JP2010178000A - モノポールアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、放射素子とグランド板が同一面上に配置されているモノポールアンテナにおいて、無指向に近づけることを目的とする。
【解決手段】本発明に係るモノポールアンテナは、放射素子１２とグランド板１１が同一面上に配置されているモノポールアンテナであって、放射素子１２及びグランド板１１は、ループ状であり、放射素子１２及びグランド板１１の外周の形状は、両者を横断する第１の直線Ａに対して線対称であり、放射素子１２とグランド板１１が対向する近接部における放射素子１２の外周の形状とグランド板１１の外周の形状とは、第１の直線Ａに直交する第２の直線Ｂに対して線対称であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、モノポールアンテナに関連し、特にＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）用モノポールアンテナに関する。

超広帯域での大容量通信手段としてＵＷＢを利用した無線通信が注目されている。ＵＷＢは、２００２年にアメリカのＦＣＣ（Ｆｅｄｅｒａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）規格により３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚでの使用が認可された。

ＵＷＢ通信に用いられるアンテナには、超広帯域でかつ小型の構造が求められる。この要望を満たすため、放射素子とグランド板が同一面上に配置されたアンテナが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

従来のアンテナは、放射素子とグランド板が同一面上に配置され、放射素子にループを形成し、グランド板の面積を放射素子よりも大きくしている。この構成とすることで、およそ３ＧＨｚ以上の周波数帯域において、ＶＳＷＲ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ）を２以下としている。

特開２００７−２３５４０４号公報

しかし、従来のアンテナは、指向性に偏りが生じていた。

そこで、本発明は、放射素子とグランド板が同一面上に配置されているモノポールアンテナにおいて、無指向に近づけることを目的とする。

発明者らは、実験により、放射素子とグランド板が同一面上に配置されているモノポールアンテナにおいて、放射素子とグランド板の両方にループを形成したとき、ほぼ無指向となることを発見した。
また、グランド板の面積を放射素子と同一としても、３ＧＨｚ以上の周波数帯域におけるアンテナのＶＳＷＲ特性をさらに向上することができることを発見した。

具体的には、本発明に係るモノポールアンテナは、放射素子とグランド板が同一面上に配置されているモノポールアンテナであって、前記放射素子及び前記グランド板は、ループ状であり、前記放射素子及び前記グランド板の外周の形状は、両者を横断する第１の直線に対して線対称であり、前記放射素子と前記グランド板が対向する近接部における前記放射素子の外周の形状と前記グランド板の外周の形状とは、前記第１の直線に直交する第２の直線に対して線対称であることを特徴とする。

本発明に係る構成とすることで、放射素子とグランド板が同一面上に配置されているモノポールアンテナにおいて、無指向性を向上することができる。また、アンテナの小型化及びＶＳＷＲ特性の向上が可能となる。

本発明に係るモノポールアンテナでは、前記放射素子と前記グランド板への給電点が、前記第１の直線上に配置されていることが好ましい。
本発明により、放射素子及びグランド板に供給する電流の電流分布が第１の直線に対して対称になる。これにより、アンテナのＶＳＷＲ特性を向上させることができる。

本発明に係るモノポールアンテナでは、前記近接部における前記放射素子及び前記グランド板の外周の形状は、楕円の一部であることが好ましい。
本発明により、放射素子及びグランド板に供給された電流が、近接部のエッジに均一に分布する。これにより、アンテナの無指向性を向上するとともに、ＶＳＷＲ特性を向上させることができる。

本発明に係るモノポールアンテナでは、前記放射素子及び前記グランド板の外周及び内周の形状は、長径と短径の比が等しい楕円形であり、前記楕円形は、長径と短径の比は、１：０．３以上１：０．７以下であることが好ましい。
長径と短径の比が１：０．３未満１：０．７超であると、アンテナのＶＳＷＲが上がり、指向性に偏りが生じる場合がある。このため、本発明により、アンテナのＶＳＷＲ特性を向上させ、無指向性を維持することができる。

本発明に係るモノポールアンテナでは、前記放射素子及び前記グランド板の内周の長径は、前記放射素子及び前記グランド板の外周の短径に等しいことが好ましい。
本発明により、アンテナのＶＳＷＲが下がり、共振点が安定する。これにより、アンテナの使用可能な帯域を広げることができる。

