JP5692544B2 - アンテナ - Google Patents

Description

この発明は、複数の通信方式で通信する機能を有する電波の送信または受信を行うためのアンテナに関する。

携帯電話やカーナビゲーションシステムなど移動体通信装置は、広く普及している。それぞれの装置は、固有の周波数や偏波方式を有する。たとえば、カーナビゲーションシステムなどの全地球測位システム（ＧＰＳ）では、円偏波の電波が使用される。たとえば、特許文献１には、小型でありながら良好な円偏波特性を有するアンテナが記載されている。

近年、移動体通信装置の多機能化が進行している。たとえば、ＧＰＳ機能を備えた携帯電話端末が普及しつつある。このような多機能の移動体通信装置では、周波数や偏波の異なる複数の電波を送受信する必要がある。そこで、使用する電波の種類ごとに対応した複数のアンテナを搭載している。

また、特許文献２や特許文献３などでは、波数や偏波の異なる複数の電波を送受信できる共用アンテナも提案されている。

特開２００９−１０９０９号公開特許公報 特開２０１０−６８４７３号公開特許公報 特開２００８−２７８０５９号公開特許公報

特許文献１に記載されたアンテナは、小型かつ簡易な構成でありながら良好な円偏波特性を有するが、直線偏波の通信を行うためのアンテナについては同文献には記載がない。ＧＰＳ機能付きの携帯電話などでは、直線偏波用のアンテナと円偏波用のアンテナを搭載しているが、その分、アンテナのサイズが大きくなり、小型の装置へ組み込むための配置に苦慮しなければならない。また、異なる特性を有するアンテナを近接させると相互に干渉し、性能が低下する。

そこで、特性の異なる電波を送受信できる共用アンテナが望まれる。たとえば、特許文献２に記載されたアンテナは絶縁性を有するフィルムに導電体を積層させてなるフィルムアンテナであり、円偏波アンテナおよび直線偏波アンテナとして作動するとある。しかし、この文献では第１作動周波数が２．６ＧＨｚ、第２作動周波数が５．８ＧＨｚと、極めて高い周波数での使用を想定しており、たとえば、直性偏波１．５ＧＨｚ、円偏波２．６ＧＨｚという周波数にするとサイズが大きくなりすぎて、携帯電話端末などの小型の装置に搭載することはできない。特許文献３に記載されたアンテナは直線偏波用の素子と円偏波用の素子を近接して配置しており、基本的には、複数のアンテナを搭載するのと同じである。構成が複雑で高価にならざるを得ず、しかも、二層以上の構造であるため厚さが大きく、小型の装置への組み込みも困難である。

上記以外の共用アンテナとして回路中にスイッチを設けてＯＮ・ＯＦＦさせるものが提案されているが、やはり、装置が複雑・高価となり、また、スイッチの制御のため特別な通信回路が必要となる。しかも、スイッチで切替えて使用するため、直線偏波と円偏波を同時に使用することはできない。また、Ｃｕ層やＭｏ−Ｍｎ層などのメタライズ層上にＮｉメッキ層およびＡｕメッキ層を設けたアンテナも提案されているが、やはり、高価なものとなる。

この発明は、周波数や偏波特性の異なる電波による通信が行え、しかも簡易な構成で、小型の装置にも設置できるような共用アンテナを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、この発明のアンテナは、十字の形状を形成する周回をうずまき状に複数回有する第１のアンテナ部と、第１のアンテナ部に対し切断部を介して隣接される第２のアンテナ部と、中心部に設けられた給電部を有し、第１の周波数では切断部において電磁的な結合を生じ、第１の周波数と異なる第２の周波数では電磁的な結合を生じないものである。

第２のアンテナ部は十字の形状を形成する周回をうずまき状に複数回有し、第２のアンテナ部は第１のアンテナ部の外周に設けられ、切断部は第１のアンテナ部の外側端部と第２のアンテナ部の内側端部の間のギャップであり、第１のアンテナ部のうずまき状の周回路の中心部に設けられた給電部を有し、ギャップの間隔は第１の周波数では電磁的な結合を生じ、第１の周波数より高い第２の周波数では電磁的な結合を生じないものとすることができる。さらに、十字の形状を形成する周回路のうち第１の方向に沿った部分に流れる電流と、第１の方向に垂直な第２の方向に沿った部分に流れる電流が、第１の周波数では実質的に同位相であり、第２の周波数では実質的にπ／２の位相差を有するようになすことができる。

