JP4232099B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、詳しくは、マイクロ波、ミリ波等の帯域において電波を用いた位置検出や通信に使用されるアンテナ装置に関する。

従来、マイクロ波、ミリ波の送信器は、大きなサイズになりやすいものであったことから、小型のスロットアンテナ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１は、導体板にスロット（スリット状の開口）を形成し、このスロットの近傍位置
に給電点を形成しており、更に、導体板の表面にアモルファス磁性体を形成することにより、透磁率を大きくして後段の回路との不整合損失を抑制するものにしている。

特開２００３‐２１８６２９号公報 （段落番号〔００１６〕〜〔００２９〕、図１）

前述したようにスロットアンテナは小型化が可能である反面、ダイポールアンテナと同様にドーナツ型の指向性を示すものであった。特に、スロットの長手方向と直交する方向での指向性は円形に近く、不要な方向への電波の放射、受信を行い、スロットから後方への放射、受信も無視できないものであった。このように不要な方向への電波の放射、受信を抑制するためにスロットの形状を変更することも考えられるが、スロットの形状を変更しても指向性を大きく変えることができず改善の余地があった。

本発明の目的は、不要な方向への電波の放射、受信を抑制した良好な指向性を有するアンテナ装置を合理的に構成する点にある。

本発明の特徴は、上壁体、一対の側壁体、前壁体、及び後壁体が一体的に形成された本体ブロックと、前記本体ブロックの底部開口を閉塞する底壁体と、で導波空間が構成されると共に、前記いずれかの壁体にスリット状のスロットが開口形成されたアンテナ部と、絶縁性の素材からなる基板及び当該基板の一方の面に銅箔で形成した一対のアンテナ電極からなるマイクロストリップアンテナと、を備え、前記スロットの幅寸法と前記アンテナ電極同士の間隔とが等しくなるように形成され、前記マイクロストリップアンテナが、前記スロットの長手方向中心と前記アンテナ電極の短手方向中心とが一致するように、前記スロットが形成された壁体に取り付けられてある点にある。

この構成により、例えば、アンテナ部から電波を放射する際には、マイクロストリップアンテナに給電を行わずとも、アンテナ部が形成された領域に近接するマイクロストリップアンテナの端縁位置に高い磁界が集中することになり、アンテナ部が形成された領域とマイクロストリップアンテナの端縁位置とを結ぶ直線に沿う方向への指向性を高めることが可能となる。また、電波を受信する場合には、マイクロストリップアンテナに給電を行わずとも、マイクロストリップアンテナの端縁位置に高い磁界が集中し、このように磁界が集中した状態でアンテナ部で電波を受信することにより、アンテナ部が形成された領域とマイクロストリップアンテナの端縁位置とを結ぶ方向に対する指向性を高めることが可能となる。その結果、比較的簡単な構造のマイクロストリップアンテナをスロットアンテナに備える程度の簡単な改良でありながら、不要な方向への電波の放射・受信を抑制した指向性のアンテナ装置が合理的に構成されたのである。

本発明は、前記アンテナ部として、導波空間の壁体にスロットを形成したスロットアンテナで構成しても良い。

この構成により、アンテナ部を小型化することが可能となり装置全体としての小型化を実現する。

本発明は、前記マイクロストリップアンテナが、前記スロットが形成された壁体に直交する方向視において、前記スロットの開口縁と、前記マイクロストリップアンテナのアンテナ電極の端縁とを一致させる、又は、近接させる位置関係で、前記スロットが形成された壁体に取り付けても良い。

この構成により、スロットアンテナのスロットに開口縁とマイクロストリップアンテナのアンテナ電極の端縁とが平行する姿勢で、極めて近接する位置関係となり、しかも、スロットアンテナを構成する壁体に対してマイクロストリップアンテナを固定することも可能となり、組立が容易で良好な指向性を得るものとなる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施の形態〕
図１〜図４に示すように、箱型の導波空間を形成したアンテナ本体１０の壁体の１つにスリット状のスロット１を開口形成し、このアンテナ本体１０の導波空間の内部に発振・受信器２を備えてスロットアンテナＳが構成され、基板２０の表面に銅箔で成るアンテナ電極２１を形成してマイクロストリップアンテナＭが構成され、スロットアンテナＳのアンテナ本体１０のスロット１が形成された壁体に対してマイクロストリップアンテナＭを取り付けてアンテナ装置が構成されている。

