特許 6311512 統合アンテナ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6311512

(24)【登録日】2018年3月30日

(45)【発行日】2018年4月18日

(54)【発明の名称】統合アンテナ装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 21/30 20060101AFI20180409BHJP

   H01Q 13/08 20060101ALI20180409BHJP

   H01Q 9/30 20060101ALI20180409BHJP

【ＦＩ】

   H01Q21/30

   H01Q13/08

   H01Q9/30

【請求項の数】8

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-152064(P2014-152064)

(22)【出願日】2014年7月25日

(65)【公開番号】特開2016-32122(P2016-32122A)

(43)【公開日】2016年3月7日

【審査請求日】2017年3月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】100106149

【弁理士】

【氏名又は名称】矢作 和行

(74)【代理人】

【識別番号】100121991

【弁理士】

【氏名又は名称】野々部 泰平

(74)【代理人】

【識別番号】100145595

【弁理士】

【氏名又は名称】久保 貴則

(72)【発明者】

【氏名】杉本 勇次

(72)【発明者】

【氏名】池田 正和

(72)【発明者】

【氏名】山崎 徹

(72)【発明者】

【氏名】阿部 光成

(72)【発明者】

【氏名】有馬 慶人

(72)【発明者】

【氏名】前田 和則

【審査官】 佐藤 当秀

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２４６５６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０５１５３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２２５０６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１０５５０３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｐ １／２０３

Ｈ０１Ｐ ７／０８

Ｈ０１Ｑ １／２４

Ｈ０１Ｑ ９／３０

Ｈ０１Ｑ １３／０８

Ｈ０１Ｑ ２１／２４

Ｈ０１Ｑ ２１／２８

Ｈ０１Ｑ ２１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

平板状の第１アンテナ素子（１２）と、前記第１アンテナ素子に対して対向配置されたグランドパターン（１１）とを備える第１アンテナ（１０）と、
前記グランドパターンの外側に配置された第２アンテナ素子（２１、２２）を備え、前記第１アンテナとは異なる使用周波数の第２アンテナ（２０）と、
前記グランドパターンと前記第２アンテナ素子とを接続し、前記第１アンテナの使用周波数で低インピーダンスとなるフィルタ（１６、１１６、２１６）を備えていることを特徴とする統合アンテナ装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記第１アンテナの使用周波数は、前記第２アンテナの使用周波数よりも高く、
前記フィルタは、前記第１アンテナの使用周波数で低インピーダンスとなり、前記第２アンテナの使用周波数で高インピーダンスとなる特性を有することを特徴とする統合アンテナ装置。

【請求項3】

請求項２において、
前記フィルタが、前記第１アンテナの使用周波数を共振周波数とするＬＣ直列共振回路であることを特徴とする統合アンテナ装置。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項において、
前記第２アンテナ素子は、線状素子であって、
前記第２アンテナ素子の基部および先端部において、それぞれ、前記グランドパターンと前記第２アンテナ素子とを接続する複数の前記フィルタを備えていることを特徴とする統合アンテナ装置。

【請求項5】

請求項３において、
前記フィルタ（１１６、２１６）は、
前記グランドパターンの辺に対して間隔を隔てて平行な導体パターン（１１７、２１７）と、
一端が前記導体パターンに接続され、他端が前記第２アンテナ素子に接続されたコイル（１１８、２１８）とを備えていることを特徴とする統合アンテナ装置。

【請求項6】

請求項５において、
前記コイル（２１８）を２つ備え、一方の前記コイルが前記導体パターンの一方の端に接続され、他方の前記コイルが前記導体パターンの他方の端に接続されていることを特徴とする統合アンテナ装置。

【請求項7】

請求項５において、
前記コイルは、ミアンダパターン（１１８）により形成されていることを特徴とする統合アンテナ装置。

【請求項8】

請求項１〜７のいずれか１項において、
前記第２アンテナ素子として、線状素子であって、一端において給電され、他端が開放端となっている被給電素子（２１）と、線状素子であって、一端が前記グランドパターンに接続され、他端が開放端となっている無給電素子（２２）とを備え、
前記第２アンテナは、さらに、前記被給電素子と前記グランドパターンとの間に設けられた給電部（２３）を備え、
前記被給電素子は、前記グランドパターンに対向し、開放端に向かうほど前記給電部から離れる被給電側対向部（２１ｂ）を備え、
前記無給電素子は、前記グランドパターンに対向し、開放端に向かうほど前記給電部から離れる無給電側対向部（２２ｂ）を備え、
前記無給電素子の前記グランドパターンに接続されている位置は、前記給電部から前記被給電素子に電流を流すことによって前記グランドパターンの縁部に流れるイメージ電流の位相が、当該イメージ電流の始点から９０度の整数倍ずれる位置であり、
前記フィルタを１つまたは複数備え、前記被給電側対向部と前記グランドパターンとの間、および、前記無給電側対向部と前記グランドパターンとの間の少なくとも一方を接続することを特徴とする統合アンテナ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数のアンテナを統合した統合アンテナ装置に関し、特に、統合アンテナ装置を小型化する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

