JPWO2003041222A1 - アンテナ - Google Patents

Abstract

通信用アンテナの利得を高く、小型化する。さらに、帯域を広くし、ビームの幅を狭く、指向性を高めるため、地導体板と、この地導体板の上に配置した金属薄板状の給電素子と、この給電素子から０．０１〜０．２波長程度離して配置した金属薄板状の第１の無給電素子と、この第１の無給電素子から０．２〜０．８波長離して配置した金属薄板状の第２の無給電素子とから成る成層構造体を備える。成層構造体の給電素子とその上方の無給電素子との間に誘電率の高い誘電体を配して高さ方向の寸法を誘電体内の短縮された波長分だけ減少する。

Description

技術分野
本発明は、主として通信分野で使用されるアンテナに係わるものであり、特に周波数の高い通信分野での使用に適している小型アンテナに関するものである。
背景技術
本発明のアンテナは広く通信分野で使用できるが、特にマイクロ波用アンテナとして適しており、この分野での従来のアンテナとしてはマイクロストリップアンテナ、もしくはパッチアンテナ（平面アンテナ）がある。この平面アンテナは地導体板と、この地導体板に重ねた誘電体板と、この誘電体板に重ねたストリップまたはパッチ状の金属薄板の給電素子とから成るが普通である。プリント基板上に放射素子と給電線とをエッチング工程で、容易に製作でき、薄型軽量のアンテナとして携帯電話などの小型の通信装置に使用される。
図２０と図２１にこの従来の平面アンテナの放射方向水平面内の指向性を示す。２．４５ＧＨｚにおけるビーム幅は６０度である。
このアンテナで利得を高くするため複数の放射素子をプリント基板上に配置し、個々に給電するようにすると面積が広くなり、また給電損失も増加するという問題があった。高周波においてもセンチ波より低い周波数では平面アンテナも大きくなり、高利得にしようとして上記のようなアレイ構成にすると、例えば家屋に設置した場合には外見も大きくなり、またその結果、構造の強度上にも問題が生じてくる。
本発明の目的は、利得が高く、そして小型な通信用アンテナを提供することにあり、また帯域も広く、指向性の狭い通信用アンテナを提供する。
発明の開示
上記の目的を達成する本発明のアンテナは、地導体板と、この地導体板の上に配置した金属薄板状の給電素子と、この給電素子から０．０１〜０．２波長程度離して配置した金属薄板状の第１の無給電素子と、給電素子から０．２〜０．８波長、好ましくは０．４〜０．６波長離して配置した金属薄板状の第２の無給電素子とから成る成層構造体を備えたアンテナである。
給電素子の寸法と、この給電素子から０．０１〜０．２波長程度離して配置した金属薄板状の第１の無給電素子の寸法を若干異ならせることで僅かに中心周波数の離れた２つの共振状態が発生し、総合的な共振としてその共振帯域が拡大されて広帯域のアンテナとなる。また、給電素子から０．２〜０．８波長、好ましくは０．４〜０．６波長離して配置した第２の無給電素子によって放射ビームは狭く絞り込まれ指向性特性と利得が向上する。成層構造体となっているので、面積を広く取るということはない。
成層構造体は第２の無給電素子から０．２〜０．８波長、好ましくは０．４〜０．６波長離して配置した金属薄板状の第３の無給電素子を含んでもよい。この第３の無給電素子により指向性は一層の改善を得ることができる。
成層構造体は第３の無給電素子から０．２〜０．８波長、好ましくは０．４〜０．６波長づつ離して配置した金属薄板状の無給電素子を含み、その第４以降の無給電素子の数は地導体板の大きさによって決まるビーム絞り効果の収斂によって決定される。第４以降の無給電素子の数を増やすに従ってビーム幅は狭くなるが、その絞り込みの効果の程度は非線形的に小さくなり、最終的には無給電素子をそれ以上増やす意義はなくなる。地導体板が大きい程、無給電素子の数を増やすことができる。現実には、目標とする絞込み効果に従って、第４以降の無給電素子数を決定する。
給電素子と無給電素子の形はストリップ、円形もしくは四角形でもよい。
