(57)【要約】【課題】小型化や平面化が可能な単一指向性パターンを形成する平面アンテナを提供する。【解決手段】平面アンテナ（１）は、それぞれが、板状に形成された導体である地板（１１，２１）、地板と離隔して対向するように配置された導体である平板（１２，２２）、地板と平板間を短絡する少なくとも一つの短絡部（１３，２３）を有し０次共振する複数のメタマテリアル素子（１０，２０）を備える。複数のメタマテリアル素子の一つは、平板に接続され給電を行う給電部を備える給電素子（１０）、給電素子以外のメタマテリアル素子は、平板を地板に短絡する無給電部（２４）を備えた無給電素子（２０）として構成される。そして、給電素子および無給電素子は、ビームの放射方向に沿って配列されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが、板状に形成された導体である地板（１１，２１）、前記地板と離隔して対向するように配置された導体である平板（１２，２２）、前記地板と前記平板間を短絡する少なくとも一つの短絡部（１３，２３）を有し０次共振する複数のメタマテリアル素子（１０，２０）を備え、
前記複数のメタマテリアル素子の一つは、前記平板に接続され給電を行う給電部（１４）を備える給電素子（１０）、前記給電素子以外の前記メタマテリアル素子は、前記平板を地板に短絡する無給電部（２４）を備えた無給電素子（２０）として構成され、
前記給電素子および前記無給電素子が、ビームの放射方向に沿って配列されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項２】
前記無給電素子の少なくとも一つは、前記給電素子より共振周波数が高く設定された容量性の無給電素子、または前記給電素子より共振周波数が低く設定された誘導性の無給電素子として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の平面アンテナ。
【請求項３】
前記無給電素子の共振周波数は、前記平板の面積を前記短絡部の数で除した短絡部当たりの面積を前記給電素子とは異ならせることによって調整されていることを特徴とする請求項２に記載の平面アンテナ。
【請求項４】
前記無給電素子の共振周波数は、前記短絡部の径を前記給電素子とは異ならせることによって調整されていることを特徴とする請求項２に記載の平面アンテナ。
【請求項５】
前記短絡部を複数備えた前記メタマテリアル素子（１０ｂ，１０ｃ，２０ｂ，２０ｃ）は、前記メタマテリアル素子の配列方向に対する直交方向に沿って前記短絡部が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の平面アンテナ。
【請求項６】
前記給電素子を構成する地板と前記無給電素子を構成する地板が導通していることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の平面アンテナ。
【請求項７】
前記給電素子を構成する地板と前記無給電素子を構成する地板は非導通であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の平面アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナの単一指向性パターンを形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、小型の単一指向性アンテナとして、それぞれが給電素子、誘導素子、反射素子として作用する複数のモノポールを配列した八木・宇田アンテナが知られている（特許文献１参照）。なお、八木・宇田アンテナは、給電素子前方に誘導素子、後方に反射素子を配置することで前方方向へ単一指向性を形成するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１８９６２０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、八木・宇田アンテナを構成する各モノポールは、動作周波数の１／４波長程度の長さが必要であり、更なる小型化や平面化が要求される車載アンテナには不向きであるという問題があった。
【０００５】
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、小型化や平面化が可能な単一指向性パターンを形成する平面アンテナ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】
本発明の平面アンテナは、地板、平板、少なくとも一つの短絡部を有し、０次共振するように構成された複数のメタマテリアル素子を備える。地板は、板状に形成された導体であり、平板は、地板と離隔して対向するように配置された導体である。短絡部は、地板と平板間を短絡する。そして、複数のメタマテリアル素子の一つは、平板に接続され給電を行う給電部を備える給電素子、給電素子以外の前記メタマテリアル素子は、平板を地板に短絡する無給電部を備える無給電素子として構成され、給電素子および無給電素子が、ビームの放射方向に沿って配列されている。なお、０次共振する平面アンテナは、モノポールアンテナと同等の特性が得られる。
【０００７】
