JP2005295188A - Multi-beam antenna - Google Patents

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Kohei Mori
康平 森
Hiroyuki Arai
宏之 新井
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Sony Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the size and the thickness of a multi-beam antenna which can switch directivity in a plurality of directions and further which can obtain a high F/B ratio. <P>SOLUTION: The multi-beam antenna includes a non-power supply patch antenna element 1 of one element, monopole antenna elements 3A-3C of N elements (N: natural number) arranged on a circumference in which the non-power supply patch antenna element 1 is at a center, and a switching means for selectively switching a power supply and a terminal end to the monopole antenna elements 3A-3C. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、情報通信機能やストレージ機能等を搭載し、パーソナルコンピュータ、携帯電話機或いはオーディオ機器等の各種電子機器に装着して用いられる超小型通信モジュールに用いて好適な複数の方向に指向性を切り替えることができるマルチビームアンテナに関する。   The present invention is equipped with an information communication function, a storage function, and the like, and has directivity in a plurality of directions suitable for use in a micro communication module that is used by being mounted on various electronic devices such as a personal computer, a mobile phone, or an audio device. The present invention relates to a multi-beam antenna that can be switched.

例えば、音楽、音声或いは各種データや画像等の情報は、近年データのデジタル化に伴ってパーソナルコンピュータやモバイル機器等によっても手軽に扱えるようになっている。また、これらの情報は、音声コーディック技術や画像コーディック技術により帯域圧縮が図られて、デジタル通信やデジタル放送により各種の通信端末機器に対して容易かつ効率的に配信される環境が整いつつある。例えば、オーディオ・ビデオデータ(AVデータ)は、携帯電話機によっても受信が可能となっている。   For example, information such as music, voice or various data and images can be easily handled by a personal computer, a mobile device or the like with the recent digitization of data. In addition, such information is subjected to band compression by voice codec technology or image codec technology, and an environment is being prepared in which digital communication and digital broadcasting are easily and efficiently distributed to various communication terminal devices. For example, audio / video data (AV data) can also be received by a mobile phone.

一方、データ等の送受信システムは、小規模な地域内においても適用可能な簡易な無線ネットワークシステムの提案によって、家庭を始めとして様々な場において活用されるようになっている。無線ネットワークシステムとしては、例えばIEEE802.1aで提案されている5GHz帯域の狭域無線通信システムやIEEE802.1bで提案されている2.45GHz帯域の無線LANシステム或いはBluetoothと称される近距離無線通信システム等の次世代無線通信システムが注目されている。   On the other hand, transmission / reception systems for data and the like are used in various places such as homes by proposing a simple wireless network system that can be applied even in a small area. As a wireless network system, for example, a short-range wireless communication called Bluetooth, a narrow band wireless communication system of 5 GHz band proposed by IEEE802.1a, a wireless LAN system of 2.45 GHz band proposed by IEEE802.1b, or Bluetooth. A next-generation wireless communication system such as a system is drawing attention.

ところで、特性方向に指向性を持たないアンテナを使用した場合、多くの電波が存在する多重波伝搬環境においては、建物壁などに反射によって生じた干渉波によって、通信品質が劣化するという問題がある。   By the way, when an antenna having no directivity in the characteristic direction is used, there is a problem that communication quality deteriorates due to an interference wave generated by reflection on a building wall or the like in a multi-wave propagation environment where many radio waves exist. .

そこで、指向性を特定方向に向けるアンテナが注目されている。   Therefore, an antenna that directs directivity in a specific direction has attracted attention.

指向性アンテナとして、テレビ受信などに使用される八木宇田アンテナがある。八木宇田アンテナ100では、図21に示すように、電波の放射する放射器111の他に、放射器111よりもわずかに長い反射器112、放射器111よりも短い導波器113を前後に配置することによって、図22に示すような指向性を呈する。   As a directional antenna, there is a Yagi-Uda antenna used for television reception. In Yagi-Uda antenna 100, as shown in FIG. 21, in addition to radiator 111 that radiates radio waves, reflector 112 that is slightly longer than radiator 111 and waveguide 113 that is shorter than radiator 111 are arranged in the front and rear. By doing so, directivity as shown in FIG. 22 is exhibited.

この八木アンテナを複数並べて切り替えることにより、指向性を特性方向に向ける(指向性制御アンテナ)が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。   There has been proposed a method of directing directivity in a characteristic direction (directivity control antenna) by switching a plurality of these Yagi antennas side by side (for example, see Patent Document 1 and Patent Document 2).

