JP6421769B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、平板構造を有するアンテナ装置に関する。

従来、特許文献１に開示されているように、グランドとして機能する平板状の金属導体（以降、地板）と、当該グランド板に対向するように配置されるとともに任意の位置に給電点が設けられた平板状の金属導体（以降、パッチ部）と、地板とパッチ部とを電気的に接続する短絡部と、を備えるアンテナ装置がある。

この種のアンテナ装置では、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。地板とパッチ部との間に形成される静電容量は、パッチ部の面積に応じて定まる。したがって、パッチ部の面積を調整することで、当該アンテナ装置において送受信の対象とする周波数（以降、対象周波数）を所望の周波数とすることができる。

なお、特許文献１には、パッチ部及び短絡部を備えるパッチユニットを複数配置する構成が開示されている。複数のパッチユニットを設けることで、アンテナ装置を複数の周波数で動作させることができる。

米国特許第７９１１３８６号公報

近年においては、携帯電話向けの無線通信規格の周波数帯が多様化しており、それに伴い、アンテナ装置においては動作帯域を広帯域化することが要求されている。アンテナ装置特許文献１の構成によれば、パッチユニットを複数配置することで複数の離散的な周波数でアンテナ装置を動作させることはできる。しかしながら、動作帯域自体を広域化させるものではない。なお、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域を指す。

本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、より広い周波数帯域で使用可能なアンテナ装置を提供することにある。

その目的を達成するための本発明は、平板状の導体部材である地板（１０）と、地板と対向するように所定の間隔をおいて平行に設置された平板状の導体部材であるパッチ部（３０）と、パッチ部と地板とを電気的に接続する複数の短絡部（４０）と、パッチ部の外縁部と所定の間隔を有するように、地板と平行な平面内に配置されたループ状の導体部材であるループ部（５０）と、を備え、給電線と接続する給電点は、ループ部に設けられ、パッチ部の面積は、対象周波数において短絡部が提供するインダクタンスと並列共振を生じさせる静電容量を形成する面積となっていることを特徴とする。

以上の構成では、パッチ部の面積は、短絡部が提供するインダクタンスと対象周波数において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、対象周波数においてインダクタンスと静電容量との間のエネルギー交換によって並列共振が生じ、地板とパッチ部との間には、地板及びパッチ部に対して垂直な電界を発生させる。この垂直電界は、短絡部からパッチ部の外縁部に向かって伝搬していき、パッチ部の外縁部において、垂直電界は垂直偏波電界になって空間に放射される。なお、パッチ部には、ループ部を介して電流が供給される。

したがって、以上の構成を有するアンテナ装置は、対象周波数の電波を送信可能であって、その指向性は、地板に平行な平面の全方位に対して同程度の利得を有するものとなる。また、送受信の可逆性から、上記構成によれば対象周波数の電波を受信可能である。

また、上述のアンテナ装置は複数の短絡部を備える。複数の短絡部は、対象周波数近傍の周波数においてパッチ部を仮想的に複数の領域に分割するように機能する。その結果、対象周波数近傍の或る周波数においては、パッチ部の一部の領域が提供する静電容量によって並列共振が生じるようになる。つまり、以上の構成によれば、対象周波数近傍に位置する周波数でもアンテナ装置は動作しやすくなり、全体として動作帯域が拡大される。換言すれば、より広い周波数帯域で使用可能となる。

