JP2021145224A

JP2021145224A - 板状アンテナ

Info

Publication number: JP2021145224A
Application number: JP2020042245A
Authority: JP
Inventors: 健二安住; Kenji Azumi; 正雄小島; Masao Kojima
Original assignee: Nippon Antenna Co Ltd
Current assignee: Nippon Antenna Co Ltd
Priority date: 2020-03-11
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2021-09-24
Anticipated expiration: 2040-03-11
Also published as: JP7455469B2; CN113394552A

Abstract

【課題】小型化した板状アンテナにおいて所望の半値角を得る。【解決手段】設計周波数の波長をλとした際に、１辺の長さが０．５λ以下とすることができるアース素子１１上に所定間隔でアース素子１１より小さい励振素子１０が配置され、アース素子の下にアース素子１１より小さい無給電素子１３が配置されている。これにより、設計周波数の波長をλとした際に、０．５λ以下と小型化した板状アンテナにおいて所望の半値角を得ることができる。【選択図】図３

Description

本発明は、小型化した板状アンテナにおいて所望の半値角を得ることができる板状アンテナに関する。

ＤＳＲＣ（Dedicated Short Range Communication）といわれる狭域通信システムが知られている。ＤＳＲＣは、電波の到達距離が数メートルないし数十メートルの無線通信システムのことで、ＥＴＣ（Electronic Toll Collection Systems：自動料金収受システム)やＩＴＳ（Intelligent Transport Systems：高度道路交通システム）に用いられている。ＥＴＣは、自動車が高速道路などの料金所を通過する際、ゲートに設置されたアンテナと車両に搭載した車載機との間で通信を行い、自動的に料金の支払いを行うシステムである。ＥＴＣを採用すると、料金所において停止する必要がなくなることから、自動車がゲートを通過する所要時間が大幅に短縮される。このため、料金所付近の交通渋滞を緩和することができると共に、排出ガスを低減することができる。

また、ＩＴＳは、カー・ナビゲーション・システム（以下、「カーナビ」という）など自動車をインテリジェント化するシステムと、広域交通管制システムなど道路をインテリジェント化するシステムを融合させた交通システムである。例えば、カーナビにはＶＩＣＳ（登録商標）（Vehicle Information and Communication System：道路交通情報通信システム）との連携が可能とされたシステムがある。このような場合にＩＴＳを用いて、警察が収集した一般路の情報と首都高速道路公団・日本道路公団などが収集した高速道路の情報とをＶＩＣＳ（登録商標）センターが編集して発信する。そして、この情報をカーナビが受信すると渋滞を迂回するルート等を検索してモニターに表示することができるようになる。

ＤＳＲＣやＥＴＣのアンテナとしては、一般に、板状アンテナが用いられている。従来の板状アンテナ１００の構成を図８ないし図１０に示す。図８は従来の板状アンテナ１００の構成を示す平面図であり、図９は従来の板状アンテナ１００の構成を示す下面図であり、図１０は従来の板状アンテナ１００の構成を示す側面図である。
これらの図に示す従来の板状アンテナ１００は、正方形状とされた金属製のアース素子１１１上にスペーサ１１４を介して正方形状とされた金属製の励振素子１１０が所定間隔になるように配置されている。励振素子１１０には、左下と右上に縮退分離素子が設けられており、縮退分離素子は直角三角形状のＣカットで構成されている。励振素子１１０には給電ケーブル１１２から給電されている。この場合、給電ピン１１０ａが励振素子１１０の所定位置に設けられており、給電ピン１１０ａは、絶縁性のスペーサ１１４内に挿通されて、アース素子１１１の裏面において給電ケーブル１１２の中心導体にハンダ付け等により接続されている。また、給電ケーブル１１２のシールド導体はアース素子１１１の裏面にハンダ付け等により接続されて、板状アンテナ１００は給電ケーブル１１２により給電されるようになる。すなわち、給電ケーブル１１２の一端に接続された通信機器からの送信信号は板状アンテナ１００に給電されて右旋円偏波が放射され、板状アンテナ１００で受信された右旋円偏波の受信信号は給電ケーブル１１２を伝播して通信機器に供給されるようになる。

