JP3618267B2 - Antenna device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型化が可能なアンテナ装置に関し、例えば、携帯電話やPHS(Personal Handy Phone)などの小型通信機器などに利用可能なアンテナ装置を対象とする。
【0002】
【従来の技術】
近年、無線機とアンテナが一体化された通信機器が多くなってきた。この種の通信機器には、PHSや携帯電話などの携帯無線機や、小形の無線基地局などがある。この種の通信機器のアンテナには、無指向性に近い特性が要求される。
【0003】
また、携帯無線機は、落下時の破壊等に対する耐性を持たせる必要があり、基地局は風雨等の自然災害による破壊等に対する耐性を持たせる必要があるため、無線機とアンテナとを一体化するのが望ましい。
【0004】
しかしながら、無線機とアンテナとを一体化すると、無線機の筐体から放射された電磁波の影響を受けて、アンテナからの放射パターンが変化してしまうことが知られている。
【0005】
この原因について、以下に簡単に説明する。無線機の筐体は、導体でできており、内蔵する無線回路のグランドとシールドの役目も果たしている。この筐体は、アンテナにとってもグランドになっているため、アンテナに給電された高周波電流が筐体に流れ込み、上記のように筐体からも電波の放射が起きるという問題がある。特に、内蔵アンテナの場合、アンテナからの放射量が少ないため、無線機筐体の影響を強く受けてしまう。
【0006】
これらの影響を削減するため、ダイポールアンテナを用いるという提案がなされている(特開昭61−205004号公報)。ダイポールアンテナは、グランドを必要としないアンテナなので、アンテナを直接グランドである筐体に接続する必要がなく、高周波電流の筐体への漏洩を抑制することができるためである。
【0007】
しかしながら、ダイポールアンテナも、実際には実現が難しいという問題があった。その理由は、ダイポールアンテナを筐体に近接して配置すると、アンテナのインピーダンスが非常に低くなり、給電線との整合が取れなくなるためである。
【0008】
このような問題を解決する手法として、特開昭61−205004号公報には、整合をとるために折り返し構造にした給電回路が開示されている。しかしながら、実際には、折り返し構造にするのは難しい。
【0009】
図13は特開昭61−205004号公報に開示された給電回路の概略構成を示す斜視図である。図13の符号5の部分からもわかるように、給電点からアンテナに平衡給電(平行2線)する必要があるが、一般に無線機では不平衡(たとえば同軸給電やマイクロストリップ線路)な状態で給電が行われるため、平衡不平衡変換(バラン)を設けなければならない。従来例では、このバランを省略している。
【0010】
また、平衡給電を行わない場合でも、安易に給電線を配置すると給電線の影響によりアンテナ特性が変化してしまう。これは、ダイポールアンテナ自体が平衡型の素子であるため、給電点において平衡不平衡変換(バラン)が必要になり、アンテナ給電点から給電線に不要な電流が漏洩し、この電流からの放射により、アンテナの放射特性が変化してしまうためである。
【0011】
このように、ダイポールアンテナを用いる場合には、給電回路に比較的大きな構造のバランが必要になるという問題がある。
【0012】
一般にバランは、四分の一波長の長さを有する。たとえば、給電線である同軸線の外導体に平行に四分の一波長の長さの線状素子を配置し、その一端を外導体に短絡する。これにより、その開放端から短絡端を見ると高いインピーダンスとできるため、外導体への不要電流の漏洩を防ぐことができる。
【0013】
しかしながら、原理上、四分の一波長程度の長さが必要になり、使用する周波数によっては、バランのサイズが非常に大きくなってしまう。このため、アンテナおよび無線機全体の小型化が困難になる。
【0014】
また、複数のアンテナを筐体に取り付け、ダイバーシチ・アンテナを構成する場合においても、上記の問題は同様に起こりうる。
【0015】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化が可能で、所望の放射パターンを容易に得ることができるアンテナ装置を提供することにある。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
【0017】
上述した課題を解決するために、本発明は、筐体と、一端が前記筐体の端部に接続された第1の線状素子と、前記第1の線状素子の他端にそれぞれ接続され、互いに略180度異なる方向に配置され互いに異なる長さをもつ第2および第3の線状素子と、を備え、前記第2および第3の線状素子の電気的長さの和が送信電波または受信電波の周波数の半波長の整数倍で、かつ、前記第1の線状素子の電気的長さが前記第2および第3の線状素子の電気的長さの差の絶対値の半分以下である。
【0018】
請求項1の発明では、第2および第3の線状素子の電気的長さの和が電波の放射周波数の半波長の整数倍で、かつ、第1の線状素子の電気的長さが第2および第3の線状素子の電気的長さの差の絶対値の半分以下になるようにしたため、所望の共振モードのみで各線状素子を共振させることができる。したがって、所望の周波数の電波を送信または受信することができる。ここで、電気的な長さとは、その素子が共振する周波数の波長の長さのことである。一般に、電気的な長さは、折り曲げ等により短くなり、誘電体等を近づけることにより長くなる。
【0019】
請求項2の発明では、第2および第3の線状素子を筐体表面に近接して配置するため、アンテナ装置全体のサイズを小型化できる。
【0020】
請求項3の発明では、2組のアンテナを平行に配置するため、スペース・ダイバーシチ・アンテナを構成でき、受信感度を向上できるとともに、電波状態が時間的に高速に変化するような場合(例えば、移動通信時)でも、電波状態の変化を抑制して安定した通信が可能になる。
【0021】
請求項4の発明では、2組のアンテナを互いに見通せないように配置するため、アンテナ間の電磁界的な結合を小さくできる。
【0022】
請求項5の発明では、2組のアンテナを略90度異なる方向に配置するため、互いに相関の低い信号を効率よく受信できる。したがって、アンテナ間の距離を離さなくても、受信信号の相関を低くすることができる。
