JP2010200202A - アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナの指向性制御とリターンロスの制御を平面構造で実現する。
【解決手段】給電素子としてのダイポールアンテナは、ダイポールアンテナ（＋ポート）１と、ダイポールアンテナ（−ポート）３と、給電点２とからなる。ダイポールアンテナの全長がＴに設定される。Ｔの一例は、λ／２である。但し、λ／２以外の長さを設定しても良い。ダイポールアンテナから任意の距離Ｄだけ離れた場所に、線状構造の両端にミアンダ構造を有する無給電素子４が設置される。無給電素子４は、ダイポールアンテナ（＋ポート）１、給電点２、ダイポールアンテナ（−ポート）３で構成されるダイポールアンテナの指向性を制御する役割を有する。同時に、無給電素子４は、ダイポールアンテナ（＋ポート）１、給電点２、ダイポールアンテナ（−ポート）３で構成されるダイポールアンテナと無給電素子４間のインピーダンス整合を取る役割を担う。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えば無線ＬＡＮに使用されるアンテナに適用されるアンテナに関する。

ダイポールアンテナは、水平面において無指向性である。無指向であることは、水平面の全方位に放射できる利点がある一方、電波的な散乱体を近接させにくいという問題が生じる。アンテナ周辺の放射レベルの高い部分に電波的な散乱体（金属体やその他の誘電体など）が重なると、電磁結合により、本来アンテナに流れるべき電流が、散乱体側に流れ込む。その結果、アンテナの共振周波数ズレや、アンテナの放射効率低下といったアンテナの特性劣化が生じる。

近年、機器の小型化、デザイン面から機器へのダイポールアンテナの内蔵が望まれている。しかしながら、アンテナを内蔵することによって、アンテナの近傍に金属製の筐体、金属のヒートシンク、プリント配線基板等が位置する結果、上述したような特性劣化が生じるケースも多い。

かかる問題には、アンテナと電波的な散乱体の距離を大きくする、アンテナと電波的な散乱体の間に電波吸収体を入れるなどの解決策が考えられる。しかしながら、距離を大きくする方法は、アンテナ全体の小型化の障害となり、電波吸収体を入れる方法は、コスト低減の障害となる。ダイポールアンテナを省スペースに低コストに無線機器へ内蔵するために、アンテナの指向性を制御し、近接する電波的な散乱体を空間的に避けることが望まれている。

アンテナの指向性を制御する方法として、線状無給電素子によるアンテナ指向性制御が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載のアンテナは、図１に示すように、全長がλ／２（λ：送信周波数に対応する波長）の共通ダイポール５を有する。さらに、共通ダイポール５の軸から距離Ｄ２だけ離れた位置に、共通ダイポール５を取り囲むように、それぞれλ／２の長さを有する線状無給電素子６₁〜６_nが配置される。線状無給電素子６₁〜６_nは、半径Ｄ１の断面を有する。

共通ダイポール５の一端に近接して配置されたＵ字型無給電素子７とが設けられる。Ｕ字型無給電素子７は、半径Ｄ３、長さＬ３の円柱導体からなる底部７ａと、半径Ｄ３、長さＬ２の円柱導体からなる二つの腕部７ｂとからなる。Ｕ字型無給電素子７は、共通ダイポール５と線状無給電素子との間のインピーダンス整合をとるためのものである。

共通ダイポール５からの電磁波により線状無給電素子６₁〜６_nに共振電流が誘電され、線状無給電素子６₁〜６_nから放射される電磁波が共通ダイポール５から放射される電磁波と合成され放射指向性が変化される。

特開２００１−１８５９４７号公報

特許文献１に記載のアンテナは、線状無給電素子６₁〜６_nが一つであったとしても、Ｕ字型無給電素子７を備えるために、共通ダイポール５と、Ｕ字型無給電素子７との配置が立体的（３次元的）なものとなる。したがって、かかるアンテナを平面的（２次元的）な構成とすることができない。平面的な構成とすることができないことは、アンテナとしての小型化への妨げとなり、アンテナをプリント配線基板上に構成してコストを低くすることができない。

したがって、この発明の目的は、指向性制御が可能で、小型、且つ低コストのアンテナを提供することにある。

上述の課題を解決するために、この発明は、ダイポールアンテナと、ダイポールアンテナと並行に配置され、線状構造およびミアンダ構造を有する無給電素子とを備え、ダイポールアンテナおよび無給電素子間の距離、並びにミアンダ構造の形状および大きさを設定することによって、指向性とダイポールアンテナのリターンロスを制御するアンテナである。

