JP2018157244A - アンテナ装置のグランド接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナグランドを回路グランドに接続した場合でも、アンテナ装置の指向性を、極力所期の状態に維持できるアンテナ装置のグランド接続構造を提供する。【解決手段】第１アンテナ素子３を第１辺及び第２辺の長さがλ／２以下であるアンテナグランド２に接続する位置Ｇｘ１を第１辺の左端とし、第２アンテナ素子１４をアンテナグランド２に接続する位置Ｇｙ１を、第２辺の上端とする。アンテナグランド２の第１辺を上辺とすると、短辺を上辺としてそれらが同じ位置となるように揃えて配置し、且つ、アンテナグランド２に長辺側が対向するように回路グランド１６を配置する。回路グランド１６の下辺側より、接続用延設部１７をアンテナグランド２の下辺に対して平行に延設した後、前記下辺の中央部に接続する。【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナグランドの２辺にそれぞれ折返しアンテナ素子を配置してなるアンテナ装置の前記グランドと、回路グランドとを接続する構造に関する。

折返しアンテナの１つである逆Ｆアンテナをグランドの一辺に接続する場合、一般に前記一片の中央で接続されることが多い。また、特許文献１に開示されているように、中央からずれた位置で接続されることもある。

特開２０１３−９３６４５号公報

そして、特許文献１に開示されているように、グランドの２辺にそれぞれアンテナ素子を配置したアンテナ装置を受信用のアンテナとして使用する際には、受信状態の多様性，所謂ダイバーシティを確保するため、２つのアンテナ素子それぞれの指向性が独立していることが望ましい。

しかしながら、図２４に示すように、２つの逆Ｆアンテナ素子とグランドとの接続位置を各辺の中央にすると、それぞれの指向性が水平から４５°程度傾くことで略同じ方向となり、多様性が確保できないことが判明した。

また、一般にアンテナ装置は、通信回路に接続された状態で使用されるため、アンテナ装置が備えているグランドは、回路グランドに接続する必要がある。ところが、アンテナ側のグランドを回路グランドに接続すれば、当然にグランド全体の形状が変化するため、アンテナ装置の指向性に影響を及ぼすことになる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、アンテナグランドを回路グランドに接続した場合でも、アンテナ装置の指向性を極力所期の状態に維持できるアンテナ装置のグランド接続構造を提供することにある。

請求項１記載のアンテナ装置のグランド接続構造によれば、アンテナ装置は、λ／４長の第１，第２折返しアンテナ素子を、第１辺の長さＧｘ，第２辺の長さＧｙがλ／２以下であるアンテナグランドにそれぞれ接続する位置Ｇｘ１，Ｇｙ１を、第１辺，第２辺それぞれにおいて、第１，第２折返しアンテナ素子それぞれの折返し素子部が伸びる方向と逆方向にある一端を基準として０≦Ｇｘ１＜Ｇｘ／２，０≦Ｇｙ１＜Ｇｘ／２とする。通信時において、アンテナ素子に交流信号が流れると、グランドの前記素子と対向する一辺側にも電流が流れる。アンテナ素子の折返し部分に流れる電流は、対向するグランドの辺側において逆方向に流れる電流により相殺される（例えば後述する実施形態の図１５中の矢印を参照）。

しかし、従来のように、アンテナ素子がグランドの一辺の中央で接続されていると、前記アンテナ素子と対向しない部分のグランドにも電流が流れることになる。前記一辺が水平方向であれば、アンテナ素子の折返し部分である水平部に流れる電流がグランド側に流れる電流で打ち消されないため、アンテナ素子の水平部からは、水平方向から約９０°方向に放射される電波成分が発生する。前記電波成分は、アンテナ素子の垂直部において水平方向から約０°方向に放射される電波成分と合成される。すると、合成された電波は水平方向から約４５°方向に放射される。前記一辺に直交する他辺では、水平，垂直の関係が逆になることで、同様に指向性が斜めに傾く。したがって、互いに直交する第１辺，第２辺にそれぞれ配置される２つのアンテナ素子の指向性がほぼ同じ方向となる。

