JP2008283334A - モノポールアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域の確保が容易なモノポールアンテナを提供する。
【解決手段】モノポールアンテナが，境界で区分される第１，第２の領域を有する絶縁基板と，前記第１の領域に配置され，かつ前記境界に配置される端部を有する第１の接地導体と，前記第２の領域に配置される放射導体と，前記第２の領域に配置される線状または矩形状の第２の接地導体と，を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は，モノポールアンテナに関する。

平板導体からなる放射導体により構成されるモノポールアンテナに関する技術が公開されている（例えば，特許文献１参照）。モノポールアンテナは，平板導体を放射導体として用いることで，UWB(Ultra Wide Band)等広い周波数範囲（広帯域）での無線通信が可能となる。
特開２００５−４５４０７

しかしながら，例えば，放射導体を小型化した場合，モノポールアンテナが狭帯域化し易くなる。
上記に鑑み，本発明は，広帯域の確保が容易なモノポールアンテナを提供することを目的とする。

本発明に係るモノポールアンテナは，境界で区分される第１，第２の領域を有する絶縁基板と，前記第１の領域に配置され，かつ前記境界に配置される端部を有する第１の接地導体と，前記第２の領域に配置される放射導体と，前記第２の領域に配置される線状または矩形状の第２の接地導体と，を具備することを特徴とする。

本発明によれば，広帯域の確保が容易なモノポールアンテナを提供できる。

以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るモノポールアンテナ１０を上面から見た状態を表す上面図である。図２は，モノポールアンテナ１０の一部を拡大した状態を表す拡大上面図である。図３は，図２の線III−IIIでモノポールアンテナ１０を切断した状態を表す断面図である。

モノポールアンテナ１０は，絶縁基板１１，平板接地導体１２ａ，１２ｂ，線状接地導体１３，チップアンテナ１４，給電線１５，放射導体１６，給電ケーブル１７を有する。

絶縁基板１１は，絶縁材料，例えば，ＦＲ４（Flame Retardant Type 4の略であり，ガラス繊維とエポキシ樹脂の複合材料からなる難燃性のプリント基板材料（比誘電率ε１ｒ＝４．８））からなり，例えば，５０ｍｍ×２０ｍｍ×１ｍｍの略矩形平板形状の基板である。

平板接地導体１２ａ，１２ｂはそれぞれ，絶縁基板１１の上面および下面に配置され，銀，白金，銅等からなり，幅Ｗ０（例えば，２０ｍｍ），長さＬ０（例えば，３６ｍｍ）の略矩形平板状の導体である。平板接地導体１２ａ，１２ｂはいずれも，境界１８に沿って配置される端部を有する。境界１８は，平板接地導体１２ａ，１２ｂが配置された領域（領域Ａ）と，配置されない領域（領域Ｂ）を区分する。

本実施形態での平板接地導体１２ａは，領域Ｂ内に矩形状の切り欠き部（導体が配置されない領域）１２１を有する。平板接地導体１２ａと給電線１５が絶縁基板１１の同一面上に配置されていることから，これらの接触を防止する必要が有る。

線状接地導体１３は，第１導体部１３１，第２導体部１３２に区分される。第１導体部１３１，第２導体部１３２はそれぞれ，境界１８に垂直，平行であり（給電線１５に平行，垂直），長さＬ１，Ｌ２，幅Ｗ１，Ｗ２の略矩形状である。後述のように，線状接地導体１３での共振によるモノポールアンテナ１０の広帯域化が図られる。
なお，第１導体部１３１，第２導体部１３２は，絶縁基板１１の辺に沿って配置されている。絶縁基板１１上のスペースを有効に利用するためである。なお，第１導体部１３１，第２導体部１３２を絶縁基板１１の辺以外に配置することも可能である。

