JP7809574B2 - アンテナ装置及び無線端末 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置及び無線端末に関する。

無線通信用のアンテナとしては、各種のものが提案されている（例えば、特許文献１－２を参照）。

特開平９－１０７２１９号公報 特開平８－１８３３２号公報

アンテナ素子を複数並べたアレーアンテナは、各アンテナ素子における位相を調整することにより、ビームフォーミングを行うことが可能である。しかしながら、各アンテナ素子における位相を調整して行われるビームフォーミングによってビームを振ることが可能な方向というのは、アンテナ素子の列がなす軸へ近づく方向に限られる。よって、アンテナ素子が縦横に配列されていればビームを自在な方向へ振り向けることができるが、例えば、設置スペースの都合等でアンテナ素子を一列にしか配列できない場合、ビームを自在な方向へ振り向けることができない。したがって、例えば、薄板状のスマートフォンの縁の部分といったアンテナ素子を複数列で並べることが難しい箇所にアレーアンテナを配置した場合、ユーザの顔や頭といった生体の部分がビームに干渉しても、位相調整によるビームフォーミングで干渉を回避することができない場合がある。

開示の技術の１つの側面は、ビームの方向を調整可能なアンテナ装置及び無線端末を提供することを目的とする。

開示の技術の１つの側面は、次のようなアンテナ装置によって例示される。
給電点に繋がる平面状であり、かつ指向性を有する放射素子を備える無線端末に着脱可能なアンテナ装置であって、
放射素子の放射面側において放射素子から離間配置される平面状で無給電の導体素子を備え、
導体素子は、導体素子上の任意の二点間を結んで導体素子上に形成される線分のうち最も長い最長線分の長さが、無線通信に使用する電波の誘電体内における実効波長の長さの０．１倍から０．４倍の範囲内となるように形成されており、且つ、放射素子に対し平面同士が非平行となるように傾いて配置される、
アンテナ装置。

開示の技術によれば、ビームの方向を調整することができる。

図１は、実施形態に係るアンテナ装置の要部を示した第１の図である。 図２は、実施形態に係るアンテナ装置の要部を示した第２の図である。 図３は、比較例に係るアンテナ装置の要部を示した第１の図である。 図４は、比較例に係るアンテナ装置の要部を示した第２の図である。 図５は、比較例に係るアンテナ装置において形成される放射パターンのシミュレーション結果を二次元で模式的に表した図である。 図６は、実施形態に係るアンテナ装置において形成される放射パターンのシミュレーション結果を二次元で模式的に表した図である。 図７は、実施形態に係るアンテナ装置において形成される放射パターンのシミュレーション結果を三次元で模式的に表した図である。 図８は、実施形態に係るアンテナ装置の二次元の放射パターンを示した図である。 図９は、放射パターンのピーク方向における利得及び角度と角度θ１との関係を示した図である。 図１０は、変形例の要部を示した第１の図である。 図１１は、変形例の要部を示した第２の図である。 図１２は、変形例に係るアンテナ装置において形成される放射パターンのシミュレーション結果を二次元で模式的に表した図である。 図１３は、変形例に係るアンテナ装置において形成される放射パターンのシミュレーション結果を三次元で模式的に表した図である。 図１４は、変形例に係るアンテナ装置の二次元の放射パターンを示した第１の図である。 図１５は、変形例に係るアンテナ装置の二次元の放射パターンを示した第２の図である。 図１６は、放射パターンのピーク方向における利得及び角度と角度θ２との関係を示した図である。 図１７は、各スタックドパッチの角度と利得との関係を示した図である。 図１８は、パッチアンテナとスタックドパッチとの間の距離及びスタックドパッチの大きさに関するシミュレーション結果を示した図である。 図１９は、スマートフォンの一例を示した図である。 図２０は、外付け装置の着脱を例示した図である。 図２１は、外付け装置の内部構造の第１例を示した図である。 図２２は、アンテナ装置におけるビームの方向制御に係る処理フローの一例を示した図である。 図２３は、外付け装置の内部構造の第２例を示した図である。 図２４は、第２例におけるパッチアンテナと第１スタックドパッチと第２スタックドパッチとの相対的な位置関係を示した図である。 図２５は、本検証におけるアンテナ装置の放射パターンを示した第１の図である。 図２６は、本検証におけるアンテナ装置の放射パターンを示した第２の図である。 図２７は、放射パターンのピーク方向における利得及び角度と角度θ４との関係を示した図である。 図２８は、外付け装置の変形例を示した図である。

＜実施形態＞
以下に示す実施形態の構成は例示であり、開示の技術は実施形態の構成に限定されない。

実施形態に係るアンテナ装置は、例えば、以下の構成を備える。すなわち、給電点に繋がる平面状の放射素子と、放射素子との間に誘電体を介して配置されるグランドと、を備える無線端末に着脱可能なアンテナ装置であって、放射素子の放射面側において放射素子
から離間配置される平面状で無給電の導体素子を備え、導体素子は、導体素子上の任意の二点間を結んで導体素子上に形成される線分のうち最も長い最長線分の長さが、無線通信に使用する電波の誘電体内における実効波長の長さの０．１倍から０．４倍の範囲内となるように形成されており、且つ、放射素子に対し平面同士が非平行となるように傾いて配置される。

