JP5153522B2 - アンテナ装置、及びアレーアンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、平面アンテナの一種であるマイクロストリップアンテナを構成するアンテナ装置、及びアレーアンテナ装置に関する。

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は、通常の設計では一般的に狭帯域であり、その比帯域幅は数％程度である。このようなマイクロストリップアンテナの広帯域化手法としては、基板の誘電体部の厚さを厚くする方法や、無給電素子を用いる方法が知られている。しかしながら、これらの方法では、アンテナの厚みが増してしまうほか、無給電素子の配置が制限されるような場合には、適用ができないという問題がある。

これに対して、例えば特許文献１に示すような従来のアンテナ装置では、誘導性インピーダンスをなすショートスタブと、容量性インピーダンスをなすオープンスタブとが給電プローブに接続されている。そして、これらのスタブで構成される直列共振回路を介して放射導体が励振されることによって、動作周波数帯域が広帯域化される。

特開２００８−６６８３８号公報

特許文献１に示すような従来のアンテナ装置では、給電プローブ上を流れる電流から不要放射として放射される電波が存在する。このため、アンテナの厚さが増し給電プローブの長さが長くなるに従って、放射導体の共振方向に垂直な面であるＨ面において、電界成分の交差偏波が大きくなり、その交差偏波によって放射特性が低下するという問題があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、動作周波数帯域の広帯域化を図りつつ、Ｈ面での交差偏波を低減させることができるアンテナ装置、及びアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るアンテナ装置は、マイクロストリップアンテナを構成するものであって、一対の電路を有する給電線路、一対の電路の一方に電気的に接続された地導体、地導体から間隔をおいて対向配置された放射導体、一端部が一対の電路の他方に電気的に接続され、他端部が地導体から放射導体へ向けて突出する給電プローブ、放射導体から間隔をおいて対向配置され、一端部が給電プローブに近接して配置され、他端部が放射導体に接続され、放射導体との間でショートスタブを形成する第１スタブ形成導体、及び第１スタブ形成導体の一端部から間隔をおいて対向配置され、一端部が給電プローブの他端部に接続され、第１スタブ形成導体の一端部との間でオープンスタブを形成する第２スタブ形成導体を備え、第１スタブ形成導体の他端部と給電プローブとの距離が第１スタブ形成導体の全長よりも短くなるように第１スタブ形成導体が折り曲げられ、第１スタブ形成導体の他端部が給電プローブに近接して配置されているものである。

この発明のアンテナ装置によれば、ショートスタブ及びオープンスタブによる直列共振回路によって動作周波数帯域が広帯域化され、また、第１スタブ形成導体の他端部がその一端部から間隔をおいて、給電プローブに近接して配置されているので、給電プローブに流れる電流による放射が、第１スタブ形成導体の他端部における放射導体との接続箇所に流れる電流による放射によって打ち消されて、給電プローブからの不要放射が抑えられることにより、Ｈ面での交差偏波を低減させることができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
図１，２において、アンテナ装置１００は、マイクロストリップアンテナである。また、アンテナ装置１００は、地導体１、放射導体２、第１スタブ形成導体（第１の導体）３、第２スタブ形成導体（第２の導体）４、給電プローブ５、給電線路としての同軸線路６、及び短絡導体７を有している。地導体１は、有限の大きさをもつ導体である。また、地導体１の形状は、例えば矩形である。

地導体１、放射導体２、第１スタブ形成導体３及び第２スタブ形成導体４は、図２に示すように、地導体１、放射導体２、第１スタブ形成導体３及び第２スタブ形成導体４の順に、相互に間隔をおいて配置されている。また、放射導体２、第１スタブ形成導体３及び第２スタブ形成導体４は、それぞれ地導体１に対して略平行に配置されている。

放射導体２は、板状の導体である。また、放射導体２の形状は、例えば円形である。放射導体２には、開口２ａが設けられている。さらに、放射導体２は、地導体１に対向している。第１スタブ形成導体３は、板状の導体である。また、第１スタブ形成導体３は、放射導体２に対向している。さらに、第１スタブ形成導体３は、一部が途切れた略ロ字状に折り曲げられ、ロ字第１辺部３ａ、ロ字第２辺部３ｂ、ロ字第３辺部３ｃ及びロ字第４辺部３ｄを有している。

