JP6225644B2 - アンテナ、通信装置および電子機器 - Google Patents
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上述したように電極の周回長は、1λより小さく、かつ、ダイポールアンテナの指向性とループアンテナの指向性との角度の違いが90度にならない長さであればよいが、円偏波の軸比の悪化や、直線偏波等の必要としない成分の割合が増えてしまうこと等を考慮すると、3/4λ以下にすることが望ましい。
この構成によれば、簡素な構成で、電極に流れる電流の向きが電極の周回方向となるように給電を行うことができる。
この構成によれば、第1開口部と第2開口部によって、電極に流れる電流の向きが電極の周回方向に規定される。従って、上述したように2つの給電点の、電極の軸線方向における位置を同じにする必要がない。また、第1開口部と第2開口部を設ける必要があるものの、これらを設けずに電流の向きが電極の周回方向となるように給電を行う場合に比べ、2つの給電点間の距離を小さくすることができるから、より小さなスペースで給電を行うことが可能になる。
この構成によれば、誘電体基体を用いているので波長短縮効果によりアンテナの更なる小型化を図ることができる。
発明者が鋭意検討した結果、帯状の間隙部において電極の幅方向の一方の端と他方の端の、電極の周回方向における距離が大きい程、円偏波の軸比の値が1に近づくことがわかった。従って、帯状の間隙部の両端が異なる面に位置する場合、同じ面に位置する場合に比べ、電極の周回方向における距離を大きくとることができるから、送信または受信する円偏波について良好な軸比を得ることができる。
<A.第1実施形態>
図1は、本実施形態に係るアンテナ1の外観を示す斜視図である。
なお、図中、X軸は誘電体基体10の上面10Aに対して平行な方向に延びる軸であり、Z軸は上面10Aに対して垂直な方向に延びる軸であり、Y軸はX軸およびZ軸に対して垂直な方向に延びる軸である。アンテナ1は、直方体状の誘電体基体10と、誘電体基体10の表面に設けられた電極20とを備える。誘電体基体10は、プラスチックやセラミック等の誘電体材料で形成されている。例えば、誘電体基体10の主材料はBaO-TiO2であり、誘電体基体10の誘電率は93である。また、誘電体基体10のサイズは、例えば9.0mm(X軸方向)×9.0mm(Y軸方向)×4.4mm(Z軸方向)である。電極20は、CuやAg等の導体で形成されている。電極20は、例えば、メッキやスクリーン印刷等によって誘電体基体10の表面に形成される。なお、CuやAg以外にも、導電率が1.67×10−6Ω/cmより小さい金属を電極20の材料とすることができる。また、電極20は、誘電体基体10に対して接着剤等なしで隙間なく密着させることが望ましい。
誘電体基体10の表面は、上面10Aと、下面10Bと、4つの側面10C〜10Fとで構成されている。上面10Aと下面10B、側面10Cと側面10D、側面10Eと側面10Fは、各々対向している。電極20は、誘電体基体10の表面のうち、側面10D、上面10A、側面10Cおよび下面10Bの4面にわたって形成されており、側面10Eと側面10Fには電極20が形成されていない。また、電極20のうち下面10Bに形成された正方形状の部分には、Hの字の形をした給電用の開口部30と、2つの給電点FD1,FD2が設けられている。給電点FD1,FD2は、電極20に対する給電位置であり、図示を省略した給電線を介してグランド電位と高周波電位が給電される。これにより電極20に電流(高周波電流)が流れる。また、詳細については後述するが、給電用の開口部30は、電極20に流れる電流の向きを規定する。
電極20は、誘電体基体10の表面のうち4つの面(側面10D、上面10A、側面10Cおよび下面10B)に形成されている。また、電極20が形成された4つの面には、給電用の開口部30の他にスリット40が設けられている。スリット40は、例えば、2.0mmの幅を有する帯状の間隙部であり、電極20を図中左側の端から右側の端にかけて分断している。また、スリット40は、側面10D、上面10Aおよび側面10Cの3面にわたって形成されており、側面10D内の1箇所と、側面10C内の1箇所で直角に折れ曲がっている。前述したように誘電体基体10のX軸方向のサイズは9.0mmであるから、電極20が形成された4つの面は、9.0mmの幅を有する矩形状の環(閉環状)を形成している。この環の一部がスリット40によって分断されているので、電極20は、9.0mmの幅を有する開環状になる。また、電極20は、スリット40を挟んで対向する第1の端部E1と第2の端部E2とを有する。
