WO2020196569A1 - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

ＯＡＭ波の指向性向上を図ることが可能なアンテナ装置を提供する。アンテナ装置１は、電磁波の波長λの整数倍の周囲長を有する環状のアンテナエレメント１１を含むアンテナ部１０と、アンテナエレメント１１の軸芯方向の一方側においてアンテナ部１０から離間し、アンテナエレメント１１と同軸上に配置された環状の導波エレメント２１を含む導波部２０と、軸芯方向における他方側においてアンテナ部１０から離間して配置され、電磁波を反射する反射部３０と、を備え、導波エレメント２１の周囲長はアンテナエレメント１１の周囲長より短い。

Description

アンテナ装置

　相互参照
　本出願は、日本国特許出願２０１９－０６３９７６（２０１９年３月２８日出願）に基づく優先権を主張し、その内容は参照により全体として本明細書に組み込まれる。
　本発明は、アンテナ装置に関する。

　無線通信技術の一つとして、軌道角運動量（Ｏｒｂｉｔａｌ　Ａｎｇｕｌａｒ　Ｍｏｍｅｎｔｕｍ：ＯＡＭ）を有する電磁波（すなわち、ＯＡＭ波）を用いた技術が知られている。例えば、特許文献１には、ＯＡＭ波を用いた無線通信のためのアンテナ装置が記載されている。

特開２０１７－２２８８５６号公報

　ところで、ＯＡＭ波は、そのモードが高次になるほど放射角が大きくなり、指向性が低下することが知られている。このため、高次モードのＯＡＭ波を用いた場合、通信可能距離が短いという課題がある。

　本発明の目的の一つは、ＯＡＭ波の指向性向上を図ることが可能なアンテナ装置を提供することである。本発明のこれ以外の目的は、明細書全体の記載を通じて明らかにされる。

　本発明の一実施形態に係るアンテナ装置は、電磁波の波長の整数倍の周囲長を有する環状のアンテナエレメントを含むアンテナ部と、アンテナエレメントの軸芯方向の一方側においてアンテナ部から離間し、アンテナエレメントと同軸上に配置された環状の導波エレメントを含む導波部と、軸芯方向における他方側においてアンテナ部から離間して配置され、電磁波を反射する反射部と、を備え、導波エレメントの周囲長はアンテナエレメントの周囲長より短い。

　このアンテナ装置は、導波部及び反射部を備えている。これにより、アンテナ部から放射される電磁波の放射角が小さくなるので、指向性の向上を図ることが可能である。

　本発明の一実施形態において、反射部は、アンテナエレメントと同軸上に配置された環状の反射エレメントを含み、反射エレメントの周囲長はアンテナエレメントの周囲長より長くてもよい。

　本発明の一実施形態において、軸芯方向におけるアンテナ部と導波部との間の距離、及び軸芯方向におけるアンテナ部と反射部との間の距離は、電磁波の波長の１／４であってもよい。

　本発明の一実施形態において、アンテナ部はアンテナエレメントを複数含み、複数のアンテナエレメントのそれぞれは、電磁波の波長に対して互いに異なる整数倍の周囲長を有し、且つ、軸芯方向における同一の位置において同軸上に配置されていてもよい。この構成によれば、複数のＯＡＭモードの電磁波を同時に放射することが可能である。

　本発明の一実施形態において、導波部はアンテナエレメントと同数の導波エレメントを含み、複数の導波エレメントのそれぞれは、軸芯方向における同一の位置において同軸上に配置され、軸芯側からｎ番目の導波エレメントの周囲長は、軸芯側からｎ番目のアンテナエレメントの周囲長より短くてもよい。この構成によれば、複数のモードの電磁波のそれぞれに対して放射角を小さくすることができるので、複数のモードの電磁波の指向性の向上を図ることが可能である。

　本発明の一実施形態において、反射部はアンテナエレメントと同数の反射エレメントを含み、複数の反射エレメントのそれぞれは、軸芯方向における同一の位置において同軸上に配置され、軸芯側からｎ番目の反射エレメントの周囲長は、軸芯側からｎ番目のアンテナエレメントの周囲長より長くてもよい。この構成によれば、反射部が、複数のモードの電磁波のそれぞれに対応した反射エレメントを有しているので、複数のモードの電磁波の指向性の更なる向上を図ることが可能である。

　本発明の一実施形態において、軸芯側からｎ番目の導波エレメントの周囲長は、軸芯側からｎ番目のアンテナエレメントの周囲長の０．７倍～０．９９９倍であってもよい。この構成によれば、導波部によって効果的に電磁波を誘導することができるので、指向性を更に向上させることが可能である。

　本発明の一実施形態において、軸芯側からｎ番目の反射エレメントの周囲長は、軸芯側からｎ番目のアンテナエレメントの周囲長の１．００１倍～１．３倍であってもよい。この構成によれば、反射部によって効果的に電磁波を反射することができるので、指向性を更に向上させることが可能である。

