JP4776417B2 - 多周波共用アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、多周波共用アンテナに関し、特に複数の周波数において動作するアンテナ素子を有するアンテナ用導体パターンを、同一の誘電体基板上に配置した多周波共用アンテナに関する。

近年、自動車など搭載される情報端末として、ＥＴＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｏｌｌ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｓ「電子式料金徴収システム」：約５．８ＧＨｚ）や、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ「全地球測位システム」：約１．６ＧＨｚ）、ＶＩＣＳ（Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ「道路交通情報通信システム」：約２．５ＧＨｚ）や、ＳＤＡＲＳ（Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｕｄｉｏ Ｒａｄｉｏ Ｓｅｒｖｉｃｅ「衛星デジタルラジオサービス」：約２．３ＧＨｚ）などの利用が普及している。

さらに、上述の各メディアの複合的な利用が進んでいる。これらの通信に際して使用されるアンテナには、図１５に示す単周波用のアンテナと、例えば特許文献１や図１６に示すような複数のアンテナを一体的にした多周波共用アンテナが知られている。実運用上、アンテナ設置スペースの小型化や簡素化は、低コスト化という点において、多周波共用アンテナが有用である（例えば、特許文献１参照）。

以下、それぞれの態様を説明する。

図１５に示す単周波アンテナ９００は、セラミックやプラスチックなどから構成される誘電体基板１と、誘電体基板１の表面に形成され、電波を送受信する１枚の放射導体３（以下、アンテナ素子という）と、誘電体基板１の裏面に形成されたグランド導体とを備える。通常、上記アンテナは実使用に際して、電気的要件や機械的要件により、回路基板上や金属板上（以下、両者をまとめて有限導体板上という）に設置される。このような構成を備えた単周波アンテナ９００により、１つの周波数帯域の電波の送信と受信を行うことができる。

一方で、図１６に示す多周波共用アンテナ１０００は、セラミックやプラスチックなどから構成される誘電体基板１と、誘電体基板１の表面かつ中央部に形成された第１のアンテナ素子３と、誘電体基板１の表面に形成された第１のアンテナ素子３を囲む第２のアンテナ素子５とを備え、さらに誘電体基板の裏面に形成されたグランド導体とを備える。つまり、多周波共用アンテナ１０００は、上述の単周波アンテナ９００の周囲に別の周波数で動作するアンテナ素子が配置された構造である。第１のアンテナ素子３は高周波帯域用として、外側に配置された第２のアンテナ素子５は低周波帯域用として動作する。それぞれのアンテナ素子においては、それぞれ対応する少なくとも１つ以上の給電点が設けられている。

多周波共用アンテナ１０００は、単周波アンテナ９００と同様に、実使用に際しては有限導体板７上に設置される。このような構成を備えた多周波共用アンテナ１０００により、２つの周波数帯域の電波の送信または受信を行うことができる。また、図１６に示した構成は、一体的なアンテナで多周波共用を試みた一例であり、上記の構成に限らずに様々な多周波共用アンテナの態様が提案されている。
特開２００４−２８９３３２号公報

多周波共用アンテナ１０００は実運用上メリットを有するものの、上述した単周波アンテナ９００と比較して、所望の電気特性が得られないという問題がある。これは、アンテナの多周波数化により異なった周波数に対応したアンテナ素子どうしの相互干渉が発生することによるものである。特に異なった周波数のアンテナ素子が近接して配置されているために、アンテナ間のアイソレーション特性が確保しにくいという問題があった。

図１７は、多周波共用アンテナ１０００について、給電点におけるアイソレーション特性を示すグラフであり、横軸が多周波共用アンテナ１０００の規格化周波数（ｆ／ｆ０）であり、縦軸がアイソレーション特性である。ここでの周波数帯域は、多周波のうちの低周波数アンテナの帯域であり、ｆ０はアンテナ共振周波数である。図１７から分かるように、アンテナ共振周波数ｆ０近辺における低周波数アンテナのアイソレーション特性は必ずしも十分とはいえない。

以上のように、アンテナの多周波化に伴って、高周波帯域と低周波帯域の相互の給電点におけるアイソレーションが十分でなく干渉を起こすといった問題があった。これはアンテナの小型化促進のため、例えば上記のような一方のアンテナ素子の周囲が、もう一方のアンテナ素子を取り囲む構成のように、それぞれのアンテナ素子の近接配置化によって顕著に現れる。