本発明に係るモノポールアンテナでは、前記放射素子及び前記グランド板の外周の長径は、１４ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることが好ましい。
放射素子の長径が１４ｍｍ以上であると、アンテナの入力特性が２．９ＧＨｚ以上となる。一方、放射素子の長径が４０ｍｍ超であると、アンテナが大きく、実用上好ましくない。従って、本発明により、２．９ＧＨｚ以上１０．６ＧＨｚ以下の周波数帯域をカバーする入力特性のアンテナを提供することができる。

本発明に係るモノポールアンテナでは、前記放射素子及び前記グランド板の内周から外周までの幅は、前記第２の直線に近い側よりも遠い側の方が太いことが好ましい。
本発明により、給電点から遠い位置でのインダクタンスを小さくすることができる。これにより、アンテナのＶＳＷＲ特性を向上させることができる。

本発明によれば、放射素子とグランド板が同一面上に配置されているモノポールアンテナにおいて、グランド板の面積を小さくするとともに、２．５ＧＨｚ以上の周波数帯域においてＶＳＷＲを２以下とすることができる。

本実施形態に係るモノポールアンテナの構成概略図である。 放射素子及びグランド板の第１形態を示すピックアップ図である。 放射素子及びグランド板の他形態を示す構成概略図であり、（ａ）は第２形態、（ｂ）は第３形態、（ｃ）は第４形態、（ｄ）は第５形態、（ｅ）は第６形態を示す。 実施例１に係るモノポールアンテナの指向性の測定結果である。 実施例２に係るモノポールアンテナのＶＳＷＲ特性の測定結果である。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。

図１は、本実施形態に係るモノポールアンテナの構成概略図である。本実施形態に係るモノポールアンテナは、グランド板１１と、放射素子１２と、グランド板１１への給電点１３と、放射素子１２への給電点１４と、を備える。放射素子１２とグランド板１１は、互いに対向する近接部を有する。本実施形態では、放射素子１２の外周の一部２２とグランド板１１の外周の一部２１が対向し、近接部を構成している。

放射素子１２とグランド板１１が同一面上に配置されている。例えば、放射素子１２とグランド板１１は、共通の基板上に形成されている。基板材料は、ポリイミドやポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムなどの絶縁体であってもよいが、エポキシ樹脂やアクリル樹脂などの誘電体であることが好ましい。誘電体基板であれば、モノポールアンテナの小型化を図ることができる。

放射素子１２及びグランド板１１の外周の形状は、両者を横断する第１の直線Ａに対して線対称である。例えば、放射素子１２及びグランド板１１の外周の形状が楕円であれば、楕円の短軸が第１の直線Ａ上に配置される。放射素子１２及びグランド板１１の外周の形状は、楕円に限られず、円、楕円、多角形及びこれらの組み合わせにすることができる。この場合、放射素子１２及びグランド板１１の外周の形状の中心点が第１の直線Ａ上に配置される。放射素子１２とグランド板１１が第１の直線Ａ上で最も近接する形状であることが好ましい。

給電点１３及び１４が、第１の直線Ａ上に配置されている。これにより、放射素子１２とグランド板１１が最も近接する位置に給電することができる。給電点１３及び１４は、第２の直線Ｂから等距離の位置に配置されることが好ましい。ここで、第２の直線Ｂは、第１の直線Ａに直交し、放射素子１２とグランド板１１の中心を通る直線である。給電点１３と給電点１４の距離は０．２ｍｍ以上であることが好ましく、さらに、略０．３５ｍｍであることが好ましい。

放射素子１２及びグランド板１１は、ループ状である。例えば、放射素子１２及びグランド板１１のそれぞれの中心部分の導体が除去された構造となっている。導体が除去された内周部分の形状は、例えば、円形、楕円形、三角形以上の多角形またはこれらの組み合わせなどの任意の形状とすることができる。

図２は、放射素子及びグランド板の第１形態を示すピックアップ図である。
Ｌｘ１は放射素子１２の外周の長径、Ｌｙ１は放射素子１２の外周の短径、Ｌｘ２は放射素子１２の内周の長径、Ｌｙ２は放射素子１２の内周の短径、Ｌｘ３はグランド板１１の外周の長径、Ｌｙ３はグランド板１１の外周の短径、Ｌｘ４はグランド板１１の内周の長径、Ｌｙ４はグランド板１１の内周の短径である。
Ｗｙ１は第２の直線Ｂに遠い側の放射素子１２の内周から外周までの幅、Ｗｙ２は第２の直線Ｂに近い側の放射素子１２の内周から外周までの幅、Ｗｙ３は第２の直線Ｂに近い側のグランド板１１の内周から外周までの幅、Ｗｙ４は第２の直線Ｂに遠い側のグランド板１１の内周から外周までの幅である。
Ｄ１は第２の直線Ｂと放射素子１２の外周の一部２２との距離、Ｄ２は第２の直線Ｂとグランド板１１の外周の一部２１との距離である。