この発明は、ダイポールアンテナと、ダイポールアンテナと並行に配置され、線状構造および渦巻き構造を有する無給電素子とを備え、ダイポールアンテナおよび無給電素子間の距離、並びに渦巻き構造の形状および大きさを設定することによって、指向性とダイポールアンテナのリターンロスを制御するアンテナである。

ダイポールアンテナと、ダイポールアンテナと並行に配置され、線状構造および折り返し構造を有する無給電素子とを備え、ダイポールアンテナおよび無給電素子間の距離、並びに折り返し構造の形状および大きさを設定することによって、指向性とダイポールアンテナのリターンロスを制御するアンテナである。

この発明によれば、ダイポールアンテナとミアンダ構造、渦巻き構造または折り返し構造を含む無給電素子だけでアンテナの指向性制御およびリターンロスの制御が実現できるので、アンテナを平面または１枚の配線基板で構成することができ、アンテナの小型化が可能になる。その結果、この発明は、プリント配線基板の単体構成で実現できるので、低コスト化も可能となる

先に提案されているアンテナの構成を示す斜視図である。 この発明の第１の実施の形態のアンテナの側面図および上面図である。 この発明の比較例として用いたアンテナの側面図および上面図である。 リターンロスの理論値を示すグラフである。 この発明の第１の実施の形態のアンテナ放射パターンを示す略線図である。 図３の構成のアンテナのアンテナ放射パターンを示す略線図である。 この発明の第２の実施の形態の第１の例の側面図である。 この発明の第２の実施の形態の第１の例のアンテナ放射パターンを示す略線図である。 この発明の第２の実施の形態の第２の例の側面図である。 この発明の第２の実施の形態の第２の例のアンテナ放射パターンを示す略線図である。 この発明の第３の実施の形態のアンテナの側面図および上面図である。 この発明の第４の実施の形態のアンテナの側面図、上面図および斜視図である。

以下、この発明の実施の形態について説明する。なお、説明は、以下の順序で行う。
＜１．第１の実施の形態＞
＜２．第２の実施の形態＞
＜３．第３の実施の形態＞
＜４．第４の実施の形態＞
なお、以下に説明する実施の形態は、この発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、この発明の範囲は、以下の説明において、特にこの発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。

＜１．第１の実施の形態＞
「アンテナの構成」
この発明の一実施の形態について、図２を参照して説明する。図２Ａは、側面図、図２Ｂは、上面図である。ここでは、側面を（Ｘ−Ｙ）平面とし、上面を（Ｘ−Ｚ）平面と称する。図２に示すように、給電素子としてのダイポールアンテナは、ダイポールアンテナ（＋ポート）１と、ダイポールアンテナ（−ポート）３と、給電点２とからなる。ダイポールアンテナの全長がＴに設定される。Ｔの一例は、λ／２である。但し、λ／２以外の長さを設定しても良い。

このダイポールアンテナから任意の距離Ｄだけ離れた場所に、線状構造の両端にミアンダ構造を有する無給電素子４が設置される。距離Ｄは、ダイポールアンテナの導体の中心と、無給電素子４の線状構造の部分の中心との距離である。無給電素子４の全長は、ダイポールアンテナとほぼ等しいものとされる。ダイポールアンテナおよび無給電素子４は、例えばプリント配線基板上の導電体パターンによって実現される。プリント配線基板としては、両面に配線パターンが形成可能な両面基板が使用される。

無給電素子４は、ダイポールアンテナ（＋ポート）１、給電点２、ダイポールアンテナ（−ポート）３で構成されるダイポールアンテナの指向性を制御する役割を有する。同時に、無給電素子４は、ダイポールアンテナ（＋ポート）１、給電点２、ダイポールアンテナ（−ポート）３で構成されるダイポールアンテナと無給電素子４間のインピーダンス整合を取る役割を担う。

ダイポールアンテナからミアンダ構造の無給電素子４までの距離Ｄやミアンダ構造の形状および大きさを調整することによって、ダイポールアンテナの指向性やリターンロスの量を調整することができる。ミアンダ構造の形状および大きさは、折り返しの数、素子の径（幅）のサイズ、平行する折り返し部分の間隔、折り返し部分の両端間の長さ等を意味する。

給電素子としてのダイポールアンテナ単独の放射パターンは、（Ｘ−Ｙ）面内、および（Ｘ−Ｚ）面内でダイポールの位置を中心とする円形となり、無指向性である。ダイポールアンテナに対して高周波電流が給電点２から供給されると、電磁波が放射される。ダイポールアンテナからの電磁波によって無給電素子４に電流が誘導される。この電流の振幅および位相は、距離Ｄやミアンダ構造の形状および大きさによって制御される。ダイポールアンテナから放射される電磁波と、無給電素子４から放射される電磁波とが合成されて指向性が制御される。

