(57)【要約】【課題】アンテナ装置において、ビームフォーミングに好適な高利得が得られるとともに小型化が可能となるようにする。【解決手段】アンテナ装置１００は、第１の誘電体層２と、Ｙ軸方向に配列された複数のパッチアンテナ１からなるパッチアンテナ列１Ｙが、Ｘ軸方向に複数配列されたアンテナアレー１０と、無導体部を構成するスロット６が形成された地導体板３と、地導体板３を挟んで第１の誘電体層２と対向する第２の誘電体層４と、パッチアンテナ列１Ｙ内のパッチアンテナ１に電磁結合給電する線状の給電用導体５と、を備え、パッチアンテナ１は、Ｙ軸方向において互いに離間して配置された２つの放射素子１ａと、配線側給電部と対向して配置され、配線側給電部から電磁結合給電可能に設けられた電極部１ｂと、電極部１ｂと２つの放射素子１ａとをＹ軸方向において、それぞれ電気的に接続する配線部１ｃと、を備える。【選択図】図２
2019057833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の第１の表面に配置され、第１の方向に整列して配列された複数のパッチアンテナからなるパッチアンテナ列が、前記第１の方向と交差する方向に複数配列されたアンテナアレーと、
前記第１の誘電体層において前記第１の表面と反対側の第２の表面に配置され、前記パッチアンテナと対向する位置に、無導体部を構成するスロットが形成された地導体板と、
前記地導体板を挟んで前記第１の誘電体層と対向するように前記地導体板に固定された第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層を挟んで前記地導体板と対向するように前記第２の誘電体層に形成され、前記パッチアンテナ列ごとにそれぞれ対向して配置され、前記第１の表面の法線方向から見て、前記スロットのそれぞれと交差する位置に形成される配線側給電部から、前記パッチアンテナ列内の前記パッチアンテナのそれぞれに電磁結合給電する線状の給電用導体と、
を備え、
前記パッチアンテナのぞれぞれは、
前記第１の方向において互いに離間して配置された２つの放射素子と、
前記２つの放射素子の中間部において前記配線側給電部と対向して配置され、前記配線側給電部から電磁結合給電可能に設けられた電極部と、
前記電極部と前記２つの放射素子とを前記第１の方向において、それぞれ電気的に接続する配線部と、
を備える、
アンテナ装置。
【請求項２】
前記給電用導体は、
前記法線方向から見て、前記パッチアンテナ列において前記第１の方向の中心部から、前記第１の方向における第１給電方向に延びる第１給電配線部と、
前記第１給電配線部の基端に接続され、前記基端から前記第１給電配線部の反対側に延びる第２給電配線部と、
前記第１給電配線部および前記第２給電配線部の接続部に電気的に接続され、前記第１給電配線部または前記第２給電配線部と並行して配置された第３給電配線部と、
前記第１給電配線部または前記第２給電配線部において最も基端側の前記配線側給電部と、前記接続部と、の間に形成され、前記第１給電配線部における前記配線側給電部のそれぞれの位相と、前記第２給電配線部における前記配線側給電部のそれぞれの位相と、に、互いに１８０度の位相差を形成する位相調整部と、
を備える、
請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記位相調整部は、前記位相調整部が形成された前記第１給電配線部または前記第２給電配線部の中心軸線を中心とする波形パターンによって形成されている、
請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記第３給電配線部は、
長手方向の端部において末端に向かうにつれて線幅が２段以上拡幅されたインピーダンス整合部を有する、
請求項２または３に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記インピーダンス整合部は、
隣り合う各段のインピーダンスの変化が５０Ω以下になっており、
かつ、前記末端に最も近い拡幅段のインピーダンスの変化が３０Ω以下になっている、
請求項４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、アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速無線通信の分野において、電磁結合給電方式の矩形状の平面アンテナを有し、ビームフォーミング可能に設けられたアンテナ装置が知られている。
例えば、特許文献１には、指向制御可能な指向性ビームを形成する多素子フェイズドアンテナアレイを備える無線通信のための送信電力制御機器が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１６−５１０５３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来技術には、以下のような問題がある。
特許文献１に記載の技術のような多素子フェイズドアンテナアレイによるビームフォーミングにおいては、最大利得値は、放射角度に応じてコサイン則にしたがって変化する。すなわち、放射角度０度で最大放射利得が得られ、放射角度の絶対値が大きくなるにつれてそれぞれの最大利得値が低下する。このため、ビームフォーミングを行うアンテナ装置（以下、ビームフォーミングアンテナ装置と称する）では、最大放射利得をできるだけ大きくしておくことが、良好な無線通信を行うために重要である。
例えば、ビームフォーミングアンテナ装置では、複数のパッチアンテナが格子状に配列され、列方向に並ぶパッチアンテナが給電線によって一括給電される。各列における給電位相が変えられることによって、各列に直交する方向における放射角度が制御される。
このとき、各列の給電線は、導体インピーダンスを有するため、導体損によって利得が低下する。
導体損を低減するために、導体インピーダンスを低減することも考えられるが、導体幅が広くなると、装置サイズが大きくなってしまうという問題がある。
また各給電線上の給電点のピッチおよび各パッチアンテナの大きさは、通信に使用する周波数帯域によって決まる設計波長に基づく適正な値に設定する必要がある。この点でも、小型化が難しいという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、ビームフォーミングに好適な高利得が得られるとともに小型化が可能となるアンテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様のアンテナ装置は、第１の誘電体層と、前記第１の誘電体層の第１の表面に配置され、第１の方向に整列して配列された複数のパッチアンテナからなるパッチアンテナ列が、前記第１の方向と交差する方向に複数配列されたアンテナアレーと、前記第１の誘電体層において前記第１の表面と反対側の第２の表面に配置され、前記パッチアンテナと対向する位置に、無導体部を構成するスロットが形成された地導体板と、前記地導体板を挟んで前記第１の誘電体層と対向するように前記地導体板に固定された第２の誘電体層と、前記第２の誘電体層を挟んで前記地導体板と対向するように前記第２の誘電体層に形成され、前記パッチアンテナ列ごとにそれぞれ対向して配置され、前記第１の表面の法線方向から見て、前記スロットのそれぞれと交差する位置に形成される配線側給電部から、前記パッチアンテナ列内の前記パッチアンテナのそれぞれに電磁結合給電する線状の給電用導体と、を備え、前記パッチアンテナのぞれぞれは、前記第１の方向において互いに離間して配置された２つの放射素子と、前記２つの放射素子の中間部において前記配線側給電部と対向して配置され、前記配線側給電部から電磁結合給電可能に設けられた電極部と、前記電極部と前記２つの放射素子とを前記第１の方向において、それぞれ電気的に接続する配線部と、を備える。
