アンテナ装置
【課題】アンテナモジュールの基本構成を変更することなく、簡単な作業のみでアンテナ指向特性を側方指向特性、前方指向特性又は全方向特性といった具合に切り替えることができること。
【解決手段】このアンテナ装置1は、誘電体基板2と、誘電体基板2上に形成されたスロット4からなるアンテナ素子6と、誘電体基板2上に形成された導体パターン3からなるアンテナ素子7,8と、を具備し、スロット4からなるアンテナ素子7及び導体パターン3からなるアンテナ素子7,8は、それぞれの電界の方向が同一になるように設けられる共に、誘電体基板2上のアンテナ形成面におけるスロット4からなるアンテナ素子6と導体パターン3からなるアンテナ素子7,8とに囲まれた領域又はアンテナ素子形成面の裏面における領域に対応する領域に電子回路が搭載可能に構成したものである。
【解決手段】このアンテナ装置1は、誘電体基板2と、誘電体基板2上に形成されたスロット4からなるアンテナ素子6と、誘電体基板2上に形成された導体パターン3からなるアンテナ素子7,8と、を具備し、スロット4からなるアンテナ素子7及び導体パターン3からなるアンテナ素子7,8は、それぞれの電界の方向が同一になるように設けられる共に、誘電体基板2上のアンテナ形成面におけるスロット4からなるアンテナ素子6と導体パターン3からなるアンテナ素子7,8とに囲まれた領域又はアンテナ素子形成面の裏面における領域に対応する領域に電子回路が搭載可能に構成したものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、複数のアンテナ素子を備えて指向性を切替え可能なアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、アンテナの指向特性を制御可能にしたスロットアンテナ装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載のアンテナ装置は、誘電体基板の主面に給電部を有するスロットからなる給電アンテナ素子を設け、その給電アンテナ素子からλ/4(λは電波の波長)だけ離れた対称位置に2つのスロットを形成して無給電アンテナ素子を構成し、無給電アンテナ素子にバラクタダイオードを装荷している。指向性制御部が無給電アンテナ素子に装荷したバラクタダイオードの容量を制御することにより、アンテナ指向性を電気的に切替可能なアレーアンテナを構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2005−253043号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、上記従来のスロットアンテナ装置は、無給電アンテナ素子に装荷したバラクタダイオードの容量を制御することでアンテナ指向特性を変えることは可能であるが、例えば指向特性を基板側方に向いた側方指向特性から基板主面と直交する前方に向いた前方指向特性に切り替えることまでは出来ない。
【0005】
多様なアプリケーションに対応してアンテナ装置に要求される指向特性も側方指向特性、前方指向特性又は全方向特性といった具合に異なるが、アンテナモジュールの基本設計を変更することなく、アンテナ指向特性を大きく切り替えることは困難であった。そのため、アンテナ指向特性に応じてアンテナモジュールを再設計しなければならなかった。
【0006】
また、上記従来のスロットアンテナ装置では、誘電体基板中央に、同一方向に指向特性を持つように、3つのスロットを所定のピッチで同一方向に並べてアレーアンテナを構成している。従って、アレーアンテナ全体の基板占有面積、又は指向特性方向における基板サイズが大きくなり、この基板上にさらに電子回路モジュールを実装した場合には、アンテナ装置全体が大型化してしまう問題があった。
【0007】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、アンテナモジュールの基本構成は変更することなく、アンテナ装置の小型化が可能であり、多様なアプリケーションに対応して、アンテナ指向特性を側方指向特性、前方指向特性又は全方向指向特性といった具合に切り替え可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明のアンテナ装置は、誘電体基板と、前記誘電体基板上に形成されたスロットからなるアンテナ素子と、前記誘電体基板上に形成された導体パターンからなるアンテナ素子と、を具備し、前記スロットからなるアンテナ素子及び導体パターンからなるアンテナ素子は、それぞれの電界の方向が同一になるように設けられる共に、前記誘電体基板上のアンテナ形成面における前記スロットからなるアンテナ素子と前記導体パターンからなるアンテナ素子とに囲まれた領域又は前記アンテナ素子形成面の裏面における前記領域に対応する領域に電子回路が搭載可能に構成されていることを特徴とする。
【0009】
この構成によれば、スロットと導体パターンとの異なる種類のアンテナ素子の電界方向が同一方向になるように設けてアレーアンテナを構成し、アンテナ形成面における両アンテナ素子で囲まれた領域又はその裏面における当該領域に対応する領域に電子回路を実装することができる。従って、例えば、スロットからなるアンテナ素子を誘電体基板の外縁部に設けると共に導体パターンからなるアンテナ素子を当該外縁部に隣接する他の外縁部に各電界方向が同一になるように設ければ、これらアンテナ素子に囲まれた誘電体基板中央にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
【0010】
上記アンテナ装置において、前記スロットからなるアンテナ素子及び導体パターンからなるアンテナ素子のうち、少なくとも1つは給電アンテナ素子で構成することができる。
【0011】
この構成によれば、例えば、スロットからなるアンテナ素子を給電アンテナ素子で構成すれば、給電アンテナ素子であるスロットから放射された電波で無給電素子である導体パターンを励振でき、無給電アンテナ素子である第2のアンテナ素子の電気長を変えるだけで、アンテナモジュールの基本構成は変更することなく、アンテナ指向特性を切り替えることができる。
【0012】
上記アンテナ装置において、前記誘電体基板は、一方の面に接地導体が形成され、前記給電アンテナ素子は、前記接地導体内に形成されたスロットからなり、前記無給電アンテナ素子は、前記誘電体基板の前記一方の面に前記給電アンテナ素子と所定の角度をなして配置された導体パターンからなることを特徴とする。
【0013】
この構成によれば、スロットで構成された給電アンテナ素子と導体パターンで構成された無給電アンテナ素子とを所定の角度を持たせて配置することで、給電アンテナ素子から放射される電波で無給電アンテナ素子を励振でき、無給電アンテナ素子の電気長を変えるだけで、アンテナモジュールの基本構成は変更することなく、アンテナ指向特性を切り替えることができる。従って、アンテナモジュール一体化製品を実装する場合でも、アンテナの指向性に応じてアンテナモジュールの再設計が不要となり、無駄な設計コストを抑制することができる。
【0014】
上記アンテナ装置において、前記導体パターンからなる無給電アンテナ素子は、一端が前記接地導体に接続され、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたモノポールアンテナ素子で構成することができる。
【0015】
上記アンテナ装置において、前記スロットからなる給電アンテナ素子は、一方が開口されたハーフスロットからなり、前記給電アンテナ素子への給電が、前記ハーフスロットの開口側の位置で行われる構成とすることができる。
【0016】
上記アンテナ装置において、前記導体パターンからなる無給電アンテナ素子は、両端が開放されると共に電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたダイポールアンテナ素子で構成することができる。
【0017】
上記アンテナ装置において、前記スロットからなる給電アンテナ素子は、互いに平行に配置された2つの給電アンテナ素子からなり、前記給電アンテナ素子への給電が、前記スロットの長手方向の略中間位置でそれぞれ行われる構成とすることができる。
【0018】
上記アンテナ装置において、前記誘電体基板は、一方の面に接地導体が形成され、前記給電アンテナ素子は、前記誘電体基板上に形成された導体パターンからなり、前記無給電アンテナ素子は、前記接地導体内に形成されたスロットからなることを特徴とする。
【0019】
この構成によれば、導体パターンで構成された給電アンテナ素子とスロットで構成された無給電アンテナ素子とを所定の角度を持たせて配置することで、給電アンテナ素子から放射される電波で無給電アンテナ素子を励振でき、無給電アンテナ素子の電気長を変えるだけで、アンテナモジュールの基本構成は変更することなく、アンテナ指向特性を切り替えることができる。従って、アンテナモジュール一体化製品を実装する場合でも、アンテナの指向性に応じてアンテナモジュールの再設計が不要となり、無駄な設計コストを抑制することができる。
【0020】
上記アンテナ装置において、前記スロットからなる無給電アンテナ素子は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたスロットアンテナからなる構成とすることができる。
【0021】
上記アンテナ装置において、前記スロットからなる無給電アンテナ素子は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたハーフスロットアンテナからなる構成とすることができる。
【0022】
上記アンテナ装置において、前記導体パターンからなる給電アンテナ素子は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたモノポールアンテナである構成とすることができる。
【0023】
上記アンテナ装置において、前記導体パターンからなる給電アンテナ素子は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたダイポールアンテナである構成とすることができる。
【0024】
上記アンテナ装置において、前記導体パターンからなる給電アンテナ素子は、互いに平行に配置された2つの給電アンテナ素子からなり、各給電アンテナ素子への給電が、前記各給電アンテナ素子の略中間位置でそれぞれ行われる構成とすることができる。
【0025】
また本発明は、上記アンテナ装置において、前記無給電アンテナ素子は、アンテナの指向特性が当該無給電アンテナ素子の電気長を調整することで、前記誘電体基板の基板面に対して垂直方向となる正面指向特性、前記スロットの長手方向で前記誘電体基板の側方となる側方指向特性、又は全方向指向特性のいずれかを選択可能であることを特徴とする。
【0026】
この構成により、アンテナ共振周波数の波長λとして、無給電アンテナ素子の電気長をλ/2よりも僅かに長くすることで、無給電アンテナ素子を反射器として動作させることができ、反射器として動作する無給電アンテナ素子の指向特性と給電アンテナ素子の指向特性との合成により、前方指向特性を達成できる。また、無給電アンテナ素子の電気長をλ/2よりも僅かに短くすることで、無給電アンテナ素子を導波器として動作させることができ、導波器として動作する無給電アンテナ素子の指向特性と給電アンテナ素子の指向特性との合成により、側方指向特性を達成できる。また、無給電アンテナ素子の電気長をλ/2にすることで、全方向指向特性を達成できる。
【0027】
また本発明は、上記アンテナ装置において、前記無給電アンテナ素子は、前記接地導体に対して非導体部を介して隔てられた導体パターンからなり、前記導体パターンの一部が所望の指向特性となるようにトリミングされていることを特徴とする。
【0028】
この構成により、導体パターンの一部をトリミングすることにより、無給電アンテナ素子の電気長を調整することができ、トリミングによって所望の指向特性を選択できる。
【0029】
また本発明は、上記アンテナ装置において、前記無給電アンテナ素子にインピーダンス可変素子が接続され、前記インピーダンス可変素子のインピーダンス値を電気的に可変させて前記無給電アンテナ素子の電気長を調整することを特徴とする。
【0030】
この構成により、インピーダンス可変素子のインピーダンス値を電気的に可変させて前記無給電アンテナ素子の電気長を調整することができるので、動的に指向特性を変更することができる。
【0031】
上記アンテナ装置において、前記給電アンテナ素子と前記無給電アンテナ素子とのなす角度が直角又はその近傍であることが望ましい。これにより、給電アンテナ素子と無給電アンテナ素子の電界方向が略同一方向となり、給電アンテナ素子と無給電アンテナ素子を組み合わせたアレイアンテナが実現される。
【0032】
上記アンテナ装置において、前記無給電アンテナ素子は、前記給電アンテナ素子の中心点からアンテナ共振周波数の波長の略1/4から略1/2の位置に配置されている。これにより、たとえば、無給電アンテナ素子を給電アンテナ素子の中心点からアンテナ共振周波数の波長の略1/4の位置に配置した場合には、一対の無給電アンテナ素子の間隔がλ/2となり、アレイアンテナとして機能する。
【0033】
また本発明は、上記アンテナ装置において、前記誘電体基板は方形状をなしており、前記給電アンテナ素子は、方形状をなす前記誘電体基板の一辺に沿って設けられており、前記無給電アンテナ素子は、前記給電アンテナ素子が設けられた一辺に対して垂直な辺に沿って設けられていることを特徴とする。
【0034】
この構成により、誘電体基板の中央部には大きなスペースを確保でき、その部分に電子回路を構成する電子部品を設置することができる。
【0035】
上記アンテナ装置において、前記無給電アンテナ素子は、前記導体部が、前記給電アンテナ素子が設けられた一辺に対して垂直な辺に沿って形成された主導体部と、前記主導体部の両端から前記給電アンテナ素子と平行方向に延出した延出部とを有する構成としても良い。
【0036】
また本発明は、上記アンテナ装置において、前記給電アンテナ素子は、当該給電アンテナ素子の中央から両側に所定距離離れた2箇所にて給電する給電部を有することを特徴とする。
【0037】
この構成により、電界が集中するスロットの中央部から離れた位置で給電することにより、所要のアンテナ共振周波数に対してスロット長を確保でき、バランスがとれていて強い指向特性を達成することができる。
【0038】
上記アンテナ装置において、前記誘電体基板の一方の面及び又は他方の面に、電子回路を構成する電気部品が搭載され、前記電子回路は前記給電アンテナに接続されている構成とすることができる。
【発明の効果】
【0039】
本発明によれば、アンテナモジュールの基本構成を変更することなく、アンテナ装置の大型化を防止して、簡単な作業のみでアンテナ指向特性を側方指向特性、前方指向特性又は全方向特性といった具合に切り替えることができ、アンテナモジュールの再設計及び再認証といった負担を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係るアンテナ装置の構成図
【図2】本実施の形態に係るアンテナ装置の指向特性を示す図
【図3】本実施の形態に係るアンテナ装置の共振周波数特性を示す図
【図4】本実施の形態に係るアンテナ装置の指向特性を示す図
【図5】本実施の形態に係るアンテナ装置の指向特性を示す図
【図6】第1の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例1の構成図
【図7】第1の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例2の構成図
【図8】第1の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例3の構成図
【図9】本発明の第2の実施の形態に係るアンテナ装置の構成図
【図10】第2の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例1の構成図
【図11】第2の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例2の構成図
【図12】第2の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例3の構成図
【図13】本発明の第3の実施の形態に係るアンテナ装置の構成図
【図14】無給電アンテナ素子の電気長Mをλ/2+αとした場合の指向特性を示す図
【図15】無給電アンテナ素子の電気長Mをλ/2−αとした場合の指向特性を示す図
【図16】無給電アンテナ素子の電気長Mをλ/2とした場合の指向特性を示す図
【図17】本実施の形態に係るアンテナ装置の共振周波数特性を示す図
【図18】第3の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例の構成図
【発明を実施するための形態】
【0041】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【0042】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図1では、誘電体基板をグランド形成面側から見た状態を示している。図1に示すように、アンテナ装置1は、平面視矩形状の誘電体基板(回路基板)2を備えている。誘電体基板2には、外周縁部を除く主面に銅泊からなるグランドパターン3が形成されている。本実施の形態では誘電体基板2の全体形状は長方形状で構成されているが、正方形状又は実機器に組み込むために周辺機器の形状に合わせたその他の形状でも良い。以下では、誘電体基板2の一方(下側)の長辺を第1の辺部L1、第1の辺部L1に隣接する2つの短辺を第2,第3の辺部L2,L3、第1の辺部L1に対向する他方(上側)の長辺を第4の辺部L4、として説明する。
【0043】
誘電体基板2の第1の辺部L1の近傍には、グランドパターン3の下側外縁部を一部残すようにして、当該第1の辺部L1に沿って平行にスロット4が形成されている。スロット4は、所定幅で帯状に延びる平面視長方形状に形成されると共に、誘電体基板2の第1の辺部L1の中心から左右方向に同じ長さに形成されている。スロット4には、給電部となる給電ライン5が設けられている。給電ライン5は、2本のライン給電部5a,5bに分岐されており、2本のライン給電部5a,5bがスロット4の長手方向の中心を挟んで対称位置にてスロット4の長手方向と直交する方向に架け渡されている。スロット4及び給電ライン6は、スロットアンテナからなる給電アンテナ素子(放射器)6を構成している。この給電アンテナ素子6は、後述する無給電アンテナ素子7、8と電界の方向が略同一方向となるように形成されている。
