JP2004088218A - 平面アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の平面アンテナは、簡単な構成で共振ができ、汎用性に優れ、低コストにできる２周波共用又は３周波共用とすること。
【解決手段】平板状の誘電体基板１に隣接して平板状のグランド導体２が接合され、該グランド導体２と前記誘電体基板１との境目に給電点３が設けられていること。該給電点３から前記誘電体基板１上に主エレメント４が配置されていること。該主エレメント４の中間位置から前記誘電体基板１上に副エレメント５が分岐配置されてなること。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、簡単な構成で共振ができ、汎用性に優れ、低コストにできる２周波共用又は３周波共用の平面アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、移動体通信システムは多様化し、それに伴って、使用される周波数帯域が広がっている。移動体無線や、無線基地局等で使われる従来の周波数帯は、８００〔ＭＨｚ〕帯、１．５〔ＧＨｚ〕帯等が主であるが、新しく注目されている周波数帯としてＩＭＴ２０００の規格である２〔ＧＨｚ〕帯があり、これを用いた無線通信システムが普及されつつある。今後は、より高い周波数を用いた無線通信システムが使われるものと予想される。そのため、携帯電話機や移動体無線機に必要とされるアンテナは、複数のシステムを共用できる帯域にあった共振周波数を持つ能力が要求されるものである。
【０００３】
その複数の周波数に共振させるアンテナとして、従来より種々のものが存在している。図９（Ａ）に示すアンテナは、線状アンテナ素子ａ，整合回路ｂ，共振回路ｃとから構成されている。このように共振回路ｃ，整合回路ｂを複数用いる構成にすることにより、多共振に対応したアンテナにできる。図９（Ｂ）に示す，２周波共用アンテナは、接地導体から垂直素子を立設し、線状アンテナ素子ｄ及びｅをそれぞれ配置して各々を共振させる構成である。また、図９（Ｃ）に示す平面アンテナは、２周波共用平面アンテナである。誘電体基板ｆの上に線状アンテナ素子ｇを配置し、周囲をグランド導体ｊで囲った構造である。このアンテナはアンテナ素子の誘電体基板を挟んで反対面にグランド導体が無いことから、軍や建物の窓に装荷するのに有効な構造である。第１周波数は線状アンテナ素子で決定し、長さＡを設計周波数のλ／４にする。第２周波数は周囲のグランド導体にも電流が流れるため、グランド導体の周囲の長さで決定するものである。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、図９（Ａ）の場合、多共振化させるごとに共振回路を有するため複雑な回路構成となり、このアンテナを搭載する無線媒体自体が大きくなってしまう不都合があった。また、図９（Ｂ）記載のアンテナは、簡単に２周波を作り出すことができるが、接地導体を十分な大きさにしないと、外部の物質によって影響され、特性が著しく劣化してしまう欠点があるし、また、突起状のアンテナ素子で構成されたものであると、素子が折れてしまう等耐久性が劣る上、複数アンテナによって外観が悪い等の問題点があった。さらに、図９（Ｃ）に示す平面アンテナは、構造が波長に対して大きい上に、グランド導体が二つ目の共振周波数を作り出すことから、限られたスペースに設置する場合では、所望の周波数に励振させることができないため汎用性に乏しい欠点があった。
【０００５】
