JP5548779B2

JP5548779B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP5548779B2
Application number: JP2012539613A
Authority: JP
Inventors: 健大野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2031-10-21
Also published as: US20120293387A1; WO2012053223A1; JPWO2012053223A1; US8736507B2

Description

本発明は、ダイポールアンテナを備えたアンテナ装置及び当該アンテナ装置を備えた無線通信装置に関する。

従来、基本的なプリントダイポールアンテナ又は、プリントダイポールアンテナを備えたプリント八木アンテナを用いた種々のアンテナ装置が提案されている（例えば、特許文献１〜５参照。）。例えば、特許文献１には、ダイポールアンテナの素子を用いた水平偏波用アンテナを広帯域化するアンテナ装置が記載されている。特許文献１記載のアンテナ装置では、プリントダイポールアンテナの素子の両側の端部の近傍に、線状の１対の無給電素子をダイポールアンテナの素子と同じ平面状に設けたことを特徴としている。また、特許文献２には、プリント八木アンテナを備え、エンドファイア方向に双方向性を有する双指向性アンテナが記載されている。特許文献２記載のアンテナでは、１枚のプリント基板上に、アンテナ全体で双方向に指向性を有するように２つの八木アンテナを設け、各プリント八木アンテナを構成する励振素子に相互に逆相で給電することを特徴としている。

特開２００１−２８４９４６号公報。特開平７−２４５５２５号公報。米国特許出願公開第２００９／０２０７０８８号明細書。米国特許出願公開第２００９／００４６０１９号明細書。米国特許出願公開第２００９／０１９５４６０号明細書。

プリント八木アンテナは、誘電体基板を用いて容易に製造できるエンドファイアアンテナ装置であり、比較的高い利得を有することが知られている。しかしながら、ミリ波帯又はマイクロ波帯などの高い周波数帯で用いるプリント八木アンテナの誘電体基板として、ガラスエポキシ基板のような一般的なプリント基板を用いると、誘電体基板内での損失により高利得特性を得ることができないという課題があった。また、利得の低下を抑制するためにはアンテナサイズを大きくする必要があり、アンテナ装置を小型化できないという課題があった。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して小型でありかつ高利得特性を有するアンテナ装置及び当該アンテナ装置を備えた無線通信装置を提供することにある。

第１の発明に係るアンテナ装置は、
第１及び第２の面を有する誘電体基板と、
上記第１の面に形成された接地導体と、
上記第２の面に、上記接地導体に対向して給電線路を構成するように形成されたストリップ導体と、
上記第２の面に形成されかつ上記ストリップ導体に接続された第１の給電素子と、上記第１の面に形成されかつ上記接地導体に接続された第２の給電素子とを備え、上記給電線路を介して伝送される高周波信号の波長の実質的に１／２の電気長を有するダイポールアンテナと、
上記第２の面に形成された第１及び第２の無給電素子をそれぞれ備えた複数の第１の無給電素子ペアとを備えたアンテナ装置であって、
上記各第１の無給電素子ペアの第１及び第２の無給電素子はストリップ形状を有し、上記ダイポールアンテナの長手方向に平行でありかつ上記ダイポールアンテナからの電波の放射方向に位置する直線上に、互いにギャップを有しかつ互いに電磁的に結合するように形成され、
上記ダイポールアンテナと上記各第１の無給電素子ペアとが互いに対向しかつ電磁的に結合するように、所定の間隔で配置され、
上記アンテナ装置は、上記第１の無給電素子に電磁的に結合しかつ上記第２の無給電素子と電磁的に結合するように上記各ギャップに形成された複数の第３の無給電素子をさらに備えたことを特徴とする。

また、上記アンテナ装置において、
上記ダイポールアンテナは、
上記第１の給電素子に対向するように上記第１の面に形成された第４の無給電素子と、
上記第２の給電素子に対向するように上記第２の面に形成された第５の無給電素子とをさらに備え、
上記アンテナ装置は、
上記各第１の無給電素子に対向するように上記第１の面に形成された複数の第６の無給電素子と、
上記各第２の無給電素子に対向するように上記第１の面に形成された複数の第７の無給電素子と、
上記各第３の無給電素子に対向するように上記第１の面に形成された複数の第８の無給電素子とをさらに備えたことを特徴とする。

またさらに、上記アンテナ装置において、
上記第１の給電素子の電気長と上記第２の給電素子の電気長とは、互いに異なるように設定されたことを特徴とする。

また、上記アンテナ装置において、上記第１の給電素子の電気長と上記第２の給電素子の電気長とは、実質的に互いに等しいように設定されたことを特徴とする。

さらに、上記アンテナ装置において、上記第１又は第２の面に形成され反射器として動作する２つの無給電素子を備えた少なくとも１組の第２の無給電素子ペアをさらに備え、
上記２つの無給電素子はストリップ形状を有し、上記長手方向に平行でありかつ上記ダイポールアンテナに関して上記放射方向と反対側に位置する直線上に、上記ダイポールアンテナに対向しかつ電磁的に結合するように形成されたことを特徴とする。

