JP7001232B2 - アンテナ及び無線通信装置 - Google Patents

Description

本開示は、アンテナ及び無線通信装置に関する。

それぞれ直線偏波アンテナを搭載した２つの無線通信装置の間で無線通信を行う場合、該２つの無線通信装置の間で偏波が一致していないと、通信品質が劣化する可能性がある。例えば、Ｗｉ-Ｆｉホームルータ(親機)は、様々な子機(スマホ、ＰＣ、タブレットなど)との間で無線通信を行う。そして、子機は、家中を移動すると共に様々な姿勢で使われる。この時、子機と親子機との間の電波の偏波が一致していることが重要であり、一致していない場合、通信品質が劣化して無線通信が途切れてしまう可能性がある。

これに対して、従来、Ｌ字型ダイポールアンテナを搭載した無線通信装置が提案されていている（例えば、特許文献１）。このＬ字型ダイポールアンテナによれば、垂直偏波及び水平偏波の両方を送受信することができる。

特開２０００－２６９７２７号公報

しかしながら、上記特許文献１のダイポールアンテナは、無線通信装置本体とは独立した構成となっており、アンテナプリント基板上に形成された場合、アンテナプリント基板を小型化することが難しく、製造コストを抑えることが難しい可能性がある。

本開示の目的は、垂直偏波及び水平偏波を高利得で送受信可能であり且つ製造コストを抑えることができる、アンテナ及び無線通信装置を提供することにある。

第１の態様にかかるアンテナは、一方が給電部を有するダイポールアンテナであり他方が給電部を有さないアンテナ素子である、第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子を具備し、前記第１アンテナ素子は、無線通信装置の無線制御部が配設された基板上に配設される一方で、前記第２アンテナ素子は、前記基板から外れた位置に配設されており、前記第２アンテナ素子の長手方向の一端部は、前記第１アンテナ素子の長手方向の一端部と近接配置されており、前記第１アンテナ素子の長手方向と前記第２アンテナ素子の長手方向とは、直交する。

第２の態様にかかる無線通信装置は、一方が給電部を有するダイポールアンテナであり他方が給電部を有さないアンテナ素子である、第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子を有するアンテナと、前記アンテナを介した無線送受信を制御する無線制御部が配設された基板と、を具備し、前記第１アンテナ素子は、無線通信装置の無線制御部が配設された基板上に配設される一方で、前記第２アンテナ素子は、前記基板から外れた位置に配設されており、第２アンテナ素子の長手方向の一端部は、前記第１アンテナ素子の長手方向の一端部と近接配置されており、前記第１アンテナ素子の長手方向と前記第２アンテナ素子の長手方向は、直交する。

本開示により、垂直偏波及び水平偏波を高利得で送受信可能であり且つ製造コストを抑えることができる、アンテナ及び無線通信装置を提供することができる。

第１実施形態に係るアンテナを含む無線通信装置の無線に関連する主要構成の一例を示す概略構成図である。 比較例にかかる無線通信装置の構成を示す図である。 比較例に係る無線通信装置のダイポールアンテナの放射パタンを示す図である。 第１実施形態に係るアンテナの放射パタンの一例を示す図である。 第１実施形態に係るアンテナの放射パタンの他の例を示す図である。 第２実施形態に係るアンテナを含む無線通信装置の無線に関連する主要構成の一例を示す概略構成図である。 第２実施形態に係るアンテナの放射パタンの一例を示す図である。 第３実施形態に係るアンテナを含む無線通信装置の無線に関連する主要構成の一例を示す概略構成図である。 第４実施形態に係るアンテナを含む無線通信装置の無線に関連する主要構成の一例を示す概略構成図である。

以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。なお、実施形態において、同一又は同等の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略される。

＜第１実施形態＞
＜アンテナの構成例＞
図１は、第１実施形態に係るアンテナを含む無線通信装置の無線に関連する主要構成の一例を示す概略構成図である。各図において、ＸＹＺ３次元直交座標系を規定している。

