JP7090330B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、平板構造を有するアンテナ装置に関する。

無指向性のアンテナ装置としてダイポールアンテナ及びモノポールアンテナなどが知られているが、これらは、接地面に対する垂直方向の寸法が大きい。一方、低姿勢のアンテナ装置としてパッチアンテナが知られているが、これは、接地面に対して垂直な主ビーム方向を有し、無指向性のアンテナ装置としては動作しない。

無指向性かつ低姿勢のアンテナ装置として、マッシュルームアンテナが知られている。マッシュルームアンテナは、互いに平行な接地導体及びパッチ導体と、それらを互いに接続するビア導体とを備える。マッシュルームアンテナは、接地導体及びパッチ導体の間の静電容量と、ビア導体のインダクタンスとの並列共振動作により、接地導体に沿った水平面内で無指向性の放射を実現する。

従来のマッシュルームアンテナは狭帯域かつ単一周波数で動作する。従って、より広帯域で、かつ複数の周波数で動作するアンテナ装置が求められる。

特許文献１及び非特許文献１は、平板状の導体部材である地板と、地板と対向するように所定の間隔をおいて平行に設置された平板状の導体部材であるパッチ部と、パッチ部と地板とを電気的に接続する複数の短絡部と、パッチ部の外縁部と所定の間隔を有するように、地板と平行な平面内に配置されたループ状の導体部材であるループ部と、を備えるアンテナ装置を開示している。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る。パッチ部の面積は、所定の対象周波数において短絡部が提供するインダクタンスと並列共振を生じさせる静電容量を形成する面積となっている。このアンテナ装置は、従来のマッシュルームアンテナよりも広帯域で動作することができる。

また、特許文献２及び非特許文献２は、平板状の導体部材である地板と、地板と対向するように所定の間隔をおいて平行に設置された平板状の導体部材であるパッチ部と、パッチ部と地板とを電気的に接続するための複数の第１導電素子と、パッチ部と地板とを電気的に接続するための複数の第２導電素子と、を備えるアンテナ装置を開示している。複数の第１導電素子は、パッチ部の中心であるパッチ中心点からの距離が所定の第１距離となる円周上に実質的に等間隔で配置されている。複数の第２導電素子は、パッチ部の中心からの距離が第１距離よりも大きい第２距離となる円周上に実質的に等間隔で配置されている。パッチ部から第２導電素子を通って地板へ流れる電流経路上には所定の静電容量を提供する容量性素子が設けられている。このアンテナ装置は、第１周波数の電波と、第１周波数よりも高い第２周波数の電波のそれぞれを送信又は受信することができる。

特開２０１７－１５３０３２号公報 特願２０１７－１８９８７９号

Tetsuya Ueda et al., "Enhancement of Bandwidth for Low-Profile Omnidirectional Zeroth-Order Resonant Antennas", Proceedings of 2016 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP), pp. 18-19, October 2016. Shuhei Terada et al, "Dual-band Mushroom Antenna with Two Concentric Circles Composite Vias", Proceedings of the 2018 IEEE AP-S International Symposium on Antennas and Propagation (APS/URSI2018), pp. 653-654, July 2018.

特許文献１及び非特許文献１のアンテナ装置は、従来のマッシュルームアンテナよりも広帯域で動作することができるが、単一周波数のみで動作する。

特許文献２及び非特許文献２のアンテナ装置は、２つの周波数で動作することができるが、いずれの周波数で動作するときも狭い動作帯域を有する。

本発明の目的は、無指向性かつ低姿勢のアンテナ装置であって、複数の周波数で、かつ、従来よりも広帯域で動作することができるアンテナ装置を提供することにある。

本発明の第１の態様に係るアンテナ装置は、
互いに対向する第１及び第２の面を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の第１の面に形成された接地導体と、
前記誘電体基板の第２の面に形成され、第１の面積を有する複数の第１のパッチ導体と、
前記誘電体基板の第２の面に形成され、前記第１の面積よりも小さい第２の面積を有する複数の第２のパッチ導体と、
前記誘電体基板を貫通するように形成され、前記複数の第１のパッチ導体を前記接地導体にそれぞれ接続する複数の第１の接続素子と、
前記誘電体基板を貫通するように形成され、前記複数の第２のパッチ導体を前記接地導体にそれぞれ接続する複数の第２の接続素子とを備え、
前記第１及び第２のパッチ導体は、前記誘電体基板の第２の面における基準点の周りに交互に、かつ、互いの間にスリットを有して配置され、前記第１及び第２のパッチ導体は、前記基準点において互いに接続され、
前記各第１の接続素子は、前記基準点を中心として第１の半径を有する円周の上に設けられ、
前記各第２の接続素子は、前記基準点を中心として、前記第１の半径とは異なる第２の半径を有する円周の上に設けられる。

本発明の第２の態様に係るアンテナ装置は、第１の態様に係るアンテナ装置において、
前記第１及び第２の接続素子のうちの少なくとも一方は、前記第１又は第２のパッチ導体を前記接地導体に高周波的に接続する。