【0044】
誘電体基板2の主面において、第2,第3の辺部L2,L3の側方外縁部が、グランドパターン3の一部を残すようにして、第2,第3の辺部L2,L3に沿って所定幅の銅箔が除去され、銅箔が除去された領域には、グランドパターン3の残余部3a,3bからなる平面視L字状の無給電アンテナ素子(放射器)7,8がそれぞれ形成されている。上述したように、これら無給電アンテナ素子7,8は、それぞれ給電アンテナ素子6との電界の方向が略同一方向となるように形成されている。また、無給電アンテナ素子7,8は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたモノポールアンテナで構成されている。以下、第2の辺部L2に沿って銅箔が除去された領域を銅箔除去領域A1と呼び、第3の辺部L3に沿って銅箔が除去された領域を銅箔除去領域A2と呼ぶ。銅箔除去領域A1側の無給電アンテナ素子7は、隣接するグランドパターン3の第4の辺部L4側の角部から第4の辺部L4に沿って第2の辺部L2側に向かって直線状に形成され、誘電体基板3の角部で第1の辺部L1側に直角に折り曲げられ、第2の辺部L2に沿って第1の辺部L1の近傍までミアンダ形状に形成されている。一方、銅箔除去領域A2に設けられた無給電アンテナ素子8は、隣接するグランドパターン3の第4の辺部L4側の角部から第4の辺部L4に沿って第3の辺部L3側に向かって直線状に形成され、誘電体基板3の角部で第1の辺部L1側に折り曲げられ、第3の辺部L3に沿って第1の辺部L1の近傍までミアンダ形状に形成されている。その結果、誘電体基板2における主に第2の辺部L2に沿って延在するグランドパターン3の残余部3aによって、スロット4の長手方向と直交する方向に延在する無給電アンテナ素子7が形成され、同様に主に第3の辺部L3に沿って延在するグランドパターン3の残余部3bによって、スロット4の長手方向と直交する方向に延在する無給電アンテナ素子8が形成されている。無給電アンテナ素子7,8は、スロット4の長手方向の中心位置からアンテナ共振周波数の波長λの略1/4の位置にそれぞれ形成されている。
【0045】
このようにスロットアンテナからなる給電アンテナ素子6とモノポールアンテナからなる無給電アンテナ素子7及び8とが、互いの電界方向が略同一方向となるように方形状をなす誘電体基板2の外周縁部に沿って形成されている。そして、これら3本のアンテナ素子6,7,8で囲まれた誘電体基板2上のアンテナ素子形成面における基板中央部(領域)及び誘電体基板2の裏面における当該基板中央部に対応する領域には、電子回路を構成する電気部品が実装可能に構成されている。これにより、誘電体基板2中央の大きなスペースにアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができ、アンテナ装置全体を小型化することができる。
【0046】
また、給電アンテナ素子6を構成するスロット4と、無給電アンテナ素子7,8を構成する導体パターン(導体部)とは直交している。給電アンテナ素子6は、給電によって生じる表面電流の向きがスロット4の長手方向(Y方向)となり、放射電界方向はスロット4の長手方向と直交する方向(X方向)となる。一方、無給電アンテナ素子7,8は、主に第2,第3の辺部L2,L3と平行なX方向に延びるモノポールアンテナを構成しており、励振時に生じる電流の向きがX方向となり、電界方向もX方向となる。このため、給電アンテナ素子6と、無給電アンテナ素子7,8とは、励振時の電界方向が略同一方向となるので、給電アンテナ素子6と無給電アンテナ素子7,8とが励振時の放射電界位相関係で互いの電界をZ方向では合成して放射され、Y方向では打ち消す関係で放射を抑えられ、直交配置された給電スロットアンテナと無給電モノポールアンテナ素子でアレイアンテナを構成することができる。
【0047】
一対の無給電アンテナ素子7,8は、スロット4の中心位置からそれぞれ略λ/8〜λ/4だけ離れている。無給電アンテナ素子7,8では、λ/4〜λ/2離れていて、アレイアンテナとして機能する。上記した通り、給電アンテナ素子6と無給電アンテナ素子7,8の電界方向は略同一方向であるので、モノポールアンテナからなる一対の無給電アンテナ素子7,8と、スロットアンテナからなる給電アンテナ素子6とでアレイアンテナを構成することができる。
【0048】
次に、以上のように構成されたアンテナ装置1の指向特性について説明する。
スロットアンテナで構成される給電アンテナ素子6は、スロット4の中心を挟んで左右の対称位置に架け渡された2本のライン給電部5a,5bによって給電される構成としている。これにより、相対的に電界の強いスロット中央部から外れた位置に給電ラインを配置するので、電界の強いスロット中央部に給電ラインを配置する構成に比べて、スロット長を確保して指向特性を強くすることができる。ただし、スロットアンテナとして機能させるのであれば、給電箇所は1か所でもよい。
【0049】
スロットアンテナは、原則としてスロット中心位置で電界が最大で磁界が最小となり、スロット端部位置で電界が最小で磁界が最大となる。スロットアンテナにおいてスロット中央部は電界が集中している。スロットアンテナを共振回路とみなせば、電界が集中している場所に給電ラインを配置することで共振周波数が低下することを意味する。共振回路(スロットアンテナ)の共振周波数を維持するのであれば、スロット長を短くしなければならない。ところが、スロットアンテナのスロット長を短縮すると、スロット両端での位相差が小さくなり指向特性が劣化する。そこで、図1に示すように、電界が集中しているスロット中央部を避けて、スロット中央部に比べて電界集中が少ないスロット中央部から離間した位置にライン給電部5a,5bを配置することとした。これにより、アンテナに要求される共振周波数を達成しつつ、充分なスロット長を維持することができ、指向特性の強いアンテナを実現できる。また、一対のライン給電部5a,5bは、スロット中央部から離間した対称位置に配置されているので、指向特性も対称にすることができる。
【0050】
一方、無給電アンテナ素子7,8は、電気長Mがλ/4に設定されている。無給電アンテナ素子7,8は電気長Mが略λ/4の時に共振周波数f0に対して最も効率よく励振されるが、無給電アンテナ素子7,8が共振周波数f0に対してアンテナとして機能する程度に励振する範囲を、λ/4を基準としたその近傍(±α)に設定してもよい。なお、無給電アンテナ素子7、8の電気長Mは、導体パターン(導体部)の物理長だけでなく、周辺環境にも影響される。
【0051】
無給電アンテナ素子7,8の製造段階では、電気長Mがλ/4+αとなるように設定し、用途に応じて求められる指向特性に応じて、所望の指向特性を実現する電気長となるように調整することが可能である。無給電アンテナ素子7,8の電気長は、無給電アンテナ素子7,8を構成するグランドパターン3の自由端部側をトリミングすることにより調整できる。
【0052】
また、無給電アンテナ素子7,8は、無給電アンテナ素子7,8の電気長Mがλ/4よりも長ければ(λ/4+α)、反射器として機能する。図1において、基板右端に位置する無給電アンテナ素子7が反射器として機能する場合、給電アンテナ素子6から放射され基板中央側から入射する電波を基板中央側へ反射させる。また、基板左端に位置する無給電アンテナ素子8が反射器として機能する場合、給電アンテナ素子6から放射される基板中央側から入射する電波を基板中央側へ反射させる。その結果、基板左右方向から基板中央方向に向けて反射された電波と、無給電アンテナ素子7,8から放射される電波と、給電アンテナ素子6からの放射電波とが合成され、基板面に対して垂直となる前方方向(図1に示すZ方向)に合成された電波が放射される前方指向特性となる。
【0053】
図2は、無給電アンテナ素子7,8の電気長MをM=λ/4+αとした場合の、アンテナ装置1の指向特性を示している。同図(a)はアンテナ指向特性の3次元空間における指向特性、同図(b)はY−Z平面における指向特性、同図(c)はX−Z平面における指向特性、同図(d)はX−Y平面における指向特性を示している。図2(a)(b)に示すように、無給電アンテナ素子7,8の電気長M=λ/4+αとした場合、基板面と垂直なZ方向への指向特性が強く出ており、前方指向特性となっていることがわかる。
【0054】
図3は、アンテナ装置1の指向特性を前方指向特性に設定した場合の、共振特性を示す図である。アンテナ装置1の共振周波数である共振ポイントは2.45GHzが現われており、無給電アンテナ素子7,8が反射器として動作していることが判る。
【0055】
一方、無給電アンテナ素子7,8は、電気長Mがλ/4よりも小さければ(M=λ/4−α)、導波器として機能する。図1において、基板右端に位置する無給電アンテナ素子7が導波器として機能する場合、給電アンテナ素子6から放射され基板中央側から入射する電波で励振して基板右側方向へ電波を放射する。また、基板左端に位置する無給電アンテナ素子8が導波器として機能する場合、給電アンテナ素子6から放射され基板中央側から入射する電波で励振して基板左側方向へ電波を放射する。その結果、基板左右方向の端部に設けられた無給電アンテナ素子7,8から基板側方(左方向及び右方向)へ放射される側方指向特性となる。
【0056】
図4は、無給電アンテナ素子7,8の電気長をM=λ/4−αとした場合の、アンテナ装置1の指向特性を示している。同図(a)はアンテナ指向特性の3次元空間における指向特性、同図(b)はY−Z平面における指向特性、同図(c)はX−Z平面における指向特性、同図(d)はX−Y平面における指向特性を示している。図4(a)(b)に示すように、無給電アンテナ素子7,8の電気長M=λ/4−αとした場合、基板側方となるY方向への指向特性が強く出ており、側方指向特性となっていることがわかる。
【0057】
また、無給電アンテナ素子7,8は、電気長Mがλ/4である場合、反射器及び導波器として機能しないで、ほぼ全方向の指向特性となる。したがって、無給電アンテナ素子7,8から全方向に放射される電波と、給電アンテナ素子6から放射される電波とが合成され、Z−Y平面の全方向に合成された電波が放射される全方向指向特性となる。
【0058】
図5は、無給電アンテナ素子7,8の電気長をM=λ/4とした場合の、アンテナ装置1の指向特性を示している。同図(a)はアンテナ指向特性の3次元空間における指向特性、同図(b)はY−Z平面における指向特性、同図(c)はX−Z平面における指向特性、同図(d)はX−Y平面における指向特性を示している。図5(a)(b)に示すように、無給電アンテナ素子7,8の電気長M=λ/4とした場合、Z−Y平面の全方向に合成された電波が均等に放射される全方指向特性となっていることがわかる。
【0059】
このように、本実施の形態によれば、給電型のスロット4からなる給電スロットアンテナと無給電型のグランドパターン3からなる無給電アンテナといった異なる種類のアンテナ素子の電界方向が同一方向になるように設けてアレーアンテナを構成し、アンテナ形成面におけるこれらアンテナ素子で囲まれた領域又はその裏面における当該領域に対応する領域に電子回路を実装することができるようにした。本実施の形態では、スロット4からなる給電アンテナ素子6を誘電体基板2の第1の辺部LIに沿って設け、グランドパターン3からなる無給電アンテナ素子7,8を給電アンテナ素子6との電界方向が略同一方向となるように、第1の辺部L1に隣接する第2の辺部L2及び第3の辺部L3に沿って設けている。これにより、これら複数のアンテナ素子6,7,8に囲まれた誘電体基板2の中央部にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
【0060】
なお、本実施の形態では、放射器を種類の異なるアンテナ素子の組み合わせた構成(スロット4からなる給電アンテナ素子(給電スロットアンテナ)6及び導体パターンからなる無給電アンテナ素子(無給電モノポールアンテナ)7,8)としたが、この構成に限定されるものではない。例えば、放射器を、給電スロットアンテナのみや、給電ダイポールアンテナ及び無給電スロットアンテナ、無給電ダイポールアンテナで構成してもよい。
【0061】
(変形例1)
次に、第1の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例について説明する。図6は、変形例1に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図6に示すように、変形例1に係るアンテナ装置10は、上記図1に示すアンテナ装置1と比べて、グランドパターン3の残余部からなる無給電アンテナ素子がダイポールアンテナで構成されている点のみ相違している。
【0062】
図6に示すように、銅箔除去領域A1側の無給電アンテナ素子11は、所定幅の帯状に形成され、第2の辺部L2に沿って直線状に形成されている。同様に、銅箔除去領域A2側の無給電アンテナ素子12は、所定幅の帯状に形成され、第3の辺部L3に沿って直線状に形成されている。すなわち、誘電体基板2における第2の辺部L2に沿って延在するグランドパターン3の残余部3cによって、スロット4の長手方向と直交する方向に延在する無給電アンテナ素子11が形成され、同様に第3の辺部L3に沿って延在するグランドパターン3の残余部3dによって、スロット4の長手方向と直交する方向に延在する無給電アンテナ素子12が形成されている。これら無給電アンテナ素子11,12は、給電アンテナ素子6との電界の方向が略同一方向となるように形成されている。また、無給電素子11,12は、それぞれ両端部が開放され、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたダイポールアンテナとして構成されている。これにより、複数のアンテナ素子6,11,12に囲まれた誘電体基板2の中央部にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
【0063】
(変形例2)
図7は、変形例2に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図7に示すように、変形例2に係るアンテナ装置20は、上記図6に示すアンテナ装置10と比べて、スロットからなる2つの給電アンテナ素子から構成されている点のみ相違している。
【0064】
図7に示すように、誘電体基板2の第1の辺部L1の近傍には、グランドパターン3の下側外縁部を一部残すようにして、当該第1の辺部L1に沿って平行にスロット21が形成され、第4の辺部L4の近傍には、グランドパターン3の上側外縁部を一部残すようにして、当該第4辺の辺部L4に沿って平行にスロット22が形成されている。すなわち、スロット21とスロット22とが対向して、グランドパターン3の第1の辺部L1及び第4の辺部L4近傍に形成されている。スロット21及び22は、所定幅で帯状に延びる平面視長方形状に形成されると共に、誘電体基板2の第1の辺部L1及び第4の辺部L4の中心から左右方向に同じ長さに形成されている。スロット21及び22には、給電部となる給電ライン23が設けられており、給電ライン23のライン給電部23a及び23bは、スロット21及び22の長手方向の略中間位置にてスロット21及び22の長手方向と直交する方向に架け渡されている。スロット21及び給電ライン23は、スロットアンテナからなる給電アンテナ素子24を構成し、スロット22及び給電ライン23が、スロットアンテナからなる給電アンテナ素子25を構成している。これら給電アンテナ素子24,25は、無給電アンテナ素子11,12との電界の方向が略同一方向となるように形成されている。これにより、複数のアンテナ素子11,12,24,25に囲まれた誘電体基板2の中央部にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
【0065】
(変形例3)
図8は、変形例3に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図8に示すように、変形例3に係るアンテナ装置30は、ハーフスロット31で構成された給電アンテナ素子32と、グランドパターン3の残余部3e,3fで構成された2つの無給電アンテナ素子33,34とを備えている。
【0066】
誘電体基板2の主面において、銅箔除去領域A1側の無給電アンテナ素子33は、隣接するグランドパターン3の第4の辺部L4側の角部から第4の辺部L4に沿って第2の辺部L2側に向かって直線状に形成され、誘電体基板3の角部で第1の辺部L1側に直角に折り曲げられ、第2の辺部L2に沿って第1の辺部L1の近傍までストレート形状に形成されている。一方、銅箔除去領域A2に設けられた無給電アンテナ素子34は、隣接するグランドパターン3の第4の辺部L4側の角部から第4の辺部L4に沿って第3の辺部L3側に向かって直線状に形成され、誘電体基板3の角部で第1の辺部L1側に折り曲げられ、第3の辺部L3に沿って第1の辺部L1の近傍までストレート形状に形成されている。なお、無給電アンテナ素子33,34のストレート形状部分は、図1に示す無給電アンテナ素子7,8と同様にミアンダ形状で形成してもよい。無給電アンテナ素子33,34は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたモノポールアンテナを構成している。
【0067】
誘電体基板2の第1の辺部L1の近傍は、グランドパターン3の下側外縁部を一部残すようにして銅箔が除去されている。そして、この銅箔が除去された領域には、当該第1の辺部L1に沿って平行に、グランドパターン3の残余部3gの一端部側(第3の辺部L3側)が開口したハーフスロット31が形成されている。ハーフスロット31には、給電部となる給電ライン35が設けられ、開口側位置にて、給電ライン35がハーフスロット31の長手方向と直交する方向に架け渡されている。ハーフスロット31及び給電ライン35は、ハーフスロットアンテナからなる給電アンテナ素子32を構成している。この給電アンテナ素子32は、無給電アンテナ素子33及び34との電界の方向が略同一方向となるように形成されている。これにより、複数のアンテナ素子31,33,34に囲まれた誘電体基板2の中央部にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
【0068】
(第2の実施の形態)
上記第1の実施の形態に係るアンテナ装置は、スロットで給電アンテナ素子を構成し、導体パターンで無給電アンテナ素子を構成した。第2の実施の形態に係るアンテナ装置は、導体パターンで給電アンテナ素子を構成し、スロットで無給電アンテナ素子を構成するものである。
【0069】