【0023】
請求項6の発明では、2組のアンテナを略90度異なる方向に配置し、かつ、各アンテナを互いに見通せないように配置するため、請求項4の発明の効果に加えて、アンテナ間の電磁界的な結合を小さくできる。
【0024】
請求項7の発明では、第1〜第3の線状素子からなる第1のアンテナとは別個に、第4の線状素子からなる第4のアンテナを設けて、両アンテナを平行に配置するため、両アンテナの合成利得を得ることができ、感度が向上する。
【0025】
請求項8の発明では、第1〜第3の線状素子からなる第1のアンテナとは別個に、第4の線状素子からなる第4のアンテナを設けて、両アンテナを略90度異なる方向に配置するため、偏波ダイバーシチ・アンテナを構成でき、互いに相関の低い信号を効率よく受信できる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るアンテナ装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【0027】
(第1の実施形態)
図1は本発明によるアンテナ装置の第1の実施形態の斜視図である。図1のアンテナ装置は、筐体101の一端側に接続された線状素子(第1の線状素子)102と、線状素子102の一端に接続された線状素子(第2および第3の線状素子)103,104とを備えており、筐体と線状素子102との間に給電点105が設けられている。
【0028】
線状素子103,104は、線状素子102との接続点を境にして略180度異なる方向に配置されている。より具体的には、線状素子102〜104はT字型に配置され、T字の横棒を構成する線状素子102,103は、筐体101の一辺に略平行になるように配置されている。また、線状素子103,104の長さの和が、送信電波または受信電波の周波数の半波長の整数倍になるようにしている。
【0029】
筐体101はアルミニウム等の導体でできており、図1では省略しているが、内部に無線回路を内蔵している。この無線回路のシールドも、筐体101自身で行っている。
【0030】
図1のアンテナ装置に類似したアンテナとして、T字型のモノポールアンテナが従来から知られている。この種のモノポールアンテナでは、T字の横棒を構成する2つの線状素子の長さを略等しくして、四分の一波長の低姿勢型アンテナとして使用している。また、従来は、T字の縦棒の部分からの電波の放射を利用するのが一般的であった。
【0031】
これに対して、図1のアンテナ装置は、T字の横棒の部分(線状素子103、104)からの電波の放射を利用する。また、本実施形態では、図2に示すように、線状素子102,103,104のそれぞれの長さA,B,Cを、(1)式の関係を満たすように設定している。
【0032】
2×A<|B−C| …(1)
以下、(1)式の関係を満たすように各線状素子の長さを設定する理由について説明する。図1のアンテナ装置は、3つの共振モードm1,m2,m3を有する。図3(a)は共振モードm1〜m3の概要を説明する図、図3(b)は各共振モードm1〜m3の振動の様子を示す図である。
【0033】
共振モードm1は、所望の半波長ダイポールアンテナの共振モードであり、給電点105からみると、LとCの等価回路でいうと並列共振モードになる。図3の場合、共振時に給電点105での電流が最小になる。
【0034】
共振モードm2,m3は、非所望の四分の一波長のモノポールアンテナの共振モードであり、LとCの等価回路でいうと直列共振モードになる。共振モードm2,m3では、共振時に給電点105における電流が最大になる。
【0035】
所望のモードである共振モードm1は、共振モードm2,m3の直列共振が分離することにより、共振モードm2,m3の各共振周波数の間の周波数で共振する並列共振モードである。このため、共振モードm1での共振を行わせるには、各々のモードの共振周波数は、以下の(2)式または(3)式の関係を満たす必要がある。
【0036】
共振モードm2の共振周波数<共振モードm1の共振周波数<共振モードm3の共振周波数 …(2)
共振モードm3の共振周波数<共振モードm1の共振周波数<共振モードm2の共振周波数 …(3)
ここで、各共振モードの共振波長をλ1、λ2、λ3とすると、共振波長はそれぞれ、各線状素子102〜104の長さA〜Cを用いて、
共振モードm1のとき、λ1=2×(B+C)
共振モードm2のとき、λ2=4×(B+A)
共振モードm3のとき、λ3=4×(C+A)
と表現できる。
【0037】
例えば、線状素子2の長さBが線状素子3の長さCより短い場合を想定すると、
λ2<λ1<λ3
となることが条件であるため、
4×(B+A)<2×(B+C)<4×(C+A) …(4)
となる。(4)式をAで整理すると、
(B−C)<2×A<(C−B)
となる。ここで、Aは正の値をとり、またBがCより長い場合を考慮に入れると、
2×A<|B−C|.........(1)
となる。
【0038】
(1)式において、各アンテナ素子は、電気的な長さを考慮する必要がある。ここで、電気的な長さとは、その素子が共振する周波数の波長の長さのことである。上記の共振モードm2,m3の四分の一波長モノポールアンテナは、線状素子102との接合点で折り曲げられているために、その電気的な長さが実際の物理的な長さより数%縮んでしまうことが知られている。すなわち、折れ曲がった素子がまっすぐな素子と同一の周波数で共振するためには、物理的な長さをより長くする必要がある。
【0039】
共振モードm1の半波長モノポールアンテナでも同様に縮みが発生するが、四分の一波長モノポールアンテナと異なって、給電点105近傍の折り曲げ部の効果が発生しない分、四分の一波長アンテナよりも縮み効果が小さくなる。
【0040】
例えば、縮み効果が、共振モードm2,3に比較的強く発生している場合には、上述した(4)式は、共振モードm2,3の縮み率をαとすると、(5)式のようになる。
【0041】
4×α×(B+A)<2×(B+C)<4×α×(C+A) …(5)
(5)式を変形すると、(6)式のようになる。
【0042】
B+(1−2×α)×C<2×α×A<C+(1−2×α)×B …(6)
ここで、αの値は、各線状素子102〜104の構造にあわせて決定すればよい。また、図1の線状素子103,104の長さB,Cによってインピーダンスが変化するため、長さB,Cを調整することにより、給電点105との整合を取ることができる。