そのため、本発明は、これの欠点等を解決し、汎用性が高く、サイズが設計周波数の波長よりも十分に小さく、複数の共振周波数を容易に作り出すことができる平面アンテナを提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、発明者は上記課題を解決すべく鋭意，研究を重ねた結果、本発明を、平板状の誘電体基板に隣接して平板状のグランド導体が接合され、該グランド導体と前記誘電体基板との境目に給電点が設けられ、該給電点から前記誘電体基板上に主エレメントが配置され、該主エレメントの中間位置から前記誘電体基板上に副エレメントが分岐配置されてなる平面アンテナとしたり、前述の構成において、前記主エレメントは前記誘電体基板上の長手方向にほぼ平行に配置され、前記副エレメントは前記主エレメントにほぼ直交して所定長さに形成され、前記副エレメントと前記誘電体基板とが適宜の間隔を有してなる平面アンテナとしたり、前述の構成において、前記副エレメントの基部側端より接地線状素子の一端が接続され、且つ該接地線状素子の他端は前記グランド導体に接続され、前記接地線状素子は前記誘電体基板上に配置されてなる平面アンテナとしたり、前述の構成において、前記誘電体基板上に面状導体素子が配置され、該面状導体素子の一部が前記グランド導体に接続され、且つ面状導体素子の他の一部が前記副エレメント先端に容量結合してなる平面アンテナとしたり、或いは、前述の構成において、前記誘電体基板上に面状アンテナ素子が配置され、該面状アンテナ素子が前記副エレメント先端に容量結合してなる平面アンテナとしたことにより、前記課題を解決したものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態について図１に基づいて説明すると、図１（Ａ）乃至（Ｃ）に示す平面アンテナは、２周波共用アンテナである。具体的には、ガラス，フェライト，アルミナ又はセラミックス等の材質でほぼ方形状板片なる誘電体基板１と、該誘電体基板１に接触しつつ隣接したほぼ同厚さの銅板，銀板又は金板製の方形状板片なるグランド導体２とから構成され、前記誘電体基板１と前記グランド導体２との境目に給電点３が設けられ、該給電点３から前記誘電体基板１上に主エレメント４が適宜の長さに配置され、該主エレメント４の中間位置に副エレメント５の一端が交わり、且つ他端が適宜の長さを有して前記誘電体基板１上に装荷されている。該副エレメント５は、前記グランド導体２の端片から間隔Ｌ３　なる距離を有して設けられている。主エレメント４及び副エレメント５はそれぞれ二つの共振周波数を作り出すことができる。これらのアンテナエレメントはグランド導体２を持ったモノポールアンテナの機能をもつものである。また、図１（Ｄ）に示すように、前記誘電体基板１と同一材料としたグランド導体基板（例えば、ガラス板）上に、銅箔材をプリントしてグランド導体２とすることもあり、この場合でも、同様の作用効果を得ることができる。
【０００８】
設計周波数を決定する方法は、一般的なマイクロストリップパッチアンテナ同様、真空の比誘電率と媒質の比誘電率を用いた近似式により実行比誘電率を計算し、そこから実質等価電気長（材質の種類や大きさで波長が変わる場合には電気長も変化する。この長さを実質等価電気長と呼ぶ）を求めるが、前記誘電体基板１の材質係数（比誘電率、導電率など）に加え、特に、第１実施形態のアンテナは、前記誘電体基板１側面にグランド導体２が存在することから、厚さが特に薄い場合、実行比誘電率が近似式による計算値よりも小さくなることを考慮して実質的等価電気長を決定する。基板が薄く、厚さを変えることができない条件での設計の場合は、近似式から計算される実質等価電気長の長さよりも、エレメント長を若干長くすればよい。
【０００９】
主エレメント４は低い周波数の方を励振させるもので長さＬ１　を有し、携帯通信端末などに使われる１／４波長や３／８波長の実質等価電気長をもつモノポールアンテナと同等の機能をする。整合方法としては、グランド導体２がチューニングスタフの機能を持ち、グランド導体２は給電点３を挟んで、主エレメント４と対称的な位置となっているため、前記グランド導体２の長さＷは低い周波数の約λ／４波長の長さにすることで良い特性を得られるものである。また、副エレメント５は高い周波数の方を励振させるもので、前記給電点３から副エレメント５の先端までの電流経路が曲がっているため、実質等価電気長をもつＬ型モノポールアンテナとして機能している。整合方法は、グランド導体２と副エレメント５の間隔Ｌ３　を変化させることで調節する。
