(57)【要約】  小型無線機に搭載しやすい小型かつ低姿勢で、放射パターンの周波数特性が良好な水平方向にチルトした主ビームを形成するアンテナ装置を提供する。アンテナ（１０１）のスロット素子（１０３ａ及び１０３ｂ）を、互いに位相差δをもって励振する。また、反射板（１０５）に、アンテナ（１０１）の中心周波数より高い共振周波数を有する複数のパッチ素子（１０７）と、その周囲にアンテナ（１０１）の中心周波数より低い共振周波数を有する複数のパッチ素子（１０８）とを設けた。
2008050441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料で形成された第１導体板と、前記第１導体板から所定の間隔を隔てて設けられた複数の第１導体素子と、前記複数の第１導体素子の周囲に配置された複数の第２導体素子と、前記複数の第１及び第２導体素子の中央を前記第１導体板と電気的に接続する接続導体と、を有する反射板と、
前記反射板の前記複数の第１及び第２導体素子側に所定の間隔を隔てて設けられ、互いに位相差をもって励振される第１及び第２放射源と、
を具備するアンテナ装置。
【請求項２】
前記反射板は、前記複数の第１及び第２導体素子がそれぞれ第１及び第２周波数帯において共振特性を有するＥＢＧ（Electromagnetic BandGap）構造であり、前記第１周波数帯が前記第２周波数帯より高く設定されている
請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記複数の第１及び第２導体素子は、正方形形状のパッチ素子であり、前記複数の第１導体素子の少なくとも一つの頂点に切り欠きを設けることにより、前記第１周波数帯を前記第２周波数帯よりも高くした
請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記複数の第１及び第２導体素子は、正方形形状のパッチ素子であり、前記複数の第２導体素子の少なくとも一辺にスリットを設けることにより、前記第１周波数帯を前記第２周波数帯よりも高くした
請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記複数の第１導体素子と前記第１導体板との間隔を前記複数の第２導体素子と前記第１導体板との間隔よりも狭くすることで、前記第１周波数帯を前記第２周波数帯よりも高くした
請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記第１放射源及び前記第２放射源は、第２導体板に互いに平行に形成された第１スロット素子及び第２スロット素子である
請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記第１放射源及び前記第２放射源は、互いに平行に配置された第１ダイポール素子及び第２ダイポール素子である
請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記第１スロット素子と直交するように前記第２導体板に形成された第３スロット素子と、
前記第３スロット素子と所定の間隔を隔てて平行に前記第２導体板に形成された第４スロット素子と、
をさらに具備し、
前記第３及び第４スロット素子を互いに位相差を設けて励振する
請求項６に記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記第１ダイポール素子と直交するように配置された第３ダイポール素子と、
前記第３ダイポール素子と所定の間隔を隔てて平行に配置された第４ダイポール素子と、
をさらに具備し、
前記第３及び第４ダイポール素子を互いに位相差を設けて励振する
請求項７に記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置に関し、例えば、高速無線通信システムの固定無線機及び端末無線機に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
無線ＬＡＮシステムなどの高速無線通信システムにおいて、高速伝送を実現するためにはマルチパスフェージングやシャドーイングの対策が必要不可欠である。このような対策の一つとして、セクタアンテナが検討されている。セクタアンテナとは、異なる方向に主ビームが向けられた複数のアンテナ素子を配置し、電波伝搬環境に応じて複数のアンテナ素子を選択的に切り替えるものである。【０００３】
一般的に、天井に設置される固定無線機や机上で使用されるノートパソコン用の端末無線機に搭載されるアンテナとしては、生産性や持ち運びの観点から、平面構造で小型であることが求められる。また、屋内通信環境を考えた場合、これらアンテナの指向性は、主ビームの仰角がアンテナ面に対して垂直方向から水平方向に傾斜（チルト）していることが望ましい。【０００４】
これまで、この種のアンテナとして、特許文献１に開示されているループアンテナを用いたセクタアンテナが提案されている。このセクタアンテナは、反射板から所定の間隔を隔てて配置された折返し形状の導体を有するループアンテナを、平面上に複数配列して構成される。ループアンテナは、折返し形状の導体が接続され、かつ反射板が配置されることで、水平方向にチルトした主ビームを形成することができ、さらには給電位置を切り替えることで主ビーム方向を切り替えることができる。このように、一つのループアンテナで２方向のビームを実現できるため、実装面積を小さくできるという特徴を有する。【０００５】
また、他のアンテナとして、特許文献２に開示されているスロット素子を用いたセクタアンテナが提案されている。このセクタアンテナは、反射板から所定の間隔を隔てて配置された４つのスロット素子により構成されるため、構成が簡易であり、実装面積が極めて小さいという特徴がある。４つのスロット素子は正方形形状に配列され、対向する２つのスロット素子を位相差給電することにより、水平方向にチルトした主ビームが形成される。また、位相差を切り替えることで主ビームを反対方向に切り替えることができるため、正方形形状に配列された４つのスロット素子により４方向の主ビームを形成することができる。【０００６】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載のセクタアンテナは、実装面積を極めて小さくできる一方で、反射板との間隔が１／４波長以上必要であるという課題がある。例えば、動作周波数を５ＧＨｚとした場合、反射板との間隔は２５ｍｍ以上必要となる。このような厚みは、無線機への搭載を考えた場合、小型化への妨げとなるため、反射板との間隔は可能な限り狭い方が望ましい。【０００７】
反射板を用いて放射方向を単方向にするアンテナにおいて、低姿勢化するための技術として、これまでＥＢＧ（Electromagnetic BandGap）構造を反射板に適用することが提案されている。【０００８】
この種のアンテナとして、非特許文献１に開示されているＥＢＧ反射板上に配置されたダイポールアンテナが提案されている。この文献によれば、パッチ素子を複数配列したＥＢＧ反射板から０．０４波長離してダイポールアンテナを配置した非常に低姿勢なアンテナ構成においても、インピーダンス整合を実現することができるとともに、良好な単方向性の放射特性が得られることが示されている。【０００９】
また、他のアンテナとして、非特許文献２に開示されているＥＢＧ反射板上に配置されたスパイラルアンテナが提案されている。この文献によれば、パッチ素子を複数配列したＥＢＧ反射板から０．０６波長離してスパイラルアンテナを配置することで、円偏波特性を損なわずに低姿勢化できることが示されている。【００１０】
また、他のアンテナとして、特許文献３に開示されているＥＢＧ反射板上に配置された２周波対応アンテナが提案されている。この２周波対応アンテナは、長方形形状のパッチ素子を複数配列したＥＢＧ反射板上に、直交した２つのダイポールアンテナを非常に狭い間隔で配置されている。これにより、パッチ素子の短辺に平行に配置されたダイポールアンテナは高い周波数帯のアンテナとして動作し、パッチ素子の長辺に平行に配置されたダイポールアンテナは低い周波数帯のアンテナとして動作する。この結果、反射板近接による放射効率劣化を抑えることができ、帯域の広い２周波対応のアンテナを実現できる。【００１１】
また、他のアンテナとして、非特許文献３に開示されているＥＢＧ反射板上に配置された位相差給電ダイポールアレーが提案されている。この文献によれば、パッチ素子を複数配列したＥＢＧ反射板の表面から０．１４波長離して位相給電ダイポールアレーを配置することで、水平方向にチルトした主ビームを有する低姿勢なアンテナを実現できることが示されている。
【特許文献１】特開２００５−７２９１５号公報
【特許文献２】特開２００５−２６９１９９号公報
【特許文献３】特開２００５−９４３６０号公報
【非特許文献１】IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.51, no.10, pp.2691-2703, Oct. 2003.
【非特許文献２】Proc. Antennas and Propagation Soc. Int. Symp., vol.1, pp.831-834, June 2004.
