JPWO2020027156A1 - アンテナ装置 - Google Patents

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Abstract

広い周波数範囲にわたって使用可能な小型軽量のアンテナ装置を提供する。第1エレメントと第2エレメントとを略90度回転した状態で所定の間隔で対向させ、かつ、全体を所定の角度(例えば略45度)傾けて取付面に固定する。各エレメントは、給電点が接続される部位から互いに離れる方向に延伸する二つの腕部(101Aと102A、201Aと202B)を有する。

Description

本発明は、例えば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広い周波数範囲で使用可能な薄型のアンテナ装置に関する。
近年、車両に電子機器を搭載してLTE(Long Term Evolution)や5G(第5世代移動通信システム)の周波数帯を用いてMIMO(Multiple-Input Multiple-Output)による通信を行う需要が高まっている。MIMOは、複数のアンテナを用いてそれぞれのアンテナから異なるデータを送信し、複数のアンテナで同時にデータを受信する通信形態である。このような通信形態を可能にするアンテナ装置として、特許文献1に開示されたMIMOアンテナ装置が知られている。
特許文献1に開示されたMIMOアンテナ装置は、長さが100mm、幅が50mm、高さが45mmのシャークフィンアンテナハウジングに複数のアンテナ、すなわち、不平衡アンテナと平衡アンテナとを収容して構成される。不平衡アンテナは、ポリ塩化ビフェニルに形成された長方形の平面エッチングにより構成される。平衡アンテナは、互いに対向する対称的な2つの平面L字形アームにより構成される。
特表2016−504799号公報
特許文献1に開示されたMIMOアンテナ装置のように不平衡アンテナを低背にすると、アンテナサイズ(高さ)が減少することに起因してVSWR(Voltage Standing Wave Ratio)の悪化と水平方向の利得不足を招く。また、シャークフィンアンテナハウジングのような狭い領域に複数のアンテナを収納するとアンテナ間の干渉が生じ、アンテナ特性に好ましくない影響を与える。例えば、LTEで使用するMIMOアンテナ装置では、アンテナ間アイソレーションが大きいほど良いとされるが、特許文献1に開示されたMIMOアンテナ装置では、広い周波数帯にわたってその条件を満たすのは困難である。特許文献1の図5〜図7に示されるように、使用できる周波数帯は0.6〜3GHzの範囲で複数個所に限定されており、それぞれの帯域は狭い。
本発明は、広い周波数帯にわたって安定的な動作を可能にすることを主たる目的とし、さらに、近接する他のアンテナないしエレメントの影響を低減することができるアンテナ装置を提供することを目的とする。
本発明の実施の一形態となるアンテナ装置は、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ことを特徴とする。
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。
本発明のアンテナ装置は、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一対の第1エレメントと、偏波方向が第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ることで、相対的に高い周波数帯域である高域側では例えばテーパードスロットアンテナ(進行波型アンテナの一種)として動作し、相対的に低い周波数帯域である低域側では例えばループアンテナ(共振型アンテナの一種)として動作する。また、相対的に高い周波数帯及び相対的に低い周波数帯の中間の周波数帯域である中域における特定の周波数帯域ではダイポールアンテナ(共振型アンテナの一種)として動作する。また、相対的に高い周波数帯、相対的に低い周波数帯、及び中域の各々の間の帯域では、それらのアンテナの動作原理が複合した状態、すなわち複合アンテナとして動作している。そのため、一つのアンテナ装置でありながら従来のこの種のアンテナ装置よりも広い周波数帯にわたって安定的に動作させることができる。
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実施形態のアンテナ部が収容されるケース本体の斜視図。 図1Aの一側部の断面図。 第1実施形態のアンテナ部の正面図。 第1実施形態のアンテナ部の背面図。 第1実施形態のアンテナ部の上面図。 第1実施形態のアンテナ部の斜視図。 一方及び他方の第2エレメントの例示図。 一対の第2エレメントの例示図。 一つのエレメントのVSWR特性図。 一つのエレメントの放射効率特性図。 図3Aのアンテナの水平面の平均利得特性図。 二つのエレメントのVSWR特性図。 二つのエレメントの放射効率特性図。 図3Bのアンテナの水平面の平均利得特性図。 第1実施形態における給電点K1のVSWR特性図。 第1実施形態における給電点K2のVSWR特性図。 第1実施形態における給電点K1の放射効率特性図。 第1実施形態における給電点K2の放射効率特性図。 第1実施形態における給電点K1から給電点K2への通過電力特性図。 第1実施形態における給電点K2から給電点K1への通過電力特性図。 第1実施形態のアンテナ部の正面図。 第1実施形態のアンテナ部が所定角度傾いた状態を示す正面図。 図9Aの配置における給電点K1の水平面の平均利得特性図。 図9Aの配置における給電点K2の水平面の平均利得特性図。 図9Bの配置における給電点K1の水平面の平均利得特性図。 図9Bの配置における給電点K2の水平面の平均利得特性図。 比較例アンテナ部の正面図。 比較例アンテナ部の背面図。 比較例アンテナ部の上面図。 比較例アンテナ部の斜視図。 比較例アンテナ部のVSWR特性図。 図13Aの低域部分の拡大図。 比較例アンテナ部の放射効率特性図。 図14Aの低域部分の拡大図。 第2実施形態のアンテナ部の正面図。 第2実施形態のアンテナ部の背面図。 第2実施形態のアンテナ部の上面図。 第2実施形態のアンテナ部の斜視図。 第2実施形態における給電点K1のVSWR特性図。 第2実施形態における給電点K2のVSWR特性図。 第2実施形態における給電点K1の放射効率特性図。 第2実施形態における給電点K2の放射効率特性図。 第2実施形態における給電点K1から給電点K2への通過電力特性図。 第2実施形態における給電点K2から給電点K1への通過電力特性図。 図9Aの配置における給電点K1の水平面の平均利得特性図。 図9Aの配置における給電点K2の水平面の平均利得特性図。 第3実施形態のアンテナ部の正面図。 第3実施形態のアンテナ部の長辺部の上面図。 第3実施形態のアンテナ部の短辺部の側面図。 第3実施形態のアンテナ部の斜視図。 第3実施形態における給電点K1のVSWR特性図。 第3実施形態における給電点K2のVSWR特性図。 第3実施形態における給電点K1の放射効率特性図。 第3実施形態における給電点K2の放射効率特性図。 第3実施形態における給電点K1から給電点K2への通過電力特性図。 第3実施形態における給電点K2から給電点K1への通過電力特性図。 図9Aの配置における給電点K1の水平面の平均利得特性図。 図9Aの配置における給電点K2の水平面の平均利得特性図。 第4実施形態のアンテナ部の正面図。 第4実施形態のアンテナ部の上面図。 第4実施形態のアンテナ部の斜視図。 第4実施形態における給電点K1のVSWR特性図。 第4実施形態における給電点K2のVSWR特性図。 第4実施形態における給電点K1の放射効率特性図。 第4実施形態における給電点K2の放射効率特性図。 第4実施形態における給電点K1から給電点K2への通過電力特性図。 第4実施形態における給電点K2から給電点K1への通過電力特性図。 図9Aの配置における給電点K1の水平面の平均利得特性図。 図9Aの配置における給電点K2の水平面の平均利得特性図。 第4実施形態のアンテナ部の正面側の斜視図。 第4実施形態のアンテナ部の背面側の斜視図。 第6実施形態のアンテナ部の斜視図。 第6実施形態における第1エレメントの給電状態を示す正面図。 第6実施形態における第2エレメントの給電状態を示す正面図。 第6実施形態における同軸ケーブルF114の出力端のVSWR特性図。 第6実施形態における同軸ケーブルF214の出力端のVSWR特性図。 第6実施形態における同軸ケーブルF114の出力端の放射効率特性図。 第6実施形態における同軸ケーブルF214の出力端の放射効率特性図。 第6実施形態における同軸ケーブル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。 第6実施形態における同軸ケーブル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。 図32Aの配置における同軸ケーブルF114の出力端の水平面の平均利得特性図。 図32Aの配置における同軸ケーブルF214の出力端の水平面の平均利得特性図。 第7実施形態における第1エレメントの正面図。 第7実施形態における第2エレメントの正面図。 第7実施形態における第1エレメントの給電状態を示す正面図。 第7実施形態における第2エレメントの給電状態を示す正面図。 第1エレメント及び第2エレメント全体の状態を表す斜視図。 