JP2004260761A - 多段円環パッチアンテナおよび多段円環パッチアンテナの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】アンテナ特性が超広帯域化できて、かつ小型化が可能な多段円環パッチアンテナを提供する。
【解決手段】導体からなる芯線１１と、芯線回りに備えられた誘電体１２と、誘電体回りに備えられた円筒導体１３とを備え、円筒導体１３には、対向した外径が同じ一対の円環導体１４ａ、１４ａ、１４ｂ、１４ｂが複数組設けられ、一対の円環導体１４ａ、１４ａ、１４ｂ、１４ｂの間においては、誘電体１２および円筒導体１３が取り除かれて、芯線１１が露出するスロット１５ａが設けられ、一対の円環導体１４ａ、１４ａ、１４ｂ、１４ｂの外径が、各組の円環導体ごとに異なる外径であることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】導体からなる芯線１１と、芯線回りに備えられた誘電体１２と、誘電体回りに備えられた円筒導体１３とを備え、円筒導体１３には、対向した外径が同じ一対の円環導体１４ａ、１４ａ、１４ｂ、１４ｂが複数組設けられ、一対の円環導体１４ａ、１４ａ、１４ｂ、１４ｂの間においては、誘電体１２および円筒導体１３が取り除かれて、芯線１１が露出するスロット１５ａが設けられ、一対の円環導体１４ａ、１４ａ、１４ｂ、１４ｂの外径が、各組の円環導体ごとに異なる外径であることを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、次世代無線技術と期待されるＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ：超広帯域）技術に適したアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の無線技術は、限りのある周波数を効率よく運用するために、用途によって１〜数１０ＭＨｚごとに分割した狭い帯域で速い転送スピードで通信を行っていた。
一方、次世代無線技術と期待されるＵＷＢ技術は、近距離において、１ＭＨｚ〜数ＧＨｚまでの幅広い帯域を利用して短いパルス信号を送受信する無線技術である。このようにＵＷＢ技術は非常に短いパルスを低出力で送信するため、低消費電力で、他の機器との干渉が少ない高速通信を実現できる。このＵＷＢ技術を実現するためには、超広帯域にわたるパルス波を送受信できるアンテナが必要であるが、実用に耐え得る超広帯域アンテナが実現されておらず、ＵＷＢ技術を実現するためのネック項目となっていた。また同時に、近距離無線であるので、ＵＷＢ技術にはどの方向からも電波を送受信することができる無指向性アンテナが望ましいとされている。
【０００３】
従来の広帯域アンテナとしては、例えばディスコーンアンテナやログペリアンテナなどがある。
一方、従来知られているアンテナ技術としては同軸ダイポールアンテナがある。この同軸ダイポールアンテナ１００は、図８（ａ）に示すように、銅製の芯線１０１の回りに誘電体（例えばテフロン（登録商標）やポリエチレン等の絶縁体。）１０２が配置され、誘電体１０２の回りに銅製で円筒形の外部導体１０３が配置され、外部導体１０３の周方向に励振スロット１０４が切られ、励振スロット１０４を挟んで対向して対を成す筒型のダイポールアンテナ１０５、１０５が取り付けられている。
励振スロット１０４が設けられる間隔は、放射する電波の波長λの０．７倍（０．７λ）であり、対を成すダイポールアンテナ１０５は、同軸ダイポールアンテナの軸線方向に対して放射する電波の半波長λ／２の長さになるように設けられている。
【０００４】
上記のように構成された同軸ダイポールアンテナ１００によれば、図８（ｂ）に示すように、同軸ダイポールアンテナ１００に、矢印Ａ方向に電流が流れるように給電されると、ダイポールアンテナ１０５部付近には同相電流Ｉ１が流れ、中間には小さな逆相電流Ｉ２が流れる。すると、励振スロット１０４が励振波源Ｇとなって、励振スロット１０４からダイポールアンテナ１０５に給電され波長λの電波が放射される（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
【非特許文献１】
電子情報通信学会編、「アンテナ工学ハンドブック」、オーム社、１９８０年１０月、ｐ．１３８、図５．８
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記ディスコーンアンテナやログペリアンテナをＵＷＢ技術に用いるには特性（帯域）不足であるので、ＵＷＢ技術を実現するためにはアンテナの巨体化および複雑化がどうしても避けられないという不都合があった。
【０００７】
一方、上記の同軸ダイポールアンテナ１００においては、ひとつの同軸ダイポールアンテナで送受信可能な帯域は狭いため、超広帯域に対応しようとすると、使用しようとする帯域の数だけ同軸ダイポールを備える必要がある。しかし、これはアンテナ設置スペースが非常に広くなることを意味し、広いアンテナ設置スペースを常に確保することは困難であるため、同軸ダイポールアンテナをＵＷＢ技術に使用することは難しいという問題があった。
【０００８】
また、励振スロット１０４の間隔およびダイポールアンテナ１０５の長さは、放射しようとする電波の波長に依存しているため、同軸ダイポールアンテナ１００の長手方向長さの短縮もできないという問題があった。
【０００９】
このように、従来技術では単一アンテナでＵＷＢ技術を実現できるものが存在しないというのが現状であり、全く新しい超広帯域なアンテナの開発が要望されている。
【００１０】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、アンテナ特性が超広帯域化できて、かつ小型化が可能な多段円環パッチアンテナを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の多段円環パッチアンテナでは、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１にかかる発明は、導体からなる芯線と、該芯線回りに備えられた誘電体と、該誘電体回りに備えられた円筒導体とを備え、前記円筒導体には、対向した外径が同じ一対の円環導体が複数組設けられ、前記一対の円環導体の間においては、前記誘電体および前記円筒導体が取り除かれて、前記芯線が露出するスロットが設けられ、前記一対の円環導体の外径が、各組の円環導体ごとに異なる外径であることを特徴とする。
【００１２】
この発明にかかる多段円環パッチアンテナによれば、円筒導体に一対の円環導体が複数組設けられており、円環導体は芯線の長手軸線方向に対してスペースを取らないため、多段円環パッチアンテナ全体において芯線の長手軸線方向長さを短くすることができ、一対の円環導体が多段に構成されていても芯線の長手軸線方向長さを短く構成することができる。
また、各組の円環導体ごとに円環導体の外径を変えているため、異なる外径に対応した波長の電波を同時に放射することができ、さらに各組の円環導体は独立であるため、アンテナ全体に同相電流を流す必要がなく、スロット間隔を任意に設定でき小型化できる。
【００１３】
さらに、上記一対の円環導体は、芯線の長手軸線方向の垂直面（水平面）内において指向性がなく（水平面内無指向性）どの方向においても電波の送受信することができる。また、この一対の円環導体を電波の放射のない芯線の長手軸線方向に重ねて多段化するため、複数組の円環導体の間で互いに影響を受けにくく、どの周波数帯でも水平面内無指向性の放射パターンを示すことができる。
【００１４】
請求項２にかかる発明は、請求項１記載の多段円環パッチアンテナにおいて、前記各組の円環導体の間に、誘電体を備えることを特徴とする。
【００１５】
