JP2014011560A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】線状放射素子で構成され且つ一つ以上の素子帯域を有するアンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ装置１は、平板状の金属からなる地板Ｇに接地された給電部１０と、金属製の線材により構成され、給電部１０からの給電を受けて電波を放射する放射素子部２０とからなる。放射素子部２０は、地板Ｇに直交する同一平面内に配線された３本の線状放射素子２１，２２，２３からなり、いずれも、地板Ｇと共に矩形状のループを形成する形状を有している。線状放射素子２１の素子長をＬ₁ 、線状放射素子２２の素子長をＬ₂ 、線状放射素子２３の素子長をＬ₃ 、周波数特性に設ける二つの阻止帯域の中心周波数をそれぞれｆ_i （ｉ＝１，２）、この中心周波数の波長をλ_i として、各線状放射素子２１，２２，２３の素子長Ｌ₁ ，Ｌ₂ ，Ｌ₃ を以下に示す関係式を満たすように設定する。
Ｌ_i ＋Ｌ_i+1 ＝λ_i
【選択図】図１

Description

本発明は、阻止帯域を有するアンテナ装置に関する。

従来、通過帯域内に阻止帯域が存在するような周波数特性を有するアンテナの一つとして、扇形の板状放射素子に、阻止帯域の中心周波数の１／４波長にほぼ等しい長さのスリットを設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２２８１６５号公報

しかし、特許文献１に記載の従来アンテナ装置は、板状の放射素子を前提としているため、この技術を、線状の放射素子で構成されるループアンテナやハーフループアンテナに適用することができないという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するために、線状放射素子で構成され且つ一つ以上の素子帯域を有するアンテナ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためにされた本発明のアンテナ装置は、一端が接地され他端が同一の給電点を介して接地されると共に、予め設定された指定帯域内の周波数の１／２波長に相当し且つ互いに異なった長さを有するＮ（Ｎは２以上の整数）本の線状放射素子で構成された放射素子部を備えている。つまり、放射素子部を構成する各線状放射素子は、それぞれがいわゆるハーフループアンテナを構成するものである。

そして、隣接して配置された任意の二つの放射素子を隣接放射素子対として、その隣接放射素子対によって形成される閉ループが、前記指定帯域内に設定された阻止帯域の中心周波数の波長に相当する長さとなるように、放射素子部を構成する各線状放射素子の素子長が設定されている。

このように構成された本発明のアンテナ装置では、放射素子部の線状放射素子はＮ−１個の線状放射素子対が形成され、その各線状放射素子対が形成する閉ループの長さが互いに異なったものとなるように設定することによって、Ｎ−１個の阻止帯域を有した周波数特性を容易に実現することができる。

なお、本発明のアンテナ装置において、隣接する一対の線状放射素子の線間は一定幅となるように配置されていることが望ましい。即ち、例えば、線状放射素子が直線形状を有する場合、線状放射素子同士が互いに平行となるに配置されている。この場合、各線状放射素子は、互いに相似した形状となる。

また、本発明のアンテナ装置において、放射素子部を構成する各線状放射素子の給電端および接地端のうち、少なくとも一方に、全ての線状放射素子によって共用される共用線路が設けられていてもよい。

この場合、共用線路の長さを調整することによって、阻止帯域を急峻な形状とすることができ、特に、阻止帯域が複数存在する場合には、阻止帯域に挟まれた通過帯域の特性を平坦なものとすることができる。

第１実施形態のアンテナ装置１の構成を示す説明図である。 アンテナ装置１のＶＳＷＲ特性および利得特性をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。 利得特性を求める際に使用した座標系を示す説明図である。 アンテナ装置１を適用した受信回路の構成を示す回路図である。 アンテナ装置１単体およびバンドパスフィルタ８単体の特性と、両者を合成した特性とを比較例と共に示した説明図である。 第２実施形態のアンテナ装置２の構成を示す説明図である。 アンテナ装置２のＶＳＷＲ特性および利得特性をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。 第３実施形態のアンテナ装置３の構成を示す説明図である。 放射素子部を構成する線状放射素子の他の配置例を示す説明図である。 他の実施形態の構成を示す説明図である。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
＜全体構成＞
本実施形態のアンテナ装置１は、７００ＭＨｚ帯（ＵＨＦ帯）で使用されるハーフループアンテナを基本とし、その基本となるハーフループアンテナの使用帯域内に二つの阻止帯域が存在するように構成したものである。

アンテナ装置１は、図１に示すように、平板状の金属からなる地板Ｇに接地された給電部１０と、金属製の線材により構成され、給電部１０からの給電を受けて電波を放射する放射素子部２０とからなる。

