JP4709015B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線ＬＡＮなどの無線通信機器、特に携帯できる小型無線装置用に好適なアンテナ装置に関するものである。

指向性アンテナとしては八木アンテナやパラボラアンテナなどが知られているが、いずれも大型の構造が必要であり、小型携帯機器への搭載は困難であった。そこで、カージオイド（心臓形）指向性を有する小型アンテナとして、例えば非特許文献１には、台形キャビティアンテナ素子とモノポールアンテナ素子とを組み合わせた構造を有するアンテナ装置が提案されている。このアンテナ装置は、低姿勢の台形キャビティアンテナ素子と無給電モノポールアンテナ素子とを組み合わせることにより、磁流アンテナの低姿勢化と無給電素子による給電構造の簡略化とを可能にするものである。

久我宣裕他、「カージオイド指向性を有するモノポール付台形キャビティアンテナ」、電子情報通信学会論文誌(B-II),vol.J88-B,No.10,Oct.2005

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
非特許文献１に記載の技術では、小型化がある程度可能であるが、約１／４波長分の長さのモノポールアンテナ素子を使用するため、低背化に限度があり、さらなる小型化・低背化が要望されている。また、上記技術では、サイドローブ・交差偏波の発生を十分に抑制することが困難であるという不都合もあった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、より小型化・低背化（低姿勢化）が可能で良好な単一指向性のアンテナ特性が得られるアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のアンテナ装置は、一つの開口面を有する略直方体形状の金属筐体を備えて一様指向性を有する第１のアンテナ素子と、相対する一対の開口面を有する略直方体形状の金属筐体を備えて８の字型指向性を有する第２のアンテナ素子と、を備え、前記第１のアンテナ素子の開口面と前記第２のアンテナ素子の一対の開口面の一つとが、互いに略同一方向に向いて隣接状態で配されていることを特徴とする。

このアンテナ装置では、一様指向性を有する第１のアンテナ素子の開口面と８の字型指向性を有する第２のアンテナ素子の一対の開口面の一つとが、互いに略同一方向に向いて隣接状態で配されているので、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子との放射が合成され、同相方向へは重畳されると共に互いに逆相方向では相殺されることで単一指向性を得ることができる。また、いずれも低背な略直方体形状の金属筐体を有する第１のアンテナ素子及び第２のアンテナ素子の組み合わせであるため、小型化・低背化を行うことが容易である。

また、本発明のアンテナ装置は、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とが互いに積層されて配されていることを特徴とする。すなわち、このアンテナ装置では、いずれも略直方体形状の第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とが互いに積層された複合構造を有しているので、両方の放射を効率的に合成することができると共に、より小型化・低背化を図ることができる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とに接続されこれらを電磁界結合させる金属製の結合ピンと、前記第１のアンテナ素子及び前記第２のアンテナ素子のいずれか一方に設けられ電力が供給される給電部と、を備えていることを特徴とする。すなわち、このアンテナ装置では、結合ピンによって第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子とが電磁界結合され、両アンテナ素子の一方に給電部から電力を給電することで、他方のアンテナ素子には直接給電することなく単一給電で励振させ動作させることができ、構成をより簡便にすることができる。なお、結合ピン及び給電部の位置を変えることで、アンテナの放射方向や指向性を調整することが可能である。

また、本発明のアンテナ装置は、前記第１のアンテナ素子及び前記第２のアンテナ素子の少なくとも一方の前記金属筐体内に、誘電体材料が設けられていることを特徴とする。すなわち、このアンテナ装置では、金属筐体内に誘電体材料が設けられていることで、誘電率の調整が可能になり、アンテナ素子の大きさを調整することができる。例えば、誘電体材料を用いずに金属筐体内が空洞の場合にサイズが大きなアンテナ素子において、その金属筐体内に誘電体材料を設けることで、アンテナ素子のサイズが小さくなり、組み合わせるもう一方のアンテナ素子の形状に合わせることができ、より小型化が可能になる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るアンテナ装置によれば、一様指向性を有する第１のアンテナ素子の開口面と８の字型指向性を有する第２のアンテナ素子の一対の開口面の一つとが、互いに略同一方向に向いて隣接状態で配されているので、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子との放射が合成されて良好な単一指向性を得ることができると共に、小型化・低背化を図ることができる。したがって、携帯型の小型無線装置用に好適な小型で低姿勢のアンテナ装置を得ることができる。

以下、本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を、図１から図１０を参照しながら説明する。

本実施形態のアンテナ装置１は、図１から図３に示すように、一つの開口面４ａを有する略直方体形状の金属筐体４を備えて一様指向性を有する矩形キャビティアンテナ（第１のアンテナ素子）２と、相対する一対の開口面５ａ、５ｂを有する略直方体形状の金属筐体５を備えて８の字型指向性を有するゲート型（門型）アンテナ（第２のアンテナ素子）３と、を備えている。上記矩形キャビティアンテナ２は、グランドプレート６上に設けられ、矩形キャビティアンテナ２上にゲート型アンテナ３が積層して配されている。すなわち、ゲート型アンテナ３の地板部は、矩形キャビティアンテナ２の天板部と共通とされている。

