JP2007124346A - アンテナ素子及びアレイ型アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域で良好なインピーダンス特性を得ることができるアンテナ素子及びアレイ型アンテナを提供する。
【解決手段】アンテナ素子１０を複数個併設してなるアレイ型アンテナ１の各アンテナ素子１０において平面エレメント１１と併置されたグランドパターン電極１２の形状を台形とし、上辺１２ｃの中央を給電部１３に接続し、上辺１２ｃに隣接する２つの辺１２ｄ，１２ｅのそれぞれを上辺１２ｃに対して直角とし、上辺１２ｃに対向する底辺１２ｆが上辺１２ｃに対して所定の角度をもって傾斜している形状とする。底辺１２ｆにおける任意の点と給電部１３との間の直線距離が、必要とする帯域幅内の任意の周波数の共振長となり、この任意の周波数におけるインピーダンスが整合状態となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線ＬＡＮ等のマイクロ波無線通信機器に用いられるアンテナ素子及びアレイ型アンテナに関するものである。

近年、携帯電話をはじめとする無線機器の利用が盛んであると共に、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈや無線ＬＡＮ等のマイクロ波帯を利用する技術が広く普及している。

このような無線機器においては、複数のアンテナを設け、これらを切り替えて使用するダイバーシチ方式や、複数のアンテナを併設したアレイ型アンテナを使用して指向性を制御する方式などが採用されている。

この種のアンテナとしては、例えば、特開2004-129138号公報（特許文献１）に開示されるアンテナの実装方法や、特開2003-101342号公報（特許文献２）に開示される広帯域アンテナ装置、特開2004-260319号公報（特許文献３）に開示されるアレイ型アンテナ装置、特表2004-527180号公報（特許文献４）に開示されるアレイ型アンテナ、特開2001-230621号公報（特許文献５）に開示される指向性制御アンテナ装置、特開平09-223917号公報（特許文献６）に開示される車載用アンテナ等が知られている。

特開2004-129138号公報（特許文献１）に開示されるアンテナの実装方法は、内縁が長方形で近似できる枠状の導体板としてのＥＭＶ（エレクトロマルチビジョン）基板をグラウンド面として用いる車載アンテナを設置するときに、ＥＭＶ基板の車載アンテナとの電気的接点がＥＭＶ基板の内縁に関する対称線から、車載アンテナが送信または受信する無線電波の波長のおよそ４分の１の長さだけ離れているようにする。これにより、内縁を有する枠状の導体板をグラウンド面として用いるアンテナにおいて、導体板の２次放射に起因する、アンテナおよび導体板の、導体板から遠ざかる方向への放射への利得の低下を抑えることができる。

特開2003-101342号公報（特許文献２）に開示される広帯域アンテナ装置は、支持体上に形成され、各々異なる共振周波数を有する複数の要素アンテナパターンと、要素アンテナパターンに導波路を介して接続され、要素アンテナパターンで送受信する無線信号の処理を行う通信回路とを具備している。これにより、広帯域な特性を有しながらコンパクトかつ低コストな広帯域アンテナ装置を提供することが可能になる。

特開2004-260319号公報（特許文献３）に開示されるアレイ型アンテナ装置は、異種の２つのアンテナを電気長に関して近接配置し、各アンテナによって形成されるアンテナ指向性を能動的に変化させることができるアレイ型アンテナ装置において、入射角依存性のないパラメータによって表された各アンテナ間の素子間結合を示す行列を格納する行列テーブルと、２つのアンテナのアンテナ指向性合成処理を行う指向性合成部と、指向性合成部が出力する指向性合成ベクトルデータに対して行列テーブルに格納された行列の逆行列を乗算し、この乗算結果を各アンテナに対する重み付け係数として出力する相互結合補償部とを備える。これにより、アンテナ素子間の相互結合による影響をなくして所望のアンテナ指向性合成や到来波分別を行うことができ、さらに小型化を促進することが可能になる。

特表2004-527180号公報（特許文献４）に開示されるアレイ型アンテナは、マイクロストリップアレイ型アンテナに関し、特に、各々がそれぞれ独自の偏波を生成する２つの部分の電力供給層からなる並列給電構造を有する広帯域デュアル偏波マイクロストリップアレイ型アンテナであり、このアレイ型アンテナは、閉領域の内側部分を除いた上方側を金属によって被覆されたグラウンドを具備し、多数の閉領域が、均一なアレイ形状で配置される。さらに、閉領域の所定の中心領域に被覆された金属は除去され、かつ、パッチアンテナが、閉領域の除去された中心領域とグラウンドの閉領域の外側の領域に形成される。

