アンテナ装置
【課題】メタマテリアルを用いた従来よりも小型のアンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ装置１は、電磁波を放射または吸収するアンテナ素子１０と、アンテナ素子１０を臨むように配置された負の誘電率を有するメタマテリアル９３とを備える。メタマテリアル９３は、アンテナ素子１０と離間して配置された複数のコイル１１を含む。各コイル１１は、各々の周囲に生じる電磁波の略半波長またはその整数倍の長さの導電線によって形成される。各コイルの中心軸の方向は、アンテナ素子１０から生じる電気力線の方向と略一致する。
【解決手段】アンテナ装置１は、電磁波を放射または吸収するアンテナ素子１０と、アンテナ素子１０を臨むように配置された負の誘電率を有するメタマテリアル９３とを備える。メタマテリアル９３は、アンテナ素子１０と離間して配置された複数のコイル１１を含む。各コイル１１は、各々の周囲に生じる電磁波の略半波長またはその整数倍の長さの導電線によって形成される。各コイルの中心軸の方向は、アンテナ素子１０から生じる電気力線の方向と略一致する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は負の誘電率を有するメタマテリアルを利用したアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、メタマテリアル（metamaterial）と称されるデバイスが注目されている。このメタマテリアルとは、自然界に存在する物質が有さないような電磁気的または光学的な特性をもつ人工物質である。このようなメタマテリアルの代表的な特性として、負の透磁率（μ＜０）、負の誘電率（ε＜０）、あるいは負の屈折率（透磁率および誘電率がいずれも負の場合）が挙げられる。
【０００３】
負の誘電率を実現する手段としては、金属棒を用いる方法が代表的である。無限の（つまり、電磁波の波長に対して十分大きい）長さを持った金属棒によりプラズマ周波数を下げることによって、負の誘電率を実現することができる。有限長の金属ロッドによって負の誘電率が発生することも知られている。具体的には、電磁波の波長の半分の長さの金属ロッドを、電磁波に共振させると負の誘電率が生じる。
【０００４】
このような負の誘電率を有するメタマテリアルを利用したアンテナ装置が、R. W. Ziolkowskiによって報告されている（"Metamaterial-Based Efficient Electrically Small Antennas"、IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION、２００６年７月、VOL.54、NO.7、p.2113-2130（非特許文献１））。この文献のアンテナ装置では、負の誘電率を有する球殻状のメタマテリアルが、小型アンテナ（Electrically Small Antenna）を囲むように配置される。負の誘電率のメタマテリアルの有する誘導特性が小型アンテナの有する容量特性を相殺し、全体としてＬＣ共振器として振舞うので、小型アンテナ単体に比べて放射効率を高めることができる。
【０００５】
アンテナ装置を小型化する他の方法として、特公平８−２００５号公報（特許文献１）に記載されたヘリカル平面アンテナが知られている。このヘリカル平面アンテナは、電波の波長に比べて間隔の狭い平行金属板および、これらの平行金属平板を外周縁で短絡する金属リングで構成される導波路と、平行金属平板に挿入された多数のヘリカル円偏波素子とを含む。受信電波は多数のヘリカル円偏波素子により受信され、導波路内で同位相で合成されてプローブより出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公平８−２００５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】R. W. Ziolkowski、"Metamaterial-Based Efficient Electrically Small Antennas"、IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION、２００６年７月、VOL.54、NO.7、p.2113-2130
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、波長より十分長い金属棒により負の誘電率を実現したメタマテリアルは、アンテナ装置に応用するにはサイズが大きすぎる。また、半波長の金属棒を用いる方法でも、メタマテリアルの小型化は難しい。たとえば、３ＧＨｚで負の誘電率を発現するメタマテリアルを作成するには、５０ｍｍの金属棒が必要になる。したがって、これらのメタマテリアルと小型アンテナ素子とを組み合わせたアンテナ装置全体のサイズも従来と比べて小型化されたものとなっていない。
【０００９】
上記の特許文献に記載されたヘリカル平面アンテナの各コイルの外周長は電磁波の波長と同程度であるので、アンテナ装置のサイズはメタマテリアルを用いる場合よりも大きくなってしまう。
【００１０】
この発明の目的は、メタマテリアルを用いた従来よりも小型のアンテナ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は一局面においてアンテナ装置であって、電磁波を放射または吸収するアンテナ素子と、アンテナ素子を臨むように配置された負の誘電率を有するメタマテリアルとを備える。メタマテリアルは、アンテナ素子と離間して配置された複数のコイルを含む。複数のコイルの各々は、各々の周囲に生じる電磁波の略半波長またはその整数倍の長さの導電線によって形成される。
【００１２】
好ましくは、複数のコイルの各々はヘリカル状に形成される。この場合、メタマテリアルに含まれる全てのコイルの巻き方向は同一である。複数のコイルの各々の中心軸の方向は、アンテナ素子から生じる電気力線の方向と略一致する。
【００１３】
さらに好ましくは、アンテナ素子に近接する側の複数のコイルの各々の端部は、電気力線と直交する等電位面に沿って配置される。
【００１４】
好ましい実施の一形態において、電気力線の間隔は、アンテナ素子から離間するにつれて広がる。この場合、複数のコイルの各々のコイル半径は、アンテナ素子から離間するほど大きい。
【００１５】
好ましくは、アンテナ素子に近接する側の複数のコイルの各々の端部は、アンテナ素子を覆う仮想球面に沿って配置される。
【００１６】
好ましい実施の他の形態において、アンテナ素子は平面状の放射面を有する平面アンテナである。この場合、複数のコイルの各々の中心軸は放射面と直交する。
【００１７】
好ましくは、放射面に近接する側の複数のコイルの各々の端部は、放射面から等距離にある。
【００１８】
さらに好ましくは、メタマテリアルは、放射面に積層された複数の絶縁層をさらに含む。この場合、複数のコイルの各々は、複数の絶縁層上にそれぞれ形成された１ターン未満の巻数の複数のストリップライン電極を有する。複数の絶縁層の積層方向に隣接したストリップライン電極は、絶縁層を貫通する導体によって互いに接続される。
【００１９】
上記の実施の一形態および他の形態において好ましくは、メタマテリアルは、各々が電気力線と交差する複数の導電板をさらに含む。この場合、複数のコイルの各々の少なくとも一方の端部には複数の導電板のいずれか１つが接続される。
【００２０】
好ましい実施のさらに他の形態において、複数のコイルの各々は、ミアンダ状の導電線路を含む。この場合、メタマテリアルは、複数のコイルにそれぞれ対応する複数の一対の導電板を含む。複数の一対の導電板の各々は、対応のコイルの両端に１つずつ接続され、電気力線と交差するように配置される。
【００２１】
好ましくは、複数の一対の導電板の各々および対応のコイルに含まれるミアンダ状の導電線路は、ミアンダ状の導電線路が一対の導電板で挟まれるような配置で互いに平行に設けられる。
【００２２】
好ましい実施のさらに他の形態において、メタマテリアルは、互いに積層された複数の部分層によって構成される。この場合、複数の部分層の各々は、複数のコイルのうち少なくとも１つを含む。アンテナ素子から相対的に離間する部分層は、アンテナ素子に相対的に近接する部分層に比べて多くのコイルを含む。
【００２３】
好ましくは、複数のコイルの各々は、ヘリカル状に形成される。この場合、複数のコイルの各々の中心軸の方向は、複数の部分層の積層方向と略一致する。
【００２４】
この発明は他の局面においてアンテナ装置であって、絶縁性の基板上に膜状に形成され、電磁波を放射または吸収するアンテナ素子と、各々がアンテナ素子と離間して基板上にミアンダ状に形成された複数のコイルとを備える。複数のコイルの各々の中心線の方向は、アンテナ素子から生じる電気力線の方向と略一致する。複数のコイルの各々は、各々の周囲に生じる電磁波の略半波長またはその整数倍の長さの導電線によって形成される。
【００２５】
好ましくは、アンテナ素子に近接する側の複数のコイルの各々の端部は、電気力線と直交する等電位面と基板の表面との交線に沿って配置される。
【００２６】
さらに好ましくは、基板の表面に沿う電気力線の間隔は、アンテナ素子から離間するにつれて広がる。この場合、複数のコイルの各々において、中心線に垂直な方向の幅は、アンテナ素子から離間するほど長い。
【００２７】
上記の一局面および他の局面において、複数のコイルは、複数のグループに分割される。この場合、互いに同一のグループに属するコイルは、同一の長さの導電線によって形成される。互いに異なるグループに属するコイルは、異なる長さの導電線によって形成される。
【発明の効果】
【００２８】
この発明によれば、メタマテリアルは、ヘリカル状またはミアンダ状に形成された複数のコイルを含む。そして、各コイルは、電磁波の略半波長またはその整数倍の長さの導電線によって形成される。このため、従来よりも小型のアンテナ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の実施の形態１によるアンテナ装置１の構成を示す斜視図である。
【図２】図１のアンテナ装置１の断面構造を模式的に示す図である。
【図３】図１のメタマテリアル９３の特性を説明するための図である。
【図４】図３に示すコイル１００の比誘電率を示す図である。
【図５】図３に示すコイル１００の比透磁率を示す図である。
【図６】（Ａ）はコイル１００が正の誘電率を示す場合の電界の方向を説明するための図であり、（Ｂ）はコイル１００が負の誘電率を示す場合の電界の方向を説明するための図である。
【図７】図６（Ｂ）の場合におけるコイル１００の周囲の電界分布を詳細に示す図である。
【図８】図２のアンテナ装置１の変形例であるアンテナ装置１Ａの断面構造を模式的に示す図である。
【図９】シミュレーションの対象としたアンテナ装置の構造を示す図である（コイルが１個の場合）。
【図１０】シミュレーションの対象としたアンテナ装置の構造を示す図である（コイルが複数の場合）。
【図１１】この発明の実施の形態２によるアンテナ装置２の構成を示す斜視図である。
【図１２】図１１のアンテナ装置２の断面構造を模式的に示す図である。
【図１３】この発明の実施の形態３によるアンテナ装置３の構成を示す図である。
【図１４】実施の形態３の変形例１によるアンテナ装置３Ａの構成を示す図である。
【図１５】実施の形態３の変形例２によるアンテナ装置３Ｂの構成を示す図である。
【図１６】この発明の実施の形態４によるアンテナ装置４の構成を示す斜視図である。
【図１７】図１６のアンテナ装置４の断面構造を模式的に示す図である。
【図１８】アンテナ装置４の製造方法を説明するための図である。
【図１９】図１８に示す絶縁層５４Ａ〜５４Ｄの平面図である。
【図２０】実施の形態４の変形例によるアンテナ装置４Ａの構成を示す斜視図である。
【図２１】この発明の実施の形態５によるアンテナ装置５の構成を示す斜視図である。
【図２２】図２１の各コイルユニット６９の構成を示す図である。
【図２３】図２２の絶縁シート６４Ｂ〜６４Ｆの平面図である。
【図２４】この発明の実施の形態６によるアンテナ装置６の構成を示す斜視図である。
【図２５】図２４のアンテナ装置６の側面図である。
【図２６】実施の形態６の変形例によるアンテナ装置６Ａの構成を示す斜視図である。
【図２７】図２６のアンテナ装置６Ａの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。
【００３１】
＜実施の形態１＞
［アンテナ装置１の構成］
