JP4690820B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動体無線通信に用いられる無線機などに適用されるアンテナ装置の技術分野に関するものである。

近年、移動体無線通信に対するニーズは、携帯電話等さまざまな分野で高まっている。携帯電話は、車両等での高速移動状態においても、音声通話やデータ通信等で利用されている。また、ノート型パーソナルコンピュータ(ノートＰＣ)が小型化、軽量化されるに伴い、これを屋外で使用して高速データ通信を行う場面が増えてきている。

ノートＰＣを用いて屋外でデータ通信を行う場合、例えば図１０（ａ）に示すようにノートＰＣ１０１にワイヤレスローカルエリアネットワーク（Ｗ−ＬＡＮ）カード１０２を接続する方法が良く用いられている。このＷ−ＬＡＮカード１０２には、図１０（ｂ）に示すようなアンテナパターン１０４、あるいは図１０（ｃ）に示すようなチップアンテナ１０５が、Ｗ−ＬＡＮカード１０２のプリント基板１０３の端に取り付けられているのが一般的である（特許文献１）。

ところで、移動体無線通信では、基地局からの電波が移動体に対してあらゆる方向から到来している。そのため、移動体に搭載されるアンテナは、大地に対し水平面で無指向の放射パターンを有していることが望ましい。

また、前記移動体無線通信がＷ−ＬＡＮの場合には、垂直偏波の電波が使用されることが多い。しかしながら、図１０のように構成されたアンテナでは、基板の長手方向に電流が強く流れるため、水平偏波成分が主体となり、さらに水平偏波の放射パターンは水平面に対し８の字状となる。このため、パターンのヌル方向では通信特性が劣化してしまうという問題がある。

これに対し、垂直偏波が水平面で無指向性を有しているアンテナとして、例えば図１１に示すような平板状アンテナ１１１が知られている（特許文献２）。このような平板状アンテナ１１１では、有限地板１１２を使用して水平面無指向性を達成するために、アンテナエレメント１１３を有限地板１１２の中央に配置するような構成としている。

ここで有限地板とは、該地板の大きさが使用電波の波長に対して必ずしも十分に大きいとは言えず、該地板の大きさが無視できないものを言う。例えば、図１０（ｂ）のアンテナパターン１０４または図１０（ｃ）のチップアンテナ１０５では、プリント基板１０３がそれぞれのアンテナ地板となっているが、その大きさは使用電波の波長に対して十分に大きいとは言えない。

またＷ−ＬＡＮでは、ダイバーシティ受信を必要としたり、2.4GHz帯と5GHz帯の２つの周波数帯を使用するといったこともあり、このような用途に対しては複数のアンテナを必要とする場合がある。
特開２００２−７６７３５号公報 特開平５−３４７５１１号公報

しかしながら、プリント基板上には種々の電子部品等が配置されることから、アンテナエレメントをプリント基板の中央に配置するのが困難となる場合が多い。また、1つの地板上に複数のアンテナエレメントを搭載する必要がある場合には、地板中央に配置できるとしても１つのアンテナエレメントのみであり、その他のアンテナエレメントは中央以外の位置に配置せざるを得ない。

このため、例えば図１２（ａ）に示すように、アンテナエレメント１１３が有限地板１１２の中央以外の位置に配置された平板状アンテナ１２１では、構造の非対称性のために垂直偏波の水平面無指向性が達成できなくなる、あるいは図１２（ｂ）に示すように垂直偏波利得１２２が低下してしまう（同図では垂直偏波利得１２２が水平偏波利得１２３に比べて低下している）、といった通信特性を劣化させてしまう問題があった。

また、同じ地板上に複数のアンテナを配置する場合には、アンテナ間の干渉を低減するために各アンテナの間隔をある程度大きくして配置する必要があるが、そのために装置が大型化してしまう、あるいはトラップ回路を付加することにより高周波回路部が複雑になってしまう、等の問題があった。

