JP2022165307A - アンテナおよびアレイアンテナ - Google Patents

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Abstract

【課題】共振構造を有する設計自由度の高いアンテナおよびアレイアンテナを提供する。【解決手段】アンテナは、第1面方向に広がる第1共振器と、第1共振器と第1方向に離れており、第1面方向に広がる第2共振器と、第1方向において第1共振器および第2共振器の間に位置し、第1共振器および第2共振器の各々に、磁気的もしくは容量的に接続するように構成され、または電気的に接続する第3共振器と、第1面方向に広がり、第1方向において第1共振器および第2共振器の間に位置し、第1共振器および第2共振器の電位基準となる基準導体と、第1共振器に接続する給電線と、を含む。基準導体は、第1面方向において第3共振器の少なくとも一部を囲むように構成されている。【選択図】図1

Description

本開示は、アンテナおよびアレイアンテナに関する。
通常、平面アンテナでは、小型で広帯域な動作周波数を持つアンテナは、難しい。
特開2011-155479号公報
特許文献1に記載のような共振器素子は、複数の共振構造を有し、設計自由度の高いアンテナが求められている。
本開示は、共振構造を有する設計自由度の高いアンテナおよびアレイアンテナを提供することを目的とする。
本開示に係るアンテナは、第1面方向に広がる第1共振器と、前記第1共振器と第1方向に離れており、前記第1面方向に広がる第2共振器と、前記第1方向において前記第1共振器および前記第2共振器の間に位置し、前記第1共振器および前記第2共振器の各々に、磁気的もしくは容量的に接続するように構成され、または電気的に接続する第3共振器と、前記第1面方向に広がり、前記第1方向において前記第1共振器および前記第2共振器の間に位置し、前記第1共振器および前記第2共振器の電位基準となる基準導体と、前記第1共振器に接続する給電線と、を含み、前記基準導体は、前記第1面方向において前記第3共振器の少なくとも一部を囲むように構成されている。
本開示に係るアンテナは、第1面方向に広がる第1共振器と、前記第1共振器と第1方向に離れており、前記第1面方向に広がる第2共振器と、前記第1面方向に広がり、前記第1方向において前記第1共振器および前記第2共振器の間に位置し、前記第1共振器および前記第2共振器の電位基準となる基準導体と、前記第1方向において前記第1共振器および前記第2共振器の間に位置し、前記第1共振器および前記第2共振器の各々に、磁気的もしくは容量的に接続するように構成され、または電気的に接続する第3共振器と、前記第1共振器と、前記基準導体との間に位置し、前記第1面方向に広がる第1補助基準導体と、前記第2共振器と、前記基準導体との間に位置し、前記第1面方向に広がる第2補助基準導体と、前記第1共振器と、前記基準導体と、前記第1補助基準導体とを電磁気的に接続する第1接続線路と、前記第2共振器と、前記基準導体と、前記第2補助基準導体とを電磁気的に接続する第2接続線路と、を含み、前記基準導体は、前記第1面方向において前記第3共振器の少なくとも一部を囲むように構成されている。
本開示係るアレイアンテナは、本開示に係るアンテナを複数含み、複数の前記アンテナは、前記第1面方向に並んでいる。
本開示によれば、共振構造を有する設計自由度の高いアンテナおよびアレイアンテナを提供することができる。
図1は、第1実施形態に係るアンテナの構成を示す図である。 図2は、第1実施形態に係るアンテナの放射パターンを説明するための図である。 図3は、第1実施形態に係るアンテナの周波数特性を示すグラフである。 図4は、第1実施形態に係るアンテナの放射特性を示すグラフである。 図5は、第1実施形態に係るアンテナのピーク利得を示すグラフである。 図6は、第2実施形態に係るアンテナの構成例を示す図である。 図7は、第2実施形態に係る単位構造の周波数特性を示すグラフである。 図8は、第2実施形態に係る単位構造の周波数特性を示すグラフである。 図9は、第2実施形態に係るアンテナのピーク利得を示すグラフである。 図10は、第2実施形態に係る放射パターンを説明するための図である。 図11は、第2実施形態に係る放射パターンを説明するための図である。 図12は、第2実施形態に係る放射パターンを説明するための図である。 図13は、第2実施形態に係るアンテナの周波数特性を示すグラフである。
