JP6608976B2 - 指向性アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、指向性アンテナに関する。

従来、指向性アンテナとして、例えばパッチアンテナがあった。また、指向性アンテナとして、例えば、非特許文献１に示すように、３つの放射素子から形成されるマイクロストリップアンテナがあった。

羽石操、平沢一紘、鈴木康夫共著「小形・平面アンテナ」電子情報通信学会、1996年8月、p.177-181

パッチアンテナは、アンテナより後方に電波を放射しないため、アンテナより後方に配置される金属や人の影響を受けにくい。非特許文献１のマイクロストリップアンテナは、一対のパッチアンテナを給電アンテナの両側に配置することにより、アンテナより前方のある程度の指向性を制御している。

しかしながら、これらの指向性アンテナを、例えば移動通信環境で用いた場合、アンテナの側方へ放射される電波の強度が十分ではなかった。そこで、例えば移動通信環境において、指向性アンテナは、指向性の範囲を調整して、広覆域の指向性を確保することが望まれている。

つまり、指向性の範囲を調整して、広覆域の指向性を確保する指向性アンテナが求められる。

本発明は、指向性の範囲を調整して、広覆域の指向性を確保する指向性アンテナを提供することを目的とする。

［１］本発明の指向性アンテナは、基板と、前記基板の表面に前記基板の垂直方向に沿うように配置されて、給電される給電放射素子と、前記基板の垂直方向に沿うように前記基板の水平面における前記給電放射素子の両側に配置されて、給電されない少なくとも一対の無給電放射素子と、前記基板の垂直方向に直角に交わる水平面において、前記給電放射素子の少なくとも一部の後方に少なくとも一部が配置される、且つ、前記一対の無給電放射素子の後方に配置されない金属板と、を備え、前記水平面における電磁波の通信可能範囲である３ｄＢビーム幅が前記給電放射素子より前方を含めて１８０度以上である。

この構成によると、基板に配置された給電放射素子は給電され、基板の水平面における給電放射素子の両側に配置された一対の無給電放射素子は給電されない。給電放射素子は、給電されて励振する。一対の無給電放射素子は、給電放射素子が励振される影響で、励振される。これにより、給電放射素子および一対の無給電放射素子がアンテナとして機能する。そして、本発明の指向性アンテナは、給電損を防止することができる。また、金属板は、給電放射素子の少なくとも一部の後方に配置される。これにより、給電放射素子の電波が、給電放射素子の少なくとも一部の後方に放射されない。つまり、給電放射素子の電波は、給電放射素子より前方および側方に放射される。そして、本発明の指向性アンテナは、給電放射素子からの不要な電波の放射を防止することができ、給電放射素子より前方および側方の指向性を確保することができる。また、金属板は、一対の無給電放射素子の後方には配置されない。これにより、一対の無給電放射素子は、基板の水平面において、広角度に電波の放射が可能になる。つまり、本発明の指向性アンテナは、基板の側面において、電波の強度を十分に確保することができる。そして、本発明の指向性アンテナは、基板の水平面において、電磁波の通信可能範囲である３ｄＢビーム幅が、１８０度以上になる。つまり、本発明の指向性アンテナの電波は、指向性アンテナより前方および側方を含む広い範囲に放射することができる。そして、本発明の指向性アンテナは、金属や人が後方に配置されたとしても、指向性の範囲を調整して、放射特性の劣化を回避することができる。なお、金属は電波を遮蔽して、電波の強度を弱める。また、金属は電波を反射して、電波干渉により電波の強度を弱める。また、人は電波を吸収して電波の強度を弱める。従って、本発明の指向性アンテナは、指向性の範囲を調整して、広覆域の指向性を確保することができる。

［２］本発明の他の観点によれば、本発明の指向性アンテナは、上記［１］の構成に加えて、以下の構成を有することが好ましい。
前記一対の無給電放射素子は、前記基板の表面に配置される。

この構成によると、給電放射素子および一対の無給電放射素子は同じ基板の表面に配置される。つまり、指向性アンテナを、例えばプリント基板上に実装することができる。これにより、指向性アンテナの形成が容易となる。

