JP6563152B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、導電性の液体を外部に放出するアンテナ装置に関するものである。

アンテナ装置は、一般的に動作周波数に対応する波長でサイズが決定される。このため、動作周波数が低い周波数では、アンテナ装置の高さが、数ｍから数十ｍになることがある。
動作周波数が低い周波数では、一般的には、数ｍから数十ｍの長い金属柱を地面に立てる必要があり、また、長い金属柱を支える基礎が必要であるため、アンテナ装置の設置が困難な場合がある。

導電性の液体である導電性液体を放射素子として用いるアンテナ装置は、金属柱を地面に立てる必要がないため、動作周波数が低い周波数であっても、容易に設置することができる。
導電性液体として、例えば、自然界に豊富に存在する海水を用いることできる。ただし、海水のような導電性液体は、金属と比べて、導電率が低く、損失が大きい。
このため、導電性液体を放射素子として用いるアンテナ装置では、給電構造での損失を出来る限り無くして、導電性液体に効率的な給電が行えるようにすることが重要である。

以下の特許文献１には、導電性液体を放射素子として用いるアンテナ装置として、導水管の噴出口付近に給電点を設け、給電点から導電性液体の給水側に、動作周波数で４分の１波長程度離れている導水管の端部を地導体と電気的に短絡させているアンテナ装置が開示されている。
これにより、このアンテナ装置では、給水側に流れる不要電流を抑制することができるため、導電性液体に効率的な給電が可能になる。

国際公開第２０１５／１１５３３３号

従来のアンテナ装置は、例えば、設置面と水平な方向に、動作周波数で４分の１波長程度の長さを有する導水管を設ける必要がある。このため、設置面と水平な方向の給電構造が大きくなってしまうという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、動作周波数で４分の１波長程度の長さを有する導水管を設けることなく、導電性液体に効率的な給電を行うことができる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、第１の穴が中心に設けられている下面導体と、直径が第１の穴の直径よりも大きな第２の穴が中心に設けられており、第１の穴の中心軸と第２の穴の中心軸とが重なるように、下面導体と平行に配置されている上面導体と、下面導体の外周部と上面導体の外周部とを接続している側面導体と、第１の穴の直径と同じ内径を有し、かつ、第２の穴の直径よりも小さい外径を有しており、第１の穴の中心軸と内径の中心軸とが重なるように、下側の端部が下面導体と接続されている中空円筒導体と、一端が中空円筒導体の側面と接続されて、他端が開放されている状態で、中空円筒導体の外周を巡るように、下面導体と上面導体との間で下面導体と平行に配置されている線路導体と、一端が下面導体と接続され、他端が線路導体と接続されており、交流電圧が印加される給電点とを備え、第１の穴から供給された導電性の液体が、中空円筒導体の内部を通って、中空円筒導体の内部から外部に放出されるようにしたものである。

この発明によれば、線路導体が、一端が中空円筒導体の側面と接続されて、他端が開放されている状態で、中空円筒導体の外周を巡るように、下面導体と上面導体との間で下面導体と平行に配置されているように構成したので、動作周波数で４分の１波長程度の長さを有する導水管を設けることなく、導電性液体に効率的な給電を行うことができる効果がある。

この発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す断面図である。 この発明の実施の形態１によるアンテナ装置における導体上の高周波電力の伝送経路を示す模式図である。 この発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す等価回路である。 この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の給電構造１１にポンプ１３を接続し、アンテナ装置の給電構造１１を海水面に配置した場合の側面図である。 図５のアンテナ装置の給電構造１１を示す断面図である。 この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の入力インピーダンスＺ_ｉｎの周波数依存性をスミスチャートで示す説明図である。 図５のアンテナ装置でのｘｙ面が海水面となるときのｘｙｚ座標のｚ−ｘ面及びｘ−ｙ面の動作利得における放射パターンの計算結果を示す説明図である。 この発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２によるアンテナ装置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を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３によるアンテナ装置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を示す斜視図である。 この発明の実施の形態４によるアンテナ装置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断面図である。 図１６Ａは、誘電体基板２６の１層目の銅箔パターンを示す平面図、図１６Ｂは、誘電体基板２６の２層目の銅箔パターンを示す平面図、図１６Ｃは、誘電体基板２６の３層目の銅箔パターンを示す平面図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。

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斜視図であり、図２は、この発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す断面図である。
図１及び図２において、下面導体１は、有限の大きさからなる円盤状の導体であり、円形の穴である第１の穴２が中心に設けられている。
上面導体３は、下面導体１と同じ大きさからなる円盤状の導体であり、直径が第１の穴２の直径よりも大きな第２の穴４が中心に設けられている。
また、上面導体３は、第１の穴２の中心軸と第２の穴４の中心軸とが重なるように、下面導体１と平行に配置されている。

側面導体５は、下面導体１の外周部１ａと上面導体３の外周部３ａとを接続している導体である。
中空円筒導体６は、下面導体１に設けられている第１の穴２の直径と同じ内径６ａを有し、かつ、上面導体３に設けられている第２の穴４よりも小さい外径６ｂを有している導体である。
また、中空円筒導体６は、管軸方向の長さ（図２において、紙面上下方向）が、下面導体１から上面導体３までの距離と同じであり、第１の穴２の中心軸と内径６ａの中心軸とが重なるように、下側の端部６ｃが下面導体１と接続されている。

線路導体７は、一端７ａが中空円筒導体６の側面と接続されて、他端７ｂが開放されている状態で、中空円筒導体６の外周を巡るように、下面導体１と上面導体３との間で、下面導体１及び上面導体３と平行に配置されている平面状の導体である。
また、線路導体７は、一端７ａから他端７ｂまでの線路長が動作周波数ｆで概ね４分の１波長（＝λ／４）の長さである。λは動作周波数ｆに対応する波長である。
この実施の形態１では、線路導体７の線路長が概ねλ／４の長さである例を説明するが、これに限るものではなく、例えば、線路導体７の線路長がλ／４のＮ倍（Ｎ＝１，２，３）の長さであってもよい。