なお、図4は、アンテナ1をスロットアンテナと捉え、スロット(スリット40)を、X軸に直交するループ成分と、Y軸に直交する直線成分とに分解して考えてみたときの図である。これに対し、図5は、アンテナ1を、導体を巻き線状にしたアンテナと捉え、巻き線(電極20)を、軸線ALの周りを周回するループ成分と、軸線ALの方向に延在する直線成分とに分解して考えてみたときの図である。また、図6は、アンテナ1の指向性(右旋円偏波)と、微小ループアンテナの指向性(直線偏波)と、微小ダイポールアンテナの指向性(直線偏波)とを立体的に示す図である。図4および図5は、同じアンテナ1を磁流アンテナとして捉えるか、電流アンテナとして捉えるかという双対の関係にあるが、以下、図5および図6を参照してアンテナ1の動作原理を説明する。
図8に示すように本実施形態に係るアンテナ1の指向性(ZX断面)は、全方位にわたって右旋円偏波の方が左旋円偏波より優勢である。これに対し、図9に示すように円偏波パッチアンテナの場合は、図中上半分の範囲では右旋円偏波の方が優勢であるが、図中下半分の範囲では左旋円偏波の方が優勢である。このように本実施形態に係るアンテナ1は、全方位にわたって右旋円偏波が優勢であるから、円偏波パッチアンテナに比べ、所望の円偏波の指向性が広い。また、全方位にわたって所望の円偏波が優勢であることから、マルチパスの発生を防ぐこともできる。
試作したアンテナ1の指向性は、例えば、給電線やアンテナ1に接続された通信回路等の影響により、電磁界シミュレータによって得られた指向性(図8)のように全方位にわたって右旋円偏波が優勢とはならない。しかしながら、図10〜図12から明らかとなるように、[1]XY断面の指向性(図10)における−150度付近から−180度付近までの範囲と、[2]ZX断面の指向性(図12)における100度付近から160度付近までの範囲以外の部分では、右旋円偏波の方が左旋円偏波より優勢である。従って、円偏波パッチアンテナに比べ、所望の円偏波の指向性が広いことがわかる。
次に、第2実施形態について説明する。なお、第1実施形態に係るアンテナ1と共通する部分には同一の符号を付し、説明を適宜省略している。
本実施形態に係るアンテナ2が第1実施形態に係るアンテナ1と相違するのは、スリット41の形成面や、スリット41の幅である。より具体的に説明すると、第1実施形態では、スリット40が側面10D、上面10Aおよび側面10Cの3面にわたって形成されていたのに対し、本実施形態では、スリット41が上面10Aのみに形成されている。また、図7と図15を比較するとわかるように、スリットの幅は第2実施形態の方がやや狭くなっている。また、スリット41の形成面や幅が異なるので、電極21の形状も第1実施形態とは異なる。なお、誘電体基体10のサイズ、給電用の開口部30、2つの給電点FD1,FD2の位置等は、第1実施形態と同じである。従って、アンテナ2は、9.0mmの幅を有する開環状の電極21を備えており、電極21は、スリット41を挟んで対向する第1の端部E3と第2の端部E4とを有する。
次に、第3実施形態について説明する。なお、本実施形態においても、第1実施形態に係るアンテナ1と共通する部分には同一の符号を付し、説明を適宜省略している。
本実施形態に係るアンテナ3が第1実施形態に係るアンテナ1と相違するのは、スリット42の形状や幅である。より具体的に説明すると、第1実施形態では、図7に示したようにスリット40が途中2箇所で直角に折れ曲がっていたのに対し、本実施形態では、図18に示すようにスリット43が直線状である。また、図7と図18を比較するとわかるように、スリットの幅は第3実施形態の方がやや狭くなっている。また、電極22の形状も第1実施形態とは異なる。なお、誘電体基体10のサイズ、給電用の開口部30、2つの給電点FD1,FD2の位置等は、第1実施形態と同じである。従って、アンテナ3は、9.0mmの幅を有する開環状の電極22を備えており、電極22は、スリット42を挟んで対向する第1の端部E5と第2の端部E6とを有する。
上述した各実施形態に係るアンテナを用いて所望の周波数の円偏波を送信または受信するためにはアンテナの寸法調整を行う必要がある。寸法調整を行う場合、目的の周波数に応じてアンテナの各部の寸法を定数倍すればよい。例えば、第1実施形態に係るアンテナ1(共振周波数:1617MHz)をGPSのL1信号を受信するGPSアンテナとして使用する場合、L1信号の送信周波数は1575.42MHzであるから、理論的にはアンテナ1の各部の寸法を1617/1575.42倍してやればよい。なお、種々の要因によって、実際には理論通りにはいかないため、理論値に対してさらなる寸法調整が必要である。
本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下の変形が可能である。また、以下に示す2以上の変形を適宜組み合わせることもできる。
