JP4732222B2

JP4732222B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP4732222B2
Application number: JP2006108384A
Authority: JP
Inventors: 正隆嶋原
Original assignee: Nippon Antenna Co Ltd
Current assignee: Nippon Antenna Co Ltd
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2026-04-11
Also published as: JP2007282079A

Description

本発明は、指向性を有する広帯域な利得特性を示す低姿勢なアンテナ装置に関するものである

従来、放射効率を向上させるための導波用電極を備える携帯無線機のアンテナが知られている。このアンテナの構成を示す一部断面図を図２０に示す。図２０に示す携帯無線機の一部断面図において、１１１は携帯無線機の筐体であり、たとえば合成樹脂で作られている。筐体１１１内には高周波回路が配設されたプリント基板１０２が収納されており、プリント基板１０２の一方の面には、箱形の誘電体基板１０３が被せられている。誘電体基板１０３の内面ほぼ全面に亘ってシールド板とされる接地電極１０５が設けられており、接地電極１０５はプリント基板１０２に配設された接地回路に電気的に接続されて、高周波回路の周囲を電気的に遮蔽している。誘電体基板１０３の外面にはマイクロストリップ線路からなる放射器１０６が設けられており、放射器１０６は誘電体基板１０３および接地電極１０５を貫通する導線１０７によってプリント基板１０２の面上にあるアンテナ接続端に接続されている。この構造によって誘電体基板１０３，接地電極１０５，放射器１０６がマイクロストリップアンテナを構成している。１０８は放射器１０６と対向させて筐体１１１の内面に設けた導波用電極である。この導波用電極１０８は、放射器１０６に対して導波器として機能し、マイクロストリップアンテナの放射効率を向上させる。

以上のように構成されたアンテナにおいて、導波用電極１０８はマイクロストリップアンテナの放射効率を向上させるばかりでなく、周波数帯域を拡張する効果も備えている。たとえば導波用電極１０８の大きさと放射器１０６の大きさを変える等の手段で、導波用電極１０８と放射器１０６の共振波長をわずかに変え、放射器１０６を使用周波数帯域の短波長域に共振させ、導波用電極１０８を使用周波数帯域の長波長域に共振させれば、使用周波数帯域の全域に亘って比較的均一な放射効率が得られる。すなわち導波用電極１０８がない場合にくらべて、使用周波数範囲を拡張できる。
実開平４−１０３００６号公報

図２０に示す従来のアンテナでは、マイクロストリップ線路からなる放射器と、この放射器の前面に設けられた導波器との作用により放射効率や使用周波数範囲を拡張することができる。しかしながら、従来のアンテナにおいては、導波用電極１０８と放射器１０６の共振波長をわずかに変えることしかできず、拡張される使用周波数範囲も限られた周波数範囲となり広帯域にわたり良好に動作するアンテナとすることができないという問題点があった。また、従来のアンテナは指向特性が固定されており指向特性を可変することができないという問題点もあった。

そこで、本発明は広帯域にわたり良好に動作するアンテナ装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のアンテナ装置は、アース板に一端が接続されているショート板と、ショート板の他端からアース板にほぼ平行に延伸する給電素子とからなる給電部と、給電部上に所定間隙を介してほぼ平行に配置された給電部の全面を覆う平板状の放射素子とを備え、使用周波数帯域の低域の周波数ｆ１の波長をλ１、高域の周波数ｆ２の波長をλ２とした際に、給電素子の長さが約０．１３λ１〜約０．２６λ１の長さとされ、ショート板から給電素子において給電される位置までの距離が約０．０４λ２〜約０．１７λ２の距離とされ、放射素子の長辺の長さが約０．４３λ２〜約０．５４λ２の長さとされていると共に、アース板が放射素子以上の大きさとされていることを最も主要な特徴としている。

本発明のアンテナ装置は、アース板に一端が接続されているショート板と、ショート板の他端からアース板にほぼ平行に延伸する給電素子とからなる給電部と、給電部上に所定間隙を介してほぼ平行に配置された給電部の全面を覆う平板状の放射素子とを備え、使用周波数帯域の低域の周波数ｆ１の波長をλ１、高域の周波数ｆ２の波長をλ２とした際に、給電素子の長さが約０．１３λ１〜約０．２６λ１の長さとされ、ショート板から給電素子において給電される位置までの距離が約０．０４λ２〜約０．１７λ２の距離とされ、放射素子の長辺の長さが約０．４３λ２〜約０．５４λ２の長さとされていると共に、アース板が放射素子以上の大きさとされていることから、広帯域にわたり良好に動作するアンテナ装置とすることができ地上デジタル放送用のアンテナとして好適なアンテナ装置とすることができる。