また、第２のアンテナ部は第１のアンテナ部の内側に設けられたダイポールアンテナであり、切断部において第１の周波数では電磁的な結合を生じ、切断部において第１の周波数より高い第２の周波数では電磁的な結合を生じないものとすることができる。あるいは、第２のアンテナ部は第１のアンテナ部の外側に設けられたループアンテナであり、切断部において第１の周波数では電磁的な結合を生じ、切断部において第１の周波数より高い第２の周波数では電磁的な結合を生じないものとしてもよい。

この発明は、周波数や偏波の異なる複数の電波による通信が可能で小型な共用アンテナを実現できる。簡易な構造であり、一層かつ一給電部（１ポート）の平面アンテナが実現できる。

アンテナの基本構造を示す平面図である。 給電部の詳細を示す拡大側面図である。 アンテナの概要を示す斜視図である。 アンテナの電流分布を示す平面図である。 アンテナのリターンロス特性を示すグラフである。 第１の周波数におけるアンテナの直線偏波特性を示すグラフである。 第２の周波数におけるアンテナの円偏波特性を示すグラフである。 第２の周波数におけるアンテナの軸比を示すグラフである。 実施例２のアンテナの基本構造を示す平面図である。 実施例２のアンテナのシミュレーションによるリターンロス特性を示すグラフである。 実施例２のアンテナの１．５８ＧＨｚにおける円偏波特性を示すグラフである。 実施例２のアンテナの１．７４ＧＨｚにおける直線波特性を示すグラフである。 実施例２のアンテナの電流分布を示す平面図である。 実施例３のアンテナのシミュレーションによるリターンロス特性を示すグラフである。 実施例４のアンテナを示す斜視図である。 実施例４のアンテナのシミュレーションによるリターンロス特性を示すグラフである。

この発明を実施するための最良の形態について説明する。この発明のアンテナは、十字の形状を形成する周回をうずまき状に複数回有する第１のアンテナ部と、第１のアンテナ部に対し切断部を介して隣接される第２のアンテナ部と、中心部に設けられた給電部を有し、第１の周波数では切断部において電磁的な結合を生じ、第１の周波数と異なる第２の周波数では電磁的な結合を生じないものである。

以下、図面に基いて詳細に説明する。図１はアンテナの基本構造を示す平面図、図２は給電部の詳細を示す拡大側面図、図３はアンテナの概要を示す斜視図である。

アンテナ１は、十字状スパイラルの導体線路３を誘電体の基板２上に設けた平面アンテナである。ここで、平面アンテナとは、多層構造やパラボラ形状などの立体構造をとる必要がないという意味である。したがって、通信装置が緩やかな曲面状の外面を有する場合、この外面に沿ってアンテナを形成することもできる。また、薄く柔軟なフィルムを基板として、変形可能なアンテナを形成してもよい。

導体線路３の外形は、十字の形状である。すなわち、短辺Ｌ０、長辺Ｌ１の長方形を２つ、重心を合わせ、相互に９０度ずらして重ねた形状になっている。中心部は一辺がＬ０の正方形であり、その各辺より幅Ｌ０で長さがＬ４＝（Ｌ１−Ｌ０）／２の長方形が突き出している。

最外周側の端部Ｄは十字形状の中央部の正方形の１角付近に設けられている。この端部Ｄは開放状態である。この点Ｄを始点として線路幅ｗで最外周の周回の導体線路が形成される。十字形状の外形に沿って周回し、始点Ｄの近くから次の周回を形成する。最初の周回より間隔ｄをあけて内側に次の周回を形成する。以下、同様にうずまき状に周回を繰り返し、中心部付近までできるだけ埋めていく。

ここで、最外周の十字形状の長さＬ１および最内周の十字形状の長さＬ２は、それぞれ使用する周波数を基準に選定する。２種類の周波数を使用する場合、最外周の長さＬ１は低い第１周波数に合わせ、最内周の長さＬ２はより高い第２周波数に合わせる。それぞれの波長の４分の１の長さに基いて算定されるが、基板の誘電率による影響も因子として含む。最内周の周回線路中に給電部４が設けられている。この給電部は、十字形状の中心付近に配置されるが、完全に中心でなくてもよく、コネクタの取り付けやすさなども考慮して若干ずれた位置でも良い。