またさらに、上記アンテナ装置において、上記給電線路は不平衡線路であることを特徴とする。

また、上記アンテナ装置において、上記各第１の無給電素子の電気長と、上記各第２の無給電素子の電気長とは、上記波長の実質的に１／４の電気長に設定されたことを特徴とする。

さらに、上記アンテナ装置において、上記間隔は、上記波長の実質的に１／８以下の間隔に設定されたことを特徴とする。

第２の発明に係る無線通信装置は、上記アンテナ装置を備えたことを特徴とする。

本発明に係るアンテナ装置及び無線通信装置によれば、誘電体基板の第２の面に形成された第１及び第２の無給電素子をそれぞれ備えた複数の第１の無給電素子ペアを備え、各第１の無給電素子ペアの第１及び第２の無給電素子はストリップ形状を有し、ダイポールアンテナの長手方向に平行でありかつダイポールアンテナからの電波の放射方向に位置する直線上に、互いにギャップを有しかつ互いに電磁的に結合するように形成され、ダイポールアンテナと各第１の無給電素子ペアとが互いに対向しかつ電磁的に結合するように、所定の間隔で配置されたので、従来技術に比較して小型でありかつ高利得特性を有するアンテナ装置及び無線通信装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１００の表面図である。図１のアンテナ装置１００の裏面図である。図１のアンテナ装置１００のｘｚ平面における放射パターンを示すグラフである。図１のアンテナ装置１００のｘｙ平面における放射パターンを示すグラフである。図１のアンテナ装置１００の誘電体素子ペア６間の間隔Ｌ２とピーク利得との関係を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置１００Ａの表面図である。図６のアンテナ装置１００Ａの裏面図である。本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置１００Ｂの表面図である。図８のアンテナ装置１００Ｂの裏面図である。本発明の第４の実施形態に係るアンテナ装置１００Ｃの表面図である。図１０のアンテナ装置１００Ｃの裏面図である。本発明の第５の実施形態に係るアンテナ装置１００Ｄの表面図である。図１０のアンテナ装置１００Ｄの裏面図である。本発明の第６の実施形態に係るアンテナ装置１００Ｅの表面図である。図１４のアンテナ装置１００Ｅの裏面図である。本発明の第７の実施形態に係る無線通信装置２００の表面図である。比較例に係るアンテナ装置３００の表面図である。図１７のアンテナ装置３００の裏面図である。図１７のアンテナ装置３００のｘｚ平面における放射パターンを示すグラフである。図１７のアンテナ装置３００のｘｙ平面における放射パターンを示すグラフである。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、同様の構成要素については同一の符号を付している。

第１の実施形態．
図１は、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１００の表面図であり、図２は、図１のアンテナ装置１００の裏面図である。本実施形態に係るアンテナ装置１００は、マイクロ波帯又はミリ波帯などの高周波帯で無線通信を行う無線通信装置のためのエンドファイアアンテナ装置である。

図１及び図２において、アンテナ装置１００は、誘電体基板１と、ストリップ導体２，３０及び３１と、給電素子４ａ及び４ｂと、無給電素子５ａ及び５ｂをそれぞれ含む６組の無給電素子ペア６とを備えて構成される。なお、本実施形態及び以下の各実施形態において、図１に示すようにｘｙｚ座標系を定義する。

詳細後述するように、本実施形態に係るアンテナ装置１００は、
（ａ）裏面である第１の面と、表面である第２の面とを有する誘電体基板１と、
（ｂ）第１の面に形成された接地導体３と、
（ｃ）第２の面に、接地導体３に対向して給電線路２０を構成するように形成されたストリップ導体２と、
（ｄ）第２の面に形成されかつストリップ導体２に接続された給電素子４ａと、第１の面に形成されかつ接地導体３に接続された給電素子４ｂとを備え、給電線路２０を介して伝送される高周波信号の波長λの実質的に１／２の電気長Ｌ１を有するダイポールアンテナ４と、
（ｅ）第２の面に形成された無給電素子５ａ，５ｂをそれぞれ備えた複数の無給電素子ペア６とを備えて構成される。

ここで、アンテナ装置１００は、各無給電素子ペア６の無給電素子５ａ，５ｂはストリップ形状を有し、ダイポールアンテナ４の長手方向（ｙ軸方向である。）に平行でありかつダイポールアンテナ４からの電波の放射方向に位置する直線上に、互いにギャップ５ｃを有しかつ互いに電磁的に結合するように形成され、ダイポールアンテナ４とダイポールアンテナ４に最も近い無給電素子ペア６とが互いに対向しかつ電磁的に結合するように所定の間隔Ｌ５で配置され、各無給電素子ペア６とが互いに対向しかつ電磁的に結合するように所定の間隔Ｌ２で配置されたことを特徴としている。

図１において、誘電体基板１は、例えばガラスエポキシ基板である。また、ストリップ導体２，３０と、給電素子４ａと、給電素子ペア６とは、誘電体基板１の表面上に形成され、接地導体３と、ストリップ導体３１と、給電素子４ｂとは誘電体基板１の裏面上に形成される。さらに、接地導体３は、図１の誘電体基板１の左端部に形成される。ストリップ導体２は、接地導体３に対向しかつ誘電体基板１の左端部からｘ軸の正の方向に延在するように形成される。また、ストリップ導体３０は、電気長Ｌ６を有し、図１のストリップ導体２の右端部に接続された一端と他端とを有し、ｘ軸方向に延在するように形成される。さらに、給電素子４ａはｙ軸方向に延在するストリップ形状を有し、ストリップ導体３０の他端に接続された一端と、開放端である他端とを有する。

