JP2009124403A - アンテナ装置 - Google Patents

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昭広 丸山
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Abstract

【課題】部品数が少なく組立てが容易で軽量のクロスダイポールアンテナ装置を提供する。
【解決手段】両面にそれぞれ異なる形状のアンテナエレメントを形成した第1の誘電体基板110および第2の誘電体基板120を切込部で組み合わせ、各嵌合部を表面に接地短絡パターン130aが形成された台座130の嵌入部に挿入することにより、第1および第2の誘電体基板の中心軸が一致して直交した状態で台座に固定されたクロスダイポールアンテナ装置100を形成する。各アンテナエレメントは互いに接触しないように形成され、アンテナエレメントの端部と台座130との接点には給電点および短絡点が設けられる。このような構成とすることにより、高い生産性と強度を備えたクロスダイポールアンテナを提供することができる。
【選択図】 図1

Description

本発明はアンテナ装置に係り、より詳細には、移動体通信における無線機器用のクロスダイポールアンテナ装置に関する。
従来のクロスダイポールアンテナは、大きく2種に分類される。第1の種類は、セミリジットケーブル等を用いて形成されたL型の4つのアンテナ素子を2対のダイポールアンテナとして90°で交差するよう配置し、互いに180°対になるアンテナ素子側へ給電を行うとともに外導体部を短絡させる構造を有するものである。また、第2の種類は、プリント基板上にアンテナ素子をプリントし、2枚のプリント基板の組み合わせにより2対のダイポールアンテナを90°で交差するように形成し、同軸ケーブル等で給電を行う構造を有するものである。
これらのうち後者の例として、特許文献1乃至3に記載のアンテナを参照することができる。特許文献1には、板状の誘電体の端面に沿ってアンテナパターンを形成した2種類のアンテナエレメントを互いの中心軸上にあるスリットを組み合わせて立体交差させたアンテナ装置が記載されている。特許文献2には、誘電体基板の両面に異なる形状のアンテナパターンを形成し、2枚の誘電体基板を直角に交差させたクロスダイポールアンテナが記載されている。また、特許文献3には、誘電体基板の面上にアンテナパターンを形成し、2枚の誘電体基板を直交させた偏波ダイバーシチアンテナが記載されており、アンテナ素子に仰角をつけて放射パターンのビーム幅を広げることを可能としている。
特開2005−51575号公報 特開2001−168637号公報 特開2006−352293号公報
しかしながら、こうした従来のクロスダイポールアンテナには、次のような問題がある。
まず、ダイポールアンテナの所要部を別部品を用いて電気的に4箇所接続させる必要があるが、アンテナエレメントを直交させるため、接続が複雑かつ困難である。したがって、生産性が悪く、さらに接続ポイントにばらつきが発生しやすいことから電気特性が不安定になってしまう。
さらに、アンテナエレメントを直交させるにあたり、配置角度が部品や治具の精度または製作者の能力によって決まるため、組立ての精度に問題が残る。
これらの点に鑑み、本発明は、組立てが容易で生産性が高く、且つ組立ての精度が良好なアンテナ装置を提供することを目的とする。
この目的を達成するために本発明が提供するアンテナ装置は、表面に形成されたλ/4の電気長を有する第1のアンテナエレメントと、裏面に形成されたλ/4の電気長を有する第2のアンテナエレメントと複数の嵌合部とを備えた略矩形の第1の誘電体基板と、表面に形成されたλ/4の電気長を有する第3のアンテナエレメントと、裏面に形成されたλ/4の電気長を有する第4のアンテナエレメントと、複数の嵌合部とを備えた略矩形の第2の誘電体基板と、第1および第2の誘電体基板を取り付けるための台座とを備える。