特に車載用の電話アンテナでは、無線通信装置の小型化により、前記有限地板が使用周波数の波長に対し非常に小さくなる場合があり、同地板のアンテナ指向性に対する影響が大きくなることが問題となる。すなわち、図１２で説明したような問題が生じてしまう。

そこで本発明は、アンテナを地板中央に配置することなく、垂直偏波の水平面無指向性の放射パターンを得ることができ、また通信特性を劣化させることなく複数のアンテナを設置することが可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。

この発明のアンテナ装置の第１の態様は、略方形の地板と、前記地板の上方に略平行配置される長尺状の導体からなるアンテナエレメントと、前記アンテナエレメントの一端と前記地板とを電気的に接続する垂直エレメントと、前記アンテナエレメントの他端と給電点を接続する給電用エレメントとからなり、前記アンテナエレメントが略コの字型または湾曲状に形成され、前記アンテナエレメント、前記垂直エレメント及び前記給電用エレメントのいずれもが前記地板の直上に配置され、前記給電点が、前記地板の相対向する二辺の略中央位置に配置され、前記アンテナエレメントと前記垂直エレメントと前記給電用エレメントの全長が使用周波数の約１／２波長の長さであって、前記アンテナエレメントと前記垂直エレメントと前記給電用エレメントとを、前記地板の相対向する二辺に略垂直な中心線に対しほぼ左右対称となるように配置ことにより、使用周波数の約１／４波長の長さのアンテナが左右対称に配置され、前記アンテナエレメントが、前記地板から使用周波数の約０．０６波長以上約０．０８波長以下の高さに配置されることを特徴とするアンテナ装置である。

第２の態様は、略方形の地板と、前記地板の上方に略平行配置される長尺状の導体からなるアンテナエレメントと、前記アンテナエレメントの両端と前記地板とを電気的に接続する第１及び第２の垂直エレメントと、前記第１と第２の垂直エレメントの間で前記アンテナエレメントと給電点を接続する給電用エレメントとからなり、前記アンテナエレメントが略コの字型または湾曲状に形成され、前記アンテナエレメント、前記第１及び第２の垂直エレメント及び前記給電用エレメントのいずれもが前記地板の直上に配置され、前記給電点が、前記地板の相対向する二辺の略中央位置に配置され、前記アンテナエレメントと前記第１及び第２の垂直エレメントの全長が使用周波数の約１／２波長の長さであって、前記アンテナエレメントと前記第１及び第２の垂直エレメントとを、前記地板の相対向する二辺に略垂直な中心線に対しほぼ左右対称となるように配置することにより、使用周波数の約１／４波長の長さのアンテナが左右対称に配置され、前記アンテナエレメントが、前記地板から使用周波数の約０．０６波長以上約０．０８波長以下の高さに配置されることを特徴とするアンテナ装置である。

前記第３の態様は、前記アンテナエレメントのほぼ中央に容量成分を装荷することを特徴とするアンテナ装置である。

以上説明したように本発明のアンテナ装置によれば、アンテナを地板中央に配置することなく、垂直偏波に対し水平面無指向性の高い放射パターンを得ることができる。これにより、設計上自由度の高いアンテナ装置を提供することができる。また、アンテナエレメントを、地板から約０．０６波長以上０．０８波長以下の高さに配置するので、水平方向における垂直偏波成分と水平偏波成分の利得差を１ｄＢ程度に収めることができ、ｘ−ｙ平面とｙ−ｚ平面のどちらを水平面にとった場合でも、性能が大きく変化することのないアンテナ装置を提供することができる。

とくに、ほぼ２倍の周波数で動作する他のアンテナと統合する場合であっても、本発明のアンテナ装置によれば、アンテナエレメントの中央に容量成分を装荷することにより、アンテナ間の距離を大きくすることなくアンテナ相互の干渉を低減することが可能となり、これによりアンテナ装置を小型化することができる。

