JP2008035219A - 平面アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で良好な円偏波特性を得ることのできる、平面アンテナを提供する。また、その平面アンテナの小型化を図る。
【解決手段】線状の給電アンテナ素子１と、複数の線状の無給電アンテナ素子２ａ，２ｂとをそなえ、前記無給電アンテナ素子２ａ，２ｂを、それぞれ、前記給電アンテナ素子１と非接触で交差する位置及び方向に配置するとともに、その交差部分１２を前記給電アンテナ素子１と並行するように折り曲げ加工する。
【選択図】図２

Description

本発明は、平面アンテナに関し、例えば、誘電体基板上に形成され、円偏波を発生するアンテナとして好適な技術に関する。

近年、自動車等の車両（移動体）には、高周波帯のＧＰＳ（Global Positioning System）用のアンテナや、衛星ディジタル放送用の衛星電波を受信するアンテナが搭載される
ことが多くなってきている。また、高速道路や有料道路の料金を自動的に徴収するＥＴＣ（自動料金所システム）や、道路交通情報を提供するＶＩＣＳ（道路交通情報通信システム）の電波ビーコンに対しても電波の送受信を行なうアンテナが必要となってきている。

このような移動体が送信又は受信すべき電波の中で、ＧＰＳ用の電波、衛星ディジタル放送用の衛星電波、ＥＴＣ用の電波には円偏波が使用されている。そして、従来の円偏波アンテナにはパッチアンテナ（平面アンテナ）が多く利用されている。
図１０は従来の平面アンテナの一例を示す模式的平面図であって、下記特許文献１で提案されている平面アンテナの構造を示している。この図１０に示す平面アンテナは、右旋回の円偏波を受信できるアンテナであって、図示しない誘電体（透明フィルム）上に、正方形状のループアンテナ（給電素子）１２０と、一部が折り曲げられて第１の部分１４０Ａ及び第２の部分１４０Ｂを有し、ループアンテナ１２０に接続されない独立した線状の導体（無給電素子）１４０とが形成されて構成されている。なお、符号１６０，１７０はループアンテナ１２０に対する給電端子、符号２７０は給電端子１６０，１７０とループアンテナ１２０との接続導体である連絡導体、符号ＣＰはループアンテナ１２０の中心点をそれぞれ示している。

また、この図１０に示すように、無給電素子１４０は、ループアンテナ１２０の外側近傍に配置されており、より詳細には、第１の部分１４０Ａが、ループアンテナ１２０の一辺と平行に、第２の部分１４０Ｂが、給電端子１６０，１７０の中間点とこれに対向する頂点を結ぶ直線と平行になるように配置されている。
この無給電素子１４０の機能について、下記特許文献１の段落００６９の記載を引用して説明すると、無給電素子１４０の無い状態のループアンテナ１２０、特に、周囲（アンテナ導体の全長）が１波長のループアンテナ１２０では、垂直方向の電界成分（横成分）のみしか受信しない（つまり、時間によって電界の方向が変化する円偏波を完全に受信できない）が、無給電素子１４０をループアンテナ１２０に近接して設けることで、円偏波の縦成分を受信することが可能となる。

即ち、無給電素子１４０の第２の部分１４０Ｂによって円偏波の縦成分を取り込み、この受信した縦成分を、ループアンテナ１２０のアンテナ導体に近接する第１の部分１４０Ａによって、ループアンテナ１２０のアンテナ導体に結合させることが可能となる。その結果、円偏波の縦成分と横成分とが同位相でループアンテナ１２０で受信されることになる。換言すれば、無給電素子１４０が第２の部分１４０Ｂのみであると、受信した円偏波がループアンテナ１２０に伝わり難いので、受信した円偏波を効率的にループアンテナ１２０に伝達するために無給電素子１４０に第１の部分１４０Ａを設けているのである。

なお、従来のアンテナ構造として、例えば下記特許文献２，３により提案されている技術もある。
特許文献２の技術は、複数の双ループアンテナ素子からなる薄型の平面構造で、左旋回円偏波と右旋回円偏波とを同時に双方向から発生させることのできるアンテナ構造に関するものである。

