JP2005073176A - 広帯域アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】従来のディスコーンアンテナより小型軽量化でき、しかも安定した構造の広帯域アンテナを提供することにある。
【解決手段】錐状の窪みａが形成された誘電体バルク体２と、誘電体バルク２における窪みａの内壁に被着形成された内壁導体膜１と、錐状の窪みの頂部に設けられた給電点３と、給電点３を含む底面に給電点３と絶縁して形成された平面導体４を具備してなり、平面導体４がグランド導体を形成するとともに、頂部の頂角αが鋭角からなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線ＬＡＮの基地局およびＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）などに用いられる広帯域アンテナに関するものである。

現在、２．４ＧＨｚ帯および５ＧＨｚ帯を用いた無線ＬＡＮが普及し始めている。これらのシステムにはパッチアンテナが主に用いられる。しかし、両周波数帯を利用するシステムも検討され始め、この場合には各周波数に対応した２つのアンテナが必要となるので、より広帯域なアンテナが求められている。また、３〜１０ＧＨｚを用いるＵＷＢ技術も米国で民間に開放され、これに適した広帯域アンテナが求められている。

広帯域特性を示すアンテナとしてはディスコーンアンテナ、自己補対アンテナ、対数周期アンテナが知られている。特にディスコーンアンテナは非常に帯域が広いことで知られている。このアンテナは金属導体からなる円板（ディスク）と金属導体からなる円錐（コーン）とから形成され、一般には、同軸線路のグランドが円錐、信号線路が円板に接続されて用いられる。このアンテナのサイズは使用最低周波数ｆで決まり、このときの波長をλとすれば、円錐の頂角を約６０°に、また円板の直径≧０．１５λ、円錐の高さ≧０．２λに選ぶ（非特許文献１）のが一般的である。一方このアンテナを、システムの筐体や室内の天井などに設置する場合には、筐体や天井をグランドとし、円錐部に信号線路が接続される。このときの構造を図９に示す。（ａ）は平面図および（ｂ）はｘ₉−ｘ₉における概略断面図である。図９において、５は給電用の信号導体、６はグランド導体、９は円錐状の放射導体である。このとき、一般にグランド面が広くなるため、入力インピーダンスが変わり、円錐の頂角δを約９０°にする必要がある。
アンテナ工学ハンドブック 電子情報通信学会編（平成１１年発行ｐ１２８）

しかし、上記のようなアンテナは次の２点において問題があった。まず第一にはアンテナの径が大きいことである。例えば、使用最低周波数が３ＧＨｚの場合、円錐の高さ＝２２ｍｍ、円錐の径＝４４ｍｍ程度必要となる。システムの筐体または室内の天井に設置するにしてもかなり目立つものとなる。

第二には、アンテナの構造的強度が弱いことである。つまり、この放射導体９を円錐体の頂点で保持せざるを得なく、非常に脆弱な構造になっている。また、その保持部では給電用の信号導体５と接続されるが、同軸線路の中心導体（信号導体）５の太さは通常１ｍｍ以下であるので、わずかに触っただけで変形し、特性が変わることになる。その結果、レドームが必要となり、さらにアンテナの外形が大きくなるなどの問題点があった。

本発明は、かかる従来の問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、従来のディスコーンアンテナより小型軽量化でき、しかも安定した構造の広帯域アンテナを提供することにある。

本発明の広帯域アンテナは、錐状の窪みが形成された誘電体バルク体と、該誘電体バルクにおける窪みの内壁に被着形成された内壁導体膜と、錐状の窪みの頂部に設けられた給電点と、該給電点を含む底面に前記給電点と絶縁して形成された平面導体を具備してなり、前記平面導体がグランド導体を形成するとともに、前記頂部の頂角が鋭角からなることを特徴とするものである。

また、本発明の他の広帯域アンテナは、錐状の窪みが形成された誘電体バルク体と、該誘電体バルクにおける窪みの内壁に被着形成された内壁導体膜と、錐状の窪みの頂部に設けられた給電点と、該給電点を含む底平面に前記給電点と絶縁して形成された平面導体を具備してなり、前記内壁導体膜がグランド導体を形成するとともに、前記頂部の頂角が６０度未満からなることを特徴とする。

