JP6941545B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、パッチアンテナ装置、特に電波を送受信可能とする帯域を広帯域化したパッチアンテナに関する。

パッチアンテナとは、誘電体基板とその表面に放射素子が配置された平面アンテナの一種である。パッチアンテナは、マイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ：Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ａｎｔｅｎｎａ）とも呼ばれる。パッチアンテナは、小型であるため様々な用途を有する。

特開２００４−１２８６０１号公報 国際公開第２０１５／０８３４５７号

しかしながら、パッチアンテナが電波を送受信可能とする帯域は、一般に狭い。そのため、パッチアンテナの帯域は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ；全地球測位システム）やＥＴＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｏｌｌ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ；電子料金収受システム）などの用途で要求される帯域に対して帯域余裕が少ないことや、その帯域に満たないことがあった。かかる用途において、専用品が用いられることがある。

ＧＰＳ用のパッチアンテナで電波を送受信する周波数帯域が１５２７ＭＨｚ帯域であって、帯域余裕が５０ＭＨｚ程度である場合には、そのパッチアンテナだけでは、ＧＰＳ衛星からの信号と、他の人工衛星からの信号とを同時に受信することができない。同時に受信するには、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載されているように、共振周波数がそれぞれ異なる複数のパッチアンテナを組み合わせて用いられることがある。

また、従来のパッチアンテナ装置を、ミリ波アレーアンテナの構成要素としてシュリンクして広帯域化することが試みられていた。その場合、６０ＧＨｚ帯域を送受信可能とする帯域とするとき、その帯域幅は、ほぼ５〜６ＧＨｚとなる。しかしながら、Ｅバンドアンテナ装置では、５２ＧＨｚから６２ＧＨｚまでの１０ＧＨｚの帯域幅で、送受信できることを要する。また、アレー化により広帯域化すると指向性が高くなるため、空間的に広い範囲で広帯域化することができなかった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、電波を送受信できる帯域が広いアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、第１の領域と、給電方向の外縁の長さが前記第１の領域と異なる第２の領域とが、前記給電方向と交差する方向に連続した平面状の放射素子を備えるアンテナ装置である。

本発明の他の態様は、上述したアンテナ装置であって、少なくとも、第１の領域又は第２の領域の前記外縁において、給電方向と平行な直線部を含む。

本発明の他の態様は、上述したアンテナ装置であって、前記放射素子の外縁の一点に長手方向を前記給電方向として線路の一端が接続され、前記線路の長さは、前記第１の領域と前記第２の領域のうち給電方向の長さが長い方の前記長さに相当し、前記外縁の一点が、前記放射素子の前記給電方向の直交方向の中央部に設けられている。

本発明の他の態様は、上述したアンテナ装置であって、前記線路は、前記第１の領域の共振周波数におけるインピーダンス整合部と、前記第２の領域の共振周波数におけるインピーダンス整合部と、前記第１の領域の共振周波数と前記第２の領域の共振周波数の間の周波数におけるインピーダンス整合部を有する。

本発明の他の態様は、上述したアンテナ装置であって、前記放射素子の前記給電方向の直交方向の幅が、前記第１の領域の前記給電方向の長さ以上である。

本発明の実施形態によれば、単一のアンテナ装置として、電波を送受信できる帯域を広くすることができる。より具体的には、放射素子を構成する第１の放射領域の給電方向の長さを実効波長の１／４とする周波数から所定範囲内の第１の周波数領域の成分と、第２の放射領域の給電方向の長さを１／４実効波長とする周波数から所定範囲内の第２の周波数領域の成分について利得が増加する。従って、第１の放射領域の給電方向の長さと、第２の放射領域の給電方向の長さが等しい場合よりも、放射特性が良好な周波数帯域を特性帯域として信号を送受信できる周波数帯域が広帯域化する。また、周波数帯域の広帯域化において、周波数帯域の空間的な放射領域を狭くすることや、部品点数の増加を伴わない。

本実施形態に係るアンテナ装置の一構成例を示す平面図である。 本実施形態に係るアンテナ装置の放射特性の切り欠き長依存性の例を示す図である。 本実施形態に係るアンテナ装置における切り欠き長の変更例を示す平面図である。 本実施形態に係るアンテナ装置の放射特性の方向依存性の一例を示す図である。 本実施形態に係るアンテナ装置の放射特性の方向依存性の他の例を示す図である。 本実施形態に係るアンテナ装置の給電線路の第３の区間の長さの変更例を示す説明図である。 本実施形態に係るアンテナ装置の放射特性の給電線路における第３の区間の長さの依存性の例を示す図である。 本実施形態に係るアンテナ装置の他の構成例を示す平面図である。

