JP2005295390A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 広帯域化が可能で、周波数特性の改善を図ることが可能な、ＵＷＢ用アンテナを提供すること。
【解決手段】 上側誘電体１１と、下側誘電体１３と、これらの間に挟まれた導体パターン１５とから構成されたＵＷＢ用アンテナ１０である。導体パターンは、前面の略中央部に給電点１５１を持つ。導体パターンは、さらに、給電点から右側面および左側面へそれぞれ所定の角度で広がる右側テーパ部１５２および左側テーパ部１５３を持つ逆三角形部分１５−１を有する。逆三角形部分の上辺１５４からは、主膨出部１５−２が膨出している。逆三角形部分の右側テーパ部からは右側膨出部１５−３が、左側テーパ部からは左側膨出部１５−４が、それぞれ膨出している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に、ＵＷＢ（Ultra Wide band）用アンテナに関する。

ＵＷＢとは、その名の通り超広帯域無線を意味し、中心周波数の２５％以上、または１．５ＧＨｚ以上の帯域幅を占有する無線伝送方式を指す広義の用語である。一言でいうと、超広帯域の短パルス（通常１ｎｓ以下）を用いて通信し、無線に革命を起こすような技術である。

従来の無線とＵＷＢとの決定的な違いは、搬送波の有無だといえる。従来の無線では、搬送波と呼ばれるある周波数の正弦波を様々な方法で変調し、データを送受信する。これに対して、ＵＷＢではその搬送波を使わない。ＵＷＢの定義にも書いたように、超広帯域の短パルスを用いる。

ＵＷＢはその名のとおり、超広帯域な周波数帯域をもっている。一方、従来の無線は狭い周波数帯域しかもっていない。それは、周波数帯域の狭いほうが電波を活用できるからである。電波は有限な資源である。では、どうしてＵＷＢは超広帯域であるにも拘らず、注目されているかというと、各周波数での出力エネルギーにある。ＵＷＢは周波数帯域が広い代わりに各周波数での出力が非常に小さい。その大きさは、ノイズに埋もれてしまうくらいなので、他の無線通信との干渉は非常に少ないといえる。ＦＣＣ（Federal Communications Commission：米連邦通信委員会）が許可するのに条件付きとしたのも、他の無線通信との干渉が問題とならないように配慮したためである。

ＵＷＢは超広帯域であるため、既存の無線通信サービスと帯域がかぶってしまう。そのため、現在はＵＷＢの帯域は３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚの間に限定されている状況にある。

また、アンテナは基本的に共振現象を利用している。アンテナはその長さによって共振する周波数が決まってしまうのであるが、多くの周波数成分を含むＵＷＢでは共振させることが難しい。したがって、送信したい電波の周波数帯域が広くなればなるほど、その分アンテナの設計が難しくなる。

たとえば、小型のアンテナとしてパッチアンテナが知られている。そのようなパッチアンテナの１つとして、携帯性に優れるとともに、周波数温度特性が高く、共振周波数のばらつきが小さく信頼性に優れた小型平面パッチアンテナが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、複数の周波数に対応できるパッチアンテナ装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、パッチアンテナは、広帯域ではないので、ＵＷＢ用アンテナとして用いるのは不向きである。

一方、太陽誘電は、近距離無線通信の世界で、大容量データ伝送と低消費電力を同時に実現できる次世代技術として、今最も注目を集めているＵＷＢ向けに、１０ｍｍ×８ｍｍの形状で厚さわずか１ｍｍという超小型のセラミックチップアンテナの開発に成功した。このアンテナの開発により、今まで軍事用途に限られていたＵＷＢを、ＰＤＰ（Plasma Display Panel）テレビやデジタルカメラ等デジタル機器同士のデータを超高速でつなぐなどの民生用途に広げ、モバイルまで視野に入れた機器の小型化が可能となる。