このような構成によれば、モノポールアンテナと比較してより小型化かつ平面化できる平面アンテナによって、八木・宇田アンテナと同等の単一指向性パターンを実現することができる。
【０００８】
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、本発明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】
【０００９】
【図１】第１実施形態の平面アンテナの斜視図である。
【図２】第１実施形態の平面アンテナの構成を示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が断面図である。
【図３】平面アンテナの放射特性を示すグラフであり、（ａ）が第１実施形態の平面アンテナ、（ｂ）が比較例である給電素子だけで構成された平面アンテナである。
【図４】第２実施形態の平面アンテナの構成を示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が断面図である。
【図５】平面アンテナの垂直面内での放射特性を示すグラフであり、（ａ）が地板を分離した場合、（ｂ）が地板を一体にした場合を示す。
【図６】第３実施形態の平面アンテナの構成を示す平面図である。
【図７】第３実施形態の変形例の構成を示す平面図である。
【図８】平面アンテナの他の実施形態の構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１．１．構成］
本実施形態の平面アンテナ１は、図１および図２に示すように、第１メタマテリアル素子１０、第２メタマテリアル素子２０を備える。
【００１１】
［１．２．第１メタマテリアル素子／給電素子］］
第１メタマテリアル素子１０は、地板１１、平板１２、短絡部１３、給電部１４を備える。
【００１２】
地板１１および平板１２は、いずれも矩形板状に形成された導体からなり、両者は離隔して対向配置される。
短絡部１３は、地板１１と平板１２とを電気的に接続して短絡する筒状または柱状の導体からなり、平板１２の中央に配置される。
【００１３】
給電部１４は、地板１１と平板１２の間に接続され、給電導体１４１、給電回路１４２を備える。給電導体１４１は、棒状に形成された導体であり、一端が平板１２に接続されている。給電回路１４２は、一端が地板１１に接続され、他端が給電導体１４１を介して平板１２に接続されている。給電回路１４２は、発振器、増幅回路、インピーダンス整合回路等を備え、地板１１と平板１２との間に高周波信号を印加する。
【００１４】
そして、第１メタマテリアル素子１０は、誘電率および透磁率がいずれも負の値となり、かつ、共振モードの次数が０となる０次共振器となるように、各部のサイズや使用する材料が選択される。なお０次共振するメタマテリアル素子の構成方法は公知であるため、ここではその詳細についての説明は省略する。以下では、第１メタマテリアル素子１０を給電素子１０と称する。
【００１５】
このように構成された給電素子１０では、給電回路１４２から地板１１と短絡部１３とを通って平板１２に到る電流経路で電流が流れる。これにより地板１１と平板１２との間に垂直電界が発生し、平板１２の端部から平板１２の面に沿った全方位に電波を放射する。また、給電素子１０の共振周波数ｆは、平板１２や短絡部２３が持つインダクタンス分をＬ、地板１１と平板１２とが形成するコンデンサの容量分をＣとして、（１）式に示す関係を有する。給電回路１４２は、この共振周波数ｆを動作周波数として、動作周波数を有する高周波信号を生成する。
【００１６】
【数１】
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［１．３．第２メタマテリアル素子／無給電素子］
第２メタマテリアル素子２０は、地板２１、平板２２、短絡部２３、無給電部２４を備える。
【００１７】
地板２１、平板２２、短絡部２３は、第１メタマテリアル素子１０の地板１１、平板１２、短絡部１３と同様のものであるため、説明を省略する。但し、地板２１は、地板１１と一体に形成され互いに導通した状態にある。
【００１８】
無給電部２４は、給電導体１４１と同様に、棒状に形成された導体からなり、一端が地板２１に他端が平板２２に接続され、地板２１と平板２２を短絡するように構成されている。また、平板２２は、共振周波数ｆの高周波信号の波長をλとして、平板１２，２２の中心間の距離が、λ／４程度離れるように配置される。
【００１９】
そして、第２メタマテリアル素子２０は、給電素子１０と同様に、０次共振器となるように構成される。但し、共振周波数は給電素子１０より低くなるように構成されている。以下では、第２メタマテリアル素子２０を無給電素子２０と称する。
【００２０】
このように構成された、無給電素子２０では、平板２２から短絡部２３、地板２１、無給電部２４を通って平板２２に到る電流経路で電流が流れる。これにより、給電素子１０からの放射波を受信し、平板２２の端部から平板２２の面に沿った全方位に電波を再放射する。
【００２１】
