JP2006210971A

JP2006210971A - アンテナ

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Publication number: JP2006210971A
Application number: JP2005016245A
Authority: JP
Inventors: Masataka Yasukawa; 昌孝安川
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2025-01-25
Also published as: JP4611039B2

Abstract

【課題】インピーダンス特性が向上すると共に、組立性、強度・保持性を向上することができるエアギャップ・アンテナを提供する。
【解決手段】エアギャップ・アンテナ１０のパッチ１とグランド２の間のエアギャップ９に、誘電体スペーサ３及び誘電体スペーサ４を挿入し、各々樹脂ビス８及び金属ビス７で固定する。ここで誘電体スペーサ３給電点１ａはパッチ中心を結んだ直線上のパッチの少なくとも片端付近に配置し、誘電体スペーサ４はパッチ中心に配置する。そして、同軸コネクタ６の外導体部とグランド２とを接続すると共に、同軸コネクタ６の中心導体に挿入した頭部がやや太めの径で形成された給電ピン５とパッチ１とをカシメ接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パッチとグランドの間にエアギャップを有するアンテナに関するものである。

無線ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）、無線広域ネットワーク（ＷＡＮ）、無線パーソナル・エリア・ネットワーク（ＰＡＮ）を含む多くの無線応用分野において、広帯域高利得平面アンテナが必要とされ、従来から様々なマイクロストリップ・アンテナ（平面アンテナ）が開発されている。そして、このマイクロストリップ・アンテナの一種として、特許文献１に示すような比較的広帯域・高利得のエアギャップ・アンテナが開発されている。このエアギャップ・アンテナは、例えば、ＩＴＳ（Intelligent Transport System）におけるＤＳＲＣ（Dedicated Short Range Communication）機等で用いられる。

エアギャップ・アンテナは、図８に示すように、パッチとなる導体板及びグランドとなる導体板を平行に保持し、パッチとグランドの２つの導体板の間を空気（空間）、即ち、エアギャップで構成したアンテナである。そして、エアギャップによりアンテナ利得と帯域幅を制御する。また、一般的に、方形または円形に形成されたパッチへの給電は背面からの同軸給電であり、同軸中心導体（または給電ピン）とパッチは半田付けにより接続される。ここで、エアギャップ・アンテナは、一般的に誘電体基板で構成されるマイクロストリップ・アンテナと同様に、給電方法やパッチ形状により、直線偏波・円偏波特性を得ることができる。また、エアギャップ・アンテナは、比誘電率が限りなく１に近い空気で構成されており、パッチ寸法が大きくなる（約λ／２）ため、寸法に制限のない用途に用いられることが多い。更に、エアギャップ・アンテナは、エアギャップに誘電体材料を挿入することによる誘電率の変化を利用して、共振周波数の調整（同調）を行うことも可能である。エアギャップに誘電体材料を挿入する場合は、誘電体材料はグランドに接触され、パッチには非接触となるように構成される。尚、特許文献１に示すエアギャップ・アンテナにおいては、偏波は直線（垂直または水平のいずれか）である。

特開平８−３０７１３４号公報

しかしながら、従来の構造のエアギャップ・アンテナは、給電部の同軸中心導体が空間を介して接続される際に、電気的にインダクタンス（誘導）成分を有してしまい、インピーダンス整合が崩れてしまうという問題点があった。ここで、インダクタンス成分を抑えるためにパッチとグランド間を縮めたとしても、アンテナ特性としての周波数帯域幅が狭くなってしまうという問題がある。

また、エアギャップ・アンテナは、パッチとグランド間が空気であるため、外力による変形など強度的に弱いという問題点もある。しかも、エアギャップ・アンテナは、パッチとグランドの２つの導体板が平行に構成されていなければならず、斜行して構成された場合はアンテナ特性が変化してしまうという問題がある。

