JPWO2019151529A1 - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

パッチアンテナは、パッチが設けられたアンテナ面と、アンテナ面に対向し、接地導体が設けられたグランド面（１０）と、線路幅がそれぞれ異なる３本の伝送線路（２７，２８，２９）がそれぞれ直列に接続されたスタブ（２５）と、備える。伝送線路（２８）は、第１の直線部（２８１）と第２の直線部（２８３）と屈曲部（２８２）とを有する。

Description

本開示は、アンテナ装置に関する。

非特許文献１には、移動通信端末に搭載される従来のアンテナ装置として、例えば２ＧＨｚ帯の通信周波数を使用するパッチアンテナが開示されている。このパッチアンテナは、通信周波数の広帯域化を図るため、下位層にグランド面、中間層にアンテナ面、上位層に伝送線路で構成されたスタブが積層された３層構造を有する。

中野新司、外４名、"パッチ上面に設けたスタブによる偏波ダイバーシチパッチアンテナの広帯域整合"、２００３年１１月、電子情報通信学会論文誌Ｂ Ｖｏｌ．Ｊ８６−Ｂ Ｎｏ．１１ ｐｐ．２４２８−２４３２

本開示は、上述した従来の状況に鑑みて案出され、アンテナ装置自体の全体的な厚みを増大すること無く、共振周波数特性のピークの鋭さを示すＱ値を低減し、通信周波数の広帯域化とアンテナとしての利得の向上を図るアンテナ装置を提供することを目的とする。

本開示は、アンテナ導体が設けられたアンテナ面と、前記アンテナ面に対向し、接地導体が設けられたグランド面と、少なくとも１つの伝送線路の線路幅が他の２つ以上の伝送線路の線路幅と異なる、複数の伝送線路がそれぞれ直列に接続されたスタブと、備え、前記少なくとも１つの伝送線路は、直線部と屈曲部とを有する、アンテナ装置を提供する。

本開示によれば、アンテナ装置自体の全体的な厚みを増大すること無く、共振周波数特性のピークの鋭さを示すＱ値を低減し、通信周波数の広帯域化とアンテナとしての利得の向上を図ることができる。

実施の形態１に係るパッチアンテナの積層構造を示す断面図 アンテナ面を示す斜視図 アンテナ面を示す平面図 給電面を示す斜視図 給電面を示す平面図 グランド面を示す平面図 パッチアンテナの電圧定在波比の特性を示すグラフ 垂直偏波を有する電波の放射パターンを示す指向性特性図 水平偏波を有する電波の放射パターンを示す指向性特性図 パッチアンテナが搭載されたシートモニタの内部の配置を示す図 変形例１に係るパッチアンテナが搭載されたシートモニタの内部の配置を示す図 パッチアンテナがシートモニタに搭載された場合の、実施の形態１に係るパッチアンテナの放射パターンを示す図 シートモニタに搭載された場合の、従来のパッチアンテナの放射パターンを示す図 実施の形態２に係るパッチアンテナの電圧定在波比を示すグラフ 周波数に対するピークゲインの変化を示すグラフ 垂直偏波を有する電波の放射パターンを示す指向性特性図 垂直偏波を有する電波の放射パターンを示す指向性特性図 変形例２に係るパッチアンテナのグランド面に形成される接地導体を示す図 ４層基板で構成されるパッチアンテナの積層構造を示す断面図 パッチに設けられた切欠部と給電面に設けられたスタブとの位置関係の一例を示す斜視図

（実施の形態の内容に至る経緯）
非特許文献１において、アンテナ面は、誘電体の表面に設けられた銅箔のパッチを有する。パッチは、電波を放射する並列共振回路を形成する。グランド面は、移動通信端末の筐体に沿った形状を有する金属板で成形された接地導体を有する。スタブは、誘電体の表面に設けられた伝送線路を有し、直列共振回路を形成する。スタブは、パッチと直列に結合し、パッチアンテナのリアクタンス成分をゼロに近づけることができ、アンテナ装置としての通信周波数の広帯域化を可能としている。

ところが、非特許文献１に記載のアンテナ装置では、グランド面とスタブとの間にアンテナ面が介在している。このため、アンテナ面とグランド面との間隔が狭い構造であるため、共振周波数特性のピークの鋭さを示すＱ値が増し、さらなる広帯域化が困難となるという課題があった。一方で、アンテナ装置の小型化を図る上で、アンテナ装置自体の全体的な厚さは制限される。従って、非特許文献１のアンテナ装置の構成では、アンテナ面とグランド面との間隔を広くすることができなかった。言い換えると、パッチアンテナのＱ値の低下が困難であり、通信に用いる周波数帯のさらなる広帯域化や、アンテナとしての利得の向上が困難であった。

そこで、以下の各実施の形態では、アンテナ装置自体の全体的な厚みを増大すること無く、共振周波数特性のピークの鋭さを示すＱ値を低減し、通信周波数の広帯域化とアンテナとしての利得の向上を図るアンテナ装置の例を説明する。

以下、適宜図面を参照しながら、本開示に係るアンテナ装置を具体的に開示した各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ことを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるものであり、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。

