JP2007282201A - 小型高利得セラミックアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、水平面方向に対して位相遅延特性が平坦な複数の高誘電率セラミックアンテナの間隔を短縮して配置することによって、電波が比較的に近距離から到来する場合に、電波が到来する方向を高精度で検知できる小型で高利得の指向性アンテナを実現するためのものである。

【解決手段】位相遅延特性が水平面方向に対して平坦である複数の高誘電率セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄを用い、間隔３１ａ、３１ｂを放射しあるいは受信する電波の周波数から求められる波長に対して水平面方向の比較的に大きな波長短縮率に対応して短縮して配置することで、電波が比較的に近距離から到来する場合に、電波が到来する方向を高精度で検知するための小型高利得セラミックアンテナを構成する。

【選択図】図１

Description

この発明は、水平面方向に対して位相遅延特性が平坦な複数の高誘電率セラミックアンテナの間隔を短縮して配置することによって、電波が比較的に近距離から到来する場合に、当該電波が到来する方向を高精度で検知できる小型で高利得の指向性アンテナを実現するためのものである。

従来から、複数素子のパッチアンテナの小型化について提案がされている。（例えば、特許文献１〜７参照）
特願２００６−０６３４７７号 特開２００５−１４２７８５号公報 特開２００４−１４０６３２号公報 特開２０００−１１４８４８号公報 特開２０００−０３１７２５号公報 特開平１０−９３３２９号公報 特開平５−１３６６２８号公報

図５は、従来の４素子パッチアンテナの実施例を示す外観構造図である。従来のパッチアンテナでは放射効率を良くするために放射素子１１ａ〜１１ｄを形成するプリント基板１２の誘電率を１に近づけて厚みを増すかあるいはプリント基板１２上に形成した放射素子１１ａ〜１１ｄの前面に間隔を空けて無給電放射素子（表示せず）を設け、各放射素子１１ａ〜１１ｄおよび／あるいは無給電放射素子の少なくとも一辺を放射しあるいは受信する高周波信号の２分の１波長に波長短縮率を掛けた長さとし、当該無給電放射素子間の間隔２１ａ、２１ｂを２分の１波長としているため、プリント基板１２の外形寸法が２．４ＧＨｚ帯において外形寸法２２ａ×２２ｂ＝１３ｃｍ×１３ｃｍ程度と大型になっている。
また、従来の複数素子のパッチアンテナでは、電波を放射しあるいは受信する際の指向性パターンについては考慮されているが、前記パッチアンテナの複数素子ごとに受信する電波の位相差を測定し、比較的に近距離から到来する電波の到来方向を、高精度で検知するために要求される水平面方向の位相遅延特性については考慮されていない問題点があった。

特許文献１は本出願の当事者から出願されたものであるが、特許文献１に記載されている従来の「無線マーカ」では、複数の高誘電率セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄをアンテナスイッチ１６によって周期的に切替えて携帯端末が向かっている方向を検知することを目的としており、前記複数の高誘電率セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄ間の間隔を１波長以下とし、隙間あるいは周辺部に電波吸収体あるいは反射板１５を配置して結合量を低減し各々が独立して機能するようにしたものである。
しかしながら、前記複数の高誘電率セラミックアンテナごとに受信する電波の位相差を測定し、比較的に近距離から到来する電波の到来方向を、高精度で検知するために要求される水平面方向の位相遅延特性については考慮されていない問題点があった。

特許文献２に記載されている従来の「複合アンテナ」では、アンテナエレメント１４とセラミックアンテナ１８のアイソレーションを良くするため、基板１０上に誘電体からなるキャリア１２を配設しキャリア１２の上面に第一のアンテナエレメント１４を配設し、キャリア１２の側面にセラミックアンテナ１８を配設しているが、特に、比較的に近距離から到来する電波の到来方向を検知することを目的とするものではないものと思料される。

特許文献３に記載されている従来の「高周波送受信回路とその製造方法」では、ベースプレート１の一方の面に、アンテナパターン導体７が形成され誘電体からなるアンテナ基板２を貼り付け、アンテナ基板２の表面の平面度精度を、実行波長をλとしたときにλ／２０以下とし、ベースプレート１の他方の面に、高周波回路基板３を構成し周囲を囲む凸部１−Ａを形成し、この凸部１−Ａの上面に電波吸収体８を備えるカバー５を装着しているが、特に、比較的に近距離から到来する電波の到来方向を検知することを目的とするものではないものと思料される。

