JP6930441B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本開示は、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、当該地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、パッチ部の面積や、地板とパッチ部との距離に応じて定まる。また、短絡部が備えるインダクタンスは、短絡部の径に応じて定まる。したがって、例えばパッチ部の面積や短絡部の径を調整することで、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。

また、特許文献２には、パッチ部の中心を通る直線を軸として線対称又は点対称となるようにパッチ部を複数のサブパッチ部に分割するとともに、パッチ部の外側にループ状の導体部材であるループ部を配置した構成が開示されている。特許文献２の構成において給電点はループ部に設けられており、各サブパッチ部にはループ部を介して給電される。なお、特許文献２に記載の構成は、本願の発明者らの一部が創出したものである。

米国特許第７９１１３８６号公報 特開２０１７−１５３０３２号公報

アンテナ装置は小型化が要求されている。発明者らは、さらなる小型化、広帯域化のため、特許文献２に開示の構成においてパッチ部の概形を長方形や平行四辺形とする構成を検討したところ、以下の知見が得られた。

特許文献２の創出時点では、特許文献２の段落［００２８］に記載の通り、「パッチ中心点から短絡部までの距離を調整することで、短絡部が提供するインダクタンスは調整できる。」と認識していた。

しかしながら、パッチ部の概形を長方形や平行四辺形とする構成では、パッチ中心点から各サブパッチ部の短絡部までの距離を等しく設定しても、各短絡部が提供するインダクタンスは異なることが分かった。これは、パッチ部の概形を長方形や平行四辺形とする構成では、パッチ部に形成される２組のサブパッチ部の形状は異なり、サブパッチ部においてループ部と対向する縁部（以降、ループ対向縁部）から短絡部までの距離が異なるためであると考えられる。

つまり、短絡部が提供するインダクタンスは、パッチ中心点から短絡部までの距離ではなく、ループ対向縁部から短絡部までの距離によって定まることがわかった。ループ対向縁部から短絡部までの距離が大きいほどサブパッチ部に形成されるインダンタンスが大きくなり、動作周波数が低下する。動作周波数を低減可能であるということは、換言すれば、アンテナ装置の小型化が可能であることを意味する。

本開示は、上記の知見に基づいて成されたものであって、その目的は、より小型化、広帯域化が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開示は、平板状の導体部材である地板（１０）と、地板と所定の間隔をおいて対向するように配置されている、長方形状又は平行四辺形状の平板状の導体部材であるパッチ部（３０）と、パッチ部の周りにパッチ部の縁部と所定の間隔を有するように配置されている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、ループ部に設けられており、パッチ部は、縁部からパッチ部の中心とする点であるパッチ中心点に向かう方向に形成された複数の直線状のスリット部（３１）によって分割されてなる複数のサブパッチ部（３２）を備え、複数のスリット部は、パッチ中心点に対して点対称な位置に他のスリット部が存在するように形成されており、複数のサブパッチ部のそれぞれは、パッチ部の中央部で電気的に接続されており、複数のサブパッチ部のそれぞれには、導電素子（４０）を介して地板と電気的に接続されている短絡部（３４）が設けられており、短絡部は、パッチ中心点からの距離が、サブパッチ部においてループ部と対向する縁部であるループ対向縁部からパッチ中心点までの距離の４分の１以下となる領域に配置されている。

上記構成において短絡部は、サブパッチ部の中でもパッチ中心点寄りの位置に設けられている。そのため、サブパッチ部においてループ対向部から短絡部までの距離は相対的に大きい値となる。発明者らがシミュレーションの実施を含む種々の検討の結果として得られた知見に基づけば、ループ対向縁部から短絡部までの距離が大きいほど、短絡部が提供するインダクタンスが大きくなる。

つまり、上記の構成によれば、同一寸法のサブパッチ部において短絡部をループ対向縁部寄りに配置した構成よりも、動作周波数を低い値に設定することができる。また、所定の周波数で動作させることを目的とする場合には、短絡部をループ対向縁部寄りに配置した構成よりも小型化を図ることができる。

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、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

本実施形態におけるアンテナ装置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。 パッチ中心点Ｐｃ付近の構成を拡大して示す概念図である。 サブパッチ部３２Ａの構成を説明するための図である。 サブパッチ部３２Ｂの構成を説明するための図である。 サブパッチ部３２Ａの等価回路を示す図である。 サブパッチ部３２Ｂの等価回路を示す図である。 第１実施形態の作動を説明するための図である。 参考例としての構成を示した図である。 参考例におけるＶＳＷＲを示す図である。 第２実施形態のアンテナ装置１００の概略的な構成を示す上面図である。 第２実施形態のサブパッチ部３２Ａの構成を説明するための図である。 第２実施形態のサブパッチ部３２Ｂの構成を説明するための図である。 変形例１のアンテナ装置１００の概略的な構成を示す上面図である。 変形例２のアンテナ装置１００の概略的な構成を示す上面図である。

［第１実施形態］
以下、本開示の第１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。なお、一部の図においては、図の視認性確保のために他の図において記載済みの符号及び引き出し線の図示を省略している。