給電点８は、一端が下面導体１と接続され、他端が線路導体７と接続されている。
給電点８は、図示せぬ送受信機が接続されると、下面導体１と線路導体７との間に交流電圧を印加する。
防水カバー９は、直径９ａが第２の穴４の直径よりも大きい絶縁性の円盤である。防水カバー９は、絶縁性の円盤であればよく、例えば、樹脂製の円盤などが該当する。
防水カバー９の中心には、中空円筒導体６の内径６ａと同じ直径の第３の穴１０が設けられている。
防水カバー９は、第３の穴１０の中心軸が中空円筒導体６の中心軸と重なり、底面９ｂが中空円筒導体６における上側の端部６ｄ及び上面導体３における上側の面３ｂのそれぞれと密接している。
これにより、下面導体１、上面導体３、側面導体５及び中空円筒導体６によって構成された空洞への水の浸入が防がれる。

この実施の形態１のアンテナ装置の給電構造１１は、下面導体１、上面導体３、側面導体５、中空円筒導体６、線路導体７、給電点８及び防水カバー９によって構成されている。
導電性液体１２は、下面導体１に設けられている第１の穴から供給され、中空円筒導体６の内部を通って、第３の穴１０から外部に放出される導電性の液体であり、放射素子として動作する。

次に動作について説明する。
例えば、送受信機が給電点８に接続されることで、下面導体１と線路導体７との間に高周波の交流電圧が印加される。
下面導体１と線路導体７との間に高周波の交流電圧が印加されることで、下面導体１と上面導体３に挟まれている線路導体７がストリップ線路として動作し、高周波の電力が線路導体７を伝送される。

ここで、図３は、この発明の実施の形態１によるアンテナ装置における導体上の高周波電力の伝送経路を示す模式図である。
高周波電力は、中空円筒導体６を介して下面導体１と短絡される経路Ａと、線路導体７の他端７ｂである開放端に向かう経路Ｂと、第２の穴４に向かう経路Ｃとの３つの経路に分かれて伝送される。

図４は、この発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す等価回路である。
図４において、Ｚ_ａは、放射素子として動作する導電性液体１２の入力インピーダンスである。
給電点８から経路Ａに伝送される高周波電力は、中空円筒導体６を介して下面導体１と短絡されるため、ショートスタブが形成される。
このとき、給電点８から短絡点側を見たインピーダンスＺ_{ｓｈｏｒｔ}は、以下の式（１）のように表される。
Ｚ_{ｓｈｏｒｔ}＝ｊＺ_０ｔａｎ｛（２π／λ）Ｌ_{ｓｈｏｒｔ}｝ （１）
Ｚ_０：下面導体１、上面導体３及び線路導体７によって構成される伝送線路の特性インピーダンス
Ｌ_{ｓｈｏｒｔ}：給電点８から短絡点までの距離
λ：動作周波数ｆに対する波長
ｊ：虚数単位
式（１）から明らかなように、給電点８から短絡点までの距離Ｌ_{ｓｈｏｒｔ}がλ／４以下の長さであれば、給電点８から短絡点側を見たインピーダンスＺ_{ｓｈｏｒｔ}は、誘導性となる。

給電点８から経路Ｂに伝送される高周波電力は、線路導体７の他端７ｂが開放されているため、オープンスタブが形成される。
このとき、給電点８から開放端側を見たインピーダンスＺ_ｏｐｅｎは、以下の式（２）のように表される。
Ｚ_ｏｐｅｎ＝−ｊＺ_０ｃｏｔ｛（２π／λ）Ｌ_ｏｐｅｎ｝ （２）
Ｌ_ｏｐｅｎ：給電点８から線路導体７の他端７ｂである開放端までの距離
式（２）から明らかなように、給電点８から線路導体７の開放端までの距離Ｌ_ｏｐｅｎがλ／４以下の長さであれば、給電点８から開放端側を見たインピーダンスＺ_ｏｐｅｎは、容量性となる。

この実施の形態１では、線路導体７の線路長が概ねλ／４の長さであるため、以下の式（３）が成立する。
Ｌ_ｏｐｅｎ＝λ／４−Ｌ_{ｓｈｏｒｔ} （３）
このとき、給電点８から、ショートスタブとオープンスタブからなる並列回路側を見たインピーダンスＺ_ｐは、以下の式（４）のように表される。
１／Ｚ_ｐ＝１／Ｚ_{ｓｈｏｒｔ}＋１／Ｚ_ｏｐｅｎ
＝１／［ｊＺ_０ｔａｎ｛（２π／λ）Ｌ_{ｓｈｏｒｔ}｝］
＋ｊ／［Ｚ_０ｃｏｔ｛（２π／λ）Ｌ_ｏｐｅｎ｝］ （４）

式（３）を式（４）に代入することで、インピーダンスＺ_ｐは、以下の式（５）のように表される。
１／Ｚ_ｐ＝１／［ｊＺ_０ｔａｎ｛（２π／λ）Ｌ_{ｓｈｏｒｔ}｝］
＋ｊ／［Ｚ_０ｃｏｔ｛（２π／λ）（λ／４−Ｌ_{ｓｈｏｒｔ}）｝］
＝１／［ｊＺ_０ｔａｎ｛（２π／λ）Ｌ_{ｓｈｏｒｔ}｝］
＋ｊ／［Ｚ_０ｃｏｔ｛（π／２）−（２π／λ）Ｌ_{ｓｈｏｒｔ}｝］
＝１／［ｊＺ_０ｔａｎ｛（２π／λ）Ｌ_{ｓｈｏｒｔ}｝］
＋ｊ／［Ｚ_０ｔａｎ｛（２π／λ）Ｌ_{ｓｈｏｒｔ}｝
Ｚ_ｐ＝［１／｛（１／ｊ）＋ｊ｝］［Ｚ_０ｔａｎ｛（２π／λ）Ｌ_{ｓｈｏｒｔ}｝］
（５）
式（５）において、（１／ｊ）＋ｊ＝０であるため、インピーダンスＺ_ｐは、以下の式（６）のようになる。
Ｚ_ｐ＝∞ （６）