また、上記矩形キャビティアンテナ２とゲート型アンテナ３とは、互いに積層された状態で、矩形キャビティアンテナ２の開口面４ａとゲート型アンテナ３の一対の開口面５ａ、５ｂの一つ（開口面５ａ）とが、互いに略同一方向に向いて隣接状態で配されている。
また、アンテナ装置１は、矩形キャビティアンテナ２の底板部となるグランドプレート６上に矩形キャビティアンテナ２とゲート型アンテナ３とに接続されこれらを電磁界結合させる金属製の結合ポスト（結合ピン）７と、矩形キャビティアンテナ２に設けられ電力が供給される給電部８と、を備えている。

矩形キャビティアンテナ２の天板部には、結合ポスト７を挿通させる貫通孔４ｂが形成されており、結合ポスト７が矩形キャビティアンテナ２の天板部に接触しないようになっている。また、結合ポスト７の上端部は、ゲート型アンテナ３の天板部に接続されている。すなわち、矩形キャビティアンテナ２の地板部とゲート型アンテナ３の天板部は、結合ポスト７を介して接続されている。
上記金属筐体４、５及びグランドプレート６は、例えば銅板で形成されていると共に、結合ポスト７は、例えば銅棒で形成されている。
なお、上記給電部８は、本実施形態ではプローブ給電する位置としている。

次に、本実施形態のアンテナ装置における放射指向性について、図４から図１０を参照して説明する。

矩形キャビティアンテナ２を単独で動作させた場合、開口面４ａに磁流を想定した電磁界分布及び磁流ダイポール指向性は、図４の（ａ）（ｂ）に示すようになる。すなわち、矩形キャビティアンテナ２では、正方形の導波管（空洞共振器）を開口面４ａで半分に切断した形状で、中心が最大の電界分布となる。また、矩形キャビティアンテナ２の放射指向性は、ｘｙ平面でキャビティ開口面４ａを対称中心とした８の字指向性となり、開口面４ａを対称中心としてその両側が逆位相の放射となる。

また、ゲート型アンテナ３を単独で動作させた場合、開口面５ａ、５ｂに磁流を想定した電磁界分布及び磁流ダイポール指向性は、図５の（ａ）（ｂ）に示すようになる。すなわち、ゲート型アンテナ３の電磁界分布は、両端が短絡されているため、同一方向で電界が分布している。また、ゲート型アンテナ３の放射指向性は、開口面５ａ、５ｂで互いに逆方向の磁流が形成されることにより、天頂方向には電磁波が放射されず、両開口面５ａ、５ｂ側に同相の双指向性となる。
なお、図６に、矩形キャビティアンテナ２の放射指向性を示すと共に、図７に、ゲート型アンテナ３の放射指向性を示す。

これら矩形キャビティアンテナ２とゲート型アンテナ３とを積層状態にして、図８の（ａ）に示すように、それぞれの放射を合成すると、同相方向へは重畳されると共に互いに逆相方向では相殺されることにより、図８の（ｂ）に示すように、単一指向性を得ることができる。

このように矩形キャビティアンテナ２とゲート型アンテナ３とを積層して得たアンテナ装置１の放射指向性について、シミュレーションした結果を図９に示す。この図９では、給電部８から矩形キャビティアンテナ２にのみ給電し、その給電部８の位置を、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点の開口部４ａからの距離が異なる各点に変えた場合について示している。
この結果から、給電部８の位置を変更することで、放射指向性を制御可能であり、バックローブやサイドローブを抑制できることがわかる。

また、アンテナ装置１において、結合ポスト７の位置を変更した場合について放射指向性をシミュレーションした結果を、図１０に示す。この図１０では、結合ポスト７の位置をＸ点、Ｙ点、Ｚ点の各点に変えた場合について示している。なお、給電部８の位置は、上記Ｂ点の位置に固定して放射指向性を調べた。
この結果から、結合ポスト７の位置を変更することで、放射方向の変更が可能なことがわかる。

このように本実施形態では、一様指向性を有する矩形キャビティアンテナ２の開口面４ａと８の字型指向性を有するゲート型アンテナ３の開口面５ａとが、互いに略同一方向に向いて隣接状態で配されているので、矩形キャビティアンテナ２とゲート型アンテナ３との放射が合成され、同相方向へは重畳されると共に互いに逆相方向では相殺されることで単一指向性を得ることができる。

また、いずれも低背な略直方体形状の金属筐体４、５を有する矩形キャビティアンテナ２及びゲート型アンテナ３の積層した組み合わせであるため、両方の放射を効率的に合成することができると共に、小型化・低背化を行うことが容易である。
さらに、結合ポスト７によって矩形キャビティアンテナ２とゲート型アンテナ３とが電磁界結合され、矩形キャビティアンテナ２に給電部８から電力を給電することで、他方のゲート型アンテナ３には直接給電することなく単一給電で励振させ動作させることができ、構成をより簡便にすることができる。そして、結合ポスト７及び給電部８の位置を変えることで、アンテナの放射方向や指向性を調整することが可能である。

