JPWO2019146042A1 - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

放射素子（５−１）〜（５−３）のそれぞれにおいて、給電線路（４）に対する２つの接続部位（５−１ａ）〜（５−３ａ），（５−１ｂ）〜（５−３ｂ）のうち、給電部（３）と反対側の接続部位（５−１ｂ）〜（５−３ｂ）には、当該放射素子を通過する電磁波の電力を調整するための凹部が電力調整部（７−１）〜（７−３）として施されている。

Description

この発明は、複数の放射素子を備えるアンテナ装置に関するものである。

以下の特許文献１には、複数の放射素子を備えるアンテナ装置が開示されている。
このアンテナ装置は、誘電体基板を備えている。この誘電体基板の下面には、地導体層が形成され、上面には給電線路が形成されている。
誘電体基板の上面に形成されている給電線路には、複数の放射素子が等間隔に配列されており、複数の放射素子が給電線路によって直列に接続されている。
給電線路に設けられている給電部を基準にすると、複数の放射素子が対称に配置されているため、アンテナ装置から放射される電磁波の指向方向は、誘電体基板の上面と直交する方向（以下「アンテナ装置の正面方向」という。）である。

特開２００３−１７４３１８号公報

従来の複数の放射素子を備えるアンテナ装置においては、アンテナ装置の正面方向に対する電磁波の指向方向を、ユーザの所望する任意の方向に設定することができないという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、アンテナ装置の正面方向に対する電磁波の指向方向を、ユーザの所望する任意の方向に設定することができるアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るアンテナ装置は、電磁波を給電する給電部が第１の平面に形成され、接地導体が第１の平面と対向している第２の平面に形成されている基板と、一端が給電部と接続されるとともに、第１の平面に形成されるストリップ導体である給電線路と、給電線路に対する１つ以上の接続部位を有しており、給電線路に、ストリップ導体によって形成されているＮ（Ｎは２以上の整数）個の放射素子とを備え、Ｎ個の放射素子の中で、給電部側から数えて、１番目から（Ｎ−１）番目までの放射素子のそれぞれにおいて、給電線路に対する２つの接続部位のうち、給電部と反対側の接続部位には、当該放射素子を通過する電磁波の電力を調整するための凹部が電力調整部として施されているようにしたものである。

この発明によれば、Ｎ個の放射素子の中で、給電部側から数えて、１番目から（Ｎ−１）番目までの放射素子のそれぞれにおいて、給電線路に対する２つの接続部位のうち、給電部と反対側の接続部位には、当該放射素子を通過する電磁波の電力を調整するための凹部が電力調整部として施されているように、アンテナ装置を構成した。したがって、この発明に係るアンテナ装置は、アンテナ装置の正面方向に対する電磁波の指向方向を、ユーザの所望する任意の方向に設定することができる。

図１Ａは、実施の形態１によるアンテナ装置を示す平面図、図１Ｂは、実施の形態１によるアンテナ装置を示す側面図である。 図２Ａは、等間隔に配置されている５個の放射素子の位置と、５個の放射素子の励振振幅との関係を示す説明図、図２Ｂは、不等間隔に配置されている５個の放射素子の位置と、５個の放射素子の励振振幅との関係を示す説明図である。 実施の形態２によるアンテナ装置を示す平面図である。 実施の形態２のアンテナ装置における電気特性の電磁界シミュレーション結果を示す説明図である。 定在波型アレーアンテナ及び進行波型アレーアンテナのそれぞれにおける反射特性の電磁界シミュレーション結果を示す説明図である。 定在波型アレーアンテナ及び進行波型アレーアンテナのそれぞれにおける放射パターンの電磁界シミュレーション結果を示す説明図である。 実施の形態３によるアンテナ装置を示す平面図である。 実施の形態３によるアンテナ装置を示す平面図である。 実施の形態４によるアンテナ装置を示す平面図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１によるアンテナ装置を示す構成図である。
図１Ａは、実施の形態１によるアンテナ装置を示す平面図であり、図１Ｂは、実施の形態１によるアンテナ装置を示す側面図である。
図１において、誘電体基板１は、第１の平面１ａ及び第２の平面１ｂを有している。第１の平面１ａと第２の平面１ｂは、互いに対向している平面である。
誘電体基板１は、電磁波を給電する給電部３が第１の平面１ａに形成され、接地導体２が第２の平面１ｂに形成されている基板である。
接地導体２は、誘電体基板１の第２の平面１ｂに一様に形成されているグランド面である。
第１の平面１ａ及び第２の平面１ｂのそれぞれは、図１Ａに示すように、ｘ軸とｙ軸を含む平面であるｘ−ｙ面と平行な平面である。なお、ｚ軸の向きは、図１Ｂに示すように、ｘ−ｙ面と直交する方向である。
給電部３は、例えば、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）コネクタと接続されており、誘電体基板１の第２の平面１ｂ側から、ＲＦコネクタを介して入力された電磁波を給電線路４に給電する。