以上より、線路導体７の線路長がλ／４の長さである場合、給電点８から短絡点までの距離Ｌ_{ｓｈｏｒｔ}にかかわらず、下面導体１、上面導体３及び線路導体７によって構成される伝送線路のリアクタンス成分が相殺される。即ち、給電点８の位置にかかわらず、当該伝送線路のリアクタンス成分が相殺される。
このため、給電点８から、ショートスタブとオープンスタブからなる並列回路側を見たインピーダンスＺ_ｐは、無限大となる。
よって、経路Ａ及び経路Ｂは、共に開放状態となるため、高周波電力が伝送されず、高周波電力は、経路Ｃのみに伝送される。
したがって、放射素子として動作する導電性液体１２のみに、高周波電力の供給が可能になる。

放射素子として動作する導電性液体１２の入力インピーダンスＺ_ａは、第３の穴１０から噴出される導電性液体１２の太さ及び導電性液体１２の導電率によって大きく変化する。
放射素子として動作する導電性液体１２の入力インピーダンスＺ_ａと、給電点８での入力インピーダンスＺ_ｉｎとが大きく異なる場合、給電点８から伝送される高周波電力が、効率よく導電性液体１２に供給されない。
この実施の形態１では、下面導体１と線路導体７との間に設けられている給電点８の位置を変えることで、入力インピーダンスＺ_ｉｎを変化させることが可能である。

一般的に入力インピーダンスＺ_ｉｎは、給電点８における電流に対する電圧の比に等しくなる。レジスタンス成分の大きさは、給電点８が、最も電界が強い線路導体７の開放端に設けられていれば、最大値となる。
また、レジスタンス成分の大きさは、給電点８が、線路導体７と中空円筒導体６の接続地点である線路導体７の一端７ａに近づくほど、値が小さくなる。
したがって、放射素子として動作する導電性液体１２の入力インピーダンスＺ_ａがいかなる値であっても、給電点８の位置を調整することで、導電性液体１２の入力インピーダンスＺ_ａと、給電点８での入力インピーダンスＺ_ｉｎとの整合を図ることができる。
このため、給電点８の位置を調整することで、給電点８から伝送される高周波電力を効率よく導電性液体１２に供給することが可能になる。

次に、導電性液体１２として海水を使用する場合を例にとって、この実施の形態１のアンテナ装置の効果を考察する。
図５は、この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の給電構造１１にポンプ１３を接続し、アンテナ装置の給電構造１１を海水面に配置した場合の側面図である。
図６は、図５のアンテナ装置の給電構造１１を示す断面図である。

図５及び図６の例では、下面導体１の直径及び上面導体３の直径は、共に動作周波数ｆに対する波長λの概ね１０分の１（＝λ／１０）の長さであり、下面導体１と上面導体３の間隔は、動作周波数ｆに対する波長λの概ね６０分の１（＝λ／６０）の長さである。
また、中空円筒導体６の管軸方向の長さについても、概ねλ／６０の長さである。
また、第１の穴２の直径及び中空円筒導体６の内径６ａは、共に概ねλ／３０の長さであり、第３の穴１０から噴出される導電性液体１２の長さは概ねλ／４である。
この実施の形態１では、線路導体７の線路長が概ねλ／４の長さであれば、その他の寸法は限定されるものではない。

図５及び図６において、ポンプ１３は、導水管１４を介して、図１のアンテナ装置に海水を供給するための機械であり、図５の例では、ポンプ１３は、海中内に配置されている。
導水管１４は、一端がポンプ１３と接続され、他端がアンテナ装置の給電構造１１と接続されている。
導水管１４は、ポンプ１３から出力された海水をアンテナ装置の給電構造１１に送るための中空の管である。
図３における経路Ａは、上述したように、開放状態となるため、給電点８から導水管１４へは高周波電力が伝送されない。このため、導水管１４の材質及び長さは限定されない。
送受信機１５は、高周波ケーブル１６を介して図１のアンテナ装置の給電構造１１と接続されている。
図５の例では、アンテナ装置の給電構造１１から十分離れた位置に送受信機１５が配置されている。

高周波ケーブル１６は、同軸構造を有するフレキシブルケーブルである。
アンテナ装置の給電構造１１と高周波ケーブル１６の接続地点において、高周波ケーブル１６の外導体１６ａの内径と同じ大きさの穴１７が下面導体１に設けられている。
高周波ケーブル１６の外導体１６ａは、下面導体１と接続され、高周波ケーブル１６の内導体１６ｂは、線路導体７と接続されている。
図５の例では、海水面が動作周波数ｆの波長と比べて十分に広いことを想定しており、海水面を地導体として利用している。

図７は、この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の入力インピーダンスＺ_ｉｎの周波数依存性をスミスチャートで示す説明図である。
図７において、細実線の円及び円弧は、共にスミスチャート図を表示する線である。
ｆは、所望の動作周波数に対応する周波数である。
一点破線、太実線及び二点破線のそれぞれは、入力インピーダンスＺ_ｉｎの特性曲線である。
一点破線、太実線及び二点破線のそれぞれが示す入力インピーダンスＺ_ｉｎの相違は、高周波ケーブル１６の内導体１６ｂと線路導体７の接続地点と、線路導体７と中空円筒導体６の接続地点との距離の相違に基づくものである。
一点破線、太実線及び二点破線の中で、一点破線での距離が最も大きく、二点破線での距離が最も小さい例を示している。
また、点線の円は、定在波比である電圧定在波比（ＶＳＷＲ:Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ）＝２に対応している。
点線の円の内部は、ＶＳＷＲ＝２よりも小さくなる範囲であり、円の中心がＶＳＷＲ＝１である。
以下の数値計算では、海水の電気定数として比誘電率が８１、導電率が４Ｓ／ｍとしている。

