WO2018074056A1 - アンテナ装置 - Google Patents

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WO2018074056A1
WO2018074056A1 PCT/JP2017/030230 JP2017030230W WO2018074056A1 WO 2018074056 A1 WO2018074056 A1 WO 2018074056A1 JP 2017030230 W JP2017030230 W JP 2017030230W WO 2018074056 A1 WO2018074056 A1 WO 2018074056A1
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WO
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side wall
flat plate
back surface
antenna device
plate portion
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/030230
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English (en)
French (fr)
Inventor
池田 正和
山崎 徹
光成 阿部
慶人 有馬
和則 前田
Original Assignee
株式会社デンソー
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社デンソー filed Critical 株式会社デンソー
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Priority to KR1020187034973A priority patent/KR102099162B1/ko
Priority to CN201780033025.3A priority patent/CN109196718B/zh
Publication of WO2018074056A1 publication Critical patent/WO2018074056A1/ja

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/52Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/08Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/30Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/42Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole with folded element, the folded parts being spaced apart a small fraction of the operating wavelength

Definitions

  • the present disclosure relates to an antenna device including a ground plane which is a flat conductor member that is connected to an outer conductor of a coaxial cable and provides a ground potential.
  • antenna devices such as a monopole antenna and a patch antenna have been described and developed as antenna devices including a ground plane (for example, Patent Document 1).
  • the ground plane area when the area of the ground plane (hereinafter referred to as the ground plane area) is insufficient with respect to the wavelength of the radio wave to be transmitted / received, the mirror effect by the ground plane becomes insufficient. The gain in the radiation direction is reduced.
  • the area of the ground plane is insufficient, the current leaked from the ground plane to the outer conductor of the coaxial cable (hereinafter referred to as leakage current) may increase and the gain may decrease.
  • a ground plane having an area corresponding to the wavelength of the radio wave to be transmitted / received (hereinafter, the target radio wave) is required. Therefore, if the area of the ground plane is reduced for miniaturization, the characteristics of the antenna device will become unstable.
  • the length per side of the ground plane is set to a half wavelength or more (for example, 0.75 wavelength) of the target radio wave in order to sufficiently stabilize the characteristics. It is generally known that there is a need to do.
  • the antenna device is desired to be further downsized. There is also a demand to arrange other parts around the main plate. If the components are arranged around the ground plane, naturally, the area (hereinafter referred to as the antenna area) in the top view of the antenna device as a whole is increased by an area necessary for the arrangement of the additional components. On the other hand, if an attempt is made to reduce the area of the ground plane for the arrangement of additional parts, the gain as an antenna device will be reduced.
  • An object of the present disclosure is to provide an antenna device that can reduce the area of the ground plane while suppressing a decrease in gain.
  • An antenna device includes a radiating element which is a conductor member electrically connected to an inner conductor of a coaxial cable, and a flat plate shape electrically connected to an outer conductor of the coaxial cable.
  • the radiating element is arranged so as to face the flat plate portion at a predetermined interval or to stand up from the flat plate portion, and the shape of the flat plate portion is , Is a portion that is line-symmetric and has a length from a certain end to an end located on the opposite side through the axis of symmetry that is shorter than a half wavelength of a radio wave to be transmitted / received
  • the radiating element has a shape having a narrowing region, and at least one of the two end portions parallel to the symmetry axis forming the narrowing region has a radiating element as viewed from the flat plate portion along the end portion. Side walls that are conductor members are provided in the direction that does not exist. To have.
  • the side wall part which is a plate-shaped conductor member is provided in the direction which does not have a radiation element in the edge part of a narrowing area
  • An antenna device includes a radiating element that is a conductor member electrically connected to an inner conductor of a coaxial cable, and a flat plate electrically connected to an outer conductor of the coaxial cable. And the radiating element is disposed so as to face the flat plate portion at a predetermined interval or to stand up from the flat plate portion, and the shape of the flat plate portion Is a shape having a linear first edge and a second edge facing each other, and the distance between the first edge and the second edge is shorter than the half wavelength of the radio wave to be transmitted and received. It is set, and at least one of the first and second edges is a conductor member along the edge and in a direction in which no radiating element is present when viewed from the flat plate. A side wall is provided.
  • the above configuration can also reduce the area of the ground plane while suppressing a decrease in gain by the same operation as the first aspect described above.
  • FIG. 1 is an overhead perspective view of the antenna device of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view of the antenna device
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the antenna device taken along line III-III shown in FIG.
  • FIG. 4 is a top view of the antenna device
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a general patch antenna.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the length of the ground plate in the Y-axis direction and the current distribution in the Y-axis direction.
  • FIG. 7 is a diagram showing simulation results for the relationship between the length of the ground plate in the Y-axis direction and the gain;
  • FIG. 1 is an overhead perspective view of the antenna device of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view of the antenna device
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the antenna device taken along line III-III shown in FIG.
  • FIG. 4 is a top view of the antenna device
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the antenna device of the present embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing the result of simulating the relationship between the height of the side wall, the length of the back surface, and the gain
  • FIG. 10 is a diagram showing the effect of providing the side wall portion and the back surface portion.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a modification of the antenna device.
  • FIG. 12 is a diagram showing a modification of the ground pattern.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a modification of the ground pattern.
  • FIG. 14 is a diagram showing a modification of the antenna device, 15 is a rear view of the antenna device shown in FIG.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a modification of the antenna device.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a modification of the antenna device.
  • the antenna device 100 is generally configured to transmit and receive circularly polarized waves having a predetermined frequency according to the same operating principle as a known patch antenna.
  • the antenna device 100 may be used for only one of transmission and reception.
  • the radio wave to be transmitted / received may be designed as appropriate, and here, as an example, the radio wave is 1.575 GHz.
  • the target radio wave may be designed as appropriate, and as another aspect, for example, a radio wave of 300 MHz, 760 MHz, 900 MHz, 5.9 GHz, or the like may be used.
  • the frequency of the target radio wave is referred to as the target frequency
  • the wavelength of the target radio wave is also referred to as the target wavelength.
  • the antenna device 100 is connected to a radio device (not shown) via a coaxial cable, for example, and signals received by the antenna device 100 are sequentially output to the radio device.
  • the antenna device 100 converts an electric signal input from the wireless device into a radio wave and radiates it into space.
  • the wireless device uses a signal received by the antenna device 100 and supplies high-frequency power corresponding to the transmission signal to the antenna device 100.
  • the antenna device 100 and the wireless device may be connected via a known matching circuit or filter circuit in addition to the coaxial cable.
  • the antenna device 100 includes a patch pattern 10, a ground pattern 20, and a power feeding unit 30, as shown in FIGS.
  • FIG. 1 is a diagram showing an appearance when the antenna device 100 is viewed from an obliquely upward direction (that is, an overhead perspective view), and FIG. 2 represents an appearance when the antenna device 100 is viewed from an obliquely downward direction. It is the figure (that is, perspective view).
  • the upward direction for the antenna device 100 is a direction from the ground pattern 20 toward the patch pattern 10.
  • the patch pattern 10 is a plate-like conductor member made of a conductor such as copper.
  • the plate shape includes a thin film shape such as a foil.
  • the patch pattern 10 is disposed so as to face the ground pattern 20 via a support member (not shown).
  • the support member may be realized using a dielectric such as resin.
  • the shape of the support member may be a plate shape, or may be a plurality of pillars that support the ground pattern 20 and the patch pattern 10 so as to face each other at a predetermined interval.
  • the shape of the patch pattern 10 in a top view is a shape in which cutout portions 11 are provided in a pair of diagonal portions of a square.
  • the notch 11 has a structure for emitting circularly polarized waves, and corresponds to a so-called degenerate separation element or perturbation element.
  • the area of the portion cut from the original square by the notch 11 may be an area determined by a well-known degenerate separation method.
  • the patch pattern 10 is provided with the notch 11 so that circularly polarized waves can be transmitted and received.
  • a system in which feeding points are provided at two locations (so-called two-point feeding system) ) May be configured to transmit and receive circularly polarized waves.
  • the length Lp of one side of the patch pattern 10 is electrically about half the target wavelength.
