JP5291136B2 - マルチバンドアンテナ - Google Patents

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Description

本発明は、1つのアンテナにより異なる周波数の電波の送受信が可能なマルチバンドアンテナに関する。
従来、1つのアンテナで異なる周波数の電波を送受信できるようにする技術として、トラップ装荷技術がある。このトラップ装荷技術によれば、例えば、高低2つの周波数の電波を送受信したい場合、送受信したい電波のうち高い方の周波数の1/4波長の部分に、その周波数で共振を起こすLC並列共振回路(トラップ)を直列に接続すると、アンテナは、その周波数で共振するようになる。すると、そのトラップを接続した部分で電流が流れなくなるので、1/4波長に対応する周波数(高い方の周波数)の電波を送受信できるようになる。
一方、低い方の周波数の電波(波長の長い電波)に対しては、装荷されたトラップがリアクタンスとして働くことを考慮して、アンテナの全長を調整して、波長の長い(低い方の周波数)で共振をするようにし、低い周波数の電波を送受信するようにする。
このようにして、1つのアンテナで異なる周波数の電波の送受信ができるようになる(例えば、特許文献1参照)。
特開平11−55022号公報
ところが、トラップ装荷技術を用いて、1つのアンテナによって多数の異なる周波数の送受信を可能にするためには、異なる共振周波数を有する複数のトラップをカスケード接続して1つのアンテナにする必要があり、送受信できる周波数がカスケード接続するトラップの共振周波数の値になってしまう、つまり、送受信できる周波数が離散的にしかならないという問題がある。
本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、1つのアンテナで異なる周波数の電波が送受信可能なマルチバンドアンテナを提供することを目的とする。
この欄においては、発明に対する理解を容易にするため、必要に応じて「発明を実施するための形態」欄において用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。
上記「発明が解決しようとする課題」において述べた問題を解決するためになされた発明は、略平行な2本の導体配線(10,12)を基本構造として、同一の複数の単位回路(20)を2本の導体配線(10,12)の方向に、複数カスケード接続することによって構成されたモノポール型のマルチバンドアンテナ(1)である。
そして、単位回路(20)は、2本の導体配線(10,12)同士を少なくとも1つの第1のインダクタ(40)(LL)及び第1のインダクタ(40)(LL)に直列に接続された第2のキャパシタ(52)(CM)を介して互いに接続する連絡部(30)と、2本の導体配線(10,12)のうちの少なくともいずれか1本の導体配線(10,12)上に挿入された少なくとも1つの第1のキャパシタ(50)(CL)及び第1のキャパシタ(50)(CL)に並列に接続された第2のインダクタ(42)(LM)と、を備えている。
このようなマルチバンドアンテナ(1)によれば、1つのアンテナで複数の周波数の電波を送受信できる小型のマルチバンドアンテナ(1)を得ることができる。以下説明する。
一般的に、略平行な2本の導体配線(10,12)を基本構造として、同一の複数の単位回路(20)を2本の導体配線(10,12)の方向に、複数カスケード接続することによって構成されたモノポール型マルチバンドアンテナ(1)では、必然的に、図1(b)に示すように、2本の導体配線(10,12)に直列に第3のインダクタ(44)(LR)、2本の導体配線(10,12)に並列(2本の導体配線(10,12)間)に第3のキャパシタ(54)(CR)が分布する。
この第3のインダクタ(44)(LR)に直列に第1のキャパシタ(50)(CL)、第3のキャパシタ(54)(CR)に並列に第1のインダクタ(40)(LL)を装荷する。
また、第3のインダクタ(44)(LR)と、それに直列に装荷した第1のキャパシタ(50)(CL)に並列に第2のインダクタ(42)(LM)を装荷する。さらに、第3のキャパシタ(54)(CR)と並列に装荷した第1のインダクタ(40)(LL)に直列に第2のキャパシタ(52)(CM)を装荷する。