特開2001-230621号公報（特許文献５）に開示される指向性制御アンテナ装置は、方位電力推定手段によって推定された受信信号の方位と受信信号の電力を用い所望信号の方位と干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとにビーム形成重み係数とヌル形成重み係数から最適重み係数を重み係数選択手段で選択し、重み係数選択手段によって選択された最適重み係数を用いて、受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に対して重み付け合成処理を行うことによって受信の指向性合成を受信指向性合成手段で行う。これにより、感度特性を改善させることが可能になる。

特開平09-223917号公報（特許文献６）に開示される車載用アンテナは、送受信電波の約４分の１波長λ／４の長さＬを有する二本の導体が、導体の全長に渡って捻回されて形成されて成る。このように所定回数だけ捻回されることにより利得の向上を促しかつ所望の指向性を合成することができる指向性合成部が形成されるとともに、指向性合成部の一端に開放端が形成され他端に送受信端が形成される。これにより、無指向性を有し、設置場所の自由度の高い車載用アンテナが得られる。
特開2004-129138号公報 特開2003-101342号公報 特開2004-260319号公報 特表2004-527180号公報 特開2001-230621号公報 特開平09-223917号公報

しかしながら、指向性合成を目的とする広帯域なアレイ型アンテナにおいては、中心周波数が高くなるほど隣り合うアンテナ素子の間隔を狭める必要が生じてくる。このためグランドパターン電極の幅を狭めなくてはならなくなる。この結果、アンテナ素子間での干渉が生じ、インピーダンス特性（帯域幅）が悪化してしまい、ウルトラワイドバンド通信等に用いることが困難になるという問題点があった。

本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、広帯域で良好なインピーダンス特性を得ることができるアンテナ素子及びアレイ型アンテナを提供することにある。

本発明は前記目的を達成するために、絶縁体基板に設けられ且つ給電部に接続されたアンテナ用エレメントと、前記絶縁体基板に前記アンテナ用エレメントと併置され、第１辺の中央が給電部に接続された台形状をなすグランドパターン電極とを有し、前記グランドパターン電極は、前記第１辺に隣接する第２辺及び第３辺のそれぞれが前記第１辺に対して直角をなし、前記第１辺に対向する第４辺が前記第１辺に対して所定の角度をもって傾斜している形状を有するアンテナ素子を提案する。

本発明のアンテナ素子によれば、アンテナのラジアルとなるグランドパターン電極が上記のように台形をなし、前記第４辺における任意の点と給電部との間の直線距離が、必要とする帯域幅内の任意の周波数の共振長となり、該任意の周波数におけるインピーダンスが整合状態となる。

また、本発明は前記目的を達成するために、アンテナ素子を複数個併設してなるアレイ型アンテナであって、前記各アンテナ素子は、絶縁体基板に設けられ且つ給電部に接続されたアンテナ用エレメントと、前記絶縁体基板に前記アンテナ用エレメントと併置され、第１辺の中央が給電部に接続された台形状をなすグランドパターン電極とを有し、前記グランドパターン電極は、前記第１辺に隣接する第２辺及び第３辺のそれぞれが前記第１辺に対して直角をなし、前記第１辺に対向する第４辺が前記第１辺に対して所定の角度をもって傾斜している形状を有するアレイ型アンテナを提案する。

本発明のアレイ型アンテナによれば、アンテナのラジアルとなるグランドパターン電極が上記のように台形をなし、前記第４辺における任意の点と給電部との間の直線距離が、必要とする帯域幅内の任意の周波数の共振長となり、該任意の周波数におけるインピーダンスが整合状態となる。

本発明のアンテナ素子によれば、第４辺における任意の点と給電部との間の直線距離が、必要とする帯域幅内の任意の周波数の共振長となり、該任意の周波数におけるインピーダンスが整合状態となるので、隣り合うアンテナ素子の間隔を狭めたときにも広帯域の周波数で良好なインピーダンス特性を得ることができ、ウルトラワイドバンド通信に使用可能な小型のアンテナ素子を実現することができる。

