JP7475153B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、通信機能を有する機器に使用される、複数のアンテナで構成されたアンテナ装置に関する。

近年、情報端末機器に代表される多種多様な機器に無線ＬＡＮ、ＷｉＭＡＸ（登録商標）、ＷｉＦｉ（登録商標）、ＢｌｕｅＴｏｏｔｈ（登録商標）をはじめとする無線データ通信システムが採用されており、これらの通信に使用されるアンテナの需要が高まっている。

また、通信速度を向上させるために、一つの通信装置に多数のアンテナを搭載する場面も存在する。

一つの通信装置に多数のアンテナを搭載する際に課題となるのが、アンテナ間の相互干渉による通信特性の低下である。アンテナ間の相互干渉を抑制するには、一定の距離を取ってアンテナを配置する手法が存在するが、通信装置の小型化も要求される昨今では、アンテナを搭載できる場所に対する制限が大きいため、一定の距離を取ってアンテナを配置することが困難な場面も存在する。

一定の距離を取ってアンテナを配置する以外にアンテナ間の相互干渉を低減する方法として、アンテナ間のグランドにスリットを設ける方法（特許文献１）や、アンテナ間のグランドに突出部を設ける方法（特許文献２）などが提案されているが、全体的なアンテナ形状が制限されてしまうため、アンテナを所定の周波数に対応させる調整に困難が生じ、アンテナ設計の自由度に影響する。

加えて、相互干渉を低減する方法を採用した上述のアンテナが、金属板などの導体に近接して搭載された場合、相互干渉の低減効果が低下する傾向にある。アンテナを搭載する通信装置の筐体などは金属板で構成される場面も多く、相互干渉を低減する観点において好ましくない環境となっている。

特開２００７－１３６４３号公報 特開２０１３－５１６４４号公報

本発明の課題は、アンテナ設計の自由度を確保できるとともに、金属製筐体を有する通信装置など、アンテナ間の相互干渉を低減する観点において好ましくない環境においても、アンテナ間の相互干渉を抑制できるアンテナ装置を提供することにある。

本発明者はアンテナの構造と装置内における配置方法を鋭意検討した結果、アンテナが有するグランド板とは別に導体板が存在する場合、各アンテナが有するグランド板が、導体板の一面から所定間隔離間した状態となるよう複数のアンテナを配置することで、アンテナ設計の自由度に優れるとともに、アンテナ間の相互干渉が抑制されたアンテナ装置を実現した。

本発明のアンテナ装置では、以下の効果が期待できる。

（１）アンテナ形状に依存することなくアンテナ間の相互干渉を抑制できるため、アンテナ設計の自由度に優れ、所望の特性を有したアンテナ装置を容易に得ることができる。

（２）金属製筐体を有する通信装置など、アンテナ間の相互干渉を低減する観点において好ましくない環境においても、安定したアンテナ間の相互干渉抑制効果が得られる。

本発明のアンテナ装置の参考例である。 本発明のアンテナ装置に使用するアンテナの参考例である。 導体板の一面に対してアンテナ（グランド板）を離間させる方法の一例である。 本発明のアンテナ装置に使用するアンテナの構成例である。 本発明のアンテナ装置の構成例である。 本発明のアンテナ装置における、アンテナの配置方法の一例である。 本発明のアンテナ装置における、アンテナの配置方法の他の例である。 実施例１に使用したアンテナのＶＳＷＲである。 実施例１のアンテナ間のアイソレーションである。 実施例２に使用したアンテナのＶＳＷＲである。 実施例２のアンテナ間のアイソレーションである。 比較例のアンテナ装置である 比較例のアンテナ装置に使用するアンテナである。 比較例に使用したアンテナのＶＳＷＲである。 比較例のアンテナ間のアイソレーションである。

以下、図１を参照しながら、本発明について説明する。

図１において、１ａ、１ｂはアンテナ、２は導体板であり、導体板２の一面近傍に複数のアンテナ１ａ、１ｂを配置することで、本発明のアンテナ装置７が構成される。

本発明に使用されるアンテナ１は、図２に示したように、グランド板３、グランド板３の輪郭辺の第１位置Ａ１から延出する放射素子部４、放射素子部４に設けられた給電点Ｐに接続される給電線路５を有する。なお、図２（ｂ）は、図２（ａ）を背面から見た場合の斜視図である。