図１において無線通信装置１は、基板１１と、無線制御部１２と、同軸ケーブル１３と、アンテナ１４とを有している。

基板１１は、板状であり、その基板面上に、無線通信装置１の電子部品が実装される。図１においては、基板１１は、その基板面がＸ軸と直交するように配設されている。

無線制御部１２は、例えば、無線ＩＣ（Integrated Circuit）であり、アンテナ１４を介した無線通信を制御する。無線制御部１２は、基板１１の基板面に実装されている。

同軸ケーブル１３は、無線制御部１２から出力された送信無線信号をアンテナ１４へ伝送する。これにより、送信無線信号は、アンテナ１４から放射される。また、アンテナ１４にて受信された受信無線信号を無線制御部１２へ伝送する。これにより、受信無線信号は、無線制御部１２によって受信無線処理が施される。

アンテナ１４は、アンテナ素子（第１アンテナ素子）１５と、アンテナ素子（第２アンテナ素子）１６とを有している。アンテナ素子１５及びアンテナ素子１６は、それぞれ、無線通信装置１の使用周波数（つまり、通信対象周波数）の半波長の長さを有している。ここで、本明細書において「アンテナ素子が通信対処周波数の半波長の長さを有している」とは、アンテナ素子の長さが該半波長に等しいこと、及び、アンテナ素子の長さが該半波長を中心とした所定の誤差範囲内に収まっていることを意味する。

アンテナ素子１５は、基板１１の基板面上に、例えば、基板１１の基板面の＋Ｙ側の端部に配設されている。そして、アンテナ素子１５の長手方向は、Ｚ軸方向に延びている。アンテナ素子１５は、給電部を有しておらず、無給電エレメントである。

アンテナ素子１６は、アンテナ素子１６Ａと、給電部１６Ｂと、アンテナ素子１６Ｃとを有している。すなわち、アンテナ素子１６は、アンテナ素子１６Ａ、給電部１６Ｂ、及びアンテナ素子１６Ｃを含む、ダイポールアンテナである。

そして、アンテナ素子１６は、基板１１から外れた位置に配設されている。図１の例では、アンテナ素子１６は、基板１１と別体のアンテナプリント基板１７に、プリントされている。これにより、アンテナ１４の全体をアンテナプリント基板１７に配設する場合に比べて、アンテナプリント基板１７の小型化することができるので、アンテナ１４の製造コストを抑えることができる。

そして、アンテナ素子１６の一端部１６Ｃ１は、アンテナ素子１５の一端部１５Ａと近接配置されている。第１実施形態では、アンテナ素子１６の一端部１６Ｃ１とアンテナ素子１５の一端部１５Ａとは、非接触であり、且つ、電磁結合（つまり、空間結合）している。

そして、アンテナ素子１６は、アンテナ素子１６の長手方向がＸ方向に延びるように配設されている。すなわち、アンテナ素子１６は、アンテナ素子１６の長手方向がアンテナ素子１５の長手方向と直交するように、配設されている。

＜アンテナの特性＞
〈比較例〉
まず、比較例に係る無線通信装置の構成について説明する。図２は、比較例にかかる無線通信装置の構成を示す図である。図２において比較例に係る無線通信装置は、無線通信装置１と同様に、基板、無線制御部、同軸ケーブルを有している。さらに、比較例に係る無線通信装置は、ダイポールアンテナを有しており、該ダイポールアンテナは、長手方向がＺ軸方向に延びるように配設されている。

図３は、比較例に係る無線通信装置のダイポールアンテナの放射パタンを示す図である。図３を見て分かるように、比較例に係る無線通信装置のダイポールアンテナは、垂直偏波を放射する一方で、水平偏波をほとんど放射していない。

〈アンテナ１４の放射パタン〉
図４は、第１実施形態に係るアンテナの放射パタンの一例を示す図である。図４に示すように、第１実施形態のアンテナ１４は、比較例と異なり、垂直偏波だけでなく、水平偏波も比較例と比べて十分な利得で放射することができる。

