JP4555830B2 - 誘導体アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、波長短縮のための誘電体を含む誘電体アンテナ装置に関する。

アンテナ導線の周囲に誘電体を配置することによる波長収縮効果を利用してアンテナ装置全体の大きさを小さくした誘電体アンテナ装置が知られている。また、無線信号が励振される給電素子と該無線信号を導波又は反射するための非励振素子との間に誘電体を含むアレイアンテナ装置も知られている。特開２００２−１３５０３６号公報及び特開２００２−２６１５３２号公報に開示されるように、これら２つの形態を組み合わせることにより小型且つ指向性のあるアンテナ装置を実現することが可能となる。

しかしながら、誘電体を用いることによりアンテナサイズの小型化が図られるものの、その共振周波数が製造上一定しないという問題や誘電体を含むアンテナ端部の使用上の欠損により共振周波数が変動するという問題がある。

本発明が解決しようとする課題には、上記の問題点が一例として挙げられ、共振周波数の安定化が図った誘電体アンテナ装置を提供することが本発明の目的である。

本発明の誘電体アンテナ装置は、誘電体に埋設されている少なくとも１つの給電素子を含む誘電体アンテナ装置であって、前記給電素子は１／２波長素子であり、前記給電素子の給電点からその終端部を通る方向において、前記給電素子の終端部と前記誘電体の端面との間隔が、前記誘電体の内部に形成される無線信号の波長の略１／２０を少なくとも有することを特徴とする。

本発明の実施例を示し、アレイアンテナを含む全体の構成を示している斜視図である。 図１に示されたアレイアンテナを各方向から見た図である。 誘電体高さによる共振周波数特性を示しているグラフである。 誘電体高さによる共振点変化の様子を示しているグラフである。 誘彎体近傍の電界強度分布を示している図である。 給電点における電界強度に対する誘電体上面の電界強度との比を示しているグラフである。

本発明の実施例について添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施例を示し、アレイアンテナを含む全体の構成を示している。本発明による誘電体アンテナ装置であるアレイアンテナ１０は、四角柱形状の誘電体１２と、誘電体１２の導線方向に延びる中心軸に沿って誘電体１２の内部に埋設されている給電素子１１と、該中心軸周りの４つの側面において給電素子１１に平行して誘電体１２の少なくとも１部を挟んで併設されている４つの非励振素子１３ａ〜１３ｄとを含む（非励振素子１３ｃ及び１３ｄは図示せず）。非励振素子１３ａ〜１３ｄは、誘電体１２に埋設されていても良い。

給電素子１１は、電気的導体からなる半波長モノポールアンテナであり無線信号を送信又は受信する励振素子を構成する。給電素子１１の下端は給電点１５をなし、例えば２．４ＧＨｚの如き無線信号を給電又は受電するＲＦ回路１８に同軸ケーブル２０により接続される。給電素子１１の上端である終端部１６は、誘電体１２の上面である端面１７の近傍にまで伸長している。本実施例において、給電素子１１は、１／４波長素子を用いる通常の形態とは異なり１／２波長素子を用いている。

誘電体１２は、比誘電率εｒにより誘電率が定まる例えばアルミナ等の誘電体であり、その波長収縮効果により、アレイアンテナ１０全体の寸法を小さくしている。所望周波数の自由空間における波長をλとし誘電体１２の比誘電率をεｒとすると、波長短縮効果によりその共振波長は約λ／√εｒとなる。誘電体１２をアルミナ材料から製造した場合には、その比誘電率は約９であり、所望電波信号の波長をその自由空間における波長から約３分の１に短縮する波長短縮効果がある。

非励振素子１３ａ〜１３ｄの各々は、電気的導体からなり、その下端は、可変リアクタンス素子１４ａ〜１４ｄ（可変リアクタンス素子１４ｃ及び１４ｄは図示せず）の各々を介してグランドすなわち接地部位１９に接続される。その上端は、誘電体１２の上面の近傍にまで伸長している。可変リアクタンス素子１４ａ〜１４ｄのリアクタンスの値を変えることにより、非励振素子１３ａ〜１３ｄの各々が導波器又は反射器として働きアレイアンテナ１０の指向性を制御することができる。