すると、図7(a)中に陰影を付して示すように、高域側では、第1のキャパシタ(50)(CL)及び第1のインダクタ(40)(LL)の作動が支配的になる。
一方、図7(b)に示すように、低域側では、第1のキャパシタ(50)(CL)が開放と近似でき、第1のインダクタ(40)(LL)が短絡と近似できる。したがって、図7(b)中に陰影を付して示すように、第2のインダクタ(42)(LM)と第2のキャパシタ(52)(CM)の影響が大きくなり、その作動が支配的となる。
このように、高域側と低域側との2つの周波数で共振点を得ることができる。つまり、複数の周波数の電波を送受信することができる。
なお、前述のように、2本の導体配線(10,12)に直列に第3のインダクタ(44)(LR)、2本の導体配線(10,12)に並列(2本の導体配線(10,12)間)に第3のキャパシタ(54)(CR)が分布したものは、一般的に右手系材料と呼ばれる。
また、その右手系材料の第3のインダクタ(44)(LR)に直列に第1のキャパシタ(50)(CL)、第3のキャパシタ(54)(CR)に並列に第1のインダクタ(40)(LL)を装荷した単位構造をカスケード接続した構成は、メタマテリアル若しくは左手系材料と呼ばれる。
ここで、特に、請求項2に記載のように、第1のインダクタ(40)(LL)、第1のキャパシタ(50)(CL)、第2のインダクタ(42)(LM)、第2のキャパシタ(52)(CM)、2本の導体配線(10,12)に直列に分布する第3のインダクタ(44)(LR)及び2本の導体配線(10,12)間に分布する第3のキャパシタ(54)(CR)が下記式1に示す関係を満たすようにするとよい。
このようにすると、共振点、つまり送受信したい周波数を得るための各インダクタ及び各キャパシタが数値的に限定されるので、装荷する各インダクタやキャパシタの値を決定しやすくなる。
また、請求項3に記載のように、略平行の2本の導体配線(10,12)を、プリント基板(80)の導体パターンにより形成し、第1のインダクタ(40)(LL)、第2のインダクタ(42)(LM)、第1のキャパシタ(50)(CL)及び第2のキャパシタ(52)(CM)のうち少なくとも1つを、プリント基板(80)の導体パターンにより形成するとよい。
このようにすると、例えば、第1のインダクタ(40)(LL)や第2のインダクタ(42)(LM)の導体パターンをメアンダ形状とし、第1のキャパシタ(50)(CL)や第2のキャパシタ(52)(CM)を櫛歯形状とするなどにより、プリント基板(80)の導体パターンで形成することができるので、マルチバンドアンテナ(1)を小型で低損失なものとすることができる。
また、それらの導体パターンによって、必要となるインダクタンスやキャパシタンスの値が得られないような場合などには、導体パターン以外の、例えば、ディスクリート部品を使用して必要な値とすることもできる。
また、請求項4に記載のように、略平行な2本の導体配線(10,12)を基本構造として、同一の複数の単位回路(22)を2本の導体配線(10,12)の方向に、複数カスケード接続することによって構成されたモノポール型のマルチバンドアンテナ(2)であって、単位回路(22)を、2本の導体配線(10,12)同士を少なくとも1つの第1のインダクタ(40)(LL)を介して互いに接続する連絡部(32)と、2本の導体配線(10,12)のうちの少なくともいずれか1本の導体配線(10,12)上に挿入された少なくとも1つの第1のキャパシタ(50)(CL)と、を備えるようにする。
そして、第1のインダクタ(40)(LL)、第1のキャパシタ(50)(CL)、2本の導体配線(10,12)間に分布する第3のキャパシタ(54)(CR)及び2本の導体配線(10,12)に直列に分布する第3のインダクタ(44)(LR)が下記式2に示す関係を満たすようにしても、請求項1に記載のマルチバンドアンテナ(1)と同じ効果を得ることができる。
また、請求項5に記載のように、略平行の2本の導体配線(10,12)を、プリント基板(80)の導体パターンにより形成し、第1のインダクタ(40)(LL)及び第1のキャパシタ(50)(CL)のうち少なくとも1つを、プリント基板(80)の導体パターンにより形成すると、請求項3に記載のマルチバンドアンテナ(1)と同じ効果を得ることができる。
