JP2006086739A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 広帯域で、かつ、広角な指向性を有すると共に小型化が可能なアンテナ装置を提供する。
【解決手段】 この平面角型スパイラルアンテナ装置は、給電部であるコプレーナ線路ＣＬとスパイラル形状の放射部３を有する。コプレーナ線路ＣＬは、誘電体基板４の表面４Ａ上に形成された２つの接地導体２Ａと２Ｂおよび信号線路１を有する。コプレーナ線路ＣＬは、誘電体基板４の表面４Ａに存在し、同じ表面４Ａ上に存在する放射部３の上下軸方向(Ｚ軸方向)に存在する(重なる)ことはない。放射器３からの放射電波が給電部によって抑制(邪魔)されることを防いで、広角な指向性が得られる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、アンテナ装置に関する。

従来、アンテナ装置の放射部の長さを、１波長や半波長、または１/４波長にして、共振現象を利用し、空間に電波を放射する共振型アンテナ装置があるが、この共振型アンテナ装置は広帯域化が困難である。

一方、元々、広帯域特性を示すアンテナ装置として放射器を波長に対して十分に大きく(長く)した構造を有し、進行波のみをアンテナ装置へ励振する進行波型アンテナ装置が知られている。この進行波型アンテナ装置としては、放射部をスパイラル構造としたもの、放射部をメヤンダ構造としたもの、放射部を自己補対構造としたものなどがある。

ところが、広帯域なアンテナ装置を実現したとしても、広帯域にわたって高効率なアンテナ装置を実現するためには、アンテナ特性と同様の帯域特性を示す整合回路を給電点に配置する必要がある。

一般的に、スパイラル構造の放射部を有するスパイラルアンテナ装置に代表される進行波型アンテナ装置は、平衡線路で給電されることが多い。したがって、この進行波型アンテナ装置は、不平衡線路を入出力ポートとする通信機器と接続する場合には、バランを必要とするが、このバランは、製造上、広帯域化が困難な整合回路である。したがって、このバランの存在により、スパイラルアンテナ装置の広帯域性が劣化していた。

一方、上述の如く、従来の共振型アンテナ装置では、非常に狭帯域なアンテナ特性を示す。したがって、例えば、地上波デジタルＴＶ(テレビ受像機)に完全に内蔵されるような構造を想定した場合、異なる周波数帯域に対応する複数の共振型アンテナ装置を備え、この複数の共振型アンテナ装置の出力を給電点で電力合成する構成とするか、あるいは、上記複数の共振型アンテナ装置の出力をスイッチング回路で切り替える構成とする必要がある。これらの複数の共振型アンテナ装置を備えることで、広帯域化を図る構成では、規模が大型化する。

一方、上述の如く、平衡給電を要する上記進行波型アンテナ装置では、広帯域特性を実現するのに、広帯域な整合回路を必要とし、回路規模が大型になる。

そこで、進行波型アンテナ装置において、この大型化の問題を解決するために、図１１に一例を示す構造が提案されている。図１１には、スパイラルアンテナ装置を示す。このスパイラルアンテナ装置は、スパイラル状放射部１０３が誘電体基板１１８の片面にエッチングもしくは印刷により形成されている。このスパイラル状放射部１０３の中心部１０３Ａは、誘電体基板１１８を貫通する貫通孔に挿入された信号線路１１９に電気的に接続されている。この信号線路１１９は、同軸線路などの給電線路で構成されている。この信号線路１１９は、誘電体基板１１８の裏面に形成された接地導体１１７に電気的に接続されている。

ところが、この図１１に示すようなスパイラルアンテナ装置では、接地導体１７の影響により、スパイラル状放射部１０３の放射範囲が抑制される。すなわち、図１１に示すように、誘電体基板１１８上にスパイラル状放射部１０３が形成されたスパイラル型アンテナ装置では、スパイラル状放射部１０３が形成された誘電体基板１１８の裏面に地板をなす接地導体１１７を形成して、このスパイラル状放射部１０３に不平衡給電している。この図１１に示す構造では、地板側への放射波が抑制され、全方向放射特性を有するスパイラル型アンテナ装置を実現することは困難であった。

