JP4814818B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置に関するものである。

平面アンテナとして特許文献１が公知になっている。これは、特に円偏波及び直線偏波いずれ用にも製造可能なものである。詳しくは、図６に示すように、地板１００の主平面１００ａ側にはアンテナエレメント用導電性板材１０１が、他平面１００ｂには円偏波及び直線偏波のうち予め定めたものに給電する給電回路が形成された基板１０２が設置されている。アンテナエレメント用導電性板材１０１に円偏波用給電点を２箇所、直線偏波用給電点を１箇所有し、直線偏波用の１箇所は円偏波用のどちらかの給電点を利用している。給電回路が形成された基板１０２にはケーブル１０３の心線が接続されている。
特許第３８０４９２４号公報

同形状の構成物である基板１０２を用いて円偏波または直線偏波を使用可能なアンテナ装置の製造が可能であるが、使用中に切り換えることはできない。
本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、水平偏波と垂直偏波と右旋回円偏波と左旋回円偏波の４種類の偏波を切換えて使用することができるアンテナ装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、一方の面を第１の面とするとともに他方の面を第２の面とした地板と、前記地板の第１の面に離間した状態で地板と対向して配置され、中央部に方形の透孔が形成されるとともに前記透孔での直交する辺に第１，第２の給電点、および、前記透孔での他の直交する辺に第３，第４の給電点を有するアンテナエレメント用導電性板材と、前記地板の第２の面に設けられ、前記第１、第２の給電点への給電線を有する直線偏波用給電基板と、前記地板の第２の面に設けられ、前記第３、第４の給電点への給電線を有する円偏波用給電基板と、前記直線偏波用給電基板に搭載され、前記第１、第２の給電点への給電線の途中に設けられ、前記第１の給電点または第２の給電点に選択的に給電可能な直線偏波用スイッチと、前記円偏波用給電基板に搭載され、前記第３、第４の給電点への給電線の途中に設けられ、前記第３の給電点と第４の給電点にプラス９０度またはマイナス９０度の位相給電可能な円偏波用スイッチと、水平偏波の使用時には前記直線偏波用スイッチを制御して前記第１の給電点に給電させ、垂直偏波の使用時には、前記直線偏波用スイッチを制御して前記第２の給電点に給電させ、右旋回円偏波の使用時には前記円偏波用スイッチを制御して前記第３の給電点と第４の給電点にプラス９０度の位相給電させ、左旋回円偏波の使用時には前記円偏波用スイッチを制御して前記第３の給電点と第４の給電点にマイナス９０度の位相給電させるスイッチ制御手段と、を備えたことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、スイッチ制御手段により直線偏波用スイッチと円偏波用スイッチが制御される。これにより、水平偏波の使用時には第１の給電点に給電させ、垂直偏波の使用時には第２の給電点に給電させ、右旋回円偏波の使用時には第３の給電点と第４の給電点にプラス９０度の位相給電させ、左旋回円偏波の使用時には第３の給電点と第４の給電点にマイナス９０度の位相給電させることができる。その結果、水平偏波と垂直偏波と右旋回円偏波と左旋回円偏波の４種類の偏波を切換えて使用することができることとなる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載のアンテナ装置において、各給電点は方形の透孔の辺の中点位置に設置されているとよい。
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のアンテナ装置において、地板とアンテナエレメント用導電性板材との間の給電部材は、前記アンテナエレメント用導電性板材の一部を前記地板側に折り曲げることにより構成されているとよい。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１の断面図はアンテナ装置の全体構成を示すものである。図１に示すように、樹脂製ケース１内には、パッチアンテナ１０が収納されている。ケース１はケース本体２とカバー３からなる。ケース本体２は一方の面が開口した箱型をなし、ケース本体２の開口部がカバー３にて塞がれている。パッチアンテナ１０は地板１１とアンテナエレメント用導電性板材１２を具備している。ケース本体２の内面からパッチアンテナ支持部材４が突出しており、このパッチアンテナ支持部材４に地板１１が固定されている。本アンテナ装置（パッチアンテナ）は、例えば、ＲＦＩＤ用に使用することができ、さらに、偏波を切り換えることができるようになっている。

