アンテナ装置

【課題】製造コストの低減を図ると共に、耐久性、耐候性を向上する。
【解決手段】電波を放射する放射素子２と、放射素子２に電力を供給する給電部３と、放射素子２を覆う、導体からなるケース１０と、ケース１０の、放射素子２に対向する位置に設けられ、放射素子２から放射された電波と電気的に結合するスロット１１と、を備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射素子と、放射素子を覆うレドームとを備えるアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、モバイル携帯端末のインフラストラクチャ用のアンテナ装置としては、小型の平面型アンテナ装置の需要が急増している。これらの小型の平面型アンテナ装置は、主に、不感帯と呼ばれるビル影などで、電波が届きにくいエリアに設置され、モバイル携帯端末があらゆる場所で通信を行うことができるようにするために用いられている。これらのアンテナ装置は、屋外に設置され、耐久性、耐候性が高く、安価であることが求められている。
【０００３】
この種のアンテナ装置としては、１個の放射素子を備える平面型アンテナ装置や、数十個の小型放射素子がアレイ状に配置された平面型アンテナ装置が一般に知られている。平面型アンテナ装置は、パッチ素子やダイポール素子がアレイ化されて構成されており、平面型アンテナ装置を風雨や埃から保護するために、レドームと呼ばれる保護カバーによって放射素子が覆われて構成されている（例えば、特許文献１参照）。一般に、パッチ素子やダイポール素子は、金属材の板金工法やプリント基板を用いて、容易、かつ、安価に構成できる。このため、この種の平面型アンテナ装置では、レドームの部分に対する製造コストの配分が比較的大きくなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１７６９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した平面型アンテナ装置のレドームは、通常、ＦＲＰ（繊維強化プラスチップ）やポリカーボネイトなどの高価なプラスチックで構成されており、電波の損失を最小に抑えて、かつ、耐久性や耐候性に優れたものとする必要がある。このために、プラスチック製のレドームは、機械的強度を確保するために厚さを厚くしたり、リブを設けたりする必要があり、加えて電気的損失が少ない材料を使用したりする必要がある。このため、プラスチック製のレドームは、必然的に製造コストが嵩んでしまう。
【０００６】
さらに、例えばＦＲＰは、材料の原価が高価であるのに加えて、ハンド・レイアップという手作りの製造方法が主流であり、製造コストがかさんでしまう。また、ＦＲＰは、短期間での大量生産が困難であるという問題もある。
【０００７】
また、ポリカーボネイトは、射出成形加工を用いて大量生産が可能であるが、成形金型が非常に高価であるので、製造コストが増えるという欠点がある。また、ポリカーボネイトは、紫外線や塩水に対して弱いので、保護用の塗装を十分に施す必要がある。しかし、長期間屋外で使用した場合、塗装が剥がれることもあるので、定期的なメンテナンスも行う必要がある。また、ポリカーボネイトは、機械的強度がＦＲＰよりも弱いので、厚さを厚く形成したりする必要があり、材料コストが増え、アンテナ装置全体の重量が重くなってしまうという問題がある。
【０００８】
また、ＦＲＰ、ポリカーボネイトのいずれも、結局のところプラスチックであるので、レドームとしての機械的強度が十分に得られない。すなわち、電波損失の観点からは、損失を最小に抑えるために、レドームの厚さを薄くして使用するのが望ましい。しかしながら、レドームは、強風による破壊や大きな飛来物、例えば雹などから放射素子を保護するために、肉厚さを厚く形成する必要がある。そのため、結果的に、レドームは、電波損失が大きくなって、アンテナ装置の利得が低下し、かつ、高価となってしまうという問題点がある。
【０００９】
関連技術のレドームにおける問題点をまとめると以下になる。
１）樹脂製のレドームは、製造コストがかさむ。
２）樹脂製のレドームは、耐久性、耐候性が乏しい。
３）機械的強度を確保するためにレドームの厚みを厚くすることで、電波損失が大きくなり、アンテナ装置の利得が低下してしまう。
【００１０】
そこで、本発明は、上記関連する技術の課題を解決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。本発明の目的の一例は、製造コストの低減を図ると共に、耐久性、耐候性を向上することができるアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的を達成するため、本発明に係るアンテナ装置は、電波を放射する放射素子と、放射素子に電力を供給する給電部と、放射素子を覆う、導体からなる筐体と、筐体の、放射素子に対向する位置に設けられ、放射素子から放射された電波と電気的に結合するスロットと、を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、導体からなる筐体を備えることによって、製造コストの低減を図ると共に、耐久性、耐候性を向上することができる。また、本発明によれば、筐体に、放射素子から放射された電波と電気的に結合するスロットが設けられたことによって、広帯域のアンテナ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態のアンテナ装置を示す図である。