本発明の第３の態様に係るアンテナ装置は、第１又は２の態様に係るアンテナ装置において、
前記第１の接続素子は、キャパシタを介さずに前記第１又は第２のパッチ導体を前記接地導体に接続するビア導体を備え、
前記第２の接続素子は、互いに直列に接続されたキャパシタ及びビア導体を備えた。

本発明の第４の態様に係るアンテナ装置は、第１又は２の態様に係るアンテナ装置において、
前記第１及び第２の接続素子のそれぞれは、互いに直列に接続されたキャパシタ及びインダクタを備える。

本発明の第５の態様に係るアンテナ装置は、第１～第４のうちの１つの態様に係るアンテナ装置において、
前記第２の半径は前記第１の半径よりも小さい。

本発明の第６の態様に係るアンテナ装置は、第１～第４のうちの１つの態様に係るアンテナ装置において、
前記第２の半径は前記第１の半径よりも大きい。

本発明の第７の態様に係るアンテナ装置は、第１～第６のうちの１つの態様に係るアンテナ装置において、
前記アンテナ装置は、
前記誘電体基板の第２の面において、前記第１及び第２のパッチ導体を包囲するように、かつ、前記第１及び第２のパッチ導体のエッジに容量結合するように形成されたループ導体と、
前記ループ導体に設けられた給電点とをさらに備える。

本発明の一態様に係るアンテナ装置は、複数の周波数で、かつ、従来よりも広帯域で動作することができる。

第１の実施形態に係るアンテナ装置１０の構成を示す斜視図である。 図１のアンテナ装置１０の構成を示す平面図である。 図２のパッチ導体３，４及びループ導体５の構成を示す一部拡大図である。 図２の接続素子７の構成を示す断面図である。 図２の接続素子８の構成を示す断面図である。 比較例に係るアンテナ装置１１０の構成を示す平面図である。 図６のＡ－Ａ’線における断面図を示し、図６のアンテナ装置１１０が低周波数帯域で動作するときの電流経路を示す図である。 比較例の第１の変形例に係るアンテナ装置１１０Ａの構成を示す平面図である。 図６のアンテナ装置１１０が高周波数帯域で動作するとき、アンテナ装置１１０に生じる磁界を示す平面図である。 比較例の第２の変形例に係るアンテナ装置１１０Ｂの構成を示す平面図である。 図１のアンテナ装置１０及び図６のアンテナ装置１１０が低周波数帯域で動作するときの反射損失及び利得の周波数特性を示すグラフである。 図１のアンテナ装置１０及び図６のアンテナ装置１１０が高周波数帯域で動作するときの反射損失及び利得の周波数特性を示すグラフである。 図１のアンテナ装置１０が低周波数帯域で動作するときの指向特性を示すグラフである。 図１のアンテナ装置１０が高周波数帯域で動作するときの指向特性を示すグラフである。 第２の実施形態に係るアンテナ装置１０Ａの構成を示す平面図である。 第３の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｂの構成を示す平面図である。 第４の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｃの構成を示す平面図である。 図１７のアンテナ装置１０Ｃが低周波数帯域で動作するときの反射損失及び利得の周波数特性を示すグラフである。 図１７のアンテナ装置１０Ｃが高周波数帯域で動作するときの反射損失及び利得の周波数特性を示すグラフである。 第５の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｄの構成を示す平面図である。 図２０のアンテナ装置１０Ｄが低周波数帯域で動作するときの反射損失及び利得の周波数特性を示すグラフである。 図２０のアンテナ装置１０Ｄが高周波数帯域で動作するときの反射損失及び利得の周波数特性を示すグラフである。 第６の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｅの構成を示す平面図である。 図２３のアンテナ装置１０Ｅが低周波数帯域で動作するときの反射損失及び利得の周波数特性を示すグラフである。 図２３のアンテナ装置１０Ｅが高周波数帯域で動作するときの反射損失及び利得の周波数特性を示すグラフである。 第７の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｆの構成を示す平面図である。 第８の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｇの構成を示す平面図である。 第９の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｈの構成を示す平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の各実施形態に係るアンテナ装置について説明する。各図面において、同じ符号は同様の構成要素を示す。

第１の実施形態．
図１は、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０の構成を示す斜視図である。図２は、図１のアンテナ装置１０の構成を示す平面図である。図３は、図２のパッチ導体３，４及びループ導体５の構成を示す一部拡大図である。

アンテナ装置１０は、誘電体基板１、接地導体２、複数のパッチ導体３、複数のパッチ導体４、ループ導体５、給電線路６、複数の接続素子７、及び複数の接続素子８を備える。

誘電体基板１は、互いに対向する下面（図１の－Ｚ側の面）及び上面（図１の＋Ｚ側の面）を有する。本明細書では、誘電体基板１の下面を「第１の面」ともいい、誘電体基板１の上面を「第２の面」ともいう。