以下の各実施の形態に係るアンテナ装置は、例えば航空機等の座席背面側に設けられるシートモニタに搭載されるパッチアンテナ（つまり、マイクロストリップアンテナ（Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ａｎｔｅｎｎａ）に適用されるユースケースを例示して説明する。但し、アンテナ装置（パッチアンテナ）が搭載される機器は、上述したシートモニタに限定されない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るパッチアンテナ５の積層構造を示す断面図である。図１に示す断面図には、図２における矢印Ｅ−Ｅ線方向、並びに図４における矢印Ｆ−Ｆ線方向から見た断面が示される。パッチアンテナ５は、下位層にグランド面１０、中間層に給電面２０、上位層にアンテナ面４０が積層された、３層構造の基板８を有する。実施の形態１に係るパッチアンテナ５は、動作可能な周波数帯として、例えば２．４ＧＨｚの周波数帯の無線信号（言い換えると、電波）を送信する。

基板８は、ＰＰＯ（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｏｘｉｄｅ）等の比誘電率の高い誘電体で成形された誘電体基板であり、第１の基板８ａと第２の基板８ｂとが積層された構造を有する。図１の断面図において、表側は図１紙面の上側を示し、裏側は図１紙面の下側を示す。グランド面１０は、第１の基板８ａの裏面に設けられる。アンテナ面４０は、第２の基板８ｂの表面に設けられる。給電面２０は、第１の基板８ａの表面と第２の基板８ｂの裏面との間に設けられる。従って、実施の形態１に係るパッチアンテナ５は、アンテナ面４０を給電面２０からの下面励振によって給電する。基板８全体の厚さは、例えば２．６ｍｍである。その内訳として、第１の基板８ａの厚さｔａは、２．４ｍｍである。第２の基板８ｂの厚さｔｂは、０．１ｍｍである。銅箔の厚さは、０．１ｍｍである。また、基板８の裏側（つまり、グランド面１０の裏面側）には、パッチアンテナ５に給電するための無線通信回路（図示略）が設けられる。

基板８の表面（つまり、アンテナ面４０）から裏面（つまり、グランド面１０）にかけて貫通する貫通孔８６，８３には、それぞれビア導体５４，５６が設けられる。ビア導体５４，５６は、貫通孔８６，８３に導電材を充填することで円柱形状に成形される。ビア導体５４は、給電面２０に形成された給電点２１（つまり、ビア導体５４の中間断面）と導通する１本の導体である。ビア導体５４は、アンテナ面４０をパッチアンテナとして駆動するための給電導体である。なお、図１においてビア導体５４と給電面２０との接続点に図示された黒丸、更に、ビア導体５４とアンテナ面４０、並びにビア導体５４とグランド面１０との接続点に図示された黒丸はそれぞれ導通していることを示す。

ビア導体５６は、アンテナ面４０に形成されたパッチ４５（アンテナ導体の一例）と、グランド面１０に設けられた接地導体１５とを導通させる複数本の導体である（図２参照）。給電面２０では、ビア導体５６が導通せず、挿通される。給電面２０に形成された複数の貫通孔８３は、所謂スルーホールである。

図２は、アンテナ面４０を示す斜視図である。図３は、アンテナ面を示す平面図である。アンテナ面４０には、２．４ＧＨｚ帯用のアンテナ導体の一例としてのパッチ４５が設けられる。パッチ４５は、銅箔を材質とし、略矩形状の外形を有する。パッチ４５の面の１ヶ所には、貫通孔８６（言い換えると、ビア導体５４）の径よりも大きな径を有する開口部４４が形成される。パッチ４５は、並列共振回路の特性を有し、スタブ２５の給電点２１に供給される無線通信回路（図示略）からの励起信号に従って無線信号（つまり、電波）を放射する。パッチ４５の共振周波数の中心周波数は、幅方向の長さで決まる。また、略矩形状の外形を有するパッチ４５の一端部（基板８の中央寄りの端部）、つまり、給電点２１を上方に仮想的に移動させたパッチ４５上の対応点（言い換えると、パッチ４５の仮想対応点）から最も遠い一辺側には、切欠部４５ｚが形成される。切欠部４５ｚは、基板８の面内に突出する一対の突部４５ｚ１，４５ｚ２と、一対の突部４５ｚ１，４５ｚ２の間にある窪み部４５ｚ３とによって凹部状に形成される。本実施の形態では突部を左右対称な２つとしたが、左右非対称でもよいし、突部は１つでもよい。さらに、突部は端部以外に位置してもよい。

ここで、パッチアンテナでは共振し易くするために、パッチの全周の長さは、グランド面に設けられた接地導体の全周の長さより１〜２波長分短く設定されることが好ましい。また、パッチの全周の長さを長くすることは、共振周波数の鋭さを示すＱ値を下げ、インピーダンス整合が取り易くなる。従って、共振周波数の帯域幅が広がる。一方、パッチの面積を増やすことは、Ｑ値を上げることに繋がる。

そこで、実施の形態１では、パッチの面積を増やすことなく、パッチの全周の長さを長くするために、パッチ４５の一端部に切欠部４５ｚを形成した。これにより、Ｑ値を下げ、広帯域化が図られる。

また、切欠部４５ｚにおける切り欠きの深さを変更することで、パッチ４５の全周の長さ及び面積を変更することが可能である。例えば、切り欠きの深さを深くした（つまり、一対の突部４５ｚ１，４５ｚ２を長くし、窪み部４５ｚ３が開口部４４側に近づくように奥まるようにした）場合、切欠部４５ｚと比べ、パッチ４５の全周の長さが長くなり、かつ、パッチ４５の面積が減少する。これにより、Ｑ値が下がり、より一層、帯域幅が広がる。一方、例えば、切り欠きの深さを浅くした（つまり、一対の突部４５ｚ１，４５ｚ２を短くし、窪み部４５ｚ３が開口部４４側から離れるように浅くなるようにした）場合、切欠部４５ｚと比べ、パッチ４５の全周の長さが短くなり、かつ、パッチ４５の面積が増加する。これにより、Ｑ値が上がり、帯域幅が狭まる。