尚、このようなＵＷＢ用アンテナは、Bluetooth（商標）や無線ＬＡＮ（Local Area Network）等の用途に使用され得る。

Bluetoothは、比較的狭い範囲での音声およびデータのワイヤレス通信を、デスクトップおよびノートトップコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、携帯電話、プリンタ、スキャナ、デジタルカメラ、さらには家電製品の間で実現する先端テクノロジーのための一般公開された規格である。Bluetoothは、地球のどこでも利用できる２．４ＧＨｚ帯域の電波を使って動作するので世界中で利用できる。簡単に言えば、Bluetoothを利用するとデジタル周辺機器との接続にケーブルは不要となり、ケーブル接続にともなう面倒はすべて過去のものとなる。

無線ＬＡＮとは、電波や赤外線など、有線ケーブル以外の伝送路を利用したＬＡＮをいう。

上述したように、パッチアンテナのような従来のアンテナでは、広帯域化が困難であり、波形歪み（波形の広がり）が発生するという問題がある。また、電圧定在波比（ＶＳＷＲ）は低いほどアンテナとしての特性がよいことになるが、従来のアンテナは周波数の高い部分でのＶＳＷＲを低くすることができない、つまり、周波数の高い部分ではＶＳＷＲが高くなってしまうという問題がある。

特開平７−９４９３４号公報 特開平１０−１９０３４７号公報

したがって、本発明の課題は、広帯域化が可能な、ＵＷＢ用アンテナを提供することにある。

本発明の他の課題は、周波数特性の改善を図ることが可能な、ＵＷＢ用アンテナを提供することにある。

本発明の一態様によれば、上側誘電体（１１）と、下側誘電体（１３）と、前記上側誘電体と前記下側誘電体との間に挟まれた導体パターン（１５）とから構成されたＵＷＢ用アンテナ（１０）であって、前記導体パターンは、前面の略中央部に給電点（１５１）を持ち、該給電点から右側面および左側面へそれぞれ所定の角度で広がる右側テーパ部（１５２）および左側テーパ部（１５３）を持つ逆三角形部分（１５−１）と、前記逆三角形部分の上辺（１５４）から膨出した主膨出部（１５−２）と、前記右側テーパ部から膨出した右側膨出部（１５−３）と、前記左側テーパ部から膨出した左側膨出部（１５−４）とから構成されていることを特徴とするアンテナ装置が得られる。

前記右側膨出部及び前記左側膨出部はそれぞれ滑らかな二つの曲線（１５−３ａ，１５−４ａ）で規定されていてもよい。

前記二つの曲線は、前記逆三角形部分の頂点と前記上辺の両端部とをそれぞれ結ぶものであってもよい。

前記二つの曲線は左右対称であってもよい。

前記逆三角形部分は正三角形であってもよい。

前記主膨出部は、前記逆三角形部分の上辺の両端を結ぶ円弧（１５−２ａ）で規定されていてもよい。

尚、上記括弧内の符号は、本発明の理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、これらに限定されないのは勿論である。

本発明では、２枚の誘電体で導体パターンを挟み、この導体パターンは、給電点と、この給電点から両側に所定の角度で広がるテーパ部とを持つので、広帯域のＵＷＢ用アンテナを得ることができるという効果を奏する。さらに、導体パターンは、逆三角形部分の上辺から膨出した主膨出部に加えて、テーパ部から膨出した膨出部を備えているので、周波数の高い部分でもＶＳＷＲが低く維持され、したがって周波数特性のさらなる改善を図ることが可能である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置としてＵＷＢ用アンテナ１０について説明する。図１において、（ａ）はＵＷＢ用アンテナ１０の横断面平面図であり、（ｂ）はＵＷＢ用アンテナ１０の縦断面側面図である。

ＵＷＢ用アンテナ１０は、全体の外観が、長さ（縦）Ｂ、幅（横）Ｗ、厚さＴを持つ直方体（矩形板）の形状をしている。図示の例では、長さＢが１０．１ｍｍ、幅Ｗが１０．１ｍｍ、高さＴが０．８ｍｍである。

