(57)【要約】【課題】複数周波数で動作可能であって、かつ、サイズの増大を抑制可能なアンテナ装置を提供する。【解決手段】アンテナ装置１は、地板１０と、地板と所定の間隔をおいて平行に設置されたパッチ部２０と、パッチ部２０と地板１０とを電気的に接続する複数の第１導電素子４１からなる第１短絡部４０と、一端が地板１０と電気的に接続されている複数の第２導電素子５１からなる第２短絡部５０と、を備える。第２導電素子５１の他端は、コンデンサを介してパッチ部２０と接続されている。複数の第１導電素子４１は、全体として、所定のインダクタンスを提供するように、パッチ部２０の中心から所定の第１距離となる円周上に配置されている。複数の第２導電素子５１もまた、全体として、所定のインダクタンスを提供するように、パッチ部２０の中心から所定の第２距離となる円周上に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１周波数の電波と、前記第１周波数よりも高い第２周波数の電波のそれぞれを送信又は受信するためのアンテナ装置であって、
平板状の導体部材である地板（１０）と、
前記地板と対向するように所定の間隔をおいて実質的に平行に設置された平板状の導体部材であるパッチ部（２０）と、
前記パッチ部の中心であるパッチ中心点からの距離が所定の第１距離となる円周上に実質的に等間隔で配置されている、前記パッチ部と前記地板とを電気的に接続するための複数の第１導電素子（４１）と、
前記パッチ部の中心からの距離が前記第１距離よりも大きい所定の第２距離となる円周上に実質的に等間隔で配置されている、前記パッチ部と前記地板とを電気的に接続するための複数の第２導電素子（５１）と、を備え、
前記パッチ部から前記第２導電素子を通って前記地板へ流れる電流経路上には所定の静電容量を提供する容量性素子（７０、８０）が設けられているアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のアンテナ装置であって、
前記パッチ部の縁部と所定の間隔を有するように、前記地板と実質的に平行な平面内に配置されたループ状の導体部材であるループ部（１００）を備え、
給電線と電気的に接続する給電点は、前記ループ部に設けられているアンテナ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のアンテナ装置であって、
前記パッチ部は、仮想的又は実体的に分割されてなる複数のサブパッチ部（２３）を備え、
複数の前記サブパッチ部は何れも実質的に同一の寸法に設定されており、
互いに隣接する２つの前記サブパッチ部の境界線上には、所定の長さを有する直線状のスリット（２４）が、前記縁部から前記パッチ中心点に向かって設けられているアンテナ装置。
【請求項４】
請求項３に記載のアンテナ装置であって、
前記スリットの中心線上に、前記ループ部と前記パッチ部とを接続する直線状の導電部材である線状エレメント（１１０）が設けられているアンテナ装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のアンテナ装置であって、
前記第１導電素子及び前記第２導電素子は、複数の前記サブパッチ部のそれぞれに少なくとも１つずつ設けられているアンテナ装置。
【請求項６】
請求項１に記載のアンテナ装置であって、
給電線と電気的に接続する給電点は、前記パッチ部の縁部に設けられているアンテナ装置。
【請求項７】
請求項１から６の何れか１項に記載のアンテナ装置であって、
前記第１導電素子の数と前記第２導電素子の数は同じであり、
前記第２導電素子は、前記パッチ中心点から当該第２導電素子へと向かう方向が、前記パッチ中心点から前記第１導電素子へと向かう方向と重ならない位置に配置されているアンテナ装置。
【請求項８】
請求項１から７の何れか１項に記載のアンテナ装置であって、
前記容量性素子としてのコンデンサを備え、
前記第２導電素子の一端は、前記地板と接続されており、
前記第２導電素子の他端は、前記コンデンサを介して前記パッチ部と接続されているアンテナ装置。
【請求項９】
請求項１から７の何れか１項に記載のアンテナ装置であって、
前記第２導電素子の一端は、前記地板と接続されており、
前記第２導電素子の他端は、前記パッチ部と前記地板との間において、前記パッチ部と所定の間隔をおいて対向配置されている導体板（９０）と接続されており、
前記導体板と前記パッチ部との間隔、及び、前記導体板の面積は、前記導体板と前記パッチ部との離隔が前記容量性素子として機能するように設定されているアンテナ装置。
【請求項１０】
請求項１から９の何れか１項に記載のアンテナ装置であって、
前記第１導電素子は少なくとも３つ以上設けられており、
前記第２導電素子は少なくとも３つ以上設けられているアンテナ装置。
【請求項１１】
請求項１から１０の何れか１項に記載のアンテナ装置であって、
前記容量性素子の静電容量は、当該容量性素子が備える静電容量と前記第２導電素子が備えるインダクタンスとから定まる共振周波数が、前記第１周波数よりも高い周波数となるように設定されていることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項１２】
請求項１から１１の何れか１項に記載のアンテナ装置であって、
前記パッチ部から前記第１導電素子を通って前記地板へ流れる電流経路上には所定の静電容量を提供する第１容量性素子（８０）が配置されており、
前記パッチ部から前記第２導電素子を通って前記地板へ流れる電流経路上には前記容量性素子としての第２容量性素子が設けられているアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、平板構造を有するアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に開示されているように、グランドとして機能する平板状の金属導体（以降、地板）と、当該地板に対向するように配置されるとともに任意の位置に給電点が設けられた平板状の金属導体（以降、パッチ部）と、地板とパッチ部とを電気的に接続する短絡部と、を備えるアンテナ装置がある。
【０００３】
この種のアンテナ装置では、地板とパッチ部との間に形成される静電容量と、短絡部が備えるインダクタンスとによって、その静電容量とインダクタンスに応じた周波数において並列共振を生じさせる。地板とパッチ部との間に形成される静電容量は、パッチ部の面積や、地板とパッチ部との距離に応じて定まる。また、短絡部が備えるインダクタンスは、短絡部の径に応じて定まる。
【０００４】
したがって、例えばパッチ部の面積や短絡部の径を調整することで、当該アンテナ装置において送受信の対象とする周波数（以降、対象周波数）を所望の周波数とすることができる。なお、特許文献１には、パッチ部及び短絡部を備えるパッチユニットを複数、周期的に配置する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７９１１３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アンテナ装置を複数の周波数で動作させるための構成として、各周波数に応じたパッチユニットを基板に配置した構成が考えられる。しかし、そのような構成では、送受信の対象とする周波数毎のパッチユニットを配置する必要がある。当然、パッチユニットの配置数が増加すれば、搭載面積が増加し、装置全体としても大型化してしまう。
【０００７】
本開示は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、複数周波数で動作可能であって、かつ、サイズの増大を抑制可能なアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
その目的を達成するための本開示のアンテナ装置は、第１周波数の電波と、第１周波数よりも高い所定の第２周波数の電波のそれぞれを送信又は受信するためのアンテナ装置であって、平板状の導体部材である地板（１０）と、地板と対向するように所定の間隔をおいて平行に設置された平板状の導体部材であるパッチ部（２０）と、パッチ部の中心であるパッチ中心点からの距離が所定の第１距離となる円周上に等間隔で配置されている、パッチ部と地板とを接続する複数の第１導電素子（４１）と、パッチ部の中心からの距離が第１距離よりも大きい所定の第２距離となる円周上に等間隔で配置されている、パッチ部と地板とを電気的に接続するための複数の第２導電素子（５１）と、を備え、パッチ部から第２導電素子を通って地板へ流れる電流経路上には所定の静電容量を提供する容量性素子（７０、８０）が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
