WO2020195110A1 - アンテナ装置 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to an antenna device having a flat plate structure.
- Patent Document 1 discloses an antenna device including a microstrip antenna (in other words, a patch antenna) and a monopole antenna that stands upright on the patch antenna.
- the patch antenna forms directivity in the direction perpendicular to the flat ground conductor (hereinafter, the main plate), and the monopole antenna forms the directivity in the direction parallel to the main plate. can do.
- the main plate when the main plate is used in a horizontal position, it is possible to receive both radio waves arriving from the zenith direction and radio waves arriving from the horizontal direction.
- the radio wave arriving from the zenith direction is, for example, a radio wave from a satellite station.
- the radio wave from the horizontal direction is, for example, a radio wave from a ground station.
- the configuration disclosed in Patent Document 1 includes a monopole antenna for transmitting and receiving radio waves from the horizontal direction. Since the monopole antenna needs to have a length of 1/4 wavelength of the radio wave to be transmitted and received, the height of the antenna device (hereinafter referred to as the mounting height) becomes large.
- the mounting height here refers to the height when the antenna device is mounted on a moving body in a posture in which the plane of the patch antenna is horizontal. It is conceivable that the conductor element as a monopole antenna is shortened by using a coil or the like, but if the height is lowered by the coil or the like, the performance deteriorates.
- the present disclosure has been made based on this circumstance, and its purpose is to be able to radiate radio waves in the direction perpendicular to the main plate and in the direction parallel to the main plate, and to determine the height thereof.
- the purpose is to provide a reduceable antenna device.
- the antenna device is a main plate that is a flat conductor member and a flat conductor member that is installed at a predetermined distance from the main plate and is electrically connected to a feeder line. It is provided with an opposing conductor plate provided with a feeding point to be provided, and a short-circuit portion provided in a central region of the opposing conductor plate and electrically connecting the opposing conductor plate and the main plate. Using the inductance provided in the short-circuited portion and the capacitance formed by the main plate and the opposing conductor plate, parallel resonance occurs at a predetermined target frequency.
- the main plate is arranged asymmetrically with respect to the opposing conductor plate.
- the capacitance formed between the main plate and the opposing conductor plate and the inductance provided in the short-circuit portion cause parallel resonance at a frequency corresponding to the capacitance and the inductance. Then, due to the vertical electric field generated between the opposite conductor plate and the opposite main plate due to the parallel resonance, linearly polarized waves whose vibration direction of the electric field is perpendicular to the main plate are transmitted and received in the direction along the opposite conductor plate.
- the main plate is arranged asymmetrically with respect to the opposing conductor plate, the amount of current flowing in one direction when viewed from the short-circuited portion in the main plate and the amount of current flowing in the opposite direction in the main plate are asymmetric. As a result, the degree to which radio waves radiated by currents flowing in each direction from the short-circuited portion cancel each other out is reduced.
- the radio waves radiated by the current flowing through the main plate remain uncancelled, and the remaining radio waves propagate into space. That is, radio waves are radiated from a region of the main plate that is asymmetrical when viewed from the opposing conductor plate (hereinafter, asymmetrical portion).
- the edge of the main plate can be regarded as linear. That is, according to the above configuration, the edge of the asymmetrical portion of the main plate operates as a linear antenna (for example, a pole type antenna).
- the radio waves radiated from the asymmetrical part of the main plate are linearly polarized waves whose electric field vibration direction is parallel to the main plate. Further, the radio wave radiated from the asymmetrical portion of the main plate is radiated in the direction orthogonal to the edge portion of the asymmetrical portion.
- the direction orthogonal to the edge of the asymmetrical portion also includes the direction perpendicular to the main plate.
- the above configuration it is possible to radiate radio waves in the direction perpendicular to the main plate and in the direction parallel to the main plate. Moreover, the radiation in the direction parallel to the main plate is generated by causing parallel resonance due to the capacitance formed between the main plate and the opposing conductor plate and the inductance provided in the short-circuit portion. Therefore, the height of the antenna device can be reduced.
- the antenna device is a main plate that is a flat conductor member and a flat conductor member that is installed at a predetermined distance from the main plate and is electrically connected to a feeder line. It is provided with an opposing conductor plate provided with a feeding point to be provided, and a short-circuit portion provided in a central region of the opposing conductor plate and electrically connecting the opposing conductor plate and the main plate. Using the inductance provided in the short-circuited portion and the capacitance formed by the main plate and the opposing conductor plate, parallel resonance occurs at a predetermined target frequency. The short-circuit portion is formed at a position deviated by a predetermined amount from the center of the opposed conductor plate.
- the vibration direction of the electric field is set with respect to the main plate in the direction along the opposite conductor plate by using the parallel resonance of the capacitance formed between the main plate and the opposing conductor plate and the inductance provided in the short circuit portion. Sends and receives vertical linearly polarized waves.
- the short-circuited portion is arranged at a position deviated from the center of the opposing conductor plate, the symmetry of the current distribution flowing through the opposed conductor plate is broken, and the radio wave radiated from the short-circuited portion in each direction is emitted. The degree to which they cancel each other is reduced. As a result, radio waves are radiated from the opposing conductor plate in the direction perpendicular to the opposing conductor plate. Since the opposing conductor plate is arranged to face the main plate, the direction perpendicular to the opposing conductor plate corresponds to the direction perpendicular to the main plate.
- radio waves can be radiated in the direction perpendicular to the main plate and in the direction parallel to the main plate.
- radiation in a direction parallel to the main plate is generated by causing parallel resonance due to the capacitance formed between the main plate and the opposing conductor plate and the inductance provided in the short-circuit portion. Therefore, the height of the antenna device can be reduced.
- the drawing is It is an external perspective view which shows the structure of an antenna device. It is sectional drawing of the antenna apparatus in line II-II in FIG. It is a figure for demonstrating the positional relationship between a main plate and an opposing conductor plate, and is It is a figure explaining the current distribution, the voltage distribution, and the electric field distribution in the vicinity of the opposed conductor plate. It is a figure which shows the radiation characteristic in LC resonance mode in the XY plane, and is It is a figure which shows the radiation characteristic in LC resonance mode in the XZ plane and YZ plane.
- FIG. 1 is an external perspective view showing an example of a schematic configuration of the antenna device 1 according to the present embodiment.
- FIG. 2 is a cross-sectional view of the antenna device 1 on the line II-II shown in FIG.
- the antenna device 1 is mounted on a moving body such as a vehicle and used.
- This antenna device 1 is configured to transmit and receive radio waves of a predetermined target frequency.
- the antenna device 1 may be used for only one of transmission and reception. Since the transmission and reception of radio waves are reversible, a configuration capable of transmitting radio waves of a certain frequency is also a configuration capable of receiving radio waves of that frequency.
- the target frequency is 2.45 GHz as an example here.
- the target frequency may be appropriately designed, and other aspects may be, for example, 300 MHz, 760 MHz, 850 MHz, 900 MHz, 1.17 GHz, 1.28 GHz, 1.55 GHz, 5.9 GHz, or the like.
- the antenna device 1 can transmit and receive not only the target frequency but also radio waves having a frequency within a predetermined range determined with the target frequency as a reference.
- the antenna device 1 is configured to be capable of transmitting and receiving frequencies belonging to a band from 2400 MHz to 2500 MHz (hereinafter, 2.4 GHz band).
- the antenna device 1 can transmit and receive radio waves in the frequency band used in short-range wireless communication such as Bluetooth Low Energy (Bluetooth is a registered trademark), Wi-Fi (registered trademark), ZigBee (registered trademark), and the like. It is configured. In other words, the antenna device 1 is configured to be capable of transmitting and receiving radio waves in the frequency band (so-called ISM band) specified by the International Telecommunication Union for general use in the industrial, scientific, and medical fields. Has been done.
- Bluetooth Low Energy Bluetooth is a registered trademark
- Wi-Fi registered trademark
- ZigBee registered trademark
- ⁇ represents the wavelength of the radio wave of the target frequency (hereinafter, also referred to as the target wavelength).
- the target wavelength For example, “ ⁇ / 2" and “0.5 ⁇ ” refer to half the length of the target wavelength, and “ ⁇ / 4" and “0.25 ⁇ ” refer to the length of one quarter of the target wavelength.
- the wavelength (that is, ⁇ ) of the 2.4 GHz radio wave in vacuum and air is 125 mm.
- the antenna device 1 is connected to a radio (not shown) via a coaxial cable, for example, and the signal received by the antenna device 1 is sequentially output to the radio. Further, the antenna device 1 converts an electric signal input from the radio into radio waves and radiates it into space. The radio uses the signal received by the antenna device 1 and supplies the antenna device 1 with high-frequency power corresponding to the transmission signal.
- the antenna device 1 and the radio are connected by a coaxial cable, but other communication cables such as a feeder line may be used for the connection.
- the antenna device 1 and the radio may be connected via a matching circuit, a filter circuit, or the like.
- the antenna device 1 may be integrally configured with the radio.
- the antenna device 1 may be realized on a printed circuit board on which a modulation / demodulation circuit or the like is mounted.
- the antenna device 1 includes a main plate 10, a support plate 20, an opposing conductor plate 30, and a short-circuit portion 40.
- the side on which the opposing conductor plate 30 is provided with respect to the main plate 10 as the upper side for the antenna device 1. That is, the direction from the main plate 10 to the opposing conductor plate 30 corresponds to the upward direction for the antenna device 1. Further, the direction from the opposing conductor plate 30 toward the main plate 10 corresponds to the downward direction for the antenna device 1.
- the main plate 10 is a plate-shaped conductor member made of a conductor such as copper.
- the main plate 10 is provided along the lower side surface of the support plate 20.
- the plate shape here also includes a thin film shape such as a metal foil. That is, the main plate 10 may be a pattern formed on the surface of a resin plate such as a printed wiring board by electroplating or the like.
- the main plate 10 is electrically connected to the outer conductor of the coaxial cable to provide the ground potential (in other words, the ground potential) in the antenna device 1.
- the main plate 10 is formed in a rectangular shape.
- the length of the short side of the main plate 10 is electrically set to a value corresponding to 0.4 ⁇ , for example. Further, the length L of the long side of the main plate 10 is electrically set to 1.2 ⁇ .
- the electrical length here is an effective length in consideration of the fringing electric field and the wavelength shortening effect of the dielectric.
- the support plate 20 is formed by using a dielectric having a relative permittivity of 4.3
- the wavelength on the surface of the main plate 10 is about 60 mm due to the wavelength shortening effect of the dielectric as the support plate 20. Therefore, the length electrically corresponding to 1.2 ⁇ is 72 mm.
- the X-axis shown in various figures such as FIG. 1 represents the longitudinal direction of the main plate 10, the Y-axis represents the lateral direction of the main plate 10, and the Z-axis represents the vertical direction.
- the three-dimensional coordinate system including the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis is a concept for explaining the configuration of the antenna device 1.
- the main plate 10 has a square shape, the direction along any one side can be the X-axis.
- an arbitrary direction parallel to the main plate 10 can be set as the X-axis.
- the Y-axis may be in a direction parallel to the main plate 10 and orthogonal to the X-axis.
- the longitudinal direction can be the X-axis direction.
- the size of the main plate 10 can be changed as appropriate.
- the length of one side of the main plate 10 may be electrically set to a value smaller than one wavelength (for example, 1/3 of the target wavelength).
- the shape of the main plate 10 viewed from above (hereinafter referred to as a planar shape) can be appropriately changed.
- the plane shape of the base plate 10 is rectangular, but as another aspect, the plane shape of the base plate 10 may be a square shape or another polygonal shape.
- the main plate 10 may have a square shape in which one side is electrically set to a value corresponding to one wavelength.
- the main plate 10 preferably has a line-symmetrical shape (hereinafter, a bidirectional line-symmetrical shape) with each of two straight lines orthogonal to each other as the axes of symmetry.
- the bidirectional line-symmetrical shape refers to a figure that is line-symmetrical with a certain straight line as the axis of symmetry and is also line-symmetrical with respect to other straight lines orthogonal to the straight line.
- the bidirectional axisymmetric shape corresponds to, for example, an ellipse, a rectangle, a circle, a square, a regular hexagon, a regular octagon, a rhombus, or the like.
- the main plate 10 is preferably formed to have a diameter larger than a circle having one wavelength.
- the planar shape of a member refers to the shape of the member viewed from above.
- the edge of the main plate 10 may be partially or wholly formed in a meander shape.
- the bidirectional line symmetric shape also includes a shape in which minute irregularities (about several mm) are provided at the edge of the bidirectional line symmetric shape.
- minute irregularities about several mm
- the support plate 20 is a plate-shaped member for arranging the main plate 10 and the opposing conductor plate 30 so as to face each other at a predetermined interval.
- the support plate 20 has a rectangular flat plate shape, and the size of the support plate 20 is substantially the same as that of the main plate 10 in a plan view.
- the support plate 20 is realized by using a dielectric material having a predetermined relative permittivity, such as glass epoxy resin.
- the support plate 20 is realized by using a glass epoxy resin having a relative permittivity of 4.3 (in other words, FR4: Flame Relatant Type 4).
- the thickness H1 of the support plate 20 is formed to be, for example, 1.5 mm.
- the thickness H1 of the support plate 20 corresponds to the distance between the main plate 10 and the opposing conductor plate 30.
- the specific value of the thickness H1 of the support plate 20 may be appropriately determined by simulation or test.
- the thickness H1 of the support plate 20 may be 2.0 mm, 3.0 mm, or the like.