このように、切欠部４５ｚにおける切り欠きの深さを変更することで、パッチ４５が送信する電波のＱ値つまり帯域幅を調整することが可能である。また、パッチの全周の長さを変更することで、共振周波数の中心周波数を変更できる。また、パッチが形成されるアンテナ面が基板の上位層に形成されることで、切欠部の深さの調整が容易である。

図４は、給電面２０を示す斜視図である。図５は、給電面２０を示す平面図である。給電面２０には、スタブ２５（給電線の一例）が設けられる。スタブ２５は、動作対象とする周波数帯に適合したパッチアンテナ５のインピーダンス整合（つまり、インピーダンスマッチング）をとるために、パッチ４５と直列に接続される直列共振回路の特性を有する。つまり、スタブ２５は、パッチ４５と電気的に直列に結合することで、パッチアンテナ５の放射リアクタンス成分をゼロに近づけることが可能である。

スタブ２５は、給電点２１、第１の伝送線路２７、第２の伝送線路２８、及び第３の伝送線路２９が直列に接続された形状を有する。第１の伝送線路２７、第２の伝送線路２８、及び第３の伝送線路２９の長さは、いずれもλ／４（λ：共振周波数に対応する波長の長さ）で同じであり、スタブ２５の全長は３λ／４である。第１の伝送線路２７、第２の伝送線路２８、及び第３の伝送線路２９の長さ（線路長）は、それぞれ必ずしも同一でなくてもよい。

第１の伝送線路２７は、給電点２１を始点として、３ヶ所の折り返し部２７ｚ，２７ｙ，２７ｘで略直角もしくは直角に折れ曲がった４つの線路２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄを有する。４つの線路２７ａ〜２７ｄは、それぞれ線路幅が同一である。なお、第１の伝送線路２７は、３ヶ所の折り返し部２７ｚ，２７ｙ，２７ｘ以外に、後述する折り返し部２８ｚで略直角もしくは直角に折れ曲がった線路２８ｃを更に有してもよい。線路２８ｃは、４つの線路２７ａ〜２７ｄとそれぞれ線路幅が同一である。

第２の伝送線路２８は、２ヶ所の折り返し部２８ｚ，２８ｙで略直角もしくは直角に折れ曲がった３つの線路２８ａ，２８ｂ，２８ｃを有し、第１の伝送線路２７及び第３の伝送線路２９と比べ、線路幅の広い線路２８ｂを含む。２つの線路２８ａ，２８ｃと４つの線路２７ａ〜２７ｄとは、それぞれ線路幅が同一である。なお、第２の伝送線路２８は、線路２８ａ，２８ｃに比べて線路幅が広い線路２８ｂのみを有する構成としてもよい。

線路幅の広い線路２８ｂは、連続して形成される、第１の直線部２８１、屈曲部２８２、及び第２の直線部２８３を含む。第１の直線部２８１、屈曲部２８２、及び第２の直線部２８３は、例えば同一の幅に形成される。第１の直線部２８１と第２の直線部２８３とが屈曲部２８２を介して１幅分ずれるように形成されるので、屈曲部２８２の幅方向における面積は、第１の直線部２８１の幅方向の面積、及び第２の直線部２８３の幅方向の面積と比べ、広くなる。また、線路幅の広い線路２８ｂの重心は、屈曲部２８２の近傍に位置し、給電点２１に近くなる。線路２８ｂの重心が給電点２１に近づき、また、線路２８ｂの面積が屈曲部２８２の近傍に集まることで、線路２８ｂの長さを変更しなくても、線路２８ｂと給電点２１との電気結合の度合いを強くすることができる。従って、パッチアンテナ５の放射リアクタンス成分をゼロに近づけ易くなり、利得を高めることができる。また、線路幅の広い線路２８ｂでは、屈曲部２８２が線路２８ｂの中間に形成されることで、線路２８ｂが直線状に形成される場合と比べ、線路２８ｂの面積が同一であっても、線路２８ｂの長手方向の長さＬａを短くできる。これにより、基板の幅方向の長さを抑えることができ、パッチアンテナの小型化に繋がる。

なお、線路幅の広い線路２８ｂは、図４及び図５に示した形状に限られない。図４及び図５では、屈曲部２８２は、第１の直線部２８１から第２の直線部２８３に向かって、給電点２１に近づく方向に折れ曲がるように形成されたが、遠ざかる方向に折れ曲がるように形成されてもよい。つまり、屈曲部２８２は、第１の直線部２８１の長手方向の軸を中心に対称に折れ曲がるように形成されてもよい。また、図４及び図５では、屈曲部２８２の長さは、第１の直線部２８１の幅と第２の直線部２８３の幅とを足した分（２倍の幅分）の長さになっていた。屈曲部２８２の長さは、２倍の幅分より長くし、第１及び第２の直線部２８１，２８３に対し、直交する方向に延びた直線部に形成されてもよい。これにより、屈曲部２８２の面積を増減することができ、線路２８ｂの面積をより重心近くに集めることが可能となる。

