JP2002330019A - プリント型アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】実施に困難を伴う調整を要せずして効率良く高
利得を実現することができるプリント型アンテナを提供
する。 【解決手段】 矩形状プリント基板の一方の面上にその
一対の対向辺の一方側に設けられる始端から他方側の方
向に、モノポール導体膜によりアンテナエレメントが形
成され、矩形状プリント基板の他方の面上にその一対の
対向辺の一方側の縁からモノポール導体膜の始端と対向
する位置までに矩形状導体膜よりなるグランド板が形成
され、その一方の面上で、モノポール導体膜の始端から
当該始端に近接するグランド板の縁に対向する基板の縁
に位置する端部までに導体膜よりなるマイクロストリッ
プ線路が形成され、グランド板の端部から前記グランド
板の導体膜により形成される導体路の遠端までの電気長
が使用周波数波長の１／４程度になるように形成されて
いる。モノポール導体膜は、コリニア化することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプリント基板を用い
て作成するプリント型アンテナに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】１／４波長モノポールアンテナ，スリー
ブアンテナ，あるいは半波長ホイップアンテナは、これ
らを垂直に配置した場合に水平面内無指向性になる。水
平面内無指向性の性質を持つアンテナは、通信可能なゾ
ーンを形成することができ、このゾーン内の無線通信局
との無線通信を可能にする。そのため、これらのアンテ
ナはしばしば移動体通信における基地局と移動局、ある
いは無線ＬＡＮにおける基地局（親機）と端末局（子
機）に用いられる。

【０００３】この水平面内無指向性の性質を保ちなが
ら、利得を向上させる技術としてコリニアアンテナがあ
る。コリニアアンテナは、コリニア化されていないアン
テナの場合と比較して、同じ送信電力で通信可能なゾー
ンを拡大することができ、省電力化等の点で優れた技術
である。また、このアンテナは送信エネルギをアンテナ
の特定の水平方向に集中させて、利得を向上させるた
め、例えば屋内通信の場合に天井反射によるマルチパス
の低減、上下の別のフロアへの電波の漏洩の低減等によ
り、良好な伝搬環境を実現することができる。

【０００４】コリニアアンテナは、１／４波長モノポー
ルアンテナ，スリーブアンテナ，あるいは半波長ホイッ
プアンテナの先端に１８０度の位相回転を与える移相器
を介して、更なる放射導体を取り付けた構造を持つ。さ
らに、この放射導体はおよそ半波長で共振する長さとす
る。ここで、従来のアンテナに移相器と更なる放射導体
を加えることをコリニア化すると言う。また、コリニア
アンテナにおいて、コリニア化される前からの放射導体
を第１段目の放射導体、コリニア化するときに最初に付
加する放射導体を第２段目の放射導体と呼ぶことにす
る。コリニアアンテナにおいては移相器と付加する放射
導体は一つである必要はなく、多段のコリニアアンテナ
の作成が可能である。この場合にも付加する放射導体は
第１段目の放射導体から数えて第ｎ段目の放射導体と呼
ぶことにする。コリニアアンテナの利得増加の原理は、
第１段目の放射導体と第２段目の放射導体との間に移相
器があることにより、第１段目と第２段目の放射導体が
同相で共振し、垂直に配置した場合に水平方向の放射電
磁界が強め合うことである。同様に第ｎ−１段目の放射
導体は、移相器を介して第ｎ段目の放射導体と接続され
るので、これらは同相で共振し、第１段目から第ｎ段目
の放射導体全てが同相で共振し放射電磁界を強めあうこ
とになる。放射導体の段数であるが、ある程度以上にな
ると利得の増加の割合が鈍化し、効率と経済性の相互性
を考慮して選択される現実的な値がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のコリニアアンテ
ナは、移相器を導体を折り曲げて作ることが多かった。
これは１８０度の位相が進む距離に相当する長さの導体
をらせん状にしたり、あるいは、同じような導体を水平
方向にコの字型に曲げて更に円形に曲げたりしていた。
また、比較的周波数の低い領域では実際にコイルを使用
して移相器にしていた。しかし、このような作成方法で
は、熟練した作成技術が必要であり、また調整が必要な
場合が多かった。また、モノポールアンテナを用いたコ
リニアアンテナの場合、モノポールの特性を良くするた
め、充分な大きさのグランドが必要であり、また、その
ための組立工数も必要であった。さらにスリーブアンテ
ナを用いたコリニアアンテナの場合、スリーブアンテナ
を作るためにやはり、熟練した作成技術が必要でその組
立工数も必要であった。また、半波長ホイップアンテナ
においては整合回路、及びグランド板が必要で、これに
も組立工数が必要である。更に整合回路のため帯域が狭
くなる欠点があった。

