JP2001292019A - アレイアンテナ装置及びアンテナ配列方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 指向性を低減して、特定の範囲において均一
な電波通信状態を実現することが可能なアレイアンテナ
装置及びアンテナ配列方法を提供する。 【解決手段】 ループアンテナ１ａとループアンテナ１
ｂとでは外側導電ループ３上の給電点５の位置が異なっ
ており、互いに９０度回転した位置に給電点５が設けら
れている。すなわち、ループアンテナ１ａの最大電界方
向はｘ軸方向となり、ループアンテナ１ｂの最大電界方
向はｙ軸方向となる。アレイアンテナ装置１は、これら
２種類のループアンテナ１ａ及び１ｂを互いに隣り合う
ように交互に配列することによって形成される。従っ
て、アレイアンテナ装置１全体として、ｘ軸方向及びｙ
軸方向の電界強度が均一化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、無線通信等に用い
られるアレイアンテナ装置、及び、アレイアンテナ装置
を形成するためのアンテナ配列方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電波の送受信を行なうためのアンテナ装
置として、導電体を環状（円形状等）に形成したループ
アンテナが従来から知られている。このループアンテナ
は、ダイポールアンテナ等のロッド型のアンテナ装置と
比較して指向性が小さいため、主に移動体等におけるア
ンテナ装置として用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ダイポ
ールアンテナ等と比較すると指向性が小さいループアン
テナであっても、電力を供給するための給電点を導電ル
ープ上に設けなければならないという制約から、方向に
よる電界強度の差が必然的に生じてしまい、全方向の電
界強度をほぼ均一な状態にすることは困難であった。従
って、通信先側のアンテナ装置の向きや場所等によって
は、電波の送受信を行なえない場合も生じていた。

【０００４】また、通信先側のアンテナ装置の向きや場
所等によらず一定の通信状態を得ようとすれば、電界強
度が最も小さくなる方向（以下、最小電界方向という）
の電界強度を所定値以上に維持する必要があった。従っ
て、消費される電力が増大すると共に、電界強度が最も
大きくなる方向（以下、最大電界方向という）の電界強
度が必要以上に大きくなり、人体や周辺機器に影響を及
ぼしてしまう危険性もあった。

【０００５】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、指向性を低減して、特定の範囲において均一な
電波通信状態を実現することが可能なアレイアンテナ装
置及びアンテナ配列方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るアレイアン
テナ装置は、電波の送受信を行なうためのアレイアンテ
ナ装置において、導電ループ上の、第１の位置又は当該
第１の位置と対向する第２の位置に給電点が設けられ、
第１の方向に電界強度のピークを有する第１のループア
ンテナと、導電ループ上の、第１の位置及び第２の位置
のいずれとも異なる第３の位置又は当該第３の位置と対
向する第４の位置に給電点が設けられ、第１の方向と交
差する第２の方向に電界強度のピークを有する第２のル
ープアンテナとを備え、１以上の第１のループアンテナ
と１以上の第２のループアンテナを含む複数のアンテナ
を配列して形成されたことを特徴とする。

【０００７】また、本発明に係るアンテナ配列方法は、
複数のアンテナを配列してアレイアンテナを形成するた
めのアンテナ配列方法において、１以上のループアンテ
ナを、導電ループ上の給電点の位置を第１の位置又は当
該第１の位置と対向する第２の位置とし、第１の方向に
電界強度のピークを有するように配列する第１の配列ス
テップと、１以上のループアンテナを、導電ループ上の
給電点の位置を第１の位置及び第２の位置のいずれとも
異なる第３の位置又は当該第３の位置と対向する第４の
位置とし、第１の方向と交差する第２の方向に電界強度
のピークを有するように配列する第２の配列ステップと
を備えることを特徴とする。