ＵＷＢ用アンテナ１０は、上面１０ｕ、底面１０ｄ、前面１０ｆ、背面１０ｂ、右側面１０ｒｓ、および左側面１０ｌｓを持つ。

ＵＷＢ用アンテナ１０は、矩形上側誘電体１１と、矩形下側誘電体１３と、矩形上側誘電体１１と矩形下側誘電体１３との間に挟まれた導体パターン１５とから構成される。矩形上側誘電体１１および矩形下側誘電体１３の各々は、長さＢ、幅Ｗ、高さＴ／２を持つ。導体パターン１３は、例えば、銀ペースト等の材料から作られ、その厚さは約８μｍである。

また、矩形上側誘電体１１および矩形下側誘電体１３は比誘電率εｒを持つ。図示の例では、比誘電率εｒは４．４である。矩形上側誘電体１１および矩形下側誘電体１３は、例えば、セラミック板で構成される。

導体パターン１５は、前面１０ｆの略中央部に給電点１５１を有している。導体パターン１５の給電点１５１には、縦Ｇで幅Ｗのグランド部品２０が電気的に接続される。図示の例では、縦Ｇは０．８ｍｍである。

また、導体パターン１５は、給電点１５１から右側面１０ｒｓおよび左側面１０ｌｓへそれぞれ所定の角度θで広がる右側テーパ部１５２、左側テーパ部１５３を持つ逆三角形部分１５−１と、逆三角形部分の上辺１５４から膨出した主膨出部１５−２と、右側テーパ部１５３から膨出した右側膨出部１５−３と、左側テーパ部１５３から膨出した左側膨出部１５−４とから構成され、逆三角形部分と各膨出部とは一体とされている。図示の例では、角度θは６０°であり、したがって、逆三角形部分１５−１は正三角形である。

主膨出部１５−２は、逆三角形部分１５−１の上辺１５４の両端を結ぶ円弧１５−２ａで規定されている。即ち、逆三角形部分１５−１の上辺１５４と、主膨出部１５−２の底辺とが互いに接している。円弧１５−２ａの中心は全体の長さ（縦）Ｂ及び幅（横）Ｗの中央に一致している。

右側膨出部１５−３及び左側膨出部１５−４はそれぞれ滑らかな右側曲線１５−３ａ及び左側曲線１５−４ａで規定されている。右側曲線１５−３ａ及び左側曲線１５−４ａは、逆三角形部分１５−１の頂点と上辺１５４の両端部とをそれぞれ結ぶものであり、左右対称である。

図２を参照して、右側曲線１５−３ａについてさらに詳しく説明する。ここで、ｚ_０は７．６０ｍｍであり、ｙ_０は４．３９ｍｍである。

次式（１）は曲線に関する一般式である。なお、図２に合わせてｚが０のときにｙが０になるようにｅ^ａＺから１を引いている。

［数１］
ｅ^ａＺ−１＝ｙ … （１）
式（１）から係数ａを求めるための次式（２）が得られます。

［数２］
ａ＝ｌｎ（ｙ_０＋１）／ｚ_０ … （２）
式（２）にｚ_０及びｙ_０の値を入れると、
ａ＝０．２２１６５１
となる。

したがって、次式（３）により、＋ｙ側の値（即ち、右側曲線１５−３ａを決める値）を求めることができる。

［数３］
ｙ＝ｙ_０−｛ｅ^{ａ（ｚ０−ｚ）}−１｝ … （３）
なお、右側曲線１５−３ａと左側曲線１５−４ａとが左右対称の関係にあるため、−ｙ側の値（即ち、左側曲線１５−４ａを決める値）も同様に求められる。