前記スロットアンテナＳは特許請求の範囲に記載したアンテナ部の一例であり、このアンテナ部としてダイポールアンテナや、八木アンテナを用いても良い。また、特許請求の範囲に記載したアンテナ部が形成された領域に沿った部位とは、電波を発信・受信する領域のことであり、このスロットアンテナＳにおいては電波を発信・受信する領域にスロット１の開口領域が対応し、アンテナ部としてダイポールアンテナや八木アンテナを用いた場合には、電波を発信・受信する導体部分（エレメント）がアンテナ部が形成された領域となる。

このアンテナ装置は、距離や存否を非接触式に検出するセンサの電波発信部、センサの受信部、あるいは、センサ送受信部として用いることを想定したものであるが、情報を伝送する通信機器に適用することも可能である。

前記スロットアンテナＳのアンテナ本体１０は、上壁体１１、一対の側壁体１２、前壁体１３、後壁体１４を一体的に形成したアルミニウム材製の本体ブロックと、この本体ブロックの底部開口を閉塞する底壁体１５とで構成されている。この底壁体１５はガラスエポキシ等の絶縁性の素材で成る基板１５Ａで構成され、この基板１５Ａは、底面側の略全面に対して銅箔１５Ｂを形成した構造を有し、複数のビス１６によって着脱自在に本体ブロック１０に固定されている。また、この底壁体１５の底面側には信号端子１５Ｃが形成され、底壁体１５の内面側（導波空間側）には前記信号端子１５Ｃとプリント配線を介して電気的に接続するよう前記発信・受信器２が備えられている。

前記本体ブロック１０は縦寸法Ｘが２３ｍｍ、横寸法Ｙが１８．５ｍｍ、高さ寸法Ｚが６．０ｍｍに設定され、上壁体１１、左右の側壁体１２、前後壁体１３、１４の厚みが１．０ｍｍに設定され、更に、底壁１５の厚み寸法Ｚｔが０．６ｍｍ程度に設定されている。前記スロット１は、長手方向の開口長さを開口寸法Ｌに設定し、開口幅を幅寸法Ｗに設定した直線的なスリット状に形成され、前記開口寸法Ｌを放射・受信する電波の波長（λ）の１／２に設定してある（Ｌ＝λ／２）。また、このアンテナ装置では１５ＧＨｚ帯の電波を想定しており、スロット１の長手方向の寸法Ｌを１０ｍｍに設定し、このスロットの幅寸法Ｗを０．５ｍｍに設定している。

前記スロット１の長手方向の開口寸法Ｌは波長（λ）の１／２を理想とするものであるが、この開口寸法Ｌは波長（λ）の１／２に限るものではなく、波長（λ）の１／４や１／８等、１／２以外の数値を採用することが可能であり、スロットの幅寸法Ｗも０．５ｍｍ以外の数値であって良い。また、本発明では、本体ブロック１０を形成する金属としてアルミニウムを想定しているが、銅等のアルミニウム以外の金属であって良く、底壁体１５として、基板に代えてアルミニウム材や銅材等の金属板を用いても良い。

前記マイクロストリップアンテナＭは、ガラスエポキシ等の絶縁性の素材で成る矩形の前記基板２０と、この基板２０の一方の面に銅箔で形成した一対の前記アンテナ電極２１とを有した単純な構造であり、一対のアンテナ電極同士の間隙を前記スロット１の幅Ｗと一致する値Ｗに設定している。そして、スロットアンテナＳの前壁体１３の壁面と直交する方向視で、前記一対のアンテナ電極２１、２１の対向する端縁２１Ｅ、２１Ｅ（エッジ部分）が、スロット１の長手方向に沿う上下位置夫々の開口縁１Ｅ、１Ｅと一致するように相対的な位置を設定して、マイクロストリップアンテナＭの基板側を前壁体１３に対して接着固定している。また、矩形に成形されたアンテナ電極２１は、一辺の長さが前記波長（λ）の１／２に設定されることが理想であるが、この波長（λ）の１／２に近似する値に設定されている。

前記アンテナ電極２１は基板２０に対してプリント配線の技術によって容易に形成することが可能であり、図面に示したものはアンテナ電極２１の周囲（端縁２１Ｅの側を除く領域）に基板２０が露出するように形成されているが、アンテナ電極２１の周囲に基板２０が露出しないように基板２０の寸法と同じ寸法にアンテナ電極２１を形成しても良い。また、基板２０は誘電体として作用するため、この基板２０の厚みと大きさとの設定により、アンテナ電極２１との共振周波数を放射・受信する電波の周波数に近い値に設定して、アンテナの性能の向上を図ることも可能である。

