KR101202969B1

KR101202969B1 - 광대역 안테나

Info

Publication number: KR101202969B1
Application number: KR1020087004710A
Authority: KR
Inventors: 준시앙 게; 와수케 야나기사와; 료 호리에
Original assignee: 가부시키가이샤 요코오
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2012-11-20
Anticipated expiration: 2026-08-03
Also published as: CN101263632B; JP4450323B2; US8604979B2; JP2007043582A; CN101263632A; WO2007015583A1; US20100220023A1; EP1921712A1; KR20080034971A

Abstract

본 발명은 초광대역이며 고성능이고 또한 저비용의 광대역 안테나를 제공한다. 더블?실린더?리지 도파관의 개구 단면 구조의 일부를 이루는 안테나 엘리먼트를 평면 위에 전개하여 이루어진다. 안테나 엘리먼트는 리지부에 상당하는 안테나 특성 조정용의 리지 엘리먼트부(21)와, 전자파 방사용의 방사 엘리먼트부(22)를 갖고, 리지 엘리먼트부(21)의 대략 선단부에 급전단자(24)가 형성되어 있다. 그라운드부(23a, 23b)는 그라운드 전위로 유지되고, 또한, 급전단자(24)를 코플레이너 도파로로서 외부로 유도하는 구조로 한다.

광대역 안테나, 안테나 엘리먼트, 리지 엘리먼트, 방사 엘리먼트, 급전단자, 기립 엘리먼트

Description

광대역 안테나{Broad band antenna}

본 발명은 UWB(Ultra Wide Band)와 같은 광대역 통신 시스템 및 무선 LAN(Local Area Network)의 안테나, 특히 이동체 단말의 안테나로서 적합하게 되는 광대역 안테나에 관한 것이다.

최근, UWB를 응용한 광대역 통신 시스템 및 무선 LAN이 여러 분야에서 응용되고 있다. 예를 들면, UWB나 무선 LAN에 의한 통신 기능을 갖는 퍼스널 컴퓨터(이하, 「PC」라고 약칭함), 휴대전화, PDA(Personal Digital Assistance) 등의 이동체 단말이 등장하고 있다.

UWB에서는 여러 대역의 주파수를 사용하기 때문에, UWB용의 안테나도 가능한 한, 광대역인 것이 요망되고 있다. 특히, 이동체 단말에 장착되는 안테나에는 소형이고 저비용이면서, 고성능이고 광대역인 것이 요망되고 있다.

종래의 이동체 단말용의 안테나에는 그 설치 부위의 문제, 및, 접지도체, 즉 그라운드부의 사이즈 문제가 있었다. 이동체 단말에는 PC, 휴대전화, PDA 등과같이 여러 종류가 있지만, 같은 종류라도, 메이커, 기종에 따라서도 케이스의 형상이 다르다. 같은 기종이라도, 신기능이 부가될 때마다 디자인 등이 변경되는 것이 통상이다. 종래의 광대역 안테나는 그라운드부와 방사 엘리먼트부에서 협동하여 안 테나를 구성하고 있기 때문에, 광대역성을 실현할 수 없고, 안테나의 설치 부위가 변경되거나, 그라운드부의 사이즈가 다르면, 그것에 따라 안테나 성능이 현저하게 변화하여 버리는 문제가 있었다.

본 발명은 그 설치 부위의 변경 내지 그라운드부의 사이즈에 영향받지 않고, 광대역성을 유지할 수 있는 광대역 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 제공하는 광대역 안테나는 리지 도파관의 개구 단면 구조의 일부 또는 전부를 이루고, 평면 위에 전개되는, 안테나 특성 조정용의 리지 엘리먼트부와, 전자파 방사용의 방사 엘리먼트부를 갖는다. 이 방사 엘리먼트부는 상기 리지 엘리먼트부로부터 연장되어 있다. 상기 리지 엘리먼트부는 상기 리지 도파관의 리지부에 상당하는 조정부와, 급전을 받기 위한 급전부를 갖는다. 1개의 프린트 기판 상에, 안테나 엘리먼트와 접지 도체 패턴을 일체로 형성한 구성으로 하여도 좋다.

또한, 상기 방사 엘리먼트부 또는 상기 리지 엘리먼트부에 용량 결합되는 전자파 방사용의 용량 결합 방사 엘리먼트를 더 구비하여도 좋다. 이 경우, 상기 방사 엘리먼트부는 제 1 주파수대에서 사용 가능한 사이즈이고, 상기 용량 결합 방사 엘리먼트는 상기 제 1 주파수대보다도 저대역측의 제 2 주파수대에서 사용 가능한 사이즈로 구성할 수 있다.

또한, 상기 용량 결합 방사 엘리먼트부는 상기 방사 엘리먼트와 동일 패턴 또는 좌우 대칭 패턴으로 형성되도록 구성하여도 좋다.

리지 도파관을 통과하는 전자파에는 TE 모드파와 TM 모드파가 있다. TE 모드파의 파동 임피던스(Zw)와, TM 모드파의 임피던스(Ze)는 각각 아래와 같다.

Zw = Zo/√(1-(fc/f)^ 2)

Ze = Zo?√(1-(fc/f)^ 2)

단, Zo = 120π?√(μr/εr), μr은 전파매체의 비투자율, εr은 전파매체의 비유전율이다. 자유공간의 경우, μr=εr=1, Zo는 120π가 된다. 신호의 주파수(f)가 도파관의 차단 주파수(fc)보다도 높으면, 그 신호가 이 리지 도파관을 통과한다. 만약, 신호의 주파수(f)가 차단 주파수(fc)보다도 끝없이 높다고 하면, Zw 및 Ze의 값은 자유공간에서의 Zo와 마찬가지로 120π가 된다. 리지 도파관은 예를 들면 같은 단면 사이즈의 통상의 직사각형 도파관보다도 차단 주파수(fc)가 낮다. 따라서, 사용 가능한 주파수를 낮게 하면서, 광대역성을 유지한 안테나를 실현할 수 있다. 또한, 리지 엘리먼트부와 같은 면부를 갖고 있기 때문에, 예를 들면 와이어를 권회하는 경우보다도 정합하는 범위가 넓어진다. 요컨대, 전자파의 방사체로서의 기능을 가지면서, 급전단자에서의 부정합을 억제할 수도 있다. 설계, 제조시에는 사용이 예정되는 최저 주파수만을 고려하면 되기 때문에, 양산화가 용이하게 되어, 저비용화도 실현할 수 있다. 따라서, 본 발명의 광대역 안테나는 차단 주파수(fc)가 결정되면, 그것보다도 각별하게 높은 주파수(f)는 전부 통과하는 하이 패스 필터와 같은 동작 모드가 된다.

상기 리지 도파관은 예를 들면, 그 선단부가 대향하는 한 쌍의 리지부를 갖는 더블?실린더?리지 도파관으로 할 수 있다. 이 경우, 상기 리지 엘리먼트부는 상기 더블?실린더?리지 도파관의 한쪽의 리지부에 상당하는 것이며, 상기 더블?실린더?리지 도파관의 다른쪽의 리지부에 상당하는 엘리먼트부가, 그라운드 전위로 유지되는 그라운드부이다.

상기 그라운드부는 외부 접지 도체와 직접 연결된다. 원래 그라운드부는 그라운드 전위로 유지되고 있기 때문에, 외부 접지 도체에 직접 연결시킴으로써 사용 주파수의 변동이 억제된다. 또, 외부 접지 도체의 형상 및 사이즈는 임의로 설정할 수 있다. 즉, 그 설치 부위에 영향을 받지 않는 안테나를 실현할 수 있다.

또, 상기 급전단자로부터 연장되는 급전선로를 코플레이너 도파로(Coplanar Waveguide:CPW)로서 외부로 유도하는 구조를 갖는 것으로 하여도 좋다. 이렇게 하면, 급전점에서 양호한 고주파 특성을 유지할 수 있게 된다.

상기 리지 엘리먼트부와 상기 그라운드부의 적어도 한쪽을, 원호형 또는 대략 원호형으로 성형하는 것이 바람직하다. 이러한 형상에서는 원호형 또는 대략 원호형이 아닌 형상인 것보다도, 사용 가능한 주파수의 상한이 끝없이 높아져, 광대역성을 더욱 현저하게 할 수 있다. 광대역성을 양호하게 유지하는 관점에서는 리지 엘리먼트부에 대역 미세조정용의 조정 엘리먼트부를 일체로 형성한다.

