説明

平面アンテナ

給電部から両側に広がる2つの放射素子からなるダイポールアンテナと、不平衡平衡変換部とから構成される平面アンテナにおいて、基板の一方の面に、第1の放射素子と該放射素子に接続された第1の給電用パターンと該第1の放射素子に隣接する第1の無給電ループ状放射素子とを設け、基板の他方の面に、第2の放射素子と該放射素子に接続された第2の給電用パターンと該第2の放射素子に隣接する第2の無給電ループ状放射素子とを設けたことで、基板面の両側に十分に良好な特性の円偏波を発生できるので、タグ等への十分な電波供給ができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、平面アンテナに関し、特に、誘電体板基板上に形成され、円偏波を発生するアンテナとして好適な技術に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、自動車等の車両(移動体)には、高周波帯のGPS(Global Positioning System)用のアンテナや、衛星ディジタル放送用の衛星電波を受信するアンテナが搭載されることが多くなってきている。また、高速道路や有料道路の料金を自動的に徴収するETC(自動料金所システム)や、道路交通情報を提供するVICS(道路交通情報通信システム)の電波ビーコンに対しても電波の送受信を行なうアンテナが必要となってきている。
【0003】
このような移動体が送信又は受信すべき電波の中で、GPS用の電波、衛星ディジタル放送用の衛星電波、ETC用の電波には円偏波が使用されている。そして、従来の円偏波アンテナにはパッチアンテナ(平面アンテナ)が多く利用されている。
【0004】
図1は従来の平面アンテナの一例を示す模式的平面図であって、下記特許文献1で提案されている平面アンテナの構造を示している。この図1に示す平面アンテナは、右旋回の円偏波を受信できるアンテナであって、図示しない誘電体(透明フィルム)上に、正方形状のループアンテナ(給電素子)120と、一部が折り曲げられて第1の部分140A及び第2の部分140Bを有し、ループアンテナ120に接続されない独立した線状の導体(無給電素子)140とが形成されて構成されている。なお、符号160,170はループアンテナ120に対する給電端子、符号270は給電端子160,170とループアンテナ120との接続導体である連絡導体、符号CPはループアンテナ120の中心点をそれぞれ示している。
【0005】
また、この図1に示すように、無給電素子140は、ループアンテナ120の外側近傍に配置されており、より詳細には、第1の部分140Aが、ループアンテナ120の一辺と平行に、第2の部分140Bが、給電端子160,170の中間点とこれに対向する頂点を結ぶ直線と平行になるように配置されている。
【0006】
この無給電素子140の機能について、下記特許文献1の段落0069の記載を引用して説明すると、無給電素子140の無い状態のループアンテナ120、特に、周囲(アンテナ導体の全長)が1波長のループアンテナ120では、垂直方向の電界成分(横成分)のみしか受信しない(つまり、時間によって電界の方向が変化する円偏波を完全に受信できない)が、無給電素子140をループアンテナ120に近接して設けることで、円偏波の縦成分を受信することが可能となる。
【0007】
即ち、無給電素子140の第2の部分140Bによって円偏波の縦成分を取り込み、この受信した縦成分を、ループアンテナ120のアンテナ導体に近接する第1の部分140Aによって、ループアンテナ120のアンテナ導体に結合させることが可能となる。その結果、円偏波の縦成分と横成分とが同位相でループアンテナ120で受信されることになる。換言すれば、無給電素子140が第2の部分140Bのみであると、受信した円偏波がループアンテナ120に伝わり難いので、受信した円偏波を効率的にループアンテナ120に伝達するために無給電素子140に第1の部分140Aを設けているのである。
【0008】
なお、従来のアンテナ構造として、例えば下記特許文献2,3により提案されている技術もある。 特許文献2の技術は、複数の双ループアンテナ素子からなる薄型の平面構造で、左旋回円偏波と右旋回円偏波とを同時に双方向から発生させることのできるアンテナ構造に関するものである。