互いに異なる複数の周波数で動作するアンテナを備え、かつ、小型化したアンテナ装置が知られている。たとえば、特許文献１では、コイルアンテナのループ内側を利用し、コイルアンテナのループ内側にパッチアンテナを配置することで、アンテナ装置を小型化している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４１４２５２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

パッチアンテナの利得を高くするためには、パッチアンテナ用グランドが大きいほうがよい。しかし、パッチアンテナをコイルアンテナのループ内側に配置する特許文献１の技術では、パッチアンテナ用グランドはコイルアンテナよりも小さくしなければならない。したがって、特許文献１の構成では、小型化を図りつつも、パッチアンテナを高利得化することが困難であった。

【0005】

本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、パッチアンテナおよび他のアンテナを備え、小型化でき、かつ、パッチアンテナを高利得化できる統合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】

【0006】

上記目的は独立請求項に記載の特徴の組み合わせにより達成され、また、下位請求項は、発明の更なる有利な具体例を規定する。特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

【0007】

上記目的を達成するための本発明は、平板状の第１アンテナ素子（１２）と、第１アンテナ素子に対して対向配置されたグランドパターン（１１）とを備える第１アンテナ（１０）と、グランドパターンの外側に配置された第２アンテナ素子（２１、２２）を備え、第１アンテナとは異なる使用周波数の第２アンテナ（２０）と、グランドパターンと第２アンテナ素子とを接続し、第１アンテナの使用周波数で低インピーダンスとなるフィルタ（１６、１１６、２１６）を備えていることを特徴とする統合アンテナ装置である。

【0008】

第１アンテナは、平板状の第１アンテナ素子と、第１アンテナ素子に対して対向配置されたグランドパターンを備えていることから、パッチアンテナである。

【0009】

そのグランドパターンの外側には、第２アンテナ素子が配置され、かつ、グランドパターンと第２アンテナ素子との間は、フィルタにより接続されている。このフィルタは、第１アンテナの使用周波数で低インピーダンスとなるため、グランドパターンに加えて、第２アンテナ素子も第１アンテナのグランドとして機能する。

【0010】

グランドパターンに加えて、第２アンテナ素子も第１アンテナのグランドとして機能するので、パッチアンテナである第１アンテナの利得が向上する。また、第２アンテナ素子が第１アンテナのグランドと、第２アンテナの要素とを兼ねるので、統合アンテナ装置を小型化できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施形態となる統合アンテナ装置１の平面図である。

【図2】図１のII矢視図である。

【図3】フィルタ１６の構成を示す図である。

【図4】第２アンテナ２０の構成を説明する図である。

【図5】第２アンテナ２０の作動を説明するための概念図である。

【図6】第２アンテナ２０の作動を説明するための概念図である。

【図7】第２アンテナ２０の作動を説明するための概念図である。

【図8】第２アンテナ２０の作動を説明するための概念図である。

【図9】第１アンテナ１０の指向性解析結果である。

【図10】統合アンテナ装置１からフィルタ１６を取り除いた比較構成におけるパッチアンテナの指向性解析結果である。

【図11】変形例１のフィルタ１１６ａの構成を示す図である。

【図12】変形例２のフィルタ２１６の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

＜実施形態＞
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示す統合アンテナ装置１は、第１アンテナ１０と、第２アンテナ２０が統合されたアンテナ装置である。

【0013】

本実施形態の統合アンテナ装置１は、たとえば車両で用いられ、２つの異なる周波数の円偏波を送受信、または、送信と受信の何れか一方を行う。以下では、統合アンテナ装置１は、ＤＳＲＣ（Dedicated Short Range Communication）で用いられる周波数帯の電波を送受信するとともに、衛星測位システムの一つであるＧＰＳ（Global Positioning System）で用いられる衛星から送信される電波を受信するとして説明する。統合アンテナ装置１は、たとえば車両のフロントガラス上部などに取り付けられる。

【0014】

ＤＳＲＣでは５．８ＧＨｚ帯の電波が用いられ、ＧＰＳでは１．５ＧＨｚ帯が用いられている。そして、ＤＳＲＣ、ＧＰＳとも偏波は円偏波である。すなわち、統合アンテナ装置１は、５．８ＧＨｚ帯の円偏波の電波を送受信するとともに、１．５ＧＨｚ帯の円偏波の電波を受信する。なお、以下では、５．８ＧＨｚ帯を第１周波数とし、１．５ＧＨｚ帯を第２周波数とする。第１周波数は第１アンテナ１０の使用周波数であり、第２周波数は第２アンテナ２０の使用周波数である。