- the wavelength of the support plate 20 is about 60 mm due to the wavelength shortening effect of the dielectric. Therefore, the value of 1.5 mm in thickness electrically corresponds to 1/40 of the target wavelength (that is, ⁇ / 40).
- the support plate 20 only needs to fulfill the above-mentioned role, and the shape of the support plate 20 can be changed as appropriate.
- the configuration for arranging the opposing conductor plate 30 facing the main plate 10 may be a plurality of columns. Further, in the present embodiment, a configuration in which a resin as a support plate 20 is filled is adopted between the main plate 10 and the opposing conductor plate 30, but the present invention is not limited to this.
- the space between the main plate 10 and the opposing conductor plate 30 may be hollow or vacuum.
- a honeycomb structure or the like can also be adopted as the support plate 20. Furthermore, the structures illustrated above may be combined.
- the antenna device 1 When the antenna device 1 is realized by using a printed wiring board, a plurality of conductor layers included in the printed wiring board are used as the main plate 10 and the opposing conductor plate 30, and a resin layer separating the conductor layers is used as a support plate. It may be used as 20.
- the thickness H1 of the support plate 20 also functions as a parameter for adjusting the length of the short-circuit portion 40 (in other words, the inductance provided by the short-circuit portion 40) as described later.
- the interval H1 also functions as a parameter for adjusting the capacitance formed by the main plate 10 and the opposing conductor plate 30 facing each other.
- the opposing conductor plate 30 is a plate-shaped conductor member made of a conductor such as copper. As described above, the plate shape here also includes a thin film shape such as copper foil.
- the opposing conductor plate 30 is arranged so as to face the main plate 10 via the support plate 20. Similar to the main plate 10, the opposing conductor plate 30 may also have a pattern formed on the surface of a resin plate such as a printed wiring board.
- the parallelism here is not limited to perfect parallelism. It may be tilted from several degrees to ten degrees. That is, it may include a state of being substantially parallel (so-called substantially parallel state).
- a capacitance is formed according to the area of the opposing conductor plate 30 and the distance between the opposing conductor plate 30 and the main plate 10.
- the opposing conductor plate 30 is formed to have a size that forms a capacitance that resonates in parallel with the inductance of the short-circuit portion 40 at a target frequency.
- the area of the opposing conductor plate 30 may be appropriately designed to provide the desired capacitance (and thus to operate at the target frequency).
- the opposing conductor plate 30 is electrically formed in a square shape having a side of 12 mm.
- the wavelength on the surface of the opposing conductor plate 30 is about 60 mm due to the wavelength shortening effect of the support plate 20, the value of 12 mm electrically corresponds to 0.2 ⁇ .
- the length of one side of the opposing conductor plate 30 can be changed as appropriate, and may be 14 mm, 15 mm, 20 mm, 25 mm, or the like.
- the shape of the opposing conductor plate 30 is square here as an example, the planar shape of the opposing conductor plate 30 may be circular, regular octagon, regular hexagon, or the like as another configuration. Further, the opposing conductor plate 30 may have a rectangular shape, an oblong shape, or the like. The opposing conductor plate 30 preferably has a bidirectional line symmetrical shape. Further, the opposed conductor plate 30 is more preferably a point-symmetrical figure such as a circle, a square, a rectangle, or a parallelogram.
- the facing conductor plate 30 may be provided with slits or have rounded corners.
- a notch portion as a degenerate separation element may be provided on a pair of diagonal portions.
- the edge portion of the opposing conductor plate 30 may be partially or wholly set in a meander shape. The unevenness provided on the edge of the opposing conductor plate 30 to the extent that it does not affect the operation can be ignored and handled.
- a feeding point 31 is formed at an arbitrary position on the opposing conductor plate 30.
- the feeding point 31 is a portion where the inner conductor of the coaxial cable and the opposing conductor plate 30 are electrically connected.
- the inner conductor of the coaxial cable corresponds to the feeder line.
- the feeding point 31 may be provided at a position where the characteristic impedance of the coaxial cable and the impedance of the antenna device 1 at the target frequency can be matched. In other words, the feeding point 31 may be provided at a position where the return loss becomes a predetermined allowable level.
- the feeding point 31 can be arranged at an arbitrary position, for example, the edge portion or the central region of the opposing conductor plate 30.
- the direct power supply method refers to a method in which microstrip lines, conductor pins, vias, etc. that are electrically connected (that is, for power supply) to the internal conductor of the coaxial cable are directly connected to the opposing conductor plate 30.
- the connection point between the microstrip line or the like and the opposing conductor plate 30 corresponds to the feeding point 31 for the opposing conductor plate 30.
- the electromagnetic coupling method refers to a power feeding method that utilizes an electromagnetic coupling between a microstrip line or the like for power feeding and an opposing conductor plate 30.
- the opposing conductor plate 30 is arranged to face the main plate 10 in a posture in which one set of opposite sides is parallel to the X axis and the other set of opposite sides are parallel to the Y axis. ..
- the center thereof is arranged so as to deviate from the center of the main plate 10 by a predetermined amount in the X-axis direction.
- the opposed conductor plate 30 is arranged so that its center is electrically deviated from the center of the main plate 10 in the X-axis direction by 1/20 (that is, 0.05 ⁇ ) of the target wavelength.
- this configuration corresponds to a configuration in which the main plate 10 is arranged asymmetrically with respect to the opposing conductor plate 30.
- the distance between the center of the main plate 10 (hereinafter, the center of the main plate) and the center of the opposing conductor plate 30 in the X-axis direction (hereinafter, the base plate offset amount ⁇ Sa) is not limited to 0.05 ⁇ .
- the base plate offset amount ⁇ Sa may be 0.08 ⁇ , 0.04 ⁇ , 0.25 ⁇ , or the like.
- the base plate offset amount ⁇ Sa may be set to ⁇ / 8.
- the base plate offset amount ⁇ Sa can be appropriately changed within a range in which the opposing conductor plate 30 does not protrude to the outside of the base plate 10 when viewed from above.
- the opposing conductor plate 30 is arranged so that at least the entire region (in other words, the entire surface) faces the main plate 10.
- the base plate offset amount ⁇ Sa corresponds to the amount of deviation between the center of the base plate 10 and the center of the opposing conductor plate 30.
- the support plate 20 is transparent (that is, the illustration is omitted) in order to clarify the positional relationship between the main plate 10 and the opposing conductor plate 30.
- the alternate long and short dash line Lx1 shown in FIG. 3 represents a straight line passing through the center of the main plate 10 and parallel to the X axis
- the alternate long and short dash line Ly1 represents a straight line passing through the center of the main plate 10 and parallel to the Y axis
- the alternate long and short dash line Ly2 represents a straight line that passes through the center of the opposed conductor plate 30 and is parallel to the Y axis.
- the straight line Lx1 corresponds to the axis of symmetry for the main plate 10 and the opposing conductor plate 30.
- the straight line Ly1 corresponds to the axis of symmetry for the main plate 10.
- the straight line Ly2 corresponds to the axis of symmetry for the opposing conductor plate 30.
- the alternate long and short dash line Lx1 also passes through the center of the opposing conductor plate 30. That is, the alternate long and short dash line Lx1 is a straight line parallel to the X axis and corresponds to a straight line passing through the center of the main plate 10 and the opposing conductor plate 30.
- the intersection of the straight line Lx1 and the straight line Ly1 corresponds to the center of the main plate, and the intersection of the straight line Lx1 and the straight line Ly2 corresponds to the center of the opposing conductor plate 30 (hereinafter, the center of the conductor plate).
- the center of the conductor plate corresponds to the center of gravity of the opposing conductor plate 30. Since the opposing conductor plate 30 has a square shape in the present embodiment, the center of the conductor plate corresponds to the intersection of the two diagonal lines of the opposing conductor plate 30.
- the arrangement mode in which the main plate 10 and the opposing conductor plate 30 are concentric corresponds to an arrangement mode in which the center of the opposing conductor plate 30 and the center of the main plate 10 overlap in a top view.
- the short-circuit portion 40 is a conductive member that electrically connects the main plate 10 and the opposing conductor plate 30.
- the short-circuit portion 40 may be realized by using a conductive pin (hereinafter, short-circuit pin). By adjusting the diameter and length of the short pin as the short-circuit portion 40, the inductance provided in the short-circuit portion 40 can be adjusted.
- the short-circuit portion 40 may be a linear member having one end electrically connected to the main plate 10 and the other end electrically connected to the opposing conductor plate 30.
- the via provided on the printed wiring board can be used as the short-circuit portion 40.
- the short-circuit portion 40 is provided so as to be located at the center of the conductor plate, for example.
- the formation position of the short-circuit portion 40 does not have to be exactly the same as the center of the conductor plate.
- the short-circuit portion 40 may be deviated from the center of the conductor plate by about several mm.
- the short-circuit portion 40 may be formed in the central region of the opposing conductor plate 30.
- the central region of the opposing conductor plate 30 refers to a region inside the line connecting the points that internally divide the conductor plate from the center to the edge portion in a ratio of 1: 5. From another point of view, the central region corresponds to a region where concentric figures in which the opposing conductor plates 30 are similarly reduced to about 1/6 overlap.
- the opposing conductor plate 30 is short-circuited to the main plate 10 by a short-circuiting portion 40 provided in the central region thereof, and the area of the opposing conductor plate 30 is parallel to the inductance provided by the short-circuiting portion 40 at the target frequency. It is an area that forms a resonant capacitance.
- LC parallel resonance occurs due to energy exchange between the inductance and the capacitance, and the main plate 10 and the opposing conductor plate 30 are perpendicular to the main plate 10 and the opposing conductor plate 30.
- Electric field is generated. This vertical electric field propagates from the short-circuit portion 40 toward the edge portion of the opposing conductor plate 30, and at the edge portion of the opposing conductor plate 30, the vertical electric field is linearly polarized (hereinafter, having a plane of polarization perpendicular to the main plate 10). , Main plate vertical polarization) and propagates in space.
- the vertical polarization of the main plate here refers to a radio wave in which the vibration direction of the electric field is perpendicular to the main plate 10 and the opposing conductor plate 30.
- the vertical polarization of the main plate refers to polarization in which the electric field vibration direction is perpendicular to the ground (so-called vertical polarization).
- the propagation direction of the vertical electric field is symmetrical with respect to the short-circuit portion 40 as shown in FIG. Therefore, as shown in FIG. 5, it has the same gain in all directions of the horizontal plane of the antenna.
- the antenna device 1 has directivity at a target frequency in all directions (that is, the horizontal direction of the antenna) from the central region of the opposing conductor plate 30 toward the edge portion. Therefore, when the main plate 10 is arranged horizontally, the antenna device 1 functions as an antenna having a main beam in the horizontal direction.
- the horizontal plane of the antenna here refers to a plane parallel to the main plate 10 and the opposing conductor plate 30.
- the horizontal direction of the antenna here refers to a direction from the center of the opposing conductor plate 30 toward the edge thereof.
- the horizontal direction of the antenna refers to a direction orthogonal to a perpendicular line to the main plate 10 passing through the center of the opposing conductor plate 30.
- the horizontal direction of the antenna corresponds to the horizontal direction (in other words, the side) for the antenna device 1.
- the short-circuit portion 40 is arranged at the center of the conductor plate, the current flowing through the opposite conductor plate 30 is symmetrical with respect to the short-circuit portion 40. Therefore, the radio waves in the antenna height direction generated by the current flowing in a certain direction from the center of the conductor plate in the opposed conductor plate 30 are canceled by the radio waves generated by the current flowing in the opposite direction. That is, the current excited by the opposing conductor plate 30 does not contribute to the radiation of radio waves. Therefore, as shown in FIG. 6, radio waves are not emitted upward from the antenna.
- LC resonance mode a mode that operates by LC parallel resonance of the capacitance formed between the main plate 10 and the opposing conductor plate 30 and the inductance of the short-circuit portion 40 is referred to as an LC resonance mode.
- the LC resonance mode corresponds to an operation mode that utilizes the voltage vibration of the opposing conductor plate 30 with respect to the main plate 10.
- the LC resonance mode corresponds to the 0th order resonance mode.
- the antenna device 1 as the LC resonance mode corresponds to a voltage system antenna.
- the antenna device 1 also radiates radio waves from the main plate 10 due to the fact that the main plate 10 is asymmetrically formed when viewed from the opposing conductor plate 30. Specifically, it is as follows.
- the opposing conductor plate 30 is arranged so as to be electrically deviated from a position concentric with the main plate 10 in the X-axis direction by 1/20 (that is, ⁇ / 20) of the target wavelength. Has been done.
- the base plate offset amount ⁇ Sa is set to ⁇ / 20
- the region within ⁇ / 10 from the end portion in the X-axis direction is the asymmetrical portion 11 for the opposing conductor plate 30.
- the asymmetrical portion 11 here refers to a region of the main plate 10 that is asymmetrical when viewed from the opposing conductor plate 30. In FIGS. 7 and 8, the asymmetrical portion 11 is hatched with a dot pattern in order to clearly indicate the region.
- the maximum region of the main plate 10 that has symmetry with respect to the opposing conductor plate 30 is also referred to as the symmetry maintaining portion 12.
- the symmetry maintaining portion 12 is set to include a part of the edge portion of the main plate 10.
- the length of the symmetry maintaining portion 12 from the central region to the end portion in the X-axis direction is L / 2- ⁇ Sa.
- the center of the symmetry maintaining portion 12 and the center of the opposing conductor plate 30 coincide with each other in the top view.