상기 리지 엘리먼트부는 예를 들면, 상기 개구 단면 구조중 상기 리지 도파관의 리지부를 그 높이 방향으로 재단하여 이루어지는 1기단 구조이며, 상기 방사 엘리먼트부가 상기 리지 엘리먼트부의 기단으로부터 연장되는 구조로 할 수 있다. 또는 상기 리지 엘리먼트부는 상기 개구 단면 구조중 상기 리지 도파관의 리지부의 높이가 최대가 되는 부위를 중심선으로 하여 대칭이 되는 양 기단 구조이며, 상기 방사 엘리먼트부가 상기 리지 엘리먼트부의 양 기단으로부터 각각 연장되는 구조로 할 수도 있게 된다.

광대역 안테나는 급전단자로부터의 급전이 리지 엘리먼트부의 중앙부라고 하면, 그 부위를 중심으로 하여 대칭인 모드파가 복수 생긴다. 리지 도파관의 경우, 통과하는 전자파의 전계 강도가 최대가 되는 것은 리지부의 중앙(TE₁₀)이므로, 리지 엘리먼트부를 1 기단 구조로 하여도, 하이 패스 필터의 특성 자체는 후술하는 양 기단 구조인 것과 다르지 않다. 1 기단 구조 분만큼, 소형화를 도모할 수 있다.

또, 홀수 모드(TE₁₀, TE₃₀, TE₅₀), 짝수 모드(TE₂₀, TE₄₀??)의 어느 모드를 이용하는 구성으로 하여도 좋지만, 홀수 모드를 사용하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.

광대역성 때문에, 사용 주파수 대역내에서 그룹 지연 시간에 어긋남이 생길 가능성이 있다. 이 점을 개선하기 위해서, 본 발명의 광대역 안테나에서는 상기 방사 엘리먼트부가, 적어도 사용 주파수 대역에서의 그룹 지연 시간을 소정 범위로 유지시키는 사이즈의 미앤더(meander) 형상으로 성형되어 있다. 상기 리지 엘리먼트부와 상기 방사 엘리먼트부의 사이에 대역 미세조정용의 조정 엘리먼트부가 개재하는 구조로 하여도 좋다.

상기 리지 엘리먼트부는 예를 들면, 상기 개구 단면 구조중 상기 리지 도파관의 리지부를 그 높이 방향으로 재단하여 이루어지는 1기단 구조인 것으로 할 수 있다. 이 경우, 상기 방사 엘리먼트부는 상기 리지 엘리먼트부의 기단으로부터 연장되도록 한다.

본 발명에 의하면, 사용 가능한 최저 주파수가 존재하는 만큼의 초광대역성을 갖는 광대역 안테나를 제공할 수 있다. 상술한 바와 같이, 그라운드부가 설치되어 있는 안테나에 있어서 광대역화를 도모하는 것은 곤란하지만, 본 발명과 같이 리지 도파관의 개구 구조를 가짐으로써, 그것이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 광대역 안테나의 안테나 엘리먼트를 도시하는 도면이고, 도 1a는 기본 패턴도이고, 도 1b는 CPW 구조의 패턴도.

도 2는 도 2a, 도 2b 모두, 제 1 실시형태의 광대역 안테나의 실장상태를 도시한 정면도.

도 3은 안테나의 구성을 도시하는 도면이고, 도 3a는 일반적인 안테나를 모식적으로 도시한 도면이고, 도 3b는 제 1 실시형태의 광대역 안테나의 모식도.

도 4는 최저 주파수를 3.1[GHz]로 하였을 때의 제 1 실시형태의 광대역 안테나의 사이즈를 도시한 도면.

도 5는 도 4에 도시한 사이즈의 광대역 안테나의 VSWR 특성도.

도 6은 도 4에 도시한 사이즈의 광대역 안테나의 이득 특성도.

도 7은 도 4에 도시한 사이즈의 광대역 안테나의 방사 효율 특성도.

도 8은 도 4에 도시한 사이즈의 광대역 안테나의 그룹 지연 시간 특성도.

도 9는 광대역 안테나의 지향 특성을 도시하는 도면이고, 도 9a는 도 4에 도시한 사이즈의 광대역 안테나의 안테나면과 평행한 방향의 지향 특성도이고, 도 9b 는 안테나면과 상하 방향에 직교하는 면 방향의 지향 특성도이고, 도 9c는 수평면 방향의 지향 특성도(3.5[GHz]).

도 10은 광대역 안테나의 지향 특성을 도시하는 도면이고, 도 10a는 도 4에 도시한 사이즈의 광대역 안테나의 안테나면과 평행한 방향의 지향 특성도이고, 도 10b는 안테나면과 상하 방향에 직교하는 면 방향의 지향 특성도이고, 도 10c는 수평면 방향의 지향 특성도(6.0[GHz]).

도 11은 광대역 안테나의 지향 특성을 도시하는 도면이고, 도 11a는 도 4에 도시한 사이즈의 광대역 안테나의 안테나면과 평행한 방향의 지향 특성도이고, 도 11b는 안테나면과 상하 방향에 직교하는 면 방향의 지향 특성도이고, 도 11c는 수평면 방향의 지향 특성도(10.0[GHz]).

도 12는 광대역 안테나와 외부 접지 도체를 접합하였을 때의 실장체의 폭이 70[mm]이고, 길이가 90[mm]일 때의 VSWR 특성도.

도 13은 광대역 안테나와 외부 접지 도체를 접합하였을 때의 실장체의 폭이 50[mm]이고, 길이가 90[mm]일 때의 VSWR 특성도.

도 14는 광대역 안테나와 외부 접지 도체를 접합하였을 때의 실장체의 폭이 30[mm]이고, 길이가 90[mm]일 때의 VSWR 특성도.

도 15는 광대역 안테나와 외부 접지 도체를 접합하였을 때의 실장체의 폭이 80[mm]이고, 길이가 80[mm]일 때의 VSWR 특성도.

도 16은 광대역 안테나와 외부 접지 도체를 접합하였을 때의 실장체의 폭이 80[mm]이고, 길이가 60[mm]일 때의 VSWR 특성도.

도 17은 광대역 안테나와 외부 접지 도체를 접합하였을 때의 실장체의 폭이 80[mm]이고, 길이가 40[mm]일 때의 VSWR 특성도.

도 18은 광대역 안테나와 외부 접지 도체를 접합하였을 때의 실장체의 폭이 80[mm]이고, 길이가 20[mm]일 때의 VSWR 특성도.

도 19a 내지 도 19k는 안테나 패턴의 변형예를 도시한 도면.

도 20a 내지 도 20f는 안테나 패턴의 변형예를 도시한 도면.

도 21은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 광대역 안테나의 안테나 엘리먼트의 CPW 구조의 패턴도이고, 도 21a는 정면도이고, 도 21b는 측면도이고, 도 21c는 배면도.

도 22는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 광대역 안테나의 안테나 엘리먼트의 CPW 구조의 변형예를 도시하는 패턴도.

도 23은 제 2 실시형태의 광대역 안테나의 실장상태를 도시한 정면도.

도 24는 도 21에 도시한 광대역 안테나의 특성을 도시하는 도면이고, 도 24a는 VSWR 특성도이고, 도 24b는 이득 특성도.

도 25는 도 22에 도시한 광대역 안테나의 VSWR 특성도.

도 26은 도 23에 도시한 사이즈의 광대역 안테나의 특성을 도시하는 도면이고, 도 26a는 이득 특성도이고, 도 26b는 방사 효율 특성도.

도 27은 도 21에 도시하는 광대역 안테나를 퍼스널 컴퓨터로의 실장상태를 도시한 사시도.

도 28은 도 27에 도시하는 실장상태의 광대역 안테나의 특성을 도시하는 도 면이고, 도 28a는 VSWR 특성도이고, 도 28b는 이득 특성도.

도 29는 광대역 안테나의 지향 특성을 도시하는 도면이고, 도 29a는 도 21에 도시한 사이즈의 광대역 안테나의 수지판 또는 프린트 기판과 평행한 방향에서의 수평편파의 지향 특성도이고, 도 29b는 수지판 또는 프린트 기판과 상하 방향에 직교하는 면 방향에서의 수평편파의 지향 특성도이고, 도 29c는 수평면 방향에서의 수평편파의 지향 특성도이고, 도 29d는 수지판 또는 프린트 기판과 평행한 방향에서의 수직편파의 지향 특성도이고, 도 29e는 수지판 또는 프린트 기판과 상하 방향에 직교하는 면 방향에서의 수직편파의 지향 특성도이고, 도 29f는 수평면 방향에서의 수직편파의 지향 특성도(2.45[GHz]).

