JP4939309B2

JP4939309B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP4939309B2
Application number: JP2007147730A
Authority: JP
Inventors: 泰子木村
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2027-06-04
Also published as: JP2008301388A

Description

本発明は、例えば、移動通信の車載用アンテナ等の移動体通信用基地局として用いられるモノポールアンテナ装置に関する。

各辺が１波長よりも小さい矩形の小型地板付きのモノポールアンテナがある。このモノポールアンテナを金属の面上に設置したときに、小型地板がその金属と接触すると、アンテナの電流が、小型地板以外の部分、すなわちその金属にも流れ、アンテナの共振周波数のインピーダンスが変動する。このため、インピーダンス整合が取りづらいことが知られている（例えば、非特許文献１，２参照。）。
よって、上記小型モノポールアンテナを単体で用いる場合には、設置状況を考慮してインピーダンスの調整をしていた。
電子情報通信学会編、"アンテナ工学ハンドブック"、pp.51-54、オーム社、平成１１年新井宏之，「小形アンテナ：小形化手法とその評価法」，電子情報通信学会論文誌，Vol.J87-B，No.9，pp.1140-1148，2004年9月

従来においては、小型地板付きのモノポールアンテナを単体で設置する場合には、設置状況を考慮してインピーダンスを調整する必要があり、手間がかかるという問題があった。

基板上に設けられた地板と、その地板の一辺の中央部にある給電点から給電されるモノポールアンテナと、を備えるアンテナ装置において、地板は、給電点が設けられた第一地板と、第二地板と、地板を上記第一地板と上記第二地板とに分けるスリットと、を備える。スリットの幅は、モノポールアンテナの共振波長又は最下限周波数の共振波長をλとして、０．００３λ以上０．０１λ以下である。モノポールアンテナは、１／４波長モノポールアンテナであり、地板の給電点が設けられた一辺の長さは、上記モノポールアンテナの共振波長の１／２以下の長さである。

スリットを設けることにより、給電点が設けられた地板と設置面とが離れるため、アンテナの電流が設置面に漏れなくなる。このため、設置状況を考慮する手間を省くことができる。また、より多くの場所に、小型地板付きのモノポールアンテナを設置することができる。

［第一実施形態］
図１に、第一実施形態によるアンテナ装置１００を例示する。アンテナ装置１００は、１／４波長モノポールアンテナである。

矩形の基板５の表面の一側端（図１においては、基板５の下端）を覆うように、地板１が形成される。λをアンテナ装置１００又はモノポールアンテナ３ａの共振波長とすると、後述する給電点４が設けられた地板１の辺の長さＬは、１／２λ以下である。ここで、λの実際の長さは、比誘電率を考慮して定めるものとする。地板１の高さＨは、任意である。例えば、基板５は、プリント基板によって作られる。

地板１の一辺の中央部に給電点４が設けられる。アンテナ装置１００は、給電点４において、基板５の裏側から配された図示していない同軸ケーブルによって、給電される。具体的には、給電点４において、同軸ケーブルの外部導体が第一地板１０に導通され、同軸ケーブルの内部導体がモノポールアンテナ３ａに導通される。
モノポールアンテナ３ａは、基板５上の、上記地板１の一辺の中央部から少し離れた位置に、上記地板１の一辺に対して略垂直方向に延伸するように形成される。

本実施形態では、地板１は、直線状のスリット２を有しており、このスリット２によって、地板１は第一地板１０と第二地板１１とに分割される。すなわち、地板１は、第一地板１０と、スリット２と、第二地板１１とを備える。第一地板Ｈ１と第二地板Ｈ２の高さはそれぞれ任意である。この分割の結果、第一地板１０は、給電点４が設けられる地板となる。一方、アンテナ装置１００の最も下方に設けられた第二地板１１は、アンテナ装置１００を設置する面と接触する部分、すなわち設置部分となる地板となる。

スリット２の幅Ｗは、０．００３λ以上である。スリットの幅Ｗを０．００３λ以上とすることにより、第一地板１０から、第二地板１１及び第二地板１１に接触する設置面にアンテナ装置１００の電流が漏れなくなり、インピーダンスの変動がなくなる。なお、スリット２の幅Ｗは、０．００３λ以上であれば任意で良いが、アンテナ装置１００を小型に作るという観点からは、スリット２の幅Ｗを０．０１λ以下とすることが望ましい。

