JP2007027808A - 広帯域アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 誘電体を用いない場合でも、放射素子の小型化が可能な薄型の広帯域アンテナ装置を提供すること。
【解決手段】 グランド板１２と、このグランド板が延在する面と同一平面（ｘ、ｙ）上に設けられた扁平形状の放射素子１４とを有する広帯域アンテナ装置１０において、放射素子１４が楕円形をしている。放射素子１４とグランド板１２との間が所定の給電間隔Δ_ＦＤだけ離間している。楕円形のｘ方向の外径２ａ_ｏｕｔと楕円形のｙ方向の外径２ｂ_ｏｕｔとの比は、８：５である。楕円形の放射素子１４は、当該楕円形と同心Ｏの楕円開口１４ａを持つ。楕円形のｙ方向における楕円開口１４ａの内径２ｂ_ｉｎは、楕円形のｙ方向の外径２ｂ_ｏｕｔの半分である。楕円形のｘ方向における楕円開口１４ａの内径２ａ_ｉｎは、楕円形のｘ方向の外径２ａ_ｏｕｔの半分以下であることが望ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、広帯域アンテナ装置に関し、特に、ＵＷＢ（Ultra Wide band）用アンテナに関する。

ＵＷＢとは、その名の通り超広帯域無線を意味し、中心周波数の２５％以上、または１．５ＧＨｚ以上の帯域幅を占有する無線伝送方式を指す広義の用語である。一言でいうと、超広帯域の短パルス（通常１ｎｓ以下）を用いて通信し、無線に革命を起こすような技術である。

従来の無線とＵＷＢとの決定的な違いは、搬送波の有無だといえる。従来の無線では、搬送波と呼ばれるある周波数の正弦波を様々な方法で変調し、データを送受信する。これに対して、ＵＷＢではその搬送波を使わない。ＵＷＢの定義にも書いたように、超広帯域の短パルスを用いる。

ＵＷＢはその名のとおり、超広帯域な周波数帯域をもっている。一方、従来の無線は狭い周波数帯域しかもっていない。それは、周波数帯域の狭いほうが電波を活用できるからである。電波は有限な資源である。では、どうしてＵＷＢは超広帯域であるにも拘らず、注目されているかというと、各周波数での出力エネルギーにある。ＵＷＢは周波数帯域が広い代わりに各周波数での出力が非常に小さい。その大きさは、ノイズに埋もれてしまうくらいなので、他の無線通信との干渉は非常に少ないといえる。ＦＣＣ（Federal Communications Commission：米連邦通信委員会）が許可するのに条件付きとしたのも、他の無線通信との干渉が問題とならないように配慮したためである。

ＵＷＢは超広帯域であるため、既存の無線通信サービスと帯域がかぶってしまう。そのため、現在はＵＷＢの帯域は３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚの間に限定されている状況にある。

また、アンテナは基本的に共振現象を利用している。アンテナはその長さによって共振する周波数が決まってしまうのであるが、多くの周波数成分を含むＵＷＢでは共振させることが難しい。したがって、送信したい電波の周波数帯域が広くなればなるほど、その分アンテナの設計が難しくなる。

太陽誘電は、近距離無線通信の世界で、大容量データ伝送と低消費電力を同時に実現できる次世代技術として、今最も注目を集めているＵＷＢ向けに、１０ｍｍ×８ｍｍの形状で厚さわずか１ｍｍという超小型のセラミックチップアンテナの開発に成功した。このアンテナの開発により、今まで軍事用途に限られていたＵＷＢを、ＰＤＰ（Plasma Display Panel）テレビやデジタルカメラ等デジタル機器同士のデータを超高速でつなぐなどの民生用途に広げ、モバイルまで視野に入れた機器の小型化が可能となる。

尚、このようなＵＷＢ用アンテナは、Bluetooth（商標）や無線ＬＡＮ（Local Area Network）等の用途に使用され得る。

Bluetoothは、比較的狭い範囲での音声およびデータのワイヤレス通信を、デスクトップおよびノートトップコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、携帯電話、プリンタ、スキャナ、デジタルカメラ、さらには家電製品の間で実現する先端テクノロジーのための一般公開された規格である。Bluetoothは、地球のどこでも利用できる２．４ＧＨｚ帯域の電波を使って動作するので世界中で利用できる。簡単に言えば、Bluetoothを利用するとデジタル周辺機器との接続にケーブルは不要となり、ケーブル接続にともなう面倒はすべて過去のものとなる。

