JP5511027B2 - ダイポールアンテナ - Google Patents

Description

本発明は小型化に有用なダイポールアンテナに関する。

近年の無線装置は、複数の無線方式（例えば、ＧＰＳ、ＷｉＦｉ、デジタルＴＶ、ＣＤＭＡ、ＷｉＭＡＸ等）に対応しており、それぞれの無線方式の周波数は異なっている。魅力ある製品とするため、装置には小型化が要求され、比較的実装体積が大きいアンテナは、なるべくコンパクトに実装することが望ましい。無線装置に使用されるアンテナとして、例えば、図７に示すダイポールアンテナ１００が知られている。同軸ケーブル２１は、無線回路の入出力に接続されて電波を伝達する役割を担う。給電点２０は、同軸ケーブル２１の先端である。（＋）エレメント１１は、金属で構成され、同軸ケーブル２１のプラスに接続される。同様に、（−）エレメント１２は、金属で構成され、同軸ケーブル２１のマイナスに接続される。

図８はダイポールアンテナ１００のインピーダンス特性を示し、図９はそのリターンロス特性を示す。図８及び図９に示す各特性は、給電点２０からネットワークアナライザで計測したものである。ここで、インピーダンス特性とは、高周波におけるダイポールアンテナ１００の振る舞いを示す特性の一つであり、スミスチャートにプロットして解析することができる。一般的には、スミスチャートの円の中心の５０Ω（円の中心の符号５１が示す箇所）に近い程、アンテナのとしての特性が良く、更に回路側との整合も良くなる。また、リターンロス特性は、５０Ωに近ければ近い程、小さな値になるように作成された図表である。図表の谷の部分は、５０Ωに近く、ダイポールアンテナ１００の特性、及び回路とダイポールアンテナ１００との整合が良い。図表の谷の部分はダイポールアンテナ１００の共振と称され、ダイポールアンテナ１００の特性が最も良くなる。例えば、図９の符号５２，５３は、何れも、共振を示している。特に、符号５２は、λ／４共振を示しており、その周波数は、最小共振周波数と称される。ここで、λは、波長（光速／周波数）である。λ／４共振は、エレメント１１，１２のそれぞれの長さがλ／４のとき（エレメント１１，１２の合計長がλ／２のとき）に生じる。符号５３は、共振周波数が最小共振周波数の３倍になる３λ／４共振を示している。なお、図９には示していないが、最小共振周波数の奇数倍の周波数で共振が存在する。

一般的に、リターンロスは、−５ｄＢ以下でないとアンテナ特性の確保が困難である。図１０はリターンロスと無線回路との整合損失との関係を示している。同図から理解できるように、リターンロスが−５ｄＢ以上になると、整合損失が急激に増加するため、リターンロスが−５ｄＢ以下となるようにアンテナ設計するのが好ましい。

図１１（Ａ）は、ダイポールアンテナ１００の構成を示し、図１１（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、それぞれ、λ／４共振、３λ／４共振、５λ／４共振のときにおけるダイポールアンテナ１００の電流分布を示している。λ／４共振のときには、エレメント長に対して一つの半波長（λ／２）が存在する。３λ／４共振のときには、三つの半波長が存在し、５λ／４共振のときには、五つの半波長が存在する。なお、図１１（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、それぞれ、電流定在波の＋ＰＥＡＫを描いたものであり、−ＰＥＡＫはその反対側になる。＋ＰＥＡＫと−ＰＥＡＫを繰り返すように電流が流れ、電波が放射される。３λ／４共振、５λ／４共振における電流分布の凹んだ箇所が節である。３λ／４共振では、２つの節が存在し、５λ／４共振では、４つの節が存在する。

図１２（Ａ）は３つの無線方式（Ａ方式、Ｂ方式、及びＣ方式）に対応している従来のダイポールアンテナ１１０の構成を示している。図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）に示すダイポールアンテナ１１０のリターンロス特性を示している。符号５４は、Ａ方式のλ／４共振を示しており、その共振周波数は１３８０ＭＨｚである。符号５５は、Ｂ方式のλ／４共振を示しており、その共振周波数は３７４０ＭＨｚである。符号５６は、Ｃ方式のλ／４共振を示しており、その共振周波数は６５００ＭＨｚである。

なお、ダイポールアンテナに言及した文献として、例えば、特開２０１０−０１６５３１号公報、特開２００８−０６０９１２号公報、特開２００６−０３３０６８号公報が知られている。