上記アンテナ装置によれば、無給電の導体素子が放射素子に対し傾いているため、ビームの方向を放射素子の正面方向から他の方向へ変更することができる。

以下、上記アンテナ装置の詳細を説明する。図１は、実施形態に係るアンテナ装置の要部を示した第１の図である。また、図２は、実施形態に係るアンテナ装置の要部を示した第２の図である。図１では、アンテナ装置１を斜めから見た斜視図を示している。また、図２では、アンテナ装置１を真横（Ｙ軸方向）から見た図を示している。図１及び図２にはＸ軸とＹ軸とＺ軸の方向が示されているが、以下、Ｘ軸方向をアンテナ装置１の前後方向、Ｙ軸方向をアンテナ装置１の左右方向、Ｚ軸方向をアンテナ装置１の上下方向とする。

図１及び図２に示すように、アンテナ装置１は、グランド２、グランド２に積層される誘電体３、誘電体３の表面に形成されるパッチアンテナ４、パッチアンテナ４から離間配置されるスタックドパッチ５（本願でいう「導体素子」の一例である）を備える。

グランド２は、アンテナ装置１が設けられる無線端末に内蔵されている電子回路における電位の基準と同電位である。よって、グランド２は、アンテナ装置１の電気的なグランドとしての役割を果たす。グランド２は、図１に示されるように全体視略長方形の板状の外観を有している。しかし、図１に示すアンテナ装置１は、アンテナ装置１の要部を示すものであり、アンテナ装置１がこのような形態のグランド２を備えるものに限定されるものではない。グランド２を含むアンテナ装置１は、例えば、アンテナ装置１が設けられる無線端末全体を構成する回路基板の一部であってもよい。

誘電体３は、グランド２の表面に積層される誘電体であり、図１に示すように、平らな全体視略長方形の形態を有している。誘電体３は、電界内に置くと誘電分極を生じる物質で構成されており、例えば、ガラスエポキシ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート樹脂、シリコーンゴム、熱可塑性ポリウレタンエラストマー等の電気的絶縁体が具体例として挙げられる。

パッチアンテナ４は、給電点に繋がる平面上の放射素子である。そして、パッチアンテナ４は、給電点を介して高周波回路から給電される高調波により電波を出射したり、外部から送信された電波を受信したりする。給電点には、適宜の整合回路が設けられていてもよい。パッチアンテナ４は、特定の設計周波数で共振するような寸法形状を有している。

スタックドパッチ５は、パッチアンテナ４の放射面側においてパッチアンテナ４から離間配置される平面状で無給電の導体素子である。このようなスタックドパッチ５としては、例えば、金属等の導体を板状に加工したものが挙げられる。スタックドパッチ５の大きさは、アンテナ装置１で使用される電波の波長に応じて決定される。スタックドパッチ５は、例えば、アンテナ装置１で使用される電波の実効波長をλ_ｇとすると、スタックドパッチ５上の任意の二点間を結んで形成される線分のうち最も長い最長線分の長さが０．１λ_ｇから０．４λ_ｇである板状の矩形とするのが好適である。また、隣り合ったスタックドパッチ５のピッチ間隔は、０．３λ_ｇから０．７λ_ｇまでの範囲内にすることが好ましい。

例えば、アンテナ装置１で無線通信をする場合、スタックドパッチ５が配置されている箇所における比誘電率をε_ｒとした場合における実効波長λ_ｇは、以下の式（１）によって決定できる。

上記式（１）において、ｃは光速、ｆは周波数である。アンテナ装置１でミリ波帯（周波数が２４～３００ＧＨｚ）の電波を用いた無線通信を行う場合、式（１）により、実効波長λ_ｇは０．３２ｍｍ以上、１２．５ｍｍ以下となる。そのため、アンテナ装置１でミリ波帯の電波を用いた無線通信を行う場合、スタックドパッチ５は、最長線分の長さが０．０３２から５ｍｍの板状の正方形とするのが好適である。

ところで、スタックドパッチ５は、パッチアンテナ４に対し平面同士が非平行となるように傾いて配置されている。また、図２に示されるように、スタックドパッチ５は、平面を垂直に貫く仮想中心軸が、パッチアンテナ４の中心を通過する位置に配置されている。よって、スタックドパッチ５の平面を垂直に貫く仮想中心軸は、パッチアンテナ４の正面方向に対し、所定の角度θ１で傾いている。このため、本実施形態のアンテナ装置１では、ビームがパッチアンテナ４の正面方向ではなく、パッチアンテナ４の正面方向から傾いた斜めの方向へ向くことになる。