図9は、本発明の第2の実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図9に示すアンテナ装置40の誘電体基板2には、誘電体基板2の外周縁部及び第1の辺部L1近傍の下側外縁部の一部を除く主面に銅泊からなるグランドパターン3が形成されている。以下、第1の辺部L1に沿って銅箔が除去された領域を銅箔除去領域A3と呼ぶ。
【0070】
グランドパターン3の本体部の第2の辺部L2の近傍には、グランドパターン3の外縁部を一部残すようにして、当該第2の辺部L2に沿って平行にスロット41が形成されている。また、グランドパターン3の本体部の第3の辺部L3の近傍には、グランドパターン3の外縁部を一部残すようにして、当該第3の辺部L3に沿って平行にスロット42が形成されている。すなわち、スロット41とスロット42とが対向して、グランドパターン3の第2の辺部L2及び第3の辺部L3近傍に形成されている。スロット41及び42は、所定幅で帯状に延びる平面視長方形状に形成され、スロット41及び42により無給電アンテナ素子43及び44が構成されている。無給電アンテナ素子43及び44は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたスロットアンテナを構成している。
【0071】
誘電体基板2上の銅箔除去領域A3には、グランドパターン3の2つの残余部3h,3iからなる給電アンテナ素子45が、第1の辺部L1に沿って一列に形成されている。グランドパターン3の一方の残余部3hは、所定幅の帯状に形成され、第1の辺部L1の略中間位置から第2の辺部L2に向かって直線状に形成されている。一方、グランドパターン3の他方の残余部3iは、所定幅の帯状に形成され、第1の辺部L1の略中間位置から第3の辺部L3に向かって直線状に形成されている。グランドパターン3の残余部3h,3i同士が対向する端部(中央側端部)には、給電部となる給電ライン46が設けられている。給電ライン46は、2本のライン給電部46a,46bに分岐されており、2本のライン給電部46a,46bが、グランドパターン3の残余部3h,3i同士の対向する端部側位置にて、グランドパターン3の残余部3h,3iの長手方向と直交する方向に架け渡されている。給電ライン46及び給電アンテナ素子45は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたダイポールアンテナを構成している。この給電アンテナ素子45は、無給電アンテナ素子43,44との電界の方向が略同一方向となるように形成されている。これにより、複数のアンテナ素子43、44、45に囲まれた誘電体基板2の中央部にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
【0072】
(変形例1)
次に、第2の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例について説明する。図10は、変形例1に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図10に示すように、変形例1に係るアンテナ装置50は、上記図9に示すアンテナ装置40と比べて、グランドパターン3の残余部3jからなる給電アンテナ素子51がポノポールアンテナで構成されている点のみ相違している。
【0073】
図10に示すように、銅箔除去領域A3側の給電アンテナ素子51は、所定幅の帯状に形成され、第1の辺部L1に沿って直線状に形成されている。給電アンテナ素子51は、誘電体基板2の第1の辺部L1の略中心から左右方向に同じ長さに形成されている。給電アンテナ素子51の一端部には、給電ライン52が設けられている。給電ライン52のライン給電部52aは、給電アンテナ素子51の一端部側位置にて、給電アンテナ素子51の長手方向と直交する方向に架け渡されている。給電ライン52及び給電アンテナ素子51は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたモノポールアンテナを構成している。この給電アンテナ素子51は、無給電アンテナ素子43,44との電界の方向が略同一方向となるように形成されている。これにより、複数のアンテナ素子43,44,51に囲まれた誘電体基板2の中央部にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
(変形例2)
図11は、変形例2に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図11に示すように、変形例2に係るアンテナ装置60は、上記図10に示すアンテナ装置50と比べて、無給電アンテナ素子の一端側が開口したハーフスロットアンテナで構成されている点のみ相違している。
【0074】
図11に示すように、グランドパターン3の本体部の第2の辺部L2の近傍には、グランドパターン3の外縁部を一部残すようにして、銅箔除去領域A3側が開口したハーフスロット61からなる無給電アンテナ素子62が、第2の辺部L2に沿って平行に形成されている。また、グランドパターン3の本体部の第3の辺部L3の近傍には、グランドパターン3の外縁部を一部残すようにして、銅箔除去領域A3側が開口したハーフスロット63からなる無給電アンテナ素子64が、第3の辺部L3に沿って平行に形成されている。無給電アンテナ素子62及び64は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたハーフスロットアンテナを構成している。これら無給電アンテナ素子62及び64は、給電アンテナ素子51との電界の方向が略同一方向となるように形成されている。これにより、複数のアンテナ素子51,62,64に囲まれた誘電体基板2の中央部にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
【0075】
(変形例3)
図12は、変形例3に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図12に示すように、変形例3に係るアンテナ装置70は、上記図9に示すアンテナ装置40と比べて、給電アンテナ素子の構成のみ相違している。
【0076】
図12に示すアンテナ装置70の誘電体基板2には、誘電体基板2の外周縁部、第1の辺部L1近傍の下側外縁部の一部及び第4の辺部L4近傍の上側外縁部の一部を除く主面に銅泊からなるグランドパターン3が形成されている。グランドパターン3の本体部を挟んで、誘電体基板2の下側外縁部の銅箔除去領域A3及び上側外縁部の銅箔除去領域A4には、それぞれグランドパターン3の残余部からなる2つの給電アンテナ素子71,72が平行に形成されている。
【0077】
誘電体基板2上の銅箔除去領域A3には、グランドパターン3の2つの残余部3k,3lからなる給電アンテナ素子71が、残余部3k,3Lの対向する端部間に所定間隔を設けて、第1の辺部L1に沿って一列になるように形成されている。グランドパターン3の一方の残余部3kは、所定幅の帯状に形成され、第1の辺部L1の略中間位置から第2の辺部L2に向かって直線状に形成されている。一方、グランドパターン3の他方の残余部3lは、所定幅の帯状に形成され、第1の辺部L1の略中間位置から第3の辺部L3に向かって直線状に形成されている。グランドパターン3の他方の残余部3lの端部(残余部3kと対向する端部側)には、給電部となる給電ライン73が設けられている。給電ライン73は、2本のライン給電部73a,73bに分岐されており、一方のライン給電部73aが、グランドパターン3の残余部3lの端部側位置(残余部3kと対向する側)にて、残余部3lの長手方向と直交する方向に架け渡されている。すなわち、給電アンテナ素子71への給電が、所定の間隔を設けて一列に並ぶ2つの残余部3k,3lからなる給電アンテナ素子71の略中間位置で行われるように構成されている。また、給電ライン73が設けられていない一方の残余部3kの端部は、グランドパターン3の本体部に接続されている。この給電ライン73及び給電アンテナ素子71は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたダイポールアンテナを構成している。
【0078】
一方、誘電体基板2上の銅箔除去領域A4には、グランドパターン3の2つの残余部3m,3nからなる給電アンテナ素子73が、残余部3m,3nの対向する端部間に所定間隔を設けて、第4の辺部L4に沿って一列になるように形成されている。グランドパターン3の一方の残余部3mは、所定幅の帯状に形成され、第4の辺部L4の略中間位置から第2の辺部L2に向かって直線状に形成されている。一方、グランドパターン3の他方の残余部3nは、所定幅の帯状に形成され、第4の辺部L4の略中間位置から第3の辺部L3に向かって直線状に形成されている。グランドパターン3の他方の残余部3nの端部(残余部3mと対向する端部側)には、給電部となる給電ライン73が設けられている。給電ライン73は、2本のライン給電部73a,73bに分岐されており、他方のライン給電部73bが、グランドパターン3の残余部3nの端部側位置(残余部3mに対向する側)にて、残余部3nの長手方向と直交する方向に架け渡されている。すなわち、給電アンテナ素子73への給電が、所定の間隔を設けて一列に並ぶ2つの残余部3m,3nからなる給電アンテナ素子72の略中間位置で行われるように構成されている。また、給電ライン73が設けられていない他方の残余部3mの端部は、グランドパターン3の本体部に接続されている。この給電ライン73及び給電アンテナ素子72は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたダイポールアンテナを構成している。
【0079】
そして、これら2つの給電アンテナ素子71及び72は、無給電アンテナ素子43,44との電界の方向が略同一方向となるようにそれぞれ形成されている。これにより、複数のアンテナ素子43,44,71,72に囲まれた誘電体基板2の中央部にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
【0080】
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態に係るアンテナ装置は、方形状をなす誘電体基板の第1の辺部(L1)に沿って形成されたスロットアンテナからなる給電アンテナ素子と、主要部が第1の辺部(L1)の左右に隣接する第2、第3の辺部(L2,L3)に沿って形成された導体部からなる無給電アンテナ素子とを備え、無給電アンテナ素子の電気長を調整することにより、アンテナ指向特性を誘電体基板の側方に向いた側方指向特性、誘電体基板の基板面に対し垂直方向に向いた前方指向特性又は全方向特性といった具合に切り替えることができるように構成したものである。
【0081】
図13(a)(b)は本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置の構成図であり、同図(a)はアンテナ装置をグランド形成面側から見た斜視図、同図(b)はアンテナ装置をグランド形成面側から見た平面図である。同図に示すように、本実施の形態に係るアンテナ装置80は、長方形状をなす誘電体基板2の外周縁部を除いた主面全体に銅箔からなるグランドパターン3が形成されている。図13には誘電体基板2の全面を完全にグランドパターン3で覆うのでは無く、誘電体基板2の外周縁部を僅かに露出させるように、グランドパターン3を形成している。誘電体基板2の全体形状は、長方形状だけでなく正方形でも良いが、説明の便宜上、図13において誘電体基板2の下側の長辺を第1の辺部L1、第1の辺部L1に隣接する2つの短辺を第2、第3の辺部L2,L3と呼ぶこととする。また、第2、第3の辺部L2,L3と隣接する残りの長辺を第4の辺部L4と呼ぶ。
【0082】
誘電体基板2の第1の辺部L1の近傍には、グランドパターン3の下側外縁部を一部残すようにして、該第1の辺部L1に沿って並行にスロット4が形成されている。スロット4は、所定幅で帯状に伸びる長方形状をなしており、誘電体基板2の第1の辺部L1の中心から左右方向に同じ長さに形成されている。スロット4の左右の端部と第2、第3の辺部L2,L3との間には所定スペースがそれぞれ形成されている。スロット4には給電部となる給電ライン5が設けられている。給電ライン5は2本のライン給電部5a,5bに分岐されており、2本のライン給電部5a,5bがスロット4の長手方向の中心を挟んで対称位置にてスロット4の長手方向と直交する方向に架け渡されている。スロット4及び給電ライン5でスロットアンテナからなる給電アンテナ素子6を構成している。
【0083】
誘電体基板2の主面において、第2、第3の辺部L2,L3の近傍には、グランドパターン3の側方外縁部を一部残すようにして、第2、第3の辺部L2,L3に沿って所定幅で銅箔が除去されている。さらに、銅箔が除去された領域は対向する第1、第4の辺部L1,L4の手前で第1、第4の辺部L1,L4の中心部方向に向けて直角に曲げられており、ここからグランドパターン3の下側外縁部(第1の辺部L1)及び上側外縁部(第4の辺部L4)を一部残すようにして、第1、第4の辺部L1,L4の中心部方向へ向けて所定距離まで進んでいる。主に第2及び第3の辺部L2、L3に沿って銅箔が除去されているが、第2の辺部L2側で銅箔が除去されている領域を銅箔除去領域A2、第3の辺部L3側で銅箔が除去されている領域を銅箔除去領域A2と呼ぶ。グランドパターン3の本体部分とグランドパターン3外縁部の残余部とを完全に切断するように、銅箔除去領域A2,A3の両端部が対応する第1及び第4の辺部L1,L4側に直角に曲げられてグランドパターン3の外縁部まで除去している。その結果、誘電体基板2における第2の辺部L2に沿って延在するグランドパターン3の残余部によって、スロット4の長手方向と直交する方向に延在する無給電アンテナ素子81が形成され、同様に第3の辺部L3に沿って延在するグランドパターン3の残余部によって、スロット4の長手方向と直交する方向に延在する無給電アンテナ素子82が形成されている。無給電アンテナ素子81,82は、スロット4の長手方向の中心位置からアンテナ共振周波数の波長λの略1/4の位置にそれぞれ形成されている。
【0084】
スロットアンテナからなる給電アンテナ素子6及びダイポールアンテナからなる無給電アンテナ素子81,82が方形状をなす誘電体基板2の外周縁部に沿って形成されており、それら3本のアンテナ素子で囲まれた基板中央部に電子回路を構成する電気部品が実装される。また、必要に応じて誘電体基板2の裏面側に電子回路を構成する電気部品が実装される。
【0085】
以上のように、給電アンテナ素子6を構成するスロット4と、無給電アンテナ素子81,82を構成する導体部(第2及び第3の辺部L2、L3に沿ったグランドパターン3外縁部の残余部)とは直交している。給電アンテナ素子6は給電によって生じる電流の向きがスロット4の長手方向(Y方向)となり、電界方向はスロット4の長手方向と直交する方向(X方向)となる。一方、無給電アンテナ素子81,82は、第2、第3の辺部L2,L3と平行なX方向に伸びるダイポールアンテナを構成しており、励振時に生じる電流の向きがX方向となり、電界方向もX方向となる。このため、給電アンテナ素子6と無給電アンテナ素子81,82とは、励振時の電界方向が略同一方向となるので、給電アンテナ素子6と無給電アンテナ素子81,82とが互いの電界を打ち消すことなく放射され、直交関係にあるアンテナ素子でアレイアンテナを構成することができる。
【0086】
一対の無給電アンテナ素子81,82は、スロット4の中心位置からそれぞれ略λ/4だけ離れている。無給電アンテナ素子81,82間ではλ/2離れていて、アレイアンテナとして機能する。上記した通り、給電アンテナ素子6と無給電アンテナ素子81,82の電界方向は同一方であるので、ダイポールアンテナからなる一対の無給電アンテナ素子81,82と、スロットアンテナからなる給電アンテナ素子6とでアレイアンテナを構成することができる。種類の異なるアンテナ素子の組み合わせ(無給電ダイポールアンテナ+給電スロットアンテナ)でアレイアンテナを構成しているということもできる。後述するように、給電ダイポールアンテナ+給電スロットアンテナでアレイアンテナを構成することもできる。
【0087】
次に、以上のように構成されたアンテナ装置80の指向特性について説明する。
スロットアンテナで構成される給電アンテナ素子6は、スロット中心を挟んで左右の対称位置に架け渡された2本のライン給電部5a,5bによって給電される構成としている。これにより、相対的に電界の強いスロット中央部から外れた位置に給電ラインを配置するので、電界の強いスロット中央部に給電ラインを配置する構成に比べて、スロット長を確保して指向特性を強くすることができる。ただし、スロットアンテナとして機能させるのであれば、給電箇所は1か所でも良い。
【0088】
スロットアンテナは、原則としてスロット中心位置で電界が最大で磁界が最小となり、スロット端部位置で電界が最小で磁界が最大となる。スロットアンテナにおいてスロット中央部は電界が集中している。スロットアンテナを共振回路とみなせば、電界が集中している場所に給電ラインを配置することで共振周波数が低下することを意味する。共振回路(スロットアンテナ)の共振周波数を維持するのであれば、スロット長を短くしなければならない。ところが、スロットアンテナのスロット長を短縮すると、スロット両端での位相差が小さくなり指向特性が劣化する。そこで、図13(a)(b)に示すように、電界が集中しているスロット中央部を避けて、スロット中央部に比べて電界集中が少ないスロット中央部から離間した位置に給電ライン5a,5bを配置することとした。これにより、アンテナに要求される共振周波数を達成しつつ、十分なスロット長を維持することができ、指向性が強いアンテナを実現できる。また、一対の給電ライン5a,5bはスロット中央部から離間した対称位置に配置されているので、指向特性も対称にすることができる。
【0089】
一方、無給電アンテナ素子81,82は、電気長Mがλ/2を基準としたその近傍(±α)に設定されている。無給電アンテナ素子81,82は電気長Mが略λ/2の時に共振周波数f0に対して最も効率よく励振するが、無給電アンテナ素子81,82が共振周波数f0に対してアンテナとして機能する程度に励振する範囲を、λ/2を基準としたその近傍(±α)としている。なお、無給電アンテナ素子81,82の電気長Mはグランドパターン3外縁部の残余部からなる導体部の物理長だけでなく、周辺環境にも影響される。
【0090】
