JP2020031395A - アンテナ装置 - Google Patents
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接地導体と、
前記接地導体と対向するように所定の間隔で配置されたパッチ導体と、
前記パッチ導体と前記接地導体とを電気的に接続する複数の短絡導体と、
前記パッチ導体の外縁部に配置される給電点とを備えたアンテナ装置であって、
前記複数の短絡導体のうち前記給電点に最も近い少なくとも1つの短絡導体を挟むように、前記パッチ導体の外縁部から前記パッチ導体の中心に向かって延在するように形成された2個のスリットを備えたことを特徴とする。
モノポールアンテナのように,水平方向に無指向放射する薄型マッシュルームアンテナの動作帯域幅の広帯域化が提案されている。本実施形態に係るアンテナ装置は非常に簡単な構成で、2つのスリットを有する円形のパッチ導体、複数のビア導体、並びに給電用のマイクロストリップ線路とを備えて構成される。数値シミュレーション及び測定結果から、試作アンテナ装置の利得帯域幅の広帯域化の改善が明確に示されている。
無線通信システムでは、モノポールアンテナは最も基本的アンテナ装置の一つであり、垂直偏波を有する水平方向の無指向性放射として有用であるが、基本的に1/4波長の高さを有する。この高さによって生じる問題点は、アンテナ装置の大きさや重さが大きいこと、また高さを低くしようとすればアンテナ性能の劣化、外力に弱く本体が損傷を受けやすいこと、さらにデザインの際に制約をもたらすなど、特に低周波帯では重大な問題を引き起こす。マッシュルーム構造は平面2次元右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアルとしてよく知られており、0次共振で無指向放射パターンを示すことから(例えば、非特許文献1参照)、低姿勢アンテナ装置のなかでモノポールアンテナの代わりとなりうる候補である(例えば、非特許文献2参照)。
図1Aは実施形態1に係るアンテナ装置の構成例を示す斜視図であり、図1Bは図1Aのアンテナ装置の平面図である。また、図1Cは図1Bのアンテナ装置のスリット14Bの内側先端部付近の拡大図であり、図1Dは図1BのA−A’線についての縦断面図である。
(1)裏面に接地導体11が形成された平行平板の誘電体基板10上に、円形平板形状を有するパッチ導体12を、接地導体11と対向するように形成し、
(2)パッチ導体12の中心Oから所定の距離(中心Oと外縁までの間の位置であって、概ねより好ましくはパッチ導体12の半径の1/2程度;好ましくは半径の1/5〜4/5程度)の同心円状の位置において例えば6個である複数のビア導体13を形成して
構成される。
(A)LC並列共振モード:ビア導体13によるインダクタンスと、パッチ導体12と接地導体11との間のキャパシタとの並列共振回路による共振であって、スリット14A,14Bのスリット長Lsに共振周波数が依存しない(図1E)共振である。
(B)半波長共振モード:パッチ導体12と接地導体11とによる、パッチ導体12の直径からビア導体13によって構成される仮想直径を差し引いた長さを半波長とするパッチアンテナの共振であって、スリット14A,14Bのスリット長Lsに共振周波数が依存する(図1E)共振である。ここで、パッチ導体12と接地導体11との間でパッチ導体12の径方向で電流分布が定在波分布して垂直上向き放射を行う。
(1)パッチ導体12が複数の分割パッチ導体22に分割されて形成される。
(2)複数の分割パッチ導体22の外縁に沿って、所定の間隔を有して、ループ導体21が形成される。
(3)ループ導体21に結合キャパシタ15を介して給電用ストリップ導体16が接続される。
(1)誘電体基板10の厚さ=1.6mm(約λg/80)
(2)誘電体基板10の比誘電率=2.2
(3)誘電体基板10の誘電正接tanδ=0.0009
(4)パッチ導体の半径=21.8mm
(5)接地導体11の寸法=74.65mm×74.65mm
(6)ビア導体13の半径Lr=1.0mm
(7)ビア導体13の配置=半径8.9mmの円周上に周回方向に等間隔となるよう配置した
(8)スリット14A,14Bの幅=0.5mm
(9)スリット14A,14Bのスリット長Ls=16.5mm
――――――――――――――――――――――――
ビア導体13の数 −3dBi帯域幅 ピーク利得
[%] [dBi]
――――――――――――――――――――――――
4 8.20 −1.85
6 8.84 −1.84
8 8.66 −1.48
12 8.87 −1.91
15 8.94 −1.62
――――――――――――――――――――――――
図5は実施形態2に係るアンテナ装置の構成例を示す平面図である。図5において、実施形態2に係るアンテナ装置は、実施形態1に係るアンテナ装置に比較して以下の相違点を有する。
(1)円形平板形状のパッチ導体12に代えて、長方形状のパッチ導体31を備える。
(2)6個のビア導体13に代えて、例えば4個である複数のビア導体13を備える。
(3)給電点P1近傍のビア導体13を挟むように、パッチ導体31の長方形の各角部から中心Oに向かって延在するスリット32A,32Bを誘電体基板10上に形成した。
―――――――――――――――――――――――
比較例2 実施形態2
―――――――――――――――――――――――
−6dB比帯域 1.91% 4.47%
−3dBi比帯域 3.80% 4.13%
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図7は実施形態3に係るアンテナ装置の構成例を示す平面図である。図7において、実施形態3に係るアンテナ装置は、実施形態2に係るアンテナ装置に比較して以下の相違点を有する。
(1)給電点P1近傍のビア導体13を挟むように、パッチ導体31の長方形の図上の上部辺(給電点P1希望)の2点から中心Oに向かって延在するスリット33A,33Bを誘電体基板10上に形成した。すなわち、実施形態3において、中心Oを中心として、スリット33A,33Bがなす角度は、実施形態2に係るアンテナ装置のスリット32A,32Bがなす角度よりも小さい。