【００１０】
次に、本発明の第２実施形態について、図２に基づいて説明する。図２（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、平面アンテナは、２周波共用アンテナである。前述の誘電体基板１，グランド導体２，給電点３，主エレメント４，副エレメント５は第１実施形態と同一であり、説明を省略する。特に、第２実施形態では、第１実施形態を基本構造とした上でさらに、副エレメント５に接地線状素子６を装荷した構造である。実施例１と同様、第１周波数は主エレメント４、第２周波数は副エレメント５によって励振する。第２実施形態では、副エレメント５に接地線状素子６を負荷することでその素子付近に大電流が流れることから、等価的に大きいインダクタンスが付加されることになり、主エレメント４と接地線状素子６の間隔Ｌ４　を、調節することで、より効果的に整合をとることができる。
【００１１】
さらに、本発明の第３実施形態について、図３に基づいて説明する。図３（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、平面アンテナは、２周波共用アンテナである。実施例２と同様、副エレメント５で第２共振周波数を励振させる構成である。具体的には、前述の第１実施形態を基本とし、面状導体素子７を前記グランド導体２に接触させつつ誘電体基板１上に装荷する。このとき、前記面状導体素子７と前記副エレメント５の先端とは僅かな間隔ｄ_１を有するように構成する。即ち、前記面状導体素子７に副エレメント５の先端を容量結合させることで、静電容量が入ったことに相当し、アンテナ基板が薄い場合、第１実施形態では近似式より算出された値より長くする必要があるが、間隔Ｌ３　を短くしても整合可能としている。しかも、グランド導体２と副エレメント５の間隔での寄生容量により、広帯域特性を示すものである。
【００１２】
また、本発明の第４実施形態について、図４に基づいて説明する。図４（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、平面アンテナは、３周波共用アンテナであって、前述の第１実施形態を基本とし、面状アンテナ素子８先端を前記副エレメント５先端とは僅かな間隔ｄ_２を有するように構成する。即ち、面状アンテナ素子８先端に前記副エレメント５先端を容量結合し、面状アンテナ素子８による励振を可能とした。面状アンテナ素子８は、長さＬ７　を実質的等価電気長による約１／２波長にすることで所望周波数の励振が可能である。また、副エレメント５による励振は、第３実施形態の技術と同様の原理であるため、ここの共振周波数は広帯域となる特性を示す。しかし、それぞれのアンテナ素子は、副エレメント５先端で容量結合しているため、副エレメント５の長さを変えたり、面状アンテナ素子８を主エレメント４に近づけることによって、互いのインピーダンスが変化するため、相互インピーダンスを考える必要がある。なお、副エレメント５を設けないで、面状アンテナ素子８のみを設けた場合には、該面状アンテナ素子８にエネルギーが供給されずアンテナとしての機能を有しない。
【００１３】
また、前述の第１実施形態乃至第４実施形態において、前記誘電体基板１上に主エレメント４が設けられているが、図１（Ａ），図２（Ａ），図３（Ａ），図４（Ａ）のように前記誘電体基板１の上辺に主エレメント４が設けられていたり、或いは、図１（Ｂ），図２（Ｂ），図３（Ｂ），図４（Ｂ）のように、前記誘電体基板１の上辺から僅かな間隔（約１ｍｍ乃至約５ｍｍ程度）を有して主エレメント４が設けられることもある。その間隔０から大きくなるにつれ実質等価比誘電率が高くなるが作用及び効果はほぼ同等となる
【００１４】
【実施例】