かかる広帯域アンテナにおいて、前記平面導体が、誘電体バルク体に被着形成されたものであること、また、給電線として、外部導体と中心導体を具備する同軸線路を用いたことをさらなる特徴とするものである。

前者の広帯域アンテナにおいては、前記同軸線路の外部導体を前記平面導体と接続し、前記中心導体を前記内壁導体膜と接続することによって給電することが望ましい。また、この場合には、前記同軸線路の外部導体の端部に、同軸線路の軸方向と直交する方向に導体板を延設し、該導体板上に前記誘電体バルク体を載置することが望ましい。

また、後者の広帯域アンテナにおいては、前記同軸線路の外部導体を前記内壁導体膜と接続し、前記中心導体を前記平面導体と接続することによって給電することが望ましい。

なお、本発明の上記広帯域アンテナにおいては、前記誘電体バルク体が錐台状であってもよく、また、前記誘電体バルク体の比誘電率が２０以下であること、前記誘電体バルク体の内部に空洞が形成されてなること、前記錐状の窪みに導体または絶縁体が充填されてなること、または前記錐状の窪みに機能素子が内蔵されてなることを特徴とするものである。

本発明の広帯域アンテナによれば、誘電体からなるバルクに、錐状の窪みを形成し、その錐状の窪み面に導体膜を形成し、錐状の窪みの頂角を小さくすることができるために、安定した構造で、しかも小型軽量化することができる。

また、給電線として同軸線路を用い、前記同軸線路の外部導体を前記平面導体と接続し、前記中心導体を前記内壁導体膜と接続するか、または前記同軸線路の外部導体を前記内壁導体膜と接続し、前記中心導体を前記平面導体と接続することによって、安定した誘電構造を提供できる。

また、前記錐状の窪みを複数の錐体面を組み合わせた形状で形成することによって小型化およびエッジ部の強度を高めることができる。またさらに、前記バルク体が錐台状であることによって、アンテナの垂直方向の特性を制御することができる。またさらに、前記バルク体の比誘電率が２０以下であることによって特性を極端に劣化させることなく小型化を図ることができる。またさらに、前記バルク体の内部に空洞を形成することによって、バルク体の軽量化を図ることができる。またさらに、前記錐状の窪みに導体または絶縁体を充填することによって、アンテナ全体の強度を向上させることができる。またさらに、前記錐状の窪みに機能素子を内蔵することによって広帯域アンテナを多機能化することができうる。

以下、本発明の広帯域アンテナについて、図を参照して説明する。

図１は、本発明の広帯域アンテナＡの実施の形態の一例を示す斜視図である。図１において、誘電体からなるバルク体２の上面に、円錐状の窪みａが形成され、その窪みａの内壁には導体膜１が被着形成されている。また、円錐状の窪みａの頂部は、バルク体２の底面に合致して給電点３を形成している。

また、この図１のアンテナにおいては、給電点３を含む底面に給電点３と絶縁して形成された平面導体４がバルク体２の底面に被着形成されている。

かかる広帯域アンテナＡに給電するには、給電線として中心導体５ａと外側導体５ｂとを具備する同軸線路５を用いることがマイクロストリップ線路等に比較して損失が小さいことから望ましい。かかる同軸線路５と広帯域アンテナを接続するには、次の２つの方法がある。

第１には、図２に示すように、同軸線路５をアンテナの底面に配置して、同軸線路５の外側導体５ｂを平面導体４に接続し、中心導体５ａを円錐状の導体膜１の給電点３と接続する。この場合、平面導体４がグランド導体となる。

従来の構造の場合、即ち、バルク体を用いない場合は、本発明におけるバルク体の比誘電率が１（空気）に相当するが、この場合、従来技術で説明したように、円錐状導体の頂角αを約９０°にすると、入力インピーダンスが５０Ωとなり、一般的な同軸線路５の特性インピーダンスと一致する。しかし、本発明によれば、バルク体２の比誘電率は、通常、大気（誘電率＝１）よりも大きいために、入力インピーダンスは小さくなるが、円錐の頂角を９０°より小さくすることによって、入力インピーダンスを５０Ωに整合することができる。

