JP6952940B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本開示は、通信端末のアンテナ装置に関するものである。

無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の無線通信においては、アクセスポイントとなる通信端末親機により通信エリアを形成し、エリア内の通信端末子機との通信を行う。また、センサーネットワークでは、通信端末同士が網目状に接続され、複数の通信路を生成し、通信端末間でマルチホップ通信を行う場合もある。
一つの通信端末親機が形成する通信エリア内に通信端末子機が分布する場合、通信端末親機は水平面内において無指向性の放射パターンが求められる。
また、通信エリアが複数ある場合、通信エリア間での利得を向上させるにあたり、それぞれの通信端末親機は互いに指向性がある放射パターンを持つ必要がある。特に、複数の通信端末親機が一列に並び通信エリアが直線状に連続して形成されるような場合を考えると、通信端末親機には、通信エリアが隣接する直線方向、つまり通信エリア内に設置された水平面内において双方向性の放射パターンが求められる。

特許文献１では、逆相励振型平面アンテナと伝送線路型アンテナの組み合わせを用いた偏波共用双方向性アンテナの一構成例が開示されている。矩形状の線状導体を地導体上に設けて水平面内において８の字型の双方向性の垂直偏波放射パターンを得るとともに、平板状導体の対向する２つの辺にそれぞれに切れ目（くぼみ）を設けて逆相励振型平面アンテナを構成して水平面内に双方向性の水平偏波放射パターンを得ることが開示されている。

特開２０１８−６１１９５号公報

特許文献１の偏波共用アンテナでは水平面内双方向性の放射パターンを複数得ることはできるが、無指向性の放射パターンを得ることはできない。

無指向性の放射パターンも実現するには、それぞれの放射パターンを有するアンテナを複数用意しなければならず、端末装置が大型化したり、設置するアンテナの数が増えることによってコストが増大したりするという問題があった。

この発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、水平面内無指向性のアンテナと水平面内双方向性のアンテナを一体化した小形のアンテナ装置を得ることを目的とする。

本開示に係るアンテナ装置は、平板状の地導体と、地導体と平行に配置され、第１の孔、第２の孔が設けられた平板状の第１の導体板と、地導体と平行に配置された第１の水平導体、第１の導体板と電気的に接続するように垂直に交差し、第１の端が地導体と接続し、第２の端が第１の水平導体の第１の端と接続する第１の垂直導体及び第１の導体板と空間を有するように第１の孔に垂直に挿入され、第１の端が第１の水平導体の第２の端と接続し、第２の端が第１の給電点と接続する第２の垂直導体を有する第１の線状導体と、地導体と平行に配置された第２の水平導体、第１の導体板と電気的に接続するように垂直に交差し、第１の端が地導体と接続し、第２の端が第２の水平導体の第１の端と接続する第３の垂直導体及び第１の導体板と空間を有するように第２の孔に垂直に挿入され、第１の端が第２の水平導体の第２の端と接続し、第２の端が第２の給電点と接続する第４の垂直導体からなる第２の線状導体と、第１の導体板と垂直に配置され、第１の端が第１の導体板と接続し、第２の端が地導体側の第３の給電点と接続する第３の線状導体とを設けたものである。

本開示によれば、水平面内無指向性のアンテナと水平面内双方向性のアンテナを一体化した小型のアンテナ装置を実現することが可能となる。

実施の形態１に係るアンテナ装置を示す構成図である。 第１の線状導体の一例を示す、図１のＡ−Ａ断面図である。 第２の線状導体の一例を示す、図１のＢ−Ｂ断面図である。 第３の線状導体の一例を示す、図１のＣ−Ｃ断面図である。 アンテナ装置内に構成される短絡導体付きマイクロストリップアンテナの一例を示す、図１のＣ−Ｃ断面図である。 実施の形態１に係るアンテナ装置の無指向性アンテナの周波数ｆ１における水平面内（ｘ−ｙ平面内）放射パターンを示したグラフである。 実施の形態１に係るアンテナ装置の双方向性アンテナの周波数ｆ２における水平面内（ｘ−ｙ平面内）放射パターンを示したグラフである。 実施の形態２に係るアンテナ装置を示す構成図である。 実施の形態３に係るアンテナ装置を示す構成図である。 第４の線状導体の一例を示す、図９のＤ−Ｄ断面図である。 実施の形態３に係るアンテナ装置の変形例を示す構成図である。 第２の導体板の一例を示す、図１１のＤ−Ｄ断面図である。 実施の形態４に係るアンテナ装置を示す構成図である。 第１の線状導体の一例を示す、図１３のＥ−Ｅ断面図である。 第２の線状導体の一例を示す、図１３のＦ−Ｆ断面図である。 アンテナ装置内に構成される短絡導体付きマイクロストリップアンテナの一例を示す、図１３のＧ−Ｇ断面図である。 第１の線状導体上を流れる電流の模式図である。 実施の形態４のアンテナ装置の水平面内双方向性アンテナの周波数ｆ２における水平面内（ｘ−ｙ平面内）放射パターンを示したグラフである。 実施の形態４に係るアンテナ装置の双方向性アンテナの周波数ｆ２における水平面内（ｘ−ｙ平面内）放射パターンを示したグラフである。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るアンテナ装置を示す構成図である。図１において、アンテナ装置は、地導体１と、導体板（第１の導体板）２、第１の線状導体３、第２の線状導体４、第１の孔５、第２の孔６と第３の線状導体７を備えている。

