JP2013157973A - アンテナ装置 - Google Patents
アンテナ装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013157973A JP2013157973A JP2012019505A JP2012019505A JP2013157973A JP 2013157973 A JP2013157973 A JP 2013157973A JP 2012019505 A JP2012019505 A JP 2012019505A JP 2012019505 A JP2012019505 A JP 2012019505A JP 2013157973 A JP2013157973 A JP 2013157973A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- antenna
- patch antenna
- electrode
- dielectric
- patch
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 37
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims abstract description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000004904 shortening Methods 0.000 claims description 72
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 13
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 claims description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 21
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 19
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 19
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006249 magnetic particle Substances 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
- H01Q9/04—Resonant antennas
- H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
- H01Q9/0428—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna radiating a circular polarised wave
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
- H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
Landscapes
- Waveguide Aerials (AREA)
Abstract
【課題】アンテナ基材部に磁性複合材料を用いたアンテナ装置において、良好な円偏波の放射(受信)を実現することである。
【解決手段】アンテナ装置としてのパッチアンテナ10は、アンテナ電極12と、グランド部13と、アンテナ基材部11と、給電点Pと、を備える。アンテナ電極12の平面の中心点Oを中心として、アンテナ電極12の最長の電流ルートである長軸に直交する短軸から当該長軸へ回転する方向に、当該長軸と当該短軸との中間の軸を基準とした給電点Pの角度である給電角度Fangは、アンテナ基材部11の比誘電率及び比透磁率に基づく短縮率に対する給電角度Fangにおいて、アンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナの給電角度Fangの特性曲線よりも大きい。
【選択図】図2
【解決手段】アンテナ装置としてのパッチアンテナ10は、アンテナ電極12と、グランド部13と、アンテナ基材部11と、給電点Pと、を備える。アンテナ電極12の平面の中心点Oを中心として、アンテナ電極12の最長の電流ルートである長軸に直交する短軸から当該長軸へ回転する方向に、当該長軸と当該短軸との中間の軸を基準とした給電点Pの角度である給電角度Fangは、アンテナ基材部11の比誘電率及び比透磁率に基づく短縮率に対する給電角度Fangにおいて、アンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナの給電角度Fangの特性曲線よりも大きい。
【選択図】図2
Description
本発明は、円偏波の通信用のアンテナ装置に関する。
従来、高周波数帯の通信用のアンテナ装置として、パッチアンテナが知られている。パッチアンテナは、例えば、GPS(Global Positioning System)アンテナ、ETC(Electronic Toll Collection System)アンテナとして用いられている。
ここで、図15を参照して、従来のパッチアンテナ80の構成を説明する。図15は、パッチアンテナ80の平面図である。
パッチアンテナ80は、円偏波通信用の1点給電のパッチアンテナである。図15に示すように、パッチアンテナ80は、アンテナ基材部81と、アンテナ電極82と、グランド部83と、給電ピン84と、を備える。
アンテナ基材部81は、上面が正方形の直方体の形状を有するセラミック等の誘電体製の基材である。アンテナ電極82は、アンテナ基材部81の上面に形成された金属製の電極である。グランド部83は、アンテナ基材部81の下面に設けられ、接地された金属製のグランド板である。給電ピン84は、アンテナ電極82に電気的に接続され、アンテナ基材部81、アンテナ電極82及びグランド部83を貫通する金属製の給電ピンである。給電ピン84とアンテナ電極82との接続点を給電点Pとする。
アンテナ基材部81を用いることで、アンテナ基材部81の誘電体の比誘電率による波長短縮効果により、パッチアンテナ80を小型化できる。