また、本発明のアレイ型アンテナによれば、第４辺における任意の点と給電部との間の直線距離が、必要とする帯域幅内の任意の周波数の共振長となり、該任意の周波数におけるインピーダンスが整合状態となるので、隣り合うアンテナ素子の間隔を狭めたときにも広帯域の周波数で良好なインピーダンス特性を得ることができ、ウルトラワイドバンド通信に使用可能な小型のアレイ型アンテナを実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。

図１乃至図３は本発明の一実施形態のアレイ型アンテナを示すもので、図１は一実施形態のアレイ型アンテナを示す平面図、図２は一実施形態におけるアンテナ素子を示す平面図、図３は図１におけるＡ−Ａ線矢視方向側面図である。

図において、１はアレイ型アンテナで、長方形をなす絶縁体基板１６の長手方向に４つのアンテナ素子１０を等間隔Ｗ１を開けて併設して構成されている。尚、各アンテナ素子１０は、後述するグランドパターン電極１２の上辺１２ｃが同一直線上に位置するように併設されている。

アンテナ素子１０は、切欠部１５を有する導体の平面エレメント１１を内部に含み且つ誘電率約２０の誘電体基板１７と、誘電体基板１７に対して１．０ｍｍの間隔をおいて併置され且つ平面エレメント１１のラジエタ用給電点１１ａに対向する位置にラジアル用給電点が形成されたグランドパターン電極１２と、例えばプリント基板（より具体的には例えば、ＦＲ−４、テフロン（登録商標）などを素材とする樹脂基板）である絶縁体基板１６と、平面エレメント１１の給電点１１ａ及びグランドパターン電極１２の給電点１２ａに接続される給電部１３とにより構成される。

誘電体基板１７は、幅６ｍｍ×長さ８ｍｍ×厚さ１ｍｍに形成されている。また、給電点１１ａを通り且つ平面エレメント１１の底辺１１ｂに垂直な直線に対して辺１ｃは平行になっており、給電点１１ａは底辺１１ｂの中点に設けられている。

また、平面エレメント１１の底辺１１ｂの角は隅切されており、辺１１ｆが設けられ、底辺１１ｂはこの辺１１ｆを介して辺１１ｃに接続している。さらに、平面エレメント１１の天頂部１１ｄには矩形の切欠部１５が設けられている。切欠部１５は、天頂部１１ｄからグランドパターン電極１２側に矩形に窪ませることにより形成されている。

また、給電点１１ａを通る前記直線に対して平面エレメント１１は左右対称な形状をなしている。従って、切欠部１５も左右対称となっている。

グランドパターン電極１２は台形をなし、図における上辺（第１辺）１２ｃは平面エレメント１１の底辺１１ｂに対して平行になっており、グランドパターン電極１２の上辺１２ｃの中央に凹部１２ｂが形成され、この凹部１２ｂの底辺中央にラジアル用給電点１２ａが設けられている。さらに、グランドパターン電極１２の左辺１２ｄと右辺１２ｅは上辺１２Ｃに対して直角をなしている。また、グランドパターン電極１２の底辺（第４辺）１２ｆは上辺１２ｃに対して所定の角度θをもって傾斜している。本実施形態では上辺１２ｃの長さＬ１を９ｍｍに設定し、左辺１２ｄの長さＬ２を２５ｍｍに設定し、右辺１２ｅの長さＬ３を７ｍｍに設定している。また、隣り合うグランドパターン電極１２の間隔Ｗ１を２０ｍｍに設定している。

上記のグランドパターン電極１２と、誘電体基板１７は絶縁体基板１６上に設けられている。絶縁体基板１６とグランドパターン電極１２が一体形成される場合もある。尚、本実施形態では、誘電体基板１７の内部に平面エレメント１１が形成されている。すなわち、誘電体基板１７は、セラミックス・シートを積層して形成され、そのうちの一層として導体の平面エレメント１１も形成される。このように誘電体基板１７内部に平面エレメント１を構成すすることにより、露出させた場合に比して誘電体の効果が若干強くなるため小型化することができ、さびなどに対する信頼性も増す。但し、誘電体基板１７の表面に平面エレメント１１を形成するようにしてもよいことは言うまでもない。また、誘電率も変更することができ、単層、多層のいずれであってもよい。単層ならば絶縁体基板１６上に平面エレメント１１を形成することになる。なお、本実施形態において、誘電体基板１７はグランドパターン電極１２と平行又は実質的に平行に配置されている。この配置により、誘電体基板１７の一層に含まれる平面エレメント１１もグランドパターン電極１２と平行又は実質的に平行になる。

