JP2005269366A

JP2005269366A - アンテナ装置

Info

Publication number: JP2005269366A
Application number: JP2004080518A
Authority: JP
Inventors: Hirokatsu Okegawa; 弘勝桶川; Tomohiro Mizuno; 友宏水野; Takahito Fukui; 貴人福井; Hiroyuki Sato; 裕之佐藤; Shinichi Betsudan; 信一別段
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】寸法・質量・コストの増加や放射特性の劣化を招くことなく、広周波数帯域化を図ることができるとともに、容易に多ピン給電を行うことができるアンテナ装置を得ること。
【解決手段】円形パッチ３の中心部３ａから接地導体板１までの距離ｈ１が、その円形パッチ３の周辺部３ｂから接地導体板１までの距離ｈ２より短くなるように、その円形パッチ３が円錐形状を成している。これにより、寸法・質量・コストの増加や放射特性の劣化を招くことなく、広周波数帯域化を図ることができるとともに、容易に多ピン給電を行うことができる。
【選択図】図２

Description

この発明は、広周波数帯域特性を有するアンテナ装置に関するものである。

従来のアンテナ装置は、平板状の接地導体板の上に誘電体部材を介して円形パッチが実装されている。
一般に、共振器を放射素子として用いるアンテナ装置では、次の関係式（１）〜（３）が成立する。
ただし、関係式（１）〜（３）において、ａは円形パッチの半径、ｈは誘電体部材の厚み、ｆｒは共振周波数、ａ_ｅｆｆは等価パッチ半径、Ｑ_０は無負荷Ｑ値、Ｑ_ｒは放射損によるＱ値、Ｑ_ｃは導体損によるＱ値、Ｑ_ｄは誘電体損によるＱ値、δ_ｓはパッチの表皮深さ、ＢＷは所望の電圧定在波比Ｓを満足する周波数帯域幅を示している。また、ε_ｒは比誘電率、μ_０は比透磁率である。

上記の関係式（１）〜（３）から明らかなように、誘電体部材として、厚みｈが大きい部材、あるいは、比誘電率ε_ｒの低い部材を使用すれば、無負荷Ｑ値Ｑ_０が低下するため、周波数帯域特性を広げることができる。
しかしながら、誘電体部材として、厚みｈが大きい部材を使用する場合、アンテナ装置の質量が増加する。また、誘電体部材の横方向に伝搬する表面波が発生し、不要な電力の漏洩や放射が生じて、アンテナの放射特性が劣化することがある。

また、誘電体部材の厚みｈが大きくなる程、下式（４）〜（５）に示すように、入力インピーダンスＺ_ｉｎが大きくなる。
入力インピーダンスＺ_ｉｎが大きくなると、整合を取るために円形パッチに同軸給電する位置を中心付近に定める必要がある。このため、１ピン給電であれば特に問題はないが、放射特性を改善するなどの理由で多ピン給電を行う必要がある場合、同軸ケーブルが物理的に干渉して、給電できなくなることがある。

ただし、Ｖ_０は給電電圧、Ｐ_ｌはパッチアンテナの損失電力、Ｗ_ｅはパッチアンテナの内部に蓄えられる電気的エネルギーの時間平均値、Ｗ_ｍはパッチアンテナの内部に蓄えられる磁気的エネルギーの時間平均値である。給電点Ｆ（ρ０，０）における電圧Ｖ_０は次式により表される。

ただし、Ｅ_ｚはパッチアンテナの内部領域におけるｚ方向の電界成分である。

一方、誘電体部材として、比誘電率ε_ｒの低い部材を使用すれば、誘電体部材内の波長が相対的に長くなるため、円形パッチの寸法が相対的に大きくなる。また、比誘電率ε_ｒの低い部材は一般に高価であるため、アンテナ全体のコストが高くなる（例えば、非特許文献１参照）。