【図２】実施形態のアンテナ装置におけるスロットとカバーの変形例を模式的に示す断面図である。
【図３】実施形態のアンテナ装置におけるスロットの形状の変形例を模式的に示す平面図である。
【図４】実施形態のアンテナ装置におけるスロットの形状の他の変形例を模式的に示す平面図である。
【図５】実施形態のアンテナ装置における放射素子の給電構造の変形例を示す模式図である。
【図６】実施形態のアンテナ装置における放射素子の給電構造の他の変形例を示す模式図である。
【図７】実施形態のアンテナ装置における放射素子の形状の変形例を示す模式図である。
【図８】実施形態のアンテナ装置における放射素子の構造の変形例を示す模式図である。
【図９】実施形態のアンテナ装置における放射素子が２偏波である構成を模式的に示す斜視図である。
【図１０】実施形態のアンテナ装置における放射素子をアレイ化した構成を模式的に示す斜視図である。
【図１１】実施形態のアンテナ装置における２偏波である放射素子をアレイ化した構成を模式的に示す斜視図である。
【図１２】実施形態のアンテナ装置における他の放射素子の構成を示す模式図である。
【図１３】実施形態のアンテナ装置における他の放射素子の構成を示す模式図である。
【図１４】実施形態のアンテナ装置における他の放射素子の構成を示す模式図である。
【図１５】実施例のアンテナ装置を説明するための模式図である。
【図１６】実施例のアンテナ装置におけるリターンロス特性を説明するための図である。
【図１７】実施例のアンテナ装置における放射パターン特性を説明するための図である。
【図１８】関連技術のアンテナ装置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１（ａ）に、実施形態のアンテナ装置の構成の斜視図を示す。図１（ｂ）に、実施形態のアンテナ装置の断面図を示す。実施形態のアンテナ装置は、金属材などの導体によって形成されたグランド板１と、導体によって形成された放射素子２と、放射素子２を内部に収容するように覆う、導体からなる筐体としてのケース（レドーム）１０と、ケース１０における放射素子２のほぼ真上の位置に設けられたスロット１１と、物理的な穴であるスロット１１を塞ぐ閉塞部材としてのカバー１２と、を備えて構成されている。
【００１６】
放射素子２は、一般に、パッチアンテナ、または、マイクロストリップアンテナ、マイクロストリップパッチアンテナなどと呼ばれる。図１（ｂ）に示すように、放射素子２は、導体によって構成されており、主面の中央に位置する支持部４が、支持棒７によって支持されている。この構成の場合、支持棒７は、導体と非導体のいずれであっても使用可能である。そして、放射素子２は、外周端部近傍に設けられた給電部３が、導体からなる給電線５の上端に電気的に接続されており、給電線５を介して放射素子２が給電される。給電線５の下端は、同軸コネクタ６の同軸中心導体に電気的に接続されている。
【００１７】
放射素子２から放射される偏波（電界）の方向は、図１中の矢印ａ方向に示すように、給電部３から放射素子２の中央方向へ向かうベクトルと同じ方向となる。図１（ａ）に示す構成例では、放射素子２の偏波が、横方向（図１中Ｘ方向）の偏波となる。放射素子２の横方向の辺の長さ寸法Ｓ１は、使用する周波数の波長の１／２程度の長さに設定されている。
【００１８】
スロット１１は、ケース１０における放射素子２のほぼ真上に配置されており、放射素子２に対向して配置されている。また、スロット１１は、長方形状に形成されており、開口面積が、スロット１１に対向する放射素子２の対向面の面積よりも小さい。
【００１９】
そして、図１（ａ）に示すように、長方形状のスロット１１は、長辺の長さＳ２が、使用する周波数の波長の１／２波長程度となる長さにされ、スロット１１の長辺が、放射素子２の偏波の方向と直交するように、ケース１０に設けられている。図１（ｂ）に示すように、放射素子２とスロット１１との間の距離Ｈは、０．１５波長程度〜０．３５波長程度の範囲内になるように調整される。通常、放射素子２から放射された電波とスロット１１は、電気的に結合して、複共振の状態となり、広帯域化される。
【００２０】
具体的な構成について説明する。グランド板１及びケース１０は、例えばアルミニウムからなる板材が板金加工されて構成されている。電気的な観点から、グランド板１とケース１０と間に厳密な境界はなく、ケース１０にスロット１１以外の開口が設けられていない場合には、電気的に同等と考えられる。放射素子２も同様に、アルミニウムや真鍮からなる板材が、板金加工などされて形成されている。
【００２１】
ケース１０におけるスロット１１の開口面積が比較的小さいので、カバー１２は、ＦＲＰやプラスチック板等の非導体によって形成され、接着剤や両面接着テープ等によってケース１０に接着されている。また、カバー１２は、テトラフルオロエチレンからなるシートや板材によって形成されて、ケース１０に熱融着されてもよい。カバー１２としてＦＲＰやプラスチック材を使用した場合には、小面積かつ汎用の平板材料が使用できるので、材料、加工の観点からも安価に抑えることができる。簡易的には、シリコンからなるシール材によってカバー１２が形成される構成や、閉塞部材としての接着剤でスロット１１が埋められる構成も有効である。
【００２２】
上述したように、実施形態のアンテナ装置によれば、導体からなるケース１０を備えることによって、射出成形によってケースが形成される構成に比較して製造コストが低減されると共に、耐久性、耐候性を向上することができる。また、実施形態によれば、ケース１０に、放射素子２から放射された電波と電気的に結合するスロット１１が設けられたことによって、広帯域のアンテナ装置を実現できる。