도 30은 광대역 안테나의 지향 특성을 도시하는 도면이고, 도 30a는 도 21에 도시한 사이즈의 광대역 안테나의 수지판 또는 프린트 기판과 평행한 방향에서의 수평편파의 지향 특성도이고, 도 30b는 수지판 또는 프린트 기판과 상하 방향에 직교하는 면 방향에서의 수평편파의 지향 특성도이고, 도 30c는 수평면 방향에서의 수평편파의 지향 특성도이고, 도 30d는 수지판 또는 프린트 기판과 평행한 방향에서의 수직편파의 지향 특성도이고, 도 30e는 수지판 또는 프린트 기판과 상하 방향에 직교하는 면 방향에서의 수직편파의 지향 특성도이고, 도 30f는 수평면 방향에서의 수직편파의 지향 특성도(4.00[GHz]).

도 31은 광대역 안테나의 지향 특성을 도시하는 도면이고, 도 31a는 도 21에 도시한 사이즈의 광대역 안테나의 수지판 또는 프린트 기판과 평행한 방향에서의 수평편파의 지향 특성도이고, 도 31b는 수지판 또는 프린트 기판과 상하 방향에 직 교하는 면 방향에서의 수평편파의 지향 특성도이고, 도 31c는 수평면 방향에서의 수평편파의 지향 특성도이고, 도 31d는 수지판 또는 프린트 기판과 평행한 방향에서의 수직편파의 지향 특성도이고, 도 31e는 수지판 또는 프린트 기판과 상하 방향에 직교하는 면 방향에서의 수직편파의 지향 특성도이고, 도 31f는 수평면 방향에서의 수직편파의 지향 특성도(5.2[GHz]).

제 1 실시형태

이하, 본 발명을, UWB 통신에 있어서 사용되는 광대역의 UWB용 안테나로서 실시할 때의 형태예를 설명한다. 여기에서는 더블?실린더?리지 도파관의 개구 단면 구조를 갖는 평면형의 광대역 안테나에 적용한 경우의 예를 제시한다.

도 1a는 본 발명의 광대역 안테나가 갖는 안테나 엘리먼트의 기본 패턴을 나타낸다. 이 광대역 안테나(1)는 예를 들면 수지제의 평면기판(FP)상에, 더블?실린더?리지 도파관의 개구 단면 구조를 이루는 안테나 엘리먼트를 형성하여 구성된다. 안테나 엘리먼트는 도전성이 높은 금속, 예를 들면 동에 의해 형성된다.

안테나 엘리먼트는 개구 단면 구조 중 리지 도파관의 리지부의 높이가 최대가 되는 부위를 중심선으로 하여 대칭이 되는 양 기단 구조이며, 리지 엘리먼트부(11), 방사 엘리먼트부(12), 및, 그라운드부(13)를 갖고 있다. 리지 엘리먼트부(11)와 그라운드부(13)는 대략 원호형으로 성형되어 있다.

리지 엘리먼트부(11)는 더블?실린더?리지 도파관의 한쪽의 리지부에 상당하는 엘리먼트부이다. 리지 엘리먼트부(11)는 예를 들면 넓은 주파수 대역에 걸쳐 임피던스 정합을 쉽게 하기 위해서 사용된다. 방사 엘리먼트부(12)는 더블?실린더?리지 도파관의 벽부에 상당하는 것이며, 리지 엘리먼트부(11)의 한 쌍의 기단부로부터 각각 일체로 연장된다. 이 방사 엘리먼트부(12)는 전자파 방사에 사용된다. 그라운드부(13)는 더블?실린더?리지 도파관의 다른쪽의 리지부에 상당하는 엘리먼트부이고, 그라운드 전위로 유지된다. 급전단자(111)는 리지 엘리먼트부(11)의 대략 선단부 부근에 형성된다. 즉, 외부의 전자회로에 접속된 동축 케이블의 심선(core wire)이 리지 엘리먼트부(11)의 대략 선단부 부근에 접합된다.

이러한 구조의 광대역 안테나(1)는 리지 엘리먼트부(11)의 급전단자(111)에 급전되었을 때에, 더블?실린더?리지 도파관과 실질적으로 동일한 동작 모드가 된다. 예를 들면 리지 엘리먼트부(11)를 통하여 급전함으로써, 와이어를 권회하는 경우보다도 임피던스 정합하는 범위가 넓어지고, 넓은 주파수 범위에 걸쳐 급전단자(111)에서의 부정합(不整合)을 억제할 수 있다. 또한 그라운드부(13)는 임피던스 조정체 및 그라운드용 도체로서 작용한다.

따라서, 이 광대역 안테나(1)는 그 자체로 그라운드의 기능을 갖고, 리지 엘리먼트부(11)에서 넓은 범위에 걸쳐 임피던스 정합을 도모하면서, 방사 엘리먼트부(12)로부터 전자파를 방사한다.

방사 엘리먼트부(12)로부터 방사되는 전자파의 주파수(f)는 상술한 바와 같이, 방사 엘리먼트부(12)에 의해 결정되는 차단 주파수(fc)보다도 각별히 높은 주파수(f)는 전부 통과한다는 하이 패스 필터와 같은 동작 모드가 된다.

그라운드부(13)는 접지전위로 유지되기 때문에, 그라운드부(13)에 외부 도체 를 직접 접합할 수 있다. 본 발명의 광대역 안테나는 그라운드도 방사체로서 작용하는 일반적인 안테나와 달리, 방사 특성 등에 대하여 그라운드가 미치는 영향이 적기 때문에, 외부 도체의 사이즈도 임의로 할 수 있다. 이 관계를 모식적으로 도시한 것이 도 3이다.

도 3a가 일반적인 안테나이고, 급전점으로부터 상부로 연장되는 실선이 방사 엘리먼트, 파선이 그라운드를 나타내고 있다. 방사 엘리먼트와 그라운드에 의해 안테나로서 기능한다. 종래, 그라운드를 접합하는 안테나에 있어서 양호한 광대역성이 얻어지지 않는 것은 이러한 이유에 의한다. 이것에 대하여, 도 3b가 본 실시형태의 광대역 안테나이다. 전자파의 방사는 방사 엘리먼트만으로 행하여진다. 이 때문에, 설치 부위에 영향받지 않고, 외부 도체의 사이즈도 플렉시블성을 갖는, 광대역 안테나를 실현할 수 있다.

설계, 제조시에는 사용이 예정되는 최저 주파수만을 고려하면, 그 이상은 어떤 주파수라도 사용할 수 있다. 따라서, 최저 사용 주파수에 적합한 사이즈로 설계, 제조하면, 1개의 안테나로, 많은 통신용의 안테나로서 사용할 수 있다.

안테나 엘리먼트는 도 1a의 형상을 기본으로 하여 여러가지 형으로 변형할 수 있다. 예를 들면, 도 1b는 이동체 단말에서의 사용에 적합한 평면형의 광대역 안테나(2)의 예를 도시하고 있다. 광대역 안테나(2)의 안테나 엘리먼트는 리지 엘리먼트부(21), 방사 엘리먼트부(22), 그라운드부(23a, 23b), 급전단자(선로; 24)를 갖고 있다.

리지 엘리먼트부(21)는 더블?실린더?리지 도파관의 한쪽의 리지부에 상당 하는 부분을, 그 높이 방향의 중심선으로부터 리지부분을 보다 많이 남기는 편심위치에서 절단함과 동시에, 그 리지부분의 슬로프의 일부(211)를 비스듬하게 절단한 형상인 것으로 한다. 리지부의 다른쪽에는 패치(212)를 형성한다. 이 실시형태에서는 패치(212)와 비스듬하게 절단된 리지부의 일부를 조정 엘리먼트부로 하고 있다. 조정 엘리먼트부는 그룹 지연 특성과 신호의 전송 파형 특성을 양호하게 유지하기 위해서 설치된다. 즉, 본 발명의 광대역 안테나는 복수의 주파수를 사용할 수 있기 때문에, 주파수에 의해서는 지연 시간 내지 전송 파형 특성에 불균일함이 생기는 경우가 있다. 이것을 방지하는 것이 조정 엘리먼트부이다. 또, 조정 엘리먼트부의 형상은 도 1b와 같은 형상으로 해야 하는 것은 아니며, 임의로 설정할 수 있다.