図２において、ストリップ導体３１は、接地導体３に接続された一端と、給電素子４ｂの一端に接続された他端とを有し、ストリップ導体３０に対向するように形成される。また、給電素子４ｂは、ｙ軸方向に延在するストリップ形状を有し、ストリップ導体３１の他端に接続された一端と、開放端である他端とを有する。

ここで、図１及び図２において、誘電体基板１を挟設する接地導体３とストリップ導体２とはマイクロストリップ線路を構成し、給電線路２０として用いられる。また、給電素子４ａと４ｂとは、給電素子４ａの開放端から給電素子４ｂの開放端までの電気長Ｌ１を有する半波長プリントダイポールアンテナ４（以下、ダイポールアンテナ４という。）として動作する。

図１の各無給電素子ペア６において、無給電素子５ａ及び５ｂはそれぞれ、電気長Ｌ４を有するストリップ形状を有し、ｙ軸（すなわち、ダイポールアンテナ４の長手方向である。）に平行な直線上に、所定の間隔Ｌ３のギャップ５ｃを有するように形成される。さらに、６組の無給電素子ペア６は、ダイポールアンテナ４からの電波の放射方向（ｘ軸の正の方向である。以下、エンドファイア方向ともいう。）に、所定の間隔Ｌ２で、互いに対向するように形成される。また、ダイポールアンテナ４に最も近い無給電素子ペア６と、ダイポールアンテナ４との間の間隔は間隔Ｌ５に設定される。

ここで、ダイポールアンテナ４の電気長Ｌ１は、給電線路２０に給電される高周波信号の波長λの１／２に実質的に等しいように設定される。また、給電素子４ａ及び４ｂの各電気長は実質的に互いに等しいように設定される。さらに、間隔Ｌ２は、隣接する無給電素子ペア６が互いに電磁的に結合するように設定される。またさらに、間隔Ｌ３は、各無給電素子ペア６において無給電素子５ａと５ｂとが互いに電磁的に結合するように、例えばλ／２５に設定される。また、電気長Ｌ４は、実質的にλ／４に等しい電気長に設定される。さらに、間隔Ｌ５は、ダイポールアンテナ４に最も近い無給電素子ペア６とダイポールアンテナ４とが互いに電磁的に結合するように設定され、好ましくは、間隔Ｌ２と等しい値に設定される。電気長Ｌ６は、例えば、間隔Ｌ２に等しいように設定される。

図１及び図２において、マイクロ波帯又はミリ波帯などの高周波帯の周波数成分を有する高周波信号を出力する高周波回路からの高周波信号は、給電線路２０と、誘電体基板１を挟設するストリップ導体３０及び３１からなる伝送線路とを介して伝送され、ダイポールアンテナ４に給電され、ダイポールアンテナ４から放射される。一方、各無給電素子ペア６において、無給電素子５ａと５ｂとの間のギャップ５ｃに、電磁的に結合された強い結合電界が生じる。そして、無給電素子５ａと５ｂとは共振する。このため、ダイポールアンテナ４から放射された電波は、各無給電素子ペア６のギャップ５ｃに沿って誘電体基板１の表面を導波され、エンドファイア方向に放射される。このとき、誘電体基板１のエンドファイア方向の端部（図１の誘電体基板１の右端部である。）において、電波の位相が揃って等位相面が生じる。以上説明したように、無給電素子５ａと５ｂとは、導波器として動作する。

次に、図１のアンテナ装置１００と、比較例に係るアンテナ装置３００とに対して３次元電磁界解析を行った結果を示す。

図１７は、比較例に係るアンテナ装置３００の表面図であり、図１８は、図１７のアンテナ装置３００の裏面図である。比較例に係るアンテナ装置３００はプリント八木アンテナである。図１７及び図１８において、アンテナ装置３００は、誘電体基板１と、ストリップ導体２，３０及び３１と、給電素子４ａ及び４ｂと、５個の無給電素子９０とを備えて構成される。ここで、図１７及び図１８において、ストリップ導体２，３０及び３１と、給電素子４ａ及び４ｂとは、第１の実施形態に係るアンテナ装置１００のストリップ導体２，３０及び３１と、給電素子４ａ及び４ｂと同様に誘電体基板１に形成される。

また、図１７において、各無給電素子９０は、ｙ軸方向に延在した電気長Ｌ９０のストリップ形状を有し、ダイポールアンテナ４からの電波の放射方向に、所定の間隔Ｌ９１を有するように形成される。ここで、各無給電素子９０の電気長Ｌ９０は実質的にλ／２に設定され、間隔Ｌ９１は実質的にλ／４に設定される。

図１７及び図１８において、マイクロ波帯又はミリ波帯などの高周波帯の周波数成分を有する高周波信号を出力する高周波回路からの高周波信号は、第１の実施形態に係るアンテナ装置１００と同様に、ダイポールアンテナ４に給電されて放射される。そして、ダイポールアンテナ４から放射された電波は、導波器として動作する無給電素子９０によって導波されて、図１７の誘電体基板１の右端部からエンドファイア方向に放射される。