【非特許文献３】2006年電子情報通信学会総合大会  B-1-63
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記非特許文献１に記載のダイポールアンテナ、非特許文献２に記載のスパイラルアンテナ、特許文献３に記載の２周波対応アンテナ、非特許文献３に記載の位相差給電ダイポールアレーは、パッチ素子を複数配置したＥＢＧ反射板を用いることにより低姿勢化を実現できることは示されているが、放射パターンの周波数特性については配慮されていない。放射パターンの周波数特性は、無線通信システムへアンテナを適用する場合の重要な特性の一つであり、特に上記文献に示されているようにアンテナにＥＢＧ反射板を適用することは、パッチ素子の共振特性により放射パターンに周波数特性が生じやすいと考えられる。【００１３】
本発明の目的は、小型無線機に搭載しやすい小型かつ低姿勢で、放射パターンの周波数特性が良好な水平方向にチルトした主ビームを形成し得るアンテナ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のアンテナ装置の一つの態様は、金属材料で形成された第１導体板と、前記第１導体板から所定の間隔を隔てて設けられた複数の第１導体素子と、前記複数の第１導体素子の周囲に配置された複数の第２導体素子と、前記複数の第１及び第２導体素子の中央を前記第１導体板と電気的に接続する接続導体と、を有する反射板と、前記反射板の前記複数の第１及び第２導体素子側に所定の間隔を隔てて設けられ、互いに位相差をもって励振される第１及び第２放射源と、を具備する構成を採る。【００１５】
また、本発明のアンテナ装置の一つの態様は、前記反射板は、前記複数の第１及び第２導体素子がそれぞれ第１及び第２周波数帯において共振特性を有するＥＢＧ（Electromagnetic BandGap）構造であり、前記第１周波数帯が前記第２周波数帯より高く設定されている構成を採る。【００１６】
これらの構成によれば、小型かつ低姿勢で、放射パターンの周波数特性が良好な水平方向にチルトした主ビームを形成するアンテナ装置を実現することができる。【００１７】
また、本発明のアンテナ装置の一つの態様は、上記構成において、前記第１放射源及び前記第２放射源を第２導体板に互いに平行に形成された第１スロット素子及び第２スロット素子とし、さらに、前記第１スロット素子と直交するように前記第２導体板に形成された第３スロット素子と、前記第３スロット素子と所定の間隔を隔てて平行に前記第２導体板に形成された第４スロット素子とを設け、前記第３及び第４スロット素子を位相差を設けて励振する構成を採る。【００１８】
さらに、本発明のアンテナ装置の一つの態様は、前記第１放射源及び前記第２放射源を第２導体板に互いに平行に形成された第１ダイポール素子及び第２ダイポール素子とし、さらに、前記第１ダイポール素子と直交するように前記第２導体板に配置された第３ダイポール素子と、前記第３ダイポール素子と所定の間隔を隔てて平行に前記第２導体板に配置された第４ダイポール素子とを設け、前記第３及び第４ダイポール素子を位相差を設けて励振する構成を採る。【００１９】
これらの構成によれば、小型かつ低姿勢で、放射パターンの周波数特性が良好な４方向のマルチセクタアンテナを実現することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、小型かつ低姿勢で、放射パターンの周波数特性が良好な水平方向にチルトした主ビームを形成するアンテナ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図１Ｂ】実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す側面図
【図２】アンテナの構成を示す平面図
【図３】反射板の構成を示す平面図
【図４】実施の形態１に係るアンテナ装置の反射板特性を示す図
【図５】実施の形態１に係るアンテナ装置の指向性を示す図
【図６Ａ】実施の形態１に対する比較例としてのアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図６Ｂ】実施の形態１に対する比較例としてのアンテナ装置の構成を示す側面図
【図７】図６Ａ、図６Ｂのアンテナ装置の指向性を示す図
【図８Ａ】実施の形態１に対する比較例としてのアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図８Ｂ】実施の形態１に対する比較例としてのアンテナ装置の構成を示す側面図
【図９】図８Ａ、図８Ｂのアンテナ装置の指向性を示す図
【図１０Ａ】実施の形態１のアンテナ装置と比較例によるアンテナ装置の放射特性を示す図
【図１０Ｂ】実施の形態１のアンテナ装置と比較例によるアンテナ装置の放射特性を示す図
【図１１Ａ】実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図１１Ｂ】実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す断面図
【図１２】反射版の構成を示す平面図
【図１３】実施の形態２に係るアンテナ装置の指向性を示す図
【図１４Ａ】実施の形態２のアンテナ装置と比較例によるアンテナ装置の放射特性を示す図
【図１４Ｂ】実施の形態２のアンテナ装置と比較例によるアンテナ装置の放射特性を示す図
【図１５Ａ】実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図１５Ｂ】実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す側面図
【図１６】実施の形態３に係るアンテナ装置の指向性を示す図
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一の構成又は機能を有する構成要素には、同一の符号を付してその説明は繰り返さない。【００２３】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置を図１から図１０を用いて説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図１Ｂは、前記アンテナ装置の構成を示す側面図、すなわち、図１Ａにおける−Ｙ側から見た図である。図２は、図１Ａ及び図１Ｂのアンテナ１０１を、図１Ｂにおける＋Ｚ側から見た平面図である。図３は、図１Ａ及び図１Ｂに示す反射板１０５を、図１Ａにおける＋Ｚ側から見た平面図である。【００２４】
アンテナ装置１００は、アンテナ１０１と、反射板１０５とを有する。アンテナ１０１と反射板１０５は、図１Ｂからも分かるように、所定の距離ｈを隔てて配置される。【００２５】
反射板１０５は、金属材料で形成された第１導体板としての接地導体１１０と、第１導体板から所定の間隔を隔てて設けられた複数の第１の導体素子としてのパッチ素子１０７と、複数の第１導体素子の周囲に配置された複数の第２導体素子としてのパッチ素子１０８と、複数の第１及び第２導体素子の中央を第１導体板と電気的に接続する接続導体としてのスルーホール１０９と、を有する。【００２６】
また、本実施の形態の場合、反射板１０５は、複数のパッチ素子１０７及び１０８がそれぞれ第１及び第２周波数帯において共振特性を有するＥＢＧ（Electromagnetic BandGap）構造となっている。加えて、パッチ素子１０７及び１０８は、上記第１周波数帯が上記第２周波数帯より高くなるように構成されている。【００２７】
本実施の形態のアンテナ装置１００においては、このように、反射板１０５を、複数のパッチ素子１０７及び１０８がそれぞれ第１及び第２周波数帯において共振特性を有するＥＢＧ構造とし、かつ第１周波数帯を第２周波数帯より高くするために、幾つかの工夫を行っている。その詳細な構成については後述する。【００２８】
アンテナ１０１は、反射板１０５のパッチ素子１０７及び１０８側に所定の間隔ｈを隔てて配置されている。アンテナ１０１には、互いに位相差をもって励振される第１及び第２放射源としてのスロット素子１０３ａ、１０３ｂが設けられている。【００２９】
スロット素子１０３ａ及び１０３ｂは、誘電体基板１０２の表面に銅箔を切削して形成されている。誘電体基板１０２は、比誘電率εｒが例えば２．６で、厚さがｔ１の誘電体基板であり、平面形状はＬｇ×Ｌｇの正方形である。【００３０】
第１及び第２の放射源としてのスロット素子１０３ａ及び１０３ｂは、長さがＬｓ、幅がＷｓであり、素子間隔をｄとして平行に配置され、給電点１０４ａ及び１０４ｂによりそれぞれ励振される。このとき、給電点１０４ａ及び１０４ｂは位相差δ（給電点１０４ｂの位相−給電点１０４ａの位相）をもって励振される。なお、スロット素子１０３ａ及び１０３ｂは給電点１０４ａ及び１０４ｂにより直接励振する構成としたが、誘電体基板１０２の裏面にマイクロストリップラインを形成し、電磁界結合により励振する構成としてもよい。このように構成されたアンテナ１０１は、反射板１０５の表面（＋Ｚ面）から間隔ｈを隔てて配置される。【００３１】
