JP2008048193A

JP2008048193A - アンテナ装置

Info

Publication number: JP2008048193A
Application number: JP2006222329A
Authority: JP
Inventors: Fukuro Koshiji; 福朗越地
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2006-08-17
Filing date: 2006-08-17
Publication date: 2008-02-28

Abstract

【課題】アンテナ特性を下げることなくＸ軸方向からの給電が可能なアンテナ装置の提供。
【解決手段】一組の平板状の放射板３，５と、放射板３，５に電気的に接続する伝送線路４，６と、放射板３，５及び伝送線路４，６を支持する支持基板２と、を備えるアンテナ装置１において、支持基板２の一面に備えられた第１放射板３の第１給電部８には給電方向に沿って第１伝送線路４の一端部が接続され、第１伝送線路４の他端部は湾曲部７を介して給電方向と略直交するように配置されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置に係り、特に、ダイポール型のアンテナ装置に関する。

従来、ダイポール型のアンテナ装置においては、支持基板の一面に一組の放射板が備えられており、該放射板に給電する伝送線路は放射板の延在する方向と略直交するように備えられていた。例えば、特許文献1に示すように、支持基板としての地導体と、該地導体に設けられたボウタイ型の放射板と、使用波長の約１／4以上の長さ寸法の伝送線路とを備えるアンテナ装置において、伝送線路は放射板の延在する方向（以下、「Ｚ軸方向」とする）と略直交するように配設されている。

しかし、このように放射板と略直交する方向（以下、「Ｘ軸方向」とする）から伝送線路を接続することとすると、電流経路に影響を与えてしまうという問題があった。そこで、本発明者は、図８に示すように、一組の放射板５１，５２を支持基板５３の両面にそれぞれ備え、支持基板５３の一面においてＺ軸方向に略平行となるように伝送線路５４，５５を配設することにより、アンテナ装置５０のＶＳＷＲ特性を低下させて広帯域化が可能となることを見出している。このようなアンテナ装置５０によれば、支持基板５３の一面に備える伝送線路５４と他面側の放射板５２との位置が重なることにより、他面側の放射板５２の一部が伝送線路としても機能するようになっている。放射板５２の一部を伝送線路として機能させることができることにより、アンテナ装置５０の構成の簡略化も可能である。
特開２００１−２４４７３１号公報

しかしながら、図７に示すように、支持基板の両面に放射板を備えたアンテナ装置の場合、Ｘ軸方向から給電する必要があるときに、支持基板の一面の放射板にＺ軸方向から接続するように配設された伝送線路をＸ軸方向に折曲する必要がある。そして、このように伝送線路を折曲した場合、インピーダンスの急激な変化のためアンテナ特性が劣化してしまうという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、アンテナ特性を劣化させることなくＸ軸方向からの給電が可能なアンテナ装置の提供を目的とするものである。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、アンテナ装置において、
一組の平板状の放射板と、前記放射板に電気的に接続する伝送線路と、前記放射板及び前記伝送線路を支持する支持基板と、を備えるアンテナ装置において、
前記放射板は前記支持基板の両面に少なくとも一つずつ備えられ、
前記支持基板の一面に備えられた前記放射板の給電点には、前記支持基板の他面に備えられた前記放射板の給電点とを結ぶ給電方向に沿って第１伝送線路の一端部が接続され、
前記第１伝送線路の他端部は、湾曲部を介して前記給電方向と略直交するように配置されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、支持基板の両面に放射板が少なくとも一つずつ備えられており、支持基板の一面においては第１伝送線路の一端部が給電方向に沿って接続するので、伝送線路から放射板への電流経路に影響を与えることなく給電する。また、第１伝送線路には湾曲部が備えられており、その他端部が給電方向と略直交するように配置されている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記湾曲部は、曲率半径５ｍｍ以上であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、第１伝送線路に曲率半径５ｍｍ以上の湾曲部を備えて湾曲させることにより、伝送線路を流れる電流の反射量が少なくなりインピーダンス整合がとりやすくなる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のアンテナ装置において、
前記支持基板の他面に備えられた前記放射板の側辺の中央部には、前記第１伝送線路と前記支持基板を介して対向する第２伝送線路が接続されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、第２伝送線路は、放射板の側辺の中央部であって第１伝送線路と支持基板を介して対向するため、第１伝送線路と第２伝送線路とでマイクロストリップ線路として機能することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
前記支持基板の一面に備えられた前記放射板は平面視半円形状であり、その円弧部に前記給電点が備えられていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、平面視半円形状の放射板の円弧部に給電点が備えられて第１伝送線路が接続されており、第１伝送線路から放射板の円弧部に沿って電流が弧状に流れやすく、インピーダンス整合がとりやすい。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のアンテナ装置において、
前記支持基板の他面に備えられた前記放射板は平面視台形状であり、その上辺部に前記給電点が備えられていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明によれば、平面視半円形状の放射板と、平面視台形状の放射板とを組み合わせて用いるので、伝送線路からの電流が放射板の弧状に流れやすい放射板と、伝送線路からの電流が入射する辺部が直線である放射板と、の組み合わせとなる。よって、アンテナ装置のリターンロス特性を低減させるとともに柔軟に調整することができる。