この発明にかかる多段円環パッチアンテナによれば、各組の円環導体の間に誘電体を備えているため、前記各組の円環導体の間における電波の波長は、前記誘電体の誘電率の平方根で割った波長になる。そのため、同じ波長の電波を放出するのに、より小さい直径の円環導体を使用することができる。
【００１６】
請求項３にかかる発明は、導体からなる芯線と、該芯線の軸線方向に厚みを持つ板状の誘電体からなる積層された複数枚の誘電基盤とが備えられ、前記誘電基盤の内、互いに隣接しない一および二の誘電基盤のそれぞれ一方の面および他方の面に、前記芯線を中心として、外径および内径が同じ一対の円環導体が設けられ、前記円環導体が設けられた一の誘電基盤と二の誘電基盤との間に位置する三の誘電基盤には、前記芯線を中心として、内部が誘電体で満たされた前記円環導体の内径と同じ外径の円筒導体が設けられ、前記一対の円環導体の外径が、それぞれの一対の円環導体ごとに異なる径であることを特徴とする。
【００１７】
この発明にかかる多段円環パッチアンテナによれば、一対の円環導体を備えた一および二の誘電基盤と円筒導体を備えた三の誘電基盤とを重ねて構成されているので、上記円環導体や上記円筒導体などの構成要素の強度を確保しやすく小型化がしやすい。
【００１８】
請求項４にかかる発明は、請求項１から３のいずれかに記載の多段円環パッチアンテナにおいて、前記各組の円環導体が外径を異ならせて、そのリターンロス特性のピークがずれるように、かつ該リターンロス特性の小さくなる領域が重なり合うように設定されていることを特徴とする。
【００１９】
この発明にかかる多段円環パッチアンテナによれば、前記各組の円環導体の外径をずらして、リターンロス特性のピークをずらし、リターンロス特性の小さくなる領域が重なり合うように設定されているため、アンテナ特性がより広帯域化することができる。
【００２０】
請求項５にかかる発明は、板状の誘電体である第１誘電基板の一方の面と他方の面とに、同じ外径および内径を持つ円環導体を形成する工程と、内部が誘電体で満たされた前記円環導体の内径と同じ外径の円筒導体を、前記円環導体の中心と前記円筒導体の中心とをあわせて前記第１誘電基盤に接合する工程と、板状の誘電体である第２誘電基盤に、前記円環導体の内径と同じ直径の孔を形成し、前記孔に前記円筒導体を挿通するようにして前記第１誘電基盤に接合する工程と、を複数回繰り返し、前記円環導体を形成するごとに、前記円環導体の外径を異なる外径に形成し、積層された前記円環導体および前記円筒導体の中心を通るように、導体からなる芯線を挿通させることを特徴とする。
【００２１】
この発明にかかる多段円環パッチアンテナの製造方法によれば、一対の円環導体が設けられた第１誘電基盤と円筒導体とを重ね、さらに第２誘電基盤を重ねる工程を繰り返して製造しているので製造工程が簡単になり、上記円環導体や上記円筒導体などの構成要素が小型化しても製造が難しくならない。
【００２２】
請求項６にかかる発明は、 請求項１から５のいずれかに記載の多段円環パッチアンテナにおいて、前記一対の円環導体の間に、一方の円環導体と電気的に導通していると共に該円環導体より外径が小さい中間円環導体を備え、前記スロットが、前記中間円環導体と他方の前記円環導体との間に設けられていることを特徴とする。
【００２３】
この発明にかかる多段円環パッチアンテナによれば、スロットが中間円環導体と他方の円環導体との間に設けられているので、スロットの位置を任意にずらすことができ、その結果、アンテナのインピーダンスを調整することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の第一実施形態の第一実施例について図１、図２を参照しながら説明する。
多段円環パッチアンテナ１０は、図１（ａ）の斜視図および図１（ｂ）の断面図に示すように、銅からなる芯線１１と、芯線回りに備えられた誘電体（例えばテフロン（登録商標）やポリエチレン等の絶縁体であり、本実施形態においてはテフロン（登録商標）を適用している。）１２と、誘電体１２を被覆するように備えられた銅製円筒（円筒導体）１３と、銅製円筒１３に備えられた一対の対向した外径が同じ第一銅製円環（円環導体）１４ａ、１４ａと、第二銅製円環（円環導体）１４ｂ、１４ｂと、第一銅製円環１４ａおよび第二銅製円環１４ｂの銅製円環の組の間において誘電体１２および銅製円筒１３が取り除かれて芯線１１が露出したスロット１５ａ、１５ｂとが設けられている。
また、芯線１１および銅製円筒１３の一方の端部は短絡され、上方の第一銅製円環１４ａから短絡された端部までの長さ寸法は、反射が少なくなるように設定されている。
【００２５】
第一銅製円環１４ａの外径は、図１（ｂ）に示すように、第一銅製円環１４ａから放射する電波波長λ１の半波長の長さに設定され、第二銅製円環１５ｂの外径は、第二銅製円環１５ｂから放射する電波波長λ２の半波長に設定されている。
これら波長λ１およびλ２の波長差は、図２に示すように、第一銅製円環１４ａに対応するリターンロスＲＬ１がＶＳＷＲ（Ｖｏｌｔｅｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ：電圧定在波比）３より小さくなる帯域Ｗ１と、第二銅製円環１４ｂに対応するリターンロスＲＬ２がＶＳＷＲ３より小さくなる帯域Ｗ２とが重なるように設定されている。
【００２６】
上記の構成からなる多段円環パッチアンテナ１０においては、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、芯線１１に給電されると、スロット１５ａから第一銅製円環１４ａに給電される。給電された第一銅製円環１４ａから外径に対応した波長λ１の電波が、芯線１１の長手軸線方向の垂直面（水平面）内においてどの方向においても同じように（無指向性）放射される。同様に、第二銅製円環１４ｂはスロット１５ｂから給電され、第二銅製円環１４ｂの外径に対応した波長λ２の電波が、水平面内において無指向性に放射される。
また、第一銅製円環１４ａおよび第二銅製円環１４ｂは、電波の送受信方向に関係のない芯線１１の長手軸線方向に重ねて配置されているので、各銅製円環１４ａ、１４ｂ同士の影響により、指向性が乱れるなどの影響を受け難い。
【００２７】
ここで、図２に示すように、第一銅製円環１４ａの組における電波のリターンロスＲＬ１は、波長がλ１において最も下がり、波長がλ１から離れるにつれてリターンロスＲＬ１は上がっていく。同様に第二銅製円環１４ｂの組においては、波長がλ２においてリターンロスＲＬ２は最小となる。
波長λ１とλ２とは近い波長に設定されているので、リターンロスＲＬ１がＶＳＷＲ３より小さくなる帯域Ｗ１と、リターンロスＲＬ２がＶＳＷＲ３より小さくなる帯域Ｗ２とが重なる。すると、波長λ１およびλ２も含めた広い帯域において、リターンロスＲＬ１とリターンロスＲＬ２とが重畳することによりリターンロスが低下して、ＶＳＷＲが３より小さい帯域が広域化される。
【００２８】
上記の構成によれば、銅製円筒１３に各銅製円環１４ａ、１４ｂが設けられており、銅製円環１４ａ、１４ｂは芯線１１の長手軸線方向に対してスペースを取らないため、アンテナ全体において芯線１１の長手軸線方向長さを短くすることができ、各銅製円環１４ａ、１４ｂが２段に構成されていても芯線１１の長手軸線方向長さを短く構成することができる。
【００２９】
また、各銅製円環１４ａ、１４ｂごとに外径を変えているため、異なる外径に対応した波長λ１、λ２の電波を同時に放射することができる。それと同時に、各銅製円環１４ａ、１４ｂの外径に対応する波長λ１、λ２のリターンロスが重なり合い、アンテナ全体としてのＶＳＷＲが３より小さくなる帯域が広くなる、つまりアンテナ特性をより広帯域化することができる。
さらに各銅製円環１４ａ、１４ｂの組は独立であるため、アンテナ全体に同相電流を流す必要がなく、スロット１５ａ、１５ｂ間隔を任意に設定でき小型化することができる。
【００３０】