［３］本発明の他の観点によれば、本発明の指向性アンテナは、上記［１］または［２］の構成に加えて、以下の構成を有することが好ましい。
前記給電放射素子がパッチアンテナであり、前記一対の無給電放射素子がダイポールアンテナである。

この構成によると、給電放射素子に、指向性を有するアンテナとして適したパッチアンテナを用いる。また、一対の無給電放射素子に、無指向性を有するアンテナとして適したダイポールアンテナを用いる。これにより、指向性アンテナの前方および側方の指向性をより確保することができる。従って、本発明の指向性アンテナは、指向性の範囲を調整して、広覆域の指向性を確保することができる。

［４］本発明の他の観点によれば、本発明の指向性アンテナは、上記［１］〜［３］のいずれかの構成に加えて、以下の構成を有することが好ましい。
前記指向性アンテナは、鞍乗型車両に搭載される。

この構成によると、指向性アンテナは、鞍乗型車両に搭載される。鞍乗型車両は、構成部品の多くが金属製である。また、鞍乗型車両には、人である乗員が着座する。そのため、例えば、鞍乗型車両有する車体カバーの前面等に実装することにより、指向性アンテナの後方に配置されている金属との干渉や乗員への吸収を防止することができる。そして、指向性アンテナの広い指向性を確保することができる。

＜３ｄＢビーム幅の定義＞
本発明において、３ｄＢビーム幅は、電磁波の通信可能範囲である。具体的には、本発明において、３ｄＢビーム幅は、アンテナから放射される電磁波の強度が最大となる方向から３ｄＢ低くなる点のあいだの角度を示す。

＜鞍乗型車両の定義＞
本発明において、鞍乗型車両は、乗員が鞍にまたがるような状態で乗車する車両全般を指す。鞍乗型車両には、自動二輪車（スクータを含む）、三輪車、水上バイク、スノーモービル等が含まれる。

＜その他の定義＞
本発明において、ある部品の端部とは、部品の端とその近傍部とを合わせた部分を意味する。

本発明において、Ｘ方向に並ぶＡとＢとは、以下の状態を示す。Ｘ方向に垂直な方向からＡとＢを見たときに、ＡとＢの両方がＸ方向を示す任意の直線上に配置されている状態である。本発明において、Ｙ方向から見てＸ方向に並ぶＡとＢとは、以下の状態を示す。Ｙ方向からＡとＢを見たときに、ＡとＢの両方がＸ方向を示す任意の直線上に配置されている状態である。この場合、Ｙ方向とは異なるＷ方向からＡとＢを見ると、ＡとＢのいずれか一方がＸ方向を示す任意の直線上に配置されていない状態であってもよい。尚、ＡとＢが接触していてもよい。ＡとＢが離れていてもよい。ＡとＢの間にＣが存在していてもよい。

本明細書において、ＡがＢより前方に配置されるとは、以下の状態を指す。Ａは、Ｂの最前端を通り前後方向に直交する平面の前方に配置される。この場合、ＡとＢは、前後方向に沿って並んでいてもよく、並んでいなくてもよい。この定義は、前後方向以外の方向も適用される。

本明細書において、ＡがＢの前方に配置されるとは、以下の状態を指す。ＡとＢが前後方向に並んでおり、且つ、ＡのＢと対向する部分が、Ｂの前方に配置される。この定義において、Ｂの前面のうちＡと対向する部分が、Ｂの最前端の場合には、ＡはＢよりも前方に配置される。この定義において、Ｂの前面のうちＡと対向する部分が、Ｂの最前端ではない場合には、ＡはＢよりも前方に配置されてもよく、されなくてもよい。この定義は、前後方向以外の方向も適用される。尚、Ｂの前面とは、Ｂを前方から見た時に見える面のことである。Ｂの形状によっては、Ｂの前面とは、連続した１つの面ではなく、複数の面で構成される場合がある。