このように平面エレメント１１を誘電体基板１７で覆うような形で形成すると、誘電体により平面エレメント１１周辺の電磁界の様子が変化する。具体的には、誘電体の中の電界密度が増す効果と波長短縮効果が得られるため、平面エレメント１１を小型化することができるようになる。また、これらの効果により電流路の打ち上げ角度が変化し、アンテナのインピーダンス等価回路における誘導成分Ｌ及び容量成分Ｃが変化する。即ち、インピーダンス特性に大きな影響が出てくる。このインピーダンス特性への影響を踏まえた上で所望の帯域で所望のインピーダンス特性を得るように平面エレメント１１の形状及びグランドパターン電極１２の形状の最適化を行う。

即ち、本実施形態における平面エレメント１１の形状は、より小型化を図ると共に、所望の周波数帯域において良好なインピーダンス特性を得るための電流路を確保するため、矩形の切欠部１５を有する形状となっている。この切欠部１５の形状によってアンテナ特性を調整することができる。

また、本実施形態のアンテナ素子１０では、グランドパターン電極１２の給電点１２ａとグランドパターン電極１２の底辺１２ｆとの距離が連続的に変化する。このようにグランドパターン電極１２の底辺１２ｆを上辺１２ｃに対して傾斜させることにより、図４に示すように、アンテナのラジアルとなるグランドパターン電極１２が上記のように台形をなし、底辺１２ｆにおける任意の点と給電点１２ａとの間の直線距離が、必要とする帯域幅内の任意の周波数の共振長となり、この任意の周波数におけるインピーダンスが整合状態となる。これにより、隣り合うアンテナ素子１０の間隔Ｗ１を狭めたときにも広帯域の周波数で良好なインピーダンス特性を得ることができ、ウルトラワイドバンド通信に使用可能な小型のアレイ型アンテナを実現することができる。

図５は、本実施形態のアレイ型アンテナ１のＶＳＷＲ特性を示すものである。このように、本実施形態のアレイ型アンテナ１では、３．１ＧＨｚ〜６．６ＧＨｚの広帯域の周波数においてＶＳＷＲが２以下という良好な特性を示している。

本実施形態に対する比較例としての従来のアレイ型アンテナの平面図を図８に示し、そのＶＳＷＲ特性を図９に示す。図において、前述した実施形態と同一構成部分は同一符号をもって表しその説明を省略する。

この比較例のアレイ型アンテナ２においては４つのアンテナ素子２０を絶縁体基板１６の表面に併設している。隣り合うアンテナ素子２０の間隔Ｗ２は２３ｍｍであり、上記実施形態における間隔Ｗ１よりも大きくなる。また、アンテナ素子２０のグランドパターン電極２２は幅Ｌ６が１５ｍｍ×長さＬ７が２５ｍｍの長方形をなし、上記実施形態のように傾斜した辺を持たない。

比較例のアレイ型アンテナ２では、ＶＳＷＲが２以下となる周波数は３．３ＧＨｚ〜６．０ＧＨｚの周波数帯である。

尚、平面エレメント１１は、従来技術と同様にモノポールアンテナの放射導体であるとも考えられる。一方で、本実施の形態におけるアンテナは、グランドパターン電極１２も放射に寄与している部分もあるので、ダイポールアンテナであるとも言える。但し、ダイポールアンテナは通常同一形状を有する２つの放射導体を用いるため、本実施形態におけるアンテナ素子は、非対称型ダイポールアンテナとも呼べる。さらに、本実施形態におけるアンテナ素子は、進行波アンテナとも言える。このような考え方は以下で述べる全ての実施の形態に適用可能である。

また、本発明で言うアレイ型アンテナとは、一般にアレイアンテナと呼ばれるタイプのアンテナを含むのは勿論のこと、複数のアンテナで同時にデータの送信や受信を行うＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）方式に用いられるアンテナも含むものである。