図１は、この発明の実施の形態１によるアンテナ装置１の構成を示す斜視図である。
【００３２】
図２は、図１のアンテナ装置１の断面構造を模式的に示す図である。図１、図２を参照して、アンテナ装置１は、アンテナ素子１０と、メタマテリアル９３としての複数のヘリカル状のコイル１１と、絶縁性の基板１５上に形成されたグランドプレーン１２と、給電線１３と、複数のコイル１１を固定するための絶縁性の支持部材１４とを含む。基板１５および支持部材１４は誘電性を有していることが望ましい。図解を容易にするために支持部材１４は輪郭線のみが示される。
【００３３】
アンテナ素子１０はモノポールアンテナであり、その全長が電磁波の波長の１／１０以下の小型アンテナ（Electrically Small Antenna）である。送信時にはアンテナ素子１０から電磁波が放射され、受信時にはアンテナ素子１０によって電磁波が吸収される。アンテナ素子１０の一端は、基板１５およびグランドプレーン１２を貫通して設けられた給電線１３に接続される。図１、図２では、グランドプレーン１２はＸＹ平面に沿って設けられ、アンテナ素子１０としてのモノポールアンテナの中心軸線がＺ軸に沿って設けられる。
【００３４】
複数のヘリカル状のコイル１１は、アンテナ素子１０を臨むような配置（アンテナ素子に向き合うような配置、またはアンテナ素子を覆うような配置）で、アンテナ素子１０と離間して設けられる。各コイル１１は、アンテナ素子１０から放射される電磁波の波長の略半分の長さの導電線によって形成される。これによって各コイル１１は電磁波の周波数で共振する。コイル１１が互いの電磁特性を打ち消しあわないように、全てのコイル１１の巻き方向を同一にするのが好ましい。
【００３５】
図２に示すように各コイル１１の中心軸の方向はアンテナ素子１０から生じる電気力線９０の方向と略一致する。アンテナ素子１０に近接する側の各コイル１１の端部１１Ａは、アンテナ素子１０を囲む仮想的な半球面（図２の場合は、支持部材１４の内面１４Ａ）に沿って設けられる。
【００３６】
支持部材１４は、各コイル１１が上記の配置となるように各コイル１１を固定する。支持部材１４としてシリコン樹脂やテフロン（登録商標）樹脂などを用いることができる。支持部材１４の形状は、各コイル１１を固定できるのであれば図２のような形状に限るものでない。たとえば、支持部材１４の内側に図２のような中空部１６を設けずに、中空部１６の部分にシリコン樹脂などを充填してもよい。
【００３７】
なお、誘電体材料である支持部材１４の誘電率によって電磁波の波長が変化する。したがって、各コイル１１を構成する導電線の長さは支持部材１４の誘電率を考慮して決定する必要がある。
【００３８】
上記のような配置の複数のコイル１１によって負の誘電率を示すメタマテリアル９３が実現できる。以下、メタマテリアル９３が負の誘電率を示す理由について説明する。
【００３９】
［メタマテリアル９３の特性］
図３は、図１のメタマテリアル９３の特性を説明するための図である。図３には、１個のヘリカル状のコイル１００が示される。コイル１００は、信号線２００とグランドプレーン２２０との間に配置され、信号線２００およびグランドプレーン２２０と接触しないように支持部材１２０によって固定される。信号線２００には所定の周波数の交流電流Ｉが流れる。これによって、信号線２００とグランドプレーン２２０との間には交流電界Ｅが生じる。
【００４０】
図３のコイル１００の第１の特徴は、信号線２００を流れる交流電流Ｉの波長の略半分の長さの導電線によってコイル１００が形成される点である。第２の特徴は、コイル１００の中心軸１１０の方向が信号線２００とグランドプレーン２２０との間に生じる交流電界Ｅの方向（すなわち、電気力線の方向）と一致する点である。これらの特徴によって、コイル１００は、信号線２００およびグランドプレーン２２０と交流電界Ｅによって静電結合することにより、交流電界Ｅの周波数で共振する。
【００４１】
図４は、図３に示すコイル１００の比誘電率を示す図である。
図５は、図３に示すコイル１００の比透磁率を示す図である。図４、図５に示す比誘電率および比透磁率の計算では、コイル１００を形成する導電線の長さ（以下、「コイル線長」と称する）を１３ｍｍとした。
【００４２】
図４に示すように、図３の信号線２００に流す交流電流Ｉの周波数を次第に増加させた場合、比誘電率は、周波数６．５ＧＨｚ付近（図４の参照符号９１）で最大値を示し、周波数６．６ＧＨｚ付近（図４の参照符号９２）で最小値を示す。比誘電率が最小値を示すとき、その値は負である。一方、比透磁率は、周波数６．５ＧＨｚ付近で最小値を示し、周波数６．６ＧＨｚ付近で最大値を示すが、周波数に対する変化量は小さく、その値はほぼ１であり負にはならない。
【００４３】
図６（Ａ）はコイル１００が正の誘電率を示す場合の電界の方向を説明するための図であり、図６（Ｂ）はコイル１００が負の誘電率を示す場合の電界の方向を説明するための図である。図６（Ａ），（Ｂ）では、信号線２００を流れる交流電流Ｉによって、グランドプレーン２２０から信号線２００に向かう外部電界がコイル１００に印加された状態になっているとする。
【００４４】
図６（Ａ）の場合には、下方（グランドプレーン２２０側）から上方（信号線２００側）に向かう外部電界によって、コイル１００の下端部１００Ｂに負電荷が誘起され、コイル１００の上端部１００Ａに正電荷が誘起される。一方、コイル１００が共振状態にある図６（Ｂ）の場合には、誘起される電荷の極性が逆転し、コイル１００の下端部１００Ｂに正電荷が誘起され、コイル１００の上端部１００Ａに負電荷が誘起される。このとき誘起されるコイル１００の上端部１００Ａの電荷およびコイル１００の下端部１００Ｂの電荷は、共振によりそれぞれ上方の信号線２００の電荷、および下方のグランドプレーン２２０の電荷より大きくなっている。このため、図６（Ａ）の場合と比較するとコイル１００の上下に発生する電界Ｅの方向が逆転する。すなわち、コイル１００は負の誘電率特性を示す。なお、誘電率の正負を論じるにあたっては、コイル１００の上下の電界の方向が重要である。コイル１００内に発生する電界Ｅ’の方向も逆転するが、コイル１００は導体なので、電界Ｅ’の大きさはコイル１００の上下に発生する電界Ｅよりも小さい。
【００４５】
図７は、図６（Ｂ）の場合におけるコイル１００の周囲の電界分布を詳細に示す図である。図７に示されるように、信号線２００からコイル１００の上端部に向かう下向きの電界、およびコイル１００の下端部からグランドプレーン２２０に向かう下向きの電界が生じていて、コイル１００が負の誘電率を示していることがわかる。
【００４６】
なお、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、コイル１００の上端部１００Ａおよび下端部１００Ｂには正または負の電荷が蓄積されるので、共振に関係する実質的なコイル線長は、外形上のコイル線長よりも短くなる。この結果、外形上のコイル線長から予測される共振周波数よりも実際の共振周波数は高くなる。このため、上記の性質を考慮して外形上のコイル線長を電磁波の波長の半分よりもやや長めに設計する必要がある。実際には、シミュレーションまたは実験を行なうことによって、適切な共振周波数を有するようにコイル線長が決定される。
【００４７】
［アンテナ装置１の作用効果］
再び図１、図２を参照して、実施の形態１のアンテナ装置１では、メタマテリアル９３として、略半波長のコイル線長を有するコイル１１が多数配置される。既に説明したように、各コイル１１はアンテナ素子と離間して設けられ、各コイル１１の中心軸の方向はアンテナ素子１０から生じる電気力線９０の方向と略一致するので、各コイル１１はアンテナ素子１０と静電結合する。この結果、各コイル１１が共振状態にあるときには、メタマテリアル９３は負の誘電率を示す。
【００４８】
一般に、アンテナ素子１０を小型化するほど、アンテナ素子１０の入力インピーダンスは、抵抗成分が小さくなるとともに容量成分が大きくなるので、アンテナ素子１０と信号源との整合が困難になる。この結果、アンテナの放射効率が低下するという問題がある。そこで、アンテナ素子１０を臨むように（アンテナ素子と向き合うように、またはアンテナ素子を覆うように）、負の誘電率を有するメタマテリアル９３を配置することによって、メタマテリアル９３の有する誘導特性によってアンテナ素子の容量特性を相殺させる。これによってアンテナ素子１０と信号源との整合が容易になるので、アンテナ素子１０単体の場合に比べて放射効率を高めることができる。特に、実施の形態１の場合には、各コイル１１のサイズを電磁波の波長に比べて十分に小さくできるので、アンテナ装置１全体を小型化することができる。
【００４９】
アンテナ装置１の放射効率を高めるためには、アンテナ素子１０に近接した側の各コイル１１の端部１１Ａが電気力線９０に垂直な等電位面に沿って周期的に配置されるようにすることが望ましい。さらに好ましくは、図２に示すように電気力線９０の間隔がアンテナ素子１０から離間するにつれて広がる場合には、各コイル１１のコイル半径がアンテナ素子から離間するほど大きくなるようにする。これによって、メタマテリアル９３が設けられた半球状の領域内でコイル１１の占める領域を増やすことができる。なお、図３に示すように、コイル半径とは、コイル１００上の点から中心軸１１０までの距離ＣＲをいう。
【００５０】
［変形例］
上記では、各コイル１１のコイル線長は電磁波の波長の略半分であるとしたが、コイル線長が略半波長の整数倍の長さであっても、各コイル１１は電磁波の周波数で共振するので、負の誘電率を示すメタマテリアルを実現することができる。ただし、アンテナ装置１の小型化の観点からは、コイル線長を略半波長にするのが望ましい。
【００５１】
メタマテリアル９３を構成する複数のコイル１１をグループ化し、異なるグループに属するコイル１１同士ではコイル線長が異なるようにしてもよい。これによってメタマテリアル９３は複数の共振周波数を有するようになるので、アンテナ装置１の帯域を広げることができる。なお、このようにコイル線長を異ならせる場合は、各コイル１１を形成する導電線の直径、コイル半径、コイルの巻数、および支持部材１４の誘電率などをグループごとに変更することによって、各コイルの外観上の大きさが大きく異ならないようにすることが望ましい。
【００５２】
各コイル１１の形状は円錐面に沿うように金属線が巻かれたものに限られない。たとえば、四角錐に沿うように金属線が巻かれたような形状であってもよい。
【００５３】
上記では、アンテナ素子１０はモノポールアンテナであるとしたが、これに限るものでない。たとえば、アンテナ素子をダイポールアンテナとした場合には、グランドプレーン１２は設けられずに、メタマテリアルとしての複数のコイル１１がダイポールアンテナを取り囲むように球状に配置される。
【００５４】
アンテナ素子１０と各コイル１１との静電結合の効率を高めるために、アンテナ素子１０としてのモノポールアンテナの先端部の形状を図８に示すように半球状にしてもよい。
【００５５】
図８は、図２のアンテナ装置１の変形例であるアンテナ装置１Ａの断面構造を模式的に示す図である。図８に示すように、先端部１０Ａの形状が半球状となっているので、先端部１０Ａから各コイル１１の端部１１Ａまでの距離を揃えることができる。
【００５６】
［シミュレーション結果］
以下、図８のアンテナ装置１Ａについてシミュレーション結果を、比較例のアンテナ装置のシミュレーション結果と対比しながら説明する。
【００５７】
図９、図１０は、シミュレーションの対象としたアンテナ装置の構造を示す図である。図９（Ａ）は、コイル１１が１個で、コイル１１とアンテナ素子１０の先端部１０Ａとが非接続（静電結合）の場合である。図９（Ｂ）は、コイル１１が１個で、コイル１１とアンテナ素子１０の先端部１０Ａとが接続された場合である。図１０（Ａ）は、コイル１１が７個で、各コイル１１とアンテナ素子１０の先端部１０Ａとが非接続（静電結合）の場合である。図１０（Ｂ）は、コイル１１が７個で、各コイル１１とアンテナ素子１０の先端部１０Ａとが接続された場合である。図１０（Ｃ）は、コイル１１が１３個で、各コイル１１とアンテナ素子１０の先端部１０Ａとが非接続（静電結合）の場合である。図１０（Ａ）、図１０（Ｃ）が本実施の形態の場合であり、図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図１０（Ｂ）が比較例である。図９、図１０のいずれの場合も、各コイル１１は、直径１ｍｍ、長さ２０ｍｍの金属線で形成され、シリコン樹脂の中に埋め込まれる。各アンテナ装置に対して、共振周波数、反射電力、および放射効率を求めた結果を下表に示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
