JP2022016710A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏波面が異なる複数種類の直線偏波を送受信可能であり、かつ、小型化が可能なアンテナ装置を提供する。
【解決手段】平板状の地板１０と、地板１０に対して間隔を隔てて配置された導電性の導体板３０と、導体板３０に接続された給電部４０と、地板１０と導体板３０とを電気的に接続する短絡部５０とを備えたアンテナ装置１であって、地板１０は、導体板３０に対向する部分を含んでいる対向地板１１と、導体板３０に対向していない非対向地板１２とを備えており、非対向地板１２は、対向地板１１に隣接し、かつ、対向地板１１に対して非対称に配置され、対向地板１１と非対向地板１２が電気的に接続されている状態と電気的に切断されている状態とを切り替えるスイッチ６０を備える。
【選択図】図３

Description

アンテナ装置に関し、特に、複数種類の偏波の電波を送受信可能なアンテナ装置に関する。

特許文献１には、円偏波と直線偏波を受信できるアンテナ装置が開示されている。特許文献１に開示されているアンテナ装置は、天頂方向からの円偏波である衛星波を受信するためのパッチアンテナと、水平偏波である地上波を受信するためのパッチアンテナとを備えている。また、地上波用垂直アンテナエレメント部も備える。

特開２００３－３４７８３８号公報

特許文献１は、地上波用垂直アンテナエレメント部を備えるので、アンテナ装置の高さが高くなる恐れがある。

本開示は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、偏波面が異なる複数種類の直線偏波を送受信可能であり、かつ、小型化が可能なアンテナ装置を提供することにある。

上記目的は独立請求項に記載の特徴の組み合わせにより達成され、また、下位請求項は更なる有利な具体例を規定する。特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、開示した技術的範囲を限定するものではない。

上記目的を達成するための１つの開示は、
平板状の地板（１０）と、
地板に対して間隔を隔てて配置された導電性の導体板（３０）と、
導体板に接続された給電部（４０）と、
地板と導体板とを電気的に接続する短絡部（５０）とを備えたアンテナ装置であって、
地板は、導体板に対向する部分を含んでいる対向地板（１１）と、導体板に対向していない非対向地板（１２）とを備えており、
非対向地板は、対向地板に隣接し、かつ、対向地板に対して非対称に配置され、
対向地板と非対向地板が電気的に接続されている状態と電気的に切断されている状態とを切り替えるスイッチ（６０）を備える。

このアンテナ装置では、スイッチがオフのときは、対向地板と導体板との間に形成される静電容量と、短絡部が備えるインダクタンスとによって、その静電容量とインダクタンスに応じた周波数において並列共振を生じさせる。そして、並列共振に伴って導体板と対向地板との間に生じる垂直電界によって、導体板および対向地板に沿った方向に、それら導体板および対向地板に垂直な偏波面の電波を送受信する。この電波は、対向地板から導体板へ向かう方向が鉛直であれば、垂直偏波の電波である。

また、非対向地板は、対向地板に対して非対称に配置されていることから、スイッチにより、対向地板と非対向地板が接続されると、地板が短絡部から見て非対称になる。地板が短絡部から見て非対称になると、地板に流れる電流が、短絡部から見て一方側と他方側とで打ち消される程度が減少する。地板に流れる電流が打ち消されずに残ることにより、その電流により生じる電界が空間に伝播していく。すなわち、地板から電波が放射される。このとき、地板がポール型アンテナエレメントとして動作する。したがって、地板から放射される電波は、偏波面がアンテナエレメントに平行な直線偏波である。地板が水平に配置されている場合には、アンテナエレメントである地板から放射される電波は水平偏波である。

このように、このアンテナ装置は、偏波面が異なる複数種類の直線偏波を送受信することができる。地板を水平に配置している場合には、アンテナ装置は、垂直偏波と水平偏波を送受信することができる。

しかも、垂直偏波は、対向地板と導体板との間に形成される静電容量と、短絡部が備えるインダクタンスとによって並列共振を生じさせることで発生する。そのため、アンテナ装置の高さ方向の大きさを小型化できる。

