JP2007116519A - ループアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】ループアンテナの小型化を図る。
【解決手段】ループアンテナ部の少なくとも一部をメアンダ化して、その位相遅延を大きくする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＶＨＦ帯からマイクロ波帯において用いられるループアンテナに係り、特にサイズの小型化を図ったループアンテナに関するものである。

パッチアンテナやループアンテナ等のように、グランド板（反射板）上に配置される不平衡型の平面構造のアンテナにおいて、そのサイズの小型化を図るために最も簡便でよく使用される方法は、誘電体による方法である。これは、プリント基板やセラミック基板等の基板表面上に平面アンテナを導電箔パターン等により形成し、そのプリント基板やセラミック基板とグランド板との間に誘電体を挟み込む構造とし、これにより、アンテナの位相遅延（電気長）を大きくしたものである。アンテナの体積減少の度合いは、誘電体の比誘電率が大きいほど効果的であるが、パッチアンテナやループアンテナの場合、その寄与は主としてアンテナ面積に対してであり、アンテナ高さに対してはさほど小さくはならない。

また、ループアンテナは、アンテナ素子の内側に、より小型のループアンテナやパッチアンテナを入れ子式に配置することで、複数の周波数や偏波のアンテナを省スペースで設置する共用アンテナを実現することができる（例えば、非特許文献１，２，３参照）。一般的には、外側のループアンテナは周囲長が大きいことから低い周波数で動作させ、内側のループアンテナやパッチアンテナは高い周波数で動作させ、内側と外側では円偏波や直線偏波等の偏波についてはそれぞれ独立に選択できる。
熊谷、風間、塩川 著、「２周波共用パッチアンテナ」、２００５年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、７９頁。 四戸、羽石、木村 著、「マルチバンド特性を有する多リング型ＭＳＡについての一検討」、２００５年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、７７頁。 佐藤、山内、中野 著、「円偏波複合２重ループアンテナ」、２００５年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、１１８頁。

ところが、比較的低い周波数領域について考えると、誘電体を用いることでアンテナの体積は減少できるが、元々の物理的体積が大きいために、アンテナとグランド板間に充填する誘電体の体積は小型化してもなお大きく、重量やコスト面で大きな負担となる。

一方、高い周波数領域では、元々の体積が小さいため、重量面で問題となる恐れは小さい。しかし、２周波共用アンテナにおいて、二重ループやループの内側にパッチアンテナを入れ子式に配置する構造とした場合には、内外のアンテナをそれぞれ別々に比率を変えて小型化しようとすれば、内側のアンテナ用と外側のアンテナ用の誘電体を異なる比誘電率にする必要がある。例えば、外側アンテナ用の誘電体の中央を切除し、そこに内側アンテナとその誘電体を埋め込むような方法が考えられるが、構造が複雑となり、コスト増を招く。

本発明の目的は、全体形状の小型化を図ると共に、より多周波共用アンテナへの応用が容易となったループアンテナを提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、上面全面が導電体となったグランド板と、該グランド板の上方に所定の離間距離を保って支持された閉ループ構造のループアンテナ部を備え、前記グランド板と前記ループアンテナ部の所定箇所に給電を行う不平衡型のループアンテナにおいて、前記ループアンテナ部の少なくとも一部をメアンダ化したことを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のループアンテナにおいて、前記ループアンテナ部の給電点から伸びるようにインピーダンス整合用の給電線路を配置し、該給電線路の前記給電点と反対側に前記給電を行うようにしたことを特徴とする。
請求項３にかかる発明は、開放された両端が給電点となるループアンテナ部を備える平衡型のループアンテナにおいて、前記ループアンテナ部の少なくとも一部をメアンダ化したことを特徴とする。
請求項４にかかる発明は、請求項１又は２に記載のループアンテナにおいて、前記ループアンテナ部を誘電体基板の上面に導電箔パターンにより形成し、該誘電体基板の裏面に導電箔により前記グランド板を形成したことを特徴とする。
請求項５にかかる発明は、請求項１、２、３又は４に記載のループアンテナにおいて、前記ループアンテナ部の所定箇所に円偏波発生用の摂動素子を接続したことを特徴とする。

