(57)【要約】【課題】一つの放射電極を用いて互いに直交する二つの直線偏波を放射または受信可能なパッチアンテナを提供する。【解決手段】パッチアンテナは、誘電体により形成された基板１０と、基板１０の一方の面に配置される接地電極１１と、基板１０の他方の面に配置される放射電極１２とを有する。放射電極１２は、第１の方向に沿った偏波面を持つ所定の設計波長の第１の直線偏波用の第１のエレメント１２ｂと、第１の方向と直交する第２の方向に沿った偏波面を持つ所定の設計波長の第２の直線偏波用の第２のエレメント１２ｃと、第１のエレメント１２ｂと第２のエレメント１２ｃ間の共通部分において、第１及び第２の直線偏波について放射電極１２がインピーダンス整合する位置に設けられた給電点１３とを有し、給電点１３を通る対角方向に沿って、第１のエレメント１２ｂと第２のエレメント１２ｃ間に切欠け部分１２ａが形成される。【選択図】図１
2017092644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体により形成された基板と、
前記基板の一方の面に配置され、導電性を有する接地電極と、
前記基板の他方の面に配置され、導電性を有する放射電極とを有し、
前記放射電極は、
第１の方向に沿った偏波面を持つ所定の設計波長の第１の直線偏波を放射または受信する第１のエレメントと、
前記第１の方向と直交する第２の方向に沿った偏波面を持つ前記所定の設計波長の第２の直線偏波を放射または受信し、かつ、前記第１のエレメントと共通する部分を有する第２のエレメントと、
前記第１のエレメントと前記第２のエレメント間の前記共通する部分において、前記第１の直線偏波及び前記第２の直線偏波について前記放射電極がインピーダンス整合する位置に設けられた給電点とを有し、
前記第１の方向と前記第２の方向間の角を２等分し、かつ、前記給電点を通る対角方向に沿って、前記給電点の反対側において前記第１のエレメントと前記第２のエレメント間に切欠け部分が形成される、
パッチアンテナ。
【請求項２】
前記放射電極は、
前記第１のエレメントの前記給電点から遠い方の端部から前記第２のエレメント側へ向けて形成される第１のスタブと、
前記第２のエレメントの前記給電点から遠い方の端部から前記第１のエレメント側へ向けて形成され、かつ、前記第１のスタブと電気的に接しないように配置される第２のスタブとをさらに有し、
前記第１のエレメントの前記第１の方向に沿った長さは、前記所定の設計波長を前記基板の比誘電率の平方根の２倍で除した値となり、かつ、前記第２のエレメントの前記第２の方向に沿った長さは、前記所定の設計波長を前記基板の比誘電率の平方根の２倍で除した値となる、請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項３】
前記切欠け部分の前記対角方向に沿った長さは、前記パッチアンテナについての前記第１の直線偏波と前記第２の直線偏波の合計利得が前記第１の方向及び前記第２の方向に対して４５°の方向の直線偏波の利得よりも大きくなるように設定される、請求項１または２に記載のパッチアンテナ。
【請求項４】
前記切欠け部分の前記対角方向に沿った長さは、前記所定の設計波長を前記基板の比誘電率の平方根で除した値の１／５以上に設定される、請求項３に記載のパッチアンテナ。
【請求項５】
前記放射電極は、前記対角方向について対称に形成される、請求項１〜４の何れか一項に記載のパッチアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、互いに異なる方向の偏波面を持つ複数の直線偏波について利用可能なパッチアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、アンテナの一つとしてパッチアンテナ（マイクロストリップアンテナとも呼ばれる）が知られている。パッチアンテナは、誘電体の基板の一方の面に接地された電極（以下、接地電極と呼ぶ）を設け、その基板の他方の面に電波を放射または受信する電極（以下、放射電極と呼ぶ）を設けたものである。パッチアンテナは、エッチング技術を用いて製造できるので、低コストで生産できる。また、パッチアンテナは、通信処理などを行う半導体素子と同一の基板上に設けることができるので、アクティブアンテナ、あるいは、移動体通信用のマルチアンテナなどの基本素子としての応用が検討されている。