  • the electrical length here is an effective length in consideration of a fringing electric field, a wavelength shortening effect by a dielectric, and the like. If the wavelength of the target radio wave is shortened by a support member (not shown), it is only necessary that the length of the shortened wavelength is half.
  • the length of one side of the patch pattern 10 is the shape when the cutout portion 11 is ignored, that is, the length of one side in a square.
  • the electrical length of the target wavelength (hereinafter referred to as ⁇ ) is assumed to be 50 mm due to the wavelength shortening effect of the support member.
  • the length Lp of one side of the patch pattern 10 is set to a value (for example, 23 mm) slightly shorter than 25 mm that is a half wavelength (that is, ⁇ / 2) of the target radio wave in consideration of the influence of a fringing electric field or the like. It is assumed that it is set.
  • the planar shape of the patch pattern 10 is a shape in which the cutout portion 11 is provided in a square shape, but is not limited thereto.
  • the planar shape of the patch pattern 10 may be a rectangular shape, or may be a shape other than a rectangle (for example, a circle or an octagon).
  • the patch pattern 10 is directly or indirectly connected to the inner conductor of the coaxial cable by the power feeding unit 30.
  • the indirectly connected configuration includes a configuration connected via an impedance matching circuit, a filter circuit, and the like, and a configuration connected by electromagnetic coupling.
  • the patch pattern 10 only needs to be electrically connected to the inner conductor of the coaxial cable.
  • the patch pattern 10 corresponds to a radiating element.
  • the X axis is an axis parallel to a certain side of the patch pattern 10
  • the Y axis is an axis orthogonal to the X axis in a plane parallel to the patch pattern 10 including the X axis.
  • the Z-axis is an axis that is orthogonal to the X-axis and the Y-axis and has a direction from the ground pattern 20 toward the patch pattern 10 as a positive direction.
  • the ground pattern 20 is realized using a conductor such as copper.
  • the ground pattern 20 is electrically connected to the outer conductor of the coaxial cable, and provides a ground potential (in other words, a ground potential) in the antenna device 100.
  • the ground pattern 20 includes a flat patch facing portion 21 that faces the patch pattern 10, and a side wall portion 22 that is erected from a part of the edge of the patch facing portion 21 toward the side where the patch pattern 10 does not exist. And a back surface portion 23 disposed to face the patch facing portion 21 via the side wall portion 22. A connection point with the coaxial cable is provided in the patch facing portion 21. Therefore, the patch facing portion 21 corresponds to a flat plate portion.
  • the direction in which the patch pattern 10 does not exist for the patch facing portion 21 corresponds to the negative direction of the Z axis. Since the side wall portion 22 is perpendicular to the patch facing portion 21 and the back surface portion 23 is provided so as to overlap the patch facing portion 21 in a top view, the ground pattern 20 when the antenna device 100 is viewed from above is provided.
  • the area (hereinafter referred to as a ground area) matches the area of the patch facing portion 21.
  • the patch facing portion 21 is formed in a rectangular shape having an edge portion parallel to the X axis and an edge portion parallel to the Y axis.
  • the length Lx in the X-axis direction only needs to be set to ⁇ / 2 or more electrically.
  • the length Lx in the X-axis direction is electrically set to ⁇ / 2 (that is, 25 mm).
  • the length Ly in the Y-axis direction is set to a value (for example, 18 mm) that is electrically shorter than ⁇ / 2.
  • an edge parallel to the X axis is referred to as a long edge
  • an edge parallel to the Y axis is referred to as a short edge. This is because they correspond to the long and short sides of the rectangle, respectively.
  • the patch facing portion 21 includes two long edges that face each other and two short edges that face each other. Of the two long edges, the long edge relatively positioned on the negative X-axis direction side is referred to as the first long edge, and the long edge relatively positioned on the X-axis positive direction is the second long edge. Part.
  • Each of the first long edge portion and the second long edge portion corresponds to two end portions parallel to the axis of symmetry forming the narrowed region described in the claims. Note that the entire region of the patch facing portion 21 corresponds to the narrowed region described in the claims. Moreover, a 1st long edge part and a 2nd long edge part are corresponded also to the 1st edge part and 2nd edge part as described in a claim.
  • the ground pattern 20 is arranged so that the center of the patch facing portion 21 overlaps the center of the patch pattern 10 in a top view.
  • the patch facing portion 21 is longer than the patch pattern 10 in the X-axis direction, but shorter than the patch pattern 10 in the Y-axis direction. Therefore, the patch facing portion 21 is an end portion in the X-axis direction when viewed from above. Only the patch pattern 10 protruded.
  • the surface facing the patch pattern 10 is referred to as a patch facing surface, and the opposite surface is referred to as a back side surface.
  • the shape (hereinafter referred to as a planar shape) of the patch facing portion 21 in a top view is a rectangular shape, but is not limited thereto.
  • the patch facing portion 21 may be a line-symmetric shape such as a rhombus, a circle, a regular hexagon, a regular octagon, or the like.
  • the circle includes an ellipse.
  • the patch facing part 21 should just be substantially line symmetrical. Therefore, the shape in which the above-described various line-symmetrical shapes are provided with cuts, the shape in which the convex portions are provided, the shape in which the contour is formed in a meander shape, and the like are also included in the line-symmetrical shape.
  • the side wall portion 22 is a rectangular plate-like conductor member that is erected along the long edge portion from the long edge portion of the patch facing portion 21 toward the negative Z-axis direction.
  • the side wall portion 22 is disposed on each of the first long edge portion and the second long edge portion.
  • the first side wall part 22A, the second side wall part 22A and the second side wall part 22 are arranged. It describes as side wall part 22B.
  • 22 A of 1st side wall parts are the side wall parts 22 arrange
  • 22B of 2nd side wall parts are the side wall parts 22 arrange
  • the height H of the side wall portion 22 may be appropriately designed in accordance with the length ⁇ of the back surface portion 23 in the Y-axis direction.
  • a portion of the side wall portion 22 joined to the patch facing portion 21 is referred to as an upper end portion.
  • the end portion on the Z axis negative direction side that is, the relatively lower end portion
  • the lower end portion is also parallel to the patch facing portion 21.
  • the back surface portion 23 is a plate-like conductor member extending from the lower end portion of the side wall portion 22 so as to face the back side surface of the patch facing portion 21.
  • the back surface portion 23 is formed in a rectangular shape along the lower end portion of the side wall portion 22.
  • the back surface portion 23 is disposed at the lower end of each of the first side wall portion 22A and the second side wall portion 22B.
  • positioned along the lower side edge part of the 1st side wall part 22A and the back surface part 23 arrange
  • the first back surface portion 23A is a back surface portion 23 formed from the lower end portion of the first side wall portion 22A toward the lower end portion of the second side wall portion 22B.
  • the end on the Y axis positive direction side in the first back surface portion 23A is not connected to any member and is an open end.
  • the second back surface portion 23B is the back surface portion 23 formed from the lower end portion of the second side wall portion 22B toward the lower end portion of the first side wall portion 22A.
  • the end on the Y axis negative direction side in the second back surface portion 23B is not connected to any member and is an open end.
  • the length of the back surface portion 23 in the X-axis direction is equal to the length Lx of the side wall portion 22 and the patch facing portion 21 in the X-axis direction.
  • the length ⁇ in the Y-axis direction of the back surface portion 23 may be determined by a test or the like according to the height H of the side wall portion 22 as described above.
  • the sum of the length Ly of the patch facing portion 21 in the Y-axis direction and the value obtained by doubling the height H of the side wall portion 22 is set to be shorter than the half wavelength (that is, ⁇ / 2) of the target radio wave. .
  • the total value of the length Ly of the patch facing portion 21 in the Y-axis direction, the value obtained by doubling the height H of the side wall portion 22 and the value obtained by doubling the length ⁇ of the back surface portion 23 (hereinafter referred to as total length). ) Is set to be longer than ⁇ / 2 of the target radio wave. That is, Ly, H, and ⁇ are set so as to satisfy the following expression.
  • the height H is set to 2 mm.
  • the length ⁇ is set to 6 mm. That is, the total length of this embodiment is set to 34 mm.
  • the total length corresponds to the length (that is, the circumferential length) along the surface of the ground pattern 20 from the open end of the first back surface portion 23A to the open end of the second back surface portion 23B.
