JP2011188103A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的に入力インピーダンスを十分に調整できる低姿勢なアンテナ装置を得る。
【解決手段】地導体１０１上に、地導体と略直交する一平面内に前記地導体と共に導体のループを形成する給電部１，１０２と、前記平面内で地導体から略垂直に延びる短片の導体に対し略直交する長片の導体が前記給電部の上方を前記地導体に沿って延びるＬ字型放射部２，３と、が形成され、さらに、前記Ｌ字型放射部の長片の導体の長さを可変にする導体長調整機構１２〜１４と、前記Ｌ字型放射部の短片の導体を前記地導体上の前記平面に沿った方向に位置可変に固定する可動固定機構５〜８と、を備えた。
【選択図】図６

Description

この発明は、機械的に入力インピーダンスを調整できる低姿勢なアンテナ装置に関する。

列車に搭載するアンテナには、車両寸法の制約から、低姿勢化が求められる。そして、低姿勢アンテナの代表例としては、逆Ｆアンテナが広く知られている。また、多数の車種にアンテナを設置する際には、車種によって車両の形状が異なるので、アンテナの入力インピーダンスが車種によって変化すると考えられる。このように多車種への展開を考慮すると、各車種に特化して多数のアンテナを設計・製造するよりも、入力インピーダンスの調整機構を備えた１種類のアンテナを開発する方が、コストを低減できると考えられる。

入力インピーダンスの調整機構を備えた低姿勢アンテナとしては、板状逆Ｆアンテナの放射素子と地導体の間に、金属体または誘電体を挿入し、その挿入量を調整することにより、アンテナの共振周波数を変化させる方法がある(下記特許文献１参照)。また、逆Ｆアンテナの近傍に誘電体を設置し、逆Ｆアンテナと誘電体の間隔を調整することにより、アンテナの共振周波数を変化させる方法がある(下記特許文献２参照)。

特許第３３６９０１９号明細書 国際公開第ＷＯ２００４／０７３１０８号パンフレット

しかし、上記特許文献１、２のアンテナ装置においては、調整できるのはアンテナの共振周波数のみであり、これだけでは入力インピーダンスを十分に調整できないという課題がある。図８に、アンテナの入力インピーダンスをスミスチャート上に示した一例を示す。共振周波数のみを調整した場合、入力インピーダンスをインピーダンス軌跡に沿った図８の実線の矢印の方向に変化させることはできるが、例えば図８の点線の矢印の方向など他の方向には変化させることができない。アンテナの入力インピーダンスは、設置場所の環境によって、図８の任意の方向に変化するので、共振周波数の調整だけで入力インピーダンスを調整することは困難であった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、機械的に入力インピーダンスを十分に調整できる低姿勢なアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明は、地導体上に、地導体と略直交する一平面内に前記地導体と共に導体のループを形成する給電部と、前記平面内で地導体から略垂直に延びる短片の導体に対し略直交する長片の導体が前記給電部の上方を前記地導体に沿って延びるＬ字型放射部と、が形成され、さらに、前記Ｌ字型放射部の長片の導体の長さを可変にする導体長調整機構と、前記Ｌ字型放射部の短片の導体を前記地導体上の前記平面に沿った方向に位置可変に固定する可動固定機構と、を備えたことを特徴とするアンテナ装置にある。

この発明では、機械的に入力インピーダンスを十分に調整できる低姿勢なアンテナ装置を提供できる。

この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成の一例を示す側面図である。 この発明の実施の形態１のアンテナ装置の入力インピーダンスをスミスチャート上に示した一例を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成の一例を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成の別の例を示す図である。 この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成の一例を示す図である。 この発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の構成の一例を示す図である。 この発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の構成の一例を示す図である。 従来のアンテナ装置の入力インピーダンスをスミスチャート上に示した一例を示す図である。

以下、この発明によるアンテナ装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す側面図である。また図２はこの実施の形態１のアンテナ装置の入力インピーダンスをスミスチャート上に示した一例である。図１において、導体１は線状の導体であり、コの字型をしており、導体１の一端は地導体１０１に接続され、導体１の地導体１０１に接続していない他端と地導体１０１の間に給電点１０２が設置される。