給電線路４は、一端が給電部３と接続されるとともに、誘電体基板１の第１の平面１ａに形成されているストリップ導体である。
Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の放射素子５−ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）は、給電線路４に、ストリップ導体によって形成されているアンテナ素子である。
図１Ａのアンテナ装置は、Ｎ＝４として、４個の放射素子５−ｎが形成されている例を示しているが、２個以上の放射素子５−ｎが形成されていればよい。
Ｎ＝４の例では、放射素子５−１〜５−３は、４個の放射素子５−ｎ（ｎ＝１，２，３，４）の中で、給電部３側から数えて、１番目から（Ｎ−１）（＝３）番目までの放射素子である。

Ｎ個の放射素子５−ｎのうち、給電部３側から数えて、１番目から（Ｎ−１）番目までの放射素子５−１〜５−（Ｎ−１）は、給電線路４に対する２つの接続部位を有している。
Ｎ＝４の例では、放射素子５−ｎ（ｎ＝１，２，３）は、給電線路４に対する２つの接続部位５−ｎａ，５−ｎｂを備えている。
接続部位５−ｎａは、放射素子５−ｎの内部から見て、給電部３側の接続部位であり、接続部位５−ｎｂは、放射素子５−ｎの内部から見て、給電部３と反対側の接続部位である。
Ｎ個の放射素子５−ｎのうち、給電部３側から数えて、Ｎ番目の放射素子５−Ｎは、給電線路４に対する１つの接続部位を有している。
Ｎ＝４の例では、放射素子５−４は、給電線路４に対する１つの接続部位５−４ａを備えており、接続部位５−４ａは、放射素子５−４の内部から見て、給電部３側の接続部位である。
放射素子５−４は、給電線路４の他端に配置されており、インピーダンスの整合素子として作用する。

インピーダンス整合部６−１〜６−４は、それぞれ放射素子５−１〜５−４の接続部位５−１ａ〜５−４ａに施されている凹部である。
インピーダンス整合部６−１〜６−４は、それぞれ放射素子５−１〜５−４の入力インピーダンスを調整するために施されており、凹みが深いほど、入力インピーダンスが低くなる。
インピーダンス整合部６−１〜６−４における凹みの深さは、それぞれｘ軸方向の凹み量ｃ１ａ，ｃ２ａ，ｃ３ａ，ｃ４ａである。

電力調整部７−１〜７−３は、それぞれ放射素子５−１〜５−３の接続部位５−１ｂ〜５−３ｂに施されている凹部である。
電力調整部７−１〜７−３は、それぞれ放射素子５−１〜５−３を通過する電磁波の電力を調整するために施されており、凹みが深いほど、電磁波の通過電力が大きくなる。
電力調整部７−１〜７−３における凹みの深さは、それぞれｘ軸方向の凹み量ｃ１ｂ，ｃ２ｂ，ｃ３ｂである。

図１Ａのアンテナ装置における放射素子５−１〜５−４の形状は、インピーダンス整合部６−１〜６−４及び電力調整部７−１〜７−３のそれぞれが施されていなければ、矩形である。ただし、放射素子５−１〜５−４の形状は、インピーダンス整合部６−１〜６−４及び電力調整部７−１〜７−３のそれぞれを施すことが可能な形状であれば、矩形以外の四角形であってもよい。
放射素子５−１〜５−４のｘ方向の長さであるパッチ長は、それぞれＬである。
図１Ａの例では、放射素子５−１〜５−４のそれぞれにおけるパッチ長Ｌが全て同一である。
放射素子５−１〜５−４のｙ方向の長さであるパッチ幅は、それぞれＷである。
図１Ａの例では、放射素子５−１〜５−４のそれぞれにおけるパッチ幅Ｗが全て同一である。
図１Ａのアンテナ装置における放射素子５−１〜５−４の配置の間隔は、不等間隔である。
ｄ１２は、放射素子５−１と放射素子５−２との間隔であり、ｄ２３は、放射素子５−２と放射素子５−３との間隔であり、ｄ３４は、放射素子５−３と放射素子５−４との間隔である。

次に、図１のアンテナ装置が送信アンテナとして使用される場合の動作原理について説明する。
まず、誘電体基板１の第２の平面１ｂ側から、図示せぬＲＦコネクタを介して、電磁波が給電部３に入力される。
給電部３は、入力された電磁波を給電線路４に給電する。

給電部３から給電線路４に給電された電磁波は、給電線路４を通って、放射素子５−１に到達する。
放射素子５−１に到達した電磁波の一部は、放射素子５−１から空間に放射される。
また、放射素子５−１に到達した電磁波の一部は、放射素子５−１に反射され、反射波として給電部３側に戻る。
放射素子５−１に到達した電磁波のうち、放射素子５−１から放射されず、また、放射素子５−１に反射されない電磁波は、給電線路４を通って、放射素子５−２に到達する。

放射素子５−２に到達した電磁波の一部は、放射素子５−２から空間に放射される。
また、放射素子５−２に到達した電磁波の一部は、放射素子５−２に反射され、反射波として給電部３側に戻る。
放射素子５−２に到達した電磁波のうち、放射素子５−２から放射されず、また、放射素子５−２に反射されない電磁波は、給電線路４を通って、放射素子５−３に到達する。