チップアンテナ１４は，例えば，８ｍｍ×４ｍｍ×０．８ｍｍの直方体状（略平板状）の形状をなし，誘電体部材１４１，１４２，放射導体１４３，パッド１４４（１４４ａ〜１４４ｆ），層間接続部１４５（１４５ａ〜１４５ｆ）を有する。なお，チップアンテナ１４の長手方向は給電線１５と略平行である。
誘電体部材１４１，１４２は，絶縁基板１１よりも誘電率が大きい誘電体材料（例えば，ホウケイ酸ガラス系セラミック（比誘電率ε２ｒ＝７．５）等のセラミック材料）からなり，例えば，８ｍｍ×４ｍｍ×０．４ｍｍの直方体状の部材である。誘電体部材１４１，１４２の誘電率が比較的大きいのは，放射導体１４３の実効長を大きくしてその小型化を図るためである。

放射導体１４３は，誘電体部材１４１，１４２の間に配置され，導体，例えば，銀，白金，銅からなる平板電極である。即ち，本実施形態の放射導体１４３は，誘電体部材１４１，１４２の内層に配置される。放射導体１４３を誘電体部材の表面上に配置しても良い。放射導体１４３は，放射導体本体部１４６，線状部１４７，接続部１４８（１４８ａ〜１４８ｆ）を有する。

放射導体本体部１４６は，２つの矩形を接続した形状であり，ある程度の広がりを有することから，比較的広帯域の放射特性を有する。この２つの矩形の内，上側が大きいことから，放射導体本体部１４６は，給電側（下側）より開放端側（上側）の方が幅広となっている。但し，放射導体本体部１４６の外形として，台形状，単一の矩形状，円形状等を採用することも可能である。放射導体本体部１４６の外形が縦横にある程度の広がりを有すれば，比較的広帯域の放射特性が期待できる。

放射導体本体部１４６には，略矩形の開口部１４６ａが配置される。開口部１４６ａは，放射導体１４３を焼成等で形成する際に，放射導体１４３と誘電体部材１４１，１４２とでの収縮率の相違により反りが生じるのを防止するために設けられる。なお，開口部１４６ａを省略することも可能である。

線状部１４７は，例えば，線幅０．１５ｍｍの略線状の電極であり，給電線１５との間でインピーダンスを整合する。また，線状部１４７は，放射導体１６と共に，放射導体全体としての線路長を大きくして，その特性の低周波化および共振周波数の調整が図られる。
接続部１４８（１４８ａ〜１４８ｆ）は，層間接続部１４５（１４５ａ〜１４５ｆ）に接続される。

層間接続部１４５（１４５ａ〜１４５ｆ）は，誘電体部材１４２を貫通して配置される導電性材料（例えば，導電性ペースト）からなる一種のビアホールであり，接続部１４８ａ〜１４８ｆと，パッド１４４ａ〜１４４ｆをそれぞれ接続する。
パッド１４４（１４４ａ〜１４４ｆ）はそれぞれ，例えば，導体ペーストにより，放射導体１６ａ〜１６ｆと接続される。この接続は，電気的接続のみならず，チップアンテナ１４と絶縁基板１１との物理的接続をも兼ねる。

給電線１５は，導体，例えば，銀，白金，銅からなる，例えば，幅１．４ｍｍの略線状の電極であり，放射導体１４３に電力を供給する。給電線１５は，チップアンテナ１４と線状接地導体１３の間に配置されている。即ち，給電線１５の片側にチップアンテナ１４が，その反対側に線状接地導体１３が配置される。この結果，線状接地導体１３と放射導体１４３，放射導体１６間の距離を確保し，それぞれから形成される電界の相互干渉の防止が図られる。

給電線１５は，平板接地導体１２ａと同一平面上に配置されるいわゆるコプレーナ線路である。即ち，給電線１５の両脇（切り欠き部１２１）に沿って平板接地導体１２ａが配置されている。給電線１５は平板接地導体１２ａと近接し，境界１８によって，放射導体１６ａと区分される。
給電線１５と平板接地導体１２ａ，１２ｂとが近接して対向することから，給電線１５からの電界が平板接地導体１２ａ，１２ｂによって制限され，給電線１５は放射導体として実質的に機能しない。

放射導体１６（１６ａ〜１６ｆ）は，導体，例えば，銀，白金，銅からなる略平板状の導体である。
放射導体１６ａ〜１６ｆは，電磁波を放射する放射導体として機能すると共に，チップアンテナ１４を絶縁基板１１に固定するパッドとして機能する。チップアンテナ１４と放射導体１６とが例えば，導体ペーストで接続されることで，チップアンテナ１４が絶縁基板１１に固定され，かつ電気的に接続される。