第３の伝送線路２９は、端部を終点とし、１箇所の折り返し部２９ｚで略直角もしくは直角に折れ曲がった２つの線路２９ａ，２９ｂを有する。２つの線路２９ａ〜２９ｂは、それぞれ線路幅が同一である。第３の伝送線路２９は、切欠部４５ｚに近づけるほど（図１６参照）、アンテナの利得がよくなり、帯域幅も広がる。つまりＶＳＷＲが１に近づく。図１６は、パッチ４５に設けられた切欠部４５ｚと給電面２０に設けられたスタブ２５との位置関係の一例を示す斜視図である。図１６では、スタブ２５は、アンテナ面４０より下層の給電面２０に設けられるため点線にて図示されている。図１６の説明において、スタブ２５の詳細な説明は上述した通りであるため、ここでは詳細な説明は省略する。

アンテナ面４０における図２の紙面左右方向の長さは、パッチアンテナ５の対応可能な動作周波数に依存して決定される。また、給電面２０に設けられるスタブ２５における図２の紙面左右方向の長さも同様に、パッチアンテナ５の対応可能な動作周波数に依存して決定される。このため、アンテナ面４０における図２の紙面左右方向の長さを変えずに、アンテナ面４０の端部（例えば、図２の紙面左右方向における左端側）にスタブ２５の第３の伝送線路２９が近づくように配置されることで、アンテナ面４０（より具体的には、パッチ４５）と給電面２０（より具体的には、スタブ２５）との電気結合度が増し、パッチアンテナ５の利得が向上するとともに、広帯域化が可能となる。このためにも、図１６に示すように、パッチ４５に切欠部４５ｚが設けられることが、第３の伝送線路２９を含むスタブ２５とパッチ４５との電気結合度を増大可能となって、パッチアンテナ５の特性をより向上させる上で有効となる。

なお、ここでは、第２の伝送線路２８が屈曲部を有する場合を示したが、第１の伝送線路２７及び第３の伝送線路２９が屈曲部を有してもよい。さらに、スタブ２５が図４に示した配置を起点にして９０°回転で配置されてもよいし、回転角度は問わない。

また、第１の伝送線路２７が、４つの線路２７ａ〜２７ｄの他に、折り返し部２８ｚを含む線路２８ａを更に有してもよい。また同様に、第３の伝送線路２９が、２つの線路２９ａ〜２９ｂの他に、折り返し部２８ｙを含む線路２８ｃを更に有してもよい。この場合には、スタブ２５は、線路幅がそれぞれ異なりかつ線路長が同一の３つの伝送線路により構成される。なお、線路長は、それぞれ必ずしも同一でなくてもよい。

図６は、グランド面１０を示す平面図である。グランド面１０に形成された接地導体１５は、接地導体１５は、銅箔の材質で、基板８の裏面ほぼ全体に亘って、略矩形状に形成される。接地導体１５の、給電点２１を下方に仮想的に移動させたグランド面１０上の対応点（言い換えると、グランド面１０の仮想対応点）から遠い端辺には、その両端から対向するように一対の所定長の長さを有する延在部１５ｚ，１５ｙが突出するように形成される。一対の延在部１５ｚ，１５ｙは、細長い矩形に形成される。一対の延在部１５ｚ，１５ｙによって、略矩形状に形成された接地導体１５の全周の長さは、延在部１５ｚ，１５ｙの長手方向の長さの約２倍分長くなる。つまり、一対の延在部１５ｚ，１５ｙの長さの４倍の長さが、接地導体１５の全周の長さに寄与する。また、各延在部１５ｚ，１５ｙの幅が短いので、一対の延在部１５ｚ，１５ｙを設けても、接地導体１５の面積の増加は少ない。このように、接地導体１５の、上述したグランド面１０の仮想対応点から遠い端辺に一対の延在部１５ｚ，１５ｙが形成されたことで、接地導体１５の面積を増やすことなく、全周の長さを長くすることができる。なお、実施の形態１では、一対の延在部１５ｚ，１５ｙの長さは、同じに揃えられたが、異なってもよい。これにより、基板の形状に合わせて延在部１５ｚ，１５ｙの長さを決めることができ、接地導体１５の形状の自由度が高まる。

また、接地導体１５の全周が長くなると、共振し易くなる。つまり、接地導体１５の全周より１〜２波長短く設定される、パッチ４５の全周の長さも、接地導体１５に合わせて長くすることができる。従って、インピーダンス整合が取り易くなり、Ｑ値を下げ、帯域幅が広がる。また、グランド面１０に形成された接地導体１５の全周の長さを変更することで、パッチ４５の幅方向の長さＬｘが調節し易くなり、共振周波数の中心周波数の調整が容易となる。

次に、実施の形態１に係るパッチアンテナ５の性能について説明する。

図７は、パッチアンテナ５の電圧定在波比（ＶＳＷＲ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ）の特性を示すグラフである。縦軸はＶＳＷＲを示し、横軸は周波数を示す。電圧定在波比は、定在波における進行波と反射波の比率でインピーダンスの整合の度合い（反射の度合い）を示すものであり、特に定在波である電波における電圧の最大の振幅と最小の振幅の比率で算出される。ＶＳＷＲが値１に近づくほど、反射波が少なく、インピーダンス整合がとれている状態である。従って、ＶＳＷＲが値１に近いほど、電波の伝送効率が高いことになる。また、実施の形態１では、ＶＳＷＲが値３．０以下である周波数域を比帯域幅とし、比帯域幅の大きさによって広帯域であるか狭帯域であるかを判断する。比帯域幅は、ＶＳＷＲが値３．０以下である帯域幅を中心周波数で除算することで算出され、後述する数式（１）で表される。ここで、ｆＨ，ｆＬは、それぞれＶＳＷＲが値３．０以下である帯域幅における最大周波数、最小周波数を表す。