以下に、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下に説明する実施形態により本開示が限定されるものではない。
以下の説明においては、XYZ直交座標系を設定し、このXYZ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。水平面内のX軸と平行な方向をX軸方向とし、X軸と直交する水平面内のY軸と平行な方向をY軸方向とし、水平面と直交するZ軸と平行な方向をZ軸方向とする。また、X軸およびY軸を含む平面を適宜XY平面と称し、X軸およびZ軸を含む平面を適宜XZ平面と称し、Y軸およびZ軸を含む平面を適宜YZ平面と称する。XY平面は、水平面と平行である。XY平面とXZ平面とYZ平面とは直交する。
[第1実施形態]
[アンテナの構成]
図1を用いて、第1実施形態に係るアンテナの構成について説明する。図1は、第1実施形態に係るアンテナの構成を示す図である。
図1に示すように、アンテナ10は、基板12と、第1共振器14と、第2共振器16と、基準導体18と、接続線路20と、第3共振器22と、給電線30とを備える。
第1共振器14は、基板12において、XY平面に広がるように並び得る。第1共振器14は、導体で形成され得る。第1共振器14は、例えば、矩形に形成されたパッチ導体であり得る。図1に示す例では、第1共振器14は、矩形のパッチ導体として示しているが、本開示はこれに限定されない。第1共振器14の形状は、例えば、線状、円状、ループ形状、矩形を除く多角形状であってもよい。すなわち、第1共振器14の形状は、設計に応じて、任意に変更し得る。第1共振器14は、+Z軸方向から受信した電磁波によって共振するように構成されている。
第1共振器14は、共振する際に、電磁波を放射するように構成されている。第1共振器14は、共振する際に、電磁波を+Z軸方向側に放射するように構成されている。
第2共振器16は、基板12において、第1共振器14からZ軸方向の離れた位置で、XY平面に広がるように並び得る。第2共振器16は、例えば、矩形に形成されたパッチ導体であり得る。図1に示す例では、第2共振器16は、矩形のパッチ導体として示しているが、本開示はこれに限定されない。第2共振器16の形状は、例えば、線状、円状、ループ形状、矩形を除く多角形状であってもよい。すなわち、第2共振器16の形状は、設計に応じて、任意に変更し得る。第2共振器16の形状は、第1共振器14の形状と同じであってもよいし、異なっていてもよい。第2共振器16の面積は、第1共振器14と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
第2共振器16は、共振する際に、電磁波を放射するように構成されている。第2共振器16は、例えば、-Z軸方向側に電磁波を放射するように構成されている。第2共振器16は、共振する際に、電磁波を-Z軸方向に放射するように構成されている。第2共振器16は、-Z軸方向からの電磁波の受信によって共振するように構成されている。
第2共振器16は、第1共振器14と異なる位相で共振するように構成されてもよい。第2共振器16は、XY平面方向において、第1共振器14と異なる方向に共振するように構成されてもよい。第2共振器16は、例えば、第1共振器14がX軸方向に共振するように構成されている場合には、Y軸方向に共振するように構成されてもよい。第2共振器16の共振方向は、XY平面方向において、第1共振器14の共振方向の経時変化に対応して経時変化するように構成されてもよい。第2共振器16は、第1共振器14が受信した電磁波を、第1周波数帯が減衰した電磁波を放射するように構成されてもよい。基準導体18は、第1共振器14と第2共振器16と第3共振器22の間で結合モードの関係となった際、放射に寄与する電流が打ち消されるのを低減する。基準導体18によって、それぞれの結合モードの周波数で放射される。