このような構成からスロットアンテナＳのスロット１とマイクロストリップアンテナＭを構成する一対のアンテナ電極２１、２１の夫々の端縁２１Ｅ、２１Ｅがスロット１に対して平行する相対的な姿勢で極めて近接する位置関係となる。従って、電波を放射する際には、前記発振・受信器２で発生させた電波を前記アンテナ本体１０の導波空間を送り、スロット１からマイクロストリップアンテナＭの基板２０を透過するビームの形態で送り出すものとなり、このように送り出される際には、マイクロストリップアンテナＭを構成する一対のアンテナ電極２１、２１のうち、スロット１に近接する端縁２１Ｅ、２１Ｅに磁界が集中して発生するため電波の広がりを抑制して指向性を高め、これと同様に電波を受信する際にも、マイクロストリップアンテナＭのアンテナ電極２１の端縁に磁界を集中させ、スロット１から電波を取り込んで受信することを可能にするのである。

特に本発明では、スロット１の開口縁１ＥとマイクロストリップアンテナＭのアンテナ電極２１の端縁２１Ｅとを平行姿勢で近接させる点が重要であるが、この近接は可能な限り近い位置関係に設定することだけを意味するものではなく、指向性を高め得る効果を奏するよう相対的に近接する位置関係を意味するものである。また、平行とは、完全な平行を意味するものではなく、高い指向性を得るに充分な相対的な位置関係を意味するものである。

このように構成されたアンテナ装置と、スロットアンテナ（マイクロストリップアンテナを備えない構造のもの）との指向性を比較すると、図５（ａ）に示すように、スロットアンテナでは、水平方向では比較的大きいバックローブが現れる電界パターンを示し、垂直方向ではドーナツ型に電界パターを示すものであるが、本発明のアンテナ装置では、図５（ｂ）に示すように、水平方向ではスロットアンテナよりバックローブが抑制され、かつ、メインローブが若干大きくなる電界パターンを示し、垂直方向ではスロットアンテナよりメインローブが比較的収束した電界パターンを示すものとなっている。尚、水平方向での指向性とは、図１に示すアンテナ装置において上壁体１１と平行する平面上における電界パターンを示すものであり、垂直方向での指向性とは図１に示すアンテナ装置において側壁体１２と平行する平面上における電界パターンを示すものである。

〔第２実施の形態〕
この第２実施の形態は、スロットアンテナＳは第１実施の形態と同じ構成を有するものであるが、マイクロストリップアンテナＭが第１実施の形態と異なる構成を有するものである（この第２実施の形態では前第１実施の形態と同じ機能を有するものには、第１実施の形態と共通の番号、符号を付している）。

つまり、図６、図７に示すように、マイクロストリップアンテナＭは、ガラスエポキシ等の絶縁性の素材で成る矩形の基板２０と、この基板２０の一方の面の全面に銅箔で形成したアンテナ電極２１とを有した単純な構造である。そして、スロットアンテナＳの前壁体１３の壁面と直交する方向視で、前記アンテナ電極２１の端縁２１Ｅ（エッジ部分）が、スロット１の長手方向に沿う開口縁１Ｅと一致するよう、マイクロストリップアンテナの基板側を前壁体１３に対して接着固定している。また、矩形に成形されたアンテナ電極は、一辺の長さが前記波長（λ）の１／２に設定されることが理想であるが、この波長（λ）の１／２に近似する値に設定されている。ちなみに、この第２実施の形態では、スロット１の下側にマイクロストリップアンテナＭを取り付けていたが、スロット１の上側にマイクロストリップアンテナＭを取付けることも可能である。

このような構成からスロットアンテナＳのスリット１とマイクロストリップアンテナＭを構成するアンテナ電極２１の端縁２１Ｅがスロット１に対して平行する相対的な姿勢で極めて近接する位置関係となる。従って、電波を放射する際には、前記発振・受信器２で発生させた電波を前記アンテナ本体１０の前記導波空間を送り、スロット１からビームの形態で送り出すものとなり、このように送り出す際には、マイクロストリップアンテナＭを構成するアンテナ電極２１のうち、スロット１に近接する端縁２１Ｅに磁界が集中して発生するため電波の広がりを抑制して指向性を高め、これと同様に電波を受信する際にも、マイクロストリップアンテナＭのアンテナ電極２１の端縁に磁界を集中させ、スロット１から電波を取り込んで受信することを可能にするのである。