成層構造体を収容する前方開放の金属ケースを備えることにより側方への電磁波放射を抑制し、前放射方向へ放射エネルギーを反射させて利得を高めることができる。
成層構造体の側面に電波吸収体を配置し、側方への電磁波放射を吸収させることもできる。
また、上記の目的、特に広帯域と、小型化を主目的とする本発明のアンテナは、地導体板と、この地導体板の上に配置した金属板状の給電素子と、この給電素子から離して、もしくは給電素子に密着して配置した誘電体板と、この誘電体板から離して、もしくは誘電体板に密着して配置した金属板状の無給電素子とから成る成層構造体を備えたアンテナである。
空気より誘電率の大きい誘電体板の介在により、電磁波の波長は空気におけるより短くなり、それだけ成層構造体の高さを低減でき、小型化に寄与できる。また、給電素子の共振と給電素子と誘電体板間における共振の複数の共振状態が発生し、総合的な共振としてその共振帯域が拡大されて広帯域のアンテナとなる。この場合も給電素子と無給電素子の形状はストリップ、円形もしくは四角形であってもよい。成層構造体を前方開放の金属ケースに収容して側方への電磁波放射を抑制し、前方向放射方向へエネルギーを反射させて利得を高めることができる。また、成層構造体の側面に電磁波吸収体を配置してもよい。
また、本発明のアンテナは、地導体板と、金属薄板状の給電素子と、金属薄板状の無給電素子とから成る成層構造体の中心軸に導体もしくは絶縁体材料の支持棒を取り付け、または成層構造体の中心軸以外の所与の位置に絶縁体材料の支持棒を取り付けて成層構造体を一体として固定する。また、成層構造体の給電素子と無給電素子との間に低誘電率のスペーサーを配置して成層構造体を一体としてもよい。
発明を実施するための最良の形態
図１を参照する。成層薄板アンテナは、地導体板１と、この地導体板の上に配置した金属薄板状の給電素子２と、この給電素子２から０．１波長離して配置した金属薄板状の第１の無給電素子３と、この給電素子２から０．５波長離して配置した金属薄板状の第２の無給電素子４とから成る成層構造体を備えている。
給電素子２の寸法と０．１波長離して配置した第１の無給電素子３の寸法を若干異ならせることで僅かに共振周波数の離れた２つの共振状態が発生し、総合的な共振としてその共振帯域が拡大される。この空間が０．０１〜０．２波長程度の長さである場合において帯域拡張効果が実験により確認されており、また成層構造体の高さの低減にも寄与している。それは、給電素子２のみの反射特性を示す図２と、それに第１の無給電素子３を装荷した場合の反射特性を示す図３を比較することにより明らかである。
また、給電素子２から０．５波長離して配置した第２の無給電素子によって放射ビームは狭く絞り込まれ、指向性特性と利得が改善される。図４及び図５に示すように、２．４５ＧＨｚの放射方向水平面内と垂直面内のビーム幅は、共に４４度となっており、通常の平面アンテナの放射方向水平面内のビーム幅６０度に対して著しく改善されている。この０．５波長程度の間隔が、ビーム幅の収束に最も効果があることが実験的によって確認されている。
成層構造体が第２の無給電素子４から０．５波長離して配置した金属薄板状の第３の無給電素子５を含んでいる実施例を図６に示す。この第３の無給電素子５により指向特性は一層の改善をみる。図７及び図８に示すように、２．４５ＧＨｚの放射方向水平面内と垂直面内のビーム幅はともに３７．５度となって図１のアンテナの４４度に比してさらに改善されている。
ビームの一層の絞込みを狙って第３の無給電素子から０．５波長離して金属薄板状の第４以降の無給電素子を配置してもよいが、地導体の大きさには自ずと制限があるので、その指向特性に認識し得る程の改善は認められなくなる。
この場合も給電素子と無給電素子の形は四角形としているがストリップもしくは円形でもよい。
