JPWO2014122902A1 - アンテナ装置及び、無線通信装置 - Google Patents

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Abstract

各無給電素子アレーにおいて無給電素子は、ダイポールアンテナの長手方向に実質的に平行なストリップ形状を有し、所定の間隔で形成される。無給電素子アレーは、ダイポールアンテナからの電波を伝搬させる複数のギャップを形成するように配置され、ダイポールアンテナの長手方向の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸と、複数の無給電素子アレーで構成される無給電素子群ダイポールアンテナの長手方向の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸とが重ならないように配置される。

Description

本開示は、給電素子と、複数の無給電素子と、を備えたアンテナ装置、及びそれを用いた無線通信装置に関する。
従来技術として、ミリ波帯などの非常に高い高周波帯の電波の高利得なエンドファイアアンテナが知られている。高利得なアンテナは、指向性のビーム角度範囲が狭くなるため、モバイル機器などへの展開が困難であった。モバイル機器などへの展開を行うには、エンドファイアアンテナでのビーム制御が必要である。
一般的なエンドファイアアンテナは、誘電体基板の表面に形成された接地導体のエッジに、エッジに直交するスロットを形成し、誘電体基板の裏面にスロットと交差する給電線路を形成したスロットアンテナが知られている。給電線路はスロットと電磁的に結合し、給電線路を介して伝送される高周波信号はスロットを励振する。このときスロットに現れる電界はスロットに沿って誘電体基板のエッジ方向に導波され、導波方向に放射される。
そのため、誘電体基板の水平方向でビームの向きを変えたい場合は、変えたい方向へ導波路を配置しなければならない。
無給電素子等を用いて、ダイバーシティー方式等のビーム制御を行う際、導波路を複数の方向に配置し、プリントダイポールで基板水平の双方向に指向性を持つ構造、等の技術が先行例として開示されている（例えば、特許文献１）。
特開平７−２４５５２５号公報
本開示のアンテナ装置は、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の面に形成され且つ第１の給電線路に接続された第１のダイポール素子と、前記誘電体基板の第２の面に形成され且つ接地導体に接続された第２のダイポール素子とを含む第１のダイポールアンテナと、複数の第１の無給電素子アレーを含み、前記第１の無給電素子アレーは前記誘電体基板の第１の面に形成された複数の第１の無給電素子を含む、第１の無給電素子群と、を備える。前記複数の第１の無給電素子は、前記第１のダイポールアンテナの長手方向に実質的に平行なストリップ形状をそれぞれ有し、互いに電磁的に結合するように配置され、前記複数の第１の無給電素子アレーは、実質的に互いに平行に配置され、隣接する前記第１の無給電素子アレー間にギャップが形成されており、前記第１のダイポールアンテナ及び前記第１の無給電素子群は、前記第１のダイポールアンテナの電気長の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸と前記第１の無給電素子群の前記第１のダイポールアンテナの長手方向の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸とが重ならないように配置した。
本開示におけるアンテナ装置は、高利得のエンドファイアアンテナ構造でビーム制御をすることを可能とする。
図１は、実施の形態１におけるアンテナ装置１００の表面図である。 図２は、実施の形態１におけるアンテナ装置１００の裏面図である。 図３は、図１のアンテナ装置１００において、無給電素子アレー１０７の個数を６に設定し、それぞれの無給電素子アレー１０７に含まれる無給電素子１０６の個数を１６に設定したときのＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。 図４は、実施の形態１の変形例におけるアンテナ装置４００の表面図である。 図５は、実施の形態１の変形例におけるアンテナ装置４００の裏面図である。 図６は、図４のアンテナ装置４００において、無給電素子アレー４０７の個数を６に設定し、それぞれの無給電素子アレー４０７に含まれる無給電素子４０６の個数を１６に設定したときのＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。 図７は、図１のアンテナ装置１００において、ダイポール素子１０５の長さを変化させたときのＺＸ平面における放射パターンの変位を示すグラフである。 図８は、実施の形態２におけるアンテナ装置８００表面図である。 図９は、実施の形態２におけるアンテナ装置８００裏面図である。 図１０は、図８のアンテナ装置８００において、第１のダイポールアンテナに給電した場合のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。 図１１は、図８のアンテナ装置８００において、第２のダイポールアンテナに給電した場合のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。 図１２は、実施の形態３におけるアンテナ装置１２００の表面図である。 図１３は、図１２のアンテナ装置１２００において、第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナへの給電の位相差が±１８０度の場合のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。 図１４は、図１２のアンテナ装置１２００において、第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナへの給電の位相差を９０度に固定した場合のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。 図１５は、実施の形態４における無線通信装置１５００の表面図である。 図１６は、実施の形態４における無線通信装置１６００の表面図である。
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態におけるアンテナ装置１００の表面図であり、図２は図１のアンテナ装置１００の裏面図で、表面側から見た図である。本実施の形態におけるアンテナ装置１００は、ミリ波帯などの高周波帯で無線通信を行う無線通信装置のためのエンドファイアアンテナである。
図１、図２のアンテナ装置１００は、誘電体基板１０１と、給電線路１０２と、接地導体１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃと、ダイポール素子１０４、１０５と、１１個の無給電素子１０６をそれぞれ含む６個の無給電素子アレー１０７とを備える。無給電素子群１０８は、６個の無給電素子アレー１０７を含んで構成する。なお、本実施の形態及び以下の各実施の形態及び変形例において、図１に示すようにＸＹＺ座標系を定義する。図１の右方向を+Ｚ軸方向とし、上方向を＋Ｘ軸方向とする。＋Ｘ軸方向と反対方向を−Ｘ軸方向とし、＋Ｚ軸方向と反対方向を−Ｚ軸方向とする。さらに、図１の紙面から手前に垂直な方向を＋Ｙ軸方向とし、＋Ｙ軸方向と反対方向を−Ｙ軸方向とする。
図１において、誘電体基板１０１は、例えばガラスエポキシ基板である。また、接地導体１０３ａ、１０３ｂと、給電線路１０２と、ダイポール素子１０４と、無給電素子１０６と、無給電素子アレー１０７と、無給電素子群１０８は、誘電体基板１０１の表面に形成され、接地導体１０３ｃと、ダイポール素子１０５は誘電体基板１０１の裏面に形成される。接地導体１０３ｃは、図１、図２の誘電体基板１０１の左端部に形成される。給電線路１０２は、接地導体１０３ｃに対向しかつ誘電体基板１０１の左端部から＋Ｚ軸方向に延在するように形成される。接地導体１０３ａ、１０３ｂは、接地導体１０３ｃに対向するように、給電線路１０２との間に所定の間隔を有して、給電線路１０２の両側にそれぞれ形成される。接地導体１０３ａ、１０３ｂ及び１０３ｃは互いに電気的に接続されている。
図１及び図２において、接地導体１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ及び給電線路１０２とはグランデッドコプレーナ線路を構成し、電力供給線となる。
給電線路１０２はダイポール素子１０４、１０５へ電力を供給する供給線である。高周波信号は、後述する高周波回路からグランデッドコプレーナ線路へ供給される。
ダイポール素子１０４と、ダイポール素子１０５は、二つの素子で一つのダイポールアンテナとして動作する。本実施の形態では、ダイポール素子１０４は誘電体基板１０１の表面に設けられ、ダイポール素子１０５は誘電体基板１０１の裏面に設けられる。ダイポール素子１０４は、給電線路１０２と接続され、＋Ｚ軸方向に所定距離Ｌ１延在し、直角に曲がり＋Ｘ軸方向に延在している。ダイポール素子１０５は、接地導体１０３ｃと接続され、＋Ｚ軸方向に所定距離Ｌ１延在し、直角に曲がり−Ｘ軸方向にダイポール素子１０４と同じ長さで延在している。ダイポール素子１０４とダイポール素子１０５とを同一平面状に射影すると、両素子のＸ軸上の位置は、同一直線上で、一つの直線形状となり、電気長はＬ２である。ダイポール素子１０４とダイポール素子１０５とは逆相で接続され、一つのダイポールアンテナとしての動作を行う。電気長Ｌ２はアンテナ装置１００が送受信する無線波長λの略半波長（λ／２）であることが望ましい。
グランデッドコプレーナ線路を構成している給電線路１０２と接地導体１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃに高周波信号が供給されると、ダイポール素子１０４とダイポール素子１０５は、励振動作を行う。
図１において、６個の無給電素子アレー１０７は、それぞれ１１個の無給電素子１０６を含む。
それぞれの無給電素子１０６は、その長手方向がダイポール素子１０４のＸ軸上で実質的に平行となる方向に、ダイポール素子１０４の＋Ｚ軸方向側の誘電体基板１０１上に設けられている。図１では、すべての無給電素子１０６はその長手方向が実質的に同じ長さＬ３を有している。Ｌ３は、アンテナ装置１００が送受信する無線波長λの１／８（λ／８）以下であることが好ましい。
また無給電素子１０６は、Ｘ軸上に６個、及び、Ｚ軸上に１１個配列されている。無給電素子１０６の配列は、Ｚ軸上で互いに隣り合う無給電素子１０６はＸ軸上の位置が同じになるように配列されている。Ｘ軸上の同じ位置を有する１１個の無給電素子１０６の集合を無給電素子アレー１０７としている。無給電素子アレー１０７を構成する互いに隣り合う無給電素子１０６の間隔、つまり、Ｚ軸上で互いに隣り合う無給電素子１０６の間隔Ｌ４は、アンテナ装置１００が送受信する無線波長λの１／８（λ／８）以下の間隔で配列されている。