まず、コイル１１の個数が１個の場合、ヘリカルコイルに直接給電する従来のアンテナ（図９（Ｂ））と、モノポールアンテナの近傍に１本の略半波長のコイルを静電結合させたアンテナ（図９（Ａ））とを比較すると、直接給電する従来のアンテナ（図９（Ｂ））のほうが放射効率が高い。すなわち、コイルの個数が１個の場合は、コイル１１とアンテナ素子の先端部１０Ａとを離間させるメリットはない。
【００６０】
図１０（Ａ）、図１０（Ｃ）のようにコイル線長が略半波長であるコイル１１の個数を増やし、多数のコイル１１でモノポールアンテナを覆うような構造にすると、コイル１１の個数を増やすにつれて整合がとれるようになって、放射効率がよくなることがわかる。この場合は、コイル１１とアンテナ素子とを接続する場合（図１０（Ｂ））よりも、離間させた場合（図１０（Ａ）、図１０（Ｃ））のほうが効率が良くなることがわかる。
【００６１】
単一のモノポールアンテナであれば先端の電界が集中する部分から主に放射するが、実施の形態１のアンテナ装置１Ａでは、コイル線長が略半波長のコイル１１の集合体がアンテナ素子の先端部１０Ａと静電結合して共振し、半球面全体から放射するようになることが、放射効率が良くなる原因と考えられる。この結果、アンテナ装置全体を小型化しても整合がとりやすくなるので、放射効率のよい小型のアンテナ装置を実現できる。
【００６２】
＜実施の形態２＞
図１１は、この発明の実施の形態２によるアンテナ装置２の構成を示す斜視図である。
【００６３】
図１２は、図１１のアンテナ装置２の断面構造を模式的に示す図である。図１１、図１２を参照して、アンテナ装置２を構成するメタマテリアル９４は、各コイル１１の両端に接続された円盤状の平板電極２１Ａ，２１Ｂ（導電板）をさらに含む点で、実施の形態１のメタマテリアル９３と異なる。平板電極２１Ａ，２１Ｂは電界によってアンテナ素子１０と静電結合するように電気力線９０と交差させる必要がある。平板電極２１Ａ，２１Ｂと電気力線９０とを直交させると、最も効率的に静電結合させることができる。その他の点については、アンテナ装置２はアンテナ装置１Ａと同一であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
【００６４】
実施の形態２のメタマテリアル９４は、静電容量がアンテナ素子１０の先端部１０Ａとアンテナ素子１０に近接する側の平板電極２１Ｂとの間に付加されるため、共振周波数が下がる。すなわち、容量発生により波長短縮が図られるので、ある共振周波数を得るために必要なコイル１１のコイル線長が短くてすむことになる。したがって、平板電極２１Ｂを有さない実施の形態１のメタマテリアル９３に比べてさらに小型化でき、この結果アンテナ装置２全体も小型化できる。さらに、アンテナ素子から離反する側に設けられた平板電極２１Ａの直径をコイル径（コイルの直径）より大きくすることによって放射面が広くなるので、アンテナの放射効率が高くなる。平板電極２１Ａ，２１Ｂはいずれか一方のみが設けられていてもよい。
【００６５】
＜実施の形態３＞
図１３は、この発明の実施の形態３によるアンテナ装置３の構成を示す図である。図１３（Ａ）が平面図であり、図１３（Ｂ）が側面図である。実施の形態３のアンテナ装置３は、実施の形態１のアンテナ装置１，１Ａを２次元にしたものに相当する。実施の形態１のヘリカル状のコイル１１には、ミアンダ状のコイル３１が対応する。実施の形態１の場合と同様に、ミアンダ状のコイル３１のコイル線長は電磁波の波長の略半分である。
【００６６】
アンテナ装置３は、絶縁性の基板３５の主面３５Ａ上に膜状に形成されたアンテナ素子３０および複数のミアンダ状のコイル３１と、裏面３５Ｂ上に膜状に形成されたグランドプレーン３２とを含む。基板３５は誘電性を有することが望ましい。電磁波の放射を妨害しないように、グランドプレーン３２はミアンダ状のコイル３１の裏面側には設けられない。アンテナ素子３０、複数のコイル３１、およびグランドプレーン３２は印刷法などを用いて容易に作製することができる。
【００６７】
アンテナ素子３０は、基板３５上に線状に形成され、その一端３０Ｂが給電線と接続される。アンテナ素子３０の他端３０Ａは半円状に形成される。このアンテナ素子３０の他端３０Ａに対して、ミアンダ状に形成された各コイル３１の一端３１Ａが近接するように配置される。各コイル３１の中心線３９の方向は、アンテナ素子３０から生じる電気力線の方向と略一致する。図１３の場合には、複数のコイル３１の中心線３９はアンテナ素子３０の他端３０Ａから広がる。このような場合、各コイル３１において、中心線３９に垂直な方向の幅は、アンテナ素子３０から離間するほど長くなるようにするのが望ましい。アンテナ素子３０に近接する側の各コイル３１の端部３１Ａは、アンテナ素子３０の他端３０Ａから等距離の位置に設けられる。これを別の観点から見ると、各コイル３１の端部３１Ａは、電気力線と直交する等電位面と基板３５の主面３５Ａとの交線に沿って配置されることになる。
【００６８】
上記のようにアンテナ装置３を構成することによって、実施の形態１の場合と同様に、小型で放射効率のよいアンテナ装置を実現することができる。さらに、アンテナ装置３は平面状に形成されるので、実施の形態１の場合と比べるとアンテナ装置３の作製が容易である。
【００６９】
＜実施の形態３の変形例１＞
図１４は、実施の形態３の変形例１によるアンテナ装置３Ａの構成を示す図である。図１４のアンテナ装置３Ａでは、グランドプレーン３８が基板３５の裏面３５Ｂに設けられず、別の絶縁性の基板３７の表面に設けられる。そして、アンテナ素子３０および複数のコイル３１が形成された基板３５が、グランドプレーン３８が形成された基板３７と垂直になるように配置される。この場合、アンテナ素子３０としてのモノポールアンテナの軸方向が基板３７上に設けられたグランドプレーン３８と直交する。基板３７およびグランドプレーン３８には貫通孔が形成され、この貫通孔を通して給電線３３がアンテナ素子３０の基端部に接続される。
【００７０】
＜実施の形態３の変形例２＞
図１５は、実施の形態３の変形例２によるアンテナ装置３Ｂの構成を示す図である。図１５（Ａ）が平面図であり、図１５（Ｂ）が側面図である。図１３のアンテナ装置３の場合と同様に、アンテナ装置３Ｂは、絶縁性の基板３５の主面３５Ａ上に膜状に形成されたアンテナ素子４０および複数のミアンダ状のコイル４１と、裏面３５Ｂ上に膜状に形成されたグランドプレーン４２とを含む。
【００７１】
図１５のアンテナ装置３Ｂは、アンテナ素子４０の形状が矩形状である点で、図１３のアンテナ装置３と異なる。各コイル４１の一端４１Ａは、矩形上のアンテナ素子４０の一辺から等距離の位置に配置される。各コイルの４１の中心線４９の方向は、アンテナ素子４０から生じる電気力線の方向と略一致する。図１５の場合には、各コイル４１の中心線４９の方向は、矩形状のアンテナ素子４０の一辺と垂直方向になる。この場合、各コイル４１において、中心線４９に垂直な方向の幅は一定になる。
【００７２】
図１５のアンテナ装置３Ｂは、図１３のアンテナ装置３と同様に、小型で放射効率がよく、作製も容易である。
【００７３】
＜実施の形態４＞
図１６は、この発明の実施の形態４によるアンテナ装置４の構成を示す斜視図である。
【００７４】
図１７は、図１６のアンテナ装置４の断面構造を模式的に示す図である。図１６、図１７を参照して、アンテナ装置４は、絶縁性の基板５５の主面５５Ａ上に設けられた平面状のアンテナ素子５０およびグランドプレーン５２と、メタマテリアル９５としての複数のヘリカル状のコイル５１と、給電線５３と、複数のコイル５１を固定するための絶縁性の支持部材５４とを含む。図解を容易にするために支持部材５４は輪郭線のみが示される。基板５５および支持部材５４は誘電性を有していることが望ましい。グランドプレーン５２は、アンテナ素子５０を取り囲むように配置される。アンテナ素子５０は、基板５５を貫通して設けられた給電線５３と接続される。
【００７５】
実施の形態１の場合と同様に、各コイル５１のコイル線長は、アンテナ素子５０から放射される電磁波の波長の略半分である。これによって、各コイル５１は電磁波の周波数で共振する。また、全てのコイル５１の巻き方向は同一である。各コイル５１のコイル半径は一定である。
【００７６】
図１６、図１７のアンテナ装置４は、アンテナ素子５０が平面状の放射面５０Ａを有する平面アンテナである点に特徴がある。この場合、アンテナ素子５０から生じる電気力線９０の方向がアンテナ素子５０の放射面５０Ａと垂直な方向（Ｚ軸方向）になる。したがって、各コイル５１の中心軸の方向をＺ軸方向に揃えて作製すれば、各コイル５１の中心軸の方向を電気力線９０の方向と一致させることができる。さらに、ヘリカル状の各コイル５１の一端５１Ａを、アンテナ素子５０の放射面５０Ａから等距離の位置になるように作製すれば、各コイル５１の一端５１Ａを電気力線９０に垂直な等電位面に沿って並べることができる。
【００７７】
このように、アンテナ素子５０が平面状であり、各コイル５１の中心軸の方向がＺ軸方向に揃っているので、アンテナ素子５０および各コイル５１を印刷法などを用いて容易に作製することができる。
【００７８】
図１８は、アンテナ装置４の製造方法を説明するための図である。図１８を参照して、アンテナ装置４を構成する支持部材５４は、平面状のアンテナ素子５０に積層された複数の絶縁層５４Ａ〜５４Ｄによって構成される。図１８の場合は一例として４層構造の場合を示すが、積層数はコイル５１の巻数に応じて適宜設定される。絶縁層５４Ａ〜５４Ｄの各面には１ターン未満の巻数のストリップライン電極が形成されており、これらのストリップライン電極が積層方向に電気的に接続されることによって各コイル５１が形成される。
【００７９】
図１９は、図１８に示す絶縁層５４Ａ〜５４Ｄの平面図である。図１９を参照して、絶縁層５４Ａ〜５４Ｄの表面には、１ターン未満の巻数のストリップライン電極５６Ａ〜５６Ｄが印刷法などによりそれぞれ形成される。図１９には、簡単のために各絶縁層の表面に２個のストリップライン電極が示されているが、実際には作製するコイル５１の個数だけ設けられる。
【００８０】
絶縁層の積層方向（Ｚ方向）に隣接したストリップライン電極は、絶縁層を貫通するビアホールに形成された導電部材によって相互に接続される。具体的に、ストリップライン電極５６Ａの一方端には、Ｚ方向に隣接したストリップライン電極５６Ｂの一方端と接続するためのビアホール５７Ａが形成される。同様に、ストリップライン電極５６Ｂの他方端には、Ｚ方向に隣接するストリップライン電極５６Ｃの一方端と接続するためのビアホール５７Ｂが形成される。さらに、ストリップライン電極５６Ｃの他方端には、Ｚ方向に隣接するストリップライン電極５６Ｄの一方端と接続するためのビアホール５７Ｃが形成される。このようにして、中心軸がＺ方向に延びるコイル５１が形成される。
【００８１】
＜実施の形態４の変形例＞
図２０は、実施の形態４の変形例によるアンテナ装置４Ａの構成を示す斜視図である。図２０のアンテナ装置４Ａは、グランドプレーン５９が基板５５の裏面５５Ｂに形成されている点で、図１６のアンテナ装置４と異なる。さらに、アンテナ装置４Ａは、アンテナ素子５０に接続される給電線として、基板５５の主面５５Ａ上に形成されたストリップライン５８を含む点で、図１６のアンテナ装置４と異なる。その他の点については、図２０のアンテナ装置４Ａの構成は図１６アンテナ装置４の構成と同一であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
【００８２】
＜実施の形態５＞
図２１は、この発明の実施の形態５によるアンテナ装置５の構成を示す斜視図である。図２１を参照して、アンテナ装置５は、アンテナ素子６０としてのモノポールアンテナと、グランドプレーン６２と、メタマテリアル９６としての複数のコイルユニット６９とを含む。各コイルユニット６９は、ミアンダ状の導電線路６１と、ミアンダ状の導電線路６１の両端に電気的に接続された一対の導電板６６Ａ，６６Ｂを含む。導電板６６Ａ，６６Ｂは、アンテナ素子６０から生じた電気力線と交差するように配置される。
【００８３】