ロ字第１辺部３ａには、第１スタブ形成導体３の一端部が配置されている。ロ字第４辺部３ｄには、第１スタブ形成導体３の他端部が配置されている。第１スタブ形成導体３の他端部は、短絡導体７を介して、放射導体２に短絡接続されている。第２スタブ形成導体４は、短冊状の導体である。また、第２スタブ形成導体４は、第１スタブ形成導体３のロ字第１辺部３ａに対向している。

給電プローブ５の形状は、棒状である。給電プローブ５は、地導体１から放射導体２へ向けて突出するように配置されている。また、給電プローブ５は、開口２ａ、及び第１スタブ形成導体３の一端部と他端部との間の箇所を貫通している。給電プローブ５の上端部は、第２スタブ形成導体４の一端部と電気的に接続されている。

同軸線路６は、一対の電路としての内導体６ａ及び外導体６ｂを有している。同軸線路６の内導体６ａは、給電プローブ５の下端部に電気的に接続されている。同軸線路６の外導体６ｂは、地導体１に電気的に接続されている。ここで、第１スタブ形成導体３の他端部における放射導体２との接続箇所、即ち短絡導体７は、給電プローブ５との間の間隔が第１スタブ形成導体３の全長よりも短くなるように、給電プローブ５に近接して配置されている。

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（図示せず）が接続されているものとして説明する。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６ａに（＋）（プラス）電荷、外導体６ｂに（−）（マイナス）電荷を配して同軸線路６上を伝わり、地導体１と同軸線路６の外導体６ｂとの接続箇所に到達する。そして、内導体６ａ上を移動した（＋）電荷は給電プローブ５に流入し、同軸線路６の外導体６ｂを移動した（−）電荷は地導体１に流入する。即ち、この動作は、地導体１と給電プローブ５との間に電圧が印加されることに相当する。

また、給電プローブ５に流入した（＋）電荷は、第２スタブ形成導体４に達する。第１スタブ形成導体３と第２スタブ形成導体４との間の間隔が信号波の波長に比べて小さい場合には、第２スタブ形成導体４上の（＋）電荷のクーロン引力によって、第１スタブ形成導体３に（−）電荷が誘起される。ここで、同軸線路６に流れる信号が交流であるため、電荷の極性は交流信号の周波数に応じて周期的に変化する。そして、第１スタブ形成導体３には、交流周波数によって電荷の移動が生じるので、第１スタブ形成導体３には高周波電流が流れる。

このように、第１スタブ形成導体３と第２スタブ形成導体４とは、高周波的に互いに容量結合する。この第１スタブ形成導体３と第２スタブ形成導体４との等価容量は、静電容量として算出する場合には、次の（１）式に示すような関係となる。

但し、Ｓは、第１スタブ形成導体３及び第２スタブ形成導体４のいずれか一方のその他方に対する対向箇所の面積である。ｄは、第１スタブ形成導体３及び第２スタブ形成導体４間の間隔である。εは、第１スタブ形成導体３及び第２スタブ形成導体４間の誘電率である。

一方、第１スタブ形成導体３と第２スタブ形成導体４とは、先端開放の伝送線路、即ちオープンスタブとして動作するもの考えることができる。第２スタブ形成導体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、次の（２）式で表される。

但し、Ｚ_０__ＯＳは、オープンスタブ（先端開放の伝送線路）の特性インピーダンスである。また、Ｚ_０__ＯＳは、第２スタブ形成導体４の幅Ｗ_ＯＳ、第１スタブ形成導体３と第２スタブ形成導体４との間の間隔ｔ_ＯＳ、及び第１スタブ形成導体３と第２スタブ形成導体４との間の比誘電率ε_ｒ３によって決定される。λは、使用周波数に対する実効波長である。

第２スタブ形成導体４の長さＬ_ＯＳは、次の（３）式で表される。また、この（３）式を満たすとき、この伝送線路は、容量性インピーダンスとなる。

但し、ｎは０以上の整数である。

第１スタブ形成導体３と第２スタブ形成導体４との結合と同様に、第１スタブ形成導体３に電荷移動が生じた場合、この電荷移動に応じて放射導体２上の第１スタブ形成導体３と近接した部分にも、電荷移動が生じて電流が流れる。この場合、第１スタブ形成導体３と放射導体２に流れる電流とは、互いに逆位相になる。このため、第１スタブ形成導体３と放射導体２とは、第１スタブ形成導体３の先端が短絡導体７で短絡されたショートスタブとして動作する。