【０００３】
放射電極が矩形状に形成されたパッチアンテナでは、例えば、放射電極の１辺の長さが設計波長に対応する電気長の1/2に設定される。また、何れかの辺に沿って、放射電極の一端から放射電極のその辺の長さの1/4の位置において放射電極に給電することで、その辺に沿った偏波面を持つ直線偏波に対して放射電極はインピーダンス整合する。そのため、パッチアンテナは、そのような偏波面を持つ直線偏波を放射または受信できる。
【０００４】
一般に、パッチアンテナを有する通信装置と、その通信装置と無線通信する他の通信装置との位置関係は一定とは限らない。例えば、通信装置が基地局であり、他の通信装置が移動局である場合、基地局に対する移動局の姿勢は、基地局と移動局とが無線通信している間でも変化することがある。そこで、そのような通信装置で利用されるパッチアンテナは、互いに直交する二つの直線偏波に対して利用可能であることが好ましい。
【０００５】
従来より、互いに直交する二つの直線偏波を放射または受信するために、水平偏波用のアンテナと垂直偏波用のアンテナに対してスイッチを用いて交互に給電したり、あるいは、分配器を用いて給電する技術が知られている。
【０００６】
しかし、従来技術では、二つのアンテナとともに、給電切替用のスイッチあるいは電力分配器が用いられるため、この技術は、通信装置の小型化及び低コスト化には適していない。
【０００７】
一方、一つのパッチアンテナ素子を用いて水平偏波と垂直偏波を共用可能な直線偏波受信用アンテナが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この直線偏波受信用アンテナでは、パッチアンテナ素子に互いに直交する方向から二つの給電回路が接続される。そして各給電回路について、パッチアンテナ素子から電波の略1/4波長の長さとなる位置において、給電回路にインピーダンス回路網が接続される。そしてそれぞれのインピーダンス回路網を短絡状態とすることで、対応する給電回路から水平偏波信号あるいは垂直偏波信号が取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−１７６９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に開示された直線偏波受信用アンテナでも、水平偏波用と垂直偏波用の二つの給電回路及びインピーダンス回路網が用いられる。そのため、この直線偏波受信用アンテナについても、小型化あるいは低コスト化には不利である。
【００１０】
一つの側面では、本発明は、一つの放射電極を用いて互いに直交する二つの直線偏波を放射または受信可能なパッチ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】
【００１１】
一つの実施形態によれば、パッチアンテナが提供される。このパッチアンテナは、誘電体により形成された基板と、基板の一方の面に配置され、導電性を有する接地電極と、基板の他方の面に配置され、導電性を有する放射電極とを有する。そして放射電極は、第１の方向に沿った偏波面を持つ所定の設計波長の第１の直線偏波を放射または受信する第１のエレメントと、第１の方向と直交する第２の方向に沿った偏波面を持つ所定の設計波長を持つ第２の直線偏波を放射または受信し、かつ、第１のエレメントと共通する部分を有する第２のエレメントと、第１のエレメントと第２のエレメント間の共通する部分において、第１の直線偏波及び第２の直線偏波について放射電極がインピーダンス整合する位置に設けられた給電点とを有し、第１の方向と第２の方向間の角を２等分し、かつ、給電点を通る対角方向に沿って、第１のエレメントと第２のエレメント間に切欠け部分が形成される。
