JP7090329B2

JP7090329B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP7090329B2
Application number: JP2018157467A
Authority: JP
Inventors: 哲也上田; 周平寺田; 航平山上
Original assignee: Kyoto Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyoto Institute of Technology NUC
Priority date: 2018-08-24
Filing date: 2018-08-24
Publication date: 2022-06-24
Anticipated expiration: 2038-08-24
Also published as: JP2020031395A

Description

本発明は、平板構造を有する低姿勢のアンテナ装置に関する。

特許文献１において、接地導体に対向するように配置されたパッチ導体と、接地導体とパッチ導体とを電気的に接続する短絡導体とを備える、従来例１に係るアンテナ装置が提案されている。当該アンテナ装置では、接地導体とパッチ導体との間に形成される静電容量と、短絡導体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。ここで、接地導体とパッチ導体との間に形成される静電容量は、パッチ導体の面積に応じて定まるので、パッチ導体の面積を調整することで、当該アンテナ装置の共振周波数である送受信周波数を調整できる。また、従来例１には、パッチ導体と短絡導体をそれぞれ備える複数のパッチユニットを有することで、互いに異なる複数の周波数で動作させることができる。

しかしながら、近年においては、携帯電話機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、動作帯域を広帯域化することが要求されている。従来例の構成によれば、複数のパッチユニットを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が、一つのパッチアンテナで動作帯域を広域化させることはできない。

この問題点を解決するために、本発明者らは、特許文献２において開示された従来例２に係るアンテナ装置において、上記パッチ導体の外縁部に対して所定の間隔を有するように配置されたループ部を形成することで、動作帯域を広域化させることを提案した。

米国特許第７９１１３８６号明細書特開２０１７－１５３０３２号公報

D. Sievenpiper, "High-impedance electromagnetic surfaces," Ph. D. dissertation, Department Electrical Engineering, University California at Los Angeles, CA, 1999. A. Lai et al., "Infinite wavelength resonant antennas ith monopolar radiation pattern based on periodic structures," IEEE Transaction on Antennas Propagation, Vol. 55, No. 3, pp. 868-876, March 2007. A. Sanada et al., "A planar zeroth-order resonator antenna using a left-handed transmission line," in Proceeding of 34th European Microwave Conference, 2004, pp. 1341-1344. N. Goto et al., "Ring patch antenna for dual frequency use," Proceeding of 1987 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, pp. 944-947, June 1987. H. Arai et al., "A flat energy density antenna system," Proceedings of 1990 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, pp. 1731-1732, May 1990. S. Otto et al., "Dual-mode zeroth order ring resonator with tuning capability and selective mode excitation," in Proceedings of 35th European Microwave Conference, 2005, pp. 149-152, October 2005. J. Zhu et al., "A Compact Transmission-line metamaterial antenna with extended bandwidth," IEEE Antennas Wireless Propagation, Letters, Vol. 8. pp. 295-298. December 2009. T. Ueda et al., "Enhancement of bandwidth for low-profile omnidirectional zeroth-order resonant antennas," Proceedings of 2016 International Symposium on Antennas Propagation, pp. 18-19, October 2016. S. Terada et al., "Equivalent circuit model for wideband zeroth-order resonant antennas," Proceedings of 2017 IEEE Antennas Propagation Society International Symposium, pp. 1731-1732, July 2017. Kin-Lu Wong, "Compact and Broadband Microstrip Antennas," pp. 3-4, New York, Wiley, 2002. Ji-Y. Park et al., "A compact subdivided square microstrip patch antenna for c-band applications," Proceedings of 2001 Asia-Pacific Microwave Conference, pp. 1143-1146, December 2001.

しかし、従来例２に係るアンテナ装置においても、いまだ動作帯域が狭いという問題点があった。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来例に係るアンテナ装置に比較して動作帯域を広くすることができるアンテナ装置を提供することにある。

本発明の一態様にかかるアンテナ装置は、
接地導体と、
前記接地導体と対向するように所定の間隔で配置されたパッチ導体と、
前記パッチ導体と前記接地導体とを電気的に接続する複数の短絡導体と、
前記パッチ導体の外縁部に配置される給電点とを備えたアンテナ装置であって、
前記複数の短絡導体のうち前記給電点に最も近い少なくとも１つの短絡導体を挟むように、前記パッチ導体の外縁部から前記パッチ導体の中心に向かって延在するように形成された２個のスリットを備えたことを特徴とする。