導体板２は、アンテナ１が配置される通信装置の筐体を想定したものであり、通常は矩形状だが、円形状、三角形状など、他の形状であっても良い。また、実際の形状は板状に限定されず、一定の厚さを有した直方体状などであっても良い。
直方体状など、導体板２が複数の面を有する場合は、導体板２の一面は任意の面から選択することができる。
導体板２の材料は鉄、アルミニウムなどの各種金属や導電性樹脂の他、表面に金属メッキを施した樹脂板も利用できる。

本発明で特徴的なことは、図１に示したように、アンテナ１は、導体板２の一面に対してグランド板３が所定間隔離間した状態で配置されていることである。

導体板２の一面に対してグランド板３が離間した状態で、アンテナ１が配置されることによって、アンテナ１と導体板２は電気的に独立した状態となり、導体板２の近傍に複数のアンテナ１が配置されている場合は、各アンテナ１が電気的に独立した状態となる。

各アンテナ１が電気的に独立していることにより、アンテナ１に給電される高周波電流が別のアンテナ１に流れ込むことがなくなり、アンテナ間での結合度が低減し、アンテナ１間での相互干渉を抑制することができる。

導体板２の一面に対してグランド板３が離間した状態でアンテナ１を配置する方法は特に限定されないが、アンテナ１を保持する保持部材を別途設けて、導体板２に対してグランド板３が離間するように保持する方法が挙げられる。
具体的には、図３（ａ）に示したように、導体板２上に絶縁体等で構成された保持部材６を設け、保持部材６によってアンテナ１を支持する方法や、図３（ｂ）に示したようなアンテナ１を挟持する保持部材６によって導体板２の一面に対して離間させる方法などが挙げられる。

本発明において好ましく利用できる保持部材６として、図４に示した、グランド板３の輪郭辺の第２位置Ａ２から導体板２に向かうように延出した接地片６１が挙げられる。
接地片６１を設けた構造のアンテナ１を用い、図５に示したように接地片６１を導体板２に接地させることで、アンテナ１に帯電した静電気が接地片６１を介して導体板２へと除去される経路ができるため、静電気による給電線路５や、その先に存在する高周波回路の損傷を抑制することができる。

複数のアンテナ１に接地片６１を設けた態様は、各アンテナ１の電気的独立が失われるが、一定の相互干渉抑制機能は依然として有する。
この相互干渉抑制機能は、任意のアンテナ１ａから別のアンテナ１ｂへと高周波電流が流れ込む場合、アンテナ１ａ→接地片６１ａ→導体板２→接地片６１ｂ→アンテナ１ｂという経路で流れ込むことになるため、導体板２に流れ込んだ高周波電流は導体板２内に散逸し、アンテナ１ｂに流れ込む高周波電流が限られた量になって得られたものと推定される。

このように、各アンテナ１の電気的独立が失われたとしても一定の相互干渉抑制機能は依然として有するため、接地片６１を設けた態様は、アンテナ間の相互干渉の抑制機能と、静電気による損傷の抑制機能を両立させた態様と評価することができる。

接地片６１には、導体板２への固定を考慮して、その先端に導体板２に対して面接触する固定片６２を設けるのが好ましい。図４のアンテナ１においては、接地片６１と固定片６２が保持部材６として機能する。

加えて、給電点Ｐと接地片６１の位置関係を考慮することで、安定したアンテナ間の相互干渉の抑制機能を得ることができる。

具体的には、第２位置Ａ２は、第１位置Ａ１が存在する第１輪郭辺Ｌ１とは異なる第２輪郭辺Ｌ２に存在させるのが好ましい。

この態様は、給電点Ｐと接地片６１との間に一定の距離を設けた態様と言い換えることができる。給電点Ｐと接地片６１との間に一定の距離を設けた場合、給電された高周波電流が接地片６１へと流れ込むのに対する一定の抵抗が生まれるため、アンテナ１間での高周波信号の流れ込みが抑制され、アンテナ間での相互干渉が抑制される。