以上の構成におけるアンテナ装置は、以下の説明の通り、相対的に低い周波数である第１周波数と、相対的に高い周波数である第２周波数とで、導電電流の経路が異なる。これに伴い、上記のアンテナ装置は、第１導電素子を主たる電流経路とする動作するモードと、第２導電素子を主たる電流経路として動作するモードとを備える。第１周波数では、第１導電素子を主たる電流経路として動作し、第２周波数では第２導電素子を主たる電流経路として動作する。
【００１０】
まずは、第１周波数において第１導電素子を主たる電流経路として動作するモードについて説明する。第１導電素子に電流が流れる場合、パッチ中心点からの距離が所定の第１距離（便宜上、Ｒ１とする）となる円周上に実質的に等間隔で配置されている複数の第１導電素子は、半径がＲ１であって且つパッチ中心点と地板とを接続する１つの円柱状の導電部材（以降、円柱状導電体）として動作する。半径Ｒ１の円柱状導電体は、半径Ｒ１に応じたインダクタンスを提供する。また、導電電流は、主として当該円柱状導電体の表面（具体的には側面）上を流れ、その内側の領域には電磁界はほとんど進入しない。
【００１１】
上記のように半径Ｒ１の円柱状導電体の内側には電磁界が進入しないため、パッチ部全体のうちの半径Ｒ１の円の外側領域が、地板との間の静電容量の形成に寄与する。つまり、パッチ部のうちの半径Ｒ１の円の外側部分が、その面積と地板との離隔によって決まる静電容量を形成する。また、パッチ中心点からの距離が第２距離（便宜上、Ｒ２とする）となる円周状に配置されている第２導電素子と容量性素子とからなるＬＣ直列共振回路は、当該ＬＣ直列共振回路の共振周波数よりも低い周波数では容量性リアクタンスを提供する構成として動作する。
【００１２】
以上をまとめると、第１導電素子を主たる電流経路として動作する場合、アンテナ装置は、半径Ｒ１の円柱状導電体が提供するインダクタンスと、パッチ部において半径Ｒ１の円の外側部分と地板とが形成する静電容量と、ＬＣ直列回路が形成する静電容量とが並列接続した構成として振る舞う。つまり、これらの値から定まる周波数において並列共振を生じさせる。
【００１３】
次に、第２導電素子を主たる電流経路として動作するモードについて説明する。第２導電素子に電流が流れる際、半径Ｒ２の円周上に実質的に等間隔で配置されている複数の第２導電素子は、半径がＲ２の円柱状導電体として動作する。半径Ｒ２の円柱状導電体は、半径Ｒ２に応じたインダクタンスを提供する。また、導電電流は主として半径Ｒ２の円柱状導電体の表面（具体的には側面）上を流れ、その内側の領域には電磁界はほとんど進入しない。従って、第２導電素子を主たる電流経路として動作する場合には、半径Ｒ１の円周上に配置された第１導電素子はその存在を無視することができる。
【００１４】
また半径Ｒ２の円の内側には電磁界が進入しないため、パッチ部全体のうちの半径Ｒ２の円の外側領域が、地板との間の静電容量の形成に寄与する。つまり、パッチ部のうちの半径Ｒ２の円の外側部分が、その面積と地板との離隔によって決まる静電容量を形成する。さらに、複数の容量性素子のそれぞれが提供する静電容量は互いに並列接続の関係であって、第２短絡部が提供するインダクタンスに対して直列接続されている。
【００１５】
以上をまとめると、第２導電素子を主たる電流経路として動作する場合、アンテナ装置は半径Ｒ２の円柱状導電体が提供するインダクタンスと、複数の容量性素子に由来する静電容量と、パッチ部において半径Ｒ２の円の外側部分と地板とが形成する静電容量と、を備える回路として振る舞う。故に、これらの値から定まる周波数において並列共振を生じさせる。
【００１６】
ここで、第２距離は第１距離よりも大きいため、第２導電素子が円柱状導電体として振る舞う際に提供するインダクタンスは、第１導電素子が円柱状導電体として振る舞う際に提供するインダクタンスよりも小さくなる。また、パッチ部全体のうちの半径Ｒ２の円の外側領域の面積は半径Ｒ１の円の外側領域の面積よりも小さい。そのため、第２導電素子が主たる電流経路として動作する際にパッチ部と地板とが形成する静電容量は、第１導電素子が主たる電流経路として動作する際にパッチ部と地板とが形成する静電容量よりも小さくなる。加えて、一般的に共振回路の共振周波数は１／２π√（ＬＣ）で与えられる。
【００１７】
故に、第２導電素子を主たる電流経路とする動作する際の共振周波数は、第１導電素子を主たる電流経路とする動作する際の共振周波数よりも高い周波数となる。また、各動作モードでの共振周波数は、各要素のインダクタンスや静電容量を調整することによって所望の周波数に設定することができる。
【００１８】
このように上記の構成によれば第１周波数と第２周波数とで独立した電流経路が形成される。その結果、１つのパッチ部を用いて第１周波数の電波と第２周波数の電波をそれぞれ送受信可能となる。つまり、複数周波数で動作可能であって、かつ、サイズの増大を抑制することができる。
【００１９】
なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】アンテナ装置１の外観斜視図である。
【図２】アンテナ装置１の上面図である。
【図３】図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線におけるアンテナ装置１の断面図である。
【図４】第１短絡部４０の構成及び作用について説明するための図である。
【図５】第２短絡部５０の構成及び作用について説明するための図である。
【図６】第２導電素子５１とパッチ部２０との接続状態を示す概念図である。
【図７】第１短絡部４０を主たる電流経路として動作する場合のアンテナ装置１の概略的な構成を示す図である。
【図８】第２導電素子５１とコンデンサ７０からなるＬＣ直列共振回路の等価回路を示す図である。
【図９】第１周波数ｆ１の信号にとってのアンテナ装置１の等価回路を示す図である。
【図１０】第２短絡部５０を主たる電流経路として動作する場合のアンテナ装置１の概略的な構成を示す図である。
【図１１】第２周波数ｆ２の信号にとってのアンテナ装置１の等価回路を示す図である。
【図１２】第１周波数ｆ１の電波の放射特性をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１３】第２周波数ｆ２の電波の放射特性をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１４】アンテナ装置１の周波数毎の入力反射係数を解析した結果を示す図である。
【図１５】第１導電素子４１を通る電流経路上にコンデンサ８０を配置した構成を示す図である。
【図１６】第１短絡部４０と第２短絡部５０の配置態様の変形例を示す図である。
【図１７】容量性素子の実現態様の変形例を示す図である。
【図１８】互いに独立した３つの異なる周波数の電波を送受信可能なアンテナ装置１の構成を示す
【図１９】変形例５として開示のアンテナ装置１の上面図である。
【図２０】サブパッチ部２３における第１導電素子４１、第２導電素子５１の配置態様について説明するための図である。
【図２１】変形例６として開示のアンテナ装置１の上面図である。
【図２２】変形例７として開示のアンテナ装置１の上面図である。
【図２３】変形例８として開示のアンテナ装置１の上面図である。
【図２４】変形例９として開示のアンテナ装置１の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本開示の実施形態について図を用いて説明する。本実施形態に係るアンテナ装置１は、以下の説明の通り、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２の所定の２つの周波数の電波を送受信可能に構成されている。第２周波数ｆ２は、第１周波数ｆ１とは独立した周波数である。換言すれば第２周波数ｆ２は、第１周波数ｆ１とは無関係に設定可能な任意の値に設定されている。ここでは一例として第１周波数ｆ１は１．５８ＧＨｚに設定されており、第２周波数ｆ２は３．７８ＧＨｚに設定されている。送受信の対象とする２つの周波数のうち、相対的に低いほうが第１周波数ｆ１に該当する。
【００２２】
もちろん、送受信の対象とする電波（以降、対象電波）は適宜設計されれば良く、他の態様として例えば７６０ＭＨｚや、９００ＭＨｚ、１．１７ＧＨｚ、１．２８ＧＨｚ、１．５５ＧＨｚ、５．９ＧＨｚ等の電波としてもよい。当該アンテナ装置１は、送信と受信の何れか一方のみに供されても良い。電波の送受信には可逆性があるため、或る周波数の電波を送信可能な構成は、当該周波数の電波を受信可能な構成でもある。第１周波数の電波を送受信可能な構成には、第１周波数の電波の送信のみを行う構成や、受信のみを行う構成も含まれるものとする。第２周波数の電波を送受信可能な構成についても同様とする。
【００２３】