放射素子５−３に到達した電磁波の一部は、放射素子５−３から空間に放射される。
また、放射素子５−３に到達した電磁波の一部は、放射素子５−３に反射され、反射波として給電部３側に戻る。
放射素子５−３に到達した電磁波のうち、放射素子５−３から放射されず、また、放射素子５−３に反射されない電磁波は、給電線路４を通って、放射素子５−４に到達する。
放射素子５−４に到達した電磁波の一部は、放射素子５−４から空間に放射される。
放射素子５−４に到達した電磁波のうち、放射素子５−３から放射されない電磁波は、放射素子５−４に反射され、反射波として給電部３側に戻る。

ここで、放射素子５−１〜５−４から放射される電磁波の指向方向θは、アンテナ装置の放射パターンによって決定される。電磁波の指向方向θは、図１Ｂに示すように、アンテナ装置の正面方向とのなす角で表される。アンテナ装置の正面方向は、図１Ｂに示すように、誘電体基板１の第１の平面１ａと直交しているｚ軸方向である。
アンテナ装置の放射パターンは、アンテナ装置から放射される電磁波の空間的なパターンである。
放射素子５−１〜５−４のそれぞれから放射される電磁波の放射量は、放射素子５−１〜５−４のそれぞれのパッチ長Ｌ、放射素子５−１〜５−４のそれぞれのパッチ幅Ｗ及び給電線路４の線路幅Ｈを個別に調整することによって調整することが可能である。
しかし、図１Ａの例では、放射素子５−１〜５−４のそれぞれにおけるパッチ長Ｌが全て同一であり、かつ、放射素子５−１〜５−４のそれぞれにおけるパッチ幅Ｗが全て同一である。また、給電線路４の線路幅Ｈである給電線路４のｙ軸方向の長さは、給電部３から放射素子５−４にかけて一定である。図１Ａでは、パッチ長Ｌが全て同一、パッチ幅Ｗが全て同一及び給電線路４のｙ軸方向の長さが一定である例を示しているが、これは一例に過ぎない。したがって、パッチ長Ｌが全て同一でなくてもよいし、パッチ幅Ｗが全て同一でなくてもよいし、給電線路４のｙ軸方向の長さが一定でなくてもよい。

図１Ａに示すアンテナ装置は、誘電体基板１に対して、給電部３、給電線路４及びＮ個の放射素子５−ｎの組を１つのアレーアンテナとして、１つのアレーアンテナが形成されているが、アンテナ装置は、２組以上のアレーアンテナが形成されることがある。
２組以上のアレーアンテナが形成されるアンテナ装置では、２組以上のアレーアンテナにおけるそれぞれのパッチ幅Ｗの調整が可能であるとすると、調整後のパッチ幅Ｗによっては、２組以上のアレーアンテナが互いに干渉してしまうことがある。したがって、パッチ幅Ｗの調整が可能なアンテナ装置を構成する場合は、２組以上のアレーアンテナ間の干渉を防ぐために、２組以上のアレーアンテナの間隔などを調整する手間が必要となる。この実施の形態１では、２組以上のアレーアンテナの間隔などを調整する手間を不要にするため、バッチ幅Ｗを調整していない例を示している。
また、放射素子５−１〜５−４のそれぞれにおけるパッチ長Ｌの調整が可能であるとするアンテナ装置は、調整後のパッチ長Ｌによっては、ｘ軸方向の長さが大きくなり過ぎてしまうことがある。この実施の形態１では、アンテナ装置のｘ軸方向の長さが大きくなり過ぎないようにするため、パッチ長Ｌを調整していない例を示している。

この実施の形態１のアンテナ装置は、電力調整部７−１〜７−３として凹部を有しているため、電力調整部７−１〜７−３におけるそれぞれの凹み量ｃ１ｂ，ｃ２ｂ，ｃ３ｂ及びそれぞれの配置の間隔ｄ１２，ｄ２３，ｄ３４を調整することで、放射素子５−１〜５−４のそれぞれから放射される電磁波の放射量を個別に調整できる。
放射素子５−１〜５−４のそれぞれから放射される電磁波の放射量は、放射素子５−１〜５−４のそれぞれによって反射される電磁波の電力によって変化する。放射素子５−１〜５−４のそれぞれによって反射される電磁波の電力は、放射素子５−１〜５−４のそれぞれの入力インピーダンスが調整されることで変化する。
インピーダンス整合部６−１〜６−４におけるそれぞれの凹み量ｃ１ａ，ｃ２ａ，ｃ３ａ，ｃ４ａは、放射素子５−１〜５−４のそれぞれの入力インピーダンスを調整するためのパラメータである。
したがって、インピーダンス整合部６−１〜６−４におけるそれぞれの凹み量ｃ１ａ，ｃ２ａ，ｃ３ａ，ｃ４ａについても、電磁波の放射量を個別に調整するためのパラメータとなり得る。
このため、この実施の形態１では、インピーダンス整合部６−１〜６−４におけるそれぞれの凹み量ｃ１ａ，ｃ２ａ，ｃ３ａ，ｃ４ａについても調整されるアンテナ装置を示している。

図２は、所望の放射パターンを得るための励振振幅分布を示す説明図である。
図２Ａは、等間隔に配置されている５個の放射素子の位置と、５個の放射素子の励振振幅との関係を示している。図２Ａにおいて、２１は、励振振幅分布を示している。
また、図２Ｂは、不等間隔に配置されている５個の放射素子の位置と、５個の放射素子の励振振幅との関係を示している。図２Ｂにおいて、２２は、励振振幅分布を示している。
所望の放射パターンを得るための励振振幅分布は、例えば、公知の遺伝的アルゴリズムを用いることで算出することが可能である。