アンテナ装置１００を、例えば自動車の外装の板金や自動販売機の屋根等の任意の設置面に取り付けるとする。この場合、アンテナ装置１００の下端にある第二地板１１のみが、その設置面に接触する。また、アンテナ装置１００は、第一地板と第二地板とを分けるスリット２を有している。このため、設置面が金属や無限地板としての性質を有するものであったとしても、アンテナ装置１００の電流が設置面に漏れることはなく、アンテナ装置１００のインピーダンスは変動しない。これにより、アンテナ装置１００の放射効率も安定する。よって、アンテナ装置１００の設置状況を考慮する手間を省くことができ、より多くの場所に気軽に設置することができる。

また、０．００３λ以上の幅を持つスリットを地板１に設けるという簡単な工程により、インピーダンスの変動を防ぐことができる。
第一地板１０の長さＬ１が０．２６λ、高さＨ１が０．０７であり、第二地板１１の長さＬ２が０．２６λ、高さＨ２が０．００７であり、スリット２の幅Ｗがそれぞれ０，０．００３λ，０．００７λ，０．０１λ，０．０１７λ，０．０２７λ，０．０３７λであり、アンテナ装置１００を図示していない無限地板上に、第二地板１１がその無限地板と接するように置いた場合の実験結果を図２に示す。また、第二地板１１の高さＨ２を０．０１３λとし、他の条件は上記実験と同じ条件とした場合の実験結果を図３に示す。図２，３の縦軸はＳ１１、横軸は周波数である。図２，３より、スリット２の幅Ｗが０．００３λ以上であれば、アンテナ装置１００の共振周波数がずれなくなり、インピーダンスが落ち着くことがわかる。

［第二実施形態］
図４Ａに、第二実施形態によるアンテナ装置１０１を例示する。アンテナ装置１０１は、多周波共用モノポールアンテナであり、マイクロストリップラインによって給電される点で第一実施形態のアンテナ装置１００とは異なる。図１と同様である部分については同じ符号を付けて重複説明を省略し、第一実施形態のアンテナ装置１００とは異なる部分についてのみ説明をする。なお、第二実施形態の説明において、λは、複数ある共振周波数の中で最も低い共振周波数に対応する波長、すなわち最下限周波数の共振波長を意味する。換言すると、λは最も長い共振波長である。

基板５の一側面（図４Ａにおいては、基板５の右端）に同軸ケーブル６が配される。同軸ケーブル６の外部導体は第一地板１０と導通され、同軸ケーブル６の内部導体は導体線路７と導通される。導体線路７は、基板５の、第一地板１０、第二地板１１が設けられていない方の表面（以下、基板５の裏面とする。）に設けられ、基板５を介して第一地板１０と対向している。図４Ｂに、図４Ａに例示したアンテナ装置１０１のｘ−ｘ’断面図を示す。導体線路７は、同軸ケーブル６の内部導体と多周波共用モノポールアンテナ３ｂとを導通する。多周波共用モノポールアンテナ３ｂは、導体線路７と基板５と第一地板１０によって構成されるマイクロストリップ構造により給電点４において給電される。なお、導体線路７の全長は、１／２λとする。

多周波共用モノポールアンテナ３ｂは、共振周波数帯が所定の周波数帯ｆＭに設定されたモノポールアンテナ３ｂ１と、上記給電点４と同じ給電点を有し共振周波数帯が周波数帯ｆＭより低い所定の周波数帯ｆＬに設定された２つのモノポールアンテナ３ｂ２とを備え、２つのモノポールアンテナ３ｂ２は、モノポールアンテナ３ｂ１を挟んで互いに平行に、そのモノポールアンテナ３ｂ１との間隔が等間隔となるように配置されている。なお、この例では、モノポールアンテナ３ｂ１の周波数帯ｆＭの方が、それを挟む２つのモノポールアンテナ３ｂ２の周波数帯ｆＬよりも高いとしたが、逆にｆＭ＜ｆＬとしても良い。