アンテナを電気回路として模式的に表した模式図である。 プリント基板上に形成した場合のアンテナの構成を示す図である。 アンテナの分散曲線の例を示す図である。 アンテナの周波数と波長の関係を示す図である。 第2のインダクタ(LM)を変化させた場合のアンテナの2つの共振周波数の変化を示す図である。 第2のキャパシタ(CM)を変化させた場合のアンテナの2つの共振周波数の変化を示す図である。 2つの共振周波数において、アンテナの構成部分がどのように作用するかを示す図である。 第2実施形態におけるアンテナを電気回路として模式的に表した模式図である。 第2実施形態において、2つの共振周波数において、アンテナの構成部分がどのように作用するかを示す図である。 第2実施形態において、マルチバンドアンテナ2における入力特性S11の解析結果を示す図である。
以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
[第1実施形態]
(マルチバンドアンテナ1の構成)
図1は、本発明が適用されたマルチバンドアンテナ1を電気回路として模式的に表した模式図である。また、図2は、プリント基板80上に形成した場合のマルチバンドアンテナ1の構成を示す図である。
マルチバンドアンテナ1は、略平行な2本の金属配線10,12を基本構造として、図1(b)に示す、同一の単位回路20を2本の金属配線10,12の方向に、複数カスケード接続することによって構成されたモノポール型のアンテナである。
このように、単位回路20が複数配置されたモノポール型のマルチバンドアンテナ1の2つの金属配線10,12のうちの1つの金属配線10の一端が給電点14となっており、その給電点が帯域フィルタ70を介して、複数の送受信機72,74,・・・に接続されている。また、金属配線10の他端は、開放端となっている。
他方の金属配線12の一端(金属配線10の給電点に対応する側)は、GND板60に接続され、送信信号の反射などが発生しないようになっている。
このような構成により、マルチバンドアンテナ1からの複数の送受信機72,74,・・・の電波の送受信を可能としている。
単位回路20は、図1(b)に示すように、連絡部30、第1のキャパシタ50(CL)及び第2のインダクタ42(LM)を備えている。
連絡部30は、2本の金属配線10,12同士を1つの第1のインダクタ40(LL)及びその第1のインダクタ40(LL)に直列に接続された第2のキャパシタ52(CM)を介して互いに接続する回路構成を有している。
本第1実施形態では、第1のキャパシタ50(CL)は、2本の金属配線10,12のうちの金属配線10上に連絡部30との連結点を隔てて2つ挿入されている。
第2のインダクタ42(LM)は、2つの第1のキャパシタ50(CL)それぞれに並列に接続されている。
実際の第1のインダクタ40(LL)は、図2(a)に示すように、プリント基板80の表面にメアンダ形状の導体パターンとして形成されており、第2のインダクタ42(LM)は、図2(b)に示すように、プリント基板80の裏面に、メアンダ形状の導体パターンとして形成されている。
また、第1のキャパシタ50(CL)及び第2のキャパシタ52(CM)は、図2(a)に示すように、プリント基板80の表面に櫛歯形状の導体パターンにより形成されている。
(各インダクタ及び各キャパシタの関係)
以上のような構成を有するマルチバンドアンテナ1においては、2本の金属配線10,12に必然的に直列にインダクタンスが分布する。このインダクタンスを模式的に図1に示すように第3のインダクタ44(LR)とする。
同様に、2本の金属配線10,12間にキャパシタンスが分布するため、このキャパシタンスを第3のキャパシタ54(CR)とする。
このように、第1〜第3のインダクタ40,42,44及び第1〜第3のキャパシタ50,52,54が分布したマルチバンドアンテナ1の分散曲線は、下記式3で表される。
ここで、
である。
この式3で示される分散曲線の例を図3に示す。また、周波数と波長の関係を図4に示す。
図3及び図4から、全長50[mm]のマルチバンドアンテナ1にて、共振周波数が2点あることが分かる。
つまり、図3において、一点鎖線が共振条件を示しており、実線が分散曲線を示している。すると、共振条件を示す一点鎖線と実線で示す分散曲線とが交差するA点(周波数:0.75[GHz])及びB点(周波数:0.3[GHz])の2点の周波数において共振点を得ることができる。
