JP3898598B2 - 送受信モジュール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえばドップラーモジュールなどの送受信モジュールに関する。さらに詳しくは、アンテナの損失が小さく、放射効率を向上させることができる送受信モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、たとえばドップラーモジュールなどの送受信モジュールに用いられるアンテナは、マイクロストリップ線路を用いる方法、ホーンアンテナを用いる方法、スリットアンテナを用いる方法などが知られている。
【０００３】
マイクロストリップラインを用いる方法は、たとえば誘電体基板表面に導電体膜を蒸着などにより被着して、アンテナパターンに形成するもので、たとえばジグザグ形状など、所望の形状にアンテナパターンを形成することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このマイクロストリップラインを用いる送受信モジュールは、誘電体基板表面に導電体膜を被着してアンテナを形成するため、誘電体基板としては熱的、機械的強度を要求される。そして、一般的には誘電率が２〜１０程度のセラミックスなどが用いられるため、誘電体による損失があり、放射効率を充分に上げることができないと共に、少しでも損失を小さくするため誘電体基板を薄くすると、広帯域化することが困難である。また、たとえばジグザグ状にアンテナパターンを形成すれば、そのジグザグのピッチを変化させることにより、アンテナの指向性を変化させることができるが、誘電体基板上に導電体膜を形成してパターニングする構造では、種々のパターンを形成することは、その都度新たに導電体膜を形成して、パターニングをしなおさなければらず、コストアップとなり、開発の時間もかかるという問題がある。
【０００５】
また、ホーンアンテナあるいはスリットアンテナなどでは、金属で構成されており、損失は小さく、放射効率も高いものが得られるが、導波管で構成されているため、全体の大きさが大きくなると共に、重量も重くなるという問題がある。
【０００６】
一方、たとえばマイクロ波ドップラーモジュールなどのセンサに用いる送受信モジュールでは、マイクロ波出力電力は小さなものであるため、消費される電力を小さくする必要がある。そのため、アンテナの性能はとくに重要であり、アンテナ損失の低下と放射効率の向上がとくに要求されている。
【０００７】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、アンテナ損失を小さくし、放射効率の優れた簡単な構造のアンテナを有する送受信モジュールを提供することを目的とする。
【０００８】
本発明の他の目的は、簡単な構造でアンテナの損失を小さくしながら、振動などに対してもアンテナ性能に影響を及ぼさない構造の送受信モジュールを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による送受信モジュールは、少なくとも一面に地板が設けられ、内部に送受信回路が形成される筐体と、該筐体の前記地板からスルーホールを介して該地板と非接触で該地板上に延出される給電ピンと、該給電ピンの先端に一端側が電気的に接続され、他端側がオープンとされた金属ワイヤからなり、前記地板とほぼ平行に鋭角または鈍角で折返しが繰り返されてジグザグ形状に形成されるアンテナとからなり、前記アンテナが、前記給電ピンに接続され、折返し部までの長さが送受信する信号のほぼ１／４波長の長さの接続エレメントと、折返し部間の長さが前記信号のほぼ１／２波長の長さの２つのエレメントからなる少なくとも１組の放射素子と、前記他端側に設けられる前記信号のほぼ１／２波長の長さの終端エレメントとを有し、前記地板から一定間隔を介してフリーの状態で設けられている。
【００１０】
ここに「金属ワイヤ」とは、マイクロストリップラインのように、基板上に薄膜で形成された導体を除く意味であり、金属などの導体からなる線材や断面が円形もしくは角形の棒状導体などの他、帯状導体などを含む意味である。また、給電ピンの一端側に「接続され」とは、異なる導体が溶接または接着剤などにより電気的に接続される場合や、同じ材料で一体に折り曲げて形成される場合も含む意味である。さらに、「フリーの状態」とは、アンテナが基板表面などに固着して形成されるものを除く意味で、独立して形成されたアンテナと地板との間に支持部材が介在されたものや、その支持部材と少なくともアンテナの一部が接着剤などにより接着される場合も含む意味である。
【００１１】
この構造にすることにより、アンテナと地板との間に損失を生じやすい誘電率の大きな誘電体が存在しないため、アンテナの損失が小さく、放射効率を向上させることができる。しかも、アンテナのエレメントがフリーの状態で保持されているため、たとえばアンテナの指向特性を最適化したい場合に、ジグザグ状のエレメントを引き伸ばしたり、縮めることにより、ジグザグ状エレメントのピッチを自由に変更することができ、所望の指向特性を自由に設定することができる。