以下、図面を参照して、本発明のアンテナ装置の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るアンテナ装置の一構成例を示す平面図である。図１において、Ｘ方向、Ｙ方向は、それぞれ図面の右方、上方に表されている。Ｚ方向は、裏面から表面に向かう方向となる。Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向は、互いに直交する方向である。また、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向と逆の方向を、それぞれ「逆Ｘ方向」、「逆Ｙ方向」及び「逆Ｚ方向」と呼ぶ。

アンテナ装置１は、誘電体基板ＢＰの一方の表面に放射素子ＲＥと、給電線路ＳＴとが配置され、誘電体基板のＢＰの他方の表面（裏面）に接地導体（図示せず）が配置されて構成されるパッチアンテナである。パッチアンテナは、平面アンテナとも呼ばれる。放射素子ＲＥ、給電線路ＳＴ及び接地導体は、それぞれ導体からなる層をなす。これらの層は、銅、アルミニウムなどの金属板、金属箔、金属膜などのいずれであってもよい。放射素子ＲＥと、給電線路ＳＴは、Ｚ方向に互いに重なり合わないように配置され、放射素子ＲＥの外縁の一点である給電点ＲＰに、給電線路ＳＴの長手方向の一端が接合されている。

放射素子ＲＥ、接地導体、給電線路ＳＴは、それぞれ、放射電極、アース板、マイクロストリップラインとも呼ばれる。給電線路ＳＴの長手方向の他端である給電端ＲＩには、給電端子ＲＴが設けられている。給電端子ＲＴは、信号ケーブルＣＢを接続可能とする。信号ケーブルＣＢから入力される電気信号は、給電端子ＲＴ及び給電線路ＳＴを介して放射素子ＲＥに供給される。図１に示す例では、給電線路ＳＴの長手方向は、Ｘ方向に向けられている。つまり、給電方向は、Ｘ方向となる。

放射素子ＲＥは、第１の放射領域ＥＡ１と第２の放射領域ＥＡ２とがＺ方向に互いに重ならずにＹ方向に連続した１枚の放射素子として構成される。第１の放射領域ＥＡ１、第２の放射領域ＥＡ２それぞれの形状は長方形である。第１の放射領域ＥＡ１、第２の放射領域ＥＡ２それぞれの一辺の方向はＸ方向に向けられ、他の一辺の方向がＹ方向に向けられている。第１の放射領域ＥＡ１と第２の放射領域ＥＡ２とが接している接線ＥＬの方向は、Ｘ方向となる。第１の放射領域ＥＡ１のＸ方向の長さＬ_１は、第２の放射領域ＥＡ２のＸ方向の長さＬ_２よりも長い。

第１の放射領域ＥＡ１のＸ方向の終端のＸ方向の座標と、第２の放射領域ＥＡ２のＸ方向の終端のＸ方向の座標とは、同一となる。言い換えれば、第１の放射領域ＥＡ１のＸ方向の頂点の１つと第２の放射領域ＥＡ２のＸ方向の頂点の１つが、接線ＥＬの一端ＥＰにおいて接している。
第１の放射領域ＥＡ１の逆Ｘ方向の終端のＸ方向の座標と、第２の放射領域ＥＡ２の逆Ｘ方向の終端のＸ方向の座標が異なる。言い換えれば、接線ＥＬの他端である端点ＲＱにおいて、第２の放射領域ＥＡ２の逆Ｘ方向の頂点の一つが接しているが、第１の放射領域ＥＡ１のいずれの頂点も接していない。

別の観点では、放射素子ＲＥの領域は、Ｘ方向の長さがＬ_１、Ｙ方向の長さがＬ_３となる長方形全体から、Ｘ方向に向いている接線ＥＬを挟んで一方（図１に示す例では、逆Ｙ方向）の領域が、Ｘ方向に長さΔＬだけ欠落もしくは短縮した長方形の切り欠き部ＭＡ２を有する形状を有する。切り欠き部ＭＡ２の長さΔＬ（以下、「切り欠き長」と呼ぶ）は、第１の放射領域ＥＡ１のＸ方向の長さＬ_１から第２の放射領域ＥＡ２のＸ方向の長さＬ_２の差Ｌ_１−Ｌ_２相当する。また、接線ＥＬのＹ方向の位置は、放射素子ＲＥ全体のＹ方向の中央から所定範囲内、つまり、ほぼ中央部となる。