基準導体18は、基板12において、第1共振器14と、第2共振器16との間に並び得る。基準導体18は、例えば、基板12において、第1共振器14と、第2共振器16との中心にあり得るが、本開示はこれに限定されない。基準導体18は、例えば、第1共振器14との距離と、第2共振器16との距離が異なる位置にあってよい。基準導体18は、開口部18aを有する。基準導体18は、接続線路20の少なくとも一部を囲うように構成されている。
接続線路20は、導体で形成され得る。接続線路20は、Z軸方向において、第1共振器14と、第2共振器16との間に位置する。Z軸方向は、例えば、第1方向とも呼ばれ得る。接続線路20は、第1共振器14と、第2共振器16との各々に接続され得る。接続線路20は、第3共振器22と一体に構成され得る。接続線路20は、例えば、第1共振器14および第2共振器16の各々に磁気的もしくは容量的に接続するように構成され得る。接続線路20は、例えば、第1共振器14および第2共振器16の各々に電気的に接続するように構成されてもよい。接続線路20は、第1共振器14のX軸方向に平行な辺に接続され、第2共振器16のX軸方向に平行な辺に接続される。接続線路20は、Z軸方向に平行な経路であり得る。接続線路20は、第3共振器とし得る。
図1では、接続線路20は、直線状の経路であるものとして説明したが、これは例示であり、本開示を限定するものではない。接続線路20は、Z軸方向に平行な経路部およびXY平面に平行な経路部などの複数の経路部で構成されてもよい。
第3共振器22は、Z軸方向において、第1共振器14と、第2共振器16との間に並び得る。第3共振器22は、基準導体18の開口部18a内にあり得る。第3共振器22は、基準導体18と接触しないように、開口部18a内にあり得る。第3共振器22は、例えば、第1共振器14および第2共振器16の各々に磁気的もしくは容量的に接続するように構成され得る。すなわち、第3共振器22は、基準導体18に囲われている。第3共振器22は、基準導体18と容量的に接続されている。
給電線30は、第1共振器14に電磁気的に接続されている。給電線30は、第1共振器14に電力を供給するように構成されている。給電線30の入力インピーダンスは、例えば、50Ωであるが、これに限定されない。
本実施形態では、到来する電磁波の基本波の波長をλとすると、第1共振器14の少なくとも一辺の長さはλ/2、第2共振器16の少なくとも一辺の長さはλ/2、第3共振器22の少なくとも一辺の長さはλ/4に設定されている。
本実施形態では、第1共振器14は、Z軸方向から受信した電磁波を給電線30に伝えるように構成されている。
第2共振器16は、給電線30からの信号によって共振するように構成されている。第2共振器16は、給電線30からの信号によって共振する際に、電磁波を放射するように構成されている。第2共振器16は、給電線30からの信号によって共振する際に、電磁波をZ軸方向に放射するように構成されている。第2共振器16は、給電線30からの信号によって共振する際に、-Z軸方向側に放射するように構成されている。第2共振器16は、-Z軸方向側から受信した電磁波を給電線30に伝えるように構成されている。
第1共振器14は、給電線30からの信号によって共振する際に、電磁波を放射するように構成されている。第1共振器14は、給電線30からの信号によって共振する際に、電磁波をZ軸方向側に放射するように構成されている。
第2共振器16は、給電線30から供給された信号に対して、第1共振器14と異なる位相で共振するように構成されてもよい。第2共振器16は、給電線30からの信号によって共振する際に、XY平面方向において、第1共振器14の共振方向と異なる方向に共振するように構成されてもよい。第2共振器16は、例えば、第1共振器14がX軸方向に共振するように構成されている場合には、Y軸方向に共振するように構成されてもよい。
第1共振器14および第2共振器16の少なくとも一方は、XY平面において共振方向が経時変化するように構成されてもよい。
図2を用いて、第1実施形態に係るアンテナの放射パターンについて説明する。図2は、第1実施形態に係るアンテナの放射パターンを説明するための図である。
図2は、図1に示すアンテナ10の電磁波の放射パターンを示す。図2に示すように、アンテナ10は、Z軸方向と、-Z軸方向の利得が大きい。すなわち、アンテナ10は、Z軸方向と、-Z軸方向に電磁波を放射するように構成されている。