この実施の形態１のアンテナ装置は、図７より、高周波ケーブル１６の内導体１６ｂと線路導体７との接続地点の位置を調整することで、所望の動作周波数ｆで、インピーダンス整合特性が良好な状態のＶＳＷＲ≒１を得ることができていることが分かる。
この実施の形態１では、第３の穴１０から噴出された導電性液体１２の長さは、動作周波数ｆでλ／４の長さに相当しているので、導電性液体１２が共振状態となって、高周波の電磁波を放射する。

図８は、図５のアンテナ装置でのｘｙ面が海水面となるときのｘｙｚ座標のｚ−ｘ面及びｘ−ｙ面の動作利得における放射パターンの計算結果を示す説明図である。
ｚ−ｘ面においては、無限に広がる海水が地導体として動作するため、海水面よりも上方向のみの放射パターンを示している。
アンテナ装置は、図８に示すように、主偏波である垂直偏波のみを放射しており、ｚ−ｘ面では、８の字型のパターンになり、ｘ−ｙ面では、ほぼ無指向のパターンになっている。
したがって、噴出された導電性液体１２は、モノポールアンテナとして動作していることが分かる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、線路導体７が、一端７ａが中空円筒導体６の側面と接続されて、他端７ｂが開放されている状態で、中空円筒導体６の外周を巡るように、下面導体１と上面導体３との間で下面導体１と平行に配置されているように構成したので、動作周波数ｆでλ／４程度の長さを有する導水管を設けることなく、導電性液体１２に効率的な給電を行うことができる効果を奏する。
また、導電性液体１２が通る中空円筒導体６の管軸方向の長さ及び導水管１４の長さにλ／４の長さという制限が無くなり、給電構造１１を小形化することができる。

この実施の形態１では、下面導体１及び上面導体３のそれぞれが円盤状の導体である例を示しているが、これに限るものではなく、例えば、下面導体１及び上面導体３のそれぞれが方形状の導体であってもよい。
また、この実施の形態１では、海水面を地導体として利用する例を示しているが、下面導体１又は上面導体３のうちのいずれか一方の導体の半径を動作周波数ｆの波長λと比べて十分大きくすれば、いずれか一方の導体を地導体として用いることが可能である。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、防水カバー９に設けられている第３の穴１０から導電性液体１２が真上に噴出される例を示している。
この実施の形態２では、導電性液体１２が噴出される方向を真上から傾けている例を説明する。

図９は、この発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す斜視図であり、図１０は、この発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す断面図である。
図９及び図１０において、図１及び図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ガイド１８は、防水カバー９に設けられている第３の穴１０と同程度の内径を有する樹脂性の中空円筒である。
ガイド１８は、中空円筒導体６の中心軸と、防水カバー９に設けられている第３の穴１０から外部に放出される導電性液体１２の中心軸とのなす角θが０度以上９０度未満となるように、導電性液体１２の放出方向を変える部材である。
ガイド１８の下方端部１８ａは、中空円筒導体６の中心軸と導電性液体１２の中心軸とのなす角θが０度以上９０度未満となるように、θの角度で切断されている。
ガイド１８は、ガイド１８の内径と防水カバー９に設けられている第３の穴１０とが一致するように、防水カバー９の上側の面と密着して配置されている。

次に動作について説明する。
上記実施の形態１のように、導電性液体１２を真上に噴出させて、導電性液体１２をモノポールアンテナとして動作させる場合、噴出させた導電性液体１２が水滴として、アンテナ装置の給電構造１１の上に落ちてくる。
放射素子の根本となる第３の穴１０の近傍の導電性液体１２と、上面導体３とが、落ちてくる水滴（導電性液体１２）によって電気的に短絡してしまうと、アンテナ特性の劣化もしくはアンテナ特性の不安定化を招いてしまう。

そこで、この実施の形態２では、ガイド１８によって、第３の穴１０から噴出される導電性液体１２の方向を真上から傾けることで、給電構造１１に水滴が落ちてくることを防いでいる。
これにより、放射素子の根本となる第３の穴１０の近傍の導電性液体１２と、上面導体３との短絡を避けて、アンテナ特性の劣化もしくはアンテナ特性の不安定化を防ぐことができる。
また、導電性液体１２の放出方向を傾けていることで、図１０に示すように、ループアンテナを形成することができる。
例えば、導電性液体１２において、放射素子の根本となる第３の穴１０から着水地点１９までの長さを概ねλ／２の長さとすることで、導電性液体１２が共振状態となり、導電性液体１２から高周波の電磁波が放射される。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、中空円筒導体６の中心軸と、第３の穴１０から外部に放出される導電性液体１２の中心軸とのなす角θが０度以上９０度未満となるように、導電性液体１２の放出方向を変えるガイド１８を防水カバー９の上側の面に設けるように構成したので、放射素子の根本となる第３の穴１０の近傍の導電性液体１２と、上面導体３との短絡を避けて、アンテナ特性の劣化もしくはアンテナ特性の不安定化を防ぐことができる効果を奏する。

実施の形態３．
上記実施の形態１，２では、動作周波数ｆの高周波電力を導電性液体１２に供給する例を示している。
この実施の形態３では、第１の動作周波数ｆ_１の高周波電力又は第２の動作周波数ｆ_２の高周波電力を導電性液体１２に供給することができるアンテナ装置について説明する。

図１１は、この発明の実施の形態３によるアンテナ装置を示す斜視図であり、図１２は、この発明の実施の形態３によるアンテナ装置を示す断面図である。
図１１及び図１２において、図１及び図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
この実施の形態３では、線路導体７が途中で分断されており、分断箇所２０から一端７ａ側の線路導体７が第１の線路導体７ｃ、分断箇所２０から他端７ｂ側の線路導体７が第２の線路導体７ｄである。
支治具２１は、分断箇所２０で分裂された第２の線路導体７ｄを支える樹脂製の治具である。