図4においては、一点鎖線が共振条件を示しており、実線が周波数に対する波長の関係を示している。すると、図3と同様に、共振条件を示す一点鎖線と実線で示す曲線とが交差するC点(周波数:0.3[GHz])及びD点(周波数:0.75[GHz])の2点の周波数において共振点を得ることができる。
ここで、マルチバンドアンテナ1をマルチバンド化するためには、図3のグラフに示す各周波数ωse1、ωsh1、ωse2、ωsh2は、下記式4に示す関係を満たす必要がある。
また、第1〜第3のインダクタ40,42,44及び第1〜第3のキャパシタ50,52,54と、式4に示す周波数との関係には、下記式5(a)〜5(d)に示す関係がある。
したがって、マルチバンドアンテナ1をマルチバンド化するためには、下記式1を満たす必要がある。
次に、図5及び図6に基づき、第2のインダクタ42(LM)及び第2のキャパシタ52(CM)を変化させることにより、共振周波数を連続的に変化させることができることを説明する。
図5及び図6は、正規化した第2のインダクタ42(LM)及び第2のキャパシタ52(CM)に対する共振周波数の変化を示す図である。
図5(a)に示すように、第2のインダクタ42(LM)を変化させることによって、2つの共振周波数のうち低域側(図4中「C」点で示す0.3[GHz]側)の共振周波数を連続的に変化させることができる。また、図5(b)に示すように、高域側(図4中「D」点で示す0.75[GHz]側)の共振周波数も連続的に変化させることもできる。
さらに、図6(a)に示すように、2つの共振周波数のうち低域側(図4中「C」点で示す0.3[GHz]側)の共振周波数を連続的に変化させることができる。
また、図6(b)に示すように、高域側(図4中「D」点で示す0.75[GHz]側)の共振周波数も連続的に変化させることもできる。
このように、第2のインダクタ42(LM)及び第2のキャパシタ52(CM)を変化させることにより、マルチバンドアンテナ1の2つの共振周波数を連続的に変化させることができる。
(マルチバンドアンテナ1の特徴)
以上に数式を用いて、定量的にマルチバンドアンテナ1のマルチバンド化について説明したが、これを図7に基づき定性的に説明すると以下のようになる。図7は、2つの共振周波数において、マルチバンドアンテナ1の構成部分がどのように作用するかを示す図である。
つまり、マルチバンドアンテナ1においては、2つの共振周波数のうち高域側(図4中「D」点で示す0.75[GHz]側)では、図7(a)に示すように、第2のインダクタ42(LM)は開放と近似でき、第3のキャパシタ54(CR)は開放と近似できる。したがって、共振周波数は、第1のキャパシタ50(CL)及び第1のインダクタ40(LL)(図7(a)中陰影を付した素子)の作動が支配的になる。
一方、2つの共振周波数のうち低域側では、図7(b)に示すように、第1のキャパシタ50(CL)が開放と近似でき、第3のキャパシタ54(CR)は開放と近似できる。したがって、共振周波数に対しては、第2のインダクタ42(LM)及び第2のキャパシタ52(CM)(図7(a)中陰影を付した素子)の影響が大きくなり、その作動が支配的となる。
このように、高域側と低域側との2つの周波数で共振点を得ることができる。つまり、2つの周波数の電波を送受信することができるようになるのである。
また、第1のインダクタ40(LL)、第1のキャパシタ50(CL)、第2のインダクタ42(LM)、第2のキャパシタ52(CM)、2本の金属配線10,12に直列に分布する第3のインダクタ44(LR)及び2本の金属配線10,12間に分布する第3のキャパシタ54(CR)が式1に示す関係を満たすようにすれば、共振点、つまり送受信したい周波数を得るための各インダクタ及び各キャパシタが数値的に限定されるので、装荷する各インダクタやキャパシタの値を決定しやすくなる。
さらに、2本の金属配線10,12を、プリント基板80の導体パターンにより形成し、第1のインダクタ40(LL)及び第2のインダクタ42(LM)の導体パターンをメアンダ形状とし、第1のキャパシタ50(CL)及び第2のキャパシタ52(CM)を櫛歯形状としている。
つまり、装荷するインダクタやキャパシタをプリント基板80の導体パターンで形成することができるので、マルチバンドアンテナ1を小型化することができる。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態のマルチバンドアンテナ2について図8に基づき説明する。図8は、マルチバンドアンテナ2を電気回路として模式的に表した模式図である。