방사 엘리먼트부(22)는 방사 효율을 높이기 위해서, 엘리먼트부의 일부를 미앤더형으로 성형되어 있다. 그라운드부는 리지 엘리먼트부(21)의 대략 선단부로부터 일체로 연장되는 급전단자(24)를 코플레이너 도파로로서 외부로 유도하는 CPW 구조를 갖고 있다. 즉, 급전단자(24)와 동일 면 상에서, 소정의 공극을 갖고 한 쌍의 도체(23a, 23b)에 의해 그라운드부를 구성하고 있다. 이러한 CPW 구조를 채용함으로써, 급전단자에 있어서의 임피던스 부정합을 억제할 수 있다.

도 1a, 도 1b에 도시한 안테나는 통신장치 등에 실장할 때는 도 2a, 도 2b와 같이 구성된다.

도 2a는 도 1a에 도시한 평면형의 광대역 안테나(1)를 수지판(E10)에 장착함과 동시에, 광대역 안테나(1)의 그라운드부(13)와 외부 접지 도체(G10)를 접합시킨 다. 광대역 안테나(1)의 급전단자(111)에는 예를 들면 세미 리지드 케이블(5)의 일단으로부터 노출되는 심선(5A)이 접합된다. 세미 리지드 케이블(5)의 타단에는 도시하지 않는 전자회로에 접속하기 위한 동축 커넥터(7)가 장착된다.

도 2b는 도 1b에 도시한 광대역 안테나(2)를 수지판(E20)에 장착함과 동시에, 광대역 안테나(2)의 그라운드부(23a, 23b)와 외부 접지 도체(G20)를 접합시킨다. 광대역 안테나(2)의 급전단자(24)는 외부 접지 도체(G20)에 형성된 접합부(61)를 통하여, 예를 들면 세미 리지드 케이블(5)의 일단으로부터 노출되는 심선(5A)이 접합된다. 세미 리지드 케이블(5)의 타단에는 도시하지 않는 전자회로에 접속하기 위한 동축 커넥터(7)가 장착된다.

또, 1개의 수지제 프린트 기판 상에 도 1a, 도 1b에 도시한 안테나 패턴, 접합부(61)의 패턴, 및, 접지 도체 패턴을 금속막으로 형성하여도 좋다.

<안테나 특성>

다음에, 도 2b에 도시한 광대역 안테나(2)의 안테나 특성을 구체적으로 설명한다.

도 4는 사용 주파수대를 3.1[GHz] 이상으로 한 경우의 광대역 안테나(2)의 사이즈를 도시하고 있다. 또, 측정 계량기의 형편상, 사용 주파수대의 상한은 12[GHz]로 하고 있다. 사이즈는 안테나 엘리먼트 전체의 두께가 0.6[mm]이고, 리지 엘리먼트부(21)와 방사 엘리먼트부(22)의 꺾임 부분까지의 길이(a)가 30[mm]이고, 방사 엘리먼트부(22)의 길이(b)가 10[mm]이다.

리지 엘리먼트부(21)의 선단과 그라운드부(23b)의 선단부의 틈(d)을 바꿈으 로써, 임피던스를 미세조정할 수 있다. 또한, 이 틈(d)의 중심으로부터 외부 접지 도체까지의 길이(h)를 바꿈으로써, 사용하는 최저 주파수를 미세조정할 수 있다. d는 1[mm] 전후이고, h는 3[mm] 전후이다.

이러한 사이즈의 광대역 안테나(2)에 있어서, 예를 들면 컴퓨터상에서, 멕스웰의 전자이론 및 안테나 설계 이론에 기초하는 소프트웨어에 의해 설계한, 오차가 없는 이상적인 형상의 안테나의 특성을 시뮬레이션한 결과를 이하에 제시한다. 시뮬레이션을 하는 것은 측정 계량기가 현재시점에서 12[GHz] 정도까지밖에 서포트되어 있지 않는 것에 의한다. 이 시뮬레이션의 결과는 계측할 수 있는 범위이며, 실측치와 거의 상이하지 않다는 것이 확인되어 있다.

도 5는 상기 사이즈의 광대역 안테나(2)의 VSWR 특성도이다. 도 5로부터 알 수 있는 것처럼, 상기 사이즈에 의해서 최저 주파수만 결정되면, 그것보다도 소정치 이상 높은 주파수의 VSWR은 전부 실용 범위(2 이하)에 들어간다. 또, 계량기의 형편상, 12[GHz] 이상은 수치에 의한 정량화는 하지 않았지만, 12[GHz] 이상의 높은 주파수에 있어서도 VSWR이 양호하게 유지되어 있는 것이 확인되어 있다. 또, 사용 주파수가 3.1[GHz]일 때의 VSWR은 1.872이고, 10.6[GHz]일 때의 VSWR은 1.282이었다.

도 6은 상기 사이즈의 광대역 안테나(2)의 이득 특성도이고, 도 7은 방사 효율 특성도이다. 이들 도면에 있어서의 검은색 점은 사용한 주파수에서의 시뮬레이션치이다. 3.1[GHz]로부터 10.6[GHz]의 넓은 주파수 대역에 있어서, 1.5dBi 이상의 이득, 45% 이상의 고효율이 얻어지고 있다.

도 8은 상기 사이즈의 광대역 안테나(2)를 2개 사용한 경우의 그룹 지연 시간 특성도이다. 도 1b와 같은 조정용 엘리먼트를 형성함으로써, 적어도 사용 주파수가 3.1[GHz] 이상으로 그룹 지연 시간이 거의 일정하게 되도록 하고 있다. 또, 그룹 지연 시간은 3.1[GHz]일 때에 3.569[ns], 10.6[GHz]일 때에 2.894[ns]의 그룹 지연 시간이었다. 이 수치는 실용상, 전혀 문제가 없는 값이다.

도 9는 수지판 또는 프린트 기판 상에 형성된 안테나면을 수평면에 대하여 수직으로 설치함과 동시에 사용 주파수를 3.5[GHz]로 하였을 때의 지향 특성도를 나타내고, 도 9a는 안테나면과 평행한 방향, 도 9b는 안테나면과 상하 방향에 직교하는 면 방향, 도 9c는 수평면 방향의 지향 특성을 각각 나타낸다. 마찬가지로, 도 10a, 도 10b, 도 10c는 사용 주파수를 6.0[GHz]로 하였을 때의 상기 각 방향에서의 지향 특성도를 나타내고, 도 11a, 도 11b, 도 11c는 사용 주파수를 10.0[GHz]로 하였을 때의 상기 각 방향에서의 지향 특성도를 각각 나타낸다.

이들 도면으로부터, 넓은 주파수대에 걸쳐 무지향성인 것을 알 수 있다.

이와 같이, 광대역 안테나(2)는 소형화, 광대역성, 고효율성, 저그룹 지연 시간특성, 무지향성을 전부 겸비한 안테나인 것을 알 수 있다.

[외부 접지 도체의 사이즈 검증]

본 실시형태의 광대역 안테나(1, 2)가, 더블?실린더?리지 도파관의 동작 모드에 준한 특성이 되는 것에 대해서는 상술한 바와 같다. 이러한 광대역 안테나에서는 외부 접지 도체의 사이즈에 영향을 받지 않는다. 이것을 검증한다.

예를 들면 도 2b에 도시한 실장상태에 있어서, 수지판(E20)과 외부 접지 도 체(G20)를 합산한 길이(도면의 세로방향의 길이)를 일정하게 하여 폭을 변화시켰을 때의 VSWR 특성을 도 12 내지 도 14에 도시한다. 또한, 수지판(E20)의 폭(= 외부 접지 도체(G20))을 일정하게 하여 길이를 변화시켰을 때의 VSWR 특성을 도 15 내지 도 18에 도시한다.

