JP6623956B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、円偏波を送受信するアンテナ装置に関する。

円偏波を送受信するアンテナ装置として、例えば特許文献１には、長さが異なる２つの線状の導体素子がＬ字型に配置されてあって、かつ、それらの素子を囲むようにループ形状の無給電素子が配置されたアンテナ装置が開示されている。２つの線状導体素子のうちの一方（以降、第１素子）は、素子長が、送受信の対象とする周波数（以降、対象周波数）の半波長となるように形成されている。

また、他方の線状導体素子（以降、第２素子）は、第１素子の素子長の９０％の長さとなるように（換言すれば、１波長の０．４５倍の長さとなるように）形成されている。ループ状の無給電素子は、全長が対象周波数の２波長分となる長方形状に形成されている。第１素子や、第２素子、無給電素子は同一平面上に配置されている。

特開２０００−３５２５７７号公報

特許文献１に開示の構成では、少なくとも第１素子が延設される方向の長さが、電気的に対象周波数の電波（以降、対象電波）の波長の半分に相当する長さとなっている必要がある。また、第２素子が延設される方向においても、対象電波の波長の０．４５倍相当の長さを必要とする。

なお、電気的な長さとは、誘電体の比誘電率等によって定まる対象電波にとっての長さである。電気的に対象電波の半波長に相当する長さとは、対象電波の実効波長の半分の長さのことである。

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、円偏波を送受信可能なアンテナ装置であって、より小型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、線状の導体素子である第１線状素子（２０）と、線状の導体素子であって、一端が第１線状素子の一端と接続しており、他端が開放端となっている第２線状素子（３０）と、平板状の導体部材であって、第１線状素子及び第２線状素子のそれぞれと所定の間隔をおいて対向する外縁部を有するグランド部（４０）と、を備え、第１線状素子と第２線状素子とが接続している点である素子接合部は、同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続されており、グランド部は同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続されており、第１線状素子の長さは、電気的に、送受信の対象とする周波数である対象周波数の電波の４分の１波長よりも所定の位相調整量長く形成されており、第２線状素子の長さは、電気的に、対象周波数の電波の４分の１波長共振長よりも位相調整量短く形成されており、位相調整量は、対象周波数の電波の波長に対して十分に短く、対象周波数において第１線状素子と第２線状素子に流れる電流の位相差を９０°とする長さに設定されており、第１線状素子と第２線状素子は、第１線状素子に励起する電流のベクトルである第１電流ベクトルと、第２線状素子に励起する電流のベクトルである第２電流ベクトルとがなす角度が、９０°を中心とする所定の角度範囲に収まるように配置されていることを特徴とする。

以上の構成において位相調整量は、送受信の対象とする周波数の電波（以降、対象電波）の波長に対して十分に小さい値であるため、第１線状素子及び第２線状素子の長さは、対象電波の４分の１波長に相当する長さと見なすことができる。したがって、いずれの線状素子も、対象周波数においてそれぞれ単独で励振する。

ただし、各線状素子の長さは、対象電波の４分の１波長を基準として位相調整量ずつ短縮／延長された長さに形成されているため、対象周波数において各線状素子に流れる電流の位相は９０°ずれる。具体的には、相対的に素子長が短い第２線状素子には、第１線状素子よりも９０°進み位相の電流が流れる。便宜上、第１線状素子が単独で励振するモードを第１単独動作モード、第２線状素子が単独で励振するモードを第２単独動作モードと称する。アンテナ装置は９０°毎に第１単独動作モードと第２単独動作モードが入れ替わって動作する。

また、第１線状素子及び第２線状素子はそれぞれが対象電波の４分の１波長となるように形成されているため、それらの合計長もまた、対象周波数で共振する長さとなる。そのため、アンテナ装置は、第１、第２の線状素子が連結した部材が１つの線状素子として励振する動作するモード（以降、連結動作モード）を備える。

第１単独動作モードや第２単独動作モードが、対象電波の４分の１波長から微小な位相調整量ずれた長さを有する素子が励振することによって実現されるのに対し、連結動作モードは、対象電波の半波長に相当する長さを備える素子が励振するモードである。そのため、アンテナ装置は、第１単独動作モードで動作する位相と第２単独動作モードで動作する位相の中間に位置する位相となっている時に、連結動作モードとして作動する。すなわち、アンテナ装置は、第２単独動作モード→連結動作モード→第１単独動作モード→連結動作モード（→第２単独動作モード）の順番で動作する。

また、第１線状素子及び第２線状素子は、第１電流ベクトルと、第２電流ベクトルとがなす角度が、９０°を中心とする所定の角度範囲に収まるように形成されている。第１単独動作モードにおける放射電流は、第１電流ベクトルの順方向又は逆方向に交互に流れ、第２単独動作モードにおける放射電流は第２ベクトルの順方向又は逆方向に交互に流れる。連結動作モードでは、第１線状素子に流れる電流の向きと、第２線状素子に流れる電流の向きを合成した方向に放射電流が流れる。