【０００６】これらの調整は、特に高周波の場合（例え
ば数ＧＨｚ）に困難であり、移相器などは１ｍｍ単位の
調整が必要である。また、多段のときには更に調整が困
難となる。

【０００７】本発明の目的は、このように実施に困難を
伴う調整を要せずして効率良く高利得を実現することが
できるコリニアアンテナを含むプリント型アンテナを提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明によるプリント型アンテナは、矩形状プリン
ト基板と、該矩形状プリント基板の一方の面上に、該矩
形状プリント基板の一対の対向辺の一方側に設けられる
始端から他方側の方向に、形成されたモノポール導体膜
よりなるアンテナエレメントと、前記矩形状プリント基
板の他方の面上に、該矩形状プリント基板の一対の対向
辺の一方側の縁から前記モノポール導体膜の始端と対向
する位置までに形成された矩形状導体膜よりなるグラン
ド板と、前記矩形状プリント基板の前記一方の面上で、
前記アンテナエレメントのモノポール導体膜の始端から
当該始端に近接する前記グランド板の縁に対向する前記
基板の縁に位置する端部までに形成された導体膜よりな
るマイクロストリップ線路と、を備えて、前記マイクロ
ストリップ線路の前記端部に対向する前記グランド板の
端部から前記グランド板の導体膜により形成される導体
路の遠端までの電気長が使用周波数波長の１／４程度に
なるように形成された構成を有している。

【０００９】前記グランド板には、前記電気長を延長す
るために、前記アンテナエレメントの方向に沿う幅の両
端の一方から、または、一方からと他方からの交互に、
該幅の中間部に達する少なくとも一つのスリットが設け
られているように構成することができる。前記アンテナ
エレメントの前記モノポール導体膜は、使用周波数波長
の１／４程度の電気長を有する第一の放射導体を備える
とともに、さらに使用周波数波長の１／２程度の電気長
を有する移相器と、第二の放射導体とにより形成される
付加部とを少なくとも一段備えて、順次形成されたコリ
ニア化構成をとり、プリント型コリニアアンテナとする
ことができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】（実施例）本発明は、無調整の高
利得アンテナを実現するために、本願発明者が先に提案
したＦ型アンテナの技術を応用する。このＦ型アンテナ
は特願平１１−３５２９９１９号に詳細に述べられてい
る。Ｆ型アンテナはグランド板を給電するためのストリ
ップラインに対してはグランド板として働かせるが、ア
ンテナエレメントに対してはそれ全体を共振させ、小型
で安定したアンテナを実現したものである。

【００１１】即ち、プリント型モノポールアンテナはＦ
型アンテナの特徴である低姿勢であることを止めて、Ｆ
型をモノポールにすることにより、Ｆ型では作成できな
かったコリニア化、すなわち高利得化を実現するための
基本アンテナである。グランド板の働きはＦ型アンテナ
と全く同一でグランド板を共振させて小型化し、更にモ
ノポールのエレメント素子と同一のプリント基板で作成
可能である。

【００１２】更に、プリント型モノポールをコリニア化
してプリントコリニアアンテナとすることができる。プ
リントコリニアアンテナはＦ型アンテナと同様なグラン
ド板を持ち、小型で安定した特性のグランド板を持つ。
さらに調整が不要であって、同一プリント基板で作成が
可能であり、しかもＦ型アンテナに比べて高利得を実現
している。

【００１３】本発明の第１の実施例としてプリント型モ
ノポールアンテナを図１に示している。この実施例で
は、両面プリント基板をエッチングして作られたもので
ある。図１において、実線は表面のパターンを示し、波
線は裏面のグランド板を示す。１は両面プリント基板で
ある。使用周波数帶によって誘電損失の低いものを用い
る場合も多い。２はグランド板であるが、プリント基板
の裏面に構成する。また、３はモノポールアンテナのエ
レメント素子である。４はマイクロストリップラインで
あり、５はアンテナの給電点である。給電はマイクロス
トリップライン４とグランド板２の間で行い、通常の特
性インピーダンスは５０オームである。この場合のよう
に給電点の入力インピーダンスが５０オームである場
合、マイクロストリップライン４の特性インピーダンス
も５０オームにする。

【００１４】プリント型モノポールアンテナは、、Ｆ型
アンテナと同様にグランド板２がマイクロストリップラ
イン４に対してはグランド板として働くが、エレメント
素子３に対してはグランドではなくアンテナエレメント
として働く。グランド板２の長さＬは最適な長さが存在
し、実験的に安定した長さを求めることができる。その
長さはおよそ１／４波長である。