第7実施形態のアンテナ部の側面図。 第7実施形態における同軸ケーブルF114の出力端のVSWR特性図。 第7実施形態における同軸ケーブルF214の出力端のVSWR特性図。 第7実施形態における同軸ケーブルF114の出力端の放射効率特性図。 第7実施形態における同軸ケーブルF214の出力端の放射効率特性図。 第7実施形態における同軸ケーブル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。 第7実施形態における同軸ケーブル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。 図31Aの配置における同軸ケーブルF114の出力端の水平面の平均利得特性図。 第7実施形態における同軸ケーブルF214の出力端の水平面の平均利得特性図。 変形例に係る同軸ケーブルF114の出力端のVSWR特性図。 変形例に係る同軸ケーブルF214の出力端のVSWR特性図。 変形例に係る同軸ケーブルF114の出力端の放射効率特性図。 変形例に係る同軸ケーブルF214の出力端の放射効率特性図。 変形例に係る同軸ケーブル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。 変形例に係る同軸ケーブル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。 図31Aの配置における同軸ケーブルF114の出力端の水平面の平均利得特性図。 変形例に係る同軸ケーブルF214の出力端の水平面の平均利得特性図。 第8実施形態のアンテナ部の全体構成例を示す斜視図。 第8実施形態における第1エレメントの給電状態を示す正面図。 第8実施形態における第2エレメントの給電状態を示す正面図。 第8実施形態における同軸ケーブルF114の出力端のVSWR特性図。 第8実施形態における同軸ケーブルF214の出力端のVSWR特性図。 第8実施形態における同軸ケーブルF114の出力端の放射効率特性図。 第8実施形態における同軸ケーブルF214の出力端の放射効率特性図。 第8実施形態における同軸ケーブル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。 第8実施形態における同軸ケーブル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。 図31Aの配置における同軸ケーブルF114の出力端の水平面の平均利得特性図。 図31Aの配置における同軸ケーブルF214の出力端の水平面の平均利得特性図。 第9実施形態におけるアンテナ装置の外観図。 第9実施形態におけるアンテナ装置の分解図。 第1ケース体の内側を背面側から眺めた斜視図。 第1ケース体の内側を眺めた正面図。 第2ケース体の内側を背面側から眺めた斜視図。 第2ケース体の内側を眺めた正面図。
以下、図面を参照して本発明を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広い周波数帯域で使用可能なアンテナ装置に適用した場合の実施の形態例を説明する。
[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。
ケース本体の形状例を図1Aに示す。図1Bは図1Aの一側部(本例では縦辺L1)の断面図である。ケース本体10は、縦辺L1,横辺L2がともに約90mmで、奥行L3が約13mmのケースの例である。ケース10の内部のサイズは、図1Bに示すように、縦辺L1の場合、内辺L11が約87mm、内側奥行L31が約10mmである。ケース本体は、アンテナ部が収容された後、蓋体で封止される。ケース本体の取付部位に、例えば、ダッシュボードの平面上の形状などに応じて複数用意された保持部の一つ(図示省略)が装着される。
ケース本体10に収容されるアンテナ部について説明する。図2A〜図2Dは、アンテナ部の構成例を示す図であり、図2Aは正面図、図2Bは図2Aの背面図、図2Cは上面図、図2Dは斜視図である。便宜上、x軸、y軸、z軸の直交座標系を規定する。アンテナ部は、第1平面100上に配置される一対の第1エレメントと、第1平面100と平行の第2平面200上に配置され、偏波の方向が一対の第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る。なお、一対の第1エレメント及び一対の第2エレメントの各々の構成については、図3A及び図3Bを用いて説明する。
各エレメントの所定部分(図示の例では、一対の第1エレメント同士、一対の第2エレメント同士がそれぞれ最も接近する部分)は、給電点が接続可能な部分である。かかる部分を「基端部」と呼ぶ。一対の第1エレメントの基端部と第2エレメントの基端部とを特に区別する必要がある場合は、前者を「第1基端部」、後者を「第2基端部」と呼ぶ場合がある。一対のうち一方の第1エレメント(便宜上、「一方の第1エレメント」と呼ぶ)は、第1基端部から離れる方向に延伸する二つの腕部101a,102aを有し、各腕部101a,102aの先端は、開放端部となっている。
一対のうち他方の第1エレメント(便宜上、「他方の第1エレメント」と呼ぶ)も、また、第1基端部から離れる方向に延伸する二つの腕部101b,102bを有し、各腕部101b,102bの先端は、開放端部となっている。一方の第1エレメントが有する二つの腕部(例えば101a,102a)は、それぞれの幅が第1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る。つまり、それぞれの幅は、第1基端部から遠い領域では第1基端部に近い領域に比べて大きくなっている。また、それぞれの対向間隔が、第1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る。つまり、それぞれの対向間隔は、第1基端部から遠い領域では第1基端部に近い領域に比べて大きくなっている。これは、各腕部101a,102aに、それぞれバイコニカルアンテナあるいはボウタイアンテナなどの自己相似型アンテナあるいはそれに準ずる動作をさせるためである。
他方の第1エレメントの二つの腕部(例えば101b,102b)についても同様である。また、一方の第1エレメントが有する二つの腕部(例えば101a,102a)は、他方の第1エレメントが有する二つの腕部(例えば101b,102b)からも互いに離れる方向に延伸する。
一対の第2エレメントも一対の第1エレメントと同様の形状・構造となる。すなわち、一対のうち一方の第2エレメント(便宜上、一方の第2エレメントと呼ぶ)は、第2基端部から離れる方向に延伸する二つの腕部201a,202aを有し、各腕部201a,202aの先端は、開放端部となっている。一方の第2エレメントが有する二つの腕部(例えば201a,202a)は、それぞれの幅が第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る。つまり、それぞれの幅は、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。また、それぞれの対向間隔が、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る。つまり、それぞれの対向間隔は、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。これは、各腕部201a,202aに、それぞれバイコニカルアンテナあるいはボウタイアンテナなどの自己相似型アンテナあるいはそれに準ずる動作をさせるためである。他方の第2エレメントの二つの腕部(例えば201b,202b)についても同様である。また、一方の第2エレメントが有する二つの腕部(例えば201a,202a)は、他方の第2エレメントが有する二つの腕部(例えば201b,202b)からも互いに離れる方向に延伸する。
次に、一対の第1エレメントと一対の第2エレメントの配置について説明する。一方の第1エレメントの第1基端部と他方の第1エレメントの第1基端部との距離の中間点を第1中央部と呼ぶ。また、一方の第2エレメントの第2基端部と他方の第2エレメントの基端部との距離のほぼ中間点を第2中央部と呼ぶ。第1中央部は第1エレメントの給電点K1となり、第2中央部は第2エレメントの給電点K2となる。第1中央部と第2中央部は、平面(例えば、正面又は背面)からみて重なり合う。
一対の第2エレメントは、第2中央部が、間隔D11を維持しながら第1中央部と正対する位置から略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される。そのため、対向する第1エレメントと第2エレメントとの間にスプリットリング(リングの一部分を切り取って対向させた形状のもの)が形成される。また、第1エレメントと第2エレメントとで、偏波の方向が直交する。すなわち、例えば、第1エレメントの偏波の方向が垂直(垂直偏波)であれば、第2エレメントの偏波の方向は水平(水平偏波)となり、反対に、第1エレメントの偏波の方向が水平(水平偏波)であれば、第2エレメントの偏波の方向は垂直(垂直偏波)となる。
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。