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、本発明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の上面図である。 図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線におけるアンテナ装置１００の断面図である。 サブパッチ部３１における短絡部４０の配置について説明するための図である。 実施形態の構成と比較構成のそれぞれの周波数毎のＶＳＷＲを比較した結果を示すグラフである。 変形例１に示すアンテナ装置１００の上面図である。 図６に示すＶＩＩ−ＶＩＩ線におけるアンテナ装置１００の断面図である。 変形例２におけるアンテナ装置１００の上面図である。 変形例２の構成と、実施形態の構成と、比較構成のそれぞれの周波数毎のＶＳＷＲを比較した結果を示すグラフである。 変形例２のアンテナ装置１００の垂直方向の指向性を示す図である。 変形例２のアンテナ装置１００の水平方向の指向性を示す図である。 変形例３のアンテナ装置１００の上面図である。 変形例５のアンテナ装置１００の上面図である。 パッチ部３０の変形例を示す図である。 パッチ部３０の変形例を示す図である。 パッチ部３０の変形例を示す図である。 パッチ部３０の変形例を示す図である。 パッチ部３０の変形例を示す図である。 パッチ部３０の変形例を示す図である。 変形例６のアンテナ装置１００の上面図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。図１は、本実施形態に係るアンテナ装置１００の概略的な構成の一例を示す外観斜視図である。また、アンテナ装置１００の上面図を図２に示す。図３は、図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線におけるアンテナ装置１００の断面図である。

このアンテナ装置１００は、所定の対象周波数の電波を送受信するように構成されている。もちろん、他の態様としてアンテナ装置１００は、送信と受信の何れか一方のみに利用されても良い。対象周波数は、適宜設計されればよく、ここでは一例として２６５０ＭＨｚとする。アンテナ装置１００は、対象周波数だけでなく、対象周波数の前後所定範囲内の周波数の電波もまた送受信可能となる。便宜上以降では、アンテナ装置１００が送受信可能な周波数の帯域を、動作帯域とも記載する。

アンテナ装置１００は、例えば同軸ケーブルを介して無線機と接続されており、アンテナ装置１００が受信した信号は逐次無線機に出力される。また、アンテナ装置１００は無線機から入力される電気信号を電波に変換して空間に放射する。無線機は、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に対して送信信号に応じた高周波電力を供給するものである。

なお、本実施形態ではアンテナ装置１００と無線機とを同軸ケーブルで接続する場合を想定して説明するが、フィーダ線など、その他の周知の通信ケーブル（ワイヤ等を含む）を用いて接続しても良い。また、アンテナ装置１００と無線機とは、同軸ケーブルのほかに、周知の整合回路やフィルタ回路などを介して接続される構成となっていても良い。

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１〜３に示すように、地板１０、支持部２０、パッチ部３０、短絡部４０、ループ部５０、及び給電線路６０を備える。

地板１０は、銅などの導体を素材とする正方形状の板（箔を含む）である。この地板１０は、同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続されて、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。なお、地板１０は、パッチ部３０よりも大きければよく、その形状は正方形状に限らない。例えば、地板１０は長方形状であってもよいし、その他の多角形状であってもよいし、円形（楕円を含む）状であってもよい。もちろん、直線部分と曲線部分とを組み合わせた形状であってもよい。

支持部２０は、樹脂などの電気絶縁材料を素材とする、所定の高さＨ（図３参照）を備える板状の部材である。支持部２０は、地板１０と、板状のパッチ部３０とを、所定の間隔Ｈをおいて互いの平面部分が対向するように配置するための部材である。便宜上、支持部２０において、パッチ部３０が配置される面をパッチ側面、地板１０が配置される面を地板側面と称する。

なお、支持部２０は前述の役割を果たせればよく、支持部２０の形状は板状に限らない。支持部２０は、地板１０とパッチ部３０とを所定の間隔Ｈをおいて対向するように支持する複数の柱であってもよい。また、本実施形態において地板１０とパッチ部３０の間は、樹脂（すなわち支持部２０）で充填される構成としているが、これに限らない。地板１０とパッチ部３０の間は、中空や真空となっていてもよいし、所定の誘電比率を有する誘電体で充填されていても良い。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。

パッチ部３０は、銅などの導体を素材とする正六角形状の板（箔を含む）である。パッチ部３０は、支持部２０を介して地板１０と平行（略平行を含む）となるように対向配置されている。なお、ここでは一例としてパッチ部３０の形状は正六角形とするが、その他の構成として長方形状であってもよいし、長方形以外の形状（例えば円形や八角形等）であってもよい。パッチ部３０は、線対称な形状又は点対称な形状、並びにそれらをベースとした形状であれば良い。なお、或る形状をベースとする形状とは、例えば、縁部をミアンダ形状とした形状や、縁部に切欠きを設けた形状、角部を丸めた形状などを指す。パッチ部３０の形状の変形例については、別途後述する。