　本発明の一実施形態において、アンテナ装置は導波部を複数備え、隣り合う導波部の間の距離は、電磁波の波長の１／４であってもよい。この構成によれば、複数の導波部によって電磁波を誘導することができるので、指向性を更に向上させることが可能である。

　本発明によれば、ＯＡＭ波の指向性向上を図ることが可能なアンテナ装置が提供される。

本発明の一実施形態に係るアンテナ装置を概略的に示す斜視図である。 図１のアンテナ装置のアンテナ部を概略的に示す上面図である。 図１のアンテナ装置の導波部を概略的に示す上面図である。 図１のアンテナ装置の反射部を概略的に示す上面図である。 図１のアンテナ装置を概略的に示す側面図である。 従来のアンテナ装置における放射パターンを示す図である。 図１のアンテナ装置における放射パターンを示す図である。 図１のアンテナ装置における１次モードの伝達特性を示す図である。 図１のアンテナ装置における２次モードの伝達特性を示す図である。 図１のアンテナ装置における３次モードの伝達特性を示す図である。 変形例に係るアンテナ装置を概略的に示す斜視図である。 変形例に係るアンテナ装置における放射パターンを説明するための図である。

　以下、適宜図面を参照し、本発明の様々な実施形態を説明する。なお、複数の図面において共通する構成要素には当該複数の図面を通じて同一の参照符号が付されている。各図面は、説明の便宜上、必ずしも正確な縮尺で記載されているとは限らない点に留意されたい。

　図１～図５を参照して、本発明の一実施形態に係るアンテナ装置１の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るアンテナ装置１を概略的に示す図である。図２は、図１のアンテナ装置のアンテナ部を概略的に示す上面図である。図３は、図１のアンテナ装置の導波部を概略的に示す上面図である。図４は、図１のアンテナ装置の反射部を概略的に示す上面図である。図５は、図１のアンテナ装置を概略的に示す側面図である。

　図１に示されるアンテナ装置１は、軌道角運動量を有する電磁波（すなわち、ＯＡＭ波）を用いた無線通信のための装置である。図１に示されるように、アンテナ装置１は、アンテナ部１０と、導波部２０と、反射部３０と、基部４０とを備えている。アンテナ部１０、導波部２０、及び反射部３０は、例えば支持体４１を介して基部４０に固定されている。アンテナ部１０、導波部２０、及び反射部３０は、それぞれ環状のエレメントを有している。導波部２０は、アンテナ部１０のエレメント（後述のアンテナエレメント１１）の軸芯Ｃに沿った方向（軸芯方向）の一方側において当該アンテナ部１０から離間して配置され、反射部３０は、軸芯方向の他方側においてアンテナ部１０から離間して配置されている。軸芯方向において、アンテナ部１０と導波部２０との間の距離は、例えば、電磁波の波長λの１／８～１／２程度とすることができる。軸芯方向において、アンテナ部１０と反射部３０との間の距離は、例えば、電磁波の波長λの１／８～１／２程度とすることができる。図示の実施形態では、軸芯方向におけるアンテナ部１０と導波部２０との間の距離、及び、アンテナ部１０と反射部３０との間の距離は、共に電磁波の波長λの１／４である（図５参照）。

　アンテナ部１０は、無線通信に用いられる電磁波を放射又は受信する部分である。図１及び図２に示されるように、アンテナ部１０は、複数の環状のアンテナエレメント１１を備えている。複数のアンテナエレメント１１のそれぞれは、電磁波の波長λに対して互いに異なる整数倍の周囲長を有している。軸芯方向において、複数のアンテナエレメント１１は略同一の位置に配置されている。また、軸芯方向から見て、複数のアンテナエレメント１１は、同一の軸芯Ｃ上に配置されている。このように、アンテナ部１０が複数のアンテナエレメント１１を有していることにより、異なるＯＡＭモードの電磁波を多重伝送することができる。

　図示の実施形態では、アンテナ部１０は、３つのアンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを有している。アンテナエレメント１１Ａの周囲長は電磁波の波長λと同一（すなわち、１倍）であり、１次モードのＯＡＭ波を放射する。アンテナエレメント１１Ｂの周囲長は電磁波の波長λの２倍であり、２次モードのＯＡＭ波を放射する。アンテナエレメント１１Ｃの周囲長は電磁波の波長λの３倍であり、３次モードのＯＡＭ波を放射する。アンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃのそれぞれは円環状に構成されており、軸芯方向から見て、アンテナエレメント１１Ａの中心、アンテナエレメント１１Ｂの中心、及びアンテナエレメント１１Ｃの中心は全て略一致している。軸芯方向に直交する径方向において、アンテナエレメント１１Ａは最も内側に配置されている。アンテナエレメント１１Ｂは、アンテナエレメント１１Ａを囲むように当該アンテナエレメント１１Ａの外側に配置されている。アンテナエレメント１１Ｃは、アンテナエレメント１１Ｂを囲むように当該アンテナエレメント１１Ｂの外側に配置されている。すなわち、複数のアンテナエレメント１１は、軸芯方向から見て、同心円状に配置されている。それぞれのアンテナエレメント１１は円環状に限定されず、例えば矩形環状であってもよい。

