JP2004320115A

JP2004320115A - 複合アンテナ

Info

Publication number: JP2004320115A
Application number: JP2003107602A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Masutani; 武増谷
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2004-11-11
Also published as: US7071878B2; US20040239568A1

Abstract

【課題】本発明は、アンテナに関するものであり、複数の周波数帯域の送受信が可能で、かつ小型の複合アンテナを提供することを目的とする。
【解決手段】平面状のパッチアンテナ１０に、所定の間隔で対向して環状のリングアンテナ１１ａ，１１ｂを配置する構成とすることによって、環状の上アンテナ電極と、平面アンテナ電極との相互間の放射効率が損なわれることはなく、複数の周波数帯域の送受信が可能で、かつ小型の複合アンテナ１００を得ることができるという有利な効果が得られる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車載用などの移動体無線装置に用いられる複合アンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車載用などの移動体無線装置のアンテナとしては、衛星利用測位システム（ＧＰＳ）や道路交通情報システム（ＶＩＣＳ）、有料道路自動料金収受システム（ＥＴＣ）などの複数の周波数帯域の信号を送受信可能に、個別の周波数帯域のアンテナを一体にして構成した複合アンテナの要求が高まっている。
【０００３】
このような従来の複合アンテナについて、図５〜図６を用いて説明する。
【０００４】
図５は従来の複合アンテナの斜視図であり、同図において、５１は銅材などの平板状の接地電極、５２は接地電極５１の上面に設けた誘電材からなる誘電体基板、５３ａ，５３ｂは誘電体基板５２の同一平面上に並列配置された銅材などの平面状のアンテナ電極で、アンテナ電極５３ａ，５３ｂは各々給電端子（図示せず）を給電部５４ａ，５４ｂに接続されて、複合アンテナ５００が構成されている。
【０００５】
以上の構成において、アンテナ電極５３ａはｆ１の周波数帯域の信号を送受信し、アンテナ電極５３ｂはｆ２の周波数帯域の信号を送受信するものであった。
【０００６】
他方、図６に示した従来の別形態の複合アンテナは、小型化の要求に対応したもので、平板状の接地電極６１の上に、第１のアンテナ電極６３ａを備えた第１の誘電体基板６２ａを載置して、第１の平面アンテナ６０１を形成している。
【０００７】
更に、この第１の平面アンテナ６０１の上に、第２のアンテナ電極６３ｂを備えた第２の誘電体基板６２ｂを載置して、第２の平面アンテナ６０２を形成している。
【０００８】
そして、各給電端子６５ａ，６５ｂが接地電極６１などを貫通して、各アンテナ電極６３ａ，６３ｂの給電部６４ａ，６４ｂに接続されて、複合アンテナ６００が構成されている。
【０００９】
以上の構成において、第１の平面アンテナ６０１はｆ１の周波数帯域の信号を送受信し、第２の平面アンテナ６０２はｆ２（ここで、ｆ１＜ｆ２）の周波数帯域の信号を送受信している。
【００１０】
また、３つ以上の周波数帯域の信号を送受信可能にするには、上記同様に、第２の平面アンテナ６０２の上に、第３の平面アンテナを重ねて載置して、ｆ３の周波数帯域の信号を送受信するように構成されているものであった。
【００１１】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−２６６３４号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の複合アンテナ５００においては、複数の平面アンテナが１つの誘電体基板５２の同一平面上に並列配置されているため、複合アンテナとしての外形が大きくなり小型化が困難であるという課題があった。
【００１４】
他方、小型化を図った上記従来の複合アンテナ６００においては、複数の平面アンテナを積層して構成しているため、上下層の平面アンテナ間で互いの影響により放射効率（入力信号の大きさに対し放射される出力信号の大きさの比）が損なわれ、放射効率を５０％以上に高めるのが困難であった。
【００１５】
