JP2021069041A - Antenna device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入力インピーダンスを変更可能なアンテナ装置に関する。 The present invention relates to an antenna device in which the input impedance can be changed.
アンテナのインピーダンス特性は近接する金属等の物体の影響を受けることが知られている(非特許文献1)。アンテナのインピーダンス特性が変動すると、アンテナから所望の特性が得られない場合が発生する。このために、金属板が近接する場合の影響を低減するために、アンテナ形状によってアンテナのインピーダンスをあらかじめ適切に選択する手法が報告されている(非特許文献2)。また、金属板が近接する場合の影響を低減するために、外部に整合回路を設けて、アンテナのインピーダンス特性を調整する手法が報告されている(非特許文献3)。 It is known that the impedance characteristics of an antenna are affected by an object such as a metal in the vicinity (Non-Patent Document 1). If the impedance characteristics of the antenna fluctuate, the desired characteristics may not be obtained from the antenna. Therefore, in order to reduce the influence when the metal plates are close to each other, a method of appropriately selecting the impedance of the antenna according to the shape of the antenna has been reported (Non-Patent Document 2). Further, in order to reduce the influence when the metal plates are close to each other, a method of adjusting the impedance characteristic of the antenna by providing an external matching circuit has been reported (Non-Patent Document 3).
しかし、非特許文献2の方式では、アンテナ形状によってインピーダンスを調整するために、アンテナを作成した後にインピーダンスの調整が行えないという課題があった。また、非特許文献3の方式では、外部にインピーダンスの整合回路を設けるために、部品点数が増加し、コストが増加するという課題があった。そこで、本発明はこのような課題を解決する手段を提供することを目的とする。
However, in the method of Non-Patent
本発明の態様に係るアンテナ装置は、グランドプレーンと、前記グランドプレーンと所定距離、離間して対向して配置され、前記グランドプレーンとの間に給電点を有する第1エレメントと、前記グランドプレーンと前記所定距離、離間して対向して配置され、前記グランドプレーンに接地された第2エレメントと、前記第1エレメントと前記第2エレメントとを接続する折り返し部とを備え、前記第1エレメント、前記第2エレメントおよび前記折り返し部は、U字型折り返しモノポールアンテナを形成し、前記グランドプレーンと前記所定距離、離間して対向して配置され、前記グランドプレーンと第1スイッチ部を介して接続され、前記第2エレメントと空間を隔てて前記第2エレメントに沿って配置され、前記第2エレメントと第2スイッチ部を介して接続された第3エレメントとをさらに有することが好ましい。 The antenna device according to the aspect of the present invention includes a ground plane, a first element which is arranged so as to face the ground plane at a predetermined distance and has a feeding point between the ground plane, and the ground plane. The first element is provided with a second element which is arranged so as to face each other at a predetermined distance and is grounded to the ground plane, and a folded portion for connecting the first element and the second element. The second element and the folded portion form a U-shaped folded monopole antenna, are arranged so as to face each other at a predetermined distance from the ground plane, and are connected to the ground plane via the first switch portion. It is preferable to further have a third element which is arranged along the second element with a space from the second element and is connected to the second element via a second switch portion.
前記アンテナ装置は、前記第1スイッチ部および前記第2スイッチ部がOFF状態の第1のモードと、前記第1スイッチ部および前記第2スイッチ部がON状態の第2のモードとを有し、前記アンテナ装置の共振周波数における前記第2のモードの入力インピーダンスの値が、前記共振周波数における前記第1のモードの入力インピーダンスの値よりも大きくなることが好ましい。 The antenna device has a first mode in which the first switch unit and the second switch unit are in the OFF state, and a second mode in which the first switch unit and the second switch unit are in the ON state. It is preferable that the value of the input impedance of the second mode at the resonance frequency of the antenna device is larger than the value of the input impedance of the first mode at the resonance frequency.
前記アンテナ装置は、前記第1スイッチ部がON状態、および、前記第2スイッチ部がOFF状態の第3のモードをさらに有し、前記第3のモードでは、前記共振周波数を阻止帯域に含み、前記共振周波数とは異なる共振周波数を有することが好ましい。 The antenna device further has a third mode in which the first switch unit is in the ON state and the second switch unit is in the OFF state. In the third mode, the resonance frequency is included in the blocking band. It is preferable to have a resonance frequency different from the resonance frequency.
前記第2エレメントおよび前記第3エレメントの前記グランドプレーンと前記所定距離、離間して対向して配置された部分の長手方向の長さは同一であることが好ましい。 It is preferable that the second element and the third element have the same length in the longitudinal direction as the ground planes and the portions arranged so as to face each other at a predetermined distance.
前記第3エレメントの長手方向に直交する方向の長さを示す前記第3エレメントの幅は、前記第2エレメントの前記長手方向に直交する方向の長さを示す前記第2エレメントの幅に対して同一であるか、共振周波数の変動が1%以内で長いまたは短いことが好ましい。 The width of the third element, which indicates the length in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the third element, is relative to the width of the second element, which indicates the length of the second element in the direction orthogonal to the longitudinal direction. It is preferable that they are the same or that the variation of the resonance frequency is long or short within 1%.
前記第3エレメントの前記長手方向に直交する方向の長さを示す前記第3エレメントの幅は、前記第2エレメントの前記長手方向に直交する方向の長さを示す前記第2エレメントの幅に対して、VSWR値が実用範囲内で変動可能であることが好ましい。 The width of the third element, which indicates the length of the third element in the direction orthogonal to the longitudinal direction, is relative to the width of the second element, which indicates the length of the second element in the direction orthogonal to the longitudinal direction. Therefore, it is preferable that the VSWR value can be varied within a practical range.
前記第2エレメントと前記第3エレメントとの間の離間距離は、前記第1エレメントと前記第2エレメントとの間の離間距離に対して同一であるか、共振周波数の変動が1%以内で長いまたは短いことが好ましい。 The separation distance between the second element and the third element is the same as the separation distance between the first element and the second element, or the fluctuation of the resonance frequency is long within 1%. Or it is preferably short.
前記第2エレメントと前記第3エレメントとの間の離間距離は、前記第1エレメントと前記第2エレメントとの間の離間距離に対して、VSWR値が実用範囲内で変動可能であることが好ましい。 Regarding the separation distance between the second element and the third element, it is preferable that the VSWR value can be changed within a practical range with respect to the separation distance between the first element and the second element. ..
前記グランドプレーンと前記所定距離、離間して対向して配置され、前記第3エレメントと空間を隔てて前記第3エレメントに沿って配置される少なくとも一つ以上のエレメントをさらに含み、前記少なくとも一つ以上のエレメントのそれぞれの端部は前記グランドプレーンとスイッチ部を介して接続され、隣接する前記少なくとも一つ以上のエレメントは前記スイッチ部と接続される前記端部と反対側の他端部で相互に他のスイッチ部によって接続され、前記少なくとも一つ以上のエレメントの前記第3エレメントに隣接するエレメントは、前記スイッチ部と接続される前記端部と反対側の前記他端部で前記第3エレメントと第3スイッチ部によって接続されることが好ましい。 Further including at least one or more elements arranged so as to face the ground plane at a predetermined distance and separated from each other, and arranged along the third element with a space from the third element, and at least one of the above. Each end of the above elements is connected to the ground plane via a switch, and the adjacent at least one or more elements are connected to each other at the other end opposite to the end connected to the switch. The element adjacent to the third element of the at least one element, which is connected to the switch portion by another switch portion, is the third element at the other end portion opposite to the end portion connected to the switch portion. Is preferably connected by a third switch unit.
前記第1スイッチ部および前記第2スイッチ部がON状態の第2のモードの時に、前記第3エレメントと前記少なくとも一つ以上のエレメントが電気的にさらに接続される場合には、前記第3エレメントと接続される前記少なくとも一つ以上のエレメントは前記スイッチ部を介して前記グランドプレーンと接続されることが好ましい。 When the first switch unit and the second switch unit are in the second mode in the ON state, when the third element and at least one or more elements are further electrically connected, the third element It is preferable that at least one or more elements connected to the ground plane are connected to the ground plane via the switch portion.
本発明によれば、アンテナを作成した後にインピーダンスの調整を行うことが可能であって、部品点数およびコストの増加を抑制することが可能なアンテナ装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an antenna device capable of adjusting the impedance after producing the antenna and suppressing an increase in the number of parts and the cost.
以下、本実施形態に係わるアンテナ装置について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる場合がある。 Hereinafter, the antenna device according to the present embodiment will be described in detail. The dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation and may differ from the actual ratios.