【０００７】
上記アンテナ装置では、前記給電用導体は、前記法線方向から見て、前記パッチアンテナ列において前記第１の方向の中心部から、前記第１の方向における第１給電方向に延びる第１給電配線部と、前記第１給電配線部の基端に接続され、前記基端から前記第１給電配線部の反対側に延びる第２給電配線部と、前記第１給電配線部および前記第２給電配線部の接続部に電気的に接続され、前記第１給電配線部または前記第２給電配線部と並行して配置された第３給電配線部と、前記第１給電配線部または前記第２給電配線部において最も基端側の前記配線側給電部と、前記接続部と、の間に形成され、前記第１給電配線部における前記配線側給電部のそれぞれの位相と、前記第２給電配線部における前記配線側給電部のそれぞれの位相と、に、互いに１８０度の位相差を形成する位相調整部と、
を備えてもよい。
【０００８】
上記アンテナ装置では、前記位相調整部は、前記位相調整部が形成された前記第１給電配線部または前記第２給電配線部の中心軸線を中心とする波形パターンによって形成されていてもよい。
【０００９】
上記アンテナ装置では、前記第３給電配線部は、長手方向の端部において末端に向かうにつれて線幅が２段以上拡幅されたインピーダンス整合部を有してもよい。
【００１０】
上記アンテナ装置では、前記インピーダンス整合部は、隣り合う各段のインピーダンスの変化が５０Ω以下になっており、かつ、前記末端に最も近い拡幅段のインピーダンスの変化が３０Ω以下になっていてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のアンテナ装置によれば、ビームフォーミングに好適な高利得が得られるとともに小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態のアンテナ装置の一例を示す模式的な平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の実施形態のアンテナ装置のパッチアンテナの一例を示す模式的な平面図である。
【図４】本発明の実施形態のアンテナ装置のパッチアンテナ列、地導体板、および給電用導体の一例を示す模式的な平面図である。
【図５】本発明の実施形態のアンテナ装置に用いるスロットの開口形状の一例を示す模式的な平面図である。
【図６】図４におけるＢ部およびＣ部の給電用導体の拡大図である。
【図７】本発明の実施形態のアンテナ装置の作用の説明図である。
【図８】矩形状のパッチアンテナを有する比較例２の構成の一例を示す模式図である。
【図９】比較例２のアンテナ装置のパッチアンテナ列の構成を示す模式的な裏面図である。
【図１０】本発明の実施形態のアンテナ装置の実施例のパッチアンテナ列の放射パターンを示すグラフである。
【図１１】比較例２のアンテナ装置におけるパッチアンテナ列の放射パターンを示すグラフである。
【図１２】実施例のアンテナ装置のパッチアンテナ列における利得および反射損失Ｓ１１の周波数特性を示すグラフである。
【図１３】比較例のアンテナ装置のパッチアンテナ列における利得および反射損失Ｓ１１の周波数特性を示すグラフである。
【図１４】実施例のアンテナ装置における全利得を示すグラフである。
【図１５】実施例のアンテナ装置における最大利得の周波数特性を示すグラフである。
【図１６】実施例のアンテナ装置における最大利得のスキャンアングル特性を示すグラフである。
【図１７】本発明の実施形態の変形例のアンテナ装置の主要部の構成および電流方向のシミュレーション結果を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下では、本発明の実施形態のアンテナ装置について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態のアンテナ装置の一例を示す模式的な平面図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。図３は、本発明の実施形態のアンテナ装置のパッチアンテナの一例を示す模式的な平面図である。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の実施形態のアンテナ装置のパッチアンテナ列、地導体板、および給電用導体の一例をそれぞれ示す模式的な平面図である。図５は、本発明の実施形態のアンテナ装置に用いるスロットの開口形状の一例を示す模式的な平面図である。図６（ａ）は、図４（ｃ）におけるＢ部の給電用導体の拡大図である。図６（ｂ）は、図４（ｃ）におけるＣ部の給電用導体の拡大図である。
なお、各図面は模式図のため、寸法や形状は誇張または簡略化されている（以下の図面も同様）。
【００１４】
図１に示す本実施形態のアンテナ装置１００は、電磁結合給電方式の平面アンテナを備える。例えば、アンテナ装置１００はビームフォーミング可能なフェーズドアレイアンテナである。
アンテナ装置１００は、ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  ｏｆ  Ｔｈｉｎｇｓ）分野における通信、あるいはＷｉＧｉｇ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｇｉｇａｂｉｔ）などの高速無線通信などにおけるアンテナ装置として用いることが可能である。
図２に示すように、アンテナ装置１００は、パッチアンテナ１、第１の誘電体層２、地導体板３、第２の誘電体層４、および給電用導体層５０が、この順に積層して構成されている。
以下では、積層方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に直交しかつ互いに直交する２軸方向をＸ軸方向（第２の方向）、Ｙ軸方向（第１の方向）と称する。なお、ここでの座標系は右手系である。Ｚ軸方向に見ることは平面視と称される場合がある。
【００１５】
図１に示すように、パッチアンテナ１は、後述する第１の誘電体層２の第１面２ａ（第１の表面）上に、予め決められた配列パターンに基づいてパターニングされている。パッチアンテナ１および第１面２ａの法線方向はＺ軸方向である。
パッチアンテナ１は、後述する給電用導体５（図２参照）から電磁結合給電される平面アンテナである。本実施形態では、パッチアンテナ１は、一例として、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に並ぶ矩形格子状に複数配列されて、アンテナアレー１０を構成している。図１に示す例では、アンテナアレー１０は、Ｙ軸方向に８個、Ｘ軸方向に１６個が並んだ計１２８個のパッチアンテナ１によって構成されている。パッチアンテナ１のＸ軸方向の配列ピッチはＰＸ、Ｙ軸方向の配列ピッチはＰＹである。
