JP4104499B2

JP4104499B2 - ２周波共用アンテナ

Info

Publication number: JP4104499B2
Application number: JP2003186487A
Authority: JP
Inventors: 清高熊木; 迪呉
Original assignee: Kojima Industries Corp
Current assignee: Kojima Industries Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: JP2005020677A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は２周波共用アンテナに関し、特に２周波共用ダイポールアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車の窓ガラスやオープンカーでの風の巻き込み防止用のデフレクタ等に貼り付けられるアンテナには、薄い銅板やプリント基板を用いてモノポールアンテナを平面状に変形したアンテナが用いられる。貼り付けアンテナは、同軸ケーブルを介して携帯電話や通信機等に接続される。
【０００３】
一方、携帯電話が使用する周波数帯は国により異なり、各国とも異なる２つの周波数帯を同時に使用していることが多く、このためアンテナメーカは仕向先毎にアンテナ形状の異なる複数のアンテナを用意する必要がある。例えば、Ａ国向けにはａ形状のアンテナを用意し、Ｂ国向けにはｂ形状のアンテナを用意する如くである。さらに、２つの周波数帯を１つのアンテナでカバーするために、アンテナは２周波で共振し使用できる２周波共用アンテナとする必要もある。
【０００４】
下記の従来技術には、自動車の窓ガラスに貼り付けられるモノポールアンテナの一例が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−７３１８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、モノポールアンテナで２周波共用アンテナを構成する場合には多種類の形状を用意する必要があり、量産に不利である。
【０００７】
また、モノポールアンテナとして動作させるためには、十分な大きさのＧＮＤ部あるいはＧＮＤパターンが必要となるので、アンテナ全体の占有面積が増大し、例えば自動車の窓ガラス等に貼り付ける際には車室内からの視界が限定されてしまう。
【０００８】
さらに、モノポールアンテナの利得は、ＧＮＤの大きさが無限大のときに最大となるが、自動車の窓ガラスやデフレクタに貼り付ける場合にはＧＮＤの大きさが貼り付ける対象のサイズにより制限されてしまうため、結果として十分な利得が得られない。
【０００９】
本発明の目的は、比較的小さい占有面積であっても十分な利得を得ることができ、量産にも有利な２周波共用アンテナを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１及び第２の板状導電体を組み合わせて２周波共用のダイポールアンテナを構成する２周波共用アンテナであって、前記第１及び第２の板状導電体は、それぞれ前記第１及び第２の共振周波数に対応する長さをそれぞれ有する２つのアンテナエレメント部と、前記アンテナエレメント部と同軸ケーブルとを接続する伝送線路部と、を有し、前記伝送線路部は、第１線路部と第２線路部を有し、前記第１の板状導電体の前記伝送線路部は前記同軸ケーブルの内部導体に接続され、前記第２の板状導電体の前記伝送線路部は前記同軸ケーブルの外部導体に接続され、前記第１及び第２の板状導電体の伝送線路部は、前記アンテナエレメント部と前記同軸ケーブルとの間のインピーダンス整合回路を構成し、かつ、前記アンテナエレメント部と前記同軸ケーブルとの間の平衡不平衡変換回路を構成し、前記第２の板状導電体の前記第２線路部は、前記第１の板状導電体の前記第２線路部を左右から挟み、かつ前記第１の板状導電体の前記第２線路部を跨ぐように設けられることを特徴とする。ダイポールアンテナの平行２線の線路と同軸ケーブルの同軸線路とは、それ自体のインピーダンスを同一としても平行２線間での電流または電圧が平衡しているのに対し同軸線路の外部導体の電圧は常にゼロとなっているので直接接続すると電力の反射や漏洩を生じてしまうため分布定数型あるいは集中定数型の整合回路としてバランを設ける。本発明では、伝送線路の一部にバランを形成することで、ダイポールアンテナと同軸ケーブルを接続する。