接地導体２は、誘電体基板１の下面に形成される。

各パッチ導体３及び４は、誘電体基板１の上面に形成される。各パッチ導体３は第１の面積をそれぞれ有し、各パッチ導体４は、第１の面積よりも小さい第２の面積をそれぞれ有する。各パッチ導体３及び４は、誘電体基板１の上面における基準点Ｏの周りに交互に、かつ、互いの間にスリットＳ（図３を参照）を有して配置される。各パッチ導体３及び４は、それらの中心において互いに電気的に接続される。本明細書では、各パッチ導体３を「第１のパッチ導体」ともいい、各パッチ導体４を「第２のパッチ導体」ともいう。第１の実施形態の例では、アンテナ装置１０が４つのパッチ導体３及び４つのパッチ導体４を備える場合を示す。また、第１の実施形態の例では、各パッチ導体３及び４が二等辺三角形である場合を示す。

ループ導体５は、誘電体基板１の上面において、各パッチ導体３及び４を包囲するように、かつ、各パッチ導体３及び４のエッジに容量結合するように形成される。ループ導体５はストリップ導体として形成される。ループ導体５の一点は、キャパシタＣｆを介して給電線路６に接続される。給電線路６は、誘電体基板１の上に形成されたストリップ導体と、接地導体２とを備えるマイクロストリップ線路である。従って、キャパシタＣｆを介して給電線路６に接続されたループ導体５の一点は、アンテナ装置１０の給電点として機能する。

各接続素子７及び８は、誘電体基板１を貫通するように形成される。各１つのパッチ導体３は、少なくとも１つの接続素子７を介して接地導体２に接続される。各１つのパッチ導体４は、少なくとも１つの接続素子８を介して接地導体２に接続される。本明細書では、各接続素子７を「第１の接続素子」ともいい、各接続素子８を「第２の接続素子」ともいう。各接続素子７は、基準点Ｏを中心として第１の半径ｒ１を有する円周の上に設けられ、各接続素子８は、基準点Ｏを中心として、第１の半径ｒ１とは異なる第２の半径ｒ２を有する円周の上に設けられる。第１の実施形態の例では、各接続素子８が設けられた円周の半径ｒ２が、各接続素子７が設けられた円周の半径ｒ１よりも小さい場合を示す。

図４は、図２の接続素子７の構成を示す断面図である。図５は、図２の接続素子８の構成を示す断面図である。第１の実施形態の例では、各接続素子７は、キャパシタを介さずにパッチ導体３を接地導体２に接続するビア導体を備え、各接続素子８は、互いに直列に接続されたキャパシタ及びビア導体を備える。各接続素子７のビア導体はインダクタンスＬ１を有する。また、各接続素子８のビア導体はインダクタンスＬ２を有する。また、図５の例では、接続素子８のビア導体の下端が接地導体２に接続され、接続素子８のビア導体の上端がパッチ導体４に対して所定距離を有するように形成され、これにより、ビア導体とパッチ導体４との間に静電容量Ｃ２が形成される。各接続素子８は、インダクタンスＬ２及び静電容量Ｃ２からなる直列ＬＣ共振回路を形成する。

各接続素子８が静電容量Ｃ２を含むことにより、各パッチ導体４は、各接続素子８を介して接地導体２に対して高周波的に接続される。

図５のように形成される静電容量Ｃ２に代えて、接続素子８のビア導体の上端をパッチ導体４に接続し、接続素子８のビア導体の下端を接地導体２に対して所定距離を有するように形成し、これにより、ビア導体と接地導体２との間に静電容量を形成してもよい。それに代わって、パッチ導体４に接続されたビア導体の下端と、接地導体２に接続されたもう１つのビア導体の上端との間に静電容量を形成してもよい。また、接続素子８のビア導体、パッチ導体４、及び／又は接地導体２の間に形成される静電容量に代えて、チップキャパシタを用いてもよい。

図１に示すように、給電線路６はさらに無線通信回路２０に接続される。無線通信回路２０からアンテナ装置１０に無線信号が供給されるとき、無線信号は、給電線路６及びキャパシタＣｆを介してループ導体５に流れる。次いで、無線信号は、ループ導体５と各パッチ導体３及び４との間の容量結合を介して、ループ導体５から各パッチ導体３及び４に流れる。これにより、アンテナ装置１０は無線信号を送信する。受信時も、アンテナ装置１０は送信時と同様に動作する。

次に、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０が２つの周波数帯域で動作することについて説明する。

マッシュルームアンテナでは、接地導体及びパッチ導体の間の静電容量と、ビア導体のインダクタンスとによって、その静電容量及び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る。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、また、接地導体及びパッチ導体の距離に応じて決まる。また、ビア導体のインダクタンスは、ビア導体の直径に応じて決まる。従って、例えば、パッチ導体の面積及びビア導体の直径を調整することで、マッシュルームアンテナを所望の周波数帯域で動作させことができる。

アンテナ装置１０は、相対的に低い周波数帯域である低周波数帯域では、より大きなパッチ導体３（第１のパッチ導体）と、それに接続された接続素子７（第１の接続素子）とを主たる電流経路として動作する。一方、アンテナ装置１０は、相対的に高い周波数帯域である高周波数帯域では、より小さなパッチ導体４（第２のパッチ導体）と、それに接続された接続素子８（第２の接続素子）とを主たる電流経路として動作する。

