JP4735368B2 - 平面アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、平面アンテナに関し、特に、誘電体板基板上に形成され、円偏波を発生するアンテナとして好適な技術に関する。

近年、自動車等の車両（移動体）には、高周波帯のＧＰＳ（Global Positioning System）用のアンテナや、衛星ディジタル放送用の衛星電波を受信するアンテナが搭載されることが多くなってきている。また、高速道路や有料道路の料金を自動的に徴収するＥＴＣ（自動料金所システム）や、道路交通情報を提供するＶＩＣＳ（道路交通情報通信システム）の電波ビーコンに対しても電波の送受信を行なうアンテナが必要となってきている。

このような移動体が送信又は受信すべき電波の中で、ＧＰＳ用の電波、衛星ディジタル放送用の衛星電波、ＥＴＣ用の電波には円偏波が使用されている。そして、従来の円偏波アンテナにはパッチアンテナ（平面アンテナ）が多く利用されている。

図１は従来の平面アンテナの一例を示す模式的平面図であって、下記特許文献１で提案されている平面アンテナの構造を示している。この図１に示す平面アンテナは、右旋回の円偏波を受信できるアンテナであって、図示しない誘電体（透明フィルム）上に、正方形状のループアンテナ（給電素子）１２０と、一部が折り曲げられて第１の部分１４０Ａ及び第２の部分１４０Ｂを有し、ループアンテナ１２０に接続されない独立した線状の導体（無給電素子）１４０とが形成されて構成されている。なお、符号１６０，１７０はループアンテナ１２０に対する給電端子、符号２７０は給電端子１６０，１７０とループアンテナ１２０との接続導体である連絡導体、符号ＣＰはループアンテナ１２０の中心点をそれぞれ示している。

また、この図１に示すように、無給電素子１４０は、ループアンテナ１２０の外側近傍に配置されており、より詳細には、第１の部分１４０Ａが、ループアンテナ１２０の一辺と平行に、第２の部分１４０Ｂが、給電端子１６０，１７０の中間点とこれに対向する頂点を結ぶ直線と平行になるように配置されている。

この無給電素子１４０の機能について、下記特許文献１の段落００６９の記載を引用して説明すると、無給電素子１４０の無い状態のループアンテナ１２０、特に、周囲（アンテナ導体の全長）が１波長のループアンテナ１２０では、垂直方向の電界成分（横成分）のみしか受信しない（つまり、時間によって電界の方向が変化する円偏波を完全に受信できない）が、無給電素子１４０をループアンテナ１２０に近接して設けることで、円偏波の縦成分を受信することが可能となる。

即ち、無給電素子１４０の第２の部分１４０Ｂによって円偏波の縦成分を取り込み、この受信した縦成分を、ループアンテナ１２０のアンテナ導体に近接する第１の部分１４０Ａによって、ループアンテナ１２０のアンテナ導体に結合させることが可能となる。その結果、円偏波の縦成分と横成分とが同位相でループアンテナ１２０で受信されることになる。換言すれば、無給電素子１４０が第２の部分１４０Ｂのみであると、受信した円偏波がループアンテナ１２０に伝わり難いので、受信した円偏波を効率的にループアンテナ１２０に伝達するために無給電素子１４０に第１の部分１４０Ａを設けているのである。

なお、従来のアンテナ構造として、例えば下記特許文献２，３により提案されている技術もある。 特許文献２の技術は、複数の双ループアンテナ素子からなる薄型の平面構造で、左旋回円偏波と右旋回円偏波とを同時に双方向から発生させることのできるアンテナ構造に関するものである。

これに対し、特許文献３の技術は、複数のアンテナの相互干渉により形成されるそれぞれのアンテナの指向性が最適となるように、アンテナの平面内において、大きなスクエアロウアンテナの内側にそれよりも小さなダイポールアンテナ、ループアンテナ、平面アンテナを配置した構造に関するものである。
特開２００５−１０２１８３号公報 特開２００５−７２７１６号公報 特開平９−２６０９２５号公報

