JP7091952B2 - 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。

八木アンテナの輻射器として機能する輻射配線と、八木アンテナの反射器として機能する反射部材と、八木アンテナの導波器として機能する導波部材と、電子回路チップの無線通信端子とを備えた電子回路装置が特許文献１に記載されている。導波部材の大きさは、輻射配線より一回り小さい。

特開２０１１－１３０３２９号公報

上述したように、特許文献１に記載の電子回路装置において、導波部材は輻射配線より一回り小さいため、電波の指向性を高めるためには、導波部材の数を増やす必要がある。

本発明は、上記課題を解決するものであり、導波部材に対応する部材の数を増やすことなく、指向性を高めることができる指向性アンテナを提供することを目的とする。

本発明の指向性アンテナは、
波長λの電磁波の送信および受信のうちの少なくとも一方を行う指向性アンテナであって、
ループ状の形状を有するループ部を有する給電部と、
前記ループ部に対して、前記ループ部を含む平面と直交する第１の方向に設けられ、前記第１の方向に延伸し、かつ、前記給電部側の端部が開口している筒状の無給電導体と、
前記第１の方向において前記ループ部に対して前記無給電導体とは反対側であって、かつ、前記無給電導体からの距離がλ／２未満の位置に設けられ、前記第１の方向から見たときの大きさが前記ループ部よりも大きい無給電素子と、
を備え、
前記無給電導体の前記給電部側の端部とは反対側の端部は、閉口端であり、
前記無給電導体の内部に基板を設けたことを特徴とする。

本発明の指向性アンテナは、
波長λの電磁波の送信および受信のうちの少なくとも一方を行う指向性アンテナであって、
ループ状の形状を有するループ部を有する給電部と、
前記ループ部に対して、前記ループ部を含む平面と直交する第１の方向に設けられ、前記第１の方向に延伸し、かつ、前記給電部側の端部が開口している筒状の無給電導体と、
前記第１の方向において前記ループ部に対して前記無給電導体とは反対側であって、かつ、前記無給電導体からの距離がλ／２未満の位置に設けられ、前記第１の方向から見たときの大きさが前記ループ部よりも大きい無給電素子と、
を備え、
前記第１の方向における前記ループ部と前記無給電導体との間の距離はλ／８であり、
前記第１の方向における前記ループ部と前記無給電素子との間の距離はλ／８であり、
前記無給電導体の内部に基板を設けたことを特徴とする。

本発明の指向性アンテナは、
波長λの電磁波の送信および受信のうちの少なくとも一方を行う指向性アンテナであって、
ループ状の形状を有するループ部を有する給電部と、
前記ループ部に対して、前記ループ部を含む平面と直交する第１の方向に設けられ、前記第１の方向に延伸し、かつ、前記給電部側の端部が開口している筒状の無給電導体と、
前記第１の方向において前記ループ部に対して前記無給電導体とは反対側であって、かつ、前記無給電導体からの距離がλ／２未満の位置に設けられ、前記第１の方向から見たときの大きさが前記ループ部よりも大きい無給電素子と、
を備え、
前記無給電導体の前記第１の方向における長さは、λ／４より長く、
前記無給電導体の内部に基板を設けたことを特徴とする。

本発明の指向性アンテナは、
波長λの電磁波の送信および受信のうちの少なくとも一方を行う指向性アンテナであって、
ループ状の形状を有するループ部を有する給電部と、
前記ループ部に対して、前記ループ部を含む平面と直交する第１の方向に設けられ、前記第１の方向に延伸し、かつ、前記給電部側の端部が開口している筒状の無給電導体と、
前記第１の方向において前記ループ部に対して前記無給電導体とは反対側であって、かつ、前記無給電導体からの距離がλ／２未満の位置に設けられ、前記第１の方向から見たときの大きさが前記ループ部よりも大きい無給電素子と、
を備え、
前記無給電導体の内部に基板を設け、
前記基板は、前記給電部と接続されており、
前記基板と前記給電部との接続部に、前記電磁波の周波数を調整するための周波数調整素子が設けられていることを特徴とする。

