JP2009100030A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つのアンテナ装置で垂直偏波と水平偏波との送受信を可能とすることで、アンテナ装置の設置スペースを抑制する。
【解決手段】このアンテナ装置には、平板状の一対の放射板と、一対の放射板を連結し、当該一対の放射板に対して給電する給電部とが備えられている。そして、一対の放射板のうち、一方の放射板は平面視形状が台形に形成されていて、他方の放射板は平面視形状が半円形に形成されている。一方の放射板と他方の放射板とは給電部を中心に相対的に略直交となるように配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、アンテナ装置に係り、特に、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）用のアンテナ装置に関する。

従来、ＵＷＢ用のアンテナ装置として、コプレーナ導波路を用いたＵＷＢ用のアンテナ装置が知られている（例えば特許文献１参照）。図１８に示すように、従来のアンテナ装置１００は、支持基板１０１の一面に放射板１０２、中心導体１０３及びグラウンド導体１０４を配置し、中心導体１０３とグラウンド導体１０４との距離が放射板１０２に近づくにつれてほぼ単調に増加するようになっている。このようなアンテナ装置１００によれば、中心導体１０３とグラウンド導体１０４との距離をほぼ単調に変化させることで、インピーダンス整合をとるようになっている。
特開２０００−３０４９９１号公報

アンテナ装置１００の放射パターンを図示する。図１９は、アンテナ装置１００のＺＹ平面内における放射パターン（３ＧＨｚ帯）を示す図であり、図２０はＺＸ平面内における放射パターンを示す図である。なお、図１９及び図２０において（ａ）はＸ成分の放射パターンを示し、（ｂ）はＺ成分の放射パターンを示す。
図１９では、ＺＹ平面内ではＸ成分の放射は確認できるものの、Ｚ成分の放射は僅かにしか確認できない。一方、図２０では、ＺＸ平面内ではＸ成分、Ｚ成分両者共に放射が確認できるが、Ｚ成分の放射は交差偏波となっていて、通信上好ましくない。つまり、アンテナ装置１００は、当該アンテナ装置１００の長手方向に沿う偏波（Ｘ方向：水平偏波）には対応可能であるものの、アンテナ装置の厚み方向に沿う偏波（Ｚ方向：垂直偏波）に対しては対応が困難なものになっている。このため、水平偏波、垂直偏波の両偏波に対応可能とする場合には、それぞれ専用のアンテナ装置が必要となり、どうしてもアンテナ装置の設置スペースが広範囲にわたるものになっていた。

本発明の課題は、１つのアンテナ装置で垂直偏波と水平偏波との送受信を可能とすることで、アンテナ装置の設置スペースを抑制することである。

請求項１記載の発明におけるアンテナ装置は、
平板状の一対の放射板と、
前記一対の放射板を連結し、当該一対の放射板に対して給電する給電部とを備え、
前記一対の放射板のうち、一方の放射板は平面視形状が台形に形成されていて、他方の放射板は平面視形状が半円形に形成されていて、
前記一方の放射板と前記他方の放射板とは前記給電部を中心に相対的に略直交となるように配置されていることを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のアンテナ装置において、
前記給電部は、前記一方の放射板の上底部略中央に接続されるとともに、前記他方の放射板の円弧部略頂点に接続されていることを特徴としている。