- FIG. 7 is a diagram conceptually showing the current flowing through the main plate 10. As a result of the simulation, it has been confirmed that the current flowing through the main plate 10 due to the LC parallel resonance mainly flows along the edge of the main plate 10. In FIG. 7, the magnitude of the arrow represents the amplitude of the current. In FIG. 7, the support plate 20 is transparent (that is, the illustration is omitted).
- the short-circuit portion 40 which serves as the entrance and exit of the current for the main plate 10, is provided at the center of the symmetry maintaining portion 12 in the longitudinal direction. Therefore, in the symmetry maintaining portion 12, the currents flowing from the short-circuit portion 40 toward both ends in the X-axis direction have opposite directions and the same magnitude.
- the electromagnetic wave generated by the current flowing in a certain direction (for example, the X-axis positive direction) from the center of the symmetry maintaining portion 12 is the electromagnetic wave formed by the current flowing in the opposite direction (for example, the X-axis negative direction) as shown in FIG. Offset (ie counteracted) by. Therefore, the radio wave is not substantially emitted from the symmetry maintaining unit 12.
- the radio waves generated by the current flowing through the asymmetrical portion 11 remain uncancelled.
- the edge of the asymmetrical portion 11 acts as a radiating element (actually a linear antenna).
- the radio waves radiated from the main plate 10 are linearly polarized waves in which the electric field oscillates in a direction parallel to the main plate 10 (hereinafter referred to as ground plate parallel polarized waves).
- the radio wave radiated from the main plate 10 is linearly polarized (hereinafter, X-axis parallel polarized wave) in which the vibration direction of the electric field is parallel to the X-axis.
- the parallel polarization of the main plate is radiated in a direction orthogonal to the X axis. That is, the parallel polarization of the main plate is also radiated in the upward direction (hereinafter, the upward direction of the antenna) for the antenna device 1.
- the main plate excitation mode corresponds to an operation mode in which linearly polarized light whose electric field vibrates in the direction in which the asymmetric portion 11 and the symmetry maintaining portion 12 are connected (here, the X-axis direction) is radiated in the direction perpendicular to the edge portion.
- the antenna device 1 as the main plate excitation mode corresponds to a current system antenna that radiates radio waves by an induced current.
- FIG. 9 is a diagram showing a result of simulating the radiation characteristics of the antenna device 1 in which the electric length of the main plate offset amount ⁇ Sa is set to 0.05 ⁇ in the main plate excitation mode.
- the antenna device 1 of the present embodiment can operate simultaneously in both the LC resonance mode in which the beam is formed in the horizontal direction of the antenna and the ground plate excitation mode in which the beam is formed in the upward direction of the antenna.
- the width W of the asymmetric portion When the relationship between the length of the asymmetric portion 11 in the X-axis direction (hereinafter, the width W of the asymmetric portion), the gain in the horizontal direction of the antenna, and the gain in the upward direction of the antenna was simulated, the gain in the plate vertical direction and the base plate parallel were simulated. It has been confirmed that the gain ratio in the direction fluctuates according to the length of the asymmetric portion 511 in the X-axis direction (hereinafter, the asymmetric portion width W).
- the asymmetric portion width W may be appropriately adjusted so that a desired gain ratio can be obtained.
- the ratio of the gain in the vertical direction of the main plate to the gain in the parallel direction of the main plate is not only the width W of the asymmetric portion but also the back metal body and the main plate which are metal bodies existing on the lower side (in other words, the back side) of the antenna device 1. It is also affected by the separation from 10.
- FIG. 10 shows the characteristics when a conductor plate larger than the main plate 10 is arranged at a position 4 mm below the main plate 10.
- the asymmetric portion width W is designed based on simulation or the like so that a desired gain ratio can be obtained in consideration of the separation between the back metal body and the main plate 10.
- the asymmetric portion width W is set to 0.1 ⁇ here, but as another embodiment, it may be set to 0.25 ⁇ .
- the asymmetric portion width W corresponds to twice the value of the base plate offset amount ⁇ Sa. Therefore, the configuration in which the asymmetric portion width W is 0.25 ⁇ corresponds to the configuration in which the base plate offset amount ⁇ Sa is set to 0.125 ⁇ .
- the operation when the antenna device 1 transmits (radiates) radio waves and the operation when receiving radio waves are reversible to each other. That is, according to the antenna device 1, the vertical polarization of the main plate arriving from the horizontal direction of the antenna can be received, and the parallel polarization of the main plate arriving from the upper direction of the antenna can be received.
- the antenna device 1 By operating in the LC resonance mode, the antenna device 1 can transmit and receive vertically polarized waves on the main plate in all directions in the horizontal direction of the antenna. At the same time, the antenna device 1 operates in the main plate excitation mode, so that the main plate parallel polarization can be transmitted and received in the upward direction of the antenna. In this way, the antenna device 1 can transmit and receive radio waves having different planes of polarization in directions orthogonal to each other.
- the antenna device 1 utilizes the parallel resonance of the capacitance formed between the main plate 10 and the opposing conductor plate 30 and the inductance provided in the short-circuit portion 40 for the vertical polarization in the horizontal direction of the antenna. generate.
- an electric length of ⁇ / 4 is required to transmit and receive vertically polarized waves in the horizontal direction of the antenna, whereas the height of the antenna device 1 is about ⁇ / 100. (In other words, thickness) can be realized. That is, the size of the antenna device 1 in the height direction can be reduced.
- the antenna device 1 operates in the main plate excitation mode because the asymmetrical portion 11 is arranged next to the symmetry maintaining portion 12 (actually extended). That is, as a configuration for further adding directivity in the upward direction of the antenna to the antenna device 1 as the LC resonance antenna, the main plate 10 may be provided at a position asymmetrical with respect to the opposing conductor plate 30.
- the above-mentioned asymmetrical portion 11 can be realized by using a part of the main plate 10 included in the LC resonance antenna. Therefore, according to the configuration of the present embodiment, the cost required for manufacturing can be reduced as compared with the case where the antenna for horizontally polarized waves is provided separately from the antenna for vertically polarized waves.
- the main plate 10 faces the surface of the B pillar 51 on the outer surface of the vehicle interior of the B pillar 51 of the vehicle, and the X-axis direction is the B pillar 51. It may be installed and used in a posture along the longitudinal direction (in other words, the vehicle height direction). Alternatively, it may be attached to a portion of the door panel that overlaps with the B pillar 51 in the above posture.
- the Z-axis direction (in other words, the upward direction of the antenna) for the antenna device 1 corresponds to the direction orthogonal to the side surface of the vehicle (that is, the vehicle width direction), and the horizontal direction of the antenna is the side surface of the vehicle.
- the direction is along the part (in other words, parallel).
- directivity can be formed in both the direction parallel to the vehicle side surface portion and the vehicle width direction.
- the mounting position and mounting posture of the antenna device 1 are not limited to the above example.
- the antenna device 1 can be attached to an arbitrary position on the outer surface of the vehicle, such as the outer surface of the vehicle interior of the A pillar 52 and the C pillar, the rocker portion (in other words, the side sill) 54, and the inside / vicinity of the outer door handle 55. ..
- the antenna device 1 may be housed inside the outer door handle 55 in a posture in which the X-axis direction is along the longitudinal direction of the handle and the Y-axis is along the vehicle height direction.
- the antenna device 1 is attached to the flat metal body portion of the vehicle (hereinafter, the vehicle metal body 50) in a posture in which the main plate 10 faces the vehicle metal body 50.
- the vehicle metal body 50 acts as a main plate (hereinafter, a parent base plate) for the main plate 10 as shown in FIG. 13, and the operation of the antenna device 1 is stable. To do.
- the antenna device 1 may include a master base plate 50a larger than the base plate 10 on the lower side of the base plate 10.
- the base plate 50a is preferably a conductor member having a length of one wavelength or more in both the X-axis direction and the Y-axis direction. If the main plate 10 is the first main plate, the parent base plate 50a corresponds to the second main plate.
- the conductor member as the base plate 50a may be a member having a substantially flat surface facing the base plate 10.
- the parent base plate 50a is arranged to face the base plate 10 at a predetermined distance. As shown in (A) of FIG. 14, for example, the base plate 50a is arranged on the inner bottom surface of the resin case 60 of the antenna device 1. The parent plate 50a may be arranged on the outer bottom surface of the case 60 of the antenna device 1 as shown in FIG. 14B. The case 60 and the base plate 50a may be integrally formed. Further, the bottom of the case 60 may be made of metal. In that case, the bottom of the metal case corresponds to the base plate 50a. In addition, the vehicle metal body 50 can be used as the base plate 50a.
- the antenna device 1 may include a case 60 for accommodating the main plate 10, the opposing conductor plate 30, and the support plate 20 on which the short-circuit portion 40 is formed.
- the case 60 is formed by combining, for example, an upper case and a lower case that are vertically separable.
- the case 60 is constructed by using, for example, a polycarbonate (PC: polycarbonate) resin.
- PC polycarbonate
- various resins such as synthetic resin obtained by mixing acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (so-called ABS) with PC resin and polypropylene (PP: polypolyrene) can be adopted.
- the case 60 includes a case bottom portion 61, a case side wall portion 62, and a case top plate portion 63.
- the case bottom 61 is configured to provide the bottom of the case 60.
- the case bottom 61 is formed in a flat plate shape.
- the circuit board 100 is arranged so that the main plate 10 faces the bottom portion 61 of the case.
- the distance between the case bottom 91 and the main plate 10 is preferably set to ⁇ / 25 or less.
- the case side wall portion 62 is configured to provide the side surface of the case 60, and is erected upward from the edge portion of the case bottom portion 61.
- the height of the case side wall portion 62 is designed so that, for example, the distance between the inner surface of the case top plate portion 63 and the opposing conductor plate 30 is ⁇ / 25 or less.
- the case top plate portion 63 is configured to provide an upper surface portion of the case 60.
- the case top plate portion 63 of this embodiment is formed in a flat plate shape. In addition, as the shape of the case top plate portion 63, various shapes such as a dome shape can be adopted.
- the case top plate portion 63 is configured such that the inner surface of the case top plate portion 63 faces the upper surface of the support plate 20 (and thus the opposing conductor plate 30).
- the vertical electric field radiated by the LC resonance mode is suppressed from wrapping upward from the edge portion of the opposing conductor plate 30.
- the radiation gain in the horizontal direction of the antenna can be increased.
- the term “near the opposing conductor plate 30” refers to a region in which the distance from the opposing conductor plate 30 is electrically 1/25 or less of the target wavelength.
- the inside of the case 60 is filled with a sealing material 70 such as silicon.
- the sealing material 70 corresponds to a sealing material.
- the sealing material 70 located above the opposing conductor plate 30 suppresses the wraparound of the vertical polarization of the main plate from the end of the opposing conductor plate 30 to the upper side. It has the effect of improving the radiation gain in the horizontal direction of the antenna.
- the case 60 may be formed of at least a side surface portion and an upper surface portion made of a resin or ceramic having a predetermined relative permittivity. Further, according to the configuration in which the sealing material 70 is filled in the case 60, waterproofness, dustproofness, and vibration resistance can be improved.
- the case top plate portion 63 may be formed with an upper rib 631 that abuts on the edge portion of the opposing conductor plate 30.
- the upper rib 631 has a convex structure formed downward on the inner side surface of the case top plate portion 63.
- the upper rib 631 is provided so as to come into contact with the edge portion of the opposing conductor plate 30.
- the upper rib 631 fixes the position of the support plate 20 in the case 60, suppresses the wraparound of the vertical polarization of the main plate from the end of the opposing conductor plate 30 to the upper side, and improves the radiation gain in the horizontal direction of the antenna. It works.
- a metal pattern such as copper foil may be imparted to the vertical surface (that is, the outer surface) of the upper rib 631 that is connected to the edge of the opposing conductor plate 30.
- the antenna device 1 may include a case 60 instead of the base plate 50a.
- Filling of the sealing material 70 when the antenna device 1 includes the case 60 is not an essential element.
- the upper rib 631 is also an optional element.
- a urethane resin such as polyurethane prepolymer can be used.
- various other materials such as epoxy resin and silicon resin can be used.
- the case top plate portion 63, the upper rib 631, and the sealing material 70 have a configuration that suppresses the vertical electric field radiated by the LC resonance mode from wrapping up from the edge portion of the opposing conductor plate 30 (hereinafter, radio wave blocking).
- radio wave blocking corresponds to the body).
- the configuration disclosed as the second modification corresponds to a configuration in which a radio wave blocking body configured by using a conductor or a dielectric is arranged on the upper side of the opposing conductor plate 30.
- the case 60 including the upper rib 631 and the sealing material 70 have a high relative permittivity and a small dielectric loss tangent.
- the relative permittivity is 2.0 or more and the dielectric loss tangent is 0.03 or less. If the dielectric loss tangent is high, the amount of radiant energy lost as heat loss increases. Therefore, it is preferable that the case 60 and the sealing material 70 are realized by using a material having a smaller dielectric loss tangent. Further, the case 60 and the sealing material 70 act so as to suppress the wraparound of the electric field as the dielectric constant increases. In other words, the higher the dielectric constant of the case 60 and the sealing material 70, the better the gain improving effect in the horizontal direction of the antenna. Therefore, it is preferable that the case 60 and the sealing material 70 are made of a dielectric having a high dielectric constant.
- Either one of the case bottom 91 and the case top plate 93 included in the case 90 may be omitted.
- the sealing material 70 is in the range assumed as the temperature of the environment in which the antenna device 1 is used (hereinafter, the operating temperature range). ) Is realized by using a resin that maintains solidity.
