JP2007329546A - 広帯域アンテナ及び広帯域アンテナシステム - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナエレメントと方向性結合器との間の結合損失を低減させ、かつ広帯域な動作を実現する広帯域アンテナ及び広帯域アンテナシステムを提供する。
【解決手段】ループ状のアンテナエレメント１００を有する広帯域アンテナにおいて、アンテナエレメント１００は、アンテナエレメント１００の形状を調節することにより、アンテナエレメント１００の周長を１波長とする第１の共振周波数と、アンテナエレメント１００の周長を２波長とする第２の共振周波数とに対して、略同じ値の入力インピーダンスを持つとともに、伝送線路からの信号の分岐が可能な方向性結合器１１０と一体化している。
【選択図】図１

Description

本発明は、方向性結合器と一体化した広帯域アンテナ及び該広帯域アンテナを用いて有線・無線複合通信を実現する広帯域アンテナシステムに関する。

従来、信号源や各種情報機器等の多様化が急速に普及していることに伴い、高周波伝送線路から結合部を経て分岐出力を安定良く取り出し、高周波信号の伝送を高密度に行う高周波信号分岐方法が望まれていた。これを実現する一つの方法として、平衡型線路で構成された伝送線路と方向性結合器及びアンテナを用いた有線・無線複合通信システムがある（例えば、特許文献１参照）。

図１９は、高周波信号分岐方法の基本を示す構成図である。一対の平行電線１、１′を絶縁体により被覆した平衡な高周波伝送線路を設け、この高周波伝送線路の左端に信号源Ｓを接続し、右端には終端抵抗ＺＲを接続してあり、この信号源Ｓと終端抵抗ＺＲとの間に結合部を設けてある。

この結合部は、一対の長手小方形状の導体からなる誘起線路３、３′を、上記高周波伝送線路に絶縁体を介して平行に結合し、この誘起線路３、３′の一方の端は整合抵抗Ｚｒを介して接続し、他方の端は平衡入力を不平衡出力に変換する変換器Ｔを介して、同軸ケーブルＣｘに接続して構成してある。誘起線路３、３′に誘起された分岐出力は上記同軸ケーブルＣｘから取り出せる。

上記結合部は、高周波伝送線路に誘起線路を平行に結合するだけで確実な分岐出力を得ることができる。

さらに上記構成の結合部では、高周波伝送線路との電磁界的結合は誘起線路３、３′との間でのみ生じ、それ以外では全く結合を生じないので、同軸ケーブルＣｘから常に安定した分岐出力を得ることができる。

図２０は、高周波分岐方法の実施例を示す斜視図である。一対の平衡電線１、１′をテープ状とし背面には接着テープにて直接建築部材に接着出来るようにした実施例であって、表面を建築内装材などの化粧板９にて覆ってある。誘起線路３、３′も同様にテープ状にし、ある程度相互の隔離があっても充分な結合が得られるようにしてある
このように、一対の平行電線１、１′よりなる平衡な高周波伝送線路に、一対の導体よりなる誘起線路３、３′を平行に結合して、上記誘起線路３、３′の一方の端にいたって簡便にどこの部位からでも整合抵抗Ｚｒを接続し、他方の端に平衡入力を不平衡出力に変換する変換器Ｔを介して同軸ケーブルを接続して分岐出力を取り出すようになした結合部を設けた分岐方法であって、上記結合部を高周波伝送線路に沿ってそれぞれ結合方向を変えて複数設け、結合部と正結合した高周波信号の分岐出力により伝送を行うようになしてある。このことから、高周波伝送線路のいずれの部位においても、高周波伝送線路を断線することなく、しかも伝送を中断せずに結合部を追加して新たな分岐出力を容易に得ることができるので、高周波信号を高密度に伝送する高周波信号分岐方法を提供できる。
特許２８８１１６４号公報

しかしながら、特許文献1に記載の発明においては、方向性結合器、バラン（平衡―非平衡変換器）、アンテナを個別に接続することにより構成されていたため、接続による損失が大きかった。特に平衡線路を用いた方向性結合器と不平衡線路である同軸線路を接続する際に用いられるバランは、外皮に不平衡電流が流れるのを阻止するとともに、インピーダンス整合を行う役目もあるが、損失が発生する要因の一つとなる。