本実施形態のアンテナ装置１の効果を確かめるため、電磁界シミュレータを使ってシミュレーションを行ったので、以下、シミュレーション結果について説明する。図３は、比較例に係るアンテナ装置の要部を示した第１の図である。また、図４は、比較例に係るアンテナ装置の要部を示した第２の図である。図３では、アンテナ装置１０１を斜めから見た斜視図を示している。また、図４では、アンテナ装置１０１を真横から見た図を示している。

比較例のアンテナ装置１０１は、図３及び図４に示すように、アンテナ装置１からスタックドパッチ５を省略した形態となっている。よって、アンテナ装置１０１は、アンテナ装置１と同様、グランド１０２、グランド１０２に積層される誘電体１０３、誘電体１０３の表面に形成されるパッチアンテナ１０４を備えているが、スタックドパッチ５に相当するものは備わっていない。

本シミュレーションにおいては、アンテナ装置１とアンテナ装置１０１のそれぞれで形成される電界のシミュレーションを行い、両者を比較することにした。本シミュレーションにおけるアンテナ装置１の角度θ１は、４５度とした。図５は、比較例に係るアンテナ装置１０１において形成される放射パターンのシミュレーション結果を二次元で模式的に表した図である。また、図６は、実施形態に係るアンテナ装置１において形成される放射パターンのシミュレーション結果を二次元で模式的に表した図である。図５では、アンテナ装置１０１を真横から見た場合の放射パターンを示している。また、図６では、アンテナ装置１を真横から見た場合の放射パターンを示している。

図５に示す放射パターンを見ると判るように、比較例に係るアンテナ装置１０１では、ビームの放射方向がパッチアンテナ４の正面方向と一致している。一方、図６に示す放射パターンを見ると判るように、実施形態に係るアンテナ装置１では、ビームの放射方向がパッチアンテナ４の正面方向ではなく、パッチアンテナ４の正面方向から傾いた斜め下方向へ向いていることが判る。

図７は、実施形態に係るアンテナ装置１において形成される放射パターンのシミュレーション結果を三次元で模式的に表した図である。図７に示すＸ軸とＹ軸とＺ軸は、図１及び図２におけるＸ軸とＹ軸とＺ軸に対応している。すなわち、図７では、Ｘ軸をパッチアンテナ４の正面方向、Ｙ軸をアンテナ装置１の真横の方向、Ｚ軸をアンテナ装置１の真上の方向とした場合における三次元の放射パターンを示している。図７の放射パターンを見ると判るように、利得が最も高い箇所は、図７の紙面においてＸ軸のやや下側に位置している。また、利得が高い箇所がＸＺ平面付近にあることから、アンテナ装置１ではビームがパッチアンテナ４の正面方向のやや下側へ向いており、左右方向へは広がっていないことが判る。

図８は、実施形態に係るアンテナ装置１の二次元の放射パターンを示した図である。図８に示すように、利得のピークはＸ軸方向から下向きに１８度の傾斜角における１０．１ｄＢｉの箇所である。

以上に示すシミュレーション結果より、スタックドパッチ５をパッチアンテナ４の正面側でパッチアンテナ４に対し斜めの姿勢で配置することにより、本来であればパッチアンテナ４の正面方向へ向かうビームの向きを変更することが可能であることが判る。

次に、放射パターンのピーク方向における利得及び角度と角度θ１との関係についてシミュレーションを行ったので、その結果を以下に示す。図９は、放射パターンのピーク方向における利得及び角度と角度θ１との関係を示した図である。図９では、パッチアンテナ４の正面方向に対するスタックドパッチ５の傾斜角度θ１を横軸とし、放射パターンのピーク方向の利得を左側の縦軸とし、放射パターンのピーク方向の角度を右側の縦軸で示している。そして、図９に示す２つのデータ線のうち、実線で示すデータ線が左側の縦軸（ピーク方向の利得）を表し、破線で示すデータ線が右側の縦軸（ピーク方向の角度）を表している。

図９のグラフを見ると判るように、パッチアンテナ４の正面方向に対するスタックドパッチ５の傾斜角度θ１を０度から６０度までの間で変更すると、ピーク方向の角度が０度から約２０度程度までの範囲内で変化することが判る。また、パッチアンテナ４の正面方向に対するスタックドパッチ５の傾斜角度θ１を０度から６０度までの間で変更しても、ピーク方向の利得は９ｄＢｉ以上であり、特に傾斜角度θ１が０度から４５度までの間はピーク利得が殆ど低下しないことが判る。

よって、本実施形態においては、パッチアンテナ４の正面方向に対するスタックドパッチ５の傾斜角度θ１を０度から６０度までの間で変更しても、ピーク利得に実用上の支障を来さない状態でビームの方向を変更可能であることが判る。また、図９に示すように、ピーク方向の角度は、θ１を約４５度にした状態が上限であり、θ１を約４５度よりも大きくするとピーク方向の角度が徐々に低下しているから、θ１の実用的な変更範囲は０度から４５度までの範囲内であると言える。