【００１１】
本発明において、前記伝送線路部は、第１線路部と第２線路部を有し、前記第１線路部及び前記第２線路部は、それぞれ前記第１の共振周波数に対応する第１の波長の約１／８の長さを有して前記アンテナエレメント部と前記同軸ケーブルとの間の前記インピーダンス整合回路を構成し、前記第１線路部及び前記第２線路部は、それぞれ前記第２の共振周波数に対応する第２の波長の約１／４の長さを有し、前記第１線路部は前記アンテナエレメント部と前記第２線路部との間の前記インピーダンス整合回路を構成し、前記第２線路部は前記同軸ケーブルと同一のインピーダンスを有し前記アンテナエレメント部と前記同軸ケーブルとの間の前記平衡不平衡変換回路を構成してもよい。
【００１２】
また、本発明において、前記伝送線路は、前記第２の共振周波数を有する前記第２アンテナエレメントを兼用してもよい。
【００１３】
また、本発明において、前記第１アンテナエレメント、第２アンテナエレメント及び伝送線路は、平面形状としてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
図１には、本実施形態に係る２周波共用アンテナ１の平面図が示されている。板状の導電体２及び３が互いに組み合わされて２周波共用のダイポールアンテナが構成される。
【００１９】
導電体２は、アンテナエレメント７ａ、８ａ及び伝送線路９を有する。エレメント７ａ及び８ａはともに屈曲しており、エレメント７ａはエレメント８ａよりも長い。エレメント７ａ及びエレメント８ａは一端でともに伝送線路９に接続される。伝送線路９はコプレーナストリップ１０とコプレーナ線路１１から構成され、コプレーナストリップ１０はエレメント７ａ、８ａとコプレーナ線路１１とを接続し、コプレーナ線路１１はコプレーナストリップ１０と同軸ケーブル４とを接続する。コプレーナ線路１１は、一対の導電板（接地板）から構成され、個一対の導電板は後述する導電体３のコプレーナ線路１１を跨ぐようにアースブリッジ１２、１３を有する。このアースブリッジは、アンテナ特性調整用ＧＮＤとして機能し、アンテナ特性の共振周波数や帯域幅の微調整用として機能する。また、一対の導電板のうちの図中下側の導電板は上側の導電板よりもコプレーナ線路１１の線路方向に沿って長く形成され、アンテナ特性調整用のスタブとして機能する。コプレーナ線路１１の一対の導電板は、同軸ケーブル４の外部導体５に接続される。導電体２が第１ダイポールアンテナ２を構成する。
【００２０】
一方、導電体３は、アンテナエレメント７ｂ、８ｂ及び伝送線路９を有する。エレメント７ｂ及び８ｂもともに屈曲しており、エレメント７ｂはエレメント８ｂよりも長い。エレメント７ｂはエレメント７ａと組となって第１のダイポールアンテナ２を構成し、エレメント８ｂはエレメント８ａと組となって第２のダイポールアンテナ３を構成する。エレメント７ｂ及びエレメント８ｂは一端でともに伝送線路９に接続される。伝送線路９はコプレーナストリップ１０とコプレーナ線路１１から構成され、コプレーナストリップ１０はエレメント７ｂ、８ｂとコプレーナ線路１１とを接続し、コプレーナ線路１１はコプレーナストリップ１０と同軸ケーブル４とを接続する。導電体３が第２ダイポールアンテナ３を構成する。第２ダイポールアンテナ３の伝送線路９と第１ダイポールアンテナ２の伝送線路９は互いに電気的に絶縁されており、第１ダイポールアンテナ２の伝送線路９にあるアースブリッジ１２，１３と第２ダイポールアンテナ３の伝送線路９とは電気的に絶縁される。第２ダイポールアンテナ３の伝送線路９は、同軸ケーブル４の内部導体６に接続される。
【００２１】
図１の２周波共用アンテナ１は、例えば自動車のデフレクタ等に貼り付けて使用される。同軸ケーブル４の他端は、携帯電話その他の通信機器に接続される。
【００２２】
図２には、図１に示された２周波共用アンテナの分解斜視図が示されている。デフレクタ１４は自動車に設けられる風の巻き込み防止板である。デフレクタ１４の代わりに、自動車の窓ガラスであってもよい。アンテナ保護シート１６は接着材１５を介してデフレクタ１４に接着される。アンテナ保護シート１６状に板状の導電体２が設けられ、アンテナ保護シート１７を介して板状の導電体３が設けられる。導電体２と導電体３の位置関係は図１に示す通りであり、エレメント７ａと７ｂが対向し、エレメント８ａと８ｂが対向するように配置される。導電体３上にはアンテナ保護シート１８を介してアンテナ全体を保護するカバー１９が設けられる。