複数組の導体円環１４ａ、１４ｂを芯線１１の長手軸線方向に重ねているので、複数組の円環導体１４ａ、１４ｂの間で互いに影響を受けにくく、ＵＷＢ技術に用いて好適な、どの周波数帯でも水平面内無指向性の放射パターンを示すことができる。
【００３１】
次に、この発明の第一実施形態の第二実施例について図３を参照しながら説明する。
全体の構成は、図１（ａ）、（ｂ）に示すものと同様であり、同一構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３２】
多段円環パッチアンテナ３０は、図３（ａ）の斜視図および図３（ｂ）の断面図に示すように、銅製円筒１３に備えられた一対の対向した外径が同じ第三銅製円環（円環導体）３１ａ、３１ａと、第四銅製円環（円環導体）３１ｂ、３１ｂとが設けられ、第三銅製円環１４ａの組および第四銅製円環１４ｂの組の間に、誘電率εｒの誘電体（例えばテフロン（登録商標）やポリエチレン等の絶縁体であり、本実施形態においてはテフロン（登録商標）を適用している。）３２が挟まれている。
第三銅製円環３１ａの外径は、波長λ１を誘電体３２の誘電率εｒの平方根で割った波長λ１′の半波長に設定され、第四銅製円環３１ｂの外径は、波長λ２を誘電体３２の誘電率εｒの平方根で割った波長λ２′の半波長に設定されている。
また、芯線１１および銅製円筒１３の一方の端部は短絡され、上方の第三銅製円環３１ａから短絡された端部までの長さ寸法は、反射が少なくなるように設定されている。
【００３３】
上記の構成からなる多段円環パッチアンテナ３０においては、図３に示すように、芯線１１に給電されると、スロット１５ａから第三銅製円環３１ａに給電されて第三銅製円環３１ａから外径に対応した波長λ１′の電波が、水平面内において無指向性に放射される。この波長λ１′の電波は誘電体３２を通過すると波長λ１の電波となる。同様に第四銅製円環３１ｂからは波長λ２′の電波が水平面内において無指向性に放射され、誘電体３２を通過すると波長λ２の電波となる。
【００３４】
上記の構成によれば、第三銅製円環３１ａおよび第四銅製円環３１ｂの外径は、誘電体３２の誘電率εｒの平方根で割った外径となり、芯線に対する周方向の大きさを小さくすることができる。
【００３５】
次に、この発明の第二実施形態について図４から図７を参照しながら説明する。
全体の構成は、図１に示すものと同様であり、同一構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
多段円環パッチアンテナ６０は、図４に示すように、芯線１１の長手軸線方向に厚みを持つ板状の誘電体（例えばテフロン（登録商標）やポリエチレン等の絶縁体であり、本実施形態においてはテフロン（登録商標）を適用している。）である第１誘電基盤６１、６１、６１と第２誘電基盤６２、６２とが交互に積層されるとともに、各第１誘電基盤６１の表裏面に芯線１１を中心として、それぞれ一対の対向した外径および内径が同じ第三銅製円環３１ａと、一対の第四銅製円環３１ｂと、一対の第五銅製円環３１ｃとが設けられている。
第２誘電基盤６２には、芯線１１を中心として、各銅製円環３１ａ、３１ｂ、３１ｃの内径と同じ外径の誘電体１２が充填された銅製円筒１３が設けられている。
また、第五銅製円環３１ｃが設けられた第１誘電基盤６１には、外側から芯線１１と接続する５０オーム同軸線６３が設けられ、一対の第三銅製円環３１ａの内、外側に配置された第三銅製円環３１ａは、芯線１１と接続され電気的に短絡されている。
【００３６】
第五銅製円環３１ｃの外径は、波長λ３を誘電体の誘電率εｒの平方根で割った波長λ３′の半分に設定されている。
また、銅製円筒１３の外径および各銅製円環３１ａ、３１ｂ、３１ｃの内径は、芯線１１と誘電体１２が充填された銅製円環とが５０オーム線路となるように設定されている。
【００３７】
上記の構成からなる多段円環パッチアンテナ６０においては、図４に示すように、５０オーム同軸線６３を通じて芯線１１に給電されると、第三銅製円環３１ａから外径に対応した波長λ１′の電波が、水平面内において無指向性に放射され、電波が第１誘電基盤６１を通過すると波長λ１の電波となる。同様に第四銅製円環３１ｂから波長λ２′の電波が、水平面内において無指向性に放射され、第１誘電基盤６１を通過すると波長λ２の電波となり、第五銅製円環３１ｃから波長λ３′の電波が、水平面内において無指向性に放射され、第１誘電基盤６１を通過すると波長λ３の電波となる。
【００３８】
次に、多段円環パッチアンテナ６０の製作手順について説明する。
まず、図５に示すように、第一誘電基盤６１の表裏面に貼り付けられた銅箔Ｃを、エッチング等の手法により、同じ外径および内径を持つ円環形状に形成して第五銅製円環３１ｃ、３１ｃを作製する。
次に、図６に示すように、第五銅製円環３１ｃの内径と同じ外径の誘電体１２が充填された銅製円筒１３を、第五銅製円環３１ｃの中心と銅製円筒１３の中心とをそろえて接合する。
そして、図７に示すように、銅製円筒１３の外径と同じ直径の孔６５が設けられた第２誘電基盤６２を、銅製円筒１３を孔６５に挿通するように、第１誘電基盤６１に重ねて接合する。
【００３９】
上記の手順を繰り返して、図４に示すように、第四銅製円環３１ｂおよび第三銅製円環３１ａが設けられた第１誘電基盤６１、６１と第２誘電基盤６２とを交互に積層させる。そして、上方よりドリル等の手段を用いて各銅製円環３１ａ、３１ｂ、３１ｃおよび銅製円筒１３の中心を通る孔を開け、銅製の芯線１１を挿入する。
その後、挿入した芯線１１の上端と外側に面した第三銅製円環３１ａとを短絡させ、芯線１１の下端および外側に面した第五銅製円環３１ｃと５０オーム系同軸線６３とを接合する。
【００４０】
上記の構成によれば、一対の各銅製円環３１ａ、３１ｂ、３１ｃを備えた第１誘電基盤６１ａ、６１ｂ、６１ｃと銅製円筒１３を備えた第２誘電基盤６２とを重ねて構成されているので、各銅製円環３１ａ、３１ｂ、３１ｃや銅製円筒１３などの構成要素の強度を確保しやすく小型化がしやすい。
また、製造工程が簡単になるため、各銅製円環３１ａ、３１ｂ、３１ｃや銅製円筒１３などの構成要素が小型化しても製造が難しくならない。
【００４１】
次に、この発明の第三実施形態について図８を参照しながら説明する。
全体の構成は、図１に示すものと同様であり、同一構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
多段円環パッチアンテナ７０は、図８の断面図に示すように、銅製円筒１３には、第一銅製円環１４ａの組の間に第一銅製円環１４ａよりも外径が小さい第一中間銅製円環（中間円環導体）７１と、第一中間銅製円環７１および下方の第一銅製円環１４ａの間の誘電体１２および銅製円筒１３が取り除かれて芯線１１が露出したスロット７２とが設けられている。
また、芯線１１および銅製円筒１３の一方の端部は短絡され、上方の第一銅製円環１４ａから短絡された端部までの長さ寸法は、反射が少なくなるように設定されている。
【００４２】
上記の構成からなる多段円環パッチアンテナ７０においては、図８に示すように、芯線１１に給電されると、スロット７２から第一銅製円環１４ａおよび第一中間銅製円環７１に給電される。給電された第一銅製円環１４ａから外径に対応した波長λ１の電波が、芯線１１の長手軸線方向の垂直面（水平面）内においてどの方向においても同じように（無指向性）放射される。
また、スロット７２の幅（第一中間銅製円環７１および下方の第一銅製円環１４ａの間隔）を変えることにより、アンテナのインピーダンスが調整され、それにより、ＶＳＷＲやリターンロスの特性が調整される。
【００４３】
上記の構成によれば、スロット７２の幅を変えることにより、アンテナのインピーダンスが調整されることにより、ＶＳＷＲやリターンロスの特性が調整され、アンテナ特性をより広域化することができる。
【００４４】
次に、この発明の第四実施形態について図９から図１２を参照しながら説明する。