　複数のアンテナエレメント１１（アンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ）のそれぞれは、例えば長尺の導体によって構成されている。アンテナエレメント１１の周囲長は、導体の長尺方向の寸法に相当する。アンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを構成する導体の幅ｄ１１は、それぞれのアンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃのループ半径ｒ１１Ａ，ｒ１１Ｂ，ｒ１１Ｃの１／１０以下であることが好ましい。一例として、導体の幅ｄ１１（図２参照）は、約０．４ｍｍ～０．８ｍｍとすることができる。導体の厚さｈ１１（図５参照）は、約０．０１ｍｍ～１０ｍｍとすることができる。図示の実施形態では、複数のアンテナエレメント１１の導体の幅ｄ及び導体の厚さｈ１１は、全て略同一である。ここで、導体の幅とは軸芯方向に直交する径方向のであり、導体の厚さとは、寸法軸芯方向に沿った寸法である。図示の実施形態では、周波数５．５ＧＨｚの電磁波による無線通信を想定しており、アンテナエレメント１１Ａのループ半径ｒ１１Ａは８．４ｍｍ、アンテナエレメント１１Ｂのループ半径ｒ１１Ｂは１７．２ｍｍ、アンテナエレメント１１１１Ｃのループ半径ｒ１１Ｃは２５．９ｍｍである。アンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの導体の幅ｄ１１は０．４ｍｍであり、アンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの導体の厚さｈ１１は０．１ｍｍである。なお、複数のアンテナエレメント１１の導体の幅ｄ１１は全て略同一でなくてもよい。例えば、各アンテナエレメント１１ごとに、径方向の外側に向かうにつれて導体の幅ｄ１１が大きくなっていてもよい。

　複数のアンテナエレメント１１のそれぞれには、給電部１２が設けられている。給電部１２は、アンテナエレメント１１の導体の一端と他端との間が非導通状態で近接した部分である。給電部１２は、信号生成部５０（図２参照）と電気的に接続されており、それぞれのアンテナエレメント１１の導体の一端には、例えば同軸ケーブル等を介して信号生成部からの信号が供給される。それぞれのアンテナエレメントの導体の他端は、ＧＮＤに接続される。なお、それぞれのアンテナエレメント１１の導体の一端及び他端には、互いに逆極性の作動信号が信号生成部５０から供給されてもよい。図示の実施形態では、アンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの給電部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの幅（すなわち、導体の一端と他端との間の距離）は全て略同一であり、０．２ｍｍとされている。

　導波部２０は、電磁波を誘導する機能を有する部分である。アンテナ装置１を電磁波の送信に用いる場合、導波部２０はアンテナ部１０から放射された電磁波を放射方向（すなわち、軸芯方向におけるアンテナ部１０の一方側）に誘導する。図１及び図３に示されるように、導波部２０は、複数の環状の導波エレメント２１を備えている。導波エレメント２１の数は、アンテナエレメント１１の数と同一である。軸芯方向において、複数の導波エレメント２１は略同一の位置に配置されている。また、軸芯方向から見て、複数の導波エレメント２１は、同一の軸芯Ｃ上に配置されている。

　図示の実施形態では、導波部２０は、３つの導波エレメント２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃを有している。導波エレメント２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃのそれぞれは円環状に構成されており、軸芯方向から見て、導波エレメント２１Ａの中心、導波エレメント２１Ｂの中心、及び導波エレメント２１Ｃの中心は全て略一致している。また、軸芯方向から見て、導波エレメント２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの中心は、アンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの中心と略一致している。軸芯方向に直交する径方向において、導波エレメント２１Ａは最も内側に配置されている。導波エレメント２１Ｂは、導波エレメント２１Ａの外側に配置され、導波エレメント２１Ｃは、導波エレメント２１Ｂの外側に配置されている。すなわち、複数の導波エレメント２１は、複数のアンテナエレメント１１と同様に、同心円状に配置されている。それぞれの導波エレメント２１の形状は、アンテナエレメント１１と同様の形状であればよく、円環状に限定されない。例えば、アンテナエレメント１１が矩形環状である場合には、導波エレメント２１も矩形環状とすることができる。