本発明の第１実施例のアンテナ装置の構成を図１および図２に示す。ただし、図１は本発明のアンテナ装置の構成を示す斜視図であり、図２は本発明の第１実施例のアンテナ装置の構成を示す側面図である。
これらの図に示す第１実施例のアンテナ装置１は、横に長い矩形の平板状とされた金属板からなるアース板１０と、アース板１０上に設けられている金属板をＬ字状に折曲することにより形成されている給電部１１と、給電部１１上に所定の間隙を介して配置されている横に長い矩形の平板状とされた金属板からなる放射素子１３とから構成されている。Ｌ字状の給電部１１は、一端がアース板１０に電気的に接続されており、アース板１０に対してほぼ垂直に立設されているショート板１１ａと、このショート板１１ａの他端からほぼ直交して折曲されており、アース板１０にほぼ平行に延伸している細長い給電素子１１ｂとから構成されている。給電素子１１ｂの他端は開放されており、給電素子１１ｂの所定位置に同軸ケーブル１２により給電されている。この場合、同軸ケーブル１２の外部導体はアース板１０に電気的に接続され、同軸ケーブル１２の中心導体が給電素子１１ｂに電気的に接続される。

アース板１０、給電部１１および放射素子１３は厚さ約０．５ｍｍの銅板等の金属板を用いて形成されており、例えば、比誘電率がほぼ１である発泡スチロールによりアース板１０、給電部１１および放射素子１３が図示するように固定されている。また、アース板１０、給電部１１および放射素子１３を絶縁基板上に金属を蒸着あるいは金属箔を被着することにより形成するようにしても良い。さらに、アース板１０、給電部１１および放射素子１３を樹脂などの絶縁性の支持台により固定したり、固定に際して挟持やねじで固着するようにしてもよい。放射素子１３の一方の短辺はショート板１１ａの配置位置にほぼ合わせて配置しているが、ショート板１１ａからはみ出るように設置してもよい。ただし、ショート板１１ａからはみ出た放射素子１３の長辺の寸法は設計寸法には入れない。また、給電素子１１ｂの配置位置は放射素子１３に覆われた位置に配置するが、放射素子１３により覆われていれば配置面内において移動させても良い。さらに、給電素子１１ｂへの給電のために同軸ケーブル１２を使用したが、これ以外にアース板１０をプリント基板で構成してプリント基板上に形成したマイクロストリップラインやコプレナーラインで給電を行うようにしてもよい。

本発明の第１実施例のアンテナ装置１の構成を示す斜視図とされた分解組立図を図３に示す。図３に示すように、矩形のアース板１０上にショート板１１ａと給電素子１１ｂとから構成されている給電部１１が配置され、ショート板１１ａの一端がアース板１０に電気的・機械的に接続される。給電素子１１ｂの所定位置に同軸ケーブル１２により給電する。そして、矩形の放射素子１３を矢印で示すように給電部１１上に所定の間隙を介して配置することにより、アンテナ装置１を組み立てることができる。
本発明の第１実施例にかかるアンテナ装置１は、低域の周波数ｆ１から高域の周波数ｆ２にわたる周波数帯域が使用周波数帯域とされ、周波数ｆ１の波長をλ１、周波数ｆ２の波長をλ２とした際に、給電素子の長さがλ１／４をほぼ中心とする所定範囲の低域の周波数に応じて定められる長さとされ、ショート板から給電素子において給電される所定位置までの距離がλ２／１０をほぼ中心とする所定範囲の高域の周波数の波長に応じて定められる距離とされ、放射素子の長辺の長さがλ２／２をほぼ中心とする所定範囲の高域の周波数の波長に応じて定められる長さとされていると共に、アース板が放射素子以上の大きさとされていることを特徴としている。この構成により、本発明の第１実施例にかかるアンテナ装置１は、周波数ｆ１ないし周波数ｆ２の広帯域とされる使用周波数帯域にわたり良好な電気的特性を示すようになる。なお、本発明の第１実施例にかかるアンテナ装置１は、図１，図２に示す放射素子１３に対して垂直とされるＺ方向に水平偏波が放射されるようになる。

図３を参照して本発明の第１実施例にかかるアンテナ装置１の物理寸法の一例を以下に記述する。この場合、アンテナ装置１は地上デジタル放送用のアンテナとされ、使用周波数帯域を、実際にチャンネルが割り当てられている内の５００ＭＨｚ〜６５０ＭＨｚとする。このような広帯域にわたり良好な電気的特性を得るために、アース板１０の長辺の長さＬ１は約２９０ｍｍ、短辺の長さＷ１は約１００ｍｍとされ、ショート板１１ａの高さｈ１と幅は約１０ｍｍ、給電素子１１ｂの長辺の長さＬ２は約１４０ｍｍとされ、短辺の長さＷ２は約１０ｍｍとされる。また、同軸ケーブル１２の中心導体が給電素子１１ｂへ接続されるショート板１１ａからの距離ａは約４８ｍｍとされ、放射素子１３の長辺の長さＬ３は約２３０ｍｍ、短辺の長さＷ３は５０ｍｍとされる。さらに、給電素子１１ｂと放射素子１３との間隙ｈ２は約１０ｍｍとされる。これにより、アンテナ装置１のアンテナ高は約２０ｍｍとなり、アンテナ高は使用周波数帯域における低域の周波数５００ＭＨｚの約０．０３波長に相当する低姿勢のアンテナ装置とすることができる。