第1及び第2の誘電体基板はそれぞれ、一方の長辺の中央部にこの長辺に直交する切込部を有し、台座は、第1および第2の誘電体基板を取り付ける面に形成された接地短絡パターンと、台座を貫通して中央付近に設けられた複数の給電部と、嵌合部を挿入して第1および第2の誘電体基板を固定するための複数の嵌入部とを有し、第1の誘電体基板と第2の誘電体基板とは、切込部を相互に組み合わせることにより中心軸が一致して直交するように台座に取り付けられる。第1乃至第4のエレメントは、第1の誘電体基板と第2の誘電体基板とを組み合わせたときに互いに接触しないように形成される。第1のアンテナエレメントは、第1の誘電体基板の中心軸の近傍から第1の誘電体基板の一方の短辺に向かって第1の誘電体基板の長辺に平行して延伸する第1辺と、第1辺の一端で第1辺に直交して結合する第2辺と、第1辺の中途で第1辺に直交して結合する第3辺とを備え、第2のアンテナエレメントは、第1の誘電体基板の中心軸の近傍から第1の誘電体基板の他方の短辺に向かって第1の誘電体基板の長辺に平行して延伸する第1辺と、第1辺の一端で第1辺に直交して結合する第2辺とを備える。第3のアンテナエレメントは、第2の誘電体基板の中心軸の近傍から第2の誘電体基板の一方の短辺に向かって第2の誘電体基板の長辺に平行して延伸する第1辺と、第1辺の一端で第1辺に直交して結合する第2辺と、第2辺の一端で第2辺に直交して結合する第3辺と、第3辺の一端で第3辺に直交して結合する第4編とを備え、第2辺と、第3辺と、第4辺とはコの字型を形成し、第4のアンテナエレメントは、第2の誘電体基板の中心軸の近傍から第2の誘電体基板の他方の短辺に向かって第2の誘電体基板の長辺に平行して延伸する第1辺と、第1辺の一端で第1辺に直交して結合する第2辺とを備える。第1および第2の誘電体基板を台座に取り付けたとき、給電部と第1のアンテナエレメントの第2辺との接点および給電部と第3のアンテナエレメントの第4辺との接点には給電点が設けられ、台座の接地短絡パターンと第1のアンテナエレメントの第3辺、第2のアンテナエレメントの第2辺、第3のアンテナエレメントの第2辺、および第4のアンテナエレメントの第2辺との接点には各々接地短絡点が形成される。
このアンテナ装置において、アンテナエレメントは広帯域エレメントであってもよい。
また、このアンテナ装置において、台座は方形であってもよい。
さらに、コのアンテナ装置において、台座は円形であってもよい。台座の他面には、第1の誘電体基板上のアンテナエレメントに供給される信号と第2の誘電体基板上のアンテナエレメントに供給される信号との位相を90°ずらす90°位相回路が形成されてもよい。
本発明によるアンテナ装置は少数の部品から構成することができ、しかも従来技術と比較して半田付け工程を最小限に留めることができるため、組立てが容易であり、生産性に優れる上、装置の軽量化を実現することができる。また、直交の精度が高く、しかも従来の同様のアンテナ装置に比べ強度が向上する。台座とアンテナエレメントとを一体に形成するので、基地局アンテナ等のアレイアンテナへの搭載も簡易に行うことが可能である。
さらに、台座を円形にした場合には、その直径を使用周波数の波長以上とすることで、台座を反射板として用い、指向性アンテナとすることが可能であるほか、台座に90°位相回路を付随させて円偏波仕様とし、衛星通信用アンテナとすることもできる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を説明する。
図1は、本発明の第一の実施例によるクロスダイポールアンテナ装置の斜視図であり、(a)と(b)とは異なる角度から見た場合を表している。図示するように、アンテナ装置100は、第1の誘電体基板110と、第2の誘電体基板120とを台座130上で組み合わせて構成される。
このうち第1の誘電体基板110を図2に示す。図2(a)には第1の誘電体基板110の表面110a、(b)には裏面110bが表されている。第1の誘電体基板110は略方形であり、一方の長辺の中央部に、この長辺に垂直に切込部201が設けられている。切込部201の幅は誘電体基板の厚さと略同一である。また、この辺と対向する他方の長辺の両端には、凸形状の嵌合部30が形成されている。