【0009】
これに対し、特許文献3の技術は、複数のアンテナの相互干渉により形成されるそれぞれのアンテナの指向性が最適となるように、アンテナの平面内において、大きなスクエアロウアンテナの内側にそれよりも小さなダイポールアンテナ、ループアンテナ、平面アンテナを配置した構造に関するものである。
【特許文献1】特開2005−102183号公報
【特許文献2】特開2005−72716号公報
【特許文献3】特開平9−260925号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかしながら、上記特許文献1で提案されている技術では、その構成上、無給電素子140への電界分布が弱いため、十分に良好な円偏波特性を得るのが困難であった。これは、誘電体基板上に単純にダイポールアンテナ等の線状アンテナを構成すると、主に、誘電体基板の面部に沿った方向にビームが形成されてしまい、誘電体基板の面部と交差する方向(つまり、厚み方向)への放射強度が弱いことが1つの要因と考えられる。
【0011】
なお、上記特許文献2の技術は、左旋回円偏波と右旋回円偏波とを同時に発生できるようにすることを目的とする技術であり、上記特許文献3の技術は、狭い場所でも複数のアンテナを接近、あるいは、集中して設置でき、小型化が可能であり、また車内からのノイズを防止できるようにすることを目的とする技術であり、いずれも、良好な円偏波特性を得ることを目的とする技術ではない。
【0012】
本発明は、上記課題に鑑み創案されたもので、簡易な構成で良好な円偏波特性を得ることのできる、平面アンテナを提供することを目的とする。なお、本発明の平面アンテナの適用対象は、車両等の移動体に限られず、本屋や図書館で本棚に並べられた本の在庫管理するシステムやPOSシステムや商品盗難防止用のセキュリティシステム等にも適用可能である。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記目的を達成するために、本発明の第1の側面では、給電部から両側に広がる2つの放射素子からなるダイポールアンテナと不平衡平衡変換回路とから構成される平面アンテナにおいて、基板の一方の面に、第1の放射素子と該放射素子に接続された第1の給電用パターンと該第1の放射素子に隣接する無給電ループ状放射素子とを設け、基板の他方の面に、第2の放射素子と該放射素子に接続された第2の給電用パターンと該第2の放射素子に隣接する無給電ループ状放射素子とを設けた平面アンテナを用いる。
【0014】
本発明の第2の側面は、前記平面アンテナに、さらに該放射素子の一部にインピーダンス調整部を設けた平面アンテナを用いる。
【0015】
本発明の第3の側面は、前記平面アンテナの給電パターンのパターン幅を一部変えたインピーダンス変換部を設けた平面アンテナを用いる。
【0016】
本発明の第4の側面は、前記平面アンテナの前記給電パターンは、給電側を底辺とし、前記放射素子の給電点を頂点とする三角形状とする平面アンテナを用いる。
【0017】
本発明の第5の側面は、前記平面アンテナの前記給電パターンは、給電側を底辺とし、前記放射素子の給電点を頂点とする二等辺三角形の形状とする平面アンテナを用いる。
【0018】
本発明の第6の側面は、前記第1の無給電ループ状放射素子は、さらに隣接する第1の放射素子との間隔を調整する調節部を設け、前記第2の無給電ループ状放射素子は、さらに隣接する第2の放射素子との間隔を調整する調節部を設けた平面アンテナを用いる。
【0019】
本発明の第7の側面は、前記不平衡平衡変換部は一部にインピーダンス調整部を設けた前記第1の給電パターンと、パターン幅を一部変えたインピーダンス変換部を設けた前記第2の給電パターンとから構成される平面アンテナを用いる。
【発明の効果】
【0020】
本発明の平面アンテナでは、以上のような構成を取ることで、基板面の両側に対して垂直方向へ良好な特性の円偏波を発生できるので、タグ等への十分な電波供給ができ、かつ通信距離を伸ばすことが可能となる。
【0021】
本発明の平面アンテナでは、同軸ケーブルでの給電であってもバランやインピーダンス変換回路というアンテナとは別部品である回路を不要にすることで、アンテナの小型化およびコスト低減が可能となる。