この構成により、無給電素子アレー１０７の両側（＋Ｘ軸方向、−Ｘ軸方向）に電気壁が生じる。無給電素子アレー１０７をＸ軸上に複数並べることで、Ｘ軸上に隣り合う無給電素子アレー１０７間の長さＬ５のギャップが疑似的なスロットアンテナとなる。具体的には、５個の疑似的なスロットアンテナが形成される。そのため、ダイポール素子１０４とダイポール素子１０５とが励振動作により一次放射させた電磁界は、この疑似スロット内を＋Ｚ軸方向に導波し、アンテナ装置１００の指向性方向である＋Ｚ軸方向の誘電体基板１０１の右端へ放射される。＋Ｚ軸方向を導波方向ともいう。
上記の説明では、アンテナ装置１００から無線電波を送信する場合について説明したが、受信動作の場合は、＋Ｚ軸方向から到来した電磁波が無給電素子アレー１０７、ダイポール素子１０４、１０５、を通って、高周波回路へ高周波信号を伝達する。
図１のアンテナ装置１００では、ダイポール素子１０４とダイポール素子１０５とで構成されるダイポールアンテナの電気長Ｌ２において、Ｘ軸上の中点を＋Ｚ軸方向に延ばした中心軸１０９と、無給電素子群１０８のＸ軸上の＋Ｘ軸方向の端から−Ｘ軸方向の端に対する中点を＋Ｚ軸方向に延ばした中心軸１１０とを比較すると、中心軸１１０に対して中心軸１０９は＋Ｘ軸方向ずれている。
つまり、ダイポールアンテナの中心軸１０９と無給電素子群１０８の中心軸１１０とはＸ軸上の位置が異なる位置関係である。
ダイポールアンテナの中心軸１０９は、ダイポール素子１０４とダイポール素子１０５とを一つのダイポールアンテナとしてみた場合に、その電気長Ｌ２の長さを半分にする位置を通り、その長手方向に垂直であって誘電体基板１０１の基板面上に設けられる軸である。図１に示されるように中心軸１０９は、誘電体基板１０１上に＋Ｚ軸方向に平行にダイポールアンテナのＸ軸上の中点を通過する軸である。
無給電素子群１０８の中心軸１１０は、上記のダイポールアンテナの中心軸１０９と、誘電体基板１０１上で平行に配置され、無給電素子群１０８のＸ軸上の最も＋Ｘ軸方向に配置される無給電素子１０６と、Ｘ軸上の最も−Ｘ軸方向側に配置される無給電素子１０６との両無給電素子のＸ軸上の略半分の位置を通過する軸である。中心軸１１０が無給電素子群１０８の中心軸となる。
このようにダイポールアンテナと無給電素子群１０８をダイポールアンテナの中心軸１０９と、無給電素子群１０８の中心軸１１０とをＸ軸上の位置が異なる位置に配置する。これにより、アンテナ装置１００の無線の放射方向を、ＺＸ平面において放射方向をＺ軸上から＋Ｘ軸方向または−Ｘ軸方向に傾斜させることができる。図１、図２のようにダイポール素子１０４とダイポール素子１０５とで構成されるダイポールアンテナの中心軸１０９を、無給電素子群１０８の中心軸１１０より＋Ｘ軸方向に配置することで、ギャップの−Ｘ軸方向の導波位相が遅れる。その結果、アンテナ装置１００の無線の放射方向は−Ｘ軸方向に傾く。
図１のアンテナ装置１００に対して３次元電磁波解析を行った結果を説明する。誘電体基板１０１を厚さ０．２ｍｍのガラスエポキシを用い、ダイポール素子１０４の長さを０．８ｍｍ、ダイポール素子１０５の長さを０．８ｍｍ、無給電素子１０６のそれぞれの長さＬ３を０．４ｍｍ、無給電素子の＋Ｚ軸方向の間隔Ｌ４を０．１２ｍｍで、＋Ｚ軸方向に１６個配置することで無給電素子アレー１０７を構成、無給電素子アレー１０７の＋Ｘ軸方向の間隔Ｌ５を０．３ｍｍで６列配置することで無給電素子群１０８を構成する。
ダイポール素子１０４、１０５で構成されるダイポールアンテナの中心軸１０９を、無給電素子群１０８の中心軸１１０から＋Ｘ軸方向に１．１ｍｍずらした位置に配置した場合のＺＸ平面における放射パターンを解析した。図３は、図１のアンテナ装置１００のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。ＺＸ平面において、アンテナ利得８．４ｄＢｉの高利得で＋Ｚ軸方向に対して−Ｘ軸方向に２０度程度ビームが傾斜している。
従来、無給電素子等を用いて、ダイバーシティー方式等のビーム制御を行う際、導波路を複数の方向に配置し、プリントダイポールで基板水平の双方向に指向性を持つ構造が、例えば特許文献１で開示されていた。しかし、ビームを傾斜させるアンテナ構成にするためには、構造全体をその方向に向けなければならないため、モジュール基板上での配置面積を大きくなり、接地導体の配置が困難になる。また、同じアンテナを放射したい方向に複数並べる構造では、全体としてのアンテナサイズが大きくなるという課題があった。
この課題に対し、上記構成により、ダイポールアンテナの中心軸１０９と、無給電素子群１０８の中心軸１１０をＸ軸上で異なる位置に配置することで、アンテナ装置１００の無線放射方向を変えることができる。この場合、アンテナ装置１００の無線放射方向と、Ｘ軸上に隣接する無給電素子アレー１０７間の導波路の向き（長手方向）とは異なる方向に設定することができる。これは、無給電素子アレー１０７間の導波路の方向を変えることなく、アンテナ装置１００の無線放射方向を変えることが可能になり、従来技術よりもアンテナサイズを小さくすることができる。
なお、本実施の形態では、無給電素子アレー１０７は６個、それぞれの無給電素子アレー１０７は１１個の無給電素子１０６を含む例で説明したが、これに限定されない。無給電素子アレー１０７は少なくとも３個あればよい。
（実施の形態１の変形例）
実施の形態１では、無給電素子群１０８を、表面のみに設ける場合を例示したが、これに限定するものではない。
図４は、実施の形態１の変形例におけるアンテナ装置４００の表面図であり、図５は図４のアンテナ装置４００の裏面図で、表面側から見た図である。表面はアンテナ装置１００と同じ構成であり、裏面はアンテナ装置１００とは異なる。具体的には、表面だけでなく裏面にも、無給電素子群４０８が配置される。無給電素子群４０８は６個の無給電素子アレー４０７を含んで構成され、無給電素子アレー４０７はそれぞれ１１個の無給電素子４０６を含む。
無給電素子１０６、４０６の素子長などを両面で同じ条件にして、無給電素子群１０８を表面に、無給電素子群４０８を裏面の両面に配置した場合の電磁界解析結果を図６に示す。図６において、破線で示した解析結果１３１は無給電素子群１０８を表面にのみ配置した場合の結果（すなわち、図３の解析結果と同じ）、実線で示した解析結果１３２は無給電素子群１０８、４０８を両面に配置した場合の結果を示している。無給電素子群１０８、４０８を誘電体基板１０１の両面にそれぞれ配置することで、エンドファイアアンテナの電波放射方向の−Ｘ軸方向への傾斜が微小ながら解析結果１３２の方が解析結果１３１よりも傾いている。
これにより、ダイポールアンテナの配置だけではなく、無給電素子群の配置を片面だけでなく両面に配置することでアンテナ装置の無線放射方向を変えることができる。
なお、実施の形態１では、ダイポール素子１０４とダイポール素子１０５との素子長（長手方向の長さ）を実質的に同一であるとして説明をした。この場合、ダイポールアンテナの動作は平衡である。ダイポール素子１０４とダイポール素子１０５との素子長を不等長にすると、これら２素子の間で高周波電流の分布が変化する。この高周波電流部分の変化は、ダイポールアンテナの動作が不平衡になる。不平衡になることにより、ダイポールアンテナからの放射方向がＺＸ平面上で傾く。これを利用して、エンドファイアアンテナの無線放射方向のビームの傾斜量を調整することができる。
図１のアンテナ装置１００に対して３次元電磁波解析を行った時の解析条件において、ダイポール素子１０５の素子長を変化させて解析を行った。すなわち誘電体基板１０１を厚さ０．２ｍｍのガラスエポキシとし、ダイポール素子１０４の長さを０．８ｍｍ、無給電素子１０６のそれぞれの長さＬ３を０．４ｍｍ、無給電素子の＋Ｚ軸方向の間隔Ｌ４を０．１２ｍｍで、＋Ｚ軸方向に１６個配置することで無給電素子アレー１０７を構成、無給電素子アレー１０７の＋Ｘ軸方向の間隔Ｌ５を０．３ｍｍで６列配置することで無給電素子群１０８を構成し、ダイポール素子１０５の長さを０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲で変化させた。図７は、ダイポール素子１０５の長さを変化させたときのＺＸ平面における放射パターンの変位を示すグラフである。横軸はダイポール素子１０５の長さ、縦軸はＺＸ平面における放射パターンの傾きを示す。ダイポール素子１０５の素子長が０．２ｍｍの時、放射パターンの傾きは７°程度、ダイポール素子１０５の素子長が０．３ｍｍの時、放射パターンの傾きは１０°程度、ダイポール素子１０５の素子長が０．４ｍｍの時、放射パターンの傾きは１２°程度、ダイポール素子１０５の素子長が０．５ｍｍの時、放射パターンの傾きは１４°程度、ダイポール素子１０５の素子長が０．６ｍｍの時、放射パターンの傾きは１６°程度、ダイポール素子１０５の素子長が０．７ｍｍの時、放射パターンの傾きは１７°程度、ダイポール素子１０５の素子長が０．８ｍｍの時、放射パターンの傾きは１８°程度、ダイポール素子１０５の素子長が０．９ｍｍの時、放射パターンの傾きは１９°程度、ダイポール素子１０５の素子長が１．０ｍｍの時、放射パターンの傾きは２０°程度であった。この結果から、ダイポール素子１０５の素子長を大きくすればするほど、ＺＸ平面における放射パターンは傾くことがわかる。
以上より、ダイポール素子１０４、１０５で構成されるダイポールアンテナの中心軸と無給電素子群１０８の中心軸との位置関係、あるいは、ダイポール素子１０４、１０５両者の素子長に差異を設ける、ことでアンテナ装置１００の水平面（ＺＸ平面）の放射方向の傾斜量を変化させることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態について、図８〜１１を用いて説明する。図８は本実施の形態におけるアンテナ装置８００の表面図であり、図９は図８のアンテナ装置８００の裏面図で、表面側から見た図である。本実施の形態におけるアンテナ装置８００はミリ波帯などの高周波帯で無線通信を行う無線通信装置のためのエンドファイアアンテナである。
なお、以下の説明では実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。実施の形態１と同じ部分については、実施の形態１と同じ符号を割り当て、説明を省略する。
図８、図９において、実施の形態１と異なる部分は、アンテナ装置８００が、接地導体８０３ａ、８０３ｂ、８０３ｃ、８０３ｄと、給電線路８０２ａ、８０２ｂと、ダイポール素子８０４ａ、８０４ｂ、８０５ａ、８０５ｂと、を備え、さらに切り換え素子８２０を有している点である。接地導体８０３ａ、８０３ｂ、８０３ｃと、給電線路８０２ａ、８０２ｂと、ダイポール素子８０４ａ、８０４ｂと、無給電素子１０６と、無給電素子アレー１０７と無給電素子群１０８は、誘電体基板１０１の表面に形成される。接地導体８０３ｄと、ダイポール素子８０５ａ、８０５ｂは誘電体基板１０１の裏面に形成される。接地導体８０３ｄは、図８の誘電体基板１０１の左端部に形成される。給電線路８０２ａ、８０２ｂは、接地導体８０３ｄに対向しかつ誘電体基板１０１の左端部から＋Ｚ軸方向に延在するように形成される。接地導体８０３ａ、８０３ｂは、接地導体８０３ｄに対向するように、給電線路８０２ａとの間に所定の間隔を有して、給電線路８０２ａの両側にそれぞれ形成され、接地導体８０３ｂ、８０３ｃは、接地導体８０３ｄに対向するように、給電線路８０２ｂとの間に所定の間隔を有して、給電線路８０２ｂの両側にそれぞれ形成される。接地導体８０３ａ、８０３ｂ、８０３ｃ及び８０３ｄは互いに電気的に接続されている。
