(57)【要約】【課題】円偏波を放射し、かつ小型化できるアンテナ装置を提供する。【解決手段】アンテナ装置１は、第１の偏波面を持つ電波を放射する第１のアンテナ素子１１と、第１の偏波面と直交する第２の偏波面を持つ電波を放射する第２のアンテナ素子１２とを有する。第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２との互いに近接する側の端部同士は、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２との間に電磁結合が生じるような位置関係で配置される。第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とには、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２との間の電磁結合に起因する、円偏波となる位相差からの位相のずれを補償して第１のアンテナ素子１１から放射される電波と第２のアンテナ素子１２から放射される電波との合成波が円偏波となるような位相差で給電される。【選択図】図１
2016129320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の偏波面を持つ電波を放射する第１のアンテナ素子と、
前記第１の偏波面と直交する第２の偏波面を持つ電波を放射する第２のアンテナ素子であって、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子との互いに近接する側の端部同士が、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子との間に電磁結合が生じるような位置関係で配置される第２のアンテナ素子と、
を有し、
前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とには、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子との間の前記電磁結合に起因する、円偏波となる位相差からの位相のずれを補償して前記第１のアンテナ素子から放射される電波と前記第２のアンテナ素子から放射される電波との合成波が円偏波となるような位相差で給電される、
アンテナ装置。
【請求項２】
平板状に形成され、接地される導体である接地電極と、
前記第１のアンテナ素子及び前記第２のアンテナ素子に給電する給電素子と、
をさらに有し、
前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とは、それぞれ、ループ状の導体で形成されるループアンテナであり、
前記第１のアンテナ素子のループ面と前記第２のアンテナ素子のループ面とが前記接地電極の表面と直交し、かつ、前記第１のアンテナ素子の前記接地電極に近接する側の辺と前記第２のアンテナ素子の前記接地電極に近接する側の辺とが、それぞれ、前記接地電極から所定距離だけ離して平行となるように、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とは配置され、
前記給電素子は、
前記第１のアンテナ素子の前記接地電極に近接する側の辺に沿って、前記第１のアンテナ素子と電磁結合するように配置され、かつ、一端で給電される第１の給電部と、
前記第１の給電部の他端と電気的に接続され、かつ、前記第２のアンテナ素子の前記接地電極に近接する側の辺に沿って、前記第２のアンテナ素子と電磁結合するように配置される第２の給電部とを有し、
前記第２の給電部の前記第２のアンテナ素子の前記接地電極に近接する側の辺に沿った長さが前記第１の給電部の前記第１のアンテナ素子の前記接地電極に近接する側の辺に沿った長さよりも長い、
請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とは、所定の設計波長を持つ電波を放射または受信し、
前記給電素子は、前記所定の設計波長の1/4倍よりも長く、
前記第１の給電部の長さは、前記所定の設計波長の1/4倍よりも短い、請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記第２のアンテナ素子と前記第２の給電部との間隔は、前記第１のアンテナ素子と前記第１の給電部との間隔よりも狭い、請求項２または３に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記第２のアンテナ素子のループを形成する導体の前記ループ面に直交する方向の幅は、前記第１のアンテナ素子のループを形成する導体の前記ループ面に直交する方向の幅よりも広い、請求項２〜４の何れか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
平板状に形成され、接地される導体である接地電極をさらに有し、
前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とは、それぞれ、線状の導体で形成されるダイポールアンテナであり、
前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とは、前記接地電極の表面から所定距離だけ離れ、かつ前記第１のアンテナ素子の長手方向と前記第２のアンテナ素子の長手方向とが互いに直交するとともに前記接地電極の表面と平行となるように配置される、
