JP2008166856A - Antenna structure - Google Patents
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Abstract
Description
この発明はアンテナ構造に関し、特に、超広帯域の小型アンテナ構造に関する。 The present invention relates to an antenna structure, and more particularly to an ultra-wideband small antenna structure.
近年無線LAN、ブルートゥース(商標)等の近距離無線インターフェースが広く使用されるようになってきているが、さらに高速の伝送を可能にする超広帯域無線方式(UWB)が次期システムとして注目されている。各国で仕様の検討が進められている最中であるが、その使用周波数として米国では3.1〜10.6GHzの間で比較的大きな出力が認められている。いずれにしてもこのUWBシステムは非常に広帯域の周波数を使用するため100Mbps以上の高速の無線伝送が可能であるが、このような広帯域の信号を伝送するアンテナを実現することは容易ではない。通常のアンテナを位相整合しても、このような広帯域なアンテナは実現できない。 In recent years, short-range wireless interfaces such as wireless LAN and Bluetooth (trademark) have come to be widely used, but the ultra wideband wireless system (UWB) that enables higher-speed transmission attracts attention as the next system. . Although the specification is being studied in each country, a relatively large output is recognized in the United States as 3.1 to 10.6 GHz as the use frequency. In any case, since this UWB system uses a very wide band frequency, high-speed wireless transmission of 100 Mbps or more is possible, but it is not easy to realize an antenna for transmitting such a wide band signal. Even if a normal antenna is phase-matched, such a broadband antenna cannot be realized.
非常に広帯域な範囲で反射損を少なくするアンテナ構造として下記特許文献1に記載されたものがある。
また、広帯域なアンテナの1つとして、ボウタイアンテナの2つのアンテナ導体を短絡したものが報告されている(非特許文献1)。図9はその説明図である。図9(a)は扇形のループアンテナのトポロジ、同(b)は2つの扇形のループアンテナを結合したもののトポロジである。これらの図において扇形の導体の中心が給電点である。同(c)は同(b)のアンテナの半分を用いて接地面上に実現したアンテナ構造を示す。図9において、黒く塗りつぶした部分が導体を示す。
特許文献1記載のアンテナ構造は、自己補対構造を基礎としている。自己補対構造とは、複数のアンテナ導体が対称軸に関して左右で対称となっており、かつ、対称点に関して180°回転するとアンテナ導体がアンテナ導体自身と重なり、90°回転するとアンテナ導体がパターンのない部分と重なる構造である。理論的には、自己補対構造は広帯域なアンテナを実現できるが、アンテナ導体の大きさが無限大でなければならない。そのようなアンテナ構造は実際には実現できず、アンテナ導体を所定の範囲の大きさに納めなければならない(特許文献1では「擬似」自己補対としている)。そのため、特性が若干劣化する。
The antenna structure described in
非特許文献1記載のアンテナ構造(図9(c))は立体構造であるため、実装が難しかった。また、図9(b)の構造は平面で実現できるものの、給電点の回りが導体で囲まれているため、中心にある給電点から信号を取り出すのが難しいという欠点があった。アンテナ導体の同一面上に給電線を配置すると短絡線と短絡してしまうし、給電点からビアを介して他の面に引き出した後、当該ビアに給電線を接続したとしても、誘電体を介して短絡線又はアンテナ導体と給電線が交差するためアンテナの動作を悪化させてしまう。これを避けるために誘電体を厚くすることが考えられるが、すると材料のコストが上がってしまうという欠点があった。 Since the antenna structure described in Non-Patent Document 1 (FIG. 9C) is a three-dimensional structure, it was difficult to mount. Although the structure of FIG. 9B can be realized in a plane, there is a drawback that it is difficult to extract a signal from the feeding point at the center because the periphery of the feeding point is surrounded by a conductor. If the feed line is placed on the same surface of the antenna conductor, it will be short-circuited with the short-circuit line, and even if the feed line is connected to the via after being pulled out from the feed point to the other surface via the via, Therefore, the operation of the antenna is deteriorated because the short-circuit wire or the antenna conductor intersects with the feed line. In order to avoid this, it is conceivable to increase the thickness of the dielectric, but this has the disadvantage of increasing the cost of the material.