特開２０１０−０１６５３１号公 特開２００８−０６０９１２号公報 特開２００６−０３３０６８号公報

無線通信の業界では、他社製品との差別化を図る上で無線装置の小型化が要求されており、比較的大面積を占めるダイポールアンテナの小型化のニーズが高い。

そこで、本発明は、ダイポールアンテナの小型化を実現することを課題とする。

斯かる課題を解決するため、本発明に係るダイポールアンテナは、最小共振周波数の３倍以上の奇数倍の共振周波数を有する電流定在波を形成するアンテナエレメントと、電流定在波の節となる箇所で電流定在波の電流分布の部分的な重なり合いを生じさせることによりアンテナエレメントの電気長を調整する調整部と、を備える。

調整部は、最小共振周波数の３倍以上の奇数倍の共振周波数を所望の周波数に低下させることができるため、ダイポールアンテナの小型化に有用である。

実施例１に係わるダイポールアンテナの説明図である。 実施例１に係わるダイポールアンテナの説明図である。 実施例２に係わるダイポールアンテナの説明図である。 実施例３に係わるダイポールアンテナの説明図である。 実施例４に係わるダイポールアンテナの説明図である。 実施例５に係わるダイポールアンテナの説明図である。 従来のダイポールアンテナの構成図である。 従来のダイポールアンテナのインピーダンス特性を示すグラフである。 従来のダイポールアンテナのリターンロス特性を示すグラフである。 従来のダイポールアンテナのリターンロスと無線回路との整合損失との関係を示すグラフである。 従来のダイポールアンテナの説明図である。 従来のダイポールアンテナの説明図である。

以下、各図を参照しながら本発明の実施例について説明する。同一の部材には同一の符号を付すものとし、重複する説明を省略する。

図１は実施例１に係わるダイポールアンテナ１０の説明図である。同図（Ｂ）に示すように、ダイポールアンテナ１０は、最小共振周波数の奇数倍の共振周波数を有する電流定在波の節となる箇所に共振周波数調整部３０を備えている。共振周波数調整部３０は、最小共振周波数の奇数倍の共振周波数を所望の周波数に低下させるためのエレメントであり、これをダイポールアンテナ１０に付加すると、その奇数倍共振周波数電流定在波の電流分布は、同図（Ａ）に示す状態から同図（Ｃ）に示す状態に変わる。同図（Ａ）は、共振周波数調整部３０を付加していない状態での電流分布を示しており、同図（Ｃ）は、共振周波数調整部３０を付加した状態での電流分布を示している。共振周波数調整部３０を付加することにより、節の部分で電流分布の部分的な重なり合いが生じるため、最小共振周波数の奇数倍の共振周波数が低くなる。図１（Ｂ）に示す例では、３λ／４共振周波数電流定在波の節となる箇所に共振周波数調整部３０を付加しているため、３λ／４共振周波数が低下する。これは、共振周波数調整部３０の側壁の部分（図１（Ｂ）の矢印で示す部分）に電流が流れるため、ダイポールアンテナ１０の電気長が長く見えるためである。一方、λ／４共振では、共振周波数調整部３０を無視して最短距離で電流が流れるため、λ／４共振周波数は変わらない。

図２（Ａ）は、３λ／４共振周波数電流定在波の節となる箇所に共振周波数調整部３０を備えるダイポールアンテナ１０の構成を示している。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すダイポールアンテナ１０のリターンロス特性を示している。符号４１に示すように、共振周波数調整部３０を付加しても、λ／４共振周波数は変わらず、１３８０ＭＨｚのままである。これに対し、３λ／４共振周波数は、共振周波数調整部３０の作用により、符号４２に示す周波数４３００ＭＨｚから符号４３に示す周波数３７４０ＭＨｚに低下している。但し、４３００ＭＨｚは、共振周波数調整部３０を付加しない場合の３λ／４共振周波数である点に留意されたい。このように、共振周波数調整部３０は、λ／４共振周波数を変えずに、３λ／４共振周波数のみを低下させる。これにより、ダイポールアンテナ１０のサイズを従来のダイポールアンテナと比較して小さくすることが可能である。

なお、共振周波数調整部３０の形状は特に限定されるものではなく、例えば、四角形や三角形等の形状でもよいが、断面Ｔ字形が特に優れた効果を発揮する実験結果が得られている。この点は、後述する実施例２乃至５においても同様である。

図３（Ａ）は、実施例２に係わるダイポールアンテナ５０の構成を示している。ダイポールアンテナ５０は、３つの無線方式（Ａ方式、Ｂ方式、及びＣ方式）に対応しており、Ｂ方式の３λ／４共振周波数電流定在波の節となる箇所に共振周波数調整部３０を備えている。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すダイポールアンテナ５０のリターンロス特性を示している。Ａ方式のλ／４共振周波数は、符号４４に示すように、１３８０ＭＨｚである。Ｃ方式のλ／４共振周波数は、符号４５に示すように、６５００ＭＨｚである。Ｂ方式の３λ／４共振周波数は、共振周波数調整部３０の作用により、符号４６に示す周波数４３００ＭＨｚから符号４７に示す周波数３７４０ＭＨｚに低下している。但し、４３００ＭＨｚは、共振周波数調整部３０を付加しない場合のＢ方式の３λ／４共振周波数である点に留意されたい。このように、本発明は、複数の無線方式に対応するダイポールアンテナ５０に適用可能である。