本実施形態においても、地板１は、０．００３λ以上の幅Ｗを持つ直線状のスリット２を有しており、スリット２によって、地板１は、給電点４を有する第一地板１０と、設置部分となる第二地板１１とに分離されている。このため、アンテナ装置１０１を所定の設置面に取り付けた場合、アンテナ装置１０１の下端にある第二地板１１のみが、その設置面に接触するようにすることができる。また、アンテナ装置１０１は、第一地板と第二地板とを分けるスリット２を有している。このため、設置面が金属や無限地板としての性質を有するものであったとしても、アンテナ装置１０１の電流が設置面に漏れることはなく、アンテナ装置１０１のインピーダンスは変動しない。よって、アンテナ装置１０１の設置状況を考慮する手間を省くことができる。また、より多くの場所に、小型地板付きのモノポールアンテナを設置することができる。

地板１の長さＬを８０ｍｍ、高さをＨ２０ｍｍ、第一地板１０の長さＬ１を８０ｍｍ、高さＨ１を２０ｍｍ、第二地板１１の長さＬ２を８０ｍｍ、高さＨ２を８ｍｍ、スリット２の幅Ｗを０．０１３λとして、アンテナ装置１０１を無限地板の上に第二地板１１がその無限地板に接触するように設置した場合の実験結果と、同じ条件の下でアンテナ装置１０１を１ｍ×１ｍの有限地板の上に第二地板１１がその有限地板に接触するように設置した場合の実験結果とを図５に示す。また、比較のため、各地板の大きさは同じであるが、スリット２を設けないで、アンテナ装置を無限地板上に地板１がその無限地板に接触するように設置した場合の実験結果も併せて図５に示す。図５の縦軸は電圧定在波比（ＶＳＷＲ）であり、横軸は周波数である。

図５から、スリット２がない場合には、８００ＭＨｚあたりでインピーダンスが悪くなるが、スリット２を入れることによって共振周波数がずれなくなりインピーダンスが安定することがわかる。
なお、図５に一点鎖線で示すように、導体線路７の同軸ケーブル６が接続される側に、最も高い共振周波数の波長をλ_Ｈとして、１／４λ_Ｈ程度のインピーダンス変換器８を設けても良い。インピーダンス変換器８を設けることにより、各周波数の電流の漏れを防ぐことができ、ＶＳＷＲの劣化を防ぐことができる。

［第三実施形態］
図６に、第三実施形態によるアンテナ装置１０２を例示する。第三実施形態では、地板１に複数のスリットを設けた点が、上記の実施形態とは異なる。他の点については、上記の実施形態と同様である。モノポールアンテナとして、第二実施形態で述べた多周波共用モノポールアンテナ３ｂを用い、マイクロストリップラインではなく、基板５の裏面から給電点４に配された同軸ケーブルによって給電する場合を例に挙げて説明をする。
なお、第一実施形態で用いたモノポールアンテナ３ａを用いてもよい。また、第二実施形態のアンテナ装置１０１と同様にマイクロストリップラインによって給電されるとしてもよい。

地板１に例えば３つの直線状のスリット２１，２２，２３を設けて、これらのスリットにより地板１を４つの地板（第一地板１０、第二地板１１，第三地板１２，第四地板１３）に分割する。この結果、地板１は、スリット２１，２２，２３と、給電点４が設けられた第一地板１０、設置部分となる第二地板１１，第三地板１２，第四地板１３とを備えることになる。各地板の高さＨ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４はそれぞれ任意である。

スリット２１，２２，２３の幅Ｗを１ｍｍ、地板１，第一地板１０，第二地板１１，第三地板１２，第四地板１３の長さＬ，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４をそれぞれ８０ｍｍ、地板１の高さＨを３０ｍｍ、第一地板の高さＨ１を２０ｍｍ、第二地板の高さＨ２を２ｍｍ、第三地板１２の高さＨ３を３ｍｍ、第四地板１３の高さＨ４を２ｍｍとして、アンテナ装置１０２を無限地板の上に第二地板１１がその無限地板と接するように設置した場合の実験結果を図７に実線で示す。図５の縦軸は電圧定在波比（ＶＳＷＲ）であり、横軸は周波数である。

また、比較のために、スリットの数が１，２である場合のそれぞれの実験結果を併せて図７に示す。なお、図７の破線は、地板１の高さＨが２０ｍｍであり、スリットの数が一本であり、そのスリットによって分割された、第一地板の高さＨ１が１５ｍｍ、第二地板の高さが４ｍｍである場合の実験結果である。また、図７の一点鎖線は、地板１の高さＨが３０ｍｍであり、スリットの数が一本であり、そのスリットによって分割された、第一地板の高さＨ１が２０ｍｍ、第二地板の高さが９ｍｍである場合の実験結果である。また、図７の二点鎖線は、地板１の高さＨが３０ｍｍであり、スリットの数が二本であり、それらのスリットによって分割された、第一地板の高さＨ１が２０ｍｍ、第二地板の高さＨ２が４ｍｍ、スリットを介して第一地板と第二地板に挟まれた第三地板の高さＨ３が４ｍｍである場合の実験結果である。