- the operating temperature range can be, for example, ⁇ 30 ° C. to 100 ° C.
- a circuit unit 80 including a modulation / demodulation circuit, a power supply circuit, and the like is formed on the surface of the support plate 20 on the side where the opposing conductor plate 30 is arranged (hereinafter, the upper side surface 20a of the support plate). You may.
- the circuit unit 80 is an electrical assembly of various parts such as an IC, an analog circuit element, and a connector. This configuration corresponds to a configuration in which the antenna device 1 is realized by arranging the main plate 10, the opposing conductor plate 30, the short-circuit portion 40, and the circuit portion 80 on the printed circuit board as the support plate 20.
- Reference numeral 81 in FIG. 16 indicates a microstrip line for supplying power to the opposing conductor plate 30.
- the circuit portion 80 may be formed, for example, in a region located above the asymmetric portion 11 on the upper side surface 20a of the support plate.
- the arrangement mode of the opposing conductor plate 30 with respect to the main plate 10 is not limited to the configuration disclosed as the embodiment.
- the opposing conductor plate 30 may be arranged at a position deviated from a position concentric with the main plate 10.
- various arrangement modes can be adopted as illustrated in FIGS. 17 to 20.
- the support plate 20 is transparent (that is, not shown) in order to clarify the positional relationship between the main plate 10 and the opposing conductor plate 30.
- the area corresponding to the asymmetrical portion 11 is provided with a dot pattern hatching as in FIG. 7.
- the dimensions of each figure are examples and can be changed as appropriate.
- Lx2 shown in FIG. 18 shows a straight line passing through the center of the opposing conductor plate 30 and parallel to the X axis.
- the configuration disclosed in FIG. 18 corresponds to a configuration in which the opposing conductor plate 30 is arranged so as to be displaced by a predetermined amount in the Y-axis direction from a position concentric with the main plate 10.
- the conductor plate offset direction which is the direction in which the opposing conductor plate 30 is offset with respect to the main plate 10, is not necessarily limited to the longitudinal direction of the main plate 10 (that is, the X-axis direction).
- the conductor plate offset direction may be the lateral direction of the main plate 10.
- the conductor plate offset direction corresponds to the direction in which the asymmetrical portion 11 of the main plate 10 exists when viewed from the opposing conductor plate 30.
- FIG. 19 illustrates an embodiment in which the opposing conductor plate 30 is formed in a circular shape. As described above, various shapes can be adopted for the main plate 10 and the opposing conductor plate 30.
- ⁇ Sa1 in FIG. 20 represents the base plate offset amount ⁇ Sa in the X-axis direction
- ⁇ Sa2 represents the base plate offset amount ⁇ Sa in the Y-axis direction.
- ⁇ Sa1 and ⁇ Sa2 may have the same value or different values.
- both the X-axis parallel polarization and the linearly polarized light whose electric field vibration direction is parallel to the Y-axis (hereinafter, Y-axis parallel polarization) can be radiated upward on the antenna.
- diagonally polarized waves formed by synthesizing the X-axis parallel polarized waves corresponding to ⁇ Sa1 and the Y-axis parallel polarized waves corresponding to ⁇ Sa2 can be radiated.
- the ratio of the X-axis parallel polarization and the Y-axis parallel polarization constituting the diagonally polarized wave can be arbitrarily adjusted.
- the configuration shown in FIG. 20 corresponds to a configuration in which the opposing conductor plate 30 is displaced by a predetermined amount in the X-axis direction from a position concentric with the main plate 10 and further displaced by a predetermined amount in the Y-axis direction.
- the symmetry maintaining portion 12 and the asymmetric portion 11 may be physically separated as shown in FIG. 21, and the electrical connection state between the two may be switchable by using a switch 13.
- the separation between the symmetry maintaining portion 12 and the asymmetric portion 11 may be set to a value that does not cause electromagnetic coupling at the target frequency based on the simulation.
- the switch 13 When the switch 13 is set to off, the antenna device 1 operates only in LC resonance mode.
- the switch 13 is set to ON, the antenna device 1 operates in both the LC resonance mode and the ground plate excitation mode. According to this configuration, it is possible to control whether or not the antenna device 1 operates in the main plate excitation mode by turning the switch 13 on and off.
- the asymmetric portion width W is preferably set to an integral multiple of ⁇ / 4, such as ⁇ / 4 or ⁇ / 2. According to such a setting, the gain as the main plate excitation mode can be increased.
- the short-circuit portion 40 may be arranged at a position deviated from the center of the opposing conductor plate 30 by a predetermined amount (hereinafter, short-circuit portion offset amount ⁇ Sb) in the Y-axis direction.
- a predetermined amount hereinafter, short-circuit portion offset amount ⁇ Sb
- the symmetry of the current distribution on the opposing conductor plate 30 is broken, and linearly polarized waves parallel to the Y-axis direction are radiated from the opposing conductor plate 30. Specifically, it is as follows.
- the short-circuit portion 40 is arranged at the center of the opposing conductor plate 30 as in the antenna device 1 of the first embodiment, the current flowing through the opposing conductor plate 30 is centered on the short-circuit portion 40 as shown in FIG. It becomes symmetric as. Therefore, the radio waves generated by the current flowing in a certain direction when viewed from the connection point (hereinafter, the short-circuited portion) between the short-circuited portion 40 and the opposed conductor plate 30 in the opposed conductor plate 30 are canceled by the radio waves generated by the current flowing in the opposite direction.
- the connection point hereinafter, the short-circuited portion
- the vertical polarization of the main plate in the horizontal direction of the antenna is caused by the parallel resonance of the capacitance formed between the opposing conductor plate 30 and the main plate 10 and the inductance provided by the short-circuit portion 40. Be radiated. That is, according to the above configuration, it is possible to simultaneously radiate the vertical polarization of the main plate in the horizontal direction of the antenna, the X-axis parallel polarization in the upward direction of the antenna, and the Y-axis parallel polarization in the upward direction of the antenna.
- the X-axis parallel polarization radiation in the upward direction of the antenna is provided by the asymmetric portion 11 of the main plate 10.
- the emission of Y-axis parallel polarization in the upward direction of the antenna is provided by the offset arrangement of the short-circuit portion 40 in the Y-axis direction.
- the direction in which the short-circuit portion 40 is shifted with respect to the center of the opposing conductor plate 30 may be a direction orthogonal to the conductor plate offset direction. According to this configuration, it is possible to radiate two types of linearly polarized waves whose electric field vibration directions are orthogonal to each other as linearly polarized waves radiated upward on the antenna.