このアンテナ装置１００は、所定の周波数（以降、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。電波の送受信には可逆性があるため、或る周波数の電波を送信可能な構成は、当該周波数の電波を受信可能な構成でもある。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８５０ＭＨｚ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である。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、その他の多様な通信ケーブル（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、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、短絡素子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板状の導電部材である。ここでの板状には、箔のような薄膜状も含まれる。つまり、地板１０はプリント配線板等の樹脂製の板の表面にパターン形成されたものでもよい。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。地板１０はパッチ部３０以上の大きさを有するように形成されていればよい。

また、地板１０を上側から見た形状（以降、平面形状）は適宜設計されればよい。ここでは一例として地板１０の平面形状を長方形状とするが、他の態様として地板１０の平面形状は、六角形などその他の多角形状であってもよい。また、円形状であってもよい。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、地板１０に対するパッチ部３０の位置及び姿勢を支持するための部材である。ここでは一例として支持部２０は、樹脂などの電気絶縁材料を素材とする、所定の厚みを備える板状の部材とする。支持部２０により地板１０とパッチ部３０とは所定の間隔をおいて互いに対向した状態が保持される。支持部２０の厚み（換言すれば高さ）は適宜設計されればよい。便宜上、支持部２０において、パッチ部３０が配置される面を上面、地板１０が配置される面を下面と称する。

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。なお、アンテナ装置１００がプリント配線板を用いて実現される場合には、プリント配線板が備える複数の導体層（例えば両面プリント配線板の両面または内層の導体層）を、地板１０や、パッチ部３０として利用するとともに、導体層を隔てる樹脂層を支持部２０として利用してもよい。

パッチ部３０は、銅などの導体を素材とする板状の部材である。ここでの板状には、箔のような薄膜状も含まれる。つまり、パッチ部３０はプリント配線板等の、樹脂製の板の表面にパターン形成された導体でもよい。パッチ部３０は、全体の概形が長方形状に形成されている。ここでの長方形とは、４つの角部が９０度であって、互いに直交する辺の長さが異なる（つまり縦と横の長さが異なる）四角形を指すものとする。つまり、正方形を除く長方形である。

このパッチ部３０は、支持部２０を介して地板１０と平行となるように対向配置されている。ここでの平行とは完全な平行に限らない。数度から十度程度傾いていても良い。つまり概ね平行である状態（いわゆる略平行な状態）を含みうる。なお、ここでは一例としてパッチ部３０の形状は長方形とするが、その他の構成として、角部が９０度以外に設定されている平行四辺形であってもよい。パッチ部３０の縁部はミアンダ形状であってもよいし、角部が丸められていてもよい。

以降では便宜上、パッチ部３０に直交する方向のことを上下方向と記載する。地板１０からパッチ部３０に向かう方向が上方向であり、パッチ部３０から地板１０に向かう方向が下方向である。また、上下方向に直交する方向であって、パッチ部３０の長辺に平行な方向を長手方向、短辺に平行な方向を短手方向と記載する。図１等の種々の図に示すＸ軸は長手方向を、Ｙ軸は短手方向を、Ｚ軸は上下方向をそれぞれ表している。これらＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は右手系の３次元座標系は、アンテナ装置１００の構成を説明するための概念である。

パッチ部３０には、パッチ部３０の縁部の各頂点（つまり角部）からパッチ部３０の中心（以降、パッチ中心点Ｐｃ）に向かって、所定の長さを有する直線状の切り欠きであるスリット部３１が形成されている。つまり、合計４つのスリット部３１が各角部から対角線に沿って延設されている。各スリット部３１のそれぞれを区別する場合にはスリット部３１Ａ〜Ｄと記載する。なお、パッチ中心点Ｐｃは、対角線の交点であって、パッチ部３０の概ね重心に相当する。

上記の構成は、複数のスリット部３１を、パッチ中心点Ｐｃに対して点対称な位置に他のスリット部３１が存在するように配置した構成に相当する。例えばスリット部３１Ａとスリット部３１Ｃはパッチ中心点Ｐｃを対称中心として互い点対称な位置に配置されている。また、スリット部３１Ｂとスリット部３１Ｄはパッチ中心点Ｐｃを対称中心として互い点対称な位置に配置されている。なお、本実施形態では複数のスリット部３１はそれぞれ、ひとつながりの切り欠き部として形成されているがこれに限らない。スリット部３１は複数のスリットを断続的に配置することで実現されていても良い。

パッチ部３０は、これら４つのスリット部３１によって電気的に４つのサブパッチ部３２に分割される。ただし、各スリット部３１の長さであるスリット長Ｄｓは、複数のサブパッチ部３２がパッチ中心点Ｐｃ付近で電気的に接続するように、対角線の長さの半分である半対角線長よりも短い値に設定されている。例えばスリット長Ｄｓは、半対角線長を０．９倍した値に設定されている。半対角線長は、パッチ中心点Ｐｃから各頂点（換言すれば角部）までの長さに相当する。

もちろん、スリット長Ｄｓの具体的な長さは上記に限らない。スリット長Ｄｓは、半対角線長を０．８倍した値や、０．７倍した値に設定されていても良い。スリット長Ｄｓは、スリット部３１のパッチ中心点Ｐｃ側の端部からパッチ中心点Ｐｃまでの距離が、対象周波数の電波の波長（以降、対象波長）の１００分の１以上となる値に設定されていることが好ましい。また、スリット長Ｄｓは、半対角線長の半分よりも大きい値に設定されているものとする。

