JP2008199371A - Ｕｗｂアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で低ＶＳＷＲのＵＷＢアンテナ装置を提供することを課題とする。
【解決手段】
ＵＷＢアンテナ装置は、アンテナ部１とグランド部３を含む。アンテナ部１は、平面視左右線対称で略ホームベース型であり、その対称軸上に位置する頂点部分には給電部２が接続される。アンテナ部１には平面視矩形のグランド部３が容量結合される。アンテナ部１は、対称軸に平行な方向の長さＡを有し、この長さＡは、使用周波数の波長をλとすると、（λ／４）×０．５≦Ａ≦（λ／４）×０．８を満たす。また、グランド部３は、対称軸に平行な方向の長さＣを有し、この長さＣは、使用周波数の波長をλとすると、（λ／４）×０．８≦Ａ≦（λ／４）×１．２を満たす。また、この頂点で接続される一対の辺の各々と対称軸とがなす角度は５０度以上７０度以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）アンテナ装置に関する。

ＵＷＢ通信は、利用する周波数帯域がＧＨｚを超えるため、超高速通信が可能である。このＵＷＢは、２００６年８月に総務省により利用が認可されており、超高速通信を必要とする携帯型電子機器や高精度測位システムへの応用が期待されている。このような周波数帯域に対応した超広帯域アンテナが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２１７８９７号公報

ところで、ＵＷＢ通信用のアンテナ装置は、円錐形状又は涙滴形状のアンテナ部を有しており、薄型で高性能なアンテナ装置が望まれていた。

そこで、本発明は、小型（特に薄型）でＶＳＷＲの低いＵＷＢアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明の一局面のＵＷＢアンテナ装置は、平面視左右線対称で略ホームベース型の平板状のアンテナ部と、前記アンテナ部の対称軸上に位置する頂点部分に接続される給電部と、前記アンテナ部と容量結合される平板状のグランド部とを含み、前記アンテナ部の前記対称軸上の長さＸ１は、使用最低周波数における波長をλとすると、（λ／４）×０．５≦Ｘ１≦（λ／４）×０．８を満たし、前記グランド部の前記対称軸に平行な方向の長さＸ２は、前記λに対し、（λ／４）×０．８≦Ｘ２≦（λ／４）×１．２を満たし、前記頂点で接続される一対の辺の各々と前記対称軸とがなす角度は５０度以上７０度以下である。

また、前記アンテナ部は、前記頂点で接続される一対の辺である第１辺及び第２辺と、前記対称軸に平行で、前記第１辺及び前記第２辺に接続される第３辺及び第４辺と、前記対称軸に直交し、前記第３辺及び前記第４辺に接続される第５辺とを有する平面視略ホームベース型のアンテナ部であり、前記第３辺と前記第５辺との接続部分、及び、前記第４辺と前記第５辺との接続部分は、曲率半径２〜４ｍｍの円弧で構成されてもよい。

また、前記対称軸方向における前記アンテナ部と前記グランド部とのオーバラップは、−１．０〜＋１．０ｍｍに設定されてもよい。

また、前記アンテナ部及び前記グランド部は、基板の同一面に配設されてもよい。

本発明によれば、小型でＶＳＷＲ値の低いＵＷＢアンテナ装置を提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明のＵＷＢアンテナ装置を適用した実施の形態について説明する。

図１は、本実施の形態のＵＷＢアンテナ装置の構成を示す図である。このＵＷＢアンテナ装置は、図１（ａ）に示すように、アンテナ部１、給電部２及びグランド部３がフィルム４の片方の面に形成されたものである。なお、フィルム４は、例えば、可撓性のある樹脂製フィルムであればよい。この実施の形態では、長さ４０ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのポリイミド性のフィルムを用いる。

