JP2004208151A - ２周波数共用アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】２つのパッチアンテナ素子の給電点周りとアースとをコンパクトに構成する。
【解決手段】２つのアース主表面4a、4bを有するアース板４と、２つのアンテナ主表面6a、6bを有するパッチアンテナ素子６とが設けられ、アンテナ主表面6ｂが、アース板４のアース主表面4aと間隔を隔てて、ほぼ平行に配置されている。２つのアンテナ主表面20a、20bを有するパッチアンテナ素子20のアンテナ主表面20bが、アンテナ主表面6aと間隔を隔てて、アース主表面4a、4b及びアンテナ主表面6a、6bとほぼ平行に配置されている。パッチアンテナ素子６の給電点16からアース板４のアース主表面4b側に給電ピン18が導出されている。アンテナ主表面6bとアース主表面4aとに導電性スペーサ８の端部が接触し、それの長さ方向に沿ってめねじ10が形成されている。このめねじ10に絶縁性のおねじ12が螺合して、スペーサ８をアース板４に結合している。おねじ12には、挿通孔14が形成され、パッチアンテナ素子20の給電点26から挿通孔14を介してアース板４のアース主表面4b側に給電ピン28が導出されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも２つの周波数の電波を送受信することができる２周波数共用アンテナに関し、特にパッチアンテナを使用したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
パッチアンテナは、パッチアンテナ素子と、アース板とからなり、パッチアンテナを使用する周波数によって、パッチアンテナ素子の寸法とアース板の最小寸法とが定まる。また、必要とされる指向性等の性能によって、パッチアンテナ素子とアース板との間隔や、パッチアンテナ素子における給電位置が定まる。例えば、正方形のパッチアンテナ素子を使用する場合、送受信しようとする周波数が決定されると、その周波数の電波の約１／２波長の長さが基準となって、パッチアンテナ素子の一辺の長さが決定され、１波長の長さが基準となってアース板の一辺の寸法が決まる。指向性等の他の性能によって、パッチアンテナ素子とアース板との間隔が決定される。従って、パッチアンテナを小型化しようとしても、使用周波数やその他の性能によって最小寸法が決定される。
【０００３】
ところで、最近、インターネットへの接続のために、２．４ＧＨｚ帯の周波数の通信機器が使用されている。また、より高速、大容量を目的とした５．２ＧＨｚの周波数帯を使用した通信機器も一部で使用され始めている。そのため、２．４ＧＨｚ帯及び５．２ＧＨｚ帯の両周波数帯域において使用できるアンテナの要望が高まっている。さらに、上記のような目的で使用するアンテナとしては、卓上に設置しても、場所を取らない小型なアンテナが希望されている。例えば、インターネット接続用として充分な性能を持つ２．４ＧＨｚ帯用のパッチアンテナは、１０ｃｍ角で、厚さが１ｃｍのサイズに設計することができ、同５．２ＧＨｚ帯のパッチアンテナは、６ｃｍ角で、厚さが６ｍｍのサイズに設計することができる。
【０００４】
そのため、上述したようなパッチアンテナを２．４ＧＨｚ帯や５．２ＧＨｚ帯のアンテナとして使用することが考えられている。しかし、実際には２つの周波数に対応するためには、パッチアンテナ素子を２枚使用しなければならない。これら２つのパッチアンテナ素子を、１枚のアース板状に並べて配置する場合、小型化するために、２枚のパッチアンテナ素子を接近させて配置すると、２つのパッチアンテナ素子の間で干渉が生じ、所望の性能が得られなくなる。そのため、２つのパッチアンテナ素子の中心間を、２．４ＧＨｚ帯の電波の１波長以上、約１２．５ｃｍ以上を基準にして離しておく必要がある。そのため、アース板に長方形状のものを使用した場合、長辺の寸法が約２０ｃｍにもなる。即ち、２．４ＧＨｚ帯と５．２ＧＨｚ帯の２周波数に対応するアンテナを小型に設計する場合には、１つのアース板上に２つのパッチアンテナ素子を並べて配置する構成は不適である。また、アース板の長辺が大きいので、アンテナ全体も大きくなり、部品から梱包まで全て大型化するため、コストが高くなり、高価なアンテナとなる。