スリット長Ｄｓを上記のように設定することにより、複数のサブパッチ部３２はパッチ中心点Ｐｃ付近で電気的に接続する。つまり、パッチ部３０は、複数のスリット部３１によって分割されてなる４つのサブパッチ部３２と、これらのサブパッチ部３２と接続する中央部３３とを備える。各サブパッチ部３２は、ループ部５０と対向する縁部であるループ対向縁部を備える。

各サブパッチ部３２のそれぞれを区別する場合にはサブパッチ部３２Ａ〜Ｄと記載する。サブパッチ部３２Ａは、スリット部３１Ａとスリット部３１Ｂとに挟まれている領域であり、サブパッチ部３２Ｂはスリット部３１Ｂとスリット部３１Ｃで挟まれている領域である。サブパッチ部３２Ｃは、スリット部３１Ｃとスリット部３１Ｄとに挟まれている領域であり、サブパッチ部３２Ｄはスリット部３１Ｄとスリット部３１Ａで挟まれている領域である。

図４は、パッチ中心点Ｐｃ付近を拡大して示す概念図である。図４においてパッチ中心点Ｐｃを囲むように配置している破線は、サブパッチ部３２と中央部３３との境界部分を示している。パッチ中心点Ｐｃを含む破線で囲まれる領域が中央部３３に相当する。サブパッチ部３２と中央部３３との境界は、当該サブパッチ部３２を形成する２つのスリット部３１のパッチ中心点Ｐｃ側の端部を結ぶ線に相当する。各スリット部３１は、対角線に沿って同一寸法で形成されている結果として、中央部３３はパッチ部３０と同等の縦横比を有する略長方形状となる。便宜上以降では、サブパッチ部３２においてパッチ中心点Ｐｃ側の端部のことを中央側端部と称する。

個々のスリット部３１がパッチ中心点Ｐｃを対称中心として点対称に配置されているため、複数のサブパッチ部３２もまた、パッチ中心点Ｐｃに対して点対称な位置に他のサブパッチ部３２が存在する配置態様となっている。つまり、上記の構成は、互いに点対称な関係にあるサブパッチ部３２が２組存在するように複数のスリット部３１を配置した構成に相当する。具体的には、サブパッチ部３２Ａとパッチ中心点Ｐｃを対称中心として互いに点対称な関係にあるサブパッチ部３２とはサブパッチ部３２Ｃである。また、サブパッチ部３２Ｂとパッチ中心点Ｐｃを対称中心として互いに点対称な関係にあるサブパッチ部３２とはサブパッチ部３２Ｄである。

図５は、サブパッチ部３２Ａ付近を拡大して示す概念図であり、図６はサブパッチ部３２Ｂ付近を拡大して示す概念図である。図５においてはサブパッチ部３２Ａとする領域を明示するために、サブパッチ部３２Ａに相当する領域にドットパターンのハッチングを施している。同様に、図６においてはサブパッチ部３２Ｂとする領域を明示するために、サブパッチ部３２Ｂに相当する領域にドットパターンのハッチングを施している。特に、各サブパッチ部３２において中央側端部の近傍と見なすことができる領域には、ドット密度が高いハッチングを付与している。中央側端部の近傍は、例えば中央側端部からの距離が、ループ対向縁部から中央側端部までの長さＤ１０（又はＤ２０）の４分の１以下となる領域とすればよい。サブパッチ部３２の中央側端部の近傍が、パッチ中心点側の端部近傍に相当する。

パッチ部３０が長方形状であるため、サブパッチ部３２Ａ及びサブパッチ部３２Ｃは、サブパッチ部３２Ｂ及びサブパッチ部３２Ｄとは異なる形状となる。具体的には、サブパッチ部３２Ａ及びサブパッチ部３２Ｃにおけるループ対向縁部から中央側端部までの長さＤ１０は、サブパッチ部３２Ａ及びサブパッチ部３２Ｃにおけるループ対向縁部から中央側端部までの長さＤ２０よりも長い。サブパッチ部３２Ａ及びサブパッチ部３２Ｃにおけるループ対向縁部の長さは、パッチ部３０の短手方向の長さに対応する値となっている。また、サブパッチ部３２Ｂ及びサブパッチ部３２Ｄにおけるループ対向縁部の長さは、パッチ部３０の長手方向の長さに対応する値となっている。

各サブパッチ部３２は、地板１０と対向配置しているため、サブパッチ部３２の面積及び離隔に応じた静電容量を地板１０との間に形成する。つまり、サブパッチ部３２と地板１０は、サブパッチ部３２の面積及び離隔に応じた静電容量を提供するコンデンサとして作用する。

各サブパッチ部３２は、中央側端部の近傍において短絡素子４０によって地板１０と電気的に接続されている。便宜上、サブパッチ部３２において短絡素子４０が配置されている部分を短絡部３４と記載する。短絡部３４はサブパッチ部３２毎に１つずつ配置されている。なお、短絡部３４は図３に示すように短絡素子４０とパッチ部３０との電気的な接続箇所である。図１などの種々の図では便宜上、短絡部３４の位置を実線丸印で示しているが、実際にはアンテナ装置１００の外側からは視認されない、又は、視認されにくい構成要素である。