アンテナ部１は、平面視略ホームベース型の平板状のアンテナ部であり、放射部として機能する。このアンテナ部１は、導電性の高い金属、例えば銅により形成される。

ここで、略ホームベース型とは、図１（ｂ）に示すように、５つの辺Ｌ１乃至Ｌ５がホームベース型に接続されることによって実現される形状をいう。辺Ｌ１及びＬ２は、ホームベース型の対称軸ｌ上にある頂点Ｐ１で接続される辺である。辺Ｌ３及びＬ４は、辺Ｌ１及びＬ２にそれぞれ接続される辺であり、辺Ｌ５は、辺Ｌ３及びＬ４の間を繋ぐ辺である。図１（ｂ）には、各辺Ｌ１乃至Ｌ５が頂点Ｐ１乃至Ｐ５で接続されたホームベース型のアンテナ部１を示すが、各辺の接続部分は必ずしも頂点である必要はなく、特に、頂点Ｐ２乃至Ｐ５は、丸く縁取りされて隣り合う辺同士が曲線で接続されていてもよい。

図１（ａ）に示すように、アンテナ部１の頂点Ｐ１（図１（ｂ）参照）には給電部２が接続される。この給電部２には、同軸ケーブルを接続するための端子２Ａが配設され、給電部２には同軸ケーブルの芯線が接続される。

グランド部３は、給電部２を避けるための切欠部３Ａを有する平面視矩形の平板状の導体であり、導電性の高い金属、例えば銅により形成される。このグランド部３には、同軸ケーブルの外部導体線が接続され、グランド電位に維持される。

このような構成のＵＷＢアンテナ装置は、ポリイミド性のフィルム４の一方の面に、アンテナ部１、給電部２及びグランド部３の形状をした銅箔を貼り付けることにより作製することができる。

<アンテナ特性>
次に、本実施の形態のＵＷＢアンテナ装置のアンテナ特性について具体的に説明する。ここでは、特に、最適なＶＳＷＲ特性（工程平均値）を得るための各部の寸法について説明する。

表１は、ＵＷＢアンテナ装置の特性を最適化するための各部の寸法を示す。図２は、最適化のために変化させた箇所をＵＷＢアンテナ装置上に示す図である。各部の寸法を表１に示すように変化させることにより、ＵＷＢアンテナ装置のアンテナ特性の最適化を行った。

図２に示すように、符号Ａは、アンテナ部１の対称軸上の長さを示す。符号Ｂは、アンテナ部１の幅を示す。符号Ｃは、グランド部３の長さを示す。符号Ｄは、グランド部３の幅を示す。符号Ｅは、アンテナ部１の辺Ｌ１が対称軸ｌとなす角度を示す。符号Ｆは、アンテナ部１とグランド部３の長さ方向におけるオーバラップを示す。図に示す状態では、オーバラップは、−０．５ｍｍである。すなわち、アンテナ部１とグランド部３とは、長さ方向に０．５ｍｍ離間していることを表す。符号Ｇは、頂点Ｐ４及びＰ５を丸く縁取りしたときの曲率半径を示す。なお、辺Ｌ１及びＬ３と、辺Ｌ２及びＬ４とをそれぞれ連続的な曲線に変更したアンテナ部を作成し、図示のアンテナ部との特性比較も行った。

図３は、表１に示すように各部の寸法を変更することによって得たＵＷＢアンテナ装置の工程平均値（ｄＢ）を示す図である。この工程平均値は、使用周波数３ＧＨｚ、４ＧＨｚ及び５ＧＨｚとした場合におけるＶＳＷＲ値をそれぞれ求め、これらの平均値を算出し、さらにこの平均のＶＳＷＲ値をデシベル換算することによって導出した値である。

なお、ＵＷＢアンテナ装置の長さは４０ｍｍで一定としたため、グランド部の長さＣの変化は、アンテナ部１の長さＡの変化と同値であるため省略する。

図３に示すように、アンテナ部１の長さＡを最も長くした場合（１７ｍｍ）で工程平均値が最高値となった。使用最低周波数に応じてアンテナ部１の長さＡを変化させた結果、使用最低周波数の波長λに対して、（λ／４）×０．５≦Ａ≦（λ／４）×０．８の関係を満たす場合に工程平均値が良好な値をとることが判明した。