特許文献４に記載されている従来の「ダイバーシテイアンテナ」では、絶縁基板２２の両面に２基のセラミックアンテナ２０、２０に対応させてこれより面積が大きく互いに電気的に接続されていない基板側アース電極３０、３０を設け、当該アース電極３０、３０と当該２基のセラミックアンテナ２０、２０のアース電極２８、２８を接続しているが、特に、比較的に近距離から到来する電波の到来方向を検知することを目的とするものではないものと思料される。

特許文献５に記載されている「車載用パッチアンテナ」では、無線通信を受信するために車両に搭載される車載用パッチアンテナ１０であって、地板１１と、該地板上に設けられた誘電体の基板１２と、該基板上に設けられた金属のパッチアンテナ部１３とを備え、前記基板は、共振周波数５．８ＧＨｚ帯において比誘電率２〜４の誘電体で形成されかつ厚さ１〜４ｍｍに設定され、前記地板は、その面積が前記バッチアンテナ部の面積以上かつ７６４平方ｍｍ以下に設定されているが、特に、比較的に近距離から到来する電波の到来方向を検知することを目的とするものではないものと思料される。

特許文献６に記載されている「無線通信用パッチアンテナ」では、電波を送受信する単体のパッチ素子２と、このパッチ素子２の周辺に設けられた電波吸収体からなる外壁３と、外周を被覆するケース４とを備えている。
特許文献７に記載されている「電波吸収構造」では、構造体としての誘電体３の表面に設けられたＭＡＳ円形パッチアンテナ等の平面アンテナ２と、電波吸収構造としての無反射終端５を裏面に設けているが、特に、比較的に近距離から到来する電波の到来方向を検知することを目的とするものではないものと思料される。

従来の技術は前記のとおりであり、複数のアンテナ素子ごとに受信する電波の位相差を測定して電波の到来方向を高精度で検知するために要求される水平面方向の位相遅延特性については考慮されておらず、比較的に近距離から到来する電波の到来方向を検知することを目的とするものではないものと思料される。

複数の高誘電率セラミックアンテナの間隔を短縮して配置し小型でしかも高利得のセラミックアンテナを実現する場合、高誘電率セラミックアンテナに固有の水平方向に対する波長短縮率が従来のパッチアンテナに比べて大きいために、当該複数の高誘電率セラミックアンテナの間隔を従来のパッチアンテナの複数の放射素子の間隔に比べて狭くする必要があり、当該複数の高誘電率セラミックアンテナ間の結合量が増大して相互に干渉が生じ期待する指向性ビームが得られない問題点がある。
また、従来の複数素子のアンテナでは、電波を放射しあるいは受信する際の指向性パターンについては考慮されているが、前記アンテナの複数素子ごとに受信する電波の位相差を測定し、比較的に近距離から到来する電波の到来方向を、高精度で検知するために要求される水平面方向の位相遅延特性については考慮されていない問題点があった。

この発明に係わる小型高利得セラミックアンテナは、位相遅延特性が水平面方向に対して平坦である複数の高誘電率セラミックアンテナを用い、前記複数の高誘電率セラミックアンテナに固有の水平方向に対して波長が短縮する現象を積極的に活用し、前記波長が短縮する率に応じて複数の高誘電率セラミックアンテナの間隔を短縮して配置し、前記複数の高誘電率セラミックアンテナの隙間および／あるいは周辺部に電波吸収体あるいは反射板を設け、前記複数の高誘電率セラミックアンテナを複合することによって、前記複数の高誘電率セラミックアンテナごとに受信する電波の位相差を測定し、比較的に近距離から到来する電波の到来方向を高精度で検知するためのアンテナを実現するためのものである。