これに対し、特許文献３の技術は、複数のアンテナの相互干渉により形成されるそれぞれの指向性が最適となるように、アンテナの平面内において、大きなスクエアロウアンテナの内側にそれよりも小さなダイポールアンテナ、ループアンテナ、平面アンテナを配置した構造に関するものである。
特開２００５−１０２１８３号公報 特開２００５−７２７１６号公報 特開平９−２６０９２５号公報

しかしながら、上記特許文献１で提案されている技術では、その構成上、無給電素子１４０への電界分布が弱いため、十分に良好な円偏波特性を得るのが困難であった。これは、誘電体基板上に単純にダイポールアンテナ等の線状アンテナを構成すると、主に、誘電体基板の面部に沿った方向にビームが形成されてしまい、誘電体基板の面部と交差する方向（つまり、厚み方向）への放射強度が弱いことが１つの要因と考えられる。

なお、上記特許文献２の技術は、左旋回円偏波と右旋回円偏波とを同時に発生できるようにすることを目的とする技術であり、上記特許文献３の技術は、狭い場所でも複数のアンテナを接近、あるいは、集中して設置でき、小型化が可能であり、また車内からのノイズを防止できるようにすることを目的とする技術であり、いずれも、良好な円偏波特性を得ることを目的とする技術ではない。

本発明は、上記課題に鑑み創案されたもので、簡易な構成で良好な円偏波特性を得ることのできる、平面アンテナを提供することを目的とする。また、その平面アンテナの小型化を図ることも目的とする。なお、本発明の平面アンテナの適用対象は、車両等の移動体に限られず、ＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）システムやＰＯＳシステム、商品盗難防止用のセキュリティシステムその他の無線通信システムにも適用可能である。

上記の目的を達成するために、本発明では、以下の平面アンテナを用いることを特徴としている。即ち、
（１）本発明の平面アンテナは、線状の給電アンテナ素子と、複数の線状の無給電アンテナ素子とをそなえ、前記無給電アンテナ素子が、それぞれ、前記給電アンテナ素子と非接触で交差する位置及び方向に配置されるとともに、その交差部分が前記給電アンテナ素子と並行するように折り曲げ加工されていることを特徴としている。

（２）ここで、前記給電アンテナ素子は、誘電体基板の一方の面に形成されるとともに、前記複数の無給電アンテナ素子は、該誘電体基板の他方の面に形成されているのが好ましい。
（３）また、前記複数の無給電アンテナ素子は、それぞれ、前記給電アンテナ素子と直交する方向に配置されているのが好ましい。

（４）さらに、２本の前記無給電アンテナ素子は、前記給電アンテナ素子の給電点を中心とした対象な位置に配置されているのが好ましい。
（５）また、前記給電アンテナ素子及び前記複数の無給電アンテナ素子は、それぞれ、ダイポールアンテナ素子として構成されているのが好ましい。
（６）さらに、前記給電アンテナ素子及び前記複数の無給電アンテナ素子は、それぞれ、送受すべき電波の半波長又はその近傍の長さであるのが好ましい。

（７）また、前記無給電アンテナ素子の前記交差部分を除く少なくとも一部はメアンダライン状に形成されていてもよい。

上記本発明によれば、少なくとも以下に示すいずれかの効果ないし利点が得られる。
（１）無給電アンテナ素子が、それぞれ、給電アンテナ素子と非接触で交差（好ましくは直交又は略直交）する位置及び方向に配置されるとともに、その交差部分が前記給電アンテナ素子と並行するように折り曲げ加工されているので、給電アンテナ素子と無給電アンテナ素子とで偏波面が互いに交差する偏波成分を発生することが可能となる。したがって、良好な円偏波を発生することが可能な平面アンテナを、小さなサイズ（面積）（例えば、送受すべき電波の半波長×半波長程度のサイズ）で実現することができる。