＜変形例＞
上記実施形態では、１つのパッチアンテナ４に対応するスタックドパッチ５が１つのみの形態であったが、１つのパッチアンテナ４に対応するスタックドパッチ５を２つ設けてもよいし、或いは、３つ以上設けてもよい。図１０は、変形例の要部を示した第１の図である。また、図１１は、変形例の要部を示した第２の図である。本変形例のうち、上記実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１スタックドパッチ５Ａと第２スタックドパッチ５Ｂは、何れも上記実施形態におけるスタックドパッチ５と同様、パッチアンテナ４の放射面側においてパッチアンテナ４か
ら離間配置される平面状で無給電の導体素子である。本変形例では、パッチアンテナ４に対応するスタックドパッチが、パッチアンテナ４の放射方向において順に複数個配置されている。本変形例では、２つのスタックドパッチ（５Ａ，５Ｂ）のうち、パッチアンテナ４に近い方を第１スタックドパッチ５Ａ、パッチアンテナ４に遠い方を第２スタックドパッチ５Ｂとする。１つのパッチアンテナ４に対応するスタックドパッチを３つ以上設ける場合、パッチアンテナ４に近い方から順に第１，２，３・・・ｎスタックドパッチと称するのが好適である。

第１スタックドパッチ５Ａと第２スタックドパッチ５Ｂは、何れもパッチアンテナ４に対し平面同士が非平行となるように傾いて配置されている。また、図１１に示されるように、第１スタックドパッチ５Ａと第２スタックドパッチ５Ｂは、何れも、自身の平面を垂直に貫く仮想中心軸が、パッチアンテナ４の中心を通過する位置に配置されている。よって、第１スタックドパッチ５Ａの平面を垂直に貫く仮想中心軸は、パッチアンテナ４の正面方向に対し、所定の角度θ１で傾いている。また、第２スタックドパッチ５Ｂの平面を垂直に貫く仮想中心軸は、パッチアンテナ４の正面方向に対し、所定の角度θ２で傾いている。このため、本変形例のアンテナ装置１では、実施形態よりもビームをより斜めの方向へ向けることが可能である。

本変形例についても電磁界シミュレータを使ってシミュレーションを行ったので、以下、シミュレーション結果について説明する。本シミュレーションにおいては、変形例に係るアンテナ装置１で形成される電界のシミュレーションを、角度θ１は４５度、角度θ２は１５度と６０度の２つの計算条件の下で行った。

図１２は、変形例に係るアンテナ装置１において形成される放射パターンのシミュレーション結果を二次元で模式的に表した図である。図１２では、変形例に係るアンテナ装置１を真横から見た場合の放射パターンを示している。また、図１２では、角度θ２を６０度にした場合におけるシミュレーション結果を示している。図１２に示す放射パターンを見ると判るように、本変形例に係るアンテナ装置１では、放射方向が上記実施形態よりも更に斜めの方へ向いていることが判る。

図１３は、変形例に係るアンテナ装置１において形成される放射パターンのシミュレーション結果を三次元で模式的に表した図である。図１３に示すＸ軸とＹ軸とＺ軸は、図１１におけるＸ軸とＹ軸とＺ軸に対応している。また、図１３では、変形例に係る放射パターンと比較例に係る放射パターンとを並べて示している。図１３における（Ａ）と（Ｂ）と（Ｃ）は、４つある各アンテナ装置１間の位相調整により、ＸＹ平面におけるビームの方向を互い違いにしたシミュレーション結果を示している。図１３（Ａ）では４つのアンテナ装置１の位相を揃えることにより、位相調整によるビームフォーミングを行わない状態を示している。また、図１３（Ｂ）（Ｃ）では４つのアンテナ装置１の位相を調整することにより、位相調整によるビームフォーミングでビームをＹ軸側へやや傾けた状態を示している。図１３において変形例に係る放射パターンを見ると判るように、利得が最も高い箇所は、図１３の紙面においてＸ軸の下側に位置している。一方、図１３において比較例に係る放射パターンを見ると判るように、利得が最も高い箇所は、ＸＹ平面上に位置している。このことから、比較例では位相調整によるビームフォーミングでＸＹ平面におけるビームの方向調整しかできなかったが、変形例ではＸＹ平面のみならずＸＺ平面におけるビームの方向調整も可能であることが判る（実施形態においても同様）。

図１４は、変形例に係るアンテナ装置１の二次元の放射パターンを示した第１の図である。図１４では、角度θ１を４５度で角度θ２を１５度にした場合におけるシミュレーション結果を示している。図１４に示すように、利得のピークはＸ軸方向から下向きに１３度の傾斜角における１１．１ｄＢｉの箇所である。