そこで本発明では、第１，第２折返しアンテナ素子のグランドへの接続位置Ｇｘ１，Ｇｙ１を、それぞれ０≦Ｇｘ１＜Ｇｘ／２，０≦Ｇｙ１＜Ｇｘ／２として中央より基準方向にずらすことで、各辺に対向するアンテナ素子部分に流れる電流を、グランド側に流れる電流により打ち消すようにする。これにより、例えば水平方向の第１辺に配置される第１折返しアンテナ素子については、水平方向から約９０°方向に放射される電波成分の発生を抑制し、アンテナ素子の指向性を水平方向に近付けることができる。また、垂直方向の第２辺に配置される第２折返しアンテナ素子については、垂直方向から約９０°方向に放射される電波成分の発生を抑制し、指向性を垂直方向に近付けることができる。したがって、第１，第２折返しアンテナ素子を結合させることなく分離して、それらの指向性が互いに極力直交する状態を維持できる。

更に本発明では、前記アンテナ装置のグランドに対して面積がより大きな回路グランドを接続する際に、以下のような接続構造を採用する。回路グランドは、矩形状である。そして、アンテナグランドの第１辺又は第２辺を上辺とすると、回路グランドの短辺を上辺としてそれらが同じ位置となるように揃えて配置し、且つ、アンテナグランドに長辺側が対向するように回路グランドを配置する。この回路グランドの下辺側より、接続用延設部をアンテナグランドの下辺に対して平行に延設した後、前記下辺の中央部に接続する。

すなわち、上述した第１及び第２アンテナ素子とアンテナグランドとの接続位置関係により、それらの指向性が互いに極力直交する状態に維持できたとしても、アンテナグランドに回路グランドを接続すればグランド全体の形状が変化する。そして、アンテナグランドからアンテナグランド側に流入したり，又は逆方向に流出する電流成分により電流のバランスが崩れ、第１，第２アンテナ素子間の分離状態が維持できなくなり、指向性が変化するおそれがある。

そこで、本発明のように、回路グランドの下辺側より、アンテナグランドの下辺に対して平行に延設した接続用延設部を前記下辺の中央部に接続すれば、両者の接続部を介して流入又は流出する電流成分が、アンテナ装置側の電流分布状態に及ぼす影響が極力小さくなる。これにより、第１，第２アンテナ素子間の分離状態を維持して指向性の変化を抑制できる。

そして、請求項２記載のアンテナ装置のグランド接続構造のように、接続位置Ｇｘ１，Ｇｙ１を０≦Ｇｘ１＜Ｇｘ／４，０≦Ｇｙ１＜Ｇｘ／４とすれば、第１，第２折返しアンテナ素子の指向性をより直交する状態に近付けることができる。

また、請求項３記載のアンテナ装置のグランド接続構造のように、接続位置Ｇｘ１＝Ｇｙ１＝０として基準位置，つまり各辺の端にすれば、第１，第２折返しアンテナ素子の指向性を更に直交状態に近付けることができる。

請求項４記載のアンテナ装置のグランド接続構造によれば、アンテナグランドの形状を正方形とする。

一実施形態であり、アンテナ装置のグランドと回路グランドとの接続状態を、ｘｙ平面内の指向性と共に示す図 ｘｚ面内の指向性パターンを示す図 アンテナ装置のグランドと回路グランドとの接続状態の他の例を、ｘｙ平面内の指向性と共に示す図 ｘｚ面内の指向性パターンを示す図 アンテナ装置のみを、ｘｙ平面内の指向性と共に示す図 ｘｚ面内の指向性パターンを示す図 アンテナ装置のみの電流モデルを示す図 図３の構成に対応する電流モデルを示す図 図３とは異なる接続状態に対応する電流モデルを示す図 図１の構成に対応する電流モデルを示す図 本実施形態のアンテナ装置の構成を示す図 アンテナ装置に電流が流れる状態を示すモデル図 第１アンテナ素子の電波放射状態を示す図 第２アンテナ素子の電波放射状態を示す図 １つのアンテナ素子を用いたアンテナ装置の構成例を示す図（その１） １つのアンテナ素子を用いたアンテナ装置の構成例を示す図（その２） 従来の１つのアンテナ素子を用いたアンテナ装置の構成を示す図 図１５に示す構成から図１７に示す構成に至る指向性の変化を推測する図 アンテナ素子のグランド接続位置に応じた指向性の変化を推測する図 図１７に示すアンテナ装置に電流が流れる状態を示すモデル図 図１７に示すアンテナ装置の電波放射状態をシミュレートした図 図１５に示すアンテナ装置に電流が流れる状態を示すモデル図 図１５に示すアンテナ装置の電波放射状態をシミュレートした図 従来のアンテナ装置の構成を示す図

