JP2006086885A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 平面構造で利得を向上させて円偏波を放射することができ、指向性を容易に制御できるアンテナ装置を提供すること。
【解決手段】 アンテナ素子１およびアンテナ素子２を略Ｖ字状に配置した給電素子と、アンテナ素子１およびアンテナ素子２のそれぞれの一端が近接するように設けた給電部３とを備え、電流が最大になるアンテナ素子１およびアンテナ素子２のそれぞれの位置における電流位相差が、アンテナ素子１とアンテナ素子２とがなす挟角に一致するようにアンテナ素子１の長さとアンテナ素子２の長さとの比を調整するように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、円偏波を放射するアンテナ装置に関する。

従来の直線偏波を放射するビームチルトアンテナやセクタアンテナとしては、給電素子および無給電素子をアレイ化したものや、そのアレイ化したものを同一平面上に放射状に配置したものが知られている（例えば非特許文献１，特許文献１参照。）。

また、従来の円偏波を放射するアンテナとしては、誘電体基板の片面の導体に第１のスロット素子と第２のスロット素子とをＬ字形状とし、一方のスロット長を他方のスロット長よりも長くし、誘電体基板の他面に給電線路を配置したものが知られている（例えば特許文献２参照。）。
また、円偏波を放射するビームチルトアンテナやセクタアンテナとしては、円筒金属板の外周面に対して垂直に複数のヘリカルアンテナ素子をアレー化したものが知られている（例えば特許文献３参照。）。

ところで、通信相手が移動するような形態における無線通信のアクセスポイントにおいては、到来する偏波が任意の方向で、かつ屋内や自動車の室内等のように壁面を経由するマルチパスが存在するため、円偏波を放射するアンテナ装置が有効である。また、通信品質を確保するために、通信相手の位置に応じて指向性を制御するアンテナ装置も有効である。
特開２００１−３６３３９号公報（第４頁、第２図） 特開２００２−２６６３８号公報（第４頁、第１図） 特開平９―２７７１４号公報（第２頁−第３頁、第１図） 電子情報通信学会論文誌（Ｂ）Ｖｏｌ．ｊ８５−ｂ，Ｎｏ．９，ＰＰ．１６３３−１６４３，２００２年９月

しかしながら、従来のアンテナ装置では、平面構造で利得を向上させて円偏波を放射することができないという問題を有していた。

本発明は、従来の問題を解決するもので、平面構造で利得を向上させて円偏波を放射することができ、指向性を容易に制御できるアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明のアンテナ装置は、第１のアンテナ素子および第２のアンテナ素子を略Ｖ字状に配置して構成された給電素子と、前記第１のアンテナ素子および前記第２のアンテナ素子のそれぞれの一端が近接するように設けた給電部とを備え、電流が最大になる前記第１のアンテナ素子および前記第２のアンテナ素子のそれぞれの位置における電流位相差が、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とがなす挟角に一致するように前記第１のアンテナ素子の長さと前記第２のアンテナ素子の長さとの比を調整した構成を有している。

この構成により、電流位相差が第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子とがなす挟角に一致させるように、第１のアンテナ素子の長さと第２のアンテナ素子の長さとの比を調整しているため、平面構造で利得を向上させて円偏波を放射することができる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記アンテナ装置は、前記第１のアンテナ素子の長さと前記第２のアンテナ素子の長さとの比が調整された前記給電素子と略相似形状の無給電素子を少なくとも１つ備え、前記無給電素子は、前記給電素子と平行にかつ同一平面上に配置され、さらに前記第１のアンテナ素子および前記第２のアンテナ素子のそれぞれに対して同じ所定の距離を隔てて配置された構成を有している。

この構成により、給電素子と略相似形状の無給電素子が導波素子として動作するため、円偏波をチルトさせることができる。

さらに、本発明のアンテナ装置は、同一平面上に設置した請求項２に記載の複数のアンテナ装置と、前記複数のアンテナ装置の前記給電部から１つの給電部を選択して給電する選択手段とを備え、前記複数のアンテナ装置の各々は、中心から放射状に配置され、かつ各前記給電部が前記中心を向くように配置された構成を有している。