給電点ＲＰは、第１の放射領域ＥＡ１の逆Ｘ方向の頂点のうち、接線ＥＬの延長線上にある頂点に設置されている。つまり、端点ＲＱは、接線ＥＬの両端のうち給電点ＲＰに近い方である。給電点ＲＰからＸ方向に切り欠き長ΔＬに相当する距離だけ離れた位置が、端点ＲＱの位置となる。なお、放射素子ＲＥの領域全体のＹ方向の長さＬ_３は、第１の放射領域ＥＡ１のＸ方向の長さＬ_１以上としてもよい。

このような構成により、給電線路ＳＴから放射素子ＲＥに供給される電気信号の成分のうち、主に第１の放射領域ＥＡ１において実効波長の１／４の長さ（以下、「１／４実効波長λ_１」、と呼ぶ）が長さＬ_１となる周波数ｆ_１を共振周波数とする成分に共振が発生する。また、主に第２の放射領域ＥＡ２において実効波長の１／４の長さ（以下、「１／４実効波長λ_２」、と呼ぶ）が長さＬ_２となる周波数ｆ_２を共振周波数とする成分に共振が発生する。仮に、第１の放射領域ＥＡ１のＸ方向の長さＬ_１と第２の放射領域ＥＡ２のＸ方向の長さＬ_２を等しくすると、それぞれの共振周波数が等しくなる。そのため、第１の放射領域ＥＡ１のＸ方向の長さＬ_１と第２の放射領域ＥＡ２のＸ方向の長さＬ_２が異なることで、放射特性が他の周波数帯域よりも良好な周波数帯域の帯域幅が、長さＬ_１と長さＬ_２とが等しい場合における帯域幅よりも広くなる。このことは、信号を送受信できる周波数帯域の広帯域化に貢献する。

給電線路ＳＴの長さＬ_１’を、周波数ｆ_１の電気信号の成分の１／４実効波長λ_１’とする。但し、給電線路ＳＴにおける１／４実効波長λ_１’と放射素子ＲＥにおける１／４実効波長λ_１とは、互いに近似するが、完全に等しくならないことがある。これは、放射素子ＲＥの周縁部には、フリンジング電界が生ずるためである。また、給電線路ＳＴのＹ方向の幅ｄ_１は、その区間における周波数ｆ_１における特性インピーダンスＺ_１が、給電点ＲＰでの放射素子ＲＥの給電インピーダンスＺ_ｐと整合する幅であればよい。より具体的には、特性インピーダンスＺ_１は、給電端ＲＩでの入力インピーダンスＺ_ｉとの相乗平均√Ｚ_ｐ・Ｚ_ｉとなればよい。例えば、給電インピーダンスＺ_ｐ、入力インピーダンスＺ_ｉが、それぞれ１６２Ω、５０Ωである場合、特性インピーダンスＺ_１が９０Ωとなるように幅ｄ_１を定めておく。よって、給電線路ＳＴは、周波数ｆ_１の成分に対して１／４波長線路として作用し、給電インピーダンスＺ_ｐと入力インピーダンスＺ_ｉとを整合させるための整合線路として機能する。そのため、信号ケーブルＣＢから供給される周波数ｆ_１から所定範囲内の第１の周波数帯域の成分を効率よく電波として放射することができる。

他方、給電点ＲＰから端点ＲＱを通過して第２の放射領域ＥＡ２に進入する電気信号の成分は、端点ＲＱを頂点とする第２の放射領域ＥＡ２内での電気信号の振動を励起する。そこで、給電線路ＳＴは、幅ｄ_１を有する第１の区間の他、幅ｄ_１をよりも広い幅ｄ_２を有する第２の区間を給電点ＲＰよりも給電端ＲＩに近い方に有していてもよい。一般に、放射素子の給電インピーダンスは、その中心部から外縁に近づくほど高くなる。そのため、端点ＲＱでの放射素子ＲＥのインピーダンスＺ_ｑは、給電点ＲＰでの給電インピーダンスＺ_ｐよりも低くなる。そこで、幅ｄ_１を有する第１の区間よりも特性インピーダンスがより低い幅がｄ_２となる第２の区間を設けることで、第２の区間を設けない場合よりも、端点ＲＱでのインピーダンスＺ_ｑと、給電端ＲＩでの入力インピーダンスＺ_ｉと整合させることができる。例えば、端点でのインピーダンスＺ_ｑ、入力インピーダンスＺ_ｉが、それぞれ８８Ω、５０Ωである場合、第２の区間の特性インピーダンスＺ_２が６２Ωとなるように幅ｄ_２を定めておけばよい。
そのため、信号ケーブルＣＢから供給される周波数ｆ_２から所定範囲内の第２の周波数帯域の成分を効率よく電波として放射することができる。また、第２の周波数帯域の成分の利得を増加させることにより、周波数ｆ_１を共振周波数とする利得のピークと周波数ｆ_２を共振周波数とする利得のピークを同等に近づけることができる。そのため、放射特性の周波数依存性が緩やかになる。このことも、信号を送受信できる周波数帯域の広帯域化に貢献する。

