(57)【要約】【課題】ラフな設計でも良好に指向性を制御可能なアンテナユニットを提供する。【解決手段】平面アンテナと、平面アンテナの面を前面に向けて収容する略直方体の金属製のケーシングと、を有し、ケーシングは、前面が開口しているとともに、上下左右側面のうち１面が開口しており、平面アンテナとケーシングの開口した側面を挟む２側面および背面との距離ａが、目的周波数の波長をλとして、それぞれλ／６≦ａ≦λ／２．２である。また、平面アンテナとケーシングの開口した側面に対向する側面との処理ｂが、λ／２０≦ｂ≦λ／４としてもよい。【選択図】図１
2014042142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面アンテナと、該平面アンテナの面を前面に向けて収容する略直方体の金属製のケーシングと、
を有し、
前記ケーシングは、前記前面が開口しているとともに、上下左右側面のうち１面が開口しており、
前記平面アンテナと前記ケーシングの前記開口した側面を挟む２側面および背面との距離ａが、目的周波数の波長をλとして、それぞれλ／６≦ａ≦λ／２．２である
アンテナユニット。
【請求項２】
前記距離ａが、λ／６≦ａ≦λ／４である請求項１に記載のアンテナユニット。
【請求項３】
前記平面アンテナと前記ケーシングの前記開口した側面に対向する側面との処理ｂが、λ／２０≦ｂ≦λ／４である請求項１または請求項２に記載のアンテナユニット。
【請求項４】
前記平面アンテナは、
エレメントが形成される側の辺である上辺および該上辺を挟む左辺および右辺を有するグラウンドパターンと、前記上辺から縦方向に形成され頂部で左右の分岐を有する縦エレメントと、前記縦エレメントの左側に形成され前記縦エレメントの前記左分岐に接続された左横エレメントと、前記縦エレメントの右側に形成され前記縦エレメントの前記右分岐に接続された右横エレメントと、一端が前記左横エレメントに接続され他端が前記グラウンドパターンに接続される左ショートスタブと、一端が前記右横エレメントに接続され他端が前記グラウンドパターンに接続される右ショートスタブと、が平面上に形成され、
前記左右の横エレメントは、縦横比率が２倍よりも小さい平板状であり、前記左ショートスタブは、前記グラウンドパターンの前記上辺の左端に接続され、前記右ショートスタブは、前記グラウンドパターンの前記上辺の右端に接続されているアンテナを、
９０度旋回させて、前記左右横エレメントが上下に縦に連なるように設置されたものである請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のアンテナユニット。
【請求項５】
前記左右のショートスタブは、前記左右の横エレメントから前記上辺の左右端に至る間、蛇行するように形成されている請求項４に記載のアンテナユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、反射器と平面アンテナとを備えたアンテナユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｗｉ−Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）など、２４５０ＭＨｚ帯を用いた各種の通信システムが実用化され、広く普及している。このため、同じ２４５０ＭＨｚ帯を用いる機器が近くに設置され、両機器のアンテナが相互に相手方向に指向性を有する場合がある。このような場合、一方のアンテナから放射された電波が、他方のアンテナにとっては不要電磁波となり通信品質の低下につながってしまうという問題が生じていた。
【０００３】
そこで、アンテナエレメント以外に金属部材を設け、アンテナの指向性を制御する提案がなされている（たとえば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１６１６１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のアンテナは以下の構成を有する。金属筐体としてアンテナ基板が収容される導波管接続部と、導波管接続部から引き出され、互いに異なる開口幅を有する２つの導波管とを有する。２つの導波管のうちどちらに電磁波を通過させるかを切り換えることにより、アンテナに指向性を持たせ、且つその指向性を切り換えることを可能にしている。