上述した寸法とした場合のアンテナ装置１は放射素子１３に対して垂直とされるＺ方向に水平偏波が放射され、そのＺ−Ｙ平面の周波数に応じた放射パターンを図４ないし図７に示す。ただし、各放射パターンにおいては最大値を０ｄＢに正規化して示している。
図４は、周波数が５００ＭＨｚの場合のＺ−Ｙ平面の放射パターンであり、＋Ｚ軸方向に最大利得を持ち、半値角が約７０度、Ｆ／Ｂ（前方／後方）比が約２０ｄＢの良好な放射パターンが得られている。図５は、周波数が５６０ＭＨｚの場合のＺ−Ｙ平面の放射パターンであり、＋Ｚ軸方向に最大利得を持ち、半値角が約７０度、Ｆ／Ｂ比が約１４ｄＢの放射パターンが得られている。図６は、周波数が６２０ＭＨｚの場合のＺ−Ｙ平面の放射パターンであり、＋Ｚ軸方向に最大利得を持ち、半値角が約６０度、Ｆ／Ｂ比が約１０ｄＢの放射パターンが得られている。図７は、周波数が６５０ＭＨｚの場合のＺ−Ｙ平面の放射パターンであり、＋Ｚ軸方向に最大利得を持ち、半値角が約６０度、Ｆ／Ｂ比が約８ｄＢの放射パターンが得られている。このように、使用周波数帯域にわたり少なくとも６０度の大きい半値角を得ることができるようになる。

次に、上述した寸法とした場合のアンテナ装置１におけるＺ軸方向の利得の周波数特性を図８に示す。
図８を参照すると、本発明にかかるアンテナ装置１は、５００ＭＨｚから６５０ＭＨｚの比帯域が約２６％もの広範囲な周波数帯域において約１．３ｄＢないし約３．０ｄＢの利得が得られている。また、本発明にかかるアンテナ装置１において、０ｄＢ以上の利得を得ることができる周波数帯域は約４７０ＭＨｚないし約６８０ＭＨｚとなり、その比帯域は約３６．５％もの広範囲な周波数帯域が得られている。

次に、本発明にかかるアンテナ装置１の放射素子１３の作用を説明するために、図１ないし図３に示すアンテナ装置１において、放射素子１３を取り去った図１１に示す構成のアンテナ装置におけるＺ軸方向の利得の周波数特性を本発明にかかるアンテナ装置１と対比して図９に示す。なお、図１１に示す構成のアンテナにおいて各部の寸法は上述したアンテナ装置１と同じ寸法とされている。
図９を参照すると本発明にかかるアンテナ装置１から放射素子１３を取り去った、アース板１０とショート板１１ａおよび給電素子１１ｂのみからなるアンテナでの利得の周波数特性では、本発明にかかるアンテナ装置１と比較して約７ｄＢ以上利得が低くなっている。このことから、給電素子１１ｂは放射素子としての機能はほとんど無く、主に放射素子１３へ給電する役割を担っていることがわかる。

次に、低姿勢アンテナの代表例である従来の逆Ｆ型アンテナにおけるＺ軸方向の利得の周波数特性を本発明にかかるアンテナ装置１と対比する。対比する逆Ｆ型アンテナの構成の一例を図１２に示す。図１２に示す逆Ｆ型アンテナ２００は、矩形の平板状のアース板２１０と、一端がアース板２１０に接続されており、アース板２１０に対してほぼ垂直に立設されているショート板２１１ａと、このショート板２１１ａの他端からほぼ直交して折曲されており、アース板２１０にほぼ平行に延伸している矩形の平板状の放射素子２１３とから構成されている。放射素子２１３において、ショート板２１１ａからの距離ｂ１の位置に同軸ケーブル２１２により給電されている。この場合、同軸ケーブル２１２の外部導体はアース板２１０に電気的に接続され、同軸ケーブル２１２の中心導体が放射素子２１３に接続される。この逆Ｆ型アンテナ２００において、アース板２１０および放射素子２１３の寸法は、本発明にかかるアンテナ装置１のアース板１０および放射素子１３と同じ寸法とされ、ショート板２１１ａはショート板１１ａと幅は同じであるが、高さが約２０ｍｍとされている。これにより、逆Ｆ型アンテナ２００における放射素子２１３のアース板２１０に対する高さと、本発明にかかるアンテナ装置１における放射素子１３のアース板１０に対する高さは同じ高さとなる。また、逆Ｆ型アンテナ２００において距離ｂ１は逆Ｆ型アンテナを高利得に最適化された距離とされ、約２０ｍｍとされている。