電磁波の指向方向をアンテナ装置の正面方向からθだけ傾ける場合、例えば、コンピュータが、以下に示す手順で、放射素子５−１〜５−４における配置の間隔ｄ１２，ｄ２３，ｄ３４などを設定する。
［手順（１）］
まず、コンピュータは、電磁波の指向方向θに対応する放射パターンを設定する。
ここでは説明の便宜上、設定した放射パターンを得るための励振振幅分布が、図２Ｂに示す励振振幅分布２２であるものとする。図２Ｂでは、放射素子の個数が５個であり、図１に示す放射素子５−１〜５−４の個数（＝４個）と相違しているが、図２Ｂでは、便宜上、図１に示す放射素子の数が仮に５個であるものとした場合を示している。

［手順（２）］
コンピュータが、電磁波の指向方向θに対応する放射パターンを設定した時点では、放射素子５−１〜５−４における配置の間隔ｄ１２，ｄ２３，ｄ３４が不明である。このため、コンピュータは、放射素子５−１〜５−４における配置の間隔ｄ１２，ｄ２３，ｄ３４を仮に設定する。
放射素子５−１〜５−４における配置の間隔ｄ１２，ｄ２３，ｄ３４は、どのような配置の間隔に仮設定されてもよいが、図２Ａに示すように、放射素子５−１〜５−４における配置の間隔ｄ１２，ｄ２３，ｄ３４が等間隔に仮設定される例が考えられる。図２Ａでは、放射素子の個数が５個であり、図１に示す放射素子５−１〜５−４の個数（＝４個）と相違しているが、図２Ａでは、便宜上、図１に示す放射素子の数が仮に５個であるものとした場合を示している。

［手順（３）］
コンピュータは、配置の間隔ｄ１２，ｄ２３，ｄ３４を仮に設定した状態で、例えば、公知の遺伝的アルゴリズムを用いることで、電磁波の指向方向θに対応する放射パターンが得られる励振振幅分布と近似している励振振幅分布（以下「暫定的な分布」という。）を算出する。
遺伝的アルゴリズムを用いた暫定的な分布の算出過程において、暫定的な分布は、インピーダンス整合部６−１〜６−４におけるそれぞれの凹み量ｃ１ａ，ｃ２ａ，ｃ３ａ，ｃ４ａを示す数値と、電力調整部７−１〜７−３におけるそれぞれの凹み量ｃ１ｂ，ｃ２ｂ，ｃ３ｂを示す数値とが調整されながら算出される。
算出された暫定的な分布は、配置の間隔ｄ１２，ｄ２３，ｄ３４を仮に設定した状態での励振振幅分布であり、配置の間隔ｄ１２，ｄ２３，ｄ３４は、適正な配置の間隔であるとは限らない。このため、算出された暫定的な分布は、電磁波の指向方向θに対応する放射パターンが得られる励振振幅分布とは異なっていることがある。

［手順（４）］
手順（４）は、算出された暫定的な分布が、電磁波の指向方向θに対応する放射パターンが得られる励振振幅分布とは異なっている場合に実行される手順である。
コンピュータは、アンテナ装置の励振振幅分布が、手順（３）で算出した暫定的な分布であるときのｉ番目の放射素子５−ｉを通過する電磁波の位相である第１の通過位相φ_１（ｉ）を電磁界シミュレーションする。ｉ番目の放射素子５−ｉは、給電部３側から数えて、ｉ番目の放射素子であり、ｉ＝１，２，３である。コンピュータによる電磁界シミュレーションは、ｉ＝１，２，３の場合の全ての放射素子５−ｉについて、それぞれ行われる。
また、コンピュータは、ｉ番目の放射素子５−ｉと（ｉ＋１）番目の放射素子５−（ｉ＋１）との間の給電線路４を通過する電磁波の位相である第２の通過位相φ_２（ｉ）を電磁界シミュレーションする。
第１の通過位相φ_１（ｉ）及び第２の通過位相φ_２（ｉ）のそれぞれの電磁界シミュレーションは、例えば、コンピュータによって行われるシミュレーションである。第１の通過位相φ_１（ｉ）及び第２の通過位相φ_２（ｉ）のそれぞれの電磁界シミュレーション自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。

［手順（５）］
コンピュータは、第１の通過位相φ_１（ｉ）と第２の通過位相φ_２（ｉ）との和が、以下の条件式を満たすように、ｉ番目の放射素子５−ｉと（ｉ＋１）番目の放射素子５−（ｉ＋１）との間の給電線路４の線路長ｄ（ｉ）を設定する。
［条件式］ φ_１（ｉ）＋φ_２（ｉ）＝−ｋ×ｄ（ｉ）×ｓｉｎθ＋２ｍπ
ｄ（ｉ）は、ｉ番目の放射素子５−ｉと（ｉ＋１）番目の放射素子５−（ｉ＋１）との間の給電線路４の線路長、ｋは、電磁波の使用周波数における波数、ｍは、整数である。