更に、エアギャップ・アンテナは、同軸中心導体（または給電ピン）とパッチとが半田付けで接続されているため、給電部の構造が安価である半面、比較的パッチが大きくなる周波数では、半田付けによる接続時に熱が逃げてしまい、接続が困難であるという問題もある。

そこで、本発明は、インピーダンス特性が向上すると共に、組立性、強度・保持性を向上することができるエアギャップ・アンテナを提供するものである。

課題を解決するための手段及び効果

本発明に係るアンテナは、導体板で形成されるパッチと、前記パッチと平行に設置されて前記パッチとの間にエアギャップを形成する導体板で形成されるグランドと、前記パッチと中心導体が電気的に接続され、且つ、前記グランドと外導体が電気的に接続されて給電を行う同軸コネクタと、前記中心導体と前記パッチとが接続される給電点と前記パッチの中心を結ぶ直線上の前記パッチの少なくとも片側付近に配設され、前記エアギャップと略同一の高さを有する誘電体材料と、を備えることを特徴とする。

これによると、パッチと同軸コネクタの中心導体とが接続される点である給電点とパッチの中心を結ぶ直線上のパッチの少なくとも片側（いずれか一方の片側又は両端）付近にエアギャップと略同一の高さを有する誘電体材料を挿入されていることから、アンテナの入力インピーダンス特性が向上する。また、エアギャップと略同一の高さを有する誘電体材料による固定箇所が増えるため、パッチとグランド間を平行に保つことができると共に、外力に対する耐性が向上し、変形を防止することができる。

ここで、本発明に係るアンテナは、前記中心導体部の凹部に挿入されて接続された給電ピンを介して前記中心導体と前記パッチとが電気的に接続され、且つ、前記給電ピンと前記パッチとがカシメ接続により固定されて良い。

これによると、パッチと固定される給電ピンがカシメ接続のためにやや太く形成されることにより、給電ピン自体のインダクタンス成分が減少して、アンテナの入力インピーダンス特性が向上する。また、パッチ導体板と給電ピンの接続手段としてカシメを用い、給電ピンが同軸コネクタの中心導体の凹部に挿入されて接続されていることにより、半田付けが不要な構造となり、組立性が向上する。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係るアンテナを実施するための最良の形態について、具体的な一例に即して説明する。

まず、本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナを図１〜図５に基づいて以下に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナを示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は側面図である。図２は、本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナのパッチを示す上面図である。図３は、本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナのグランドを示す上面図である。図４は、本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナの同軸コネクタを示す図であり、（ａ）は一部断面側面図であり、（ｂ）は上面図である。図５は、本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナの給電ピンを示す側面図である。

図１に示すように、エアギャップ・アンテナ１０は、導体板（例えば、真鍮やニッケルメッキ）で形成されたパッチ１と、導体板（例えば、アルミ）で形成されたグランド２とにより空気（空間）、即ち、エアギャップ９を形成する。

パッチ１は、エアギャップ・アンテナ１０のエレメント部であり、辺長が約１／２波長となるように形成されている。図２に示すように、パッチ１には、後述する給電ピン５がカシメ接続されるための孔である給電点１ａが形成されている。また、給電点１ａとパッチ１の中心を結んだ直線上のパッチ１の両端付近に２箇所、後述する誘電体スペーサ（誘電体材料）３を樹脂ビス８で固定するためのネジ孔３ａが形成されている。また、中央に、後述する誘電体スペーサ４を金属ビス７で固定するためのネジ孔４ａが形成されている。