従って、本発明に係るアンテナ装置によれば、前記複数の短絡導体のうち前記給電点に最も近い少なくとも１つの短絡導体を挟むように、前記パッチ導体の外縁部から前記パッチ導体の中心に向かって延在するように形成された２個のスリットを備えることで、従来例に係るアンテナ装置に比較して動作帯域を広くすることができるアンテナ装置を提供できる。

実施形態１に係るアンテナ装置の構成例を示す斜視図である。図１Ａのアンテナ装置の平面図である。図１Ｂのアンテナ装置のスリット１４Ｂの内側先端部付近の拡大図である。図１ＢのＡ－Ａ’線についての縦断面図である。図１Ａ～図１Ｄのアンテナ装置におけるＬＣ共振モードと半波長共振モードに対するスリット長Ｌｓの周波数特性の一例を示すグラフである。比較例１に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。比較例１及び実施形態に係るアンテナ装置の反射係数の周波数特性を示すグラフである。比較例１及び実施形態に係るアンテナ装置の平均利得の周波数特性を示すグラフである。実施形態２に係るアンテナ装置の構成例を示す平面図である。比較例２及び実施形態２に係るアンテナ装置の反射係数及び平均利得の周波数特性を示すグラフである。実施形態３に係るアンテナ装置の構成例を示す平面図である。比較例３及び実施形態３に係るアンテナ装置の反射係数及び平均利得の周波数特性を示すグラフである。実施形態４に係るアンテナ装置の構成例を示す平面図である。比較例４及び実施形態４に係るアンテナ装置の反射係数及び平均利得の周波数特性を示すグラフである。比較例５に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。比較例５に係るアンテナ装置の反射係数及び平均利得の周波数特性を示すグラフである。比較例６に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。比較例６に係るアンテナ装置の反射係数及び平均利得の周波数特性を示すグラフである。比較例７に係るアンテナ装置の反射係数及び平均利得の周波数特性を示すグラフである。

以下、比較例及び本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

１．実施形態の概要
モノポールアンテナのように，水平方向に無指向放射する薄型マッシュルームアンテナの動作帯域幅の広帯域化が提案されている。本実施形態に係るアンテナ装置は非常に簡単な構成で、２つのスリットを有する円形のパッチ導体、複数のビア導体、並びに給電用のマイクロストリップ線路とを備えて構成される。数値シミュレーション及び測定結果から、試作アンテナ装置の利得帯域幅の広帯域化の改善が明確に示されている。

２．概論
無線通信システムでは、モノポールアンテナは最も基本的アンテナ装置の一つであり、垂直偏波を有する水平方向の無指向性放射として有用であるが、基本的に１／４波長の高さを有する。この高さによって生じる問題点は、アンテナ装置の大きさや重さが大きいこと、また高さを低くしようとすればアンテナ性能の劣化、外力に弱く本体が損傷を受けやすいこと、さらにデザインの際に制約をもたらすなど、特に低周波帯では重大な問題を引き起こす。マッシュルーム構造は平面２次元右手／左手系複合（ＣＲＬＨ）メタマテリアルとしてよく知られており、０次共振で無指向放射パターンを示すことから（例えば、非特許文献１参照）、低姿勢アンテナ装置のなかでモノポールアンテナの代わりとなりうる候補である（例えば、非特許文献２参照）。

０次共振アンテナ装置の魅力的な特徴の１つは、共振周波数が共振器のサイズに依存しないことである。つまり、０次共振器は、他の小型アンテナよりも十分小さくすることができる（例えば、非特許文献３参照）。単位セル構造は、接地面上に置かれた誘電体基板上のパッチ導体と、パッチ導体と接地面を接続するビア導体とから構成され、特に単一セルの場合、従来から良く知られたリングパッチアンテナと同じになる（例えば、非特許文献４，５参照）。ビア導体のもつ寄生インダクタンスと、各パッチ導体と接地面間のつくる容量との組み合わせにより、ＬＣ並列共振器として機能する。金属平行平板に垂直な電界成分と、ビア電流によって誘起される水平磁場成分との組み合わせが効率的な外部放射を励起させる。しかし、典型的な０次共振アンテナは、帯域幅が約２～３％と非常に狭く、実用化する上で問題となる（例えば、非特許文献６参照）。この問題を克服するため、共振周波数の異なる複数の０次共振器を組み合わせたアンテナ装置が広帯域動作を目的として提案された（例えば、非特許文献７参照）。このアプローチは、アンテナ装置の全体サイズが大きくなる一方、帯域幅の拡大を容易に実現する。