このような構成によれば、放射電流が流れる向きは４５°ずつ回転していくことなる。つまり、アンテナ装置は対象周波数の円偏波を送受信する。そして、第１線状素子や第２線状素子は、対象電波の４分の１波長と見なす事ができる長さを備えていればよく、グランド部もまた、これらの線状素子と対向する外縁部を備える大きさを備えていればよい。つまり、以上の構成によれば、円偏波を送受信するアンテナ装置であって、より小型なアンテナ装置を提供することができる。

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。

本実施形態のアンテナ装置１の外観斜視図である。 本実施形態のアンテナ装置１の上面図である。 各エレメントに流れる電流の周波数−振幅特性を表した図である。 各エレメントに流れる電流の周波数−位相特性を表した図である。 アンテナ装置１における電流分布を概念的に表した図である。 アンテナ装置１における電流分布を概念的に表した図である。 アンテナ装置１における電流分布を概念的に表した図である。 アンテナ装置１における電流分布を概念的に表した図である。 アンテナ装置１における電流分布を概念的に表した図である。 アンテナ装置１における電流分布を概念的に表した図である。 アンテナ装置１における電流分布を概念的に表した図である。 アンテナ装置１における電流分布を概念的に表した図である。 アンテナ装置１の指向性を示すチャート図である。 同軸ケーブルの引き出し位置の一例を示した図である。 エレメント形状の変形例を示した図である。 電流ベクトルの概念について説明するための図である。 エレメント形状の変形例を示した図である。 エレメント及びグランド部の形状の変形例を示した図である。 縮退分離素子として作用する構造の変形例を示した図である。 変形例４として開示のアンテナ装置１の概略的な構成を示した図である。 変形例５として開示のアンテナ装置１の概略的な構成を示した図である。 変形例５として開示のアンテナ装置１の概略的な構成を示した図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。本実施形態に係るアンテナ装置１は、後述する動作原理によって所定の周波数の円偏波を送受信するように構成されている。送受信の対象とする電波の周波数（以降、対象周波数）ｆ１は、適宜設計されればよく、ここでは一例として１．５７５ＧＨｚとする。もちろん対象周波数ｆ１は、５．８ＧＨｚや、２．４ＧＨｚ、７００ＭＨｚなどであってもよい。また、アンテナ装置１は送信と受信の何れか一方のみに供されても良い。以降では、送受信の対象とする電波のことを対象電波とも称する。

アンテナ装置１は、後述する給電点において同軸ケーブルと接続されており、当該同軸ケーブルを介して無線機（何れも図示略）と接続されている。無線機は、アンテナ装置１が受信した信号を利用するとともに、当該アンテナ装置１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１への給電線として同軸ケーブルを採用する場合を想定して説明するが、フィーダ線など、その他の周知の給電線を用いても良い。

＜アンテナ装置１の構成＞
アンテナ装置１は、図１及び図２に示すように、基板１０、第１エレメント２０、第２エレメント３０、及びグランド部４０を備える。

基板１０は、樹脂などの電気絶縁材料（つまり誘電体）を素材とする板状の部材である。本実施形態では一例として基板１０は、比誘電率εｒ＝４．３の誘電体を用いて実現されているものとする。そのため、基板１０上における対象波長は、基板１０の波長短縮効果によって略１１０ｍｍとなる。

基板１０の一方の面（以降、表面とする）には、第１エレメント２０、第２エレメント３０、及びグランド部４０が配置されている。便宜上、表面とは反対側の面を裏面と称する。裏面から表面に向かう方向がアンテナ装置１にとっての上方向に相当する。

本実施形態では一例として、基板１０の平面視における形状（以降、平面形状）は、長方形状とする。基板１０が備える４つの角部Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは何れも直角であり、それぞれ長方形の頂点に相当する。

以降では便宜上、それぞれが互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸を備える三次元座標系（つまりＸＹＺ座標系）の概念を適宜導入して、アンテナ装置１の構成を説明する。Ｘ軸は角部Ａから角部Ｂに向かう方向を正方向とする軸である。Ｙ軸は、角部Ｂから角部Ｃに向かう方向を正方向とする軸である。つまり、ＸＹ平面は、基板１０の表面に平行な平面である。Ｚ軸は、Ｘ軸及びＹ軸のそれぞれと直交し、かつ、基板１０の裏面から表面に向かう方向を正方向とする軸とする。

なお、本実施形態では一例として基板１０の平面形状を長方形状とするがこれに限らない。他の構成として基板１０の平面形状は、長方形以外の四角形であってもよいし、その他の多角形状であってもよい。また、円形（楕円を含む）状であってもよい。もちろん、それらを組み合わせた形状であってもよい。基板１０の大きさ及び形状は、第１エレメント２０、第２エレメント３０、及びグランド部４０を配置するために十分な大きさ及び形状となっていればよい。