本明細書において、左右方向に見て、ＡがＢの前方に配置されるとは、以下の状態を指す。左右方向に見て、ＡとＢが前後方向に並んでおり、且つ、左右方向に見て、ＡのＢと対向する部分が、Ｂの前方に配置される。この定義において、ＡとＢは、３次元では、前後方向に並んでいなくてもよい。この定義は、前後方向以外の方向も適用される。

本発明において、含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）、有する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）、備える（ｈａｖｉｎｇ）およびこれらの派生語は、列挙されたアイテムおよびその等価物に加えて追加的アイテムをも包含することが意図されて用いられている。取り付けられた（ｍｏｕｎｔｅｄ）、接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）および結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）という用語は、広義に用いられている。具体的には、直接的な取付、接続および結合だけでなく、間接的な取付、接続および結合も含む。さらに、接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）および結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）は、物理的または機械的な接続／結合に限られない。それらは、直接的なまたは間接的な電気的接続／結合も含む。

他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本発明が属する当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書に定義された用語のような用語は、関連する技術および本開示の文脈における意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、理想化されたまたは過度に形式的な意味で解釈されることはない。

本明細書において、「好ましい」という用語は非排他的なものである。「好ましい」は、「好ましいがこれに限定されるものではない」ということを意味する。本明細書において、「好ましい」と記載された構成は、少なくとも、上記［１］の構成により得られる上記効果を奏する。また、本明細書において、「してもよい」という用語は非排他的なものである。「してもよい」は、「してもよいがこれに限定されるものではない」という意味である。本明細書において、「してもよい」と記載された構成は、少なくとも、上記［１］の構成により得られる上記効果を奏する。

特許請求の範囲において、ある構成要素の数を明確に特定しておらず、英語に翻訳された場合に単数で表示される場合、本発明は、この構成要素を、複数有していてもよい。また本発明は、この構成要素を１つだけ有していてもよい。

本発明では、上述した他の観点による構成を互いに組み合わせることを制限しない。
本発明の実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、以下の説明に記載されたまたは図面に図示された構成要素の構成および配置の詳細に制限されないことが理解されるべきである。本発明は、他の実施形態でも可能であり、様々な変更を加えた実施形態でも可能である。また、本発明は、後述する変形例を適宜組み合わせて実施することができる。

本発明の指向性アンテナは、指向性の範囲を調整して、前方および側方を含む広覆域の指向性を確保することができる。

本実施形態の指向性アンテナの構成を示す概略図であり、（ａ）は基板の前面を示し、（ｂ）は基板の裏面を示している。 本実施形態の指向性アンテナの水平面指向性のシミュレーション結果を示す図である。 本実施形態の指向性アンテナの水平面指向性の実測結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る指向性アンテナ１について、図１の概略図を参照しつつ説明する。図１に示すように、指向性アンテナ１は、基板１０と、給電放射素子２０と、一対の無給電放射素子３０と、金属板４０とを備える。

基板１０は、平板状に形成されたプリント基板である。基板１０は、屈曲性を有する誘電体材料で形成される。基板１０は、図１（ａ）に示す表面１０ａと、図１（ｂ）に示す裏面１０ｂを有する。基板１０の垂直方向は、図１の矢印で示す垂直方向である。基板１０の水平面は、図１の矢印で示す水平方向と平行であると共に、図１の矢印で示す垂直方向に直交する面である。また、図１において、基板１０の水平面において、基板１０の裏面１０ｂから表面１０ａに向かって、表面１０ａに垂直な方向が前方向（図中のＦ）である。また、基板１０の水平面において、基板１０の表面１０ａから裏面１０ｂに向かって、裏面１０ｂに垂直な方向が後方向（図中のＢ）である。なお、各図面に付した矢印Ｆ、Ｂ、は、それぞれ前方向、後方向を表す。