つまり、図１１に示す構造の場合、アンテナ装置の給電回路を構成する信号線路１１９とアンテナ装置の放射部１０３とが３次元的に接続されていて、地板をなす接地導体１１７により、放射方向が限定され、全方位で広角な指向性を有するアンテナ装置の実現は困難である。

しかしながら、室内で地上波ＴＶ放送を受信するにはあらゆる方向から到来する電波を受信する必要があり、全方向に良好な受信感度を有したアンテナ装置が求められる。
特開２００１−２５１１３２号公報 特開２００１−２２３５２１号公報

そこで、この発明の課題は、広帯域で、かつ、広角な指向性を有すると共に小型化が可能なアンテナ装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明のアンテナ装置によれば、放射部と接続部とを含む進行波型放射器と、接続部と接続される給電部とを備え、給電部は、放射部と略同一平面上に配置されることを特徴としている。

また、この発明のアンテナ装置は、放射部と接続部とを含む進行波型放射器と、接続部と接続される給電部とを備え、給電部は、放射部と、放射部の上下軸方向において重ならないように配置されることを特徴としている。

以上より、この発明のアンテナ装置は、進行波型放射器の放射部からの放射電波（電磁波）もしくは放射部への入射電波（電磁波）が、上記給電部によって抑制(邪魔)されることを防いで、広角な指向性が得られる。また、進行波型放射器による広帯域な周波数特性が得られる。また、不平衡給電が可能となるので、他の通信機器との整合性が格段に向上するとともに、小型化に対応可能となる。

また、一実施形態のアンテナ装置は、上記放射部を複数備え、この複数の放射部の入力インピーダンスを合成した合成インピーダンスと、上記給電部の特性インピーダンスとが略等しいことによって、広帯域な放射特性を示す。

また、一実施形態のアンテナ装置では、上記放射部は、角形に折れ曲がった渦形状、または、湾曲した渦形状である。

また、一実施形態のアンテナ装置では、上記放射部は、メアンダ状に折れ曲がった形状である。

また、一実施形態のアンテナ装置では、誘電体基板を有し、上記進行波型放射器と上記給電部とが上記誘電体基板に形成された。

この実施形態のアンテナ装置では、上記進行波型放射器と上記給電部とが上記誘電体基板に形成された構成によって、平面的な形態のアンテナ装置とすることができる。たとえば、ＶＨＦ帯以上の周波数帯における壁掛け型アンテナ装置、窓掛け型アンテナ装置や通信機器に内蔵可能なアンテナ装置の実現が可能になる。

また、好ましくは、上記給電部と上記進行波型放射器とは、表面と裏面に導体箔が形成された誘電体基板上の片面にエッチング技術により形成される。さらに好ましくは、上記給電部はコプレーナ線路で構成され、コプレーナ線路の接地導体の長さが上記放射器の設計周波数のλ/4程度に設定されている。より好ましくは、上記放射器が直線の一部を方形に渦上に巻いて形成されている。さらに、より好ましくは、上記給電部を構成する信号線路の幅および上記進行波型放射器を構成する線路間隔が０.５ｍｍ程度である。

また、一実施形態の電子装置は、上記アンテナ装置を備えた。この電子装置は、上記アンテナ装置を備えたことで、広角な指向性と広帯域な周波数特性を有するアンテナ特性を発揮できるコンパクトな電子装置を実現できる。

この発明のアンテナ装置によれば、給電部は、放射部と略同一平面上に、もしくは、放射部と放射部の上下軸方向において重ならないように配置されているので、この進行波型放射器の放射部からの放射電波（電磁波）もしくは上記進行波型放射器の放射部への入射電波が、上記給電部によって抑制(邪魔)されることを防いで、広角な指向性が得られる。また、進行波型放射器による広帯域な周波数特性が得られる。また、不平衡給電が可能となるので、他の通信機器との整合性が格段に向上するとともに、小型化に対応可能となる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

(第１の実施の形態)
図１に、この発明のアンテナ装置の第１実施形態である平面角型スパイラルアンテナ装置の概略を示す。また、図２に、図１に示すアンテナ装置の断面を示す。また、図３(Ａ)に、図１に示すアンテナ装置の要部を拡大した上面を示す。

