JP2006211040A

JP2006211040A - アンテナ装置

Info

Publication number: JP2006211040A
Application number: JP2005017137A
Authority: JP
Inventors: Genshu To; 元珠竇
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine 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: US7248226B2; JP4418375B2; DE102006003402A1; US20060164314A1; DE102006003402B4

Abstract

【課題】１点給電方式の円偏波スロットアンテナであって小型化が促進しやすいアンテナ装置を提供すること。
【解決手段】金属平板２に開設された放射スロット３は、金属平板２の一方の対角線上に位置するメインスロット部６と、金属平板２の隣り合う２辺に沿って延びる第１および第２ブランチスロット部７，８とからなり、メインスロット部６の一端部近傍に給電線路４と接地線路５が配設されている。メインスロット部６の他端部は第１ブランチスロット部７と連通されており、メインスロット部６の他端部近傍は分岐して第２ブランチスロット部８と連通されている。そして、スロット部６，７から放射される電波の偏波面と、スロット部６，８から放射される電波の偏波面とが直交し、かつ、前者の電波と後者の電波との間に９０度の位相差が生じるように各スロット部６〜８の長さと相対位置を設定している。
【選択図】図２

Description

本発明は、スロットアンテナ構造のアンテナ装置に係り、特に、小型の円偏波アンテナとして好適なアンテナ装置に関する。

スロットアンテナ構造の円偏波アンテナとしては、従来、長さが同等で空間的に直交する一対の放射スロットをそれぞれ給電して励振させ、各放射スロットから放射される電波の間に９０度の位相差が生じるようにした２点給電方式のアンテナ装置が一般的であった。しかしながら、９０度位相差回路等を必要とする２点給電方式は、回路構成が複雑化してしまうという不具合があった。

そこで最近、空間的に直交する第１スロット部と第２スロット部の一端どうしを連通させてなるＬ字形の放射スロットを導体板に開設し、この放射スロットの角部近傍の適宜位置に給電することによって、各スロット部から放射される電波の間に９０度の位相差が生じるようにした１点給電方式のアンテナ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１９４２１８号公報（第６頁、図７）

前述した従来のアンテナ装置は、１点給電方式の円偏波アンテナなので回路構成を簡素化できるという利点があるが、使用する電波の波長をλとしたとき、第１スロット部と第２スロット部の全長はいずれも約λ／２となるため、Ｌ字形の放射スロットを開設する導体板には一辺λ／２以上の大きさが必要となる。したがって、動作周波数が例えば２．４ＧＨｚの場合、このアンテナ装置はＬ字形の放射スロットを開設する導体板に一辺６ｃｍ以上の大きさが必要になってしまい、所望の小型化が図れないという問題があった。

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、１点給電方式の円偏波スロットアンテナであって小型化が促進しやすいアンテナ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明のアンテナ装置では、導体部材に開設された放射スロットが、直線状に延びて一端部近傍に給電部を有するメインスロット部と、このメインスロット部を挟んで互いに逆側の領域に設けられてそれぞれが直線状に延びる第１ブランチスロット部および第２ブランチスロット部とを備えていると共に、前記第１ブランチスロット部が前記メインスロット部の他端部に連通されて前記第２ブランチスロット部が該他端部近傍に連通されており、前記メインスロット部および前記第１ブランチスロット部から放射される電波の偏波面と、前記メインスロット部および前記第２ブランチスロット部から放射される電波の偏波面とが直交し、かつ、前者の電波と後者の電波との間に９０度の位相差が生じるように各スロット部の長さおよび相対位置を設定した。

このように構成されたアンテナ装置の放射スロットは、メインスロット部から第１ブランチスロット部へと至る第１のＶ字形スロットと、メインスロット部から第２ブランチスロット部へと至る第２のＶ字形スロットとを重ね合わせたものと見なすことができ、第１のＶ字形スロットから放射される電波と第２のＶ字形スロットから放射される電波とが、偏波面を直交させていると共に９０度の位相差を保っていることから、これら両電波の振幅を同程度にしておけば軸比特性が良好な円偏波を放射させることが可能となる。つまり、このアンテナ装置は、構成が簡素な１点給電方式の円偏波スロットアンテナとして動作させることができる。また、このアンテナ装置は、使用する電波の波長をλとしたとき、メインスロット部の全長と第１ブランチスロット部（または第２ブランチスロット部）の全長の和を約λ／２に設定すればよいので、一辺がλ／２よりも十分に短い小面積の導体部材に放射スロットを開設することができて、小型化が促進しやすくなっている。