しかしながら、上記特許文献１で提案されている技術では、その構成上、無給電素子１４０への電界分布が弱いため、十分に良好な円偏波特性を得るのが困難であった。これは、誘電体基板上に単純にダイポールアンテナ等の線状アンテナを構成すると、主に、誘電体基板の面部に沿った方向にビームが形成されてしまい、誘電体基板の面部と交差する方向（つまり、厚み方向）への放射強度が弱いことが１つの要因と考えられる。

なお、上記特許文献２の技術は、左旋回円偏波と右旋回円偏波とを同時に発生できるようにすることを目的とする技術であり、上記特許文献３の技術は、狭い場所でも複数のアンテナを接近、あるいは、集中して設置でき、小型化が可能であり、また車内からのノイズを防止できるようにすることを目的とする技術であり、いずれも、良好な円偏波特性を得ることを目的とする技術ではない。

本発明は、上記課題に鑑み創案されたもので、簡易な構成で良好な円偏波特性を得ることのできる、平面アンテナを提供することを目的とする。なお、本発明の平面アンテナの適用対象は、車両等の移動体に限られず、本屋や図書館で本棚に並べられた本の在庫管理するシステムやＰＯＳシステムや商品盗難防止用のセキュリティシステム等にも適用可能である。

上記目的を達成するために、本発明の第１の側面では、給電部から両側に広がる２つの放射素子からなるダイポールアンテナと不平衡平衡変換回路とから構成される平面アンテナにおいて、基板の一方の面に、第１の放射素子と該放射素子に接続された第１の給電用パターンと該第１の放射素子に隣接する無給電ループ状放射素子とを設け、基板の他方の面に、第２の放射素子と該放射素子に接続された第２の給電用パターンと該第２の放射素子に隣接する無給電ループ状放射素子とを設けた平面アンテナを用いる。

本発明の第２の側面は、前記平面アンテナに、さらに該放射素子の一部にインピーダンス調整部を設けた平面アンテナを用いる。

本発明の第３の側面は、前記平面アンテナの給電パターンのパターン幅を一部変えたインピーダンス変換部を設けた平面アンテナを用いる。

本発明の第４の側面は、前記平面アンテナの前記給電パターンは、給電側を底辺とし、前記放射素子の給電点を頂点とする三角形状とする平面アンテナを用いる。

本発明の第５の側面は、前記平面アンテナの前記給電パターンは、給電側を底辺とし、前記放射素子の給電点を頂点とする二等辺三角形の形状とする平面アンテナを用いる。

本発明の第６の側面は、前記第１の無給電ループ状放射素子は、さらに隣接する第１の放射素子との間隔を調整する調節部を設け、前記第２の無給電ループ状放射素子は、さらに隣接する第２の放射素子との間隔を調整する調節部を設けた平面アンテナを用いる。

本発明の第７の側面は、前記不平衡平衡変換部は一部にインピーダンス調整部を設けた前記第１の給電パターンと、パターン幅を一部変えたインピーダンス変換部を設けた前記第２の給電パターンとから構成される平面アンテナを用いる。

本発明の平面アンテナでは、以上のような構成を取ることで、基板面の両側に対して垂直方向へ良好な特性の円偏波を発生できるので、タグ等への十分な電波供給ができ、かつ通信距離を伸ばすことが可能となる。

本発明の平面アンテナでは、同軸ケーブルでの給電であってもバランやインピーダンス変換回路というアンテナとは別部品である回路を不要にすることで、アンテナの小型化およびコスト低減が可能となる。

本発明の平面アンテナでは、使用される給電パターンの形状を二等辺三角形にすることで、不平衡平衡変換部に広帯域の特性を持たせることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