次に、図３を参照して、３種類のＵＷＢ用アンテナのアンテナ特性について説明する。図３において、横軸は周波数（ＧＨｚ）を示し、縦軸はＶＳＷＲを示す。図３の右下部分には、使用した導体パターンの形状を示している。なお、ＶＳＷＲが低いほどアンテナ特性が良いことを表す。

第１の特性曲線Ｔ１は、図１に示した導体パターン１５、即ち、第１のタイプの導体パターンType.1をもつアンテナのアンテナ特性を示す。第２の特性曲線Ｔ２は、第２のタイプの導体パターンType.2をもつアンテナのアンテナ特性を示す。第３の特性曲線Ｔ３は、第３のタイプの導体パターンType.3をもつアンテナのアンテナ特性を示す。

第１の特性曲線Ｔ１は、比較的高周波、即ち、約５ＧＨｚ以上の周波数においてＶＳＷＲが低い。したがって、第１のタイプの導体パターンType.1をもつアンテナは良好なアンテナ特性を示す。即ち、図１に示したＵＷＢ用アンテナはアンテナ特性が優れたものとなる。

第２の特性曲線Ｔ１は、約３．５〜４．８ＧＨｚの周波数においてのみＶＳＷＲが低いが、それ以外の部分ではＶＳＷＲが高い。したがって、第２のタイプの導体パターンType.2をもつアンテナはアンテナ特性が劣る。

第３の特性曲線Ｔ３は、約３〜４ＧＨｚの周波数においてのみＶＳＷＲが低いが、それ以外の部分ではＶＳＷＲが極端に高い。したがって、第３のタイプの導体パターンType.3をもつアンテナもアンテナ特性が劣る。

以上、本発明について好ましい実施の形態によって説明してきたが、本発明は上述した実施の形態に限定しないのは勿論である。

本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置としてのＵＷＢ用アンテナの構成を示し、（ａ）は横断面平面図、（ｂ）は縦断面側面図である。 図１に示したＵＷＢ用アンテナの導体パターンの形状の要部についてさらに詳しく説明するための説明図である。 ３種類のＵＷＢ用アンテナのアンテナ特性を示す図で、横軸は周波数（ＧＨｚ）、縦軸はＶＳＷＲである。

符号の説明

１０ ＵＷＢ用アンテナ
１０ｆ 前面
１１ 矩形上側誘電体
１３ 矩形下側誘電体
１５ 導体パターン
１５１ 給電点
２０ グランド部品
１５２ 右側テーパ部
１５３ 左側テーパ部
１５４ 上辺
１５−１ 逆三角形部分
１５−２ 主膨出部
１５−３ 右側膨出部
１５−４ 左側膨出部
１５−２ａ 円弧
１５−３ａ 右側曲線
１５−４ａ 左側曲線

Claims (6)

1. 上側誘電体と、下側誘電体と、前記上側誘電体と前記下側誘電体との間に挟まれた導体パターンとから構成されたＵＷＢ用アンテナであって、前記導体パターンは、前面の略中央部に給電点を持ち、該給電点から右側面および左側面へそれぞれ所定の角度で広がる右側テーパ部および左側テーパ部を持つ逆三角形部分と、前記逆三角形部分の上辺から膨出した主膨出部と、前記右側テーパ部から膨出した右側膨出部と、前記左側テーパ部から膨出した左側膨出部とから構成されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記右側膨出部及び前記左側膨出部はそれぞれ滑らかな二つの曲線で規定されている、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記二つの曲線は、前記逆三角形部分の頂点と前記上辺の両端部とをそれぞれ結ぶものである、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記二つの曲線は左右対称である、請求項２又は３に記載のアンテナ装置。
5. 前記逆三角形部分は正三角形である、請求項１−４のいずれかに記載のアンテナ装置。
6. 前記主膨出部は、前記逆三角形部分の上辺の両端を結ぶ円弧で規定されている、請求項１−５のいずれかに記載のアンテナ装置。
   
   

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