第１エレメント２０及び第２エレメント３０は何れも直線状の導体素子である。なお、線状には、対象電波の波長に対して微小な（例えば２０分の１以下の）幅を有する態様も含まれる。以降では線状の導体素子のことをエレメントと記載する。第１エレメント２０が請求項に記載の第１線状素子に相当し、第２エレメント３０が請求項に記載の第２線状素子に相当する。

第１エレメント２０は、電気的に対象電波の波長の４分の１に相当する長さよりも所定の位相調整量だけ長く形成されている。また、第２エレメント３０は、電気的に対象電波の波長の４分の１に相当する長さよりも所定の位相調整量だけ短く形成されている。

ここでの電気的な長さとは、誘電体の誘電率等によって定まる対象電波にとっての長さである。電気的に対象波長の４分の１に相当する長さとは、実効波長の４分の１に相当する。例えば、本実施形態のように基板１０表面における実効波長が１１０ｍｍである場合、電気的に対象電波の波長の４分の１に相当する長さとは、２７．５ｍｍとなる。以降では、電気的に対象波長の４分の１に相当する長さのことをλ／４相当長と記載する。

λ／４相当長に対する位相調整量分の短縮／延長は、対象周波数ｆ１において第１エレメント２０と第２エレメントのそれぞれに流れる電流の位相をπ／２ずらすための要素である。つまり、λ／４相当長に対する位相調整量分のエレメント長の短縮／延長は、第１エレメント２０と第２エレメント３０の電気的な長さの対称性を崩す縮退分離素子として機能する。位相調整量は、対象電波の実効波長に対して十分に小さい値であって、具体的には、対象電波の実効波長の２０分の１以下から２００分の１程度の値となる。

具体的には、位相調整量は、λ／４相当長に形成したエレメントを徐々に短くしていった場合に、対象周波数ｆ１においてエレメントに流れる電流の大きさが初期状態の１／√２倍となるエレメント長の短縮量に相当する。初期状態とは、エレメントの電気的な長さが対象電波の１／４波長に相当する長さとなっている状態である。

λ／４相当長に形成されたエレメントの共振周波数は、対象周波数ｆ１となる一方、そのエレメントの長さを短くしていくと、当該電流の経路長が短くなるため、共振周波数は高周波側に移っていく。位相調整量としての具体的な値は、実試験やシミュレーションによって適宜特定されればよい。

また、エレメントの長さをλ／４相当長から延長させていくと、エレメントに流れる電流の経路長が長くなるため、共振周波数は対象周波数から低周波側に移っていく。エレメントをλ／４相当長よりも所定の位相調整量だけ長く形成することで、対象周波数ｆ１において当該エレメントに流れる電流の大きさは、初期状態の１／√２倍となる。

図３に示すｆ１ａは、λ／４相当長から位相調整量だけ長くしたエレメントの共振周波数を表している。つまりｆ１ａは第１エレメント２０の共振周波数（以降、第１共振周波数）を表している。また、図３に示すｆ１ｂは、λ／４相当長から位相調整量だけ短くしたエレメントの共振周波数を表している。つまり、周波数ｆ１ｂは、第２エレメント３０の共振周波数（以降、第２共振周波数）を表している。第１共振周波数ｆ１ａと対象周波数ｆ１の差分Δｆ１ａと、第２共振周波数ｆ１ｂと対象周波数ｆ１の差分Δｆ１ｂは等しい値と見なすことができる。なお、Δｆ１ａ、Δｆ１ｂは、前述のとおり、エレメント長の短縮／延長に由来する。

そして、上述したように２つの第１エレメント２０と第２エレメント３０が、それぞれλ／４相当長に対して位相調整量ずれた長さに設定されると、図４に示すように対象周波数ｆ１において各エレメントに流れる電流の位相差は９０°となる。それぞれに流れる電流の位相が４５°ずつずれるためである。

以上の長さに設定された第１エレメント２０と第２エレメント３０は、それぞれの一端で直角に接続されて（つまり全体としてＬ字型に）基板１０上に配置されている。具体的には、第１エレメント２０がＸ軸に平行な姿勢で配置されている。また、第２エレメント３０は、Ｙ軸に平行な姿勢で、一端が第１エレメント２０のＸ軸正方向側の端部と接続されており、かつ、他端が第１エレメント２０よりもＹ軸正方向側に位置するように配置されている。

第１エレメント２０のＸ軸負方向側の端部と、第２エレメント３０のＹ軸正方向側の端部のそれぞれは開放端とする。符号５０で指し示す部分は、第１エレメント２０と第２エレメント３０とが接続している部分（以降、素子接合部）を表している。便宜上、第１エレメント２０の開放端を第１開放端２０Ａと記載する。また、第２エレメント３０の開放端を第２開放端３０Ａと記載する。