【0015】

（全体構成）
基板２は、ガラスエポキシ基板などの誘電体材料で構成されており、形状は、略正方形の矩形平板形状である。基板２の一方の面（表面とする）２ａには、グランドパターン１１、被給電素子２１、無給電素子２２、フィルタ１６ａ〜１６ｄが配置されている。したがって、グランドパターン１１、被給電素子２１、無給電素子２２は、同一平面上に配置されていることになる。

【0016】

基板２の大きさおよび形状は、これらグランドパターン１１、被給電素子２１、無給電素子２２、フィルタ１６ａ〜１６ｄを配置するために十分な大きさ、および形状となっていればよい。本実施形態の基板２の形状は正方形であるが、その他、長方形や円形（楕円を含む）であってもよい。また、本実施形態の基板２の大きさは、一辺２８ｍｍ程度である。

【0017】

グランドパターン１１は、銅などの導体製の板あるいは箔形状である。このグランドパターン１１の形状は、１辺の電気長が、第２アンテナ２０が使用する電波の波長（以下、第２波長λ_２）の４分の１未満であり、第１アンテナ１０が使用する電波の波長（以下、第１波長λ_１）の半波長よりも大きい所定の長さの正方形とする。

【0018】

このグランドパターン１１は、その外周部分に相当する４つの辺のうちの１つの辺１１ａ上の１点において無給電素子２２と電気的に接続される。また、無給電素子２２が接続されている辺１１ａと直交する辺１１ｂ上の１点において第２給電部２３と接続される。この第２給電部２３は、被給電素子２１とも接続される。

【0019】

グランドパターン１１において、第２給電部２３と接続する点を被給電側接続点２５とし、無給電素子２２と接続する点を無給電側接続点２６とする。

【0020】

第１アンテナ素子であるパッチアンテナ素子１２は、導体を素材とする板状の部材である。パッチアンテナ素子１２の形状は、正方形の１組の対角部に切り欠き部１３を設けた形状となっている。切り欠き部１３は、円偏波を放射するための構造であり、周知の縮退分離素子や摂動素子と称されるものに相当する。切り欠き部１３によって、元の正方形から削られる部分の面積は、周知の縮退分離法によって定まる面積となっていればよい。

【0021】

パッチアンテナ素子１２の１辺の電気長は、第１波長λ_１の約半分の長さである。なお、ここでの１辺の電気長は、切り欠き部１３を無視した場合の形状、すなわち正方形における１辺である。

【0022】

このパッチアンテナ素子１２は、グランドパターン１１と所定の間隔をおいて略平行な姿勢で、そのグランドパターン１１に対して対向配置されている。また、パッチアンテナ素子１２の位置は、パッチアンテナ素子１２の中心を通り、パッチアンテナ素子１２を含む平面に垂直な軸線が、グランドパターン１１の略中心を通る位置になっている。

【0023】

パッチアンテナ素子１２は、図２に示すように、樹脂製のスペーサ１４により、グランドパターン１１から離隔して配置されている。スペーサ１４は柱状であり、一端がパッチアンテナ素子１２に接し、他端がグランドパターン１１に接している。スペーサ１４の数は、ここでは４つである。

【0024】

第１給電部１５は、パッチアンテナ素子１２に第１周波数に応じた高周波電流を供給する。たとえば、第１給電部１５は、パッチアンテナ素子１２と同軸ケーブルの内部導体とを電気的に接続する導電性のピンを、樹脂などの電気絶縁材料で覆った柱状の部材とすればよい。この第１給電部１５は、パッチアンテナ素子１２の外周部分が備える４つの辺のうち、被給電素子２１の長手部２１ｂに対向する辺１２ａの中央に設けられる。

【0025】

被給電素子２１は、線状素子である。具体的には、被給電素子２１は、略直線形状のモノポール導体素子を、その途中において直角に曲げた、いわゆる逆Ｌ型のモノポール導体素子である。この被給電素子２１、および、次に説明する無給電素子２２は、第２アンテナ２０が備えるアンテナ素子、すなわち請求項の第２アンテナ素子に相当する。

【0026】

被給電素子２１は、基部側の端が第２給電部２３に接続され、他端は開放端である。なお、被給電素子２１の給電側の端と、第２給電部２３がグランドパターン１１と接続している点である被給電側接続点２５との距離は、第２波長λ_２に比較して十分に小さい。したがって、以下では、被給電素子２１のグランドパターン１１側の端が被給電側接続点２５であるとして説明する。