グランド２は、エアギャップ・アンテナ１０のグランド部であり、寸法によりアンテナ指向性が変化する。図３に示すように、グランド２には、パッチ１に形成されたネジ孔３ａに対応する位置に２箇所、誘電体スペーサ３を樹脂ビス８で固定するためのネジ孔３ｂがタップ加工により形成されている。また、パッチ１に形成されたネジ孔４ａに対応する位置である中央に、後述する誘電体スペーサ４を金属ビス７で固定するためのネジ孔４ｂがタップ加工により形成されている。更に、パッチ１に形成された給電点１ａに対応する位置に、後述する同軸コネクタ６を固定するためのネジ孔２ａがタップ加工により設けられている。その他、グランド２の四隅には、エアギャップ・アンテナ１０を取り付けるための孔２ｂが５箇所（三隅にそれぞれ１箇所及び一隅に２箇所）設けられている。尚、エアギャップ・アンテナ１０を取り付けるための５箇所の孔２ｂは設けなくても良い。また、図３に示すように、グランド２の右辺中央部に、エアギャップ・アンテナ１０の取り付け向きを一意にするための切り欠きが形成されているが、切り欠きは形成されていなくても構わない。

図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、エアギャップ９には、エアギャップ９の高さと略同一の高さを有するように構成された２つの誘電体スペーサ（誘電体材料）３が後述する給電点５ａとパッチ１の中心を結んだ直線上のパッチ１の両端付近に配置される。尚、本実施形態に係るエアギャップ・アンテナ１０においては、誘電体スペーサ３は後述する給電点５ａとパッチ１の中心を結んだ直線上のパッチ１の両側に２つ配置されているが、少なくともいずれか一方の片側付近に１つ配置されていれば、本発明の効果を得ることができる。２つの誘電体スペーサ３は、エアギャップ９に挿入された後、パッチ１に形成されたネジ孔３ａにおいてパッチ１側から樹脂ビス８で螺合されて、グランド２に形成されたネジ孔３ｂまで貫通されることにより、固定される。これにより、誘電体スペーサ３は、パッチ１及びグランド２の両方に接触されて固定される。ここで、誘電体スペーサ３の固定手段として樹脂ビス８を用いることにより、アンテナ特性に影響を与えない。尚、誘電体スペーサ３の固定手段は、樹脂ビス８に限らず、材質が樹脂であれば他の固定手段であってもよい。また、誘電体スペーサ３の形状は、エアギャップ９の高さと略同一の高さを有する円筒形である。

また、エアギャップ９には、パッチ１を保持するために、エアギャップ９の高さと略同一の高さを有するように構成された１つの誘電体スペーサ４がパッチ１の中心付近に配置される。１つの誘電体スペーサ４は、エアギャップ９に挿入された後、パッチ１に形成されたネジ孔４ａにおいてパッチ１側から金属ビス７で螺合されて、グランド２に形成されたネジ孔４ｂまで貫通されることにより、固定される。これにより、誘電体スペーサ４は、パッチ１及びグランド２の両方に接触されて固定される。ここで、誘電体スペーサ４の固定手段として金属ビス７を用いることにより、パッチ１とグランド２を電気的に短絡し、静電対策や高次モードの抑制などの効果が得られる。尚、誘電体スペーサ４の固定手段は、金属ビス７に限らず、材質が金属であれば他の固定手段であってもよい。また、誘電体スペーサ４の形状は、エアギャップ９の高さと略同一の高さを有する円筒形である。更に、誘電体スペーサ４は設置されていなくても良い。