図3を用いて、第1実施形態に係るアンテナの周波数特性について説明する。図3は、第1実施形態に係るアンテナの周波数特性を示すグラフである。
図3において、横軸は周波数[GHz(Giga Hertz)]、縦軸は利得[dB(deci Bel)]を示す。図3には、グラフG1が示されている。図3は、アンテナ10の給電線30に供給された電力の反射係数を示す。図3に示すように、18.00GHz近傍から28.00GHz近傍の反射係数は、利得が-5dB以下である。すなわち、アンテナ10において、18.00GHz近傍から28.00GHz近傍の範囲では整合が取れている。
図4を用いて、第1実施形態に係るアンテナの放射特性について説明する。図4は、第1実施形態に係るアンテナの放射特性を示すグラフである。
図4において、横軸は周波数[GHz]、縦軸は利得[dB]を示す。図4には、グラフG2と、グラフG3とが示されている。グラフG2は、-Z軸方向の放射効率を示す。グラフG3は、+Z軸方向の放射効率を示す。グラフG2およびグラフG3に示すように、18.00GHz近傍から28.00GHz近傍の放射効率は、-3dB以上である。アンテナ10は、+Z軸方向および-Z軸方向において、良好な放射特性を有している。
図5を用いて、第1実施形態に係るアンテナのピーク利得について説明する。図5は、第1実施形態に係るアンテナのピーク利得を示すグラフである。
図5において、横軸は周波数[GHz]、縦軸は利得[dBi]を示す。図5には、グラフG4が示されている。図5に示すように、ピーク利得は、18.00GHz近傍から31.00近傍において、ピーク利得は、4dBiである。アンテナ10は、良好なピーク利得を有している。
[第2実施形態]
図6を用いて、第2実施形態に係るアンテナの構成例について説明する。図6は、第2実施形態に係るアンテナの構成例を示す図である。
図6に示すように、アンテナ10Aは、第1共振器14Aと、第2共振器16Aと、基準導体18と、接続線路20aと、接続線路20bと、接続線路20cと、接続線路20dと、第3共振器22と、第1補助基準導体24と、第2補助基準導体26と、給電線30と、を備える。
第1共振器14Aは、少なくとも一辺の長さがλ/4に設定されている点で、図1に示す第1共振器14とは異なる。第2共振器16Aは、少なくとも一辺の長さがλ/4に設定されている点で、図1に示す第2共振器16と異なる。
第1共振器14Aは、+Z軸方向からの電磁波の受信によって共振するように構成されている。第1共振器14Aは、共振する際に、電磁波を放射するように構成されている。第1共振器14Aは、共振する際に、電磁波を+Z軸方向側に放射するように構成されている。
第2共振器16Aは、共振する際に、電磁波を放射するように構成されている。第2共振器16Aは、共振する際に、電磁波を-Z軸方向側に放射するように構成されている。第2共振器16Aは、-Z軸方向からの電磁波の受信によって共振するように構成されている。
第2共振器16Aは、第1共振器14Aと異なる位相で共振するように構成されてもよい。第2共振器16Aは、XY平面方向において、第1共振器14Aの共振方向と異なる方向に共振するように構成されてもよい。第2共振器16Aは、例えば、第1共振器14AがX軸方向に共振するように構成されている場合、Y軸方向に共振するように構成されてもよい。第2共振器16Aの共振方向は、XY平面方向において、第1共振器14Aの共振方向に対して経時変化するように構成されもよい。第2共振器16Aは、第1共振器14Aが受信した電磁波、第1周波数帯を減衰させて放射するように構成されてもよい。
第3共振器22は、Z軸方向において、第1共振器14Aと、第2共振器16Aとの間に並び得る。第3共振器22は、基準導体18の開口部18c内にあり得る。第3共振器22は、基準導体18と接触しないように、開口部18c内にあり得る。すなわち、第3共振器22は、基準導体18に囲われている。
第1補助基準導体24は、第1共振器14Aと、基準導体18との間に並び得る。第1補助基準導体24は、導体で形成され得る。第2補助基準導体26は、第2共振器16Aと、基準導体18との間に並び得る。第2補助基準導体26は、導体で形成され得る。
接続線路20aは、一端が第1共振器14Aに電磁気的に接続されている。接続線路20aは、第1補助基準導体24を通過し、他端が基準導体18に電気的に接続されている。接続線路20aは、第1補助基準導体24に電磁気的に接続されている。接続線路20aは、第1接続線路とも呼ばれ得る。