パッチ部３０と地板１０とは、互いに対向配置されることで、パッチ部３０の面積に応じた静電容量を形成するコンデンサとして機能する。パッチ部３０の面積は、後述する短絡部４０が形成するインダクタンスと、対象周波数において並列共振する静電容量を形成する面積とする。

本実施形態においては、パッチ部３０を仮想的に６つに分割してなる６つのサブパッチ部３１の概念を導入して取り扱う。複数のサブパッチ部３１のそれぞれは、パッチ部３０の外縁部３０Ａ上の各頂点とパッチ部３０の中心（以降、パッチ中心点）とを接続する線によってパッチ部３０を分割してなる個々の領域を指す。図１及び図２に示すパッチ部３０上の破線は、サブパッチ部３１の境界線を示している。なお、パッチ中心点３０Ｃは、パッチ部３０の重心に相当する。特に、本実施形態におけるパッチ中心点３０Ｃとは、正六角形を形成する各頂点からの距離が等しい点に相当する。

短絡部４０は、パッチ部３０と地板１０と電気的に接続する導電性の部材である。短絡部４０は、導電性のピン（以降、ショートピン）で実現されれば良い。このショートピンの太さによって、短絡部４０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４０は、パッチ部３０において複数箇所に設ける。具体的には、複数のサブパッチ部３１のそれぞれに短絡部４０を設ける。サブパッチ部３１において短絡部４０を設ける位置は、図４に示すように、パッチ中心点３０Ｃからサブパッチ部３１の中心（以降、サブパッチ中心点）３１Ｇへ向かう直線状に配置することが好ましい。

図４は、或るサブパッチ部３１周辺部分を拡大した図である。図４ではループ部５０等の図示は省略している。サブパッチ中心点３１Ｇとは、サブパッチ部３１の重心に相当する。サブパッチ部３１は二等辺三角形であるため、サブパッチ中心点３１Ｇは、パッチ中心点３１Ｃからパッチ部３０の外縁部３０Ａに向かう垂直二等分線を２：１に内分する点となる。

パッチ中心点３０Ｃから短絡部４０までの距離は適宜設計されればよい。パッチ中心点３０Ｃから短絡部４０までの距離を調整することで、短絡部４０が提供するインダクタンスは調整できる。パッチ中心点３０Ｃから短絡部４０までの距離に応じて、短絡部４０を実現するショートピンの太さを調整することで、所望のインダクタンスを実現すれば良い。

なお、短絡部４０は必ずしもパッチ中心点３０Ｃからサブパッチ中心点３１Ｇへ向かう直線（以降、サブパッチ中心線）上に配置する必要はない。サブパッチ中心線上以外の位置に配置すると、サブパッチ中心線からのずれ量に応じた指向性の偏りが生じる。指向性の偏りが所定の許容範囲内に収まる範囲においては、サブパッチ中心線からずれた位置に短絡部４０を配置してもよい。

ループ部５０は、ループ状の導体部材である。ループ部５０は、支持部２０のパッチ側面において、パッチ部３０の外縁部３０Ａと所定の間隔Ｄ１を有するように形成される。ループ部５０の周長は、対象周波数の電波の波長（以降、対象波長）の整数倍となるように設計される。間隔Ｄは、対象波長に対して十分に小さければ良く、具体的な値はシミュレーションや試験（以降、試験等）によって適宜決定されれば良い。間隔Ｄは、少なくとも対象波長の５０分の１以下とすることが好ましい。ループ部５０の幅もまた、対象波長に対して十分に小さければ良く、その具体的な値は適宜設計されればよい。

なお、ループ部５０の周長は、電気的な長さ（いわゆる実効長）として取り扱われてもよい。電気的な長さとは、支持部２０が備える誘電率の影響等を受けて定まる、電波にとっての長さである。