図８及び図９において、接地導体８０３ａ、８０３ｂ及び給電線路８０２ａと、接地導体８０３ｄとはグランデッドコプレーナ線路を構成し、電力供給線となる。さらに、接地導体８０３ｂ、８０３ｃ、８０３ｄ及び給電線路８０２ｂとはグランデッドコプレーナ線路を構成し、電力供給線となる。
給電線路８０２ａは、切り換え素子８２０からダイポール素子８０４ａへ高周波信号を供給する線路である。給電線路８０２ｂは、切り換え素子８２０からダイポール素子８０４ｂへ高周波信号を供給する線路である。
ダイポール素子８０４ａと、ダイポール素子８０５ａで第１のダイポールアンテナを形成する。これは実施の形態１で説明したダイポール素子１０４、１０５とで構成されるダイポールアンテナと同じ構成である。
ダイポール素子８０４ｂと、ダイポール素子８０５ｂでさらに第２のダイポールアンテナを形成する。
切り換え素子８２０は、第１のダイポールアンテナと、第２のダイポールアンテナとへ供給する高周波信号を排他的に選択するスイッチである。
第１のダイポールアンテナの中心軸８０９の位置は、実施の形態１と同様に、無給電素子群１０８の中心軸８１０の位置と、Ｘ軸上の異なる位置に配置されている。具体的には、第１のダイポールアンテナの中心軸８０９の位置が、無給電素子群１０８の中心軸８１０の位置より＋Ｘ軸方向に配置されている。一方、第２のダイポールアンテナの中心軸８１１の位置は、無給電素子群１０８の中心軸８１０の位置より、−Ｘ軸方向に配置されている。図８のアンテナ装置８００では、中心軸８１０と中心軸８０９のＸ軸上の距離と中心軸８１０と中心軸８１１のＸ軸上の距離が同じになるように構成している。
なお、中心軸８１０と中心軸８０９のＸ軸上の距離と中心軸８１０と中心軸８１１のＸ軸上の距離が同じである必要はない。
切り換え素子８２０が、給電線路８０２ａ側に接続されている場合、高周波信号はダイポール素子８０４ａ、８０５ａ側に供給される。ダイポール素子８０４ａと、ダイポール素子８０５ａは、高周波信号により励振される。第１のダイポールアンテナから放射される電磁界は、無給電素子アレー１０７間の導波路であるギャップ内を＋Ｚ軸方向に導波し、エンドファイアアンテナの指向性方向である＋Ｚ軸方向の誘電体基板１０１の右端から放射される。そのＺＸ面放射指向性はＺ軸上に対して−Ｘ軸方向に傾斜する。
次に切り換え素子８２０が、給電線路８０２ｂ側に接続されている場合、高周波信号はダイポール素子８０４ｂ、８０５ｂ側に供給される。ダイポール素子８０４ｂと、ダイポール素子８０５ｂとは、高周波信号により励振され、無給電素子アレー１０７の導波路であるギャップ内を導波し、＋Ｚ軸方向に誘電体基板１０１の右端から放射される。そのＺＸ面の放射指向性はＺ軸上に対して＋Ｘ軸方向に傾斜している。
これは、無給電素子群１０８の中心軸８１０に対して、中心軸の一方の方向（＋Ｘ軸方向）と、反対の方向（−Ｘ軸方向）に、第１のダイポールアンテナの中心軸８０９と、第２のダイポールアンテナの中心軸８１１を配置する位置に、無給電素子群１０８、第１のダイポールアンテナ、第２のダイポールアンテナを配置する。さらに、第１のダイポールアンテナと、第２のダイポールアンテナへ供給する高周波信号を排他的に切り替えることで、アンテナ装置８００から放射される無線の指向性を切り換えることが可能になる。第１のダイポールアンテナ、第２のダイポールアンテナいずれの場合にも、実施の形態１で説明したように、無給電素子アレー１０７間の導波路を伝搬する電磁界の不均衡さ（位相遅れ）等を利用して、無線電波の放射方向を傾斜させる。
以上より、本実施の形態で説明するアンテナ装置８００は、２つのダイポールアンテナが無給電素子群１０８を共用した状態で２種類の放射指向性を作ることが可能である。
一例として、ダイポール素子８０５ａ、８０５ｂの長さを０．９ｍｍ、無給電素子アレー１０７を７列とし、その他のパラメータは実施の形態１の図１のアンテナ装置１００と同じ条件で、３次元電磁界解析を行った結果を図１０、図１１に示す。
なお、３次元電磁界解析に用いたアンテナ装置８００は、第１のダイポールアンテナの中心軸８０９と、第２のダイポールアンテナの中心軸８１１と、は無給電素子群１０８の中心軸８１０と、Ｘ軸上に対称に配置した。
図１０は、図８のアンテナ装置８００において、第１のダイポールアンテナに給電した場合のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。図１１は、図８のアンテナ装置８００において、第２のダイポールアンテナに給電した場合のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。
図１０は切り換え素子８２０が、給電線路８０２ａ側に接続された場合の、アンテナ装置８００の放射指向性を示している。図１１は、切り換え素子８２０が、給電線路８０２ｂに接続された場合の、アンテナ装置８００の放射指向性を示している。それぞれ、−３０度、＋３０度方向に放射している。第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナの放射を半値幅で見た場合、それぞれ−６０度弱程度、＋６０度弱程度になる。そのため、第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナの放射を切り替えるダイバーシティー方式で無線通信する場合、合計でＺＸ面で１００度程度の半値幅となり、通信範囲拡大が可能である。
（実施の形態３）
本実施の形態について、図１２〜図１３を用いて説明する。図１２は本実施の形態における２素子可変移相型のアンテナ装置１２００の表面図である。
本実施の形態では、実施の形態２と相違する点を中心に説明する。実施の形態２と同じ部分については、実施の形態２と同じ符号を付し、説明を省略する。
図１２において、実施の形態２で説明した図８と異なるのは、切り換え素子８２０に代わって、可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂとを備えている点である。
可変位相器１２０１ａと１２０１ｂは、それぞれ、高周波信号を入力し、位相を変化させて出力する。可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂは、給電線路８０２ａ、８０２ｂにそれぞれ供給する高周波信号の位相を変化させる。つまり、例えば、可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂは、可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂに入力する高周波信号に対して、給電線路８０２ａ、８０２ｂに供給する高周波信号を所定の範囲で遅らせて出力する。この遅らせる時間により、可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂに入力した高周波信号と、可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂから出力する高周波信号との間では、遅らせた分だけ位相が異なる。可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂは、この遅らせる位相の量を可変で設定する。
図１２のアンテナ装置１２００において、第１のダイポールアンテナの中心軸８０９の位置が、無給電素子群１０８の中心軸８１０の位置より＋Ｘ軸方向に配置されている。一方、第２のダイポールアンテナの中心軸８１１の位置は、無給電素子群１０８の中心軸８１０の位置より、−Ｘ軸方向に配置されている。中心軸８１０と中心軸８０９のＸ軸上の距離と中心軸８１０と中心軸８１１のＸ軸上の距離が同じになるように構成している。
そこで、可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂの位相を逆相（±１８０度）とした高周波信号を入力する場合について説明する。
一例として、実施の形態２と同じパラメータを用い、給電線路８０２ａ、８０２ｂに逆相の関係となるように高周波信号を可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂへ給電した場合のＺＸ平面の放射指向性の電磁界解析結果を図１３に示す。図１３は、図１２のアンテナ装置１２００において、第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナへの給電の位相差が±１８０度の場合のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。
図１３では、アンテナ装置１２００の放射方向が正面であるＺ軸上に向いている。これは、実施の形態２で説明したように、各々の給電におけるエレメントファクタの放射方向は、図１０、図１１で示した通り傾斜している。さらに、その傾斜方向は、反対方向を向いている。そのため、本実施の形態では図１２の可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂを備えたアンテナ装置１２００の場合、アレー動作している図１３のＺＸ面の放射指向性は上述した実施の形態１、２のアンテナ装置よりも、ビーム幅が広くなる。また、アンテナ全体の指向性は、正面（Ｚ軸上）を向く。
以上より、本実施の形態で説明したように、第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナに同時に高周波信号を供給しつつも、その高周波信号の位相を互いに逆位相とすることで、アンテナ装置としては＋Ｚ軸方向に放射指向性を有しながら、上述した実施の形態１、２のアンテナ装置より広い放射範囲（ビーム幅）を確保することが可能である。
（実施の形態３の変形例）
実施の形態３では、位相を可変に変更できる可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂを用いた場合のアンテナ装置１２００を説明した。しかし、実施の形態３で説明した内容は、必ずしも可変である必要はない。給電線路８０２ａ、８０２ｂへ給電する高周波信号の位相差を９０度に固定した場合について説明する。第１のダイポールアンテナに対して第２のダイポールアンテナへ入力する高周波信号の位相を９０度遅らせた場合を説明する。図１４は、図１２のアンテナ装置１２００において、第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナへの給電の位相差を９０度に固定した場合のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。実施の形態２で説明した、高周波入力信号を排他的に制御した場合と比較すると、アンテナ装置１２００からの放射特性をＺ軸上に対して傾斜させることができ、ダイバーシティー方式で無線通信が可能となる。
本変形例の場合には、一方の入力給電線路（第１のダイポールアンテナ）への入力に対して、他方の入力給電線路（第２ののダイポールアンテナ）へ入力する高周波信号を固定の位相量だけ遅らせることで実現できる。そのため、可変位相器を一方の入力のみに設けるだけで実現できる。