また、送受信できる周波数の数が増す毎に高さが大きくなるため、低背化が困難であるという課題があった。
【００１６】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、複数の周波数帯域の送受信が可能で、かつ小型の複合アンテナを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、以下の構成を有するものである。
【００１８】
本発明の請求項１に記載の発明は、第１の共振周波数を有する平面アンテナ電極に所定の間隔で対向して第２の共振周波数を有する環状の上アンテナ電極を配置する構成としたものであり、平面アンテナ電極と環状の上アンテナ電極間で互いの影響により放射効率が損なわれるのを少なくできるという作用を有する。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、上アンテナ電極を同心状に複数設けたものであり、３つ以上の周波数帯域の送受信が可能な複合アンテナを、その体積を増すこと無く実現できるという作用を有する。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、請求項２記載の発明において、外給電端子は、平面アンテナ電極の外で誘電体基板部に設けると共に、外側の上アンテナ電極に非接触に給電するとしたものであり、アンテナ間相互の電磁結合度を小さくできると共に、外側の上アンテナ電極へのインピーダンス整合を容易にできるという作用を有する。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、請求項２記載の発明において、内給電端子は、平面アンテナ電極の略中央に設けると共に、内側の上アンテナ電極に非接触に給電するとしたものであり、アンテナ間相互の電磁結合度を小さくできると共に、内側の上アンテナ電極へのインピーダンス整合を容易にできるという作用を有する。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、請求項２記載の発明において、外側の上アンテナ電極のリング幅を広くして、平面アンテナ電極の外形寸法と略同じとしたものであり、更に小型化が図れるという作用を有する。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、請求項５記載の発明において、外側の上アンテナ電極を、平面アンテナ電極の外で誘電体基板部から支持するとしたものであり、支持材による平面アンテナ電極のアンテナ特性への影響を小さくできるという作用を有する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図４を用いて説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１〜４記載の発明について説明する。
【００２６】
図１は本発明の第１の実施の形態による複合アンテナの斜視図、図２は同給電部の構造を示す要部断面図であり、同図において、１は銅や銅合金などからなる接地電極、２は接地電極１の上面に設けた誘電材からなる誘電体基板、３は誘電体基板２の上面に密着された銅や銅合金などの平面アンテナ電極で、３ａの給電部に接地電極１などを貫通した給電端子５が接続され平面アンテナ電極３を励振するように形成されている（以後、パッチアンテナ１０と記載する）。
【００２７】
ここで、誘電体基板２の樹脂材料としては、一般的にＰＰＥ（ポリフェンレンエーテル）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などのいわゆるエンジニアリングプラスチックが使用できる。
【００２８】
また、４ａは上記平面アンテナ電極３の上に配置された環状の外側の上アンテナ電極で、上アンテナ電極４ａは、樹脂などの支持部６ａによって平面アンテナ電極３の上面から所定の間隔ｈ１（図２参照）を有して対向配置されている。
【００２９】
そして、平面アンテナ電極３の外に接地電極１を貫通して延伸した板状の外給電端子５ａを、所定の高さで略直角に曲げて延伸し、上アンテナ電極４ａに非接触（７ａ部）に、かつ所定の間隔ｈ２を有して対向配置されて上アンテナ電極４ａが形成されている（以後、リングアンテナ１１ａと記載する）。
【００３０】
更に、４ｂはリングアンテナ１１ａと同様に、その内側に配置された同じく環状の内側の上アンテナ電極で、支持部６ｂによってリングアンテナ１１ａと略同じ高さｈ１の位置に支持されている。