放射導体１６ａは，給電端側に配置され，例えば，幅１．０ｍｍの略線状の電極であり，パッド１４４ａ，層間接続部１４５ａを介して，給電線１５と放射導体１４３とを電気的に接続する。図１に示すように，給電線１５と放射導体１６ａとは共に同一の幅の電極から構成することが可能である。前述のように，給電線１５と放射導体１６ａとは，境界１８によって区分される。
放射導体１６ｂ〜１６ｆは開放端側に配置され，それぞれ，略矩形状の電極であり，パッド１４４ｂ〜１４４ｆ，および層間接続部１４５ｂ〜１４５ｆを介して放射導体１４３に接続される。

放射導体１６は，放射導体１４３と共に，電磁波を放射する放射導体として機能する。放射導体１６は，放射導体１４３に線路長を付加して，モノポールアンテナ１０の放射特性を低周波側にシフトさせ，かつ広帯域化を図っている。
ここで，境界１８（平板接地導体１２ａ，１２ｂの端部）と，放射導体１４３，１６の端部との距離Ｌ３は，放射導体１４３，１６全体の長さとしての意味を有し，モノポールアンテナ１０の特性に影響を与える。

給電ケーブル１７は，給電線１５を介して，放射導体１４３に電力を供給する。給電ケーブル１７には，例えば，セミリジットケーブル等の同軸ケーブルを用いることができる。セミリジットケーブルは，内部導体１７１（例えば，銅線），内部絶縁体１７２（例えば，テフロン（登録商標）），外皮導体１７３（例えば，銅パイプ）から構成される同軸ケーブルである。

（アンテナ特性）
図４Ａ〜図７Ａは，ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio（電圧定在波比．インピーダンス不整合により，反射波が発生している伝送線路上に発生する電圧振幅分布の山と谷の比））と周波数の関係を表すグラフである。図４Ｂ〜図７Ｂは，周波数が２〜６ＧＨｚでのインピーダンスの変化を表すスミスチャートである。

帯域幅Ｂ．Ｗ．は，ＶＳＷＲ＝２．５となる最低周波数ｆＬ，最大周波数ｆＨの差であり，Ｂ．Ｗ．＝ｆＨ−ｆＬで表される。また，比帯域Ｒは，Ｂ．Ｗ．／中心周波数ｆ０＝２＊（ｆＨ−ｆＬ）／（ｆＨ＋ｆＬ）で表される。なお，何れの結果でも帯域幅Ｂ．Ｗ．が１．７ＧＨｚ以上，比帯域Ｒが４０％以上であった。

一般に，送信機とアンテナとの間で，インピーダンスの整合が取れていることが要求される（インピーダンス・マッチング）。インピーダンスの整合が取れているときに，一方のインピーダンスが変化すると，この整合状態が崩れることになる。例えば，送信機のインピーダンスが固定されているときに（言い換えれば，インピーダンス・マッチングを積極的には行わない），アンテナのインピーダンスが何らかの原因で変化すると，インピーダンスは不整合状態となる。

アンテナのインピーダンスが周波数によって変化すると，インピーダンスが整合状態から不整合状態へと変動する可能性がある。このとき，周波数に対するインピーダンスの変化の割合（インピーダンスの周波数依存性）が大きいと，整合のとれている（整合状態の）周波数範囲（周波数帯域）は狭くなる。一方，周波数に対するインピーダンスの変化の割合が小さいと，整合のとれている周波数範囲（周波数帯域）は広くなる。このように，インピーダンスの周波数依存性と，周波数帯域の広狭との間に対応関係が有り得る。

Ａ．第２導体部１３２が無い場合
図４Ａ，図４Ｂ，図５Ａ，図５Ｂでは，第２導体部１３２が無く（Ｌ２＝０ｍｍ），第１導体部１３１の長さＬ１を変化させている。なお，幅Ｗ１＝１ｍｍ，距離Ｌ３＝１０ｍｍとした。また，第１導体部１３１とチップアンテナ１４（放射導体１４３）間の距離Ｄ０＝１３ｍｍとした。

