JP2004266618A - アンテナユニット - Google Patents

Abstract

【課題】広角度に亘って均一の指向特性及び安定した利得が得られると共に、シールド効果を兼ね備えたアンテナユニットを提供することである。
【解決手段】導体基板１３及びこの導体基板１３に接地される平面状のアンテナエレメント１２からなる放射器１５と、前記アンテナエレメント１２の放射面１８に対向した反射面１６を有するリフレクタ１７とを備え、前記放射面１８と反射面１６との離間距離ｄを１／８波長以下に設定した。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オフィスあるいはホーム内で使用されるワイヤレス機器に搭載可能な広角指向性を備えた小型のアンテナユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から放射器に反射板（リフレクタ）を組み合わせたアンテナユニットが実用化されている。このタイプのアンテナユニットは、指向性を狭めて高利得を得ることを目的としており、代表的なものとして、平面金属板を中央で折り曲げて形成されたリフレクタの間に放射器を設置した構造のコーナリフレクタアンテナがある。また、マイクロ波帯のアンテナユニットであれば、電磁ホーンのような開口面アンテナやリフレクタ付ダイポールアンテナのような主放射方向に大きな利得を有するアンテナエレメントを一次放射器とし、これをパラボラ型の反射面の焦点に対向するように配設することで、前記パラボラの主軸方向に利得を持たせた鋭いビーム状の指向性を得るものもある。
【０００３】
また、パソコンやテレビのワイヤレス化に伴って、比較的帯域が広く小型化が可能な平面状のアンテナユニットも開発されてきている。このような平面状のアンテナユニットとしては、導体基板上に逆Ｆ型の平面アンテナエレメントを接地した逆Ｆ型アンテナや、誘電体ブロックの表面にアンテナエレメントとなるパターンを印刷形成した誘電体チップアンテナがある。例えば、特許文献１に示すような逆Ｆアンテナもその一つである。このようなアンテナユニットは、比較的広い指向性を備えると共に製作や調整が容易となっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−２２０１８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のリフレクタを備えたアンテナユニットにあっては、設置する方向によって、指向性や利得が変化してしまう場合がある。特に、主放射方向に対しては比較的高い利得が得られるものの、主放射方向から外れた領域では利得が低下してしまう。一方、逆Ｆ型アンテナや誘電体チップアンテナにあっては、広角な指向性を有しているものの、放射方向によってばらつきが大きいといった問題がある。このようなことから、ワイヤレス化が進むパソコン、テレビあるいはその周辺機器に搭載可能となり、且つ広角度に亘って均一な利得が得られるような小型のアンテナユニットが実用化されていなかった。
【０００６】
そこで、本発明の第１の目的は、小型であると共に、広角度に亘って均一の指向特性及び安定した利得が得られるアンテナユニットを提供することである。
【０００７】
また、本発明の第２の目的は、広角な指向特性及び安定した利得が得られると共に、ワイヤレス機器に組み込んだ際に、シールド効果も同時に得ることができるアンテナユニットを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のアンテナユニットは、導体基板及びこの導体基板に接地される平面状のアンテナエレメントからなる放射器と、前記アンテナエレメントの放射面に対向した反射面とを備え、前記放射面と反射面との離間距離が１／８波長以下に設定されていることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、放射器からの一次放射による伝播領域と、反射面からの二次放射による伝播領域とが重なり合って広角で均一な指向特性を得ることができる。特に、前記放射器に備えるアンテナエレメントの放射面と、この放射面に対向して設けられる反射面との離間距離を送受信する波長の１／８以下に設定したことで、一次放射と二次放射の電波が打ち消し合うことなく、広い領域に亘って伝播させることが可能となる。
【００１０】
また、本発明のアンテナユニットは、送信及び受信のいずれか一方又は双方の機能を備えた回路部と、導体基板及びこの導体基板に接地される平面状のアンテナエレメントからなる放射器と、この放射器と回路部との間にあって、前記アンテナエレメントの放射面に対向させた反射面とを備え、前記放射面と反射面との離間距離が１／８波長以下に設定されることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、放射器と回路部との間に反射面を挟んだ構成となるので、前記反射面が本来の放射器から発せられる電波を反射させる機能と、回路部から漏れる電磁波や外部の機器から進入する電磁波をシールドする機能を併せ持つことになる。このため、アンテナユニットを組み込む機器の電磁障害及び外部に及ぼす電磁妨害による影響が低減されると共に、小型化も図られる。
