(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
一方でアンテナ装置はさらなる小型化が求められている。特許文献1のアンテナ装置によると、天面部の電流が複雑にキャンセルされる。スロットアンテナと類似した動作をすることから、少なくとも20x20x4mm(1600mm
2)程度の大きさを確保しなければ、十分な電波受信が確保されず、十分に小型化することができなかった。
【0007】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、無指向性の垂直偏波アンテナについて、さらに小型化されたアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明に係るアンテナ装置は、接地された配線基板に対して間隔を空けて対向配置された平板状のアンテナ素子と、前記アンテナ素子の端部に配され、それぞれの延伸先が前記配線基板に接続される複数の接地用脚部と、前記アンテナ素子の端部に配され、延伸先が送信回路又は受信回路に接続される給電用脚部を備え、前記複数の接地用脚部が配されるそれぞれの端部と、前記給電用脚部が配される端部とにより形成される面は点対称である。
【0009】
この構成によれば、点対称となる形状の一端から給電され、他端で接地することから、電流分布が回転対称でループ動作し、電流が複雑にキャンセルしあう状況を解消することができる。その結果、適切な大きさの動作長を確保することができるので、動作長の大きさを確保しつつも小型化を実現することができる。
【0010】
好適には、前記アンテナ素子の前記配線基板に対向する面は正多角形であり、前記給電用脚部が配される端部は、前記正多角形の頂点の1つであり、前記複数の接地用脚部が配される端部は、前記正多角形の他の頂点である。
【0011】
この構成によれば、単純な構造で設計、製造しやすい形でアンテナ素子の点対称構造を実現することができる。そして点対称構造とすることにより、アンテナ素子の小型化を実現することができる。
【0012】
好適には、前記アンテナ素子のうち、前記複数の接地用脚部と前記給電用脚部のうち隣接するいずれか2つが配される端部の間を結ぶ外辺部分のそれぞれを、少なくとも一部において切り欠いた形状とする切り欠き部をさらに備え、前記複数の接地用脚部及び前記給電用脚部は、前記外辺部分のそれぞれについて切り欠かれていない部分の延伸先から接続される。
【0013】
この構成によれば、点対称構造により電流分布をループさせた形状にさらに切り欠き部を備えるので、切り欠き部により外辺部分周辺に流れるはずの電流が蛇行し、その結果電流経路をさらに確保することができることから、さらなる小型化を実現することができる。
【0014】
好適には、前記複数の接地用脚部と前記給電用脚部は、前記それぞれの外辺部分のうち切り欠かれていない部分から延びて面状に形成される。
【0015】
この構成によれば、接地用脚部と前記給電用脚部が配線基板に近接することから、アンテナ素子と接地面との容量が大きくなるように接地され、さらなる小型化を実現することができる。
【0016】
好適には、前記アンテナ素子の前記配線基板に対向する面は正三角形又は正四角形である。
【0017】
この構成によれば、正多角形のうちで特に小型化しやすく、製造しやすい形とすることができる。
【0018】
好適には、前記アンテナ素子の前記配線基板に対向する面は、切り欠き前の形状が正三角形又は正四角形である。
【0019】
この構成によれば、製造しやすい形状をベースにして電流の蛇行形状を実現することができ、それにより小型化を実現することができる。
【0020】
好適には、前記配線基板をさらに備え、前記配線基板は平板状である。
【0021】
この構成によれば、アンテナ素子と配線基板の組み合わせにより、無指向性の垂直偏波アンテナを実現することができる。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、無指向性の垂直偏波アンテナについて、さらに小型化されたアンテナ装置を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0024】