まず、低周波数帯域において、各パッチ導体３及び各接続素子７を主たる電流経路としてアンテナ装置１０が動作する場合について説明する。各接続素子７に電流が流れるとき、半径ｒ１を有する円周の上に実質的に等間隔で配置されている複数の接続素子７は、半径ｒ１を有する１つの円柱導体として動作する。この円柱導体は、半径ｒ１に応じたインダクタンスを提供する。電流は主として円柱導体の側面に沿って流れ、その内部の領域には電磁界はほとんど進入しない。各パッチ導体３及び４は、スリットＳにより、互いに電気的に切り離されている。従って、各パッチ導体３及び各接続素子７を主たる電流経路としてアンテナ装置１０が動作する場合、半径ｒ２を有する円周の上に配置された各接続素子８の存在を無視することができる。円柱導体の内部には電磁界が進入しないので、各パッチ導体３の領域全体のうち、半径ｒ１を有する円周よりも外側の領域が、接地導体２との間における静電容量の形成に寄与する。従って、この場合、アンテナ装置１０は、半径ｒ１を有する円柱導体のインダクタンスと、半径ｒ１を有する円周よりも外側における各パッチ導体３の領域が接地導体２とともに形成する静電容量との並列共振回路として動作する。

次に、高周波数帯域において、各パッチ導体４及び各接続素子８を主たる電流経路としてアンテナ装置１０が動作する場合について説明する。各接続素子８に電流が流れるとき、半径ｒ２を有する円周の上に実質的に等間隔で配置されている複数の接続素子８は、半径ｒ２を有する円柱導体として動作する。この円柱導体は、半径ｒ２に応じたインダクタンスを提供する。電流は主として半径ｒ２の円柱導体の側面に沿って流れ、その内側の領域には電磁界はほとんど進入しない。円柱導体の内部には電磁界が進入しないので、各パッチ導体４の領域全体のうち、半径ｒ２を有する円周よりも外側の領域が、接地導体２との間における静電容量の形成に寄与する。さらに、各接続素子８は、静電容量Ｃ２及びインダクタンスＬ２の直列共振回路として動作する。従って、この場合、アンテナ装置１０は、半径ｒ２を有する円柱導体のインダクタンスと、静電容量Ｃ２及びインダクタンスＬ２の直列共振回路と、半径ｒ２を有する円周よりも外側における各パッチ導体４の領域が接地導体２とともに形成する静電容量との並列共振回路として動作する。

以上説明したように、各パッチ導体４及び各接続素子８を主たる電流経路としてアンテナ装置１０が動作する際の共振周波数は、各パッチ導体３及び各接続素子７を主たる電流経路としてアンテナ装置１０が動作する際の共振周波数よりも高くなる。また、各共振周波数は、各構成要素のインダクタンス及び／又は静電容量を調整することによって所望値に設定することができる。

このように、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０によれば、低周波数帯域と高周波数帯域とで異なる電流経路が形成される。その結果、１つのアンテナ装置１０を用いて、低周波数帯域の電波と高周波数帯域の電波をそれぞれ送受信することができる。

次に、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０が従来よりも広帯域で動作することについて説明する。

図６は、比較例に係るアンテナ装置１１０の構成を示す平面図である。図７は、図６のＡ－Ａ’線における断面図を示し、図６のアンテナ装置１１０が低周波数帯域で動作するときの電流経路を示す図である。

アンテナ装置１１０は、誘電体基板１０１、接地導体１０２、単一のパッチ導体１０３、給電線路１０６、複数の接続素子１０７、及び複数の接続素子１０８を備える。誘電体基板１０１は、互いに対向する下面及び上面を有する。接地導体１０２は、誘電体基板１０１の下面に形成される。パッチ導体１０３は、誘電体基板１の上面に形成される。給電線路１０６は、キャパシタＣｆを介してパッチ導体１０３に接続される。各接続素子１０７及び１０８は、誘電体基板１０１を貫通するように形成される。各接続素子１０７は、互いに直列に接続されたキャパシタ及びビア導体を備え（図５を参照）、各接続素子１０８は、キャパシタを介さずにパッチ導体１０３を接地導体１０２に接続するビア導体を備える（図４を参照）。パッチ導体１０３は、各接続素子１０７及び１０８を介して接地導体２に接続される。各接続素子１０７は、基準点Ｏを中心として第１の半径を有する円周の上に設けられ、各接続素子１０８は、基準点Ｏを中心として、第１の半径より小さい第２の半径を有する円周の上に設けられる。

図７は、図６のアンテナ装置１１０が低周波数帯域で動作するとき、各接続素子１０８を主たる電流経路としてアンテナ装置１１０が動作する場合を示す。図７において、白い矢印が電流経路を示す。この場合、パッチ導体１０３を介して各接続素子１０７に逆流電流が流れ、これにより、アンテナ装置１１０の利得が低下する。