このアンテナ装置１は、例えば同軸ケーブルを介して図示しない無線機と接続されており、アンテナ装置１が受信した信号は逐次無線機に出力される。また、アンテナ装置１は無線機から入力される電気信号を電波に変換して空間に放射する。無線機は、アンテナ装置１が受信した信号を利用するとともに、当該アンテナ装置１に対して送信信号に応じた高周波電力を供給するものである。
【００２４】
なお、本実施形態ではアンテナ装置１と無線機とを同軸ケーブルで接続する場合を想定して説明するが、他の態様としてフィーダ線など、その他の通信ケーブル（ワイヤ等を含む）を用いて接続しても良い。また、アンテナ装置１と無線機とは、同軸ケーブルのほかに、整合回路やフィルタ回路などを介して接続される構成となっていても良い。
【００２５】
＜アンテナ装置１の構成＞
以下、アンテナ装置１の具体的な構成について述べる。図１は、本実施形態に係るアンテナ装置１の概略的な構成の一例を示す外観斜視図である。また、アンテナ装置１の上面図を図２に示す。図３は、図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線におけるアンテナ装置１の断面図である。
【００２６】
アンテナ装置１は、図１〜図３に示すように、地板１０、支持部３０、パッチ部２０、第１短絡部４０、第２短絡部５０、及び給電線路６０を備える。便宜上以降では、地板１０に対してパッチ部２０が設けられている側を、アンテナ装置１にとっての上側として各部の説明を行う。
【００２７】
地板１０は、銅などの導体を素材とする板状の導電部材である。ここでの板状には、箔のような薄膜状も含まれる。つまり、地板１０はプリント配線板等の樹脂製の板の表面にパターン形成されたものでもよい。この地板１０は、同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続されて、アンテナ装置１におけるグランド電位（換言すれば接地電位）を提供する。地板１０はパッチ部２０以上の大きさを有するように形成されていればよい。
【００２８】
また、地板１０を上側から見た形状（以降、平面形状）は適宜設計されればよい。ここでは一例として地板１０の平面形状を長方形状とするが、他の態様として地板１０の平面形状は、六角形などその他の多角形状であってもよい。また、円形状であってもよい。もちろん、直線部分と曲線部分とを組み合わせた形状であってもよい。
【００２９】
パッチ部２０は、銅などの導体を素材とする板状の部材である。パッチ部２０は、正六角形状に形成されている。パッチ部２０は、後述する支持部３０を介して地板１０と平行となるように対向配置されている。パッチ部２０の板状には箔のような薄膜状も含まれる。つまり、パッチ部２０はプリント配線板等の、樹脂製の板の表面に導体パターン形成されたものでもよい。また、ここでの平行とは完全な平行に限らない。数度から十度程度傾いていても良い。つまり概ね平行である状態（いわゆる略平行な状態）を含みうる。
【００３０】
パッチ部２０と地板１０とは、互いに対向配置されることで、パッチ部２０の面積や、パッチ部２０と地板１０との間隔に応じた静電容量を形成する。パッチ部２０の面積は、例えば、アンテナ装置１として要求されているサイズに応じて適宜設計されればよい。なお、ここでは一例としてパッチ部２０の形状は正六角形とするが、その他の構成として、パッチ部２０の平面形状は、円形や、正八角形、正方形、正三角形などであってもよい。また、パッチ部２０の縁部は、部分的に又は全体的にミアンダ形状に設定されていても良い。さらに、パッチ部２０は縁部に切欠きが設けられたり、角部を丸められたりしていても良い。
【００３１】
支持部３０は、地板１０に対するパッチ部２０の位置及び姿勢を支持するための部材である。ここでは一例として支持部３０は、樹脂などの電気絶縁材料を素材とする、所定の高さを備える板状の部材とする。支持部３０により地板１０とパッチ部２０とは所定の間隔をおいて互いに対向した状態が保持される。支持部３０の高さ（換言すれば厚み）は適宜設計されればよい。便宜上、支持部３０において、パッチ部２０が配置される面を上面、地板１０が配置される面を下面と称する。
【００３２】
なお、支持部３０は前述の役割を果たせればよく、支持部３０の形状は板状に限らない。支持部３０は、地板１０とパッチ部２０とを所定の間隔をおいて対向するように支持する複数の柱であってもよい。また、本実施形態において地板１０とパッチ部２０の間は、樹脂（すなわち支持部３０）で充填される構成としているが、これに限らない。地板１０とパッチ部２０の間は、中空や真空となっていてもよいし、所定の誘電比率を有する誘電体で充填されていても良い。さらに、以上で例示した構造が組み合わさっていてもよい。なお、アンテナ装置１がプリント配線板を用いて実現される場合には、プリント配線板が備える複数の導体層を、地板１０や、パッチ部２０として利用するとともに、導体層を隔てる樹脂層を支持部３０として利用してもよい。
【００３３】
第１短絡部４０は、パッチ部２０と地板１０と電気的に接続する構成である。第１短絡部４０は、パッチ部２０と地板１０とを電気的に接続する複数の第１導電素子４１を備える。複数の第１導電素子４１のそれぞれは、高さ方向の長さに対して相対的に径が小さい（つまり細い）円柱状の導電部材である。第１導電素子４１は導電性のピン（以降、導電ピン）を用いて実現することができる。つまり、ここでの円柱状には針状も含まれる。第１導電素子４１の一端は地板１０と接続されており、他端はパッチ部２０と接続されている。なお、プリント配線板を用いてアンテナ装置１を実現する場合には、プリント配線板が備えるビアを第１導電素子４１として利用可能である。第１導電素子４１は、円柱状である必要はなく、角柱状であってもよい。また、断面形状が半円や扇型となる柱状であってもよい。
【００３４】
複数の第１導電素子４１は、図４等に示すように、パッチ部２０の中心（以降、パッチ中心点２１）からの距離が所定の第１距離Ｒ１となる円周上に等間隔で配置されている。つまり、複数の第１導電素子４１は、パッチ中心点２１を中心とする半径Ｒ１の円周上に均等配置されている。パッチ中心点２１は、パッチ部２０の重心に相当する。特に、本実施形態におけるパッチ中心点２１とは、正六角形を形成する各頂点からの距離が等しい点に相当する。なお、複数の第１導電素子４１が設けられる円の中心は、厳密にパッチ中心点２１（換言すればパッチ部２０の重心）と一致している必要はない。指向性の偏りが所定の許容範囲に収まる限りにおいて、複数の第１導電素子４１が設けられる円の中心はパッチ中心点２１からずれていてもよい。
【００３５】
また、第１導電素子４１同士の間隔は厳密に等間隔である必要はない。指向性の偏りが所定の許容範囲に収まる限りにおいて不均一であってもよい。つまり、ここでの等間隔という表現には略等間隔も含めることができる。「実質的に等間隔」という表現には上記のように略等間隔に配置された態様も含まれる。複数の第１導電素子４１は、半径Ｒ１の円周上に、全体としてバランス良く配置されていれば良い。
【００３６】
便宜上以降では、第１導電素子４１が円周上に配される半径Ｒ１の円のことを内側円とも称する。内側円は本実施形態においてはパッチ中心点２１を中心とする半径Ｒ１の円に相当する。また、ここでは地板１０においてパッチ中心点２１と対向する点（以降、地板中心点）と、パッチ中心点２１とを通る直線を、アンテナ中心軸Ａｘと称する。地板中心点はパッチ中心点２１から地板１０に下ろした垂線の足に相当する。また、アンテナ中心軸Ａｘと直交する平面のことを便宜上、アンテナ水平面と称する。アンテナ水平面は、パッチ部２０や地板１０と平行な平面に相当する。
【００３７】
複数の第１導電素子４１はそれぞれ地板１０に対して直立する姿勢で（換言すればアンテナ中心軸Ａｘに対して平行に）配置されている。第１短絡部４０が備える第１導電素子４１の数（以降、第１素子数）Ｍは適宜設計されればよい。第１素子数Ｍは、第１短絡部４０を形成する第１導電素子４１の数に相当する。ここでは一例として第１素子数Ｍは１２に設定されているものとする。なお、第１素子数Ｍは、半径Ｒ１に相当する大きな径φｅ１を有する１つのビアであってもよい。そのような構成においても並列共振は生じうる。
【００３８】
各第１導電素子４１の径φｅ１は、適宜設計されればよい。個々の第１導電素子４１は、その高さ方向の長さ及び径φｅ１に応じたインダクタンスを提供する。径φｅ１が大きいほど、第１導電素子４１が提供するインダクタンスの値は小さくなる。便宜上、個々の第１導電素子４１が備えるインダクタンスをＬｅ１とする。
【００３９】
ところで、内側円周上に配置された複数の第１導電素子４１は、図４に示すように、第１距離Ｒ１に応じた径φ１を有する１つの円柱状の導電部材（以降、円柱状導電体）として振る舞う。つまり、第１短絡部４０は、円柱の中心がアンテナ中心軸Ａｘと重なるように配置された１つの円柱状導電体と見なすことができる。さらに別の観点によれば、第１短絡部４０はパッチ部２０の中央領域と地板１０とを接続する１つの円柱状導電体に相当する。便宜上、１つの円柱状導電体としての第１短絡部４０が提供するインダクタンスＬ１のことを第１等価インダクタンスＬ１と称する。