本発明の小型高利得セラミックアンテナは、位相遅延特性が水平面方向に対して平坦である複数の高誘電率セラミックアンテナを用いており、前記複数の高誘電率セラミックアンテナごとに受信する電波の位相差を測定し、比較的に近距離から到来する電波の到来方向を高精度で検知するためのアンテナを実現するできる効果がある。
また、前記高誘電率セラミックアンテナに固有の水平方向に対する比較的に大きな波長短縮率に対応して間隔を短縮して配置し、前記高誘電率セラミックアンテナに２点給電式のパッチアンテナあるいはターンスタイルアンテナを用い、前記複数の高誘電率セラミックアンテナの隙間および／あるいは周辺部に電波吸収体あるいは反射板を設けることによって、前記複数の高誘電率セラミックアンテナ間の結合量を低減することにより、狭い指向性ビームであり小型で高利得のセラミックアンテナが実現できる効果がある。

この発明に係わる小型高利得セラミックアンテナは、図１および請求項１から４に本発明の第１の形態を示すように、移動体あるいは歩行者あるいは流通貨物に添付したアクテイブタグなどの位置を標定する場合に、比較的に近距離から到来する電波の到来方向を高精度で検知する必要があり、位相遅延特性が水平面方向に対して平坦である複数の高誘電率セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄと、前記複数の高誘電率セラミックアンテナに固有の水平方向に対する比較的に大きな波長短縮率に応じて近接して配置するための配置手段１２、１３、１４から構成される。
前記複数の高誘電率セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄは、セラミック基板が円盤状であり、かつ放射素子が円形でありあるいはターンスタイル形でありあるいは水平面方向に対称形とすることで、位相遅延特性が水平面方向に対して平坦となる。

また、ｘ軸方向とｙ軸方向の直角方向に設けられた２つの給電点（記載せず）から高周波信号を給電することで、前記複数の高誘電率セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄを近接して設置したときの相互間の結合量を低減することができる。
前記複数の高誘電率セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄの隙間および／あるいは周辺部には電波吸収体あるいは反射板１４が設けられ、前記複数の高誘電率セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄ相互間の結合を更に大きくする効果がある。
また、プリント基板１２の片面を全面グランド面１３とし高誘電率セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄを近接して配置し当該複数の高誘電セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄの隙間部分および／あるいは周辺部に電波吸収体および／あるいは反射板１６を配置する。

前記プリント基板１２のもう一方の面には、回路部品（記載せず）と必要な接続用のストリップラインが設けられ、接続端子（記載せず）に接続される。
前記複数の高誘電セラミックアンテナとして２点給電式の円偏波指向性アンテナを用いると、１点給電式の円偏波指向性アンテナのものよりアンテナ素子間の結合を低減できるので、素子間に設置する電波吸収体あるいは反射板を削減できるメリットが得られる。

図２〜図３および請求項５に本発明に第２の形態を示すように、アンテナ切替器５１ａ〜５１ｃを設けて複数高誘電セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄを周期的に切替え、あるいは、分配構成器５４ａ〜５４ｃによって複数高誘電セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄを分配合成し、接続端子（表示せず）により送受信機などに接続する。さらに、移相器５３ａ〜５３ｄを追加することにより、小型高利得でしかもアダプテイブなアンテナが実現できる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の小型高利得セラミックアンテナの実施例を示す断面図である。図１において、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは高誘電率セラミックアンテナ、１２はプリント基板等を含む配置手段、１３はグランド面、１４は電波吸収体および／あるいは反射板、３１ａ、３１ｂは高誘電体セラミックアンテナの間隔、３２ａ、３２ｂは小型高利得セラミックアンテナの外形寸法である。

複数の高誘電率セラミックアンテナ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、位相遅延特性が水平面方向に対して平坦であり、前記複数の高誘電率セラミックアンテナ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄごとに放射されあるいは受信される電波の位相差を測定することで、電波が到来する方向を高精度で検知できるアンテナを実現できる効果がある。
ここで、複数の高誘電率セラミックアンテナ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄには、セラミック基板が円盤状であり、かつ放射素子が円形であり、あるいはターンスタイル形であり、あるいは水平面方向に対称形である、例えば、円形のパッチアンテナあるいはターンスタイルアンテナなどを用いる。