請求項１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、例えば、アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Radio Frequency IDentification（ＲＦＩＤ）システムは、ＲＦＩＤタグと呼ばれる媒体に記憶された人又は物の個別情報を、リーダライタと呼ばれる無線通信装置との無線通信によって読書きする自動認識システムである。ＲＦＩＤタグ側のアンテナには、直線偏波アンテナが使用されることが多い。そのため、ＲＦＩＤタグがどの方向を向いていても送受信できるように、リーダライタ側のアンテナとして、円偏波を放射できる円偏波アンテナが使用される。
【０００３】
また、Global Positioning System（ＧＰＳ）を利用してその位置を特定する機能を備える腕時計がある。このような腕時計は、例えば、ＧＰＳ衛星からの電波を受信するために、高周波帯のＧＰＳ用のアンテナとして、円偏波アンテナを内蔵する。
【０００４】
しかしながら、このような円偏波アンテナは、その近傍に金属等の導体があると著しく利得等の特性が劣化するという課題があった。例えば、腕時計内にＧＰＳ用のパッチアンテナを設置する場合には、パッチアンテナと腕時計内に組み込まれた他の電子部品等とが相互作用して、利得が低下することがある。また、ＲＦＩＤシステムにおいて、読取対象のＲＦＩＤタグよりもリーダライタに近い位置に読取対象以外のＲＦＩＤタグがある場合、ＲＦＩＤタグが導体であることから、リーダライタのアンテナからの電波が読取対象以外のＲＦＩＤタグに影響され、利得が低下することがある。
【０００５】
一方、アンテナの近傍にある導体による利得の低下を防止するために、互いに略直交する向きに設けられ、かつそれぞれループアンテナ部を有する二組のアンテナ素子と、９０度位相差分配器とを備えるアンテナ装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。９０度位相差分配器は、二組のアンテナ素子に給電位相の差が略９０度になるように給電する。そして、二組のアンテナ素子は、偏波面が直交関係にあることから、アンテナ素子と導体との距離が変化しても垂直、水平両偏波が発生する。これにより、特許文献１に開示されたアンテナ装置は、導体との距離に関わらず、円偏波を放射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１７３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
二組のアンテナ素子を近接して配置すると、二組のアンテナ素子の間に電磁結合が生じる。この二組のアンテナ素子の間の電磁結合に起因する位相のずれのために、アンテナ装置は、二組のアンテナ素子に略９０度の位相差で給電されても、垂直偏波と水平偏波との位相差が略９０度とならず、円偏波を放射できない。このため、特許文献１に開示されたアンテナ装置では、二組のアンテナ素子の間に電磁結合が生じないように、アンテナ素子同士が離されて配置されている。そのため、アンテナ素子同士が離されて配置されることで、特許文献１に開示されたアンテナ装置では、その小型化に限界があった。
【０００８】
そこで、本明細書は、円偏波を放射し、かつ小型化することができ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】
【０００９】
一つの実施形態によれば、アンテナ装置が提供される。このアンテナ装置は、第１の偏波面を持つ電波を放射する第１のアンテナ素子と、第１の偏波面と直交する第２の偏波面を持つ電波を放射する第２のアンテナ素子とを有する。第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子との互いに近接する側の端部同士は、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子との間に電磁結合が生じるような位置関係で配置される。第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子とには、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子との間の電磁結合に起因する、円偏波となる位相差からの位相のずれを補償して第１のアンテナ素子から放射される電波と第２のアンテナ素子から放射される電波との合成波が円偏波となるような位相差で給電される。
【００１０】
本発明の目的及び利点は、請求項において特に指摘されたエレメント及び組み合わせにより実現され、かつ達成される。
上記の一般的な記述及び下記の詳細な記述の何れも、例示的かつ説明的なものであり、請求項のように、本発明を限定するものではないことを理解されたい。
【発明の効果】
【００１１】
本明細書に開示されたアンテナ装置は、円偏波を放射し、かつ小型化すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態によるアンテナ装置の斜視図である。
【図２】第１の実施形態によるアンテナ装置の平面図である。
【図３】第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子とに90°の位相差で直接給電した場合の軸比のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】（ａ）は、シミュレーションに利用したアンテナ装置の各部の寸法を示す図であり、（ｂ）は、アンテナ装置のインピーダンスの整合に利用した整合回路の回路図である。
【図５】（ａ）は、アンテナ装置の絶対利得のシミュレーション結果を示す図であり、（ｂ）は、軸比のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】第１の実施形態の変形例によるアンテナ装置の平面図である。
【図７】第２の実施形態によるアンテナ装置の斜視図である。
【図８】第２の実施形態によるアンテナ装置の平面図である。