配列ピッチＰＹは、後述する給電点の間隔に等しい。配列ピッチＰＹは、電磁誘導された際の特性を利用して、パッチアンテナ１において、２つの放射素子１ａに流れる電流方向を揃えるために適正値に設定される。本実施形態では、配列ピッチＰＹは、設計上の通信波の波長の０．８倍に合わされている。
Ｙ軸方向に配列された８個のパッチアンテナ１は、パッチアンテナ列１Ｙを構成している。各パッチアンテナ列１Ｙは、後述する給電用導体層５０（図２参照）における一列の給電用導体５（図２参照）から電磁結合給電を受けることが可能である。
【００１６】
図３に示すように、本実施形態では、各パッチアンテナ１は、一例として、Ｙ軸方向に並んだ２個の放射素子１ａと、各放射素子１ａをアレー化するためのデバイダーである分割回路パターン１ｄと、を備える。
【００１７】
各放射素子１ａは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ延びる辺を有する矩形状に形成されている。各放射素子１ａは、Ｙ軸方向に隙間２×ｄＹをあけて配列されている。
各放射素子１ａのＹ軸方向の幅はＷａＹ、Ｘ軸方向の幅はＷＸ（ただし、０＜ＷＸ＜ＰＸ）である。各放射素子１ａの中心（図心）は、Ｙ軸方向に延びる軸線Ｏ上に位置する。
【００１８】
分割回路パターン１ｄは、電磁結合用の電極部１ｂと、電極部１ｂと各放射素子１ａとを互いに電気的に接続する２本の配線部１ｃと、を備える。
電極部１ｂは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ延びる辺を有する矩形状に形成されている。電極部１ｂのＹ軸方向の幅はＷｂＹ（ただし、０＜ＷｂＹ＜２×ｄＹ）、Ｘ軸方向の幅はＷｂＸ（ただし、０＜ＷｂＸ＜ＷＸ）である。
電極部１ｂの中心（図心）は、軸線Ｏ上に配置され、かつ各放射素子１ａの中心に対して等距離に配置されている。
各配線部１ｃは、軸線Ｏを中心軸線とする線状の配線からなり、放射素子１ａと電極部１ｂとを互いに電気的に接続している。各配線部１ｃの線幅（Ｘ軸方向の幅）は、Ｗｃ（０＜Ｗｃ＜ＷｂＸ）である。各配線部１ｃの配線長は互いに等しく、ｄＹ−ＷｂＹ／２である。
【００１９】
このような構成により、各パッチアンテナ１は、Ｘ軸方向の幅がＷＸ、Ｙ軸方向の幅がＷＹ＝２×（ＷａＹ＋ｄＹ）（ただし、０＜ＷＹ＜ＰＹ）の矩形状の領域に形成されている。パッチアンテナ１が形成されたＷＸ×ＷＹの矩形領域の中心である点Ｃ１は、電極部１ｂの中心に一致している。後述するように、点Ｃ１の近傍は、パッチアンテナ１におけるアンテナ側給電部になっている。以下では、点Ｃ１をアンテナ側給電点と称する場合がある。
【００２０】
例えば、アンテナ装置１００の設計上の通信周波数が６０ＧＨｚの場合、上述した各部の寸法としては、以下の数値例が好適である。以下では、他の部材に関する数値例を示す場合、特に断らない限りはアンテナアレー１０の以下の数値例に対応している。
パッチアンテナ１の配列ピッチであるＰＹ、ＰＸは、それぞれ４ｍｍ、４ｍｍである。ここで、ＰＹ＝４（ｍｍ）は、通信周波数が６０ＧＨｚの場合の波長５ｍｍの０．８倍になっている。
放射素子１ａの幅寸法であるＷＸ、ＷａＹは、それぞれ１．３３ｍｍ、１．３３ｍｍである。ｄＹは０．２０５ｍｍである。
電極部１ｂの幅寸法であるＷｂＸ、ＷｂＹは、それぞれ０．５ｍｍ、０．６ｍｍである。
配線部１ｃの線幅であるＷｃは、０．１３ｍｍである。
このような数値例では、パッチアンテナ１は、Ｘ軸方向の幅が１．３３ｍｍ、Ｙ軸方向の幅が３．５７ｍｍの矩形領域の範囲内に形成されている。
図４（ａ）に示すように、各パッチアンテナ１の間のＹ軸方向における隙間ＧＹは、０．４３ｍｍ（＝４ｍｍ−３．５７ｍｍ）である。各パッチアンテナ列１Ｙの間のＸ軸方向における隙間ＧＸは、０．３８ｍｍである。
パッチアンテナ１は、例えば、銅などの金属材料によって形成される。
【００２１】
パッチアンテナ１において、点Ｃ１から各放射素子１ａまでのインピーダンスは、各放射素子１ａにおける電流方向が略同じ向きになるようなインピーダンスに設定されている。本実施形態では、各放射素子１ａにおける全体的な電流方向は、Ｙ軸方向における同じ向きになる。
【００２２】
図２に示すように、第１の誘電体層２は、必要な放射特性に応じて誘電率、層厚が規定された平板状部材である。第１の誘電体層２は、単層の誘電体で構成されてもよいし、複数の誘電体が貼り合わされて構成されてもよい。単層とするか、複数層とするかは、例えば、材料コストなどを考慮して決められてもよい。
図２に示す例では、第１の誘電体層２は、それぞれ適宜の層厚および比誘電率を有する誘電体２Ａ、２Ｃ、２Ｅが、誘電体である樹脂接着層２Ｂ、２Ｄによって接合されて構成された場合の例が示されている。第１の誘電体層２における第１面２ａと反対側の表面である第２面２ｂ（第２の表面）は、樹脂接着層２Ｆで構成されている。第２面２ｂを構成する樹脂接着層２Ｆは、後述する地導体板３を接合するために用いられている。
このように、第１の誘電体層２が複数層からなる場合に、第１の誘電体層２の誘電率および層厚の変更が容易になるため、パッチアンテナ１の各部における導体形状と併せて、各部のインピーダンスを所定値に設定することがより容易となる。
第１の誘電体層２の層厚は、電磁結合給電部のインピーダンスに関わるため適正な層厚に正確に合わせられること重要である。
例えば、第１の誘電体層２の比誘電率が２．２の場合、層厚は０．１ｍｍとすることがより好ましい。
【００２３】
図２に示すように、地導体板３は、各パッチアンテナ１の電極部１ｂと対向する位置にスロット６が形成された導体からなる板状部材である。地導体板３は接地されて用いられる。
地導体板３は、第２面２ｂを構成する樹脂接着層２Ｆを介して、第１の誘電体層２に固定されている。
【００２４】
スロット６は、地導体板３における無導体部である。図４（ｂ）に示すように、スロット６は、Ｘ軸方向に延びている。スロット６の開口形状は、パッチアンテナ１のインピーダンスと後述する給電用導体５とのインピーダンス整合をとるための形状とされる。
本実施形態におけるスロット６は、平面視でＨ字状に開口している。具体的には、図５に示すように、スロット６は、Ｘ軸方向に長い矩形状の第１の開口部６ａと、第１の開口部６ａの長手方向の両端部においてＹ軸方向にそれぞれ延びる第２の開口部６ｂと、によって構成される。第１の開口部６ａは、信号が通過する通過信号部を構成する。各第２の開口部６ｂは、通過信号部の両端部におけるインピーダンスを増大させるための開口部である。
【００２５】
図２に示すように、スロット６の中心（図心）である点Ｃ６は、パッチアンテナ１における電極部１ｂの中心（図心）である点Ｃ１と、Ｚ軸方向から見て重なるように配置されている。このため、スロット６は、平面視では、点Ｃ１を通り、電極部１ｂをＸ軸方向に横断する位置関係に配置されている。
図４（ｂ）に示すように、例えば、パッチアンテナ列１Ｙの各パッチアンテナ１に対応して形成されたスロット６における各中心点（点Ｃ６）は、平面視では、パッチアンテナ列１Ｙの軸線Ｏ上にピッチＰＹで等間隔に並んでいる。
図５に示すように、スロット６の長手方向（Ｘ軸方向）の長さｄ３は、整合インピーダンスが同じ値となるような寸法に合わされることがより好ましい。例えば、ｄ３は、１．３５ｍｍであってもよい。
【００２６】
第１の開口部６ａは、短手方向であるＹ軸方向の幅がＷ６ａ、長手方向であるＸ軸方向の長さがｄ１（ただし、ｄ１＞ＷｂＸ）の矩形状に開口している。