なお、無給電素子２０の共振周波数は、平板２２を給電素子１０の平板１２より大きな面積とすることで、給電素子１０の共振周波数より低くなるように設定されている。つまり、地板２１と平板２２とが形成するコンデンサの容量は、地板２１と平板２２とが形成するコンデンサの容量より大きく、その結果、（１）式からわかるように、無給電素子２０の共振周波数は、給電素子１０の共振周波数（即ち動作周波数）より低くなる。この場合、無給電素子２０は、動作周波数において誘導性となり、無給電素子２０が直接波を受信したときに無給電素子２０内に流れる電流の位相が遅れること、および給電素子１０との位置関係から、給電素子１０から放射された直接波を反射する反射素子として機能する。
【００２２】
［１．４．動作］
このように構成された平面アンテナ１は、図３（ａ）に示すように、無給電素子２０から給電素子１０に向かう方向にビームが形成され、これとは反対方向への放射が抑制された放射特性を有する。なお、この放射特性は、動作周波数を２４００ＭＨｚ、地板１１，２１と平板１２，２２との間隔を５ｍｍ、短絡部１３，２３の直径を１ｍｍ、給電素子１０の平板１２を一辺が２０．２［ｍｍ］の正方形、無給電素子２０の平板２２を一辺が２２［ｍｍ］の正方形、平板１２，２２の中心間距離を２２［ｍｍ］として、シミュレーションによって求めた結果である。参考までに、給電素子１０だけで構成された平面アンテナの放射特性を図３（ｂ）に示す。この場合、モノポールアンテナと同等の放射特性を有することがわかる。
【００２３】
［１．５．効果］
以上説明したように、平面アンテナ１によれば、八木・宇田アンテナと同等の単一指向性パターンを、モノポールアンテナを用いる場合と比較して、より小型かつ平面的な構造によって実現することができる。
【００２４】
［２．第２実施形態］
［２．１．構成］
第２実施形態の平面アンテナ１ａは、基本的な構成は第１実施形態の平面アンテナ１と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。
【００２５】
第１実施形態では、給電素子１０および無給電素子２０の地板１１，２１が一体に形成されている。これに対し、第２実施形態の平面アンテナ１ａでは、図４に示すように、給電素子１０ａの地板１１ａと無給電素子２０ａの地板２１ａが分離され、互いに非導通となるように構成されている。
【００２６】
なお、地板１１ａ，２１ａを分離することによって、給電素子１０ａと無給電素子２０ｂの位置関係を固定することが困難になるため、地板１１ａ，２１ａは、同一のプリント基板３上に形成されている。
【００２７】
［２．２．効果］
このように構成された、平面アンテナ１ａによれば、第１実施形態の平面アンテナ１と同等の効果を得ることができる。更に、平面アンテナ１ａでは、地板１１ａ，２１ａを分離したことで、給電素子１０ａおよび無給電素子２０ａの動作を平衡動作とすることができ、その結果、図５に示すように、第１実施形態の平面アンテナ１の放射特性（図５（ｂ）参照）と比較して、水平面に対する最大放射方向の打ち上りを抑制することができる（図５（ａ）参照）。
【００２８】
［３．第３実施形態］
第３実施形態の平面アンテナ１ｂは、基本的な構成は第１実施形態の平面アンテナ１と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。
【００２９】
［３．１．構成］
平面アンテナ１ｂは、図６に示すように、第１メタマテリアル素子（以下、給電素子という）１０ｂ、第２メタマテリアル素子（以下、無給電素子という）２０ｂを備える。
【００３０】
［３．２．第１メタマテリアル素子／給電素子］
給電素子１０ｂは、地板１１ｂ、平板１２ｂ、Ｍ（図ではＭ＝４）個の短絡部１３、給電部１４を備える。
【００３１】
地板１１ｂおよび平板１２ｂは、いずれも矩形板状に形成された導体からなり、両者は離隔して対向配置される。平板１２ｂは、第１実施形態の平板１２をＭ個一列に連結した形状に形成され、平板１２ｂの形状の短手方向が給電素子１０ｂおよび無給電素子２０ｂの配列方向と一致するように配置されている。
【００３２】
短絡部１３は、平板１２ｂを平板１２の大きさで長手方向にＭ分割した各部位の中央にそれぞれ配置されている。つまり、Ｍ個の短絡部１３は、給電素子１０ｂおよび無給電素子２０ｂの配列方向に対する直交方向、即ち平板１２ｂの形状の長手方向に沿って１列に配置されている。
【００３３】
給電部１４は、給電導体１４１および給電回路１４２を備え、平板１２ｂの中央付近に配置されている。具体的には、平板１２ｂの中央からその短手方向に少しずれた位置に配置されている。
【００３４】
つまり、給電素子１０ｂは、第１実施形態の給電素子１０から給電部１４を除いたものを単位セルとして、この単位セルをＭ個一列に連結し、かつ、その中央付近に給電部１４を設けた構造を有する。
【００３５】
［３．３．第２メタマテリアル素子／無給電素子］
無給電素子２０ｂは、地板２１ｂ、平板２２ｂ、Ｎ（図ではＮ＝４）個の短絡部２３、給電部２４を備える。
【００３６】
地板２１ｂおよび平板２２ｂは、いずれも矩形板状に形成された導体からなり、両者は離隔して対向配置される。平板２２ｂは、第１実施形態の平板２２をＮ個一列に連結した形状に形成され、平板２２ｂの形状の短手方向が給電素子１０ｂおよび無給電素子２０ｂの配列方向と一致するように配置されている。なお、地板２１ｂは、地板１１ｂと一体に構成されている。
【００３７】