（実施の形態４）
図１５は、本実施の形態の無線通信装置１５００の表面図である。図１５において、無線通信装置１５００は、無線モジュール基板などの無線通信装置であって、実施の形態１におけるアンテナ装置１００と、上位層回路１５０１と、ベースバンド回路１５０２と、高周波回路１５０３とを備えて構成される。ここで、上位層回路１５０１と、ベースバンド回路１５０２と、高周波回路１５０３は、誘電体基板１０１の表面上に設けられる。なお、上位層回路１５０１、ベースバンド回路１５０２、高周波回路１５０３は、アンテナ装置１００のダイポールアンテナに対して−Ｚ軸方向に設けられる。
図１５において、上位層回路１５０１は、ＭＡＣ（Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）層及びアプリケーション層などの物理層より上位の層の回路であって、例えば通信回路及びホスト処理回路を含む。上位層回路１５０１は、所定のデータ信号をベースバンド回路１５０２に出力する一方、ベースバンド回路１５０２からのベースバンド信号に対して所定の信号処理を行ってデータ信号に変換する。また、ベースバンド回路１５０２は、上位層回路１５０１からのデータ信号に対して波形成形処理を行った後に、所定の搬送波信号を処理後のデータ信号に従って変調して高周波信号に変換し高周波回路１５０３に出力する。さらに、ベースバンド回路１５０２は、高周波回路１５０３からの高周波信号をベースバンド信号に復調して上位層回路１５０１に出力する。
また、図１５において、高周波回路１５０３は、ベースバンド回路１５０２からの高周波信号に対して無線周波数帯での電力増幅処理及び波形整形処理を行い、給電線路１０２を介してダイポールアンテナに出力する。さらに、高周波回路１５０３は、ダイポールアンテナにより無線受信された高周波信号に対して周波数変換などの所定の処理を行った後にベースバンド回路１５０２に出力する。
なお、高周波回路１５０３とアンテナ装置１００とは、高周波伝送線路を介して接続される。また、必要に応じて、高周波回路１５０３とアンテナ装置１００との間にインピーダンス整合回路を設ける。
以上説明したように構成された無線通信装置１５００は、アンテナ装置１００を用いて高周波信号を無線送受信するので、従来技術に比較して小型かつ高利得の無線通信装置を実現できる。
なお、本実施形態に係る無線通信装置１５００はアンテナ装置１００を備えたが、本発明はこれに限られず、アンテナ装置４００、８００又は１２００を備えてもよい。
図１６は本実施の形態の無線通信装置１６００の表面図である。図１５の無線通信装置１５００と異なる点は、アンテナ装置１００の代わりにアンテナ装置１２００を備えている点、高周波回路１５０３とアンテナ装置１２００の間にスイッチ１６０１を備えている点である。
無線通信装置１６００にアンテナ装置１２００を備えた場合、無線通信装置１６００は、最初の動作として給電線路８０２ａ、８０２ｂを逆相で周波数信号の電力を給電する。これにより、無線通信装置１６００からの放射特性は、図１３で説明したように導波方向正面に広いビームを形成する。無線通信装置１６００は、この状態で通信相手を探索する。次に、無線通信装置１６００が通信相手を見つけ、所定の接続処理等を行う。無線通信装置１６００は、接続処理を終え、データ通信を行う際には、給電線路８０２ａ、８０２ｂのどちらかの回路のみを有効する。給電線路８０２ａ、８０２ｂのどちらかの回路のみを有効するには、アンテナ装置１２００と高周波回路１５０３の間に高周波信号の入力の有効／無効を制御するスイッチ１６０１を設ければよい。無線通信装置１６００は、図１０、図１１のようにＺ軸上から＋Ｘ軸方向、あるいは、−Ｘ軸方向に傾斜した放射指向性のある無線電波を送受信することで、通信相手の方向に放射方向を向ける。
この構成により、より広範囲の相手とＣＮＲ（Ｃａｒｒｉｅｒ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）の高い通信が可能になる。
また、本実施の形態に係る無線通信装置１５００、１６００は無線送受信を行ったが、これに限られず、無線送信のみ又は無線受信のみを行ってもよい。
なお、高周波信号の入力の有効／無効を制御するスイッチとして、アンテナ装置１２００と高周波回路１５０３の間に高周波信号の入力の有効／無効を制御するスイッチ１６０１を設けたが、アンテナ装置１２００の可変位相器１２０１ａと給電線路８０２ａの間とアンテナ装置１２００の可変位相器１２０１ｂと給電線路８０２ｂの間にそれぞれスイッチを設けてもよい。
（まとめ）
本開示は、以下の構成である。アンテナ装置は、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の面に形成され且つ第１の給電線路に接続された第１のダイポール素子と、前記誘電体基板の第２の面に形成され且つ接地導体に接続された第２のダイポール素子とを含む第１のダイポールアンテナと、複数の第１の無給電素子アレーを含み、前記第１の無給電素子アレーは前記誘電体基板の第１の面に形成された複数の第１の無給電素子を含む、第１の無給電素子群とを備える。前記複数の第１の無給電素子は、前記第１のダイポールアンテナの長手方向に実質的に平行なストリップ形状をそれぞれ有し、互いに電磁的に結合するように配置され、前記複数の第１の無給電素子アレーは、実質的に互いに平行に配置され、隣接する前記第１の無給電素子アレー間にギャップが形成されており、前記第１のダイポールアンテナ及び前記第１の無給電素子群は、前記第１のダイポールアンテナの電気長の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸と前記第１の無給電素子群の前記第１のダイポールアンテナの長手方向の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸とが重ならないように配置した。
これにより、上記のアンテナ装置は、第１のダイポール素子の中心軸に平行な方向から第１のダイポール素子の長手方向のいずれか一方に傾斜した方向の放射特性を有することが可能となる。
上記のアンテナ装置において、前記第１のダイポール素子の長さは前記第と前記第２のダイポール素子の長さと異なる構成であってもよい。第１のダイポール素子の長さと第２のダイポール素子の長さが異なる場合には、第１の給電素子が一次放射する無線電波の放射特性を傾斜させることができる。
これにより、上記と同様に、アンテナ装置の放射指向性を傾斜させることが可能となる。
また、上記のアンテナ装置において、前記誘電体基板の第１の面に形成されかつ第２の給電線路に接続された第３のダイポール素子と、前記誘電体基板の第２の面に形成されかつ接地導体に接続された第４のダイポール素子とを含む第２のダイポールアンテナをさらに備え、前記第１のダイポールアンテナの長手方向と前記第２のダイポールアンテナの長手方向とは実質的に平行であり、前記第１のダイポールアンテナ及び前記第２のダイポールアンテナは、前記第１のダイポールアンテナの電気長の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸と、前記第２のダイポールアンテナの電気長の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸が重ならないように配置されることが好ましい。
さらに上記のアンテナ装置において、前記第１のダイポールアンテナと前記第２のダイポールアンテナへの給電を、排他的に切り換えるように構成してもよい。
また、前記第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナへの給電は、相互に入力される周波数信号の位相が異なるように構成してもよい。
さらに上記のアンテナ装置において、複数の第２の無給電素子アレーを含み、前記第２の無給電素子アレーは前記誘電体基板の第２の面に形成された複数の第２の無給電素子を含む第２の無給電素子群と、をさらに備え、前記第２の無給電素子アレーの前記複数の第２の無給電素子は、前記第１のダイポールアンテナの長手方向に実質的に平行なストリップ形状をそれぞれ有し、互いに電磁的に結合するように配置され、前記複数の第２の無給電素子アレーは、実質的に互いに平行に配置され、隣接する前記第２の無給電素子アレー間にギャップが形成される構成としてもよい。
これにより、２つのダイポールアンテナが無給電素子群を共用した状態で２種類の放射指向性を作ることが可能となる。
（他の実施の形態）
以上のように、開示する技術の例示として、実施の形態１〜４を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態１〜４で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。
したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
本発明に係るアンテナ装置及び、当該アンテナ装置を備えた無線通信装置は、高周波通信等の分野で有用に用いられる。
１００，４００，８００，１２００， アンテナ装置
１０１ 誘電体基板
１０２，８０２ａ，８０２ｂ 給電線路
１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，８０３ａ，８０３ｂ，８０３ｃ，８０３ｄ 接地導体
１０４，８０４ａ，８０４ｂ，１０５，８０５ａ，８０５ｂ ダイポール素子
１０６，４０６ 無給電素子
１０７，４０７ 無給電素子アレー
１０８，４０８ 無給電素子群
１０９，１１０，８０９，８１０，８１１ 中心軸
８２０ 切り換え素子
１２０１ａ，１２０１ｂ 可変位相器
１５００，１６００ 無線通信装置
１５０１ 上位層回路
１５０２ ベースバンド回路
１５０３ 高周波回路
１６０１ スイッチ
本開示は、給電素子と、複数の無給電素子と、を備えたアンテナ装置、及びそれを用いた無線通信装置に関する。
従来技術として、ミリ波帯などの非常に高い高周波帯の電波の高利得なエンドファイアアンテナが知られている。高利得なアンテナは、指向性のビーム角度範囲が狭くなるため、モバイル機器などへの展開が困難であった。モバイル機器などへの展開を行うには、エンドファイアアンテナでのビーム制御が必要である。
一般的なエンドファイアアンテナは、誘電体基板の表面に形成された接地導体のエッジに、エッジに直交するスロットを形成し、誘電体基板の裏面にスロットと交差する給電線路を形成したスロットアンテナが知られている。給電線路はスロットと電磁的に結合し、給電線路を介して伝送される高周波信号はスロットを励振する。このときスロットに現れる電界はスロットに沿って誘電体基板のエッジ方向に導波され、導波方向に放射される。
そのため、誘電体基板の水平方向でビームの向きを変えたい場合は、変えたい方向へ導波路を配置しなければならない。
無給電素子等を用いて、ダイバーシティー方式等のビーム制御を行う際、導波路を複数の方向に配置し、プリントダイポールで基板水平の双方向に指向性を持つ構造、等の技術が先行例として開示されている（例えば、特許文献１）。
特開平７−２４５５２５号公報