図1は、本発明の実施の形態に係る天面から見た場合に三角形状となるアンテナ装置を説明する図である。
図1に示す三角形状となるアンテナ装置は、平板状の接地された配線基板100と、配線基板100に対して間隔を空けて対向配置された平板状のアンテナ素子110と、アンテナ素子110の端部に配され、それぞれの延伸先が配線基板100に接続される2つの接地用脚部120と、アンテナ素子110の端部に配され、延伸先が回路150(送信回路又は受信回路)に接続される給電用脚部130を備える。
【0025】
アンテナ素子110は、天面側(上面)とその裏側(下面)から見たときにそれぞれ平面となるような平板上の形状を有している。上面と下面をそれぞれ形成する図形は、同じ形であり、上面と下面の間は一定の厚さを有している。アンテナ素子110の上面及び下面は、中心点111を中心とした点対称図形であり、正多角形である。
図1の例では、アンテナ素子110の上面及び下面を正三角形として説明する。
【0026】
アンテナ素子110の上面は正三角形であるので、3つの頂点を有する。
図1の例では、この3つの頂点を端部として説明する。この3つの頂点、端部を結ぶことにより形成される図形は点対称図形であり、正多角形である。
図1の例では、アンテナ素子110の上面の図形と同じく、正三角形である。
【0027】
2つの接地用脚部120は、アンテナ素子110の2つの端部、アンテナ素子110の3つの頂点のうちの2つに配される。そして、2つの接地用脚部120はそれぞれ、アンテナ素子110の上面及び下面から垂直、法線方向に延び、それぞれの延伸先が配線基板100に接続される。2つの接地用脚部120はそれぞれ、配線基板100に対しても垂直、法線方向から到達し、それぞれの延伸先が配線基板100に接続される。
【0028】
給電用脚部130は、アンテナ素子110の端部の1つ、アンテナ素子110の3つの頂点のうちの残り1つに配される。そして、給電用脚部130はそれぞれ、アンテナ素子110の上面及び下面から垂直、法線方向に延び、それぞれの延伸先が配線基板100に垂直、法線方向から向かう。配線基板100のうち、給電用脚部130の向かう先には穴140があけられており、給電用脚部130は、配線基板100の接地部に接しないように配線基板100の面を通過する。
【0029】
給電用脚部130は、最終的に回路150(送信回路又は受信回路)に接続される。複数の接地用脚部120が配されるそれぞれの端部と、給電用脚部130が配される端部とにより形成される面は点対称である。回路150からは、給電線を介してアンテナ装置に対して給電される。
【0030】
上述のようにアンテナ装置を接地した状態で給電すると、
図1に示す矢印の流れに沿って電流が流れる。給電した結果として電流は、アンテナ素子110の上面の重心部分から各頂点に向かって流れる。また三辺の中心から各頂点に向かって電流が流れる。このように各頂点に向かって電流が流れ、各頂点から各脚部を配線基板100に向かって電流が流れる。配線基板100に到達した電流は、配線基板100でアンテナ素子110の上面とは逆向きに流れる。
【0031】
図1に示したアンテナ装置では、アンテナ素子110により4方向に約λ/2の開口部を持つ変形ループアンテナが形成され、低姿勢で自立可能な、かつ垂直偏波で無指向性の放射特性をもつアンテナ装置を構成する。基本動作は、約1λのループアンテナであり、アンテナ素子110の天面形状とGNDである配線基板100と接続する2つの接地用脚部120、および給電用脚部130を点対象に構成することで、無指向性の放射特性を得ることができる。
図2は、本発明の実施の形態に係る天面から見た場合に三角形状となるアンテナ装置の放射特性を説明する図である。波形170は垂直偏波を示し波形180は水平偏波を示す。
【0032】
5.9GHzで動作するアンテナを例とすると、アンテナ素子を構成する容積は、アンテナ素子110を形成する正三角形の一辺を17.3mmと、各脚部の高さを4.5mmとすることができる。従来のアンテナ素子の天面部中心に給電部を設ける構造では、一辺20mm程度としなければならなかったアンテナ装置と比べて小型化することができ、約38%の小型化を実現することができる。なお、辺と高さと波長の関係については、横+縦=λ/2となるように構成するのが望ましい。