さらに、本発明のアンテナ装置の接地点近傍に第２のアンテナ素子を設置することで、干渉の小さいダイバーシティアンテナを構成することができる。

車載用のアンテナ装置にあっては、本発明のアンテナ装置によれば、車載用の電話アンテナを有限地板上に設置する場合や、他のアンテナ、例えばGPS（全地球測位システム）等の無線通信装置と一体化する場合であっても、アンテナの特性を劣化させることなく該車載用の電話アンテナを設置することが可能となる。

図面を参照して本発明の好ましい実施の形態におけるアンテナ装置について詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

図１は、本発明の第一の実施形態におけるアンテナ装置の概略構成を説明する図である。図１（ａ）は、本実施形態のアンテナ装置１の斜視図を示しており、図１（ｂ）は、本実施形態のアンテナ装置１の平面図を示している。

アンテナ装置１は、有限地板２上に略コの字型に形成されたアンテナエレメント３と給電用エレメント４及び垂直エレメント５からなる長尺状の導体を有している。給電用エレメント４は、アンテナエレメント３の一端と給電点６とを接続しており、垂直エレメント５は、アンテナエレメント３の他端と有限地板２とを接続している。

アンテナエレメント３は、線材、板材もしくは薄膜等の長尺状の導体で形成されており、アンテナエレメント３の形状、及び給電用エレメント４と垂直エレメント５との配置関係は、ともに有限地板２に対して左右対称となるよう形成されている。また、アンテナエレメント３と給電用エレメント４及び垂直エレメント５からなる導体の全長が、使用周波数の約1/2波長となるよう形成されている。

上記のような構成は、使用周波数の約1/4波長のアンテナを左右対称に配置した無給電アレーと考えることができ、指向性を無くすよう調整していることになる。さらに、給電用エレメント４と垂直エレメント５に流れる電流がともに同相となるため、垂直偏波成分を多く生成することが可能となる。

本実施形態のアンテナ装置１における放射パターンの一実施例を図２に示す。同図において、（ａ）は(ｘ−ｙ)面における放射パターンを示しており、（ｂ）は（ｙ−ｚ）面における放射パターンを示している。

図２に示す放射パターンは、図１に示すアンテナ装置１の寸法を以下のように設定したときのものである。すなわち、アンテナ装置１の使用周波数の波長をλとしたとき、有限地板２の一辺の長さを約0.26λ、アンテナエレメント３の地板２からの高さを約0.06λ、アンテナエレメント３の向かい合う２辺の長さを約0.13λとし、アンテナエレメント３、給電用エレメント４、及び垂直エレメント５の全長が約1/2λになるようにしている。

図２（ａ）より、（ｘ−ｙ）面における垂直偏波成分７が無指向性の放射パターンを形成していることが確認できる。また、図２（ｂ）に示す（ｙ−ｚ）面においては、水平偏波成分１０が無指向性の放射パターンを形成していることが確認できる。このことから、本実施形態のアンテナ装置１の寸法を上記のように構成することにより、（ｘ−ｙ）面と（ｙ−ｚ）面のどちらを水平面にとった場合でも、垂直偏波を無指向に放射することが可能となる。

図１３にはアンテナエレメントの高さに対する、水平方向における垂直偏波と水平偏波成分の利得差を示している。アンテナエレメントの高さが約0.06波長から約0.08波長の場合、利得差は１dB程度に収まっており、（ｘ−ｙ）面と（ｙ−ｚ）面のどちらを水平面にとった場合でも、性能が大きく変化することがない。また、装置の低姿勢化に伴い、アンテナ高さを約0.04波長程度まで低くしても、利得差は３dB程度以内に収まる。

上記の通り本発明のアンテナ装置１では、アンテナエレメント３、給電用エレメント４、及び垂直エレメント５を有限地板２に対して左右対称となるよう形成するとともに、全長を使用周波数の約1/2波長とすることにより、垂直偏波を無指向に放射することが可能となる。

これにより、アンテナエレメント３を地板２の中央に設置する必要が無くなり、アンテナ装置１の設計自由度が高められるといった大きな効果が得られる。さらに、垂直偏波成分と水平偏波成分とによる偏波ダイバーシティ効果も期待できる。