図３及び図４は、それぞれ図１のアンテナ装置１００のｘｚ平面及びｘｙ平面における放射パターンを示すグラフである。また、図１９及び図２０は、それぞれ図１７のアンテナ装置３００のｘｚ平面及びｘｙ平面における放射パターンを示すグラフである。図３、図４、図１９及び図２０において、誘電体基板１としてガラスエポキシ基板を用い、ダイポールアンテナ４に給電される高周波信号の周波数を６０ＧＨｚに設定した。また、図３及び図４において、無給電素子ペア６間の間隔Ｌ２をλ／８に設定し、間隔Ｌ３をλ／２５に設定し、間隔Ｌ５及び電気長Ｌ６を間隔Ｌ３と等しい値に設定した。

図１９及び図２０に示すように、比較例に係るアンテナ装置３００においてエンドファイア方向にメインビームが形成されている。しかしながら、アンテナ装置３００では理論上のピーク利得は９．１ｄＢｉであることが期待されるが、実際のピーク利得は７．６ｄＢｉまで低下しており、高利得特性が得られていない。これは、ミリ波帯又はマイクロ波帯などの高周波帯では、より低い周波数帯に比較して、誘電体基板１による誘電体損の影響を大きく受けることに起因すると考えられる。また、従来は、このような利得低下を克服するためはアンテナサイズを大きくする必要があった。一方、本実施形態に係るアンテナ装置１００の場合、図３及び図４に示すように、比較例に係るアンテナ装置３００とほぼ同様の形状の放射パターンが得られ、かつピーク利得は８．３ｄＢｉまで大きくなった。

図５は、図１のアンテナ装置１００の誘電体素子ペア６間の間隔Ｌ２とピーク利得との関係を示すグラフである。図５に示すように、間隔Ｌ２が小さいほど、ピーク利得は大きくなる。特に、間隔Ｌ２が、比較例に係るアンテナ装置３００における無給電素子１０９間の間隔Ｌ９１（λ／４）より小さくても、ピーク利得は向上している。従って、間隔Ｌ２は、好ましくはλ／８より小さい値に設定される。さらに好ましくは、間隔Ｌ２は、アンテナ装置１００の製造プロセスにより実現し得る最小の値（例えば、１００μｍである。）に設定される。この場合、無給電素子５ａ及び５ｂの幅は間隔Ｌ２と実質的に等しい値に設定される。

本実施形態によれば、上述したように、各無給電素子ペア６において、無給電素子５ａと５ｂとの間のギャップ５ｃに、電磁的に結合された強い結合電界が生じる。このため、ダイポールアンテナ４から放射された電波は、各無給電素子ペア６のギャップ５ｃに沿って誘電体基板１の表面を導波され、エンドファイア方向に放射される。特に、上述したように間隔Ｌ２をできるだけ小さく設定することにより、無給電素子ペア６どうしが誘電体基板１の表面上の自由空間を介して強く電磁的に結合し、誘電体基板１内の電気力線の密度を低下させることができるので、誘電体基板１による誘電体損の影響を小さくできる。このため、比較例に係るアンテナ装置３００に比較して高利得特性を得ることができる。

また、本実施形態によれば、間隔Ｌ３を変化させることにより、垂直面（ｘｚ平面）内のビーム幅を変化させることなく、水平面（ｘｙ平面）内のビーム幅のみを変化させることができる。具体的には、間隔Ｌ３を大きく設定するほど、誘電体基板１のエンドファイア方向の端部に生じる水平面の等位相面の幅が広がるので、水平方向のアンテナサイズが大きくなる。このため、水平ビームの幅は小さくなり、利得は大きくなる。すなわち、本実施形態によれば、無給電素子１９０の間隔Ｌ９１がλ／４に設定される一般的な八木アンテナとは異なり、間隔Ｌ３を変化させることにより、水平面内のビーム幅を垂直面内のビーム幅と独立に変化させることができる。また、本実施形態によれば、全ての無給電素子ペア６が同一の形状を有するので、間隔Ｌ３を比較的容易に設計できる。

さらに、本実施形態において、無給電素子ペア６の数は６個であったが、本発明はこれに限られず、無給電素子ペア６の数を変化させることにより、垂直面（ｘｚ平面）内のビーム幅及び水平面内のビーム幅を変化させることができる。一般に、エンドファイアアンテナ装置では導波方向のアンテナサイズが大きくなるほど垂直面のビーム幅を狭くできる。本実施形態の場合、無給電素子ペア６の数を増加させると、導波方向のアンテナサイズが大きくなり、垂直面のビーム幅を狭くできる。

以上説明したように、本実施形態に係るアンテナ装置１００によれば、従来技術に比較して高利得特性を得ることができる。また、間隔Ｌ２を例えばλ／８より小さく設定することにより、従来技術に比較して小型のアンテナ装置１００を実現できる。さらに、誘電体基板１の端部で等位相面が生じるので、垂直面内のビーム幅及び水平面内のビーム幅を従来技術に比較して狭くできる。