- the short-circuit portion 40 may be formed in the central region of the opposing conductor plate 30.
- the short-circuit offset amount ⁇ Sb is preferably set to 0.04 ⁇ or less in order to maintain omnidirectionality (in other words, omnidirectionality) in the horizontal direction of the antenna.
- the operating frequency does not change even if the short-circuit offset amount ⁇ Sb is changed.
- the voltage standing wave ratio (VSWR: Voltage Standing Wave Ratio) may fluctuate according to the short-circuit portion offset amount ⁇ Sb.
- the VSWR at the target frequency can be suppressed to a practical level (for example, 3 or less) by providing the feeding point 31 at a position corresponding to the short-circuit offset amount ⁇ Sb. Can be done. That is, the return loss can be suppressed to a desired allowable level by adjusting the position of the feeding point 31 according to the position of the short-circuited portion 40.
- the configuration on the premise that the opposing conductor plate 30 is arranged at a position deviated from the center of the main plate 10 is disclosed, but the configuration of the antenna device 1 is not limited to this.
- the opposing conductor plate 30 may be arranged at a position concentric with the main plate 10 as shown in FIGS. 25 and 26.
- the main plate 10 does not have to include the asymmetric portion 11.
- Lx2 and Ly2 shown in FIG. 25 indicate the axes of symmetry of the opposing conductor plate 30.
- Lx1 and Ly1 shown in FIG. 26 indicate the axes of symmetry of the main plate 10.
- the radiation of parallel polarization of the main plate in the upward direction of the antenna has a configuration in which the short-circuit portion 40 is arranged so as to be offset from the center of the opposing conductor plate 30 in the direction along the axis of symmetry, and the main plate. It may be realized by using at least one of the configurations in which the asymmetrical portion 11 is added to 10.
- the opposing conductor plate 30 operates as a patch antenna by arranging the second feeding point on the axis of symmetry of the opposing conductor plate 30.
- a configuration (hereinafter referred to as a comparative configuration) is also conceivable. However, in the comparative configuration, two feeding points are required, which complicates the circuit.
- the counter conductor plate 30 may have only one feeding point, so that the circuit configuration can be simplified.
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Abstract
アンテナ装置は、平板状の導体部材である地板(10)と、前記地板と所定の間隔をおいて設置された平板状の導体部材であって、給電線と電気的に接続する給電点が設けられている対向導体板(30)と、前記対向導体板の中央領域に設けられてあって、前記対向導体板と前記地板とを電気的に接続する短絡部(40)とを備える。前記短絡部が備えるインダクタンスと、前記地板と前記対向導体板とが形成する静電容量とを用いて、所定の対象周波数で並列共振するように構成されている。前記地板は、前記対向導体板に対して非対称に配置されている。
Description
本出願は、2019年3月26日に出願された日本特許出願番号2019-58817号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
本開示は、平板構造を有するアンテナ装置に関するものである。
特許文献1には、マイクロストリップアンテナ(換言すればパッチアンテナ)と、当該パッチアンテナに直立するモノポールアンテナとを備えるアンテナ装置が開示されている。当該アンテナ装置によれば、パッチアンテナにて平板状の接地導体(以降、地板)に垂直となる方向に指向性を形成するとともに、モノポールアンテナにて地板に平行となる方向に指向性を形成することができる。当該構成によれば、例えば、地板が水平となる姿勢で用いられることにより、天頂方向から到来する電波と、水平方向から到来する電波の両方を受信可能となる。なお、天頂方向から到来する電波とは、例えば、衛星局からの電波である。また、水平方向からの電波とは、例えば地上局からの電波である。
特許文献1に開示の構成では、水平方向からの電波を送受信するために、モノポールアンテナを備える。モノポールアンテナは、送受信の対象とする電波の1/4波長の長さが必要となるため、アンテナ装置の高さ(以降、搭載高さ)が大きくなってしまう。ここでの搭載高さとは、アンテナ装置を、そのパッチアンテナの平面が水平となる姿勢で移動体に搭載した時の高さを指す。コイル等を用いてモノポールアンテナとしての導体素子を短くした構成も想定されうるが、コイル等で低背化すると性能が悪化する。
本開示は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、地板に垂直なる方向と、地板に平行な方向のそれぞれに電波を放射可能であって、その高さを低減可能なアンテナ装置を提供することにある。
本開示のある態様にしたがって、アンテナ装置は、平板状の導体部材である地板と、前記地板と所定の間隔をおいて設置された平板状の導体部材であって、給電線と電気的に接続する給電点が設けられている対向導体板と、前記対向導体板の中央領域に設けられてあって、前記対向導体板と前記地板とを電気的に接続する短絡部と、を備える。前記短絡部が備えるインダクタンスと、前記地板と前記対向導体板とが形成する静電容量とを用いて、所定の対象周波数で並列共振する。前記地板は、前記対向導体板に対して非対称に配置されている。
このアンテナ装置では、地板と対向導体板との間に形成される静電容量と、短絡部が備えるインダクタンスとによって、その静電容量とインダクタンスに応じた周波数において並列共振を生じさせる。そして、並列共振に伴って対向導体板と対向地板との間に生じる垂直電界によって、対向導体板に沿う方向に、電界の振動方向が地板に対して垂直な直線偏波を送受信する。
また、地板は、対向導体板に対して非対称に配置されていることから、地板において短絡部から見て或る一方向に流れる電流量と、地板において反対方向に流れる電流量は非対称となる。その結果、短絡部から各方向に流れる電流が放射する電波が互いに打ち消しあう程度が減少する。地板に流れる電流が放射する電波が打ち消されずに残ることにより、その残った電波が空間に伝播していく。すなわち、地板において対向導体板から見て非対称となる領域(以降、非対称部)から、電波が放射される。
なお、非対称部において電流は主としてその縁部に誘起されることがシミュレーションによって確認された。地板の縁部は線状とみなすことできる。つまり、以上の構成によれば、地板の非対称部の縁部が線状アンテナ(例えばポール型アンテナ)として動作する。地板の非対称部から放射される電波は、電界振動方向が地板に平行な直線偏波である。また、地板の非対称部から放射される電波は、非対称部の縁部に直交する方向に放射される。非対称部の縁部に直交する方向には、地板に垂直な方向も含まれる。
このように、以上の構成によれば、地板に垂直なる方向と、地板に平行な方向のそれぞれに電波を放射可能となる。しかも、地板に平行な方向への放射は、地板と対向導体板との間に形成される静電容量と、短絡部が備えるインダクタンスとによって並列共振を生じさせることで発生する。そのため、アンテナ装置の高さを低減できる。
本開示のある態様にしたがって、アンテナ装置は、平板状の導体部材である地板と、前記地板と所定の間隔をおいて設置された平板状の導体部材であって、給電線と電気的に接続する給電点が設けられている対向導体板と、前記対向導体板の中央領域に設けられてあって、前記対向導体板と前記地板とを電気的に接続する短絡部と、を備える。前記短絡部が備えるインダクタンスと、前記地板と前記対向導体板とが形成する静電容量とを用いて、所定の対象周波数で並列共振する。前記短絡部は、前記対向導体板の中心から所定量ずれた位置に形成されている。
この構成では、地板と対向導体板との間に形成される静電容量と、短絡部が備えるインダクタンスとの並列共振を用いて、対向導体板に沿う方向に、電界の振動方向が地板に対して垂直な直線偏波を送受信する。
また、当該構成では短絡部が対向導体板の中心からずれた位置に配置されているため、対向導体板に流れる電流分布の対称性が崩れ、短絡部から各方向に流れる電流が放射する電波が互いに打ち消しあう程度が減少する。その結果、対向導体板から、当該対向導体板に垂直な方向に電波が放射される。対向導体板は地板に対向配置されているため、対向導体板に垂直な方向とは地板に垂直な方向に相当する。つまり上記構成によれば、地板に垂直なる方向と、地板に平行な方向のそれぞれに電波を放射可能となる。加えて、地板に平行な方向への放射は、地板と対向導体板との間に形成される静電容量と、短絡部が備えるインダクタンスとによって並列共振を生じさせることで発生する。故に、アンテナ装置の高さを低減できる。
本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
アンテナ装置の構成を示す外観斜視図であり、
図1におけるII-II線でのアンテナ装置の断面図であり、
地板と対向導体板の位置関係を説明するための図であり、
対向導体板の近傍の電流分布、電圧分布、電界分布を説明する図であり、
XY平面におけるLC共振モードでの放射特性を示す図であり、
XZ平面及びYZ平面におけるLC共振モードでの放射特性を示す図であり、
地板励振モードの動作原理を説明するための図であり、
地板励振モードの動作原理を説明するための図であり、
地板励振モードが提供する放射特性を示す図であり、
アンテナ水平方向の利得と、アンテナ上方向の利得と、非対称部幅Wの関係を示す図であり、
アンテナ装置の車両への取付位置及び取付姿勢の一例を示す図であり、
図11に示す取付位置及び取付姿勢によるアンテナ装置の指向性を示す概念図であり、
アンテナ装置のより好ましい取付位置について説明するための図であり、
アンテナ装置の変形例を示す図であり、
アンテナ装置の変形例を示す図であり、
アンテナ装置の変形例を示す図であり、
支持板上側面に回路部が形成されている構成を示す図であり、
アンテナ装置の変形例を示す図であり、
アンテナ装置の変形例を示す図であり、
アンテナ装置の変形例を示す図であり、
対称性維持部と非対称部との接続状態が切り替え可能に構成されている地板の構成を示す図であり、
対向導体板の中心からずれた位置に短絡部が設けられているアンテナ装置を示す図であり、
対向導体板の中心に短絡部が形成されている場合の対向導体板上の電流分布を示す図であり、
対向導体板の中心からずれた位置に短絡部が形成されている場合の対向導体板上の電流分布及びその作動を説明するための図であり、
第2実施形態のアンテナ装置の構成を示す外観斜視図であり、
地板、対向導体板、及び短絡部の位置関係を説明するための上面図である。
[第1実施形態]
以下、本開示の第1の実施形態について図を用いて説明する。なお、以降において同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。また、構成の一部のみに言及している場合、他の部分については先に説明した実施形態の構成を適用することができる。
以下、本開示の第1の実施形態について図を用いて説明する。なお、以降において同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。また、構成の一部のみに言及している場合、他の部分については先に説明した実施形態の構成を適用することができる。
図1は、本実施形態に係るアンテナ装置1の概略的な構成の一例を示す外観斜視図である。図2は、図1に示すII-II線におけるアンテナ装置1の断面図である。アンテナ装置1は、例えば、車両などの移動体に搭載されて用いられる。
このアンテナ装置1は、所定の対象周波数の電波を送受信するように構成されている。もちろん、他の態様としてアンテナ装置1は、送信と受信の何れか一方のみに利用されても良い。電波の送受信には可逆性があるため、或る周波数の電波を送信可能な構成は、当該周波数の電波を受信可能な構成でもある。
対象周波数は、ここでは一例として2.45GHzとする。もちろん、対象周波数は適宜設計されれば良く、他の態様として例えば300MHzや、760MHz、850MHz、900MHz、1.17GHz、1.28GHz、1.55GHz、5.9GHz等としてもよい。アンテナ装置1は、対象周波数だけでなく、対象周波数を基準として定まる所定範囲内の周波数の電波もまた送受信可能である。例えばアンテナ装置1は、2400MHzから2500MHzまでの帯域(以降、2.4GHz帯)に属する周波数を送受信可能に構成されている。
つまり、アンテナ装置1は、Bluetooth Low Energy(Bluetoothは登録商標)や、Wi-Fi(登録商標)、ZigBee(登録商標)等といった、近距離無線通信で使用される周波数帯の電波を送受信可能に構成されている。換言すれば、アンテナ装置1は、国際電気通信連合によって規定されている、産業・科学・医療分野で汎用的に使うために割り当てられた周波数の帯域(いわゆるISMバンド)の電波を送受信可能に構成されている。
以降における「λ」は、対象周波数の電波の波長(以降、対象波長とも記載)を表す。例えば「λ/2」及び「0.5λ」は対象波長の半分の長さを指し、「λ/4」及び「0.25λ」は対象波長の4分の1の長さを指す。なお、真空中及び空気中における2.4GHzの電波の波長(つまりλ)は125mmである。
