JPWO2020027156A1 - アンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
より具体的には、前記一対の第1エレメント及び前記一対の第2エレメントの各エレメントは、それぞれ、給電点が接続可能な基端部から互いに離れる方向に延伸する二つの腕部を有し、前記二つの腕部が自己相似型アンテナ又はそれに準じたアンテナとして動作することを特徴とする。「自己相似型アンテナ」とは、例えば、バイコニカルアンテナやボウタイアンテナといった、スケール(サイズ比)を変えても形状が相似形になるアンテナである。
また、第1エレメントと第2エレメントの偏波の方向が互いに直交するので、第1エレメントと第2エレメントとが近接する場合であっても干渉等の影響が低減される。そのため、アンテナ装置を薄型にすることができる。
[第1実施形態]
第1実施形態のアンテナ装置は、例えば室内あるいは車両室内の任意の部位に、任意の姿勢で設置可能な薄型ケースにアンテナ部を収容して使用される。薄型ケースは、電波透過性部材、例えばABS樹脂製のケース本体と、設置部位に合わせて適宜成形される保持部とを含んで構成される。ケース本体は、例えば内部にアンテナ部の収容空間を有する有底四角柱状の筐体と、収容空間を封止するための蓋体とを有する。蓋体は、筐体の4つの側面のいずれか、あるいは、最も幅の広い一つの主面に設けられ、封止される。
なお、「略90度」とは、厳密に90度でなくとも良いことを意味する。
一方の第2エレメントが有する二つの腕部201a,202aと他方の第2エレメントが有する二つの腕部201b,202bは、それぞれ第2基端部から開放端部に至るまでは、離れるにつれて幅が連続的又は段階的に大きくなっている。つまり、一方の第2エレメントが有する二つの腕部201a,202aと他方の第2エレメントが有する二つの腕部201b,202bの幅は、第2基端部から遠く開放端部に近い領域では第2基端部に近く開放端部から遠い領域に比べて大きくなっている。また、一方の第2エレメントが有する二つの腕部201a,202aの対向距離及び他方の第2エレメントが有する二つの腕部201b,202bの対向距離が、第2基端部から離れるにつれて連続的又は段階的に大きくなっている。つまり、一方の第2エレメントが有する二つの腕部201a,202aの対向距離及び他方の第2エレメントが有する二つの腕部201b,202bの対向距離は、第2基端部から遠い領域では第2基端部に近い領域に比べて大きくなっている。このような構成とすることにより、バイコニカルアンテナやボウタイアンテナなどの自己相似型アンテナ又はそれに準ずる動作となる。これにより、一方の第2エレメントが有する二つの腕部201a,202aと他方の第2エレメントが有する二つの腕部201b,202bは、それぞれ第2基端部と共に略V形の形状をなす。
一対の第1エレメントも、図3A,図3Bと同様のエレメント構造となる。
第1実施形態のアンテナ部では、給電点K1と給電点K2間のアイソレーションは、698MHz及びその前後周波数から約6GHz及びそれ以上の周波数にわたる広帯域にわたって約−30dB〜約−70dB以下になっている。つまり、給電点K1と給電点K2が近接していながらアンテナ間の干渉が極めて小さくなっている。
図9Aは本実施形態のアンテナ部の正面図であり、図2Aと同じである。図9Bは、このアンテナ部を所定角度θ、例えば反時計回りに略45度傾いた状態を示す図である。図10Aは図9Aの配置における給電点K1の水平面(xy平面)の平均利得特性図、図10Bは図9Aの配置における給電点K2の水平面(xy平面)の平均利得特性図である。それぞれ縦軸は平均利得(dBi)、横軸は周波数(MHz)である。一対の第1エレメントでは、例えば698MHz付近の平均利得が約1dBiであり、例えば6GHz付近で約−3dBiである。この間の周波数の利得変動の幅も図4Cや図5Cより小さくなっている。一対の第2エレメントでは、例えば698MHz付近の平均利得が約−2dBiであり、例えば6GHz付近で−2dBiである。この間の周波数の平均利得の変動幅も図4Cや図5Cより小さくなっている。