【0027】

被給電素子２１は、被給電側接続点２５側の端から直角に曲がった部分（以下、直角部）までの長さに対して、直角部から開放端までの長さが相対的に長い。以下、被給電側接続点２５側の端から直角部までを短手部２１ａとし、直角部から開放端までを長手部２１ｂとする。

【0028】

被給電素子２１は、長手部２１ｂがグランドパターン１１の外周に対して対向するように基板２上に配置される。この長手部２１ｂは請求項の被給電側対向部に相当する。

【0029】

より具体的には、被給電素子２１は、長手部２１ｂが、グランドパターン１１の外周を形成する４つの辺のうち、被給電側接続点２５が設けられている辺１１ｂに対して所定の間隔をおいて平行である。また、被給電側接続点２５が開放端よりも無給電素子２２側に位置するように配置される。

【0030】

被給電素子２１の電気長は、この被給電素子２１に電流を流した場合にグランドパターン１１に所望の大きさのイメージ電流を誘起する長さとなっていればよい。

【0031】

長手部２１ｂの長さは、グランドパターン１１の１辺の長さよりも短い。したがって、長手部２１ｂを配置するために、基板２において長手部２１ｂに沿った方向の長さを長くする必要がない。また、長手部２１ｂの開放端は、グランドパターン１１の１つの辺の延長線上にある。後に詳述するように、被給電素子２１は、第１アンテナ１０のグランドとしても機能するので、被給電素子２１を配置するために基板２を大きくする必要がない範囲で、第１アンテナ１０のグランドをできるだけ大きくするためである。

【0032】

無給電素子２２は、被給電素子２１と同様に、逆Ｌ型のモノポール導体素子であり、相対的に短い側となる短手部２２ａと、相対的に長い側となる長手部２２ｂを備える。短手部２２ａは、無給電側接続点２６から直角に折り曲げられた部分である直角部までであり、長手部２２ｂは、直角部から開放端までである。

【0033】

無給電素子２２は、当該無給電素子２２の長手部２２ｂがグランドパターン１１の外周に対して対向するように基板２上に配置される。したがって、長手部２２ｂは請求項の無給電側対向部に相当する。

【0034】

より具体的には、無給電素子２２は、その長手部２２ｂが、グランドパターン１１の辺１１ａに平行であって、かつ、無給電側接続点２６が開放端よりも被給電素子２１側に位置するように配置される。無給電素子２２の電気長は、被給電素子２１と同じとする。また、短手部２２ａ、長手部２２ｂの長さも、それぞれ、被給電素子２１の短手部２１ａ、長手部２１ｂの長さと同じである。

【0035】

したがって、長手部２２ｂの長さも、グランドパターン１１の１辺の長さよりも短いことになる。そのため、長手部２２ｂを配置するために、基板２において長手部２２ｂに沿った方向の長さを長くする必要もない。また、長手部２２ｂの開放端も、グランドパターン１１の１つの辺の延長線上にある。

【0036】

被給電素子２１、無給電素子２２は、導体パターンであるため、基板２にグランドパターン１１を形成する際に、同時に形成することができる。

【0037】

第２給電部２３は、被給電素子２１の短手部２１ａが同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続されるとともに、グランドパターン１１の被給電側接続点２５が同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続された構成である。

【0038】

フィルタ１６ａ、１６ｂは、グランドパターン１１と被給電素子２１の長手部２１ｂとを接続する。詳しくは、フィルタ１６ａは、被給電素子２１の長手部２１ｂの先端部において、その長手部２１ｂとグランドパターン１１とを接続する。フィルタ１６ｂは、被給電素子２１の長手部２１ｂの基部すなわち直角部付近において、その長手部２１ｂとグランドパターン１１とを接続する。

【0039】

また、フィルタ１６ｃ、１６ｄは、グランドパターン１１と無給電素子２２の長手部２２ｂとを接続する。詳しくは、フィルタ１６ｃは、無給電素子２２の長手部２２ｂの開放端付近において、その長手部２２ｂとグランドパターン１１とを接続する。フィルタ１６ｂは、無給電素子２２の長手部２２ｂの直角部付近において、その長手部２２ｂとグランドパターン１１とを接続する。

【0040】

これらフィルタ１６ａ〜１６ｄは、第１アンテナ１０を構成する要素であり、ここでの接続は、第１周波数において電気的導通があることを意味しており、グランドパターン１１との間に、空間的な隔たりがあってもよい。

【0041】

本実施形態の４つのフィルタ１６ａ〜１６ｄはいずれも同じ構成である。以下、４つのフィルタ１６ａ〜１６ｄを区別しないときは、単にフィルタ１６と記載する。本実施形態のフィルタ１６の構成は、図３に示すように、一端がグランドパターン１１に接続されたコンデンサＣと、そのコンデンサＣに一端が接続され、他端が被給電素子２１（または無給電素子２２）に接続されたコイルＬを備えるＬＣ直列共振回路である。