特開平11−27038号公報JP-A-11-27038 特開2003−142919号公報JP 2003-142919 A

しかしながら、特許文献1に示されたアンテナ装置では、八木アンテナを複数並べた構造をしているため、反射器と複数個の導波器が必要であるため小型化ができないという問題があった。さらに、このアンテナ装置では、グランド板から、モノポールアンテナが基板の垂直方向に突起してしまい。薄型化ができないという問題があった。また、このアンテナ装置の構造をモノポールアンテナからダイポールアンテナに変更したプリント板に形成した場合、グランド板を近傍に配置することは難しいので、切替スイッチ等を実装するのが難しいという問題があった。   However, since the antenna device disclosed in Patent Document 1 has a structure in which a plurality of Yagi antennas are arranged, a reflector and a plurality of directors are required, and thus there is a problem that the antenna device cannot be reduced in size. Furthermore, in this antenna device, the monopole antenna protrudes from the ground plate in the direction perpendicular to the substrate. There was a problem that the thickness could not be reduced. Also, when the structure of this antenna device is formed on a printed board that is changed from a monopole antenna to a dipole antenna, there is a problem that it is difficult to mount a changeover switch or the like because it is difficult to arrange the ground plate in the vicinity. .

また、特許文献2に示されたマルチビームアンテナでは、導波器と反射器のスペースの共用化を図り、給電の位置を切り替えることによってマルチビーム化を行っているが、給電素子にパッチアンテナを使用しているため、複数の導波器が必要であり、共用には限界があり、小型化が困難である。   In the multi-beam antenna disclosed in Patent Document 2, the space between the director and the reflector is shared, and the multi-beam is formed by switching the feeding position. Since it is used, a plurality of waveguides are necessary, there is a limit to sharing, and miniaturization is difficult.

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、複数の方向に指向性を切り替えることができマルチビームアンテナの小型化及び薄型化を図り、さらに、高いF/B比(アンテナビームの前後比)を得ることができるようにすることにある。   Therefore, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and its object is to switch the directivity in a plurality of directions and to reduce the size and thickness of the multi-beam antenna. Another object is to obtain a high F / B ratio (antenna beam longitudinal ratio).

本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。   Other objects of the present invention and specific advantages obtained by the present invention will become more apparent from the description of embodiments described below.

本発明に係るマルチビームアンテナは、1素子の無給電パッチアンテナ素子と、この無給電パッチアンテナ素子を中心とする円周上に配置されたN素子(N:自然数)のモノポールアンテナ素子と、上記N素子(N:自然数)のモノポールアンテナ素子に対する給電と終端を選択的に切り替える切替手段とを備えてなることを特徴とする。   A multi-beam antenna according to the present invention includes one parasitic patch antenna element, N element (N: natural number) monopole antenna elements arranged on a circumference around the parasitic patch antenna element, It is characterized by comprising switching means for selectively switching between feeding and termination of the N element (N: natural number) monopole antenna element.

このマルチビームアンテナにおいて、上記モノポールアンテナ素子は、容量装荷モノポールアンテナ素子とすることができる。また、上記容量装荷モノポールアンテナ素子からなるモノポールアンテナ素子は、マッチング用短絡ピンを備えることができる。   In this multi-beam antenna, the monopole antenna element can be a capacitively loaded monopole antenna element. Moreover, the monopole antenna element which consists of said capacity | capacitance loading monopole antenna element can be equipped with the shorting pin for a matching.

本発明では、中心に設けられた無給電パッチアンテナ素子を反射器として共用するので、複数の反射器が必要ないため、マルチビームアンテナの小型化を図ることができる。   In the present invention, since the parasitic patch antenna element provided in the center is shared as a reflector, a plurality of reflectors are not required, and thus the multi-beam antenna can be reduced in size.

また、上記無給電パッチアンテナ素子を中心とする円周上に配置されたN素子(N:自然数)のモノポールアンテナ素子として、容量装荷モノポールアンテナ素子を採用することによって、さらに、薄型化を図ることができる。   Further, by adopting a capacitively loaded monopole antenna element as an N element (N: natural number) monopole antenna element arranged on the circumference centering on the parasitic patch antenna element, the thickness can be further reduced. Can be planned.

放射素子である容量装荷モノポールアンテナ素子を選択的に給電し、給電しない容量装荷モノポールアンテナ素子を50.Ω終端することによって、F/B比を改善することができる。   A capacitively loaded monopole antenna element that selectively feeds a capacitively loaded monopole antenna element, which is a radiating element, and 50. By terminating Ω, the F / B ratio can be improved.

さらに、中心の無給電パッチアンテナ素子と容量装荷モノポールアンテナ素子の間隔と、容量装荷モノポールアンテナ素子の給電ピンと短絡ピンの間隔を最適化することで、高いF/B比を実現することができる。   Furthermore, a high F / B ratio can be realized by optimizing the distance between the center parasitic patch antenna element and the capacitively loaded monopole antenna element and the distance between the feeding pin and the shorting pin of the capacitively loaded monopole antenna element. it can.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明に係るマルチビームアンテナは、例えば図1のように構成される。   The multi-beam antenna according to the present invention is configured as shown in FIG.