また、共振現象を利用して電磁波を放射あるいは受信するアンテナは、効率は良いが狭い帯域でのみ動作していた。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、アンテナエレメントと方向性結合器との間の結合損失を低減させ、かつ広帯域な動作を実現する広帯域アンテナ及び広帯域アンテナシステムを提供することを課題とする。

本発明に係る広帯域アンテナ及び広帯域アンテナシステムは、上記課題を解決するために、請求項１記載の発明の広帯域アンテナは、ループ状のアンテナエレメントを有する広帯域アンテナにおいて、前記アンテナエレメントは、前記アンテナエレメントの形状を調節することにより、前記アンテナエレメントの周長を１波長とする第１の共振周波数と、前記アンテナエレメントの周長を２波長とする第２の共振周波数とに対して、略同じ値の入力インピーダンスを持つことを特徴とする。

請求項２記載の発明の広帯域アンテナは、請求項１において、前記アンテナエレメントの形状は、略１：２の縦横比を持つ長方形であることを特徴とする。

請求項３記載の発明の広帯域アンテナは、請求項1または請求項２において、一対の平行な導体からなる結合用線路を有する方向性結合器と、前記結合用線路の一端に接続された終端抵抗とを備え、前記結合用線路の他端は、前記アンテナエレメントに接続されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明の広帯域アンテナは、請求項３において、前記第１の共振周波数及び前記第２の共振周波数に対する前記アンテナエレメントの入力インピーダンスの値と、前記方向性結合器の前記結合用線路の特性インピーダンスの値とが略同じであることを特徴とする。

請求項５記載の発明の広帯域アンテナは、請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、前記第１の共振周波数は、４２０ＭＨｚから５１０ＭＨｚまでの間の周波数であり、前記第２の共振周波数は、８８０ＭＨｚから９８０ＭＨｚまでの間の周波数であることを特徴とする。

請求項６記載の発明の広帯域アンテナは、請求項１乃至請求項５のいずれか１項において、前記第１の共振周波数及び前記第２の共振周波数に対する前記アンテナエレメントの入力インピーダンスの値は、略２００Ωであることを特徴とする。

請求項７記載の発明の広帯域アンテナシステムは、一対の平行電線よりなる平衡な高周波伝送線路と、請求項３乃至請求項６のいずれか１項記載の広帯域アンテナとを備え、前記結合用線路は、前記高周波伝送線路に平行に電磁的に結合していることを特徴とする。

請求項８記載の発明の広帯域アンテナシステムは、請求項７において、前記方向性結合器の結合度は、前記結合用線路の長さを、前記第１の共振周波数と、前記第２の共振周波数との略中間の周波数の波長の４分の１の長さにすることにより、前記略中間の周波数において最大となるよう調節されていることを特徴とする。

請求項９記載の発明の広帯域アンテナシステムは、請求項７又は請求項８において、前記第１の共振周波数及び前記第２の共振周波数に対する前記アンテナエレメントの入力インピーダンスの値と、前記方向性結合器の前記結合用線路の特性インピーダンスの値と、前記高周波伝送線路の特性インピーダンスの値とが略同じであることを特徴とする。

請求項１０記載の発明の広帯域アンテナシステムは、請求項７乃至請求項９のいずれか１項において、前記第１の共振周波数は、４２０ＭＨｚから５１０ＭＨｚまでの間の周波数であり、前記第２の共振周波数は、８８０ＭＨｚから９８０ＭＨｚまでの間の周波数であることを特徴とする。

請求項１１記載の発明の広帯域アンテナシステムは、請求項７乃至請求項１０のいずれか１項において、前記第１の共振周波数及び前記第２の共振周波数に対する前記アンテナエレメントの入力インピーダンスの値は、略２００Ωであることを特徴とする。

本発明の請求項１記載の発明によれば、通常、１波長共振の入力インピーダンスと２波長共振の入力インピーダンスとは異なるところを、アンテナエレメントの形状を調節することにより、略同じ値の入力インピーダンスをアンテナに持たせることができる。したがって、２つの周波数帯で反射が低く整合のとれた広帯域アンテナを提供することができる。すなわち、２周波動作が可能となる。

本発明の請求項２記載の発明によれば、アンテナエレメントの形状を略１：２の縦横比を持つ長方形にすることにより、１波長共振、２波長共振いずれにおいても、略２００Ωの入力インピーダンスを有する広帯域アンテナを提供することができる。また、縦横比をそのままにしてアンテナエレメントの大きさを調節することにより、共振周波数帯を調節することができる。