【００２３】
本実施形態の２周波共用アンテナ１は、第１ダイポールアンテナ２で第１共振周波数をカバーし、第２ダイポールアンテナ３で第２共振周波数をカバーする。第１の共振周波数帯は例えば８００ＭＨｚ帯のＡＭＰＳ帯とし、第２の共振周波数帯は例えば１９００ＭＨｚ帯のＰＣＳ帯とすることができる。
【００２４】
以下、第１共振周波数（低周波帯）で動作する場合と、第２共振周波数（高周波帯）で動作する場合に分けて説明する。
【００２５】
図３には、低周波帯で動作する場合の２周波共用アンテナ１の構成が示されている。エレメント７ａと７ｂから構成される第１ダイポールアンテナ２の全長（すなわち、エレメント７ａと７ｂの長さの和）Ｌ１は、第１共振周波数に対応する第１波長λ１の１／２に設定される。このとき、アンテナに流れる電流の一部はエレメント８ａ及び８ｂにも流れるが、エレメント８ａ、８ｂは低周波数帯でのアンテナ特性を調整するオープンスタブとして機能する。
【００２６】
伝送線路９の全長Ｌ２、すなわちコプレーナストリップ１０の長さＬ３とコプレーナ線路１１の長さＬ４の和は、第１波長λ１の１／４に設定される。具体的には、コプレーナストリップ１０の長さＬ３は第１波長λ１の１／８に設定され、コプレーナ線路１１の長さＬ４は第１波長λ１の１／８に設定される。伝送線路９の全長Ｌ２を第１波長λ１の１／４に設定することで、伝送線路９は第１ダイポールアンテナ２のエレメント７ａ、７ｂと同軸ケーブル４との間のインピーダンスを整合するインピーダンス整合回路として機能する。
【００２７】
また、アースブリッジ１３はアンテナ特性の調整用として機能し、アースブリッジ１２からの距離Ｌ５を調整することでアンテナの共振周波数や帯域幅を微調整することができる。
【００２８】
図４には、本実施形態に係る２周波共用アンテナ１の周波数特性が示されている。なお、比較のため、同図には従来のモノポールアンテナの周波数特性も示されている。本実施形態の２周波共用アンテナ１は、低周波帯（８００ＭＨｚ）において従来と同等以上の利得が得られている。
【００２９】
図５には、高周波帯で動作する場合の２周波共用アンテナ１の構成が示されている。エレメント８ａと８ｂから構成される第２ダイポールアンテナ３の全長（すなわち、エレメント８ａと８ｂの長さの和）Ｌ６は、第２共振周波数に対応する第２波長λ２の１／２に設定される。
【００３０】
伝送線路９を構成するコプレーナストリップ１０の長さＬ７は第２波長λ２の１／４に設定され、エレメント８ａ、８ｂのインピーダンスをＺ_L、コプレーナ線路１１のインピーダンスをＺ_inとすると、コプレーナストリップ１０のインピーダンスが（Ｚ_in・Ｚ_L）^0.5となるように設定することで、エレメント８ａ、８ｂとコプレーナ線路１１とのインピーダンスを整合するインピーダンス整合回路として機能する。具体的には、図６に示されるコプレーナストリップ１０の断面構成において、基板の誘電率εｒや厚さｈ、線路の幅Ｗ等を調整してインピーダンスを所望の値に設定する。
【００３１】
また、伝送線路９を構成するコプレーナ線路１１の長さＬ８は第２波長λ２の１／４に設定され、同軸ケーブル４と同一インピーダンスとなるように設定する。具体的には、図７に示されるコプレーナ線路１１の断面構成において、基板の誘電率εｒや厚さｈ、線路の幅Ｗ等を調整してインピーダンスを所望の値に設定する。Ｌ８をλ２・１／４とすることで、コプレーナ線路１１は分布定数型バランであるシュペルトップ・バランを構成し（図１３参照）、平衡伝送線路であるダイポールアンテナと非平衡伝送線路である同軸ケーブル４との間の伝送モードを変換する平衡非平衡変換回路として機能する。
【００３２】
図８には、本実施形態に係る２周波共用アンテナ１の周波数特性が示されている。なお、比較のため、同図には従来のモノポールアンテナの周波数特性も示されている。本実施形態の２周波共用アンテナ１は、高周波帯（１９００ＭＨｚ）において従来と同等以上の利得が得られている。
【００３３】
各部のサイズ及び機能をまとめると以下のようになる。
【００３４】
＜コプレーナストリップ１０＞