第１スタブ形成導体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、次の（４）式で表される。

但し、Ｚ_０__ＳＳは、ショートスタブの特性インピーダンスである。また、Ｚ_０__ＳＳは、第１スタブ形成導体３の幅Ｗ_ＳＳ、放射導体２と第１スタブ形成導体３との間の間隔ｔ_ＳＳ、及び放射導体２と第１スタブ形成導体３との間の比誘電率ε_ｒ２によって決定される。λは、使用周波数に対する実効波長である。

また、第１スタブ形成導体３の長さＬ_ＳＳが、次の（５）式を満たすとき、このショートスタブは誘導性インピーダンスとなる。

以上のことから、図１，２に示すアンテナ装置１００は、図３に示すような等価回路となる。図３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である。Ｌ_Ｐは、給電プローブ５が有するインダクタンスである。Ｌは、ショートスタブの誘導性インピーダンスである。Ｃは、オープンスタブの容量性インピーダンスである。従って、オープンスタブ及びショートスタブを有するアンテナ装置１００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構成と等価であるため、アンテナ装置１００の動作周波数帯域が広帯域化される。

このとき、直列共振回路の共振周波数とアンテナ装置１００の共振周波数とは、ほぼ等しくなる。また、直列共振回路のインピーダンスは、共振周波数近傍では略短絡状態となるから、図３の回路における点ａと点ｄとを通る電流は、同位相となる。ここで、図３の回路における点ａから点ｄの位置を、図２のアンテナ装置１００の断面図上に示すと図４に示すようになる。

つまり、給電プローブ５上を流れる電流の向きと短絡導体７上を流れる電流の向きとは、図４の点線矢示Ａ，Ｂのように、互いに逆向きとなる。従って、第１スタブ形成導体３の他端部は、その一端部（即ち第２スタブ形成導体４との対向箇所）から間隔をおいて、給電プローブ５に近接して配置されている。また、第１スタブ形成導体３の一端部及び他端部は、給電プローブ５及び開口２ａを挟むように互いに反対側に配置されている。

ここで、給電プローブ５によって励振されるマイクロストリップアンテナでは、給電プローブ上を流れる電流からの不要放射によって、Ｈ面（放射導体２の共振方向に垂直な面）において交差偏波が生じる。この交差偏波に対して、アンテナ装置１００では、第１スタブ形成導体３の他端部における放射導体２との接続箇所は、給電プローブ５との間の間隔が第１スタブ形成導体３の全長よりも短くなるように、給電プローブ５に近接して配置されており、これらを流れる電流は互いに逆向きである。これによって、給電プローブ５からの放射される電波と短絡導体７から放射される電波とが、互いに打ち消し合う。

次に、アンテナ装置１００の動作を確認するため、電磁界及びアンテナ解析において広く用いられているＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法によって、アンテナ装置１００の特性を数値計算した結果について説明する。図５は、図１のアンテナ装置１００の給電プローブ５及び短絡導体７上を流れる電流の分布を示すグラフである。

なお、図５の横軸は、給電プローブ５又は短絡導体７の長さ方向（図２の上下方向）の位置を示す。また、図５の縦軸は、ある瞬間の電流位相を示す。また、計算した周波数は、アンテナの動作周波数帯域の中心周波数ｆ_Ｃ、上端周波数ｆ_Ｈ、及び下端周波数ｆ_Ｌである。さらに、下端周波数ｆ_Ｌ及び上端周波数ｆ_Ｈは、中心周波数ｆ_Ｃで規格化した場合には、それぞれｆ_Ｌ＝０．９７６ｆ_Ｃ、ｆ_Ｈ＝１．０４１ｆ_Ｃとなる。また、電流位相は、電流が＋Ｚ方向に流れる場合を正としている。図５（ａ），（ｂ）に示すように、いずれの周波数においても給電プローブ５及び短絡導体７上を流れる電流の向きは、互いに逆向きとなっていることがわかる。

次に、アンテナ装置１００の放射パターンについて説明する。図６は、スタブ構造を持たない場合のマイクロストリップアンテナの放射パターンの解析結果を示すグラフである。図７は、図１のアンテナ装置１００の放射パターンの解析結果を示すグラフである。なお、図６及び図７のθは、＋ｚ軸からｘｙ平面に向かう回転角であり、図６及び図７のφは、＋Ｘ軸からｙ軸に向かう回転角である。