反射板１０５は、誘電体基板１０６の表面に複数のパッチ素子１０７及び１０８が形成されており、それぞれのパッチ素子１０７及び１０８は、素子中央部でスルーホール１０９を介して誘電体基板１０６の裏面に形成された接地導体１１０に接続されている。誘電体基板１０６は、比誘電率εｒが例えば２．６で、厚さがｔ２の両面銅張誘電体基板であり、平面形状はＬｒ×Ｌｒの正方形である。【００３２】
パッチ素子１０７は、反射板１０５の中央部、すなわちアンテナ１０１の直下及び近傍に配置された一辺がＷｐの導体で、導体の各頂点に一辺がｓ１の正方形形状の切り欠きが形成されている。パッチ素子１０８は、パッチ素子１０７の周囲を取り囲むように配置された一辺がＷｐの導体であり、導体の各辺の中央にｓ２×ｓ３のスリットが形成されている。これらのパッチ素子１０７及び１０８は、素子間隔ＧでＮ×Ｎ素子配列されている。このように反射板１０５を構成することで、等価的に並列ＬＣ共振回路とみなすことができる。【００３３】
図４は、パッチ素子１０７及び１０８をそれぞれ２次元的に周期配列させ、正面方向から平面波を入射したときのそれぞれの反射位相を示す図である。反射位相特性４０１及び４０２は、パッチ素子１０７及び１０８のそれぞれの反射位相特性を示している。なお、図４の反射位相は、誘電体基板１０６の厚みｔ２を０．０２７波長、パッチ素子の一辺の長さＷｐを０．２３波長、素子間隔Ｇを０．０１７波長、ｓ１を０．０２５波長、ｓ２を０．０５８波長、ｓ３を０．０１７波長とした場合のものである。反射位相は共振時に０度となり、このときの反射板の表面は完全磁性体と同様の動作をする。図４において、反射位相特性４０１からパッチ素子１０７はアンテナ１０１の中心周波数ｆｃよりも高い周波数で共振しており、パッチ素子１０８は、反射位相特性４０２からアンテナ１０１の中心周波数ｆｃよりも低い周波数で共振していることがわかる。なお、パッチ素子１０７及び１０８に切り欠きやスリットを設けずに一辺の長さが０．２３波長の正方形形状のパッチ素子とした場合、アンテナ１０１の中心周波数ｆｃで共振することになる。【００３４】
図５は、間隔ｈを０．１２５波長としたときの垂直（ＸＺ）面の指向性を示す図である。なお、図５の指向性は、アンテナ１０１及び反射板１０５を次のように構成した場合のものである。アンテナ１０１については、アンテナ１０１の厚みｔ１及び寸法Ｌｇをそれぞれ０．０２７波長及び０．７７波長、スロット素子１０３ａ及び１０３ｂの長さＬｓを０．２７波長、幅Ｗｓを０．０１７波長、素子間隔ｄを０．３３波長、位相差δを７０度とした。反射板１０５については、パッチ素子１０７を中央部、つまりアンテナ１０１の近傍に６×６素子配列し、パッチ素子１０８をパッチ素子１０７の周囲に２素子ずつ配置し（Ｎ＝１０）、反射板１０５全体の寸法Ｌｒを２．４８波長とした。パッチ素子１０７及び１０８の寸法等は、前述した値と同様とした。【００３５】
図５において、指向性５０１から５０３はそれぞれ動作周波数を０．９８ｆｃ、１．０２ｆｃ、１．０６ｆｃとしたときの垂直Ｅθ偏波成分の指向性を示しており、いずれの周波数においても仰角θが約３５度の方向へチルトした主ビームが得られていることがわかる。また、周波数に対する放射パターンの変化が小さいことが確認できる。【００３６】
次に、本実施の形態に対する比較例１として、全てのパッチ素子の共振周波数をｆｃとした場合、すなわちパッチ素子を一辺の長さが０．２３波長の正方形形状とした場合について説明する。図６Ａは、反射板６０１上に形成された全てのパッチ素子６０２を正方形形状とした場合におけるアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図６Ｂは、前記アンテナ装置を図６Ａの−Ｙ側から見た側面図である。反射板６０１は、一辺の長さＷｐが０．２３波長の正方形形状のパッチ素子６０２を、素子間隔Ｇを０．０１７波長として１０×１０素子配列して構成される。つまり、実施の形態における反射板１０１のパッチ素子１０７及び１０８に形成された切り欠きやスリットを無くした場合と同様の構成である。【００３７】
図７は、図６Ａ及び図６Ｂに示す構成において、間隔ｈを０．１２５波長としたときの垂直（ＸＺ）面の指向性を示す図である。指向性７０１から７０３はそれぞれ動作周波数を０．９８ｆｃ、１．０２ｆｃ、１．０６ｆｃとしたときの垂直Ｅθ偏波成分の指向性を示している。反射板６０１の反射位相の周波数特性により、周波数に対して放射パターンが大きく変化していることがわかる。【００３８】
次に、本実施の形態に対する比較例２として、反射板を金属導体とした場合について説明する。図８Ａは、反射板を金属導体とした場合のアンテナ装置の構成を示す斜視図である図８Ｂは、前記アンテナ装置を図８Ａの−Ｙ側から見た側面図である。図９は、図８Ａ及び図８Ｂに示す構成において、間隔ｈを０．３３波長としたときの垂直（ＸＺ）面の指向性を示す図である。指向性９０１から９０３はそれぞれ動作周波数を０．９８ｆｃ、１．０２ｆｃ、１．０６ｆｃとしたときの垂直Ｅθ偏波成分の指向性を示している。図１Ａ及び図１Ｂに示した本実施の形態の構成と同様に、いずれの周波数においても仰角θが約３５度の方向へチルトした主ビームが得られていることがわかる。また、反射板８０１は周波数特性を有しないために、周波数に対する放射パターンの変化は小さい。【００３９】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、本実施の形態のアンテナ装置１００（図１Ａ、図１Ｂ）、比較例１のアンテナ装置（図６Ａ、図６Ｂ）、比較例２のアンテナ装置（図８Ａ、図８Ｂ）のそれぞれにおけるチルト角及び利得の周波数特性を示す図である。図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、特性１００１及び１００４は、本実施の形態のアンテナ装置１００において図１Ｂの間隔ｈを０．１２５波長としたときのチルト角及び利得の周波数特性、特性１００２及び１００５は、図６Ｂ（比較例１）において間隔ｈを０．１２５波長としたときのチルト角及び利得の周波数特性、特性１００３及び１００６は、図８Ｂ（比較例２）において間隔ｈを０．３３波長としたときのチルト角及び利得の周波数特性をそれぞれ示している。図１０Ａから、本実施の形態のアンテナ装置１００の特性１００１は、比較例１の特性１００２に比べて周波数に対するチルト角の変化が小さく、比較例２よりも反射板との間隔を狭くしたにもかかわらず、比較例２の特性１００３とほぼ同等のチルト角が得られていることがわかる。また、図１０Ｂに示す利得に関しては、いずれの構成においても周波数による変化は小さい。【００４０】
以上のように、本実施の形態によれば、２つのスロット素子と反射板とで構成されたチルトビームアンテナにおいて、反射板１０５に、アンテナ１０１の中心周波数より高い共振周波数を有する複数のパッチ素子１０７と、その周囲に配列されたアンテナ１０１の中心周波数より低い共振周波数を有する複数のパッチ素子１０８とを設けたことにより、放射パターンの周波数特性が良好で、低姿勢なチルトビームアンテナ装置１００を実現することができる。【００４１】
なお、本実施の形態では、２つのスロット素子１０３ａ及び１０３ｂを所定の間隔を隔てて位相差給電するアンテナ構成について説明したが、ダイポールアンテナのような線状素子構成としても同様な効果が得られる。また、一つの素子で位相差の異なる２つの電流ピーク点を有するアンテナを用いた場合でも同様な効果が得られる。要は、第１及び第２の放射源を、反射板の複数の第１及び第２導体素子側に所定の間隔を隔てて設け、それらを互いに位相差をもって励振するように構成すればよい。【００４２】
また、本実施の形態では、パッチ素子の形状を正方形形状として説明したが、円形や多角形としても同様な効果が得られる。【００４３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置を図１１から図１４を用いて説明する。図１１Ａは、実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図１１Ｂは、前記アンテナ装置の構成を示す断面図、すなわち、アンテナ装置２００の中央付近を図１１ＡのＸ軸で切断して−Ｙ側から見た図である。図１２は、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す反射板１１０１を図１１Ａにおける＋Ｚ側から見た平面図である。【００４４】
これらの図において、反射板１１０１は、誘電体基板１１０２の表面に複数のパッチ素子１０７及び１１０３が形成されており、それぞれのパッチ素子１０７及び１１０３は、素子中央部でスルーホール１０９を介して、誘電体基板１１０２の裏面に形成された接地導体１１０に接続されている。【００４５】
