JP2014060515A - 異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナ - Google Patents

異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナ Download PDF

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Abstract

【課題】異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナを提供する。
【解決手段】所定の距離を隔てて平行に伸びるように配設され、その両端が電気的に接続されている第1および第2の線路導体14,16に、その横方向外側に伸びて配設される第1の迂回線路導体18および第2の迂回線路導体20を付加し、1の周波数帯域の信号に対しては、第1および第2の線路導体14、16によって形成される、直線偏波を放射するダイポールアンテナとして機能させる。また、もう1つの周波数帯域の信号に対しては、付加した第1の迂回線路導体18および第2の迂回線路導体20、もしくはその一方を、アンテナ上の電流の一部に所定の位相遅延を引起す位相遅延要素として働かせ、全体として円偏波を放射するループアンテナとして機能させる。結果的に、一巻きのループアンテナで円偏波も直線偏波も放射可能とした。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば、GPSに使用される円偏波(例えば、1.57 GHz)、携帯電話に使用される直線偏波(例えば、800 MHz、900 MHz、1.5 GHz、1.8 GHz、2 GHz)、Wi−Fi、 Bluetooth、 ISM(Industrial, Scientific and Medical)バンド、RFID(Radio Frequency Identification、電波による個体識別)等に使用される直線偏波(例えば、900 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz)の中の幾つかの通信電波を送受信できる機能を有する、例えば、高機能携帯電話、スマートフォーンのような多機能携帯電話、PDAのような携帯情報端末、タブレット端末、モバイルPCあるいはRFID等(以下、携帯移動端末と総称する)に搭載、内蔵される、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナに関する。
従来、一般的には、異なる偏波、例えば、第1の周波数帯域の円偏波と第2の周波数帯域の直線偏波を送受信可能な上記したような携帯移動端末には、それぞれの電波を送受信可能な専用のアンテナがそれぞれの送受信器と共に別々に設けられていた。
特許文献1および特許文献2には、従来別々に設けられていたそれぞれのアンテナを同一の基板上に寄せ集めて携帯移動端末中に占めるアンテナの面積の縮小、低減を図り、かつ各アンテナへの給電は一本の給電線をそれぞれ分枝して、その分枝線のそれぞれと各アンテナとを電磁的に結合することによって行う、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に対応できる寄せ集め型のループアンテナが開示されている。
特許文献3および本件出願人の先願である特許文献4には、同一の基板上に形成された、ループアンテナを構成する線路導体中に、第1の周波数帯域の電波には電磁的な結合を許し、第2の周波数帯域の電波には電磁的な結合を許さない幅を有する1ないし複数のギャップを設けて、アンテナを構成する線路導体の一部を共用して、アンテナの占める面積をさらに縮小、低減し、かつアンテナへの給電は、一つの給電部から直接に行う、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に対応できる複合型ループアンテナが開示されている。
しかし、特許文献3および特許文献4に開示されているアンテナはその形状が複雑であると共にその占有面積は、特許文献1および特許文献2のそれと同様に、周波数の低い長い方の波長の2乗の関数によって決まる値に基づいて決められており、依然として比較的大きな面積を占めるものとなっていた。
特開2004−88214号公報 特開2008−278059号公報 特開2010−68473号公報 特願2010−196260号明細書
本発明が解決しようとする課題は、その占有面積を、従来のアンテナ線路導体の一部を共用する、第1の周波数帯域の円偏波と第2の周波数帯域の直線偏波に対応する複合型ループアンテナに較べても大幅に低減した、単純な形状の、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナを提供することである。
上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも第1の周波数帯域の円偏波と第2の周波数帯域の直線偏波を放射可能な異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナを、所定の誘電率を有する誘電体基板;第1の周波数帯域および第2の周波数帯域の中、直線偏波の周波数に関連して決められた長さを有し、前記誘電体基板上に、所定の距離を隔てて平行に伸びるように配設され、その両端が電気的に接続されている第1および第2の線路導体;前記第1線路導体の一部を切断し、その切断部の両端を橋絡するように繋ぎ、前記第1の線路導体の横方向外側に伸びて配設される第1の迂回線路導体;前記第2線路導体の一部を切断し、その切断部の両端を橋絡するように繋ぎ、前記第2の線路導体の横方向外側に伸びて配設される第2の迂回線路導体;および前記第1線路導体あるいは前記第2線路導体の他の一部を第1の周波数帯域および第2の周波数帯域の中、円偏波の周波数に関連して決められた位置で切断し、その切断部の両端を給電点とする給電部を有するように構成した。