【0043】
また、図1のアンテナ装置は、筐体101への不要な電流の漏洩が少ないという特徴を備えている。以下にこの理由を説明する。
【0044】
図1のアンテナ装置は、並列共振で動作するため、給電点105を流れる電流は、線状素子103,104を流れる電流よりも少なくなる。従って、給電点105から筐体101へと漏洩する電流の量は、直列共振型のアンテナより少なくなる。このため、筐体101からの不要輻射が抑制されて、アンテナの放射特性への影響が小さくなる。
【0045】
図4は図1のアンテナ装置のアンテナ特性を示す図であり、図4(a)は周波数と利得の劣化量を表す不整合損との関係を示す図、図4(b)はスミスチャート図、図4(c)は垂直偏波と水平偏波の放射パターンを示す図、図4(d)は図4(c)の座標を説明する図である。
【0046】
図4では、線状素子102の長さAを0.026λ(λは動作周波数)、線状素子103の長さBを0.221λ、線状素子104の長さCを0.279λとした場合の例を示している。この場合、上述した(1)式の関係を満たしている。
【0047】
図4(a)からわかるように、共振モードm1の共振周波数f0での不整合損は十分に小さいことがわかる。また、図4(b)のスミスチャートからわかるように、インピーダンス特性が50オームを中心としてループを描くように変化しており、比較的広帯域にわたって、給電線との整合が取れていることがわかる。
【0048】
また、図4(c)の放射パターンからわかるように、放射パターンは外周円に沿って均等に広がっており、ダイポールアンテナ自体の特性である、無指向性パターンとなっていることがわかる。また垂直偏波が小さいことから、筐体101からの不要輻射も小さいことがわかる。
【0049】
図5は本実施形態の周波数とアンテナ利得との関係を示す図である。図示のように、共振モードm1の共振周波数f1でのアンテナ利得が大きく、共振モードm2,m3の共振周波数f2,f3でのアンテナ利得は十分に小さいことがわかる。すなわち、上述した(1)式の関係を満たすように線状素子102〜104の各長さA,B,Cを設定することにより、共振モードm1の共振周波数で電波を放射させることができる。
【0050】
このように、本実施形態のアンテナは、比較的簡易な構成でありながら、従来問題となっていたアンテナに近接する他の部位からの影響を抑制して、ダイポールアンテナとしての動作を実現していることがわかる。
【0051】
また、本出願人の実験によれば、線状素子102の長さAをそのままにして、線状素子103の長さBを0.234λ、線状素子104の長さCを0.266λとしても、アンテナの動作は所望の特性を示すことがわかった。また、第一共振点(共振モードm2)と第三共振点(共振モードm3)の値から縮み率を計算した結果、縮み率αは0.95であることがわかった。これらのパラメータは(6)式の関係を満たすため、所望の共振モードm1での共振が行われ、筐体101からの不要輻射の影響が少ないアンテナ放射パターンを得ることができる。
【0052】
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、第1の実施形態と同様の構造のアンテナを2組設けたものである。
【0053】
図6は本発明によるアンテナ装置の第2の実施形態の斜視図である。図6のアンテナ装置では、図1と同様の構造のアンテナを2組、略平行に配置している。各アンテナ(第1および第2のアンテナ)11,12は、図1と同様に、T字形状の線状素子102〜104で構成されており、線状素子102と筐体101との間に給電点105が設けられている。これら2組のアンテナ11,12は、ダイバーシチ・アンテナを構成している。
【0054】
また、図6では、各アンテナ11,12の線状素子102と103を平行に配置すると共に、各々のアンテナ素子を同一面内で距離を隔てて配置している。このような構成により、スペース・ダイバーシチ・アンテナとして動作させることができる。
【0055】
スペース・ダイバーシチとは、複数のアンテナを距離を離して配置し、各アンテナで受信した信号を選択または合成して受信感度を向上させる方法で、特に電波状態が時間的に高速に変化する移動通信においては、電波状態の変化を抑制して安定した通信を行う方法として広く用いられている。
【0056】
ダイバーシチを構成するアンテナは、それぞれのアンテナが受信する信号の相関が低いことが望まれる。また、スペース・ダイバーシチでは、アンテナ間の距離を十分広くとることにより信号の相関を下げることを可能としている。
【0057】
より具体的には、少なくとも半波長以上離して2組のアンテナ11,12を配置するのが望ましい。そのためには、筐体101の大きさを半波長以上にする必要がある。
【0058】
また、図6の構成において、アンテナ間の距離が半波長程度の場合には、アンテナ間に電磁界的な結合が生じ、アンテナの指向性に変化が生じる。このアンテナの指向性の変化によっても受信信号の相関を下げることができる。これにより、ダイバーシチ効果の向上が期待できる。
【0059】
図7は2組のアンテナ11,12を背中合わせとなるように配置した例を示す斜視図である。図7のように配置することにより、アンテナ同士が互いに見通し内に存在しなくなり、アンテナ間の電磁界的な結合を小さくできる。したがって、アンテナ特性の変化を起こさせる電磁界結合を抑制し、不要なアンテナ特性の変化をなくすことができる。2組のアンテナ11,12を図6のように配置するか、図7のように配置するかは、システムの仕様により選択すればよい。
【0060】
図8は筐体101の対向する2面にそれぞれアンテナ11,12を接続した例を示す図である。図8のような構成により、2組のアンテナ11,12間の距離を広げることができ、ダイバーシチ効果を向上できる。また、アンテナ同士が見通し内に存在しなくなるため、アンテナ間の電磁界的な結合を小さくできる。
【0061】
(第3の実施形態)
第3の実施形態は、2組のアンテナを互いに略90度異なる方向に配置するものである。
【0062】
図9は本発明に係るアンテナ装置の第3の実施形態の斜視図である。図9のアンテナ装置は、図1と同様の構造の2組のアンテナ11,12を互いに略90度異なる方向に配置している。各アンテナ11,12は、図1と同様に、T字形状の線状素子102〜104で構成されており、線状素子102と筐体101との間に給電点105が設けられている。これら2組のアンテナ11,12は、偏波ダイバーシチ・アンテナを構成している。