最近では、複数の単位セルをリング共振器として環状に配置することで、０次共振の動作帯域を広帯域化させる別の手法が提案されている。このアンテナ構造は、正三角形の金属パッチとビアからなる複数のマッシュルーム構造において、回転対称性を有するように配置され、さらにパッチの外側にはマイクロストリップリングを挿入し、給電用のマイクロストリップ線路が挿入されている（例えば、非特許文献８参照）。その結果、アンテナはサイズを変えることなく約２倍の帯域幅が得られている。

さらに、放射利得と広帯域動作のための共振の基本的メカニズムを理解するために、この広帯域で動作するアンテナの等価回路モデルが示されている（例えば、非特許文献９参照）。しかしながら、広帯域動作するアンテナ構造を最適に設計して製作する上で依然として困難を有している。また、現状の動作帯域では不十分で、更なる広帯域化が望まれている。

以下に示す本実施形態では、広帯域動作を目的として、円形パッチ導体内で給電線近傍の２箇所にスリットを装荷し、さらに複数のビア導体が単一のビア導体として動作する単純な構成の薄型マッシュルームアンテナ構造を提案する。従来例のマッシュルームアンテナと比較すると、実測と数値シミュレーション結果いずれにおいても、動作帯域幅が広帯域化されることがわかった。提案するアンテナ装置を議論する前に、リングを用いた広帯域動作可能な低姿勢０次共振マッシュルームアンテナの電流分布を調べている（例えば、非特許文献１０，１１参照）。その結果、動作周波数付近の電流密度は、給電線近傍の単位セルにおいて隣接パッチ間の２つのスリットに沿って局在し、集中することが分かった。

３．実施形態１及び比較例１
図１Ａは実施形態１に係るアンテナ装置の構成例を示す斜視図であり、図１Ｂは図１Ａのアンテナ装置の平面図である。また、図１Ｃは図１Ｂのアンテナ装置のスリット１４Ｂの内側先端部付近の拡大図であり、図１Ｄは図１ＢのＡ－Ａ’線についての縦断面図である。

図１Ａ～図１Ｄにおいて、実施形態１に係るアンテナ装置は、いわゆるマッシュルーム型アンテナ装置であって、
（１）裏面に接地導体１１が形成された平行平板の誘電体基板１０上に、円形平板形状を有するパッチ導体１２を、接地導体１１と対向するように形成し、
（２）パッチ導体１２の中心Ｏから所定の距離（中心Ｏと外縁までの間の位置であって、概ねより好ましくはパッチ導体１２の半径の１／２程度；好ましくは半径の１／５～４／５程度）の同心円状の位置において例えば６個である複数のビア導体１３を形成して
構成される。

ここで、誘電体基板１０は例えば回路基板等を用いることができ、複数のビア導体１３は、パッチ導体１２から誘電体基板１０を厚さ方向に貫通して接地導体１１に電気的に短絡接続されるように「短絡導体」としてビア工法で形成される。

パッチ導体１２の外縁の給電点Ｐ１は、インピーダンス整合用結合キャパシタ１５を介して、誘電体基板１０上に形成された給電用ストリップ導体１６の一端に電気的に接続される。ここで、誘電体基板１０を挟む給電用ストリップ導体１６と接地導体１１とにより例えば特性インピーダンス５０Ωの給電用マイクロストリップ線路１７を構成する。給電用ストリップ導体１６の他端は給電ポートＰ２となり、給電ポートＰ２は、無線信号を発生する無線送信回路２０に接続される。また、給電用ストリップ導体１６の近傍に位置する少なくとも１つのビア導体１３（複数のビア導体１３のうち最も給電点Ｐ２に近い（もしくは、より給電点Ｐ２に近い）ビア導体１３）を挟むように、半径Ｌｒを有するパッチ導体１２の外縁から中心Ｏに向かって、ストリップ形状を有する所定のスリット長Ｌｓ（Ｌｓ＜Ｌｒ）のスリット１４Ａ，１４Ｂがパッチ導体１２に形成され、ここで、ビア導体１３には接触しないように形成される。スリット１４Ａ，１４Ｂがなす角度は、中心Ｏを中心として、好ましくは、９０度以下に設定される。なお、各スリット１４Ａ，１４Ｂの先端は、例えば図１Ｃの符号１４Ｂｅに示すように、無線信号の放射時に外縁部に流れる電流のスムーズな流れを形成するために二等辺三角形を有する。