図８は、比較例の第１の変形例に係るアンテナ装置１１０Ａの構成を示す平面図である。本願の発明者は、逆流電流に起因する利得の低下を防止するために、図８の構成が有効であることを発見した。アンテナ装置１１０Ａは、図６の単一のパッチ導体１０３に代えて、中心を通る直線状のスリットにより放射状に分割された複数のパッチ導体１０３Ａを備える。これらのパッチ導体１０３Ａは、接続素子１０７を介して接地導体１０２に接続された第１のパッチ導体１０３Ａと、接続素子１０８を介して接地導体１０２に接続された第２のパッチ導体１０３Ａとを含み、各第１のパッチ導体１０３Ａ及び各第２のパッチ導体１０３Ａは、基準点Ｏの周りに交互に配置される。従って、各１つのパッチ導体１０３Ａは、第１の半径を有する円周の上に設けられた接続素子１０７と、第２の半径を有する円周の上に設けられた接続素子１０８とのうちの一方のみに接続されるので、図７に示すような逆流電流は生じない。

図９は、図６のアンテナ装置１１０が高周波数帯域で動作するとき、アンテナ装置１１０に生じる磁界を示す平面図である。図９において、白い矢印が磁束の流れを示す。磁界の位相差に起因して、パッチ導体１０３の面に対して垂直方向への放射利得が増大し、それに応じて、パッチ導体１０３に沿った水平面内での放射利得が低下する。

図１０は、比較例の第２の変形例に係るアンテナ装置１１０Ｂの構成を示す平面図である。本願の発明者は、磁界の位相差に起因する利得の低下を防止するために、図１０の構成が有効であることを発見した。アンテナ装置１１０は、図６の単一のパッチ導体１０３に代えて、複数のパッチ導体１０３Ｂ及び複数のパッチ導体１０３Ｃを備える。各パッチ導体１０３Ｂは第１の面積をそれぞれ有し、各パッチ導体１０３Ｃは、第１の面積よりも小さい第２の面積をそれぞれ有する。各パッチ導体１０３Ｂ及び１０３Ｃは、誘電体基板１の上面における基準点Ｏの周りに交互に配置される。また、各パッチ導体１０３Ｂは、接続素子１０７を介して接地導体１０２に接続され、各パッチ導体１０３Ｃは、接続素子１０８を介して接地導体１０２に接続される。アンテナ装置１１０Ｂが高周波数帯域で動作するとき、各パッチ導体１０３Ｃは波長に対して最適なサイズを有するので、図９に示すような磁界の位相差を解消することができる。従って、アンテナ装置１１０Ｂによれば、パッチ導体１０３の面に対して垂直方向への放射利得の増大を生じにくくし、それに応じて、パッチ導体１０３に沿った水平面内での放射利得の低下を生じにくくすることができる。

図１のアンテナ装置１０は、図８の構成及び図１０の構成の組み合わせである。これにより、放射利得の低下を生じにくくすることができる。従って、図１のアンテナ装置１０は、無指向性かつ低姿勢であって、複数の周波数で、かつ、従来よりも広帯域で動作することができる。

次に、図１１～図１４を参照して、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０のシミュレーション結果について説明する。

シミュレーションでは、以下のパラメータを設定した。

誘電体基板１の寸法：ｘ１×ｙ１×ｔ＝７５．３×７５．３×１．６ｍｍ
誘電体基板１の比誘電率：２．２
誘電正接：ｔａｎδ＝０．０００９
各パッチ導体３の互いに等しい２辺の長さ：Ａ１＝２４ｍｍ
各パッチ導体３の互いに等しい２辺に挟まれた角度：φ１＝４５度
各パッチ導体４の互いに等しい２辺の長さ：Ａ２＝１８ｍｍ
各パッチ導体４の互いに等しい２辺に挟まれた角度：φ２＝４５度
各接続素子７が設けられた円周の半径：ｒ１＝１０．５ｍｍ
各接続素子８が設けられた円周の半径：ｒ２＝１０ｍｍ
スリットＳの幅：０．５ｍｍ
ループ導体５の幅：ｗｈ＝０．１ｍｍ
ループ導体５から各パッチ導体３及び４への距離：ｗｇ＝０．２ｍｍ
接地導体２、各パッチ導体３及び４、ループ導体５の材料：銅
キャパシタＣｆの容量：０．６又は１．４ｐＦ
各接続素子８の静電容量Ｃ２：６ｐＦ
各接続素子７の半径：ｒ３＝０．５ｍｍ
各接続素子８の半径：ｒ４＝０．５ｍｍ

図１１は、図１のアンテナ装置１０及び図６のアンテナ装置１１０が低周波数帯域で動作するときの反射損失及び利得の周波数特性を示すグラフである。図１２は、図１のアンテナ装置１０及び図６のアンテナ装置１１０が高周波数帯域で動作するときの反射損失及び利得の周波数特性を示すグラフである。

本明細書では、「低周波数帯域」は２．５～３ＧＨｚを示し、「高周波数帯域」は４～４．５ＧＨｚを示すものとする。

図６のアンテナ装置１１０（比較例）が低周波数帯域で動作するとき、反射損失が－６ｄＢ以下になる比帯域幅は１．０４％であり、利得が－３ｄＢｉ以上になる比帯域幅は０．９５％であった。一方、図１のアンテナ装置１０（実施例）が低周波数帯域で動作するとき、反射損失が－６ｄＢ以下になる比帯域幅は３．１９％であり、利得が－３ｄＢｉ以上になる比帯域幅は２．４９％であった。

