JP2007306304A - 無指向性アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 低姿勢化することができると共に、無指向性の放射特性を得る。
【解決手段】 第１ループ素子１０ａ〜第３ループ素子１０ｃが直列に接続されて構成されている第１ラインアンテナ１０が第１誘電体基板１１の表面に設けられ、第１ループ素子２０ａ〜第３ループ素子２０ｃが直列に接続されて構成されている第２ラインアンテナ２０が第２誘電体基板２１の表面に設けられている。さらに、貼り合わされる第１誘電体基板１１と第２誘電体基板２１との間に、第１ラインアンテナ１０および第２ラインアンテナ２０に給電する給電部３０が設けられる。給電部３０は、円形パッチ状の給電素子３０ａと、給電素子３０ａに給電するコプレーナ型の給電線路と、グランドプレーンとから構成されている。
【選択図】 図６

Description

本発明は、ラインアンテナを備える低姿勢の無指向性アンテナに関する。

ＤＳＲＣ（Dedicated Short Range Communication）といわれる狭域通信システムが知られている。ＤＳＲＣは、電波の到達距離が数メートルないし数十メートルの無線通信システムのことで、ＥＴＣ（Electronic Toll Collection Systems：自動料金収受システム)やＩＴＳ（Intelligent Transport Systems：高度道路交通システム）に用いられている。ＥＴＣは、自動車が高速道路などの料金所を通過する際、ゲートに設置されたアンテナと車両に搭載した車載機との間で通信を行い、自動的に料金の支払いを行うシステムである。ＥＴＣを採用すると、料金所において停止する必要がなくなることから、自動車がゲートを通過する所要時間が大幅に短縮される。このため、料金所付近の交通渋滞を緩和することができると共に、排出ガスを低減することができる。

ところで、ＤＳＲＣを用いて車両間において通信を行うことができるが、車両間において通信を行う場合は、通信方向を固定することができないことから無指向性のアンテナを車両に搭載することが好適とされる。
無指向性のアンテナとして非特許文献１に記載されている複合型マイクロストリップラインアンテナが知られている。この複合型マイクロストリップラインアンテナは、誘電体板上の表面で平行に対向する２列の直線上に交互に配列されたストリップ導体切片群の対向列上の導体切片を別の導体切片でそれぞれ蛇行状に接続したストリップ導体を有し、上記誘電体板の裏側に半波長以下の幅を有する地導体を設けた２個のマイクロストリップラインの地導体どうしを一体化し、上記ストリップ導体どうしが面対称となるように配設している。そして、この複合型マイクロストリップラインアンテナでは、水平面内において無指向性になると共に、垂直面内において鋭い指向性を有するアンテナとなる。さらに、製作が容易で量産性に富み軽量とすることが可能となる。

しかしながら、上記した複合型マイクロストリップアンテナではアンテナ高は使用周波数における波長の６波長以上を必要としているため、非常に高いアンテナ高となることから低姿勢とすることができなかった。また、ある程度以上ミアンダラインを伸ばさなければ円偏波を放射することができないと共にインピーダンスマッチング部が大きいため、さらに、低姿勢化することが困難であった。
これを解決して低姿勢化することができる円偏波ループラインアンテナが、非特許文献１に開示されている。この円偏波ループラインアンテナは、設計周波数の波長をλとした際に無限導体板上から高さλ／８の位置に、円偏波が放射されるように二つの摂動素子を付加したループアンテナからなる複数のセルを配置し、セルとセルとをラインで繋ぐことにより構成されている。このように構成された円偏波ループラインアンテナでは、放射セル数が少なくても軸比が悪化しないラインアンテナを構成できるものとされている。
特開昭５５−５３９０５号公報 電子情報通信学会論文誌 Ｂ Ｖｏｌ．Ｊ８５−Ｂ Ｎｏ．９ ｐｐ．１６２３−１６３２ ２００２年９月

