JP2006121219A - 多共振平面アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で複数の共振周波数を得ることが可能な多共振平面アンテナを実現する。
【解決手段】多共振平面アンテナは、誘電性アンテナ基板１０と、誘電性アンテナ基板１０の下面に配置されたグランド電極層１６と、誘電性アンテナ基板１０の上面に配置されたＳＤＡＲＳ用の平面アンテナ放射素子１１と、ＳＤＡＲＳ用の平面アンテナ放射素子１１に設けられた給電点１５と、誘電性アンテナ基板１０の上面に配置され、ＳＤＡＲＳ用の平面アンテナ放射素子１１に電磁結合される所定の隙間をおいてＳＤＡＲＳ用の平面アンテナ放射素子１１の周囲を取り囲む環状のＧＰＳ用の無給電平面アンテナ放射素子１２とから構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は複数の共振周波数を有する多共振平面アンテナに関する。

一般に、ＧＰＳ（Global Positioning System）、ＳＤＡＲＳ（Satellite Digital Audio Radio Service）等のサービスを受けるために用いられる受信用アンテナには、小型化、薄型化が容易な平面アンテナ（パッチアンテナ）が用いられている。

ＧＰＳとＳＤＡＲＳの周波数帯域は互いに異なっている。このため、ＧＰＳおよびＳＤＡＲＳの両サービスを利用するためには、ＧＰＳ用の受信アンテナとＳＤＡＲＳ用の受信アンテナとを個別に用意することが必要となり、これによって部品点数の増加を招くことになる。

そこで、最近では、複数の周波数帯域をサポートする多共振アンテナが注目されている。

このような多共振アンテナとしては、複数のアンテナ素子を積層した積層型アンテナが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、方形パッチアンテナとループアンテナとをアンテナ基板上に配置し、それら方形パッチアンテナおよびループアンテナに個別に給電する構造のものも知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００３−２８３２４０号公報 特開２００３−１５２４４５号公報

しかし、特許文献１のような積層型アンテナはその構造が極めて複雑であるため、作業性が悪く、製造コストの増加を招くことになる。

また、特許文献２のアンテナは積層構造ではないものの、方形パッチアンテナ用の給電部とループアンテナ用の給電部とを個別に設ける構成であるため、給電部周辺の部品点数の増加を招くことになる。さらに、特許文献２のアンテナにおいては、方形パッチアンテナおよびループアンテナが互いに独立して動作することを前提としているので、方形パッチアンテナとループアンテナとの間の相互作用を避けるために、方形パッチアンテナから十分な距離を置いてループアンテナを形成することが必要となり、それによってアンテナ全体の面積の増加が引き起こされる。

本発明は上述の事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構造で複数の共振周波数を得ることが可能な多共振平面アンテナを提供することにある。

上述の課題を解決するため、請求項１に係る本発明の多共振平面アンテナは、誘電性アンテナ基板と、前記誘電性アンテナ基板の下面に配置されたグランド電極層と、前記誘電性アンテナ基板の上面に配置された平面アンテナ放射素子と、前記平面アンテナ放射素子に設けられた給電点と、前記誘電性アンテナ基板の上面に配置され、前記平面アンテナ放射素子に電磁結合される所定の隙間をおいて前記平面アンテナ放射素子の周囲を取り囲む環状の無給電平面アンテナ放射素子とを具備することを特徴とする。

この多共振平面アンテナにおいては、環状の無給電平面アンテナ放射素子が平面アンテナ放射素子に電磁結合される所定の隙間をおいて当該平面アンテナ放射素子の周囲を取り囲むように配置されており、且つ給電点は平面アンテナ放射素子にのみ設けられている。無給電平面アンテナ放射素子は、平面アンテナ放射素子との電磁結合によって、無給電方式で動作する。このような１点給電方式で、平面アンテナ放射素子に対応する共振周波数と、環状の無給電平面アンテナ放射素子に対応する共振周波数との２つの共振周波数を得ることができるので、積層型アンテナに比べ構造を簡単化することができ、さらに給電部周りの部品点数を低減することができる。

また、請求項２に係る本発明は、請求項１の構成において、前記隙間の幅ｗは、前記無給電平面アンテナ放射素子の共振時の自由空間波長をλとすると、０＜ｗ≦０．００２λであることを特徴とする。