本開示のアンテナ装置は、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の面に形成され且つ第１の給電線路に接続された第１のダイポール素子と、前記誘電体基板の第２の面に形成され且つ接地導体に接続された第２のダイポール素子とを含む第１のダイポールアンテナと、複数の第１の無給電素子アレーを含み、前記第１の無給電素子アレーは前記誘電体基板の第１の面に形成された複数の第１の無給電素子を含む、第１の無給電素子群と、を備える。前記複数の第１の無給電素子は、前記第１のダイポールアンテナの長手方向に実質的に平行なストリップ形状をそれぞれ有し、互いに電磁的に結合するように配置され、前記複数の第１の無給電素子アレーは、実質的に互いに平行に配置され、隣接する前記第１の無給電素子アレー間にギャップが形成されており、前記第１のダイポールアンテナ及び前記第１の無給電素子群は、前記第１のダイポールアンテナの電気長の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸と前記第１の無給電素子群の前記第１のダイポールアンテナの長手方向の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸とが重ならないように配置した。
本開示におけるアンテナ装置は、高利得のエンドファイアアンテナ構造でビーム制御をすることを可能とする。
図１は、実施の形態１におけるアンテナ装置１００の表面図である。 図２は、実施の形態１におけるアンテナ装置１００の裏面図である。 図３は、図１のアンテナ装置１００において、無給電素子アレー１０７の個数を６に設定し、それぞれの無給電素子アレー１０７に含まれる無給電素子１０６の個数を１６に設定したときのＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。 図４は、実施の形態１の変形例におけるアンテナ装置４００の表面図である。 図５は、実施の形態１の変形例におけるアンテナ装置４００の裏面図である。 図６は、図４のアンテナ装置４００において、無給電素子アレー４０７の個数を６に設定し、それぞれの無給電素子アレー４０７に含まれる無給電素子４０６の個数を１６に設定したときのＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。 図７は、図１のアンテナ装置１００において、ダイポール素子１０５の長さを変化させたときのＺＸ平面における放射パターンの変位を示すグラフである。 図８は、実施の形態２におけるアンテナ装置８００表面図である。 図９は、実施の形態２におけるアンテナ装置８００裏面図である。 図１０は、図８のアンテナ装置８００において、第１のダイポールアンテナに給電した場合のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。 図１１は、図８のアンテナ装置８００において、第２のダイポールアンテナに給電した場合のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。 図１２は、実施の形態３におけるアンテナ装置１２００の表面図である。 図１３は、図１２のアンテナ装置１２００において、第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナへの給電の位相差が±１８０度の場合のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。 図１４は、図１２のアンテナ装置１２００において、第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナへの給電の位相差を９０度に固定した場合のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。 図１５は、実施の形態４における無線通信装置１５００の表面図である。 図１６は、実施の形態４における無線通信装置１６００の表面図である。
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態におけるアンテナ装置１００の表面図であり、図２は図１のアンテナ装置１００の裏面図で、表面側から見た図である。本実施の形態におけるアンテナ装置１００は、ミリ波帯などの高周波帯で無線通信を行う無線通信装置のためのエンドファイアアンテナである。
図１、図２のアンテナ装置１００は、誘電体基板１０１と、給電線路１０２と、接地導体１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃと、ダイポール素子１０４、１０５と、１１個の無給電素子１０６をそれぞれ含む６個の無給電素子アレー１０７とを備える。無給電素子群１０８は、６個の無給電素子アレー１０７を含んで構成する。なお、本実施の形態及び以下の各実施の形態及び変形例において、図１に示すようにＸＹＺ座標系を定義する。図１の右方向を+Ｚ軸方向とし、上方向を＋Ｘ軸方向とする。＋Ｘ軸方向と反対方向を−Ｘ軸方向とし、＋Ｚ軸方向と反対方向を−Ｚ軸方向とする。さらに、図１の紙面から手前に垂直な方向を＋Ｙ軸方向とし、＋Ｙ軸方向と反対方向を−Ｙ軸方向とする。
図１において、誘電体基板１０１は、例えばガラスエポキシ基板である。また、接地導体１０３ａ、１０３ｂと、給電線路１０２と、ダイポール素子１０４と、無給電素子１０６と、無給電素子アレー１０７と、無給電素子群１０８は、誘電体基板１０１の表面に形成され、接地導体１０３ｃと、ダイポール素子１０５は誘電体基板１０１の裏面に形成される。接地導体１０３ｃは、図１、図２の誘電体基板１０１の左端部に形成される。給電線路１０２は、接地導体１０３ｃに対向しかつ誘電体基板１０１の左端部から＋Ｚ軸方向に延在するように形成される。接地導体１０３ａ、１０３ｂは、接地導体１０３ｃに対向するように、給電線路１０２との間に所定の間隔を有して、給電線路１０２の両側にそれぞれ形成される。接地導体１０３ａ、１０３ｂ及び１０３ｃは互いに電気的に接続されている。
図１及び図２において、接地導体１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ及び給電線路１０２とはグランデッドコプレーナ線路を構成し、電力供給線となる。
給電線路１０２はダイポール素子１０４、１０５へ電力を供給する供給線である。高周波信号は、後述する高周波回路からグランデッドコプレーナ線路へ供給される。
ダイポール素子１０４と、ダイポール素子１０５は、二つの素子で一つのダイポールアンテナとして動作する。本実施の形態では、ダイポール素子１０４は誘電体基板１０１の表面に設けられ、ダイポール素子１０５は誘電体基板１０１の裏面に設けられる。ダイポール素子１０４は、給電線路１０２と接続され、＋Ｚ軸方向に所定距離Ｌ１延在し、直角に曲がり＋Ｘ軸方向に延在している。ダイポール素子１０５は、接地導体１０３ｃと接続され、＋Ｚ軸方向に所定距離Ｌ１延在し、直角に曲がり−Ｘ軸方向にダイポール素子１０４と同じ長さで延在している。ダイポール素子１０４とダイポール素子１０５とを同一平面状に射影すると、両素子のＸ軸上の位置は、同一直線上で、一つの直線形状となり、電気長はＬ２である。ダイポール素子１０４とダイポール素子１０５とは逆相で接続され、一つのダイポールアンテナとしての動作を行う。電気長Ｌ２はアンテナ装置１００が送受信する無線波長λの略半波長（λ／２）であることが望ましい。
グランデッドコプレーナ線路を構成している給電線路１０２と接地導体１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃに高周波信号が供給されると、ダイポール素子１０４とダイポール素子１０５は、励振動作を行う。
図１において、６個の無給電素子アレー１０７は、それぞれ１１個の無給電素子１０６を含む。
それぞれの無給電素子１０６は、その長手方向がダイポール素子１０４のＸ軸上で実質的に平行となる方向に、ダイポール素子１０４の＋Ｚ軸方向側の誘電体基板１０１上に設けられている。図１では、すべての無給電素子１０６はその長手方向が実質的に同じ長さＬ３を有している。Ｌ３は、アンテナ装置１００が送受信する無線波長λの１／８（λ／８）以下であることが好ましい。
また無給電素子１０６は、Ｘ軸上に６個、及び、Ｚ軸上に１１個配列されている。無給電素子１０６の配列は、Ｚ軸上で互いに隣り合う無給電素子１０６はＸ軸上の位置が同じになるように配列されている。Ｘ軸上の同じ位置を有する１１個の無給電素子１０６の集合を無給電素子アレー１０７としている。無給電素子アレー１０７を構成する互いに隣り合う無給電素子１０６の間隔、つまり、Ｚ軸上で互いに隣り合う無給電素子１０６の間隔Ｌ４は、アンテナ装置１００が送受信する無線波長λの１／８（λ／８）以下の間隔で配列されている。
この構成により、無給電素子アレー１０７の両側（＋Ｘ軸方向、−Ｘ軸方向）に電気壁が生じる。無給電素子アレー１０７をＸ軸上に複数並べることで、Ｘ軸上に隣り合う無給電素子アレー１０７間の長さＬ５のギャップが疑似的なスロットアンテナとなる。具体的には、５個の疑似的なスロットアンテナが形成される。そのため、ダイポール素子１０４とダイポール素子１０５とが励振動作により一次放射させた電磁界は、この疑似スロット内を＋Ｚ軸方向に導波し、アンテナ装置１００の指向性方向である＋Ｚ軸方向の誘電体基板１０１の右端へ放射される。＋Ｚ軸方向を導波方向ともいう。
上記の説明では、アンテナ装置１００から無線電波を送信する場合について説明したが、受信動作の場合は、＋Ｚ軸方向から到来した電磁波が無給電素子アレー１０７、ダイポール素子１０４、１０５、を通って、高周波回路へ高周波信号を伝達する。
図１のアンテナ装置１００では、ダイポール素子１０４とダイポール素子１０５とで構成されるダイポールアンテナの電気長Ｌ２において、Ｘ軸上の中点を＋Ｚ軸方向に延ばした中心軸１０９と、無給電素子群１０８のＸ軸上の＋Ｘ軸方向の端から−Ｘ軸方向の端に対する中点を＋Ｚ軸方向に延ばした中心軸１１０とを比較すると、中心軸１１０に対して中心軸１０９は＋Ｘ軸方向にずれている。
つまり、ダイポールアンテナの中心軸１０９と無給電素子群１０８の中心軸１１０とはＸ軸上の位置が異なる位置関係である。
ダイポールアンテナの中心軸１０９は、ダイポール素子１０４とダイポール素子１０５とを一つのダイポールアンテナとしてみた場合に、その電気長Ｌ２の長さを半分にする位置を通り、その長手方向に垂直であって誘電体基板１０１の基板面上に設けられる軸である。図１に示されるように中心軸１０９は、誘電体基板１０１上に＋Ｚ軸方向に平行にダイポールアンテナのＸ軸上の中点を通過する軸である。
無給電素子群１０８の中心軸１１０は、上記のダイポールアンテナの中心軸１０９と、誘電体基板１０１上で平行に配置され、無給電素子群１０８のＸ軸上の最も＋Ｘ軸方向に配置される無給電素子１０６と、Ｘ軸上の最も−Ｘ軸方向側に配置される無給電素子１０６との両無給電素子のＸ軸上の略半分の位置を通過する軸である。中心軸１１０が無給電素子群１０８の中心軸となる。