無給電素子４は、反射器または放射器として機能し、水平面内で無給電素子側に押し出された形状の指向性が得られる。さらに、無給電素子４から放射される電磁波を受けることによってダイポールアンテナの給電点２からみたインピーダンスが変化することになる。

「リターンロスの比較」
図１を参照して説明した従来のアンテナにおいて、Ｕ字型無給電素子７を取り除いた構成を図３に示す。図３Ａが側面図、図３Ｂが上面図である。このダイポールアンテナは、ダイポールアンテナ（＋ポート）８と、ダイポールアンテナ（−ポート）１０と、給電点９からなるダイポールアンテナを有する。このダイポールアンテナから任意の距離Ｄだけ離れた場所に線状無給電素子１１が設置される。ダイポールアンテナ（＋ポート）８と、ダイポールアンテナ（−ポート）１０と、給電点９からなるダイポールアンテナが共通ダイポール５に対応する。線状無給電素子１１が線状給電素子６₁〜６_nの一つに対応する。

図２に示すこの発明の第１の実施の形態のリターンロス３１と、図３に示すアンテナのリターンロス３２とを図４に比較して示す。図４の横軸が周波数（ＧHz）を示し、縦軸がリターンロス（ｄＢ）を示し、例えば理論値（シミュレーション結果）である。リターンロスとは、アンテナの入射波と反射波の比である。言い換えると、リターンロスは、図２の給電点２から給電された高周波信号がどの程度反射して戻ってくるかを示す。リターンロスが小さいほど、反射するロスが小さいことを意味し、インピーダンスの整合性が良いことを意味する。

図４に示すように、図３に示すアンテナにおいては、Ｕ字型無給電素子が除かれたことにより、ある周波数（例えば２．４ＧHz）において、リターンロスが減少する。リターンロスの減少量は、１０ｄＢ程度である。この発明の第１の実施の形態（図２）のように無給電素子をミアンダ構造にすることにより、２０ｄＢ程度までリターンロスを急激に小さくすることができる。この図４からミアンダ構造をとることによって、この周波数において、インピーダンス整合とれていることが分かる。

「第１の実施の形態の指向性」
この発明の第１の実施の形態（図２）の（Ｘ−Ｚ）面の放射パターンを図５に示す。図６は、図３に示すアンテナの構成（従来の特許文献１記載のアンテナからＵ字型無給電素子を除いた構成）の同一面の放射パターンを図６に示す。図５および図６を比較すると分かるように、この発明の第１の実施の形態におけるミアンダ構造の無給電素子４がアンテナ指向性制御に有効に作用している。さらに、図５および図６を比較して分かるように、ミアンダ構造の無給電素子４を用いることで、ミアンダ構造の無給電素子４方向（−９０度）への放射レベルをより抑えることができる。これもミアンダ構造の無給電素子４の奏する効果といえる。

＜２．第２の実施の形態＞
図７および図８を参照してこの発明の第２の実施の形態について説明する。図７が第２の実施の形態の側面図であり、図８が第２の実施の形態のアンテナ放射パターン図である。第２の実施の形態によるダイポールアンテナは、ダイポールアンテナ（＋ポート）１２とダイポールアンテナ（−ポート）１４と給電点１３とからなる。このダイポールアンテナから任意の距離Ｄだけ離れた場所にミアンダ構造の無給電素子１５が設置されている。ダイポールアンテナおよび無給電素子１５は、例えば両面プリント配線基板上の導電体パターンによって実現される。

第１の実施の形態と異なり、ミアンダ構造が無給電素子１５を構成する線状素子のダイポールアンテナ（−ポート）１４側に集中して形成されている。図８に示すように、（Ｘ−Ｙ）面の放射パターンは、上方部分が放射レベルが強くなるように制御される。

図９の側面図に示すように、ダイポールアンテナ（＋ポート）１６とダイポールアンテナ（−ポート）１８と給電点１７とからなるダイポールアンテナと、無給電素子１９とによってアンテナが構成される。ミアンダ構造が無給電素子１９を構成する線状素子のダイポールアンテナ（＋ポート）１６側に集中して形成されている。この例では、図１０に示すように、（Ｘ−Ｙ）面の放射パターンは、下方部分が放射レベルが強くなるように制御される。

＜３．第３の実施の形態＞
図１１を参照してこの発明の第３の実施の形態について説明する。図１１Ａが側面図であり、図１１Ｂが上面図である。第３の実施の形態によるダイポールアンテナは、ダイポールアンテナ（＋ポート）２０とダイポールアンテナ（−ポート）２２と給電点２１とからなる。このダイポールアンテナから任意の距離Ｄだけ離れた場所に渦巻き構造および線状構造を有する無給電素子２３が設置されている。ダイポールアンテナおよび無給電素子２３は、例えば両面プリント配線基板上の導電体パターンによって実現される。