【0022】
本発明の平面アンテナでは、使用される給電パターンの形状を二等辺三角形にすることで、不平衡平衡変換部に広帯域の特性を持たせることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【0024】
本発明の実施の形態例では、基板両面に対して垂直方向に円偏波を放射する平面アンテナの構成について以下のとおり説明する。
【0025】
図2は、本発明の平面アンテナの構成図を示す。
【0026】
この平面アンテナは、基板7面に、ダイポールアンテナ1とループアンテナ2,3、カットアウェイバラン10及ぶ同軸線路用接続端8から構成される。このダイポールアンテン1は第1のアンテナ素子11および第2のアンテナ素子12からなる。スタブ9は、第1のアンテナ素子11および第2のアンテナ素子12の一部に形成される。ループアンテナ2は、第1のアンテナ素子11と一方の短辺が隣接し、かつ基板平面上で第1のアンテナ素子11に対して直角方向に長辺が位置する。ループアンテナ3は、第2のアンテナ素子12と一方の短辺が隣接し、かつ基板平面上で第2のアンテナ素子12に対して直角方向に長辺が位置する。
【0027】
ここで説明するアンテナ素子とは、放射素子のことを示す。
【0028】
カットアウェイバラン10は、インピーダンス変換部4と線路5と三角形状パターン6からなる。この基板7は、たとえば誘電体で形成したものである。
【0029】
第1のアンテナ素子11及びループアンテナ2は、第2のアンテナ素子12及びループアンテナ3とは表裏という違う基板面上に形成されている。各ループアンテナ2,3は第1、第2のアンテナ素子11,12の給電点Eで点対称となる位置にそれぞれ第1、第2のアンテナ素子11,12に近接して形成、配置されて、第1のアンテナ素子、第2のアンテナ素子11,12と電磁的に結合可能に構成されている。
【0030】
このような平面アンテナ構成において、ダイポールアンテナ1に給電すると、ダイポールアンテナ1が一方の交差偏波成分をもち、各ループアンテナ2,3がその交差偏波成分と位相が90度遅れで偏波も90度異なる他方の交差偏波成分をもつように電界がz軸方向〔図2の紙面垂直方向〕に放射される。
【0031】
より詳細には、ダイポールアンテナ1によりY軸方向の偏波(水平方向)成分をもつ電界フィールド(Eyフィールド)が発生し、これが各ループアンテナ2,3に結合することにより、各ループアンテナ2,3に電流が流れる。このとき、ループアンテナ2,3は、それぞれx軸方向に長辺を有しているため、Y軸方向よりもx軸方向に強い偏波(垂直偏波)成分をもつ電界フィールド(Exフィールド)が発生する。

その結果、z軸方向には、上記のExフィールドとEyフィールドとが合成された電界フィールド、つまり、円偏波〔この場合は、右旋回円偏波(RHCP:Right-Hand Circularly Polarized)〕フィールドが発生する。換言すれば、上記平面アンテナは、無給電ループ状アンテナ素子としてのループアンテナ2,3が、線状アンテナ素子としてのダイポールアンテナ1の発生しうる偏波(水平偏波)と交差する交差偏波(垂直偏波)を発生すべく配置されており、さらに、ループアンテナ2,3は、それぞれ、当該垂直偏波を発生すべくダイポールアンテナ1と交差する方向に延在する線状部分を長方形の長辺として有しているのである。
【0032】
ここで、ループアンテナ2,3の形状(ダイポールアンテナ1との結合部分の形状)、ダイポールアンテナ1とループアンテナ2,3とのy軸方向の距離、x軸方向の位置をそれぞれ調整することによって、直交する交差電界成分の強度、位相を調整することができ、理想的な円偏波に近づけることが可能である。ダイポールアンテナ1とそれぞれのループアンテナ2,3との具体的な距離調整については、後述する。 また、図2のダイポールアンテナ1を形成する第1のアンテナ素子11,第2のアンテナ素子12及びループアンテナ2,3以外について基板7の表面かまたは裏面にあるかは、図3で説明するので、ここでは説明を省略する。
【0033】
