JP4807705B2 - 低姿勢型アンテナ構造体 - Google Patents
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Description
また、特許文献2には、テレビ受像機の背面等に設けた給電素子と無給電素子とを磁気結合させることにより、指向性を可変とする技術が開示されている。
ここで、前記給電素子、及び前記無給電素子の本数が、それぞれ2本であり、2本の給電素子がX軸上の原点を挟んで正負方向等距離の位置に配置され、無給電素子は、X軸に直交したY軸上の原点を挟んで正負方向等距離の位置に配置された構成とすることができる。
従って、本発明に係るアンテナ構造体は、給電素子、無給電素子があわせて4本という少素子構成でありながら、XY軸を含む水平面内で指向性を様々な方向に振り向けることができる。
また、前記逆F型アンテナの、地板に垂直に交差する2本の導体部分と両導体部分の上端を短絡する水平導体部分とを素子本体部分と称し、前記水平導体部分の一端から更に地板に並行に延出され、延出端が遊端となった長尺導体部分をインピーダンス整合部と称した場合、給電素子の素子本体部分がX軸上に配置され、インピーダンス整合部は、Y軸と平行な方向に延伸されており、無給電素子の素子本体部がY軸上に配置され、インピーダンス整合部は、X軸と平行な方向に延伸される形態で実施することができる。
また、前記給電素子は、給電電源が挿入された導体部分の基端からインピーダンス整合部の遊端までの長さが、おおよそλ/4とされ(λは送信信号の波長)、前記給電素子、無給電素子の各々は、XY平面の原点からλ/8離れた所に配置される形態で実施することができる。
これによって、インピーダンス整合部が占める空間をさらに抑えることができる。
例えば、インピーダンス整合部の遊端側を、給電素子、無給電素子の素子本体部の設置位置を囲む正方形の各辺に沿って折り曲げることで、本発明に係るアンテナ構造体の占有面積を、図31の上段に示すように、一辺がおおよそλ/4の正方形に収めることができる。このような構造であれば、図31の下段に示す特許文献1のものに比較して、同じ使用周波数で横幅1/2、縦幅1/√3にサイズを抑えることができる。
これによって、複数の給電素子を、エンドファイアアレー、ブロードサイドアレー等、様々なアレーアンテナとして機能させることができ、XY面内の指向性を、更に高い自由度で制御することができる。
また、前記複数の給電素子、複数の無給電素子の少なくとも一以上が逆L型アンテナ若しくはT型アンテナ素子である構成とすることができる。
〔実施の形態1〕
<構成>
図1は、本発明に係るアンテナ構造体1の斜視図である。
アンテナ構造体1は金属板(以下、地板という。)15上に、給電素子11、12、無給電素子13、14を配置した構成である。
図2の(a)は、給電素子12の構造を模式的に示す図である。
給電素子12は、素子本体部12cとインピーダンス整合部12dとからなる。
素子本体部12cは、地板15に垂直に交差する第1、第2の導体部分12a、12bと、これらの導体部分の上端を短絡する地板平行部分とからなる。第1、第2の導体部分12a、12bは距離Lpの間隔でY軸上に垂下しており、第1の導体部分12aの垂下端には給電回路22から信号が給電され、第2の導体部分12bの垂下端は地板15に接地されている。
ここで素子本体部12cの地板平行部分とインピーダンス整合部12dとは地板15に対して平行であり、一般に逆F型アンテナ素子では地板に平行な部分は非放射素子となるため、給電素子12では、地板15に垂直な第1、第2の導体部分12a、12bから垂直偏波が放射される。
h=11.0mm (0.0900λ)
L1=17.8mm (0.1452λ)
L2=4.9mm (0.0400λ)
Lp=2.5mm (0.0202λ)
もう一方の給電素子11は、給電素子12と略同一の形状であり、給電素子12に対してXY座標の原点対称に配置されている。そのため、給電素子11のインピーダンス整合部は、第1の導体部分の上端から、給電素子12とは逆にX軸の正方向へ延伸した後、Y軸の負方向に屈曲している。
無給電素子13と原点対称に配置された、もう一方の無給電素子14のインピーダンス整合部は、第1の導体部分の上端から、無給電素子13とは逆にY軸の負方向へ延伸した後、X軸の負方向に屈曲している。