給電線路６０は、ループ部５０に給電するために支持部２０のパッチ側面に設けられたマイクロストリップ線路である。給電線路６０の一端は、同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続されており、他端は、ループ部５０と電磁結合するようにパッチ側面に形成する。給電線路６０から入力された電流は、ループ部５０を介して、パッチ部３０に伝搬し、パッチ部３０を励振させる。

なお、ループ部５０とパッチ部３０との間隔Ｄが対象波長に対して大きすぎると、ループ部５０からパッチ部３０の電流の流入が低減し、アンテナ装置１００としての性能（例えば利得など）が劣化する。そのため、間隔Ｄは前述のとおり、対象波長の５０分の１以下とすることが好ましい。

以降では便宜上、給電線路６０においてループ部５０側の端部をループ側端部と称する。ループ部５０において、ループ側端部と最も近い点が給電点５１として機能する。発明者らは試験等により、外縁部３０Ａ上において、サブパッチ中心線と交差する点（以降、外縁中間点）に給電点５１を設けてしまうと、パッチ部３０が上手く励振しない一方、外縁中間点以外であれば、所望の性能が達成されることを確認した。したがって給電点５１は、外縁中間点以外の位置に設けられればよい。

特に、本実施形態ではより好ましい態様として、給電点５１がサブパッチ部３１の境界線付近となるように給電線路６０を形成する。給電線路６０からの電流を複数のサブパッチ部３１に流入させるためである。

以上で述べたアンテナ装置１００は、例えば、車両などの移動体で用いられる。当該アンテナ装置１００を車両で用いる場合には、車両の屋根部において、地板１０が略水平であって、地板１０からパッチ部３０に向かう方向が天頂方向と略一致するように設置されればよい。

上述したアンテナ装置１００は、例えば以下の手順で設計されればよい。まず、パッチ部３０が形成すべき静電容量に応じて、パッチ部３０の平面形状（大きさも含む）を仮決定する。次に、仮決定したパッチ部３０の形状に基づいて、ループ部５０を設計し、周長を算出する。そして、周長が対象波長の整数倍となるようにループ部５０の大きさ（例えば内径など）を修正し、所望の間隔Ｄが形成されるようにパッチ部３０の形状を修正する。

そして、修正されたパッチ部３０の面積に応じて、短絡部４０の太さや位置を決定する。パッチ部３０の面積が定まれば、パッチ部３０が形成する静電容量も定まるため、短絡部４０が形成すべきインダクタンスも定まる。短絡部４０が形成すべきインダクタンスは、パッチ部３０が形成する静電容量と対象周波数において並列共振を発生させる値である。このような手順によって、上記アンテナ装置１００を製造できる。

次に、当該アンテナ装置１００の動作について説明する。アンテナ装置１００が電波を送信する際の作動と、電波を受信する際の作動は、互いに可逆性を有する。したがって、ここでは一例として、各動作モードにおいて電波を放射する際の作動について説明し、電波を受信する際の作動についての説明は省略する。

前述のとおり、パッチ部３０は短絡部４０で地板１０に短絡されており、かつ、パッチ部３０の面積は、短絡部４０が提供するインダクタンスと対象周波数において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、インダクタンスと静電容量との間のエネルギー交換によって並列共振が生じ、地板１０とパッチ部３０との間には、地板１０及びパッチ部３０に対して垂直な電界が発生する。

アンテナ装置１００において短絡部４０は、パッチ中心点３０Ｃを基準として対称性をもった位置に配置されているため、電界の進行方向は、パッチ中心点３０Ｃから見て何れの領域においても同一方向（例えばパッチ中心点３０Ｃから外縁部３０Ａに向かう方向）となる。また、その強度は、短絡部付近で０、外縁部３０Ａで最大となる。

つまり、地板１０とパッチ部３０との間に発生する電界の強度は短絡部４０からパッチ部３０の外縁部３０Ａに向かうにつれて大きくなっていく。換言すれば、垂直電界は短絡部４０からパッチ部３０の外縁部３０Ａに向かって伝搬していく。そして、垂直電界は、外縁部３０Ａにおいて垂直偏波となって空間に放射される。