この図1に示したマルチビームアンテナ10は、3方向のマルチビームアンテナを構成したものであって、図2に示すように背面が全面導体21で覆われた例えばガラスクロス基板やテフロン基板等の誘電体基板11上に形成されたパターンにより構成される1素子の無給電パッチアンテナ素子1と、この無給電パッチアンテナ素子1を中心とする円周上に配置された3素子の容量装荷モノポールアンテナ素子2A,2B,2Cを備える。   The multi-beam antenna 10 shown in FIG. 1 constitutes a multi-beam antenna in three directions. As shown in FIG. One parasitic patch antenna element 1 constituted by a pattern formed on the dielectric substrate 11 and a three-element capacitively loaded monopole arranged on the circumference around the parasitic patch antenna element 1 Antenna elements 2A, 2B, and 2C are provided.

このマルチビームアンテナ10では、反射器として動作する正六角形の無給電パッチアンテナ素子1の周りに放射素子として動作する方形の容量装荷モノポールアンテナ素子2A,2B,2Cが120°毎に配置されている。   In this multi-beam antenna 10, square capacitively loaded monopole antenna elements 2A, 2B, and 2C that operate as radiating elements are arranged every 120 ° around a regular hexagonal parasitic patch antenna element 1 that operates as a reflector. Yes.

ここで、容量装荷モノポールアンテナ素子2は、図3の(A)に示すようにグランド板21に1/4波長(λ/4)の長さLの給電ピン22を立設してなるモノポールアンテナ素子20に対し、図3の(B)に示すように、給電ピン22の先端に容量電極23を設けて容量を装荷することによって、給電ピン22の長さを短縮したものであって、短絡ピン24によってマッチングの調整を行うことができる。λは共振波長である。   Here, the capacity-loaded monopole antenna element 2 has a monolithic structure in which a feed pin 22 having a length L of ¼ wavelength (λ / 4) is erected on a ground plate 21 as shown in FIG. With respect to the pole antenna element 20, as shown in FIG. 3 (B), the length of the power feed pin 22 is shortened by loading the capacity by providing a capacity electrode 23 at the tip of the power feed pin 22. The matching can be adjusted by the short-circuit pin 24. λ is the resonance wavelength.

この実施の形態におけるマルチビームアンテナ10では、誘電体基板11の背面を覆う全面導体21をグランド板とし、誘電体基板11の前面に3素子の容量装荷モノポールアンテナ素子2A,2B,2Cの容量電極23A,23B,23Cのパターンが形成されており、上記誘電体基板11を貫通して先端が上記容量電極23A,23B,23Cに接続された給電ピン22A,22B,22Cの後端が給電点Port1,Port2,Port3になっている。また、上記誘電体基板11を貫通して容量電極23A,23B,23Cを上記全面導体21すなわちグランド板に短絡させる短絡ピン24A,24B,24Cが設けられている。   In the multi-beam antenna 10 in this embodiment, the entire conductor 21 that covers the back surface of the dielectric substrate 11 is used as a ground plate, and the capacitance of the monopole antenna elements 2A, 2B, and 2C with three elements is formed on the front surface of the dielectric substrate 11. The patterns of the electrodes 23A, 23B, and 23C are formed, and the rear ends of the power supply pins 22A, 22B, and 22C that penetrate the dielectric substrate 11 and have tips connected to the capacitor electrodes 23A, 23B, and 23C are the power supply points. Port1, Port2, and Port3. Further, short-circuit pins 24A, 24B, and 24C are provided through the dielectric substrate 11 to short-circuit the capacitive electrodes 23A, 23B, and 23C to the entire surface conductor 21, that is, the ground plate.

そして、このマルチビームアンテナ10は、図4示すような構成の給電回路5によって、上記3素子のモノポールアンテナ素子2A,2B,2Cに対する給電と終端を選択的に切り替えることができるようになっている。   The multi-beam antenna 10 can selectively switch between feeding and termination for the three-element monopole antenna elements 2A, 2B, and 2C by the feeding circuit 5 having the configuration shown in FIG. Yes.

この給電回路5は、上記容量装荷モノポールアンテナ素子2A,2B,2Cの給電点Port1,Port2,Port3に各可動端子が接続されたそれぞれ1回路2接点の3個の切替スイッチWS1,WS2,WS3と、給電部50に可動端子が接続された1回路3接点の切替スイッチWS4と、上記容量装荷モノポールアンテナ素子2A,2B,2Cの給電点Port1,Port2,Port3を上記切替スイッチWS1,WS2,WS3を介してそれぞれ50Ωで終端する3個の終端抵抗R1,R2,R3からなり、上記切替スイッチWS1,WS2,WS3,WS4を介して、上記容量装荷モノポールアンテナ素子2A,2B,2Cの給電点Port1,Port2,Port3に対する給電と終端を選択的に切り替えることができるようになっている。   The feeder circuit 5 includes three changeover switches WS1, WS2, WS3 each having two contacts per circuit, each movable terminal being connected to the feed points Port1, Port2, Port3 of the capacitively loaded monopole antenna elements 2A, 2B, 2C. A single-circuit three-contact changeover switch WS4 having a movable terminal connected to the power supply unit 50, and feedpoints Port1, Port2, and Port3 of the capacity-loaded monopole antenna elements 2A, 2B, and 2C. Three terminal resistors R1, R2, and R3 each terminated at 50Ω through WS3, and feeding the capacitively loaded monopole antenna elements 2A, 2B, and 2C through the changeover switches WS1, WS2, WS3, and WS4 It is possible to selectively switch power supply and termination for the points Port1, Port2, and Port3. It has become to so that.