図１（ａ）に示すように、給電放射素子２０は、基板１０の表面１０ａに、基板１０の垂直方向に沿って形成される。給電放射素子２０は、パッチアンテナである。給電放射素子２０は、パッチ部２１と、給電部２２と、スタブ部２３とを有する。パッチ部２１は、垂直方向の長さＬｐと水平方向の長さＷｐがほぼ同じ長さである略正方形の平板状に形成される。パッチ部２１は、垂直方向の一端部の中央に切り欠き部２１ａを有する。切り欠き部２１ａは、垂直方向の長さＬｃ、水平方向の長さＷｃの大きさで矩形に形成される。パッチ部２１の切り欠き部２１ａには、給電部２２が接続される。給電部２２は、パッチ部２１から基板１０の表面１０ａの垂直方向の一端まで配置される。パッチ部２１は、給電部２２から給電される。スタブ部２３は、給電放射素子２０の位相を調整するために設けられる。スタブ部２３は、給電部２２の後方に、基板１０の水平方向に沿って形成される。スタブ部２３は、給電部２２からの長さＬｓが垂直方向の長さよりも長くなるように形成される。スタブ部２３は、パッチ部２１の垂直方向の一端部より距離Ｄｓだけ離れた位置に配置される。

一対の無給電放射素子３０は、無給電放射素子３０ａおよび無給電放射素子３０ｂで構成される。無給電放射素子３０ａおよび無給電放射素子３０ｂは、同じ形状で構成される。無給電放射素子３０ａおよび無給電放射素子３０ｂは、垂直方向の長さＬｄ、水平方向の長さＷｄの大きさで矩形に形成される。無給電放射素子３０ａおよび無給電放射素子３０ｂは、垂直方向の長さＬｄが水平方向の長さＷｄよりも長くなるように形成される。一対の無給電放射素子３０は、ダイポールアンテナである。一対の無給電放射素子３０は、基板１０の表面１０ａに、基板１０の垂直方向に沿って形成される。つまり、一対の無給電放射素子３０は、基板１０の表面１０ａに、給電放射素子２０と平行に配置される。また、無給電放射素子３０ａおよび無給電放射素子３０ｂは、基板１０の表面１０ａに、互いに平行に配置される。一対の無給電放射素子３０は、基板１０の水平面における給電放射素子２０の両側に配置される。無給電放射素子３０ａおよび無給電放射素子３０ｂは、それぞれ、基板１０の水平方向において給電放射素子２０から距離Ｄｄ離れた位置に配置される。一対の無給電放射素子３０は、給電されない。

図１（ｂ）に示すように、金属板４０は、基板１０の裏面１０ｂの一部に配置される。金属板４０は、平板状に形成される。金属板４０は、基板１０の裏面１０ｂの水平方向の中央に、水平方向の長さＷｇで形成される。金属板４０は、基板１０の裏面１０ｂの水平方向の一端部から他端部まで形成される。金属板４０は、電磁波を反射する性質の金属が用いられる。図１（ａ）に示すように、金属板４０の水平方向の長さＷｇは、給電放射素子２０のパッチ部２１の水平方向の長さＷｐより短くなるように形成される。これにより、給電放射素子２０で励起される電磁波が基板１０の側方にも放射される。金属板４０の一部は、給電放射素子２０の一部の後方に配置される。金属板４０は、一対の無給電放射素子３０の後方に配置されない。

指向性アンテナ１の共振周波数は、給電放射素子２０のパッチ部２１の垂直方向の長さＬｐ、一対の無給電放射素子３０のそれぞれの垂直方向の長さＬｄで決定される。また、指向性アンテナ１の入力インピーダンスは、給電放射素子２０の切り欠き部２１ａの垂直方向の長さＬｃ、給電放射素子２０の切り欠き部２１ａの水平方向の長さＷｃ、スタブ部２３の水平方向の長さＬｓ、スタブ部２３とパッチ部２１との垂直方向の距離Ｄｓで決定される。指向性アンテナ１の水平面指向性は、給電放射素子２０と一対の無給電放射素子３０のそれぞれとの水平方向の距離Ｄｄ、一対の無給電放射素子３０のそれぞれの水平方向の長さＷｄ、金属板４０の水平方向の長さＷｇとで決定される。つまり、これらの設計パラメータを調整することにより、指向性アンテナ１の指向性の範囲を調整することができる。例えば、給電放射素子２０に対する一対の無給電放射素子３０のそれぞれの垂直方向の寸法を変更すると、共振周波数が変化する。これらの設計パラメータＬｐ、Ｌｃ、Ｗｃ、Ｄｄ、Ｗｄ、Ｗｇ、Ｌｄ、Ｌｓ、Ｄｓは、パレート解を与える多目的遺伝的アルゴリズムによって決定することができる。

