JP2009206909A - キャビティースロットアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏波方向に対しより薄型のキャビティースロットアンテナ装置を提供する。
【解決手段】導体壁で囲まれて内部に空洞を有するキャビティー１０を有し、そのキャビティー１０の側壁１１に、長尺状のスロット２を形成してなるキャビティースロットアンテナ１において、キャビティー１０の大きさが、空洞共振器とした場合における最も低次の共振姿態における共振半波長よりも充分小さくなるようにする。このような構成のキャビティースロットアンテナ１では、キャビティー１０を流れる電流に偏りが生じ、例えば側壁１１におけるスロット２の両端では、垂直方向の電流が流れ、この電流が電磁波の輻射に寄与する。つまり、スロット２のみならず、キャビティー１０自体も電磁波の輻射に寄与するようになる。このため、小型、或いは薄型を実現できる。言い換えると、小型、薄型に構成しても、電磁波の輻射機能を確保できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、所定の形状のキャビティーにスロットを形成してなるキャビティースロットアンテナ装置に関する。

従来、アンテナ装置としては、線状アンテナやスロットアンテナ等が実用化されている。
例えば線状アンテナは、線状の導体の一部にギャップを設け、そのギャップに給電して、導体から電磁波を輻射するものである。

また、スロットアンテナは、導体面状に細長い孔（以下、スロットとも記載する）を形成してなる板状アンテナ装置であり、スロットから電磁波を輻射する。特に、板状アンテナを湾曲させて小型化を図ったものが知られている（例えば、特許文献１等参照）
特開２００７−１３６０９号公報

ところで、近年、例えば、室内、或いは地下街等など、天井を有する閉塞的な空間においても電波を利用したシステムが構築されている。そして、このような閉塞的な空間においては、天井がアルミ板などの金属製化粧板であることも多い。

金属製の板等で覆われた天井に送信アンテナを取り付けて電波を送信する場合、水平偏波で送信すると、金属に誘導電流が流れやすいため電波の輻射特性が大幅に低下してしまうという問題があった。このため、垂直偏波の電波が有利となる。

しかし、垂直偏波の電波を送信する従来の送信アンテナは、垂直方向（偏波方向）に長い構造を有しており、このため、天井への設置が困難である、或いは美観上好ましくない、というような問題が生じていた。

このような理由から、天井に送信アンテナを取り付けて電波を送信する場合、送信アンテナとしては、垂直偏波で偏波方向に薄型のものが要求されていた。
そこで、本発明は、偏波方向に対しより薄型のキャビティースロットアンテナ装置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なされた請求項１に記載の発明は、導体壁で囲まれて内部に空洞を有する所定の形状のキャビティーを有し、そのキャビティーの側壁に、長尺状のスロットを形成してなるキャビティースロットアンテナ装置であって、キャビティーの大きさが、空洞共振器とした場合における最も低次の共振姿態における共振半波長よりも充分小さくなるように構成されていることを特徴とする。

次に、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のキャビティースロットアンテナ装置において、スロットは、互いに平行に複数設けられていることを特徴とする。
次に、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のキャビティースロットアンテナ装置において、複数のスロットは、給電されない無給電スロットと、給電される給電スロットとからなり、両者で折り返しスロットアンテナを形成することを特徴とする。

次に、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載のキャビティースロットアンテナ装置において、スロットの全部又は一部の領域に、誘電体を装荷して更に小型化することを特徴とする。

請求項１に記載のキャビティースロットアンテナ装置は、所定の形状のキャビティーにスロットを形成してなるものであるため、平面板にスロットを形成した一般的なスロットアンテナ装置と比較して、小型化を図ることができる。つまり、平面板ではなくキャビティーにスロットを形成することにより小型化を実現している。

また、スロットはキャビティーの側壁に形成しており、このため、電磁波の偏波方向に対して薄型の構造とすることができる。つまり、キャビティーの高さを抑えることで、薄型とすることができる。

さらに、キャビティーの大きさが、空洞共振器とした場合における最も低次の共振姿態における共振半波長よりも充分小さくなるように構成されており、これによれば、キャビティーを流れる電流に偏りが生じ、例えば側壁におけるスロットのない側面では、垂直方向の電流が流れ、この電流が電磁波の輻射に寄与する。つまり、スロットのみならず、キャビティー自体も電磁波の輻射に寄与するようになる。このため、小型、或いは薄型を実現できる。言い換えると、小型、薄型に構成しても、電磁波の輻射機能を確保できる。

このため、請求項１の発明によれば、小型、かつ薄型（電磁波の偏波方向に薄型）であって、実用性も充分に兼ね備えたキャビティースロットアンテナ装置を提供することができる。