（２）また、前記無給電アンテナ素子の前記交差部分を除く少なくとも一部をメアンダライン状に形成すれば、より小型化を図ることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明の以下の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できることはいうまでもない。
〔Ａ〕一実施形態の説明
図１は本発明の一実施形態に係る平面アンテナの構成を示す模式的斜視図で、この図１に示す平面アンテナは、ガラスやセラミック等の誘電体基板（以下、単に「誘電体」あるいは「基板」ともいう）１０の一方の面（図１では裏面）に、給電点１ｅから電力を供給（給電）される線状導体であるダイポールアンテナ素子（線状の給電アンテナ素子）１（以下、給電アンテナ１あるいはアンテナ１と称することがある）が形成されるとともに、当該基板１０の他方の面（図１では表面）に複数（２本）の無給電の線状導体であるダイポールアンテナ素子（線状の無給電アンテナ素子）２ａ，２ｂ（以下、無給電アンテナ２ａ，２ｂあるいはアンテナ２ａ，２ｂと称することがある）が所定の間隔をあけて平行あるいは略平行に形成されている。つまり、基板１０が透明であった場合に各アンテナ１，２ａ，２ｂが全体として文字Ｈ状となるように配置されている。

より詳細には、送受する電波の波長をλとした場合に、前記基板１０の一方の面（ＸＹ平面）に、全長０．５λの長さの給電アンテナ１が例えばＹ軸と平行な方向に形成されるとともに、前記基板１０の他方の面（ＸＹ平面）に、それぞれ、全長０．５λの長さの無給電アンテナ２ａ，２ｂが給電アンテナ１の両端部近傍（つまり、給電アンテナ１と交差する位置）で給電アンテナ１と交差する方向、好ましくは直交もしくは略直交する方向（Ｘ軸と平行な方向）に形成されている。

さらに、図２に拡大して示すように、無給電アンテナ２ａ，２ｂは、それぞれ、その一部（例えば、中央部）、具体的には、Ｚ軸方向から見たときに給電ダイポールアンテナ１と交差（好ましくは直交）する部分が、給電アンテナ１と並行するように折り曲げ加工されている。この並行部分は、給電アンテナ１との電磁的な結合を効率良く行なうための結合部１２として機能する。

なお、給電アンテナ１と無給電アンテナ２ａ，２ｂとは、基板１０の厚み分だけ空間的に離れており、図２ではその様子が前記結合部１２において示されている。つまり、給電アンテナ１と無給電アンテナ２ａ，２ｂとは、誘電体材料によって絶縁されていることになる。ただし、Ｚ軸方向から見た場合、結合部１２において給電アンテナ１と無給電アンテナ２ａ，２ｂとは重なって（一致して）見える。

以上により、本実施形態の平面アンテナは、０．５λ×０．５λ程度のサイズ（面積）で構成することが可能となる。
図３に各部の寸法例を示す。この図３に示す例は、扱う（送受する）電波の周波数が９５０ＭＨｚ（つまり、λ≒３２０ｍｍ）の場合で、各アンテナ１，２ａ，２ｂの長さはそれぞれ０．５λ＝１６０ｍｍ、各無給電アンテナ２ａ，２ｂは、それぞれ、給電アンテナ１の中心からそれぞれ±６０ｍｍの位置にあり（つまり、無給電アンテナ２ａ，２ｂのＹ軸方向の間隔は１２０ｍｍである）、それぞれの給電アンテナ１との結合部１２（Ｙ軸方向）の長さはそれぞれ２０ｍｍで残りの部分が±Ｘ軸方向にそれぞれ７０ｍｍとなっている。また、給電アンテナ１が形成されているＸＹ平面と、無給電アンテナ２ａ，２ｂが形成されているＸＹ平面とは、Ｚ軸方向に５ｍｍだけ空間的に離れている（これは基板１０の厚みが５ｍｍに相当する）。

なお、無給電アンテナ２ａ，２ｂ間のＹ軸方向の距離（間隔）は、給電アンテナ１に給電したときの磁界強度分布に基づいて、給電アンテナ１との結合部１２での結合効率が良好な間隔に設定するのが好ましい。即ち、給電アンテナ１の電圧分布は、その中心（給電点１ｅ付近）から両端部（±Ｙ軸方向）へ向かうほど電圧値（絶対値）が大きくなる（両端部で最大となる）傾向にあり、結合効率が良好なため、各無給電アンテナ２ａ，２ｂの前記結合部１２が給電アンテナ１の両端部近傍に位置するように配置するのが好ましい。