【０００６】
しかし、特許文献１のアンテナは、金属筐体を導波管として機能させるために、目的周波数の波長に応じた正確な寸法にする必要があり、クリティカルな設計を要する。ほぼ金属筐体に囲まれた状態でアンテナが設置されるため、アンテナが受ける金属筐体の影響が大きく調整が必要であり、アンテナ単独の設計では特性を十分保証できないという問題点があった。
【０００７】
この発明は、ラフな設計でも良好に指向性を制御可能なアンテナユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のアンテナユニットは、平面アンテナと、該平面アンテナの面を前面に向けて収容する略直方体の金属製のケーシングと、を有し、前記ケーシングは、前記前面が開口しているとともに、上下左右側面のうち１面が開口しており、前記平面アンテナと前記ケーシングの前記開口した側面を挟む２側面および背面との距離ａが、目的周波数の波長をλとして、それぞれλ／６≦ａ≦λ／２．２であることを特徴とする。
【０００９】
前記距離ａを、λ／６≦ａ≦λ／４の範囲としてもよい。
【００１０】
また、前記平面アンテナと前記ケーシングの前記開口した側面に対向する側面との処理ｂを、λ／２０≦ｂ≦λ／４としてもよい。
【００１１】
さらに、前記平面アンテナが、エレメントが形成される側の辺である上辺および該上辺を挟む左辺および右辺を有するグラウンドパターンと、前記上辺から縦方向に形成され頂部で左右の分岐を有する縦エレメントと、前記縦エレメントの左側に形成され前記縦エレメントの前記左分岐に接続された左横エレメントと、前記縦エレメントの右側に形成され前記縦エレメントの前記右分岐に接続された右横エレメントと、一端が前記左横エレメントに接続され他端が前記グラウンドパターンに接続される左ショートスタブと、一端が前記右横エレメントに接続され他端が前記グラウンドパターンに接続される右ショートスタブと、が平面上に形成され、前記左右の横エレメントは、縦横比率が２倍よりも小さい平板状であり、前記左ショートスタブは、前記グラウンドパターンの前記上辺の左端に接続され、前記右ショートスタブは、前記グラウンドパターンの前記上辺の右端に接続されているアンテナを、９０度旋回させて、前記左右横エレメントが上下に縦に連なるように設置されたものであってもよい。
【００１２】
上記平面アンテナの左右のショートスタブが、前記左右の横エレメントから前記上辺の左右端に至る間、蛇行するように形成されたものであってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、正面および一側面に開口部を有するケーシングに平面アンテナを収容し、アンテナとケーシングとの間の距離を信号波長λに対して所定長としているため、ラフな設計でも良好に指向性を制御することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施形態であるアンテナユニットの斜視図
【図２】アンテナユニットに内蔵される平面アンテナの構成図
【図３】平面アンテナの放射効率を示す図
【図４】平面アンテナの前後方向への指向特性を示す図
【図５】平面アンテナの上下方向への指向特性を示す図
【図６】アンテナユニットのケーシング内での平面アンテナの配置を示す図
【図７】平面アンテナとケーシングとの距離に応じたアンテナユニットの入力インピーダンスを示す図
【図８】アンテナユニットの前後方向への指向特性を示す図
【図９】アンテナユニットの上下方向への指向特性を示す図
【図１０】アンテナユニットが内蔵されるサウンドバーの設置形態を示す図
【図１１】ケーシングの他の実施形態を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図面を参照してこの発明の実施形態であるアンテナユニット１０について説明する。図１はアンテナユニット１０の斜視図である。図２はアンテナユニット１０に内蔵される平面アンテナ２０のパターンを示す図である。
【００１６】
