JP5257266B2 - 多周波共用アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、複数の周波数帯をカバーする多周波共用アンテナに関する。

従来より、単一の給電点を有し、複数の周波数帯で共振する多周波共用アンテナが知られている。
この種のアンテナの一つとして、特許文献１には、共振周波数帯が第１の周波数帯に設定された第１モノポールアンテナと、第１モノポールアンテナと同一の給電点を有し、共振周波数帯が第１の周波数帯とは異なる第２の周波数帯に設定された二つの第２モノポールアンテナとを備え、第２モノポールアンテナを、第１モノポールアンテナを挟んで平行に、且つ第１モノポールアンテナとの間隔Ｌが等間隔となるように配置した多周波共用モノポールアンテナが開示されている。

また、特許文献２や非特許文献１には、広帯域で動作する板状のアンテナ素子と、アンテナ素子と導通し、アンテナ素子の動作帯域内に設定される阻止帯域で共振する板状の共振子とを（誘電体基板を挟んで）対向配置することにより、阻止帯域以外で動作させるアンテナ装置が開示されている。

特開２００８−７９２４６号公報 特開２００６−３４０２０２号公報

中村年宏，岩崎久雄著「阻止帯域を有するＵＷＢ用平面モノポールアンテナ」電子通信学会論文誌Ｂ、2006/9 Vol.J89-B,No.9,pp.1624-1632

ところで、多周波共用アンテナは、与被干渉の観点から、所望の周波数以外では極力電波を放射しないこと、即ち、阻止帯域を持つこと、しかも、その阻止帯域の設定や調整が容易であることが望ましい。

しかし、特許文献２や非特許文献１に記載の従来装置では、阻止周波数を変更する場合に共振子の形状や大きさを変更する必要があり、変更の自由度が高いことから、却って調整が難しいという問題があった。

また、特許文献１に記載の従来装置では、アンテナ間隔Ｌを変化させることによって、３つの周波数にて共振させることが示されているだけで、阻止帯域を任意に変化させることについて何の考慮もされていない。

本発明は、上記問題点を解決するために、阻止帯域の設定，調整が容易な多周波共用アンテナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた発明である請求項１に記載の多周波共用アンテナは、一端が開放され他端が同一の給電点に接続されると共に、給電端から開放端に至る素子長がそれぞれ異なるＮ（Ｎは２以上の整数）本の放射素子からなる放射素子部を備え、隣接して配置された任意の放射素子対は、前記給電端側に両放射素子によって共用される共用部位、及び前記開放端側に該共用部位以外の個別部位を有し、前記放射素子対を構成する二つの放射素子は、異なる二つの波長λα，λγの信号を放射するように一方の素子長がλα／４、他方の素子長がλγ／４に設定され、且つ、前記共用部位を除いた前記個別部位の合計素子長がλβ／２（但し、λα＞λβ＞λγ）となるように前記共用部位及び前記個別部位の長さが設定され、更に、前記放射素子対を構成する二つの放射素子は、互いの前記個別部位がリアクタンス素子を介して接続されていることを特徴とする。

このように構成された本発明の多周波共用アンテナでは、放射素子対の共用部位を除いた部分（両放射素子対の個別部位を合わせた部分）が、両端が開放された長さλβ／２の素子（以下「両端開放素子」という）となり、波長λβとなる周波数では、両端開放素子を流れる電流を打ち消し合うため、その周波数の信号（波長λβとなる信号）の放射が抑制される。

従って、本発明の多周波共用アンテナによれば、波長λα，λγとなる周波数帯である通過帯域の間に、通過帯域と比較してゲインの小さい周波数帯である阻止帯域が形成されるため、通過帯域以外での不要な電波の放射を抑制することができる。

しかも、本発明の多周波共用アンテナによれば、共用部位及び個別部位の長さを変化させるだけで、阻止帯域を容易に調整することができる。

更に、本発明の多周波共用アンテナによれば、前記放射素子対を構成する二つの放射素子は、互いの前記個別部位がリアクタンス素子を介して接続されてるため、リアクタンス素子の値を調整することによって、放射素子に変更を加えることなく、阻止帯域を簡単に変化させることができる。
なお、放射素子対を形成する二つの放射素子間には容量分（つまりリアクタンス分）が存在し、その値は、両放射素子の相対的な位置関係や、両放射素子の形状によって変化する。