そこで、本発明は上記課題を解消するために、低周波帯域でのアンテナ素子間のアイソレーションを改善するかあるいは調整することができ、所望の電気特性が得られる多周波共用アンテナを提供することを目的とする。

上記課題を解消するために、本発明の多周波共用アンテナは、有限導体板上に設置される略板状の誘電体基板と、前記誘電体基板の表面に、高周波数で動作する第１のアンテナ素子と前記第１のアンテナ素子を囲むように前記誘電体基板の中央に配置されて低周波数で動作する第２のアンテナ素子の少なくとも２つのパッチアンテナからなる前記アンテナ素子を含むアンテナ用導体パターンと、前記誘電体基板の裏面にはグランド導体を具備し、前記第１のアンテナ素子の給電点が前記誘電体基板の略中央部に形成され、かつ前記誘電体基板の中心から所定距離だけずらした位置に中心が来るように前記第１のアンテナ素子が配置されていることを特徴とする。

本発明の多周波共用アンテナは、好ましくは前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とで挟まれた前記誘電体基板の表面には、少なくとも１つの溝構造を備えることを特徴とする。

本発明の多周波共用アンテナは、好ましくは前記第１のアンテナ素子の前記給電点は、前記誘電体基板の中心である前記多周波共用アンテナの中心から、前記第２のアンテナ素子の共振波長０．１２５λｇＬの距離の範囲内に配置されていることを特徴とする。

本発明の多周波共用アンテナは、好ましくは前記誘電体基板のうち、前記第２のアンテナ素子の下部の少なくとも一部分に空気層を有することを特徴とする。

本発明の多周波共用アンテナは、好ましくは前記多周波共用アンテナがＧＰＳ、ＶＩＣＳ，ＥＴＣ，ＳＤＡＲＳ，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈの少なくとも１つに用いられていることを特徴とする。

本発明の多周波共用アンテナは、好ましくは車載用途に用いられていることを特徴とする。

本発明の多周波共用アンテナによれば、誘電体基板の略中央部であって、第１のアンテナ素子の中心からずれた位置に、第１のアンテナ素子の給電点を備えることで、低周波帯域でのアンテナ素子間のアイソレーションを改善するかあるいは調整することができ、これにより所望の電気特性を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の多周波共用アンテナの好ましい第１の実施形態を示す斜視図であり、図２は、図１の多周波共用アンテナの平面図である。図３は、図２のＢ−Ｂ線における断面図である。図４は、図１の多周波共用アンテナのアンテナ素子間のアイソレーション特性例を示すグラフである。

図１と図２に示すように、多周波共用アンテナ１００は、誘電体基板１と、第１のアンテナ素子３と、第２のアンテナ素子５とを備え、誘電体基板１の裏面にグランド導体８を備え、有限導体板７上に設置される。この有限導体板７は、例えば回路基板や金属板であり、実質上アンテナのグランドとして機能する。

誘電体基板１は、有限導体板７の上に搭載されており、セラミックやプラスチックなどで構成される。第１のアンテナ素子３は、誘電体基板１の表面上でかつ略中心部に形成されている。第２のアンテナ素子５は、誘電体基板１の表面上に形成され、第１のアンテナ素子３を囲む。

図１と図２に示す例では、正方形のパッチアンテナである第１のアンテナ素子３の周囲に、方形リング状のパッチアンテナである第２のアンテナ素子５が配置されている。内側に設置された第１のアンテナ素子３は高周波数帯域用として、外側に設置された第２のアンテナ素子５は低周波数帯域用として動作をする。アンテナ用導体パターン１１は、誘電体基板１の表面に、高周波数で動作する第１のアンテナ素子３と低周波数で動作する第２のアンテナ素子５の少なくとも２つのアンテナ素子３，５を含む。

図２と図３に示すように、第１のアンテナ素子３は給電点１２を有し、第２のアンテナ素子５は給電点１０を有している。給電点１２は図３に示す中心導体（給電ピン）１５に位置し、給電点１０は図３に示す中心導体（給電ピン）１４に位置している。中心導体１５は、第１のアンテナ素子３に対して直接給電もしくはギャップを介した容量給電を行う。中心導体１４は、第２のアンテナ素子５に対してギャップを介した容量給電を行う。第１の実施形態である図３では、中心導体１５は直接給電で、中心導体１４はギャップを介した容量給電を表している。低周波数で動作する第２のアンテナ素子５は、現実的にはギャップを介した容量給電でないと実現が困難である。