図６のアンテナ装置１１０（比較例）が高周波数帯域で動作するとき、反射損失が－６ｄＢ以下になる比帯域幅は１．７０％であり、利得が－３ｄＢｉ以上になる比帯域幅は０％であった。一方、図１のアンテナ装置１０（実施例）が高周波数帯域で動作するとき、反射損失が－６ｄＢ以下になる比帯域幅は２．３６％であり、利得が－３ｄＢｉ以上になる比帯域幅は０．９４％であった。

第１の実施形態に係るアンテナ装置１０は、低周波数帯域でも高周波数帯域でも、比較例に係るアンテナ装置１１０よりも広帯域で動作することがわかる。

図１３は、図１のアンテナ装置１０が低周波数帯域で動作するときの指向特性を示すグラフである。図１４は、図１のアンテナ装置１０が高周波数帯域で動作するときの指向特性を示すグラフである。第１の実施形態に係るアンテナ装置１０は、低周波数帯域でも高周波数帯域でも、無指向性の放射特性を実現できることがわかる。

第１の実施形態の例では、各パッチ導体３，４及び各接続素子７，８を、基準点Ｏを通る直線に対して線対称に、かつ、基準点Ｏの周りに回転対称に形成及び配置している。これにより、良好な無指向性の放射特性を実現することができる。

以上説明したように、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０は、無指向性かつ低姿勢であって、複数の周波数で、かつ、従来よりも広帯域で動作することができる。

第２の実施形態．
図１５は、第２の実施形態に係るアンテナ装置１０Ａの構成を示す平面図である。第１の実施形態では、各接続素子８が設けられた円周の半径が、各接続素子７が設けられた円周の半径よりも小さい場合について説明した。一方、第２の実施形態では、各接続素子８が設けられた円周の半径が、各接続素子７が設けられた円周の半径よりも大きい場合を示す。

互いに直列に接続されたキャパシタ及びビア導体を備えた各接続素子８が設けられた円周の半径は、キャパシタを介さずにパッチ導体３を接地導体２に接続するビア導体を備えた各接続素子７が設けられた円周の半径に対して、小さくても大きくてもよい。言い換えると、より小さなパッチ導体４（第２のパッチ導体）に接続された接続素子８（第２の接続素子）が設けられた円周の半径は、より大きなパッチ導体３（第１のパッチ導体）に接続された接続素子７（第１の接続素子）が設けられた円周の半径に対して、小さくても大きくてもよい。

各接続素子７が設けられた円周の半径は、アンテナ装置１０，１０Ａが低周波数帯域で動作するときの共振周波数に影響する。同様に、各接続素子８が設けられた円周の半径は、アンテナ装置１０，１０Ａが高周波数帯域で動作するときの共振周波数に影響する。前述のように、各パッチ導体３及び４は、スリットＳにより、互いに電気的に切り離されている。従って、各パッチ導体４は各パッチ導体３から実質的に独立しているので、各接続素子８が設けられた円周の半径が、各接続素子７が設けられた円周の半径に対して、小さくても大きくても、放射特性への影響は比較的に小さいと考えられる。

第２の実施形態に係るアンテナ装置１０Ａもまた、第１の実施形態と同様に、無指向性かつ低姿勢であって、複数の周波数で、かつ、従来よりも広帯域で動作することができる。

第３の実施形態．
図１６は、第３の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｂの構成を示す平面図である。各１つのパッチ導体３は、複数の接続素子７を介して接地導体２に接続されてもよい。アンテナ装置１０Ｂが動作する周波数帯域は、各接続素子７が設けられた円周の半径によって決まり、接続素子７の個数による影響は比較的に小さい。接続素子７の個数を増やすことにより、各パッチ導体３から接地導体２に電流を流れやすくし、整合条件を変化させることができる。

第３の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｂもまた、第１の実施形態などと同様に、無指向性かつ低姿勢であって、複数の周波数で、かつ、従来よりも広帯域で動作することができる。

第４の実施形態．
図１７は、第４の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｃの構成を示す平面図である。各１つのパッチ導体４は、複数の接続素子８を介して接地導体２に接続されてもよい。アンテナ装置１０Ｃが動作する周波数帯域は、各接続素子８が設けられた円周の半径によって決まり、接続素子８の個数による影響は比較的に小さい。接続素子８の個数を増やすことにより、各パッチ導体４から接地導体２に電流を流れやすくし、整合条件を変化させることができる。

図１８は、図１７のアンテナ装置１０Ｃが低周波数帯域で動作するときの反射損失及び利得の周波数特性を示すグラフである。図１９は、図１７のアンテナ装置１０Ｃが高周波数帯域で動作するときの反射損失及び利得の周波数特性を示すグラフである。第４の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｃは、低周波数帯域でも高周波数帯域でも、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０と同様に（図１１及び図１２を参照）、広帯域で動作することがわかる。

第４の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｃもまた、第１の実施形態などと同様に、無指向性かつ低姿勢であって、複数の周波数で、かつ、従来よりも広帯域で動作することができる。