【００１５】すなわち、図１に示す実施例は、矩形状プ
リント基板１と、矩形状プリント基板１の一方の面上
に、矩形状プリント基板１の一対の対向辺（この場合上
下に位置している短辺であるが、対向する長辺でもよ
い）の一方側（下側）に設けられる始端３ａから他方側
（上側）の方向に、形成されたモノポール導体膜よりな
るアンテナエレメント３と、矩形状プリント基板１の他
方の面上に、矩形状プリント基板１の一対の対向辺の一
方側（下側）の縁からモノポール導体膜３の始端３ａと
対向する位置までに形成された矩形状導体膜よりなるグ
ランド板２と、矩形状プリント基板の前記一方の面上
で、アンテナエレメントのモノポール導体膜３の始端３
ａから当該始端３ａに近接するグランド板２の縁に対向
する基板１の縁に位置する端部５までに形成された導体
膜よりなるマイクロストリップ線路４とを備えている。
これにより、マイクロストリップ線路４の端部５に対向
するグランド板２の端部からグランド板２の導体膜によ
り形成される導体路の遠端１０ａ（この場合、グランド
板２の左端）までの電気長が使用周波数波長の１／４程
度になるように形成されたプリント型アンテナである。

【００１６】プリント型モノポールアンテナは、両面プ
リント基板をエッチングして作成することができ、低コ
ストでしかも調整がいらない。指向性，利得，ＳＷＲ
（Standing Wave Ratio ：定在波比）等の性能はＦ型ア
ンテナとほぼ同等で、量産に対して従来のアンテナに比
べて優れている。

【００１７】プリント型モノポールアンテナがＦ型アン
テナと異なる点は、まず第一にアンテナエレメント素子
の高さにある。このアンテナエレメント素子３はほぼ１
／４波長で共振して、アンテナとなる。Ｆ型アンテナで
はこの高さを低姿勢にする目的があり、アンテナエレメ
ント素子の高さで比較すると、プリント型モノポールア
ンテナの更に１／３から１／４に小型化することができ
る。

【００１８】プリント型モノポールアンテナがＦ型アン
テナと異なる最大の特徴はコリニア化可能な点にある。
コリニア化することによって、Ｆ型アンテナよりも高い
利得を持ち、水平面内無指向性のアンテナを実現するこ
とができる。

【００１９】本発明のプリント型モノポールアンテナの
実現可能な他のタイプについて説明する。図２はプリン
ト型モノポールアンテナの第２の実施例である。これも
両面プリント基板をエッチングして作られたものであ
る。１は両面プリント基板であり、２はグランド板であ
る。このグランド板２はプリント基板１の裏面に構成さ
れ、斜線で示す。３はモノポールアンテナのエレメント
素子である。４はマイクロストリップラインであり、５
はアンテナの給電点であり、入力インピーダンスは通常
は５０オームである。この場合、マイクロストリップラ
イン４の特性インピーダンスも５０オームにする。

【００２０】第２の実施例もＦ型アンテナと同様にグラ
ンド板２がマイクロストリップライン４に対してはグラ
ンド板として働くが、エレメント素子３に対してはグラ
ンドではなくアンテナエレメントとして働く。第２の実
施例ではグランド板の長さをおおよそ１／４波長にする
ため、グランド板２にスリット６を２つ設けている。こ
のスリット６によりグランド板２がアンテナエレメント
素子として働く。このタイプのアンテナも高利得化のた
めのコリニア化が可能であり、コリニアアンテナの基本
アンテナとして用いられる。この実施例では、グランド
板２の導体膜により形成される導体路の遠端１０ｂは、
グランド板２の上側端の左端部である。

【００２１】次にプリント型モノポールアンテナのコリ
ニア化について述べる。図３はプリント型モノポールア
ンテナをコリニア化した本発明による２段構成のプリン
ト型コリニアアンテナである。図３はプリント型コリニ
アアンテナで本発明の第３の実施例である。図３におい
て、１は両側プリント基板である。２はグランド板であ
り、プリント基板の裏面に構成される。３がアンテナの
エレメント素子、４はマイクロストリップラインであ
り、プリント基板の表面に構成される。5 はアンテナの
給電点であり、給電はマイクロストリップライン４とグ
ランド板２の間で行い、通常の特性インピーダンスは５
０オームである。給電点の入力インピーダンスが５０オ
ームである場合、マイクロストリップライン４の特性イ
ンピーダンスも５０オームにする。