地導体１は、銅またはアルミ等の金属で構成され、アンテナ装置のグランドとして動作する。図１において、地導体１は円形の板状で示されているが、アンテナ装置のグランドとしての動作が得られれば適宜自由な形状を選択可能である。例えば、正方形でも良い。本実施の形態では、図１に示すように地導体１を円板状の導体で構成した場合を例に説明する。

導体板２は、地導体１の主面に対して平行に配置された平板状の導体である。導体板２の平面形状は所定の周波数ｆ１で共振するように設計されていれば任意の形状を選択可能であるが、通常、円形、正方形または多角形が用いられる。本実施の形態では、図１に示すように導体板２を円板状の導体で構成した場合を例に説明する。なお、地導体１の中心と導体板２の中心が地導体１の法線方向に対して一致するように配置するのが望ましい。

第１の線状導体３は、水平導体（第１の水平導体）３ａと水平導体３ａの一端（第１の端）に接続する垂直導体（第１の垂直導体）３ｂ、水平導体３ａの他端（第２の端）に接続する垂直導体（第２の垂直導体）３ｃから構成される導体である。第１の線状導体３の全長は、水平導体３ａと垂直導体３ｂと垂直導体３ｃの長さを合わせたものである。水平導体３ａは、地導体１および導体板２に対して平行であり、これらが所定の間隔を設けて地導体１、導体板２、水平導体３ａの順に配列される。

垂直導体３ｂは、地導体１および導体板２に対して垂直に配置され、一端（第１の端）が地導体１に接続され、他端（第２の端）が水平導体３ａの一端（第１の端）に接続されている。垂直導体３ｂは、導体板２と電気的に接続するように垂直に交差している。垂直導体３ｃは、地導体１および導体板２に対して垂直に配置され、一端（第１の端）が水平導体３ａの他端（第２の端）に接続されている。

垂直導体３ｃの他端（第２の端）は、地導体１の近傍に配置され、地導体１と垂直導体３ｃの他端（第２の端）との間に高周波電圧が印加される。垂直導体３ｃは、導体板２と空間を有するように、導体板２に設けられた第１の孔５に垂直に挿入される。図１のＡ−Ａ断面図を図２に示す。なお、図１と同一符号は、同一または、相当部分を示している。２１は、垂直導体３ｃの他端と接続する給電点（第１の給電点）である。

第２の線状導体４は、水平導体（第２の水平導体）４ａと水平導体４ａの一端（第１の端）に接続する垂直導体（第３の垂直導体）４ｂ、水平導体４ａの他端（第２の端）に接続する垂直導体（第４の垂直導体）４ｃから構成される導体である。第２の線状導体４の全長は、水平導体４ａと垂直導体４ｂと垂直導体４ｃの長さを合わせたものである。水平導体４ａは、地導体１および導体板２に対して平行であり、これらが所定の間隔を設けて地導体１、導体板２、水平導体４ａの順に配列される。

垂直導体４ｂは、地導体１および導体板２に対して垂直に配置され、一端（第１の端）が地導体１に接続され、他端（第２の端）が水平導体４ａの一端（第１の端）に接続されている。垂直導体４ｂは、導体板２と電気的に接続するように垂直に交差している。垂直導体４ｃは、地導体１および導体板２に対して垂直に配置され、一端（第１の端）が水平導体４ａの他端（第２の端）に接続されている。

垂直導体４ｃの他端（第２の端）は、地導体１の近傍に配置され、地導体１と垂直導体４ｃの他端（第２の端）との間に高周波電圧が印加される。垂直導体４ｃは、導体板２と空間を有するように、導体板２に設けられた第２の孔６に垂直に挿入される。図１のＢ−Ｂ断面図を図３に示す。なお、図１と同一符号は、同一または、相当部分を示している。２２は、垂直導体４ｃの他端と接続する給電点（第２の給電点）である。

第１の線状導体３の全長および第２の線状導体４の全長は、第１の線状導体３および第２の線状導体４が、所定の周波数ｆ２で共振するように設計される。なお、本実施の形態では、導体板２が共振する周波数をｆ１、第１の線状導体３および第２の線状導体４が共振する周波数をｆ２としたが、周波数ｆ１と周波数ｆ２は同一であっても異なっていてもよい。

第１の線状導体３の水平導体３ａと第２の線状導体４の水平導体４ａは、所定の間隔を設けて互いに平行となるように、かつ導体板２の中心に対して互いに反対側となるように配置される。第１の線状導体３と第２の線状導体４は、導体板２の中心に対して１８０度回転対称（点対称）となるように配置されることが望ましい。また、導体板２を円形または正方形といった回転対称形とした場合、第１の線状導体３の垂直導体３ｂ、３ｃおよび第２の線状導体４の垂直導体４ｂ、４ｃは地導体１の中心に対して９０度回転対称となる位置に配置されることが望ましい。