図１に示すように、アンテナユニット１０は金属製のケーシング３０とその内部に収納された平面アンテナ２０を有している。これらは、これらを支持するプリント基板である親基板３１上に実装されている。ケーシング３０は、略直方体で上側面板３０Ｕ，背面板３０Ｂ，左側面板３０Ｌ，右側面板３０Ｒを有し、前面および下側面が開口している。平面アンテナは図２に示すようなプリント基板上に形成されたＴ型アンテナである。なお、このアンテナユニット１０は、たとえば、図１０に示すサウンドバー１に内蔵される。サウンドバー１とは、テレビ受像機２の前面下方に設置される外付けスピーカシステムである。サウンドバー１は、２４５０ＭＨｚ帯の電波を用いて制御信号やオーディオ信号を受信する。また、近年のテレビ受像機２は、Ｗｉ−Ｆｉ通信機能を備えており、テレビ受像機２の前方方向に２４５０ＭＨｚ帯の電磁波を放射する。なお、アンテナユニット１０は、ケーシング３０の開口部が非導電部材のプラスチックなどで覆われてもよく、サウンドバー１０などの樹脂製の筐体に収納されてもよい。
【００１７】
図２はアンテナユニット１０に内蔵される平面アンテナ２０の線路パターンを示す図である。平面アンテナ２０は、誘電体の回路基板１００上に貼付された銅箔をエッチング等でパターン形成することによって作成された平面状のパターンアンテナである。回路基板１００は、たとえば、ガラスエポキシＦＲ４（εｒ＝４）の１ｍｍ厚のものを用いればよい。
【００１８】
グラウンドパターン１０１は、誘電体基板１００表面の右側全幅にわたって略長方形に生成される。グラウンドパターン１０１の左辺中央に給電点１１０が設けられ、給電点１０から左方に縦エレメント１１１が取り出される。縦エレメント１１１は、給電点１１０から真っ直ぐ左行し、先端で上下に分岐して上下のアンテナエレメント１１２Ｕ，Ｄに接続される。これにより、平面アンテナ２０は垂直型のＴ型アンテナの形状をなす。上下のアンテナエレメント１１２Ｕ，Ｄは、縦エレメント１１１を軸として対称であるため、以下、上側のアンテナエレメント１１２Ｕについて説明する。
【００１９】
上側のアンテナエレメント１１２Ｕは、主エレメント１１３Ｕおよびショートスタブ１１４Ｕを有している。主エレメント１１３Ｕは略長方形に形成される。ショートスタブ１１４Ｕは、左右に蛇行しながら上左進し、グラウンドパターン１０１の左上端でグラウンドパターン１０１に接続される。主エレメント１１３Ｕを幅広にすることで、グラウンドパターン１０１との間に比較的大きい静電容量を持つことができ、平面アンテナ２０を容量装荷型アンテナにしている。また、端部のショートスタブ１１４Ｕは、上下方向への電波放射に寄与している。左ショートスタブ１１４Ｕは、徐々にパターン幅が狭くなるように形成されているが、パターン幅も任意である。平面アンテナ２０の目的とする共振周波数（波長）にあわせた電気長および幅に調整されればよい。なお、ショートスタブ１１４Ｕを、徐々に幅を狭めながら主エレメント１１３Ｕからグラウンドパターン１０１に到達させたことにより、グラウンドパターン１０１のサイズ変更に対して特性がクリティカルでなくなることが、実験で判明している。
【００２０】
以上は上側のアンテナエレメント１１２Ｕについて説明したが、下側のアンテナエレメント１１２Ｄは、上下が反転するのみで上側アンテナエレメント１１２Ｕと同形状であるため説明は省略する。
【００２１】
以上の形状のアンテナ１を適切な寸法で形成して、共振周波数を目的周波数である２．４５ＧＨｚ付近に設定すると以下のような特性が得られる。
【００２２】
図３は、２．４５ＧＨｚ近辺の周波数に共振させたアンテナ１の放射効率を示す図である。この図によれば、２．４〜２．５ＧＨｚの帯域において放射効率が７４％以上であり、λ／２ダイポールアンテナと同等の利得を得ることができている。このように、アンテナ１は、目的の２．４５ＧＨｚ帯を含む広い周波数帯で効率よく電磁界が放射されていることが判る。
【００２３】
また、平面アンテナ２０は、単独で図４、図５に示す指向特性を有する。なお、これらの図は２．４５ＧＨｚの水平偏波特性を示し、ゲイン値はアイソトロピックアンテナを基準とする値（ｄＢｉ）で示している。図４は、平面アンテナ２０の前後方向の指向特性を示す図である。平面アンテナ２０は単独では、前後方向に８の字特性の双指向性の特性を有している。最大ゲインは１．８ｄＢｉであり、ほぼダイポールアンテナと同等のゲインが得られている。図５は、平面アンテナ２０の垂直方向の指向特性を示す図である。ＸＹ平面においては、全方位に高いゲインを示している。