図２２は、図２１の各コイルユニット６９の構成を示す図である。図２２（Ａ）が斜視図であり、図２２（Ｂ）が側面図である。図２２を参照して、各コイルユニット６９は、一対の導電板６６Ａ，６６Ｂと、一対の導電板６６Ａ，６６Ｂに挟まれるように設けられたミアンダ状の導電線路６１と、導電線路６１の一端と導電板６６Ａを接続する導電部６７Ａと、導電線路６１の他端と導電板６６Ｂとを接続する導電部６７Ｂと、これらを支持固定するための絶縁性の支持部材６４とを含む。一対の導電板６６Ａ，６６Ｂおよび導電線路６１は、ＸＹ平面に沿って互いに平行に設けられる。支持部材６４は、誘電性を有していることが望ましい。
【００８４】
導電線路６１および導電部６７Ａ，６７Ｂは、実施の形態１のコイル１１に対応し、全長が図２１のアンテナ素子６０から放射される電磁波の波長の略半分の長さになるように形成される。これによって、導電線路６１および導電部６７Ａ，６７Ｂの全体が、電磁波の周波数で共振する。さらに、前述のように一対の導電板６６Ａ，６６Ｂは、アンテナ素子６０から生じる電気力線と交差するように配置されるので、コイルユニット６９はアンテナ素子６０と静電結合する。この結果、複数のコイルユニット６９からなるメタマテリアル９６は負の誘電率を示す。
【００８５】
図２２（Ｂ）に示すように、支持部材６４は、Ｚ方向に積層された６層の絶縁シート６４Ａ〜６６Ｆによって構成される。このような構成にすることによって、ミアンダ状の導電線路６１および一対の導電板６６Ａ，６６Ｂを印刷法などによって容易に作製することができる。
【００８６】
図２３（Ａ）〜（Ｅ）は、図２２の絶縁シート６４Ｂ〜６４Ｆの平面図である。図２３を参照して、絶縁シート６４Ｂの表面に導電板６６Ｂが形成され、絶縁シート６４Ｄの表面にミアンダ状の導電線路６１が形成され、絶縁シート６４Ｆの表面に導電板６６Ａが形成される。さらに、絶縁シート６４Ｂ，６４Ｃを貫通するように導電部６７Ｂが形成され、この導電部６７Ｂによって導電板６６Ｂと導電線路６１の一端とが接続される。同様に、絶縁シート６４Ｄ，６４Ｅを貫通するように導電部６７Ａが形成され、この導電部６７Ａによって導電板６６Ａと導電線路６１の他端とが接続される。
【００８７】
＜実施の形態６＞
図２４は、この発明の実施の形態６によるアンテナ装置６の構成を示す斜視図である。
【００８８】
図２５は、図２４のアンテナ装置６の側面図である。図２４、図２５を参照して、アンテナ装置６は、アンテナ素子７０としてのモノポールアンテナと、グランドプレーン７２と、Ｚ方向に積層されたメタマテリアル９７Ａ，９７Ｂを含む。すなわち、図２４、図２５のアンテナ装置６は、メタマテリアル全体が互いに積層された部分層９７Ａ，９７Ｂによって構成される。
【００８９】
アンテナ素子７０に近接して設けられたメタマテリアル９７Ａは、１個のヘリカル状のコイル８１を含む。コイル８１のコイル線長は、アンテナ素子７０から放射される電磁波の波長の略半分である。コイル８１は絶縁性の支持部材８６によって固定される。図解を容易にするために、支持部材８６は輪郭線のみが示される。
【００９０】
図２４、図２５に示すように、コイル８１の中心軸１１０の方向はＺ軸方向であり、モノポールアンテナ７０の軸線方向と一致し、グランドプレーン７２と直交する。コイル８１は、上方（Ｚ軸方向）から見るとアンテナ素子７０を覆うように、アンテナ素子７０の直上に設けられる。このような配置にすることによって、アンテナ素子７０とコイル８１との静電結合が強められる。
【００９１】
メタマテリアル９７Ｂは、４個のヘリカル状のコイル８２Ａ〜８２Ｄを含む。コイル８２Ａ〜８２Ｄの各コイル線長は、アンテナ素子７０から放射される電磁波の波長の略半分である。コイル８２Ａ〜８２Ｄは絶縁性の支持部材８７によって固定される。図解を容易にするために、支持部材８７は輪郭線のみが示される。
【００９２】
図２４、図２５に示すように、コイル８２Ａ〜８２Ｄの各々の中心軸１１０の方向はＺ軸方向であり、モノポールアンテナ７０の軸線方向と一致し、グランドプレーン７２と直交する。上方（Ｚ軸方向）から見ると、コイル８２Ａ〜８２Ｄはコイル８１を囲むように配置される。側面（Ｘ方向またはＹ方向）から見ると、コイル８１の上端とコイル８２Ａ〜８２Ｄの下端とが、ほぼ同一面上となるように配置される。このような配置にすることによって、コイル８１とコイル８２Ａ〜８２Ｄとの静電結合が強められる。
【００９３】
上記のアンテナ装置６の構成によれば、コイル８１，８２Ａ〜８２Ｂの各中心軸がアンテナ素子７０から生じた電気力線にほぼ沿うように配置されることになる。したがって、コイル８１，８２Ａ〜８２Ｄはアンテナ素子７０と効率よく静電結合する。さらに、コイル８１，８２Ａ〜８２Ｄの各コイル線長は、アンテナ素子７０から放射された電磁波の波長の略半分であるので、コイル８１，８２Ａ〜８２Ｄは電磁波の周波数で共振する。この結果、メタマテリアル９７Ａ，９７Ｂの全体は負の誘電率を示し、小型かつ高効率のアンテナ装置６を実現することができる。
【００９４】
さらに、アンテナ装置６では、コイル８１，８２Ａ〜８２Ｄの中心軸の方向がＺ軸方向（メタマテリアル９７Ａ，９７Ｂの積層方向）で揃っているので、実施の形態４のアンテナ装置４の場合と同様の印刷法を用いてコイル８１，８２Ａ〜８２Ｄを容易に作製できるというメリットがある。
【００９５】
＜実施の形態６の変形例＞
図２６は、実施の形態６の変形例によるアンテナ装置６Ａの構成を示す斜視図である。
【００９６】
図２７は、図２６のアンテナ装置６Ａの側面図である。図２６、図２７を参照して、アンテナ装置６Ａは、メタマテリアル９７Ｂの上方（＋Ｚ方向）に積層されたメタマテリアル９７Ｃをさらに含む点で、図２４、図２５のアンテナ装置６と異なる。アンテナ装置６Ａのその他の点はアンテナ装置６と同一であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
【００９７】
メタマテリアル９７Ｃは、９個のヘリカル状のコイル８３Ａ〜８３Ｉを含む。コイル８３Ａ〜８３Ｉの各コイル線長は、アンテナ素子７０から放射される電磁波の波長の略半分である。コイル８３Ａ〜８３Ｉは絶縁性の支持部材８８によって固定される。図解を容易にするために、支持部材８８は輪郭線のみが示される。
【００９８】
図２６、図２７に示すように、コイル８３Ａ〜８３Ｉの各々の中心軸１１０の方向はＺ軸方向であり、モノポールアンテナ７０の軸線方向と一致し、グランドプレーン７２と直交する。上方（Ｚ軸方向）から見ると、コイル８３Ａ〜８３Ｉのうちの４個のコイルが、コイル８２Ａ〜８２Ｄのうちのいずれか１個のコイルを囲むように配置される。側面（Ｘ方向またはＹ方向）から見ると、コイル８２Ａ〜８２Ｄの上端とコイル８３Ａ〜８３Ｉの下端とが、ほぼ同一面上となるように配置される。このような配置にすることによって、コイル８２Ａ〜８２Ｄとコイル８３Ａ〜８３Ｉとの静電結合が強められる。
【００９９】
アンテナ装置６Ａでは、メタマテリアルの積層数を増やすことによって、さらに、放射効率を高めることができる。
【０１００】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１０１】
１，１Ａ，２，３，３Ａ，３Ｂ，４，４Ａ，５，６，６Ａ アンテナ装置、１０，３０，４０，５０，６０，７０ アンテナ素子、１１，３１，４１，５１，８１，８２Ａ〜８２Ｄ，８３Ａ〜８３Ｉ コイル、１４ 支持部材、１５ 基板、２１Ａ，２１Ｂ 平板電極、５０Ａ 放射面、５４ 支持部材、５４Ａ〜５４Ｄ 絶縁層、５６Ａ〜５６Ｄ ストリップライン電極、６１ ミアンダ状の導電線路、６４ 支持部材、６４Ａ〜６４Ｆ 絶縁シート、６６Ａ，６６Ｂ 導電板、６９ コイルユニット、９０ 電気力線、９３〜９６，９７Ａ，９７Ｂ，９７Ｃ メタマテリアル。
【技術分野】
【０００１】
この発明は負の誘電率を有するメタマテリアルを利用したアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、メタマテリアル（metamaterial）と称されるデバイスが注目されている。このメタマテリアルとは、自然界に存在する物質が有さないような電磁気的または光学的な特性をもつ人工物質である。このようなメタマテリアルの代表的な特性として、負の透磁率（μ＜０）、負の誘電率（ε＜０）、あるいは負の屈折率（透磁率および誘電率がいずれも負の場合）が挙げられる。
【０００３】
負の誘電率を実現する手段としては、金属棒を用いる方法が代表的である。無限の（つまり、電磁波の波長に対して十分大きい）長さを持った金属棒によりプラズマ周波数を下げることによって、負の誘電率を実現することができる。有限長の金属ロッドによって負の誘電率が発生することも知られている。具体的には、電磁波の波長の半分の長さの金属ロッドを、電磁波に共振させると負の誘電率が生じる。
【０００４】
このような負の誘電率を有するメタマテリアルを利用したアンテナ装置が、R. W. Ziolkowskiによって報告されている（"Metamaterial-Based Efficient Electrically Small Antennas"、IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION、２００６年７月、VOL.54、NO.7、p.2113-2130（非特許文献１））。この文献のアンテナ装置では、負の誘電率を有する球殻状のメタマテリアルが、小型アンテナ（Electrically Small Antenna）を囲むように配置される。負の誘電率のメタマテリアルの有する誘導特性が小型アンテナの有する容量特性を相殺し、全体としてＬＣ共振器として振舞うので、小型アンテナ単体に比べて放射効率を高めることができる。
【０００５】
アンテナ装置を小型化する他の方法として、特公平８−２００５号公報（特許文献１）に記載されたヘリカル平面アンテナが知られている。このヘリカル平面アンテナは、電波の波長に比べて間隔の狭い平行金属板および、これらの平行金属平板を外周縁で短絡する金属リングで構成される導波路と、平行金属平板に挿入された多数のヘリカル円偏波素子とを含む。受信電波は多数のヘリカル円偏波素子により受信され、導波路内で同位相で合成されてプローブより出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公平８−２００５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】R. W. Ziolkowski、"Metamaterial-Based Efficient Electrically Small Antennas"、IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION、２００６年７月、VOL.54、NO.7、p.2113-2130
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、波長より十分長い金属棒により負の誘電率を実現したメタマテリアルは、アンテナ装置に応用するにはサイズが大きすぎる。また、半波長の金属棒を用いる方法でも、メタマテリアルの小型化は難しい。たとえば、３ＧＨｚで負の誘電率を発現するメタマテリアルを作成するには、５０ｍｍの金属棒が必要になる。したがって、これらのメタマテリアルと小型アンテナ素子とを組み合わせたアンテナ装置全体のサイズも従来と比べて小型化されたものとなっていない。
【０００９】
上記の特許文献に記載されたヘリカル平面アンテナの各コイルの外周長は電磁波の波長と同程度であるので、アンテナ装置のサイズはメタマテリアルを用いる場合よりも大きくなってしまう。
【００１０】
この発明の目的は、メタマテリアルを用いた従来よりも小型のアンテナ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は一局面においてアンテナ装置であって、電磁波を放射または吸収するアンテナ素子と、アンテナ素子を臨むように配置された負の誘電率を有するメタマテリアルとを備える。メタマテリアルは、アンテナ素子と離間して配置された複数のコイルを含む。複数のコイルの各々は、各々の周囲に生じる電磁波の略半波長またはその整数倍の長さの導電線によって形成される。
【００１２】
好ましくは、複数のコイルの各々はヘリカル状に形成される。この場合、メタマテリアルに含まれる全てのコイルの巻き方向は同一である。複数のコイルの各々の中心軸の方向は、アンテナ素子から生じる電気力線の方向と略一致する。
【００１３】
さらに好ましくは、アンテナ素子に近接する側の複数のコイルの各々の端部は、電気力線と直交する等電位面に沿って配置される。
【００１４】
好ましい実施の一形態において、電気力線の間隔は、アンテナ素子から離間するにつれて広がる。この場合、複数のコイルの各々のコイル半径は、アンテナ素子から離間するほど大きい。