短絡部２３は、平板２２ｂを平板２２の大きさで長手方向にＮ分割した各部位の中央にそれぞれ配置されている。つまり、Ｎ個の短絡部２３は、給電素子１０ｂおよび無給電素子２０ｂの配列方向に対する直交方向、即ち平板２２ｂの形状の長手方向に沿って１列に配置されている。具体的には、平板２２ｂの中央からその短手方向に少しずれた位置に配置されている。
【００３８】
給電部２４は、平板２２ｂの中央付近に配置されている。
つまり、無給電素子２０ｂは、第１実施形態の無給電素子２０から無給電部２４を除いたものを単位セルとして、この単位セルをＮ個一列に連結し、かつ、その中央付近に無給電部２４を設けた構造を有する。
【００３９】
［３．４．作用／効果］
このように構成された平面アンテナ１ｂでは、給電素子１０ｃおよび無給電素子２０ｃの共振周波数は、単位セル当たりの容量分およびインダクタンス分により決まる。つまり、０次共振するメタマテリアル素子の特徴として、単位セルを並列接続しても共振周波数が変わらず各単位セルには同位相の垂直電界が発生するため、単位セル単体の場合と同一の効果が得られる。
【００４０】
このように構成された平面アンテナ１ｂによれば、第１実施形態の平面アンテナ１と同等の効果を得ることができる。更に、平面アンテナ１ｂでは、給電素子１０ｂおよび無給電素子２０ｂが複数の単位セルで構成されているため、アンテナ開口面に相当する平板１２ｂの長手方向のサイズを十分に確保することができ、その結果、指向性ビームをより絞った形状にすることができる。
【００４１】
なお、給電素子１０ｂおよび無給電素子２０ｂを構成する単位セルの数、即ち、短絡部１３，２３の数Ｍ，Ｎは、図７に示す平面アンテナ１ｃのように、給電素子１０ｃと無給電素子２０ｃとで異なっていてもよい。図では、Ｍ＝２、Ｎ＝４の場合を示す。なお、地板１１ｃ，２１ｃは一体に形成され、平板１２ｃはＭ個の単位セル、平板２２ｃはＮ個の単位セルに相当する大きさに形成されている。
【００４２】
［４．他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得る。
【００４３】
（１）上記実施形態では、無給電素子２０の共振周波数を、給電素子１０の共振周波数（動作周波数）とは異なる値に設定するために、平板１２，２２の面積を異ならせることで、給電素子１０および無給電素子２０の容量分を調整しているが、これに限るものではない。例えば、図８に示す平面アンテナ１ｄのように、無給電素子２０ｄの平板２２ｄを給電素子１０の平板１２と同じ大きさにして、短絡部２３ｄの径を短絡部１３とは異ならせることで、無給電素子２０ｄのインダクタンス分を調整してもよい。
【００４４】
（２）上記実施形態では、無給電素子の共振周波数を、給電素子の共振周波数（動作周波数）より低く設定することで、無給電素子を誘導性の反射素子として機能するように構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、無給電素子の共振周波数を、動作周波数より高く設定すること、具体的には、給電素子と比較して、無給電素子の平板の面積を小さくするか、短絡部の径を大きくすることで、無給電素子を容量性の導波器として機能するように構成してもよい。
【００４５】
（３）上記実施形態では、無給電素子の共振周波数を、動作周波数とは異ならせているが、動作周波数と同じにしてもよい。この場合、無給電素子から給電素子側に向かう無給電素子からの再放射波の位相と、これと同方向に向かう給電素子からの放射波の位相が同位相となるように、給電素子と無給電素子２０との配置間隔を適宜調整すればよい。
【００４６】
（４）上記実施形態では、無給電素子が一つである場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、給電素子を挟んでその両側に、反射素子として機能する誘導性の無給電素子と、導波器として機能する容量性の無給電素子とを一列に配置してもよい。更に、導波器として機能する容量性の無給電素子は複数設けられていてもよい。なお、これら複数の無給電素子の配置は、ダイポールアンテナを用いて構成される八木・宇田アンテナと同様に設計することができる。
【００４７】
（５）上記実施形態における一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加または置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。
【００４８】
（６）上述した平面アンテナ他、当該平面アンテナを構成要素とするシステムなど、種々の形態で実現することもできる。
【符号の説明】
【００４９】
１，１ａ〜１ｄ…平面アンテナ、１０，１０ａ〜１０ｃ…第１メタマテリアル素子（給電素子）、１１，１１ａ〜１１ｃ，２１，２１ａ，２１ｃ…地板、１２，１２ｂ，１２ｃ，２２，２２ｂ〜２２ｄ…平板、１３，２３，２３ｄ…短絡部、１４，２４…給電部、２０，２０ａ〜２０ｄ…第２メタマテリアル素子（無給電素子）、１４１…給電導体、１４２…給電回路
【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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