導体２と導体３は直線状の導体であり、導体２の一端は地導体１０１と接続され、他端は導体３の一端と導体２と導体３が略直交又は直交するように結合固定され、短片の導体２と長片の導体３がＬ字型導体４からなるＬ字型放射部を構成する。

導体１と導体２と導体３は地導体１０１の主面と略直交又は直交する同一平面内にあり、導体１は、導体３と地導体１０１の間に設置される。また、給電点１０２(給電点１０２を図１に示す導体１の反対側の端に設けた場合も考慮すると導体１の導体２から遠い方の端：以下同様)から導体２と地導体１０１の接点までの距離Ｄは、導体３の長さＬ３より短い。さらにアンテナ装置の使用周波数帯域の中心周波数の波長をλとすると、導体２の長さを導体１の高さより長い０．１λ以下、導体３の長さを０．１５λ以上０．３λ以下とする。

導体３は後述する機構により、その長さＬ３を変化させることができる。また、給電点１０２から導体２と地導体１０１の接点までの距離Ｄも、後述する機構により、変化させることができる。

次に動作について説明する。導体１と地導体１０１は給電点１０２を含めてループ状になっており給電部を構成し、ループがある面すなわち上述の同一平面の垂直方向に磁界が発生する。この磁界によりＬ字型導体４に電流が流れ、Ｌ字型導体４が共振することにより、Ｌ字型導体４から電磁波が放射される。このように、この実施の形態１のアンテナ装置では、給電部の導体１から磁界結合により、非接触でＬ字型放射部であるＬ字型導体４へ給電される。

図２にこの実施の形態１のアンテナ装置の入力インピーダンスの一例を示す。導体３の長さＬ３を変化させた場合、アンテナの共振周波数が変化するので、入力インピーダンスをインピーダンス軌跡に沿った図２の実線の矢印の方向に変化させることができる。また、給電点１０２から導体２と地導体１０１の接点までの距離Ｄを変化させた場合、導体１とＬ字型導体４の結合量が変化するので、入力インピーダンスを図２の点線の矢印の方向に変化させることができる。

このように、この実施の形態１のアンテナ装置では、導体３の長さＬ３だけでなく、給電点１０２から導体２と地導体１０１の接点までの距離Ｄも変化させることにより、入力インピーダンスを十分に調整することができる。

なお、この実施の形態１では、導体１をコの字型としているが、その形状はコの字型に限ったものではなく、半円型、半楕円型、くの字型などあらゆる形状が考えられる。

また、導体１、導体２、導体３を、導体１、導体２、導体３のある平面に垂直な方向に幅を持たせ矩形状とした場合でも、動作原理は同様であり、同様な効果を得ることができる。

さらに、導体１、導体２、導体３を、太さを持った棒状とした場合でも、動作原理は同様であり、同様な効果を得ることができる。

また、図１では、導体２は地導体１０１の主面に対して垂直になっているが、略垂直であればよい。例えば、導体１、導体２、導体３のある平面と、地導体１０１の主面のなす角度が８１．３度以上９８．７度以下であれば、導体１、導体２、導体３のある平面が地導体１０１の主面と垂直な場合と比較して、Ｌ字型導体４から放射される地導体１０１の主面に垂直な偏波の劣化量を０．１ｄＢ以下に抑えることができる。同様に、導体２と地導体１０１の主面のなす角度が８１．３度以上９８．７度以下であれば、導体２と地導体１０１の主面が垂直な場合と比較して、Ｌ字型導体４から放射される地導体１０１の主面に垂直な偏波の劣化量を０．１ｄＢ以下に抑えることができる。