誘電体基板１１０２は、比誘電率εｒが例えば２．６で、アンテナ１０１の直下及びその近傍に配列されているパッチ素子１０７が形成されている部分の厚さがｔ３、パッチ素子１１０３が形成されている部分の厚さがｔ４（＞ｔ３）の凹型の誘電体基板である。【００４６】
パッチ素子１１０３は、一辺がＷｐの正方形形状の導体であり、パッチ素子１０７の周囲に形成されている。このようなパッチ素子１１０３を２次元的に周期配列し、正面方向から平面波を入射したときの反射位相は、パッチ素子１０７を周期的に配列した場合よりも高い周波数で０度、すなわち共振することになり、かつアンテナ１０１の中心周波数ｆｃよりも高い周波数で共振することになる。【００４７】
これらのパッチ素子１０７及び１１０３は、素子間隔ＧでＮ×Ｎ素子配列されており、反射板１１０１全体の一辺の寸法はＬｒ２×Ｌｒ２である。このように構成された反射板１１０１の上方に、パッチ素子１０７が形成されている面から間隔ｈを隔ててアンテナ１０１が配置される。【００４８】
図１３は、間隔ｈを０．１２５波長としたときの垂直（ＸＺ）面の指向性を示す図である。なお、図１３の指向性は、誘電体基板１１０２の厚みｔ３及びｔ４をそれぞれ０．０２７波長及び０．０４２波長とし、寸法Ｌｒ２を２．４８波長とし、パッチ素子１０７を６×６素子配列し、パッチ素子１１０３をパッチ素子１０７の周囲に２素子ずつ配置（Ｎ＝１０）した場合のものである。【００４９】
図１３において、指向性１３０１から１３０３はそれぞれ動作周波数を０．９８ｆｃ、１．０２ｆｃ、１．０６ｆｃとしたときの垂直Ｅθ偏波成分の指向性を示しており、いずれの周波数においても仰角θが約３５度の方向へチルトした主ビームが得られていることがわかる。また、周波数に対する放射パターンの変化が小さいことが確認できる。【００５０】
図１４Ａ及び図１４Ｂは、本実施の形態のアンテナ装置２００（図１１Ａ、図１１Ｂ）、比較例１のアンテナ装置（図６Ａ、図６Ｂ）、比較例２のアンテナ装置（図８Ａ、図８Ｂ）それぞれにおけるチルト角及び利得の周波数特性を示す図である。図１４Ａ及び図１４Ｂにおいて、特性１４０１及び１４０２は、本実施の形態のアンテナ装置２００において図１１Ｂの間隔ｈを０．１２５波長としたときのチルト角及び利得の周波数特性を示している。図１４Ａから、本実施の形態のアンテナ装置２００の特性１４０１は、実施の形態１のアンテナ装置１００と同様に、比較例１の特性１００２に比べて周波数に対するチルト角の変化が小さく、比較例２よりも反射板との間隔を狭くしたにもかかわらず、比較例２の特性１００３とほぼ同等のチルト角が得られていることがわかる。また、図１４Ｂに示す利得に関しては、いずれの構成においても周波数による変化は小さい。【００５１】
以上のように、本実施の形態によれば、２つのスロット素子と反射板とで構成されたチルトビームアンテナにおいて、反射板１１０１を凹型の誘電体基板１１０２上に複数のパッチ素子１０７、１１０３を配列した構成としたことにより、実施の形態１と同様に、放射パターンの周波数特性が良好で、低姿勢なチルトビームアンテナ装置２００を実現することができる。【００５２】
なお、本実施の形態では、反射板１１０１の中心部分に配列されたパッチ素子１０７に切り欠きを設けたが、切り欠きを設けなくても、誘電体基板１１０２の中央と周囲の厚みの差を大きくすれば、反射板１１０１中央部分のパッチ素子１０７と反射板１１０１周囲のパッチ素子１１０３の共振周波数差を大きくできるので、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。【００５３】
また、本実施の形態では、反射板１１０１を凹型の誘電体基板１１０２により構成したが、誘電体基板を同じ厚さ（平板）とし、誘電体基板の中央と周囲の比誘電率を異なるようにしても、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。【００５４】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置を図１５及び図１６を用いて説明する。図１５Ａは、実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図１５Ｂは、前記アンテナ装置の構成を示す側面図、すなわち、図１５Ａにおける−Ｙ側から見た図である。【００５５】
本実施の形態のアンテナ装置３００は、実施の形態１のアンテナ装置１００と比較して、アンテナ１５０１の構成が異なる。アンテナ１５０１は、誘電体基板１０２の表面の銅箔を切削して形成されたスロット素子１０３ａ、１０３ｂ、１５０２ａ及び１５０２ｂを有する。スロット素子１５０２ａ及び１５０２ｂは、スロット素子１０３ａ及び１０３ｂと直交するように対向して配置されている。すなわち、スロット素子１０３ａ、１０３ｂ、１５０２ａ及び１５０２ｂは正方形形状に配置されている。【００５６】
スロット素子１０３ａ及び１０３ｂは、それぞれ給電点１０４ａ及び１０４ｂにより位相差給電（位相差δ１＝給電点１０４ｂの位相−給電点１０４ａの位相）される。このとき、給電点１５０３ａ及び１５０３ｂは短絡される。同様に、スロット素子１５０２ａ及び１５０２ｂは、それぞれ給電点１５０３ａ及び１５０３ｂにより位相差給電（位相差δ２＝給電点１５０３ｂの位相−給電点１５０３ａの位相）され、このとき給電点１０４ａ及び１０４ｂは短絡される。【００５７】
図１６は、図１５Ｂに示す間隔ｈを０．１２５波長としたときのアンテナ装置３００の指向性を示す図であり、仰角３５度における円錐面の指向性を示している。指向性１６０１は、スロット素子１０３ａ及び１０３ｂを、位相差δ１を７０度として励振したときの垂直Ｅθ偏波成分の指向性を示しており、主ビームが＋Ｘ方向へ向いていることが確認できる。同様に、指向性１６０２は、スロット素子１０３ａ及び１０３ｂを、位相差δ１を−７０度として励振したときの垂直Ｅθ偏波成分の指向性を示ており、指向性１６０３は、スロット素子１５０２ａ及び１５０２ｂを、位相差δ２を７０度として励振したときの垂直Ｅθ偏波成分の指向性を示しており、指向性１６０４は、スロット素子１５０２ａ及び１５０２ｂを、位相差δ２を−７０度として励振されたときの垂直Ｅθ偏波成分の指向性を示しており、それぞれ主ビームが−Ｘ方向、＋Ｙ方向、−Ｙ方向へ向いていることが確認できる。このように、励振するスロット素子を切り替え、かつ励振位相を切り替えることで４方向にビームを形成することができる。【００５８】
以上のように、本実施の形態によれば、４つのスロット素子と反射板とで構成されたチルトビームアンテナにおいて、反射板１０５に、アンテナ１０１の中心周波数より高い共振周波数を有する複数のパッチ素子１０７と、その周囲に配列された中心周波数より低い共振周波数を有する複数のパッチ素子１０８を設け、かつ４つのスロット素子１０３ａ、１０３ｂ、１５０２ａ及び１５０２ｂを正方形形状に配置し対向するスロット素子を位相差を設けて励振させるようにしたことにより、低姿勢でかつ実装面積の小さい４方向のマルチセクタアンテナ装置３００を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明にかかるアンテナ装置は、放射パターンの周波数特性が良好な水平方向にチルトした主ビームを形成し、小型無線機に搭載する場合に適した小型かつ低姿勢で、簡易な構成のアンテナを実現するという効果を有し、高速無線通信システムの固定無線機及び端末無線機に適用できる。
【図１Ａ】
2008050441.tif 000003
【図１Ｂ】
2008050441.tif 000004
【図２】
2008050441.tif 000005
【図３】
2008050441.tif 000006
【図４】
2008050441.tif 000007
【図５】
2008050441.tif 000008
【図６Ａ】
2008050441.tif 000009
【図６Ｂ】
2008050441.tif 000010
【図７】
2008050441.tif 000011
【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
2008050441.tif 000013
【図９】
2008050441.tif 000014
【図１０Ａ】
2008050441.tif 000015
【図１０Ｂ】
2008050441.tif 000016
【図１１Ａ】
2008050441.tif 000017
【図１１Ｂ】
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【図１２】
2008050441.tif 000019
【図１３】
2008050441.tif 000020
【図１４Ａ】
2008050441.tif 000021
【図１４Ｂ】
2008050441.tif 000022
【図１５Ａ】
2008050441.tif 000023
【図１５Ｂ】
2008050441.tif 000024