アンテナ電極82は、正方形の電極から1対の対角部分を切り欠いた形状を有し、縮退分離素子としての摂動素子821を有する。摂動素子821を有することにより、アンテナ電極82に2つの共振モードを発生させている。より具体的には、アンテナ電極82に、電極内の最長の電流ルートと、当該最長の電流ルートに直交する電流ルートとが発生する。最長の電流ルートの電極長を長軸長L1とする。長軸長L1の電流ルートに直交する電流ルートの電極長を短軸長L2とする。長軸長L1の共振モードと、短軸長L2の共振モードとの振幅が同じで、位相差が90°となるように、アンテナ電流を給電ピン84に流すことで、パッチアンテナ80から円偏波の電波が放射される。長軸長L1の共振モードを第1モードとし、短軸長L2の共振モードを第2モードとする。
また、アンテナ基材部に磁性体を用いたパッチアンテナが知られている(例えば、特許文献1参照)。また、アンテナ基材部に磁性複合材料(磁性誘電体)を用いたパッチアンテナが知られている(例えば、特許文献2参照)。磁性複合材料は、誘電体と同様の比誘電率を有するとともに、磁性体と同様の比透磁率を有する。波長短縮効果による短縮率SRは、次式(1)で表される。
SR=1/(εr・μr)1/2 …(1)
但し、εr:比誘電率、μr:比透磁率、である。
SR=1/(εr・μr)1/2 …(1)
但し、εr:比誘電率、μr:比透磁率、である。
このため、アンテナ基材部に磁性体又は磁性複合材料を用いることでも、パッチアンテナを小型化できる。
図16(a)、図16(b)を参照して、アンテナ基材部81に誘電体又は磁性複合材料を用いたパッチアンテナ80の周波数に対する電流の振幅分布及び位相分布を説明する。図16(a)は、アンテナ基材部81に誘電体又は磁性複合材料を用いたパッチアンテナ80の周波数に対する電流の振幅分布を示す図である。図16(b)は、アンテナ基材部81に誘電体又は磁性複合材料を用いたパッチアンテナ80の周波数に対する電流の位相分布を示す図である。
図16(a)、図16(b)に示すように、アンテナ基材部81に誘電体を用いたパッチアンテナ80の長軸長L1に対応する共振周波数を周波数fa1とし、短軸長L2に対応する共振周波数を周波数fa2とする。また、アンテナ基材部81に磁性複合材料を用いたパッチアンテナ80の長軸長L1に対応する共振周波数を周波数f1とし、短軸長L2に対応する共振周波数を周波数f2とする。周波数fa1,fa2の中心周波数と周波数f1,f2の中心周波数とを周波数f0とする。
パッチアンテナ80で円偏波が発生する条件は、長軸長L1、短軸長L2に対応する第1モード、第2モードの振幅が同じで、位相が90°ずれていることである。一般的に振幅と位相とは、アンテナ基材部81に誘電体を用いてパッチアンテナ80を小型化していくと、図16(a)に示すように、周波数fa1,fa2の間の帯域が狭帯域になる。このとき、図16(b)に示すように、あまりに狭帯域になると、位相差を90°とることが難しい。これに対し、アンテナ基材部81に磁性複合材料を用いたパッチアンテナ80では、周波数f1,f2の間の帯域が比較的広帯域になり、位相差を90°とることが容易である。
一般的に、アンテナのアンテナ基材部に磁性材料を用いると、アンテナの入力インピーダンスが増加したり、広帯域化することが知られている。そして、図16(a)、図16(b)に示したように、パッチアンテナのアンテナ基材部に磁性複合材料を用いると、広帯域化することが確認されている。しかし、アンテナ基材部に磁性複合材料を用いるパッチアンテナが円偏波を放射させるのに適切且つ具体的な構造値については明らかにされていない。
本発明の課題は、磁性複合材料を用いたアンテナ装置において、良好な円偏波の放射(受信)を実現することである。
上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明のアンテナ装置は、
平面形状のアンテナ電極と、
平面形状のグランド部と、
前記アンテナ電極及び前記グランド部の間に挟まれ、誘電体及び磁性体を含む磁性複合材料のアンテナ基材部と、
前記アンテナ電極に接続される給電点と、を備え、
前記アンテナ電極の平面の中心点を中心として、当該アンテナ電極の最長の電流ルートである長軸に直交する短軸から当該長軸へ回転する方向に、当該長軸と当該短軸との中間の軸を基準とした前記給電点の角度である給電角度は、前記アンテナ基材部の比誘電率及び比透磁率に基づく短縮率に対する給電角度において、アンテナ基材部が誘電体のパッチ
アンテナの給電角度の特性曲線よりも大きいことを特徴とする。
平面形状のアンテナ電極と、
平面形状のグランド部と、
前記アンテナ電極及び前記グランド部の間に挟まれ、誘電体及び磁性体を含む磁性複合材料のアンテナ基材部と、
前記アンテナ電極に接続される給電点と、を備え、
前記アンテナ電極の平面の中心点を中心として、当該アンテナ電極の最長の電流ルートである長軸に直交する短軸から当該長軸へ回転する方向に、当該長軸と当該短軸との中間の軸を基準とした前記給電点の角度である給電角度は、前記アンテナ基材部の比誘電率及び比透磁率に基づく短縮率に対する給電角度において、アンテナ基材部が誘電体のパッチ
アンテナの給電角度の特性曲線よりも大きいことを特徴とする。
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、
前記アンテナ電極は、正方形の電極から1対の対角部分を切り欠いた形状の電極であり、
前記誘電体のアンテナ基材部を有するパッチアンテナの給電角度の特性曲線は、
給電角度をFangとし、短縮率をSRとして、
Fang[deg.]=15tan−1(15SR−0.5)−17
であることを特徴とする。
前記アンテナ電極は、正方形の電極から1対の対角部分を切り欠いた形状の電極であり、
前記誘電体のアンテナ基材部を有するパッチアンテナの給電角度の特性曲線は、
給電角度をFangとし、短縮率をSRとして、
Fang[deg.]=15tan−1(15SR−0.5)−17
であることを特徴とする。
請求項3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、
前記アンテナ電極は、長方形の電極であり、
前記誘電体のアンテナ基材部を有するパッチアンテナの給電角度Fangの特性曲線は、
給電角度をFangとし、短縮率をSRとして、
Fang[deg.]=20tan−1(16SR−2.2)−22
であることを特徴とする。
前記アンテナ電極は、長方形の電極であり、
前記誘電体のアンテナ基材部を有するパッチアンテナの給電角度Fangの特性曲線は、
給電角度をFangとし、短縮率をSRとして、