  • the total length corresponds to the circumference described in the claims.
  • the side wall portion 22 and the back surface portion 23 are provided on both of the two long edges provided in the patch facing portion 21. May be just.
  • the power feeding unit 30 is configured to electrically connect the inner conductor of the coaxial cable and the patch pattern 10.
  • the power feeding unit 30 is realized using a conductive pin (hereinafter, power feeding pin) 31.
  • the power feed pin 31 is electrically connected to the center of the patch pattern 10 through a hole (not shown) provided at the center of the patch facing portion 21 provided in the ground pattern 20.
  • connection point (hereinafter referred to as “feed point”) between the feed pin 31 and the patch pattern 10 may be provided at a position where impedance matching between the coaxial cable and the antenna device 100 can be achieved at the target frequency.
  • the feeding point is provided at the center of the patch pattern 10, but it may be provided at another location.
  • the state in which impedance matching is achieved is not limited to a perfect matching state, but includes a state in which loss due to impedance mismatching is within a predetermined allowable range.
  • a connection point (hereinafter referred to as a ground point) between the outer conductor of the coaxial cable and the ground pattern 20 is provided in the vicinity of a hole through which the feed pin 31 provided in the patch facing portion 21 is passed.
  • a direct coupling feeding method is adopted as a feeding method to the antenna device 100.
  • an electromagnetic coupling feeding method using a microstrip line or the like may be adopted.
  • the conventional patch antenna 100X has a configuration in which the side wall portion 22 and the back surface portion 23 are removed from the antenna device 100 of the present embodiment, and includes a patch portion 10X and a ground plate 20X.
  • the patch portion 10X is a member corresponding to the patch pattern 10 of the present embodiment, and is formed with the same dimensions as the patch pattern 10.
  • the ground plate 20X is a flat member connected to the outer conductor of the coaxial cable. The length in the X-axis direction of the ground plate 20X is assumed to be formed at ⁇ / 2 of the target radio wave, as in the present embodiment.
  • a broken line indicated by a symbol Ln1 in the figure is a straight line parallel to the Y axis passing through the center of the ground plate 20X, and a point indicated by a symbol M is an edge portion parallel to the straight line L1 and the Y axis (hereinafter referred to as a Y axis parallel edge Point).
  • the intersection point M corresponds to the midpoint of the Y-axis parallel edge.
  • L ⁇ in the drawing represents the length of the ground plate 20X in the Y-axis direction.
  • FIG. 6A is a graph conceptually showing the current distribution in the Y-axis parallel edge.
  • a standing wave is generated around the midpoint M at the Y-axis parallel edge.
  • the current corresponding to the area indicated by the symbol Im in FIG. Thereafter, the protruding component) becomes an antiphase current.
  • This protrusion component Im acts to radiate radio waves to the back side of the ground plate 20X. That is, when the length L ⁇ in the Y-axis direction is less than ⁇ / 2, the protruding component Im acts as an antiphase current, and the gain as an antenna is reduced.
  • one side of the ground plate 20X is designed to be at least ⁇ / 2 as shown in FIG.
  • FIG. 7 shows a simulation result of a change in gain when the length L ⁇ in the Y-axis direction is changed in a state where the length in the X-axis direction of the ground plate 20X is set to ⁇ / 2. Yes.
  • the circumferential length (that is, the total length) from the open end of the first back surface portion 23A to the open end of the second back surface portion 23B is set to be longer than ⁇ / 2. Therefore, current flows not only through the patch facing portion 21 but also through the side wall portion 22 and the back surface portion 23 as shown in FIG. Specifically, the protruding component Im is distributed from the side wall portion 22 to the middle of the back surface portion 23. Further, the antiphase component In is distributed in the remaining area of the back surface portion 23.
  • FIG. 9 shows a simulation result of the gain when the length ⁇ of the back surface portion 23 is changed from 0 mm to 9 mm in the configuration in which the height H of the side wall portion 22 is set to 1 mm, 2 mm, and 3 mm, respectively. .
  • the dotted line represents the simulation result when the length L ⁇ of the ground plate 20X in the Y-axis direction is set to ⁇ / 2 in the patch antenna 100X shown in FIG. That is, the dotted line represents the simulation result of the conventional (in other words, basic) patch antenna 100X (hereinafter, basic patch antenna) including the ground plate 20X having a sufficient size.
  • the patch antenna 100X in which the size of the ground plate 20X is set to the same size as the patch facing portion 21 has a configuration in which the side wall portion 22 and the back surface portion 23 are removed from the antenna device 100 of the present embodiment (hereinafter, the side wall portion back surface portion). None).
  • a gain equal to or higher than that of the basic patch antenna can be realized by adjusting ⁇ at any H.
  • 8 mm
  • H is set to 3 mm
  • FIG. 10 shows the result of comparing the radiation directivity of the antenna device 100 of the present embodiment with the configuration without the side wall back portion.
  • the solid line represents the radiation directivity of the antenna device 100 of the present embodiment
  • the broken line represents the radiation directivity of the configuration without the side wall portion back surface portion.
  • the side wall portion 22 and the back surface portion 23 are added to the patch facing portion 21 so that the gain can be increased even if the length Ly in the Y-axis direction of the patch facing portion 21 is set to less than half of the target wavelength. It can suppress that it reduces. Further, it is possible to improve the gain over the basic patch antenna by adjusting the height H of the side wall portion 22 and the length ⁇ of the back surface portion 23.
  • the ground area in the above configuration corresponds to the area of the patch facing portion 21.
  • the length Ly in the Y-axis direction of the patch facing portion 21 can be reduced by about 7 mm compared to the basic patch antenna. That is, according to the above configuration, the area can be reduced by about 28% compared to the basic patch antenna.
  • another component can be arrange
  • the patch opposing part 21, the side wall part 22, and the back surface part 23 which comprise the ground pattern 20 by bending one sheet metal.
  • the side wall portion 22 and the back surface portion 23 may be formed of sheet metal and soldered to the patch facing portion 21.
  • the patch facing portion 21 may be patterned on the surface of a printed circuit board by a known method such as an additive method or a subtractive method.
  • the side wall portion 22 may be realized by arranging a plurality of conductive pins in a row. If the patch facing portion 21 is formed in a certain layer (for example, the front surface) of the printed circuit board and the back surface portion 23 is formed in another layer, the side wall portion 22 has a plurality of through vias connecting these two layers. It can be realized by arranging in a line along the edge of the patch facing portion 21.
  • the ground pattern 20 may not include the back surface portion 23 as shown in FIG. In other words, the ground pattern 20 only needs to include the patch facing portion 21 and the side wall portion 22.
  • the height H of the side wall portion 22 may be designed as appropriate. As long as the side wall portion 22 is provided, it can be confirmed by simulation that a higher gain can be obtained than an assumed configuration without the side wall portion 22.
  • the length (so-called circumferential length) along the surface of the ground pattern 20 from the end on the Z-axis negative direction side of the first side wall 22A to the end on the Z-axis negative direction side of the second side wall 22B is as follows. It is preferable that the target radio wave is ⁇ / 2.
  • the circumference in this modification 2 is Ly + H ⁇ 2. That is, it is preferable that Ly and H are set so that Ly + H ⁇ 2 electrically matches ⁇ / 2.
  • the state of matching here is not limited to perfect matching, but includes substantially matching.
  • the substantially equal range corresponds to a range in which a sufficient gain can be obtained as the antenna device 100, and may be about ⁇ 25%, for example.
  • Ly2 represents the length of the filling region Ar in the Y-axis direction, and is set to Ly2 ⁇ / 2. Ly2 may be set to 0.36 ⁇ , for example.
  • Lx2 represents the length of the filling region Ar in the Y-axis direction, and a specific value of Lx2 may be appropriately designed. However, as Lx2 is larger, the reduction amount of the ground plane area can be increased. In other words, Lx2 is preferably as large as possible. Of course, the upper limit of Lx2 is Lx1.
  • the patch facing portion 21 is formed in a T shape, and in addition to the first side wall portion 22A and the second side wall portion 22B, a third side wall portion (hereinafter, third side wall portion) 22C is provided. It may be done.
  • the length Lx in the X-axis direction can be reduced with respect to the basic patch antenna.