【図１６】
2008050441.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成21年2月24日(2009.2.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料で形成された第１導体板と、前記第１導体板から所定の間隔を隔てて設けられた複数の第１導体素子と、前記複数の第１導体素子の周囲に配置された複数の第２導体素子と、前記複数の第１及び第２導体素子の中央を前記第１導体板と電気的に接続する接続導体と、を有する反射板と、
前記反射板の前記複数の第１及び第２導体素子側に所定の間隔を隔てて設けられ、互いに位相差をもって励振される第１及び第２放射源と、
を具備するアンテナ装置。
【請求項２】
前記反射板は、前記複数の第１及び第２導体素子がそれぞれ第１及び第２周波数帯において共振特性を有するＥＢＧ（Electromagnetic BandGap）構造であり、前記第１周波数帯が前記第２周波数帯より高く設定されている
請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記複数の第１及び第２導体素子は、正方形形状のパッチ素子であり、前記複数の第１導体素子の少なくとも一つの頂点に切り欠きを設けることにより、前記第１周波数帯を前記第２周波数帯よりも高くした
請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記複数の第１及び第２導体素子は、正方形形状のパッチ素子であり、前記複数の第２導体素子の少なくとも一辺にスリットを設けることにより、前記第１周波数帯を前記第２周波数帯よりも高くした
請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記複数の第１導体素子と前記第１導体板との間隔を前記複数の第２導体素子と前記第１導体板との間隔よりも狭くすることで、前記第１周波数帯を前記第２周波数帯よりも高くした
請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記第１放射源及び前記第２放射源は、第２導体板に互いに平行に形成された第１スロット素子及び第２スロット素子である
請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記第１放射源及び前記第２放射源は、互いに平行に配置された第１ダイポール素子及び第２ダイポール素子である
請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記第１スロット素子と直交するように前記第２導体板に形成された第３スロット素子と、
前記第３スロット素子と所定の間隔を隔てて平行に前記第２導体板に形成された第４スロット素子と、
をさらに具備し、
前記第３及び第４スロット素子を互いに位相差を設けて励振する
請求項６に記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記第１ダイポール素子と直交するように配置された第３ダイポール素子と、
前記第３ダイポール素子と所定の間隔を隔てて平行に配置された第４ダイポール素子と、
をさらに具備し、
前記第３及び第４ダイポール素子を互いに位相差を設けて励振する
請求項７に記載のアンテナ装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置に関し、例えば、高速無線通信システムの固定無線機及び端末無線機に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
無線ＬＡＮシステムなどの高速無線通信システムにおいて、高速伝送を実現するためにはマルチパスフェージングやシャドーイングの対策が必要不可欠である。このような対策の一つとして、セクタアンテナが検討されている。セクタアンテナとは、異なる方向に主ビームが向けられた複数のアンテナ素子を配置し、電波伝搬環境に応じて複数のアンテナ素子を選択的に切り替えるものである。
【０００３】
一般的に、天井に設置される固定無線機や机上で使用されるノートパソコン用の端末無線機に搭載されるアンテナとしては、生産性や持ち運びの観点から、平面構造で小型であることが求められる。また、屋内通信環境を考えた場合、これらアンテナの指向性は、主ビームの仰角がアンテナ面に対して垂直方向から水平方向に傾斜（チルト）していることが望ましい。
【０００４】
これまで、この種のアンテナとして、特許文献１に開示されているループアンテナを用いたセクタアンテナが提案されている。このセクタアンテナは、反射板から所定の間隔を隔てて配置された折返し形状の導体を有するループアンテナを、平面上に複数配列して構成される。ループアンテナは、折返し形状の導体が接続され、かつ反射板が配置されることで、水平方向にチルトした主ビームを形成することができ、さらには給電位置を切り替えることで主ビーム方向を切り替えることができる。このように、一つのループアンテナで２方向のビームを実現できるため、実装面積を小さくできるという特徴を有する。
【０００５】
また、他のアンテナとして、特許文献２に開示されているスロット素子を用いたセクタアンテナが提案されている。このセクタアンテナは、反射板から所定の間隔を隔てて配置された４つのスロット素子により構成されるため、構成が簡易であり、実装面積が極めて小さいという特徴がある。４つのスロット素子は正方形形状に配列され、対向する２つのスロット素子を位相差給電することにより、水平方向にチルトした主ビームが形成される。また、位相差を切り替えることで主ビームを反対方向に切り替えることができるため、正方形形状に配列された４つのスロット素子により４方向の主ビームを形成することができる。
【０００６】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載のセクタアンテナは、実装面積を極めて小さくできる一方で、反射板との間隔が１／４波長以上必要であるという課題がある。例えば、動作周波数を５ＧＨｚとした場合、反射板との間隔は２５ｍｍ以上必要となる。このような厚みは、無線機への搭載を考えた場合、小型化への妨げとなるため、反射板との間隔は可能な限り狭い方が望ましい。
【０００７】
反射板を用いて放射方向を単方向にするアンテナにおいて、低姿勢化するための技術として、これまでＥＢＧ（Electromagnetic BandGap）構造を反射板に適用することが提案されている。
【０００８】
この種のアンテナとして、非特許文献１に開示されているＥＢＧ反射板上に配置されたダイポールアンテナが提案されている。この文献によれば、パッチ素子を複数配列したＥＢＧ反射板から０．０４波長離してダイポールアンテナを配置した非常に低姿勢なアンテ
ナ構成においても、インピーダンス整合を実現することができるとともに、良好な単方向性の放射特性が得られることが示されている。
【０００９】
また、他のアンテナとして、非特許文献２に開示されているＥＢＧ反射板上に配置されたスパイラルアンテナが提案されている。この文献によれば、パッチ素子を複数配列したＥＢＧ反射板から０．０６波長離してスパイラルアンテナを配置することで、円偏波特性を損なわずに低姿勢化できることが示されている。
【００１０】
また、他のアンテナとして、特許文献３に開示されているＥＢＧ反射板上に配置された２周波対応アンテナが提案されている。この２周波対応アンテナは、長方形形状のパッチ素子を複数配列したＥＢＧ反射板上に、直交した２つのダイポールアンテナを非常に狭い間隔で配置されている。これにより、パッチ素子の短辺に平行に配置されたダイポールアンテナは高い周波数帯のアンテナとして動作し、パッチ素子の長辺に平行に配置されたダイポールアンテナは低い周波数帯のアンテナとして動作する。この結果、反射板近接による放射効率劣化を抑えることができ、帯域の広い２周波対応のアンテナを実現できる。
【００１１】
また、他のアンテナとして、非特許文献３に開示されているＥＢＧ反射板上に配置された位相差給電ダイポールアレーが提案されている。この文献によれば、パッチ素子を複数配列したＥＢＧ反射板の表面から０．１４波長離して位相給電ダイポールアレーを配置することで、水平方向にチルトした主ビームを有する低姿勢なアンテナを実現できることが示されている。
【特許文献１】特開２００５−７２９１５号公報
【特許文献２】特開２００５−２６９１９９号公報
【特許文献３】特開２００５−９４３６０号公報
【非特許文献１】IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.51, no.10, pp.2691-2703, Oct. 2003.
【非特許文献２】Proc. Antennas and Propagation Soc. Int. Symp., vol.1, pp.831-834, June 2004.