図１５は、変形例に係るアンテナ装置１の二次元の放射パターンを示した第２の図である。図１５では、角度θ１を４５度で角度θ２を６０度にした場合におけるシミュレーション結果を示している。図１５に示すように、利得のピークはＸ軸方向から下向きに３０度の傾斜角における９．３５ｄＢｉの箇所である。

以上に示すシミュレーション結果より、本変形例のアンテナ装置１であれば、実施形態よりもビームをより斜めの方向へ向けることが可能であることが判る。

次に、放射パターンのピーク方向における利得及び角度と角度θ２との関係についてシミュレーションを行ったので、その結果を以下に示す。本シミュレーションでは、角度θ１は４５度としている。図１６は、放射パターンのピーク方向における利得及び角度と角度θ２との関係を示した図である。図１６では、パッチアンテナ４の正面方向に対する第２スタックドパッチ５Ｂの傾斜角度θ２を横軸とし、放射パターンのピーク方向の利得を左側の縦軸とし、放射パターンのピーク方向の角度を右側の縦軸で示している。図１６に示す２つのデータ線と、左右両側にある縦軸との対応関係は図９と同様である。

図１６のグラフを見ると判るように、パッチアンテナ４の正面方向に対する第２スタックドパッチ５Ｂの傾斜角度θ２を０度から９０度までの間で変更すると、ピーク方向の角度が０度から約３０度程度までの範囲内で変化することが判る。また、パッチアンテナ４の正面方向に対する第２スタックドパッチ５Ｂの傾斜角度θ２を０度から９０度までの間で変更しても、ピーク方向の利得は８ｄＢｉ以上であることが判る。

よって、本変形例においては、パッチアンテナ４の正面方向に対する第２スタックドパッチ５Ｂの傾斜角度θ２を０度から９０度までの間で変更しても、ピーク利得に実用上の支障を来さない状態でビームの方向を変更可能であることが判る。また、図１６に示すように、ピーク方向の角度は、θ２を約６０度にした状態が上限であり、θ２を約６０度よりも大きくするとピーク方向の角度が徐々に低下しているから、θ１が４５度の場合におけるθ２の実用的な変更範囲は０度から６０度までの範囲内であると言える。

次に、本変形例において、角度θ１と角度θ２を様々な値にした場合における効果についてシミュレーションで検証を行ったので、その結果を以下に示す。図１７は、各スタックドパッチの角度と利得との関係を示した図である。本検証においては、図１７に示すように、角度θ１を－４５度、－３０度、－１５度、０度、１５度、３０度、４５度の７段階に変更し、角度θ２を－７５度、－６０度、－４５度、－３０度、－１５度、０度、１５度、３０度、４５度、６０度、７５度の１１段階に変更した場合における本変形例の利得をシミュレーションで求めた。図１７の表では、変形例と比較例のそれぞれの利得と差分を放射方向毎に示している。

図１７の表を見ると判るように、本変形例では、角度θ１と角度θ２を様々な値に設定することにより、比較例よりも幅広い放射方向で高い利得を得られることが判る。放射方向や角度θ１，θ２は、図１７に示す表のパターンに限定されるものではないが、放射方向が－９０度から９０度までの範囲内において、比較例に比べて利得が平均で約４ｄＢ向上することが判る。

ところで、パッチアンテナ４とスタックドパッチ５との間の距離やスタックドパッチ５の大きさは、アンテナ装置１の利得に大きく関係する。そこで、パッチアンテナ４とスタックドパッチ５との間の距離及びスタックドパッチ５の大きさに関する検証結果を以下に示す。図１８は、パッチアンテナ４とスタックドパッチ５との間の距離及びスタックドパッチ５の大きさに関するシミュレーション結果を示した図である。図１８では、実施形態に係るアンテナ装置１でθ１を０度に設定し、パッチアンテナ４とスタックドパッチ５との間の距離を実効波長λ_ｇの１０分の１、λ_ｇの７分の１、λ_ｇの４分の１の３段階で変更した場合における、スタックドパッチ５の最長線分の長さと利得との関係をグラフで示している。図１８のグラフでは、動作利得（ｄＢｉ）を縦軸、スタックドパッチ５の最長線分の長さを横軸で表している。図１８のグラフを見ると判るように、パッチアンテナ４とスタックドパッチ５との間の距離よりも、スタックドパッチ５の最長線分の長さの方が動作利得への影響が大きいことが判る。また、スタックドパッチ５の最長線分の長さが、０．１λ_ｇから０．４λ_ｇの範囲であれば、動作利得向上の効果が大きいことが判る。なお、実効波長が０．３２ｍｍの場合、０．１λ_ｇは０．０３２ｍｍ、０．４λ_ｇは０．０１２８ｍｍとなる。また、実効波長が１２．５ｍｍの場合、０．１λ_ｇは１．２５ｍｍ、０．４λ_ｇは５ｍｍとなる。これらの結果より、スタックドパッチ５や第１スタックドパッチ５Ａ、第２スタックドパッチ５Ｂは、このような寸法及び位置で配置すると好適であることが判る。