　複数の導波エレメント２１のそれぞれは、アンテナエレメント１１と同様に例えば長尺の導体によって構成されているが、給電部を有していない点でアンテナエレメント１１と異なっている。導波エレメント２１の周囲長は、当該導波エレメント２１を構成する導体の長尺方向の寸法に相当する。一例として、導波エレメント２１を構成する導体の幅ｄ２１（図３参照）は、アンテナエレメント１１を構成する導体の幅ｄ１１と同様に、約０．４ｍｍ～０．８ｍｍとすることができる。また、導波エレメント２１を構成する導体の厚さｈ２１（図５参照）は、アンテナエレメント１１を構成する導体の厚さｈ１１と同様に、約０．０１ｍｍ～１０ｍｍとすることができる。図示の実施形態では、それぞれの導波エレメント２１の導体の幅ｄ２１及び導体の厚さｈ２１は略同一であり、導波エレメント２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの導体の幅ｄ２１は０．４ｍｍ、導波エレメント２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの導体の厚さｈ２１は０．１ｍｍである。

　軸芯Ｃ側からｎ番目の導波エレメント２１の周囲長は、軸芯Ｃ側からｎ番目のアンテナエレメント１１の周囲長より短くなっている。より具体的に、軸芯Ｃ側からｎ番目の導波エレメント２１の周囲長は、軸芯Ｃ側からｎ番目のアンテナエレメント１１の周囲長の０．７倍～０．９９９倍である。図示の実施形態では、導波エレメント２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの周囲長は、それぞれ、アンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの周囲長の０．９７５倍である。換言すると、導波エレメント２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの半径ｒ２１Ａ，ｒ２１Ｂ，ｒ２１Ｃは、それぞれ、アンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの半径ｒ１１Ａ，ｒ１１Ｂ，ｒ１１Ｃの０．９７５倍である。

　反射部３０は、電磁波を反射する機能を有する部分である。アンテナ装置１を電磁波の送信に用いる場合、反射部３０は、アンテナ部１０から軸芯方向の他方側（すなわち、放射方向の反対側）に放射された電磁波を放射方向に反射する。図１及び図４に示されるように、反射部３０は、複数の環状の導波エレメント３１を備えている。反射エレメント３１の数は、アンテナエレメント１１の数と同一である。軸芯方向において、複数の反射エレメント３１は略同一の位置に配置されている。また、軸芯方向から見て、複数の反射エレメント３１は、同一の軸芯Ｃ上に配置されている。

　図示の実施形態では、反射部３０は、３つの反射エレメント３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを有している。反射エレメント３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのそれぞれは円環状に構成されており、軸芯方向から見て、反射エレメント３１Ａの中心、反射エレメント３１Ｂの中心、及び反射エレメント３１Ｃの中心は全て略一致している。また、軸芯方向から見て、反射エレメント３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの中心は、アンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの中心、及び導波エレメント２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの中心と略一致している。軸芯方向に直交する径方向において、反射エレメント３１Ａは最も内側に配置されている。反射エレメント３１Ｂは、反射エレメント３１Ａの外側に配置され、反射エレメント３１Ｃは、反射エレメント３１Ｂの外側に配置されている。すなわち、複数の反射エレメント３１は、複数のアンテナエレメント１１と同様に、同心円状に配置されている。それぞれの反射エレメント３１の形状は、円環状に限定されない。例えば、アンテナエレメント１１が矩形環状である場合には、導波エレメント２１も矩形環状とすることができる。

　複数の反射エレメント３１のそれぞれは、アンテナエレメント１１と同様に、例えば長尺の導体によって構成されているが、給電部を有していない点でアンテナエレメント１１と異なっている。反射エレメント３１の周囲長は、当該反射エレメント３１を構成する導体の長尺方向の寸法に相当する。一例として、反射エレメント３１を構成する導体の幅ｄ３１（図３参照）は、アンテナエレメント１１を構成する導体の幅ｄ１１と同様に、約０．４ｍｍ～０．８ｍｍとすることができる。また、反射エレメント３１を構成する導体の厚さｈ３１（図５参照）は、アンテナエレメント１１を構成する導体の厚さｈ１１と同様に、約０．０１ｍｍ～１０ｍｍとすることができる。図示の実施形態では、それぞれの反射エレメント３１の導体の幅ｄ３１及び導体の厚さｈ３１は略同一であり、反射エレメント３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの導体の幅ｄ３１は０．４ｍｍ、反射エレメント３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの導体の厚さｈ３１は０．１ｍｍである。

　軸芯Ｃ側からｎ番目の反射エレメント３１の周囲長は、軸芯Ｃ側からｎ番目のアンテナエレメント１１の周囲長より長くなっている。より具体的に、軸芯Ｃ側からｎ番目の反射エレメント３１の周囲長は、軸芯Ｃ側からｎ番目のアンテナエレメント１１の周囲長の１．００１倍～１．３倍とすることができる。図示の実施形態では、反射エレメント３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの周囲長は、それぞれ、アンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの周囲長の１．０２５倍である。換言すると、反射エレメント３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの半径ｒ３１Ａ，ｒ３１Ｂ，ｒ３１Ｃは、それぞれ、アンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの半径ｒ１１Ａ，ｒ１１Ｂ，ｒ１１Ｃの１．０２５倍である。