第３の線状導体７は、地導体１、導体板２に対して垂直に配置され、一端（第１の端）が導体板２に接続された導体である。第３の線状導体７の他端（第２の端）は、地導体１の近傍に配置され、地導体１と第３の線状導体７の他端の間に高周波電圧が印加される。
図１のＣ−Ｃ断面図を図４に示す。なお、図１と同一符号は、同一または、相当部分を示している。２３は、第３の線状導体７の他端と接続する給電点（第３の給電点）である。図１では、第３の線状導体７の一端と導体板２の接続箇所が導体板２の中心に一致しているが、第３の線状導体７と導体板２との間で、所望のインピーダンス整合が得られれば、第３の線状導体７の一端と導体板２の接続箇所は、必ずしも導体板２の中心に一致している必要はない。

次に、本実施の形態に係るアンテナ装置の動作について説明する。なお、送信アンテナと受信アンテナには可逆性が成り立つため、ここでは送信アンテナとしての動作について説明する。

導体板２は、所定の周波数ｆ１で共振するように設計されているので、給電点２３に高周波電圧が印加されると、第３の線状導体７を介して導体板２と地導体１の間に高周波電圧が印加され、両者に電荷の移動が発生して交流電流が流れる。また、本実施の形態に係るアンテナ装置では、第１の線状導体３の垂直導体３ｂと第２の線状導体４の垂直導体４ｂによって、地導体１と導体板２が電気的に接続されているため、短絡導体付きマイクロストリップアンテナが構成される。

この短絡導体付きマイクロストリップアンテナにのみ着目した、図１のＣ−Ｃ断面図を図５に示す。なお、図１と同一符号は、同一または、相当部分を示している。第１の線状導体３の垂直導体３ｂと第２の線状導体４の垂直導体４ｂにより、地導体１と導体板２が電気的に接続されていることになり、導体板２には中心から外側に向かって放射状に電流が流れるため、短絡導体付き容量装荷モノポールアンテナと同様、導体板２の水平面内において無指向性の放射パターンが生じる。したがって、地導体１と導体板２によって水平面内無指向性アンテナが得られる。

給電点２１に高周波電圧が印加されると、第１の線状導体３に交流電流が流れる。このとき、鏡像の原理により、地導体１を対称面として第１の線状導体３の鏡像を考え、第１の線状導体３は、地導体１に対して垂直に配置されたループアンテナと見なすことができる。第１の線状導体３の垂直導体３ｂは、地導体１だけでなく導体板２にも接続されているが、第１の線状導体３が所定の周波数ｆ２において共振しているとき、第１の線状導体３上の定在波の節が垂直導体３ｂ上に生じるため、垂直導体３ｂを導体板２に接続してもループアンテナとしての動作への影響は小さい。

第１の線状導体３の垂直導体３ｃも、導体板２を貫通するように配置されているが、導体板２に設けられた第１の孔５を通るように配置され電気的接続はなく、垂直導体３ｃと導体板２が容量結合しないように第１の孔５の大きさを選ぶことで、ループアンテナとしての動作への影響をなくすことができる。第２の線状導体４についても同様に考えることができる。第１の線状導体３は、地導体１に垂直に配置されたループアンテナとして動作するので、その水平面における放射指向性は８の字型となり、水平導体３ａに直交する方向（図１における＋ｘ、−ｘ方向）に指向性が生じる。第２の線状導体４も同様に、＋ｘ、−ｘ方向で利得が最大となる８の字型の放射指向性を有する。

第１の線状導体３と第２の線状導体４は、導体板２の中心に対して互いに反対側となるように配置されているので、第１の線状導体３に印加される電圧と第２の線状導体４に印加される電圧の位相差φを１８０°とすると、水平面内で＋ｘ、−ｘ方向において第１の線状導体３から放射される電波と第２の線状導体４から放射される電波が強めあう。したがって、地導体１と第１の線状導体３と第２の線状導体４によって水平面内双方向性アンテナが得られる。なお、第１の線状導体３と第２の線状導体４は、導体板２の中心に対して互いに反対側となるように配置される場合について説明したが、第１の線状導体３と第２の線状導体４は、導体板２の中心に対して点対称であることが望ましい。

次に、本実施の形態のアンテナ装置構成で行った電磁界シミュレーション結果を示す。図６は、本実施の形態のアンテナ装置の水平面内無指向性アンテナの周波数ｆ１における水平面内（ｘ−ｙ平面内）放射パターンを示したグラフである。図中の太線がＸＹ平面内での強度を示す。なお、本実施の形態では、地導体１と導体板２の間隔は０．０２４λ１、導体板２の直径は０．２９λ１、第１の線状導体３の導体板２の中心からの距離を０．０６λ１とした。λ１は、周波数ｆ１に対する波長である。図６から明らかなように、地導体１および導体板２により水平面内無指向性アンテナが得られていることがわかる。