このような構成のマルチビームアンテナ10は、容量装荷モノポールアンテナ素子2A,2B,2Cのうちの任意の放射素子に給電した場合、残りの2つの放射素子の終端条件を変えると、図5に示すような入力特性を呈する。   When the multi-beam antenna 10 configured as described above is fed to any one of the capacity-loaded monopole antenna elements 2A, 2B, and 2C, and the termination conditions of the remaining two radiating elements are changed, FIG. It exhibits the input characteristics as shown.

ここで、図5は、Port1に給電し、Port2及びPort3を以下の示す3つの終端条件a,b,cの場合について、
終端条件a:Port2,Port3を50Ω終端した場合
終端条件b:Port2,Port3を開放した場合
終端条件c:Port2,Port3を短絡した場合
電磁界シミュレータ(CST社 Microwave Studio)を用いて入力特性を解析した結果を示している。なお、容量装荷モノポールアンテナ素子2A,2B,2Cの各給電ピン22A,22B,22C及び短絡ピン24A,24B,24Cの直径は1.0mmであり、マルチビームアンテナ10は比誘電率2.6、厚さ1.6mmのテフロン基板からなる誘電体基板11上にプリントされるものとした。
Here, FIG. 5 shows a case where power is supplied to Port 1 and Port 2 and Port 3 have the following three termination conditions a, b, and c.
Termination condition a: When Port 2 and Port 3 are terminated by 50Ω Termination condition b: When Port 2 and Port 3 are opened Termination condition c: When Port 2 and Port 3 are short-circuited Analyzing input characteristics using an electromagnetic field simulator (CST Microwave Studio) Shows the results. The diameters of the power supply pins 22A, 22B, and 22C and the short-circuit pins 24A, 24B, and 24C of the capacitively loaded monopole antenna elements 2A, 2B, and 2C are 1.0 mm, and the multi-beam antenna 10 has a relative dielectric constant of 2.6. The printed circuit board is printed on a dielectric substrate 11 made of a Teflon substrate having a thickness of 1.6 mm.

図5に示されるように、このマルチビームアンテナ10は2つ共振の特性を有している。以後、この低い共振周波数をf1、高い共振周波数をf2とする。   As shown in FIG. 5, the multi-beam antenna 10 has two resonance characteristics. Henceforth, let this low resonant frequency be f1, and let a high resonant frequency be f2.

各共振周波数f1,f2におけるzx面放射指向性を図6及び図7に示し、また、xy面放射指向性を図8及び図9に示す。共振周波数f1では、それぞれの条件の場合に大きな変化は見られない。一方、共振周波数f2では、終端条件b及び終端条件cでのF/B比は約10dBであるのに対し、終端条件aでは20.1dBとなっている。すなわち、Port2,Port3を50Ω終端することによって、高い指向性を得ることができる。   The zx plane radiation directivity at each resonance frequency f1, f2 is shown in FIGS. 6 and 7, and the xy plane radiation directivity is shown in FIGS. At the resonance frequency f1, there is no significant change in each condition. On the other hand, at the resonance frequency f2, the F / B ratio in the termination condition b and the termination condition c is about 10 dB, whereas in the termination condition a, it is 20.1 dB. That is, high directivity can be obtained by terminating Port 2 and Port 3 by 50Ω.

ここで、このマルチビームアンテナ10の動作原理について説明する。   Here, the operation principle of the multi-beam antenna 10 will be described.

マルチビームアンテナ10の終端条件aの共振周波数f1,f2における電流分布を図10及び図11に示す。   The current distribution at the resonance frequencies f1 and f2 of the termination condition a of the multi-beam antenna 10 is shown in FIGS.

