(57)【要約】【課題】さらなるアンテナ特性の広帯域化を図ると共に装置の小型化を図ることができるアンテナ装置、アンテナ装置の製造方法、およびアレイアンテナ装置を提供することである。【解決手段】実施形態のアンテナ装置は、誘電体基板と、平面導体と、給電部と、を持つ。前記平面導体は、誘電体基板上に形成される。前記給電部は、前記平面導体に給電する。前記平面導体には開口部が形成される。前記開口部は、第１のスリットと、第２のスリットと、第３のスリットと、第４のスリットとを持つ。前記第２のスリットは、前記第１のスリットの第１の端部から第１の方向に延伸する。前記第３のスリットは、前記第１のスリットの第２の端部から前記第１の方向に延伸する。前記第４のスリットは、前記第３のスリットにおける前記第１のスリットと接続しない側の端部から、前記第１の方向と交差し前記第２のスリットに接近する第２の方向に延伸する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、
前記誘電体基板上に形成された平面導体と、
前記平面導体に給電する給電部と、を備え、
前記平面導体には開口部が形成され、
前記開口部は、第１のスリットと、前記第１のスリットの第１の端部から第１の方向に延伸する第２のスリットと、前記第１のスリットの第２の端部から前記第１の方向に延伸する第３のスリットと、前記第３のスリットにおける前記第１のスリットと接続しない側の端部から、前記第１の方向と交差し前記第２のスリットに接近する第２の方向に延伸する第４のスリットとを備える、
アンテナ装置。
【請求項２】
前記第３のスリットは、前記第２のスリットより長い、
請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記第４のスリットは、前記第１のスリットより短い、
請求項１または２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記第２の方向は、前記第１の方向と直交する方向である、
請求項３に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
誘電体基板と、
前記誘電体基板上に形成された平面導体と、
前記平面導体に給電する給電部と、
前記平面導体は、矩形型の第１の導体と、前記第１の導体の周囲に形成された第２の導体とを備え、
前記第２の導体は、前記第１の導体における複数の角部のうち第１の角部と接続され、前記第１の導体における前記第１の角部以外の部分と開口部を介して離間している、
アンテナ装置。
【請求項６】
誘電体基板に平面導体を形成する工程と、
前記誘電体基板上に形成された前記平面導体から、第１の辺と、前記第１の辺の第１の端部から第１の方向に延伸する第２の辺と、前記第１の辺の第２の端部から前記第１の方向に延伸する第３の辺と、前記第１の方向における前記第３の辺の端部から、前記第１の方向と交わる第２の方向に延伸する第４の辺とを含む導体パターンを除去する工程と、
を含むアンテナ装置の製造方法。
【請求項７】
誘電体基板に平面導体を形成する工程と、
前記誘電体基板上に形成された前記平面導体から、矩形型の第１の導体における複数の角部のうち前記第１の導体の周囲に形成された第２の導体と接続させる第１の角部以外の角部よりも外側の導体パターンを除去する工程と、
を含むアンテナ装置の製造方法。
【請求項８】
誘電体基板と、
前記誘電体基板に二次元格子状に配列した複数の平面導体と、
前記平面導体のそれぞれに給電する複数の給電部と、
を備え、
前記平面導体のそれぞれには開口部が形成され、
前記開口部は、第１のスリットと、前記第１のスリットの第１の端部から第１の方向に延伸する第２のスリットと、前記第１のスリットの第２の端部から前記第１の方向に延伸する第３のスリットと、前記第１の方向における前記第３のスリットの端部から、前記第１の方向と交わる第２の方向に延伸する第４のスリットとを備え、
前記平面導体のそれぞれは、自身に給電される信号の位相と他の平面導体に給電される信号との位相差に基づく角度だけ、前記他の平面導体に対して機械的に回転されて配置されている、
アレイアンテナ装置。
【請求項９】
誘電体基板と、
前記誘電体基板に二次元格子状に配列した複数の平面導体と、
前記平面導体のそれぞれに給電する複数の給電部と、を備え、
前記平面導体は、矩形型の第１の導体と、前記第１の導体の周囲に形成された第２の導体とを備え、
前記第２の導体は、前記第１の導体における複数の角部のうち第１の角部と接続され、前記第１の導体における前記第１の角部以外の角部から開口を介して離間しており、
