JP2005236672A

JP2005236672A - ボータイ型スロットアンテナ

Info

Publication number: JP2005236672A
Application number: JP2004043395A
Authority: JP
Inventors: Kamya Yekeh Yazdandoost; ヤズダンドゥーストカミヤイエケ; Ryuji Kono; 隆二河野
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2005-09-02
Also published as: EP1566858B1; EP1566858A1; DE602004015404D1; US7193576B2; US20050184919A1

Abstract

【課題】スロットの形状がボータイ型のスロットアンテナに関するものであり，ＵＷＢで使用できる超広帯域スロットアンテナを提供する。
【解決手段】絶縁基板と，絶縁基板の上面に設けられた金属層と，該金属層に設けられたスロットと，該金属層に接続された伝送線とを備えたスロットアンテナにおいて，スロットの形状は左右対称であり，該対称線をｙ軸とし，該ｙ軸上の一点を原点とし該原点を通るｙ軸に垂直な直線をｘ軸とし，該スロットのｙ軸方向の幅はｘの絶対値が大きくなるに従って大きくなるボータイ形状である。
【選択図】図１

Description

本発明は，スロットの形状がボータイ型スロットアンテナに関するものである。特に，周波数範囲が３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚの超広帯域に良好な特性をもつＵＷＢ（ＵｌｔｒａｗｉｄｅＢａｎｄ）システムで使用できる超広帯域のボータイ型スロットアンテナに関するものである。

無線通信システムにおいて，アンテナの性能とそのサイズは重要な要素であり，アンテナ性能の向上と小型化は無線通信システムの発展に大きく影響するものである。従来のアンテナでは，無線通信機器においてアンテナの限られた大きさで，超広帯域のバンド幅において効率および利得のようなアンテナのパラメータを確保することは非常に困難なことである。特に，高いデータ通信レートとパワー密度の小さいＵＷＢシステムにおいては一層難しいものである。

従来，携帯用の無線通信機器においては，マイクロストリップアンテナがその高さが低いこと，軽量であること，製造が容易で低コストである等の利点のために様々な応用分野において使用されている。

アンテナは，一般的に共振型かもしくは非共振型のいずれかに分けられる。共振型の場合，アンテナは共振周波数で動作し，アンテナに供給される電力のほとんど全部が放射される。しかし，受信周波数（もしくは送信周波数）がアンテナの共振周波数と異なると，供給される電力が有効に放射されない。そのため，共振アンテナでは共振周波数の異なる独立したアンテナを多数接続して広帯域化を計らなければならない。一方，非共振アンテナは広帯域に周波数範囲をカバーできる。しかし，十分なアンテナ効率を得るためには難しい設計を必要とする。さらに，アンテナサイズは小型軽量のＵＷＢシステムの無線機器に対応できるように小型でなければならない。

図１６は，従来の技術を示し，従来のマイクロストリップアンテナの例であって，基板に設けた金属層に矩形のスロットを設けたスロット型のマイクロストリップアンテナを示す。

図１６において，１１０は絶縁基板であって，絶縁材料により構成される。１１１は金属層であって，銅等の導電材料で作られたパッチである。１１２はスロットであって，金属層１１１に設けた矩形のスロットである。１１３は金属層と伝送線１１４を電気的に接続する導電性のピンである。１１４は絶縁基板１１０の下部に設けられた伝送線である。

従来のスロットアンテナは，絶縁基板１１０に金属層１１１のパッチが配置され，金属層１１１の中央にスロット１１２が設けられていた。また絶縁基板１１０の下部に伝送線１１４が設けられ，伝送線１１４と金属層１１１が，絶縁基板１１０を上下に貫通する導電性のピン１１３により接続されていた。

送信では，伝送線１１４に接続されている無線機器の送信回路から送られてくる送信信号は伝送線１１４から導電性のピン１１３を介して絶縁基板１１０の上部の金属層板１１１に伝送され，放射される。また受信では受信電波は金属層１１１により受信され，その信号は，導電性のピン１１３を介して伝送線１１４に伝えられ，伝送線１１４に接続されている無線機器の受信回路に伝送される（図１６のマイクロストリップアンテナは非特許文献８参照）。