【００３１】
そして、平面アンテナ電極３の略中央に接地電極１などを貫通して延伸した板状の内給電端子５ｂを、所定の高さで略直角に曲げて延伸し、上アンテナ電極４ｂに非接触（７ｂ部）に、かつ所定の間隔ｈ３を有して対向配置して上アンテナ電極４ｂが形成されている（以後、リングアンテナ１１ｂと記載する）。
【００３２】
上記、パッチアンテナ１０に対向して、リングアンテナ１１ａとリングアンテナ１１ｂを同心状に配置して複合アンテナ１００が構成されている。
【００３３】
なお、平面アンテナ電極３に設けた切欠き３ｃ、上アンテナ電極４ｂに設けた凸部４ｃは、それぞれ平面アンテナ電極３、上アンテナ電極４ｂを円偏波で動作するように摂動される摂動部である。
【００３４】
以上のように構成された複合アンテナ１００を、ＧＰＳなどの数ＧＨｚ帯に用いる場合の具体的な製作方法について以下説明する。
【００３５】
ここで、３つの動作周波数に対し、第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２、第３の周波数ｆ３の関係をｆ１＜ｆ２＜ｆ３とし、具体的には、ｆ１は１．５ＧＨｚ帯（ＧＰＳ用）、ｆ２は２．５ＧＨｚ帯（ＶＩＣＳ用）、ｆ３は５．８ＧＨｚ帯（ＥＴＣ用）として説明する。
【００３６】
まず、複合アンテナ１００の外形を決定する誘電体基板２を、その外形は第１の周波数ｆ１の波長の１／２で、更に１／√ε以上となる７０ｍｍ角で、厚さは３ｍｍとし、同じ外形の銅板からなる接地電極１の上面に密着して形成した。
【００３７】
ここで、誘電体基板２の誘電材は、比誘電率ε＝３の樹脂を用いている。
【００３８】
そして、パッチアンテナ１０となる平面アンテナ電極３を、銅材の薄板を用い、その外形は比誘電率ε＝３の誘電体基板２の上で第１の周波数ｆ１の１．５ＧＨｚ帯に共振させるべくｆ１の波長の約１／２で、更に１／√εとなる５６ｍｍ角として、誘電体基板２の上面に密着して形成した。
【００３９】
次に、リングアンテナ１１ａとなる環状の外側の上アンテナ電極４ａは、銅材の薄板を用い、その環状の幅の中心半径を、第２の周波数ｆ２の２．５ＧＨｚ帯に共振させるべく波長の約１／２π（ここで、πは円周率を示す）となる１９ｍｍとし、リング幅を２ｍｍとして形成した。
【００４０】
更に、リングアンテナ１１ｂとなる環状の内側の上アンテナ電極４ｂは、銅材の薄板を用い、その環状の幅の中心半径を、第３の周波数ｆ３の５．８ＧＨｚ帯に共振させるべく波長の約１／２π（ここで、πは円周率を示す）となる７．９ｍｍとし、リング幅を１ｍｍとして形成した。
【００４１】
そして、外側の上アンテナ電極４ａ、内側の上アンテナ電極４ｂと平面アンテナ電極３との間隔ｈ１（図２参照）は、３ｍｍとなるように支持部６ａ，６ｂにより夫々を支持している。
【００４２】
更に、各給電端子５ａ，５ｂと上アンテナ電極４ａ，４ｂとの間隔ｈ２，ｈ３（略ｈ２＝ｈ３）は、上記ｈ１より十分小さくして静電容量結合の給電とすることで、各給電端子５ａ，５ｂの給電による平面アンテナ電極３のアンテナ特性への影響を少なくするように形成している。
【００４３】
また、上アンテナ電極４ａ，４ｂへのインピーダンス整合は、上記間隔ｈ２，ｈ３の寸法を調整することによって行うことができる。
【００４４】
このように製作された複合アンテナ１００の放射効率η（入力信号の大きさに対し放射される出力信号の大きさの比）は、パッチアンテナ１０、リングアンテナ１１ａ，１１ｂの順に、夫々、約７６％、約８２％、約７６％であった。
【００４５】
従来技術の課題で述べたように複合アンテナ６００の放射効率ηの約５０％に対し、本発明の複合アンテナ１００は７５％以上であり、アンテナ特性の改善が図れることを確認した。
【００４６】
このように本実施の形態によれば、第１の共振周波数を有する平面アンテナ電極に所定の間隔で対向して第２の共振周波数を有する環状の上アンテナ電極を配置することによって、互いのアンテナ間での影響により放射効率が損なわれることなく、かつ小型の複合アンテナを得ることができるものである。
【００４７】
そして、上アンテナ電極を同心状に複数設けることによって、３つ以上の周波数帯域の送受信が可能な複合アンテナを、その体積を増すこと無く実現できるものである。
【００４８】