この構成により、放射状に配置した複数のアンテナ装置の給電部から１つの給電部を選択して給電するため、セクタ化を図ることができ、平面構造で円偏波が放射できる。

さらに、本発明のアンテナ装置は、前記給電素子および無給電素子を、導体板に設けたスロット素子で構成した構成を有している。

この構成により、給電部に給電するための給電線路とのインピーダンス整合を容易にすることができる。

さらに、本発明のアンテナ装置は、前記スロット素子を、誘電体基板の表面に製膜された導体板をエッチング加工して形成した構成を有している。

この構成により、アンテナ装置を小型化することができる。

さらに、本発明のアンテナ装置は、前記スロット素子を励振するための給電線路を、前記誘電体基板の表面に対して背面に製膜して形成した構成を有している。

この構成により、給電線路をアンテナ装置と同一基板上に配置したため、集積化することができる。

さらに、本発明のアンテナ装置は、前記給電素子に近接して反射素子を備えた構成を有している。

この構成により、アンテナ装置が放射する円偏波の利得を向上することができる。

さらに、本発明のアンテナ装置は、前記選択手段は、前記中心とほぼ同じ位置に配置された構成を有している。

この構成により、アンテナ装置を小型化かつ集積化することができるため、安価なセクタアンテナ装置を提供することができる。

本発明は、平面構造で利得を向上させて円偏波を放射することができ、指向性を容易に制御できるアンテナ装置を提供するものである。

以下、本発明の実施の形態のアンテナ装置について、図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置の構造図を図１に示す。

アンテナ装置１０は、第１のアンテナ素子１および第２のアンテナ素子２を略Ｖ字状に配置して構成された給電素子と、第１のアンテナ素子１および第２のアンテナ素子２のそれぞれの一端が近接するように設けた交流の給電部３とを備えるように構成される。また、アンテナ素子１およびアンテナ素子２は、金属などを線状に加工した導体でもよい。

また、アンテナ装置１０は、平面構造であり、Ｘ軸およびＹ軸からなる平面に位置し、アンテナ装置１０の給電部３は、Ｘ軸とＹ軸との交点に位置する。

ここで、アンテナ素子１の端から他の端までの長さを長さＬ１とし、アンテナ素子２の端から他の端までの長さを長さＬ２として表す。また、アンテナ素子１とアンテナ素子２がなす挟角を挟角αとして表す。また、Ｙ軸およびＺ軸からなる平面（以下、ＹＺ面という。）に対する円偏波の放射角を放射角θとして表す。

長さＬ１は、円偏波の実効波長の半分より僅かに長く、長さＬ２は、その実効波長の半分より僅かに短く、長さＬ１＋長さＬ２は、約１実効波長となるようにする。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置の特性を示す図である。図２に示すように、実線は、＋Ｚ軸方向の円偏波の軸比を相対的に示している。なお、一般的には、軸比が１であればアンテナ装置１０は、真円の円偏波を放射するが、図２では、相対的な軸比が０のとき真円の円偏波を放射することを示している。

破線は、アンテナ装置１０の電流が最大値になる位置（アンテナ素子１とアンテナ素子２のそれぞれの開放端から約４分の１の実効波長の長さの位置）における電流位相差を示している。

図２は挟角αが９０度のとき、図３は挟角αが６０度のとき、図４は挟角αが３０度のときの電流位相差の特性をそれぞれ示したものである。また、図２から図４までは、長さＬ１＋長さＬ２を一定値かつ約１実効波長として測定して得られた比Ｌ１／Ｌ２の特性をそれぞれ示したものである。

図２に示した挟角αが９０度のアンテナ装置１０は、比Ｌ１／Ｌ２が約１．１９の場合、＋Ｚ軸方向の相対的な軸比が最小となって＋Ｚ軸方向に円偏波を放射する。この軸比が最小のとき、電流位相差は約９０度である。また、図３に示した挟角αが６０度のアンテナ装置１０は、比Ｌ１／Ｌ２が約１．１６の場合、＋Ｚ軸方向の相対的な軸比が最小となって＋Ｚ軸方向に円偏波を放射する。この軸比が最小のとき、電流位相差は約６０度である。また、図４に示した挟角αが３０度のアンテナ装置１０は、比Ｌ１／Ｌ２が約１．１２の場合、＋Ｚ軸方向の相対的な軸比が最小となって＋Ｚ軸方向に円偏波を放射する。この軸比が最小のとき、電流位相差は約３０度である。