以下、一実施形態について図１から図２３を参照して説明する。先ず、単一のアンテナ素子を備える従来のアンテナ装置の構成について図１１から図２３を参照して説明する。図１７に示すアンテナ装置１は、図示しない誘電体基板上に配線パターン等で形成される正方形状のグランド２と、このグランド２に接続されるアンテナ素子３とを備えている。グランド２の図中水平方向寸法をＧｘ，垂直方向寸法をＧｙ，通信信号波長をλとすると、Ｇｘ，Ｇｙ≦λ／２に設定されている。尚、波長λは、光の波長をλ０，誘電体基板の誘電率を√εとすると、λ＝λ０／√εで表される。

アンテナ素子３は、折返しアンテナの一種である逆Ｆアンテナであり、垂直素子部３ｙ及び水平素子部３ｘからなる。水平素子部３ｘは、垂直素子部３ｙを介してグランド２に直接接続されていると共に、給電点４を介してグランド２に接続されている。垂直素子部３ｙの寸法をａ，水平素子部３ｘの寸法をｂとすると、素子の長さ（ａ＋ｂ）は略λ／４に設定されている。水平素子部３ｘは折返し素子部に相当する。

ここで、アンテナ素子３の垂直素子部３ｙがグランド２の一辺に接続される位置Ｇｘ１を、前記一辺の左端を基準（＝０）として表す。また、Ｇｘ１＋Ｇｘ２＝Ｇｘとする。そして、従来のアンテナ装置１ではＧｘ１＝Ｇｘ２＝Ｇｘ／２として、垂直素子部３ｙを前記一辺の中央で接続するものが一般的であった。

この場合、通信時においてアンテナ素子３及びグランド２に流れる電流の状態をシミュレートすると図２０のようになる。尚、図２０及び図２２中に大きな矢印で示す電流の流れは、小さな矢印で示す流れに対し、交流的に逆になる場合を示している。アンテナ素子３の水平素子部３ｘに流れる電流は、グランド２の対向する辺部において、逆方向に流れる電流で相殺される。

しかし、垂直素子部３ｙを一辺の中央で接続すると、グランド２が水平素子部３ｘと対向しない図中左側の部分にも電流が流れる。その結果、アンテナ素子３では、水平素子部３ｘに流れる電流がグランド２側に流れる電流によって十分に打ち消されず、水平方向から約９０°方向に放射される電波成分が発生していると考えられる。すると、その電波成分が、垂直素子部３ｙに流れる電流で発生する水平方向から約０°方向に放射される電波成分と合成される結果、アンテナ装置１の指向性は、図２０に破線矢印で示すように水平より仰角方向に４５°傾いている。

図２１は、図２０の状態に対応するアンテナ装置１の電波放射状態をシミュレートしたものであるが、やはりビーム方向が、水平方向に一致するｘ軸より仰角方向に４５°程傾くことを示している。

そこで、アンテナ装置１１では、図１６に示すように、垂直素子部３ｙの接続位置Ｇｘ１を、Ｇｘ１＜λ／４，Ｇｘ１＜Ｇｘ２として、一辺の中央より左端の基準位置側に近付けるようにする。望ましくは、図１５に示すアンテナ装置１２のように、Ｇｘ１＝０とする。この場合、図２２に示すように、グランド２の辺部に流れる電流により、水平素子部３ｘに流れる電流を十分に打ち消すことができるようになり、水平方向から約９０°方向に放射される電波成分をより多く抑圧できる。その結果、アンテナ装置１２の指向性は、図２２に破線矢印で示すように、水平からの仰角方向傾きが１５°程度になっていると考えられる。

図２３は、図２２の状態に対応するアンテナ装置１２の電波放射状態をシミュレートしたものであるが、ビーム方向が上述したように、水平方向より仰角方向に１５°傾くことを示している。

図２１及び図２３に示す結果から、図１６に示すアンテナ装置１１の指向性は、図１９に○でプロットして示すように、水平方向に対して４５°から１５°の間にあると考えられる。