図1は、実施形態に係るアンテナ装置200の外観斜視図である。
FIG. 1 is an external perspective view of the
アンテナ装置200は、グランドプレーンGP上に形成された第1エレメントE1と第2エレメントE2を含むU字型折り返しモノポールアンテナ(UFMA:U-shaped Folded Monopole Antenna)と、第3エレメントE3を含む。U字型折り返しモノポールアンテナは、例えば、送受信する電波の1/2波長に近い長さの導体を折り曲げ、2つの1/4波長に近い長さのモノポールアンテナ素子を互いに平行に設けたものである。なお、本実施形態では、第3エレメントE3は、UFMAの短絡素子として機能する場合についても説明する。以下、アンテナ装置の詳細について説明する。なお、図1において、各素子の方向を示すために、X軸、Y軸およびZ軸を示す。
The
図1を参照して、グランドプレーンGP、第1エレメントE1、第2エレメントE2および第3エレメントE3について説明する。 The ground plane GP, the first element E1, the second element E2, and the third element E3 will be described with reference to FIG.
グランドプレーンGPは、図1においてX軸とY軸から構成される平面に平行に設けられる。グランドプレーンGPのX軸方向の長さは0.64λであり、グランドプレーンGPのY軸方向の長さは0.4λである。λはアンテナ装置に入力またはアンテナ装置から出力される電波の自由空間における波長である。グランドプレーンGPの一端部のX軸方向に平行な位置に第1エレメントE1が設けられ、第1エレメントE1と平行に第2エレメントE2および第3エレメントE3が設けられる。なお、第1エレメントE1、第2エレメントE2および第3エレメントE3は厳密に完全に平行な位置関係である必要はなく、所望の特性が得られる位置関係に設置される。なお、給電点は第1エレメントE1とグランドプレーンGPとの間に設けられる。 The ground plane GP is provided parallel to the plane composed of the X-axis and the Y-axis in FIG. The length of the ground plane GP in the X-axis direction is 0.64λ, and the length of the ground plane GP in the Y-axis direction is 0.4λ. λ is the wavelength of radio waves input to or output from the antenna device in free space. The first element E1 is provided at a position parallel to the X-axis direction at one end of the ground plane GP, and the second element E2 and the third element E3 are provided parallel to the first element E1. The first element E1, the second element E2, and the third element E3 do not have to be in a strictly parallel positional relationship, and are installed in a positional relationship in which desired characteristics can be obtained. The feeding point is provided between the first element E1 and the ground plane GP.
また、グランドプレーンGPのX軸方向の長さ、および、Y軸方向の長さは、上述した寸法に限定されるわけではない。すなわち、グランドプレーンGPのX軸方向の長さは、第1エレメントE1、第2エレメントE2および第3エレメントE3のX軸方向の長さよりも長い寸法であることが好ましい。また、グランドプレーンGPのY軸方向の長さは、第1エレメントE1、第2エレメントE2および第3エレメントE3のY軸方向の長さの合計よりも長い寸法であることが好ましい。 Further, the length of the ground plane GP in the X-axis direction and the length in the Y-axis direction are not limited to the above-mentioned dimensions. That is, the length of the ground plane GP in the X-axis direction is preferably longer than the length of the first element E1, the second element E2, and the third element E3 in the X-axis direction. Further, the length of the ground plane GP in the Y-axis direction is preferably longer than the total length of the first element E1, the second element E2, and the third element E3 in the Y-axis direction.
次に、第1エレメントE1、第2エレメントE2および第3エレメントE3の詳細について図2を参照して説明する。 Next, the details of the first element E1, the second element E2, and the third element E3 will be described with reference to FIG.
第1エレメントE1は、グランドプレーンGPと所定距離hだけ離間して対向して配置される第1エレメント本体部E11と、グランドプレーンGPに接地された図示しない給電回路から給電を受ける第1エレメント受電部E12を含む。第1エレメント受電部E12は、グランドプレーンGPに対してZ軸方向に配置され、第1エレメント受電部E12の給電点とは反対側の一端は第1エレメント本体部E11と電気的に接続される。給電回路はグランドプレーンGPを形成する図示しない基板上に形成される場合があるが、給電回路の形成位置はこれに限定されるわけではない。なお、第1エレメント本体部E11および第1エレメント受電部E12のY軸方向の幅をw1とし、第1エレメント本体部E11のX軸方向の長さをl1とし、第1エレメント受電部E12のZ軸方向の長さをhとする。したがって、第1エレメントE1の長さは(l1+h)となる。また、第1エレメント本体部E11と第1エレメント受電部E12とは一体に形成されていてもよい。 The first element E1 receives power from a first element main body E11 arranged so as to face the ground plane GP at a predetermined distance h and a power supply circuit (not shown) grounded to the ground plane GP. Includes part E12. The first element power receiving unit E12 is arranged in the Z-axis direction with respect to the ground plane GP, and one end of the first element power receiving unit E12 on the opposite side to the feeding point is electrically connected to the first element main body unit E11. .. The power supply circuit may be formed on a substrate (not shown) forming the ground plane GP, but the formation position of the power supply circuit is not limited to this. The width of the first element main body E11 and the first element power receiving unit E12 in the Y-axis direction is w1, the length of the first element main body E11 in the X-axis direction is l1, and the Z of the first element power receiving unit E12. Let h be the length in the axial direction. Therefore, the length of the first element E1 is (l1 + h). Further, the first element main body portion E11 and the first element power receiving portion E12 may be integrally formed.
第2エレメントE2は、グランドプレーンGPと所定距離hだけ離間して対向して配置される第2エレメント本体部E21と、グランドプレーンGPと電気的に接続されて接地される第2エレメント接地部E22を含む。第2エレメント接地部E22はグランドプレーンGPに対してZ軸方向に配置され、第2エレメント接地部E22の接地点とは反対側の一端は第2エレメント本体部E21と電気的に接続される。なお、第2エレメント本体部E21および第2エレメント接地部E22のY軸方向の幅をw2とし、第2エレメント本体部E21のX軸方向の長さをl2とし、第2エレメント接地部E22のZ軸方向の長さをhとする。したがって、第2エレメントE2の長さは(l2+h)となる。また、第2エレメント本体部E21と第2エレメント接地部E22とは一体に形成されていてもよい。また、第1エレメントE1と第2エレメントE2との間の離間距離をs1とする。 The second element E2 has a second element main body portion E21 which is arranged so as to face the ground plane GP at a predetermined distance h and a second element grounding portion E22 which is electrically connected to the ground plane GP and is grounded. including. The second element grounding portion E22 is arranged in the Z-axis direction with respect to the ground plane GP, and one end of the second element grounding portion E22 opposite to the grounding point is electrically connected to the second element main body portion E21. The width of the second element main body E21 and the second element grounding portion E22 in the Y-axis direction is w2, the length of the second element main body E21 in the X-axis direction is l2, and the Z of the second element grounding portion E22. Let h be the length in the axial direction. Therefore, the length of the second element E2 is (l2 + h). Further, the second element main body portion E21 and the second element grounding portion E22 may be integrally formed. Further, the separation distance between the first element E1 and the second element E2 is defined as s1.
折り返し部F12は、第1エレメント本体部E11の第1エレメント受電部E12と接続されている一端部とは反対側の他端部の側面と、第2エレメント本体部E21の第2エレメント接地部E22と接続されている一端部とは反対側の他端部の側面とを接続する。すなわち、折り返し部F12は、第1エレメント本体部E11の他端部の側面と、当該側面と対向する第2エレメント本体部E21の他端部の側面とを電気的に接続する。なお、折り返し部F12のY軸方向の長さはs1であり、X軸方向の幅はw12である。折り返し部F12の幅w12は、第1エレメントE1の幅w1および第2エレメントE2の幅w2と同じ寸法である。なお、図1においては、第1エレメントE1の幅w1と、第2エレメントE2の幅w2とは同じ寸法であるが、幅w1と幅w2の寸法を異なる寸法とすることも可能である。この場合には、折り返し部F12の幅w12も幅w1と幅w2との間の寸法で変更可能である。第1エレメントE1と第2エレメントE2とは折り返し部F12によって電気的に接続され、第1エレメントE1、第2エレメントE2および折り返し部F12はU字型折り返しモノポールアンテナFA1に含まれるエレメントを構成する。また、第1エレメントE1、第2エレメントE2および折り返し部F12は一体に形成されていてもよい。 The folded-back portion F12 has a side surface of the other end opposite to one end connected to the first element power receiving portion E12 of the first element main body E11, and a second element grounding portion E22 of the second element main body E21. Connect to the side surface of the other end on the opposite side to the one end connected to. That is, the folded-back portion F12 electrically connects the side surface of the other end portion of the first element main body portion E11 and the side surface of the other end portion of the second element main body portion E21 facing the side surface. The length of the folded portion F12 in the Y-axis direction is s1, and the width in the X-axis direction is w12. The width w12 of the folded-back portion F12 has the same dimensions as the width w1 of the first element E1 and the width w2 of the second element E2. In FIG. 1, the width w1 of the first element E1 and the width w2 of the second element E2 have the same dimensions, but the dimensions of the width w1 and the width w2 can be different. In this case, the width w12 of the folded-back portion F12 can also be changed by the dimension between the width w1 and the width w2. The first element E1 and the second element E2 are electrically connected by a folded-back portion F12, and the first element E1, the second element E2 and the folded-back portion F12 form an element included in the U-shaped folded monopole antenna FA1. .. Further, the first element E1, the second element E2, and the folded-back portion F12 may be integrally formed.