請求項１に記載の発明によれば、電流経路に影響が与えられることはなくアンテナ特性が劣化することを防止しつつ給電方向と略直交する方向に伝送線路を配置することができる。そのため、放射パターンが均等になり、無指向性に近いアンテナ装置とすることができる。また、第１伝送線路を折曲させずに湾曲させることにより、インピーダンスの急激な変化を抑え、リターンロス特性の劣化を回避させることができ、広帯域特性を示すことができる。

請求項２に記載の発明によれば、湾曲部の曲率半径を調整することにより、インピーダンス整合をとりやすくすることができ、アンテナ特性を向上させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、第１伝送線路と第２伝送線路とでマイクロストリップ線路として機能させることができるとともに、第２伝送線路が放射板の側辺の中央部に接続されるので、アンテナ装置のリターンロス特性を低減させることができ、アンテナ特性を向上させることができる。

請求項４に記載の発明によれば、インピーダンス整合が取りやすく、リターンロス特性を効果的に低減させることができる。

請求項５に記載の発明によれば、伝送線路からの電流が弧状に流れやすい形状の放射板を用いることにより、インピーダンス整合がとりやすくなるため、アンテナ装置のリターンロス特性の低減が可能である。また、伝送線路からの電流が入射する辺部が直線である放射板を用いることにより、当該辺部の長さ寸法を調整することによって容易かつ柔軟にインピーダンスの調整が可能である。よって、アンテナ装置の特性の広帯域化が可能であるとともに、伝送線路の抵抗に応じた調整が容易である。

以下に、本発明に係るアンテナ装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲を図示例に限定するものではない。

図１に示すように、本実施形態のアンテナ装置１には、平板状の支持基板２が備えられている。支持基板２は、例えば、テフロン（登録商標）、ガラスエポキシ、ＦＲ−４、シリコン等、従来より用いられている絶縁性のものを適宜用いることができる。本実施形態においては、誘電率ε＝２．２のテフロン（登録商標）により厚さ０．６ｍｍに形成した支持基板２を用いるものとする。

支持基板２の一面には平面視半円形状の第１放射板３が備えられている。第１放射板３は、例えば、銅、アルミニウム、金、銀、白金等の導電性の材料により薄膜状に形成されている。第１放射板３の半径は８〜１５ｍｍが好ましく、本実施形態においては１３．５ｍｍとする。ここで、第１放射板３の直線部と略平行となる方向つまり支持基板２の端縁に沿った方向をＸ軸方向とする。また、支持基板２の延在する方向であってＸ軸方向と直交する方向をＺ軸方向とする。

