JP7315235B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明はアンテナ装置に関する。

逆Ｌ，逆Ｆアンテナ，Ｔ字型アンテナのような基板ＧＮＤ上にモノポールアンテナを実装するアンテナがある。これらのアンテナの利点は，ダイポールアンテナと比べて小型化できることである。例えば特許文献１には，逆Ｌ型のモノポールアンテナが記載されている。

しかし，これらのアンテナは，基板ＧＮＤの大きさにより指向性が変わるため，特定方向に指向性を持たせたることが難しかった。

以下，モノポールアンテナの指向性変化について，ダイポールアンテナと比較して説明する。

図１１及び図１２は，装置基板上にダイポールアンテナを実装したモデルの一例を示す斜視図である。図１２に示すアンテナは図１１に示すアンテナよりＺ方向のＧＮＤ長が長い。

図１３は，図１１のアンテナのＸＹ面における垂直偏波の放射パターンを示す図である。また，図１４は，図１２のアンテナのＸＹ面における垂直偏波の放射パターンを示す図である。

図１３の放射パターンと図１４の放射パターンの差はほとんどない。これは，ダイポールアンテナの場合，図１５及び図１６に示すように，アンテナ電流１１はアンテナ部１２に支配的に流れ，基板ＧＮＤ１３にはほとんど流れないためである。図１５は，図１１のアンテナ装置におけるアンテナ電流を示す図である。また，図１６は，図１２のアンテナ装置におけるアンテナ電流を示す図である。

次に，モノポールアンテナの放射パターン及びアンテナ電流について説明する。図１７及び図１８は，装置基板上にモノポールアンテナを実装したモデルの一例を示す斜視図である。図１７及び図１８では，モノポールアンテナの一つであるＴ字型アンテナ２１を装置基板２２上に実装している。図１８に示すアンテナは図１７に示すアンテナよりＺ方向のＧＮＤ長が長い。

図１９は，図１７のアンテナのＸＹ面における垂直偏波の放射パターンを示す図である。また，図２０は，図１８のアンテナのＸＹ面における垂直偏波の放射パターンを示す図である。

図１３及び図１４のダイポールアンテナの放射パターンとは異なり，図２０の放射パターンは図１９の放射パターンより小さくなっている。

モノポールアンテナの場合，基板ＧＮＤ２３にアンテナ電流２４が流れることにより，放射パターンが変化している。図２１は，図１７のアンテナ装置におけるアンテナ電流を示す図である。また，図２２は，図１８のアンテナ装置におけるアンテナ電流を示す図である。

図２１に示すように，使用周波数に対してアンテナと基板ＧＮＤを含めた長さがλ／２となっている場合は，アンテナ電流２４が一方向に流れる。したがって，ＸＹ面の放射パターンは，図１９に示すように，ダイポールアンテナとほぼ同じ放射パターンが得られる。

しかし，図１８に示すように基板ＧＮＤの長さがλ／２から変化すると，図２２に示すように基板ＧＮＤ２３に逆相のアンテナ電流２５が発生する。この結果，図１６のアンテナのＸＹ面の放射パターンは，図２０に示すようにＸＹ面の垂直偏波が小さくなる。

国際公開２０１２／０５３２８２号

このように，モノポールアンテナでは，基板の長さによりアンテナの指向性が変化してしまうという問題があった。また，装置設計上基板の長さをアンテナに合わせることは困難である。

仮に，基板の長さを合わせることができたとしても，図２３のようにケーブル等を引き出すと，ケーブルの長さによっては図２４に示すように逆相のアンテナ電流が発生してしまう。図２３のアンテナ装置のＸＹ面における垂直偏波の放射パターンを図２５に示す。図２５に示すように，図１８と同様にＸＹ面の放射パターンが小さくなっている。

位置実施形態のアンテナ装置は，モノポールアンテナと，電子回路を備える基板と，前記基板の一面に設けられたＧＮＤ導電パターンとを備え，前記ＧＮＤ導電パターンの周縁部にスプリットリング共振部形状を有するようにした。