また、図６（ａ）及び図７（ａ）は、アンテナの動作周波数帯域の下端周波数ｆ_Ｌについての放射パターンを示す。さらに、図６（ｂ）及び図７（ｂ）は、アンテナの動作周波数帯域の中心周波数ｆ_Ｃについての放射パターンを示す。また、図６（ｃ）及び図７（ｃ）は、アンテナの動作周波数帯域の上端周波数ｆ_Ｈについての放射パターンを示す。

スタブ構造を持たない場合のマイクロストリップアンテナでは、図６（ａ）のＥφに示すように、Ｈ面（ｙ−ｚ面、放射導体２の共振方向に垂直な面）において、−１８ｄＢｉ程度の交差偏波が生じていることがわかる。これに対して、図１のアンテナ装置１００のＨ面の交差偏波は、図７（ａ）のＥφに示すように、−２２ｄＢｉ以下に抑えられており、交差偏波低減の効果が確認できる。

上記のようなアンテナ装置では、第１スタブ形成導体３及び第２スタブ形成導体４によってショートスタブ及びオープンスタブが形成され、それらのショートスタブ及びオープンスタブによる直列共振回路によって動作周波数帯域が広帯域化される。また、第１スタブ形成導体３の他端部がその一端部から間隔をおいて、給電プローブ５に近接して配置されている。この構成により、給電プローブ５に流れる電流による放射が第１スタブ形成導体３の他端部における放射導体２との接続箇所（即ち短絡導体７）に流れる電流による放射のよって打ち消されて、給電プローブ５からの不要放射が抑えられることにより、Ｈ面での交差偏波を低減させることができる。

なお、実施の形態１では、地導体１、放射導体２、第１スタブ形成導体３及び第２スタブ形成導体４の支持関係を特に示していないが、地導体１、放射導体２、第１スタブ形成導体３及び第２スタブ形成導体４のそれぞれの間に誘電体を介在（充填）させて、その誘電体によって、地導体１から放射導体２、第１スタブ形成導体３及び第２スタブ形成導体４が支持されていてもよい。ここで、地導体１と放射導体２との間の箇所には、誘電体に代えて、絶縁体を用いることもできる。

また、地導体１、放射導体２、第１スタブ形成導体３、第２スタブ形成導体４のそれぞれの間に介在されている誘電体の比誘電率が、各所で異なる値であってもよい。例えば、地導体１と放射導体２との間に設けられた誘電体の比誘電率と、放射導体２と第１スタブ形成導体３との間に設けられた比誘電率とが、互いに異なる値であってもよい。

ここで、以上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、又は樹脂成形品にメッキを施す方法等を用いて、アンテナ装置１００を製造することができ、アンテナ装置１００を容易に製造可能となる。また、アンテナ装置１００に誘電体基板を用いる場合、短絡導体７に代えてスルーホールを用いてもよい。

実施の形態２．
実施の形態１のアンテナ装置１００では、先の図２に示すように、第１スタブ形成導体３及び第２スタブ形成導体４が、放射導体２における地導体１の反対側に配置されていた。これに対して、実施の形態２のアンテナ装置２００では、第１スタブ形成導体３及び第２スタブ形成導体４が、地導体１と放射導体２との間に配置されている。

図８は、この発明の実施の形態２によるアンテナ装置の一部を示す断面図である。図８において、実施の形態２のアンテナ装置２００では、地導体１、放射導体２、第１スタブ形成導体３及び第２スタブ形成導体４は、地導体１、第２スタブ形成導体４、第１スタブ形成導体３及び放射導体２の順に配置されている。

このような構成において、放射導体２及び第１スタブ形成導体３間のインピーダンスは、先の（４）式で与えられるショートスタブとして作用する。また、第１スタブ形成導体３及び第２スタブ形成導体４間のインピーダンスは、先の（２）式で与えられるオープンスタブとして作用する。つまり、アンテナ装置２００の動作周波数帯域は、実施の形態１のアンテナ装置１００の動作周波数帯域と同様となる。

ここで、第２スタブ形成導体４と地導体１とが電気的に結合しないように、第２スタブ形成導体４と地導体１との間の間隔ｔ_ｇ、第１スタブ形成導体３と第２スタブ形成導体４との間の間隔ｔ_ＯＳ、使用周波数、第２スタブ形成導体４と地導体１との間の比誘電率ε_{ｒ_ｇ}、及び第１スタブ形成導体３と第２スタブ形成導体４との間の比誘電率ε_ｒ３等を選定することによって、実施の形態２におけるアンテナ装置２００の等価回路が先の図３に示す回路と実質的に同様のものとなる。