本発明のループアンテナによれば、メアンダ化によって、そのループの位相遅延を大きくすることができるので、ループの物理長で決まる周波数よりも低い周波数で共振する。よって、特定の周波数のループアンテナを構成する場合、ループ長をより小さくすることができ、より小型化が可能となる。このため、２周波共用アンテナを構成する場合、外側にメアンダ化ループアンテナを配置すれば、その全体形状をより小型化でき、また、内側にメアンダ化ループアンテナを配置すれば、従来のような誘電体による波長短縮効果とは独立してその内側のループアンテナを小型化でき、内外ループアンテナの相互干渉の防止を簡単な構成で容易に実現できる。

図１および図２は本発明の１つの実施例のループアンテナを示す図で、図１は平面図、図２は断面図である。１０はプリント基板であり、その表面に導電箔パターンによりメアンダ化（ジグ・ザグ化）された閉ループ構造のループアンテナ部１１が形成されている。このループアンテナ部１１は、ループアンテナ本体部１１ａ、円偏波を形成するための摂動素子１１ｂ、給電線路１１ｃを具備する。２０は上面全面に導電箔が形成されたグランド板（反射板）である。３０はプリント基板１０をグランド板２０上に支持するための電気絶縁性スペーサであり、９０度間隔の４箇所で支持している。給電線路１１ｃの先端には、グランド板２０に取り付けられた同軸端子４０から伸びる同軸芯線５１が接続され、その給電線路１１ｃの基端はループアンテナ本体部１１ａの給電点Ｐ１に接続されている。なお、同軸端子４０の同軸接地線（図示せず）はグランド板２０の上面の導電箔に接続されている

ここで、グランド板２０上に配置したメアンダ化されたループアンテナ１１の波長短縮効果について、図３および図４を参照して説明する。図３は、図１のループアンテナ本体部１１ａを直線状に延伸させた図である。この条件で、周波数４００ＭＨｚ、プリント基板（ＦＲ４：ガラスエポキシ基板）基板厚２ｍｍ、プリント基板１０とグランド板２０の間隔４０ｍｍ、線路幅ＷＬ＝８ｍｍ、左端の入力ポートから右端の出力ポートまでの軸方向のメアンダ距離ＭＬ＝２５０ｍｍとし、メアンダの折り返し間隔Ｇ＝９ｍｍ、メアンダの折り返しでできるメアンダ幅をＭＷとしたとき、そのメアンダ幅ＭＷを変化（８〜５３ｍｍ）させたときの入力ポートから出力ポートへの位相遅延量を図４に示した。

メアンダ幅ＭＷと線路幅ＷＬが同一（ＭＷ＝ＷＬ）のときは、直線の通常のマイクロストリップ線路そのものと言える。しかし、メアンダ幅ＭＷを線路幅ＷＬ（一定）に対して大きくするほど、位相が遅れている。逆に言えば、ある特定の位相遅れ（電気長）を実現するためには、メアンダ幅ＭＷを大きくするほど、メアンダ距離ＭＬを短くできることが判る。この結果、ループアンテナ本体部１１ａをメアンダ化することにより、そのループの物理長を１波長よりも短縮でき、ループアンテナの小型化が実現できる。なお、メアンダ化したループアンテナ１１は、内径と外径でループ長が異なるが、内径と外径の平均値から求めたループ長が直線状にしたメアンダアンテナの線路長とおよそ一致し、シミュレーション又は実験によるカットアンドトライで容易に調整できる。

また、本アンテナでは、低姿勢なループアンテナ本体部１１ａ上の給電点Ｐ１におけるインピーダンスが大きいため、給電点Ｐ１から延伸する給電線路１１ｃの長さ（Ｌ１＋Ｌ２）を約１／４波長にしてそのインピーダンスを５０Ωに変換し、そこで同軸線路の芯線５１に接続して、インピーダンス整合をとっている。また、右旋円偏波を得るために、給電点Ｐ１から１３５度の位置に摂動素子１１ｂを配置している。左旋円偏波を得るためには鏡像対象、つまり給電点Ｐ１から−１３５度の位置に摂動素子１１ｂを配置すれば良い。これら、インピーダンス変換用の給電線路１１ｃおよび右旋円偏波発生のための摂動素子１１ｂは、ループアンテナ本体部１１ａの内側ではあるが、それに沿うよう形成されているので、中心部（図１に破線で示す）に、ＧＰＳアンテナ等の別アンテナをループあるいはパッチにより形成することができる。