このように極狭い隙間を置いて平面アンテナ放射素子の周囲に環状の無給電平面アンテナ放射素子を配置することで、平面アンテナ放射素子と無給電平面アンテナ放射素子との間の相互結合を有効利用することができ、特に無給電平面アンテナ放射素子側の利得の向上を図ることが可能となる。

また、請求項３に係る本発明は、前記平面アンテナ放射素子は矩形形状を有すると共に、前記平面アンテナ放射素子の対角方向にそれぞれ対向した２組の角部の内の一方の組の角部には縮退分離用の第１の切り欠き部が形成されており、前記無給電平面アンテナ放射素子は矩形形状を有すると共に、前記平面アンテナ放射素子の他の組の角部に対応した一組の角部には縮退分離用の第２の切り欠き部が形成されていることを特徴とする。

この構成により、平面アンテナ放射素子および無給電平面アンテナ放射素子の一方に右旋円偏波特性を持たせ、他方に左旋円偏波特性を持たせることができる。

また、請求項４に係る本発明は、請求項１の構成において、前記無給電平面アンテナ放射素子の内周縁に形成され、前記平面アンテナ放射素子を挟んで対向した一対の切り欠き部をさらに具備することを特徴とする。

このように無給電平面アンテナ放射素子の内周縁に一対の切り欠き部を設けることにより、無給電平面アンテナ放射素子のインピーダンスを調整することができるので、無給電平面アンテナ放射素子の軸比最良点での利得を向上することができる。

本発明によれば、簡単な構造で複数の共振周波数を得ることが可能な多共振平面アンテナを実現することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
まず、図１および図２を参照して、本発明の一実施形態に係る多共振平面アンテナの構造について説明する。図１（Ａ）は本実施形態の多共振平面アンテナをその上面から見た平面図、図１（Ｂ）はこの多共振平面アンテナの側面図である。また、図２は、図１のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。

この多共振平面アンテナは、例えばＧＰＳ帯域（１．５ＧＨｚ）とＳＤＡＲＳ帯域（日本国内では２．６ＧＨｚ、米国では２．３ＧＨｚ）との２つの共振周波数を有するマイクロストリップアンテナとして実現されている。この多共振平面アンテナにおいては、誘電性アンテナ基板として機能する誘電体１０の下面にグランド電極層１６が形成されており、また誘電体１０の上面には、グランド電極層１６に対向するように第１のアンテナ放射素子１１と第２のアンテナ放射素子１２とが配置されている。誘電体１０としては、例えば樹脂性基板の他、空気層基板等を用いることもできる。

第１のアンテナ放射素子１１はＳＤＡＲＳ用の平面アンテナ放射素子である。この第１のアンテナ放射素子１１は、誘電体１０の上面に形成された、例えば銅箔などの導電材料（パッチ）から構成されている。第１のアンテナ放射素子１１は矩形形状を有しており、その対角方向にそれぞれ対向した２組の角部の内の一方の組の角部（図示、左上および右下の一対の角部）には、４５度にカットされた縮退分離用の切り欠き部１１ａ，１１ｂがそれぞれ形成されている。この縮退分離用の切り欠き部１１ａ，１１ｂにより、第１のアンテナ放射素子１１に左旋円偏波特性を持たせることができる。

また、第１のアンテナ放射素子１１には、その中心からオフセットされた位置に給電点１５が設けられている。この給電点１５は、誘電体１０を貫通する給電線路１５ａを介して、グランド電極層１６の直下に配置されたローノイズアンプ（ＬＮＡ）１７に接続されている。

第２のアンテナ放射素子１２はＧＰＳ用の平面アンテナ放射素子であり、給電点を持たない環状の無給電平面アンテナ放射素子として実現されている。この第２のアンテナ放射素子１２は、誘電体１０の上面に形成された例えば銅箔などの環状の導電材料から構成されている。第２のアンテナ放射素子１２は、第１のアンテナ放射素子１１に電磁結合されるように所定の隙間からなるギャップ１３を介して第１のアンテナ放射素子１１の周囲に配置されている。