第１のアンテナ素子３の中心Ｃ１は、多周波共用アンテナ１００の中心である誘電体基板１の中心位置Ｃ２からＦ方向に沿って距離Ｗだけずらしてある。また、本実施形態では第２のアンテナ素子５の中心は、多周波共用アンテナ１００の中心である誘電体基板１の中心位置Ｃ２に一致しているが、必ずしも一致している必要はない。第１のアンテナ素子３の給電点１２は、誘電体基板１の中心位置Ｃ２を含む略中央部にあるが、第１のアンテナ素子３の中心Ｃ１からずれた位置にある。

高周波数で動作する第１のアンテナ素子３の給電点１２は、誘電体基板１の略中央部（中心位置Ｃ２を含む）に位置しており、第１のアンテナ素子３の中心Ｃ１からずれた位置に配置されている。このように、給電点１２が第１のアンテナ素子３の中心からずれていないと、第１のアンテナ素子３に対して中心導体１４の給電点１２から給電した電力が、第１のアンテナ素子３により跳ね返ってしまい、第１のアンテナ素子３からうまく電波が放射しない。

第１のアンテナ素子３の周囲に第２のアンテナ素子５で取り囲む構成は、取り囲まずにアンテナ素子を並べた構成に比べて、複数のアンテナ素子を一体化する上で、構成面積の小型化や構造的または電気的な対称性の確保などのメリットを有している。

図２と図３に示すように、多周波共用アンテナ１００では、高周波数で動作する第１のアンテナ３の中心導体（給電ピン）１５は、多周波共用アンテナ１００の中心Ｃ２を含む略中心部に設けられていることにより、低周波数帯域での第１のアンテナ素子３と第２のアンテナ素子５の間のアイソレーションを改善できている。この時、第１のアンテナ素子３の中心導体（給電ピン）１５の位置は、多周波共用アンテナ１００の中心Ｃ２から、半径０．１２５λｇＬの範囲内に配置されていることが望ましい。中心Ｃ２から半径０．１２５λｇＬの円内ならば良好な特性となる。アイソレーション特性の改善の様子は、図４に示す曲線Ｇ１から曲線Ｇ２に改善していることで分かる。

λＬ：低周波側共振波長
λＨ：高周波側共振波長
λｇＬ：低周波側の誘電体内実効波長（λｇＬ＝λＬ／√εｒ、 εｒ：比誘電率）
λｇＨ：高周波側の誘電体内実効波長（λｇＨ＝λＨ／√εｒ、 εｒ：比誘電率）
図５は、図１ないし図３の多周波共用アンテナ１００において、高周波側の第１のアンテナ素子３の中心導体（給電ピン）１５の位置と、第１のアンテナ素子３と第２のアンテナ素子５間のアイソレーションとの関係を示すグラフである。

図５では、横軸に多周波共用アンテナ１００の中心に対する高周波側の中心導体（給電ピン）１５の規格化距離、縦軸にアンテナ素子間のアイソレーションの帯域内最悪値を示しており、ＴＨは閾値である。中心導体（給電ピン）１５の位置を、多周波共用アンテナ１００の中心Ｃ２から、低周波側の第２のアンテナ素子５の共振波長のプラスマイナス０．１２５λｇＬの範囲内に配置することで、第１のアンテナ素子３と第２のアンテナ素子５間のアイソレーションを所望の特性に抑え込むことができることが分かる。これは、誘電体基板１内または表面の低周波帯域での電磁界分布の特徴を利用したことによる。以下に説明する本発明の別の実施形態についても、同様なメカニズムが活用できる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を、図６ないし図８を参照して説明する。

図６は、本発明の多周波共用アンテナの好ましい第２の実施形態を示す図であり、図７は、図６の多周波共用アンテナの平面図である。図８は、図７のＣ−Ｃ線における断面図である
図６ないし図８に示す多周波共用アンテナ２００の構成要素が、図１ないし図３に示す多周波共用アンテナ１００の構成要素と同様である場合には、同一符号を記して、その説明を省略する。