本発明のアンテナ装置によれば，基板上にモノポールアンテナを実装する場合でも，スプリットリング共振部を，基板サイズ，ケーブル等の導体等を気にすることなく，希望のアンテナ指向性を得ることができる。

実施の形態１にかかるアンテナ装置の一例を示す斜視図である。 実施の形態１にかかるアンテナ装置のスプリットリング部の形状を示す図である。 実施の形態１にかかるアンテナ装置におけるアンテナ電流を示す図である。 実施の形態１にかかるアンテナ装置の放射パターンを示す図である。 アンテナ装置の一例を示す斜視図である。 アンテナ装置におけるアンテナ電流を示す図である。 アンテナ装置の放射パターンを示す図である。 実施の形態２にかかるアンテナ装置の一例を示す斜視図である。 実施の形態２にかかるアンテナ装置におけるアンテナ電流を示す図である。 実施の形態２にかかるアンテナ装置の放射パターンを示す図である。 装置基板上にダイポールアンテナを実装したモデルの一例を示す斜視図である。 装置基板上にダイポールアンテナを実装したモデルの一例を示す斜視図である。 図１１のアンテナのＸＹ面における垂直偏波の放射パターンを示す図である。 図１２のアンテナのＸＹ面における垂直偏波の放射パターンを示す図である。 図１１のアンテナ装置におけるアンテナ電流を示す図である。 図１２のアンテナ装置におけるアンテナ電流を示す図である。 装置基板上にモノポールアンテナを実装したモデルの一例を示す斜視図である。 装置基板上にモノポールアンテナを実装したモデルの一例を示す斜視図である。 図１７のアンテナのＸＹ面における垂直偏波の放射パターンを示す図である 図１８のアンテナのＸＹ面における垂直偏波の放射パターンを示す図である。 図１７のアンテナ装置におけるアンテナ電流を示す図である。 図１８のアンテナ装置におけるアンテナ電流を示す図である。 ケーブル等を引き出すアンテナの一例を示す斜視図である。 図２３のアンテナ装置におけるアンテナ電流を示す図である。 図２３のアンテナ装置のＸＹ面における垂直偏波の放射パターンを示す図である。

（実施の形態１）
以下，図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は，実施の形態１にかかるアンテナ装置の一例を示す斜視図である。図１において，アンテナ装置１００は，アンテナ部１０１と，基板１０２と，ＧＮＤ導電パターン１０３とを備える。

アンテナ部１０１は，給電点から棒状の導電体を延伸したモノポールアンテナである。アンテナ部１０１は，１つの給電点１０４に接続し，モノポールアンテナとして機能する。アンテナ部１０１は，分岐や折曲等があってもよい。図１では，アンテナ部１０１は２つの直線形状が交差するＴ字形状である。

基板１０２は，一面にＧＮＤ導電パターン１０３を有する基板である。基板１０２は例えばプリント基板であってもよい。また，基板１０２は，電子回路を有していてもよい。例えば，基板１０２は，アンテナ部１０１と接続し，アンテナ部１０１が受信した無線信号を処理する回路を有する基板であってもよい。また，基板１０２は，アンテナ部１０１から送信する無線信号を処理する回路を有する基板であってもよい。基板１０２は，アンテナ１０１の端部から開口までが通信周波数の半波長以上の長さとなる大きさであることが望ましい。

ＧＮＤ導電パターン１０３は，例えば基板１０２の一面に形成された方形の金属層であり，基準電位の層である。また，ＧＮＤ導電パターン１０３は，積層基板のいずれかの層に形成されてもよい。