すなわち、使用最低周波数が３ＧＨｚ（λ／４＝２５ｍｍ）の場合には、１２．５ｍｍ≦Ａ≦２０ｍｍの場合に工程平均値が良好な値をとった。

アンテナ部１の幅は、最も広い場合（１８ｍｍ）で工程平均値が最高値となった。

なお、ここでは、ＵＷＢアンテナ装置の長さを４０ｍｍで一定としたが、使用最低周波数の波長λに対して、（λ／４）×０．８≦Ｃ≦（λ／４）×１．２の関係を満たす場合に工程平均値が良好な値をとることが判明した。

すなわち、使用最低周波数が３ＧＨｚ（λ／４＝２５ｍｍ）の場合には、２０ｍｍ≦Ａ≦３０ｍｍの場合に工程平均値が良好な値をとった。

グランド部３の幅Ｄは、最も広い場合（２９ｍｍ）で工程平均値が最高値となった。グランド部３の幅Ｄを変化させた結果、アンテナ部１の幅Ｂに対して、１．５Ｂ≦Ｄを満たす場合に工程平均値が良好な値を取ることが判明した。

アンテナ部１の辺Ｌ１が対称軸ｌとなす角度Ｅは、６３°のときに工程平均値が最高値となった。アンテナ部１の形状を変えて角度Ｅを変化させた結果、４０°〜８０°の間で工程平均値が比較的良好な値を示し、特に、５０°〜７０°の間で工程平均値が良好な値を取ることが判明した。

アンテナ部１とグランド部３との長さ方向におけるオーバラップＦを調節した結果、オーバラップが−１．０〜＋１．０ｍｍの間で良好な工程平均値が得られ、特に、−０．５ｍｍの場合（すなわち、オーバラップがなく、０．５ｍｍ離間している場合）に最高値が得られた。

頂点Ｐ４及びＰ５の角を丸く縁取りし、その曲率半径Ｇを調節した結果、曲率半径が２〜４ｍｍで良好な工程平均値が得られ、特に、曲率半径が４ｍｍの場合に最高値となった。頂点Ｐ４及びＰ５の縁取りによってアンテナ特性が向上することが分かった。

辺Ｌ１及びＬ３と、辺Ｌ２及びＬ４とをそれぞれ連続的な曲線に変更したアンテナ部を作成し、図２に示すＵＷＢアンテナ装置との特性比較も行った。その結果、辺Ｌ１、Ｌ３、Ｌ２、Ｌ４をすべて直線で構成した方が良好な工程平均値が得られることが分かった。

以上より、アンテナ部１の長さＡ＝１７ｍｍ、アンテナ部１の幅Ｂ＝１８ｍｍ、グランド部３の幅Ｄ＝２９ｍｍ、アンテナ部１の辺Ｌ１が対称軸ｌとなす角度Ｅ＝６３°、アンテナ部１とグランド部３の長さ方向におけるオーバラップＦ＝−０．５ｍｍ、頂点Ｐ４及びＰ５の曲率半径Ｇ＝４ｍｍで、かつ、辺Ｌ１及びＬ３と、辺Ｌ２及びＬ４とをそれぞれ直線で構成した場合に最良の工程平均値が得られることが分かった。

図４は、本実施の形態で最適化されたＵＷＢアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示す図である。図５は、本実施の形態で最適化されたＵＷＢアンテナ装置のＵＷＢアンテナ装置の指向特性を示す図である。

図４に示すように、周波数が３．１〜５ＧＨｚの間でＶＳＷＲ特性が２．０以下という良好な値がえら得た。また、ＵＷＢアンテナ装置のフィルム面に垂直な方向をＸ軸、フィルム面内でアンテナ部の対称軸に垂直な方向をＹ軸、対称軸の方向をＺ軸とすると、図５に示すように、（ａ）Ｘ−Ｙ方向及び（ｂ）Ｙ−Ｚ方向において、均一な指向特性が得られた。