【００２３】
次に、実施形態のアンテナ装置の種々の変形例について、図面を参照して説明する。
【００２４】
図２に、実施形態のアンテナ装置におけるスロットとカバーの変形例を示す。図２（ａ）に、ケース１０にスロット１１が設けられ、スロット１１を塞ぐカバー１２を備えていない構成を示す。アンテナ装置を屋外ではなく、屋内に設置して使用し、かつ、防水等の対策を行う必要がない場合には、このようなカバー１２を省いた構成であっても使用可能である。
【００２５】
図２（ｂ）に、ケース１０の上に、スロット１１を覆うカバー１２が配置された構成を示す。アンテナ装置を屋外に設置して使用する場合には、スロット１１が、ケース１０の物理的な穴であるので、スロット１１からケース１０内に雨や雪、埃などが進入してしまう。したがって、これらの進入を防ぐために、スロット１１を塞ぐカバー１２が必要となる。カバー１２は、上述したように、プラスチック等の非導体材料を接着したり、ケース１０に融着したりする方法がある。
【００２６】
図２（ｃ）に、図２（ｂ）に示したように、カバー２０は、スロット１１を覆う材料をケース１０に接着する代わりに、スロット１１をシール材や接着剤自体で埋めてしまう構成を示す。代表的なシール材としては、シリコンシールなどが挙げられる。また、接着剤としては、エポキシ樹脂系の接着剤や、セメダイン社製のスーパーＸ（商標）などの汎用接着剤が用いられても有効である。なお、使用する接着剤、シール材は、非導電性を有している必要がある。
【００２７】
図２（ｄ）に、図２（ｂ）に示した構成に加えて、スロット１１を塞ぐカバー１３を、ケース１０の内側から貼り付けた構成を示す。この構成の場合、ケース１０の外側と内側において、カバー１２、１３の構成が同じである必要はない。
【００２８】
図２（ｅ）に、図２（ｄ）に示す構成において、カバー１２、１３の密着性を更に向上し、機械的強度と耐久性が確保される構成を示す。この構成では、カバー１２とカバー１３との間の空間であるスロット１１の内部に、非導体からなるスペーサ２１が嵌め込まれている。この構成の場合、スペーサ２１が、ＦＲＰやプラスチック材料、シール材によって形成されてもよく、接着剤がスペーサとして使用されてもよい。
【００２９】
図２（ｆ）に、カバー２２がケース１０の全面を覆うように貼られた構成、あるいは、カバー２２がケース１０の側面またはケース１０の一部を覆う構成を示す。熱収縮チューブのように、加熱することによって融着が可能な部材、例えば熱収縮性が大きな袋またはシートによって、アンテナ装置の全面または全体を包み込むことで、アンテナ装置全体を一括して防水するように構成されてもよい。
【００３０】
なお、図２（ｂ）〜図２（ｆ）に示す構成では、スロット１１近傍に、電波の放射に寄与する電流が流れるので、損失が大きな材料を用いることは好ましくない。例えば、カバー２２をケース１０に接着するために、損失が大きな接着剤を使用したり、カバー１２やスペーサ２１を形成する材料として、ベーク板などの高周波での損失が大きな材料を用いることは好ましくない。カバー１２としては、テトラフルオロエチレンなどの低損失の材料を用いることで、損失が少ないアンテナ装置を実現できる。
【００３１】
図３に、実施形態のアンテナ装置におけるスロットの形状に関する変形例を示す。図３（ａ）に、上述と同様の長方形状のスロットの形状を示す。長方形状のスロットの開口寸法は、長辺の長さが、使用する周波数の１／２波長程度とする。スロットの短辺の長さは、２ＧＨｚ程度以下の周波数を用いる場合、概ね１／２０波長以下として用いるが、それよりも高い周波数を用いる場合、開口寸法を実現する上で、１／１０波長以下に設定する場合もある。例えば、６０ＧＨｚ帯の周波数の電波を放射する放射素子を用いる場合は、波長が５ｍｍであるので、スロットの短辺の長さを、１／１０波長に設定した場合であっても０．５ｍｍ程度となる。
【００３２】
図３（ｂ）に示すように、スロット３０は、長方形状のスロットの長辺方向の両端部が円弧状に形成され、長穴のような形状に形成されている。スロットの長辺方向の両端部を円弧に形成することによって、長辺方向の長さが、短辺方向の位置に応じて若干異なるので、広帯域化できる。なお、スロット３０の形状としては、楕円形状も含まれる。
【００３３】
図３（ｃ）に示すように、スロット３１は、直線状のスロットの長辺方向の両端部が、スロットの短辺方向の幅よりも直径が大きな円形状に形成されている。スロット３１は、細長い溝の長さ方向の両端部に円形部分が配置された形状であって、２つの円が細い直線で結ばれた形状である。このスロット３１は、上述の図３（ｂ）に示したスロット３０の形状を発展させた形状であり、更なる広帯域化を図ることができる形状である。
【００３４】
図３（ｄ）に、Ｈ字状に形成されたスロット３２が示されている。スロット３２は、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示した形状と同様に、広帯域化できる効果が得られる。
【００３５】
図３（ｅ）に、縦長の菱柄形状としたスロット３３を示す。この構成の場合も、スロット３３の図３中の縦方向の長さが、横方向の位置によって異なるので、複数種類の波長に対して共振することが可能になり、広帯域化できる効果が得られる。
【００３６】
