JP2010178003A - モノポールアンテナ - Google Patents

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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、指向性を向上す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が同一平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が対向する近接部に、グランド板11の外周の一部を凸状にした第1の凸部24、及び、放射素子12の外周の一部を凸状にした第2の凸部25、を備え、第1の凸部24と第2の凸部25の対向する縁は、互いに平行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。これにより、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、指向性を向上す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、放射素子及びグランド板の縁に凸部を設け、当該凸部から給電することで、指向性が向上することを発見した。
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平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が対向する近接部に、前記グランド板の外周の一部を凸状にした第1の凸部、及び、前記放射素子の外周の一部を凸状にした第2の凸部、を備え、前記第1の凸部と前記第2の凸部の対向する縁は、互いに平行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。
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が好ましい。
本発明に係る構成とすることで、アンテナの無指向性を向上することが実験により確認されている。また、本発明に係る構成とすることで、グランド板と放射素子の面積を同一にできることが実験により確認されている。したがって、本発明により、モノポールアンテナの無指向性の向上及び小型化が可能となる。
本発明に係るモノポールアンテナでは、一端が前記グランド板への給電点に接続され、他端が開放されている帯状導体をさらに備え、前記帯状導体は、前記放射素子の外周に沿って配置され、前記帯状導体と前記放射素子との間隔は、前記帯状導体の前記一端から前記他端に向けて連続的に広がっていることが好ましい。
本発明に係る構成とすることで、アンテナの無指向性を向上することが実験により確認されている。したがって、本発明により、モノポールアンテナの無指向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、前記第1の凸部及び前記第2の凸部は、ループ状であることが好ましい。
本発明に係る構成とすることで、アンテナの無指向性を向上することが実験により確認されている。したがって、本発明により、モノポールアンテナの無指向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、前記放射素子及び前記グランド板が互いに対向する方向に垂直な方向における前記第1の凸部及び前記第2の凸部の幅は、3mm以上12mm以下であることが好ましい。
第1の凸部及び第2の凸部の幅が基本波長の1/8未満1/2超のとき、アンテナの無指向性が向上しない場合ある。したがって、本発明により、UWBアンテナの無指向性を向上することができる。
本発明に係るモノポールアンテナでは、前記第1の凸部と前記第2の凸部の間隔は、0.2mm以上2mm以下であることが好ましい。
当該間隔が2mm超のとき、アンテナの無指向性が向上しない場合ある。したがって、本発明により、アンテナの無指向性を向上することができる。
一方、当該間隔が0.2mm以上であることで、製造が容易になる。したがって、本発明により、モノポールアンテナの製造コストを抑えることができる。
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、指向性を向上することができる。
実施形態1に係るモノポールアンテナの構成概略図である。 給電点13及び14への給電ケーブルから放射素子にかけてのインピーダンスの変化の一例。 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形態を示す。 実施形態2に係るモノポールアンテナの構成概略図である。 実施形態2に係るモノポールアンテナの別形態であり、(a)は帯状導体の接続位置の別形態を示し、(b)は放射素子及びグランド板の別形態を示す。 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1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。
(実施形態1)
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、第1の凸部24と、第2の凸部25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)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ってもよい。本実施形態に係るモノポールアンテナは、基板材料が絶縁体であっても、良好なVSWR特性を得つつ、小型にすることができる。基板材料が誘電体であることで、モノポールアンテナの更なる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の位置関係を設定し固定するため、FR−4プリント基板やアクリル系樹脂などの誘電体基板材料上に放射素子12及びグランド板11を粘着性物質で貼り付けることもできる。
第1の凸部24は、グランド板11の外周の一部が凸状になっている部分である。第2の凸部25は、放射素子12の外周の一部が凸状になっている部分である。第1の凸部24及び第2の凸部25は、放射素子12及びグランド板11が対向する近接部に、互いに対向するように配置されている。第1の凸部24及び第2の凸部25は、放射素子12及びグランド板11の外周のうち、放射素子12とグランド板11が最も近接する部分に配置されることが好ましい。さらに、放射素子12及びグランド板11の中心を横断する第1の直線A上に配置されることが好ましい。