以上、本実施の形態によれば、薄型でＶＳＷＲ値の低いＵＷＢアンテナ装置を提供することができる。

なお、以上の説明では、アンテナ部１とグランド部３とがフィルム４の同一面に配設される形態について説明したが、例えば、図６に示すように、グランド部３は、アンテナ部１とは反対側の面（図６中紙面の裏面側）に配設されてもよい。この場合、マイクロストリップ線路を用いて給電部２を接続してもよい。マイクロストリップ線路を用いる場合は、図に示すように、マイクロストリップ線路とグランド部３との接続部（図中フィルム４の端部）に端子２Ａを配設してもよい。なお、マイクロストリップ線路の幅を変更させて工程平均値を求めたところ、幅０．９５ｍｍ、１．４５ｍｍ、１．９５ｍｍのうちで、１．４５ｍｍのときに最大値が得られた。

また、以上では、可撓性のあるフィルム４を用いる形態について説明したが、フィルム４の代わりにガラス基材エポキシ樹脂積層板（ＦＲ４）のような基板を用いてもよい。

以上、本発明の例示的な実施の形態のアンテナ装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

本発明のＵＷＢアンテナ装置は、超高速通信が可能な携帯型電子機器用のアンテナや高精度測位システム等に利用可能である。

実施の形態のＵＷＢアンテナ装置を示す図である。 実施の形態のＵＷＢアンテナ装置において最適化のために変化させた箇所を示す図である。 実施の形態のＵＷＢアンテナ装置において各部の寸法を変更することによって得たＵＷＢアンテナ装置の工程平均値を示す図である。 実施の形態で最適化されたＵＷＢアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示す図である。 実施の形態で最適化されたＵＷＢアンテナ装置の指向特性を示す図である。 実施の形態の変形例によるＵＷＢアンテナ装置を示す図である。

符号の説明

１…アンテナ部
２…給電部
２Ａ…端子
３…グランド部
３Ａ…切欠部
４…フィルム

Claims (4)

1. 平面視左右線対称で略ホームベース型の平板状のアンテナ部と、
   前記アンテナ部の対称軸上に位置する頂点部分に接続される給電部と、
   前記アンテナ部と容量結合される平板状のグランド部と
   を含み、
   前記アンテナ部の前記対称軸上の長さＸ１は、使用最低周波数における波長をλとすると、（λ／４）×０．５≦Ｘ１≦（λ／４）×０．８を満たし、
   前記グランド部の前記対称軸に平行な方向の長さＸ２は、前記λに対し、（λ／４）×０．８≦Ｘ２≦（λ／４）×１．２を満たし、
   前記頂点で接続される一対の辺の各々と前記対称軸とがなす角度は５０度以上７０度以下である、ＵＷＢアンテナ装置。
2. 前記アンテナ部は、
   前記頂点で接続される一対の辺である第１辺及び第２辺と、
   前記対称軸に平行で、前記第１辺及び前記第２辺に接続される第３辺及び第４辺と、
   前記対称軸に直交し、前記第３辺及び前記第４辺に接続される第５辺と
   を有する平面視略ホームベース型のアンテナ部であり、
   前記第３辺と前記第５辺との接続部分、及び、前記第４辺と前記第５辺との接続部分は、曲率半径２〜４ｍｍの円弧で構成される、請求項１に記載のＵＷＢアンテナ装置。
3. 前記対称軸方向における前記アンテナ部と前記グランド部とのオーバラップは、−１．０〜＋１．０ｍｍである、請求項１又は２記載のＵＷＢアンテナ装置。
4. 前記アンテナ部及び前記グランド部は、基板の同一面に配設されている、請求項１乃至３のいずれかの項に記載のＵＷＢアンテナ装置。

Images