長さ＝λ１・１／８＝λ２・１／４
機能＝低周波数帯における第１ダイポールアンテナ２と同軸ケーブル４との間のインピーダンス整合回路、及び高周波数帯におけるインピーダンス整合回路
【００３５】
＜コプレーナ線路１１＞
長さ＝λ１・１／８＝λ２・１／４
機能＝低周波数帯における第１ダイポールアンテナ２と同軸ケーブル４との間のインピーダンス整合回路、及び高周波数帯における第２ダイポールアンテナ３と同軸ケーブル４との間のバラン
【００３６】
このように、第１ダイポールアンテナ２と３を構成するとともに、共通の伝送線路９を同軸ケーブル４との間のインピーダンス整合回路かつバランとして機能させることで、簡易な構成で２周波共用アンテナ１を構成することができる。本実施形態では、ダイポールアンテナ２、３を用いているため、モノポールアンテナを用いた場合のような大きなＧＮＤ面積を要しないため、自動車のデフレクタや窓ガラスに貼り付けても良好な視界を確保することができる。また、限られた貼り付け面積においても通信に必要なアンテナ利得を得ることができる。また、ダイポールアンテナを同軸ケーブルに接続する場合に必要なバランあるいは平衡非平衡変換回路を平面回路のコプレーナ線路１１で構成しているため、アンテナ全体の平面化を図り、自動車のデフレクタや窓ガラスへの貼り付けを可能としている。
【００３７】
さらに、本実施形態では、第１ダイポールアンテナ２、３の導体板の厚さを増大させることで、周波数特性の広帯域化が可能となるため、１つの２周波共用アンテナ１で異なる周波数を使用する複数の仕向先にも対応することができ、量産化に有利となる。
【００３８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく種々の変更が可能である。
【００３９】
例えば、本実施形態においては図２に示すように保護シート１６、１７、１８を介して導電体２、３を順次積層しているが、プリント基板の表面に導電体２を形成し、裏面に導電体３を形成してもよい。
【００４０】
図９には、プリント基板を用いた構成例が示されている。プリント基板２０の表面に導電体２、すなわち第１ダイポールアンテナ２を形成し、プリント基板２０の裏面に導電体３、すなわち第２ダイポールアンテナ３を形成する。各導電体２，３は回路のパターニング手法で形成される。
【００４１】
また、本実施形態では、アースブリッジ１２、１３を用いているが、少なくとも１つのアースブリッジを設ければよいので、例えば図１０に示されるような単一のアースブリッジ１２のみとすることもできる。
【００４２】
また、本実施形態ではエレメント７ａ、７ｂで第１ダイポールアンテナ２を構成し、エレメント８ａ、８ｂで第２ダイポールアンテナ３を構成しているが、エレメント８ａ、８ｂを伝送線路９で構成することも可能である。
【００４３】
図１１には、図１におけるエレメント８ａ、８ｂをなくし、コプレーナストリップ１０とコプレーナ線路１１で構成される伝送線路９で代用した場合が示されている。伝送線路９の全長Ｌ２が満たすべき条件は、第２共振周波数に対応する第２波長λ２の１／２であるから、Ｌ２＝λ１・１／４＝λ２・１／２である。
【００４４】
図１２には、図１１に示された２周波共用アンテナ１の周波数特性が示されている。なお、縦軸は反射量（ｄＢ）であり、反射量が低いほど共振が生じていることを示す。８００ＭＨｚ帯のみならず、１９００ＭＨｚにおいても共振が生じ、低周波帯及び高周波帯で動作することが分かる。
【００４５】
また、本実施形態では、エレメント７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂは屈曲形状をなしているが、直線形状としてもよく、あるいはループ状としてもよい。
【００４６】
また、導電体２、３は金属ではなく導電性樹脂で構成してもよい。
【００４７】
また、本実施形態では高周波数帯においてコプレーナ線路１１のインピーダンスが同軸ケーブル４のインピーダンスと同一となるように設定しているが、コプレーナ線路１１のインピーダンスを同軸ケーブル４のインピーダンスと同一とせず、コプレーナストリップ１０と同軸ケーブル４との間のインピーダンスを整合させるインピーダンス整合回路として機能してもよい。この場合、コプレーナストリップ１０とコプレーナ線路１１とでエレメント８ａ、８ｂと同軸ケーブル４との間でインピーダンス整合を得るための多段インピーダンス変換回路を構成することになる。