なお、略45度は、厳密に45度である必要がないという意味である。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。第2実施形態のアンテナ部は、偏波の方向が互いに直交する一対の第1エレメントと一対の第2エレメントとを備える点、各エレメントが自己相似型アンテナに準じた動作をする部分を含む点は第1実施形態のアンテナ部と同様であるが、各エレメントの形状・構造が第1実施形態のアンテナ部のものと異なる。ただし、第2実施形態のアンテナ部のサイズは、第1実施形態のアンテナ部と同様である。すなわち、図1に示したケース本体10は、第2実施形態のアンテナ部も収容可能である。説明の便宜上、第1実施形態のアンテナ部と対応する部材については、同じ部材名を用い、符号も同一のものを付して説明する。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。第3実施形態のアンテナ部は、偏波の方向が互いに直交する一対の第1エレメントと一対の第2エレメントとを備える点、各エレメントが自己相似型アンテナ又はそれに準じた動作をする部分を含む点は第1実施形態及び第2実施形態のアンテナ部と同様であるが、各エレメントの形状・構造が第1実施形態のアンテナ部のものと異なる。
第3実施形態のアンテナ部は、第1エレメントの形状・構造・サイズと第2エレメントの形状・構造・サイズとが互いに異なる点が特徴の一つである。アンテナ部の外縁サイズは正面からみて長方形状となる。そのため、長辺部と短辺部とが生じる。図1A,図1Bに示したアンテナケース10も、長辺部が相対的に大きい直方体となる。
ただし、説明の便宜上、第1実施形態又は第2実施形態のアンテナ部に対応する部材については同一部材名を用い、符号も同一のものを付して説明する。
第3実施形態のアンテナ部は、一対の第1エレメントと一対の第2エレメントとを有する。また、一対の第2エレメントは、第2中央部(給電点K2が接続される部分)と第1中央部(給電点K1が接続される部分)とが正対する位置から所定間隔を維持しながら略90度回転した状態で一対の第1エレメントと対向する。所定間隔は、第1実施形態において説明した間隔D11と同じである。
これにより、一方の第2エレメントが有する二つの腕部201c,202cと他方の第2エレメントが有する二つの腕部201d,202dは、第2中央部を中心に対称に配置され、正面からみてそれぞれ略C形の形状をなす。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。第4実施形態のアンテナ部は、偏波の方向が互いに直交する一対の第1エレメントと一対の第2エレメントとを備える点、各エレメントが自己相似型アンテナ又はそれに準じた動作をする部分を含む点は第1実施形態のアンテナ部と同様であるが、各エレメントの形状・構造が第1実施形態のアンテナ部のものと異なる。ただし、説明の便宜上、第1実施形態のアンテナ部に対応する部材については同一部材名を用い、符号も同一のものを付して説明する。
第4実施形態のアンテナ部は、第1エレメントが有する腕部の開放端部が直近の第2エレメントが有する腕部の開放端部と導通している点、図示の例では一体的に成形され、これにより、自己相似型アンテナ又はそれに準じたアンテナとして動作する部分を含むループ状に形成される点において、第1実施形態のアンテナ部とは異なる。そのため、第4実施形態に係るアンテナ部においては、上述したスプリットリングは形成されない。
次に、本発明の第5実施形態について説明する。第5実施形態のアンテナ部は、一対の第1エレメントと一対の第2エレメントとの配置関係、各エレメントの形状・構造・サイズは、第1実施形態のアンテナ部と同様であるが、一対の各エレメントの組み合わせ方が第1実施形態のアンテナ部と異なる。また、給電点への形態が具体化されている。便宜上、第1実施形態のアンテナ部に対応する部材については同一部材名を用い、符号も同一のものを付して説明する。
なお、図30A及び図30B中のL11,L21は、各給電フィーダF11,F21の一例となる同軸ケーブルを示している。