第２の実施形態．
上述したように、第１の実施形態に係るアンテナ装置１００によれば、無給電素子５ａ，５ｂ間のギャップ５ｃの間隔Ｌ３を広くすることにより、水平面内のビーム幅を小さくしてアンテナ利得を向上できる。しかしながら、間隔Ｌ３を所定の値よりも大きく設定すると、無給電素子５ａと５ｂとの間の電磁的結合の度合いが低下してしまい、アンテナ利得が低下する。本実施形態では、このようなアンテナ利得の低下を抑制するために、各ギャップ５ｃに無給電素子７をさらに設ける。

図６は、本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置１００Ａの表面図であり、図７は、図６のアンテナ装置１００Ａの裏面図である。図６及び図７において、アンテナ装置１００Ａは、第１の実施形態に係るアンテナ装置１００に比較して、６組の無給電素子ペア６に代えて９組の無給電素子ペア６を備え、各無給電素子ペア６のギャップ５ｃに設けられた６個の無給電素子７をさらに備えたことを特徴としている。本実施形態において、第１の実施形態との相違点のみを説明する。

図６において、各無給電素子ペア６は、無給電素子５ａ及び５ｂを備えて構成される。また、各無給電素子ペア６において、無給電素子５ａ及び５ｂはそれぞれ、電気長Ｌ４を有するストリップ形状を有し、ｙ軸に平行な直線上に所定の間隔Ｌ９のギャップ５ｃを有するように形成される。さらに、各無給電素子７は、電気長Ｌ７を有しかつｙ軸方向に延在するストリップ形状を有し、各ギャップ５ｃに形成される。ここで、無給電素子７の一端と無給電素子５ａとの間の間隔及び無給電素子７の他端と無給電素子５ｂとの間の間隔はそれぞれ間隔Ｌ８に設定される。

なお、図６において、電気長Ｌ４は、実質的にλ／４に等しい電気長に設定される。また、電気長Ｌ７は、無給電素子７が無給電素子５ａ及び５ｂと共振することを防止するために、例えば、電気長Ｌ４の１／３以下に設定される。さらに、間隔Ｌ８は、無給電素子７と無給電素子５ａとが電磁的に結合し、かつ無給電素子７と無給電素子５ｂとが電磁的に結合するように設定される。

本実施形態によれば、無給電素子７と無給電素子５ａとが電磁的に結合し、無給電素子７と無給電素子５ｂとが電磁的に結合する。従って、ギャップ５ｃの間隔Ｌ９が、無給電素子５ａと無給電素子５ｂとを直接的に電磁的に結合させるために必要な間隔よりも広くても、無給電素子５ａと５ｂとを無給電素子７を介して電磁的に結合させることができる。従って、第１の実施形態に係るアンテナ装置１００に比較して、水平方向のアンテナサイズを広くできる。このため、第１の実施形態に比較して、水平ビームの幅は小さくなり、利得を大きくできる。

第３の実施形態．
図８は、本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置１００Ｂの表面図であり、図９は、図８のアンテナ装置１００Ｂの裏面図である。本実施形態に係るアンテナ装置１００Ｂは、第２の実施形態に係るアンテナ装置１００Ａに比較して、ダイポールアンテナ４に代えてダイポールアンテナ４Ａを備え、１２組の無給電素子ペア６Ａと、１２個の無給電素子１０とをさらに備えたことを特徴としている。本実施形態において、第２の実施形態との相違点のみを説明する。

図８及び図９において、ダイポールアンテナ４Ａは、給電素子４ａ及び４ｂと、無給電素子４ｃ及び４ｄとを備えて構成される。ここで、無給電素子４ｃは、誘電体基板１の表面に、給電素子４ｂに対向しかつ給電素子４ａとの間に所定の間隔を有するように形成される。また、無給電素子４ｄは、誘電体基板１の裏面に、給電素子４ａと対向しかつ給電素子４ｂとの間に所定の間隔を有するように形成される。従って、無給電素子４ｃが給電素子４ｂと電磁的に結合し、無給電素子４ｄが給電素子４ａと電磁的に結合するので、ダイポールアンテナ４Ａは、上述した各実施形態に係るダイポールアンテナ４に比較して、効率よく電波を放射できる。

また、図８及び図９において、各無給電素子ペア６Ａは、誘電体基板１の裏面に形成された無給電素子９ａ及び９ｂを備えて構成される。また、各無給電素子９ａは各無給電素子５ａに対向するように形成され、各無給電素子９ｂは各無給電素子５ｂに対向するように形成される。さらに、各無給電素子１０は、誘電体基板１の裏面に、各無給電素子７と対向するように形成される。従って、各無給電素子ペア６Ａにおいて、無給電素子９ａと１０とは互いに電磁的に結合し、無給電素子９ｂと１０とは互いに電磁的に結合する。さらに、ダイポールアンテナ４Ａと、無給電素子ペア６Ａとは互いに対向しかつ電磁的に結合する。

本実施形態によれば、無給電素子４ｃ，４ｄと、無給電素子ペア６Ａと、無給電素子１０とをさらに備えたので、上述した各実施形態に比較して、放射効率及び開口効率を上げることができる。