第５の実施形態．
図２０は、第５の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｄの構成を示す平面図である。アンテナ装置１０Ｄは、誘電体基板１、接地導体（図示せず）、複数のパッチ導体３Ｄ、複数のパッチ導体４Ｄ、ループ導体５、給電線路６、複数の接続素子７、及び複数の接続素子８を備える。

各パッチ導体３Ｄ及び４Ｄは、誘電体基板１の上面に形成される。各パッチ導体３Ｄは第１の面積をそれぞれ有し、各パッチ導体４Ｄは、第１の面積よりも小さい第２の面積をそれぞれ有する。各パッチ導体３Ｄ及び４Ｄは、誘電体基板１の上面における基準点Ｏの周りに交互に、かつ、互いの間にスリットを有して配置される。各パッチ導体３Ｄ及び４Ｄは、それらの中心において互いに電気的に接続される。本明細書では、各パッチ導体３Ｄを「第１のパッチ導体」ともいい、各パッチ導体４Ｄを「第２のパッチ導体」ともいう。第５の実施形態の例では、アンテナ装置１０Ｄが２つのパッチ導体３Ｄ及び２つのパッチ導体４Ｄを備える場合を示す。また、第５の実施形態の例では、各パッチ導体３Ｄ及び４Ｄが二等辺三角形である場合を示す。

図２１は、図２０のアンテナ装置１０Ｄが低周波数帯域で動作するときの反射損失及び利得の周波数特性を示すグラフである。図２２は、図２０のアンテナ装置１０Ｄが高周波数帯域で動作するときの反射損失及び利得の周波数特性を示すグラフである。第５の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｄは、低周波数帯域でも高周波数帯域でも、無指向性の放射特性を実現できることがわかる。

第５の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｄもまた、第１の実施形態などと同様に、無指向性かつ低姿勢であって、複数の周波数で、かつ、従来よりも広帯域で動作することができる。

ただし、図２１及び図２２の場合において、図１３及び図１４の場合と比較すると、第１及び第２のパッチ導体の個数が減少したことにより、指向特性に歪みが生じている。後述するように、第１及び第２のパッチ導体の個数が増えるほど、より良好な無指向性の放射特性を実現することができる。

第６の実施形態．
図２３は、第６の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｅの構成を示す平面図である。アンテナ装置１０Ｅは、誘電体基板１、接地導体（図示せず）、複数のパッチ導体３Ｅ、複数のパッチ導体４Ｅ、ループ導体５、給電線路６、複数の接続素子７、及び複数の接続素子８を備える。

各パッチ導体３Ｅ及び４Ｅは、誘電体基板１の上面に形成される。各パッチ導体３Ｅは第１の面積をそれぞれ有し、各パッチ導体４Ｅは、第１の面積よりも小さい第２の面積をそれぞれ有する。各パッチ導体３Ｅ及び４Ｅは、誘電体基板１の上面における基準点Ｏの周りに交互に、かつ、互いの間にスリットを有して配置される。各パッチ導体３Ｅ及び４Ｅは、それらの中心において互いに電気的に接続される。本明細書では、各パッチ導体３Ｅを「第１のパッチ導体」ともいい、各パッチ導体４Ｅを「第２のパッチ導体」ともいう。第６の実施形態の例では、アンテナ装置１０Ｅが３つのパッチ導体３Ｅ及び３つのパッチ導体４Ｅを備える場合を示す。また、第６の実施形態の例では、各パッチ導体３Ｅ及び４Ｅが二等辺三角形である場合を示す。

図２４は、図２３のアンテナ装置１０Ｅが低周波数帯域で動作するときの反射損失及び利得の周波数特性を示すグラフである。図２５は、図２３のアンテナ装置１０Ｅが高周波数帯域で動作するときの反射損失及び利得の周波数特性を示すグラフである。第６の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｅは、低周波数帯域でも高周波数帯域でも、無指向性の放射特性を実現できることがわかる。図２４及び図２５の場合において、各パラメータを調整することにより図１３及び図１４の場合と同等の性能を得られると推測される。また、図２４及び図２５の場合において、図２１及び図２２の場合と比較すると、第１及び第２のパッチ導体の個数が増大したことにより、より良好な無指向性の放射特性を実現できることがわかる。

第６の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｅもまた、第１の実施形態などと同様に、無指向性かつ低姿勢であって、複数の周波数で、かつ、従来よりも広帯域で動作することができる。

第７の実施形態．
図２６は、第７の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｆの構成を示す平面図である。アンテナ装置１０Ｆは、図１の各接続素子７に代えて、複数の接続素子７Ｆを備える。

各接続素子７Ｆは、図５の接続素子８と同様に、互いに直列に接続されたキャパシタ及びビア導体を備える。各接続素子７Ｆが静電容量を含むことにより、各パッチ導体３は、各接続素子７Ｆを介して接地導体２に対して高周波的に接続される。図２６に示すように、各パッチ導体３及び４の両方が、互いに直列に接続されたキャパシタ及びビア導体を含む接続素子７Ｆ及び８を介して、接地導体２に対して接続されてもよい。