  • symbol Ln2 in a figure represents the symmetry axis in the patch opposing part 21.
  • the patch facing portion 21 is formed in line symmetry with respect to the axis of symmetry along the broken line Ln2. You may provide the back surface part 23 in each side wall part 22 shown in this modification 4.
  • FIG. 1
  • the patch facing portion 21 may be formed in a rectangular shape, and the side wall portion 22 may be provided on each of the four edges provided in the patch facing portion 21. That is, the ground pattern 20 may include a first side wall portion 22A, a second side wall portion 22B, a third side wall portion 22C, and a fourth side wall portion 22D.
  • each of the second side wall 22B and the fourth side wall 22D is an adjacent side wall 22.
  • CL shown in FIG. 15 represents the separation between the first side wall 22A and the second side wall 22B and between the first side wall 22A and the fourth side wall 22D.
  • a predetermined gap CL is provided between the first sidewall portion 22A and the second sidewall portion 22B and between the first sidewall portion 22A and the fourth sidewall portion 22D so that they are not electromagnetically coupled. .
  • the interval CL may be 1/100 or more of the wavelength of the target radio wave.
  • the length Lx in the X-axis direction of the patch facing portion 21 can be reduced as compared with the fourth modification.
  • the entire area of the patch facing portion 21 corresponds to the narrowing area Ar.
  • a combination of the side wall portion 22 and the back surface portion 23 may be provided on each of the four sides of the patch facing portion 21 formed in a rectangular shape. That is, the ground pattern 20 may include a first back surface portion 23A, a second back surface portion 23B, a third back surface portion 23C, and a fourth back surface portion 23D. Each back surface portion 23 is formed to have a predetermined distance CL with respect to the adjacent back surface portion 23. Each back part 23 should just be formed in an isosceles trapezoid shape, for example.
  • the number of the side wall parts 22 and the back surface parts 23 with which the antenna apparatus 100 is provided may be one each as shown in FIG. Moreover, you may be comprised so that only the side wall part 22 may be provided along one edge part of the patch opposing part 21 formed in the rectangular shape, without providing the back surface part 23.
  • FIG. 1 the number of the side wall parts 22 and the back surface parts 23 with which the antenna apparatus 100 is provided.
  • the side wall portion 22 may not be provided at the edge portion parallel to the symmetry axis of the line-symmetric figure.
  • the patch facing portion 21 shown in Modification 4 is not line symmetric in the direction parallel to the Y axis.
  • a configuration in which only the third sidewall portion 22C is provided without providing the first sidewall portion 22A and the second sidewall portion 22B may be employed. Even with such a configuration, it is possible to achieve both reduction of the ground plane area and maintenance of the gain.
  • two edges that are parallel to the Y axis and face each other also correspond to the first edge and the second edge described in the claims.
  • the patch facing portion 21 is not necessarily a line-symmetric figure, and may be a shape provided with a pair of linear outer edge portions facing each other.
  • the side walls provided on the first outer edge portion.
  • the circumferential length from the end on the Z-axis negative direction side of the portion to the end on the Z-axis negative direction side of the side wall provided at the second outer edge portion is ⁇ / 2 of the target radio wave. preferable.
  • the back surface portion 23 may be provided on the side wall portion 22. Temporarily, when providing the side wall part 22 and the back surface part 23 in each of a 1st outer edge part and a 2nd outer edge part, like the embodiment mentioned above, it is from the edge part of one back surface part to the other back surface part. It is preferable that the circumference is not less than ⁇ / 2 of the target radio wave.
  • the present disclosure may be applied to a monopole antenna. That is, the present invention may be applied to a configuration in which a linear conductor member as a radiating element is erected on the ground pattern 20. In that case, the side wall portion 22 is provided toward a side opposite to the linear conductor member along a part of the edge of the flat conductor member (hereinafter referred to as a flat plate portion) corresponding to the patch facing portion 21. It only has to be.