図１（ｂ）に示すように、給電点１ａにおいては、パッチ１と後述する同軸コネクタ６の中央導体部（中心導体）６ａに挿入された給電ピン５とがカシメ接続される。ここで、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、同軸コネクタ６は、給電ピン５が挿入される凹形状の中央導体部６ａと外導体部（外導体）６ｂとから構成され、図示しない同軸ケーブルと接続されて給電される。尚、中央導体部６ａと外導体部６ｂとは電気的に非接触となるように形成される。一方、給電ピン５は、図５に示すように、頭部５ａと脚部５ｂとから形成されている。そして、脚部５ｂはその先端部から同軸コネクタ６の凹形状の中央導体部６ａに挿入されて、同軸コネクタ６の中央導体部６ａと電気的に接続される。また、頭部５ａはパッチ１に形成された給電点１ａにおいてパッチ１とカシメ接続される。ここで、頭部５ａはパッチ１とカシメ接続可能なようにやや太めの径（例えば２．５〜３．０ｍｍ程度）で形成され、脚部５ｂは頭部５ａに比べて細い径で形成される。尚、図５では、脚部５ｂは頭部５ａに比べて細い径で形成されているが、頭部５ａと脚部５ｂの径の大小は関係がない。即ち、頭部５ａはパッチ１とカシメ接続できる径で、脚部５ｂが中央導体部６ａに挿入することができる径で、それぞれ形成されるものである。以上により、同軸コネクタ６において、中央導体部６ａから給電ピン５を介してパッチ１に給電が行われる。尚、脚部５ｂは、図１（ｂ）に示すように、中央導体部６ａに挿入された状態で頭部５ａがパッチ１と給電点１ａでカシメ接続可能な長さで形成される。また、図４（ｂ）に示すように、同軸コネクタ６は２つのネジ孔６ｃが形成されており、図示しない金属ビスをネジ孔６ｃ及びグランド２に形成されたネジ孔２ａに螺合することにより、同軸コネクタ６がグランド２に対して固定される。尚、同軸コネクタ６の固定手段は、金属ビスに限らず、材質が金属であれば他の固定手段であってもよい。

次に、従来のエアギャップ・アンテナを用いた場合と、本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナを用いた場合とで電圧定在波比（ＶＳＷＲ）特性を測定した測定結果について、図６及び図７に基づいて説明する。図６は、従来のエアギャップ・アンテナを用いた場合のＶＳＷＲ特性を測定した測定結果である。尚、図６では、ＶＳＷＲ特性の比較を容易にするため、従来のエアギャップ・アンテナを用いた場合のＶＳＷＲ特性を測定した測定結果を実線で示し、図７に示す本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナ１０を用いた場合のＶＳＷＲ特性を測定した測定結果を点線で重ねて示している。図７は、本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナ１０を用いた場合のＶＳＷＲ特性を測定した測定結果である。尚、図７では、ＶＳＷＲ特性の比較を容易にするため、本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナ１０を用いた場合のＶＳＷＲ特性を測定した測定結果を実線で示し、図６に示す従来のエアギャップ・アンテナを用いた場合のＶＳＷＲ特性を測定した測定結果を点線で重ねて示している。

測定において用いた本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナ１０は、２．４ＧＨｚ帯でパッチ１の形状が右旋円偏波方形であり、真鍮、ニッケルメッキで形成されたパッチ１の一辺の長さが５４．４ｍｍで厚さが１ｍｍ、エアギャップ９の高さが４．３ｍｍ、アルミで形成されたグランド２の一辺の長さが８０ｍｍで厚さが３ｍｍとなるように形成した。また、パッチ１においては、中心に外径がφ３．２ｍｍのネジ孔４ａ、中心から１５ｍｍの位置に外径がφ２ｍｍの給電点１ａ、中心から給電点１ａを結んだ直線上の中心から２３．２ｍｍの位置、即ち、両端から４ｍｍの位置に外径がφ３．５ｍｍの２つのネジ孔３ａを形成した。尚、パッチ１の中心から給電点１ａを結んだ直線がパッチ１の辺と平行になるように給電点１ａを形成した。また、グランド２においては、四隅に外径φ３．５ｍｍの孔２ｂを５つ形成した。そして、ネジ孔４ａに中心が配置されるように外形φ１５ｍｍの円筒樹脂スペーサ（誘電スペーサ）４をパッチ１及びグランド２に固定するとともに、ネジ孔３ａに中心を配置するように外形φ６ｍｍの円筒樹脂スペーサ（誘電スペーサ）３をパッチ１及びグランド２に固定した。更に、給電ピン５は、頭部５ａの最も太い部分が外径φ３．０ｍｍ、脚部５ｂが外径φ０．９２ｍｍとなるように形成した。また、同軸コネクタ６としてＳＭＡコネクタを用いた。一方、従来のエアギャップ・アンテナは、測定に用いた本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナ１０と同じ形状で形成し、且つ、誘電体スペーサ３をエアギャップ９に挿入せず、ＳＭＡ同軸コネクタ中心導体とパッチ１とを給電点１ａにおいて半田付けにより接続した。