図３（ｆ）に、菱形の中心を通る直線で切断し、切断した部分をそれぞれ反転して連結したような鼓状のスロット３４を示す。この構成の場合も、図３（ｅ）に示したスロット３３と同様、スロット３４の図３中の縦方向（長手方向）の長さが、横方向の位置によって異なるので、複数種類の波長に対して共振することが可能になり、広帯域化できる効果が得られる。
【００３７】
図４に、実施形態のアンテナ装置における他のスロットの構成を示す。図４（ａ）に示すように、スロット３５は、外形寸法が同じである長方形状の２つのスロット３５ａ，３５ｂを含み、スロット３５ａ，３５ｂが、スロット３５ａ，３５ｂの短辺方向に並んで配置されて構成されている。２つのスロット３５ａ，３５ｂを並べて配置することで、スロット３５に対する結合が強くなり、複共振を更に起こし易くなり、複共振によって、広帯域化を図ることができる。
【００３８】
図４（ｂ）に、外形寸法が異なる２つのスロットを並べて配置したスロット３６を示す。スロット３６は、長辺方向の長さが異なる２つのスロット３６ａ，３６ｂを含み、２つのスロット３６ａ，３６ｂが、スロット３６ａ，３６ｂの短辺方向に並んで配置されて構成されている。２つのスロットを並べて配置することで、複数種類の周波数において共振することが可能になり、広帯域化が可能になる。外形寸法の変更は、特に、スロットの長辺方向の長さを変えることが有効であるが、短辺方向の長さ、間隔、位置の調整も周波数調整やインピーダンス調整に有効である。
【００３９】
図４（ｃ）〜図４（ｅ）に、外形寸法が異なる３つのスロットが短辺方向に並べて配置されたスロット３７、３８、３９を示す。上述のスロット３６と同様に、スロット３７，３８，３９は、長辺方向の長さが異なる３つのスロットを短辺方向に並べて配置することで、複数種類の周波数で共振することが可能になり、広帯域化を図ることができる。図４（ｃ）に示すように、スロット３７は、特に長辺方向の長さに関して、３つのスロット３７ａ，３７ｂ，３７ｃを異なる長さに設定することを特徴としている。３つのスロット３７ａ，３７ｂ，３７ｃは、長い順、あるいは、短い順で短辺方向に並べられる構成である。なお、スロット３７は、３つのスロット３７ａ，３７ｂ，３７ｃの短辺方向の長さが等しくされたが、スロットの短辺方向の長さや、スロットの間隔等についても、等しくする必要はなく、適宜設定されてよい。複数のスロットの長辺、短辺の長さ、間隔等を変化させることで、使用する周波数帯域やインピーダンス整合の調整を行うことができる。
【００４０】
図４（ｄ）に示すように、スロット３８は、短辺方向に並べられた３つのスロット３８ａ，３８，３８ｃの中央に、長辺の長さが短いスロット３８ｂが配置されている。図４（ｅ）に示すように、スロット３９は、短辺方向に並べられた３つのスロット３９ａ，３９ｂ，３９ｃの中央に、長辺の長さが長いスロット３９ｂが配置されている。３つのスロットの配列方向において、両端に配置された２つのスロットの長辺の長さは、同じであっても、異なっていてもよい。
【００４１】
図５に、実施形態のアンテナ装置における放射素子の給電構造を示す。図５（ａ）は、図１（ｂ）に示したアンテナ装置の構成を比較のために再度示した図である。図５（ｂ）に、図５（ａ）に示すアンテナ装置の給電構造の断面図を示す。図５（ｃ）に、給電構造の他の構成の斜視図を示す。図５（ｄ）に、図５（ｃ）に示す給電構造の断面図を示す。
【００４２】
図５（ａ）に示す給電構造では、放射素子２の端部に設けられた給電部３に、放射素子２の厚み方向に延ばされた給電線５が、電気的に接続されており、放射素子２の主面内で給電が行われている。この給電構造に対し、図５（ｃ）に示す給電構造では、放射素子２の図５中の左端部に、放射素子２の主面と平行に延びるマイクロストリップライン４０が、接続されている点が異なっている。さらに、図５（ｃ）に示す給電構造では、マイクロストリップライン４０の図５中の左端に、給電部３が設けられており、給電部３に、放射素子２の厚み方向に延ばされた給電線５が電気的に接続されて給電されている。マイクロストリップライン４０は、その幅を調整することで、グランド板１との間で、所定の特性インピーダンスを有するように構成することができる。このため、マイクロストリップライン４０の幅と長さを調整することで、放射素子２とのインピーダンス調整を行うことが容易になる。
【００４３】
図６に、実施形態のアンテナ装置における放射素子の他の給電構造を示す。図６（ａ）に、実施形態のアンテナ装置における放射素子の給電構造の斜視図を示す。図６（ｂ）に、図６（ａ）に示す給電構造の断面図を示す。図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、放射素子２の図６中の左端部に、この左端部から放射素子２の厚み方向の下方に延びる導体の接続部４２が設けられており、接続部４２を介してマイクロストリップライン４１と接続されている。
【００４４】
図６（ｃ）に、実施形態のアンテナ装置における放射素子の他の給電構造の斜視図を示す。図６（ｄ）に、図６（ｃ）に示した給電構造の断面図を示す。図６（ｃ）及び図６（ｄ）に示すように、放射素子２の図６中の左端部には、何も接続されておらず、導体のマイクロストリップライン４３の図６中の右端部が、放射素子２の下方に入り込み、空間的に放射素子２と結合して給電するように構成されている。
【００４５】