ダイポールアンテナ1は全長約λ/2である。スタブ9はダイポールアンテナ1の給電点付近に設けられているインピーダンス調整用で、アンテナの給電点から見たアンテナのインピーダンスを調整するものである。ループアンテナ2、3はいずれも全長1波長で、無給電素子である。カットアウェイバラン10は三角形状パターン6、インピーダンス変換部4、線路5で構成され、不平衡型である同軸ケーブルからの給電を平衡型の給電に変換して、ダイポールアンテナ1に給電するものである。この三角形状パターン6は給電側を底辺とし、前記放射素子の給電点を頂点とする二等辺三角形の形状とすることで、カットアウェイバラン10は広帯域な特性もつことが可能である。
【0034】
このインピーダンス変換部4は長さλ/4となっている。
【0035】
図3(a)は、本発明の平面アンテナの表から見た詳細構成図である。図3(b)は、本発明の平面アンテナの裏から見た詳細構成図である。
【0036】
図3(a)の平面アンテナの基板7表面には、長さ約λ/4の第1のアンテナ素子11とその第1のアンテナ素子と短辺が平行し、長辺が直角となるように設けられるループアンテナ2と線路5とインピーダンス変換部4とスタブ91と同軸線路用接続端8とで構成されている。
【0037】
また、図3(b)の平面アンテナの基板7裏面には、長さ約λ/4の第2のアンテナ素子12とその第2のアンテナ素子12と短辺が平行し、長辺が直角となるように設けられるループアンテナ3と三角形状パターン6とスタブ92と同軸線路用接続端8とで構成されている。
【0038】
このような図3(a)、(b)の平面アンテナは、基板7の表面および裏面に対して垂直方向にそれぞれ円偏波を発生する。
【0039】
図4は、本発明の平面アンテナのスミスチャートを示す。
【0040】
図4の曲線Aは平面アンテナの入力インピーダンスが周波数に応じて変化することを示す。Z41は周波数が800MHzでのインピーダンスを示す。Z42は周波数953MHzでのインピーダンスを示す。Z43は周波数が1.1GHzでのインピーダンスを示す。アンテナのリアクタンス成分は、図3(a),(b)のスタブ91,92の長さを変えることで、Bのように上下方向(正から負の値)に変化する。また、アンテナの抵抗成分は、図3(a)のインピーダンス変換部4のライン幅を変えることで、Cのように左右方向(0から無限大)に変化する。Zは給電用同軸ゲーブルのインピーダンスと整合する50Ωを示す点である。平面アンテナの入力インピーダンスは、スタブ91,92およびインピーダンス変換部4を調整することで、同軸ケーブルの特性インピーダンス50ΩであるZに近づけられる。
【0041】
図5は、図3のスタブ91,92の長さを調整した場合の平面アンテナのスミスチャートを示す。
【0042】
図5(a)〜(d)は、スタブ91,92の長さを2mm,4mm,6mm,10mmと変化された場合の平面アンテナのスミスチャートである。図5(a)から(d)の曲線Aは平面アンテナの入力インピーダンスが周波数に応じて変化することを示す。Z51は、周波数が800MHzでのインピーダンスを示す。Z52は、周波数が950MHzでのインピーダンスを示す。Z53は周波数が1.1GHzでのインピーダンスを示す。Zは給電用同軸ゲーブルのインピーダンスと整合する50Ωを示す点である。ここで、本発明で使用を想定する平面アンテナの周波数950MHzでのインピーダンスを示すZ52がスタブの長さを増すことで、下に下がっていくことがわかる。
【0043】
図6−Aは、図3のインピーダンス変換部4のライン幅を4mmに調整した場合の平面アンテナのスミスチャートを示す。図6−Bは、図3のインピーダンス変換部4のライン幅を5mmに調整した場合の平面アンテナのスミスチャートを示す。図6−Cは、図3のインピーダンス変換部4のライン幅を6mmに調整した場合の平面アンテナのスミスチャートを示す。
【0044】
図6-A〜図6−Cは、インピーダンス変換部4のライン幅を4mm,5mm,6mmと変化された場合の平面アンテナのスミスチャートである。図6−Aから図6−Cの曲線Aは平面アンテナの入力インピーダンスが周波数に応じて変化することを示す。Z61は、周波数が800MHzでのインピーダンスを示す。Z62は、周波数が950MHzでのインピーダンスを示す。Z63は、周波数が1.1GHzでのインピーダンスを示す。Zは給電用同軸ケーブルの特性インピーダンスである50Ωを示す点である。ここで、950MHzでのインピーダンスを示すZ62がインピーダンス変換部のライン幅を増すことで、左に移動していくことがわかる。