板状アンテナ１００が、５．８ＧＨｚ帯を利用したＥＴＣ用のアンテナとされた場合の寸法例を挙げると、図８に示す同じ寸法とされる励振素子１１０の横幅と縦幅の長さＷ２２は約２１ｍｍとされ、図８に示す同じ寸法とされるアース素子１１１の横幅と縦幅の長さＷ２１は約２６ｍｍとされ、図９に示す励振素子１１０とアース素子１１１との間隔であるスペーサ１１４の長さＤ２１は約３ｍｍとされる。ここで、５．８ＧＨｚの自由空間波長をλとすると、Ｗ２１は約０．５λとなり、Ｗ２２は約０．４１λとなる。このような寸法とされた場合の周波数５．８ＧＨｚにおける方位角に対する放射強度特性を図１１のグラフに示す。図１１を参照すると、放射強度のピーク値は＋７．４ｄＢとされその方位角は＋２．８０°が得られており、放射強度が３ｄＢ低下する方位角範囲である半値角は７１．３２°が得られている。

次に、従来の板状アンテナ１００において、アース素子１１１の横幅と縦幅の長さＷ２１を変えた際の半値角の変化について示す。
アース素子１１１の長さＷ２１を除いて上記した寸法とされた際の従来の板状アンテナ１００において、周波数５．８ＧＨｚにおけるアース素子１１１の長さＷ２１に対する半値角の特性を図１２に示す。図１２ではアース素子１１１の長さＷ２１を２０ｍｍ〜５０ｍｍまで変えたときの半値角特性を示しており、図１２を参照すると、長さＷ２１を２０ｍｍから５０ｍｍまで長くするにつれて半値角は約７３°から約６３°まで小さくなっていき放射ビームが次第に狭まっていくことが分かる。長さＷ２１が約３１ｍｍを超えた時に目標とする７０°の半値角が得られる。ここで、５．８ＧＨｚの自由空間波長をλとすると、約３１ｍｍの長さＷ２１は約０．６λと表される。すなわち、アース素子１１１の長さＷ２１を約０．６λ以上とすることで７０°以下の半値角とされた指向性を得ることができるようになる。
上記した従来の板状アンテナ１００の一例が特許文献１ないし特許文献３にそれぞれ記載されている。

特開２００２−１３５０４５号公報特開２００５−２６９５１８号公報特開２００８−１０９２５２号公報

最近では、設計周波数の波長をλとした際に板状アンテナのアンテナ部分の大きさが約０．５λ以下に小型化されても、半値角として７０°以下が得られる板状アンテナが求められている。７０°以下の半値角により、所望の方向以外からの電波を受けない指向性とすることができる。しかしながら、従来の板状アンテナ１００ではアース素子１１１の横幅と縦幅の長さＷ２１を約２６ｍｍ（約０．５λ）とすると、半値角が７０°を超えてしまい、半値角が７０°以下のビームが絞られた指向性を得るためには、従来の板状アンテナ１００においては図１２に示すようにアース素子の幅が０．６λを超える大きさとなり、約０．５λ以下の大きさに小型化できないことになる。すなわち、必要とする指向性になるよう制御するには、要求される小型化の大きさを超えるアース素子が必要とされることになり、小型化した板状アンテナにおいて所望の半値角を得ることが困難になると云う問題点があった。
そこで、本発明は、小型化した板状アンテナにおいて所望の半値角を得ることができる板状アンテナを提供することを目的としている。

上記本発明の目的を達成することができる本発明の板状アンテナは、矩形状のアース素子と、該アース素子上に第１所定間隔で配置された前記アース素子より小さい矩形状の励振素子と、前記アース素子から第２所定間隔で下方に配置される前記アース素子より小さい矩形状の無給電素子とを備えることを最も主要な特徴としている。

また、上記本発明の板状アンテナは、前記無給電素子は正方形状とされており、設計周波数の波長をλとしたときに、所定の半値角が得られる前記無給電素子の１辺の長さを、約０．２１λまで短くできることを主要な特徴としている。
さらに、上記本発明の板状アンテナは、前記アース素子は正方形状とされており、設計周波数の波長をλとしたときに、所定の半値角が得られる前記アース素子の１辺の長さを、約０．４８λまで短くできることを主要な特徴としている。
さらにまた、上記本発明の板状アンテナは、前記第１所定間隔が約０．０５８λとされることを主要な特徴としている。
さらにまた、上記本発明の板状アンテナは、前記第２所定間隔が約０．０７７λとされることを主要な特徴としている。