図２にはパッチアンテナ１０を示し、図２（ａ）はパッチアンテナ１０の平面図、即ち、図１のα方向からパッチアンテナ１０を見た図である。図２（ｂ）はパッチアンテナ１０の側面図（図２（ａ）のＢ矢視図）である。図３はパッチアンテナの背面図、即ち、図１のβ方向からパッチアンテナ１０を見た図である。図４には図２（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図を示す。図５にはパッチアンテナ１０の分解斜視図を示す。

図５に示すように、パッチアンテナ１０は、地板１１と、アンテナエレメント用導電性板材１２と、この両部材１１，１２間に配置されるスペーサー（台座）１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄと、締結部材としてのネジ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄおよびネジ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄと、給電端子（給電線）１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄを具備している。

図２に示すように、地板１１は正方形の金属板よりなり、具体的には鉄板または銅板よりなる。地板１１の一方の面を第１の面１１ａとするとともに他方の面を第２の面１１ｂとする。アンテナエレメント用導電性板材１２は金属板よりなり、具体的には鉄板または銅板よりなる。

アンテナエレメント用導電性板材１２は全体の形状として正方形をなし、縦横のサイズは地板１１よりも小さい。正方形をなすアンテナエレメント用導電性板材１２の各辺を、Ｓｏ１，Ｓｏ２，Ｓｏ３，Ｓｏ４とする。アンテナエレメント用導電性板材１２は、地板１１の第１の面１１ａに対し離間した状態で、地板１１と対向して配置されている。

図２（ａ）の平面図において、正方形をなすアンテナエレメント用導電性板材１２は、中央部に透孔１７が形成されている。透孔１７は、正方形をなすアンテナエレメント用導電性板材１２と中心が同じで、かつアンテナエレメント用導電性板材１２と相似形の正方形をなしている。これにより、正方形をなす透孔１７の各辺Ｓｉ１，Ｓｉ２，Ｓｉ３，Ｓｉ４が、正方形のアンテナエレメント用導電性板材１２の各辺Ｓｏ１，Ｓｏ２，Ｓｏ３，Ｓｏ４と平行をなしている。図２では、辺Ｓｏ１と辺Ｓｉ１、辺Ｓｏ２と辺Ｓｉ２、辺Ｓｏ３と辺Ｓｉ３、辺Ｓｏ４と辺Ｓｉ４が、それぞれ平行となっている。

このように、アンテナエレメント用導電性板材１２の中央に、方形の透孔（開口部）１７が所望の周波数で共振し、かつ、入力インピーダンスが約５０Ωになるように設置されている。

アンテナエレメント用導電性板材１２における正方形の透孔１７の辺Ｓｉ１，Ｓｉ２，Ｓｉ３，Ｓｉ４の中点位置から給電端子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが下方に延びている。この給電端子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄは図５に示すごとく三角形の帯板状をなし、アンテナエレメント用導電性板材１２の一部を地板１１側に折り曲げることにより形成したものである。

スペーサー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに関して、４つのスペーサー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄにより地板１１とアンテナエレメント用導電性板材１２とが所定の間隔を隔てて離間した状態で対向配置されている。スペーサー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは筒状をなし、スペーサー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの内面（筒材の内面）は雌ネジ部となっており、ネジ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを螺入することができるようになっている。スペーサー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは絶縁材料よりなり、具体的にはＡＢＳ樹脂製である。

図５に示すように、アンテナエレメント用導電性板材１２には、４つの透孔１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄが形成されている。透孔１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄは、アンテナエレメント用導電性板材１２における外周端と内周端の中間位置で、かつ、正方形のアンテナエレメント用導電性板材１２における辺Ｓｏ１，Ｓｏ２，Ｓｏ３，Ｓｏ４での中点と正方形の透孔１７における対応する辺Ｓｉ１，Ｓｉ２，Ｓｉ３，Ｓｉ４での中点とを結ぶ線上に形成されている。

図５に示すように、地板１１においても、アンテナエレメント用導電性板材１２の透孔１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄと対応する位置に透孔１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄが形成されている。