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、、有限の大きさのアンテナ導体を用いながら良好な広帯域特性を実現できるアンテナ構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an antenna structure capable of realizing a good broadband characteristic while using an antenna conductor having a finite size.
この発明に係るアンテナ構造は、誘電体基板と、前記誘電体基板の片面に線対称かつ回転対称に配置された複数の扇型のアンテナ導体と、線対称に配置され前記複数の扇型のアンテナ導体間を短絡する円弧状の導体と、線対称に配置された複数の給電用導体とを備え、前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点が回転中心近傍に互いに対向して配置され、前記複数の給電用導体の一端はそれぞれ前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点近傍に接続され、前記複数の給電用導体の他端は給電端であり、前記円弧状の導体は、前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点を挟んで前記複数の給電用導体の給電端の反対側に配置されていることを特徴とするものである。 An antenna structure according to the present invention includes a dielectric substrate, a plurality of fan-shaped antenna conductors arranged in line symmetry and rotational symmetry on one surface of the dielectric substrate, and the plurality of fan-shaped antennas arranged in line symmetry. An arc-shaped conductor that short-circuits between the conductors, and a plurality of power supply conductors arranged in line symmetry, and the plurality of fan-shaped antenna conductors are arranged opposite to each other in the vicinity of the rotation center, One end of each of the feeding conductors is connected in the vicinity of the apexes of the plurality of fan-shaped antenna conductors, the other end of the plurality of feeding conductors is a feeding end, and the arcuate conductor is the plurality of fan-shaped conductors. The antenna conductors are arranged on opposite sides of the feeding ends of the plurality of feeding conductors with the apex of the antenna conductor interposed therebetween.
前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点の角度がそれぞれ120度である。 The angles of the apexes of the plurality of fan-shaped antenna conductors are each 120 degrees.
前記円弧状の導体は、前記複数の扇型のアンテナ導体の外周を短絡する。
前記円弧状の導体は、前記複数の扇型のアンテナ導体の外周よりも外側に設けられた第1の部分と、前記第1の部分を前記複数の扇型のアンテナ導体の外周にそれぞれ接続する複数の第2の部分とを含むものでもよい。
あるいは、前記円弧状の導体は、前記複数の扇型のアンテナ導体の半径の略中間を短絡する。
The arc-shaped conductor short-circuits the outer periphery of the plurality of fan-shaped antenna conductors.
The arcuate conductor connects the first portion provided outside the outer periphery of the plurality of fan-shaped antenna conductors and the first portion to the outer periphery of the plurality of fan-shaped antenna conductors, respectively. A plurality of second parts may be included.
Alternatively, the arc-shaped conductor short-circuits substantially the middle of the radius of the plurality of fan-shaped antenna conductors.
前記複数の給電用導体の幅は、前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点よりも、前記給電端のほうが広くなっているものでもよい。 The plurality of power supply conductors may be wider at the power supply end than the apexes of the plurality of fan-shaped antenna conductors.
前記複数の扇型のアンテナ導体が設けられた面とは異なる前記誘電体基板の面に、前記複数の給電用導体が設けられ、前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点と前記複数の給電用導体は、それぞれビアで接続されているものでもよい。 The plurality of feeding conductors are provided on a surface of the dielectric substrate different from the surface on which the plurality of fan-shaped antenna conductors are provided, and the apexes of the plurality of fan-shaped antenna conductors and the plurality of feeding antennas are provided. The conductors may be connected by vias.
この発明によれば、非常に広帯域な範囲で反射損の少ないアンテナを実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize an antenna with little reflection loss in a very wide band range.
発明の実施の形態1.