【００１５】
好ましくは、アンテナ素子に近接する側の複数のコイルの各々の端部は、アンテナ素子を覆う仮想球面に沿って配置される。
【００１６】
好ましい実施の他の形態において、アンテナ素子は平面状の放射面を有する平面アンテナである。この場合、複数のコイルの各々の中心軸は放射面と直交する。
【００１７】
好ましくは、放射面に近接する側の複数のコイルの各々の端部は、放射面から等距離にある。
【００１８】
さらに好ましくは、メタマテリアルは、放射面に積層された複数の絶縁層をさらに含む。この場合、複数のコイルの各々は、複数の絶縁層上にそれぞれ形成された１ターン未満の巻数の複数のストリップライン電極を有する。複数の絶縁層の積層方向に隣接したストリップライン電極は、絶縁層を貫通する導体によって互いに接続される。
【００１９】
上記の実施の一形態および他の形態において好ましくは、メタマテリアルは、各々が電気力線と交差する複数の導電板をさらに含む。この場合、複数のコイルの各々の少なくとも一方の端部には複数の導電板のいずれか１つが接続される。
【００２０】
好ましい実施のさらに他の形態において、複数のコイルの各々は、ミアンダ状の導電線路を含む。この場合、メタマテリアルは、複数のコイルにそれぞれ対応する複数の一対の導電板を含む。複数の一対の導電板の各々は、対応のコイルの両端に１つずつ接続され、電気力線と交差するように配置される。
【００２１】
好ましくは、複数の一対の導電板の各々および対応のコイルに含まれるミアンダ状の導電線路は、ミアンダ状の導電線路が一対の導電板で挟まれるような配置で互いに平行に設けられる。
【００２２】
好ましい実施のさらに他の形態において、メタマテリアルは、互いに積層された複数の部分層によって構成される。この場合、複数の部分層の各々は、複数のコイルのうち少なくとも１つを含む。アンテナ素子から相対的に離間する部分層は、アンテナ素子に相対的に近接する部分層に比べて多くのコイルを含む。
【００２３】
好ましくは、複数のコイルの各々は、ヘリカル状に形成される。この場合、複数のコイルの各々の中心軸の方向は、複数の部分層の積層方向と略一致する。
【００２４】
この発明は他の局面においてアンテナ装置であって、絶縁性の基板上に膜状に形成され、電磁波を放射または吸収するアンテナ素子と、各々がアンテナ素子と離間して基板上にミアンダ状に形成された複数のコイルとを備える。複数のコイルの各々の中心線の方向は、アンテナ素子から生じる電気力線の方向と略一致する。複数のコイルの各々は、各々の周囲に生じる電磁波の略半波長またはその整数倍の長さの導電線によって形成される。
【００２５】
好ましくは、アンテナ素子に近接する側の複数のコイルの各々の端部は、電気力線と直交する等電位面と基板の表面との交線に沿って配置される。
【００２６】
さらに好ましくは、基板の表面に沿う電気力線の間隔は、アンテナ素子から離間するにつれて広がる。この場合、複数のコイルの各々において、中心線に垂直な方向の幅は、アンテナ素子から離間するほど長い。
【００２７】
上記の一局面および他の局面において、複数のコイルは、複数のグループに分割される。この場合、互いに同一のグループに属するコイルは、同一の長さの導電線によって形成される。互いに異なるグループに属するコイルは、異なる長さの導電線によって形成される。
【発明の効果】
【００２８】
この発明によれば、メタマテリアルは、ヘリカル状またはミアンダ状に形成された複数のコイルを含む。そして、各コイルは、電磁波の略半波長またはその整数倍の長さの導電線によって形成される。このため、従来よりも小型のアンテナ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の実施の形態１によるアンテナ装置１の構成を示す斜視図である。
【図２】図１のアンテナ装置１の断面構造を模式的に示す図である。
【図３】図１のメタマテリアル９３の特性を説明するための図である。
【図４】図３に示すコイル１００の比誘電率を示す図である。
【図５】図３に示すコイル１００の比透磁率を示す図である。
【図６】（Ａ）はコイル１００が正の誘電率を示す場合の電界の方向を説明するための図であり、（Ｂ）はコイル１００が負の誘電率を示す場合の電界の方向を説明するための図である。
【図７】図６（Ｂ）の場合におけるコイル１００の周囲の電界分布を詳細に示す図である。
【図８】図２のアンテナ装置１の変形例であるアンテナ装置１Ａの断面構造を模式的に示す図である。
【図９】シミュレーションの対象としたアンテナ装置の構造を示す図である（コイルが１個の場合）。
【図１０】シミュレーションの対象としたアンテナ装置の構造を示す図である（コイルが複数の場合）。
【図１１】この発明の実施の形態２によるアンテナ装置２の構成を示す斜視図である。
【図１２】図１１のアンテナ装置２の断面構造を模式的に示す図である。
【図１３】この発明の実施の形態３によるアンテナ装置３の構成を示す図である。
【図１４】実施の形態３の変形例１によるアンテナ装置３Ａの構成を示す図である。
【図１５】実施の形態３の変形例２によるアンテナ装置３Ｂの構成を示す図である。
【図１６】この発明の実施の形態４によるアンテナ装置４の構成を示す斜視図である。
【図１７】図１６のアンテナ装置４の断面構造を模式的に示す図である。
【図１８】アンテナ装置４の製造方法を説明するための図である。
【図１９】図１８に示す絶縁層５４Ａ〜５４Ｄの平面図である。
【図２０】実施の形態４の変形例によるアンテナ装置４Ａの構成を示す斜視図である。
【図２１】この発明の実施の形態５によるアンテナ装置５の構成を示す斜視図である。
【図２２】図２１の各コイルユニット６９の構成を示す図である。
【図２３】図２２の絶縁シート６４Ｂ〜６４Ｆの平面図である。
【図２４】この発明の実施の形態６によるアンテナ装置６の構成を示す斜視図である。
【図２５】図２４のアンテナ装置６の側面図である。
【図２６】実施の形態６の変形例によるアンテナ装置６Ａの構成を示す斜視図である。
【図２７】図２６のアンテナ装置６Ａの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。
【００３１】
＜実施の形態１＞
［アンテナ装置１の構成］
図１は、この発明の実施の形態１によるアンテナ装置１の構成を示す斜視図である。
【００３２】
図２は、図１のアンテナ装置１の断面構造を模式的に示す図である。図１、図２を参照して、アンテナ装置１は、アンテナ素子１０と、メタマテリアル９３としての複数のヘリカル状のコイル１１と、絶縁性の基板１５上に形成されたグランドプレーン１２と、給電線１３と、複数のコイル１１を固定するための絶縁性の支持部材１４とを含む。基板１５および支持部材１４は誘電性を有していることが望ましい。図解を容易にするために支持部材１４は輪郭線のみが示される。
【００３３】
アンテナ素子１０はモノポールアンテナであり、その全長が電磁波の波長の１／１０以下の小型アンテナ（Electrically Small Antenna）である。送信時にはアンテナ素子１０から電磁波が放射され、受信時にはアンテナ素子１０によって電磁波が吸収される。アンテナ素子１０の一端は、基板１５およびグランドプレーン１２を貫通して設けられた給電線１３に接続される。図１、図２では、グランドプレーン１２はＸＹ平面に沿って設けられ、アンテナ素子１０としてのモノポールアンテナの中心軸線がＺ軸に沿って設けられる。
【００３４】
複数のヘリカル状のコイル１１は、アンテナ素子１０を臨むような配置（アンテナ素子に向き合うような配置、またはアンテナ素子を覆うような配置）で、アンテナ素子１０と離間して設けられる。各コイル１１は、アンテナ素子１０から放射される電磁波の波長の略半分の長さの導電線によって形成される。これによって各コイル１１は電磁波の周波数で共振する。コイル１１が互いの電磁特性を打ち消しあわないように、全てのコイル１１の巻き方向を同一にするのが好ましい。
【００３５】
図２に示すように各コイル１１の中心軸の方向はアンテナ素子１０から生じる電気力線９０の方向と略一致する。アンテナ素子１０に近接する側の各コイル１１の端部１１Ａは、アンテナ素子１０を囲む仮想的な半球面（図２の場合は、支持部材１４の内面１４Ａ）に沿って設けられる。
【００３６】
支持部材１４は、各コイル１１が上記の配置となるように各コイル１１を固定する。支持部材１４としてシリコン樹脂やテフロン（登録商標）樹脂などを用いることができる。支持部材１４の形状は、各コイル１１を固定できるのであれば図２のような形状に限るものでない。たとえば、支持部材１４の内側に図２のような中空部１６を設けずに、中空部１６の部分にシリコン樹脂などを充填してもよい。
【００３７】
なお、誘電体材料である支持部材１４の誘電率によって電磁波の波長が変化する。したがって、各コイル１１を構成する導電線の長さは支持部材１４の誘電率を考慮して決定する必要がある。
【００３８】
上記のような配置の複数のコイル１１によって負の誘電率を示すメタマテリアル９３が実現できる。以下、メタマテリアル９３が負の誘電率を示す理由について説明する。
【００３９】
［メタマテリアル９３の特性］
図３は、図１のメタマテリアル９３の特性を説明するための図である。図３には、１個のヘリカル状のコイル１００が示される。コイル１００は、信号線２００とグランドプレーン２２０との間に配置され、信号線２００およびグランドプレーン２２０と接触しないように支持部材１２０によって固定される。信号線２００には所定の周波数の交流電流Ｉが流れる。これによって、信号線２００とグランドプレーン２２０との間には交流電界Ｅが生じる。
【００４０】
図３のコイル１００の第１の特徴は、信号線２００を流れる交流電流Ｉの波長の略半分の長さの導電線によってコイル１００が形成される点である。第２の特徴は、コイル１００の中心軸１１０の方向が信号線２００とグランドプレーン２２０との間に生じる交流電界Ｅの方向（すなわち、電気力線の方向）と一致する点である。これらの特徴によって、コイル１００は、信号線２００およびグランドプレーン２２０と交流電界Ｅによって静電結合することにより、交流電界Ｅの周波数で共振する。
【００４１】
図４は、図３に示すコイル１００の比誘電率を示す図である。
図５は、図３に示すコイル１００の比透磁率を示す図である。図４、図５に示す比誘電率および比透磁率の計算では、コイル１００を形成する導電線の長さ（以下、「コイル線長」と称する）を１３ｍｍとした。
【００４２】
図４に示すように、図３の信号線２００に流す交流電流Ｉの周波数を次第に増加させた場合、比誘電率は、周波数６．５ＧＨｚ付近（図４の参照符号９１）で最大値を示し、周波数６．６ＧＨｚ付近（図４の参照符号９２）で最小値を示す。比誘電率が最小値を示すとき、その値は負である。一方、比透磁率は、周波数６．５ＧＨｚ付近で最小値を示し、周波数６．６ＧＨｚ付近で最大値を示すが、周波数に対する変化量は小さく、その値はほぼ１であり負にはならない。
【００４３】
図６（Ａ）はコイル１００が正の誘電率を示す場合の電界の方向を説明するための図であり、図６（Ｂ）はコイル１００が負の誘電率を示す場合の電界の方向を説明するための図である。図６（Ａ），（Ｂ）では、信号線２００を流れる交流電流Ｉによって、グランドプレーン２２０から信号線２００に向かう外部電界がコイル１００に印加された状態になっているとする。
【００４４】
図６（Ａ）の場合には、下方（グランドプレーン２２０側）から上方（信号線２００側）に向かう外部電界によって、コイル１００の下端部１００Ｂに負電荷が誘起され、コイル１００の上端部１００Ａに正電荷が誘起される。一方、コイル１００が共振状態にある図６（Ｂ）の場合には、誘起される電荷の極性が逆転し、コイル１００の下端部１００Ｂに正電荷が誘起され、コイル１００の上端部１００Ａに負電荷が誘起される。このとき誘起されるコイル１００の上端部１００Ａの電荷およびコイル１００の下端部１００Ｂの電荷は、共振によりそれぞれ上方の信号線２００の電荷、および下方のグランドプレーン２２０の電荷より大きくなっている。このため、図６（Ａ）の場合と比較するとコイル１００の上下に発生する電界Ｅの方向が逆転する。すなわち、コイル１００は負の誘電率特性を示す。なお、誘電率の正負を論じるにあたっては、コイル１００の上下の電界の方向が重要である。コイル１００内に発生する電界Ｅ’の方向も逆転するが、コイル１００は導体なので、電界Ｅ’の大きさはコイル１００の上下に発生する電界Ｅよりも小さい。
【００４５】