【００２２】エレメント素子３は更に第１段の放射導
体，移相器，第２段の放射導体に分けることができる。
それぞれを図３の７，８，９に示す。７は第１段の放射
導体であり、その長さはおよそ１／４波長で、先端部７
ａで電流分布が０である電流節点となる。８は移相器で
コの字型に構成され、プリントコリニアアンテナを垂直
に配置した場合の水平面内の指向性（垂直偏波）になる
べく影響を与えないように配慮されている。移相器８の
長さはおよそ半波長であり、その先端部８ｂで電流分布
０である電流節点となる。位相は第１段の放射導体と逆
相になり、移相器本来の役割である位相反転の機能を果
している。９は第２段の放射導体であって、およそ半波
長の長さを有し、その先端部９ｃは電流分布が０である
電流節点となり、中央付近は電流分布が最大となる電流
腹点となる。第２段の放射導体９の位相は、移相器８を
介して第１段の放射導体７と接続されているため、第１
段の放射導体７の位相と同相になる。第１段の放射導体
７と第２段の放射導体９が同相で励振され、更に間の移
相器８が放射に寄与しないとなれば、このアンテナの利
得はコリニア化される前に比べて増加する。

【００２３】このコリニアアンテナでは第１の実施例の
プリント型モノポールについてのみ示したが、第２の実
施例でも可能である。また、コリニアアンテナは２段の
ものについて示したが、段数に制限なく何段でもコリニ
ア化は可能である。ただし、前述したようにある段数ま
でいくと利得の増加量が鈍化し、効率が悪く現実的でな
い。

【００２４】すなわち、図３に示す実施例は、図１，図
２に示すプリント型アンテナにおいて、アンテナエレメ
ントの前記モノポール導体膜３は、使用周波数波長の１
／４程度の電気長を有する第一の放射導体７を備えると
ともに、さらに使用周波数波長の１／２程度の電気長を
有する移相器８と、第二の放射導体９とにより形成され
る付加部とを少なくとも一段備えて、順次形成されたコ
リニア化構成を有するプリント型コリニアアンテナであ
る。

【００２５】次にコリニア化した場合の利点と特徴につ
いて述べる。 まず第１に、一般的なコリニアアンテナと比較し
て、移相器の調整が不要となる利点がある。本発明のコ
リニアアンテナにおける移相器は両面プリント基板上に
エッチングして作成されるため、その精度は非常に高
い。ほぼ０．１ｍｍ以下の精度で移相器を作成すること
ができ、調整が不要でしかも量産してもそれぞれのアン
テナ間の誤差は少ない。 第２にＦ型アンテナを改良したプリントモノポール
アンテナを使用するため、小さなグランド板で作成が可
能である。これは前述したようにグランド板をエレメン
ト素子のように用いることで可能となったものである。
本発明のコリニアアンテナは、通常のモノポールのよう
に比較的大きなグランド板を必要としない。また、スリ
ープアンテナを作成するときに必要な熟練した制作技
術，調整技術が必要ない。また、半波長ホイップアンテ
ナに用いられる整合回路も必要がないため、高帯域特性
とすることができる。 第３に本発明のコリニアアンテナは、グランド素
子，第１の放射導体，移相器，第２段の放射導体を同一
の両面プリント基板で全て作成することができるので、
複雑な構造にならずに作成が可能である。このことも調
整が不要で量産に適している理由の一つである。プリン
ト基板を制作するのと全く同じコストで、本発明のアン
テナは制作可能であるから、低コスト化が実現できる。
特に、例えば数ＧＨｚの高周波数のアンテナのように、
通常の方法では調整が難しいものに対しても、本発明で
は、作成が可能である。このような高周波帯域では作成
自体が難しくなるので、電磁界シミュレーションが必要
になってくる。これは実際にアンテナを作ることなしに
計算機上で設計するもので、これを用いることにより、
実際にアンテナを作ることなしに本発明のコリニアアン
テナの実現性を確認することができる。

【００２６】このような高周波領域では移相器の特性や
共振周波数のずれは１ｍｍ変わると大きく変わるので、
もはやカットアンドトライで設計することは難しい。本
発明はこのようなカットアンドトライによらずに、上記
のように電磁界シミュレーションにより、実現可能な設
計を行うことができる。

【００２７】次に本発明のプリントモノポールアンテナ
とプリントコリニアアンテナのシミュレーション計算例
を示す。図４は実際にシミュレーションに用いたプリン
トモノポールアンテナの図で、図５はそのアンテナゲイ
ンパターン図である。図５は図４の極座標において、ψ
＝０に固定したときのθを変数とした絶対利得Ｅθであ
る。半径方向の０から２．５は絶対利得Ｅθのリニア値
を示す。