本発明の第二の実施形態であるアンテナ装置を、図３を用いて以下で説明する。図３（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本発明の第二の実施形態であるアンテナ装置１１の斜視図および平面図を示す。

本実施形態のアンテナ装置１１は、コの字に形成されたアンテナエレメント３の両端が、第１垂直エレメント１２と第２垂直エレメント１３によって有限地板２に電気的に接続され、第１垂直エレメント１２と第２垂直エレメント１３の間にアンテナエレメント３と給電点６を接続する給電用エレメント１４が設けられている。

本実施形態のアンテナ装置１１では、第１垂直エレメント１２と第２垂直エレメント１３との間に給電用エレメント１４を設けて給電させるようにしており、これにより任意のインピーダンスと容易に整合できるようになる。すなわち、給電用エレメント１４とアンテナエレメント３との接続位置を調整することで、地板上の図示しないアンテナ回路とアンテナエレメント３との間のインピーダンスの整合状態を改善することができる。

図１に示した本発明の第一の実施形態のアンテナ装置１と、図３に示した本発明の第二の実施形態のアンテナ装置１１のそれぞれにおいて、各アンテナ装置の構成から得られる50Ω線路に対するインピーダンス特性（ＶＳＷＲ）を図４に示す。同図より、第二の実施形態であるアンテナ装置１１のＶＳＷＲ１６の方が、第一の実施形態であるアンテナ装置１のＶＳＷＲ１５より低くなっていることがわかる。従って、アンテナ装置１１のような給電方式を用いることで、インピーダンスの整合状態を改善できることがわかる。

図１に示した本発明の第一の実施形態のアンテナ装置１、及び図３に示した本発明の第二の実施形態のアンテナ装置１１では、ともにアンテナエレメント３の形状がコの字に形成されていた。本発明のアンテナ装置では、アンテナエレメントの形状がコの字に限定されるものではない。

本発明のアンテナ装置のアンテナエレメントが、コの字以外の形状に形成される一実施例として、例えば図５に示すようなジグザグ形状のものがある。図５（ａ）及び（ｂ）は、アンテナエレメント２２がジグザグ形状を形成しているアンテナ装置２１のそれぞれ斜視図及び平面図を示す。図５ではジグザグ形状のものを示したが、別の実施例としてコイル形状にすることも可能である。

図５において、ジグザグ形状はアンテナエレメント２２の全体に形成されるものであってもよく、あるいはアンテナエレメント２２の一部にのみ形成されてもよい。アンテナエレメント２２をジグザグ形状あるいはコイル形状に形成することで、一定の領域内におけるアンテナエレメントの電気長を長くすることが可能となる。従って、所定の長さのアンテナエレメントの占める領域を小さくすることができ、その結果アンテナ装置のサイズを小さくすることが可能となる。

本発明のアンテナ装置のアンテナエレメントが、コの字以外の形状に形成されるさらに別の実施例を図６に示す。図６（ａ）は本実施例のアンテナ装置３１の斜視図を示し、図６（ｂ）は平面図を示す。図６に示すアンテナ装置３１では、アンテナエレメント３２が湾曲した形状に形成されている。

アンテナエレメント３２が図６に示すような湾曲状に変形されている場合であっても、アンテナエレメント３２等を地板２に対して左右対称に設置することにより、垂直偏波の水平面無指向の放射パターンを形成することが可能となる。

本発明のさらに別の実施形態であるアンテナ装置を、図７を用いて説明する。図７（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ本実施形態の斜視図及び平面図を示す。本実施形態のアンテナ装置４１では、アンテナエレメント４２の中央部が切断されて容量成分４３が形成されている。

図７に示すように、アンテナエレメント４２の中央部に容量成分４３を形成することにより、アンテナ装置４１の使用周波数のほぼ２倍の周波数で動作する別のアンテナとの干渉を低減することが可能となる。これは、前記使用周波数のほぼ２倍に相当する周波数に対して、アンテナ装置４１が片側開放の1/2波長アンテナとなり、給電点で高インピーダンスとなるためである。ここで、容量成分を形成する方法としては、チップ部品を実装したり、回路パターンを形成したり、板金を折り曲げて平行平板を形成する等が挙げられる。