図４（Ａ）は、実施例３に係わるダイポールアンテナ６０の構成を示している。ダイポールアンテナ６０は、最小共振周波数の奇数倍の共振周波数を有する電流定在波の節となる箇所に共振周波数調整部３０を備えている。共振周波数調整部３０は、頂部３１を有する断面Ｔ字形の形状を成しており、その頂部３１の長さを可変調整することにより、最小共振周波数の奇数倍の共振周波数を低下させる幅を調整することができる。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示すダイポールアンテナ６０のリターンロス特性を示している。頂部３１の長さを可変調整することで、３λ／４共振周波数を４３００ＭＨｚから２７００ＭＨｚまでの周波数幅４８で可変調整することできる。なお、頂部３１の長さに限らず、共振周波数調整部３０の大きさを変えることによっても、最小共振周波数の奇数倍の共振周波数を低下させる幅を調整することができる。

図５（Ａ）は、プリント基板８２にプリントパターン８１を形成して得られる、従来のダイポールアンテナ８０の構成を示している。図５（Ｂ）は、プリント基板７２にプリントパターン７１を形成して得られる、実施例４に係わるダイポールアンテナ７０の構成を示している。ダイポールアンテナ７０は、最小共振周波数の奇数倍の共振周波数を有する電流定在波の節となる箇所に共振周波数調整部３０を備えている。ダイポールアンテナ７０のサイズＳ１は、ダイポールアンテナ８０のサイズＳ２よりも小さく、例えば、約半分のサイズに小型化できる。また、ダイポールアンテナ７０の小型化によりその材料費も半減できるため、低コスト化に貢献できる。

図６は実施例５に係わるダイポールアンテナ９０の構成を示している。ダイポールアンテナ９０は、最小共振周波数の奇数倍の共振周波数を有する電流定在波の節となる箇所に共振周波数調整部３０を備えている。共振周波数調整部３０は、断面Ｔ字形を成しており、エレメント１２の凹んだ箇所に形成されている。エレメント１２の凹みの深さは、例えば、１ｍｍ程度である。

なお、上述の実施例１乃至５は、適宜組み合わせることが可能である。

上述の実施例１乃至５の一部又は全部は、以下の付記のように記載され得るが、以下には限定されない。
（付記１）
最小共振周波数の奇数倍の共振周波数を有する電流定在波の節となる箇所に共振周波数調整部３０を備える、ダイポールアンテナ１０。
（付記２）
付記１に記載のダイポールアンテナ１０であって、
共振周波数調整部３０は、最小共振周波数の奇数倍の共振周波数を所望の周波数に低下させるためのエレメントである、ダイポールアンテナ１０。
（付記３）
付記１又は付記２に記載のダイポールアンテナ１０であって、
共振周波数調整部３０は、共振周波数調整部３０の大きさに応じて、最小共振周波数の奇数倍の共振周波数を低下させる幅を調整するためのエレメントである、ダイポールアンテナ１０。
（付記４）
付記１乃至付記３のうち何れか一つに記載のダイポールアンテナ１０であって、
共振周波数調整部３０は断面Ｔ字形のエレメントである、ダイポールアンテナ１０。

１０…ダイポールアンテナ
１１，１２…エレメント
２０…給電点
３０…共振周波数調整部

Claims (4)

1. 最小共振周波数の３倍以上の奇数倍の共振周波数を有する電流定在波を形成するアンテナエレメントと、
   前記電流定在波の節となる箇所で前記電流定在波の電流分布の部分的な重なり合いを生じさせることにより前記アンテナエレメントの電気長を調整する調整部と、
   を備える、ダイポールアンテナ。
2. 請求項１に記載のダイポールアンテナであって、
   前記調整部は、前記最小共振周波数の３倍以上の奇数倍の共振周波数を所望の周波数に低下させるためのエレメントである、ダイポールアンテナ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のダイポールアンテナであって、
   前記調整部は、前記調整部の大きさに応じて、前記最小共振周波数の３倍以上の奇数倍の共振周波数を低下させる幅を調整するためのエレメントである、ダイポールアンテナ。
4. 請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載のダイポールアンテナであって、
   前記調整部は、断面Ｔ字形のエレメントである、ダイポールアンテナ。