第１の開口部６ａの短手方向の幅Ｗ６ａは、例えば、結合インピーダンスを２００Ωにするため、０．３ｍｍに設定することがより好ましい。
【００２７】
各第２の開口部６ｂは、第１の開口部６ａによる結合インピーダンスより大きなインピーダンスを形成するため、第１の開口部６ａの短手方向の幅Ｗ６ａから拡幅する適宜形状に設けられる。
図５に示す例では、各第２の開口部６ｂは、Ｘ軸方向の長さがｄ２、Ｙ軸方向の幅がＷ６ｂ（ただし、Ｗ６ｂ＞Ｗ６ａ）の矩形状に開口している。
例えば、第２の開口部６ｂにおいて、ｄ２、Ｗ６ｂは、それぞれ、０．３ｍｍ、０．６ｍｍとされてもよい。この場合、第１の開口部６ａの長さｄ１は、０．７５ｍｍ（＝１．３５ｍｍ−２×０．３ｍｍ）になっている。
【００２８】
以上説明したスロット６の寸法のより好ましい数値例の場合、平面視で点Ｃ６の位置における電磁結合給電部の結合インピーダンスを１１２Ωにすることができる。
【００２９】
図２に示すように、第２の誘電体層４は、後述する給電用導体５からスロット６を通してパッチアンテナ１に電磁結合給電できるように、地導体板３と後述する給電用導体５とを一定の絶縁距離だけ離すために設けられている。
このため、第２の誘電体層４の第１面４ａには地導体板３が配置されており、第２の誘電体層４の第２面４ｂには、後述する給電用導体５が配置されている。
給電効率を向上するため、第２の誘電体層４の比誘電率εｒはなるべく小さいことが好ましい。例えば、第２の誘電体層４の比誘電率εｒは、１以上２．５以下であることがより好ましい。
例えば、第２の誘電体層４の比誘電率εｒが２．２の場合、第２の誘電体層４の層厚は、１３０μｍにすることがより好ましい。
【００３０】
図２に一部の断面を示すように、給電用導体層５０は、第２の誘電体層４の第２面４ｂ上にパターニングされている。給電用導体層５０は、各パッチアンテナ列１Ｙに対応してアンテナアレー１０におけるパッチアンテナ列１Ｙと同数のＹ軸方向に延びる給電用導体５を備える。
各給電用導体５の形状はいずれも同一であるため、以下では、図４（ａ）に示す１つのパッチアンテナ列１Ｙに対応して描かれた図４（ｃ）に示す給電用導体５を例にして説明する。
給電用導体５は、パッチアンテナ列１Ｙを構成する各パッチアンテナ１を第１アンテナ群１Ａと、第２アンテナ群１Ｂと、に分けて、それぞれのパッチアンテナ１に電磁結合給電を行う。ここで、第１アンテナ群１Ａは、パッチアンテナ列１ＹにおいてＹ軸正方向側に並ぶ半数のパッチアンテナ１で構成される。第２アンテナ群１Ｂは、パッチアンテナ列１ＹにおいてＹ軸負方向側に並ぶ半数のパッチアンテナ１で構成される。
給電用導体５は、図示略の外部回路と所定のインピーダンスを有する接続路を介して電気的に接続可能である。図示略の外部回路との接続路の例としては、例えば、インピーダンスが５０Ωの同軸ケーブルが挙げられる。
【００３１】
本実施形態では、給電用導体５は、第１給電配線部５ｅ、第２給電配線部５ｆ、および第３給電配線部５ｂを備える。
第１給電配線部５ｅは、第１アンテナ群１Ａの各パッチアンテナ１に電磁結合給電を行うための配線である。
第１給電配線部５ｅは、平面視では、図示点Ｍ４から、Ｙ軸正方向（第１給電方向）の先端５ｇまで軸線Ｏに沿って略直線状に延びている。ここで、点Ｍ４は、パッチアンテナ列１ＹにおけるＸ軸方向およびＹ軸方向の中心（図心）である点Ｍ１（図４（ａ）参照）とＺ軸方向に対向する第２面４ｂ上の点である。
具体的には、第１給電配線部５ｅは、平面視では、点Ｍ４の近傍におけるＹ軸負方向の端部に形成された後述する位相調整部５ｄを除いて、軸線Ｏ上に延びる直線状に形成されている。平面視における軸線Ｏは、位相調整部５ｄを除く第１給電配線部５ｅの中心軸線になっている。本明細書では、位相調整部５ｄを除く第１給電配線部５ｅの中心軸線を、単に第１給電配線部５ｅの中心軸線と称する。
第１給電配線部５ｅの先端部は、平面視では、第１アンテナ群１Ａに対向するスロット６のうち、最もＹ軸正方向寄りのスロット６（図４（ｂ）の最左端のスロット６）と交差して、スロット６からＹ軸正方向に突き出ている。第１給電配線部５ｅの先端５ｇのスロット６からの突き出し量はｄｓである。突き出し量ｄｓは、第１アンテナ群１Ａにおける最もＹ軸正方向側の第１給電配線部５ｅと電極部１ｂとの間の結合インピーダンスが適正になるように決められる。
位相調整部５ｄは、平面視において、第１給電配線部５ｅと重なるスロット６のうち最も基端側のスロット６と点Ｍ４との間に形成されている。このため、平面視にて第１アンテナ群１Ａの各パッチアンテナ１と重なる４つのスロット６は、第１給電配線部５ｅにおいて位相調整部５ｄを除く直線状の部位（以下、第１給電配線部５ｅの本体と称する）と交差している。第１給電配線部５ｅの本体において各スロット６と重なる部位は、それぞれ第１給電配線部５ｅにおける配線側給電部を構成している。以下では、第１給電配線部５ｅにおける配線側給電部において、平面視で点Ｃ１、Ｃ６と重なる点Ｃ５Ａを第１給電配線部５ｅにおける配線側給電点と称する場合がある。
【００３２】
第２給電配線部５ｆは、第２アンテナ群１Ｂの各パッチアンテナ１に電磁結合給電を行うための配線である。
第２給電配線部５ｆは、平面視では、点Ｍ４から、Ｙ軸負方向（第２給電方向）の先端５ｈまで軸線Ｏ上に延びる直線状に形成されている。平面視における軸線Ｏは、第２給電配線部５ｆの中心軸線になっている。
第２給電配線部５ｆは、平面視では、第２アンテナ群１Ｂに対向するスロット６のうち、最もＹ軸負方向寄りのスロット６（図４（ｂ）の最右端のスロット６）と交差して、スロット６からＹ軸負方向に突き出ている。第２給電配線部５ｆの先端５ｈのスロット６からの突き出し量は、第１給電配線部５ｅの場合と同様のｄｓである。
このため、給電用導体５において、点Ｍ４から先端５ｇ、５ｈまでの距離は、互いに等しい。
平面視にて第２アンテナ群１Ｂの各パッチアンテナ１と重なる４つのスロット６は、第２給電配線部５ｆと交差している。第２給電配線部５ｆにおいて各スロット６と重なる部位は、それぞれ配線側給電部を構成している。以下では、第２給電配線部５ｆにおける配線側給電部において、平面視で点Ｃ１、Ｃ６と重なる点Ｃ５Ｂを第２給電配線部５ｆにおける配線側給電点と称する場合がある。
【００３３】
第３給電配線部５ｂは、図示略の外部回路から供給される信号電流を第１給電配線部５ｅおよび第２給電配線部５ｆに給電する配線である。
第３給電配線部５ｂは、第２の誘電体層４のＹ軸正方向側の基端部から、第１給電配線部５ｅと並行してＹ軸方向に直線状に延び、先端部が点Ｍ４に対向する位置においてＸ軸正方向に屈曲している。第３給電配線部５ｂの先端部は、Ｘ軸方向において点Ｍ４に対向する位置に配置されており、後述するインピーダンス整合部５ｃを介して、第１給電配線部５ｅおよび第２給電配線部５ｆの各基端（接続部）と電気的に接続している。
このため、第３給電配線部５ｂから見ると、第１給電配線部５ｅおよび第２給電配線部５ｆは、信号電流がＹ軸正方向とＹ軸負方向とに分岐する略Ｔ字状の分岐線路になっている。点Ｍ４は配線路の分岐点である。
【００３４】
第３給電配線部５ｂは、第１給電配線部５ｅと並行して配置されているため、それぞれに流れる信号電流の電流方向が反対になっている。このため、第３給電配線部５ｂが第１給電配線部５ｅと近づきすぎると、第１給電配線部５ｅにおける電磁結合給電の給電効率が低下する。このため、本実施形態では、第１給電配線部５ｅに並行する第３給電配線部５ｂを距離ｄ４だけ離している。