＜放射素子部の構成＞
放射素子部２０は、地板Ｇに直交する同一平面内に配線された３本の線状放射素子２１，２２，２３からなり、いずれも、地板Ｇと共に矩形状のループを形成する形状を有している。

具体的には、放射素子部２０は、地板Ｇに対して垂直に立設され、一端（以下「給電端」ともいう）が給電部１０に接続された第１部位２０ａと、第１部位２０ａの給電端とは反対側の端部から地板Ｇと略平行となるように延設された第２部位２０ｂと、第２部位２０ｂの第１部位２０ａとの接続端とは反対側の端部から地板Ｇに対して垂直に延設され、その先端（以下「接地端」ともいう）が地板Ｇに接続された第３部位２０ｃとで構成されている。

しかも、線状放射素子２１，２２の間隔（線間の幅）は一定幅に設定されており、線状放射素子２１，２２は、各部位２０ａ，２０ｂ，２０ｃにて互いに平行となるように構成されている。同様に、線状放射素子２２，２３の間隔（線間の幅）も一定幅に設定されており、線状放射素子２２，２３も各部位２０ａ，２０ｂ，２０ｃにて互いに平行となるように構成されている。

つまり、線状放射素子２１，２２，２３は、全体として互いに相似した形状を有し、また、各線状放射素子２１，２２，２３の屈曲点（頂点）が略一直線上に並ぶように構成されている。なお、線状放射素子２１，２２の線間幅をＤ１、線状放射素子２２，２３の線間幅をＤ２として、両者は、同じ大きさ（Ｄ１＝Ｄ２）であってもよいし異なる大きさ（Ｄ１≠Ｄ２）であってもよい。

このように同一平面内に配線された線状放射素子２１，２２，２３は、外側（地板Ｇから遠い側）に位置するものほど素子長が長くなる。即ち、最も外側に位置する線状放射素子２１の素子長をＬ₁ 、真ん中に位置する線状放射素子２２の素子長をＬ₂ 、最も内側に位置する線状放射素子２３の素子長をＬ₃ とすると、Ｌ₁ ＞Ｌ₂ ＞Ｌ₃ となる。

また、二つの阻止帯域の中心周波数をそれぞれｆ_i （ｉ＝１，２）とし、この中心周波数の波長（以下「中心波長」ともいう）をλ_i として、各線状放射素子２１，２２，２３の素子長Ｌ₁ ，Ｌ₂ ，Ｌ₃ は以下に示す関係式（１）を満たすように設定されている。

具体的には、使用帯域の中心周波数をｆ₀ （但し、ｆ₁ ＜ｆ₀ ＜ｆ₂ とする）、その中心周波数ｆ₀ での波長をλ₀ として、まず、素子長Ｌ₂ を（２）式に従って設定する。

但し、素子長Ｌ₂ は、正確にλ₀ ／２である必要はなく、ハーフループアンテナにおいて効率の良い送受信が可能となる長さ（通常は１０％程度大き目）になっていればよい。
そして、線状放射素子２１，２３の素子長Ｌ₁ ，Ｌ₃ は、素子長Ｌ₂ と、中心波長λ₁ ，λ₂ に基づき、以下の（３）（４）式に従って設定する。

＜シミュレーション＞
このように構成されたアンテナ装置１のＶＳＷＲ特性および利得特性を、シミュレーションによって求めた結果を図２に示す。

ここでは、使用帯域の中心周波数（中心波長）をｆ₀ ＝７６０ＭＨｚ（λ₀ ＝３９５ｍｍ），二つの阻止帯域の中心周波数（中心波長）をそれぞれｆ₁ ＝７５０ＭＨｚ（λ₁ ＝４００ｍｍ），ｆ₂ ＝７７０ＭＨｚ（λ₂ ＝３８９ｍｍ）として、各線状放射素子２１，２２，２３の素子長を、Ｌ₁ ＝２０３ｍｍ，Ｌ₂ ＝１９７ｍｍ，Ｌ₃ ＝１９２ｍｍとして求めた。

また、利得特性の座標系は、図３に示すように、ＸＹ平面に地板Ｇが配置され、ＹＺ平面に、Ｚ軸に対して対称（但し、給電端がＹ軸のマイナス側、接地端がＹ軸のプラス側に位置する）となるように放射素子部２０が配置されているものとする。そして、Ｚ軸（地板Ｇの法線方向）に対する角度がθ＝９０°となる面（即ちＸＹ平面）での利得を、Ｘ軸方向を０°とするＸＹ平面内での角度がφ＝０°（Ｘ軸のプラス側方向）、φ＝９０°（Ｙ軸のプラス側方向）、φ＝１８０°（Ｘ軸のマイナス側方向）、φ＝２７０°（Ｙ軸のマイナス側方向）の４箇所について求めた結果を示す。