本発明の実施の形態例では、基板両面に対して垂直方向に円偏波を放射する平面アンテナの構成について以下のとおり説明する。

図２は、本発明の平面アンテナの構成図を示す。

この平面アンテナは、基板７面に、ダイポールアンテナ１とループアンテナ２，３、カットアウェイバラン１０及ぶ同軸線路用接続端８から構成される。このダイポールアンテン１は第１のアンテナ素子１１および第２のアンテナ素子１２からなる。スタブ９は、第１のアンテナ素子１１および第２のアンテナ素子１２の一部に形成される。ループアンテナ２は、第１のアンテナ素子１１と一方の短辺が隣接し、かつ基板平面上で第１のアンテナ素子１１に対して直角方向に長辺が位置する。ループアンテナ３は、第２のアンテナ素子１２と一方の短辺が隣接し、かつ基板平面上で第２のアンテナ素子１２に対して直角方向に長辺が位置する。

ここで説明するアンテナ素子とは、放射素子のことを示す。

カットアウェイバラン１０は、インピーダンス変換部４と線路５と三角形状パターン６からなる。この基板７は、たとえば誘電体で形成したものである。

第１のアンテナ素子１１及びループアンテナ２は、第２のアンテナ素子１２及びループアンテナ３とは表裏という違う基板面上に形成されている。各ループアンテナ２，３は第１、第２のアンテナ素子１１,１２の給電点Ｅで点対称となる位置にそれぞれ第１、第２のアンテナ素子１１,１２に近接して形成、配置されて、第１のアンテナ素子、第２のアンテナ素子１１,１２と電磁的に結合可能に構成されている。

このような平面アンテナ構成において、ダイポールアンテナ１に給電すると、ダイポールアンテナ１が一方の交差偏波成分をもち、各ループアンテナ２，３がその交差偏波成分と位相が９０度遅れで偏波も９０度異なる他方の交差偏波成分をもつように電界がｚ軸方向〔図２の紙面垂直方向〕に放射される。

より詳細には、ダイポールアンテナ１によりＹ軸方向の偏波（水平方向）成分をもつ電界フィールド（Ｅyフィールド）が発生し、これが各ループアンテナ２,３に結合することにより、各ループアンテナ２，３に電流が流れる。このとき、ループアンテナ２,３は、それぞれｘ軸方向に長辺を有しているため、Ｙ軸方向よりもｘ軸方向に強い偏波（垂直偏波）成分をもつ電界フィールド（Ｅxフィールド）が発生する。

その結果、ｚ軸方向には、上記のＥ_xフィールドとＥ_yフィールドとが合成された電界フィールド、つまり、円偏波〔この場合は、右旋回円偏波（ＲＨＣＰ：Right-Hand Circularly Polarized）〕フィールドが発生する。換言すれば、上記平面アンテナは、無給電ループ状アンテナ素子としてのループアンテナ２，３が、線状アンテナ素子としてのダイポールアンテナ１の発生しうる偏波（水平偏波）と交差する交差偏波（垂直偏波）を発生すべく配置されており、さらに、ループアンテナ２，３は、それぞれ、当該垂直偏波を発生すべくダイポールアンテナ１と交差する方向に延在する線状部分を長方形の長辺として有しているのである。

ここで、ループアンテナ２，３の形状（ダイポールアンテナ１との結合部分の形状）、ダイポールアンテナ１とループアンテナ２，３とのｙ軸方向の距離、ｘ軸方向の位置をそれぞれ調整することによって、直交する交差電界成分の強度、位相を調整することができ、理想的な円偏波に近づけることが可能である。ダイポールアンテナ１とそれぞれのループアンテナ２，３との具体的な距離調整については、後述する。 また、図２のダイポールアンテナ１を形成する第１のアンテナ素子１１，第２のアンテナ素子１２及びループアンテナ２，３以外について基板７の表面かまたは裏面にあるかは、図３で説明するので、ここでは説明を省略する。

