JP7260213B1

JP7260213B1 - アンテナ装置、アンテナ装置の製造方法

Info

Publication number: JP7260213B1
Application number: JP2022048581A
Authority: JP
Inventors: 春信清田; 智広茂木
Original assignee: 株式会社光電製作所
Priority date: 2022-03-24
Filing date: 2022-03-24
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2042-03-24
Also published as: JP2023141968A

Abstract

【課題】製造が容易な高利得の小型アンテナを提供する。
【解決手段】本発明のアンテナ装置は、接地導電板、偶数個の平面アンテナ、分配部、支柱を備える。偶数個の平面アンテナは、それぞれ矩形状の導電性の板で形成され、接地導電板と所定の距離で平行に配置されている。分配部は、導電性の板で形成されており、送信信号を２つに分配する、もしくは２つの受信信号を合成する。支柱は、導電性であり、平面アンテナと接地導電板とを接続する。偶数個の平面アンテナと分配部とは、同一の導電性の板で形成されている。偶数個の平面アンテナは同数の２組に分けられており、それぞれの組に分配部で分配された送信信号が分配される、もしくはそれぞれの組からの受信信号が分配部で合成される。
【選択図】図１

Description

特許法第３０条第２項適用（１）提出日令和３年３月３１日提出物株式会社光電製作所令和２年度研究成果報告書

本発明は、複数の平面アンテナを用いたアンテナ装置に関する。

ドローンなどの高速移動体から映像無線送信する場合、ドローンの方向に関係しない水平面内無指向アンテナが使用されるが、アンテナ利得が低く無線回線の利得が十分確保できないため、長距離の伝送ができない。特に高精細映像伝送ではデータ量が多くなり、変調多値数を上げるので受信所要Ｃ/Ｎが大きくなる。送信出力を上げればバッテリ消費が増加し動作時間が減る、周波数帯域幅を広げることは利用できるチャネル数が減ってしまうので、利得の高い小型軽量なアンテナが必要である。また、これからドローンが普及し、量産化される場合にも量産性の高い構造が必要である。

従来、立体構造を持つパッチアンテナにおいて、アレイ化するために、誘電体基板上に導線で形成した分配器を用いていた。また、立体構造を持つ平面アンテナを用いたアレイアンテナとしては、特許文献１などの分配導波路を設けたアレイアンテナの技術が知られている。

特開２００１－１６８６３８号公報

しかしながら、誘電体基板上に導線で形成した分配器を用いる場合、誘電体基板による損失が大きくなり、アンテナ利得低下の要因となる。また、特許文献１の技術では、構造が複雑であり、加工時の工程時間が長くなるという欠点がある。本発明は、製造が容易な高利得の小型アンテナを提供することを目的とする。

本発明のアンテナ装置は、接地導電板、偶数個の平面アンテナ、分配部、支柱を備える。偶数個の平面アンテナは、それぞれ矩形状の導電性の板で形成され、接地導電板と所定の距離で平行に配置されている。分配部は、導電性の板で形成されており、送信信号を２つに分配する、もしくは２つの受信信号を合成する。支柱は、導電性であり、平面アンテナと接地導電板とを接続する。偶数個の平面アンテナと分配部とは、同一の導電性の板で形成されている。偶数個の平面アンテナは同数の２組に分けられており、それぞれの組に分配部で分配された送信信号が分配される、もしくはそれぞれの組からの受信信号が分配部で合成される。

本発明のアンテナ装置によれば、偶数個の平面アンテナと分配部とは、同一の導電性の板で形成さるので、部品点数を削減できるとともに、量産性の高い構造にできる。また、偶数個の平面アンテナを用いてアレイアンテナを形成しているので、製造が容易な高利得の小型アンテナを提供することが可能である。

