JP2007336170A - スロットアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】左右対称となるような形状のスロットの組み合わせに限定されず、かつ、広帯域特性を示すスロットアンテナの提供。
【解決手段】 金属層３と、金属層３に設けられたスロット５，６と、スロット５，６を連結する給電部７と、給電部７に接続された伝送線路８とを備えるスロットアンテナ１において、スロット５，６は平面視形状の異なるものが組み合わせて備えられており、給電部７が連結される辺の両端の角部が弧状に形成されているスロット５を少なくとも一つ備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、スロットアンテナに係り、特に、ＵＷＢ（Ultra wide Band）用のスロットアンテナに関する。

従来、金属板にスロットを形成してアンテナとして機能せしめるスロット型のアンテナが知られている。例えば、特許文献１には、スロット型のボウタイアンテナにおいて、無給電素子を付加することにより比較的広帯域な特性が得られることが記載されている。また、特許文献２には、略正方形状の給電スロットの互いに対向する辺から、当該給電スロット内側に向けてインピーダンス整合用のスタブを給電線路に沿って設けることにより、広帯域特性を得る偏波アンテナ装置が記載されている。さらに、特許文献３には、伝送線路を基準として左右対称となるような形状のスロットを組み合わせて形成し、スロットの形状が大きくなるほど伝送線路上のスロットの幅を大きくするスロット型のボウタイアンテナが記載されている。

このようなスロット型のボウタイアンテナ５０には、図５に示すように、２つの三角形状のスロット５２，５２が蝶ネクタイのように設けられた金属平板５３が備えられており、その2つの三角形の頂点の間に給電点５１が設けられている。このようなボウタイアンテナ５０によれば、給電点５１から金属平板５３に給電することにより、スロット５２に沿って金属平板５３に電流が流れて電波が送受信されるようになっている。また、スロット５２の形状を自己相似形状とすることにより、超広帯域のマイクロストリップアンテナが実現でき、ＵＷＢ用として使用することが可能である。
特開２００３−０７８３４５号公報 特開２００４−３４９９２８号公報 特開２００５−２３６６７２号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載の発明は、得られるアンテナ装置の帯域特性がＵＷＢ用として用いることができるほどではないという問題があった。また、特許文献３に記載の発明は、左右対称となるような形状のスロットの組み合わせに限定されているため、共振周波数が２つしか得られず広い周波数帯域でＶＳＷＲ特性を低くすることができないという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、左右対称となるような形状のスロットの組み合わせに限定されず、かつ、広帯域特性を示すスロット型のアンテナ装置の提供を目的とするものである。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
金属層と、前記金属層に設けられたスロットと、前記スロットを連結する給電部と、前記給電部に電気的に接続された伝送線路とを備えるスロットアンテナにおいて、
前記スロットは平面視形状の異なるものが組み合わせて備えられており、前記給電部が連結される辺の両端の角部が弧状に形成されているスロットを少なくとも一つ備えていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、金属層において、平面視形状が異なるものの組み合せのスロットと、スロットを連結する給電部と、給電部に電気的に接続される伝送線路と、を備えるようになっているので、伝送線路から給電された電流が金属層の給電部とスロットの形状に沿って伝送されて電波の送受信が行われる。ここで、スロットの形状は平面視形状の異なるものの組み合せであるので、送受信される電波の共振周波数もスロットの平面視形状に応じて異なることとなる。また、スロットにおいて給電部が接続される辺の両端の角部が弧状に形成されているので、伝送線路から金属層の給電部及びスロットに向けて電流が流れやすく、インピーダンス整合がとりやすい。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のスロットアンテナにおいて、
前記伝送線路が接続される辺の両端の角部が弧状に形成されているスロットは、平面視半円形状であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、伝送線路が接続される辺の両端の角部が弧状に形成されているスロットは平面視半円形状であるので、伝送線路から放射板の両測縁に沿って電流が弧状に流れやすく、インピーダンス整合がとりやすいため、リターンロスがより低減される。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のスロットアンテナにおいて、
前記スロットは二つ設けられており、他方の前記スロットは平面視台形状であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、平面視半円形状のスロットと、平面視台形状のスロットとを組み合わせて用いるので、伝送線路からの電流がスロットの両側縁に沿って弧状に流れやすいスロットと、伝送線路が接続される辺部が直線であるスロットと、の組み合わせとなる。よって、スロットアンテナのリターンロスを低減するとともに柔軟に調整することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスロットアンテナにおいて、
前記金属層が一面に設けられた絶縁基板を備え、
前記伝送線路を構成する一の導体は前記絶縁基板の他面に備えられており、前記金属層が前記一の導体の対となる導体として機能することを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、絶縁基板上の一面に設けられた金属層において、平面視形状が異なるものの組み合わせのスロットと、スロットを連結する給電部と、絶縁基板の他面に設けられた一の導体と前記金属層とから構成されて給電部に電気的に接続される伝送線路と、を備えており、伝送線の一の導体から電流が給電されると、金属層に逆方向に電流が流れて電波の送受信が行われる。また、金属層においては、スロットに沿って電流が流れるので、給電部が接続される辺の両端の角部が弧状に形成されているので、金属層において電流が流れやすく、インピーダンス整合がとりやすい。