도 12는 폭이 70[mm]이며 길이가 90[mm]인 예이다. VSWR은 사용 주파수가 3.1[GHz]일 때에 2.040, 10.6[GHz]일 때에 1.212이었다. 도 13은 길이(90[mm])를 그대로 하여 폭을 50[mm]로 바꾼 경우의 예이고, VSWR은 사용 주파수가 3.1[GHz]일 때에 2.751, 10.6[GHz]일 때에 1.200이었다. 도 14는 폭을 30[mm]로 바꾼 경우의 예이고, VSWR은 사용 주파수가 3.1[GHz]일 때에 2.573이고, 10.6[GHz]일 때에 1.602이었다.

도 15는 폭이 80[mm]이며 길이가 80[mm]인 예이다. VSWR은 사용 주파수가 3.1[GHz]일 때에 1.753, 10.6[GHz]일 때에 1.763이었다. 도 16은 폭(80[mm])은 그대로이며, 길이를 60[mm]로 바꾼 경우의 예이고, VSWR은 사용 주파수가 3.1[GHz]일 때에 1.978, 10.6[GHz]일 때에 1.754이었다. 도 17은 또한 길이를 40[mm]로 바꾼 경우의 예이며, VSWR은 사용 주파수가 3.1[GHz]일 때에 2.124, 10.6[GHz]일 때에 1.712이었다. 도 18은 더욱이 길이를 20[mm]로 바꾼 경우의 예이고, VSWR은 사용 주파수가 3.1[GHz]일 때에 1.605, 10.6[GHz]일 때에 1.533이었다.

이와 같이, 본 실시형태의 광대역 안테나(2)는 외부 접지 도체(G20)의 길이, 폭이 어떠한 사이즈로 변화하더라도, 성능이 거의 변하지 않는다. 이러한 성질은 다종 다양한 형상, 구조, 사이즈의 이동체 단말에 탑재하는 안테나로서는 극히 중 요한 요소이다. 또한, 안테나의 설계, 제조 시에 큰 허용 범위가 존재하고, 양산화에 적합한 안테나 구조인 것도 의미하고 있다. 실제로, 광대역 안테나를 제조할 때는 가공 오차, 급전용의 동축 커넥터와 케이블의 미스매칭(특히 밀리파에서 생기기 쉬움), 급전단자의 설치 오차, 안테나 재료의 로스(접합재료의 로스 등), 측정 오차 등에 의한 불균일함이 생긴다. 그러나, 이 실시형태의 평면형의 광대역 안테나의 구조에 의하면, 다소의 설계, 제조의 불균일함이 있어도, 시뮬레이션의 결과와 거의 같은 특성이 얻어지고 있다. 요컨대, 소형 또한 고효율로 초광대역성이라는 기본 부분은 유지되고 있다.

이상의 사실은 안테나 엘리먼트가 더블?실린더?리지 도파관의 개구 단면 구조를 일부에 포함하는 형상인 것, 리지 엘리먼트부(21)와, 그라운드부(23a)가 모두 대략 원호형인 것이 그 요인의 하나로 되어 있다고 생각된다.

본 실시형태의 평면형의 광대역 안테나가 갖는 상기 성질은 향후, 용도가 비약적으로 확대될 것이 예상되는 UWB 통신, 특히, 이동체 단말용의 내장 안테나로서는 상당히 적합한 성질이다.

또, 평면형의 광대역 안테나의 안테나 엘리먼트의 패턴은 도 1a, 도 1b의 예에 한정되지 않고, 여러 가지를 채용할 수 있다. 예를 들면 도 19a 내지 도 19g와 같이, 리지 엘리먼트부와 그라운드부의 리지부분의 형상을 여러가지 조합하여 사용할 수 있다. 도 19h 내지 도 19k는 그라운드부를 설치하지 않는 경우의 예이다. 이렇게 그라운드부를 설치하지 않아도 외부 접지 도체를 장착함으로써, 그라운드부를 갖는 안테나와 거의 같은 특성을 얻을 수 있다.

도 20a 내지 도 20f는 CPW 구조를 갖는 평면형의 광대역 안테나의 변형예이다. 도 1b에 도시한 패턴의 변형예가 된다. 미앤더의 형상은 안테나 소재, 사용 주파수 대역, 그룹 지연 시간의 불균일에 따라서 변형하여 사용된다.

<본 실시형태의 광대역 안테나의 이점>

이상, 본 실시형태의 평면형의 광대역 안테나의 특징은 더블?실린더?리지 도파관의 동작 모드에 기초하여, 최저 사용 가능 주파수가 존재하는 만큼의 초광대역의 안테나이며, 무지향성이다. 이러한 특성은 향후, 용도가 비약적으로 확대될 것이 예상되는 UWB 통신용의 범용 안테나로서, 대단히 중요한 것이다.

또, 본 명세서에 제시한 광대역 안테나(UWB 통신용 안테나)의 사이즈, 재질 등은 예시이고, 본 발명의 특징을 일탈하지 않는 범위에서의 실시는 본 발명의 범위이다.

제 2 실시형태

이 제 2 실시형태에서는 무선 LAN 통신 및 UWB 통신에 있어서 사용되는 광대역 안테나로서 실시할 때의 형태예를 설명한다. 여기에서는 더블?실린더?리지 도파관의 개구 단면 구조를 갖는 광대역 안테나에 적용한 경우의 예를 제시한다.

도 21a는 이동체 단말에서의 사용에 적합한 광대역 안테나(51)의 예를 도시하고 있다. 광대역 안테나(51)의 안테나 엘리먼트는 리지 엘리먼트부(52), 제 1 방사 엘리먼트부(53), 그라운드부(54a, 54b), 급전선로(55), 기립 엘리먼트부(56),및, 제 2 방사 엘리먼트부(57)를 갖고 있다.

리지 엘리먼트부(52)는 더블?실린더?리지 도파관의 한쪽의 리지부에 상당 하는 부분을, 그 높이 방향의 중심선으로부터 리지부분을 보다 많이 남기는 편심위치에서 절단한 형상을 갖는다.

제 1 방사 엘리먼트부(53)는 일단측(53a)이 리지 엘리먼트부(52)의 비절단 단측(端側)(52a)에 접속되고, 방사 효율을 높이기 위해서, 그 일부가 미앤더형으로 성형되어 있다. 또, 제 1 방사 엘리먼트부(53)의 타단(53b)은 수지제의 평면기판(FP)을 관통하는 스루홀을 통하여 도 21b에 도시하는 이면측의 접지도체(53c)에 접속되어 있다.

또한, 리지 엘리먼트부(52) 및 제 1 방사 엘리먼트부(53)는 수지제의 평면기판(FP)을 관통하는 스루홀을 통하여 도 21b에 도시하는 수지제의 평면기판(FP)의 이면측에 형성된 금속판(58)에 접속되어 있다. 이 금속판(58)에 대해서는 후술한다.

그라운드부(54a)는 더블?실린더?리지 도파관의 다른쪽의 리지부에 상당하는 부분이고, 그 리지부가 리지 엘리먼트부(52)의 리지부에 대향하도록 형성되어 있다.

급전선로(55)는 리지 엘리먼트부(52)의 절단 단측(52c)에 접속되고, 광대역 안테나(51)의 길이(b) 방향에 걸쳐서 형성되어 있다. 이 급전선로의 선단부(55a)에는 급전단자가 형성된다.

그라운드부(54b)는 그라운드부(54h)와 협동하여, 급전선로(55)를 코플레이너 도파로로서 외부로 유도하는 CPW 구조를 갖고 있다. 즉, 급전선로(55)와 동일 면 상에서, 소정의 공극을 두고 한 쌍의 도체(54a, 54b)에 의해 그라운드부를 구성하 고 있다. 이러한 CPW 구조를 채용함으로써, 급전단자에 있어서의 임피던스 부정합을 억제할 수 있다.

또, 그라운드부(54a, 54b)는 도 21b에 도시하는 수지제의 평면기판(FP)을 관통하는 스루홀을 통하여 도 21b에 도시하는 이면측에 형성된 그라운드 단자(54c)에 접속되어 있다.

도 21c는 도 21a에 도시하는 광대역 안테나(51)를 도 21a에 도시하는 화살표 A 방향으로부터 본 측면도이다.

기립 엘리먼트부(56)는 리지 엘리먼트부(52) 및 제 1 방사 엘리먼트부(53)의 접속부를 포함하는 단부에 있어서, 이 리지 엘리먼트부(52) 및 제 1 방사 엘리먼트부(53)를 포함하는 면에 대하여 대략 수직으로 기립하도록 배치되고, 이 리지 엘리먼트부(52) 및 제 1 방사 엘리먼트부(53)에 접속되어 있다.