第1エレメントの外縁を結ぶサイズ(外縁サイズ)は、第2エレメントの外縁サイズと同じである。そのため、一対の第2エレメントの回転の前後で外縁サイズは同じになる。各エレメントは、例えば厚み0.5mmの導体板であり、外縁サイズは、図1のケース本体10の収容空間に収まるサイズである。一例をあげると、各エレメントの外縁サイズは、約87mm×約87mm×約10mmである。第1平面100と第2平面200との間隔D11は、上記ケース本体10の内側奥行L31、すなわち約9mmである。
次に、一対の第1エレメント及び一対の第2エレメントの各々のエレメント構造について詳しく説明する。図3A及び図3Bは、第2エレメントの構造例の説明図である。一対の第2エレメントは、図3Aに示すように、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とを、第2基端部(給電点K2)を中心に対称に接合し、あるいは、一体に成形して、図3Bのように構成したものである。
各腕部201a,202a,201b,202bから先端に至るまでの部分は、開放端となっている。この先端の部分を開放端部と呼ぶ。各開放端部は、低域確保のため(より低域での使用を可能にするため)、主として第1エレメント及び第2エレメントの面積を一定以上確保するように形成される。本例では、L字状に成形された例を示すが、開放端部の形状は、L字状に限らず、台形、菱形、楕円形、円形、三角形等であっても良い。
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。
図3Aの一方の第2エレメント(例えば二つの腕部201a,202a)を単独でアンテナとして用いた場合のアンテナ特性を図4A〜図4Cに示す。図4AはVSWR特性図、図4Bは放射効率特性図、図4Cは図3Aのアンテナの水平面(xy平面)の平均利得特性図である。それぞれ横軸は周波数(MHz)を示す。平均利得は、水平面内における平均利得である(以下、同様)。図4A、図4Bに示すように、第2エレメントだけを単独でアンテナとして用いた場合、約900MHz付近では、共振型アンテナとしての動作が支配的であり、約2500MHz以上では非共振型アンテナとしての動作が支配的である。また、図4Cからわかるように、約900MHz〜4500MHzでは平均利得が約−2dBi以上であり、特許文献1に開示されたMIMOアンテナ装置と比べて遜色のない実用可能なレベルである。
また、図3Bに示す一対の第2エレメントをアンテナとして動作させた場合のアンテナ特性を図5A〜図5Cに示す。図5AはVSWR特性図、図5Bは放射効率特性図、図5Cは図3Bのアンテナの水平面(xy平面)の平均利得特性図である。それぞれ横軸は周波数(MHz)を示す。図5A〜図5Cからわかるように、一対の第2エレメントをアンテナとして動作させた場合、周波数が約1500MHz付近のVSWR、放射効率、平均利得(dBi)が、図3Aに示した一つの第2エレメントを用いた場合よりも格段に改善される。一対の第1エレメントについても同様のアンテナ特性となる。
次に、図2A〜図2Dのように構成されるアンテナ部のアンテナ特性について説明する。このアンテナ部は、一対の第2エレメントの第2基端部が、間隔D11を維持しながら第1基端部と正対する位置から略90度回転した状態で一対の第1エレメントと対向する。つまり、対向する第1エレメントと第2エレメントとの間にスプリットリングが形成される。そのため、低域側に周波数帯域が拡大してより広帯域のアンテナとして動作させることができる。また、第1エレメントと第2エレメントの偏波が直交する。例えば、第1エレメントの偏波が垂直偏波であれば、第2エレメントの偏波は水平偏波となり、反対に、第1エレメントの偏波が水平偏波であれば、第2エレメントの偏波は垂直偏波となる。そのため、互いの干渉を抑制することができる。例えば、回転させない場合に比べてアイソレーションが格段に改善される。
以下、第1実施形態のアンテナ部の特性例を具体的に説明する。図6Aは給電点K1のVSWR特性図、図6Bは給電点K2のVSWR特性図である。それぞれ横軸は周波数(MHz)である。第1実施形態のアンテナ部によれば、受信波又は送信波として使用可能な周波数帯域が低域側に拡大する。
図7Aは給電点K1の放射効率特性図、図7Bは給電点K2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。第1実施形態のアンテナ部では、698MHz付近の放射効率が約0.85(図4Bの例では約0.17、図5Bの例では約0.3)である。使用可能周波数がより低域の方向に拡大していることがわかる。
図8Aは、給電点K1から給電点K2への通過電力特性図、図8Bは給電点K2から給電点K1への通過電力特性図である。図8Aの縦軸は、20Log|S21|(dB)、図8Bの縦軸は20Log|S12|(dB)、それぞれの横軸は周波数(MHz)である。S21は第1エレメントの給電点K1から第2エレメントの給電点K2への透過係数を表すSパラメータであり、20Log|S21|はその通過電力特性のデシベル表示である。また、S12は第2エレメントの給電点K2から第1エレメントの給電点K1への透過係数を表すSパラメータであり、20Log|S12|はその通過電力特性のデシベル表示である。
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。
第1実施形態のアンテナ部は、大地と平行のX−Y平面に対して鉛直上方となるZ平面に設置されるが、本発明者らは、このアンテナ部をZ平面上で所定角度だけ傾けることで、アンテナ特性がどの程度変わるかを検証した。
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。
図11Aはアンテナ部が傾いたとき、すなわち、図9Bの状態のときの給電点K1の水平面(xy平面)の平均利得特性図、図11Bは図9Bの状態のときの給電点K2の水平面(xy平面)の平均利得特性図である。図10A,図10Bとの対比では、第1エレメント,第2エレメント共に、5GHz以上の周波数帯の利得が回転前よりも高くなっている。また、利得の最大値と最小値との差が、回転前が約6dBであったのに対し、回転状態では約4dBまで小さくなっている。つまり、アンテナ部を略45度傾かせて固定することで、平均利得を高めつつ平均利得の変動を抑制することができることがわかる。
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。
ここで、第1実施形態のアンテナ部の特徴的な動作を説明するために、そのアンテナ部と構造が類似する比較例アンテナ部について説明する。図12Aは比較例アンテナ部の正面図、図12Bは背面図、図12Cは上面図、図12Dは斜視図である。比較例アンテナ部は、第1実施形態のアンテナ部と周波数、材質、縦横のサイズが同じとなる一対の第1ボウタイアンテナと一対の第2ボウタイアンテナとを備える。サイズは、図1に示したケース本体10に収容できるサイズである。
一対の第1ボウタイアンテナ501、502は、第1面500上にそれぞれ半円板の直径の部分を外向きに配置したものである。一対の第2ボウタイアンテナ601,602は第2面600上にそれぞれ半円板の直径の部分を外向きに配置したものである。各ボウタイアンテナは、間隔D11を維持しながら、最接近する弧の部分(例えば給電点K1,K2が接続される弧の部分)がそれぞれ正対する位置から略90度回転した状態で他方と対向させている。
図13Aは比較例アンテナ部のVSWR特性図、図13Bは図13Aの低域部分の拡大図である。図14Aは比較例アンテナ部の放射効率特性図、図14Bは図14Aの低域部分の拡大図である。それぞれ横軸は周波数(MHz)である。各特性の測定条件は、第1実施形態のアンテナ部と同様である。破線は、一対の第1ボウタイアンテナ501、502のみの場合の特性であり、実線は、一対の第1ボウタイアンテナ501、502と一対の第2のボウタイアンテナ601,602とを対向させた場合の特性である。
これらの測定結果が表すのは、一対のボウタイアンテナ(例えば第1ボウタイアンテナ501,502)だけでも広帯域アンテナとして使用できること、及び、単に一方の一対のボウタイアンテナと他方の一対のボウタイアンテナとを間隔D11を維持しながら最接近する弧の部分がそれぞれ正対する位置から略90度回転した状態で対向させただけでは、VSWR、放射効率ともに、低下することがあるということである。特に、低域では、VSWRが1000MHz近くで最小となり、しかも6程度であり、放射効率も0.5以下となる。
[第2実施形態]
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。
図15Aは、第2実施形態に係るアンテナ部の正面図、図15Bは背面図、図15Cは上面図、図15Dは斜視図である。第2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。一対の第2エレメントは、第2中央部(給電点K2が接続される部分ないしポート)と第1中央部(給電点K1が接続される部分ないしポート)とが正対する位置から所定間隔D11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。回転の前後でアンテナ部の外縁サイズは同じである。