請求項１に記載の発明によれば、従来より装置に備えられている金属板等を金属層として利用してスロットアンテナを構成することができ、別途放射板等のアンテナ素子を設ける必要がなく構成の簡略化が可能である。また、送受信される電波の共振周波数がスロットの形状に応じて異なるので、共振周波数の数を増加させてアンテナ特性を向上させることができる。また、スロットの給電部が連結される辺の両端の角部が弧状に形成されているので、伝送線路から金属層への電流が流れやすく、インピーダンス整合がとりやすいため、リターンロスを低減させて給電効率を向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、リターンロスを効果的に低減させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、伝送線路からの電流がスロットの両側縁に沿って弧状に流れやすい形状のスロットを金属板に設けることにより、インピーダンス整合がとりやすくなるため、スロットアンテナのリターンロスの低減が可能である。また、伝送線路が接続される辺部が直線であるスロットを用いることにより、当該辺部の長さ寸法を調整することによって容易かつ柔軟に入力インピーダンスの調整が可能である。よって、スロットアンテナの特性の広帯域化が可能であるとともに、伝送線路の抵抗に応じた調整が容易である。

請求項４に記載の発明によれば、絶縁基板の他面に一の導体を設けることにより、金属層を対となる導体として機能させることができる。従って、伝送線路の一の導体を備えるだけで金属層に電流を伝送することができ、構成の簡略化が可能である。

以下に、本発明に係るスロットアンテナの一実施形態について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲を図示例に限定するものではない。

［第一の実施形態］
図１に示すように、本実施形態のスロットアンテナ１には、平板状の金属層３が備えられている。金属層３は、例えば、銅、アルミニウム、金、銀、白金等の導電性の材料により形成されている。金属層３の形状や厚みに特に制限はなく、従来より装置に備えられている金属板等を金属層３として用いることとしてもよい。

金属層３には、平面視半円形状の第１スロット５と、平面視台形状の第２スロット６と、第１スロット５の円弧部頂点と第２スロット６の上辺中心とを連結するスロット状の給電部７と、が設けられている。第１スロット５の直線部と第２スロット６の下辺とは、略平行になるように形成されている。このようなスロットが設けられた金属層３はエッチング等により成形することとしてもよく、又は導電ペイントによるパターン印刷等によって成形することとしても良い。

第１スロット５の平面視形状は半円形に限られず、給電部７が連結される辺の両端の角部が弧状に形成されていればよい。ここで、「弧状に形成」とは、図２に示すように、第１スロット５の給電部７が連結される辺部とその両端に連続する側辺に接触するような円を配置し、角部を当該円に沿って弧状に形成することをいう。具体的には、図２に示すハッチングの部分を除いて角部を丸くするようになっている。この際の円の半径Ｒｔが大きいほど、第１スロット５の角部の丸みが大きくなり、本実施形態のように平面視半円形状としてもよい。この場合、給電部７が連結される辺が円弧となる。なお、円を用いて弧状に形成するものとしたが、楕円を用いて弧状に形成することとしても良い。

第２スロット６の平面視形状は、第１スロット５の形状と異なるものが適用可能である。第２スロット６の形状に特に制限は無いが、第２スロット６の給電部７が連結される辺部とその端に連続する側辺の長さ寸法Ｌ２が第１スロット５の給電部７が連結される辺部とその端に連続する側辺の長さ寸法Ｌ１と異なる形状が好ましい。スロットアンテナ１の共振周波数は、給電部７が連結される辺部とその端に連続する側辺の長さ寸法で決定されるため、当該長さ寸法が第１スロット５と第２スロット６で異なることにより、共振点の数が増えてアンテナ特性が向上するためである（図３及び図４参照）。