図９（ａ）を参照する。成層構造体を前方開放の金属ケース６に収容する。金属ケース６は底面の地導体板１と側面の金属板６ａからなる構造である。７は給電用コネクタである。この金属ケースにより側方への電磁波放射を抑制し、前方放射方向への放射エネルギーを反射させて利得を高めることができる。図１０と図１１に示すように、２．４５ＧＨｚの放射方向水平面内のビーム幅は３５度、垂直面内のビーム幅は４３度となっており、図６のアンテナ放射パターンに比して側方、後方への輻射は顕著に抑制され、また水平面内のビーム幅３５度は図６のアンテナの３７．５度よりもさらにビームは絞られ、従ってそれだけ利得も改善されている。
成層構造体を収容する金属ケースについて説明する。図９（ａ）を参照する。成層構造体底面の地導体板１の形状は、矩形のほかに円形、多角形など各種形状にしてもよい。また、地導体板の形状は、平面もしくは曲面とすることができる。金属板６ａは、成層構造体底面の地導体板１の延長方向から傾斜角度θ（θは０°＜θ≦９０°の範囲）を成し、その形状は平面もしくは曲面とすることができる。この金属板６ａの高さ、および傾斜角度θを調整することで、所望の指向特性を得ることができる。また、成層構造体底面の地導体板１と金属板６ａをヒンジ構造、蛇腹構造、ボールジョイント構造など各種接合方法で接合することで、傾斜角度θを可変にし、容易に指向特性を変更することができる。さらに金属板６ａをスライドガイド、スライドウェイ、スライドレールなどを利用した各種スライド構造でスライドさせることで、金属板６ａの高さを可変にし、容易に指向特性を変更することができる。金属ケースの材質は特に限定されるものではないが、１．０×１０^−５［Ω・ｃｍ］以下の体積抵抗率の導電体である金属や金属複合材料が好ましい。
図９（ｂ）は金属ケースの１実施例を示す斜視図で、金属ケースは前方が開放された四角錐台の形状となっており、隣接する金属板６ａの端部は全て接合されている。金属板６ａの傾斜角度θ（図９（ｄ）参照）は成層構造体底面の地導体板の延長方向から０°＜θ≦９０°の範囲である。金属板の形状は平面もしくは曲面にしてもよい。また、成層構造体を収容する底面の地導体板が、矩形のほかに円形、多角形など各種形状にしてもよい。また、地導体板の形状は、平面もしくは曲面とすることができる。図９（ｃ）は金属板６ａどうしの端部が接合されていない形状の実施例を示す斜視図である。このとき隣接する金属板６ａどうしが全て接合されていても、あるいは接合されていなくても指向特性に変化はない。本実施例の金属板６ａは、四角形であり、金属板６ａの傾斜角度θ（図９（ｄ）参照）は成層構造体底面の地導体板の延長方向から０°＜θ≦９０°の範囲である。金属板６ａの長さと給電素子の長さとの比は１：１以上が好ましい。金属板６ａを接合する必要がないので製造しやすく、製造コストを低減させることができる。この金属板６ａの高さ、および傾斜角度θを調整することで、所望の指向特性を得ることができる。また、金属板６ａの高さ、および傾斜角度θを可変できる構造にすることで、容易に指向特性を変更することができる。
図９（ｄ）に示すように、金属板の角度を調整することにより、所望の指向特性に変えることができる。
成層構造体底面の地導体板形状にもよるが、金属板６ａは所望の特性により必要枚数が決まる。電磁波放射が不必要な方向には、金属板６ａを設けることで電磁波放射を抑制することができる。
成層構造体の側面に電磁波吸収体を配置し、側方への電磁波放射を吸収させるようにしてもよい。電磁波吸収体としてフェライトなどの磁性体を含入した樹脂膜等が使用できる。
特に広帯域と、小型高利得化を目的とする本発明の成層薄板アンテナは、図１２に示すように、地導体板１と、この地導体板の上に配置した金属薄板状の給電素子２と、この給電素子２から離して配置した比較的厚い誘電体板８と、この誘電体板８に密着して配置した金属薄板状の無給電素子４から成る成層構造体を備えている。図１２では比較的厚い誘電体板８は給電素子２から離して配置しているが、給電素子に密着してもよい。誘電体板８を給電素子２から適当な距離だけ離して配置すると帯域が広がる。また、設計上の都合からビームを絞る無給電素子４を誘電体板８から離して配置することもある。