一対の第1エレメントについて説明する。一方の第1エレメントは、第1基端部から互いに離れる方向に延伸する二つの腕部101c,101dを有する。他方の第1エレメントもまた、第1基端部から互いに離れる方向に延伸する二つの腕部102c,102dを有する。一方の第1エレメントの腕部101cは、他方の第1エレメントの直近の腕部102cからも離れる方向に延伸する。腕部101dも同様であり、腕部102dからも離れる方向に延伸する。一方の第1エレメントと他方の第1エレメントは、第1中央部を中心に対称に配置され、正面からみて略C状をなす。
各腕部101c,101d、102c,102dは、一様な幅を有する導体板であり、その先端は、所定形状、例えばL字状に成形された開放端部となる。腕部101cの開放端部と腕部101dの開放端部とが対向し、腕部102cの開放端部と腕部102dの開放端部とが対向する。また、各開放端部の一部には、折曲領域1011c、1011d、1021c、1021dが形成されている。折曲領域1011c、1011d、1021c、1021dは、それぞれアンテナ部の厚み方向、すなわち後述する第2エレメントの方向に略90度折曲されている。これは、性能を維持しつつ、全体サイズを小さくするためである。
第2エレメントについて説明する。一方の第2エレメントは、第2基端部から互いに離れる方向に延伸する二つの腕部201c,201dを有する。他方の第2エレメントもまた、第2基端部から互いに離れる方向に延伸する二つの腕部202c,202dを有する。一方の第2エレメントの腕部201cは、他方の第2エレメントの直近の腕部202cからも離れる方向に延伸する。腕部201dも同様であり、直近の腕部202dから離れる方向に延伸する。一方の第2エレメントと他方の第2エレメントは、第2中央部を中心に対称に配置され、正面からみて略C状をなす。
各腕部201c,201d、202c,202dは、一様な幅を有する導体板であり、その先端は、所定形状、例えばL字状に成形された開放端部となる。腕部201cの開放端部と腕部201dの開放端部とが対向し、腕部202cの開放端部と腕部202dの開放端部とが対向する。また、各開放端部の一部には折曲領域2011c、2011d、2021c、2021dが形成されている。折曲領域2011c、2011d、2021c、2021dは、それぞれアンテナ部の厚み方向、すなわち第1エレメントの方向に略90度折曲されている。これは、性能を維持しつつ、全体サイズを小さくするためである。
また、第1実施形態のアンテナ部と同様、第2実施形態のアンテナ部もまた、スプリットリングが形成されるため、使用可能な周波数帯域を低域側に拡大することができる。
第2実施形態のアンテナ部のアンテナ特性を図16A〜図19Bに示す。図16Aは給電点K1のVSWR特性図、図16Bは給電点K2のVSWR特性図である。図17Aは給電点K1の放射効率特性図、図17Bは給電点K2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18Aは第1エレメントの給電点K1から第2エレメントの給電点K2への通過電力特性図、図18Bは第2エレメントの給電点K2から第1エレメントの給電点K1への通過電力特性図である。図18Aの縦軸は、上述した20Log|S21|(dB)、図18Bの縦軸は、20Log|S12|(dB)、それぞれの横軸は周波数(MHz)である。図19A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19B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。横軸は周波数(MHz)である。
なお、折曲領域1011c、1011d、1021c、1021d、2011c、2011d、2021c、2021dは、第1実施形態のアンテナ部にも設けるようにしても良い。第2実施形態のアンテナ部も、図10Bに示したように、Z面上で略45度傾いて固定されることで、水平面(xy平面)の平均利得が安定的に高くなることが確認されている。
[第3実施形態]
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。
図20Aは、第3実施形態に係るアンテナ部の正面図、図20Bは長辺部の側面図、図20Cは短辺部の側面図、図20Dは斜視図である。
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。
一対の第1エレメントについて説明する。一方の第1エレメントは、第1基端部から互いに離れる方向に延伸する二つの腕部101c,101dを有し、他方の第1エレメントは、第1基端部から互いに離れる方向に延伸する二つの腕部102c,102dを有する。 一方の第1エレメントが有する二つの腕部101c,101dと他方の第1エレメントが有する二つの腕部102c,102dは、それぞれ第1基端部から離れるにつれて連続的又は段階的に幅が大きくなる。つまり、一方の第1エレメントが有する二つの腕部101c,101dと他方の第1エレメントが有する二つの腕部102c,102dの幅は、第1基端部から遠い領域では第1基端部に近い領域に比べて大きくなっている。また、一方の第1エレメントと他方の第1エレメントとの対向距離が、第1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1エレメントと他方の第1エレメントとの対向距離は、第1基端部から遠い領域では第1基端部に近い領域に比べて大きくなっている。一方の第1エレメントの腕部101cは、他方の第1エレメントの直近の腕部102cからも離れる方向に延伸する。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。
各腕部101c,102c,101d,102dの先端の部分は開放端部となっている。各開放端部は、所定形状、例えばL字状に成形されている。腕部101cの開放端部と腕部101dの開放端部とが対向し、腕部102cの開放端部と腕部102dの開放端部とが対向する。これにより、一方の第1エレメントが有する二つの腕部101c,101dと他方の第1エレメントが有する二つの腕部102c,102dは、第1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、一対の第2エレメントについて説明する。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、それぞれ第2基端部から離れるにつれて対向距離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201c,202cと他方の第2エレメントが有する二つの腕部201d,202d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。一方の第2エレメントの腕部201cは、他方の第2エレメントの直近の腕部201dからも離れる方向に延伸する。このように、腕部201c、202c及び腕部201d、202dの対向距離は、基端部付近と開放端部付近とを比較すると、開放端部付近の方が大きくなる。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あるいは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をする。
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。
各腕部201c,201d、202c,202dの先端はそれぞれ開放端部となる。各腕部201c、201d、202c、202dにおける第2基端部付近から開放端部付近にかけての幅の変化率は、第1エレメントの第1基端部付近から開放端部付近にかけての幅の変化率よりも小さい。腕部201cの開放端部の一部には長辺の折曲領域2011cと短辺の折曲領域2012cとが形成されている。長辺の折曲領域2011cはアンテナ部の厚み方向、すなわち直近の第1エレメントの方向に90度折曲されている。短辺の折曲領域2012cは、長辺の折曲領域2011cから他方の第2エレメントの方向に90度折曲された後、直近の第1エレメントの方向に90度折曲されている。
他の腕部202c、201d、202dの開放端部についても腕部201cの開放端部と同様の構造の折曲領域が形成されている。すなわち、腕部202cの一部には長辺の折曲領域2021cと短辺の折曲領域2022cとが形成されている。腕部201dの一部には長辺の折曲領域2011dと短辺の折曲領域2012dとが形成されている。腕部202dの一部には長辺の折曲領域2021dと短辺の折曲領域2022dとが形成されている。
これらの折曲領域2011c,2012c,2021c,2022c,2011d,2012d,2021d,2022dを形成することで、それが形成されない場合のアンテナ性能を維持しつつ、全体サイズを小さくすることができる。また、一対の第1エレメントと一対の第2エレメントとで、スプリットリングが形成されるため、使用可能な周波数帯域を低域側に拡大することができる。
第3実施形態のアンテナ部のアンテナ特性を図21A〜図24Bに示す。図21Aは給電点K1のVSWR特性図、図21Bは給電点K2のVSWR特性図である。図22Aは給電点K1の放射効率特性図、図22Bは給電点K2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23Aは第1エレメントの給電点K1から第2エレメントの給電点K2への通過電力特性図、図23Bは第2エレメントの給電点K2から第1エレメントの給電点K1への通過電力特性図である。図23Aの縦軸は、20Log|S21|(dB)、図23Bの縦軸は20Log|S12|(dB)、それぞれの横軸は周波数(MHz)である。図24A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24Bは図9Aの配置における一給電点K2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4実施形態]