前記無給電導体を、前記ループ部を含む平面と平行な平面で切断したときの周縁部の形状は、前記ループ部の形状と略相似していてもよい。

本発明の指向性アンテナによれば、導波部材に対応する部材の数を増やすことなく、指向性を高めることができる。

参考実施形態における指向性アンテナの構成を模式的に示す図である。 第１の方向から見たときの給電部のループ部、無給電導体、および無給電素子の相対的な大きさの関係を示す図である。 第１の実施形態における指向性アンテナの構成を模式的に示す図である。 基板と給電部との接続部分の拡大図である。 無給電導体の側面に孔が設けられている指向性アンテナの構成を模式的に示す図である。 第１の実施形態における指向性アンテナと、比較構成例におけるアンテナの指向特性を示す図である。 無給電素子の中央に孔を設け、孔にＬＥＤを設けた指向性アンテナの構成を模式的に示す図である。

以下に本発明の実施形態を示して、本発明の特徴とするところを具体的に説明する。

＜参考実施形態＞
図１は、参考実施形態における指向性アンテナ１０の構成を模式的に示す図である。参考実施形態における指向性アンテナ１０は、給電部１と、無給電導体２と、無給電素子３とを備える。

参考実施形態における指向性アンテナ１０は、波長λの電磁波の送信および受信のうちの少なくとも一方を行う。使用する電磁波の周波数は、例えば２．４ＧＨｚであり、その場合の波長λは、０．１２５ｍである。

給電部１は、導電性の材料、例えば銅により構成されており、ループ状の形状を有するループ部１１を有する。ループ状とは、周回状の意味であり、ループ部１１に電流が流れたときに、電流が周回状に流れるような形状をループ形状と呼んでいる。本実施形態では、ループ部１１は、平面視で略円環状の形状を有する。ループ部１１は、例えばＦＲ４（Flame Retardant Type4）基板上に形成することができる。

なお、給電部１には、電流を供給するための導線または電流を取り出すための導線が接続されている。給電部１に電流が流れると、ループ部１１との結合により、無給電導体２および無給電素子３にも電流が流れる。

無給電導体２は、給電部１のループ部１１に対して、ループ部１１を含む平面と直交する第１の方向に設けられている。本実施形態において、第１の方向は、図１に示すＺ軸方向である。無給電導体２は、給電部１と結合するため、所定の距離、例えば５ｍｍ以上２０ｍｍ以下の距離離れた位置に設けられている。

無給電導体２は、第１の方向に延伸し、かつ、給電部１側の端部２ａが開口している筒状の形状を有する。本実施形態では、無給電導体２の第１の方向における両端のうち、給電部１側の端部２ａとは反対側の端部２ｂは、閉口端である。すなわち、無給電導体２は、有底筒状の形状を有する。

本実施形態では、無給電導体２は、円筒状の形状を有する。すなわち、無給電導体２を、給電部１のループ部１１を含む平面と平行な平面で切断したときの周縁部の形状は、円形である。第１の方向から見たときに、給電部１のループ部１１の中心と無給電導体２の中心とが一致していることが好ましい。

上述したように、ループ部１１は、略円環状の形状を有しているため、ループ部１１の外周の形状は略円形である。すなわち、無給電導体２を、給電部１のループ部１１を含む平面と平行な平面で切断したときの周縁部の形状は、ループ部１１の形状と略相似している。そのような構成により、給電部１と無給電導体２とが結合しやすくなる。

本実施形態では、ループ部１１の形状が略円環状であるが、略円環状の形状に限定されることはなく、例えば外周が略矩形の形状であってもよい。その場合、無給電導体２の形状を角筒状とすることにより、無給電導体２を、給電部１のループ部１１を含む平面と平行な平面で切断したときの周縁部の形状を、ループ部１１の形状と略相似とすることができる。