すなわち、アンテナ装置１００は、パッチ中心点３０Ｃから縁部に向かう全方向に、垂直偏波の指向性を有する。そのため、地板１０が水平となるように配置されている場合、アンテナ装置１００は水平方向に対して指向性を有する。また、電界の伝搬方向はパッチ中心点３０Ｃについて対称であるため、水平方向全方位に対して同程度の利得を有する。

図５は、本実施形態のアンテナ装置１００の周波数毎の電圧定在波比（ＶＳＷＲ：Voltage Standing Wave Ratio）を、比較構成のＶＳＷＲをと比較して示したグラフである。ここでの比較構成とは、本実施形態のアンテナ装置１００からループ部５０を除去した構成であって、その他の構成（例えばパッチ部３０の寸法等）は同じである。

図５に示すように、比較構成においては動作帯域が２．７％である一方、本実施形態の構成によれば、動作帯域が４．１％となる。つまり、本実施形態の構成によれば動作帯域を拡大できる。なお、ここでの動作帯域と見なす範囲は、ＶＳＷＲが、３以下となる帯域を指す。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ためである。

また、上記のアンテナ装置１００は、特許文献１に開示のアンテナ装置と同様の原理で動作するアンテナ装置（つまり並列共振系のアンテナ装置）であるため、直列共振系のアンテナ装置（例えばモノポールアンテナ）よりも、高さを抑制する（換言すれば薄くする）ことができる。すなわち、上述した実施形態によれば、アンテナ装置の薄型化と広帯域化を両立させることができる。

なお、ループ部５０を設けることによって動作帯域が拡張できる理由は、次のように推測される。パッチ部３０に複数の短絡部４０を設けることによって、パッチ部３０は、仮想的に複数の領域（つまりサブパッチ部３１）に分割される。

その結果、或る周波数においては、給電点５１に相対的に遠いサブパッチ部３１が励振しづらくなり、パッチ部３０において電界が分布する領域が減少する。換言すれば、或る周波数においては、給電点５１に比較的近い複数のサブパッチ部３１が結合して、１つのパッチ部として機能する。当然、一部のサブパッチ部３１が結合してなる領域の面積は、元のパッチ部３０よりも面積よりも小さいため、並列励振に寄与する静電容量が減少し、対象周波数からずれた周波数で並列共振するようになる。

ここで、比較構成のようにループ部５０を介さずに、パッチ部３０の外縁部３０Ａに給電点を設ける場合、パッチ部３０に相対的に強い電流が流入するため、サブパッチ部３１同士の電磁的結合が相対的に密となるように作用し、対象周波数からずれた周波数では励振しにくくなる。一方、本実施形態では、給電線路６０からの電流が分散されてパッチ部３０に流入する。その結果、比較構成に比べてサブパッチ部３１同士の結合が相対的に疎となり、対象周波数からずれた周波数でも励振しやすくなる。

もちろん、パッチ部３０に電流を供給する役割を担うループ部５０は全てのサブパッチ部３１の外側に配置されているため、全てのサブパッチ部３１が結合した状態でも動作する。つまりパッチ部３０の面積に応じた周波数でも動作する。なお、ここでのサブパッチ部３１同士が結合してなる領域とは、比較的強い電界が分布する領域を指す。

なお、ループ部５０は、伝送線路として複数のサブパッチ部３１への給電の際に、隣接するサブパッチ部３１間の位相差を同相に揃えること、もしくは、パッチ部３０全体としての放射利得が向上するように各サブパッチ部３１に対して適切に位相差を与えることに寄与していると考えられる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明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変形例も本発明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。

なお、前述の実施形態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。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。

［変形例１］
前述の実施形態では、ループ部５０をパッチ部３０と同一平面上に設ける態様を例示したが、これに限らない。例えば、ループ部５０は、パッチ部３０と平行な平面上において、パッチ部３０の外縁部３０Ａと所定の間隔Ｄを形成するように配置されていれば良い。図６及び図７は、この変形例１として開示する思想に対応する構成の一例であって、ループ部５０を、パッチ部３０と地板１０で挟まれる平面上に設けた構成を示している。