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示す構成では、マイクロストリップライン４１と放射素子２との接続部４２に、電気的に不連続なインピーダンスを生じる部分が発生してしまう。しかし、この構成は、マイクロストリップライン４１の幅寸法などに制約がある場合に、マイクロストリップライン４１の高さ方向の位置、及び放射素子２の高さ方向の位置を自由に設定できるので、設計の自由度が高いというメリットがある。なお、接続部は、グランド板１に対する垂直方向（放射素子２の厚み方向）に延ばす構成に限定されるものではない。接続部は、放射素子２の厚み方向に対してやや傾斜させて延ばして、放射素子と接続する構成であってもよい。この構成はインピーダンスの乱れを緩和する場合に有効である。
【００４６】
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示した接続部４２が、電気的にインピーダンスが不連続になってしまうことを避けるために、図６（ｃ）及び図６（ｄ）に示す構成では、マイクロストリップライン４３と放射素子２とを空間的に結合させている。この構成においても、マイクロストリップライン４３の幅寸法などに制約がある場合であっても、マイクロストリップライン４３の高さ及び放射素子２の高さ方向の位置を自由に設定できるので、設計の自由度が高いというメリットがある。ただし、マイクロストリップライン４３の図６中の右端部と、放射素子２との重なり部分における空間的な結合の度合いや、インピーダンス調整を行う必要もある。そのため、マイクロストリップライン４３の右端部における重なり部分の長さ、面積の調整を行うことが必要になる。また、この構成では、マイクロストリップライン４３の右端部と放射素子２との間の距離も、相互の結合やインピーダンス整合に影響するので、マイクロストリップラインと放射素子とを完全に独立して設計することはできない。
【００４７】
図７に、実施形態のアンテナ装置の放射素子の形状の変形例を示す。図７（ａ）に示す放射素子４４は、導体によって形成された円形状または楕円形状の放射素子を用いた場合である。図７（ｂ）に、導体によって形成された三角形状の放射素子４５を用い、放射素子４５を支持するために、非導体によって形成されたスペーサ４６を用いた構成を示す。この構成の場合、放射素子の形状としては、三角形以外に、五角形、六角形などの多角形や、扇形、馬蹄形、円環などの任意の形状の放射素子を用いることも可能である。
【００４８】
図８に、実施形態のアンテナ装置における放射素子の構造の変形例を示す。図８（ａ）に、プリント基板５０を用いて放射素子５１が形成された構成の斜視図を示し、図８（ｂ）に図８（ａ）に示す構成の断面図を示す。放射素子５１の主面内の図８中の左端部近傍に、給電部３が設けられている。
【００４９】
図８（ｃ）に、プリント基板５０を用いて放射素子５１が形成された構成の斜視図を示し、図８（ｄ）に、図８（ｃ）に示す構成の断面図を示す。放射素子５１の図８中の左端部に、マイクロストリップライン５３が接続されており、マイクロストリップライン５３の図８中の左端部に、給電点３が設けられている。
【００５０】
図８（ａ）〜図８（ｄ）に示す構成において、放射素子５１は、プリント基板５０をエッチングすることで形成されており、放射素子５１が薄い銅箔によって構成されているので、通常、放射素子５１を保護するためにハンダメッキやニッケルなどのメッキが施される。プリント基板５０の下面には、通常、グランドとしての銅箔が設けられ、この銅箔がグランド板１と電気的に接続されるように構成される。ただし、図８（ａ）〜図８（ｄ）に示す構成では、プリント基板５０の下面に銅箔が設けられていなくても、グランド板１が導体であれば、機能的に問題はない。通常、プリント基板５０の下面に銅箔が設けられている場合は、短絡部５２が、スルーホールまたはビヤホールなどによって形成され、放射素子５２の中心と、プリント基板５０の下面に設けられた銅箔とを短絡させる。この構成は、放射素子５１における不要なモードの発生を防ぐことを目的とする構成である。したがって、短絡部５２は、必ず必要な部分ではなく、省かれてもよい。
【００５１】
図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す構成は、プリント基板５０を用いて放射素子５１が構成された構造であり、電気的には、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す構造と等しい。同様に、図８（ｃ）及び図８（ｄ）に示す構成も、電気的には、図５（ｃ）及び図５（ｄ）に示す構成と等しい。ただし、図８に示す構成では、プリント基板５０を用いているので、放射素子を薄く、プリント基板と一体に形成できる点と、プリント基板の比誘電率を「εｒ」としたときの放射素子の大きさを、１／√（εｒ）に小さくできる点とがメリットである。なお、この構成では、プリント基板５０の材料としての誘電体損失が、アンテナ装置の放射に損失を及ぼし、放射効率が低下することがある。
【００５２】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に、実施形態のアンテナ装置における放射素子が、２偏波である構成の模式的な斜視図を示す。図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、放射素子２は、直交する２方向からそれぞれ給電することで、２方向、すなわち、図９中の縦方向（垂直偏波）及び横方向（水平偏波）の両方の偏波を放射することができる。図９（ａ）に示す構成では、２つの給電部３ａ，３ｂが、放射素子２の直交する２方向の端部に配置されている。
【００５３】