【0045】
図5、図6−A〜図6−Cで説明した調整は製品化する前に、試作段階で使用される。試作で最良な平面アンテナパターンが決定されれば、そのパターンで量産化される。
【0046】
図7は、円偏波用平面アンテナ製品の構成を示す。
【0047】
そのアンテナ製品では、平面アンテナ71を保護するため、ABS樹脂(誘電率εr=3.0)で形成された表側レドーム13と裏側レドーム14で両面を覆う。枠15、16はレドーム13、14に一体形成され、平面アンテナ71とレドーム13,14との間隔を一定にするために平面アンテナ71の表裏面に接触する。レドーム13,14は厚み2.5mmである。枠15と平面アンテナ71との間隔は4.75mmで、枠16と平面アンテナ71との間隔は3.45mmである。
【0048】
図8−Aは、図7の円偏波用平面アンテナ製品のアンテナ利得特性を示す。この図では、矢印Aの先端に示す周波数953MHzでアンテナ正面方向における絶対利得が約4dBiになっていることがわかる。図8−Bは、図7の円偏波用平面アンテナ製品のインピーダンス整合状態を知るパラメータであるアンテナのVSWR(電圧定在波比)特性を示す。この特性図では、アンテナ給電点インピーダンスと給電線のインピーダンスとの整合性がわかり、矢印Bの先端が953MHzでVSWRが1.205と低い値となっていることがわかる。また、図8−Cは図7の円偏波用平面アンテナ製品のアンテナからの円偏波の軸比の特性を示す。この特性図では、矢印Cの先端に示す周波数953MHzで正面方向における平面アンテナの軸比特性は約−3dBになり、本発明の平面アンテナはかなり円に近い円偏波になることがわかる。
【0049】
図9は軸比調整用平面アンテナの構成を示す。
【0050】
図9の各部は図2,3で使用されたものと同一であれば、同じ符号を用いて説明する。さらに、図9の平面アンテナは図2、3のアンテナ構成と異なる部分についてのみ説明する。
【0051】
ループアンテナ2,3は第1のアンテナ素子11及ぶ第2のアンテナ素子12からなるダイポールアンテナ1との隣接距離間を調整することで、アンテナから放射される円偏波の軸比を調整する。具体的には、ループアンテナ2,3のダイポールアンテナ1側に隣接する短辺は、梯子のような複数の短辺パターンからなる。このような梯子のような短辺は軸比調整部21としている。この短辺は複数のパターンのうちひとつだけ切り取って残される。ループアンテナ2,3の短辺は、このように設計することで、平面アンテナのダイポールアンテナからの間隔が調整することができる。また、ループアンテナ2と第1のアンテナ素子11の隣接間隔とループアンテナ3と第2のアンテナ素子12との隣接間隔が同じ間隔になるように、軸比調整部21の複数のパターンからひとつだけパターン残して短辺を設計する。
【0052】
また、図9に示される枠15は、平面アンテナで#のようなに形成されている。
【0053】
この平面アンテナは、用途として図書館や本屋などの本棚にブックエンドのように垂直に設置して、両側に隣接する本に取り付けたタグを読み取って商品管理に利用することが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1】従来技術の平面アンテナの一例を示す模式的な平面図である。
【図2】本発明の平面アンテナの構成図である。
【図3】本発明の平面アンテナの表から見た詳細構成図(a)および本発明の平面アンテナの裏から見た詳細構成図である。
【図4】本発明の平面アンテナのスミスチャートを示す図である。
【図5】スタブの長さを調整した場合の平面アンテナのスミスチャートを示す図である。
【図6−A】図3のインピーダンス変換部4のライン幅を4mmに調整した場合の平面アンテナのスミスチャートを示す図である。
【図6−B】図3のインピーダンス変換部4のライン幅を5mmに調整した場合の平面アンテナのスミスチャートを示す図である。
【図6−C】図3のインピーダンス変換部4のライン幅を6mmに調整した場合の平面アンテナのスミスチャートを示す図である。
【図7】本発明の円偏波用平面アンテナ製品の構成を示す図である。