Fang[deg.]=20tan−1(16SR−2.2)−22
であることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
前記アンテナ基材部の比誘電率及び比透磁率に基づく短縮率は、0.4以下であることを特徴とする。
前記アンテナ基材部の比誘電率及び比透磁率に基づく短縮率は、0.4以下であることを特徴とする。
本発明によれば、磁性複合材料を用いたアンテナ装置において、良好な円偏波の放射(受信)を実現できる。
以下、添付図面を参照して本発明に係る第1、第2の実施の形態及び変形例を順に詳細に説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。
(第1の実施の形態)
図1(a)〜図7を参照して、本発明に係る第1の実施の形態を説明する。先ず、図1(a)〜図2(b)を参照して、本実施の形態のアンテナ装置としてのパッチアンテナ10の装置構成を説明する。図1(a)は、パッチアンテナ10の斜視図である。図1(b)は、小型化したパッチアンテナ10の斜視図である。図2(a)は、長軸長Al1、短軸長Al2等を示したパッチアンテナ10の平面図である。図2(b)は、給電点Pの位置を示す給電角度Fang等を示したパッチアンテナ10の平面図である。
図1(a)〜図7を参照して、本発明に係る第1の実施の形態を説明する。先ず、図1(a)〜図2(b)を参照して、本実施の形態のアンテナ装置としてのパッチアンテナ10の装置構成を説明する。図1(a)は、パッチアンテナ10の斜視図である。図1(b)は、小型化したパッチアンテナ10の斜視図である。図2(a)は、長軸長Al1、短軸長Al2等を示したパッチアンテナ10の平面図である。図2(b)は、給電点Pの位置を示す給電角度Fang等を示したパッチアンテナ10の平面図である。
本実施の形態のパッチアンテナ10は、円偏波通信用の1点給電で切り欠けモデルのパッチアンテナである。ここでは、パッチアンテナ10が、GPS衛星から出射された右旋円偏波としてのGPS信号を受信するGPSアンテナである例を説明する。しかし、パッチアンテナ10がGPSアンテナである構成に限定されるものではない。
図1(a)に示すように、パッチアンテナ10は、アンテナ基材部11と、アンテナ電極12と、グランド部13と、給電ピン14と、を備える。
アンテナ基材部11は、上面が正方形の直方体の形状を有する磁性複合材料製の基材である。アンテナ基材部11の磁性複合材料は、磁性体及び誘電体を含む材料であり、鉄やフェライト等の磁性粒子が、絶縁性を有する誘電体の樹脂又は無機誘電体中に分散したバルク材により構成される。しかし、これに限定されるものではなく、アンテナ基材部11の磁性複合材料は、誘電体の表面に磁性体の薄膜が形成された構成を有することとしてもよい。
アンテナ電極12は、アンテナ基材部11の上面に形成された銀箔、銅箔等の金属製の電極である。アンテナ電極12は、正方形の電極から1対の対角部分を切り欠いた形状を有し、縮退分離素子としての摂動素子121を有する。
グランド部13は、アンテナ基材部11の下面に設けられ、接地された正方形で銅板等の金属製のグランド板である。アンテナ基材部11は、アンテナ電極12及びグランド部13に挟まれている。なお、アンテナ基材部11の下面に金属製のグランド電極を形成する構成としてもよい。このグランド電極の平面の外形は、例えば、アンテナ基材部11の平面の外形と同じにされる。
給電ピン14は、アンテナ電極12に電気的に接続され、アンテナ基材部11及びグランド部13を貫通する金属製の給電ピンである。給電ピン14は、グランド部13に電気的に接続されていない。給電ピン14とアンテナ電極12との接続点を給電点Pとする。
アンテナ基材部11の磁性複合材料の比誘電率をεrとし、同じく比透磁率をμrとする。アンテナ基材部11の磁性複合材料の比誘電率εr及び比透磁率μrを変化させて、パッチアンテナ10のアンテナ特性を解析した。
次いで、パッチアンテナ10の各部のパラメータを説明する。図1(a)に示すように、アンテナ基材部11の平面の正方形の1辺の長さを長さMl[mm]とする。グランド部13の正方形の1辺の長さを長さGl[mm]とする。Gl=2×Mlとする。摂動素子121を除く前のアンテナ電極12の正方形の1辺の長さをAl[mm]とする。Al=0.8×Mlとする。アンテナ基材部11の厚みを厚みMt[mm]とする。Mt=2[mm]で固定とした。
アンテナ基材部11の磁性複合材料の比誘電率εr及び比透磁率μrを上げると、上記式(1)の短縮率で表される波長短縮効果により、図1(b)に示すように、厚みMt[mm]以外のパッチアンテナ10の各長さのパラメータが短縮され、パッチアンテナ10が小型化される。
図2(a)に示すように、摂動素子121を有することにより、アンテナ電極12に2つの共振モードを発生させている。アンテナ電極12に、電極内の最長の電流ルートと、当該最長の電流ルートに直交する電流ルートとが発生する。最長の電流ルートの電極長を長軸長Al1とする。長軸長Al1の電流ルートに直交する電流ルートの電極長を短軸長Al2とする。長軸長Al1の共振モードと、短軸長Al2の共振モードとの振幅が同じで、位相差が90°となるように、アンテナ電流を給電ピン14に流すことで、パッチアンテナ10から円偏波の電波が放射される。長軸長Al1の共振モードを第1モードとし、短軸長Al2の共振モードを第2モードとする。
短軸長Al2の軸(短軸)の延長上における摂動素子121の長さを長さAd[mm]とする。また、短軸と、長軸長Al1の軸(長軸)との交点であり、アンテナ電極12の平面の中心点を中心点Oとする。
長軸及び短軸により、アンテナ電極12は、4つの領域AR1,AR2,AR3,AR4に分けられる。領域AR1,AR2内に給電点Pを設ける場合に、パッチアンテナ10は、右旋円偏波を放射する。GPS信号は、右旋円偏波である。
図2(b)に示すように、中心点Oから給電点Pまでの長さPlとAl/2の比をFrとする。また、長軸と短軸との中間の軸を軸Amとする。中心点Oを中心として短軸から長軸に反時計回りに回転する方向において、短軸から長軸への方向をプラスとした場合に、軸Amを基準とした給電点Pの角度を給電角度Fang[deg.(degree)]とする。また、軸Amにおける中心点Oからアンテナ電極12の端辺までの距離は、Al/2である。
