JP7623932B2 - アンテナ - Google Patents

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Description

本発明は、アンテナに関する。
近年、PDoA(Phase Difference of Arrival)に基づく信号の到来角度推定を行うシステムが開発されている。上記のような到来角度推定を実現するためには、例えば、特許文献1に開示されるような円偏波パッチアンテナが用いられる。
特開2012-120069号公報
円偏波パッチアンテナは、所望のアンテナ特性を確保するために、所定以上の厚さを有する高価な高周波基板上に配置されることが多く、製造コストが高い。
また、到来角推定のためにアレイ構成をとる場合、アンテナの小型化が求められる。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、より安価かつ小型なアンテナを実現することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、規定の通信規格に準拠した無線信号を送受信するアンテナであって、回路基板上に配置される金属板と、前記回路基板に形成される給電点と前記金属板とを接続するとともに前記金属板を支持する第1の支持部と、前記回路基板に形成されるグランドと前記金属板とを接続するとともに前記金属板を支持する、少なくとも1つの第2の支持部と、前記金属板の外縁から前記回路基板の方向へ延長し、かつ前記回路基板に接触しないよう形成される、複数の延長部と、を備え、前記複数の延長部は、空間的に交差する2つの励振モードを形成する摂動素子として動作する、アンテナが提供される。
以上説明したように本発明によれば、より安価かつ小型なアンテナを実現することが可能となる。
本発明の第1の実施形態に係るアンテナ10の上面図である。 同実施形態に係るアンテナ10の側面図である。 同実施形態に係るアンテナ10の斜視図である。 同実施形態に係る第2の実施形態に係るアンテナ20の上面図である。 同実施形態に係るアンテナ20の側面図である。 同実施形態に係るアンテナ20の斜視図である。 本発明の第2の実施形態に係るアンテナ20を複数備えるアレーアンテナ構成について説明するための図である。 本発明の第1の実施形態に係るアンテナ10間の相互結合の強度、およびアンテナ10の間隔の関係を示すグラフである。 本発明の第2の実施形態に係るアンテナ20間の相互結合の強度、およびアンテナ20の間隔の関係を示すグラフである。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
<1.概要>
上述したように、一般的な円偏波アンテナは高価な高周波基板を用いるため製造コストが高い傾向がある。
一方、高周波基板を用いずに金属板のみでパッチアンテナを構成する場合、アンテナの大型化が懸念される。
これは、高周波基板を用いる構成では誘電率に応じて波長が短縮されるためアンテナの小型化を図れるのに対し、高周波基板を用いない構成では同効果が得られないためである。
このため、高周波基板を用いずにパッチアンテナを構成しようとする場合、特にアレイアンテナを構成しようとする場合には、アンテナを小型化するなんらかの手段を導入する必要がある。
例えば、到来角度推定を実現するためのアレイアンテナでは、各アンテナの配置間隔を信号の波長λの1/2以下とすることが求められる。
このため、アンテナ単体の寸法が1/2λを超える場合、アレイアンテナを構成することが極めて困難となる。
本発明の一実施形態に係る技術思想は上記のような点に着目して発想されたものであり、より安価かつ小型なアンテナを実現するものである。
以下、2つの実施形態に係るアンテナ構成について詳細に説明する。
<2.第1の実施形態>
まず、本発明の第1の実施形態について述べる。
本発明の第1の実施形態に係るアンテナ10は、規定の通信規格に準拠した無線信号を送受信する円偏波アンテナである。
上記規定の通信規格には、例えば、超広帯域(UWB:Ultra Wide Band)無線通信が挙げられる。
以下、図1~図3を参照して、本実施形態に係るアンテナ10の構成例について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るアンテナ10の上面図である。図2は、同実施形態に係るアンテナ10の側面図である。また、図3は、同実施形態に係るアンテナ10の斜視図である。
図1~図3に示すように、本実施形態に係るアンテナ10は、金属板110、第1の支持部121、第2の支持部122、および4つの延長部131~延長部134を備える。