―――――――――――――――――――――――
比較例3 実施形態3
―――――――――――――――――――――――
−6dB比帯域 2.85% 6.96%
−3dBi比帯域 3.91% 5.62%
―――――――――――――――――――――――
図9は実施形態4に係るアンテナ装置の構成例を示す平面図である。図9において、実施形態4に係るアンテナ装置は、実施形態1に係るアンテナ装置に比較して以下の相違点を有する。
(1)円形平板形状のパッチ導体12に代えて、菱形形状のパッチ導体12Aを備える。
(2)6個のビア導体13に代えて、例えば8個である複数のビア導体13を備える。
(3)給電点P1近傍のビア導体13を挟むように、パッチ導体12Aの菱形の図上の上部に位置する隣接する2辺から中心Oに向かって延在するスリット14A,14Bを誘電体基板10上に形成した。
―――――――――――――――――――――――
比較例4 実施形態4
―――――――――――――――――――――――
−6dB比帯域 3.66% 8.18%
−3dBi比帯域 3.69% 7.66%
―――――――――――――――――――――――
図11は比較例5に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図11において、比較例5に係るアンテナ装置は、実施形態1に係るアンテナ装置に比較して、以下の相違点を有する。
(1)給電点P1を、スリット14A,14Bが挟むパッチ導体12の外縁の位置から、中心Oを介して反対側の(180度回転した)位置に設けた。
――――――――――――――――――――――――――――――
比較例5 実施形態1 比較例1
――――――――――――――――――――――――――――――
−3dBi比帯域 3.69% 8.84% 5.60%
――――――――――――――――――――――――――――――
図13は比較例6に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図13において、比較例6に係るアンテナ装置は、実施形態1に係るアンテナ装置に比較して、以下の相違点を有する。
(1)給電点P1を、スリット14A,14Bが挟むパッチ導体12の外縁の位置から、中心Oを中心として90度回転した位置に設けた。
――――――――――――――――――――――――――――――
比較例6 実施形態1 比較例1
――――――――――――――――――――――――――――――
−3dBi比帯域 3.69% 8.84% 5.60%
――――――――――――――――――――――――――――――
図15は比較例7に係るアンテナ装置の反射係数及び平均利得の周波数特性を示すグラフである。図15において、「低次整合」は実施形態1において結合キャパシタ15の容量値が0.3pFのときの入力インピーダンスの整合状態を示し、「高次整合」は実施形態1において結合キャパシタ15の容量値が0.4pFのときの入力インピーダンスの整合状態を示す。また、表7は、高次整合及び低次整合における−3dBi比帯域を示す。
―――――――――――――――――――――――
低次整合 高次整合
―――――――――――――――――――――――
−3dBi比帯域 5.78% 8.84%
―――――――――――――――――――――――
以上説明したように、実施形態1〜4に係る、低姿勢で無指向かつ垂直偏波のマッシュルーム型アンテナ装置において、広帯域動作を実現する簡素化された構造を提案した。実施形態1〜4に係るアンテナ装置は、2本のスリット14A,14Bが装荷されたパッチ導体12と、複数のビア導体13と、給電用マイクロストリップ線路17とを備えて構成される。数値シミュレーション及び実験結果から、実施形態1に係るダブルスリットのマッシュルーム型アンテナ装置はそれぞれ、比較例1〜4に係るメタマテリアルアンテナ装置と比較して、水平方向平均利得−3dBi以上の帯域が広帯域化することが確認された。以上の結果から、実用化のための低姿勢アンテナ構造の簡素化に寄与できる。
以上の実施形態において、誘電体基板10を用いているが、本発明はこれに限らず、パッチ導体12及び接地導体11を所定の間隔で保持できる手段により、パッチ導体12と接地導体11との間は空気などの自由空間であってもよい。
11 接地導体
12,12A パッチ導体
13 ビア導体
14A,14B スリット
14Be スリットの先端
15 結合キャパシタ
16 給電用ストリップ導体
17 マイクロストリップ線路
20 無線送信回路
21 ループ導体
22 分割パッチ導体
31 パッチ導体
32A,32B スリット
33A,33B スリット
P1 給電点
P2 給電ポート
Claims (5)
- 接地導体と、
前記接地導体と対向するように所定の間隔で配置されたパッチ導体と、
前記パッチ導体と前記接地導体とを電気的に接続する複数の短絡導体と、
前記パッチ導体の外縁部に配置される給電点と
を備えたアンテナ装置であって、
前記複数の短絡導体のうち前記給電点に最も近い少なくとも1つの短絡導体を挟むように、前記パッチ導体の外縁部から前記パッチ導体の中心に向かって延在するように形成された2個のスリットを備えたことを特徴とするアンテナ装置。 - 前記2個のスリットは、前記パッチ導体の外縁部から前記パッチ導体の中心までの長さよりも短い長さを有することを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
- 前記パッチ導体は、円形状、楕円形状、長方形状、又は菱形形状を有することを特徴とする請求項1又は2記載のアンテナ装置。
- 前記給電点に接続される給電線路をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載のアンテナ装置。
- 前記パッチ導体と前記接地導体との間に挿入される誘電体基板をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載のアンテナ装置。
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