本発明の請求項３記載の発明によれば、請求項１又は請求項２の広帯域アンテナと方向性結合器とをバランを介さずに接続して一体化するので、バランによる挿入損失が生じない。さらに、方向性結合器は、平衡伝送線路から信号を分岐し、結合用線路は平衡型アンテナエレメントのフィーダとしても動作させることができる。

本発明の請求項４記載の発明によれば、アンテナエレメントの入力インピーダンスの値と、方向性結合器の結合用線路の特性インピーダンスの値を略同じにすることにより、インピーダンス整合がとれ、損失が少なく効率の良い広帯域アンテナを提供することができる。

本発明の請求項５記載の発明によれば、第１の共振周波数が４２０ＭＨｚから５１０ＭＨｚまでの間の周波数であり、第２の共振周波数が８８０ＭＨｚから９８０ＭＨｚまでの間の周波数であるため、ＵＨＦ帯の高周波信号を取り扱うことができる。高周波伝送線路としてＵＨＦケーブルを用いる場合にも都合が良い。

本発明の請求項６記載の発明によれば、アンテナエレメントの入力インピーダンスの値が２００Ωであるため、ＵＨＦケーブルの特性インピーダンスに等しく、方向性結合器の結合度増加に寄与する。

本発明の請求項７記載の発明によれば、高周波伝送線路に電磁的に結合した方向性結合器を含む広帯域アンテナを用いるため、有線・無線複合通信が可能な広帯域アンテナシステムを構成することができる。

本発明の請求項８記載の発明によれば、方向性結合器の長さを、第１の共振周波数と、第２の共振周波数との略中間の周波数の波長の４分の１の長さにするため、その周波数において方向性結合器の結合度が最大となる。したがって、第１の共振周波数と第２の共振周波数の間の周波数帯においても、伝送損失を低減することができ、広帯域な動作を実現することができる。

本発明の請求項９記載の発明によれば、アンテナエレメントの入力インピーダンスの値と、方向性結合器の結合用線路の特性インピーダンスの値と、高周波伝送線路の特性インピーダンスの値を合わせるため、方向性結合器の結合度を上げるとともに、アンテナエレメントと方向性結合器の間にバランを必要としないため、損失を抑えた効率の良い広帯域アンテナシステムを提供することができる。

本発明の請求項１０記載の発明によれば、第１の共振周波数が４２０ＭＨｚから５１０ＭＨｚまでの間の周波数であり、第２の共振周波数が８８０ＭＨｚから９８０ＭＨｚまでの間の周波数であるため、請求項５の場合と同じく、ＵＨＦ帯の高周波信号を取り扱うことができる。伝送線路としてＵＨＦケーブルを用いた広帯域アンテナシステムを提供することができる。

本発明の請求項１１記載の発明によれば、アンテナエレメントの入力インピーダンスの値が２００Ωであるため、ＵＨＦケーブルの特性インピーダンスに等しく、方向性結合器の結合度増加に寄与する。

以下、本発明の広帯域アンテナ及び広帯域アンテナシステムの実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１の基本構成を示す図である。まず、本実施の形態の構成を説明する。アンテナエレメント１００は、ループ状であり、方向性結合器１１０の一端に接続されている。方向性結合器１１０の結合用線路１１２は、一対の平行な導体よりなり、例えばコプレーナ線路を用いることができる。方向性結合器１１０の他端は、終端抵抗１２０に接続されている。方向性結合器１１０は、信号１４０を伝送する平行２線線路１３０に平行に電磁的に結合している。ここで、平行２線線路１３０は、本発明の高周波伝送線路に対応し、一対の平行電線よりなる平衡な高周波伝送線路である。

図１において方向性結合器１１０の結合用線路１１２は、基板を挟んで平行２線線路１３０の反対側に設けられているが、平行２線線路１３０と同じ側にあってもよい。後に記す図５において、方向性結合器１１０の結合用線路１１２は、基板を挟まず平行２線線路１３０に密着するように設けられている。