【発明の効果】
【００１２】
一つの放射電極を用いて互いに直交する二つの直線偏波を放射または受信できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一つの実施形態に係るパッチアンテナの概略平面図である。
【図２】一つの実施形態に係るパッチアンテナの概略側面断面図である。
【図３】変形例による、放射電極の概略平面図である。
【図４】図３に示した放射電極に関して、給電点と切欠け部分とを結ぶ対角方向に沿った、切欠け部分の長さと、水平及び垂直方向の偏波成分の合計利得と水平方向に対して４５°方向の偏波成分の利得との差の関係を示す実験結果を表す図である。
【図５】（ａ）は、比較用パッチアンテナの放射電極の概略平面図である。（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、比較用パッチアンテナについての放射特性の実験結果を示す図である。（ｄ）は、図３に示した放射電極を用いたパッチアンテナについての放射特性の実験結果を示す図である。
【図６】図３に示した放射電極を用いたパッチアンテナについての、周波数と電圧定在波比及びインピーダンスの関係を示す実験結果を表す図である。
【図７】（ａ）は、比較用パッチアンテナについて、給電点Vで放射電極に給電した場合の周波数と電圧定在波比及びインピーダンスの関係を示す実験結果を表す図である。（ｂ）は、比較用パッチアンテナについて、給電点Hで放射電極に給電した場合の周波数と電圧定在波比及びインピーダンスの関係を示す実験結果を表す図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、変形例による、放射電極の概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図を参照しつつ、パッチアンテナについて説明する。
このパッチアンテナは、互いに直交する二つの方向（以下では、便宜上、水平方向及び垂直方向とする）のそれぞれの直線偏波について、パッチアンテナがインピーダンス整合する放射電極上の位置に共通の給電点を設ける。そしてこのパッチアンテナでは、共通の給電点が設けられた位置に対する対角側において、放射電極に切欠け部分が形成される。これにより、このパッチアンテナは、一つの放射電極を用い、かつ、水平方向の直線偏波と垂直方向の直線偏波とで異なる給電用の回路を用いずに、その二つの方向の直線偏波について共用可能とする。なお、以下では、水平方向の直線偏波を水平偏波と呼び、垂直方向の直線偏波を垂直偏波と呼ぶ。
【００１５】
図１は、一つの実施形態によるパッチアンテナの概略平面図であり、図２は、図１のＡＡ’における線を矢印の方から見た、パッチアンテナの概略側面断面図である。
パッチアンテナ１は、基板１０と、基板１０の一方の面（図２では、下側の面）に設けられた接地電極１１と、基板１０の他方の面（図２では、上側の面）に設けられた放射電極１２とを有する。
【００１６】
基板１０は、誘電体により形成され、接地電極１１及び放射電極１２を、所定の間隔を空けて支持する。
【００１７】
接地電極１１は、接地された平板状の導体である。そしてパッチアンテナ１を上方から見た場合に、接地電極１１は、放射電極１２全体と重なるように配置される。また、接地電極１１は矩形状に形成され、接地電極１１の面積は、放射電極１２の面積よりも大きいことが好ましい。例えば、接地電極１１の水平方向の辺の長さは、放射電極１２の水平方向の辺の長さの２倍以上となり、かつ、接地電極１１の垂直方向の辺の長さは、放射電極１２の垂直方向の辺の長さの２倍以上となるように接地電極１１は形成される。これにより、パッチアンテナ１から放射される無線電波について、基板１０の法線方向に沿った方向への指向性が向上する。