羽石操 "最新平面アンテナ技術" 株式会社総合技術センター１９９３

従来のアンテナ装置は以上のように構成されているので、広周波数帯域特性を得るには、誘電体部材として、厚みｈが大きい部材、あるいは、比誘電率ε_ｒの低い部材を使用する必要がある。しかし、厚みｈが大きい部材を使用するとパッチアンテナの質量が増加し、また、不要な電力の漏洩や放射が生じて、アンテナの放射特性が劣化することがある。さらに、円形パッチに同軸給電する位置を中心付近に定める必要があるため、多ピン給電を行う場合には、同軸ケーブルが物理的に干渉して、給電できなくなることがある。
一方、誘電体部材として、比誘電率ε_ｒの低い部材を使用すると、誘電体部材内の波長が相対的に長くなるため、円形パッチの寸法が相対的に大きくなり、また、比誘電率ε_ｒの低い部材は一般に高価であるため、アンテナ全体のコストが高くなるなどの課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、寸法・質量・コストの増加や放射特性の劣化を招くことなく、広周波数帯域化を図ることができるとともに、容易に多ピン給電を行うことができるアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るアンテナ装置は、円形パッチの中心部から接地導体板までの距離が、その円形パッチの周辺部から接地導体板までの距離より短くなるように、その円形パッチが円錐形状を成しているようにしたものである。

この発明によれば、円形パッチの中心部から接地導体板までの距離が、その円形パッチの周辺部から接地導体板までの距離より短くなるように、その円形パッチが円錐形状を成しているように構成したので、寸法・質量・コストの増加や放射特性の劣化を招くことなく、広周波数帯域化を図ることができるとともに、容易に多ピン給電を行うことができる効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す上面図であり、図２はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す側面断面図である。
図において、接地導体板１は例えば銅など金属からなる平板であり、接地導体板１の上には誘電体部材２が実装されている。
円形パッチ３は接地導体板１と所定の間隔をおいて設置されており、円形パッチ３の中心部３ａから接地導体板１までの距離ｈ１が、円形パッチ３の周辺部３ｂから接地導体板１までの距離ｈ２より短くなるように、円形パッチ３は円錐形状を成している。即ち、円形パッチ３の周辺部３ｂが中心部３ａより高く、中心部３ａから周辺部３ｂに至る面の接地導体板１に対するフレア角がαである円錐形状を成している。

次に動作について説明する。
円形パッチ３の周辺部３ｂは中心部３ａより高く、中心部３ａから周辺部３ｂに至る面の接地導体板１に対するフレア角はαである。
図３は円形パッチ３のフレア角αを０［ｄｅｇ．］から２０［ｄｅｇ．］まで変化させたときの周波数帯域幅ＢＷ、共振周波数ｆｒ及び入力インピーダンスＺ_ｉｎの変化結果を示す説明図である。
ただし、図３において、周波数帯域幅ＢＷは共振周波数ｆｒで規格化した値であり、共振周波数ｆｒはフレア角α＝０での共振周波数ｆｒ（α＝０）で規格化した値である。また、入力インピーダンスＺ_ｉｎはフレア角α＝０での入力インピーダンスＺ_ｉｎ（α＝０）で規格化した値である。

円錐形状を成す円形パッチ３のフレア角αを大きくすると、図３に示すように、周波数帯域ＢＷが増加し、共振周波数ｆｒが高くなる。
したがって、円形パッチ３を円錐形状にすることで、低誘電率の誘電体部材２を用いることなく、寸法・質量・コストを最小限に抑えて、広周波数帯域なパッチアンテナを実現することができる。

また、円錐形状を成す円形パッチ３のフレア角αを大きくすると、図３に示すように、周波数帯域ＢＷが増加し、入力インピーダンスＺ_ｉｎが低くなる。
したがって、円形パッチ３に同軸給電する位置を中心付近に定める必要がないため、多ピン給電を行う際に同軸ケーブルが物理的に干渉しないように接続することができる。例えば、一方の同軸ケーブルを円形パッチ３の左半面側に接続し、他方の同軸ケーブルを円形パッチ３の右半面側に接続すればよい。

さらに、円錐形状を成す円形パッチ３のフレア角αを大きくすると、図３に示すように、周波数帯域ＢＷが増加し、誘電体部材２の横方向に伝搬する表面波を抑圧することができる。
したがって、不要な電力の漏洩や放射を抑制して、広周波数帯域なパッチアンテナを実現することができる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、円形パッチ３の中心部３ａから接地導体板１までの距離ｈ１が、その円形パッチ３の周辺部３ｂから接地導体板１までの距離ｈ２より短くなるように、その円形パッチ３が円錐形状を成しているように構成したので、寸法・質量・コストの増加や放射特性の劣化を招くことなく、広周波数帯域化を図ることができるとともに、容易に多ピン給電を行うことができる効果を奏する。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す上面図であり、図５はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す側面断面図である。図において、図１及び図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
円環パッチ４は接地導体板１と所定の間隔をおいて設置されており、円環パッチ４の内周端部４ａから接地導体板１までの距離ｈ１が、円環パッチ４の外周端部４ｂから接地導体板１までの距離ｈ２より短くなるように、円環パッチ４は円錐形状を成している。即ち、円環パッチ４の外周端部４ｂが内周端部４ａより高く、内周端部４ａから外周端部４ｂに至る面の接地導体板１に対するフレア角がαである円錐形状を成している。また、円環パッチ４の内周端部４ａは接地導体板１と電気的に接続されている。