【００３５】
図６（ａ）に詳細を示すように、第１給電配線部５ｅの基端部には、位相調整部５ｄが設けられている。位相調整部５ｄは、第１給電配線部５ｅにおける各配線側給電部の位相と、第２給電配線部５ｆにおける各配線側給電部の位相と、に１８０度の位相差を形成する。
本実施形態では、位相調整部５ｄは、第１給電配線部５ｅの本体と同一の線幅の配線がＸ軸方向に屈曲された全体として波形の形状を有する。波形の形状は、特に限定されないが、図６（ａ）に示す例では、矩形波状である。第１給電配線部５ｅの本体および位相調整部５ｄの線幅は、Ｗ５である。
位相調整部５ｄの配線長は、点Ｍ４から、第１給電配線部５ｅの最も基端側の給電点Ｃ５Ａまでの直線距離よりも、設計上の通信波長の２分の１だけ長くなるように決められる。このため、位相調整部５ｄの配線長は、点Ｍ４から、図示略の第２給電配線部５ｆにおける最も基端側の給電点Ｃ５Ｂまでの第２給電配線部５ｆの配線長よりも、設計上の通信波長の２分の１だけ長くなっている。
【００３６】
例えば、図６（ａ）に示す例では、位相調整部５ｄは、第１線状部Ｌ１、第２線状部Ｌ２、第３線状部Ｌ３、第４線状部Ｌ４、および第５線状部Ｌ５で構成される矩形波状の線路である。
第１線状部Ｌ１は、点Ｍ４からＹ軸正方向に延びる第１給電配線部５ｅの本体からＸ軸正方向に屈曲した直線部分である。第１線状部Ｌ１の長さはｄ１１である。
第２線状部Ｌ２は、第１線状部Ｌ１におけるＸ軸正方向の端部からＹ軸正方向に屈曲した直線部分である。第２線状部Ｌ２の長さはｄ１２である。
第３線状部Ｌ３は、第２線状部Ｌ２におけるＹ軸正方向の端部からＸ軸負方向に屈曲した直線部分である。第３線状部Ｌ３の長さはｄ１３である。ただし、ｄ１３は、矩形波形状を形成するため、ｄ１３＞ｄ１１である。さらに、ｄ１３は、位相調整部５ｄが第３給電配線部５ｂからＸ軸方向において離間するために、ｄ１３−ｄ１１＜ｄ４を満足する必要がある。
第４線状部Ｌ４は、第３線状部Ｌ３におけるＸ軸負方向の端部からＹ軸正方向に屈曲した直線部分である。第４線状部Ｌ４の長さはｄ１４である。
第５線状部Ｌ５は、第４線状部Ｌ４におけるＹ軸正方向の端部からＸ軸正方向に屈曲し、第１給電配線部５ｅの本体と接続する直線部分である。第５線状部Ｌ５の長さはｄ１５（＝ｄ１３−ｄ１１−Ｗ５）である。
【００３７】
このような構成により、位相調整部５ｄは、Ｙ軸方向において、ｄ１２＋ｄ１４＋３×Ｗ５の幅の範囲に形成されている。位相調整部５ｄによって調整される位相差に対応する配線長は、Δ＝ｄ１１＋ｄ１３＋ｄ１５になる。
位相調整部５ｄにおいて第４線状部Ｌ４は、第３給電配線部５ｂに最も近づく線状部であり、信号電流の向きが第３給電配線部５ｂと反対になっている。このため、カップリングが生じて給電効率が低下しないように、第４線状部Ｌ４と第３給電配線部５ｂとの間の隙間の大きさＨ（＝ｄ４−ｄ１５−Ｗ５）は所定値Ｈ０以上にする必要がある。
さらに、位相調整部５ｄにおいては、軸線Ｏから第２線状部Ｌ２までの距離と、軸線Ｏからの第４線状部Ｌ４までの距離と、が互いに等しいことがより好ましい。
【００３８】
図４（ｃ）に示すように、第３給電配線部５ｂの両端部には、インピーダンス整合部５ｃ、５ａが形成されている。以下では、第３給電配線部５ｂにおいて、インピーダンス整合部５ｃ、５ａを除く線幅がＷ５の部位を第３給電配線部５ｂの本体と称する。
インピーダンス整合部５ｃは、第１給電配線部５ｅおよび第２給電配線部５ｆで構成される分岐線路の分岐点におけるインピーダンスと、第３給電配線部５ｂのインピーダンスと、のインピーダンス整合をとるために設けられている。
インピーダンス整合部５ａは、図示略の外部回路との接続路とのインピーダンスと、第３給電配線部５ｂのインピーダンスと、のインピーダンス整合をとるために設けられている。
【００３９】
第３給電配線部５ｂの本体のインピーダンスを、例えば、Ｚ５とすると、分岐点のインピーダンスは、Ｚ５／２である。このため、本実施形態では、インピーダンス整合部５ｃの線幅Ｗ５ｃが第１給電配線部５ｅおよび第２給電配線部５ｆの各本体の線幅Ｗ５の２倍とされることで、インピーダンス整合がとられている。
インピーダンス整合部５ｃの長さは、図６（ａ）に示す例では、ｄ４に等しい。ただし、インピーダンス整合部５ｃの長さは、設計上の通信波の４分の１実効波長であることがより好ましい。
第３給電配線部５ｂの先端部では、線幅がＷ５からＷ５ｃに変化することによってインピーダンスが変化する。
本発明者の検討結果によれば、例えば、アンテナ装置１００が使用する周波数帯域が６０ＧＨｚ帯域の場合、インピーダンス整合部５ｃにおける線幅の変化部におけるインピーダンスの変化量が５０Ω以下であれば、分岐点における電流反射によるリターンロスが良好に抑制される。このため、インピーダンスの変化は、５０Ω以下であることがより好ましい。
さらに、インピーダンスの変化を５０Ω以下にするため、インピーダンス整合部５ｃは、第３給電配線部５ｂの本体から２段以上に拡幅するように形成されてもよい。この場合には、分岐点に接続する長手方向の末端に最も近い拡幅段におけるインピーダンスの変化量は、３０Ω以下であることがさらに好ましい。
【００４０】
図６（ｂ）に示すように、インピーダンス整合部５ａは、基端側において、図示略の外部回路との接続路とのインピ−ダンス整合のため、基端側から、第１線状部Ａ１、第２線状部Ａ２がこの順に接続されている。
第１線状部Ａ１は、線幅がＷ５ａ１（ただし、Ｗ５ａ１＞Ｗ５）、長さがｄ２１である。ｄ２１は、特に限定されないが、例えば、１ｍｍとされてもよい。
第２線状部Ａ２は、線幅がＷ５ａ２（ただし、Ｗ５＜Ｗ５ａ２＜Ｗ５ａ１）、長さがｄ２２である。ｄ２２は、特に限定されないが、例えば、０．９ｍｍとされてもよい。
インピーダンス整合部５ａにおいても、インピーダンス整合部５ｃと同様、インピーダンスの変化は５０Ω以下であることがより好ましい。また、インピーダンス整合部５ａは、第３給電配線部５ｂの本体から２段に拡幅されているため、基端（長手方向の末端）に最も近い拡幅段におけるインピーダンスの変化量は３０Ω以下であることがさらに好ましい。なお、インピーダンス整合部５ａは、第３給電配線部５ｂの本体から基端側に向かって３段以上に拡幅するように形成されてもよい。
【００４１】
このような構成により、第３給電配線部５ｂによって供給された信号電流は、分岐点において等分されて、それぞれ第１給電配線部５ｅおよび第２給電配線部５ｆに供給される。
第１給電配線部５ｅにおける各配線側給電点Ｃ５Ａと、第２給電配線部５ｆにおける各配線側給電点Ｃ５Ｂと、は、点Ｍ４を通りＸ軸方向に延びる対称軸に関して線対称な位置に形成されている。ただし、上述の位相調整部５ｄを有するため、線対称な位置に存在する配線側給電点Ｃ５Ａと、配線側給電点Ｃ５Ｂの位相と、は、それぞれ等しい。
【００４２】
ここで、給電用導体５の数値例について説明する。
第１給電配線部５ｅおよび第２給電配線部５ｆの先端部における突き出し量ｄｓは、０．７５ｍｍである。
給電用導体５における各本体の線幅は、Ｗ５＝０．１（ｍｍ）である。
位相調整部５ｄの各寸法例は、ｄ１１、ｄ１２、ｄ１３、ｄ１４、ｄ１５がそれぞれ０．５５ｍｍ、０．３ｍｍ、１．１ｍｍ、０．４ｍｍ、０．４５ｍｍである。位相差に対応する配線長Δは、２．４ｍｍ［＝（０．５５＋０．１）ｍｍ＋（１．１＋０．１）ｍｍ＋（０．４５＋０．１）ｍｍ］である。