この実施の形態３では、第１の線路導体７ｃの線路長と第２の線路導体７ｄの線路長との合計の線路長は、第１の動作周波数ｆ_１で概ね４分の１波長（＝λ_１／４）の長さである。λ_１は、第１の動作周波数ｆ_１に対応する波長である。
また、第１の線路導体７ｃの線路長は、第２の動作周波数ｆ_２で概ね４分の１波長（＝λ_２／４）の長さである。λ_２は、第２の動作周波数ｆ_２に対応する波長である。

共振回路２２は、第１の集中定数素子であるインダクタ２２ａと、第２の集中定数素子であるキャパシタ２２ｂとを備えている。インダクタ２２ａ及びキャパシタ２２ｂは、分断箇所２０において、第１の線路導体７ｃと第２の線路導体７ｄとを繋げるように並列に接続されている。
共振回路２２は、第２の動作周波数ｆ_２の高周波電力を遮断して、第１の動作周波数ｆ_１の高周波電力を通過させる帯域除去フィルタである。
この実施の形態３では、共振回路２２が図１及び図２のアンテナ装置に適用される例を示しているが、共振回路２２が図９及び図１０のアンテナ装置に適用されるものであってもよい。

次に動作について説明する。
この実施の形態３では、線路導体７が途中で分断されており、共振回路２２が分断箇所２０に設けられている。
このため、共振回路２２に含まれているインダクタ２２ａのインダクタンスＬ及びキャパシタ２２ｂのキャパシタンスＣを調整することで、分断箇所２０において、第２の動作周波数ｆ_２の高周波電力を遮断することができる。
以下の式（７）は、第２の動作周波数ｆ_２と、インダクタ２２ａのインダクタンスＬ及びキャパシタ２２ｂのキャパシタンスＣとの関係を示している。
ｆ_２＝１／｛２π（Ｌ・Ｃ）^１／２｝ （７）
π：円周率

第１の動作周波数ｆ_１の高周波電力は、共振回路２２を通過する。このため、第１の線路導体７ｃと第２の線路導体７ｄとが接続されている線路導体７は、第１の動作周波数ｆ_１に対応する波長λ_１の４分の１の長さで終端開放されたストリップ線路として動作する。
これにより、給電点８から、ショートスタブとオープンスタブからなる共振回路２２側を見たインピーダンスＺ_ｐ１は、第１の動作周波数ｆ_１で無限大となる。このため、放射素子として動作する導電性液体１２に、第１の動作周波数ｆ_１の高周波電力の供給が可能になる。

第２の動作周波数ｆ_２の高周波電力は、共振回路２２によって遮断される。このため、第１の線路導体７ｃは、第２の動作周波数ｆ_２に対応する波長λ_２の４分の１の長さで終端開放されたストリップ線路として動作する。
これにより、給電点８から、ショートスタブとオープンスタブからなる共振回路２２側を見たインピーダンスＺ_ｐ２は、第２の動作周波数ｆ_２で無限大となる。このため、放射素子として動作する導電性液体１２に、第２の動作周波数ｆ_２の高周波電力の供給が可能になる。

以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、第２の動作周波数ｆ_２の高周波電力を遮断して、第１の動作周波数ｆ_１の高周波電力を通過させる共振回路２２を分断箇所２０に設けるように構成したので、放射素子として動作する導電性液体１２に、第１の動作周波数ｆ_１の高周波電力又は第２の動作周波数ｆ_２の高周波電力を供給することができる効果を奏する。

この実施の形態３では、線路導体７の分断箇所２０が１箇所である例を示しているが、線路導体７の分断箇所２０が２箇所以上であってもよい。
例えば、分断箇所２０の数がＮ（Ｎは２以上の整数）である場合、Ｎ個の分断箇所２０のそれぞれに、以下に示す共振回路２２を設ける。
（１）中空円筒導体６に１番近い共振回路２２として、以下の共振回路を設ける。
第１の動作周波数ｆ_１〜第Ｎの動作周波数ｆ_Ｎの高周波電力を通過させて、第（Ｎ＋１）の動作周波数ｆ_Ｎ＋１の高周波電力を遮断する共振回路
（２）中空円筒導体６に２番目に近い共振回路２２として、以下の共振回路を設ける。
第１の動作周波数ｆ_１〜第（Ｎ−１）の動作周波数ｆ_Ｎ−１の高周波電力を通過させて、第Ｎの動作周波数ｆ_Ｎの高周波電力を遮断する共振回路
：
（Ｎ）中空円筒導体６に最も遠い共振回路２２として、以下の共振回路を設ける。
第１の動作周波数ｆ_１の高周波電力を通過させて、第２の動作周波数ｆ_２の高周波電力を遮断する共振回路

実施の形態４．
この実施の形態４では、線路導体７の他端７ｂが、図１３及び図１４に示すように、容量性部材２５を介して、短絡導体２４と接続されている例を説明する。
図１３は、この発明の実施の形態４によるアンテナ装置を示す斜視図であり、図１４は、この発明の実施の形態４によるアンテナ装置を示す断面図である。
図１３及び図１４において、図１及び図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。

短絡導体２４は、一端が下面導体１と接続され、他端が線路導体７の開放端近傍に配置されている導体である。
容量性部材２５は、例えばキャパシタである。
容量性部材２５は、一端が線路導体７の他端７ｂと接続され、他端が短絡導体２４の他端と接続されている。
この実施の形態４では、線路導体７の線路長は、動作周波数ｆで４分の１波長以下の長さである。
この実施の形態４では、短絡導体２４及び容量性部材２５が図１及び図２のアンテナ装置に適用される例を示しているが、短絡導体２４及び容量性部材２５が図９から図１２のアンテナ装置に適用されるものであってもよい。

次に動作について説明する。
この実施の形態４のアンテナ装置では、線路導体７の開放端である他端７ｂが容量性部材２５を介して下面導体１と接続されている。
このため、容量性部材２５のキャパシタンスを調整することで、容量性部材２５のキャパシタンスによって、給電点８から、線路導体７の一端７ａである短絡点側を見たインピーダンスＺ_{ｓｈｏｒｔ}の誘導性を相殺することができる。