このようにダイポールアンテナと無給電素子群１０８をダイポールアンテナの中心軸１０９と、無給電素子群１０８の中心軸１１０とをＸ軸上の位置が異なる位置に配置する。これにより、アンテナ装置１００の無線の放射方向を、ＺＸ平面において放射方向をＺ軸上から＋Ｘ軸方向または−Ｘ軸方向に傾斜させることができる。図１、図２のようにダイポール素子１０４とダイポール素子１０５とで構成されるダイポールアンテナの中心軸１０９を、無給電素子群１０８の中心軸１１０より＋Ｘ軸方向に配置することで、ギャップの−Ｘ軸方向の導波位相が遅れる。その結果、アンテナ装置１００の無線の放射方向は−Ｘ軸方向に傾く。
図１のアンテナ装置１００に対して３次元電磁波解析を行った結果を説明する。誘電体基板１０１を厚さ０．２ｍｍのガラスエポキシを用い、ダイポール素子１０４の長さを０．８ｍｍ、ダイポール素子１０５の長さを０．８ｍｍ、無給電素子１０６のそれぞれの長さＬ３を０．４ｍｍ、無給電素子の＋Ｚ軸方向の間隔Ｌ４を０．１２ｍｍで、＋Ｚ軸方向に１６個配置することで無給電素子アレー１０７を構成、無給電素子アレー１０７の＋Ｘ軸方向の間隔Ｌ５を０．３ｍｍで６列配置することで無給電素子群１０８を構成する。
ダイポール素子１０４、１０５で構成されるダイポールアンテナの中心軸１０９を、無給電素子群１０８の中心軸１１０から＋Ｘ軸方向に１．１ｍｍずらした位置に配置した場合のＺＸ平面における放射パターンを解析した。図３は、図１のアンテナ装置１００のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。ＺＸ平面において、アンテナ利得８．４ｄＢｉの高利得で＋Ｚ軸方向に対して−Ｘ軸方向に２０度程度ビームが傾斜している。
従来、無給電素子等を用いて、ダイバーシティー方式等のビーム制御を行う際、導波路を複数の方向に配置し、プリントダイポールで基板水平の双方向に指向性を持つ構造が、例えば特許文献１で開示されていた。しかし、ビームを傾斜させるアンテナ構成にするためには、構造全体をその方向に向けなければならないため、モジュール基板上での配置面積が大きくなり、接地導体の配置が困難になる。また、同じアンテナを放射したい方向に複数並べる構造では、全体としてのアンテナサイズが大きくなるという課題があった。
この課題に対し、上記構成により、ダイポールアンテナの中心軸１０９と、無給電素子群１０８の中心軸１１０をＸ軸上で異なる位置に配置することで、アンテナ装置１００の無線放射方向を変えることができる。この場合、アンテナ装置１００の無線放射方向と、Ｘ軸上に隣接する無給電素子アレー１０７間の導波路の向き（長手方向）とは異なる方向に設定することができる。これは、無給電素子アレー１０７間の導波路の方向を変えることなく、アンテナ装置１００の無線放射方向を変えることが可能になり、従来技術よりもアンテナサイズを小さくすることができる。
なお、本実施の形態では、無給電素子アレー１０７は６個、それぞれの無給電素子アレー１０７は１１個の無給電素子１０６を含む例で説明したが、これに限定されない。無給電素子アレー１０７は少なくとも３個あればよい。
（実施の形態１の変形例）
実施の形態１では、無給電素子群１０８を、表面のみに設ける場合を例示したが、これに限定するものではない。
図４は、実施の形態１の変形例におけるアンテナ装置４００の表面図であり、図５は図４のアンテナ装置４００の裏面図で、表面側から見た図である。表面はアンテナ装置１００と同じ構成であり、裏面はアンテナ装置１００とは異なる。具体的には、表面だけでなく裏面にも、無給電素子群４０８が配置される。無給電素子群４０８は６個の無給電素子アレー４０７を含んで構成され、無給電素子アレー４０７はそれぞれ１１個の無給電素子４０６を含む。
無給電素子１０６、４０６の素子長などを両面で同じ条件にして、無給電素子群１０８を表面に、無給電素子群４０８を裏面の両面に配置した場合の電磁界解析結果を図６に示す。図６において、破線で示した解析結果１３１は無給電素子群１０８を表面にのみ配置した場合の結果（すなわち、図３の解析結果と同じ）、実線で示した解析結果１３２は無給電素子群１０８、４０８を両面に配置した場合の結果を示している。無給電素子群１０８、４０８を誘電体基板１０１の両面にそれぞれ配置することで、エンドファイアアンテナの電波放射方向の−Ｘ軸方向への傾斜が微小ながら解析結果１３２の方が解析結果１３１よりも傾いている。
これにより、ダイポールアンテナの配置だけではなく、無給電素子群の配置を片面だけでなく両面に配置することでアンテナ装置の無線放射方向を変えることができる。
なお、実施の形態１では、ダイポール素子１０４とダイポール素子１０５との素子長（長手方向の長さ）を実質的に同一であるとして説明をした。この場合、ダイポールアンテナの動作は平衡である。ダイポール素子１０４とダイポール素子１０５との素子長を不等長にすると、これら２素子の間で高周波電流の分布が変化する。この高周波電流部分の変化は、ダイポールアンテナの動作が不平衡になる。不平衡になることにより、ダイポールアンテナからの放射方向がＺＸ平面上で傾く。これを利用して、エンドファイアアンテナの無線放射方向のビームの傾斜量を調整することができる。
図１のアンテナ装置１００に対して３次元電磁波解析を行った時の解析条件において、ダイポール素子１０５の素子長を変化させて解析を行った。すなわち誘電体基板１０１を厚さ０．２ｍｍのガラスエポキシとし、ダイポール素子１０４の長さを０．８ｍｍ、無給電素子１０６のそれぞれの長さＬ３を０．４ｍｍ、無給電素子の＋Ｚ軸方向の間隔Ｌ４を０．１２ｍｍで、＋Ｚ軸方向に１６個配置することで無給電素子アレー１０７を構成、無給電素子アレー１０７の＋Ｘ軸方向の間隔Ｌ５を０．３ｍｍで６列配置することで無給電素子群１０８を構成し、ダイポール素子１０５の長さを０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲で変化させた。図７は、ダイポール素子１０５の長さを変化させたときのＺＸ平面における放射パターンの変位を示すグラフである。横軸はダイポール素子１０５の長さ、縦軸はＺＸ平面における放射パターンの傾きを示す。ダイポール素子１０５の素子長が０．２ｍｍの時、放射パターンの傾きは７°程度、ダイポール素子１０５の素子長が０．３ｍｍの時、放射パターンの傾きは１０°程度、ダイポール素子１０５の素子長が０．４ｍｍの時、放射パターンの傾きは１２°程度、ダイポール素子１０５の素子長が０．５ｍｍの時、放射パターンの傾きは１４°程度、ダイポール素子１０５の素子長が０．６ｍｍの時、放射パターンの傾きは１６°程度、ダイポール素子１０５の素子長が０．７ｍｍの時、放射パターンの傾きは１７°程度、ダイポール素子１０５の素子長が０．８ｍｍの時、放射パターンの傾きは１８°程度、ダイポール素子１０５の素子長が０．９ｍｍの時、放射パターンの傾きは１９°程度、ダイポール素子１０５の素子長が１．０ｍｍの時、放射パターンの傾きは２０°程度であった。この結果から、ダイポール素子１０５の素子長を大きくすればするほど、ＺＸ平面における放射パターンは傾くことがわかる。
以上より、ダイポール素子１０４、１０５で構成されるダイポールアンテナの中心軸と無給電素子群１０８の中心軸との位置関係、あるいは、ダイポール素子１０４、１０５両者の素子長に差異を設ける、ことでアンテナ装置１００の水平面（ＺＸ平面）の放射方向の傾斜量を変化させることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態について、図８〜１１を用いて説明する。図８は本実施の形態におけるアンテナ装置８００の表面図であり、図９は図８のアンテナ装置８００の裏面図で、表面側から見た図である。本実施の形態におけるアンテナ装置８００はミリ波帯などの高周波帯で無線通信を行う無線通信装置のためのエンドファイアアンテナである。
なお、以下の説明では実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。実施の形態１と同じ部分については、実施の形態１と同じ符号を割り当て、説明を省略する。
図８、図９において、実施の形態１と異なる部分は、アンテナ装置８００が、接地導体８０３ａ、８０３ｂ、８０３ｃ、８０３ｄと、給電線路８０２ａ、８０２ｂと、ダイポール素子８０４ａ、８０４ｂ、８０５ａ、８０５ｂと、を備え、さらに切り換え素子８２０を有している点である。接地導体８０３ａ、８０３ｂ、８０３ｃと、給電線路８０２ａ、８０２ｂと、ダイポール素子８０４ａ、８０４ｂと、無給電素子１０６と、無給電素子アレー１０７と無給電素子群１０８は、誘電体基板１０１の表面に形成される。接地導体８０３ｄと、ダイポール素子８０５ａ、８０５ｂは誘電体基板１０１の裏面に形成される。接地導体８０３ｄは、図８の誘電体基板１０１の左端部に形成される。給電線路８０２ａ、８０２ｂは、接地導体８０３ｄに対向しかつ誘電体基板１０１の左端部から＋Ｚ軸方向に延在するように形成される。接地導体８０３ａ、８０３ｂは、接地導体８０３ｄに対向するように、給電線路８０２ａとの間に所定の間隔を有して、給電線路８０２ａの両側にそれぞれ形成され、接地導体８０３ｂ、８０３ｃは、接地導体８０３ｄに対向するように、給電線路８０２ｂとの間に所定の間隔を有して、給電線路８０２ｂの両側にそれぞれ形成される。接地導体８０３ａ、８０３ｂ、８０３ｃ及び８０３ｄは互いに電気的に接続されている。
図８及び図９において、接地導体８０３ａ、８０３ｂ及び給電線路８０２ａと、接地導体８０３ｄとはグランデッドコプレーナ線路を構成し、電力供給線となる。さらに、接地導体８０３ｂ、８０３ｃ、８０３ｄ及び給電線路８０２ｂとはグランデッドコプレーナ線路を構成し、電力供給線となる。
給電線路８０２ａは、切り換え素子８２０からダイポール素子８０４ａへ高周波信号を供給する線路である。給電線路８０２ｂは、切り換え素子８２０からダイポール素子８０４ｂへ高周波信号を供給する線路である。
ダイポール素子８０４ａと、ダイポール素子８０５ａで第１のダイポールアンテナを形成する。これは実施の形態１で説明したダイポール素子１０４、１０５とで構成されるダイポールアンテナと同じ構成である。
ダイポール素子８０４ｂと、ダイポール素子８０５ｂでさらに第２のダイポールアンテナを形成する。
切り換え素子８２０は、第１のダイポールアンテナと、第２のダイポールアンテナとへ供給する高周波信号を排他的に選択するスイッチである。
第１のダイポールアンテナの中心軸８０９の位置は、実施の形態１と同様に、無給電素子群１０８の中心軸８１０の位置と、Ｘ軸上の異なる位置に配置されている。具体的には、第１のダイポールアンテナの中心軸８０９の位置が、無給電素子群１０８の中心軸８１０の位置より＋Ｘ軸方向に配置されている。一方、第２のダイポールアンテナの中心軸８１１の位置は、無給電素子群１０８の中心軸８１０の位置より、−Ｘ軸方向に配置されている。図８のアンテナ装置８００では、中心軸８１０と中心軸８０９のＸ軸上の距離と中心軸８１０と中心軸８１１のＸ軸上の距離が同じになるように構成している。
なお、中心軸８１０と中心軸８０９のＸ軸上の距離と中心軸８１０と中心軸８１１のＸ軸上の距離が同じである必要はない。
切り換え素子８２０が、給電線路８０２ａ側に接続されている場合、高周波信号はダイポール素子８０４ａ、８０５ａ側に供給される。ダイポール素子８０４ａと、ダイポール素子８０５ａは、高周波信号により励振される。第１のダイポールアンテナから放射される電磁界は、無給電素子アレー１０７間の導波路であるギャップ内を＋Ｚ軸方向に導波し、エンドファイアアンテナの指向性方向である＋Ｚ軸方向の誘電体基板１０１の右端から放射される。そのＺＸ面放射指向性はＺ軸上に対して−Ｘ軸方向に傾斜する。