第3エレメントE3は、グランドプレーンGPと所定距離hだけ離間して対向して配置される第3エレメント本体部E31と、グランドプレーンGPと電気的に接続されて接地される第3エレメント接地部E32を含む。第3エレメント接地部E32はグランドプレーンGPに対してZ軸方向に配置される。第3エレメント本体部E31と第3エレメント接地部E32は電気的に接続され、一体に形成されていてもよい。第3エレメント接地部E32はスイッチ部S31がONの場合にはスイッチ部S31を介してグランドプレーンGPに電気的に接続されて接地される。また、第3エレメント接地部E32はスイッチ部S31がOFFの場合にはグランドプレーンGPとは電気的に未接続となり、開放状態になる。 The third element E3 has a third element main body portion E31 arranged so as to face the ground plane GP at a predetermined distance h and a third element grounding portion E32 that is electrically connected to the ground plane GP and grounded. including. The third element grounding portion E32 is arranged in the Z-axis direction with respect to the ground plane GP. The third element main body portion E31 and the third element grounding portion E32 may be electrically connected and integrally formed. When the switch unit S31 is ON, the third element grounding unit E32 is electrically connected to the ground plane GP via the switch unit S31 and grounded. Further, when the switch portion S31 is OFF, the third element grounding portion E32 is electrically disconnected from the ground plane GP and is in an open state.
さらに、第3エレメント本体部E31はスイッチ部S32がONの場合にはスイッチ部S32を介して第2エレメントE2と電気的に接続される。さらに、第3エレメント本体部E31はスイッチ部S32がOFFの場合には第2エレメントE2と電気的に未接続となり、開放状態になる。スイッチ部S31およびスイッチ部S32の一例にはPINダイオードが挙げられるがこれに限定されるわけではない。 Further, the third element main body E31 is electrically connected to the second element E2 via the switch S32 when the switch S32 is ON. Further, when the switch portion S32 is OFF, the third element main body portion E31 is electrically disconnected from the second element E2 and is in an open state. Examples of the switch unit S31 and the switch unit S32 include, but are not limited to, a PIN diode.
第3エレメント接地部E32のZ軸方向の長さとスイッチ部S31のZ軸方向の長さを合わせた長さをhと称する場合がある。 The length obtained by combining the length of the third element grounding portion E32 in the Z-axis direction and the length of the switch portion S31 in the Z-axis direction may be referred to as h.
また、第3エレメントE3のY軸方向の幅をw3とし、第3エレメント本体部E31のX軸方向の長さをl3とし、第2エレメントE2と第3エレメントE3との間の離間距離をs2と称する場合がある。 Further, the width of the third element E3 in the Y-axis direction is w3, the length of the third element main body E31 in the X-axis direction is l3, and the separation distance between the second element E2 and the third element E3 is s2. It may be called.
表1は、第1エレメントE1の幅w1、第2エレメントE2の幅w2、第3エレメントE3の幅w3、第1エレメントE1の長手方向の長さl1、第2エレメントE2の長手方向の長さl2、第3エレメントE3の長手方向の長さl3等の寸法の一例を示す。また、表1には、第1エレメントE1と第2エレメントE2との間の離間距離s1、第2エレメントE2と第3エレメントE3との間の離間距離s2、グランドプレーンGPとの所定距離hの寸法の一例も含まれる。λはアンテナ装置に入力またはアンテナ装置から出力される電波の自由空間の波長であり、本実施形態では電波の周波数を2.4GHzとし、各構成要素の寸法を決定し、インピーダンス等の特性を測定している。 Table 1 shows the width w1 of the first element E1, the width w2 of the second element E2, the width w3 of the third element E3, the length l1 of the first element E1 in the longitudinal direction, and the length of the second element E2 in the longitudinal direction. An example of dimensions such as length l3 in the longitudinal direction of l2 and the third element E3 is shown. Further, in Table 1, the separation distance s1 between the first element E1 and the second element E2, the separation distance s2 between the second element E2 and the third element E3, and the predetermined distance h from the ground plane GP are shown. An example of dimensions is also included. λ is the wavelength of the free space of the radio wave input to the antenna device or output from the antenna device. In this embodiment, the frequency of the radio wave is 2.4 GHz, the dimensions of each component are determined, and the characteristics such as impedance are measured. doing.
U字型折り返しモノポールアンテナFA1の長さ(l1+l2+2h+w12)は1/2波長から若干短い長さ(0.478λ)となる(ただし、w12=0.008λとする)。U字型折り返しモノポールアンテナFA1の長さが1/2波長から若干短い長さとなるのは、アンテナとして機能する部分の太さを考慮しているためである。また、周波数が2.4GHzの場合には、w1、w2、w3、s1およびs2は約1mmであり、hは約3mmであり、l1、l2およびl3は約26.4mmとなる。 The length (l1 + l2 + 2h + w12) of the U-shaped folded monopole antenna FA1 is slightly shorter (0.478λ) from 1/2 wavelength (however, w12 = 0.008λ). The length of the U-shaped folded monopole antenna FA1 is slightly shorter than 1/2 wavelength because the thickness of the portion that functions as the antenna is taken into consideration. When the frequency is 2.4 GHz, w1, w2, w3, s1 and s2 are about 1 mm, h is about 3 mm, and l1, l2 and l3 are about 26.4 mm.
図3は、図2で説明した上記寸法を有するアンテナ装置200を自由空間に配置した場合のシミュレーション結果のスミスチャート(インピーダンス平面)を示したものである。図3において、横軸はアンテナ装置200の入力インピーダンスの実部の値を示し、円周の値はアンテナ装置200の入力インピーダンスの虚部の値を示す。図3の円の上半分の領域は虚部が誘導性である領域を示し、図3の円の下半分の領域は虚部が容量性である領域を示す。図3の実線L1は、第3エレメントE3の両端のスイッチ部S31およびスイッチ部S32がOFF状態で、第1エレメントE1の給電点に印加される周波数を約2.0GHzから約2.8GHzまで変化させた場合の入力インピーダンスの変化を示す。給電点に印加される周波数が約2.4GHzで実線L1は、スミスチャートの横軸と交差し、アンテナ装置が約2.4GHzで共振することを示す。また、実線L1と横軸との交点C1の入力インピーダンスの値は約44.6Ωである。すなわち、第3エレメントE3の両端のスイッチ部S31およびスイッチ部S32がOFF状態の場合には、約2.4GHzで共振し、約2.4GHzにおけるアンテナ装置の入力インピーダンスは約44.6Ωとなる。なお、第3エレメントE3の両端のスイッチ部S31およびスイッチ部S32がOFF状態のモードをモード1と称する場合がある。
FIG. 3 shows a Smith chart (impedance plane) of simulation results when the
実線L1の容量性である領域の末端は周波数が約2.0GHzにおけるポイントを示し、実線L1の誘導性である領域の末端は周波数が約2.8GHzにおけるポイントを示している。 The end of the capacitive region of the solid line L1 shows a point at a frequency of about 2.0 GHz, and the end of the inductive region of the solid line L1 shows a point at a frequency of about 2.8 GHz.