【００１２】
また、前記反射面を伝播環境や条件に応じて放射面に対して平行面若しくは凸状面から選択することができる。
【００１３】
前記放射面と反射面との離間距離は、送受信する周波数の波長に応じて設定されるが、放射器を構成する導体基板の一辺が１／４波長に対して、放射面と反射面との離間距離を１／８乃至１／２５波長の範囲に設定した場合に、水平方向に対して略全方向に近い広角な指向性と最大利得が得られる。
【００１４】
また、前記反射面を放射面の等倍以上の広さに形成することによって、反射波を広角度に伝播させて利得を高めることができる。さらに、送信及び受信のいずれか一方又は双方の機能を備えた回路部が内蔵されている機器に組み込んだ際に、回路部をシールドする面積が広くなるので、電磁波による障害を最小限に抑えることが可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明に係るアンテナユニットの実施形態を詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明に係るアンテナユニットの第１実施形態を示したものである。このアンテナユニット１１は、マイクロ波や準マイクロ波帯のワイヤレス機器などに搭載されるもので、アンテナエレメント１２、このアンテナエレメント１２が接地される導体基板１３、この導体基板１３に送信信号又は受信信号を通す給電線１４とを備えた放射器１５と、この放射器１５から発せられる電波を所定方向に反射伝播させる反射面１６を備えた反射板（リフレクタ１７）とから構成されている。
【００１７】
前記アンテナエレメント１２は、図２に示すように、金属製の平板で形成された逆Ｆ型のエレメントを使用している。このアンテナエレメント１２は、平板状の放射面１８と、この放射面１８の先端をＬ字状に折り曲げて導体基板１３に接地する接地部１２ａと、前記放射面１８の途中から導体基板１３に繋がる給電部１２ｂとで構成され、前記放射面１８に対して略直線状に伝播する直線偏波特性を備えている。導体基板１３は、両面若しくは片面に銅箔が貼着されたプリント基板が用いられ、一辺ａが１／４波長の長さの四角形状で構成されている。この導体基板１３は電気的にグランド面を構成し、片面に前記アンテナエレメント１２が接地され、反対面に図示しないワイヤレス機器から送信信号又は受信信号を供給するための給電線１４が接続される。
【００１８】
前記リフレクタ１７は、図１に示したように、四角形状の薄い金属板で構成され、アンテナエレメント１２に対向する面が平坦な反射面１６になっている。このリフレクタ１７による反射効率を高めるためには、表面積を前記導体基板１３と同じか、それ以上の大きさに形成する必要がある。ただし、あまり表面積を広げ過ぎると組み込む装置の小型化が図られないので、一辺ａが１／４波長サイズに形成された導体基板１３に対して、１．５〜２倍程度の広さに形成するのが好ましい。
【００１９】
図３は、前記放射器１５とリフレクタ１７とで構成されたアンテナユニット１１の水平断面を示したものである。図に示されるように、反射面１６をアンテナエレメント１２の放射面１８から離間距離ｄ（１／２５波長分）に設定して配設する。このような離間距離ｄを保持することによって、アンテナエレメント１２の放射面１８から直接放射される直接波と反射面１６によって反射された反射波とで水平方向に対して約２７０度の範囲で電波を伝搬させることが可能となる。本実施形態では、一辺ａが１／４波長サイズの正方形状の導体基板１３に対して、離間距離ｄを１／２５波長に設定したときに、放射器１５からの直接波とリフレクタ１７による反射波が略均等となって、略全方向に近い指向特性が得られた。なお、リフレクタ１７はアンテナエレメント１２の放射面１８に対して厳密に平行でなくてもよく、放射面１８の中心を支点として、その両端が放射面１８に対して±３０°以内の傾きであれば、指向性及び利得に大きな変化がないので、実使用上問題ない。
【００２０】
以上説明したように、前記構造のアンテナユニット１１にあっては、放射面１８と反射面１６とを対向させると共に、１／８波長以下の離間距離ｄを保持しているため、アンテナエレメント１２の放射面１８から直線状に伝播する直接波（仮想線ｘ）と、リフレクタ１７によって前記直接波が逆方向に反射された反射波（仮想線ｙ）とが打ち消し合うことなく、略全方向に近い範囲をカバーする指向性と高い利得が得られることとなる。
【００２１】