(マルチバンドアンテナ2の構成)
マルチバンドアンテナ2は、略平行な2本の金属配線10,12を基本構造として、図8(b)に示すような、同一の単位回路22を2本の金属配線10,12の方向に、複数カスケード接続することによって構成されたモノポール型のアンテナである。
このように、単位回路22が複数配置されたモノポール型のマルチバンドアンテナ1の2つの金属配線10,12のうちの1つの金属配線10の一端が給電点となっており、その給電点が帯域フィルタ70を介して、複数の送受信機72,74,・・・に接続されている。また、金属配線10の他端は、開放端となっている。
他方の金属配線12の一端(金属配線10の給電点に対応する側)は、GND板60に接続されている。
このような構成により、マルチバンドアンテナ1からの複数の送受信機72,74,・・・の電波の送受信を可能としている。
実際のマルチバンドアンテナ2では、第1実施形態におけるマルチバンドアンテナ1と同様に、略平行の2本の金属配線10,12は、プリント基板80の銅箔などの導体パターンにより形成されている。
単位回路22は、図8(b)に示すように、連絡部32及び第1のキャパシタ50(CL)を備えている。
連絡部32は、2本の金属配線10,12同士を1つの第1のインダクタ40(LL)を介して互いに接続する回路構成を有している。また、第1のキャパシタ50(CL)は、2本の金属配線10,12のうちの1本の金属配線10上に挿入されている。
実際の第1のインダクタ40(LL)は、図2(a)に示すように、プリント基板80の表面にメアンダ形状の導体パターンとして形成されており、また、第1のキャパシタ50(CL)は、図2(a)に示すように、プリント基板80の表面に櫛歯形状の導体パターンにより形成されている。
(各インダクタ及び各キャパシタの関係)
上記のような構成を有するマルチバンドアンテナ2において、第1のインダクタ40(LL)、第1のキャパシタ50(CL)、2本の金属配線10,12間に分布する第3のキャパシタ54(CR)及び2本の金属配線10,12に直列に分布する第3のインダクタ44(LR)が下記式2に示す関係を満たすようになっている。
(マルチバンドアンテナ2の特徴)
このようなマルチバンドアンテナ2では、低域側では、図9に示すように、第3のインダクタ44(LR)は短絡、第3のキャパシタ54(CR)は開放と近似できるため、第1のインダクタ40(LL)と第1のキャパシタ50(CL)(図9中陰影を付した素子)の作動が支配的になる。
一方、高域側では、まず、第1のインダクタ40(LL)と第1のキャパシタ50(CL)による(反)共振により、その周波数でのインピーダンスが高くなる。したがって、電流は、平行の金属配線の10,12のうち、給電側の金属配線10に分布する。その際の共振周波数ω1は下記式6で表される。
また、上記の(反)共振周波数において、平行の金属配線10,12のうち給電側の金属配線10の放射インピーダンスの虚部Aを打ち消すように、第3のインダクタ44(LR)と第1のキャパシタ50(CL)の値を設定することにより給電側の金属配線10から効率的に電波を効率的に放射することができる。
この場合、虚部A、第3のインダクタ44(LR)及び第1のキャパシタ50(CL)は下記式7に示す関係を満たす。
よって、ω1は、下記式8に示すようになる。
上記式7及び式8から、第1のインダクタ40(LL)、第3のインダクタ44(LR)、第1のキャパシタ50(CL)及び第3のキャパシタ54(CR)と平行の金属配線10,12の給電側の金属配線10の放射インピーダンスの虚部Aに関して、下記式2が導かれる。
この式2の関係を満たすマルチバンドアンテナ2における入力特性S11の解析結果を図10に示す。図10に示すように、0.36[GHz](図10中「E」で示す)と0.73[GHz](図10中「F」で示す)の2つの周波数で共振しており、マルチバンド化できていうことが分かる。
なお、第3のインダクタ44(LR)は、前述のように、金属配線10に必然的に分布するインダクタである。したがって、その値は、単位回路22における金属配線10の長さを変化させたり、プリント基板80の導体パターンによってインダクタを形成したり、或いは、コイルなどのディスクリート部品を付加したりすることによって設定することができる。