従って、このような構成としても、給電プローブ５を流れる電流の向きと、短絡導体７を流れる電流の向きとは、互いに逆向きとなる。この結果、給電プローブ５と短絡導体７は近接して配置されているため、給電プローブ５から放射される電波と短絡導体７から放射される電波とが互いに打ち消し合う。他の構成及び動作は、実施の形態１と同様である。

上記のようなアンテナ装置では、実施の形態１における第１スタブ形成導体３と第２スタブ形成導体４とを相互に入れ替えた場合であっても、給電プローブ５に流れる電流による放射と、短絡導体７に流れる電流による放射とが互いに打ち消し合うことにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。これとともに、実施の形態１のものよりも薄型にすることができる。

実施の形態３．
実施の形態１のアンテナ装置１００では、放射導体２から電磁波が直接的に放射された。これに対して、実施の形態３のアンテナ装置３００では、無給電素子８を介して、放射導体２から電磁波が放射される。

図９は、この発明の実施の形態３よるアンテナ装置の一部を示す断面図である。図９において、実施の形態３のアンテナ装置３００は、無給電素子８をさらに有している。無給電素子８は、放射導体２から放射される動作周波数帯の中心周波数近傍で共振する電気長に予め設定されている。また、無給電素子８は、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。他の構成及び動作は、実施の形態１と同様である。

ここで、一般的に、無給電素子が設けられ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る。また、無給電素子の形状、及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って、動作周波数帯域を広帯域化できることが知られている。

上記のようなアンテナ装置では、ショートスタブ及びオープンスタブが伝送線路であって、それらの伝送線路からの電波放射（不要放射）はほとんどないことから無給電素子８と放射導体２との電磁結合への影響は生じない。これにより、給電プローブ５からのＨ面での交差偏波をさせることができるとともに、実施の形態１のものよりも、動作周波数帯域を広帯域化することができる。

なお、実施の形態３では、無給電素子８が放射導体２における地導体１の反対側に配置されていた。しかしながら、この例に限定されるものではなく、無給電素子８が、放射導体２と電磁結合し複共振特性が得られるように配置してもよい。例えば、地導体１と放射導体２との間の箇所や、放射導体２に水平方向に隣接した箇所（図９の左側や右側）等に無給電素子８を配置してもよい。

また、実施の形態３のアンテナ装置３００は、実施の形態１のアンテナ装置１００に無給電素子８を追加した構成であった。しかしながら、この例に限定されるものではなく、実施の形態２のアンテナ装置２００に無給電素子８を追加した構成としてもよい。

実施の形態４．
実施の形態４のアンテナ装置４００では、先の実施の形態１〜３の放射導体２に代えて、共振方向の長さ寸法（直径）が放射導体２の約半分の放射導体１２が用いられる。図１０は、この発明の実施の形態４によるアンテナ装置の一部を示す断面図である。図１０において、アンテナ装置４００は、いわゆるショートパッチアンテナを構成している。また、放射導体１２の外周の一部（一端部）と地導体１との間は、短絡導体１３によって短絡接続されている。

ここで、一般的なマイクロストリップアンテナにおいて、放射導体上の電流は、共振方向の両端で０になる。そして、放射導体が信号波の約１／２波長で共振して、放射導体上に定在波の電流が現れているときには、放射導体の中央で電流が最大になることは、一般的に良く知られている。また、定在波では電圧の位相が電流の位相と９０度ずれている。これにより、放射導体の共振方向の中央の電界は０となる。

従って、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信号波の約１／４波長に対応させて小型化したものがショートパッチアンテナであり、この実施の形態４のアンテナ装置４００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、アンテナ装置４００の等価回路も先の図３に示す回路と同様のものとなる。他の構成及び動作は、実施の形態１と同様である。

上記のようなアンテナ装置４００では、共振方向の長さ寸法が実施の形態１における放射導体２の約半分の放射導体１２が用いられているので、実施の形態１のものに比べて放射導体２の共振方向の長さを半分にできるとともに、地導体１も小さくすることができる。この結果、アンテナ装置４００のサイズを、実施の形態１のアンテナ装置１００の約半分に小型化することができる。