図２は、有線・無線複合通信の概念図を示す。伝送線路１３５は、本発明の高周波伝送線路に対応する。カプラー１１５は、本発明の方向性結合器に対応し、伝送線路１３５からの信号の分岐あるいは合流を可能とする。アンテナ１０５は、本発明のアンテナエレメントに対応し、カプラー１１５に接続されている。また、アンテナ１０５は、送受信器１５０と無線通信を行う。このようなシステムを構築することにより、有線・無線複合通信システムを構成することができる。すなわち、電波が透過しにくい障壁（壁１６０）においては、有線である伝送線路１３５により信号を伝送し、障壁の無い一定の空間ではアンテナ１０５を用いた無線通信を行う。本発明である広帯域アンテナシステムは、このようなシステムにおいて、超広帯域（Ｕｌｔｒａ−Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ：ＵＷＢ）通信を可能にする。

図３は、実施例１における広帯域アンテナシステムの１例を示す。アンテナエレメント１００ａは、方向性結合器１１０ａの面内に対して直角に接続され、平行２線線路１３０ａであるＵＨＦケーブルと相互に干渉しないように配置されている。結合用線路１１２ａを有する方向性結合器１１０ａがアンテナエレメント１００ａと終端抵抗１２０ａに接続されているのは、図１と同様である。平行２線線路１３０ａは、方向性結合器１１０ａに平行に電磁的に接続されるように、方向性結合器１１０ａの底部に支えられている。

また図４は、プリント基板上にアンテナ部と方向性結合器部を一体化して構成する場合の構成図である。アンテナ部であるアンテナエレメント１００ｂと、方向性結合器部である結合用線路１１２ｂと、終端抵抗１２０ｂの接続関係は図１や図３の場合と同様である。

図５は、図１、図３、図４に共通する方向性結合器の断面図を示す。基板１１５ａ上に設けられたコプレーナ線路１７０は、本発明の方向性結合器の結合用線路に対応し、平行２線線路１３０ｂに平行に、電磁的に接続されている。このとき平行２線線路１３０ｂの特性インピーダンスが２００Ωであるならば、方向性結合器の結合用線路の特性インピーダンスも２００Ωとする。それにより、方向性結合器の結合度を上げることができる。

次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。最初にアンテナエレメントの動作を説明する。図６は、ループアンテナの形状を示す図である。図６（ａ）にフォールデッドダイポール１０８ａ、図６（ｂ）に正方形ループ１０８ｂ、図６（ｃ）に長方形ループ１０８ｃを示す。

フォールデッドダイポール１０８ａは、アンテナエレメント周囲の全長約２Ｌがほぼ１波長となる周波数で共振する。このとき、フォールデッドダイポール１０８ａの入力インピーダンスは約３００Ωとなる。フォールデッドダイポール１０８ａは、２波長となる周波数においても共振するが、入力インピーダンスは３００Ωとはならずに、通常１Ω以下のかなり低い値となる。

正方形ループ１０８ｂは、放射に寄与するアンテナエレメント周囲の全長４Ｓがほぼ１波長となる周波数で共振する。このとき、正方形ループ１０８ｂの入力インピーダンスは約１００Ωとなる。正方形ループ１０８ｂもフォールデッドダイポール１０８ａの場合と同様、２波長となる周波数においても共振に近い動作をするが、入力インピーダンスは１００Ωとはならずに、２５０Ω程度となり、また若干のリアクタンス分を持つ。

長方形ループ１０８ｃは、フォールデッドダイポール１０８ａと正方形ループ１０８ｂの結果より、アンテナエレメント周囲の全長２Ｘ＋２Ｙがほぼ１波長となる周波数で共振し、入力インピーダンスが１００Ωと３００Ωの中間である２００Ω程度になることが予想される。

図１に示すような本発明の実施例１の形態の広帯域アンテナにおいて、アンテナエレメント１００は、アンテナエレメント１００の形状を調節することにより、アンテナエレメント１００の周長を１波長とする第１の共振周波数と、アンテナエレメント１００の周長を２波長とする第２の共振周波数とに対して、略同じ値の入力インピーダンスを持つ。このアンテナエレメント１００の１例として、図６（ｃ）に示すような長方形ループ１０８ｃの縦横比を略１：２とすることにより、１波長動作（第１の共振周波数）における入力インピーダンスの値は２００Ω程度となり、さらに２波長動作（第２の共振周波数）においても入力インピーダンスの値は２００Ω程度となる。これについて以下具体的な考察を記す。