【非特許文献３】2006年電子情報通信学会総合大会  B-1-63
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記非特許文献１に記載のダイポールアンテナ、非特許文献２に記載のスパイラルアンテナ、特許文献３に記載の２周波対応アンテナ、非特許文献３に記載の位相差給電ダイポールアレーは、パッチ素子を複数配置したＥＢＧ反射板を用いることにより低姿勢化を実現できることは示されているが、放射パターンの周波数特性については配慮されていない。放射パターンの周波数特性は、無線通信システムへアンテナを適用する場合の重要な特性の一つであり、特に上記文献に示されているようにアンテナにＥＢＧ反射板を適用することは、パッチ素子の共振特性により放射パターンに周波数特性が生じやすいと考えられる。
【００１３】
本発明の目的は、小型無線機に搭載しやすい小型かつ低姿勢で、放射パターンの周波数特性が良好な水平方向にチルトした主ビームを形成し得るアンテナ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のアンテナ装置の一つの態様は、金属材料で形成された第１導体板と、前記第１導体板から所定の間隔を隔てて設けられた複数の第１導体素子と、前記複数の第１導体素子の周囲に配置された複数の第２導体素子と、前記複数の第１及び第２導体素子の中央を前記第１導体板と電気的に接続する接続導体と、を有する反射板と、前記反射板の前記複
数の第１及び第２導体素子側に所定の間隔を隔てて設けられ、互いに位相差をもって励振される第１及び第２放射源と、を具備する構成を採る。
【００１５】
また、本発明のアンテナ装置の一つの態様は、前記反射板は、前記複数の第１及び第２導体素子がそれぞれ第１及び第２周波数帯において共振特性を有するＥＢＧ（Electromagnetic BandGap）構造であり、前記第１周波数帯が前記第２周波数帯より高く設定されている構成を採る。
【００１６】
これらの構成によれば、小型かつ低姿勢で、放射パターンの周波数特性が良好な水平方向にチルトした主ビームを形成するアンテナ装置を実現することができる。
【００１７】
また、本発明のアンテナ装置の一つの態様は、上記構成において、前記第１放射源及び前記第２放射源を第２導体板に互いに平行に形成された第１スロット素子及び第２スロット素子とし、さらに、前記第１スロット素子と直交するように前記第２導体板に形成された第３スロット素子と、前記第３スロット素子と所定の間隔を隔てて平行に前記第２導体板に形成された第４スロット素子とを設け、前記第３及び第４スロット素子を位相差を設けて励振する構成を採る。
【００１８】
さらに、本発明のアンテナ装置の一つの態様は、前記第１放射源及び前記第２放射源を第２導体板に互いに平行に形成された第１ダイポール素子及び第２ダイポール素子とし、さらに、前記第１ダイポール素子と直交するように前記第２導体板に配置された第３ダイポール素子と、前記第３ダイポール素子と所定の間隔を隔てて平行に前記第２導体板に配置された第４ダイポール素子とを設け、前記第３及び第４ダイポール素子を位相差を設けて励振する構成を採る。
【００１９】
これらの構成によれば、小型かつ低姿勢で、放射パターンの周波数特性が良好な４方向のマルチセクタアンテナを実現することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、小型かつ低姿勢で、放射パターンの周波数特性が良好な水平方向にチルトした主ビームを形成するアンテナ装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一の構成又は機能を有する構成要素には、同一の符号を付してその説明は繰り返さない。
【００２２】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置を図１から図１０を用いて説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図１Ｂは、前記アンテナ装置の構成を示す側面図、すなわち、図１Ａにおける−Ｙ側から見た図である。図２は、図１Ａ及び図１Ｂのアンテナ１０１を、図１Ｂにおける＋Ｚ側から見た平面図である。図３は、図１Ａ及び図１Ｂに示す反射板１０５を、図１Ａにおける＋Ｚ側から見た平面図である。
【００２３】
アンテナ装置１００は、アンテナ１０１と、反射板１０５とを有する。アンテナ１０１と反射板１０５は、図１Ｂからも分かるように、所定の距離ｈを隔てて配置される。
【００２４】
反射板１０５は、金属材料で形成された第１導体板としての接地導体１１０と、第１導体板から所定の間隔を隔てて設けられた複数の第１の導体素子としてのパッチ素子１０７と、複数の第１導体素子の周囲に配置された複数の第２導体素子としてのパッチ素子１０８と、複数の第１及び第２導体素子の中央を第１導体板と電気的に接続する接続導体としてのスルーホール１０９と、を有する。
【００２５】
また、本実施の形態の場合、反射板１０５は、複数のパッチ素子１０７及び１０８がそれぞれ第１及び第２周波数帯において共振特性を有するＥＢＧ（Electromagnetic BandGap）構造となっている。加えて、パッチ素子１０７及び１０８は、上記第１周波数帯が上記第２周波数帯より高くなるように構成されている。
【００２６】
本実施の形態のアンテナ装置１００においては、このように、反射板１０５を、複数のパッチ素子１０７及び１０８がそれぞれ第１及び第２周波数帯において共振特性を有するＥＢＧ構造とし、かつ第１周波数帯を第２周波数帯より高くするために、幾つかの工夫を行っている。その詳細な構成については後述する。
【００２７】
アンテナ１０１は、反射板１０５のパッチ素子１０７及び１０８側に所定の間隔ｈを隔てて配置されている。アンテナ１０１には、互いに位相差をもって励振される第１及び第２放射源としてのスロット素子１０３ａ、１０３ｂが設けられている。
【００２８】
スロット素子１０３ａ及び１０３ｂは、誘電体基板１０２の表面に銅箔を切削して形成されている。誘電体基板１０２は、比誘電率εｒが例えば２．６で、厚さがｔ１の誘電体基板であり、平面形状はＬｇ×Ｌｇの正方形である。
【００２９】
第１及び第２の放射源としてのスロット素子１０３ａ及び１０３ｂは、長さがＬｓ、幅がＷｓであり、素子間隔をｄとして平行に配置され、給電点１０４ａ及び１０４ｂによりそれぞれ励振される。このとき、給電点１０４ａ及び１０４ｂは位相差δ（給電点１０４ｂの位相−給電点１０４ａの位相）をもって励振される。なお、スロット素子１０３ａ及び１０３ｂは給電点１０４ａ及び１０４ｂにより直接励振する構成としたが、誘電体基板１０２の裏面にマイクロストリップラインを形成し、電磁界結合により励振する構成としてもよい。このように構成されたアンテナ１０１は、反射板１０５の表面（＋Ｚ面）から間隔ｈを隔てて配置される。
【００３０】
反射板１０５は、誘電体基板１０６の表面に複数のパッチ素子１０７及び１０８が形成されており、それぞれのパッチ素子１０７及び１０８は、素子中央部でスルーホール１０９を介して誘電体基板１０６の裏面に形成された接地導体１１０に接続されている。誘電体基板１０６は、比誘電率εｒが例えば２．６で、厚さがｔ２の両面銅張誘電体基板であり、平面形状はＬｒ×Ｌｒの正方形である。
【００３１】
パッチ素子１０７は、反射板１０５の中央部、すなわちアンテナ１０１の直下及び近傍に配置された一辺がＷｐの導体で、導体の各頂点に一辺がｓ１の正方形形状の切り欠きが形成されている。パッチ素子１０８は、パッチ素子１０７の周囲を取り囲むように配置された一辺がＷｐの導体であり、導体の各辺の中央にｓ２×ｓ３のスリットが形成されている。これらのパッチ素子１０７及び１０８は、素子間隔ＧでＮ×Ｎ素子配列されている。このように反射板１０５を構成することで、等価的に並列ＬＣ共振回路とみなすことができる。
【００３２】
図４は、パッチ素子１０７及び１０８をそれぞれ２次元的に周期配列させ、正面方向から平面波を入射したときのそれぞれの反射位相を示す図である。反射位相特性４０１及び４０２は、パッチ素子１０７及び１０８のそれぞれの反射位相特性を示している。なお、図４の反射位相は、誘電体基板１０６の厚みｔ２を０．０２７波長、パッチ素子の一辺の長さＷｐを０．２３波長、素子間隔Ｇを０．０１７波長、ｓ１を０．０２５波長、ｓ２を０．０５８波長、ｓ３を０．０１７波長とした場合のものである。反射位相は共振時に０度となり、このときの反射板の表面は完全磁性体と同様の動作をする。図４において、反射位相特性４０１からパッチ素子１０７はアンテナ１０１の中心周波数ｆｃよりも高い周波数で共振しており、パッチ素子１０８は、反射位相特性４０２からアンテナ１０１の中心周波数ｆｃよりも低い周波数で共振していることがわかる。なお、パッチ素子１０７及び１０８に切り欠きやスリットを設けずに一辺の長さが０．２３波長の正方形形状のパッチ素子とした場合、アンテナ１０１の中心周波数ｆｃで共振することになる。
【００３３】