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。
図25Aは、第4実施形態に係るアンテナ部の正面図、図25Bは上面図、図25Cは斜視図である。第4実施形態のアンテナ部は、第1実施形態のアンテナ部と基本構造は同様である。一対の第1エレメントと一対の第2エレメントとの間隔及び外縁サイズも1実施形態のアンテナ部と同様である。
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。
第4実施形態のアンテナ部のアンテナ特性を図26A〜図29Bに示す。図26Aは給電点K1のVSWR特性図、図26Bは給電点K2のVSWR特性図である。図27Aは給電点K1の放射効率特性図、図27Bは給電点K2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28Aは第1エレメントの給電点K1から第2エレメントの給電点K2への通過電力特性図、図28Bは第2エレメントの給電点K2から第1エレメントの給電点K1への通過電力特性図である。図28Aの縦軸は、20Log|S21|(dB)、図28Bの縦軸は20Log|S12|(dB)、それぞれの横軸は周波数(MHz)である。図29Aは図9Aの配置における給電点K1の水平面(xy面)の平均利得特性図、図29Bは図9Aの配置における給電点K2の水平面(xy面)の平均利得特性図である。横軸は周波数(MHz)である。
[第5実施形態]
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。
図30Aは、第5実施形態に係るアンテナ部の構成例を示す斜視図、図30Bは図30Aの背面側からみた斜視図である。第1実施形態では、一方の第1エレメントと他方の第1エレメントがそれぞれ第1中央部を中心として対称となる2つの逆V状のエレメントとしたが、第5実施形態のアンテナ部では、一対のうち一方の第1エレメントを二つの腕部101a,101bで構成し、他方の第1エレメントを二つの腕部102a,102bで構成し、これにより、第1中央部を中心として対称となる2つの略C状のエレメントとした。一対の第2エレメントについても同様である。すなわち、一方の第2エレメントを二つの腕部201a,201bで構成し、他方の第2エレメントを二つの腕部202a,202bで構成し、これにより、第2中央部を中心として対称となる2つの略C状のエレメントとした。
このようなエレメントの組み合わせであっても、一対の第1エレメントと一対の第2エレメントで受信又は送信可能な信号の偏波の方向が直交し、かつ、それぞれの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ため、第1実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
また、第1中央部の給電点に、フェライトコアを巻回した第1給電フィーダF11を接続するとともに、第2中央部の給電点に、巻回するフェライトコアの角度が第1給電フィーダF11と略90度異なる第2給電フィーダF21を接続した。これにより、698MHzなどの共振動作する低周波数域の漏えい電流を抑止し、放射特性を安定、向上させることができる。
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。
[変形例1]
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。
また、第1、第2、第4、第5実施形態では、一対の第1エレメント及び一対の第2エレメントが、略V形又は略C形をなす例を説明したが、略D形、略U形、略半円形、略半楕円形、略三角形、略四角形であっても良い。また、これらの実施形態では、給電点を2箇所に設ける構成を前提として説明したが、1箇所のみに設ける構成であっても良い。第1エレメント及び第2エレメントは電気的に接続されているため、2箇所に設けた場合と同様の動作が可能である。
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実施形態によるアンテナ装置の効果]
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。
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、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することで、エレメントの小型化が可能となる。図12A〜図12Dに示す比較例アンテナ部のように、一対の第2ボウタイアンテナ601,602が、一対の第1ボウタイアンテナ501,502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ボウタイアンテナ501,502と対向して配置した場合、第1ボウタイアンテナ501,502及び第2ボウタイアンテナ601,602のエレメント間の周辺に導体が介在することになる。
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。
アンテナ部は、縦横辺サイズが90mm、厚みが13mm以下の電波透過性ケース(ケース本体10)に収容可能なので、小型かつ薄型でありながら、干渉が抑制され、アイソレーションに優れた二つのアンテナを収容したアンテナ装置を実現することができる。このアンテナ装置は、例えば車両の任意の場所、あるいは、室内の任意の部位に設置してLTEや5Gの周波数帯域を用いたMIMOにも用いることができる。
また、第1及び第2実施形態のアンテナ部は、図6A〜図8B、図16A〜図19Bに示されるように、LTE及び5Gの低周波数帯域から高周波数帯域にわたって安定的にアンテナ特性が優れているので、何ら設計変更をしなくとも国内用及び外国用のアンテナ装置として使用することができる。
それぞれ給電点K1(K2)から離れるにつれて幅を大きくすることで特に高域側のVSWRは小さくなり、放射効率、平均利得を高め、かつこれらの変動を抑制することができる。また、一対の第1エレメントや一対の第2エレメントの構成とし、さらに、一対の第2エレメントを一対の第1エレメントに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、両エレメントを近接させて配置したことで、対向する各対向端部が互いに電気的に接続されることにより、ループが形成され、698MHz付近の低域方向の広帯域化を可能としている。このような構成とすることにより、例えば従来型のアンテナ装置では、実現が困難であった、使用可能な周波数帯の低域側を拡大し、より使用可能な周波数帯の広帯域化を実現している。
二つの腕部(例えば101a,101b)は、それぞれの先端が設置部位の形状に応じて定められた所定形状に成形されているので、エレメント形状の自由度を高めつつ、各腕部において必要とされるエレメント面積を確保することができる。「必要とされるエレメント面積」は、低域の帯域を拡大するスプリットリングの共振周波数により定まる。
二つの腕部(例えば101c,101d)のうち給電点(例えばK1)から最も離れた領域の一部が対向する他の腕部(例えば201c,201d)の方向に折曲しているので、アンテナ部全体(及びケース本体10)の縦横辺サイズ及び厚みを変えることなく、低域側に周波数帯域を拡大することができる。
なお、第1実施形態で説明した比較例アンテナ部は、互いに略90度回転させた一対のボウタイアンテナ同士をそれぞれ広帯域アンテナとして、40mm以上離間させて用いる場合には実用レベルのアンテナ特性が得られる。
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。
[第6実施形態]
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。
図31Aは、第6実施形態におけるアンテナ部の斜視図、図31Bは一対の第1エレメントの給電状態を示す正面図、図31C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。このアンテナ部は、z方向の長さが60mm、x方向の長さが80mm、y方向の長さが15mmの箱状の樹脂製ケース(例えば図1A,図1Bに示されるケース10)に収容されるサイズのものとする。
図31A〜図31Cの図を参照すると、一対の第1エレメントのうち、一方の第1エレメントは、自己の基端部が他方の第1エレメントの基端部の方向(x軸方向)に山なりに形成された第1領域である基端領域101eと、この基端領域101eの一方の端部と導通接続される第2領域である延伸領域101f及び基端領域101eの他方の端部と導通接続されるもう一つの延伸領域101gとを有する。
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。