【図９】90°の位相差で給電した場合の各アンテナ素子の長さとアンテナ素子の軸比の関係を表すシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】第２の実施形態において様々な位相差で給電した場合の周波数と軸比の関係を示すシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図を参照しつつ、アンテナ装置について説明する。このアンテナ装置では、互いに直交する偏波面を持つ電波を放射する二つのアンテナ素子の近接する側の端部同士がその二つのアンテナ素子間に電磁結合が生じるほど近づけられることで小型化される。その上で、その二つのアンテナ素子に、円偏波となる位相差からの二つのアンテナ素子間の電磁結合による位相のずれを補償するような位相差で給電することで、このアンテナ素子は、円偏波を放射することを可能とする。
【００１４】
図１は、第１の実施形態によるアンテナ装置の斜視図である。図２は、第１の実施形態によるアンテナ装置の平面図である。
【００１５】
アンテナ装置１は、接地された平板状の導体である接地電極１０と、第１のアンテナ素子１１と、第２のアンテナ素子１２と、給電線路１３とを有する。接地電極１０、第１のアンテナ素子１１、第２のアンテナ素子１２及び給電線路１３は、例えば、銅、金、銀、ニッケルといった金属またはこれらの合金若しくはその他の導電性を有する材料によって形成される。また、接地電極１０と、第１のアンテナ素子１１、第２のアンテナ素子１２及び給電線路１３とは、互いに絶縁されている。
【００１６】
なお、アンテナ装置１は、接地電極１０、第１のアンテナ素子１１、第２のアンテナ素子１２及び給電線路１３を支持する基板を有してもよい。基板は、例えば、FR-4といったガラスエポキシ樹脂、あるいは、層状に形成可能な他の誘電体により形成されればよい。そして、接地電極１０は、例えば、エッチングまたは接着によって基板の一方の面に固定されればよい。また、第１のアンテナ素子１１、第２のアンテナ素子１２及び給電線路１３は、例えば、接着によって基板の他方の面に固定されればよい。
【００１７】
第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とは、それぞれ、一巻の長方形のループ状の導体で形成されるループアンテナである。本実施形態では、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２との一周の長さが、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とから放射または第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とで受信される電波の波長よりも若干短くなっている。
なお、以下では、便宜上、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とから放射または第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とで受信される電波の波長を設計波長と呼ぶ。また設計波長をλで表す。
【００１８】
第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とは、それぞれ、ループ面が接地電極１０の表面と直交し、かつ、ループ面の長手方向が接地電極１０と平行となるように配置されている。そして、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とは、それぞれ、接地電極１０に近接する側のループの辺が接地電極１０の表面から所定距離だけ離して配置されている。さらに、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とは、ループ面が互いに直交するように配置されている。
【００１９】
なお、以下では、説明の便宜上、第２のアンテナ素子１２の長手方向をｘ軸方向とし、第１のアンテナ素子１１の長手方向をｙ軸方向とし、接地電極１０の表面の法線方向をｚ軸方向とする。
【００２０】
上記のように、第１のアンテナ素子１１のループ面と第２のアンテナ素子１２のループ面が、それぞれ、接地電極１０と直交し、かつ、ループ面の長手方向が接地電極１０と平行となるように、その二つのアンテナ素子は配置されている。そのため、第１のアンテナ素子１１は、ｚ軸方向に進行し、かつｙｚ平面に平行な偏波面を持つ電波を放射する。また、第２のアンテナ素子１２は、ｚ軸方向に進行し、かつｘｚ平面に平行な偏波面を持つ電波を放射する。さらに、第１のアンテナ素子１１のループ面と第２のアンテナ素子１２のループ面とが互いに直交しているので、第１のアンテナ素子１１から放射される電波の偏波面と、第２のアンテナ素子１２から放射される電波の偏波面とは、互いに直交する。  なお、以下では、説明の便宜上、第１のアンテナ素子１１から放射されるｙｚ平面に平行な偏波面を持つ電波を垂直偏波とし、第２のアンテナ素子１２から放射されるｘｚ平面に平行な偏波面を持つ電波を水平偏波とする。
【００２１】
アンテナ装置１から放射される垂直偏波と水平偏波との合成波を円偏波とするために、第１のアンテナ素子１１から放射される垂直偏波と、第２のアンテナ素子１２から放射される水平偏波との位相差は90°であることが好ましい。また、第１のアンテナ素子１１から放射される垂直偏波の振幅と、第２のアンテナ素子１２から放射される水平偏波の振幅が等しいことが好ましい。
【００２２】