上記の短絡部３４を形成する短絡素子４０は、サブパッチ部３２と地板１０と電気的に接続する導電性の部材（つまり導電素子）である。短絡素子４０は複数のサブパッチ部３２のそれぞれに対応するように複数存在する。このような構成は、アンテナ装置１００が、パッチ部３０と地板１０とを電気的に接続する複数の短絡素子４０を備える構成に相当する。短絡素子４０は、高さ方向の長さに対して相対的に径が小さい（つまり細い）円柱状の導電部材を用いて実現することができる。例えば短絡素子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。ここでの円柱状には針状も含まれる。

短絡素子４０の一端はサブパッチ部３２と接続されており、短絡部３４を形成する。また、短絡素子４０の他端は地板１０と接続されている。なお、プリント配線板を用いてアンテナ装置１００を実現する場合には、プリント配線板が備えるビアを短絡素子４０として利用可能である。短絡素子４０は、円柱状である必要はなく、角柱状であってもよい。また、断面形状が半円や扇型となる柱状であってもよい。短絡素子４０としての導電素子の径（換言すれば太さ）によって、短絡素子４０が備えるインダクタンスを調整することができる。短絡素子４０の径が大きいほど、短絡素子４０が提供するインダクタンスの値は小さくなる。

また、或るサブパッチ部３２において短絡素子４０が提供するインダクタンスは、当該サブパッチ部３２のループ対向縁部の中点から短絡部３４までの距離に応じて定まる。具体的には、ループ対向縁部の中点から短絡部３４までの距離が大きいほど短絡素子４０が提供するインダクタンスは大きくなる。換言すれば短絡部３４が中央側端部に寄っているほど、短絡素子４０が提供するインダクタンスは大きくなる。

加えて、短絡素子４０が提供するインダクタンスが大きいほど、サブパッチ部３２の共振周波数を低周波化することが可能となる。換言すれば、短絡素子４０が提供するインダクタンスが大きいほど、サブパッチ部３２の励振に必要なサブパッチ部３２の面積を低減できる。故に、アンテナ装置１００の小型化の観点からは短絡部３４は、中央側端部の近傍に配置されていることが好ましい。

なお、サブパッチ部３２において短絡素子４０を設ける位置（つまり短絡部３４の位置）は、指向性の観点から、パッチ中心点Ｐｃとループ対向縁部の中点とを接続する直線（以降、サブパッチ中心線）上とすることが好ましい。ただし、短絡部３４は必ずしも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３４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の上面において、パッチ部３０の縁部と所定の間隔Ｇを有するように形成される。間隔Ｇ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Ｇ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。

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Ｇ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Ｇ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。本実施形態ではより好ましい態様としてサブパッチ境界線の延長線上に給電点５１が位置するように、給電線路６０が配置されている。このような構成によれば給電線路６０からの電流を同時に（換言すれば並列的に）複数のサブパッチ部３２に流入させることができる。

なお、本実施形態ではループ部５０への給電方式として、マイクロストリップ線路等を用いた電磁結合給電方式を採用しているが、これに限らない。他の態様として、給電線路６０をループ部５０に直接接続させた直結給電方式を採用しても良い。直結給電方式は、導電性のピンやビアを用いて実現されても良い。

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。

＜作動について＞
次に、図７及び図８を用いて上記構成の作動について説明する。まずは図７を用いてサブパッチ部３２Ａの作動について説明する。図７の（Ａ）は、サブパッチ部３２Ａの等価回路を示している。なお、サブパッチ部３２Ａとサブパッチ部３２Ｃは対称構造であるため、図７はサブパッチ部３２Ｃの等価回路でもある。

図７に示す静電容量Ｃｇｐ１はループ部５０とサブパッチ３２Ａのループ対向縁部との間隔（換言すればギャップ）に由来する静電容量を表しており、静電容量Ｃｓ１はサブパッチ部３２Ａのうち、短絡素子４０の外側部分と地板１０とが形成する静電容量を表している。静電容量Ｃｓ１は、前述の通り、サブパッチ部３２において短絡素子４０の外側の面積と地板１０との離隔によって決まる。

インダクタンスＬａは、短絡素子４０自体が提供するインダクタンスであり、短絡素子４０の形状によって定まる。インダクタンスＬｂ１は、ループ対向縁部から短絡部３４までの電流経路が提供するインダクタンスを表している。従ってインダクタンスＬｂ１は、ループ対向縁部から短絡部３４までの距離Ｄ１１が長いほど大きい値となる。なお、サブパッチ部３２Ａにおけるループ対向縁部からの短絡部３４までの距離Ｄ１１としては、近似的にサブパッチ部３２Ａにおけるループ対向縁部の中点Ｍ１から短絡部３４までの距離を採用することができる。中点Ｍ１から短絡部３４までの距離が、ループ対向縁部上の各点から短絡部３４までの距離を代表的に表すためである。

インダクタンスＬｃ１は、パッチ部３０において短絡部３４からパッチ中心点Ｐｃまでの区間が提供するインダクタンスを表している。抵抗値Ｒは放射損失の効果を表している。インダクタンスＬｄ１は、短絡部３４からスリット部３１までの区間が提供するインダンクタンスである。静電容量Ｃｄは、サブパッチ部３２同士の間隔（換言すればスリット部３１の幅）が提供する静電容量である。