［手順（６）］
コンピュータは、放射素子５−１と放射素子５−２における配置の間隔ｄ１２を線路長ｄ（１）に設定し、放射素子５−２と放射素子５−３における配置の間隔ｄ２３を線路長ｄ（２）に設定する。
また、コンピュータは、放射素子５−３と放射素子５−４における配置の間隔ｄ３４を線路長ｄ（３）に設定する。
コンピュータは、配置の間隔ｄ１２，ｄ２３，ｄ３４を上記のように設定した状態で、例えば、公知の遺伝的アルゴリズムを用いることで、暫定的な分布を算出する。
遺伝的アルゴリズムを用いた暫定的な分布の算出過程において、暫定的な分布は、インピーダンス整合部６−１〜６−４におけるそれぞれの凹み量ｃ１ａ，ｃ２ａ，ｃ３ａ，ｃ４ａを示す数値と、電力調整部７−１〜７−３におけるそれぞれの凹み量ｃ１ｂ，ｃ２ｂ，ｃ３ｂを示す数値とが調整されながら算出される。

［手順（７）］
コンピュータは、手順（６）で算出した暫定的な分布と、電磁波の指向方向θに対応する放射パターンが得られる励振振幅分布との収束度を算出し、算出した収束度が、収束条件を示す基準の収束度よりも高ければ、励振振幅分布の算出が収束していると判断する。２つの励振振幅分布の収束度を算出する処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
コンピュータは、励振振幅分布の算出が収束していると判断すると、手順（６）で設定した配置の間隔ｄ１２，ｄ２３，ｄ３４を、アンテナ装置の設計値として採用する。
また、コンピュータは、手順（６）で算出した暫定的な分布に対応するインピーダンス整合部６−１〜６−４におけるそれぞれの凹み量ｃ１ａ，ｃ２ａ，ｃ３ａ，ｃ４ａを、アンテナ装置の設計値として採用する。
また、コンピュータは、手順（６）で算出した暫定的な分布に対応する電力調整部７−１〜７−３におけるそれぞれの凹み量ｃ１ｂ，ｃ２ｂ，ｃ３ｂを、アンテナ装置の設計値として採用する。

コンピュータは、暫定的な分布の算出が収束していないと判断すると、手順（４）〜手順（７）を繰り返し実施する。
ただし、手順（４）においては、コンピュータは、手順（３）で算出した暫定的な分布の代わりに、手順（６）で算出した暫定的な分布を用いて、第１の通過位相φ_１（ｉ）及び第２の通過位相φ_２（ｉ）のそれぞれを電磁界シミュレーションする。

この実施の形態１のアンテナ装置は、電磁波の指向方向θを任意の方向に設定できるものであり、電磁波の指向方向θをアンテナ装置の正面方向にも設定することが可能である。
この実施の形態１のアンテナ装置は、放射素子５−１〜５−４における配置の間隔ｄ１２，ｄ２３，ｄ３４が不等間隔であっても、放射素子５−１〜５−４の全てが同相励振される場合には、アンテナ装置の正面方向に電磁波を放射することができる。
放射素子５−１〜５−４の全てが同相励振される条件は、以下の通りである。
放射素子５−１における第１の通過位相φ_１（１）と、放射素子５−１と放射素子５−２との間の給電線路４における第２の通過位相φ_２（１）との和をΦ（１）とする。
放射素子５−２における第１の通過位相φ_１（２）と、放射素子５−２と放射素子５−３との間の給電線路４における第２の通過位相φ_２（２）との和をΦ（２）とする。
放射素子５−３における第１の通過位相φ_１（３）と、放射素子５−３と放射素子５−４との間の給電線路４における第２の通過位相φ_２（３）との和をΦ（３）とする。
このとき、Φ（１）＝Φ（２）＝Φ（３）であれば、放射素子５−１〜５−４の全てが同相励振される。
放射素子５−１〜５−４の全てが同相励振される場合、アンテナ装置の正面方向に電磁波が放射される。

以上の実施の形態１のアンテナ装置は、放射素子５−１〜５−３のそれぞれにおいて、給電部３と反対側の接続部位５−１ｂ〜５−３ｂには、当該放射素子を通過する電磁波の電力を調整するための凹部が電力調整部７−１〜７−３として施されている。したがって、実施の形態１のアンテナ装置は、電力調整部７−１〜７−３におけるそれぞれの凹みの深さと、放射素子５−１〜５−４の配置とを調整することで、アンテナ装置の正面方向に対する電磁波の指向方向を、ユーザの所望する任意の方向に設定することができる。

この実施の形態１のアンテナ装置は、誘電体基板１を備えるアンテナ装置について示しているが、誘電体基板１の代わりに、例えば、発泡剤で形成されているスペーサを基板として用いるようにしてもよい。
スペーサを基板として用いる場合、給電線路４及び放射素子５−１〜５−４のそれぞれは、導体板などで形成すればよい。

この実施の形態１のアンテナ装置は、誘電体基板１の第１の平面１ａに放射素子５−１〜５−４が形成されているアンテナ装置について示している。
この実施の形態１のアンテナ装置は、誘電体基板１の第１の平面１ａの上に、さらに、非励振素子が形成されている他の誘電体基板が積層されることで、多層基板化されているアンテナ装置であってもよい。
また、この実施の形態１のアンテナ装置は、誘電体基板１の第１の平面１ａのｚ軸方向にポラライザが設けられていてもよい。ポラライザは、放射素子５−１〜５−４から放射された電磁波の偏向状態を変換する機能を有するため、実施の形態１のアンテナ装置を、例えば、円偏波アンテナとして動作するアンテナ装置として利用することが可能になる。