本発明のさらに別の実施形態であるアンテナ装置を、図８の斜視図を用いて説明する。本発明のアンテナ装置５１は、図３に示した第２の実施形態のアンテナ装置１１と同様に、アンテナエレメント３の両端に第１垂直エレメント１２と第２垂直エレメント１３を有し、第１垂直エレメント１２と第２垂直エレメント１３の間に給電用エレメント１４を有している（以下では第１のアンテナと記す）。

本実施形態のアンテナ装置５１では、さらに第１垂直エレメント１２の近傍に別のアンテナ素子５２を配置している（以下では第２のアンテナと記す）。第２のアンテナ素子５２として、例えばダイバーシティアンテナとして用いるものが考えられる。

図８において、前記第１のアンテナを構成する第１垂直エレメント１２と第２のアンテナ素子５２との距離５３をｄとおいた場合、前記第１のアンテナと第２のアンテナ素子５２とのアイソレーションが確保できるようｄを決定することが重要である。

前記第１のアンテナと第２のアンテナ素子５２との間のアイソレーションが、距離ｄによってどのように変化するかを表したアイソレーション特性を図９に示す。前記第１のアンテナの使用周波数と第２のアンテナ素子５２の使用周波数のうち低い方の周波数に対応する波長をλとすると、距離ｄが0.1λ以下のときに（図９の５４の距離）アイソレーションが適切に確保できることが図９からわかる。

本発明によれば、上記の通り構成された本実施形態のアンテナ装置５１では、第２のアンテナ素子５２が前記第１のアンテナとほぼ同じかまたは近傍の周波数で動作する場合であっても、前記第１のアンテナと第２のアンテナ素子５２間の干渉を低減することができる。

図１は、本発明の第一の実施形態におけるアンテナ装置の概略構成を説明する図である。図１（ａ）は本実施形態のアンテナ装置１の斜視図、図１（ｂ）はアンテナ装置１の平面図を示す。 図２は、本実施形態における放射パターンの一実施例を示す図である。図２（ａ）は(ｘ−ｙ)面における放射パターン、図２（ｂ）は（ｙ−ｚ）面における放射パターンを示す。 図３は、本発明の第二の実施形態であるアンテナ装置の概略構成を説明する図である。図３（ａ）は本実施形態のアンテナ装置１１の斜視図、図３（ｂ）はアンテナ装置１１の平面図を示す。 図４は、第一の実施形態のアンテナ装置１と第二の実施形態のアンテナ装置１１のそれぞれのインピーダンス特性（ＶＳＷＲ）を比較するグラフである。 図５は、本発明のアンテナ装置のアンテナエレメントがジグザグ形状に形成された一実施例を説明する図である。図５（ａ）は本実施例の斜視図、図５（ｂ）は本実施例の平面図を示す。 図６は、本発明のアンテナ装置のアンテナエレメントが湾曲した形状に形成された一実施例を説明する図である。図６（ａ）は本実施例の斜視図、図６（ｂ）は本実施例の平面図を示す。 図７は、本発明のさらに別の実施形態であるアンテナ装置の概略構成を説明する図である。図７（ａ）は本実施形態のアンテナ装置４１の斜視図、図７（ｂ）はアンテナ装置４１の平面図を示す。 図８は、本発明のさらに別の実施形態である別のアンテナ素子を有するアンテナ装置の概略構成を説明する斜視図である。 図９は、本発明の第１のアンテナと第２のアンテナ素子５２との間のアイソレーション特性を示す図である。 図１０は、ノートＰＣを用いて屋外で高速データ通信を行う従来の方法を説明する図である。図１０（ａ）は、ノートＰＣにＷ−ＬＡＮカードが接続された状態を説明する図、図１０（ｂ）はアンテナパターン１０４を有するＷ−ＬＡＮカードの斜視図、図１０（ｃ）はチップアンテナ１０５を有するＷ−ＬＡＮカードの斜視図である。 図１１は、従来の平板状アンテナを説明する斜視図である。 図１２は、アンテナエレメント１１３を有限地板１１２の中央以外の位置に配置した従来の平板状アンテナを説明する図である。図１２（ａ）は従来の平板状アンテナ１２１の斜視図、図１２（ｂ）は平板状アンテナ１２１の放射パターンを示す。 図１３は、アンテナエレメントの高さに対する、水平方向における垂直偏波と水平偏波成分の利得差を示すグラフである。