すなわち、第２のアンテナ放射素子１２は第１のアンテナ放射素子１１を取り囲むように誘電体１０の上面に形成されており、第２のアンテナ放射素子１２の矩形状の内周縁と第１のアンテナ放射素子１１の矩形状の外周縁との間はギャップ１３によって隔てられている。第２のアンテナ放射素子１２は、第１のアンテナ放射素子１１との電磁結合によって、無給電方式で動作する。

本実施形態においては、第２のアンテナ放射素子１２と第１のアンテナ放射素子１１との間の相互作用を利用してＧＰＳ帯の電波を効率よく受信できるようにするために、ギャップ１３の幅は極狭く設定されている。本願発明者らの実験によれば、ギャップ１３の幅ｗは、
０＜ｗ≦０．００２λ
であることが好ましい。

ここで、λは第２のアンテナ放射素子１２の共振時の自由空間波長である。第２のアンテナ放射素子１２の共振周波数はＧＰＳの中心周波数１．５７５ＧＨｚとなるように設計されており、本実施形態では、ギャップ１３の幅ｗを０．３ｍｍに設定している。

この構造により、第２のアンテナ放射素子１２と第１のアンテナ放射素子１１との相互作用を利用してＧＰＳ帯の電波を受信することが可能となり、ＧＰＳ帯の電波に対する利得を高めることが可能となる。また、この構造により、第２のアンテナ放射素子１２の外形寸法については、同一条件下で同一性能のＧＰＳ用単体アンテナを構成する場合よりも小さくすることができる。

第２のアンテナ放射素子１２の対角方向にそれぞれ対向した２組の角部の内、切り欠き部１１ａ、１１ｂが形成されていない側の第１のアンテナ放射素子１１の角部に対応した一組の角部（図示、右上および左下の一対の角部）には、縮退分離用の切り欠き部１２ａ，１２ｂがそれぞれ形成されている。この縮退分離用の切り欠き部１２ａ，１２ｂにより、第２のアンテナ放射素子１２に右旋円偏波特性を持たせることができる。

第２のアンテナ放射素子１２の円偏波特性に影響を与えるのはその第２のアンテナ放射素子１２の外形形状である。このため、第２のアンテナ放射素子１２の内周側に位置する、第１のアンテナ放射素子１１の切り欠き部１１ａ，１１ｂについては、第２のアンテナ放射素子１２の円偏波特性には影響を与えない。

また、第２のアンテナ放射素子１２の内周縁には、第１の平面アンテナ放射素子１１を挟んで対向した位置に、第２のアンテナ放射素子１２のインピーダンス調整用の一対の切り欠き部１４ａ，１４ｂが形成されている。本実施形態においては、切り欠き部１４ａ，１４ｂは、第２のアンテナ放射素子１２の電気長が長い方の対角線（左上と右下を結ぶ線）に対して右周りに４５度回転させた位置、つまり第２のアンテナ放射素子１２の内周縁の上辺中央部および下辺中央部に、それぞれ形成されている。

切り欠き部１４ａ，１４ｂの各々は例えば矩形形状を有しており、その横幅および奥行きのサイズは、ギャップ１３の幅ｗと同じ程度、この例では０．３ｍｍ程度に設定されている。

なお、切り欠き部１４ａ，１４ｂの位置およびサイズはネットワークアナライザなどの測定器を用いて第２のアンテナ放射素子１２の入力インピーダンスを観察しながら調整される。この切り欠き部１４ａ，１４ｂにより、第２のアンテナ放射素子１２の軸比最良点がインピーダンス整合点となるように第２のアンテナ放射素子１２のインピーダンスを最適調整することが可能となる。また、切り欠き部１４ａ，１４ｂの各々の形状は矩形に限られるものではない。

次に、図３を参照して、ローノイズアンプ（ＬＮＡ）１７の構成例を説明する。

ローノイズアンプ（ＬＮＡ）１７は、１つのダイプレクサ（Diplexer）２１と、２つのアンプ（ＡＭＰ）２２，２３とから構成されている。ダイプレクサ（Diplexer）２１はＧＰＳ帯の周波数帯域に対応する高周波信号およびＳＤＡＲＳ帯の周波数帯域に対応する高周波信号を通過するように構成されている。