ネジ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄがアンテナエレメント用導電性板材１２を通してスペーサー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに螺合していると共にネジ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄが地板１１を通してスペーサー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに螺合している。詳しくは、ネジ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄが、アンテナエレメント用導電性板材１２と地板１１を貫通する状態でスペーサー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに螺入され、地板１１とアンテナエレメント用導電性板材１２とが固定されている。つまり、地板１１の上にスペーサー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを載せ、更にその上にアンテナエレメント用導電性板材１２を配置し、アンテナエレメント用導電性板材１２の上側からネジ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄをアンテナエレメント用導電性板材１２に設けた透孔１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄを通してスペーサー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの雌ネジ部に螺入するとともに、地板１１の下側からネジ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを地板１１に設けた透孔１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄを通してスペーサー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの雌ネジ部に螺入することにより、地板１１とアンテナエレメント用導電性板材１２とが固定されている。

また、図５に示すように、地板１１には透孔２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが形成され、この透孔２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを通して給電端子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが地板１１の下面に突出している。給電端子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの基端（折曲部）が図２に示すように給電点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４となっており、給電端子１６ａにて第１の給電点Ｐ１が、給電端子１６ｂにて第２の給電点Ｐ２が、給電端子１６ｃにて第３の給電点Ｐ３が、給電端子１６ｄにて第４の給電点Ｐ４が構成されている。即ち、方形の透孔１７での直交する辺Ｓｉ１，Ｓｉ２に第１，第２の給電点Ｐ１，Ｐ２、および、透孔１７での他の直交する辺Ｓｉ３，Ｓｉ４に第３，第４の給電点Ｐ３，Ｐ４を有している。特に、各給電点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は方形の透孔１７の辺Ｓｉ１，Ｓｉ２，Ｓｉ３，Ｓｉ４の中点位置に設置されている。

このようにして、アンテナエレメント用導電性板材１２の透孔（開口部）１７の辺上に給電部を互いが直交関係になるように４箇所設置している。
本実施形態においては、スペーサー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄとネジ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとネジ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄにより４組の固定部材が構成され、４つのスペーサー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄと４つのネジ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄと４つのネジ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄにより、地板１１とアンテナエレメント用導電性板材１２とを固定するための複数の固定部材が構成されている。この固定部材が地板１１とアンテナエレメント用導電性板材１２とが非導通状態となるように配置されている。つまり、電気絶縁性を有するスペーサー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを用いてネジ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを螺入する方式を採っており、地板１１とアンテナエレメント用導電性板材１２とは非導通状態で固定されている。

また、図３に示すように、地板１１の第２の面１１ｂには直線偏波用給電基板３０と円偏波用給電基板４０が設けられている。これら給電基板３０，４０はその角部においてビス等を地板１１に螺入する等により固定されている。

直線偏波用給電基板３０は、第１、第２の給電点Ｐ１，Ｐ２（給電端子１６ａ，１６ｂ）への給電線Ｌ１を有している。直線偏波用給電基板３０には直線偏波用スイッチ（切換スイッチ：ＲＦスイッチ）３１が搭載され、直線偏波用スイッチ３１は給電線Ｌ１における第１、第２の給電点Ｐ１，Ｐ２への分岐箇所において挿入されている。即ち、直線偏波用スイッチ３１は第１、第２の給電点Ｐ１，Ｐ２への給電線Ｌ１の途中に設けられ、制御信号により第１の給電点Ｐ１または第２の給電点Ｐ２に選択的に給電可能な構成となっている。また、直線偏波用給電基板３０は給電ケーブル３２が接続され、給電線Ｌ１に高周波信号が送られる。給電ケーブル３２は図１に示すようにケース１に取り付けられたコネクタ５０に接続され、コネクタ５０は外部ケーブル５１を介してＲＦ機５２と接続されている。ＲＦ機５２により直線偏波の選択、および直線偏波での水平偏波と垂直偏波の切り替えが行われる。

また、図３の円偏波用給電基板４０は、第３、第４の給電点Ｐ３，Ｐ４（給電端子１６ｃ，１６ｄ）への給電線Ｌ２を有している。円偏波用給電基板４０には円偏波用スイッチ（切換スイッチ：ＲＦスイッチ）４１が搭載されている。円偏波用スイッチ４１は、第３、第４への給電線Ｌ２の途中に設けられ、制御信号により第３の給電点Ｐ３と第４の給電点Ｐ４にプラス９０度またはマイナス９０度の位相給電可能な構成となっている。円偏波用スイッチ４１について詳しくは９０度ハイブリッドＩＣ（チップ）を用いており、外部信号により高周波信号の位相を９０度ずらすことができる。また、円偏波用給電基板４０は給電ケーブル４２が接続され、給電線Ｌ２に高周波信号が送られる。給電ケーブル４２は図１に示すようにケース１に取り付けられたコネクタ５０に接続され、コネクタ５０は外部ケーブル５１を介してＲＦ機５２と接続されている。ＲＦ機５２により円偏波の選択、および円偏波での右旋偏波と左旋偏波の切り替えが行われる。