  • the present disclosure is applicable to an unbalanced feed type antenna using a flat conductor that provides a ground potential.

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Abstract

アンテナ装置は、同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続される導体部材である放射素子(10)と、同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続される平板状の導体部材である平板部(21)と、を備え、放射素子は、平板部と所定の間隔をおいて対向するように、又は、平板部から立設するように配置されており、平板部の形状は、線対称であって、かつ、或る端部から対称軸を介して反対側に位置する端部までの長さが送受信の対象とする電波の半波長よりも短く設定されている部分である幅詰領域を備える形状であり、幅詰領域を形成する対称軸と平行な2つの端部のうち、少なくとも一方の端部には、当該端部に沿って、平板部から見て放射素子が存在しない方向に向かって導体部材である側壁部(22)が設けられている。

Description

アンテナ装置 関連出願の相互参照
 本出願は、2016年10月21日に出願された日本特許出願番号2016-207044号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
 本開示は、同軸ケーブルの外部導体と接続されて接地電位を提供する平板状の導体部材である地板を備えるアンテナ装置に関する。
 従来、地板を備えるアンテナ装置として、モノポールアンテナやパッチアンテナなど、種々のアンテナ装置が記載及び開発されている(例えば特許文献1)。これら地板に流れる電流を利用したアンテナ装置において、地板の面積(以降、地板面積)が、送受信の対象とする電波の波長に対して不十分である場合、地板によるミラー効果が不十分となり、本来の放射方向での利得が低減してしまう。また、地板の面積が不十分である場合には、地板から同軸ケーブルの外部導体に漏洩する電流(以下、漏洩電流)が増大し、利得が低下することがある。
 つまり、アンテナ装置の特性を十分に安定させるためには、送受信の対象とする電波(以降、対象電波)の波長に応じた面積の地板が必要となる。そのため、小型化のために地板の面積を縮小しようとすると、アンテナ装置の特性が不安定になってしまう。
 なお、矩形状に形成された地板を用いるアンテナ装置において、その特性を十分に安定させるためには、地板の1辺当りの長さを対象電波の半波長以上(例えば0.75波長)に設定する必要があることが一般的に知られている。
特開2010-226633号公報
 アンテナ装置は、さらなる小型化が望まれている。また、地板の周辺に他の部品を配置したいという要求もある。地板の周りに部品を配置すれば、当然、その追加部品の配置に必要な面積だけ、アンテナ装置全体としての上面視における面積(以降、アンテナ面積)は増大してしまう。一方、追加部品の配置のために地板の面積を削減しようとすると、アンテナ装置としての利得が低下してしまう。
 本開示の目的は、利得の低下を抑制しつつ、地板の面積を削減可能なアンテナ装置を提供することにある。
 その目的を達成するための第1の態様によるアンテナ装置は、同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続される導体部材である放射素子と、同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続される平板状の導体部材である平板部と、を備え、放射素子は、平板部と所定の間隔をおいて対向するように、又は、平板部から立設するように配置されており、平板部の形状は、線対称であって、かつ、或る端部から対称軸を介して反対側に位置する端部までの長さが送受信の対象とする電波の半波長よりも短く設定されている部分である幅詰領域を備える形状であり、幅詰領域を形成する対称軸と平行な2つの端部のうち、少なくとも一方の端部には、当該端部に沿って、平板部から見て放射素子が存在しない方向に向かって導体部材である側壁部が設けられている。
 通常、地板の長さが半波長よりも短い場合には地板上に逆位相電流が発生し、アンテナとしての利得が低下する。一方、以上の構成では、幅詰領域の端部には放射素子が存在しない方向へと板状の導体部材である側壁部が設けられている。このような構成によれば、平板部だけでなく、側壁部にも電流が分布する。そのため、地板としての平板部上に逆位相で生じる電流の量を抑制することができる。その結果、利得の低下を抑制しつつ、地板の面積を削減することができる。
 また、目的を達成するための第2の態様によるアンテナ装置は、同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続される導体部材である放射素子と、同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続される平板状の導体部材である平板部と、を備え、放射素子は、平板部と所定の間隔をおいて対向するように、又は、平板部から立設するように配置されており、平板部の形状は、互いに対向し合う直線状の第1縁部と第2縁部を備える形状であり、第1縁部と第2縁部との距離は、送受信の対象とする電波の半波長よりも短く設定されており、第1、第2縁部のうち、少なくとも一方の縁部には、当該縁部に沿い、かつ、平板部から見て放射素子が存在しない方向に向かって、導体部材である側壁部が設けられている。
 上記の構成もまた、上述した第1の態様と同様の作用によって利得の低下を抑制しつつ、地板の面積を削減することができる。
 本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図1は、本実施形態のアンテナ装置の俯瞰斜視図であり、 図2は、アンテナ装置の仰瞰斜視図であり、 図3は、図1に示すIII-III線におけるアンテナ装置の断面図であり、 図4は、アンテナ装置の上面図であり、 図5は、一般的なパッチアンテナの構成を示した図であり、 図6は、グランド板のY軸方向の長さとY軸方向における電流分布について説明するための図であり、 図7は、グランド板のY軸方向の長さと利得の関係についてのシミュレーション結果を示す図であり、 図8は、本実施形態のアンテナ装置の作動を説明するための図であり、 図9は、側壁部の高さ、背面部の長さ、及び利得の関係をシミュレーションした結果を示す図であり、 図10は、側壁部と背面部を設けることによる効果を示す図であり、 図11は、アンテナ装置の変形例を示す図であり、 図12は、グランドパターンの変形例を示す図であり、 図13は、グランドパターンの変形例を示す図であり、 図14は、アンテナ装置の変形例を示す図であり、 図15は、図14に示すアンテナ装置の背面図であり、 図16は、アンテナ装置の変形例を示す図であり、 図17は、アンテナ装置の変形例を示す図である。
 [実施形態]
 以下、本開示の実施形態について図を用いて説明する。本実施形態に係るアンテナ装置100は、概略的には、周知のパッチアンテナと同様の動作原理によって所定の周波数の円偏波を送受信するように構成されている。もちろん、アンテナ装置100は、送信と受信の何れか一方のみに供されても良い。
 送受信の対象とする電波(以降、対象電波)は、適宜設計されればよく、ここでは一例として1.575GHzの電波とする。もちろん、対象電波は適宜設計されれば良く、他の態様として例えば300MHzや、760MHz、900MHz、5.9GHz等の電波としてもよい。以降では、対象電波の周波数のことを対象周波数と称するとともに、対象電波の波長のことを対象波長とも称する。
 このアンテナ装置100は、例えば同軸ケーブルを介して図示しない無線機と接続されており、アンテナ装置100が受信した信号は逐次無線機に出力される。また、アンテナ装置100は無線機から入力される電気信号を電波に変換して空間に放射する。無線機は、アンテナ装置100が受信した信号を利用するとともに、アンテナ装置100に対して送信信号に応じた高周波電力を供給するものである。なお、アンテナ装置100と無線機とは、同軸ケーブルのほかに、周知の整合回路やフィルタ回路などを介して接続されても良い。
 以下、アンテナ装置100の具体的な構成について述べる。アンテナ装置100は、図1~図4に示すように、パッチパターン10、グランドパターン20、及び給電部30を備える。なお、図1は、アンテナ装置100を斜め上方向から見たときの外観を表した図(つまり俯瞰斜視図)であり、図2はアンテナ装置100を斜め下方向から見たときの外観を表した図(つまり仰瞰斜視図)である。アンテナ装置100にとっての上方向とは、グランドパターン20からパッチパターン10に向かう方向とする。
 パッチパターン10は、銅などの導体を素材とする板状の導体部材である。なお、ここでの板状には、例えば箔のような薄膜状も含まれる。パッチパターン10は、図示しない支持部材を介して、グランドパターン20と対向するように配置されている。支持部材は、樹脂などの誘電体を用いて実現されれば良い。支持部材の形状は板状であってもよいし、グランドパターン20とパッチパターン10とを所定の間隔をおいて対向するように支持する複数の柱であってもよい。
