JP2010193397A - 指向性制御アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、指向性誘導が可能であって、アンテナ全体としての大きさを小さくすることができる、指向性制御アンテナの提供を目的とする。
【解決手段】放射器である給電パッチ１４と、給電パッチ１４の周囲に同心円状に配置され給電パッチ１４と電磁結合する非励振素子である複数の円弧状空洞共振器１５（１５Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）と、が設けられた表面を有する円状誘電体基板１１と、円状誘電体基板１１の裏面側に設けられ、複数の円弧状空洞共振器毎に装荷されるリアクタンス可変回路４０（４０Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とを備える、指向性制御アンテナ。
【選択図】図４

Description

本発明は、リアクタンス可変回路を備える指向性制御アンテナに関する。

従来、広指向特性が得られるように、円形の給電部の周囲に円弧形状の非励振素子を配置した、パッチ型のマイクロストリップアンテナが知られている（例えば、特許文献１の第１５図参照）。

特開平２−７０１０４号公報

しかしながら、非励振素子に接続されたリアクタンス可変回路によりリアクタンスを変えることによってアンテナの指向性を制御しようとする場合、非励振素子の形状とリアクタンス可変回路の配置場所によっては、アンテナが全体として大きくなってしまう。

そこで、本発明は、指向性誘導が可能であって、アンテナ全体としての大きさを小さくすることができる、指向性制御アンテナの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る指向性制御アンテナは、
放射器と、該放射器の周囲に同心円状に配置され該放射器と電磁結合する非励振素子である複数の円弧状空洞共振器と、が設けられた表面を有する円状基板と、
前記円状基板の裏面側に設けられ、前記複数の円弧状空洞共振器毎に装荷されるリアクタンス可変回路とを備えている。

本発明によれば、指向性誘導が可能であって、アンテナ全体としての大きさを小さくすることができる。

本発明の実施形態である指向性制御アンテナ１００の上面図である。 非励振素子に接続されるリアクタンス可変回路の一例である。 指向性制御アンテナ１００の側面図である。 指向性制御アンテナ１００の斜視図である。 指向性制御アンテナ２００の斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態の説明を行う。

図１は、本発明の第１の実施形態である指向性制御アンテナ１００の正面図であり、図３は、その側面図であり、図４は、その斜視図である。以下、図１，３，４を参照しながら、指向性制御アンテナ１００の各構成について説明する。

指向性制御アンテナ１００は、マイクロストリップアンテナであって、その指向性を電気的に制御可能なエスパーアンテナである。指向性制御アンテナ１００は、円形の放射器である給電パッチ１４と４つの空洞共振器１５（１５Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とが設けられた表面を有する誘電体基板１１と、誘電体基板１１の裏面側に設けられる４つのリアクタンス可変回路４０（４０Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とを備える。

なお、図１，３，４において、Ｘ方向及びＹ方向は、誘電体基板１１の表面に平行な方向であり、互いに直交する方向である。すなわち、Ｘ方向及びＹ方向は、給電パッチ１４の放射主軸の方向（Ｚ方向）に対して直角である。

図１において、誘電体基板１１の表面には、給電素子である円状の給電パッチ１４と、給電パッチ１４の周囲に同心円状に配置され給電パッチ１４と電磁結合する非励振素子である４つの円弧状の空洞共振器１５（１５Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とが共に設けられる。

誘電体基板１１を円状にすることによって、同心円状に配置された円弧状の空洞共振器１５を方形状の誘電体基板に配置する場合に比べて、誘電体基板上に無駄な領域を省くことができる。すなわち、方形状の誘電体基板であれば、その四隅に無駄な領域が生じてしまう。したがって、誘電体基板１１を円板にすることによって、指向性制御アンテナ１００の小型化を図ることができるとともに、指向性制御アンテナ１００が取り付けられる部位の取り付け必要面積の狭小化など、取り付けの自由度を上げることができる。