【0042】

フィルタ１６の特性は、第１周波数において低インピーダンスとなり、第２周波数において高インピーダンスとなる特性である。具体的には、フィルタ１６の特性は、共振周波数が第１周波数またはその付近となる特性である。

【0043】

ここでの低インピーダンスは、第１周波数において、グランドパターン１１と、被給電素子２１、無給電素子２２が導通状態であるとみなすことができる値である。一方、高インピーダンスは、第２周波数において、グランドパターン１１と、被給電素子２１、無給電素子２２が電気的に切断されているとみなすことができる値である。もちろん、第１周波数におけるインピーダンスは、第２周波数におけるインピーダンスよりも低い。

【0044】

（第１アンテナ１０の作動）
以上の構成のうち、グランドパターン１１、パッチアンテナ素子１２、切り欠き部１３、スペーサ１４、第１給電部１５、フィルタ１６、被給電素子２１、無給電素子２２が第１アンテナ１０を構成する。次に、この第１アンテナ１０の作動を説明する。

【0045】

パッチアンテナ素子１２は、第１波長λ_１の約半分となっており、かつ、１組の切り欠き部１３が設けられているので、第１周波数の円偏波を放射する。フィルタ１６は、第１数波数で低インピーダンスとなるように設定されていることから、第１周波数においては、グランドパターン１１と、被給電素子２１、無給電素子２２は、フィルタ１６により電気的に接続される。すなわち、第１アンテナ１０にとって、第１周波数では、グランドパターン１１に加えて、被給電素子２１、無給電素子２２もグランドとして機能する。

【0046】

（第２アンテナ２０の作動）
第２アンテナ２０は、グランドパターン１１、被給電素子２１、無給電素子２２、第２給電部２３を備えた構成である。この第２アンテナ２０の作動を、図４〜図８を用いて説明する。

【0047】

被給電素子２１と無給電素子２２は、グランドパターン１１の互いに直交する辺１１ｂ、１１ａに沿って配置される。言い換えれば、被給電素子２１と無給電素子２２は、それぞれの長手方向が直交する。また、被給電素子２１と無給電素子２２は、それらのグランドパターン１１側の端である被給電側接続点２５、無給電側接続点２６が近接し、各開放端同士は離れるように配置される。

【0048】

したがって、被給電素子２１の直角部から開放端に向かって伸びる半直線が無給電素子２２の長手部２２ｂを通る直線と交差せず、かつ、無給電素子２２の直角部から開放端に向かって伸びる半直線が被給電素子２１の長手部２１ｂを通る直線と交差しない。

【0049】

説明の便宜上、図４に示すように、グランドパターン１１において、被給電側接続点２５が設けられる辺１１ｂの両端に相当する頂点をそれぞれＡ、Ｂとし、無給電側接続点２６が設けられる辺１１ａの両端に相当する頂点をＢ、Ｃとする。辺１１ａと辺１１ｂは、頂点Ｂを共有する。図５〜図８における符号Ａ、Ｂ、Ｃも同じ意味である。

【0050】

図５は、グランドパターン１１の辺１１ａおよび辺１１ｂ上における、被給電側接続点２５および無給電側接続点２６の位置関係を説明するための概念図である。図４および図５を比較すれば分かるように、図５における頂点Ａから頂点Ｃまでの線分のうち、頂点Ａから頂点Ｂまでの区間が辺１１ｂを表し、頂点Ｂから頂点Ｃまでの区間が辺１１ａを表す。辺１１ａを表す区間と、辺１１ｂを表す区間は、実際には直角である。

【0051】

被給電側接続点２５は、グランドパターン１１の外周上における頂点Ｃからの距離が、電気的に第２波長λ_２の４分の１波長となる位置に設ける。すなわち、辺１１ａの長さと頂点Ｂから被給電側接続点２５までの長さの和が電気的に第２波長λ_２の４分の１となる位置に設ける。なお、図５中のλ_２は、基板２による波長短縮効果によって短縮された、グランドパターン１１における第２周波数の電波の波長（いわゆる導波波長）を表している。

【0052】

また、無給電側接続点２６は、グランドパターン１１の外周上における頂点Ａからの距離が電気的に第２波長λ_２の４分の１となる位置に設ける。すなわち、無給電側接続点２６の位置は、辺１１ｂの長さと頂点Ｂから無給電側接続点２６までの長さの和が電気的に第２波長λ_２の４分の１となる位置に設ける。

【0053】

グランドパターン１１における第２周波数の導波波長を約１１７ｍｍとする場合には、グランドパターン１１の１辺の長さを導波波長の４分の１に相当する長さ（約２９ｍｍ）よりも短い値、たとえば２５ｍｍとすればよい。その場合、頂点Ｂから被給電側接続点２５までの距離は４〜５ｍｍとすればよい。