なお、第１エレメント２０と第２エレメント３０が接続されることによって実現される一連の線状素子（以降、連結線状素子）は、電気的な長さが対象電波の半波長に相当する直線状の導体素子を中間点から位相調整量だけずれた点で直角に折り曲げた、Ｌ字型の線状導体素子に相当する。電気的な長さが相対的に長いほう方の部分が第１エレメント２０に相当し、相対的に短いほうが第２エレメント３０に相当する。

第１エレメント２０と第２エレメント３０がなす角度は、アンテナ装置１の円偏波率（換言すれば軸比）に影響を与える。当然、軸比を１とするためには、第１エレメント２０と第２エレメント３０がなす角度は９０°であることが好ましい。そのため、本実施形態では一例として、第１エレメント２０と第２エレメント３０のなす角度は９０°とする。

もちろん、他の態様として第１エレメント２０と第２エレメント３０のなす角度は９０°から傾いていてもよい。円偏波の軸比が適宜設計される許容範囲に収まっていればよい。第１エレメント２０と第２エレメント３０とがなす角度は、９０°を中心とする所定の角度範囲に収まっていればよい。ここでの直角とは、厳密な９０°に限らず、９０°±３７°程度の幅を付与した角度範囲を指すものとする。

グランド部４０は、銅などの導体を素材とする平板状（箔を含む）の部材である。本実施形態においてグランド部４０の平面形状は長方形状とする。これにより、グランド部４０は、長方形状の外縁部を備える。すなわち、グランド部４０が備える４つの角部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄは何れも直角であり、長方形の頂点に相当する。

グランド部４０は、基板１０上において外縁部が第１エレメント２０及び第２エレメント３０のそれぞれと所定の間隔Ｃｌｒをおいて対向するように配置されている。具体的には、角部４０Ａから角部４０Ｂまでの外縁部（以降、第１外縁部）４１が第１エレメント２０と距離Ｃｌｒをおいて対向し、角部４０Ｂから角部４０Ｃまでの外縁部（以降、第２外縁部）４２が第２エレメント３０と距離Ｃｌｒをおいて対向するように配置されている。これにより、角部４０Ｂが素子接合部５０に所定の距離離れて近接することとなる。なお、素子接合部５０と角部４０Ｂとの距離は√２×Ｃｌｒとなる。

ここでは一例としてグランド部４０は、第１外縁部４１のほうが第２外縁部よりも長い形成されているものとする。つまり、第１外縁部４１が長方形における長辺に相当し、第２外縁部４２が長方形における短辺に相当する。

第１外縁部４１の長さは、第１エレメント２０よりも長ければよく、第２外縁部の長さは、第２エレメント３０よりも長ければよい。つまり、グランド部４０のＸ軸方向に平行な辺は第１エレメント２０よりも長く、かつ、グランド部４０のＹ軸方向に平行な辺は、第２エレメント３０よりも長ければよい。

アンテナ装置１と給電線としての同軸ケーブルとが接続する点（つまり給電点）は、角部４０Ａ近傍に設けられている。つまり、グランド部４０は角部４０Ａ近傍において、同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続される。これによりグランド部４０は接地電位を提供する電極として機能する。また、同軸ケーブルの内部導体は、グランド部４０の電気的な絶縁を保ちつつ、基板１０表面に設けられた導体パターンや、導電性のピンや、基板１０に設けられたビアなどを用いて、素子接合部５０と電気的に接続されている。

＜アンテナ装置１の作動について＞
アンテナ装置１の概略的な作動は次の通りである。まず、第１エレメント２０及び第２エレメント３０は、前述の通り、略λ／４相当長に形成されているため、対象周波数においてエレメント上に電流が流れて励振する。ただし、各エレメントは、厳密にはλ／４相当長を基準として所定の位相調整量ずつ短縮／延長された長さに形成されているため、各エレメントに流れる電流の位相は９０°ずれる。

その結果、アンテナ装置１は、２つのエレメントがそれぞれ単独で励振するモード（以降、単独動作モード）を有する。特に、第１線状素子が単独で励振するモードを第１単独動作モード、第２線状素子が単独で励振するモードを第２単独動作モードと称する。第２エレメント３０のほうが第１エレメント２０よりも短いため、第２エレメント３０に流れる電流の位相は、第１エレメント２０に電流よりも９０°進み位相となる。第２単独動作モードは、第１単独動作モードよりも９０°進み位相で発生する。

便宜上以降において、第１エレメント２０に分布する電流の合成ベクトルのことを第１電流ベクトルと称し、第２エレメント３０に分布する電流の合成ベクトルのことを第２電流ベクトルと称する。本実施形態では第１エレメント２０、第２エレメント３０の両方とも直線状であるため、各電流ベクトルの向きは、エレメントに沿った向き方向となる。つまり、第１電流ベクトルと第２電流ベクトルとがなす角度は９０°である。