ただし、ループ部５０からサブパッチ部３２に流入した励振電流は、主としてループ対向縁部から短絡素子４０を通って地板１０に流れる経路をとる。故に、静電容量Ｃｄ１や抵抗値Ｒ、インダクタンスＬｄ１はアンテナ動作の観点から無視することができる。換言すれば、これらの要素は共振周波数には影響しない。サブパッチ部３２Ａの等価回路は、図７の（Ｂ）に示すアンテナ設計上、点線で表した構成を無視して、実線で表した構成と見なすことができる。

図７の（Ｂ）に示す等価回路において、短絡素子４０が提供するインダクタンスＬａと、ループ対向縁部から短絡部３４までの区間が提供するインダクタンスＬｂ１とは直列接続しており、合成インダクタンスとしてＬａ＋Ｌｂ１を提供する。また、ループ部５０とサブパッチ部３２との間隔Ｄが形成する静電容量Ｃｇｐ１は大きく短絡とみなせるので、合成容量としてＣｓ１を提供する。すなわち、インダクタンスＬａ＋Ｌｂ１に並列接続する静電容量の総和はＣｓ１である。故に、サブパッチ部３２Ａは、下記式１で定まる周波数ｆ１において並列共振を生じさせる。

この共振周波数ｆ１は、サブパッチ部３２Ａにおけるループ対向縁部から短絡部３４までの距離Ｄ１１、サブパッチ部３２の大きさ、地板１０とパッチ部３０との間隔、短絡素子４０の太さ等に応じて定まる。故に、これらのパラメータを調整することにより、共振周波数ｆ１を所望の対象周波数と略一致させることができる。つまりサブパッチ部３２Ａは対象周波数で並列共振し、対象周波数の電波を送受信可能となる。特に、ループ対向縁部から短絡部３４までの距離Ｄ１１を大きく設定すれば静電容量Ｃｓ１及びインダクタンスＬｂ１が大きくなり、共振周波数ｆ１を低周波化することができる。換言すれば、サブパッチ部３２Ａの面積を低減することができる。以上ではサブパッチ部３２Ａの作動について説明したが、サブパッチ部３２Ｃも同様である。

なお、給電線路６０もまた、その形状及び材質に応じた大きさのインダクタンス及び抵抗値を備える。ただし、これら給電線路６０に対応する要素については、アンテナ装置１００の動作原理を説明する上は省略可能であるため、図７に示す等価回路においては図示を省略している。

次に、図８を用いてサブパッチ部３２Ｂの作動について説明する。図８の（Ａ）はサブパッチ部３２Ｂの等価回路を示している。なお、サブパッチ部３２Ｂとサブパッチ部３２Ｄは対称構造であるため、図８はサブパッチ部３２Ｄの等価回路でもある。図８に示す静電容量Ｃｇｐ２、インダクタンスＬａ、抵抗値Ｒは図７で説明した通りである。静電容量Ｃｓ２、Ｃｄ２、インダクタンスＬｂ２、Ｌｃ２、及びＬｄ２は、サブパッチ部３２Ａにおける静電容量Ｃｓ１、Ｃｄ１、インダクタンスＬｂ１、Ｌｃ１、及びＬｄ１に順に対応する要素である。

すなわち、静電容量Ｃｓ２はサブパッチ部３２Ｂと地板１０とが形成する静電容量を表している。静電容量Ｃｓ２は、前述の通り、サブパッチ部３２Ｂにおいて短絡素子４０の外側部分の面積と地板１０との離隔によって決まる。インダクタンスＬｂ２は、サブパッチ部３２Ｂにおけるループ対向縁部から短絡部３４までの電流経路が提供するインダクタンスを表している。インダクタンスＬｃ２は、サブパッチ部３２Ｂの短絡部３４からパッチ中心点Ｐｃまでの区間が提供するインダクタンスを表している。なお、サブパッチ部３２Ｂにおけるループ対向縁部からの短絡部３４までの距離Ｄ２１としては、近似的にサブパッチ部３２Ｂにおけるループ対向縁部の中点Ｍ２から短絡部３４までの距離を採用することができる。中点Ｍ２から短絡部３４までの距離が、ループ対向縁部上の各点から短絡部３４までの距離を代表的に表すためである。

インダクタンスＬｄ２は、サブパッチ部３２Ｂの短絡部３４からスリット部３１までの距離が提供するインダンクタンスである。静電容量Ｃｄ２は、サブパッチ部３２同士の間隔（換言すればスリット部３１の幅）が提供する静電容量である。

サブパッチ部３２Ｂにおいてもサブパッチ部３２Ａと同様に、ループ部５０からサブパッチ部３２に流入した励振電流は、主としてループ対向縁部から短絡素子４０を通って地板１０に流れる経路をとる。故に、静電容量Ｃｄ２や抵抗値Ｒ、インダクタンスＬｄ２はアンテナ設計上、無視することができる。換言すれば、これらの要素は共振周波数には影響しない。サブパッチ部３２Ｂの等価回路は、図８の（Ｂ）に示す構成と見なすことができる。

図８の（Ｂ）に示す等価回路において、短絡素子４０が提供するインダクタンスＬａと、ループ対向縁部から短絡部３４までの区間が提供するインダクタンスＬｂ２とは直列接続しており、合成インダクタンスとしてＬａ＋Ｌｂ２を提供する。また、ループ部５０とサブパッチ部３２との間隔Ｄが形成する静電容量Ｃｇｐ２は十分大きいので短絡とみなすことができ、合成容量としてＣｓ２を提供する。すなわち、インダクタンスＬａ＋Ｌｂ２に並列接続する静電容量の総和はＣｓ２である。故に、サブパッチ部３２Ｂは、下記式２で定まる周波数ｆ２において並列共振を生じさせる。