図７は、図６（Ｂ）の場合におけるコイル１００の周囲の電界分布を詳細に示す図である。図７に示されるように、信号線２００からコイル１００の上端部に向かう下向きの電界、およびコイル１００の下端部からグランドプレーン２２０に向かう下向きの電界が生じていて、コイル１００が負の誘電率を示していることがわかる。
【００４６】
なお、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、コイル１００の上端部１００Ａおよび下端部１００Ｂには正または負の電荷が蓄積されるので、共振に関係する実質的なコイル線長は、外形上のコイル線長よりも短くなる。この結果、外形上のコイル線長から予測される共振周波数よりも実際の共振周波数は高くなる。このため、上記の性質を考慮して外形上のコイル線長を電磁波の波長の半分よりもやや長めに設計する必要がある。実際には、シミュレーションまたは実験を行なうことによって、適切な共振周波数を有するようにコイル線長が決定される。
【００４７】
［アンテナ装置１の作用効果］
再び図１、図２を参照して、実施の形態１のアンテナ装置１では、メタマテリアル９３として、略半波長のコイル線長を有するコイル１１が多数配置される。既に説明したように、各コイル１１はアンテナ素子と離間して設けられ、各コイル１１の中心軸の方向はアンテナ素子１０から生じる電気力線９０の方向と略一致するので、各コイル１１はアンテナ素子１０と静電結合する。この結果、各コイル１１が共振状態にあるときには、メタマテリアル９３は負の誘電率を示す。
【００４８】
一般に、アンテナ素子１０を小型化するほど、アンテナ素子１０の入力インピーダンスは、抵抗成分が小さくなるとともに容量成分が大きくなるので、アンテナ素子１０と信号源との整合が困難になる。この結果、アンテナの放射効率が低下するという問題がある。そこで、アンテナ素子１０を臨むように（アンテナ素子と向き合うように、またはアンテナ素子を覆うように）、負の誘電率を有するメタマテリアル９３を配置することによって、メタマテリアル９３の有する誘導特性によってアンテナ素子の容量特性を相殺させる。これによってアンテナ素子１０と信号源との整合が容易になるので、アンテナ素子１０単体の場合に比べて放射効率を高めることができる。特に、実施の形態１の場合には、各コイル１１のサイズを電磁波の波長に比べて十分に小さくできるので、アンテナ装置１全体を小型化することができる。
【００４９】
アンテナ装置１の放射効率を高めるためには、アンテナ素子１０に近接した側の各コイル１１の端部１１Ａが電気力線９０に垂直な等電位面に沿って周期的に配置されるようにすることが望ましい。さらに好ましくは、図２に示すように電気力線９０の間隔がアンテナ素子１０から離間するにつれて広がる場合には、各コイル１１のコイル半径がアンテナ素子から離間するほど大きくなるようにする。これによって、メタマテリアル９３が設けられた半球状の領域内でコイル１１の占める領域を増やすことができる。なお、図３に示すように、コイル半径とは、コイル１００上の点から中心軸１１０までの距離ＣＲをいう。
【００５０】
［変形例］
上記では、各コイル１１のコイル線長は電磁波の波長の略半分であるとしたが、コイル線長が略半波長の整数倍の長さであっても、各コイル１１は電磁波の周波数で共振するので、負の誘電率を示すメタマテリアルを実現することができる。ただし、アンテナ装置１の小型化の観点からは、コイル線長を略半波長にするのが望ましい。
【００５１】
メタマテリアル９３を構成する複数のコイル１１をグループ化し、異なるグループに属するコイル１１同士ではコイル線長が異なるようにしてもよい。これによってメタマテリアル９３は複数の共振周波数を有するようになるので、アンテナ装置１の帯域を広げることができる。なお、このようにコイル線長を異ならせる場合は、各コイル１１を形成する導電線の直径、コイル半径、コイルの巻数、および支持部材１４の誘電率などをグループごとに変更することによって、各コイルの外観上の大きさが大きく異ならないようにすることが望ましい。
【００５２】
各コイル１１の形状は円錐面に沿うように金属線が巻かれたものに限られない。たとえば、四角錐に沿うように金属線が巻かれたような形状であってもよい。
【００５３】
上記では、アンテナ素子１０はモノポールアンテナであるとしたが、これに限るものでない。たとえば、アンテナ素子をダイポールアンテナとした場合には、グランドプレーン１２は設けられずに、メタマテリアルとしての複数のコイル１１がダイポールアンテナを取り囲むように球状に配置される。
【００５４】
アンテナ素子１０と各コイル１１との静電結合の効率を高めるために、アンテナ素子１０としてのモノポールアンテナの先端部の形状を図８に示すように半球状にしてもよい。
【００５５】
図８は、図２のアンテナ装置１の変形例であるアンテナ装置１Ａの断面構造を模式的に示す図である。図８に示すように、先端部１０Ａの形状が半球状となっているので、先端部１０Ａから各コイル１１の端部１１Ａまでの距離を揃えることができる。
【００５６】
［シミュレーション結果］
以下、図８のアンテナ装置１Ａについてシミュレーション結果を、比較例のアンテナ装置のシミュレーション結果と対比しながら説明する。
【００５７】
図９、図１０は、シミュレーションの対象としたアンテナ装置の構造を示す図である。図９（Ａ）は、コイル１１が１個で、コイル１１とアンテナ素子１０の先端部１０Ａとが非接続（静電結合）の場合である。図９（Ｂ）は、コイル１１が１個で、コイル１１とアンテナ素子１０の先端部１０Ａとが接続された場合である。図１０（Ａ）は、コイル１１が７個で、各コイル１１とアンテナ素子１０の先端部１０Ａとが非接続（静電結合）の場合である。図１０（Ｂ）は、コイル１１が７個で、各コイル１１とアンテナ素子１０の先端部１０Ａとが接続された場合である。図１０（Ｃ）は、コイル１１が１３個で、各コイル１１とアンテナ素子１０の先端部１０Ａとが非接続（静電結合）の場合である。図１０（Ａ）、図１０（Ｃ）が本実施の形態の場合であり、図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図１０（Ｂ）が比較例である。図９、図１０のいずれの場合も、各コイル１１は、直径１ｍｍ、長さ２０ｍｍの金属線で形成され、シリコン樹脂の中に埋め込まれる。各アンテナ装置に対して、共振周波数、反射電力、および放射効率を求めた結果を下表に示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
まず、コイル１１の個数が１個の場合、ヘリカルコイルに直接給電する従来のアンテナ（図９（Ｂ））と、モノポールアンテナの近傍に１本の略半波長のコイルを静電結合させたアンテナ（図９（Ａ））とを比較すると、直接給電する従来のアンテナ（図９（Ｂ））のほうが放射効率が高い。すなわち、コイルの個数が１個の場合は、コイル１１とアンテナ素子の先端部１０Ａとを離間させるメリットはない。
【００６０】
図１０（Ａ）、図１０（Ｃ）のようにコイル線長が略半波長であるコイル１１の個数を増やし、多数のコイル１１でモノポールアンテナを覆うような構造にすると、コイル１１の個数を増やすにつれて整合がとれるようになって、放射効率がよくなることがわかる。この場合は、コイル１１とアンテナ素子とを接続する場合（図１０（Ｂ））よりも、離間させた場合（図１０（Ａ）、図１０（Ｃ））のほうが効率が良くなることがわかる。
【００６１】
単一のモノポールアンテナであれば先端の電界が集中する部分から主に放射するが、実施の形態１のアンテナ装置１Ａでは、コイル線長が略半波長のコイル１１の集合体がアンテナ素子の先端部１０Ａと静電結合して共振し、半球面全体から放射するようになることが、放射効率が良くなる原因と考えられる。この結果、アンテナ装置全体を小型化しても整合がとりやすくなるので、放射効率のよい小型のアンテナ装置を実現できる。
【００６２】
＜実施の形態２＞
図１１は、この発明の実施の形態２によるアンテナ装置２の構成を示す斜視図である。
【００６３】
図１２は、図１１のアンテナ装置２の断面構造を模式的に示す図である。図１１、図１２を参照して、アンテナ装置２を構成するメタマテリアル９４は、各コイル１１の両端に接続された円盤状の平板電極２１Ａ，２１Ｂ（導電板）をさらに含む点で、実施の形態１のメタマテリアル９３と異なる。平板電極２１Ａ，２１Ｂは電界によってアンテナ素子１０と静電結合するように電気力線９０と交差させる必要がある。平板電極２１Ａ，２１Ｂと電気力線９０とを直交させると、最も効率的に静電結合させることができる。その他の点については、アンテナ装置２はアンテナ装置１Ａと同一であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
【００６４】
実施の形態２のメタマテリアル９４は、静電容量がアンテナ素子１０の先端部１０Ａとアンテナ素子１０に近接する側の平板電極２１Ｂとの間に付加されるため、共振周波数が下がる。すなわち、容量発生により波長短縮が図られるので、ある共振周波数を得るために必要なコイル１１のコイル線長が短くてすむことになる。したがって、平板電極２１Ｂを有さない実施の形態１のメタマテリアル９３に比べてさらに小型化でき、この結果アンテナ装置２全体も小型化できる。さらに、アンテナ素子から離反する側に設けられた平板電極２１Ａの直径をコイル径（コイルの直径）より大きくすることによって放射面が広くなるので、アンテナの放射効率が高くなる。平板電極２１Ａ，２１Ｂはいずれか一方のみが設けられていてもよい。
【００６５】
＜実施の形態３＞
図１３は、この発明の実施の形態３によるアンテナ装置３の構成を示す図である。図１３（Ａ）が平面図であり、図１３（Ｂ）が側面図である。実施の形態３のアンテナ装置３は、実施の形態１のアンテナ装置１，１Ａを２次元にしたものに相当する。実施の形態１のヘリカル状のコイル１１には、ミアンダ状のコイル３１が対応する。実施の形態１の場合と同様に、ミアンダ状のコイル３１のコイル線長は電磁波の波長の略半分である。
【００６６】
アンテナ装置３は、絶縁性の基板３５の主面３５Ａ上に膜状に形成されたアンテナ素子３０および複数のミアンダ状のコイル３１と、裏面３５Ｂ上に膜状に形成されたグランドプレーン３２とを含む。基板３５は誘電性を有することが望ましい。電磁波の放射を妨害しないように、グランドプレーン３２はミアンダ状のコイル３１の裏面側には設けられない。アンテナ素子３０、複数のコイル３１、およびグランドプレーン３２は印刷法などを用いて容易に作製することができる。
【００６７】
アンテナ素子３０は、基板３５上に線状に形成され、その一端３０Ｂが給電線と接続される。アンテナ素子３０の他端３０Ａは半円状に形成される。このアンテナ素子３０の他端３０Ａに対して、ミアンダ状に形成された各コイル３１の一端３１Ａが近接するように配置される。各コイル３１の中心線３９の方向は、アンテナ素子３０から生じる電気力線の方向と略一致する。図１３の場合には、複数のコイル３１の中心線３９はアンテナ素子３０の他端３０Ａから広がる。このような場合、各コイル３１において、中心線３９に垂直な方向の幅は、アンテナ素子３０から離間するほど長くなるようにするのが望ましい。アンテナ素子３０に近接する側の各コイル３１の端部３１Ａは、アンテナ素子３０の他端３０Ａから等距離の位置に設けられる。これを別の観点から見ると、各コイル３１の端部３１Ａは、電気力線と直交する等電位面と基板３５の主面３５Ａとの交線に沿って配置されることになる。
【００６８】
上記のようにアンテナ装置３を構成することによって、実施の形態１の場合と同様に、小型で放射効率のよいアンテナ装置を実現することができる。さらに、アンテナ装置３は平面状に形成されるので、実施の形態１の場合と比べるとアンテナ装置３の作製が容易である。
【００６９】
＜実施の形態３の変形例１＞
図１４は、実施の形態３の変形例１によるアンテナ装置３Ａの構成を示す図である。図１４のアンテナ装置３Ａでは、グランドプレーン３８が基板３５の裏面３５Ｂに設けられず、別の絶縁性の基板３７の表面に設けられる。そして、アンテナ素子３０および複数のコイル３１が形成された基板３５が、グランドプレーン３８が形成された基板３７と垂直になるように配置される。この場合、アンテナ素子３０としてのモノポールアンテナの軸方向が基板３７上に設けられたグランドプレーン３８と直交する。基板３７およびグランドプレーン３８には貫通孔が形成され、この貫通孔を通して給電線３３がアンテナ素子３０の基端部に接続される。
【００７０】
＜実施の形態３の変形例２＞