図10に示すように、共振周波数f1ではPort1すなわち容量装荷モノポールアンテナ素子2AのパッチAとPort2,3すなわち容量装荷モノポールアンテナ素子2B,2CのパッチB,Cに流れる電流は逆相となり,中心の無給電パッチアンテナ素子1の正六角形パッチDでは、Port1からPort2,3の方向に向かう電流が強く分布している。従って、パッチアンテナの指向性を示しており、素子数の違いで若干チルトしており、この共振周波数で用いる場合は、複数の導波器が必要となる。また、図11に示すように、共振周波数f2ではPort1すなわち容量装荷モノポールアンテナ素子2AのパッチAとPort2,3パッチB,Cの電流は同相になり、中心の無給電パッチアンテナ素子1の正六角形パッチDにはほとんど電流が分布していない。Port1のパッチAに流れる電流は、Port2,3すなわち容量装荷モノポールアンテナ素子2B,2CのパッチB,Cと比べ強く分布している。以上より、高い周波数では3素子の容量装荷モノポールアレーとなり、強く電流が分布するPort1すなわち容量装荷モノポールアンテナ素子2AのパッチA側に指向性はチルトしている。   As shown in FIG. 10, at the resonance frequency f1, the currents flowing through the patch A, that is, the patch A of the capacitively loaded monopole antenna element 2A, and the patches 2, 3 of the capacitively loaded monopole antenna elements 2B and 2C, are reversed. In the regular hexagonal patch D of the central parasitic patch antenna element 1, the current from Port 1 to Port 2 and 3 is strongly distributed. Therefore, the directivity of the patch antenna is shown, and it is slightly tilted due to the difference in the number of elements. When using at this resonance frequency, a plurality of waveguides are required. Further, as shown in FIG. 11, at the resonance frequency f2, the current of the patch A of the capacitively loaded monopole antenna element 2A and the currents of the ports 2, 3 patches B and C are in phase, and the positive six of the parasitic parasitic patch antenna element 1 is obtained. The square patch D has almost no current distribution. The current flowing through the patch A of the Port 1 is more strongly distributed than the Ports 2 and 3, that is, the patches B and C of the capacitively loaded monopole antenna elements 2B and 2C. As described above, at a high frequency, a three-element capacitively loaded monopole array is formed, and the directivity is tilted toward the Port 1 where the current is strongly distributed, that is, the patch A side of the capacitively loaded monopole antenna element 2A.

このように、このマルチビームアンテナ10では容量装荷モノポールアンテナ素子2A,2B,2Cのうちの任意の1素子を励振したとき、その他の2素子は50Ω終端とすることで、励振素子側に高いF/B比で指向性がチルトする。励振素子を選択することにより3方向に指向性を切り替えることが可能であり、上記給電回路50で容量装荷モノポールアンテナ素子2A,2B,2Cに対する給電と50Ω終端を切り替えることによって、指向性を切り替えることができる。   As described above, in the multi-beam antenna 10, when any one of the capacitively loaded monopole antenna elements 2A, 2B, and 2C is excited, the other two elements are 50Ω terminated so that they are higher on the excitation element side. The directivity tilts at the F / B ratio. The directivity can be switched in three directions by selecting the excitation element, and the directivity is switched by switching the feeding to the capacitively loaded monopole antenna elements 2A, 2B, and 2C and the 50Ω termination by the feeding circuit 50. be able to.

ここで、このマルチビームアンテナ10では、図12に示す構造パラメータ、すなわち、グランド板すなわち誘電体基板11の背面を覆う全面導体21の大きさps、中心の無給電パッチアンテナ素子1の正六角形パッチDの一辺の長さhs、無給電パッチアンテナ素子1と放射素子すなわち容量装荷モノポールアンテナ素子2A,2B,2Cの間隔d、放射素子の給電ピン22A,22B,22Cと短絡ピン24A,24B,24Cの間隔rdがアンテナ特性に大きく影響する。そこで、指向性切り替え型アンテナとして用いられるこのマルチビームアンテナ10におけるF/B比(放射利得の前後比)及び水平面半値幅に対するパラメータの検討を行う。   Here, in the multi-beam antenna 10, the structural parameters shown in FIG. 12, that is, the size ps of the entire conductor 21 covering the back surface of the ground plate, that is, the dielectric substrate 11, the regular hexagonal patch of the parasitic parasitic patch antenna element 1 at the center. D, the length of one side hs, the distance d between the parasitic patch antenna element 1 and the radiating element, that is, the capacitively loaded monopole antenna elements 2A, 2B, 2C, the feeding pins 22A, 22B, 22C of the radiating element and the shorting pins 24A, 24B, The interval rd of 24C greatly affects the antenna characteristics. Therefore, parameters for the F / B ratio (radiation gain front-to-back ratio) and the horizontal half-value width in the multi-beam antenna 10 used as the directivity switching antenna are examined.

容量装荷モノポールアンテナ素子2A,2B,2CのパッチA,B,Cの一辺の長さはrs=10.8mmで固定とし、グランド板すなわち誘電体基板11の背面を覆う全面導体21の大きさpsを変化させたときのF/B比と水平面指向性を図13に示すように、グランド板の大きさを小さくしていくとF/B比が改善される。   The length of one side of the patches A, B, C of the capacitively loaded monopole antenna elements 2A, 2B, 2C is fixed at rs = 10.8 mm, and the size of the entire conductor 21 covering the ground plate, that is, the back surface of the dielectric substrate 11 As shown in FIG. 13, the F / B ratio and the horizontal plane directivity when ps is changed are reduced as the size of the ground plate is reduced.

ps=48mmとして、中心素子の大きさhsを変化させたときのF/B比と水平面指向性を図14に示す。hs=9mmのときにF/B比が最も改善されている。   FIG. 14 shows the F / B ratio and horizontal plane directivity when ps = 48 mm and the size hs of the central element is changed. The F / B ratio is most improved when hs = 9 mm.