次に切り換え素子８２０が、給電線路８０２ｂ側に接続されている場合、高周波信号はダイポール素子８０４ｂ、８０５ｂ側に供給される。ダイポール素子８０４ｂと、ダイポール素子８０５ｂとは、高周波信号により励振され、無給電素子アレー１０７の導波路であるギャップ内を導波し、＋Ｚ軸方向に誘電体基板１０１の右端から放射される。そのＺＸ面の放射指向性はＺ軸上に対して＋Ｘ軸方向に傾斜している。
これは、無給電素子群１０８の中心軸８１０に対して、中心軸の一方の方向（＋Ｘ軸方向）と、反対の方向（−Ｘ軸方向）に、第１のダイポールアンテナの中心軸８０９と、第２のダイポールアンテナの中心軸８１１を配置する位置に、無給電素子群１０８、第１のダイポールアンテナ、第２のダイポールアンテナを配置する。さらに、第１のダイポールアンテナと、第２のダイポールアンテナへ供給する高周波信号を排他的に切り替えることで、アンテナ装置８００から放射される無線の指向性を切り換えることが可能になる。第１のダイポールアンテナ、第２のダイポールアンテナいずれの場合にも、実施の形態１で説明したように、無給電素子アレー１０７間の導波路を伝搬する電磁界の不均衡さ（位相遅れ）等を利用して、無線電波の放射方向を傾斜させる。
以上より、本実施の形態で説明するアンテナ装置８００は、２つのダイポールアンテナが無給電素子群１０８を共用した状態で２種類の放射指向性を作ることが可能である。
一例として、ダイポール素子８０５ａ、８０５ｂの長さを０．９ｍｍ、無給電素子アレー１０７を７列とし、その他のパラメータは実施の形態１の図１のアンテナ装置１００と同じ条件で、３次元電磁界解析を行った結果を図１０、図１１に示す。
なお、３次元電磁界解析に用いたアンテナ装置８００は、第１のダイポールアンテナの中心軸８０９と、第２のダイポールアンテナの中心軸８１１と、は無給電素子群１０８の中心軸８１０と、Ｘ軸上に対称に配置した。
図１０は、図８のアンテナ装置８００において、第１のダイポールアンテナに給電した場合のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。図１１は、図８のアンテナ装置８００において、第２のダイポールアンテナに給電した場合のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。
図１０は切り換え素子８２０が、給電線路８０２ａ側に接続された場合の、アンテナ装置８００の放射指向性を示している。図１１は、切り換え素子８２０が、給電線路８０２ｂに接続された場合の、アンテナ装置８００の放射指向性を示している。それぞれ、−３０度、＋３０度方向に放射している。第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナの放射を半値幅で見た場合、それぞれ−６０度弱程度、＋６０度弱程度になる。そのため、第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナの放射を切り替えるダイバーシティー方式で無線通信する場合、合計でＺＸ面で１００度程度の半値幅となり、通信範囲拡大が可能である。
（実施の形態３）
本実施の形態について、図１２〜図１３を用いて説明する。図１２は本実施の形態における２素子可変移相型のアンテナ装置１２００の表面図である。
本実施の形態では、実施の形態２と相違する点を中心に説明する。実施の形態２と同じ部分については、実施の形態２と同じ符号を付し、説明を省略する。
図１２において、実施の形態２で説明した図８と異なるのは、切り換え素子８２０に代わって、可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂとを備えている点である。
可変位相器１２０１ａと１２０１ｂは、それぞれ、高周波信号を入力し、位相を変化させて出力する。可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂは、給電線路８０２ａ、８０２ｂにそれぞれ供給する高周波信号の位相を変化させる。つまり、例えば、可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂは、可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂに入力する高周波信号に対して、給電線路８０２ａ、８０２ｂに供給する高周波信号を所定の範囲で遅らせて出力する。この遅らせる時間により、可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂに入力した高周波信号と、可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂから出力する高周波信号との間では、遅らせた分だけ位相が異なる。可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂは、この遅らせる位相の量を可変で設定する。
図１２のアンテナ装置１２００において、第１のダイポールアンテナの中心軸８０９の位置が、無給電素子群１０８の中心軸８１０の位置より＋Ｘ軸方向に配置されている。一方、第２のダイポールアンテナの中心軸８１１の位置は、無給電素子群１０８の中心軸８１０の位置より、−Ｘ軸方向に配置されている。中心軸８１０と中心軸８０９のＸ軸上の距離と中心軸８１０と中心軸８１１のＸ軸上の距離が同じになるように構成している。
そこで、可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂの位相を逆相（±１８０度）とした高周波信号を入力する場合について説明する。
一例として、実施の形態２と同じパラメータを用い、給電線路８０２ａ、８０２ｂに逆相の関係となるように高周波信号を可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂへ給電した場合のＺＸ平面の放射指向性の電磁界解析結果を図１３に示す。図１３は、図１２のアンテナ装置１２００において、第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナへの給電の位相差が±１８０度の場合のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。
図１３では、アンテナ装置１２００の放射方向が正面であるＺ軸上に向いている。これは、実施の形態２で説明したように、各々の給電におけるエレメントファクタの放射方向は、図１０、図１１で示した通り傾斜している。さらに、その傾斜方向は、反対方向を向いている。そのため、本実施の形態では図１２の可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂを備えたアンテナ装置１２００の場合、アレー動作している図１３のＺＸ面の放射指向性は上述した実施の形態１、２のアンテナ装置よりも、ビーム幅が広くなる。また、アンテナ全体の指向性は、正面（Ｚ軸上）を向く。
以上より、本実施の形態で説明したように、第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナに同時に高周波信号を供給しつつも、その高周波信号の位相を互いに逆位相とすることで、アンテナ装置としては＋Ｚ軸方向に放射指向性を有しながら、上述した実施の形態１、２のアンテナ装置より広い放射範囲（ビーム幅）を確保することが可能である。
（実施の形態３の変形例）
実施の形態３では、位相を可変に変更できる可変位相器１２０１ａ、１２０１ｂを用いた場合のアンテナ装置１２００を説明した。しかし、実施の形態３で説明した内容は、必ずしも可変である必要はない。給電線路８０２ａ、８０２ｂへ給電する高周波信号の位相差を９０度に固定した場合について説明する。第１のダイポールアンテナに対して第２のダイポールアンテナへ入力する高周波信号の位相を９０度遅らせた場合を説明する。図１４は、図１２のアンテナ装置１２００において、第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナへの給電の位相差を９０度に固定した場合のＺＸ平面における放射パターンを示すグラフである。実施の形態２で説明した、高周波入力信号を排他的に制御した場合と比較すると、アンテナ装置１２００からの放射特性をＺ軸上に対して傾斜させることができ、ダイバーシティー方式で無線通信が可能となる。
本変形例の場合には、一方の入力給電線路（第１のダイポールアンテナ）への入力に対して、他方の入力給電線路（第２ののダイポールアンテナ）へ入力する高周波信号を固定の位相量だけ遅らせることで実現できる。そのため、可変位相器を一方の入力のみに設けるだけで実現できる。
（実施の形態４）
図１５は、本実施の形態の無線通信装置１５００の表面図である。図１５において、無線通信装置１５００は、無線モジュール基板などの無線通信装置であって、実施の形態１におけるアンテナ装置１００と、上位層回路１５０１と、ベースバンド回路１５０２と、高周波回路１５０３とを備えて構成される。ここで、上位層回路１５０１と、ベースバンド回路１５０２と、高周波回路１５０３は、誘電体基板１０１の表面上に設けられる。なお、上位層回路１５０１、ベースバンド回路１５０２、高周波回路１５０３は、アンテナ装置１００のダイポールアンテナに対して−Ｚ軸方向に設けられる。
図１５において、上位層回路１５０１は、ＭＡＣ（Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）層及びアプリケーション層などの物理層より上位の層の回路であって、例えば通信回路及びホスト処理回路を含む。上位層回路１５０１は、所定のデータ信号をベースバンド回路１５０２に出力する一方、ベースバンド回路１５０２からのベースバンド信号に対して所定の信号処理を行ってデータ信号に変換する。また、ベースバンド回路１５０２は、上位層回路１５０１からのデータ信号に対して波形成形処理を行った後に、所定の搬送波信号を処理後のデータ信号に従って変調して高周波信号に変換し高周波回路１５０３に出力する。さらに、ベースバンド回路１５０２は、高周波回路１５０３からの高周波信号をベースバンド信号に復調して上位層回路１５０１に出力する。
また、図１５において、高周波回路１５０３は、ベースバンド回路１５０２からの高周波信号に対して無線周波数帯での電力増幅処理及び波形整形処理を行い、給電線路１０２を介してダイポールアンテナに出力する。さらに、高周波回路１５０３は、ダイポールアンテナにより無線受信された高周波信号に対して周波数変換などの所定の処理を行った後にベースバンド回路１５０２に出力する。
なお、高周波回路１５０３とアンテナ装置１００とは、高周波伝送線路を介して接続される。また、必要に応じて、高周波回路１５０３とアンテナ装置１００との間にインピーダンス整合回路を設ける。
以上説明したように構成された無線通信装置１５００は、アンテナ装置１００を用いて高周波信号を無線送受信するので、従来技術に比較して小型かつ高利得の無線通信装置を実現できる。