なお、実施の形態４のアンテナ装置４００は、実施の形態１のアンテナ装置１００の放射導体２を放射導体１２に代えた構成であった。しかしながら、２点給電方式のアンテナ装置４００の構成は、この例に限定されるものではなく、実施の形態２又は実施の形態３のアンテナ装置２００，３００の放射導体２を放射導体１２に代えた構成としてもよい。

実施の形態５．
先の実施の形態１〜４では、給電構造が１つであり、１つの直線偏波を放射するアンテナ装置１００〜４００について説明した。これに対して、実施の形態５では、給電構造が２つであり、２つの直線偏波を放射するアンテナ装置５００について説明する。

図１１は、この発明の実施の形態５によるアンテナ装置を示す平面図である。図１２は、図１１のアンテナ装置５００を示す側面図である。なお、図１１の基準点Ｏ（所定の基準点）は、放射導体２の中心に配置されている。また、図１１のｘ軸及びｙ軸は、基準点Ｏを通るように配置されている。さらに、図１２は、図１１の矢示ＸＩＩへ向けてアンテナ装置５００を見た状態を示す。

図１１，１２において、実施の形態５のアンテナ装置５００には、第１給電構造１０及び第２給電構造２０が設けられている。第１給電構造１０は、先の実施の形態１における第１スタブ形成導体３、第２スタブ形成導体４、給電プローブ５、同軸線路６及び短絡導体７によって構成されている。

第２給電構造２０は、第１給電構造１０と同一の構成である。即ち、第２給電構造２０は、第１スタブ形成導体３、第２スタブ形成導体４、給電プローブ５、同軸線路６及び短絡導体７とそれぞれ同等の第１スタブ形成導体２３、第２スタブ形成導体２４、給電プローブ２５、同軸線路２６及び短絡導体２７によって構成されている。ここで、第２給電構造２０の第１スタブ形成導体２３は、第１給電構造１０の第１スタブ形成導体３に対して鏡像対称となるように、略ロ字状に折り曲げられている。

また、実施の形態５の放射導体２は、基準点Ｏを中心に回転対称形となっている。さらに、放射導体２には、先の開口２ａから基準点Ｏに対して９０度（所定の角度）ずらして、開口２ｂが設けられている。つまり、第２給電構造２０は、第１給電構造１０に対して鏡像対称となっており、かつ第１給電構造１０から基準点Ｏに対して９０度ずらして配置されている。

第１給電構造１０からは、第１の直線偏波が放射され、第２給電構造２０からは、第２の直線偏波が放射される。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、第１給電構造１０の一部を形成する第２スタブ形成導体４がｘ軸上にあって同軸線路６から給電する場合、次の（６）式で表される。

但し、ｍ，ｎは、モード次数（ｍは０以上の正整数、ｎは１以上の正整数）である。Ｊ_ｍは、ｍ次の第１種ベッセル関数である。ρは、基準点Ｏからの距離である。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。

ここで、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又は３π／２の位置では電界が零となる。このため、この位置に第２給電構造２０を配置することによって、第１給電構造１０から放射された電磁波は、第２給電構造２０からの電磁波に基本的には干渉しない。これと同様に、第２給電構造２０から放射された電磁波は、第１給電構造１０からの電磁波に基本的には干渉しない。また、第１及び第２給電構造の一部であるショートスタブは、略ロ字状に折り曲げられているので、これらの給電構造１０，２０が互いに物理的に干渉することもない。

従って、アンテナ装置５００では、直交偏波共用化が実現され、同軸線路６、２６の各々に入射する電磁波の振幅比と位相差とを任意に制御できる回路を用いることによって、任意の向きの直線偏波、円偏波等の所望の偏波を放射することが可能となる。例えば、第１及び第２給電構造１０，２０のいずれか一方に印加する電圧と、その他方に印加する電圧との位相差を９０度にすれば、円偏波が放射される。

上記のようなアンテナ装置では、従来の２点給電方式のマイクロストリップアンテナよりも動作周波数帯域幅の広帯域化を図りつつ、給電プローブ５，２５からの不要放射によるＨ面での交差偏波を低減させることができる。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、低コスト化を図ることができる。