また、第１エレメント２０と第２エレメント３０の合計長は、電気的に対象電波の半波長に相当する長さに形成されている。そのため、アンテナ装置１は、２つのエレメントが連結した１つの線状素子として励振するモード（以降、連結動作モード）を備える。

第１単独動作モードや第２単独動作モードが、対象電波の１／４波長から微小量ずれた長さを有する素子が励振することによって実現されるのに対し、連結動作モードは、対象電波の半波長に相当する長さを備える素子が励振するモードである。そのため、アンテナ装置１は、第１単独動作モードで動作する位相と第２単独動作モードで動作する位相の中間に位置する位相となっている時に、連結動作モードとして作動する。つまり、アンテナ装置１は位相が４５°進む毎に連結動作モードと単独動作モードとで入れ替わって動作する。

仮に第２エレメント３０に電流が最も誘起された状態を初期状態（位相＝０°）とする場合には、位相が０°、９０°、１８０°、及び２７０°のときにアンテナ装置１は単独動作モードとして動作し、位相が４５°、１３５°、２１５°、及び３１５°のときに連結動作モードとして動作する。

以降では、一例として第２エレメント３０に電流が最も誘起された状態を初期状態（位相＝０°）として、１周期当りのアンテナ装置１における電流分布の変遷を説明する。なお、アンテナ装置１は送受信の可逆性があるので、以下では、送信時の作動のみを説明し、受信時の動作についての説明は省略する。

位相が０°のとき、第２エレメント３０には、図５に示すように素子接合部５０から第２エレメント３０の開放端（以降、第２開放端）３０Ａへと向かう方向に放射電流が発生する。また、第２エレメント３０と対向する第２外縁部４２には、第２エレメント３０上に流れる電流とは逆向きにイメージ電流が発生する。このとき第１エレメント２０には、放射電流は流れない。第１エレメント２０は、第２エレメント３０に対して９０°遅れて電流が流れる長さに設定されているためである。

したがって、位相が０°のときのアンテナ装置１全体としては、右方向に流れることとなる。なお、ここでの上下左右は、Ｙ軸正方向を右、負方向を左、Ｘ軸負方向を上、正方向を下とする。図５中の実線矢印は、放射電流の向き及び分布を表しており、破線矢印は、イメージ電流の向き及び分布を表している。白塗り矢印は、アンテナ装置１全体としての放射電流の向きを表している。

次に位相が４５°のときの電流分布について説明する。位相が４５°のときには、アンテナ装置１は連結動作モードとして動作し、第１エレメント２０及び第２エレメント３０のそれぞれに放射電流が流れる。具体的には、図６に示すように第１エレメント２０には、第１開放端２０Ａから素子接合部５０に向かう方向に放射電流が流れるとともに、第２エレメント３０には素子接合部５０から第２開放端３０Ａへと向かう方向に放射電流が流れる。

また、それぞれのエレメントの長さは略同一であり、各エレメントに励起する電流の振幅も図３に示すように同程度となる。そのため、第１電流ベクトルの大きさと第２電流ベクトルの大きさは同一となる。その結果、第１電流ベクトルと第２電流ベクトルを合成した合成ベクトルが、第１電流ベクトルや第２電流ベクトルに対して為す角度は４５°となり、その向きは右下方向となる。

したがって、位相が４５°のときのアンテナ装置１全体としての放射電流の向きは、右下方向となる。アンテナ装置１全体としての放射電流の向きは、第１エレメント２０に流れる放射電流のベクトル（つまり第１電流ベクトル）と、第２エレメント３０に流れる放射電流のベクトル（つまり第２電流ベクトル）の合成によって定まるためである。

位相が９０°のときには、図７に示すように、第２エレメント３０での電流振幅は０となるとともに、第１エレメント２０での電流振幅が最大となる。つまり、アンテナ装置１としては第１エレメント２０が放射主体となった単独動作モードで動作する。このときの第１エレメント２０に流れる電流の向きは、第１開放端２０Ａから素子接合部５０に向かう方向となるため、アンテナ装置１全体としての放射電流の向きも下方向となる。

位相が１３５°の場合には、アンテナ装置１は連結動作モードとして動作し、第１エレメント２０及び第２エレメント３０に放射電流が流れる。具体的には、図８に示すように第１エレメント２０には、第１開放端２０Ａから素子接合部５０に向かう方向に放射電流が流れるとともに、第２エレメント３０には第２開放端３０Ａから素子接合部５０へと向かう方向に放射電流が流れる。位相が１３５°のときのアンテナ装置１全体としての放射電流の向きは、左下方向となる。

位相が１８０°のときには、図９に示すように、第１エレメント２０での電流振幅は０となるとともに、第２エレメント３０での電流振幅が最大となる。つまり、アンテナ装置１としては第２エレメント３０が放射主体となった単独動作モードで動作する。このときの第２エレメント３０に流れる電流の向きは、第２開放端３０Ａから素子接合部５０に向かう方向となるため、アンテナ装置１全体としての放射電流の向きも左方向となる。