無給電アンテナ素子81,82の製造段階では、電気長MがM=λ/2+αとなるように設定し、用途に応じて求められる指向特性に応じて、所望の指向特性を実現する電気長となるように調整しても良い。無給電アンテナ素子81,82の電気長は、無給電アンテナ素子81,82を構成する導体部(第2及び第3の辺部L2、L3に沿ったグランドパターン3外縁部の残余部)の一端部であるトリミング部83,84をトリミングすることにより調整できる。無給電アンテナ素子81,82のトリミングはグランドパターン3の残余部である銅箔を所定量だけ剥離除去又は追加貼付することで容易に達成される。
【0091】
無給電アンテナ素子81,82は、無給電アンテナ素子81,82の電気長Mがλ/2よりも長ければ(M=λ/2+α)、反射器として機能する。図13(b)において、基板右端に位置する無給電アンテナ素子81が反射器として機能する場合、給電アンテナ素子6から放射され基板中央側から入射する電波を基板中央側へ反射させる。また、基板左端に位置する無給電アンテナ素子82が反射器として機能する場合、給電アンテナ素子6から放射され基板中央側から入射する電波を基板中央側へ反射させる。その結果、基板左右方向から基板中央方向に向けて反射された電波と、給電アンテナ素子6から放射される電波とが合成され、基板面に対して垂直となる前方方向(図13(a)に示すZ方向)に合成された電波が放射される前方指向特性となる。
【0092】
図14は無給電アンテナ素子81,82の電気長MをM=λ/2+αとした場合の、アンテナ装置80の指向特性を示している。同図(a)はアンテナ指向特性の3次元空間における指向特性、同図(b)はY-Z平面における指向特性、同図(c)はX-Z平面における指向特性、同図(d)はX-Y平面における指向特性を示している。図14(a)(b)に示すように、無給電アンテナ素子81,82の電気長MをM=λ/2+αとした場合、基板面と垂直なZ方向の指向特性が強く出ており、前方指向特性となっていることが判る。
【0093】
一方、無給電アンテナ素子81,82は、電気長Mがλ/2よりも小さければ(M=λ/2−α)、導波器として機能する。図13(b)において、基板右端に位置する無給電アンテナ素子81が導波器として機能する場合、給電アンテナ素子6から放射され基板中央側から入射する電波で励振して基板右側方向へ電波を放射する。また、基板左端に位置する無給電アンテナ素子82が導波器として機能する場合、給電アンテナ素子6から放射され基板中央側から入射する電波で励振して基板左側方向へ電波を放射する。その結果、基板左右方向の端部に設けられた無給電アンテナ素子81,82から基板側方(左方向及び右方向)へ放射される側方指向特性となる。
【0094】
図15は無給電アンテナ素子81,82の電気長MをM=λ/2−αとした場合の、アンテナ装置80の指向特性を示している。同図(a)はアンテナ指向特性の3次元空間における指向特性、同図(b)はY-Z平面における指向特性、同図(c)はX-Z平面における指向特性、同図(d)はX-Y平面における指向特性を示している。図15(a)(b)に示すように、無給電アンテナ素子81,82の電気長MをM=λ/2−αとした場合、基板側方となるY方向の指向特性が強く出ており、側方指向特性となっていることが判る。
【0095】
また、無給電アンテナ素子81,82は、電気長Mが略λ/2である場合、反射器及び導波器として積極的に機能しないで、ほぼ全方向の指向特性となる。したがって、無給電アンテナ素子81,82から全方向に放射される電波と、給電アンテナ素子6から放射される電波とが合成され、Z-Y平面の全方向に合成された電波が放射される全方向指向特性となる。
【0096】
図16は無給電アンテナ素子81,82の電気長MをM=λ/2とした場合の、アンテナ装置80の指向特性を示している。同図(a)はアンテナ指向特性の3次元空間における指向特性、同図(b)はY-Z平面における指向特性、同図(c)はX-Z平面における指向特性、同図(d)はX-Y平面における指向特性を示している。図16(a)(b)に示すように、無給電アンテナ素子81,82の電気長MをM=λ/2とした場合、Z-Y平面の全方向に合成された電波が均等に放射される全方向指向特性となっていることが判る。
【0097】
図17は本実施の形態に係るアンテナ装置80の共振特性を示す図である。アンテナ装置80の指向特性は前方指向特性に設定している。すなわち、無給電アンテナ素子81,82の電気長Mを、M=λ/2+αに設定した場合のシミュレーション結果を示している。アンテナ装置80の共振周波数である共振ポイントP1は2.4GHzであるが、2.4GHzよりも低周波側に無給電アンテナ素子81,82の共振ポイントP2が現れている。このことから、無給電アンテナ素子81,82が反射器として動作していることが判る。
【0098】
このように本実施の形態によれば、無給電アンテナ素子81,82の電気長Mを調整するといった極めて簡単な加工を加えるだけで、アンテナ装置80の指向特性を側方指向特性、前方指向特性又は全方向指向特性に切り替えることができ、アンテナモジュールの基本構成は変更することなく、多様なアプリケーションに対応して、所望のアンテナ指向特性を選択的に設定できる。
【0099】
また、本実施の形態によれば、スロットアンテナからなる給電アンテナ素子6とダイポールアンテナからなる無給電アンテナ素子81,82とを直交させているので、給電アンテナ素子6と無給電アンテナ素子81,82の電界方向が略同一方向となってアレイアンテナとして機能させることができる。
【0100】
また、本実施の形態によれば、スロットアンテナからなる給電アンテナ素子6は方形状の誘電体基板2の第1の辺部L1に沿って設け、ダイポールアンテナからなる無給電アンテナ素子81,82は第1の辺部L1の両端部において直角に隣接する第2、第3の辺部L2,L3に沿って設けているので、誘電体基板2の中央部には大きなスペースを確保でき、その部分に電子回路を構成する電子部品を設置することができる。
【0101】
また、本実施の形態によれば、電界が集中するスロット4の中央部から離れた位置にライン給電部5a,5bを設けたので、所要のアンテナ共振周波数に対してスロット長を確保でき、バランスがとれていて強い指向特性を達成することができる。
【0102】
なお、以上の説明では無給電アンテナ素子81,82の電気長Mを調整するために、グランドパターン3の残余部を構成する銅箔をトリミングしているが、無給電アンテナ素子81,82にインピーダンス可変素子を接続して、アンテナ素子全体のインピーダンスを電気的に可変にすることで、無給電アンテナ素子81,82の電気長Mを調整しても良い。たとえば、インピーダンス可変素子としてバラクタダイオード又はピンダイオードを用い、制御回路からバラクタダイオード又はピンダイオードに制御電圧を印加してインピーダンスを制御する構成とする。またはインピーダンスの異なる複数のインピーダンス素子とスイッチ回路とを設け、無給電アンテナ素子81,82に接続するインピーダンス素子をスイッチ回路によって切り替え可能な構成とする。
【0103】
また、以上の説明では、アンテナ装置80が給電スロットアンテナ(給電アンテナ素子6)と無給電ダイポールアンテナ(無給電アンテナ素子81,82)とを組み合わせたアレイアンテナで構成されていたが、無給無給電アンテナ素子81,82に代えて給電ダイポールアンテナを用いることも可能である。すなわち、センターラインに位置するスロットアンテナと、左右に設置されたダイポールアンテナと、給電点と左右のダイポールアンテナの間に設けた各位相器と、位相器を制御するコントローラにより構成されたアンテナシステムである。左右のダイポールアンテナはそれぞれセンターラインから距離dだけ離れるが、距離dはλ/4〜λ/2が望ましく、λ/2が最も良い。以下、具体的に説明する。
【0104】
図18は無給無給電アンテナ素子81,82に代えて給電ダイポールアンテナを用いたアンテナ装置の構成図である。同図に示すアンテナ装置90は、誘電体基板2の第1の辺部L1に沿ってスロット4が形成され、基板センターラインとなるスロット4の中心位置に給電ライン5が架け渡されている。スロット4及び給電ライン5からスロットアンテナからなる給電アンテナ素子6が形成されている。
【0105】
また、誘電体基板2の第2の辺部L2に沿ってダイポールアンテナからなる給電アンテナ素子91が形成され、第3の辺部L3に沿ってダイポールアンテナからなる給電アンテナ素子91が形成されている。給電アンテナ素子91と給電アンテナ素子92とは、センターラインから左右に距離dだけ離れている。距離dは、略λ/2とする。また、給電アンテナ素子91、92の電気長Mは略λ/2に調整される。
【0106】
給電アンテナ素子91は、2つの導体部91a,91bで構成されていて、一方の導体部91aの端部(中央側)をグランドに接続し、他方の導体部91bの端部(中央側)に給電ライン93を介して給電している。もう一方の給電アンテナ素子92は、同様に、2つの導体部92a,92bで構成されていて、一方の導体部92aの端部(中央側)をグランドに接続し、他方の導体部92bの端部(中央側)に給電ライン94を介して給電している。給電アンテナ素子91、92の導体部91a,91b,92a,92bは、上記実施の形態と同様に、グランドパターン3の一部を除去して、その残余部で構成することができる。図18ではグランドパターン3を破線で概略的に示しており、詳細は省略している。
【0107】
この変形例では、一方の給電アンテナ素子91に給電するための給電ライン93の途中に位相器95が設けられている。同様に、他方の給電アンテナ素子92に給電するための給電ライン94の途中に位相器96が設けられている。給電アンテナ素子91、92は導体部91b、92bの端部に給電ポイントが設けられている。コントローラとしての制御回路97は要求される指向特性に対応して位相器95,96の位相Φ1、Φ2を制御する。
【0108】
以上のように構成されたアンテナ装置90では、制御回路97から位相器95,96での位相シフト量を制御する。具体的には、位相器95,96の位相Φ1とΦ2を制御し、各アンテナ素子6,91,92の給電点P1,P2,P3での位相(或いは放射時の位相)を同じにしたとき、正面指向特性の放射となる(アンテナ素子を含めた面の垂直方向)。
【0109】
また、位相器95,96の位相Φ1とΦ2を制御し、各給電アンテナ素子91、92(ダイポールアンテナ)の給電点P2,P3での位相(或いは放射時の位相)が、給電アンテナ素子6(スロットアンテナ)の給電点P1での位相(或いは放射時の位相)と逆相のとき、側方指向特性の放射となる。
【0110】
このとき、スロットアンテナである給電アンテナ素子6への給電パワーPaは、左右のダイポールアンテナである給電アンテナ素子91,92への給電パワーPb,Pcと次の関係となることが望ましい。Pa=Pb+Pc。
【0111】
このように、給電スロットアンテナ(給電アンテナ素子6)と給電ダイポールアンテナ(給電アンテナ素子91,92)とを組み合わせたアレイアンテナで構成し、放射時の位相を制御することで、アンテナ電気長のトリミング無しに、アンテナ指向特性を切り替えることが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【0112】
本発明は、各種の無線通信機器に搭載されるアレイアンテナに適用可能である。
【符号の説明】
【0113】
1,10,20,30,40,50,60,70,80,90 アンテナ装置
2 誘電体基板
3 グランドパターン(導体パターン、導体部)
4,21,22,41,42,61,63 スロット
5,23,35,46,52,73 給電ライン
5a,5b,23a,23b,46a,46b,52a,73a,73b ライン給電部
6,24,25,32,45,51,71,72,91,92 給電アンテナ素子
7,8,11,12,33,34,43,44,62,64,81,82 無給電アンテナ素子
【技術分野】
【0001】
本発明は、複数のアンテナ素子を備えて指向性を切替え可能なアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、アンテナの指向特性を制御可能にしたスロットアンテナ装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載のアンテナ装置は、誘電体基板の主面に給電部を有するスロットからなる給電アンテナ素子を設け、その給電アンテナ素子からλ/4(λは電波の波長)だけ離れた対称位置に2つのスロットを形成して無給電アンテナ素子を構成し、無給電アンテナ素子にバラクタダイオードを装荷している。指向性制御部が無給電アンテナ素子に装荷したバラクタダイオードの容量を制御することにより、アンテナ指向性を電気的に切替可能なアレーアンテナを構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2005−253043号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、上記従来のスロットアンテナ装置は、無給電アンテナ素子に装荷したバラクタダイオードの容量を制御することでアンテナ指向特性を変えることは可能であるが、例えば指向特性を基板側方に向いた側方指向特性から基板主面と直交する前方に向いた前方指向特性に切り替えることまでは出来ない。
【0005】
多様なアプリケーションに対応してアンテナ装置に要求される指向特性も側方指向特性、前方指向特性又は全方向特性といった具合に異なるが、アンテナモジュールの基本設計を変更することなく、アンテナ指向特性を大きく切り替えることは困難であった。そのため、アンテナ指向特性に応じてアンテナモジュールを再設計しなければならなかった。
【0006】
また、上記従来のスロットアンテナ装置では、誘電体基板中央に、同一方向に指向特性を持つように、3つのスロットを所定のピッチで同一方向に並べてアレーアンテナを構成している。従って、アレーアンテナ全体の基板占有面積、又は指向特性方向における基板サイズが大きくなり、この基板上にさらに電子回路モジュールを実装した場合には、アンテナ装置全体が大型化してしまう問題があった。
【0007】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、アンテナモジュールの基本構成は変更することなく、アンテナ装置の小型化が可能であり、多様なアプリケーションに対応して、アンテナ指向特性を側方指向特性、前方指向特性又は全方向指向特性といった具合に切り替え可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明のアンテナ装置は、誘電体基板と、前記誘電体基板上に形成されたスロットからなるアンテナ素子と、前記誘電体基板上に形成された導体パターンからなるアンテナ素子と、を具備し、前記スロットからなるアンテナ素子及び導体パターンからなるアンテナ素子は、それぞれの電界の方向が同一になるように設けられる共に、前記誘電体基板上のアンテナ形成面における前記スロットからなるアンテナ素子と前記導体パターンからなるアンテナ素子とに囲まれた領域又は前記アンテナ素子形成面の裏面における前記領域に対応する領域に電子回路が搭載可能に構成されていることを特徴とする。
【0009】
この構成によれば、スロットと導体パターンとの異なる種類のアンテナ素子の電界方向が同一方向になるように設けてアレーアンテナを構成し、アンテナ形成面における両アンテナ素子で囲まれた領域又はその裏面における当該領域に対応する領域に電子回路を実装することができる。従って、例えば、スロットからなるアンテナ素子を誘電体基板の外縁部に設けると共に導体パターンからなるアンテナ素子を当該外縁部に隣接する他の外縁部に各電界方向が同一になるように設ければ、これらアンテナ素子に囲まれた誘電体基板中央にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
【0010】
上記アンテナ装置において、前記スロットからなるアンテナ素子及び導体パターンからなるアンテナ素子のうち、少なくとも1つは給電アンテナ素子で構成することができる。
【0011】
この構成によれば、例えば、スロットからなるアンテナ素子を給電アンテナ素子で構成すれば、給電アンテナ素子であるスロットから放射された電波で無給電素子である導体パターンを励振でき、無給電アンテナ素子である第2のアンテナ素子の電気長を変えるだけで、アンテナモジュールの基本構成は変更することなく、アンテナ指向特性を切り替えることができる。
【0012】
上記アンテナ装置において、前記誘電体基板は、一方の面に接地導体が形成され、前記給電アンテナ素子は、前記接地導体内に形成されたスロットからなり、前記無給電アンテナ素子は、前記誘電体基板の前記一方の面に前記給電アンテナ素子と所定の角度をなして配置された導体パターンからなることを特徴とする。
【0013】
この構成によれば、スロットで構成された給電アンテナ素子と導体パターンで構成された無給電アンテナ素子とを所定の角度を持たせて配置することで、給電アンテナ素子から放射される電波で無給電アンテナ素子を励振でき、無給電アンテナ素子の電気長を変えるだけで、アンテナモジュールの基本構成は変更することなく、アンテナ指向特性を切り替えることができる。従って、アンテナモジュール一体化製品を実装する場合でも、アンテナの指向性に応じてアンテナモジュールの再設計が不要となり、無駄な設計コストを抑制することができる。
【0014】
上記アンテナ装置において、前記導体パターンからなる無給電アンテナ素子は、一端が前記接地導体に接続され、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたモノポールアンテナ素子で構成することができる。
【0015】
上記アンテナ装置において、前記スロットからなる給電アンテナ素子は、一方が開口されたハーフスロットからなり、前記給電アンテナ素子への給電が、前記ハーフスロットの開口側の位置で行われる構成とすることができる。
【0016】
上記アンテナ装置において、前記導体パターンからなる無給電アンテナ素子は、両端が開放されると共に電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたダイポールアンテナ素子で構成することができる。
【0017】
上記アンテナ装置において、前記スロットからなる給電アンテナ素子は、互いに平行に配置された2つの給電アンテナ素子からなり、前記給電アンテナ素子への給電が、前記スロットの長手方向の略中間位置でそれぞれ行われる構成とすることができる。
【0018】
上記アンテナ装置において、前記誘電体基板は、一方の面に接地導体が形成され、前記給電アンテナ素子は、前記誘電体基板上に形成された導体パターンからなり、前記無給電アンテナ素子は、前記接地導体内に形成されたスロットからなることを特徴とする。
【0019】