基端領域101e,102eは、これまで説明した実施形態のうち給電点が接続される部分を含む腕部の一部領域、すなわち前述の第1基端部付近あるいは第2基端部付近の領域に相当する。また、延伸領域101f,101g,102f,102gは、これまで説明した実施形態の腕部のうち上記一部領域の残りの領域に相当する。
基端領域101eは、一枚の基板PB1の表裏面にそれぞれ帯状にプリントされた後、本例では複数の導電性ビアホール1011eで相互に導通接続される。基板PB1は、本例では略長方形状のPCB(Printed Circuit Board;以下同じ)で構成される。基端領域102eもまた、基板PB1の表裏面にそれぞれ帯状にプリントされた後、複数の導電性ビアホール1021eで相互に導通接続される。二つの基端領域101e,102eが最も接近した部位が、上述した第1中央部(給電点K1が接続される部分ないしポート)となる。基端領域102eには、給電フィーダの一例となる同軸ケーブルF114の信号線F111が導通接続される。基端領域101eには、同軸ケーブルF114のグランド線F112が導通接続される。これにより、一対の第1エレメントは、2つのダイポールアンテナとして動作する。また、基端領域101e、102eと、延伸領域101f,101g及び延伸領域102f,102gとが2つのテーパードスロットアンテナとして動作する。
なお、同軸ケーブルF114にはフェライトコアF113が取り付けられ、これにより、同軸ケーブルF114の外被から漏洩する電流を遮断することが可能になる。また、698GHz付近の低域側の周波数帯での利得を高めるためには、アンテナ部のサイズを大きくするのが一般的であるが、フェライトコアF113を取り付けることにより、低域側での利得を確保しつつアンテナ部のサイズの小型化を実現することが可能になる。
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。
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。
延伸領域101f,101g,102f,102gは、基板PB1に対してほぼ垂直で、第2エレメントの方向に幅を持つ金属板であり、それぞれ板金により作成される。延伸領域101f,101g,102f,102gの先端付近は、それぞれ開放端部となっている。開放端部は、基板PB1と垂直の面上で台形状をなす第1端部1011f、1011g、1021f、1021gと、基板PB1と平行の面上に折曲されて略三角形状をなす第2端部1012f,1012g,1022f,1022gとで構成される。第2端部1012f,1012g,1022f,1022gを略三角形状にしたのは、自己相似形を維持してインピーダンスを一定にし、アンテナ性能(VSWR、放射効率、利得)を向上させるためである。
なお、対向する第2端部1012f,1012g,及び、第2端部1022f,1022gとの結合を避けるため、三角形状の先端の一部を削り取って台形に近い形状としても良い。各端部は、それぞれの延伸領域の先端に向かうにつれてその幅が大きくなっている。第2端部1012f,1012g,1022f,1022gは、略三角形状とすることにより、アンテナ部全体として相似形を維持し続け、インピーダンスを一定にしてアンテナ特性、特にVSWRを向上させることが可能になる。一方の第1エレメントが有する二つの延伸領域101f,101gと他方の第1エレメントが有する二つの延伸領域102f,102gは、第1中央部を中心に対称に配置され、正面(y軸方向)からみてそれぞれ略C形の形状をなす。
次に、一対の第2エレメントについて説明する。一対の第2エレメントのうち、一方の第2エレメントは、自己の基端部が他方の第2エレメントの基端部の方向(z軸方向)に山なりに形成された基端領域201eと、この基端領域201eの一方の端部と導通接続される延伸領域201f及び基端領域201eの他方の端部と導通接続されるもう一つの延伸領域201gとを有する。他方の第2エレメントもまた、自己の基端部が一方の第2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202eと、この基端領域202eの一方の端部と導通接続される延伸領域202f及び基端領域202eの他方の端部と導通接続されるもう一つの延伸領域202gとを有する。
基端領域201eは、基板PB1と平行の平面上で第1中央部を中心として約90度傾いて配置される基板PB2に形成される。基板PB2は、その長辺が基板PB1と直交する方向に延びる略長方形のPCBである。基端領域201eは、この基板PB2の表裏面にそれぞれ帯状にプリントされた後、複数の導電性ビアホール2011eで相互に導通接続される。基端領域202eもまた、基板PB2の表裏面にそれぞれ帯状にプリントされた後、複数の導電性ビアホール2021eで相互に導通接続される。
二つの基端領域201e,202eが最も接近した部位が、上述した第2中央部(給電点K2が接続される部分ないしポート)となる。基端領域202eには、給電フィーダの一例となる同軸ケーブルF214の信号線F211が導通接続される。基端領域201eには、同軸ケーブルF214のグランド線F212が導通接続される。これにより、一対の第2エレメントが2つのダイポールアンテナとして動作したり、2つのテーパードスロットアンテナとして動作したりする。同軸ケーブルF214にはフェライトコアF213が取り付けられる。その効用は第1エレメントの場合と同じである。また、基端領域201e、202eと、延伸領域201f,201g及び延伸領域202f,202gとが2つのテーパードスロットアンテナとして動作する。
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。
延伸領域201f,201g,202f,202gは、基板PB2に対して垂直で、第1エレメントの方向に幅を持つ金属板であり、それぞれ板金により作成される。延伸領域201f,201g,202f,202gの先端付近は、それぞれ開放端部となっている。開放端部は、基板PB2と垂直の面上で台形状をなす第1端部2011f、2011g、2021f、2021gと、基板PB2と平行の面上に折曲されて略三角形状をなす第2端部2012f,2012g,2022f,2022gとで構成される。三角形状の先端の一部を削り取って台形に近い形状としても良いことは、第2エレメントについても同様である。各端部は、それぞれの延伸領域の先端に向かうにつれてその幅が大きくなっている。一方の第2エレメントが有する二つの延伸領域201f,201gと他方の第2エレメントが有する二つの延伸領域202f,202gは、第2中央部を中心に対称に配置され、正面(y軸方向)からみてそれぞれ略C形の形状をなす。
第1エレメントの第1端部1011f、1011g、1021f、1021g及び第2端部1012f、1012g、1022f、1022gと、直近の第2エレメントの第1端部2021f、2021g、2011f、2011g及び第2端部2022f、2022g、2012f、2012gとの間には、スプリットリングが形成される。つまり、両領域は非導通であるが、容量結合される。これにより、一対の第1エレメントと一対の第2エレメントとの全体として、ループアンテナに準じた動作となる。このスプリットリングは、アンテナ部の使用可能な周波数帯域を低域側に拡げる役割を果たす。
第6実施形態のアンテナ部もまた、これまで説明した実施形態例のアンテナ部と同様、一対の第1エレメントが一対の第2エレメントに対して略90度傾いている。そのため、受信又は送信可能な信号の偏波の方向が直交し、かつ、それぞれのエレメントの一部又は全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。
また、自己相似型アンテナ又はそれに準ずる動作となるエレメントを板金で作成する場合、給電点が接続される基端部周辺は、幅をできるだけ狭くすることが求められる。そのため、実現が難しくなる。しかし、第6実施形態のアンテナ部は、基端領域101e,102e,201e,202eを基板PB1,PB2へのプリントにより形成し、基端領域101eと延伸領域101f,101g、基端領域102eと延伸領域102f,102g、基端領域201eと延伸領域201f,201g、基端領域202eと延伸領域202f,202gを、それぞれ導通接続する構成なので、その作成が容易となる。
また、基端領域101e,102e,201e,202eは、それぞれ基板PB1,PB2の表裏面に形成された二つのプリントを導電性ビアホール1011e,1021e,2011e,2021eで導通接続したものなので、一つのプリントだけで構成した場合よりも放射抵抗やインダクタンスが増加し、放射効率が向上する。なお、一対の第1エレメント及び一対の第2エレメントの少なくとも一方のエレメントの一部の領域が基板PB1,PB2に形成されるようにしても良い。また、基端領域101e,102e,201e,202eを基板PB1,PB2の一方の面だけに形成するようにしても良い。この場合、導電性ビアホール1011e,1021e,2011e,2021eは不要となる。
次に、第6実施形態のアンテナのアンテナ特性について説明する。
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。
これらのアンテナ特性から判るように、z方向の長さが60mm未満、x方向の長さが80mm未満、y方向の長さが15mm未満の超小型のアンテナ部でありながら、例えば698MHz及びその前後周波数のような低域での使用及び実用化が可能となる。