本発明の板状アンテナは、アース素子上に所定間隔でアース素子より小さい励振素子が配置され、アース素子の下にアース素子より小さい無給電素子が配置されているので、設計周波数の波長をλとした際に板状アンテナの大きさが約０．５λ以下に小型化されても、所望の方向以外からの電波を受けない指向性とすることができる半値角として７０°以下が得られる板状アンテナとすることができる。

本発明の実施例の板状アンテナの構成を示す平面図である。本発明の実施例の板状アンテナの構成を示す下面図である。本発明の実施例の板状アンテナの構成を示す側面図である。本発明の実施例の板状アンテナの構成を示す背面図である。本発明の板状アンテナにおけるアース素子の幅に対する半値角の特性を示す図である。本発明の板状アンテナにおける無給電素子の長さに対する半値角の特性を示す図である。本発明の板状アンテナにおける方位角に対する放射強度特性を示す図である。従来の板状アンテナの構成を示す平面図である。従来の板状アンテナの構成を示す下面図である。従来の板状アンテナの構成を示す側面図である。従来の板状アンテナにおける方位角に対する放射強度特性を示す図である。従来の板状アンテナにおけるアース素子の幅に対する半値角の特性を示す図である。

［本発明の実施例］
本発明にかかる実施例の板状アンテナ１の構成を図１ないし図４に示す。図１は板状アンテナ１の構成を示す平面図であり、図２は板状アンテナ１の構成を示す下面図であり、図３は板状アンテナ１の構成を示す側面図であり、図４は板状アンテナ１の構成を示す背面図である。
これらの図に示す本発明の実施例の板状アンテナ１は、正方形状とされた導電性の励振素子１０と、正方形状とされた導電性のアース素子１１と、正方形状とされた導電性のアース素子１１と、正方形状とされた導電性の無給電素子１３とを備えている。励振素子１０とアース素子１１と無給電素子１３とは金属板を加工して作成することができる。アース素子１１の上に絶縁性のスペーサ１４を介しての励振素子１０が所定間隔Ｄ１となるよう配置されている。励振素子１０には、左下と右上に縮退分離素子が設けられており、縮退分離素子は所定の大きさの直角三角形状のＣカットで構成されている。また、本発明にかかる板状アンテナ１において特徴的な無給電素子１３は、アース素子１１の下に所定間隔Ｄ２となるよう配置されている。励振素子１０には給電ケーブル１２から給電されている。この場合、給電ピン１０ａが励振素子１０の中心から距離Ｌ１の所定位置に設けられており、給電ピン１０ａは、絶縁性のスペーサ１４内に挿通されて、アース素子１１の裏面において給電ケーブル１２の中心導体にハンダ付け等により接続されている。また、給電ケーブル１２のシールド導体はアース素子１１の裏面にハンダ付け等により接続されて、板状アンテナ１は給電ケーブル１２により給電されるようになる。すなわち、給電ケーブル１２の一端に接続された通信機器からの送信信号は板状アンテナ１に給電されて右旋円偏波が放射され、板状アンテナ１で受信された右旋円偏波の受信信号は給電ケーブル１２を伝播して通信機器に供給されるようになる。

板状アンテナ１が、５．８ＧＨｚ帯を利用したＥＴＣ用のアンテナとされた場合の寸法例を挙げると、図１に示す励振素子１０の同じ寸法とされる横幅と縦幅の長さＷ２は約１９ｍｍとされ、図１に示すアース素子１１の同じ寸法とされる横幅と縦幅の長さＷ１は約２６ｍｍとされ、図２，図４に示す無給電素子１３の同じ寸法とされる横幅と縦幅の長さＷ３は約２０ｍｍとされる。また、図２に示す励振素子１０とアース素子１１との間隔であるスペーサ１４の長さＤ１は約３ｍｍとされ、アース素子１１と無給電素子１３との間隔Ｄ２は約４ｍｍとされ、給電ピン１０ａの励振素子１０の中心からの距離Ｌ１は約５．５ｍｍとされる。ここで、５．８ＧＨｚの自由空間波長をλとすると、長さＷ１は約０．５λとなり、長さＷ２は約０．３７λとなり、長さＷ３は約０．３９λとなり、長さＤ１は約０．０５８λとなり、長さＤ２は約０．０７７λとなり、距離Ｌ１は約０．１０６λとなる。