この構成によれば、導体パターンで構成された給電アンテナ素子とスロットで構成された無給電アンテナ素子とを所定の角度を持たせて配置することで、給電アンテナ素子から放射される電波で無給電アンテナ素子を励振でき、無給電アンテナ素子の電気長を変えるだけで、アンテナモジュールの基本構成は変更することなく、アンテナ指向特性を切り替えることができる。従って、アンテナモジュール一体化製品を実装する場合でも、アンテナの指向性に応じてアンテナモジュールの再設計が不要となり、無駄な設計コストを抑制することができる。
【0020】
上記アンテナ装置において、前記スロットからなる無給電アンテナ素子は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたスロットアンテナからなる構成とすることができる。
【0021】
上記アンテナ装置において、前記スロットからなる無給電アンテナ素子は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたハーフスロットアンテナからなる構成とすることができる。
【0022】
上記アンテナ装置において、前記導体パターンからなる給電アンテナ素子は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたモノポールアンテナである構成とすることができる。
【0023】
上記アンテナ装置において、前記導体パターンからなる給電アンテナ素子は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたダイポールアンテナである構成とすることができる。
【0024】
上記アンテナ装置において、前記導体パターンからなる給電アンテナ素子は、互いに平行に配置された2つの給電アンテナ素子からなり、各給電アンテナ素子への給電が、前記各給電アンテナ素子の略中間位置でそれぞれ行われる構成とすることができる。
【0025】
また本発明は、上記アンテナ装置において、前記無給電アンテナ素子は、アンテナの指向特性が当該無給電アンテナ素子の電気長を調整することで、前記誘電体基板の基板面に対して垂直方向となる正面指向特性、前記スロットの長手方向で前記誘電体基板の側方となる側方指向特性、又は全方向指向特性のいずれかを選択可能であることを特徴とする。
【0026】
この構成により、アンテナ共振周波数の波長λとして、無給電アンテナ素子の電気長をλ/2よりも僅かに長くすることで、無給電アンテナ素子を反射器として動作させることができ、反射器として動作する無給電アンテナ素子の指向特性と給電アンテナ素子の指向特性との合成により、前方指向特性を達成できる。また、無給電アンテナ素子の電気長をλ/2よりも僅かに短くすることで、無給電アンテナ素子を導波器として動作させることができ、導波器として動作する無給電アンテナ素子の指向特性と給電アンテナ素子の指向特性との合成により、側方指向特性を達成できる。また、無給電アンテナ素子の電気長をλ/2にすることで、全方向指向特性を達成できる。
【0027】
また本発明は、上記アンテナ装置において、前記無給電アンテナ素子は、前記接地導体に対して非導体部を介して隔てられた導体パターンからなり、前記導体パターンの一部が所望の指向特性となるようにトリミングされていることを特徴とする。
【0028】
この構成により、導体パターンの一部をトリミングすることにより、無給電アンテナ素子の電気長を調整することができ、トリミングによって所望の指向特性を選択できる。
【0029】
また本発明は、上記アンテナ装置において、前記無給電アンテナ素子にインピーダンス可変素子が接続され、前記インピーダンス可変素子のインピーダンス値を電気的に可変させて前記無給電アンテナ素子の電気長を調整することを特徴とする。
【0030】
この構成により、インピーダンス可変素子のインピーダンス値を電気的に可変させて前記無給電アンテナ素子の電気長を調整することができるので、動的に指向特性を変更することができる。
【0031】
上記アンテナ装置において、前記給電アンテナ素子と前記無給電アンテナ素子とのなす角度が直角又はその近傍であることが望ましい。これにより、給電アンテナ素子と無給電アンテナ素子の電界方向が略同一方向となり、給電アンテナ素子と無給電アンテナ素子を組み合わせたアレイアンテナが実現される。
【0032】
上記アンテナ装置において、前記無給電アンテナ素子は、前記給電アンテナ素子の中心点からアンテナ共振周波数の波長の略1/4から略1/2の位置に配置されている。これにより、たとえば、無給電アンテナ素子を給電アンテナ素子の中心点からアンテナ共振周波数の波長の略1/4の位置に配置した場合には、一対の無給電アンテナ素子の間隔がλ/2となり、アレイアンテナとして機能する。
【0033】
また本発明は、上記アンテナ装置において、前記誘電体基板は方形状をなしており、前記給電アンテナ素子は、方形状をなす前記誘電体基板の一辺に沿って設けられており、前記無給電アンテナ素子は、前記給電アンテナ素子が設けられた一辺に対して垂直な辺に沿って設けられていることを特徴とする。
【0034】
この構成により、誘電体基板の中央部には大きなスペースを確保でき、その部分に電子回路を構成する電子部品を設置することができる。
【0035】
上記アンテナ装置において、前記無給電アンテナ素子は、前記導体部が、前記給電アンテナ素子が設けられた一辺に対して垂直な辺に沿って形成された主導体部と、前記主導体部の両端から前記給電アンテナ素子と平行方向に延出した延出部とを有する構成としても良い。
【0036】
また本発明は、上記アンテナ装置において、前記給電アンテナ素子は、当該給電アンテナ素子の中央から両側に所定距離離れた2箇所にて給電する給電部を有することを特徴とする。
【0037】
この構成により、電界が集中するスロットの中央部から離れた位置で給電することにより、所要のアンテナ共振周波数に対してスロット長を確保でき、バランスがとれていて強い指向特性を達成することができる。
【0038】
上記アンテナ装置において、前記誘電体基板の一方の面及び又は他方の面に、電子回路を構成する電気部品が搭載され、前記電子回路は前記給電アンテナに接続されている構成とすることができる。
【発明の効果】
【0039】
本発明によれば、アンテナモジュールの基本構成を変更することなく、アンテナ装置の大型化を防止して、簡単な作業のみでアンテナ指向特性を側方指向特性、前方指向特性又は全方向特性といった具合に切り替えることができ、アンテナモジュールの再設計及び再認証といった負担を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係るアンテナ装置の構成図
【図2】本実施の形態に係るアンテナ装置の指向特性を示す図
【図3】本実施の形態に係るアンテナ装置の共振周波数特性を示す図
【図4】本実施の形態に係るアンテナ装置の指向特性を示す図
【図5】本実施の形態に係るアンテナ装置の指向特性を示す図
【図6】第1の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例1の構成図
【図7】第1の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例2の構成図
【図8】第1の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例3の構成図
【図9】本発明の第2の実施の形態に係るアンテナ装置の構成図
【図10】第2の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例1の構成図
【図11】第2の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例2の構成図
【図12】第2の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例3の構成図
【図13】本発明の第3の実施の形態に係るアンテナ装置の構成図
【図14】無給電アンテナ素子の電気長Mをλ/2+αとした場合の指向特性を示す図
【図15】無給電アンテナ素子の電気長Mをλ/2−αとした場合の指向特性を示す図
【図16】無給電アンテナ素子の電気長Mをλ/2とした場合の指向特性を示す図
【図17】本実施の形態に係るアンテナ装置の共振周波数特性を示す図
【図18】第3の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例の構成図
【発明を実施するための形態】
【0041】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【0042】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図1では、誘電体基板をグランド形成面側から見た状態を示している。図1に示すように、アンテナ装置1は、平面視矩形状の誘電体基板(回路基板)2を備えている。誘電体基板2には、外周縁部を除く主面に銅泊からなるグランドパターン3が形成されている。本実施の形態では誘電体基板2の全体形状は長方形状で構成されているが、正方形状又は実機器に組み込むために周辺機器の形状に合わせたその他の形状でも良い。以下では、誘電体基板2の一方(下側)の長辺を第1の辺部L1、第1の辺部L1に隣接する2つの短辺を第2,第3の辺部L2,L3、第1の辺部L1に対向する他方(上側)の長辺を第4の辺部L4、として説明する。
【0043】
誘電体基板2の第1の辺部L1の近傍には、グランドパターン3の下側外縁部を一部残すようにして、当該第1の辺部L1に沿って平行にスロット4が形成されている。スロット4は、所定幅で帯状に延びる平面視長方形状に形成されると共に、誘電体基板2の第1の辺部L1の中心から左右方向に同じ長さに形成されている。スロット4には、給電部となる給電ライン5が設けられている。給電ライン5は、2本のライン給電部5a,5bに分岐されており、2本のライン給電部5a,5bがスロット4の長手方向の中心を挟んで対称位置にてスロット4の長手方向と直交する方向に架け渡されている。スロット4及び給電ライン6は、スロットアンテナからなる給電アンテナ素子(放射器)6を構成している。この給電アンテナ素子6は、後述する無給電アンテナ素子7、8と電界の方向が略同一方向となるように形成されている。
【0044】
誘電体基板2の主面において、第2,第3の辺部L2,L3の側方外縁部が、グランドパターン3の一部を残すようにして、第2,第3の辺部L2,L3に沿って所定幅の銅箔が除去され、銅箔が除去された領域には、グランドパターン3の残余部3a,3bからなる平面視L字状の無給電アンテナ素子(放射器)7,8がそれぞれ形成されている。上述したように、これら無給電アンテナ素子7,8は、それぞれ給電アンテナ素子6との電界の方向が略同一方向となるように形成されている。また、無給電アンテナ素子7,8は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたモノポールアンテナで構成されている。以下、第2の辺部L2に沿って銅箔が除去された領域を銅箔除去領域A1と呼び、第3の辺部L3に沿って銅箔が除去された領域を銅箔除去領域A2と呼ぶ。銅箔除去領域A1側の無給電アンテナ素子7は、隣接するグランドパターン3の第4の辺部L4側の角部から第4の辺部L4に沿って第2の辺部L2側に向かって直線状に形成され、誘電体基板3の角部で第1の辺部L1側に直角に折り曲げられ、第2の辺部L2に沿って第1の辺部L1の近傍までミアンダ形状に形成されている。一方、銅箔除去領域A2に設けられた無給電アンテナ素子8は、隣接するグランドパターン3の第4の辺部L4側の角部から第4の辺部L4に沿って第3の辺部L3側に向かって直線状に形成され、誘電体基板3の角部で第1の辺部L1側に折り曲げられ、第3の辺部L3に沿って第1の辺部L1の近傍までミアンダ形状に形成されている。その結果、誘電体基板2における主に第2の辺部L2に沿って延在するグランドパターン3の残余部3aによって、スロット4の長手方向と直交する方向に延在する無給電アンテナ素子7が形成され、同様に主に第3の辺部L3に沿って延在するグランドパターン3の残余部3bによって、スロット4の長手方向と直交する方向に延在する無給電アンテナ素子8が形成されている。無給電アンテナ素子7,8は、スロット4の長手方向の中心位置からアンテナ共振周波数の波長λの略1/4の位置にそれぞれ形成されている。
【0045】
このようにスロットアンテナからなる給電アンテナ素子6とモノポールアンテナからなる無給電アンテナ素子7及び8とが、互いの電界方向が略同一方向となるように方形状をなす誘電体基板2の外周縁部に沿って形成されている。そして、これら3本のアンテナ素子6,7,8で囲まれた誘電体基板2上のアンテナ素子形成面における基板中央部(領域)及び誘電体基板2の裏面における当該基板中央部に対応する領域には、電子回路を構成する電気部品が実装可能に構成されている。これにより、誘電体基板2中央の大きなスペースにアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができ、アンテナ装置全体を小型化することができる。
【0046】
また、給電アンテナ素子6を構成するスロット4と、無給電アンテナ素子7,8を構成する導体パターン(導体部)とは直交している。給電アンテナ素子6は、給電によって生じる表面電流の向きがスロット4の長手方向(Y方向)となり、放射電界方向はスロット4の長手方向と直交する方向(X方向)となる。一方、無給電アンテナ素子7,8は、主に第2,第3の辺部L2,L3と平行なX方向に延びるモノポールアンテナを構成しており、励振時に生じる電流の向きがX方向となり、電界方向もX方向となる。このため、給電アンテナ素子6と、無給電アンテナ素子7,8とは、励振時の電界方向が略同一方向となるので、給電アンテナ素子6と無給電アンテナ素子7,8とが励振時の放射電界位相関係で互いの電界をZ方向では合成して放射され、Y方向では打ち消す関係で放射を抑えられ、直交配置された給電スロットアンテナと無給電モノポールアンテナ素子でアレイアンテナを構成することができる。
【0047】
一対の無給電アンテナ素子7,8は、スロット4の中心位置からそれぞれ略λ/8〜λ/4だけ離れている。無給電アンテナ素子7,8では、λ/4〜λ/2離れていて、アレイアンテナとして機能する。上記した通り、給電アンテナ素子6と無給電アンテナ素子7,8の電界方向は略同一方向であるので、モノポールアンテナからなる一対の無給電アンテナ素子7,8と、スロットアンテナからなる給電アンテナ素子6とでアレイアンテナを構成することができる。
【0048】
次に、以上のように構成されたアンテナ装置1の指向特性について説明する。
スロットアンテナで構成される給電アンテナ素子6は、スロット4の中心を挟んで左右の対称位置に架け渡された2本のライン給電部5a,5bによって給電される構成としている。これにより、相対的に電界の強いスロット中央部から外れた位置に給電ラインを配置するので、電界の強いスロット中央部に給電ラインを配置する構成に比べて、スロット長を確保して指向特性を強くすることができる。ただし、スロットアンテナとして機能させるのであれば、給電箇所は1か所でもよい。
【0049】
スロットアンテナは、原則としてスロット中心位置で電界が最大で磁界が最小となり、スロット端部位置で電界が最小で磁界が最大となる。スロットアンテナにおいてスロット中央部は電界が集中している。スロットアンテナを共振回路とみなせば、電界が集中している場所に給電ラインを配置することで共振周波数が低下することを意味する。共振回路(スロットアンテナ)の共振周波数を維持するのであれば、スロット長を短くしなければならない。ところが、スロットアンテナのスロット長を短縮すると、スロット両端での位相差が小さくなり指向特性が劣化する。そこで、図1に示すように、電界が集中しているスロット中央部を避けて、スロット中央部に比べて電界集中が少ないスロット中央部から離間した位置にライン給電部5a,5bを配置することとした。これにより、アンテナに要求される共振周波数を達成しつつ、充分なスロット長を維持することができ、指向特性の強いアンテナを実現できる。また、一対のライン給電部5a,5bは、スロット中央部から離間した対称位置に配置されているので、指向特性も対称にすることができる。
【0050】
一方、無給電アンテナ素子7,8は、電気長Mがλ/4に設定されている。無給電アンテナ素子7,8は電気長Mが略λ/4の時に共振周波数f0に対して最も効率よく励振されるが、無給電アンテナ素子7,8が共振周波数f0に対してアンテナとして機能する程度に励振する範囲を、λ/4を基準としたその近傍(±α)に設定してもよい。なお、無給電アンテナ素子7、8の電気長Mは、導体パターン(導体部)の物理長だけでなく、周辺環境にも影響される。
【0051】
無給電アンテナ素子7,8の製造段階では、電気長Mがλ/4+αとなるように設定し、用途に応じて求められる指向特性に応じて、所望の指向特性を実現する電気長となるように調整することが可能である。無給電アンテナ素子7,8の電気長は、無給電アンテナ素子7,8を構成するグランドパターン3の自由端部側をトリミングすることにより調整できる。
【0052】
また、無給電アンテナ素子7,8は、無給電アンテナ素子7,8の電気長Mがλ/4よりも長ければ(λ/4+α)、反射器として機能する。図1において、基板右端に位置する無給電アンテナ素子7が反射器として機能する場合、給電アンテナ素子6から放射され基板中央側から入射する電波を基板中央側へ反射させる。また、基板左端に位置する無給電アンテナ素子8が反射器として機能する場合、給電アンテナ素子6から放射される基板中央側から入射する電波を基板中央側へ反射させる。その結果、基板左右方向から基板中央方向に向けて反射された電波と、無給電アンテナ素子7,8から放射される電波と、給電アンテナ素子6からの放射電波とが合成され、基板面に対して垂直となる前方方向(図1に示すZ方向)に合成された電波が放射される前方指向特性となる。
【0053】
図2は、無給電アンテナ素子7,8の電気長MをM=λ/4+αとした場合の、アンテナ装置1の指向特性を示している。同図(a)はアンテナ指向特性の3次元空間における指向特性、同図(b)はY−Z平面における指向特性、同図(c)はX−Z平面における指向特性、同図(d)はX−Y平面における指向特性を示している。図2(a)(b)に示すように、無給電アンテナ素子7,8の電気長M=λ/4+αとした場合、基板面と垂直なZ方向への指向特性が強く出ており、前方指向特性となっていることがわかる。
【0054】
図3は、アンテナ装置1の指向特性を前方指向特性に設定した場合の、共振特性を示す図である。アンテナ装置1の共振周波数である共振ポイントは2.45GHzが現われており、無給電アンテナ素子7,8が反射器として動作していることが判る。