本発明者は、平板状の一対の放射板と、一対の放射板を連結し当該一対の放射板に対して給電する給電部とを備えたアンテナ装置に対して、各種実験、シミュレーションを重ねることで、一対の放射板のうち、一方の放射板と他方の放射板とを、給電部を中心に相対的に略直交となるように配置することで、垂直偏波と水平偏波とが送受信可能となることを見出した。これにより、１つのアンテナ装置で垂直偏波と水平偏波との送受信が実現でき、アンテナ装置の設置スペースを抑制することが可能となる。
ここで、アンテナ装置の共振周波数は給電部から一対の放射板のそれぞれの端部までの距離に基づいて決定される。具体的には、給電部から一方の放射板の先端部までに至る距離、給電部から他方の放射板の先端部までに至る距離に基づいて共振点の１／２波長が決定される。さらに、一方の放射板の先端部から他方の放射板の先端部までに至る距離に基づいても、共振点の１／２波長が決定される。これら各距離の相違量が大きくなるほどこれらの共振点の周波数が分散し、より広い周波数領域でリターンロスが低減されることになる。
本発明では、一対の放射板のうち、一方の放射板は平面視形状が台形に形成されていて、他方の放射板は平面視形状が半円形に形成されているので、上述した各距離の相違量を大きくすることができる。したがって、広い周波数領域でリターンロスが低減されて、周波数帯域の広い特性のアンテナ装置を実現することができる。

以下に、本発明に係るアンテナ装置について、図面を参照して説明する。なお、図面上に表示したＸＹＺ軸は共通の軸を示すものとする。

図１は本実施形態に係るアンテナ装置１が、扁平な略直方体状の電子機器１０に設置された状態を示す斜視図であり、図２は、アンテナ装置１の概略構成を示す斜視図である。
ここで、電子機器１０は、例えば輝尽性蛍光体シートを収納したカセッテやＦＰＤ等の放射線画像検出器、パーソナルコンピュータ、複写機及びプリンタ装置等の電子機器などが挙げられる。この電子機器１０の周面にある角部の一つには、アンテナ装置１が備えられている。

以下、本実施形態におけるアンテナ装置１の構成について詳述する。その説明において、電子機器１０の下面と直交する方向をＹ方向とし、Ｙ方向と直交な平面における２方向をＸ方向，Ｚ方向とする。また、電子機器１０の周面においてＹＺ面に平行な側面を側面１１とし、電子機器１０の周面においてＸＹ面に平行な側面を側面１２とし、側面１１及び側面１２に挟まれる辺を辺１３とする。

図１及び図２に示すように、アンテナ装置１には金属からなる平板状の一対の放射板２，３と、一対の放射板２，３を連結し、当該一対の放射板２，３に対して給電する給電部４とが設けられている。給電部４によって連結されることで、一対の放射板２，３の間には、所定の間隙が形成されている。

一対の放射板２，３のうち、一方の放射板２は、正面視形状が台形となるように形成されていて、その上底部２１が電子機器１０の側面１１側を向くように側面１２に取り付けられている。また、他方の放射板３は、正面視形状が半円形となるように形成されていて、その円弧部３１が電子機器１０の側面１２側を向くように側面１１に取り付けられている。そして、給電部４は、電子機器１０の辺１３上に配置されていて、一方の放射板２の上底部２１略中央に接続されるとともに、他方の放射板３の円弧部３１略頂点に接続されている。これにより、一方の放射板２と他方の放射板３とは給電部４を中心に相対的に略直交となるように配置されることになる。そして、一方の放射板２はその高さ方向（給電部４からの延在方向）がＸ方向と平行であり、他方の放射板３はその高さ方向（給電部４からの延在方向）がＺ方向と平行であるため、アンテナ装置１はＸ方向の偏波（水平偏波）及びＺ方向の偏波（垂直偏波）を送受信可能となっている。
なお、一方の放射板２と他方の放射板３とが成す角度は、９０度であることが好ましいが、水平偏波及び垂直偏波を好適に送受信可能な範囲であれば、９０度でなくともよい。なお、少なくとも９０度以上であれば、放射板２，３が互いに干渉してしまうことを防止することができ、好ましい。

次に、本実施形態のアンテナ装置１の通信作用について説明する。
所定の周波数の電波が外部機器より送信されると、アンテナ装置１は、一対の放射板２，３のそれぞれにより当該電波を受信する。電波が受信されると、給電部４に向かって受信した電波に応じた振幅及び位相の電圧電流が発生し、給電部４に供給された電流は、図示しない無線通信回路に伝達され、電気信号として処理される。
一方、アンテナ装置１が電波を送信する場合、図示しない無線通信回路からの電気信号に基づいて、給電部４に所定の振幅及び位相で電流が供給される。給電部４に供給された電流は、一対の放射板２，３のそれぞれに供給され、当該放射板２，３に電流が流れる。そして、一対の放射板２，３にそれぞれ電流が流れると、アンテナ装置１から外部機器に対して電波が送信される。