従来のマイクロストリップアンテナは下記非特許文献〔１−６〕に報告されている。また，スロットアンテナは下記非特許文献〔７−８〕に報告されている。
G. Kumar and K. C. Gupta, "Directly coupled multi resonator wide-band microstrip antenna," IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. 33, pp. 588-593, June 1985. K. L. Wong and W. S. Hsu, "Broadband triangular microstrip antenna with U-shaped slot," Elec. Lett., vol. 33, pp. 2085-2087, 1997. F. Yang, X. X. Zhang, X. Ye, Y. Rahmat-Samii, "Wide-band E-shaped patch antenna for wireless communication," IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. 49, pp. 1094-1100, July 2001. A. K. Shackelford, K. F. Lee, and K. M. Luk, "Design of small-size wide-bandwidth microstrip-patch antenna," IEEE Antennas Propagation Magz., vol. 44, pp. 75-83, February 2003. J. Y. Chiou, J. Y. Sze, K. L. Wong, "A broad-band CPW-fed strip-loaded square slot antenna," ," IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. 51, pp. 719-721, April 2003. N. Herscovici, Z. Sipus, and D. Bonefacic, "Circularly polarized single-fed wide-band microstrip patch," IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. 51, pp. 1277-1280, June 2003. H. Iwasaki, "A circularly polarized small-size microstrip antenna with a cross slot," IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. 44, pp. 1399-1401, October 1996. W. S. Chen, "Single-feed dual-frequency rectangular microstrip antenna with square slot," Electron. Lett., Vol. 34, pp. 231-232, February 1998.

従来から使用されているマイクロストリップアンテナは，バンド幅が狭い欠点がある。小型，軽量で周波数帯域が広く，かつ製造コストの低い携帯型無線機器に使用できるアンテナの開発が望まれる。特に，周波数帯域が３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚにわたるＵＷＢの超広帯域のマイクロストリップアンテナが必要とされている。本発明は，ＵＷＢの無線通信システムに使用できる，超広帯域特性で歪みが小さく，全方向の放射特性を備える小型，軽量の携帯性の良いアンテナを実現することを目的とする。

本発明は，ＵＷＢの無線通信システムにおいて，オンチップもしくはスタンドアロンアンテナとして使用でき，３．１ＧＨｚ−１０．６ＧＨｚの超広帯域の周波数帯域で動作する小型の新しいボータイ型スロットアンテナを提供することを目的とする。

本発明は，絶縁基板と，絶縁基板の上面に設けられた金属層と，該金属層に設けられたスロットと，該金属層に接続された伝送線とを備えたスロットアンテナにおいて，スロットの形状は左右対称であり，該対称線をｙ軸とし，該ｙ軸上の一点を原点とし該原点を通るｙ軸に垂直な直線をｘ軸とし，該スロットのｙ軸方向の幅はｘの絶対値が大きくなるに従って大きくなるボータイ形状である構成をもつ。

本発明によれば，周波数帯域が３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚにわたるＵＷＢで使用できる超広帯域のマイクロストリップアンテナが実現できる。また，本発明のボータイ型スロットアンテナは，小型，軽量であるため携帯型無線機器に使用でき，かつ製造コストが低いものである。ＵＷＢの超広帯域の周波数帯域において小さいＶＳＷＲ特性を備え，また，その全周波数帯域において−７ｄＢより小さいリターンロスに抑制できる性能を備える。さらに，全周波数帯域において利得は４ｄＢｉ以上得られ，その放射パターンもその超広帯域の周波数帯域において，ほとんど一様である。そのため，周波数帯域が超広帯域で，送信電力が小さく，データの送信レートの高いＵＷＢの無線通信システムに高い性能で使用できるものである。

図１は本発明の実施の形態１を示す。図１（ａ）は平面図である。図１（ｂ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ’での断面図である。図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’での断面図である。

図１（ａ）において，１１は金属層であって，絶縁基板１０の上に配置されたものであって，例えば，銅，アルミニューム，金，銀，白金等の導電性の材料で構成されるものである。１２はスロットであって，金属層１１に設けたスロットである。金属層１１はスロットの内側に延在する延在部１５１を備える。図１（ａ）では延在部１５１に隣接するスロット１２は段階的に狭くされるもので，図１（ａ）では３段で段階的に狭くされる例を示す。１４はボータイ形状のスロット１２の辺の端部に設けた切り欠き部であり，左右のボータイ形状のスロット１２の上下の角の部分に設けられるものである。切り欠き部１４をスロット１２に設けることによりアンテナのＶＳＷＲ特性等のアンテナ特性を向上させることができる。１５はスルーホールであって，絶縁基板１０の上部の金属層１１の延在部１５１と絶縁基板１０の裏面（金属層１１のある面と反対の面）に設けた伝送線１６を接続するものであり，上下に貫通する円筒状の孔部の内面に導電性の金属膜を設け，内部を絶縁体で埋めたもの，もしくは孔部に導電性のピンを埋め込んでも良い。スルーホール１５の導電性の膜もしくはピンは銅，アルミニューム，金，銀，白金等の導電性の材料により構成される。