次に、図面を参照して本発明の実施形態の変形例について説明する。

図６及び図７は本発明のアンテナ素子の変形例を示すもので、図６は第１の変形例を示す平面図であり、図７は、第２の変形例を示す平面図である。

図６に示されるように、アンテナ素子１０の台形状をなすグランドパターン電極１２を、前記第１辺１２ｃに対向して所定の角度をもって傾斜している第４辺１２ｆの前記第１辺１２ｃから遠い端部側の部分が前記第１辺１２ｃと平行に切り落とされて形成された辺１２ｇを備えた５角形状にしてもよい。

また、図７に示されるように、アンテナ素子１０の台形状をなすグランドパターン電極１２を、前記第１辺１２ｃに対向して所定の角度をもって傾斜している第４辺１２ｆの前記第１辺１２ｃから遠い端部側が切り落とされて前記第４辺１２ｆと線対称の第５辺１２ｈを備えた５角形状にしてもよい。

本発明の一実施形態のアレイ型アンテナを示す平面図 本発明の一実施形態におけるアンテナ素子を示す平面図 図１におけるＡ−Ａ線矢視方向側面図 本発明の一実施形態のアレイ型アンテナの特徴を説明する図 本発明の一実施形態のアレイ型アンテナのＶＳＷＲ特性を示す図 本発明のアンテナ素子の第１変形例を示す平面図 本発明のアンテナ素子の第２変形例を示す平面図 比較例のアレイ型アンテナを示す平面図 比較例のアレイ型アンテナのＶＳＷＲ特性を示す図

符号の説明

１…アレイ型アンテナ、１０…アンテナ素子、１１…平面エレメント、１１ａ…給電点、１２…グランドパターン電極、１２ａ…給電点、１２ｃ…上辺（第１辺）、１２ｄ…左辺（第２辺）、１２ｅ…右辺（第３辺）、１２ｆ…底辺（第４辺）、１３…給電部、１５…切り欠き部、１６…絶縁体基板、１７…誘電体基板。

Claims (8)

1. 絶縁体基板に設けられ且つ給電部に接続されたアンテナ用エレメントと、
   前記絶縁体基板に前記アンテナ用エレメントと併置され、第１辺の中央が給電部に接続された台形状をなすグランドパターン電極とを有し、
   前記グランドパターン電極は、前記第１辺に隣接する第２辺及び第３辺のそれぞれが前記第１辺に対して直角をなし、前記第１辺に対向する第４辺が前記第１辺に対して所定の角度をもって傾斜している形状を有する
   ことを特徴とするアンテナ素子。
2. 前記アンテナ用エレメントは前記絶縁体基板の表面に対して平行な平面状をなしている
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ素子。
3. 前記アンテナ用エレメントは誘電体基板の表面或いは内部に形成され、該誘電体基板が前記絶縁体基板に設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ素子。
4. アンテナ素子を複数個併設してなるアレイ型アンテナであって、
   前記各アンテナ素子は、
   絶縁体基板に設けられ且つ給電部に接続されたアンテナ用エレメントと、
   前記絶縁体基板に前記アンテナ用エレメントと併置され、第１辺の中央が給電部に接続された台形状をなすグランドパターン電極とを有し、
   前記グランドパターン電極は、前記第１辺に隣接する第２辺及び第３辺のそれぞれが前記第１辺に対して直角をなし、前記第１辺に対向する第４辺が前記第１辺に対して所定の角度をもって傾斜している形状を有する
   ことを特徴とするアレイ型アンテナ。
5. 前記グランドパターン電極の第１辺が同一直線上に位置するように前記複数のアンテナ素子が併設されている
   ことを特徴とする請求項４に記載のアレイ型アンテナ。
6. 前記複数のアンテナ素子のアンテナ用エレメント及びグランドパターン電極が同一の絶縁体基板に設けられている
   ことを特徴とする請求項４に記載のアレイ型アンテナ。
7. 前記アンテナ用エレメントは前記絶縁体基板の表面に対して平行な平面状をなしている
   ことを特徴とする請求項４に記載のアレイ型アンテナ。
8. 前記アンテナ用エレメントは誘電体基板の表面或いは内部に形成され、該誘電体基板が前記絶縁体基板に設けられている
   ことを特徴とする請求項４に記載のアレイ型アンテナ。
   

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