なお、図６及び図７では、ループ部５０を上面視において外縁部３０Ａよりも内側（換言すればパッチ中心点３０Ｃ側）に位置するように形成する例を示しているが、これに限らない。ループ部５０は、上面視において外縁部３０Ａよりも外側に位置するように形成してもよい。また、図６及び図７では、ループ部５０をパッチ部３０よりも地板１０側となる平面上に配置する態様を例示しているが、これに限らない。ループ部５０は、パッチ部３０からみて地板１０が存在しない側の平面上に配置してもよい。つまり、ループ部５０は、パッチ部３０よりも上側に配置してもよい。

ただし、ループ部５０とパッチ部３０とは電磁的に強結合させる必要がある。そのため、ループ部５０は、パッチ部３０が設けられている平面内、又は、これらが強結合するほど十分に近い位置にある平行な平面内に設けることが好ましい。

［変形例２］
図８に示すようにパッチ部３０には、サブパッチ部３１の境界線上において、外縁部３０Ａからパッチ中心点３０Ｃに向かって延びる切り込みであるスリット部７０を設けてもよい。このような構成を変形例２とする。

スリット部７０の一端は、ループ部５０とパッチ部３０との間隙と接続している。スリット部７０においてパッチ中心点側に位置する端部を、便宜上、中心側端部と称する。スリット部７０の長さは任意である。ただし、この変形例２の構成においては、各サブパッチ部３１が他のサブパッチ部３１と物理的に分断されないように、中心側端部とパッチ中心点との距離は、対象波長の１００分の１以上とすることが好ましい。これにより、各サブパッチ部３１は、パッチ中心点近傍において接続される。

図９は、スリット部７０を設けることによる効果を説明するための図であって、変形例２、実施形態、比較構成のそれぞれの構成を採用したアンテナ装置における周波数毎のＶＳＷＲを表したグラフである。図中の破線が比較構成におけるＶＳＷＲを、一点鎖線が実施形態におけるＶＳＷＲを、実線が変形例２におけるＶＳＷＲを、それぞれ表している。

図９に示すように、変形例２の構成よれば、実施形態よりもさらに動作帯域を拡張できる。具体的には、比較構成に対して２倍以上の帯域で動作させることができる。これはサブパッチ部３１の境界線上にスリット部７０を設けることで、サブパッチ部３１同士の結合が実施形態に比べて疎となって、周波数によって動作するサブパッチ部３１の組み合わせが異なりやすくなるためであると推測される。

図１０は、変形例２のアンテナ装置１００の垂直方向の指向性を示しており、図１１は水平方向の指向性を表している。それぞれの図中の破線は比較構成の指向性を表しており、実線は、変形例２の構成による指向性を表している。

図１０及び図１１に示すように、比較構成と同等の、水平面無指向性の垂直偏波放射が得られる。なお、ここでの垂直方向とは、地板１０からパッチ部３０に向かう方向であり、水平方向とはパッチ中心部から外縁部３０Ａに向かう方向を指す。実施形態の構成における指向性を示す図は省略しているが、実施形態においても比較構成と同等の、水平面無指向性の垂直偏波放射が得られる。

［変形例３］
変形例２にて導入したスリット部７０の中心線上に、図１２に示すように、ループ部５０からパッチ中心点３０Ｃに向かって延びる線状の導体部材（以降、線状エレメント）８０を設けてもよい。なお、スリット部７０の中心線とは、サブパッチ部３１の境界線に相当する。すなわち、スリット部７０の長手方向に平行であって、スリット部７０の幅を二等分する線である。

線状エレメント８０は、スリット部７０の中心線上において、一端がループ部５０と接続し、他端がパッチ中心点近傍でパッチ部３０と接続するように形成する。つまり、線状エレメント８０は、パッチ部３０のパッチ中心点近傍となる領域とループ部５０とを電気的に接続するとともに、サブパッチ部３１間の容量結合を弱める役割を担う。ループ部５０に流入した電流は、ループ部５０だけでなく、線状エレメント８０からもサブパッチ部３１へと流入する。