上記実施の形態１では、給電点８から、線路導体７の開放端までの線路で容量性を実現しているが、この実施の形態４では、容量性部材２５のキャパシタンスで容量性を実現することができる。
このため、線路導体７の線路長を動作周波数ｆで概ね４分の１波長の長さとする必要がなく、線路導体７の線路長を動作周波数ｆで４分の１波長以下の長さとすることができる。
よって、この実施の形態４によれば、上記実施の形態１よりも更に給電構造１１を小形化することができる。

この実施の形態４では、線路導体７の開放端である他端７ｂが容量性部材２５を介して下面導体１と接続されている例を示しているが、線路導体７の開放端である他端７ｂが容量性部材２５を介して側面導体５又は上面導体３に接続されているようにしてもよい。
また、容量性部材２５として、キャパシタンスを変更することが可能な可変コンデンサなどを用いるようにして、動作周波数ｆを変更できるようにしてもよい。

実施の形態５．
この実施の形態５では、３層構造の誘電体基板２６を用いて形成されているアンテナ装置を説明する。
図１５は、この発明の実施の形態５によるアンテナ装置を示す断面図であり、図１６は、この発明の実施の形態５によるアンテナ装置の各層の銅箔パターンを示す分解図である。
図１６Ａは、誘電体基板２６の１層目の銅箔パターンを示す平面図、図１６Ｂは、誘電体基板２６の２層目の銅箔パターンを示す平面図、図１６Ｃは、誘電体基板２６の３層目の銅箔パターンを示す平面図である。

図１５及び図１６において、誘電体基板２６は、図２に示す第１の穴２と同じ大きさの貫通穴３７が中心に設けられている円盤状の誘電体層であり、この誘電体層は３層構造である。この実施の形態５では、図１５の紙面上側から順番に、１層目、２層目及び３層目としている。
誘電体基板２６の１層目は、例えば、上面銅箔パターン２７によって、図１に示す上面導体３が形成され、噴出口銅箔パターン３０によって、図１に示す中空円筒導体６における上側の端部６ｄが形成されている。
誘電体基板２６の２層目は、例えば、線路銅箔パターン３３によって、図１に示す線路導体７が形成され、導水経路銅箔パターン３２によって、図１に示す中空円筒導体６の一部が形成されている。
誘電体基板２６の３層目は、例えば、下面銅箔パターン３４によって、図１に示す下面導体１が形成されている。

上面銅箔パターン２７は、円盤状の導体であり、中心に穴２８が設けられている。
上面銅箔パターン２７は、図１に示す上面導体３に相当する導体である。
上面銅箔パターン２７の中心から外れた位置において、穴２８の近傍には、小穴２９が設けられている。
噴出口銅箔パターン３０は、直径が穴２８の直径よりも小さい円盤状の導体であり、中心軸が穴２８の中心軸と重なるように配置されている。
噴出口銅箔パターン３０は、図１に示す中空円筒導体６における上側の端部６ｄに相当する導体である。

上面給電銅箔パターン３１は、直径が小穴２９の直径よりも小さい円盤状の導体であり、中心軸が小穴２９の中心軸と重なるように配置されている。上面給電銅箔パターン３１は、給電点として動作する。
導水経路銅箔パターン３２は、直径が噴出口銅箔パターン３０の直径と同じ円盤状の導体であり、図１に示す中空円筒導体６の中間地点に相当する導体である。
線路銅箔パターン３３は、一端３３ａが導水経路銅箔パターン３２と接続されて、他端３３ｂが開放されている状態で、導水経路銅箔パターン３２の外周を巡るように配置されている図１に示す線路導体７に相当する導体である。
線路銅箔パターン３３は、一端３３ａから他端３３ｂまでの線路長が動作周波数ｆで概ね４分の１波長（＝λ／４）の長さである。

下面銅箔パターン３４は、上面銅箔パターン２７と同じ大きさの円盤状の導体であり、図１に示す下面導体１に相当する導体である。
下面銅箔パターン３４には小穴３５が設けられており、小穴３５の大きさは、小穴２９の大きさと同じであり、小穴３５は、小穴２９と同じ中心軸上に設けられている。
下面給電銅箔パターン３６は、直径が小穴３５の直径よりも小さい円盤状の導体であり、中心軸が小穴３５の中心軸と重なるように配置されている。下面給電銅箔パターン３６は、給電点として動作する。
貫通穴３７は、第１層目から第３層目にかけて、誘電体基板２６を貫通している穴である。
貫通穴３７は、直径が噴出口銅箔パターン３０の直径よりも小さい穴であり、図２に示す第１の穴２に相当する穴である。

側面スルーホール３８は、誘電体基板２６の１層目における上面銅箔パターン２７の外周部２７ａと、誘電体基板２６の３層目における下面銅箔パターン３４の外周部３４ａとを電気的に接続する第１のスルーホールである。
複数の側面スルーホール３８が配置されており、複数の側面スルーホール３８の間隔が、動作周波数ｆに対応する波長λの長さよりも短い。このため、側面スルーホール３８は、下面導体１の外周部１ａと上面導体３の外周部３ａとを電気的に接続している図１の側面導体５に相当する導体である。

導水経路スルーホール３９は、１層目における噴出口銅箔パターン３０と、３層目における下面銅箔パターン３４とを電気的に接続する第２のスルーホールである。
複数の導水経路スルーホール３９が配置されており、複数の導水経路スルーホール３９の間隔が、動作周波数ｆに対応する波長λの長さよりも短い。このため、導水経路スルーホール３９は、図１に示す中空円筒導体６に相当する導体である。
給電スルーホール４０は、１層目における上面給電銅箔パターン３１と、２層目における導水経路銅箔パターン３２と、３層目における下面給電銅箔パターン３６とを電気的に接続する第３のスルーホールである。