この場合、位相調整部５ｄは、６２．５ＧＨｚの通信波の半波長２．４ｍｍ（１８０度）の位相差を形成している。
第４線状部Ｌ４と第３給電配線部５ｂとの間の隙間Ｈは、０．３ｍｍ（＝０．８５ｍｍ−０．４５ｍｍ−０．１ｍｍ）である。通信周波数が６２．５ＧＨｚの場合、配線間でカップリングが許容範囲となる隙間であるＨ０は、０．３ｍｍであるため、本数値例の隙間Ｈによれば、カップリングを防止できる。
【００４３】
インピーダンス整合部５ｃの線幅は、Ｗ５ｃ＝０．２（ｍｍ）、長さは、ｄ４＝０．８５（ｍｍ）である。これにより、第３給電配線部５ｂの本体のインピーダンス１２０Ωは、インピーダンス整合部５ｃにおいて、７８Ωになり、インピーダンスの変化量は、４２Ωになっている。
インピーダンス整合部５ａにおいて、線幅Ｗ５ａ１、Ｗ５ａ２は、０．３８ｍｍ、０．２ｍｍである。長さｄ２１、ｄ２２は、１．０ｍｍ、０．９ｍｍである。これにより、第３給電配線部５ｂの本体から、インピーダンス整合部５ａの基端（長手方向の末端）に向かって、インピーダンスが、１２０Ω、７８Ω、５０Ωのように、２段に変化している。各段におけるインピーダンスの変化量は、４２Ω、２８Ωである。
【００４４】
このような構成のアンテナ装置１００は、例えば、以下のようにして製造される。
まず、第２の誘電体層４の第１面４ａ、第２面４ｂにそれぞれ導体膜が形成された後、例えば、エッチングなどによって、それぞれ地導体板３、給電用導体層５０がパターニングされる。さらに、地導体板３上に、誘電体２Ａ、２Ｃおよび２Ｅが貼り合わされた第１の誘電体層２が貼り合わせられる。この後、第１の誘電体層２の第１面２ａに、導体膜が成膜され、例えば、エッチングなどによって、アンテナアレー１０がパターニングされる。
なお、第1の誘電体層２にアンテナアレー１０がパターニングされてから、第１の誘電体層２と地導体板３が貼り合わせられてもよい。
【００４５】
次に、本実施形態のアンテナ装置１００の作用および動作について説明する。
図７は、本発明の実施形態のアンテナ装置の作用の説明図である。図８は、矩形状のパッチアンテナを有する比較例の構成の一例を示す模式図である。
【００４６】
本実施形態のアンテナ装置１００では、図示略の外部回路からの信号は、給電用導体層５０における各給電用導体５の第３給電配線部５ｂに給電される。ビームフォーミングが行われる場合には、各給電用導体５に供給される信号は、適宜の位相差が設けられる。
各第３給電配線部５ｂは、基端部にインピーダンス整合部５ａを有するため、図示略の外部回路の接続路とはインピーダンス整合がとられている。
このとき、本実施形態では、インピーダンス整合部５ａの線幅が第３給電配線部５ｂの本体に向かって２段階に縮幅されてインピーダンスが段階的に増大する。このため、リターンロスが低減され、給電効率が良好になる。特に上記数値例の場合、各段のインピーダンスの変化量が５０Ω以下であり、かつ基端に最も近い拡幅段のインピーダンスの変化量が３０Ω以下であるため、さらにリターンロスが低減される。
【００４７】
第３給電配線部５ｂを流れる信号電流は、第３給電配線部５ｂの先端部において、第１給電配線部５ｅと第２給電配線部５ｆとに分岐する。このとき、第３給電配線部５ｂは、インピーダンス整合部５ｃを介して、分岐線路に接続しているため、分岐点においてインピ−ダンス整合がとられている。特に上記数値例の場合、インピーダンスの変化量が５０Ω以下であるため、さらにリターンロスが低減される。
【００４８】
分岐点において分岐された信号電流は、第１給電配線部５ｅと第２給電配線部５ｆとでは互いに逆位相を持つ。しかし、第１給電配線部５ｅは、位相調整部５ｄを有するため、位相調整部５ｄよりも先端側（Ｙ軸正方向側）の第１給電配線部５ｅの本体上では、１８０度の位相差が加わる。このため、位相調整部５ｄよりも先端側（Ｙ軸正方向側）の第１給電配線部５ｅの本体の信号電流は、第２給電配線部５ｆを流れる信号電流と同位相になる。
このため、点Ｍ４を通りＸ軸方向に延びる対称軸に関して線対称な位置に存在する第１給電配線部５ｅ上の配線側給電点Ｃ５Ａと、第２給電配線部５ｆ上の配線側給電点Ｃ５Ｂと、にそれぞれ同位相の信号電流が供給される。
【００４９】
各配線側給電点Ｃ５Ａ、Ｃ５Ｂ近傍の配線側給電部は、Ｚ軸方向に対向する通過信号部であるスロット６を介して、パッチアンテナ列１Ｙ上の各電極部１ｂのアンテナ側給電点Ｃ１に電磁結合される。これにより、各電極部１ｂに同位相の信号が電磁結合給電される。
このとき、各配線側給電部と各電極部１ｂとの間の電磁結合給電部は、スロット６によってインピーダンス整合がとられているため、給電損失が低減される。
【００５０】
電極部１ｂにおける信号電流は、各配線部１ｃを通して、Ｙ軸正方向側の放射素子１ａとＹ軸負方向側の放射素子１ａに分岐して、それぞれ電磁波として放射される。
このとき、本実施形態では、アンテナ側給電点のピッチＰＹが適正にされているため、各放射素子１ａに流れる電流方向がＹ軸方向において略同じ向きになる。
図７には、点Ｍ１を挟んで互いに対向する第１アンテナ群１Ａにおける最も基端側のパッチアンテナ１と、第２アンテナ群１Ｂにおける最も基端側のパッチアンテナ１と、における電流方向が模式的に描かれている。
例えば、第１アンテナ群１Ａにおける最も基端側のパッチアンテナ１は、Ｙ軸正方向側の放射素子１ａである放射素子ＥＡ１と、Ｙ軸負方向側の放射素子１ａである放射素子ＥＡ２と、を有している。放射素子ＥＡ１における電流方向が、例えば、矢印ＣＵＲ１、ＣＵＲ５のようにＹ軸正方向であるとすると、上述のように、放射素子ＥＡ２における電流方向は、例えば、矢印ＣＵＲ２、ＣＵＲ６のように、Ｙ軸正方向となる。
【００５１】
第１アンテナ群１Ｂにおける最も基端側のパッチアンテナ１は、Ｙ軸正方向側の放射素子１ａである放射素子ＥＢ１と、Ｙ軸負方向側の放射素子１ａである放射素子ＥＢ２と、を有している。放射素子ＥＢ１、ＥＢ２の電流方向が互いに同方向となることは、放射素子ＥＡ１、ＥＡ２と同様である。ただし、アンテナ側給電点Ｃ１における位相が逆位相であると、電流方向はＹ軸負方向になってしまう。
しかし、第１給電配線部５ｅは位相調整部５ｄを有するため、各アンテナ側給電点Ｃ１の位相は、第１アンテナ群１Ａと第２アンテナ群１Ｂとの間でも同位相になっている。このため、図７に示すように、放射素子ＥＢ１における電流方向は矢印ＣＵＲ３、ＣＵＲ７、放射素子ＥＢ２における電流方向は矢印ＣＵＲ４、ＣＵＲ８のように、いずれもＹ軸正方向となる。
【００５２】
このように、アンテナ装置１００では、Ｔ字状の分岐線路によって給電しても、第１アンテナ群１Ａのパッチアンテナ１と、第２アンテナ群１Ｂのパッチアンテナ１とに、同位相の信号電流を給電し、かつ、各放射素子１ａにおける電流方向を略同じ向きに揃えることができる。
このため、一端部から給電される直線状の給電配線によって、パッチアンテナ列１Ｙのすべてのパッチアンテナ１に給電する場合に比べて、給電配線の最大の線路長を半分以下にすることができる。これにより、本実施形態では、導体損失が半減されるため、高利得が得られる。
各放射素子１ａにおける電流方向がＹ軸方向において略同じ向きになることによって、隣り合うパッチアンテナ１の間の電磁波の干渉による利得の低下が抑制できる。このため、放射素子ＥＡ２と放射素子ＥＢ１との間のＹ軸方向の隙間ＧＹが狭くなっても利得が低下することはない。
例えば、上記数値例では、隙間ＧＹは、０．４３ｍｍのような微小隙間になっている。