【０００８】これらの発明によれば、給電点の位置が異
なる（すなわち、最大電界方向が異なる）複数のループ
アンテナを配列することによってアレイアンテナ装置が
構成される。そのため、単一のループアンテナでは電界
強度が小さくなってしまっていた方向の電界強度を、複
数のループアンテナによって互いに補い合うことができ
るため、方向による電界強度のばらつきを抑え、全体と
して電界強度を均一化することが可能になる。

【０００９】また、このアレイアンテナ装置において、
上記各ループアンテナは、外側導電ループ及び内側導電
ループを備え、当該外側導電ループ及び当該内側導電ル
ープのいずれかに給電点が設けられていることを特徴と
してもよい。

【００１０】また、このアンテナ配列方法において、上
記各ループアンテナとして、外側導電ループ及び内側導
電ループを備え、当該外側導電ループ及び当該内側導電
ループのいずれかに給電点が設けられたループアンテナ
を用いることを特徴としてもよい。

【００１１】このように、ループアンテナとして外側導
電ループと内側導電ループとからなる二重ループアンテ
ナを用いれば、各ループの長さや各ループ間の間隔を適
宜調整することによって、送受信すべき電波の周波数に
共振周波数を整合させつつ、給電線等とのインピーダン
スの整合をとることが可能になる。

【００１２】また、このアレイアンテナ装置において、
第１の方向と第２の方向とは、互いに直交する方向であ
ることを特徴としてもよい。

【００１３】また、このアンテナ配列方法において、第
１の方向と第２の方向とを、互いに直交する方向とする
ことを特徴としてもよい。

【００１４】通常のループアンテナにおいては、最大電
界方向と最小電界方向とは互いに直交する関係にある。
従って、第１の方向（第１のループアンテナの最大電界
方向）と第２の方向（第２のループアンテナの最大電界
方向）とが直交方向となるように配置すれば、最も効率
的に電界強度を均一化することが可能になる。

【００１５】また、このアレイアンテナ装置において、
第１のループアンテナと第２のループアンテナとは、互
いに隣り合うように交互に配列されたことを特徴として
もよい。

【００１６】また、このアンテナ配列方法において、第
１の方向に電界強度のピークを有するループアンテナと
第２の方向に電界強度のピークを有するループアンテナ
とを、互いに隣り合うように交互に配列することを特徴
としてもよい。

【００１７】このように、最大電界方向が異なるループ
アンテナを互いに隣り合うように交互に配列すれば、局
所的にみても電界強度のばらつきを抑えて電界強度を均
一化することが可能になる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら、
本発明に係るアレイアンテナ装置及びアンテナ配列方法
の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面
の説明において、同一又は相当要素には同一の符号を付
し、重複する説明は省略する。また、電界方向等を説明
するために、各図において互いに対応する方向を示す３
次元直交座標系を適宜使用する。

【００１９】まず、図１（ａ）及び（ｂ）に示す平面図
を参照しながら、本実施形態に係るアレイアンテナ装置
を構成する各ループアンテナについて簡単に説明する。
同図に示すように、本実施形態において用いられるルー
プアンテナ１ａ及び１ｂは、プリント基板２上に外側導
電ループ３と内側導電ループ４とがエッチング等によっ
て同心円状に形成された二重ループ構造を有している。
外側導電ループ３は、給電点５において同軸ケーブル等
の給電線（図示せず）の一端と接続されており、この給
電線の他端には電源（図示せず）が接続されている。た
だし、ループアンテナ１ａとループアンテナ１ｂとでは
給電点５の位置が異なっており、互いに９０度回転した
位置に給電点５が設けられている。従って、ループアン
テナ１ａの最大電界方向は図１中ｘ軸に平行な方向とな
り、ループアンテナ１ｂの最大電界方向は図１中ｙ軸に
平行な方向となる。