加えて、第１輪郭辺Ｌ１の一端が第２輪郭辺Ｌ２、他端が第３輪郭辺Ｌ３と接触していると定義した場合、第２輪郭辺Ｌ２と給電点Ｐとの間の距離は、第３輪郭辺Ｌ３と給電点Ｐとの間の距離より短くするのが好ましい。

この態様は、給電点Ｐと接地片６１のとの間の距離を一定の範囲内に収めた態様と言い換えることができる。給電点Ｐと接地片６１との間の距離が長い場合、給電線路５に対する外乱（給電線路５が同軸ケーブルの場合は、同軸ケーブルの振動など）に対するアンテナ特性の変動が大きくなり、アンテナ動作が不安定になる傾向にある。給電点Ｐと接地片６１との間の距離を一定の範囲内に収めることで、アンテナ動作の安定化に寄与する。

接地片６１を設ける第２位置Ａ２は、接地片６１を割愛して同形状のアンテナを作成した際にグランド板３に発生する電界強度が弱い領域に設定すると、アンテナ間での相互干渉抑制機能が高まる傾向にある。
グランド板３に発生する電界強度が弱い領域はアンテナ１に給電された高周波電流が流れにくい領域と考えられ、接地片６１を設けても、接地片６１を介した導体板２への高周波電流への流れ込みが起きにくく、その結果アンテナ間での相互干渉抑制機能が高まると推定される。

また、接地片６１の幅は、第２位置Ａ２が設けられる輪郭辺の長さの３分の２以下であることが好ましい。接地片６１の幅が輪郭辺の長さの３分の２以下であることで、接地片６１へと流れ込む高周波電流の量が制限され、より安定したアンテナ間での相互干渉の抑制効果を得ることができる。

接地片６１の幅の下限値は特に限定されず、アンテナ１を支持するために必要な強度が確保できる幅に設定すれば良い。

本発明においては、上述したアンテナ１の形状の採用と併せて、導体板２の一面近傍における複数のアンテナ１の配置方法も考慮することで、より良好なアンテナ間での相互干渉の抑制効果を得ることができる。

具体的には、図６に示したようにＸ軸方向とＸ軸方向に直行するＹ軸方向とを有する導体板２の一面近傍に第１アンテナ１ａと第２アンテナ１ｂを配置する際、第１アンテナ１ａを配置する位置は、第２アンテナ１ｂが配置された位置に対してＸ軸方向、Ｙ軸方向ともにずれた位置であることが好ましい。

第１アンテナ１ａを、第２アンテナ１ｂが配置された位置に対してＸ軸方向、Ｙ軸方向ともにずれた位置に配置することで、第１アンテナ１ａの指向性の主軸と第２アンテナ１ｂの指向性の主軸とが同一直線上に位置しなくなり、各アンテナが送受信する電磁波間での干渉が低減し、アンテナ間での相互干渉の抑制効果が安定する。

なお、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向ともにずれた位置は、図６に示したように、一方のアンテナの最大外寸法の延長線上に、他方のアンテナが存在しない位置を指す。

他に好ましく利用できる配置方法として、図７に示したように、第１アンテナ１ａの第１位置Ａ１ａが存在する輪郭辺Ｌ１ａと、第２アンテナ１ｂの第１位置Ａ１ｂが存在する輪郭辺Ｌ１ｂとが、互いに平行にならないよう、第１アンテナ１ａと第２アンテナ１ｂを配置する方法が挙げられる。

第１アンテナ１ａの第１位置Ａ１ａが存在する輪郭辺Ｌ１ａと、第２アンテナ１ｂの第１位置Ａ１ｂが存在する輪郭辺Ｌ１ｂとが互いに平行になっていないことで、第１アンテナ１ａの指向性の主軸方向と第２アンテナ１ｂの指向性の主軸方向に差が生まれ、各アンテナが送受信する電磁波間での干渉が低減し、アンテナ間での相互干渉の抑制効果が安定する。

上述した２種類のアンテナ配置方法は、併用することでより高い相互干渉の抑制効果が得られるが、アンテナ装置７の設計の都合上、併用が困難な場合は一方のみを使用すれば良い。