【００４０】
発明者らは、第１距離Ｒ１や第１素子数Ｍ、第１導電素子４１の径φｅ１が第１等価インダクタンスＬ１に与える影響を試験した結果、第１等価インダクタンスは、主として第１距離Ｒ１によって定まるといった知見を得た。つまり、第１等価インダクタンスＬ１を決める支配的な要素は、第１距離Ｒ１である。第１距離Ｒ１を長くするほど、第１短絡部４０は、径φ１が大きい円柱状導電体として振る舞う。つまり、第１距離Ｒ１を長くするほど、第１等価インダクタンスＬ１は小さい値となる。
【００４１】
内側円の半径として機能する第１距離Ｒ１は、第１等価インダクタンスＬ１が、パッチ部２０が提供する静電容量と第１周波数ｆ１において並列共振する値となるように設定されている。第１等価インダクタンスＬ１の調整は、第１距離Ｒ１の調整によって実現されればよい。なお、第１等価インダクタンスＬ１を調整するためのパラメータとして補足的に第１素子数Ｍや第１導電素子４１の径を採用しても良い。
【００４２】
第２短絡部５０は、パッチ部２０と地板１０とを電気的に接続するための構成である。第２短絡部５０は、第１短絡部４０と同様に、円柱状の導電部材である第２導電素子５１を複数備える。第２導電素子５１もまた、導電性のピン（以降、導電ピン）を用いて実現することができる。プリント配線板を用いてアンテナ装置１を実現する場合には、プリント配線板が備えるビアを第２導電素子５１として利用可能である。
【００４３】
複数の第２導電素子５１は、図５等に示すように、パッチ中心点２１からの距離が所定の第２距離Ｒ２となる円周上に等間隔で配置されている。つまり、複数の第２導電素子５１は、パッチ中心点２１を中心とする半径Ｒ２の円周上に均等配置されている。便宜上以降では、パッチ中心点２１を中心とする半径Ｒ２の円のことを外側円とも称する。なお、第２導電素子５１同士の間隔は、第１導電素子４１の配置態様と同様に、厳密に等間隔である必要はない。複数の第２導電素子５１は、半径Ｒ２の円周上に、全体としてバランス良く配置されていれば良い。外側円や内側円は真円であることが好ましいが、外側円や内側円は指向性の偏りが許容レベルに収まる範囲において楕円であってもよい。ここでの円形には楕円形も含めることができる。
【００４４】
複数の第２導電素子５１はそれぞれ地板１０に対して直立する姿勢で（換言すればアンテナ中心軸Ａｘに対して平行に）配置されている。第２短絡部５０が備える第２導電素子５１の数（以降、第２素子数）Ｎは適宜設計されればよい。ここでは一例として第２素子数Ｎは、第１導電素子と同数の１２に設定されているものとする。尚、他の態様として第２素子数Ｎは第１素子数Ｍよりも少なくても良い。例えば第２素子数Ｎは６や１０であってもよい。また、第２素子数Ｎは２であってもよい。第２素子数Ｎが２である場合も別途後述する動作原理に従って並列共振は生じうる。ただし第２素子数Ｎ＝２の場合、磁界が第２導電素子５１の周囲に集中し、放射パターンが楕円状となる。故に、放射パターンを無指向性とする観点では、第２素子数Ｎは３以上とすることが好ましい。一方、指向性の偏りを許容する場合には第２素子数Ｎは２であってもよい。また、第２素子数Ｎは第１素子数Ｍよりも多くても良い。例えば第２素子数Ｎは１４や１８であっても良い。
【００４５】
各第２導電素子５１の径φｅ２もまた、適宜設計されればよい。個々の第２導電素子５１は、その高さ方向の長さ及び径φｅ２に応じたインダクタンスを提供する。個々の第２導電素子５１が提供するインダクタンスは、径φｅ２が大きいほど小さくなる。便宜上、個々の第２導電素子５１が備えるインダクタンスをＬｅ２とする。
【００４６】
外側円周上に配置された複数の第２導電素子５１は、図５に示すように、第２距離Ｒ２に応じた径φ２を有する１つの円柱状導電体として振る舞う。つまり、第２短絡部５０は、中心軸がアンテナ中心軸Ａｘと重なるように配置された１つの円柱状導電体と見なすことができる。第２短絡部５０は、上面視においてパッチ部２０の中央領域に配置されている。
【００４７】
便宜上、１つの円柱状導電体としての第２短絡部５０が提供するインダクタンスＬ２のことを第２等価インダクタンスＬ２と称する。第２等価インダクタンスＬ２もまた、主として第２距離Ｒ２によって定まる。第２距離Ｒ２を長くするほど、第２短絡部５０は、径φ２が大きい円柱状導電体として振る舞う。つまり、第２距離Ｒ２を長くするほど、第２等価インダクタンスＬ２は小さい値となる。
【００４８】
外側円の半径として機能する第２距離Ｒ２は、少なくとも第１距離Ｒ１よりも大きい（換言すれば長い）値に設定される。また、一般的に金属円柱の作るインダクタンスは、半径が大きくなるにつれて小さくなる。第２距離Ｒ２は第１距離Ｒ１よりも大きいため、第２等価インダクタンスＬ２は第１等価インダクタンスＬ１よりも小さい値となる。つまり、Ｌ１＞Ｌ２の関係を有する。
【００４９】
第２距離Ｒ２は、別途後述するようにパッチ部２０が提供する静電容量等と第２等価インダクタンスＬ２が第２周波数ｆ２において並列共振する値に設定されている。第２等価インダクタンスＬ２の調整は、第２距離Ｒ２の調整によって実現されればよい。なお、第２等価インダクタンスＬ２を調整するためのパラメータとして補足的に第２素子数Ｎや第２導電素子５１の径を採用しても良い。
【００５０】
第２導電素子５１の一端は地板１０と直接的に（換言すれば電気的に）接続されている一方、他端は図６に示すようにコンデンサ７０を介してパッチ部２０と接続されている。つまり、第２導電素子５１とパッチ部２０との間には、コンデンサ７０が介設されている。
【００５１】
コンデンサ７０が備える静電容量の具体的な値Ｃｆは、第１周波数ｆ１、第２周波数ｆ２、第１導電素子４１のインダクタンスＬｅ１に応じて適宜設計される。具体的には、次の通りである。まず、コンデンサ７０は、第２導電素子５１と直列接続されている。そのため、コンデンサ７０は、第２導電素子５１が提供するインダクタンスＬｅ２と組み合わさってなるＬＣ直列共振回路を、地板１０とパッチ部２０との間に形成する。当該ＬＣ共振回路の共振周波数ｆｃは、１／２π√（Ｌｅ２×Ｃｆ）で与えられる。
【００５２】
コンデンサ７０の静電容量Ｃｆは、少なくとも共振周波数ｆｃが第１周波数ｆ１よりも高い値となる値に設定されている。具体的には、コンデンサ７０の静電容量Ｃｆは下記の式１を満たす値に設定されている。
【数１】
2019068176.tif 000003
【００５３】
このような設定によれば、第２導電素子５１とコンデンサ７０とが形成するＬＣ直列共振回路は、第１周波数ｆ１においては容量性リアクタンスとして作動する。コンデンサ７０の静電容量Ｃｆが上記式１を満たす場合、第１周波数ｆ１が共振周波数ｆｃよりも低くなるためである。なお、上記式１に示すように、共振周波数ｆｃが第１周波数ｆ１よりも高い値に設定するための変数としては第２導電素子５１のインダクタンスＬｅ２も利用可能である。よって、第２導電素子５１のインダクタンスＬｅ２及びコンデンサ７０の静電容量Ｃｆの両方を調整して、ｆ１＜ｆｃを成立させても良い。
【００５４】
このコンデンサ７０は、チップコンデンサでも良いし、基板内部に埋め込む内蔵コンデンサでも良いし、所定のギャップを設けた平板パターンでも良い。コンデンサ７０を導入する位置は適宜設計されればよい。例えばコンデンサ７０は第２導電素子５１と地板１０との間に配置されていてもよいし第２導電素子５１の途中に挿入されていてもよい。基板を用いてアンテナ装置１を実現する場合、コンデンサ７０を導入する位置は、上層でも内層でもどの層でも良い。
【００５５】
なお、図６は上面図であり、断面図ではないが、各部材の位置関係及び素材を明示するために便宜上ハッチングを施している。また、図１〜図３においては、図の簡略化のため、コンデンサ７０の図示を省略している。
【００５６】
給電線路６０は、パッチ部２０に給電するために、例えば支持部３０の上面に設けられたマイクロストリップ線路である。給電線路６０の一端は、同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続されており、他端は、パッチ部２０の縁部と電磁結合するように形成されている。同軸ケーブルを介して給電線路６０に入力された電流は、パッチ部２０に伝搬し、パッチ部２０を励振させる。パッチ部２０の縁部において、給電線路６０と最も近い点が給電点２２として機能する。
【００５７】
なお、本実施形態ではパッチ部２０への給電方式として、マイクロストリップ線路等を用いた電磁結合給電方式を採用しているが、これに限らない。他の態様として、給電線路６０をパッチ部２０に直接接続させた直結給電方式を採用しても良い。直結給電方式は、導電性のピンやビアを用いて実現されても良い。また、給電点２２は、パッチ部２０の縁部と外側円の間に配置されていてもよい。