そして、本実施形態のアンテナ装置１３は、図１１に示すように、図１６に示すアンテナ装置１１に、もう１つの逆Ｆアンテナ素子１４を加えたものである。但し、アンテナ装置１３では、接続位置Ｇｘ１を図１１よりも基準方向に近付けており、Ｇｘ１＜λ／８としている。ここで、アンテナ素子３，１４を、それぞれ第１アンテナ素子３，第２アンテナ素子１４とする。第２アンテナ素子１４は、第１アンテナ素子３が配置されている第１辺に対して直交する図中左側の第２辺に配置されている。第２アンテナ素子１４は、垂直素子部１４ｙが水平素子部１４ｘを介してグランド２に直接接続されていると共に、給電点１５を介してグランド２に接続されている。垂直素子部１４ｙの寸法と、水平素子部１４ｘの寸法との合計は、第１アンテナ素子３と同じく略λ／４である。垂直素子部１４ｙは折返し素子部に相当する。

水平素子部１４ｘの接続位置Ｇｙ１を、第１アンテナ素子３と同様にＧｙ１＜Ｇｙ／４として、第２辺の中央より上端の基準位置側に近付けている。このように、第１アンテナ素子３を第１辺に配置し、第２アンテナ素子１４を第１辺に対して直交する第２辺に配置すすることで、図１２に電流モデルを示すように、双方の結合度が低くなる。その結果、第１アンテナ素子３の指向性は、図１３にＡＮＴ１として示すように水平に対して仰角方向１５°程度となり、第２アンテナ素子１４の指向性は、図１４にＡＮＴ２として示すように垂直に対して時計回り方向に１５°程度となっている。つまり、互いの指向性が直交している。尚、図１２の電流モデルは、Ｇｘ１＝Ｇｙ１＝０とした場合を示している。

更に、本実施形態では、アンテナ装置１３のグランド２に、回路グランドを接続する場合について検討する。以下、グランド２をアンテナグランド２と称する。図５は、アンテナ装置１３単独の垂直面内の指向性パターンを示し、図６は、水平面内の指向性パターンを示している。尚、図５では、接続位置Ｇｘ１＝Ｇｙ１＝０としている。また、図５はｘｙ平面を示しており、図６はｘｚ平面に対応する。

これに対して、図３に示すように、アンテナグランド２に回路グランド１６を接続する。回路グランド１６には、例えば図示しない通信回路が搭載されている。回路グランド１６は矩形状であり、長さがＧｘ程度の短辺と、長さがＧｘよりも長い長辺とを有している。そして、短辺を上辺としてアンテナグランド２の上辺と同じ位置に合わせ、長辺をアンテナグランド２に対向させて回路グランド１６を配置する。アンテナグランド２と回路グランド１６とは、アンテナグランド２の右下隅部で接続されている。この場合、アンテナ装置１３の指向性は、水平から８０°近く立上っており、図４に示す水平面内の指向性パターンも９０°方向に偏りを示している。

これに対して本実施形態では、図１に示すグランド接続構造を採用している。回路グランド１６の下辺側より、接続用延設部１７をアンテナグランド２の下辺に対して平行に延設した後、前記下辺の中央部に接続する。これにより、指向性の水平からの立上り度合いは、図５に示すアンテナ装置１３とほぼ同等となっている。また、図２に示す水平面内の指向性パターンも、図６に示すパターンにより近いものとなった。

次に、図５，図３，図１に示す各構成について、このような指向性の変化が生じる理由について考察する。図７に示すように、第１アンテナ素子３において電流（１）が図示方向に流れている場合、それに伴いアンテナグランド２には、電流（２）及び（３）が流れている。このように、電流（１）と、電流（２）及び（３）とが互いに逆方向となることで両者が打ち消し合う結果、前述のように指向性が水平方向に近付く。

アンテナグランド２に対して回路グランド１６を図３のように接続すると、図８に示すように、回路グランド１６よりアンテナグランド２に流入する電流（４）が発生するが、この電流（４）を打ち消す電流成分が無いため、アンテナ装置１３の指向性を変化させると考えられる。

また、図９に示すように、アンテナグランド２と回路グランド１６とを互いの対向する側辺でベタに接続した場合も、回路グランド１６よりアンテナグランド２に流入する電流（４）及び（５）等が発生すると考えられるが、やはりこれらの電流を打ち消す電流成分が無い。

これに対して、本実施形態の接続構造を採用すると、図１０に示すように、回路グランド１６からの電流（４）が、アンテナグランド２の下辺側から回りこむように流入する。この電流（４）を打ち消す電流成分が無いのは同様であるが、電流（４）がアンテナ装置１３の指向性に及ぼす影響は極めて少ないと考えられる。