第１放射板３の円弧頂点には、伝送線路から電気エネルギーを供給するための給電点としての第１給電部８が備えられている。第１給電部８には、第１伝送線路４の一端部がＺ軸方向に沿って接続されている。第１伝送線路４の他端部は、曲率半径Ｒｔの湾曲部７を介してＺ軸方向と略直交するように配置されている。曲率半径Ｒｔは小さすぎると湾曲部７でのインピーダンスの変化が大きくなってしまい、また、予測性のない電流の反射が起こるため５ｍｍ以上が好ましい。一方、曲率半径Ｒｔが大きすぎると、アンテナ装置１が大型化してしまうため、１０ｍｍ以下が好ましい。本実施形態における曲率半径Ｒｔは５ｍｍとする。なお、円を用いて弧状に形成するものとしたが、楕円を用いて弧状に形成することとしても良い。また、第１伝送線路４の幅寸法に特に制限はないが、支持基板２の厚さや誘電率によって最適な値が定まるようになっており、本実施形態においては１．７６ｍｍの幅寸法となっている。また、第１伝送線路４の他端部は、支持基板２のＸ軸方向の側縁に配置されていればよい。

図２に示すように、支持基板２の他面には、平面視台形状の第２放射板５が備えられている。第２放射板５の上辺中心には、電気エネルギーを供給するための給電点としての第２給電部９が備えられている。第１給電部８と第２給電部９とを結ぶ直線は給電方向に沿っている。ここで、図２においては、支持基板２の他面に備えられているものを破線で示すこととする。第２放射板５は、第１放射板３と同様に導電性の材料により薄膜状に形成されている。第１放射板３と第２放射板５の距離に特に制限は無いが、放射板の形状によって好ましい範囲が定まるようになっており、本実施形態においては０．５ｍｍとなっている。また、第１放射板３の直線部と第２放射板５の下辺とは略平行となるように配置されている。第２放射板５の外形寸法は、上辺が１０〜２２ｍｍ、下辺が上辺の長さ寸法〜５０ｍｍ、高さが２０〜３０ｍｍが好ましく、本実施形態においては上辺が２０ｍｍ、下辺が３８ｍｍ、高さが２６ｍｍとなっている。

第２放射板５の側辺には、第２伝送線路６が接続されている。第２伝送線路６の接続位置は第１伝送線路４と支持基板２を介して重なる位置である。このように、本実施形態においては、支持基板２を介して第１伝送線路４と第２放射板５及び第２伝送線路６の位置が重なることにより、伝送線路としてのマイクロストリップ線路が構成されるようになっている。つまり、第１伝送線路４がストリップ導体として、第２放射板５の一部及び第２伝送線路６がグラウンド導体として機能するようになっている。グラウンド導体として機能させるために、第２伝送線路６の幅寸法は第１伝送線路４の幅寸法より５倍程度以上となるのが好ましい。本実施形態においては第２伝送線路６の幅寸法は１０ｍｍとなっている。

また、第２伝送線路６の位置は、第２放射板５の側辺の中央部が好ましい。ここで、第２放射板５の側辺の中央部とは、第２伝送線路６の縁部が第２放射板５の上辺又は下辺と一致する位置より内側のことをいう。第２伝送線路６の適切な位置は第１伝送線路４の湾曲部の曲率半径Ｒｔに応じて異なり、また、生じる定在波との干渉の影響がない位置が好ましい。本実施形態において第２伝送線路６は、第２放射板５の下辺から８ｍｍ上方の中心位置に備えられている。また、第１伝送線路４の湾曲部の曲率半径Ｒｔが１０ｍｍの場合、第２放射板５の下辺から６．４ｍｍ上方の位置に備えられるのが好ましい。さらに、本実施形態においては第２伝送線路６を備えることとしたが、支持基板２の側縁と第２放射板５の側辺とが一致している場合、第２伝送線路６を備えずに直接第２放射板５の側辺に給電することとしてもよい。

第１放射板３と第２放射板５は、給電点に向けて凸となる形状であれば適用可能であるが、アンテナ特性を向上させるために第１放射板３と第２放射板５は異なる形状のものがよい。また、第１給電部８から第１放射板３の直線部までの距離Ｌ１と、第２給電部９から第２放射板５の側辺に沿った下辺までの距離Ｌ２と、が異なる形状が好ましい。アンテナ装置１の共振周波数は、給電点からの電流が流れる経路の長さ寸法で決定されるため、当該長さ寸法が第１放射板３と第２放射板５で異なることにより、共振点の数が増えてアンテナ特性が向上するためである。また、放射パターンを均等にするために、給電方向に沿った基準軸に関して軸対称のものが好ましい。