スロット１２の形状は左右対称であり，その対称線をｙ軸とし，該ｙ軸上の一点に原点を定め，その原点を通るｙ軸に垂直な直線をｘ軸とする。スロット１２の形状はボウタイ（蝶ネクタイ）の形状であって，スロット１２のｙ軸方向の幅はｘの絶対値が大きくなるに従って大きくなる。

図１（ｂ）において，１０は絶縁基板であって，テフロン，ＦＲ−４，シリコン等の絶縁材料により構成されるものである。１１は金属層である。１２はスロットである。

図１（ｃ）において，１０は絶縁基板である。１１は金属層である。１２はスロットである。１５はスルーホールである。１６は絶縁基板１０の下部に設けた伝送線であって，銅，アルミニューム，金，銀，白金等の導電性の材料により構成されるものである。

図１の構成において，スロット１２はボータイ型の形状をしている。またその形状は左右対称である。スルーホール１５は左右のボータイ形状のスロットの対称線に対応する位置に配置され，絶縁基板１０の裏面の伝送線１６と金属層１１の延在部１５１を電気的に接続する。また，金属層１１の延在部１５１に隣接する部分のスロット１２' の形状は延在部１５１の先端部に向かって段階的に幅を狭くする。図１の場合には，３段階で次第にスロット１２' の幅を狭くしている場合を例として示している。図１の構成において，伝送線に無線機器の送信回路もしくは受信回路が接続され，信号を放射する場合には送信電力は伝送線１６からスルーホール１５を介して金属層１１に伝送され，金属層１１から放射される。電波を受信する場合は，金属層１１で受信した受信電力はスルーホール１５を介して伝送線１６に伝送され，伝送線１６に接続されている無線機器の受信回路に伝送される。

上記のようにスロットをボータイ型に構成したことと延在部１５１に隣接する部分のスロットの幅を段階的に狭くしたことにより超広帯域の周波数帯域で良好なアンテナ特性を得ることができる。また，金属層１１と伝送線１６を接続するスルーホール１５の位置を左右のボータイ形状のスロットの対称線上にある延在部１５１に設けたことにより，良好なインピーダンス整合を得ることができる。また，その対称線上でスルーホール１５の位置を変更することによりアンテナの設計において容易に最適なインピーダンス整合をとることができる。

図２は本発明のスルーホールの実施の形態２であり，スルーホールにより伝送線と金属層を接続する構成を示す。図２（ａ）は，スルーホールに導電性のピンを埋め込んで絶縁基板上部の金属層と絶縁基板下部の伝送線を接続する場合を示す。図２（ａ）では，スルーホールの部分を拡大して図示している。図２（ｂ）は，円筒状のスルーホールの内面に導電層を設けその孔部の内側を絶縁性の材料で埋め，絶縁基板上部の金属層と絶縁基板下部の伝送線を接続する場合を示す。図２（ｃ）は図２（ｂ）の裏面からみた平面図を示す。

図２（ａ）において，１０は絶縁基板である。１１は絶縁基板１０の上部に設けた金属層であって，アンテナのエレメントを構成するものである。１６は絶縁基板の裏面に設けた伝送線である。伝送線１６と金属層１１を導電体で構成される円筒体をスルーホール１５に埋め込むことにより伝送線１６と金属層１１の電気的接続をとる。

図２（ｂ），（ｃ）は，円筒状のスルーホール１５の内面に導電膜１５２を設け，スルーホールの内部を絶縁体１５３で埋めたものである。導電膜１５２により伝送線１６と金属層１１の電気的接続をとる。

図３は本発明の実施の形態３であって，延在部１５１に隣接するスロットの部分が３段階でしだいに狭くなる場合について，具体的に設計した例を示す。金属層１１の外形は矩形であり，スロット１２および金属層１１はともに左右に対称的な形状である。座標軸の原点Ｏを矩形の形状の金属層１１の中心にとる。また，スロット１２の左右対称の線をｙ軸とし，座標軸の原点Ｏはｙ軸上にあるようにする。また，原点Ｏはスロット１２のボータイ形状の部分の上下対称の位置にあるように，原点Ｏを通ってｙ軸に垂直な直線をｘ軸とする。

スルーホール１５は図示するように，左右のボータイ形状のスロットの対称線上にあって，左右のボータイ形状のスロットの間に延びている金属層１１の延在部１５１の下端付近に設けられ，スルーホール１５を介して延在部１５１と伝送線１６を接続する。また，左右のボータイ型のスロットの上下の角の部分には図示のように切り欠き部１４を備える。伝送線１６およびスルーホール１５の構成の詳細は図４において後述する。