図3の実線L2は、第3エレメントE3の両端のスイッチ部S31およびスイッチ部S32がON状態で、第1エレメントE1の給電点に印加される周波数を約2.0GHzから約2.8GHzまで変化させた場合の入力インピーダンスの変化を示す。給電点に印加される周波数が約2.4GHzで実線L2は、スミスチャートの横軸と交差し、アンテナ装置が約2.4GHzで共振することを示す。また、実線L2と横軸との交点C2の入力インピーダンスの値は約71.4Ωである。すなわち、第3エレメントE3の両端のスイッチ部S31およびスイッチ部S32がON状態の場合には、約2.4GHzで共振し、約2.4GHzにおけるアンテナ装置の入力インピーダンスは約71.4Ωとなる。なお、第3エレメントE3の両端のスイッチ部S31およびスイッチ部S32がON状態のモードをモード2と称する場合がある。
In the solid line L2 of FIG. 3, the frequency applied to the feeding point of the first element E1 is changed from about 2.0 GHz to about 2.8 GHz when the switch portions S31 and the switch portions S32 at both ends of the third element E3 are in the ON state. The change of the input impedance when it is made is shown. The frequency applied to the feeding point is about 2.4 GHz and the solid line L2 intersects the horizontal axis of the Smith chart, indicating that the antenna device resonates at about 2.4 GHz. The value of the input impedance at the intersection C2 between the solid line L2 and the horizontal axis is about 71.4Ω. That is, when the switch portions S31 and the switch portions S32 at both ends of the third element E3 are in the ON state, they resonate at about 2.4 GHz, and the input impedance of the antenna device at about 2.4 GHz is about 71.4 Ω. The mode in which the switch portions S31 and the switch portions S32 at both ends of the third element E3 are in the ON state may be referred to as
実線L2の容量性である領域の末端は周波数が約2.0GHzにおけるポイントを示し、実線L2の誘導性である領域の末端は周波数が約2.8GHzにおけるポイントを示している。 The end of the capacitive region of the solid line L2 shows a point at a frequency of about 2.0 GHz, and the end of the inductive region of the solid line L2 shows a point at a frequency of about 2.8 GHz.
図3の実線L1と、実線L2とは、第3エレメントE3の両端のスイッチ部S31およびスイッチ部S32がともにOFF状態であるか、ON状態であるかによって、共振周波数は変化せずに、共振周波数における入力インピーダンスが変化することを示している。本実施形態では、無給電エレメントである第2エレメントE2に対して平行に、無給電エレメントである第3エレメントE3を接続すると、共振周波数は変化せずに、共振周波数における入力インピーダンスが高インピーダンス化する。グランドプレーンGPに平行にZ軸方向からグランドプレーンGPに導電性の無限地板が接近すると、アンテナ装置の入力インピーダンスは低下する。したがって、無限地板または金属等の導電板がZ軸方向からグランドプレーンGPに接近した場合には、アンテナ装置の第3エレメントE3の両端のスイッチ部S31およびスイッチ部S32をON状態とする。このことで、アンテナ装置の入力インピーダンスが低下することを防ぐことが可能になる。すなわち、アンテナ装置の第3エレメントE3の両端のスイッチをON状態とすることで、アンテナ装置のVSWR(Voltage Standing Wave Ratio)の値が大きくなることを防ぐことが可能になる。この場合に、第3エレメントE3の幅寸法、または、第2エレメントE2と第3エレメントE3間の距離を変化させることで、アンテナ装置の入力インピーダンスを可変にできる態様について以下に詳述する。 The solid line L1 and the solid line L2 in FIG. 3 resonate with each other without changing the resonance frequency depending on whether the switch portions S31 and the switch portions S32 at both ends of the third element E3 are both in the OFF state or the ON state. It shows that the input impedance at the frequency changes. In the present embodiment, when the third element E3, which is a non-feeding element, is connected in parallel with the second element E2, which is a non-feeding element, the resonance frequency does not change and the input impedance at the resonance frequency becomes high impedance. To do. When the conductive infinite ground plate approaches the ground plane GP from the Z-axis direction parallel to the ground plane GP, the input impedance of the antenna device decreases. Therefore, when the infinite ground plate or the conductive plate such as metal approaches the ground plane GP from the Z-axis direction, the switch portions S31 and the switch portions S32 at both ends of the third element E3 of the antenna device are turned on. This makes it possible to prevent the input impedance of the antenna device from decreasing. That is, by turning on the switches at both ends of the third element E3 of the antenna device, it is possible to prevent the value of VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) of the antenna device from becoming large. In this case, the mode in which the input impedance of the antenna device can be changed by changing the width dimension of the third element E3 or the distance between the second element E2 and the third element E3 will be described in detail below.
図4は、第1エレメントE1および第2エレメントE2を含むアンテナ装置において、第3エレメントE3の幅w3を変化させた場合の入力インピーダンスの変化を示すスミスチャートである。なお、第1エレメントE1および第2エレメントE2の寸法は表1の通りであり、第2エレメントE2と第3エレメントE3との離間距離s2は0.008λに固定されている。すなわち、図4の測定における第1エレメントE1および第2エレメントE2の寸法は、図3の測定における第1エレメントE1および第2エレメントE2の寸法と同一である。図4を参照すると、w3=0.002λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数における入力インピーダンスは56.7Ωである。w3=0.004λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数における入力インピーダンスは61.1Ωである。w3=0.016λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数における入力インピーダンスは83.1Ωである。w3=0.024λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数における入力インピーダンスは96.7Ωである。w3=0.032λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数における入力インピーダンスは110Ωである。すなわち、第2エレメントE2の幅w2に対して、第3エレメントE3の幅w3が細い場合および太い場合のいずれの場合にも、共振周波数はほとんど変化しない。したがって、第3エレメントE3の幅w3を変化させることによって、アンテナ装置200の入力インピーダンスを変化させることが可能になる。また、第3エレメントE3の幅w3が細いほど、アンテナ装置200の入力インピーダンスの値が小さくなり、第3エレメントE3の幅w3が太いほど、アンテナ装置200の入力インピーダンスの値が大きくなる。なお、図3においては、第1エレメントE1および第2エレメントE2の幅に対して、第3エレメントE3の幅w3を4分の1から4倍まで変化させても、共振周波数が実質的に変化せずに、入力インピーダンスが大きく変化する。また、図4においては、w3=0.002λにおける共振周波数とw3=0.032λにおける共振周波数との間の変化分は、2.4GHzに対して0.4%以内に収まることが可能になっている。
FIG. 4 is a Smith chart showing a change in input impedance when the width w3 of the third element E3 is changed in an antenna device including the first element E1 and the second element E2. The dimensions of the first element E1 and the second element E2 are as shown in Table 1, and the separation distance s2 between the second element E2 and the third element E3 is fixed at 0.008λ. That is, the dimensions of the first element E1 and the second element E2 in the measurement of FIG. 4 are the same as the dimensions of the first element E1 and the second element E2 in the measurement of FIG. Referring to FIG. 4, the resonance frequency at w3 = 0.002λ is about 2.4 GHz, and the input impedance at the resonance frequency is 56.7 Ω. The resonance frequency at w3 = 0.004λ is about 2.4 GHz, and the input impedance at the resonance frequency is 61.1 Ω. The resonance frequency at w3 = 0.016λ is about 2.4 GHz, and the input impedance at the resonance frequency is 83.1 Ω. The resonance frequency at w3 = 0.024λ is about 2.4 GHz, and the input impedance at the resonance frequency is 96.7 Ω. The resonance frequency at w3 = 0.032λ is about 2.4 GHz, and the input impedance at the resonance frequency is 110 Ω. That is, the resonance frequency hardly changes with respect to the width w2 of the second element E2 in both the case where the width w3 of the third element E3 is narrow and the case where the width w3 is thick. Therefore, it is possible to change the input impedance of the
なお、図4において、各線の容量性である領域の末端は周波数が約2.0GHzにおけるポイントを示し、各線の誘導性である領域の末端は周波数が約2.8GHzにおけるポイントを示している。 In FIG. 4, the end of the capacitive region of each line shows a point at a frequency of about 2.0 GHz, and the end of the inductive region of each line shows a point at a frequency of about 2.8 GHz.