そこで、前記放射素子対を構成する二つの放射素子は、請求項２に記載のように、両放射素子の相対的な位置関係によって、両放射素子間に生じるリアクタンス分が調整されていてもよいし、請求項３に記載のように、両放射素子の形状によって、両放射素子間に生じるリアクタンス分が調整されていてもよい。

なお、前記放射素子部は、請求項４に記載のように、誘電体基板上に形成されたパターンにより構成されていてもよい。
この場合、本発明の多周波共用アンテナを容易に製造することができ、また、誘電体基板の誘電率によって波長短縮が生じるため、放射素子ひいてはアンテナ全体を小型化することができる。

また、本発明の多周波共用アンテナは、請求項５に記載のように、前記放射素子部を二つ備え、該放射素子部が前記給電点を通る軸に対して軸対称に配置されていてもよい。

第１実施形態の多周波共用アンテナの全体構成図。 放射素子部のサイズを示す説明図、及びアンテナの特性（リターンロス）のシミュレーション結果を示すグラフ。 第１実施形態の変形例の全体構成図。 第２実施形態の多周波共用アンテナの全体構成図。 リアクタンス値がアンテナの特性に与える影響を示すためのシミュレーション結果を示したグラフ。 第２実施形態の変形例の全体構成図。 第２実施形態の変形例の全体構成図。 第３実施形態の多周波共用アンテナの全体構成図。 第３実施形態の変形例の全体構成図。 第３実施形態の変形例の全体構成図。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
＜全体構成＞
図１は、第１実施形態の多周波共用アンテナ（以下単に「アンテナ」という）１０の全体構成図である。

図１に示すようにアンテナ１０は、平板状の金属からなる地板Ｇに接地された給電部１１と、金属製の線材により構成され、給電部１１からの給電を受けて電波を放射する放射素子部１２とからなる。

＜放射素子部の構成＞
放射素子部１２は、各々がＬ字状に形成され、それぞれの一端を接続することによってコの字状に形成された第１及び第２個別部位１２１，１２２と、地板Ｇに対して垂直に立設され、一端（以下「給電端」ともいう）が給電部１１に、他端（以下「分岐端」ともいう）が第１及び第２個別部位１２１，１２２の接続端に接続された共用部位１２３とからなる。

また、第１及び第２個別部位１２１，１２２のＬ字を構成する二つの直線部分のうち、接続端を有する側の直線部分（以下「接続部」ともいう）１２１ａ，１２２ａは、互いに一直線に且つ地板Ｇに対して平行となるように設置されている。また、両個別部位１２１，１２２の他方の直線部分（以下「放射部」ともいう）１２１ｂ，１２２ｂは、互いに平行に且つ地板Ｇに対して垂直となるように設置されている。

以下では、第１個別部位１２１と共用部位１２３とで構成されるクランク状の線状アンテナを第１放射素子、第２個別部位１２２と共用部位１２３とで構成されるクランク状の線状アンテナを第２放射素子、第１個別部位１２１と第２個別部位１２２とで構成されるコ字状の部分を両端開放素子とも言う。

また、図２（ａ）に示すように、第１個別部位１２１，第２個別部位１２２，共用部位１２３の各部位長をＡ１，Ａ２，Ｂで表し、また、接続部１２１ａ，１２２ａの各部位長をＣ／２、その合計長をＣで表すものとする。

そして、周波数ｆα，ｆβ，ｆγ（但し、ｆα＜ｆβ＜ｆγ）の波長をλα，λβ，λγ（即ち、λα＞λβ＞λγ）として、第１放射素子の素子長Ｒ１（＝Ａ１＋Ｂ）がλα／４に設定され、第２放射素子の素子長Ｒ２（＝Ａ２＋Ｂ）がλγ／４に設定され、両端開放素子の素子長Ｒ３（＝Ａ１＋Ａ２）がλβ／２に設定されている。

＜動作＞
このように構成されたアンテナ１０では、第１放射素子（第１個別部位１２１及び共用部位１２３）が周波数ｆα（波長λα）の信号を送受信し、第２放射素子（第２個別部位１２２及び共用部位１２３）が周波数ｆγ（波長λγ）の信号を送受信すると共に、両端開放素子（第１個別部位１２１及び第２個別部位１２２）が周波数ｆβ（波長λβ）の信号の送受信を阻止する。

