JP6551067B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、差動ケーブルをアンテナに直接接続するように構成したアンテナ装置に関する。

高速シリアル伝送に用いられる差動（平衡）ケーブルとしては、その特性インピーダンスが１００Ωのものがよく用いられている。この差動ケーブルをアンテナに直接接続する場合、回路整合の問題が発生する。差動（平衡）のアンテナの代表的なものとしてはダイポールアンテナがあるが、そのインピーダンスは約７３Ωであり、差動ケーブル（インピーダンス１００Ω）と接続すると、不整合が生じる。特許文献１には、差動ケーブルとダイポールアンテナを接続し、整合は板状金属導体との距離によって調整する構成が記載されている。しかし、この構成の場合、ダイポール素子及び板状金属導体の固定方法が明確に開示されていないため、安定した性能を得ることは難しいと考えられる。

また、近年よく用いられるパッチアンテナは、同軸ケーブルのような不平衡ケーブルで給電する構成に適している。差動ケーブルをパッチアンテナに接続する構成は、ほとんど使用されていない。差動ケーブルの２本の導体をパッチアンテナの給電点に単純に接続すると、パッチアンテナの給電点の間隔が広いため、給電点との接続部分において差動ケーブルの２本の導体の間隔が広くなるため、不整合が大きくなってしまうという問題が発生する。

特開２０１１−３５８２０号公報

本発明の目的は、差動ケーブルをパッチアンテナに接続する構成としながら、不整合を防止することができるアンテナ装置を提供することにある。

請求項１の発明のアンテナ装置は、誘電体からなる基板と、前記基板の一方の面に設けられた導体箔からなるアンテナ素子と、前記基板の他方の面全体に設けられた導体箔からなるグランドパターンと、前記基板の他方の面の前記グランドパターンの中央部に前記アンテナ素子の２個の給電点が内側に位置するように形成された横長の開口部と、前記開口部内において、一端部が前記開口部の中心、即ち、前記アンテナ素子の中心で設定間隔おいて離間され、他端部が前記開口部内で反中心方向へ延びるように設けらた２個の給電パターンと、前記アンテナ素子の２個の給電点と前記２個の給電パターンの他端部とを接続するスルーホールと、前記２個の給電パターンの一端部にそれぞれ接続された２本の導体を有する差動ケーブルとを備え、前記２個の給電パターンは、前記アンテナ素子をグランドとするマイクロストリップ線路を構成し、前記２個の給電パターンの一端部の対向する間隔を、前記差動ケーブルの２本の導体の間隔と同じ間隔になるように構成した。

請求項６の発明のアンテナ装置は、誘電体からなる基板と、前記基板の一方の面に設けられた導体箔からなるアンテナ素子と、前記基板の内部に内層として全体に設けられたグランドパターンと、前記基板の他方の面において、一端部が他方の面の中心、即ち、前記アンテナ素子の中心で設定間隔おいて離間され、他端部が他方の面内で反中心方向へ延びるように設けらた２個の給電パターンと、前記アンテナ素子の２個の給電点と前記２個の給電パターンの他端部とを接続するスルーホールと、前記２個の給電パターンの一端部にそれぞれ接続された２本の導体を有する差動ケーブルとを備え、前記２個の給電パターンは、前記グランドパターンをグランドとするマイクロストリップ線路を構成し、前記２個の給電パターンの一端部の対向する間隔を、前記差動ケーブルの２本の導体の間隔と同じ間隔になるように構成した。

本発明の第１実施形態を示すアンテナ装置の縦断面図 アンテナ装置の上面図 アンテナ装置の下面図 給電パターン部分を拡大した下面図 リターンロス特性のシミュレーション結果を示す図 放射特性のシミュレーション結果を示す図 本発明の第２実施形態を示す給電パターン部分を拡大した下面図 本発明の第３実施形態を示すアンテナ装置の上面図 発明の第４実施形態を示すものであり、給電パターン部分及び差動ケーブルを説明する図 発明の第５実施形態を示すアンテナ装置の縦断面図

以下、本発明の第１実施形態について、図１ないし図６を参照して説明する。本実施形態のアンテナ装置１は、例えば１４５０ＭＨｚ程度の電波を送信または受信するのに好適なアンテナ装置である。このアンテナ装置１は、図１に示すように、例えばパッチアンテナからなるアンテナ本体２と、例えばツイストペア線からなるインピーダンスが例えば１００Ωの差動ケーブル（差動線路）３とを備えている。