次に、前述の第１実施形態〜第４実施形態に基づく、各実施例について説明する。まず、実施例１は、第１実施形態（図１参照）に基づくものであって、グランド導体２の長さＷを６５ｍｍで、幅Ｗ_１を５０ｍｍとし、誘電体基板１の長さ及び主エレメント４の長さＬ１　を４９ｍｍとし、グランド導体２及び誘電体基板１の厚みｈを３ｍｍとした。図５に示すように、主エレメント４の長さＬ１　を実質的等価電気長を考慮した１／４波長の長さとし、間隔Ｌ３　を１５ｍｍに一定させ、副エレメント５の長さＬ２　を１０ｍｍ、１２ｍｍ、１４ｍｍに変化させたときのリターンロス特性である。アンテナ基板は厚さ３ｍｍとし、誘電体基板１は比誘電率εｒ　＝６．６８のガラスを用いた。また、グランド導体２は、銅板を使用した。前記主エレメント４による励振周波数（以下第１周波数）を１〔ＧＨｚ〕とし、副エレメント５による励振周波数を２〜２．６〔ＧＨｚ〕付近（以下第２周波数）として、共振周波数を変化させた。第１周波数の共振周波数は１．０８〔ＧＨｚ〕一定であり、副エレメント５の長さＬ２　を変化させても第１周波数に影響は無く、第２周波数のみが変化していることから、副エレメント５が独立して機能していることがわかる。
【００１５】
実施例２は、第２実施形態（図２参照）に基づくものであって、図６に示すように、実施例１の基板を基本構造とし、接地線状素子６の長さ又は間隔をＬ３　＝Ｌ４　＝１５ｍｍとし、副エレメント５の長さＬ２　を９ｍｍ、１２ｍｍ、１５ｍｍに変化させたときのリターンロス特性である。第２周波数の共振周波数は、実施例１と同様に長さＬ２　を変化させればよく、接地線状素子６による効果により、Ｑが高く良い特性を示している。また、実施例１は接地線状素子６によるインダクタンスが付加されることから、低い周波数の共振はグランド導体２の長さＷは実施例１より短くすることでより容量性にし、整合調整させている。
【００１６】
実施例３は、第３実施形態（図３参照）に基づくものであって、図７に示すように、実施例１の基板を基本構造とし、僅かな間隔ｄ_１を１ｍｍとし、間隔Ｌ３　を１０ｍｍに一定させ、副エレメント５の長さＬ２　を８ｍｍ、９ｍｍ、１０ｍｍに変化させ、高い周波数のみを変化させたときのリターンロス特性である。どの長さにおいても第２周波数の帯域がリターンロスが−１０［ｄＢ］（ｖｓｗｒ≒２）で１００〔ＭＨｚ〕以上あり、広帯域を示している
【００１７】
実施例４は、第４実施形態（図４参照）に基づくものであって、図８に示すように、実施例１の基板を基本構造とし、僅かな間隔ｄ_２を１ｍｍとし、主エレメント４と副エレメント５のエレメント長は各々の共振周波数１．０８（実施例１〜４のときと同じ長さＬ１　＝４８ｍｍ、２．６〔ＧＨｚ〕（給電点３から副エレメント５の先端までの経路長１８ｍｍ）を固定し、面状アンテナ素子８の形状を変化させたとき、即ち、該面状アンテナ素子８の幅Ｌ８　は３ｍｍで一定させ、該面状アンテナ素子８の長さＬ７　を２５ｍｍ、３０ｍｍ、３５ｍｍに変化させたときのリターンロス特性を示す。設計周波数は２〔ＧＨｚ〕付近で変化させている。面状アンテナ素子８の長さＬ７　を短くすると、共振周波数が高い周波数へとシフトするが、素子面積が減少するため、リアクタンスが誘導性へと変化してしまい、整合が悪くなる。そこで長さＬ７　を一定とし、副エレメント５をグランド導体２に近づけ間隔Ｌ３　を短くすることにより整合調整をしている。ゆえに、Ｌ７　＝３０、３５ｍｍでは副エレメント５とグランド導体２の間隔Ｌ３　を９ｍｍとしているが、Ｌ７　＝２５ｍｍの場合では、Ｌ３　＝８ｍｍ、Ｌ４　＝１０ｍｍとしていることで、高い周波数でも整合調整をした。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１の発明では、コンパクトなサイズで、しかも耐久性に優れ、設置条件にとらわれない汎用性を有し、給電回路が一つでよく、簡単な構成で低コストにでき、特に、一つのアンテナでも副エレメント５の存在によって、第１周波数及び第２周波数を励振させ、これによって二つの共振周波数を作り出すことができる等の効果がある。このため、複数のシステムを共用できる帯域にあった共振周波数を持つ平面アンテナを提供できる。さらに、従来のバッチアンテナやマイクロストリップアンテナ等のアンテナは誘電体の下にグランド導体があるために単方向指向性であるが、本発明では誘電体基板１の同一面上に隣接してグランド導体が存在することから、双方向でも用いることが可能である利点もある。