本発明に使用するアンテナ１が有する放射素子部４の形状は特定のものに限定されず、所望する通信特性に応じて種々の形状のものを使用することができる。逆Ｆ形アンテナとして機能する図２、４に示した直線状の素子の他、コの字状やメアンダ状といった折り返し構造を有するもの、複数の周波数に対応する分岐状のものなどが使用でき、アンテナ１内に放射素子部４と容量結合してアンテナ特性を発現させるための無給電素子を設けても良い。

本発明に使用するアンテナ１は、洋白（白銅）、銅、鉄、黄銅、鋼等で作られた、厚さ０．１～１ｍｍ程度の金属一枚板を打ち抜いて一体成型したアンテナエレメントや、誘電体基板上に導電パターンを設けたアンテナエレメント、あるいは両者を組み合わせて構成されたアンテナエレメントなど使用して構成される。

本発明に使用する給電線路５としては、周知のフッ素樹脂被覆等の高周波同軸ケーブルを使用すればよい。この高周波同軸ケーブルの内部導体、あるいは外部導体をアンテナ１の所定の場所に接続するには、ハンダ付による固定、あるいはカシメによる固定などを利用すれば良い。

また、アンテナ１を保護するために、アンテナ１を覆うよう、導体板２上にアンテナ保護カバーを設けても良い。

本発明のアンテナ装置７は、通信装置に組み込まれる形で使用される。

以下に、無線ＬＡＮ帯域（２．４５ＧＨｚ帯域）に対応するアンテナ１を複数使用して、アンテナ装置７を構成した例を示す。

[実施例１]
実施例１として、図１に示したアンテナ装置を構成する。尚、実施例１は参考実施例１とする。

１－１．図２のアンテナの作成：
厚さが０．４ｍｍの亜鉛めっき鋼板を打ち抜いて、図２に示す形状のアンテナエレメントを作成した。
グランド板３の大きさは幅３０ｍｍ×高さ３２ｍｍとし、グランド板３の上辺左部からＬ字状の放射素子部４を延出させ、開放端はグランド板３の右辺に揃えた。グランド板３の上辺に対向する放射素子部４の側片には給電点Ｐを設けるための突出部を設けた。
アンテナ１の細部寸法は、２．４５ＧＨｚ帯域に対応する逆Ｆアンテナとして機能するように調整した。

給電線路５として、内部導体、フッ素樹脂（ＰＦＡ）製絶縁体、外部導体、ＰＦＡ製外被で構成された同軸ケーブルを準備した。
同軸ケーブルの先端を段剥ぎし、同軸ケーブルの長さ方向とグランド板３の高さ方向を平行にした状態で、放射素子部４に設けた突出部に内部導体をはんだ付けして給電点Ｐとした。
グランド板３の給電点Ｐに対峙する位置に外部導体をはんだ付けしてアースポイントとし、アンテナ１が完成した。
なお、同軸ケーブルをはんだ付けする面は、アンテナ装置を構成した際に導体板２に対向する面とした。
また、同軸ケーブルの反対側には高周波回路に接続できるよう、周知の同軸ケーブル用コネクタが設けられている。

上記のアンテナ１を２個作成し、それぞれ第１アンテナ１ａ、第２アンテナ１ｂとした。

１－２．図１のアンテナ装置の作成：
導体板２として、幅３００ｍｍ×高さ１５０ｍｍ×厚さ４０ｍｍの鉄板を準備した。

作成した第１、第２アンテナ１ａ、１ｂを、図１に示したように導体板２の一面近傍に配置する。導体板２への配置は、グランド板３ａ、３ｂの下辺を保持するとともに、導体板２の一面に対するグランド板３ａ、３ｂの離間距離Ｚａ、Ｚｂがそれぞれ８．５ｍｍになるよう構成した保持部材６（図示割愛）を導体板２上に設けて行った。

導体板２の左側に配置した第１アンテナ１ａは、、グランド板３の左辺と導体板２の左辺との間の距離Ｘａが７０ｍｍ、グランド板３ａの下辺と導体板２の下辺との間の距離Ｙａが５５ｍｍとなるよう配置した。