前記平面導体のそれぞれは、自身に給電される信号の位相と他の平面導体に給電される信号との位相差に基づく角度だけ、前記他の平面導体に対して機械的に回転されて配置されている、
アレイアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、アンテナ装置、アンテナ装置の製造方法、およびアレイアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、送受信される信号の周波数帯域を広くした広帯域アンテナが知られている。これに関連して、アンテナ素子と、非励振素子とをスタック化することで広帯域化を図ったアンテナ装置が知られている。また、アンテナ素子と寄生素子とを同一平面上に形成することで広帯域化を図ったアンテナ装置が知られている。さらに、アンテナ素子にＵ字型のスロットを形成することで広帯域化を図ったアンテナ装置が知られている。しかしながら、広帯域アンテナにおいては、更なる広帯域化が望まれている。また、アレイアンテナ装置においては、各アンテナの小型化が望まれている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】” Single-layer single-patch wideband microstrip antenna” T. Huynh and K.-F. Lee, ELECTRONICS LETTERS 3rd August 1995 Vol. 31 No. 16
【非特許文献２】” Circularly Polarized U-Slot Antenna”, Kin-Fai Tong and Ting-Pong Wong, IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 55, NO. 8, AUGUST 2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、さらなるアンテナ特性の広帯域化を図ると共に装置の小型化を図ることができるアンテナ装置、アンテナ装置の製造方法、およびアレイ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】
【０００５】
実施形態のアンテナ装置は、誘電体基板と、平面導体と、給電部と、を持つ。前記平面導体は、誘電体基板上に形成される。前記給電部は、前記平面導体に給電する。前記平面導体には開口部が形成される。前記開口部は、第１のスリットと、第２のスリットと、第３のスリットと、第４のスリットとを持つ。前記第２のスリットは、前記第１のスリットの第１の端部から第１の方向に延伸する。前記第３のスリットは、前記第１のスリットの第２の端部から前記第１の方向に延伸する。前記第４のスリットは、前記第３のスリットにおける前記第１のスリットと接続しない側の端部から、前記第１の方向と交差し前記第２のスリットに接近する第２の方向に延伸する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態のアンテナ装置１の一例を示す平面図。
【図２】第１の実施形態のアンテナ装置１および比較例における規格化周波数とＶＳＷＲとの関係を示すシミュレーション結果を示す図。
【図３】第１の実施形態のアンテナ装置１におけるアンテナ特性を表すスミスチャート。
【図４】比較例のアンテナ装置２００の一例を示す平面図。
【図５】第１の実施形態のアンテナ装置１におけるスロット１２０を設計する手順の一例を示すフローチャート。
【図６】第１の実施形態のスロット１２０における各スリットの長さを示す平面図。
【図７】第１の実施形態の第４のスリット１２４の長さＬ４の長さを調整した場合における、周波数とＶＳＷＲとの関係を示す図。
【図８】第１のスリット１２１の長さＬ１の長さを調整した場合における、周波数とＶＳＷＲとの関係を示す図。
【図９】第１の実施形態のアンテナ装置１におけるＶＳＷＲおよび軸比と規格化周波数との関係を示す図。
【図１０】第２の実施形態のアレイアンテナ装置１Ａの一例を示す平面図である。アレイアンテナ装置１Ａは、誘電体基板１００Ａを備える。アレイアンテナ装置。
【図１１】第１の実施形態のアンテナ装置１を機械的に回転させた複数の状態を示す平面図。
【図１２】第２の実施形態のアレイアンテナ装置１Ａにおけるサブアレイ１０の一例示す平面図。
【図１３】第１の変形例のアンテナ装置１Ｂの一例を示す平面図。
【図１４】第２の変形例のアンテナ装置１Ｃの一例を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態のアンテナ装置、アンテナ装置の製造方法、アレイアンテナ装置を、図面を参照して説明する。