なお、アンテナ部を、基板上に形成された基端領域と、板金で作成された延伸領域とで構成し、これらを電気的に結合させる形態は、図31Aから図31Cに示される例以外にも適用が可能である。例えば、一つの第1エレメントと一つの第2エレメントとで構成される他の形態のアンテナ部にも上記形態は適用が可能である。
[第7実施形態]
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。
第7実施形態のアンテナ部は、平面状の表裏面を有する基板PB3の一方の面(表面)に一対の第1エレメントをプリントで形成するとともに、その基板のPB3の他方の面(裏面)に、偏波の方向が一対の第1エレメントと直交する一対の第2エレメントをプリントで形成したものである。
図33Aを参照すると、一対の第1エレメントのうち、一方の第1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101j,101kを有する。腕部101jは、基端部から離れるにつれて幅が大きくなる領域1011jと基板PB3の別の角部から基板PB3の中央部に向けて直線状に切り欠かれた開放端部1012jとを有する。腕部101kは、基端部から離れるにつれて幅が大きくなる領域1011kと基板PB3の一つの角部から基板PB3の中央部に向けて直線状に切り欠かれた開放端部1012kとを有する。
他方の第1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102j,102kを有する。腕部102jは、基端部から離れるにつれて幅が大きくなる領域1021jと基板PB3の別の角部から基板PB3の中央部に向けて直線状に切り欠かれた開放端部1022jとを有する。腕部102kは、基端部から離れるにつれて幅が大きくなる領域1021kと基板PB3の別の角部から基板PB3の中央部に向けて直線状に切り欠かれた開放端部1022kとを有する。一対の第1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。
一方の第1エレメントの基端部には、図33Cに示されるように同軸ケーブルF114の信号線F111が導通接続される。他方の第1エレメントの基端部には、同軸ケーブルF114のグランド線F112が導通接続される。これにより、一対の第1エレメントは2つのダイポールアンテナとして動作したり、2つのテーパードスロットアンテナとして動作したりする。なお、同軸ケーブルF114にはフェライトコアF113が取り付けられる。
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。
図33Bを参照すると、一対の第2エレメントのうち、一方の第2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201j,201kを有する。腕部201jは、基端部から離れるにつれて幅が大きくなる領域2011jと基板PB3の別の角部から基板PB3の中央部に向けて直線状に切り欠かれた開放端部2012jとを有する。腕部201kは、基端部から離れるにつれて幅が大きくなる領域2011kと基板PB3の一つの角部から基板PB3の中央部に向けて直線状に切り欠かれた開放端部2012kとを有する。
他方の第2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202j,202kを有する。腕部202jは、基端部から離れるにつれて幅が大きくなる領域2021jと基板PB3の別の角部から基板PB3の中央部に向けて直線状に切り欠かれた開放端部2022jとを有する。腕部202kは、基端部から離れるにつれて幅が大きくなる領域2021kと基板PB3の別の角部から基板PB3の中央部に向けて直線状に切り欠かれた開放端部2022kとを有する。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。
一方の第2エレメントの基端部には、図33Dに示されるように同軸ケーブルF214の信号線F211が導通接続される。他方の第2エレメントの基端部には、同軸ケーブルF214のグランド線F212が導通接続される。これにより、一対の第2エレメントは2つのダイポールアンテナとして動作する。なお、同軸ケーブルF214にはフェライトコアF213が取り付けられる。
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33Eに示される通り、基板PCB3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PCB3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)との間にはスプリットリングが形成されている。そのため、第1エレメントと第2エレメントは非導通であるが、容量結合され、ループアンテナとしても動作する。
第7実施形態のアンテナ部のアンテナ特性について説明する。図34Aは同軸ケーブルF114の出力端のVSWR特性図、図34Bは同軸ケーブルF214の出力端のVSWR特性図である。図34Cは同軸ケーブルF114の出力端の放射効率特性図、図34D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34E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34F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34Eの縦軸は、20Log|S21|(dB)、図34Fの縦軸は20Log|S12|(dB)、それぞれの横軸は周波数(MHz)である。図34G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34H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。
これらのアンテナ特性から判るように、図33Fに示される通り、厚みが0.8mmにプリントの部分が加算される程度の薄型で、一辺の長さが87mmの正方形状の超小型のアンテナ部でありながら、698MHz前後周波数のような低域での使用及び実用化が可能となる。
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実施形態の変形例]
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7実施形態の変形例のアンテナ部のアンテナ特性を図35A〜図35Hに示す。測定条件は、第7実施形態のときと同じである。図35Aは同軸ケーブルF114の出力端のVSWR特性図、図35Bは同軸ケーブルF214の出力端のVSWR特性図である。図35Cは同軸ケーブルF114の出力端の放射効率特性図、図35D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35E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35F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35Eの縦軸は、20Log|S21|(dB)、図35Fの縦軸は20Log|S12|(dB)、それぞれの横軸は周波数(MHz)である。図35G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35H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。
これらのアンテナのVSWR特性から判る通り、直近の腕部の開放端部同士を導通させる場合と、第7実施形態のアンテナ部のように非導通とする場合とを比較すると、第7実施形態のアンテナは約1GHz帯未満の帯域が拡大していることがわかる。
[第8実施形態]
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6実施形態のアンテナ部との相違は、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の間にスプリットリングが存在しない点、つまり直近の開放端部の第1端部同士が導通し、基板PB1と平行の面上に折曲されて略三角形状をなす第1エレメントの第2端部1012f,1012g,1022f,1022g、及び第2エレメントの第2端部2012f,2012g,2022f,2022gが存在しない点である。
第8実施形態のアンテナ部のアンテナ特性は、図37A〜図37Hに示す通りである。測定条件は第6実施形態と同じである。図37Aは同軸ケーブルF114の出力端のVSWR特性図、図37Bは同軸ケーブルF214の出力端のVSWR特性図である。図37Cは同軸ケーブルF114の出力端の放射効率特性図、図37D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37E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37F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37Eの縦軸は、20Log|S21|(dB)、図37Fの縦軸は20Log|S12|(dB)、それぞれの横軸は周波数(MHz)である。図37G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、37H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。