図2(a)に示すように、第1の誘電体基板110の表面110aには、3つの辺a11と、a12と、a13とを結合させてなるアンテナエレメントa1が形成されており、そのパターン長L11およびL12はそれぞれ電気長でλ/4である。辺a12とa13とは、例えば約0.05λ離隔する。一方、図2(b)に示すように、第1の誘電体基板110の裏面110bには、2つの辺a21とa22とを結合させてなるアンテナエレメントa2が形成されており、そのパターン長L13およびL14はそれぞれ電気長でλ/4である。アンテナエレメントa1およびa2は、銅箔等の金属から形成される。
図2(a)および(b)においては、表面110aおよび裏面110bに形成されているアンテナエレメントの位置関係を明確にするため、実線により表側に表示されている面上のアンテナエレメントを示し、破線により裏側に表示されている面上のアンテナエレメントを示してある。図示するように、各アンテナエレメントは、表面と裏面とでほぼ左右対称となる。
次に、第2の誘電体基板120を図3に示す。図3(a)には第2の誘電体基板120の表面120a、(b)には裏面120bが表されている。実線・破線の区別は図2と同様である。第2の誘電体基板120は第1の誘電体基板110と略同一の形状を有しているが、切込部202と凸形状の嵌合部30とが同一の長辺上に形成されている点に相違点を有する。切込部202は長辺の中央部に、この長辺に垂直の方向に設けられる。また、嵌合部30は長辺の両端部に形成される。
第1の誘電体基板110の切込部201の長さと、第2の誘電体基板120の切込部202の長さとの和は、例えば各誘電体基板の短辺の長さと同一とすることができる。
図3(a)に示すように、第2の誘電体基板120の表面120aには、4つの辺b11と、b12と、b13と、b14とからなるアンテナエレメントb1が形成され、そのパターン長L21およびL22はそれぞれ電気長でλ/4である。辺b12とb14とは、例えば約0.05λ離隔する。一方、図3(b)に示すように、裏面120bには、2つの辺b21とb22とからなるアンテナエレメントb2が形成されており、そのパターン長L23およびL24はそれぞれ電気長でλ/4である。図2に示したアンテナエレメントa1およびa2と同様、アンテナエレメントb1およびb2も銅箔等の金属から形成される。
図4に示すのは、アンテナ装置100に用いられる台座130である。図4(a)は第1の誘電体基板110および第2の誘電体基板120を取り付ける表面を、図4(b)は裏面を表している。台座130の表面には銅箔等で接地短絡パターン130aが形成されている。また、台座130は方形であり、端部の近傍に4つの嵌入部40と、中央付近に台座130を貫通する2つの給電部50とが設けられる。
この実施例においては、図4に示すように、嵌入部40は長孔であり、その長軸方向が台座130の2本の直行する対角線に重なる向きに設けられている。ここで、嵌入部40の大きさや形状は図示するものに限られず、嵌合部と協働して各誘電体基板を固定できればよい。嵌入部40は、第1および第2の誘電体基板を組み合わせて台座130上に配置したときに各誘電体基板の嵌合部の位置に対応する箇所に設けられる。
このような第1誘電体基板110と、第2誘電体基板120と、台座130とから、図1に示すようなアンテナ装置100が構成される。すなわち、第1誘電体基板110と第2誘電体基板120とは、切込部201と202とを噛合させて十字形状の立体交差物を形成する。このとき、この立体交差物の高さは、両誘電体基板の短辺の長さに等しい。そして、第1誘電体基板110および第2誘電体基板120の各嵌合部30が台座130の嵌入部40に挿入されることにより、第1誘電体基板110と第2誘電体基板120とは直交した状態で台座130に固定される。
図5および図6は、こうして構成されたアンテナ100の斜視図である。図1の斜視図とは異なり、図5(a)および(b)は、第1の誘電体基板110の表面110aおよび裏面110bが正面方向となるように表したものである。また、図6(a)および(b)は、第2の誘電体基板120の表面120aおよび裏面120bが正面方向となるように表したものである。さらに、図7(a)はアンテナ装置100の上面図、図7(b)にはアンテナ装置100の底面図である。