図１に示すように、この第１実施形態は、誘電体基板４と、角形に折れ曲がったスパイラル形状の放射部３とこの放射部３と信号線路１とを接続する接続部３Ａとを備える。このスパイラル形状の放射部３と接続部３Ａと上記信号線路１とは、上記誘電体基板４の表面４Ａに形成されている。

２つの接地導体２Ａと２Ｂが、上記信号線路１の両側に所定の間隙を隔てて、上記誘電体基板４の表面４Ａ上に形成されている。この２つの接地導体２Ａと２Ｂ、および上記信号線路１が、給電部としてのコプレーナ線路ＣＬをなし、このコプレーナ線路ＣＬは、上記スパイラル形状の放射部３に電気的に接続されている。また、このコプレーナ線路ＣＬは、上記誘電体基板４の表面４Ａに存在し、同じ表面４Ａ上にあるスパイラル形状の放射部３の上下軸方向(Ｚ軸方向)に存在する（重なる）ことはない。

その結果、電波をアンテナ装置の上下軸方向(Ｚ軸方向)に放射させることができる。したがって、このアンテナ装置を空間に配置した場合、その放射範囲を拡大することができる。また、このアンテナ装置を複数個配置することで通信機器とアンテナ放射部(放射部３)との整合性を取り、進行波型スパイラルアンテナ装置の広帯域性能を最大限に発揮させることができる。さらに、不平衡給電が可能となるので、他の通信機器との整合性が格段に向上する。また、アンテナ装置を平面的に構成できるので、ＶＨＦ帯以上の周波数帯における壁掛け,窓掛けアンテナや通信機器に内蔵のアンテナ装置を実現可能になる。

なお、上記信号線路１および接地導体２および接続部３Ａおよび角形でスパイラル形状の放射部３を構成する材料としては、導電性の高い導体が好ましく、この第１実施形態では、導電性が高く安価な銅を採用した。また、上記コプレーナ線路ＣＬと接続部３Ａとスパイラル形状の放射部３とは、安価にかつ大量生産を容易にするために、誘電体基板４の片面にエッチング技術により形成されている。また、これらコプレーナ線路ＣＬと接続部３Ａとスパイラル形状の放射部３とが、印刷技術により誘電体基板４の片面に形成されてもよい。

上記誘電体基板４の構成材料の一例としては、ガラスエポキシ樹脂、テフロン、アルミナ、紙フェノールなどの誘電体損失の小さい材料が挙げられる。この第１実施形態では、一例として、誘電体基板４の基板厚さが１.６ｍｍで、かつ、比誘電率４.４のものを採用した。また、角形でスパイラル形状の放射部３は、エッチング法でもって、誘電体基板４の表面４Ａに形成した。また、この角形でスパイラル形状のストリップ放射部３は、一例として、線路幅および線路間隔を０.５ｍｍとした。また、このスパイラル形状の放射部３は、渦形状の輪郭の外周の１辺の寸法を、例えば、６.２ｃｍとした。

上記角形でスパイラル形状の放射部３には、コプレーナ線路ＣＬの信号線路１から高周波信号が給電される。

図４に、この第１実施形態のスパイラルアンテナ装置のアンテナ放射パターンを示す。図４の放射パターンＷ１,Ｗ２を参照すれば、基板４の表面４Ａの法線方向(上下方向)に関して強い放射特性を有する。また、この第１実施形態では、給電部であるコプレーナ線路ＣＬは、上記誘電体基板４の表面４Ａにあり、同じ表面４Ａ上にあるスパイラル形状の放射部３とは上下軸方向(Ｚ軸方向)において重なることはない。よって、従来のスパイラルアンテナ装置に比べて、放射範囲が拡大する。

したがって、この第１実施形態のスパイラルアンテナ装置によれば、広帯域なアンテナ特性を有すると共に、アンテナ給電回路をなす給電部としてのコプレーナ線路ＣＬと放射部３とが広帯域に整合される。したがって、偏波による受信感度の劣化が少なく、配置方法によるアンテナ特性の劣化が少なく、広角な指向性を有し、アンテナ給電回路と小型かつ広帯域に整合された放射部を備えたアンテナ装置を実現できる。