（数１）
比帯域幅（帯域幅／中心周波数） ＝ （ｆＨ −ｆＬ）／（ｆＨ ＋ ｆＬ）／２……（１）

図７では、２．４ＭＨｚ近傍の周波数域における比帯域幅が示される。グラフｇ１はパッチアンテナ５のＶＳＷＲの特性を表す。パッチアンテナ５のＶＳＷＲは、周波数の変化に対し、非常に緩やかなピークを示す。特にＶＳＷＲが３．０以下である周波数範囲は、２２４０ＭＨｚ〜２５６０ＭＨｚまでの広範囲に及んでいる。従って、比帯域幅は１２．８％である。パッチアンテナ５の広帯域化は、パッチ４５に形成された切欠部４５ｚが大きく寄与していると考えられる。

一方、グラフｇ２は従来のパッチアンテナのＶＳＷＲの特性を表す。従来のパッチアンテナは、例えば、パッチに切欠部が形成されていないパッチアンテナである。従来のパッチアンテナのＶＳＷＲは、２４６０ＭＨｚ付近で比較的急峻なピークを示す。ＶＳＷＲが値３．０以下である周波数範囲は、２４２０ＭＨｚ〜２５２０ＭＨｚの狭い範囲にある。従って、比帯域幅は４．１％である。なお、従来のパッチアンテナは、パッチに切欠部が形成されていない以外に、スタブの線路に屈曲部が形成されていない、グランドに一対の延在部が形成されていないパッチアンテナであってもよい。

このように、実施の形態１に係るパッチアンテナ５は、広帯域の特性を有する。パッチアンテナ５では、この広帯域化によって、電波の伝送効率が高くなり、利得が向上する。

図８Ａは、垂直偏波を有する電波の放射パターンを示す指向性特性図である。パッチアンテナ５における、垂直偏波を有する電波の放射パターンｐ１では、ほぼ一様な放射の利得が得られる。つまり、垂直偏波を有する電波の放射方向が、パッチ面に対し垂直な前方向である角度０°から、パッチ面に水平な上方向である角度９０°、パッチ面に対し垂直な後方向である角度１８０°、パッチ面に水平な下方向である角度２７０°を経て、パッチ面に対し垂直な前方向である角度３６０°に至る垂直方向において、放射の利得は、ほぼ等しく、−１０ｄＢ〜−１５ｄＢの範囲に収まっている。従って、パッチアンテナ５から放射される垂直偏波を有する電波は、ほぼ一様な強さで無指向である。

一方、従来のパッチアンテナにおける、垂直偏波を有する電波の放射パターンｐ２では、パッチアンテナの前方向の０°において、利得が−４．２ｄＢｉとなるピークｐ２０を有する。また、角度１２０°、２４０°の２箇所において、利得が急激に減少する、いわゆる電界強度が弱まっている状態を示す節ｐ２１，ｐ２２が生じる。従って、従来のパッチアンテナから放射される垂直偏波を有する電波は、角度１２０°、２４０°の方向において特に弱く、前方向において強い指向性を有する。なお、従来のパッチアンテナは、図７で示した従来のパッチアンテナと同様である。

図８Ｂは、水平偏波を有する電波の放射パターンを示す指向性特性図である。パッチアンテナ５における、水平偏波を有する電波の放射パターンｐ３では、水平偏波を有する電波の放射方向がパッチ面に対し垂直な前方向である場合、パッチアンテナ５から放射される水平偏波を有する電波は、略一様な強さを有する。特に、角度３４０°において、利得が−０．６ｄＢｉとなるピークｐ３０を有する。また、水平偏波を有する電波の放射方向がパッチ面に対し垂直な後方向である場合、パッチアンテナ５から放射される水平偏波を有する電波は、やや弱くなる。特にパッチ面に対する角度が１２０°では、利得の急激な低下を表す節ｐ３１が現れる。

一方、従来のパッチアンテナにおける、水平偏波を有する電波の放射パターンｐ４では、角度３４０°，１８０°，２６０°，２８０°の複数角度において、それぞれ電界強度が弱まっている状態を示す節ｐ４１，ｐ４２，ｐ４３，ｐ４４が生じる。また、前方向において電波の利得が小さくかつ変動している。従って、従来のパッチアンテナから放射される水平偏波を有する電波は、複数の節によって利得が下がり、かつ、前方向において弱くなっている。

このように、パッチアンテナ５では、垂直偏波を有する電波と水平偏波を有する電波とが、パッチ面の前方向において、ほぼ一様かつ高い利得を有する電波として、放射される。従って、パッチアンテナ５がシートモニタに搭載された場合、シートモニタの正面（前方）方向に、電波を効率良く伝搬できる。

図９Ａは、パッチアンテナ５が搭載されたシートモニタ１００の内部の配置を示す図である。シートモニタ１００は、例えば航空機内のそれぞれの座席背面側に配置され、映像や音楽等のエンターテインメント作品を視聴者に視聴可能に提供するものである。シートモニタ１００は、矩形の板状に成形された筐体１００ｚを有する。筐体１００ｚは、パッチアンテナ５が搭載された基板８、及び、表示部９２やスピーカ９５を含む出力装置９０が搭載された基板９８を収容する。基板９８は、接地導体１５の一対の延在部１５ｚ，１５ｙの内側に、その一部が入り込むように配置される。従って、筐体１００ｚの内部では、パッチアンテナ５の基板８と、出力装置９０の基板９８とを密に配置でき、シートモニタ１００を小型化できる。