尚、本実施例においては、前述のように、給電素子１１は、１／４波長素子を用いる通常の形態とは異なり１／２波長素子を用いている。その設計原理は、標準的な八木宇田アンテナ設計原理とは異なり、近接場無給電素子の原理に基づいている。その結果、給電素子１１と非励振素子１３ａ〜１３ｄの各々との間隔を１／４波長よりも小さくすることが可能となり、より小型のアンテナの製造を可能としている。

図２は、図１に示されたアレイアンテナ１０を各方向から見た図を示している。具体的には、図２の（ａ）は、中心軸を通る断面図を示し、（ｂ）は側面図を示し、さらに（ｃ）は底面図を示し、併せて各部の寸法が示されている。

図２の（ａ）を参照すると、アレイアンテナ１０に含まれる誘電体１２の導線方向の長さ、すなわち誘電体高さＤは、給電素子１１の導線方向の長さすなわち給電素子長ＰよりもΔＤの長さ分だけさらに伸長する構造である。すなわち、ΔＤは、給電素子１１の終端部１６から誘電体１２の端面１７に至る長さである。図２の（ｂ）を参照すると、非励振素子１３ａ〜１３ｄの各々の非励振素子長Ｒは、誘電体１２の誘電率と共振周波数によって決定される長さである。非励振素子１３ａ〜１３ｄの各々と接地部位１９との間に可変リアクタンス素子１４ａ〜１４ｄの各々が設けられている。非励振素子１３ａ〜１３ｄは、半波長モノポールアンテナである給電素子１１に対して半波長共振器を形成する。図２の（ｃ）を参照すると、給電素子１１と非励振素子１３ａ〜１３ｄの各々との素子間隔Ｌは、所望の無線信号について略０．１波長分の長さとする。

本実施例では、アレイアンテナ１０の定格の共振周波数を２．４ＧＨｚとする。２．４ＧＨｚの無線信号の自由空間における波長は１２５ｍｍであり、誘電体による波長短縮効果が無いとすると半波長モノポールのアンテナ長は６２．５ｍｍを要することになる。波長短縮効果をもたらす誘電体１２の比誘電率を９．７とすることで、誘電体１２内部に形成される２．４ＧＨｚの無線信号の実効波長を約４０ｍｍとしている。本実施例では半波長モノポールの導線長すなわち給電素子長Ｐは、非励振素子１３ａ〜１３ｄとの相互作用、誘電体１２の厚さ及びインピーダンス整合等の効果を考慮して１８．５ｍｍとしている。

図１及びに図２に示される実施例のアレイアンテナについて、その共振周波数特性を解析する。解析の手法としては、有限時間差分法（ＦＤＴＤ：Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ）による電磁界シミュレータを用いた。電磁界シミュレータの利用方法についてはよく知られた技術でありここでは説明を省略する。有限時間差分法は、電磁界の基礎方程式であるマックスウェルの方程式を直接差分化して解くものであり、空間中の誘電率、透磁率及び導電率のすべてが各計算点における差分表現の係数に含まれるため、定式化が困難な境界条件を特別に考慮する必要がない。そのため本実施例の如く誘電率が不連続な空間においても計算アルゴリズムを単純にできるという利点がある。

解析条件としては、誘電体高さをいくつかの値に変えて、各々の場合において、給電素子の給電点（図１に示される給電点１５）にガウス型の入射パルスにて給電素子の導線方向（ｚ軸とする）に電界励振して、これが誘電体上面に到達するまでの各計算点における電界成分及び磁界成分を計算する。該計算結果における入射パルスのピーク値（Ｅｚｉ）と誘電体上面における伝播パルスのピーク値（Ｅｚｄ）との電界比（Ｅｚｄ／Ｅｚｉ）を求めることにより誘電体高さによる共振周波数特性を解析することができる。また、給電点近傍における電磁界成分を離散フーリエ変換することにより周波数に依存した反射係数を得て共振特性を解析することができる。入射パルスは、２．４ＧＨｚの周波数を含むような半値幅を有するガウス型パルスとする。