多周波共用アンテナ２００で特徴的なのは、第１のアンテナ素子３と第２のアンテナ素子５に囲まれた誘電体基板１上に、溝構造９が設けられていることである。図８に示すように、この溝構造１の深さｄは、誘電体基板１の厚みの約７５％であるが、実験では５０％でも良好な特性を示した。このように、溝構造９を有する多周波共用アンテナ２００は、図５に示すアイソレーション特性を維持しており、中心導体（給電ピン）１５の位置を調整することで、第１のアンテナ素子３と第２のアンテナ素子５間のアイソレーションを改善および調整することが可能である。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を、図９と図１０を参照して説明する。

図９は、本発明の多周波共用アンテナの好ましい第３の実施形態を示す平面図であり、図１０は、図９のＤ−Ｄ線における断面図である
図９と図１０に示す多周波共用アンテナ３００の構成要素が、図１ないし図３に示す多周波共用アンテナ１００の構成要素と同様である場合には、同一符号を記して、その説明を省略する。

図９と図１０に示すように多周波共用アンテナ２００は、第２の実施形態の多周波共用アンテナ２００の構造に対して、さらに第２のアンテナ素子５の下部の誘電体基板１を部分的に切除して、空気層１６を設けている。

多周波共用アンテナ２００の溝構造９の深さｄは、第２の実施形態の多周波共用アンテナ２００の誘電体基板１の厚みの約７５％としているのと同様である。

図１１は、第２の実施形態と第３の実施形態を比較して示しており、多周波共用アンテナの内の低周波で動作するアンテナの利得特性を示し、横軸に角度をとり、縦軸に利得を示している。第３の実施形態の多周波共用アンテナ３００では、第２のアンテナ素子５の下部の一部に空気層１６を設けることで、共振波長λＬを変えずに、第２のアンテナ素子５の面積を大きくすることがでる。しかも、第３の実施形態の多周波共用アンテナ３００は、第２の実施形態の多周波共用アンテナ２００に比べて、低周波側の第２アンテナ素子５の利得を大きくすることができる。

また、このような構造の多周波共用アンテナ３００においても、図５に示すアイソレーション特性は維持されており、高周波数で動作する第１のアンテナ３の中心導体（給電ピン）１５の位置を調整することで、第１のアンテナ素子３と第２のアンテナ素子５間のアイソレーションを改善および調整することが可能である。
（他の実施形態）
次に、本発明の他の実施形態を説明する。

図１２は、本発明の多周波共用アンテナの好ましい他の実施形態を示す平面図であり、図１３は、図１２のＦ−Ｆ線における断面図である
図１２に示す多周波共用アンテナ４００は、誘電体基板１の表面において第１のアンテナ素子３と第２のアンテナ素子５の外周に、さらに第３のアンテナ素子６を設置したものである。すなわち、多周波共用アンテナ４００は、第１の実施形態の多周波共用アンテナ１００と第２の実施形態の多周波共用アンテナ２００の誘電体基板１において、第１のアンテナ素子３と第２のアンテナ素子５の外周には、さらに第３のアンテナ素子６を追加設定している。図１２と図１３に示す実施形態のような２周波以上の多周波共用アンテナ４００は、第１の実施形態ないし第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明の多周波共用アンテナでは、１枚の誘電体基板上に複数の周波数で共振するアンテナ素子が搭載されており、アンテナ素子間のアイソレーションが改善でき、所望の電気特性を得るための設計が可能である。本発明の多周波共用アンテナでは、アンテナの多周波共用化が実現されることによって、多周波共用アンテナの省スペース化、小型化、低コスト化など、利用者の利便性が高まることにつながり、多周波共用アンテナは特に車載用途や携帯端末用途などに適用できる。

ところで、本発明は、上記実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形をして実施することが可能である。

例えば、溝構造９の内部には、誘電体基板１よりも低い誘電率の誘電体を充填しても良い。

第２の実施形態と第３の実施形態とその他の実施形態では、誘電体基板１があるべき部位にそれぞれ、溝構造と空気層と誘電体基板１より低い誘電率の誘電体があるため、比誘電率は実効誘電率として考える必要がある。ここで、εｒ>ε_effの関係があるため、第１の実施形態に比べて、第２の実施形態と第３の実施形態とその他の実施形態の実効波長は長くなる。