【００１２】
前記アンテナと前記地板との間に、誘電体材料からなり、該アンテナの一部のみと接触する支持部材が介在されることにより、フリーな状態のエレメントを保持することができ、振動などが加わっても、アンテナが振動して受信信号にノイズが入ることを防止することができながら、アンテナを支持する誘電体部分はアンテナの一部と接触するだけであるため、誘電体による損失を非常に小さく抑えることができ、アンテナ性能を低下させることなく、振動に対する安定性を得ることができる。
【００１３】
前記アンテナと前記地板との間の少なくとも一部に比誘電率が５以下さらに好ましくは比誘電率が２以下の、たとえば発泡スチロールのような非常に低損失の誘電体材料からなる支持部材が介在されることにより、誘電体による損失を殆ど生じさせないため、アンテナを広い範囲に亘って、保持してもアンテナ性能を低下させることがなくなる。発泡スチロールなどは、熱的耐久性がないが、この表面に導電体膜などを被着するものではないため、その必要はなく、軽いアンテナを保持することができればよいため、充分にその機能を発揮し、しかも誘電損失を生じさせることがない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の送受信モジュールについて説明をする。本発明による送受信モジュールは、図１にその一実施形態の構造説明図が上面図、側面図および動作の説明図としてそれぞれ示されるように、少なくとも一面に地板２が設けられ、内部に送受信回路が形成される筐体３の地板２からスルーホール２ａを介して地板２と非接触で地板２上に給電ピン４が延出されている。その給電ピン４の先端にアンテナ１の一端側が電気的に接続され、アンテナ１の他端側はオープンとされている。アンテナ１は、線状、棒状、帯状などの導体からなる金属ワイヤからなり、地板１とほぼ平行にジグザグ形状に形成されると共に、そのジグザグ形状に折り返される１つのエレメント１ａの長さが、送受信する信号のほぼ１／２波長（λ）の長さに形成されている。さらに、このアンテナ１は、地板２から一定間隔を介してジグザグ形状のエレメントがフリーの状態で設けられている（基板などに完全に固着された状態では設けられていない）ことに特徴がある。
【００１７】
アンテナ１は、たとえば図１に示されるように、地板２のスルーホール２ａから導出された給電ピン４の先端に給電ピン４と一体または給電ピン４に電気的に接続して金属ワイヤが地板２と平行になるようにジグザグ状に折り曲げられることにより形成されている。このジグザグ状に折り曲げる１つのエレメント１ａは、送受信する信号のほぼλ／２（λは送受信する信号の波長）の長さになるように形成され、後述するように、隣接する２つのエレメントにより、１組の放射素子が形成されている。このジグザグ状のエレメント同士のなす角度θを大きくする、すなわちアンテナの開放端を引き伸ばす（ピッチｐが大きくなる）ことにより、指向性が狭くなり、角度θを小さくすることにより、指向性が広くなる。
【００１８】
後述する図４（ａ）に示されるように、ジグザグ状のエレメント１ａの端部（折曲げ部）の一端側を結ぶ線上に給電ピン４の位置があれば、λ／２長のエレメント１ａ群のジグザグ部だけでよいが、図１に示される例では、給電ピン４の位置がジグザグ状エレメント１ａの上下（両端の折曲げ部におけるそれぞれの折曲げ部を結ぶ線）の中心線上に形成されているため、給電ピン４とλ／２長のエレメント１ａとが、前述の中心線とほぼ垂直方向に延びるλ／４長の接続エレメント１ｂを介して接続されている。後述するように、このλ／４長の接続エレメント１ｂが設けられることにより、この接続エレメント１ｂからの放射もあるため、ビーム形状が変形し、その補正のために、ジグザグ状エレメント１ａの終端部に、λ／２長で、接続エレメント１ｂとほぼ平行に終端エレメント１ｃが形成されている。その結果、終端エレメント１ｃからも放射があり、接続エレメント１ｂからの放射と相俟ってビーム形状が補正される。
【００１９】
本発明では、このアンテナ１が誘電体基板表面に被着された導電体膜のパターニングなどにより形成されたものではなく、一端が固定された片持ちのサスペンド状態であり、開放端側がフリーであるため、最初の試作段階では、エレメントのなす角度θ、すなわちジグザグのピッチｐを自由に変更することができる。そして、最適な指向特性の得られた状態で、一定のピッチのアンテナ１として大量生産をすることができる。
【００２０】