＜適用例＞
上記実施形態や変形例のアンテナ装置１は、例えば、次のような適用が可能である。図１９は、スマートフォンの一例を示した図である。スマートフォン１１は、携帯可能な可搬型の無線端末である。スマートフォン１１には、ディスプレイや外装、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等が備わっている。上記実施形態や変形例は、例えば、図１９に示
すように、パッチアンテナ４を全体視薄板状のスマートフォン１１の縁の部分に配置したものに好適である。スマートフォン１１には、図１９に示されるように、上記実施形態や変形例におけるアンテナ装置１のうちパッチアンテナ４やグランド２、誘電体３の部分が設けられており、スタックドパッチ５や第１スタックドパッチ５Ａ、第２スタックドパッチ５Ｂに相当するものは設けられていない。この場合、パッチアンテナ４を一列に４つ並べたスマートフォン１１では、ＸＹ平面内においては各パッチアンテナ４の位相調整によりビーム方向を調整可能であるが、ＸＺ平面内におけるビーム方向の調整はできない。このようなスマートフォン１１の場合、以下のようにすることで、上記実施形態や変形例に係るアンテナ装置１を構成することが可能である。

図２０は、外付け装置の着脱を例示した図である。外付け装置１２には、上記実施形態におけるスタックドパッチ５、或いは、変形例における第１スタックドパッチ５Ａ及び第２スタックドパッチ５Ｂに相当するものが内蔵されている。このような外付け装置１２をスマートフォン１１のパッチアンテナ４付近に取り付けることで、上記実施形態や変形例に係るアンテナ装置１を構成することが可能となる。

＜外付け装置の第１例＞
図２１は、外付け装置１２の内部構造の第１例を示した図である。図２１では、上述した変形例に相当するアンテナ装置１について例示している。外付け装置１２には、例えば、図２１の拡大図に示すように、第１スタックドパッチ５Ａが配列されたプレートＰＡ、プレートＰＡを支持する支持部材８Ａ（本願でいう「可動部」の一例である）、第２スタックドパッチ５Ｂが配列されたプレートＰＢ、プレートＰＢを支持する支持部材８Ｂ（本願でいう「可動部」の一例である）が設けられている。支持部材８Ａと支持部材８Ｂは、駆動装置６に直結されている駆動軸７により回動可能になっている。図２１では、一本の棒状の駆動軸７が図示されているが、駆動軸７は二重管構造になっており、内側の管が支持部材８Ａ、外側の管が支持部材８Ｂに連結されている。よって、駆動装置６は、支持部材８Ａと支持部材８Ｂを別々の角度に調整可能である。支持部材８Ａと支持部材８Ｂを手動で角度調整可能にする場合、駆動装置６は省略されてもよい。

第１スタックドパッチ５Ａが配列されているプレートＰＡと、第２スタックドパッチ５Ｂが配列されているプレートＰＢは、プレートＰＡに配列されているパッチアンテナ４の放射方向に向かって順に並んでいる。そして、プレートＰＡの方がプレートＰＢよりもプ
レートＰ４寄りに配置されている。

駆動装置６は、微細なモータや変速機、制御回路等を有している。そして、駆動装置６は、スマートフォン１１内の制御装置から無線または有線によって送られる指令に基づいて作動し、図２１（Ａ）～（Ｃ）に示すように、プレートＰ４に対するプレートＰＡとプレートＰＢの角度を調整する。駆動装置６の駆動機構は、半導体製造プロセスによって形作られるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）であってもよいし、或いは、通
常の機械加工によって製作された部品で組み立てたものであってもよい。また、駆動装置６に用いられる無線の接続方式としては、例えば、近距離無線通信の一種であるBluetooth（登録商標）を用いてもよいし、その他の接続方式であってもよい。また、駆動装置６
に用いられる有線の接続方式としては、例えば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）を用いてもよいし、その他の接続方式であってもよい。

図２２は、アンテナ装置１におけるビームの方向制御に係る処理フローの一例を示した図である。図２２に示す処理フローは、スマートフォン１１内の制御装置等が主体となって実行してもよいし、或いは、外付け装置１２内に別途設けた制御装置が主体となって実行してもよい。

外付け装置１２がスマートフォン１１に装着されたことが無線または有線により検知されると（Ｓ１０１）、ミリ波利用の有無の確認が行われる（Ｓ１０２）。外付け装置１２の電源は、外付け装置１２に設けられた電源スイッチに対するユーザの操作でオンになってよいし、或いは、スマートフォン１１と有線で接続された際にスマートフォン１１からの電力でオンになってもよい。また、スマートフォン１１は、外付け装置１２の装着をユーザへ通知するようにしてもよい。