発明の実施の形態1に係るアンテナについて図面を参照して説明する。
図1(a)は、発明の実施の形態1に係るアンテナ構造の平面図である。1、2はアンテナを構成する扇形のアンテナ導体(その角度は120度。ただしこの角度に限定されない)、3,4はそれぞれの一方の端がアンテナ導体1,2に接続された給電用導体である。5,6は給電用導体3,4のアンテナ導体1,2と反対側の端である。これらの部分(給電端)5,6から位相が互いに180度ずれた信号が給電される。アンテナ導体1,2及び給電用導体3,4は、対称軸ASに関して線対称である。9は対称軸ASに関し対称に配置され、複数の扇型のアンテナ導体1と2をその外周P、Qにおいて短絡する円弧状の導体である。円弧状の導体9は、回転対称点PSを中心として複数の給電用導体3、4の反対側に配置され、そこで複数の扇型のアンテナ導体1と2を短絡している。図1の例では、円弧状の導体9は扇型のアンテナ導体1、2の外周(円弧)と同じ形状をしており、扇型のアンテナ導体1、2の最外縁PとQを短絡している。
An antenna according to
FIG. 1A is a plan view of an antenna structure according to
アンテナ導体1,2を短絡する円弧状の導体9は、その形状が対称である限り奇モードが固有モードとなるため差動動作に悪影響は与えない。従って円弧状の導体9の幅が一定でなくてもよい。図1ではアンテナ導体1,2の最外周P,Qを接続しているが、部分を短絡してもよい。
The
アンテナ導体1と2の間には対称点PSが存在し、この対称点PSに関してアンテナ導体1と2は回転対称である。すなわち、2つの扇形の導体1と2を対称点PSを中心に180度回転させると、図1(a)の扇形の導体1と2とそれぞれ一致する。
A symmetrical point PS exists between the
図1(b)は発明の実施の形態1に係るアンテナ構造の断面図(同図(a)のa−a矢視断面図)である。11は誘電体基板である。アンテナ導体1,2及び給電用導体3,4は、誘電体基板11の同じ面上に形成される。
FIG.1 (b) is sectional drawing (aa arrow sectional drawing of the figure (a)) of the antenna structure which concerns on
図1(a)において、複数のアンテナ導体1、2の上側に円弧状の導体9(以下、「短絡金属」「短絡線」と記すことがある)が設けられているので、複数のアンテナ導体1と2は直流(DC)では短絡されている。他方、下側には短絡金属はなく、その複数のアンテナ導体1と2の間で給電線3,4が引き出されている。
In FIG. 1 (a), an arcuate conductor 9 (hereinafter sometimes referred to as "short-circuit metal" or "short-circuit line") is provided above the plurality of
発明の実施の形態1に係るアンテナ構造によれば、短絡線9がない場合概ね自己補対アンテナ構造であるが、アンテナ導体1と2が短絡されていることで、DCでは短絡となりアンテナとしては動作しないが、短絡線のインダクタンスにより周波数が高くなると短絡ではなくなりアンテナとして動作し始める。
According to the antenna structure according to the first embodiment of the invention, the self-complementary antenna structure is generally provided when there is no short-
発明の実施の形態1に係るアンテナ構造を、特許文献1記載のアンテナ構造と比較すると、次の点で相違する。
(1)発明の実施の形態1が円弧状の導体(短絡金属)9を備えるのに対し、特許文献1は備えない点
(2)発明の実施の形態1のアンテナ導体1,2が扇形であるのに対し、特許文献1は三角形である点
(3)発明の実施の形態1のアンテナ導体1、2の角度が120度であるのに対し、特許文献1は90度である点
When the antenna structure according to
(1) The first embodiment of the invention includes the arc-shaped conductor (short-circuit metal) 9 whereas the
発明の実施の形態1に係るアンテナ構造を、非特許文献1記載のアンテナ構造と比較すると、次の点で相違する。
(4)発明の実施の形態1ではアンテナ導体1,2と同じ平面に設けられた給電用導体3,4を備えるのに対し、非特許文献1では給電用導体が明示されていない点(非特許文献1の給電源とその流れは模式的に描かれたものにすぎない)
(5)発明の実施の形態1のアンテナ構造は開いている(扇形のアンテナ導体1,2の中心に位置する給電点からアンテナの外部へ向けて、アンテナ導体1,2又は短絡金属9のいずれにも接触することなく、ラインを引くことができる)のに対し、非特許文献1の構造は閉じている点
When the antenna structure according to the first embodiment of the invention is compared with the antenna structure described in
(4) While the first embodiment of the invention includes the feeding
(5) The antenna structure of the first embodiment of the invention is open (either the