つまり、この変形例３の構成によれば、給電点５１からの電流がサブパッチ部３１へ供給されやすくなる。そのため、ループ部５０とパッチ部３０との間隔Ｄの上限値を、実施形態に比べて大きくすることができる。換言すれば、ループ部５０とパッチ部３０との間隔Ｄに対する制約を緩和することができる。

［変形例４］
図１３は、変形例３のさらなる変形例であって、スリット部７０を他のスリット部７０と接続するまで延長させ、サブパッチ部３１を他のサブパッチ部３１と分断させた構成を示している。すなわち、パッチ部３０を実体的に分割してなるそれぞれの領域が、サブパッチ部３１として機能する。

スリット部７０の内部に線状エレメント８０を設ける場合には、図１３に示すようにサブパッチ部３１を他のサブパッチ部３１と分断させても、前述の変形例２等と同様に作動する。

［変形例５］
上述した実施形態や種々の変形例では、パッチ部３０の平面形状を正六角形とする態様を例示したがこれに限らない。図１４〜図１８に示すように、様々な形状を採用することができる。また、それに伴い、サブパッチ部３１も様々な形状を採用することができる。なお、図１４〜図１８において地板１０の図示は省略している。

図１４は、パッチ部３０の平面形状を正方形状とし、パッチ部３０を正方形の対角線によって４つのサブパッチ部３１に分割して用いる構成を表している。図１５は、パッチ部３０の平面形状を正五角形とし、正五角形の中心から各頂点に向かう線によってパッチ部３０を５つのサブパッチ部３１に分割して用いる構成を表している。

図１６は、パッチ部３０の平面形状を正十二角形とし、正十二角形の中心から各頂点に向かう線によってパッチ部３０を１２個のサブパッチ部３１に分割して用いる構成を表している。図１７は、パッチ部３０の平面形状を円形とし、円の中心を通る直線によってパッチ部３０を同一サイズの６つのサブパッチ部３１に分割して用いる構成を表している。

図１８は、パッチ部３０の平面形状を正八角形とし、正八角形の中心から外縁部３０Ａに向かう直線によって、パッチ部３０を同一サイズの４つのサブパッチ部３１に分割して用いる構成を表している。

何れの構成においてもパッチ部３０は、パッチ中心点３０Ｃを対称中心とした点対称な形状、及び、パッチ中心点３０Ｃを通る直線を対称軸とする線対称な形状の少なくとも何れか一方に該当する形状となっている。なお、パッチ部３０の形状は上述した形状に限らない。例えば、楕円形状などであっても良い。パッチ部３０の形状は、様々な形状を採用することができる。これに伴い、ループ部５０の形状もまた様々な形状を採用することができる。ただし、パッチ部３０とループ部５０の間隔Ｄは前述の条件を充足させるものとする。

また、複数のサブパッチ部３１の形状は、必ずしも全て同一形状とする必要はない。パッチ中心点３０Ｃを通る直線を軸として線対称となる位置、または、パッチ中心点３０Ｃを対称中心として点対称な位置に、他のサブパッチ部３１が存在するように形成されれば良い。例えば図１９に示すように、それぞれ大きさが異なる２組のサブパッチ部３１を設定してもよい。

なお、図１４〜図１８は何れも変形例２と同様にスリット部７０を設けた構成を例示しているが、実施形態と同様にスリット部７０を設けていなくとも良い。さらに、変形例３のように、線状エレメント８０を備える構成としてもよい。

また、以上では様々な形状及び分割数を例示したが、発明者らは試験等によって、比較構成に比べてアンテナ装置１００の動作帯域を広帯域化させるためには、パッチ部３０は５個以上のサブパッチ部３１に分割することが好ましいという知見を得た。サブパッチ部３１の数が４つ以下では、分割数が相対的に小さいため、サブパッチ部３１同士の結合が強く、パッチ部３０において動作領域が形成されにくいからであると推測される。