本発明のアンテナは、第2の周波数帯域の信号に対しては、前記第1および第2の線路導体によって形成される、直線偏波を放射するダイポールアンテナとして機能させ、第1の周波数帯域の信号に対しては、前記第1および第2の線路導体に導入、付加した、単純な形状の前記第1の迂回線路導体および第2の迂回線路導体を、アンテナ上の電流の一部に所定の位相遅延を引起す位相遅延要素として働かせ、全体として円偏波を放射するループアンテナとして機能させ、結果的に、一巻きのループアンテナで円偏波も直線偏波も放射可能としたものである。
また、本発明のアンテナは、第1の周波数帯域および円偏波の旋回方向に応じた位置に前記第1の線路導体あるいは第2の線路導体の一部を切断し給電部を設けることで、アンテナ上の電流に所定の位相遅延を引き起こさせ、前記第1および第2の迂回線路導体による位相遅延と組み合わせることで、結果的に、一巻きのループアンテナで第1の周波数帯域の信号に対しては円偏波を、第2の周波数帯域の信号に対しては直線偏波を放射可能としたものである。
なおまた、換言すると、本発明のアンテナは、給電部の位置を第1の周波数帯域に応じて設置することで所望の旋回方向へ円偏波が放射するように電流を回転せしめ、両端が電気的に接続されている前記第1および第2の線路導体の一部分に位相遅延を引起す単純な形状の迂回線路部を導入、付加することによって、アンテナ上の支配的な電流分布を第1の周波数帯域では周回するように分布せしめて円偏波を、第2の周波数帯域では上下するように分布せしめて直線偏波を放射するように構成したものである。
さらにまた、本発明のアンテナにおいては、前記第1と第2の線路導体間の離間幅を第2の周波数帯域の誘電体基板の誘電率を考慮した波長λの10分の1以下とすることが望ましい。この値を前記所定値以上とすると、リターンロス特性が良好になる第1の周波数帯域と第2の周波数帯域が重なる。換言すると、リターンロス特性および直線偏波を放射する機能が劣化すると共にアンテナの正面方向(+z方向)中心部分の放射強度が著しく低下する。従って、この値を前記所定値以下とするため、ループ導体はできるだけ内側に巻くことが望ましい。その結果、アンテナ自体の占有面積も低減出来る。
本発明により、その占有面積を著しく低減した、形状の簡単な、従って、製作の容易な、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナを提供することが出来る。
さらに、本発明アンテナの給電部は、アンテナ構造体の内部ではなく、その側部の一箇所に設けられるので、アンテナ導体に何ら悪影響を与えることなく、インピーダンス整合のためのインピーダンス調整用線路の平面的な取り付け配置が容易となる。
本発明の一実施の態様に係る、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナの平面図。 図1に図示した、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナの周波数1.575 GHzにおけるx−z平面の円偏波放射特性を示す図。 図1のループアンテナの、図2に図示した、周波数1.575 GHzにおける円偏波特性を円偏波軸比(円偏波度合い)を示す図へと書き改めた図。 図1に図示した、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナの周波数1.8 GHzにおけるx−z平面の直線偏波放射特性を示す図。 図1に図示した、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナのリターンロス特性を示す図。 図1に図示した、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナへインピーダンス調整用の線路を付加した一つの変形例を示す平面図。 図6に図示した、インピーダンス調整用線路を付加した異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナのリターンロス特性を示す図。 図1に図示した、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナの迂回線路部を一つとしたもう一つの変形例を示す平面図。 図1に図示した、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナの迂回線路部を非対称に付加せしめたもう一つの変形例を示す平面図。 図1に図示した、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナのインピーダンス調整および小型化せしめるもう一つの変形例を示す平面図。