図７は、モーメント法による長方形ループアンテナの分割を示す図である。モーメント法とは、一般的に積分方程式を数値計算に適したマトリクス方程式に変換することをいう。計算時間が速く、線状素子のみで構成されたアンテナの表面上の電界分布を求めるのに適している。図７に示すように長方形ループアンテナのエレメントを分割（セグメント）し、モーメント法により、Ｘの長さとＹの長さを変えながら計算した結果、Ｘ：Ｙ＝２３０（ｍｍ）：１１０（ｍｍ）の場合に、第１の共振周波数である４５０ＭＨｚと第２の共振周波数である９００ＭＨｚ付近で２００〜２５０Ωの入力インピーダンスを持つことが確認できる。

図８、図９、図１０を用いて長方形ループアンテナにおける１波長共振及び２波長共振について説明する。なお、図８、図９、図１０において、長方形ループ上の点ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅはそれぞれ対応する。また、長方形ループの寸法は図７に示すものと同じである。

図８は長方形ループアンテナを示したものである。Ｐ１−Ｐ２間に１Ｖの給電電圧がかけられている。図９は、直線状に展開された長方形ループ上の電流分布を示した図であり、実際には左端の点ｃと右端の点ｃはつながっている。図９において、長方形ループアンテナは、アンテナエレメント周囲の全長がほぼ１波長となる周波数（ここでは４５０ＭＨｚ）で共振している。このような動作を１波長動作とし、このときの入力インピーダンスは約２００Ωとなる。また電流の最大値は約５ｍＡである。

図１０は、図９と同様に直線状に展開された長方形ループ上の電流分布を示した図である。図１０において、長方形ループアンテナは、アンテナエレメント周囲の全長がほぼ２波長となる周波数（ここでは９００ＭＨｚ）で共振している。このような動作を１波長動作とし、このときの入力インピーダンスも約２００Ωとなる。また電流の最大値も約５ｍＡである。

図１１は、図７におけるモーメント法による長方形ループアンテナの入力インピーダンスの計算結果である。４５０ＭＨｚ及び９００ＭＨｚ近辺においてリアクタンスが０Ωとなり共振するとともに、レジスタンスがいずれも約２３０Ωとなる。

図１２は、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法により設計したアンテナエレメントの寸法である。ＦＤＴＤ法は、マックスウェルの方程式を時間、空間で差分化し、解析空間の電磁界をリープフロッグアルゴリズム（電界と磁界を交互に計算する）を用いて時間的に更新して出力点の時間応答を得る方法である。図１２において、アンテナエレメントはプリント基板上に構成され、比誘電率２．１７、厚さ１．６ｍｍの基板を用いる。

図１３は、図１２の寸法のアンテナエレメントについて、ＦＤＴＤ法により計算した反射減衰量Ｓ１１の大きさを示す。図１３より、４２０ＭＨｚ〜５１０ＭＨｚ範囲と、８８０ＭＨｚ〜９８０ＭＨｚ範囲との２つの周波数範囲で反射が低く、よく整合することがわかる。４２０ＭＨｚ〜５１０ＭＨｚは１波長共振（第１の共振周波数）に対応し、８８０ＭＨｚ〜９８０ＭＨｚは２波長共振（第２の共振周波数）に対応する。通常、１波長共振の入力インピーダンスと２波長共振の入力インピーダンスは異なるが、図１２のようなＸ：Ｙがほぼ１：２となるような長方形ループアンテナでは、共に約２００Ωの入力インピーダンスとなる。ただし、５１０ＭＨｚ〜８８０ＭＨｚの範囲においては、若干反射が大きい。

図１４は、実際に作成したアンテナに対して、ネットワークアナライザを用いて５０Ω同軸系で測定した反射減衰量（反射ＳパラメータＳ１１の大きさ）である。ＦＤＴＤ法を用いて計算した図１３の計算結果とほぼ同様の結果が得られる。

次に方向性結合器の動作を説明する。図１５は、方向性結合器の結合度測定の構成図である。方向性結合器１１０ｂは、結合用線路１１２ｃを有する。ここでは結合用線路１１２ｃとしてコプレーナ線路を用いている。結合用線路１１２ｃは、平行２線線路１３０ｃに平行に密着し、電磁的に結合する。ここでは、平行２線線路１３０ｃとしてＵＨＦケーブルを用いる。また結合用線路１１２ｃは、バラン１８０を介して図示されていないネットワークアナライザへ接続されており、他端は終端抵抗１２０ｃに接続されている。図１５のような構成により、方向性結合器１１０ｂの順方向と逆方向の結合度（ＵＨＦケーブルからコプレーナ線路への伝送ＳパラメータＳ２１の大きさ）を測定することができる。