［変形例６］
パッチ部３０の外縁部３０Ａは、図２０に示すようにミアンダ形状としてもよい。また、波形状としてもよい。ループ部５０は、所定の間隔Ｄをおいて外縁部３０Ａと対向するように形成すればよい。

［他の変形例］
以上では、アンテナ装置１００を不平衡給電型のアンテナ装置とする態様を例示したが、これに限らない。地板１０をパッチ部３０と同一の形状とすることで、平衡給電型アンテナとして動作させてもよい。

また、以上では、給電線路６０とループ部５０との電磁結合（主として容量結合）によって、ループ部５０及びパッチ部３０に給電する態様を例示したが、これに限らない。給電方式として、直結給電方式を採用してもよい。さらに、以上ではループ部５０の周長を対象波長の整数倍とする態様を例示したが、ループ部５０の周長は、対象波長の半分の整数倍となるように形成されていても良い。

１００ アンテナ装置、１０ 地板、２０ 支持部、３０ パッチ部、３０Ａ 外縁部、３０Ｃ パッチ中心点、３１ サブパッチ部、３１Ｇ サブパッチ中心点、４０ 短絡部、５０ ループ部、５１ 給電点、６０ 給電線路、７０ スリット部、８０ 線状エレメント

Claims (10)

1. 平板状の導体部材である地板（１０）と、
   前記地板と対向するように所定の間隔をおいて平行に設置された平板状の導体部材であるパッチ部（３０）と、
   前記パッチ部と前記地板とを電気的に接続する複数の短絡部（４０）と、
   前記パッチ部の外縁部と所定の間隔を有するように、前記地板と平行な平面内に配置されたループ状の導体部材であるループ部（５０）と、を備え、
   給電線と電気的に接続する給電点は、前記ループ部に設けられ、
   前記パッチ部の面積は、所定の対象周波数において前記短絡部が提供するインダクタンスと並列共振を生じさせる静電容量を形成する面積となっていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１において、
   前記パッチ部の平面形状は、前記パッチ部の中心とする点であるパッチ中心点を通る直線を軸として線対称な形状、または、前記パッチ中心点を対称中心として点対称な形状、並びにそれらの形状を元とする形状となっていることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項２において、
   前記パッチ部は、仮想的又は実体的に複数のサブパッチ部に分割され、
   複数の前記サブパッチ部は、それぞれ前記パッチ部において、前記パッチ中心点を通る直線を軸として線対称な位置、又は、前記パッチ中心点を対称中心として点対称な位置に、他の前記サブパッチ部が存在するように形成されており、
   前記短絡部は、複数の前記サブパッチ部のそれぞれに設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項３において、
   前記パッチ部には、前記サブパッチ部の境界線上に位置する部分を前記外縁部から前記パッチ中心点に向かう方向に所定の長さ、直線状に切り欠いた部分であるスリット部（７０）が設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項４において、
   前記スリット部の中心線上に、前記ループ部と前記パッチ部とを接続する直線状の導体部材である線状エレメント（８０）が設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
6. 請求項３から５の何れか１項において、
   複数の前記サブパッチ部のそれぞれは、前記パッチ中心点が位置する側の領域で電気的に接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
7. 請求項３において、
   前記サブパッチ部は、他の前記サブパッチ部と所定の間隔を有するように実体的に前記パッチ部が分割されて形成されており、
   前記サブパッチ部同士の間には、前記ループ部から前記パッチ中心点に向かって延設された線状エレメント（８０）が設けられており、
   前記線状エレメントは、前記パッチ中心点で他の前記線状エレメントと接続していることを特徴とするアンテナ装置。
8. 請求項３から７の何れか１項において、
   前記給電点は、前記給電線と電気的に接続されているマイクロストリップ線路（６０）と前記ループ部とが電磁結合することによって実現されていることを特徴とするアンテナ装置。
9. 請求項３から８の何れか１項において、
   前記給電点は、前記ループ部において、前記サブパッチ部の境界線を延長させた線上となる位置に設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
10. 請求項３から９の何れか１項において、
    前記地板は、前記パッチ部と同一形状となっており、平衡給電型アンテナとして動作することを特徴とするアンテナ装置。

Images