【図8−A】図7の円偏波用平面アンテナ製品のアンテナ利得特性を示す図である。
【図8−B】図7の円偏波用平面アンテナ製品のインピーダンス整合状態を知るパラメータであるアンテナのVSWR(電圧定在波比)特性を示す図である。
【図8−C】図7の円偏波用平面アンテナ製品のアンテナからの円偏波の軸比の特性を示す図である。
【図9】本発明の軸比調整用平面アンテナの構成を示す図である。
【符号の説明】
【0055】
1 ダイポールアンテナ
2、3 ループアンテナ
4 インピーダンス変換部
5 線路
6 三角形状パターン
7 基板
8 同軸線路用接続端
9,91,92 スタブ
10 カットアウェイバラン
11 第1の放射素子
12 第2の放射素子


【特許請求の範囲】
【請求項1】
給電部から両側に広がる2つの放射素子からなるダイポールアンテナと、不平衡平衡変換部とから構成される平面アンテナにおいて、
基板の一方の面に、第1の放射素子と該放射素子に接続された第1の給電用パターンと該第1の放射素子に隣接する第1の無給電ループ状放射素子とを設け、
基板の他方の面に、第2の放射素子と該放射素子に接続された第2の給電用パターンと該第2の放射素子に隣接する第2の無給電ループ状放射素子とを設けたことを特徴とする平面アンテナ。
【請求項2】
前記平面アンテナは、さらに前記放射素子の一部にインピーダンス調整部を設けたことを特徴とする請求項1記載の平面アンテナ。
【請求項3】
前記平面アンテナの前記給電パターンのパターン幅を一部変えたインピーダンス変換部を設けたことを特徴とする請求項1記載の平面アンテナ。
【請求項4】
前記平面アンテナの前記給電パターンは、給電側を底辺とし、前記放射素子の給電点を頂点とする三角形状とすることを特徴とする請求項1記載の平面アンテナ。
【請求項5】
前記平面アンテナの前記給電パターンは、給電側を底辺とし、前記放射素子の給電点を頂点とする二等辺三角形の形状とすることを特徴とする請求項1記載の平面アンテナ。
【請求項6】
前記第1の無給電ループ状放射素子は、さらに隣接する第1の放射素子との間隔を調整する調節部を設け、
前記第2の無給電ループ状放射素子は、さらに隣接する第2の放射素子との間隔を調整する調節部を設けたことを特徴とする請求項1記載の平面アンテナ。
【請求項7】
前記不平衡平衡変換部は一部にインピーダンス調整部を設けた前記第1の給電パターンと、パターン幅を一部変えたインピーダンス変換部を設けた前記第2の給電パターンとから構成されることを特徴とする請求項1記載の平面アンテナ。



【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6−A】
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【図6−B】
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【図6−C】
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【図7】
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【図8−A】
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【図8−B】
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【図8−C】
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【図9】
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【公開番号】特開2007−266999(P2007−266999A)
【公開日】平成19年10月11日(2007.10.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−89168(P2006−89168)
【出願日】平成18年3月28日(2006.3.28)
【公序良俗違反の表示】
(特許庁注:以下のものは登録商標)
1.VICS
【出願人】(000005223)富士通株式会社 (25,993)
【Fターム(参考)】