［本発明にかかる板状アンテナの電気的特性］
上記説明した本発明の実施例の板状アンテナ１において、設計周波数を５．８ＧＨｚとした時に、上記した寸法とされた際の本発明の実施例の板状アンテナ１において、周波数５．８ＧＨｚにおける方位角に対する放射強度特性を図７に示す。図７を参照すると、放射強度のピーク値として＋４．２２ｄＢが得られており、この時の方位角は＋０．４°となる。また、放射強度が３ｄＢ減衰するまでの方位角の範囲である半値角は６３．５５°が得られており、アース素子１１の１辺の長さが従来の板状アンテナ１００より短くなってもビームがより絞られた放射強度特性が得られることが分かる。すなわち、本発明の実施例の板状アンテナ１では、設計周波数の波長をλとした際に板状アンテナ１の大きさが約０．５λ以下に小型化されても、７０°以下の半値角が得られる板状アンテナとすることができる。これにより、本発明の実施例の板状アンテナ１では、板状アンテナ１の大きさが約０．５λ以下に小型化されても、所望の方向以外からの電波を受けない指向性とすることができる。なお、図７に示す方位角に対する放射強度特性は、５．７９ＧＨｚ〜５．８４ＧＨｚの周波数帯域においてもほぼ同様の特性となる。

次に、本発明の実施例の板状アンテナ１において、アース素子１１の大きさを変えた際の半値角の変化について考察する。
アース素子１１の１辺の長さＷ１を除いて上記した寸法とされた際の本発明の実施例の板状アンテナ１において、周波数５．８ＧＨｚにおけるアース素子１１の１辺の長さＷ１に対する半値角の特性を図５に示す。図５ではアース素子１１の１辺の長さＷ１を２０ｍｍ〜５０ｍｍまで変えたときの半値角特性を示しており、図５を参照すると、長さＷ１を２０ｍｍから５０ｍｍまで長くするにつれて半値角は約７３°から約６３°まで小さくなっていき放射ビームが次第に狭まっていくことが分かる。長さＷ１が約２５ｍｍとなった時に目標とする７０°の半値角が得られる。ここで、５．８ＧＨｚの自由空間波長をλとすると、約２５ｍｍの長さＷ１は約０．４８λと表される。すなわち、本発明の実施例の板状アンテナ１では、アース素子１１の１辺の長さＷ１を０．５λ以下である約０．４８λまで短くして小型化しても、７０°以下の半値角を得ることができるようになる。これにより、本発明の実施例の板状アンテナ１では、アース素子１１の１辺の長さＷ１を０．５λ以下である約０．４８λまで短くして小型化しても、所望の方向以外からの電波を受けない指向性とすることができる。なお、図５に示す長さＷ１に対する半値角の特性は、５．７９ＧＨｚ〜５．８４ＧＨｚの周波数帯域においてもほぼ同様の特性となる。