また、図５に、この第１実施形態のスパイラルアンテナ装置の電圧リターンロス特性Ｘ１を示す。

なお、上記第１実施形態では、進行波型放射器３ＲＡを、角形に折れ曲がったスパイラル形状の放射部３と接続部３Ａで構成したが、放射部３は湾曲したスパイラル形状の放射部であってもよい。

(第２の実施の形態)
次に、図３(Ｂ)に、上記第１実施形態の変形例である第２実施形態の要部を拡大した上面を示す。この第２実施形態は、進行波型放射器５ＲＡとして、第１実施形態のスパイラル形状の放射部３に替えて、メアンダ形状の放射部５を備えた点だけが、前述の第１実施形態と異なる。

図３(Ｂ)に示すように、上記メアンダ形状の放射部５は、所定の寸法で交互に逆方向に角状に折り返したメアンダ形状になっている。このようなメアンダ形状の放射部５を備えた進行波型アンテナ装置は、特に、円偏波特性を実現する必要がない場合に適している。

なお、この第２実施形態では、進行波型放射部を、角状に折り返したメアンダ形状の放射部５としたが、湾曲して折り返したメアンダ形状の放射部としてもよい。

(第３の実施の形態)
次に、図６に、第１実施形態の変形例としての第３実施形態を示す。この第３実施形態は、第１実施形態の接地線路２Ａ,２Ｂに替えて、誘電体基板４の裏面４Ｂに形成された接地導体６を備えた。また、この第３実施形態では、第１実施形態のコプレーナ線路ＣＬを構成する信号線路１に替えて、マイクロストリップ線路を構成する信号線路７を備えた。

この第３実施形態では、誘電体基板４の上面４Ａにおいて、信号線路７が上記放射部３の接続部３Ａに電気的に接続されている。一方、この誘電体基板４の裏面４Ｂに形成された上記接地導体６は、この裏面４Ｂの外周の一辺４Ｂ-１に沿って配置され、信号線路７とともに給電部を形成している。この接地導体６は、誘電体基板４の上面４Ａの法線方向(Ｚ方向)への投影において、スパイラル形状の放射部３と重ならないように配置されている。この第３実施形態では、上記構成の他は、前述の第１実施形態と同様の構成である。

この第３実施形態は、信号電波の周波数がセンチ波帯である場合において、給電部を構成する信号線路７からの放射を抑えることができる。したがって、この第３実施形態は、給電部の信号線路からの放射が問題となる場合に好適である。

(第４の実施の形態)
次に、図７に、この発明のアンテナ装置の第４実施形態を示す。この第４実施形態は、前述の第３実施形態の変形例であり、接続部３Ａを第１実施形態と同等にした。また、接地導体６を誘電体基板４の上面４Ａの外周の一辺４Ａ-１に沿って配置した。この第４実施形態では、誘電体基板４を貫通するビアホール８が形成され、このビアホール８内側の導体部でもって、接続部３Ａと信号線路７の接続部７Ａとが電気的に接続されている。この導体部は導電性の良い材料、例えば、金からなる。この第４実施形態では、マイクロストリップ線路を構成する接地導体６が形成された上面４Ａに、角形のスパイラル形状の放射部３をエッチングによって形成した。

上述の如く、この第４実施形態では、誘電体層４に関して、信号線路７が存在する面と接地導体６が存在する面とが、前述の第３実施形態から反転している。

(第５の実施の形態)
次に、図８に、この発明のアンテナ装置の第５実施形態を示す。この第５実施形態は、前述の第３実施形態の変形例であり、給電部の構成が前述の第３実施形態と異なる。

この第５実施形態は、図８に示すように、給電部を同軸線路ＣＸで構成した。この同軸線路ＣＸは、略円筒形状の外導体１１と、この外導体１１の内側に挿入された略円筒形状の誘電体１０と、この誘電体１０の略中心軸の箇所に挿入された中心導体棒９を有する。この同軸線路ＣＸの外導体１１と誘電体１０は、誘電体基板４の上面４Ａの外側に配置され、中心導体棒９が接続部３Ａに電気的に接続されている。