以上のように本実施形態によれば、第１アンテナ素子３を第１辺の長さＧｘ及び第２辺の長さＧｙがλ／２以下であるグランド２に接続する位置Ｇｘ１を、第１辺の左端を基準として０≦Ｇｘ１＜Ｇｘ／４とする。また、第２アンテナ素子１４をグランド２に接続する位置Ｇｙ１を、第２辺の上端を基準として０≦Ｇｙ１＜Ｇｙ／４とする。

このように、接続位置Ｇｘ１を第１辺の中央より基準方向にずらすことで、第１アンテナ素子３の水平素子部３ｘに流れる電流を、グランド２に流れる電流により十分に打ち消すことができる。また、接続位置Ｇｙ１を第２辺の中央より基準方向にずらすことで、第２アンテナ素子１４の垂直素子部１４ｘに流れる電流も、グランド２に流れる電流により十分に打ち消すことができる。これらに加えて、第１アンテナ素子３，第２アンテナ素子１４を、互いに直交する位置関係で配置することでアンテナ素子３，１４を分離させ、両者の指向性を直交させて信号を受信する際の多様性を確保できる。

加えて、本実施形態では、アンテナグランド２に対して回路グランド１６を接続する際に、以下の接続構造を採用する。アンテナグランド２の第１辺を上辺とすると、回路グランド１６の短辺を上辺としてそれらが同じ位置となるように揃えて配置し、且つ、アンテナグランド２に長辺側が対向するように回路グランド１６を配置する。そして、回路グランド１６の下辺側より、接続用延設部１７をアンテナグランド２の下辺に対して平行に延設した後、前記下辺の中央部に接続した。これにより、両者の接続部を介して流入又は流出する電流成分が、アンテナ装置１３側の電流分布状態に及ぼす影響が極力小さくなり、第１アンテナ素子３，第２アンテナ素子１４間の分離状態を維持して指向性の変化を抑制できる。
更にまた、図１に示すように、接続位置Ｇｘ１＝Ｇｙ１＝０とすることで、第１アンテナ素子３，第２アンテナ素子１４の指向性を一層直交状態に近づけることができる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
アンテナグランドの形状は正方形に限ることなく、例えば矩形等でも良い。
接続位置Ｇｘ１，Ｇｙ１については、Ｇｘ／２未満であれば良い。
逆Ｆ形状のアンテナ素子に限ることなく、逆Ｌ形状のアンテナ素子に適用しても良い。

図面中、２はアンテナグランド、３は第１逆Ｆアンテナ素子、４は給電点、１３はアンテナ装置、１４は第２逆Ｆアンテナ素子、１６は回路グランド、１７は接続用延設部を示す。

Claims (4)

1. 信号波長をλとすると、第１辺の長さＧｘと、前記第１辺に直交する第２辺の長さＧｙとがそれぞれλ／２以下であるアンテナグランドと、
   前記第１辺に配置されるλ／４長の第１折返しアンテナ素子と、
   前記第２辺に配置されるλ／４長の第２折返しアンテナ素子とを備え、
   前記第１折返しアンテナ素子と前記アンテナグランドとの接続位置Ｇｘ１，前記第２折返しアンテナ素子と前記アンテナグランドとの接続位置Ｇｙ１が、前記第１辺，前記第２辺それぞれにおいて、前記第１，第２折返しアンテナ素子それぞれの折返し素子部が伸びる方向と逆方向にある一端を基準として０≦Ｇｘ１＜Ｇｘ／２，０≦Ｇｙ１＜Ｇｘ／２であるアンテナ装置と、
   短辺と長辺とを有し、前記第１辺又は前記第２辺を上辺とすると、前記短辺を上辺としてそれらが同じ位置に配置され、且つ、前記アンテナグランドに前記長辺側が対向するように配置される矩形状の回路グランドと、
   この回路グランドの下辺側より前記アンテナグランドの下辺に対して平行に延設され、且つ、前記下辺の中央部に接続される接続用延設部とを備えるアンテナ装置のグランド接続構造。
2. 前記接続位置Ｇｘ１，Ｇｙ１が、０≦Ｇｘ１＜Ｇｘ／４，０≦Ｇｙ１＜Ｇｘ／４である請求項１記載のアンテナ装置のグランド接続構造。
3. 前記接続位置Ｇｘ１＝Ｇｙ１＝０である請求項２記載のアンテナ装置のグランド接続構造。
4. 前記アンテナグランドの形状が正方形である請求項１から３の何れか一項に記載のアンテナ装置のグランド接続構造。