図７は、本実施の形態のアンテナ装置の水平面内双方向性アンテナの周波数ｆ２における水平面内（ｘ−ｙ平面内）放射パターンを示したグラフである。なお、本実施の形態では、第１の線状導体３の水平導体３ａの長さは０．２８λ２、垂直導体３ｂ、３ｃの長さは０．１２λ２とした。λ２は、周波数ｆ２に対する波長である。導体板２の中心に対して第１の線状導体３と点対称となるように第２の線状導体４を設け、第１の線状導体３と第２の線状導体４の間隔を０．２８λ２とした。なお、周波数ｆ１と周波数ｆ２は異なる値であり、ｆ１＜ｆ２（λ１＞λ２）である。図７から明らかなように、本実施の形態に係るアンテナ装置の水平面内双方向性アンテナは、±ｘ方向に指向性を有する双方向性の放射パターンが得られている。したがって、地導体１と第１の線状導体３と第２の線状導体４により水平面内双方向性アンテナが得られていることがわかる。

以上のように、本実施の形態に係るアンテナ装置では、地導体１および導体板２により水平面内無指向性アンテナが構成され、地導体１と第１の線状導体３および第２の線状導体４により水平面双方向性アンテナが構成され、第１の線状導体３の垂直導体３ｂおよび第２の線状導体４の垂直導体４ｂを水平面内無指向性アンテナの短絡導体と共通化することで水平面内無指向性アンテナと水平面内双方向性アンテナを一体化している。これにより、アンテナの設置台数を増やすことなく水平面内無指向性と水平面内双方向性の放射パターンを実現し、設置面積が小さいアンテナ装置を得ることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、地導体１の主面に対して平行に配置された導体板２との間を空気の層で構成した場合について説明した。本実施の形態では、地導体１と導体板２との間に誘電体を挟んで構成した場合について述べる。
図８は、本実施の形態に係るアンテナ装置を示す構成図である。図８において、実施の形態１と同一の構成には同一符号を付し、説明を省略する。本実施の形態に係るアンテナ装置と、実施の形態１との相違点は、地導体１と導体板２の間に誘電体板８が新たに配置された点である。

誘電体板８は、所定の比誘電率を有する平板状の誘電体であり、一方の平面に地導体１が、他方の面に導体板２がそれぞれ形成される。本実施の形態では、図８に示すよう、誘電体板８は、所定の厚さを有する円板形状としているが、方形の板状や多角形の板状など、設計の範囲内で任意の形状を選択可能である。
また、図８では地導体１が誘電体板８の一方の平面全体に一致するように同一形状として表されているが、上述のように、誘電体板８の一方の面の一部分にのみ地導体１が形成されていても良い。

導体板２は、実施の形態１と同様、所定の周波数ｆ１で共振するように、誘電体板８の比誘電率および厚さなどを考慮して設計されるものとする。

本実施の形態に係るアンテナ装置では、誘電体板８として、例えば両面に銅箔が貼り付けられた誘電体基板が利用できる。この場合、地導体１および導体板２は、誘電体板８の両面をエッチングすることによって所定の形状に加工することができる。また、誘電体板８において、第１の線状導体３の垂直導体３ｂおよび第２の線状導体４の垂直導体４ｂが配置される部分にスルーホール（図示しない）を形成することで、これらの導体を誘電体板８に貫通させるとともに、地導体１と導体板２の電気的接続を確保することができる。
一方、誘電体板８において、垂直導体３ｃと垂直導体４ｃが配置される部分には孔（図示しない）を形成することで、これらの導体を誘電体板８に貫通させることができる。

以上のように、本実施の形態に係るアンテナ装置では、地導体１と導体板２との間に誘電体板８を用いることで、誘電体基板のエッチング加工などの大量生産に適した製造方法を用いることができ、低コストでアンテナ装置を得ることができる。

実施の形態３．
実施の形態１では、ひとつのアンテナ装置内で、水平面内無指向性の放射パターンと水平面内双方向性の放射パターンの両方が得られるアンテナ装置について述べた。本実施の形態では、更に水平面内無指向性の放射パターンを有する場合について述べる。
図９は、本実施の形態に係るアンテナ装置を示す構成図である。図９において、図１と同一の構成には同一符号を付し、説明を省略する。本実施の形態に係るアンテナ装置と、実施の形態１との相違点は、導体板２に第３の孔１０を新たに設け、第４の線状導体９を新たに配置した点である。

第４の線状導体９は、導体板２の中心軸に沿って地導体１および導体板２に対して垂直に配置された導体である。第４の線状導体９の一端（第１の端）は、導体板２と空間を有するように導体板２に設けられた第３の孔１０に垂直に挿入され、他端（第２の端）は、地導体１の近傍に配置され、地導体１と第４の線状導体９の他端との間に高周波電圧が印加される。図９のＤ−Ｄ断面図を図１０に示す。なお、図２〜図４及び図９と同一符号は、同一または、相当部分を示している。２４は、第４の線状導体９の他端と接続する給電点（第４の給電点）である。