パッチアンテナ10の設計条件は、GPS信号の周波数1.575[GHz]において良好な右旋円偏波が得られることとした。より具体的には、周波数1.575[GHz]において、次式(2)、式(3)を満たすことをパッチアンテナ10の設計条件とした。VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)<1.5 …(2)
軸比[dB]<1.0 …(3)
軸比[dB]<1.0 …(3)
ちなみに、一般的なGPSアンテナの仕様は、周波数1.57542[GHz]において、VSWR<2であり、軸比[dB]<3である。
次いで、アンテナ基材部11の比誘電率εr及び比透磁率μrを変化させた場合のパッチアンテナ10の各パラメータの数値を説明する。
先ず、パッチアンテナ10との比較のために、パッチアンテナ10と同じ形状でアンテナ基材部を誘電体にしたパッチアンテナの各パラメータの数値を次表1に示す。誘電体の比透磁率μr=1で固定とし、比誘電率εrを変化させている。誘電体の誘電損失tanδεを0.001とし、誘電体の磁性損失tanδμを0とした。
また、アンテナ基材部11を(εr:μr)=(50:50)の磁性複合材料としたパッチアンテナ10の各パラメータの数値を次表2に示す。但し、(εr:μr)における比誘電率εr及び比透磁率μrの比率の値は、百分率での値とし、以下同様である。アンテナ基材部11の磁性複合材料の誘電損失tanδεを0.001とし、アンテナ基材部11の磁性複合材料の磁性損失tanδμを0.001とし、以下同様である。
次に、図3〜図7を参照して、表1〜表4で説明したアンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナと、パッチアンテナ10と、における短縮率に対するアンテナ特性及びパラメータの解析結果を説明する。図3は、誘電体のパッチアンテナとパッチアンテナ10とにおける短縮率SRに対する給電角度Fangの分布を示す図である。図4は、誘電体のパッチアンテナとパッチアンテナ10とにおける短縮率SRに対する放射効率の分布を示す図である。図5は、誘電体のパッチアンテナとパッチアンテナ10とにおける短縮率SRに対する長軸短軸比の分布を示す図である。図6は、誘電体のパッチアンテナとパッチアンテナ10とにおける短縮率SRに対するFrの分布を示す図である。図7は、短縮率SRに対する給電角度Fangにおけるパッチアンテナ10の応用範囲を示す図である。
ここでは、アンテナ電極12及びグランド部13を銅製とした。銅の導電率は、5.8×107[S/m]である。図3〜図6においては、アンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナと、アンテナ基材部11が(εr:μr)=(80:20)、(66.7:33.3)又は(50:50)の磁性複合材料であるパッチアンテナ10とにおいて、周波数1.575[GHz]の良好な右旋円偏波が得られる条件、つまり、周波数1.575[GHz]において、式(2)、式(3)を満たす点をプロットした。各プロット点において、短縮率SRが大きいほど比誘電率εr及び比透磁率μrが小さく、短縮率が小さいほど比誘電率εr及び比透磁率μrが大きい。
図3に示すように、誘電体のパッチアンテナと、(εr:μr)=(80:20)、(66.7:33.3)、(50:50)のパッチアンテナ10とにおいて、短縮率SRに対する給電角度Fangの分布が得られた。図3において、(X,Y)=(εr,μr)で
ある。但し、X,Yは、εr,μrの変数である。誘電体のパッチアンテナにおいて、短縮率SRが小さくなるにつれて、給電角度Fangの値が減少している。(εr:μr)=(80:20)、(66.7:33.3)、(50:50)のパッチアンテナ10において、短縮率SRが小さくなるにつれて、給電角度Fangの値が増加しているとともに、パッチアンテナ10の給電角度Fangの値は、誘電体のパッチアンテナの給電角度Fangの値よりも大きい。
ある。但し、X,Yは、εr,μrの変数である。誘電体のパッチアンテナにおいて、短縮率SRが小さくなるにつれて、給電角度Fangの値が減少している。(εr:μr)=(80:20)、(66.7:33.3)、(50:50)のパッチアンテナ10において、短縮率SRが小さくなるにつれて、給電角度Fangの値が増加しているとともに、パッチアンテナ10の給電角度Fangの値は、誘電体のパッチアンテナの給電角度Fangの値よりも大きい。
図4に示すように、誘電体のパッチアンテナと、(εr:μr)=(80:20)、(66.7:33.3)、(50:50)のパッチアンテナ10とにおいて、短縮率SRに対する放射効率が得られた。誘電体のパッチアンテナと、(εr:μr)=(80:20)、(66.7:33.3)、(50:50)のパッチアンテナ10とにおいて、短縮率SRが小さくなるにつれて、放射効率の値が減少している。特に、短縮率SRの値が0.4以下になると急激に放射効率の値が減少している。
図5に示すように、誘電体のパッチアンテナと、(εr:μr)=(80:20)、(66.7:33.3)、(50:50)のパッチアンテナ10とにおいて、短縮率SRに対する長軸短軸比の分布が得られた。長軸短軸比は、次式(4)で表される。
Al2/Al1 …(4)
パッチアンテナ10の長軸短軸比の値は、誘電体のパッチアンテナの長軸短軸比の値以下となっている。
Al2/Al1 …(4)
パッチアンテナ10の長軸短軸比の値は、誘電体のパッチアンテナの長軸短軸比の値以下となっている。
図6に示すように、誘電体のパッチアンテナと、(εr:μr)=(80:20)、(66.7:33.3)、(50:50)のパッチアンテナ10とにおいて、短縮率SRに対するFrの分布が得られた。誘電体のパッチアンテナと、(εr:μr)=(80:20)、(66.7:33.3)、(50:50)のパッチアンテナ10とにおいて、短縮率SRが小さくなるにつれて、Frの値が減少している。
図3〜図6の解析結果をまとめると、図7に示すように、パッチアンテナ10について、短縮率SRに対する給電角度Fangにおいて、周波数1.575[GHz]において良好な右旋円偏波が得られる応用範囲が得られる。応用範囲は、誘電体のパッチアンテナの短縮率SRに対する給電角度Fangの特性曲線(プロット点の近似曲線)よりも給電角度Fangが大きい範囲である。誘電体のパッチアンテナの短縮率SRに対する給電角度Fangの特性曲線は、次式(5)により表される。
Fang[deg.]=15tan−1(15SR−0.5)−17 …(5)
Fang[deg.]=15tan−1(15SR−0.5)−17 …(5)