 パッチパターン10の上面視における形状(以降、平面形状)は、正方形の1組の対角部に切り欠き部11を設けた形状となっている。切り欠き部11は、円偏波を放射するための構造であり、周知の縮退分離素子や摂動素子と称されるものに相当する。切り欠き部11によって、元の正方形から削られる部分の面積は、周知の縮退分離法によって定まる面積となっていればよい。なお、本実施形態ではパッチパターン10に切り欠き部11を設けることによって円偏波を送受信可能に構成しているが、他の態様として、給電点を2箇所に設ける方式(いわゆる二点給電方式)によって、円偏波を送受信可能に構成してもよい。
 パッチパターン10の1辺の長さLpは、電気的に対象波長の約半分の長さとなっている。ここでの電気的な長さとは、フリンジング電界や、誘電体による波長短縮効果などを考慮した、実効的な長さである。仮に図示しない支持部材によって対象電波の波長が短縮されている場合には、その短縮された波長の半分の長さとなっていれば良い。なお、パッチパターン10の1辺の長さとは、切り欠き部11を無視した場合の形状、すなわち正方形における1辺の長さである。
 ここでは一例として、対象波長の電気的な長さ(以降、λ)は支持部材の波長短縮効果によって50mmとなっているものとする。また、パッチパターン10の1辺の長さLpは、フリンジング電界等の影響を考慮して、対象電波の半波長(つまりλ/2)である25mmよりも僅かに短い値(例えば23mm)に設定されているものとする。
 なお、本実施形態ではパッチパターン10の平面形状を、正方形に切り欠き部11を設けた形状とするが、これに限らない。その他の構成としてパッチパターン10の平面形状は、長方形状であってもよいし、長方形以外の形状(例えば円形や八角形等)であってもよい。
 パッチパターン10は、給電部30によって、同軸ケーブルの内部導体と直接的又は間接的に接続されている。なお、間接的に接続されている構成とは、インピーダンス整合回路やフィルタ回路等を介して接続されている構成や、電磁気結合によって接続されている構成を含む。いずれにしても、パッチパターン10は、同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続されていれば良い。パッチパターン10が放射素子に相当する。
 便宜上以降では、それぞれが互いに直交するX、Y、Z軸を備える三次元座標系の概念を適宜導入して、アンテナ装置100の構成を説明する。X軸はパッチパターン10が備える或る1つの辺に平行な軸とし、Y軸は、X軸を含むパッチパターン10と平行な平面においてX軸と直交する軸とする。Z軸は、X軸及びY軸のそれぞれと直交し、かつ、グランドパターン20からパッチパターン10に向かう方向を正方向とする軸とする。
 グランドパターン20は、銅などの導体を用いて実現されている。このグランドパターン20は、同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続されて、アンテナ装置100におけるグランド電位(換言すれば接地電位)を提供する。
 グランドパターン20は、パッチパターン10と対向する平板状のパッチ対向部21と、パッチ対向部21の縁部の一部からパッチパターン10が存在しない側に向けて立設されている側壁部22と、側壁部22を介してパッチ対向部21と対向配置されている背面部23と、を備える。同軸ケーブルとの接続点はパッチ対向部21に設けられている。そのため、パッチ対向部21が平板部に相当する。
 なお、パッチ対向部21にとってパッチパターン10が存在しない方向とは、Z軸の負方向に相当する。側壁部22はパッチ対向部21に対して垂直であり、背面部23は上面視においてパッチ対向部21と重なるように設けられているため、アンテナ装置100を上方から見たときのグランドパターン20の面積(以降、グランド面積)は、パッチ対向部21の面積と一致する。
 パッチ対向部21は、図4に示すように、X軸に平行な縁部と、Y軸に平行な縁部とを備える長方形状に形成されている。X軸方向の長さLxは、電気的にλ/2以上に設定されていればよい。ここでは一例として、X軸方向の長さLxは、電気的にλ/2(つまり25mm)に設定されている。また、Y軸方向の長さLyは、電気的にλ/2よりも短い値(例えば18mm)に設定されている。
 便宜上以降では、長方形状のパッチ対向部21が備える4つの縁部のうち、X軸に平行な縁部を長縁部と称し、Y軸に平行な縁部を短縁部と称する。それぞれ長方形の長辺や短辺に相当するためである。パッチ対向部21は、互いに対向しあう2つの長縁部と、互いに対向し合う2つの短縁部を備える。2つの長縁部のうち、相対的にX軸負方向側に位置する長縁部を第1長縁部と称し、相対的にX軸正方向側に位置する長縁部を第2長縁部と称する。
 第1長縁部、第2長縁部のそれぞれが、請求項に記載の幅詰領域を形成する対称軸と平行な2つの端部に相当する。なお、パッチ対向部21の全領域が請求項に記載の幅詰領域に相当する。また、第1長縁部、第2長縁部は、請求項に記載の第1縁部、第2縁部にも相当する。
 グランドパターン20は、パッチ対向部21の中心がパッチパターン10の中心と上面視において重なるように配置される。パッチ対向部21は、X軸方向においてはパッチパターン10よりも長い一方、Y軸方向においてはパッチパターン10よりも短く形成されているため、上面視においてパッチ対向部21はX軸方向の端部のみがパッチパターン10からはみ出た。パッチ対向部21が備える2つの面のうち、パッチパターン10と対向する側の面をパッチ対向面と称し、その反対側の面を裏側面と称する。
 なお、本実施形態ではパッチ対向部21の上面視における形状(以降、平面形状)を矩形状としているが、これに限らない。パッチ対向部21は、例えばひし形や、円形、正六角形、正八角形等といった、線対称な形状であれば良い。ここでの円形には楕円形も含む。また、パッチ対向部21は、概略的に線対称となっていればよい。そのため、上述した種々の線対称な形状の外縁部に切り込みを設けた形状や、凸部を設けた形状、輪郭をミアンダ状に形成した形状等も、線対称な形状に含まれる。
 側壁部22は、パッチ対向部21が備える長縁部からZ軸負方向に向けて長縁部に沿って立設された長方形状の板状導体部材である。側壁部22は、第1長縁部と第2長縁部のそれぞれに配置されている。便宜上、第1長縁部に沿って配置されている側壁部22と、第2長縁部に沿って配置されている側壁部22とを区別する場合には、第1側壁部22A、第2側壁部22Bと記載する。第1側壁部22Aは、第1長縁部に沿って配置されている側壁部22であり、第2側壁部22Bは、第2長縁部に沿って配置されている側壁部22である。
 図3に示すHは、側壁部22のZ軸方向の長さ(換言すれば高さ)を表している。側壁部22の高さHは、背面部23のY軸方向における長さγと合わせて適宜設計されれば良い。
 便宜上、側壁部22においてパッチ対向部21と接合している部分を上側端部と称する。また、側壁部22においてZ軸負方向側の端部(つまり相対的に下側の端部)を下側端部と称する。側壁部22は側面視において長方形状となる板状の部材であるため、下側端部もまたパッチ対向部21と平行である。
 背面部23は、側壁部22の下側端部から、パッチ対向部21の裏側面と対向するように延設された板状の導体部材である。背面部23は、側壁部22の下側端部に沿って長方形状に形成されている。背面部23は、第1側壁部22Aと第2側壁部22Bのそれぞれの下側端部に配置されている。
 便宜上、第1側壁部22Aの下側端部に沿って配置されている背面部23と、第2側壁部22Bの下側端部に沿って配置されている背面部23とを区別する場合には、第1背面部23A、第2背面部23Bと記載する。
 第1背面部23Aは、第1側壁部22Aの下側端部から第2側壁部22Bの下側端部に向けて形成されている背面部23である。第1背面部23AにおいてY軸正方向側の端部は、何れの部材とも接続されておらず、開放端となっている。第2背面部23Bは、第2側壁部22Bの下側端部から第1側壁部22Aの下側端部に向けて形成されている背面部23である。第2背面部23BにおいてY軸負方向側の端部は、何れの部材とも接続されておらず、開放端となっている。
 背面部23のX軸方向の長さは、側壁部22やパッチ対向部21のX軸方向の長さLxと等しい。背面部23のY軸方向の長さγは、前述の通り、側壁部22の高さHと合わせて試験等によって決定されればよい。
 但し、パッチ対向部21のY軸方向の長さLyと、側壁部22の高さHを2倍した値の和は、対象電波の半波長(つまりλ/2)よりも短く設定されている。また、パッチ対向部21のY軸方向の長さLyと、側壁部22の高さHを2倍した値と、背面部23の長さγを2倍した値の合計値(以降、合計長)が、対象電波のλ/2よりも長くなるように設定されているものとする。つまり、Ly、H,γは、下記式を満たすように設定されている。(式) Ly+H×2<λ/2<Ly+H×2+γ×2
 ここでは一例として高さHは2mmに設定されている。また、長さγは6mmに設定されているものとする。すなわち、本実施形態の合計長は34mmに設定されている。合計長は、第1背面部23Aの開放端から第2背面部23Bの開放端までのグランドパターン20の表面に沿った長さ(つまり周長)に相当する。合計長が請求項に記載の周長に相当する。
 なお、本実施形態では一例として、パッチ対向部21が備える2つの長縁部の両方に側壁部22及び背面部23を設けているが、変形例7として側壁部22や背面部23は1つだけであっても良い。
 給電部30は、同軸ケーブルの内部導体とパッチパターン10とを電気的に接続する構成である。本実施形態では一例として給電部30は、導電性のピン(以降、給電ピン)31を用いて実現されている。給電ピン31は、グランドパターン20が備えるパッチ対向部21の中心に設けられた図示しない孔部を通ってパッチパターン10の中心と電気的に接続されている。
 給電ピン31とパッチパターン10との接続点(以降、給電点)は、対象周波数において同軸ケーブルとアンテナ装置100とのインピーダンスの整合が取れる位置に設けられればよい。本実施形態では、パッチパターン10の中心に給電点を設けているが、その他の場所に設けても良い。インピーダンスの整合が取れている状態とは、完全な整合状態に限らず、インピーダンスの不整合による損失が所定の許容範囲内となっている状態を含む。