外付け装置１２を装着されたスマートフォン１１が、例えば、ミリ波を使った５Ｇ通信（第５世代移動通信システム）の提供が行われているエリアに居る場合、スマートフォン１１においてミリ波の存在が確認されることになる。ミリ波の存在が確認されると、次に、駆動装置６でプレートＰ４に対するプレートＰＡとプレートＰＢの向き（角度）の変更が開始される（Ｓ１０３）。そして、受信電力が最も高くなる向きの探索が行われる（Ｓ１０４）。プレートＰ４に対するプレートＰＡとプレートＰＢの角度の最適化が完了し、ミリ波の受信電力が増加すると、外付け装置１２によって受信電力が増加した旨の通知がユーザに対し行われる（Ｓ１０５）。通知方法としては、例えば、スマートフォン１１の画面におけるアイコンやアニメーションの表示、スマートフォン１１又は外付け装置１２からの通知音の発生、外付け装置１２における表示灯の点灯などが挙げられる。このような通知を受けたユーザは、外付け装置１２による効果を実感することができる。また、スマートフォン１１における通信速度が向上する。

＜外付け装置の第２例＞
なお、外付け装置１２は、例えば、次のように変形することも可能である。図２３は、外付け装置１２の内部構造の第２例を示した図である。外付け装置１２には、例えば、図２３の拡大図に示すように、第１スタックドパッチ５Ａが配列されたプレートＰＡ、プレートＰＡを支持する支持部材８Ａ、第２スタックドパッチ５Ｂが配列されたプレートＰＢ、プレートＰＢを支持する支持部材８Ｂ、第３スタックドパッチ５Ｃが配列されたプレートＰＣ、プレートＰＣを支持する支持部材８Ｃが設けられている。支持部材８Ｂは、支持部材８Ａに対して回動可能に取り付けられている。また、支持部材８Ｃは、支持部材８Ｂに対して回動可能に取り付けられている。すなわち、支持部材８Ｂと支持部材８Ｃの回転軸は、支持部材８Ａの回転軸とは異なる位置となっている。

外付け装置１２は、このような形態にすることも可能である。このような形態において
も、アンテナ装置１におけるビームの方向を変更可能である。本第２例においても、上記第１例と同様、プレートＰ４に対するプレートＰＡ，ＰＢ，ＰＣのそれぞれの角度は駆動装置で自動的に調整可能であってもよいし、或いは、駆動装置を省略して手動調整可能であってもよい。

なお、本第２例においては、支持部材８Ｂが支持部材８Ａに対して回動可能に取り付けられているため、第２スタックドパッチ５Ｂの中心を貫く仮想中心軸は、パッチアンテナ４の中心を通過する位置ではなく、第１スタックドパッチ５Ａの中心を通過することになる。すなわち、本第２例では、多関節構造のような形態となっている。そこで、仮想中心軸がこのような形態になる場合における効果についてもシミュレーションを行ったので、その結果を以下に示す。

図２４は、第２例におけるパッチアンテナ４と第１スタックドパッチ５Ａと第２スタックドパッチ５Ｂとの相対的な位置関係を示した図である。第１スタックドパッチ５Ａと第２スタックドパッチ５Ｂは、上記変形例と同様、何れもパッチアンテナ４に対し平面同士が非平行となるように傾いて配置されている。また、上記変形例と同様、第１スタックドパッチ５Ａは、自身の平面を垂直に貫く仮想中心軸が、パッチアンテナ４の中心を通過する位置に配置されている。しかしながら、上記変形例とは異なり、第２スタックドパッチ５Ｂは、自身の平面を垂直に貫く仮想中心軸が、第１スタックドパッチ５Ａの中心を通過する位置に配置されている。そこで、本シミュレーションにおいては、パッチアンテナ４の正面方向に対し垂直な平面（パッチアンテナ４の放射面に平行な平面）に対する第１スタックドパッチ５Ａの平面の傾斜角をθ３と定義する。また、パッチアンテナ４の正面方向に対し垂直な平面（パッチアンテナ４の放射面に平行な平面）に対する第２スタックドパッチ５Ｂの平面の傾斜角をθ４と定義する。

図２５は、本検証におけるアンテナ装置１の放射パターンを示した第１の図である。図２５では、角度θ３を４５度で角度θ４を１５度にした場合におけるシミュレーション結果を示している。図２５に示すように、利得のピークはＸ軸方向から下向きに１９度の傾斜角における１０．４ｄＢｉの箇所である。

図２６は、本検証におけるアンテナ装置１の放射パターンを示した第２の図である。図２６では、角度θ３を４５度で角度θ４を６０度にした場合におけるシミュレーション結果を示している。図２６に示すように、利得のピークはＸ軸方向から下向きに２９度の傾斜角における９．５ｄＢｉの箇所である。

図２７は、放射パターンのピーク方向における利得及び角度と角度θ４との関係を示した図である。図２７では、傾斜角度θ４を横軸とし、放射パターンのピーク方向の利得を左側の縦軸とし、放射パターンのピーク方向の角度を右側の縦軸で示している。角度θ３は４５度である。図２７に示す２つのデータ線と、左右両側にある縦軸との対応関係は図９や図１６と同様である。