さらに、応用範囲は、給電角度Fangが次式(5)の曲線より大きい範囲で、且つ図4の解析結果により好ましい放射効率が得られる短縮率SRが0.4以下の範囲とした。パッチアンテナ10を、この応用範囲内で設計する。
以上、本実施の形態によれば、パッチアンテナ10は、アンテナ電極12と、グランド部13と、アンテナ基材部11と、給電点P(給電ピン14)と、を備える。パッチアンテナ10の給電角度Fangは、短縮率SRに対する給電角度Fangにおいて、アンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナの給電角度Fangの式(5)の特性曲線よりも大きい。このため、アンテナ基材部11に磁性複合材料を用いたパッチアンテナ10において、良好な円偏波の放射(受信)を実現できる。
また、パッチアンテナ10の短縮率SRは、0.4以下である。このため、パッチアンテナ10において、放射効率を高めることができる。
(第2の実施の形態)
図8〜図13を参照して、本発明に係る第2の実施の形態を説明する。先ず、図8を参照して、本実施の形態のアンテナ装置としてのパッチアンテナ20の装置構成を説明する。図8は、パッチアンテナ20の平面図である。
図8〜図13を参照して、本発明に係る第2の実施の形態を説明する。先ず、図8を参照して、本実施の形態のアンテナ装置としてのパッチアンテナ20の装置構成を説明する。図8は、パッチアンテナ20の平面図である。
本実施の形態のパッチアンテナ20は、右旋円偏波通信用の1点給電で長方形モデルのパッチアンテナである。ここでは、パッチアンテナ20が、GPSアンテナである例を説明するが、これに限定されるものではない。
図8に示すように、パッチアンテナ20は、アンテナ基材部21と、アンテナ電極22と、グランド部23と、給電ピン24と、を備える。
アンテナ基材部21、グランド部23、給電ピン24は、第1の実施の形態のパッチアンテナ10のアンテナ基材部11、グランド部13、給電ピン14と同様の構成である。
アンテナ電極22は、アンテナ基材部21の上面に形成された銀箔、銅箔等の金属製の電極である。アンテナ電極22は、正方形の電極から対向する1対の端辺の矩形部分を切り取った長方形の形状を有し、縮退分離素子としての摂動素子221を有する。
次いで、パッチアンテナ20の各部のパラメータを説明する。図8に示すように、摂動素子221を有することにより、アンテナ電極22に2つの共振モードを発生させている。アンテナ電極22に、電極内の最長の電流ルートと、当該最長の電流ルートに直交する電流ルートとが発生する。最長の電流ルートの電極長を長軸長Al1とする。長軸長Al1の電流ルートに直交する電流ルートの電極長を短軸長Al2とする。長軸長Al1の共振モードと、短軸長Al2の共振モードとの振幅が同じで、位相差が90°となる周波数のアンテナ電流を給電ピン24に流すことで、パッチアンテナ20から円偏波の電波が放射される。長軸長Al1の共振モードを第1モードとし、短軸長Al2の共振モードを第2モードとする。
短軸長Al2の線(短軸)の延長上における摂動素子221の長さを長さAd[mm]とする。また、短軸と、長軸長Al1の軸(長軸)との交点であり、アンテナ電極22の平面の中心点を中心点Oとする。
また、パッチアンテナ10と同様に、アンテナ基材部21の平面の正方形の1辺の長さを長さMl[mm]とする。グランド部23の1辺の長さを長さGl[mm](=2×Ml)とする。アンテナ基材部21の厚みを厚みMt[mm](=2[mm])とする。
図8に示すように、中心点Oから給電点Pまでの長さPlとAl/2の比をFrとする。また、長軸と短軸との中間の軸を軸Amとする。中心点Oを中心として短軸から長軸に反時計回りに回転する方向において、短軸から長軸への方向をプラスとした場合に、軸Amを基準とした給電点Pの角度を給電角度Fang[deg.]とする。
パッチアンテナ20の設計条件は、パッチアンテナ10と同様に、GPS信号の周波数1.575[GHz]において良好な右旋円偏波が得られること、つまり、周波数1.575[GHz]において、式(2)、式(3)を満たすこととした。領域AR1,AR2内に給電点Pを設ける場合に、パッチアンテナ20は、右旋円偏波を放射する。
次いで、アンテナ基材部21の比誘電率εr及び比透磁率μrを変化させた場合のパッチアンテナ20の各パラメータの数値を説明する。但し、アンテナ電極22及びグランド部23は、銅製とした。
先ず、パッチアンテナ20との比較のために、パッチアンテナ10と同じ形状でアンテナ基材部を誘電体にしたパッチアンテナの各パラメータの数値を次表5に示す。誘電体の比透磁率μr=1で固定とし、比誘電率εrを変化させる。誘電体の誘電損失tanδεを0.001とし、誘電体の磁性損失tanδμを0とした。
また、アンテナ基材部21を(εr:μr)=(50:50)の磁性複合材料としたパッチアンテナ20の各パラメータの数値を次表6に示す。アンテナ基材部21の磁性複合材料の誘電損失tanδεを0.001とし、アンテナ基材部21の磁性複合材料の磁性損失tanδμを0.001とした。
次に、図9〜図13を参照して、表5及び表6で説明したアンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナと、パッチアンテナ20と、における短縮率に対するアンテナ特性及びパラメータの解析結果を説明する。図9は、誘電体のパッチアンテナとパッチアンテナ20とにおける短縮率SRに対する給電角度Fangの分布を示す図である。図10は、誘電体のパッチアンテナとパッチアンテナ20とにおける短縮率SRに対する放射効率の分布を示す図である。図11は、誘電体のパッチアンテナとパッチアンテナ20とにおける短縮率SRに対する長軸短軸比の分布を示す図である。図12は、誘電体のパッチアンテナとパッチアンテナ20とにおける短縮率SRに対するFrの分布を示す図である。図13は、短縮率SRに対する給電角度Fangにおけるパッチアンテナ20の応用範囲を示す図である。
図9〜図13においては、アンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナと、アンテナ基材部21が(εr:μr)=(50:50)の磁性複合材料のパッチアンテナ20とにおいて、周波数1.575[GHz]において良好な右旋円偏波が得られる条件、つまり、周波数1.575[GHz]において、式(2)、式(3)を満たす点をプロットした。各プロット点において、短縮率が大きいほど比誘電率εr及び比透磁率μrが小さく、短縮率が小さいほど比誘電率εr及び比透磁率μrが大きい。