本実施形態では、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２との互いに近接する側の端部同士は、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２との間に電磁結合が生じるほど近接している。例えば、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２との互いに近接する側の端部同士の距離が0.2λよりも小さくなるように、その二つのアンテナ素子は配置される。このように、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２との互いに近接する側の端部同士を、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２との間に電磁結合が生じるほど近づけることで、アンテナ装置１は小型化される。しかし、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２との間の電磁結合に起因して、各アンテナ素子に給電された電流の間に位相のずれが生じる。そのために、仮に、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とに90°の位相差で直接給電したとしても、垂直偏波と水平偏波との位相差は、90°とならない。このため、垂直偏波と水平偏波との合成波は、円偏波とならない。
【００２３】
以下に、参考として、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とに90°の位相差で直接給電した場合の電磁界シミュレーションの結果について説明する。
【００２４】
図３は、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とに90°の位相差で直接給電した場合の軸比のシミュレーション結果を示す図である。図３において、横軸は、ｘｚ平面に沿ったｚ軸方向に対する角度θ[°]を表し、縦軸は、楕円偏波のｘ軸方向の電界強度とｙ軸方向の電界強度との比である軸比[dB]を表す。また、グラフ３００は、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とに90°の位相差で直接給電した場合のｘｚ平面に沿ったｚ軸方向に対する角度θと軸比との関係を表す。軸比が0dBである場合、アンテナ装置１から放射される電磁波は、円偏波である。軸比が3dB以下であれば、アンテナ装置１から放射される電磁波は、円偏波であるとみなしてもよい。グラフ３００に示すように、軸比は3dB以下になることはなく、特に、θ＝0°の場合、軸比は30dB以上となり、3dBよりも遥かに大きくなってしまう。このため、第１のアンテナ素子１１から放射される垂直偏波と、第２のアンテナ素子１２から放射される水平偏波との合成波は、円偏波とならないことが分かる。
【００２５】
そこで、本実施形態では、以下に説明する給電線路１３を介して第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とに給電される。これにより、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２との間の電磁結合に起因する、円偏波となる位相差からの給電された電流間の位相のずれが補償される。
【００２６】
給電線路１３は、給電部の一例である。給電線路１３は、Ｌ字状に形成された導体であり、接地電極１０の表面から、第１のアンテナ素子１１の接地電極１０に近接する側のループの辺及び第２のアンテナ素子１２の接地電極１０に近接する側のループの辺と同じ距離だけ離れるように配置される。給電線路１３のＬ字状に形成された導体のうちの一方の線状部分は、第１のアンテナ素子１１の接地電極１０に近接する側のループの辺に平行に配置される。また、その一方の線状部分の一端と電気的に接続される他方の線状部分は、第２のアンテナ素子１２の接地電極１０に近接する側のループの辺に平行に配置される。給電線路１３のうち、第１のアンテナ素子１１の接地電極１０に近接する側のループの辺に平行に配置された線状部分を、以下では第１の給電部１３１と呼ぶ。また、給電線路１３のうち、第２のアンテナ素子１２の接地電極１０に近接する側のループの辺に平行に配置された線状部分を第２の給電部１３２と呼ぶ。
【００２７】
第１の給電部１３１は、第１のアンテナ素子１１の接地電極１０に近接する側のループの辺と電磁結合するほど近接して配置される。一方、第２の給電部１３２は、第２のアンテナ素子１２の接地電極１０に近接する側のループの辺と電磁結合するほど近接して配置される。そして給電線路１３のうち、第１の給電部１３１側の端部（すなわち、第２の給電部１３２から遠い方の第１の給電部１３１の端部）が給電点１３３となっており、アンテナ素子１１に給電する通信処理回路（図示せず）と接続される。一方、給電線路１３の他端（第２の給電部１３２側の端部）は開放端となっている。給電線路１３と接地電極１０とは、分布定数線路の一例であるマイクロストリップラインを形成する。
【００２８】
給電点１３３から給電線路１３に給電されると、給電線路１３には電流が流れ、給電線路１３の周囲に電界が生じる。この電界によって、互いに近接する第１の給電部１３１と第１のアンテナ素子１１との間に電磁結合が生じ、第１の給電部１３１から第１のアンテナ素子１１に給電される。同様に、互いに近接する第２の給電部１３２と第２のアンテナ素子１２との間に電磁結合が生じ、第２の給電部１３２から第２のアンテナ素子１２にも給電される。
【００２９】