全体の構成は、図４に示すものと同様であり、同一構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
多段円環パッチアンテナ８０は、図９に示すように、第１誘電基板６１と第２誘電基板６２が交互に積層されるとともに、第１誘電基板６１の一方の面には、第三銅製円環３１ａが芯線１１を中心として設けられ、他方の面には、第三銅製円環３１ａよりも外径は小さく内径は等しい大きさの第二中間銅製円環（中間円環導体）８１が芯線１１を中心として設けられている。
第２誘電基板６２の第二中間銅製円環８１と隣接しない面には、第三銅製円環３１ａが芯線１１を中心として設けられ、第２誘電基板６２の第三銅製円環３１ａと芯線１１とは短絡されて配置されている。
【００４５】
上記の構成からなる多段円環パッチアンテナ８０においては、図９に示すように、５０オーム同軸線６３を通じて芯線１１に給電されると、第三銅製円環３１ａから外径に対応した波長λ１′の電波が、水平面内において無指向性に放射され、電波が第１誘電基盤６１および第２誘電基板６２を通過すると波長λ１の電波となる。
【００４６】
次に、多段円環パッチアンテナ８０の製作手順について説明する。
まず、図１０に示すように、第一誘電基盤６１の表裏面に貼り付けられた銅箔Ｃを、エッチング等の手法により、一方の面に第三銅製円環３１ａを、他方の面に第二中間銅製円環８１を中心軸をそろえて製作する。
次に、図１１に示すように、第三銅製円環３１ａおよび第二中間銅製円環８１の内径と同じ外径を有する誘電体１２が充填された銅製円筒１３を、第二中間銅製円環８１が設けられた面に、銅製円筒１３および第二中間銅製円環８１の中心をそろえて接合する。
【００４７】
図１２に示すように、第２誘電基盤６２には、銅製円筒１３の外径と同じ直径の孔６５が設けられるとともに、一方の面に孔６５と中心を合わせて第三銅製円環３１ａが設けられていて、第２誘電基盤６２は銅製円筒１３を孔６５に挿通するように、かつ第２誘電基板６２の第三銅製円環３１ａが設けられていない面が第１誘電基盤６１に隣接するように重ねて接合される。
そして、上方よりドリル等の手段を用いて各銅製円環３１ａ、８１および銅製円筒１３の中心を通る孔を開け、銅製の芯線１１を挿入する。
その後、挿入した芯線１１の上端と上方の第三銅製円環３１ａとを短絡させ、芯線１１の下端および下方の第三銅製円環３１ａと５０オーム系同軸線６３とを接合する。
【００４８】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施形態においては、銅製円環の組が２組または３組の多段円環パッチアンテナに適応して説明したが、この銅製円環の組が２組または３組で構成されているものに限られることなく、さらに多くの銅製円環の組で構成されたものに適応することができるものである。
また、上記の実施形態においては、銅製円環の組の配置が、各銅製円環の組の外径が徐々に変化するように配置されているものに適応して説明したが、この各銅製円環の組の外径が徐々に変化するように配置されているものに限られることなく、不規則に配置されているものに適応することができるものである。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、円筒導体に一対の円環導体が円環導体の外径を変えて複数組設けられているため、多段円環パッチアンテナの芯線の長手軸線方向長さを短くすることができ、かつ同時にさまざまな波長の電波を放射することができる。つまり、アンテナを小型化することができるとともに、アンテナ特性を広域化することができるという効果を奏する。
【００５０】
また、複数組の円環導体を芯線の長手軸線方向に重ねているので、複数組の円環導体の間で互いに影響を受けにくく、どの周波数帯でも水平面内無指向性の放射パターンを示すことができるというＵＷＢ技術に用いて好適な効果を奏する。
【００５１】
請求項２に係る発明によれば、各組の円環導体の間に誘電体を備えているため、より小さい外径の円環導体を使用することができ、アンテナをより小型化することができるという効果を奏する。
【００５２】
請求項３に係る発明によれば、一対の円環導体を備えた一および二の誘電基盤と円筒導体を備えた三の誘電基盤とを重ねて構成されているので、円環導体や円筒導体などの構成要素を小型化しやすく、アンテナをより小型化することができるという効果を奏する。
【００５３】
請求項４に係る発明によれば、各組の円環導体が外径を異ならせて、そのリターンロス特性のピークがずれるように、かつ該リターンロス特性の小さくなる領域が重なり合うように設定されているため、アンテナ特性をより広域化することができるという効果を奏する。
【００５４】
請求項５に係る発明によれば、一対の円環導体が設けられた第１誘電基盤と円筒導体とを重ね、さらに第２誘電基盤を重ねる工程を繰り返して製造しているので、円環導体や円筒導体などの構成要素が小型化しても製造が難しくならず、アンテナをより小型化することができるという効果を奏する。
【００５５】
請求項６に係る発明によれば、スロットが中間円環導体と他方の円環導体との間に設けられているので、アンテナのインピーダンスを調整することができ、アンテナ特性をより広域化することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による多段円環パッチアンテナの第一実施形態の第一実施例を示す斜視図および断面図である。
【図２】本発明による多段円環パッチアンテナの第一実施形態の第一実施例のリターンロス特性を示すグラフである。
【図３】本発明による多段円環パッチアンテナの第一実施形態の第二実施例を示す斜視図および断面図である。
【図４】本発明による多段円環パッチアンテナの第二実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明による多段円環パッチアンテナの第二実施形態の製作工程を示す断面図である。
【図６】本発明による多段円環パッチアンテナの第二実施形態の製作工程を示す断面図である。
【図７】本発明による多段円環パッチアンテナの第二実施形態の製作工程を示す断面図である。
【図８】本発明による多段円環パッチアンテナの第三実施形態を示す断面図である。
【図９】本発明による多段円環パッチアンテナの第四実施形態を示す断面図である。
【図１０】本発明による多段円環パッチアンテナの第四実施形態の製作工程を示す断面図である。
【図１１】本発明による多段円環パッチアンテナの第四実施形態の製作工程を示す断面図である。
【図１２】本発明による多段円環パッチアンテナの第四実施形態の製作工程を示す断面図である。
【図１３】従来の同軸ダイポールアンテナの一例を示す斜視図および電流分布図である。
【符号の説明】
１０、３０、６０ 多段円環パッチアンテナ
１１ 芯線
１２ 誘電体
１３ 銅製円筒（円筒導体）
１４ａ 第一銅製円環（円環導体）
１４ｂ 第二銅製円環（円環導体）
１５ａ、１５ｂ スロット
３１ａ 第三銅製円環（円環導体）
３１ｂ 第四銅製円環（円環導体）
３１ｃ 第五銅製円環（円環導体）
３２ 誘電体
６１ 第１誘電基盤
６２ 第２誘電基盤
７１ 第一中間銅製円環（中間円環導体）
７２ スロット
８１ 第二中間銅製円環（中間円環導体）
【発明の属する技術分野】
本発明は、次世代無線技術と期待されるＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ：超広帯域）技術に適したアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の無線技術は、限りのある周波数を効率よく運用するために、用途によって１〜数１０ＭＨｚごとに分割した狭い帯域で速い転送スピードで通信を行っていた。