なお、本実施形態に係る無線通信装置１５００はアンテナ装置１００を備えたが、本発明はこれに限られず、アンテナ装置４００、８００又は１２００を備えてもよい。
図１６は本実施の形態の無線通信装置１６００の表面図である。図１５の無線通信装置１５００と異なる点は、アンテナ装置１００の代わりにアンテナ装置１２００を備えている点、高周波回路１５０３とアンテナ装置１２００の間にスイッチ１６０１を備えている点である。
無線通信装置１６００にアンテナ装置１２００を備えた場合、無線通信装置１６００は、最初の動作として給電線路８０２ａ、８０２ｂを逆相で周波数信号の電力を給電する。これにより、無線通信装置１６００からの放射特性は、図１３で説明したように導波方向正面に広いビームを形成する。無線通信装置１６００は、この状態で通信相手を探索する。次に、無線通信装置１６００が通信相手を見つけ、所定の接続処理等を行う。無線通信装置１６００は、接続処理を終え、データ通信を行う際には、給電線路８０２ａ、８０２ｂのどちらかの回路のみを有効する。給電線路８０２ａ、８０２ｂのどちらかの回路のみを有効するには、アンテナ装置１２００と高周波回路１５０３の間に高周波信号の入力の有効／無効を制御するスイッチ１６０１を設ければよい。無線通信装置１６００は、図１０、図１１のようにＺ軸上から＋Ｘ軸方向、あるいは、−Ｘ軸方向に傾斜した放射指向性のある無線電波を送受信することで、通信相手の方向に放射方向を向ける。
この構成により、より広範囲の相手とＣＮＲ（Ｃａｒｒｉｅｒ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）の高い通信が可能になる。
また、本実施の形態に係る無線通信装置１５００、１６００は無線送受信を行ったが、これに限られず、無線送信のみ又は無線受信のみを行ってもよい。
なお、高周波信号の入力の有効／無効を制御するスイッチとして、アンテナ装置１２００と高周波回路１５０３の間に高周波信号の入力の有効／無効を制御するスイッチ１６０１を設けたが、アンテナ装置１２００の可変位相器１２０１ａと給電線路８０２ａの間とアンテナ装置１２００の可変位相器１２０１ｂと給電線路８０２ｂの間にそれぞれスイッチを設けてもよい。
（まとめ）
本開示は、以下の構成である。アンテナ装置は、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の面に形成され且つ第１の給電線路に接続された第１のダイポール素子と、前記誘電体基板の第２の面に形成され且つ接地導体に接続された第２のダイポール素子とを含む第１のダイポールアンテナと、複数の第１の無給電素子アレーを含み、前記第１の無給電素子アレーは前記誘電体基板の第１の面に形成された複数の第１の無給電素子を含む、第１の無給電素子群とを備える。前記複数の第１の無給電素子は、前記第１のダイポールアンテナの長手方向に実質的に平行なストリップ形状をそれぞれ有し、互いに電磁的に結合するように配置され、前記複数の第１の無給電素子アレーは、実質的に互いに平行に配置され、隣接する前記第１の無給電素子アレー間にギャップが形成されており、前記第１のダイポールアンテナ及び前記第１の無給電素子群は、前記第１のダイポールアンテナの電気長の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸と前記第１の無給電素子群の前記第１のダイポールアンテナの長手方向の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸とが重ならないように配置した。
これにより、上記のアンテナ装置は、第１のダイポール素子の中心軸に平行な方向から第１のダイポール素子の長手方向のいずれか一方に傾斜した方向の放射特性を有することが可能となる。
上記のアンテナ装置において、前記第１のダイポール素子の長さは前記第と前記第２のダイポール素子の長さと異なる構成であってもよい。第１のダイポール素子の長さと第２のダイポール素子の長さが異なる場合には、第１のダイポール素子が一次放射する無線電波の放射特性を傾斜させることができる。
これにより、上記と同様に、アンテナ装置の放射指向性を傾斜させることが可能となる。
また、上記のアンテナ装置において、前記誘電体基板の第１の面に形成されかつ第２の給電線路に接続された第３のダイポール素子と、前記誘電体基板の第２の面に形成されかつ接地導体に接続された第４のダイポール素子とを含む第２のダイポールアンテナをさらに備え、前記第１のダイポールアンテナの長手方向と前記第２のダイポールアンテナの長手方向とは実質的に平行であり、前記第１のダイポールアンテナ及び前記第２のダイポールアンテナは、前記第１のダイポールアンテナの電気長の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸と、前記第２のダイポールアンテナの電気長の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸が重ならないように配置されることが好ましい。
さらに上記のアンテナ装置において、前記第１のダイポールアンテナと前記第２のダイポールアンテナへの給電を、排他的に切り換えるように構成してもよい。
また、前記第１のダイポールアンテナと第２のダイポールアンテナへの給電は、相互に入力される周波数信号の位相が異なるように構成してもよい。
さらに上記のアンテナ装置において、複数の第２の無給電素子アレーを含み、前記第２の無給電素子アレーは前記誘電体基板の第２の面に形成された複数の第２の無給電素子を含む第２の無給電素子群と、をさらに備え、前記第２の無給電素子アレーの前記複数の第２の無給電素子は、前記第１のダイポールアンテナの長手方向に実質的に平行なストリップ形状をそれぞれ有し、互いに電磁的に結合するように配置され、前記複数の第２の無給電素子アレーは、実質的に互いに平行に配置され、隣接する前記第２の無給電素子アレー間にギャップが形成される構成としてもよい。
これにより、２つのダイポールアンテナが無給電素子群を共用した状態で２種類の放射指向性を作ることが可能となる。
（他の実施の形態）
以上のように、開示する技術の例示として、実施の形態１〜４を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態１〜４で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。
したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
本発明に係るアンテナ装置及び、当該アンテナ装置を備えた無線通信装置は、高周波通信等の分野で有用に用いられる。
１００，４００，８００，１２００ アンテナ装置
１０１ 誘電体基板
１０２，８０２ａ，８０２ｂ 給電線路
１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，８０３ａ，８０３ｂ，８０３ｃ，８０３ｄ 接地導体
１０４，８０４ａ，８０４ｂ，１０５，８０５ａ，８０５ｂ ダイポール素子
１０６，４０６ 無給電素子
１０７，４０７ 無給電素子アレー
１０８，４０８ 無給電素子群
１０９，１１０，８０９，８１０，８１１ 中心軸
８２０ 切り換え素子
１２０１ａ，１２０１ｂ 可変位相器
１５００，１６００ 無線通信装置
１５０１ 上位層回路
１５０２ ベースバンド回路
１５０３ 高周波回路
１６０１ スイッチ

Claims (7)

  1. 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の面に形成され且つ第１の給電線路に接続された第１のダイポール素子と、前記誘電体基板の第２の面に形成され且つ接地導体に接続された第２のダイポール素子とを含む第１のダイポールアンテナと、
    複数の第１の無給電素子アレーを含み、前記第１の無給電素子アレーは前記誘電体基板の第１の面に形成された複数の第１の無給電素子を含む、第１の無給電素子群と、を備え、
    前記複数の第１の無給電素子は、前記第１のダイポールアンテナの長手方向に実質的に平行なストリップ形状をそれぞれ有し、互いに電磁的に結合するように配置され、
    前記複数の第１の無給電素子アレーは、実質的に互いに平行に配置され、隣接する前記第１の無給電素子アレー間にギャップが形成されており、
    前記第１のダイポールアンテナ及び前記第１の無給電素子群は、前記第１のダイポールアンテナの電気長の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸と前記第１の無給電素子群の前記第１のダイポールアンテナの長手方向の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸とが重ならないように配置されている、アンテナ装置。
  2. 前記第１のダイポール素子の長さは前記第２のダイポール素子の長さと異なる、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  3. 前記誘電体基板の第１の面に形成されかつ第２の給電線路に接続された第３のダイポール素子と、前記誘電体基板の第２の面に形成されかつ接地導体に接続された第４のダイポール素子とを含む第２のダイポールアンテナをさらに備え、
    前記第１のダイポールアンテナの長手方向と前記第２のダイポールアンテナの長手方向とは実質的に平行であり、
    前記第１のダイポールアンテナ及び前記第２のダイポールアンテナは、前記第１のダイポールアンテナの電気長の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸と、前記第２のダイポールアンテナの電気長の中点を高周波信号の導波方向に延ばした中心軸が重ならないように配置される、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  4. 前記第１のダイポールアンテナと前記第２のダイポールアンテナへの給電を、排他的に切り換える、
    請求項３に記載のアンテナ装置。
  5. 前記第１のダイポールアンテナと前記第２のダイポールアンテナへの給電は、相互に入力される周波数信号の位相が異なる、
    請求項３に記載のアンテナ装置。
  6. 複数の第２の無給電素子アレーを含み、前記第２の無給電素子アレーは前記誘電体基板の第２の面に形成された複数の第２の無給電素子を含む第２の無給電素子群と、をさらに備え、
    前記第２の無給電素子アレーの前記複数の第２の無給電素子は、前記第１のダイポールアンテナの長手方向に実質的に平行なストリップ形状をそれぞれ有し、互いに電磁的に結合するように配置され、
    前記複数の第２の無給電素子アレーは、実質的に互いに平行に配置され、隣接する前記第２の無給電素子アレー間にギャップが形成される、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  7. 請求項１から６のうちのいずれか１つの請求項記載のアンテナ装置を備えたことを特徴とする、無線通信装置。
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