次に、本実施形態におけるアンテナ装置１のアンテナ特性について説明する。なお、図３にあるようにアンテナ装置１の一対の放射板２，３が相対的に平らに配置された場合を例示して説明する。ここで、アンテナ特性を示す指標の一つとして、入力電流と反射電流の比から求められるリターンロス特性が知られている。リターンロスは反射係数ともいい、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して好ましいとされている。

図３のアンテナ装置１の共振周波数は給電部４から一対の放射板２，３のそれぞれの端部までの距離に基づいて決定される。つまり、給電部４から一方の放射板２の下底部までに至る距離Ｌ２、給電部４から他方の放射板３の直線部までに至る距離Ｌ３に基づいて共振点の１／２波長が決定される。
また、一方の放射板２の下底部から他方の放射板３の直線部までに至る距離Ｌ１に基づいて、共振点の１／２波長が決定される。そして、共振点の１／２波長を決定する部分間距離である距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の相違量が大きくなるほどこれらの共振点の周波数が分散し、より広い周波数領域でリターンロスが低減されることになる。

例えば、図３のアンテナ装置１における一方の放射板２の上底をａ、下底をｂ、高さをｈとし、他方の放射板３の半径をｒ、一対の放射板２，３の間隙をｇとした場合、ａ＝１０ｍｍ、ｂ＝３８ｍｍ、ｈ＝２４ｍｍ、ｒ＝１０ｍｍ、ｇ＝０．２ｍｍとすると、図４に示すようにアンテナ装置１のリターンロス周波数特性は、３．２ＧＨｚ（Ｌ１）、６．２ＧＨｚ（Ｌ３）、９．５ＧＨｚ（Ｌ２）の３つの共振が得られることになる。これは、一対の放射板２，３を、それぞれ半円状及び台形状の平面視形状としたことに起因する。また、２つの共振で広帯域化するより、３つの共振で広帯域化するほうがより広帯域な特性を得ることができる。また、２．６ＧＨｚから１２．５ＧＨｚの範囲で−１０ｄＢ以下となっているため、当該範囲で利用可能なアンテナが得られることがわかる。

この理論は、図２に示す一方の放射板２と他方の放射板３とが給電部４を中心に相対的に略直交となるように配置されたアンテナ装置１においても適用されるものである。そこで、本発明者は本実施形態のアンテナ装置１の各寸法を異ならせてシミュレーションや実験等を重ねることで、アンテナ特性が広範囲となる最適値を見出した。

以下、各最適値の抽出法の一例について説明する。
なお、ここでは、一対の放射板２，３の間隙ｇを０．５ｍｍに固定して、他の寸法を変動させることで最適値を求めている。なお、シミュレーションの結果には大きく影響しないが、アンテナ装置１の素材は銅とし、各放射板２，３の厚みは０．０５ｍｍとしている。

まず一方の放射板２の上底ａの最適値を抽出する場合は、下底ｂ＝２８ｍｍ、高さｈ＝２４ｍｍ、他方の放射板３の半径ｒ＝１０ｍｍに固定して、上底ａの値を６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ、１２ｍｍ、１４ｍｍに切り替え、それぞれのリターンロス周波数特性を求めた。その結果を図５に示す。図５に示すように−１０ｄＢ以下の範囲が最も広いリターンロス周波数特性を示すａ＝１０ｍｍを最適値候補として抽出する。

次に、一方の放射板２の下底ｂの最適値を抽出する場合は、上底ａ＝１０ｍｍ、高さｈ＝２４ｍｍ、他方の放射板３の半径ｒ＝１０ｍｍに固定して、下底ｂの値を１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍに切り替え、それぞれのリターンロス周波数特性を求めた。その結果を図６に示す。図６に示すように−１０ｄＢ以下の範囲が最も広いリターンロス周波数特性を示すｂ＝３０ｍｍを最適値候補として抽出する。