また、給電線路ＳＴは、給電点ＲＰで終端する第１の区間と、給電端ＲＩで終端する第２の区間との間に、幅ｄ_３を有する第３の区間を設けてもよい。幅ｄ_３は、幅ｄ_１よりも大きく、幅ｄ_２よりも小さい。よって、第３の区間の特性インピーダンスＺ_３は、第１の区間の特性インピーダンスＺ_１よりも小さく、第２の区間の特性インピーダンスＺ_２よりも大きくなる。そのため、第３の区間の長さを調整することで、周波数ｆ_１と周波数ｆ_２の間の周波数ｆ_３において、給電端ＲＩでの入力インピーダンスＺ_ｉと、放射素子ＲＥへの給電インピーダンスＺ_ｒとの整合性が変化する。従って、後述するように、第３の区間の長さを調整することで、周波数ｆ_３における利得を向上させることができる。これにより、信号を送受信できる周波数帯域の広帯域化をさらに図ることができる。

なお、放射素子ＲＥの領域のＹ方向の長さＬ_３は、第１の放射領域ＥＡ１のＸ方向の長さＬ_１と等しくすることで、長さＬ_１を１／４実効波長λ_１とする周波数ｆ_１から所定範囲内の第１の周波数帯域の成分の利得が増加する。他方、放射素子ＲＥの領域のＹ方向の長さＬ_３は、第２の放射領域ＥＡ２のＸ方向の長さＬ_２と等しくてもよい。その場合には、長さＬ_２を１／４実効波長λ_２とする周波数ｆ_２から所定範囲内の第２の周波数帯域の成分の利得が増加する。従って、周波数ｆ_１から所定範囲内の第１の周波数帯域における放射効率と、周波数ｆ_２から所定範囲内の第２の周波数帯域における利得が同等になるように、長さＬ_３を長さＬ_１と長さＬ_２のいずれかにするかを定めておけばよい。

（放射特性）
次に、本実施形態に係るアンテナ装置１の放射特性について説明する。
図２は、本実施形態に係るアンテナ装置１の放射特性の切り欠き長ΔＬ依存性の例を示す図である。
図２において、縦軸は電圧定在波比（ＶＳＷＲ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ）を示し、横軸は周波数を示す。曲線ｍ０〜ｍ１０は、それぞれ異なる切り欠き長ΔＬでのＶＳＷＲを示す。図３に示すように、ｍ０〜ｍ１０の順に、切り欠き長ΔＬが大きくなる。ＶＳＷＲは、その値が小さいほど放射特性が良好であることを示す無次元の指標である。ＶＳＷＲの最小値は１である。ＶＳＷＲが１とは、給電線路ＳＴへの入力インピーダンスと放射素子ＲＥでの給電インピーダンスが完全に整合し、供給された電気信号のエネルギーが完全に電波として放射される理想的な状態を示す。

曲線ｍ０は、ΔＬがゼロ、つまり、第１の放射領域ＥＡ１のＸ方向の長さＬ_１と第２の放射領域ＥＡ２のＸ方向の長さＬ_２とが等しい場合におけるＶＳＷＲを示す。曲線ｍ０は、周波数が１８２０ＭＨｚであるときＶＳＷＲが最小となる１つの谷を表す。このことは、アンテナ装置１が、共振周波数を１８２０ＭＨｚとする１個の共振点を有することを意味する。

他方、曲線ｍ１０は、ΔＬが最も大きい場合、つまり、第１の放射領域ＥＡ１のＸ方向の長さＬ１と第２の放射領域ＥＡのＸ方向の長さＬ２の長さの差が最も大きい場合におけるＶＳＷＲを示す。曲線ｍ１０は、周波数がそれぞれ１７３０ＭＨｚ、２０００ＭＨｚであるとき、ＶＳＷＲが極小となる２つの谷を表す。このことは、第１の放射領域ＥＡ１のＸ方向への長さＬ_１と第２の放射領域ＥＡ２のＸ方向への長さＬ_２とが異なる放射素子ＲＥが、それぞれ共振周波数の異なる２個の共振点を有することを示す。２つの共振周波数は、それぞれ、１／４実効波長λ_１を長さＬ_１とする周波数ｆ_１と１／４実効波長λ_２を長さＬ_２とする周波数ｆ_２とに相当する。