図9に示すように、誘電体のパッチアンテナと、(εr:μr)=(50:50)のパッチアンテナ20とにおいて、短縮率SRに対する給電角度Fangの分布が得られた。誘電体のパッチアンテナにおいて、短縮率SRが小さくなるにつれて、給電角度Fangの値が減少している。(εr:μr)=(50:50)のパッチアンテナ20において、短縮率SRが小さくなるにつれて、給電角度Fangの値が増加しているとともに、パッチアンテナ20の給電角度Fangの値は、誘電体のパッチアンテナの給電角度Fangの値よりも大きい。
図10に示すように、誘電体のパッチアンテナと、(εr:μr)=(50:50)のパッチアンテナ20とにおいて、短縮率SRに対する放射効率が得られた。誘電体のパッチアンテナと、(εr:μr)=(50:50)のパッチアンテナ20とにおいて、短縮率SRが小さくなるにつれて、放射効率の値が減少している。特に、短縮率SRの値が0.4以下になると急激に放射効率の値が減少している。
図11に示すように、誘電体のパッチアンテナと、(εr:μr)=(50:50)のパッチアンテナ20とにおいて、短縮率SRに対する長軸短軸比の分布が得られた。パッチアンテナ20の長軸短軸比の値は、誘電体のパッチアンテナの長軸短軸比の値以下となっている。
図12に示すように、誘電体のパッチアンテナと、(εr:μr)=(50:50)のパッチアンテナ20とにおいて、短縮率SRに対するFrの分布が得られた。誘電体のパッチアンテナと、(εr:μr)=(50:50)のパッチアンテナ20とにおいて、短縮率SRが小さくなるにつれて、Frの値が減少している。
図9〜図12の解析結果をまとめると、図13に示すように、パッチアンテナ20について、周波数1.575[GHz]において良好な右旋円偏波が得られる応用範囲が得られる。図13は、短縮率SRに対する給電角度Fangの分布である。応用範囲は、誘電体のパッチアンテナの短縮率SRに対する給電角度Fangの特性曲線(プロット点の近似曲線)よりも給電角度Fangが大きい範囲である。誘電体のパッチアンテナの短縮率SRに対する給電角度Fangの曲線は、次式(6)により表される。
Fang[deg.]=20tan−1(16SR−2.2)−22 …(6)
Fang[deg.]=20tan−1(16SR−2.2)−22 …(6)
さらに、応用範囲は、次式(6)の曲線より大きい範囲で、且つ図10の解析結果により好ましい放射効率が得られる短縮率SRが0.4以下の範囲とした。パッチアンテナ20を、この応用範囲内で設計する。
以上、本実施の形態によれば、パッチアンテナ20は、アンテナ電極22と、グランド部23と、アンテナ基材部21と、給電点P(給電ピン24)と、を備える。パッチアンテナ20の給電角度Fangは、短縮率SRに対する給電角度Fangにおいて、アンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナの給電角度Fangの式(6)の特性曲線よりも大きい。このため、アンテナ基材部21に磁性複合材料を用いたパッチアンテナ20において、良好な円偏波の放射(受信)を実現できる。
また、パッチアンテナ20の短縮率SRは、0.4以下である。このため、パッチアンテナ20において、放射効率を高めることができる。
(変形例)
図14(a)〜(e)を参照して、上記実施の形態の変形例を説明する。図14(a)は、本変形例のアンテナ電極32の平面図である。図14(b)は、本変形例のアンテナ電極42の平面図である。図14(c)は、本変形例のアンテナ電極52の平面図である
。図14(d)は、本変形例のアンテナ電極62の平面図である。図14(e)は、本変形例のアンテナ電極72の平面図である。
図14(a)〜(e)を参照して、上記実施の形態の変形例を説明する。図14(a)は、本変形例のアンテナ電極32の平面図である。図14(b)は、本変形例のアンテナ電極42の平面図である。図14(c)は、本変形例のアンテナ電極52の平面図である
。図14(d)は、本変形例のアンテナ電極62の平面図である。図14(e)は、本変形例のアンテナ電極72の平面図である。
上記各実施の形態のパッチアンテナ10,20において、アンテナ電極12,22を、図14(a)に示すアンテナ電極32に替えることとしてもよい。アンテナ電極32は、互いに直交する長軸長Al1及び短軸長Al2を有する。
同様にして、パッチアンテナ10,20において、アンテナ電極12,22を、図14(b)〜図14(e)に示すアンテナ電極32,42,52,62又は72に替えることとしてもよい。アンテナ電極32,42,52,62,72は、互いに直交する長軸長Al1及び短軸長Al2を有する。
アンテナ電極32,42,52,62又は72を備えたパッチアンテナの給電角度Fangは、上記各実施の形態のパッチアンテナ10,20と同様に、短縮率SRに対する給電角度Fangにおいて、アンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナの給電角度Fangの特性曲線よりも大きくする。また、アンテナ電極32,42,52,62又は72を備えたパッチアンテナの短縮率SRは、0.4以下とする。
以上、本変形例によれば、磁性複合材料のアンテナ基材部11,21と、アンテナ電極32,42,52,62又は72と、を備えるパッチアンテナ10,20の給電角度Fangは、短縮率SRに対する給電角度Fangにおいて、アンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナの給電角度Fangの特性曲線よりも大きくする。このため、上記各実施の形態のパッチアンテナ10,20と同様に、アンテナ電極32,42,52,62又は72を備え、アンテナ基材部に磁性複合材料を用いたパッチアンテナにおいて、良好な円偏波の放射(受信)を実現できる。
また、アンテナ電極32,42,52,62又は72を備えたパッチアンテナの短縮率SRは、0.4以下である。このため、アンテナ電極32,42,52,62又は72を備えたパッチアンテナにおいて、放射効率を高めることができる。
なお、上記各実施の形態及び変形例における記述は、本発明に係るパッチアンテナの一例であり、これに限定されるものではない。
上記各実施の形態及び変形例において、周波数がGPS信号の周波数1.575[GHz]におけるパッチアンテナの条件を示したが、この周波数に限定するものではない。周波数を変化した場合に、当該変化した周波数に対応して、パッチアンテナ(の各パラメータ)をスケーリングすればよい。