また、上記の各アンテナ（導体パターン）１，２ａ，２ｂは、例えば、銀印刷などの印刷技術を用いて簡単に形成することができ、両面同時印刷を用いれば製造工数を削減して製造コストを低減することが可能となる（以下、同じ）。
このようなアンテナ構成において、給電アンテナ１に給電点１ｅから給電すると、当該給電アンテナ１が一方の交差偏波成分をもち、各無給電アンテナ２ａ，２ｂがそれぞれ当該交差偏波成分と位相が９０°遅れで偏波も９０°異なる他方の交差偏波成分をもつように電界が±ｚ軸方向に放射される。

より詳細には、給電アンテナ１によりＹ軸方向の偏波（水平偏波）成分をもつ電界フィールド（Ｅｙフィールド）が発生し、これが各無給電アンテナ２ａ，２ｂに結合部１２で結合することにより、各無給電アンテナ２ａ，２ｂに電流が流れる。このとき、無給電アンテナ２ａ，２ｂは、それぞれ、結合部１２から±Ｘ軸方向に延在しているため、Ｘ軸方向に偏波（垂直偏波）成分をもつ電界フィールド（Ｅｘフィールド）が発生する。

その結果、Ｚ軸方向には、上記のＥｙフィールドとＥｘフィールドとが合成された電界フィールド、つまり、円偏波〔この場合は、右旋回円偏波（ＲＨＣＰ：Right-Hand Circularly Polarized）〕フィールドが発生する。換言すれば、上記平面アンテナは、線状アンテナ素子である無給電アンテナ２ａ，２ｂが、同じく線状アンテナ素子である給電アンテナ１の発生しうる偏波（水平偏波）と交差する交差偏波（垂直偏波）を発生すべく、それぞれ、基板１０（誘電体材料）によって給電アンテナ１と絶縁され給電アンテナ１と交差する方向に延在する線状部分を構成しているのである。

ここで、無給電アンテナ２ａ，２ｂの形状（給電アンテナ１との結合部１２の形状（並行部分の長さ）、給電アンテナ１と無給電アンテナ２ａ，２ｂとのＺ軸方向の距離（基板１０の厚み）、Ｙ軸方向の位置をそれぞれ調整することによって、直交する交差電界成分の強度、位相を調整することができ、理想的な円偏波に近づけることが可能である。
図４に、図３により上述した寸法を前提とし、各アンテナ１，２ａ，２ｂは完全導体であり、基板１０が無い〔つまり、給電アンテナ１の形成されたＸＹ平面と各無給電アンテナ２ａ，２ｂの形成されたＸＹ平面との間が空気で満たされている（比誘電率ε_r＝１）〕と仮定して、９５０ＭＨｚの無線信号により給電アンテナ１を給電した場合のシミュレーション結果〔軸比（Axial Ratio：AR）〕を図４に示す。

この図４に示すように、電波（ビーム）と＋Ｚ軸とのなす角度をθとした場合に、θ＝０（３６０），１８０［deg］のときに軸比が最小（３ｄＢ程度）となり、平面アンテナの表裏垂直方向（±Ｚ軸方向）に良好な円偏波が得られることが分かる。
以上のように、本実施形態の平面アンテナによれば、１本の給電素子であるダイポールアンテナ素子１と、複数（２本）の無給電素子であるダイポールアンテナ素子２ａ，２ｂとを図１〜図３に示すごとく組み合わせて配置することで、給電素子１と無給電素子２ａ，２ｂの偏波面が互いに直交し、且つ、位相が互いに９０°異なる偏波成分を発生することが可能となる。

したがって、表面及び裏面の双方向に良好な円偏波を発生することが可能な平面アンテナを、０．５λ×０．５λ程度の小さなサイズ（面積）で実現することができ、その小型化を図ることが可能となる。これにより、本平面アンテナを、例えば、ＲＦＩＤタグのリーダライタ（ＲＷ）用アンテナとして用いれば、広範囲に存在するＲＦＩＤタグの認識が可能となる。