図5〜7に示されるように、第1の誘電体基板110のアンテナエレメントa1の一辺a12と、第2の誘電体基板120のアンテナエレメントb1の一辺b12は、それぞれ台座130に向かって延伸し、先端部で給電部50と接している。この接点には、それぞれ給電点50が形成される。
また、アンテナエレメントa1の別の辺a13、アンテナエレメントa2の一辺a22、アンテナエレメントb1の別の辺b14、ならびにアンテナエレメントb2の一辺b22も台座130に向かって延伸しており、それぞれ台座130との接点で接地短絡される。
なお、アンテナエレメントa1のその他の辺a11、アンテナエレメントa2の他辺a21、アンテナエレメントb1のその他の辺b11、アンテナエレメントb2の他辺b21は、それぞれ第1の誘電体基板110および第2の誘電体基板120の長辺に平行していずれかの短辺の付近に延びている。
なお、第1の誘電体基板110および第2の誘電体基板120では、表面および裏面のアンテナエレメントa1、a2、b1、b2は、互いに接触しないように形成されている。そして、給電部50には例えば同軸ケーブルやマイクロストリップラインを介して給電ピンを半田付けしたり、接地短絡部60では接地短絡パターン130にアンテナエレメントa12およびb14を半田付けしたりしてもよい。すなわち、給電および短絡は、いずれも電気的導通が取れるように行われる。
このようなアンテナ装置100においては、前述のように、各アンテナエレメントa1、a2、b1、b2は、誘電体基板110および120の表面と裏面とでほぼ左右対称である。そして、各エレメントは長さλ/4のアンテナパターンを形成し、誘電体基板110および120の表面110aおよび120aでは中央付近で給電される。一方、誘電体基板110および120の裏面110bおよび120bでは台座130へ接地され、λ/2のダイポールアンテナとして動作する。
さらに、表面110aおよび120aでは一辺a13およびb12を台座130へ短絡してλ/2の迂回路を形成して、平衡モードから不平衡モードへの変換を行うバラン(balun)として機能させ、アンバランスによる放射パターンやVSWR特性の悪化など、アンテナ特性に悪影響が及ぼされるのを防止している。
こうしたアンテナ装置100の効果は、図8および図9のグラフに端的に示されている。図8に示すのはアンテナ装置100の所定の周波数におけるVSWR(Voltage Standing Wave Ratio)の測定結果、図9に示すのはアイソレーション特性の測定結果である。図8を参照すると、アンテナ装置100が所定の周波数に対してVSWR≦2.0で10%以上の帯域を確保可能であることがわかる。また、図9に示されるように、アイソレーションも−20dB以上を実現しており、ダイポールアンテナとして問題なく動作し良好な結果が得られることがわかる。
ところで、近年、屋外セルラ用基地局アンテナでは偏波ダイバーシチ効果が求められており、垂直・水平(V/H)や±45°の偏波ダイバーシチが採用されつつある。本発明のクロスダイポールアンテナ装置100は、こうした基地局アンテナに使用することも可能である。
図10および図11に示すのは、複数のアンテナ装置100を金属地板70上にアレイ化して搭載し、偏波ダイバーシチ用の基地局アンテナとしたものである。図10に示すのはV/H偏波用アレイアンテナ210、図11に示すのは±45°偏波用アレイアンテナ220であって、複数のアンテナ装置100を地板70にねじ等で固定することにより、容易に作製できる。アンテナ装置100が少数の部品で簡易に形成できるため、アンテナ210および220は、従来の同様のアンテナに比べて生産性を高めることができるほか、全体として軽量化されるというメリットを有する。
次に、本発明の第二の実施例について説明する。