次に、アンテナ装置の作用について説明する。
制御器としてのＲＦ機５２からの信号で次の４つの使用（モード）で偏波が選択される。即ち、直線偏波ならば水平偏波と垂直偏波を、また、円偏波ならば右旋回偏波と左旋回偏波を選択することができる。

水平偏波の使用時においては、直線偏波用スイッチ３１を制御して第１の給電点Ｐ１に給電させる。垂直偏波の使用時においては、直線偏波用スイッチ３１を制御して第２の給電点Ｐ２に給電させる。よって、直線偏波については、水平偏波と垂直偏波を使用できる。

一方、右旋回偏波の使用時においては円偏波用スイッチ４１を制御して第３の給電点Ｐ３と第４の給電点Ｐ４にプラス９０度の位相給電させる。また、左旋回円偏波の使用時においては円偏波用スイッチ４１を制御して第３の給電点Ｐ３と第４の給電点Ｐ４にマイナス９０度の位相給電させる。よって、円偏波については、右旋偏波と左旋偏波を使用できる。

このようにして、偏波の発生と切り替えが行われ、正方形のアンテナエレメント用導電性板材１２を用いたパッチアンテナでは、給電点Ｐ１，Ｐ２と給電点Ｐ３，Ｐ４への給電により、円／直線偏波を得ることができる。つまり、給電部を４箇所設けることにより、互いが直交となる給電部を２組実現している（給電点Ｐ１と給電点Ｐ２、給電点Ｐ３と給電点Ｐ４の２組）。この４点給電の採用により複数偏波の発生を実現でき、更に使用中に偏波の切換が可能となる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）アンテナ装置の構成として、アンテナエレメント用導電性板材１２は、地板１１の第１の面１１ａに離間した状態で地板１１と対向して配置され、中央部に方形の透孔１７が形成されるとともに透孔１７での直交する辺Ｓｉ１，Ｓｉ２に第１，第２の給電点Ｐ１，Ｐ２、および、透孔１７での他の直交する辺Ｓｉ３，Ｓｉ４に第３，第４の給電点Ｐ３，Ｐ４を有する。地板１１の第２の面１１ｂには第１、第２の給電点Ｐ１，Ｐ２への給電線Ｌ１を有する直線偏波用給電基板３０と、第３、第４の給電点Ｐ３，Ｐ４への給電線Ｌ２を有する円偏波用給電基板４０が設けられている。スイッチ制御手段としてのＲＦ機５２は、水平偏波の使用時には直線偏波用スイッチ３１を制御して第１の給電点Ｐ１に給電させ、垂直偏波の使用時には直線偏波用スイッチ３１を制御して第２の給電点Ｐ２に給電させ、右旋回円偏波の使用時には円偏波用スイッチ４１を制御して第３の給電点Ｐ３と第４の給電点Ｐ４にプラス９０度の位相給電させ、左旋回円偏波の使用時には円偏波用スイッチ４１を制御して第３の給電点Ｐ３と第４の給電点Ｐ４にマイナス９０度の位相給電させる。これにより、給電箇所を増加し、給電基板上にスイッチ（ＲＦスイッチ）３１，４１を設けることで、水平偏波と垂直偏波と右旋回円偏波と左旋回円偏波の４種類の偏波を切換えて使用することができることとなる。

（２）各給電点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は方形の透孔１７の辺Ｓｉ１，Ｓｉ２，Ｓｉ３，Ｓｉ４の中点位置に設置しているので、アンテナ性能を確保する上で好ましいものとなる。

（３）地板１１とアンテナエレメント用導電性板材１２との間の給電部材としての給電端子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄは、アンテナエレメント用導電性板材１２の一部を地板１１側に折り曲げることにより構成しているので、容易に給電端子を作り込むことができる。

なお、前記実施形態は以下のように変更してもよい。
アンテナエレメント用導電性板材１２は方形形状としたが、他の形状、例えば円形でもよい。また、透孔１７は正方形であったが、長方形でもよい。