本実施形態においては、支持基板２の各面において、放射板と伝送線路は金属層を形成している。この金属層はエッチング等により成形することとしてもよく、又は導電ペイントによるパターン印刷等によって成形することとしてもよい。

第１伝送線路４及び第２伝送線路６の他端には、アンテナ装置１からの電気信号を送受信処理する信号処理装置等が接続されている（図示省略）。本実施形態においては第１放射板３と第２放射板５の幅寸法が異なる不平衡アンテナなので、平衡−不平衡変換を行う必要なく電気信号を送受信するようになっている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
アンテナ装置１が電波を送信する場合、信号処理装置からの電気信号に基づいて、伝送線路を介して放射板に所定の振幅及び位相で電流が供給される。詳しくは、図３に示すように、第１伝送線路４を介して供給された電流は第１放射板３に入射し、第１放射板３の円弧に沿って直線部に向かって電流が流れる。第１伝送線路４に電流が流れると、第２伝送線路６にも電流が流れるとともに、第２放射板５における第１伝送線路４と重なる位置にも電流が流れるようになっている。このように、本実施形態においては、第１伝送線路４、第２放射板５及び第２伝送線路６により給電が行われる。第２放射板５に入射した電流は、第２給電部９から第２放射板５の側辺に沿って流れる。このように、第１放射板３及び第２放射板５に電流が流れると、アンテナ装置１から電波が送信されるようになっている。

アンテナ装置１が電波を受信する場合、所定の周波数の電波が各放射板により受信されると、各放射板から、受信した電波に応じた振幅及び位相の電圧電流が伝送線路に流れる。詳しくは、第１放射板３の円弧に沿って第１給電部８まで電流が流れ、第１伝送線路４に入射する。第２放射板５の場合、下辺から側辺に沿って第２給電部９まで電流が流れ、第２放射板５における第１伝送線路４と重なる位置に電流が流れて第２伝送線路６に入射する。そして、伝送線路に入射した電流は信号処理装置に伝達され、電気信号として処理される。

次に、アンテナ装置１のアンテナ特性曲線を図４〜図６に示す。
アンテナ特性の指標の一つとしては、入力電圧と反射電圧の比から求められるリターンロス特性が挙げられる。リターンロス特性は反射係数として表すことも可能であり、その値が小さいほどアンテナ装置としてマッチングがとれていることを示し、一般にはその値が−１０ｄＢ以下の範囲が使用帯域とされている。

本実施形態に係るアンテナ装置１のリターンロス特性は、図４に示すように、３〜１２ＧＨｚの帯域が使用帯域となっている。ここで、アンテナ装置１の共振周波数は、距離Ｌ１、Ｌ２に比例して共振点Ｐ１、Ｐ２の１／２波長が決定されるようになっている。また、第１放射板３の直線部から第２放射板５の下辺までの距離Ｌ３に比例して、共振点Ｐ３の１／２波長が決定されるようになっている。そして、距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の相違量が大きくなるほど共振点の周波数が分散し、リターンロス特性がより広い周波数領域で低減されるため好ましい。また、本実施形態においては、第２放射板５の側辺に第２伝送線路６が備えられているため距離Ｌ３が大きくなり、共振点Ｐ３が低周波数となるため好ましい。一方、比較例は、第１伝送線路を直角に折曲し、第２伝送線路を第２放射板の下辺に配置したアンテナ装置（図７参照）である。比較例のアンテナ装置は、第１伝送線路の折曲部において電流の反射が起こるためリターンロス特性の変化に予測性がなく、１０ＧＨｚ以上の周波数帯域が使用できない。

図５に示すように、本発明に係るアンテナ装置は、Ｚ軸から給電するアンテナ装置５０（図８参照）より広帯域化されていることがわかる。また、湾曲部７の曲率半径Ｒｔは５ｍｍとするのが好ましいことがわかる。さらに、図６に示すように、第２放射板５において、第２伝送線路６の配置箇所は、第２放射板５の上辺（図９参照）や下辺（図１０参照）に配置するより、中心付近に配置するのが好ましいことがわかる。