ここで、パッチ導体１２は、所定の共振周波数において複数（図１Ｂでは６個）のビア導体１３が提供するインダクタンスＬとパッチ導体が提供する静電容量Ｃが、ＬＣ並列共振を生じさせる静電容量Ｃを形成する面積を有するように構成される。このＬＣ並列共振では、当該アンテナ装置の水平方向（パッチ導体１２の面と平行な方向）では無指向性であるように無線信号を放射する（ＬＣ共振モードと言う）。

また、ビア導体１３により接続されたパッチ導体１２と接地導体１１とは、Ｐ１を給電点とし、パッチ導体１２の直径からビア導体１３により構成される仮想直径を差し引いた長さをおおよそ半波長とする半波長共振のパッチアンテナとして動作する（半波長共振モードという）。このアンテナは、パッチ導体１２に対して垂直な上向き方向に無線信号を放射する。

図１Ｅは図１Ａ～図１Ｄのアンテナ装置において、パッチ導体１２、接地導体１１、ビア導体１２の位置と数を一定にしたときにおけるＬＣ共振モードと半波長共振モードに対するスリット長Ｌｓの周波数特性の一例を示すグラフである。

以上のように構成されたアンテナ装置アンテナ装置では、以下の２つの共振モードを有して動作する。つまり、
（Ａ）ＬＣ並列共振モード：ビア導体１３によるインダクタンスと、パッチ導体１２と接地導体１１との間のキャパシタとの並列共振回路による共振であって、スリット１４Ａ，１４Ｂのスリット長Ｌｓに共振周波数が依存しない（図１Ｅ）共振である。
（Ｂ）半波長共振モード：パッチ導体１２と接地導体１１とによる、パッチ導体１２の直径からビア導体１３によって構成される仮想直径を差し引いた長さを半波長とするパッチアンテナの共振であって、スリット１４Ａ，１４Ｂのスリット長Ｌｓに共振周波数が依存する（図１Ｅ）共振である。ここで、パッチ導体１２と接地導体１１との間でパッチ導体１２の径方向で電流分布が定在波分布して垂直上向き放射を行う。

上記の半波長共振モードのみでは、一般的に狭帯域であるが、当該半波長共振モードに、いわゆるマッシュルーム型アンテナであるＬＣ並列共振を組み合わせることで広帯域化させることを考えた。ここで、図１Ｅに示すように、２個のスリット１４Ａ，１４Ｂのスリット長さＬｓを大きくすることで半波長共振の共振周波数を低くさせることができる。さらに、スリットを装荷することで電磁界が変化し水平方向に強く放射するようになる。これにより、２つの共振モードの各共振周波数を互いに近づけることができ、これら２つの共振モードで結合され、従来例に比較して広帯域の動作帯域を持ち、水平方向に強く放射するアンテナ装置を実現できる。なお、２個のスリット１４Ａ，１４Ｂのスリット長Ｌｓを変化させることで、ＬＣ共振と半波長共振の２つの共振モードでの結合度合いを変化させ、アンテナ装置の動作帯域を変化させることができる。

なお、本実施形態にかかるアンテナ装置において、ビア導体１３が単体ビア導体の場合、広帯域動作しない。広帯域動作を実現するためには、複数本のビア導体１３でいわゆる「仮想ビア導体」を構成する必要がある。これはパッチ導体１２に挿入した２本のスリット１４Ａ，１４Ｂを長くする必要があるためで、仮想ビア導体の内側まで伸ばさなければ２つの異なる共振モードが十分近接しない。もし径の大きな単体のビア導体１３に置き換えた場合，２本のスロット１４Ａ，１４Ｂは単体ビアの径よりも内側に伸ばすことができず、共振モードが十分近接しないことと、スリット１４Ａ，１４Ｂによりパッチ導体１２が２つの領域に寸断され、面積の大きい方と小さい方が互いに逆相で共振し、打ち消しあい垂直上向きに強く放射してしまう。一方、複数本のビア導体１３で仮想ビア導体を構成する場合、仮想ビア導体の径よりも内側まで延びたスリット１４Ａ，１４Ｂにより分割された２つのパッチ導体部分間に相互作用が残るため、パッチ導体面積の大きい方と小さい方の間の逆相動作が大きく緩和され、打消しが弱まる。また、スリット１４Ａ，１４Ｂの長さを調整することにより、２共振モード間距離の調整、つまり帯域幅設計が容易となる。