図2に発明の実施の形態1に係るアンテナ構造の特性(○印)と、比較例の特性(×印)を示す。図2はコンピュータシミュレーションにより求めたものである。比較例は、図3に示す構造のものである。比較例はアンテナ導体1と2をその両側で短絡したものである。この構造では、上記(5)の点でアンテナ給電線の配置が困難であるので、実用することはできない(コンピュータシミュレーションは可能である)。比較例はあくまで参考のためのものである。
FIG. 2 shows the characteristics (◯ mark) of the antenna structure according to the first embodiment of the invention and the characteristics (× mark) of the comparative example. FIG. 2 is obtained by computer simulation. The comparative example has the structure shown in FIG. In the comparative example,
比較例のアンテナ構造では給電点が金属で囲まれているために線路と交差してしまう。基板の裏に給電線をビアで引き出し、誘電体を介して短絡金属9と交叉させることで低周波での短絡は避けることができるが、高周波帯では交叉部でアンテナ短絡金属と給電線が交叉する部分で容量的に結合しアンテナの特性を悪化させてしまう。発明の実施の形態1に係るアンテナ構造であればそのような不都合を避けることができる。
In the antenna structure of the comparative example, the feeding point is surrounded by metal, and thus crosses the line. By pulling the feed line to the back of the substrate with vias and crossing with the short-
図2は、アンテナ導体1,2の形状を扇型の部分の半径が21mmで挟む角度120度とし、比誘電率3.5、厚さ0.1mmの基板上に銅を用いてアンテナ導体を作製したものとしてシミュレーションを行ったものである。
FIG. 2 shows that the
図2(a)は入力インピーダンスの比較を示している。同図によれば、発明の実施の形態1に係るアンテナ構造、比較例のアンテナ構造のいずれも3GHz以上では概ね一定の入力インピーダンスであり、両者ほぼ同じ特性を示す。すなわち、発明の実施の形態1に係るアンテナ構造、比較例のアンテナ構造のいずれについても、3GHz以上で入力インピーダンスは実部160Ω、虚部0Ωでほぼ一定の値を示している。 FIG. 2A shows a comparison of input impedance. According to the figure, both the antenna structure according to the first embodiment of the invention and the antenna structure of the comparative example have a substantially constant input impedance at 3 GHz or more, and both exhibit substantially the same characteristics. That is, for both the antenna structure according to the first embodiment of the invention and the antenna structure of the comparative example, the input impedance is 3 GHz or higher, and the real part has a constant value of 160Ω and the imaginary part has a constant value of 0Ω.
図2(b)は、発明の実施の形態1に係るアンテナ構造、比較例のアンテナ構造のアンテナを160Ωのインピーダンスの差動端子に接続したときの反射損失を示す。いずれも2GHz以上で−10dB以下の反射損失が得られることを示す。いずれもアンテナで通常要求される反射損失(−10dB以下)を満足し、2GHz−15GHzという非常に広帯域なアンテナ特性が実現されている。この反射特性は実用上許容できる範囲のものである。 FIG. 2B shows the reflection loss when the antenna of the antenna structure according to the first embodiment of the invention and the antenna of the comparative example are connected to a differential terminal having an impedance of 160Ω. All indicate that a reflection loss of 2 GHz or more and -10 dB or less is obtained. Both satisfy the reflection loss (-10 dB or less) normally required for an antenna, and an extremely wide antenna characteristic of 2 GHz to 15 GHz is realized. This reflection characteristic is in a practically acceptable range.