<動作>
次に上記構成において、X軸方向へビーム形成する原理を説明する。図4は、アンテナ構造体1においてX軸方向へビーム形成する原理を模式的に示す図である。
無給電素子13、14は、装荷された可変リアクタ23、24のリアクタンス値X3、X4を変化させると、リアクタンス値に応じて電気長が変化する。具体的には、リアクタンス値X3、X4を負の値に調整し容量性をもたせると無給電素子13、14のアンテナ長が給電素子のそれより短くなり、無給電素子は導波器としての特性になる。逆に、リアクタンス値X3、X4を正の値に調整し誘導性をもたせると無給電素子13、14のアンテナ長が給電素子のそれより長くなり、無給電素子は反射器としての特性となる。
具体的には、図4の(a)に示すように、給電回路21、22に同相で給電させつつ、可変リアクタ23のリアクタンス値X3を大きく、可変リアクタ24のリアクタンス値X4を小さくすることで、X軸の正方向へビームを形成することができる。逆に、図4の(b)に示すように、給電回路21、22に同相で給電させつつ、可変リアクタ23のリアクタンス値X3を小さく、可変リアクタ24のリアクタンス値X4を大きくすることで、X軸の負方向へビームを形成することができる。
給電素子11、12は、素子間がλ/4離間しているため、それぞれに給電する信号の励振位相φ1、φ2に、90°の位相差を与えると、エンドファイアアレーとして動作し、Y軸の正方向、又は負方向へビームを形成する。
図6〜図10は、モーメント法の電磁界解析プログラムであるNEC(Numerical Electromagnetic Code)を用いて計算したアンテナ構造体1の水平面内指向性利得Gdを示す図である。図中、A1、A2の単位は[V]、φ1、φ2の単位は[deg]、X3、X4の単位は[Ω]、Gdの単位は[dB]であり、方位角Φは、X軸正方向を0°としている。
さらにアンテナ構造体1は、パラメータA1、A2、φ1、φ2、X3、X4の各値を、図7の(a)〜(e)に示すように調整すると、Φ=0°方向へビームを形成しつつ、黒塗り矢印で指す様々な方向にヌルを形成している。
以上より、アンテナ構造体1は、励振振幅A1、A2、励振位相φ1、φ2、及びリアクタンス値X3、X4の各値を適切に調節することで、任意方向へのビーム形成に加えて、XY水平面内で高い自由度でヌル形成を制御可能であることが分かる。
〔実施の形態1の変形〕
基本的な構成は、実施の形態1と同じであるが、細部においては異なった形で実施することのできる構成を列挙する。
4) 給電素子11、12、無給電素子13、14を、図14に示すように、T型アンテナ構造の給電素子61、62、無給電素子63、64で構成する。T型アンテナ素子は、実施の形態1で用いた逆F型アンテナ素子よりも構造が簡易であるため、コスト低減を図ることができる。
給電素子141、142、無給電素子143、144とも、垂直導体部分の長さは、実施の形態1の各素子の第1、第2の導体部分の長さの2倍となるが、支持面145の鉛直上方から俯瞰した場合、インピーダンス整合部は、実施の形態1と同様に一辺35.5mmの正方形の範囲内に収まる。図中、146、147、148、149は、給電素子141、142、無給電素子143、144を支持面145から適当距離離して保持するための保持具である。支持面145は、前の各実施の形態と異なり、地板である必要は無い。
〔実施の形態2〕
上記の実施の形態1に係るアンテナ構造体1は、2つの給電素子と2つの無給電素子とを地板に配置した構成とされていたが、実施の形態2では、アンテナ素子数を増やし、より細やかに指向性を制御できるアンテナ構造体について説明する。
アンテナ構造体2において、給電素子72、73、74、無給電素子75、76、77が配置される正六角形は一辺の長さがλ/4√3であり、給電素子同士の間隔はλ/4となり、それぞれの無給電素子同士の間隔はλ/4となる。
給電素子72、73、74の一方の垂下導体部分には、給電回路78、79、80が接続され、無給電素子75、76、77の一方の垂下導体部分には、可変リアクタ81、82、83が挿入されている。