以上説明した特性によれば、挟角αと電流位相差が一致するように比Ｌ１／Ｌ２を調整することにより、アンテナ装置１０は、＋Ｚ軸方向に真円に近い円偏波を放射する。なお、本発明の第１の実施の形態では、Ｌ１の方がＬ２より長い場合について説明しており、アンテナ装置１０は、＋Ｚ軸方向には右旋円偏波を放射し、−Ｚ軸方向には左旋円偏波を放射する。

図５は、＋Ｚ軸方向の相対的な軸比が最小となる比Ｌ１／Ｌ２にしたときのＹＺ面に対する右旋円偏波の利得を示す図である。図６は、＋Ｚ軸方向の相対的な軸比が最小となる比Ｌ１／Ｌ２にしたときのＹＺ面に対する相対的な軸比を示す図である。図５および図６において、実線はαが９０度のとき、破線はαが６０度のとき、一点鎖線はαが３０度のときの特性である。挟角αがいずれの条件でも、放射角θが０度に近いと利得が高くなり、また、相対的な軸比も良好となる。

また、図７は、挟角αに対する＋Z軸方向の右旋円偏波利得の変化を示した図である。挟角αが９０度のとき利得は最大となり、半波長ダイポールアンテナの直線偏波利得に等しい２．１ｄＢｉとなる。なお、挟角αが９０度以外であっても、挟角αと電流位相差が一致するように比Ｌ１／Ｌ２を調整することにより、アンテナ装置１０は、平面構造で円偏波を放射することができる。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置は、電流位相差がアンテナ素子１とアンテナ素子２とがなす挟角に一致させるように、アンテナ素子１の長さとアンテナ素子２の長さとの比を調整しているため、相対的な軸比が最小となり、平面構造で利得を向上させて円偏波を放射することができる。

なお、挟角αは本実施例に限るものではなく、挟角αが９０度を超える場合でもＬ１とＬ２の長さの比を調整して、電流位相差を挟角αに一致させることにより同様の効果が得られる。

また、アンテナ素子１およびアンテナ素子２を、誘電体基板の表面に製膜された銅箔などの導体板をエッチング加工して形成したスロット素子で構成すれば、アンテナ装置の小型化が図られる。また、給電素子に位置する面と所定の距離を隔てて反射素子を置くことにより、円偏波利得が向上する。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係るアンテナ装置の構造図を図８に示す。

アンテナ装置１１は、第１のアンテナ素子１および第２のアンテナ素子２を略Ｖ字状に配置した給電素子と、第１のアンテナ素子１および第２のアンテナ素子２のそれぞれの一端が近接するように設けた交流の給電部３と、第１のアンテナ素子１の長さと第２のアンテナ素子２の長さとの比が調整された給電素子と略相似形状の無給電素子を少なくとも１つ備えるように構成される。

なお、本発明の第２の実施の形態に係るアンテナ装置を構成する構成要素のうち、本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置を構成する構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、それぞれの説明を省略する。

無給電素子を構成するアンテナ素子４およびアンテナ素子５は、アンテナ素子１およびアンテナ素子２からなる給電素子と略相似形状である。アンテナ素子４およびアンテナ素子５は、それぞれの一端が電気的に接続されている。無給電素子は、給電素子と平行にかつ同一平面上に配置し、さらにアンテナ素子１およびアンテナ素子２のそれぞれに対して同じ所定の距離ｄを隔てて配置する。アンテナ素子４およびアンテナ素子５は、金属などを線状に加工した導体などでもよい。

図９は、＋Ｚ軸方向の相対的な軸比を最小となる比Ｌ１／Ｌ２とし、挟角αを６０度とし、距離ｄを実行波長の約４分の１としたときのＹＺ面に対する右旋円偏波の利得を示す図である。図１０は、＋Ｚ軸方向の相対的な軸比が最小となるように比Ｌ１／Ｌ２を設定し、挟角αを６０度とし、距離ｄを実行波長の約４分の１としたときのＹＺ面に対する相対的な軸比を示す図である。なお、アンテナ素子４の端から他の端までの長さを長さＬ１の約９５％に設定し、かつ、アンテナ素子５の端から他の端までの長さを長さＬ２の約９５％に設定している。