誘電体基板１１の表面には、水平面内で略無指向性の放射器である給電パッチ１４が形成され、誘電体基板１１の裏面には、銅箔等の導電材によって導電性の地板１２が形成されている。放射素子である給電パッチ１４への給電は、誘電体基板１１の裏面側から行われ、１３はその給電点である。給電点１３は、例えば、誘電体基板１１の表面側と裏面側とを結ぶピン構造をしている。給電点１３に半田付け等によって接続された給電ピンは、誘電体基板１１の貫通孔１１Ｅ（図３参照）を貫通し、地板１２には接続されていない。すなわち、誘電体基板１１の裏側の給電部は、その裏側の給電部の僅かな周囲を除いて、銅箔等の導電材で覆われている。つまり、給電ピンが地板１２と接触しないように、給電ピンと裏面との接触点の周囲に非導電部を設ける。例えば、地板１２が銅箔の場合、給電ピンと裏面との接触点の周囲（例えば、周囲２ｍｍ）の銅箔をカットすればよい。給電ピンに接続される出力ケーブルは、例えば同軸ケーブルであるとよい。同軸ケーブルを使用する場合、同軸ケーブルの中心線を給電ピンに接続し、同軸ケーブルのシールド線を銅箔等の地板１２に半田付け等により接続する。給電点１３は、共振電流が流れるように、給電パッチ１４の中心からずれて位置している。

４つの空洞共振器１５Ａ〜Ｄは、一定の配列規則に従って配置され、給電パッチ１４の中心を通り且つ給電パッチ１４の表面に平行な対称軸に関して線対称となるように配置されるとよい（例えば、給電パッチ１４の中心を通るＹ方向の直線軸に関して線対称）。これにより、アンテナ自体の指向性の特性を対称にすることができる。その結果、精度の良い指向性の制御が可能となる。

空洞共振器１５Ａと１５Ｃが、給電パッチ１４に対して対称に配置され、空洞共振器１５Ｂと１５Ｄが、給電パッチ１４に対して対称に配置される。これらの空洞共振器は、給電パッチ１４の中心に対して点対称である。また、空洞共振器１５のそれぞれについて、その円弧方向の長さ（例えば空洞共振器１５Ａの場合、端部１５Ａ３と端部１５Ａ４との間の円弧長）を互いに等しくすることによって、アンテナの指向性の方向を偏り無く精度良く調整することができる。

円弧状の各空洞共振器１５は、放射器である給電パッチ１４との間で電磁結合が取れる位置に配置される。半径方向に幅を持つ円弧状の空洞共振器１５は同心円状に配置される。すなわち、空洞共振器１５の外側の円弧部分は、給電パッチ１４の重心を中心とする円周上（図１の場合、誘電体基板１１の円周上）に位置し、空洞共振器１５の内側の円弧部分１５Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２は、外側の円弧部分が位置する円周より半径が小さい円周であって給電パッチ１４の重心を中心とする円周上に位置する。したがって、空洞共振器１５の内側の円弧部分１５Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２は、給電パッチ１４の縁部である円周から互いに等距離に位置する。また、例えば、指向性制御アンテナ１００が受信する電磁波の波長をλとすると、給電パッチ１４の円周とそれに対向する空洞共振器の内側円弧部分（空洞共振器の先端開放部）との半径方向の間隔は、０．０５λ以上０．５λ以下に設定されるとよい。このように、給電パッチ１４の周囲に空洞共振器１５を配列することによって、給電パッチ１４の表面に平行な平面（Ｘ−Ｙ平面）内の方向での電磁結合を強化することができる。

空洞共振器１５は、給電パッチ１４の共振周波数で共振し、給電パッチ１４と同調を取れるように形成される。また、空洞共振器１５の内部には、共振電気長が短くなるように、テフロン（登録商標）等の誘電体を充填しておくとよい。空洞共振器１５の材質として、アルミ、銅、真鍮などが挙げられる。

