JP2007267217A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】指向性を有するアンテナ装置に関し、簡単な構成で、指向性を向上させることができるアンテナ装置を提供する。
【解決手段】プリント配線板に導体パターンがパターンニングされたアンテナ部と、アンテナ部に積層された誘電体部とを有し、誘電体部はアンテナ部の指向性を持たせる方向に他の方向より厚く積層されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はアンテナ装置に係り、特に、指向性を有するアンテナ装置に関する。

近年、レーダー測位や大伝送容量の通信が可能であることからＵＷＢ（ultra-wide band）を利用した無線通信技術が注目されている。ＵＷＢは、２００２年に米国ＦＣＣ（federal communication commission）により周波数帯域が３．１〜１０．６ＧＨｚでの使用が認可された。

ＵＷＢは、パルス信号を超広帯域で通信を行う通信方式である。このため、ＵＷＢに用いられるアンテナには超広帯域で送受信が可能な構造が求められている。

少なくともＦＣＣで認可された３．１〜１０．６ＧＨｚの周波数帯域での使用を目的としたアンテナとして、地板と給電体から構成されたアンテナが提案されている（非特許文献１）。
２００３年 電子情報通信学会 B-1-133 FCC認可UWB周波数帯の水平面内無指向性・低VSWRアンテナ、谷口琢也・小林岳彦（東京電機大）（３月22日発表 B201教室）

しかるに、この種のＵＷＢアンテナは、無指向性であり、指向性を持たせたい場面では通信の効率が劣化するなどの問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、指向性を向上させることができるアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明は、アンテナ部と、アンテナ部に積層された誘電体部とを有し、誘電体部はアンテナ部の指向性を持たせる方向に他の方向より厚く積層されていることを特徴とする。

アンテナ部は、プリント配線基板と、プリント配線基板上に形成された導電パターンとから構成されていることを特徴とする。アンテナ部は金属板から構成されていることを特徴とする。

誘電体部は、高誘電率樹脂から構成されていることを特徴とする。また、誘電体部は、アンテナ部を誘電体材料によりインサートモールドすることにより形成されることを特徴とする。

本発明によれば、アンテナ部にアンテナ部の指向性を持たせる方向に他の方向より厚く積層された誘電体部を積層することにより、誘電体部が厚く積層されている方向に指向性を持たせることができる。これによって、簡単な構成でアンテナでの指向性を向上させることが可能となる。

〔第１実施例〕
図１は本発明の第１実施例の斜視図、図２は本発明の第１実施例の断面図を示す。

本実施例のアンテナ装置１００は、ＵＷＢ通信用のモノポールアンテナであり、アンテナ部１１１、及び、誘電体部１１２、コネクタ１１３から構成されている。アンテナ部１１１は、プリント配線板１２１上に導電パターン１２２を所定のパターンで形成することにより構成されている。

プリント配線板１２１は、ＦＲ４、セラミックスなどの誘電体よりなり、その表面にエッチングなどによって導電パターン１２２がパターンニングされている。導電パターン１２２は、エレメントパターン１３１、及び、伝送ライン１３２、接地パターン１３３から構成されている。

エレメントパターン１３１は、プリント配線板１２１の一方の面に形成された導電パターンであり、略矩形状に形成されている。エレメントパターン１３１の接地パターン１３３に対向する辺には、給電点Ｐ0が形成されている。エレメントパターン１３１の給電点Ｐ0を挟む辺は、接地パターン１３３のエレメントパターン１３１に対向する辺に直交する軸に対して角度θとなるように傾斜がつけられている。角度θは、例えば、略６３°に設定されている。

伝送ライン１３２は、プリント配線板１２１のエレメントパターン１３１が形成されている一方の面に形成されており、一端がエレメントパターン１３１の給電点Ｐ0に接続され、他端がプリント配線板１２１の端部まで延出している。伝送ライン１３２は、プリント配線板１２１を挟んで接地パターン１３３に対向しており、いわゆる、マイクロストリップラインを構成している。接地パターン１３３は、プリント配線板１２１の他方の面に、エレメントパターン１３１の給電点に接する位置に形成されている。なお、このとき、エレメントパターン１３１と接地パターン１３３とは、プリント配線板１２１を挟んで配置されているため、電気的には接続されていはいない。

コネクタ１１３は、信号ピン１４１、シールド部材１４２、絶縁部材１４３から構成されている。信号ピン１４１は、絶縁部材１４３を介してシールド部材１４２に保持されている。信号ピン１４１は、プリント配線板１２１の端部の一面で伝送ライン１３２に半田付けされている。また、シールド部材１４２は、プリント配線板１２１の端部の他面で接地パターン１３３に半田付けされている。

誘電体部１１２は、例えば、ＡＢＳ、ＭＣナイロンなどの比較的誘電率εrの高い誘電体材料を略円錐状に成型した構成とされており、アンテナ部１１１のエレメントパターン１３１上に矢印Ｚ１方向が矢印Ｚ２方向に比べて厚くなるように形成されている。誘電体部１１２は、高誘電体材料を略円錐状に成型した後、アンテナ部１１１の上に接着したり、あるいは、高誘電体材料によりアンテナ部１１１をインサートモールドすることにより成形することにより形成される。