図９に示すように、アンテナ装置１０は、放射角θが３０度程度、すなわちＹＺ面において＋Ｚ軸方向から＋Ｙ軸方向に３０度程度チルトしたとき、利得が最大となって円偏波を放射する。また、図１０に示すように、アンテナ装置１０は、放射角θが４０度程度チルトしているとき、相対的な軸比が良好となって円偏波を放射する。

なお、アンテナ素子４およびアンテナ素子５の長さ、挟角αや距離ｄの大きさは本実施の形態に限るものではない。

以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係るアンテナ装置は、給電素子と略相似形状の無給電素子が導波素子として動作するため、平面構造で利得を向上させて円偏波を放射することができ、かつ、円偏波をチルトさせることができる。

また、−Ｚ方向でかつアンテナ装置１１が配置されている面に、無給電素子と略相似形状のものを反射素子として配置してもよい。この場合、反射素子の大きさは、反射素子として作用するように設定する。所望の放射角や指向性が得られるように、アンテナ素子４およびアンテナ素子５の長さ、挟角α、距離ｄ、や反射素子の大きさをそれぞれ設定すれば、円偏波をチルトさせることができ、円偏波利得を向上させることができる。

また、アンテナ装置１１を誘電体基板の表面に製膜された銅箔などの導体板をエッチング加工して形成したスロット素子で構成すれば、アンテナ装置の小型化が図られる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係るアンテナ装置の構造図を図１１に示す。

アンテナ装置１２は、同一平面上に第２の実施の形態で説明した複数のアンテナ装置１１と、複数のアンテナ装置１１の給電部３から１つの給電部を選択して給電する選択手段とを備えるように構成する。

なお、本発明の第３の実施の形態に係るアンテナ装置を構成する構成要素のうち、本発明の第２の実施の形態に係るアンテナ装置を構成する構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、それぞれの説明を省略する。

アンテナ装置１２は、複数のアンテナ装置１１−ｎ（ｎ＝１〜６）の各々は、中心から放射状に配置され、かつ各給電部３が中心を向くように配置される。例えば、図１１に示したアンテナ装置１２は、挟角αが６０度のアンテナ装置１１を中心の周りから放射状に６０度間隔で同一平面上に６つ配置している。図１１に示したアンテナ装置１２は、６つのセクタを有し、アンテナ装置１２の図示しない選択手段は、通信すべき移動局の位置に応じて６つのアンテナ装置１１のうち１つを選択し、選択したアンテナ装置１１に給電するため、６セクタアンテナとして作用する。なお、本実施の形態では、セクタ数を６つとして説明したが、セクタ数は任意であり、挟角αとセクタ数の積が３６０度に一致するように、アンテナ装置１１を中心の周りから放射状にかつ同一平面上に配置してもよい。

以上説明したように、本発明の第３の実施の形態に係るアンテナ装置は、放射状に配置した複数のアンテナ装置１１の給電部３から１つを選択して給電するため、セクタ化を図ることができ、平面構造で円偏波が放射できる。

なお、第３の実施の形態では、挟角αとセクタ数の積が３６０度に一致する場合について述べたが、これに限るものではない。本発明の第３の実施の形態に係るアンテナ装置の構造を変形を図１２に示す。例えば、図１２に示すように、挟角αが９０度の２つのアンテナ装置１１を互いに対向して配置してもよい。この構造は、自動車やバスなどの室内であって水平面の長辺と短辺の比が大きい室内の天井に配置するアンテナ装置として好適である。また自動車などの場合は、車体が金属であるため、車体を反射板として利用することも可能である。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係るアンテナ装置の構造図を図１３に示す。

本発明の第４の実施の形態に係るアンテナ装置は、図１１に示した６セクタアンテナ装置１２を構成するアンテナ装置１１から、誘電体基板の表面に製膜された銅箔などの導体板をエッチング加工して形成したスロット素子１３−ｎ（ｎ＝１〜６）に代えて構成される。

また、誘電体基板の背面に設けた６本の給電線路１４−ｎ（ｎ＝１〜６）は、誘電体基板の表面に対して背面に製膜して形成され、６つのスロット素子１３−ｎをそれぞれ励振させるために設けたものである。また、給電線路１４−ｎとしては、マイクロストリップラインなどの給電線を用いてもよいが、マイクロストリップラインに限らず、例えばコプレーナ線路などを用いてもよい。