実施例１のアンテナ装置の構成例を示す斜視図。実施例１のアンテナ装置の構成例を示す平面図。変形例１のアンテナ装置の構成例を示す斜視図。変形例１のアンテナ装置の構成例を示す平面図。変形例２のアンテナ装置の構成例を示す平面図。中心導体１７１（Ｐｏｒｔ１）から送信（給電）された垂直方向（第２方向）主偏波利得を示す図。中心導体１７１（Ｐｏｒｔ１）から送信（給電）された水平方向（第１方向）主偏波利得を示す図。中心導体１７１（Ｐｏｒｔ１）から送信（給電）された垂直方向（第２方向）主偏波利得と中心導体１７２（Ｐｏｒｔ２）から送信（給電）された垂直方向（第２方向）主偏波利得との分離度を示す図。中心導体１７１（Ｐｏｒｔ１）から送信（給電）された水平方向（第１方向）主偏波利得と中心導体１７２（Ｐｏｒｔ２）から送信（給電）された水平方向（第１方向）主偏波利得との分離度を示す図。中心導体１７２（Ｐｏｒｔ２）から送信（給電）された垂直方向（第２方向）主偏波利得を示す図。中心導体１７２（Ｐｏｒｔ２）から送信（給電）された水平方向（第１方向）主偏波利得を示す図。中心導体１７２（Ｐｏｒｔ２）から送信（給電）された垂直方向（第２方向）主偏波利得と中心導体１７１（Ｐｏｒｔ１）から送信（給電）された垂直方向（第２方向）主偏波利得との分離度を示す図。中心導体１７２（Ｐｏｒｔ２）から送信（給電）された水平方向（第１方向）主偏波利得と中心導体１７１（Ｐｏｒｔ１）から送信（給電）された水平方向（第１方向）主偏波利得との分離度を示す図。中心導体１７１（Ｐｏｒｔ１）および中心導体１７２（Ｐｏｒｔ２）でのリターンロス（整合性）を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

図１は実施例１のアンテナ装置の構成例を示す斜視図、図２は実施例１のアンテナ装置の構成例を示す平面図である。アンテナ装置１００は、接地導電板１１０、偶数個の平面アンテナ１２０、分配部１３０、支柱１４０を備える。偶数個の平面アンテナ１２０は、それぞれ矩形状の導電性の板で形成され、接地導電板１１０と所定の距離Ｄで平行に配置されている。図１の例では、平面アンテナ１２０は一般の長さがＬ_１の正方形である。図１，２の例では、平面アンテナ１２０は２つあり、図２には、“Ａ”が付された平面アンテナ１２０と“Ｂ”が付された平面アンテナ１２０が示されている。

アンテナ装置１００で送受する電波の周波数は、例えば５～６ＧＨｚであり、Ｌ_１は２０ｍｍ～３０ｍｍ、距離Ｄは２～３ｍｍであり、具体的な値は適宜定めればよい。また、分配部１３０の太さは、１～２ｍｍであり、具体的な値は適宜定めればよい。

分配部１３０は、導電性の板で形成されており、送信信号を２つに分配する、もしくは２つの受信信号を合成する。アンテナ装置１００が送信用のアンテナとして使用されるときは、送信信号を２つに分配する。また、アンテナ装置１００が受信用のアンテナとして使用されるときは、２つの受信信号を合成する。支柱１４０は、導電性であり、平面アンテナ１２０と接地導電板１１０とを接続する。

アンテナ装置１００は、信号を入出力するための中心導体１７０と貫通孔１１１も備える。分配部１３０の平面アンテナ１２０と接続されていない端子は中心導体１７０に接続されている。中心導体１７０は、接地導電板１１０に形成された貫通孔１１１を通って、接地導電板１１０の反対面に存在する回路に接続されている。貫通孔１１１は、空気のままの方が望ましいが、絶縁体によって中心導体１７０と接地導電板１１０との間を絶縁してもよい。

偶数個の平面アンテナ１２０と分配部１３０とは、同一の導電性の板で形成されている。偶数個の平面アンテナ１２０は同数の２組に分けられており、それぞれの組に分配部で分配された送信信号が分配される、もしくはそれぞれの組からの受信信号が分配部で合成される。偶数個の平面アンテナ１２０は、分配部１３０を通る直線について線対称な形状である。図２の例では、一点鎖線で示した直線について線対称な形状である。したがって、中心導体１７０から分配部１３０の両側を見たときの特性インピーダンスを同じにできる。また、分配部１３０に抵抗器のようなバランスを調整する構成部が不要となっている。

図１，２の場合、２つの平面アンテナ１２０を並べることでアレイアンテナとして機能するので、指向性を高めることができ、高利得な小型アンテナにできる。また、偶数個の平面アンテナ１２０と分配部１３０とは同一の導電性の板で形成されているので、プレス加工を利用できる。そして、ネジ、ナット、あるいは半田付けにより組み立てればよい。よって、部品点数を削減できるとともに、量産性の高い構造にでき、製造が容易である。
［変形例１］

図３は変形例１のアンテナ装置の構成例を示す斜視図、図４は変形例１のアンテナ装置の構成例を示す平面図である。アンテナ装置１０１は、接地導電板１１０、偶数個の平面アンテナ１２０、平面無給電アンテナ１２５、分配部１３０、支柱１４０、１４５を備える。図３，４の例では、平面アンテナ１２０と平面無給電アンテナ１２５は２つあり、図４には、“Ａ”が付された平面無給電アンテナ１２５と“Ｂ”が付された平面無給電アンテナ１２５が示されている。