図１２に示す逆Ｆ型アンテナ２００におけるＺ軸方向の利得の周波数特性を図１０に「従来例１」として示している。図１２に示す「従来例１」の周波数特性を参照すると、最大利得は約１．５ｄＢ得られているが、０ｄＢ以上の利得を持つ周波数帯域はわずか約４％の比帯域とされている。このように、逆Ｆ型アンテナを高利得に最適化した場合は、その利得の周波数帯域が狭くなり、その比帯域は数％しか得られないことがわかる。
また、図１１に示す逆Ｆ型アンテナ２００において利得が最も広帯域になるよう最適化した逆Ｆ型アンテナ２０１の構成を図１３に示す。図１３に示す逆Ｆ型アンテナ２０１では、同軸ケーブル２１２により給電される放射素子２１３におけるショート板２１１ａからの距離ｂ２が約６０ｍｍとされて利得が最も広帯域になるよう最適化されている構成を除いて、逆Ｆ型アンテナ２００と同様の構成とされている。この図１３に示す逆Ｆ型アンテナ２０１におけるＺ軸方向の利得の周波数特性を図１０に「従来例２」として示している。図１２に示す「従来例２」の周波数特性を参照すると、最大利得は約−３．５ｄＢしか得られておらず、利得の周波数特性はブロードとなっているが−５ｄＢ以上とされる比帯域でもわずか約８％しか得られていない。このように、従来の逆Ｆ型アンテナにおいては、利得が広帯域になるよう最適化した場合は利得が小さくなり、利得の周波数帯域も本発明にかかるアンテナ装置１の利得の周波数特性にははるかに及ばないことがわかる。

なお、本発明にかかるアンテナ装置１のアンテナ形状は図１ないし図３に示すように平板状の矩形に限定することはなく、球面状や曲線状に構成してもよいが、各素子の幅は長辺を越えない範囲で設定する。さらに、各素子は、使用周波数の波長に比してはるかに小さい寸法の四角形や円形などの形状とされた穴を開けて軽量化を図ってもよいし、側面の辺を切り欠いて周囲長を変化させるようにしてもよい。また、同軸ケーブル１２の中心導体と、給電素子１１ｂの給電点の間に、コイルＬやコンデンサＣなどを利用した整合回路を挿入するようにしてもよい。

次に、本発明にかかるアンテナ装置１において放射素子１３の長辺の長さＬ３をパラメータとした際のＺ軸方向の利得の周波数特性を図１４に示す。ところで、図８に示すように本発明にかかるアンテナ装置１において最大利得である約３ｄＢは使用周波数帯域の低域とされる周波数５００ＭＨｚにおいて得られている。そして、ブースタを挿入するアンテナ装置の場合は、アンテナ装置の最大利得は使用周波数帯域内で−２ｄＢ程度が得られていればよく、アンテナ利得が足らない場合はブースタにより補えばよい。従って、使用周波数帯域内での利得は、最大利得と最小利得の差が５ｄＢ以内であれば充分である。そこで、図１４に示す利得の周波数特性では縦軸が利得差とされている。
図１４に示すＺ軸方向の利得の周波数特性においては、低域の周波数５００ＭＨｚ（ｆ１）から高域の周波数６５０ＭＨｚ（ｆ２）にわたる周波数帯域を使用周波数帯域として、周波数ｆ１の波長をλ１、周波数ｆ２の波長をλ２とした際に、放射素子１３の長辺の長さＬ３を約０．４３λ２、約０．４６λ２、約０．４８λ２、約０．５０λ２、約０．５２λ２、約０．５４λ２とした場合が示されている。なお、図８に示すＺ軸方向の利得の周波数特性は長さＬ３が約０．５０λ２とされた場合である。図１４を参照すると、Ｚ軸方向の利得の周波数特性において利得差が５ｄＢを確保できるのは、放射素子１３の長辺の長さＬ３が約０．４３λ２〜約０．５４λ２の範囲とされた場合であることがわかる。この場合、アース板１０は放射素子１３以上の大きさであればよいことから、アース板１０は高域の周波数の波長λ２の約０．４３λ２以上の大きさであればよいこととなる。

次に、本発明にかかるアンテナ装置１において給電素子１１ｂの長辺の長さＬ２をパラメータとした際のＺ軸方向の利得の周波数特性を図１５に示す。上述した理由から、図１５に示す利得の周波数特性では縦軸が利得差とされている。
図１５に示すＺ軸方向の利得の周波数特性においては、前記周波数ｆ１の波長をλ１、前記周波数ｆ２の波長をλ２とした際に、給電素子１１ｂの長辺の長さＬ２を約０．１８λ１、約０．２０λ１、約０．２３λ１、約０．２６λ１、約０．２８λ１、約０．３０λ１とした場合が示されている。なお、図８に示すＺ軸方向の利得の周波数特性は長さＬ２が約０．２３λ１とされた場合である。図１５を参照すると、Ｚ軸方向の利得の周波数特性において利得差が５ｄＢを確保できるのは、給電素子１１ｂの長辺の長さＬ２が約０．１３λ１〜約０．２６λ１の範囲とされた場合であることがわかる。

次に、本発明にかかるアンテナ装置１においてショート板１１ａから給電素子１１ｂにおいて給電される位置までの距離ａをパラメータとした際のＺ軸方向の利得の周波数特性を図１６に示す。上述した理由から、図１６に示す利得の周波数特性では縦軸が利得差とされている。
図１６に示すＺ軸方向の利得の周波数特性においては、前記周波数ｆ１の波長をλ１、前記周波数ｆ２の波長をλ２とした際に、ショート板１１ａから給電素子１１ｂにおいて給電される位置までの距離ａを約０．０４λ２、約０．０６λ２、約０．０８λ２、約０．１０λ２、約０．１３λ２、約０．１５λ２、約０．１７λ２とした場合が示されている。なお、図８に示すＺ軸方向の利得の周波数特性は距離ａが約０．１０λ２とされた場合である。図１６を参照すると、Ｚ軸方向の利得の周波数特性において利得差が５ｄＢを確保できるのは、ショート板１１ａから給電素子１１ｂにおいて給電される位置までの距離ａが約０．０４λ２〜約０．１７λ２の範囲とされた場合であることがわかる。