誘電体板８の介在により電磁波の波長は空気中におけるよりも短くなり、それだけ成層構造体の高さを低減でき、小型化に寄与できる。また、給電素子の共振と給電素子と誘電体板間における共振の複数の共振状態が発生し、総合的な共振としてその共振帯域が拡大される。図１３と図１４にその特性を示している。ここでは、誘電体板８を給電素子２から約０．５ｃｍ離して配置しており、２．４５ＧＨｚで水平面内のビーム幅は３８．５度、垂直面内でのビーム幅は７１度となっている。さらに、図１５と図１６は、前方開放の金属ケースに収容した場合のアンテナ特性を示す。この図１５と図１６から明らかなように、側方と後方への輻射は顕著に抑制されている。なお、２．４５ＧＨｚで水平面内のビーム幅は４５度、垂直面内でのビーム幅は５０度である。
図１７に示す本発明の第４の実施形態のアンテナは、地導体板１と給電素子２と無給電素子３，４，５とから成る成層構造体の周縁部に４本の絶縁体支持棒９を取り付けて成層構造体を一体として固定したものである。図１８に示す本発明の第５の実施形態のアンテナは、成層構造体の中心軸に導電体支持棒１０を取り付けて成層構造体を一体として固定したものである。図１９に示す本発明の第６の実施形態のアンテナは、地導体板１と給電素子２と無給電素子３，４，５との間に低誘電率のスペーサー１１を配置して成層構造体を一体としたものである。この第６の実施形態においてはさらに、図１７または図１８に示したように、絶縁体支持棒９または導電体支持棒１０を取り付けて成層構造体を固定することもできる。また、これらの成層構造体を例えば図９のように金属ケースに収納してもよい。
産業上の利用可能性
本発明により通信用アンテナの利得を高くすることができると共に、小型化にも有効である。また帯域も広く、ビーム幅も狭くできるので、指向性を高めることもできる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の第１の実施形態のアンテナの斜視図である。
図２は給電素子のみのアンテナの反射特性図である。
図３は、給電素子と無給電素子のアンテナの反射図である。
図４は、本発明の第１の実施形態のアンテナの指向特性図である。
図５は、本発明の第１の実施形態のアンテナの指向特性の展開図である。
図６は、本発明の第２の実施形態のアンテナの斜視図である。
図７は、本発明の第２の実施形態のアンテナの指向特性図である。
図８は、本発明の第２の実施形態のアンテナの指向特性の展開図である。
図９は、（ａ）は本発明の第２の実施形態のアンテナを金属ケースに収容した様子を示す側面断面図、（ｂ）、（ｃ）は金属ケースの他の実施例を示す斜視図、（ｄ）は金属板の角度変化と指向特性変化を示す図である。
図１０は、図９（ａ）のアンテナの指向特性図である。
図１１は、図９（ａ）のアンテナの指向特性の展開図である。
図１２は、本発明の第３の実施形態のアンテナの斜視図である。
図１３は、本発明の第３の実施形態のアンテナの指向特性図である。
図１４は、本発明の第３の実施形態のアンテナの指向特性の展開図である。
図１５は、金属ケースに収容した本発明の第３の実施形態のアンテナの指向特性図である。
図１６は、金属ケースに収容した本発明の第３の実施形態のアンテナの指向特性の展開図である。
図１７は、本発明の第４の実施形態のアンテナを示す側面断面図である。
図１８は、本発明の第５の実施形態のアンテナを示す側面断面図である。
図１９は、本発明の第６の実施形態のアンテナを示す側面断面図である。
図２０は、従来のパッチアンテナの指向特性図である。
図２１は、従来のパッチアンテナの指向特性の展開図である。

Claims (23)

1. 地導体板と、この地導体板の上に配置した金属薄板上の給電素子と、この給電素子から０．０１〜０．２波長程度近接して配置した金属薄板状の第１の無給電素子と、給電素子から０．２〜０．８波長離して配置した金属薄板状の第２の無給電素子とから成る成層構造体を備えたことを特徴とするアンテナ。
2. 成層構造体は第２の無給電素子から０．２〜０．８波長離して配置した金属薄板状の第３の無給電素子を含む請求項１に記載のアンテナ。