【００１８】
放射電極１２は、平板状の導体であり、基板１０を挟んで接地電極１１と反対側に設けられる。そして放射電極１２は、所定の設計波長に対応する周波数を持つ信号を、通信回路（図示せず）から給電点１３にて接続される給電線１４を介して受け取り、その信号を、水平偏波成分及び垂直偏波成分を持つ無線電波として空中に放射する。あるいは、放射電極１２は、所定の設計波長に対応する周波数を持ち、かつ、水平偏波成分または垂直偏波成分を持つ無線電波を受信し、電気信号として給電線１４を介して通信回路へ出力する。
【００１９】
上述したように、矩形状のパッチアンテナでは、所定の設計波長に対応する周波数を持つ無線電波を放射または受信できるようにするために、放射電極の水平方向及び垂直方向の長さは次式で表される。
【数１】
2017092644.tif 000003
ここで、λは設計波長であり、εは、基板１０の比誘電率である。
【００２０】
本実施形態では、パッチアンテナ１は、水平偏波と垂直偏波の両方について使用可能に形成される。そこで、放射電極１２は、長方形状の第１のエレメント１２ｂと、第１のエレメント１２ｂと共通する部分を有する、長方形状の第２のエレメント１２ｃとを有する。そして後述するように、放射電極１２には、第１のエレメント１２ｂと第２のエレメント１２ｃとの間に凹状の切欠け部分１２ａが設けられている。そのため、第１のエレメント１２ｂの垂直方向の幅は、第１のエレメント１２ｂの水平方向の長さLよりも短くなっている。そこで、第１のエレメント１２ｂの水平方向の長さLは、所定の設計波長を持つ水平偏波を放射または受信するために、（１）式で示された長さよりも長くなる。同様に、第２のエレメント１２ｃの水平方向の幅は、第２のエレメント１２ｃの垂直方向の長さWよりも短くなっている。そこで、第２のエレメント１２ｃの垂直方向の長さWは、所定の設計波長を持つ垂直偏波を放射または受信するために、（１）式で示された長さよりも長くなる。
【００２１】
さらに、第１のエレメント１２ｂと第２のエレメント１２ｃ間の共通する部分において、放射電極１２が水平偏波と垂直偏波の両方についてインピーダンス整合する位置に給電点１３が設けられる。具体的に、水平偏波に対して放射電極１２がインピーダンス整合するよう、給電点１３は、放射電極１２の左端から、水平方向の辺に沿ってL/4の位置に設けられる。さらに、垂直偏波に対して放射電極１２がインピーダンス整合するよう、給電点１３は、放射電極１２の上端から、垂直方向の辺に沿ってW/4の位置に設けられる。すなわち、放射電極１２の左端または上端から給電点１３までの距離をrとすると、次式が成立する位置に、水平偏波及び垂直偏波の両方について共通の給電点１３が設けられる。
【数２】
2017092644.tif 000004
【００２２】
また、本実施形態では、放射電極１２には、水平方向と垂直方向とを２等分し、かつ、給電点１３を通る対角方向に沿って、給電点１３の反対側に、凹状の切欠け部分１２ａが形成されている。これにより、放射電極１２における、水平方向または垂直方向に沿って流れる電流の密度を向上させることができるので、パッチアンテナ１は、水平偏波及び垂直偏波を効率よく放射できる。
【００２３】
さらに、放射電極１２は、水平偏波についての放射特性と垂直偏波についての放射特性間の差が少なくなるように、給電点１３を通る対角方向について対称に形成されることが好ましい。
【００２４】