以上説明したように、本発明にかかる第１実施例のアンテナ装置１においては、給電素子１１ｂの長さＬ２を約０．１８λ１〜約０．３０λ１の範囲とし、ショート板１１ａから給電素子１１ｂにおいて給電される位置までの距離ａを約０．０４λ２〜約０．１７λ２の範囲とし、放射素子１３の長辺の長さＬ３を約０．４３λ２〜約０．５４λ２の範囲とすればよい。また、アース板１０は放射素子１３以上の大きさであればよいので、アース板１０の長辺の長さＬ１を給電素子１１ｂの長さＬ２以上とすればよい。上記使用周波数帯域では、アース板１０から放射素子１３までのアンテナ高（ｈ１＋ｈ２）は約２０ｍｍであり、低域の周波数５００ＭＨｚ（ｆ１）の波長λ１に対してわずか０．０３λ１の非常に低姿勢で、広帯域にわたり利得が良好になるアンテナ装置１を実現することができる。

次に、本発明の第２実施例のアンテナ装置２の構成を示す斜視図を図１７に示す。
図１７に示す第２実施例のアンテナ装置２は、ガラスエポキシ基板等の絶縁性の基板２４を備え、基板２４の一面にアンテナ装置２が設けられている。すなわち、横に長い矩形の平板状とされた金属板からなるアース板２０が基板２４にほぼ垂直に立設され、このアース板２０上に金属板をＬ字状に折曲することにより形成されている給電部２１が設けられている。さらに、給電部２１に所定の間隙を介しほぼ平行に横に長い矩形の平板状とされた金属板からなる放射素子２３が、基板２４にほぼ垂直に立設されている。Ｌ字状の給電部２１は、一端がアース板２０に電気的に接続されており、アース板２０に対してほぼ垂直に立設されているショート板２１ａと、このショート板２１ａの他端からほぼ直交して折曲されており、アース板２０にほぼ平行に延伸している細長い給電素子２１ｂとから構成されている。給電素子２１ｂの他端は開放されており、給電素子２１ｂの所定位置に基板２４の一面に形成されている給電線路２２により給電されている。この場合、基板２４の裏面において給電線路２２に対向してアース導体が形成されており、給電線路２２はマイクロストリップ線路とされている。

アース板２０、給電部２１および放射素子２３は厚さ約０．５ｍｍの銅板等の金属板を用いて形成されており、例えば、比誘電率がほぼ１である発泡スチロールによりアース板２０、給電部２１および放射素子２３が図示するように基板２４に固定されている。また、アース板２０、給電部２１および放射素子２３を絶縁基板上に金属を蒸着あるいは金属箔を被着することにより形成するようにしても良い。さらに、アース板２０、給電部２１および放射素子２３を基板２４に樹脂などの絶縁性の支持台により固定したり、固定に際して挟持やねじで固着するようにしてもよい。
このように、第２実施例のアンテナ装置２は、基板２４上にほぼ垂直にアンテナ装置２が配置されるよう構成されていることを除いて、実施例１のアンテナ装置１と同様の構成とされており、本発明の第２実施例にかかるアンテナ装置２は、図１７に示す基板２４に対して水平とされるＸ方向に水平偏波が放射されるようになる。また、第２実施例のアンテナ装置２において、放射素子２３の長辺を大地に対して垂直に設置すると共に、その短辺を大地に対して水平に設置することで垂直偏波をＸ方向に放射することも可能である。

第２実施例のアンテナ装置２の寸法は第１実施例のアンテナ装置１と同様とされており、低域の周波数ｆ１から高域の周波数ｆ２にわたる周波数帯域を使用周波数帯域とした際に、周波数ｆ１の波長をλ１、周波数ｆ２の波長をλ２とすると、給電素子２１ｂの長さが約０．１８λ１〜約０．３０λ１とされ、ショート板２１ａから給電素子２１ｂにおいて給電される位置までの距離が約０．０４λ２ないし約０．１７λ２とされ、放射素子２３の長辺の長さが約０．４３λ２〜約０．５４λ２とされている。このように、第２実施例のアンテナ装置２も、給電素子の長さがλ１／４をほぼ中心とする所定範囲の低域の周波数に応じて定められる長さとされ、ショート板から給電素子において給電される所定位置までの距離がλ２／１０をほぼ中心とする所定範囲の高域の周波数の波長に応じて定められる距離とされ、放射素子の長辺の長さがλ２／２をほぼ中心とする所定範囲の高域の周波数の波長に応じて定められる長さとされていると共に、アース板が放射素子以上の大きさとされていることを特徴としている。この構成により、本発明の第２実施例にかかるアンテナ装置２は、上記した第１実施例のアンテナ装置１と同様の放射パターンおよび利得の周波数特性を示し、周波数ｆ１ないし周波数ｆ２の広帯域とされる使用周波数帯域にわたり良好な電気的特性を示すようになる。