つまり、両端開放素子では、地板Ｇに対して平行な接続部１２１ａ，１２２ａは信号の放射に寄与せず、地板Ｇに対して垂直な放射部１２１ｂ，１２２ｂが信号の放射に寄与する。そして、周波数ｆβ付近の信号が両端開放素子で共振した場合、放射部１２１ｂを流れる電流と放射部１２２ｂを流れる電流とでは流れる向きが逆方向となり、その電流によって発生する磁界が打ち消し合うため、周波数ｆβ付近では信号の放射が阻止されることになる。

＜効果＞
以上説明したように、アンテナ１０によれば、波長λα，λγとなる周波数帯である通過帯域の間に、通過帯域と比較してゲインの小さい周波数帯である阻止帯域が形成されるため、通過帯域以外での不要な電波の放射を抑制することができる。

ここで、図２（ｂ）は、アンテナ１０の反射損失（Ｓパラメータの反射係数Ｓ１１）をシミュレーションによって求めた結果を示すグラフである。但し、Ａ１＝１０２ｍｍ，Ａ２＝８７ｍｍ，Ｂ＝２ｍｍ，Ｃ＝１０ｍｍである。

図２（ｂ）からは、ｆα≒７２０ＭＨｚ，ｆγ≒８５０ＭＨｚ付近が通過帯域となり、ｆβ≒８２０ＭＨｚ付近が阻止帯域となり、しかも、通過帯域と阻止帯域とでは、１５ｄＢ以上の差があることがわかる。

また、アンテナ１０によれば、個別部位Ａ１，Ａ２及び共用部位Ｂの長さを適宜調整し、両端開放素子の素子長Ｒ３（＝Ａ１＋Ａ２）の長さを変化させることによって、阻止帯域を容易に調整することができる。

＜変形例＞
本実施形態では、放射素子部１２を金属製の線材によって構成したが、図３（ａ）に示すように、地板Ｇに対してパターン形成面が垂直となるように立設された誘電体基板Ｐ上のパターンによって構成してもよい。

本実施形態では、放射素子部１２を構成する放射素子が二つである場合について説明したが、図３（ｂ）に示すアンテナ１０ａのように、放射素子部１２を構成する放射素子が三つ以上存在してもよい。

この場合、放射素子がＮ個であるとすると、互いに隣接した放射部を有する放射素子対がＮ−１個存在することになり、そのうちの少なくとも一つの放射素子対が本実施形態で示した関係を有していればよい。

但し、放射素子対を構成する二つの放射部が、共用部位の分岐端を挟んで互いに異なる側に位置する場合は、上述のアンテナ１０と同様に、分岐端から給電端までを共用部位、それ以外を個別部位とし、二つの放射部が共用部位の分岐端に対して同じ側に位置する場合は、分岐端に近い側の放射部と接続部との接続点から給電端までを共用部位、それ以外を個別部位とすればよい。

また、アンテナ１０ａの放射素子部１２を、図３（ａ）に示した場合と同様に、地板Ｇに立設された誘電体基板Ｐ上のパターンによって構成してもよい。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。

＜全体構成＞
図４は、本実施形態のアンテナ２０の全体構成図である。
アンテナ２０は、図４に示すように、アンテナ１０と同様に、給電部２１と放射素子部２２とで構成されている。

なお、給電部２１は、給電部１１と全く同様に構成されている。
また、放射素子部２２は、放射素子部１２と同様に、接続部２２１ａ，２２２ａ及び放射部２２１ｂ，２２２ｂからなる第１及び第２個別部位２２１，２２２、共用部位２２３によって構成され、更に、放射部２２１ｂ，２２２ｂを接続するリアクタンス素子２２４を備えている。

つまり、第１及び第２個別部位２２１，２２２からなる両端開放素子とリアクタンス素子２２４とが並列（又はループ状）に接続されている。
＜リアクタンス素子＞
なお、リアクタンス素子２２４は、コンデンサ、インダクタ、又はこれらの組合せからなり、可変コンデンサや可変インダクタであってもよい。