＜効果＞
以上説明したように、アンテナ装置１によれば、線状放射素子を用いることで、一つ以上の素子帯域を有した周波数特性を実現することができるだけでなく、放射素子対によって形成される閉ループの長さを適宜設定することによって、阻止帯域の中心周波数を所望の値に調整することができる。

図４は、中心周波数が７６０ＭＨｚである１０ＭＨｚ幅の周波数帯を利用する高度道路交通システム（ＩＴＳ）の車載器等で使用する受信回路に、上述のアンテナ装置１を適用した場合の構成を示したものである。

図４に示すように、受信回路は、アンテナ装置１から供給される受信信号から所定周波数帯の信号を抽出するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）８と、ＢＰＦ８が抽出した信号を増幅するローノイズアンプ（ＬＮＡ）９とを備えている。

つまり、ＶＳＷＲが３以下である帯域を通過帯域とすると、図２に示したアンテナ装置１単体の周波数特性では、二つの阻止帯域に挟まれた周波数帯（７６０ＭＨｚ〜７７０ＭＨｚ）だけでなく、阻止帯域の外側の周波数帯（７３５ＭＨｚ〜７５０ＭＨｚや７８５ＭＨｚ以上）も通過帯域となってしまうが、ＢＰＦ８と組み合わせることで、二つの阻止帯域に挟まれた狭い周波数帯だけを通過帯域とする特性を実現することができる。

ここで、図５（ａ）は、アンテナ装置１単体およびＢＰＦ３単体の周波数特性と、その両者を合成した特性を示すものであり、図５（ｂ）は、阻止帯域を持たないアンテナ装置を用いた場合の比較例である。

つまり、このような受信回路にアンテナ装置１を適用することにより、高価なフィルタや回路規模の大きいフィルタを用いることなく、通過帯域外での急峻な減衰特性を実現することができる。これにより、通過帯域に近い周波数からの干渉（例えば、ノイズによってＬＮＡ９が飽和してしまうこと）を効果的に抑制することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態について説明する。
＜構成＞
本実施形態のアンテナ装置２は、第１実施形態のアンテナ装置１とは、構成が一部異なるだけであるため、その相違する点を中心に説明する。

図６に示すように、アンテナ装置２では、放射素子部２０を構成する各線状放射素子２１，２２，２３の給電端が互いに接続されており、その接続された給電端（以下「給電側接続部」という）が共用線路３１を介して給電部１０に接続されている。

つまり、アンテナ装置２では、放射素子部２０における給電側接続部が、共用線路３１の長さＨ１だけ地板Ｇから離れた場所に位置するように構成されている。
＜効果＞
このように構成されたアンテナ装置２では、共用線路３１の長さＨ１を適宜調整すること（ここではＨ１＝１５ｍｍ）によって、周波数特性（ＶＳＷＲ特性，利得特性）を変化させることができる。

具体的には、図７（ａ）に示すように、二つの阻止帯域に挟まれた通過帯域の中心周波数を、両阻止帯域の中央に調整することができると共に、図７（ｂ）に示すように、この通過帯域内での利得をほぼ一定の大きさとすること、即ち、通過帯域での周波数特性を改善することができる。

また、アンテナ装置２によれば、共用線路３１だけを給電部１０に接続すればよいため、給電端の接続に要する手間を削減することができる。
［第３実施形態］
第３実施形態について説明する。

＜構成＞
本実施形態のアンテナ装置３は、第２実施形態のアンテナ装置２とは、構成が一部異なるだけであるため、その相違する点を中心に説明する。

図８に示すように、アンテナ装置３では、放射素子部２０を構成する各線状放射素子２１，２２，２３の給電端だけでなく、接地端も互いに接続されており、その接続された接地端（以下「接地側接続部」という）が、共用線路３２を介して地板Ｇに接続されている。

つまり、アンテナ装置３では、放射素子部２０における接地側接続部も、給電側接続部と同様に、共用線路３２の長さＨ２だけ地板から離れた場所に位置するように構成されている。

＜効果＞
このように構成されたアンテナ装置３では、共用線路３１，３２の長さＨ１，Ｈ２を適宜調整すること（ここではＨ１＝Ｈ２＝８ｍｍ）によって、周波数特性（ＶＳＷＲ特性，利得特性）を調整することができ、第２実施形態のアンテナ装置２の場合と同様の周波数特性を得ることができ、ひいては同様の効果を得ることができる。