また、グラフ３００に示すように、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とに90°の位相差で直接給電しても、第１のアンテナ素子１１から放射される垂直偏波と、第２のアンテナ素子１２から放射される水平偏波との合成波は、円偏波とならない。これは、垂直偏波と水平偏波との位相差が、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２との間の電磁結合に起因して、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とに給電される位相差がずれるためである。そこで、この位相差のずれを補償するために、本実施形態では、第１の給電部１３１の長さL1よりも、第２の給電部１３２の長さL2が長くなるように給電線路１３は形成される。このように給電線路１３が形成されることで、第1のアンテナ素子１１が給電を受ける部分の長さと第２のアンテナ素子１２が給電を受ける部分の長さが異なり、円偏波となる位相差からの各アンテナ素子に流れる電流の位相のずれが補償される。そのため、アンテナ装置１は、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２との互いに近接する側の端部同士を第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２との間に電磁結合が生じるほど近接させても、垂直偏波と水平偏波との合成波を円偏波にできる。
【００３０】
また、給電線路１３に流れる電流は、給電点１３３から離れるにつれて小さくなる。すなわち、給電点１３３を有する第１の給電部１３１に流れる電流よりも、給電点を有しない第２の給電部１３２に流れる電流の方が小さくなる。このため、第１の給電部１３１の長さと第２の給電部１３２の長さが等しければ、第２の給電部１３２から第２のアンテナ素子１２へ給電される電力は、第１の給電部１３１から第１のアンテナ素子１１へ給電される電力よりも少なくなる。そこで、第１の給電部１３１の長さよりも第２の給電部１３２の長さを長くすることで、第１の給電部１３１から第１のアンテナ素子１１へ給電される電力と第２の給電部１３２から第２のアンテナ素子１２へ給電される電力の差が小さくなる。
【００３１】
また、給電線路１３に流れる電流は、給電点１３３から1/4λよりも離れた位置で向きが反転する。そして、電流の向きが反転される位置では、電流の振幅が極小値となるとともに、その周囲に相対的に強い電場が形成される。このため、電流の向きが反転される位置では、相対的に電磁結合が強くなる。そこで、アンテナ素子間での給電される電力の差をより小さくするために、相対的に流れる電流が少ない第２の給電部１３２上に電流の向きが反転する位置があることが好ましい。そのために、給電線路１３は、1/4λよりも長く、かつ、第１の給電部１３１の長さL1が1/4λよりも短くなるように形成されることが好ましい。これにより、アンテナ素子間での給電される電力の差がより小さくなる。
【００３２】
また、第２の給電部１３２の長さL2が、第２のアンテナ素子１２の接地電極１０側の辺の長さよりも長いと、第２の給電部１３２の先端側に、第２のアンテナ素子１２へ給電しない部分が含まれることになるので好ましくない。そこで、第２の給電部１３２の長さL2が、1/2λよりも短くなるように給電線路１３は形成される。したがって、給電線路１３全体の長さは、1/4λよりも長く、かつ3/4λよりも短くなることが好ましい。
【００３３】
さらに、第１のアンテナ素子１１と第１の給電部１３１との間隔d1よりも、第２のアンテナ素子１２と第２の給電部１３２との間隔d2の方が狭くなるように給電線路１３は配置されることが好ましい。これにより、第２の給電部１３２と第２のアンテナ素子１２間の電磁結合を強めることができるので、アンテナ装置１は、アンテナ素子間での給電される電力の差をより小さくできる。
【００３４】
さらにまた、第１のアンテナ素子１１のループを形成する導体のループ面に直交する方向の幅w1よりも、第２のアンテナ素子１２のループを形成する導体のループ面に直交する方向の幅w2の方が広くなることが好ましい。これにより、第１のアンテナ素子１１と比較して、第２のアンテナ素子１２から放射される電波が強められる。そのため、第１のアンテナ素子１１に給電された電力よりも第２のアンテナ素子１２に給電された電力が少なくても、アンテナ装置１は、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２との間の放射される電波の振幅の差をより小さくできる。
【００３５】
以下、アンテナ装置１のアンテナ特性についてのシミュレーション結果について説明する。図４（ａ）は、シミュレーションに利用したアンテナ装置１の各部の寸法を示す図であり、図４（ｂ）は、アンテナ装置１のインピーダンスの整合に利用した整合回路の回路図である。このシミュレーションにおいて、アンテナ装置1の各部の寸法及び物理特性は、設計波長λがＲＦＩＤシステムで使用される920MHzに対応する波長となるように設定されている。
【００３６】
具体的には、第１のアンテナ素子１１、第２のアンテナ素子１２及び給電線路１３は、比誘電率4.3、厚さ2.608mmの板状に形成された誘電体の基板１４の一方の面に設けられ、接地電極１０はその基板の他方の面に設けられるものとした。また、接地電極１０、第１のアンテナ素子１１、第２のアンテナ素子１２及び給電線路１３を形成する導体の導電率を5.96x107S/mとし、厚さを50μmとした。第１のアンテナ素子１１の長手方向（すなわち、接地電極１０と平行な辺）の長さを92.91mmとし、第２のアンテナ素子１２の長手方向（すなわち、接地電極１０と平行な辺）の長さを91.28mmとした。一方、第１のアンテナ素子１１及び第２のアンテナ素子１２の短手方向（すなわち、接地電極１０の表面と直交する辺）の長さを16.25mmとした。また、第１のアンテナ素子１１を形成する導体のループ面に直交する方向の幅w1を1.63mmとし、一方、第２のアンテナ素子１２を形成する導体のループ面に直交する方向の幅w2を4.89mmとした。さらに、給電線路１３の第１のアンテナ素子１１に沿った長さ、すなわち、第１の給電部１３１の長さL1を35.86mmとし、一方、給電線路１３の第２のアンテナ素子１２に沿った長さ、すなわち、第２の給電部１３２の長さL2を58.68mmとした。また給電線路１３の幅を3.2mmとした。そして第１のアンテナ素子１１と第１の給電部１３１との間隔d1を2.217326mmとし、第２のアンテナ素子１２と第２の給電部１３２との間隔d2を1.585162mmとした。