次に、本発明の実施例の板状アンテナ１において、無給電素子１３の大きさを変えた際の半値角の変化について考察する。
無給電素子１３の１辺の長さＷ３を除いて上記した寸法とされた際の本発明の実施例の板状アンテナ１において、周波数５．８ＧＨｚにおける無給電素子１３の１辺の長さＷ３に対する半値角の特性を図６に示す。図６では、長さＷ３を５ｍｍ〜２０ｍｍまで変えたときの半値角特性を示しており、図６を参照すると、長さＷ３を５ｍｍから２０ｍｍまで長くするにつれて半値角は約７１°から約６３°まで小さくなっていき放射ビームが次第に狭まっていくことが分かる。長さＷ３が約１１ｍｍとなった時に目標とする７０°の半値角が得られる。ここで、５．８ＧＨｚの自由空間波長をλとすると、約１１ｍｍの長さＬ１は約０．２１λと表される。すなわち、無給電素子１３の１辺の長さＷ３を０．５λ以下である約０．２１λまで短くして小型化しても、７０°以下の半値角を得ることができるようになる。これにより、本発明の実施例の板状アンテナ１では、無給電素子１３の１辺の長さＷ３を０．５λ以下である約０．２１λまで短くして小型化しても、所望の方向以外からの電波を受けない指向性とすることができる。なお、図６に示す長さＷ３に対する半値角の特性は、５．７９ＧＨｚ〜５．８４ＧＨｚの周波数帯域においてもほぼ同様の特性となる。
このように、アース素子１１の１辺の長さＷ１を約０．４８λの長さと小型化しても半値角の目標である７０°の半値角を得ることができる。その際に、無給電素子１３は１辺の長さＷ３を約０．２１λとアース素子１１より小型化することができると共に、励振素子１０の１辺の長さＷ２は約０．３７λとアース素子１１より小型化することができる。このように、本発明にかかる板状アンテナ１においては、設計周波数の波長をλとした際に板状アンテナ１の大きさが約０．５λ以下に小型化されても、半値角として７０°以下を得ることができ、所望の方向以外からの電波を受けない指向性とすることができるようになる。

以上説明した本発明にかかる実施例の板状アンテナにおいて、板状アンテナの設計周波数や寸法の値は、上記記載した値に限定されるものではなく、板状アンテナにおいて上記記載した機能および作用と同等の機能および作用を奏することができる値とされていれば、上記記載した値に限定されるものではない。すなわち、寸法の値には、上記記載した値の上下に許容範囲があり、この許容範囲は板状アンテナにおいて上記記載した機能および作用と同等の機能および作用を奏する範囲とされている。
以上説明した本発明の板状アンテナでは、ＤＳＲＣやＥＴＣのアンテナに適用することができ、５．７９ＧＨｚ〜５．８４ＧＨｚとされる５．８ＧＨｚ帯を利用したＥＴＣ用のアンテナとして使用することができる。そして使用された際に、上記説明したように板状アンテナの大きさを小型化しても目標とする半値角を得ることができるようになる。また、本発明の板状アンテナは、右旋円偏波のアンテナとして説明したが、左旋円偏波のアンテナとしても良い。この場合は、縮退分離素子を左上と右下に設けるようにすればよい。
以上説明した本発明にかかる実施例の板状アンテナにおいて、アース素子の上に所定間隔で励振素子を配置するために、アース素子と励振素子との間にスペーサを設けているが、スペーサを複数設けるようにしたり、励振素子の外辺に沿った枠状のスペーサを設けることができる。また、アース素子の下に所定間隔で無給電素子を配置するために、アース素子と無給電素子との間にスペーサを設けることができる。このスペーサは、複数設けるようにしたり、無給電素子の外辺に沿った枠状のスペーサを設けることができる。

１板状アンテナ
１０励振素子
１０ａ給電ピン
１１アース素子
１２給電ケーブル
１３無給電素子
１４スペーサ
１００板状アンテナ
１１０励振素子
１１０ａ給電ピン
１１１アース素子
１１２給電ケーブル
１１４スペーサ

Claims

矩形状のアース素子と、
該アース素子上に第１所定間隔で配置された前記アース素子より小さい矩形状の励振素子と、
前記アース素子から第２所定間隔で下方に配置される前記アース素子より小さい矩形状の無給電素子と、
を備えることを特徴とする板状アンテナ。
前記無給電素子は正方形状とされており、所定の半値角が得られる前記無給電素子の１辺の長さを、設計周波数の波長をλとしたときに、約０．２１λまで短くできることを特徴とする請求項１に記載の板状アンテナ。
前記アース素子は正方形状とされており、所定の半値角が得られる前記アース素子の１辺の長さを、設計周波数の波長をλとしたときに、約０．４８λまで短くできることを特徴とする請求項１に記載の板状アンテナ。
前記第１所定間隔が約０．０５８λとされることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の板状アンテナ。
前記第２所定間隔が約０．０７７λとされることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の板状アンテナ。