シートモニタ１００は、例えば映像や音楽等の配信データを提供可能なデータサーバ（図示略）と通信可能に接続される。シートモニタ１００は、パッチアンテナ５から無線信号をデータサーバに送信し、配信データを要求する。また、シートモニタ１００は、データサーバから送信される配信データをパッチアンテナ５で受信し、この配信データを基に、表示部９２に映像を表示し、スピーカ９５から音声を出力する。

図１０Ａは、パッチアンテナ５がシートモニタ１００に搭載された場合の、パッチアンテナ５の放射パターンを示す図である。パッチアンテナ５は、パッチ面がシートモニタ１００の正面と平行となるように配置される。従って、シートモニタ１００の正面から無線信号Ｓｇ１が視聴者ｍｎの方向に効率良く放射される。シートモニタ１００とデータサーバとの間では、配信データの送受信が円滑に行われる。

一方、従来のパッチアンテナでは、垂直偏波を有する電波については、パッチ面の前方向に電波を伝搬できるが、水平偏波を有する電波については、パッチ面の前方向に電波を伝搬しにくい。従って、シートモニタ１００の正面（前方）方向に電波を効率良く放射できない。

図１０Ｂは、シートモニタ１００に搭載された場合の、従来のパッチアンテナの放射パターンを示す図である。従来のパッチアンテナがシートモニタ１００に搭載された場合、シートモニタ１００から視聴者ｍｎの方向に放射される無線信号（電波）Ｓｇ２は、指向性を有する。例えば、指向性の節に当たる方向にデータサーバが配置される場合、シートモニタ１００は、データサーバから配信データを受信できないことも想定される。

以上により、実施の形態１に係るパッチアンテナ５は、パッチ４５（アンテナ導体の一例）が設けられたアンテナ面４０と、アンテナ面４０に対向し、接地導体１５が設けられたグランド面１０と、少なくとも１つの伝送線路２８の線路幅が他の２つ以上の伝送線路２７，２９の線路幅と異なる、３本（複数）の伝送線路２７，２８，２９がそれぞれ直列に接続されたスタブ２５と、備える。少なくとも１つの伝送線路２８は、第１の直線部２８１と第２の直線部２８３と屈曲部２８２とを有する。

これにより、パッチアンテナ５は、パッチアンテナ５自体の全体的な厚みを増大すること無く、共振周波数特性のピークの鋭さを示すＱ値を低減し、通信周波数の広帯域化とアンテナとしての利得の向上を図ることができる。さらに、屈曲部が形成されないスタブと比べて、スタブ２５の配置される給電面の総面積を低減可能となり、アンテナ面４０と給電面２０との電気結合度が増し、パッチアンテナ５の動作可能な周波数帯を広帯域化できる。

また、パッチアンテナ５では、複数の伝送線路は３つの伝送線路２７，２８，２９により構成される。３つの伝送線路２７，２８，２９のうち、少なくとも１つの伝送線路２８以外の２つの伝送線路２７，２９の線路幅は同一である。これにより、線路幅が同一の伝送線路２７，２９を共用できるので、スタブ２５を構成する複数の伝送線路のそれぞれの線路幅が異なるものを用いる場合に比べて、パッチアンテナ５のインピーダンス整合をより簡易に手間をかけずに実現し易くできる。

また、パッチアンテナ５は、誘電体により形成された基板８を更に備える。基板８は、第１の基板８ａと、第１の基板８ａより上層に設けられた第２の基板８ｂとにより構成される。接地導体１５は、第１の基板８ａの裏面に設けられる。パッチ４５は、第２の基板８ｂの表面に設けられる。スタブ２５は、第１の基板８ａの表面と第２の基板８ｂの裏面との間に設けられる。これにより、アンテナ面４０と給電面２０との上下方向における電気結合により、スタブ２５の直列共振回路によるリアクタンス成分の影響により、アンテナ導体の並列共振による放射リアクタンス成分を打ち消すことができ、パッチアンテナ５としての広帯域化と利得の向上が可能である。

また、屈曲部２８２は、パッチアンテナ５に励振信号を供給する給電点２１に近づくように第１の直線部２８１及び第２の直線部２８３と連続して形成される。これにより、スタブ２５が全体的に給電点２１に近づくように配置されるので、アンテナ面４０と給電面２０との電気結合度を一層強めることができ、パッチアンテナ５の動作可能な周波数帯をより広帯域化できる。

また、アンテナ面４０は、矩形状であり、パッチ４５に、励振信号を供給する給電点２１に対応するパッチ４５の仮想対応点（上述参照）から最も遠い一辺側に設けられた切欠部４５ｚを更に有する。これにより、切欠部４５ｚが給電点２１より最も遠く離れ一辺側に設けられるので、パッチアンテナ５におけるインピーダンス整合の調整を簡易化でき、ＶＳＷＲ（電圧定在波比）の反射特性（例えば、比帯域幅）を向上でき、パッチアンテナ５の動作可能な周波数帯をより広帯域化できる。

また、グランド面１０は、略矩形状であり、パッチ４５に励振信号を供給する給電点２１に対応するグランド面１０の仮想対応点（上述参照）から最も遠い一辺側の両端から一辺に略直交して延伸する一対の延在部１５ｚ，１５ｙを有する。これにより、アンテナ面４０に形成されたパッチ４５の全周（全長）よりもグランド面１０に形成された接地導体の全周（全長）を長く調整できるので、パッチアンテナ５における指向性パターンにおいて電波の放射が弱まる方向の発生（電界強度の節の発生）を抑制でき、所望の指向性が得られ易くなる。