〔Ｂ〕変形例の説明
図５は上述した平面アンテナの変形例を示す模式的斜視図で、この図５に示す平面アンテナは、図１〜３に示した平面アンテナに比して、既述の無給電アンテナ２ａ，２ｂの一部がそれぞれメアンダライン状に折り曲げ加工（符号２１参照）されるとともに、これらの無給電アンテナ２ａ，２ｂの形成された面（ＸＹ平面）と給電アンテナ１の形成された面（ＸＹ平面）とがＺ軸方向に１．５ｍｍ程度空間的に離れて（絶縁されて）配置されている（既述の基板１０の厚みが１．５ｍｍに相当する）点が異なる。

より詳細には、例えば図６の模式的平面図に示すように、給電アンテナ１の長さ（Ｙ軸方向）は１３６ｍｍ（０．５λ近傍）、無給電アンテナ２ａ，２ｂの長さ（Ｘ軸方向）はそれぞれ１０９ｍｍであり、無給電アンテナ２ａ，２ｂ間の距離は１００ｍｍ、給電アンテナ１と無給電アンテナ２ａ，２ｂとの結合部１２の長さは２０ｍｍ、当該結合部１２の端部から無給電アンテナ２ａ，２ｂのメアンダライン２１までの距離（Ｘ軸方向）は２５ｍｍ、メアンダライン２１のＹ軸方向の長さは１０ｍｍ、Ｘ軸方向の長さ（ピッチ）は５ｍｍ、無給電アンテナ２ａ，２ｂの末端からメアンダラインまでの距離は１０ｍｍとなっている。もちろん、これらの寸法はあくまで一例であって、適宜変更可能である。

なお、本例においても、各アンテナ（導体パターン）１，２ａ，２ｂは、例えば、銀印刷などの印刷技術を用いて簡単に形成することができ、両面同時印刷技術を用いれば製造工数を削減して製造コストを低減することが可能となる（以下、同じ）。
このようなアンテナ構成においても、上述した実施形態と同様にして、給電アンテナ１に給電点１ｅから給電すると、当該給電アンテナ１が一方の交差偏波成分をもち、各無給電アンテナ２ａ，２ｂがそれぞれ当該交差偏波成分と位相が９０°遅れで偏波も９０°異なる他方の交差偏波成分をもつように電界が±ｚ軸方向に放射される。

即ち、給電アンテナ１によりＹ軸方向の偏波（水平偏波）成分をもつ電界フィールド（Ｅｙフィールド）が発生し、これが各無給電アンテナ２ａ，２ｂに結合部１２で結合することにより、各無給電アンテナ２ａ，２ｂに電流が流れて、Ｘ軸方向に偏波（垂直偏波）成分をもつ電界フィールド（Ｅｘフィールド）が発生する。
その結果、Ｚ軸方向には、上記のＥｙフィールドとＥｘフィールドとが合成された電界フィールド、つまり、円偏波〔この場合は、右旋回円偏波（ＲＨＣＰ）〕フィールドが発生する。そして、無給電アンテナ２ａ，２ｂの形状（給電アンテナ１との結合部１２の形状（並行部分の長さ）、給電アンテナ１と無給電アンテナ２ａ，２ｂとのＺ軸方向の距離（基板１０の厚み）、Ｙ軸方向の位置をそれぞれ調整することによって、直交する交差電界成分の強度、位相を調整することができ、理想的な円偏波に近づけることが可能である。

図７に、図５及び図６により上述した寸法を前提とし、各アンテナ１，２ａ，２ｂは完全導体であり、基板１０が無い〔つまり、給電アンテナ１の形成されたＸＹ平面と各無給電アンテナ２ａ，２ｂの形成されたＸＹ平面との間が空気で満たされている（比誘電率ε_r＝１）〕と仮定して、９５０ＭＨｚの無線信号により給電アンテナ１を給電した場合のシミュレーション結果〔軸比（Axial Ratio：AR）〕を示す。また、図８には当該シミュレーション条件での平面アンテナのインピーダンススミスチャートを示し、図９には当該シミュレーション条件での平面アンテナの利得特性を示す。