第1、第2、第4、第5実施形態では、第1エレメントと第2エレメントとが同じ形状・構造・サイズであるものとして説明したが、この限りでない。自己相似型アンテナ又はそれに準じるアンテナとして動作する部分を有し、偏波の方向が直交し、かつ、重なり合う部分の面積を小さくできる形状であれば、一方が他方と異なるサイズであっても良い。
第1実施形態では、アンテナ部をZ平面上で略45度傾けて設置することで、アンテナ特性が良くなる例を説明したが、第2ないし第5実施形態のアンテナ部についても同様に傾けて設置するようにしても良い。また、一対の第1エレメント又は一対の第2エレメントのみならず、各エレメントを構成する一つの腕部又は二つの腕部をアンテナとして用いた場合においても、同様に傾けて設置するようにしても良い。
第1ないし第5実施形態のアンテナ部は、一対の第1エレメントと一対の第2エレメントとが、偏波の方向が直交するように配置されるので、エレメント間の相互干渉が抑制され、アンテナ装置の薄型化が可能になる。また、一対の第1エレメント及び一対の第2エレメントの各エレメントが、自己相似型アンテナ又はそれに準じたアンテナとして動作する部分を含むことから、広い周波数帯域にわたって受信又は送信することができ、広い周波数帯にわたって安定的な動作が可能になる。
一方、第1ないし第5実施形態のアンテナ部12における一対の第2エレメントが、一対の第1エレメントと、正対する状態に対して略90度回転した状態で、一対の第1エレメントと対向して配置することで、両エレメントを近接させたときのエレメント間で重なり合う面積が小さくなる。すなわち、第1エレメント及び第2エレメントの間の周辺に導体が介在しない構成になる。
したがって、両エレメント間に散乱体が入り込まない為、リアクタンスの変動を抑えることができ、インピーダンスが安定する。このため、広帯域を実現できる。
また、第1ないし第5実施形態では、LTEの最小周波数を698MHzとした例を説明したが、それぞれの実施形態のアンテナの性能を維持しながら、約450MHzまで低域側に周波数を拡大する場合は、アンテナ部の間隔D11を変えずに、アンテナ部を正面又は背面から見た際のサイズ(外縁サイズ)を波長の比率に合わせて拡大することで、実現可能である。なお、これらの実施形態のアンテナの性能よりは劣るものの、アンテナ部のサイズ(外縁サイズ)を変更することなく、腕部の幅や開放端部に相当する部位の面積を適切にすることにより、約450MHzまでの低域側に周波数を拡大することも可能である。
次に、本発明の第6実施形態について説明する。第6実施形態では、第1ないし第5実施形態のアンテナ部の作用効果に加え、エレメントの作成工程の簡素化をも考慮した構成のアンテナ部について説明する。一対の第1エレメントと一対の第2エレメントとを有する点、これらの配置関係、並びに給電系統については、概ね第1ないし第5実施形態のアンテナ部と同様である。便宜上、これまで説明した実施形態のアンテナ部に対応する部材については同一部材名を用い、符号も同一のものを付して説明する。
他方の第1エレメントもまた、自己の基端部が一方の第1エレメントの基端部の方向に山なりに形成された基端領域102eと、この基端領域102eの一方の端部と導通接続される延伸領域102f及び基端領域102eの他方の端部と導通接続されるもう一つの延伸領域102gとを有する。導通接続は、半田接続あるいは導電性ビアホールにより実現することができる。導電性のネジないしボルト・ナット、導電性接着剤あるいは導電性ワイヤを用いて両領域を導通させても良い。
ここで、同軸ケーブルF114において、第1エレメントとの接続点を給電点K1とし、給電点K1とは反対側の端部を出力端とする。
また、一般的には、プリント基板にインピーダンスマッチング回路を設けるが、本実施形態のアンテナはインピーダンスマッチング回路は不要であり、同軸ケーブルの信号線F111及びグランド線F112が基板PB1に形成された基板領域101e、102eに直接接続される。そのため、アンテナ部全体の構成が簡素化される。
ここで、同軸ケーブルF214において、第2エレメントとの接続点を給電点K2とし、給電点K2とは反対側の端部を出力端とする。