【0033】
図3は、本発明の実施の形態に係る天面から見た場合に正方形状となるアンテナ装置を説明する図である。
図3は、
図1に示したアンテナ装置の上面及び下面の形状を正三角形に替えて正方形にしたものである。
図3に示す正方形状となるアンテナ装置は、平板状の接地された配線基板200と、配線基板200に対して間隔を空けて対向配置された平板状のアンテナ素子210と、アンテナ素子210の端部に配され、それぞれの延伸先が配線基板200に接続される3つの接地用脚部220と、アンテナ素子210の端部に配され、延伸先が回路250に接続される給電用脚部230を備える。
【0034】
アンテナ素子210の上面は正方形であるので、4つの頂点を有する。
図3の例では、この4つの頂点を端部として説明する。
図3の例では、この4つの頂点、端部を結ぶことにより形成される図形は、アンテナ素子210の上面の図形と同じく、正方形である。
【0035】
3つの接地用脚部220は、アンテナ素子210の2つの端部、アンテナ素子210の4つの頂点のうちの3つに配される。そして、3つの接地用脚部220はそれぞれ、アンテナ素子210の上面及び下面から垂直、法線方向に延び、それぞれの延伸先が配線基板200に接続される。2つの接地用脚部220はそれぞれ、配線基板200に対しても垂直、法線方向から到達し、それぞれの延伸先が配線基板200に接続される。
【0036】
給電用脚部230は、アンテナ素子210の端部の1つ、アンテナ素子210の4つの頂点のうちの残り1つに配される。そして、給電用脚部230はそれぞれ、アンテナ素子210の上面及び下面から垂直、法線方向に延び、それぞれの延伸先が配線基板200に垂直、法線方向から向かう。配線基板200のうち、給電用脚部230の向かう先には穴240があけられており、給電用脚部230は、配線基板200の接地部に接しないように配線基板200の面を通過する。給電用脚部230は、最終的に給電先である回路250(送信回路又は受信回路)に接続され、給電線を介してアンテナ装置に対して給電される。
【0037】
上述のようにアンテナ装置を接地した状態で給電すると、
図3に示す矢印の流れに沿って電流が流れる。給電した結果として電流は、アンテナ素子210の上面の重心部分から各頂点に向かって流れる。また四辺の中心から各頂点に向かって電流が流れる。このように各頂点に向かって電流が流れ、各頂点から各脚部を配線基板200に向かって電流が流れる。配線基板200に到達した電流は、配線基板200でアンテナ素子210の上面とは逆向きに流れる。
【0038】
図3に示したアンテナ装置も、
図1と同様に垂直偏波で無指向性の放射特性をもつ約1λの変形ループアンテナを基本動作とする。このように構成することで、無指向性の放射特性を得ることができる。
図4は、本発明の実施の形態に係る天面から見た場合に正方形状となるアンテナ装置の放射特性を説明する図である。波形270は垂直偏波を示し、波形280は水平偏波を示す。
【0039】
5.9GHzで動作するアンテナを例とすると、アンテナ素子を構成する容積は、アンテナ素子210を形成する正方形の一辺を17mmと、各脚部の高さを4mmとすることができ、従来のアンテナ素子と比べて小型化できる。
【0040】
図1及び
図3の例では、アンテナ素子110を正三角形と、アンテナ素子210を正方形として説明したが、正多角形の範囲内で様々な形状としてもよい。また、点対称構造とすることで電流分布をループ動作させる関係上、点対称構造で
あれば正多角形でなくてもよく、例えばアンテナ装置を円形としてもよい。またアンテナ素子110及びアンテナ素子210は必ずしも平面である必要はなく、点対称構造が維持される限り、アンテナ素子110及びアンテナ素子210を曲面構造としてもよい。
【0041】
図5は、スロットアンテナに類する形態の場合の天面部の電流分布を示す図である。
図3に示したようにアンテナ装置を構成して電流を流した場合の電流分布を説明する前に、天面部に給電部を設けて4本の脚部を接地した構成にした場合の例について説明する。この従来の構成の場合、