また、上記各実施の形態及び変形例において、右旋円偏波の通信を行うパッチアンテナの条件を示したが、これに限定するものではない。左旋円偏波の通信を行う場合には、パッチアンテナ10,20において、領域AR3,AR4内に給電点Pを設け、中心点Oを中心として短軸から長軸に時計回りに回転する方向において、短軸から長軸への方向をプラスとした場合に、軸Amを基準とした給電点Pの角度を給電角度Fang[deg.]とすればよい。つまり、右旋円偏波と左旋円偏波とでは、長軸を基準として、給電点Pの位置が線対称となる。
その他、上記実施の形態におけるパッチアンテナ10,20の細部構成及び詳細動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
今回開示された実施の形態及び変形例はすべての点で例示であって制限的なものではな
いと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
いと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10,20,80 パッチアンテナ
11,21,81 アンテナ基材部
12,22,32,42,52,62,72,82 アンテナ電極
121,221,821 摂動素子
13,23,83 グランド部
14,24,84 給電ピン
P 給電点
O 中心点
11,21,81 アンテナ基材部
12,22,32,42,52,62,72,82 アンテナ電極
121,221,821 摂動素子
13,23,83 グランド部
14,24,84 給電ピン
P 給電点
O 中心点
Claims (4)
- 平面形状のアンテナ電極と、
平面形状のグランド部と、
前記アンテナ電極及び前記グランド部の間に挟まれ、誘電体及び磁性体を含む磁性複合材料のアンテナ基材部と、
前記アンテナ電極に接続される給電点と、を備え、
前記アンテナ電極の平面の中心点を中心として、当該アンテナ電極の最長の電流ルートである長軸に直交する短軸から当該長軸へ回転する方向に、当該長軸と当該短軸との中間の軸を基準とした前記給電点の角度である給電角度は、前記アンテナ基材部の比誘電率及び比透磁率に基づく短縮率に対する給電角度において、アンテナ基材部が誘電体のパッチアンテナの給電角度の特性曲線よりも大きいことを特徴とするアンテナ装置。 - 前記アンテナ電極は、正方形の電極から1対の対角部分を切り欠いた形状の電極であり、
前記誘電体のアンテナ基材部を有するパッチアンテナの給電角度の特性曲線は、
給電角度をFangとし、短縮率をSRとして、
Fang[deg.]=15tan−1(15SR−0.5)−17
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。 - 前記アンテナ電極は、長方形の電極であり、
前記誘電体のアンテナ基材部を有するパッチアンテナの給電角度Fangの特性曲線は、
給電角度をFangとし、短縮率をSRとして、
Fang[deg.]=20tan−1(16SR−2.2)−22
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。 - 前記アンテナ基材部の比誘電率及び比透磁率に基づく短縮率は、0.4以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012019505A JP2013157973A (ja) | 2012-02-01 | 2012-02-01 | アンテナ装置 |
DE102013201222A DE102013201222A1 (de) | 2012-02-01 | 2013-01-25 | Antennenvorrichtung |
US13/751,779 US20130194147A1 (en) | 2012-02-01 | 2013-01-28 | Antenna device |
CN201310040775.7A CN103247849A (zh) | 2012-02-01 | 2013-02-01 | 天线装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012019505A JP2013157973A (ja) | 2012-02-01 | 2012-02-01 | アンテナ装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013157973A true JP2013157973A (ja) | 2013-08-15 |
Family
ID=48783924
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012019505A Pending JP2013157973A (ja) | 2012-02-01 | 2012-02-01 | アンテナ装置 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20130194147A1 (ja) |
JP (1) | JP2013157973A (ja) |
CN (1) | CN103247849A (ja) |
DE (1) | DE102013201222A1 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102014110712A1 (de) | 2013-07-30 | 2015-02-05 | Nihon Plast Co., Ltd. | Lenkrad |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5931937B2 (ja) * | 2014-02-04 | 2016-06-08 | 原田工業株式会社 | パッチアンテナ装置 |
US10158175B2 (en) * | 2014-12-30 | 2018-12-18 | Advanced Micro Devices, Inc. | Circular polarized antennas |
US10199732B2 (en) * | 2014-12-30 | 2019-02-05 | Advanced Micro Devices, Inc. | Circular polarized antennas including static element |
JP6461241B2 (ja) * | 2017-06-14 | 2019-01-30 | 株式会社ヨコオ | アンテナ装置 |