【０００８】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態のアンテナ装置１の一例を示す平面図である。アンテナ装置１は、給電部１３０に信号が印加されたとき、または電磁波を受信したときに励振するアンテナである。第１の実施形態のアンテナ装置１は、例えば、誘電体基板１００と、平面導体１１０とを備える。
【０００９】
誘電体基板１００は、例えば、矩形状に形成された基板である。誘電体基板１００は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、エポキシなどの樹脂基板、樹脂を発泡した発泡プラスチック、液晶ポリマーなどのフィルム基板などの絶縁体で形成される。
【００１０】
平面導体１１０は、誘電体基板１００上に形成された導体薄膜である。平面導体１１０は、例えば、パターニングにより、矩形状に形成されている。平面導体１１０には、給電部１３０が形成されている。給電部１３０には、給電線（不図示）が接続されている。給電部１３０は、給電線を介して信号が供給される。給電部１３０は、誘電体基板１００により受信した電波に基づく信号を給電線に供給する。
【００１１】
平面導体１１０は、例えば、第１の導体１１２と、第２の導体１１４とを備える。第１の導体１１２は、例えば、スロット１２０および仮想線（２点鎖線）で囲まれた矩形型に形成されている。第２の導体１１４は、第１の導体１１２の周囲に形成されている。第２の導体１１４の外郭は、矩形状に形成されている。
【００１２】
第２の導体１１４は、第１の導体１１２における複数の角部のうち一つの角部１１２ａと接続されている。第２の導体１１４は、第１の導体１１２における角部１１２ａ以外の角部から、スロット１２０を介して離間している。
【００１３】
平面導体１１０には、例えばフォトエッチングにより、平面導体１１０の一部が除去されたスロット１２０が形成されている。スロット１２０は、平面導体１１０の一部の導体パターンが除去されたことで形成された開口部である。スロット１２０は、アンテナ装置１の放射素子として機能する。
【００１４】
スロット１２０は、例えば、第１のスリット１２１と、第２のスリット１２２と、第３のスリット１２３と、第４のスリット１２４とを備える。第１のスリット１２１は、Ｘ方向において延伸した細線状の開口である。第２のスリット１２２は、第１のスリット１２１の＋Ｘ側端部からＹ方向に延伸する細線状の開口である。第３のスリット１２３は、第１のスリット１２１の−Ｘ側端部からＹ方向に延伸する細線状の開口である。第３のスリット１２３は、第２のスリット１２２よりも長手方向の長さが長く形成されている。
【００１５】
第４のスリット１２４は、第３のスリット１２３における第１のスリット１２１と接続しない側の端部から、第１の方向（Ｘ方向）と交差し第２のスリット１２２に接近する第２の方向（例えばＹ方向）に延伸する細線状の開口である。第４のスリット１２４は、第１のスリット１２１よりも長手方向の長さが短く形成されている。第４のスリット１２４は、第３のスリット１２３に対し、直角に折り曲げた方向に延伸している。
【００１６】
アンテナ装置１は、以下の工程により製造される。まず、誘電体基板１００に平面導体を形成する。次に、誘電体基板１００上に形成された平面導体から、第１のスリット１２１、第２のスリット１２２、第３のスリット１２３、および第４のスリット１２４を含む導体パターンを除去する。導体パターンの除去工程は、例えばフォトエッチングを利用する。なお、導体パターンの除去工程は、平面導体から、矩形型の第１の導体１１２における複数の角部のうち第１の導体１１２の周囲に形成された第２の導体１１４と接続させる第１の角部以外の部分よりも外側部分の細線状の導体パターンを除去する工程と言い換えることができる。
【００１７】
アンテナ装置１は、アンテナ装置１に電波が到来した時、または給電部１３０に信号が供給された時に、電波または信号により励振する。アンテナ装置１は、複数の共振周波数で共振する複共振アンテナである。例えば、第１の導体１１２における共振周波数の中心周波数と、第２の導体１１４における共振周波数の中心周波数とは異なる周波数である。これにより、アンテナ装置１は、広帯域化を実現する。
【００１８】
アンテナ装置１は、給電部１３０に信号が供給された時に、楕円偏波の電波を放出する。楕円偏波の軸比は、平面導体１１０およびスロット１２０における形状により所定の周波数特性に設定されている。
【００１９】