また、中心素子と放射素子の間隔dを変化させたときのF/B比と水平面指向性を図15に示す。この結果より、d=1.1mmのときにF/B 比が最大となる。   FIG. 15 shows the F / B ratio and horizontal plane directivity when the distance d between the central element and the radiating element is changed. From this result, the F / B ratio becomes maximum when d = 1.1 mm.

さらに、放射素子の給電ピン22A,22B,22Cと短絡ピン24A,24B,24Cの間隔rdを変化させたときのF/B比と水平面半値幅を図16に示す。高いF/B比となるパラメータはd=1.1mm,rd=2.0mm、及びd=0.8mm,rd=2.5mmである。   Further, FIG. 16 shows the F / B ratio and the horizontal half-width when the distance rd between the power supply pins 22A, 22B, and 22C and the short-circuit pins 24A, 24B, and 24C of the radiating element is changed. Parameters with high F / B ratio are d = 1.1 mm, rd = 2.0 mm, and d = 0.8 mm, rd = 2.5 mm.

また、この結果をまとめると表1のようになる。   The results are summarized in Table 1.

Figure 2005295188
Figure 2005295188

ここで、このマルチビームアンテナ10において、管内波長λgはλ√εで与えられるので、誘電率εを考慮した場合は、誘電率εの大きな誘電体基板11を用いることによりアンテナサイズを小さくすることができ、また、共振波長λを短くするとアンテナサイズも小さくなる。管内波長換算での最適パラメータは、ps=1.3λg,hs=0.25λg,d=0.02λg,rd=0.067λg,rs=0.3λgとなる。   Here, in this multi-beam antenna 10, the guide wavelength λg is given by λ√ε. Therefore, when the dielectric constant ε is taken into consideration, the antenna size can be reduced by using the dielectric substrate 11 having a large dielectric constant ε. In addition, when the resonance wavelength λ is shortened, the antenna size is also reduced. The optimum parameters in terms of the guide wavelength are ps = 1.3λg, hs = 0.25λg, d = 0.02λg, rd = 0.067λg, rs = 0.3λg.

図17の(A),(B),(C)に、このマルチビームアンテナ10の実装例を示す。
このマルチビームアンテナ10は、図17の(A)に示すように無線LANの基地局31(屋内外を問わず)、図17の(B)に示すようにノートPC(情報端末)32(液晶等の裏側に実装)、図17の(C)に示すようにワイヤレスTV(AV機器)33等に実装することにより、壁等に反射して生じた干渉波を、送受信系統を増やすことなく抑制することができる。
(A), (B), and (C) of FIG. 17 show examples of mounting the multi-beam antenna 10.
As shown in FIG. 17A, the multi-beam antenna 10 includes a wireless LAN base station 31 (whether indoors or outdoors), and a notebook PC (information terminal) 32 (liquid crystal) as shown in FIG. 17), by mounting on a wireless TV (AV device) 33 as shown in FIG. 17C, interference waves generated by reflection on the wall or the like can be suppressed without increasing the transmission / reception system. can do.

ここで、上述の実施の形態では3ビームのマルチビームアンテナ10としたが、ビーム数が3つに限定されることなく任意のビーム数のマルチビームアンテナを構成することができる。また、中心に設けられる無給電パッチアンテナ素子1は、正六角形としたが、必ずしも正多角形である必要はなく、また、多方向のビームが必要な場合は円形であってもよい。   Here, in the above-described embodiment, the multi-beam antenna 10 having three beams is used. However, the number of beams is not limited to three, and a multi-beam antenna having an arbitrary number of beams can be configured. The parasitic patch antenna element 1 provided at the center is a regular hexagon. However, it is not necessarily a regular polygon, and may be a circle if a multidirectional beam is required.

例えば、図18に示すように、1素子の無給電パッチアンテナ素子1と、この無給電パッチアンテナ素子1を中心とする円周上に配置された8素子の容量装荷モノポールアンテナ素子2A〜2Hとを備え、図示しない給電回路により上記8素子の容量装荷モノポールアンテナ素子2A〜2Hに対する給電又は終端を選択的に切り替えることによって、8ビームのマルチビームアンテナ30を構成することができる。   For example, as shown in FIG. 18, one parasitic patch antenna element 1 and eight capacitively loaded monopole antenna elements 2 </ b> A to 2 </ b> H arranged on the circumference around the parasitic patch antenna element 1. The 8-beam multi-beam antenna 30 can be configured by selectively switching the feeding or termination of the 8-element capacitively loaded monopole antenna elements 2A to 2H by a feeding circuit (not shown).

また、放射素子として方形の容量装荷モノポールアンテナ素子2A〜2Hを用いたが、この容量装荷モノポールアンテナ素子2A〜2Hも図19に示すマルチビームアンテナ40のように円形にしてもよい。   Further, although rectangular capacitively loaded monopole antenna elements 2A to 2H are used as the radiating elements, the capacitively loaded monopole antenna elements 2A to 2H may be circular as in the multi-beam antenna 40 shown in FIG.