但し、抵抗分は損失となり利得低下の原因となるため、リアクタンス素子２２４に抵抗分は可能な限り含まれていないことが望ましい。また、リアクタンス素子２２４の接続箇所は、第１及び第２個別部位２２１，２２２の先端（開放端）の近くであることが望ましい。

＜動作＞
このように構成されたアンテナ２０では、リアクタンス素子２２４の値を変化させることによって、リアクタンス素子２２４を含んだ両端開放素子の共振周波数、即ち、信号の送受信が阻止される阻止周波数が変化する。

但し、リアクタンス素子２２４として、容量性素子（例えばコンデンサ）を用いた場合は阻止周波数が低くなり、誘導性素子（例えばインダクタ）を用いた場合は阻止周波数が高くなる。

即ち、両個別部位２２１，２２２間、特に、平行に配置された放射部２２１ｂ，２２２ｂ間には、リアクタンス素子２２４を接続していない状態でも容量分（即ち、リアクタンス）が存在しており、その容量分と両端開放素子とで形成される並列回路の共振周波数が阻止周波数となるものと考えられる。このため、リアクタンス素子２２４を接続することで放射部２２１ｂ，２２２ｂ間のリアクタンスを変化させると、共振状態が変化し、ひいては阻止周波数が変化することになる。

一方、通過周波数は、第１個別部位２２１及び共用部位２２３からなる第１放射素子、または第２個別部位２２２及び共用部位２２３からなる第２放射素子上の電流分布が重要であり、両個別部位２２１，２２２間のリアクタンス分の影響が小さいため、リアクタンス素子２２４を変化させても大きく変化することはないものと考えられる。

＜効果＞
以上説明したようにアンテナ２０によれば、第１実施形態のアンテナ１０と同様の効果が得られるだけでなく、リアクタンス素子２２４の値を適宜変更することによって、第１及び第２放射素子に変更を加えることなく、阻止帯域を簡単に変化させることができる。

ここで図５は、アンテナ２０の反射損失（Ｓパラメータの反射係数Ｓ１１）をシミュレーションによって求めた結果を示すグラフである。なお、図５（ａ）はリアクタンス素子２２４として容量性素子（−１０００Ω）を接続した場合、図５（ｂ）はリアクタンス素子２２４を接続しない場合、図５（ｃ）は、リアクタンス素子２２４として誘導性素子（＋１０００Ω）を接続した場合を示す。

図５からは、容量性のリアクタンス素子２２４を接続することによって阻止周波数ｆβが低下し、誘導性のリアクタンス素子２２４を接続することによって阻止周波数ｆβが上昇することがわかる。

＜変形例＞
本実施形態では、放射素子部２２を金属製の線材によって構成したが、図６（ａ）に示すように、地板Ｇに対してパターン形成面が垂直となるように立設された誘電体基板Ｐ上のパターンによって構成してもよい。

本実施形態では、放射素子部２２を構成する放射素子が二つである場合について説明したが、図６（ｂ）に示すアンテナ２０ａのように、放射素子部２２を構成する放射素子が三つ以上存在してもよい。

この場合、放射素子がＮ個であるとすると、互いに隣接した放射部を有する放射素子対がＮ−１個存在することになり、そのうちの少なくとも一つ（図６（ｂ）では全部）の放射素子対の間にリアクタンス素子２２４を接続すればよい。

本実施形態では、第１及び第２個別部位２２１，２２２間のリアクタンスを、リアクタンス素子２２４を設けることによって調整しているが、リアクタンス素子２２４を設ける代わりに、図７（ａ）に示すアンテナ２０ｂのように、第１及び第２個別部位２２１，２２２の放射部２２１ｂ，２２２ｂを、地板Ｇに対する垂直方向から傾斜させることで、放射部２２１ｂ，２２２ｂ間のリアクタンス（ここでは容量分）を調整するように構成してもよい。

また、図７（ｂ）に示すアンテナ２０ｃのように、第１及び第２個別部位２２１，２２２の放射部２２１ｂ，２２２ｂの形状を屈曲させることで、放射部２２１ｂ，２２２ｂ間のリアクタンス（ここでは容量分）を調整するように構成してもよい。