従来の複合型マイクロストリップアンテナでは、低姿勢化することが困難であり、従来の円偏波ループラインアンテナにおいては、低姿勢化することはできるものの無指向性の放射特性を得ることができないという問題点があった。
そこで、本発明は、低姿勢化することができると共に、無指向性の放射特性を得ることができる無指向性アンテナを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の無指向性アンテナは、第１ラインアンテナが一面に設けられている第１誘電体基板と第２ラインアンテナが一面に設けられている第２誘電体基板との間に、第１ラインアンテナおよび第２ラインアンテナに給電する給電部を設けるようにしたことを最も主要な特徴としている。

本発明によれば、第１ラインアンテナが一面に設けられている第１誘電体基板と第２ラインアンテナが一面に設けられている第２誘電体基板との間に、第１ラインアンテナおよび第２ラインアンテナに給電する給電部を設けるようにしたことから、低姿勢化することができると共に、無指向性の放射特性を得ることができる。

本発明の実施例の無指向性アンテナ１の構成を示す正面図を図１に、無指向性アンテナ１の構成を示す側面図を図２に、無指向性アンテナ１の構成を示す背面図を図３に示す。 これらの図に示すように、本発明にかかる無指向性アンテナ１は、所定の厚さとされた長方形状の第１誘電体基板１１と第２誘電体基板２１とを備え、第１誘電体基板１１と第２誘電体基板２１とは同形状とされて対面するよう重合されている。そして、第１誘電体基板１１の表面には複数のループ素子からなる第１ラインアンテナ１０が設けられており、第２誘電体基板２１の表面には複数のループ素子からなる第２ラインアンテナ２０が設けられている。また、密着するよう貼り合わされる第１誘電体基板１１の裏面と第２誘電体基板２１の裏面との間に給電部３０が配置されている。給電部３０は、第１誘電体基板１１に設けられている第１ラインアンテナ１０と、第２誘電体基板２１に設けられている第２ラインアンテナ２０に電磁結合して給電を行っている。

第１ラインアンテナ１０は、第１ループ素子１０ａと第２ループ素子１０ｂと第３ループ素子１０ｃの３つのループ素子を給電線路で直列に接続して構成されている。第１ループ素子１０ａ〜第３ループ素子１０ｃは、円形ループ素子からなり約１３５°と約−４５°の位置に摂動素子が設けられて円偏波を放射できるように構成されている。なお、第１ループ素子１０ａ〜第３ループ素子１０ｃを直列接続している給電線路の長さは、第１ループ素子１０ａ〜第３ループ素子１０ｃから同相の円偏波が放射される長さとされている。
第２ラインアンテナ２０も第１ラインアンテナ１０と同様に構成されており、無指向性アンテナ１に対して第１ラインアンテナ１０と第２ラインアンテナ２０とは軸対称に配置されている。第２ラインアンテナ２０は、第１ループ素子２０ａと第２ループ素子２０ｂと第３ループ素子２０ｃの３つのループ素子を給電線路で直列に接続して構成されている。第１ループ素子２０ａ〜第３ループ素子２０ｃは、円形ループ素子からなり約１３５°と約−４５°の位置に摂動素子が設けられて円偏波を放射できるように構成されている。第１ループ素子２０ａ〜第３ループ素子２０ｃを直列接続している給電線路の長さは、第１ループ素子２０ａ〜第３ループ素子２０ｃから同相の円偏波が放射される長さとされている。
このように構成されている無指向性アンテナ１は、第１ラインアンテナ１０および第２ラインアンテナ２０から円偏波を放射することができると共に、無指向性アンテナ１の放射特性はｙ−ｚ面においてほぼ無指向性となる。

ここで、同じ構成とされている第１ラインアンテナ１０および第２ラインアンテナ２０のうちの第１ラインアンテナ１０の詳細構成を代表として図４に示す。
この図に示すように、第１ラインアンテナ１０は、第１ループ素子１０ａと第２ループ素子１０ｂと第３ループ素子１０ｃの３つのループ素子を有し、第１ループ素子１０ａと第２ループ素子１０ｂとは第１線路１０ｄで直列に接続され、第２ループ素子１０ｂと第３ループ素子１０ｃとは第２線路１０ｅで直列に接続されている。第１ループ素子１０ａ〜第３ループ素子１０ｃは、円形ループ素子からなり約１３５°と約−４５°の位置に摂動素子１０ｆが対面して設けられて円偏波を放射できるように構成されている。この場合、第１線路１０ｄと第２線路１０ｅの長さは、第１ループ素子１０ａ〜第３ループ素子１０ｃから同相の円偏波が放射される長さとされている。