図5は、図4における第1エレメントE1および第2エレメントE2を含むアンテナ装置200において、第3エレメントE3の幅w3を変化させた場合のVSWRの変化を示す図である。なお、第2エレメントE2と第3エレメントE3との離間距離s2は、0.008λに固定されている。VSWR=1において、全電力が無損失でアンテナに入力される。一般的にVSWR=3がアンテナの実用限界といわれている。本実施形態のw3=0.002λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数におけるVSWR値は1.14である。w3=0.004λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数におけるVSWR値は1.22である。w3=0.008λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数におけるVSWR値は1.38である。w3=0.016λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数におけるVSWR値は1.66である。w3=0.024λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数におけるVSWR値は1.94である。w3=0.032λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数におけるVSWR値は2.20である。したがって、w3=0.032λ以下の寸法において、本実施形態のアンテナ装置200は実用的に使用可能であることが示されている。
FIG. 5 is a diagram showing a change in VSWR when the width w3 of the third element E3 is changed in the
図4および図5で示したように、第3エレメントE3の幅w3を変化させた場合に、共振周波数を実質的に変化させずに、アンテナ装置200の入力インピーダンスの実部を調節することが可能になる。また、アンテナ装置200の入力インピーダンスは(第2エレメントE2の幅w2)+(第3エレメントE3の幅w3)+(第2エレメントE2と第3エレメントE3との離間距離s2)によって決定される。したがって、第2エレメントE2の幅w2(=0.008λ)に対して、第3エレメントE3が細い場合および太い場合のいずれの場合にも、共振周波数はほとんど変化せずに、アンテナ装置200の入力インピーダンスを調整することが可能になる。
As shown in FIGS. 4 and 5, when the width w3 of the third element E3 is changed, the actual part of the input impedance of the
図6は、図4および図5における第1エレメントE1および第2エレメントE2を含むアンテナ装置200において、第2エレメントE2と第3エレメントE3との間の離間距離s2を変化させた場合の入力インピーダンスの変化を示すスミスチャートである。第3エレメントE3の幅w3は第2エレメントE2の幅w2と同じ0.008λである。s2=0.004λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数における入力インピーダンスは65.0Ωである。s2=0.008λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数における入力インピーダンスは69.1Ωである。s2=0.012λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数における入力インピーダンスは71.3Ωである。s2=0.016λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数における入力インピーダンスは72.8Ωである。このように、第2エレメントE2と第3エレメントE3との間の離間距離s2が増加すると、入力インピーダンスの実部は微増する。また、図6においては、s2=0.004λにおける共振周波数とs2=0.016λにおける共振周波数との間の変化分は、2.4GHzに対して0.6%以内に収まることが可能になっている。
FIG. 6 shows the input impedance when the separation distance s2 between the second element E2 and the third element E3 is changed in the
なお、図6において、各線の容量性である領域の末端は周波数が約2.0GHzにおけるポイントを示し、各線の誘導性である領域の末端は周波数が約2.8GHzにおけるポイントを示している。 In FIG. 6, the end of the capacitive region of each line shows a point at a frequency of about 2.0 GHz, and the end of the inductive region of each line shows a point at a frequency of about 2.8 GHz.
図7は、図6における第1エレメントE1および第2エレメントE2を含むアンテナ装置200において、第2エレメントE2と第3エレメントE3との間の離間距離s2を変化させた場合のVSWRの変化を示す図である。第3エレメントE3の幅w3は第2エレメントE2の幅w2と同じ0.008λである。上述したように、VSWR=1において、全電力が無損失でアンテナに入力される。一般的にVSWR=3がアンテナの実用限界といわれている。本実施形態のs2=0.004λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数におけるVSWR値は1.30である。s2=0.008λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数におけるVSWR値は1.38である。s2=0.012λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数におけるVSWR値は1.44である。s2=0.016λにおける共振周波数は約2.4GHzであり、共振周波数におけるVSWR値は1.49である。したがって、第2エレメントE2と第3エレメントE3との間の離間距離s2=0.016λ以下の寸法において、本実施形態のアンテナ装置200は実用的に使用可能であることが示されている。
FIG. 7 shows a change in VSWR when the separation distance s2 between the second element E2 and the third element E3 is changed in the
図6および図7で示したように、第2エレメントE2と第3エレメントE3との間の離間距離s2を変化させた場合に、共振周波数を変化させずに、アンテナ装置200の入力インピーダンスの実部を調節することが可能になる。また、アンテナ装置200の入力インピーダンスは(第2エレメントE2の幅w2)+(第3エレメントE3の幅w3)+(第2エレメントE2と第3エレメントE3との離間距離s2)によって決定される。第2エレメントE2と第3エレメントE3との間の離間距離s2=0.016λ以下の寸法において、共振周波数はほとんど変化せずに、アンテナ装置200の入力インピーダンスを調整することが可能になる。
As shown in FIGS. 6 and 7, when the separation distance s2 between the second element E2 and the third element E3 is changed, the actual input impedance of the
図8は、図2における第1エレメントE1、第2エレメントE2および第3エレメントE3に対して、さらに、第4エレメントおよび第5エレメントを追加して、ステップアップ比を増加させた場合のアンテナ装置200の全体構成を示す図である。 FIG. 8 shows an antenna device when a fourth element and a fifth element are further added to the first element E1, the second element E2, and the third element E3 in FIG. 2 to increase the step-up ratio. It is a figure which shows the whole structure of 200.
図9は、図8における第1エレメントE1、第2エレメントE2、第3エレメントE3、第4エレメントおよび第5エレメント部分を拡大したアンテナ装置200の構成を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of an
図9における第4エレメントE4は、グランドプレーンGPと所定距離hだけ離間して対向して配置される第4エレメント本体部E41と、グランドプレーンGPと電気的に接続されて接地される第4エレメント接地部E42を含む。第4エレメント接地部E42はグランドプレーンGPに対してZ軸方向に配置される。第4エレメント本体部E41と第4エレメント接地部E42は電気的に接続され、一体に形成されていてもよい。第4エレメント接地部E42はスイッチ部S41がONの場合にはスイッチ部S41を介してグランドプレーンGPに電気的に接続されて接地される。また、第4エレメント接地部E42はスイッチ部S41がOFFの場合にはグランドプレーンGPとは電気的に未接続となり、開放状態になる。 The fourth element E4 in FIG. 9 has a fourth element main body E41 arranged so as to face the ground plane GP at a predetermined distance h, and a fourth element that is electrically connected to the ground plane GP and grounded. Includes grounding section E42. The fourth element grounding portion E42 is arranged in the Z-axis direction with respect to the ground plane GP. The fourth element main body portion E41 and the fourth element grounding portion E42 may be electrically connected and integrally formed. When the switch unit S41 is ON, the fourth element grounding unit E42 is electrically connected to the ground plane GP via the switch unit S41 and grounded. Further, when the switch portion S41 is OFF, the fourth element grounding portion E42 is electrically disconnected from the ground plane GP and is in an open state.
さらに、第4エレメント本体部E41はスイッチ部S42がONの場合にはスイッチ部S42を介して第3エレメントE3と電気的に接続される。さらに、第4エレメント本体部E41はスイッチ部S42がOFFの場合には第3エレメントE3と電気的に未接続となり、開放状態になる。スイッチ部S41およびスイッチ部S42の一例にはPINダイオードが挙げられるがこれに限定されるわけではない。 Further, the fourth element main body E41 is electrically connected to the third element E3 via the switch S42 when the switch S42 is ON. Further, when the switch portion S42 is OFF, the fourth element main body portion E41 is electrically disconnected from the third element E3 and is in an open state. An example of the switch unit S41 and the switch unit S42 includes, but is not limited to, a PIN diode.
第4エレメント接地部E42のZ軸方向の長さとスイッチ部S41のZ軸方向の長さを合わせた長さをhと称する場合がある。 The length obtained by combining the length of the fourth element grounding portion E42 in the Z-axis direction and the length of the switch portion S41 in the Z-axis direction may be referred to as h.
また、第4エレメントE4のY軸方向の幅をw4とし、第4エレメント本体部E41のX軸方向の長さをl4とし、第3エレメントE3と第4エレメントE4との間の離間距離をs3と称する場合がある。 Further, the width of the fourth element E4 in the Y-axis direction is w4, the length of the fourth element main body E41 in the X-axis direction is l4, and the separation distance between the third element E3 and the fourth element E4 is s3. It may be called.
図9における第5エレメントE5に対しても、第4エレメントE4と同様に以下に説明する。 The fifth element E5 in FIG. 9 will be described below in the same manner as the fourth element E4.
図9における第5エレメントE5は、グランドプレーンGPと所定距離hだけ離間して対向して配置される第5エレメント本体部E51と、グランドプレーンGPと電気的に接続されて接地される第5エレメント接地部E52を含む。第5エレメント接地部E52はグランドプレーンGPに対してZ軸方向に配置される。第5エレメント本体部E51と第5エレメント接地部E52は電気的に接続され、一体に形成されていてもよい。第5エレメント接地部E52はスイッチ部S51がONの場合にはスイッチ部S51を介してグランドプレーンGPに電気的に接続されて接地される。また、第5エレメント接地部E52はスイッチ部S51がOFFの場合にはグランドプレーンGPとは電気的に未接続となり、開放状態になる。 The fifth element E5 in FIG. 9 is a fifth element main body E51 that is arranged so as to face the ground plane GP at a predetermined distance h, and a fifth element that is electrically connected to the ground plane GP and grounded. Includes grounding section E52. The fifth element grounding portion E52 is arranged in the Z-axis direction with respect to the ground plane GP. The fifth element main body portion E51 and the fifth element grounding portion E52 may be electrically connected and integrally formed. When the switch unit S51 is ON, the fifth element grounding unit E52 is electrically connected to the ground plane GP via the switch unit S51 and grounded. Further, when the switch portion S51 is OFF, the fifth element grounding portion E52 is electrically disconnected from the ground plane GP and is in an open state.