また、半導体スイッチ１５は、６つのスロット素子１３−ｎのうち１つを選択して励振するように、放射状の中心とほぼ同じ位置に、かつ、給電線路１４−ｎが集中する部位に配置されている。また、半導体スイッチ１５は、図示しない無線回路部に接続されている。本発明の選択手段としては、半導体スイッチ１５などの電気的スイッチを用いてもよいが、半導体スイッチ１５に限らず、機械的なスイッチなどを用いてもよい。

以上説明したように、本発明の第４の実施の形態に係るアンテナ装置は、半導体スイッチ１５が１つのスロット素子１３−ｎのうち１つを選択して励振するため、６セクタアンテナが構成できる。

また、例えば、マイクロストリップラインの幅を所定の値として５０オームとした場合、給電素子のＶ字の交点から越えるマイクロストリップラインの長さａを所定の値とすれば、スロット素子によって構成された各アンテナ装置と給電線路とのインピーダンス整合が容易にできる。

また、誘電体基板面にアンテナ、給電線路、およびスイッチを構成できるため、小型化、集積化ができ、安価となる。

以上のように、本発明に係るアンテナ装置は、平面構造で利得を向上させて円偏波を放射することができ、指向性を容易に制御できるという効果を有し、円偏波を放射するアンテナ装置等として有用である。

本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置の構造図 本発明の第１の実施の形態に係る挟角が９０度のときのアンテナ装置の特性を示す図 本発明の第１の実施の形態に係る挟角が６０度のときのアンテナ装置の特性を示す図 本発明の第１の実施の形態に係る挟角が３０度のときのアンテナ装置の特性を示す図 本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置の右旋円偏波の利得を示す図 本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置の相対的な軸比を示す図 本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置の右旋円偏波の利得の変化を示した図 本発明の第２の実施の形態に係るアンテナ装置の構造図 本発明の第２の実施の形態に係るアンテナ装置の右旋円偏波の利得を示す図 本発明の第２の実施の形態に係るアンテナ装置の相対的な軸比を示す図 本発明の第３の実施の形態に係るアンテナ装置の構造図 本発明の第３の実施の形態に係るアンテナ装置の構造の変形図 本発明の第４の実施の形態に係るアンテナ装置の構造図

符号の説明

１、２、４、５ アンテナ素子
３ 給電部
１０、１１、１２ アンテナ装置
１３ スロット素子
１４ 給電線路
１５ 半導体スイッチ

Claims (8)

1. 第１のアンテナ素子および第２のアンテナ素子を略Ｖ字状に配置して構成された給電素子と、
   前記第１のアンテナ素子および前記第２のアンテナ素子のそれぞれの一端が近接するように設けた給電部とを備え、
   電流が最大になる前記第１のアンテナ素子および前記第２のアンテナ素子のそれぞれの位置における電流位相差が、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とがなす挟角に一致するように前記第１のアンテナ素子の長さと前記第２のアンテナ素子の長さとの比を調整したことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記アンテナ装置は、前記第１のアンテナ素子の長さと前記第２のアンテナ素子の長さとの比が調整された前記給電素子と略相似形状の無給電素子を少なくとも１つ備え、
   前記無給電素子は、前記給電素子と平行にかつ同一平面上に配置され、さらに前記第１のアンテナ素子および前記第２のアンテナ素子のそれぞれに対して同じ所定の距離を隔てて配置されたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 同一平面上に設置した請求項２に記載の複数のアンテナ装置と、
   前記複数のアンテナ装置の前記給電部から１つの給電部を選択して給電する選択手段とを備え、
   前記複数のアンテナ装置の各々は、中心から放射状に配置され、かつ各前記給電部が前記中心を向くように配置されたことを特徴とするアンテナ装置。
4. 前記給電素子および無給電素子を、導体板に設けたスロット素子で構成したことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載のアンテナ装置。
5. 前記スロット素子を、誘電体基板の表面に製膜された導体板をエッチング加工して形成したことを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記スロット素子を励振するための給電線路を、前記誘電体基板の表面に対して背面に製膜して形成したことを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 前記給電素子に近接して反射素子を備えたことを特徴とする請求項１から請求項６までの何れかに記載のアンテナ装置。
8. 前記選択手段は、前記中心とほぼ同じ位置に配置されたことを特徴とする請求項３から請求項７までの何れかに記載のアンテナ装置。

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