また、一方の放射板２の高さｈの最適値を抽出する場合は、上底ａ＝１０ｍｍ、下底ｂ＝２８ｍｍ、他方の放射板３の半径ｒ＝１０ｍｍに固定して、高さｈの値を１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍに切り替え、それぞれのリターンロス周波数特性を求めた。その結果を図７に示す。図７に示すように−１０ｄＢ以下の範囲が最も広いリターンロス周波数特性を示すｈ＝２５ｍｍを最適値候補として抽出する。

そして、他方の放射板３の半径ｒの最適値を抽出する場合は、上底ａ＝１０ｍｍ、下底ｂ＝２８ｍｍ、高さｈ＝２４ｍｍに固定して、半径ｒの値を５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍに切り替え、それぞれのリターンロス周波数特性を求めた。その結果を図８に示す。図８に示すように−１０ｄＢ以下の範囲が最も広いリターンロス周波数特性を示すｒ＝１０ｍｍを最適値候補として抽出する。

そして、各最適値候補が求まると、これらを組み合わせ、さらに細かく変動させることで、−１０ｄＢ以下の範囲が最も広範囲となるリターンロス周波数特性を求めた。その結果を図９に示す。この場合の各最適値は、上底ａ＝１０ｍｍ、下底ｂ＝３８ｍｍ、高さｈ＝２４ｍｍ、半径ｒ＝１２．５ｍｍとなる。

そして、上述した寸法で形成されたアンテナ装置１における、３ＧＨｚ、５ＧＨｚ、７ＧＨｚ、１０ＧＨｚの各周波数帯での放射パターンを以下に示す。

図１０は、アンテナ装置１のＹＺ平面内における放射パターン（３ＧＨｚ帯）を示す図であり、図１１はＺＸ平面内における放射パターンを示す図である。なお、下記の説明において各図ともに（ａ）はＸ成分の放射パターンを示し、（ｂ）はＺ成分の放射パターンを示す。

図１０及び図１１に示すように、アンテナ装置１であると、ＹＺ平面内においてもＺＸ平面内においてもＸ成分及びＺ成分の放射が確認でき、さらには交差偏波にもなっていないため、３ＧＨｚ帯におけるＸ方向の偏波とＺ方向の偏波を受信可能となっていることがわかる。

図１２は、アンテナ装置１のＹＺ平面内における放射パターン（５ＧＨｚ帯）を示す図であり、図１３はＺＸ平面内における放射パターンを示す図である。

図１２及び図１３に示すように、アンテナ装置１であると、ＹＺ平面内においてもＺＸ平面内においてもＸ成分及びＺ成分の放射が確認でき、さらには交差偏波にもなっていないため、５ＧＨｚ帯におけるＸ方向の偏波とＺ方向の偏波を受信可能となっていることがわかる。

図１４は、アンテナ装置１のＹＺ平面内における放射パターン（７ＧＨｚ帯）を示す図であり、図１５はＺＸ平面内における放射パターンを示す図である。

図１４及び図１５に示すように、アンテナ装置１であると、ＹＺ平面内においてもＺＸ平面内においてもＸ成分及びＺ成分の放射が確認でき、さらには交差偏波にもなっていないため、７ＧＨｚ帯におけるＸ方向の偏波とＺ方向の偏波を受信可能となっていることがわかる。

図１６は、アンテナ装置１のＹＺ平面内における放射パターン（１０ＧＨｚ帯）を示す図であり、図１７はＺＸ平面内における放射パターンを示す図である。

図１６及び図１７に示すように、アンテナ装置１であると、ＹＺ平面内においてもＺＸ平面内においてもＸ成分及びＺ成分の放射が確認でき、さらには交差偏波にもなっていないため、１０ＧＨｚ帯におけるＸ方向の偏波とＺ方向の偏波を受信可能となっていることがわかる。