２つの谷は、曲線ｍ４に対応する切り欠き長ΔＬ_４以上の場合に表れ、曲線ｍ３に対応する切り欠き長ΔＬ_３以下の場合には表れない。そして、切り欠き長ΔＬが大きくなるほど、ＶＳＷＲを示す曲線の２つの谷が互いに離れる傾向がある。但し、ΔＬが大きすぎると、ＶＳＷＲの値が所定の値（例えば、２）よりも小さくなる周波数帯域（以下、「特性帯域」と呼ぶ）が個々の谷に分かれる。そのため、曲線ｍ５に示すように特性帯域を１つの連続した周波数帯域とし、かつ、できるだけ広くするように切欠き長ΔＬを定めることが好ましい。より具体的には、共振周波数ｆ_１、ｆ_２の差ｆ_２−ｆ_１が、共振周波数ｆ_１に係る共振の利得についての第１の半値幅Δｆ_１から、共振周波数ｆ_２に係る共振の利得についての第２の半値幅Δｆ_２の間の帯域幅（例えば、第１の半値幅Δｆ_１と第２の半値幅Δｆ_２の平均値）となるように切り欠き長ΔＬを定めればよい。

次に、共振周波数の差ｆ_２−ｆ_１が、Δｆ_１／２＋Δｆ_２／２となるように、切り欠き長ΔＬを定めた場合を例にして、本実施形態に係るアンテナ装置１の放射特性の一例について説明する。
図２の曲線ｍ５に示す例では、ＶＳＷＲは、周波数１８００ＭＨｚ、１９２０ＭＨｚにおいてそれぞれ極小値１．９、１．４となる。また、ＶＳＷＲは、１７９０ＭＨｚ−１９７０ＭＨｚの周波数帯域においてほぼ２以下となる。２つの共振周波数間の周波数では、ＶＳＷＲがそれぞれの極小値よりも大きくなるが、ＶＳＷＲはほぼ２以下に抑えられる。このことは、放射特性の周波数による依存性が緩和されることを示す。この場合では、ＶＳＷＲがほぼ２以下となる周波数帯域の帯域幅は、約１６０ＭＨｚとなり、共振点の数を１つとする従来のパッチアンテナよりも広くなる。例えば、曲線ｍ０に示す例では、ＶＳＷＲが２以下となる周波数帯域１７９０ＭＨｚ−１８７０ＭＨｚの帯域幅は、８０ＭＨｚに過ぎない。

図４は、本実施形態に係るアンテナ装置１の放射特性の方向依存性の一例を示す図である。図４において、半径の大きさは放射電界の利得を示し、中心からの方向がＸ−Ｚ平面内の放射方向を示す。０°、９０°、１８０°、−９０°は、それぞれＸ方向、Ｚ方向、逆Ｘ方向、逆Ｚ方向を示す。また、利得は、最大値が５ｄＢとなるように正規化されている。

周波数が１８５０、１９００、１９５０、２０００、２０５０ＭＨｚのいずれの周波数も、Ｘ方向への利得が最大となりＸ方向から離れた方向ほど利得が低下する。例えば、放射方向が−３０°〜３０°の範囲において、利得は３ｄＢ以上となる。放射方向が−６０°〜６０°の範囲において、利得は０ｄＢ以上となる。これらの所定の利得が得られる放射方向の範囲は、従来のパッチアンテナと同様である。

図５は、本実施形態に係るアンテナ装置１の放射特性の方向依存性の他の例を示す図である。図５において、半径の大きさは電界強度の利得を示し、中心からの方向がＸ−Ｚ平面内の放射方向を示す。但し、図５は、周波数が１９５０ＭＨｚでの振動方向がφ方向となるφ成分の利得Ｅ_φ、振動方向がθ方向となるθ成分の利得Ｅ_θ、全利得Ｅ_{ｔｏｔａｌ}を示す。φ方向はＸ方向を基準とするＸ−Ｙ平面内の方向であり、θ方向はＺ方向を基準とするＸ−Ｙ平面からの傾き方向である。利得は、全利得Ｅ_{ｔｏｔａｌ}の最大値が５ｄＢとなるように正規化されている。