図７及び図９から、電波（ビーム）と＋Ｚ軸とのなす角度をθとした場合に、θ＝０（３６０），１８０［deg］近傍のときに軸比が急激に小さくなり、平面アンテナの表裏垂直方向（±Ｚ軸方向）に良好な円偏波が得られることが分かり、図８から円偏波に典型的な形状（ハート型の一部のような形状：符号３０参照）のインピーダンス特性が表れていることが分かる。

このように、本変形例の平面アンテナによれば、無給電アンテナ２ａ，２ｂの結合部１２を除く一部をメアンダライン状に形成しているので、既述の実施形態における平面アンテナに比してより小さなサイズ（面積）で、表面及び裏面の双方向に良好な円偏波を発生することが可能な平面アンテナを実現することができる。
なお、本例では、無給電アンテナ２ａ，２ｂの一部をメアンダライン状に形成しているが、鋸歯状や波状に形成してもよい。

以上詳述したように、本発明によれば、線状の給電アンテナ素子と複数の無給電アンテナ素子とを組み合わせた簡易かつ小型な構成で、良好な円偏波を発生することが可能な平面アンテナを実現することができるので、ＲＦＩＤシステムやＰＯＳシステム、商品盗難防止用のセキュリティシステム等の無線通信技術分野に極めて有用と考えられる。

本発明の一実施形態に係る平面アンテナの模式的斜視図である。 図１に示す平面アンテナのアンテナ素子部分を拡大して示す模式的斜視図である。 図１及び図２に示す平面アンテナをアンテナ素子部分の寸法を併記して示す模式的斜視図である。 図３に示す寸法を前提とした平面アンテナのシミュレーション結果（軸比）の一例を示す図である。 図１に示す平面アンテナの変形例を示す模式的斜視図である。 図５に示す平面アンテナをアンテナ素子部分の寸法を併記して示す平面図である。 図５に示す寸法を前提とした平面アンテナのシミュレーション結果（軸比）を示す図である。 図５に示す寸法を前提とした平面アンテナのインピーダンススミスチャートである。 図５に示す寸法を前提とした平面アンテナの利得特性を示す図である。 従来の平面アンテナの一例を示す模式的平面図である。

符号の説明

１ ダイポールアンテナ素子（線状の給電アンテナ素子）
１ｅ 給電点
２ａ，２ｂ ダイポールアンテナ素子（線状の無給電アンテナ素子）
１０ 誘電体基板
１２ 結合部
２１ メアンダライン

Claims (7)

1. 線状の給電アンテナ素子と、
   複数の線状の無給電アンテナ素子とをそなえ、
   前記無給電アンテナ素子が、それぞれ、前記給電アンテナ素子と非接触で交差する位置及び方向に配置されるとともに、その交差部分が前記給電アンテナ素子と並行するように折り曲げ加工されていることを特徴とする、平面アンテナ。
2. 前記給電アンテナ素子が、誘電体基板の一方の面に形成されるとともに、
   前記複数の無給電アンテナ素子が、該誘電体基板の他方の面に形成されていることを特徴とする、請求項１記載の平面アンテナ。
3. 前記複数の無給電アンテナ素子が、それぞれ、前記給電アンテナ素子と直交する方向に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２記載の平面アンテナ。
4. ２本の前記無給電アンテナ素子が、前記給電アンテナ素子の給電点を中心とした対象な位置に配置されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の平面アンテナ。
5. 前記給電アンテナ素子及び前記複数の無給電アンテナ素子が、それぞれ、ダイポールアンテナ素子として構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の平面アンテナ。
6. 前記給電アンテナ素子及び前記複数の無給電アンテナ素子が、それぞれ、送受すべき電波の半波長又はその近傍の長さであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の平面アンテナ。
7. 前記無給電アンテナ素子の前記交差部分を除く少なくとも一部がメアンダライン状に形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の平面アンテナ。

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