即ち、アンテナ２０ｂ，２０ｃのいずれの場合も、両個別部位の放射部間の距離を近づけることにより容量分を増大させ、遠ざけることにより容量分を減少させることができる。

また、アンテナ２０ａ，２０ｂ，２０ｃの放射素子部２２を、図６（ａ）に示した場合と同様に、地板Ｇに立設された誘電体基板Ｐ上のパターンによって構成してもよい。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。

＜全体構成＞
図８は、本実施形態のアンテナ３０の全体構成図である。
アンテナ３０は、図８に示すように、給電部３１と、金属製の線材により構成され、給電部１１からの給電を受けて電波を放射する第１及び第２放射素子部３２，３３とからなる。

なお、給電部３１は、給電部１１と同様に構成されている。
また、一方の放射素子部３２は、放射素子部１２と同様に、第１及び第２個別部位３２１，３２２、共用部位３２３によって構成され、他方の放射素子部３３も、放射素子部１２と同様に、第１及び第２個別部位３３１，３３２、共用部位３３３によって構成されている。

但し、第１放射素子部３２と第２放射素子部３３とは、給電部３１を通る軸（第１実施形態における地板Ｇの表面に相当する位置）に対して対称な位置に配置されている。
＜効果＞
このように構成されたアンテナ３０によれば、第１実施形態のアンテナ１０と同様の特性を有するため、これと同様の効果を得ることができ、しかも、地板Ｇを確保することができない場所にも設置することができる。

＜変形例＞
本実施形態では、放射素子部３２，３３を金属製の線材によって構成したが、図９（ａ）に示すように、誘電体基板Ｐ上のパターンによって構成してもよい。

本実施形態では、放射素子部３２，３３を構成する放射素子が二つである場合について説明したが、図９（ｂ）に示すアンテナ３０ａのように、放射素子部３２，３３を構成する放射素子が三つ以上存在してもよい。

また、放射素子部３２，３３を、図１０（ａ）〜（ｄ）に示すアンテナ３０ｂ〜３０ｅのように、第２実施形態のアンテナ２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃの放射素子部２２と同様に構成してもよい。

更に、これらアンテナ３０ｂ〜３０ｅを、放射素子部３２，３３を、図９（ａ）に示した場合と同様に、誘電体基板Ｐ上のパターンによって構成してもよい。

１０，１０ａ，２０，２０ａ〜２０ｃ，３０，３０ａ〜３０ｅ…多周波共用アンテナ １１，２１，３１…給電部 １２，２２，３２，３３…放射素子部 １２１，１２２，２２１，２２２，３２１，３２２，３３１，３３２…個別部位 １２１ａ，１２２ａ，２２１ａ，２２２ａ…接続部 １２１ｂ，１２２ｂ，２２１ｂ，２２２ｂ…放射部 １２３，２２３，３２３，３３３…共用部位 ２２４…リアクタンス素子 Ｇ…地板 Ｐ…誘電体基板

Claims (5)

1. 一端が開放され他端が同一の給電点に接続されると共に、給電端から開放端に至る素子長がそれぞれ異なるＮ（Ｎは２以上の整数）本の放射素子からなる放射素子部を備え、
   隣接して配置された任意の放射素子対は、前記給電端側に両放射素子によって共用される共用部位、及び前記開放端側に該共用部位以外の個別部位を有し、
   前記放射素子対を構成する二つの放射素子は、異なる二つの波長λα，λγの信号を放射するように一方の素子長がλα／４、他方の素子長がλγ／４に設定され、且つ、前記共用部位を除いた前記個別部位の合計素子長がλβ／２（但し、λα＞λβ＞λγ）となるように前記共用部位及び前記個別部位の長さが設定され、
   更に、前記放射素子対を構成する二つの放射素子は、互いの前記個別部位がリアクタンス素子を介して接続されていることを特徴とする多周波共用アンテナ。
2. 前記放射素子対を構成する二つの放射素子は、両放射素子の相対的な位置関係によって、両放射素子間に生じるリアクタンス分が調整されてい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. 前記放射素子対を構成する二つの放射素子は、両放射素子の形状によって、両放射素子間に生じるリアクタンス分が調整されてい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。
4. 前記放射素子部は、誘電体基板上に形成されたパターンにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の多周波共用アンテナ。
5. 前記放射素子部を二つ備え、該放射素子部が前記給電点を通る軸に対して軸対称に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の多周波共用アンテナ。