【０００５】
そこで、本願出願人は、２つのパッチアンテナ素子のうち、寸法の大きい２．４ＧＨｚ帯のパッチアンテナ素子を、アース板に平行に配置し、寸法の小さい５．２ＧＨｚ帯のパッチアンテナ素子を、２．４ＧＨｚ帯のパッチアンテナ素子の上に平行に重ねて配置した２周波数共用アンテナを提案した（特願２００２−１１２１７９号）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この提案を基に実際にアンテナを設計製作してみると、５．２ＧＨｚ帯用の正方形パッチアンテナ素子の一辺の長さは、１波長（約５７ｍｍ）の１／２である２８ｍｍ程度しかない。また、このパッチアンテナ素子をアースするため及びアース板に固定するために導電性のネジによってパッチアンテナ素子をアース板に、所望の間隔をあけて保持する。このために、パッチアンテナ素子の中央に、サイズがＭ３ネジ（頭部直径が約５．５ｍｍ）を設けると、給電点を設けることができる範囲は、このＭ３ネジの外縁からパッチアンテナ素子の辺までの直線距離の範囲である。この距離は、中心から辺までの距離である約１４ｍｍからＭ３ネジの頭部半径である約３ｍｍを減算したわずか約１１ｍｍである。そのため、給電点の周りとアースとは、コンパクトな構造にする必要があった。
【０００７】
本発明は、２つの周波数を送受信するために設けられた２つのパッチアンテナ素子の給電点周りとアースとをコンパクトに構成した２周波数共用アンテナを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による２周波数共用アンテナは、アース板を有している。このアース板は、導電性のもので、対向する２つのアース主表面を有している。第１周波数用の第１パッチアンテナ素子が、対向する２つの第１アンテナ主表面を有し、一方の第１アンテナ主表面が、アース板の一方のアース主表面と間隔を隔てて、ほぼ平行に配置されている。第２のパッチアンテナ素子も、対向する２つの第２アンテナ主表面を有している。一方の第２アンテナ主表面が、第１パッチアンテナ素子の他方の第１アンテナ主表面と間隔を隔てて、前記アース板のアース主表面及び第１のアンテナ主表面とほぼ平行に配置されている。第２周波数としては、第２パッチアンテナ素子を第１パッチアンテナ素子よりも小さくするために、第１の周波数用よりも高い周波数とすることが望ましい。第１及び第２パッチアンテナ素子としては、公知の種々の形状のものを使用することができ、例えば正方形または円形のものを使用することができる。第１パッチアンテナ素子の給電点から前記アース板の他方のアース主表面側に第１の給電部が導出されている。第１の給電部としては、例えば導電性の棒状部を使用することができる。導電性のスペーサの両端部が、一方の第１アンテナ主表面と一方のアース主表面とにそれぞれ接触している。このスペーサの内部には、その長さ方向に沿ってめねじが形成されている。このスペーサは、一方の端部を第１のパッチアンテナ素子に結合することもできるし、逆に、他方の端部をアース板に結合することもできる。この結合は、着脱不能な結合、例えばカシメ等とすることが望ましい。スペーサのめねじに絶縁性おねじが螺合している。この絶縁性おねじは、第１のパッチアンテナ素子にスペーサの端部が結合されている場合には、アース板側からスペーサ内に挿入され、アース板にスペーサの端部が結合されている場合には、第１のパッチアンテナ素子側から挿入される。即ち、スペーサが第１パッチアンテナ素子またはアース板に結合されている端部と反対側から挿通される。