図２は、第１の実施形態のアンテナ装置１および比較例における規格化周波数とＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio、電圧定在波比）との関係を示すシミュレーション結果を示す図である。図３は、第１の実施形態のアンテナ装置１におけるアンテナ特性を表すスミスチャートである。図２における規格化周波数は、アンテナ装置１で送受信する信号の周波数を基準周波数ｆ０（例えば、３．０［ＧＨｚ］）で正規化した値を表す。アンテナ装置１によれば、全周波数帯域幅に対する、ＶＳＷＲが２よりも低い周波数帯域幅を、２４．６［％］まで広くすることができる。
【００２０】
アンテナ装置１の電界分布をシミュレーションしたところ、例えば、規格化周波数１付近および０．９付近において第１の導体１１２および第２の導体１１４において共振が発生していることが分かった。また、規格化周波数１．１付近において、第１の導体１１２の内部において強い共振が発生していることが分かった。
【００２１】
図４は、比較例のアンテナ装置２００の一例を示す平面図である。アンテナ装置２００は、誘電体基板２１０上に形成された平面導体２２０に、Ｕ字型スロット２３０を形成している。アンテナ装置２００において、給電部２４０は、Ｕ字型スロット２３０の内側に形成されている。図２によれば、比較例のアンテナ装置２００において、全周波数帯域幅に対する、ＶＳＷＲが２よりも低い周波数帯域幅は、１３．７［％］である。
【００２２】
以上説明した第１の実施形態のアンテナ装置１によれば、第１のスリット１２１、第２のスリット１２２、および第３のスリット１２３に加えて第４のスリット１２４を含むスロット１２０を備えるので、比較例のアンテナ装置２００と比較して広帯域化を実現することができる。また、アンテナ装置１によれば、第３のスリット１２３の端部から第４のスリット１２４を折り曲げるように延伸させているので、スロット１２０が占める面積を抑制することができる。この結果、アンテナ装置１によれば、装置の小型化を図ることができる。
【００２３】
図５は、第１の実施形態のアンテナ装置１におけるスロット１２０を設計する手順の一例を示すフローチャートである。図６は、スロット１２０における各スリットの長さを示す平面図である。
【００２４】
まず、第２のスリット１２２の長さＬ２および第３のスリット１２３の長さＬ３が調整される（ステップＳ１００）。第３のスリット１２３の長さＬ３が、第２のスリット１２２の長さＬ２よりも長くなるように調整される。
【００２５】
次に、第４のスリット１２４の長さＬ４が調整される（ステップＳ１０２）。第４のスリット１２４の長さＬ４の長さは、第３のスリット１２３の長さＬ３の端部から＋Ｘ方向へ延伸する長さである。第４のスリット１２４の長さＬ４の長さは、第２のスリット１２２の長さＬ２のＸ方向位置と第３のスリット１２３の長さＬ３のＸ方向位置との間の位置が終点となるように、調整される。
【００２６】
図７は、第４のスリット１２４の長さＬ４の長さを調整した場合における、周波数とＶＳＷＲとの関係を示す図である。第４のスリット１２４の長さＬ４が０［ｍｍ］、４［ｍｍ］、８［ｍｍ］と長く調整するほど、インピーダンスが変化することで、アンテナ装置１の共振周波数が低周波数帯域幅側にシフトすることが分かる。この結果、アンテナ装置１が使用される必要帯域において、ＶＳＷＲが２よりも低くなる周波数帯域の割合を広くすることができる。
【００２７】
次に、第１のスリット１２１の長さＬ１が調整される（ステップＳ１０４）。第１のスリット１２１の長さＬ１は、第４のスリット１２４の長さＬ４よりも長く調整される。
【００２８】
図８は、第１のスリット１２１の長さＬ１の長さを調整した場合における、周波数とＶＳＷＲとの関係を示す図である。第１のスリット１２１の長さＬ１が８［ｍｍ］、９［ｍｍ］、１０［ｍｍ］と長く調整するほど、インピーダンスが変化することで、ＶＳＷＲが次第に低くなることが分かる。
【００２９】
[第２の実施形態]
以下、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態のアレイアンテナ装置１Ａは、複数のアンテナ装置１を配列した点で、第１の実施形態とは異なる。以下、この点を中心に説明する。なお、第１の実施形態と同様の部分は同一符号を付することで説明を省略する。
【００３０】
図９は、実施形態のアンテナ装置１におけるＶＳＷＲおよび軸比と規格化周波数との関係を示す図である。実施形態のアンテナ装置１は、必要領域における軸比［ｄＢ］が高く、良好な軸比の周波数特性が得られていないことが分かる。そこで、第２の実施形態のアレイアンテナ装置１Ａは、誘電体基板１００Ａに複数のアンテナ装置１を配列することで、軸比の広帯域化を図る。
【００３１】