また、容量装荷モノポールアンテナ素子2A〜2Hは、短絡ピンを設けることによってマッチング調整を行うことができるが、図19に示すマルチビームアンテナ50のように短絡ピンを省略することもできる。   Further, the capacitance loaded monopole antenna elements 2A to 2H can perform matching adjustment by providing a short-circuit pin, but the short-circuit pin can be omitted as in the multi-beam antenna 50 shown in FIG.

また、マルチビームアンテナ10,30,40における容量装荷モノポールアンテナ素子2A〜2Hに代えて容量電極23のないモノポールアンテナ素子を用いるようにしてもよい。   Further, a monopole antenna element without the capacitive electrode 23 may be used instead of the capacitively loaded monopole antenna elements 2A to 2H in the multi-beam antennas 10, 30, and 40.

容量装荷モノポールアンテナ素子2A〜2Hは、一般的なモノポールアンテナ素子と比較して、突起を持たないので、低背化を図ることができる。   Capacitance-loaded monopole antenna elements 2A to 2H do not have protrusions as compared with general monopole antenna elements, so that the height can be reduced.

上述の如き構成のマルチビームアンテナ10,30,40では、中心に設けられた無給電パッチアンテナ素子1を反射器として共用するので、複数の反射器が必要なく、小型化することができる。また、上記無給電パッチアンテナ素子1を中心とする円周上に配置されたN素子(N:自然数)のモノポールアンテナ素子として、容量装荷モノポールアンテナ素子2を採用することによって、さらに、薄型化を図ることができる。放射素子である容量装荷モノポールアンテナ素子2を選択的に給電し、放射素子を50Ω終端することによって、F/B比を改善することができる。さらに、中心の無給電パッチアンテナ素子1と容量装荷モノポールアンテナ素子2の間隔dと、容量装荷モノポールアンテナ素子2の給電ピン22と短絡ピン24の間隔rdを最適化することで、高いF/B比を実現することができる。   In the multi-beam antennas 10, 30, and 40 having the above-described configuration, the parasitic patch antenna element 1 provided at the center is shared as a reflector, so that a plurality of reflectors are not required and the size can be reduced. Further, by adopting a capacitively loaded monopole antenna element 2 as an N element (N: natural number) monopole antenna element arranged on the circumference centered on the parasitic patch antenna element 1, the thickness is further reduced. Can be achieved. The F / B ratio can be improved by selectively feeding the capacitively loaded monopole antenna element 2 as a radiating element and terminating the radiating element by 50Ω. Further, by optimizing the distance d between the center parasitic patch antenna element 1 and the capacitively loaded monopole antenna element 2 and the distance rd between the feeding pin 22 and the shorting pin 24 of the capacitively loaded monopole antenna element 2, a high F / B ratio can be realized.

また、マルチビームアンテナ10,20は、背面が全面導体21で覆われた誘電体基板11上に形成されるので、ビーム方向を切り替えるためのスイッチ等を実装し易いという利点がある。   Further, since the multi-beam antennas 10 and 20 are formed on the dielectric substrate 11 whose back is covered with the entire conductor 21, there is an advantage that it is easy to mount a switch or the like for switching the beam direction.

本発明に係るマルチビームアンテナの構成例を模式的な平面図である。It is a typical top view of the example of composition of the multi-beam antenna concerning the present invention. マルチビームアンテナの模式的な縦断面図である。It is a typical longitudinal cross-sectional view of a multi-beam antenna.