無線ＬＡＮとは、電波や赤外線など、有線ケーブル以外の伝送路を利用したＬＡＮをいう。

従来から種々の広帯域アンテナ装置が提案されている。例えば、目的とする周波数特性に合わせ込んだ広帯域アンテナ装置を形成し、不必要な周波数帯域からの被干渉、目的外の周波数帯域への与干渉を低減させることができる広帯域アンテナ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に開示されている広帯域アンテナ装置は、平面導体地板と、この平面導体地板の面上に当該平面導体地板と交差する方向に立てられて使用される平面放射導体とを有する。平面放射導体の外周部、あるいは、その近傍に給電点が設けられている。平面放射導体には、当該平面放射導体の一部分を切り取ることにより形成する切取部分を１つ以上設けている。

また、コスト面や使用目的、あるいは、機器への実装面などの問題に対応し、製造コストを安価にし、広帯域で、かつ、小型の広帯域アンテナ装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に開示されている広帯域アンテナ装置は、平面導体地板と、この平面導体地板の面上に当該平面導体地板と交差する方向に立てられて使用される多角形平面放射導体とを有する。そして、多角形平面放射導体の頂点を給電点としている。

さらに、放射導体として平面状放射導体を用いた広帯域アンテナ装置であって、より小型化が可能な広帯域アンテナ装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。この特許文献３に開示されている広帯域アンテナ装置は、平面導体地板と、この平面導体地板の面上に当該平面導体地板と交差する方向に立てるように配置されている平面放射導体とを有する。平面放射導体は、平面導体地板の面上に立てられた状態にあるときに、平面導体地板と交差する方向に並べて配置するようにされる複数の導体部分を有する。導電率が概ね０．１以上１０．０以下となる低導電率部材によって、複数の導体部分の間を接続して形成している。

また、低背位化した広帯域アンテナ装置が知られている（例えば、特許文献４参照）。この特許文献４に開示されている広帯域アンテナ装置は、電力を伝送するための給電線により接続され、少なくともその一部が互いに対向するように配設された導体地板と放射導体とを備えている。導体地板と放射導体の対向する部位の間に、使用無線周波数における導電率が概ね０．１以上１０以下となる物質を介在させている。

一方、本発明者らは、広帯域化が可能で、周波数特性の改善を図ることができるＵＷＢ用アンテナを既に提案している（例えば、特許文献５参照）。この特許文献５に開示されたＵＷＢ用アンテナは、上側誘電体と、下側誘電体と、それらの間に挟まれた導体パターンとから成る放射素子を備えている。導体パターンは、前面の略中央部に給電点を持ち、この給電点から右側面および左側面へそれぞれ所定の角度で広がる右側テーパ部および左側テーパ部を持つ逆三角形部分と、この逆三角形部分の上辺に底辺が接する矩形部分とから構成されている。尚、導体パターンの給電点には、その導体パターン（放射素子）と同一平面内に延在するグラント板が電気的に接続される。

特開２００３−２７３６３８号公報 特開２００３−２８３２３３号公報 特開２００３−３０４１１４号公報 特開２００３−３０４１１５号公報 特開２００５−９４４３７号公報

上述した特許文献１〜３に開示された広帯域アンテナ装置では、平面放射導体は、平面導体地板の面上に当該平面導体地板と交差する方向に立てられている。そのため、広帯域アンテナ装置の背が高くなってしまう。

一方、特許文献４に開示された広帯域アンテナ装置では、導体地板と放射導体とが互いに対向するように配設されるので、ある程度の厚さがあり、薄型化が困難である。

また、特許文献５に開示されたＵＷＢ用アンテナでは、放射素子が導体パターンを上側誘電体と下側誘電体とで挟み込む構造を有するので、上記特許文献４の場合と同様に、ある程度の厚さがあり、薄型化には不向きである。

そこで、本発明者らは、誘電体を用いない、薄型のＵＷＢ用アンテナを試作してみた。しかしながら、その場合、ＵＷＢ用アンテナの放射素子の大きさが、４０ｍｍ×３５ｍｍほどの大きさになり、小型化できないということが分かった。

したがって、本発明の課題は、誘電体を用いない場合でも、放射素子の小型化が可能な薄型の広帯域アンテナ装置を提供することにある。

本発明によれば、グランド板（１２）と、該グランド板が延在する面と同一平面（ｘ、ｙ）上に設けられた扁平形状の放射素子（１４）とを有する広帯域アンテナ装置（１０）において、前記放射素子（１４）が楕円形をしていることを特徴とする広帯域アンテナ装置が得られる。