アンテナ本体２は、誘電体からなる基板４と、基板４の一方の面（上面）のほぼ中央部分に形成された例えば正方形のアンテナ素子５（図２参照）と、基板４の他方の面（下面）のほぼ全面に形成されたグランドパターン６（図３参照）とを備えている。基板４は、例えばガラスエポキシ基板で構成されており、比誘電率が例えば４.０、板厚寸法が例えば１.６ｍｍである。アンテナ素子５及びグランドパターン６は、導体パターン例えば銅箔で形成されている。

図２に示すように、アンテナ素子５は、一辺の長さ寸法ａが例えば５１.２５ｍｍの正方形であり、その図２中の上下方向を２等分する直線Ａ１上に２個の給電点７及び８が設けられている。給電点７及び８の間隔Ｄは、例えば２４ｍｍである。給電点７の位置は、直線Ａ上におけるアンテナ素子５の正方形の中心Ｃ１と正方形の左端部との間のほぼ中間点に位置している。給電点８の位置は、直線Ａ上における正方形の中心Ｃ１と正方形の右端部との間のほぼ中間点に位置している。

また、図３に示すように、グランドパターン６のほぼ中央部には、横長の長方形の開口部９が形成されている。図４にも示すように、開口部９の左右方向の長さ寸法ｂ１は例えば２６．５ｍｍであり、開口部９の上下方向の長さ寸法ｂ２は例えば２．５ｍｍである。開口部９の内部には、図４に示すように、２本の給電パターン１０、１１が形成されている。給電パターン１０、１１は、前記直線Ａ１を通り前記基板４に直交する平面が基板４の下面と交わる直線Ａ２に沿うように配置されており、設定された間隔ｄ１だけ離間している。直線Ａ２上における上記間隔ｄ１を２等分する位置Ｃ２が、アンテナ素子５の正方形の中心Ｃ１に対応しており、中心Ｃ１を通り基板４に直交する直線が上記位置Ｃ２を通る。

給電パターン１０、１１の長さ寸法は、それぞれ例えば１２ｍｍである。給電パターン１０、１１は、それぞれ例えば銅箔で形成されており、インピーダンスが例えば５０Ωのマイクロストリップ線路を構成している。

図１にも示すように、給電パターン１０の左端部とアンテナ素子５の給電点７とを接続するスルーホール１２が、基板４を貫通するように形成されている。そして、給電パターン１１の右端部とアンテナ素子５の給電点８とを接続するスルーホール１３が、基板４を貫通するように形成されている。給電パターン１０、１１の間隔の寸法は、例えば１．５ｍｍである。給電パターン１０、１１の幅方向（図４中の上限方向）の寸法は、開口部９の上下方向の長さ寸法（例えば２．５ｍｍ）のほぼ１／３程度であれば良く、もっと細くても良い。

給電パターン１０、１１の対向する端部、即ち、給電パターン１０の右端部及び給電パターン１１の左端部が、接続点１４及び１５となっている。そして、図１に示すように、接続点１４及び１５に、差動ケーブル３の２本の導体１６及び１７の先端部が例えば半田付け等により接続されている。この構成の場合、給電パターン１０及び１１の接続点１４及び１５の間隔寸法ｄ１が例えば１．５ｍｍであり、差動ケーブル３の導体１６及び１７の先端部の間隔寸法とほぼ同じ寸法になるように構成されているので、給電パターン１０及び１１の接続点１４及び１５部分のインピーダンスが１００Ωとなる。このため、給電パターン１０及び１１の接続点１４及び１５に、差動ケーブル３の導体１６及び１７の先端部を接続したときに、接続部分でインピーダンスの不整合が生じない構成となっている。

尚、グランドパターン６において、開口部９内の銅箔が除去された部分から基板４の裏面方向（図１中下方向）に電磁波が放射される。この場合、アンテナ素子５はパッチアンテナであり、パッチアンテナの電流は図２において紙面の水平方向に流れているため、裏面方向の電磁波の放射量は、表面方向（図１中上方向）の電磁波の放射量よりも少なくなる。

次に、上記した構成のアンテナ装置１のリターンロス特性のシミュレーション結果を、図５に示す。図５の横軸は周波数（ＭＨｚ）、縦軸はリターンロスの大きさ（ｄＢ）を示す。この図５から、周波数が１４５０ＭＨｚ程度において、リターンロスが非常に小さくなっていることから、インピーダンス整合していることがわかる。

また、上記した構成のアンテナ装置１の放射特性のシミュレーション結果を、図６に示す。図６においては、周波数を例えば１．４４５ＧＨｚとし、横軸Ｂよりも上の領域は基板４の表面方向（即ち、前方、図１中上方向）を示し、横軸Ｂよりも下の領域は基板４の裏面方向（即ち、後方、図１中下方向）を示す。この図６から、アンテナ装置１の前方正面への放射のアンテナゲインの値は、３．８５ｄＢｉとなった。アンテナ装置１の後方正面への放射のアンテナゲインの値は、−９．３５ｄＢｉとなり、通常のパッチアンテナと違って若干後方に放射する特性となっている。