（変形例１）
図９Ｂは、変形例１に係るパッチアンテナ５が搭載されたシートモニタ１００Ａの構成を示す図である。実施の形態１と同一の要素については同一の符号を用いることでの説明を省略する。

変形例１に係るシートモニタ１００Ａでは、パッチアンテナ５の基板８に形成された一対の延在部１５ｚ，１５ｙの内側に、矩形状の出力装置９０Ａの基板９８Ａが完全に入り込むように配置される。従って、筐体１００ｚの内部では、パッチアンテナ５の基板８と、出力装置９０Ａの基板９８Ａとをより一層、密に配置でき、シートモニタ１００Ａの外形を小さくできる。また、基板９８Ａの外形を取り扱い易い矩形にできる。よって、シートモニタ１００Ａの、限られた筐体１００ｚの底面を有効に活用できる。

（実施の形態２）
実施の形態２に係るパッチアンテナは、実施の形態１に係るパッチアンテナと比較し、基板の厚さが薄くなっている。パッチアンテナの平面的な形状及び構造は実施の形態１と同じである。実施の形態１では、基板８の厚さは、例えば２．６ｍｍであった。実施の形態２では、基板８の厚さは、２．０ｍｍである。内訳として、第１の基板８ａの厚さｔａは、１．８ｍｍである。第２の基板８ｂの厚さｔｂは、０．１ｍｍである。銅箔の厚さは、０．１ｍｍである。

パッチアンテナの厚さ（アンテナ面に形成されたパッチ面からグランド面に形成された接地導体の面までの距離）が薄いと、パッチと接地導体との間隔が短くなるので、パッチアンテナの広帯域化が難しくなる。つまり、パッチアンテナ５の特性が下がることが想定される。

図１１は、実施の形態２に係るパッチアンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）を示すグラフである。図７に示したように、厚さが２．４ｍｍのパッチアンテナのＶＳＷＲは、グラフｇ１に示すように、２．４ＧＨｚの周波数域において、緩やかな特性を有する。比帯域幅は、１２．８％である。一方、厚さが２．０ｍｍのパッチアンテナのＶＳＷＲは、グラフｇ３に示すように、厚さが２．４ｍｍのパッチアンテナとほぼ同様に緩やかな特性を有する。比帯域幅は、１２．３％となり、厚さが２．４ｍｍのパッチアンテナと比べて僅かに小さな値となる。しかし、従来のパッチアンテナの比帯域幅である４．１％と比較すると、十分に帯域幅が広い値である。

図１２は、周波数に対するピークゲインの変化を示すグラフである。厚さが２．４ｍｍのパッチアンテナでは、ゲイン（利得）のピークは、グラフｃ１に示すように、２４００ＭＨｚ〜２４８０ＭＨｚにかけて、僅かに上昇する特性を有する。一方、厚さが２．０ｍｍのパッチアンテナでは、ゲイン（利得）のピークは、グラフｃ３に示すように、２４００ＭＨｚ〜２４４０ＭＨｚにかけて、僅かに上昇し、その後、２４８０ＭＨｚにかけて、徐々に下降する特性を有する。従って、２４８０ＭＨｚ以降の周波数域では、厚さが２．４ｍｍのパッチアンテナと比べ、厚さが２．０ｍｍのパッチアンテナのゲインのピークは小さくなる。これにより、高い周波数域で利得が僅かに下がり、電波の伝送効率が低下する。しかし、厚さが２．０ｍｍのパッチアンテナにおいても、依然として、２４００ＭＨｚ〜２４８０ＭＨｚにかけて、十分に使用可能なゲインのピークを確保できている。

図１３Ａは、垂直偏波を有する電波の放射パターンを示す指向性特性図である。厚さが２．４ｍｍのパッチアンテナの放射パターンｐ１と、厚さが２．０ｍｍのパッチアンテナの放射パターンｐ５とを比較した場合、垂直偏波を有する電波の放射パターンにおいては、ほとんど差が見られない。

図１３Ｂは、垂直偏波を有する電波の放射パターンを示す指向性特性図である。厚さが２．４ｍｍのパッチアンテナの放射パターンｐ３と、厚さが２．０ｍｍのパッチアンテナの放射パターンｐ６とを比較した場合、水平偏波を有する電波の放射パターンにおいても、ほとんど差が見られない。従って、電波の放射パターンにおいては、厚さが２．４ｍｍのパッチアンテナと厚さが２．０ｍｍのパッチアンテナとはほぼ同じである。

以上により、実施の形態２に係るパッチアンテナでは、電圧定在波比、ゲイン（利得）のピーク、放射パターンについて、実施の形態１に係るパッチアンテナと比較しながら、性能を検証した。この結果、パッチアンテナの厚さを薄くした分、パッチアンテナの特性が若干下がったが、十分に使用可能な性能を維持することができる。一方、パッチアンテナの厚さが薄くなることで、パッチアンテナを小型化できる。つまり、実施の形態２に係るパッチアンテナは、パッチアンテナの性能を確保しつつ、実施の形態１に係るパッチアンテナに比べて、一層の小型化に対応可能である。