以上のように、導体１からＬ字型導体４へ磁界結合給電させ、導体３の長さＬ３と、給電点１０２から導体２と地導体１０１の接点までの距離Ｄを変化させることにより、機械的に入力インピーダンスを十分に調整できる低姿勢なアンテナ装置が得られる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す図である。図３の(ａ)は側面図、(ｂ)は上面図、(ｃ)は(ｂ)のＡ−Ａにおける拡大断面図である。図３は、実施の形態１に係るアンテナ装置において、Ｌ字型導体４の導体２の一端を地導体１０１上の上述の各導体１〜３が形成された平面に沿った方向に位置可変に固定する可動固定機構を実現した一例を示す。

図３のアンテナ装置では図１のアンテナ装置において、導体２を柱状(例えば四角柱)とし、導体２の下端面を板状導体５を介して地導体１０１に接続している。板状導体５には皿子ネジ８を地導体１０１と反対側に突出させるｍ個(ｍは２以上の正の整数、図３では９個)の穴６が所定の間隔で空けられ、導体２の底面(下端面)にｎ個(ｎは正の整数、図３では２個)のネジ穴７が上記所定の間隔の正の整数倍(但しｍ−１倍以下)の間隔で空けられている。なお、ｍはｎよりも大きい。

さらに、導体２と板状導体５は、ｍ個の穴６のうち導体２の固定位置に従ったｎ個の穴６に皿子ネジ８をそれぞれ通し、ｎ個のネジ穴７に皿子ネジ８をそれぞれ係合させて固定されている。板状導体５は地導体１０１に、別途設けられたネジ等(図示省略)により固定されている。

このようにすれば、給電点１０２から導体２と板状導体５の接点までの距離Ｄは、皿子ネジ８を通す穴６を変更することにより、変化させることができる。

また、図４はこの発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の別の構成を示す図である。図４の(ａ)は側面図、(ｂ)は上面図、(ｃ)は(ｂ)のＡ−Ａにおける拡大断面図である。

図４に示すように、導体２を上記所定の間隔の正の整数倍の距離、互いに離して分割した分離導体２ａ，２ｂとした場合でも、動作原理は同様であり、同様な効果を得ることができる。図４において、分離導体２ａの一端は板状導体５と皿子ネジ８により固定されてこれを介して地導体１０１と接続され、他端は導体３の一端と、分離導体２ａと導体３が略垂直または垂直となるように結合されている。また分離導体２ｂの一端は板状導体５と皿子ネジ８により固定されてこれを介して地導体１０１と接続され、他端は導体３と、分離導体２ｂと導体３が略垂直または垂直となるように結合されている。さらに、分離導体２ａと導体３の接続点から、分離導体２ｂと導体３の接続点までの距離は０．０５λ以下である。

以上のように、導体１からＬ字型導体４へ磁界結合給電させ、導体３の長さＬ３を変化させるとともに、導体２または分離導体２ａ，２ｂを柱状とし、これらを複数の穴６の空いた板状導体５を介して地導体１０１に接続し、導体２または分離導体２ａ，２ｂにネジ穴７を空け、皿子ネジ８を通す穴６を変更して、給電点１０２から導体２または分離導体２ａ，２ｂと板状導体５の接点までの距離Ｄを変化させることにより、機械的に入力インピーダンスを十分に調整できる低姿勢なアンテナ装置が得られる。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す図である。図５の(ａ)は側面図、(ｂ)は上面図、(ｃ)は(ｂ)のＡ−Ａにおける拡大断面図である。図５は、実施の形態１に係るアンテナ装置において、導体２を柱状としその下端面を複数の細長スリット９の空いた板状導体５ａに固定してこれを介して地導体１０１に接続し、細長スリット９とネジ１１とネジ穴１０により、板状導体５ａを地導体１０１上の上述の各導体１〜３が形成された平面に沿った方向に位置可変に固定する可動固定機構を実現した一例を示す。

図５のアンテナ装置では図１のアンテナ装置において、導体２を柱状(例えば四角柱)とし、導体２の下端面を実施の形態２の皿子ネジと穴とネジ穴(但しそれぞれ同数)又は溶接(共に図示省略)等により板状導体５ａ上面に固定し、板状導体５ａを介して地導体１０１に接続している。また、地導体１０１に複数個(図５では２個)の細長スリット９が空けられ、地導体１０１には各細長スリット９に対応する複数個(図５では２個)のネジ穴１０が空けられている。