接続線路20bと、接続線路20cと、接続線路20dとは、それぞれ、一端が第2共振器16Aに電磁気的に接続されている、接続線路20bと、接続線路20cと、接続線路20dとは、第2補助基準導体26を通過し、他端が基準導体18に電磁気的に接続されている。接続線路20bと、接続線路20cと、接続線路20dとは、第2補助基準導体26に電磁気的に接続されている。接続線路20bと、接続線路20cと、接続線路20dとは、第2接続線路とも呼ばれ得る。
給電線30は、第1共振器14Aに電磁気的に接続されている。給電線30は、第1共振器14に電力を供給するように構成されている。給電線30の入力インピーダンスは、例えば、50Ωであるが、これに限定されない。
図7と、図8とを用いて、第2実施形態に係るアンテナの周波数特性について説明する。図7と、図8とは、第2実施形態に係るアンテナの周波数特性を示すグラフである。
図7において、横軸は周波数[GHz]、縦軸は利得[dB]を示す。図7には、グラフG5が示されている。グラフG5は、反射係数を示す。例えば、19.00GHz近傍の周波数帯域の利得は、約-9.4dBである。例えば、23.00GHz近傍の周波数帯域の利得は、約-7.4dBである。例えば、26.00GHz近傍の周波数帯域の利得は、約-19.9dBである。
図8において、横軸は周波数[GHz]、縦軸は利得[dB]を示す。図8には、グラフG6と、グラフG7とが示されている。グラフG6は、-Z軸方向の放射効率を示す。グラフG7は、+Z軸方向の放射効率を示す。グラフG6およびグラフG7に示すように、19.00GHz近傍から26.00GHz近傍の放射効率は、-3dB以上である。アンテナ10Aは、+Z軸方向および-Z軸方向において、良好な放射特性を有している。
図9を用いて、第2実施形態に係るアンテナのピーク利得について説明する。図9は、第2実施形態に係るアンテナのピーク利得を示すグラフである。
図9において、横軸は周波数[GHz]、縦軸は利得[dBi]を示す。図9には、グラフG8が示されている。図8に示すように、ピーク利得は、19.00GHz近傍から26.00近傍において、ピーク利得は、-1dBi以上である。アンテナ10Aは、良好なピーク特性を有している。
図10と、図11と、図12とを用いて、第2実施形態に係るアンテナの放射パターンについて説明する。図10から図12は、第2実施形態に係る放射パターンを説明するための図である。
図10は、周波数が19GHzにおけるアンテナ10Aの放射パターンを示す。図11は、周波数が23GHzにおけるアンテナ10Aの放射パターンを示す。図12は、周波数が26GHzにおけるアンテナ10Aの放射パターンを示す。図10に示すように、周波数が19GHzの場合の、利得の最大値は-0.5dBであり、最小値は-14.2dBである。図11に示すように、周波数が23GHzの場合の、利得の最大値は1.2GHzであり、最小値は-19.8GHzである。図12に示すように、周波数が26GHzの場合の、利得の最大値は2.0dBであり、最小値は-27.5dBである。
[その他の実施形態]
図13を用いて、その他の実施形態に係るアンテナの周波数特性について説明する。図13は、その他の実施形態に係るアンテナの周波数特性を示すグラフである。
図13において、横軸は周波数[GHz]、縦軸は利得[dB]を示す。図13には、グラフG9が示されている。グラフG9は、トリプルバンド対応のアンテナの反射係数示す。例えば、19.00GHz近傍の周波数帯域の利得は、約-9.4dBである。例えば、23.00GHz近傍の周波数帯域の利得は、約-7.4dBである。例えば、26.00GHz近傍の周波数帯域の利得は、約-19.9dBである。
以上、本開示の実施形態を説明したが、これら実施形態の内容により本開示が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
10 アンテナ
12 基板
14 第1共振器
16 第2共振器
18 基準導体
20 接続線路
22 第3共振器
24 第1補助基準導体
26 第2補助基準導体
30 給電線

Claims (13)