指向性アンテナ１の水平面指向性のシミュレーション結果の一例を図２に示す。また、指向性アンテナ１を試作して、水平面指向性を実測した結果の一例を図３に示す。図２および図３では、指向性アンテナ１の基板１０の水平面における電磁波の強度を示している。また、図２および図３の中央に指向性アンテナ１が配置されるものとし、図中の横軸（±９０°）が、指向性アンテナ１の基板１０の水平方向を示している。そして、給電放射素子２０の前方が中央から０°に向かう方向であり、給電放射素子２０の後方が中央から１８０°に向かう方向である。また、給電放射素子２０の側方が中央から±９０°に向かう方向である。また、給電放射素子２０より前方が、−９０°から９０°までの範囲である。

図２に示すシミュレーションにおいて、基板１０の比誘電率は２．１６、基板１０の誘電損失は０．０００５、基板１０の厚さは０．８ｍｍ、基板１０の動作周波数を５．９ＧＨｚとした。そして、この基板１０を、比誘電率３．０、厚さ２．５ｍｍ、半径１２．５ｃｍの円筒曲面に沿って実装した状態で、設計パラメータを最適化した。最適化後の設計パラメータは、Ｌｐ＝１７．６ｍｍ、Ｌｃ＝３．５ｍｍ、Ｗｃ＝５．５ｍｍ、Ｄｄ＝９．０ｍｍ、Ｗｄ＝５．０ｍｍ、Ｗｇ＝１３．０ｍｍ、Ｌｄ＝１３．６ｍｍ、Ｌｓ＝４．２ｍｍ、Ｄｓ＝３．０ｍｍとなった。そして、シミュレーションにおける目的関数を、覆域における最小利得の最大化、覆域における最大利得と最小利得の差の最小化、バックローブ（後方への放射）レベルの最小化として実行した。

図２のシミュレーション結果に示すように、指向性アンテナ１の水平面における電磁波の通信可能範囲である３ｄＢビーム幅は、図中に示すＳ１の角度からＳ２の角度まで（約−１３５°から１３５°まで）の範囲である。つまり、水平面における指向性アンテナ１の３ｄＢビーム幅は、給電放射素子２０より前方を含めて１８０度以上である。なお、図中に示すＳ３は、最も電磁波の強度が強い角度である。そして、図２のシミュレーション結果から、指向性アンテナ１は、側方への放射を十分確保しつつ、バックローブが抑えられていることがわかる。

図３で試作した指向性アンテナ１では、図２のシミュレーションで用いた指向性アンテナ１とは同じ設計パラメータを用いている。図３の実測結果に示すように、指向性アンテナ１の水平面における電磁波の通信可能範囲である３ｄＢビーム幅は、給電放射素子２０より前方を含めて１８０度以上である。なお、図３の実測結果におけるバックローブが大きい原因は、指向性アンテナ１を取り付けた取り付け治具の影響である。