また、上記第１の接続構造の場合の他の構造として、図３の（ａ）概略断面図と（ｂ）Ｘ_１−Ｘ_１断面図に示すように、同軸線路５の外側導体５ｂの端部から周方向に延設した導体板６を形成すると、これをグランドとして用いることができ、この導体板６上にバルク体２を載置することができる。かかる構造においては、かかる場合は広帯域アンテナにおけるバルク体２の底面の平面導体４を省略し、導体板６を平面導体４として用いることができる。

第２には、図４の概略断面図に示すように、同軸線路５を円錐状の窪みａの上側から挿入して、同軸線路５の外側導体５ｂを円錐状の導体膜１に接続し、中心導体５ａを平面導体４に接続する。この場合、内壁の導体膜１がグランド導体となる。

この場合、仮にバルク体の比誘電率が１のときは、従来技術で説明したように、円錐の頂角を約６０°にすると、入力インピーダンスが５０Ωとなり、一般的な同軸線路の特性インピーダンスと一致する。しかし、バルク体の比誘電率は通常１より大きいので、そのままでは、入力インピーダンスは小さくなる。従って、入力インピーダンスを５０Ωにするために、円錐の頂角を６０°未満とする必要がある。

上記第１および第２の給電構造においては、何れの場合でも、給電点３から給電された高周波信号は、円錐状の導体膜１と平面導体４との間に電界を生じさせ、空間に垂直偏波の電波を放射することができる。しかも、頂角αを第１の場合、鋭角（９０度未満）、第２の場合、６０度未満に小さくすることができる結果、アンテナの小型化を図ることができる。

なお、このアンテナの小型化は、そのバルク体２の比誘電率が大きいほど円錐の頂角αを小さくできる結果、アンテナの小型化を図ることができる。但し、比誘電率が極端に大きいと、帯域が狭くなったり、誘電体損失が増加する等の問題があるため、概ね比誘電率は２０以下が望ましい。また、円錐の頂角は、第１の場合、８５度以下、さらには８０度以下であることが望ましい。第２の場合には、５５度以下、特に５０度以下が望ましい。

このように、本発明の広帯域アンテナは、バルク体がアンテナの支持体となっていることから、従来のディスコーンアンテナに比べバルク体の強度によって保持され、しかも構造的にも安定した構造であることから、外的な衝撃によっても特性が変化することがなく、安定した特性が発揮できる。しかも、上記の通り、円錐の頂角をバルク体の誘電率を大きくするに従い小さくできることから、バルク体２の誘電率を適宜選択することで、アンテナの径を小さく、且つ調整することができる。

図５は、本発明の広帯域アンテナの他の実施態様を示す（ａ）概略平面図、（ｂ）（ａ）のｘ_２−ｘ_２概略断面図である。

図５の広帯域アンテナＢによれば、外形が四角柱のバルク体２の上面に四角錐の窪みｂが形成され、その窪みｂの内面に四角錐状の導体膜１が形成されている。この場合も四角錐の頂角は給電点ｘを形成している。図３と同様に、同軸線路５の外側導体５ｂには、導体板６が延設され、その導体板６上に、広帯域アンテナＢが載置され、給電点３が同軸線路５の中心導体５ａと電気的に接続されている。

このように窪みが多角錘である場合においても広帯域のアンテナを形成するこができる。この場合も、給電点３における頂角は、９０度よりも小さい頂角にして、入力インピーダンスの調整が行われる。この図４においては、四角柱のバルク体に四角錐の窪みを形成したが、その他、ｎ角柱または円柱に、ｍ角錐または円錐の窪みを形成してもよい（ｎ＝ｍまたはｎ≠ｍ）。

図６は、本発明の広帯域アンテナのさらに他の実施態様を示す（ａ）概略平面図、（ｂ）（ａ）のｘ_３−ｘ_３における概略断面図である。

図６の広帯域アンテナＣによれば、円柱のバルク体２に対して、給電点３から円錐部と、開放面側に円筒部とが組み合わされた形の窪みａが形成され、その内面に導体膜１が形成されている。このような構造とすることにより、アンテナ径を大きくすること無く、バルク体２のエッジ部の厚みｔを厚くすることができ、強度増すことができる。