【0054】

この図５、および、図５に電流の流れを付加した図６〜図８を用いて、第２アンテナ２０の作動を説明する。アンテナは送受信の可逆性があるので、以下では、送信時の作動のみを説明する。

【0055】

なお、フィルタ１６は第２周波数では高インピーダンスであるため、第２アンテナ２０にとっては、被給電素子２１、無給電素子２２と、グランドパターン１１とは導通していないとみなすことができる。したがって、図５〜図８では、被給電素子２１、無給電素子２２と、グランドパターン１１の辺１１ａ、１１ｂを離隔した状態で示している。

【0056】

第２周波数の電波の送信時には、図６に示すように第２給電部２３から第２周波数に応じた高周波電流が被給電素子２１に供給され、被給電素子２１上を開放端に向かって電流Ｉ１が流れる。この被給電素子２１を流れる電流Ｉ１によって、グランドパターン１１の縁部すなわち外周付近にはイメージ電流Ｉ２が誘起される。イメージ電流Ｉ２は、頂点Ａから辺１１ｂに沿って無給電側接続点２６に向かう方向に誘起される。

【0057】

なお、電流Ｉ１によって、実際にはグランドパターン１１の外周部において、辺１１ｂおよび辺１１ａ以外の部分、たとえばグランドパターン１１の辺１１ａの対辺にもイメージ電流が誘起されうる。しかし、頂点Ａから無給電側接続点２６までの電気長が、第２波長λ_２の４分の１波長分の長さとなっていることから、イメージ電流Ｉ２は、無給電側接続点２６および頂点Ａのそれぞれを節（または腹）とする定常波を形成しやすい。したがって、電流Ｉ１によって誘起されるイメージ電流Ｉ２は主として頂点Ａから無給電側接続点２６の間に発生する。また、上記理由によって、頂点Ａをイメージ電流Ｉ２の始点と見なすことができる。

【0058】

頂点Ａから無給電側接続点２６に向かって流れるイメージ電流Ｉ２は、無給電側接続点２６から無給電素子２２に流入する。その成分を便宜上、電流Ｉ３とする。なお、無給電素子２２に流れる電流Ｉ３の位相は、頂点Ａから無給電側接続点２６までの電気長が、第２波長λ_２の４分の１となっているため、イメージ電流Ｉ２に対して９０度遅れたものとなる。

【0059】

そして、無給電素子２２上に電流Ｉ３が発生することによって、図７に示すように辺１１ａを中心に、イメージ電流Ｉ４が誘起される。イメージ電流Ｉ４の向きは頂点Ｃから被給電側接続点２５に向かう向きである。また、イメージ電流Ｉ４の位相は、イメージ電流Ｉ２に対して９０度遅れている。

【0060】

イメージ電流Ｉ４が、主として頂点Ｃから被給電側接続点２５までの間に発生する理由は、頂点Ｃから被給電側接続点２５までの電気長が、第２波長λ_２の４分の１となっているためである。すなわち、共振状態における安定性からイメージ電流Ｉ４は、頂点Ｃから被給電側接続点２５の間に発生する。ここでの共振状態の安定性とは、定常波の節の形成のしやすさを指す。

【0061】

無給電側接続点２６から被給電側接続点２５まで区間においては、イメージ電流Ｉ２とイメージ電流Ｉ４とが重なる。イメージ電流Ｉ２とイメージ電流Ｉ４とは、互いに逆方向の電流であるため、互いに打ち消し合うように振る舞う。

【0062】

図８は、以上で述べた第２アンテナ２０の作動をまとめたものである。グランドパターン１１の頂点Ａから被給電側接続点２５の間には、被給電素子２１に流れる電流Ｉ１に起因するイメージ電流Ｉ２ａが流れる。また、グランドパターン１１の頂点Ｃから無給電側接続点２６の間には、イメージ電流Ｉ２ａに対して位相が９０度遅れたイメージ電流Ｉ４ａが流れる。さらに、イメージ電流Ｉ２ａ、Ｉ４ａが生じる辺１１ｂと辺１１ａは、図４に示すように直角である。

【0063】

すなわち、イメージ電流Ｉ２ａ、Ｉ４ａは互いに直交し、かつ、位相が９０度ずれたものとなる。また、電流の振幅も同程度となるため、これらのイメージ電流Ｉ２ａ、Ｉ４ａによって、第２周波数の円偏波が送信される。第２周波数の円偏波は、グランドパターン１１に垂直な方向であって、パッチアンテナ素子１２が配置されている側に放射される。