実施の形態２．
この実施の形態２では、Ｎ個の放射素子のうち、１つ以上の放射素子に孔が施されているアンテナ装置について説明する。

図３は、実施の形態２によるアンテナ装置を示す平面図である。
図３において、図１Ａと同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
孔８−１は、放射素子５−１に施されている孔である。
孔８−２は、放射素子５−２に施されている孔である。
孔８−１，８−２がそれぞれ施されている放射素子５−１，５−２は、孔８−１，８−２が施されていない場合の放射素子５−１，５−２と比べて、放射素子５−１，５−２の入力インピーダンスが高くなる。

図３に示すアンテナ装置は、孔８−１，８−２が、それぞれ放射素子５−１，５−２の中心位置に施されている例を示しているが、放射素子５−１，５−２の中心位置からずれている位置に施されていてもよい。
図３に示すアンテナ装置は、２個の放射素子５−１，５−２に孔８−１，８−２が施されている例を示しているが、孔が施されている放射素子の個数は２個に限るものではなく、１個の放射素子、または、３個以上の放射素子に孔が施されていてもよい。
また、図３に示すアンテナ装置は、放射素子５−１〜５−４の中で、給電部３側の放射素子５−１，５−２に孔８−１，８−２が施されている例を示しているが、どの放射素子に孔が施されていてもよい。

次に、図３に示すアンテナ装置の動作原理について説明する。
まず、図１に示すアンテナ装置においては、放射素子５−１〜５−４におけるそれぞれの入力インピーダンスは、インピーダンス整合部６−１〜６−４におけるそれぞれの凹み量ｃ１ａ，ｃ２ａ，ｃ３ａ，ｃ４ａを調整することで、調整することができる。
また、放射素子５−１〜５−４におけるそれぞれの入力インピーダンスは、凹み量ｃ１ａ，ｃ２ａ，ｃ３ａ，ｃ４ａのそれぞれが小さいほど、入力インピーダンスが高くなる。
したがって、凹み量ｃ１ａ，ｃ２ａ，ｃ３ａ，ｃ４ａのそれぞれがゼロであって、インピーダンス整合部６−１〜６−４としての凹みが無い状態のときが、放射素子５−１〜５−４におけるそれぞれの入力インピーダンスが最も高くなる。

放射素子５−１〜５−４の接続部位５−１ａ〜５−４ａでの電磁波の反射量をそれぞれ最小にする放射素子５−１〜５−４におけるそれぞれの入力インピーダンスは、インピーダンス整合部６−１〜６−４としての凹みが無い状態での入力インピーダンスよりも高い場合がある。
このような場合においては、放射素子５−１〜５−４に孔を施して、放射素子５−１〜５−４の入力インピーダンスをさらに高くすることで、放射素子５−１〜５−４の入力インピーダンスを、電磁波の反射量を最小にする入力インピーダンスに合わせることができる。

図３に示すアンテナ装置では、放射素子５−１，５−２に孔８−１，８−２がそれぞれ施されている。
また、図３に示すアンテナ装置では、インピーダンス整合部６−１，６−２におけるそれぞれの凹み量ｃ１ａ，ｃ２ａがゼロであって、インピーダンス整合部６−１，６−２としての凹みが無い状態である。
孔８−１，８−２がそれぞれ施されることによる放射素子５−１，５−２の入力インピーダンスの上昇量は、それぞれΔＩ_１up，ΔＩ_２upであるとする。
したがって、図３に示すアンテナ装置では、放射素子５−１，５−２の入力インピーダンスを、インピーダンス整合部６−１，６−２としての凹みが無い状態での入力インピーダンスよりも、それぞれΔＩ_１up，ΔＩ_２upだけ高くすることができる。
以上より、実施の形態２のアンテナ装置は、放射素子５−１〜５−４に対する孔のそれぞれの有無と、凹み量ｃ１ａ，ｃ２ａ，ｃ３ａ，ｃ４ａのそれぞれの調整とによって、放射素子５−１〜５−４におけるそれぞれの入力インピーダンスを調整することができる。

ここで、図４は、実施の形態２のアンテナ装置における電気特性の電磁界シミュレーション結果を示す説明図である。図４は、放射素子の個数が９個のアンテナ装置の例を示している。
図４において、曲線４１は、９個の放射素子の全てに孔が施されていない場合において、９個の放射素子のうち、給電部３側の２個の放射素子の入力インピーダンスを示している。
曲線４２は、９個の放射素子のうち、給電部３側の２個の放射素子に孔が施されている場合において、９個の放射素子のうち、給電部３側の２個の放射素子の入力インピーダンスを示している。
給電部３側の２個の放射素子は、孔が施されていない場合、図４に示す曲線４１のように、入力インピーダンスが低いため、インピーダンス整合を取ることができない。
給電部３側の２個の放射素子は、孔が施されている場合、図４に示す曲線４２のように、孔が施されていない場合よりも入力インピーダンスが高められるため、インピーダンス整合を取ることができることがある。