図４は本発明に係るアンテナユニットの第２実施形態を示したものである。このアンテナユニット２１は、導体基板２３の上にパッチ状のアンテナエレメント２２を備えた放射器２５と、この放射器２５に向かって凸状面２７ａを形成するリフレクタ２７とで構成される。前記アンテナエレメント２２は、図５に示すように、誘電体基板２２ａの上面に、パッチと呼ばれる導電箔の平面状放射体２２ｂを印刷形成したものであり、主放射方向に対して円偏波特性を有している。このような構造からなる放射器２５は、平面状放射体２２ｂの表面（放射面２８）が主放射方向となっており、この主放射方向に沿って右線円偏波が発生し、背面方向にはＦＢ比１０ｄＢ程度の左線円偏波が発生する。前記導体基板２３は、第１実施形態と同様に、一辺ａが１／４波長のサイズに形成される。
【００２２】
一方、前記リフレクタ２７は、図４に示したように、前記アンテナエレメント２２の放射面２８に向けた凸状面２７ａを形成しており、この凸状面２７ａが反射面２６となっている。前記反射面２６の曲率半径は任意に設定可能であるが、放射器２５からの直接波とのバランス及びサイズ等を考慮してπ／２ラジアンに設定される。また、その表面積は、第１実施形態と同様に、１／４波長の導体基板２３に対して１．５〜２倍程度に設定される。
【００２３】
図６は、前記放射器２５とリフレクタ２７とを組み付けてアンテナユニット２１を構成したときの水平断面図である。図に示すように、本実施形態では、アンテナエレメント２２の放射面２８の中心部２８ａと反射面２６の中心部２６ａとの位置を合わせて配設しており、中心部２８ａ，２６ａにおける離間距離ｄを１／２５波長に設定してある。特に、本実施形態では、反射面２６が放射面２８に向かって凸状面２７ａを形成しているため、放射器２５から発せられる直接波（仮想線ｘ）を広角な反射波（仮想線ｙ）として伝播させることができる。また、放射器２５に円偏波特性を備えた誘電体パッチ型のアンテナエレメント２２を使用しているため、マルチパス障害に対して強いといった利点がある。なお、本実施形態で説明した凸状面２７ａを有するリフレクタ２７と、前記第１実施形態のような直線偏波特性を備えた逆Ｆ型のアンテナエレメント１２との組み合わせによっても、略全方向に近い広角な指向特性が得られること勿論である。
【００２４】
上記実施形態では、逆Ｆ型あるいは誘電体パッチ型のアンテナエレメント１２，２２と、リフレクタ１７，２７の反射面１６，２６との離間距離ｄを１／２５波長に設定したが、１／８波長以下であれば、反射波の位相変化が小さいので、利得が低減することなく広角な指向性を得ることができる。したがって、この範囲での柔軟な設計が可能である。また、上記第１実施形態及び第２実施形態では、図７中の（ａ）に示すように、アンテナエレメント１２，２２の放射面１８，２８と反射面１６，２６との中心が一致するように組み合わせたが、（ｂ），（ｃ）のように放射面１８，２８に対して反射面１６，２６が４／５以上重なる範囲であれば水平方向に対して約２７０度の広角な指向性及び均一な利得の改善効果が現れる。このため、アンテナユニットの設置位置や電波のレベルに応じてアンテナエレメント１２，２２の位置を調整し、最良の送受信状態に設定することができる。上記実施形態では反射面１６，２６を四角形状にしたが、このような形状に限られることなく、必要十分な反射率が確保できれば、円形や楕円形、その他の多角形状にしても同様の効果が得られる。
【００２５】
図８は、上記第１実施形態で説明したアンテナユニット１１をワイヤレス機器３１の筐体３２内に組み込んだときの実装形態を示したものである。前記ワイヤレス機器３１は、例えば、パソコンやテレビに接続して使用される送受信装置として利用されるものであり、筐体３２の内部には送受信回路や電源回路などで構成される回路部３３と、放射器１５及びリフレクタ１７からなるアンテナユニット１１とが組み込まれる。アンテナユニット１１は、リフレクタ１７を放射器１５と回路部３３との間に配置した状態で設置され、リフレクタ１７の反射面１６が回路部３３とは反対側で放射器１５と向き合っている。なお、前記アンテナユニット１１は、導体基板１３から延びる給電線１４を介して回路部３３から送信信号又は受信信号を供給している。
【００２６】
従来、ワイヤレス機器には送受信を行う発振回路及び各種信号処理のためのデジタル回路を内蔵しているため、電磁放射対策や静電気障害対策として機器内に金属製のシールド板を設置する必要があったが、上述した実施形態では、回路部３３とアンテナエレメント１２との間をリフレクタ１７で遮断する構造となっているのでシールド機能も併せ持つこととなり、放射器１５及びリフレクタ１７の指向特性や利得が回路部３３から発せられる有害な電磁波又は外部から進入する電磁妨害による影響を受けにくくなる。また、別途筐体３２内にシールド板を配置する必要がなくなることから、ワイヤレス機器の小型化及び製品コストの低減化が図られる。なお、回路部３３からの電磁波の影響を低減するために、リフレクタ１７のサイズが回路部３３を完全にカバーするように形成するのが好ましい。このような筐体３２の内部で発生する有害な電磁波や静電気を抑えることで、筐体３２の外方向に面した主放射方向への指向特性が改善される。