ダイポールアンテナ１は全長約λ／２である。スタブ９はダイポールアンテナ１の給電点付近に設けられているインピーダンス調整用で、アンテナの給電点から見たアンテナのインピーダンスを調整するものである。ループアンテナ２、３はいずれも全長１波長で、無給電素子である。カットアウェイバラン１０は三角形状パターン６、インピーダンス変換部４、線路５で構成され、不平衡型である同軸ケーブルからの給電を平衡型の給電に変換して、ダイポールアンテナ１に給電するものである。この三角形状パターン６は給電側を底辺とし、前記放射素子の給電点を頂点とする二等辺三角形の形状とすることで、カットアウェイバラン１０は広帯域な特性もつことが可能である。

このインピーダンス変換部４は長さλ/４となっている。

図３（ａ）は、本発明の平面アンテナの表から見た詳細構成図である。図３（ｂ）は、本発明の平面アンテナの裏から見た詳細構成図である。

図３（ａ）の平面アンテナの基板７表面には、長さ約λ/４の第１のアンテナ素子１１とその第１のアンテナ素子と短辺が平行し、長辺が直角となるように設けられるループアンテナ２と線路５とインピーダンス変換部４とスタブ９１と同軸線路用接続端８とで構成されている。

また、図３（ｂ）の平面アンテナの基板７裏面には、長さ約λ/４の第２のアンテナ素子１２とその第２のアンテナ素子１２と短辺が平行し、長辺が直角となるように設けられるループアンテナ３と三角形状パターン６とスタブ９２と同軸線路用接続端８とで構成されている。

このような図３（a）、(b)の平面アンテナは、基板７の表面および裏面に対して垂直方向にそれぞれ円偏波を発生する。

図４は、本発明の平面アンテナのスミスチャートを示す。

図４の曲線Ａは平面アンテナの入力インピーダンスが周波数に応じて変化することを示す。Ｚ_４１は周波数が８００ＭＨｚでのインピーダンスを示す。Ｚ_４２は周波数９５３ＭＨｚでのインピーダンスを示す。Ｚ_４３は周波数が１.１ＧＨｚでのインピーダンスを示す。アンテナのリアクタンス成分は、図３（a）,(b)のスタブ９１，９２の長さを変えることで、Ｂのように上下方向（正から負の値）に変化する。また、アンテナの抵抗成分は、図３（a）のインピーダンス変換部４のライン幅を変えることで、Ｃのように左右方向(０から無限大)に変化する。Ｚ_０は給電用同軸ゲーブルのインピーダンスと整合する５０Ωを示す点である。平面アンテナの入力インピーダンスは、スタブ９１,９２およびインピーダンス変換部４を調整することで、同軸ケーブルの特性インピーダンス５０ΩであるＺ_０に近づけられる。

図５は、図３のスタブ９１，９２の長さを調整した場合の平面アンテナのスミスチャートを示す。

図５（a）〜(d)は、スタブ９１,９２の長さを２mm,４mm,６mm,１０mmと変化された場合の平面アンテナのスミスチャートである。図５（a）から（ｄ）の曲線Ａは平面アンテナの入力インピーダンスが周波数に応じて変化することを示す。Ｚ_５１は、周波数が８００ＭＨｚでのインピーダンスを示す。Ｚ_５２は、周波数が９５０ＭＨｚでのインピーダンスを示す。Ｚ_５３は周波数が１.１ＧＨｚでのインピーダンスを示す。Ｚ_０は給電用同軸ゲーブルのインピーダンスと整合する５０Ωを示す点である。ここで、本発明で使用を想定する平面アンテナの周波数９５０ＭＨｚでのインピーダンスを示すＺ_５２がスタブの長さを増すことで、下に下がっていくことがわかる。

図６−Ａは、図３のインピーダンス変換部４のライン幅を４mmに調整した場合の平面アンテナのスミスチャートを示す。図６−Ｂは、図３のインピーダンス変換部４のライン幅を５mmに調整した場合の平面アンテナのスミスチャートを示す。図６−Ｃは、図３のインピーダンス変換部４のライン幅を６mmに調整した場合の平面アンテナのスミスチャートを示す。