この第５実施形態は、給電部の接地導体の面積が小さくても問題にならないＳＨＦ帯やＧＨｚ帯の周波数帯の信号電波を扱う場合に好適であり、更なる小型化が可能となる。

(第６の実施の形態)
次に、図９(Ａ)に、この発明のアンテナ装置の第６実施形態の要部を示す。この第６実施形態は、前述の第１実施形態の変形例であり、第１実施形態のスパイラル形状の放射部３に替えて、双スパイラル形状の放射部１２を備えた点が、前述の第１実施形態と異なる。

この第６実施形態は、信号線路１と接地導体２Ａ,２Ｂがコプレーナ線路ＣＬを構成している点は、前述の第１実施形態と同様である。

図９(Ａ)に示すように、双スパイラル形状の放射部１２は、接続部１２Ｃから枝分かれした２つの放射部１２Ａと１２Ｂを有する。接続部１２Ｃは、信号線路１に接続されている。この放射部１２Ａと放射部１２Ｂは、スパイラル巻きの巻き方向が同一であり、信号線路１の延在方向と交差する方向に隣り合っている。

一例として、前述の第１実施形態のスパイラル形状の放射部３の入力インピーダンスを１００Ωとすると、この第６実施形態のように、２つの放射部１２Ａと１２Ｂを有する双スパイラル形状の放射部１２によれば、入力インピーダンスが５０Ωとすることができる。これにより、第６実施形態によれば、通信機器とのインピーダンス整合を実現できる。

図１０に、この第６実施形態のアンテナ装置による電圧リターンロスの特性Ｘ２を示す。この特性Ｘ２によれば、周波数０.６ＧＨｚ付近で、電圧リターンロスが−１６ｄＢに達している。この第６実施形態の特性Ｘ２によれば、第１実施形態のようなスパイラル形状の放射部３の２個分に相当する双スパイラル形状の放射部１２を備えて、放射部１２と給電部との整合を広帯域に実現したことで、アンテナ装置としての広帯域化を実現できる。

尚、上記第６実施形態では、スパイラル形状の放射部１２が有する２つの放射部１２Ａ,１２Ｂの渦巻き方向を同じにしたが、図９(Ｂ)に示す変形例１のように、２つの放射部１３Ａ,１３Ｂの渦巻き方向を逆方向にしてもよい。この２つの放射部１３Ａ,１３Ｂは接続部１３Ｃで信号線路１に接続されている。

また、図９(Ｃ)に示す上記第６実施形態の変形例２では、スパイラル形状の放射部１４が有する２つの放射部１４Ａ,１４Ｂの渦巻き方向が同じであるが、補助接地導体１５を備えた点で第６実施形態と異なる。また、この変形例２では、接地導体２Ａ,２Ｂに替えて、接地導体２Ｃ,２Ｄを備え、この接地導体２Ｃの切欠部と接地導体２Ｄの切欠部に沿って、信号線路１の端部１Ａ-１,１Ｂ-１を延在させ、この端部１Ａ-１,１Ｂ-１を接続部１４Ｃ,１４Ｃで放射部１４Ａ,１４Ｂに接続した。そして、上記接地導体２Ｃ,２Ｄと上記補助接地導体１５とで、所定の隙間を隔てて、端部１Ａ-１,１Ｂ-１を挟むように、上記補助接地導体１５が配置されている。この変形例２では、信号線路１と接地導体２Ｃ,２Ｄと補助接地導体１５がコプレーナ線路を構成している。この補助接地導体１５の配置により、この変形例２では、信号線路１の端部１Ａ-１と端部１Ｂ-１は、給電点からの延在する距離が同一になされている。これにより、２つの放射部１４Ａ,１４Ｂにバランス良く給電することが可能となる。