次に、第２実施例のアンテナ装置２を利用した指向特性を切り替えることができる本発明の第３実施例のアンテナ装置３の構成を示す平面図を図１８に示す。
第３実施例のアンテナ装置３は、互いに直交するように配置された第１アンテナ３−１ないし第４アンテナ３−４の４つのアンテナを備えている。第１アンテナ３−１ないし第４アンテナ３−４の構成は、第２実施例のアンテナ装置２と同様の構成とされている。アンテナ装置３は、矩形のガラスエポキシ基板等の基板３４をそなえ、この基板３４の一面にほぼ直交して立設された矩形の筒状のアース板３０が設けられている。この立設された矩形の筒状のアース板３０の４面とされた各壁面をアース基板とする第１アンテナ３−１ないし第４アンテナ３−４が設けられている。

すなわち、アース板３０の第１の壁面の外側に金属板をＬ字状に折曲することにより形成されている給電部３１−１が設けられている。さらに、給電部３１−１に所定の間隙を介しほぼ平行に横に長い矩形の平板状とされた金属板からなる放射素子３３−１が、基板３４にほぼ垂直に立設されている。Ｌ字状の給電部３１−１は、一端がアース板３０の第１の壁面の外面に電気的に接続されており、第１の壁面の外面に対してほぼ垂直に立設されているショート板３１ａ−１と、このショート板３１ａ−１の他端からほぼ直交して折曲されており、アース板３０の第１の壁面の外面とほぼ平行に延伸している細長い給電素子３１ｂ−１とから構成されている。給電素子３１ｂ−１の他端は開放されており、給電素子３１ｂ−１の所定位置に基板３４の一面に形成されている給電線路３２−１により給電されている。この場合、基板３４の裏面において矩形の筒状のアース板３０の占有面積とほぼ同じ面積とされた破線で示す矩形のアース導体３６が形成されており、給電線路３２−１はマイクロストリップ線路とされている。このように、アース板３０の第１の壁面の外側に第１アンテナ装置３−１が設けられている。

また、アース板３０の第２の壁面の外側には、第２アンテナ装置３−２が設けられている。第２アンテナ装置３−２は、第１アンテナ装置３−１と同様の構成とされており、アース板３０の第２の壁面と、ショート板３１ａ−２と給電素子３１ｂ−２とからなるＬ字状の給電部３１−２と、放射素子３３−２とから構成されている。給電素子３１ｂ−２の所定位置には基板３４の一面に形成されているマイクロストリップ線路とされている給電線路３２−２により給電されている。さらに、アース板３０の第３の壁面の外側には、第３アンテナ装置３−３が設けられている。第３アンテナ装置３−３は、第１アンテナ装置３−１と同様の構成とされており、アース板３０の第３の壁面と、ショート板３１ａ−３と給電素子３１ｂ−３とからなるＬ字状の給電部３１−３と、放射素子３３−３とから構成されている。給電素子３１ｂ−３の所定位置には基板３４の一面に形成されているマイクロストリップ線路とされている給電線路３２−３により給電されている。さらにまた、アース板３０の第４の壁面の外側には、第４アンテナ装置３−４が設けられている。第４アンテナ装置３−４は、第１アンテナ装置３−１と同様の構成とされており、アース板３０の第４の壁面と、ショート板３１ａ−４と給電素子３１ｂ−４とからなるＬ字状の給電部３１−４と、放射素子３３−４とから構成されている。給電素子３１ｂ−４の所定位置には基板３４の一面に形成されているマイクロストリップ線路とされている給電線路３２−４により給電されている。

第３実施例のアンテナ装置３における第１アンテナ３−１ないし第４アンテナ３−４の寸法は第２実施例のアンテナ装置２と同様とされており、低域の周波数ｆ１から高域の周波数ｆ２にわたる周波数帯域を使用周波数帯域とした際に、周波数ｆ１の波長をλ１、周波数ｆ２の波長をλ２とすると、給電素子３１ｂ−１〜３１ｂ−４の長さが約０．１８λ１〜約０．３０λ１とされ、ショート板３１ａ−１〜３１ａ−４から給電素子３１ｂ−１〜３１ｂ−４において給電される位置までの距離が約０．０４λ２ないし約０．１７λ２とされ、放射素子３３−１〜３３−４の長辺の長さが約０．４３λ２〜約０．５４λ２とされている。このように、第３実施例のアンテナ装置３における第１アンテナ３−１ないし第４アンテナ３−４も、給電素子の長さがλ１／４をほぼ中心とする所定範囲の低域の周波数に応じて定められる長さとされ、ショート板から給電素子において給電される所定位置までの距離がλ２／１０をほぼ中心とする所定範囲の高域の周波数の波長に応じて定められる距離とされ、放射素子の長辺の長さがλ２／２をほぼ中心とする所定範囲の高域の周波数の波長に応じて定められる長さとされていると共に、アース板が放射素子以上の大きさとされていることを特徴としている。この構成により、本発明の第３実施例にかかるアンテナ装置３における第１アンテナ３−１ないし第４アンテナ３−４は、上記した第１実施例のアンテナ装置１と同様の放射パターンおよび利得の周波数特性を示し、周波数ｆ１ないし周波数ｆ２の広帯域とされる使用周波数帯域にわたり良好な電気的特性を示すようになる。