以上説明したように、本発明の実施の形態1に係るアンテナ構造は、給電線を設けてもアンテナの動作に影響をほとんどもたらさない上にアンテナの性能も同等な広帯域特性を得ることができるという特徴をもつ。 As described above, the antenna structure according to the first embodiment of the present invention has almost no influence on the operation of the antenna even if the feed line is provided, and can obtain broadband characteristics with the same performance as the antenna. Has characteristics.
発明の実施の形態2.
図2のシミュレーション結果によれば、図1のアンテナ構造は入力インピーダンス160Ωで終端されるべきものである。しかし、実用上は入力インピーダンス160Ωで終端される場合は少なく、通常の場合、アンテナは同軸ケーブル(不平衡の50Ω)または差動の100Ωで終端される。インピーダンスの整合を行わないと、信号が減衰してしまう。これを避けるには、差動で終端される場合には差動のインピーダンス整合回路、同軸ケーブルで終端する場合にはインピーダンス整合回路と平衡不平衡変換回路(バラン)が必要となる。
According to the simulation results of FIG. 2, the antenna structure of FIG. 1 should be terminated with an input impedance of 160Ω. However, in practice, it is rarely terminated with an input impedance of 160Ω, and normally the antenna is terminated with a coaxial cable (unbalanced 50Ω) or differential 100Ω. Without impedance matching, the signal will be attenuated. In order to avoid this, a differential impedance matching circuit is required when terminated differentially, and an impedance matching circuit and a balanced / unbalanced conversion circuit (balun) are required when terminated with a coaxial cable.
アンテナ導体1,2の形状を変えることなく、給電線3,4の寸法形状を調整することで、任意の端子インピーダンスに合わせることができる。図4及び図5は発明の実施の形態2に係るアンテナ構造の平面図である。この図において上記発明の実施の形態と同一又は相当する部分には同一符号を付してある。
By adjusting the dimensional shape of the
図4において、給電用導体3の端5の幅とその他端(アンテナ導体1側の端)の幅を比較すると、アンテナ導体1側の端から端5へ向かうに従って単調に幅が大きくなっている。給電用導体4の端6の幅とその他端(アンテナ導体1側の端)の幅についても同様である。傾きが場所によって変化したり、部分的に不連続に変化するものでもよい。要するに、一方の端から他端へ向かうに従って徐々に幅が狭くあるいは広くなり、狭くなっていく途中で逆に広くなったりしなければよい。
In FIG. 4, when the width of the
あるいは、図5に示すように、給電用導体3がそれぞれ幅の異なる給電用導体3−1と3−2とから構成されてもよい。給電用導体4も同様である。
Alternatively, as shown in FIG. 5, the
発明の実施の形態2において、給電用導体3,4の幅が上述のようになっているので、給電用導体3,4に接続されるLSIの出力インピーダンスがアンテナの入力インピーダンスより低い場合であっても、外部の信号源インピーダンスがアンテナに整合するようにできる。
In the second embodiment of the present invention, since the widths of the
なお、LSIの出力インピーダンスがアンテナの入力インピーダンスより高い場合は、上述の場合と逆に、すなわち給電用導体3,4の幅はアンテナに接続される部分で広く、外部から給電される側5,6で狭くなるように構成すればよい。
When the output impedance of the LSI is higher than the input impedance of the antenna, contrary to the case described above, that is, the width of the feeding
発明の実施の形態2によれば、インピーダンス整合を行うことで、アンテナの広帯域性も十分保持できる。インピーダンス整合回路は給電線のインピーダンスを所望のインピーダンスに設計する必要があるが、いまの場合アンテナの入力インピーダンスは給電点のインピーダンスより高いため、1対の給電線の線路幅をアンテナ側を細い線路幅として高インピーダンスに、給電側を太い線路として低インピーダンスとし線路幅を調整することで実現できる。また、さらに不平衡の給電を行う場合はバラン機能も果たすという特徴も有する。上記の給電線の近傍には接地面がないため、電流連続の法則から線路間で電流が逆方向にながれこれがバランの役割も果たすことになる。 According to the second embodiment of the present invention, it is possible to sufficiently maintain the broadband property of the antenna by performing impedance matching. The impedance matching circuit needs to design the impedance of the feed line to the desired impedance, but in this case the input impedance of the antenna is higher than the impedance of the feed point, so the line width of the pair of feed lines is narrower on the antenna side. This can be realized by adjusting the line width to a high impedance as the width and a low impedance with the feeding side as a thick line. Further, when unbalanced power feeding is performed, the balun function is also achieved. Since there is no ground plane in the vicinity of the feed line, the current flows in the opposite direction between the lines from the law of current continuity, which also serves as a balun.