符号の説明

１、１１、２１、３１、４１、５１・・・アンテナ装置
２、１１２・・・有限地板
３、２２、３２、４２、１１３・・・アンテナエレメント
４、１４・・・給電用エレメント
５・・・垂直エレメント
６・・・給電点
７、９・・・垂直偏波成分
８、１０・・・水平偏波成分
１２・・・第１垂直エレメント
１３・・・第２垂直エレメント
１５、１６・・・インピーダンス特性（ＶＳＷＲ）
４３・・・容量成分
５２・・・第２アンテナ素子
５３、５４・・・アンテナ間の距離
１０１・・・ノートＰＣ
１０２・・・Ｗ−ＬＡＮカード
１０３・・・プリント基板
１０４・・・アンテナパターン
１０５・・・チップアンテナ
１１１、１２１・・・平板状アンテナ
１２２・・・垂直偏波利得
１２３・・・水平偏波利得

Claims (3)

1. 略方形の地板と、
   前記地板の上方に略平行配置される長尺状の導体からなるアンテナエレメントと、
   前記アンテナエレメントの一端と前記地板とを電気的に接続する垂直エレメントと、
   前記アンテナエレメントの他端と給電点を接続する給電用エレメントとからなり、前記アンテナエレメントが略コの字型または湾曲状に形成され、
   前記アンテナエレメント、前記垂直エレメント及び前記給電用エレメントのいずれもが前記地板の直上に配置され、
   前記給電点が、前記地板の相対向する二辺の略中央位置に配置され、
   前記アンテナエレメントと前記垂直エレメントと前記給電用エレメントとの全長が使用周波数の約１／２波長の長さであって、
   前記アンテナエレメントと前記垂直エレメントと前記給電用エレメントとを、前記地板の相対向する二辺に略垂直な中心線に対しほぼ左右対称となるように配置することにより、使用周波数の約１／４波長の長さのアンテナが左右対称に配置され、
   前記アンテナエレメントが、前記地板から使用周波数の約０．０６波長以上約０．０８波長以下の高さに配置される
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 略方形の地板と、
   前記地板の上方に略平行配置される長尺状の導体からなるアンテナエレメントと、
   前記アンテナエレメントの両端と前記地板とを電気的に接続する第１及び第２の垂直エレメントと、
   前記第１と第２の垂直エレメントの間で前記アンテナエレメントと給電点を接続する給電用エレメントとからなり、前記アンテナエレメントが略コの字型または湾曲状に形成され、
   前記アンテナエレメント、前記第１及び第２の垂直エレメント及び前記給電用エレメントのいずれもが前記地板の直上に配置され、
   前記給電点が、前記地板の相対向する二辺の略中央位置に配置され、
   前記アンテナエレメントと前記第１及び第２の垂直エレメントの全長が使用周波数の約１／２波長の長さであって、
   前記アンテナエレメントと前記第１及び第２の垂直エレメントとを、前記地板の相対向する二辺に略垂直な中心線に対しほぼ左右対称となるように配置することにより、使用周波数の約１／４波長の長さのアンテナが左右対称に配置され、
   前記アンテナエレメントが、前記地板から使用周波数の約０．０６波長以上約０．０８波長以下の高さに配置される
   ことを特徴とするアンテナ装置。
3. 前記アンテナエレメントのほぼ中央に容量成分を装荷する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ装置。

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