実施の形態６．
実施の形態５のアンテナ装置５００は、ＴＭ_１１モード（基本モード）で励振する場合を前提とした構成であった。これに対して、実施の形態６のアンテナ装置６００は、例えばＴＭ_２１モード（高次モード）で励振する場合を前提とした構成となっている。図１３は、この発明の実施の形態６によるアンテナ装置を示す平面図である。図１３において、実施の形態６の第２給電構造２０は、ｃｏｓ（２φ）＝０を満たす位置に配置されている。即ち、第２給電構造２０は、基準点Ｏに対して第１給電構造１０からπ／４（４５度；所定の角度）ずらした位置に配置されている。他の構成は、実施の形態５と同様である。

上記のようなアンテナ装置では、第２給電構造２０が基準点Ｏに対して第１給電構造１０からπ／４ずらした位置に配置されている場合であっても、実施の形態５と同様の効果を得ることができる。

なお、実施の形態６では、第２給電構造２０が基準点Ｏに対して第１給電構造１０からπ／４ずらして配置された。しかしながら、この例に限定されるものではなく、３π／４、５π／４、７π／４でも電界が零になるので、第２給電構造２０を第１給電構造１０から基準点Ｏに対してこれらの角度ずらして配置してもよい。

また、実施の形態５，６では、実施の形態１のアンテナ装置１００の構成を基礎とした２点給電方式のアンテナ装置５００，６００の構成を示した。しかしながら、２点給電方式のアンテナ装置５００，６００の構成は、これらの例に限定されるものではなく、実施の形態２又は３のアンテナ装置２００，３００の構成を基礎としてもよい。

さらに、実施の形態５，６では、第２給電構造２０の第１スタブ形成導体２３が第１給電構造１０の第１スタブ形成導体３に対して鏡像対称となるように、略ロ字状に折り曲げられていた。しかしながら、この例に限定されるものではなく、例えば、第２給電構造２０の第１スタブ形成導体２３が、第１給電構造１０の第１スタブ形成導体３と合同となるように折り曲げられてもよい。

実施の形態７．
実施の形態１のアンテナ装置１００を素子アンテナとし、図１４に示すように、その素子アンテナを複数個適宜配列して給電することにより、アレーアンテナ装置１０００を構成することができる。このようにアレー化した場合にも、実施の形態１のアンテナ装置１００の特性が基本的には反映され、動作周波数帯域の広帯域化を図りつつ、Ｈ面での交差偏波を低減させることができる。

なお、実施の形態７では、実施の形態１のアンテナ装置１００を素子アンテナとして用いたが、実施の形態２〜６のアンテナ装置２００〜６００を素子アンテナとして用いてもよい。この場合でも、実施の形態２〜６のアンテナ装置２００〜６００の特性が基本的には反映される。

また、実施の形態７の図１４に示すアンテナ素子の配列は、あくまで一例であり、アレーアンテナの配列方法（同心円、三角、格子等）、アンテナ素子数、又は各アンテナ素子の給電点の向き等は、適宜決定することができる。

さらに、実施の形態１，３〜７では、給電プローブ５，２５が開口２ａ，２ｂを通して放射導体２を貫通した構成となっていた。しかしながら、この例に限定するものではなく、第１スタブ形成導体３，２３の放射導体２との接続箇所（短絡導体７，２７）が、給電プローブ５，２５に近接するように配置されていれば、給電プローブ５，２５を放射導体２の外周の外側に配置してもよい。

また、実施の形態１〜７では、第１スタブ形成導体３，２３の形状が略ロ字状に折り曲げられていた。しかしながら、この例に限定されるものではなく、第１スタブ形成導体３，２３は、適切な形状を適宜選択（自由設計）可能である。例えば、第１スタブ形成導体３，２３が三角形状や円形状等に折り曲げられてもよい。

さらに、実施の形態１〜７では、第１スタブ形成導体３，２３の一端部及び他端部が、給電プローブ５，２５を挟むように互いに反対側に配置されていた。しかしながら、この例に限定されるものではなく、第１スタブ形成導体３，２３の他端部が、その一端部から間隔をおいて、給電プローブ５，２５に近接して配置されていればよい。例えば、図１において、第１スタブ形成導体３の一端部の位置を基準にした場合には、第１スタブ形成導体３の一端部が開口２ａの＋ｙ側（図１の上側）に配置されていても、Ｈ面における交差偏波を低減させることができる。

また、実施の形態１〜７では、第２スタブ形成導体４，２４の形状が短冊状であった。しかしながら、第２スタブ形成導体４，２４の形状は、短冊状に限定されるものではなく、第１スタブ形成導体３，２３と対向する形状であれば、第１スタブ形成導体３，２３の形状に合わせて変形させてもよい。例えば、実施の形態１におけるロ字第１辺部３ａに加えて、ロ字第２辺部３ｂに対向するように、第２スタブ形成導体４が折り曲げられてもよい。