次いで、本発明者によるシミュレーション結果及び実験結果について以下に説明する。

図２は、本発明者らによる従来例２に係る特許文献２の図８に開示された、比較例１に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図２において、比較例１に係るアンテナ装置は、実施形態１に係るアンテナ装置に比較して、以下の点が異なる。
（１）パッチ導体１２が複数の分割パッチ導体２２に分割されて形成される。
（２）複数の分割パッチ導体２２の外縁に沿って、所定の間隔を有して、ループ導体２１が形成される。
（３）ループ導体２１に結合キャパシタ１５を介して給電用ストリップ導体１６が接続される。

図２の比較例１に係るアンテナ装置は、メタマテリアルの概念に基づいて、以前に提案された０次共振アンテナ装置であり、複数のマッシュルーム構造を、回転対称性を有するように配置したＣＲＬＨ伝送線路リングにおいて、さらに複数の分割パッチ導体２２の外側にマイクロストリップリングであるループ導体２１を近接配置したことを特徴とする。

本発明者は、研究を進めることにより従来では解析が難しかった、図２のアンテナ装置の動作周波数における、分割パッチ導体２２の表面上に流れる電流密度分布について数値シミュレーションを行った。そのシミュレーション結果から、給電線路近傍の２本のスリット（分割パッチ導体２２の外周に位置する）に電流密度が集中していることが分かった。この結果を踏まえて、更に研究を進めて、新たに図１Ａ～図１Ｄに示すアンテナ装置を提案する。

本発明者らは、有限要素法に基づく市販の３次元全波電磁界シミュレータ（ＡＮＳＹＳＨＦＳＳｖｅｒ１３）を用いて、実施形態１に係るアンテナ装置の給電ポートＰ２における反射係数｜Ｓ_１１｜及び平均利得の周波数特性（放射特性）を数値解析した。数値シミュレーションでの種々の構造パラメータは以下の通りである。
（１）誘電体基板１０の厚さ＝１．６ｍｍ（約λｇ／８０）
（２）誘電体基板１０の比誘電率＝２．２
（３）誘電体基板１０の誘電正接ｔａｎδ＝０．０００９
（４）パッチ導体の半径＝２１．８ｍｍ
（５）接地導体１１の寸法＝７４．６５ｍｍ×７４．６５ｍｍ
（６）ビア導体１３の半径Ｌｒ＝１．０ｍｍ
（７）ビア導体１３の配置＝半径８．９ｍｍの円周上に周回方向に等間隔となるよう配置した
（８）スリット１４Ａ，１４Ｂの幅＝０．５ｍｍ
（９）スリット１４Ａ，１４Ｂのスリット長Ｌｓ＝１６．５ｍｍ

以上のように構成された実施形態１に係るアンテナ装置は、パッチ導体１２と接地導体１１との間の容量と、ビア導体１３のもつ寄生インダクタンスの組み合わせにより、２．６７ＧＨｚで並列共振する。当該アンテナ装置からの放射波は垂直偏波で、水平面内にモノポールアンテナと同様に無指向性の放射パターンを示す。

図３は比較例１及び実施形態に係るアンテナ装置の反射係数の周波数特性を示すグラフであり、図４は比較例１及び実施形態に係るアンテナ装置の平均利得の周波数特性を示すグラフである。なお、本明細書において、「平均利得」とはｘｙ面の水平方向の垂直偏波に関する平均利得をいう。また、「－６ｄＢ比帯域」とは反射係数が－６ｄＢである比帯域をいう。さらに、「－３ｄＢｉ比帯域」とは平均利得が－３ｄＢｉである比帯域をいう。