アンテナ装置1は、例えば同軸ケーブルを介して図示しない無線機と接続されており、アンテナ装置1が受信した信号は逐次無線機に出力される。また、アンテナ装置1は無線機から入力される電気信号を電波に変換して空間に放射する。無線機は、アンテナ装置1が受信した信号を利用するとともに、当該アンテナ装置1に対して送信信号に応じた高周波電力を供給するものである。
なお、本実施形態ではアンテナ装置1と無線機とを同軸ケーブルで接続する場合を想定して説明するが、フィーダ線など、その他の通信ケーブルを用いて接続しても良い。アンテナ装置1と無線機とは、同軸ケーブルのほかに、整合回路やフィルタ回路などを介して接続される構成となっていても良い。また、アンテナ装置1は、無線機と一体的に構成されていても良い。例えば、アンテナ装置1は、変復調回路等が実装されたプリント基板上に実現されていてもよい。
以下、アンテナ装置1の具体的な構成について述べる。図1に示すようにアンテナ装置1は、地板10、支持板20、対向導体板30、及び短絡部40を備えている。便宜上以降では、地板10に対して対向導体板30が設けられている側を、アンテナ装置1にとっての上側として各部の説明を行う。つまり、地板10から対向導体板30に向かう方向がアンテナ装置1にとっての上方向に相当する。また、対向導体板30から地板10に向かう方向がアンテナ装置1にとっての下方向に相当する。
地板10は、銅などの導体を素材とする板状の導体部材である。地板10は、支持板20の下側面に沿って設けられている。ここでの板状には金属箔のような薄膜状も含まれる。つまり、地板10はプリント配線板等の樹脂製の板の表面に電気メッキ等によってパターン形成されたものでもよい。この地板10は、同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続されて、アンテナ装置1におけるグランド電位(換言すれば接地電位)を提供する。
地板10は、長方形状に形成されている。地板10の短辺の長さは、例えば、電気的に0.4λに相当する値に設定されている。また、地板10の長辺の長さLは、電気的に1.2λに設定されている。ここでの電気的な長さとは、フリンジング電界や、誘電体による波長短縮効果などを考慮した、実効的な長さである。なお、支持板20が比誘電率4.3の誘電体を用いて形成されている場合、地板10表面での波長は、支持板20としての誘電体の波長短縮効果によって60mm程度となる。故に、電気的に1.2λに相当する長さとは、72mmとなる。
図1等の種々の図に示すX軸は地板10の長手方向を、Y軸は地板10の短手方向を、Z軸は上下方向をそれぞれ表している。これらX軸、Y軸、及びZ軸を備える3次元座標系は、アンテナ装置1の構成を説明するための概念である。なお、他の態様として地板10が正方形状である場合には、任意の1辺に沿う方向をX軸とすることができる。また、地板10が円形である場合には地板10に平行な任意の方向をX軸とすることができる。Y軸は、地板10に平行であってかつX軸に直交する方向とすればよい。なお、地板10が長方形や長楕円など、長手方向と短手方向とが存在する形状である場合には、その長手方向をX軸方向とすることができる。
なお、地板10の大きさは適宜変更可能である。地板10の1つの辺の長さは、電気的に1波長よりも小さい値(例えば対象波長の1/3)に設定されていても良い。また、地板10を上側から見た形状(以降、平面形状)は適宜変更可能である。ここでは一例として地板10の平面形状を長方形状とするが、他の態様として地板10の平面形状は、正方形状であってもよいし、その他の多角形状であってもよい。例えば地板10は、1辺が電気的に1波長に相当する値に設定された正方形状であってもよい。
地板10は、互いに直交する2つの直線のそれぞれを対称の軸として線対称な形状(以降、2方向線対称形状)であることが好ましい。2方向線対称形状とは、或る直線を対称の軸として線対称であって、かつ、その直線と直交する他の直線についても線対称な図形を指す。2方向線対称形状とは、例えば、楕円形や、長方形、円形、正方形、正六角形、正八角形、ひし形などが該当する。地板10は、直径が1波長の円よりも大きく形成されていることが好ましい。或る部材の平面形状とは、当該部材を上方から見た形状を指す。なお、地板10の縁部は、部分的に又は全体的にミアンダ形状に形成されていても良い。2方向線対称な形状には、2方向線対称形状の縁部に微小な(数mm程度の)凹凸が設けられている形状も含まれる。地板10の縁部に設けられた凹凸や、地板10の縁部から離れた位置に形成されているスリットは、アンテナ動作に影響を与えない限りにおいては、無視して取り扱うことができる。点対称な形状についても同様である。
支持板20は、地板10と対向導体板30とを、所定の間隔をおいて互いに対向配置するための板状部材である。支持板20は矩形平板状であり、支持板20の大きさは平面視において地板10とほぼ同じ大きさである。支持板20は、例えばガラスエポキシ樹脂など、所定の比誘電率を有する誘電体を用いて実現されている。ここでは一例として支持板20は比誘電率4.3のガラスエポキシ樹脂(換言すれば、FR4:Flame Retardant Type 4)を用いて実現されている。
本実施形態では一例として支持板20の厚みH1は、例えば1.5mmに形成されている。支持板20の厚さH1は、地板10と対向導体板30との間隔に相当する。支持板20の厚さH1を調整することで、対向導体板30と地板10との間隔を調整することができる。支持板20の厚さH1の具体的な値はシミュレーションや試験によって適宜決定されれば良い。もちろん、支持板20の厚さH1は、2.0mmや、3.0mmなどであってもよい。なお、支持板20での波長は、誘電体の波長短縮効果によって60mm程度となる。故に、厚さ1.5mmという値は、電気的に対象波長の40分の1(つまりλ/40)に相当する。
なお、支持板20は前述の役割を果たせればよく、支持板20の形状は適宜変更可能である。対向導体板30を地板10に対向配置するための構成は、複数の柱であってもよい。また、本実施形態において地板10と対向導体板30の間は、支持板20としての樹脂が充填された構成を採用するが、これに限らない。地板10と対向導体板30の間は、中空や真空となっていてもよい。支持板20としては、ハニカム構造などを採用することもできる。さらに、以上で例示した構造が組み合わさっていてもよい。アンテナ装置1がプリント配線板を用いて実現される場合には、プリント配線板が備える複数の導体層を、地板10や、対向導体板30として利用するとともに、導体層を隔てる樹脂層を支持板20として利用してもよい。
支持板20の厚さH1は、後述するように短絡部40の長さ(換言すれば短絡部40が提供するインダクタンス)を調整するパラメータとしても機能する。また、間隔H1は、地板10と対向導体板30とが対向することによって形成する静電容量を調整するパラメータとしても機能する。
対向導体板30は、銅などの導体を素材とする板状の導体部材である。ここでの板状には、前述の通り、銅箔などの薄膜状も含まれる。対向導体板30は、支持板20を介し、地板10と対向するように配置されている。対向導体板30もまた地板10と同様にプリント配線板等の、樹脂製の板の表面にパターン形成されたものでもよい。また、ここでの平行とは完全な平行に限らない。数度から十度程度傾いていても良い。つまり概ね平行である状態(いわゆる略平行な状態)を含みうる。
対向導体板30と地板10とは、互いに対向配置されることで、対向導体板30の面積や、対向導体板30と地板10との間隔に応じた静電容量を形成する。対向導体板30は、短絡部40が備えるインダクタンスと対象周波数において並列共振する静電容量を形成する大きさに形成されている。対向導体板30の面積は、所望の静電容量を提供するように(ひいては対象周波数で動作するように)適宜設計されればよい。例えば対向導体板30は、一辺が電気的に12mmmの正方形状に形成されている。対向導体板30の表面での波長は支持板20の波長短縮効果によって60mm程度となるため、12mmという値は、電気的に0.2λに相当する。もちろん、対向導体板30の一辺の長さは適宜変更可能であり、14mmや、15mm、20mm、25mmなどであっても良い。
なお、ここでは一例として対向導体板30の形状は正方形とするが、その他の構成として、対向導体板30の平面形状は、円形や、正八角形、正六角形などであってもよい。また、対向導体板30は、長方形状や長楕円形などであってもよい。対向導体板30は2方向線対称形状であることが好ましい。また、対向導体板30は、円形や正方形、長方形、平行四辺形など、点対称な図形であることがより好ましい。
対向導体板30には、スリットが設けられたり、角部を丸められたりしていても良い。例えば1対の対角部分に縮退分離素子としての切り欠き部が設けられていてもよい。対向導体板30の縁部は、部分的に又は全体的にミアンダ形状に設定されていても良い。対向導体板30の縁部に設けられた、動作に影響を与えない程度の凹凸は無視して取り扱うことができる。
対向導体板30には任意の位置に給電点31が形成されている。給電点31は、同軸ケーブルの内部導体と対向導体板30とが電気的に接続される部分である。同軸ケーブルの内部導体は給電線に相当する。給電点31は、同軸ケーブルの特性インピーダンスと、対象周波数における当該アンテナ装置1とのインピーダンスの整合が取れる位置に設けられればよい。換言すれば給電点31は、リターンロスが所定の許容レベルとなる位置に設けられればよい。給電点31は、例えば対向導体板30の縁部や中央領域など、任意の位置に配置することができる。
なお、対向導体板30への給電方式としては、直結給電方式や電磁結合方式など多様な方式を採用可能である。直結給電方式は、同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続している(つまり給電用の)マイクロストリップ線路や導体ピン、ビア等が、対向導体板30と直接接続される方式を指す。直結給電方式においてはマイクロストリップ線路等と対向導体板30との接続点が対向導体板30にとっての給電点31に相当する。電磁結合方式は、給電用のマイクロストリップ線路等と対向導体板30との電磁結合を利用した給電方式を指す。
対向導体板30は、図3に示すように、或る1組の対辺がX軸と平行となり、かつ、他の組の対辺がY軸に平行となる姿勢で地板10と対向配置されている。ただし、その中心が地板10の中心からX軸方向に所定量ずれるように配置されている。具体的には、対向導体板30は、その中心が、地板10の中心からX軸方向へ電気的に対象波長の20分の1(つまり0.05λ)ずれた位置となるように配置されている。当該構成は、別の観点によれば地板10を対向導体板30に対して非対称に配置した構成に相当する。
なお、地板10の中心(以降、地板中心)と、対向導体板30の中心のX軸方向における距離(以降、地板オフセット量ΔSa)は、0.05λに限定されない。地板オフセット量ΔSaは0.08λや、0.04λ、0.25λなどであってもよい。地板オフセット量ΔSaは、λ/8に設定されていてもよい。地板オフセット量ΔSaは、上面視において対向導体板30が地板10の外側にはみ出さない範囲において適宜変更可能である。対向導体板30は、少なくとも全領域(換言すれば全面)が地板10と対向するように配置されている。地板オフセット量ΔSaは、地板10の中心と対向導体板30の中心のずれ量に相当する。
なお、図3では地板10と対向導体板30の位置関係を明示するために、支持板20は透過させている(つまり図示を省略している)。図3に示す一点鎖線Lx1は、地板10の中心を通ってX軸に平行な直線を表しており、一点鎖線Ly1は、地板10の中心を通ってY軸に平行な直線を表している。二点鎖線Ly2は、対向導体板30の中心を通ってY軸に平行な直線を表す。別の観点によれば直線Lx1は、地板10や対向導体板30にとっての対称軸に相当する。直線Ly1は地板10にとっての対称軸に相当する。直線Ly2は対向導体板30にとっての対称軸に相当する。
対向導体板30は、地板10と同心となる位置からX軸方向へ所定量ずらして配置されているため、一点鎖線Lx1は、対向導体板30の中心も通る。つまり、一点鎖線Lx1は、X軸に平行な直線であって地板10と対向導体板30の中心を通る直線に相当する。直線Lx1と直線Ly1との交点が地板中心に相当し、直線Lx1と直線Ly2の交点が対向導体板30の中心(以降、導体板中心)に相当する。導体板中心は、対向導体板30の重心に相当する。本実施形態では対向導体板30が正方形状であるため、導体板中心とは、対向導体板30の2つの対角線の交点に相当する。なお、地板10と対向導体板30とが同心となる配置態様とは、上面視において対向導体板30の中心と地板10の中心とが重なる配置態様に相当する。
短絡部40は、地板10と対向導体板30とを電気的に接続する導電性の部材である。短絡部40は、導電性のピン(以降、ショートピン)を用いて実現されれば良い。短絡部40としてのショートピンの径や長さを調整することによって、短絡部40が備えるインダクタンスを調整することができる。
なお、短絡部40は、一端が地板10と電気的に接続され、他端が対向導体板30と電気的に接続された線状の部材であればよい。アンテナ装置1がプリント配線板を基材として用いて実現される場合には、プリント配線板に設けられたビアを短絡部40として利用することができる。
短絡部40は、例えば導体板中心に位置するように設けられている。なお、短絡部40の形成位置は、厳密に導体板中心と一致している必要はない。短絡部40は導体板中心から数mm程度ずれていてもよい。短絡部40は、対向導体板30の中央領域に形成されていれば良い。対向導体板30の中央領域とは、導体板中心から縁部までを1:5に内分する点を結ぶ線よりも内側の領域を指す。中央領域は、別の観点によれば、対向導体板30を6分の1程度に相似縮小した同心図形が重なる領域に相当する。
<アンテナ装置1の作動について>
このように構成されたアンテナ装置1の動作を説明する。アンテナ装置1は、対向導体板30はその中央領域に設けられた短絡部40で地板10に短絡されており、かつ、対向導体板30の面積は、短絡部40が備えるインダクタンスと対象周波数において並列共振する静電容量を形成する面積となっている。
このように構成されたアンテナ装置1の動作を説明する。アンテナ装置1は、対向導体板30はその中央領域に設けられた短絡部40で地板10に短絡されており、かつ、対向導体板30の面積は、短絡部40が備えるインダクタンスと対象周波数において並列共振する静電容量を形成する面積となっている。
このため、インダクタンスと静電容量との間のエネルギー交換によって並列共振(いわゆるLC並列共振)が生じ、地板10と対向導体板30との間には、地板10および対向導体板30に対して垂直な電界が発生する。この垂直電界は、短絡部40から対向導体板30の縁部に向かって伝搬していき、対向導体板30の縁部において、垂直電界は地板10に垂直な偏波面を持つ直線偏波(以降、地板垂直偏波)になって空間を伝搬していく。なお、ここでの地板垂直偏波とは、電界の振動方向が地板10や対向導体板30に対して垂直な電波を指す。アンテナ装置1が水平面に平行な姿勢で使用されている場合、地板垂直偏波は、電界振動方向が地面に垂直な偏波(いわゆる垂直偏波)を指す。
垂直電界の伝搬方向は、図4に示すように短絡部40を中心として対称である。そのため、図5に示すように、アンテナ水平面の全方位に対して同程度の利得を有する。換言すれば、アンテナ装置1は対象周波数において、対向導体板30の中央領域から縁部に向かう全方向(つまりアンテナ水平方向)に指向性を有する。故に、地板10が水平となるように配置されている場合、アンテナ装置1は水平方向にメインビームを備えるアンテナとして機能する。なお、ここでのアンテナ水平面とは、地板10及び対向導体板30に平行な平面を指す。また、なお、ここでのアンテナ水平方向とは、対向導体板30の中心からその縁部に向かう方向を指す。アンテナ水平方向は、別の観点によれば、対向導体板30の中心を通る地板10への垂線に直交する方向を指す。アンテナ水平方向は、アンテナ装置1にとっての横方向(換言すれば側方)に相当する。
なお、短絡部40は導体板中心に配置されているため、対向導体板30に流れる電流は、短絡部40を中心として対称となる。そのため、対向導体板30において導体板中心から或る方向に流れる電流が発するアンテナ高さ方向の電波は、逆向きに流れる電流が発する電波によって相殺される。つまり、対向導体板30に励起される電流は、電波の放射に寄与しない。故に、図6に示すようにアンテナ上方向には電波を放射しない。以降では便宜上、地板10と対向導体板30との間に形成される静電容量と、短絡部40が備えるインダクタンスのLC並列共振によって動作するモードのことをLC共振モードと称する。当該LC共振モードは、地板10に対する対向導体板30の電圧振動を利用する動作モードに相当する。LC共振モードは0次共振モードに相当する。LC共振モードとしてのアンテナ装置1は電圧系アンテナに相当する。