図32Aは、同軸ケーブルF114の出力端のVSWR特性図、図32Bは同軸ケーブルF214の出力端のVSWR特性図である。図32Cは同軸ケーブルF114の出力端の放射効率特性図、図32Dは同軸ケーブルF214の出力端の放射効率特性図である。それぞれ横軸は周波数(MHz)である。また、図32Eは同軸ケーブルF114の出力端から同軸ケーブルF214の出力端への通過電力特性図、図32Fは同軸ケーブルF214の出力端から同軸ケーブルF114の出力端への通過電力特性図である。図32Eの縦軸は、20Log|S21|(dB)、図32Fの縦軸は20Log|S12|(dB)、それぞれの横軸は周波数(MHz)である。図32Gは図31Aの配置における同軸ケーブルF114の出力端の水平面(xy平面)の平均利得特性図、図32Hは同軸ケーブルF214の出力端の水平面(xy平面)の平均利得特性図である。横軸は周波数(MHz)である。
第7実施形態では、第6実施形態の応用として、アンテナ部の各エレメントを基板上のプリントで作成する場合の例を説明する。図33Aは第7実施形態における一対の第1エレメントの正面図、図33Bは一対の第2エレメントの正面図、図33Cは一対の第1エレメントの給電状態を示す正面図、図33Dは一対の第2エレメントの給電状態を示す正面図である。図33Eは第1エレメント及び第2エレメント全体の状態を説明するための斜視図、図33Fはアンテナ部の側面図である。ここでは、基板が、厚み0.8mmで、一辺の長さが87mmの正方形状のPCBであるものとする。便宜上、これまでの実施形態で用いたアンテナ部品と同じ構成部品については、同じ符号を付して説明する。
ここで、同軸ケーブルF114において、第1エレメントとの接続点を給電点K1とし、給電点K1とは反対側の端部を出力端とする。
ここで、同軸ケーブルF214において、第2エレメントとの接続点を給電点K2とし、給電点K2とは反対側の端部を出力端とする。
なお、第7実施形態では、1枚の基板の表面に第1エレメント、裏面に第2エレメントを形成した構成について説明したが、2枚の基板を用いる構成で実施することもできる。すなわち、1方の基板の第1面に一対の第1エレメントを導電パターンで形成し、第1面と対向する他方の基板の第2面に一対の第2エレメントを導電パターンで形成するとともに、各導電パターンを導電性のスルーホール等で導通させるようにしても良い。
第7実施形態では、基板PB3の表面の第1エレメントの腕部の開放端部(例えば開放端部1012j)と基板PB3の裏面側で直近の第2エレメントの腕部の開放端部(例えば開放端部2012j)との間が非導通(スプリットリングが形成されている)の例を説明した。そこで、以下は、その変形例として、基板PB3の表面の第1エレメントの腕部の開放端部(例えば開放端部1012j)と基板PB3の裏面側で直近の第2エレメントの腕部の開放端部(例えば開放端部2012j)との間が導通する構成について説明する。基板PB3の表面の第1エレメントの腕部の開放端部(例えば開放端部1012j)と基板PB3の裏面側で直近の第2エレメントの腕部の開放端部(例えば開放端部2012j)との間の導通は、例えば半田付けや導電性ビアホール等によって実現が可能である。
第8実施形態では、第6実施形態のアンテナ部のうち、基板表面の第1エレメントの開放端部と直近の基板背面の第2エレメントの開放端部とを導通させた構成のアンテナ部について説明する。図36Aは、第8実施形態のアンテナ部の全体構成例を示す斜視図、図36Bは一対の第1エレメントの給電状態を示す正面図、図36Cは一対の第2エレメントの給電状態を示す正面図である。