また、給電部３０の構成を図５に示す。この図に示すように、給電部３０は円形パッチとされた給電素子３０ａと、給電素子３０ａに一端が接続されたコプレーナ型の給電線路３０ｂと、給電素子３０ａおよび給電線路３０ｂとをギャップ３０ｄを介して囲むように配置されたグランドプレーン３０ｃとから構成されている。この給電部３０が、第１誘電体基板１１と第２誘電体基板２１との間に挟持されるよう固着された際に、給電素子３０ａは第１ラインアンテナ１０における第３ループ素子１０ｃおよび第２ラインアンテナ２０における第３ループ素子２０ｃに対向配置されて電磁結合するようになる。このように電磁結合することにより、給電素子３０ａから第３ループ素子１０ｃを介して第１ラインアンテナ１０の各ループ素子に、および、第３ループ素子２０ｃを介して第２ラインアンテナ２０の各ループ素子に給電されるようになる。また、グランドプレーン３０ｃの幅Ｗ１は第１誘電体基板１１および第２誘電体基板２１の幅Wより狭くされて、第１ラインアンテナ１０および第２ラインアンテナ２０から放射された円偏波が互いに回り込むようになり、この結果、無指向性アンテナ１の放射特性がほぼ無指向性となる。

次に、本発明にかかる無指向性アンテナ１をＤＳＲＣ通信に適用して、その中心周波数である５．８１ＧＨｚにて設計を行った際の各部の寸法例を次に示す。
第１誘電体基板１１と第２誘電体基板２１の材質は、例えばＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）とされ、その比誘電率（εｒ）は約３．３８とされている。５．８１ＧＨｚにおける自由空間波長λは約５１．６４ｍｍであるが、無指向性アンテナ１の表面（第１誘電体基板１１および第２誘電体基板２１の表面）における実効比誘電率による波長短縮率は約１．４８となり、その際の波長λｇｈは約３４．８９ｍｍとなる。また、無指向性アンテナ１の内部の（第１誘電体基板１１および第２誘電体基板２１の内部の）比誘電率εｒによる波長短縮率は約１．８４となり、その際の波長λｇは約２８．０９ｍｍとなる。これをふまえ、図１に示す無指向性アンテナ１の幅Ｗは約１．５４９λとされ、高さＨは約０．５８１λとされ、図２に示す無指向性アンテナ１の厚さＤは約０．１２４λとされている。この場合、第１誘電体基板１１と第２誘電体基板２１の幅および高さは無指向性アンテナ１と同寸法となり、それぞれの基板の厚さは、厚さＤの約半分（約０．０６２λ）とされ、これにより第１ラインアンテナ１０および第２ラインアンテナ２０は円偏波を放射できるグランドプレーン３０ｃからの高さに配置されるようになる。

さらに、図４に示す第１ループ素子１０ａ〜第３ループ素子１０ｃおよび第１ループ素子２０ａ〜第３ループ素子２０ｃにおける各ループ素子のループ半周長Ｌ１が約０．４６８λｇｈとされ、各ループ素子を繋ぐ線路の線路長Ｌ２が約０．４６２λｇｈとされている。この場合、基本的には各ループ素子の円周は約１λｇｈとされ、ループ半周長Ｌ１と線路長Ｌ２との和が約１λｇｈになるように選ばれるが、無指向性アンテナ１の電気的特性を観察しながら最良の特性が得られるようにそこから微調を行って設計する。また、各ループ素子が備える一対の摂動素子は、図４に示すように幅Ｌ３が約０．０４３λｇｈとされ、各ループ素子が円偏波を放射できるように摂動素子の幅および長さを調整する。さらにまた、各ループ素子の幅Ｌ５は約０．０２９λｇｈとされ、各ループ素子を繋ぐ線路の線路幅Ｌ４は約０．０１１λｇｈとされている。なお、各ループ素子や線路の幅は任意の幅に選択することができるが、加工精度の影響を受けにくい細さが限界とされると共に、ループ素子として機能する太さが限界とされる。