図1は、本発明の一実施の態様に係る、第1の周波数帯域である1.57GHzの円偏波と第2の周波数帯域である1.8GHzの直線偏波に対応できるループアンテナ10の平面図を示している。本ループアンテナ10は、線路導体14および16の長さLを誘電体基板12の誘電率を考慮した第2の周波数帯域の波長λの8分の5程度にし、これらの間隔を前記波長λの10分の1以下にすることで直線偏波を放射するダイポールアンテナとして機能させる。第1の線路導体14の一部および第2の線路導体16の一部を切断し、単純な形状の迂回線路導体18および20を第1の周波数帯域においてアンテナ上の電流の一部にπ/2の位相遅延を引起せしめる長さLとして繋ぐことで、ループアンテナ全体の電流を図1上でいうところの左回りに旋回せしめ正面方向(+z軸)へ右旋円偏波を放射するループアンテナとして機能させる。また、第1の線路導体14の他の一部をその上側端部30からの長さLが第1の周波数帯域の誘電体基板12の誘電率を考慮した波長の16分の5程度でかつL<Lとなる位置22で切断し、その両端が給電点24,26となるように給電部28を設置する。本ループアンテナ10は、給電部28をL<Lとなる位置に設置することでアンテナ上の電流を回転するように分布せしめるが、迂回線路導体18および20を付加することで線路導体14および16上の電流分布を上下方向に移動する分布へと変化せしめる。さらに、迂回線路導体18および20および給電部28は、第1および第2の周波数帯域で良好なリターンロス特性が得られ、アンテナ上の電流の一部に位相遅延を引き起こし、その結果、第1の周波数帯域ではアンテナ上を周回する電流を分布せしめ、第2の周波数帯域では、アンテナ上を上下に分布せしめる位置へと調整する。
以上の実施形態に則し、図1中の本ループアンテナ10は、誘電率4.4の誘電体基板12上に形成された第1の周波数帯域(1.57GHz)および第2の周波数帯域(1.8GHz)の中の直線偏波の周波数帯域(1.8GHz)に関連して決められた長さ(L=58.4mm)を有し、誘電体基板12上に、所定の距離を隔てて(線路間隔=0.4mm)平行に伸びるように配設され、その両端が電気的に接続されている線路幅1.4mmの第1および第2の線路導体14,16を備える。さらに、前記第1線路導体14をその上側端部30から第1の周波数帯域に関連して決められた長さ(L=26.9mm)の位置22で切断し、その切断部両端を給電点24,26とする給電部28を備える。さらに、前記第1線路導体14の他の部分を給電部28の近傍(L=1.4mm)で切断し、その切断部両端を橋絡するように繋ぎ、第1の線路導体14の横方向外側にπ/4の位相遅延を引起す長さ(L=8.2mm)で伸びて配設された線路幅1.4mm、線路間隔0.4mmの第1の迂回線路導体18、および第2線路導体16を給電部28の近傍(L=1.4mm)で切断し、その両切断部を橋絡するように繋ぎ、第2の線路導体16の横方向外側にπ/4の位相遅延を引起す長さ(L=8.2mm)で伸びて配設された線路幅1.4mm、線路間隔0.4mmの第2の迂回線路導体20から構成される。
図1中のLは、第1の迂回線路導体18と第2の迂回線路導体20の横方向長さLと、第1の線路導体14と第2線路導体16の線路幅およびその線路間隔で決まる本ループアンテナ10の横幅であり、本実施の態様では19.6mmである。従って、本ループアンテナ10の占有面積は約60mm×20mm=1200mmと、従来の複合型ループアンテナについて想定されるその占有面積60mm×60mm=3600mmに較べてその占有面積が著しく低減する。
図2は、図1に図示した本発明の一実施の態様である異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナの周波数1.575 GHzにおけるx−z平面の角度位置に対する相対パワー(Relative Power)で表した円偏波放射特性を示す図である。角度位置は、+x軸が90°、+z軸が0°(正面方向)および−x軸が−90°としている。図から読み取れるように、周波数1.575 GHzにおける右旋円偏波(RHCP)および左旋円偏波(LHCP)の相対パワーの差が広い角度範囲で15dB以上あり、正面方向(+z軸)では右旋偏波が、一方、裏面方向(―z軸)では左旋偏波がそれぞれ強く円偏波を放射していることが分る。
図3は、図1のループアンテナの、図2に図示した周波数1.575 GHzにおける円偏波放射特性を円偏波軸比(円偏波度合い)を示す図へと書き改めた図である。軸比が0dBの時、完全な円偏波が放射されていることを示し、一般的には3dB以下の場合、良好な円偏波が放射されていると考えられている。図から読み取れるように、角度位置−50°から角度位置+50°までの約100°の間、軸比ほぼ3dB以下の良好な値を示していることが分る。
図4は、図1に図示した本発明の一実施の態様である異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナの周波数1.8 GHzにおけるx−z平面の角度位置に対する相対パワー(Relative Power)で表した直線偏波放射特性を示す図である。角度位置は、+x軸が90°、+z軸が0°(正面方向)および−x軸が−90°としている。図から読み取れるように、周波数1.8 GHzにおける主偏波(Co−Polar)は交差偏波((Cross−Polar)のそれに較べてほぼ全ての角度位置で30dB以上強く放射している事が分かり、著しく良好な直線偏波放射特性であることが分る。