本実施形態に係る金属板110、第1の支持部121、第2の支持部122、および4つの延長部131~延長部134は、金属素材を用いて一体に形成されてもよい。
なお、図1においては、各部の境界を明確とするために、第1の支持部121、第2の支持部122、および4つの延長部131~延長部134は、ドットの柄により強調されている。
(金属板110)
本実施形態に係る金属板110は、図2に示すように、回路基板30上に配置に配置される。
また、本実施形態に係る金属板110は、図1および図3に例示するように、アルファベットのHの形に近い形状で、かつアシメトリーに形成されてもよい。これは、後述するように摂動励振による円偏波の発生を実現するためである。
(第1の支持部121)
本実施形態に係る第1の支持部121は、図1~図3に示すように、回路基板30に形成される給電点40と金属板110とを接続するとともに金属板110を支持する。
また、本実施形態に係る第1の支持部121は、図1~図3に示すように、金属板110の外縁から回路基板30の方向へ延長するように形成されてもよい。
(第2の支持部122)
本実施形態に係る第2の支持部122は、回路基板30に形成されるグランド(図示を省略する)と金属板110とを接続するとともに金属板110を支持する。
また、本実施形態に係る第2の支持部122は、図1および図3に示すように、金属板110の外縁から回路基板30の方向へ延長するように形成されてもよい。
第1の支持部121および第2の支持部122により、アンテナ10が回路基板30上に自立することが可能となる。
(延長部131~延長部134)
本実施形態に係る延長部131~延長部134は、図1~図3に示すように、金属板110の外縁から回路基板30の方向へ延長し、かつ回路基板30に接触しないように形成される。
また、本実施形態に係る延長部131~延長部134は、空間的に略直交する2つの励振モードを形成する摂動素子として動作することを特徴の一つとする。
ここで、摂動励振について概要を説明する。空間的に直交する2つの励振モードに関し、互いの共振周波数がわずかに異なるように設計した場合、2つの共振周波数の中間において90°の位相差を付与することができる。
すなわち、摂動励振とは、上記90°の位相差により円偏波を発生させる手法である。
摂動励振を実現するためには、上述のように、空間的に直交する2つの励振モードに関し、互いの共振周波数がわずかに異なるように設計することが求められる。
このために、本実施形態に係る金属板110および延長部131~延長部134は、空間的に略直交する2つの励振モードの各々における電流経路の長さが互いに異なるよう形成される。
例えば、図1~図3に示す一例の場合、延長部131および延長部134の長さL1と延長部132および延長部133の長さL2は、同一である。
一方、金属板110において、延長部131と接続する部位から延長部134と接続する部位までの長さと、延長部132と接続する部位から延長部133と接続する部位までの長さは、互いに異なる。
上記のような金属板110の形状により、図1~図3に例示するアンテナ10では、延長部131および延長部134による励振モードと、延長部132および延長部133による励振モードとで、互いに長さの異なる電流経路が形成され、摂動励振が実現される。
なお、図1~図3には、延長部131および延長部134の長さL1と延長部132および延長部133の長さL2が同一である場合を例示したが、長さL1とL2を異なる長さとした場合、金属板110はシンメトリーに近い形状をとることも可能である。
また、生じさせる偏波を円偏波に限定しない場合、アンテナ10は、必ずしも延長部を4つ備えなくてもよい。
例えば、3つの延長部を摂動素子として動作させ空間的に交差する2つの励振モードを形成し、楕円偏波を発生させることも可能である。
この場合、金属板110は、アルファベットのTやLの形に近いアシンメトリー形状で形成されてもよい。
<3.第2の実施形態>
次に、本発明の第2の実施形態について述べる。
本発明の第2の実施形態に係るアンテナ20は、第1の実施形態に係るアンテナ10と同様に、規定の通信規格に準拠した無線信号を送受信する円偏波アンテナである。
以下、図4~図6を参照して、本実施形態に係るアンテナ20の構成例について説明する。
なお、以下においては、第1の実施形態に係るアンテナ10との差異に主に着目して説明を行い、第1の実施形態に係るアンテナ10と共通する構成については、詳細な説明を省略する。
図4は、本発明の第2の実施形態に係るアンテナ20の上面図である。図5は、同実施形態に係るアンテナ20の側面図である。また、図6は、同実施形態に係るアンテナ20の斜視図である。