この共振周波数ｆ２は、サブパッチ部３２Ｂにおけるループ対向縁部から短絡部３４までの距離Ｄ２１、サブパッチ部３２の大きさ、地板１０とパッチ部３０との間隔、短絡素子４０の太さ等に応じて定まる。故に、これらのパラメータを調整することにより、共振周波数ｆ２を所望の対象周波数と略一致させることができる。つまりサブパッチ部３２Ｂは対象周波数で並列共振し、対象周波数の電波を送受信可能となる。特に、ループ対向縁部から短絡部３４までの距離Ｄ２１を大きく設定すればインダクタンスＬｂ２が大きくなり、共振周波数ｆ２を低周波化することができる。換言すれば、サブパッチ部３２Ｂの面積を低減することができる。以上ではサブパッチ部３２Ｂの作動について説明したがサブパッチ部３２Ｄについても同様である。

ところで、共振周波数ｆ１及び共振周波数ｆ２は対象周波数と必ずしも完全に一致させる必要はない。図９に示すように共振周波数ｆ１と共振周波数ｆ２を対象周波数ｆから微小量Δｆ１，Δｆ２ずつ互いに逆方向にずらした値に設定することによって、サブパッチ部３２Ａ、３２Ｃの動作帯域と、サブパッチ部３２Ｂ、３２Ｄの動作帯域が組み合わさり、アンテナ装置１００全体としての動作帯域を広げることができる。すなわち、広帯域性を提供しつつ、動作周波数の低周波化や、小型化を実現することができる。ここで、実際の帯域幅は、上記のｆ１およびｆ２の相対関係ではなく、パッチ全体の総容量と、複数のビアが作る総インダクタンスで決まる基本共振モードの周波数（一様な界分布）と、パッチアンテナとして動作する１次共振モードの周波数との相対関係で、帯域が調整できると考えられる。１次共振モードの動作周波数はアンテナ装置１００の動作帯域における総合特性を考慮して適宜調整されれば良い。

なお、図９はアンテナ装置１００の周波数毎の電圧定在波比（ＶＳＷＲ：Voltage Standing Wave Ratio）の概念図である。一点鎖線がサブパッチ部３２Ａの動作特性を概念的に表しており、二点鎖線がサブパッチ部３２Ｂの動作特性を概念的に表している。実線は、アンテナ装置１００としての特性を表している。当技術分野では一般的に、ＶＳＷＲが３以下となる範囲が実用可能な周波数（換言すれば動作帯域）と見なされる事が多い。なお、図９では、サブパッチ部３２Ａの共振周波数ｆ１がサブパッチ部３２Ｂの共振周波数ｆ２よりも低い場合を例示しているが、必ずしもこれに限らない。パッチ部３０の形状等に応じてこれらの高低関係は入れ替わりうる。

＜実施形態のまとめ＞
上記の構成において短絡部３４は、サブパッチ部３２の中でもパッチ中心点Ｐｃ寄りの位置に設けられているため、ループ対向部から短絡部３４までの距離は相対的に大きい値となる。また、発明者らが種々のシミュレーションを含む検討を重ねた結果によれば、ループ対向縁部から短絡部３４までの距離が大きいほど、電流経路が長くなり、容量およびインダクタンスが大きくなる。

その結果、同一寸法のサブパッチ部３２において短絡部３４をループ対向縁部寄りに配置した構成よりも、動作周波数を低い値に設定することができる。また、所定の周波数で動作させることを目的とする場合には、短絡部３４をループ対向縁部寄りに配置した構成よりも小型化を図ることができる。

なお、サブパッチ部３２においてパッチ中心点Ｐｃ寄りとなる領域とは、サブパッチ部３２においてパッチ中心点Ｐｃとの距離が、ループ対向縁部との距離よりも小さくなる領域に相当する。すなわち、サブパッチ部３２においてパッチ中心点Ｐｃ寄りに短絡部３４を設けた構成は、サブパッチ部３２においてパッチ中心点Ｐｃとの距離が、ループ対向縁部との距離よりも小さくなる領域に短絡部３４を設けた構成に相当する。

＜参考例＞
図１０は、他の態様として、対象周波を２．９ＧＨｚに設定した上で、パッチ部３０を正方形状とした構成を示している。図１１は、当該参考例としての構成でのＶＳＷＲの実測結果を示すグラフである。

図１０、図１１に示す通り、正方形状のパッチ部３０においてスリット部３１を点対象配置した構成によれば、所定の周波数で動作する。また、パッチ部３０を上述した実施形態と同様に長方形状に設定した構成や、第２実施形態として後述するようにパッチ部３０を平行四辺形状に設定した構成に於いても同様に、スリット部３１を点対象配置し、各部の位置を調整することにより動作周波数を所望の周波数に設定できる。

以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示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開示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。例えば下記の種々の変形例は、技術的な矛盾が生じない範囲において適宜組み合わせ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。

［第２実施形態］
上述した第１実施形態ではパッチ部３０を長方形状とする態様を開示したが、これに限らない。パッチ部３０は平行四辺形であっても良い。そのような態様を第２実施形態として以下に開示する。