図３及び図４から明らかなように、実験及び数値シミュレーション結果において良好な一致を得た。図３及び図４において、比較例１に係る０次共振アンテナ装置における－３ｄＢｉ利得の比帯域の数値シミュレーション結果及び実測結果は、それぞれ５．６％及び５．４％となったが、実施形態１に係るアンテナ装置の場合、それぞれ８．８％と７．５％となった。以上のことから、本実施形態で提案する低姿勢マッシュルーム型アンテナ装置の動作帯域は、従来例及び比較例と比較して大幅に広帯域化していることが明らかとなった。

さらに、表１において、ビア導体１３の数を変化させたときの－３ｄＢｉ帯域幅及びピーク利得を示す。

［表１］
――――――――――――――――――――――――
ビア導体１３の数－３ｄＢｉ帯域幅ピーク利得
［％］［ｄＢｉ］
――――――――――――――――――――――――
４８．２０－１．８５
６８．８４－１．８４
８８．６６－１．４８
１２８．８７－１．９１
１５８．９４－１．６２
――――――――――――――――――――――――

表１から明らかなように、いずれのビア導体１３の数においても、比較例１に比較して広帯域化を実現できることがわかる。

以上説明したように、実施形態１に係る、低姿勢で無指向かつ垂直偏波のマッシュルーム型アンテナ装置において、広帯域動作を実現する簡素化された構造を提案した。実施形態１に係るアンテナ装置は、２本のスリット１４Ａ，１４Ｂが装荷されたパッチ導体１２と、複数のビア導体１３と、給電用マイクロストリップ線路１７とを備えて構成される。まず、本実施形態に係るアンテナ装置について議論する前に、比較例１に係る低姿勢リング付きマッシュルームアンテナの電流分布について検討し、給電線近傍の隣接パッチ間の２つのスリットに沿って電流密度が局在し集中していることが判明した。数値シミュレーション及び実験結果から、実施形態１に係るダブルスリットのマッシュルーム型アンテナ装置は、比較例１に係るメタマテリアルアンテナ装置と比較して、水平方向平均利得－３ｄＢｉ以上の帯域が広帯域化することが確認された。以上の結果から、実用化のための低姿勢アンテナ構造の簡素化に寄与できる。

以上の実施形態１では、円平板形状のパッチ導体１２を用いているが、本発明はこれに限らず、楕円平板形状のパッチ導体を用いてもよい。

４．実施形態２及び比較例２
図５は実施形態２に係るアンテナ装置の構成例を示す平面図である。図５において、実施形態２に係るアンテナ装置は、実施形態１に係るアンテナ装置に比較して以下の相違点を有する。
（１）円形平板形状のパッチ導体１２に代えて、長方形状のパッチ導体３１を備える。
（２）６個のビア導体１３に代えて、例えば４個である複数のビア導体１３を備える。
（３）給電点Ｐ１近傍のビア導体１３を挟むように、パッチ導体３１の長方形の各角部から中心Ｏに向かって延在するスリット３２Ａ，３２Ｂを誘電体基板１０上に形成した。

なお、実施形態２において、スリット３２Ａ，３２Ｂを有しないアンテナ装置を「比較例２」に係るアンテナ装置とする。

図６は比較例２及び実施形態２に係るアンテナ装置の反射係数及び平均利得の周波数特性を示すグラフである。

［表２］
―――――――――――――――――――――――
比較例２実施形態２
―――――――――――――――――――――――
－６ｄＢ比帯域１．９１％４．４７％
－３ｄＢｉ比帯域３．８０％４．１３％
―――――――――――――――――――――――

図６及び表２から明らかなように、実施形態２に係るダブルスリットのマッシュルーム型アンテナ装置は、比較例２に係るメタマテリアルアンテナ装置と比較して、水平方向平均利得－３ｄＢｉ以上の帯域が広帯域化することが確認された。以上の結果から、実用化のための低姿勢アンテナ構造の簡素化に寄与できる。

５．実施形態３及び比較例３
図７は実施形態３に係るアンテナ装置の構成例を示す平面図である。図７において、実施形態３に係るアンテナ装置は、実施形態２に係るアンテナ装置に比較して以下の相違点を有する。
（１）給電点Ｐ１近傍のビア導体１３を挟むように、パッチ導体３１の長方形の図上の上部辺（給電点Ｐ１希望）の２点から中心Ｏに向かって延在するスリット３３Ａ，３３Ｂを誘電体基板１０上に形成した。すなわち、実施形態３において、中心Ｏを中心として、スリット３３Ａ，３３Ｂがなす角度は、実施形態２に係るアンテナ装置のスリット３２Ａ，３２Ｂがなす角度よりも小さい。