図５は、第１実施形態に係るアンテナの放射パタンの他の例を示す図である。図５に示す放射パタンと図４に示す放射パタンとでは、アンテナ素子１６の一端部１６Ｃ１とアンテナ素子１５の一端部１５Ａとの離間距離が異なっている。図５に示す放射パタンが得られるときの該離間距離は、図４に示す放射パタンが得られるときの該離間距離よりも小さい。すなわち、図５の放射パタンと図４の放射パタンとを比較すると、アンテナ素子１６の一端部１６Ｃ１とアンテナ素子１５の一端部１５Ａとの離間距離を小さくすることにより、より大きな利得で垂直偏波を放射することができる。これは、アンテナ素子１６の一端部１６Ｃ１とアンテナ素子１５の一端部１５Ａとの離間距離を小さくすることにより、アンテナ素子１５とアンテナ素子１６との間の電磁結合が強くなるためである。

以上のように第１実施形態によれば、アンテナ１４は、給電部を有していない無給電エレメントであるアンテナ素子１５と、給電部を有するダイポールアンテナであるアンテナ素子１６とを含む。アンテナ素子１５は、基板１１に配設される一方、アンテナ素子１６は、基板１１から外れた位置に配設されている。そして、アンテナ素子１６の長手方向は、アンテナ素子１５の長手方向と直交している。そして、アンテナ素子１６の一端部１６Ｃ１は、アンテナ素子１５の一端部１５Ａと近接配置されている。

このアンテナ１４の構成により、アンテナ素子１６を、無線制御部１２と共にアンテナ素子１５が配設されている基板１１と別体の、アンテナプリント基板１７に配設することができる。これにより、アンテナ１４の全体をアンテナプリント基板１７に配設する場合に比べて、アンテナプリント基板１７を小型化することができるので、製造コストを抑えることができるアンテナを実現することができる。また、このアンテナ１４の構成により、垂直偏波及び水平偏波の両方を高利得で放射及び受信することができる。

なお、アンテナ１４においてアンテナ素子１５とアンテナ素子１６とは、非接触であり且つ電磁結合（つまり、空間結合）している。これにより、アンテナ素子１５とアンテナ素子１６との間を電気的に接続する接続部材が不要となるので、製造コストをより抑えることができる。

＜第２実施形態＞
ところで、アンテナ素子１６の一端部１６Ｃ１とアンテナ素子１５の一端部１５Ａとの離間距離を小さくすることにより、アンテナ素子１５とアンテナ素子１６との間の電磁結合が強くなることを説明した。しかしながら、実際には、構造設計上、アンテナ素子１６の一端部１６Ｃ１とアンテナ素子１５の一端部１５Ａとの離間距離を小さくすることにも限界がある。

そこで、第２実施形態では、第１アンテナ素子の一端部と第２アンテナ素子との一端部との離間距離を変えることなく、電界結合を強くすることができる、アンテナ構成について説明する。

＜アンテナの構成例＞
図６は、第２実施形態に係るアンテナを含む無線通信装置の無線に関連する主要構成の一例を示す概略構成図である。

図６において無線通信装置２は、アンテナ２４を有している。アンテナ２４においてアンテナ素子（第２アンテナ素子）２６は、アンテナ素子１６Ａと、給電部１６Ｂと、アンテナ素子２６Ｃとを有している。

アンテナ素子２６Ｃは、Ｌ字型形状を有しており、部分２６Ｃ１と部分２６Ｃ２とを有している。部分２６Ｃ１は、アンテナ素子２６の長手方向に延びており、部分２６Ｃ２は、アンテナ素子２６の一端部２６Ｃ３においてアンテナ素子２６の短手方向に延びている。すなわち、アンテナ素子２６は、アンテナ素子１６Ａ、給電部１６Ｂ、及び部分２６Ｃ１を含む「第１部分」と、部分２６Ｃ２を含む「第２部分」とを有し、Ｌ字型形状となっている。