同様に、図９（ｂ）に示す構成では、放射素子２の直交する２方向の端部から、図５（ｃ）及び図５（ｄ）に示したようなマイクロストリップライン６２ａ，６２ｂを用いて給電するように構成されている。直交して配置された２つの給電部３ａ，３ｂは、電気的に分離されており、それぞれの偏波で独立して動作することが可能である。したがって、これらの両方の偏波にそれぞれ対応するために、スロット６０は、十字形状に形成する必要がある。なお、図９（ａ）及び図９（ｂ）において、直交する２方向に配置された２つの給電部３ａ，３ｂに、振幅が同一で、かつ位相が９０度異なる高周波信号をそれぞれ給電することによって、円偏波を発生させることができる。このことは、一般的に知られており、本実施形態でも実現が可能である。
【００５４】
図１０に、放射素子をアレイ化した構成を示す。この構成は、図５（ｃ）及び図５（ｄ）に示したマイクロストリップラインを用いた給電構造において、４つの放射素子２をアレイ化した一例である。マイクロストリップライン７０によって、４つの放射素子２を合成し、４つの放射素子２の中央に配置された給電部７０から給電を行う。給電部７０の下方には、図５（ｃ）及び図５（ｄ）に示した構成と同様に、給電線５、コネクタ６が配置されている。４つの放射素子２をアレイ化することによって、更に高利得のアンテナ装置を実現できる。なお、図１０に示す構成において、放射素子２及びマイクロストリップライン７０が、図８に示したようにプリント基板によって構成されても有効である。
【００５５】
図１１に、２偏波の放射素子を用いてアレイ化した構成を示す。図９（ｂ）に示したマイクロストリップライン６２を用いた給電構造において、２つの放射素子２をアレイ化した構成例である。２つのマイクロストリップライン８０によって、２つの放射素子２のそれぞれの偏波について独立して合成し、それぞれの偏波に対応した給電部８１から放射素子２に給電する。これによって、２つの放射素子２をアレイ化した、２種類の偏波を放射するアンテナ装置が構成される。この構成で用いられるスロットとしては、２偏波に対応するために、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示したスロットと同様に、十字形状のスロット６０が用いられる。給電部８１の下方には、図５（ｃ）及び図５（ｄ）に示した構成と同様に、給電線５、コネクタ６が配置されている。このように、２偏波の放射素子２を用いる場合においても、放射素子をアレイ化することによって、利得が高いアンテナ装置を実現できる。
【００５６】
図１２に、他の放射素子を用いたアンテナ装置の構成を示す。図１２（ａ）に、放射素子９０として、逆Ｌ型の放射素子を用いた場合の構成の斜視図を示し、図１２（ｂ）に、図１２（ａ）に示す構成の断面図を示す。
【００５７】
放射素子９０としては、図１に示したように、パッチ素子以外に多種多様な放射素子が使用可能である。これは、本発明のアンテナ装置の基本原理が、剛性を有する金属製のケース（レドーム）を用いて、そのケース上に設けられた小さな穴であるスロットにおいて、ケースの内部に配置された放射素子からの電波と結合、複共振させ、放射させることにあるからである。放射素子９０は、逆Ｌ型のアンテナであるので、放射素子９０が水平に延びるＸ方向と同一方向の電波（電界）を放射し、この電波が、放射素子９０が水平に延びるＸ方向と直交するＹ方向に延びるスロット１１にて結合、複共振し、スロット１１から電波が放射される。
【００５８】
図１２（ｃ）及び図１２（ｄ）に、放射素子９１として、逆Ｆ型の放射素子を用いた構成を示す。図１２（ｃ）に斜視図を示し、図１２（ｄ）に、図１２（ｃ）に示す構成の断面図を示す。放射素子９１は、逆Ｆ型の放射素子であるので、逆Ｌ型の放射素子と同様に、放射素子９１が水平に延びるＸ方向と同一方向の電波（電界）を放射し、この電波が、放射素子９１が水平に延びるＸ方向と直交するＹ方向に延びるスロット１１にて結合、複共振し、スロット１１から電波が放射される。
【００５９】
図１３に、他の放射素子を用いたアンテナ装置の構成を示す。図１３（ａ）に、放射素子１００として、モノポールアンテナを用いた場合の構成の斜視図を示し、図１３（ｂ）に、図１３（ａ）に示す構成の断面図を示す。放射素子１００は、モノポールアンテナであるので、放射素子１００の真上方向（Ｚ方向）に向かって電波（電界）が放射されない。したがって、放射素子１００がグランド板１の中央に配置され、スロット１１が放射素子１００の真上に配置された場合には、放射素子１００から放射された電波の、スロット１１における結合が若干弱い場合もある。このような場合は、放射素子１００とスロット１１との相対的な位置をずらすことで、スロット１１にて更に強い結合を得ることが可能になる。具体的には、放射素子１００を、グランド板１００の端部にオフセットさせた位置に配置する構成などが有効である。
【００６０】
図１３（ｃ）及び図１３（ｄ）に、放射素子１０１として、容量装荷型のモノポールアンテナを用いた場合の構成を示す。図１３（ｃ）に斜視図を示し、図１３（ｄ）に断面図を示す。放射素子１０１は、容量装荷型のモノポールアンテナであるので、基本的には、図１３（ｂ）に示したモノポールアンテナと同様の放射特性を有している。したがって、放射素子１０１が、グランド板１の中央に配置され、スロット１１が放射素子１０１の真上に配置された場合には、図１３（ｂ）に示す構成と同様に、スロット１１における結合が弱い場合もある。このような場合は、上述と同様に、放射素子１０１をグランド板１００の端部にオフセットさせた位置に配置する構成などが有効である。
【００６１】