更に、複数の高誘電率セラミックアンテナ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの間の間隔３１ａ、３１ｂを、放射しあるいは受信する電波の周波数から求まる波長に前記高誘電率セラミックアンテナに固有の水平方向に対する比較的に大きな波長短縮率を掛算した値に対応して短縮し、グランド面１３に配置する。
前記複数の高誘電率セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄの隙間部分および／あるいは周辺部に電波吸収体あるいは反射板１４を配置することによって、当該複数の高誘電セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄの相互間の結合量を低減することが可能となり、各々の高誘電率セラミックアンテナが近接して配置されても独立して機能することで期待する指向性パターンが実現できる。
ここで、例えば、２．４ＧＨｚ帯の送受信アンテナに用いる場合、４基の円偏波高誘電率セラミックアンテナを用いた小型高利得セラミックアンテナの外形寸法３２ａ、３２ｂは６ｃｍ×６ｃｍ程度となり、従来のプリント基板上に構成するパッチアンテナに比べて４分の１の面積で実現できる。

一般に、Ｎ基の高誘電率セラミックアンテナを用いると従来のプリント基板上に構成するパッチアンテナの１／Ｎの面積に縮減できる効果がある。
また、２．４ＧＨｚ帯以外の他の周波数帯で複数の高誘電率セラミックアンテナを用いる場合にも同様な効果があり、特に、高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化に貢献できる。
また、当該高誘電セラミックアンテナとして２点給電式の円偏波指向性アンテナを用いると１点給電式の円偏波指向性アンテナのものよりアンテナ素子間の結合を低減できるので素子間に設置する電波吸収体を削減できるメリットが得られる。
また、前記複数の高誘電率セラミックアンテナによって第１の高誘電率セラミックアンテナを構成し、これと対向する第２の高誘電率セラミックアンテナの位相遅延特性を水平面方向に対して平坦とすることで、送信機と受信機間１対向で、方向の検知精度の良いアンテナシステムが実現できる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の小型高利得セラミックアンテナの他の実施例を示す構成図である。図２において、１は小型高利得セラミックアンテナ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは高誘電率セラミックアンテナ、５１ａ、５１ｂ、５１ｃはアンテナスイッチ、５２は接続コネクタである。
複数の高誘電率セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄをアンテナスイッチ５１ａ〜５１ｃによって周期的に切替えて、接続コネクタ５２により送信機（表記せず）あるいは受信機（表記せず）などに接続する。

前記複数の高誘電率セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄが送信機に接続される場合には、アンテナスイッチ５１ａ〜５１ｃによって周期的に切替えられ、前記複数の高誘電率セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄから順次高周波信号が空間に放射され、距離を隔てて位置する受信機のアンテナによって受信され、受信された高周波信号の位相が比較されて、送信機の位置する方向が検知される。

図３は、本発明の小型高利得セラミックアンテナの他の実施例を示す構成図である。図３において、１は小型高利得セラミックアンテナ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは高誘電率セラミックアンテナ、５３ａ、５３ｂ、５３ｃは少なくとも移相器を含む
回路手段、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄはアンテナ切替器、５２は接続コネクタである。
複数の高誘電率セラミックアンテナ１１ａ〜１１ｄを、回路手段５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄおよびアンテナ切替器５１ａ、５１ｂ、５１ｃから構成される複合手段によって複合し、接続コネクタ５２により、送信機（表記せず）あるいは受信機（表記せず）などに接続する。

ここで、前記回路手段５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄによって、少なくとも伝送時の移相量をプリセットしあるいはアダプテイブに制御することにより、アダプテイブアレイアンテナとしての機能を付加することができる。
また、前記回路手段１７ａ〜１７ｄには増幅器、減衰器、スイッチ、送受信機、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータなどを組み合わせることができる。
また、前記アンテナ切替器５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄの代わりに分配合成器を用いることによって、全ての方向に対して移相特性が平坦なアダプテイブアレイアンテナを実現することができる。

以上の説明では、高誘電率セラミックを用いる場合について述べたが、セラミック以外の他の素材を用いた比較的に大きな波長短縮率を有するアンテナ素子でも同様な効果が得られる。
また、前記配置手段としてプリント基板を用いたが、金属製の基板あるいは当該高誘電率セラミックアンテナを金属板上に取り付けケーブルにより接続しあるいはその他の等価な方法でも実現できる。