図６-Ａ〜図６−Ｃは、インピーダンス変換部４のライン幅を４mm,５mm,６mmと変化された場合の平面アンテナのスミスチャートである。図６−Ａから図６−Ｃの曲線Ａは平面アンテナの入力インピーダンスが周波数に応じて変化することを示す。Ｚ_６１は、周波数が８００ＭＨｚでのインピーダンスを示す。Ｚ_６２は、周波数が９５０ＭＨｚでのインピーダンスを示す。Ｚ_６３は、周波数が１.１ＧＨｚでのインピーダンスを示す。Ｚ_０は給電用同軸ケーブルの特性インピーダンスである５０Ωを示す点である。ここで、９５０ＭＨｚでのインピーダンスを示すＺ_６２がインピーダンス変換部のライン幅を増すことで、左に移動していくことがわかる。

図５、図６−Ａ〜図６−Ｃで説明した調整は製品化する前に、試作段階で使用される。試作で最良な平面アンテナパターンが決定されれば、そのパターンで量産化される。

図７は、円偏波用平面アンテナ製品の構成を示す。

そのアンテナ製品では、平面アンテナ７１を保護するため、ＡＢＳ樹脂（誘電率εr=3.0）で形成された表側レドーム１３と裏側レドーム１４で両面を覆う。枠１５、１６はレドーム１３、１４に一体形成され、平面アンテナ７１とレドーム１３，１４との間隔を一定にするために平面アンテナ７１の表裏面に接触する。レドーム１３，１４は厚み２．５ｍｍである。枠１５と平面アンテナ７１との間隔は４．７５ｍｍで、枠１６と平面アンテナ７１との間隔は３．４５ｍｍである。

図８−Ａは、図７の円偏波用平面アンテナ製品のアンテナ利得特性を示す。この図では、矢印Ａの先端に示す周波数９５３ＭＨｚでアンテナ正面方向における絶対利得が約４dBiになっていることがわかる。図８−Ｂは、図７の円偏波用平面アンテナ製品のインピーダンス整合状態を知るパラメータであるアンテナのＶＳＷＲ（電圧定在波比）特性を示す。この特性図では、アンテナ給電点インピーダンスと給電線のインピーダンスとの整合性がわかり、矢印Ｂの先端が９５３ＭＨｚでＶＳＷＲが１．２０５と低い値となっていることがわかる。また、図８−Ｃは図７の円偏波用平面アンテナ製品のアンテナからの円偏波の軸比の特性を示す。この特性図では、矢印Ｃの先端に示す周波数９５３ＭＨｚで正面方向における平面アンテナの軸比特性は約−３dBになり、本発明の平面アンテナはかなり円に近い円偏波になることがわかる。

図９は軸比調整用平面アンテナの構成を示す。

図９の各部は図２，３で使用されたものと同一であれば、同じ符号を用いて説明する。さらに、図９の平面アンテナは図２、３のアンテナ構成と異なる部分についてのみ説明する。

ループアンテナ２,３は第１のアンテナ素子１１及ぶ第２のアンテナ素子１２からなるダイポールアンテナ１との隣接距離間を調整することで、アンテナから放射される円偏波の軸比を調整する。具体的には、ループアンテナ２，３のダイポールアンテナ１側に隣接する短辺は、梯子のような複数の短辺パターンからなる。このような梯子のような短辺は軸比調整部２１としている。この短辺は複数のパターンのうちひとつだけ切り取って残される。ループアンテナ２，３の短辺は、このように設計することで、平面アンテナのダイポールアンテナからの間隔が調整することができる。また、ループアンテナ２と第１のアンテナ素子１１の隣接間隔とループアンテナ３と第２のアンテナ素子１２との隣接間隔が同じ間隔になるように、軸比調整部２１の複数のパターンからひとつだけパターン残して短辺を設計する。