【0063】
実際の屋外における電波環境では、垂直偏波と水平偏波の相関が非常に低いことが知られている。従って、図9のようにアンテナ素子を略90度異なる方向に配置することにより、互いに相関の低い信号を受信することが可能となる。
【0064】
図9のアンテナは、アンテナ間の距離を離さなくても、受信信号の相関を低くできるという利点を有する。したがって、アンテナ間の距離を短くできる分、筐体101のサイズを小さくできる。
【0065】
図10は図9の変形例であり、2組のアンテナ11,12を互いに背中合わせに配置したものである。背中合わせに配置することにより、アンテナ間の結合を減らすことができ、不要な特性変動を抑制することができる。
【0066】
また、図10の場合も、図9と同様に、アンテナ間の距離を短くしても、受信信号の相関を低くできる。
【0067】
(第4の実施形態)
第4の実施形態は、3つの線状素子からなるアンテナとは別個に、線状素子からなるアンテナを設けるものである。
【0068】
図11は本発明に係るアンテナ装置の第4の実施形態のブロック図である。図11のアンテナ装置は、図1と同様の構造のアンテナ11とは別個に、筐体101から突出する線状素子(第4の線状素子)106からなるアンテナ13を備えている。
【0069】
まず、これらのアンテナ11,13によりアレーアンテナを構成する場合について説明する。図11では、アンテナ13を構成する線状素子106を、アンテナを構成する線状素子102,103に略平行に配置しており、両アンテナをできるだけ近接して配置している。
【0070】
両アンテナ11,13を互いに同相になるように給電することにより、両アンテナ11,13による合成利得を向上させることができる。この場合、線状素子106は半波長程度となるようにすればよい。
【0071】
従来の場合、線状素子を2段構造にして筐体101から突出させて構成する必要があったが、本実施形態では、半分の長さでそれと同等の利得を得ることができる。
【0072】
また、これらのアンテナ11,13をダイバーシチ・アンテナとして使用することも可能である。この場合、線状素子106は半波長または四分の一波長程度であればよい。
【0073】
図12は図11の変形例であり、2組のアンテナ11,13を互いに略90度異なる方向に配置した偏波ダイバーシチ・アンテナの例を示す斜視図である。図12の線状素子106はその中央部で給電する構成とし、ほぼ半波長程度の長さとする。これにより、線状素子106からの電波の放射はダイポールアンテナと同様になる。
【0074】
上述した第1〜第4の実施形態で説明した各アンテナを任意に組合せて構成してもよい。例えば、図6と図9とを組み合わせて、3つ以上のアンテナを設けて、その一部のアンテナを平行に配置するとともに、残りを略90度に配置してもよい。また、これらのアンテナに、図11や図12で説明したアンテナ13を組み合わせてもよい。このように、アンテナの本数や配置には特に制限はない。
【0075】
上述した各実施形態では、矩形状の筐体101を用いる例を説明したが、筐体101の形状には特に制限はない。
【0076】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、第2および第3の線状素子の電気的長さの和が電波の放射周波数の半波長の整数倍で、かつ、第1の線状素子の電気的長さが第2および第3の線状素子の電気的長さの差の絶対値の半分以下になるようにしたため、不要な周波数成分を抑制して、所望の周波数の電波を放射させることができる。また、給電線からの不要輻射を防止できるとともに、アンテナ装置を小型化できる。さらに、無指向性に近い放射パターンを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるアンテナ装置の第1の実施形態の斜視図。
【図2】各線状素子の長さを説明する図。
【図3】(a)は共振モードm1〜m3の概要を説明する図、(b)は各共振モードm1〜m3の振動の様子を示す図。
【図4】図1のアンテナ装置のアンテナ特性を示す図。
【図5】本実施形態の周波数とアンテナ利得との関係を示す図。
【図6】本発明によるアンテナ装置の第2の実施形態の斜視図。
【図7】2組のアンテナを背中合わせとなるように配置した例を示す斜視図。
【図8】筐体の対向する2面にそれぞれアンテナを接続した例を示す図。
【図9】本発明に係るアンテナ装置の第3の実施形態の斜視図。
【図10】2組のアンテナを互いに背中合わせに配置した例を示す図。
【図11】本発明に係るアンテナ装置の第4の実施形態のブロック図。
【図12】2組のアンテナを互いに略90度異なる方向に配置した偏波ダイバーシチ・アンテナの例を示す斜視図。
【図13】特開昭61−205004号公報に開示された給電回路の概略構成を示す斜視図。
【符号の説明】
11〜13 アンテナ
101 筐体
102〜104,106 線状素子
105 給電点[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an antenna device that can be reduced in size, for example, an antenna device that can be used for a small communication device such as a mobile phone or a PHS (Personal Handy Phone).
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been an increase in communication devices in which a radio and an antenna are integrated. Examples of this type of communication device include portable wireless devices such as PHS and mobile phones, and small wireless base stations. The antenna of this type of communication device is required to have a characteristic close to omnidirectionality.