[その他の実施形態]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
(1)上記実施形態では、第1〜第3のインダクタ40,42,44や第1〜第3のキャパシタ50,52,54をプリント基板80の導体パターンで実現していたが、それらの導体パターンでインダクタンスやキャパシタンスの値が得られないような場合などには、導体パターン以外の、例えば、ディスクリート部品を使用して欲する値とすることもできる。
(2)上記実施形態では、第2のインダクタ42(LM)或いは第1のキャパシタ50(CL)を、連絡部30との連結点を隔てて金属配線10に2個配置していたが、どちらか1方にしてもよい。この場合、第2のインダクタ42(LM)及び第1のキャパシタ50(CL)の値を変更する必要がある。
1,2…マルチバンドアンテナ、10,12…金属配線、14…給電点、20,22…単位回路、30、32…連絡部、40…40…第1のインダクタ(LL)、42…第2のインダクタ(LM)、44…第3のインダクタ(LR)、50…50…第1のキャパシタ(CL)、52…第2のキャパシタ(CM)、54…第3のキャパシタ(CR)、60…GND板、70…帯域フィルタ、72…送受信機、80…プリント基板。

Claims (5)

  1. 略平行な2本の導体配線を基本構造として、同一の複数の単位回路を前記2本の導体配線の方向に、複数カスケード接続することによって構成されたモノポール型のマルチバンドアンテナであって、
    前記単位回路は、
    前記2本の導体配線同士を少なくとも1つの第1のインダクタ(LL)及び該第1のインダクタ(LL)に直列に接続された第2のキャパシタ(CM)を介して互いに接続する連絡部と、
    前記2本の導体配線のうちの少なくともいずれか1本の導体配線上に挿入された少なくとも1つの第1のキャパシタ(CL)及び該第1のキャパシタ(CL)に並列に接続された第2のインダクタ(LM)と、
    を備えていることを特徴とするマルチバンドアンテナ。
  2. 請求項1に記載のマルチバンドアンテナにおいて、
    前記第1のインダクタ(LL)と、
    前記第1のキャパシタ(CL)と、
    前記第2のインダクタ(LM)と、
    前記第2のキャパシタ(CM)と、
    前記2本の導体配線に直列に分布する第3のインダクタ(LR)と、
    前記2本の導体配線間に分布する第3のキャパシタ(CR)と、
    が下記式1に示す関係を満たすことを特徴とするマルチバンドアンテナ。
  3. 請求項1又は請求項2に記載のマルチバンドアンテナにおいて、
    前記略平行の2本の導体配線は、プリント基板の導体パターンにより形成され、
    前記第1のインダクタ(LL)、前記第2のインダクタ(LM)、前記第1のキャパシタ(CL)及び前記第2のキャパシタ(CM)のうち少なくとも1つは、前記プリント基板の導体パターンにより形成されていることを特徴とするマルチバンドアンテナ。
  4. 略平行な2本の導体配線を基本構造として、同一の複数の単位回路を前記2本の導体配線の方向に、複数カスケード接続することによって構成されたモノポール型のマルチバンドアンテナであって、
    前記単位回路は、
    前記2本の導体配線同士を少なくとも1つの第1のインダクタ(LL)を介して互いに接続する連絡部と、
    前記2本の導体配線のうちの少なくともいずれか1本の導体配線上に挿入された少なくとも1つの第1のキャパシタ(CL)と、
    を備え、
    前記第1のインダクタ(LL)と、
    前記第1のキャパシタ(CL)と、
    前記2本の導体配線間に分布する第3のキャパシタ(CR)と、
    前記2本の導体配線に直列に分布する第3のインダクタ(LR)と、
    が下記式2に示す関係を満たすことを特徴とするマルチバンドアンテナ。
  5. 請求項4に記載のマルチバンドアンテナにおいて、
    前記略平行の2本の導体配線は、プリント基板の導体パターンにより形成され、
    前記第1のインダクタ(LL)及び前記第1のキャパシタ(CL)のうち少なくとも1つは、前記プリント基板の導体パターンにより形成されていることを特徴とするマルチバンドアンテナ。
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