位相が２１５°の場合には、アンテナ装置１は連結動作モードとして動作し、第１エレメント２０及び第２エレメント３０に放射電流が流れる。具体的には、図１０に示すように第２エレメント３０には第２開放端３０Ａから素子接合部５０へと向かう方向に放射電流が流れるとともに、第１エレメント２０には、素子接合部５０から第１開放端２０Ａに向かう方向に放射電流が流れる。したがって、位相が２１５°のときのアンテナ装置１全体としての放射電流の向きは、左上方向となる。

位相が２７０°のときには、図１１に示すように、第１エレメント２０での電流振幅が最大となるとともに、第２エレメント３０での電流振幅が０となる。つまり、アンテナ装置１としては第１エレメント２０が放射主体となった単独動作モードで動作する。このときの第１エレメント２０に流れる電流の向きは、素子接合部５０から第２開放端３０Ａに向かう方向となるため、アンテナ装置１全体としての放射電流の向きも上方向となる。

最後に、位相が３１５°の時には、アンテナ装置１は連結動作モードとして動作し、第１エレメント２０及び第２エレメント３０に放射電流が流れる。具体的には、図１２に示すように第１エレメント２０には素子接合部５０から第２開放端３０Ａに向かう方向に放射電流が流れるとともに、第２エレメント３０には素子接合部５０から第１開放端２０Ａに向かう方向に放射電流が流れる。したがって、位相が３１５°のときのアンテナ装置１全体としての放射電流の向きは、右上方向となる。

＜実施形態のまとめ＞
以上で述べたように、アンテナ装置１全体としての放射電流の向きは、第１エレメント２０に流れる放射電流のベクトルと第２エレメント３０に流れる放射電流のベクトルの合成によって右回りに回転する。したがって、アンテナ装置１は、円偏波を送受信するアンテナとして機能する。

図１３はアンテナ装置１の指向性を表したチャート図である。上述したアンテナ装置１は、図１３に示すようにＺ軸方向に指向性の中心が向いたアンテナとして動作する。したがって、仮にアンテナ装置１を水平面に平行な姿勢で配置した場合には、天頂方向に指向性の中心が向くこととなり、例えば、衛星など上空から到来する電波を効率よく受信することができる。なお、図１３中の実線は右旋円偏波についての指向性を表しており、破線は左旋円偏波についての指向性を表している。

なお、図１４はアンテナ装置１に対する同軸ケーブルの取り付け姿勢の一例を表した図である。図１４に示すように、同軸ケーブルは、素子接合部５０付近から引き出されることが好ましい。より具体的には、連結線状素子において電気的に中間に位置する点（以降、連結中間点）の近くから引き出される姿勢で固定されていることが好ましい。これは連結動作モード時には連結線状素子が平衡動作するため、連結中間点付近の電圧は相対的に小さくなるためである。

つまり、同軸ケーブルをアンテナ装置１の連結中間点付近から引き出した姿勢で固定することによって、グランド部４０から同軸ケーブルに漏洩する電流の量を抑制することができる。その結果、同軸ケーブルに漏洩する電流によってアンテナ装置１としての利得が低減される恐れを抑制することができる。

なお、上述したアンテナ装置１は、例えば、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）で用いられる測位衛星から送信される電波を受信するＧＮＳＳ受信機として用いることができる。また、上述したアンテナ装置１は、道路利用料金課金システムで用いられる周波数帯の電波を送受信するために利用されても良い。道路利用料金課金システムは、車両に搭載された無線通信機と、有料道路の出入り口に設けられている通信装置とが無線通信を実施することで有料道路の利用料金の精算処理を実施するシステムである。道路利用料金課金システムとしては、例えば、ＥＴＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｏｌｌ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ：登録商標）システムが知られている。

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］
述した実施形態では、第１エレメント２０、第２エレメント３０の長さを、λ／４相当長を基準として決定する態様を開示したが、これに限らない。各エレメントの長さは、対象周波数において共振する長さ（以降、共振長）を基準として決定されればよい。共振長は、前述のλ／４相当長のほか、２分の１波長などが該当する。ただし、各エレメントの長さは、２つのエレメントの合計長が連結動作モードとしても動作する長さとなるように設計されるものとする。例えば一方のエレメント長を対象電波の半波長を基準として決定した場合には、他方のエレメント長も対象電波の半波長を基準として決定する。

［変形例２］
上述した実施形態では、第１エレメント２０、第２エレメント３０を直線状に形成した態様を開示したが、これに限らない。第１エレメント２０に分布する電流の合成ベクトル（つまり第１電流ベクトル）と、第２エレメント３０に分布する電流の合成ベクトル（つまり第２電流ベクトル）とのなす角度が直角となるように、第１エレメント２０と第２エレメント３０とが配置されていればよい。なお、ここでの直角とは、前述のとおり、厳密な９０°に限らず、９０°±３７程度の幅を付与した角度範囲を指すものとする。