US11544517B2 (en) * | 2020-10-03 | 2023-01-03 | MHG IP Holdings, LLC | RFID antenna |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000082914A (ja) | 1998-09-07 | 2000-03-21 | Alps Electric Co Ltd | マイクロストリップアンテナ、それを用いたアンテナ装置及び無線装置 |
TW518802B (en) * | 2001-10-03 | 2003-01-21 | Accton Technology Corp | Broadband circularly polarized panel antenna |
US6791496B1 (en) * | 2003-03-31 | 2004-09-14 | Harris Corporation | High efficiency slot fed microstrip antenna having an improved stub |
US7425922B1 (en) * | 2006-12-15 | 2008-09-16 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Wearable small-sized patch antenna for use with a satellite |
US20110187621A1 (en) * | 2008-07-18 | 2011-08-04 | Byung Hoon Ryou | Antenna with complex structure of periodic, grating arrangement of dielectric and magnetic substances |
JP2011049802A (ja) | 2009-08-27 | 2011-03-10 | Mitsumi Electric Co Ltd | 円偏波アンテナ |
-
2012
- 2012-02-01 JP JP2012019505A patent/JP2013157973A/ja active Pending
-
2013
- 2013-01-25 DE DE102013201222A patent/DE102013201222A1/de not_active Withdrawn
- 2013-01-28 US US13/751,779 patent/US20130194147A1/en not_active Abandoned
- 2013-02-01 CN CN201310040775.7A patent/CN103247849A/zh active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102014110712A1 (de) | 2013-07-30 | 2015-02-05 | Nihon Plast Co., Ltd. | Lenkrad |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN103247849A (zh) | 2013-08-14 |
DE102013201222A1 (de) | 2013-08-01 |
US20130194147A1 (en) | 2013-08-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2014080360A2 (en) | Miniaturized patch antenna | |
CN102354809B (zh) | 可工作于北斗卫星导航系统和移动3g的双频双极化天线 | |
JP4138817B2 (ja) | 直交ヘリカルアンテナ | |
TW201637285A (zh) | 包含具有電容性饋入點和間隔開的傳導性屏蔽導通孔的平片天線總成的電子裝置及有關方法 | |
JP2013157973A (ja) | アンテナ装置 | |
JP2015104123A (ja) | 逆f型アンテナ構造及びこれを備えた携帯式電子装置 | |
JP6528496B2 (ja) | アンテナ装置 | |
JP7168752B2 (ja) | スロット付きパッチアンテナ | |
US7221321B2 (en) | Dual-frequency dual polarization antenna | |
WO2011024607A1 (ja) | 円偏波アンテナ | |
WO2017221290A1 (ja) | アンテナ装置 | |
JP2014502467A (ja) | 拡張された帯域幅を有する平面アンテナ | |
JP5891359B2 (ja) | 複共振型アンテナ装置 | |
JP2003078345A (ja) | スロット型ボウタイアンテナ装置、および同構成方法 | |
JP6004180B2 (ja) | アンテナ装置 | |
JP2003168916A (ja) | アンテナ装置 | |
JP6509268B2 (ja) | 円偏波アンテナ | |
Liang et al. | Wideband single-feed circularly polarized antenna | |
JPWO2008108112A1 (ja) | アンテナ装置 | |
Mukherjee et al. | A novel hemispherical dielectric resonator antenna with rectangular slot and defected ground structure for low cross polar and wideband applications | |
Ramanandraibe et al. | A half-loop antenna associated with one SRR cell | |
JP6338401B2 (ja) | 逆l型アンテナ | |
JP2013183388A (ja) | 円偏波特性を有するマイクロストリップアンテナ | |
Soam et al. | Compact circularly polarized microstrip antenna with different geometries of ground plane | |
JP2014533450A (ja) | 超広帯域アンテナ |