以上により、本実施例のループアンテナによれば、誘電体による波長短縮効果とは独立に、メアンダ化しない場合に比べてループ長を短縮することができ、そのアンテナサイズを小型化できる。また、そのループの中央部分には空きスペースができるので、この部分に別のアンテナをループあるいはパッチにより容易に形成することができ、簡単に２周波共用アンテナを実現することができる。このとき、外側のループアンテナをメアンダ化することで、２周波共用アンテナ全体の小型化が可能である。また、２周波共用アンテナを実現するとき、内側のループアンテナをメアンダ化することで、その内側のループアンテナを小型化して、内外ループアンテナの直径の差を大きくすることができ、相互干渉を防止できる。

図１および図２に示したのループアンテナのリターンロスの周波数特性を図５に、正面アンテナゲインの周波数特性を図６に、正面軸比の周波数特性を図７に示した。４００ＭＨｚ用のループアンテナとして所望の特性が得られている。プリント基板（ＦＲ４：ガラスエポキシ基板）基板厚２ｍｍ、プリント基板とグランド板の間隔４０ｍｍ、線路幅ＷＬ＝８ｍｍ、外径９２ｍｍ、内径６４ｍｍ、メアンダの折り返し数（ジグ・ザグで１つ）１６である。

なお、ループアンテナ部１１のメアンダ化は、図示のような矩形の他に、三角形、半円形、波形（サイン波その他）等で実現しても同様に波長短縮効果を得ることができ、また、そのループ形状は丸形に限られれず角形であってもよい。また、ループアンテナ部１１は、プリント基板１０上に形成せず、比較的厚みのある導電性の金属板からプレスカットにより作り出しても良い。さらに、メアンダ化はループの全周に亘らず、一部のみをメアンダ化した場合でも程度は少ないものの波長短縮効果を得ることができるので、使用周波数に応じて全部あるいは一部のみのメアンダ化を行えばよい。さらに、以上ではプリント基板１０とグランド板２０との間に空間を設けたが、プリント基板１０の裏面全面に導電箔を設けてこれをグランド板としても良い。

また、以上ではグランド板２０を使用する不平衡給電方式のループアンテナについて説明したが、グランド板２０を使用しない平衡給電方式のループアンテナを構成する場合は、図８に示すように、メアンダ化したループアンテナ部１２のループアンテナ本体部１２ａの所望箇所においてループを分離して給電点Ｐ２を形成し、そのループ両端部の給電点Ｐ２に平衡線路により給電を行えば良い。このとき、インピーダンス整合が必要な場合は、その給電点Ｐ２までの給電ラインに整合回路を設ける。また、右旋円偏波発生用の摂動素子１２ｂは例えば４５度の位置に設ける。

本発明の実施例のループアンテナの平面図である。 本発明の実施例のループアンテナの断面図である。 メアンダラインの説明図である。 図３における位相遅延のメアンダ幅特性図である。 図１のループアンテナのリターンロスの周波数特性図である。 図１のループアンテナの正面アンテナゲインの周波数特性図である。 図１のループアンテナの正面軸比の周波数特性図である。 別の実施例のループアンテナの平面図である。

符号の説明

１０：プリント基板、１１，１２：ループアンテナ部、１１ａ，１２ａ：ループアンテナ本体部、１１ｂ，１２ｂ：摂動素子、１１ｃ：給電線路
２０：グランド板
３０：スペーサ
４０：同軸端子
５１：同軸芯線

Claims (5)

1. 上面全面が導電体となったグランド板と、該グランド板の上方に所定の離間距離を保って支持された閉ループ構造のループアンテナ部を備え、前記グランド板と前記ループアンテナ部の所定箇所に給電を行う不平衡型のループアンテナにおいて、前記ループアンテナ部の少なくとも一部をメアンダ化したことを特徴とするループアンテナ。
2. 請求項１に記載のループアンテナにおいて、
   前記ループアンテナ部の給電点から伸びるようにインピーダンス整合用の給電線路を配置し、該給電線路の前記給電点と反対側に前記給電を行うようにしたことを特徴とするループアンテナ。
3. 開放された両端が給電点となるループアンテナ部を備える平衡型のループアンテナにおいて、前記ループアンテナ部の少なくとも一部をメアンダ化したことを特徴とするループアンテナ。
4. 請求項１又は２に記載のループアンテナにおいて、
   前記ループアンテナ部を誘電体基板の上面に導電箔パターンにより形成し、該誘電体基板の裏面に導電箔により前記グランド板を形成したことを特徴とするループアンテナ。
5. 請求項１、２、３又は４に記載のループアンテナにおいて、
   前記ループアンテナ部の所定箇所に円偏波発生用の摂動素子を接続したことを特徴とするループアンテナ。
   

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