第9実施形態では、アンテナ部のケースへの組込構造と給電系統について詳しく説明する。ここでは、図1A、図1Bに示したケース10ではなく、図38〜図40に示される組み合わせ型のケースについて説明する。このケースは電波透過性のプラスチック製であり、図38に正面視、背面視、平面視、底面視、右側面視、左側面視で示した図及び図39に示した分解図の通り、互いの開口端で内部の収容空間が封止される略矩形状の第1ケース体10aと第2ケース体10bとで構成される。図40Aは一対の第1エレメントが固定された状態の第1ケース体10aの内側を背面側から眺めた斜視図、図40Bは第1ケース体10aの内側を眺めた正面図である。図40Cは一対の第2エレメントが固定された状態の第2ケース体10Bの内側を眺めた斜視図、図40Dは第1ケース体10aの内側を眺めた正面図である。第1ケース体10aには、ネジ受けが螺刻された4つのネジ受けボス10a1〜10a4が形成されている。封止は、ネジ10cを第2ケース体10bの背面から挿入してネジ締めすることで行われるが、接着剤を用いることもできる。封止時の第1ケース体10aと第2ケース体10bのサイズは、露出する同軸ケーブルF114,F214を除いて、長辺が60mm、短辺が80mm、厚みが15mmである。
近い側にフェライトコアF113と共に固定される。
なお、同軸ケーブルF114,F214にフェライトコアF113、F213を設けない場合、帯域中の最低域側で放射効率が低下するものの、動作可能である。このため、低域側の周波数帯での放射効率の低下を許容できる用途では、同軸ケーブルF114、F214にフェライトコアF113、F213を取り付けずに使用しても良い。
延伸領域101f,101g,102f,102g、201f,201g,202f,202gの長さが異なる場合について説明したが、この限りでない。例えば、第1ケース10a,10bの形状が略正方形である場合、これらの長さは同じであっても良い。
Claims (22)
- 第1平面上に配置される一対の第1エレメントと、
前記第1平面と平行の第2平面上に配置され、偏波の方向が前記一対の第1エレメントと直交する一対の第2エレメントと、を備え、
前記一対の第1エレメント及び前記一対の第2エレメントの各エレメントは、それぞれ、自己相似型アンテナ又はそれに準じたアンテナとして動作する部分を含む、
アンテナ装置。 - 前記一対の第1エレメント及び前記一対の第2エレメントの各エレメントは、それぞれ、給電点が接続可能な基端部から互いに離れる方向に延伸する二つの腕部を有し、
前記二つの腕部が自己相似型アンテナ又はそれに準じたアンテナとして動作する、
請求項1に記載のアンテナ装置。 - 前記一対の第1エレメントのうち一方の第1エレメントの前記基端部と他方の第1エレメントの前記基端部との距離の中間点が第1中央部であり、
前記一対の第2エレメントのうち一方の第2エレメントの前記基端部と他方の第2エレメントの前記基端部との距離の中間点が第2中央部であり、
前記第1中央部と前記第2中央部とが平面からみて重なり合う場合において、
前記一対の第2エレメントは、前記第2中央部が前記第1中央部と正対する位置から略90度回転した状態で、前記一対の第1エレメントと対向して配置される、
請求項2に記載のアンテナ装置。 - 前記第1中央部および前記第2中央部の少なくとも一方に給電点が接続される、
請求項3に記載のアンテナ装置。 - 前記二つの腕部は、それぞれの対向間隔が前記基端部の付近から離れるほど大きくなる、
請求項2から4のいずれか一項に記載のアンテナ装置。 - 前記二つの腕部は、それぞれの幅が前記基端部から離れるほど大きくなる、
請求項2から5のいずれか一項に記載のアンテナ装置。 - 前記一対のうち一方の第1エレメントが有する二つの腕部と前記一対のうち他方の第1エレメントが有する二つの腕部とが互いに離れる方向に延伸する、
請求項2から6のいずれか一項に記載のアンテナ装置。 - 前記二つの腕部の先端が開放端部であり、これにより前記基端部と共に略C形、略D形、略U形、略V形、略半円形、略半楕円形、略三角形、略四角形のいずれかの形状をなす、
請求項2から7のいずれか一項に記載のアンテナ装置。 - 前記開放端部の一部が、対向する他のエレメントの方向に折曲されている、
請求項8に記載のアンテナ装置。 - 前記一対の第1エレメントの二つの腕部が、対向する前記一対の第2エレメントの二つの腕部のうち直近の前記腕部と導通あるいは容量結合し、これにより前記一対の第1エレメントと前記一対の第2エレメントとが、使用周波数帯に応じて、ループアンテナ、ダイポールアンテナ、テーパードスロットアンテナあるいはこれらが複合した複合アンテナとして動作する、