図１４に、他の放射素子を用いたアンテナ装置の構成を示す。図１４（ａ）に、放射素子１１０として、ダイポールアンテナを用いた場合の構成の斜視図を示す。この構成では、グランド板１側から、Ｚ方向に対して所定の高さまで、同軸ケーブル１１１を延ばし、同軸ケーブル１１１の先端がダイポールアンテナに接続されている。ダイポールアンテナの主偏波は、放射素子１１０が水平に延びるＸ方向と平行な方向に進み、図１４（ａ）に示す構成においては水平偏波となる。したがって、放射素子１１０における主偏波が進むＸ方向と直交するＹ方向に延びるスロット１１にて、主偏波が結合し、スロット１１から電波が放射される。
【００６２】
図１４（ｂ）に、放射素子１１２として、ループアンテナを用いた場合の構成の斜視図を示す。ループアンテナの主偏波は、放射素子１１２の給電部が位置する一端側から、対向する他端側に向かうＸ方向と平行な方向に進み、図１４（ｂ）に示す構成においては水平偏波となる。したがって、放射素子１１２における主偏波が進むＸ方向と直交するＹ方向に延びるスロット１１にて、主偏波が結合し、スロット１１から電波が放射される。
【００６３】
図１４（ｃ）に、放射素子１１３として、ハーフループアンテナを用いた場合の構成の斜視図を示す。ハーフループアンテナの主偏波は、ハーフループ面と直交するＹ方向に進み、図１４（ｃ）に示す構成においては垂直偏波となる。したがって、放射素子１１３における主偏波が進むＹ方向と直交するＸ方向に延ばされたスロット１１にて、主偏波が結合し、スロット１１から電波が放射される。
【００６４】
次に、実際にアンテナ装置を製作し、効果を確認した実施例の構成を示す。図１５に、実際のアンテナ装置の構成例を示す。設計上での中心周波数を１．９６ＧＨｚとし、波長を１５３ｍｍとした。アンテナ装置の構成は、図１に示した構成と同じである。
【００６５】
本実施例において、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示すように、図１に示したグランド板１がグランド２００に相当しており、ケース１０に相当する部分が、側板２０１と上板２０２によって構成されている。スロット１１は、スロット２０３に相当しており、カバー１２に相当する部分が設けられていない。しかし、カバー１２は、アンテナ装置を気密構造にするための保護用のシート部材であり、本実施例のアンテナ装置の電気的な原理の特性を確認するためには影響がないので、本実施例では省いた。本実施例において、放射素子２が放射素子２０４に相当し、支持棒７が支持棒２０５に相当し、給電部３が給電部２０７に相当し、給電線５が給電線２０８に相当し、コネクタ６がコネクタ２０９に相当する。
【００６６】
正方形状のグランド２００、側板２０１及び上板２０２によって構成される内側の空間は、正方形をなす内壁の一辺の長さが０．９２波長にされ、高さが０．３３波長にされている。上板２０２は、厚さｔが１ｍｍに形成されている。放射素子２０４は、一辺の長さが０．４６波長の正方形状に形成されている。放射素子２０４は、グランド２００の中央に位置され、グランド２００から０．０６波長の高さの位置に、支持棒２０５とナット２０６によって固定されている。
【００６７】
給電部２０７は、放射素子２０４の中心から０．２波長離れた位置の給電点に、給電線２０８の一端がハンダ付けによって接続されて構成されている。給電線２０８の他端は、グランド２００に設けられたコネクタ２０９の同軸中心導体に接続されている。なお、各部材を形成する材料としては、グランド２００、側板２０１、及び上板２０２が、アルミニウムによって形成されており、放射素子２０４、支持棒２０５、ナット２０６、及び給電線２０８が、真鍮によって形成されている。
【００６８】
図１６に、図１５に示した構成におけるリターンロス特性の実測値を示す。実線が、図１５に示した構成におけるリターンロス特性を示し、点線が、スロット２０３を有する上板２０２及び側板２０１を取り外した状態における放射素子２０４単体でのリターンロス特性を示している。図１５に示した構成では、実線において、最大振幅と最小振幅の比をＶＳＷＲ(電圧定在波比）とすれば、「ＶＳＷＲ＜２」に相当するリターンロスが「−９．５ｄＢ」以下になる帯域は、１．８３ＧＨｚ〜２．１０ＧＨｚである。これは、比帯域で１４％となり、広帯域な特性が得られている。放射素子２０４が単体で使用される場合における点線で示すリターンロス特性と比べて、実線で示すリターンロス特性では、単共振の狭い帯域の特性が、複共振になることで、広帯域化されている。
【００６９】
図１７に、図１５に示した構成における放射パターン特性の実測値を示す。図１７（ｂ）に示すようにアンテナ装置を観たとき、主偏波は垂直偏波となる。図１７（ａ）において、実線は、Ｈ面（H-plane）、すなわち、Ｚ−Ｘ平面での放射パターンである。また、点線は、Ｅ面(E-plane)、すなわちＺ−Ｙ平面での放射パターンである。３ｄＢビーム幅（半電力ビーム幅）は、Ｈ面で６７度、Ｅ面で９２度であり、利得として６．６ｄＢｉが得られている。
【００７０】
最後に、本発明の技術と、本発明に関連する技術との相違点について説明する。本発明に係るアンテナ装置の構成の主眼である、アンテナ装置の製造コストを低減するという観点に関し、関連技術では、レドームが、ＦＲＰやポリカーボネイトによって形成されていた。これに対して、本発明は、レドームを、金属製のケース１０と、ケース１０に設けられたスロット１１と、スロット１１を閉塞するカバー１２と、を備えて構成され、製造コストの低減を実現するものである。
【００７１】
続いて、電気的な原理として、スロットとパッチ素子とを組み合わせた関連技術のアンテナ装置について、以下に説明する。図１８（ａ）に、関連技術のアンテナ装置の模式的な斜視図を示す。図１８（ｂ）に、関連技術のアンテナ装置の模式的な断面図を示す。