放射素子１２の外周の一部２２の形状とグランド板１１の外周の一部２１の形状とは、第２の直線Ｂに対して線対称である。例えば、第１の直線Ａに平行な直線上における距離Ｄ１と距離Ｄ２は等しい。

放射素子１２の外周の一部２２とグランド板１１の外周の一部２１は、第１の直線Ａ上で放射素子１２とグランド板１１が最も近接するような湾曲形状を有していることが好ましい。特に、放射素子１２の外周の一部２２とグランド板１１の外周の一部２１の形状は、楕円の一部であることが好ましい。この場合、楕円の短軸が第１の直線Ａ上に配置される。

放射素子１２とグランド板１１が最も近接する第１の直線Ａ上での放射素子１２とグランド板１１の距離（Ｄ１＋Ｄ２）は、０．２ｍｍ以上であることが好ましい。

放射素子１２の外周形状及び内周形状は、楕円の短軸が第１の直線Ａ上に配置されている楕円であることが好ましい。この場合、放射素子１２の外周の長径は、１４ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることが好ましい。また、長径と短径の比Ｌｘ１：Ｌｙ１及びＬｘ２：Ｌｙ２は、１：０．３以上１：０．７以下であることが好ましい。特に長径と短径の比は２：１であることが好ましく、Ｌｘ１が４０ｍｍの場合、Ｌｙ１は２０ｍｍ、Ｌｘ２は２０ｍｍ、Ｌｙ２は１０ｍｍであることが好ましい。

放射素子１２の外周の形状と内周の形状は、長径と短径の比すなわち楕円率が等しい楕円であることが好ましい。例えば、Ｌｘ１／Ｌｙ１＝Ｌｘ２／Ｌｙ２の関係を有する。グランド板１１も同様であり、Ｌｘ３／Ｌｙ３＝Ｌｘ４／Ｌｙ４の関係を有することが好ましい。

放射素子１２の内周の長径は、放射素子１２の外周の短径に等しいことが好ましい。例えば、Ｌｙ１＝Ｌｘ２の関係を有する。グランド板１１も同様であり、この場合、Ｌｙ３＝Ｌｘ４が成立する。

放射素子１２とグランド板１１は、同一形状かつ同一面積であることが好ましい。特に、放射素子１２の外周及び内周の形状と、グランド板１１の外周及び内周の形状は、楕円率の等しい楕円形であることが好ましい。この場合、Ｌｘ１／Ｌｙ１＝Ｌｘ２／Ｌｙ２＝Ｌｘ３／Ｌｙ３＝Ｌｘ４／Ｌｙ４、かつＷｙ２＝Ｗｙ３、かつＷｙ１＝Ｗｙ４の関係を有する。

放射素子１２及びグランド板１１の内周から外周までの幅は、第２の直線Ｂに近い側よりも遠い側の方が太いことが好ましい。例えば、Ｗｙ１＞Ｗｙ２、Ｗｙ３＜Ｗｙ４の関係を有する。

図３は、放射素子及びグランド板の他形態を示す構成概略図であり、（ａ）は第２形態、（ｂ）は第３形態、（ｃ）は第４形態、（ｄ）は第５形態、（ｅ）は第６形態を示す。

図３（ａ）に示す第２形態では、図２に示すグランド板１１の内周の長軸上に、帯状の導体を設けた形状となっている。図３（ｂ）に示す第３形態では、図２に示す放射素子１２及びグランド板１１の内周の長軸上に、帯状の導体を設けた形状となっている。このように、放射素子１２及びグランド板１１には、複数のループが形成されていてもよい。

図３（ｃ）に示す第４形態では、図２に示す放射素子１２及びグランド板１１を短軸方向で切断し、開放された端部同士を帯状の導体で接続した形状となっている。このように、放射素子１２及びグランド板１１の外周の形状は、近接部を除いて任意の形状とすることができる。特に、近接部の端部同士を帯状の導体で渡す形状とすることで、モノポールアンテナを小型化することができる。