なお、実施形態３において、スリット３３Ａ，３３Ｂを有しないアンテナ装置を「比較例３」に係るアンテナ装置とする。

図８は比較例３及び実施形態３に係るアンテナ装置の反射係数及び平均利得の周波数特性を示すグラフである。

［表３］
―――――――――――――――――――――――
比較例３実施形態３
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－６ｄＢ比帯域２．８５％６．９６％
－３ｄＢｉ比帯域３．９１％５．６２％
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図８及び表３から明らかなように、実施形態３に係るダブルスリットのマッシュルーム型アンテナ装置は、比較例３に係るメタマテリアルアンテナ装置と比較して、水平方向平均利得－３ｄＢｉ以上の帯域が広帯域化することが確認された。以上の結果から、実用化のための低姿勢アンテナ構造の簡素化に寄与できる。

６．実施形態４及び比較例４
図９は実施形態４に係るアンテナ装置の構成例を示す平面図である。図９において、実施形態４に係るアンテナ装置は、実施形態１に係るアンテナ装置に比較して以下の相違点を有する。
（１）円形平板形状のパッチ導体１２に代えて、菱形形状のパッチ導体１２Ａを備える。
（２）６個のビア導体１３に代えて、例えば８個である複数のビア導体１３を備える。
（３）給電点Ｐ１近傍のビア導体１３を挟むように、パッチ導体１２Ａの菱形の図上の上部に位置する隣接する２辺から中心Ｏに向かって延在するスリット１４Ａ，１４Ｂを誘電体基板１０上に形成した。

なお、実施形態４において、スリット１４Ａ、１４Ｂを有しないアンテナ装置を「比較例４」に係るアンテナ装置とする。

図１０は比較例４及び実施形態４に係るアンテナ装置の反射係数及び平均利得の周波数特性を示すグラフである。

［表４］
―――――――――――――――――――――――
比較例４実施形態４
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－６ｄＢ比帯域３．６６％８．１８％
－３ｄＢｉ比帯域３．６９％７．６６％
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図１０及び表４から明らかなように、実施形態４に係るダブルスリットのマッシュルーム型アンテナ装置は、比較例４に係るメタマテリアルアンテナ装置と比較して、水平方向平均利得－３ｄＢｉ以上の帯域が広帯域化することが確認された。以上の結果から、実用化のための低姿勢アンテナ構造の簡素化に寄与できる。

７．比較例５
図１１は比較例５に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図１１において、比較例５に係るアンテナ装置は、実施形態１に係るアンテナ装置に比較して、以下の相違点を有する。
（１）給電点Ｐ１を、スリット１４Ａ，１４Ｂが挟むパッチ導体１２の外縁の位置から、中心Ｏを介して反対側の（１８０度回転した）位置に設けた。

図１２は比較例５に係るアンテナ装置の反射係数及び平均利得の周波数特性を示すグラフである。

［表５］
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比較例５実施形態１比較例１
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－３ｄＢｉ比帯域３．６９％８．８４％５．６０％
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図１２及び表５から明らかなように、比較例５に係るアンテナ装置は、実施形態１及び比較例１に比較して、動作帯域を広くすることができない。従って、アンテナ装置の広帯域化のためには、給電点Ｐ１の位置は、実施形態１のように、スリット１４Ａ，１４Ｂを挟むビア導体１３の近傍に配置することが好ましい。

８．比較例６
図１３は比較例６に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図１３において、比較例６に係るアンテナ装置は、実施形態１に係るアンテナ装置に比較して、以下の相違点を有する。
（１）給電点Ｐ１を、スリット１４Ａ，１４Ｂが挟むパッチ導体１２の外縁の位置から、中心Ｏを中心として９０度回転した位置に設けた。

図１４は比較例６に係るアンテナ装置の反射係数及び平均利得の周波数特性を示すグラフである。

［表６］
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比較例６実施形態１比較例１
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－３ｄＢｉ比帯域３．６９％８．８４％５．６０％
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図１４及び表６から明らかなように、比較例６に係るアンテナ装置は、実施形態１及び比較例１に比較して、動作帯域を広くすることができない。従って、アンテナ装置の広帯域化のためには、給電点Ｐ１の位置は、実施形態１のように、スリット１４Ａ，１４Ｂを挟むビア導体１３の近傍に配置することが好ましい。