そして、アンテナ素子２６Ｃの部分２６Ｃ２（つまり、上記の「第２部分」）は、部分２６Ｃ２の長手方向がアンテナ素子１５の長手方向に沿うように、アンテナ素子１５と対向配置されている。すなわち、第１実施形態のアンテナ１４と比べて、アンテナ２４ではアンテナ素子１５とアンテナ素子２６との対向領域が大きくなっているので、電界結合を強くすることができる。

＜アンテナの特性＞
図７は、第２実施形態に係るアンテナの放射パタンの一例を示す図である。図７に示す放射パタンと図４に示す放射パタンとでは、第１アンテナ素子（つまり、アンテナ素子１５）と第２アンテナ素子（つまり、アンテナ素子１６又はアンテナ素子２６）との離間距離は同じである。

図４に示す放射パタンと比較すると、図７に示す放射パタンでは、垂直偏波の利得が大きくなっていることがわかる。これは、上記の通り、アンテナ素子１５とアンテナ素子１６との電界結合が、第１実施形態のアンテナ１４の電界結合と比べて、大きくなっているためである。

以上のように第２実施形態によれば、アンテナ２４は、Ｌ字型形状を有しており、且つ、アンテナ素子２６の長手方向に延びる「第１部分」と、アンテナ素子２６の一端部２６Ｃ３においてアンテナ素子２６の短手方向に延びる「第２部分」とを有している。そして、「第２部分」は、「第２部分」の長手方向がアンテナ素子１５の長手方向に沿うように、アンテナ素子１５と対向配置されている。

このアンテナ２４の構成により、アンテナ素子１５とアンテナ素子２６との対向している部分を大きくすることができるので、アンテナ素子１５とアンテナ素子２６との電界結合をより強くすることができる。これにより、垂直偏波及び水平偏波の両方をより高利得で放射及び受信することができる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態は、第２実施形態と比べて、アンテナが、第１アンテナ素子の長手方向の両端部を除く中央部に配設された「集中定数」を有している、点で異なっている。

図８は、第３実施形態に係るアンテナを含む無線通信装置の無線に関連する主要構成の一例を示す概略構成図である。

図８において無線通信装置３は、アンテナ３４を有している。アンテナ３４においてアンテナ素子（第１アンテナ素子）３５の長手方向の両端部を除く中央部には、集中定数３５Ａが設けられている。これにより、電気長の調整、又は、偏波発生量の抑制が可能となる。例えば、アンテナ素子３５の長さが、実装条件に起因して、希望される長さである半波長より短くなってしまう場合には、集中定数３５Ａとしてコイルを設けることにより、アンテナ素子３５の電気長を長く見せることができる。

＜第４実施形態＞
第４実施形態は、第１実施形態と異なり、アンテナ素子１５とアンテナ素子１６との間に、アンテナ素子１５とアンテナ素子１６とを電気的に接続する接続部材が設けられる、実施形態に関する。

図９は、第４実施形態に係るアンテナを含む無線通信装置の無線に関連する主要構成の一例を示す概略構成図である。

図９において無線通信装置４は、アンテナ４４を有している。アンテナ４４は、アンテナ素子１６の一端部１６Ｃ１とアンテナ素子１５の一端部１５Ａとを接続することにより、アンテナ素子１５とアンテナ素子１６とを電気的に接続する接続部材４４Ａを有する。この構成によっても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

＜他の実施形態＞
第１実施形態から第４実施形態では、基板１１上に配設されるアンテナ素子が無給電エレメントであり、基板１１から外れた位置に配設されるアンテナ素子がダイポールアンテナであるものとして説明を行ったが、これに限定されない。逆に、基板１１上に配設されるアンテナ素子がダイポールアンテナであり、基板１１から外れた位置に配設されるアンテナ素子が無給電エレメントであってもよい。要するに、アンテナが、一方が給電部を有するダイポールアンテナであり他方が給電部を有さないアンテナ素子である、第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子を具備しており、第１アンテナ素子が、無線通信装置の無線制御部が配設された基板上に配設される一方で、第２アンテナ素子が、前記基板から外れた位置に配設されていればよい。