次に動作について説明する。
この実施の形態２のアンテナ装置は、上記実施の形態１のアンテナ装置と比べると、パッチアンテナが円形パッチ３ではなく、円環パッチ４である点で相違している。

ここで、円形パッチ３からなるアンテナ装置において、中心に細い導体線がある場合を考えると、円形パッチ３の中心の電界は零であるから、導体線を少し太くしても、アンテナとしての性能は変化しない。
また、円環パッチ４からなるアンテナ装置は、中心に少し太い導体線がある円形パッチ３からなるアンテナ装置と等価である。
したがって、円環パッチ４からなるアンテナ装置は、円形パッチ３からなるアンテナ装置と同等の特性を有していると言え、図３の変化結果は、円環パッチ４からなるアンテナ装置にも対応する。

よって、円錐形状を成す円環パッチ４のフレア角αを大きくすると、図３に示すように、周波数帯域ＢＷが増加し、共振周波数ｆｒが高くなる。
したがって、円環パッチ４を円錐形状にすることで、低誘電率の誘電体部材２を用いることなく、寸法・質量・コストを最小限に抑えて、広周波数帯域なパッチアンテナを実現することができる。

また、円錐形状を成す円環パッチ４のフレア角αを大きくすると、図３に示すように、周波数帯域ＢＷが増加し、入力インピーダンスＺ_ｉｎが低くなる。
したがって、円環パッチ４に同軸給電する位置を中心付近に定める必要がないため、多ピン給電を行う際に同軸ケーブルが物理的に干渉しないように接続することができる。例えば、一方の同軸ケーブルを円環パッチ４の左半面側に接続し、他方の同軸ケーブルを円環パッチ４の右半面側に接続すればよい。

さらに、円錐形状を成す円環パッチ４のフレア角αを大きくすると、図３に示すように、周波数帯域ＢＷが増加し、誘電体部材２の横方向に伝搬する表面波を抑圧することができる。
したがって、不要な電力の漏洩や放射を抑制して、広周波数帯域なパッチアンテナを実現することができる。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、円環パッチ４の内周端部４ａから接地導体板１までの距離ｈ１が、円環パッチ４の外周端部４ｂから接地導体板１までの距離ｈ２より短くなるように、円環パッチ４が円錐形状を成しているように構成したので、寸法・質量・コストの増加や放射特性の劣化を招くことなく、広周波数帯域化を図ることができるとともに、容易に多ピン給電を行うことができる効果を奏する。

この発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す上面図である。この発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す側面断面図である。円形パッチのフレア角αを０［ｄｅｇ．］から２０［ｄｅｇ．］まで変化させたときの周波数帯域幅ＢＷ、共振周波数ｆｒ及び入力インピーダンスＺ_ｉｎの変化結果を示す説明図である。この発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す上面図である。この発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す側面断面図である。

符号の説明

１接地導体板、２誘電体部材、３円形パッチ、３ａ中心部、３ｂ周辺部、４円環パッチ、４ａ内周端部、４ｂ外周端部。

Claims

平板状の接地導体板と、上記接地導体板と所定の間隔をおいて設置された円形パッチとを備えたアンテナ装置において、上記円形パッチの中心部から上記接地導体板までの距離が、上記円形パッチの周辺部から上記接地導体板までの距離より短くなるように、上記円形パッチが円錐形状を成していることを特徴とするアンテナ装置。
平板状の接地導体板と、上記接地導体板と所定の間隔をおいて設置された円環パッチとを備えたアンテナ装置において、上記円環パッチの内周端部から上記接地導体板までの距離が、上記円環パッチの外周端部から上記接地導体板までの距離より短くなるように、上記円環パッチが円錐形状を成し、上記円環パッチの内周端部が上記接地導体板と電気的に接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
パッチと接地導体板間に誘電体部材が挿入されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナ装置。