【００５３】
このように、本実施形態では、パッチアンテナ１として、矩形状の放射素子１ａを分割回路パターン１ｄによって接続した構成としている。このため、例えば、矩形状に形成されたパッチアンテナに比べて、省スペース化、小型化が可能である。
【００５４】
例えば、図８には、比較例１のアンテナ装置におけるパッチアンテナ３０１の配置例が示されている。
パッチアンテナ３０１の形状は、例えば、Ｘ軸方向の幅がＷ３０１Ｘ、Ｙ軸方向の幅がＷ３０１Ｙの矩形状である。パッチアンテナ３０１は、本実施形態と同様配列ピッチＰＹで配列される。各パッチアンテナ３０１におけるアンテナ側給電点Ｃ１は、各パッチアンテナ３０１の中心部に位置する。
パッチアンテナ３０１では、Ｗ３０１Ｘ、Ｗ３０１Ｙは通信周波数に応じて決まる所定値にする必要がある。このため、通信周波数が６０ＧＨｚの場合、Ｗ３０１Ｘ、Ｗ３０１Ｙは、２．２４ｍｍ、２．２４ｍｍとなり、各パッチアンテナ３０１の間のＹ軸方向の隙間ｇＹは２．２４ｍｍとなる。
このように、パッチアンテナ３０１は、本実施形態のパッチアンテナ１に比べるとＹ軸方向により大きな隙間が生じ、パッチアンテナ３０１を格子状に配列するには、Ｘ軸方向の配列ピッチＰＸもより大きくする必要が生じる。このため、アンテナ装置のＸ軸方向の大きさが大きくなってしまう。
【００５５】
次に、給電用導体５の作用について比較例２と対比して説明する。
図９は、比較例２のアンテナ装置のパッチアンテナ列の構成を示す模式的な裏面図である。図１０は、本発明の実施形態のアンテナ装置の実施例のパッチアンテナ列の放射パターンを示すグラフである。図１１は、比較例２のアンテナ装置におけるパッチアンテナ列の放射パターンを示すグラフである。図１２は、実施例のアンテナ装置のパッチアンテナ列における利得および反射損失Ｓ１１の周波数特性を示すグラフである。図１３は、比較例２のアンテナ装置のパッチアンテナ列における利得および反射損失Ｓ１１の周波数特性を示すグラフである。
【００５６】
図９に示すように、比較例２のアンテナ装置４００は、上記実施形態における給電用導体層５０に代えて、給電用導体層４５０を備える。給電用導体層４５０は、上記実施形態における給電用導体５に代えて、給電用導体４０５を備える。
以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５７】
給電用導体４０５は、パッチアンテナ列１Ｙに対応する軸線Ｏに沿って延びる直線状の給電配線部４０５ｂで構成される。給電配線部４０５ｂの線幅は、給電用導体５の各本体における線幅Ｗ５に等しい。給電配線部４０５ｂのＹ軸負方向側の端部（先端部）におけるスロット６からの突き出し量は、上記実施形態の突き出し量ｄｓに等しい。
給電配線部４０５ｂのＹ軸正方向側の端部（基端部）には、上記実施形態と同様のインピーダンス整合部５ａが形成されている。このため、給電配線部４０５ｂは、図示略の外部回路と所定のインピーダンスを有する接続路を介して電気的に接続可能である。
給電用導体４０５は、上記実施形態と同様の位置の配線側給電点の位置から、パッチアンテナ列１Ｙを構成する８つのパッチアンテナ１に対して電磁結合給電することができる。ただし、給電配線部４０５ｂは途中で分岐していないため、各パッチアンテナ１までの給電経路における配線長は、パッチアンテナ１ごとにすべて異なる。各アンテナ側給電点の配列ピッチは、上記実施形態と同様のＰＹであるため、分割回路パターン１ｄで接続された２つの放射素子１ａにおける信号電流の位相は互いに等しい。
【００５８】
このような比較例２の構成によれば、給電用導体４０５の先端側の４つのパッチアンテナ１における給電路の配線長が長くなる以外は、上記実施形態と同様にして、信号電流に応じた電磁波放射が行える。
【００５９】
上述した数値例に基づく実施例のアンテナ装置１００と、比較例２のアンテナ装置４００と、におけるパッチアンテナ列の放射特性のシミュレーションが行われた。
【００６０】
実施例および比較例２の放射パターンは、それぞれ図１０、１１に示すグラフのようになった。
図１０、１１において、横軸は仰角θ（度）、縦軸は利得（ｄＢｉ）である。図１０、１１において、実線（曲線２０１、２０３）は、周波数は、６０ＧＨｚの場合のＸＺ面における全利得を、破線（曲線２０２、２０４）はＹＺ面における全利得を表す。ここで、ＸＺ面は電気面（Ｅ面）であり、ＹＺ面は磁気面（Ｈ面）である。
曲線２０１、２０３を比べると分かるように、実施例のＸＺ面における利得は、θ＝０（度）において、比較例２の利得に比べて約６ｄＢほど高かった。他の仰角における利得も略同様であった。
曲線２０２、２０４を比べると分かるように、実施例のＹＺ面における利得は、サイドローブが略見られないのに対して、比較例ではサイドローブが顕著であった。また、比較例では、最大利得がθ＝０（度）からずれている。
【００６１】
実施例および比較例２における利得および反射損失Ｓ１１の周波数特性は、それぞれ図１２、１３に示すグラフのようになった。
図１２、１３において、横軸は周波数（ＧＨｚ）、縦軸は、左側が利得（ｄＢｉ）、右側が反射損失Ｓ１１（ｄＢ）である。図１２、１３において、実線（曲線２０５、２０７）は、全利得を、破線（曲線２０６、２０８）は反射損失Ｓ１１を表す。
曲線２０５で示されるように、実施例の全利得は５７．５ＧＨｚから６２ＧＨｚまでの間で、許容範囲の１０ｄＢｉ以上であった。これに対して、曲線２０７で示されるように、比較例２の全利得は、１０ｄＢｉ以上となる範囲が５７．５ＧＨｚから６０ＧＨｚのように格段に狭くなっていた。特に、比較例２では、通信波長である６０ＧＨｚおよびそれ以上において全利得が許容範囲外になっていた。
曲線２０６で示されるように、実施例の反射損失Ｓ１１は、約５８．８ＧＨｚから約６２．６ＧＨｚまでの間で、許容範囲の−１０ｄＢ以下であった。これに対して、曲線２０８で示されるように、比較例２の反射損失Ｓ１１は、−１０ｄＢ以下となる範囲が約６０．３ＧＨｚから約６１．０ＧＨｚのように格段に狭くなっていた。
【００６２】
このように、実施例のアンテナ装置１００のパッチアンテナ列では、比較例２のアンテナ装置４００に比べると、格段に良好な放射特性（利得、サイドローブ）が得られ、かつ全利得および反射損失Ｓ１１の周波数特性も優れていた。この理由は、比較例２では、給電用導体４０５の先端側ほど配線長が長くなり導体損失が大きくなるのに対して、実施例では給電用導体５が分岐配線であるため配線長が抑制されて導体損失がより少なくなるからであると考えられる。
【００６３】
次に、アンテナ装置１００のアンテナ特性について、上述の数値例によるシミュレーション結果に基づいて説明する。
図１４は、実施例のアンテナ装置における全利得を示すグラフである。図１５は、実施例のアンテナ装置における最大利得の周波数特性を示すグラフである。図１６は、実施例のアンテナ装置における最大利得のスキャンアングル特性を示すグラフである。
【００６４】
図１４には、アンテナ装置１００の全利得が示されている。ただし、周波数は５８．５ＧＨｚとされた。図１４において、横軸は仰角θ（度）、縦軸は利得（ｄＢｉ）である。図１４において、破線（曲線２１１）はＸＺ面における全利得を、実線（曲線２１２）はＹＺ面における全利得を表す。ここで、ＸＺ面は電気面（Ｅ面）であり、ＹＺ面は磁気面（Ｈ面）である。