次に、コプレーナ型の給電線路３０ｂの長さＨ２は約０．１４６λｇとされ、その幅Ｗ２は約０．０３６λｇとされ、給電素子３０ａの半径Ｒは約０．１８５λｇとされる。グランドプレーン３０ｃと給電素子３０ａおよび給電線路３０ｂとのギャップ３０ｄは約０．０１４λｇとされている。グランドプレーン３０ｃの幅Ｗ１は約０．１４６λｇとされ、その高さＨ１は無指向性アンテナ１の高さＨと同様の約０．５８１λとされている。これにより、給電線路３０ｂは約５０Ωの線路となり、給電素子３０ａの形状は給電線路３０ｂにインピーダンスマッチングが取れる形状とされる。

次に、本発明にかかる無指向性アンテナ１の分解組立図を図６に示す。無指向性アンテナ１を組み立てるには、図６に示すように第１誘電体基板１１の表面に図４に示す構成の第１ループ素子１０ａ〜第３ループ素子１０ｃを有する第１ラインアンテナ１０を設ける。この場合、第１ラインアンテナ１０を第１誘電体基板１１上に金属材を蒸着したり金属薄膜を貼着することにより形成するようにしてもよい。また、金属材を蒸着したり金属薄膜を貼着することによりフィルム上に第１ラインアンテナ１０を形成して、このフィルムを第１誘電体基板１１上に貼着するようにしてもよい。次いで、第２誘電体基板２１の表面に図４に示す構成と同等の第１ループ素子２０ａ〜第３ループ素子２０ｃを有する第２ラインアンテナ２０を設ける。この場合、第２ラインアンテナ２０を第２誘電体基板２１上に金属材を蒸着したり金属薄膜を貼着することにより形成するようにしてもよい。また、金属材を蒸着したり金属薄膜を貼着することによりフィルム上に第２ラインアンテナ２０を形成して、このフィルムを第２誘電体基板２１上に貼着するようにしてもよい。

そして、第１誘電体基板１１の裏面あるいは第２誘電体基板２１の裏面に、図５に示す構成の給電部３０を設ける。この場合、給電素子３０ａ、給電線路３０ｂおよびグランドプレーン３０ｃを有する給電部３０を第１誘電体基板１１の裏面あるいは第２誘電体基板２１の裏面に金属材を蒸着したり金属薄膜を貼着することにより形成するようにしてもよい。また、金属材を蒸着したり金属薄膜を貼着することによりフィルム上に給電部３０を形成して、このフィルムを第１誘電体基板１１の裏面あるいは第２誘電体基板２１の裏面に貼着するようにしてもよい。次に、第１誘電体基板１１の裏面と第２誘電体基板２１の裏面とを貼り合わせることにより、図１ないし図３に示す無指向性アンテナ１を組み立てることができる。

このように構成されると共に上記寸法例とされた際の本発明にかかる無指向性アンテナ１の電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数特性を図７に示す。図７を参照すると、５．７７５ＧＨｚ〜５．８４５ＧＨｚのＤＳＲＣの使用帯域内においてＶＳＷＲが約１．５以下となる良好なインピーダンス特性を示している。
また、この場合の本発明にかかる無指向性アンテナ１のｙ−ｚ面におけるゲイン特性を図８に示す。図８を参照すると、ｙ−ｚ面とされる水平面内において偏差の少ないほぼ無指向性の放射特性が得られていることが分かる。なお、最大利得は約４ｄＢｉｃ得られており、偏差は約３ｄＢ程度となっている。
さらに、この場合の本発明にかかる無指向性アンテナ１のｙ−ｚ面における軸比特性を図９に示す。図９を参照すると、ｙ−ｚ面とされる水平面内において良好な軸比特性が得られており、円偏波が放射されていることが分かる。
このように、本発明にかかる無指向性アンテナ１においては、図１ないし図３に示す構成とすることにより、ほぼ無指向性の放射特性を得ることができると共に、３素子の短いラインアンテナとしても円偏波を放射することができ、低姿勢の無指向性アンテナを提供することができるようになる。