【００１９】
また、請求項２の発明では、特に、簡易な構成により、ビル等のガラス面等に簡単に設置することで、所望の二つの共振周波数を作り出すことができる利点もある。また、請求項３の発明では、接地線状素子６を設けることで、所望の二つの共振周波数を容易に作り出すことができる利点がある。さらに、請求項４の発明では、面状導体素子７を設けることで、所望の二つの共振周波数をさらに容易に作り出すことができる利点がある。また、請求項５の発明では、面状アンテナ素子８を設けたことで、第３周波数を励振させ、これによって三つの共振周波数を作り出すことできる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第１実施形態の平面斜視図
（Ｂ）は（Ａ）の平面図
（Ｃ）は（Ａ）の断面図
（Ｄ）は第１実施形態の変形例の断面図
【図２】（Ａ）は本発明の第２実施形態の平面斜視図
（Ｂ）は（Ａ）の平面図
（Ｃ）は（Ａ）の断面図
（Ｄ）は第２実施形態の変形例の断面図
【図３】（Ａ）は本発明の第３実施形態の平面斜視図
（Ｂ）は（Ａ）の平面図
（Ｃ）は（Ａ）の断面図
（Ｄ）は第３実施形態の変形例の断面図
【図４】（Ａ）は本発明の第４実施形態の平面斜視図
（Ｂ）は（Ａ）の平面図
（Ｃ）は（Ａ）の断面図
（Ｄ）は第４実施形態の変形例の断面図
【図５】本発明の第１実施形態基づく実施例における副エレメントの長さ変化によるリターンロス特性のグラフ
【図６】本発明の第２実施形態基づく実施例における副エレメントの長さ変化によるリターンロス特性のグラフ
【図７】本発明の第３実施形態基づく実施例における副エレメントの長さ変化によるリターンロス特性のグラフ
【図８】本発明の第４実施形態基づく実施例における面状導体素子の長さ変化によるリターンロス特性のグラフ
【図９】（Ａ）は従来公知の多周波共用アンテナの概念図
（Ｂ）は従来公知の２周波共用アンテナの略示図
（Ｃ）は従来公知の２周波共用アンテナの平面斜視図
【符号の説明】
１…誘電体基板
２…グランド導体
３…給電点
４…主エレメント
５…副エレメント
６…接地線状素子
７…面状導体素子
８…面状アンテナ素子

Claims (5)

1. 平板状の誘電体基板に隣接して平板状のグランド導体が接合され、該グランド導体と前記誘電体基板との境目に給電点が設けられ、該給電点から前記誘電体基板上に主エレメントが配置され、該主エレメントの中間位置から前記誘電体基板上に副エレメントが分岐配置されてなることを特徴とする平面アンテナ。
2. 請求項１において、前記主エレメントは前記誘電体基板上の長手方向にほぼ平行に配置され、前記副エレメントは前記主エレメントにほぼ直交して所定長さに形成され、前記副エレメントと前記誘電体基板とが適宜の間隔を有してなることを特徴とする平面アンテナ。
3. 請求項１又は２において、前記副エレメントの基部側端より接地線状素子の一端が接続され、且つ該接地線状素子の他端は前記グランド導体に接続され、前記接地線状素子は前記誘電体基板上に配置されてなることを特徴とする平面アンテナ。
4. 請求項１又は２において、前記誘電体基板上に面状導体素子が配置され、該面状導体素子の一部が前記グランド導体に接続され、且つ面状導体素子の他の一部が前記副エレメント先端に容量結合してなることを特徴とする平面アンテナ。
5. 請求項１又は２において、前記誘電体基板上に面状アンテナ素子が配置され、該面状アンテナ素子が前記副エレメント先端に容量結合してなることを特徴とする平面アンテナ。

Images