図５は、間隔ｈを０．１２５波長としたときの垂直（ＸＺ）面の指向性を示す図である。なお、図５の指向性は、アンテナ１０１及び反射板１０５を次のように構成した場合のものである。アンテナ１０１については、アンテナ１０１の厚みｔ１及び寸法Ｌｇをそれぞれ０．０２７波長及び０．７７波長、スロット素子１０３ａ及び１０３ｂの長さＬｓを０．２７波長、幅Ｗｓを０．０１７波長、素子間隔ｄを０．３３波長、位相差δを７０度とした。反射板１０５については、パッチ素子１０７を中央部、つまりアンテナ１０１の近傍に６×６素子配列し、パッチ素子１０８をパッチ素子１０７の周囲に２素子ずつ配置し（Ｎ＝１０）、反射板１０５全体の寸法Ｌｒを２．４８波長とした。パッチ素子１０７及び１０８の寸法等は、前述した値と同様とした。
【００３４】
図５において、指向性５０１から５０３はそれぞれ動作周波数を０．９８ｆｃ、１．０２ｆｃ、１．０６ｆｃとしたときの垂直Ｅθ偏波成分の指向性を示しており、いずれの周波数においても仰角θが約３５度の方向へチルトした主ビームが得られていることがわか
る。また、周波数に対する放射パターンの変化が小さいことが確認できる。
【００３５】
次に、本実施の形態に対する比較例１として、全てのパッチ素子の共振周波数をｆｃとした場合、すなわちパッチ素子を一辺の長さが０．２３波長の正方形形状とした場合について説明する。図６Ａは、反射板６０１上に形成された全てのパッチ素子６０２を正方形形状とした場合におけるアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図６Ｂは、前記アンテナ装置を図６Ａの−Ｙ側から見た側面図である。反射板６０１は、一辺の長さＷｐが０．２３波長の正方形形状のパッチ素子６０２を、素子間隔Ｇを０．０１７波長として１０×１０素子配列して構成される。つまり、実施の形態における反射板１０１のパッチ素子１０７及び１０８に形成された切り欠きやスリットを無くした場合と同様の構成である。
【００３６】
図７は、図６Ａ及び図６Ｂに示す構成において、間隔ｈを０．１２５波長としたときの垂直（ＸＺ）面の指向性を示す図である。指向性７０１から７０３はそれぞれ動作周波数を０．９８ｆｃ、１．０２ｆｃ、１．０６ｆｃとしたときの垂直Ｅθ偏波成分の指向性を示している。反射板６０１の反射位相の周波数特性により、周波数に対して放射パターンが大きく変化していることがわかる。
【００３７】
次に、本実施の形態に対する比較例２として、反射板を金属導体とした場合について説明する。図８Ａは、反射板を金属導体とした場合のアンテナ装置の構成を示す斜視図である図８Ｂは、前記アンテナ装置を図８Ａの−Ｙ側から見た側面図である。図９は、図８Ａ及び図８Ｂに示す構成において、間隔ｈを０．３３波長としたときの垂直（ＸＺ）面の指向性を示す図である。指向性９０１から９０３はそれぞれ動作周波数を０．９８ｆｃ、１．０２ｆｃ、１．０６ｆｃとしたときの垂直Ｅθ偏波成分の指向性を示している。図１Ａ及び図１Ｂに示した本実施の形態の構成と同様に、いずれの周波数においても仰角θが約３５度の方向へチルトした主ビームが得られていることがわかる。また、反射板８０１は周波数特性を有しないために、周波数に対する放射パターンの変化は小さい。
【００３８】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、本実施の形態のアンテナ装置１００（図１Ａ、図１Ｂ）、比較例１のアンテナ装置（図６Ａ、図６Ｂ）、比較例２のアンテナ装置（図８Ａ、図８Ｂ）のそれぞれにおけるチルト角及び利得の周波数特性を示す図である。図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、特性１００１及び１００４は、本実施の形態のアンテナ装置１００において図１Ｂの間隔ｈを０．１２５波長としたときのチルト角及び利得の周波数特性、特性１００２及び１００５は、図６Ｂ（比較例１）において間隔ｈを０．１２５波長としたときのチルト角及び利得の周波数特性、特性１００３及び１００６は、図８Ｂ（比較例２）において間隔ｈを０．３３波長としたときのチルト角及び利得の周波数特性をそれぞれ示している。図１０Ａから、本実施の形態のアンテナ装置１００の特性１００１は、比較例１の特性１００２に比べて周波数に対するチルト角の変化が小さく、比較例２よりも反射板との間隔を狭くしたにもかかわらず、比較例２の特性１００３とほぼ同等のチルト角が得られていることがわかる。また、図１０Ｂに示す利得に関しては、いずれの構成においても周波数による変化は小さい。
【００３９】
以上のように、本実施の形態によれば、２つのスロット素子と反射板とで構成されたチルトビームアンテナにおいて、反射板１０５に、アンテナ１０１の中心周波数より高い共振周波数を有する複数のパッチ素子１０７と、その周囲に配列されたアンテナ１０１の中心周波数より低い共振周波数を有する複数のパッチ素子１０８とを設けたことにより、放射パターンの周波数特性が良好で、低姿勢なチルトビームアンテナ装置１００を実現することができる。
【００４０】
なお、本実施の形態では、２つのスロット素子１０３ａ及び１０３ｂを所定の間隔を隔てて位相差給電するアンテナ構成について説明したが、ダイポールアンテナのような線状
素子構成としても同様な効果が得られる。また、一つの素子で位相差の異なる２つの電流ピーク点を有するアンテナを用いた場合でも同様な効果が得られる。要は、第１及び第２の放射源を、反射板の複数の第１及び第２導体素子側に所定の間隔を隔てて設け、それらを互いに位相差をもって励振するように構成すればよい。
【００４１】
また、本実施の形態では、パッチ素子の形状を正方形形状として説明したが、円形や多角形としても同様な効果が得られる。
【００４２】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置を図１１から図１４を用いて説明する。図１１Ａは、実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図１１Ｂは、前記アンテナ装置の構成を示す断面図、すなわち、アンテナ装置２００の中央付近を図１１ＡのＸ軸で切断して−Ｙ側から見た図である。図１２は、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す反射板１１０１を図１１Ａにおける＋Ｚ側から見た平面図である。
【００４３】
これらの図において、反射板１１０１は、誘電体基板１１０２の表面に複数のパッチ素子１０７及び１１０３が形成されており、それぞれのパッチ素子１０７及び１１０３は、素子中央部でスルーホール１０９を介して、誘電体基板１１０２の裏面に形成された接地導体１１０に接続されている。
【００４４】
誘電体基板１１０２は、比誘電率εｒが例えば２．６で、アンテナ１０１の直下及びその近傍に配列されているパッチ素子１０７が形成されている部分の厚さがｔ３、パッチ素子１１０３が形成されている部分の厚さがｔ４（＞ｔ３）の凹型の誘電体基板である。
【００４５】
パッチ素子１１０３は、一辺がＷｐの正方形形状の導体であり、パッチ素子１０７の周囲に形成されている。このようなパッチ素子１１０３を２次元的に周期配列し、正面方向から平面波を入射したときの反射位相は、パッチ素子１０７を周期的に配列した場合よりも高い周波数で０度、すなわち共振することになり、かつアンテナ１０１の中心周波数ｆｃよりも高い周波数で共振することになる。
【００４６】
これらのパッチ素子１０７及び１１０３は、素子間隔ＧでＮ×Ｎ素子配列されており、反射板１１０１全体の一辺の寸法はＬｒ２×Ｌｒ２である。このように構成された反射板１１０１の上方に、パッチ素子１０７が形成されている面から間隔ｈを隔ててアンテナ１０１が配置される。
【００４７】
図１３は、間隔ｈを０．１２５波長としたときの垂直（ＸＺ）面の指向性を示す図である。なお、図１３の指向性は、誘電体基板１１０２の厚みｔ３及びｔ４をそれぞれ０．０２７波長及び０．０４２波長とし、寸法Ｌｒ２を２．４８波長とし、パッチ素子１０７を６×６素子配列し、パッチ素子１１０３をパッチ素子１０７の周囲に２素子ずつ配置（Ｎ＝１０）した場合のものである。
【００４８】
図１３において、指向性１３０１から１３０３はそれぞれ動作周波数を０．９８ｆｃ、１．０２ｆｃ、１．０６ｆｃとしたときの垂直Ｅθ偏波成分の指向性を示しており、いずれの周波数においても仰角θが約３５度の方向へチルトした主ビームが得られていることがわかる。また、周波数に対する放射パターンの変化が小さいことが確認できる。
【００４９】
図１４Ａ及び図１４Ｂは、本実施の形態のアンテナ装置２００（図１１Ａ、図１１Ｂ）、比較例１のアンテナ装置（図６Ａ、図６Ｂ）、比較例２のアンテナ装置（図８Ａ、図８Ｂ）それぞれにおけるチルト角及び利得の周波数特性を示す図である。図１４Ａ及び図１４Ｂにおいて、特性１４０１及び１４０２は、本実施の形態のアンテナ装置２００におい