なお、補強手段としては、図７の概略断面図に示すように、前記の広帯域アンテナＡ乃至Ｃの錐状の窪みａに導体または誘電体などの充填物７を充填しても良い。

図８は、本発明の広帯域アンテナのさらに他の実施態様を示す（ａ）概略平面図、（ｂ）（ａ）のｘ_４−ｘ_４における概略断面図である。図８の広帯域アンテナＤによれば、円錐状の窪みａが形成された円柱のバルク体２ａに空洞２ｂが形成されている。このような構造にすることにより、アンテナを軽量化することができる。なお、上記の例では１つの空洞２ｂが形成されているが、これを分割して複数の空洞を形成してもよい。

図９は、本発明の広帯域アンテナのさらに他の実施態様を示す（ａ）概略平面図、（ｂ）（ａ）のｘ_５−ｘ_５における概略断面図である。かかる広帯域アンテナＥには、円錐状窪みａ内に機能素子支持部８が設けられ、この機能素子支持部８の表面には機能素子９が搭載されている。かかる構造によれば、アンテナ内部に機能素子９を内蔵することにより、多機能アンテナが実現できる。機能素子８として例えば温度センサを設けると、このアンテナが設置された空間の温度管理あるいは火災報知の機能を有することになる。また、機能素子８として赤外線センサあるいは移動体センサを設けることによって防犯センサの機能となる。その他、湿度、圧力、光センサを設けてもよい。また無線ＬＡＮやＵＷＢシステムのＭＭＩＣそのものを機能素子９とすることもできる。

なお、上記の実施態様において、バルク体の外形形状を円柱または角柱によって形成した例を説明したが、これに限定されることなく、他の形状でもよい。例えば、図１０の概略断面図に示すようにバルク体を外形形状を錐台によって形成することもできる。この場合、オムニディレクショナルな特性を保ったまま、アンテナの垂直方向（θカットの方向）の特性を制御することができる。

本発明の広帯域アンテナの製造方法について、広帯域アンテナＡを例として説明すると、例えば、図１１に示すように、円筒形２０と円錐形２１を組み合わせた金型Ｆに樹脂などの誘電体２２を流し込み固めた後、円錐面に導電性材料を塗布したり、メッキ膜を形成することによって容易に広帯域アンテナが得られる。

用いられる樹脂としては、フッ素樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ＢＴレジン、ポリイミド樹脂の群から選ばれる少なくとも１種が、また、無機粉末を充填剤として添加することもできる。

また、バルク体としては、上記の樹脂の他に、セラミックスによっても形成できる。セラミックスとしては、周知の材料が用いられ、アルミナ、ムライト、コージェライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、ガラス、ガラスセラミックスなどが挙げられる。

このようなセラミックスを用いる場合には、セラミック粉末に成形用有機バインダーを添加して、プレス成形等によって所定のバルク体を作製した後、このバルク体の所定の表面に、金属粉末を含有する導体ペーストを塗布し、焼成することによって作製することができる。なお、導体層はセラミックスの焼成後に、ペーストを塗布し焼き付けして形成したり、メッキ法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法によって形成することも可能である。

図１２は、図３および図５に示した実施形態について、反射特性の計算を行った結果である。図３の実施形態では、円柱状バルク体の高さを２０ｍｍ、径を２０ｍｍ、比誘電率を３とした。また、図３の実施形態では、四角柱状バルク体の高さを２０ｍｍ、一辺を２０ｍｍ、その比誘電率を３とした。なお、頂角は５３度とした。また、導体板６は５０ｍｍ四方のものを用いた。図１２の実線は図３に示す形態の実施例、破線は図５に示す形態の実施例である。アンテナの周波数帯域を示す範囲は一般にＶＳＷＲが２以下、即ち反射特性で−９．５４ｄＢ以下の領域で表現することが多い。本実施例の場合において、約３ＧＨｚから１４ＧＨｚ以上の領域で良好な反射特性が得られている。すなわち、広帯域な特性のアンテナとなっていることがわかる。また、従来の同特性のディスコーンアンテナに比べ、高さで１割減、アンテナ径で、５割以上小さくなった。