【００４８】
さらに、本実施形態ではコプレーナストリップ１０とコプレーナ線路１１とを同一平面上に形成しているが、それぞれ異なる平面上に形成してもよい。
【００４９】
本実施形態の２周波共用アンテナは平面アンテナであって自動車のデフレクタや窓ガラス等に貼り付けることが可能であるが、もちろんこれに限定されるものではなく任意の対象物に設けることができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、モノポールアンテナの場合のように大きなＧＮＤスペースを必要としないため、アンテナ全体の占有面積を小さくすることができる。また、少ない占有面積で十分な利得を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の２周波共用アンテナの平面図である。
【図２】図１に示される２周波共用アンテナの分解斜視図である。
【図３】低周波数帯における動作時のサイズ説明図である。
【図４】低周波数帯における周波数特性を示すグラフ図である。
【図５】高周波数帯における動作時のサイズ説明図である。
【図６】コプレーナストリップの断面構成図である。
【図７】コプレーナ線路の断面構成図である。
【図８】高周波数帯における周波数特性を示すグラフ図である。
【図９】実施形態の他の２周波共用アンテナの平面図である。
【図１０】実施形態の他の２周波共用アンテナの平面図である。
【図１１】実施形態の他の２周波共用アンテナの平面図である。
【図１２】図１１に示す２周波共用アンテナの周波数特性を示すグラフ図である。
【図１３】シュペルトップ型バランの説明図である。
【符号の説明】
１２周波共用アンテナ、２第１ダイポールアンテナ（導電体）、３第２ダイポールアンテナ（導電体）、４同軸ケーブル、５同軸ケーブルの外部導体、６同軸ケーブルの内部導体、７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂエレメント、９伝送線路、１０コプレーナストリップ、１１コプレーナ線路。

Claims

第１及び第２の板状導電体を組み合わせて２周波共用のダイポールアンテナを構成する２周波共用アンテナであって、
前記第１及び第２の板状導電体は、それぞれ、
前記第１及び第２の共振周波数に対応する長さをそれぞれ有する２つのアンテナエレメント部と、
前記アンテナエレメント部と同軸ケーブルとを接続する伝送線路部と、
を有し、
前記伝送線路部は、第１線路部と第２線路部を有し、
前記第１の板状導電体の前記伝送線路部は前記同軸ケーブルの内部導体に接続され、
前記第２の板状導電体の前記伝送線路部は前記同軸ケーブルの外部導体に接続され、前記第１及び第２の板状導電体の伝送線路部は、前記アンテナエレメント部と前記同軸ケーブルとの間のインピーダンス整合回路を構成し、かつ、前記アンテナエレメント部と前記同軸ケーブルとの間の平衡不平衡変換回路を構成し、
前記第２の板状導電体の前記第２線路部は、前記第１の板状導電体の前記第２線路部を左右から挟み、かつ前記第１の板状導電体の前記第２線路部を跨ぐように設けられる
ことを特徴とする２周波共用アンテナ。
請求項１記載のアンテナにおいて、
前記伝送線路部は、第１線路部と第２線路部を有し、
前記第１線路部及び前記第２線路部は、それぞれ前記第１の共振周波数に対応する第１の波長の約１／８の長さを有して前記アンテナエレメント部と前記同軸ケーブルとの間の前記インピーダンス整合回路を構成し、
前記第１線路部及び前記第２線路部は、それぞれ前記第２の共振周波数に対応する第２の波長の約１／４の長さを有し、前記第１線路部は前記アンテナエレメント部と前記第２線路部との間の前記インピーダンス整合回路を構成し、前記第２線路部は前記同軸ケーブルと同一のインピーダンスを有し前記アンテナエレメント部と前記同軸ケーブルとの間の前記平衡不平衡変換回路を構成する
ことを特徴とする２周波共用アンテナ。
請求項１、２のいずれか１つに記載のアンテナにおいて、
前記伝送線路は、前記第２の共振周波数を有する前記第２アンテナエレメントを兼ねることを特徴とする２周波共用アンテナ。
請求項１〜３のいずれか１つに記載のアンテナにおいて、
前記第１アンテナエレメント、第２アンテナエレメント及び伝送線路は、平面形であることを特徴とする２周波共用アンテナ。