て図１１Ｂの間隔ｈを０．１２５波長としたときのチルト角及び利得の周波数特性を示している。図１４Ａから、本実施の形態のアンテナ装置２００の特性１４０１は、実施の形態１のアンテナ装置１００と同様に、比較例１の特性１００２に比べて周波数に対するチルト角の変化が小さく、比較例２よりも反射板との間隔を狭くしたにもかかわらず、比較例２の特性１００３とほぼ同等のチルト角が得られていることがわかる。また、図１４Ｂに示す利得に関しては、いずれの構成においても周波数による変化は小さい。
【００５０】
以上のように、本実施の形態によれば、２つのスロット素子と反射板とで構成されたチルトビームアンテナにおいて、反射板１１０１を凹型の誘電体基板１１０２上に複数のパッチ素子１０７、１１０３を配列した構成としたことにより、実施の形態１と同様に、放射パターンの周波数特性が良好で、低姿勢なチルトビームアンテナ装置２００を実現することができる。
【００５１】
なお、本実施の形態では、反射板１１０１の中心部分に配列されたパッチ素子１０７に切り欠きを設けたが、切り欠きを設けなくても、誘電体基板１１０２の中央と周囲の厚みの差を大きくすれば、反射板１１０１中央部分のパッチ素子１０７と反射板１１０１周囲のパッチ素子１１０３の共振周波数差を大きくできるので、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５２】
また、本実施の形態では、反射板１１０１を凹型の誘電体基板１１０２により構成したが、誘電体基板を同じ厚さ（平板）とし、誘電体基板の中央と周囲の比誘電率を異なるようにしても、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置を図１５及び図１６を用いて説明する。図１５Ａは、実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図１５Ｂは、前記アンテナ装置の構成を示す側面図、すなわち、図１５Ａにおける−Ｙ側から見た図である。
【００５４】
本実施の形態のアンテナ装置３００は、実施の形態１のアンテナ装置１００と比較して、アンテナ１５０１の構成が異なる。アンテナ１５０１は、誘電体基板１０２の表面の銅箔を切削して形成されたスロット素子１０３ａ、１０３ｂ、１５０２ａ及び１５０２ｂを有する。スロット素子１５０２ａ及び１５０２ｂは、スロット素子１０３ａ及び１０３ｂと直交するように対向して配置されている。すなわち、スロット素子１０３ａ、１０３ｂ、１５０２ａ及び１５０２ｂは正方形形状に配置されている。
【００５５】
スロット素子１０３ａ及び１０３ｂは、それぞれ給電点１０４ａ及び１０４ｂにより位相差給電（位相差δ１＝給電点１０４ｂの位相−給電点１０４ａの位相）される。このとき、給電点１５０３ａ及び１５０３ｂは短絡される。同様に、スロット素子１５０２ａ及び１５０２ｂは、それぞれ給電点１５０３ａ及び１５０３ｂにより位相差給電（位相差δ２＝給電点１５０３ｂの位相−給電点１５０３ａの位相）され、このとき給電点１０４ａ及び１０４ｂは短絡される。
【００５６】
図１６は、図１５Ｂに示す間隔ｈを０．１２５波長としたときのアンテナ装置３００の指向性を示す図であり、仰角３５度における円錐面の指向性を示している。指向性１６０１は、スロット素子１０３ａ及び１０３ｂを、位相差δ１を７０度として励振したときの垂直Ｅθ偏波成分の指向性を示しており、主ビームが＋Ｘ方向へ向いていることが確認できる。同様に、指向性１６０２は、スロット素子１０３ａ及び１０３ｂを、位相差δ１を−７０度として励振したときの垂直Ｅθ偏波成分の指向性を示ており、指向性１６０３は、スロット素子１５０２ａ及び１５０２ｂを、位相差δ２を７０度として励振したときの
垂直Ｅθ偏波成分の指向性を示しており、指向性１６０４は、スロット素子１５０２ａ及び１５０２ｂを、位相差δ２を−７０度として励振されたときの垂直Ｅθ偏波成分の指向性を示しており、それぞれ主ビームが−Ｘ方向、＋Ｙ方向、−Ｙ方向へ向いていることが確認できる。このように、励振するスロット素子を切り替え、かつ励振位相を切り替えることで４方向にビームを形成することができる。
【００５７】
以上のように、本実施の形態によれば、４つのスロット素子と反射板とで構成されたチルトビームアンテナにおいて、反射板１０５に、アンテナ１０１の中心周波数より高い共振周波数を有する複数のパッチ素子１０７と、その周囲に配列された中心周波数より低い共振周波数を有する複数のパッチ素子１０８を設け、かつ４つのスロット素子１０３ａ、１０３ｂ、１５０２ａ及び１５０２ｂを正方形形状に配置し対向するスロット素子を位相差を設けて励振させるようにしたことにより、低姿勢でかつ実装面積の小さい４方向のマルチセクタアンテナ装置３００を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明にかかるアンテナ装置は、放射パターンの周波数特性が良好な水平方向にチルトした主ビームを形成し、小型無線機に搭載する場合に適した小型かつ低姿勢で、簡易な構成のアンテナを実現するという効果を有し、高速無線通信システムの固定無線機及び端末無線機に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１Ａ】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図１Ｂ】実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す側面図
【図２】アンテナの構成を示す平面図
【図３】反射板の構成を示す平面図
【図４】実施の形態１に係るアンテナ装置の反射板特性を示す図
【図５】実施の形態１に係るアンテナ装置の指向性を示す図
【図６Ａ】実施の形態１に対する比較例としてのアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図６Ｂ】実施の形態１に対する比較例としてのアンテナ装置の構成を示す側面図
【図７】図６Ａ、図６Ｂのアンテナ装置の指向性を示す図
【図８Ａ】実施の形態１に対する比較例としてのアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図８Ｂ】実施の形態１に対する比較例としてのアンテナ装置の構成を示す側面図
【図９】図８Ａ、図８Ｂのアンテナ装置の指向性を示す図
【図１０Ａ】実施の形態１のアンテナ装置と比較例によるアンテナ装置の放射特性を示す図
【図１０Ｂ】実施の形態１のアンテナ装置と比較例によるアンテナ装置の放射特性を示す図
【図１１Ａ】実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図１１Ｂ】実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す断面図
【図１２】反射版の構成を示す平面図
【図１３】実施の形態２に係るアンテナ装置の指向性を示す図
【図１４Ａ】実施の形態２のアンテナ装置と比較例によるアンテナ装置の放射特性を示す図
【図１４Ｂ】実施の形態２のアンテナ装置と比較例によるアンテナ装置の放射特性を示す図
【図１５Ａ】実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図１５Ｂ】実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す側面図
【図１６】実施の形態３に係るアンテナ装置の指向性を示す図
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
2008050441.tif 000026
【図１Ｂ】
2008050441.tif 000027
【図２】
2008050441.tif 000028
【図３】
2008050441.tif 000029
【図４】
2008050441.tif 000030
【図５】
2008050441.tif 000031
【図６Ａ】
2008050441.tif 000032
【図６Ｂ】
2008050441.tif 000033
【図７】
2008050441.tif 000034
【図８Ａ】
2008050441.tif 000035
【図８Ｂ】
2008050441.tif 000036
【図９】
2008050441.tif 000037
【図１０Ａ】
2008050441.tif 000038
【図１０Ｂ】
2008050441.tif 000039
【図１１Ａ】
2008050441.tif 000040
【図１１Ｂ】
2008050441.tif 000041
【図１２】
2008050441.tif 000042
【図１３】
2008050441.tif 000043
【図１４Ａ】
2008050441.tif 000044
【図１４Ｂ】
2008050441.tif 000045
【図１５Ａ】
2008050441.tif 000046
【図１５Ｂ】
2008050441.tif 000047
【図１６】
2008050441.tif 000048
【国際調査報告】
2008050441.tif 000049
2008050441.tif 000050
2008050441.tif 000051
2008050441.tif 000052