　図示の実施形態では、反射部３０が環状の反射エレメント３１を有する例について説明したが、反射部３０は、例えば金属板等によって構成されていてもよい。また、反射部３０は、電磁波の周波数λを透過しないメッシュパターン又はスリットパターンを有する板状部材であってもよい。

　次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、導波部２０及び反射部３０による効果について説明する。図６Ａは、導波部及び反射部を備えていない従来のアンテナ装置におけるＯＡＭ波の放射パターンを示す図である。図６Ｂは、本実施形態に係る図１のアンテナ装置１におけるＯＡＭ波の放射パターンを示す図である。図６Ａ及び図６Ｂの放射パターンは、５．５ＧＨｚにおける１次モード、２次モード、及び３次モードのＯＡＭ波を放射した場合のシミュレーション結果である。このシミュレーションでは、アンテナエレメント１１Ａのループ半径を８．４ｍｍ、アンテナエレメント１１Ｂのループ半径を１７．２ｍｍ、アンテナエレメント１１Ｃのループ半径を２５．９ｍｍとし、アンテナ部１０と導波部２０との間の距離、及びアンテナ部１０と反射部３０との間の距離は波長λの１／４（１３．６２５ｍｍ）とした。導波エレメント２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの半径ｒ２１Ａ，ｒ２１Ｂ，ｒ２１Ｃは、それぞれ、アンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの半径ｒ１１Ａ，ｒ１１Ｂ，ｒ１１Ｃの０．９７５倍とした。反射エレメント３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの半径ｒ３１Ａ，ｒ３１Ｂ，ｒ３１Ｃは、それぞれ、アンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの半径ｒ１１Ａ，ｒ１１Ｂ，ｒ１１Ｃの１．０２５倍とした。シミュレーションには、有限要素法電磁界シミュレータであるＨＦＳＳ　ｖｅｒ．１８．２．０（ＡＮＳＹＳ社）を使用した。

　図６Ａに示されるように、従来のアンテナ装置におけるＯＡＭ波の放射パターンでは、１次モードのピーク角度は０°であり、ピークゲインは６．１５ｄＢであった。２次モードでは、ピーク角度は４３°であり、ピークゲインは１．７３ｄＢであった。３次モードでは、ピーク角度は４８°であり、ピークゲインは１．６０ｄＢであった。この結果から、ＯＡＭ波の放射パターンでは、高次モードになるにつれてピーク角度（すなわち放射角）が大きくなることが確認できる。また、高次モードになるほど、ピークゲインが低下していることが確認できる。したがって、ＯＡＭ波の放射パターンでは、高次モードになるにつれて指向性が低下し、長距離での無線通信が困難になることがわかる。

　これに対し、本実施形態に係るアンテナ装置１におけるＯＡＭの放射パターンでは、１次モードのピーク角度は０°であり、ピークゲインは１０３ｄＢであった。２次モードでは、ピーク角度は３４°であり、ピークゲインは７．６４ｄＢであった。３次モードでは、ピーク角度は４１°であり、ピークゲインは６．７１ｄＢであった。このように、本実施形態に係るアンテナ装置１では、従来のアンテナ装置に比べ、高次モード（２次モード及び３次モード）におけるピーク角度が小さくなっていることが確認できる。また、全てのモードにおいて、ピークゲインが大きくなっていることが確認できる。したがって、導波部２０及び反射部３０により、全てのＯＡＭモードにおいて放射パターンの指向性が向上していることがわかる。

　次に、図７～図９を参照して、図１のアンテナ装置１における各ＯＡＭモードの伝達特性について説明する。図７は、１次モードにおける伝達特性を示す図である。図８は、２次モードにおける伝達特性を示す図である。図９は、３次モードにおける伝達特性を示す図である。図７～図９に示されるデータは、図１に示されるアンテナ装置１を２つ準備し、一方を送信に使用し、他方を受信に使用した場合のシミュレーション結果である。２つのアンテナ装置１は、それぞれの導波部２０が互いに向かうように配置された。２つのアンテナ装置１の間の距離（すなわち伝送距離）は１００ｍｍとした。また、このシミュレーションでは、それぞれのアンテナ装置１のアンテナエレメント１１Ａのループ半径を８．４ｍｍ、アンテナエレメント１１Ｂのループ半径を１７．２ｍｍ、アンテナエレメント１１Ｃのループ半径を２５．９ｍｍとし、アンテナ部１０と導波部２０との間の距離、及びアンテナ部１０と反射部３０との間の距離は波長λの１／４（１３．６２５ｍｍ）とした。導波エレメント２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの半径ｒ２１Ａ，ｒ２１Ｂ，ｒ２１Ｃは、それぞれ、アンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの半径ｒ１１Ａ，ｒ１１Ｂ，ｒ１１Ｃの０．９７５倍とした。反射エレメント３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの半径ｒ３１Ａ，ｒ３１Ｂ，ｒ３１Ｃは、それぞれ、アンテナエレメント１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの半径ｒ１１Ａ，ｒ１１Ｂ，ｒ１１Ｃの１．０２５倍とした。シミュレーションには、有限要素法電磁界シミュレータであるＨＦＳＳ　ｖｅｒ．１８．２．０（ＡＮＳＹＳ社）を使用した。