また、対向導体板30から見て地板10が非対称に形成されていることに起因して、アンテナ装置1は、地板10からも電波を放射する。具体的には次の通りである。本実施形態のアンテナ装置1において対向導体板30は、地板10と同心となる位置からX軸方向へ電気的に対象波長の20分の1(つまりλ/20)ずれた位置となるように配置されている。地板オフセット量ΔSaをλ/20に設定した態様によれば、X軸方向の端部からλ/10以内となる領域が対向導体板30にとっての非対称部11となる。ここでの非対称部11とは、地板10において対向導体板30から見て非対称となる領域を指す。図7及び図8において非対称部11には、その領域を明示するためにドットパターンのハッチングを施している。便宜上、地板10において対向導体板30からみて対称性を有する最大領域を対称性維持部12とも記載する。対称性維持部12は、地板10の縁部の一部を含むように設定される。対称性維持部12の中央領域から端部までのX軸方向の長さはL/2-ΔSaとなる。対称性維持部12の中心と、対向導体板30の中心は上面視において一致する。
図7は地板10に流れる電流を概念的に示した図である。シミュレーションの結果、LC並列共振によって地板10に流れる電流は、主として、地板10の縁部に沿って流れることが確認されている。図7において矢印の大きさは電流の振幅を表している。図7では支持板20は透過させている(つまり図示を省略している)。
対向導体板30から短絡部40を通り、地板10に流れ込む電流は、短絡部40から地板10の長手方向の両側に流れる。地板10にとっての電流の出入り口となる短絡部40は、対称性維持部12の長手方向中心に設けられている。そのため、対称性維持部12においては、短絡部40からX軸方向の両端に向かって流れる電流は、向きが逆で大きさは等しい。故に、対称性維持部12の中央から或る方向(例えばX軸正方向)に流れる電流により生じる電磁波は、図8に示すように逆方向(例えばX軸負方向)に流れる電流が形成する電磁波によって相殺される(つまり打ち消される)。したがって、実質的には対称性維持部12からは電波は放射されない。
ただし、非対称部11に流れる電流が発する電波については打ち消されずに残る。換言すれば、非対称部11の縁部は放射素子(実態的には線状アンテナ)として作用する。地板10から放射される電波は、電界が地板10と平行な方向に振動する直線偏波(以降、地板平行偏波)となる。具体的には、地板10から放射される電波は、電界の振動方向がX軸に平行な直線偏波(以降、X軸平行偏波)となる。また、当該地板平行偏波はX軸に直交する方向に放射される。つまり、地板平行偏波は、アンテナ装置1にとっての上方向(以降、アンテナ上方向)にも放射される。
以降では便宜上、地板10の非対称部11の縁部に流れる線状電流を利用する動作モードのことを地板励振モードと称する。地板励振モードは、非対称部11と対称性維持部12が連なる方向(ここではX軸方向)に電界が振動する直線偏波を、当該縁部に垂直な方向に放射する動作モードに相当する。地板励振モードとしてのアンテナ装置1は、誘起電流によって電波を放射する、電流系アンテナに相当する。アンテナ装置1が水平面に平行な姿勢で使用されている場合、地板平行偏波は、電界振動方向が地面に平行な直線偏波(つまり水平偏波)に相当する。図9は、地板オフセット量ΔSaの電気長が0.05λに設定されているアンテナ装置1の地板励振モードでの放射特性をシミュレーションした結果を示す図である。
以上で述べたように、本実施形態のアンテナ装置1は、アンテナ水平方向にビームを形成するLC共振モードと、アンテナ上方向にビームを形成する地板励振モードとの両方で同時に動作しうる。なお、非対称部11のX軸方向の長さ(以降、非対称部幅W)と、アンテナ水平方向の利得と、アンテナ上方向の利得との関係をシミュレーションしたところ、板垂直方向の利得と地板平行方向の利得の比は、非対称部511のX軸方向の長さ(以降、非対称部幅W)に応じて変動することが確認されている。非対称部幅Wは、所望の利得比が得られるように適宜調整されればよい。
ただし、地板垂直方向の利得と地板平行方向の利得の比は、非対称部幅Wだけでなく、アンテナ装置1の下側(換言すれば背面側)に存在する金属体である背面金属体と地板10との離隔の影響も受ける。図10は地板10の下側4mmの位置に地板10よりも大きい導体板が配置されている場合の特性を示している。非対称部幅Wは、背面金属体と地板10との離隔も鑑みて、所望の利得比が得られるようにシミュレーション等に基づき設計されている。前述の通り、ここでは非対称部幅Wは0.1λに設定されているが、他の態様として、0.25λに設定されていてもよい。なお、非対称部幅Wは地板オフセット量ΔSaの2倍値に相当する。故に、非対称部幅Wが0.25λとなる構成とは、地板オフセット量ΔSaを0.125λに設定した構成に相当する。
なお、アンテナ装置1が電波を送信(放射)する際の作動と、電波を受信する際の作動は、互いに可逆性を有する。つまり上記アンテナ装置1によれば、アンテナ水平方向から到来する地板垂直偏波を受信できるとともに、アンテナ上方向から到来する地板平行偏波を受信できる。
アンテナ装置1は、LC共振モードで動作することにより、アンテナ水平方向の全方向に地板垂直偏波を送受信できる。また、それと同時にアンテナ装置1は地板励振モードで動作することにより、アンテナ上方向に地板平行偏波を送受信できる。このように、アンテナ装置1は、互いに直交する方向にそれぞれ異なる偏波面を有する電波を送受信できる。
しかも、アンテナ装置1は、アンテナ水平方向への垂直偏波を、地板10と対向導体板30との間に形成される静電容量と、短絡部40が備えるインダクタンスとの並列共振を利用して発生させる。特許文献1に開示される構成では、アンテナ水平方向への垂直偏波を送受信するためにはλ/4の電気長が必要になるのに対して、アンテナ装置1ではλ/100程度の高さ(換言すれば厚み)で実現可能である。つまり、アンテナ装置1の高さ方向の大きさを小型化できる。
加えて、このアンテナ装置1は、非対称部11が対称性維持部12の隣に配置(実態的には延設)されていることにより、地板励振モードとして動作する。つまり、LC共振アンテナとしてのアンテナ装置1に、さらにアンテナ上方向の指向性を付加するための構成としては、地板10を対向導体板30に対して非対称となる位置に設ければ良い。上述の非対称部11は、LC共振アンテナが備える地板10の一部を援用して実現できる。故に、本実施形態の構成によれば、水平偏波用のアンテナを、垂直偏波用のアンテナとは別に備える場合よりも、製造に要するコストを低減することができる。
<アンテナ装置1の使用方法について>
上述したアンテナ装置1は、例えば図11に示すように、車両のBピラー51の車室外側の面に、地板10がBピラー51の表面と対向し、かつ、X軸方向がBピラー51の長手方向(換言すれば車両高さ方向)に沿う姿勢で取り付け使用されればよい。あるいは、ドアパネル内部においてBピラー51と重なる部分に、上記の姿勢にて取り付けられていても良い。
上述したアンテナ装置1は、例えば図11に示すように、車両のBピラー51の車室外側の面に、地板10がBピラー51の表面と対向し、かつ、X軸方向がBピラー51の長手方向(換言すれば車両高さ方向)に沿う姿勢で取り付け使用されればよい。あるいは、ドアパネル内部においてBピラー51と重なる部分に、上記の姿勢にて取り付けられていても良い。
以上の取り付け姿勢によれば、アンテナ装置1にとってのZ軸方向(換言すればアンテナ上方向)は、車両の側面に直交する方向(つまり車幅方向)に相当し、アンテナ水平方向は、車両側面部に沿う(換言すれば平行な)方向となる。当該取り付け姿勢によれば、図12に示すように、車両側面部に平行な方向と、車幅方向の両方に指向性を形成する事ができる。
なお、アンテナ装置1の取付位置及び取付姿勢は上記の例に限定されない。アンテナ装置1は、Aピラー52やCピラーの車室外側の面、ロッカー部(換言すればサイドシル)54、アウタードアハンドル55の内部/付近など、車両外面部の任意の位置に取り付けることができる。例えば、アンテナ装置1は、アウタードアハンドル55の内部に、X軸方向がハンドルの長手方向に沿い、かつ、Y軸が車両高さ方向に沿う姿勢で収容されていても良い。
ただし、アンテナ装置1は、車両が備える平坦な金属製ボディ部分(以降、車両金属体50)に、地板10が車両金属体50と対向する姿勢で取り付けられることが好ましい。車両金属体50上にアンテナ装置1を取り付けた態様によれば、図13に示すように車両金属体50が地板10にとっての地板(以降、親地板)として作用し、アンテナ装置1の動作が安定する。
以上、本開示の第1実施形態を説明したが、本開示は上述の第1実施形態に限定されるものではなく、以降で述べる種々の変形例も本開示の技術的範囲に含まれる。さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。例えば下記の種々の変形例は、技術的な矛盾が生じない範囲において適宜組み合わせて実施することができる。また、第1実施形態及びその変形例にて記載の構成は後述する第2実施形態として開示の構成に適用することができる。
[変形例1]
アンテナ装置1は、図13に示すように、地板10の下側に地板10よりも大きい親地板50aを備えていても良い。親地板50aは、X軸方向、Y軸方向の何れにおいても1波長以上の長さを有する導体部材であることが好ましい。地板10を第1の地板とすれば、親地板50aは第2の地板に相当する。親地板50aとしての導体部材は、地板10と対向する表面が概ね平坦な部材であればよい。
アンテナ装置1は、図13に示すように、地板10の下側に地板10よりも大きい親地板50aを備えていても良い。親地板50aは、X軸方向、Y軸方向の何れにおいても1波長以上の長さを有する導体部材であることが好ましい。地板10を第1の地板とすれば、親地板50aは第2の地板に相当する。親地板50aとしての導体部材は、地板10と対向する表面が概ね平坦な部材であればよい。
親地板50aは地板10と所定の間隔をおいて対向配置されている。親地板50aは、例えば図14の(A)に示すように、アンテナ装置1の樹脂製のケース60の内側底面部に配置されている。なお、親地板50aは、図14の(B)に示すように、アンテナ装置1のケース60の外側底面部に配置されていてもよい。ケース60と親地板50aとは一体的に形成されていても良い。また、ケース60の底部は金属にて実現されていても良い。その場合には、金属製のケース底部が親地板50aに相当する。その他、親地板50aとしては、車両金属体50を援用することもできる。
[変形例2]
アンテナ装置1は、変形例1にて言及している通り、地板10や、対向導体板30、短絡部40が形成されている支持板20を収容するケース60を備えていても良い。ケース60は例えば上下方向に分離可能に構成されているアッパーケースとロアケースとが組み合わさることで構成されている。ケース60は、例えばポリカーボネート(PC:polycarbonate)樹脂を用いて構成されている。なお、ケース60の材料としては、PC樹脂にアクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体(いわゆるABS)を混ぜた合成樹脂や、ポリプロピレン(PP:polypropylene)など、多様な樹脂を採用できる。ケース60は、ケース底部61、ケース側壁部62、及びケース天板部63を備える。ケース底部61は、ケース60の底を提供する構成である。ケース底部61は、平板状に形成されている。ケース60内において回路基板100は、地板10がケース底部61と対向するように配置されている。ケース底部91と地板10との離隔はλ/25以下に設定されていることが好ましい。
アンテナ装置1は、変形例1にて言及している通り、地板10や、対向導体板30、短絡部40が形成されている支持板20を収容するケース60を備えていても良い。ケース60は例えば上下方向に分離可能に構成されているアッパーケースとロアケースとが組み合わさることで構成されている。ケース60は、例えばポリカーボネート(PC:polycarbonate)樹脂を用いて構成されている。なお、ケース60の材料としては、PC樹脂にアクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体(いわゆるABS)を混ぜた合成樹脂や、ポリプロピレン(PP:polypropylene)など、多様な樹脂を採用できる。ケース60は、ケース底部61、ケース側壁部62、及びケース天板部63を備える。ケース底部61は、ケース60の底を提供する構成である。ケース底部61は、平板状に形成されている。ケース60内において回路基板100は、地板10がケース底部61と対向するように配置されている。ケース底部91と地板10との離隔はλ/25以下に設定されていることが好ましい。
ケース側壁部62は、ケース60の側面を提供する構成であって、ケース底部61の縁部から上方に向かって立設されている。ケース側壁部62の高さは、例えば、ケース天板部63の内面と対向導体板30との離隔がλ/25以下となるように設計されている。ケース天板部63は、ケース60の上面部を提供する構成である。本実施形態のケース天板部63は平板状に形成されている。なお、ケース天板部63の形状としては、その他、ドーム型など多様な形状を採用することができる。ケース天板部63は、内面が支持板20の上面(ひいては対向導体板30)と対向するように構成されている。
上記構成のようにケース天板部63が対向導体板30の近くに存在する場合には、LC共振モードによって放射される垂直電界が、対向導体板30の縁部から上側に回り込むことを抑制し、アンテナ水平方向への放射利得を高めることができる。ここでの対向導体板30の近くとは、例えば対向導体板30からの距離が電気的に対象波長の25分の1以下となる領域を指す。また、上記構成のようにケース底部61が地板10の近くに存在する場合には、LC共振モードによって放射される垂直電界が、地板10の縁部から下側に回り込むことを抑制し、アンテナ水平方向への放射利得を高めることができる。
加えて、アンテナ装置1がケース60を備える場合、ケース60の内部には、シリコン等のシール材70を充填されていることが好ましい。シール材70は封止材に相当する。ケース60内にシール材70を充填した構成によれば、対向導体板30の上方に位置するシール材70が、対向導体板30の端部から上側への地板垂直偏波の回り込みを抑制し、アンテナ水平方向への放射利得を向上させる効果を奏する。ケース60は、少なくとも側面部及び上面部が所定の比誘電率を有する樹脂又はセラミックにて形成されていれば良い。また、ケース60内にシール材70を充填した構成によれば、防水性や防塵性、耐振動性も向上させる事ができる。
加えて、ケース天板部63には、図15に示すように、対向導体板30の縁部と当接する上側リブ631が形成されていても良い。上側リブ631は、ケース天板部63の内側面に、下方向かって形成された凸状の構成である。上側リブ631は、対向導体板30の縁部と当接するように設けられている。上側リブ631は、ケース60内における支持板20の位置を固定するとともに、対向導体板30の端部から上側への地板垂直偏波の回り込みを抑制し、アンテナ水平方向への放射利得を向上させる効果を奏する。上側リブ631において対向導体板30の縁部と連接する垂直面(つまり外側面)には、銅箔等の金属パターンが付与されていても良い。
なお、ケース60と親地板50aは独立した構成であるため、どちらか一方のみを導入することもできる。例えば、アンテナ装置1は、親地板50aを備えずに、ケース60を備えていてもよい。アンテナ装置1がケース60を備える場合のシール材70の充填も必須の要素ではない。上側リブ631もまた任意の要素である。なお、シール材70としてはポリウレタンプレポリマーなど、ウレタン樹脂を採用することができる。もちろん、シール材70としては、その他、エポキシ樹脂やシリコン樹脂など多様な材料を採用することができる。ケース天板部63や上側リブ631、シール材70は、LC共振モードによって放射される垂直電界が、対向導体板30の縁部から上側に回り込むことを抑制する役割を担う構成(以降、電波遮断体)に相当する。変形例2として開示の構成は、対向導体板30の上側に、導体又は誘電体を用いて構成されている電波遮断体を配置した構成に相当する。
なお、上側リブ631を含むケース60や、シール材70は、比誘電率が高く、かつ、誘電正接が小さいものが好ましい。例えば比誘電率が2.0以上であって、かつ、誘電正接が0.03以下であるものが好ましい。誘電正接が高いと放射エネルギーが熱損失として失われる量が増大する。そのため、ケース60やシール材70は、誘電正接がより小さい材料を用いて実現されていることが好ましい。また、ケース60やシール材70は、誘電率が高いほど電界の回り込みを抑制するように作用する。換言すれば、ケース60やシール材70の誘電率が高いほど、アンテナ水平方向の利得向上効果は向上する。故に、ケース60やシール材70の材料としては、誘電率が高い誘電体を用いて実現されていることが好ましい。