加えて、このアンテナ装置は、スイッチがオンになったときには地板が水平偏波用のアンテナエレメントとして動作して水平偏波を送受信する。地板を水平偏波用のアンテナエレメントとして動作させるために、非対向地板を対向地板に隣接配置し、かつ、スイッチを備えればよい。したがって、水平偏波用のアンテナを、垂直偏波用のアンテナとは別に備える場合よりも、アンテナ装置は、地板の平面方向の大きさも小型化できる。

アンテナ装置１の斜視図である。 図１のII-II線断面図である。 アンテナ装置１を裏面から見た図である。 導体板３０の近傍の電流分布、電圧分布、電界分布を説明する図である。 スイッチ６０がオフのときに対向地板１１に流れる電流分布を説明する図である。 スイッチ６０がオンのときに対向地板１１および非対向地板１２に流れる電流分布を説明する図である。 変形例３のアンテナ装置１００の構成を示す図である。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態のアンテナ装置１の斜視図である。アンテナ装置１は、たとえば、車両で用いられ、車両の屋根などに搭載される。アンテナ装置１は、電波の送信と受信のいずれか一方または両方を行う。アンテナ装置１は、たとえば、同軸ケーブルを介して無線機（何れも図示略）と接続されており、アンテナ装置１が受信した信号は逐次無線機に出力される。

無線機は、アンテナ装置１が受信した信号を利用するとともに、アンテナ装置１に対して送信信号に応じた高周波電力を供給する。なお、アンテナ装置１への給電線としては、同軸ケーブルの他にも、フィーダ線など、その他の給電線を用いてもよい。以下、アンテナ装置１の具体的な構成について述べる。

アンテナ装置１は、平板状の地板１０を備えている。この地板１０は、詳しくは対向地板１１と非対向地板１２とを備えた構成である。対向地板１１は同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続され、アンテナ装置１におけるグランド電位を形成する。これら対向地板１１と非対向地板１２はいずれも平板状である。なお、板には箔などの薄い厚さも含まれる。

地板１０は、支持板２０の裏面２１に貼り付けられている。支持板２０は、ガラスエポキシ樹脂などの絶縁材料製である。支持板２０は、地板１０と導体板３０とを、所定の間隔をおいて互いの平面部分が対向するように配置するための部材である。支持板２０は矩形平板状であり、支持板２０の大きさは平面視において地板１０とほぼ同じ大きさである。

また、本実施形態において地板１０と導体板３０の間は、樹脂（すなわち支持板２０）で充填される構成であるが、これに限らない。地板１０と導体板３０の間は、中空となっていてもよいし、所定の誘電比率を有する誘電体で充填されていてもよい。

支持板２０の表面２２には、支持板２０を挟んで対向地板１１と対向する位置に導体板３０が配置されている。導体板３０は、支持板２０を介して地板１０と平行となっている。導体板３０の材料は、銅などの導体である。導体板３０の形状は正方形状の板である。なお、導体板３０の形状は、正方形以外の回転対称平面図形（たとえば円形、正六角形）であってもよい。また、導体板３０の形状は、その中心を通り、互いに直交する２つの直線に対してそれぞれ対称な形状（たとえば長方形など）でもよい。それ以外にも、導体板３０の形状は、特に対称性のない形状でもよい。導体板３０の大きさは、対向地板１１と同じ大きさ、または、対向地板１１よりも小さい大きさである。

図２は、図１のII-II線断面の断面図である。図２および図１に示すように、アンテナ装置１は、給電部４０、短絡部５０も備える。給電部４０は、導体板３０と同軸ケーブルとを電気的に接続する部分であって、同軸ケーブルを介して導体板３０に給電する。本実施形態では、給電部４０が配置されている位置は、導体板３０の中心を通り、導体板３０を半分に分割する線上である。

短絡部５０は、導体板３０と対向地板１１を電気的に接続する。短絡部５０は導体板３０の中央部に接続されている。中央部は、導体板３０の中心とその近傍を意味する。短絡部５０は、導電性のピンで実現することができる。このピンの太さによって、短絡部５０が備えるインダクタンスを調整することができる。