【００５８】
以上で述べたアンテナ装置１は、例えば、車両などの移動体で用いられる。当該アンテナ装置１を車両で用いる場合には、車両の屋根部において、地板１０が略水平であって、地板１０からパッチ部２０に向かう方向が天頂方向と略一致するように設置されればよい。
【００５９】
＜アンテナ装置１の動作原理について＞
次に、当該アンテナ装置１の動作について、図７等を用いて説明する。アンテナ装置１は、第１短絡部４０を主たる電流経路とする動作モードと、第２短絡部５０を主たる電流経路とする動作モードとを備える。第１短絡部４０を主たる電流経路とする動作モードとは以下の説明の通り、第１周波数ｆ１で動作するモードであり、第２短絡部５０を主たる電流経路とする動作モードとは第２周波数ｆ２で動作するモードである。
【００６０】
まずは、第１周波数ｆ１で動作する際の原理について説明する。なお、アンテナ装置１が電波を送信する際の作動と、電波を受信する際の作動は、互いに可逆性を有する。したがって、ここでは一例として、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２のそれぞれの電波を放射する際の作動について説明し、電波を受信する際の作動についての説明は省略する。
【００６１】
図７は、第１周波数の信号にとってのアンテナ装置１の電気的な機能を説明するための構成を概念的に表した図である。なお、図７は地板１０とパッチ部２０との間隔等を誇張して示しているとともに、第１短絡部４０を半径Ｒ１の円柱状導電体として図示している。また、図の簡略化のため第２導電素子５１に係る構成を３組しか図示していないが、実際には第２素子数Ｎだけ備えている。第２導電素子５１に係る構成とは、第２導電素子５１が備える第２等価インダクタンスＬｅ２と、コンデンサ７０が提供する静電容量Ｃｆとが直列接続した構成である。
【００６２】
第１周波数において導電電流は第１短絡部４０を主たる電流経路として流れる。その際、半径Ｒ１の円周上に配置されている複数の第１導電素子４１は前述の通り、一体となって半径Ｒ１の円柱状導電体として動作し、導電電流は主としてその円柱導電部材の側面（換言すれば円筒面）上を流れる。その結果、その内側の領域には電磁界はほとんど進入しない。
【００６３】
半径Ｒ１の円の内側には電磁界が進入しないため、パッチ部２０全体のうちの半径Ｒ１の円の外側領域が、地板１０との間の静電容量の形成に寄与する。つまり、パッチ部２０のうちの半径Ｒ１の円の外側部分が、その面積と地板１０との離隔によって決まる静電容量Ｃｐ１を形成する。図７においてドットパターンのハッチングを施している部分は、パッチ部２０のうちの半径Ｒ１の円の外側部分を示している。
【００６４】
また、半径Ｒ２の円周状に配置されている第２導電素子５１とコンデンサ７０とからなるＬＣ直列共振回路は、共振周波数ｆｃが第１周波数ｆ１よりも高くなるように構成されている。そのため、第２導電素子５１とコンデンサ７０とからなるＬＣ直列共振回路は図８に示すように、静電容量Ｃｘを備えるコンデンサとして動作する。
【００６５】
以上をまとめると、第１周波数ｆ１では、アンテナ装置１は図９に示すように、半径Ｒ１の円柱状導電体が提供するインダクタンス（つまり第１等価インダクタンス）Ｌ１と、パッチ部２０において半径Ｒ１の円の外側部分と地板１０とが形成する静電容量Ｃｐ１と、第２導電素子５１に係る構成が形成する静電容量Ｃｘとが並列接続した構成として振る舞う。また、静電容量Ｃｘは、第１等価インダクタンスＬ１や静電容量Ｃｐ１に対して、第２素子数Ｎだけ並列接続されることになる。そのため、第１等価インダクタンスＬ１に並列接続する静電容量の総和はＣｐ１＋Ｎ×Ｃｘである。
【００６６】
このようにアンテナ装置１は、第１短絡部４０が提供する第１等価インダクタンスＬ１に対して、静電容量Ｃｐ１＋Ｎ×Ｃｘが並列接続している。故に、アンテナ装置１は下記の式２で定まる周波数ｆ１ｘにおいて並列共振を生じさせる。
【数２】
2019068176.tif 000004
【００６７】
この共振周波数ｆ１ｘは、地板１０とパッチ部２０の大きさ、地板１０とパッチ部２０との間隔、第１距離Ｒ１や、第２導電素子５１の径、コンデンサ７０の静電容量Ｃｆ等に応じて定まるため、これらのパラメータを調整することにより、ｆ１ｘをｆ１と一致させることができる。つまり第１周波数ｆ１で並列共振し、第１周波数ｆ１の電波を送受信可能となる。
【００６８】
なお、給電線路６０もまた、その形状及び材質に応じた大きさのインダクタンス及び抵抗値を備える。ただし、これら給電線路６０に対応する要素については、アンテナ装置１の動作原理を説明する上は省略可能であるため、図９に示す等価回路においては図示を省略している。
【００６９】
次に、第２周波数ｆ２で動作する際の原理について説明する。図１０は、第２周波数の信号にとってのアンテナ装置１の電気的な機能を説明するための構成を概念的に表した図である。なお、図１０は図７と同様に、地板１０とパッチ部２０との間隔等を誇張して示しているとともに、第２短絡部５０を半径Ｒ２の円柱状導電体として図示している。また、図の簡略化のためコンデンサ７０に対応する構成を３つしか図示していない。コンデンサ７０に対応する構成は実際には第２素子数Ｎだけ存在する。コンデンサ７０に対応する構成とは、静電容量Ｃｆを備える素子である。
【００７０】
第２周波数において導電電流は第２短絡部５０を主たる電流経路として流れる。その際、半径Ｒ２の円周上に配置されている複数の第２導電素子５１は前述の通り、一体となって半径Ｒ２の円柱状導電体として動作し、導電電流は主としてその円柱導電部材の側面（換言すれば円筒面）上を流れる。その結果、その内側の領域には電磁界はほとんど進入しない。従って、半径Ｒ１の円周上に配置された第１導電素子４１は励振にあまり寄与しない。
【００７１】
また半径Ｒ２の円の内側には電磁界が進入しないため、パッチ部２０全体のうちの半径Ｒ２の円の外側領域が、地板１０との間の静電容量の形成に寄与する。つまり、パッチ部２０のうちの半径Ｒ２の円の外側部分が、その面積と地板１０との離隔によって決まる静電容量Ｃｐ２を形成する。なお、第１周波数ｆ１での動作時に比べて、静電容量の形成に寄与するパッチ部２０の面積が小さくなるため、静電容量はＣｐ２＜Ｃｐ１の関係を有する。図１２においてドットパターンのハッチングを施している部分は、パッチ部２０のうちの半径Ｒ２の円の外側部分を示している。
【００７２】
さらに、複数のコンデンサ７０のそれぞれが提供する静電容量Ｃｆは互いに並列接続の関係であって、第２短絡部５０が提供するインダクタンス（つまり第２等価インダクタンス）Ｌ２に対して直列接続されている。複数のコンデンサ７０のそれぞれが提供する静電容量Ｃｆは互いに並列な関係であるため、複数のコンデンサ７０のそれぞれが提供する静電容量の合計値はＣｆ×Ｎである。
【００７３】
以上をまとめると、第２周波数ｆ２では、アンテナ装置１は図１１に示すように、半径Ｒ２の円柱状導電体が提供する第２等価インダクタンスＬ２と、コンデンサ７０に由来する静電容量Ｃｆ×Ｎと、パッチ部２０と地板１０とが形成する静電容量Ｃｐ２とを備える構成として振る舞う。回路全体としての静電容量Ｃｙは、コンデンサ７０に由来する静電容量Ｃｆ×Ｎと、パッチ部２０と地板１０とが形成する静電容量Ｃｐ２とは直列接続で与えられる。つまり回路全体としての静電容量Ｃｙ＝Ｃｐ２×Ｎ×Ｃｆ／（Ｃｐ２＋Ｎ×Ｃｆ）である。
【００７４】
従ってアンテナ装置１は第２短絡部５０を主たる電流経路として作動する場合、下記の式３で定まる周波数ｆ２ｘで共振する。
【数３】
2019068176.tif 000005
【００７５】
この共振周波数ｆ２ｘは、地板１０とパッチ部２０の大きさ、地板１０とパッチ部２０との間隔、第２距離Ｒ２や、コンデンサ７０の静電容量Ｃｆ、第２素子数Ｎ等に応じて定まるため、これらのパラメータを調整することにより、ｆ２ｘをｆ２と一致させることができる。つまり所望の第２周波数ｆ２の電波を送受信可能となる。
【００７６】
ここで、Ｃｐ１＞Ｃｐ２、Ｌ１＞Ｌ２等の関係から、第２導電素子５１を主電流経路とする際の共振周波数ｆ２ｘは、第１導電素子４１を主電流経路とする際の共振周波数ｆ１ｘよりも高い周波数となる。なお、第２素子数Ｎが３程度と相対的に少ない場合、半径Ｒ２の内側領域に磁界が分布する量が相対的に増加する。その結果、第２短絡部５０に集まる磁気エネルギーが増加し、第２等価インダクタンスＬ２は大きくなる。
【００７７】
＜アンテナ装置１の指向性について＞
次に、アンテナ装置１の電波の放射特性について説明する。まずは、第１周波数ｆ１の電波の放射特性について説明する。なお、アンテナ装置１が第１周波数ｆ１の電波を放射する場合とは、第１周波数ｆ１で並列共振している場合である。すなわち、第１導電素子４１が主たる電流経路として作動している場合である。