また、図９(Ｄ)に示す上記第６実施形態の変形例３では、上記変形例２のスパイラル形状の放射部１４に替えて、放射部１６を備えた点が、前述の変形例２と異なる。この変形例３では、信号線路１と接地導体２Ｃ,２Ｄと補助接地導体１５がコプレーナ線路を構成している。この変形例３の放射部１６は、渦巻きの方向が逆方向の２つの放射部１６Ａと１６Ｂを有する。この２つの放射部１６Ａと１６Ｂは接続部１６Ｃ,１６Ｃで信号線路１の端部１Ａ-１,１Ｂ-１に接続されている

この変形例３では、補助接地導体１５の設置により、信号線路１の端部１Ａ-１と信号線路１の端部１Ｂ-１は、給電点からの距離が同一になるようになされている。これにより、２つの渦巻き部１６Ａ,１６Ｂにバランス良く給電することが可能となる。

なお、上記第１〜第６実施形態のうちのいずれかのアンテナ装置を備えた電子装置によれば、広角な指向性と広帯域な周波数特性を有するアンテナ特性を発揮できるコンパクトな電子装置を実現できる。

この発明のアンテナ装置の第１実施形態である平面角型スパイラルアンテナ装置の概略を示す概略図である。 上記第１実施形態の断面図である。 図３(Ａ)は上記第１実施形態の要部を示す上面図であり、図３(Ｂ)は上記第１実施形態の変形例である第２実施形態の要部(メアンダ形状の放射部５)を示す上面図である。 上記第１実施形態のスパイラルアンテナ装置のアンテナ放射パターン(Ｘ-Ｚ面における指向性)を示す特性図である。 第１実施形態のスパイラルアンテナ装置の電圧リターンロス特性Ｘ１を示す特性図である。 第１実施形態の変形例としての第３実施形態のスパイラルアンテナ装置を示す概略図である。 この発明のアンテナ装置の第４実施形態のスパイラルアンテナ装置を示す概略図である。 この発明のアンテナ装置の第５実施形態のスパイラルアンテナ装置を示す概略図である。 図９(Ａ)はこの発明のアンテナ装置の第６実施形態の要部を示す上面図であり、図９(Ｂ)は上記第６実施形態の変形例１の要部を示す上面図であり、図９(Ｃ)は上記第６実施形態の変形例２の要部を示す上面図であり、図９(Ｄ)は上記第６実施形態の変形例３の要部を示す上面図である。 上記第６実施形態のアンテナ装置による電圧リターンロスの特性Ｘ２を示す特性図である。 従来のスパイラル型アンテナ装置の概略図である。

符号の説明

１，７ 信号線路
２Ａ,２Ｂ，６ 接地導体
３ スパイラル形状の放射部
３Ａ,７Ａ，１２Ｃ,１３Ｃ,１４Ｃ,１６Ｃ 接続部
３ＲＡ スパイラル形状進行波型放射器
４ 誘電体基板
５ メアンダ形状の放射部
５ＲＡ メアンダ形状進行波型放射器
６ 接地導体
８ ビアホール
９ 中心導体棒
１０ 誘電体
１１ 外導体
１２,１３,１４,１６ 双スパイラル形状の放射部
１５ 補助接地導体
ＣＬ コプレーナ線路
ＣＸ 同軸線路

Claims (7)

1. 放射部と接続部とを含む進行波型放射器と、
   上記接続部と接続される給電部と、を備え、
   上記給電部は、上記放射部と略同一平面上に配置されることを特徴とするアンテナ装置。
2. 放射部と接続部とを含む進行波型放射器と、
   上記接続部と接続される給電部と、を備え、
   上記給電部は、上記放射部と、上記放射部の上下軸方向において重ならないように配置されることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
   上記放射部を複数備え、
   この複数の放射部の入力インピーダンスを合成した合成インピーダンスと、上記給電部の特性インピーダンスとが略等しいことを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
   上記放射部は、
   角形に折れ曲がった渦形状、または、湾曲した渦形状であることを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
   上記放射部は、
   メアンダ状に折れ曲がった形状であることを特徴とするアンテナ装置。
6. 請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
   誘電体基板を有し、
   上記進行波型放射器と上記給電部とが上記誘電体基板に形成されたことを特徴とするアンテナ装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載のアンテナ装置を備えた電子装置。
   

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