給電構造４１は、誘電体基板２６上の銅箔パターン及びスルーホールによって構成されている給電構造である。
導電性液体１２は、貫通穴３７の第３層目側から内部に供給され、貫通穴３７の第１層目側から外部に噴出される導電性の液体であり、放射素子として動作する。

次に動作について説明する。
例えば、送受信機が下面給電銅箔パターン３６と下面銅箔パターン３４との間に接続されることで、下面銅箔パターン３４と線路銅箔パターン３３との間に高周波の交流電圧が印加される。
下面銅箔パターン３４と線路銅箔パターン３３との間に高周波の交流電圧が印加されることで、下面銅箔パターン３４と上面銅箔パターン２７に挟まれている線路銅箔パターン３３がストリップ線路として動作し、高周波の電力が線路銅箔パターン３３を伝送される。

高周波電力は、導水経路銅箔パターン３２及び導水経路スルーホール３９を介して下面銅箔パターン３４と短絡される経路Ａと、線路銅箔パターン３３の他端３３ｂである開放端に向かう経路Ｂと、噴出口銅箔パターン３０に向かう経路Ｃとの３つの経路に分かれて伝送される。
給電スルーホール４０から経路Ａに伝送される高周波電力は、導水経路銅箔パターン３２及び導水経路スルーホール３９を介して下面銅箔パターン３４に短絡されるため、ショートスタブが形成される。
給電スルーホール４０から経路Ｂに伝送される高周波電力は、線路銅箔パターン３３の他端３３ｂが開放されているため、オープンスタブが形成される。

線路銅箔パターン３３の線路長がλ／４の長さである場合、給電スルーホール４０の位置にかかわらず、伝送線路のリアクタンス成分が相殺される。
このため、給電スルーホール４０から、ショートスタブとオープンスタブからなる並列回路側を見たインピーダンスＺ_ｐは、無限大となる。
よって、経路Ａ及び経路Ｂは、開放状態となるため、高周波電力が伝送されず、高周波電力は、経路Ｃのみに伝送される。
したがって、放射素子として動作する導電性液体１２のみに、高周波電力の供給が可能になる。

ここで、放射素子として動作する導電性液体１２の入力インピーダンスＺ_ａは、貫通穴３７の第１層目側から外部に噴出される導電性液体１２の太さ及び導電性液体１２の導電率によって大きく変化する。
放射素子として動作する導電性液体１２の入力インピーダンスＺ_ａと、給電スルーホール４０から見た入力インピーダンスＺ_ｉｎとが大きく異なる場合、給電スルーホール４０から伝送される高周波電力が、効率よく導電性液体１２に供給されない。
この実施の形態４では、給電スルーホール４０の位置を変えることで、入力インピーダンスＺ_ｉｎを変化させることが可能である。

一般的に入力インピーダンスＺ_ｉｎは、給電スルーホール４０における電流に対する電圧の比に等しくなる。レジスタンス成分の大きさは、給電スルーホール４０が、最も電界が強い線路銅箔パターン３３の開放端に設けられていれば、最大値となる。
また、レジスタンス成分の大きさは、給電スルーホール４０が、線路銅箔パターン３３と導水経路銅箔パターン３２の接続地点である線路銅箔パターン３３の一端３３ａに近づくほど、値が小さくなる。
したがって、放射素子として動作する導電性液体１２の入力インピーダンスＺ_ａがいかなる値であっても、給電スルーホール４０の位置を調整することで、導電性液体１２の入力インピーダンスＺ_ａと、給電スルーホール４０から見た入力インピーダンスＺ_ｉｎとの整合を図ることができる。
このため、給電スルーホール４０から伝送される高周波電力を効率よく導電性液体１２に供給することが可能になる。

以上で明らかなように、この実施の形態４によれば、上記実施の形態１と同様に、動作周波数ｆでλ／４程度の長さを有する導水管を設けることなく、導電性液体１２に効率的な給電を行うことができる効果を奏する。
また、導電性液体１２が通る誘電体基板２６の厚さ（図１５において、紙面上下方向）にλ／４の長さという制限が無くなり、給電構造４１を小形化することができる。

また、この実施の形態４では、誘電体基板２６をエッチング加工することで、上面銅箔パターン２７、噴出口銅箔パターン３０、上面給電銅箔パターン３１、導水経路銅箔パターン３２、線路銅箔パターン３３、下面銅箔パターン３４及び下面給電銅箔パターン３６を形成することが可能である。この場合、量産に適しているため、アンテナ装置のコストの低減を図ることができる。

図１５のアンテナ装置には、防水カバー９が設けられていないが、上記実施の形態１と同様に、防水カバー９が設けられていてもよいことは言うまでもない。
また、図１５のアンテナ装置には、ガイド１８が設けられていないが、上記実施の形態２と同様に、ガイド１８が設けられていてもよいことは言うまでもない。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明は、導電性の液体を外部に放出するアンテナ装置に適している。

１ 下面導体、１ａ 下面導体１の外周部、２ 第１の穴、３ 上面導体、３ａ 上面導体３の外周部、３ｂ 上面導体３における上側の面、４ 第２の穴、５ 側面導体、６ 中空円筒導体、６ａ 中空円筒導体６の内径、６ｂ 中空円筒導体６の外径、６ｃ 中空円筒導体６における下側の端部、６ｄ 中空円筒導体６における上側の端部、７ 線路導体、７ａ 線路導体７の一端、７ｂ 線路導体７の他端、７ｃ 第１の線路導体、７ｄ 第２の線路導体、８ 給電点、９ 防水カバー、９ａ 防水カバー９の直径、９ｂ 防水カバー９の底面、１０ 第３の穴、１１ 給電構造、１２ 導電性液体、１３ ポンプ、１４ 導水管、１５ 送受信機、１６ 高周波ケーブル、１６ａ 高周波ケーブル１６の外導体、１６ｂ 高周波ケーブル１６の内導体、１７ 穴、１８ ガイド、１８ａ ガイド１８の下方端部、１９ 着水地点、２０ 分断箇所、２１ 支治具、２２ 共振回路、２２ａ インダクタ、２２ｂ キャパシタ、２４ 短絡導体、２５ 容量性部材、２６ 誘電体基板、２７ 上面銅箔パターン、２８ 穴、２９ 小穴、３０ 噴出口銅箔パターン、３１ 上面給電銅箔パターン（給電点）、３２ 導水経路銅箔パターン、３３ 線路銅箔パターン、３３ａ 線路銅箔パターン３３の一端、３３ｂ 線路銅箔パターン３３の他端、３４ 下面銅箔パターン、３５ 小穴、３６ 下面給電銅箔パターン（給電点）、３７ 貫通穴、３８ 側面スルーホール（第１のスルーホール）、３９ 導水経路スルーホール（第２のスルーホール）、４０ 給電スルーホール（第３のスルーホール）、４１ 給電構造。