【００７８】
アンテナ装置１が第１周波数ｆ１で並列共振している場合、パッチ部２０には共振電流が誘起される。並列共振によってパッチ部２０に生じる第１周波数ｆ１の電流は、パッチ部２０の縁部から第１短絡部４０に向かう方向に流れる。また、第１周波数ｆ１の電流は主として半径Ｒ１の円柱状導電体の側面（換言すれば円筒面）を通って地板１０に伝搬する。つまり、電流はパッチ部２０の中央領域に集中し、電流定在波の振幅は、半径Ｒ１の円周部分で最大、パッチ部２０の縁部で０となる。
【００７９】
また、円柱導体部材として機能する第１短絡部４０は、その中心軸がアンテナ中心軸Ａｘと一致するように設けられていることから、電圧定在波の振幅は、パッチ部２０の縁部で最大、半径Ｒ１の円周部分付近で０となる。電圧の符号は、いずれの領域でも垂直方向において同じ符号となる。そして、垂直電界は電圧の分布に比例する。故に、地板１０とパッチ部２０との間に発生する垂直電界は、上面視において、パッチ中心点２１を回転軸として点対称に分布する。
【００８０】
そして、パッチ部２０と地板１０との間に誘起される垂直電界はパッチ部２０の縁部付近において垂直偏波となって空間を伝搬していく。このようにしてアンテナ装置１は、パッチ部２０の外縁部において、遠心方向に垂直偏波を放射する。なお、遠心方向は、アンテナ中心軸Ａｘに対して垂直であって且つアンテナ中心軸Ａｘから離れていく方向である。
【００８１】
また、アンテナ装置１はアンテナ中心軸Ａｘに対して対称性を有する構成である。具体的には、パッチ部２０はパッチ中心点を対称の中心として点対称な形状となっている。故にアンテナ装置１は第１周波数ｆ１において、パッチ部２０の中心から外縁部に向かう全方向に、同程度の利得で垂直偏波を放射する。
【００８２】
図１２は、アンテナ装置１のアンテナ水平面における、第１周波数ｆ１の電波の放射特性をシミュレーションした結果を示す図である。図１２中の実線は垂直偏波の放射利得を、破線は水平偏波の放射利得をそれぞれ示している。図１２からも、アンテナ装置１の第１周波数ｆ１の垂直偏波の放射特性はほぼ無指向性であることがわかる。よって、地板１０が水平となるようにアンテナ装置１が載置されている場合には、アンテナ装置１は水平方向に対して無指向性のアンテナとして動作する。
【００８３】
また、以上では第１周波数ｆ１の電波の放射原理及び指向性について説明したが、第２周波数ｆ２の電波の放射原理及び指向性についても同様である。すなわち、第２短絡部５０もまた第１短絡部４０と同様に、パッチ部２０の中央領域に配置された１つの円柱状導電体として見なすことができる。そのため、並列共振によってパッチ部２０に生じる第２周波数ｆ２の電流は、パッチ部２０の縁部から第２短絡部５０に向かう方向に流れる。その結果、電圧定在波の振幅は、パッチ部２０の縁部で最大、第２短絡部５０付近で０となる。地板１０とパッチ部２０との間に形成される垂直電界は、第２短絡部５０から遠心方向に進行していく。
【００８４】
また、垂直電界の伝搬方向はアンテナ中心軸Ａｘについて対称であるため、アンテナ装置１は第２周波数ｆ２においても、第２短絡部５０から縁部に向かう全方向に、同程度の利得で垂直偏波を放射する。特に、アンテナ水平面が実際の水平面と平行となるようにアンテナ装置１が載置されている場合、アンテナ装置１は水平方向に対して無指向性のアンテナとして動作する。
【００８５】
図１３は、アンテナ装置１のアンテナ水平面における、第２周波数ｆ２の電波の放射特性をシミュレーションした結果を示す図である。図１３中の実線は垂直偏波の放射利得を、破線は水平偏波の放射利得をそれぞれ示している。図１３に示されている通り、第２周波数ｆ２の垂直偏波の放射特性はほぼ無指向性である。
【００８６】
＜アンテナ装置１の設計手順について＞
上述したアンテナ装置１は、例えば以下の手順で設計されればよい。なお、以下に示す手順は一例であって、適宜変更可能である。地板１０とパッチ部２０の大きさ、地板１０とパッチ部２０との間隔、支持部３０の材質を設定したうえで、まず、コンデンサ７０の静電容量Ｃｆ及び第２導電素子５１の径の仮値を決定して、第１周波数ｆ１においてＬＣ直列共振回路が提供する静電容量Ｃｘを特定する。また、第２素子数Ｎを決定し、Ｎ×Ｃｘ成分や、Ｎ×Ｃｆ成分の大きさを決定する。
【００８７】
次に、Ｎ×Ｃｘ成分に対して所望の静電容量Ｃｐ１、第１等価インダクタンスＬ１が得られるように、パッチ部２０の総面積を考慮しつつ、第１距離Ｒ１を設定する。前述の通り、第１周波数ｆ１での動作時には半径Ｒ１の円柱状導電体の内側に電磁界が進入しないことから、パッチ部２０が形成する静電容量Ｃｐ１は、第１短絡部４０とパッチ部２０の縁部に挟まれた面積により定められる。また、第１距離Ｒ１を大きくすると第１等価インダクタンスＬ１は小さくなる。つまり、第１距離Ｒ１を増加させれば、第１等価インダクタンスＬ１と静電容量Ｃｐ１は減少していく。第１等価インダクタンスＬ１と静電容量Ｃｐ１が第１距離Ｒ１に応じて同時に変化することを考慮しつつ、動作周波数ｆ１ｘが第１周波数ｆ１と一致するように第１距離Ｒ１を定める。
【００８８】
また、Ｎ×Ｃｆ成分に対して所望の静電容量Ｃｐ２、第２等価インダクタンスＬ２が得られるように、パッチ部２０の総面積を考慮しつつ、第２距離Ｒ２を設定する。第２周波数において、パッチ部２０が形成する静電容量Ｃｐ２もまた、第１周波数の場合と同様に、第２短絡部５０とパッチ外縁の間の面積により定められる。第２距離Ｒ２を増加させれば、第２等価インダクタンスＬ２と静電容量Ｃｐ２は減少していく。第２等価インダクタンスＬ２と静電容量Ｃｐ２が第２距離Ｒ２に応じて同時に変化することを考慮しつつ、動作周波数ｆ２ｘが第２周波数ｆ２と成るように第２距離Ｒ２を定める。なお、仮決めした第２素子数Ｎやコンデンサ７０の静電容量Ｃｆは、第１距離Ｒ１、第２距離Ｒ２を決定する仮定において微調整されてもよい。
【００８９】
＜アンテナ装置１の効果について＞
上述した構成によれば、１つのパッチ部２０を用いて第１周波数ｆ１の垂直偏波と第２周波数ｆ２の垂直偏波を放射することができる。また、受信も同様である。図１４は、アンテナ装置１の周波数毎の入力反射係数を解析した結果を示すグラフである。なお、入力反射係数は、いわゆるＳパラメータにおけるＳ１１に相当するものであって、順方向反射係数とも称される。
【００９０】
図１４に示すように、本実施形態の構成によれば、第１周波数ｆ１の入力反射係数は−７．５ｄＢであり、第２周波数ｆ２の入力反射係数は−２０ｄＢである。一般的に、入力反射係数は−５ｄＢ以下であれば、実用可能な構成であると見なされることが多い。つまり、本実施形態の構成によれば第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２のそれぞれを送受信するためのアンテナとして十分に実用可能である。
【００９１】
なお、第１周波数ｆ１は、第１短絡部４０が電流経路として作用する場合の０次共振時の動作周波数であり、第２周波数ｆ２は、第２短絡部５０が電流経路として作用する場合の０次共振時の動作周波数である。図１４に示すｆ１ａ（具体的には２．２ＧＨｚ）は第１短絡部４０が電流経路として作用する場合の１次共振時の動作周波数である。
【００９２】
また、上記のアンテナ装置１は、特許文献１に開示のアンテナ装置と同様の原理で動作するアンテナ装置（つまり並列共振系のアンテナ装置）であるため、直列共振系のアンテナ装置よりも、高さを抑制する（換言すれば薄くする）ことができる。直列共振系のアンテナ装置とは、例えばモノポールアンテナである。具体的には、第１周波数ｆ１を送受信するためのモノポールアンテナの高さの７％程度の高さで実現できる。すなわち、上述した実施形態によれば、アンテナ装置１の薄型化と、動作周波数の複数化を両立させることができる。
【００９３】
以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、以降で述べる種々の変形例も本開示の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。例えば下記の種々の変形例は矛盾が生じない範囲において組み合わせて実施することができる。
【００９４】
なお、前述の実施形態で述べた部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。また、構成の一部のみに言及している場合、他の部分については先に説明した実施形態の構成を適用することができる。
【００９５】
［変形例１］