したがって、例えば第１エレメント２０と第２エレメント３０は図１５に示すように、それぞれＬ字型に形成されていても良い。なお、第１エレメント２０がＬ字型である場合の第１電流ベクトルの向き及びその大きさについては次のように考えれば良い。便宜上、第１エレメント２０が折れ曲がっている角部を角部２０Ｌとし、第１開放端２０Ａから角部２０ＬまでのＸ軸に平行な部分をＸ軸平行部２０Ｘ、角部２０Ｌから素子接合部５０までのＹ軸に平行な部分をＹ軸平行部２０Ｙと称する。

第１エレメント２０がＬ字型である場合の第１電流ベクトルは、Ｘ軸平行部２０Ｘに分布する電流の合成ベクトルと、Ｙ軸平行部２０Ｙに分布する電流の合成ベクトルを合成したベクトルである。第１エレメント２０の長さがλ／４相当長の場合、第１エレメント２０に流れる電流は図１６に示すように正弦波状に分布する。

ここで、Ｘ軸平行部２０Ｘに流れる電流の向きはＸ軸に平行であり、その大きさは図１６に示すグラフの面積Ｓｘに相当する。面積Ｓｘは、Ｘ軸平行部２０Ｘ上の電流振幅の合計値（換言すれば積分値）である。また、Ｙ軸平行部２０Ｙに流れる電流の向きはＹ軸に平行であり、その大きさは図１６に示すグラフの面積Ｓｙに相当する。面積Ｓｙは、Ｙ軸平行部２０Ｙ上の電流振幅の合計値である。面積Ｓｘ、Ｓｙは第１エレメント２０における角部２０Ｌの位置によって定まる。

つまり、第１電流ベクトルのＸ方向成分の大きさは、Ｘ軸方向に流れる電流振幅の合計値によって定まり、Ｙ方向成分の大きさは、Ｙ軸方向に流れる電流振幅の合計値によって定まる。第１エレメント２０がＬ字型である場合の第１電流ベクトルについてはこのようにして求めることができる。なお、Ｌ字型以外の形状を採用する場合も同様に、Ｘ軸方向に流れる成分の合計と、Ｙ軸方向に流れる成分の合計値とから第１電流ベクトルは一意に定まる。

以上では第１電流ベクトルの概念について述べたが、第２電流ベクトルについても同様である。第１エレメント２０と第２エレメント３０は、このようにして定まる第１電流ベクトルと第２電流ベクトルとが直交する態様で配置されていれば良い。

なお、図１５の例では、角部４０Ｂと角部４０Ｃを接続する辺としての外縁部が請求項に記載の第１辺に相当する。また、角部４０Ｂが第１角部に、角部４０Ｃが請求項に記載の第２角部に相当する。角部４０Ｂと角部４０Ｃの中間に位置する部分が請求項に記載の第１辺の中央部に相当する。

また、第１エレメント２０と第２エレメント３０は上述した条件を充足していればよいため、例えば、図１７に示すようにミアンダ状に形成することによって、素子接合部５０から各エレメントの開放端までの直線距離を短縮してもよい。

また、図１８に示すように、第１エレメント２０と第２エレメント３０は円弧状であってもよい。その場合、グランド部４０は、これらのエレメントと対向する外縁部を有するように円形状に形成されているものとする。

［変形例３］
以上では、物理的な素子長を短縮／延長することによって、各エレメントに流れる電流の位相を９０°ずらす態様を開示したが、各エレメントに流れる電流の位相を９０°ずらすための構造はこれに限らない。

例えば図１９に示すように、各エレメントに所定のインダクタンスを有するコイル２１、３１を付加することによって、各エレメントに流れる電流の位相を９０°ずらしてもよい。また、所定のキャパシタンスを有するコンデンサを付加することで、各エレメントに流れる電流の位相を９０°ずれるように調整してもよい。

電気的な長さがλ／４相当長よりも所定の位相調整量長い値に形成された第１エレメントには、インダクタやキャパシタを用いて実現される態様も含まれる。電気的な長さがλ／４相当長よりも所定の位相調整量短い値に形成された第２エレメントについても同様である。

［変形例４］
以上では、グランド部４０と同一平面に第１エレメント２０及び第２エレメント３０と設けた態様を開示したが、これに限らない。例えば、図２０に示すように第１エレメント２０と第２エレメント３０は、グランド部４０と所定の間隔をおいて対向する平面上に設けられていてもよい。

図２０では一例として、第１エレメント２０及び第２エレメント３０は、導電性の柱状部材６０によって支持されている態様を開示している。他の態様として、グランド部４０の上に板状の誘電体基板を積層し、その上に第１エレメント２０及び第２エレメント３０を配置することで、グランド部４０の外縁部と各エレメントが対向する構成を実現してもよい。なお、素子接合部５０と同軸ケーブルの内部導体とを接続する導電性のピンなどとすれば良い。