アンテナ装置３において、第１アンテナ３−１ないし第４アンテナ３−４からそれぞれ導出されている給電線路３２−１ないし給電線路３２−４は、制御部３５に導入されている。制御部３５は、給電するアンテナを第１アンテナ３−１ないし第４アンテナ３−４の内から選択することにより、アンテナ装置３の指向特性を切り替えるようにしている。アンテナ装置３における第１アンテナ３−１ないし第４アンテナ３−４からは、基板３４に対して水平とされる方向に水平偏波が放射される。例えば、制御部３５において第１アンテナ３−１が選択されて給電されると、アンテナ装置３の指向特性は図１８の紙面において上方向となる。また、制御部３５において第２アンテナ３−２が選択されて給電されると、アンテナ装置３の指向特性は図１８の紙面において右方向となる。さらに、制御部３５において第３アンテナ３−３が選択されて給電されると、アンテナ装置３の指向特性は図１８の紙面において下方向となる。また、制御部３５において第４アンテナ３−４が選択されて給電されると、アンテナ装置３の指向特性は図１８の紙面において左方向となる。

このように、本発明の第３実施例のアンテナ装置３においては、使用周波数帯域において半値角として少なくとも６０度を得ることができることから、水平面内のいずれの方向にも指向特性を向けるよう切り替えることができるようになる。制御部３５の構成の一例を図１９に示す。制御部３５は、給電源３７に接続された可動接点ａと第１アンテナ３−１ないし第４アンテナ３−４がそれぞれ接続されている固定接点ｂ，ｃ，ｄ，ｅとを有するスイッチから構成されている。ここで、可動接点ａを固定接点ｂに切り替えると、給電源３７から第１アンテナ３−１に給電されるようになる。同様にして可動接点ａを固定接点ｃ，ｄ，ｅに切り替えることにより、第３実施例のアンテナ装置３は電波が到来する方向に合わせて制御部３５により第１アンテナ３−１ないし第４アンテナ３−４のいずれかを選択することで、最適な指向性をもつアンテナ装置３として動作するようになる。この場合、コイルＬやコンデンサＣなどの整合回路でインピーダンス調整を行ったり、位相器や合成器を用いて細かな指向性制御を行ってもよい。
なお、アンテナ装置３において、給電線路３２−１ないし給電線路３２−４をコプレナーラインとしても良い。また、図１８に示す第３実施例のアンテナ装置３ではアース板３０の断面形状は矩形とされているが、多角形として、多角形の各壁部の外側にそれぞれ単位とされる複数のアンテナを設けるようにして、制御部３５によりいずれかのアンテナを選択するようにしてもよい。

以上説明した本発明にかかるアンテナ装置の実施例においては、地上デジタル放送用のアンテナ装置として説明したがこれに限るものではなく、使用周波数帯域が広帯域とされるアンテナ装置に適用することができる。

本発明の第１実施例のアンテナ装置の構成を示す斜視図である。本発明の第１実施例のアンテナ装置の構成を示す側面図である。本発明の第１実施例のアンテナ装置の構成を示す分解組立図である。本発明の第１実施例のアンテナ装置における周波数が５００ＭＨｚの場合のＺ−Ｙ平面の放射パターンを示す図である。本発明の第１実施例のアンテナ装置における周波数が５６０ＭＨｚの場合のＺ−Ｙ平面の放射パターンを示す図である。本発明の第１実施例のアンテナ装置における周波数が６２０ＭＨｚの場合のＺ−Ｙ平面の放射パターンを示す図である。本発明の第１実施例のアンテナ装置における周波数が６５０ＭＨｚの場合のＺ−Ｙ平面の放射パターンを示す図である。本発明の第１実施例のアンテナ装置におけるＺ軸方向の利得の周波数特性を示す図である。本発明の第１実施例のアンテナ装置において放射素子の作用を説明するためのＺ軸方向の利得の周波数特性を示す図である。本発明の第１実施例のアンテナ装置と従来の逆Ｆ型アンテナとを対比してＺ軸方向の利得の周波数特性を示す図である。本発明の第１実施例のアンテナ装置において放射素子の作用を説明するために放射素子を取り去ったアンテナの構成を示す図である。従来の逆Ｆ型アンテナの高利得に最適化された構成を示す図である。従来の逆Ｆ型アンテナの広帯域に最適化された構成を示す図である。本発明の第１実施例のアンテナ装置において放射素子の長辺の長さをパラメータとした際のＺ軸方向の利得の周波数特性を示す図である。本発明の第１実施例のアンテナ装置において給電素子の長辺の長さをパラメータとした際のＺ軸方向の利得の周波数特性を示す図である。本発明の第１実施例のアンテナ装置においてショート板から給電素子において給電される位置までの距離をパラメータとした際のＺ軸方向の利得の周波数特性を示す図である。本発明の第２実施例のアンテナ装置の構成を示す斜視図である。本発明の第３実施例のアンテナ装置の構成を示す平面図である。本発明の第３実施例のアンテナ装置における制御部の構成を示す図である。従来のアンテナの構成を示す図である。