図4~図6に示すように、本実施形態に係るアンテナ20は、金属板210、第1の支持部221、2つの第2の支持部222aおよび第2の支持部222b、4つの延長部231~延長部234、および開口部240を備える。
本実施形態に係る金属板210、第1の支持部221、2つの第2の支持部222aおよび第2の支持部222b、および4つの延長部231~延長部234は、金属素材を用いて一体に形成されてもよい。
なお、図4においては、各部の境界を明確とするために、第1の支持部221、2つの第2の支持部222aおよび第2の支持部222b、および4つの延長部231~延長部234は、ドットの柄により強調されている。
また、図5においては、視認性を優先し、延長部232および延長部234については、記載を省略する。
(金属板210)
本実施形態に係る金属板210は、図4に示すように、回路基板30上に配置に配置される。
また、本実施形態に係る金属板210は、図4および図6に例示するように、シメトリーの八角形に形成されてもよい。
(第1の支持部221)
本実施形態に係る第1の支持部221は、図4~図6に示すように、回路基板30に形成される給電点40と金属板210とを接続するとともに金属板210を支持する。
また、本実施形態に係る第1の支持部221は、図4~図6に示すように、金属板210の外縁から回路基板30の方向へ延長するように形成されてもよい。
(第2の支持部222aおよび第2の支持部222b)
本実施形態に係る第2の支持部222aおよび第2の支持部222bは、回路基板30に形成されるグランド(図示を省略する)と金属板210とを接続するとともに金属板210を支持する。
また、本実施形態に係る第2の支持部222aおよび第2の支持部222bは、図4および図6に示すように、金属板210に形成される開口部240の縁から回路基板30の方向へ延長するように形成されてもよい。
第1の支持部221、第2の支持部222a、および第2の支持部222bにより、アンテナ20が回路基板30上に自立することが可能となる。
(延長部231~延長部234)
本実施形態に係る延長部231~延長部234は、図4~図6に示すように、金属板210の外縁から回路基板30の方向へ延長し、かつ回路基板30に接触しないように形成される。
また、本実施形態に係る延長部231~延長部234は、空間的に略直交する2つの励振モードを形成する摂動素子として動作することを特徴の一つとする。
上述したように、本実施形態に係る金属板210は、シンメトリーな形状である。そこで、摂動励振を実現するために、本実施形態に係る延長部231~延長部234は、空間的に略直交する2つの励振モードの各々における電流経路の長さが互いに異なるよう形成される。
より詳細には、本実施形態においては、空間的に略直交する2つの励振モードのうちの一方を形成する2つの延長部231および延長部234の長さと、他方を形成する2つの延長部231および延長部234の長さは、互いに異なるよう形成される。
例えば、図5に示すように、延長部231の長さL1と延長部233の長さL2は、互いに異なるよう設計されてよい。同様に、延長部232の長さL2と延長部234の長さL1は、互いに異なるよう設計されてよい。
上記のような設計によれば、長さL1を有する延長部231および延長部234による励振モードと、長さL2を有する延長部232および延長部233による励振モードとで、互いに長さの異なる電流経路が形成され、摂動励振が実現される。
また、本実施形態に係る第2の支持部222aおよび第2の支持部222bは、空間的に略直交する2つの励振モードのうちの一方を形成する摂動素子として動作してもよい。
第2の支持部222aおよび第2の支持部222bを摂動素子として動作させる場合、上述の長さL1と長さL2との差を大きくする必要がなくなり、延長部が回路基板30に接触する長さとなることを回避できる。
(開口部240)
本実施形態に係る開口部240は、図4および図6に示すように、金属板210において、空間的に略直交する2つの励振モードのうちの一方を形成する2つの延長部231および延長部234の間、かつ他方を形成する2つの延長部232および延長部233の間に形成される。
本実施形態に係る開口部240によれば、延長部231の先端と延長部234の先端との間における電流経路、および延長部232の先端と延長部233の先端との間における電流経路を延長することができ、ひいてはアンテナ20をより小型化することが可能となる。
<4.アレーアンテナ構成>
次に、本発明の第1の実施形態に係るアンテナ10または第2の実施形態に係るアンテナ20を複数備えるアレーアンテナ構成について説明する。
図7は、本発明の第2の実施形態に係るアンテナ20を複数備えるアレーアンテナ構成について説明するための図である。