図１６は、図１５の構成により測定した方向性結合器の結合度を示す。結合用線路と伝送線路の間の距離が固定である場合、方向性結合器の結合度は、その長さが波長の４分の１となる周波数で最大となる。波長は方向性結合器１１０ｂが誘電体を含むため真空中よりも短くなり、７００ＭＨｚの波長の４分の１の長さは約７ｃｍとなる。そのため図１５の構成において、結合用線路１１２ｃの長さは７ｃｍとしている。したがって、図１６において、結合度は７００ＭＨｚ付近で最大となる。すなわち、図１３に示される反射の大きな周波数帯である５１０ＭＨｚ〜８８０ＭＨｚ（第１の共振周波数と第２の共振周波数の間の周波数帯）の範囲においてもその結合度の高さから動作が可能となる。すなわち、アンテナエレメントと方向性結合器を一体化することにより、アンテナエレメントが持つ２つの共振周波数と、方向性結合器の結合特性を組み合わせて広帯域な動作を実現できる。

このように、図１に示すような本発明の実施例１の形態の広帯域アンテナシステムにおいて、方向性結合器１１０の結合度は、結合用線路１１２の長さを、第１の共振周波数と、第２の共振周波数との略中間の周波数の波長の４分の１の長さにすることにより、略中間の周波数において最大となるよう調節される。

なお、結合用線路１１２の長さを固定とした場合、方向性結合器１１０の結合度は、結合用線路１１２の断面寸法と、高周波伝送線路である平行２線線路１３０（ＵＨＦケーブル）までの距離により変化する。方向性結合器１１０（コプレーナ線路）から平行２線線路１３０（ＵＨＦケーブル）までの距離が大きくなると、結合度は小さくなる。

結合度が大きすぎるとアンテナへの電力供給が大きくなりすぎ、多くのアンテナを伝送線路上に取り付けられない。また結合度が小さすぎると、アンテナエレメント１００から放射及び受信される電力が小さくなる。したがって、方向性結合器１１０の結合度は−１０ｄＢから−１５ｄＢの値が適切であり、調節する必要がある。

また、コプレーナ線路の断面寸法は、その特性インピーダンスが２００Ωとなるように設計されている。したがって、高周波伝送線路の特性インピーダンス及びアンテナエレメントの入力インピーダンスと略同じ値となり、結合度が大きくなるとともに反射を小さくすることができる。

このように、図１に示すような本発明の実施例１の形態の広帯域アンテナにおいて、第１の共振周波数及び第２の共振周波数に対するアンテナエレメント１００の入力インピーダンスの値と、結合用線路１１２の特性インピーダンスの値と、高周波伝送線路である平行２線線路１３０の特性インピーダンスの値とは、略同じである。

図１７は本発明の実施の形態の広帯域アンテナ２１０の動作確認実験の構成図である。ネットワークアナライザ１９０は、広帯域アンテナ２１０及びＬＰＤＡ（対数周期ダイポールアレイアンテナ）２２０に接続されている。広帯域アンテナ２１０及びＬＰＤＡ２２０は、発砲スチロール２００により支えられており、その間の距離は１ｍである。

図１８は、図１７の構成による実験で測定された、広帯域アンテナ２１０（送信アンテナ）からＬＰＤＡ２２０（受信アンテナ）までの伝送ＳパラメータＳ２１の大きさを測定したものである。比較のため、従来の４００ＭＨｚ及び９００ＭＨｚ半波長共振フォールデッドダイポールアンテナの測定結果も示す。

図１８において、本発明に係る広帯域アンテナ２１０は、４００ＭＨｚ〜９００ＭＨｚの全ての周波数にわたって４００ＭＨｚもしくは９００ＭＨｚ半波長フォールデッドダイポールアンテナと同等以上であることを示す。