上記本発明の広帯域アンテナ装置において、前記放射素子（１４）と前記グランド板（１２）との間が所定の給電間隔（Δ_ＦＤ）だけ離間していて良い。また、前記楕円形の長軸方向（ｘ）の外径（２ａ_ｏｕｔ）と前記楕円形の短軸方向（ｙ）の外径（２ｂ_ｏｕｔ）との比は、例えば、８：５であって良い。前記楕円形の放射素子（１４）が、当該楕円形と同心（Ｏ）の楕円開口（１４ａ）を持つことが好ましい。前記楕円形の短軸方向（ｙ）における前記楕円開口（１４ａ）の内径（２ｂ_ｉｎ）は、例えば、前記楕円形の短軸方向（ｙ）の外径（２ｂ_ｏｕｔ）の半分であって良い。また、楕円形の長軸方向（ｘ）における前記楕円開口（１４ａ）の内径（２ａ_ｉｎ）は、前記楕円形の長軸方向（ｘ）の外径（２ａ_ｏｕｔ）の半分以下であることが好ましい。

尚、上記括弧内の符号は、本発明の理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、これらに限定されないのは勿論である。

本発明では、グランド板が延在する面と同一平面上に扁平形状の放射素子を設け、その放射素子の形状を楕円形状としたので、誘電体を用いない場合でも、放射素子を小型化できるという効果を奏する。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１を参照して、本発明の一実施の形態に係る広帯域アンテナ装置１０について説明する。図１において、（ａ）は広帯域アンテナ装置１０の平面図、（ｂ）は広帯域アンテナ装置１０に使用される放射素子１４を拡大して示す拡大平面図である。広帯域アンテナ装置１０は、グランド板１２と放射素子１４とから構成されている。ここでは、図１（ａ）に示されるように、放射素子１４の中心を原点Ｏにとり、横方向（幅方向、水平方向）にｘ軸を取り、縦方向（長さ方向、上下方向）にｙ軸を取っている。

グランド板１２は、幅（横）Ｌｘ、長さ（縦）Ｌｙを持つ矩形形状をしている。図示の例では、幅（横）Ｌｘが４５ｍｍで、長さ（縦）Ｌｙが４５ｍｍである。すなわち、グランド板１２は正方形をしている。

このグランド板１２の上端（上辺）１２ｕに近接して中央より右側よりに、放射素子１４が配置されている。この放射素子１４は、グランド板１２が延在する面と同一平面（ｘ、ｙ）上に設けられた扁平形状をしている。放射素子１４は導体板から成る。したがって、上記特許文献に開示されたＵＷＢ用アンテナの放射素子のような誘電体を用いていない。

以下、図１（ｂ）を参照して、放射素子１４の構成について詳述する。放射素子１４は楕円形をしている。すなわち、楕円のｘ方向（長軸方向）の外径を２ａ_ｏｕｔ、ｙ方向（短軸方向）の外径を２ｂ_ｏｕｔとすると、放射素子１４の外形は、平面（ｘ、ｙ）上、ｘ^２／ａ_ｏｕｔ ^２＋ｙ^２／ｂ_ｏｕｔ ^２＝１（ａ_ｏｕｔ＞ｂ_ｏｕｔ＞０）で表される楕円形状をしている。図示の例では、長軸方向（ｘ方向）の外径２ａ_ｏｕｔは２４ｍｍであり、短軸方向（ｙ方向）の外径２ｂ_ｏｕｔは１５ｍｍである。すなわち、楕円形の長軸方向の外径２ａ_ｏｕｔと楕円形の長軸方向の外径２ｂ_ｏｕｔとの比が、８：５である。

図１（ｂ）に示されるように、放射素子１４とグランド板１２との間は、所定の給電間隔Δ_ＦＤだけ離間している。この給電間隔Δ_ＦＤを介して、グランド板１２へのグランド給電点Ｑ、放射素子１４への信号給電点Ｐｏが設けられている。図示の例では、この給電間隔Δ_ＦＤは０．３７５ｍｍである。

図示の例では、楕円形の放射素子１４は、当該楕円形と同心Ｏの楕円開口１４ａを持っている。但し、後述するように、この楕円開口１４ａは無くても良い。ここでは、楕円形のｘ方向（長軸方向）における楕円開口１４ａの内径（すなわち、ｘ方向の内径）を２ａ_ｉｎで、楕円形のｙ方向（短軸方向）における楕円開口１４ａの内径（すなわち、ｙ方向の内径）を２ｂ_ｉｎで表している。図示の例では、ｙ方向の内半径ｂ_ｉｎを、ｂ_ｉｎ＝３．７５ｍｍに設定している。したがって、ｙ方向の内径２ｂ_ｉｎは７．５ｍｍである。換言すれば、楕円形のｙ方向（短軸方向）における楕円開口１４ａの内径（ｙ方向の内径）２ｂ_ｉｎは、楕円形のｙ方向（短軸方向）の外径２ｂ_ｏｕｔの半分に等しい。