多共振平面アンテナによって受信されたＧＰＳ帯の高周波信号はダイプレクサ（Diplexer）２１を介してアンプ（ＡＭＰ）２２に送られ、そのアンプ（ＡＭＰ）２２によって増幅された後に例えば同軸ケーブル等を介して外部に出力される。また、多共振平面アンテナによって受信されたＳＤＡＲＳ帯の高周波信号はダイプレクサ（Diplexer）２１を介してアンプ（ＡＭＰ）２３に送られ、そのアンプ（ＡＭＰ）２３によって増幅された後に例えば同軸ケーブル等を介して外部に出力される。

このローノイズアンプ（ＬＮＡ）１７により、ＧＰＳ帯およびＳＤＡＲＳ帯の双方の信号を同時に受信する環境下においても、ＧＰＳ帯およびＳＤＡＲＳ帯それぞれに対応する信号を取り出すことができる。なお、多共振平面アンテナによって受信された信号をローノイズアンプ（ＬＮＡ）１７によって増幅した後に１本の同軸ケーブル等を介して外部に導出し、受信機側に設けられたダイプレクサによってＧＰＳ帯およびＳＤＡＲＳ帯それぞれに対応する信号を取り出すようにしてもよい。

図４は、本実施形態の多共振平面アンテナのＶＳＷＲ特性を示している。図４のグラフの横軸は周波数、縦軸はＶＳＷＲを示している。図４のグラフから分かるように、本実施形態の多共振平面アンテナは、ＧＰＳに対応する１．５７５ＧＨｚとＳＤＡＲＳに対応する２．６４２ＧＨｚとの２つの共振周波数を持つ。

図５（Ａ）は本実施形態の多共振平面アンテナのＧＰＳ帯における放射パターンを示しており、また図５（Ｂ）は図５（Ａ）の放射パターンの内で仰角−９０度から＋９０度の範囲内における利得特性を拡大して示したものである。ギャップ１３の幅ｗは、０．３ｍｍに設定されている。図５（Ａ），（Ｂ）から分かるように、本実施形態の多共振平面アンテナは、ＧＰＳ帯に対しては右旋円偏波のアンテナとして良好に動作する。

図６（Ａ）は本実施形態の多共振平面アンテナのＳＤＡＲＳ帯における放射パターンを示しており、また図６（Ｂ）は図６（Ａ）の放射パターンの内で仰角−９０度から＋９０度の範囲内における利得特性を拡大して示したものである。ギャップ１３の幅ｗは、０．３ｍｍに設定されている。図６（Ａ），（Ｂ）から分かるように、本実施形態の多共振平面アンテナは、ＳＤＡＲＳ帯に対しては左旋円偏波のアンテナとして良好に動作する。

図７および図８は、ギャップ１３の幅ｗを０．５ｍｍに設定した場合におけるＧＰＳ帯およびＳＤＡＲＳ帯それぞれに対応する放射パターンを示している。

図５と図７、図６と図８とをそれぞれ比較すると分かるように、ギャップ１３の幅ｗが０．５ｍｍである場合に比し、ギャップ１３の幅ｗが０．３ｍｍである場合の方が高い利得を得ることができる。また、ギャップ１３の幅ｗが０．４ｍｍ（λ＝０．００２）以下でれば、実用上十分な利得を得ることができることが実験により確認されている。

このように、ギャップ１３の幅ｗを０．４ｍｍ（λ＝０．００２）以下、本例では０．３ｍｍに設定することにより、ＧＰＳ帯およびＳＤＡＲＳ帯それぞれに対する利得を向上させることができる。特にＧＰＳ帯については、ギャップ１３の幅ｗを０．４ｍｍ（λ＝０．００２）以下、本例では０．３ｍｍに設定することにより、第２のアンテナ放射素子１２と第１のアンテナ放射素子１１との相互作用を有効に活用することが可能となり、大幅に利得を向上させることができる。

次に、図９を参照して、第２のアンテナ放射素子１２の内周縁に形成される切り欠き部１４ａ，１４ｂによるインピーダンス調整について説明する。

図９（Ａ）はインピーダンス調整前におけるＧＰＳ帯に対するＶＳＷＲ特性を示している。第２のアンテナ放射素子１２の軸比最良点の位置は主に縮退分離用の切り欠き部１２ａ，１２ｂによって決定される。このため、図９（Ａ）に示されているように、第２のアンテナ放射素子１２のインピーダンス最良点がその軸比最良点からずれる場合がある。第２のアンテナ放射素子１２の内周縁に切り欠き部１４ａ，１４ｂを形成することにより、第２のアンテナ放射素子１２のインピーダンスを調整することができるので、図９（Ｂ）に示されているように、インピーダンス最良点を軸比最良点の近傍に合わせることができる。なお、図９（Ｂ）ではインピーダンス最良点と軸比最良点とがほとんど重なっているため一点で示している。これにより、軸比最良点における利得を向上させることが可能となる。