図３は、変形例による、放射電極の概略平面図である。この変形例による放射電極２２の水平方向の長さL'及び垂直方向の長さW'は、それぞれ、図１に示される放射電極１２の水平方向の長さL及び垂直方向の長さWよりも短い。そのために、放射電極２２には、切欠け部分２２ａを挟んで互いに対向するようにステップ状のスタブ２２ｄ、２２ｅが設けられる。すなわち、スタブ２２ｄは、放射電極２２における、水平偏波用に水平方向に延伸された第１のエレメント２２ｂの、給電点１３とは反対側の一端、すなわち右端において、第２のエレメント側、すなわち下側へ向けて突出するように形成される。また、スタブ２２ｅは、放射電極２２における、垂直偏波用に垂直方向に延伸された第２のエレメント２２ｃの、給電点１３とは反対側の一端、すなわち下端において、第１のエレメント側、すなわち右側へ向けて突出するように形成される。例えば、スタブ２２ｄの垂直方向の幅は、第１のエレメント２２ｂの長さL'が（１）式で表された長さ、すなわち、λ/(2√ε)となるように設定される。同様に、例えば、スタブ２２ｅの水平方向の幅は、第２のエレメント２２ｃの長さW'がλ/(2√ε)となるように設定される。また、第１及び第２のエレメントを経由せずにスタブ２２ｄとスタブ２２ｅ間で電流が流れないように、スタブ２２ｄとスタブ２２ｅとは、互いに対して開放端となるように、すなわち、電気的に接触しないように配置される。これにより、スタブ２２ｄ、２２ｅを設けたことによる、水平偏波及び垂直偏波の放射効率の低下が抑制される。
【００２５】
このように、スタブ２２ｄが設けられることにより、放射電極２２の水平方向に沿った長さL'が長さLよりも短くても、放射電極２２は、設計波長λを持つ水平偏波を放射または受信できる。同様に、スタブ２２ｅが設けられることにより、放射電極２２の垂直方向に沿った長さW'が長さWよりも短くても、放射電極２２は、設計波長λを持つ垂直偏波を放射または受信できる。この変形例でも、水平偏波及び垂直偏波に対して放射電極２２がインピーダンス整合するために、放射電極２２の上端及び左端から給電点１３までの距離は、（２）式が満たされるように設定される。すなわち、放射電極２２の上端及び左端から給電点１３までの距離は、L'、W'の1/4となる。
【００２６】
なお、水平偏波及び垂直偏波に対する効率を向上するためには、水平偏波及び垂直偏波についてのパッチアンテナ１の利得が、他の方向の偏波に対するパッチアンテナ１の利得よりも高くなることが好ましい。水平方向及び垂直方向以外の方向の偏波については、設計波長とは異なる波長を持つ偏波に対して放射電極が共振するためである。そのために、切欠け部分２２ａは、給電点１３とは反対側の一端から、対角方向に沿って一定以上の長さを有することが好ましい。
【００２７】
図４は、放射電極２２に関して、給電点１３と切欠け部分２２ａとを結ぶ対角方向に沿った、切欠け部分２２ａの長さlと、水平及び垂直方向の偏波成分の合計利得と水平方向に対して４５°方向の偏波成分の利得との差Δの関係を示す実験結果を表す図である。なお、切欠け部分２２ａの長さlは、図３に示されるように、給電点１３を通る対角線上の給電点側の端点cと、第１のエレメント２２ｂの右端を下方へ延伸した線と、第２のエレメント２２ｃの下端を右方へ延伸した線との交点d間の長さとして定義される。図４において、横軸は、設計波長λに対応するパッチアンテナ上での長さλ'(=λ/√ε)に対する対角方向に沿った切欠け部分２２ａの長さlの比を表し、縦軸は、水平及び垂直方向の偏波成分の合計利得と水平方向に対して４５°方向の偏波成分の利得との差Δ[dB]を表す。そしてグラフ４００は、比(l/λ')と利得差Δとの関係を表す。
【００２８】
なお、この実験において、パッチアンテナ１を、Long Term Evolution(LTE)規格で利用される、2GHz帯で使用することを想定して、放射電極２２の水平方向の長さL'及び垂直方向の長さW'を36mmとした。そして第１のエレメント２２ｂの垂直方向の幅及び第２のエレメント２２ｃの水平方向の幅を11mmとした。さらに、第１のエレメント２２ｂの上端と第２のエレメント２２ｃの上端間の距離、及び、第１のエレメント２２ｂの左端と第２のエレメント２２ｃの左端間の距離を3.5mmとした。また、スタブ２２ｄの垂直方向の長さ及びスタブ２２ｅの水平方向の長さを12mmとした。