次に、アンテナ装置１の放射パターンの比較結果を図１１及び図１２に示す。
放射パターンは、円形に近く凹状の部分がないほど全方位無指向性に近く好ましい。本実施形態に係るアンテナ装置１と従来のアンテナ装置５０との３ＧＨｚにおける放射パターンを比較したところ、ＸＹ面指向性（図１２参照）を低下させることなく、ＺＸ面指向性（図１１参照）の凹状部分が小さくなることがわかる。よって、本実施形態に係るアンテナ装置１によれば、Ｘ軸方向から給電することが可能であるとともに、無指向性に近付けることが可能である。

以上のように、本実施形態のアンテナ装置１によれば、電流経路に影響が与えられることはなくアンテナ特性が低下することを防止しつつ給電方向と略直交する方向から給電することができる。そのため、Ｘ軸方向の電界が発生して放射パターンが均等になり、無指向性に近いアンテナ装置１とすることができる。また、第１伝送線路４を折曲させずに湾曲させることにより、インピーダンスの急激な変化を回避してリターンロス特性を改善させることができ、広帯域特性を示すことができる。

また、湾曲部７の曲率半径Ｒｔを調整することにより、伝送線路のインピーダンス変化を抑え、アンテナ特性を向上させることができる。

また、第２伝送線路６が第２放射板５の側辺の中央部に接続されるので、アンテナ装置１のリターンロス特性を低減させることができ、アンテナ特性を向上させることができる。

さらに、電流が弧状に流れやすい平面視半円形状の第１放射板３を用いることにより、インピーダンス整合がとりやすくなるため、アンテナ装置１のリターンロス特性の低減が可能である。また、電流が入射する上辺が直線である第２放射板５を用いることにより、当該上辺の長さ寸法を調整することによって容易かつ柔軟にインピーダンスの調整が可能である。よって、アンテナ装置１の特性の広帯域化が可能である。

なお、第１給電部８を備える箇所は、第１放射板３の円弧頂点付近であればよい。詳しくは、第１放射板３の直径の５％相当幅だけ中心位置から左右にずれた範囲内に設けられていれば良い。

本実施形態に係るアンテナ装置を示す斜視図である。本実施形態に係るアンテナ装置を示す平面図である。本実施形態に係るアンテナ装置の電流経路を示す図である。本実施形態に係るアンテナ装置と比較例のアンテナ装置のアンテナ特性を示すグラフである。第１伝送線路のＲｔを変化させた際のアンテナ特性を示すグラフである。第２伝送線路６の配置箇所を変化させた際のアンテナ特性を示すグラフである。比較例のアンテナ装置を示す平面図である。従来のアンテナ装置を示す平面図である。第２伝送線路を第２放射板の上辺に配置したアンテナ装置を示す平面図である。第２伝送線路を第２放射板の下辺に配置したアンテナ装置を示す平面図である。本実施形態に係るアンテナ装置と従来のアンテナ装置の放射パターンを示す図である。本実施形態に係るアンテナ装置と従来のアンテナ装置の放射パターンを示す図である。

符号の説明

１アンテナ装置
２支持基板
３第１放射板
４第１伝送線路
５第２放射板
６第２伝送線路
７湾曲部
８第１給電部
９第２給電部

Claims

一組の平板状の放射板と、前記放射板に電気的に接続する伝送線路と、前記放射板及び前記伝送線路を支持する支持基板と、を備えるアンテナ装置において、
前記放射板は前記支持基板の両面に少なくとも一つずつ備えられ、
前記支持基板の一面に備えられた前記放射板の給電点には、前記支持基板の他面に備えられた前記放射板の給電点とを結ぶ給電方向に沿って第１伝送線路の一端部が接続され、
前記第１伝送線路の他端部は、湾曲部を介して前記給電方向と略直交するように配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
前記湾曲部は、曲率半径５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記支持基板の他面に備えられた前記放射板の側辺の中央部には、前記第１伝送線路と前記支持基板を介して対向する第２伝送線路が接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
前記支持基板の一面に備えられた前記放射板は平面視半円形状であり、その円弧部に前記給電点が備えられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
前記支持基板の他面に備えられた前記放射板は平面視台形状であり、その上辺部に前記給電点が備えられていることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。