またアンテナ装置３によれば、共用線路３２だけを地板Ｇに接続すればよいため、接地端の接続に要する手間を削減することができる。
なお、ここでは、共用線路３１，３２をいずれも備えた構成を示したが、共用線路３１を省略し、共用線路３２だけを備えた構成としてもよい。この場合でも、第２実施形態のアンテナ装置２と同様の効果を得ることができる。

［他の実施形態］
以上本発明のいくつかの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、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、上記実施形態では、放射素子部２０を構成する各線状放射素子２１，２２，２３を、地板Ｇに直交する同一平面に配置したが、図９に示すように、最も短い線状放射素子２３が配置された配置平面（図中ＹＸ平面）に対し、他の線状放射素子２１，２２を、配置平面の法線方向（図中Ｘ軸方向）にオフセットした位置に配置するようにしてもよい。

この場合、各線状放射素子２１，２２，２３が第２部位２０ｂの両端に有する頂点（第１部位２０ａと第２部位２０ｂとの接点、及び第２部位２０ｂと第３部位２０ｃとの接点）は、各端において、それぞれ略直線上に並んだものとなる。

このように、三次元的に空間を利用した配置を行うことにより、各線状放射素子２１，２２，２３の素子長差が僅かである場合でも、各線状放射素子２１，２２，２３を互いに接触させることなく配置することができる。

上記実施形態では、放射素子部２０の形状を矩形状（長方形状）としたが、例えば、図１０（ａ）に示すアンテナ装置４のように、台形状としてもよい。これらに限らず、地板Ｇと共にループを形成する形状であればよく、多角形状や円形状等であってもよい。

また、図１０（ｂ）に示すアンテナ装置５のように、放射素子部２０（２０１，２０２）を二つ備え、これら放射素子部２０１，２０２が給電部１０を通る軸に対して軸対称に配置されていてもよい。つまり、地板Ｇを省略してループアンテナを形成するように構成してもよい。但しこの場合、隣接放射素対により形成される閉ループが、放射素子部２０１，２０２ｂ毎に独立したものとなるように、共用線路３２を備えている必要がある。

上記実施形態では、放射素子部２０を構成する線状放射素子２１，２２，２３を金属製の線材によって構成したが、図１０（ｃ）に示すアンテナ装置６のように、地板Ｇに対してパターン形成面が垂直となるように立設された誘電体基板Ｐ上のパターンによって構成してもよい。

この場合、アンテナ装置６の製造を容易なものとすることができ、また、誘電体基板Ｐの誘電率によって波長短縮が生じるため、線状放射素子２１，２２，２３のサイズ、ひいてはアンテナ装置６全体のサイズを小型化することができる。

上記実施形態では、放射素子部２０が３本の線状放射素子２１，２２，２３で構成されている場合について説明したが、線状放射素子の数は２本であったり、４本以上であったりしてもよい。

１〜６…アンテナ装置 ８…バンドパスフィルタ（ＢＰＦ） ９…ローノイズアンプ（ＬＮＡ） １０…給電部 ２０，２０１，２０２…放射素子部 ２０ａ…第１部位 ２０ｂ…第２部位 ２０ｃ…第３部位 ２１，２２，２３…線状放射素子 ３１，３２…共用線路 Ｇ…地板 Ｐ…誘電体基板

Claims (7)

1. 一端が接地され他端が同一の給電点（１０）を介して接地されると共に、予め設定された指定帯域内の周波数の１／２波長に相当し且つ互いに異なった長さを有するＮ（Ｎは２以上の整数）本の線状放射素子（２１，２２，２３）で構成された放射素子部（２０）を備え、
   隣接して配置された任意の二つの前記線状放射素子を隣接放射素子対（２１−２２，２２−２３）として、該隣接放射素子対によって形成される閉ループが、前記指定帯域内に設定された阻止帯域の中心周波数の波長に相当する長さとなるように、前記放射素子部を構成する各線状放射素子の素子長が設定されていることを特徴とするアンテナ装置（１，２，３，４，５，６）。
2. 隣接する前記線状放射素子の線間は一定幅となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置（１，２，３，４，５，６）。
3. 前記放射素子部を構成する各放射素子の前記給電端および前記接地端のうち、少なくとも一方に、全ての放射素子によって共用される共用線路（３１，３２）が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置（２，３，４，５，６）。
4. 前記放射素子部を構成する各放射素子は、互いに異なった平面上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
5. 前記放射素子部を構成する各放射素子は、同一平面上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のアンテナ装置（１，２，３，４，５，６）。
6. 前記放射素子部は、誘電体基板（Ｐ）上に形成されたパターンにより構成されていることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置（６）。
7. 前記放射素子部（２０１，２０２）を二つ備え、該放射素子部は、前記給電点を通る軸に対して軸対称に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のアンテナ装置（５）。