以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１，２，３，４ 無線通信装置
１１ 基板
１２ 無線制御部
１３ 同軸ケーブル
１４，２４，３４，４４ アンテナ
１５，３５ アンテナ素子（第１アンテナ素子）
１５Ａ 一端部
１６，２６ アンテナ素子（第２アンテナ素子）
１６Ａ アンテナ素子
１６Ｂ 給電部
１６Ｃ，２６Ｃ アンテナ素子
１６Ｃ１，２６Ｃ３ 一端部
１７ アンテナプリント基板
２６Ｃ１，２６Ｃ２ 部分
４４Ａ 接続部材

Claims (7)

1. 一方が給電部を有するダイポールアンテナであり他方が給電部を有さないアンテナ素子である、第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子を具備し、
   前記第１アンテナ素子は、無線通信装置の無線制御部が配設された基板上に配設される一方で、前記第２アンテナ素子は、その形状が棒状又はＬ字状であり、且つ、前記基板から外れた位置に配設されており、
   前記第２アンテナ素子の長手方向の一方の先端部は、前記第１アンテナ素子の長手方向の一方の先端部と近接配置されており、
   前記第１アンテナ素子の長手方向と前記第２アンテナ素子の長手方向とは、直交する、
   アンテナ。
2. 前記第２アンテナ素子の前記一方の先端部は、前記第１アンテナ素子の前記一方の先端部と非接触で且つ電磁結合しており、
   前記第２アンテナ素子は、Ｌ字型形状を有しており、且つ、前記第２アンテナ素子の長手方向に延びる第１部分と、前記第２アンテナ素子の前記一方の先端部において前記第２アンテナ素子の短手方向に延びる第２部分とを有し、
   前記第２部分は、前記第２部分の長手方向が前記第１アンテナ素子の長手方向に沿うように、前記第１アンテナ素子と対向配置されている、
   請求項１記載のアンテナ。
3. 前記第１アンテナ素子が前記給電部を有さないアンテナ素子であり、前記第２アンテナ素子が前記ダイポールアンテナであり、
   前記第１アンテナ素子の長手方向の両端部を除く中央部に配設された集中定数をさらに有する、
   請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記第２アンテナ素子の前記一方の先端部は、前記第１アンテナ素子の前記一方の先端部と電気的に接続されている、
   請求項１記載のアンテナ。
5. 前記第１アンテナ素子及び前記第２アンテナ素子は、それぞれ、通信対象周波数の半波長の長さを有する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のアンテナ。
6. 一方が給電部を有するダイポールアンテナであり他方が給電部を有さないアンテナ素子である、第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子を有するアンテナと、
   前記アンテナを介した無線送受信を制御する無線制御部が配設された基板と、
   を具備し、
   前記第１アンテナ素子は、無線通信装置の無線制御部が配設された基板上に配設される一方で、前記第２アンテナ素子は、その形状が棒状又はＬ字状であり、且つ、前記基板から外れた位置に配設されており、
   前記第２アンテナ素子の長手方向の一方の先端部は、前記第１アンテナ素子の長手方向の一方の先端部と近接配置されており、
   前記第１アンテナ素子の長手方向と前記第２アンテナ素子の長手方向は、直交する、
   無線通信装置。
7. 前記第２アンテナ素子の前記一方の先端部は、前記第１アンテナ素子の前記一方の先端部と非接触で且つ電磁結合しており、
   前記第２アンテナ素子は、Ｌ字型形状を有しており、且つ、前記第２アンテナ素子の長手方向に延びる第１部分と、前記第２アンテナ素子の前記一方の先端部において前記第２アンテナ素子の短手方向に延びる第２部分とを有し、
   前記第２部分は、前記第２部分の長手方向が前記第１アンテナ素子の長手方向に沿うように、前記第１アンテナ素子と対向配置されている、
   請求項６記載の無線通信装置。

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