図５は、定在波型アレーアンテナ及び進行波型アレーアンテナのそれぞれにおける反射特性の電磁界シミュレーション結果を示す説明図である。
実施の形態１，２のアンテナ装置は、進行波型アレーアンテナである。以下、一般的な定在波型アレーアンテナの反射特性と、進行波型アレーアンテナの反射特性とを比較する。
図５において、曲線５１は、定在波型アレーアンテナの反射特性を示し、曲線５２は、進行波型アレーアンテナの反射特性を示している。
曲線５２が示す反射波の振幅は、各々の周波数において、曲線５１が示す反射波の振幅よりも小さくなっている。
したがって、進行波型アレーアンテナである実施の形態１，２のアンテナ装置は、定在波型アレーアンテナよりも、広帯域特性を実現できていることが分かる。

図６は、定在波型アレーアンテナ及び進行波型アレーアンテナのそれぞれにおける放射パターンの電磁界シミュレーション結果を示す説明図である。
図６において、曲線６１は、進行波型アレーアンテナから放射される電磁波の主偏波の放射パターンを示している。
曲線６１は、主偏波のビーム方向がアンテナ装置の正面方向である例を示している。
進行波型アレーアンテナである実施の形態１，２のアンテナ装置は、給電線路４の中央に設けられている給電点から電磁波が給電される特許文献１のアンテナ装置と異なり、給電線路４の一端に接続されている給電部３から電磁波が給電される。しかし、進行波型アレーアンテナである実施の形態１，２のアンテナ装置は、曲線６１から明らかなように、主偏波のビーム方向をアンテナ装置の正面方向に向けることも可能である。

曲線６２は、定在波型アレーアンテナから放射される電磁波の主偏波の放射パターンを示している。
曲線６２が示す放射パターンも、主偏波のビーム方向がアンテナ装置の正面方向に向いている。
定在波型アレーアンテナ及び進行波型アレーアンテナのいずれも、サイドローブレベルが−２０ｄＢ程度以下で、交差偏波レベルが−５０ｄＢ以下であり、良好な特性を示している。

実施の形態３．
実施の形態１，２のアンテナ装置は、放射素子５−１〜５−４の形状が矩形である例を示している。
しかし、放射素子５−１〜５−４の形状は、インピーダンス整合部６−１〜６−４及び電力調整部７−１〜７−３のそれぞれを施すことが可能な形状であれば、矩形であるものに限るものではなく、例えば、楕円状の形状であってもよいし、三角形又は五角形以上の多角形であってもよい。

図７及び図８は、実施の形態３によるアンテナ装置を示す平面図である。
図７では、放射素子５−１〜５−４の形状が楕円状の形状である例を示している。
図８では、放射素子５−１〜５−４の形状が多角形である例を示している。
図７及び図８において、図１Ａと同一符号は同一又は相当部分を示している。
放射素子５−１〜５−４は、形状が楕円状の形状又は多角形であっても、形状が矩形である場合と同様に、電磁波を放射することができる。
ここでの放射素子５−１〜５−４の形状とは、インピーダンス整合部６−１〜６−４として凹部及び電力調整部７−１〜７−３として凹部がそれぞれ施されていない場合の放射素子５−１〜５−４の形状のことを意味する。

実施の形態４．
実施の形態１〜３のアンテナ装置は、放射素子５−１〜５−４が１列に並んでいるアンテナ装置を示している。
この実施の形態４では、放射素子５−１〜５−４が２列以上に並んでいるアンテナ装置について説明する。

図９は、実施の形態４によるアンテナ装置を示す平面図である。
図９において、図１Ａと同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
図９に示すアンテナ装置は、誘電体基板１に対して、給電部３、給電線路４及び放射素子５−１〜５−４の組を１つのアレーアンテナとして、２つのアレーアンテナが形成されている。そして、図９に示すアンテナ装置は、２つのアレーアンテナに含まれているそれぞれの給電線路４が互いに概ね平行に形成されている。
図９に示すアンテナ装置は、２つのアレーアンテナが形成されている例を示しているが、複数のアレーアンテナが形成されていればよく、３つ以上のアレーアンテナが形成されているものであってもよい。３つ以上のアレーアンテナに含まれているそれぞれの給電線路４は、互いに概ね平行に形成される。

図９に示すアンテナ装置では、２つのアレーアンテナに含まれている放射素子５−１〜５−４から、指向方向θが互いに異なる電磁波を放射することができる。また、２つのアレーアンテナに含まれている放射素子５−１〜５−４から、指向方向θが同じ電磁波を放射することもできる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明は、複数の放射素子を備えるアンテナ装置に適している。

１ 誘電体基板、１ａ 第１の平面、１ｂ 第２の平面、２ 接地導体、３ 給電部、４ 給電線路、５−１〜５−４ 放射素子、５−１ａ〜５−４ａ 接続部位、５−１ｂ〜５−３ｂ 接続部位、６−１〜６−４ インピーダンス整合部、７−１〜７−３ 電力調整部、８−１，８−２ 孔、２１，２２ 励振振幅分布、４１，４２，５１，５２，６１，６２ 曲線。