一方、次世代無線技術と期待されるＵＷＢ技術は、近距離において、１ＭＨｚ〜数ＧＨｚまでの幅広い帯域を利用して短いパルス信号を送受信する無線技術である。このようにＵＷＢ技術は非常に短いパルスを低出力で送信するため、低消費電力で、他の機器との干渉が少ない高速通信を実現できる。このＵＷＢ技術を実現するためには、超広帯域にわたるパルス波を送受信できるアンテナが必要であるが、実用に耐え得る超広帯域アンテナが実現されておらず、ＵＷＢ技術を実現するためのネック項目となっていた。また同時に、近距離無線であるので、ＵＷＢ技術にはどの方向からも電波を送受信することができる無指向性アンテナが望ましいとされている。
【０００３】
従来の広帯域アンテナとしては、例えばディスコーンアンテナやログペリアンテナなどがある。
一方、従来知られているアンテナ技術としては同軸ダイポールアンテナがある。この同軸ダイポールアンテナ１００は、図８（ａ）に示すように、銅製の芯線１０１の回りに誘電体（例えばテフロン（登録商標）やポリエチレン等の絶縁体。）１０２が配置され、誘電体１０２の回りに銅製で円筒形の外部導体１０３が配置され、外部導体１０３の周方向に励振スロット１０４が切られ、励振スロット１０４を挟んで対向して対を成す筒型のダイポールアンテナ１０５、１０５が取り付けられている。
励振スロット１０４が設けられる間隔は、放射する電波の波長λの０．７倍（０．７λ）であり、対を成すダイポールアンテナ１０５は、同軸ダイポールアンテナの軸線方向に対して放射する電波の半波長λ／２の長さになるように設けられている。
【０００４】
上記のように構成された同軸ダイポールアンテナ１００によれば、図８（ｂ）に示すように、同軸ダイポールアンテナ１００に、矢印Ａ方向に電流が流れるように給電されると、ダイポールアンテナ１０５部付近には同相電流Ｉ１が流れ、中間には小さな逆相電流Ｉ２が流れる。すると、励振スロット１０４が励振波源Ｇとなって、励振スロット１０４からダイポールアンテナ１０５に給電され波長λの電波が放射される（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
【非特許文献１】
電子情報通信学会編、「アンテナ工学ハンドブック」、オーム社、１９８０年１０月、ｐ．１３８、図５．８
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記ディスコーンアンテナやログペリアンテナをＵＷＢ技術に用いるには特性（帯域）不足であるので、ＵＷＢ技術を実現するためにはアンテナの巨体化および複雑化がどうしても避けられないという不都合があった。
【０００７】
一方、上記の同軸ダイポールアンテナ１００においては、ひとつの同軸ダイポールアンテナで送受信可能な帯域は狭いため、超広帯域に対応しようとすると、使用しようとする帯域の数だけ同軸ダイポールを備える必要がある。しかし、これはアンテナ設置スペースが非常に広くなることを意味し、広いアンテナ設置スペースを常に確保することは困難であるため、同軸ダイポールアンテナをＵＷＢ技術に使用することは難しいという問題があった。
【０００８】
また、励振スロット１０４の間隔およびダイポールアンテナ１０５の長さは、放射しようとする電波の波長に依存しているため、同軸ダイポールアンテナ１００の長手方向長さの短縮もできないという問題があった。
【０００９】
このように、従来技術では単一アンテナでＵＷＢ技術を実現できるものが存在しないというのが現状であり、全く新しい超広帯域なアンテナの開発が要望されている。
【００１０】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、アンテナ特性が超広帯域化できて、かつ小型化が可能な多段円環パッチアンテナを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の多段円環パッチアンテナでは、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１にかかる発明は、導体からなる芯線と、該芯線回りに備えられた誘電体と、該誘電体回りに備えられた円筒導体とを備え、前記円筒導体には、対向した外径が同じ一対の円環導体が複数組設けられ、前記一対の円環導体の間においては、前記誘電体および前記円筒導体が取り除かれて、前記芯線が露出するスロットが設けられ、前記一対の円環導体の外径が、各組の円環導体ごとに異なる外径であることを特徴とする。
【００１２】
この発明にかかる多段円環パッチアンテナによれば、円筒導体に一対の円環導体が複数組設けられており、円環導体は芯線の長手軸線方向に対してスペースを取らないため、多段円環パッチアンテナ全体において芯線の長手軸線方向長さを短くすることができ、一対の円環導体が多段に構成されていても芯線の長手軸線方向長さを短く構成することができる。
また、各組の円環導体ごとに円環導体の外径を変えているため、異なる外径に対応した波長の電波を同時に放射することができ、さらに各組の円環導体は独立であるため、アンテナ全体に同相電流を流す必要がなく、スロット間隔を任意に設定でき小型化できる。
【００１３】
さらに、上記一対の円環導体は、芯線の長手軸線方向の垂直面（水平面）内において指向性がなく（水平面内無指向性）どの方向においても電波の送受信することができる。また、この一対の円環導体を電波の放射のない芯線の長手軸線方向に重ねて多段化するため、複数組の円環導体の間で互いに影響を受けにくく、どの周波数帯でも水平面内無指向性の放射パターンを示すことができる。
【００１４】
請求項２にかかる発明は、請求項１記載の多段円環パッチアンテナにおいて、前記各組の円環導体の間に、誘電体を備えることを特徴とする。
【００１５】
この発明にかかる多段円環パッチアンテナによれば、各組の円環導体の間に誘電体を備えているため、前記各組の円環導体の間における電波の波長は、前記誘電体の誘電率の平方根で割った波長になる。そのため、同じ波長の電波を放出するのに、より小さい直径の円環導体を使用することができる。
【００１６】
請求項３にかかる発明は、導体からなる芯線と、該芯線の軸線方向に厚みを持つ板状の誘電体からなる積層された複数枚の誘電基盤とが備えられ、前記誘電基盤の内、互いに隣接しない一および二の誘電基盤のそれぞれ一方の面および他方の面に、前記芯線を中心として、外径および内径が同じ一対の円環導体が設けられ、前記円環導体が設けられた一の誘電基盤と二の誘電基盤との間に位置する三の誘電基盤には、前記芯線を中心として、内部が誘電体で満たされた前記円環導体の内径と同じ外径の円筒導体が設けられ、前記一対の円環導体の外径が、それぞれの一対の円環導体ごとに異なる径であることを特徴とする。
【００１７】
この発明にかかる多段円環パッチアンテナによれば、一対の円環導体を備えた一および二の誘電基盤と円筒導体を備えた三の誘電基盤とを重ねて構成されているので、上記円環導体や上記円筒導体などの構成要素の強度を確保しやすく小型化がしやすい。
【００１８】
請求項４にかかる発明は、請求項１から３のいずれかに記載の多段円環パッチアンテナにおいて、前記各組の円環導体が外径を異ならせて、そのリターンロス特性のピークがずれるように、かつ該リターンロス特性の小さくなる領域が重なり合うように設定されていることを特徴とする。
【００１９】
この発明にかかる多段円環パッチアンテナによれば、前記各組の円環導体の外径をずらして、リターンロス特性のピークをずらし、リターンロス特性の小さくなる領域が重なり合うように設定されているため、アンテナ特性がより広帯域化することができる。
【００２０】
請求項５にかかる発明は、板状の誘電体である第１誘電基板の一方の面と他方の面とに、同じ外径および内径を持つ円環導体を形成する工程と、内部が誘電体で満たされた前記円環導体の内径と同じ外径の円筒導体を、前記円環導体の中心と前記円筒導体の中心とをあわせて前記第１誘電基盤に接合する工程と、板状の誘電体である第２誘電基盤に、前記円環導体の内径と同じ直径の孔を形成し、前記孔に前記円筒導体を挿通するようにして前記第１誘電基盤に接合する工程と、を複数回繰り返し、前記円環導体を形成するごとに、前記円環導体の外径を異なる外径に形成し、積層された前記円環導体および前記円筒導体の中心を通るように、導体からなる芯線を挿通させることを特徴とする。