また、うずまき状の導体線路の途中には、ギャップ５が設けられている。ギャップ５の間隔は、使用する電波の周波数に基いて選択されている。すなわち、第１の周波数においてはギャップの前後の導体線路が電磁的な結合、すなわち干渉を起こし、第２の周波数では干渉が起こらないような間隔にされている。図１の例では、第１のアンテナ部はギャップ５より外側のうずまきで形成され、第２のアンテナ部はギャップ５より内側のうずまきで形成されている。

このアンテナに接続する送信回路や通信回路は特に限定されない。第１の周波数用の通信回路も、第２の周波数用の通信回路も、従来の回路をそのまま給電部に接続することができる。アンテナは、第１の周波数の直線偏波と、第２の周波数の円偏波における通信のための共用アンテナとして作用する。

ついで、第１の実施例に基いて、さらに詳細に説明する。この実施例は、１．５ＧＨｚの直線偏波と、２．４５ＧＨｚの円偏波による通信のための共用アンテナの例である。基板２としてエポキシ樹脂を使用した。このエポキシ樹脂の公称の特性は、厚さ１ｍｍ、比誘電率４．３、誘電正接０．０１８である。この基板２に厚さ０．０３５ｍｍ、幅１ｍｍで銅（導電率５．８×１０⁷Ｓ／ｍ）の線路を形成した。

導体線路３に関する寸法は以下の通りである。Ｌ１＝３９．０ｍｍ、Ｌ０＝１７．５ｍｍ、Ｌ２＝２４．０ｍｍ，Ｌ３＝１０．０ｍｍ，Ｌ４＝１０．７５ｍｍ，Ｌ５＝１０．２５ｍｍ、ｗ＝１ｍｍ、ｄ＝０．５ｍｍである。十字形状の周回が６重に形成されたうずまき状の導体線路となっている。

給電部４において導体線路には０．１２５ｍｍの切れ目が形成されており、ＳＭＡコネクタが設けられている。切れ目で切られた導体線路のそれぞれの端部近くにコネクタの端子が接続されている。

また、外側より３周目の周回上の１つの角部に、ギャップ５が設けられている。ギャップ４の幅は０．５ｍｍである。

給電部４のコネクタに送受信回路を接続することにより、アンテナ１による送受信が行われる。このようにアンテナへの供給部が１ポートで構成されるので、回路の接続が簡単であり、通信機器の構成も簡易になる。

この実施例のアンテナに基き、シミュレーションと実測により、その特性を求めた。シミュレーションは電磁波特性のシミュレーションプログラムであるSonnet Suites（商品名）で行った。

図４は導体線路上の電流分布を示す。白く表示されている部分は電流が大きいことを示す。第１の周波数（１．５ＧＨｚ）と第２の周波数（２．４５ＧＨｚ）では、電流分布が異なることがわかる。第１の周波数では、導体線路３全体に電流が分布している。一方、第２の周波数では、内側のみに電流分布が見られる。

十字の形状を形成する周回路のうち第１の方向（ｘ軸方向）に沿った部分に流れる電流、第１の方向に垂直な第２の方向（ｙ軸方向）に沿った部分に流れる電流が、第１の周波数では実質的に同位相である。したがって、直線偏波特性を有する。一方、第２の周波数では実施的にπ／２の位相差を有し、円偏波特性を有する。

図５はアンテナのリターンロス特性を示すグラフである。縦軸はリターンロス特性をｄＢで表示した値であり、グラフ上で曲線が低く表れるときに送受信能力が高いと考えられる。シミュレーション値および実測値とも、１．５ＧＨｚと２．４５ＧＨｚにおいて曲線が低下している。さらにそれ以外の周波数にも数値の低い部分があり、このアンテナが２以上の周波数において送受信可能であることがわかる。シミュレーション値および実測値はよく対応しているが、コネクタの取付け方などに起因すると考えられる差異も若干みられる。