また、図９に示される枠１５は、平面アンテナで＃のようなに形成されている。

この平面アンテナは、用途として図書館や本屋などの本棚にブックエンドのように垂直に設置して、両側に隣接する本に取り付けたタグを読み取って商品管理に利用することが考えられる。

従来技術の平面アンテナの一例を示す模式的な平面図である。 本発明の平面アンテナの構成図である。 本発明の平面アンテナの表から見た詳細構成図（ａ）および本発明の平面アンテナの裏から見た詳細構成図である。 本発明の平面アンテナのスミスチャートを示す図である。 スタブの長さを調整した場合の平面アンテナのスミスチャートを示す図である。 図３のインピーダンス変換部４のライン幅を４mmに調整した場合の平面アンテナのスミスチャートを示す図である。 図３のインピーダンス変換部４のライン幅を５mmに調整した場合の平面アンテナのスミスチャートを示す図である。 図３のインピーダンス変換部４のライン幅を６mmに調整した場合の平面アンテナのスミスチャートを示す図である。 本発明の円偏波用平面アンテナ製品の構成を示す図である。 図７の円偏波用平面アンテナ製品のアンテナ利得特性を示す図である。 図７の円偏波用平面アンテナ製品のインピーダンス整合状態を知るパラメータであるアンテナのＶＳＷＲ（電圧定在波比）特性を示す図である。 図７の円偏波用平面アンテナ製品のアンテナからの円偏波の軸比の特性を示す図である。 本発明の軸比調整用平面アンテナの構成を示す図である。

符号の説明

１ ダイポールアンテナ
２、３ ループアンテナ
４ インピーダンス変換部
５ 線路
６ 三角形状パターン
７ 基板
８ 同軸線路用接続端
９，９１，９２ スタブ
１０ カットアウェイバラン
１１ 第１の放射素子
１２ 第２の放射素子

Claims (7)

1. 給電部から両側に広がる２つの放射素子からなるダイポールアンテナと、不平衡平衡変換部とから構成される平面アンテナにおいて、
   基板の一方の面に、第１の放射素子と、該第１の放射素子に接続された第１の給電用パターンと、該第１の放射素子に対して、短辺が平行で、且つ隣接し、該第１の放射素子と交差する方向に延在する長辺を有する第１の無給電ループ状放射素子と、を設け、
   基板の他方の面に、第２の放射素子と、該第２の放射素子に接続された第２の給電用パターンと、該第２の放射素子に対して、短辺が平行で、且つ隣接し、該第２の放射素子と交差する方向に延在する長辺を有する第２の無給電ループ状放射素子と、を設け、
   ことを特徴とする平面アンテナ。
2. 前記平面アンテナは、さらに前記放射素子の一部にインピーダンス調整部を設けたことを特徴とする請求項１記載の平面アンテナ。
3. 前記平面アンテナの前記給電パターンのパターン幅を一部変えたインピーダンス変換部を設けたことを特徴とする請求項１記載の平面アンテナ。
4. 前記平面アンテナの前記給電パターンは、給電側を底辺とし、前記放射素子の給電点を頂点とする三角形状とすることを特徴とする請求項１記載の平面アンテナ。
5. 前記平面アンテナの前記給電パターンは、給電側を底辺とし、前記放射素子の給電点を頂点とする二等辺三角形の形状とすることを特徴とする請求項１記載の平面アンテナ。
6. 前記第１の無給電ループ状放射素子は、さらに隣接する第１の放射素子との間隔を調整する調節部を設け、
   前記第２の無給電ループ状放射素子は、さらに隣接する第２の放射素子との間隔を調整する調節部を設けたことを特徴とする請求項１記載の平面アンテナ。
7. 前記第１の無給電ループ放射素子と前記第２の無給電ループ放射素子は、前記第１の放射素子及び前記第２の放射素子に対して、対称となる位置に設けることを特徴とする請求項１記載の平面アンテナ。
   
   

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