図６及び図７に示すように、中心周波数２．４２ＧＨｚ±０．０２ＧＨｚで比較すると、従来のエアギャップ・アンテナのＶＳＷＲ特性が２．０であるのに対し、本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナのＶＳＷＲ特性が１．３４と低く保たれており、ＶＳＷＲ特性が向上しているのがわかる。

このように、本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナ１０によると、パッチ１と同軸コネクタ６の中心導体６ａとが接続される点である給電点１ａとパッチ１の中心を結ぶ直線上のパッチ１の両端付近にエアギャップ９と略同一の高さを有する２つの誘電体スペーサ３を挿入されていることから、エアギャップ・アンテナ１０の入力インピーダンス特性が向上する。また、エアギャップ９と略同一の高さを有する誘電体スペーサ３により、エアギャップ・アンテナ１０のグランド２に対するパッチ１の固定箇所が増えるため、パッチ１とグランド２間を平行に保つことができると共に、外力に対する耐性が向上し、変形を防止することができる。

また、パッチ１と固定される給電ピン５の頭部５ａがカシメ接続のためにやや太く形成されることにより、給電ピン５自体のインダクタンス成分が減少して、エアギャップ・アンテナ１０の入力インピーダンス特性が向上する。また、パッチ１と給電ピン５の接続手段としてカシメを用い、給電ピン５が同軸コネクタ６の中心導体６ａの凹部に挿入されて接続されていることにより、半田付けが不要な構造となり、組立性が向上する。

尚、本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナ１０について、アンテナ放射特性に与える影響は無視できる範囲である。

以上、本発明は、上記の好ましい実施形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされる。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。また、具体例は、本発明の構成を例示したものであり、本発明を限定するものではない。

例えば、エアギャップ・アンテナ１０の形状は、図１に示すような形状に限らない。即ち、パッチとなる導体板及びグランドとなる導体板を平行に保持し、パッチとグランドの２つの導体板の間を空気（空間）で構成しているエアギャップ・アンテナであれば、どのような形状であっても本発明を適用することができる。

本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナを示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は側面図である。本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナのパッチを示す上面図である。本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナのグランドを示す上面図である。本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナの同軸コネクタを示す図であり、（ａ）は一部断面側面図であり、（ｂ）は上面図である。本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナの給電ピンを示す側面図である。従来のエアギャップ・アンテナを用いた場合のＶＳＷＲ特性を測定した測定結果である。本発明の実施形態に係るエアギャップ・アンテナを用いた場合のＶＳＷＲ特性を測定した測定結果である。従来のエアギャップ・アンテナを示す概略図である。

符号の説明

１パッチ
１ａ給電点
２グランド
３誘電体スペーサ（誘電体材料）
５給電ピン
６同軸コネクタ
６ａ中央導体部（中心導体）
６ｂ外導体部（外導体）
９エアギャップ
１０エアギャップ・アンテナ

Claims

導体板で形成されるパッチと、
前記パッチと平行に設置されて前記パッチとの間にエアギャップを形成する導体板で形成されるグランドと、
前記パッチと中心導体が電気的に接続され、且つ、前記グランドと外導体が電気的に接続されて給電を行う同軸コネクタと、
前記中心導体と前記パッチとが接続される給電点と前記パッチの中心を結ぶ直線上の前記パッチの少なくとも片側付近に配設され、前記エアギャップと略同一の高さを有する誘電体材料と、
を備えることを特徴とするアンテナ。
前記中心導体部の凹部に挿入されて接続された給電ピンを介して前記中心導体と前記パッチとが電気的に接続され、且つ、前記給電ピンと前記パッチとがカシメ接続により固定されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。