導体板３０と対向地板１１とは互いに対向することで、導体板３０の面積に応じた静電容量を形成するコンデンサと見なすことができる。導体板３０の面積は、短絡部５０が備えるインダクタンス成分と、所定の周波数において並列共振する静電容量を形成する面積に設定されている。この周波数は、適宜設計されればよい。この周波数を例示すると、ＩＳＭバンドである２．４５ＧＨｚ、車車間通信および路車間通信で用いる周波数（７６０ＭＨｚなど）がある。

図３は、支持板２０の裏面２１側からアンテナ装置１を見た図である。図３に示すように、対向地板１１の形状は、本実施形態では長方形状である。ただし、対向地板１１の形状は、長方形状に限られない。たとえば、対向地板１１の形状は、正方形でもよいし、四角形以外の多角形でもよい。導体板３０は、その中心が対向地板１１の中央部となる位置に配置されている。

非対向地板１２は導体板３０と対向する部分がない地板である。非対向地板１２は、対向地板１１の１つの辺に隣接して配置されている。したがって、非対向地板１２は対向地板１１に対して非対称に配置されている。非対向地板１２の形状も、長方形状である。非対向地板１２の長手方向長さは、本実施形態ではアンテナ装置１の動作する電波の波長の１／２である。なお、本明細書における長さは、特に明記をする場合を除き電気長である。また、すべての長さは、表記の長さに完全に一致するもののみを指すのではなく、実質的に、その表記の長さであるものも含む意味として用いている。

スイッチ６０は、対向地板１１と非対向地板１２が、電気的に接続されている状態と電気的に切断されている状態とを切り替える。スイッチ６０は、無線機によりオンオフが制御される。

本実施形態では、スイッチ６０は、対向地板１１と非対向地板１２の互いのエッジ部を接続する。なお、エッジ部は、対向地板１１に電流が流れるとき、対向地板１１の中央部分よりも相対的に電流が多く流れる部分を意味する。たとえば、対向地板１１の幅方向辺を４等分したうちの両端の２つの部分をエッジ部とすることができる。

［動作説明］
このように構成されたアンテナ装置１の動作を説明する。アンテナ装置１はスイッチ６０がオフのときと、スイッチ６０がオンのときでは異なる動作をする。なお、以下の説明では、説明の便宜上、地板１０が水平に配置されているとする。ただし、実際にアンテナ装置１を使用する場合には、地板１０の角度は使用環境等に応じて、適宜、調整することができる。

［スイッチ６０がオフのとき］
まず、スイッチ６０がオフのときのアンテナ装置１の動作を説明する。導体板３０はその中央部に設けられた短絡部５０で対向地板１１に短絡されており、かつ、導体板３０の面積は、短絡部５０が備えるインダクタンスと周波数において並列共振する静電容量を形成する面積となっている。

このため、インダクタンスと静電容量との間のエネルギー交換によって並列共振が生じ、対向地板１１と導体板３０との間には、地板１０および導体板３０に対して垂直な電界が発生する。この垂直電界は、短絡部５０から導体板３０の縁部に向かって伝搬していき、導体板３０の縁部において、垂直電界は垂直偏波電界になって空間を伝搬していく。

より具体的には、導体板３０において電流は、導体板３０の縁部から短絡部５０が設けられている中央部に向かう方向に流れる。つまり、図４に示すように、電流は導体板３０の中央部に集中し、電流定在波の振幅は、導体板３０の中央部で最大、両端部で０となる。

また、短絡部５０が導体板３０の中央部に設けられていることから、電圧定在波は導体板３０の両端部で振幅が最大、中央部付近で振幅が０となり、電圧の符号は、いずれの領域でも垂直方向において同じ符号（図では正の状態）となる。

導体板３０と対向地板１１との間に生じる垂直電界は、電圧の分布に比例するため、その進行方向は、短絡部５０から見て何れの領域においても同一方向となる。また、その強度は、中央部付近で０、導体板３０の外縁部で最大となる。つまり、短絡部５０から導体板３０の外縁部に向かうにつれて電界強度は大きくなり、縁部において、対向地板１１および導体板３０の平面に対して垂直な直線偏波となって放射される。この直線偏波は、対向地板１１が水平に設置されている場合には、垂直偏波である。

つまり、アンテナ装置１は、水平方向の全方向に対して垂直偏波の指向性を有する。また、電界の伝搬方向は短絡部５０を中心として対称であるため、水平面における全方位に対して同程度の利得を有する。