【００２４】
図６は、ケーシング３０（上側面板３０Ｕ，背面板３０Ｂ，左側面板３０Ｌ，右側面板３０Ｒ）内における平面アンテナ２０の配置を示す図である。同図（Ａ）は平面図、同図（Ｂ）は正面図である。なお、同図（Ａ）の平面図では、上側面板３０Ｕを図示せず内部構造を示している。
【００２５】
平面アンテナ２０からケーシング３０の左右側面板３０Ｌ，３０Ｒおよび背面板３０Ｂまでの距離をａ、平面アンテナ２０からケーシング３０の上側面板３０Ｕまでの距離をｂ、さらに、平面アンテナ２０からケーシング３０の前面開口端までの距離をｃとすると、これらのａ，ｂ，ｃが以下のような寸法範囲になるように平面アンテナ２０を配置することが好適である。
【００２６】
ａ：λ／６〜λ／４程度（２４５０ＭＨｚ帯の場合、２０ｍｍ〜３０ｍｍ程度）
なお、左側面、右側面、背面のａはそれぞれ同じでなくても良い。
ｂ：λ／２０〜λ／４程度（２４５０ＭＨｚ帯の場合、６ｍｍ〜３０ｍｍ程度）
ｃ：λ／２０程度（２４５０ＭＨｚ帯の場合、６ｍｍ程度）
【００２７】
ａ，ｂは、平面アンテナ２０の放射特性やインピーダンスマッチングに影響を与えるため、λ／４の寸法に設定されることが望ましい。ただし、上下方向の放射が不要な場合、ｂをλ／２０程度まで小さくすることが可能である。また、平面アンテナ２０として図２〜図５に示したように広帯域のアンテナを使用することで、ａ，ｂの寸法範囲に上記のようなマージンを与えることが可能になった。
【００２８】
また、ｃの大小は、斜め方向からの不要電磁波の遮蔽と前方方向への放射指向性に影響を与える。広範囲の放射指向性を確保するためにはｃを短くすることが好適であり、斜め後方からの不要電磁波の遮蔽性能を考慮しておおよそλ／２０程度が好適である。ただし、電波の放射指向性を狭くし、ＦＢ比を大きくしたい場合には、ｃをより大きくしてもよい。
【００２９】
ケーシング３０は、２４５０ＭＨｚの周波数に対して十分大きく高周波的にグラウンドとみなせるため、アンテナ側からみた金属筐体のインピーダンスＺｉｎは、平面アンテナ２０を極小ダイポールアンテナとみなして次式で近似することができる。
【００３０】
Ｚｉｎ＝ｊ１２０π・（２π／λ）・ａ・ｔａｎ（（２π／λ）・ａ）
ここで、ａは上記のケーシング３０との距離（ｍ）であり、ａを変化させたときのＺｉｎの変化を図７のグラフに示す。
【００３１】
ａ＜λ／４（約３０．６ｍｍ）のときは、Ｚｉｎが正値、すなわち誘導性インピーダンスであり、平面アンテナ２０から放射された電磁波の位相が、ケーシング３０上でλ／４遅れ、ケーシング３０が反射器のように作用する。また、ａ＞λ／４のときは、Ｚｉｎが負値、すなわち容量性インピーダンスであり、平面アンテナ２０から放射された電磁波の位相が、ケーシング３０上でλ／４進むが、ケーシング３０が高周波的にグラウンドとみなされるため導波器的な作用はない。
【００３２】
図７のグラフから解るように、Ｚｉｎが、自由空間インピーダンス（１２０π≒３７７Ω）とほぼ一致するのは、ａの値が約１６．８ｍｍ（約λ／７．３）のときである。したがって、ケーシング３０を反射器として機能させるには、Ｚｉｎの値がこれよりも大きい誘導性インピーダンスを持つようにａの値を設計すればよい。ただし、好適には、上述したように、λ／６≦ａ≦λ／４の範囲で設計するとよい。ただし、ａがλ／４を超えてＺｉｎが容量性になっても、λ／４≦ａ≦λ／２．２の範囲内ではインピーダンスの値が十分に大きい（３００Ω以上）ため、ケーシング３０を反射板として機能させることも可能である。
【００３３】
ａを上に述べた範囲内の値に設計することにより、ケーシング３０は反射器として機能し、平面アンテナ２０から放射された電磁波はケーシング３０で反射されて開口面から放射される。このように、ケーシング３０は、ａが、２０ｍｍ（λ／６）≦ａ≦５６ｍｍ（λ／２．２）となる範囲内で設計すればよいため、空洞共振器や導波管よりもラフな設計が可能である。
【００３４】