3. 成層造体は第３の無給電素子から０．２〜０．８波長づつ離して配置した金属薄板状の無給電素子を含み、その第４以降の無給電素子の数は地導体板の大きさによって決まるビーム絞り効果の収斂によって決定される請求項２に記載のアンテナ。
4. 給電素子ならびに無給電素子がストリップ、円形もしくは四角形である請求項１，２もしくは３に記載のアンテナ。
5. 成層構造体を収容する前方開放の金属ケースを備えた請求項１ないし３のいずれかに記載のアンテナ。
6. 成層構造体の側面に電波吸収体を配置した請求項１ないし５のいずれかに記載のアンテナ。
7. 地導体板と、この地導体板の上に配置した金属薄板状の給電体素子と、この給電素子から離して、もしくは給電素子に密着して配置した誘電体板と、この誘電体板から離して、もしくは誘電体に密着して配置した金属薄板状の無給電素子とから成る成層構造体を備えたことを特徴とするアンテナ。
8. 成層構造体は第１の無給電素子から０．２〜０．８波長づつ離して配置した金属薄板状の無給電素子を含み、その第２以降の無給電素子の数は地導体板の大きさにによって決まるビーム絞り効果の収斂によって決定される請求項７に記載のアンテナ。
9. 給電素子ならびに無給電素子がストリップ、円形もしくは四角形である請求項７に記載のアンテナ。
10. 成層構造体を収容する前方開放の金属ケースを備えた請求項７もしくは８に記載のアンテナ。
11. 成層構造体の側面に電波吸収体を配置した請求項７、８もしくは９に記載のアンテナ。
12. 地導体板と、金属薄板状の給電素子と、金属薄板状の無給電素子とから成る成層構造体中心軸に導体もしくは絶縁体材料の支持棒を取り付け、または成層構造体の中心軸以外の所与の位置に絶縁体材料の支持棒を取り付けて成層構造体を一体として固定したことを特徴とするアンテナ。
13. 地導体板と、金属薄板状の給電素子と、金属薄板状の無給電素子から成る成層構造体の給電素子と無給電素子との間に低誘電率のスペーサーを配置して一体としたことを特徴とするアンテナ。
14. 地導体板と、金属薄板状の給電素子と、金属薄板状の無給電素子とから成る成層構造体の給電素子と無給電素子との間に低誘電率のスペーサーを配置し、成層構造体の中心軸に導体もしくは絶縁体材料の支持棒を取り付け、または成層構造体の中心軸以外の所与の位置に絶縁体材料の支持棒を取り付けて成層構造体を一体として固定したことを特徴とするアンテナ。
15. 成層構造体が請求項１ないし１１の何れかに記載の成層構造体である請求項１２に記載のアンテナ。
16. 成層構造体が請求項１ないし１１の何れかに記載の成層構造体である請求項１３に記載のアンテナ。
17. 成層構造体が請求項１ないし１１の何れかに記載の成層構造体である請求項１４に記載のアンテナ。
18. 成層構造体を収容する底面の地導体板と、その延長方向から角度θ（θは０°＜θ≦９０°の範囲）を成す金属板を有する、前方が開放された金属ケースを備えた請求項１ないし１７の何れかに記載のアンテナ。
19. 成層構造体底面の地導体板が円形または楕円形もしくは多角形に形成される請求項１８記載のアンテナ。
20. 成層構造体を収容する底面の地導体板の延長方向から角度θ（θは０°＜θ≦９０°の範囲）を成す金属板のうち、隣接する金属板の端部が、接合される、もしくは接合されない構造を有する請求項１８もしくは１９に記載のアンテナ。
21. 成層構造体を収容する底面の地導体板と、その延長方向から角度θ（θは０°＜θ≦９０°の範囲）を成す金属板が接合され傾斜角度θが変更でき、また金属板がスライドする構造により高さの変更が可能な構造を有する請求項１８ないし２０の何れかに記載のアンテナ。
22. 成層構造体底面の地導体板の形状が、平面もしくは曲面である請求項１８ないし２１の何れかに記載のアンテナ。
23. 成層構造体を収容する底面の地導体板の延長方向から角度θ（θは０°＜θ≦９０°の範囲）を成す金属板の形状が、平面もしくは曲面である請求項１８ないし２２の何れかに記載のアンテナ。

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