【0064】

（実施形態の効果）
この実施形態の統合アンテナ装置１は、グランドパターン１１と同一平面において、グランドパターン１１の外側に、被給電素子２１、無給電素子２２が配置されている。また、グランドパターン１１と被給電素子２１、無給電素子２２との間は、フィルタ１６により接続されている。このフィルタ１６は、第１周波数で低インピーダンスとなるため、第１アンテナ１０にとっては、グランドパターン１１に加えて被給電素子２１、無給電素子２２も、パッチアンテナ素子１２のグランドとして機能する。

【0065】

グランドパターン１１に加えて、被給電素子２１、無給電素子２２もパッチアンテナ素子１２のグランドとして機能するので、第１アンテナ１０の利得が向上する。図９は本実施形態の統合アンテナ装置１における第１アンテナ１０の指向性解析結果である。図１０は、本実施形態の統合アンテナ装置１からフィルタ１６を取り除いた比較構成におけるパッチアンテナの指向性解析結果である。

【0066】

図９、図１０において、中心から図上に向かう方向が、グランドパターン１１からパッチアンテナ素子１２に向かう方向である。図９の方が図上方向の利得がよいことが分かる。この図９、図１０からも、本実施形態の統合アンテナ装置１は利得が向上していることが分かる。

【0067】

加えて、本実施形態の統合アンテナ装置１は、第１周波数とは異なる第２周波数で作動する第２アンテナ２０も備えているので、２つの周波数で作動する。

【0068】

しかも、第２アンテナ２０の要素である被給電素子２１、無給電素子２２は、第１アンテナ１０のグランドとしても機能する。すなわち、第２アンテナ２０の要素が第１アンテナ１０の要素としても機能するので、統合アンテナ装置１は小型化が実現できている。

【0069】

さらに、第２アンテナ２０は、第１アンテナ１０の要素であるグランドパターン１１に流れるイメージ電流Ｉ２ａ、Ｉ４ａによって円偏波を放射する。すなわち、第１アンテナ１０の要素が第２アンテナ２０の要素としても機能する。しかも、被給電素子２１、無給電素子２２の長さを、第２波長λ_２の４分の１波長よりも短くできる。そのため、互いに異なる２つの周波数の円偏波を放射する統合アンテナ装置１を、より小型にできる。

【0070】

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の変形例も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。なお、以下の説明において、それまでに使用した符号と同一番号の符号を有する要素は、特に言及する場合を除き、それ以前の実施形態における同一符号の要素と同一である。また、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した実施形態を適用できる。

【0071】

＜変形例１＞
前述の実施形態のフィルタ１６ａは、一端がグランドパターン１１の辺１１ａに接続されたコンデンサＣとコイルＬにより構成された直接共振回路であった。この変形例１では、フィルタ１６ａに代えて、図１１に示すように、平行ライン１１７とミアンダパターン１１８から構成されるフィルタ１１６ａを備える。

【0072】

平行ライン１１７は、グランドパターン１１の辺１１ｂから離隔して配置され、かつ、辺１１ｂと平行な線状の導体パターンである。ミアンダパターン１１８は一端が平行ライン１１７に接続され、他端が被給電素子２１に接続されている。

【0073】

平行ライン１１７が間隔を隔ててグランドパターン１１の辺１１ｂと平行に対向することにより、コンデンサとして機能する。また、ミアンダパターン１１８はコイルとして機能する。したがって、このフィルタ１１６ａもＬＣ直列共振回路となる。

【0074】

平行ライン１１７とグランドパターン１１の辺１１ｂとの間の距離、平行ライン１１７の長さ、ミアンダパターン１１８の形状、大きさは、このフィルタ１１６ａの共振周波数が第１周波数となるように定められる。

【0075】

なお、図１１には、図１のフィルタ１６ａに代えて用いるフィルタ１１６ａを示しているが、もちろん、フィルタ１６ｂ〜１６ｄに代えて、このフィルタ１１６ａを用いることもできる。

【0076】

平行ライン１１７、ミアンダパターン１１８は、いずれも導体パターンにより形成されている。したがって、この変形例１の構成では、基板２にグランドパターン１１、被給電素子２１、無給電素子２２を形成する際に、同時にフィルタ１１６ａを形成することができる。

【0077】

＜変形例２＞
また、図１２に示すフィルタ２１６を用いることもできる。図１２に示すフィルタ２１６は、平行ライン２１７と、２つのコイル２１８を備える。平行ライン２１７の長さは、グランドパターン１１の辺１１ｂの長さに近い長さであり、グランドパターン１１の辺１１ｂおよび被給電素子２１の長手部２１ｂに平行である。２つのコイル２１８のうちの一方は、平行ライン２１７の一方の端と被給電素子２１の長手部２１ｂを接続する。他方のコイル２１８は、平行ライン２１７の他方の端と被給電素子２１の長手部２１ｂを接続する。