図３のスロットアンテナにおいて，絶縁基板１０はテフロンで構成され，厚さｈ＝０．４６ｍｍで比誘電率ε_r＝２．１７，損失係数ｔａｎδ＝０．０００６である。絶縁基板１０の上部に設けられた金属層１１は銅により構成され，その厚さは０．０１８ｍｍである。金属層１１とスロット１２は，テフロン等の絶縁基板に銅をあらかじめ張りつけてある材料をもとに，銅の一部を周知のエッチング技術を使用して除去することにより作成できる。あるいは，絶縁基板に導電ペイントにより図示されるような銅のパターンを印刷することにより作成することもできる。

伝送線１６が絶縁基板１０の裏面に印刷により設けられる。伝送線１６の材料は銅であり，厚さは０．０１８ｍｍである。例えば銅を含む導電性塗料を印刷することにより形成する。なお，絶縁基板の材料はテフロン以外にＦＲ−４等その他，様々な材料が使用でき，所定のアンテナ特性を得るために，その比誘電率，損失係数ｔａｎδ等のパラメータ，基板の厚さ，サイズ等に応じてスロットのサイズ等が決められる。

金属層１０の延在部１５１の下端付近で，ｙ軸上にスルーホール１５の中心があり，その内壁に銅の層が形成され，金属層１１と伝送線１６を電気的に接続する。アンテナエレメント（金属層１１）およびスロット１２のサイズは図３に示すとおりである。

図４は本発明の実施の形態４であって，図３に示す本発明の実施の形態３におけるスルーホールおよび伝送線のサイズの実施例を示す。伝送線１６は絶縁基板１０の裏面に設けられるものである。図３のスロットの延在部１５１の先端部に対応するスロットの下端部分（Ａ−Ａ’の線）が図４の伝送線１６の辺Ａ−Ａ’が絶縁基板１０の上下で一致するように備えられる。

図４において，伝送線１６は，Ｔ型伝送線であって，信号電力をスルーホールを介してて金属層１１に伝送する。Ｔ型の横長部分は５０Ωでインピーダンス整合をとり，同軸ケーブルに接続される。Ｔ型の縦長部分は絶縁基板１０の上部の金属層１１とインピーダンス整合をとる。伝送線１６はスルーホール１５を介して金属層１０に接続され，スルーホールの内壁は金属層１１および伝送線１６と同じ材料の銅で被覆され，厚さも金属層１１および伝送線１６と同じである。スルーホールの内部は絶縁体１５３で埋められ，絶縁体１５３の材料は絶縁基板１０と同じテフロンである。但し，絶縁基板１０と異なっていても差しつかえない。また，金属層１１，伝送線１６，スルーホールの導電膜の材料，厚さ等は互いに異なっていても良い。

図５〜図１５に本願発明の実施の形態３および４の実施例におけるアンテナの各種特性を示す。実施の形態３（図３）の金属層，絶縁基板，スロットの各サイズおよび実施の形態４（図４）のスルーホールおよび伝送線のサイズの場合のアンテナ特性を示す。本発明のアンテナのシミュレーションは，シミュレーションソフトウェアであるＡｎｓｏｆｔＤｅｓｉｇｎｅｒおよびＨＦＳＳ（ＨｉｇｈＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｔｒｕｃｔｕｒｅＳｉｍｕｌａｔｏｒ）で得られたものであり，両者において，ほぼ一致し，信頼性があるものであることが確認されている。

図５は本発明のスロットアンテナのＶＳＷＲの周波数特性であって，周波数範囲３．５−１０．６ＧＨｚの範囲で２．５より小さいＶＳＷＲ（定在波比）をもつことが示されている。

図６は本発明のスロットアンテナのリターンロスの周波数特性であって，全周波数範囲でリターンロスレベルを−７ｄＢ以下に抑制できる。

図７は本発明のスロットアンテナの利得の周波数特性であって，アンテナは全周波数範囲で利得は４ｄＢｉ以上得られる。

図８〜図１４は本発明のスロットアンテナのφ＝０°，φ＝９０°の放射特性を示す。各図において実線はφ＝０°，点線はφ＝９０°の場合をそれぞれ示す。図８は周波数が４ＧＨｚ，図９は周波数が５ＧＨｚ，図１０は周波数が６ＧＨｚ，図１１は周波数が７ＧＨｚ，図１２は周波数が８ＧＨｚ，図１３は周波数が９ＧＨｚ，図１４は周波数が１０ＧＨｚの場合を示す。