さらに、板状導体５ａと地導体１０１は、細長スリット９にネジ１１を通し、導体２の固定位置に従って板状導体５ａをスライドさせた位置でネジ穴１０とネジ１１で固定される。

このようにすれば、給電点１０２から導体２と板状導体５ａの接点までの距離Ｄは、細長スリット９により板状導体５ａをネジ穴１０に対してスライドさせることにより、変化させることができる。

以上のように、導体１からＬ字型導体４へ磁界結合給電させ、導体３の長さＬ３を変化させるとともに、導体２を柱状とし、導体２を複数の細長スリット９の空いた板状導体５ａを介して地導体１０１に接続し、地導体１０１に各細長スリット９のためのネジ穴１０を空け、細長スリット９により板状導体５ａをネジ穴１０に対してスライドさせて固定するようにして、給電点１０２から導体２と板状導体５ａの接点までの距離Ｄを変化させることで、機械的に入力インピーダンスを十分に調整できる低姿勢なアンテナ装置が得られる。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の構成を示す図である。図６の(ａ)は側面図、(ｂ)は上面図、(ｃ)は(ｂ)のＡ−Ａにおける拡大断面図、(ｄ)は(ｂ)のＢ−Ｂにおける拡大断面図である。図６は、実施の形態２に係るアンテナ装置において、導体３を柱状とし、導体３にナット１４を設けたネジ穴１２を空け、ボルト１３のネジ穴１２への挿入量を変化させて導体長調整機構を実現した一例を示す。

図６のアンテナ装置では図３のアンテナ装置において、導体３を柱状とし、導体３にネジ穴１２が空けられている。また、またボルト１３にはナット１４が回して取り付けられている。そして、ネジ穴１２にボルト１３を回して挿入し、適当な位置で、ナット１４を導体３に密着させることにより、ボルト１３を固定する。

このようにすれば、導体３のボルト１３を設けていない一端側からボルト１３の先端までの長さＬ３は、ボルト１３のネジ穴１２への挿入量を調整することにより、変化させることができる。

以上のように、導体１からＬ字型導体４へ磁界結合給電させ、導体３を柱状とし、導体３にネジ穴１２を空け、ボルト１３のネジ穴１２への挿入量を調整する導体長調整機構により、導体３のボルト１３を設けていない一端側からボルト１３の先端までの長さＬ３を変化させるとともに、例えば図３に示した可動固定機構により給電点１０２から導体２と板状導体５の接点までの距離Ｄを変化させることにより、機械的に入力インピーダンスを十分に調整できる低姿勢なアンテナ装置が得られる。なお、上述の導体長調整機構を図３以外の可動固定機構と組み合わせてもよい。

実施の形態５．
図７はこの発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の構成を示す図である。図７の(ａ)は側面図、(ｂ)は上面図である。図７は、実施の形態１に係るアンテナ装置において、導体３と地導体１０１の間の一部に、誘電体又は導体１５を設置した一例を示す。

図７のアンテナ装置では、図１のアンテナ装置において、導体３と地導体１０１の間、ここでは地導体１０１上に誘電体又は導体１５が設置されている。誘電体又は導体１５を、導体３と地導体１０１の間に設置することにより、導体３と地導体１０１の間の寄生容量を増加させ、導体３の長さＬを短くすることができる。したがって、アンテナ装置を小形化することができる。

以上のように、導体１からＬ字型導体４へ磁界結合給電させ、導体３と地導体１０１の間に誘電体又は導体１５を設置し、導体３の長さＬ３と、給電点１０２から導体２と地導体１０１の接点までの距離Ｄを変化させることにより、機械的に入力インピーダンスを十分に調整できる低姿勢で小形なアンテナ装置が得られる。

以上の実施の形態１〜５では、地導体を平板状としているが、地導体の形状はこれに限定するものではなく、地導体を直方体、曲面状など任意の形状にしても、おおむね同様の効果を得ることができる。