尚、差動ケーブル３をパッチアンテナ（アンテナ素子５）に接続する構成の場合、パッチアンテナ（アンテナ素子５）の中心Ｃが仮想グランドになるため、アンテナ装置１のグランドパターン６をグランドに接続しなくても、アンテナ素子５はアンテナとして動作する。

上記した構成の本実施形態においては、誘電体からなる基板４の一方の面にアンテナ素子５を設け、基板４の他方の面にグランドパターン６を設け、基板４の他方の面にグランドパターン６と絶縁されるようにアンテナ素子５の２個の給電点７，８にそれぞれ接続された２個の給電パターン１０，１１を設けた。そして、２個の給電パターン１０、１１の接続点１４、１５にそれぞれ接続された２本の導体１６、１７を有する差動線路３を備え、２個の給電パターン１０、１１の接続点１４、１５の間隔ｄ１を、２本の導体１６、１７の間隔と同じ程度になるように構成した。この構成によれば、差動線路３（即ち、差動ケーブル）をアンテナ素子５（即ち、パッチアンテナ）に直接接続する構成としながら、接続部分でインピーダンスの不整合が生じない構成となり、不整合を防止することができる。

図７は、本発明の第２実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。この第２実施形態では、図７に示すように、グランドパターン６上において、前記位置Ｃ２を通り、且つ、前記直線Ａ２に直交する直線Ｂ１上に位置し、更に、位置Ｃ２を中心として対称となる位置に、２個のスルーホール１８、１９を設けた。そして、これらスルーホール１８、１９によってアンテナ素子５とグランドパターン６を接続するように構成した。尚、上述した以外の第２実施形態の構成は、第１実施形態の構成と同じ構成となっている。

本実施形態のアンテナ装置１においては、アンテナ素子５は正方形のパッチアンテナであり、正方形のパッチアンテナは図２に示す紙面の横方向に電流が流れ、正方形の中心Ｃ１ではパッチアンテナ（即ち、アンテナ素子５）と地板（即ち、グランドパターン６）の間の電圧は零になる。このため、図７に示すように、中心Ｃ１（即ち、位置Ｃ２）付近の例えば２か所の位置でスルーホール１８、１９によりアンテナ素子５をグランドパターン６に接地するように構成することが可能である。そして、このような接地構造を採用すると、信号線を直流的に接地する構成となるため、静電気に対する耐性を向上させることができる。

尚、上記第２実施形態では、２個のスルーホール１８、１９によりアンテナ素子５をグランドパターン６に接地するように構成したが、これに限られるものではなく、２個のスルーホール１８、１９のうちのいづれか１個のスルーホール１８、１９によりアンテナ素子５をグランドパターン６に接地するように構成しても良い。また、直線Ｂ上に３個以上のスルーホールを設けるように構成しても良いし、直線Ｂ上に偶数個のスルーホールを位置Ｃ２に対して対称に設けるように構成しても良い。

図８は、本発明の第３実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。この第８実施形態では、図８に示すように、アンテナ素子２０の形状を円形とした。そして、円形のアンテナ素子２０の外径寸法ｅを例えば６０ｍｍとした。また、グランドパターン６側の構成は、第１実施形態と同じ構成（図３及び図４参照）とした。尚、上述した以外の第３実施形態の構成は、第１実施形態の構成と同じ構成となっている。従って、第３実施形態においても、第１実施形態とほぼ同じ作用の構成は、第１実施形態と同じ構成（図３及び図４参照）とした。尚、上述した以外の第３実施形態の構成は、第１実施形態の構成と同じ構成となっている。上記第３実施形態によれば、図５に示すリターンロス特性及び図６に示す放射特性とほぼ同じ特性を得ることができることから、第３実施形態においても、第１実施形態とほぼ同じ作用効果を得ることができる。

図９は、本発明の第４実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。この第４実施形態では、図９に示すように、差動ケーブル２１として、導体１６、１７をシールド２２で覆うように構成された差動ケーブルを用いた。この構成の場合、シールド２２は、グランドパターン６に接続されている。

尚、上述した以外の第４実施形態の構成は、第１実施形態の構成と同じ構成となっている。従って、第４実施形態においても、第１実施形態とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第４実施形態によれば、差動ケーブル２１として、シールド２２付きの差動ケーブルを用いる構成としたので、耐ノイズ特性を向上させることができる。