これらのアンテナのVSWR特性から判る通り、直近の腕部の開放端部同士を導通させる第8実施形態のアンテナ部と、第6実施形態のアンテナ部のように非導通とする場合とを比較すると、第8実施形態のアンテナは約1GHz帯未満の帯域が拡大していることがわかる。
[第9実施形態]
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。
各ケース体10a,10bに収容されるアンテナ部は、第6実施形態のアンテナ部の一部の形状等を変形したものとする。すなわち、一対の第1エレメントのうち、基板PB1上の基端領域101eの両端ないしその付近に一対の貫通孔が形成されている。基板PB1上の基端領域102eの両端ないしその付近にも一対の貫通孔が形成されている。板金により作成された延伸領域101f,101g,102f,102gの基端部には、上記の貫通孔を貫通し、その先端付近が事後に変形可能(折曲可能)な金属製の爪PB1a〜PB1dが一体に形成されている。そして、この爪PB1a〜PB1dを、貫通孔を貫通させた後、基板PB1の基端領域101e、102e上でその先端付近を折曲させる。これにより、延伸領域101f,101g,102f,102gと基板PB1上の基端領域101e,102eとが導通接続された状態で固定される。なお、この時点で、爪PB1a〜PB1dと基端領域101e、102eとを半田付で固定しても良い。
上述の通り、基板PB1にはインピーダンスマッチング回路が設けられず、同軸ケーブルF114の信号線及びグランド線が基端領域101e、102eの一方と他方とに直接接続される。この同軸ケーブルF114は、第1ケース体10aの短辺のうち一方端に
近い側にフェライトコアF113と共に固定される。
第1端部1011f、1011g、1021f、1021gと第2端部1012f,1012g,1022f,1022gは、それぞれ第1ケース体10aの底面及び側面に沿った形状に成形されている。基板PB1の長さと、延伸領域101f,101g,102f,102gの長さは、第2エレメントにおける各構成に相当する構成よりも長い。一方、延伸領域101f,101g,102f,102gが基端領域101e、102eから分岐して離れる方向へ延伸する部分(分岐後領域)の長さが第2エレメントにおける各構成に相当する構成よりも短い。前述の通り、第2端部1012f,1012g,1022f,1022gのうち対向する第2端部1012f,1012g及び第2端部1022f,1022gの先端部分の一部は、所望の周波数帯域を確保するために容量性と誘導性を調整したことで、台形に近い形状になっている。
一対の第2エレメントについても、ほぼ同様の構造で第2ケース体10bに収容される。すなわち、一対の第2エレメントのうち、基板PB2上の基端領域201eの両端ないしその付近に一対の貫通孔が形成されている。基板PB2上の基端領域202eの両端ないしその付近にも一対の貫通孔が形成されている。板金により作成された延伸領域201f,201g,202f,202gの基端部には、上記の貫通孔を貫通する金属製の爪PB2a〜PB2dが一体に形成されている。そして、この爪PB2a〜PB2dを、貫通孔を貫通させた後、基板PB2の基端領域201e、202e上でその先端付近を折曲させる。これにより、延伸領域201f,201g,202f,202gと基板PB2上の基端領域201e,202eとが導通接続された状態で固定される。なお、この時点で、爪PB2a〜PB2dと基端領域201e、202eとを半田付で固定しても良い。
基板PB1にはインピーダンスマッチング回路が設けられず、同軸ケーブルF214の信号線及びグランド線が基端領域201e、202eの一方と他方とに直接接続される。この同軸ケーブルF214は、第2ケース体10aの短辺のうち他方端に近い側にフェライトコアF213と共に固定される。これにより、同軸ケーブルF114との直近距離をできるだけ長くしている。
第1端部2011f、2011g、2021f、2021gと第2端部2012f,2012g,2022f,2022gは、それぞれ第1ケース体10bの底面及び側面に沿った形状に成形されている。前述の通り、第2端部1012f,1012g,1022f,1022gのうち対向する第2端部1012f,1012g及び第2端部1022f,1022gの先端部分の一部は、所望の周波数帯域を確保するために容量性と誘導性を調整したことで、台形に近い形状になっている。なお、一対の第1エレメントと一対の第2エレメントのうち、直近の開放端部間(例えば第2端部1012fと第2端部2022f)は非導通で、スプリットリングとして作用する。つまり、容量結合され、ループアンテナとしても動作する。
上記の通り、本実施形態のアンテナ部は、使用する周波数帯に応じて異なる動作原理か、あるいはこれら異なる動作原理が複合した状態で動作する。例えば、一対の第1エレメントの第1端部1011f、1011g、1021f、1021g及び第2端部1012f,1012g,1022f,1022gと、一対の第2エレメントの第1端部2011f、2011g、2021f、2021g及び第2端部2012f,2012g,2022f,2022gとが容量結合される周波数帯では、一対の第1エレメントと一対の第2エレメントとの全体でループアンテナに準じた動作を行う(動作A)。
また、一対の第1エレメント及び一対の第2エレメントは、それぞれ、2つのダイポールアンテナとして動作する(動作B)。この場合、板金で作成された二つの延伸領域101f,101g及び延伸領域102f,102gが基端領域101e、102eから分岐して離れる方向へ延伸する部分の長さが長いほど、中域におけるアンテナ特性(VSWR等)が低域側に移る。つまりアンテナ特性の安定する帯域が拡大する。
さらに、基端領域101e、102eと、延伸領域101f,101g及び延伸領域102f,102gとが2つのテーパードスロットアンテナとして動作する(動作C)。この場合、基板PB1、PB2の長さと対向しながら延伸する二つの延伸領域101f,101g及び延伸領域102f,102gの長さが長いほど、高域がより低域側のアンテナ特性(VSWR等)に近づく。つまりアンテナ特性の安定する帯域が拡がる。このように、一つのアンテナ部を備えたアンテナ装置が、低域側の周波数帯では主にループアンテナとして動作し、中域側の周波数帯では主にダイポールアンテナとして動作し、高域側の周波数帯では主にテーパードスロットアンテナとして動作する。また、その中間帯域ではそれらの動作原理が複合した複合アンテナとして動作する。すなわち、低域側の周波数帯域から中域側の周波数帯域にかけては、主として、ループアンテナの動作原理及びダイポールアンテナの動作原理が複合した複合アンテナとして動作し、中域側の周波数帯から高域側の周波数帯域にかけては、主として、ダイポールアンテナの動作原理及びテーパードスロットアンテナの動作原理が複合した複合アンテナとして動作する。
一対の第1エレメントに接続される同軸ケーブルF114と一対の第2エレメントに接続するための同軸ケーブルF214は、第1ケース体10a及び第2ケース体10bにおいて最も離れた位置で固定され、ケース外においても離間したまま使用される。そのため、同軸ケーブルF114,F214の外被に流れる電流に起因する不要な電波による相互干渉を抑制することができる。
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。
また、第9実施形態では、第1エレメント及び第2エレメントそれぞれに給電用のポートが設けられ、各給電用のポートに対して同軸ケーブルF114,F214が接続される。言い換えると、第9実施形態のアンテナ部を備えたアンテナ装置はポートを有し、この二ポートそれぞれに給電用の同軸ケーブルF114,F214が接続される。しかしながら、アンテナ装置は、分岐回路などを設けることで、一本の同軸ケーブルによる給電であっても動作が可能である。この場合、二ポートのうちいずれか一方に接続されている同軸ケーブルを取り除けば良い。
なお、一対の第1エレメントと一対の第2エレメントとで、基板PB1,PB2の長さ、
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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。
  18. 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。
  19. 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。
  20. 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。
  21. 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。
  22. 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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