各周波数において，放射パターンはほとんど一様であることが示され，本発明のスロットアンテナが周波数が超広帯域で高いデータレートをもつＵＷＢ無線通信システムにおいて有効に利用できることが示されている。

図１５は，図３，４により構成される本発明のスロットアンテナの三次元の放射パターンを示す。放射パターンは三次元において一様であり，ＵＷＢ無線通信システムに有効であることが示されている。座標軸の原点および方向は図３に示すものである。ｚ軸は原点を通ってｘｙ面に垂直な方向である。

本発明のＵＷＢシステムで使用できる超広帯域ボータイ型スロットアンテナは，２．５より小さいＶＳＷＲが全周波数域の７０％以上で達成できる。全周波数範囲での利得は４ｄＢｉ以上得られる。また，アンテナのリターンロスは全周波数範囲で約−７ｄＢ以下に抑制される。放射パターンは全方向でほぼ一様である。これから，本発明のボータイ型スロットアンテナの特性が良いことが示されている。また，本発明の超広帯域ＵＷＢのボータイ型スロットアンテナは，上記のようにＵＷＢの超広帯域の周波数帯域で特性がすぐれているだけでなく，簡単な構成であり，軽量，小型サイズなので携帯型のＵＷＢの無線通信機器に有効に利用できる。

本発明の実施の形態１を示す図である。本発明の実施の形態２を示す図であって，スルーホールを示す図である。本発明の実施の形態３を示す図である。本発明の実施の形態４を示す図であって，スルーホールおよび伝送線を示す図である。本発明のスロットアンテナのＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。本発明のスロットアンテナのリターンロスの周波数特性を示す図である。本発明のスロットアンテナの利得の周波数特性を示す図である。本発明のスロットアンテナの周波数４ＧＨｚの放射特性を示す図である。本発明のスロットアンテナの周波数５ＧＨｚの放射特性を示す図である。本発明のスロットアンテナの周波数６ＧＨｚの放射特性を示す図である。本発明のスロットアンテナの周波数７ＧＨｚの放射特性を示す図である。本発明のスロットアンテナの周波数８ＧＨｚの放射特性を示す図である。本発明のスロットアンテナの周波数９ＧＨｚの放射特性を示す図である。本発明のスロットアンテナの周波数１０ＧＨｚの放射特性を示す図である。本発明のスロットアンテナの周波数６．８ＧＨｚにおける放射特性の三次元図である。従来の技術を示す図である。

符号の説明

１０：絶縁基板
１１：金属層
１２：スロット
１４：切り欠き部
１５：スルーホール
１５１：延在部
１６：伝送線

Claims

絶縁基板と，絶縁基板の上面に設けられた金属層と，該金属層に設けられたスロットと，該金属層に接続された伝送線とを備えたスロットアンテナにおいて，スロットの形状は左右対称であり，該対称線をｙ軸とし，該ｙ軸上の一点を原点とし，該原点を通るｙ軸に垂直な直線をｘ軸とし，該スロットのｙ軸方向の幅はｘの絶対値が大きくなるに従って大きくなるボータイ形状であることを特徴とするボータイ型スロットアンテナ。
該金属層は，左右対称のボータイ型のスロットの左右対称の対称線上でスロットの内部に延在する延在部を備え，該延在部に前記伝送線が接続されることを特徴とする請求項１に記載のボータイ型スロットアンテナ。
左右対称のボータイ型のスロットの該延在部に隣接する部分の形状は，該延在部の端部に向かうに従って幅が狭くなるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のボータイ型スロットアンテナ。
前記絶縁基板はスルーホールを備え，前記伝送線は前記絶縁基板の裏面に設けられ，該スルーホールの内面に設けた導電層，もしくはスルーホールに埋め込まれた導電体により前記伝送線と前記金属層とが接続されるものであることを特徴とする請求項１，２又は３に記載のボータイ型スロットアンテナ。
前記ボータイ型のスロットのｙ軸に平行な辺の上下の端部にｘ軸に平行な切り欠き部を備えることを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載のボータイ型スロットアンテナ。
前記金属層，前記伝送線，および前記スルーホールの導電層はそれぞれ銅，銀，白金，金もしくはアルミニュームのいずれか一つであることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５に記載のボータイ型スロットアンテナ。
絶縁基板の材料はテフロン，ＦＲ−４もしくはシリコンのいずれか一つであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６に記載のボータイ型スロットアンテナ。