図５は、放射電界のうちφ成分が主であり、θ成分が従であることを示す。例えば、放射方向が０°であるとき、全利得Ｅ_{ｔｏｔａｌ}は５ｄＢとなり、φ成分の利得Ｅ_φは４ｄＢとなり、θ成分の利得Ｅ_θは−１．５ｄＢとなる。放射方向が３０°であるとき、全利得Ｅ_{ｔｏｔａｌ}は３ｄＢ、φ成分の利得Ｅ_φは２．５ｄＢとなり、θ成分の利得Ｅ_θは、−４ｄＢとなる。放射方向が−６０°〜６０°の範囲において、全利得Ｅ_{ｔｏｔａｌ}は−１ｄＢ以上、φ成分の利得Ｅ_φは−１．５ｄＢ以上となり、θ成分の利得Ｅ_θは、−１０ｄＢ以上となる。つまり、Ｘ軸周りに主に電波が放射される特性も従来のパッチアンテナと同様である。

次に、図２、図３においてｍ１０に示すように切り欠き長ΔＬを定め、かつ、給電線路ＳＴの第３の区間を調整した場合を例にして本実施形態に係るアンテナ装置１の放射特性について説明する。
図６に示すように、給電線路ＳＴの第３の区間の長さを調整することにより、共振周波数ｆ_２と共振周波数ｆ_１との間の周波数ｆ_３において、給電端ＲＩでの入力インピーダンスＺ_ｉと、放射素子ＲＥへの給電インピーダンスＺ_ｒとの整合性が変化する。そこで、共振周波数の差ｆ_２−ｆ_１を、半値幅Δｆ_１と半値幅Δｆ_２の和とし、周波数ｆ_３を、共振周波数ｆ_１と共振周波数ｆ_２の平均値とするとき、給電端ＲＩでの入力インピーダンスＺ_ｉと、放射素子ＲＥへの給電インピーダンスＺ_ｒとが最も整合するように、第３の区間の長さと幅ｄ_３を定めてもよい。これにより、ＶＳＷＲが十分に小さい周波数帯域の幅を広げることができる。

図７は、本実施形態に係るアンテナ装置１の放射特性の給電線路ＳＴにおける第３の区間の長さによる依存性の例を示す図である。
図７の縦軸、横軸は、それぞれＶＳＷＲ、周波数（Ｆｒｅｑ）を示す。曲線ｍ１０、ｍ１０’は、いずれも図３のｍ１０に示す切り欠き長ΔＬで得られたＶＳＷＲを示す。この切り欠き長ΔＬのもとでは、共振周波数の差ｆ_２−ｆ_１が半値幅Δｆ_１と半値幅Δｆ_２の和となる。また、曲線ｍ１０は、それぞれ図６に実線で示す第３の区間のもとで取得されたＶＳＷＲを示す。曲線ｍ１０に示す例では、周波数１７３０ＭＨｚ、２０００ＭＨｚにおいて、ＶＳＷＲが１．２、１．４５と極小となる。ＶＳＷＲを２以下とする周波数帯域は、１７００ＭＨｚ−１７８０ＭＨｚの帯域と、１９５０ＭＨｚ−２０６０ＭＨｚの帯域とに二分される。また、周波数１８６０ＭＨｚにおいて、ＶＳＷＲは３．４と極大となる。

これに対し、曲線ｍ１０’は、図６において破線で示すように曲線ｍ１０に示す例よりも、第３の区間の長さｄ_３を長く（例えば、９．５ｍｍ）して取得されたＶＳＷＲを示す。曲線ｍ１０’に示す例では、周波数１７５０ＭＨｚ、１９８０ＭＨｚにおいて、ＶＳＷＲが１．２５、１．２と極小となる。これら２つの周波数間で、ＶＳＷＲを極大とする周波数１８６０ＭＨｚが存在し、そのＶＳＷＲは１．８となり２以下に抑えられる。このことは、放射特性の周波数による依存性が緩和されることを示す。即ち、ＶＳＷＲを２以下とする周波数帯域は、１７００ＭＨｚ−２０８０ＭＨｚと１つの連続した帯域となる。この帯域幅３８０ＭＨｚは、共振点の数を１つとする従来のパッチアンテナよりも広くなる。この帯域幅では、例えば、ＧＰＳ衛星からの電波の受信と近接する帯域において他の用途のための帯域余裕を確保することできる。また、この帯域幅を６０ＧＨｚ帯域に換算すると約１１．４ＧＨｚとなる。そのため、単一のアンテナ装置１を用いたＥバンドでの送受信が可能となる。