【００２１】
この発明にかかる多段円環パッチアンテナの製造方法によれば、一対の円環導体が設けられた第１誘電基盤と円筒導体とを重ね、さらに第２誘電基盤を重ねる工程を繰り返して製造しているので製造工程が簡単になり、上記円環導体や上記円筒導体などの構成要素が小型化しても製造が難しくならない。
【００２２】
請求項６にかかる発明は、 請求項１から５のいずれかに記載の多段円環パッチアンテナにおいて、前記一対の円環導体の間に、一方の円環導体と電気的に導通していると共に該円環導体より外径が小さい中間円環導体を備え、前記スロットが、前記中間円環導体と他方の前記円環導体との間に設けられていることを特徴とする。
【００２３】
この発明にかかる多段円環パッチアンテナによれば、スロットが中間円環導体と他方の円環導体との間に設けられているので、スロットの位置を任意にずらすことができ、その結果、アンテナのインピーダンスを調整することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の第一実施形態の第一実施例について図１、図２を参照しながら説明する。
多段円環パッチアンテナ１０は、図１（ａ）の斜視図および図１（ｂ）の断面図に示すように、銅からなる芯線１１と、芯線回りに備えられた誘電体（例えばテフロン（登録商標）やポリエチレン等の絶縁体であり、本実施形態においてはテフロン（登録商標）を適用している。）１２と、誘電体１２を被覆するように備えられた銅製円筒（円筒導体）１３と、銅製円筒１３に備えられた一対の対向した外径が同じ第一銅製円環（円環導体）１４ａ、１４ａと、第二銅製円環（円環導体）１４ｂ、１４ｂと、第一銅製円環１４ａおよび第二銅製円環１４ｂの銅製円環の組の間において誘電体１２および銅製円筒１３が取り除かれて芯線１１が露出したスロット１５ａ、１５ｂとが設けられている。
また、芯線１１および銅製円筒１３の一方の端部は短絡され、上方の第一銅製円環１４ａから短絡された端部までの長さ寸法は、反射が少なくなるように設定されている。
【００２５】
第一銅製円環１４ａの外径は、図１（ｂ）に示すように、第一銅製円環１４ａから放射する電波波長λ１の半波長の長さに設定され、第二銅製円環１５ｂの外径は、第二銅製円環１５ｂから放射する電波波長λ２の半波長に設定されている。
これら波長λ１およびλ２の波長差は、図２に示すように、第一銅製円環１４ａに対応するリターンロスＲＬ１がＶＳＷＲ（Ｖｏｌｔｅｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ：電圧定在波比）３より小さくなる帯域Ｗ１と、第二銅製円環１４ｂに対応するリターンロスＲＬ２がＶＳＷＲ３より小さくなる帯域Ｗ２とが重なるように設定されている。
【００２６】
上記の構成からなる多段円環パッチアンテナ１０においては、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、芯線１１に給電されると、スロット１５ａから第一銅製円環１４ａに給電される。給電された第一銅製円環１４ａから外径に対応した波長λ１の電波が、芯線１１の長手軸線方向の垂直面（水平面）内においてどの方向においても同じように（無指向性）放射される。同様に、第二銅製円環１４ｂはスロット１５ｂから給電され、第二銅製円環１４ｂの外径に対応した波長λ２の電波が、水平面内において無指向性に放射される。
また、第一銅製円環１４ａおよび第二銅製円環１４ｂは、電波の送受信方向に関係のない芯線１１の長手軸線方向に重ねて配置されているので、各銅製円環１４ａ、１４ｂ同士の影響により、指向性が乱れるなどの影響を受け難い。
【００２７】
ここで、図２に示すように、第一銅製円環１４ａの組における電波のリターンロスＲＬ１は、波長がλ１において最も下がり、波長がλ１から離れるにつれてリターンロスＲＬ１は上がっていく。同様に第二銅製円環１４ｂの組においては、波長がλ２においてリターンロスＲＬ２は最小となる。
波長λ１とλ２とは近い波長に設定されているので、リターンロスＲＬ１がＶＳＷＲ３より小さくなる帯域Ｗ１と、リターンロスＲＬ２がＶＳＷＲ３より小さくなる帯域Ｗ２とが重なる。すると、波長λ１およびλ２も含めた広い帯域において、リターンロスＲＬ１とリターンロスＲＬ２とが重畳することによりリターンロスが低下して、ＶＳＷＲが３より小さい帯域が広域化される。
【００２８】
上記の構成によれば、銅製円筒１３に各銅製円環１４ａ、１４ｂが設けられており、銅製円環１４ａ、１４ｂは芯線１１の長手軸線方向に対してスペースを取らないため、アンテナ全体において芯線１１の長手軸線方向長さを短くすることができ、各銅製円環１４ａ、１４ｂが２段に構成されていても芯線１１の長手軸線方向長さを短く構成することができる。
【００２９】
また、各銅製円環１４ａ、１４ｂごとに外径を変えているため、異なる外径に対応した波長λ１、λ２の電波を同時に放射することができる。それと同時に、各銅製円環１４ａ、１４ｂの外径に対応する波長λ１、λ２のリターンロスが重なり合い、アンテナ全体としてのＶＳＷＲが３より小さくなる帯域が広くなる、つまりアンテナ特性をより広帯域化することができる。
さらに各銅製円環１４ａ、１４ｂの組は独立であるため、アンテナ全体に同相電流を流す必要がなく、スロット１５ａ、１５ｂ間隔を任意に設定でき小型化することができる。
【００３０】
複数組の導体円環１４ａ、１４ｂを芯線１１の長手軸線方向に重ねているので、複数組の円環導体１４ａ、１４ｂの間で互いに影響を受けにくく、ＵＷＢ技術に用いて好適な、どの周波数帯でも水平面内無指向性の放射パターンを示すことができる。
【００３１】
次に、この発明の第一実施形態の第二実施例について図３を参照しながら説明する。
全体の構成は、図１（ａ）、（ｂ）に示すものと同様であり、同一構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３２】
多段円環パッチアンテナ３０は、図３（ａ）の斜視図および図３（ｂ）の断面図に示すように、銅製円筒１３に備えられた一対の対向した外径が同じ第三銅製円環（円環導体）３１ａ、３１ａと、第四銅製円環（円環導体）３１ｂ、３１ｂとが設けられ、第三銅製円環１４ａの組および第四銅製円環１４ｂの組の間に、誘電率εｒの誘電体（例えばテフロン（登録商標）やポリエチレン等の絶縁体であり、本実施形態においてはテフロン（登録商標）を適用している。）３２が挟まれている。
第三銅製円環３１ａの外径は、波長λ１を誘電体３２の誘電率εｒの平方根で割った波長λ１′の半波長に設定され、第四銅製円環３１ｂの外径は、波長λ２を誘電体３２の誘電率εｒの平方根で割った波長λ２′の半波長に設定されている。
また、芯線１１および銅製円筒１３の一方の端部は短絡され、上方の第三銅製円環３１ａから短絡された端部までの長さ寸法は、反射が少なくなるように設定されている。
【００３３】
上記の構成からなる多段円環パッチアンテナ３０においては、図３に示すように、芯線１１に給電されると、スロット１５ａから第三銅製円環３１ａに給電されて第三銅製円環３１ａから外径に対応した波長λ１′の電波が、水平面内において無指向性に放射される。この波長λ１′の電波は誘電体３２を通過すると波長λ１の電波となる。同様に第四銅製円環３１ｂからは波長λ２′の電波が水平面内において無指向性に放射され、誘電体３２を通過すると波長λ２の電波となる。
【００３４】
上記の構成によれば、第三銅製円環３１ａおよび第四銅製円環３１ｂの外径は、誘電体３２の誘電率εｒの平方根で割った外径となり、芯線に対する周方向の大きさを小さくすることができる。