さらに、実施の形態１〜７では、放射導体２の形状が円形であった。しかしながら、放射導体２の形状は、円形に限るものではなく、例えば方形や三角形等であってもよい。

また、実施の形態１〜７では、給電線路として同軸線路６，２６を用いた。しかしながら、給電線路は同軸線路に限定されるものではなく、地導体１と給電プローブ５，２５との間に電位差を与える線路であればよい。例えば、マイクロストリップ線路、トリプレート線路又はコプレーナ線路等を給電線路として用いてもよく、利用形態に応じて適宜最適な線路を選択することができる。

この発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 図１，２に示すアンテナ装置の等価回路を示す回路図である。 図２のアンテナ装置の電流の向きを説明するための説明図である。 図１のアンテナ装置の給電プローブ及び短絡導体上を流れる電流の分布を示すグラフである。 スタブ構造を持たない場合のマイクロストリップアンテナの放射パターンの解析結果を示すグラフである。 図１のアンテナ装置の放射パターンの解析結果を示すグラフである。 この発明の実施の形態２によるアンテナ装置の一部を示す断面図である。 この発明の実施の形態３によるアンテナ装置の一部を示す断面図である。 この発明の実施の形態４によるアンテナ装置の一部を示す断面図である。 この発明の実施の形態５によるアンテナ装置を示す平面図である。 図１１のアンテナ装置を示す側面図である。 この発明の実施の形態６によるアンテナ装置を示す平面図である。 この発明の実施の形態７によるアレーアンテナ装置を示す平面図である。

符号の説明

１ 地導体、２，１２ 放射導体、３，２３ 第１スタブ形成導体、４，２４ 第２スタブ形成導体、５，２５ 給電プローブ、６，２６ 同軸線路（給電線路）、８ 無給電素子、１０ 第１給電構造、２０ 第２給電構造、７，１３ 短絡導体、１００，２００，３００，４００，５００，６００ アンテナ装置、１０００ アレーアンテナ装置。

Claims (7)

1. マイクロストリップアンテナを構成するアンテナ装置であって、
   一対の電路を有する給電線路、
   前記一対の電路の一方に電気的に接続された地導体、
   前記地導体から間隔をおいて対向配置された放射導体、
   一端部が前記一対の電路の他方に電気的に接続され、他端部が前記地導体から前記放射導体へ向けて突出する給電プローブ、
   前記放射導体から間隔をおいて対向配置され、一端部が前記給電プローブに近接して配置され、他端部が前記放射導体に接続され、前記放射導体との間でショートスタブを形成する第１スタブ形成導体、及び
   前記第１スタブ形成導体の一端部から間隔をおいて対向配置され、一端部が前記給電プローブの他端部に接続され、前記第１スタブ形成導体の一端部との間でオープンスタブを形成する第２スタブ形成導体
   を備え、
   前記第１スタブ形成導体の他端部と前記給電プローブとの距離が前記第１スタブ形成導体の全長よりも短くなるように前記第１スタブ形成導体が折り曲げられ、前記第１スタブ形成導体の他端部が前記給電プローブに近接して配置されている
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第１スタブ形成導体の一端部及び他端部は、前記給電プローブを挟むように互いに反対側に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記地導体、前記放射導体、前記第１スタブ形成導体及び第２スタブ形成導体は、前記地導体、前記第２スタブ形成導体、前記第１スタブ形成導体及び前記放射導体の順に配置されている
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記放射導体から放射される動作周波数帯の中心周波数近傍で共振する電気長に予め設定され、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
   をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
5. 前記放射導体の共振方向の長さ寸法は、前記放射導体から放射される信号波の１／４波長に対応するように予め設定されており、
   前記放射導体の外周の一部は、前記地導体に短絡接続されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
6. 前記給電線路、前記給電プローブ、前記第１スタブ形成導体及び前記第２スタブ形成導体によって構成された第１給電構造と同一の構成である第２給電構造
   をさらに備え、
   前記放射導体は、所定の基準点を中心に回転対称となっており、
   前記第２給電構造は、前記基準点に対して前記第１給電構造から所定角度ずらして配置されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のアンテナ装置を複数配列してなる
   ことを特徴とするアレーアンテナ装置。

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