上述した実施形態では、上面視においてパッチ中心点２１から各第１導電素子４１に向かう半直線上に、第２導電素子５１を配置した構成を開示した。換言すれば、パッチ中心点２１から各第１導電素子４１に向かう方向（以降、第１素子方向）と、パッチ中心点２１から各第２導電素子５１に向かう方向（以降、第２素子方向）とが重なるように、第１短絡部４０及び第２短絡部５０を形成する構成を開示した。
【００９６】
一方、図１６に示すように、第１素子方向と第２素子方向とが重ならないように、第１短絡部４０に対して第２短絡部５０を形成してもよい。図１６は第１素子数Ｍと第２素子数Ｎを同じ数（具体的には４）に設定している場合に、第１素子方向と第２素子方向とが重ならないように、第１短絡部４０に対して第２短絡部５０を形成する態様の一例を表したものである。
【００９７】
図１６中の四角形の記号“□”は第１導電素子４１の設置位置を表しており、三角形の記号“△”は第２導電素子５１の設置位置を示している。また、図１６中の一点鎖線は第１導電素子４１が配置されるべき内側円を示しており、二点鎖線は第２導電素子５１が配置されるべき外側円を示している。図１６において地板１０等の図示は省略している。
【００９８】
第１導電素子４１と第２素子数ＮがともにＮ（Ｎは３以上の整数）である場合には、第１素子方向に対して第２素子方向が、１８０÷Ｎ度ずれるように第２導電素子５１を配置することが好ましい。例えば第１導電素子４１と第２素子数Ｎが４（つまりＮ＝４）である場合には、第１素子方向に対して第２素子方向が４５度ずれるように第２導電素子５１を配置すれば良い。
【００９９】
そのような態様によれば、第１導電素子４１と第２導電素子５１との離隔を大きくとることができ、これらが電磁気的に相互に干渉し合う恐れを低減することができる。つまり、第１周波数ｆ１での動作と第２周波数ｆ２での動作の独立性を高めることができる。
【０１００】
なお、図１６では第１素子数Ｍと第２素子数Ｎとが等しい場合の配置態様を開示したが、上記の思想は第１素子数Ｍと第２素子数Ｎとが異なる場合も同様である。すなわち、第１素子方向と第２素子方向が重ならないように（換言すればずれるように）第１短絡部４０に対して第２短絡部５０を配置することで、第１導電素子４１と第２導電素子５１の結合力を弱めることができ、上記効果を得ることができる。
【０１０１】
［変形例２］
上述した実施形態では、第２導電素子５１を通る電流経路上に容量性素子としてのコンデンサ７０を介在させた構成を開示したが、他の構成として図１５に示すように、第１導電素子４１を通る電流経路上にもコンデンサ８０を配置しても良い。コンデンサ８０は、チップコンデンサでも良いし、基板内部に埋め込む内蔵コンデンサでも良いし、所定のギャップを設けた平板パターンでも良い。
【０１０２】
なお、コンデンサ８０を導入する位置は適宜設計されればよい。例えばコンデンサ８０は第１導電素子４１とパッチ部２０との間に配置されていても良いし、地板１０との間に配置されていてもよい。また、第１導電素子４１の途中に挿入されていてもよい。基板を用いてアンテナ装置１を実現する場合、コンデンサ８０を導入する位置は、上層でも内層でもどの層でも良い。
【０１０３】
このような態様によれば、第１周波数ｆ１もコンデンサ８０が備える静電容量の大きさによって調整することが可能となる。なお、コンデンサ８０が第１容量性素子に対応する。また、この変形例２におけるコンデンサ７０は第２容量性素子に相当する。
【０１０４】
［変形例３］
上述した実施形態ではパッチ部２０の表面にコンデンサ７０を配置する構成を開示した。しかしながら、容量性素子としてのコンデンサ７０の実現方法はこれに限らない。例えば図１７に示すように、支持部３０の内部に、所定の面積の板状の導体（以降、内部導体板）９０をパッチ部２０に対して対向するように配置することによって第１周波数ｆ１での電流経路と第２周波数ｆ２での電流経路とを別々にしてもよい。パッチ部２０において内部導体板９０と対向する部分（以降、対向部）と、内部導体板９０とを含む構造９１が容量性素子（換言すればコンデンサ７０）として機能しうる。なお、支持部３０の内部とはパッチ部２０と地板１０との間に相当する。図１７は第２短絡部５０付近の断面図である。
【０１０５】
内部導体板９０とパッチ部２０との離隔ｄ、及び、内部導体板９０の面積は、内部導体板９０とパッチ部２０との間に形成される静電容量が、コンデンサ７０と同様の機能を提供するように設計されれば良い。すなわち、第２周波数ｆ２の信号を通過させる一方、第１周波数ｆ１の信号を遮断する値となるように設定されればよい。内部導体板９０の平面形状はどのような形であってもよい。内部導体板９０を形成する代わりに、チップコンデンサを挿入しても良い。
【０１０６】
内部導体板９０は第２導電素子５１と上面視において重なる位置に配置されている。内部導体板９０は、第２導電素子５１毎に設けられている。第２導電素子５１は内部導体板９０と地板１０とを接続するように形成される。なお、内部導体板９０は、第１導電素子４１とは電気的に接触しないように配置されている。
【０１０７】
このような態様によっても前述の実施形態と同様に作動する。なお、変形例３として開示の上記構成は、例えばＩＶ基板等を用いて実現することができる。内部導体板９０は、多層基板が備える１つの導体層を用いて実現すればよい。
【０１０８】
［変形例４］
以上ではアンテナ装置１の構成として、第１、第２周波数ｆ２の２つの周波数の電波を送受信するための構成について開示したが、これに限らない。アンテナ装置１は、３以上の周波数の電波を送受信可能に構成されていても良い。
【０１０９】
例えば、図１８に示すようにパッチ中心点２１からの距離が第２距離Ｒ２よりも大きい所定の第３距離Ｒ３となる円周上に複数の導電素子（以降、第３導電素子）を配置することで、第３周波数の電波を送受信可能に構成されていても良い。図１８中のＸ字型の記号“×”は第３導電素子の設置位置の一例を示している。
【０１１０】
第３導電素子は、第２導電素子と同様の技術的思想に基づいて導入される構成であって、地板１０とパッチ部２０とを接続するための構成である。第３導電素子は、第１周波数ｆ１や第２周波数ｆ２に応じた静電容量を提供するコンデンサ等を介してパッチ部２０と接続されていれば良い。第１導電素子４１や第２導電素子５１、第３導電素子を互いに区別しない場合には、単に導電素子とも記載する。
【０１１１】
［変形例５］
パッチ部２０の周囲には、図１９から図２４に示すように、ループ状の導体部材であるループ部１００を配置してもよい。そのような構成の一例を変形例５として以下に説明する。便宜上、本変形例５及び後述の種々の変形例ではパッチ部２０を仮想的又は実体的に複数に分割してなるサブパッチ部２３の概念を導入して、第１導電素子４１や第２導電素子５１の配置態様について説明する。
【０１１２】
サブパッチ部２３は、パッチ中心点２１からパッチ部２０の縁部が備える各頂点に向かって延びる複数の半直線によって、パッチ部２０を仮想的に分割してなる個々の領域を指す。つまり、正六角形状のパッチ部２０は６つのサブパッチ部２３に分割される。図１９においてパッチ部２０上に示している破線は、サブパッチ部２３の境界線（以降、サブパッチ境界線）を示している。サブパッチ境界線は、パッチ中心点２１とパッチ部２０の縁部が備える各頂点とを接続する線に相当する。なお、パッチ部２０上に示している一点鎖線や二点鎖線は、図１６と同様に、パッチ中心点２１からの距離が第１距離Ｒ１となる円（つまり内側円）や、パッチ中心点２１からの距離が第２距離Ｒ２となる円（つまり外側円）を表している。
【０１１３】
ループ部１００は、支持部３０の上面において、パッチ部２０の縁部と所定の間隔Ｇを有するように形成される。間隔Ｇは、第２周波数ｆ２の波長に対して十分に小さければ良く、具体的な値はシミュレーションや試験（以降、試験等）によって適宜決定されれば良い。間隔Ｇは、少なくとも第２周波数ｆ２の波長の５０分の１以下とすることが好ましい。ループ部１００の幅もまた、第２周波数ｆ２の波長に対して十分に小さければ良く、その具体的な値は適宜設計されればよい。
【０１１４】
本変形例５の給電線路６０は、ループ部１００に給電するように構成されている。給電線路６０の一端は、同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続されており、他端は、ループ部１００と電磁結合するように上面に形成されている。給電線路６０から入力された電流は、ループ部１００を介して、パッチ部２０に伝搬し、パッチ部２０を励振させる。給電線路６０においてループ部１００側の端部をループ側端部と称する。ループ部１００において、ループ側端部と最も近い点が給電点１０１として機能する。
【０１１５】
本実施形態ではより好ましい態様としてサブパッチ境界線の延長線上に給電点が位置するように、給電線路６０が配置されている。このような構成によれば給電線路６０からの電流を同時に（換言すれば並行して）複数のサブパッチ部２３に流入させることができる。
【０１１６】