ＧＮＤ導電パターン１０３は，第１スプリットリング部１３１と，第２スプリットリング部１３２とを有する。第１スプリットリング部１３１及び第２スプリットリング部１３２の開口からＧＮＤ導電パターン１０３の周縁を経由してアンテナ部１０１の端部１１１までの長さが通信周波数の半波長である。すなわち図２２でアンテナ電流が反転した位置，アンテナ部１０１を含めておよそλ／２の位置に第１スプリットリング部１３１及び第２スプリットリング部１３２の開口を配置する。図１の例では，ＧＮＤ導電パターン１０３は長方形の形状を有しており，ＧＮＤ導電パターン１０３の平行な２辺にそれぞれ第１スプリットリング部１３１と，第２スプリットリング部１３２が形成されている。

例えば，通信周波数が２．４ＧＨｚである場合，第１スプリットリング部１３１及び第２スプリットリング部１３２は，２．４ＧＨｚで共振するようサイズ，スリット長を調整してもよい。

図２は，実施の形態１にかかるアンテナ装置のスプリットリング部の形状を示す図である。第１スプリットリング部１３１及び第２スプリットリング部１３２の形状は図２に示す形状を有する。

第１スプリットリング部１３１は，第１スプリットリング部１３１は，ＧＮＤ導電パターン１０３の金属層が存在しない空間１３３を囲む環状形状であり，ＧＮＤ導電パターン１０３の辺１３４に開口１３５を有する形状である。第２スプリットリング部１３２も第１スプリットリング部１３１と同様の形状を有する。

図３は，実施の形態１にかかるアンテナ装置におけるアンテナ電流を示す図である。図３において，第１スプリットリング部１３１及び第２スプリットリング部１３２を配置しているので，逆向きのアンテナ電流１４１，１４２が大きく低減される。

図４は，実施の形態１にかかるアンテナ装置の放射パターンを示す図である。図４に示すように，ＸＹ面の垂直偏波は，大きく改善され，図１３，図１４に近い放射パターンが得られるようになる。

以上のように，実施の形態１のアンテナ装置は，スプリットリング共振部を，基板ＧＮＤのアンテナ電流を制御したい位置に置くことで，逆相に流れるアンテナ電流を抑える。

この結果，給電アンテナに関わらず，基板上を流れるアンテナ電流をスプリットリング共振部により調整し，アンテナ利得を制御できる。

このように実施の形態１のアンテナ装置によれば，基板上にモノポールアンテナを実装する場合でも，スプリットリング共振部を，アンテナを含めλ／２離れた位置に実装することにより，基板サイズ，ケーブル等の導体等を気にすることなく，希望のアンテナ指向性を得ることができる。

（実施の形態２）
実施の形態２では，モノポールアンテナを逆Ｌアンテナとした例について説明する。まず，図５に示すように基板上にモノポールアンテナの一つである逆Ｌアンテナを配置すると，ＸＺ面における水平偏波の放射パターンは図６の形状となる。図５のアンテナを矢印で示す範囲に安定した利得を持つことが条件のアンテナ，例えばＺ方向を天空方向としたＧＰＳアンテナとして使用することを想定した場合は不向きであることが分かる。

図６の放射パターンが形成される原因は，図７に示すように逆走のアンテナ電流である。

図８は，実施の形態２にかかるアンテナ装置の一例を示す斜視図である。図８において，アンテナ装置２００は，アンテナ部２０１と，基板１０２と，ＧＮＤ導電パターン２０３とを備える。ＧＮＤ導電パターン２０３は，第１スプリットリング部２３１と，第２スプリットリング部２３２とを有する。第１スプリットリング部２３１の開口からＧＮＤ導電パターン１０３の周縁を経由してアンテナ部２０１の端部までの長さが通信周波数の半波長である。また，第２スプリットリング部２３２からＧＮＤ導電パターン１０３の周縁を経由してアンテナ部２０１の端部までの長さは，通信周波数の半波長より短い。

アンテナ部２０１は，給電点からＺ軸方向に延伸し，その端部がＸ軸方向に延伸する形状を有する。アンテナ部２０１は，１つの給電点に接続し，モノポールアンテナとして機能する。