　図７の一点鎖線は、送信側のアンテナエレメント１１Ａから放射された１次モードのＯＡＭ波を、受信側のアンテナエレメント１１Ａで受信した場合の伝達特性を示している。図７の実線は、送信側のアンテナエレメント１１Ａから放射された１次モードのＯＡＭ波を、受信側のアンテナエレメント１１Ｂ（２次モードに対応）で受信した場合の伝達特性を示している。図７の二点鎖線は、送信側のアンテナエレメント１１Ａから放射された１次モードのＯＡＭ波を、受信側のアンテナエレメント１１Ｃ（３次モードに対応）で受信した場合の伝達特性を示している。

　図７に示されるように、周波数５．５ＧＨｚ付近において、送信側のアンテナエレメント１１Ａと受信側のアンテナエレメント１１Ａとの間の伝達特性は、送信側のアンテナエレメント１１Ａと受信側のアンテナエレメント１１Ｂとの間の伝達特性、及び送信側のアンテナエレメント１１Ａと受信側のアンテナエレメント１１Ｃとの間の伝達特性に比べ、十分に大きなゲインが得られていることがわかる。この結果から、１次モードのＯＡＭ波の通信と、他のモードのＯＡＭ波の通信との区別が可能であることが確認できる。

　図８の一点鎖線は、送信側のアンテナエレメント１１Ｂから放射された２次モードのＯＡＭ波を、受信側のアンテナエレメント１１Ａで受信した場合の伝達特性を示している。図８の実線は、送信側のアンテナエレメント１１Ｂから放射された２次モードのＯＡＭ波を、受信側のアンテナエレメント１１Ｂ（２次モードに対応）で受信した場合の伝達特性を示している。図８の二点鎖線は、送信側のアンテナエレメント１１Ｂから放射された２次モードのＯＡＭ波を、受信側のアンテナエレメント１１Ｃ（３次モードに対応）で受信した場合の伝達特性を示している。

　図８に示されるように、周波数５．５ＧＨｚ付近において、送信側のアンテナエレメント１１Ｂと受信側のアンテナエレメント１１Ｂとの間の伝達特性は、送信側のアンテナエレメント１１Ｂと受信側のアンテナエレメント１１Ａとの間の伝達特性、及び送信側のアンテナエレメント１１Ｂと受信側のアンテナエレメント１１Ｃとの間の伝達特性に比べ、十分に大きなゲインが得られていることがわかる。この結果から、２次モードのＯＡＭ波の通信と、他のモードのＯＡＭ波の通信との区別が可能であることが確認できる。

　図９の一点鎖線は、送信側のアンテナエレメント１１Ｃから放射された３次モードのＯＡＭ波を、受信側のアンテナエレメント１１Ａで受信した場合の伝達特性を示している。図９の実線は、送信側のアンテナエレメント１１Ｃから放射された３次モードのＯＡＭ波を、受信側のアンテナエレメント１１Ａ（１次モードに対応）で受信した場合の伝達特性を示している。図８の二点鎖線は、送信側のアンテナエレメント１１Ｃから放射された３次モードのＯＡＭ波を、受信側のアンテナエレメント１１Ｂ（２次モードに対応）で受信した場合の伝達特性を示している。

　図９に示されるように、周波数５．５ＧＨｚ付近において、送信側のアンテナエレメント１１Ｃと受信側のアンテナエレメント１１Ｃとの間の伝達特性は、送信側のアンテナエレメント１１Ｃと受信側のアンテナエレメント１１Ａとの間の伝達特性、及び送信側のアンテナエレメント１１Ｃと受信側のアンテナエレメント１１Ｂとの間の伝達特性に比べ、十分に大きなゲインが得られていることがわかる。この結果から、３次モードのＯＡＭ波の通信と、他のモードのＯＡＭ波の通信との区別が可能であることが確認できる。

　以上の図７～図９に示される結果から、全てのＯＡＭモードにおいて、所望のモードの通信と他のモードの通信とを区別できることがわかる。したがって、導波部２０及び反射部３０によってＯＡＭ情報が損なわれず、ＯＡＭモードが混在した電磁波から、それぞれのＯＡＭモードの信号を分離可能であることがわかる。