請求項２に記載のキャビティースロットアンテナ装置は、スロットは、互いに平行に複数設けられていることを特徴とする。これによれば、折り返しダイポールアンテナに対し相補構造となるキャビティースロットアンテナ装置（つまり、折り返しスロットアンテナ装置）を実現することができる。尚、折り返しダイポールアンテナとは、二つのダイポールアンテナを並行（平行）に折り返したものである。また、相補構造とは、例えば、所定の平面導体板Ｓと、その平面導体板Ｓの領域に相当する部分だけが孔となっている平面導体板Ｓ’とにおけるそのＳとＳ’との間の関係（ＳとＳ’とを重ね合わせると完全な１枚の無限平面板になるというような関係）にある構造のことを言う。

一般に、スロットアンテナ装置において、給電点のインピーダンスを変成する方法（具体的に、インピーダンスを下げる方法）には、オフセット給電法や、折り返しスロットアンテナにする方法などがある。後者に該当する請求項２のキャビティースロットアンテナ装置では、給電点のインピーダンスを下げることができるようになる。

給電線は固有の特性インピーダンスを有し、例えばＶＨＦテレビ用平行給電線では３００Ωであり、ＵＨＦテレビ用平行給電線（いわゆるメガネフィーダー）では２００Ωであり、同軸ケーブルでは５０Ω或いは７５Ωである。請求項２のキャビティースロットアンテナ装置では、給電点のインピーダンスを、給電線に固有の特性インピーダンスに容易に合わせることができるようになる。つまり、インピーダンスの整合を容易に図ることができるようになる。

特に、請求項２のキャビティースロットアンテナ装置では、請求項３のように、複数のスロットが、給電されない無給電スロットと、給電される給電スロットとからなるようにすれば良い。具体的に、複数のスロットのうち、何れかを給電スロットとし、残りを無給電スロットとすれば良い。これによれば、各スロットに流れる磁流の比率（磁流分配率）に応じて、キャビティースロットアンテナ装置の給電点におけるインピーダンスを変成することができる。例えば、給電点におけるインピーダンスを、もともとの値の１／α（αは磁流分配率に応じて種々の値をとり得る）といった具体に下げることができる。

次に、請求項４のキャビティースロットアンテナ装置のようにスロットの全部又は一部の領域に誘電体を装荷すれば、比誘電率に応じて波長が短縮されるため、スロットの大きさをより小さくすることができる。よって、キャビティースロットアンテナ装置を更に小型化することができる。尚、キャビティーの空洞の全部又は一部の領域に誘電体を装荷するようにしても良い。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明のキャビティースロットアンテナ１の構成図である。

図１（ａ）のキャビティースロットアンテナ１は、導体壁で囲まれて内部に空洞を有する円筒型のキャビティー１０において、その側壁１１に、周方向に沿った長尺状のスロット２を形成してなるものである。

キャビティー１０は、その大きさが、円筒形の空洞共振器とした場合における最も低次の共振姿態（例えば、ＴＥ₁₁₁モード、ＴＭ₀₁₁モード）における共振半波長よりもはるかに小さくなるように小型に構成されている。尚、ＴＥ₁₁₁モードとは、共振時に、円柱空洞の高さ方向、円周方向、及び半径方向のそれぞれに、電磁波が半波長分定在する電磁界分布の姿態であり、ＴＭ₀₁₁モードとは、共振時に、円柱空洞の円周方向、及び半径方向のそれぞれに、電磁波が半波長分定在する電磁界分布の姿態である。

また、このキャビティースロットアンテナ１において、スロット２の開角θは、例えば約２４０°となるように構成されている。
図１（ｂ）は、キャビティー１０の側壁１１についての展開図である。スロット２の長さ（長手方向の長さ）は、側壁１１の長さ（長手方向の長さ）の２／３程度となっている。

一般に、円筒面上にスロットを設けたキャビティースロットアンテナでは、その円筒面上に切られたスロットの開角を２４０°程度にすることにより、水平面内において長円形ないし無指向性の放射指向性が得られる。尚、円筒面上に切られたスロットの放射指向性や、或いは電気的特性（例えば、入力インピーダンス）は、円筒の径の大きさによっても変化することが知られている。円筒の半径が波長に比べ充分小さい場合は無指向性となり、半径が大きくなるにつれて無限大平板上スロットアンテナの指向性に近づく。

次に、図１（ａ）のキャビティースロットアンテナ１において、給電点は、スロット２の上縁及び下縁に設けられる。具体的に、スロット２の上淵の中央に同軸給電線２０の内部導体が接続され、スロット２の下縁の中央に同軸給電線２０の外部導体が接続される。

図１のキャビティースロットアンテナ１において、同軸給電線２０からの電流は、キャビティー１０全体に広がる。
図２は、図１のキャビティースロットアンテナ１における電流分布の一例を表したものである。

例えば、図２（ａ）に示すように、キャビティー１０の上面においては、給電点から放射するように電流が流れる。具体的に、図２（ａ）において、給電点を起点として、紙面の上に向かうように磁流が生じる。