図5は、図1に図示した本発明の一実施の態様である異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナのリターンロス(反射減衰量)特性を示す図である。図から読み取れるように、1.57GHzおよび1.8GHzの帯域でリターンロスが良くなっている事を示している。
図6は、図1に示した本発明の一実施の態様に係る、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナの一つの変形例であるループアンテナ10aの平面図を示している。この変形例では、図1の給電部28にインピーダンス調整用の線路Bが取り付け配置されている。このインピーダンス調整用の路線Bは、第1および第2の線路導体14、16と同一平面上に、給電部28からそのまま横方向に伸びるように配設されるので製作およびそのインピーダンス調整が容易である。また、その長さや形状を変化させることでインピーダンスの調整が可能である。
図7は、図6に図示した、インピーダンス調整用線路を付加した異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナのリターンロス(反射減衰量)を示す図である。図から読み取れるように、1.57GHzおよび1.8GHzの帯域でリターンロス特性が図5に比べ大幅に改善されている事が分かる。
図8は、図1に示した本発明の一実施の態様に係る、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナのもう一つの変形例であるループアンテナ10bの平面図を示している。この変形例では、図1の第1の迂回線路導体18のみ配設し、第2の迂回線路導体20は配設しなかったものである。換言すれば、第1の迂回線路導体18のみでアンテナ上の電流の一部に位相遅延を引起せしめる構成をしたものである。
図9は、図1に示した本発明の一実施の態様に係る、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナのもう一つの変形例であるループアンテナ10cの平面図を示している。この変形例では、図1の第1の迂回線路導体18と第2の迂回線路導体20は第1の導体線路14を軸に非対称に配設したものである。換言すれば、第1および第2の迂回線路導体18および20は、アンテナ上の電流の一部に位相遅延を引起せしめ、第1の周波数帯域では円偏波を第2の周波数帯域では直線偏波を放射すべく電流を分布せしめることができればどのような位置にも配設可能である。
図10は、図1に示した本発明の一実施の態様に係る、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナのもう一つの変形例であるループアンテナ10dの平面図を示している。この変形例では、図1の第1および第2の線路導体14,16のそれぞれの上側端部30、32およびそれぞれの下側端部34、36を両者の離間した空間部38に折り込んだ状態で両先端部を電気的に接続したものである。換言すれば、第1および第2の線路導体14,16の上側および下側のそれぞれの端部を両者の離間した空間部に折り込んだ状態で両先端部を電気的に接続して内側に向かう蛇行部40、42を構成したものである。このように構成することによって、本ループアンテナ10dのy方向寸法は、図1のループアンテナ10のそれの約半分とすることができる。また、前記蛇行部40、42の寸法や数を変化させることでインピーダンスの調整が可能になる。
なお、本変形例では、内側に向かう蛇行部の数は一つとしたが、複数としても良い。そうするとアンテナのy方向寸法はさらに低減する。
上に説明した一変形例では、線路導体14、16の上側および下側のそれぞれの端部を両者の離間した空間部に折り込んだ状態で両先端部を電気的に接続して内側に向かう蛇行部40、42を両者の離間した同一平面上の空間部38に折り込んだが、アンテナの設置スペースに応じて、これらを折り曲げて別の平面に配設しても良い。
また、以上説明した実施の態様の、第1および第2の迂回線路導体の数および配設位置は、アンテナから放射する円偏波および直線偏波の周波数あるいはアンテナの設置スペースに応じて、変更しても良い。
同様にまた、以上説明した実施の態様では、第1および第2の迂回線路導体は、単純なコの字型の形状としたが、位相遅延要素として機能するのであればどのような形状でも良く、例えは、蛇行する迂回線路導体としても良い。
同様にまた、以上説明した実施の態様では、第1および第2の線路導体は、単純な直線形状としたが、電流が上下に移動しながら分布し直線偏波アンテナとして機能するのであればどのような形状でも良く、例えば、蛇行する線路導体としても良い。
なおまた、以上説明した実施の態様では、第1および第2の迂回線路導体は第1および第2の線路導体と同一の平面上に配設したが、アンテナに要求されるスペースに応じて、これらを折り曲げて別の平面に配設しても良い。
さらにまた、以上説明した実施の態様では、給電部は、第1の迂回線路導体の近傍部に配設したが、この位置もアンテナの設置スペースに応じて、変更しても良い。
以上説明した望ましい実施の態様は、本発明の原理を示すことを狙ったもので、本発明の範囲を限定するものではない。この実施の態様に対するその他の実施の態様および変形例は、当業者にとっては明らかであろうし、また以下の請求項で規定する本発明の精神および範囲から逸脱することなく容易に実施できるであろう。
10、10a、10b、10c、10d ループアンテナ