上記
上記マルチビームアンテナを構成する容量装荷モノポールアンテナ素子及びモノポールアンテナ素子の基本構成を示す模式的な斜視図である。 上記マルチビームアンテナの給電回路の構成を模式的に示す回路構成図である。 上記マルチビームアンテナの入力特性を示す特性図である。 上記マルチビームアンテナの入力特性における低い共振周波数f1でのzx面放射指向性を示す特性図である。 上記マルチビームアンテナの入力特性における高い共振周波数f2でのzx面放射指向性を示す特性図である。 上記マルチビームアンテナの入力特性における低い共振周波数f1でのxy面放射指向性を示す特性図である。 上記マルチビームアンテナの入力特性における高い共振周波数f2でのxy面放射指向性を示す特性図である。 上記マルチビームアンテナの終端条件aにおける低い共振周波数f1での電流分布を模式的に示す図である。 上記マルチビームアンテナの終端条件aにおける高い共振周波数f2での電流分布を模式的に示す図である。 上記マルチビームアンテナ10の構造パラメータを示す模式的な平面図である。 上記マルチビームアンテナにおける容量装荷モノポールアンテナ素子のパッチの一辺の長さをrs=10.8mmで固定とし、グランド板の大きさpsを変化させたときのF/B比と水平面指向性を示す特性図である。 グランド板の大きさps=48mmとして、中心素子の大きさhsを変化させたときのF/B比と水平面指向性を示す特性図である。 中心素子と放射素子の間隔dを変化させたときのF/B比と水平面指向性を示す特性図である。 放射素子の給電ピンと短絡ピンの間隔rdを変化させたときのF/B比と水平面半値幅を示す特性図である。 上記マルチビームアンテナ10の実装例を模式的に示す図である。 本発明に係るマルチビームアンテナの他の構成例を模式的な平面図である。 本発明に係るマルチビームアンテナの他の構成例を模式的な平面図である。 本発明に係るマルチビームアンテナの他の構成例を模式的な平面図である。 指向性アンテナとして、テレビ受信などに使用される八木宇田アンテナの構成を示す模式的な斜視図である。 上記八木宇田アンテナの指向性を示す特性図である。
the above
It is a typical perspective view which shows the basic composition of the capacity | capacitance loading monopole antenna element which comprises the said multi-beam antenna, and a monopole antenna element. It is a circuit block diagram which shows typically the structure of the electric power feeding circuit of the said multi-beam antenna. It is a characteristic view which shows the input characteristic of the said multi-beam antenna. It is a characteristic view which shows the zx surface radiation directivity in the low resonance frequency f1 in the input characteristic of the said multi-beam antenna. It is a characteristic view which shows the zx surface radiation directivity in the high resonant frequency f2 in the input characteristic of the said multi-beam antenna. It is a characteristic view which shows the xy plane radiation directivity in the low resonance frequency f1 in the input characteristic of the said multi-beam antenna. It is a characteristic view which shows xy plane radiation directivity in the high resonant frequency f2 in the input characteristic of the said multi-beam antenna. It is a figure which shows typically the electric current distribution in the low resonance frequency f1 in the termination conditions a of the said multi-beam antenna. It is a figure which shows typically the electric current distribution in the high resonant frequency f2 in the termination conditions a of the said multi-beam antenna. 3 is a schematic plan view showing structural parameters of the multi-beam antenna 10. FIG. The F / B ratio and horizontal plane directivity when the length of one side of the patch of the capacitively loaded monopole antenna element in the multi-beam antenna is fixed at rs = 10.8 mm and the size ps of the ground plate is changed are shown. FIG. It is a characteristic view which shows F / B ratio and horizontal plane directivity when the magnitude | size hs of a center element is changed by the magnitude | size ps = 48mm of a ground plate. It is a characteristic view which shows F / B ratio and horizontal plane directivity when the space | interval d of a center element and a radiation element is changed. It is a characteristic view which shows F / B ratio and horizontal plane half value width when changing the space | interval rd of the feed pin and short circuit pin of a radiation element. It is a figure which shows the example of mounting of the said multi-beam antenna 10 typically. It is a typical top view of the other structural example of the multi-beam antenna which concerns on this invention. It is a typical top view of the other structural example of the multi-beam antenna which concerns on this invention. It is a typical top view of the other structural example of the multi-beam antenna which concerns on this invention. It is a typical perspective view which shows the structure of the Yagi-Uda antenna used for television reception etc. as a directional antenna. It is a characteristic view which shows the directivity of the said Yagi-Uda antenna.

符号の説明Explanation of symbols

1 無給電パッチアンテナ素子、2 容量装荷モノポールアンテナ素子、10,30,40 マルチビームアンテナ、11 誘電体基板、21 グランド板、22 給電ピン、20 モノポールアンテナ素子、23 容量電極、24 短絡ピン、5 給電回路、WS1,WS2,WS3,SW4 切替スイッチ、R1,R2,R3 終端抵抗
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Parasitic patch antenna element, 2 Capacity loading monopole antenna element, 10, 30, 40 Multi-beam antenna, 11 Dielectric substrate, 21 Ground board, 22 Feeding pin, 20 Monopole antenna element, 23 Capacitance electrode, 24 Short-circuit pin 5 Feeding circuit, WS1, WS2, WS3, SW4 selector switch, R1, R2, R3 Terminating resistor

Claims (3)

1素子の無給電パッチアンテナ素子と、
この無給電パッチアンテナ素子を中心とする円周上に配置されたN素子(N:自然数)のモノポールアンテナ素子と、
上記N素子(N:自然数)のモノポールアンテナ素子に対する給電と終端を選択的に切り替える切替手段と
を備えてなることを特徴とするマルチビームアンテナ。
A single parasitic patch antenna element;
N element (N: natural number) monopole antenna elements arranged on the circumference centered on the parasitic patch antenna element;
A multi-beam antenna comprising switching means for selectively switching between feeding and termination of the N element (N: natural number) monopole antenna element.
上記モノポールアンテナ素子は、容量装荷モノポールアンテナ素子であることを特徴とする請求項1記載のマルチビームアンテナ。   2. The multi-beam antenna according to claim 1, wherein the monopole antenna element is a capacitively loaded monopole antenna element. 上記容量装荷モノポールアンテナ素子からなるモノポールアンテナ素子は、マッチング用短絡ピンを備えることを特徴とする請求項2記載のマルチビームアンテナ。
3. The multi-beam antenna according to claim 2, wherein the monopole antenna element comprising the capacitively loaded monopole antenna element includes a shorting pin for matching.
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