さらに、点ｃからスタブ２２ｄの左端（すなわち、スタブ２２ｄの上側のステップの左端）までの距離、及び、点ｃからスタブ２２ｅの上端（すなわち、スタブ２２ｅの左側のステップの上端）までの距離を10mmとした。さらに、スタブ２２ｄの上側のステップの水平方向の幅と下側のステップの水平方向の幅の差を5.5mmとした。同様に、スタブ２２ｅの左側のステップの垂直方向の幅と右側のステップの垂直方向の幅の差を5.5mmとした。また、接地電極１１の水平方向及び垂直方向の長さを70mmとした。さらに、基板１０の厚さを7.2mmとした。また、基板１０として用いた誘電体の比誘電率は4.5、誘電正接は0.014であった。さらに、放射電極２２及び接地電極１１として、銅箔（導電率59x106s/m）を用い、その銅箔の厚さは35μmであった。
【００２９】
図４に示されるように、利得差Δは、比(l/λ')が略0.2となるときに0となり、比(l/λ')がそれよりも大きくなるにつれて大きくなる。したがって、給電点１３と切欠け部分２２ａとを結ぶ対角方向に沿った、切欠け部分２２ａの長さlは、λ'/5以上となることが好ましい。一方、切欠け部分２２ａの長さlが長過ぎると、各エレメントの共通部分において幅が狭くなり過ぎ、その結果として放射電極２２に電流が流れ難くなるので好ましくない。例えば、その対角方向に沿った、給電点１３から切欠け部分２２ａの左上端までの長さが、放射電極２２の左上端から給電点１３までの長さ以上となるように、切欠け部分２２ａの長さlが設定されることが好ましい。
【００３０】
図５（ａ）は、本実施形態によるパッチアンテナ１の放射特性との比較に用いられる、比較用パッチアンテナの放射電極の概略平面図である。図５（ａ）に示されるように、比較用パッチアンテナは、正方形状の放射電極３０を用いるものとした。
【００３１】
図５（ｂ）及び図５（ｃ）は、それぞれ、比較用パッチアンテナについての放射特性の実験結果を示す図である。また図５（ｄ）は、図３に示した放射電極２２を用いたパッチアンテナ１についての放射特性の実験結果を示す図である。図５（ｂ）〜図５（ｄ）において、X軸は、基板１０の表面に平行な方向を表し、Y軸は、基板１０の法線方向（正方向は接地電極１１側、負方向は放射電極２２側）を表す。なお、この実験において、パッチアンテナ１の各部の寸法及び物理特性は、上記の実験におけるパッチアンテナ１の各部の寸法及び物理特性と同じとした。また、比較用パッチアンテナの各部の寸法及び物理特性も、上記の実験におけるパッチアンテナ１の各部の寸法及び物理特性と同じとした。
【００３２】
図５（ｂ）は、放射電極３０上の点V、すなわち、上端からW'/4、かつ、水平方向の中心の位置で放射電極に給電した場合、すなわち、垂直偏波について利用する場合の比較用パッチアンテナの放射特性を表す。放射特性５０１は、点Vで給電した場合における、比較用パッチアンテナの垂直偏波の放射特性であり、放射特性５０２は、点Vで給電した場合における、比較用パッチアンテナの水平偏波の放射特性である。
【００３３】
図５（ｃ）は、放射電極３０上の点H、すなわち、左端からL'/4、かつ、垂直方向の中心の位置で放射電極に給電した場合、すなわち、水平偏波について利用する場合の比較用パッチアンテナの放射特性を表す。放射特性５１１は、点Hで給電した場合における、比較用パッチアンテナの水平偏波の放射特性であり、放射特性５１２は、点Hで給電した場合における、比較用パッチアンテナの垂直偏波の放射特性である。
【００３４】
図５（ｄ）において、放射特性５２１は、パッチアンテナ１についての垂直偏波の放射特性を表し、放射特性５２２は、パッチアンテナ１についての水平偏波の放射特性を表す。図５（ｂ）に示される放射特性５０１及び図５（ｃ）に示される放射特性５１１と、放射特性５２１及び５２２との間にはほとんど差が無く、パッチアンテナ１において、比較用パッチアンテナに２ヶ所で給電する場合と同等の放射特性が得られていることが分かる。
【００３５】