この絶縁性おねじには、スペーサの長さ方向に沿って挿通孔が形成されている。この挿通孔内を第２パッチアンテナ素子の給電からアース板の他方のアース主表面側に導出する第２の給電部が挿通されている。第２の給電部も、導電性の棒状部とすることが望ましい。第１及び第２の給電部は、アース板における第１及び第２のパッチアンテナ素子が配置されている側と反対側に設けた伝送ラインに接続することが望ましい。なお、第１のパッチアンテナ素子とスペーサとの結合またはアース板とスペーサとの結合にもねじを使用することができる。この場合、両ねじは、やはり絶縁性おねじを使用し、それらの内部に第２の給電部を挿通可能な挿通孔を形成する。
【０００９】
このように構成した２周波数共用アンテナでは、第１パッチアンテナ素子を電気的にアース板に接続する共に第１パッチアンテナ素子とアース板との間に所定の間隔を維持しているスペーサの内部を、第２パッチアンテナ素子からの第２給電部が通過している。従って、第１パッチアンテナ素子とアース板との電気的接続位置及び第１パッチアンテナ素子とアース板との間隔の保持位置と、第２パッチアンテナ素子の給電位置とが、平面的に見るとほぼ同一の位置で行われており、第２パッチアンテナ素子上にスペースが少なくても、第２パッチアンテナ素子の給電を確実に行うことができる。しかも、第２のパッチアンテナ素子の第２給電部は、絶縁性おねじ内を通して導出している。従って第２給電部は、導電性のスペーサ内に挿通された絶縁性のおねじ内に挿通されているので、いわゆる同軸ケーブルと同等の構成となり、不要な放射が第２の給電部から生じにくい。また、おねじによって、アース板とスペーサとの結合または第１パッチアンテナ素子とアース板との結合を行っているので、アース板は常に第１パッチアンテナ素子と機械的に結合されていない。従って、アース板には、他のパッチアンテナにも使用することができるアース板を共通に使用することができ、在庫管理が容易になる。但し、おねじに金属製のものを使用すると、おねじ内に挿通される第２の導電部がおねじに接触してショートし、第２パッチアンテナ素子が正常に動作しない。これを防止するために絶縁性おねじを使用している。
【００１０】
スペーサは、第１パッチアンテナ素子のほぼ中央に設けることが望ましい。即ち、第２の給電部が、第１パッチアンテナ素子のほぼ中央を通過することが望ましい。第１パッチアンテナ素子と第２パッチアンテナ素子との中心を重ね合わせた構造にすると、第２の給電部の位置が第１パッチアンテナ素子の中心とは離れた位置になる。第２の給電部からの放射が第１パッチアンテナ素子の電位に干渉し、第１パッチアンテナ素子のアンテナ性能を損なうことがある。そこで、第２パッチアンテナ素子の第２給電部が、第１パッチアンテナ素子の電位が最も影響を受けないほぼ中央のアース点を通過するように構成している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の１実施形態の２周波数共用アンテナ２は、第１の周波数、例えば２．４ＧＨｚ帯と第２の周波数、例えば５．２ＧＨｚ帯の２つの周波数帯において送受信が可能なものである。この２周波数共用アンテナ２は、各図に示すように、アース板４を有している。アース板４は、図１に示すように、相対向する２つのアース主表面４ａ、４ｂを有する導体、例えばアルミニウムまたは銅製の長方形状のものである。
【００１２】
このアース板４のアース主表面４ａと所定の間隔、例えば７ｍｍを隔てて、第１のパッチアンテナ素子、例えば２．４ＧＨｚ帯用パッチアンテナ素子６が配置されている。このパッチアンテナ素子６は、例えば正方形状に形成された導体、例えばアルミニウムまたは銅製のもので、その一辺の長さは、２．４ＧＨｚの電波の半波長（約６．２５ｃｍ）に選択されている。このパッチアンテナ素子６は、相対向するアンテナ主表面６ａ、６ｂを有している。これら主表面６ａ、６ｂが、アース板４の主表面４ａ、４ｂと平行になるように、パッチアンテナ素子６が配置されている。