λe_L：低周波側のアンテナ内実効波長（λe_L＝λ_L／√ε_eff ε_eff：実効誘電率）
λe_H：高周波側のアンテナ内実効波長（λe_H＝λ_H／√ε_eff ε_eff：実効誘電率）
また、図示例では、第１のアンテナ素子３として正方形のパッチアンテナを用いている。しかし、本発明では、第１のアンテナ素子３はパッチアンテナに限らず、スロットアンテナや、図１４に示すようなスパイラルアンテナ３Ｓなどの他の形式の各種のアンテナ方式を採用して実施できる。

本発明の実施形態において、誘電体基板は、正方形あるいは長方形基板を使用している、その形状は円柱や多角形や凸部や凹部を含むものなど、任意の形状を採用できる。また、本発明は、アンテナ動作として直線偏波に限らず、円偏波にも適用できる。給電方式は、図示した例以外の方式においても適用できるのは勿論である。

例えば、本発明の多周波共用アンテナは、ＧＰＳ、ＶＩＣＳ，ＥＴＣ，ＳＤＡＲＳ，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈの少なくとも１つに用いることができる。

本発明の多周波共用アンテナの好ましい第１の実施形態を示す図である。 図１の多周波共用アンテナの平面図である。 図２のＢ−Ｂ線における断面図である。 図１の多周波共用アンテナのアンテナ素子間のアイソレーション特性例を示すグラフである。 図１ないし図３の多周波共用アンテナにおいて、高周波側給電ピンの位置と、アンテナ素子間のアイソレーションとの関係を示すグラフである。 本発明の多周波共用アンテナの好ましい第２の実施形態を示す図である。 図６の多周波共用アンテナの平面図である。 図７のＣ−Ｃ線における断面図である。 本発明の多周波共用アンテナの好ましい第２の実施形態を示す平面図である。 図９のＤ−Ｄ線における断面図である。 多周波共用アンテナの内、低周波で動作するアンテナの利得特性で、横軸に角度をとり、縦軸に利得を示す図である。 本発明の多周波共用アンテナの好ましい他の実施形態を示す平面図である。 図１２のＦ−Ｆ線における断面図である。 本発明の他の実施携帯を示す図である。 従来例を示す図である。 別の従来例を示す図である。 従来例におけるアイソレーション特性を示す図である。

符号の説明

１ 誘電体基板
３ 第１のアンテナ素子
５ 第２のアンテナ素子
８ グランド導体
９ 溝構造
１０ 給電点
１２ 給電点
１４ 中心導体（給電ピン）
１５ 中心導体（給電ピン）
１６ 空気層
１００ 多周波共用アンテナ
２００ 多周波共用アンテナ
３００ 多周波共用アンテナ
４００ 多周波共用アンテナ
５００ 多周波共用アンテナ

Claims (6)

1. 有限導体板上に設置される略板状の誘電体基板と、
   前記誘電体基板の表面に、高周波数で動作する第１のアンテナ素子と前記第１のアンテナ素子を囲むように前記誘電体基板の中央に配置されて低周波数で動作する第２のアンテナ素子の少なくとも２つのパッチアンテナからなる前記アンテナ素子を含むアンテナ用導体パターンと、
   前記誘電体基板の裏面にはグランド導体を具備し、
   前記第１のアンテナ素子の給電点が前記誘電体基板の略中央部に形成され、かつ前記誘電体基板の中心から所定距離だけずらした位置に中心が来るように前記第１のアンテナ素子が配置されていることを特徴とする多周波共用アンテナ。
2. 前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とで挟まれた前記誘電体基板の表面には、少なくとも１つの溝構造を備えることを特徴とする請求項１に記載の多周波共用アンテナ。
3. 前記第１のアンテナ素子の前記給電点は、前記誘電体基板の中心である前記多周波共用アンテナの中心から、前記第２のアンテナ素子の共振波長０．１２５λｇＬの距離の範囲内に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多周波共用アンテナ。
4. 前記誘電体基板のうち、前記第２のアンテナ素子の下部の少なくとも一部分に空気層を有することを特徴とする請求項３に記載の多周波共用アンテナ。
5. 前記多周波共用アンテナがＧＰＳ、ＶＩＣＳ，ＥＴＣ，ＳＤＡＲＳ，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈの少なくとも１つに用いられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つの項に記載の多周波共用アンテナ。
6. 車載用途に用いられていることを特徴とする請求項５に記載の多周波共用アンテナ。

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