なお、このシミュレーションでは、920MHzにおいてアンテナ装置１のインピーダンスが50Ωに整合していないため、波源４００とアンテナ装置１との間に、図４（ｂ）に示される整合回路４０１が挿入されている。整合回路４０１は、直列コンデンサ４０２と並列コンデンサ４０３とを有する。直列コンデンサ４０２は、一端が波源４００と接続され、他端がアンテナ装置１の給電線路１３の給電点及び並列コンデンサ４０３の一端と接続されている。また、並列コンデンサ４０３の他端は接地されている。そして直列コンデンサ４０２は2pFの容量を持つものとし、並列コンデンサ４０３は0.8pFの容量を持つものとした。
【００３７】
図５（ａ）は、アンテナ装置１の動作利得のシミュレーション結果を示す図である。また図５（ｂ）は、軸比のシミュレーション結果を示す図である。図５（ａ）において、グラフ５１０は、ｘｚ平面に沿ったｚ軸方向に対する角度θとアンテナ装置１の動作利得[dBi]との関係を表す。グラフ５１０に示すように、アンテナ装置１の動作利得は、θ＝5°の場合に最大値5.52dBとなる。また、半値角は、108.8°となる。このように、良好な利得が得られることが分かる。
【００３８】
図５（ｂ）において、横軸はｘｚ平面に沿ったｚ軸方向に対する角度θ[°]を表し、縦軸は軸比[dB]を表す。グラフ５２０は、ｘｚ平面に沿ったｚ軸方向に対する角度θと軸比との関係を表す。グラフ５２０に示すように、θ＝0°及びその近傍において、軸比は、3dB以下となり、第１のアンテナ素子１１から放射される垂直偏波と、第２のアンテナ素子１２から放射される水平偏波との合成波は、円偏波となることが分かる。なお、この場合、第１のアンテナ素子１１に給電された電流と第２のアンテナ素子１２に給電された電流の位相差は、略110°であった。
【００３９】
以上に説明してきたように、このアンテナ装置では、互いに直交する偏波面を持つ電波を放射する二つのアンテナ素子の互いに近接する側の端部同士は、その二つのアンテナ素子間に電磁結合が生じるほど近づけられる。これにより、アンテナ装置を小型化することが可能となる。そしてこのアンテナ装置は、二つのアンテナ素子間の電磁結合に起因する、円偏波となる位相差からのアンテナ素子に給電された電流の位相のずれを補償するような位相差で給電するための給電線路を有する。これにより、このアンテナ装置は、円偏波を放射することができる。また、このアンテナ装置は、９０°位相差分配器等を必要としない。このため、アンテナ装置の近傍に、他の電子部品等を設置するスペースが確保される。したがって、このアンテナ装置は、このアンテナ装置を有する装置の小型化も可能とする。
【００４０】
なお、変形例によれば、GPS機能を備える腕時計などの装置にアンテナ装置を搭載する場合等には、各アンテナ素子の形状をその装置の形状に合わせることが好ましい。そこで変形例によれば、第１のアンテナ素子、第２のアンテナ素子及び給電線路は、接地電極の表面に平行な面に沿って湾曲していてもよい。
【００４１】
図６は、変形例によるアンテナ装置の平面図である。アンテナ装置２は、第１の実施形態によるアンテナ装置１と比較して、各アンテナ素子の形状及び給電線路の形状が異なる。そこで以下では、各アンテナ素子の形状及び給電線路の形状及びその関連部分について説明する。
【００４２】
アンテナ装置２が有する第１のアンテナ素子２１及び第２のアンテナ素子２２も、接地電極（図示せず）の表面に直交する方向に沿ってループ面が形成され、かつ、長手方向が接地電極と平行となるループアンテナである。ただし、この変形例では、第１のアンテナ素子２１及び第２のアンテナ素子２２は、接地電極の表面に平行な面において、腕時計等の外形形状に合わせて長手方向の辺が円弧状に湾曲されている。また、第１のアンテナ素子２１と第２のアンテナ素子２２とは、第１のアンテナ素子２１から放射される電波の偏波面と、第２のアンテナ素子２２から放射される電波の偏波面とが互いに直交するように配置されている。
【００４３】
また、給電線路２３も、円弧状の導体で形成される。変形例においても、給電線路２３は、接地電極の表面から、第１のアンテナ素子２１と第２のアンテナ素子２２との接地電極に近接する側の辺と同じ距離だけ離れて配置されている。また、給電線路２３は、第１のアンテナ素子２１の接地電極に近接する側の辺に沿って配置される第１の給電部２３１と、第２のアンテナ素子２２の接地電極１０に近接する側の辺に沿って配置される第２の給電部２３２とを含む。そして、第１の給電部２３１と第１のアンテナ素子２１の接地電極に近接する側の辺とが電磁結合し、かつ第２の給電部２３２と第２のアンテナ素子２２の接地電極に近接する側の辺とが電磁結合することで、各アンテナ素子は給電される。そしてこの変形例でも、給電線路２３の第１の給電部２３１側の端部が給電点２３３であり、給電線路２３の第２の給電部２３２側の端部は開放端である。また、給電線路２３は、給電点２３３を有する第１の給電部２３１の長さよりも、給電点を有しない第２の給電部２３２の長さの方が長くなるように形成される。
【００４４】