図６は第１の周波数におけるアンテナの直線偏波特性を示すグラフである。それぞれφ=0°面とφ=90°面の放射特性を示す。ここで、図２に示すアンテナの中心位置を中心とする極座標として表示する場合、アンテナの面（ｘ−ｙ平面）を方位角の面とし、ｘ軸がφ＝０°およびｙ軸がφ＝９０°となる。また、仰角θは、z軸に沿ってθ＝０°とする。図６の横軸は仰角θである。φ＝０°面においてはθが+45°から−50°、φ=90°面においてはすべての方向において主偏波と交差偏波の差が10dB 以上取れており、1.5GHz においては直線偏波特性が得られていることが分かる。シミュレーション値および実測値はよく対応している。

図７は第２の周波数におけるアンテナの円偏波特性を示すグラフである。2.45GHz におけるそれぞれφ=0°面とφ=90°面の放射特性を示す。この図よりφ=0°面においては+55°から−60°、φ=90°面においては+35°から−35°の範囲において右旋成分と左旋成分の差が10dB 以上取れており、2.45GHz においては円偏波特性が得られていることが分かる。

図８はアンテナの2.45GHz における円偏波特性から求めた軸比を示すグラフである。軸比5dB 以下のビーム幅はφ=0°面においては+45°から−55°の100°となり、φ=90°面においては+25°から−20°の45°となっている。特にφ=0°面においては広い角度範囲内で軸比が平坦な結果が得られている。したがって、良好な円偏波特性が実現されていることが確認できる。

この発明の第２の実施例について説明する。図９はこの実施例のアンテナの基本構造を示す平面図である。この実施例は、１．７４ＧＨｚの直線偏波と、１．５８ＧＨｚの円偏波による通信のための共用アンテナの例である。１．７４ＧＨｚの直線偏波はＷ−ＣＤＭＡ規格の携帯電話、１．５８ＧＨｚの円偏波はＧＰＳに使用できる。基板はエポキシ樹脂であり、その特性は、厚さ１ｍｍ、比誘電率４．３、誘電正接０．０１８である。この基板に厚さ０．０３５ｍｍで銅（導電率５．８×１０⁷Ｓ／ｍ）の線路を形成した。

導体線路に関する寸法は以下の通りである。Ｌ１＝５１．０ｍｍ、Ｌ０＝１９ｍｍ、Ｌ２＝３８．２ｍｍ，Ｌ３＝１５．４ｍｍ，Ｌ４＝１６ｍｍ，Ｌ５＝１５ｍｍである。導体線路の幅はｗ１＝１ｍｍ、間隔はｄ１＝０．６ｍｍであるが、最も内側の周回では幅ｗ２＝２．６ｍｍ、間隔ｄ２＝１ｍｍである。幅１ｍｍの周回が４周あり、その内側に幅２．６ｍｍの周回が１周形成されている。十字形状の周回が５重に形成されたうずまき状の導体線路となっている。このアンテナに基いて実施例１と同様のシミュレーションを行った。

図１０は実施例２のアンテナのシミュレーションによるリターンロス特性を示すグラフである。このグラフでは１．５８ＧＨｚと１．７４ＧＨｚにおいて曲線が低下している。さらにそれ以外の周波数にも数値の低い部分があり、このアンテナが２以上の周波数において送受信可能であることがわかる。

図１１は周波数１．５８ＧＨｚにおけるアンテナの円偏波特性を示すグラフである。φ=0°面とφ=90°面の放射特性を示す。この図より、右旋成分と左旋成分の差が十分以上取れており、円偏波特性が得られていることが分かる。

図１２は周波数１．７４ＧＨｚにおけるアンテナの直線偏波特性を示すグラフである。それぞれφ=0°面とφ=90°面の放射特性を示す。主偏波と交差偏波の差が大きく得られており、周波数１．７４ＧＨｚにおいては直線偏波特性が得られていることが分かる。

図１３は導体線路上の電流分布を示す。第１の周波数（１．５８ＧＨｚ）と第２の周波数（１．７４ＧＨｚ）では、電流分布が異なることがわかる。第１の周波数では、導体線路全体に電流が分布している。一方、第２の周波数では、内側のみに電流分布が見られる。