なお、実施の形態１に係るアンテナ装置では、第３の線状導体７が導体板２の中心に配置される場合もあったが、本実施の形態に係るアンテナ装置では、第４の線状導体９が導体板２の中心に配置されるため、第３の線状導体７は、導体板２の中心から所定の距離だけ離して配置させる必要がある。なお、第３の線状導体７と導体板２の中心との距離は、所望のインピーダンス整合が得られる位置に適宜設計される。

第４の線状導体９の長さは、所定の周波数ｆ３で共振するように設計される。ただし、周波数ｆ３は周波数ｆ１または周波数ｆ２と同一であっても異なっていてもよい。このとき、給電点２４に高周波電圧が印加されると、両者に電荷の移動が発生して交流電流が流れる。すなわち、第４の線状導体９は周波数ｆ３で共振するモノポールアンテナとして動作し、水平面内無指向性の放射パターンが得られる。

地導体１と導体板２から構成される水平面内無指向性アンテナ（短絡導体付きマイクロストリップアンテナ）では、構造の対称性から導体板２の中心付近で地導体１と導体板２の間に生じる電界強度が非常に小さくなる。したがって、導体板２の中心軸に沿って第４の線状導体９を新たに配置しても、地導体１と導体板２から構成される水平面内無指向性アンテナの動作には影響を及ぼすことがない。

以上のように、本実施の形態に係るアンテナ装置では、導体板２の中心軸に沿って第４の線状導体９を設けることで、周波数ｆ３で動作する水平面内無指向性アンテナを新たに一体構成することができ、アンテナ装置を大型化することなく多素子化することができる。

なお、本実施の形態に係るアンテナ装置に、実施の形態２に記載の誘電体板８を組み合わせることも可能である。この場合、実施の形態２で説明したように大量生産に優れる製造法を用いることができ、アンテナ装置の低コスト化を図ることができる。

さらに、第４の線状導体９を低姿勢化するため、いわゆるトップローディングアンテナとすることも可能である。図１１に、本実施の形態に係るアンテナ装置の変形例を示す。図１１において、１１は、第２の導体板である。なお、図８と同一符号は、同一または、相当部分を示している。図１１のＤ−Ｄ断面図を図１２に示す。なお、図２〜図４及び図９と同一符号は、同一または相当部分を示している。第２の導体板１１は、第４の線状導体９の一端（第１の端）に電気的に接続されている。第２の導体板１１の形状は、所定の周波数ｆ３で共振するよう、第４の線状導体９と併せて設計されていれば、任意の形状を選択できるが、第４の線状導体９の軸方向に対して回転対称性を有する形状が望ましい。例えば、円形、正方形、正多角形などが選択される。

実施の形態４．
実施の形態１では、水平面内双方向性の放射パターンをアンテナ素子として、地導体１に対して垂直に配置されたループアンテナを用いる構成について述べた。本実施の形態では、よりアンテナ構成の対称性が良く水平面内放射パターンの対称性が良好となるアンテナ構成について述べる。

図１３は、実施の形態４に係るアンテナ装置を示す構成図である。図１３において、実施の形態１と同一の構成には同一符号を付し、説明を省略する。本実施の形態に係るアンテナ装置と、実施の形態１との相違点は、第１の線状導体３に垂直導体（第３の垂直導体）３ｄが新たに設けられ、第２の線状導体４に垂直導体（第３の垂直導体）４ｄが設けられ、各々Ｔ字型モノポールアンテナを構成した点である。

第１の線状導体３は、水平導体（第１の水平導体）３ａと水平導体３ａの一端（第１の端）に接続する垂直導体（第１の垂直導体）３ｂ、水平導体３ａの他端（第２の端）に接続する垂直導体（第２の垂直導体）３ｃ、水平導体３ａの中央に接続される垂直導体（第３の垂直導体）３ｄから構成される導体である。第１の線状導体３の形状は、垂直導体３ｄを含む軸に対して対称形状であることが望ましい。このとき、第１の線状導体３のアンテナとしての全長は水平導体３ａの長さの半分と垂直導体３ｂ（または垂直導体３ｃ）の長さと垂直導体３ｄの長さを合わせたものである。

水平導体３ａは、地導体１および導体板２に対して平行であり、これらが所定の間隔を設けて地導体１、導体板２、水平導体３ａの順に配列される。垂直導体３ｂは、地導体１および導体板２に対して垂直に配置され、一端（第１の端）が地導体１に接続され、他端（第２の端）が水平導体３ａの一端（第１の端）に接続されている。このとき、垂直導体３ｂは導体板２と電気的に接続するように垂直に交差している。

垂直導体３ｃは、地導体１および導体板２に対して垂直に配置され、一端（第１の端）が地導体１に接続され、他端（第２の端）が水平導体３ａの他端（第２の端）に接続されている。このとき、垂直導体３ｃは導体板２と電気的に接続するように垂直に交差している。