［スイッチ６０がオンのとき］
次に、スイッチ６０がオンのときの動作を説明する。図５には、スイッチ６０がオフのときの対向地板１１に流れる電流を概念的に示している。図５において矢印の大きさは電流の振幅を示している。導体板３０から短絡部５０を通り、対向地板１１に流れ込む電流は、短絡部５０から対向地板１１の長手方向の両側に流れる。短絡部５０は対向地板１１の長手方向中心に接続されているので、スイッチ６０がオフのときは、短絡部５０を中心に見た場合に、対向地板１１の長手方向一方の端までの長さと、対向地板１１の長手方向他方の端までの長さは等しい。

したがって、短絡部５０から対向地板１１の長手方向の一方に向かう電流と、短絡部５０から対向地板１１の長手方向の他方に向かう電流とは、向きが逆で大きさが等しい。対向地板１１にこのように電流が流れる場合、その電流により生じる電界は打ち消される。したがって、対向地板１１からの電波の放射は生じない。

しかし、スイッチ６０がオンのときは、図６に示すように、対向地板１１の端部からスイッチ６０を介して非対向地板１２に電流が流れ込む。非対向地板１２は、対向地板１１に対して非対称に配置されていることから、スイッチ６０により、対向地板１１と非対向地板１２が接続されると、地板１０が短絡部５０から見て非対称になる。地板１０が短絡部５０から見て非対称になると、地板１０に流れる電流が、短絡部５０から見て一方側と他方側とで打ち消される程度が減少する。地板１０に流れる電流が打ち消されずに残ることにより、その電流により生じる電界が空間に伝播していく。すなわち、地板１０から電波が放射される。このとき、地板１０がポール型アンテナエレメントとして動作する。したがって、地板１０から放射される電波は、アンテナエレメントとして動作する地板１０と平行な偏波面を持つ直線偏波である。地板１０が水平に配置されている場合には、地板１０により水平偏波が送受信される。

［実施形態のまとめ］
アンテナ装置１は、スイッチ６０がオフのときには、水平方向の全方向に垂直偏波を送受信できる。一方、スイッチ６０がオンのときは、水平偏波を送受信できる。このように、アンテナ装置１は、スイッチ６０のオンオフにより、垂直偏波と水平偏波を送受信できる。

しかも、アンテナ装置１は、垂直偏波を、対向地板１１と導体板３０との間に形成される静電容量と、短絡部５０が備えるインダクタンスとによって並列共振を生じさせることで発生させる。ポール型アンテナエレメントでは、垂直偏波を送受信するためには１／４波長の電気長が必要になるのに対して、アンテナ装置１では１／１００波長の高さも可能である。よって、アンテナ装置１の高さ方向の大きさを小型化できる。

加えて、このアンテナ装置１は、スイッチ６０がオンになったときには地板１０が水平偏波用のアンテナエレメントとして動作して水平偏波を送受信する。地板１０を水平偏波用のアンテナエレメントとして動作させるために、非対向地板１２を対向地板に隣接配置し、かつ、スイッチ６０を備えればよい。したがって、水平偏波用のアンテナを、垂直偏波用のアンテナとは別に備える場合よりも、アンテナ装置１は、地板１０の平面方向の大きさも小型化できる。

また、本実施形態では、スイッチ６０が対向地板１１と非対向地板１２の互いのエッジ部に配置されている。エッジ部には電流が多く流れる。したがって、対向地板１１から非対向地板１２に多くの電流が流れる。これにより、非対向地板１２がポール型エレメントとして作動するときの出力が向上する。

また、アンテナ装置１は、非対向地板１２の長さが、地板１０がアンテナエレメントとして動作するときの動作周波数に基づいて定まる１／２波長の長さである。一方、対向地板１１を流れる電流は相殺される。したがって、図６に概念的に示すように、非対向地板１２は動作周波数で共振する。これにより、水平偏波の送受信性能が向上する。