[0003]
In addition, portable radios need to be resistant to destruction when dropped, and base stations need to be resistant to damage caused by natural disasters such as wind and rain, so the radio and antenna are integrated. It is desirable to do.
[0004]
However, it is known that when the wireless device and the antenna are integrated, the radiation pattern from the antenna changes under the influence of electromagnetic waves emitted from the housing of the wireless device.
[0005]
This cause will be briefly described below. The casing of the radio is made of a conductor, and also serves as a ground and shield for the built-in radio circuit. Since this casing is also grounded for the antenna, there is a problem that high-frequency current fed to the antenna flows into the casing, and radio waves are emitted from the casing as described above. In particular, in the case of a built-in antenna, since the amount of radiation from the antenna is small, it is strongly influenced by the wireless device casing.
[0006]
In order to reduce these effects, a proposal has been made to use a dipole antenna (Japanese Patent Laid-Open No. 61-205004). This is because a dipole antenna is an antenna that does not require a ground, so that it is not necessary to directly connect the antenna to a casing that is a ground, and leakage of high-frequency current to the casing can be suppressed.
[0007]
However, the dipole antenna also has a problem that it is actually difficult to realize. The reason is that if the dipole antenna is disposed close to the casing, the impedance of the antenna becomes very low and matching with the feeder line cannot be achieved.
[0008]
As a technique for solving such a problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-205004 discloses a feeding circuit having a folded structure for matching. However, in practice, it is difficult to make a folded structure.
[0009]
FIG. 13 is a perspective view showing a schematic configuration of a power feeding circuit disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-205004. As can be seen from the
[0010]
Even when balanced feeding is not performed, antenna characteristics change due to the influence of the feeding line if the feeding line is easily arranged. This is because the dipole antenna itself is a balanced element, so a balanced / unbalanced conversion (balun) is required at the feed point, and unnecessary current leaks from the antenna feed point to the feed line. This is because the radiation characteristics of the antenna change.
[0011]
As described above, when the dipole antenna is used, there is a problem that a balun having a relatively large structure is required for the power feeding circuit.