また、図２（ｂ）に示すように、スロット２の周辺においては、スロット２を取り巻くように電流が流れ、境界条件に従った定在波が発生する。一方、磁界は、スロット２内に垂直方向に生じる電気力線と直交して水平方向に生じ、スロット２全体として磁気ダイポールを形成する。

本実施形態のキャビティースロットアンテナ１において、前述の磁気ダイポールが電磁波の輻射体として機能する。言い換えれば、スロット２が電磁波の輻射に寄与しているのである。

一方、本実施形態のキャビティースロットアンテナ１では、前述のようにキャビティー１０を小型としているが、このため、キャビティー１０に沿って流れる電流は一様ではなく、給電点を中心に偏りが生じるようになっている。特に、キャビティー１０の側壁１１において、図２（ｂ）にも示したように、スロット２のない部分には、垂直方向に電流が流れる。そして、この側壁１１を垂直方向に流れる電流によっても、電磁波の輻射が生じるようになっている。

つまり、本実施形態のキャビティースロットアンテナ１によれば、スロット２が電磁波の輻射に寄与するのは勿論のこと、キャビティー１０も電磁波の輻射に寄与するようになっている（キャビティー１０の側壁１１を垂直方向に流れる電流により電磁波が輻射される）。具体的に、キャビティー１０の側壁１１においてスロット２が形成されていない部分を流れる電流によって、スロット２が形成されていない方向にも電磁波が輻射される。その結果、水平面内において長円形ないしは無指向性の輻射特性が得られるようになっている。

このように、本実施形態のキャビティースロットアンテナ１では、小型、薄型の構成を実現しつつ、放射特性も充分確保できるようになっている。特に、偏波方向に薄型とすることができるため、例えば、地下街や室内など、垂直偏波が有利な場所において用いるのに好適である。

ここで、給電点におけるインピーダンスについて考察する。
一般に、完全な相補構造（Ｓｅｌｆ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ）となる線状アンテナとスロットアンテナとにおいて、両者のインピーダンスには、Ｈ．Ｇ．ＢｏｏｋｅｒのＳｅｌｆ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙの原理が成り立つ。

具体的に、線状アンテナのインピーダンスをＺｄとし、スロットアンテナのインピーダンスをＺｓとし、自由空間のインピーダンスをＺ₀（具体的に、１２０π）とすると、理論的に、Ｚｄ・Ｚｓ＝Ｚ₀ ²／４という関係が成り立つ。

例を挙げると、共振条件が０．４７５λである線状アンテナとしてのダイポールアンテナでは、Ｚｄ＝６７Ωとなる。このダイポールアンテナと相補関係にある（相補構造を有する）スロットアンテナ（但し、無限平面板を想定）のインピーダンスＺｓは、上述の式Ｚｄ・Ｚｓ＝Ｚ₀ ²／４から、理論的に Ｚｓ＝５３０＋ｊ０Ωと導かれる。

ここで、図１（ａ）のようなキャビティースロットアンテナ１においては、スロット２からキャビティー１０の内側に向かって輻射された電磁界のエネルギーは、キャビティー１０内部における僅かな損失（例えばジュール熱となって失われる損失）を除けば、その殆どがキャビティー１０内部で反射して再び電源側（給電点側）に戻される。つまり、この場合エネルギーは消費されないと見ることができる。

逆に、スロット２からキャビティー１０の外側（自由空間）に向かって輻射された電磁界のエネルギーは、戻ることはなく消費されることとなる。このため、スロット２からキャビティー１０の外側（自由空間）に向かって輻射される電磁界のエネルギー成分が、給電点における輻射抵抗（インピーダンスの実数部）に反映されることとなる。

このようなことから、図１（ａ）のキャビティースロットアンテナ１において、給電点におけるインピーダンスは、前記理論値（Ｚｓ＝５３０＋ｊ０Ω）の約１／２になると考えることができる。

尚、給電点からキャビティー１０内部を見た場合のインピーダンスは、リアクタンスを呈する。これは、例えば、スロット２からキャビティー１０内部にエネルギーが輻射されて戻ってくる際に位相差が生じることに起因する。

そして、給電点におけるインピーダンスは、比較的高い実数部の値と、前述のリアクタンス（虚数部）とを有するが、給電点におけるインピーダンスと、同軸給電線２０の特性インピーダンスとの整合を図る必要がある。同軸給電線（同軸ケーブル）２０の特性インピーダンスは、例えば５０Ωであったり７５Ωであったりする。
［第２実施形態］
ここで、上記のインピーダンスについての考察に鑑み、第２実施形態について説明する。図３は、第２実施形態のキャビティースロットアンテナ１を表す図である。