図１０は、第２の実施形態のアレイアンテナ装置１Ａの一例を示す平面図である。アレイアンテナ装置１Ａは、誘電体基板１００Ａを備える。アレイアンテナ装置１Ａは、誘電体基板１００Ａ上に、例えば、Ｘ方向にＮ個（Ｎは１以上の自然数）、且つＹ方向に配列されたＭ個の二次元格子状に複数のアンテナ装置１を配列する。アンテナ装置１のそれぞれは、給電部１３０を備える。
【００３２】
図１１は、第１の実施形態のアンテナ装置１を機械的に回転させた複数の状態を示す平面図である。アンテナ装置１ａは、給電される信号の位相φａが０°であるため、機械的な回転角度が０°に設定されている。アンテナ装置１ｂは、給電される信号の位相φｂが、位相φａに対して＋９０°であるため、機械的な回転角度が９０°に設定されている。アンテナ装置１ｃは、給電される信号の位相φｃが、位相φａに対して−９０°（＋２７０°）であるため、機械的な回転角度が−９０°（＋２７０°）に設定されている。アンテナ装置１ｄは、給電される信号の位相φｄが、位相φａに対して＋１８０°であるため、機械的な回転角度が１８０°に設定されている。
【００３３】
図１０に戻る。アレイアンテナ装置１Ａにおいて、Ｘ方向においてｎ個目且つＹ方向においてｍ個目のアンテナ装置１（＃ｎｍ）に給電される信号の位相φｎｍは、下記の式に基づいて設定される。
φｎｍ＝（ｎ−１）π／Ｎ＋（ｍ−１）π／Ｍ
【００３４】
アンテナ装置１（＃ｎｍ）の機械的な回転角φ’ｎｍは、下記の式により表される。
φ’ｎｍ＝±φｎｍ
φ’ｎｍの式において「＋φｎｍ」は左旋円偏波（ＬＨＣＰ）、「−φｎｍ」は右旋円偏波利得（ＲＨＣＰ）を表す。以上より、アンテナ装置１の機械的な回転角は、アンテナ装置１に給電される位相に応じて決定される。
【００３５】
図１２は、第２の実施形態のアレイアンテナ装置１Ａにおけるサブアレイ１０の一例示す平面図である。アレイアンテナ装置１Ａは、二次元格子状に配列された複数のサブアレイ１０を備える。サブアレイ１０は、機械的な位相を９０°づつずらした４個のアンテナ装置１ａ、１ｂ、１ｃ、および１ｄを含む。
【００３６】
以上説明した第２の実施形態のアレイアンテナ装置１Ａによれば、信号の位相に応じて機械的な回転角度をずらして複数のアンテナ装置１を配列するので、軸比を広帯域化することができる。
【００３７】
第１の実施形態のアンテナ装置１は、第４のスリット１２４を設けることでＶＳＷＲの広帯域化を図ることができるが、軸比の周波数特性が良好ではない傾向がある。これに対し、アレイアンテナ装置１Ａは、信号の位相に応じてアンテナ装置１の機械的な回転角度をずらして、複数のアンテナ装置１を配列する。これにより、アレイアンテナ装置１Ａの全体における偏波状態を楕円偏波から円偏波に近づけることができる。この結果、アレイアンテナ装置１Ａは、軸比の周波数特性を良好にすることができる。
【００３８】
［変形例］
図１３は、第１の変形例のアンテナ装置１Ｂの一例を示す平面図である。アンテナ装置１Ｂにおける第４のスリット１２４Ｂは、第３のスリット１２３の端部からＸ方向に延伸する長さが、誘電体基板１００のＸ方向の中央を超えている。
【００３９】
図１４は、第２の変形例のアンテナ装置１Ｃの一例を示す平面図である。アンテナ装置１Ｃにおける第４のスリット１２４Ｃは、第３のスリット１２３の端部から斜め方向（＋Ｙ方向且つ＋Ｘ方向）に延伸している。
【００４０】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、誘電体基板１００上に形成された平面導体１１０を備え、平面導体１１０に開口部（１２０）が形成され、開口部（１２０）は、第１のスリット１２１と、第１のスリット１２１の第１の端部からＸ方向に延伸する第２のスリット１２２と、第１のスリット１２１の第２の端部からＸ方向に延伸する第３のスリット１２３と、第３のスリット１２３における前記第１のスリットと接続しない側の端部から、Ｘ方向と交差し前記第２のスリットに接近する方向に延伸する第４のスリット１２４と、を持つことにより、スロット１２０のインピーダンスを調整することで、アンテナ特性の広帯域化を図ると共に装置の小型化を図ることができる。
【００４１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４２】
１、１Ｂ、１Ｃ…アンテナ装置、１Ａ…アレイアンテナ装置、１０…サブアレイ、１００…誘電体基板、１１０…平面導体、１１２…第１の導体、１１２ａ…角部、１１４…第２の導体、１２０…スロット、１２１…第１のスリット、１２２…第２のスリット、１２３…第３のスリット、１２４、１２４Ｂ、１２４Ｃ…第４のスリット、１３０…給電部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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