本実施形態の指向性アンテナ１は、このような構成を有するため、以下の効果を奏する。

基板１０に配置された給電放射素子２０は給電され、基板１０の水平面における給電放射素子２０の両側に配置された一対の無給電放射素子３０は給電されない。給電放射素子２０は、給電されて励振する。一対の無給電放射素子３０は、給電放射素子２０が励振される影響で、励振される。これにより、給電放射素子２０および一対の無給電放射素子３０がアンテナとして機能する。そして、本実施形態の指向性アンテナ１は、給電損を防止することができる。
また、金属板４０は、給電放射素子２０の少なくとも一部の後方に配置される。これにより、給電放射素子２０の電波が、給電放射素子２０の少なくとも一部の後方に放射されない。つまり、給電放射素子２０の電波は、給電放射素子２０より前方および側方に放射される。そして、本実施形態の指向性アンテナ１は、給電放射素子２０からの不要な電波の放射を防止することができ、給電放射素子２０より前方および側方の指向性を確保することができる。また、金属板４０は、一対の無給電放射素子３０の後方には配置されない。これにより、一対の無給電放射素子３０は、基板１０の水平面において、広角度に電波の放射が可能になる。つまり、本発明の指向性アンテナ１は、基板１０の側面において、電波の強度を十分に確保することができる。そして、本実施形態の指向性アンテナ１は、基板１０の水平面において、電磁波の通信可能範囲である３ｄＢビーム幅が、１８０度以上になる。そして、本実施形態の指向性アンテナ１は、金属や人が後方に配置されたとしても、指向性の範囲を調整して、放射特性の劣化を回避することができる。
従って、本実施形態の指向性アンテナ１は、指向性の範囲を調整して、広覆域の指向性を確保することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能である。また、後述する変更例は適宜組み合わせて実施することができる。

本発明の指向性アンテナは、水平面指向性について、３ｄＢビーム幅が給電放射素子より前方を含めて１８０度以上であれば、どのような構成であってもよい。

上記実施形態の基板１０は、屈曲性を有する誘電体材料で形成される。しかしながら、本発明の基板は、屈曲性を有さない誘電体材料で形成されてもよい。また、上記実施形態の基板１０は、平板状に形成される。しかしながら、本発明の基板は、曲面を有する板状に形成されてもよい。つまり、本発明の指向性アンテナは、例えば、曲面を有する誘電体で形成された基板上に実装可能に構成されてもよい。

上記実施形態の金属板４０の水平方向の長さＷｇは、給電放射素子２０のパッチ部２１の水平方向の長さＷｐより短くなるように形成される。しかしながら、本発明の指向性アンテナは、金属板の水平方向の長さが、給電放射素子の水平方向の長さと同じであってもよい。また、本発明の指向性アンテナは、金属板の水平方向の長さが、給電放射素子の水平方向の長さより長くてもよい。

上記実施形態の指向性アンテナ１の一対の無給電放射素子３０は、２つの無給電放射素子３０ａ、３０ｂで構成される。しかしながら、本発明の指向性アンテナにおいて、一対の無給電放射素子は２つ以上構成されてもよい。例えば、指向性アンテナは、４つの無給電放射素子を備えてもよい。

本発明の指向性アンテナは、鞍乗型車両に搭載されてもよい。鞍乗型車両は、例えば、自動二輪車である。そして、本発明の指向性アンテナは、鞍乗型車両が有する車体カバーの前面等に配置することができる。本発明の指向性アンテナの配置位置は、給電放射素子の前面または側面に金属または人が配置されない位置であることが好ましい。また、本発明の指向性アンテナは、鞍乗型車両以外の車両に搭載されてもよい。そして、本発明の指向性アンテナは、車車間通信や路車間通信に用いられてもよい。

１ 指向性アンテナ
１０ 基板
２０ 給電放射素子
３０ 無給電放射素子
４０ 金属板

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板の表面に前記基板の垂直方向に沿うように配置されて、給電される給電放射素子と、
   前記基板の垂直方向に沿うように前記基板の水平面における前記給電放射素子の両側に配置されて、給電されない少なくとも一対の無給電放射素子と、
   前記基板の垂直方向に直角に交わる水平面において、前記給電放射素子の少なくとも一部の後方に少なくとも一部が配置される、且つ、前記一対の無給電放射素子の後方に配置されない金属板と、を備え、
   前記水平面における電磁波の通信可能範囲である３ｄＢビーム幅が前記給電放射素子より前方を含めて１８０度以上であることを特徴とする指向性アンテナ。
2. 前記一対の無給電放射素子は、前記基板の表面に配置されることを特徴とする請求項１に記載の指向性アンテナ。
3. 前記給電放射素子がパッチアンテナであり、
   前記一対の無給電放射素子がダイポールアンテナであることを特徴とする請求項１または２に記載の指向性アンテナ。
4. 鞍乗型車両に搭載されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の指向性アンテナ。

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