図１５は、実施の形態３の変形例２によるアンテナ装置３Ｂの構成を示す図である。図１５（Ａ）が平面図であり、図１５（Ｂ）が側面図である。図１３のアンテナ装置３の場合と同様に、アンテナ装置３Ｂは、絶縁性の基板３５の主面３５Ａ上に膜状に形成されたアンテナ素子４０および複数のミアンダ状のコイル４１と、裏面３５Ｂ上に膜状に形成されたグランドプレーン４２とを含む。
【００７１】
図１５のアンテナ装置３Ｂは、アンテナ素子４０の形状が矩形状である点で、図１３のアンテナ装置３と異なる。各コイル４１の一端４１Ａは、矩形上のアンテナ素子４０の一辺から等距離の位置に配置される。各コイルの４１の中心線４９の方向は、アンテナ素子４０から生じる電気力線の方向と略一致する。図１５の場合には、各コイル４１の中心線４９の方向は、矩形状のアンテナ素子４０の一辺と垂直方向になる。この場合、各コイル４１において、中心線４９に垂直な方向の幅は一定になる。
【００７２】
図１５のアンテナ装置３Ｂは、図１３のアンテナ装置３と同様に、小型で放射効率がよく、作製も容易である。
【００７３】
＜実施の形態４＞
図１６は、この発明の実施の形態４によるアンテナ装置４の構成を示す斜視図である。
【００７４】
図１７は、図１６のアンテナ装置４の断面構造を模式的に示す図である。図１６、図１７を参照して、アンテナ装置４は、絶縁性の基板５５の主面５５Ａ上に設けられた平面状のアンテナ素子５０およびグランドプレーン５２と、メタマテリアル９５としての複数のヘリカル状のコイル５１と、給電線５３と、複数のコイル５１を固定するための絶縁性の支持部材５４とを含む。図解を容易にするために支持部材５４は輪郭線のみが示される。基板５５および支持部材５４は誘電性を有していることが望ましい。グランドプレーン５２は、アンテナ素子５０を取り囲むように配置される。アンテナ素子５０は、基板５５を貫通して設けられた給電線５３と接続される。
【００７５】
実施の形態１の場合と同様に、各コイル５１のコイル線長は、アンテナ素子５０から放射される電磁波の波長の略半分である。これによって、各コイル５１は電磁波の周波数で共振する。また、全てのコイル５１の巻き方向は同一である。各コイル５１のコイル半径は一定である。
【００７６】
図１６、図１７のアンテナ装置４は、アンテナ素子５０が平面状の放射面５０Ａを有する平面アンテナである点に特徴がある。この場合、アンテナ素子５０から生じる電気力線９０の方向がアンテナ素子５０の放射面５０Ａと垂直な方向（Ｚ軸方向）になる。したがって、各コイル５１の中心軸の方向をＺ軸方向に揃えて作製すれば、各コイル５１の中心軸の方向を電気力線９０の方向と一致させることができる。さらに、ヘリカル状の各コイル５１の一端５１Ａを、アンテナ素子５０の放射面５０Ａから等距離の位置になるように作製すれば、各コイル５１の一端５１Ａを電気力線９０に垂直な等電位面に沿って並べることができる。
【００７７】
このように、アンテナ素子５０が平面状であり、各コイル５１の中心軸の方向がＺ軸方向に揃っているので、アンテナ素子５０および各コイル５１を印刷法などを用いて容易に作製することができる。
【００７８】
図１８は、アンテナ装置４の製造方法を説明するための図である。図１８を参照して、アンテナ装置４を構成する支持部材５４は、平面状のアンテナ素子５０に積層された複数の絶縁層５４Ａ〜５４Ｄによって構成される。図１８の場合は一例として４層構造の場合を示すが、積層数はコイル５１の巻数に応じて適宜設定される。絶縁層５４Ａ〜５４Ｄの各面には１ターン未満の巻数のストリップライン電極が形成されており、これらのストリップライン電極が積層方向に電気的に接続されることによって各コイル５１が形成される。
【００７９】
図１９は、図１８に示す絶縁層５４Ａ〜５４Ｄの平面図である。図１９を参照して、絶縁層５４Ａ〜５４Ｄの表面には、１ターン未満の巻数のストリップライン電極５６Ａ〜５６Ｄが印刷法などによりそれぞれ形成される。図１９には、簡単のために各絶縁層の表面に２個のストリップライン電極が示されているが、実際には作製するコイル５１の個数だけ設けられる。
【００８０】
絶縁層の積層方向（Ｚ方向）に隣接したストリップライン電極は、絶縁層を貫通するビアホールに形成された導電部材によって相互に接続される。具体的に、ストリップライン電極５６Ａの一方端には、Ｚ方向に隣接したストリップライン電極５６Ｂの一方端と接続するためのビアホール５７Ａが形成される。同様に、ストリップライン電極５６Ｂの他方端には、Ｚ方向に隣接するストリップライン電極５６Ｃの一方端と接続するためのビアホール５７Ｂが形成される。さらに、ストリップライン電極５６Ｃの他方端には、Ｚ方向に隣接するストリップライン電極５６Ｄの一方端と接続するためのビアホール５７Ｃが形成される。このようにして、中心軸がＺ方向に延びるコイル５１が形成される。
【００８１】
＜実施の形態４の変形例＞
図２０は、実施の形態４の変形例によるアンテナ装置４Ａの構成を示す斜視図である。図２０のアンテナ装置４Ａは、グランドプレーン５９が基板５５の裏面５５Ｂに形成されている点で、図１６のアンテナ装置４と異なる。さらに、アンテナ装置４Ａは、アンテナ素子５０に接続される給電線として、基板５５の主面５５Ａ上に形成されたストリップライン５８を含む点で、図１６のアンテナ装置４と異なる。その他の点については、図２０のアンテナ装置４Ａの構成は図１６アンテナ装置４の構成と同一であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
【００８２】
＜実施の形態５＞
図２１は、この発明の実施の形態５によるアンテナ装置５の構成を示す斜視図である。図２１を参照して、アンテナ装置５は、アンテナ素子６０としてのモノポールアンテナと、グランドプレーン６２と、メタマテリアル９６としての複数のコイルユニット６９とを含む。各コイルユニット６９は、ミアンダ状の導電線路６１と、ミアンダ状の導電線路６１の両端に電気的に接続された一対の導電板６６Ａ，６６Ｂを含む。導電板６６Ａ，６６Ｂは、アンテナ素子６０から生じた電気力線と交差するように配置される。
【００８３】
図２２は、図２１の各コイルユニット６９の構成を示す図である。図２２（Ａ）が斜視図であり、図２２（Ｂ）が側面図である。図２２を参照して、各コイルユニット６９は、一対の導電板６６Ａ，６６Ｂと、一対の導電板６６Ａ，６６Ｂに挟まれるように設けられたミアンダ状の導電線路６１と、導電線路６１の一端と導電板６６Ａを接続する導電部６７Ａと、導電線路６１の他端と導電板６６Ｂとを接続する導電部６７Ｂと、これらを支持固定するための絶縁性の支持部材６４とを含む。一対の導電板６６Ａ，６６Ｂおよび導電線路６１は、ＸＹ平面に沿って互いに平行に設けられる。支持部材６４は、誘電性を有していることが望ましい。
【００８４】
導電線路６１および導電部６７Ａ，６７Ｂは、実施の形態１のコイル１１に対応し、全長が図２１のアンテナ素子６０から放射される電磁波の波長の略半分の長さになるように形成される。これによって、導電線路６１および導電部６７Ａ，６７Ｂの全体が、電磁波の周波数で共振する。さらに、前述のように一対の導電板６６Ａ，６６Ｂは、アンテナ素子６０から生じる電気力線と交差するように配置されるので、コイルユニット６９はアンテナ素子６０と静電結合する。この結果、複数のコイルユニット６９からなるメタマテリアル９６は負の誘電率を示す。
【００８５】
図２２（Ｂ）に示すように、支持部材６４は、Ｚ方向に積層された６層の絶縁シート６４Ａ〜６６Ｆによって構成される。このような構成にすることによって、ミアンダ状の導電線路６１および一対の導電板６６Ａ，６６Ｂを印刷法などによって容易に作製することができる。
【００８６】
図２３（Ａ）〜（Ｅ）は、図２２の絶縁シート６４Ｂ〜６４Ｆの平面図である。図２３を参照して、絶縁シート６４Ｂの表面に導電板６６Ｂが形成され、絶縁シート６４Ｄの表面にミアンダ状の導電線路６１が形成され、絶縁シート６４Ｆの表面に導電板６６Ａが形成される。さらに、絶縁シート６４Ｂ，６４Ｃを貫通するように導電部６７Ｂが形成され、この導電部６７Ｂによって導電板６６Ｂと導電線路６１の一端とが接続される。同様に、絶縁シート６４Ｄ，６４Ｅを貫通するように導電部６７Ａが形成され、この導電部６７Ａによって導電板６６Ａと導電線路６１の他端とが接続される。
【００８７】
＜実施の形態６＞
図２４は、この発明の実施の形態６によるアンテナ装置６の構成を示す斜視図である。
【００８８】
図２５は、図２４のアンテナ装置６の側面図である。図２４、図２５を参照して、アンテナ装置６は、アンテナ素子７０としてのモノポールアンテナと、グランドプレーン７２と、Ｚ方向に積層されたメタマテリアル９７Ａ，９７Ｂを含む。すなわち、図２４、図２５のアンテナ装置６は、メタマテリアル全体が互いに積層された部分層９７Ａ，９７Ｂによって構成される。
【００８９】
アンテナ素子７０に近接して設けられたメタマテリアル９７Ａは、１個のヘリカル状のコイル８１を含む。コイル８１のコイル線長は、アンテナ素子７０から放射される電磁波の波長の略半分である。コイル８１は絶縁性の支持部材８６によって固定される。図解を容易にするために、支持部材８６は輪郭線のみが示される。
【００９０】
図２４、図２５に示すように、コイル８１の中心軸１１０の方向はＺ軸方向であり、モノポールアンテナ７０の軸線方向と一致し、グランドプレーン７２と直交する。コイル８１は、上方（Ｚ軸方向）から見るとアンテナ素子７０を覆うように、アンテナ素子７０の直上に設けられる。このような配置にすることによって、アンテナ素子７０とコイル８１との静電結合が強められる。
【００９１】
メタマテリアル９７Ｂは、４個のヘリカル状のコイル８２Ａ〜８２Ｄを含む。コイル８２Ａ〜８２Ｄの各コイル線長は、アンテナ素子７０から放射される電磁波の波長の略半分である。コイル８２Ａ〜８２Ｄは絶縁性の支持部材８７によって固定される。図解を容易にするために、支持部材８７は輪郭線のみが示される。
【００９２】
図２４、図２５に示すように、コイル８２Ａ〜８２Ｄの各々の中心軸１１０の方向はＺ軸方向であり、モノポールアンテナ７０の軸線方向と一致し、グランドプレーン７２と直交する。上方（Ｚ軸方向）から見ると、コイル８２Ａ〜８２Ｄはコイル８１を囲むように配置される。側面（Ｘ方向またはＹ方向）から見ると、コイル８１の上端とコイル８２Ａ〜８２Ｄの下端とが、ほぼ同一面上となるように配置される。このような配置にすることによって、コイル８１とコイル８２Ａ〜８２Ｄとの静電結合が強められる。
【００９３】
上記のアンテナ装置６の構成によれば、コイル８１，８２Ａ〜８２Ｂの各中心軸がアンテナ素子７０から生じた電気力線にほぼ沿うように配置されることになる。したがって、コイル８１，８２Ａ〜８２Ｄはアンテナ素子７０と効率よく静電結合する。さらに、コイル８１，８２Ａ〜８２Ｄの各コイル線長は、アンテナ素子７０から放射された電磁波の波長の略半分であるので、コイル８１，８２Ａ〜８２Ｄは電磁波の周波数で共振する。この結果、メタマテリアル９７Ａ，９７Ｂの全体は負の誘電率を示し、小型かつ高効率のアンテナ装置６を実現することができる。
【００９４】
さらに、アンテナ装置６では、コイル８１，８２Ａ〜８２Ｄの中心軸の方向がＺ軸方向（メタマテリアル９７Ａ，９７Ｂの積層方向）で揃っているので、実施の形態４のアンテナ装置４の場合と同様の印刷法を用いてコイル８１，８２Ａ〜８２Ｄを容易に作製できるというメリットがある。
【００９５】
＜実施の形態６の変形例＞
図２６は、実施の形態６の変形例によるアンテナ装置６Ａの構成を示す斜視図である。
【００９６】
図２７は、図２６のアンテナ装置６Ａの側面図である。図２６、図２７を参照して、アンテナ装置６Ａは、メタマテリアル９７Ｂの上方（＋Ｚ方向）に積層されたメタマテリアル９７Ｃをさらに含む点で、図２４、図２５のアンテナ装置６と異なる。アンテナ装置６Ａのその他の点はアンテナ装置６と同一であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
【００９７】
メタマテリアル９７Ｃは、９個のヘリカル状のコイル８３Ａ〜８３Ｉを含む。コイル８３Ａ〜８３Ｉの各コイル線長は、アンテナ素子７０から放射される電磁波の波長の略半分である。コイル８３Ａ〜８３Ｉは絶縁性の支持部材８８によって固定される。図解を容易にするために、支持部材８８は輪郭線のみが示される。
【００９８】
図２６、図２７に示すように、コイル８３Ａ〜８３Ｉの各々の中心軸１１０の方向はＺ軸方向であり、モノポールアンテナ７０の軸線方向と一致し、グランドプレーン７２と直交する。上方（Ｚ軸方向）から見ると、コイル８３Ａ〜８３Ｉのうちの４個のコイルが、コイル８２Ａ〜８２Ｄのうちのいずれか１個のコイルを囲むように配置される。側面（Ｘ方向またはＹ方向）から見ると、コイル８２Ａ〜８２Ｄの上端とコイル８３Ａ〜８３Ｉの下端とが、ほぼ同一面上となるように配置される。このような配置にすることによって、コイル８２Ａ〜８２Ｄとコイル８３Ａ〜８３Ｉとの静電結合が強められる。