（１）長さＬ１が０〜６ｍｍの範囲では最低周波数ｆＬはさほど変化せず，最大周波数ｆＨが小さくなる。即ち，この範囲では，長さＬ１の増大と共に，帯域幅Ｂ．Ｗ．が小さくなる傾向がある。低周波側に発生する線状接地導体１３での共振と，高周波側に発生するチップアンテナ１４での共振とが，共振周波数が近いために，相互に影響を受けてＶＳＷＲが大きくなるためと考えられる。

（２）長さＬ１が８，１０ｍｍ付近のとき，長さＬ１が０〜６ｍｍの場合と比べ，最低周波数ｆＬはさほど変化せず，最大周波数ｆＨが急激に大きくなる。即ち，帯域幅Ｂ．Ｗ．が急激に大きくなる。高周波側にＶＳＷＲの谷（ピーク）が出現することで，帯域幅Ｂ．Ｗ．が大きくなる。低周波側に線状接地導体１３での共振によるＶＳＷＲの谷が発生し，その影響でチップアンテナ１４での共振によるＶＳＷＲの谷（ピーク）が高周波側に発生するために帯域幅Ｂ．Ｗ．が大きくなるためと考えられる。

（３）長さＬ１が１４〜２２ｍｍのとき，最低周波数ｆＬが小さくなり，最大周波数ｆＨはさほど変化しない。即ち，帯域幅Ｂ．Ｗ．が大きくなる。さらに，ＶＳＷＲ＝２．５以下の範囲でのＶＳＷＲの最大値（２つの谷に挟まれた山）が低下する傾向がある。長さＬ１を大きくすることで低周波側に発生する線状接地導体１３での共振周波数が下がるために，低周波側のＶＳＷＲの谷が低周波側に移動し，最低周波数ｆＬが小さくなり，帯域幅Ｂ．Ｗ．が大きくなるためと考えられる。
また，低周波側に発生する線状接地導体１３での共振周波数が下がるために，低周波側に発生する線状接地導体１３での共振と，高周波側に発生するチップアンテナ１４での共振において，それぞれの共振周波数がある程度離れる。このため，相互の影響が少なくなり，ＶＳＷＲの最大値が低下したと考えられる。

（４）以上のように，長さＬ１が距離Ｌ３付近（８，１０ｍｍ）のときに，ＶＳＷＲの新たな谷が出現し，特に長さＬ１が距離Ｌ３以上の場合に，モノポールアンテナ１０の広帯域化が図られる。即ち，低周波側に線状接地導体１３での共振によるＶＳＷＲの谷が発生し，チップアンテナ１４での共振によるＶＳＷＲの谷が高周波側に発生することで，複共振による広帯域化が図られる。
また，長さＬ１が距離Ｌ３付近以外では，最低周波数ｆＬ，最大周波数ｆＨの一方が変化し，他方は変化が小さい。

Ｂ．第２導体部１３２が有る場合
図６Ａ，図６Ｂ，図７Ａ，図７Ｂでは，第２導体部１３２の長さＬ２を変化させている。なお，幅Ｗ１，Ｗ２＝１ｍｍ，長さＬ１＝１４ｍｍ，距離Ｌ３＝１０ｍｍとした。また，第１導体部１３１とチップアンテナ１４（放射導体１４３）間の距離Ｄ０＝１３ｍｍとした。
（１）長さＬ２が大きくなると共に，最低周波数ｆＬが小さくなり，最大周波数ｆＨはさほど変化しない。即ち，帯域幅Ｂ．Ｗ．が大きくなる。

（２）第２導体部１３２が無い場合と比較すると，第２導体部１３２が有る場合の方が有効と考えられる。即ち，全長Ｌ１＋Ｌ２が同一の場合（図６ＡのＬ２＝８ｍｍ（Ｌ１＋Ｌ２＝２２ｍｍ）と図５ＡのＬ１＝２２ｍｍ）を比較すると，第２導体部１３２が有る場合での最低周波数ｆＬの方が小さい。第２導体部１３２と放射導体１４３の間に容量成分が生じることで，共振周波数が低下したものと考えられる。
なお，第２導体部１３２が無い場合と比較すると，絶縁基板１１の長さが同一でも全長Ｌ１＋Ｌ２を大きくすることが可能である（絶縁基板１１上のスペースの有効利用）。