９．比較例７
図１５は比較例７に係るアンテナ装置の反射係数及び平均利得の周波数特性を示すグラフである。図１５において、「低次整合」は実施形態１において結合キャパシタ１５の容量値が０．３ｐＦのときの入力インピーダンスの整合状態を示し、「高次整合」は実施形態１において結合キャパシタ１５の容量値が０．４ｐＦのときの入力インピーダンスの整合状態を示す。また、表７は、高次整合及び低次整合における－３ｄＢｉ比帯域を示す。

［表７］
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低次整合高次整合
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－３ｄＢｉ比帯域５．７８％８．８４％
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図１５及び表７は、存在する２つの共振モードのどちらに重点をおいて入力インピーダンスの整合を取ったほうが広帯域動作を促すかという問題を解決するための説明を示す。ここで、結合キャパシタ１５の容量値を適宜変化させることによって最適な入力インピーダンスの整合を実現できる。特に、図１５及び表７から明らかなように、高次の共振を用いて動作帯域を構成するように入力インピーダンスの整合をとることで、放射利得を大幅に拡大できることがわかる。

１０．実施形態のまとめ
以上説明したように、実施形態１～４に係る、低姿勢で無指向かつ垂直偏波のマッシュルーム型アンテナ装置において、広帯域動作を実現する簡素化された構造を提案した。実施形態１～４に係るアンテナ装置は、２本のスリット１４Ａ，１４Ｂが装荷されたパッチ導体１２と、複数のビア導体１３と、給電用マイクロストリップ線路１７とを備えて構成される。数値シミュレーション及び実験結果から、実施形態１に係るダブルスリットのマッシュルーム型アンテナ装置はそれぞれ、比較例１～４に係るメタマテリアルアンテナ装置と比較して、水平方向平均利得－３ｄＢｉ以上の帯域が広帯域化することが確認された。以上の結果から、実用化のための低姿勢アンテナ構造の簡素化に寄与できる。

１１．変形例
以上の実施形態において、誘電体基板１０を用いているが、本発明はこれに限らず、パッチ導体１２及び接地導体１１を所定の間隔で保持できる手段により、パッチ導体１２と接地導体１１との間は空気などの自由空間であってもよい。

以上の実施形態において、結合キャパシタ１５を用いて送信する無線信号を給電させているが、本発明はこれに限らず、主として容量結合である電磁結合に代えて、直接給電方式で給電してもよい。

以上詳述したように、本発明に係るアンテナ装置によれば、従来例２に係るアンテナ装置に比較して動作帯域を広くすることができるアンテナ装置を提供できる。これにより、例えば携帯電話機等の無線送受信機のための低姿勢の広帯域アンテナ装置として好適である。

１０誘電体基板
１１接地導体
１２，１２Ａパッチ導体
１３ビア導体
１４Ａ，１４Ｂスリット
１４Ｂｅスリットの先端
１５結合キャパシタ
１６給電用ストリップ導体
１７マイクロストリップ線路
２０無線送信回路
２１ループ導体
２２分割パッチ導体
３１パッチ導体
３２Ａ，３２Ｂスリット
３３Ａ，３３Ｂスリット
Ｐ１給電点
Ｐ２給電ポート

Claims

接地導体と、
前記接地導体と対向するように所定の間隔で配置されたパッチ導体と、
前記パッチ導体と前記接地導体とを電気的に接続する複数の短絡導体と、
前記パッチ導体の外縁部に配置される給電点と
を備えたアンテナ装置であって、
前記複数の短絡導体のうち前記給電点に最も近い少なくとも１つの短絡導体を挟むように、前記パッチ導体の外縁部から前記パッチ導体の中心に向かって延在するように形成された２個のスリットを備えたことを特徴とするアンテナ装置。
前記２個のスリットは、前記パッチ導体の外縁部から前記パッチ導体の中心までの長さよりも短い長さを有することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
前記パッチ導体は、円形状、楕円形状、長方形状、又は菱形形状を有することを特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ装置。
前記給電点に接続される給電線路をさらに備えたことを特徴とする請求項１～３のうちのいずれか１つに記載のアンテナ装置。
前記パッチ導体と前記接地導体との間に挿入される誘電体基板をさらに備えたことを特徴とする請求項１～４のうちのいずれか１つに記載のアンテナ装置。