　次に、アンテナエレメント１１と導波エレメント２１との半径比、及び、アンテナエレメント１１と反射エレメント３１との半径比について説明する。表１は、アンテナエレメント１１に対する導波エレメント２１及び反射エレメント３１の半径比を変化させた場合のインピーダンスＺを示している。なお、表１における半径比は、アンテナエレメント１１の半径を基準とした場合の比率を示している。例えば、半径比が±０．０５０である場合には、導波エレメント２１の半径がアンテナエレメント１１の半径の０．９５０倍、反射エレメント３１の半径がアンテナエレメント１１の半径の１．０５０倍であることを示している。表１に示されるように、半径比が±０．０２５（すなわち、導波エレメント２１の半径がアンテナエレメント１１の半径の０．９７５倍、反射エレメント３１の半径がアンテナエレメント１１の半径の１．０２５倍）であるときにインピーダンスＺが５０Ωに近づき、放射される電磁波の指向性が向上することが確認できる。

　以上説明したように、アンテナ装置１は、導波部２０及び反射部３０を備えている。これにより、アンテナ部１０から放射される電磁波の放射角が小さくなるので、指向性の向上を図ることが可能である。また、例えば、誘電体レンズ等を用いる場合に比べ、より簡単な構成で電磁波の指向性の向上を図ることができるので、アンテナ装置１を容易に製造することが可能である。

　アンテナ部１０はアンテナエレメント１１を複数含み、複数のアンテナエレメント１１のそれぞれは、電磁波の波長λに対して互いに異なる整数倍の周囲長を有し、且つ、軸芯方向における同一の位置において同軸上に配置されていている。これにより、複数のＯＡＭモードの電磁波を同時に放射することが可能である。

　導波部２０はアンテナエレメント１１と同数の導波エレメント２１を含み、複数の導波エレメント２１のそれぞれは、軸芯方向における同一の位置において同軸上に配置され、軸芯Ｃ側からｎ番目の導波エレメント２１の周囲長は、軸芯Ｃ側からｎ番目のアンテナエレメント１１の周囲長より短い。これにより、複数のモードの電磁波のそれぞれに対して放射角を小さくすることができるので、複数のモードの電磁波の指向性の向上を図ることが可能である。

　反射部３０はアンテナエレメント１１と同数の反射エレメント３１を含み、複数の反射エレメント３１のそれぞれは、軸芯方向における同一の位置において同軸上に配置され、軸芯Ｃ側からｎ番目の反射エレメント３１の周囲長は、軸芯Ｃ側からｎ番目のアンテナエレメント１１の周囲長より長い。このように、反射部３０が複数のモードの電磁波のそれぞれに対応した反射エレメント３１を有しているので、複数のモードの電磁波の指向性の更なる向上を図ることが可能である。

　軸芯Ｃ側からｎ番目の導波エレメント２１の周囲長は、軸芯Ｃ側からｎ番目のアンテナエレメント１１の周囲長の０．７倍～０．９９９倍である。これにより、導波部２０によって効果的に電磁波を誘導することができるので、指向性を更に向上させることが可能である。

　軸芯Ｃ側からｎ番目の反射エレメント３１の周囲長は、軸芯Ｃ側からｎ番目のアンテナエレメント１１の周囲長の１．００１倍～１．３倍である。これにより、反射部３０によって効果的に電磁波を反射することができるので、指向性を更に向上させることが可能である。

　次に、図１０及び図１１を参照して変形例に係るアンテナ装置２について説明する。図１０は、係るアンテナ装置２を概略的に示す斜視図である。図１１は、変形例に係るアンテナ装置２における放射パターンを説明するための図である。

　図１０に示されるように、変形例に係るアンテナ装置２は、アンテナ装置１と同様に、アンテナ部１０と、導波部２０と、反射部３０とを備えている。アンテナ装置２がアンテナ装置１と相違する点は、導波部２０を複数備えている点である。それぞれの導波部２０は、アンテナ装置１の導波部２０と同様に、複数の導波エレメント２１を備えている。図１０では、アンテナ装置２が５つの導波部２０を備え、それぞれの導波部２０が３つの導波エレメント２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃを有している実施形態を示している。軸芯方向における複数の導波部０の間の距離は、全て電磁波の波長λの１／４である。