また、外給電端子を、平面アンテナ電極の外の誘電体基板部に設けることによって、平面アンテナ電極を貫通しないため、外給電端子で給電する際の高周波電磁界によるアンテナ相互の電磁結合度を小さくできると共に、外側の上アンテナ電極に非接触に静電容量結合により給電することによって、外側の上アンテナ電極のインピーダンス整合を容易にできるものである。
【００４９】
次に、内給電端子を、平面アンテナ電極の最も電位の低い略中央を貫通して設けることによって、内給電端子で給電する際の高周波電磁界によるアンテナ相互の電磁結合度を小さくできると共に、内側の上アンテナ電極に非接触に静電容量結合により給電することによって、内側の上アンテナ電極のインピーダンス整合を容易にできるものである。
【００５０】
（実施の形態２）
実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項１，５，６記載の発明について説明する。
【００５１】
ここで、実施の形態２は、上記実施の形態１に対し、更に小型化を図るためのものである。
【００５２】
なお、実施の形態１の構成と同一構成の部分には同一符号に対して、詳細な説明を簡略化する。
【００５３】
図３は本発明の第２の実施の形態による複合アンテナの斜視図であり、同図において、図１の実施の形態１に対し、誘電体基板２の樹脂を比誘電率εの大きな材料に替えたことと、外側の上アンテナ電極１４ａを中心半径Ｒは同じでリング幅Ｂを太くしたことであり、他の構成は、実施の形態１の場合と同様である。
【００５４】
まず、誘電体基板２の樹脂を比誘電率εの大きな材料にし、外側の上アンテナ電極１４ａのリング幅Ｂを広くして、外側の上アンテナ電極１４ａの外形寸法Φを、平面アンテナ電極３の外形ｗと略同じにし、更に、外側の上アンテナ電極１４ａを支持する支持部１６ａは、平面アンテナ電極３の外の誘電体基板２部に設けてリングアンテナ２１を形成している。
【００５５】
そして、前記実施の形態１と同様にパッチアンテナ１０に対向して、リングアンテナ２１とリングアンテナ１１ｂを同心状に配置して複合アンテナ２００が構成されている。
【００５６】
以上のように構成された複合アンテナ２００の寸法関係について以下説明する。
【００５７】
理解を容易にするために、各アンテナの動作周波数は、実施の形態１と同様にパッチアンテナ１０、リングアンテナ２１，１１ｂの順に、第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２、第３の周波数ｆ３の関係をｆ１＜ｆ２＜ｆ３とし、具体的には、ｆ１は１．５ＧＨｚ帯（ＧＰＳ用）、ｆ２は２．５ＧＨｚ帯（ＶＩＣＳ用）、ｆ３は５．８ＧＨｚ帯（ＥＴＣ用）として説明する。
【００５８】
まず、複合アンテナ２００の外形を決定する誘電体基板２を、比誘電率ε＝約５の樹脂を用いて、第１の周波数ｆ１の波長の１／２で、更に１／√ε以上となる５０ｍｍ角にして、厚さは３ｍｍとし、同じ外形の銅板からなる接地電極１の上面に密着して形成した。
【００５９】
そして、パッチアンテナ１０となる平面アンテナ電極３の外形を、比誘電率ε＝約５の誘電体基板２の上で第１の周波数ｆ１の１．５ＧＨｚ帯に共振させるべくｆ１の波長の約１／２で、更に１／√εとなる４４ｍｍ角とした。
【００６０】
次に、リングアンテナ２１となり第２の周波数ｆ２の２．５ＧＨｚ帯で動作する外側の上アンテナ電極１４ａのリング幅Ｂの中心半径Ｒを、実施の形態１に同じ１９ｍｍとし、リング幅ｂを中心半径Ｒの１／２の９．５ｍｍとして形成した。
【００６１】
この場合、外側の上アンテナ電極１４ａの外形Φは４８ｍｍとなり、平面アンテナ電極３の外形ｗの約４４ｍｍ角と略同じ寸法にできる。
【００６２】
更に、リングアンテナ１１ｂとなる環状の内側の上アンテナ電極４ｂの構成は、実施の形態１に同じである。
【００６３】
次に、上記複合アンテナ２００のアンテナ特性について図４を用いて以下説明する。
【００６４】
一般的に、リングアンテナにおいては、共振周波数を決定する主要なパラメータは、リング幅Ｂの中心半径Ｒであり、アンテナ特性の利得と帯域幅を決定するのは、平面アンテナ電極３との間隔ｈ１、リング幅Ｂ及び間隔ｈ１を占有する材料の比誘電率εである。
【００６５】
図４はリングアンテナの共振周波数における上記パラメータの関係による特性変化を示す特性図であり、ここで間隔ｈ１を占めるのは空隙であり、その比誘電率ε＝１、外側の上アンテナ電極１４ａの共振周波数を第２の周波数ｆ２の２．５ＧＨｚ帯（ＶＩＣＳ用）に共振するものとして説明する。
【００６６】