図３（ｄ）に示す第５形態では、図２に示す放射素子１２及びグランド板１１の内周から外周までの幅は、第２の直線Ｂに近い側よりも遠い側の方が太い。このように、ループの幅は、第２の直線Ｂからの距離に応じて調整することが好ましい。

図３（ｅ）に示す第６形態では、近接部の端部が第１の直線Ａに平行に伸びる直線状になっている。このため、内周形状が楕円、外周形状が楕円と四角形とを組み合わせた形状となっている。さらに、放射素子１２及びグランド板１１の内周から外周までの幅は、第２の直線Ｂに近い側よりも遠い側の方が太くなっている。

図１に示すモノポールアンテナの指向性を測定した。このときの図２に示すパラーメータは、Ｌｘ１＝Ｌｘ３＝４０ｍｍ、Ｌｙ１＝Ｌｙ３＝Ｌｘ２＝Ｌｘ４＝２０ｍｍ、Ｌｙ２＝Ｌｙ４＝１０ｍｍである。また、給電点１３と１４の距離は０．３４７ｍｍである。基板には、ＰＥＴフィルムを用いた。

比較例として、図１に示すグランド板１１がループ状でないモノポールアンテナの指向性を測定した。図２に示すパラーメータは、実施例１と同様である。

図４は、本実施例に係るモノポールアンテナの指向性の測定結果である。実施例１に係るモノポールアンテナのＸ−Ｙ平面放射特性は、平均で１ｄＢｉ程度となっている。一方、比較例に係るモノポールアンテナのＸ−Ｙ平面放射特性は、平均で−４ｄＢｉ程度となっている。このように、実施例１に係るモノポールアンテナの指向性は、比較例に係るモノポールアンテナの指向性よりも、無指向性が向上している。

図２に示す放射素子及びグランド板の第１形態と、図３（ｅ）に示す放射素子及びグランド板の第６形態のＶＳＷＲ特性を測定した。本実施例における図２に示すパラーメータは、実施例１と同様である。

図５は、本実施例に係るモノポールアンテナのＶＳＷＲ特性の測定結果である。両者とも、最低周波数は１．５７ＧＨｚであり、ＵＷＢアンテナの入力特性値である３．１ＧＨｚに対して十分な余裕があり、誘電体基板を用いることなく十分なＶＳＷＲ特性が得られた。このため、放射素子及びグランド板の外周形状である楕円形の長径を小さくすることができる。また、放射素子及びグランド板の第６形態とすることでＶＳＷＲ特性が向上した。

本発明は、ノートパソコン、ＰＤＡ（携帯型情報機器）端末、携帯電話又はＶＩＣＳ（Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）などの情報端末機器に内蔵するアンテナに利用することができる。

１１：グランド板
１２：放射素子
１３、１４：給電点
２１：グランド板１１の外周の一部
２２：放射素子１２の外周の一部

Claims (7)

1. 放射素子とグランド板が同一面上に配置されているモノポールアンテナであって、
   前記放射素子及び前記グランド板は、ループ状であり、
   前記放射素子及び前記グランド板の外周の形状は、両者を横断する第１の直線に対して線対称であり、
   前記放射素子と前記グランド板が対向する近接部における前記放射素子の外周の形状と前記グランド板の外周の形状とは、前記第１の直線に直交する第２の直線に対して線対称であることを特徴とするモノポールアンテナ。
2. 前記放射素子と前記グランド板への給電点が、前記第１の直線上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のモノポールアンテナ。
3. 前記近接部における前記放射素子及び前記グランド板の外周の形状は、楕円の一部であることを特徴とする請求項１又は２に記載のモノポールアンテナ。
4. 前記放射素子及び前記グランド板の外周及び内周の形状は、長径と短径の比が等しい楕円形であり、
   前記楕円形は、長径と短径の比は、１：０．３以上１：０．７以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のモノポールアンテナ。
5. 前記放射素子及び前記グランド板の内周の長径は、前記放射素子及び前記グランド板の外周の短径に等しいことを特徴とする請求項４に記載のモノポールアンテナ。
6. 前記放射素子及び前記グランド板の外周の長径は、１４ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４又は５に記載のモノポールアンテナ。
7. 前記放射素子及び前記グランド板の内周から外周までの幅は、前記第２の直線に近い側よりも遠い側の方が太いことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のモノポールアンテナ。

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