なお、矢印Ｚ１、Ｚ２方向は、アンテナ部１１１のエレメントパターン１３１に直交する、すなわち、プリント配線板１４２に直交する方向であり、矢印Ｚ１方向と矢印Ｚ２方向とは互いに反対の方向である。なお、ＡＢＳは誘電率εr＝３〜７、ＭＣナイロンは誘電率εr＝２．７〜４．７である。

次に、誘電体部１１２により指向性を持つ効果について説明する。

図３はアンテナ装置のシミュレーションモデルを示す図、図４はシミュレーションモデルの指向性を示す図である。なお、図４において実線は３ＧＨｚ、破線は４ＧＨｚ、一点鎖線は５ＧＨｚの特性を示している。

ここでは、シミュレーションモデルは、エレメントパターン１３１を略４０ｍｍ角の導電パターンで構成し、誘電体部１１２をエレメントパターン１３１に直交する矢印Ｚ１方向に、エレメントパターン１３１の中心を中心として、半径が略１００ｍｍ、高さが略１００ｍｍの円錐状に形成し、誘電率εr＝略１０に設定した。

図３に示すシミュレーションモデルを使用したときのシミュレーション結果が図４である。

図３に示すようにエレメントパターン１３１上、矢印Ｚ１方向に誘電体部１１２を円錐状に形成することにより、矢印Ｚ１方向のゲインが略＋７ｄＢであるのに対し、矢印Ｚ１方向とは逆方向の矢印Ｚ２方向のゲインが略＋３ｄＢと略半分以下となっていることがわかる。なお、図４に示すように３ＧＨｚ、４ＧＨｚ、５ＧＨｚのいずれにおいても矢印Ｚ１方向のゲインが矢印Ｚ２方向のゲインよりも大きくなっていることがわかる。

このように、誘電体部１１２を形成した方向、矢印Ｚ１方向に指向性を持たせることができる。

このように、本実施例によれば、アンテナ部１１１の指向性を持たせたい方向に他の方向より厚く誘電体部１１２を積層することにより、誘電体部１１２が厚く積層されている方向に指向性を持たせることができる。これによって、無指向性のアンテナに指向性を持たせることが可能となる。

なお、誘電体部１１２は、同じ指向性であれば、誘電率が大きい程薄くて済む。

〔第２実施例〕
図５は本発明の第２実施例の斜視図、図６は本発明の第２実施例の断面図を示す。

本実施例のアンテナ装置２００は、第１実施例と同様にＵＷＢ通信用のモノポールアンテナであり、アンテナ部２１１、及び、誘電体部２１２、コネクタ２１３から構成されている。アンテナ部２１１は、金属板をプレス加工により打ち抜くことにより構成されている。

アンテナ部２１１は、エレメント部２２１、及び、接地部２２２から構成されている。

エレメント部２２１は、略矩形状に形成されている。エレメント部２２１の接地部２２２に対向する辺には、給電点Ｐ0が形成されている。エレメント部２２１の給電点Ｐ0を挟む辺は、所定の開き角θとなるように傾斜がつけられている。開き角θは、例えば、略６３°に設定されている。

接地部２２２は、略矩形状に形成されており、エレメント部２２１とは所定の間隔で配置されており、絶縁状態とされている。

コネクタ２１３は、例えば、ＵＦＬ型コネクタと呼ばれる小型の同軸コネクタから構成されており、エレメント部２２１の給電点Ｐ0に配置され、信号ライン２３１がエレメント部２２１に半田付けされ、シールド部２３２が接地部２２２に半田付けされている。コネクタ２１３には、同軸ケーブル２１４がコネクタされる。

誘電体部２１２は、第１実施例と同様に、例えば、ＡＢＳ、ＭＣナイロンなどの比較的誘電率εrの高い誘電体材料から構成されており、アンテナ部２１１のエレメント部２２１上に矢印Ｚ１方向が厚くなるように形成されている。

このように、本実施例によれば、第１実施例と同様にアンテナ部２１１の指向性を持たせたい方向に他の方向より厚く誘電体部２１２が積層されるため、誘電体部２１２が厚く積層されている方向に指向性を持たせることができる。これによって、無指向性のアンテナに指向性を持たせることが可能となる。

また、本実施例のアンテナ装置２００は、金属板を打ち抜き、打ち抜いた金属板を樹脂モールドすることにより形成できるため、安価に製造することが可能となる。

ここで、アンテナ装置２００の製造方法について説明する。

図７、図８はアンテナ装置２００の製造工程を説明するための図を示す。

まず、図７（Ａ）に示す平板状の金属板３１１を型により打ち抜いて、図７（Ｂ）に示すようにエレメント部２２１及び接地部２２２から構成される多数のアンテナ部２１１を形成する。このとき、アンテナ部２１１は、図７（Ｃ）に示すようにアンテナ部２１１単体に分離される。なお、エレメント部２２１と接地部２２２とは図７（Ｃ）に示すようにフレーム部３２１により所定の位置関係を保つように位置決めされている。エレメント部２２１と接地部２２２とはフレーム３２１に接続され、所定の位置に位置決めされている。なお、エレメント部２２１及び接地部２２２とフレーム部３２１との接続部３２２は、ハーフカット状態とされており、エレメント部２２１及び接地部２２２とフレーム３２１とを容易に切断可能な状態となっている。