ケース90が備えるケース底部91及びケース天板部93の何れか一方は省略されていても良い。ケース90の上側又は下側の何れか一方が省略される場合(つまり開口部となる場合)、シール材70はアンテナ装置1が使用される環境の温度として想定される範囲(以降、使用温度範囲)において固形を維持する樹脂を用いて実現されていることが好ましい。使用温度範囲は例えば-30℃~100℃とすることができる。
[変形例3]
支持板20において対向導体板30が配置されている側の面(以降、支持板上側面20a)には、図16に示すように、変復調回路や電源回路などを含む回路部80が形成されていてもよい。回路部80は、ICや、アナログ回路素子、コネクタなど、多様な部品の電気的集合体である。当該構成は、支持板20としてのプリント基板上に地板10や対向導体板30、短絡部40、回路部80を配置することによってアンテナ装置1が実現されている構成に相当する。図16中に示す81は、対向導体板30に給電するためのマイクロストリップ線路を示している。回路部80は例えば支持板上側面20aにおいて非対称部11の上方に位置する領域などに形成されていればよい。
支持板20において対向導体板30が配置されている側の面(以降、支持板上側面20a)には、図16に示すように、変復調回路や電源回路などを含む回路部80が形成されていてもよい。回路部80は、ICや、アナログ回路素子、コネクタなど、多様な部品の電気的集合体である。当該構成は、支持板20としてのプリント基板上に地板10や対向導体板30、短絡部40、回路部80を配置することによってアンテナ装置1が実現されている構成に相当する。図16中に示す81は、対向導体板30に給電するためのマイクロストリップ線路を示している。回路部80は例えば支持板上側面20aにおいて非対称部11の上方に位置する領域などに形成されていればよい。
[変形例4]
地板10に対する対向導体板30の配置態様は、実施形態として開示した構成に限定されない。対向導体板30は地板10と同心となる位置からずれた位置に配置されていればよい。地板10に対する対向導体板30の配置態様としては、図17~図20に例示するように多様な配置態様を採用することができる。図17~図20では地板10と対向導体板30の位置関係を明示するために、支持板20は透過させている(つまり図示を省略している)。各図において非対称部11に相当する領域には、図7と同様にドットパターンのハッチングを付与している。各図の寸法は一例であって適宜変更可能である。
地板10に対する対向導体板30の配置態様は、実施形態として開示した構成に限定されない。対向導体板30は地板10と同心となる位置からずれた位置に配置されていればよい。地板10に対する対向導体板30の配置態様としては、図17~図20に例示するように多様な配置態様を採用することができる。図17~図20では地板10と対向導体板30の位置関係を明示するために、支持板20は透過させている(つまり図示を省略している)。各図において非対称部11に相当する領域には、図7と同様にドットパターンのハッチングを付与している。各図の寸法は一例であって適宜変更可能である。
なお、図18に示すLx2は、対向導体板30の中心を通ってX軸に平行な直線を示している。図18に開示の構成は、対向導体板30を地板10と同心となる位置からY軸方向に所定量ずらして配置した構成に相当する。地板10に対して対向導体板30のオフセット配置する方向である導体板オフセット方向は、必ずしも地板10の長手方向(つまりX軸方向)に限定されない。導体板オフセット方向は地板10の短手方向であってもよい。なお、導体板オフセット方向は、対向導体板30から見て地板10の非対称部11が存在する方向に相当する。図19では対向導体板30を円形に形成されている態様を例示している。前述の通り、地板10や対向導体板30の形状も多様な形状を採用することができる。
また、図20に示すように、X軸方向及びY軸方向のそれぞれに非対称部11を設けた構成によれば、X軸に平行な縁部とY軸に平行な縁部のそれぞれが放射素子として機能しうる。図20におけるΔSa1はX軸方向の地板オフセット量ΔSaを表しており、ΔSa2はY軸方向の地板オフセット量ΔSaを表している。ΔSa1とΔSa2は同じ値であってもよいし、異なる値であっても良い。
図20に示す構成によれば、X軸平行偏波と、電界振動方向がY軸に平行な直線偏波(以降、Y軸平行偏波)の両方をアンテナ上方向に放射可能となる。具体的には、ΔSa1に応じたX軸平行偏波と、ΔSa2に応じたY軸平行偏波とが合成されて成る斜め偏波が放射可能となる。ΔSaとΔSa2の比率を調整することで、斜め偏波を構成するX軸平行偏波とY軸平行偏波の比率を任意に調整できる。なお、図20に示す構成とは、対向導体板30を地板10と同心となる位置からX軸方向に所定量ずらすとともに、さらにY軸方向に所定量ずらして配置した構成に相当する。
[変形例5]
対称性維持部12と非対称部11とは、図21に示すように物理的に分断されてあって、スイッチ13を用いて両者の電気的な接続状態が切替可能に構成されていても良い。対称性維持部12と非対称部11との離隔は、両者が対象周波数に置いて電磁結合しない程度の値に、シミュレーションに基づき設定されていれば良い。スイッチ13がオフに設定されている場合、アンテナ装置1はLC共振モードでのみ動作する。スイッチ13がオンに設定されている場合、アンテナ装置1はLC共振モードと地板励振モードの両方で動作する。当該構成によれば、スイッチ13のオンオフによって、アンテナ装置1が地板励振モードで動作するか否かを制御可能となる。なお、本変形例の構成において、非対称部幅Wはλ/4や、λ/2など、λ/4の整数倍に設定されていることが好ましい。そのような設定によれば、地板励振モードとしての利得を高めることができる。
対称性維持部12と非対称部11とは、図21に示すように物理的に分断されてあって、スイッチ13を用いて両者の電気的な接続状態が切替可能に構成されていても良い。対称性維持部12と非対称部11との離隔は、両者が対象周波数に置いて電磁結合しない程度の値に、シミュレーションに基づき設定されていれば良い。スイッチ13がオフに設定されている場合、アンテナ装置1はLC共振モードでのみ動作する。スイッチ13がオンに設定されている場合、アンテナ装置1はLC共振モードと地板励振モードの両方で動作する。当該構成によれば、スイッチ13のオンオフによって、アンテナ装置1が地板励振モードで動作するか否かを制御可能となる。なお、本変形例の構成において、非対称部幅Wはλ/4や、λ/2など、λ/4の整数倍に設定されていることが好ましい。そのような設定によれば、地板励振モードとしての利得を高めることができる。
[変形例6]
短絡部40は、図22に示すように、対向導体板30の中心からY軸方向に所定量(以降、短絡部オフセット量ΔSb)だけずれた位置に配置されていてもよい。当該構成によれば、対向導体板30上での電流分布の対称性が崩れ、対向導体板30からY軸方向に平行な直線偏波が放射されるようになる。具体的には次の通りである。
短絡部40は、図22に示すように、対向導体板30の中心からY軸方向に所定量(以降、短絡部オフセット量ΔSb)だけずれた位置に配置されていてもよい。当該構成によれば、対向導体板30上での電流分布の対称性が崩れ、対向導体板30からY軸方向に平行な直線偏波が放射されるようになる。具体的には次の通りである。
第1実施形態のアンテナ装置1のように短絡部40が対向導体板30の中心に配置されている構成においては、対向導体板30に流れる電流は、図23に示すように短絡部40を中心として対称となる。そのため、対向導体板30において短絡部40と対向導体板30との接続点(以降、短絡箇所)から見て或る方向に流れる電流が発する電波は、逆向きに流れる電流が発する電波によって相殺される。
対して、短絡部40が対向導体板30の中心からY軸方向に所定量ずれた位置に配置されている構成においては、図24の(A)に示すように対向導体板30に流れる電流分布の対称性が崩れる。そのため、同図(B)に示すようにY軸方向の電流成分が放射する電波が打ち消されずに残る。つまり、短絡部40が対向導体板30の中心からY軸方向に所定量ずれた位置に配置されている構成においては、電界がY軸な平行な向きに振動する直線偏波が、対向導体板30から上方に向けて放射される。なお、X軸方向の電流成分は対称性が維持されるため、X軸方向に電界が振動する直線偏波は打ち消し合う。つまり、X軸方向に電界が振動する直線偏波は対向導体板30からは放射されない。
もちろん、上記の構成によれば、対向導体板30と地板10との間に形成される静電容量と短絡部40が提供するインダクタンスとの並列共振によって、アンテナ水平方向への地板垂直偏波は放射される。つまり、上記の構成によれば、アンテナ水平方向への地板垂直偏波、アンテナ上方向へのX軸平行偏波、及びアンテナ上方向へのY軸平行偏波それぞれ同時に放射可能となる。なお、アンテナ上方向へのX軸平行偏波の放射は、地板10の非対称部11によって提供される。アンテナ上方向へのY軸平行偏波の放射は、短絡部40のY軸方向へのオフセット配置によって提供される。
なお、対向導体板30の中心に対して短絡部40をずらす方向(以降、短絡部オフセット)は、導体板オフセット方向と直交する方向となっていればよい。当該構成によれば、アンテナ上方向に放射される直線偏波として、電界振動方向が互いに直交する二種類の直線偏波を放射可能となる。
短絡部40は、対向導体板30の中央領域内に形成されていればよい。短絡部オフセット量ΔSbは、アンテナ水平方向への全指向性(換言すれば無指向性)を維持するため0.04λ以下に設定されていることが好ましい。また、短絡部オフセット量ΔSbは例えば0.004λ(=0.5mm)や、0.008λ(=1.0mm)、0.012λ(=1.5mm)など、0.02λ(=2.5mm)以下の値に設定されている好ましい。短絡部オフセット量ΔSbを変更することにより、アンテナ上方向へのY軸平行偏波の放射利得を調整することができる。また、短絡部オフセット量ΔSbを変更しても動作周波数が変化しない。なお、給電点31の位置を一定とする場合には、短絡部オフセット量ΔSbに応じて電圧定在波比(VSWR:Voltage Standing Wave Ratio)は変動しうる。ただし、給電点31は任意の位置とすることができるため、短絡部オフセット量ΔSbに応じた位置に給電点31を設けることにより、対象周波数におけるVSWRは実用レベル(例えば3以下)に抑制することができる。つまり、短絡部40の位置に応じて給電点31の位置を調整することにより、リターンロスを所望の許容レベルに抑制できる。
[第2実施形態]
上述した第1実施形態では、対向導体板30が、地板10の中心からずれた位置に配置されていることを前提とした構成を開示したが、アンテナ装置1の構成はこれに限定されない。アンテナ装置1が変形例6に開示の構成を備える場合には、図25及び図26に示すように、対向導体板30は地板10と同心となる位置に配置されていても良い。換言すれば、短絡部40が対向導体板30の中心からずれた位置に配置されている構成においては、地板10は非対称部11を備えていなくとも良い。図25に示すLx2、Ly2は対向導体板30の対称軸を示している。図26に示すLx1、Ly1は地板10の対称軸を示している。
上述した第1実施形態では、対向導体板30が、地板10の中心からずれた位置に配置されていることを前提とした構成を開示したが、アンテナ装置1の構成はこれに限定されない。アンテナ装置1が変形例6に開示の構成を備える場合には、図25及び図26に示すように、対向導体板30は地板10と同心となる位置に配置されていても良い。換言すれば、短絡部40が対向導体板30の中心からずれた位置に配置されている構成においては、地板10は非対称部11を備えていなくとも良い。図25に示すLx2、Ly2は対向導体板30の対称軸を示している。図26に示すLx1、Ly1は地板10の対称軸を示している。
第1、第2実施形態で開示の通り、アンテナ上方向への地板平行偏波の放射は、短絡部40を対向導体板30の中心から対称軸に沿う方向にずらして配置した構成と、地板10に非対称部11を付加した構成の少なくとも何れか一方を用いて実現されればよい。なお、他の態様としては特開2016-15688号公報に開示されているように、対向導体板30の対称軸上に第2の給電点を配置することによって対向導体板30をパッチアンテナとして動作させる構成(以降、比較構成)も考えられる。ただし、当該比較構成では、給電点が2つ必要となるため回路が複雑化してしまう。これに対し、第1、第2実施形態の構成によれば、対向導体板30が備えるべき給電点は1つでよいため、回路構成を簡略化することができる。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
Claims (12)
- 平板状の導体部材である地板(10)と、
前記地板と所定の間隔をおいて設置された平板状の導体部材であって、給電線と電気的に接続する給電点が設けられている対向導体板(30)と、
前記対向導体板の中央領域に設けられてあって、前記対向導体板と前記地板とを電気的に接続する短絡部(40)と、を備え、
前記短絡部が備えるインダクタンスと、前記地板と前記対向導体板とが形成する静電容量とを用いて、所定の対象周波数で並列共振するように構成されており、
前記地板は、前記対向導体板に対して非対称に配置されているアンテナ装置。 - 請求項1に記載のアンテナ装置であって、
前記地板は、互いに直交する2つの直線のそれぞれに対して線対称な形状に形成されており、
前記対向導体板は、全面が前記地板と対向しつつ、かつ、前記対向導体板の中心が、前記地板の中心と重ならないように配置されているアンテナ装置。 - 請求項1又は2に記載のアンテナ装置であって、
前記地板は、長方形状に形成されており、
前記対向導体板は、全面が前記地板と対向しつつ、かつ、前記対向導体板と前記地板とが同心となる位置から前記地板の長手方向にずれた位置に配置されているアンテナ装置。 - 請求項3に記載のアンテナ装置であって、
前記対向導体板は、前記地板の中心から前記地板の長手方向に所定量ずれた位置に配置されているアンテナ装置。 - 請求項2から4のいずれか一つに記載のアンテナ装置であって、
前記対向導体板は、前記地板の長手方向及び短手方向のそれぞれにおいて、前記地板の中心から所定量ずれた位置に配置されているアンテナ装置。 - 請求項1から5の何れか1項に記載のアンテナ装置であって、
前記短絡部は、前記対向導体板の中心から所定量ずれた位置に形成されているアンテナ装置。 - 請求項1から6の何れか1項に記載のアンテナ装置であって、
前記地板は、長方形状に形成されており、
前記対向導体板は、全面が前記地板と対向しつつ、かつ、前記地板の中心から前記地板の長手方向にずれた位置に配置されているとともに、
前記短絡部は、前記対向導体板と前記地板とが同心となる位置から前記地板の短手方向に所定量ずれた位置に配置されているアンテナ装置。 - 請求項7に記載のアンテナ装置であって、
前記短絡部は、前記地板の中心となる位置から前記地板の短手方向に所定量ずれた位置に配置されているアンテナ装置。 - 請求項1から8の何れか1項に記載のアンテナ装置であって、
前記地板及び前記対向導体板は、樹脂材料を用いてなる支持板(20)の上に形成されており、
前記支持板を収容する樹脂製のケース(60)をさらに備え、
前記ケースは、前記地板と所定の離隔をおいて対向するケース底部(61)と、
前記ケース底部の縁部から上方に向かって立設されているケース側壁部(62)と、を備え、
前記ケース側壁部は、前記支持板の上面よりも高く形成されており、
前記ケース内には、前記支持板の上面を覆うように、封止材(70)として2.0以上の比誘電率を有する樹脂材料が充填されているアンテナ装置。 - 平板状の導体部材である地板(10)と、
前記地板と所定の間隔をおいて設置された平板状の導体部材であって、給電線と電気的に接続する給電点が設けられている対向導体板(30)と、
前記対向導体板の中央領域に設けられてあって、前記対向導体板と前記地板とを電気的に接続する短絡部(40)と、を備え、
前記短絡部が備えるインダクタンスと、前記地板と前記対向導体板とが形成する静電容量とを用いて、所定の対象周波数で並列共振するように構成されており、
前記短絡部は、前記対向導体板の中心から所定量ずれた位置に形成されているアンテナ装置。 - 請求項1から10の何れか1項に記載のアンテナ装置であって、
前記対向導体板は、互いに直交する2つの直線のそれぞれに対して線対称な形状に形成されているアンテナ装置。 - 請求項1から11の何れか1項に記載のアンテナ装置であって、
前記対向導体板の上側には、導体又は誘電体を用いて構成されている、電界の伝搬を遮断するための電波遮断体(63、631、70)が配置されているアンテナ装置。
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