[0012]
In general, a balun has a quarter wavelength length. For example, a linear element having a length of a quarter wavelength is arranged in parallel to the outer conductor of the coaxial line that is the feeder line, and one end thereof is short-circuited to the outer conductor. Thereby, since it can be set as a high impedance when the short circuit end is seen from the open end, the leakage of the unnecessary current to an outer conductor can be prevented.
[0013]
However, in principle, a length of about a quarter wavelength is required, and the size of the balun becomes very large depending on the frequency used. This makes it difficult to reduce the size of the antenna and the entire radio.
[0014]
The above problem can also occur in the case where a diversity antenna is configured by attaching a plurality of antennas to a housing.
[0015]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide an antenna device that can be miniaturized and can easily obtain a desired radiation pattern.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
[0017]
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a casing, a first linear element having one end connected to the end of the casing, and a second end connected to the other end of the first linear element. And second and third linear elements arranged in directions different from each other by approximately 180 degrees and having different lengths, and the sum of the electrical lengths of the second and third linear elements is transmitted. An absolute multiple of a half wavelength of the frequency of the radio wave or the received radio wave, and the electrical length of the first linear element is the absolute value of the difference between the electrical lengths of the second and third linear elements. Less than half.
[0018]
In the invention of
[0019]
In the invention of
[0020]
In the invention of claim 3, since two sets of antennas are arranged in parallel, a space diversity antenna can be configured, the reception sensitivity can be improved, and the radio wave state changes rapidly with time (for example, Even during mobile communication, stable communication is possible by suppressing changes in radio wave conditions.
[0021]
In the invention of claim 4, since the two sets of antennas are arranged so as not to see through each other, the electromagnetic coupling between the antennas can be reduced.
[0022]
In the invention of
[0023]
In the invention of
[0024]
In the invention of
[0025]
In the invention of claim 8, a fourth antenna comprising a fourth linear element is provided separately from the first antenna comprising the first to third linear elements, and the two antennas differ by approximately 90 degrees. Since they are arranged in the direction, a polarization diversity antenna can be configured, and signals having low correlation with each other can be received efficiently.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an antenna device according to the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
[0027]
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view of a first embodiment of an antenna device according to the present invention. The antenna device of FIG. 1 includes a linear element (first linear element) 102 connected to one end side of a
[0028]
The
[0029]
The
[0030]
A T-shaped monopole antenna is conventionally known as an antenna similar to the antenna device of FIG. In this type of monopole antenna, the lengths of the two linear elements constituting the T-shaped horizontal bar are made substantially equal to each other and used as a quarter-wave low profile antenna. Conventionally, it has been common to use radio wave radiation from a T-shaped vertical bar.
[0031]
On the other hand, the antenna apparatus of FIG. 1 utilizes the radiation of radio waves from the T-shaped horizontal bar portions (
[0032]
2 × A <| BC | (1)
Hereinafter, the reason for setting the length of each linear element so as to satisfy the relationship of the expression (1) will be described. The antenna device of FIG. 1 has three resonance modes m1, m2, and m3. FIG. 3A is a diagram for explaining an outline of the resonance modes m1 to m3, and FIG. 3B is a diagram illustrating a vibration state of each of the resonance modes m1 to m3.
[0033]
The resonance mode m1 is a resonance mode of a desired half-wave dipole antenna. When viewed from the
[0034]
The resonance modes m2 and m3 are resonance modes of an undesired quarter-wave monopole antenna, which is a series resonance mode in an equivalent circuit of L and C. In the resonance modes m2 and m3, the current at the
[0035]
The resonance mode m1, which is a desired mode, is a parallel resonance mode that resonates at a frequency between the resonance frequencies m2 and m3 by separating the series resonance of the resonance modes m2 and m3. For this reason, in order to perform resonance in the resonance mode m1, the resonance frequency of each mode needs to satisfy the relationship of the following formula (2) or (3).
[0036]
Resonance frequency of resonance mode m2 <resonance frequency of resonance mode m1 <resonance frequency of resonance mode m3 (2)
Resonance frequency of resonance mode m3 <resonance frequency of resonance mode m1 <resonance frequency of resonance mode m2 (3)
Here, assuming that the resonance wavelengths of the respective resonance modes are λ1, λ2, and λ3, the resonance wavelengths respectively use the lengths A to C of the
In the resonance mode m1, λ1 = 2 × (B + C)
When the resonance mode is m2, λ2 = 4 × (B + A)
When the resonance mode is m3, λ3 = 4 × (C + A)
Can be expressed.
[0037]
For example, assuming that the length B of the
λ2 <λ1 <λ3
Since it is a condition that
4 × (B + A) <2 × (B + C) <4 × (C + A) (4)
It becomes. (4) If the formula is arranged with A,
(B−C) <2 × A <(C−B)
It becomes. Where A takes a positive value and B is longer than C.
2 × A <| BC |. . . . . . . . . (1)
It becomes.