第１アンテナ１ａと第２アンテナ１ｂは一直線上に並列するよう配置し、アンテナ装置７を完成させた。アンテナ間の距離Ｄは１００ｍｍに設定した。

１－３．アンテナ装置の評価
第１アンテナ１ａ、第２アンテナ１ｂのそれぞれに２．４５ＧＨｚ帯の高周波信号を給電し、各アンテナのＶＳＷＲと、第１、第２アンテナ間に発生する相互干渉（アイソレーション）を測定した。ＶＳＷＲを図８、アイソレーションを図９に示す。

[実施例２]
実施例２として、図５に示したアンテナ装置を構成する。

２－１．図４のアンテナの作成：
厚さが０．４ｍｍの亜鉛めっき鋼板を打ち抜いて、図４に示す形状のアンテナエレメントを作成した。
グランド板３の左辺下部に設けた第２位置Ａ２から、保持部材６として接地片６１と固定片６２を延出させた以外は、実施例１で作成したアンテナと同様の寸法、構造とした。
接地片６１と固定片６２の幅は共に７ｍｍで、接地片６１の高さは８．５ｍｍ、固定片６２の長さは１０ｍｍとした。

実施例１と同様に、給電線路５として同軸ケーブルをはんだ付けしてアンテナ１を完成させ、完成したアンテナ１を２個準備し、それぞれ第１アンテナ１ａ、第２アンテナ１ｂとした。

２－２．図５のアンテナ装置の作成：
導体板２として、実施例１と同様の鉄板を準備した。

作成した第１、第２アンテナ１ａ、１ｂを、図５に示したように導体板２の一面近傍に配置する。導体板２への固定は、固定片６２に穴を設け、導体板２に対してネジ固定を行った。

導体板２の一面に対するグランド板３の離間距離Ｚａ、Ｚｂはそれぞれ８．５ｍｍであり、距離Ｘａ、Ｙａ、Ｄは、実施例１と同様、７０ｍｍ、５５ｍｍ、１００ｍｍに設定した。

２－３．アンテナ装置の評価
第１アンテナ１ａ、第２アンテナ１ｂのそれぞれに２．４５ＧＨｚ帯の高周波信号を給電し、各アンテナのＶＳＷＲと、第１、第２アンテナ間に発生する相互干渉（アイソレーション）を測定した。ＶＳＷＲを図１０、アイソレーションを図１１に示す。

[比較例]
比較例として、図１２に示したアンテナ装置７’を構成する。

３－１．図１４のアンテナの作成：
厚さが０．４ｍｍの亜鉛めっき鋼板を打ち抜いて、図１３に示す形状のアンテナエレメントを作成した。
基本的な構成、対応する周波数帯域などは、実施例１のアンテナと同様であるが、グランド板３の途中で板金を直角に折り曲げ、グランド板３の主部を構成する平面に対して、放射素子部４を構成する平面が垂直になるよう構成した。

給電線路５として同軸ケーブルをはんだ付けしてアンテナ１’を完成させた。
なお、同軸ケーブルをはんだ付けする面は、アンテナ１’を導体板２上に配置する際に干渉しないよう、実施例１、２とは反対の面とした。

完成したアンテナ１’を２個準備し、それぞれ第１アンテナ１’ａ、第２アンテナ１’ｂとした。

３－２．図５のアンテナ装置の作成：
導体板２として、実施例１と同様の鉄板を準備した。

作成した第１、第２アンテナ１’ａ、１’ｂを、図１３に示したように導体板２上に配置する。導体板２への固定は、グランド板３に穴を設け、導体板２に対してネジ固定を行ない、導体板２とグランド板３が面接触して電気的に導通した状態とした。

比較例では、導体板２の一面に対してグランド板３は離間しておらず、距離Ｘａ、Ｙａ、Ｄは、実施例１と同様、７０ｍｍ、５５ｍｍ、１００ｍｍに設定した。

３－３．アンテナ装置の評価
第１アンテナ１’ａ、第２アンテナ１’ｂのそれぞれに２．４５ＧＨｚ帯の高周波信号を給電し、各アンテナのＶＳＷＲと、第１、第２アンテナ間に発生する相互干渉（アイソレーション）を測定した。ＶＳＷＲを図１４、アイソレーションを図１５に示す。