　アンテナ装置２においては、複数の導波部２０によって電磁波を誘導することができるので、指向性を更に向上させることが可能である。図１１には、導波部２０を有しない場合、１つの導波部２０を有する場合、５つの導波部２０を有する場合、及び９つの導波部２０を有する場合のそれぞれの３次モードの放射パターンが示されている。図１１に示されるように、導波部２０が１つである場合のピーク角度は４２°であり、ピークゲインは６．２４ｄＢであった。導波部２０が５つである場合のピーク角度は３２°であり、ピークゲインは８．３７ｄＢであった。また、導波部２０が９つである場合のピーク角度は２５°であり、ピークゲインは８．０７ｄＢであった。以上の結果から、導波部２０の数が増えるにつれてピーク角度（すなわち放射角）が減少し、指向性が向上することが確認できる。また、複数の導波部２０を用いることにより、導波部２０が１つである場合に比べてピークゲインを大きくできることが確認できる。

　上記の実施形態では、アンテナ部１０が３つのアンテナエレメント１１を有する場合を例に説明したが、アンテナ部１０が有するアンテナエレメント１１の数は特に限定されない。また、上記の実施形態では、アンテナエレメント１１の周囲長が波長λの１倍、２倍、３倍・・・と順に１倍ずつ増加する場合を例に説明したが、アンテナエレメント１１の周囲長は、例えば２倍ずつ増加してもよい。また、波長λに対するアンテナエレメント１１の周囲長の増加倍率は一定でなくてもよい。例えば、アンテナエレメント１１Ａの周囲長は波長λの１倍、アンテナエレメント１１Ｂの周囲長は波長λの３倍、アンテナエレメント１１Ｃの周囲長は波長λの７倍であってもよい。

　本明細書で説明された各構成要素の寸法、材料、及び配置は、実施形態中で明示的に説明されたものに限定されず、この各構成要素は、本発明の範囲に含まれうる任意の寸法、材料、及び配置を有するように変形することができる。また、本明細書において明示的に説明していない構成要素を、説明した実施形態に付加することもできるし、各実施形態において説明した構成要素の一部を省略することもできる。

　１，２…アンテナ装置、１０…アンテナ部、１１（１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ）…アンテナエレメント、２０…導波部、２１（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ）…導波エレメント、３０…反射部、３１（３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ）…反射エレメント、Ｃ…軸芯、λ…波長。

Claims (9)

1. 　電磁波の波長の整数倍の周囲長を有する環状のアンテナエレメントを含むアンテナ部と、
   　前記アンテナエレメントの軸芯方向の一方側において前記アンテナ部から離間し、前記アンテナエレメントと同軸上に配置された環状の導波エレメントを含む導波部と、
   　前記軸芯方向における他方側において前記アンテナ部から離間して配置され、前記電磁波を反射する反射部と、を備え、
   　前記導波エレメントの周囲長は前記アンテナエレメントの周囲長より短い、アンテナ装置。
2. 　前記反射部は、前記アンテナエレメントと同軸上に配置された環状の反射エレメントを含み、
   　前記反射エレメントの周囲長は前記アンテナエレメントの周囲長より長い、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 　前記軸芯方向における前記アンテナ部と前記導波部との間の距離、及び前記軸芯方向における前記アンテナ部と前記反射部との間の距離は、前記電磁波の波長の１／４である、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 　前記アンテナ部は前記アンテナエレメントを複数含み、
   　複数の前記アンテナエレメントのそれぞれは、前記電磁波の波長に対して互いに異なる整数倍の周囲長を有し、且つ、前記軸芯方向における同一の位置において同軸上に配置されている、請求項１～３の何れか一項に記載のアンテナ装置。
5. 　前記導波部は前記アンテナエレメントと同数の前記導波エレメントを含み、
   　複数の前記導波エレメントのそれぞれは、前記軸芯方向における同一の位置において同軸上に配置され、
   　前記軸芯側からｎ番目の前記導波エレメントの周囲長は、前記軸芯側からｎ番目の前記アンテナエレメントの周囲長より短い、請求項４の何れか一項に記載のアンテナ装置。
6. 　前記反射部は前記アンテナエレメントと同数の前記反射エレメントを含み、
   　複数の前記反射エレメントのそれぞれは、前記軸芯方向における同一の位置において同軸上に配置され、
   　前記軸芯側からｎ番目の前記反射エレメントの周囲長は、前記軸芯側からｎ番目の前記アンテナエレメントの周囲長より長い、請求項４又は５の何れか一項に記載のアンテナ装置。
7. 　前記軸芯側からｎ番目の前記導波エレメントの周囲長は、前記軸芯側からｎ番目の前記アンテナエレメントの周囲長の０．７倍～０．９９９倍である、請求項１～６の何れか一項に記載のアンテナ装置。
8. 　前記軸芯側からｎ番目の前記反射エレメントの周囲長は、前記軸芯側からｎ番目の前記アンテナエレメントの周囲長の１．００１倍～１．３倍である、請求項２～７の何れか一項に記載のアンテナ装置。
9. 　前記導波部を複数備え、
   　隣り合う前記導波部の間の距離は、前記電磁波の波長の１／４である、請求項１～８の何れか一項に記載のアンテナ装置。

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