この発明に係るアンテナ装置は、電磁波を給電する給電部が第１の平面に形成され、接地導体が第１の平面と対向している第２の平面に形成されている基板と、一端が給電部と接続されるとともに、第１の平面に形成されるストリップ導体である給電線路と、給電線路に対する１つ以上の接続部位を有しており、給電線路に、ストリップ導体によって形成されているＮ（Ｎは２以上の整数）個の放射素子とを備え、Ｎ個の放射素子の中で、給電部側から数えて、１番目から（Ｎ−１）番目までの放射素子のそれぞれにおいて、給電線路に対する２つの接続部位のうち、給電部と反対側の接続部位には、当該放射素子を通過する電磁波の電力を調整するための凹部が電力調整部として施され、Ｎ個の放射素子のうち、１つ以上の放射素子に孔が施されているようにしたものである。

放射素子５−３に到達した電磁波の一部は、放射素子５−３から空間に放射される。
また、放射素子５−３に到達した電磁波の一部は、放射素子５−３に反射され、反射波として給電部３側に戻る。
放射素子５−３に到達した電磁波のうち、放射素子５−３から放射されず、また、放射素子５−３に反射されない電磁波は、給電線路４を通って、放射素子５−４に到達する。
放射素子５−４に到達した電磁波の一部は、放射素子５−４から空間に放射される。
放射素子５−４に到達した電磁波のうち、放射素子５−４から放射されない電磁波は、放射素子５−４に反射され、反射波として給電部３側に戻る。

図１Ａに示すアンテナ装置は、誘電体基板１に対して、給電部３、給電線路４及びＮ個の放射素子５−ｎの組を１つのアレーアンテナとして、１つのアレーアンテナが形成されているが、アンテナ装置は、２組以上のアレーアンテナが形成されることがある。
２組以上のアレーアンテナが形成されるアンテナ装置では、２組以上のアレーアンテナにおけるそれぞれのパッチ幅Ｗの調整が可能であるとすると、調整後のパッチ幅Ｗによっては、２組以上のアレーアンテナが互いに干渉してしまうことがある。したがって、パッチ幅Ｗの調整が可能なアンテナ装置を構成する場合は、２組以上のアレーアンテナ間の干渉を防ぐために、２組以上のアレーアンテナの間隔などを調整する手間が必要となる。この実施の形態１では、２組以上のアレーアンテナの間隔などを調整する手間を不要にするため、パッチ幅Ｗを調整していない例を示している。
また、放射素子５−１〜５−４のそれぞれにおけるパッチ長Ｌの調整が可能であるとするアンテナ装置は、調整後のパッチ長Ｌによっては、ｘ軸方向の長さが大きくなり過ぎてしまうことがある。この実施の形態１では、アンテナ装置のｘ軸方向の長さが大きくなり過ぎないようにするため、パッチ長Ｌを調整していない例を示している。

Claims (7)

1. 電磁波を給電する給電部が第１の平面に形成され、接地導体が前記第１の平面と対向している第２の平面に形成されている基板と、
   一端が前記給電部と接続されるとともに、前記第１の平面に形成されるストリップ導体である給電線路と、
   前記給電線路に対する１つ以上の接続部位を有しており、前記給電線路に、ストリップ導体によって形成されているＮ（Ｎは２以上の整数）個の放射素子とを備え、
   前記Ｎ個の放射素子の中で、前記給電部側から数えて、１番目から（Ｎ−１）番目までの放射素子のそれぞれにおいて、前記給電線路に対する２つの接続部位のうち、前記給電部と反対側の接続部位には、当該放射素子を通過する電磁波の電力を調整するための凹部が電力調整部として施されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記Ｎ個の放射素子のそれぞれにおいて、前記給電線路に対する１つ以上の接続部位のうち、前記給電部側の接続部位には、当該放射素子の入力インピーダンスを調整するための凹部がインピーダンス整合部として施されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記Ｎ個の放射素子の中で、前記給電部側から数えて、ｉ（ｉは、１以上、（Ｎ−１）以下の整数）番目の放射素子と（ｉ＋１）番目の放射素子との間の給電線路の線路長は、前記ｉ番目の放射素子を通過する電磁波の位相である第１の通過位相と、前記（ｉ＋１）番目の放射素子との間の給電線路を通過する電磁波の位相である第２の通過位相との和が、以下の条件式を満たす長さであることを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
   ［条件式］ φ_１（ｉ）＋φ_２（ｉ）＝−ｋ×ｄ（ｉ）×ｓｉｎθ＋２ｍπ
   φ_１（ｉ）は、第１の通過位相
   φ_２（ｉ）は、第２の通過位相
   ｋは、電磁波の使用周波数における波数
   ｄ（ｉ）は、ｉ番目の放射素子と（ｉ＋１）番目の放射素子との間の給電線路の線路長
   θは、電磁波の指向方向であり、前記指向方向は、アンテナ装置の正面方向とのなす角で表される
   ｍは、整数
4. 前記Ｎ個の放射素子のうち、１つ以上の放射素子に孔が施されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
5. 前記放射素子の形状が多角形であることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
6. 前記放射素子の形状が楕円状の形状であることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
7. 前記基板に対して、前記給電部、前記給電線路及び前記Ｎ個の放射素子の組が複数形成されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。

Images