第７の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｆもまた、第１の実施形態などと同様に、無指向性かつ低姿勢であって、複数の周波数で、かつ、従来よりも広帯域で動作することができる。

第８の実施形態．
図２７は、第８の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｇの構成を示す平面図である。第７の実施形態では、各接続素子８が設けられた円周の半径が、各接続素子７Ｆが設けられた円周の半径よりも小さい場合について説明した。一方、第８の実施形態では、各接続素子８が設けられた円周の半径が、各接続素子７Ｆが設けられた円周の半径よりも大きい場合を示す。

より小さなパッチ導体４（第２のパッチ導体）に接続された接続素子８（第２の接続素子）が設けられた円周の半径は、より大きなパッチ導体３（第１のパッチ導体）に接続された接続素子７Ｆ（第１の接続素子）が設けられた円周の半径に対して、小さくても大きくてもよい。

第８の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｇもまた、第１の実施形態などと同様に、無指向性かつ低姿勢であって、複数の周波数で、かつ、従来よりも広帯域で動作することができる。

第９の実施形態．
図２８は、第９の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｈの構成を示す平面図である。アンテナ装置１０Ｈは、図１の各パッチ導体３及び４に代えて、複数のパッチ導体３Ｈ及び複数のパッチ導体４Ｈを備える。第９の実施形態の例では、各パッチ導体３Ｈ及び４Ｈが扇形である場合を示す。

第９の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｈもまた、第１の実施形態と同様に、無指向性かつ低姿勢であって、複数の周波数で、かつ、従来よりも広帯域で動作することができる。

他の変形例．
本発明の実施形態に係るアンテナ装置は、５つ以上の第１のパッチ導体及び５つ以上の第２のパッチ導体を備えてもよい。それに応じて、本発明の実施形態に係るアンテナ装置は、５つ以上の第１の接続素子及び５つ以上の第２の接続素子を備えてもよい。パッチ導体の個数が増えるほど、より良好な無指向性の放射特性を実現することができる。

各第１及び第２のパッチ導体は、二等辺三角形、扇形の他の形状を有してもよい。

本発明によれば、無指向性かつ低姿勢のアンテナ装置であって、複数の周波数で、かつ、従来よりも広帯域で動作することができるアンテナ装置を提供することができる。

１…誘電体基板、
２…接地導体、
３，４、３Ｄ，４Ｄ，３Ｅ，４Ｅ，３Ｈ，４Ｈ…パッチ導体、
５…ループ導体、
６…給電線路、
７，８，７Ｆ…接続素子、
１０，１０Ａ～１０Ｈ…アンテナ装置、
２０…無線通信回路、
Ｃｆ…キャパシタ。

Claims (7)

1. 互いに対向する第１及び第２の面を有する誘電体基板と、
   前記誘電体基板の第１の面に形成された接地導体と、
   前記誘電体基板の第２の面に形成され、第１の面積を有する複数の第１のパッチ導体と、
   前記誘電体基板の第２の面に形成され、前記第１の面積よりも小さい第２の面積を有する複数の第２のパッチ導体と、
   前記誘電体基板を貫通するように形成され、前記複数の第１のパッチ導体を前記接地導体にそれぞれ接続する複数の第１の接続素子と、
   前記誘電体基板を貫通するように形成され、前記複数の第２のパッチ導体を前記接地導体にそれぞれ接続する複数の第２の接続素子とを備え、
   前記第１及び第２のパッチ導体は、前記誘電体基板の第２の面における基準点の周りに交互に、かつ、互いの間にスリットを有して配置され、前記第１及び第２のパッチ導体は、前記基準点において互いに接続され、
   前記各第１の接続素子は、前記基準点を中心として第１の半径を有する円周の上に設けられ、
   前記各第２の接続素子は、前記基準点を中心として、前記第１の半径とは異なる第２の半径を有する円周の上に設けられた、
   アンテナ装置。
2. 前記第１及び第２の接続素子のうちの少なくとも一方は、前記第１又は第２のパッチ導体を前記接地導体に高周波的に接続する、
   請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記第１の接続素子は、キャパシタを介さずに前記第１又は第２のパッチ導体を前記接地導体に接続するビア導体を備え、
   前記第２の接続素子は、互いに直列に接続されたキャパシタ及びビア導体を備えた、
   請求項１又は２記載のアンテナ装置。
4. 前記第１及び第２の接続素子のそれぞれは、互いに直列に接続されたキャパシタ及びインダクタを備えた、
   請求項１又は２記載のアンテナ装置。
5. 前記第２の半径は前記第１の半径よりも小さい、
   請求項１～４のうちの１つに記載のアンテナ装置。
6. 前記第２の半径は前記第１の半径よりも大きい、
   請求項１～４のうちの１つに記載のアンテナ装置。
7. 前記アンテナ装置は、
   前記誘電体基板の第２の面において、前記第１及び第２のパッチ導体を包囲するように、かつ、前記第１及び第２のパッチ導体のエッジに容量結合するように形成されたループ導体と、
   前記ループ導体に設けられた給電点とをさらに備えた、
   請求項１～６のうちの１つに記載のアンテナ装置。

Images