次に、本発明にかかる無指向性アンテナ１における変形例を示す。図１０には、図５に示す給電部３０に替えて採用することができる給電部の変形例の構成を示している。図１０に示す変形例の給電部４０は、円形パッチとされる給電素子３０ａに替えてループとされる給電素子４０ａと、給電素子４０ａに一端が接続されたコプレーナ型の給電線路４０ｂと、給電素子４０ａおよび給電線路４０ｂとをギャップ４０ｄを介して囲むように配置されたグランドプレーン４０ｃとから構成されている。
また、図１１には、図５に示す給電部３０に替えて採用することができる他の給電部の変形例の構成を示している。図１１に示す他の変形例の給電部４１は、円形パッチとされる給電素子３０ａに替えて下に頂点を位置させた二等辺三角形とされる給電素子４１ａと、給電素子４１ａの下の頂点に一端が接続されたコプレーナ型の給電線路４１ｂと、給電素子４１ａおよび給電線路４１ｂとをギャップ４１ｄを介して囲むように配置されたグランドプレーン４１ｃとから構成されている。
なお、給電素子の形状を変更することにより変更されたインピーダンスにインピーダンスマッチングさせることができる。すなわち、給電部４０における給電素子４０ａおよび給電部４１における給電素子４１ａの形状を変更することにより、所定のインピーダンスにインピーダンスマッチングを行うことが可能となる。また、コプレーナ型の給電線路のインピーダンスは、線路幅およびギャップ幅により変更することができる。

さらに、図１２には図４に示す第１ラインアンテナ１０（第２ラインアンテナ２０）に替えて採用することのできるラインアンテナの変形例の構成を示す。図１２に示すラインアンテナ５０は、第１ループ素子５０ａと第２ループ素子５０ｂの２つのループ素子を有し、第１ループ素子５０ａと第２ループ素子５０ｂとは第１線路５０ｄで直列に接続されている。第１ループ素子５０ａと第２ループ素子５０ｂは、円形ループ素子からなり約１３５°と約−４５°の位置に摂動素子５０ｆが対面して設けられて円偏波を放射できるように構成されている。また、第１線路５０ｄの長さは、第１ループ素子５０ａおよび第３ループ素子５０ｃから同相の円偏波が放射される長さとされている。このように、無指向性アンテナ１におけるラインアンテナを２素子のラインアンテナとしても３素子よりは劣るが円偏波を放射することができる。

さらにまた、図１３には図４に示す第１ラインアンテナ１０（第２ラインアンテナ２０）に替えて採用することのできるラインアンテナの変形例の構成を示す。図１３に示すラインアンテナ５１は、第１ループ素子５１ａ、第２ループ素子５１ｂ、第３ループ素子５１ｃ、第４ループ素子５１ｇ、第５ループ素子５１ｈの５つのループ素子を有し、第１ループ素子５１ａと第２ループ素子５１ｂとは第１線路５１ｄで直列に接続され、第２ループ素子５１ｂと第３ループ素子５１ｃとは第２線路５１ｅで直列に接続され、第３ループ素子５１ｃと第４ループ素子５１ｇとは第３線路５１ｉで直列に接続され、第４ループ素子５１ｇと第５ループ素子５１ｈとは第４線路５１ｊで直列に接続されている。第１ループ素子５１ａないし第５ループ素子５１ｈは、円形ループ素子からなり約１３５°と約−４５°の位置に摂動素子５１ｆが対面して設けられて円偏波を放射できるように構成されている。また、第１線路５０ｄないし第４線路５１ｊの長さは、第１ループ素子５１ａないし第５ループ素子５１ｈから同相の円偏波が放射される長さとされている。このように、無指向性アンテナ１におけるラインアンテナを５素子のラインアンテナとするとアンテナ高が若干高くなるが、より良好な円偏波を放射することができる。