図12に示すのは、本発明の別の実施例によるクロスダイポールアンテナ装置100′である。図示するように、このアンテナ装置101は、先に説明したアンテナ装置100とほぼ同一の構成を有するが、アンテナエレメントの形状のみが異なっている。
図12に例示する第2の誘電体基板121では、アンテナエレメントb1′の各辺のうち、b11′の幅を広く形成している。また、図示しない第1の誘電体基板についてもアンテナエレメントの形状を同様に変更し、広帯域のエレメントとする。これにより、アンテナ装置100よりもさらに広帯域にわたってVSWR≦2.0を実現することができる。これを図13に示す。なお、実線は第一の実施例によるアンテナ装置100について、破線は第二の実施例によるアンテナ装置100′について、それぞれVSWRの測定結果を表している。
続いて、本発明の第三の実施例について説明する。
図14は、本発明の第三の実施例によるクロスダイポールアンテナ装置の斜視図である。図1に示した第一の実施例と同様、アンテナ装置101は、第1の誘電体基板110と、第2の誘電体基板120とを台座131上で組み合わせて構成される。第1の誘電体基板110および第2の誘電体基板120の構造は先に説明した第一の実施例におけるものと同一である。
ここで、アンテナ装置101に用いられる台座131は、第一および第二の実施例とは異なり、円形である。このアンテナ装置101は、台座131の表面の銅箔の接地短絡パターン131aを反射板として用い、指向性アンテナとしている。また、台座131の裏面に図15に示すラットレースハイブリッド回路や図16に示すブランチラインハイブリッド回路のように、第1の誘電体基板110上のアンテナエレメントに供給される信号と第2の誘電体基板120上のアンテナエレメントに供給される信号との位相を90°ずらす90°位相回路を形成して円偏波アンテナとし、衛星通信用として使用することも可能である。
このとき、台座131の直径は使用周波数λよりも大きいものとする。また、図15および図16において用いられているP1〜P4の符号は図17に示す回路図に用いられているP1〜P4の符号と同一であり、ポートの接続を表している。
以上、本発明の好適な実施例を説明したが、本発明はこれらの実施例に限られず、さまざまに実施することが可能である。例えば、第三の実施例において、第二の実施例のように広帯域エレメントを用いることもできる。
(a)および(b)は本発明の第一の実施例によるクロスダイポールアンテナ装置の斜視図。 (a)は第1の誘電体の表面、(b)は第1の誘電体の裏面を表す図。 (a)は第2の誘電体の表面、(b)は第2の誘電体の裏面を表す図。 (a)は台座の表面、(b)は台座の裏面を表す図。 (a)および(b)は本発明の第一の実施例によるクロスダイポールアンテナ装置の斜視図。 (a)および(b)は本発明の第一の実施例によるクロスダイポールアンテナ装置の斜視図。 (a)は本発明の第一の実施例によるクロスダイポールアンテナ装置の上面図、(b)は底面図。 本発明の第一の実施例によるクロスダイポールアンテナ装置のVSWRの測定結果を示す図。 本発明の第一の実施例によるクロスダイポールアンテナ装置のアイソレーション特性の測定結果を示す図。 本発明の第一の実施例によるクロスダイポールアンテナ装置を用いて構成されたV/H偏波用アレイアンテナの斜視図。 本発明の第一の実施例によるクロスダイポールアンテナ装置を用いて構成された±45°偏波用アレイアンテナの斜視図。 本発明の第二の実施例によるクロスダイポールアンテナ装置の斜視図。 本発明の第一および第二の実施例によるクロスダイポールアンテナ装置のVSWRの測定結果を示す図。 本発明の第三の実施例によるアンテナ装置の斜視図。 本発明の第三の実施例によるアンテナ装置の底面図。 本発明の第三の実施例によるアンテナ装置の底面図。 本発明の第三の実施例によるアンテナ装置の回路図。
符号の説明
100 クロスダイポールアンテナ装置
110 第1の誘電体基板
110a 表面
110b 裏面
120 第2の誘電体基板
120a 表面
120b 裏面
130 台座
130a 接地短絡パターン

Claims (5)

