JP2005260917A - 複合アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は複合アンテナに関し、３周波以上に動作周波数が増えても嵩高くなることのない複合アンテナを提供することを目的とする。
【解決手段】導体地板１１に素子間距離ｈを空けて対向すると共に、導体地板１１の中央に対称に２つのアンテナ素子１３を配置することによって、導体地板１１の中央に形成できた空間部に、公知の平面アンテナなどを配置できて、３周波以上に動作周波数が増えても嵩高くなることのない複合アンテナ２０を得ることができる。
【選択図】図１

Description

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。

近年、車載用などの移動体無線装置に用いられるアンテナとしては、線状で一つの動作周波数を有するモノポールアンテナが一般的に用いられてきたが、モノポールアンテナの線路長（アンテナ長）は動作周波数の約１／４波長以上必要であり、移動体に搭載する場合や可搬型の用途には適さないものであった。

さらに、移動体は、自動車電話、ＧＰＳ、ＶＩＣＳ（道路交通情報通信システム）、データ通信などのサービスの多様化が進展し、その用途毎にモノポールアンテナを用いると設置台数が増加するのみならず、車体の外部に取付けるため美観上の問題も指摘されていた。

そのため、これらの用途に対し、複数の動作周波数に対応し、車体の内外部に取付けられる薄型、小型の複合アンテナが提案されている。

このような従来の複合アンテナについて、図６を用いて説明する。

図６は従来の複合アンテナの縦断面図であり、同図において、５０は第１のアンテナで、導電板からなる導体地板５１と、これよりも小さな導電板からなるアンテナ素子５３とが平行に所定素子間距離ａだけ空けて配設されている。

そして、アンテナ素子５３の中心に給電端子５２の一端が給電点５２ａで電気的に接続されると共に、他端が導体地板５１の中心を絶縁状態に貫通されて導体地板５１の裏側で信号源Ｓ１に接続されている。

また、導体地板５１の中心から所定距離ｂだけ離れてアンテナ素子５３と導体地板５１とが導電材からなる短絡端子５４で電気的に接続されて、第１のアンテナ５０は構成されている。

次に、６０は平面アンテナであり、上記アンテナ素子５３の上面に、平面状で公知のアンテナ素子６３が載置され、このアンテナ素子６３に給電端子６２の一端が給電点６２ａで電気的に接続されると共に、他端が導体地板５１と短絡端子５４を互いに絶縁状態に貫通されて、導体地板５１の裏側で信号源Ｓ２に接続されて、平面アンテナ６０は構成されている。

そして、この第１のアンテナ５０と平面アンテナ６０を一体に形成して複合アンテナ７０は構成されている。

以上の構成において、複合アンテナ７０は、第１のアンテナ５０で動作周波数ｆａと、平面アンテナ６０で動作周波数ｆｂとの２周波の送受信動作を行うものであった。

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、２が知られている。
特開平８−２３７０２５号公報 特開２０００−１８３６４３号公報

しかしながら上記従来の複合アンテナを３周波以上の動作周波数に対応するには、第１のアンテナ５０の上に、この第１のアンテナ５０と同様な第２のアンテナを形成し、この第２のアンテナの上面に平面アンテナ６０を載置して構成する必要があるため、動作周波数が増す毎に複合アンテナ全体の高さが嵩高くなるという課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、３周波以上に動作周波数が増えても嵩低い薄型、小型の複合アンテナを提供することを目的とする。

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。

本発明の請求項１に記載の発明は、導体地板に所定の素子間距離を空けて対向配置した複数のアンテナ素子を、前記導体地板の中央に対称に配置したものであり、導体地板の中央に空間部を形成できるため、この空間部に公知の平面アンテナなどを配置できて、３周波以上に動作周波数が増えても嵩高くなることのない複合アンテナを得ることができるという作用を有する。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、複数のアンテナ素子を、導体地板の端部に配置したものであり、導体地板を所定の大きさにしつつ所定の指向特性を得ることができるという作用を有する。

請求項３に記載の発明は、請求項１記載の発明において、給電端子を、複数の各アンテナ素子の中心から所定距離だけ離して配置したものであり、この複数のアンテナ素子で２周波の動作周波数を得ることができるという作用を有する。

請求項４に記載の発明は、請求項１記載の発明において、アンテナ素子と導体地板とを電気接続する短絡端子を、給電端子に並立して設けたものであり、短絡端子も給電端子と同相に励振され励振が強化されて、更に低背化を図ることができるという作用を有する。

以上のように本発明によれば、３周波以上に動作周波数が増えても薄型、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。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図５を用いて説明する。