本実施形態のパッチ部３０は図１２に示す通り、平行四辺形状に形成されている。ここでの平行四辺形とは、２組の対辺がそれぞれ平行であって、かつ、１組の対角が９０度未満に設定されている四角形を指すものとする。ここでの平行四辺形には、正方形や長方形を除く菱形も含まれうる。つまり、第２実施形態のパッチ部３０は、正方形や長方形を除く平行四辺形状に形成されている。このようなパッチ部３０は、１組の鈍角な対角と、１組の鋭角な対角とを備える。便宜上、平行四辺形において鈍角に設定されている角部のことを鈍角部、鋭角に設定されている角部を鋭角部とそれぞれ称する。また、鈍角な対角のことを鈍対角、鋭角な対角を鋭対角とそれぞれ称する。

なお、パッチ部３０の概形としては、上述した定義に基づく平行四辺形のなかでも、１組の対角が３０度以上８０度未満に設定されている平行四辺形であることが好ましい。１組の対角が３０度未満に設定された平行四辺形（換言すれば傾斜度合いが強い平行四辺形）では、サブパッチ部３２として機能しにくくなるためである。また、そのような知見から、パッチ部３０の１組の対角は、４５度以上８０度未満に設定されていることがより好ましい。

パッチ部３０には、第１実施形態と同様に、パッチ部３０の縁部の各頂点（つまり角部）からパッチ中心点Ｐｃに向かって、所定の長さを有する直線状の切り欠きであるスリット部３１Ａ〜Ｄが形成されている。なお、スリット部３１Ａとスリット部３１Ｃは、鈍角部からパッチ中心点Ｐｃに向かって設けられているスリット部３１である。スリット部３１Ｂとスリット部３１Ｄは、鋭角部からパッチ中心点Ｐｃに向かって設けられているスリット部３１である。上記の構成もまた、複数のスリット部３１を、パッチ中心点Ｐｃに対して点対称な位置に他のスリット部３１が存在するように配置した構成に相当する。

これら４つのスリット部３１によってパッチ部３０は、電気的に４つのサブパッチ部３２に分割される。ただし、各スリット部３１は、複数のサブパッチ部３２がパッチ中心点Ｐｃ付近で電気的に接続するように設けられている。平行四辺形において鈍角部を結ぶ対角線（以降、鈍対角線）は、鋭角な角部を結ぶ対角（以降、鋭対角線）よりも短いため、スリット部３１Ａ及びスリット部３１Ｃは、スリット部３１Ｂ及びスリット部３１Ｄよりも短く設定される。

例えばスリット部３１Ａ及びスリット部３１Ｃの長さ（以降、第１スリット長）は、鈍対角線の長さの半分である半鈍対角線長よりも短い値に設定されている。半鈍対角線長は、別の観点によれば、鈍角部からパッチ中心点Ｐｃまでの直線距離に相当する。例えばスリット長は、半鈍対角線長を０．９倍した値に設定されている。第１スリット長は、半鈍対角線長の半分よりも大きい値に設定されている。

また、スリット部３１Ｂ及びスリット部３１Ｄの長さ（以降、第２スリット長）は、鋭対角線の長さの半分である半鋭対角線長よりも短い値に設定されている。半鋭対角線長は、別の観点によれば、鋭角部からパッチ中心点Ｐｃまでの直線距離に相当する。例えばスリット長は、半鋭対角線長を０．９倍した値に設定されている。第２スリット長は、半鋭対角線長の半分よりも大きい値に設定されている。

もちろん、第１、第２スリット長の具体的な長さは上記に限らない。例えば第１スリット長は、半鈍対角線長を０．８倍した値や、０．７倍した値に設定されていても良い。第２スリット長も同様である。第１、第２スリット長は、スリット部３１のパッチ中心点Ｐｃ側の端部からパッチ中心点Ｐｃまでの距離が、ゼロよりも大きい所定の値（以降、残余長）よりも大きくなるように設定されていれば良い。残余長は、例えば対象周波数の電波の波長（以降、対象波長）の１００分の１以上とすることが好ましい。

第１、第２スリット長を上記のように設定することにより、複数のサブパッチ部３２はパッチ中心点Ｐｃ付近で電気的に接続する。これにより、パッチ部３０は、複数のスリット部３１によって分割されてなる４つのサブパッチ部３２Ａ〜Ｄと、これらのサブパッチ部３２と接続する中央部３３とを備える。なお、本実施形態では中央部３３がパッチ部３０の概形と相似な平行四辺形状となるように各スリット部３１の長さを設定しているが、これに限らない。各スリット部３１の長さは中央部３３が長方形状となるように設定されていても良い。

本実施形態においても個々のスリット部３１がパッチ中心点Ｐｃを対称中心として点対称に配置されているため、複数のサブパッチ部３２もまた、パッチ中心点Ｐｃに対して点対称な位置に他のサブパッチ部３２が存在する配置態様となる。すなわち、上記の構成は、互いに点対称な関係にあるサブパッチ部３２が２組存在するように配置した構成に相当する。具体的には、サブパッチ部３２Ａとサブパッチ部３２Ｃがパッチ中心点Ｐｃを対称中心として互いに点対称な関係にあり、サブパッチ部３２Ｂとサブパッチ部３２Ｄがパッチ中心点Ｐｃを対称中心として互いに点対称な関係にある。