前述のように、給電点におけるインピーダンスと、同軸給電線２０の特性インピーダンスとの整合を図る必要があるが、本第２実施形態のキャビティースロットアンテナ１は、その整合を図ることを意図したものである。

第２実施形態のキャビティースロットアンテナ１では、図３に示すように、キャビティー１０の側壁１１において、スロット２と並行（平行）に、スロット４が形成されている。ここでは、例えばスロット２を無給電スロットとし、スロット４を給電スロットとしている。つまり、スロット４には同軸給電線（同軸ケーブル）２０が接続されて給電されるようにし、スロット２には給電されないようになっている。尚、スロット２を給電スロットとし、スロット４を無給電スロットとしても良い。

この第２実施形態のキャビティースロットアンテナ１は、スロット２，４が並設されていることにより、折り返しダイポールアンテナに対し相補構造となるアンテナ（つまり、折り返しスロットアンテナ）となる。折り返しスロットアンテナでは、スロット２，４への磁流配分率に応じて給電点のインピーダンスが下がり（つまり、給電点のインピーダンスを下げることができる）、これにより、給電点におけるインピーダンスと同軸給電線２０の特性インピーダンスとの整合を図ることも可能になる。具体的に、同軸給電線２０の特性インピーダンスに対して給電点におけるインピーダンスが高い場合に、その給電点におけるインピーダンスを低い値にして整合を図ることができる。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。図４（ａ）は、第３実施形態のキャビティースロットアンテナ１を表す図面である。

第３実施形態のキャビティースロットアンテナ１は、図４（ａ）に示すように、キャビティー１０の側壁１１に、ＶＨＦ用のスロット２と、ＵＨＦ用のスロット４，６とを形成してなるものである。つまり、ＶＨＦ／ＵＨＦ兼用のアンテナとなっている。尚、この場合、給電点は、ＶＨＦ用の給電点として、ＶＨＦ用のスロット２に設けると共に、それとは別に、ＵＨＦ用の給電点として、ＵＨＦ用のスロット４，６に設けると良い。
［第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明する。図４（ｂ）は、第４実施形態のキャビティースロットアンテナ１を表す図面である。

第４実施形態のキャビティースロットアンテナ１は、図４（ｂ）に示すように、スロット２の両端において、そのスロット２を上下方向に伸ばしたような延長スロット部８を有している。これにより、スロット２の長さを稼ぐ趣旨である。これによれば、延長スロット部８を含めたスロット２の長さを確保しつつ、キャビティー１０の側壁１１の長さをより短くすることができる。つまり、キャビティー１０の直径をより小さくすることができる。これによれば、より小型化を図ることができるようになる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術範囲内において種々の形態をとることができる。
例えば、上記実施形態において、キャビティー１０の形状は、円筒形に限らず、どのような形状でも良い。例えば、角柱状や、卵形でも良い。

また、上記実施形態において、プローブ或いは結合片をキャビティー内部に挿入し、電磁結合して給電するようにしても良い。
また、上記実施形態において、スロット２の全部又は一部の領域に、誘電体を装荷しても良い。誘電体としては、例えばポリエチレン（ＰＥ）等を用いることができる。ポリエチレン（ＰＥ）の比誘電率は２．３であり、この場合、波長短縮率（誘電体中の電磁波の波長／真空中の電磁波の波長）は６７％程度になる。つまり、波長が短くなる。このため、スロット２の大きさを小さくすることができ、ひいては、キャビティースロットアンテナ１を更に小型化することができる。

第１実施形態のキャビティースロットアンテナ１を表す図面である。 第１実施形態のキャビティースロットアンテナ１の作用を表す図面である。 第２実施形態のキャビティースロットアンテナ１を表す図面である。 第３実施形態のキャビティースロットアンテナ１を表す図面である。

符号の説明

１…キャビティースロットアンテナ、２，４，６…スロット、８…延長スロット部、１０…キャビティー、１１…側壁、２０…同軸給電線。

Claims (4)

1. 導体壁で囲まれて内部に空洞を有する所定の形状のキャビティーを有し、そのキャビティーの側壁に、長尺状のスロットを形成してなるキャビティースロットアンテナ装置であって、
   前記キャビティーの大きさが、空洞共振器とした場合における最も低次の共振姿態における共振半波長よりも充分小さくなるように構成されていることを特徴とするキャビティースロットアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のキャビティースロットアンテナ装置において、
   前記スロットは、互いに平行に複数設けられていることを特徴とするキャビティースロットアンテナ装置。
3. 請求項２に記載のキャビティースロットアンテナ装置において、
   前記複数のスロットは、給電されない無給電スロットと、給電される給電スロットとからなることを特徴とするキャビティースロットアンテナ装置。
4. 請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載のキャビティースロットアンテナ装置において、
   前記スロットの全部又は一部の領域に、誘電体が装荷されてなることを特徴とするキャビティースロットアンテナ装置。