【0055】
一方、無給電アンテナ素子7,8は、電気長Mがλ/4よりも小さければ(M=λ/4−α)、導波器として機能する。図1において、基板右端に位置する無給電アンテナ素子7が導波器として機能する場合、給電アンテナ素子6から放射され基板中央側から入射する電波で励振して基板右側方向へ電波を放射する。また、基板左端に位置する無給電アンテナ素子8が導波器として機能する場合、給電アンテナ素子6から放射され基板中央側から入射する電波で励振して基板左側方向へ電波を放射する。その結果、基板左右方向の端部に設けられた無給電アンテナ素子7,8から基板側方(左方向及び右方向)へ放射される側方指向特性となる。
【0056】
図4は、無給電アンテナ素子7,8の電気長をM=λ/4−αとした場合の、アンテナ装置1の指向特性を示している。同図(a)はアンテナ指向特性の3次元空間における指向特性、同図(b)はY−Z平面における指向特性、同図(c)はX−Z平面における指向特性、同図(d)はX−Y平面における指向特性を示している。図4(a)(b)に示すように、無給電アンテナ素子7,8の電気長M=λ/4−αとした場合、基板側方となるY方向への指向特性が強く出ており、側方指向特性となっていることがわかる。
【0057】
また、無給電アンテナ素子7,8は、電気長Mがλ/4である場合、反射器及び導波器として機能しないで、ほぼ全方向の指向特性となる。したがって、無給電アンテナ素子7,8から全方向に放射される電波と、給電アンテナ素子6から放射される電波とが合成され、Z−Y平面の全方向に合成された電波が放射される全方向指向特性となる。
【0058】
図5は、無給電アンテナ素子7,8の電気長をM=λ/4とした場合の、アンテナ装置1の指向特性を示している。同図(a)はアンテナ指向特性の3次元空間における指向特性、同図(b)はY−Z平面における指向特性、同図(c)はX−Z平面における指向特性、同図(d)はX−Y平面における指向特性を示している。図5(a)(b)に示すように、無給電アンテナ素子7,8の電気長M=λ/4とした場合、Z−Y平面の全方向に合成された電波が均等に放射される全方指向特性となっていることがわかる。
【0059】
このように、本実施の形態によれば、給電型のスロット4からなる給電スロットアンテナと無給電型のグランドパターン3からなる無給電アンテナといった異なる種類のアンテナ素子の電界方向が同一方向になるように設けてアレーアンテナを構成し、アンテナ形成面におけるこれらアンテナ素子で囲まれた領域又はその裏面における当該領域に対応する領域に電子回路を実装することができるようにした。本実施の形態では、スロット4からなる給電アンテナ素子6を誘電体基板2の第1の辺部LIに沿って設け、グランドパターン3からなる無給電アンテナ素子7,8を給電アンテナ素子6との電界方向が略同一方向となるように、第1の辺部L1に隣接する第2の辺部L2及び第3の辺部L3に沿って設けている。これにより、これら複数のアンテナ素子6,7,8に囲まれた誘電体基板2の中央部にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
【0060】
なお、本実施の形態では、放射器を種類の異なるアンテナ素子の組み合わせた構成(スロット4からなる給電アンテナ素子(給電スロットアンテナ)6及び導体パターンからなる無給電アンテナ素子(無給電モノポールアンテナ)7,8)としたが、この構成に限定されるものではない。例えば、放射器を、給電スロットアンテナのみや、給電ダイポールアンテナ及び無給電スロットアンテナ、無給電ダイポールアンテナで構成してもよい。
【0061】
(変形例1)
次に、第1の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例について説明する。図6は、変形例1に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図6に示すように、変形例1に係るアンテナ装置10は、上記図1に示すアンテナ装置1と比べて、グランドパターン3の残余部からなる無給電アンテナ素子がダイポールアンテナで構成されている点のみ相違している。
【0062】
図6に示すように、銅箔除去領域A1側の無給電アンテナ素子11は、所定幅の帯状に形成され、第2の辺部L2に沿って直線状に形成されている。同様に、銅箔除去領域A2側の無給電アンテナ素子12は、所定幅の帯状に形成され、第3の辺部L3に沿って直線状に形成されている。すなわち、誘電体基板2における第2の辺部L2に沿って延在するグランドパターン3の残余部3cによって、スロット4の長手方向と直交する方向に延在する無給電アンテナ素子11が形成され、同様に第3の辺部L3に沿って延在するグランドパターン3の残余部3dによって、スロット4の長手方向と直交する方向に延在する無給電アンテナ素子12が形成されている。これら無給電アンテナ素子11,12は、給電アンテナ素子6との電界の方向が略同一方向となるように形成されている。また、無給電素子11,12は、それぞれ両端部が開放され、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたダイポールアンテナとして構成されている。これにより、複数のアンテナ素子6,11,12に囲まれた誘電体基板2の中央部にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
【0063】
(変形例2)
図7は、変形例2に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図7に示すように、変形例2に係るアンテナ装置20は、上記図6に示すアンテナ装置10と比べて、スロットからなる2つの給電アンテナ素子から構成されている点のみ相違している。
【0064】
図7に示すように、誘電体基板2の第1の辺部L1の近傍には、グランドパターン3の下側外縁部を一部残すようにして、当該第1の辺部L1に沿って平行にスロット21が形成され、第4の辺部L4の近傍には、グランドパターン3の上側外縁部を一部残すようにして、当該第4辺の辺部L4に沿って平行にスロット22が形成されている。すなわち、スロット21とスロット22とが対向して、グランドパターン3の第1の辺部L1及び第4の辺部L4近傍に形成されている。スロット21及び22は、所定幅で帯状に延びる平面視長方形状に形成されると共に、誘電体基板2の第1の辺部L1及び第4の辺部L4の中心から左右方向に同じ長さに形成されている。スロット21及び22には、給電部となる給電ライン23が設けられており、給電ライン23のライン給電部23a及び23bは、スロット21及び22の長手方向の略中間位置にてスロット21及び22の長手方向と直交する方向に架け渡されている。スロット21及び給電ライン23は、スロットアンテナからなる給電アンテナ素子24を構成し、スロット22及び給電ライン23が、スロットアンテナからなる給電アンテナ素子25を構成している。これら給電アンテナ素子24,25は、無給電アンテナ素子11,12との電界の方向が略同一方向となるように形成されている。これにより、複数のアンテナ素子11,12,24,25に囲まれた誘電体基板2の中央部にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
【0065】
(変形例3)
図8は、変形例3に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図8に示すように、変形例3に係るアンテナ装置30は、ハーフスロット31で構成された給電アンテナ素子32と、グランドパターン3の残余部3e,3fで構成された2つの無給電アンテナ素子33,34とを備えている。
【0066】
誘電体基板2の主面において、銅箔除去領域A1側の無給電アンテナ素子33は、隣接するグランドパターン3の第4の辺部L4側の角部から第4の辺部L4に沿って第2の辺部L2側に向かって直線状に形成され、誘電体基板3の角部で第1の辺部L1側に直角に折り曲げられ、第2の辺部L2に沿って第1の辺部L1の近傍までストレート形状に形成されている。一方、銅箔除去領域A2に設けられた無給電アンテナ素子34は、隣接するグランドパターン3の第4の辺部L4側の角部から第4の辺部L4に沿って第3の辺部L3側に向かって直線状に形成され、誘電体基板3の角部で第1の辺部L1側に折り曲げられ、第3の辺部L3に沿って第1の辺部L1の近傍までストレート形状に形成されている。なお、無給電アンテナ素子33,34のストレート形状部分は、図1に示す無給電アンテナ素子7,8と同様にミアンダ形状で形成してもよい。無給電アンテナ素子33,34は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたモノポールアンテナを構成している。
【0067】
誘電体基板2の第1の辺部L1の近傍は、グランドパターン3の下側外縁部を一部残すようにして銅箔が除去されている。そして、この銅箔が除去された領域には、当該第1の辺部L1に沿って平行に、グランドパターン3の残余部3gの一端部側(第3の辺部L3側)が開口したハーフスロット31が形成されている。ハーフスロット31には、給電部となる給電ライン35が設けられ、開口側位置にて、給電ライン35がハーフスロット31の長手方向と直交する方向に架け渡されている。ハーフスロット31及び給電ライン35は、ハーフスロットアンテナからなる給電アンテナ素子32を構成している。この給電アンテナ素子32は、無給電アンテナ素子33及び34との電界の方向が略同一方向となるように形成されている。これにより、複数のアンテナ素子31,33,34に囲まれた誘電体基板2の中央部にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
【0068】
(第2の実施の形態)
上記第1の実施の形態に係るアンテナ装置は、スロットで給電アンテナ素子を構成し、導体パターンで無給電アンテナ素子を構成した。第2の実施の形態に係るアンテナ装置は、導体パターンで給電アンテナ素子を構成し、スロットで無給電アンテナ素子を構成するものである。
【0069】
図9は、本発明の第2の実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図9に示すアンテナ装置40の誘電体基板2には、誘電体基板2の外周縁部及び第1の辺部L1近傍の下側外縁部の一部を除く主面に銅泊からなるグランドパターン3が形成されている。以下、第1の辺部L1に沿って銅箔が除去された領域を銅箔除去領域A3と呼ぶ。
【0070】
グランドパターン3の本体部の第2の辺部L2の近傍には、グランドパターン3の外縁部を一部残すようにして、当該第2の辺部L2に沿って平行にスロット41が形成されている。また、グランドパターン3の本体部の第3の辺部L3の近傍には、グランドパターン3の外縁部を一部残すようにして、当該第3の辺部L3に沿って平行にスロット42が形成されている。すなわち、スロット41とスロット42とが対向して、グランドパターン3の第2の辺部L2及び第3の辺部L3近傍に形成されている。スロット41及び42は、所定幅で帯状に延びる平面視長方形状に形成され、スロット41及び42により無給電アンテナ素子43及び44が構成されている。無給電アンテナ素子43及び44は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたスロットアンテナを構成している。
【0071】
誘電体基板2上の銅箔除去領域A3には、グランドパターン3の2つの残余部3h,3iからなる給電アンテナ素子45が、第1の辺部L1に沿って一列に形成されている。グランドパターン3の一方の残余部3hは、所定幅の帯状に形成され、第1の辺部L1の略中間位置から第2の辺部L2に向かって直線状に形成されている。一方、グランドパターン3の他方の残余部3iは、所定幅の帯状に形成され、第1の辺部L1の略中間位置から第3の辺部L3に向かって直線状に形成されている。グランドパターン3の残余部3h,3i同士が対向する端部(中央側端部)には、給電部となる給電ライン46が設けられている。給電ライン46は、2本のライン給電部46a,46bに分岐されており、2本のライン給電部46a,46bが、グランドパターン3の残余部3h,3i同士の対向する端部側位置にて、グランドパターン3の残余部3h,3iの長手方向と直交する方向に架け渡されている。給電ライン46及び給電アンテナ素子45は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたダイポールアンテナを構成している。この給電アンテナ素子45は、無給電アンテナ素子43,44との電界の方向が略同一方向となるように形成されている。これにより、複数のアンテナ素子43、44、45に囲まれた誘電体基板2の中央部にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
【0072】
(変形例1)
次に、第2の実施の形態に係るアンテナ装置の変形例について説明する。図10は、変形例1に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図10に示すように、変形例1に係るアンテナ装置50は、上記図9に示すアンテナ装置40と比べて、グランドパターン3の残余部3jからなる給電アンテナ素子51がポノポールアンテナで構成されている点のみ相違している。
【0073】
図10に示すように、銅箔除去領域A3側の給電アンテナ素子51は、所定幅の帯状に形成され、第1の辺部L1に沿って直線状に形成されている。給電アンテナ素子51は、誘電体基板2の第1の辺部L1の略中心から左右方向に同じ長さに形成されている。給電アンテナ素子51の一端部には、給電ライン52が設けられている。給電ライン52のライン給電部52aは、給電アンテナ素子51の一端部側位置にて、給電アンテナ素子51の長手方向と直交する方向に架け渡されている。給電ライン52及び給電アンテナ素子51は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたモノポールアンテナを構成している。この給電アンテナ素子51は、無給電アンテナ素子43,44との電界の方向が略同一方向となるように形成されている。これにより、複数のアンテナ素子43,44,51に囲まれた誘電体基板2の中央部にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
(変形例2)
図11は、変形例2に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図11に示すように、変形例2に係るアンテナ装置60は、上記図10に示すアンテナ装置50と比べて、無給電アンテナ素子の一端側が開口したハーフスロットアンテナで構成されている点のみ相違している。
【0074】
図11に示すように、グランドパターン3の本体部の第2の辺部L2の近傍には、グランドパターン3の外縁部を一部残すようにして、銅箔除去領域A3側が開口したハーフスロット61からなる無給電アンテナ素子62が、第2の辺部L2に沿って平行に形成されている。また、グランドパターン3の本体部の第3の辺部L3の近傍には、グランドパターン3の外縁部を一部残すようにして、銅箔除去領域A3側が開口したハーフスロット63からなる無給電アンテナ素子64が、第3の辺部L3に沿って平行に形成されている。無給電アンテナ素子62及び64は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたハーフスロットアンテナを構成している。これら無給電アンテナ素子62及び64は、給電アンテナ素子51との電界の方向が略同一方向となるように形成されている。これにより、複数のアンテナ素子51,62,64に囲まれた誘電体基板2の中央部にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
【0075】
(変形例3)
図12は、変形例3に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。図12に示すように、変形例3に係るアンテナ装置70は、上記図9に示すアンテナ装置40と比べて、給電アンテナ素子の構成のみ相違している。
【0076】
図12に示すアンテナ装置70の誘電体基板2には、誘電体基板2の外周縁部、第1の辺部L1近傍の下側外縁部の一部及び第4の辺部L4近傍の上側外縁部の一部を除く主面に銅泊からなるグランドパターン3が形成されている。グランドパターン3の本体部を挟んで、誘電体基板2の下側外縁部の銅箔除去領域A3及び上側外縁部の銅箔除去領域A4には、それぞれグランドパターン3の残余部からなる2つの給電アンテナ素子71,72が平行に形成されている。
【0077】
誘電体基板2上の銅箔除去領域A3には、グランドパターン3の2つの残余部3k,3lからなる給電アンテナ素子71が、残余部3k,3Lの対向する端部間に所定間隔を設けて、第1の辺部L1に沿って一列になるように形成されている。グランドパターン3の一方の残余部3kは、所定幅の帯状に形成され、第1の辺部L1の略中間位置から第2の辺部L2に向かって直線状に形成されている。一方、グランドパターン3の他方の残余部3lは、所定幅の帯状に形成され、第1の辺部L1の略中間位置から第3の辺部L3に向かって直線状に形成されている。グランドパターン3の他方の残余部3lの端部(残余部3kと対向する端部側)には、給電部となる給電ライン73が設けられている。給電ライン73は、2本のライン給電部73a,73bに分岐されており、一方のライン給電部73aが、グランドパターン3の残余部3lの端部側位置(残余部3kと対向する側)にて、残余部3lの長手方向と直交する方向に架け渡されている。すなわち、給電アンテナ素子71への給電が、所定の間隔を設けて一列に並ぶ2つの残余部3k,3lからなる給電アンテナ素子71の略中間位置で行われるように構成されている。また、給電ライン73が設けられていない一方の残余部3kの端部は、グランドパターン3の本体部に接続されている。この給電ライン73及び給電アンテナ素子71は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたダイポールアンテナを構成している。
【0078】