以上の構成によりアンテナ構造体2は、実施の形態1に係るアンテナ構造体1に比較して、給電素子、無給電素子ともに素子数が多いため、励振振幅、励振位相、リアクタンス値の調整は複雑となるが、3本の給電素子からなるフェーズドアレーと、導波器または反射器として機能する3本の無給電素子とをそれぞれ機能させることで、アンテナ構造体1よりも細やかに指向性を制御することができる。
〔実施の形態2の変形〕
1) 図17に示すように、4つの給電素子と4つの無給電素子とを地板91上の正八角形の頂点に交互に配置する。正八角形の中心を通る1本の対角線上に配置された2つの給電素子間の間隔はλ/4である。正八角形の中心を通る1本の対角線上に配置された2つの無給電素子間の間隔も同様にλ/4である。
給電回路100、101、102、103が給電する信号の励振振幅、励振位相を変化させて給電素子92、93、94、95をフェーズドアレーとして動作させ、可変リアクタ104、105、106、107のリアクタンス値を変化させて無給電素子96、97、98、99に導波器、反射器の特性を発揮させるのは、実施の形態1に係るアンテナ構造体1と同様である。
給電回路122、123が給電する信号の励振振幅、励振位相を変化させて給電素子112、113をフェーズドアレーとして動作させ、可変リアクタ124〜131のリアクタンス値を変化させて無給電素子114〜121に導波器、反射器の特性を発揮させる。
〔実施の形態3〕
上記実施の形態1、2、並びにそれらの変形例では、給電素子、及び無給電素子として逆F型アンテナ素子を用いる構成について説明したが、本発明に係るアンテナ構造体は他の低姿勢型アンテナ素子を用いて構成することもできる。実施の形態3では、低姿勢型アンテナ素子の他の例であるパッチアンテナ素子を用いて構成したアンテナ構造体について説明する。
アンテナ構造体3は、誘電体基板201の一方の面(以下、下面という)に地板202を設け、誘電体基板201の他の面(以下、上面という)に給電素子211〜213、無給電素子214〜216、及び中心素子217を設けた構成である。
給電素子211〜213、無給電素子214〜216、及び中心素子217は、何れも導体板部分が同一寸法の正六角形をしたパッチアンテナ構造のものを使用している。
また、本実施の形態では使用周波数5.6GHzで給電系インピーダンスとの整合をとるために、給電素子211〜213は、それぞれ原点からの距離が11.36mmの位置で導体板から地板側に垂下した垂下導体部分211a〜213aに、給電回路からの信号が給電されている。
中心素子217については、XY原点の位置で導体板の中央から垂下導体部分217aが垂下し地板202と接地している。
図21の(a)は、Y軸を含み誘電体基板201に直交する面での、給電素子211の断面構造を模式的に示す図である。給電素子211は、垂下導体部分211aと導体板部分211bとからなる。垂下導体部分211aは、図20に示すように、導体板部分211bの中心と原点とを結ぶ線分上で、原点からの距離が11.36mmの位置で導体板部分211bから垂下しており、誘電体基板201及び地板202に穿たれたビアを貫通して、その垂下端に給電回路221から信号が給電されている。
給電素子212、213についても、給電素子211と同様に構成されている。
図21の(b)は、無給電素子214及び中心素子217の導体板中心を通り誘電体基板201に直交する面での、無給電素子214の断面構造を模式的に示す図である。無給電素子214は、垂下導体部分214aと導体板部分214bとからなり、垂下導体部分214aは、導体板部分214bの中心と原点とを結ぶ線分上で、原点からの距離が11.36mmの位置で導体板部分214bから垂下しており、誘電体基板201及び地板202に穿たれたビアを貫通して、その垂下端に可変リアクタ224が装荷され接地されている。可変リアクタ224は、実施の形態1の可変リアクタ23と同様の構成であり、そのリアクタンス値を任意の値に調整することで、無給電素子214の電気長を調整することができる。
図21の(c)は、Y軸を含み誘電体基板201に直交する面での、中心素子217の断面構造を模式的に示す図である。
中心素子217は、垂下導体部分217aと導体板部分217bとからなり、垂下導体部分217aは、導体板部分214bの中心から垂下しており、誘電体基板201に穿たれたビアを貫通して、その垂下端が地板202に接地されている。