上記実施形態に基づいて実際にアンテナ装置１を作製し、その放射指向性について測定した結果を、図１１に示す。
この実施例の放射指向性は、図１１からわかるように、上記シミュレーション結果と良く一致しており、良好な単一指向性を示していることがわかる。また、サイドローブ・交差偏波が抑制された良好な特性が得られている。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

上記実施形態では、矩形キャビティアンテナ２及びゲート型アンテナ３の内部は空洞構造とされているが、矩形キャビティアンテナ２及びゲート型アンテナ３の少なくとも一方の金属筐体内に誘電体材料を設けても構わない。例えば、図１２に示すように、矩形キャビティアンテナ２の金属筐体４内に誘電体材料１１を充填又は貼り付けることにより、矩形キャビティアンテナ２の誘電率を高めて小型化することで上部のゲート型アンテナ３と同サイズに設定することが可能になる。したがって、金属筐体４内に誘電体材料１１を設けることで、誘電率の調整が可能になり、アンテナ素子の大きさを調整することができる。なお、誘電体材料１１としては、例えばセラミックス粒子入り樹脂等が好適である。

また、上記誘電体材料１１は、金属筐体４内に充填又は貼り付けて設けているが、誘電体材料１１を予め矩形状に成形しておき、この誘電体材料１１の表面のうちアンテナ素子として必要な面に、メッキあるいは蒸着によって金属膜を形成することで、金属筐体（金属面体）としても構わない。
また、上述したように、矩形キャビティアンテナ２とゲート型アンテナ３とが積層状態に配置されていることが好ましいが、矩形キャビティアンテナ２とゲート型アンテナ３とが隣接状態で配置されていれば、他の配置、例えばこれらを並列に配置したアンテナ装置でも構わない。

また、上述したように、結合ポスト７を用いて電力を単一給電することが好ましいが、参考技術として、電力分配器を使用して矩形キャビティアンテナ２とゲート型アンテナ３とに電力を供給し励起させて動作させても構わない。
また、放射指向性を調整するために、複数の貫通孔４ｂを予め形成しておき、設定する放射指向性に応じて結合ポスト７の挿通設置する貫通孔４ｂを選択するようにしても構わない。
さらに、上記実施形態では、矩形キャビティアンテナ２上にゲート型アンテナ３を積層しているが、逆にゲート型アンテナ３上に矩形キャビティアンテナ２を積層しても構わない。

本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を示す斜視図である。 本実施形態において、アンテナ装置を示す分解斜視図である。 本実施形態において、アンテナ装置を示す断面図である。 矩形キャビティアンテナ単独動作において、電磁界分布及び磁流ダイポール指向性を示す概念図である。 ゲート型アンテナ単独動作において、電磁界分布及び磁流ダイポール指向性を示す概念図である。 矩形キャビティアンテナ単独動作における放射指向性を示すグラフである。 ゲート型アンテナ単独動作における放射指向性を示すグラフである。 本実施形態のアンテナ装置において、矩形キャビティアンテナとゲート型アンテナとの放射合成による放射指向性を示す概念図である。 本実施形態のアンテナ装置において、給電部の位置を変更した場合のシミュレーションによる放射指向性を示すグラフである。 本実施形態のアンテナ装置において、結合ピンの位置を変更した場合のシミュレーションによる放射指向性を示すグラフである。 本実施例のアンテナ装置における放射指向性を示すグラフである。 本実施形態の他の例におけるアンテナ装置を示す断面図である。

符号の説明

１…アンテナ装置、２…矩形キャビティアンテナ（第１のアンテナ素子）、３…ゲート型アンテナ（第２のアンテナ素子）、４ａ、５ａ、５ｂ…開口面、４、５…金属筐体、７…結合ポスト（結合ピン）、８…給電部、１１…誘電体材料

Claims (3)

1. 一つの開口面を有する略直方体形状の金属筐体を備えて一様指向性を有する第１のアンテナ素子と、
   相対する一対の開口面を有する略直方体形状の金属筐体を備えて８の字型指向性を有する第２のアンテナ素子と、
   前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とに接続されこれらを電磁界結合させる金属製の結合ピンと、
   前記第１のアンテナ素子及び前記第２のアンテナ素子のいずれか一方に設けられ電力が供給される給電部と、を備え、
   前記第１のアンテナ素子の開口面と前記第２のアンテナ素子の一対の開口面の一つとが、互いに略同一方向に向いて隣接状態で配されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とが互いに積層されて配されていることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
   前記第１のアンテナ素子及び前記第２のアンテナ素子の少なくとも一方の前記金属筐体内に、誘電体材料が設けられていることを特徴とするアンテナ装置。