 なお、パッチ対向部21に設けられた孔部によって、グランドパターン20と給電ピン31との電気的な非接続は保持される。また、同軸ケーブルの外部導体とグランドパターン20との接続点(以降、接地点)は、パッチ対向部21が備える給電ピン31を通すための孔部の付近に設けられている。さらに、本実施形態ではアンテナ装置100への給電方式として直結給電方式を採用しているが、他の態様として、マイクロストリップ線路等を用いた電磁結合給電方式を採用しても良い。
 次に、図5に示す従来のパッチアンテナ100Xを用いて、本実施形態によれば地板面積を低減しつつ、利得の低下を抑制することができる理由について説明する。なお、従来のパッチアンテナ100Xとは、本実施形態のアンテナ装置100から側壁部22と背面部23を除去した構成であって、パッチ部10Xと、グランド板20Xとを備える。
 パッチ部10Xは、本実施形態のパッチパターン10に相当する部材であって、パッチパターン10と同一の寸法に形成されている。グランド板20Xは、同軸ケーブルの外部導体と接続される平板状の部材である。グランド板20XのX軸方向の長さは、本実施形態と同様に、対象電波のλ/2に形成されているものとする。
 図中の符号Ln1で示す破線は、グランド板20Xの中心を通るY軸に平行な直線であり、符号Mで示す点は、直線L1とY軸に平行な縁部(以降、Y軸平行縁部)との交点を表している。交点Mは、Y軸平行縁部の中点に相当する。図中のLαはグランド板20XのY軸方向の長さを表している。
 図6の(A)は、Y軸平行縁部における電流分布を概念的に表したグラフである。Y軸平行縁部には、図6に示すように、中点Mを中心として定在波が生じる。ここで、図6の(B-1)に示すように、Y軸方向の長さLαがλ/2よりも短い場合には、同図(A)において符号Imで示す面積に応じた電流(以降、はみ出し成分)が、逆位相電流となる。このはみ出し成分Imは、グランド板20Xの裏側に電波を放射するように作用する。つまり、Y軸方向の長さLαがλ/2未満の場合には、はみ出し成分Imが逆位相電流として作用するため、アンテナとしての利得が低下してしまう。
 一方、Y軸方向の長さLαがλ/2となっている場合には、Y軸平行縁部の端部が定在波の節と一致するため、逆位相電流が生じにくい。つまり、利得の低下が生じにくい。故に、一般的にグランド板20Xの1辺は図7に示すように少なくともλ/2以上に設計される。なお、図7は、グランド板20XのX軸方向の長さをλ/2に設定している状態においてY軸方向の長さLαを変化させたときの利得の変化をシミュレーションした結果を表している。
 一方、本実施形態の構成では第1背面部23Aの開放端から第2背面部23Bの開放端までの周長(つまり合計長)がλ/2よりも長く設定されている。そのため、図8に示すようにパッチ対向部21だけでなく、側壁部22及び背面部23にも電流が流れる。具体的には、はみ出し成分Imが側壁部22から背面部23の途中まで分布する。また、背面部23の残り領域には、逆位相成分Inが分布する。
 ここで、はみ出し成分Imのうちの背面部23に分布している成分Imaと、逆位相成分Inの大きさが等しい場合、これらが互いに打ち消し合い、実質的な電流分布は同図の(C)に示す。つまり、パッチ対向部21に分布する電流に対して逆位相の電流が存在しなくなる。
 したがって、側壁部22の高さH、及び、背面部23の長さγを調整することにより、Y軸方向の長さLyをλ/2よりも小さくしつつ、利得の低下を抑制することができる。図9は、側壁部22の高さHを1mm、2mm、3mmのそれぞれに設定した構成において、背面部23の長さγを0mmから9mmまで変化させたときの利得のシミュレーション結果を表している。図9の長破線はH=1mmに設定した構成のシミュレーション結果を表しており、一点鎖線はH=2mmに設定した構成のシミュレーション結果を表しており、二点鎖線はH=3mmに設定した構成のシミュレーション結果を表している。
 また、点線は図5に示すパッチアンテナ100Xにおいてグランド板20XのY軸方向の長さLαをλ/2に設定したときのシミュレーション結果を表している。つまり、点線は、十分な大きさを有するグランド板20Xを備える、従来の(換言すれば基本的な)パッチアンテナ100X(以降、基本パッチアンテナ)でのシミュレーション結果を表している。
 短破線は、グランド板20Xの大きさを本実施形態のアンテナ装置100が備えるパッチ対向部21と同じ寸法(Lα=Ly=18mm)に設定したときのシミュレーション結果を表している。なお、グランド板20Xの大きさをパッチ対向部21と同じ寸法に設定したパッチアンテナ100Xは、本実施形態のアンテナ装置100において側壁部22及び背面部23を除去した構成(以降、側壁部背面部なし構成)に相当する。
 図9に示すように、仮にγ=0(つまり背面部無し)とした場合であっても、何れのHにおいても、短破線で示す側壁部背面部なし構成よりも高い利得が得られる。つまり、側壁部22を配置しさえすれば、側壁部背面部なし構成よりも利得を向上させることができる。
 また、図9に示すように側壁部22の高さHを短く設定しても背面部23の長さγを長くすることによって、利得を向上させることができる。何れのHにおいてもγを調整することで基本パッチアンテナと同等以上の利得を実現することが出来る。例えばH=1mmに設定した場合には、γ=8mmに設定することによって、基本パッチアンテナと同様の利得を実現することが出来る。H=2mmに設定した場合には、γ=6mmに設定することによって、基本パッチアンテナよりも高い利得を実現することが出来る。H=3mmに設定した場合には、γ=2~5mmに設定することによって、基本パッチアンテナと同等の利得を実現することができる。
 図10は、側壁部背面部なし構成と、本実施形態のアンテナ装置100の放射指向性を比較した結果を表している。なお、図10では、実線が本実施形態のアンテナ装置100の放射指向性を表しており、破線が側壁部背面部なし構成の放射指向性を表している。図10に示すように、側壁部22及び背面部23を設けることによって、Z軸負方向(つまりアンテナ後ろ側)への電波の放射を抑制し、Z軸正方向での利得を高める事ができる。
 上述した構成では、パッチ対向部21に側壁部22及び背面部23を付加することによって、パッチ対向部21のY軸方向の長さLyが対象波長の半分未満に設定されていても、利得が低減してしまうことを抑制することができる。また、側壁部22の高さH及び背面部23の長さγを調整することによって基本パッチアンテナよりも利得を向上させることも可能である。
 また、上記構成におけるグランド面積はパッチ対向部21の面積に相当する。上記構成によれば、パッチ対向部21のY軸方向の長さLyを基本パッチアンテナよりも7mm程度削減できる。すなわち、上記構成によれば基本パッチアンテナよりも面積を28%程度削減できることになる。そして、その削減できたスペースには別の部品を配置することができるため、追加部品の配置に伴うアンテナ面積の増大も抑制することができる。
 なお、グランドパターン20を構成するパッチ対向部21、側壁部22、背面部23は、1つの板金を折曲げ加工することによって形成すればよい。また、側壁部22及び背面部23を板金で形成し、パッチ対向部21にハンダ付けすることで実現してもよい。パッチ対向部21は、アディティブ法やサブトラクティブ法などの周知の手法によってプリント基板の表面などにパターン形成されてもよい。
 [変形例1]
 側壁部22は、複数の導電性のピンを一列に配置することによって実現されていても良い。仮にパッチ対向部21をプリント基板の或る一層(例えば表面)に形成し、背面部23を他層に形成する場合には、側壁部22は、それら2つの層を接続する複数の貫通ビアを、パッチ対向部21の縁部に沿って一列に配置することによって実現されれば良い。
 [変形例2]
 グランドパターン20は、図11に示すように背面部23を備えていなくともよい。換言すれば、グランドパターン20は、パッチ対向部21と側壁部22とを備えていればよい。側壁部22の高さHは適宜設計されれば良い。側壁部22が設けられてさえいれば、側壁部22を備えない想定構成よりも高い利得が得られることはシミュレーションによって確認できている。
 なお、第1側壁部22AのZ軸負方向側の端部から第2側壁部22BのZ軸負方向側の端部までのグランドパターン20の表面に沿った長さ(いわゆる周長)は、対象電波のλ/2となっていることが好ましい。この変形例2における周長はLy+H×2である。つまり、Ly+H×2が電気的にλ/2と一致するように、Ly及びHが設定されていることが好ましい。なお、ここでの一致している状態とは、完全な一致に限らず、略一致も含む。略一致とする範囲は、アンテナ装置100として十分な利得が得られる範囲に相当し、例えば±25%程度とすれば良い。
 [変形例3]
 以上では、パッチ対向部21の全領域のY軸方向の長さをλ/2未満とする構成を開示したが、これに限らない。図12に示すように一部のみを半波長未満としてもよい。図12に示すグランドパターン20は、X軸方向の中央部付近における、Y軸負方向側の端部からY軸正方向側の端部までの長さが、対象電波のλ/2よりも短く設定した構成である。パッチ対向部21は、破線Ln2を対称軸として線対称に形成されている。図12においてドットパターンのハッチングを施している領域Arが請求項に記載の幅詰領域に相当する。なお、図12では幅詰領域Arを明示するため、第1側壁部22Aは透過させている。
 なお、図12中のLy1はパッチ対向部21全体のY軸方向の長さを表しており、例えばLy1=λ/2に設定されている。Ly2は、幅詰領域ArのY軸方向の長さを表しており、Ly2<λ/2に設定されている。Ly2は例えば0.36λなどとすればよい。