【0078】

＜変形例３＞
また、上述の図１２に示すように、第２アンテナ２００は、被給電素子２１のみを備え、無給電素子２２を備えていない構成でもよい。この第２アンテナ２００は直線偏波を放射する。

【0079】

＜変形例４＞
前述の実施形態では、頂点Ｃから被給電側接続点２５までの電気的長さと、頂点Ａから無給電側接続点２６までの電気的長さのそれぞれを、第２波長λ_２の４分の１となるように配置する構成としたが、これに限らない。他の態様として、頂点Ｃから被給電側接続点２５までの電気的長さ、および頂点Ａから無給電側接続点２６までの電気的長さは、第２波長λ_２の４分の１の整数倍となっていればよく、たとえば第２波長λ_２の２分の１や、４分の３に相当する長さであってもよい。

【0080】

＜変形例５−１０＞
これまでに説明した実施形態、変形例では、第２アンテナ２０のアンテナ素子である被給電素子２１、無給電素子２２は、グランドパターン１１の辺に平行であったが、第２アンテナのアンテナ素子は、グランドパターン１１の辺に平行である必要はない。たとえば、第２アンテナのアンテナ素子は、一直線形状の線状素子であり、一方の端から他方の端に向かうに従い、グランドパターン１１との距離が増加する配置、反対に、その距離が減少する配置でもよい（変形例５）。

【0081】

また、第２アンテナのアンテナ素子は、複数の折れ曲がり点を持つ線状素子でもよい（変形例６）。

【0082】

また、グランドパターンも正方形状である必要はなく、正方形以外の矩形、矩形以外の多角形、真円形、楕円形等の形状のグランドパターンでもよい（変形例７）。

【0083】

また、フィルタとして、ＬＣ直列共振回路以外のフィルタを用いることもできる。第１アンテナの使用周波数で低インピーダンスになっていればよいので、前述の実施形態と同様、第１周波数が第２周波数よりも高い場合において、第１周波数で低インピーダンスとなるハイパスフィルタを、ＬＣ並列共振回路などで構成してもよい（変形例８）。

【0084】

また、第１周波数を第２周波数よりも低い周波数としてもよい（変形例９）。その場合には、コイルのみを用いても、第１周波数で低インピーダンスとなり、第２周波数で高インピーダンスとなるフィルタを構成することができる（変形例１０）。また、第１アンテナ１０が切り欠き部１３を備えず、直線偏波を放射するパッチアンテナであってもよい（変形例１１）。

【0085】

＜変形例１２＞
また、前述の実施形態のように、被給電素子２１とグランドパターン１１との間を接続するフィルタ１６ａ、１６ｂと、無給電素子２２とグランドパターン１１との間を接続するフィルタ１６ｃ、１６ｄを備えることが好ましい。しかし、被給電素子２１とグランドパターン１１との間、および、無給電素子２２とグランドパターン１１との間のいずれか一方のみをフィルタ１６により接続してもよい。この場合でも、グランドとして機能する面積をグランドパターン１１よりも大きくする効果は得られるからである。

【0086】

＜変形例１３＞
前述の実施形態では、基板２に対して、パッチアンテナ素子１２を、グランドパターン１１、被給電素子２１、無給電素子２２等と同じ側に配置していた。しかし、これに限られず、基板２の一方の面にパッチアンテナ素子１２を配置し、他方の面にグランドパターン１１、被給電素子２１、無給電素子２２等を配置してもよい。

【0087】

＜変形例１４＞
第２アンテナ素子である被給電素子２１、無給電素子２２がグランドパターン１１の外側に配置されていれば、グランドが大きくなる効果は得られる。したがって、必ずしもグランドパターン１１と被給電素子２１、無給電素子２２が同一平面上に配置されている必要はない。たとえば、被給電素子２１、無給電素子２２を、基板２においてグランドパターン１１が配置されている側とは反対側の面に配置してもよい。

【符号の説明】

【0088】

１：統合アンテナ装置、 ２：基板、 １０：第１アンテナ、 １１：グランドパターン、 １２：パッチアンテナ素子、 １３：切り欠き部、 １４：スペーサ、 １５：第１給電部、 １６：フィルタ、 ２０：第２アンテナ、 ２１：被給電素子、 ２１ａ：短手部、 ２１ｂ：長手部、 ２２：無給電素子、 ２２ａ：短手部、 ２２ｂ：長手部、 ２３：第２給電部、 ２５：被給電側接続点、 ２６：無給電側接続点、 １１６ａ：フィルタ、 １１７：平行ライン、 １１８：ミアンダパターン、 ２００：第２アンテナ、 ２１６：フィルタ、 ２１７：平行ライン、 ２１８：コイル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】