図１０は、本発明の第５実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。第１実施形態では、アンテナ装置１の基板４の両面に導体層を設ける構成（２層構造）としたが、第５実施形態では、基板２４に３層の導体層を設ける構成（３層構造）とし、グランドパターン６と給電パターン１０、１１を異なる導体層に設けるように構成した。

具体的には、図１０に示すように、基板２４の表面にアンテナ素子５を形成し、基板２４の内部に内部導体層としてグランドパターン２６を設け、基板２４の裏面に給電パターン１０、１１を形成した。そして、給電パターン１０の左端部とアンテナ素子５の給電点７とを接続するスルーホール２７、並びに、給電パターン１１の右端部とアンテナ素子５の給電点８とを接続するスルーホール２８が、基板２４を貫通するように形成されている。グランドパターン２６には、スルーホール２７、２８と接続しないようにするための孔部２６ａ、２６ｂが形成されている。アンテナ素子５の形状及び大きさ、並びに、給電パターン１０、１１の形状、大きさ及び配設位置等は、第１実施形態と同じである。

尚、上述した以外の第５実施形態の構成は、第１実施形態の構成と同じ構成となっている。従って、第５実施形態においても、第１実施形態とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第５実施形態では、グランドパターン２６には、スルーホール２７、２８を避ける孔部２６ａ、６７ｂが形成されるだけであるから、基板２４の裏面方向（図１０中下方向）への電磁波の放射をより一層低減することができる。

図面中、１はアンテナ装置、２はアンテナ本体、３は差動ケーブル、４は基板、５はアンテナ素子、６はグランドパターン、７、８は給電点、１０、１１は給電パターン、１２、１３はスルーホール、１４、１５は接続点、１６、１７は導体、２０はアンテナ素子、２１は差動ケーブル、２４は基板、２６はグランドパターン、２７、２８はスルーホールである。

Claims (6)

1. 誘電体からなる基板（４）と、
   前記基板の一方の面に設けられた導体箔からなるアンテナ素子（５）と、
   前記基板の他方の面全体に設けられた導体箔からなるグランドパターン（６）と、
   前記基板の他方の面の前記グランドパターンの中央部に前記アンテナ素子の２個の給電点（７、８）が内側に位置するように形成された横長の開口部（９）と、
   前記開口部内において、一端部が前記開口部の中心、即ち、前記アンテナ素子の中心で設定間隔おいて離間され、他端部が前記開口部内で反中心方向へ延びるように設けらた２個の給電パターン（１０、１１）と、
   前記アンテナ素子の２個の給電点と前記２個の給電パターンの他端部とを接続するスルーホール（１２、１３）と、
   前記２個の給電パターンの一端部にそれぞれ接続された２本の導体（１６、１７）を有する差動ケーブル（３、２１）とを備え、
   前記２個の給電パターンは、前記アンテナ素子をグランドとするマイクロストリップ線路を構成し、
   前記２個の給電パターンの一端部の対向する間隔を、前記差動ケーブルの２本の導体の間隔と同じ間隔になるように構成したアンテナ装置。
2. 前記アンテナ素子は、矩形状に構成された請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記アンテナ素子は、円形状に構成された請求項１記載のアンテナ装置。
4. 前記アンテナ素子の中心部分を前記グランドパターンに接続するように構成した請求項１記載のアンテナ装置。
5. 前記差動ケーブルは、前記２本の導体を覆うシールド（２２）を有し、
   前記シールドを前記グランドパターンに接続するように構成した請求項１から４のいずれか一項記載のアンテナ装置。
6. 誘電体からなる基板（２４）と、
   前記基板の一方の面に設けられた導体箔からなるアンテナ素子（５）と、
   前記基板の内部に内層として全体に設けられた導体箔からなるグランドパターン（２６）と、
   前記基板の他方の面において、一端部が他方の面の中心、即ち、前記アンテナ素子の中心で設定間隔おいて離間され、他端部が他方の面内で反中心方向へ延びるように設けらた２個の給電パターン（１０、１１）と、
   前記アンテナ素子の２個の給電点と前記２個の給電パターンの他端部とを接続するスルーホール（２７、２８）と、
   前記２個の給電パターンの一端部にそれぞれ接続された２本の導体（１６、１７）を有する差動ケーブル（３）とを備え、
   前記２個の給電パターンは、前記グランドパターンをグランドとするマイクロストリップ線路を構成し、
   前記２個の給電パターンの一端部の対向する間隔を、前記差動ケーブルの２本の導体の間隔と同じ間隔になるように構成したアンテナ装置。

Images