以上に説明したように、本実施形態に係るアンテナ装置１は、第１の放射領域ＥＡ１と給電方向の長さが第１の放射領域ＥＡ１と異なる第２の放射領域ＥＡ２とが、給電方向と交差する方向に連続した平面状の放射素子ＲＥを備える。
この構成により、第１の放射領域ＥＡ１の給電方向の長さＬ_１を１／４実効波長λ_１とする周波数ｆ_１から所定範囲内の第１の周波数領域の成分と、第２の放射領域ＥＡ２の給電方向の長さＬ_２を１／４実効波長λ_２とする周波数ｆ_２から所定範囲内の第２の周波数領域の成分について共振が生じる。従って、長さＬ_１と長さＬ_２が互いに等しい場合よりも、放射特性が良好な周波数帯域を特性帯域として信号を送受信できる周波数帯域が広帯域化する。また、広帯域化において、空間的な放射領域を狭くすることや、部品点数の増加を伴わない。

また、アンテナ装置１において、放射素子ＲＥの給電方向の直交方向であるＹ方向の幅Ｌ_３が、第１の放射領域ＥＡ１の給電方向の長さＬ_１又は第２の放射領域ＥＡ２の給電方向の長さＬ_２である。
この構成により、給電方向の長さＬ_１を１／４実効波長λ_１とする周波数ｆ_１から所定範囲内の第１の周波数領域の成分の共振、又は給電方向の長さＬ_２を１／４実効波長λ_２とする周波数ｆ_２から所定範囲内の第２の周波数領域の成分の共振がさらに促される。そのため、幅Ｌ_３を長さＬ_１と長さＬ_２のいずれにするかにより、放射特性が良好な周波数帯域が拡張するように、それぞれの共振の強度を調整することができる。

また、アンテナ装置１において、放射素子ＲＥの外縁の一点である給電点ＲＰに長手方向を給電方向として給電線路ＳＴの一端が接続される。給電線路ＳＴの長さは、第１の放射領域ＥＡ１と第２の放射領域ＥＡ２のうち給電方向の長さが長い方の長さＬ_１に相当する。給電線路ＳＴは、長さＬ_１を１／４実効波長λ_１’とする周波数ｆ_１における特性インピーダンスＺ_１が、給電点ＲＰにおける給電インピーダンスＺ_ｐと給電線路ＳＴの他端である給電端ＲＩへの入力インピーダンスＺ_ｉとの相乗平均となる幅ｄ_１を有する区間を有する。
この構成により、給電線路ＳＴは、給電点ＲＰにおける給電インピーダンスＺ_ｐと給電線路ＳＴの他端への入力インピーダンスＺ_ｉとを整合させる１／４波長変成器としても作用する。そのため、給電端ＲＩに入力される電気信号の第１の周波数領域の成分は電波として有効に放射される。

また、アンテナ装置１において、給電線路ＳＴは、幅がｄ_１となる第１の区間よりも広い幅ｄ_２を有する第２の区間を有する。第２の区間は、第１の区間よりもインピーダンスが低下する。また、放射素子ＲＥにおいて、給電点ＲＰよりも中心部に近い端点ＲＱの方が、給電インピーダンスが低くなる。そのため、第２の区間を有しない場合よりも、第２の周波数帯域の成分について給電点ＲＰにおける給電インピーダンスＺ_ｐと給電線路ＳＴの他端である給電端ＲＩへの入力インピーダンスＺ_ｉとを、より整合させることができる。従って、第２の周波数領域の成分の共振が促され、放射特性が向上する。

また、アンテナ装置１において、給電点ＲＰは、放射素子ＲＥの給電方向の直交方向の中央から所定範囲内に設けられている。
この構成により、給電端ＲＩに入力される電気信号が第１の放射領域ＥＡ１と第２の放射領域ＥＡ２にほぼ均等に供給される。第１の周波数帯域の成分の強度と第２の周波数帯域の成分の強度がほぼ等しくなるため、放射特性が良好な周波数帯域が拡張する。

また、アンテナ装置１において、第１の放射領域の給電方向の長さＬ_１を１／４実効波長λ_１とする第１の周波数ｆ_１とし、第２の放射領域の給電方向の長さＬ_２を１／４実効波長λ_２とする第２の周波数ｆ_２とし、第１の周波数ｆ_１と第２の周波数ｆ_２との差Δｆを、第１の周波数ｆ_１を共振周波数とする第１の共振の半値幅をΔｆ_１、第２の周波数ｆ_２を共振周波数とする第２の共振の半値幅をΔｆ_２としたとき、Δｆ_１／２＋Δｆ_２／２以下とする。
この構成により、放射特性が所定の放射特性よりも良好な周波数帯域を１つの連続した周波数帯域とし、かつ極力拡張することができる。