図６は、図３に示した放射電極２２を用いたパッチアンテナ１についての、周波数と電圧定在波比及びインピーダンスの関係を示す実験結果である。なお、この実験でも、パッチアンテナ１の各部の寸法及び物理特性は、上記の実験におけるパッチアンテナ１の各部の寸法及び物理特性と同じとした。図６の上側のグラフにおいて、横軸は周波数を表し、縦軸は電圧定在波比(VSWR)を表す。そしてグラフ６００は、パッチアンテナ１における、水平偏波及び垂直偏波についての周波数とVSWRとの関係を表す。グラフ６００に示されるように、LTEのアップリンクで利用される、1.92GHz〜1.98GHzの周波数帯域、及び、LTEのダウンリンクで利用される、2.11GHz〜2.17GHzの周波数帯域において、VSRWは、実用上の限界とされる3未満となっている。
【００３６】
また、図６の下側に示される、50Ωを中心とするスミスチャートにおける、グラフ６１０は、パッチアンテナ１における、水平偏波及び垂直偏波についての周波数とインピーダンスの関係を表す。点a、b、c、dは、それぞれ、1.92GHz、1.98GHz、2.11GHz、2.17GHzを表す。グラフ６１０で示されるように、1.92GHz〜1.98GHzの周波数帯域、及び、2.11GHz〜2.17GHzの周波数帯域において、パッチアンテナ１は、比較的良好にインピーダンス整合されていることが示されている。
【００３７】
図７（ａ）は、図５（ａ）に示した比較用パッチアンテナについて、給電点Vで放射電極に給電した場合、すなわち、垂直偏波について利用する場合の周波数とVSWR及びインピーダンスの関係を示す実験結果を表す。また、図７（ｂ）は、図５（ａ）に示した比較用パッチアンテナについて、給電点Hで放射電極に給電した場合、すなわち、水平偏波について利用する場合の周波数とVSWR及びインピーダンス間の関係を示す実験結果を表す。図７（ａ）及び図７（ｂ）において、上側のグラフにおいて、横軸は周波数を表し、縦軸はVSWRを表す。そしてグラフ７０１は、比較用パッチアンテナにおける、垂直偏波についての周波数とVSWRとの関係を表す。またグラフ７０２は、比較用パッチアンテナにおける、水平偏波についての周波数とVSWRとの関係を表す。グラフ７０１、７０２と、グラフ６００とを比較すると、1.92GHz〜1.98GHzの周波数帯域、及び、2.11GHz〜2.17GHzの周波数帯域において、パッチアンテナ１と、比較用パッチアンテナとでは、VSWRについての周波数特性はほぼ同一であることが分かる。
【００３８】
また、図７（ａ）及び図７（ｂ）において、下側のスミスチャートは、50Ωを中心とするスミスチャートである。グラフ７１１は、比較用パッチアンテナにおける、垂直偏波についての周波数とインピーダンスの関係を表す。同様に、グラフ７１２は、比較用パッチアンテナにおける、水平偏波についての周波数とインピーダンスの関係を表す。点a、b、c、dは、それぞれ、1.92GHz、1.98GHz、2.11GHz、2.17GHzを表す。グラフ７１１、７１２と、グラフ６１０とを比較すると、1.92GHz〜1.98GHzの周波数帯域、及び、2.11GHz〜2.17GHzの周波数帯域において、パッチアンテナ１と比較用パッチアンテナとでは、インピーダンスについての周波数特性はほぼ同一であることが分かる。
【００３９】
以上に説明してきたように、このパッチアンテナは、水平偏波と垂直偏波の両方について放射電極がインピーダンス整合する、一つの給電点から給電することで、水平偏波と垂直偏波の両方について利用できる。そのため、このパッチアンテナは、給電用の回路構成を簡単化できる。またこのパッチアンテナは、給電点に対する対角側において放射電極に切欠け部分を設けることで、水平偏波と垂直偏波の放射効率を向上できる。
【００４０】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、給電点は、放射電極の左上端側に設けられる代わりに、放射電極の右上端、左下端、あるいは右下端側に設けられてもよい。何れの場合でも、給電点に近い方の放射電極の一端を基準として、（２）式に示される条件が満たされる位置に給電点が設けられればよい。