なお、この発明は上記の各実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組み合わせを全て含むことは云うまでもない。

１ (第１の)導体、２ (第２の)導体、２ａ，２ｂ 分離導体、３ (第３の)導体、４ Ｌ字型導体、５，５ａ 板状導体、６ 穴、７，１０，１２ ネジ穴、８ 皿子ネジ、９ 細長スリット、１１ ネジ、１３ ボルト、１４ ナット、１５ 誘電体又は導体、１０１ 地導体、１０２ 給電点。

Claims (12)

1. 地導体上に、地導体と略直交する一平面内に前記地導体と共に導体のループを形成する給電部と、前記平面内で地導体から略垂直に延びる短片の導体に対し略直交する長片の導体が前記給電部の上方を前記地導体に沿って延びるＬ字型放射部と、が形成され、さらに、
   前記Ｌ字型放射部の長片の導体の長さを可変にする導体長調整機構と、
   前記Ｌ字型放射部の短片の導体を前記地導体上の前記平面に沿った方向に位置可変に固定する可動固定機構と、
   を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記給電部が、前記平面内に形成された一端が前記地導体に接続され他端が前記地導体との間で給電点となる前記地導体と共にループを形成する第１の導体を含み、
   前記Ｌ字型放射部が、前記平面内に形成された、一端が前記地導体に接続され前記地導体から略垂直に直線状に延びる短片を構成する第２の導体および前記第２の導体と略直交するように一端が前記第２の導体の他端に結合されて前記第１の導体の前記地導体と反対側を前記地導体に沿って直線状に延びる長片を構成する第３の導体を含み、
   前記可動固定機構が、前記Ｌ字型放射部の前記第２の導体の一端を、前記地導体上の前記平面に沿った方向に前記第１の導体の遠い方の端との距離が前記第３の導体の長さより短かくなる範囲で位置可変に固定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記可動固定機構が、ネジを前記地導体と反対側に突出させる複数の穴を前記地導体上の前記平面に沿った方向に所定間隔で設け、前記第２の導体の固定位置に従った前記穴で装着されたネジで前記第２の導体を固定する前記地導体上に固定される板状導体を含むことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第２の導体の一端側の端面に前記ネジを受けるネジ穴を設けたことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記第２の導体を互いに前記所定間隔の正の整数倍離して分割した２本の分離導体で構成し、それぞれの一端側の端面に前記ネジを受けるネジ穴を設けたことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
6. 前記可動固定機構が、上面に前記第２の導体の一端が固定されていると共にそれぞれ前記地導体上の前記平面に沿った方向に延びる複数の細長スリットを設け、前記細長スリットに沿ってスライドさせた前記各細長スリットの前記第２の導体の固定位置に従った位置で前記各細長スリットを介してネジにより前記地導体上に固定される板状導体を含むことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
7. 前記導体長調整機構が、前記第３の導体の端面に設けられた前記第３の導体の長手方向に延びるネジ穴と、前記ネジ穴と係合して回転しながら前記ネジ穴に出入りするボルトと、からなることを特徴とする請求項２から６までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
8. 前記第１から第３の導体の少なくとも１つを、前記平面に垂直な方向に幅を持たせた導体としたことを特徴とする請求項２から７までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
9. 前記第１から第３の導体の少なくとも１つを、太さを有する棒状の導体としたことを特徴とする請求項２から７までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
10. 前記Ｌ字型放射部の長片の第３の導体と前記地導体の間の一部に、寄生容量を増加させる誘電体又は導体を設置したことを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
11. 前記アンテナ装置の使用周波数帯域の中心周波数の波長をλとすると、前記Ｌ字型放射部の短片の第２の導体の長さを０．１λ以下とし、長片の第３の導体の長さを０．１５λ以上０．３λ以下としたことを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
12. 前記アンテナ装置の使用周波数帯域の中心周波数の波長をλとすると、前記２本の分離導体の前記地導体上の前記平面に沿った方向の互いの距離が０．０５λ以下であることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。

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