また、指向性制御アンテナ１００の指向性を制御するために、リアクタンス可変回路が備えられる。リアクタンス可変回路４０は、全ての空洞共振器１５に装荷される。必要な指向特性の範囲に応じて、リアクタンス可変回路４０は、一部の空洞共振器１５に装荷されてもよい。空洞共振器１５Ａにはリアクタンス可変回路４０Ａが装荷される。空洞共振器１５Ｂにはリアクタンス可変回路４０Ｂが装荷される。空洞共振器１５Ｃ，Ｄとリアクタンス可変回路４０Ｃ，Ｄについても同様である。

図２は、空洞共振器１５に接続されるリアクタンス可変回路の一例である。空洞共振器１５は、リアクタンス可変回路と接続されることにより、指向性を変化させることができる。空洞共振器１５のそれぞれに、このリアクタンス可変回路４０が設けられる。リアクタンス可変回路４０は、抵抗５１、第１の誘導素子５３、第２の誘導素子５５の順番で入力端子ｄｃから出力端子ＲＦに向けて直列に接続され、抵抗５１と第１の誘導素子５３との中間点と接地点との間に容量素子５２が設けられ、第１の誘導素子５３と第２の誘導素子５５との中間点と接地点との間にバラクタ５４が設けられた、回路である。リアクタンス可変回路４０は、入力端子ｄｃから入力される直流電圧値に応じてバラクタ５４の特性を変化させることで、リアクタンスを変化させる回路である。出力端子ＲＦが非励振素子に接続される。このリアクタンスの値に応じて、非励振素子は導波器になるため（又は、反射器になるため）、指向性制御アンテナ１００の指向性を変化させることができる。

リアクタンス可変回路４０は、例えば、給電パッチ１４の周囲に同心円状に９０°毎に配置された４つの空洞共振器１５Ａ〜Ｄに電気的に接続される。これによって、３６０°にわたって指向性を精度良く制御することができる。

また、誘電体基板１１の表面側に設置された空洞共振器１５と誘電体基板１１の裏側に設置されたリアクタンス可変回路４０は、誘電体基板１１の貫通孔を通る棒状導体（例えば、プローブ）を介して、互いに接続される。空洞共振器１５とリアクタンス可変回路４０とを結ぶプローブ等の棒状導線によって、電磁界を電力に変化させる。図３には、貫通孔１１Ｂ，Ｃが示されている。リアクタンス可変回路４０を空洞共振器１５の配置面と反対の面に配置することによって、アンテナの放射に妨害とならず、リアクタンス可変回路の配置によるアンテナの放射特性への影響を抑えることができる。

給電パッチ１４の周囲には強い電磁場が発生しており、指向性制御用の非励振素子の形状を円弧状にすることにより円状の給電パッチ１４に密接させることができるので、指向性を誘導しやすくすることができる。

したがって、指向性制御アンテナ１００は、指向性制御用の非励振素子やリアクタンス可変回路を設けたとしても、小型化しやすく、指向性を精度良く制御可能な良好なアンテナ特性を得ることができる。

また、指向性制御アンテナ１００は、特に、車外の通信設備や放送設備と送受信又は受信を無線でするための車載アンテナ装置としての使用に適している。低背化しているため、車両の外板等の車体に設置しやすい。この場合の車載アンテナ装置は、例えば、人や自転車などの自車周辺の障害物などを検知するためのアンテナとして使用されると好適である。また、車載アンテナ装置は、例えば、人や自転車などの自車周辺の障害物に関する検知情報や車両周辺情報、車両登録情報、音声情報、画像情報、通話情報、車車間通信情報、ＥＴＣ用通信情報、テレビ放送波などのデータを受信又は送受信するために用いられると好適である。特に、マイクロ波やミリ波の周波数帯で使用されると好適であり、例えば、２．４ＧＨｚ帯や５．８ＧＨｚ帯での周波数帯での使用が可能である。

図５は、本発明の第２の実施形態である指向性制御アンテナ２００の斜視図である。指向性制御アンテナ１００と同様の構成については、その説明を省略又は簡略する。

図５に示した指向性制御アンテナ２００は、指向性制御アンテナ１００のマイクロストリップ放射器を、キャパシタンスを装荷したアンテナに置き換えたものである。図５には、円形ポストＴ型アンテナ１６に置き換えた場合を示している。Ｔ型アンテナは、水平面内で略無指向性の放射器である。Ｔ型アンテナ１６の周囲に４つの空洞共振器１５（１５Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）が配置されている。