第４の実施形態．
図１０は、本発明の第４の実施形態に係るアンテナ装置１００Ｃの表面図であり、図１１は、図１０のアンテナ装置１００Ｃの裏面図である。本実施形態に係るアンテナ装置１００Ｃは、第２の実施形態に係るアンテナ装置１００Ａ（図６及び図７参照。）に比較して、給電素子４ｂに代えて、給電素子４ｅを備えたことを特徴としている。本実施形態において、第２の実施形態との相違点のみを説明する。上述した各実施形態において、給電素子４ａ及び４ｂの各電気長は互いに等しい値に設定されたが、本実施形態において、給電素子４ｅの電気長は給電素子４ｂの電気長より短い値に設定される。また、給電素子４ａと４ｅとは、給電素子４ａの開放端から給電素子４ｅの開放端までの電気長Ｌ１を有するダイポールアンテナ４Ｂとして動作する。

本実施形態及び上述した各実施形態において、給電線路２０は不平衡伝送線路であるため、給電線路２０に平衡型のダイポールアンテナ４を接続すると、給電素子４ａに流れる電流と、給電素子４ｂに流れる電流がアンバランスになり、水平面内のビームがエンドファイア方向を向かないことがある。上述した各実施形態に係るアンテナ装置１００，１００Ａ，１００Ｂは、従来技術に比較して小さいビーム幅を有するため、ビームの向きがアンテナ装置１００，１００Ａ，１００Ｂの正面を向かないと、ユーザにとって使い勝手が悪くなってしまう。

本実施形態に係るアンテナ装置１００Ｃでは、給電素子４ｅの電気長を給電素子４ａの電気長より短く設定することで、上述した電流のアンバランスを調整してビームをエンドファイア方向に向かせることができる。また、ダイポールアンテナ４Ｂからの電波の放射方向をエンドファイア方向に向けるので、上述した各実施形態に比較して、無給電素子ペア６での導波効率が向上する。

なお、給電素子４ｅの電気長を給電素子４ａの電気長より短く設定したが、本発明はこれに限られず、ダイポールアンテナ４Ｂからの電波の放射方向をエンドファイア方向に向けるように、給電素子４ａの電気長と給電素子４ｅの電気長とを互いに異なるように設定すればよい。

また、第１の実施形態において、ダイポールアンテナ４に代えてダイポールアンテナ４Ｂを設けてもよい。さらに、第３の実施形態において、給電素子４ｂに代えて給電素子４ｅを誘電体基板１の裏面に形成し、給電素子４ｅに対向しかつ給電素子４ａとの間に所定の間隔を有するように形成される無給電素子を誘電体基板１の表面にさらに形成してもよい。

第５の実施形態．
図１２は、本発明の第５の実施形態に係るアンテナ装置１００Ｄの表面図であり、図１３は、図１０のアンテナ装置１００Ｄの裏面図である。本実施形態に係るアンテナ装置１００Ｄは、第３の実施形態に係るアンテナ装置１００Ｂ（図８及び図９参照。）に比較して、無給電素子１１ａ，１１ｂを備えた無給電素子ペア１１と、無給電素子１２ａ，１２ｂを備えた無給電素子ペア１２とをさらに備えて構成される。本実施形態において、第３の実施形態との相違点のみを説明する。

図１２及び図１３において、無給電素子１１ａ及び１１ｂは、ストリップ形状を有し、ダイポールアンテナ４Ａの長手方向に平行でありかつダイポールアンテナ４Ａに関してダイポールアンテナ４Ａからの電波の放射方向と反対側に位置する直線上に、ダイポールアンテナ４Ａに対向しかつ電磁的に結合するように形成され、反射器として動作する。また、無給電素子１２ａ及び１２ｂは、ストリップ形状を有し、ダイポールアンテナ４Ａの長手方向に平行でありかつダイポールアンテナ４Ａに関してダイポールアンテナ４Ａからの電波の放射方向と反対側に位置する直線上に、ダイポールアンテナ４Ａに対向しかつ電磁的に結合するように形成され、反射器として動作する。

また、図１２において、無給電素子１１ａは、誘電体基板１の表面であって給電素子４ａと接地導体３との間の領域に、ｙ軸方向に延在するように形成される。また、無給電素子１１ｂは、誘電体基板１の表面であって無給電素子４ｃと接地導体３との間の領域に、ｙ軸方向に延在するように形成される。さらに、無給電素子１２ａ及び１２ｂは、誘電体基板１の裏面に、無給電素子１１ａ及び１１ｂとそれぞれ対向するように形成される。なお、無給電素子１１ａ，１１ｂ，１２ａ及び１２ｂの各電気長は、無給電素子５ａ及び５ｂの電気長Ｌ４と実質的に同一の値に設定される。好ましくは、無給電素子ペア１１は、無給電素子ペア６と対向するように設けられる。これにより、無給電素子１１ａは給電素子４ａと電磁的に結合し、無給電素子１１ｂは無給電素子４ｃと電磁的に結合し、無給電素子１２ａは無給電素子４ｄと電磁的に結合し、無給電素子１２ｂは給電素子４ｂと電磁的に結合する。