さらに、第5エレメント本体部E51はスイッチ部S52がONの場合にはスイッチ部S52を介して第4エレメントE4と電気的に接続される。さらに、第5エレメント本体部E51はスイッチ部S52がOFFの場合には第4エレメントE4と電気的に未接続となり、開放状態になる。スイッチ部S51およびスイッチ部S52の一例にはPINダイオードが挙げられるがこれに限定されるわけではない。 Further, the fifth element main body E51 is electrically connected to the fourth element E4 via the switch S52 when the switch S52 is ON. Further, the fifth element main body E51 is electrically disconnected from the fourth element E4 when the switch S52 is OFF, and is in an open state. An example of the switch unit S51 and the switch unit S52 includes, but is not limited to, a PIN diode.
第5エレメント接地部E52のZ軸方向の長さとスイッチ部S51のZ軸方向の長さを合わせた長さをhと称する場合がある。 The length obtained by combining the length of the fifth element grounding portion E52 in the Z-axis direction and the length of the switch portion S51 in the Z-axis direction may be referred to as h.
また、第5エレメントE5のY軸方向の幅をw5とし、第5エレメント本体部E51のX軸方向の長さをl5とし、第4エレメントE4と第5エレメントE5との間の離間距離をs4と称する場合がある。 Further, the width of the fifth element E5 in the Y-axis direction is w5, the length of the fifth element main body E51 in the X-axis direction is l5, and the separation distance between the fourth element E4 and the fifth element E5 is s4. It may be called.
本実施形態では、第1エレメントE1、第2エレメントE2、第3エレメントE3、第4エレメントE4、および、第5エレメントE5の長さと幅は同一であり、グランドプレーンGPからの距離も同一である。また、第1エレメントE1と第2エレメントE2との間、第2エレメントE2と第3エレメントE3との間、第3エレメントE3と第4エレメントE4との間、第4エレメントE4と第5エレメントE5との間の離間距離も同一である。すなわち、l1、l2、l3、l4およびl5は0.211λであり、w1、w2、w3、w4およびw5は0.008λであり、s1、s2、s3およびs3は0.008λであり、hは0.024λである。 In the present embodiment, the length and width of the first element E1, the second element E2, the third element E3, the fourth element E4, and the fifth element E5 are the same, and the distance from the ground plane GP is also the same. .. Further, between the first element E1 and the second element E2, between the second element E2 and the third element E3, between the third element E3 and the fourth element E4, the fourth element E4 and the fifth element E5. The distance between and is the same. That is, l1, l2, l3, l4 and l5 are 0.211λ, w1, w2, w3, w4 and w5 are 0.008λ, s1, s2, s3 and s3 are 0.008λ and h is. It is 0.024λ.
図10は、図8および図9に示される上記寸法を有するアンテナ装置200を自由空間に配置した場合のシミュレーション結果のスミスチャート(インピーダンス平面)を示したものである。図10において、横軸はアンテナ装置200の入力インピーダンスの実部の値を示し、円周の値はアンテナ装置200の入力インピーダンスの虚部の値を示す。図10の円の上半分の領域は虚部が誘導性である領域を示し、図10の円の下半分の領域は虚部が容量性である領域を示す。図10の追加素子接続無で示される実線は、第3エレメントE3、第4エレメントE4、および、第5エレメントE5が開放状態におけるアンテナ装置200のインピーダンス特性を示す。すなわち、追加素子接続無は、第3エレメントE3の両端のスイッチがOFF状態、第4エレメントE4の両端のスイッチがOFF状態および第5エレメントE5の両端のスイッチがOFF状態である場合のアンテナ装置200のインピーダンス特性である。第3エレメントE3の両端のスイッチがOFF状態とはスイッチ部S31およびスイッチ部S32がOFF状態であることを示す。また、第4エレメントE4の両端のスイッチがOFF状態とはスイッチ部S41およびスイッチ部S42がOFF状態であることを示す。さらに、第5エレメントE5の両端のスイッチがOFF状態とはスイッチ部S51およびスイッチ部S52がOFF状態であることを示す。
FIG. 10 shows a Smith chart (impedance plane) of simulation results when the
このような状態において、図10の追加素子接続無で示される実線は、第1エレメントE1の給電点に印加される周波数を約2.0GHzから約2.8GHzまで変化させた場合の入力インピーダンスの変化を示す。給電点に印加される周波数が約2.4GHzで追加素子接続無で示される実線は、スミスチャートの横軸と交差し、アンテナ装置200が約2.4GHzで共振することを示す。また、追加素子接続無で示される実線と横軸との交差点の入力インピーダンスの値は約44.5Ωである。すなわち、第3エレメントE3、第4エレメントE4および第5エレメントE5の両端のスイッチがOFF状態の場合には、約2.4GHzで共振し、約2.4GHzにおけるアンテナ装置200の入力インピーダンスは約44.5Ωとなる。したがって、図3と比較すると、未接続の第4エレメントE4および第5エレメントE5が存在する場合と存在しない場合における入力インピーダンスの差異は実用上ほとんどないことが分かる。
In such a state, the solid line shown without the additional element connection in FIG. 10 shows the input impedance when the frequency applied to the feeding point of the first element E1 is changed from about 2.0 GHz to about 2.8 GHz. Show change. The frequency applied to the feeding point is about 2.4 GHz and the solid line shown without additional element connection intersects the horizontal axis of the Smith chart, indicating that the
図10のE3で示される実線は、第3エレメントE3の両端のスイッチ部S31およびスイッチ部S32がON状態で、第1エレメントE1の給電点に印加される周波数を約2.0GHzから約2.8GHzまで変化させた場合の入力インピーダンスの変化を示す。なお、E3で示される実線は、第4エレメントE4、および、第5エレメントE5は開放状態である。給電点に印加される周波数が約2.4GHzでE3で示される実線は、スミスチャートの横軸と交差し、アンテナ装置200が約2.4GHzで共振することを示す。また、E3で示される実線と横軸との交点の入力インピーダンスの値は約71.1Ωである。すなわち、第3エレメントE3の両端のスイッチがON状態であり、第4エレメントE4および第5エレメントE5が開放状態である場合には、約2.4GHzで共振し、約2.4GHzにおけるアンテナ装置200の入力インピーダンスは約71.1Ωとなる。
The solid line shown by E3 in FIG. 10 shows the frequency applied to the feeding point of the first element E1 from about 2.0 GHz to about 2. The change in the input impedance when changed to 8 GHz is shown. The solid line indicated by E3 indicates that the fourth element E4 and the fifth element E5 are in the open state. The solid line indicated by E3 at a frequency applied to the feeding point of about 2.4 GHz indicates that the
図10のE3+E4で示される実線は、第3エレメントE3および第4エレメントE4の両端のスイッチがON状態で、第1エレメントE1の給電点に印加される周波数を約2.0GHzから約2.8GHzまで変化させた場合の入力インピーダンスの変化を示す。なお、E3+E4で示される実線は、第5エレメントE5は開放状態である。給電点に印加される周波数が約2.4GHzでE3+E4で示される実線は、スミスチャートの横軸と交差し、アンテナ装置200が約2.4GHzで共振することを示す。また、E3+E4で示される実線と横軸との交点の入力インピーダンスの値は約96.4Ωである。すなわち、第3エレメントE3および第4エレメントE4の両端のスイッチがON状態であり、第5エレメントE5が開放状態である場合には、約2.4GHzで共振し、約2.4GHzにおけるアンテナ装置200の入力インピーダンスは約96.4Ωとなる。
The solid line shown by E3 + E4 in FIG. 10 shows the frequency applied to the feeding point of the first element E1 from about 2.0 GHz to about 2.8 GHz with the switches at both ends of the third element E3 and the fourth element E4 turned on. The change in input impedance when changed to is shown. In the solid line indicated by E3 + E4, the fifth element E5 is in the open state. The frequency applied to the feeding point is about 2.4 GHz and the solid line indicated by E3 + E4 intersects the horizontal axis of the Smith chart, indicating that the