次に、図７（Ｄ）に示すようにコネクタ２１３をエレメント部２２１と接地部２２２とにまたがって配置し、半田付けする。これによって、コネクタ２１３の信号ピン２３１がエレメント２２１に半田付けされ、コネクタ２１３のシールド部２３２が接地部２２２に半田付けされる。これによって、コネクタ２１３を介してエレメント部２２１と接地部２２２とが所定の位置に固定される。

次に、フレーム部３２１をエレメント部２２１、及び、接地部２２２とから切り離し、図７（Ｅ）に示すようにコネクタ２１３が半田付けされたアンテナ部１１１を製造する。

次に、図８（Ａ）に示すようにコネクタ２１３が半田付けされたアンテナ部２１１をモールド型３３１の内部に載置し、溶融した高誘電率樹脂３３３を注入する。

図８（Ａ）に示す、樹脂モールド加工により、図８（Ｂ）に示すようにアンテナ部２１１は、エレメント部２２１及び接地部２２２の周囲が樹脂モールドされ、誘電体部２１２及び保護部２１４が形成される。

以上により、アンテナ装置２００が完成する。

なお、本実施例では、コネクタ２１３を搭載するように構成したが、同軸ケーブルの信号ラインをエレメント部２２１に、また、同軸ケーブルの接地ラインを接地部２２２に直接半田付けするようにしてもよい。

〔変形例〕
なお、本実施例では誘電体部１１２として同じ誘電率εrを積層したが、異なる誘電率の誘電材をエレメントパターンに順次に積層するようにしてもよい。

図９は誘電体部１１２、２１２の変形例の断面図を示す。

図９に示すようにアンテナ部１１１上に異なる誘電率εr1<εr2<・・・・<εrnを順番に積層した誘電体部１１２、２１２を形成するようにしてもよい。

また、本実施例では、モノポール型のＵＷＢアンテナに本発明を適用した例について説明したが、モノポールアンテナにも限定されるものではなく、ダイポール型のアンテナにも適用することも可能である。さらに、ＵＷＢアンテナに限定されるものではなく、広帯域のアンテナや狭帯域のアンテナに適用することも可能である。

また、誘電体部１１２，２１２を別体で成形した後、アンテナ部１１１のエレメント上に接着、あるいは、別体で成形された誘電体部１１２、２１２をアンテナ部１１１とともにインサートモールドするようにしてもよい。

〔その他〕
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、請求の範囲の記載を逸脱することなく、種々の変形例が可能であることは言うまでもない。

本発明の第１実施例の斜視図である。 本発明の第１実施例の断面図である。 アンテナ装置のシミュレーションモデルを示す図である。 シミュレーションモデルの指向性を示す図である。 本発明の第２実施例の斜視図である。 本発明の第２実施例の断面図である。 アンテナ装置２００の製造工程を説明するための図である。 アンテナ装置２００の製造工程を説明するための図である。 誘電体部１１２、２１２の変形例の断面図である。

符号の説明

１００ アンテナ装置
１１１ アンテナ部、１１２ 誘電体部、１１３ コネクタ
１２１ プリント配線板、１２２ 導電パターン
１３１ エレメントパターン、１３２ 伝送ライン、１３３ 接地パターン
１４１ 信号ピン

Claims (8)

1. アンテナ部と、
   前記アンテナ部に形成された誘電体部とを有し、
   前記誘電体部は、前記アンテナ部の指向性を持たせる方向に他の方向より厚く形成されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記アンテナ部は、プリント配線基板と、
   前記プリント配線基板上に形成された導電パターンとから構成されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記アンテナ部は、金属板から構成されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
4. 前記誘電体部は、高誘電率樹脂から構成されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
5. 前記誘電体部は、前記アンテナ部を誘電体材料によりインサートモールドすることにより形成されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
6. 前記誘電体部は、誘電体率の異なる誘電材を積層した構成とされていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
7. アンテナ部に誘電体材料をモールドした構成とされたアンテナ装置の製造方法であって、
   前記アンテナ部の指向性を持たせる方向に他の方向より厚く前記誘電体材料が形成されるように、前記アンテナ装置を前記誘電体材料によりインサートモールドすることを特徴とするアンテナ装置の製造方法。
8. アンテナ部と、前記アンテナ部に形成された誘電体部とを有し、前記誘電体部が前記アンテナ部の指向性を持たせる方向に他の方向より厚く形成されたアンテナ装置の製造方法であって、
   前記誘電体部を前記アンテナ部に接着又は前記誘電体部と前記アンテナ部とをインサートモールドすることを特徴とするアンテナ装置の製造方法。

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