実施例１、２、及び比較例のアンテナ装置を構成する各アンテナのＶＳＷＲは２４５０ＭＨｚ（２．４５ＧＨｚ）近傍で低下しており、ＶＳＷＲ上では２．４５ＧＨｚ帯域で使用されるアンテナとして必要十分な性能を持っている。

一方、実施例１、２、及び比較例のアンテナ装置におけるアンテナ間のアイソレーションは、２．４５ＧＨｚ近傍において比較例では－３０ｄＢ以上であるのに対し、実施例１では－３５ｄＢ以下、実施例２では－３０ｄＢ以下であった。

通信特性に悪影響を与えない範囲のアイソレーションは、一般的に－３０ｄＢ以下とされているため、本発明のアンテナ装置７は、導体板２の一面に対してグランド板３を離間させることで、実用上問題ないレベルにアンテナ間のアイソレーションが抑制されていることが確認できた。

実施例１と実施例２を比較した場合、実施例２のアンテナ装置７は実施例１よりもアイソレーションが増加しており、接地片６１の存在によって導体板２とグランド板３が電気的に導通した影響が現れたものと考えられる。
しかしながら、依然として－３０ｄＢ以下であるため実用上の問題は無く、導体板２とグランド板３の電気的導通による静電気の除去効果と、これに伴う給電線路５の損傷防止効果が得られるため、好ましく利用できる態様である。

以上、無線ＬＡＮ帯域（２．４５ＧＨｚ帯域）に対応するアンテナ装置について説明したが、これは本発明の一例に過ぎず、本発明の思想の範囲内であれば、他の帯域に対応するアンテナにも適用できることは言うまでもない。特に、アンテナ１の具体的構成は以上述べた例に制限されず、本発明の思想の範囲内で従来提案されている種々のアンテナ構成を適宜選択して利用することができる。

本発明のアンテナ装置は、通信機能を有した種々の機器に適用でき、ＩｏＴに使用される産業装置、通信機能を有した情報家電、自動車関連機器などに好適に利用できる。

１、１’ アンテナ
１ａ、１’ａ 第１アンテナ
１ｂ、１’ｂ 第２アンテナ
２ 導体板
３、３ａ、３ｂ グランド板
４、４ａ、４ｂ 放射素子部
５ 給電線路
６ 保持部材
６１、６１ａ、６１ｂ 接地片
６２、６２ａ、６２ｂ 固定片
７ アンテナ装置
Ｐ 給電点
Ａ１、Ａ１ａ、Ａ１ｂ 第１位置
Ａ２ 第２位置
Ｌ１、Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ 第１輪郭辺
Ｌ２ 第２輪郭辺
Ｌ３ 第３輪郭辺

Claims (5)

1. 導体板の一面近傍に複数のアンテナを配置したアンテナ装置であって、
   該アンテナは、グランド板と、
   該グランド板の輪郭辺の第１位置から延出する放射素子部と、
   該放射素子部に設けられた給電点に接続される給電線路と、
   該グランド板の輪郭辺の第２位置から該導体板に向かって延出するとともに、該導体板に接地される接地片とで構成されており、
   該アンテナは、該グランド板が該導体板の一面から所定間隔離間して配置されているとともに、該第２位置が、該第１位置が存在する第１輪郭辺とは異なる第２輪郭辺に存在することを特徴とするアンテナ装置。
2. 該第１輪郭辺は、該第２輪郭辺と、第３輪郭辺とに接触しているとともに、該第２輪郭辺と該給電点の間の距離は、該第３輪郭辺と該給電点の間の距離より短いことを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 該接地片の幅は、該第２位置が設けられる輪郭辺の長さの３分の２以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 該導体板の一面近傍に第１アンテナと第２アンテナを配置したアンテナ装置であって、
   該導体板はＸ軸方向と、Ｘ軸方向に直行するＹ軸方向を有し、
   該第１アンテナは、該第２アンテナの配置された位置に対して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向ともにずれた位置に配置されてい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アンテナ装置。
5. 該導体板の一面近傍に第１アンテナと第２アンテナを配置したアンテナ装置であって、
   該第１アンテナの第１位置が存在する輪郭辺と、該第２アンテナの第１位置が存在する輪郭辺とが、互いに平行にならないよう、該第１アンテナと該第２アンテナが配置されていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。

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