一方、誘電体基板2上の銅箔除去領域A4には、グランドパターン3の2つの残余部3m,3nからなる給電アンテナ素子73が、残余部3m,3nの対向する端部間に所定間隔を設けて、第4の辺部L4に沿って一列になるように形成されている。グランドパターン3の一方の残余部3mは、所定幅の帯状に形成され、第4の辺部L4の略中間位置から第2の辺部L2に向かって直線状に形成されている。一方、グランドパターン3の他方の残余部3nは、所定幅の帯状に形成され、第4の辺部L4の略中間位置から第3の辺部L3に向かって直線状に形成されている。グランドパターン3の他方の残余部3nの端部(残余部3mと対向する端部側)には、給電部となる給電ライン73が設けられている。給電ライン73は、2本のライン給電部73a,73bに分岐されており、他方のライン給電部73bが、グランドパターン3の残余部3nの端部側位置(残余部3mに対向する側)にて、残余部3nの長手方向と直交する方向に架け渡されている。すなわち、給電アンテナ素子73への給電が、所定の間隔を設けて一列に並ぶ2つの残余部3m,3nからなる給電アンテナ素子72の略中間位置で行われるように構成されている。また、給電ライン73が設けられていない他方の残余部3mの端部は、グランドパターン3の本体部に接続されている。この給電ライン73及び給電アンテナ素子72は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたダイポールアンテナを構成している。
【0079】
そして、これら2つの給電アンテナ素子71及び72は、無給電アンテナ素子43,44との電界の方向が略同一方向となるようにそれぞれ形成されている。これにより、複数のアンテナ素子43,44,71,72に囲まれた誘電体基板2の中央部にアンテナモジュールを構成する電子回路を実装することができるので、アンテナ装置全体を小型化し、高性能指向性アレーアンテナを実現することができる。
【0080】
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態に係るアンテナ装置は、方形状をなす誘電体基板の第1の辺部(L1)に沿って形成されたスロットアンテナからなる給電アンテナ素子と、主要部が第1の辺部(L1)の左右に隣接する第2、第3の辺部(L2,L3)に沿って形成された導体部からなる無給電アンテナ素子とを備え、無給電アンテナ素子の電気長を調整することにより、アンテナ指向特性を誘電体基板の側方に向いた側方指向特性、誘電体基板の基板面に対し垂直方向に向いた前方指向特性又は全方向特性といった具合に切り替えることができるように構成したものである。
【0081】
図13(a)(b)は本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置の構成図であり、同図(a)はアンテナ装置をグランド形成面側から見た斜視図、同図(b)はアンテナ装置をグランド形成面側から見た平面図である。同図に示すように、本実施の形態に係るアンテナ装置80は、長方形状をなす誘電体基板2の外周縁部を除いた主面全体に銅箔からなるグランドパターン3が形成されている。図13には誘電体基板2の全面を完全にグランドパターン3で覆うのでは無く、誘電体基板2の外周縁部を僅かに露出させるように、グランドパターン3を形成している。誘電体基板2の全体形状は、長方形状だけでなく正方形でも良いが、説明の便宜上、図13において誘電体基板2の下側の長辺を第1の辺部L1、第1の辺部L1に隣接する2つの短辺を第2、第3の辺部L2,L3と呼ぶこととする。また、第2、第3の辺部L2,L3と隣接する残りの長辺を第4の辺部L4と呼ぶ。
【0082】
誘電体基板2の第1の辺部L1の近傍には、グランドパターン3の下側外縁部を一部残すようにして、該第1の辺部L1に沿って並行にスロット4が形成されている。スロット4は、所定幅で帯状に伸びる長方形状をなしており、誘電体基板2の第1の辺部L1の中心から左右方向に同じ長さに形成されている。スロット4の左右の端部と第2、第3の辺部L2,L3との間には所定スペースがそれぞれ形成されている。スロット4には給電部となる給電ライン5が設けられている。給電ライン5は2本のライン給電部5a,5bに分岐されており、2本のライン給電部5a,5bがスロット4の長手方向の中心を挟んで対称位置にてスロット4の長手方向と直交する方向に架け渡されている。スロット4及び給電ライン5でスロットアンテナからなる給電アンテナ素子6を構成している。
【0083】
誘電体基板2の主面において、第2、第3の辺部L2,L3の近傍には、グランドパターン3の側方外縁部を一部残すようにして、第2、第3の辺部L2,L3に沿って所定幅で銅箔が除去されている。さらに、銅箔が除去された領域は対向する第1、第4の辺部L1,L4の手前で第1、第4の辺部L1,L4の中心部方向に向けて直角に曲げられており、ここからグランドパターン3の下側外縁部(第1の辺部L1)及び上側外縁部(第4の辺部L4)を一部残すようにして、第1、第4の辺部L1,L4の中心部方向へ向けて所定距離まで進んでいる。主に第2及び第3の辺部L2、L3に沿って銅箔が除去されているが、第2の辺部L2側で銅箔が除去されている領域を銅箔除去領域A2、第3の辺部L3側で銅箔が除去されている領域を銅箔除去領域A2と呼ぶ。グランドパターン3の本体部分とグランドパターン3外縁部の残余部とを完全に切断するように、銅箔除去領域A2,A3の両端部が対応する第1及び第4の辺部L1,L4側に直角に曲げられてグランドパターン3の外縁部まで除去している。その結果、誘電体基板2における第2の辺部L2に沿って延在するグランドパターン3の残余部によって、スロット4の長手方向と直交する方向に延在する無給電アンテナ素子81が形成され、同様に第3の辺部L3に沿って延在するグランドパターン3の残余部によって、スロット4の長手方向と直交する方向に延在する無給電アンテナ素子82が形成されている。無給電アンテナ素子81,82は、スロット4の長手方向の中心位置からアンテナ共振周波数の波長λの略1/4の位置にそれぞれ形成されている。
【0084】
スロットアンテナからなる給電アンテナ素子6及びダイポールアンテナからなる無給電アンテナ素子81,82が方形状をなす誘電体基板2の外周縁部に沿って形成されており、それら3本のアンテナ素子で囲まれた基板中央部に電子回路を構成する電気部品が実装される。また、必要に応じて誘電体基板2の裏面側に電子回路を構成する電気部品が実装される。
【0085】
以上のように、給電アンテナ素子6を構成するスロット4と、無給電アンテナ素子81,82を構成する導体部(第2及び第3の辺部L2、L3に沿ったグランドパターン3外縁部の残余部)とは直交している。給電アンテナ素子6は給電によって生じる電流の向きがスロット4の長手方向(Y方向)となり、電界方向はスロット4の長手方向と直交する方向(X方向)となる。一方、無給電アンテナ素子81,82は、第2、第3の辺部L2,L3と平行なX方向に伸びるダイポールアンテナを構成しており、励振時に生じる電流の向きがX方向となり、電界方向もX方向となる。このため、給電アンテナ素子6と無給電アンテナ素子81,82とは、励振時の電界方向が略同一方向となるので、給電アンテナ素子6と無給電アンテナ素子81,82とが互いの電界を打ち消すことなく放射され、直交関係にあるアンテナ素子でアレイアンテナを構成することができる。
【0086】
一対の無給電アンテナ素子81,82は、スロット4の中心位置からそれぞれ略λ/4だけ離れている。無給電アンテナ素子81,82間ではλ/2離れていて、アレイアンテナとして機能する。上記した通り、給電アンテナ素子6と無給電アンテナ素子81,82の電界方向は同一方であるので、ダイポールアンテナからなる一対の無給電アンテナ素子81,82と、スロットアンテナからなる給電アンテナ素子6とでアレイアンテナを構成することができる。種類の異なるアンテナ素子の組み合わせ(無給電ダイポールアンテナ+給電スロットアンテナ)でアレイアンテナを構成しているということもできる。後述するように、給電ダイポールアンテナ+給電スロットアンテナでアレイアンテナを構成することもできる。
【0087】
次に、以上のように構成されたアンテナ装置80の指向特性について説明する。
スロットアンテナで構成される給電アンテナ素子6は、スロット中心を挟んで左右の対称位置に架け渡された2本のライン給電部5a,5bによって給電される構成としている。これにより、相対的に電界の強いスロット中央部から外れた位置に給電ラインを配置するので、電界の強いスロット中央部に給電ラインを配置する構成に比べて、スロット長を確保して指向特性を強くすることができる。ただし、スロットアンテナとして機能させるのであれば、給電箇所は1か所でも良い。
【0088】
スロットアンテナは、原則としてスロット中心位置で電界が最大で磁界が最小となり、スロット端部位置で電界が最小で磁界が最大となる。スロットアンテナにおいてスロット中央部は電界が集中している。スロットアンテナを共振回路とみなせば、電界が集中している場所に給電ラインを配置することで共振周波数が低下することを意味する。共振回路(スロットアンテナ)の共振周波数を維持するのであれば、スロット長を短くしなければならない。ところが、スロットアンテナのスロット長を短縮すると、スロット両端での位相差が小さくなり指向特性が劣化する。そこで、図13(a)(b)に示すように、電界が集中しているスロット中央部を避けて、スロット中央部に比べて電界集中が少ないスロット中央部から離間した位置に給電ライン5a,5bを配置することとした。これにより、アンテナに要求される共振周波数を達成しつつ、十分なスロット長を維持することができ、指向性が強いアンテナを実現できる。また、一対の給電ライン5a,5bはスロット中央部から離間した対称位置に配置されているので、指向特性も対称にすることができる。
【0089】
一方、無給電アンテナ素子81,82は、電気長Mがλ/2を基準としたその近傍(±α)に設定されている。無給電アンテナ素子81,82は電気長Mが略λ/2の時に共振周波数f0に対して最も効率よく励振するが、無給電アンテナ素子81,82が共振周波数f0に対してアンテナとして機能する程度に励振する範囲を、λ/2を基準としたその近傍(±α)としている。なお、無給電アンテナ素子81,82の電気長Mはグランドパターン3外縁部の残余部からなる導体部の物理長だけでなく、周辺環境にも影響される。
【0090】
無給電アンテナ素子81,82の製造段階では、電気長MがM=λ/2+αとなるように設定し、用途に応じて求められる指向特性に応じて、所望の指向特性を実現する電気長となるように調整しても良い。無給電アンテナ素子81,82の電気長は、無給電アンテナ素子81,82を構成する導体部(第2及び第3の辺部L2、L3に沿ったグランドパターン3外縁部の残余部)の一端部であるトリミング部83,84をトリミングすることにより調整できる。無給電アンテナ素子81,82のトリミングはグランドパターン3の残余部である銅箔を所定量だけ剥離除去又は追加貼付することで容易に達成される。
【0091】
無給電アンテナ素子81,82は、無給電アンテナ素子81,82の電気長Mがλ/2よりも長ければ(M=λ/2+α)、反射器として機能する。図13(b)において、基板右端に位置する無給電アンテナ素子81が反射器として機能する場合、給電アンテナ素子6から放射され基板中央側から入射する電波を基板中央側へ反射させる。また、基板左端に位置する無給電アンテナ素子82が反射器として機能する場合、給電アンテナ素子6から放射され基板中央側から入射する電波を基板中央側へ反射させる。その結果、基板左右方向から基板中央方向に向けて反射された電波と、給電アンテナ素子6から放射される電波とが合成され、基板面に対して垂直となる前方方向(図13(a)に示すZ方向)に合成された電波が放射される前方指向特性となる。
【0092】
図14は無給電アンテナ素子81,82の電気長MをM=λ/2+αとした場合の、アンテナ装置80の指向特性を示している。同図(a)はアンテナ指向特性の3次元空間における指向特性、同図(b)はY-Z平面における指向特性、同図(c)はX-Z平面における指向特性、同図(d)はX-Y平面における指向特性を示している。図14(a)(b)に示すように、無給電アンテナ素子81,82の電気長MをM=λ/2+αとした場合、基板面と垂直なZ方向の指向特性が強く出ており、前方指向特性となっていることが判る。
【0093】
一方、無給電アンテナ素子81,82は、電気長Mがλ/2よりも小さければ(M=λ/2−α)、導波器として機能する。図13(b)において、基板右端に位置する無給電アンテナ素子81が導波器として機能する場合、給電アンテナ素子6から放射され基板中央側から入射する電波で励振して基板右側方向へ電波を放射する。また、基板左端に位置する無給電アンテナ素子82が導波器として機能する場合、給電アンテナ素子6から放射され基板中央側から入射する電波で励振して基板左側方向へ電波を放射する。その結果、基板左右方向の端部に設けられた無給電アンテナ素子81,82から基板側方(左方向及び右方向)へ放射される側方指向特性となる。
【0094】
図15は無給電アンテナ素子81,82の電気長MをM=λ/2−αとした場合の、アンテナ装置80の指向特性を示している。同図(a)はアンテナ指向特性の3次元空間における指向特性、同図(b)はY-Z平面における指向特性、同図(c)はX-Z平面における指向特性、同図(d)はX-Y平面における指向特性を示している。図15(a)(b)に示すように、無給電アンテナ素子81,82の電気長MをM=λ/2−αとした場合、基板側方となるY方向の指向特性が強く出ており、側方指向特性となっていることが判る。
【0095】
また、無給電アンテナ素子81,82は、電気長Mが略λ/2である場合、反射器及び導波器として積極的に機能しないで、ほぼ全方向の指向特性となる。したがって、無給電アンテナ素子81,82から全方向に放射される電波と、給電アンテナ素子6から放射される電波とが合成され、Z-Y平面の全方向に合成された電波が放射される全方向指向特性となる。
【0096】
図16は無給電アンテナ素子81,82の電気長MをM=λ/2とした場合の、アンテナ装置80の指向特性を示している。同図(a)はアンテナ指向特性の3次元空間における指向特性、同図(b)はY-Z平面における指向特性、同図(c)はX-Z平面における指向特性、同図(d)はX-Y平面における指向特性を示している。図16(a)(b)に示すように、無給電アンテナ素子81,82の電気長MをM=λ/2とした場合、Z-Y平面の全方向に合成された電波が均等に放射される全方向指向特性となっていることが判る。
【0097】
図17は本実施の形態に係るアンテナ装置80の共振特性を示す図である。アンテナ装置80の指向特性は前方指向特性に設定している。すなわち、無給電アンテナ素子81,82の電気長Mを、M=λ/2+αに設定した場合のシミュレーション結果を示している。アンテナ装置80の共振周波数である共振ポイントP1は2.4GHzであるが、2.4GHzよりも低周波側に無給電アンテナ素子81,82の共振ポイントP2が現れている。このことから、無給電アンテナ素子81,82が反射器として動作していることが判る。
【0098】
このように本実施の形態によれば、無給電アンテナ素子81,82の電気長Mを調整するといった極めて簡単な加工を加えるだけで、アンテナ装置80の指向特性を側方指向特性、前方指向特性又は全方向指向特性に切り替えることができ、アンテナモジュールの基本構成は変更することなく、多様なアプリケーションに対応して、所望のアンテナ指向特性を選択的に設定できる。
【0099】
また、本実施の形態によれば、スロットアンテナからなる給電アンテナ素子6とダイポールアンテナからなる無給電アンテナ素子81,82とを直交させているので、給電アンテナ素子6と無給電アンテナ素子81,82の電界方向が略同一方向となってアレイアンテナとして機能させることができる。
【0100】
また、本実施の形態によれば、スロットアンテナからなる給電アンテナ素子6は方形状の誘電体基板2の第1の辺部L1に沿って設け、ダイポールアンテナからなる無給電アンテナ素子81,82は第1の辺部L1の両端部において直角に隣接する第2、第3の辺部L2,L3に沿って設けているので、誘電体基板2の中央部には大きなスペースを確保でき、その部分に電子回路を構成する電子部品を設置することができる。
【0101】
また、本実施の形態によれば、電界が集中するスロット4の中央部から離れた位置にライン給電部5a,5bを設けたので、所要のアンテナ共振周波数に対してスロット長を確保でき、バランスがとれていて強い指向特性を達成することができる。
【0102】
なお、以上の説明では無給電アンテナ素子81,82の電気長Mを調整するために、グランドパターン3の残余部を構成する銅箔をトリミングしているが、無給電アンテナ素子81,82にインピーダンス可変素子を接続して、アンテナ素子全体のインピーダンスを電気的に可変にすることで、無給電アンテナ素子81,82の電気長Mを調整しても良い。たとえば、インピーダンス可変素子としてバラクタダイオード又はピンダイオードを用い、制御回路からバラクタダイオード又はピンダイオードに制御電圧を印加してインピーダンスを制御する構成とする。またはインピーダンスの異なる複数のインピーダンス素子とスイッチ回路とを設け、無給電アンテナ素子81,82に接続するインピーダンス素子をスイッチ回路によって切り替え可能な構成とする。
【0103】
また、以上の説明では、アンテナ装置80が給電スロットアンテナ(給電アンテナ素子6)と無給電ダイポールアンテナ(無給電アンテナ素子81,82)とを組み合わせたアレイアンテナで構成されていたが、無給無給電アンテナ素子81,82に代えて給電ダイポールアンテナを用いることも可能である。すなわち、センターラインに位置するスロットアンテナと、左右に設置されたダイポールアンテナと、給電点と左右のダイポールアンテナの間に設けた各位相器と、位相器を制御するコントローラにより構成されたアンテナシステムである。左右のダイポールアンテナはそれぞれセンターラインから距離dだけ離れるが、距離dはλ/4〜λ/2が望ましく、λ/2が最も良い。以下、具体的に説明する。
【0104】
図18は無給無給電アンテナ素子81,82に代えて給電ダイポールアンテナを用いたアンテナ装置の構成図である。同図に示すアンテナ装置90は、誘電体基板2の第1の辺部L1に沿ってスロット4が形成され、基板センターラインとなるスロット4の中心位置に給電ライン5が架け渡されている。スロット4及び給電ライン5からスロットアンテナからなる給電アンテナ素子6が形成されている。
【0105】
また、誘電体基板2の第2の辺部L2に沿ってダイポールアンテナからなる給電アンテナ素子91が形成され、第3の辺部L3に沿ってダイポールアンテナからなる給電アンテナ素子91が形成されている。給電アンテナ素子91と給電アンテナ素子92とは、センターラインから左右に距離dだけ離れている。距離dは、略λ/2とする。また、給電アンテナ素子91、92の電気長Mは略λ/2に調整される。
【0106】