本発明に係るアンテナは、左旋円偏波用のアンテナであってもよい。第1実施形態でも説明したように、図7においてスリット40の終点EP1が始点SP1よりも図中下側にある場合は右旋円偏波が放射されるが、逆に、終点EP1が始点SP1よりも図中上側にくるようにスリット40を設ければ、左旋円偏波が放射されることになる。従って、例えば、図19に示すようにスリット43を設けた場合、このアンテナ4は左旋円偏波用のアンテナになる。
第1実施形態でも述べたように、電極20の表面に給電用の開口部30を設けずに給電を行ってもよい。この場合、例えば図20に示すように、電極24の周回方向と一致する線L5上に2つの給電点FD3,FD4を配置し、グランド電位と高周波電位を給電すればよい。なお、2つの給電点FD3,FD4が電極24の周回方向と一致する線L5上に位置するということは、2つの給電点FD3,FD4の軸線ALの方向における位置が同じであることを意味する。また、図20において2つの給電点FD3,FD4の軸線ALの方向における位置が同じであるということは、例えば、給電点FD3の座標値を(X3,Y3,Z3)とし、給電点FD4の座標値を(X4,Y4,Z4)としたとき、X3とX4の値が同じになることである。
上述した各実施形態では電極のX軸方向の幅が一定であったが、例えば、図21に示すように電極25のX軸方向の幅を場所によって異ならせてもよい。同図において電極25は、誘電体基体10の表面のうち、側面10D、上面10A、側面10Cおよび下面10Bの4面にわたって形成されているが、このうち、側面10C、下面10Bおよび側面10Dの3面にわたって形成されている部分のX軸方向の幅が、上面10Aに形成されている部分のX軸方向の幅よりも狭くなっている。このように開環状の電極の幅(所定の幅)は、一定である態様の他に不一定である態様を含む。
例えば図22に示すように、スリット44は3箇所以上で折れ曲がっていてもよい。なお、同図に示すアンテナ7の場合、スリット44は計6箇所で直角に折れ曲がっているが、屈折角は直角に限らない。また、上述した各実施形態ではスリットの幅が一定であったが、スリットの幅を場所によって異ならせてもよい。また、スリットは曲線状であってもよい。
図23は、本変形例に係るアンテナ8の構造を示す斜視図である。また、図24は、Y軸方向から見たときのアンテナ8の平面図である。
図23に示すように、本変形例に係るアンテナ8は、誘電体基体11の表面を構成する6つの面のうち、電極27が設けられていない側面11Eと側面11FがX軸方向に傾斜している。従って、図24に示すように、電極27の表面のうち側面11Cの部分に流れる電流Iの向きは、図中矢印で示すように斜めになる。前述したように、スリット45の始点SP4と終点EP4を結ぶ直線L6が、電極27に流れる電流Iの向き(=電極27の周回方向)と直交しない限り、円偏波を送信または受信することが可能である。従って、本変形例に係るアンテナ8の場合、図24に示すように直線状のスリット45を側面11Cにおいて水平(X軸と平行)に設けても、円偏波を送信または受信することが可能である。
図25は、本変形例に係るアンテナ9の構造を示す斜視図である。
電極28は、誘電体基体10の表面のうち、側面10D、上面10A、側面10Cおよび下面10Bの4面にわたって形成されている。また、電極28は、間隙部46を挟んで対向する第1の端部E7と第2の端部E8とを有する。間隙部46は、誘電体基体10の表面のうち上面10Aのみに設けられている。また、間隙部46は、X軸方向に延在しているが、その幅は、側面10E側と側面10F側とで異なる。電極28に流れる電流Iの向きは、図中矢印で示す通りであり、この方向は電極28の周回方向でもある。
誘電体基体の形状は直方体状に限定されない。例えば、図26に示すように円柱状の誘電体基体12を備える構成であってもよい。同図に示すアンテナ100は、誘電体基体12の表面のうち、図中左右に位置する2つの側面(円形)を除いた周回面に電極29とスリット47が設けられている。また、電極29の表面のうち図中奥側の部分に、給電用の開口部31と、2つの給電点FD5,FD6が設けられている。このように誘電体基体の形状は直方体状に限定されず、円柱状や多角柱状等であってもよい。