請求項2から7のいずれか一項に記載のアンテナ装置。 - 第1平面上に配置される一対の第1エレメントと、
前記第1平面と平行の第2平面上に配置され、偏波の方向が前記一対の第1エレメントと直交する一対の第2エレメントとを備え、
前記一対の第1エレメント及び前記一対の第2エレメントの各エレメントは、それぞれ、給電点が接続される基端部と、前記基端部を中心として一つの平面上に対称に配置される一対の腕部とを有し、前記一対の腕部の少なくとも一方の腕部が自己相似型アンテナ又はそれに準じたアンテナとして動作する、
アンテナ装置。 - 698MHz及びその前後周波数から6GHz及びその前後周波数にわたる周波数帯のうち特定の周波数帯の信号の送信又は受信を可能とする、
請求項1から11のいずれか一項に記載のアンテナ装置。 - 一つの平面上に配置される第1エレメント及び第2エレメントと、
前記第1エレメント及び前記第2エレメントへの給電を可能にする給電点と、を備え、
前記第1エレメント及び前記第2エレメントは、それぞれ2つの腕部と前記給電点が接続される基端部とを有し、
前記第1エレメント及び前記第2エレメントは、前記給電点を中心として互いに対向し、かつ、各々が自己相似型アンテナ又はそれに準じたアンテナとして動作する部分を含み、
前記第1エレメントの前記2つの腕部は、互いに前記基端部から離れる方向に延伸し、
前記第2エレメントの前記2つの腕部は、互いに前記基端部から離れる方向に延伸し、かつ、各々が対向する前記第1エレメントの前記2つの腕部からも離れる方向に延伸し、
前記第1エレメントと前記第2エレメントとの対向間隔が、前記基端部から離れるほど連続的又は段階的に大きくなる、アンテナ装置。 - 前記第1エレメントの前記2つの腕部及び前記第2エレメントの前記2つの腕部は、それぞれの幅が前記基端部よりも前記基端部から離れた部位の方が大きい、
請求項13に記載のアンテナ装置。 - 前記2つの腕部の先端が開放端部であり、
これにより前記基端部と共に略C形、略D形、略U形、略V形、略半円形、略半楕円形、略三角形、略四角形のいずれかの形状をなす、
請求項13又は請求項14に記載のアンテナ装置。 - 前記第1エレメント及び前記第2エレメントは、前記給電点を中心として対称である、請求項13から請求項15のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
- 前記一対の第1エレメント及び前記一対の第2エレメントの少なくとも一方のエレメントの一部であって給電点が接続される部分を含む第1領域が基板上に形成され、
前記第1領域以外の第2領域が金属板で形成され、
前記第1領域と前記第2領域とが導通接続される、
請求項1から12のいずれか一項に記載のアンテナ装置。 - 前記一対の第1エレメント及び前記一対の第2エレメントが基板上に形成される、
請求項1から12のいずれか一項に記載のアンテナ装置。 - 前記第1エレメント及び前記第2エレメントの少なくとも一方のエレメントの一部であって給電点が接続される部分を含む第1領域が基板上に形成され、
前記第1領域以外の第2領域が金属板で形成され、
前記第1領域と前記第2領域とが導通接続される、
請求項13から15のいずれか一項に記載のアンテナ装置。 - 前記第1エレメント及び前記第2エレメントが基板上に形成される、
請求項13から15のいずれか一項に記載のアンテナ装置。 - 前記第1エレメントと、対向する前記第2エレメントとが、周波数帯に応じて、異なる動作原理のアンテナあるいは前記異なる動作原理が複合した複合アンテナとして動作する、
請求項1から20のいずれか一項に記載のアンテナ装置。 - 前記一対の第1エレメントと、対向する前記一対の第2エレメントとが容量結合し、これにより前記一対の第1エレメントと前記一対の第2エレメントとが、周波数帯に応じて、異なる動作原理のアンテナあるいは前記異なる動作原理が複合した複合アンテナとして動作する、
請求項21に記載のアンテナ装置。
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