図5の分布500に示すように、天面部の電流が複雑にキャンセルされ、側面開口部(スロット)の大きさが、動作周波数に依存する振る舞いとなる。その結果、電流分布が中心部分と端部に偏った分布となる。より具体的には分布510に示すように、矢印同士が強め合う部分と打ち消し合う部分が生じる。打ち消し合う部分については、電流の大きさがキャンセルされる。
【0042】
図6は、ループアンテナに類する形態の場合の天面部の電流分布を示す図である。
図5に示した場合に替えて、
図3に示したようにアンテナ装置を構成して電流を流した場合の電流分布を
図6を参照して説明する。この構成の場合、
図6の分布600に示すように、天面部中心部分から側面開口部にかけて、電流が流れる動作であり、小型でありながら動作長を拡大する振る舞いとなる。より具体的には分布610に示すように、矢印同士が打ち消し合う部分が
図5の場合に比べて少なくなり、全体として電流分布が均一となる。
【0043】
上述の構成により、給電点を天面側のいずれかに配置することでスロットアンテナとして動作させていたところを、本実施の形態では、給電点を脚部の1つに配置することにより、変形ループアンテナとして動作させ、それにより電流の効率を上げ、その結果として小型化、薄型化を実現することができる。
【0044】
図7は、本発明の実施の形態に係る外辺に切り欠き形状を備えたアンテナ装置を説明する図である。
図7は、
図3に示したアンテナ素子210の外辺部を切り欠いた形状としたものである。
図7のアンテナ装置は、平板状の接地された配線基板700と、配線基板700に対して間隔を空けて対向配置された平板状のアンテナ素子710と、アンテナ素子710の端部に配され、それぞれの延伸先が配線基板700に接続される3つの接地用脚部720と、アンテナ素子710の端部に配され、延伸先が回路750に接続される給電用脚部730を備える。
【0045】
図7に示したアンテナ装置は上記の構成に加え、アンテナ素子710のうち、複数の接地用脚部720と給電用脚部730のうち隣接するいずれか2つが配される端部の間を結ぶ外辺部分のそれぞれを、少なくとも一部において切り欠いた形状とする切り欠き部760をさらに備える。そして、複数の接地用脚部720及び給電用脚部730は、外辺部分のそれぞれについて切り欠かれていない部分の延伸先から接続される。
【0046】
切り欠き部760はアンテナ素子710から切断された部分であり、この切断部分である切り欠き部760により切り欠かれていない場合、アンテナ素子710を含むアンテナ装置は、
図3に示したアンテナ装置の構成と同一となる。切り欠き部760の形状は、アンテナ素子710の各外辺の中心点から、頂点の1つの方向に向かいつつ、その手前までの長さを一片とする長方形である。切り欠き部710の他の一片は、外辺部分から垂直に、すなわちアンテナ素子710の重心に向かって延びる部分であり、外辺部分に沿った部分よりも短い。
【0047】
以上の切り欠き部760が、アンテナ素子710の四辺のそれぞれに設けられ、その結果として全体としてアンテナ素子710は切り欠き部760を備えた後も点対称の構造となる。したがって4つの切り欠き部760は、全体として点対称となるように配置し、ある切り欠き部760が外辺上で左に寄っている場合、他の3つの外辺でもそれぞれ左に寄った位置に切り欠き部760を配置することで全体として点対称構造とする。なお、全体として点対称構造となればよいので、切り欠かれた後の外辺をそれぞれさらに延ばした構造としてもよく、逆に短縮した構造としてもよい。電流、電界が所望の分布となるような適切な構造とする。
【0048】
図8は、本発明の実施の形態に係るアンテナ装置を組み立てる前の構成を示す図である。
図7ではアンテナ素子710を含むアンテナ装置の配置関係を示したが、
図7に示すアンテナ素子710を形成するための形状について
図8を参照して説明する。もちろん
図3に示した正方形のアンテナ素子210のうち4か所を切り欠いてさらに脚部を配置してもよいが、