［変形例５］
以上では１つの周波数ｆ１を送受信の対象とするアンテナ装置１の構成について開示したが、アンテナ装置１は、複数種類の周波数の円偏波を送受信可能に構成されていても良い。便宜上、例えば図２１及び図２１に示す構成によって、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２の、２つの周波数を送受信できるようにアンテナ装置１を構成してもよい。

図２１は、第３エレメント７０及び第４エレメント８０を追加することで、第２周波数ｆ２の円偏波を送受信可能とする構成である。第３エレメント７０及び第４エレメント８０は、第２周波数において共振するように、第１エレメント２０及び第２エレメント３０と同様の思想に基づいて配置される。つまり、第３エレメント７０及び第４エレメント８０は第２周波数においてそれぞれ単独で励振するとともに、連結した状態でも共振する長さとなっている。

図２２は、第１エレメント２０及び第２エレメント３０の途中にトラップコイル２２、３２を挿入することで、第２周波数ｆ２でも励振させる構成である。この場合、素子接合部５０から各トラップコイル２２、３２までの長さは、第２周波数ｆ２において励振する長さとなっている。

以上、図２１、図２２では２つの周波数を対象周波数とする構成を開示したが、対象周波数の数は３以上であっても良い。例えば、素子やコイルを追加することで、対象周波数を増加させることができる。

１０ 基板、２０ 第１エレメント（第１線状素子）、２０Ａ 第１開放端、３０ 第２エレメント（第２線状素子）、３０Ａ 第２開放端、４０ グランド部、５０ 素子接合部

Claims (5)

1. 線状の導体素子である第１線状素子（２０）と、
   線状の導体素子であって、一端が前記第１線状素子の一端と接続しており、他端が開放端となっている第２線状素子（３０）と、
   平板状の導体部材であって、前記第１線状素子及び前記第２線状素子のそれぞれと所定の間隔をおいて対向する外縁部を有するグランド部（４０）と、を備え、
   前記第１線状素子と前記第２線状素子とが接続している点である素子接合部は、同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続されており、
   前記グランド部は前記同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続されており、
   前記第１線状素子の長さは、電気的に、送受信の対象とする周波数である対象周波数の電波の４分の１波長よりも所定の位相調整量長く形成されており、
   前記第２線状素子の長さは、電気的に、前記対象周波数の電波の４分の１波長よりも前記位相調整量、短く形成されており、
   前記位相調整量は、前記対象周波数の電波の波長に対して十分に短く、前記対象周波数において前記第１線状素子と前記第２線状素子に流れる電流の位相差を９０°とする長さに設定されており、
   前記第１線状素子と前記第２線状素子は、前記第１線状素子に励起する電流のベクトルである第１電流ベクトルと、前記第２線状素子に励起する電流のベクトルである第２電流ベクトルとがなす角度が、９０°を中心とする所定の角度範囲に収まるように配置され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、
   前記第１線状素子の長さは、電気的に、前記対象周波数の電波の４分の１波長よりも長く、かつ、前記対象周波数で励振した場合に前記第１線状素子に流れる電流の振幅が、前記第１線状素子の長さに応じて定まる前記第１線状素子の共振周波数で励振した場合に前記第１線状素子に流れる電流の振幅の１／√２倍となるように形成されており、
   前記第２線状素子の長さは、電気的に、前記対象周波数の電波の４分の１波長よりも短く、かつ、前記対象周波数で励振した場合に前記第２線状素子に流れる電流の振幅が、前記第２線状素子の長さに応じて定まる前記第２線状素子の共振周波数で励振した場合に前記第２線状素子に流れる電流の振幅の１／√２倍となる長さに形成されていることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記第１線状素子及び前記第２線状素子は、前記第１電流ベクトルと前記第２電流ベクトルがなす角度が９０°となるように配置さ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、
   前記グランド部は長方形状であり、
   前記第１線状素子と前記第２線状素子はそれぞれ直線状に形成されており、
   前記第１線状素子は、前記グランド部が備える或る１つの角部に連なる長辺に対向するように配置されており、
   前記第２線状素子は、前記角部に連なる短辺に対向するように配置されており、
   前記角部に給電点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１から３の何れか１項において、
   前記グランド部は長方形状であり、
   前記第１線状素子と前記第２線状素子はそれぞれＬ字型に形成されており、
   前記第１線状素子は、前記グランド部が備える或る１つの辺である第１辺の中央部よりも当該第１辺に連なる第１角部が存在する側に、前記グランド部の外縁部に対して所定の間隔をおいて沿うように配置されており、
   前記第２線状素子は、前記第１辺の中央部よりも前記第１辺に連なる第２角部が存在する側に、前記グランド部の外縁部に対して所定の間隔をおいて沿うように配置されており、
   前記中央部に給電点が設けられていることを特徴とするアンテナ装置。

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