接地導電板１１０、偶数個の平面アンテナ１２０、分配部１３０、支柱１４０は実施例１のアンテナ装置１００と同じである。支柱１４５は、導体でも絶縁体でもよい。支柱１４５を導体にする場合は、高周波信号が流れない位置に配置すればよい。導体を用いた方が強度面で有利である。平面無給電アンテナ１２５は、平面アンテナ１２０よりも小さい矩形状の導電性の板で形成されている。平面無給電アンテナ１２５は、平面アンテナ１２０の接地導電板１１０の反対側に、平面アンテナ１２０と並行に、所定の距離ｄで配置されている。平面無給電アンテナ１２５は一般の長さがＬ_２の正方形である。距離ｄは例えば３ｍｍ程度であり、長さＬ_２は２０ｍｍ以下であり、具体的な値は適宜定めればよい。

平面アンテナ１２０よりも小さい矩形状の導電性の板である平面無給電アンテナ１２５は、電波を平面無給電アンテナ１２５の方向に導く機能を有する。したがって、指向性を高くできるので、実施例１のアンテナ装置１００よりも利得を高くできる。また、実施例１と同様の効果を得られる。
［変形例２］

図５は変形例２のアンテナ装置の構成例を示す平面図である。互いに直交する２つの方向を第１方向と第２方向とする。図５に示したアンテナ装置１０２は、４つの平面アンテナ１２０を有する。また、アンテナ装置１０２は、４つの平面無給電アンテナ１２５も有する。図５では、４つの平面無給電アンテナ１２５にそれぞれ“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”、“Ｄ”を付している。４つの平面アンテナ１２０の中心（対角線の交点）は、第１方向の辺と第２方向の辺からなるあらかじめ定めた正方形のそれぞれの頂点に配置されている。それぞれの頂点に、支柱１４０，１４５も配置されている。

平面アンテナ１２０は正方形であり、各辺は第１方向もしくは第２方向に並行である。第１の分配部１３１は第１方向に分配もしくは合成を行い、第２の分配部１３２は第２方向に分配もしくは合成を行う。隣接する平面アンテナ１２０は、互いに同一の導電性の板で接続されている。つまり、偶数個の平面アンテナ１２０、第１の分配部１３１と第２の分配部１３２とは同一の導電性の板で形成されるので、プレス加工を利用できる。よって、部品点数を削減できるとともに、量産性の高い構造にでき、製造が容易である。

平面アンテナ１２０は、第１の分配部１３１を通る第２方向の直線に対して線対称な形状であり、かつ前記第２の分配部を通る第１方向の直線に対して線対称な形状である。図５においては、平面アンテナ１２０は、第１の分配部１３１を通る第２方向の直線Ｙについて線対称である。また、第２の分配部１３２を通る第１方向の直線Ｘについて線対称である。

アンテナ装置１０２は、信号を入出力するための中心導体１７１、１７２も備える。第１の分配部１３１の平面アンテナ１２０と接続されていない端子は、中心導体１７１に接続され、第２の分配部１３２の平面アンテナ１２０と接続されていない端子は、中心導体１７２に接続される。図示されていないが、中心導体１７１、１７２は、接地導電板１１０に形成された貫通孔を通って、接地導電板１１０の反対面に存在する回路に接続されている。中心導体１７１は第１の偏波の送信もしくは受信を行い、中心導体１７２は第１の偏波と直交する第２の偏波の送信もしくは受信を行う。

図５においては、中心導体１７１で送信または受信する信号に対しては、“Ａ”と“Ｃ”が付された平面アンテナ１２０を組、“Ｂ”と“Ｄ”が付された平面アンテナ１２０を組としている。また、中心導体１７２で送信または受信する信号に対しては、“Ａ”と“Ｂ”が付された平面アンテナ１２０を組、“Ｃ”と“Ｄ”が付された平面アンテナ１２０を組としている。そして、それぞれの組に第１の分配部１３１，第２の分配部１３２で分配された送信信号が分配される、もしくはそれぞれの組からの受信信号が第１の分配部１３１，第２の分配部１３２で合成される。