加えて、非対向地板１２の長手方向の長さが１／２波長になっていると、スイッチ６０は、電流の節に配置されていることになる。スイッチ６０がオフのときであっても、高周波である電流はスイッチ６０に流れ込む恐れがある。スイッチ６０が電流の節となる部分に配置されていると、スイッチ６０がオフのときに、スイッチ６０を介して対向地板１１から非対向地板１２に流れ込む電流を少なくすることができる。これにより、スイッチ６０がオフのときの対向地板１１と非対向地板１２のアイソレーションを高くすることができる。アイソレーションが高くなることで、スイッチ６０がオフであるときのアンテナ性能を向上させることができる。

以上、実施形態を説明したが、開示した技術は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の変形例も開示した範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。なお、以下の説明において、それまでに使用した符号と同一番号の符号を有する要素は、特に言及する場合を除き、それ以前の実施形態における同一符号の要素と同一である。また、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した実施形態を適用できる。

＜変形例１＞
実施形態では、非対向地板１２の長手方向長さが１／２波長であった。これにより、地板１０は主として非対向地板１２がポール型アンテナエレメントとして動作していた。しかし、スイッチ６０をオンにしたときに相互に接続される対向地板１１と非対向地板１２を合わせた長手方向長さが１／２波長になるように、非対向地板１２の長さを設定してもよい。このようにすると、スイッチ６０がオンのときには、地板１０が全体で動作周波数で共振する。すなわち、地板１０の全体がポール型アンテナエレメントとして動作する。

＜変形例２＞
また、地板１０のうち非対向地板１２が主としてアンテナエレメントとして動作するか、地板１０の全体がアンテナエレメントとして動作するかによらず、地板１０の長手方向長さは１／２波長に限られない。地板１０の長手方向の長さが１／４波長の整数倍であれば、スイッチ６０がオンのときに地板１０がポール型アンテナエレメントとして動作可能である。

＜変形例３＞
図７に示すアンテナ装置１００のように、非対向地板１２が２つの小非対向地板部１２１、１２２に分かれていてもよい。また、アンテナ装置１００では、スイッチ６０に加えて、偏波比制御スイッチ６１を備える。

スイッチ６０のみがオンになっている状態と、スイッチ６０と偏波比制御スイッチ６１がともにオンになっているときとでは、ポール型アンテナエレメントとして動作する部分の電気長が相違する。このようにすることで、水平偏波として動作するアンテナエレメントの電気長を複数種類に切り替えることができる。電気長が変化することで水平偏波の出力が変化する。よって、このようにすることで、水平偏波の出力、および、垂直偏波と水平偏波の偏波比を制御することができる。なお、小非対向地板部１２１、１２２の数は２つに限られず、３つ以上でもよい。

＜変形例４＞
スイッチ６０の数は１つに限られない。スイッチ６０を対向地板１１および非対向地板１２の長手方向の両辺をそれぞれ接続するように２つ配置してもよい。また、スイッチ６０を３つ以上、配置してもよい。

１：アンテナ装置 １０：地板 １１：対向地板 １２：非対向地板 ２０：支持板 ２１：裏面 ２２：表面 ３０：導体板 ４０：給電部 ５０：短絡部 ６０：スイッチ ６１：偏波比制御スイッチ １００：アンテナ装置 １２１：小非対向地板部 １２２：小非対向地板部

Claims (4)

1. 平板状の地板（１０）と、
   前記地板に対して間隔を隔てて配置された導電性の導体板（３０）と、
   前記導体板に接続された給電部（４０）と、
   前記地板と前記導体板とを電気的に接続する短絡部（５０）とを備えたアンテナ装置であって、
   前記地板は、前記導体板に対向する部分を含んでいる対向地板（１１）と、前記導体板に対向していない非対向地板（１２）とを備えており、
   前記非対向地板は、前記対向地板に隣接し、かつ、前記対向地板に対して非対称に配置され、
   前記対向地板と前記非対向地板が電気的に接続されている状態と電気的に切断されている状態とを切り替えるスイッチ（６０）を備える、アンテナ装置。
2. 前記スイッチが、前記地板のエッジ部に配置されている、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記スイッチが、電流の節となる部分に配置されている、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記非対向地板は、複数の小非対向地板部（１２１、１２２）に分かれており、
   互いに隣接する前記小非対向地板部が電気的に接続されている状態と電気的に切断されている状態とを切り替える偏波比制御スイッチ（６１）を備える請求項１～３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。

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