以上の説明では、本発明はＤＳＲＣ用のアンテナとして説明したが、これに限るものではなく無指向性を要求されるアンテナに適用することができる。この場合、円偏波を放射できることから要求される偏波が水平偏波、垂直偏波、円偏波のいずれにも対応することができる。

本発明の実施例の無指向性アンテナの構成を示す正面図である。 本発明の実施例の無指向性アンテナの構成を示す側面図である。 本発明の実施例の無指向性アンテナの構成を示す背面図である。 本発明の実施例の無指向性アンテナにおける第１ラインアンテナの詳細構成を示す図である。 本発明の実施例の無指向性アンテナにおける給電部の詳細構成を示す図である。 本発明の実施例の無指向性アンテナの分解組立図である。 本発明の実施例の無指向性アンテナのＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。 本発明の実施例の無指向性アンテナのｙ−ｚ面におけるゲイン特性を示す図である。 本発明の実施例の無指向性アンテナのｙ−ｚ面における軸比特性を示す図である。 本発明の実施例の無指向性アンテナにおける給電部の変形例の構成を示す図である。 本発明の実施例の無指向性アンテナにおける給電部の他の変形例の構成を示す図である。 本発明の実施例の無指向性アンテナにおけるラインアンテナの変形例の構成を示す図である。 本発明の実施例の無指向性アンテナにおけるラインアンテナの他の変形例の構成を示す図である。

符号の説明

１ 無指向性アンテナ、１０ 第１ラインアンテナ、１０ａ 第１ループ素子、１０ｂ 第２ループ素子、１０ｃ 第３ループ素子、１０ｄ 第１線路、１０ｅ 第２線路、１０ｆ 摂動素子、１１ 第１誘電体基板、２０ 第２ラインアンテナ、２０ａ 第１ループ素子、２０ｂ 第２ループ素子、２０ｃ 第３ループ素子、２１ 第２誘電体基板、３０ 給電部、３０ａ 給電素子、３０ｂ 給電線路、３０ｃ グランドプレーン、３０ｄ ギャップ、４０ 給電部、４０ａ 給電素子、４１ 給電部、４１ａ 給電素子、５０ ラインアンテナ、５０ａ 第１ループ素子、５０ｂ 第２ループ素子、５０ｄ 第１線路、５０ｆ 摂動素子、５１ ラインアンテナ、５１ａ 第１ループ素子、５１ｂ 第２ループ素子、５１ｃ 第３ループ素子、５１ｄ 第１線路、５１ｅ 第２線路、５１ｆ 摂動素子、５１ｇ 第４ループ素子、５１ｈ 第５ループ素子、５１ｉ 第３線路、５１ｊ 第４線路

Claims (4)

1. 複数のアンテナ素子が直列接続された第１ラインアンテナが一面に設けられている第１誘電体基板と、
   ほぼ同形状とされる前記第１誘電体基板に対面して配置され、複数のアンテナ素子が直列接続された第２ラインアンテナが一面に設けられている第２誘電体基板と、
   密着される前記第１誘電体基板の他面と前記第２誘電体基板の他面との間に設けられ、前記第１ラインアンテナおよび前記第２ラインアンテナに給電する給電部と、
   を備えることを特徴とする無指向性アンテナ。
2. 前記給電部は、コプレーナ型の給電線路と、該コプレーナ型の給電線路の端部に接続され、前記第１ラインアンテナおよび前記第２ラインアンテナにおける前記アンテナ素子に電磁結合するよう配置された給電素子と、前記コプレーナ型の給電線路および前記給電素子とを囲むグランドプレーンとから構成されていることを特徴とする請求項１記載の無指向性アンテナ。
3. 前記グランドプレーンの幅が、前記第１誘電体基板および前記第２誘電体基板の幅より狭くされて、ほぼ無指向性の放射特性が得られるようにされていることを特徴とする請求項１記載の無指向性アンテナ。
4. 円偏波を放射可能な複数のループアンテナを線路で直列に接続することにより、前記第１ラインアンテナおよび前記第２ラインアンテナが構成されていることを特徴とする請求項１記載の無指向性アンテナ。
   

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