이 기립 엘리먼트부(56)는 리지 엘리먼트부(52) 및 제 1 방사 엘리먼트부(53)에 형성된 스루홀에 삽입 가능한 돌출부(도시하지 않음)를 갖고, 이 돌출부를 스루홀에 삽입한 상태에서, 리지 엘리먼트부(52), 제 1 방사 엘리먼트부(53) 및 도 21b에 도시하는 이면측의 금속판(58)에 용접되어 있다.

또한, 이 리지 엘리먼트부(52) 및 제 1 방사 엘리먼트부(53)의 길이(b)는 기립 엘리먼트부(56)를 구비하지 않는 광대역 안테나의 경우보다도, 이 기립 엘리먼트부(56)의 높이(e)의 분만큼 짧게 설정되어 있다.

일반적으로, 리지 엘리먼트부(52)의 길이(b)를 짧게 하면, 광대역 안테나(51)의 임피던스 정합 특성 및 방사 특성이 저하하지만, 이러한 기립 엘리먼트 부(56)를 설치함으로써, 광대역 안테나(51)를 길이(b) 방향으로 짧게 하여도, 광대역 안테나(51)의 임피던스 정합 특성 및 전자파 방사 특성을 유지 또는 향상시킬 수 있다.

즉, 이러한 기립 엘리먼트부(56)를 리지 엘리먼트부(52) 및 제 1 방사 엘리먼트부(53)에 접속함으로써, 임피던스 정합 특성 및 방사 특성을 악화시키지 않고, 광대역 안테나(51)의 사이즈를 길이(b) 방향으로 소형화할 수 있다.

여기에서는 리지 엘리먼트부(52) 및 제 1 방사 엘리먼트부(53)에 기립 엘리먼트부(56)를 용접하는 형태에 관해서 설명하였지만, 기립 엘리먼트부(56)는 리지 엘리먼트부(52) 및 제 1 방사 엘리먼트부(53)의 단부를 길이(e)만큼 수직으로 구부림으로써 형성하여도 좋다.

또한, 여기에 제시하는 기립 엘리먼트부(56)는 평면기판(FP)의 리지 엘리먼트부(52) 및 제 1 방사 엘리먼트부(53)가 형성되어 있는 면으로부터 기립하고 있지만, 평면기판(FP)의 반대측의 면(금속판(58)이 형성되어 있는 면)으로부터 기립하도록 배치되어도 좋다.

또한, 여기에서는 기립 엘리먼트부(56)가, 리지 엘리먼트부(52) 및 제 1 방사 엘리먼트부(53)를 포함하는 면에 대하여 대략 수직으로 기립하고 있는 경우에 관해서 설명하였지만, 기립 엘리먼트부(56)의 각도는 실장시의 공간 등에 따라서 자유롭게 설정할 수 있다.

또, 여기에서는 기립 엘리먼트부(56)가 리지 엘리먼트부(52) 및 제 1 방사 엘리먼트부(53)의 양쪽에 접속되어 있는 형태에 대하여 설명하지만, 기립 엘리먼트 부는 길이(a) 방향에 있어서 보다 짧아도 좋고, 임피던스를 조정하기 위해서, 리지 엘리먼트부(53)에만 접속되어 있어도 좋다.

제 2 방사 엘리먼트부(57)는 제 1 방사 엘리먼트부(53)에 소정 간격을 두고 인접하도록 배치되고, 그 일단(57a)은 수지제의 평면기판(FP)의 단부로부터 스루홀을 통하여 도 21b에 도시하는 이면측의 접지도체(57d)에 접속되어 있고, 이 이면측에서 접지된다. 이 제 2 방사 엘리먼트부(57)는 제 1 방사 엘리먼트부(53)와 용량 결합되어 있고, 전자파 방사에 사용된다. 또한, 제 2 방사 엘리먼트부(57)는 방사 효율을 높이기 위해서, 제 1 방사 엘리먼트부(53)와 마찬가지로, 그 일부가 미앤더형으로 형성되어 있다.

또한, 제 2 방사 엘리먼트부(57)의 타단(57b)은 길이(b) 방향으로 연장되는 연장부(57c)를 갖는다. 이 연장부(57c)를 형성함으로써, 제 1 방사 엘리먼트부(53)와 제 2 방사 엘리먼트부(57)의 결합성이 더욱 양호해진다.

여기에서는 제 2 방사 엘리먼트부(57)가, 제 1 방사 엘리먼트부(53)와 대략 동일 형상을 갖는 형태에 관해서 설명하였지만, 그 형상은 제 1 방사 엘리먼트부(53)와는 다른 형상이어도 좋다. 예를 들면, 제 2 방사 엘리먼트부(57)의 미앤더형 부분의 형상은 제 1 방사 엘리먼트와 좌우 대칭이어도 좋다.

또한, 여기에서는 제 2 방사 엘리먼트부(57)가, 소정 간격을 사이를 두고 제 1 방사 엘리먼트부(53)에 인접하도록 형성되는 형태에 관해서 설명하였지만, 도 22에 도시하는 광대역 안테나(51')와 같이, 제 2 방사 엘리먼트부(57)는 제 1 방사 엘리먼트부(53)로부터 보아 리지 엘리먼트부(52)의 반대측에, 즉, 제 2 방사 엘리 먼트부(57)와 제 1 방사 엘리먼트부(53)에 리지 엘리먼트부(52)를 끼우도록 형성되어도 좋다. 이 경우, 제 2 방사 엘리먼트부(57)는 리지 엘리먼트부(52)에 용량 결합된다.

또, 제 1 실시형태예의 평면형의 광대역 안테나에서 필요하였던 조정 엘리먼트부는 제 2 방사 엘리먼트부(57)를 설치함으로써 그룹 지연 특성과 신호의 전송 파형 특성의 불균일함이 개선되어 반드시 필요하지는 않았기 때문에, 제 2 실시형태예의 광대역 안테나(51)에는 설치되어 있지 않다.

도 21에 도시한 광대역 안테나(51)는 통신장치등에 실장할 때는 도 23과 같이 구성된다.

도 23에 도시하는 바와 같이, 도 21에 도시한 광대역 안테나(51)를 수지판(E30)에 장착함과 동시에, 광대역 안테나(51)의 그라운드부(54a, 54b)와 외부 접지 도체(G30)를 접합시킨다. 여기에서, 그라운드부(54b)는 실장시에는 그라운드부(54d)와 일체로 성형되어 있고, 또한, 제 2 방사 엘리먼트(57)의 좌측에는 외부 접지 도체(G30)에 접속된 접지도체(G31)가 배치되어 있다. 또, 광대역 안테나(51), 그라운드부(54d), 외부 접지 도체(G30) 및 접지도체(G31)는 전부 수지판(E30)에 장착되어 있다.

또한, 광대역 안테나(51)의 급전선로(55)는 외부 접지 도체(G30)에 형성한 접합부(59)에 수지판(E30)의 내부를 통하여 접속되어 있다. 이 급전선로(55)에는 접합부(59)를 통하여, 예를 들면 도시하지 않는 세미 리지드 케이블의 일단으로부터 노출되는 심선이 접합된다. 세미 리지드 케이블의 타단에는 도시하지 않는 전 자회로에 접속하기 위한 동축 커넥터가 장착된다.

또, 1개의 수지제 프린트 기판 상에 도 21, 도 22에 도시한 안테나 패턴, 접합부의 패턴, 및, 접지 도체 패턴을 금속막으로 형성하여도 좋다.

<안테나 특성>

다음에, 도 21에 도시한 광대역 안테나(51)의 안테나 특성을 구체적으로 설명한다.

광대역 안테나(51)는 사용 주파수대가 2.4[GHz] 및 3.1[GHz] 이상이다. 3.1[GHz] 이상의 사용 주파수대는 리지 엘리먼트부(52) 및 제 1 방사 엘리먼트부(53)에 의해서 얻어지는 것이며, 2.4[GHz]의 사용 주파수대는 제 2 방사 엘리먼트부(57)에 의해서 얻어지는 것이다.