【００２７】
前記図８に示した実装形態では反射面が平坦なリフレクタ１７について説明したが、反射波の指向性を変化させたい場合は、第２実施形態で示したような凸状面２７ａに形成されたリフレクタ２７に置き換えてもよい。また、放射器のアンテナエレメントも第１実施形で示した逆Ｆ型あるいは第２実施形態で示した誘電体チップ型のいずれを選択することもできるが、円偏波特性を備えた誘電体チップ型を採用した場合は、マルチパス障害を低減させる効果がある。さらに、アンテナユニットを組み込む筐体の形状に応じて放射器とリフレクタとを中心から所定のオフセットを設けて対向配置することで、ワイヤレス機器に応じた最適な指向性及び利得を得ることができる。
【００２８】
図９は上記第１実施形態及び第２実施形態のアンテナユニット１１，２１と従来の逆Ｆ型のアンテナユニットとの指向特性及び利得の違いを示したものである。ここで、（ａ）は本発明のアンテナユニット、（ｂ）は従来の逆Ｆ型のアンテナユニットの特性である。この特性図は、サンプルとして、本発明のアンテナユニットと従来のアンテナユニットを２個ずつ用意し、送信や受信機能を備えた回路部が実装されたワイヤレス機器に搭載して電波伝搬方向及びその利得を測定したものである。この特性図からわかるように、本発明のアンテナユニットにあっては、従来のアンテナユニットに比べて、放射器からの直接波とリフレクタによる反射波との相乗効果によって、略全方向に近い範囲に亘って１０ｄＢ以上の利得の改善効果が得られた。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアンテナユニットによれば、小型及び薄型化が可能な平面状のアンテナエレメントと、このアンテナエレメントに対して１／８波長以下の距離をおいて配設した反射面とを組み合わせた構造にしたので、パソコン、テレビ等の小型のワイヤレス機器にも搭載することができる。また、略全方向に近い範囲の指向特性が得られることから、ワイヤレス機器を移動したり、設置場所を変えりした場合でも利得の変化のない良好な送受信状態を維持することができる。
【００３０】
また、前記アンテナユニットをワイヤレス機器に組み込む際に、金属製の反射板を筐体内で送受信回路や電源回路等の電磁波を発する領域を遮蔽する位置に配置することによって、シールド効果も同時に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアンテナユニットの第１実施形態の斜視図である。
【図２】上記第１実施形態におけるアンテナユニットの放射器の斜視図である。
【図３】上記第１実施形態におけるアンテナユニットの放射器とリフレクタとの位置関係を示す説明図である。
【図４】本発明に係るアンテナユニットの第２実施形態の斜視図である。
【図５】上記第２実施形態におけるアンテナユニットの放射器の斜視図である。
【図６】上記第２実施形態におけるアンテナユニットの放射器とリフレクタとの位置関係を示す説明図である。
【図７】アンテナエレメントと反射面との位置関係を示す説明図である。
【図８】上記第１実施形態のアンテナユニットの実装形態を示す斜視図である。
【図９】本発明のアンテナユニットと従来のアンテナユニットの指向性及び利得を比較した特性図である。
【符号の説明】
１１，２１ アンテナユニット
１２，２２ アンテナエレメント
１３，２３ 導体基板
１５，２５ 放射器
１６，２６ 反射面
１７，２７ リフレクタ
１８，２８ 放射面
３１ ワイヤレス機器
３２ 筐体
３３ 回路部

Claims (6)

1. 導体基板及びこの導体基板に接地される平面状のアンテナエレメントからなる放射器と、
   前記アンテナエレメントの放射面に対向した反射面とを備え、
   前記放射面と反射面との離間距離が１／８波長以下に設定されていることを特徴とするアンテナユニット。
2. 送信及び受信のいずれか一方又は双方の機能を備えた回路部と、
   導体基板及びこの導体基板に接地される平面状のアンテナエレメントからなる放射器と、
   この放射器と回路部との間にあって、前記アンテナエレメントの放射面に対向させた反射面とを備え、
   前記放射面と反射面との離間距離が１／８波長以下に設定されるアンテナユニット。
3. 前記反射面が放射面に対して平行面若しくは凸状面を形成している請求項１又は２記載のアンテナユニット。
4. 前記導体基板の一辺が１／４波長、放射面と反射面との離間距離が１／８乃至１／２５波長の範囲に設定された請求項１又は２記載のアンテナユニット。
5. 前記反射面が放射面と等倍若しくはそれ以上の広さに形成される請求項１又は２記載のアンテナユニット。
6. 前記アンテナエレメントが逆Ｆ型又は誘電体パッチで構成される請求項１又は２記載のアンテナユニット。

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