第１の方向から見たときの無給電導体２の大きさは、ループ部１１の大きさ以上であることが好ましい。

無給電導体２は、導電性の材料、例えば鉄により構成されている。

筒状の形状を有する無給電導体２の第１の方向における長さは、λ／４より長いことが好ましい。後述するように、本実施形態における指向性アンテナ１０は、第１の方向（Ｚ軸方向）のうち、給電部１を基準としたときの無給電素子３の方向への指向性が強い。無給電導体２の第１の方向における長さをλ／４より長くすることにより、第１の方向のうち、給電部１を基準としたときの無給電導体２の方向への指向性を弱めることができる。

なお、無給電導体２の第１の方向における長さがλ／４より長い場合には、無給電導体２の端部２ｂを開口端としてもよい。

無給電素子３は、給電部１のループ部１１を含む平面と平行な方向に延伸する平板状の形状を有する。第１の方向から見たときの無給電素子３の形状に特に制約はなく、矩形でもよいし、円形でもよい。本実施形態では、第１の方向から見たときの無給電素子３の形状は矩形である。

無給電素子３は、導電性の材料、例えば銅により構成されている。

無給電素子３は、第１の方向において給電部１のループ部１１に対して無給電導体２とは反対側であって、かつ、無給電導体２からの距離、より詳しくは、無給電導体２の端部２ａからの距離がλ／２未満の位置に設けられている。

図２は、第１の方向から見たときの給電部１のループ部１１、無給電導体２、および無給電素子３の相対的な大きさの関係を示す図である。図２に示すように、無給電素子３は、第１の方向から見たときの大きさが給電部１のループ部１１よりも大きい。すなわち、第１の方向から見たときに、無給電素子３の外周端は、給電部１のループ部１１の外側に位置する。

無給電素子３が、給電部１のループ部１１に対して無給電導体２とは反対側であって、無給電導体２からの距離がλ／２未満の位置に設けられていることにより、無給電導体２に流れる電流と無給電素子３に流れる電流の位相が同相となり、無給電導体２から放射される電磁波を、無給電素子３から放射される電磁波と干渉させて強め合わせることができるので、無給電素子３が導波器として動作する。これにより、第１の方向のうち、給電部１を基準としたときの無給電素子３の方向への指向性を強くすることができる。

ここで、「電流の位相が同相」とは、電流の位相が完全に一致する意味ではなく、一方の電流と他方の電流の位相の差が±λ／４未満であることを意味する。「電磁波の位相が同相」も同様に、電磁波の位相が完全に一致する意味ではなく、一方の電磁波と他方の電磁波の位相の差が±λ／４未満であることを意味する。

また、無給電素子３は、第１の方向から見たときの大きさが給電部１のループ部１１よりも大きいので、大きさが給電部１よりも小さい従来の導波器を設ける構成と比べて、給電部１を基準としたときの無給電素子３の方向への指向性をより強くすることができる。また、複数の導波器を設けることなく、給電部１を基準としたときの無給電素子３の方向への指向性を強くすることができる。

第１の方向における給電部１のループ部１１と無給電導体２の端部２ｂとの間の距離はλ／８であり、第１の方向におけるループ部１１と無給電素子３との間の距離はλ／８であることが好ましい。ループ部１１と無給電導体２の端部２ｂとの間、および、ループ部１１と無給電素子３との間の距離をそれぞれλ／８とすることにより、無給電導体２から放射される電磁波を、無給電素子３から放射される電磁波と位相を一致させて干渉させることができる。これにより、第１の方向のうち、給電部１を基準としたときの無給電素子３の方向の指向性を最も強くすることができる。

＜第１の実施形態＞
図３は、第１の実施形態における指向性アンテナ１０Ａの構成を模式的に示す図である。第１の実施形態における指向性アンテナ１０Ａは、参考実施形態における指向性アンテナ１０に対して、基板４および周波数調整素子５をさらに備える。