また、前記小型高利得セラミックアンテナ全体を必要な方向にレドームを有する金属製の筐体に収納することでサイドロープを防ぎ、防水構造で対候性を持たせることができる。
また、前記複数の高誘電率セラミックアンテナを用いる代わりに、位相遅延特性が水平面方向に対して平坦である単一の高誘電率セラミックアンテナを送信機あるいは受信機に接続しあるいは組み込んで、比較的に近距離から電波を発信しあるいは受信することによって、歩行者あるいはロボットあるいは流通貨物などの移動体が位置する方向を高精度で検知することができる。

本発明の小型高利得セラミックアンテナにより小型高利得でしかも位相遅延特性が水平面方向に対して平坦であるアンテナが実現できるので、歩行者あるいはロボットあるいは流通貨物などの移動体の位置を高精度で評定するために、固定しあるいは携帯しあるいは装着する送信機あるいは受信機等に接続しあるいは組み込んで使用することで、比較的に近距離から到来する電波の到来方向を高精度で検知することができる。
前記の他に、各アンテナ素子毎に可変移相器を設けることで、小型高利得のアダプテイブアレイアンテナが実現できる。

本発明の小型高利得セラミックアンテナの実施例を示す断面図である。 本発明の小型高利得セラミックアンテナの他の実施例を示す構成図である。 本発明の小型高利得セラミックアンテナの他の実施例を示す構成図である。 従来の４素子パッチアンテナを示す外観構造図である。

符号の説明

１ 小型高利得セラミックアンテナ
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 高誘電率セラミックアンテナあるいはパッチアンテナの素子
１２ プリント基板などの配置手段
１３ グランド面
１４ 電波吸収体あるいは反射板
２１ａ、２１ｂ ４素子パッチアンテナの放射素子の間隔
２２ａ、２２ｂ ４素子パッチアンテナの外形寸法
３１ａ、３１ｂ セラミックアンテナの間隔
３２ａ、３２ｂ セラミックアンテナの外形寸法
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ アンテナ切替器
５２ 接続コネクタ
５３ａ、５３ｂ、５３ｃ 回路手段

Claims (6)

1. 複数の高誘電率セラミックアンテナと、前記複数の高誘電率セラミックアンテナの間隔を短縮して配置するための配置手段と、前記複数の高誘電率セラミックアンテナを複合するためのアンテナ複合手段から構成され、前記高誘電率セラミックアンテナの位相遅延特性が水平面方向に対して平坦であることを特徴とする小型高利得セラミックアンテナ
   
2. 前記位相遅延特性が水平面方向に対して平坦である高誘電率セラミックアンテナが、円盤状のセラミック基板で構成されかつ／あるいは円形の放射素子を有し、あるいはターンスタイル形アンテナであり、あるいは水平面方向に対称形のアンテナ構造であることを特徴とする請求項第１項記載の小型高利得セラミックアンテナ
   
3. 前記高誘電率セラミックアンテナが２点給電式の円偏波指向性アンテナであり、かつ／または前記複数の高誘電率セラミックアンテナの隙間および／あるいは周辺部に電波吸収体および／あるいは電波遮蔽体を有し、前記複数の高誘電率セラミックアンテナ間の結合量を低減することを特徴とする請求項第１項記載の小型高利得セラミックアンテナ
   
4. 前記配置手段において、前記複数の高誘電率セラミックアンテナに固有の水平面方向の波長短縮率と、および／あるいは前記電波吸収体および／あるいは電波遮蔽体の影響による波長短縮率に対応して、前記複数の高誘電率セラミックアンテナの間隔を配置することを特徴とする請求項第１項あるいは第３項に記載の小型高利得セラミックアンテナ
   
5. 前記複合手段が、前記複数の高誘電率セラミックアンテナをアンテナ切替器を用いて切替えて合成し、あるいは少なくとも移相器を含む回路手段を設けてプリセットしあるいはアダプテイブに制御して合成し、あるいは前記配置手段を複数組設けて複合するための複数組の複合手段を有することを特徴とする請求項第１項から第４項のいずれかに該当する小型高利得セラミックアンテナ
6. 前記複数の高誘電率セラミックアンテナが第１の高誘電率セラミックアンテナを構成し、これと対向する単一の高誘電率セラミックアンテナが第２の高誘電率セラミックアンテナを構成し、少なくとも前記第２の高誘電率セラミックアンテナの位相遅延特性が水平面方向に対して平坦であることを特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載の小型高利得セラミックアンテナ

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