【００２０】また、各導電ループは、コンデンサ分（容
量リアクタンス）、コイル分（誘導リアクタンス）及び
純抵抗分を有しており、各導電ループの直径やループを
構成する導電線部分の内径等は、送受信すべき電波の周
波数や給電線の特性インピーダンス等に応じた共振周波
数及びインピーダンス等を持つように設定される。例え
ば、例えば、送受信すべき電波の周波数が１９７０ＭＨ
ｚ（波長約１５２ｍｍ程度）、給電線の特性インピーダ
ンスが７５Ωである場合には、外側導電ループ３の直径
が５５ｍｍ、内側導電ループ４の直径が４６ｍｍ、各導
電ループを構成する導電線部分の内径が２ｍｍとなるよ
うに形成される。

【００２１】本実施形態に係るアレイアンテナ装置１
は、使用目的や使用環境等の条件に応じた範囲内に、最
大電界方向が直交するループアンテナ１ａ及び１ｂを互
いに隣り合うように交互に配列することによって形成さ
れる。例えば、単一のループアンテナの大きさが一辺Ｓ
＝０．９ｍの正方形である場合、一辺ｔ＝４．５ｍの大
きさのアレイアンテナ装置を形成するには、図２に示す
ように、ループアンテナ１ａとループアンテナ１ｂとが
互いに隣り合うようにして（いわゆる市松模様となるよ
うにして）ｘ軸方向及びｙ軸方向にそれぞれ５枚ずつ配
列される。

【００２２】すなわち、本実施形態に係るアレイアンテ
ナ装置１は、最大電界方向がｘ軸方向である（すなわち
最小電界方向がｙ軸方向である）ループアンテナ１ａ
と、最大電界方向がｙ軸方向である（すなわち最小電界
方向がｘ軸方向である）ループアンテナ１ｂとをほぼ同
数備えるため、全体として電界強度を均一化される。ま
た、ループアンテナ１ａと１ｂとを互いに隣り合うよう
に交互に配列するため、局所的にみても電界強度のばら
つきが抑制される。

【００２３】次に、図３に示すような仮想空間に本実施
形態に係るアレイアンテナ装置１を配置した時の電界強
度減衰量を示すシミュレーション結果を説明する。すな
わち、このシミュレーションでは、３次元空間において
ｘｙ平面上（ｚ＝０平面上）にアレイアンテナ装置１を
配置するものとし、ｙｚ平面上（ｘ＝０平面上）のｙ＝
−２．３ｍ〜２．２５ｍ、ｚ（高さ）＝−０．２５ｍ〜
−２．５ｍの範囲に形成されるｘ軸方向及びｙ軸方向の
電界強度減衰量を数値計算により導出した。また、比較
のため、ｙ軸方向が最大電界方向であるループアンテナ
１ｂのみを配列したアレイアンテナについても同様のシ
ミュレーションを行なった。

【００２４】まず、ループアンテナ１ｂのみを配列した
アレイアンテナのｘ軸方向及びｙ軸方向の電界強度減衰
量を示すシミュレーション結果を図４及び図５に示す。
このシミュレーション結果によれば、ｘ軸方向の電界強
度減衰量は約２０〜３０ｄＢであるのに対し、ｙ軸方向
の電界強度減衰量は約０〜１０ｄＢとなっている（ただ
し、座標（０、０、−０．２５）における電界強度を０
ｄＢとする）。このように、ループアンテナ１ｂのみを
配列したアレイアンテナでは、ｘ軸方向の電界強度とｙ
軸方向の電界強度に大きな差が生じてしまうことが分か
る。

【００２５】一方、本実施形態に係るアレイアンテナ装
置１のｘ軸方向及びｙ軸方向の電界強度減衰量を示すシ
ミュレーション結果を図６及び図７に示す。このシミュ
レーション結果によれば、ｘ軸方向及びｙ軸方向の電界
強度減衰量はいずれも約１０〜２０ｄＢとなっている。
従って、本実施形態に係るアレイアンテナ装置１では、
方向による電界強度のばらつきが抑えられていることが
明らかである。