ダイポールアンテナおよび無給電素子間の距離Ｄ、並びに渦巻き構造の形状および大きさを設定することによって、指向性とダイポールアンテナのリターンロスを制御するアンテナである。渦巻き構造の形状および大きさとは、渦巻きの回数、導体の径（幅）、導体同士の間隔の値等である。第３の実施の形態においても、第２の実施の形態と同様に、無給電素子２３において、線状構造の一端側に集中して渦巻き構造を形成することによって、（Ｘ−Ｙ）面上の指向性を制御することができる。

＜４．第４の実施の形態＞
図１２を参照してこの発明の第４の実施の形態について説明する。図１２Ａが側面図であり、図１２Ｂが上面図であり、図１２Ｃが斜視図である。第４の実施の形態によるダイポールアンテナは、ダイポールアンテナ（＋ポート）２４とダイポールアンテナ（−ポート）２６と給電点２５とからなる。このダイポールアンテナから任意の距離Ｄだけ離れた場所に折れ線構造および線状構造を有する無給電素子２７が設置されている。折れ線構造は、厚み方向で変化して折り返す構造であり、例えば両面基板の両面を利用して形成できる。

ダイポールアンテナおよび無給電素子間の距離Ｄ、並びに渦巻き構造の形状および大きさを設定することによって、指向性とダイポールアンテナのリターンロスを制御するアンテナである。渦巻き構造の形状および大きさとは、渦巻きの回数、導体の径（幅）、導体同士の間隔の値等である。第４の実施の形態においても、第２の実施の形態と同様に、無給電素子２７において、線状構造の一端側に集中して折り返し構造を形成することによって、（Ｘ−Ｙ）面上の指向性を制御することができる。

この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。無給電素子がダイポールアンテナの長さＴとほぼ等しい例を示しているが、そのように設定する必要はない。ダイポールアンテナの長さは、λ／２に限らず、λ／４等の長さを設定できる。

１・・・ダイポールアンテ（＋ポート）
２・・・給電点
３・・・ダイポールアンテ（−ポート）
４・・・無給電素子
８・・・ダイポールアンテ（＋ポート）
９・・・給電点
１０・・・ダイポールアンテ（−ポート）
１１・・・無給電素子
１２・・・ダイポールアンテ（＋ポート）
１３・・・給電点
１４・・・ダイポールアンテ（−ポート）
１５・・・無給電素子
１６・・・ダイポールアンテ（＋ポート）
１７・・・給電点
１８・・・ダイポールアンテ（−ポート）
１９・・・無給電素子
２０・・・ダイポールアンテ（＋ポート）
２１・・・給電点
２２・・・ダイポールアンテ（−ポート）
２３・・・無給電素子
２４・・・ダイポールアンテ（＋ポート）
２５・・・給電点
２６・・・ダイポールアンテ（−ポート）
２７・・・無給電素子

Claims (6)

1. ダイポールアンテナと、前記ダイポールアンテナと並行に配置され、線状構造およびミアンダ構造を有する無給電素子とを備え、
   前記ダイポールアンテナおよび前記無給電素子間の距離、並びに前記ミアンダ構造の形状および大きさを設定することによって、指向性と前記ダイポールアンテナのリターンロスを制御するアンテナ。
2. ダイポールアンテナと、前記ダイポールアンテナと並行に配置され、線状構造および渦巻き構造を有する無給電素子とを備え、
   前記ダイポールアンテナおよび前記無給電素子間の距離、並びに前記渦巻き構造の形状および大きさを設定することによって、指向性と前記ダイポールアンテナのリターンロスを制御するアンテナ。
3. ダイポールアンテナと、前記ダイポールアンテナと並行に配置され、線状構造および折り返し構造を有する無給電素子とを備え、
   前記ダイポールアンテナおよび前記無給電素子間の距離、並びに前記折り返し構造の形状および大きさを設定することによって、指向性と前記ダイポールアンテナのリターンロスを制御するアンテナ。
4. 前記ダイポールアンテナおよび前記無給電素子がプリント配線基板上に形成される請求項１、２または３記載のアンテナ。
5. 前記プリント配線基板が両面基板であり、両面を使用して前記ダイポールアンテナおよび前記無給電素子が形成される請求項４記載のアンテナ。
6. 前記無給電素子の前記線状構造に対する前記ミアンダ構造、前記渦巻き構造または前記折り返し構造の形成位置によって、前記ダイポールアンテナの側面内の指向性を制御する請求項１、２または３記載のアンテナ。

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