[0038]
In the formula (1), each antenna element needs to consider the electrical length. Here, the electrical length is the wavelength length of the frequency at which the element resonates. The quarter-wave monopole antenna of the resonance modes m2 and m3 is bent at the junction with the
[0039]
The half-wave monopole antenna in the resonance mode m1 is similarly shrunk. However, unlike the quarter-wave monopole antenna, the quarter-wave antenna is not affected by the bent portion in the vicinity of the
[0040]
For example, when the shrinkage effect is relatively strong in the resonance modes m2 and 3, the above-described equation (4) is expressed by the following equation (5) when the shrinkage rate of the resonance modes m2 and 3 is α. become.
[0041]
4 × α × (B + A) <2 × (B + C) <4 × α × (C + A) (5)
When formula (5) is modified, formula (6) is obtained.
[0042]
B + (1-2 × α) × C <2 × α × A <C + (1-2 × α) × B (6)
Here, the value of α may be determined according to the structure of each of the
[0043]
Further, the antenna device of FIG. 1 has a feature that unnecessary current leakage to the
[0044]
Since the antenna apparatus of FIG. 1 operates by parallel resonance, the current flowing through the
[0045]
4 is a diagram showing antenna characteristics of the antenna device of FIG. 1, FIG. 4 (a) is a diagram showing the relationship between frequency and mismatch loss indicating the amount of gain degradation, and FIG. 4 (b) is a Smith chart diagram. 4 (c) is a diagram showing radiation patterns of vertical polarization and horizontal polarization, and FIG. 4 (d) is a diagram for explaining the coordinates of FIG. 4 (c).
[0046]
In FIG. 4, the length A of the
[0047]
As can be seen from FIG. 4A, the mismatch loss at the resonance frequency f0 of the resonance mode m1 is sufficiently small. Further, as can be seen from the Smith chart of FIG. 4B, the impedance characteristic changes so as to draw a loop centering on 50 ohms, and it can be seen that matching with the feeder line is achieved over a relatively wide band. .
[0048]
Further, as can be seen from the radiation pattern of FIG. 4C, it can be seen that the radiation pattern spreads uniformly along the outer circumferential circle, and is a non-directional pattern that is a characteristic of the dipole antenna itself. In addition, since the vertical polarization is small, it can be seen that unnecessary radiation from the
[0049]
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the frequency and the antenna gain of this embodiment. As shown, the antenna gain at the resonance frequency f1 of the resonance mode m1 is large, and the antenna gain at the resonance frequencies f2 and f3 of the resonance modes m2 and m3 is sufficiently small. That is, by setting the lengths A, B, and C of the
[0050]
As described above, the antenna according to the present embodiment has a relatively simple configuration, but suppresses the influence from other parts close to the antenna, which has been a problem in the past, and realizes an operation as a dipole antenna. I understand that.
[0051]
Further, according to the experiment by the present applicant, the length A of the
[0052]
(Second Embodiment)
In the second embodiment, two sets of antennas having the same structure as that of the first embodiment are provided.
[0053]
FIG. 6 is a perspective view of a second embodiment of the antenna device according to the present invention. In the antenna device of FIG. 6, two sets of antennas having the same structure as that of FIG. 1 are arranged substantially in parallel. Each antenna (first and second antennas) 11 and 12 is composed of T-shaped
[0054]
In FIG. 6, the
[0055]
Space diversity is a method that places multiple antennas at a distance and selects or synthesizes the signals received by each antenna to improve reception sensitivity. In particular, mobile communications in which radio wave conditions change rapidly over time. Is widely used as a method for performing stable communication while suppressing changes in radio wave conditions.
[0056]
It is desirable that the antennas constituting the diversity have a low correlation between signals received by the respective antennas. In space diversity, the correlation between signals can be lowered by making the distance between antennas sufficiently wide.
[0057]
More specifically, it is desirable to arrange the two
[0058]
In the configuration of FIG. 6, when the distance between the antennas is about half a wavelength, electromagnetic coupling occurs between the antennas, and the directivity of the antennas changes. The correlation of the received signal can be lowered also by the change in the directivity of the antenna. Thereby, the improvement of the diversity effect can be expected.
[0059]
FIG. 7 is a perspective view showing an example in which two sets of
[0060]
FIG. 8 is a diagram illustrating an example in which
[0061]
(Third embodiment)
In the third embodiment, two sets of antennas are arranged in directions different from each other by approximately 90 degrees.
[0062]
FIG. 9 is a perspective view of an antenna device according to a third embodiment of the present invention. The antenna device of FIG. 9 has two sets of
[0063]
In an actual outdoor radio wave environment, it is known that the correlation between vertically polarized waves and horizontally polarized waves is very low. Therefore, by arranging the antenna elements in directions different by about 90 degrees as shown in FIG. 9, it becomes possible to receive signals having low correlation with each other.
[0064]
The antenna of FIG. 9 has an advantage that the correlation of received signals can be lowered without increasing the distance between the antennas. Accordingly, the size of the
[0065]
FIG. 10 shows a modification of FIG. 9 in which two sets of
[0066]
Also in the case of FIG. 10, similarly to FIG. 9, even if the distance between the antennas is shortened, the correlation of the received signals can be lowered.
[0067]
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, an antenna composed of linear elements is provided separately from an antenna composed of three linear elements.