図7に示すように、アレーアンテナ構成において、複数のアンテナ20は、間隔が正三角形となるように配置されてもよい。
なお、図7に示す一例においては、配置間隔の基準を金属板210の中心(開口部240の中心)としているが、上記基準はアンテナ20の任意の点であってもよいし、給電点40であってもよい。
また、図示を省略するが、アレーアンテナ構成において、複数のアンテナ10も、間隔が正三角形となるように配置されてもよい。
ここで、アンテナ20間の間隔の長さをΔL(ΔL=Dλ)とする。
この場合、ΔLを短くするほどアレーアンテナを小型化することが可能である。しかし、ΔLが短すぎる場合、所望のアンテナ性能を得られない可能性が生じる。
このため、アンテナ10およびアンテナ20は、同一構成の他のアンテナとの間隔が規定の通信規格に準拠した無線信号の波長の1/2以下かつ指標により決定される規定長Dλ以上となるように配置されてもよい。
上記指標の一例としては、アンテナ間の相互結合の強度が挙げられる。
図8は、本発明の第1の実施形態に係るアンテナ10間の相互結合の強度、およびアンテナ10の間隔の関係を示すグラフである。
また、図9は、本発明の第2の実施形態に係るアンテナ20間の相互結合の強度、およびアンテナ20の間隔の関係を示すグラフである。
図8および図9に示すように、アンテナ間の間隔が短くなるほどアンテナ間の相互結合の強度は低下する傾向がある。
また、アンテナ間の相互結合の強度が弱すぎる場合、所望のアンテナ性能を得ることが困難となることが知られている。
このため、アンテナ10またはアンテナ20の配置間隔は、アンテナ間の相互結合が規定の強度以上となる規定長Dλ以上となるよう設計されてもよい。
規定長Dλは、所望するアンテナ性能、相互結合の測定結果等を考慮して決定されればよい。
なお、規定長Dλを決定するための指標はアンテナ間の相互結合の強度に限定されるものではなく、アンテナ性能の判定に利用可能な任意の指標であってよい。
<5.補足>
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
10、20:アンテナ、110、210:金属板、121、221:第1の支持部、122、222a、222b:第2の支持部、131~134、231~234:延長部、240:開口部、30:回路基板、40:給電点

Claims (8)

  1. 規定の通信規格に準拠した無線信号を送受信するアンテナであって、
    回路基板上に配置される金属板と、
    前記回路基板に形成される給電点と前記金属板とを接続するとともに前記金属板を支持する第1の支持部と、
    前記回路基板に形成されるグランドと前記金属板とを接続するとともに前記金属板を支持する、少なくとも1つの第2の支持部と、
    前記金属板の外縁から前記回路基板の方向へ延長し、かつ前記回路基板に接触しないよう形成される、複数の延長部と、
    を備え、
    前記複数の延長部は、空間的に交差する2つの励振モードを形成する摂動素子として動作する、
    アンテナ。
  2. 前記金属板および前記複数の延長部は、前記空間的に交差する2つの励振モードの各々における電流経路の長さが互いに異なるよう形成される、
    請求項1に記載のアンテナ。
  3. 空間的に略直交する2つの励振モードを形成する摂動素子として動作する4つの前記延長部、
    を備える、
    請求項1または請求項2のうちいずれか一項に記載のアンテナ。
  4. 前記空間的に略直交する2つの励振モードのうちの一方を形成する2つの前記延長部の長さと、他方を形成する2つ前記延長部の長さは、互いに異なるよう形成される、
    請求項3に記載のアンテナ。
  5. 前記金属板において、前記空間的に略直交する2つの励振モードのうちの一方を形成する2つの前記延長部の間、かつ他方を形成する2つの前記延長部の間に形成される開口部、
    をさらに備える、
    請求項4に記載のアンテナ。
  6. 前記開口部の縁とグランドとを接続し、前記空間的に略直交する2つの励振モードのうちの一方を形成する摂動素子として動作する2つの前記第2の支持部、
    を備える、
    請求項5に記載のアンテナ。
  7. 同一構成の他のアンテナとの間隔が規定の通信規格に準拠した無線信号の波長の1/2以下かつ規定長以上となるように配置される、
    請求項1から請求項6までのうちいずれか一項に記載のアンテナ。
  8. 前記規定の通信規格は、超広帯域無線通信を含む、
    請求項1から請求項7までのうちいずれか一項に記載のアンテナ。
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