以上のように、本実施形態に係るアンテナ装置１であれば、１つのアンテナ装置でＸ方向の偏波（垂直偏波）とＺ方向の偏波（水平偏波）との送受信が実現でき、アンテナ装置の設置スペースを抑制することが可能となる。
なお、本発明が上記実施の形態に限らず適宜変更可能であるのは勿論である。

本実施形態のアンテナ装置と当該アンテナ装置が搭載された電子機器の概略構成を示す斜視図である。 図１のアンテナ装置の概略構成を示す斜視図である。 図２のアンテナ装置における一対の放射板が相対的に平らに配置された状態を示す正面図である。 図３に示すアンテナ装置のアンテナ特性を示す特性曲線である。 図２のアンテナ装置における上底ａのリターンロス周波数特性を示す特性曲線である。 図２のアンテナ装置における下底ｂのリターンロス周波数特性を示す特性曲線である。 図２のアンテナ装置における高さｈのリターンロス周波数特性を示す特性曲線である。 図２のアンテナ装置における半径ｒのリターンロス周波数特性を示す特性曲線である。 図２のアンテナ装置の各寸法を最適値とした場合のリターンロス周波数特性を示す特性曲線である。 図２のアンテナ装置のＺＹ平面における３ＧＨｚ帯の放射パターンを示す図であり、（ａ）はＸ成分（ｂ）はＺ成分の偏波を示している。 図２のアンテナ装置のＺＸ平面における３ＧＨｚ帯の放射パターンを示す図であり、（ａ）はＸ成分（ｂ）はＺ成分の偏波を示している。 図２のアンテナ装置のＺＹ平面における５ＧＨｚ帯の放射パターンを示す図であり、（ａ）はＸ成分（ｂ）はＺ成分の偏波を示している。 図２のアンテナ装置のＺＸ平面における５ＧＨｚ帯の放射パターンを示す図であり、（ａ）はＸ成分（ｂ）はＺ成分の偏波を示している。 図２のアンテナ装置のＺＹ平面における７ＧＨｚ帯の放射パターンを示す図であり、（ａ）はＸ成分（ｂ）はＺ成分の偏波を示している。 図２のアンテナ装置のＺＸ平面における７ＧＨｚ帯の放射パターンを示す図であり、（ａ）はＸ成分（ｂ）はＺ成分の偏波を示している。 図２のアンテナ装置のＺＹ平面における１０ＧＨｚ帯の放射パターンを示す図であり、（ａ）はＸ成分（ｂ）はＺ成分の偏波を示している。 図２のアンテナ装置のＺＸ平面における１０ＧＨｚ帯の放射パターンを示す図であり、（ａ）はＸ成分（ｂ）はＺ成分の偏波を示している。 従来のアンテナ装置の概略構成を示す斜視図である。 図１８のアンテナ装置のＺＹ平面における３ＧＨｚ帯の放射パターンを示す図であり、（ａ）はＸ成分（ｂ）はＺ成分の偏波を示している。 図１８のアンテナ装置のＺＸ平面における３ＧＨｚ帯の放射パターンを示す図であり、（ａ）はＸ成分（ｂ）はＺ成分の偏波を示している。

符号の説明

１ アンテナ装置
２，３ 放射板
４ 給電部
１０ 電子機器
２１ 上底部
３１ 円弧部

Claims (2)

1. 平板状の一対の放射板と、
   前記一対の放射板を連結し、当該一対の放射板に対して給電する給電部とを備え、
   前記一対の放射板のうち、一方の放射板は平面視形状が台形に形成されていて、他方の放射板は平面視形状が半円形に形成されていて、
   前記一方の放射板と前記他方の放射板とは前記給電部を中心に相対的に略直交とな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。
2. 請求項１記載のアンテナ装置において、
   前記給電部は、前記一方の放射板の上底部略中央に接続されるとともに、前記他方の放射板の円弧部略頂点に接続されていることを特徴とするアンテナ装置。

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