このように、本発明では、アンテナ部が形成された領域（スロット１）に近接するように、マイクロストリップアンテナＭのアンテナ電極２１の端縁を近接させる構成を採用すると云う極めて簡単な構成により、マイクロストリップアンテナＭのアンテナ電極２１に給電を行うケーブル類を備えずとも、このマイクロストリップアンテナＭが形成された方向に向けて集中的に電波を放射させ、また、このようマイクロストリップアンテナＭが形成された方向からの電波を受信するアンテナ装置が構成されたのである。

〔別実施の形態〕
本発明は、上記した実施の形態以外に以下のように構成しても良い（この別実施の形態では前第１実施の形態と同じ機能を有するものには、第１実施の形態と共通の番号、符号を付している）。

図８に示すように、一対のマイクロストリップアンテナＭを電波の送り出し方向の下手側ほどが離間する位置関係となるよう夫々に角度を設定して一対のスロットアンテナＭ、ＭをスロットアンテナＳに備える形態に構成することも可能である。具体的に説明すると、夫々のマイクロストリップアンテナＭは、矩形の基板２０の一方の面の全面に銅箔で成るアンテナ電極２１を形成した単純な構造である。また、同図に示すように、一方のマイクロストリップアンテナＭのアンテナ電極２１の端縁２１Ｅ（エッジ部分）をスロット１の上側の開口縁１Ｅのと一致させると共に、他方のマイクロストリップアンテナＭのアンテナ電極２１の端縁２１Ｅ（エッジ部分）をスロット１の下側の開口縁１Ｅのと一致させ、更に、夫々のマイクロストリップアンテナＭがスロットアンテナから離間する側ほど互いの距離が拡大するよう相対的な角度を設定した状態で、マイクロストリップアンテナＭの基板側を中間部材３０を介して前壁体に対して支持しているのである。

このようにアンテナ装置を構成することにより、ホーンの内面で電波を反射させるものと同様に、一対のマイクロストリップアンテナＭ、Ｍのアンテナ電極２１、２１で電波を反射させる機能を発揮させて指向性を一層高めるものとなる。

第１実施の形態のアンテナ装置を示す斜視図 第１実施の形態のアンテナ装置の分解斜視図 第１実施の形態のアンテナ装置の底面図 第１実施の形態のアンテナ装置の縦断側面図 スロットアンテナの水平方向・垂直方向の指向性を示す図、及び第１実施の形態のアンテナ装置の水平方向・垂直方向の指向性を示す図 第２実施の形態のアンテナ装置を示す斜視図 第２実施の形態のアンテナ装置の縦断側面図 別実施の形態のアンテナ装置の縦断側面図

符号の説明

１ スロット
１Ｅ 開口縁
１３ 壁体
２１ アンテナ電極
２１Ｅ 端縁
Ｍ マイクロストリップアンテナ
Ｓ スロットアンテナ

Claims (4)

1. 上壁体、一対の側壁体、前壁体、及び後壁体が一体的に形成された本体ブロックと、前記本体ブロックの底部開口を閉塞する底壁体と、で導波空間が構成されると共に、前記いずれかの壁体にスリット状のスロットが開口形成されたアンテナ部と、
   絶縁性の素材からなる基板及び当該基板の一方の面に銅箔で形成した一対のアンテナ電極からなるマイクロストリップアンテナと、を備え、
   前記スロットの幅寸法と前記アンテナ電極同士の間隔とが等しくなるように形成され、
   前記マイクロストリップアンテナが、前記スロットの長手方向中心と前記アンテナ電極の短手方向中心とが一致するように、前記スロットが形成された壁体に取り付けられてあるアンテナ装置。
2. 前記マイクロストリップアンテナが、前記スロットが形成された壁体に直交する方向視において、前記スロットの開口縁と、前記マイクロストリップアンテナのアンテナ電極の端縁とを一致させる、又は、近接させる位置関係で、前記スロットが形成された壁体に取り付けられてある請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記近接させる位置関係は、前記スロットの開口縁と、前記マイクロストリップアンテナのアンテナ電極の端縁とが平行姿勢となるように近接させる位置関係である請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記基板の厚さが、前記スロットの幅寸法よりも薄くしてある請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。

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