（３）但し，長さＬ２が１４，１６ｍｍ程度まで大きくなると，帯域幅Ｂ．Ｗ．が却って小さくなる。このとき，長さＬ２が距離Ｄ０より大きくなる。即ち，第２導体部１３２の端部が，チップアンテナ１４の端部からの延長線上に到達すると（第２導体部１３２が延長線と交わると），第２導体部１３２による広帯域化の効果が低減する。長さＬ２が距離Ｄ０より大きくなることで，線状接地導体１３の全長が長くなることに加えて，第２導体部１３２と放射導体１４３が近接して容量成分が大きくなり，線状接地導体１３における共振周波数が低下する。即ち，低周波側（線状接地導体１３）での共振のピーク（ＶＳＷＲの谷）が低周波側に移行し，高周波側での共振のピーク（ＶＳＷＲの谷）との周波数差が過剰に大きくなる。この結果，これらの谷の間でのＶＳＷＲの最大値（２つの谷の間の山Ｐ１〜Ｐ４）が大きくなり，帯域幅Ｂ．Ｗ．が低下すると考えられる。

Ｃ．第１導体部１３２の幅を変化させた場合
図８Ａ，図８Ｂでは，第１導体部１３１の幅Ｗ１を変化させている。なお，幅Ｗ０を幅Ｗ１とともに大きくしている（平板接地導体１２ａの左辺と，線状接地導体１３の左辺を同一線上とした。幅Ｗ１＝１，２１ｍｍのときそれぞれ，幅Ｗ０＝２０，４０ｍｍ）。また，長さＬ１＝１１ｍｍ，Ｌ２＝８ｍｍ，幅Ｗ２＝１ｍｍ，距離Ｌ３＝１０ｍｍとした。

幅Ｗ１を１ｍｍから２１ｍｍに変化させると，最低周波数ｆＬが大きくなり，最大周波数ｆＨが小さくなる。即ち，帯域幅Ｂ．Ｗ．が小さくなる。但し，幅Ｗ１が２１ｍｍの場合でも，線状接地導体１３が無い場合（Ｌ１＝０）よりも帯域幅Ｂ．Ｗ．が大きい。即ち，線状接地導体１３を付加することで，帯域幅Ｂ．Ｗ．を拡大できることに変わりはない。

モノポールアンテナ１０は以下の特徴を有する。
（１）放射導体１４３，１６での共振に加えた線状接地導体１３での共振（複共振）により，帯域幅の増大が図られる。線状接地導体１３の長さ（Ｌ１＋Ｌ２）を平板接地導体１２ａ，１２ｂの端部（境界１８）と，放射導体１４３，１６の端部との距離Ｌ３以上とすることで，ＶＳＷＲの周波数特性の谷が新たに出現する。この谷の間に帯域を確保できる。

（２）線状接地導体１３の長さ（Ｌ１＋Ｌ２）を調節することで，帯域幅を調節することができる。

（３）線状接地導体１３およびチップアンテナ１４を給電線１５の左右に配置することで，線状接地導体１３と放射導体１４３，放射導体１６間の距離を確保し，それぞれから形成される電界の相互干渉の防止が図られる。モノポールアンテナ１０の給電側では，流れる電流が大きくインピーダンスが変動し易い。このため，給電線１５付近での配置は相互干渉の防止の観点から重要である。

（４）線状接地導体１３をチップアンテナ１４側に曲げることで（第２導体部１３２が有る），帯域幅が大きくなり，かつ絶縁基板１１上のスペースが有効に利用される。また，第１導体部１３１，第２導体部１３２それぞれの長さＬ１，Ｌ２を調節することが可能となり，周波数特性の調節の自由度が向上する。

（５）線状接地導体１３の幅の調節することでも，帯域幅の制御が可能である。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）図９のモノポールアンテナ２０のように，線状接地導体２３の第２導体部２３２を複数回折り曲げた形状とすることもできる。
（２）図１０のモノポールアンテナ３０のように，チップアンテナ１４の下部を給電端としても良い。このとき，放射導体３６ａ〜３６ｆがモノポールアンテナ３０の上下に配置される。
（３）図１１のモノポールアンテナ４０のように，開放側の放射導体を放射導体４６ｂ，４６ｃとして纏めても良い。