【００７２】
図１８（ｂ）に示すように、プリント基板３００は、４層の導体層である第１層３００ａ〜第４層３００ｄを有している。プリント基板３００の最上面である第１層３００ａには、パッチ素子としての放射素子３０１が配置されている。第２層３００ｂには、グランド３０２が設けられており、放射素子３０１の直下の位置にスロット３０３が配置される。第３層３００ｃには、マイクロストリップライン３０４が配置され、第４層３００ｄには、グランド３０５が設けられている。
【００７３】
マイクロストリップライン３０４は、グランド３０３、３０５をグランド面として高周波信号を伝送し、高周波がスロット３０３に結合し、スロット３０３を介して、さらに放射素子３０１に結合し、放射素子３０１へ給電する。関連技術のアンテナ装置の特徴は、マイクロストリップライン３０４が、グランド３０２とグランド３０５との間に挟み込まれていることで、漏出する電波を最小限に抑えて、給電損失が少ない給電回路を実現している点にある。加えて、このアンテナ装置では、スロット３０３を介して放射素子３０１に給電することによって、物理的な接触を必要とせずに給電できるので、給電構造の信頼性の向上が図られている。
【００７４】
上述した関連技術は、スロットとパッチ素子とを組み合わせて用いるという観点において、本発明の技術と類似しているように見える。しかし、この関連技術では、スロットを「給電構造の一部」として使用しているのに過ぎず、本発明の技術思想とは根本的に異なる。一方、本発明では、スロットを「放射素子の一部」として用いている点で、関連技術と大きく異なり、かつ、この構成によって、レドームを廉価で堅牢な金属材によって形成できるという優位点を有している。
【００７５】
なお、図１８（ａ）及び図１８（ｂ）に示した関連技術は、１９９２年３月開催の電子情報通信学会春季大会論文番号Ｂ−５７ “ミリ波帯スロット結合型マイクロストリップアレイアンテナ”として発表されたものである。
【００７６】
なお、本発明に係るアンテナ装置は、例えば携帯電話や無線ＬＡＮなどのモバイル端末の通信を行う基地局のアンテナ装置、特に、主たる基地局の電波がビルなどで遮断されてしまい、通信ができない不感帯と呼ばれる場所に設置される小型基地局のアンテナ装置、あるいは、トンネル内や、ビルの高層階、地下街などに設置される小型基地局のアンテナ装置に用いられて好適である。これらの用途の応用例としては、モバイル用途及びデジタルテレビ用途のリピータ局用のアンテナ装置、多様な通信方式に適合したコグニティブ無線システム、ソフトウエア無線システム等の基地局のアンテナ装置へ応用されてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１グランド板
２放射素子
３給電部
１０ケース
１１スロット

【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波を放射する放射素子と、
前記放射素子に電力を供給する給電部と、
前記放射素子を覆う、導体からなる筐体と、
前記筐体の、前記放射素子に対向する位置に設けられ、前記放射素子から放射された電波と電気的に結合するスロットと、を備えるアンテナ装置。
【請求項２】
前記スロットの開口面積は、前記スロットに対向する前記放射素子の対向面の面積よりも小さい、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記筐体の前記スロットを塞ぐ非導体からなる閉塞部材を備える、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記スロットは、長方形状に形成され、
前記スロットの短辺の長さは、前記放射素子から放射する電波の周波数が２ＧＨｚ以下である場合に、１／２０波長以下である、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記スロットは、長方形状に形成され、
前記スロットの短辺の長さは、前記放射素子から放射する電波の周波数が２ＧＨｚを超える場合に、１／１０波長以下である、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記筐体は、１つの前記放射素子に対向して設けられた複数の前記スロットを有している、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記複数のスロットは、開口寸法が異なっている、請求項６に記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記スロットは、前記スロットの開口面上で互いに直交する第１の方向及び第２の方向において、前記第１の方向の位置に応じて、前記第２の方向の開口寸法が変化する形状に形成されている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記放射素子は、プリント基板上に形成されている、請求項１ないし８のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項１０】
前記放射素子は、四角形状に形成され、
前記放射素子の隣接する各辺に、第１の給電部及び第２の給電部が設けられ、
前記スロットは、十字状に形成されている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。

【図１】