第１短絡部４０を形成する第１導電素子４１は、複数のサブパッチ部２３のそれぞれに、少なくとも１つずつ存在するように配置することが好ましい。また、より好ましくは、図２０に示すように第１導電素子４１は、パッチ中心点２１を通ってサブパッチ部２３を二等分する線（以降、サブパッチ二等分線）上に配置されていることが好ましい。図１８中の一点鎖線は、サブパッチ二等分線を示している。
【０１１７】
なお、必ずしも全てのサブパッチ部２３に第１導電素子４１が存在するように第１短絡部４０を形成する必要はない。第１導電素子４１が存在しないサブパッチ部２３が存在しても良い。第１導電素子４１は一点鎖線で示す内側円の円周上に等間隔で配置されていればよい。また、第１導電素子４１は、サブパッチ二等分線からずれた位置に配置されていてもよい。
【０１１８】
第２短絡部５０を形成する第２導電素子５１も、第１導電素子４１と同様に、複数のサブパッチ部２３のそれぞれに、少なくとも１つずつ存在するように配置することが好ましい。また、より好ましくは、第２導電素子５１はサブパッチ二等分線上に配置されていることが好ましい。
【０１１９】
ここでは一例として、第１導電素子４１及び第２導電素子５１は、各サブパッチ部２３に１つずつ配置されている。つまり、第１素子数Ｍ及び第２素子数Ｎはサブパッチ部２３の数と一致している。また、複数の第１導電素子４１及び複数の第２導電素子５１のそれぞれはサブパッチ二等分線上に配置されている。
【０１２０】
このような構成によっても上述した実施形態と同様の効果を奏する。また、ループ部１００を設けた構成によれば、各周波数での放射利得を高めることができる。これは、ループ部１００が、複数のサブパッチ部２３への給電の際に隣接するサブパッチ部２３間の位相差を同相に揃えたり、もしくは、パッチ部２０全体としての放射利得が向上するように各サブパッチ部２３に対して適切な位相差を与えたりする要素として機能しているためであると考えられる。
【０１２１】
［変形例６］
変形例５として開示の構成において、第１周波数ｆ１や第２周波数ｆ２といった、個々の動作周波数での動作帯域を広げるために、図２１に示すように、パッチ部２０の縁部の各頂点からパッチ中心点２１に向かう方向に、所定の長さを有する直線状のスリット２４をパッチ部２０に設けてもよい。このような構成を変形例６とする。なお、スリット２４は、別の観点によれば、パッチ部２０を電気的に６つのサブパッチ部２３に分割する構成に相当する。
【０１２２】
スリット２４は、パッチ部２０の縁部が有する頂点（換言すれば角）からパッチ中心点２１に向かって延びる切り込みである。スリット２４は、別の観点によればサブパッチ境界線に沿って形成された切り込みに相当する。スリット２４の一端は、ループ部１００とパッチ部２０との間隙と接続している。スリット２４においてパッチ中心点２１側に位置する端部を、便宜上、中心側端部と称する。
【０１２３】
スリット２４の長さは、適宜設計されれば良い。ただし、この変形例６の構成においては、各サブパッチ部２３が他のサブパッチ部２３と物理的に分断されないように、中心側端部とパッチ中心点２１との距離は、第１周波数ｆ１の波長の１００分の１以上とすることが好ましい。各サブパッチ部２３は、パッチ中心点近傍において連結した構成となっている。スリット２４の幅は適宜設計されれば良い。例えば第２周波数ｆ２の波長の１０分の１程度に設定されればよい。
【０１２４】
この変形例６として開示の構成によれば、第１周波数ｆ１や第２周波数ｆ２といった、個々の周波数での動作帯域を広げることができる。この理由は次のように推測される。パッチ部２０に複数のスリット２４を設けることによって、サブパッチ部２３同士の結合が弱まり、各サブパッチ部２３への電流の流入量に偏りが生じやすくなる。
【０１２５】
その結果、或る周波数においては、給電点から相対的に遠いサブパッチ部２３が励振しづらくなり、パッチ部２０において電界が分布する領域が減少する。換言すれば、或る周波数においては、給電点に比較的近い複数のサブパッチ部２３が結合して、１つのパッチ部として機能する。当然、一部のサブパッチ部２３が結合してなる領域の面積は、元のパッチ部２０よりも面積よりも小さいため、並列励振に寄与する静電容量が減少し、対象周波数から僅かにずれた周波数で並列共振するようになる。換言すれば、スリット２４を配置することにより、サブパッチ部２３同士の結合が相対的に疎となり、送受信の対象とする周波数からずれた周波数でも励振しやすくなる。このような作用により、第１周波数ｆ１や第２周波数ｆ２といった、個々の周波数での動作帯域が広がる。
【０１２６】
なお、パッチ部２０に電流を供給する役割を担うループ部１００は、全てのサブパッチ部２３の外側に配置されている。そのため、全てのサブパッチ部２３が結合した状態でも動作する。つまり、第１周波数ｆ１や第２周波数ｆ２といった、送受信の対象とする本来の周波数でも動作する。なお、ここでのサブパッチ部２３同士が結合してなる領域とは、比較的強い電界が分布する領域を指す。
【０１２７】
［変形例７］
変形例６にて導入したスリット２４の中心線上に、図２２に示すように、ループ部１００からパッチ中心点２１に向かって延びる線状の導体部材（以降、線状エレメント）１１０を設けてもよい。なお、スリット２４の中心線とは、サブパッチ境界線に相当する。
【０１２８】
線状エレメント１１０は、スリット２４の中心線上において、一端がループ部１００と接続し、他端がパッチ中心点近傍でパッチ部２０と接続するように形成する。つまり、線状エレメント１１０は、パッチ部２０のパッチ中心点近傍となる領域とループ部１００とを電気的に接続するとともに、サブパッチ部２３間の容量結合を弱める役割を担う。ループ部１００に流入した電流は、ループ部１００だけでなく、線状エレメント１１０からもサブパッチ部２３へと流入する。
【０１２９】
つまり、この変形例７の構成によれば、給電点からの電流がサブパッチ部２３へ供給されやすくなる。そのため、ループ部１００とパッチ部２０との間隔Ｇの上限値を、実施形態に比べて大きくすることができる。換言すれば、ループ部１００とパッチ部２０との間隔Ｇに対する制約を緩和することができる。なお、図２２では線状エレメント１１０の明示のため一部の部材についての符号の記載は省略している。
【０１３０】
［変形例８］
図２３は、変形例７のさらなる変形例であって、スリット２４を他のスリット２４と接続するまで延長させ、サブパッチ部２３を他のサブパッチ部２３と分断させた構成を示している。すなわち、パッチ部２０を実体的に分割してなるそれぞれの領域が、サブパッチ部２３として機能する。なお、図２３も図２２と同様に、一部の部材についての符号の記載は省略している。
【０１３１】
このような構成は、サブパッチ部２３同士が所定の間隔を有するように実体的にパッチ部２０を実体的に分割した構成において、サブパッチ部２３同士の間隙に、パッチ中心点２１からループ部１００に向かって線状エレメント１１０を延設した構成に相当する。
【０１３２】
この変形例８の構成によれば、給電点１０１からの電流がサブパッチ部２３へ供給されやすくなる。そのため、ループ部１００とパッチ部２０との間隔Ｇの上限値を、変形例５〜７に開示の構成に比べて大きくすることができる。換言すれば、ループ部１００とパッチ部２０との間隔Ｇに対する制約を緩和することができる。
【０１３３】
［変形例９］
上述した実施形態等ではパッチ部２０の平面形状を正六角形とする態様について説明したが、これに限らない。パッチ部２０の平面形状は、円形や、正八角形、正方形、正三角形などであってもよい。例えば図２４に示すように円形であっても良い。図２４は変形例５におけるパッチ部２０の平面形状を円形とした場合の態様を概略的に示している。変形例５等のサブパッチ部２３の概念を用いる構成において、パッチ部２０の平面形状を円形とする場合には、サブパッチ部２３の設定は、円の中心を通る直線によって実施されればよい。個々のサブパッチ部２３は同一寸法となるように設定されればよい。図２４では、６つのサブパッチ部２３を設定した態様を示しているが、パッチ部２０の平面形状を円形とする場合のサブパッチ部２３の数は適宜設計されればよく、例えば４や８などであっても良い。
【符号の説明】
【０１３４】
１  アンテナ装置、１０  地板、２０  パッチ部、２１  パッチ中心点、２２  給電点、２３  サブパッチ部、２４  スリット、３０  支持部、４０  第１短絡部、４１  第１導電素子、５０  第２短絡部、５１  第２導電素子、６０  給電線路、７０  コンデンサ（フィルタ部）、９０  内部導体板、１００  ループ部、１１０  線状エレメント
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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