本実施形態によれば、ダイポールアンテナ４Ａに関してダイポールアンテナ４Ａからの電波の放射方向と反対側の位置に、反射器として動作する無給電素子ペア１１及び１２を設けたので、第３の実施形態に比較して、ダイポールアンテナ４から放射される電波を効率よくエンドファイア方向に向けることができ、ＦＢ（Front to Back）比を向上できる。特に、アンテナ装置１００Ｄの水平方向のアンテナサイズが大きいほど、無給電素子１１ａ，１１ｂ，１２ａ及び１２ｂの効果は大きくなる。

なお、アンテナ装置１００Ｄは２つの無給電素子ペア１１及び１２を備えたが、本発明はこれに限られず、無給電素子ペア１１及び１２のうちの一方のみを備えてもよい。また、給電素子４ａ及び４ｂの各電気長を、ダイポールアンテナ４Ａのメインビームをエンドファイア方向に向けるように互いに異なるように設定してもよい。

また、無給電素子ペア１１及び１２のうちの少なくとも一方を、アンテナ装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃに設けてもよい。

第６の実施形態．
図１４は、本発明の第６の実施形態に係るアンテナ装置１００Ｅの表面図であり、図１５は、図１４のアンテナ装置１００Ｅの裏面図である。本実施形態に係るアンテナ装置１００Ｅは、第１の実施形態に係るアンテナ装置１００に比較して、ダイポールアンテナ４に代えてダイポールアンテナ４Ａを備え、誘電体基板１の裏面上に、無給電素子ペア６にそれぞれ対向する無給電素子ペア６Ａを備えたことを特徴としている。ここで、本実施形態において、ダイポールアンテナ４Ａは、第３の実施形態に係るアンテナ装置１００Ｂのダイポールアンテナ４Ａ（図８及び図９参照。）と同様に構成される。また、各無給電素子９ａは各無給電素子５ａに対向するように形成され、各無給電素子９ｂは各無給電素子５ｂに対向するように形成される。さらに、各無給電素子１０は、誘電体基板１の裏面に、各無給電素子７と対向するように形成される。従って、各無給電素子ペア６Ａにおいて、無給電素子９ａと９ｂは互いに電磁的に結合する。さらに、ダイポールアンテナ４Ａと、無給電素子ペア６Ａとは互いに対向しかつ電磁的に結合する。

本実施形態によれば、無給電素子４ｃ，４ｄと、無給電素子ペア６Ａとをさらに備えたので、第１の実施形態に比較して、放射効率及び開口効率を上げることができる。

なお、本実施形態に係るアンテナ装置１００Ｅに、第５の実施形態に係る無給電素子ペア１１及び１２のうちの少なくとも一方を設けてもよい。また、アンテナ装置１００Ｅにおいて、ダイポールアンテナ４Ａに代えてダイポールアンテナ４又は４Ｂを備えてもよい。さらに、ダイポールアンテナ４Ａに代えてダイポールアンテナ４Ｂを備え、無給電素子４ａ，４ｅにそれぞれ対向する無給電素子をさらに備えてもよい。

第７の実施形態．
図１６は、本発明の第７の実施形態に係る無線通信装置２００の表面図である。図１６において、無線通信装置２００は、無線モジュール基板などの無線通信装置であって、第４の実施形態に係るアンテナ装置１００Ｃと、上位層回路５０１と、ベースバンド回路５０２と、高周波回路５０３とを備えて構成される。ここで、無線通信装置２００は、上位層回路５０１と、ベースバンド回路５０２と、高周波回路５０３とは、ストリップ導体２が形成された誘電体基板１の表面上であって、ダイポールアンテナ４Ｂに関してダイポールアンテナ４Ｂからの電波の放射方向と反対側の位置に設けられる。

図１６において、上位層回路５０１は、ＭＡＣ（Media Access Control）層及びアプリケーション層などの物理層より上位の層の回路であって、例えば通信回路及びホスト処理回路を含む。上位層回路５０１は、所定のデータ信号をベースバンド回路５０２に出力する一方、ベースバンド回路５０２からのベースバンド信号に対して所定の信号処理を行ってデータ信号に変換する。また、ベースバンド回路５０２は、上位層回路５０１からのデータ信号に対して波形成形処理を行った後に、所定の搬送波信号を処理後のデータ信号に従って変調して高周波信号に変換し高周波回路５０３に出力する。さらに、ベースバンド回路５０２は、高周波回路５０３からの高周波信号をベースバンド信号に復調して上位層回路５０１に出力する。

また、図１６において、高周波回路５０３は、ベースバンド回路５０２からの高周波信号に対して無線周波数帯での電力増幅処理及び波形整形処理を行い、給電線路２を介してダイポールアンテナ４Ｂに出力する。さらに、高周波回路５０３は、ダイポールアンテナ４Ｂにより無線受信された高周波信号に対して周波数変換などの所定の処理を行った後にベースバンド回路５０２に出力する。

なお、高周波回路５０３とアンテナ装置１００Ｃとは、高周波伝送線路を介して接続される。また、必要に応じて、高周波回路５０３とアンテナ装置１００Ｃとの間にインピーダンス整合回路を設ける。以上説明したように構成された無線通信装置２００は、アンテナ装置１００Ｃを用いて高周波信号を無線送受信するので、従来技術に比較して小型かつ高利得の無線通信装置を実現できる。