【００２６】以上説明したように、本実施形態に係るア
レイアンテナ装置１は、給電点の位置が異なる（すなわ
ち、最大電界方向が異なる）複数のループアンテナを互
いに隣り合うように交互に配列して構成される。従っ
て、単一のループアンテナでは電界強度が小さくなって
しまっていた方向の電界強度を、複数のループアンテナ
によって互いに補い合うことができるため、方向による
電界強度のばらつきを抑え、全体として電界強度を均一
化することができる。

【００２７】なお、本発明に係るアレイアンテナ装置及
びアンテナ配列方法は、上記実施形態に記載の態様に限
定されるものではなく、他の条件等に応じて種々の変形
態様をとることが可能である。例えば、上記実施形態で
は、各導電ループがプリント基板上に形成される場合に
ついて説明したが、線状の導電部材を加工して各導電ル
ープを作成し、それらを支持部材によって所定の間隔で
固定させて二重ループを形成することもできる。

【００２８】また、上記実施形態では、各導電ループが
同心円状に形成される場合について説明したが、電波の
送受信が行なわれる環境等の条件によっては、各導電ル
ープを他の形状（楕円状、矩形状等）に形成することも
できる。

【００２９】また、上記実施形態では、給電点の位置が
異なる２種類のループアンテナを配列してアレイアンテ
ナ装置を構成したが、給電点の位置が異なる３種類以上
のループアンテナを配列してアレイアンテナ装置を構成
してもよい。

【００３０】また、上記実施形態では、各ループアンテ
ナの最大電界方向が直交するように、給電点を互いに９
０度回転した位置に設ける場合について説明したが、各
ループアンテナの最大電界方向が（直交に限定されな
い）交差する方向となるように給電点を設ければ、本発
明の効果を得ることができる。

【００３１】また、上記実施形態では、各ループアンテ
ナをいわゆる市松模様に配列する場合について説明した
が、このような規則的な配列に限定されることなく、最
大電界方向の異なるループアンテナを全体として電界強
度が均一化される程度に分散して配列すれば、本発明の
効果を得ることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るアレ
イアンテナ装置及びアンテナ配列方法によれば、指向性
を低減して、特定の範囲において均一な電波通信状態を
実現することが可能になる。

【００３３】すなわち、給電点の位置が異なる（すなわ
ち、最大電界方向が異なる）複数のループアンテナを配
列してアレイアンテナ装置が構成することによって、単
一のループアンテナでは電界強度が小さくなってしまっ
ていた方向の電界強度を、複数のループアンテナによっ
て互いに補い合うことができるため、方向による電界強
度のばらつきを抑え、全体として電界強度を均一化する
ことが可能になる。

【００３４】また、ループアンテナとして外側導電ルー
プと内側導電ループとからなる二重ループアンテナを用
いることによって、送受信すべき電波の周波数に共振周
波数を整合させつつ、給電線等とのインピーダンスの整
合をとることが可能になる。

【００３５】また、第１の方向（第１のループアンテナ
の最大電界方向）と第２の方向（第２のループアンテナ
の最大電界方向）とが直交方向となるように配置するこ
とによって、最も効率的に電界強度を均一化することが
可能になる。

【００３６】また、最大電界方向が異なるループアンテ
ナを互いに隣り合うように交互に配列することによっ
て、局所的にみても電界強度のばらつきを抑えて電界強
度を均一化することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態に係るアレイアンテナ装置を構成す
る各ループアンテナを示す平面図である。

【図２】本実施形態に係るアレイアンテナ装置の配列構
造を示す模式図である。

【図３】電界強度シミュレーションを行なう仮想空間を
示す斜視図である。

【図４】最大電界方向がｙ軸方向であるループアンテナ
のみを配列したアレイアンテナを用いた電界強度シミュ
レーションにおいて算出されたｘ軸方向の電界強度減衰
量を示す図表である。

【図５】最大電界方向がｙ軸方向であるループアンテナ
のみを配列したアレイアンテナを用いた電界強度シミュ
レーションにおいて算出されたｙ軸方向の電界強度減衰
量を示す図表である。