上述した各実施形態では誘電体基体を用いたが、例えば、図27に示すアンテナ101のように誘電体基体はなくてもよい。同図に示すアンテナ101は、所定の幅Wを有する開環状の電極200を備え、電極200は、スリット400を挟んで向かい合う第1の端部E11と第2の端部E12とを有する。電極200の周回長は、電極200の一部(ループ成分)が微小ループアンテナとして機能する長さを有し、電極200の幅Wは、電極200の一部(直線成分)が微小ダイポールアンテナとして機能する長さを有する。また、第1の端部E11と第2の端部E12の一方以上において、電極200の幅W方向の一方の端点EL11,EL12と他方の端点ER11,ER12は、電極200の周回方向における位置が異なる。なお、誘電体基体がない場合は、誘電体基体による波長短縮効果が得られないため、その分だけアンテナ101(電極200)のサイズが大きくなるが、誘電体基体がなくても円偏波の送信や受信を行うことは可能である。また、誘電体基体がない場合は、板状の金属(導体)を折り曲げる等して電極200を形成すればよい。また、例えば、第1実施形態に係るアンテナ1において誘電体基体10がない場合の態様は、図28に示す通りである。
上述した各実施形態や各変形例に係るアンテナにおいて、微小ループアンテナの指向性と微小ダイポールアンテナの指向性は、向きと形状と大きさをできるだけ同じにすることが望ましいが、必ずしもこれらを完全に同じにする必要はない。両者の指向性について向きや形状や大きさの違いが大きくなると、例えば、円偏波の軸比の値が悪化したり、直線偏波等の必要としない成分の増大を招くので、アンテナの送信性能や受信性能が低下するが、両者の指向性を同じにしなくても円偏波の送信や受信を行うことは可能である。
上述した各実施形態では、便宜上、Z軸方向にある面を上面10A、その反対方向にある面を下面10B、残りの面を側面10C〜10Fとしたが、例えば、図1においてY軸方向やX軸方向にある面を上面としてもよい。つまり、Y軸方向やX軸方向が上側であってもよい。このように上面10A、下面10B、側面10C〜10Fは、各々の絶対的な位置関係を規定するものではない。
Claims (11)
- 円偏波を送信または受信するためのアンテナであって、
間隙部を挟んで向かい合う第1の端部と第2の端部とを有する開環状の電極を備え、
前記電極の幅は、前記電極の一部がダイポールアンテナとして機能する長さを有し、
前記電極の周回長は、送信または受信する電波の波長より小さく、かつ、前記電極の一部がループアンテナとして機能するにあたり、前記ダイポールアンテナの指向性と前記ループアンテナの指向性との角度の違いが90度にならない長さを有し、
前記第1の端部と前記第2の端部の一方以上において、前記電極の幅方向の一方の端と他方の端は、前記電極の周回方向における位置が異なる、
ことを特徴とするアンテナ。 - 円偏波を送信または受信するためのアンテナであって、
帯状の間隙部を挟んで向かい合う2つの端部を有する開環状の電極を備え、
前記電極の幅は、前記電極の一部がダイポールアンテナとして機能する長さを有し、
前記電極の周回長は、送信または受信する電波の波長より小さく、かつ、前記電極の一部がループアンテナとして機能するにあたり、前記ダイポールアンテナの指向性と前記ループアンテナの指向性との角度の違いが90度にならない長さを有し、
前記帯状の間隙部において前記電極の幅方向の一方の端と他方の端は、前記電極の周回方向における位置が異なる、
ことを特徴とするアンテナ。 - 前記電極の周回長は、送信または受信する電波の波長の3/4以下である、
ことを特徴とする請求項1または2に記載のアンテナ。 - 前記電極の周回長は、前記電極の一部が微小ループアンテナとして機能する長さを有する、
ことを特徴とする請求項1または2に記載のアンテナ。 - 前記電極の周回長は、送信または受信する電波の波長の1/5以下である、
ことを特徴とする請求項4に記載のアンテナ。 - 前記電極には2つの給電点が設けられ、
前記2つの給電点は、前記開環状の電極の中心軸が延在する方向における位置が同じである、
ことを特徴とする請求項1乃至5のうちいずれか1項に記載のアンテナ。 - 前記電極には、
2つの給電点と、
前記2つの給電点の間を前記開環状の電極の中心軸が延在する方向に分断する第1開口部と、
前記第1開口部に接続され、かつ、前記電極の周回方向に延在し、前記2つの給電点を挟んで向かい合う2つの第2開口部と、が設けられている、
ことを特徴とする請求項1乃至5のうちいずれか1項に記載のアンテナ。 - 柱状の誘電体基体をさらに備え、
前記電極は、前記誘電体基体の表面に設けられている、
ことを特徴とする請求項1乃至7のうちいずれか1項に記載のアンテナ。 - 前記電極は、複数の面を有し、
前記帯状の間隙部において前記電極の幅方向の一方の端と他方の端は、前記複数の面のうち異なる面に位置する、
ことを特徴とする請求項2に記載のアンテナ。 - 請求項1乃至9のうちいずれか1項に記載のアンテナを備えることを特徴とする通信装置。
- 請求項1乃至9のうちいずれか1項に記載のアンテナを備えることを特徴とする電子機器。
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