図10のE3+E4+E5で示される実線は、第3エレメントE3、第4エレメントE4および第5エレメントE5の両端のスイッチがON状態である。そして、E3+E4+E5で示される実線は、第1エレメントE1の給電点に印加される周波数を約2.0GHzから約2.8GHzまで変化させた場合の入力インピーダンスの変化を示す。給電点に印加される周波数が約2.4GHzでE3+E4+E5で示される実線は、スミスチャートの横軸と交差し、アンテナ装置200が約2.4GHzで共振することを示す。また、E3+E4+E5で示される実線はと横軸との交点の入力インピーダンスの値は約122Ωである。すなわち、第3エレメントE3、第4エレメントE4および第5エレメントE5の両端のスイッチがON状態の場合には、約2.4GHzで共振し、約2.4GHzにおけるアンテナ装置200の入力インピーダンスは約122Ωとなる。
The solid line indicated by E3 + E4 + E5 in FIG. 10 indicates that the switches at both ends of the third element E3, the fourth element E4, and the fifth element E5 are in the ON state. The solid line indicated by E3 + E4 + E5 indicates the change in input impedance when the frequency applied to the feeding point of the first element E1 is changed from about 2.0 GHz to about 2.8 GHz. The frequency applied to the feeding point is about 2.4 GHz and the solid line indicated by E3 + E4 + E5 intersects the horizontal axis of the Smith chart, indicating that the
以上説明したように、第1エレメントE1および第2エレメントE2を含むFMAの短絡素子の合計幅を可変とすることによって、入力インピーダンスの値を制御することが可能になる。特に、短絡素子の合計幅を増やすと、入力インピーダンスの値が増えることから、アンテナ装置200に金属板が近づいた場合に、アンテナ装置200の入力インピーダンスを適切に制御することが可能になる。すなわち、無給電素子である第2エレメントE2に接続される追加素子の本数を増加させることによって、アンテナ装置200の入力インピーダンスの変化量を拡大することが可能になる。
As described above, the value of the input impedance can be controlled by making the total width of the short-circuit elements of the FMA including the first element E1 and the second element E2 variable. In particular, when the total width of the short-circuit elements is increased, the value of the input impedance increases, so that the input impedance of the
図11は、図10における第1エレメントE1、第2エレメントE2、第3エレメントE3、第4エレメントE4および第5エレメントE5を含むアンテナ装置200の給電点に印加される周波数の変化に対するVSWRの変化を示す図である。
FIG. 11 shows a change in VSWR with respect to a change in frequency applied to the feeding point of the
図11の横軸は給電点に印加される周波数の変化を示し、図11の縦軸はVSWRの変化を示す。図11の追加素子接続無で示される実線は図10の追加素子接続無で示される実線の構成に対応する。すなわち、図11の追加素子接続無で示される実線は、第3エレメントE3、第4エレメントE4、および、第5エレメントE5が開放状態であるアンテナ装置200のVSWR特性を示す。また、図11のE3で示される実線は図10のE3で示される実線の構成に対応する。すなわち、図11のE3で示される実線は、第3エレメントE3の両端のスイッチ部S31およびスイッチ部S32がON状態で、第4エレメントE4、および、第5エレメントE5は開放状態であるVSWR特性を示す。さらに、図11のE3+E4で示される実線は図10のE3+E4で示される実線の構成に対応する。すなわち、図11のE3+E4で示される実線は、第3エレメントE3および第4エレメントE4の両端のスイッチがON状態の場合であって、第5エレメントE5が開放状態であるVSWR特性を示す。さらに、図11のE3+E4+E5で示される実線は図10のE3+E4+E5で示される実線の構成に対応する。すなわち、図11のE3+E4+E5で示される実線は、第3エレメントE3、第4エレメントE4および第5エレメントE5の両端のスイッチがON状態の場合のVSWR特性を示す。
The horizontal axis of FIG. 11 shows the change in the frequency applied to the feeding point, and the vertical axis of FIG. 11 shows the change in VSWR. The solid line shown without the additional element connection in FIG. 11 corresponds to the configuration of the solid line shown without the additional element connection in FIG. That is, the solid line shown without the additional element connection in FIG. 11 shows the VSWR characteristics of the
図11のE3+E4+E5で示される実線の場合のVSWRの値は、E3およびE3+E4で示される実線の場合のVSWRの値に比べて大きくなる。しかし、アンテナ装置200の共振周波数である2.4GHzにおいて、E3+E4+E5で示される実線のVSWRの値は3以下であり、実用上問題がないことが示されている。
The value of VSWR in the case of the solid line indicated by E3 + E4 + E5 in FIG. 11 is larger than the value of VSWR in the case of the solid line indicated by E3 and E3 + E4. However, at 2.4 GHz, which is the resonance frequency of the
以上のように、VSWR特性の結果からは本実施形態による共振周波数への影響はほとんど発生せず、入力インピーダンスの制御が可能であることが示される。 As described above, the results of the VSWR characteristics indicate that the input impedance can be controlled with almost no influence on the resonance frequency according to the present embodiment.
以下に、本実施形態のアンテナ装置200の特徴について記載する。
The features of the
本発明の第1の態様に係るアンテナ装置200は、グランドプレーンGPと、グランドプレーンGPと所定距離、離間して対向して配置され、グランドプレーンGPとの間に給電点SPを有する第1エレメントE1とを含む。また、アンテナ装置200は、グランドプレーンGPと所定距離、離間して対向して配置され、グランドプレーンGPに接地された第2エレメントE2と、第1エレメントE1と第2エレメントE2とを接続する折り返し部F12とを含む。第1エレメントE1、第2エレメントE2および折り返し部F12は、U字型折り返しモノポールアンテナを形成する。さらに、アンテナ装置200は、第3エレメントE3を含む。第3エレメントE3は、グランドプレーンGPと所定距離、離間して対向して配置され、グランドプレーンGPとスイッチ部S31を介して接続される。また、第3エレメントE3は、第2エレメントE2と空間を隔てて第2エレメントE2に沿って配置され、第2エレメントE2とスイッチ部S32を介して接続される。なお、スイッチ部S31を第1スイッチ部、スイッチ部S32を第2スイッチ部と称する場合がある。
The
上記構成によれば、アンテナを作成した後にインピーダンスの調整を行うことが可能であって、部品点数およびコストの増加を抑制することが可能なアンテナ装置を提供することができる。 According to the above configuration, it is possible to provide an antenna device capable of adjusting the impedance after producing the antenna and suppressing an increase in the number of parts and the cost.
本発明の第2の態様に係るアンテナ装置200は、スイッチ部S31およびスイッチ部S32がOFF状態の第1のモードと、スイッチ部S31およびスイッチ部S32がON状態の第2のモードとを含む。アンテナ装置200の共振周波数における第2のモードの入力インピーダンスの値は、共振周波数における第1のモードの入力インピーダンスの値よりも大きくなる。
The
上記構成によれば、U字型折り返しモノポールアンテナの入力インピーダンスを基準として、第3エレメントE3を無給電素子である第2エレメントE2に沿って接続することで、実用上、共振周波数の変動が無い状態で、入力インピーダンスを増加可能である。したがって、アンテナ装置200に金属板が接近した場合に、アンテナ装置200を第2のモードとすることで、アンテナ装置200の入力インピーダンスを制御することが可能になる。
According to the above configuration, by connecting the third element E3 along the second element E2, which is a non-feeding element, with reference to the input impedance of the U-shaped folded monopole antenna, the resonance frequency fluctuates practically. The input impedance can be increased without it. Therefore, when the metal plate approaches the
本発明の第3の態様に係るアンテナ装置200は、スイッチ部S31がON状態、および、スイッチ部S32がOFF状態の第3のモードをさらに含む。第3のモードでは、共振周波数を阻止帯域に含み、共振周波数とは異なる共振周波数を有する。
The
本発明の第4の態様に係るアンテナ装置200は、第2エレメントE2および第3エレメントE3のグランドプレーンGPと所定距離、離間して対向して配置された部分の長手方向の長さは同一であることが好ましい。
The
上記構成によれば、第3エレメントE3がU字型折り返しモノポールアンテナの短絡素子として動作し、等価的に短絡素子幅が増加することによって、入力インピーダンスを増加させることが可能になる。 According to the above configuration, the third element E3 operates as a short-circuit element of the U-shaped folded monopole antenna, and the short-circuit element width is equivalently increased, so that the input impedance can be increased.