図１４における曲線２１１、２１２に示されたように、アンテナ装置１００では、ＸＺ面およびＹＺ面とも２５ｄＢｉ以上の良好な全利得が得られていることが分かる。
【００６５】
図１５には、アンテナ装置１００の最大利得の周波数特性が示されている。図１５において、横軸は周波数（ＧＨｚ）、縦軸は利得（ｄＢｉ）である。
図１５における曲線２１３に示されたように、アンテナ装置１００では、約５８．４ＧＨｚから約６１．５ＧＨｚの間で、２３ｄＢｉ以上の良好な最大利得が得られた。
【００６６】
図１６には、アンテナ装置１００によってビームフォーミングを行った場合の、スキャンアングルと最大利得との関係が示されている。ただし、周波数は、６０ＧＨｚとされた。図１６において、横軸はスキャンアングル（度）、縦軸は利得（ｄＢｉ）である。
図１６における曲線２１４に示されたように、アンテナ装置１００では、約−５０度から約＋５１度の範囲で、２３ｄＢｉ以上の良好な最大利得が得られた。特に、スキャンアングルが０度の場合、最大利得は約２５．８ｄＢｉであった。
アンテナ装置１００では、上述したように、スキャンアングルが０度の場合の最大利得が向上されているため、スキャンアングルの絶対値が増大するとともにコサイン則にしたがって最大利得が低下しても、約±５０度の範囲で、良好な最大利得が得られた。
【００６７】
以上説明したように、本実施形態のアンテナ装置１００によれば、ビームフォーミングに好適な高利得が得られるとともに小型化が可能となる。
【００６８】
［変形例］
次に、上記実施形態の変形例のアンテナ装置について説明する。
図１７は、本発明の実施形態の変形例のアンテナ装置の主要部の構成および電流方向のシミュレーション結果を示す模式図である。
【００６９】
本変形例のアンテナ装置１１０は、図１７に主要部の構成を示すように、上記実施形態の給電用導体５に代えて、給電用導体１５を備える。
以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００７０】
給電用導体１５は、給電用導体５における第１給電配線部５ｅ、第２給電配線部５ｆ、位相調整部５ｄに代えて、第１給電配線部１５ｅ、第２給電配線部１５ｆ、位相調整部１５ｄを備える。
第１給電配線部１５ｅは、第１給電配線部５ｅから位相調整部５ｄが削除されて構成されたＹ軸方向に延びる直線状の配線部である。
第２給電配線部１５ｆは、第２給電配線部５ｆの基端部に位相調整部１５ｄを備えて構成される。具体的には、本変形例の位相調整部１５ｄは、平面視において、第２給電配線部１５ｆと重なるスロット６のうち最も基端側のスロット６と点Ｍ４との間に形成されている。
位相調整部１５ｄは、上記実施形態の位相調整部５ｄを、Ｙ軸方向において反転させたように構成されている。
このように、本変形例は、位相調整部１５ｄが第２給電配線部１５ｆの基端部に設けられているため、位相調整部１５ｄは第３給電配線部５ｂと並行しない場合の例になっている。
【００７１】
本変形例では、位相調整部１５ｄが、第２給電配線部１５ｆの基端部に設けられることにより、上記実施形態と同様、点Ｍ４を通りＸ軸方向に延びる対称軸に関して線対称な位置に存在する第１給電配線部１５ｅにおける配線側給電点Ｃ１Ａと、第２給電配線部１５ｆにおける配線側給電点Ｃ１Ｂと、における信号電流の位相は一致する。このため、各放射素子１ａにおける電流方向は、上記実施形態と同様にＹ軸方向において略同じ向きになる。
図１７には、実線矢印によって、アンテナ装置１１０のパッチアンテナ列１Ｙのパッチアンテナ１における電流方向のシミュレーション結果が示されている。
図１７から分かるように、上記実施形態と同様、各放射素子１ａでは、Ｙ軸方向における電流の向きは、それぞれ略同一である。このため、白抜き矢印ＣＵＲＡ、ＣＵＲＢで示すように、第１アンテナ群１Ａおよび第２アンテナ群１Ｂにおける全体としての電流方向も同方向になっている。
【００７２】
このため、本変形例のアンテナ装置１１０によれば、上記第１の実施形態と同様に、ビームフォーミングに好適な高利得が得られるとともに小型化が可能となる。
特に、本変形例では、位相調整部１５ｄが、第３給電配線部５ｂと並行しない配置関係になっているため、上記実施形態における位相調整部５ｄよりも設計上の制約が少なくなる。このため、本変形例では、位相調整部１５ｄは、位相調整部５ｄと線対称をなす形状の場合で説明したが、位相調整部１５ｄの形状は、１８０度の位相差を形成できれば、この形状には限定されない。
また、本変形例では、上記実施形態に比べて、位相調整部１５ｄが、第３給電配線部５ｂから離れているため、第３給電配線部５ｂと位相調整部１５ｄとのカップリングがより発生しにくくなっている。
【００７３】
なお、上記実施形態および変形例の説明では、放射素子１ａが矩形状の場合の例で説明した。しかし、本発明における放射素子の形状は矩形には限定されない。例えば、本発明における放射素子の形状は、矩形以外の多角形、円形などであってもよい。
【００７４】
上記実施形態および変形例では、パッチアンテナ列１Ｙにパッチアンテナ１が８個配列され、パッチアンテナ列１Ｙが１６列設けられた場合の例で説明した。しかし、本発明のアンテナ装置において、パッチアンテナ列のパッチアンテナの個数は偶数であればよく、８個には限定されない。また、パッチアンテナ列の個数も１６列には限定されず、適宜増減された列数でもよい。
【００７５】
以上、本発明の好ましい実施形態、変形例、および実施例を説明したが、本発明はこの実施形態、変形例、および実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
また、本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００７６】
１…パッチアンテナ，１ａ、ＥＡ１、ＥＡ２、ＥＢ１、ＥＢ２…放射素子，１ｂ…電極部，１ｃ…配線部，１ｄ…分割回路パターン，１Ａ…第１アンテナ群，１Ｂ…第２アンテナ群，１Ｙ…パッチアンテナ列，２…第１の誘電体層，２ａ…第１面（第１の表面），２ｂ…第２面（第２の表面），３…地導体板，４…第２の誘電体層，５、１５…給電用導体，５ａ、５ｃ…インピーダンス整合部，５ｂ…第３給電配線部，５ｄ、１５ｄ…位相調整部，５ｅ、１５ｅ…第１給電配線部，５ｆ、１５ｆ…第２給電配線部，６…スロット，１０…アンテナアレー，１００、１１０…アンテナ装置，Ｏ…軸線
【図１】
2019057833.tif 000003
【図２】
2019057833.tif 000004
【図３】
2019057833.tif 000005
【図４】
2019057833.tif 000006
【図５】
2019057833.tif 000007
【図６】
2019057833.tif 000008
【図７】
2019057833.tif 000009
【図８】
2019057833.tif 000010
【図９】
2019057833.tif 000011
【図１０】
2019057833.tif 000012
【図１１】
2019057833.tif 000013
【図１２】
2019057833.tif 000014
【図１３】
2019057833.tif 000015
【図１４】
2019057833.tif 000016
【図１５】
2019057833.tif 000017
【図１６】
2019057833.tif 000018
【図１７】
2019057833.tif 000019