【００３５】
次に、この発明の第二実施形態について図４から図７を参照しながら説明する。
全体の構成は、図１に示すものと同様であり、同一構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
多段円環パッチアンテナ６０は、図４に示すように、芯線１１の長手軸線方向に厚みを持つ板状の誘電体（例えばテフロン（登録商標）やポリエチレン等の絶縁体であり、本実施形態においてはテフロン（登録商標）を適用している。）である第１誘電基盤６１、６１、６１と第２誘電基盤６２、６２とが交互に積層されるとともに、各第１誘電基盤６１の表裏面に芯線１１を中心として、それぞれ一対の対向した外径および内径が同じ第三銅製円環３１ａと、一対の第四銅製円環３１ｂと、一対の第五銅製円環３１ｃとが設けられている。
第２誘電基盤６２には、芯線１１を中心として、各銅製円環３１ａ、３１ｂ、３１ｃの内径と同じ外径の誘電体１２が充填された銅製円筒１３が設けられている。
また、第五銅製円環３１ｃが設けられた第１誘電基盤６１には、外側から芯線１１と接続する５０オーム同軸線６３が設けられ、一対の第三銅製円環３１ａの内、外側に配置された第三銅製円環３１ａは、芯線１１と接続され電気的に短絡されている。
【００３６】
第五銅製円環３１ｃの外径は、波長λ３を誘電体の誘電率εｒの平方根で割った波長λ３′の半分に設定されている。
また、銅製円筒１３の外径および各銅製円環３１ａ、３１ｂ、３１ｃの内径は、芯線１１と誘電体１２が充填された銅製円環とが５０オーム線路となるように設定されている。
【００３７】
上記の構成からなる多段円環パッチアンテナ６０においては、図４に示すように、５０オーム同軸線６３を通じて芯線１１に給電されると、第三銅製円環３１ａから外径に対応した波長λ１′の電波が、水平面内において無指向性に放射され、電波が第１誘電基盤６１を通過すると波長λ１の電波となる。同様に第四銅製円環３１ｂから波長λ２′の電波が、水平面内において無指向性に放射され、第１誘電基盤６１を通過すると波長λ２の電波となり、第五銅製円環３１ｃから波長λ３′の電波が、水平面内において無指向性に放射され、第１誘電基盤６１を通過すると波長λ３の電波となる。
【００３８】
次に、多段円環パッチアンテナ６０の製作手順について説明する。
まず、図５に示すように、第一誘電基盤６１の表裏面に貼り付けられた銅箔Ｃを、エッチング等の手法により、同じ外径および内径を持つ円環形状に形成して第五銅製円環３１ｃ、３１ｃを作製する。
次に、図６に示すように、第五銅製円環３１ｃの内径と同じ外径の誘電体１２が充填された銅製円筒１３を、第五銅製円環３１ｃの中心と銅製円筒１３の中心とをそろえて接合する。
そして、図７に示すように、銅製円筒１３の外径と同じ直径の孔６５が設けられた第２誘電基盤６２を、銅製円筒１３を孔６５に挿通するように、第１誘電基盤６１に重ねて接合する。
【００３９】
上記の手順を繰り返して、図４に示すように、第四銅製円環３１ｂおよび第三銅製円環３１ａが設けられた第１誘電基盤６１、６１と第２誘電基盤６２とを交互に積層させる。そして、上方よりドリル等の手段を用いて各銅製円環３１ａ、３１ｂ、３１ｃおよび銅製円筒１３の中心を通る孔を開け、銅製の芯線１１を挿入する。
その後、挿入した芯線１１の上端と外側に面した第三銅製円環３１ａとを短絡させ、芯線１１の下端および外側に面した第五銅製円環３１ｃと５０オーム系同軸線６３とを接合する。
【００４０】
上記の構成によれば、一対の各銅製円環３１ａ、３１ｂ、３１ｃを備えた第１誘電基盤６１ａ、６１ｂ、６１ｃと銅製円筒１３を備えた第２誘電基盤６２とを重ねて構成されているので、各銅製円環３１ａ、３１ｂ、３１ｃや銅製円筒１３などの構成要素の強度を確保しやすく小型化がしやすい。
また、製造工程が簡単になるため、各銅製円環３１ａ、３１ｂ、３１ｃや銅製円筒１３などの構成要素が小型化しても製造が難しくならない。
【００４１】
次に、この発明の第三実施形態について図８を参照しながら説明する。
全体の構成は、図１に示すものと同様であり、同一構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
多段円環パッチアンテナ７０は、図８の断面図に示すように、銅製円筒１３には、第一銅製円環１４ａの組の間に第一銅製円環１４ａよりも外径が小さい第一中間銅製円環（中間円環導体）７１と、第一中間銅製円環７１および下方の第一銅製円環１４ａの間の誘電体１２および銅製円筒１３が取り除かれて芯線１１が露出したスロット７２とが設けられている。
また、芯線１１および銅製円筒１３の一方の端部は短絡され、上方の第一銅製円環１４ａから短絡された端部までの長さ寸法は、反射が少なくなるように設定されている。
【００４２】
上記の構成からなる多段円環パッチアンテナ７０においては、図８に示すように、芯線１１に給電されると、スロット７２から第一銅製円環１４ａおよび第一中間銅製円環７１に給電される。給電された第一銅製円環１４ａから外径に対応した波長λ１の電波が、芯線１１の長手軸線方向の垂直面（水平面）内においてどの方向においても同じように（無指向性）放射される。
また、スロット７２の幅（第一中間銅製円環７１および下方の第一銅製円環１４ａの間隔）を変えることにより、アンテナのインピーダンスが調整され、それにより、ＶＳＷＲやリターンロスの特性が調整される。
【００４３】
上記の構成によれば、スロット７２の幅を変えることにより、アンテナのインピーダンスが調整されることにより、ＶＳＷＲやリターンロスの特性が調整され、アンテナ特性をより広域化することができる。
【００４４】
次に、この発明の第四実施形態について図９から図１２を参照しながら説明する。
全体の構成は、図４に示すものと同様であり、同一構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
多段円環パッチアンテナ８０は、図９に示すように、第１誘電基板６１と第２誘電基板６２が交互に積層されるとともに、第１誘電基板６１の一方の面には、第三銅製円環３１ａが芯線１１を中心として設けられ、他方の面には、第三銅製円環３１ａよりも外径は小さく内径は等しい大きさの第二中間銅製円環（中間円環導体）８１が芯線１１を中心として設けられている。
第２誘電基板６２の第二中間銅製円環８１と隣接しない面には、第三銅製円環３１ａが芯線１１を中心として設けられ、第２誘電基板６２の第三銅製円環３１ａと芯線１１とは短絡されて配置されている。
【００４５】
上記の構成からなる多段円環パッチアンテナ８０においては、図９に示すように、５０オーム同軸線６３を通じて芯線１１に給電されると、第三銅製円環３１ａから外径に対応した波長λ１′の電波が、水平面内において無指向性に放射され、電波が第１誘電基盤６１および第２誘電基板６２を通過すると波長λ１の電波となる。
【００４６】
次に、多段円環パッチアンテナ８０の製作手順について説明する。
まず、図１０に示すように、第一誘電基盤６１の表裏面に貼り付けられた銅箔Ｃを、エッチング等の手法により、一方の面に第三銅製円環３１ａを、他方の面に第二中間銅製円環８１を中心軸をそろえて製作する。
次に、図１１に示すように、第三銅製円環３１ａおよび第二中間銅製円環８１の内径と同じ外径を有する誘電体１２が充填された銅製円筒１３を、第二中間銅製円環８１が設けられた面に、銅製円筒１３および第二中間銅製円環８１の中心をそろえて接合する。
【００４７】
図１２に示すように、第２誘電基盤６２には、銅製円筒１３の外径と同じ直径の孔６５が設けられるとともに、一方の面に孔６５と中心を合わせて第三銅製円環３１ａが設けられていて、第２誘電基盤６２は銅製円筒１３を孔６５に挿通するように、かつ第２誘電基板６２の第三銅製円環３１ａが設けられていない面が第１誘電基盤６１に隣接するように重ねて接合される。