なお、本実施形態に係る無線通信装置２００はアンテナ装置１００Ｃを備えたが、本発明はこれに限られず、アンテナ装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｄ又は１００Ｅを備えてもよい。

また、上述した各実施形態において、マイクロストリップ線路を、高周波信号を伝送するための給電線路２０として用いたが、本発明はこれに限られず、コプレーナ線路などの不平衡伝送線路又は平衡伝送線路を給電線路２０として用いればよい。

以上、本発明に係るアンテナ装置及び無線通信装置に係る実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記各実施形態に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよい。

以上説明したように、本発明に係るアンテナ装置及び無線通信装置によれば、誘電体基板の第２の面に形成された第１及び第２の無給電素子をそれぞれ備えた複数の第１の無給電素子ペアを備え、各第１の無給電素子ペアの第１及び第２の無給電素子はストリップ形状を有し、ダイポールアンテナの長手方向に平行でありかつダイポールアンテナからの電波の放射方向に位置する直線上に、互いにギャップを有しかつ互いに電磁的に結合するように形成され、ダイポールアンテナと各第１の無給電素子ペアとが互いに対向しかつ電磁的に結合するように、所定の間隔で配置されたので、従来技術に比較して小型でありかつ高利得特性を有するアンテナ装置及び無線通信装置を提供できる。

１…誘電体基板、
２，３０，３１…ストリップ導体、
３…接地導体、
４，４Ａ，４Ｂ…ダイポールアンテナ、
４ａ，４ｂ，４ｅ…給電素子、
４ｃ，４ｄ，５ａ，５ｂ，７，９ａ，９ｂ，１０，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ…無給電素子、
６，６Ａ，１１，１２…無給電素子ペア、
２０…給電線路、
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ…アンテナ装置、
２００…無線通信装置。

Claims

第１及び第２の面を有する誘電体基板と、
上記第１の面に形成された接地導体と、
上記第２の面に、上記接地導体に対向して給電線路を構成するように形成されたストリップ導体と、
上記第２の面に形成されかつ上記ストリップ導体に接続された第１の給電素子と、上記第１の面に形成されかつ上記接地導体に接続された第２の給電素子とを備え、上記給電線路を介して伝送される高周波信号の波長の実質的に１／２の電気長を有するダイポールアンテナと、
上記第２の面に形成された第１及び第２の無給電素子をそれぞれ備えた複数の第１の無給電素子ペアとを備えたアンテナ装置であって、
上記各第１の無給電素子ペアの第１及び第２の無給電素子はストリップ形状を有し、上記ダイポールアンテナの長手方向に平行でありかつ上記ダイポールアンテナからの電波の放射方向に位置する直線上に、互いにギャップを有しかつ互いに電磁的に結合するように形成され、
上記ダイポールアンテナと上記各第１の無給電素子ペアとが互いに対向しかつ電磁的に結合するように、所定の間隔で配置され、
上記アンテナ装置は、上記第１の無給電素子に電磁的に結合しかつ上記第２の無給電素子と電磁的に結合するように上記各ギャップに形成された複数の第３の無給電素子をさらに備えたことを特徴とするアンテナ装置。
上記ダイポールアンテナは、
上記第１の給電素子に対向するように上記第１の面に形成された第４の無給電素子と、
上記第２の給電素子に対向するように上記第２の面に形成された第５の無給電素子とをさらに備え、
上記アンテナ装置は、
上記各第１の無給電素子に対向するように上記第１の面に形成された複数の第６の無給電素子と、
上記各第２の無給電素子に対向するように上記第１の面に形成された複数の第７の無給電素子と、
上記各第３の無給電素子に対向するように上記第１の面に形成された複数の第８の無給電素子とをさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
上記第１の給電素子の電気長と上記第２の給電素子の電気長とは、互いに異なるように設定されたことを特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ装置。
上記第１の給電素子の電気長と上記第２の給電素子の電気長とは、実質的に互いに等しいように設定されたことを特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ装置。
上記第１又は第２の面に形成され反射器として動作する２つの無給電素子を備えた少なくとも１組の第２の無給電素子ペアをさらに備え、
上記２つの無給電素子はストリップ形状を有し、上記長手方向に平行でありかつ上記ダイポールアンテナに関して上記放射方向と反対側に位置する直線上に、上記ダイポールアンテナに対向しかつ電磁的に結合するように形成されたことを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか１つの請求項記載のアンテナ装置。
上記給電線路は不平衡線路であることを特徴とする請求項１から５のうちのいずれか１つの請求項記載のアンテナ装置。
上記各第１の無給電素子の電気長と、上記各第２の無給電素子の電気長とは、上記波長の実質的に１／４の電気長に設定されたことを特徴とする請求項１から６のうちのいずれか１つの請求項記載のアンテナ装置。
上記間隔は、上記波長の実質的に１／８以下の間隔に設定されたことを特徴とする請求項１から７のうちのいずれか１つの請求項記載のアンテナ装置。
請求項１から８のうちのいずれか１つの請求項記載のアンテナ装置を備えたことを特徴とする無線通信装置。