十字の形状を形成する周回路のうち第１の方向（ｘ軸方法）に沿った部分に流れる電流、第１の方向に垂直な第２の方向（ｙ軸方向）に沿った部分に流れる電流が、第１の周波数では実質的にπ／２の位相差を有する。したがって、円偏波特性を有する。一方、第２の周波数では実施的に同位相であり、直線偏波特性を有する。

この発明の第３の実施例について説明する。厚さ０．５ｍｍの薄いフィルムを基板としたときの例である。この基板の特性は、比誘電率４．３、誘電正接０．０１８である。この基板に図１に示すような線路を形成した。

導体線路３の寸法は図１に示す実施例１と同じでもよいが、この場合は、動作周波数が約１．０６倍高くなる。そこで、実施例３では、Ｌ１およびＬ２, Ｌ４, Ｌ５の寸法を、約１．０６倍大きくする事で、同等のアンテナを構成した。その寸法は以下の通りである。Ｌ０＝１７．５ｍｍ, Ｌ１＝４１ｍｍ, Ｌ２＝２６ｍｍ, Ｌ３＝１０ｍｍ, Ｌ４＝１１．７５ｍｍ, Ｌ５＝１１．２５ｍｍ, ｗ＝１ｍｍ, ｄ１＝０．５ｍｍである。このアンテナに基いてリターンロス特性のシミュレーションを行った。

図１４は実施例３のアンテナのシミュレーションによるリターンロス特性を示すグラフである。実施例１の特性も点線で合わせて示している。実施例１と実施例３のデータはほぼ一致しており、ほぼ同じリターンロス特性を有することがわかる。

この発明の第４の実施例について説明する。図１５はこの実施例のアンテナを示す斜視図である。実施例３と同様にフィルム上にアンテナを形成し、丸く湾曲させた例である。すなわち、実施例３と同じく厚さ０．５ｍｍのフィルム上に、実施例３と同じ寸法で導体線路を配置してアンテナを形成し、そのアンテナを曲率半径２０ｍｍで丸めたものである。

図１６は実施例４のアンテナのシミュレーションによるリターンロス特性を示すグラフである。実施例３の特性も点線で合わせて示している。第１周波数および第２周波数において、実施例４のアンテナは実施例３のアンテナとほぼ同じリターンロス特性を有することがわかる。この実施例のアンテナは薄いフィルム上に形成することによって、柔軟に変形させることができ、しかも、変形しても通信能力を減じない。

１．アンテナ
２．基板
３．導体線路
４．給電点
５．ギャップ

Claims (5)

1. 十字の形状を形成する周回をうずまき状に複数回有する第１のアンテナ部と、第１のアンテナ部に対し切断部を介して隣接される第２のアンテナ部と、中心部に設けられた給電部を有し、第１の周波数では切断部において電磁的な結合を生じ、第１の周波数と異なる第２の周波数では電磁的な結合を生じないものであるアンテナ。
2. 第２のアンテナ部は十字の形状を形成する周回をうずまき状に複数回有し、第２のアンテナ部は第１のアンテナ部の外周に設けられ、切断部は第１のアンテナ部の外側端部と第２のアンテナ部の内側端部の間のギャップであり、第１のアンテナ部のうずまき状の周回路の中心部に設けられた給電部を有し、ギャップの間隔は第１の周波数では電磁的な結合を生じ、第１の周波数より高い第２の周波数では電磁的な結合を生じないものである請求項１に記載のアンテナ。
3. 十字の形状を形成する周回路のうち第１の方向に沿った部分に流れる電流と、第１の方向に垂直な第２の方向に沿った部分に流れる電流が、第１の周波数では実質的に同位相であり、第２の周波数では実質的にπ／２の位相差を有するようになした請求項２に記載のアンテナ。
4. 第２のアンテナ部は第１のアンテナ部の内側に設けられたダイポールアンテナであり、切断部において第１の周波数では電磁的な結合を生じ、切断部において第１の周波数より高い第２の周波数では電磁的な結合を生じないものである請求項１に記載のアンテナ。
5. 第２のアンテナ部は第１のアンテナ部の外側に設けられたループアンテナであり、切断部において第１の周波数では電磁的な結合を生じ、切断部において第１の周波数より高い第２の周波数では電磁的な結合を生じないものである請求項１に記載のアンテナ。

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