上述のとおり、実施例１の形態に係る広帯域アンテナ及び広帯域アンテナシステムによれば、通常、１波長共振の入力インピーダンスと２波長共振の入力インピーダンスとは異なるところを、アンテナエレメントの形状を略１：２の縦横比を持つ長方形にすることにより、１波長共振、２波長共振いずれにおいても、略２００Ωの入力インピーダンスをアンテナに持たせることができる。したがって、２つの周波数帯で反射が低く整合のとれた広帯域アンテナを提供することができる。すなわち、２周波動作が可能となる。さらに縦横比をそのままにしてアンテナエレメントの大きさを調節することにより、共振周波数帯を調節することができる。また、伝送線路としてＵＨＦケーブルを用いた場合の特性インピーダンスに等しく、方向性結合器の結合用線路の特性インピーダンスも２００Ωに設定することにより方向性結合器の結合度増加に寄与する。

またアンテナエレメントの入力インピーダンスの値と、方向性結合器の結合用線路の特性インピーダンスの値を略同じにすることにより、インピーダンス整合がとれ、バランを介さずに接続して一体化するので、バランによる挿入損失が生じない。さらに方向性結合器の結合用線路の特性インピーダンスの値と、高周波伝送線路の特性インピーダンスの値を合わせるため、方向性結合器の結合度を上げることができる。したがって、損失が少なく効率の良い広帯域アンテナを提供することができる。さらに、結合用線路は、平衡型アンテナエレメントのフィーダとしても動作させることができる。

また実施例１において、図１２に示すような寸法のアンテナエレメントを用いることによって、第１の共振周波数が４２０ＭＨｚから５１０ＭＨｚまでの間の周波数であり、第２の共振周波数が８８０ＭＨｚから９８０ＭＨｚまでの間の周波数となる。したがって、ＵＨＦ帯の高周波信号を取り扱うことができる。伝送線路としてＵＨＦケーブルを用いる場合にも都合が良い。

また、高周波伝送線路に電磁的に結合した方向性結合器を含む広帯域アンテナを用いるため、図２のような構成をとることにより有線・無線複合通信が可能な広帯域アンテナシステムを構成することができる。

さらに、方向性結合器の結合用線路の長さを、第１の共振周波数と、第２の共振周波数との略中間の周波数の波長の４分の１の長さにするため、その周波数において方向性結合器の結合度が最大となる。したがって、第１の共振周波数と第２の共振周波数の間の周波数帯においても、伝送損失を低減することができ、広帯域な動作を実現することができる。

すなわち、図１に示すような本発明の実施例１の形態の広帯域アンテナシステムにおいて、方向性結合器１１０と一体化した長方形ループのアンテナエレメント１００を用いることにより、４００ＭＨｚから９００ＭＨｚという広帯域で動作するアンテナシステムを構成することができる。中心周波数を６５０ＭＨｚとするならば、帯域５００ＭＨｚは中心周波数の０．７７倍であり、ＵＷＢ通信が充分に可能な広帯域アンテナシステムとなる。さらに長方形ループの大きさを変えることにより、４００ＭＨｚから９００ＭＨｚという周波数帯に限らず、広帯域アンテナシステムを構成できる。

本発明に係る広帯域アンテナ及び広帯域アンテナシステムは、ＵＷＢ（超広帯域）通信に利用可能である。

本発明の実施例１の形態である広帯域アンテナシステムの基本構成図である。 本発明の広帯域アンテナシステムを用いた有線・無線複合通信の概念図である。 本発明の実施例１の形態の広帯域アンテナシステムの構成例である。 本発明のプリント基板上にアンテナ部と方向性結合器部を一体化して構成する場合の広帯域アンテナの構成図である。 本発明の実施例１の形態である広帯域アンテナの方向性結合器の断面図である。 ループアンテナの形状を示す図である。 モーメント法による長方形ループアンテナの分割を示す図である。 長方形ループアンテナを示す図である。 １波長動作時における直線状に展開された長方形ループ上の電流分布を示した図である。 ２波長動作時における直線状に展開された長方形ループ上の電流分布を示した図である。 図７におけるモーメント法による長方形ループアンテナの入力インピーダンスの計算結果を示す図である。 ＦＤＴＤ法により設計した本発明の実施例１の形態である広帯域アンテナのアンテナエレメントの寸法である。 ＦＤＴＤ法により計算した反射減衰量Ｓ１１を示す図である。 本発明の実施例１の形態である広帯域アンテナのアンテナエレメントの反射減衰量を示す図である。 方向性結合器の結合度測定の構成図である。 図１５の構成により測定した方向性結合器の結合度を示す図である。 本発明の広帯域アンテナの動作確認実験の構成図である。 図１７の構成による伝送ＳパラメータＳ２１の測定結果を示す図である。 従来の高周波信号分岐方法の基本を示す構成図である。 従来の高周波分岐方法の実施例を示す斜視図である。