アンテナ装置２００のアンテナ電流のイメージを図９に示す。図９は，実施の形態２にかかるアンテナ装置におけるアンテナ電流を示す図である。図９に示すように，Ｘ方向には逆相となる電流成分が小さくなり，Ｚ方向への電流も小さくなっている。

図１０は，実施の形態２にかかるアンテナ装置の放射パターンを示す図である。図１０の放射パターンは，図６の放射パターンに比べて，

このように実施の形態２のアンテナ装置によれば，ＧＮＤ導電パターンが直交する２つの辺にそれぞれスプリットリング共振部形状を有するようにしても，基板サイズ，ケーブル等の導体等を気にすることなく，希望のアンテナ指向性を得ることができる。

また，実施の形態２のアンテナ装置によれば，アンテナを含めてλ／２の距離を離さなくても，スプリットリング共振部を実装して希望の指向性を得る新たな効果をもたらす。

なお，本発明は上記実施の形態に限られたものではなく，趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば，スプリットリング共振部を形成する開環形状は，開いた端部を有していれば特に限定されず，円，楕円，方形，多角形またはこれらの組み合わせ形状であってもよい。

また，Ｔ字型，逆Ｌ型のようなモノポールアンテナを例に挙げて説明したが，基板ＧＮＤ上のアンテナ電流をスプリットリング共振部で制御するアンテナ装置であれば，給電アンテナはいずれも適用できる。

また，基板は他の電子回路を更に備えても良い。たとえば，アンテナと接続する通信回路を備えるようにしても良い。また複層基板に適用しても良い。

また，スプリットリング共振部の２つの開口が，それぞれスプリットリング共振部形状の開口からＧＮＤ導電パターンの周縁を経由してアンテナの端部までの長さを確保できない場合，一方の開口を，開口からＧＮＤ導電パターンの周縁を経由してアンテナの端部までの長さとなる位置に設け，他方の開口をモノポールアンテナの給電点に近傍に設けるようにしてもよい。この場合，基板の大きさは，一方の開口を，開口からＧＮＤ導電パターンの周縁を経由してアンテナの端部までの長さとできる大きさであればよい。

１００，２００ アンテナ装置２００
１０１，２０１ アンテナ部
１０２ 基板
１０３，２０３ ＧＮＤ導電パターン
１３１，２３１ 第１スプリットリング部
１３２，２３２ 第２スプリットリング部

Claims (3)

1. モノポールアンテナと，電子回路を備える基板と，前記基板の一面に設けられたＧＮＤ導電パターンとを備え，
   前記ＧＮＤ導電パターンの周縁部にスプリットリング共振部形状を有し，
   前記スプリットリング共振部形状の開口から前記ＧＮＤ導電パターンの周縁を経由してアンテナの端部までの長さが通信周波数の半波長であり，
   前記ＧＮＤ導電パターンは，少なくとも平行な２辺を有する形状であり，
   前記ＧＮＤ導電パターンの前記２辺に対になるように，それぞれ前記スプリットリング共振部形状を有する
   アンテナ装置。
2. モノポールアンテナと，電子回路を備える基板と，前記基板の一面に設けられたＧＮＤ導電パターンとを備え，
   前記ＧＮＤ導電パターンの周縁部にスプリットリング共振部形状を有し，
   前記スプリットリング共振部形状の開口から前記ＧＮＤ導電パターンの周縁を経由してアンテナの端部までの長さが通信周波数の半波長であり，
   前記ＧＮＤ導電パターンは，少なくとも直交する２辺を有する形状であり，
   前記直交する２つの辺にそれぞれ前記スプリットリング共振部形状を有する
   アンテナ装置。
3. 前記直交する２辺のうちの１辺は前記スプリットリング共振部形状の開口から前記ＧＮＤ導電パターンの周縁を経由してアンテナの端部までの長さは通信周波数の半波長であり、
   もう１辺の前記スプリットリング共振部形状の開口から前記ＧＮＤ導電パターンの周縁を経由してアンテナの端部までの長さは通信周波数の半波長より短い
   請求項２に記載のアンテナ装置。

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