給電アンテナ素子91は、2つの導体部91a,91bで構成されていて、一方の導体部91aの端部(中央側)をグランドに接続し、他方の導体部91bの端部(中央側)に給電ライン93を介して給電している。もう一方の給電アンテナ素子92は、同様に、2つの導体部92a,92bで構成されていて、一方の導体部92aの端部(中央側)をグランドに接続し、他方の導体部92bの端部(中央側)に給電ライン94を介して給電している。給電アンテナ素子91、92の導体部91a,91b,92a,92bは、上記実施の形態と同様に、グランドパターン3の一部を除去して、その残余部で構成することができる。図18ではグランドパターン3を破線で概略的に示しており、詳細は省略している。
【0107】
この変形例では、一方の給電アンテナ素子91に給電するための給電ライン93の途中に位相器95が設けられている。同様に、他方の給電アンテナ素子92に給電するための給電ライン94の途中に位相器96が設けられている。給電アンテナ素子91、92は導体部91b、92bの端部に給電ポイントが設けられている。コントローラとしての制御回路97は要求される指向特性に対応して位相器95,96の位相Φ1、Φ2を制御する。
【0108】
以上のように構成されたアンテナ装置90では、制御回路97から位相器95,96での位相シフト量を制御する。具体的には、位相器95,96の位相Φ1とΦ2を制御し、各アンテナ素子6,91,92の給電点P1,P2,P3での位相(或いは放射時の位相)を同じにしたとき、正面指向特性の放射となる(アンテナ素子を含めた面の垂直方向)。
【0109】
また、位相器95,96の位相Φ1とΦ2を制御し、各給電アンテナ素子91、92(ダイポールアンテナ)の給電点P2,P3での位相(或いは放射時の位相)が、給電アンテナ素子6(スロットアンテナ)の給電点P1での位相(或いは放射時の位相)と逆相のとき、側方指向特性の放射となる。
【0110】
このとき、スロットアンテナである給電アンテナ素子6への給電パワーPaは、左右のダイポールアンテナである給電アンテナ素子91,92への給電パワーPb,Pcと次の関係となることが望ましい。Pa=Pb+Pc。
【0111】
このように、給電スロットアンテナ(給電アンテナ素子6)と給電ダイポールアンテナ(給電アンテナ素子91,92)とを組み合わせたアレイアンテナで構成し、放射時の位相を制御することで、アンテナ電気長のトリミング無しに、アンテナ指向特性を切り替えることが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【0112】
本発明は、各種の無線通信機器に搭載されるアレイアンテナに適用可能である。
【符号の説明】
【0113】
1,10,20,30,40,50,60,70,80,90 アンテナ装置
2 誘電体基板
3 グランドパターン(導体パターン、導体部)
4,21,22,41,42,61,63 スロット
5,23,35,46,52,73 給電ライン
5a,5b,23a,23b,46a,46b,52a,73a,73b ライン給電部
6,24,25,32,45,51,71,72,91,92 給電アンテナ素子
7,8,11,12,33,34,43,44,62,64,81,82 無給電アンテナ素子
【特許請求の範囲】
【請求項1】
誘電体基板と、
前記誘電体基板上に形成されたスロットからなるアンテナ素子と、
前記誘電体基板上に形成された導体パターンからなるアンテナ素子と、を具備し、
前記スロットからなるアンテナ素子及び導体パターンからなるアンテナ素子は、それぞれの電界の方向が同一になるように設けられる共に、前記誘電体基板上のアンテナ形成面における前記スロットからなるアンテナ素子と前記導体パターンからなるアンテナ素子とに囲まれた領域又は前記アンテナ素子形成面の裏面における前記領域に対応する領域に電子回路が搭載可能に構成されていることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項2】
前記スロットからなるアンテナ素子及び導体パターンからなるアンテナ素子のうち、少なくとも1つは給電アンテナ素子であることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
【請求項3】
前記誘電体基板は、一方の面に接地導体が形成され、
前記給電アンテナ素子は、前記接地導体内に形成されたスロットからなり、
前記無給電アンテナ素子は、前記誘電体基板の前記一方の面に前記給電アンテナ素子と所定の角度をなして配置された導体パターンからなることを特徴とする請求項2に記載のアンテナ装置。
【請求項4】
前記導体パターンからなる無給電アンテナ素子は、一端が前記接地導体に接続され、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたモノポールアンテナ素子であることを特徴とする請求項3に記載のアンテナ装置。
【請求項5】
前記スロットからなる給電アンテナ素子は、一方が開口されたハーフスロットからなり、
前記給電アンテナ素子への給電が、前記ハーフスロットの開口側の位置で行われることを特徴とする請求項4に記載のアンテナ装置。
【請求項6】
前記導体パターンからなる無給電アンテナ素子は、両端が開放されると共に電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたダイポールアンテナ素子であることを特徴とする請求項3に記載のアンテナ装置。
【請求項7】
前記スロットからなる給電アンテナ素子は、互いに平行に配置された2つの給電アンテナ素子からなり、
前記給電アンテナ素子への給電が、前記スロットの長手方向の略中間位置でそれぞれ行われることを特徴とする請求項6に記載のアンテナ装置。
【請求項8】
前記誘電体基板は、一方の面に接地導体が形成され、
前記給電アンテナ素子は、前記誘電体基板上に形成された導体パターンからなり、
前記無給電アンテナ素子は、前記接地導体内に形成されたスロットからなることを特徴とする請求項2に記載のアンテナ装置。
【請求項9】
前記スロットからなる無給電アンテナ素子は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたスロットアンテナからなることを特徴とする請求項8に記載のアンテナ装置。
【請求項10】
前記スロットからなる無給電アンテナ素子は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたハーフスロットアンテナからなることを特徴とする請求項8に記載のアンテナ装置。
【請求項11】
前記導体パターンからなる給電アンテナ素子は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたモノポールアンテナであることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載のアンテナ装置。
【請求項12】
前記導体パターンからなる給電アンテナ素子は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたダイポールアンテナであることを特徴とする請求項8に記載のアンテナ装置。
【請求項13】
前記導体パターンからなる給電アンテナ素子は、互いに平行に配置された2つの給電アンテナ素子からなり、
各給電アンテナ素子への給電が、前記各給電アンテナ素子の略中間位置でそれぞれ行われることを特徴とする請求項8に記載のアンテナ装置。
【請求項14】
前記無給電アンテナ素子は、アンテナの指向特性が当該無給電アンテナ素子の電気長を調整することで、前記誘電体基板の基板面に対して垂直方向となる正面指向特性、前記スロットの長手方向で前記誘電体基板の側方となる側方指向特性、又は全方向指向特性のいずれかを選択可能であることを特徴とする請求項1から請求項13のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項15】
前記無給電アンテナ素子は、前記接地導体に対して非導体部を介して隔てられた導体パターンからなり、前記導体パターンの一部が所望の指向特性となるようにトリミングされていることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項16】
前記無給電アンテナ素子にインピーダンス可変素子が接続され、前記インピーダンス可変素子のインピーダンス値を電気的に可変させて前記無給電アンテナ素子の電気長を調整することを特徴とする請求項14又は請求項15記載のアンテナ装置。
【請求項17】
前記給電アンテナ素子と前記無給電アンテナ素子とのなす角度が直角又はその近傍であることを特徴とする請求項1から請求項16のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項18】
前記無給電アンテナ素子は、前記給電アンテナ素子の中心点からアンテナ共振周波数の波長の略1/4から略1/2の位置に配置されていることを特徴とする請求項1から請求項17のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項19】
前記誘電体基板は方形状をなしており、
前記給電アンテナ素子は、方形状をなす前記誘電体基板の一辺に沿って設けられており、
前記無給電アンテナ素子は、前記給電アンテナ素子が設けられた一辺に対して垂直な辺に沿って設けられていることを特徴とする請求項1から請求項18のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項20】
前記無給電アンテナ素子は、前記導体部が、前記給電アンテナ素子が設けられた一辺に対して垂直な辺に沿って形成された主導体部と、前記主導体部の両端から前記給電アンテナ素子と平行方向に延出した延出部とを有することを特徴とする請求項19記載のアンテナ装置。
【請求項21】
前記給電アンテナ素子は、当該給電アンテナ素子の中央から両側に所定距離離れた2箇所にて給電する給電部を有することを特徴とする請求項3、請求項4、請求項6又は請求項7記載のアンテナ装置。
【請求項22】
前記誘電体基板の一方の面及び又は他方の面に、電子回路を構成する電気部品が搭載され、前記電子回路は前記給電アンテナに接続されていることを特徴とする請求項1から請求項21のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項1】
誘電体基板と、
前記誘電体基板上に形成されたスロットからなるアンテナ素子と、
前記誘電体基板上に形成された導体パターンからなるアンテナ素子と、を具備し、
前記スロットからなるアンテナ素子及び導体パターンからなるアンテナ素子は、それぞれの電界の方向が同一になるように設けられる共に、前記誘電体基板上のアンテナ形成面における前記スロットからなるアンテナ素子と前記導体パターンからなるアンテナ素子とに囲まれた領域又は前記アンテナ素子形成面の裏面における前記領域に対応する領域に電子回路が搭載可能に構成されていることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項2】
前記スロットからなるアンテナ素子及び導体パターンからなるアンテナ素子のうち、少なくとも1つは給電アンテナ素子であることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
【請求項3】
前記誘電体基板は、一方の面に接地導体が形成され、
前記給電アンテナ素子は、前記接地導体内に形成されたスロットからなり、
前記無給電アンテナ素子は、前記誘電体基板の前記一方の面に前記給電アンテナ素子と所定の角度をなして配置された導体パターンからなることを特徴とする請求項2に記載のアンテナ装置。
【請求項4】
前記導体パターンからなる無給電アンテナ素子は、一端が前記接地導体に接続され、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたモノポールアンテナ素子であることを特徴とする請求項3に記載のアンテナ装置。
【請求項5】
前記スロットからなる給電アンテナ素子は、一方が開口されたハーフスロットからなり、
前記給電アンテナ素子への給電が、前記ハーフスロットの開口側の位置で行われることを特徴とする請求項4に記載のアンテナ装置。
【請求項6】
前記導体パターンからなる無給電アンテナ素子は、両端が開放されると共に電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたダイポールアンテナ素子であることを特徴とする請求項3に記載のアンテナ装置。
【請求項7】
前記スロットからなる給電アンテナ素子は、互いに平行に配置された2つの給電アンテナ素子からなり、
前記給電アンテナ素子への給電が、前記スロットの長手方向の略中間位置でそれぞれ行われることを特徴とする請求項6に記載のアンテナ装置。
【請求項8】
前記誘電体基板は、一方の面に接地導体が形成され、
前記給電アンテナ素子は、前記誘電体基板上に形成された導体パターンからなり、
前記無給電アンテナ素子は、前記接地導体内に形成されたスロットからなることを特徴とする請求項2に記載のアンテナ装置。
【請求項9】
前記スロットからなる無給電アンテナ素子は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたスロットアンテナからなることを特徴とする請求項8に記載のアンテナ装置。
【請求項10】
前記スロットからなる無給電アンテナ素子は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたハーフスロットアンテナからなることを特徴とする請求項8に記載のアンテナ装置。
【請求項11】
前記導体パターンからなる給電アンテナ素子は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/4としたモノポールアンテナであることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載のアンテナ装置。
【請求項12】
前記導体パターンからなる給電アンテナ素子は、電気長をアンテナ共振周波数の波長の略1/2としたダイポールアンテナであることを特徴とする請求項8に記載のアンテナ装置。
【請求項13】
前記導体パターンからなる給電アンテナ素子は、互いに平行に配置された2つの給電アンテナ素子からなり、
各給電アンテナ素子への給電が、前記各給電アンテナ素子の略中間位置でそれぞれ行われることを特徴とする請求項8に記載のアンテナ装置。
【請求項14】
前記無給電アンテナ素子は、アンテナの指向特性が当該無給電アンテナ素子の電気長を調整することで、前記誘電体基板の基板面に対して垂直方向となる正面指向特性、前記スロットの長手方向で前記誘電体基板の側方となる側方指向特性、又は全方向指向特性のいずれかを選択可能であることを特徴とする請求項1から請求項13のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項15】
前記無給電アンテナ素子は、前記接地導体に対して非導体部を介して隔てられた導体パターンからなり、前記導体パターンの一部が所望の指向特性となるようにトリミングされていることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項16】
前記無給電アンテナ素子にインピーダンス可変素子が接続され、前記インピーダンス可変素子のインピーダンス値を電気的に可変させて前記無給電アンテナ素子の電気長を調整することを特徴とする請求項14又は請求項15記載のアンテナ装置。
【請求項17】
前記給電アンテナ素子と前記無給電アンテナ素子とのなす角度が直角又はその近傍であることを特徴とする請求項1から請求項16のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項18】
前記無給電アンテナ素子は、前記給電アンテナ素子の中心点からアンテナ共振周波数の波長の略1/4から略1/2の位置に配置されていることを特徴とする請求項1から請求項17のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項19】
前記誘電体基板は方形状をなしており、
前記給電アンテナ素子は、方形状をなす前記誘電体基板の一辺に沿って設けられており、
前記無給電アンテナ素子は、前記給電アンテナ素子が設けられた一辺に対して垂直な辺に沿って設けられていることを特徴とする請求項1から請求項18のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項20】
前記無給電アンテナ素子は、前記導体部が、前記給電アンテナ素子が設けられた一辺に対して垂直な辺に沿って形成された主導体部と、前記主導体部の両端から前記給電アンテナ素子と平行方向に延出した延出部とを有することを特徴とする請求項19記載のアンテナ装置。
【請求項21】
前記給電アンテナ素子は、当該給電アンテナ素子の中央から両側に所定距離離れた2箇所にて給電する給電部を有することを特徴とする請求項3、請求項4、請求項6又は請求項7記載のアンテナ装置。
【請求項22】
前記誘電体基板の一方の面及び又は他方の面に、電子回路を構成する電気部品が搭載され、前記電子回路は前記給電アンテナに接続されていることを特徴とする請求項1から請求項21のいずれかに記載のアンテナ装置。
【図1】
【図3】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図17】
【図18】
【図2】
【図4】
【図5】
【図14】
【図15】
【図16】
【図3】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図17】
【図18】
【図2】
【図4】
【図5】
【図14】
【図15】
【図16】
【公開番号】特開2011−142610(P2011−142610A)
【公開日】平成23年7月21日(2011.7.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−219196(P2010−219196)
【出願日】平成22年9月29日(2010.9.29)
【出願人】(000010098)アルプス電気株式会社 (4,263)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成23年7月21日(2011.7.21)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年9月29日(2010.9.29)
【出願人】(000010098)アルプス電気株式会社 (4,263)
【Fターム(参考)】
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