또한, 광대역 안테나(51)의 사이즈는 안테나 엘리먼트 전체의 두께(c)가 4.8[mm]이고, 리지 엘리먼트부(52), 제 1 방사 엘리먼트(53) 및 제 2 방사 엘리먼트부(57)의 길이(a)가 36[mm]이고, 제 1 방사 엘리먼트부(3)의 길이(b)가 7[mm]이고, 기립 엘리먼트부(56)의 높이(e)가 4[mm]이다. 또, 수지판(FP)의 두께는 0.8[mm]이다.

리지 엘리먼트부(52)의 선단과 그라운드부(54b)의 선단부의 틈(d)을 바꿈으로써, 임피던스를 미세조정할 수 있다. 또한, 이 틈(d)의 중심에서 외부 접지 도체까지의 길이(h)를 바꿈으로써, 리지 엘리먼트부(52) 및 제 1 방사 엘리먼트부(53)에 의해서 얻어지는 사용 주파수대를 미세조정할 수 있다.

또, d는 1[mm] 전후이고, h는 3[mm] 전후이다.

이러한 사이즈의 광대역 안테나(51)에 있어서, 예를 들면 컴퓨터상에서, 멕스웰의 전자이론 및 안테나 설계 이론에 기초하는 소프트웨어에 의해 설계한, 오차가 없는 이상적인 형상의 안테나의 특성을 시뮬레이션한 결과를 이하에 제시한다. 시뮬레이션하는 것은 측정 계량기가 현재시점에서 12[GHz] 정도까지 밖에 서포트되어 있지 않는 것에 의한다. 이 시뮬레이션의 결과는 계측할 수 있는 범위이며, 실측치와 거의 상이하지 않는 것이 확인되어 있다.

도 24는 상기 사이즈의 광대역 안테나(51)를 도 23과 같이 실장한 경우에 얻어지는 VSWR 특성도 및 이득 특성의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 이 특성을 얻음에 있어서, 도 21중에 있어서의 간격(d) 및 길이(h)를 조정함으로써, 리지 엘리먼트부(52) 및 제 1 방사 엘리먼트부(53)에 의해서 얻어지는 사용 주파수대를 3.1[GHz] 이상으로 하고 있다.

도 24a로부터 알 수 있는 것처럼, 2.4[GHz]보다도 높은 주파수의 VSWR은 전부 실용범위(3 이하)에 들어간다. 구체적으로는 VSWR은 2.4 내지 2.5[GHz]에서는 1.7 이하이고, 3.1 내지 4.75[GHz]에서는 2.5 이하이고, 4.9 내지 5.825[GHz]에서는 2.2 이하이다. 또, 계량기의 형편상, 6[GHz] 이상은 수치에 의한 정량화는 하지 않았지만, 6[GHz] 이상의 높은 주파수에 있어서도 VSWR가 양호하게 유지되고 있는 것이 확인되어 있다.

또한, 도 24b의 이득 특성으로부터 알 수 있는 것처럼, 2.4[GHz]보다도 높은 주파수의 이득은 3.0dBi 이상의 높은 값이 얻어지고 있다.

도 25는 도 22에 도시하는 광대역 안테나(51')의 VSWR 특성을 나타낸다.

이와 같이, 제 2 방사 엘리먼트부(57)를 리지 엘리먼트부(52)측에 배치하여도, 2.4[GHz]보다도 높은 주파수의 VSWR은 전부 실용 범위(약 3 이하)에 들어가는 특성이 얻어지고 있다. 특히, 광대역 안테나(51)를 실제로는 이용하지 않는 주파수대인 2.5 내지 3.1[GHz]를 제외하면, VSWR은 3 이하의 양호한 값이 얻어지고 있고, 사용 주파수대가 2.4[GHz]의 무선 LAN 통신 및 3.1[GHz] 이상의 UWB 통신에 이용하기에 문제없는 레벨의 특성이 얻어지고 있다고 할 수 있다.

또, 이 도 25에 도시하는 특성을 얻음에 있어서, 제 2 방사 엘리먼트(57)의 배치가 도 21a에 도시하는 광대역 안테나(51)와 다른 것 외에는 전부 동일 조건으로 하고 있다.

도 26a는 광대역 안테나(51)의 이득 특성도이고, 도 26b는 방사 효율 특성도이다. 이러한 특성은 도 23에 도시하는 바와 같이, 광대역 안테나(51)를 수지판(E30)에 장착함과 동시에, 광대역 안테나(51)의 그라운드부(54a, 54b)와 외부 접지 도체(G30) 및 접지도체(G31)를 접합시킨 상태에서 측정한 것이다. 이 때의 광대역 안테나(51), 그라운드부(54d), 외부 접지 도체(G30) 및 접지도체(G31)의 전부를 포함시킨 치수는 도 23에 도시하는 길이(c)가 200mm이고, 길이(d)가 100mm이다.

이들 도면에 있어서의 검은색 점은 사용한 주파수에서의 시뮬레이션치이다. 이들 검은색 점 중, 삼각형의 검은색 점은 광대역 안테나(51)의 시뮬레이션치를 나타내고, 마름모형의 검은색 점은 광대역 안테나(51')의 시뮬레이션치를 나타낸다.

광대역 안테나(51)에 대해서는 2.4[GHz] 및 3.1[GHz]로부터 약 6[GHz]의 주파수 대역에 있어서, 3.0dBi 이상의 이득, 75% 이상의 고효율이 얻어지고 있다.

또한, 광대역 안테나(51')에 대해서는 2.4[GHz] 및 3.1[GHz]으로부터 약 6[GHz]의 주파수 대역에 있어서, 45% 이상의 고효율이 얻어지고 있다. 또, 이득에 대해서는 광대역 안테나(51)와 동등한 값이 얻어지는 것이 확인되어 있다.

이상으로부터, 광대역 안테나(51 및 51')는 2.4[GHz] 및 3.1[GHz]으로부터 약 6[GHz]의 주파수 대역에 있어서 실용적이고, 무선 LAN 통신 및 UWB 통신용에 이용할 수 있는 것이 확인할 수 있었다.

도 27은 A4 사이즈의 노트형 퍼스널 컴퓨터에 광대역 안테나(51)를 2개 장착시키는 경우의 장착 장소를 도시하는 개념도이다. 광대역 안테나(51)는 액정 패널의 뒷쪽에 내장된다. 이 때, 2개의 안테나의 엘리먼트는 한쪽이 도 21에 도시하는 패턴이고, 다른쪽이 도 21에 도시하는 것과는 좌우 대칭의 패턴인 것이 바람직하다. 이렇게 노트형 퍼스널 컴퓨터에 내장시키는 경우는 스페이스가 매우 한정되기 때문에, 기립 엘리먼트부(56)는 액정 패널의 뒷쪽이 아닌, 노트형 퍼스널 컴퓨터의 케이스의 가장자리부(α)에 배치되는 것이 바람직하다.

도 28은 도 27에 도시하는 바와 같이 노트형 퍼스널 컴퓨터에 실장한 광대역 안테나(51)의 VSWR 특성 및 이득 특성을 도시한다.

도 28a로부터 알 수 있는 것처럼, 광대역 안테나(51)의 사용 주파수대인 2.4[GHz] 및 3.1[GHz] 이상에서 VSWR은 3 이하의 양호한 값이 얻어지고 있다.

또한, 도 28b로부터 알 수 있는 것처럼, 광대역 안테나(51)의 사용 주파수대인 2.4[GHz] 및 3.1[GHz] 이상에서 이득은 0.5dBi 이상의 양호한 값이 얻어지고 있다.

또, 사용 주파수가 2.4[GHz]일 때의 VSWR은 1.2967이고, 3.1[GHz]일 때의 VSWR은 3.1953이고, 5.2[GHz]일 때의 VSWR은 1.7277이었다.

도 29는 도 27과 같이, 광대역 안테나가 형성된 수지판 또는 프린트 기판을 수평면에 대하여 수직으로 퍼스널 컴퓨터내에 설치함과 동시에 사용 주파수를 2.45[GHz]로 하였을 때의 지향 특성도를 나타내고, 도 29a는 수지판 또는 프린트 기판과 평행한 방향에서의 수평편파이고, 도 29b는 수지판 또는 프린트 기판과 상하 방향에 직교하는 면 방향에서의 수평편파이고, 도 29c는 수평면 방향에서의 수평편파, 도 29d는 수지판 또는 프린트 기판과 평행한 방향에서의 수직편파이고, 도 29e는 수지판 또는 프린트 기판과 상하 방향에 직교하는 면 방향에서의 수직편파이고, 도 29f는 수평면 방향에서의 수직편파의 지향 특성을 각각 나타낸다. 마찬가지로, 도 30a, 도 30b, 도 30c, 도 30d, 도 30e, 도 30f는 사용 주파수를 4.00[GHz]로 하였을 때의 상기 각 방향에서의 지향 특성도를 도시하고, 도 31a, 도 31b, 도 31c, 도 31d, 도 31e, 도 31f는 사용 주파수를 5.2[GHz]로 하였을 때의 상기 각 방향에서의 지향 특성도를 각각 도시한다.