Claims (8)

1. 第１の穴が中心に設けられている下面導体と、
   直径が前記第１の穴の直径よりも大きな第２の穴が中心に設けられており、前記第１の穴の中心軸と前記第２の穴の中心軸とが重なるように、前記下面導体と平行に配置されている上面導体と、
   前記下面導体の外周部と前記上面導体の外周部とを接続している側面導体と、
   前記第１の穴の直径と同じ内径を有し、かつ、前記第２の穴の直径よりも小さい外径を有しており、前記第１の穴の中心軸と前記内径の中心軸とが重なるように、下側の端部が前記下面導体と接続されている中空円筒導体と、
   一端が前記中空円筒導体の側面と接続されて、他端が開放されている状態で、前記中空円筒導体の外周を巡るように、前記下面導体と前記上面導体との間で前記下面導体と平行に配置されている線路導体と、
   一端が前記下面導体と接続され、他端が前記線路導体と接続されており、交流電圧が印加される給電点とを備え、
   前記第１の穴から供給された導電性の液体が、前記中空円筒導体の内部を通って、前記中空円筒導体の内部から外部に放出されることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記線路導体は、一端から他端までの線路長が動作周波数で４分の１波長の長さであることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 外径が前記第２の穴の直径よりも大きく、前記中空円筒導体の内径と同じ大きさの第３の穴が中心に設けられている防水カバーを備え、
   前記第３の穴の中心軸が前記中空円筒導体の中心軸と重なり、前記防水カバーの底面が前記中空円筒導体における上側の端部及び前記上面導体における上側の面のそれぞれと接しており、
   前記第１の穴から供給された導電性の液体が、前記中空円筒導体の内部を通って、前記第３の穴から外部に放出されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
4. 前記中空円筒導体の中心軸と、前記第３の穴から外部に放出される前記導電性の液体の中心軸とのなす角が０度以上９０度未満となるように、前記液体の放出方向を変えるガイドが前記防水カバーに設けられていることを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。
5. 前記線路導体は、途中で分断されており、
   分断箇所から一端側の線路導体が第１の線路導体、前記分断箇所から他端側の線路導体が第２の線路導体であり、
   前記第１の線路導体の線路長と前記第２の線路導体の線路長との合計の線路長が、第１の動作周波数で４分の１波長の長さ、前記第１の線路導体の線路長が、第２の動作周波数で４分の１波長の長さであり、
   前記第１の線路導体と前記第２の線路導体との間を繋ぐように前記分断箇所に設けられており、前記第２の動作周波数の高周波電力を遮断して、前記第１の動作周波数の高周波電力を通過させる共振回路を備えていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
6. 第１の穴が中心に設けられている下面導体と、
   直径が前記第１の穴の直径よりも大きな第２の穴が中心に設けられており、前記第１の穴の中心軸と前記第２の穴の中心軸とが重なるように、前記下面導体と平行に配置されている上面導体と、
   前記下面導体の外周部と前記上面導体の外周部とを接続している側面導体と、
   前記第１の穴の直径と同じ内径を有し、かつ、前記第２の穴の直径よりも小さい外径を有しており、前記第１の穴の中心軸と前記内径の中心軸とが重なるように、下側の端部が前記下面導体と接続されている中空円筒導体と、
   一端が前記中空円筒導体の側面と接続され、前記下面導体と前記上面導体との間で前記下面導体と平行に配置されている線路導体と、
   一端が前記下面導体と接続されている短絡導体と、
   一端が前記線路導体の他端と接続され、他端が前記短絡導体の他端と接続されている容量性部材と、
   一端が前記下面導体と接続され、他端が前記線路導体と接続されており、交流電圧が印加される給電点とを備え、
   前記第１の穴から供給された導電性の液体が、前記中空円筒導体の内部を通って、前記中空円筒導体の内部から外部に放出されることを特徴とするアンテナ装置。
7. 前記線路導体は、一端から他端までの線路長が動作周波数で４分の１波長以下の長さであることを特徴とする請求項６記載のアンテナ装置。
8. 前記第１の穴が中心に設けられている誘電体基板が３層構造をなしており、
   前記誘電体基板の１層目は、銅箔パターンによって、前記上面導体と、前記中空円筒導体における上側の端部とが形成されており、
   前記誘電体基板の２層目は、銅箔パターンによって、前記中空円筒導体の一部と、前記線路導体とが形成されており、
   前記誘電体基板の３層目は、銅箔パターンによって、前記下面導体が形成されており、
   前記下面導体の外周部と前記上面導体の外周部とを電気的に接続することで、前記側面導体を形成している第１のスルーホールと、
   前記中空円筒導体における上側の端部と、前記中空円筒導体の一部と、前記下面導体とを電気的に接続することで、前記中空円筒導体の全体を形成している第２のスルーホールと、
   銅箔パターンによって前記誘電体基板の１層目に形成されている給電点と、前記線路導体と、銅箔パターンによって前記誘電体基板の３層目に形成されている給電点とを電気的に接続する第３のスルーホールとを備えていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。

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