（変形例２）
図１４は、変形例２に係るパッチアンテナのグランド面に形成される接地導体１５Ａを示す図である。接地導体１５Ａの、給電点２１を下方に仮想的に移動させたグランド面１０上の対応点（言い換えると、グランド面１０の仮想対応点）から最も遠い一辺側の両端から一辺に略直交して延伸する一対の延在部１５ｚ，１５ｙの少なくとも一方には、１つもしくは複数のスリットが形成される。ここでは、延在部１５ｚには、２つのスリット１５１，１５２が形成される。各スリット１５１，１５２の対向する開口側の端辺には、それぞれ抵抗器Ｒ１，Ｒ２が接続される。また同様に、延在部１５ｙには、２つのスリット１５３，１５４が形成される。各スリット１５３，１５４の対向する開口側の端辺には、それぞれ抵抗器Ｒ３，Ｒ４が接続される。

これにより、延在部１５ｚに形成されたスリット１５１，１５２をそれぞれ囲む４辺の長さを延在部１５ｚの周の長さに加えることができ、インピーダンスの整合が取り易くなる。延在部１５ｙに形成されたスリット１５３，１５４においても同様である。つまり、接地導体１５の、導体部分の面積を増加することなく、接地導体１５の全周の長さを長くすることができる。接地導体１５の全周が長くなることで、インピーダンス整合が取り易くなる。従って、パッチアンテナの利得の上げ下げを簡易に調整できる。

以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例、修正例、置換例、付加例、削除例、均等例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した各種の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

例えば、上述した各実施の形態では、パッチアンテナが形成される基板は、３層基板であったが、４層基板であってもよい。図１５は、４層基板で構成されるパッチアンテナ５Ａの積層構造を示す断面図である。４層基板の場合、第１の基板８ａの下に第３の基板８ｃが積層される。従って、グランド面１０の下に、最下層となるグランド面１０Ｂが基板８ｃの裏面に形成される。また、最下層のグランド面１０Ｂには、抵抗器Ｒ６で接続された２つのランド１８２，１８３が形成される。ランド１８３は、最下層のグランド面１０Ｂに形成された接地導体（図示略）と導通する。また、ランド１８２は、ビア導体１８１を介してグランド面１０に形成された接地導体１５と導通する。このように、最下層のグランド面１０Ｂに形成された接地導体がグランド面１０に形成された接地導体１５と導通することで、接地導体の全周の長さを増やすことができる。従って、インピーダンスの整合が取り易くなる。

なお、上記パッチアンテナは、電波を送信する送信装置のアンテナ、及び電波を受信する受信装置のアンテナのいずれにも使用可能である。

なお、本出願は、２０１８年２月５日出願の日本特許出願（特願２０１８−０１８６７９）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。

本開示は、アンテナ装置自体の全体的な厚みを増大すること無く、共振周波数特性のピークの鋭さを示すＱ値を低減し、通信周波数の広帯域化とアンテナとしての利得の向上を図るアンテナ装置として有用である。

５，５Ａ パッチアンテナ
８ 基板
１０ グランド面
１５ 接地導体
１５ｙ，１５ｚ 延在部
２０ 給電面
２５ スタブ
２７ 第１の伝送線路
２８ 第２の伝送線路
２９ 第３の伝送線路
４０ アンテナ面
４５ パッチ
４５ｚ 切欠部
２８１ 第１の直線部
２８２ 屈曲部
２８３ 第２の直線部

本開示は、アンテナ導体が設けられたアンテナ面と、前記アンテナ面に対向し、接地導体が設けられたグランド面と、少なくとも１つの伝送線路の線路幅が他の２つ以上の伝送線路の線路幅と異なる、複数の伝送線路がそれぞれ直列に接続されたスタブと、備え、前記少なくとも１つの伝送線路は、直線部と屈曲部とを有し、前記スタブは、前記アンテナ面側から見た場合、前記アンテナ面の領域内にある、アンテナ装置を提供する。

Claims (7)

1. アンテナ導体が設けられたアンテナ面と、
   前記アンテナ面に対向し、接地導体が設けられたグランド面と、
   少なくとも１つの伝送線路の線路幅の少なくとも一部が他の２つ以上の伝送線路の線路幅と異なる、複数の伝送線路がそれぞれ直列に接続されたスタブと、備え、
   前記少なくとも１つの伝送線路は、直線部と屈曲部とを有する、
   アンテナ装置。
2. 前記複数の伝送線路は、３つの伝送線路により構成され、前記３つの伝送線路のうち、前記少なくとも１つの伝送線路以外の２つの伝送線路の線路幅は同一である、
   請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 誘電体により形成された基板、を更に備え、
   前記基板は、第１の基板と、前記第１の基板より上層に設けられた第２の基板とにより構成され、
   前記接地導体は、前記第１の基板の裏面に設けられ、
   前記アンテナ導体は、前記第２の基板の表面に設けられ、
   前記スタブは、前記第１の基板の表面と前記第２の基板の裏面との間に設けられる、
   請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記屈曲部は、前記アンテナ導体に励振信号を供給する給電点に近づくように前記直線部と連続して形成される、
   請求項１に記載のアンテナ装置。
5. 前記アンテナ面は、矩形状であり、前記アンテナ導体に励振信号を供給する給電点に対応する仮想対応点から最も遠い一辺側に設けられた切欠部を更に有する、
   請求項１に記載のアンテナ装置。
6. 前記グランド面は、略矩形状であり、前記アンテナ導体に励振信号を供給する給電点に対応する仮想対応点から最も遠い一辺側の両端から前記一辺に略直交して延伸する一対の延在部を有する、
   請求項１に記載のアンテナ装置。
7. 前記一対の延在部のそれぞれにスリットが形成され、
   前記スリットが形成された前記一対の延在部はそれぞれ抵抗により接続される、
   請求項６に記載のアンテナ装置。

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