また、第１スロット５の円弧部頂点と第２スロット６の上辺中心との距離、つまり給電部７の長さ寸法、に特に制限はなく、第１スロット５及び第２スロット６の形状によって好ましい範囲が定まるようになっている。

金属層３の上面には、伝送線路８が給電部７と対向するように配置されている。伝送線路８の他端にはスロットアンテナ１からの電気信号を送受信処理する信号処理装置等が接続されている（図示省略）。伝送線路８として特に制限は無いが、本実施形態においては同軸ケーブルを用いるものとする。伝送線路８の外部導体９は給電部７の一側縁に接続されており、伝送線路８の中心導体１０は給電部７の他側縁に接続されている。このようにして、伝送線路８と給電部７とは電気的に接続されており、伝送線路８と給電部７との間で電流が流れるようになっている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
スロットアンテナ１が電波を送信する場合、信号処理装置からの電気信号に基づいて、伝送線路８を介して給電部７に所定の振幅及び位相で電流が供給される。給電部７に供給された電流は、金属層３に入射し、第１スロット５及び第２スロットの給電部７が連結される辺部とその両端に連続する側辺に沿って流れる。このように、金属層３に電流が流れると、スロットアンテナ１から電波が送信されるようになっている。

スロットアンテナ１が電波を受信する場合、所定の周波数の電波が金属層３により受信されると、第１スロット５又は第２スロット６の側辺に沿って給電部７に向かって、受信した電波に応じた振幅及び位相の電圧電流が流れる。そして、給電部７に入射した電流は、伝送線路８を介して信号処理装置に伝達され、電気信号として処理される。

次に、スロットアンテナ１のアンテナ特性曲線を図６に示す。
アンテナ特性の指標の一つとしては、入力電圧と反射電圧の比から求められるリターンロス［ｄＢ］が挙げられる。リターンロスは反射係数ともいい、その値が低減されているほどアンテナ装置としてマッチングがとれていることを示し、一般にはその値が−１０以下の範囲が使用帯域とされている。

図３に示すように、スロットアンテナ１の共振周波数は給電部７から第１スロット５又は第２スロット６までの距離に基づいて決定される。つまり、給電部７から第１スロット５の直線部までの距離Ｌ１、給電部７から第２スロット６の下辺までの距離Ｌ２に基づいて共振点の１／２波長が決定されるようになっている。また、第１スロット５の直線部から第２スロット６の下辺までの距離Ｌ３に基づいて、共振点の１／２波長が決定されるようになっている。そして、距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の相違量が大きくなるほどこれらの共振点の周波数が分散し、リターンロスがより広い周波数領域で低減されるため好ましい。

一方、図４に示すように、従来のスロット型のボウタイアンテナ５０（図５参照）の共振周波数は、給電点５１からスロット５２の他端までの距離Ｌ４と、スロット５２の他端同士の距離Ｌ５と、に基づいて決定される。従って、共振周波数の数は２つであり、リターンロスを広い周波数帯域で低減させることができない。

以上のように、本実施形態のスロットアンテナ１によれば、少なくとも金属層３と伝送線路８を備えることによって構成されるので、別途放射板等のアンテナ素子を設ける必要がなく構成の簡略化が可能である。従って、従来より装置に備えられている金属板等にスロットを設けて伝送線路８を接続するだけでスロットアンテナとして用いることができる。また、送受信される電波の共振周波数が給電部７から第１スロット５の直線部及び第２スロット６の下辺までの距離、つまり、スロットの形状に応じて異なるので、共振周波数の数を増加させてアンテナ特性を向上させることができる。

また、第１スロット５の給電部７が連結される辺の両端の角部が弧状に形成されているので、伝送線路８から金属層３への電流が流れやすく、インピーダンス整合がとりやすいため、リターンロスを低減させて給電効率を向上させることができる。

さらに、第１スロット５と第２スロット６の給電部７から他端までの距離Ｌ１，Ｌ２を調整することによって共振周波数を調整することができ、容易かつ柔軟に入力インピーダンスの調整が可能である。