この変形例においても、二つのアンテナ素子は、電磁結合が生じるほど近接して配置され、かつ、給電線路によりアンテナ素子間の電磁結合による円偏波からの位相のずれが補償されるので、アンテナ装置は、円偏波を放射し、かつ小型化することができる。
【００４５】
次に、第２の実施形態によるアンテナ装置について説明する。第２の実施形態によるアンテナ装置は、第１の実施形態によるアンテナ装置と比較して、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子とがダイポールアンテナである点で異なる。
【００４６】
図７は、第２の実施形態によるアンテナ装置３の斜視図である。図８は、第２の実施形態によるアンテナ装置の平面図である。
【００４７】
アンテナ装置３は、接地された平板状の導体である接地電極３０と、第１のアンテナ素子３１と、第２のアンテナ素子３２とを有する。第２の実施形態においても、接地電極３０、第１のアンテナ素子３１及び第２のアンテナ素子３２は、例えば、銅、金、銀、ニッケルといった金属またはこれらの合金若しくはその他の導電性を有する材料によって形成される。また、接地電極３０と、第１のアンテナ素子３１及び第２のアンテナ素子３２とは、互いに絶縁されている。
【００４８】
第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２とは、それぞれ同一の長さＬを有する線状の導体で形成されるダイポールアンテナである。本実施形態では、第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２との長手方向の長さＬが、1/2λよりも短くなっている。
【００４９】
第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２とは、長手方向が接地電極３０の表面と平行、かつ、接地電極３０の表面から所定距離ｈだけ離れるように配置されている。また、第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２とは、長手方向が互いに直交するように配置されている。
なお、以下では、説明の便宜上、第２のアンテナ素子３２の長手方向をｘ軸方向とし、第１のアンテナ素子３１の長手方向をｙ軸方向とし、接地電極３０の表面の法線方向をｚ軸方向とする。
【００５０】
第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２との長手方向が互いに直交するように配置されているため、第１のアンテナ素子３１から放射される電波の偏波面と、第２のアンテナ素子３２から放射される電波の偏波面とは、互いに直交する。本実施形態において、第１のアンテナ素子３１は、ｚ軸方向に進行し、かつｙｚ平面に平行な偏波面を持つ電波を放射する。第２のアンテナ素子３２は、ｚ軸方向に進行し、かつｘｚ平面に平行な偏波面を持つ電波を放射する。
なお、以下では、説明の便宜上、第１のアンテナ素子３１から放射されるｙｚ平面に平行な偏波面を持つ電波を垂直偏波とし、第２のアンテナ素子３２から放射されるｘｚ平面に平行な偏波面を持つ電波を水平偏波とする。
【００５１】
第１のアンテナ素子３１は、その中心に通信処理回路（図示せず）から給電される第１の給電点３１０を有する。同様に、第２のアンテナ素子３２は、その中心に通信処理回路（図示せず）から給電される第２の給電点３２０を有する。
【００５２】
アンテナ装置３から放射される電波には、第１のアンテナ素子３１から放射される垂直偏波と、第２のアンテナ素子３２から放射される水平偏波の他に、各アンテナ素子から接地電極３０を挟んで2hの位置のイメージ電流の作る電波が含まれる。
さらに、第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２との互いに近接する側の端部同士は、第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２との間に電磁結合が生じるほど近づけられる。
【００５３】
そのため、第１のアンテナ素子３１に給電される電流の位相と第２のアンテナ素子３２に給電される電流の位相との差を90°としても、アンテナ装置３から放射される電波は円偏波とならない。そこで本実施形態では、水平偏波と垂直偏波の位相差が90°となり、円偏波が形成されるように、各アンテナ素子に給電される電流の位相差が調整される。ただし、各アンテナ素子の長さが短くなるほど、アンテナ素子間の電磁結合は弱くなるので、各アンテナ素子の長さがある長さ以下であれば、各アンテナ素子に給電される電流の位相差が90°となっていてもよい。
【００５４】
図９は、アンテナ装置３が使用される周波数を1.5GHzとした場合に、90°の位相差で給電した場合の各アンテナ素子の長さとアンテナ素子の軸比の関係を表すシミュレーション結果を示す図である。このシミュレーションにおいて、接地電極３０と、第１のアンテナ素子３１及び第２のアンテナ素子３２との間隔hを20mmとした。また、第１のアンテナ素子３１の幅と第２のアンテナ素子３２の幅をそれぞれ1mmとした。さらに、第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２との互いに近接する側の端部同士の距離を0.1mmとした。
【００５５】