【００９９】
アンテナ装置６Ａでは、メタマテリアルの積層数を増やすことによって、さらに、放射効率を高めることができる。
【０１００】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１０１】
１，１Ａ，２，３，３Ａ，３Ｂ，４，４Ａ，５，６，６Ａ アンテナ装置、１０，３０，４０，５０，６０，７０ アンテナ素子、１１，３１，４１，５１，８１，８２Ａ〜８２Ｄ，８３Ａ〜８３Ｉ コイル、１４ 支持部材、１５ 基板、２１Ａ，２１Ｂ 平板電極、５０Ａ 放射面、５４ 支持部材、５４Ａ〜５４Ｄ 絶縁層、５６Ａ〜５６Ｄ ストリップライン電極、６１ ミアンダ状の導電線路、６４ 支持部材、６４Ａ〜６４Ｆ 絶縁シート、６６Ａ，６６Ｂ 導電板、６９ コイルユニット、９０ 電気力線、９３〜９６，９７Ａ，９７Ｂ，９７Ｃ メタマテリアル。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を放射または吸収するアンテナ素子と、
前記アンテナ素子を臨むように配置された負の誘電率を有するメタマテリアルとを備え、
前記メタマテリアルは、前記アンテナ素子と離間して配置された複数のコイルを含み、前記複数のコイルの各々は、各々の周囲に生じる前記電磁波の略半波長またはその整数倍の長さの導電線によって形成される、アンテナ装置。
【請求項２】
前記複数のコイルの各々はヘリカル状に形成され、
前記メタマテリアルに含まれる全てのコイルの巻き方向は同一であり、
前記複数のコイルの各々の中心軸の方向は、前記アンテナ素子から生じる電気力線の方向と略一致する、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記アンテナ素子に近接する側の前記複数のコイルの各々の端部は、前記電気力線と直交する等電位面に沿って配置される、請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記電気力線の間隔は、前記アンテナ素子から離間するにつれて広がり、
前記複数のコイルの各々のコイル半径は、前記アンテナ素子から離間するほど大きい、請求項２または３に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記アンテナ素子に近接する側の前記複数のコイルの各々の端部は、前記アンテナ素子を覆う仮想球面に沿って配置される、請求項４に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記アンテナ素子は平面状の放射面を有する平面アンテナであり、
前記複数のコイルの各々の中心軸は前記放射面と直交する、請求項２または３に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記放射面に近接する側の前記複数のコイルの各々の端部は、前記放射面から等距離にある、請求項６に記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記メタマテリアルは、前記放射面に積層された複数の絶縁層をさらに含み、
前記複数のコイルの各々は、前記複数の絶縁層上にそれぞれ形成された１ターン未満の巻数の複数のストリップライン電極を有し、
前記複数の絶縁層の積層方向に隣接したストリップライン電極は、絶縁層を貫通する導体によって互いに接続される、請求項６または７に記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記メタマテリアルは、各々が前記電気力線と交差する複数の導電板をさらに含み、前記複数のコイルの各々の少なくとも一方の端部には前記複数の導電板のいずれか１つが接続される、請求項２〜８のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項１０】
前記複数のコイルの各々は、ミアンダ状の導電線路を含み、
前記メタマテリアルは、前記複数のコイルにそれぞれ対応する複数の一対の導電板を含み、
前記複数の一対の導電板の各々は、対応のコイルの両端に１つずつ接続され、前記電気力線と交差するように配置される、請求項２または３に記載のアンテナ装置。
【請求項１１】
前記複数の一対の導電板の各々および対応のコイルに含まれる前記ミアンダ状の導電線路は、前記ミアンダ状の導電線路が一対の導電板で挟まれるような配置で互いに平行に設けられる、請求項１０に記載のアンテナ装置。
【請求項１２】
前記メタマテリアルは、互いに積層された複数の部分層によって構成され、
前記複数の部分層の各々は、前記複数のコイルのうち少なくとも１つを含み、
前記アンテナ素子から相対的に離間する部分層は、前記アンテナ素子に相対的に近接する部分層に比べて多くのコイルを含む、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項１３】
前記複数のコイルの各々は、ヘリカル状に形成され、
前記複数のコイルの各々の中心軸の方向は、前記複数の部分層の積層方向と略一致する、請求項１２に記載のアンテナ装置。
【請求項１４】
絶縁性の基板上に膜状に形成され、電磁波を放射または吸収するアンテナ素子と、
各々が前記アンテナ素子と離間して前記基板上にミアンダ状に形成された複数のコイルとを備え、
前記複数のコイルの各々の中心線の方向は、前記アンテナ素子から生じる電気力線の方向と略一致し、
前記複数のコイルの各々は、各々の周囲に生じる前記電磁波の略半波長またはその整数倍の長さの導電線によって形成される、アンテナ装置。
【請求項１５】
前記アンテナ素子に近接する側の前記複数のコイルの各々の端部は、前記電気力線と直交する等電位面と前記基板の表面との交線に沿って配置される、請求項１４に記載のアンテナ装置。
【請求項１６】
前記基板の表面に沿う電気力線の間隔は、前記アンテナ素子から離間するにつれて広がり、
前記複数のコイルの各々において、前記中心線に垂直な方向の幅は、前記アンテナ素子から離間するほど長い、請求項１４または１５に記載のアンテナ装置。
【請求項１７】
前記複数のコイルは、複数のグループに分割され、
互いに同一のグループに属するコイルは、同一の長さの導電線によって形成され、
互いに異なるグループに属するコイルは、異なる長さの導電線によって形成される、請求項１〜１６のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項１】
電磁波を放射または吸収するアンテナ素子と、
前記アンテナ素子を臨むように配置された負の誘電率を有するメタマテリアルとを備え、
前記メタマテリアルは、前記アンテナ素子と離間して配置された複数のコイルを含み、前記複数のコイルの各々は、各々の周囲に生じる前記電磁波の略半波長またはその整数倍の長さの導電線によって形成される、アンテナ装置。
【請求項２】
前記複数のコイルの各々はヘリカル状に形成され、
前記メタマテリアルに含まれる全てのコイルの巻き方向は同一であり、
前記複数のコイルの各々の中心軸の方向は、前記アンテナ素子から生じる電気力線の方向と略一致する、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記アンテナ素子に近接する側の前記複数のコイルの各々の端部は、前記電気力線と直交する等電位面に沿って配置される、請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記電気力線の間隔は、前記アンテナ素子から離間するにつれて広がり、
前記複数のコイルの各々のコイル半径は、前記アンテナ素子から離間するほど大きい、請求項２または３に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記アンテナ素子に近接する側の前記複数のコイルの各々の端部は、前記アンテナ素子を覆う仮想球面に沿って配置される、請求項４に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記アンテナ素子は平面状の放射面を有する平面アンテナであり、
前記複数のコイルの各々の中心軸は前記放射面と直交する、請求項２または３に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記放射面に近接する側の前記複数のコイルの各々の端部は、前記放射面から等距離にある、請求項６に記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記メタマテリアルは、前記放射面に積層された複数の絶縁層をさらに含み、
前記複数のコイルの各々は、前記複数の絶縁層上にそれぞれ形成された１ターン未満の巻数の複数のストリップライン電極を有し、
前記複数の絶縁層の積層方向に隣接したストリップライン電極は、絶縁層を貫通する導体によって互いに接続される、請求項６または７に記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記メタマテリアルは、各々が前記電気力線と交差する複数の導電板をさらに含み、前記複数のコイルの各々の少なくとも一方の端部には前記複数の導電板のいずれか１つが接続される、請求項２〜８のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項１０】
前記複数のコイルの各々は、ミアンダ状の導電線路を含み、
前記メタマテリアルは、前記複数のコイルにそれぞれ対応する複数の一対の導電板を含み、
前記複数の一対の導電板の各々は、対応のコイルの両端に１つずつ接続され、前記電気力線と交差するように配置される、請求項２または３に記載のアンテナ装置。
【請求項１１】
前記複数の一対の導電板の各々および対応のコイルに含まれる前記ミアンダ状の導電線路は、前記ミアンダ状の導電線路が一対の導電板で挟まれるような配置で互いに平行に設けられる、請求項１０に記載のアンテナ装置。
【請求項１２】
前記メタマテリアルは、互いに積層された複数の部分層によって構成され、
前記複数の部分層の各々は、前記複数のコイルのうち少なくとも１つを含み、
前記アンテナ素子から相対的に離間する部分層は、前記アンテナ素子に相対的に近接する部分層に比べて多くのコイルを含む、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項１３】
前記複数のコイルの各々は、ヘリカル状に形成され、
前記複数のコイルの各々の中心軸の方向は、前記複数の部分層の積層方向と略一致する、請求項１２に記載のアンテナ装置。
【請求項１４】
絶縁性の基板上に膜状に形成され、電磁波を放射または吸収するアンテナ素子と、
各々が前記アンテナ素子と離間して前記基板上にミアンダ状に形成された複数のコイルとを備え、
前記複数のコイルの各々の中心線の方向は、前記アンテナ素子から生じる電気力線の方向と略一致し、
前記複数のコイルの各々は、各々の周囲に生じる前記電磁波の略半波長またはその整数倍の長さの導電線によって形成される、アンテナ装置。
【請求項１５】
前記アンテナ素子に近接する側の前記複数のコイルの各々の端部は、前記電気力線と直交する等電位面と前記基板の表面との交線に沿って配置される、請求項１４に記載のアンテナ装置。
【請求項１６】
前記基板の表面に沿う電気力線の間隔は、前記アンテナ素子から離間するにつれて広がり、
前記複数のコイルの各々において、前記中心線に垂直な方向の幅は、前記アンテナ素子から離間するほど長い、請求項１４または１５に記載のアンテナ装置。
【請求項１７】
前記複数のコイルは、複数のグループに分割され、
互いに同一のグループに属するコイルは、同一の長さの導電線によって形成され、
互いに異なるグループに属するコイルは、異なる長さの導電線によって形成される、請求項１〜１６のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【公開番号】特開２０１１−９７３３４（Ｐ２０１１−９７３３４Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２４８８８８（Ｐ２００９−２４８８８８）
【出願日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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