本発明の第5の態様に係るアンテナ装置200は、第3エレメントE3の長手方向に直交する方向の長さを示す第3エレメントE3の幅が、第2エレメントE2の長手方向に直交する方向の長さを示す第2エレメントE2の幅に対して同一であることが好ましい。または、共振周波数の変動が1%以内で第3エレメントE3の幅が第2エレメントE2の幅に対して長いまたは短いことが好ましい。
In the
上記構成によれば、第3エレメントE3の幅は第2エレメントE2の幅と同一である場合だけではなく、第2エレメントE2の幅よりも広くとも、狭くとも、共振周波数の変動が実用において問題無い範囲で入力インピーダンスを調整することが可能になる。一例としては、第3エレメントE3の幅は第2エレメントE2の幅の4倍から1/4倍を超える範囲に調整可能である。 According to the above configuration, not only when the width of the third element E3 is the same as the width of the second element E2, but also whether it is wider or narrower than the width of the second element E2, the fluctuation of the resonance frequency is a problem in practical use. It is possible to adjust the input impedance within a range that does not exist. As an example, the width of the third element E3 can be adjusted in the range of 4 times to more than 1/4 times the width of the second element E2.
本発明の第6の態様に係るアンテナ装置200は、第3エレメントE3の幅は、第2エレメントE2の幅に対して、VSWR値が実用範囲内で変動可能であることが好ましい。
In the
上記構成によれば、第3エレメントE3の幅は第2エレメントE2の幅と同一である場合だけではなく、第2エレメントE2の幅よりも広くとも、狭くとも、共振周波数の変動およびVSWR値の変動が実用において問題無い範囲で調整することが可能になる。一例としては、第3エレメントE3の幅は第2エレメントE2の幅の4倍から1/4倍を超える範囲に調整可能である。上記調整可能な範囲で入力インピーダンスを変更することが可能である。 According to the above configuration, not only when the width of the third element E3 is the same as the width of the second element E2, but also whether it is wider or narrower than the width of the second element E2, the fluctuation of the resonance frequency and the VSWR value It is possible to adjust the fluctuation within a range where there is no problem in practical use. As an example, the width of the third element E3 can be adjusted in the range of 4 times to more than 1/4 times the width of the second element E2. The input impedance can be changed within the adjustable range.
本発明の第7の態様に係るアンテナ装置200は、第2エレメントE2と第3エレメントE3との間の離間距離は、第1エレメントE1と第2エレメントE2との間の離間距離に対して同一であるか、共振周波数の変動が1%以内で長いまたは短いことが好ましい。
In the
上記構成によれば、第2エレメントE2と第3エレメントE3との間の離間距離は第1エレメントE1と第2エレメントE2との間の離間距離と同一から広くとも狭くとも、共振周波数の変動が実用において問題無い範囲で調整することが可能になる。一例としては、第2エレメントE2と第3エレメントE3との間の離間距離は第1エレメントE1と第2エレメントE2との間の離間距離の2倍から1/2倍を超える範囲に調整可能である。上記調整可能な範囲で入力インピーダンスを変更することが可能である。 According to the above configuration, the separation distance between the second element E2 and the third element E3 is the same as the separation distance between the first element E1 and the second element E2, and the resonance frequency fluctuates regardless of whether it is wide or narrow. It is possible to make adjustments within a range that does not cause any problems in practical use. As an example, the separation distance between the second element E2 and the third element E3 can be adjusted in the range of 2 to more than 1/2 times the separation distance between the 1st element E1 and the 2nd element E2. is there. The input impedance can be changed within the adjustable range.
本発明の第8の態様に係るアンテナ装置200は、第2エレメントE2と第3エレメントE3との間の離間距離は、第1エレメントE1と第2エレメントE2との間の離間距離に対して、VSWR値が実用範囲内で変動可能であることが好ましい。
In the
上記構成によれば、第2エレメントE2と第3エレメントE3との間の離間距離は共振周波数の変動およびVSWR値の変動が実用において問題無い範囲で調整することが可能になる。すなわち、第2エレメントE2と第3エレメントE3との間の離間距離は第1エレメントE1と第2エレメントE2との間の離間距離と同一である場合だけではなく、第2エレメントE2の幅よりも広く、または、狭く調整することが可能になる。一例としては、第2エレメントE2と第3エレメントE3との間の離間距離は第1エレメントE1と第2エレメントE2との間の離間距離の2倍から1/2倍を超える範囲に調整可能である。上記調整可能な範囲で入力インピーダンスを変更することが可能である。 According to the above configuration, the separation distance between the second element E2 and the third element E3 can be adjusted within a range in which fluctuations in the resonance frequency and fluctuations in the VSWR value are not problematic in practical use. That is, not only when the separation distance between the second element E2 and the third element E3 is the same as the separation distance between the first element E1 and the second element E2, but also when it is larger than the width of the second element E2. It can be adjusted widely or narrowly. As an example, the separation distance between the second element E2 and the third element E3 can be adjusted in the range of 2 to more than 1/2 times the separation distance between the 1st element E1 and the 2nd element E2. is there. The input impedance can be changed within the adjustable range.
本発明の第9の態様に係るアンテナ装置200は、グランドプレーンGPと所定距離、離間して対向して配置され、第3エレメントE3と空間を隔てて第3エレメントE3に沿って配置される少なくとも一つ以上のエレメントをさらに含む。少なくとも一つ以上のエレメントのそれぞれの端部はグランドプレーンGPとスイッチ部S41、S51を介して接続される。隣接する少なくとも一つ以上のエレメントはスイッチ部S41、S51と接続される端部と反対側の他端部で相互に他のスイッチ部S52によって接続される。少なくとも一つ以上のエレメントの第3エレメントE3に隣接するエレメントは、スイッチ部S41、S51と接続される端部と反対側の他端部で第3エレメントE3とスイッチ部S42によって接続される。なお、スイッチ部S42を第3スイッチ部と称する場合がある。
The
上記構成によれば、追加素子の本数を増加させることによって、アンテナ装置200の入力インピーダンスの変化量を拡大することが可能になる。
According to the above configuration, it is possible to increase the amount of change in the input impedance of the
本発明の第10の態様に係るアンテナ装置200は、第2のモード時に、第3エレメントE3と少なくとも一つ以上のエレメントが電気的にさらに接続される場合がある。この場合には、第3エレメントE3と接続される少なくとも一つ以上のエレメントはスイッチ部S41、S51を介してグランドプレーンと接続される。
In the
上記構成によれば、無給電素子である第2エレメントE2に接続される追加素子の本数を増加させることによって、アンテナ装置200の入力インピーダンスの変化量を拡大することが可能になる。
According to the above configuration, it is possible to increase the amount of change in the input impedance of the
実施形態につき、図面を参照しつつ詳細に説明したが、以上の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、上記に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、上記に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。 Although the embodiments have been described in detail with reference to the drawings, the present invention is not limited to the contents described in the above embodiments. In addition, the components described above include those that can be easily assumed by those skilled in the art and those that are substantially the same. Further, the configurations described above can be combined as appropriate. In addition, various omissions, substitutions or changes of the configuration can be made without departing from the gist of the present invention.
E1 第1エレメント
E2 第2エレメント
E3 第3エレメント
E4 第4エレメント
E5 第5エレメント
F12 折り返し部
GP グランドプレーン
SP 給電点
S31、S32、S41、S42、S51、S52 スイッチ部
200 アンテナ装置
E1 1st element E2 2nd element E3 3rd element E4 4th element E5 5th element F12 Folded part GP ground plane SP Feeding point S31, S32, S41, S42, S51,
Claims (10)
前記グランドプレーンと所定距離、離間して対向して配置され、前記グランドプレーンとの間に給電点を有する第1エレメントと、
前記グランドプレーンと前記所定距離、離間して対向して配置され、前記グランドプレーンに接地された第2エレメントと、
前記第1エレメントと前記第2エレメントとを接続する折り返し部とを備え、前記第1エレメント、前記第2エレメントおよび前記折り返し部は、U字型折り返しモノポールアンテナを形成し、
前記グランドプレーンと前記所定距離、離間して対向して配置され、前記グランドプレーンと第1スイッチ部を介して接続され、前記第2エレメントと空間を隔てて前記第2エレメントに沿って配置され、前記第2エレメントと第2スイッチ部を介して接続された第3エレメントとをさらに有するアンテナ装置。 With the ground plane
A first element which is arranged so as to face the ground plane at a predetermined distance and has a feeding point between the ground plane and the ground plane.
A second element, which is arranged so as to face the ground plane at a predetermined distance and is grounded to the ground plane,
A folded portion for connecting the first element and the second element is provided, and the first element, the second element, and the folded portion form a U-shaped folded monopole antenna.
It is arranged so as to face the ground plane at a predetermined distance and separated from each other, connected to the ground plane via the first switch portion, and arranged along the second element with a space from the second element. An antenna device further comprising the second element and a third element connected via a second switch portion.
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