基板４は、筒状の無給電導体２の内部に設けられている。基板４には、例えば各種センサなどが設けられている。図３では、基板４がＸＺ平面と平行になる向きに配置されているが、基板４の配置位置および向きが図３に示す配置位置および向きに限定されることはない。

基板４は、給電部１と接続されている。給電部１と基板４との接続部には、図４に示すように、送信および受信のうちの少なくとも一方が行われる電磁波の周波数を調整するための周波数調整素子５が設けられている。周波数調整素子５は、例えばインダクタやキャパシタである。周波数調整素子５が設けられていることにより、使用する電磁波の周波数を所望の周波数に調整しやすくすることができる。

ここで、無給電導体２は、図５に示すように、側面に孔４０が設けられていてもよい。例えば、図示しない外部機器からの配線を、無給電導体２の孔４０を通して、無給電導体２の内部に設けられている基板４と接続することができる。その場合、外部機器からの配線に、給電部１に電流を供給するための導線または電流を取り出すための導線が含まれるようにすることができる。

図６は、第１の実施形態における指向性アンテナ１０Ａと、比較構成例におけるアンテナの指向特性を示す図である。図６（ａ）は、第１の実施形態における指向性アンテナ１０Ａの指向特性を示し、図６（ｂ）～（ｄ）は、比較構成例におけるアンテナの指向特性を示す。図６（ｂ）の指向特性を示すアンテナは、第１の実施形態における指向性アンテナ１０Ａから無給電導体２を取り除いた構成である。図６（ｃ）の指向特性を示すアンテナは、第１の実施形態における指向性アンテナ１０Ａから、無給電素子３を取り除き、かつ、無給電導体２が基板４だけでなく、給電部１も取り囲むように、無給電導体２の長さを長くした構成である。図６（ｃ）の指向特性を示すアンテナは、第１の実施形態における指向性アンテナ１０Ａの無給電素子３が平板状ではなく、矩形のループ状である。

図６（ａ）～（ｄ）において、垂直方向の指向特性は、基板４を含むＹＺ平面における指向特性を表しており、給電部１を基準として、第１の方向のうち、無給電導体２が設けられている方向を０°、無給電素子３が設けられている方向を１８０°としている。また、水平方向の指向特性は、給電部１を含むＸＹ平面における指向特性を表している。

第１の実施形態における指向性アンテナ１０Ａから無給電導体２を取り除いた構成、すなわち、給電部と無給電素子とを備えた構成のアンテナでは、無給電素子が反射器として動作するため、図６（ｂ）に示すように、第１の方向のうち、給電部１を基準としたときの無給電導体２の方向の指向性が強くなっている。

また、給電部と基板とを取り囲むように筒状の無給電導体を設けた構成のアンテナ、および、無給電素子が平板状ではなくループ状のアンテナでは、図６（ｃ）および（ｄ）に示すように、第１の方向のうち、給電部１を基準としたときの無給電素子３の方向の指向性が強くなっているが、半値角が９５°であり、指向性はそれほど鋭くない。

これに対して、第１の実施形態における指向性アンテナ１０Ａでは、図６（ａ）に示すように、第１の方向のうち、給電部１を基準としたときの無給電導体２の方向の指向性が強くなっており、さらに、半値角が５５°と、鋭い指向性が得られている。

なお、参考実施形態における指向性アンテナ１０でも同様に、給電部１を基準としたときの無給電導体２の方向の指向性が強く、かつ、鋭い指向性が得られる。

＜変形例＞
図７は、無給電素子３の中央に孔５０を設け、孔５０にＬＥＤ５１を設けた指向性アンテナ１０Ｂの構成を模式的に示す図である。ＬＥＤ５１は、接続線５２により基板４と接続されて、電力が供給される。例えば、室内の天井に指向性アンテナ１０Ｂを設置して、ＬＥＤ５１により室内を照らすことができる。

なお、無給電素子３の孔５０に設ける部品がＬＥＤ５１に限定されることはなく、必要に応じてＬＥＤ５１以外の部品を設けることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。