そして、上方よりドリル等の手段を用いて各銅製円環３１ａ、８１および銅製円筒１３の中心を通る孔を開け、銅製の芯線１１を挿入する。
その後、挿入した芯線１１の上端と上方の第三銅製円環３１ａとを短絡させ、芯線１１の下端および下方の第三銅製円環３１ａと５０オーム系同軸線６３とを接合する。
【００４８】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施形態においては、銅製円環の組が２組または３組の多段円環パッチアンテナに適応して説明したが、この銅製円環の組が２組または３組で構成されているものに限られることなく、さらに多くの銅製円環の組で構成されたものに適応することができるものである。
また、上記の実施形態においては、銅製円環の組の配置が、各銅製円環の組の外径が徐々に変化するように配置されているものに適応して説明したが、この各銅製円環の組の外径が徐々に変化するように配置されているものに限られることなく、不規則に配置されているものに適応することができるものである。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、円筒導体に一対の円環導体が円環導体の外径を変えて複数組設けられているため、多段円環パッチアンテナの芯線の長手軸線方向長さを短くすることができ、かつ同時にさまざまな波長の電波を放射することができる。つまり、アンテナを小型化することができるとともに、アンテナ特性を広域化することができるという効果を奏する。
【００５０】
また、複数組の円環導体を芯線の長手軸線方向に重ねているので、複数組の円環導体の間で互いに影響を受けにくく、どの周波数帯でも水平面内無指向性の放射パターンを示すことができるというＵＷＢ技術に用いて好適な効果を奏する。
【００５１】
請求項２に係る発明によれば、各組の円環導体の間に誘電体を備えているため、より小さい外径の円環導体を使用することができ、アンテナをより小型化することができるという効果を奏する。
【００５２】
請求項３に係る発明によれば、一対の円環導体を備えた一および二の誘電基盤と円筒導体を備えた三の誘電基盤とを重ねて構成されているので、円環導体や円筒導体などの構成要素を小型化しやすく、アンテナをより小型化することができるという効果を奏する。
【００５３】
請求項４に係る発明によれば、各組の円環導体が外径を異ならせて、そのリターンロス特性のピークがずれるように、かつ該リターンロス特性の小さくなる領域が重なり合うように設定されているため、アンテナ特性をより広域化することができるという効果を奏する。
【００５４】
請求項５に係る発明によれば、一対の円環導体が設けられた第１誘電基盤と円筒導体とを重ね、さらに第２誘電基盤を重ねる工程を繰り返して製造しているので、円環導体や円筒導体などの構成要素が小型化しても製造が難しくならず、アンテナをより小型化することができるという効果を奏する。
【００５５】
請求項６に係る発明によれば、スロットが中間円環導体と他方の円環導体との間に設けられているので、アンテナのインピーダンスを調整することができ、アンテナ特性をより広域化することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による多段円環パッチアンテナの第一実施形態の第一実施例を示す斜視図および断面図である。
【図２】本発明による多段円環パッチアンテナの第一実施形態の第一実施例のリターンロス特性を示すグラフである。
【図３】本発明による多段円環パッチアンテナの第一実施形態の第二実施例を示す斜視図および断面図である。
【図４】本発明による多段円環パッチアンテナの第二実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明による多段円環パッチアンテナの第二実施形態の製作工程を示す断面図である。
【図６】本発明による多段円環パッチアンテナの第二実施形態の製作工程を示す断面図である。
【図７】本発明による多段円環パッチアンテナの第二実施形態の製作工程を示す断面図である。
【図８】本発明による多段円環パッチアンテナの第三実施形態を示す断面図である。
【図９】本発明による多段円環パッチアンテナの第四実施形態を示す断面図である。
【図１０】本発明による多段円環パッチアンテナの第四実施形態の製作工程を示す断面図である。
【図１１】本発明による多段円環パッチアンテナの第四実施形態の製作工程を示す断面図である。
【図１２】本発明による多段円環パッチアンテナの第四実施形態の製作工程を示す断面図である。
【図１３】従来の同軸ダイポールアンテナの一例を示す斜視図および電流分布図である。
【符号の説明】
１０、３０、６０ 多段円環パッチアンテナ
１１ 芯線
１２ 誘電体
１３ 銅製円筒（円筒導体）
１４ａ 第一銅製円環（円環導体）
１４ｂ 第二銅製円環（円環導体）
１５ａ、１５ｂ スロット
３１ａ 第三銅製円環（円環導体）
３１ｂ 第四銅製円環（円環導体）
３１ｃ 第五銅製円環（円環導体）
３２ 誘電体
６１ 第１誘電基盤
６２ 第２誘電基盤
７１ 第一中間銅製円環（中間円環導体）
７２ スロット
８１ 第二中間銅製円環（中間円環導体）
Claims (6)
- 導体からなる芯線と、該芯線回りに備えられた誘電体と、該誘電体回りに備えられた円筒導体とを備え、
前記円筒導体には、対向した外径が同じ一対の円環導体が複数組設けられ、
前記一対の円環導体の間においては、前記誘電体および前記円筒導体が取り除かれて、前記芯線が露出するスロットが設けられ、
前記一対の円環導体の外径が、各組の円環導体ごとに異なる外径であることを特徴とする多段円環パッチアンテナ。 - 請求項１記載の多段円環パッチアンテナにおいて、
前記各組の円環導体の間に、誘電体を備えることを特徴とする多段円環パッチアンテナ。 - 導体からなる芯線と、該芯線の軸線方向に厚みを持つ板状の誘電体からなる積層された複数枚の誘電基盤とが備えられ、
前記誘電基盤の内、互いに隣接しない一および二の誘電基盤のそれぞれ一方の面および他方の面に、前記芯線を中心として、外径および内径が同じ一対の円環導体が設けられ、
前記円環導体が設けられた一の誘電基盤と二の誘電基盤との間に位置する三の誘電基盤には、前記芯線を中心として、内部が誘電体で満たされた前記円環導体の内径と同じ外径の円筒導体が設けられ、
前記一対の円環導体の外径が、それぞれの一対の円環導体ごとに異なる径であることを特徴とする多段円環パッチアンテナ。 - 請求項１から３のいずれかに記載の多段円環パッチアンテナにおいて、
前記各組の円環導体が外径を異ならせて、そのリターンロス特性のピークがずれるように、かつ該リターンロス特性の小さくなる領域が重なり合うように設定されていることを特徴とする多段円環パッチアンテナ。 - 板状の誘電体である第１誘電基板の一方の面と他方の面とに、同じ外径および内径を持つ円環導体を形成する工程と、
内部が誘電体で満たされた前記円環導体の内径と同じ外径の円筒導体を、前記円環導体の中心と前記円筒導体の中心とをあわせて前記第１誘電基盤に接合する工程と、
板状の誘電体である第２誘電基盤に、前記円環導体の内径と同じ直径の孔を形成し、前記孔に前記円筒導体を挿通するようにして前記第１誘電基盤に接合する工程と、
を複数回繰り返し、
前記円環導体を形成するごとに、前記円環導体の外径を異なる外径に形成し、
積層された前記円環導体および前記円筒導体の中心を通るように、導体からなる芯線を挿通させることを特徴とする多段円環パッチアンテナの製造方法。 - 請求項１から５のいずれかに記載の多段円環パッチアンテナにおいて、
前記一対の円環導体の間に、一方の円環導体と電気的に導通していると共に該円環導体より外径が小さい中間円環導体を備え、
前記スロットが、前記中間円環導体と他方の前記円環導体との間に設けられていることを特徴とする多段円環パッチアンテナ。
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