  1. 第1面方向に広がる第1共振器と、
    前記第1共振器と第1方向に離れており、前記第1面方向に広がる第2共振器と、
    前記第1方向において前記第1共振器および前記第2共振器の間に位置し、前記第1共振器および前記第2共振器の各々に、磁気的もしくは容量的に接続するように構成され、または電気的に接続する第3共振器と、
    前記第1面方向に広がり、前記第1方向において前記第1共振器および前記第2共振器の間に位置し、前記第1共振器および前記第2共振器の電位基準となる基準導体と、
    前記第1共振器に接続する給電線と、を含み、
    前記基準導体は、前記第1面方向において前記第3共振器の少なくとも一部を囲むように構成されている、
    アンテナ。
  2. 前記基準導体は、貫通孔を有し、
    前記第3共振器は、前記貫通孔を通じて、前記第1共振器および前記第2共振器の各々に、磁気的もしくは容量的に接続するように構成され、または電気的に接続する、
    請求項1に記載のアンテナ。
  3. 前記第1共振器は、前記第1方向の順方向から受信した電磁波を前記給電線に伝えるように構成されている、
    請求項1または2に記載のアンテナ。
  4. 前記第2共振器は、前記給電線からの信号によって共振する際に、電磁波を放射するように構成されている、
    請求項1から3のいずれか1項に記載のアンテナ。
  5. 前記第2共振器は、前記給電線からの信号によって共振する際に、電磁波を前記第1方向の逆方向に放射するように構成されている、
    請求項4に記載のアンテナ。
  6. 前記第2共振器は、前記第1方向の逆方向から受信した電磁波を前記給電線に伝えるように構成されている、
    請求項5に記載のアンテナ。
  7. 前記第1共振器は、前記給電線からの信号によって共振する際に、電磁波を放射するように構成されている、
    請求項1から6のいずれか1項に記載のアンテナ。
  8. 前記第1共振器は、前記給電線からの信号によって共振する際に、電磁波を前記第1方向の順方向に放射するように構成されている、
    請求項1から7のいずれか1項に記載のアンテナ。
  9. 前記第2共振器は、前記給電線から供給された信号に対して前記第1共振器と異なる位相で共振するように構成されている、
    請求項1から8のいずれか1項に記載のアンテナ。
  10. 前記第2共振器は、前記給電線から供給によって共振する際に、前記第1面方向において、前記第1共振器と異なる面内方向に共振するように構成されている、
    請求項1から9のいずれか1項に記載のアンテナ。
  11. 前記第1共振器および前記第2共振器の少なくとも一方は、前記第1面方向において共振方向が経時変化するように構成されている、
    請求項1から10のいずれか1項に記載のアンテナ。
  12. 第1面方向に広がる第1共振器と、
    前記第1共振器と第1方向に離れており、前記第1面方向に広がる第2共振器と、
    前記第1面方向に広がり、前記第1方向において前記第1共振器および前記第2共振器の間に位置し、前記第1共振器および前記第2共振器の電位基準となる基準導体と、
    前記第1方向において前記第1共振器および前記第2共振器の間に位置し、前記第1共振器および前記第2共振器の各々に、磁気的もしくは容量的に接続するように構成され、または電気的に接続する第3共振器と、
    前記第1共振器と、前記基準導体との間に位置し、前記第1面方向に広がる第1補助基準導体と、
    前記第2共振器と、前記基準導体との間に位置し、前記第1面方向に広がる第2補助基準導体と、
    前記第1共振器と、前記基準導体と、前記第1補助基準導体とを電磁気的に接続する第1接続線路と、
    前記第2共振器と、前記基準導体と、前記第2補助基準導体とを電磁気的に接続する第2接続線路と、を含み、
    前記基準導体は、前記第1面方向において前記第3共振器の少なくとも一部を囲むように構成されている、
    アンテナ。
  13. 請求項1から12のいずれか1項に記載のアンテナを複数含み、
    複数の前記アンテナは、前記第1面方向に並んでいる、
    アレイアンテナ。
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