<動作>
次に上記構成において、給電素子方向へビーム形成する原理を説明する。図22は、アンテナ構造体3において給電素子方向へビーム形成する原理を模式的に示す図である。
給電素子211〜213は、給電回路から給電される信号の励振位相φ221〜φ223に応じてビーム形成方向を制御することができる所謂フェーズドアレーアンテナとして機能する。
具体的には、図22に示すように、給電回路222、223が給電する信号の励振位相φ222、φ223を適切な値に設定して給電素子212、213を同相励振させることで、給電素子211〜213をY軸にそってビーム形成するフェーズドアレーとして動作させる。さらに、給電素子211に隣接する無給電素子214、215に装荷された可変リアクタのリアクタンス値X224、X225を小さくし、原点を挟んで給電素子211と対向する無給電素子216に装荷された可変リアクタ226のリアクタンス値X226を大きくして、無給電素子214、215に導波器、無給電素子216に反射器としての特性を持たせることで、ビーム形成方向を給電素子211方向に絞ることができる。
何れかの給電素子方向へビーム形成する場合には、無給電素子214〜216のうち2つを導波器、1つを反射器として機能させたが、何れかの無給電素子方向へビーム形成する場合には、ビーム形成させたい方向の無給電素子を導波器、残りの2つの無給電素子を反射器として機能させる。
図24〜図29は、アンテナ構造体3の三次元指向性利得を示す図である。図中、φ221〜φ223の単位は[rad.]、X224〜X226の単位は[Ω]である。
アンテナ構造体3は、パラメータφ221〜φ223、X224〜X226の各値を、図24〜図29の各図に示すように調整することで、各図においてX軸正方向を0°として、30°、90°、150°、210°、270°、330°の各方向にビームを形成している。
また、図30は、アンテナ構造体3から中心素子217を取り除いたアンテナ構造体で30°方向へビーム形成した場合の三次元指向性を示す図である。図24と図30とでは各パラメータの値が同じ値に調整されているが、中心素子217を取り除いたアンテナ構造体では、図24の場合と比較して打ち上げ角が高くなり地板に垂直なZ軸方向への放射が強くなっている。
以上の構成によりアンテナ構造体3は、アンテナ素子としてパッチアンテナ構造のものを使用することで、実施の形態1、2に係るアンテナ構造体1、2に比較してより薄型の形状で構成することができる。
〔実施の形態3の変形〕
尚、実施の形態3では、パッチアンテナ素子を用いた給電素子及び無給電素子を3個ずつ有する構成のアンテナ構造体について説明したが、本発明は、他の構成としても実施可能である。
〔その他の変形例〕
最後に、上記各実施の形態は、給電素子、無給電素子はそれぞれ同一形状のものを使用しているが、本発明はこれに限られるものではなく、逆F型アンテナ素子、逆L型アンテナ素子、T型アンテナ素子、パッチアンテナ素子等の低姿勢アンテナ素子を任意に組み合せて実施することができる。
2 アンテナ構造体
3 アンテナ構造体
11、12 給電素子
12a、13a 第1の導体部分
12b、13b 第2の導体部分
12c、13c 素子本体部
12d、13d インピーダンス整合部
13、14 無給電素子
15 地板
21、22 給電回路
23、24 可変リアクタ
31、32 給電素子
33、34 無給電素子
35 地板
41、42 給電素子
43、44 無給電素子
45 地板
51、52 給電素子
53、54 無給電素子
55 地板
61、62 給電素子
63、64 無給電素子
65 地板
71 地板
72〜74 給電素子
75〜77 無給電素子
78〜80 給電回路
81〜83 可変リアクタ
91 地板
92〜95 給電素子
96〜99 無給電素子
100〜103 給電回路
104〜107 可変リアクタ
111 地板
112、113 給電素子
114〜121 無給電素子
122、123 給電回路
124〜131 可変リアクタ
141、142 給電素子
143、144 無給電素子
145 支持面
201 誘電体基板
202 地板
211〜213 給電素子
214〜216 無給電素子