 Lx1は、パッチ対向部21全体のX軸方向の長さを表しており、例えばLx1=λ/2に設定されている。Lx2は幅詰領域ArのY軸方向の長さを表しており、Lx2の具体的な値は適宜設計されれば良い。ただし、Lx2が大きいほど、地板面積の削減量を大きくすることができる。つまり、Lx2は大きいほど好ましい。もちろん、Lx2の上限はLx1である。なお、Lx2=Lx1とした構成が、変形例2で示したグランドパターン20に相当する。この変形例3に示す側壁部22に背面部23を設けても良い。
 [変形例4]
 以上では、互いに対向するように2つの側壁部22を設けた構成を開示したが、これに限らない。図13に示すようにパッチ対向部21をT字形状に形成し、第1側壁部22A、第2側壁部22Bに加えて、3つ目の側壁部(以降、第3側壁部)22Cが設けられていてもよい。
 このような構成によれば、基本パッチアンテナに対してX軸方向の長さLxも低減する事ができる。なお、図中の符号Ln2は、パッチ対向部21における対称軸を表している。パッチ対向部21は、破線Ln2で対称軸として線対称に形成されている。この変形例4に示す各側壁部22に背面部23を設けても良い。
 [変形例5]
 また、図14及び図15に示すように、パッチ対向部21を矩形状に形成し、パッチ対向部21が備える4つの縁部のそれぞれに側壁部22を設けても良い。つまり、グランドパターン20は、第1側壁部22A、第2側壁部22B、第3側壁部22C、及び第4側壁部22Dを備えていても良い。
 第1側壁部22Aにとって、第2側壁部22B及び第4側壁部22Dのそれぞれは隣接する側壁部22である。図15に示すCLは、第1側壁部22Aと第2側壁部22Bの間、第1側壁部22Aと第4側壁部22Dとの間の離隔を表している。第1側壁部22Aと第2側壁部22Bの間、第1側壁部22Aと第4側壁部22Dとの間には、それらが電磁気的に結合しないように、所定の間隔CLが設けられている。他の側壁部22についても同様である。
 なお、仮に或る側壁部22が他の側壁部22と電磁気的に結合してしまうと電流の経路が変わってしまい、上述した効果が得られなくなってしまう。間隔CLは、対象電波の波長の100分の1以上であればよい。
 このような構成によれば、変形例4よりもパッチ対向部21のX軸方向の長さLxを削減することが出来る。なお、このような構成においては、パッチ対向部21の全領域が幅詰領域Arに相当する。
 [変形例6]
 矩形状に形成したパッチ対向部21が備える4つの辺のそれぞれに、図16に示すように、側壁部22及び背面部23の組み合わせを設けても良い。つまり、グランドパターン20は、第1背面部23A、第2背面部23B、第3背面部23C、及び第4背面部23Dを備えていても良い。各背面部23は、隣接する背面部23に対して所定の間隔CLを有するように形成される。各背面部23は例えば等脚台形状に形成されれば良い。
 [変形例7]
 さらに、アンテナ装置100が備える側壁部22及び背面部23の数は、図17に示すように、1つずつであってもよい。また、背面部23を備えずに、矩形状に形成されたパッチ対向部21の1つの縁部に沿って側壁部22を1つだけ備えるように構成されていてもよい。
 [変形例8]
 なお、側壁部22は、線対称な図形が備える対称軸と平行な縁部に設けなくともよい。例えば、変形例4に示すパッチ対向部21はY軸と平行な方向においては線対称ではない。しかしながら、上述した変形例4に示すパッチ対向部21において、第1側壁部22A、第2側壁部22Bを設けずに、第3側壁部22Cのみを設けた構成を採用してもよい。そのような構成によっても地板面積の削減と、利得の維持を両立させることができる。
 図13に示す例では、Y軸に平行であって互いに対向し合う2つの縁部が、請求項に記載の第1縁部、第2縁部にも相当する。また、Y軸に平行な縁部のうち、X軸負方向側の縁部に側壁部22を設けてもよい。つまり、第1、第2縁部の何れか一方にのみ側壁部が設けられていても良いし、両方に側壁部が設けられてもよい。この変形例8として開示するアンテナ装置100においては、パッチ対向部21は必ずしも線対称な図形である必要はなく、互いに対向し合う1対の直線状の外縁部分を備える形状であれば良い。
 さらに、互いに対向し合う直線上の外縁部である第1外縁部と第2外縁部の両方に側壁部を設ける場合には、変形例2で言及したように、第1外縁部に設けた側壁部のZ軸負方向方側の端部から、第2外縁部に設けた側壁部のZ軸負方向方側の端部までの周長が、対象電波のλ/2となっていることが好ましい。
 また、側壁部22には上述したように背面部23が設けられていてもよい。仮に、第1外縁部と第2外縁部のそれぞれに、側壁部22と背面部23を設ける場合には、上述した実施形態と同様に、一方の背面部の端部から他方の背面部までの周長が対象電波のλ/2以上となっていることが好ましい。
 [変形例9]
 以上では、パッチアンテナに本開示を適用した態様を開示したが、これに限らない。例えば、本開示は、モノポールアンテナに適用してもよい。つまり、放射素子としての線状の導体部材が、グランドパターン20に立設されている構成に適用しても良い。その場合、側壁部22は、パッチ対向部21に相当する平板状の導体部材(以降、平板部)の縁部の一部に沿って、線状の導体部材とは反対側に向けて設けられていればよい。本開示は、接地電位を提供する平板状の導体を用いた不平衡給電型のアンテナに適用可能である。
 本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

 

Claims (11)

  1.  同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続される導体部材である放射素子(10)と、
     同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続される平板状の導体部材である平板部(21)と、を備え、
     前記放射素子は、前記平板部と所定の間隔をおいて対向するように、又は、前記平板部から立設するように配置されており、
     前記平板部の形状は、線対称であって、かつ、或る端部から対称軸を介して反対側に位置する端部までの長さが送受信の対象とする電波の半波長よりも短く設定されている部分である幅詰領域を備える形状であり、
     前記幅詰領域を形成する前記対称軸と平行な2つの端部のうち、少なくとも一方の端部には、当該端部に沿って、前記平板部から見て前記放射素子が存在しない方向に向かって導体部材である側壁部(22)が設けられているアンテナ装置。
  2.  請求項1において、
     前記側壁部は、前記幅詰領域を形成する前記対称軸と平行な2つの端部の両方に、それぞれ第1側壁部及び第2側壁部として形成されているアンテナ装置。
  3.  請求項2において、
     前記第1側壁部及び前記第2側壁部の前記平板部に直交する方向における長さは、前記第1側壁部において前記平板部と接していない方の端部から、前記第2側壁部において前記平板部と接していない方の端部までの周長が、前記電波の半波長と一致するように設定されているアンテナ装置。
  4.  請求項1において、
     前記平板部に直交する方向において前記側壁部が備える端部のうち、前記平板部と接していない方の端部には、前記平板部と対向するように平板状の導体部材である背面部(23)が設けられているアンテナ装置。
  5.  請求項4において、
     前記側壁部は、前記幅詰領域を形成する前記対称軸と平行な2つの端部の両方に、それぞれ第1側壁部及び第2側壁部として形成されており、
     前記背面部は、前記第1側壁部及び前記第2側壁部のそれぞれに、第1背面部、第2背面部として設けられているアンテナ装置。
  6.  請求項5において
     前記第1側壁部において前記平板部と接していない方の端部から、前記第2側壁部において前記平板部と接していない方の端部までの周長は前記電波の半波長よりも短くなるように、前記幅詰領域、前記第1側壁部、及び前記第2側壁部が形成されているアンテナ装置。
  7.  請求項6において
     前記第1側壁部に設けられている前記背面部である第1背面部において前記第2側壁部が存在する側の端部から、前記第2側壁部に設けられている前記背面部である第2背面部において前記第1側壁部が存在する側の端部までの周長が、前記電波の半波長よりも長いアンテナ装置。
  8.  請求項1から7の何れか1項において、
     前記平板部は、各辺の長さが前記電波の半波長未満に設定された長方形状に形成されており、
     前記平板部の各辺に前記側壁部が設けられており、
     或る前記側壁部と、その側壁部に隣接する前記側壁部との間には所定の離隔が設けられているアンテナ装置。
  9.  同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続される導体部材である放射素子(10)と、
     同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続される平板状の導体部材である平板部(21)と、を備え、
     前記放射素子は、前記平板部と所定の間隔をおいて対向するように、又は、前記平板部から立設するように配置されており、
     前記平板部の形状は、互いに対向し合う直線状の第1縁部と第2縁部を備える形状であり、
     前記第1縁部と前記第2縁部との距離は、送受信の対象とする電波の半波長よりも短く設定されており、
     前記第1縁部及び前記第2縁部のうち、少なくとも一方の縁部には、当該縁部に沿い、かつ、前記平板部から見て前記放射素子が存在しない方向に向かって、導体部材である側壁部(22)が設けられているアンテナ装置。
  10.  請求項9において、
     前記平板部に直交する方向において前記側壁部が備える端部のうち、前記平板部と接していない方の端部には、前記平板部と対向するように平板状の導体部材である背面部(23)が設けられているアンテナ装置。
  11.  請求項1から9の何れか1項において、
     前記放射素子は前記平板部に対して平行に配置されており、
     パッチアンテナとして動作するように構成されているアンテナ装置。

     
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