12 誘電体基板
14 第1の線路導体
16 第2の線路導体
18 第1の迂回線路導体
20 第2の迂回線路導体
22 両端を給電点とする切断部
24,26 給電点
28 給電部
30 第1の線路導体14の上側端部
32 第2の線路導体16の上側端部
34 第1の線路導体14の下側端部
36 第2の線路導体16の下側端部
38 第1および第2の線路導体14,16の離間した空間部
40 上側蛇行部
42 下側蛇行部
B インピーダンス調整用の線路

Claims (14)

  1. 所定の誘電率を有する誘電体基板;
    第1の周波数帯域および第2の周波数帯域の中、直線偏波の周波数に関連して決められた長さを有し、前記誘電体基板上に、所定の距離を隔てて平行に伸びるように配設され、その両端が電気的に接続されている第1および第2の線路導体;
    前記第1線路導体の一部を切断し、その切断部の両端を橋絡するように繋ぎ、前記第1の線路導体の横方向外側に伸びて配設される第1の迂回線路導体;
    前記第2線路導体の一部を切断し、その切断部の両端を橋絡するように繋ぎ、前記第2の線路導体の横方向外側に伸びて配設される第2の迂回線路導体;および
    前記第1線路導体あるいは前記第2線路導体の他の一部を切断し、その切断部の両端を給電点とする給電部を有するように構成された、異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナ。
  2. 前記第1線路導体あるいは前記第2線路導体の他の一部を切断し、その切断部の両端を給電点とする給電部は、円偏波の旋回方向および、円偏波の周波数帯域に応じて設けられることを特徴とする、請求項1に記載の異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナ。
  3. 前記第1および第2の線路導体間の所定の離間距離は、第2の周波数帯域の誘電体基板の誘電率を考慮した波長の10分の1以下となるように決められることを特徴とする、請求項1または2に記載の異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナ。
  4. 前記第1あるいは第2の迂回線路導体のどちらか一方が設けられることを特徴とする、請求項1または2または3に記載の異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナ。
  5. 前記第1および第2の迂回線路導体は、それぞれ対向する対称位置に設けられることを特徴とする、請求項1または2または3に記載の異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナ。
  6. 前記第1および第2の迂回線路導体は、それぞれ非対称の位置に設けられることを特徴とする、請求項1または2または3に記載の異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナ。
  7. 前記第1および第2の迂回線路導体は、それぞれ複数個設けられることを特徴とする、請求項1または2または3に記載の異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナ。
  8. 前記第1および第2の迂回線路導体の形状は、コ字型に形成されていることを特徴とする、請求項1または2または3に記載の異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナ。
  9. 前記第1および第2の迂回線路導体の形状は、それぞれ蛇行するように形成されていることを特徴とする、請求項1または2または3に記載の異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナ。
  10. 前記第1および第2の迂回線路導体は、それぞれ折り曲げて第1および第2の線路導体とは別の平面上に配設されていることを特徴とする、請求項1または2または3に記載の異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナ。
  11. 前記給電部には、インピーダンス整合のためのインピーダンス調整用の線路が取り付け配置されていることを特徴とする、請求項1または2または3に記載の異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナ。
  12. 前記第1および第2の線路導体の形状は、それぞれ直線状に形成されていることを特徴とする、請求項1または2または3に記載の異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナ。
  13. 前記第1および第2の線路導体の上側および下側のそれぞれの端部は、両者の離間した空間部に折り込んだ状態で両先端部を電気的に接続して構成したことを特徴とする、請求項1または2または3に記載の異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナ。
  14. 前記第1および第2の線路導体の形状は、それぞれ蛇行するように形成されていることを特徴とする、請求項1または2または3に記載の異なる周波数帯域の円偏波および直線偏波に共用できるループアンテナ。
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