（実施の形態）
図１は本発明の一実施の形態による複合アンテナの縦断面図、図２は同斜視図であり、同図において、１０は両面に銅箔などの良導電体を設けた基板であり、この基板１０は、下面に銅箔をエッチングするなどして形成した伝送経路１０Ａと、上面に一辺Ｌの所定の長さを有する略正方形の大きさの導体地板１１を設けている。

そして、１３は導体地板１１に所定の素子間距離ｈを空けて対向配置した２つのアンテナ素子であり、この２つのアンテナ素子１３には、それぞれ給電端子１２の一端が給電点１２ａで電気的に接続されると共に、給電端子１２の他端が導体地板１１を絶縁状態に貫通して、導体地板１１の裏側で伝送経路１０Ａを介して信号源Ｓ１に接続されている。

ここで、信号源Ｓ１から２つのアンテナ素子１３への給電経路は、それぞれの伝送経路１０Ａを介して、それぞれの給電端子１２、給電点１２ａを経由し、各アンテナ素子１３に同相に給電するように形成されている。

また、２つのアンテナ素子１３が、導体地板１１の中央に対称で、かつ端部に配置されると共に、それぞれを導体地板１１に電気接続する短絡端子１４を給電端子１２に並立して設け、これら短絡端子１４と給電端子１２を、アンテナ素子１３の中心から所定距離ａだけ離して配置している。

なお、２つのアンテナ素子１３の、導体地板１１の中央に対称で、かつ端部に配置される位置とは、好ましくは各アンテナ素子１３が導体地板１１の外周端部の上方延長線上からはみ出さない範囲であれば良い。

そして、短絡端子１４と給電端子１２を、アンテナ素子１３の中心から所定距離ａだけ離して配置することにより、アンテナ素子１３は、その一辺Ｌ１が動作周波数ｆ１の略１／４波長の長さを有し、他辺Ｌ２が動作周波数ｆ２の略１／４波長の長さを有するように形成されている。

したがって、導体地板１１の一辺Ｌは、Ｌ≧Ｌ１＋Ｌ２の長さを有して、２つの動作周波数を有する複合アンテナ２０が構成されている。

以上の構成において、複合アンテナ２０の送信動作は、信号源Ｓ１からの高周波信号が給電経路を介して、２つのアンテナ素子１３に同相に給電されるため、２つのアンテナ素子１３はあたかも１つのアンテナ素子として同時に動作することで、それぞれ一辺Ｌ１が動作周波数ｆ１に、Ｌ２が動作周波数ｆ２に励振され、これらの動作周波数に基づく電波が空中に放射される。

また、受信の場合は、各アンテナ素子１３がＬ１側は動作周波数ｆ１に、Ｌ２側は動作周波数ｆ２に励振されて、これらの周波数の信号が上記給電経路を逆方向で信号源Ｓ１に伝送され高周波回路（図示せず）に入力され受信動作が行われる。

なお、２つのアンテナ素子１３は、Ｌ１とＬ２を異ならせて２つの動作周波数に対応できるものとして説明したが、Ｌ１とＬ２を同じにして１つの動作周波数に対応することも可能である。

ここで、短絡端子１４は、インピーダンス整合を図るものであり、給電端子１２との距離ｂは２つのアンテナ素子１３のインピーダンス及び動作周波数に応じて適宜設定される。

次に、複合アンテナ２０が放射する電波の放射方向（以後、指向特性と記載する）と、所定の指向特性を得る方法について説明する。

図３は、複合アンテナ２０の各部に流れる高周波電流の模式図であり、２つのアンテナ素子１３に高周波電流が同相に給電されるため、２つのアンテナ素子１３にはｂ１，ｂ２、導体地板１１にはｃ１，ｃ２、給電端子１２と短絡端子１４にはｄ１，ｄ２の高周波電流が、それぞれ同時に流れる。

そして、２つのアンテナ素子１３のお互いに同時に流れる高周波電流ｂ１，ｂ２は、大きさは同じで方向が逆であるためお互いに打ち消され、また、導体地板１１のお互いに同時に流れる高周波電流ｃ１，ｃ２も、大きさは同じで方向が逆であるためお互いに打ち消される。

この結果、図３に示すＸ軸方向（水平方向）の高周波電流のベクトル総和はゼロになるため、Ｘ軸方向の高周波電流が指向特性に寄与することはなく、同様に、図示しないＹ軸方向の高周波電流が指向特性に寄与することはない。

ここで、指向特性に寄与するのは、Ｚ軸方向（垂直方向）の給電端子１２と短絡端子１４に同相に流れる高周波電流ｄ１，ｄ２である。

つまり、複合アンテナ２０の指向特性は、Ｚ軸方向の高周波電流による電磁界の発生により、Ｚ軸を中心にしてＸＹ軸方向に電波が放射する特性となる。

更に、図４は、２つのアンテナ素子１３の素子間距離、すなわち素子間距離Ｌ３を可変したときの複合アンテナ２０のＸ軸方向の励振強度とＹ軸方向の励振強度との差の関係を求めた図である。