垂直導体３ｄは、地導体１および導体板２に対して垂直に配置され、一端（第１の端）が水平導体３ａの中央に接続されている。垂直導体３ｄの他端（第２の端）は、地導体１の近傍に配置され、地導体１と垂直導体３ｄの他端（第２の端）との間に高周波電圧が印加される。このとき、垂直導体３ｄは、導体板２と空間を有するように、導体板２に設けられた第１の孔５に垂直に挿入される。図１３のＥ−Ｅ断面図を図１４に示す。なお、図１３と同一符号は、同一または、相当部分を示している。２１は、垂直導体３ｄの他端と接続する給電点（第１の給電点）である。

第２の線状導体４は、水平導体（第２の水平導体）４ａと水平導体４ａの一端（第１の端）に接続する垂直導体（第１の垂直導体）４ｂ、水平導体４ａの他端（第２の端）に接続する垂直導体（第５の垂直導体）４ｃ、水平導体４ａの中央に接続される垂直導体（第６の垂直導体）４ｄから構成される導体である。第２の線状導体４の形状は、垂直導体４ｄを含む軸に対して対称形状であることが望ましい。このとき、第２の線状導体４のアンテナとしての全長は水平導体４ａの長さの半分と垂直導体４ｂ（または垂直導体４ｃ）の長さと垂直導体４ｄの長さを合わせたものである。

水平導体４ａは、地導体１および導体板２に対して平行であり、これらが所定の間隔を設けて地導体１、導体板２、水平導体４ａの順に配列される。垂直導体４ｂは、地導体１および導体板２に対して垂直に配置され、一端（第１の端）が地導体１に接続され、他端（第２の端）が水平導体４ａの一端（第１の端）に接続されている。このとき垂直導体４ｂは、導体板２と電気的に接続するように垂直に交差している。

垂直導体４ｃは、地導体１および導体板２に対して垂直に配置され、一端（第１の端）が地導体１に接続され、他端（第２の端）が水平導体４ａの他端（第２の端）に接続されている。このとき垂直導体４ｂは、導体板２と電気的に接続するように垂直に交差している。

垂直導体４ｄは、地導体１および導体板２に対して垂直に配置され、一端（第１の端）が水平導体４ａの中央に接続されている。垂直導体４ｄの他端（第２の端）は、地導体１の近傍に配置され、地導体１と垂直導体４ｄの他端（第２の端）との間に高周波電圧が印加される。このとき、垂直導体４ｄは、導体板２と空間を有するように、導体板２に設けられた第２の孔６に垂直に挿入される。図１３のＦ−Ｆ断面図を図１５に示す。なお、図１３と同一符号は、同一または、相当部分を示している。２２は、垂直導体４ｄの他端と接続する給電点（第２の給電点）である。

第１の線状導体３の全長および第２の線状導体４の全長は、第１の線状導体３および第２の線状導体４が、所定の周波数ｆ２で共振するように設計される。なお、本実施の形態では、導体板２が共振する周波数をｆ１、第１の線状導体３および第２の線状導体４が共振する周波数をｆ２としたが、周波数ｆ１と周波数ｆ２は同一であっても異なっていてもよい。

第１の線状導体３の水平導体３ａと第２の線状導体４の水平導体４ａは、所定の間隔を設けて互いに平行となるように、かつ導体板２の中心に対して互いに反対側となるように配置される。第１の線状導体３と第２の線状導体４は、導体板２の中心に対して１８０度回転対称（点対称）となるように配置されることが望ましい。

また、導体板２を円形または正方形といった回転対称形とした場合、第１の線状導体３の垂直導体３ｂ、３ｃ、３ｄおよび第２の線状導体４の垂直導体４ｂ、４ｃ、４ｄは地導体１の中心に対して９０度回転対称となる位置に配置されることが望ましい。

図１３のＧ−Ｇ断面図を図１６に示す。なお、図１３と同一符号は、同一または、相当部分を示している。２３は、第３の線状導体７の他端と接続する給電点（第３の給電点）である。図１３では、第３の線状導体７の一端と導体板２の接続箇所が導体板２の中心に一致しているが、第３の線状導体７と導体板２との間で、所望のインピーダンス整合が得られれば、第３の線状導体７の一端と導体板２の接続箇所は、必ずしも導体板２の中心に一致している必要はない。また、図１６では、給電点２１、２２、２３が同一直線状に配列しているが、必ずしも同一直線状である必要はない。

以上のように構成することで、地導体１と導体板２によって短絡導体付きマイクロストリップアンテナが構成される。実施の形態１に比べて、本実施の形態では短絡導体の数が２個から４個に増えているが、接続箇所は導体板２に対して回転対称であるため、実施の形態１と同様に水平面内無指向性の放射パターンが生じ、地導体１と導体板２によって水平面内無指向性アンテナが得られる。