이와 같이, 광대역 안테나(51)는 소형화, 광대역성, 고효율성, 저그룹 지연 시간 특성, 무지향성을 전부 겸비한 안테나인 것을 알 수 있다.

이상, 본 실시형태에 의하면, UWB 통신용의 주파수대뿐만 아니라, 무선 LAN 용의 주파수대에서도 사용 가능한 광대역 안테나를 제공할 수 있다. 또한, 안테나 엘리먼트의 사이즈를 소형화하면서, 안테나의 임피던스 정합 특성 및 전자파 방사 특성을 유지 또는 향상시킨 광대역 안테나를 제공할 수 있다.

또, 광대역 안테나(51)는 외부 접지 도체(G30)의 길이, 폭이 어떠한 사이즈로 변화하더라도, 성능이 거의 변하지 않았다. 이러한 성질은 다종 다양한 형상, 구조, 사이즈의 이동체 단말에 탑재하는 안테나로서는 극히 중요한 요소이다. 또한, 안테나의 설계, 제조 시에 큰 허용 범위가 존재하여, 양산화에 적합한 안테나 구조인 것도 의미하고 있다. 실제로, 광대역 안테나를 제조할 때는 가공 오차, 급전용의 동축 커넥터와 케이블의 미스 매칭(특히 밀리파에서 생기기 쉬움), 급전단자의 설치 오차, 안테나 재료의 로스(접합재료의 로스 등), 측정 오차 등에 의한 불균일함이 생긴다. 그러나, 이 실시형태의 광대역 안테나의 구조에 의하면, 다소의 설계, 제조의 불균일함이 있어도, 시뮬레이션의 결과와 거의 같은 특성이 얻어지고 있다. 요컨대, 소형이고 또한 고효율이며 초광대역성이라는 기본 부분은 유지되고 있다.

이상의 사실은 안테나 엘리먼트가 더블?실린더?리지 도파관의 개구 단면 구조를 일부에 포함하는 형상인 것과, 리지 엘리먼트부(52)와, 그라운드부(54a)가 모두 대략 원호형인 것이 그 요인의 하나가 된다고 생각된다.

본 실시형태의 광대역 안테나가 갖는 상기의 성질은 향후, 용도가 비약적으로 확대할 것이 예상되는 무선 LAN 통신 및 UWB 통신, 특히, 이동체 단말용의 내장 안테나로서는 매우 적합한 성질이다.

<본 실시형태의 광대역 안테나의 이점>

이상, 본 실시형태의 광대역 안테나의 특징은 더블?실린더?리지 도파관의 동작 모드에 기초하여, 최저 사용 가능 주파수가 존재하는 만큼의 초광대역의 안테나인 것, 무선 LAN 통신에도 적합한 것, 무지향성인 것, 기립 엘리먼트부를 갖는 것에 의해 소형화한 것이다. 이러한 특성은 향후, 용도가 비약적으로 확대될 것이 예상되는 무선 LAN 통신용 및 UWB 통신용의 범용 안테나로서, 대단히 중요한 것이며, 특히, 소형화를 도모함으로써 용도가 더욱 확대된다고 생각된다.

또, 본 명세서에 제시한 광대역 안테나(무선 LAN 통신용 및 UWB 통신용 안테나)의 사이즈, 재질 등은 예시이고, 본 발명의 특징을 일탈하지 않는 범위에서의 실시는 본 발명의 범위이다.

본 발명의 광대역 안테나는 UWB 통신용 안테나 외에, 휴대전화, PDA 등, 복수의 주파수를 사용하는 것이 예정되면서도 안테나의 설치위치가 한정되는 이동체 단말용의 안테나, GPS 안테나, 지상파 디지탈 방송 시스템의 수신 안테나, 무선 LAN의 송수신 안테나, 위성 디지탈 방송의 수신 안테나, 셀룰러용 안테나, ETC 송수신용 안테나, 전파센서, 방송에 의한 라디오 수신기용 안테나, 그 밖의 많은 안테나로서 이용할 수 있다. 본 발명의 광대역 안테나의 최대의 이점은 이러한 많은 용도에 대하여 1개의 안테나로 대응 가능하다는 점이다.

Claims

리지 도파관의 개구 단면 구조의 일부 또는 전부를 이루고, 평면 위에 전개되는, 안테나 특성 조정용의 리지 엘리먼트와, 전자파 방사용의 방사 엘리먼트를 구비하는 광대역 안테나로서,

상기 리지 엘리먼트는 상기 리지 도파관의 리지부에 상당하는 조정부와, 급전을 받기 위한 급전부를 갖고 있고,

상기 방사 엘리먼트는 상기 리지 엘리먼트로부터 연장하고 있는, 광대역 안테나.
제 1 항에 있어서,

상기 방사 엘리먼트 또는 상기 리지 엘리먼트에 용량 결합되는 전자파 방사용의 용량 결합 방사 엘리먼트를 더 구비하고, 상기 방사 엘리먼트는 제 1 주파수대에서 사용 가능한 사이즈이고, 상기 용량 결합 방사 엘리먼트는 상기 제 1 주파수대보다도 저대역측의 제 2 주파수대에서 사용 가능한 사이즈인, 광대역 안테나.
제 2 항에 있어서,

상기 용량 결합 방사 엘리먼트는 상기 방사 엘리먼트와 동일 패턴 또는 좌우 대칭 패턴으로 형성되는, 광대역 안테나.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 리지 엘리먼트에는 상기 리지 엘리먼트를 포함하는 평면으로부터 기립하는 기립 엘리먼트가 접속되어 있는, 광대역 안테나.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 리지 도파관은 그 선단부가 대향하는 한 쌍의 리지부를 갖는 더블?실린더?리지 도파관이고,

상기 리지 엘리먼트부는 상기 더블?실린더?리지 도파관의 한쪽의 리지부에 상당하는 것이며,

상기 더블?실린더?리지 도파관의 다른쪽의 리지부에 상당하는 엘리먼트부가, 그라운드 전위로 유지되는 그라운드부인, 광대역 안테나.
제 5 항에 있어서,

상기 그라운드부는 상기 급전부로부터 연장되는 급전선로를 코플레이너 도파로로서 외부로 유도하는 구조를 갖는, 광대역 안테나.
제 5 항에 있어서,

상기 그라운드부가 외부 접지 도체와 직접 연결된, 광대역 안테나.
제 5 항에 있어서,

상기 리지 엘리먼트부와 상기 그라운드부의 적어도 한쪽이 원호형 또는 대략 원호형으로 성형되어 있는, 광대역 안테나.
제 8 항에 있어서,

상기 리지 엘리먼트부는 상기 개구 단면 구조중 상기 리지 도파관의 리지부를 그 높이 방향으로 재단하여 이루어지는 1기단 구조이며,

상기 방사 엘리먼트부가 상기 리지 엘리먼트부의 기단으로부터 연장되는, 광대역 안테나.
제 8 항에 있어서,

상기 리지 엘리먼트부는 상기 개구 단면 구조중 상기 리지 도파관의 리지부의 높이가 최대가 되는 부위를 중심선으로 하여 대칭이 되는 양 기단 구조이며,

상기 방사 엘리먼트부가 상기 리지 엘리먼트부의 양 기단으로부터 각각 연장되는, 광대역 안테나.
제 9 항에 있어서,

상기 방사 엘리먼트부가, 적어도 사용 주파수 대역에서의 그룹 지연 시간을 소정 범위로 유지시키는 사이즈의 미앤더(meander)형으로 성형되어 있는, 광대역 안테나.
제 9 항에 있어서,

상기 리지 엘리먼트부에 대역 미세조정용의 조정 엘리먼트부가 일체로 형성되어 있는, 광대역 안테나.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

1개의 프린트 기판 상에, 접지 도체 패턴과 같이 일체로 형성되어 있는, 광대역 안테나.