なお、スリットの本数に関わらず、各スリットの幅は１ｍｍであり、スリットによって分割された各地板の長さは８０ｍｍであり、各アンテナ装置を無限地板の上に第二地板１１がその無限地板と接するように設置する点で各実験は共通している。
これらの実験結果から、地板１に複数のスリットを設けても、スリットが一本である場合と同様に、アンテナ装置１００の共振周波数がずれなくなり、インピーダンスが落ち着くことがわかる。

［変形例］
地板１、第一地板１０及び第二地板１１の形状は、矩形である必要はない。給電点４が設けられた地板１又は第一地板の一辺が直線状であり、１／２λ以下の長さであれば、任意の形状でよい。例えば、図８に示すアンテナ装置１０４に例示したように、上底の方が下底よりも広い台形の形状をした地板１’を用いてもよい。この場合も、第一実施形態又は第二実施形態と同様に、地板１’に、スリット２が設けられて、このスリット２により地板１は、給電点４を有する第一地板１０’と、設置部分となる第二地板１１’とに分割される。

また、スリット２は必ずしも、地板１又は第二地板の下辺と平行である必要はなく、また、直線状である必要もない。例えば、図９に示すアンテナ装置１０５に例示したように、スリット２’が地板１又は第二地板１１の下辺と平行でないように、換言すると、スリット２’の延長線５０が地板１又は第二地板１１の下辺の延長線５１と斜めに交わるように、スリット２’を設けてもよい。また、スリット２を、円弧状や波型やのこぎり波状にしてもよい。また、スリット２の幅の中で一番狭い部分が０．００３λ以上であれば、スリット２の幅が等間隔でなくてもよい。

１／４λのモノポールアンテナの代わりに、１／２λのモノポールアンテナを用いてもよい。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。

アンテナ装置１００の構成を例示する図。アンテナ装置１００のスリット２の幅が０．００７λである場合の実験結果を表す図。アンテナ装置１００のスリット２の幅が０．０１３λである場合の実験結果を表す図。図４Ａは、多周波共用モノポールアンテナを用いたアンテナ装置１０１の構成を例示する図であり、図４Ｂは、アンテナ装置１０１のｘ−ｘ’断面図。アンテナ装置１０１についての実験結果を表す図。複数のスリットを有するアンテナ装置１０２の構成を例示する図。アンテナ装置１０２についての実験結果を表す図。地板１’、第一地板１０’及び第二地板１１’が台形であるアンテナ装置１０４の構成を例示する図。スリット２’が地板１の下辺と平行ではないアンテナ装置１０５の構成を例示する図。

符号の説明

１地板
２スリット
３ａモノポールアンテナ
３ｂ多周波共用モノポールアンテナ
４給電点
５基板
６同軸ケーブル
７導体線路
８インピーダンス変換器
１０第一地板
１１第二地板
１２第三地板
１３第四地板
１００アンテナ装置
１０１アンテナ装置
１０２アンテナ装置
１０４アンテナ装置
１０５アンテナ装置

Claims

基板上に設けられた地板と、その地板の一辺の中央部にある給電点から給電されるモノポールアンテナと、を備えるアンテナ装置において、
上記地板は、上記給電点が設けられた第一地板と、第二地板と、上記地板を上記第一地板と上記第二地板とに分けるスリットと、を備え、
上記スリットの幅は、上記モノポールアンテナの共振波長又は最下限周波数の共振波長をλとして、０．００３λ以上０．０１λ以下であり、
上記モノポールアンテナは、１／４波長モノポールアンテナであり、
上記地板の給電点が設けられた一辺の長さは、上記モノポールアンテナの共振波長の１／２以下の長さである、
ことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１に記載のアンテナ装置において、
上記基板はプリント基板で作られている、
ことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１又は２に記載のアンテナ装置において、
上記地板は、その地板を複数の地板に分割するスリットを複数備え、分割された複数のスリットの１つが上記第一地板となり、分割された複数のスリットの他の１つが上記第二地板となる、
ことを特徴とするアンテナ装置。