本発明における広帯域アンテナＡの実施の形態の一例を示す斜視図を示す。 本発明における広帯域アンテナＡへの給電構造の一例を説明するための（ａ）概略平面図と、（ｂ）断面図である。 本発明における広帯域アンテナＡへの給電構造の他の例を示す（ａ）概略平面図と、（ｂ）断面図である。 本発明における広帯域アンテナＡのへの給電構造の他の例を示す概略断面図である。 本発明の広帯域アンテナの他の例を説明するための（ａ）概略平面図と、（ｂ）断面図である。 本発明の広帯域アンテナのさらに他の例を説明するための（ａ）概略平面図と、（ｂ）断面図である。 本発明の広帯域アンテナのさらに他の例を説明するための概略断面図である。 本発明の広帯域アンテナのさらに他の例を説明するための（ａ）概略平面図と、（ｂ）概略断面図である。 本発明の広帯域アンテナのさらに他の例を説明するための（ａ）概略平面図と、（ｂ）概略断面図である。 本発明の広帯域アンテナのさらに他の例を説明するための概略断面図である。 本発明の広帯域アンテナの製造方法の一例を説明するための図である。 本発明の広帯域アンテナの反射特性の一例を示す図である。 従来の広帯域アンテナを示す（ａ）概略平面図、（ｂ）概略断面図である。

符号の説明

１ 錐状の導体膜
２ バルク体
３ 給電点
４ グランド導体
５ 同軸線路
５ａ 中心導体
５ｂ 外側導体
６ 導体板
７ 充填剤
８ 機能素子支持部
９ 機能素子
ａ 窪み

Claims (13)

1. 錐状の窪みが形成された誘電体バルク体と、該誘電体バルクにおける窪みの内壁に被着形成された内壁導体膜と、錐状の窪みの頂部に設けられた給電点と、該給電点を含む底面に前記給電点と絶縁して形成された平面導体を具備してなり、前記平面導体がグランド導体を形成するとともに、前記頂部の頂角が鋭角からなることを特徴とする広帯域アンテナ。
2. 錐状の窪みが形成された誘電体バルク体と、該誘電体バルクにおける窪みの内壁に被着形成された内壁導体膜と、錐状の窪みの頂部に設けられた給電点と、該給電点を含む底平面に前記給電点と絶縁して形成された平面導体を具備してなり、前記内壁導体膜がグランド導体を形成するとともに、前記頂部の頂角が６０度未満からなることを特徴とする広帯域アンテナ。
3. 前記平面導体が、誘電体バルク体に被着形成されたものである請求項１または請求項２記載の広帯域アンテナ。
4. 給電線として、外部導体と中心導体を具備する同軸線路を用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載の広帯域アンテナ。
5. 前記同軸線路の外部導体を前記平面導体と接続し、前記中心導体を前記内壁導体膜と接続することによって給電することを特徴とする請求項４記載の広帯域アンテナ。
6. 前記同軸線路の外部導体の端部に、同軸線路の軸方向と直交する方向に導体板が延設され、該導体板上に前記誘電体バルク体が載置されてなることを特徴とする請求項５記載の広帯域アンテナ。
7. 前記同軸線路の外部導体を前記内壁導体膜と接続し、前記中心導体を前記平面導体と接続することによって給電することを特徴とする請求項４記載の広帯域アンテナ。
8. 前記錐状の窪みが、複数の錐体面または錐体面と円筒面を組み合わせた形状であることを特徴とする請求項１記載の広帯域アンテナ。
9. 前記誘電体バルク体が錐台状であることを特徴とする請求項１記載の広帯域アンテナ。
10. 前記誘電体バルク体の比誘電率が２０以下であることを特徴とする請求項１記載の広帯域アンテナ。
11. 前記誘電体バルク体の内部に空洞が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の広帯域アンテナ。
12. 前記錐状の窪みに導体または絶縁体が充填されてなることを特徴とする請求項１記載の広帯域アンテナ。
13. 前記錐状の窪みに機能素子が内蔵されてなることを特徴とする請求項１記載の広帯域アンテナ。

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