１ 給電部
２ 無給電導体
３ 無給電素子
４ 基板
５ 周波数調整素子
１０、１０Ａ、１０Ｂ 指向性アンテナ
１１ ループ部
４０ 無給電導体の側面に設けられた孔
５０ 無給電素子の中央に設けられた孔
５１ ＬＥＤ

Claims (5)

1. 波長λの電磁波の送信および受信のうちの少なくとも一方を行う指向性アンテナであって、
   ループ状の形状を有するループ部を有する給電部と、
   前記ループ部に対して、前記ループ部を含む平面と直交する第１の方向に設けられ、前記第１の方向に延伸し、かつ、前記給電部側の端部が開口している筒状の無給電導体と、
   前記第１の方向において前記ループ部に対して前記無給電導体とは反対側であって、かつ、前記無給電導体からの距離がλ／２未満の位置に設けられ、前記第１の方向から見たときの大きさが前記ループ部よりも大きい無給電素子と、
   を備え、
   前記無給電導体の前記給電部側の端部とは反対側の端部は、閉口端であり、
   前記無給電導体の内部に基板を設けたことを特徴とする指向性アンテナ。
2. 波長λの電磁波の送信および受信のうちの少なくとも一方を行う指向性アンテナであって、
   ループ状の形状を有するループ部を有する給電部と、
   前記ループ部に対して、前記ループ部を含む平面と直交する第１の方向に設けられ、前記第１の方向に延伸し、かつ、前記給電部側の端部が開口している筒状の無給電導体と、
   前記第１の方向において前記ループ部に対して前記無給電導体とは反対側であって、かつ、前記無給電導体からの距離がλ／２未満の位置に設けられ、前記第１の方向から見たときの大きさが前記ループ部よりも大きい無給電素子と、
   を備え、
   前記第１の方向における前記ループ部と前記無給電導体との間の距離はλ／８であり、
   前記第１の方向における前記ループ部と前記無給電素子との間の距離はλ／８であり、
   前記無給電導体の内部に基板を設けたことを特徴とする指向性アンテナ。
3. 波長λの電磁波の送信および受信のうちの少なくとも一方を行う指向性アンテナであって、
   ループ状の形状を有するループ部を有する給電部と、
   前記ループ部に対して、前記ループ部を含む平面と直交する第１の方向に設けられ、前記第１の方向に延伸し、かつ、前記給電部側の端部が開口している筒状の無給電導体と、
   前記第１の方向において前記ループ部に対して前記無給電導体とは反対側であって、かつ、前記無給電導体からの距離がλ／２未満の位置に設けられ、前記第１の方向から見たときの大きさが前記ループ部よりも大きい無給電素子と、
   を備え、
   前記無給電導体の前記第１の方向における長さは、λ／４より長く、
   前記無給電導体の内部に基板を設けたことを特徴とする指向性アンテナ。
4. 波長λの電磁波の送信および受信のうちの少なくとも一方を行う指向性アンテナであって、
   ループ状の形状を有するループ部を有する給電部と、
   前記ループ部に対して、前記ループ部を含む平面と直交する第１の方向に設けられ、前記第１の方向に延伸し、かつ、前記給電部側の端部が開口している筒状の無給電導体と、
   前記第１の方向において前記ループ部に対して前記無給電導体とは反対側であって、かつ、前記無給電導体からの距離がλ／２未満の位置に設けられ、前記第１の方向から見たときの大きさが前記ループ部よりも大きい無給電素子と、
   を備え、
   前記無給電導体の内部に基板を設け、
   前記基板は、前記給電部と接続されており、
   前記基板と前記給電部との接続部に、前記電磁波の周波数を調整するための周波数調整素子が設けられていることを特徴とする指向性アンテナ。
5. 前記無給電導体を、前記ループ部を含む平面と平行な平面で切断したときの周縁部の形状は、前記ループ部の形状と略相似していることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の指向性アンテナ。

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