図8に示すように切り欠き部760のうち頂点に近い部分から延びる部分を切り欠かずない構成とすることもできる。この場合、頂点から延びる3つの部分がそれぞれ接地用脚部720であり、他の1つの部分が給電用脚部730を形成する。これらの脚部は、いずれも直角に折り曲げることにより、
図7に示した配置となる。
【0049】
図7に示したアンテナ装置も、
図1と同様に垂直偏波で無指向性の放射特性をもつ約1λの変形ループアンテナを基本動作とする。このように構成することで、無指向性の放射特性を得ることができる。
図9は、本発明の実施の形態に係る切り欠きを備えたアンテナ装置の放射特性を説明する図である。波形770は垂直偏波を示し、波形780は水平偏波を示す。
【0050】
5.9GHzで動作するアンテナを例とすると、アンテナ素子を構成する容積は、アンテナ素子210を形成する正方形の一辺を15.8mmと、各脚部の高さを4mmとすることができ、従来のアンテナ素子と比べて小型化できる。このように、接地用脚部720、給電用脚部730近傍に、高周波電流の迂回路となるスリットや、折り曲げ辺を構成することで、アンテナの放射特性と動作周波数を維持しながら、アンテナの投影面積の縮小ができる。
【0051】
図10は、本発明の実施の形態に係る外辺に切り欠き形状を備えた上に脚部に幅を持たせた第2のアンテナ装置を説明する図である。
図7では、切り欠き部760を備えたアンテナ装置について示したが、
図10ではこれをさらに脚部を幅広くしたものについて説明する。
図10のアンテナ装置は、平板状の接地された配線基板800と、配線基板800に対して間隔を空けて対向配置された平板状のアンテナ素子810と、アンテナ素子810の端部に配され、それぞれの延伸先が配線基板800に接続される3つの接地用脚部820と、アンテナ素子810の端部に配され、延伸先が回路850に接続される給電用脚部830を備える。
図11は、本発明の実施の形態に係る、外辺に切り欠き形状を備えた上に脚部に幅を持たせた第2のアンテナ装置を上部と側部から示す図である。
【0052】
さらに、アンテナ素子810のうち、複数の接地用脚部820と給電用脚部830のうち隣接するいずれか2つが配される端部の間を結ぶ外辺部分のそれぞれを、少なくとも一部において切り欠いた形状とする切り欠き部860をさらに備える。そして、複数の接地用脚部820及び給電用脚部830は、それぞれの外辺部分のうち切り欠かれていない部分から延びて面状に形成される。
【0053】
このように、
図10に示したアンテナ装置の構成は基本的には
図7に示したアンテナ装置の構成と同じであるが、脚部が面上に形成される点で異なる。このように構成することにより、脚部が安定するのでアンテナ装置全体として構造的に安定するとともに、アンテナ素子と接地面との容量が大きくなるため、全体としてさらに小型化することができる。
【0054】
図10に示したアンテナ装置も、
図1と同様に垂直偏波で無指向性の放射特性をもつ約1λの変形ループアンテナを基本動作とする。このように構成することで、無指向性の放射特性を得ることができる。
図12は、本発明の実施の形態に係る切り欠きを備えた第2のアンテナ装置の放射特性を説明する図である。波形870は垂直偏波を示し、波形880は水平偏波を示す。5.9GHzで動作するアンテナを例とすると、アンテナ素子を構成する容積は、アンテナ素子210を形成する正方形の一辺を15mmと、各脚部の高さを4mmとすることができ、従来のアンテナ素子と比べて小型化できる。
【0055】
以上のように、各図を参照して点対称構造を採用し、脚部の1つを接地部分に替えて給電用の構成とした場合について説明した。この構成によれば、点対称となる形状の一端から給電され、他端で接地することから、電流分布が回転対称でループ動作し、電流が複雑にキャンセルしあう状況を解消することができる。その結果、適切な大きさの動作長を確保することができるので、動作長の大きさを確保しつつも小型化を実現することができる。
【0056】
本発明は上述した実施形態には限定されない。すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
【0057】
例えば、上述した実施形態では、2つあるいは3つの接地用脚部を備えたアンテナ装置を例示したが、接地用脚部は4つ以上であってもよい。