（４）放射導体１６，１６への電力の供給に際し，種々の伝送線路を用いることができる。上記実施形態では，平板接地導体１２ａ，１２ｂが絶縁基板１１の表裏に配置されている。これに替えて，平板接地導体１２ａ，１２ｂの一方のみを用いても良い。

（５）絶縁基板１１上に，他の素子を配置することも可能である。例えば，他のアンテナ，アンテナを切り替えるためのスイッチ，フィルタ（バンドパスフィルタ等），水晶振動子，受信用のＩＣ（集積回路），送信用のＩＣ，高周波増幅用のＩＣである。

本発明の一実施形態に係るモノポールアンテナの上面図である。 本発明の一実施形態に係るモノポールアンテナの拡大上面図である。 本発明の一実施形態に係るモノポールアンテナの断面図である。 モノポールアンテナのＶＳＷＲと周波数の関係を表すグラフである。 モノポールアンテナのインピーダンスの変化を表すスミスチャートである。 モノポールアンテナのＶＳＷＲと周波数の関係を表すグラフである。 モノポールアンテナのインピーダンスの変化を表すスミスチャートである。 モノポールアンテナのＶＳＷＲと周波数の関係を表すグラフである。 モノポールアンテナのインピーダンスの変化を表すスミスチャートである。 モノポールアンテナのＶＳＷＲと周波数の関係を表すグラフである。 モノポールアンテナのインピーダンスの変化を表すスミスチャートである。 モノポールアンテナのＶＳＷＲと周波数の関係を表すグラフである。 モノポールアンテナのインピーダンスの変化を表すスミスチャートである。 本発明の他の実施形態に係るモノポールアンテナの上面図である。 本発明の他の実施形態に係るモノポールアンテナの上面図である。 本発明の他の実施形態に係るモノポールアンテナの上面図である。

符号の説明

１０ モノポールアンテナ
１１ 絶縁基板
１２ａ，１２ｂ 平板接地導体
１２１ 切り欠き部
１３ 線状接地導体
１３１ 第１導体部
１３２ 第２導体部
１４ チップアンテナ
１４１，１４２ 誘電体部材
１４３ 放射導体
１４４（１４４ａ-１４４ｆ） パッド
１４５（１４５ｂ-１４５ｆ） 層間接続部
１４６ 放射導体本体部
１４６ａ 開口部
１４７ 線状部
１４８（１４８ａ-１４８ｆ） 接続部
１５ 給電線
１６（１６ａ-１６ｆ） 放射導体
１７ 給電ケーブル
１７１ 内部導体
１７２ 内部絶縁体
１７３ 外皮導体
１８ 境界

Claims (7)

1. 境界で区分される第１，第２の領域を有する絶縁基板と，
   前記第１の領域に配置され，かつ前記境界に配置される端部を有する第１の接地導体と，
   前記第２の領域に配置される放射導体と，
   前記第２の領域に配置される線状または矩形状の第２の接地導体と，
   を具備することを特徴とするモノポールアンテナ。
2. 前記第２の接地導体の長さが，前記第１の接地導体の端部から前記放射導体の端部までの距離以上である
   ことを特徴とする請求項１記載のモノポールアンテナ。
3. 前記第２の接地導体が，一または複数の折れ曲がりを有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のモノポールアンテナ。
4. 前記第２の接地導体が，第１の部材とこの第１の部材に対して所定の角度をなす第２の部材を有する
   ことを特徴とする請求項３記載のモノポールアンテナ。
5. 前記放射導体が所定の方向を向いた略矩形状であり，
   前記第２の部材が，前記所定の方向への延長線と交わらない
   ことを特徴とする請求項４記載のモノポールアンテナ。
6. 前記境界が直線状である
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモノポールアンテナ。
7. 前記放射導体と前記第２の接地導体の間に配置され，前記放射導体に接続される給電線
   をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のモノポールアンテナ。

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