符号の説明

１、１′ 電線
２、２′ 絶縁体
３、３′ 誘起線路
１００、１００ａ、１００ｂ アンテナエレメント
１０５ アンテナ
１０８ａ フォールデッドダイポール
１０８ｂ 正方形ループ
１０８ｃ 長方形ループ
１１０、１１０ａ、１１０ｂ 方向性結合器
１１２、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ 結合用線路
１１５、１１５ｂ カプラー
１１５ａ 基板
１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ 終端抵抗
１３０、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ 平行２線線路
１３５ 伝送線路
１４０ 信号
１５０ 送受信器
１６０ 壁
１７０ 絶縁体
１８０ バラン
１９０ ネットワークアナライザ
２００ 発砲スチロール
２１０ 広帯域アンテナ
２２０ ＬＰＤＡ
Ｃｘ 同軸ケーブル
Ｐ１、Ｐ２ 給電端子
Ｓ 信号源
Ｔ 変換器
Ｚｒ 整合抵抗
ＺＲ 終端抵抗

Claims (11)

1. ループ状のアンテナエレメントを有する広帯域アンテナにおいて、
   前記アンテナエレメントは、前記アンテナエレメントの形状を調節することにより、前記アンテナエレメントの周長を１波長とする第１の共振周波数と、前記アンテナエレメントの周長を２波長とする第２の共振周波数とに対して、略同じ値の入力インピーダンスを持つことを特徴とする広帯域アンテナ。
2. 前記アンテナエレメントの形状は、略１：２の縦横比を持つ長方形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。
3. 一対の平行な導体からなる結合用線路を有する方向性結合器と、
   前記結合用線路の一端に接続された終端抵抗とを備え、
   前記結合用線路の他端は、前記アンテナエレメントに接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の広帯域アンテナ。
4. 前記第１の共振周波数及び前記第２の共振周波数に対する前記アンテナエレメントの入力インピーダンスの値と、前記方向性結合器の前記結合用線路の特性インピーダンスの値とが略同じであることを特徴とする請求項３記載の広帯域アンテナ。
5. 前記第１の共振周波数は、４２０ＭＨｚから５１０ＭＨｚまでの間の周波数であり、前記第２の共振周波数は、８８０ＭＨｚから９８０ＭＨｚまでの間の周波数であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の広帯域アンテナ。
6. 前記第１の共振周波数及び前記第２の共振周波数に対する前記アンテナエレメントの入力インピーダンスの値は、略２００Ωであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の広帯域アンテナ。
7. 一対の平行電線よりなる平衡な高周波伝送線路と、
   請求項３乃至請求項６のいずれか１項記載の広帯域アンテナとを備え、
   前記結合用線路は、前記高周波伝送線路に平行に電磁的に結合していることを特徴とする広帯域アンテナシステム。
8. 前記方向性結合器の結合度は、
   前記結合用線路の長さを、前記第１の共振周波数と、前記第２の共振周波数との略中間の周波数の波長の４分の１の長さにすることにより、前記略中間の周波数において最大となるよう調節されていることを特徴とする請求項７記載の広帯域アンテナシステム。
9. 前記第１の共振周波数及び前記第２の共振周波数に対する前記アンテナエレメントの入力インピーダンスの値と、前記方向性結合器の前記結合用線路の特性インピーダンスの値と、前記高周波伝送線路の特性インピーダンスの値とが略同じであることを特徴とする請求項７又は請求項８記載の広帯域アンテナシステム。
10. 前記第１の共振周波数は、４２０ＭＨｚから５１０ＭＨｚまでの間の周波数であり、前記第２の共振周波数は、８８０ＭＨｚから９８０ＭＨｚまでの間の周波数であることを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれか１項記載の広帯域アンテナシステム。
11. 前記第１の共振周波数及び前記第２の共振周波数に対する前記アンテナエレメントの入力インピーダンスの値は、略２００Ωであることを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれか１項記載の広帯域アンテナシステム。

Images