（変形例）
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は上述の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
図１では、第１の放射領域ＥＡ１の形状と、第２の放射領域ＥＡ２の形状が、それぞれ長方形である場合を例にしたが、これには限られない。第１の放射領域ＥＡ１は、給電点ＲＰからのＸ方向の長さの最大値がＬ_１となる部分を有し、その部分が直線部をなす形状であればよい。例えば、図８に示すように、第１の放射領域ＥＡ１の形状は、給電点ＲＰから接線ＥＬの一端ＥＰまでのＸ方向の長さがＬ_１であれば、Ｘ方向よりもＹ方向に傾いた方向に給電点ＲＰに対向する部分の外縁が円弧をなしていてもよい。給電点ＲＰよりもＹ方向にずれた部分では、Ｘ方向の長さは最大値Ｌ_１よりも小さい。このような形状でも、１／４実効波長λ_１を長さＬ_１とする周波数ｆ_１において共振が生じる。
また、第２の放射領域ＥＡ２は、端点ＲＱからのＸ方向の長さの最大値がＬ_２となる部分を有し、その部分が直線部をなす形状であればよい。例えば、図８に示すように、端点ＲＱから接線ＥＬの一端ＥＰまでのＸ方向の長さＬ_２であれば、第２の放射領域ＥＡ２の形状は、Ｘ方向よりも逆Ｙ方向に傾いた方向に対して端点ＲＱに対向する部分の外縁が円弧をなしていてもよい。給電点ＲＰよりも逆Ｙ方向にずれた部分では、Ｘ方向の長さは最大値Ｌ_２よりも小さい。このような形状でも、１／４実効波長λ_２を長さＬ_２とする周波数ｆ_２において共振が生じるためである。

また、図８に示す例では、給電線路ＳＴは、幅ｄ_１を有する区間を備え、幅ｄ_２を有する第２の区間や、幅ｄ_３を有する第３の区間を備えていないが、これには限られない。図１に示すように、給電線路ＳＴは、幅ｄ_２を有する第２の区間を備えてもよい。これにより、共振周波数ｆ_２における端点ＲＱでのインピーダンスＺ_ｑと、給電端ＲＩでの入力インピーダンスＺ_ｉとを整合させることができる。これにより、周波数ｆ_２における共振を促し、周波数ｆ_１から所定範囲内の第１の周波数帯域における放射効率と、周波数ｆ_２から所定範囲内の第２の周波数帯域における放射効率を同等に近づけることができるので、放射効率が所定の放射効率よりも高くなる特性領域を広くすることができる。また、給電線路ＳＴは、幅ｄ_３を有する第３の区間をさらに備えてもよい。これにより、共振周波数ｆ_１と共振周波数ｆ_２との間の周波数ｆ_３における給電端ＲＩでの入力インピーダンスＺ_ｉと放射素子ＲＥへの給電インピーダンスＺ_ｒをより整合させることができる。これにより、周波数ｆ_３又はその近傍の周波数においてに低下しがちな放射効率が高くなるので、放射効率が所定の放射効率よりも高くなる特性領域を広くすることができる。

１…アンテナ装置、ＥＡ１…第１の放射領域、ＥＡ２…第２の放射領域、ＥＬ…接線、ＭＡ２…切り欠き部、ＲＩ…給電端、ＲＰ…給電点、ＲＱ…端点、ＲＴ…給電端子、ＳＴ…給電線路

Claims (5)

1. 第１の領域と、給電方向の外縁の長さが前記第１の領域と異なる第２の領域とが、前記給電方向と交差する方向に連続し、前記給電方向における前記第１の領域の給電点側の終端の座標と、前記給電方向における前記第２の領域の給電点側の終端の座標とが異なる平面状の放射素子
   を備えるアンテナ装置。
2. 少なくとも、第１の領域又は第２の領域の前記外縁において、給電方向と平行な直線部を含む
   請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記放射素子の外縁の一点に長手方向を前記給電方向として線路の一端が接続され、
   前記線路の長さは、前記第１の領域と前記第２の領域のうち給電方向の長さが長い方の前記長さに相当し、
   前記外縁の一点が、前記放射素子の前記給電方向の直交方向の中央部に設けられている
   請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記線路は、前記第１の領域の共振周波数におけるインピーダンス整合部と、前記第２の領域の共振周波数におけるインピーダンス整合部と、前記第１の領域の共振周波数と前記第２の領域の共振周波数の間の周波数におけるインピーダンス整合部を有する
   請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記放射素子の前記給電方向の直交方向の幅が、前記第１の領域の前記給電方向の長さ以上である
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。

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