図９において、横軸は第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２との長さL[mm]を表し、縦軸は軸比[dB]を表す。また、グラフ９００は、90°の位相差で各アンテナ素子に給電した場合における、第１のアンテナ素子３１及び第２のアンテナ素子３２の長手方向の長さLと、の軸比との関係を表す。グラフ９００に示されるように、第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２との長手方向の長さLが60mm以上となる場合、軸比は3dBよりも大きくなる。したがって、第１のアンテナ素子３１及び第２のアンテナ素子３２の長手方向の長さLが60mm以上である場合、二つのアンテナ素子間での給電される電流の位相が、円偏波となる位相差からのずれを補償するように調節される。また、このシミュレーションでは、周波数は1.5GHzに設定されており、すなわち、設計波長は20cmとなる。したがって、第１のアンテナ素子３１及び第２のアンテナ素子３２の長手方向の長さLが設計波長の3/10以上である場合に、二つのアンテナ素子間での給電される電流の位相が、円偏波となる位相差からのずれを補償するように調節されればよい。
【００５６】
図１０は、様々な位相差で給電した場合の軸比のシミュレーション結果を示す図である。このシミュレーションにおいて、第１のアンテナ素子３１及び第２のアンテナ素子３２の長さLを、共振周波数1.5GHzに対応する90mmとした。また、接地電極３０と、第１のアンテナ素子３１及び第２のアンテナ素子３２との間隔ｈを20mmとした。さらに、第１のアンテナ素子３１の幅と第２のアンテナ素子３２の幅を、それぞれ1mmとした。そして第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２との互いに近接する側の端部同士の距離を、0.1mmとした。
【００５７】
図１０において、横軸は周波数[MHz]を表し、縦軸は軸比[dB]を表す。また、グラフ１０１０は、第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２とに70°の位相差で給電した場合の周波数と軸比との関係を表す。グラフ１０２０は、第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２とに90°の位相差で給電した場合の周波数と軸比との関係を表す。グラフ１０３０は、第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２とに110°の位相差で給電した場合の周波数と軸比との関係を表す。グラフ１０４０は、第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２とに130°の位相差で給電した場合の周波数と軸比との関係を表す。グラフ１０５０は、第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２とに150°の位相差で給電した場合の周波数と軸比との関係を表す。
【００５８】
グラフ１０３０で示されるように、第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２とに110°の位相差で給電する場合、周波数1.2MHz近傍において、軸比が3dB以下となる。そこで、第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２とに110°の位相差で給電することで、アンテナ装置３は、1.2MHzの周波数の電波を円偏波として放射できる。
【００５９】
また、グラフ１０４０に示すように、第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２とに130°の位相差で給電する場合、周波数1.3MHz近傍において、軸比が3dB以下となる。そこで、第１のアンテナ素子３１と第２のアンテナ素子３２とに130°の位相差で給電することで、アンテナ装置３は、1.3MHzの周波数の電波を円偏波として放射できる。
【００６０】
以上に説明してきたように、第２の実施形態では、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子とはダイポールアンテナとして形成される。この場合でも、各アンテナ素子間に電磁結合が生じるほど互いに近接する側の端部を近づけて、かつ、その電磁結合による円偏波となる位相差からのずれを補償するよう各アンテナ素子に給電することで、アンテナ装置を小型化しつつ、円偏波の放射が可能となる。
【００６１】
ここに挙げられた全ての例及び特定の用語は、読者が、本発明及び当該技術の促進に対する本発明者により寄与された概念を理解することを助ける、教示的な目的において意図されたものであり、本発明の優位性及び劣等性を示すことに関する、本明細書の如何なる例の構成、そのような特定の挙げられた例及び条件に限定しないように解釈されるべきものである。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、本発明の精神及び範囲から外れることなく、様々な変更、置換及び修正をこれに加えることが可能であることを理解されたい。
【符号の説明】
【００６２】
１〜３    アンテナ装置
１０、３０    接地電極
１１、２１、３１    第１のアンテナ素子
１２、２２、３２    第２のアンテナ素子
１３、２３    給電線路
１３１、２３１    第１の給電部
１３２、２３２    第２の給電部
１３３、２３３    給電点
１４    基板
３１０    第１の給電点
３２０    第２の給電点
【図１】
2016129320.tif 000003
【図２】
2016129320.tif 000004
【図３】
2016129320.tif 000005
【図４】
2016129320.tif 000006
【図５】
2016129320.tif 000007
【図６】
2016129320.tif 000008
【図７】
2016129320.tif 000009
【図８】
2016129320.tif 000010
【図９】
2016129320.tif 000011
【図１０】
2016129320.tif 000012