＜シミュレーション＞
周波数を５．７ＧＨｚとし、図５に示したアンテナ装置（図６～図１３では、「４素子パッチアンテナ」と表現している。）での放射パターン、アンテナ利得についてシミュレーションを行った。図６は中心導体１７１（Ｐｏｒｔ１）から送信（給電）された垂直方向（第２方向）主偏波利得を、図７は中心導体１７１（Ｐｏｒｔ１）から送信（給電）された水平方向（第１方向）主偏波利得を示している。図８は中心導体１７１（Ｐｏｒｔ１）から送信（給電）された垂直方向（第２方向）主偏波利得と中心導体１７２（Ｐｏｒｔ２）から送信（給電）された垂直方向（第２方向）主偏波利得との分離度を示している。図９は中心導体１７１（Ｐｏｒｔ１）から送信（給電）された水平方向（第１方向）主偏波利得と中心導体１７２（Ｐｏｒｔ２）から送信（給電）された水平方向（第１方向）主偏波利得との分離度を示している。横軸は角度であり、縦軸は利得である。図８，９では、中心導体１７１（Ｐｏｒｔ１）から送信（給電）された電波の最大の強度を０ｄＢとしている。十分に高い利得、指向性、分離度を有していることが分かる。

図１０は中心導体１７２（Ｐｏｒｔ２）から送信（給電）された垂直方向（第２方向）主偏波利得を、図１１は中心導体１７２（Ｐｏｒｔ２）から送信（給電）された水平方向（第１方向）主偏波利得を示している。図１２は中心導体１７２（Ｐｏｒｔ２）から送信（給電）された垂直方向（第２方向）主偏波利得と中心導体１７１（Ｐｏｒｔ１）から送信（給電）された垂直方向（第２方向）主偏波利得との分離度を示している。図１３は中心導体１７２（Ｐｏｒｔ２）から送信（給電）された水平方向（第１方向）主偏波利得と中心導体１７１（Ｐｏｒｔ１）から送信（給電）された水平方向（第１方向）主偏波利得との分離度を示している。横軸は角度であり、縦軸は利得である。図１２，１３では、中心導体１７２（Ｐｏｒｔ２）から送信（給電）された電波の最大の強度を０ｄＢとしている。十分に高い利得、指向性、分離度を有していることが分かる。

図１４は、中心導体１７１（Ｐｏｒｔ１）および中心導体１７２（Ｐｏｒｔ２）でのリターンロス（整合性）を示す図である。中心導体１７１（Ｐｏｒｔ１）および中心導体１７２（Ｐｏｒｔ２）で、周波数を５．７ＧＨｚでのリターンロスは十分小さく、整合していることが分かる。

１００，１０１，１０２アンテナ装置
１１０接地導電板
１１１貫通孔
１２０平面アンテナ
１２５平面無給電アンテナ
１３０，１３１，１３２分配部
１４０，１４５支柱
１７０，１７１，１７２中心導体

Claims

互いに直交する２つの方向を第１方向と第２方向とし、
接地導電板と、
それぞれ、各辺が第１方向もしくは第２方向に並行な正方形の導電性の板で形成され、前記接地導電板と所定の距離で平行に配置された４個の平面アンテナと、
それぞれ、導電性の板で形成されており、送信信号を２つに分配する、もしくは２つの受信信号を合成する２個の分配部と、
前記平面アンテナと前記接地導電板とを接続する導電性の支柱と、
を備え、
前記４個の平面アンテナと前記２個の分配部とは、同一の導電性の板で形成されており、
前記４個の平面アンテナの中心は、第１方向の辺と第２方向の辺からなるあらかじめ定めた正方形のそれぞれの頂点に配置されており、
前記２個の分配部の一方である第１の分配部は第１方向に分配もしくは合成を行い、他方である第２の分配部は第２方向に分配もしくは合成を行い、
前記４個の平面アンテナは、第１方向に２個ずつの２組に分けられるとともに第２方向に２個ずつの２組に分けられており、方向ごとのそれぞれの組に前記第１の分配部、または前記第２の分配部で分配された送信信号が分配される、もしくはそれぞれの組からの受信信号が前記第１の分配部、または前記第２の分配部で合成される
ことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１記載のアンテナ装置であって、
前記平面アンテナよりも小さい矩形状の導電性の板で形成された平面無給電アンテナも備え、
前記平面無給電アンテナは、前記平面アンテナの前記接地導電板の反対側に、前記平面アンテナと並行に配置されている
ことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１または２記載のアンテナ装置であって、
前記平面アンテナは、前記第１の分配部を通る第２方向の直線について線対称な形状であり、かつ前記第２の分配部を通る第１方向の直線について線対称な形状である
ことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１～３のいずれかに記載されたアンテナ装置であって、
前記分配部の前記平面アンテナと接続されていない端子は、前記接地導電板の反対面に存在する回路に接続されている
ことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１～４のいずれかに記載されたアンテナ装置の製造方法であって、
前記４個の平面アンテナと前記２個の分配部とを、プレス加工によって一体的に形成する
ことを特徴とするアンテナ装置の製造方法。