符号の説明

１アンテナ装置、２アンテナ装置、３アンテナ装置、１０アース板、１１給電部、１１ａショート板、１１ｂ給電素子、１２同軸ケーブル、１３放射素子、２０アース板、２１給電部、２１ａショート板、２１ｂ給電素子、２２給電線路、２３放射素子、２４基板、３０アース板、３１−１〜３１−４給電部、３１ａ−１〜３１ａ−４ショート板、３１ｂ−１〜３１ｂ−４給電素子、３２−１〜３２−４給電線路、３３−１〜３３−４放射素子、３４基板、３５制御部、３６アース導体、３７給電源、１０２プリント基板、１０３誘電体基板、１０５接地電極、１０６放射器、１０７導線、１０８導波用電極、１１１筐体、２００逆Ｆ型アンテナ、２０１逆Ｆ型アンテナ、２１０アース板、２１１ａショート板、２１２同軸ケーブル、２１３放射素子

Claims

アース板と、
該アース板上に配置され、該アース板に一端が接続されているショート板と、該ショート板の他端からほぼ直交して前記アース板にほぼ平行に延伸する給電素子とからなる給電部と、
該給電部における前記給電素子の所定位置に給電する給電手段と、
前記給電部上に所定間隙を介してほぼ平行に配置された前記給電部の全面を覆う放射素子とを備え、
低域の周波数ｆ１から高域の周波数ｆ２にわたる周波数帯域が使用周波数帯域とされ、周波数ｆ１の波長をλ１、周波数ｆ２の波長をλ２とした際に、前記給電素子の長さが約０．１３λ１〜約０．２６λ１の長さとされ、前記ショート板から前記給電素子において給電される前記所定位置までの距離が約０．０４λ２〜約０．１７λ２の距離とされ、前記放射素子の長辺の長さが約０．４３λ２〜約０．５４λ２の長さとされていると共に、前記アース板が前記放射素子以上の大きさとされていることを特徴とするアンテナ装置。
平板状の絶縁基板の一面にほぼ直交して立設されたアース板と、
該アース板に一端が接続されているショート板と、該ショート板の他端からほぼ直交して延伸され、前記アース板にほぼ平行に配置されている給電素子とからなる給電部と、
前記絶縁基板上に形成されており、前記給電部における前記給電素子の所定位置に給電する給電線路と、
前記給電素子の全面を覆うように、前記給電素子に所定間隙を介してほぼ平行に配置され、前記絶縁基板上にほぼ直交して立設されている放射素子とを備え、
低域の周波数ｆ１から高域の周波数ｆ２にわたる周波数帯域が使用周波数帯域とされ、周波数ｆ１の波長をλ１、周波数ｆ２の波長をλ２とした際に、前記給電素子の長さが約０．１８λ１〜約０．３０λ１の長さとされ、前記ショート板から前記給電素子において給電される前記所定位置までの距離が約０．０４λ２〜約０．１７λ２の距離とされ、前記放射素子の長辺の長さが約０．４３λ２〜約０．５４λ２の長さとされていると共に、前記アース板が前記放射素子以上の大きさとされていることを特徴とするアンテナ装置。
平板状の絶縁基板の一面にほぼ直交して立設された多角形の筒状のアース板と、
該アース板における多角形の各外面に一端が接続されているショート板と、該ショート板の他端からほぼ直交して延伸され、前記アース板にほぼ平行に配置されている給電素子とからなり、前記アース板における多角形の各外面毎に設けられている複数の給電部と、
前記各給電素子の所定位置に給電するよう前記絶縁基板上に形成されており、前記アース板における多角形の各外面に対応して設けられている複数の給電線路と、
前記各給電素子の全面をそれぞれ覆うように、前記各給電素子上に所定間隙を介してほぼ平行に配置され、前記アース板における多角形の各外面毎に前記絶縁基板上にほぼ直交して立設されている複数の放射素子と、
前記絶縁基板上に設けられ、前記複数の給電線路に選択的に給電する制御部とを備え、
低域の周波数ｆ１から高域の周波数ｆ２にわたる周波数帯域が使用周波数帯域とされ、周波数ｆ１の波長をλ１、周波数ｆ２の波長をλ２とした際に、前記給電素子の長さが約０．１８λ１〜約０．３０λ１の定められる長さとされ、前記ショート板から前記給電素子において給電される前記所定位置までの距離が約０．０４λ２〜約０．１７λ２の距離とされ、前記放射素子の長辺の長さが約０．４３λ２〜約０．５４λ２の長さとされていると共に、前記アース板が前記放射素子以上の大きさとされていることを特徴とするアンテナ装置。
前記絶縁基板の他面に、少なくとも前記給電線路に対面するアース導体が形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載のアンテナ装置。