上記の構成において、前記第２ブランチスロット部の全長が前記第１ブランチスロット部の全長以下であれば、前記第２のＶ字形スロットの全長が前記第１のＶ字形スロットの全長よりも若干短くなり、この長さの相違によって９０度の位相差を生じさせることができる。

また、上記の構成において、前記メインスロット部と前記第１ブランチスロット部とのなす角度が略４５度であり、かつ、前記メインスロット部と前記第２ブランチスロット部とのなす角度が略４５度であると、メインスロット部を挟んで互いに逆側の領域に位置する第１ブランチスロット部と第２ブランチスロット部とのなす角度が略９０度となるため、各スロット部をコンパクトに配設することができて好ましい。この場合、前記導体部材の外形が平面視略正方形であれば、該略正方形の一方の対角線上にメインスロット部を設けることにより、該略正方形の隣り合う２辺に沿って第１および第２ブランチスロット部を設けることができるため、スペースファクタが良好で小型化に好適なアンテナ装置が得られる。

また、上記の構成において、前記導体部材は金属板であっても金属膜であってもよいが、導体部材が金属板からなる場合には、板金のみによってアンテナ装置を形成することが可能となるため、製造コストを大幅に低減することができる。

また、前記導体部材が誘電体基板上に形成された金属膜からなる場合には、誘電体による波長短縮効果によって装置全体の小型化が促進できる。

本発明のアンテナ装置は、導体部材に開設した放射スロットの各スロット部の長さおよび相対位置を適宜選択することによって、メインスロット部および第１ブランチスロット部から放射される電波と、メインスロット部および第２ブランチスロット部から放射される電波とが、偏波面を直交させつつ９０度の位相差を生じるように設定してあるため、１点給電方式の円偏波スロットアンテナとして動作させることができる。また、このアンテナ装置は、メインスロット部の全長と第１ブランチスロット部（または第２ブランチスロット部）の全長の和を使用する電波の波長の半分程度に設定すればよいため、小面積の導体部材に放射スロットを開設することができて小型化が促進しやすくなっている。

発明の実施の形態について図面を参照して説明すると、図１は本発明の第１実施形態例に係るアンテナ装置の斜視図、図２は該アンテナ装置の平面図、図３は該アンテナ装置のリターンロスを示す特性図、図４は該アンテナ装置の放射パターンを示す特性図である。

図１および図２に示すアンテナ装置は、天板部が正方形の金属平板２からなる箱状の金属ケース１と、金属平板２に開設された放射スロット３と、この放射スロット３の給電位置から下方へ延出する給電線路４および接地線路５とによって概略構成されており、放射スロット３は直線状に延びる３本のスロット部６，７，８を連通させた形状に形成されている。

金属ケース１は板金をプレス加工したものであり、金属平板２の各辺から延出する４片の側板部１ａを下向きに折り曲げることによって箱状に成形されている。この金属ケース１は、給電回路等の高周波回路を備えた図示せぬ回路基板上に載置されている。

放射スロット３は金属平板２を所定形状に打ち抜いて形成したものであり、金属平板２の一方の対角線上に位置するメインスロット部６と、メインスロット部６を挟んで互いに逆側の領域に位置し金属平板２の隣り合う２辺に沿って延びる第１ブランチスロット部７および第２ブランチスロット部８とからなる。メインスロット部６の一端部近傍には該スロット部６を挟んで給電線路４と接地線路５が配設されている。このメインスロット部６の他端部は第１ブランチスロット部７の一端部と連通されており、これら両スロット部６，７のなす角度は４５度に設定されている。また、メインスロット部６の他端部近傍は分岐して第２ブランチスロット部８の一端部と連通されており、これら両スロット部６，８のなす角度も４５度に設定されている。メインスロット部６の全長は第１ブランチスロット部７の全長の約√２倍であり、第２ブランチスロット部８の全長は第１ブランチスロット部７の全長と同等または若干短く形成されている。こうすることで、メインスロット部６から第１ブランチスロット部７へと至る第１のＶ字形スロットの全長と、メインスロット部６から第２ブランチスロット部８へと至る第２のＶ字形スロットの全長とを若干異ならせている。ただし、この長さの差は僅かであって、各Ｖ字形スロットの全長は使用する電波の波長λの約半分の長さに設定されている。