図１３は、サブパッチ部３２Ａ付近を拡大して示す概念図であり、図１４はサブパッチ部３２Ｂ付近を拡大して示す概念図である。図１３においてはサブパッチ部３２Ａとする領域を明示するために、サブパッチ部３２Ａに相当する領域にドットパターンのハッチングを施している。同様に、図１４においてはサブパッチ部３２Ｂとする領域を明示するために、サブパッチ部３２Ｂに相当する領域にドットパターンのハッチングを施している。特に、各サブパッチ部３２において中央側端部の近傍と見なすことができる領域には、ドット密度が高いハッチングを付与している。中央側端部の近傍は、例えば中央側端部からの距離が、ループ対向縁部から中央側端部までの長さＤ１０（又はＤ２０）の４分の１以下となる領域とすればよい。

上記の構成によっても、前述の第１実施形態と同様の動作原理によって各サブパッチ部３２が並列共振する。故に前述の第１実施形態と同様の効果を奏する。加えて、パッチ部３０を平行四辺形にすることで、搭載スペースのＹ軸方向の長さがＸ軸方向に比べて短いといった条件下において、ループ対応縁部−短絡部３４間の距離を長く設定でき、共振周波数を低周波化できる。また、サブパッチ部３２Ａとサブパッチ部３２Ｂとの共振周波数の差を低減しやすいといった、設計上の利点を有する。

［変形例１］
上述した第１、第２実施形態では、パッチ部３０の対角線に沿ってスリット部３１を形成することによって、略三角形状のサブパッチ部３２を形成する構成を開示したが、これに限らない。例えば図１５に示すように、平行四辺形上のパッチ部３０に対してパッチ中心点Ｐｃを通る各辺に平行な線に沿ってスリット部３１を形成してもよい。各サブパッチ部３２が中央部３３において電気的に接続している等の構成は前述の第２実施形態と同様である。

また、変形例１の構成におけるループ対向縁部の中点とは、Ｌ字型のループ対向縁部の両端の中間点とすればよい。ループ対向縁部の端部とは、スリット部３１の端部に対応する。図１５では平行四辺形状のパッチ部３０が備える各辺の中点からパッチ中心点Ｐｃに向かってスリット部３１を形成した態様を示しているがこれに限らない。パッチ部３０の平面形状を長方形とする第１実施形態において、各辺の中点からパッチ中心点Ｐｃに向かってスリット部３１を形成してもよい。

［変形例２］
サブパッチ部３２の数は４つに限定されない。図１６に示すようにパッチ中心点Ｐｃを対称中心とする２つのスリット部３１を合計４組設け、８つのサブパッチ部３２を形成しても良い。また、サブパッチ部３２の数は１２個であっても良い。４の倍数とすることができる。図１６ではパッチ部３０の平面形状を平行四辺形としているが、長方形であっても良く、さらに六角形などの多角形でも、さらに円形を含む楕円形であっても良い。

１００ アンテナ装置、１０ 地板、２０ 支持部、３０ パッチ部、３１ スリット部、３２ サブパッチ部、３３ 中央部、３４ 短絡部、４０ 短絡素子、５０ ループ部、６０ 給電線路、Ｐｃ パッチ中心点

Claims (6)

1. 平板状の導体部材である地板（１０）と、
   前記地板と所定の間隔をおいて対向するように配置されている、長方形状又は平行四辺形状の平板状の導体部材であるパッチ部（３０）と、
   前記パッチ部の周りに前記パッチ部の縁部と所定の間隔を有するように配置されている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ており、
   前記パッチ部は、前記縁部から前記パッチ部の中心とする点であるパッチ中心点に向かう方向に形成された複数の直線状のスリット部（３１）によって分割されてなる複数のサブパッチ部（３２）を備え、
   複数の前記スリット部は、前記パッチ中心点に対して点対称な位置に他の前記スリット部が存在するように形成されており、
   複数の前記サブパッチ部のそれぞれは、前記パッチ部の中央部で電気的に接続されており、
   複数の前記サブパッチ部のそれぞれには、導電素子（４０）を介して前記地板と電気的に接続されている短絡部（３４）が設けられており、
   前記短絡部は、前記パッチ中心点からの距離が、前記サブパッチ部において前記ループ部と対向する縁部であるループ対向縁部から前記パッチ中心点までの距離の４分の１以下となる領域に配置されているアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   前記短絡部は、前記サブパッチ部において前記パッチ中心点側の端部近傍に配置されているアンテナ装置。
3. 請求項１又は２に記載のアンテナ装置であって、
   前記パッチ部は長方形状であって、
   前記スリット部は長方形状に形成されている前記パッチ部の角部から前記パッチ部の対角線に沿って設けられているアンテナ装置。
4. 請求項１又は２に記載のアンテナ装置であって、
   前記パッチ部は平行四辺形であって、
   前記スリット部は平行四辺形に形成されている前記パッチ部の角部から前記パッチ部の対角線に沿って配置されているアンテナ装置。
5. 請求項４に記載のアンテナ装置であって、
   前記パッチ部は、１組の対角が３０度以上８０度未満に設定されている平行四辺形状に形成されているアンテナ装置。
6. 請求項３から５の何れか１項に記載のアンテナ装置であって、
   前記スリット部の長さは、前記パッチ部の角部から前記パッチ中心点までの距離の半分以上に設定されているアンテナ装置。

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