図３は、本実施例における誘電体高さによる共振周波数特性を示している。該共振周波数特性は、給電素子長Ｐを１８．５ｍｍとし、誘電体高さＤを１８．５ｍｍ〜２３．５ｍｍの範囲のうちのいくつかの値とした場合における、２．３５ＧＨｚ〜２．４５ＧＨｚの周波数変化に対する給電点における反射係数（Γ）の変化を数値解析により求めた結果を示している。反射係数（Γ）が底をなす位置が当該条件における共振周波数を与える。
本グラフを参照すると、誘電体高さＤと給電素子長Ｐとの間隔ΔＤをある値以上とすることにより、共振周波数に収束点が現れることがわかる。すなわち、誘電体高さＤが給電素子と同一高さの１８．５ｍｍである場合には共振点が大きく外れるが、１９．５ｍｍから２０．５ｍｍとなるにつれて次第に２．３９ＧＨｚ近傍に収束し、２０．５ｍｍから２３．５ｍｍではほとんど安定していることがわかる。

図４は、誘電体高さ変化による共振点の変化を示している。横軸は、誘電体高さＤと給電素子長Ｐとの間隔ΔＤの値を０〜５ｍｍの範囲で示し、縦軸は共振周波数を２３８０ＭＨｚ〜２４２５ＭＨｚの範囲で示している。このグラフから共振点が具体的にどの程度の誘電体高さの値で収束するかを示している。すなわち、間隔ΔＤの値が２ｍｍ以上である場合に共振点が２３８５ＭＨｚに収束していることがわかる。この２ｍｍの値は、２．４ＧＨｚ無線信号の誘電体１２における実効波長４０ｍｍの１／２０に相当する。従って、この結果を任意の周波数及び任意の誘電体に拡張した場合、ΔＤの値は、所望の電波信号の誘電体内部における実効波長の略１／２０以上伸長するようにすべきことを示唆している。

以上の解析の結果は、誘電体の高さを給電素子の長さ以上とすることが共振周波数の安定化に寄与することが明らかにしている。そこで、かかる結果がどのような原因に基づいて発生しているかについて考察し、共振周波数安定をもたらす一般化された条件を以降で検討する。

図５は、誘電体高さの違いによる電磁界分布を画像により示している。給電素子の中心軸を通る平面における電界強度分布を白黒にて表現している。電界強度が低い外縁部分が黒く表されている。（ａ）の左側の画像は誘電体高さＤが２３．５ｍｍの場合であり、 （ｂ）の右側の画像は誘電体高さＤが１８．５ｍｍの場合を各々示している。

本図を参照すると、誘電体高さが１８．５ｍｍの場合、すなわち給電素子長とほぼ同じ高さの場合には、給電素子を伝ってきた電磁波が誘電体外に漏れ出していることから、共振状態が不安定になっているものと考えられる。これとは対照的に誘電体高さが２３．５ｍｍの場合、電磁波は上部からは誘電体外に漏れずに電磁波は誘電体中で共振状態を保つことができ安定した状態にあるものと考えられる。

図３〜図５に得られる結果について考察するに、該結果は、給電素子１１と非励振素子１３との間で相互結合により伝播する電磁波がインピーダンス整合を取るように調整された給電素子長Ｐでは給電素子の終端部１６にて電流値が０にならず、誘電体１２の上面の端面１７から電磁波が漏れ出しているため共振周波数に不安定な要因を与えてしまっているものと考えられる。従って、誘電体１２の誘電体高さＤを適切なΔＤだけ給電素子長Ｐより長く伸長せしめることで電磁波を誘電体１２の端面１７から漏れないようにして電磁界分布を誘電体１２内部に閉じ込めるような形状に保つことで、その共振周波数を安定化することが可能となると考えられる。