なお、給電部７は、第１スロット５の円弧頂点及び第２スロット６の上辺中心に連結されることとしたが、給電部７の連結箇所は、第１スロット５の円弧頂点付近及び第２スロット６の上辺中心付近であればよい。詳しくは、第１スロット５の直径又は第２スロット６の上辺の長さ寸法の５％相当幅だけ中心位置からずれた範囲内に設けられていれば良い。

また、第１スロット５及び第２スロット６の平面視形状は、スロットアンテナ１の指向性を均等にするために、給電部７の長手方向に沿った中心線を基準軸として軸対称な形状とするのが好ましい。また、第１スロット５及び第２スロット６の縁は直線状に限られず、曲線や指数関数としてもよい。

［第二の実施形態］
図５に示すように、本実施形態のスロットアンテナ１１には、平板状の絶縁基板１２が備えられている。絶縁基板１２は、例えば、テフロン（登録商標）、ガラスエポキシ、ＦＲ−４、シリコン等、従来より用いられているものを適宜用いることができる。絶縁基板１２の一面には、第一の実施形態と同様に、第１スロット５、第２スロット６および給電部７が設けられた金属層３が備えられている。

絶縁基板１２の他面には、一の導体としてのストリップ導体１３が、絶縁基板１２を介して給電部７と対向するように備えられている。ストリップ導体１３の一端には、スロットアンテナ１１からの電気信号を送受信処理する信号処理装置が接続されている。この信号処理装置は、金属層３のストリップ導体１３の一端と対向する位置に接続されており、金属層３はストリップ導体１３と対となるグラウンド導体として機能するようになっている。従って、本実施形態における伝送線路は、ストリップ導体１３と金属層３とからなるマイクロストリップ線路である。なお、本実施形態においてストリップ導体１３の他端は金属層３と直接には接続していないが、絶縁基板１２を介して電気的に接続するようになっている。ストリップ導体１３の他端は、公知のｖｉａ等を絶縁基板１２に穿設して直接接続することとしてもよい。

次に、本実施形態においては、図６に矢印で示すように、ストリップ導体１３に電流が流れると、金属層３において給電部７からスロットの形状に沿って電流が流れるようになっている。従って、第一の実施形態と同様に、給電部７から第１スロット５及び第２スロット６に沿って電流が流れることにより、スロットアンテナ１１から電波が送受信される。

以上のように、本実施形態のスロットアンテナ１１によれば、絶縁基板１２の他面にストリップ導体１３を設けることにより、金属層３をグラウンド導体として機能させることができる。従って、マイクロストリップ線路のストリップ導体１３を備えるだけで金属層３に電流を伝送することができ、従来より装置内の回路等に備えられているグラウンド板を金属層３として用いることができる。よって、別途アンテナ素子を備える必要がなく、構成の簡略化が可能である。

第一の実施形態におけるスロットアンテナを示す斜視図である。 第一の実施形態におけるスロットの給電部が連結される辺の両端の角部を示す平面図である。 第一の実施形態におけるスロットアンテナのリターンロスを示すグラフである。 従来のスロットアンテナのリターンロスを示すグラフである。 第二の実施形態におけるスロットアンテナを示す斜視図である。 第二の実施形態におけるスロットアンテナに電流が流れた状態を示す平面図である。 従来のスロットアンテナを示す平面図である。

符号の説明

１，１１ スロットアンテナ
１２ 絶縁基板
３ 金属層
５ 第１スロット
６ 第２スロット
７ 給電部
８ 伝送線路
９ 外部導体
１０ 中心導体
１３ ストリップ導体

Claims (4)

1. 金属層と、前記金属層に設けられたスロットと、前記スロットを連結する給電部と、前記給電部に電気的に接続された伝送線路とを備えるスロットアンテナにおいて、
   前記スロットは平面視形状の異なるものが組み合わせて備えられており、前記給電部が連結される辺の両端の角部が弧状に形成されているスロットを少なくとも一つ備えていることを特徴とするスロットアンテナ。
2. 前記伝送線路が接続される辺の両端の角部が弧状に形成されているスロットは、平面視半円形状であることを特徴とする請求項１に記載のスロットアンテナ。
3. 前記スロットは二つ設けられており、他方の前記スロットは平面視台形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスロットアンテナ。
4. 前記金属層が一面に設けられた絶縁基板を備え、
   前記伝送線路を構成する一の導体は前記絶縁基板の他面に備えられており、前記金属層が前記一の導体の対となる導体として機能することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスロットアンテナ。

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