給電点２１に高周波電圧が印加されると、第１の線状導体３に交流電流が流れる。第１の線状導体３上を流れる電流の模式図を図１７に示す。垂直導体３ｄ上を流れた電流Ｉ１は、水平導体３ａの中央において水平導体３ａの各々の端向かって分岐する。分岐した電流をそれぞれＩ２、Ｉ３とすると、電流Ｉ２、Ｉ３の振幅は等しく、流れる向きは反対向きとなる。そのため、水平面内で＋ｘ、−ｘ方向から見た場合電流Ｉ２から放射される電波と電流Ｉ３から放射される電波は互いに打ち消しあう。したがって、垂直導体３ｄからの放射が主となり、第１の線状導体３はＴ字型のモノポールアンテナと見なすことができる。

第１の線状導体３の垂直導体３ｂおよび３ｃは、地導体１および導体板２に接続されているが、それによる寄生容量を考慮して所定の周波数ｆ２において第１の線状導体３が共振するように設計される。第１の線状導体３の垂直導体３ｄも、導体板２を貫通するように配置されているが、導体板２に設けられた第１の孔５を通るように配置され電気的接続はなく、垂直導体３ｃと導体板２が容量結合しないように第１の孔５の大きさを選ぶことで、モノポールアンテナとしての動作への影響をなくすことができる。第２の線状導体４についても同様に考えることができる。

第１の線状導体３と第２の線状導体４は、導体板２の中心に対して互いに反対側となるように配置されているので、水平面内のｙ軸の観測点から第１の線状導体３の垂直導体３ｄまでの距離と第２の線状導体４の垂直導体４ｄまでの距離は等しい。
したがって、第１の線状導体３に印加される電圧と第２の線状導体４に印加される電圧の位相差φを１８０°とすると、垂直導体３ｄを流れる電流から放射される電波と垂直導体４ｄを流れる電流から放射される電波は互いに打ち消しあい、＋ｙ、−ｙ方向へ放射しなくなる。
一方、ｘ軸上の観測点においては垂直導体３ｄと垂直導体４ｄの距離差があるため、垂直導体３ｄと垂直導体４ｄの間隔に応じた位相差が生じるため、＋ｘ、−ｘ方向において第１の線状導体３から放射される電波と第２の線状導体４から放射される電波が強めあう。したがって、地導体１と第１の線状導体３と第２の線状導体４によって、±ｙ方向への放射を抑え、±ｘ方向に放射する水平面内双方向性アンテナが得られる。
なお、第１の線状導体３と第２の線状導体４は、導体板２の中心に対して互いに反対側となるように配置される場合について説明したが、第１の線状導体３と第２の線状導体４は、導体板２の中心に対して点対称であることが望ましい。

本実施の形態のアンテナ装置では、第１の線状導体３と第２の線状導体４により水平導体の中央から給電されるモノポールアンテナを構成したので、水平面内放射指向性の対称性が向上する効果が期待できる。本実施の形態の水平面内双方向性アンテナの効果を示すため、電磁界シミュレーション結果を示す。なお、水平面内無指向性アンテナの動作については実施の形態１と同様のため、以下では説明を省略する。実使用時にはアンテナ装置はケース内に収納される場合が多い。そこで、アンテナ装置を正方形の開口を有する所定の大きさの金属ケースに収納した場合の放射パターンを示す。

図１８は、本実施の形態のアンテナ装置の水平面内双方向性アンテナの周波数ｆ２における水平面内（ｘ−ｙ平面内）放射パターンを示したグラフである。なお、本実施の形態では、第１の線状導体３の水平導体３ａの長さは０．２８λ２、垂直導体３ｂ、３ｃ、３ｄの長さは０．０９λ２とした。λ２は、周波数ｆ２に対する波長である。導体板２の中心に対して第１の線状導体３と点対称となるように第２の線状導体４を設け、第１の線状導体３と第２の線状導体４の間隔を０．２８λ２とした。

比較のため、実施の形態１のアンテナ装置を同様の金属ケースに収納した場合の水平面内双方向性アンテナの周波数ｆ２における放射パターンを図１９に示す。

図１８から明らかなように、本実施の形態に係るアンテナ装置の水平面内双方向性アンテナは、±ｘ方向に指向性を有する双方向性の放射パターンが得られている。さらに、図１９との比較から、実施の形態１の水平面内双方向性アンテナに比べて放射パターンの対称性が良く、±方向の利得が向上していることがわかる。したがって、本実施の形態の地導体１と第１の線状導体３と第２の線状導体４により、より対称性が良く高利得な水平面内双方向性アンテナが得られていることがわかる。

以上のように、本実施の形態に係るアンテナ装置では、第１の線状導体３および第２の線状導体４により中央給電のＴ字型モノポールアンテナを構成することで、対称性の良い放射パターンが得られる水平面内双方向性アンテナを実現し、実使用時においても利得の高いアンテナ装置を得ることができる。

なお、本実施の形態に係るアンテナ装置に、実施の形態２に記載の誘電体板８を組み合わせることも可能である。この場合、実施の形態２で説明したように大量生産に優れる製造法を用いることができ、アンテナ装置の低コスト化を図ることができる。