図６は、給電点に対する誘電体上面電界比を示している。横軸はΔＤ（誘電体高さＤ−給電素子長Ｐ）を示し、縦軸は給電点における励振電界強度と誘電体上面の端面電界強度との電界比を示している。本図を参照すると、前述の考察により共振周波数を安定化にするに必要な程度に電磁界分布を十分に誘電体中に閉じ込めるには２ｍｍ以上のΔＤが要求されることから、ΔＤ＝２ｍｍに対応する電界比０．２５（約−６ｄＢ）が得られる。すなわち、共振周波数案安定化が得られる条件式として、励振電界強度Ｅｚｉと誘電体の端面電界強度Ｅｚｄとの比について、｜Ｅｚｄ／Ｅｚｉ｜＜０．２５とする条件式が経験的に認められることになる。かかる条件式を満足するような誘電体アンテナ装置を実現することにより、任意の周波数及び任意の誘電率の誘電体においても、周波数安定化が図られることになる。

以上の考察より、給電素子の長さに対する誘電体の長さとの関係が明らかとなった。すなわち、電磁界分布を誘電体中に閉じ込めるように給電素子に対してその導線方向に誘電体を伸長せしめることで共振周波数を安定化することが可能となることがわかった。かかる考察を踏まえて、所望の誘電体の誘電率と放射させたい周波数とによって決定させられる給電素子長に対して余裕度を加味した適切な誘電体サイズを選択することにより、誘電体に欠損があっても共振周波数が変化せずアンテナ特性が安定するという効果が得られる。また、共振周波数安定化が得られた給電素子を前提として、給電素子と非励振素子との間の適切な素子間隔Ｌを見出すことにより、非励振素子の効果をより正確に評価することができる。

まとめるに、誘電体の大きさ変化に依存する共振周波数変動の問題は、その原因について理論的な検討が十分になされていないことで、明確な解決策が得られていなかった。例えば、給電素子の末端に合わせた長さとするか、誘電率の不連続を緩和する等の目的により若干サイズを大きくする等の形態が開示されているに過ぎず、共振周波数の安定化を計ることを目的とした具体的な解決策は知られていなかった。本発明はかかる問題に対して具体的な解決策を提示している。

尚、以上の実施例においては、誘電体の形状は四角柱であったが、多面体もしくは円筒であっても良く、多面体もしくは円筒にすることで多くの非励振素子を装荷可能となり指向性を多くの方向に向けることが可能である。

本発明による誘電体アンテナ装置は、移動体端末、カーナビ及び室内アンテナに備えられるアンテナに適用し得る。また、本発明による誘電体アンテナ装置は、実施例の如きアレイアンテナに限られず、１／４波長又は１／２波長の如きｎ／ｍ（ｎ，ｍは正の整数）波長のモノポール又はダイポールアンテナにも適用し得る。また、励振素子である給電素子の数は１つに限られず複数であっても良い。

Claims (8)

1. 誘電体に埋設されている少なくとも１つの給電素子を含む誘電体アンテナ装置であって、
   前記給電素子は１／２波長素子であり、前記給電素子の給電点からその終端部を通る方向において、前記給電素子の終端部と前記誘電体の端面との間隔が、前記誘電体の内部に形成される無線信号の波長の略１／２０を少なくとも有することを特徴とする誘電体アンテナ装置。
2. 前記給電素子の終端部と前記誘電体の端面との間隔が、前記誘電体の内部に形成される無線信号の波長の略１／２０であることを特徴とする請求項１記載の誘電体アンテナ装置。
3. 前記誘電体の端面における電界強度が、前記給電素子の給電点における電界強度の略１／４以下であることを特徴とする請求項１記載の誘電体アンテナ装置。
4. 前記給電素子との間に前記誘電体の少なくとも１部を挟んで前記誘電体に埋設又は併設された少なくとも１つの非励振素子をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の誘電体アンテナ装置。
5. 前記給電素子と前記非励振素子との間隔が、前記誘電体中における波長の略１／４以下であることを特徴とする請求項４記載の誘電体アンテナ装置。
6. 前記給電素子と前記非励振素子との間隔が、前記誘電体中における波長の略１／１０であることを特徴とする請求項４記載の誘電体アンテナ装置。
7. 前記非励振素子の１端が可変リアクタンス素子に接続されていることを特徴とする請求項４記載の誘電体アンテナ装置。
8. 前記誘電体は、その中心軸に沿って前記給電素子を配置した円柱形、４角柱又は多角柱であることを特徴とする請求項１又は４記載の誘電体アンテナ装置。

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