  1. 表面に形成されたλ/4の電気長を有する第1のアンテナエレメントと、裏面に形成されたλ/4の電気長を有する第2のアンテナエレメントと、複数の嵌合部とを備えた略矩形の第1の誘電体基板と、
    表面に形成されたλ/4の電気長を有する第3のアンテナエレメントと、裏面に形成されたλ/4の電気長を有する第4のアンテナエレメントと、複数の嵌合部とを備えた略矩形の第2の誘電体基板と、
    前記第1および第2の誘電体基板を取り付けるための台座と、
    を備え、
    前記第1および第2の誘電体基板はそれぞれ、一方の長辺の中央部に前記長辺に直交する切込部を有し、
    前記台座は、前記第1および第2の誘電体基板を取り付ける面に形成された接地短絡パターンと、前記台座を貫通して中央付近に設けられた複数の給電部と、前記嵌合部を挿入して前記第1および第2の誘電体基板を固定するための複数の嵌入部とを有し、
    前記第1の誘電体基板と前記第2の誘電体基板とは、前記切込部を相互に組み合わせることにより中心軸が一致して直交するように前記台座に取り付けられ、
    前記第1乃至第4のアンテナエレメントは、前記第1の誘電体基板と前記第2の誘電体基板とを組み合わせたときに互いに接触しないように形成され、
    前記第1のアンテナエレメントは、前記第1の誘電体基板の中心軸の近傍から前記第1の誘電体基板の一方の短辺に向かって前記第1の誘電体基板の長辺に平行して延伸する第1辺と、前記第1辺の一端で前記第1辺に直交して結合する第2辺と、前記第1辺の中途で前記第1辺に直交して結合する第3辺とを備え、
    前記第2のアンテナエレメントは、前記第1の誘電体基板の中心軸の近傍から前記第1の誘電体基板の他方の短辺に向かって前記第1の誘電体基板の長辺に平行して延伸する第1辺と、前記第1辺の一端で前記第1辺に直交して結合する第2辺とを備え、
    前記第3のアンテナエレメントは、前記第2の誘電体基板の中心軸の近傍から前記第2の誘電体基板の一方の短辺に向かって前記第2の誘電体基板の長辺に平行して延伸する第1辺と、前記第1辺の一端で前記第1辺に直交して結合する第2辺と、前記第2辺の一端で前記第2辺に直交して結合する第3辺と、前記第3辺の一端で前記第3辺に直交して結合する第4辺とを備え、前記第2辺と、前記第3辺と、前記第4辺とはコの字型を形成し、
    前記第4のアンテナエレメントは、前記第2の誘電体基板の中心軸の近傍から前記第2の誘電体基板の他方の短辺に向かって前記第2の誘電体基板の長辺に平行して延伸する第1辺と、前記第1辺の一端で前記第1辺に直交して結合する第2辺とを備え、
    前記第1および第2の誘電体基板を前記台座に取り付けたとき、前記給電部と前記第1のアンテナエレメントの前記第2辺との接点および前記給電部と前記第3のアンテナエレメントの第4辺との接点には給電点が設けられ、
    前記台座の前記接地短絡パターンと前記第1のアンテナエレメントの第3辺、前記第2のアンテナエレメントの第2辺、前記第3のアンテナエレメントの第2辺、および前記第4のアンテナエレメントの第2辺との接点には各々接地短絡点が形成されることを特徴とするアンテナ装置。
  2. 請求項1に記載のアンテナ装置において、
    前記台座は方形であることを特徴とするアンテナ装置。
  3. 請求項1に記載のアンテナ装置において、
    前記台座は円形であることを特徴とするアンテナ装置。
  4. 請求項3に記載のアンテナ装置において、
    前記台座の他面には、前記第1の誘電体基板上のアンテナエレメントに供給される信号と前記第2の誘電体基板上のアンテナエレメントに供給される信号との位相を90°ずらす90°位相回路が形成されることを特徴とするアンテナ装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれかに記載のアンテナ装置において、
    前記第1乃至第4のアンテナエレメントは広帯域エレメントであることを特徴とするアンテナ装置。
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