【００１３】
このパッチアンテナ素子６とアース板４との間には、これらと直交するようにスペーサ８が配置されている。スペーサ８は、導体で剛性の大きい材料、例えばアルミニウムまたは銅製の円柱状のものである。このスペーサ８の一端部が、図３に示すように、パッチアンテナ素子６の中央に機械的結合、例えばカシメられている。このスペーサ８の他端部は、アース板４のアース主表面４ａに接触している。従って、スペーサ８も７ｍｍの長さを有している。図１に示すように、このスペーサ８の内部には、その長さ方向に沿って一端部から他端部まで挿通孔が形成されている。その挿通孔には、その長さ方向に沿ってめねじ１０が形成されている。このめねじ１０には、アース板４のアース主表面４ｂ側から、絶縁性おねじ１２が、中途まで螺合しており、スペーサ８をアース板４に固定している。絶縁性おねじ１２の先端は、アース主表面４ａから例えば４．８ｍｍの位置に位置している。パッチアンテナ素子６は、アース板４と所定の間隔を隔てて保持されると共に、パッチアンテナ素子６の中央が接地されている。この絶縁性おねじ１２は、樹脂成形されたもので、その中央には、長さ方向に沿って挿通孔１４が形成されている。
【００１４】
図３に示すように、パッチアンテナ素子６の主表面６ａにおいて中心から離れた所定の位置に給電点１６が設けられている。この給電点１６は、水平または垂直偏波の電波を受信するかによって、その位置が変化するが、この給電点１６には、図１に示すように、第１の給電部、例えば細い棒状の給電ピン１８の一端が半田付けされている。この給電ピン１８は、パッチアンテナ素子６を垂直に貫通し、アース板４側に伸び、アース板４のアース主表面４ａ、４ｂを貫通して、アース主表面４ｂ側に突出している。
【００１５】
パッチアンテナ素子６の主表面６ａと間隔を隔てて、第２のパッチアンテナ素子、例えば５．２ＧＨｚ帯用のパッチアンテナ素子２０が配置されている。このパッチアンテナ素子２０は、相対向する主表面２０ａ、２０ｂを有する導体、例えばアルミニウムまたは銅製のもので、概略正方形状に形成されている。このパッチアンテナ素子２０の一辺の長さは、５．２ＧＨｚの電波の半波長（約２．９ｃｍ）に選択されている。このパッチアンテナ素子２０のアンテナ主表面２０ａ、２０ｂが、パッチアンテナ素子６の主表面６ａ、６ｂと平行になるように、パッチアンテナ素子２０は、パッチアンテナ素子６と所定の間隔を隔てて配置されている。
【００１６】
図３に示すように、このパッチアンテナ素子２０の中心には、結合具、例えばおねじ２２が挿通されている。このおねじ２２は、図１に示すように、パッチアンテナ素子２０に直交して、パッチアンテナ素子６に伸び、その先端部がパッチアンテナ素子６に螺合している。このおねじ２２は、導電性のもので、アンテナ素子２０をパッチアンテナ素子６に取り付けると共に、パッチアンテナ素子２０の中心をパッチアンテナ素子６に電気的に結合するために使用されている。アース板４とパッチアンテナ素子６とをスペーサ８で電気的に結合させ、スペーサ８の挿通孔に給電ピン２８を挿通することにより、パッチアンテナ素子２０をアース板として機能させている。おねじ２２は、パッチアンテナ素子２０とパッチアンテナ素子６との間隔を所定の間隔に維持するための絶縁性のスペーサ２４内に挿通され、パッチアンテナ素子６、２０にそれぞれ端部が接触している。おねじ２２は、例えばＭ３サイズのものである。
【００１７】
パッチアンテナ素子２０の主表面２０ａは、図３に示すように、水平または垂直偏波の電波を送受信するための給電点２６を有している。図１に示すように、この給電点２６がスペーサ８の中心と一致するように、パッチアンテナ素子２０は、パッチアンテナ素子６上に配置されている。この給電点２６に、第２の給電部、例えば細長い給電ピン２８の一端が半田付けされ、その先端部は、パッチアンテナ素子２０に直交して、スペーサ８内に侵入し、絶縁性のおねじ１２の挿通孔１４を通って、アース板４のアース主表面４ｂ側に導出されている。絶縁性のおねじ１２内を給電ピン２８が通っているので、給電ピン２８の位置がずれても、スペーサ８と電気的に接続されることはない。