図４（ａ）は放射効率（入力信号の大きさに対し放射される出力信号の大きさの比）特性を示し、リングアンテナ２１の中心半径Ｒを一定とし、リング幅Ｂをリングの中心半径Ｒで表して、放射効率η［％］を間隔ｈ１＝１，２，３ｍｍについてシミュレーションしたものである。
【００６７】
図４（ｂ）は帯域幅特性を示し、リングアンテナ２１の中心半径Ｒを一定とし、リング幅ｂをリングの中心半径Ｒで表して、帯域幅ＢＷ［ＭＨｚ］を間隔ｈ１＝１，２，３ｍｍについてシミュレーションしたものである。
【００６８】
いずれの結果からも、リングアンテナ２１のリング幅Ｂが大きい程、かつパッチアンテナ１０とリングアンテナ２１との間隔ｈ１が大きいほど放射効率η、帯域幅ＢＷと特性は良好になる。
【００６９】
ここで、図４（ａ）中のａ１点、及び図４（ｂ）中のｂ１点が実施の形態１で示した上アンテナ電極４ａの場合であり、リング幅Ｂを中心半径Ｒの１／８とし、間隔ｈ１＝３ｍｍとした場合、放射効率ηは９０％で、帯域幅ＢＷは約１４ＭＨｚである。
【００７０】
一方、図４（ａ）中のａ２点、及び図４（ｂ）中のｂ２点が実施の形態２で示した上アンテナ電極１４ａの場合であり、リング幅Ｂを中心半径Ｒの１／２と広くすることで、間隔ｈ１＝２ｍｍあれば、放射効率ηは９４％で、帯域幅ＢＷは約１５ＭＨｚ確保できて、実施の形態１に比べて更に小型化が図れるものである。
【００７１】
このように本実施の形態によれば、外側の上アンテナ電極のリング幅を広くして、その外形寸法を、平面アンテナ電極と略同じとすることによって、アンテナ特性を維持して更に小型化が図れるものである。
【００７２】
また、外側の上アンテナ電極１４ａを、平面アンテナ電極３の外の誘電体基板部から支持することによって、支持部１６ａを誘電体基板２で一体に形成する場合、平面アンテナ電極３を貫通する必要が無いため、平面アンテナ電極３のアンテナ特性への影響度を小さくできるものである。
【００７３】
なお、上記では第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２、第３の周波数ｆ３の関係をｆ１＜ｆ２＜ｆ３とし、具体的には、ｆ１は１．５ＧＨｚ帯（ＧＰＳ用）、ｆ２は２．５ＧＨｚ帯（ＶＩＣＳ用）、ｆ３は５．８ＧＨｚ帯（ＥＴＣ用）として説明したが、これに限るものではなく、２つ以上の周波数帯で他の組合せであっても実施は可能である。
【００７４】
また、リングアンテナは環状の円環として説明したが、これに限るものではなく、多角形環であっても実施は可能である。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、平面状のパッチアンテナに所定の間隔で対向して環状のリングアンテナを配置する構成とすることによって、環状の上アンテナ電極と、平面アンテナ電極との相互間の放射効率が損なわれることはなく、かつ小型の複合アンテナを得ることができるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による複合アンテナの斜視図
【図２】同給電部の構造を示す要部断面図
【図３】本発明の第２の実施の形態による複合アンテナの斜視図
【図４】同特性図
【図５】従来の複合アンテナの斜視図
【図６】従来の別形態の複合アンテナの斜視図
【符号の説明】
１接地電極
２誘電体基板
３平面アンテナ電極
３ａ給電部
４ａ，４ｂ，１４ａ上アンテナ電極
５ａ，５ｂ給電端子
６ａ，６ｂ，１６ａ支持部
１０パッチアンテナ
１１ａ，１１ｂ，２１リングアンテナ
１００，２００複合アンテナ

Claims

接地電極と、この接地電極の上面に設けた誘電体基板と、この誘電体基板の上面に設けた平板状の平面アンテナ電極と、この平面アンテナ電極に所定の間隔で対向配置された上アンテナ電極とからなり、この上アンテナ電極を環状に形成すると共に、前記平面アンテナ電極と前記上アンテナ電極に別々に給電する複合アンテナ。
上アンテナ電極を、同心状に複数設けた請求項１記載の複合アンテナ。
平面アンテナ電極の外の誘電体基板部から、外側の上アンテナ電極に非接触に、かつ所定の間隔で対向する外給電端子を設けた請求項２記載の複合アンテナ。
平面アンテナ電極の略中央に、内側の上アンテナ電極に非接触に、かつ所定の間隔で対向する内給電端子を設けた請求項２記載の複合アンテナ。
外側の上アンテナ電極を、平面アンテナ電極の外形寸法と略同じとした請求項２記載の複合アンテナ。
外側の上アンテナ電極を、平面アンテナ電極の外の誘電体基板部から支持した請求項５記載の複合アンテナ。