発明の実施の形態3.
発明の実施の形態1では誘電体基板11の一方の面にアンテナ導体1,2及び給電用線路3,4を設けたが、給電用線路3,4をアンテナ導体1,2とは異なる面に設けるようにしてもよい。図6に発明の実施の形態3の例を示す。これらの図において上記発明の実施の形態と同一又は相当する部分には同一符号を付してある。
In the first embodiment of the present invention, the
図6(a)は発明の実施の形態3に係るアンテナ構造の平面図、同図(b)はb−b矢視断面図を示す。給電用導体3,4は誘電体基板の裏面に設けられている。そのためアンテナ導体1,2と給電用導体3,4を接続するためのビア24,25が設けられている。部分5,6から位相が互いに180度ずれた信号が給電される。
6A is a plan view of an antenna structure according to
発明の実施の形態4.
図7に発明の実施の形態4のアンテナ構造を示す。同図において上記発明の実施の形態と同一又は相当する部分には同一符号を付してある。
Embodiment 4 of the Invention
FIG. 7 shows an antenna structure according to the fourth embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals are given to the same or corresponding parts as those of the embodiment of the invention.
図7の短絡金属9は、複数の扇型のアンテナ導体1,2の外周よりもやや外側に設けられた第1の部分9’と、第1の部分9’を複数の扇型のアンテナ導体1,2の外周にそれぞれ接続するための第2の部分P’、Q’とからなる。第2の部分P’、Q’は、複数の扇型のアンテナ導体1,2の端ではなく、その円弧の途中に設けられており、第2の部分P’とQ’の間を第1の部分9’で短絡している。第1の部分9’は、複数の扇型のアンテナ導体1,2よりもやや大きいので第2の部分P’とQ’以外では複数の扇型のアンテナ導体1,2には接触しない。
7 includes a
図7の短絡金属9は、図1のものよりも長い。この長さを調整することでインピーダンスを変えることができる。
The short-
発明の実施の形態4のアンテナ構造でも、上記発明の実施の形態のものと同様の作用効果を奏する。 The antenna structure according to the fourth embodiment of the present invention has the same effects as those of the above-described embodiments of the present invention.
発明の実施の形態5.
図8に発明の実施の形態5のアンテナ構造を示す。同図において上記発明の実施の形態と同一又は相当する部分には同一符号を付してある。
FIG. 8 shows an antenna structure according to the fifth embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals are given to the same or corresponding parts as those of the embodiment of the invention.
図8の円弧状の導体9’’は、複数の扇型のアンテナ導体1,2よりも小さく(図8では概ね複数の扇型のアンテナ導体1,2の半径の半分)、その中間を短絡している。図8において、P’’、Q’’は複数の扇型のアンテナ導体1,2と円弧状の導体9’’の接続点である。
The
発明の実施の形態5のアンテナ構造でも、上記発明の実施の形態のものと同様の作用効果を奏する。 The antenna structure according to the fifth embodiment of the present invention has the same effects as those of the above-described embodiments of the present invention.
本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。 The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made within the scope of the invention described in the claims, and these are also included in the scope of the present invention. Needless to say.
1、2 扇形のアンテナ導体
3,4 給電用導体(給電線)
5,6 給電端
9、9’’ 円弧状の導体(短絡金属、短絡線)
9’ 円弧状の導体の第1の部分
11 誘電体基板
24、25 ビア
P’、Q’ 円弧状の導体の第2の部分
1, 2 Fan-shaped
5, 6
9 'first portion of arc-shaped
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