図２７のグラフを見ると判るように、パッチアンテナ４の正面方向に対する第２スタックドパッチ５Ｂの傾斜角度θ４を０度から９０度までの間で変更すると、ピーク方向の角度が０度から約３０度程度までの範囲内で変化することが判る。また、第２スタックドパッチ５Ｂの傾斜角度θ４を０度から９０度までの間で変更しても、ピーク方向の利得は８ｄＢｉ以上であることが判る。

よって、第２スタックドパッチ５Ｂを垂直に貫く仮想中心軸が、第１スタックドパッチ５Ａの中心を通過する位置に配置されている場合において、傾斜角度θ４を０度から９０度までの間で変更しても、ピーク利得に実用上の支障を来さない状態でビームの方向を変
更可能であることが判る。

図２８は、外付け装置１２の変形例を示した図である。外付け装置１２は、例えば、図２８に示すように、プレートＰＡ，ＰＢ，ＰＣを、ヒンジ９を中心に回動可能に外付け装置１２の内外で出し入れ可能にしてもよい。このような形態であれば、第１スタックドパッチ５Ａ，５Ｂ，５Ｃでビームの方向を変更可能にしたい場合に外付け装置１２の中から多関節構造を出すことができる。よって、第１スタックドパッチ５Ａ，５Ｂ，５Ｃでビームの方向を変更する必要が無い場合には、多関節構造を外付け装置１２内に収容し、外付け装置１２をコンパクトな状態にしておくことができる。

＜その他の変形例＞
上記実施形態や変形例、適用例は、適宜変形してもよい。例えば、スマートフォン１１にアンテナ装置１が複数設けられていてもよいし、アンテナ装置１全体がスマートフォン１１に全て内蔵されていてもよいし、或いは、パッチアンテナ４を含む全てのアンテナ装置１の構成が、単体のアンテナ装置として無線装置と別体で構成されていてもよい。また、第１適用例は、支持部材８ＢやプレートＰＢを省略し、実施形態のアンテナ装置１に相当する構成を実現するものであってもよい。

１，１０１・・アンテナ装置
２，１０２・・グランド
３，１０３・・誘電体
４，１０４・・パッチアンテナ
５・・スタックドパッチ
５Ａ・・第１スタックドパッチ
５Ｂ・・第２スタックドパッチ
５Ｃ・・第３スタックドパッチ
６・・駆動装置
７・・駆動軸
９・・ヒンジ
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ・・支持部材
Ｐ４，ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ・・プレート
１１・・スマートフォン
１２・・外付け装置

Claims (11)

1. 指向性を有する複数の放射素子を一列に並べた放射素子列と、
   前記放射素子の放射面側において前記放射素子から離間配置される平面状で無給電の複数の導体素子を一列に並べた導体素子列と、を備え、
   前記導体素子は、前記導体素子上の任意の二点間を結んで前記導体素子上に形成される線分のうち最も長い最長線分の長さが、無線通信に使用する電波の誘電体内における実効波長の長さの０．１倍から０．４倍の範囲内となるように形成されており、且つ、前記放射素子に対し平面同士が非平行となるように傾いて配置される、
   アンテナ装置。
2. 前記放射素子及び前記導体素子の組が所定の仮想直線に沿って複数組配列されており、
   各組の前記導体素子は、前記放射素子に対し前記仮想直線の延長方向とは異なる方向へ傾いている、
   請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 各組の前記導体素子は、隣の組の前記導体素子とのピッチ間隔が前記実効波長の０．３倍から０．７倍までの範囲内となる位置に配置されている、
   請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記導体素子は、前記放射素子の中心と前記導体素子の中心との間の距離が前記実効波長の１０分の１となるように配置されている、
   請求項１から３の何れか一項に記載のアンテナ装置。
5. 特定の前記放射素子に対応する前記導体素子が、前記特定の放射素子の放射方向において複数配置されている、
   請求項１から４の何れか一項に記載のアンテナ装置。
6. 前記導体素子は、平面を垂直に貫く仮想中心軸が、前記放射素子側に配置されている他の前記導体素子または前記放射素子の中心を通過する位置に配置されている、
   請求項１から５の何れか一項に記載のアンテナ装置。
7. 無線端末に着脱可能であることを特徴とする、
   請求項１から６の何れか一項に記載のアンテナ装置。
8. 前記放射素子に対する前記導体素子の傾斜角を変更可能な可動部を備える、
   請求項１から７の何れか一項に記載のアンテナ装置。
9. 前記可動部は、前記アンテナ装置における電波の受信電力が増加するように前記傾斜角を変更する、
   請求項８に記載のアンテナ装置。
10. 前記可動部により前記傾斜角が変更されると、受信電力の増加をユーザへ通知する通知手段を更に備える、
    請求項９に記載のアンテナ装置。
11. 請求項１から１０の何れか一項に記載のアンテナ装置を備える、
    無線端末。