【図６】本実施形態に係るアレイアンテナ装置を用いた
電界強度シミュレーションにおいて算出されたｘ軸方向
の電界強度減衰量を示す図表である。

【図７】本実施形態に係るアレイアンテナ装置を用いた
電界強度シミュレーションにおいて算出されたｙ軸方向
の電界強度減衰量を示す図表である。

【符号の説明】

１…アレイアンテナ装置、１ａ、１ｂ…ループアンテ
ナ、２…プリント基板、３…外側導電ループ、４…内側
導電ループ、５…給電点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 斉 神奈川県川崎市麻生区高石３−６−１ ラ イオンズガーデン百合ヶ丘1128 (72)発明者 住吉 辰弘 愛知県豊川市高見町１−26 (72)発明者 岡野 好伸 茨城県つくば市吾妻１丁目404−714 Ｆターム(参考） 5J021 AA05 AA09 AA12 AB04 CA01 GA07 HA05 5J046 AA04 AB03 AB11 PA07

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電波の送受信を行なうためのアレイアン
   テナ装置において、 導電ループ上の、第１の位置又は当該第１の位置と対向
   する第２の位置に給電点が設けられ、第１の方向に電界
   強度のピークを有する第１のループアンテナと、 導電ループ上の、前記第１の位置及び前記第２の位置の
   いずれとも異なる第３の位置又は当該第３の位置と対向
   する第４の位置に給電点が設けられ、前記第１の方向と
   交差する第２の方向に電界強度のピークを有する第２の
   ループアンテナとを備え、 １以上の前記第１のループアンテナと１以上の前記第２
   のループアンテナを含む複数のアンテナを配列して形成
   されたことを特徴とするアレイアンテナ装置。
2. 【請求項２】 前記各ループアンテナは、外側導電ルー
   プ及び内側導電ループを備え、当該外側導電ループ及び
   当該内側導電ループのいずれかに前記給電点が設けられ
   ていることを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテ
   ナ装置。
3. 【請求項３】 前記第１の方向と前記第２の方向とは、
   互いに直交する方向であることを特徴とする請求項１又
   は２に記載のアレイアンテナ装置。
4. 【請求項４】 前記第１のループアンテナと前記第２の
   ループアンテナとは、互いに隣り合うように交互に配列
   されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載
   のアレイアンテナ装置。
5. 【請求項５】 複数のアンテナを配列してアレイアンテ
   ナを形成するためのアンテナ配列方法において、 １以上のループアンテナを、導電ループ上の給電点の位
   置を第１の位置又は当該第１の位置と対向する第２の位
   置とし、第１の方向に電界強度のピークを有するように
   配列する第１の配列ステップと、 １以上のループアンテナを、導電ループ上の給電点の位
   置を前記第１の位置及び前記第２の位置のいずれとも異
   なる第３の位置又は当該第３の位置と対向する第４の位
   置とし、前記第１の方向と交差する第２の方向に電界強
   度のピークを有するように配列する第２の配列ステップ
   とを備えることを特徴とするアンテナ配列方法。
6. 【請求項６】 前記各ループアンテナとして、外側導電
   ループ及び内側導電ループを備え、当該外側導電ループ
   及び当該内側導電ループのいずれかに前記給電点が設け
   られたループアンテナを用いることを特徴とする請求項
   ５に記載のアンテナ配列方法。
7. 【請求項７】 前記第１の方向と前記第２の方向とを、
   互いに直交する方向とすることを特徴とする請求項５又
   は６に記載のアンテナ配列方法。
8. 【請求項８】 前記第１の方向に電界強度のピークを有
   するループアンテナと、前記第２の方向に電界強度のピ
   ークを有するループアンテナとを、互いに隣り合うよう
   に交互に配列することを特徴とする請求項５〜７のいず
   れかに記載のアンテナ配列方法。