金属ワイヤとしては、導線のような細い線状のものでもよいし、たとえば０.５〜１ｍｍ程度の太さを有する棒状のものでもよいし、たとえば銅などからなる板材を所望のジグザグ形状になるように打ち抜いて形成したものでもよい。また、アンテナ１と地板２との距離ｈは、放射効率が最大になるように、種々変化させながら、放射インピーダンスを調整することにより、最適なインピーダンス状態に設定することができる。このｈは、たとえば２４.１５ＧＨｚの周波数帯に対して、０.５〜１.５ｍｍ程度になる。
【００２１】
地板２は、導電性であればよく、何でも使用することができるが、たとえば筐体３をアルミニウム板などにより形成し、その１つの面を地板２として使用することができる。筐体３内には、送受信のための信号処理回路などが形成されており、その回路とアンテナ３とを接続する給電ピン４が導線などにより地板２に設けられたスルーホール２ａから地板２上に延出され、前述のアンテナ２の一端に電気的に接続されている。この給電ピン４とアンテナ２とは、前述のように、同じ材料で一体に形成することもできる。なお、図１（ｂ）において、５、６は送受信回路に接続された入力端子および出力端子をそれぞれ示している。
【００２２】
つぎに、このアンテナの動作について説明をする。この構造のアンテナでは、一端より給電されたアンテナの輻射インピーダンスと自由空間インピーダンスとの比が大きいため、一端より給電しても他端へ極めて少ない減衰で伝搬するので、アンテナとしては共振型アンテナとなる。したがって、アンテナ２の各エレメント１ａでは、その長さが前述のようにλ／２であるため、図１（ｃ）に矢印で示されるような電流分布を示す。そして、各エレメントの中点Ｃ、すなわち開放端からλ／４、３λ／４、５λ／４・・・の点で電流ピークの点が生じ、それぞれの点におけるある瞬間の電流の向きが図１（ｃ）の矢印で示されるような状態になっている。したがって、隣接する２つのエレメントの電流を合成すれば、図１（ｃ）の左右方向成分は互いに打ち消し合って、垂直方向の成分のみが残り、図１（ｄ）に示されるように、垂直方向の電流ベクトルＩ₀となる。すなわち、隣接する２つのエレメント１ａにより、１組の放射素子を形成している。
【００２３】
その結果、このアンテナは、電流値をもったＮ個（図１では２個）のダイポールを相互に平行に一定間隔で配列したものと等価で、ダイポールアンテナとして動作する。なお、図１（ａ）〜（ｄ）において、前述のように、ジグザグ状のλ／２長のエレメント１ａと給電ピン４との接続がλ／４長の接続エレメント１ｂを介して行われているため、この部分による放射があり、この放射によるビーム形状の補正を行うため、図１（ａ）および（ｃ）に示されるように、ジグザグ状アンテナの終端部にλ／２長の終端エレメント１ｃが放射器として設けられており、ビームの形が補正されている。そのため、図１（ｄ）に示されるように、ダイポールアンテナの両端にも両端電流Ｉ₀が生じている。
【００２４】
本発明による送受信モジュールによれば、送受信回路が形成された筐体の一面に設けられた地板の表面側に、一定間隔の空隙または後述する誘電率の小さい支持部材を介してアンテナがジグザグ形状に形成され、その一端が地板のスルーホールから導出された給電ピンと電気的に接続され、他端が開放端とされたサスペンド構造になっている。その結果、アンテナ自身は誘電体基板上に成膜して形成されるものではなく、空気または非常に誘電率の小さい発泡スチロールのような材料と接しているため、誘電体によるロスが殆ど生じない。その結果、非常に損失が小さく、放射効率が向上する。
【００２５】
さらに、本発明の送受信モジュールによれば、アンテナの他端側は開放端となり、完全にフリーにすることができる。その結果、開放端を伸ばしたり縮めることにより、隣接するエレメント１ａのなす角度θを変えることができる。このθをたとえば小さくすると、ジグザグ形状のエレメントのピッチｐ、すなわち図１（ｄ）の等価回路に示されるダイポールアンテナの間隔ｐが狭くなることを意味し、アンテナの指向特性が広くなる。逆に、θを大きくすると、指向特性が狭くなり、所望のアンテナ特性に応じて、このジグザグ形状の隣接するエレメント間の角度を調整することができる。
【００２６】
前述の例では、アンテナの開放端を完全にフリーにした片持ち構造で形成したが、このような片持ち構造では、振動を受けるような環境で使用する場合には、その振動で、アンテナ自身が振動し、その振動がノイズとして送受信信号に混入する場合がある。そのような影響を防止するため、たとえば図２または３に示されるように、アンテナ１の一部と地板２との間に支持部材７を介在させることにより、アンテナ１自身の振動を防止することができる。図２は、たとえば各エレメント中心部を結ぶようにアンテナの横方向に延びる支持部材７を介在させた例であり、図３に示される例は、アンテナ１の開放端側のみに支持部材７を介在させた例である。なお、このような支持部材７は、直接挟み込むだけでもアンテナ１のスプリング性により挟み込まれて固定されるが、たとえば接着剤などにより地板２側に接着してもよく、さらにアンテナ１と地板２との両方に接着してもよい。要は、使用状況における振動に対して、アンテナが振動の影響を受ないように支持されればよい。