[0068]
FIG. 11 is a block diagram of a fourth embodiment of the antenna device according to the present invention. The antenna device of FIG. 11 includes an
[0069]
First, the case where an array antenna is comprised by these
[0070]
By supplying power so that both
[0071]
In the conventional case, it is necessary to configure the linear element to have a two-stage structure and protrude from the
[0072]
These
[0073]
FIG. 12 is a modification of FIG. 11 and is a perspective view showing an example of a polarization diversity antenna in which two
[0074]
You may comprise combining each antenna demonstrated by the 1st-4th embodiment mentioned above arbitrarily. For example, FIG. 6 and FIG. 9 may be combined to provide three or more antennas, and some of the antennas may be arranged in parallel and the rest may be arranged at approximately 90 degrees. Moreover, you may combine the
[0075]
In each of the embodiments described above, an example in which the
[0076]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the sum of the electrical lengths of the second and third linear elements is an integral multiple of a half wavelength of the radiation frequency of the radio wave, and the first linear Since the electrical length of the element is less than half of the absolute value of the difference between the electrical lengths of the second and third linear elements, unnecessary frequency components are suppressed, and radio waves having a desired frequency can be transmitted. Can be radiated. In addition, unnecessary radiation from the feeder line can be prevented, and the antenna device can be downsized. Furthermore, a radiation pattern close to omnidirectional can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of an antenna device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the length of each linear element.
FIG. 3A is a diagram for explaining an outline of resonance modes m1 to m3, and FIG. 3B is a diagram illustrating a vibration state of each resonance mode m1 to m3.
4 is a diagram showing antenna characteristics of the antenna device of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between a frequency and an antenna gain according to the present embodiment.
FIG. 6 is a perspective view of a second embodiment of an antenna device according to the present invention.
FIG. 7 is a perspective view showing an example in which two antennas are arranged back to back.
FIG. 8 is a diagram showing an example in which antennas are connected to two opposite surfaces of a housing.
FIG. 9 is a perspective view of a third embodiment of an antenna device according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing an example in which two sets of antennas are arranged back to back with each other.
FIG. 11 is a block diagram of a fourth embodiment of an antenna device according to the present invention.
FIG. 12 is a perspective view showing an example of a polarization diversity antenna in which two antennas are arranged in directions different from each other by approximately 90 degrees.
FIG. 13 is a perspective view illustrating a schematic configuration of a power feeding circuit disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-205004.
[Explanation of symbols]
11-13
Claims (8)
一端が前記筐体の端部に接続された第1の線状素子と、
前記第1の線状素子の他端にそれぞれ接続され、互いに略180度異なる方向に配置され互いに異なる長さをもつ第2および第3の線状素子と、を備え、
前記第2および第3の線状素子の電気的長さの和が送信電波または受信電波の周波数の半波長の整数倍で、かつ、前記第1の線状素子の電気的長さが前記第2および第3の線状素子の電気的長さの差の絶対値の半分以下であることを特徴とするアンテナ装置。A housing,
A first linear element having one end connected to an end of the housing;
Second and third linear elements respectively connected to the other ends of the first linear elements, arranged in directions different from each other by approximately 180 degrees and having different lengths ;
The sum of the electrical lengths of the second and third linear elements is an integral multiple of a half wavelength of the frequency of the transmission radio wave or reception radio wave, and the electrical length of the first linear element is the first An antenna device, wherein the antenna device is less than half the absolute value of the difference in electrical length between the second and third linear elements.
これらアンテナのうち少なくとも2組のアンテナについて、各アンテナの前記第2および第3の線状素子をそれぞれ互いに平行に配置することを特徴とする請求項1または2に記載のアンテナ装置。A plurality of antennas comprising the first, second and third linear elements;
3. The antenna device according to claim 1, wherein the second and third linear elements of each antenna are arranged in parallel with each other for at least two sets of these antennas.
これらアンテナのうち少なくとも2組のアンテナについて、各アンテナの前記第2および第3の線状素子を互いに略90度異なる方向に配置することを特徴とする請求項1または2に記載のアンテナ装置。A plurality of antennas comprising the first, second and third linear elements;
3. The antenna device according to claim 1, wherein the second and third linear elements of each antenna are arranged in directions different from each other by approximately 90 degrees with respect to at least two sets of these antennas.
前記第1および第2のアンテナを互いに平行に配置することを特徴とする請求項1または2に記載のアンテナ装置。Separately from the first antenna consisting of the first, second and third linear elements, a second antenna consisting of a fourth linear element protruding from the housing is provided,
The antenna apparatus according to claim 1 or 2, wherein the first and second antennas are arranged in parallel to each other.
前記第1および第2のアンテナを互いに略90度異なる方向に配置することを特徴とする請求項1または2に記載のアンテナ装置。Separately from the first antenna consisting of the first, second and third linear elements, a second antenna consisting of a fourth linear element protruding from the housing is provided.
3. The antenna device according to claim 1, wherein the first and second antennas are arranged in directions different from each other by approximately 90 degrees.
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