ここで、横軸は、素子間距離Ｌ３であり、動作周波数から求められる波長λを基準として示しており、また、縦軸はＸ軸方向の励振強度とＹ軸方向の励振強度との差である。

図４の指向特性図から、素子間距離Ｌ３を変化させると励振強度差も変化することがわかる。

すなわち、素子間距離Ｌ３を０としたときには、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれの方向に等しい励振強度を有する同心円状の指向特性となる。

そして、素子間距離Ｌ３を大きくするにつれてＸ軸方向の励振強度が大きくなるため、励振強度差は増加して、いわゆる楕円形状の指向特性を得ることができる。

この励振強度差は、素子間距離Ｌ３が動作周波数ｆ１から求められる波長λの１／２、すなわち０．５λのときに最大値を示し、それ以上では急激に減少し、この励振強度差が最大値を示す素子間距離Ｌ３＝０．５λのときには、いわゆる楕円形状の指向特性が得られる。

このことは、自動車電話などの固定局と移動体無線装置との間で送受信する際に、電波の送受信方向（放射方向）に指向特性がある場合、無指向性の指向特性を有する従来のモノポールアンテナなどは、車両への取付け位置によっては車両の影響を受け無指向性が確保できない恐れがある。

しかし、本発明の複合アンテナ２０では、２つのアンテナ素子１３の素子間距離Ｌ３を適宜設定し所定の指向特性を得ることができ、したがって、車体の内外部に自由に配置することに対応できる。

上記、複合アンテナ２０の一例として２周波（９００ＭＨｚ帯と２０００ＭＨｚ帯）に対応する携帯電話用とした場合の各部寸法は、導体地板１１の外形寸法Ｌが約１１０ｍｍ、導体地板１１とアンテナ素子の素子間距離ｈが約２０ｍｍ以下である。

また、上記２周波の複合アンテナ２０は、９００ＭＨｚ帯と２０００ＭＨｚ帯とも携帯電話用の動作に必要な帯域が確保できることを確認している。

このように本実施の形態によれば、導体地板１１に所定の素子間距離ｈを空けて対向配置した２つのアンテナ素子１３を、導体地板１１の中央に対称に配置することによって、導体地板１１の中央に空間部を形成できるため、この空間部に公知の平面アンテナなどを配置できて、３周波以上に動作周波数が増えても低背化を図ることができる。

また、２つのアンテナ素子１３を、導体地板１１の端部に配置することによって、導体地板１１を所定の大きさにしつつ、送受信電力はそのままにして、所定の方向に送受信できる指向特性を得ることができる。

さらに、給電端子１２を、アンテナ素子１３の中心から距離ａだけ離して配置することで、新たな構成部材を用いることなく、容易に２周波に対応することができる。

また、短絡端子１４を、給電端子１２に対して並立して設けることで、この短絡端子１４も給電端子１２と同相に励振されるため、励振がより強化されることで更に低背化を図ることができる。

なお、上記実施の形態では複数のアンテナ素子１３は２つとし、導体地板１１は４角形状として説明したが、これに限るものではなく、例えば、図５に示すように、３つのアンテナ素子１３を円形状の導体地板１１の中央に対称に等角度（θ１）に配置してもよく、複数のアンテナ素子１３と導体地板１１とに流れるお互いの高周波電流のベクトル総和をゼロにできる構成であれば同様の効果を得ることができる。

本発明による複合アンテナは、３周波以上に動作周波数が増えても、かつ所定の指向特性を有し、車載用などの移動体無線装置等に有用である。

本発明の一実施の形態による複合アンテナの縦断面図 同斜視図 同電流模式図 同指向特性図 同実施の他の形態による複合アンテナの平面図 従来の複合アンテナの縦断面図

符号の説明

１０ 基板
１０Ａ 伝送経路
１１ 導体地板
１２ 給電端子
１３ アンテナ素子
１４ 短絡端子
２０ 複合アンテナ

Claims (4)

1. 所定の大きさの導体地板と、この導体地板に所定の素子間距離を空けて対向配置した複数のアンテナ素子と、この複数のアンテナ素子に同相に伝送経路を介して給電する給電端子からなり、
   前記複数のアンテナ素子を、前記導体地板の中央に対称に配置して構成した複合アンテナ。
2. 複数のアンテナ素子を、導体地板の端部に配置した請求項１記載の複合アンテナ。
3. 給電端子を、複数の各アンテナ素子の中心から所定距離だけ離して配置した請求項１記載の複合アンテナ。
4. アンテナ素子と導体地板とを電気接続する短絡端子を、給電端子に並立して設けた請求項１記載の複合アンテナ。

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