以上のように、本実施形態の多共振平面アンテナにおいては、第１のアンテナ放射素子１１にのみ給電点１５を設けると共に、第１のアンテナ放射素子１１の周囲に極狭いギャップ１３を置いて第２のアンテナ放射素子１２を配置するという１点給電式の構造を採用したことにより、積層アンテナに比べ構造を簡単化することができる。また、第１のアンテナ放射素子１１と第２のアンテナ放射素子１２との相互作用によって第２のアンテナ放射素子１２に対応する低周波側のアンテナ特性を向上することができるので、第２のアンテナ放射素子１２の面積を大きくせずとも、低周波側に対する所望のアンテナ特性を得ることができる。

なお、本実施形態では、第１のアンテナ放射素子１１および第２のアンテナ放射素子１２をそれぞれ矩形形状とした場合を説明したが、第１のアンテナ放射素子１１および第２のアンテナ放射素子１２をそれぞれ円形形状に形成してもよい。

また、本実施形態では、ＳＤＡＲＳおよびＧＰＳを例示して説明したが、他の周波数帯域に対しても同様に適用することができる。

さらに、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形することが可能である。

本発明の一実施形態に係る多共振平面アンテナの構造を示す図。 同実施形態の多共振平面アンテナの構造を示す断面図。 同実施形態の多共振平面アンテナに設けられるローノイズアンプの構成例を示すブロック図。 同実施形態の多共振平面アンテナのＶＳＷＲ特性を示す図。 同実施形態の多共振平面アンテナのＧＰＳ帯域における放射パターン特性を示す第１の図。 同実施形態の多共振平面アンテナのＳＤＡＲＳ帯域における放射パターン特性を示す第１の図。 同実施形態の多共振平面アンテナのＧＰＳ帯域における放射パターン特性を示す第２の図。 同実施形態の多共振平面アンテナのＳＤＡＲＳ帯域における放射パターン特性を示す第２の図。 同実施形態の多共振平面アンテナのインピーダンス調整を説明するための図。

符号の説明

１０…誘電体、１１…第１のアンテナ放射素子、１２…第２のアンテナ放射素子、１３…ギャップ、１４ａ，１４ｂ…インピーダンス調整用切り欠き部、１５…給電点、１６…グランド電極層、１７…ローノイズアンプ。

Claims (4)

1. 誘電性アンテナ基板と、
   前記誘電性アンテナ基板の下面に配置されたグランド電極層と、
   前記誘電性アンテナ基板の上面に配置された平面アンテナ放射素子と、
   前記平面アンテナ放射素子に設けられた給電点と、
   前記誘電性アンテナ基板の上面に配置され、前記平面アンテナ放射素子に電磁結合される所定の隙間をおいて前記平面アンテナ放射素子の周囲を取り囲む環状の無給電平面アンテナ放射素子とを具備することを特徴とする多共振平面アンテナ。
2. 前記隙間の幅ｗは、前記無給電平面アンテナ放射素子の共振時の自由空間波長をλとすると、
   ０＜ｗ≦０．００２λ
   であることを特徴とする請求項１記載の多共振平面アンテナ。
3. 前記平面アンテナ放射素子は矩形形状を有すると共に、前記平面アンテナ放射素子の対角方向にそれぞれ対向した２組の角部の内の一方の組の角部には縮退分離用の第１の切り欠き部が形成されており、
   前記無給電平面アンテナ放射素子は矩形形状を有すると共に、前記平面アンテナ放射素子の他の組の角部に対応した一組の角部には縮退分離用の第２の切り欠き部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の多共振平面アンテナ。
4. 前記無給電平面アンテナ放射素子の内周縁に形成され、前記平面アンテナ放射素子を挟んで対向した一対の切り欠き部をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の多共振平面アンテナ。

Images