【００４１】
また、水平偏波と垂直偏波の両方について放射電極がインピーダンス整合する位置に給電点が設けられ、かつ、給電点に対する対角側に切欠け部分が形成されるのであれば、放射電極は、上記の実施形態または変形例と異なる形状を有していてもよい。
【００４２】
図８（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、変形例による、放射電極の概略平面図である。図８（ａ）〜図８（ｄ）に示される放射電極３１では、（２）式が満たされる位置に水平偏波及び垂直偏波に共用の給電点１３が設けられる。そして何れの放射電極についても、給電点１３に対する対角側において、水平偏波及び垂直偏波に対する電流密度を向上するために、凹状の切欠け部分３１ａが設けられている。さらに、何れの放射電極についても、水平偏波用の第１のエレメント３１ｂ、及び、垂直偏波用の第２のエレメント３１ｃから、互いに対向するように、スタブ３１ｄ、３１ｅが形成されている。例えば、図８（ａ）では、スタブ３１ｄ、３１ｅは、それぞれ、台形状に形成される。また、図８（ｂ）では、スタブ３１ｄ、３１ｅは、それぞれ、放射電極３１の右端、下端に沿った線状の部分と、給電点１３を通る対角線に沿った線状の部分とを連結した形状に形成される。さらに、図８（ｃ）では、スタブ３１ｄ、３１ｅは、それぞれ、蛇行形状に形成される。そして図８（ｄ）では、スタブ３１ｄ、３１ｅは、それぞれ、矩形形状に形成される。そのため、放射電極３１が利用される場合でも、図３に示される放射電極２２が用いられる場合と同様の効果が得られる。
【００４３】
また、図８（ａ）〜図８（ｄ）に示された各放射電極についても、水平偏波に対する放射特性と垂直偏波に対する放射特性間の差が抑制されるように、給電点１３を通る対角方向について対称に形成される。ただし、水平偏波に対する放射特性と垂直偏波に対する放射特性間の差がある程度許容される場合には、放射電極は、給電点を通る対角方向について対称に形成されなくてもよい。例えば、第１のエレメント及び第１のスタブは、図８（ａ）に示された形状を有し、一方、第２のエレメント及び第２のスタブは、図３または図８（ｂ）〜図８（ｄ）に示された何れかの形状を有していてもよい。さらに、第１のエレメント及び第２のエレメントのうちの一方にのみ、図３または図８（ａ）〜図８（ｄ）の何れかに示されるようなスタブが形成されてもよい。
【００４４】
また、本実施形態または変形例によるパッチアンテナは、例えば、移動体通信における基地局、例えば、いわゆるマイクロセル、ナノセル、あるいはフェムトセルといった、比較的小さい範囲のセルを提供する基地局に好適に用いられらる。あるいは、本実施形態または変形例によるパッチアンテナは、移動局に用いられてもよい。あるいはまた、本実施形態または変形例によるパッチアンテナは、無線通信の他の用途に用いられてもよい。さらにまた、本実施形態または変形例によるパッチアンテナは、アレイアンテナを形成するアンテナ素子の一つとして用いられてもよい。
【００４５】
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】
【００４６】
１    パッチアンテナ
１０    基板
１１    接地電極
１２、２２、３１    放射電極
１２ａ、２２ａ、３１ａ    切欠け部分
１２ｂ、２２ｂ、３１ｂ    第１のエレメント
１２ｃ、２２ｃ、３１ｃ    第２のエレメント
２２ｄ、３１ｄ    第１のスタブ
２２ｅ、３１ｅ    第２のスタブ
１３    給電点
１４    給電線
【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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