さらに、本実施の形態に係るアンテナ装置に、実施の形態３に記載の第４の線状導体９を組み合わせることも可能である。この場合、実施の形態３で説明したように周波数ｆ３で動作する水平面内無指向性アンテナを新たに一体構成することができ、アンテナ装置を大型化することなく多素子化することができる。

なお、この発明の実施の形態１から４において、第１の線状導体３、第２の線状導体４、第４の線状導体９、第２の導体板１１は自立する導体として説明されているが、実用においては設計の範囲においてこれらの導体を支持する構造を用いたり、３次元パターニング技術等の方法により樹脂表面に所定の導体パターンを形成したりすることができる。

なお、各実施の形態の組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。

本開示に係るアンテナ装置は、例えば、通信端末に利用可能である。

１ 地導体、２ 導体板、３ 第１の線状導体、３ａ 水平導体、３ｂ 垂直導体、３ｃ 垂直導体、３ｄ 垂直導体、４ 第２の線状導体、４ａ 水平導体、４ｂ 垂直導体、４ｃ 垂直導体、４ｄ 垂直導体、５ 第１の孔、６第２の孔、７ 第３の線状導体、８ 誘電体板、９ 第４の線状導体、１０ 第３の孔、１１ 第２の導体板、２１、２２、２３、２４ 給電点。

Claims (8)

1. 平板状の地導体と、
   該地導体と平行に配置され、第１の孔、第２の孔が設けられた平板状の第１の導体板と、
   前記地導体と平行に配置された第１の水平導体、前記第１の導体板と電気的に接続するように垂直に交差し、第１の端が前記地導体と接続し、第２の端が前記第１の水平導体の第１の端と接続する第１の垂直導体及び前記第１の導体板と空間を有するように前記第１の孔に垂直に挿入され、第１の端が前記第１の水平導体の第２の端と接続し、第２の端が第１の給電点と接続する第２の垂直導体を有する第１の線状導体と、
   前記地導体と平行に配置された第２の水平導体、前記第１の導体板と電気的に接続するように垂直に交差し、第１の端が前記地導体と接続し、第２の端が前記第２の水平導体の第１の端と接続する第３の垂直導体及び前記第１の導体板と空間を有するように前記第２の孔に垂直に挿入され、第１の端が前記第２の水平導体の第２の端と接続し、第２の端が第２の給電点と接続する第４の垂直導体からなる第２の線状導体と、
   前記第１の導体板と垂直に配置され、第１の端が前記第１の導体板と接続し、第２の端が前記地導体側の第３の給電点と接続する第３の線状導体と、
   を備えたアンテナ装置。
2. 前記第１の水平導体と前記第２の水平導体は互いに平行であり、かつ、前記第１の導体板の中心軸に対し互いに点対称となる位置に配置された、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１の導体板の平面形状は点対称である請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１の線状導体と前記第２の線状導体は前記第１の導体板の中心に対して点対称である請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記地導体と前記第１の導体板の間に誘電体を備えた請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
6. 前記第１の導体板は中央に第３の孔を有し、
   前記第１の導体板と空間を有するように前記第３の孔に垂直に挿入され、前記地導体側の一端が第４の給電点に接続された第４の線状導体を備えた請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
7. 前記第１の導体板が前記地導体と対向する面とは反対の面に平行に配置され、前記第４の線状導体の他端と電気的に接続する第２の導体板を備えた請求項６に記載のアンテナ装置。
8. 平板状の地導体と、
   該地導体と平行に配置され、第１の孔及び第２の孔が設けられた平板状の第１の導体板と、
   前記地導体と平行に配置された第１の水平導体、前記第１の導体板と電気的に接続するように垂直に交差し、第１の端が前記地導体と接続し、第２の端が前記第１の水平導体の第１の端と接続する第１の垂直導体及び前記第１の導体板と電気的に接続するように垂直に交差し、第１の端が前記地導体と接続し、第２の端が前記第１の水平導体の第２の端と接続する第２の垂直導体及び前記第１の導体板と空間を有するように前記第１の孔に垂直に挿入され、第１の端が前記第１の水平導体の第１の端と第２の端の間で接続し、第２の端が第１の給電点と接続する第３の垂直導体を有する第１の線状導体と、
   前記地導体と平行に配置された第２の水平導体、前記第１の導体板と電気的に接続するように垂直に交差し、第１の端が前記地導体と接続し、第２の端が前記第１の水平導体の第１の端と接続する第４の垂直導体及び前記第１の導体板と電気的に接続するように垂直に交差し、第１の端が前記地導体と接続し、第２の端が前記第２の水平導体の第２の端と接続する第５の垂直導体及び前記第１の導体板と空間を有するように前記第２の孔に垂直に挿入され、第１の端が前記第２の水平導体の第１の端と第２の端の間で接続し、第２の端が第２の給電点と接続する第６の垂直導体からなる第２の線状導体と、
   前記第１の導体板と垂直に配置され、第１の端が前記第１の導体板と接続し、第２の端が前記地導体側の第３の給電点と接続する第３の線状導体と、
   を備えたアンテナ装置。

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