217 中心素子
211a〜217a 垂下導体部分
211b、214b、217b 導体板部分
221〜223 給電回路
224〜226 可変リアクタ
Claims (10)
- 地板上において、低姿勢型の逆F型アンテナである給電素子2個が、X軸上の原点を挟んで正負方向等距離の位置に配置されるとともに、前記給電素子と外形寸法が同一の逆F型アンテナである無給電素子2個が、X軸に直交したY軸上の原点を挟んで正負方向に、原点から前記給電素子までの距離と等距離の位置に配置され、
前記2個の給電素子は、給電素子間において所望する位相差をもたせて給電する給電手段が接続され、
前記2個の無給電素子は、それぞれに可変リアクタンス素子が接続され、リアクタンス値に応じて各無給電素子の電気長を変更できる構成とされていることを特徴とするアンテナ構造体。 - 前記逆F型アンテナの、地板に垂直に交差する2本の導体部分と両導体部分の上端を短絡する水平導体部分とを素子本体部分と称し、前記水平導体部分の一端から更に地板に並行に延出され、延出端が遊端となった長尺導体部分をインピーダンス整合部と称した場合、
給電素子の素子本体部分がX軸上に配置され、インピーダンス整合部は、Y軸と平行な方向に延伸されており、
無給電素子の素子本体部がY軸上に配置され、インピーダンス整合部は、X軸と平行な方向に延伸されている
ことを特徴とする請求項1記載のアンテナ構造体。 - 前記2個の給電素子のインピーダンス整合部同士の延伸方向、並びに2個の無給電素子のインピーダンス整合部同士の延伸方向は、互いに反対方向とされ、且つ、
給電素子のインピーダンス整合部と、隣の無給電素子のインピーダンス整合部とは、何れか一方が他方へ近づく方向に延伸され、前記他方が前記一方から離れる方向に延伸されている
ことを特徴とする請求項2記載のアンテナ構造体。 - 前記給電素子は、地板に垂直に交差する2本の導体部分の一方に給電電源が挿入され、当該給電電源が挿入された導体部分の基端からインピーダンス整合部の遊端までの長さが、λ/4とされ(λは送信信号の波長)、
前記給電素子、無給電素子の各々は、前記2本の導体部分のうち原点に近い側が、原点からλ/8離れた位置で地板に交差することを特徴とする請求項3記載のアンテナ構造体。 - 前記給電素子、無給電素子のインピーダンス整合部の遊端側が、基端側に対して地板に平行で、隣の無給電素子、給電素子の素子本体部に近づく方向に折り曲げられていることを特徴とする請求項4記載のアンテナ構造体。
- 前記給電手段は、2つの給電素子に給電する信号の位相を、少なくともnπ/2ラジアン(n=1、2、3、4)並びにこれらの位相の間の中間的な位相に変化する可変位相器を含む構成であることを特徴とする請求項1から5の何れかに記載のアンテナ構造体。
- 前記給電素子、無給電素子は、それぞれの素子に鏡像対称な逆F型アンテナ部分を接合した構成のアンテナで置換されていることを特徴とする請求項1から5の何れかに記載のアンテナ構造体。
- 頂点が2n個の地板上の多角形において、1頂点から時計回りに各頂点に番号を付した場合、低姿勢型の給電素子n個(nは2以上の整数)が、奇数番目の頂点に配置されるとともに、低姿勢型の無給電素子n個が、偶数番目の頂点に配置され、
前記n個の給電素子は、給電素子間において所望する位相差をもたせて給電する給電手段が接続され、
前記n個の無給電素子は、それぞれに可変リアクタンス素子が接続され、リアクタンス値に応じて各無給電素子の電気長を変更できる構成とされており、
前記n個の給電素子、前記n個の無給電素子の少なくとも一以上が逆L型アンテナ、T型アンテナ、若しくはパッチアンテナであることを特徴とするアンテナ構造体。 - 前記給電素子、及び前記無給電素子の全てが導体板を含むパッチアンテナであり、
前記多角形の中心から、それぞれの給電素子及び無給電素子の導体板の中心までの距離が等しく調整されていることを特徴とする請求項8に記載のアンテナ構造体。 - 地板上の前記多角形の各頂点に給電素子及び無給電素子を配置した状態で、前記多角形中央部の空所に、地板と接地されている導体板が配置されていることを特徴とする請求項9に記載のアンテナ構造体。
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