【００１８】
アース板４のアース主表面４ｂ側には、これに接触した状態で、基板スペーサ３０が配置されている。この基板スペーサ３０も相対向する主表面３０ａ、３０ｂを有し、主表面３０ａがアース板４のアース主表面４ｂに接触している。基板スペーサ３０の主表面３０ｂ側に基板３２が配置されている。この基板３２も、相対向する主表面３２ａ、３２ｂを有し、主表面３２ａが基板スペーサ３０の主表面３０ｂに接触している。基板３２の主表面３２ｂ側には、伝送路（図示せず）が形成されている。この伝送路には、給電ピン１８、２８の先端部が半田付けされている。この伝送路は、図示していないが、給電線、例えば同軸ケーブルに接続され、所定の通信機器に接続される。なお、アース板４の短辺及び長辺の長さは、２．４ＧＨｚの１波長（１２．５ｃｍ）よりも長い長さにそれぞれ選択されている。
【００１９】
このように構成された２周波数共用アンテナ２の組み立ては、例えば次のように行われる。パッチアンテナ素子６にスペーサ８をカシメる。次にパッチアンテナ素子２０を絶縁性スペーサ２４を介しておねじ２２によってパッチアンテナ素子６に取り付ける。スペーサ８の端部をアース板４の主表面４ａに接触させて、主表面４ｂ側から絶縁性おねじ１２によってアース板４にスペーサ８を固定する。図２に示すように、基板スペーサ３０と基板３２とを積層して、基板スペーサ３０の主表面３０ａをアース板４の主表面４ｂに接触させ、適当なねじ（図示せず）によってアース板４に取り付ける。給電ピン２８を給電点２６から絶縁性おねじ１２の挿通孔１４を通して基板３２側に引き出し、給電ピン２８の両端部をパッチアンテナ素子２０の主表面２０ａ側及び基板３２の主表面３２ｂ側に半田付けする。同様に給電点１６から給電ピン１８を挿通し、基板３２に通し、給電ピン１８の両端部をパッチアンテナ素子６の主表面６ａ側及び基板３２の主表面３２ｂ側に半田付けする。
【００２０】
この２周波数共用アンテナ２では、２．４ＧＨｚ帯のパッチアンテナ素子６をアース板４に対して固定すると共に電気的に接続するために用いているスペーサ８内に、５．２ＧＨｚ帯のパッチアンテナ素子２０の給電ピン２８を通しているので、２．４ＧＨｚ帯のパッチアンテナ素子６の接地と、５．２ＧＨｚ帯のパッチアンテナ素子２０の給電とを平面的に見て同じ場所で行うことができる。従って、２周波数共用アンテナ２を小型化することができる。しかも、給電ピン２８は、パッチアンテナ素子６の電位が零である部分（パッチアンテナ素子６の中心）を通過するので、パッチアンテナ素子６のアンテナ性能に影響を殆ど与えない。しかも、スペーサ８と、絶縁性おねじ１２と給電ピン２８とが同軸構造をなすので、スペーサ８の周囲に５．２ＧＨｚ帯の電波の放射が殆ど生じることがなく、益々パッチアンテナ素子６のアンテナ性能にパッチアンテナ素子２０が影響を与えることがない。また、アース板４は、絶縁性おねじ１２によってスペーサ８に結合されている。従って、アース板４は、他のパッチアンテナ、例えば２．４ＧＨｚ帯専用のパッチアンテナに使用するアース板と共通のものを使用することができる。もし、パッチアンテナ素子６とスペーサ８との結合、アース板４とスペーサ６との結合を、それぞれカシメまたは溶接によって行ったなら、他のパッチアンテナと共通に使用可能なアース板４であるにも拘わらず、パッチアンテナ素子の寸法がパッチアンテナの機種によって異なるため、アース板４とパッチアンテナ素子とが固定されて大きなサイズとなって部品を他種類在庫管理しなければならない。しかし、絶縁性おねじ１２によってアース板４とスペーサ８とを結合するようにすれば、アース板４は、他の機種と共通に使用することができ、在庫管理が容易になる。