【００２７】
このように、アンテナ１の一部のみに誘電体部材からなる支持部材７が介在されることにより、アンテナ１の振動を非常に有効に防止することができながら、アンテナ１の誘電体材料による損失は、非常に僅かですみ、従来のアンテナの全体が誘電体基板上に形成される場合に比べて、遥かに損失が小さく、放射特性が向上する。なお、支持部材７を設ける場所が、アンテナエレメントの電圧の小さい場所、たとえば図１のＣ点であれば、より損失が小さくなり好ましい。
【００２８】
さらに、支持部材７として、たとえば発泡スチロールの如く比誘電率の小さい材料（１.２〜１.５程度）のような比誘電率が５以下、好ましくは比誘電率が２以下、さらに好ましくは比誘電率が１.５以下の誘電率の非常に小さいものが好ましいが、１.５以下、さらに好ましくは１.２以下のものを使用すれば、空気層と余り変らず、アンテナのほぼ全体を支持するように支持部材を設けることができる。もちろんこのような誘電率の非常に小さい支持部材により、部分的にアンテナを支持すれば空気層を介して設けられたアンテナと殆ど同じ性能が得られながら、振動に対する影響もなくさらに好ましい。
【００２９】
さらに、前述の例では、ジグザグ状のエレメント１ａのほぼ中心線上で給電ピン４と接続される構造であるため、λ／４長の接続エレメント１ｂを介してジグザグ状のエレメント１ａが給電ピン４と接続されていたが、たとえば図４（ａ）に示されるように、ジグザグ状のエレメント１ａの同じ側の折曲げ部を結ぶ線上で給電ピン４と接続する構造にすれば、接続エレメントおよび終端エレメントがなくても、図１に示される構造と同様で、図５に示されるようなビームパターンが得られる。なお、図５においてＡは前述の２つのエレメントからなる１組の放射素子を、Ｂは筐体からなる地板をそれぞれ示す。
【００３０】
さらに、図４（ｂ）に示されるように、接続ピン４をジグザグ状エレメント１ａの中心線上に給電ピン４が位置するようにしながら、接続エレメント１ｂをその中心線と垂直方向に延出しないで、λ／２長のエレメント１ａと同程度の角度でジグザグ状に形成したλ／４長の接続エレメント１ｂとしても、エレメント全体を給電ピン４の位置を中心として適当な角度回転させることにより、図１に示される構造と同様の図５に示されるビームパターンが得られる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、非常に簡易な構成で、損失の小さい放射効率の優れたアンテナ付き送受信モジュールを得ることができる。その結果、たとえばセンサなどに使用するドップラーモジュールなど、出力が小さく、安価であることが要求される送受信モジュールでも、非常に高性能な送受信モジュールとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による送受信モジュールの一実施形態を示す説明図である。
【図２】図１に示される送受信モジュールにアンテナを支持する支持部材が設けられた例の説明図である。
【図３】図１に示される送受信モジュールにアンテナを支持する支持部材が設けられた例の説明図である。
【図４】図１のアンテナ形状を変更した例を示す説明図である。
【図５】本発明により得られるビームパターンを示す図であ。
【符号の説明】
１ アンテナ
１ａ λ／２長のジグザグ状エレメント
１ｂ λ／４長の接続エレメント
１ｃ λ／２長の終端エレメント
２ 地板
３ 筐体
４ 給電ピン
７ 支持部材

Claims (3)

1. 少なくとも一面に地板が設けられ、内部に送受信回路が形成される筐体と、該筐体の前記地板からスルーホールを介して該地板と非接触で該地板上に延出される給電ピンと、該給電ピンの先端に一端側が電気的に接続され、他端側がオープンとされた金属ワイヤからなり、前記地板とほぼ平行に鋭角または鈍角で折返しが繰り返されてジグザグ形状に形成されるアンテナとからなり、前記アンテナが、前記給電ピンに接続され、折返し部までの長さが送受信する信号のほぼ１／４波長の長さの接続エレメントと、折返し部間の長さが前記信号のほぼ１／２波長の長さの２つのエレメントからなる少なくとも１組の放射素子と、前記他端側に設けられる前記信号のほぼ１／２波長の長さの終端エレメントとを有し、前記地板から一定間隔を介してフリーの状態で設けられてなる送受信モジュール。
2. 前記アンテナと前記地板との間に、誘電体材料からなり、該アンテナの一部のみと接触する支持部材が介在されてなる請求項１記載の送受信モジュール。
3. 前記アンテナと前記地板との間の少なくとも一部に比誘電率が５以下の低損失の誘電体材料からなる支持部材が介在されてなる請求項１または２記載の送受信モジュール。

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