給電端子１６ａ〜１６ｄはテーパ形状としたが、他の形状、例えば長方形でもよいし、あるいは、給電線を用いてもよい。
ケース１は、樹脂材で形成されることとしたが、地板１１の給電基板面側、即ち、面１１ｂ側は金属製でもよい。

また、図１等では給電ケーブル３２，４２を芯出しして給電基板３０，４０と電気的に接続したが、これに限ることなく、コネクタを介して給電基板３０，４０と給電ケーブル３２，４２をつないでもよい。

本実施形態におけるアンテナ装置の全体構成を示す断面図。 （ａ）はパッチアンテナの平面図、（ｂ）はパッチアンテナの側面図。 パッチアンテナの背面図。 図２（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。 パッチアンテナの分解斜視図。 背景技術を説明するための断面図。

符号の説明

１１…地板、１１ａ…第１の面、１１ｂ…第２の面、１２…アンテナエレメント用導電性板材、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ…給電端子、１７…透孔、３０…直線偏波用給電基板、３１…直線偏波用スイッチ、４０…円偏波用給電基板、４１…円偏波用スイッチ、Ｌ１…給電線、Ｌ２…給電線、Ｐ１…第１の給電点、Ｐ２…第２の給電点、Ｐ３…第３の給電点、Ｐ４…第４の給電点、Ｓｉ１，Ｓｉ２，Ｓｉ３，Ｓｉ４…辺。

Claims (3)

1. 一方の面を第１の面（１１ａ）とするとともに他方の面を第２の面（１１ｂ）とした地板（１１）と、
   前記地板（１１）の第１の面（１１ａ）に離間した状態で地板（１１）と対向して配置され、中央部に方形の透孔（１７）が形成されるとともに前記透孔（１７）での直交する辺（Ｓｉ１，Ｓｉ２）に第１，第２の給電点（Ｐ１，Ｐ２）、および、前記透孔（１７）での他の直交する辺（Ｓｉ３，Ｓｉ４）に第３，第４の給電点（Ｐ３，Ｐ４）を有するアンテナエレメント用導電性板材（１２）と、
   前記地板（１１）の第２の面（１１ｂ）に設けられ、前記第１、第２の給電点（Ｐ１，Ｐ２）への給電線（Ｌ１）を有する直線偏波用給電基板（３０）と、
   前記地板（１１）の第２の面（１１ｂ）に設けられ、前記第３、第４の給電点（Ｐ３，Ｐ４）への給電線（Ｌ２）を有する円偏波用給電基板（４０）と、
   前記直線偏波用給電基板（３０）に搭載され、前記第１、第２の給電点（Ｐ１，Ｐ２）への給電線（Ｌ１）の途中に設けられ、前記第１の給電点（Ｐ１）または第２の給電点（Ｐ２）に選択的に給電可能な直線偏波用スイッチ（３１）と、
   前記円偏波用給電基板（４０）に搭載され、前記第３、第４の給電点（Ｐ３，Ｐ４）への給電線（Ｌ２）の途中に設けられ、前記第３の給電点（Ｐ３）と第４の給電点（Ｐ４）にプラス９０度またはマイナス９０度の位相給電可能な円偏波用スイッチ（４１）と、
   水平偏波の使用時には前記直線偏波用スイッチ（３１）を制御して前記第１の給電点（Ｐ１）に給電させ、垂直偏波の使用時には、前記直線偏波用スイッチ（３１）を制御して前記第２の給電点（Ｐ２）に給電させ、右旋回円偏波の使用時には前記円偏波用スイッチ（４１）を制御して前記第３の給電点（Ｐ３）と第４の給電点（Ｐ４）にプラス９０度の位相給電させ、左旋回円偏波の使用時には前記円偏波用スイッチ（４１）を制御して前記第３の給電点（Ｐ３）と第４の給電点（Ｐ４）にマイナス９０度の位相給電させるスイッチ制御手段（５２）と、
   を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記各給電点（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）は方形の透孔（１７）の辺（Ｓｉ１，Ｓｉ２，Ｓｉ３，Ｓｉ４）の中点位置に設置してなることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
   地板（１１）とアンテナエレメント用導電性板材（１２）との間の給電部材（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ）は、前記アンテナエレメント用導電性板材（１２）の一部を前記地板（１１）側に折り曲げることにより構成してなることを特徴とするアンテナ装置。

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