指向性制御アンテナ２００の場合、放射器と空洞共振器とが設置された基板の材質に誘電体が使われている指向性制御アンテナ１００と異なり、Ｔ型アンテナ１６と空洞共振器１５は、そのまま地板１２上に設置できる。円状の誘電体基板を削除できる分、低背化が可能である。

地板１２の表面には、水平面内の指向性が略円形のＴ型アンテナ１６と、Ｔ型アンテナ１６の周囲に同心円状に配置されＴ型アンテナ１６と電磁結合する非励振素子である４つの円弧状の空洞共振器１５（１５Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とが共に設けられる。空洞共振器１５のそれぞれには、地板１２の裏側に配置されたリアクタンス可変回路４０が装荷されている。空洞共振器１５とリアクタンス可変回路４０は、地板１２に設けられた孔を貫通するプローブ等の棒状導体によって接続される。Ｔ型アンテナ１６への給電は、指向性制御アンテナ１００の場合と同様に、地板１２の裏面側から行われる。空洞共振器１５の内部にテフロン等の誘電体を充填することによって、空洞共振器１５の内部の電気長を短くすることができる。

したがって、指向性制御アンテナ１００と同様に、指向性制御アンテナ２００は、指向性制御用の非励振素子やリアクタンス可変回路を設けたとしても、小型化しやすい。また、Ｔ型アンテナ１６と空洞共振器１５との間に強い電磁結合が生じるので、リアクタンス可変回路４０によってリアクタンス調整を行うことによって、指向性を精度良く制御可能な良好なアンテナ特性を得ることができる。

また、地板１２の表面からのＴ型アンテナ１６の高さ（Ｚ方向の高さ）を、地板１２の表面からの各空洞共振器１５の高さ（Ｚ方向の高さ）と同じ又は低くすることによって、空洞共振器１５より高さが高い場合に比べて、Ｔ型アンテナ１６と空洞共振器１５との間の電磁結合を強めることができ、指向性の制御精度を向上させることができる。また、空洞共振器１５とＴ型アンテナ１６の高さを低くすることによって、指向性制御アンテナ全体として、薄型化することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例において、給電パッチ１４への給電方式を、位相差９０°の信号を２点で給電する２点給電方式、又は縮退分離素子（例えば、切り欠きや突起の付帯）を使用した１点給電方式とすることによって、直線偏波に限らず、円偏波を制御することができる。

また、給電パッチ１４の周囲に空洞共振器１５を同心円状に配置する限り、給電パッチ１４に関して対称にしなくてもよい。これにより。アンテナ自体の指向性の特性を放射角度に応じて違いをつけることができる。

また、上述の実施例では、誘電体基板１１、給電パッチ１４、地板１２は円状であるが、真円に限らず楕円でもよい。また、配置場所に余裕があれば、誘電体基板１１、給電パッチ１４、地板１２は、円状ではなく、方形であってもよい。

また、上述の実施例では空洞共振器１５を同心円状に４つに分割配置しているが、一の基板の上に設けられる円弧状の空洞共振器の数は２，３又は５以上でもよい。

１１ 誘電体基板
１２ 地板
１３ 給電点
１４ 円状給電パッチ
１５ 円弧状空洞共振器
１６ Ｔ型アンテナ
４０ リアクタンス可変回路
１００，２００ 指向性制御アンテナ

Claims (1)

1. 放射器と、該放射器の周囲に同心円状に配置され該放射器と電磁結合する非励振素子である複数の円弧状空洞共振器と、が設けられた表面を有する円状基板と、
   前記円状基板の裏面側に設けられ、前記複数の円弧状空洞共振器毎に装荷されるリアクタンス可変回路とを備える、指向性制御アンテナ。

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