図８、図９は、図２〜図５に示す平面アンテナ２０を内蔵し、寸法ａ，ｂおよびｃを、それぞれλ／６、λ／２０およびλ／２０とした場合のアンテナユニット１０の指向特性を示す図である。これらの図は２．４５ＧＨｚの水平偏波特性を示し、ゲイン値はアイソトロピックアンテナを基準とする値（ｄＢｉ）で示している。図８はアンテナユニット１０の前後方向（水平面）の指向特性を示す図、図９はアンテナユニット１０の垂直方向の指向特性を示す図である。
【００３５】
図８において、水平面アンテナユニット１０の前方向すなわちケーシング３０の開口面方向に指向性を持った電波が放射されており、且つ左右方向にも広い指向性を有している。逆にケーシング３０で遮蔽されている後方へのゲインは小さく電波が放射されていない。
【００３６】
図９において、上側面側はケーシング３０によって遮蔽されているため、電波の放射が抑制されている。一方、下方向および左右方向へは効率よく放射されている。なお、右方向の利得の落ち込みは平面アンテナ２０のグラウンドパターン１０１によるものである。なお、上側面を開口し下側面を遮蔽すれば、図９の上下を逆転した特性が得られる。
【００３７】
図１０は、アンテナユニット１０を内蔵したサウンドバー１の設置形態を示す図である。テレビ台４の上にテレビ受像機２が設置され、その手前のテレビ台４上にサウンドバー１が設置される。また、テレビ台４の内部には独立したサブウーファユニット３が設置される。サウンドバー１は、左右に左右チャンネルのスピーカ１１Ｌ，１１Ｒを有するとともに、中央にセンタスピーカ１２を有する。そして、中央やや左よりにアンテナユニット１０が設けられている。また、サブウーファユニット３には、サブウーファスピーカ１５が設けられている。また、テレビ受像機２の画面下方にはＷｉ−Ｆｉ用のアンテナ２Ａが設けられており、アンテナユニット１０は、テレビ受像機のアンテナ２Ａから放射される電磁波を背後から浴びることになる。アンテナユニット１０は、上に述べた構成を備えていることにより、背後から電磁波を受けてもこれを効率よく遮断し、また背後のアンテナ２Ａに対して強く電磁波を放射することもない。
【００３８】
また、図１１は、本発明のアンテナユニット１０のケーシング３０の変形例を示す図である。このアンテナユニット１０のケーシング３０は、左右側面板３０Ｌ，３０Ｒ、および、上側面板３０Ｕの前方開口端に、外方向に広がるフランジ３００Ｌ，３００Ｒ，３００Ｕを設けた。これらフランジ３００Ｌ，３００Ｒ，３００Ｕを設けたことにより、前方方向に広い指向性を確保しつつ、背後からの不要電磁波のケーシング３０のエッジによる回折を遮断して後方の指向特性をより良好にすることができる。
【００３９】
この実施形態では、ケーシング３０に収容される平面アンテナ２０をプリント基板１００上に形成したパターンアンテナとしたが、この発明の平面アンテナはパターンアンテナに限定されない。また、ケーシング３０の素材は金属に限定されない。また、アンテナユニット１０（平面アンテナ２０）の目的周波数は２４５０ＭＨｚ帯に限定されない。より高くても低くてもよい。各部の寸法をその目的周波数に応じて設計すればよい。
【符号の説明】
【００４０】
１  サウンドバー（外付けスピーカシステム）
２  テレビ受像機
２Ａ  Ｗｉ−Ｆｉアンテナ
１０  アンテナユニット
２０  平面アンテナ
３０  ケーシング
３０Ｌ  左側面板
３０Ｒ  右側面板
３０Ｕ  上側面板
３０Ｂ  背面板
３１  親基板
１００  プリント基板
１０１  グラウンドパターン
１１０  給電点
１１１  垂直エレメント
１１３Ｕ，Ｄ  主エレメント
１１４Ｕ，Ｄ  ショートスタブ
３００Ｌ，３００Ｒ，３００Ｕ  フランジ
【図１】
2014042142.tif 000003
【図２】
2014042142.tif 000004
【図３】
2014042142.tif 000005
【図４】
2014042142.tif 000006
【図５】
2014042142.tif 000007
【図６】
2014042142.tif 000008
【図７】
2014042142.tif 000009
【図８】
2014042142.tif 000010
【図９】
2014042142.tif 000011
【図１０】
2014042142.tif 000012
【図１１】
2014042142.tif 000013