この技術分野において周知のように、一般的に、アンテナ装置として必要なアンテナ特性としては、電圧定在波比（ＶＳＷＲ）は出来るだけ１に近いことが好ましい。望ましくは、ＶＳＷＲは２以下であれば良い。

図２に、ｘ方向の内半径ａ_ｉｎを変化させたときのＶＳＷＲ特性を示す。図示のＶＳＷＲ特性は、ＦＤＴＤ法（Finite Difference Time Domain Method）を用いて解析したものである。尚、前述したように、ｙ方向の内半径ｂ_ｉｎを３．７５ｍｍに固定している。図２において、横軸は周波数（frequency）［ＧＨｚ］を示し、縦軸はＶＳＷＲを示す。

図２から、楕円開口１４ａが無い場合（ａ_ｉｎ＝０ｍｍ、ｂ_ｉｎ＝０ｍｍ）においても、３ＧＨｚから１１ＧＨｚにわたる広い周波数範囲において、ＶＳＷＲが２以下になっていることが分かる。また、ｘ方向の内半径ａ_ｉｎが３ｍｍの場合では、楕円開口１４ａが無い場合と実質的に同じＶＳＷＲ特性を有していることが分かる。さらに、ｘ方向の内半径ａ_ｉｎが６ｍｍの場合では、楕円開口１４ａが無い場合と比較して、ＶＳＷＲ特性が改善されていることが分かる。しかしながら、ｘ方向の内半径ａ_ｉｎが９ｍｍの場合では、楕円開口１４ａが無い場合と比較して、ＶＳＷＲ特性が悪化してしまうことが分かる。

以上のことから、楕円形のｘ方向（長軸方向）における楕円開口１４ａの内径２ａ_ｉｎは、楕円形のｘ方向（長軸方向）の外径２ａ_ｏｕｔの半分以下であれば、ＶＳＷＲ特性は、楕円開口１４ａが無い場合と同等かそれよりも改善されることが分かる。

以上の説明から明らかなように、放射素子１４を楕円形（好ましくは楕円開口を持つ）にすることにより、誘電体を使わずに、３ＧＨｚから１１ＧＨｚにわたるＶＳＷＲの広帯域特性を実現することができる。その結果、誘電体を用いない場合でも、小型化が可能な薄型の広帯域アンテナ装置を提供することできる。

以上、本発明について好ましい実施の形態によって説明してきたが、本発明は上述した実施の形態に限定しないのは勿論である。例えば、グランド板１２の大きさは、上述した実施の形態のものに限定されない。また、放射素子１４の楕円形の縦横の比率も、上述した実施の形態のものに限定されない。さらに、放射素子１４に設けた楕円開口１４ａの大きさも、上述した実施の形態のものに限定されない。

本発明の一実施の形態に係る広帯域アンテナ装置の構成を示し、（ａ）は広帯域アンテナ装置の平面図、（ｂ）は広帯域アンテナ装置に使用される放射素子を拡大して示す拡大平面図である。 図１に示した広帯域アンテナ装置において、ｘ方向の内半径を変化させたときのＶＳＷＲ特性を示す図である。

符号の説明

１０ 広帯域アンテナ装置
１２ グランド板
１４ 楕円形の放射素子
１４ａ 楕円開口

Claims (6)

1. グランド板と、該グランド板が延在する面と同一平面上に設けられた扁平形状の放射素子とを有する広帯域アンテナ装置において、前記放射素子が楕円形をしていることを特徴とする広帯域アンテナ装置。
2. 前記放射素子と前記グランド板との間が所定の給電間隔だけ離間している、請求項１に記載の広帯域アンテナ装置。
3. 前記楕円形の長軸方向の外径と前記楕円形の短軸方向の外径との比が、８：５である、請求項１又は２に記載の広帯域アンテナ装置。
4. 前記楕円形の放射素子が、当該楕円形と同心の楕円開口を持つ、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の広帯域アンテナ装置。
5. 前記楕円形の短軸方向における前記楕円開口の内径が、前記楕円形の短軸方向の外径の半分である、請求項４に記載の広帯域アンテナ装置。
6. 前記楕円形の長軸方向における前記楕円開口の内径が、前記楕円形の長軸方向の外径の半分以下である、請求項４又は５に記載の広帯域アンテナ装置。
   

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