この放射スロット３は、スロット部６，７からなる第１のＶ字形スロットと、スロット部６，８からなる第２のＶ字形スロットとを重ね合わせたものと見なすことができる。そして、各スロット部６，７，８の長さと相対位置および給電位置等を適宜選択することにより、励振時に図２にベクトルで示すような電界を発生するように設定されている。すなわち、同図において、Ｅａはメインスロット部６で発生する電界、Ｅｂは第１ブランチスロット部７で発生する電界、Ｅｃは第２ブランチスロット部８で発生する電界を示しており、Ｅａ／２とＥｂの合成ベクトルが第１のＶ字形スロットの電界Ｅ１となり、Ｅａ／２とＥｃの合成ベクトルが第２のＶ字形スロットの電界Ｅ２となる。図２に示すように、電界Ｅ１と電界Ｅ２は向きが互いに直交しており、かつ、電界Ｅ１と電界Ｅ２の大きさはほぼ等しい。また、第１のＶ字形スロットと第２のＶ字形スロットは全長が異なるため、電界Ｅ１と電界Ｅ２は位相がずれているが、この位相のずれが９０度となるように各Ｖ字形スロットの全長を設定している。

図１に示すように、給電線路４と接地線路５はメインスロット部６の一端部近傍を幅方向に挟む２箇所を基端として金属平板２の延出部分を下向きに折曲してなる金属片であって、両金属片の下端は前記回路基板に半田付けされている。すなわち、給電線路４の下端は給電回路に接続され、接地線路５の下端はグラウンドに接続されている。

このように構成されたアンテナ装置は、放射スロット３に対して給電を行うことにより、メインスロット部６および第１ブランチスロット部７からなる第１のＶ字形スロットと、メインスロット部６および第２ブランチスロット部８からなる第２のＶ字形スロットとを同時に励振させることができる。そして、第１のＶ字形スロットから放射される電波（電界Ｅ１）と、第２のＶ字形スロットから放射される電波（電界Ｅ２）とは、偏波面が直交していると共に９０度の位相差を保っており、かつ、振幅もほぼ等しいため、放射スロット３は全体として円偏波を放射することになる。つまり、このアンテナ装置は、構成が簡素な１点給電方式の円偏波スロットアンテナとして動作する。

なお、このアンテナ装置の周波数に応じたリターンロス（Ｓ１１）は図３のように変化する。同図において、ｆ１は第１のＶ字形スロットの共振周波数を示しており、ｆ２は第２のＶ字形スロットの共振周波数を示している。また、図１に示すようにＸＹＺ軸を定めたとき、このアンテナ装置のＹＺ面の放射パターンは図４（ａ）のようになり、ＸＺ面の放射パターンは図４（ｂ）のようになる。ただし、図４において、実線で示す曲線は左旋円偏波（ＬＨＣＰ）を示し、破線で示す曲線は右旋円偏波（ＲＨＣＰ）を示している。図４から明らかなように、このアンテナ装置は金属平板２の天頂方向の広い角度範囲で円偏波（この場合は左旋円偏波）の利得が高く、使い勝手のよい放射パターンが得られる。

また、このアンテナ装置は、放射スロット３が正方形状の金属平板２にコンパクトに開設されており、使用する電波の波長をλとしたとき、各Ｖ字形スロットの全長を約λ／２に設定すればよいので、金属平板２の一辺の長さはλ／３程度で済む。そのため、動作周波数が例えば２．２ＧＨｚ帯の場合、このアンテナ装置は、一辺が４．５ｃｍ程度の金属平板２に放射スロット３を開設することが可能となり、小型化が促進しやすくなっている。なお、このアンテナ装置を動作周波数が２．４ＧＨｚの無線通信に適用する場合、一辺が４．２ｃｍ程度の金属平板２に放射スロット３を開設することができ、動作周波数が５．８ＧＨｚのＥＴＣ（自動料金収受システム）に適用する場合、一辺が１．７ｃｍ程度の金属平板２に放射スロット３を開設することができる。

また、このアンテナ装置では、放射スロット３の給電手段として金属平板２から延出した金属片からなる給電線路４と接地線路５を用いているため、給電手段を含めたアンテナ装置全体を板金のみによって形成することができる。したがって、このアンテナ装置は極めて安価に製造することができる。

図５は本発明の第２実施形態例に係るアンテナ装置の平面図、図６は該アンテナ装置の軸比パターンを示す特性図である。なお、図５において図２と対応する部分には同一符号が付してあるため、重複する説明は省略する。

