアンテナ装置の動作を説明するための等価回路モデル図である。この発明の実施の形態１に係わるアンテナ装置の効果を説明するためのＶＳＷＲ周波数特性図である。この発明の実施の形態２に係わるアンテナ装置を断面図で示す構成説明図である。この発明の実施の形態２に係わるアンテナ装置の動作を説明するための等価回路モデル図である。この発明の実施の形態３に係わるアンテナ装置を示す構成説明図である。この発明の実施の形態４に係わるアンテナ装置を示す構成説明図である。この発明の実施の形態５に係わるアンテナ装置を示す構成説明図である。この発明の実施の形態５に係わるアンテナ装置を示す構成説明図である。この発明の実施の形態６に係わるアンテナ装置を示す構成説明図である。この発明の実施の形態７に係わるアンテナ装置を示す構成説明図である。この発明の実施の形態７に係わるアンテナ装置の効果を説明するためのＶＳＷＲ周波数特性図である。この発明の実施の形態８に係わるアンテナ装置を示す構成説明図である。この発明の実施の形態９に係わるアンテナ装置を示す構成説明図である。この発明の実施の形態９に係わるアンテナ装置の動作を説明するための等価回路モデル図である。この発明の実施の形態９に係わるアンテナ装置の効果を説明するためのＶＳＷＲ周波数特性図である。この発明の実施の形態１０に係わるアンテナ装置を示す構成説明図である。

符号の説明

１地導体、２放射導体、３、４、７、９ａ、９ｂ、１２、１３、１４、１５、１７、１８、２１導体、５、１９給電プローブ、６同軸線路、８切り抜き穴、１０マイクロストリップ線路、１１無給電素子、１６ａ、１６ｂ給電構造、２０ａ、２０ｂ同軸線路、２２中心、２３ａｙ軸、２３ｂｘ軸。

Claims

地導体、放射導体、給電線路、給電プローブを有し、前記給電線路からの前記給電プローブと前記地導体間への給電により励振されるマイクロストリップアンテナで成るアンテナ装置であって、前記放射導体と重なる部位を有し、前記部位の一端が前記放射導体に短絡接続されて前記放射導体との間でショートスタブを形成する第１の導体と、前記第１の導体および前記放射導体と重なる部位を有し、一端が開放され他端が前記給電プローブに接続されて前記第１の導体との間でオープンスタブを形成する第２の導体とを備えて誘導性インピーダンスと容量性インピーダンスを生成し、前記地導体が形成された平面に略平行に、前記放射導体、前記第１の導体、前記第２の導体をこの順に配置したことを特徴とするアンテナ装置。
地導体、放射導体、給電線路、給電プローブを有し、前記給電線路からの前記給電プローブと前記地導体間への給電により励振されるマイクロストリップアンテナで成るアンテナ装置であって、前記放射導体と重なる部位を有し、前記部位の一端が前記放射導体に短絡接続されて前記放射導体との間でショートスタブを形成する第１の導体と、前記第１の導体および前記放射導体と重なる部位を有し、一端が開放され他端が前記給電プローブに接続されて前記第１の導体との間でオープンスタブを形成する第２の導体とを備えて誘導性インピーダンスと容量性インピーダンスを生成し、前記地導体が形成された平面に略平行に、前記第２の導体、前記第１の導体、前記放射導体をこの順に配置したことを特徴とするアンテナ装置。
地導体、放射導体、給電線路、給電プローブを有し、前記給電線路からの前記給電プローブと前記地導体間への給電により励振されるマイクロストリップアンテナで成るアンテナ装置であって、前記放射導体と重なる部位を有し、前記部位の一端が前記放射導体に短絡接続されて前記放射導体との間でショートスタブを形成する第１の導体と、前記第１の導体と重なる部位を有し、一端が開放され他端が前記給電プローブに接続されて前記第１の導体との間でオープンスタブを形成する第２の導体とを備えて誘導性インピーダンスと容量性インピーダンスを生成し、前記地導体が形成された平面に略平行に、前記放射導体、前記第１の導体をこの順に配置すると共に前記第２の導体を前記放射導体と略同一平面上に配置し、かつ、前記第１の導体を前記第２の導体とも重なる部位を形成する方向へ延在させて配置したことを特徴とするアンテナ装置。
地導体、放射導体、給電線路、給電プローブを有し、前記給電線路からの前記給電プローブと前記地導体間への給電により励振されるマイクロストリップアンテナで成るアンテナ装置であって、前記放射導体と重なる部位を有し、前記部位の一端が前記放射導体に短絡接続されて前記放射導体との間で誘導性インピーダンスを呈するショートスタブを形成し、前記部位から前記放射導体との重なりの外へ延在する部位に切り抜き穴が設けられた第３の導体と、前記切り抜き穴の内部に絶縁して配置されると共に前記給電プローブに接続されて前記第３の導体との間で容量性インピーダンスを呈する第４の導体とを備え、前記地導体が形成された平面に略平行に、前記放射導体、前記第３の導体をこの順に配置すると共に前記第４の導体を前記第３の導体と略同一平面上に配置したことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、前記アンテナ装置の動作周波数帯の中心周波数近傍で共振する電気長を有し、前記放射導体と電磁結合して複共振を生じる位置に配置された無給電素子を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、一端が前記給電プローブに接続されると共に他端が前記地導体に短絡接続されて前記地導体との間で誘導性インピーダンスを呈するショートスタブを形成する第５の導体と、一端が前記給電プローブに接続されると共に他端が開放されて前記地導体との間で容量性インピーダンスを呈するオープンスタブを形成する第６の導体とを、前記地導体が形成された平面に略平行に配置したことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、前記放射導体に代えて、前記放射導体の共振方向の中央部の電界が零となる部位に該当する一端が前記地導体に短絡接続された共振方向の長さが前記放射導体の略半分の放射導体を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のアンテナ装置の２つの同じアンテナ装置を、それぞれの前記放射導体を回転対称形の放射導体とすると共に互いに同一面内で９０度ずらせてそれぞれの前記回転対称形の放射導体と前記地導体とを共通化し、２点給電のマイクロストリップアンテナを形成したことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のアンテナ装置の２つの同じアンテナ装置を、それぞれの前記放射導体を回転対称形の放射導体とすると共に互いに同一面内で４５度ずらせてそれぞれの前記回転対称形の放射導体と前記地導体とを共通化し、２点給電のマイクロストリップアンテナを形成したことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１〜９のいずれか１項に記載のアンテナ装置の複数個を配列してアレーアンテナが形成されたことを特徴とするアンテナ装置。