【００２１】
上記の実施の形態では、スペーサ８はパッチアンテナ素子６側にカシメられ、アース板４側で絶縁性おねじ１２によってねじ止めされたが、逆にスペーサ８をアース板４側にカシメて、パッチアンテナ素子６とスペーサ８とをおねじ１２によって螺合することもできる。或いは、スペーサ８をアース板４及びパッチアンテナ素子６それぞれにねじ止めすることもできる。上記の実施の形態では、パッチアンテナ素子６、２０は、共に正方形状のものを使用したが、これに限ったものではなく、公知の種々のパッチアンテナ素子、例えば円形のパッチアンテナ素子を使用することもできる。また、上記の実施の形態では、スペーサ８はパッチアンテナ素子６の中心に配置したが、場合によっては、中心以外の位置に配置することもできる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、第１の周波数用のパッチアンテナ素子のアース板への電気的接続及びアース板への機械的結合を行うスペーサの内部に、第２周波数用のパッチアンテナ素子の給電部を通過させるように構成しているので、第２のパッチアンテナ素子への給電と、第１パッチアンテナ素子及びアース板の電気的及び機械的接続とを平面的に見た場合、同一箇所で行っているので、２周波数共用アンテナを小型化することができる。さらに、アース板がパッチアンテナ素子と分離可能であるので、アース板は他のパッチアンテナに使用するものと共通のものを使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態の２周波数共用アンテナの縦断側面図である。
【図２】図１の２周波数共用アンテナの組み立て図である。
【図３】図１の２周波数共用アンテナの平面図である。
【符号の説明】
２ ２周波数共用アンテナ
４ アース板
４ａ ４ｂ アース主表面
６ ２．４ＧＨｚ帯用パッチアンテナ素子（第１周波数パッチアンテナ素子）
６ａ ６ｂ アンテナ主表面（第１アンテナ主表面）
８ スペーサ
１０ めねじ
１２ 絶縁性おねじ
１４ 挿通孔
１８ 給電ピン（第１の給電部）
２０ ５．２ＧＨｚ帯用パッチアンテナ素子（第２周波数パッチアンテナ素子）
２０ａ ２０ｂ アンテナ主表面（第２アンテナ主表面）
２８ 給電ピン（第２の給電部）

Claims (2)

1. 対向する２つのアース主表面を有するアース板と、
   対向する２つの第１アンテナ主表面を有し、一方の第１アンテナ主表面が、前記アース板の一方のアース主表面と間隔を隔てて、ほぼ平行に配置された第１周波数用の第１パッチアンテナ素子と、
   対向する２つの第２アンテナ主表面を有し、一方の第２アンテナ主表面が、第１パッチアンテナ素子の他方の第１アンテナ主表面と間隔を隔てて、前記アース板のアース主表面及び第１のアンテナ主表面とほぼ平行に配置された第２周波数用の第２パッチアンテナ素子と、
   前記第１パッチアンテナ素子の給電点から前記アース板の他方のアース主表面側に導出された第１の給電部と、
   前記第１パッチアンテナ素子の一方の第１アンテナ主表面と前記一方のアース主表面とにそれぞれ端部が接触し、前記一方の第１アンテナ主表面と前記アース主表面とを繋ぐ方向に沿って内部にめねじを有する導電性のスペーサと、
   前記めねじに螺合して前記スペーサと前記アース板または前記スペーサと前記第１パッチアンテナ素子とを結合し、前記スペーサの長さ方向に沿って挿通孔が形成された絶縁性おねじと、
   前記第２パッチアンテナ素子の給電点から前記挿通孔を介して前記アース板の他方のアース主表面側に導出された第２の給電部とを、
   具備する２周波数共用アンテナ。
2. 請求項１記載の２周波数共用アンテナにおいて、前記スペーサは、第１パッチアンテナ素子のほぼ中央に位置する２周波数共用アンテナ。

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