図５に示すアンテナ装置は、メインスロット部６および第１ブランチスロット部７の連通箇所に幅広部９を設けて該ブランチスロット部７側へ流れる電流を増大させることにより、第２ブランチスロット部８側へ相対的に多くの電流が流れないように構成されている。つまり、メインスロット部６および第１ブランチスロット部７からなる第１のＶ字形スロットは、メインスロット部６および第２ブランチスロット部８からなる第２のＶ字形スロットよりも若干長いため、インピーダンスの相違によって電流は第１のＶ字形スロットよりも第２のＶ字形スロットへ多く流れやすく、その場合、第１のＶ字形スロットの電界Ｅ１が第２のＶ字形スロットの電界Ｅ２に比して不所望に小さくなって軸比特性が悪化する虞がある。そこで本実施形態例では、放射スロット３に幅広部９を設けて第１ブランチスロット部７側へ電流を流れやすくすることにより、各ブランチスロット部７，８にほぼ同量の電流が流れるようにし、もって電界Ｅ１と電界Ｅ２の大きさが同等になるようにしてある。その結果、このアンテナ装置は図６に示すように良好な軸比パターンが得られた。なお、図６において、実線で示す曲線はＸＺ面の軸比パターンであり、破線で示す曲線はＹＺ面の軸比パターンである。

図７は本発明の第３実施形態例に係るアンテナ装置の平面図であり、図２と図５と対応する部分には同一符号が付してあるため、重複する説明は省略する。

図７に示すアンテナ装置は、放射スロット３を金属板ではなく誘電体基板１０上の金属膜１１に開設した点が、前述した第１および第２実施形態例と大きく異なっている。この金属膜１１は複数のビアホール１２を介して図示せぬグラウンドに接続されており、また、メインスロット部６および第２ブランチスロット部８の連通箇所を狭隘にする切れ込み部１３が設けられている。

このように構成されたアンテナ装置は、誘電体による波長短縮効果によって一層の小型化を図ることができ、また、メインスロット部６および第２ブランチスロット部８の連通箇所を狭隘にする切れ込み部１３を設けることで該ブランチスロット部８側へ流れる電流が低減されるため、各ブランチスロット部７，８にほぼ同量の電流が流れるようにして軸比特性を改善することができる。

本発明の第１実施形態例に係るアンテナ装置の斜視図である。該アンテナ装置の平面図である。該アンテナ装置のリターンロスを示す特性図である。該アンテナ装置の放射パターンを示す特性図である。本発明の第２実施形態例に係るアンテナ装置の平面図である。該アンテナ装置の軸比パターンを示す特性図である。本発明の第３実施形態例に係るアンテナ装置の平面図である。

符号の説明

１金属ケース
２金属平板
３放射スロット
４給電線路
５接地線路
６メインスロット部
７第１ブランチスロット部
８第２ブランチスロット部
９幅広部
１０誘電体基板
１１金属膜
１３切れ込み部

Claims

導体部材に開設された放射スロットが、直線状に延びて一端部近傍に給電部を有するメインスロット部と、このメインスロット部を挟んで互いに逆側の領域に設けられてそれぞれが直線状に延びる第１ブランチスロット部および第２ブランチスロット部とを備えていると共に、前記第１ブランチスロット部が前記メインスロット部の他端部に連通されて前記第２ブランチスロット部が該他端部近傍に連通されており、
前記メインスロット部および前記第１ブランチスロット部から放射される電波の偏波面と、前記メインスロット部および前記第２ブランチスロット部から放射される電波の偏波面とが直交し、かつ、前者の電波と後者の電波との間に９０度の位相差が生じるように各スロット部の長さおよび相対位置を設定したことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１の記載において、前記第２ブランチスロット部の全長が前記第１ブランチスロット部の全長以下であることを特徴とするアンテナ装置。
請求項１または２の記載において、前記メインスロット部と前記第１ブランチスロット部とのなす角度が略４５度であり、かつ、前記メインスロット部と前記第２ブランチスロット部とのなす角度が略４５度であることを特徴とするアンテナ装置。
請求項３の記載において、前記導体部材の外形が平面視略正方形であって、該略正方形の一方の対角線上に前記メインスロット部を設けたことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１〜４のいずれか１項の記載において、前記導体部材が金属板からなることを特徴とするアンテナ装置。
請求項１〜４のいずれか１項の記載において、前記導体部材が誘電体基板上に形成された金属膜からなることを特徴とするアンテナ装置。