【００２８】図６は実際にシミュレーションに用いたプ
リントコリニアアンテナの図で、図７はそのアンテナゲ
インパターン図である。図７は図６の極座標において、
ψ＝０に固定したときのθを変数とした絶対利得Ｅψで
ある。半径方向の０から２．５は絶対利得Ｅθのリニア
値を示す。図５と図７を比較してわかるように利得が増
加しているのがわかる。これは、プリントモノポールア
ンテナをコリニア化したことにより利得が増加し、本発
明によるコリニア化がシミュレーション上で有効である
ことを示している。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は先に提案
したＦ型アンテナを改良したプリント型モノポールアン
テナである。このアンテナはＦ型アンテナと異なりコリ
ニア化が可能であるから、さらにプリント型コリニアア
ンテナを実現することができる。プリントコリニアアン
テナはＦ型アンテナに比べて利得が高いアンテナであ
る。これらのアンテナは、比較的小さなグランド板を持
ち、調整不要で低コストである。更に、プリントコリニ
アアンテナに関しては、同一のプリント基板に移相器と
第２段の放射器とを付加すれば、プリント型モノポール
アンテナに比べて高利得化を図ることができることを電
磁界シミュレーションによって示し、本発明の有効性を
示した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例であるプリント型モノポ
ールアンテナを示す斜視図である。

【図２】本発明の第二の実施例であるプリント型モノポ
ールアンテナの他の構成例を示す斜視図である。

【図３】本発明の第三の実施例である二段構成のプリン
ト型コリニアアンテナの他の構成例を示す斜視図であ
る。

【図４】本発明によるプリント型モノポールアンテナと
プリント型コリニアアンテナとのシミュレーションに用
いられたプリント型モノポールアンテナの構成を示す斜
視図である。

【図５】本発明によるプリント型モノポールアンテナの
シミュレーション結果を示すアンテナゲインパターンで
ある。

【図６】本発明によるプリント型モノポールアンテナと
プリント型コリニアアンテナとのシミュレーションに用
いられたプリント型コリニアアンテナの構成を示す斜視
図である。

【図７】本発明によるプリント型コリニアアンテナのシ
ミュレーション結果を示すアンテナゲインパターンであ
る。

【符号の説明】

１ 両面プリント基板 ２ グランド板 ３ モノポールアンテナのエレメント素子 ３ａ モノポールアンテナのエレメント素子の始端 ４ マイクロストリップライン ５ アンテナの給電点 ６ スリット ７ 第一段の放射導体 ７a 第一段の放射導体の先端部 ８ 移相器 ８a 移相器の先端部 ９ 第二段の放射導体 ９a 第二段の放射導体の先端部 １０ａ，１０ｂ 導体膜により形成される導体路の遠端

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 矩形状プリント基板と、 該矩形状プリント基板の一方の面上に、該矩形状プリン
   ト基板の一対の対向辺の一方側に設けられる始端から他
   方側の方向に、形成されたモノポール導体膜よりなるア
   ンテナエレメントと、 前記矩形状プリント基板の他方の面上に、該矩形状プリ
   ント基板の一対の対向辺の一方側の縁から前記モノポー
   ル導体膜の始端と対向する位置までに形成された矩形状
   導体膜よりなるグランド板と、 前記矩形状プリント基板の前記一方の面上で、前記アン
   テナエレメントのモノポール導体膜の始端から当該始端
   に近接する前記グランド板の縁に対向する前記基板の縁
   に位置する端部までに形成された導体膜よりなるマイク
   ロストリップ線路と、 を備えて、 前記マイクロストリップ線路の前記端部に対向する前記
   グランド板の端部から前記グランド板の導体膜により形
   成される導体路の遠端までの電気長が使用周波数波長の
   １／４程度になるように形成されたプリント型アンテ
   ナ。
2. 【請求項２】 前記グランド板には、前記電気長を延長
   するために、前記アンテナエレメントの方向に沿う幅の
   両端の一方から、または、一方からと他方からの交互
   に、該幅の中間部に達する少なくとも一つのスリットが
   設けられていることを特徴とする請求項１に記載のプリ
   ント型アンテナ。
3. 【請求項３】 前記アンテナエレメントの前記モノポー
   ル導体膜は、使用周波数波長の１／４程度の電気長を有
   する第一の放射導体を備えるとともに、さらに使用周波
   数波長の１／２程度の電気長を有する移相器と、第二の
   放射導体とにより形成される付加部とを少なくとも一段
   備えて、順次形成されたコリニア化構成を有することを
   特徴とする請求項１または請求項２に記載のプリント型
   コリニアアンテナ。