図2に、給電点13及び14への給電ケーブルから放射素子又はグランド板にかけてのインピーダンスの変化の一例を示す。給電ケーブルでのインピーダンス31は一定である。しかし、放射素子又はグランド板でのインピーダンス32は、給電ケーブルでのインピーダンス31から急激に上昇する。このとき、図1に示す第1の凸部24及び第2の凸部25を設けることで、放射素子又はグランド板でのインピーダンス33のように、インピーダンスの急激な上昇を抑えることができる。
第1の凸部24と第2の凸部25の対向する縁は、互いに平行である。第1の凸部24と第2の凸部25の対向する縁の形状は、直線であってもよいし、曲線であってもよい。例えば、第1の凸部24と第2の凸部25の対向する縁の形状は、第2の直線Bに平行な直線である。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。すなわち、第2の直線Bは、放射素子12及びグランド板11が互いに対向する方向に垂直な方向である。したがって、第1の凸部24と第2の凸部25の形状は、4角形以上の偶数角形の一部であることが好ましい。この場合、当該偶数角形の1辺の中心を通る中心線が第1の直線A上に配置されていることが好ましい。
第1の凸部24及び第2の凸部25は、ループ状であることが好ましい。ループ状であることで、アンテナの無指向性が向上する。この場合、給電点13及び14は、当該ループよりも第2の直線B側に配置される。これにより、給電ケーブルから給電点13及び14にかけてのインピーダンスの急激な上昇を抑えることができる。
放射素子12及びグランド板11の外周の形状は、第1の直線Aに対して線対称であることが好ましい。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は、第1の直線A上で最も近接することが好ましい。
給電点13及び14が、第1の直線A上に配置されていることが好ましい。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。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は、ループ状であることが好ましい。例えば、放射素子12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。グランド板11も、放射素子12と同様にループ状であることが好ましい。
なお、図2に示すグランド板11及び放射素子12には、複数のループが形成されていてもよい。例えば、グランド板11及び放射素子12のいずれか一方又は両方の内周の長軸上に、帯状の導体を設けた形状であってもよい。また、グランド板11及び放射素子12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であってもよい。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。
第2の直線Bと平行な方向における第1の凸部24及び第2の凸部25の幅Gは、3mm以上12mm以下であることが好ましい。ここで、幅Gは、第1の凸部24と第2の凸部25が平行に対向している部分の幅である。
第1の凸部24と第2の凸部25の間隔Fは、0.2mm以上2mm以下であることが好ましい。第1の凸部24と第2の凸部25の外縁の距離が適当であることで、アンテナの無指向性が向上する。第1の凸部24と第2の凸部25の外縁の形状が湾曲又は屈曲している場合は、第1の凸部24と第2の凸部25が最も近接する部分での第1の凸部24と第2の凸部25の距離が0.2mm以上2mm以下を維持していることが好ましい。
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ことが好ましい。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く、さらに、略0.35mm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の関係を有する。
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4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形態を示す。図4(a)に示す第2形態では、図1に示す放射素子12がメアンダ形状となっている。そして、放射素子12の一部とグランド板11を結ぶ直線上に給電点13及び14が配置されている。この場合、放射素子12の一部とグランド板11を結ぶ導体の先端に第2の凸部25を設ける。このように、本実施形態に係る第1の凸部24及び第2の凸部25は、放射素子12がメアンダ形状の場合にも適用することができる。
図4(b)及び図4(c)に示す第3形態及び第4形態では、図1に示す放射素子12のグランド板11側の端部を直線状に伸ばした延伸部を備え、グランド板11が当該延伸部の外縁の一部と対向するような形状となっている。この場合、第2の凸部25は、図4(b)に示すように延伸部の先端に配置されていてもよいし、図4(c)に示すように延伸部の側面に配置されていてもよい。
(実施形態2)
図5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、実施形態1に係るモノポールアンテナに加え、帯状導体15をさらに備える。帯状導体15をさらに備えることで、指向性をさらに向上することができる。
帯状導体15は、放射素子12とグランド板11の間に、放射素子12の外周に沿って配置されている。また、帯状導体15の一端はグランド板11への給電点13に接続され、帯状導体15の他端は開放されている。ここで、給電点13は第1の直線A上に配置されているので、帯状導体15は、第1の直線Aで分けられる片方に配置される。
帯状導体15の幅は、0.1mm以上2mm以下であることが好ましい。帯状導体15の幅は、均一でもよいし、不均一でもよい。不均一な場合は、帯状導体15の幅が最も細い部分で0.1mm以上、帯状導体15の幅が最も太い部分で2mm以下であることが好ましい。帯状導体15の幅が0.1mm以上であれば、印刷や打ち抜きによって、帯状導体15を容易に形成することができる。
帯状導体15と放射素子12との間隔Fは、給電点13に接続されている一端から開放されている他端に向けて連続的に広がっている。このため、当該間隔Fは、給電点13に接続されている端部で最小となり、開放されている端部で最大となる。間隔Fは、5mm以内であることが好ましい。
帯状導体15の開放されている他端は、放射素子12の外周のうち、放射素子12とグランド板11が対向する近接部を超えかつ第1の直線Aを超えない位置まで伸びている。例えば、帯状導体15の他端は、放射素子12の外周の一部23に対向する。放射素子12の外周の一部23は、放射素子12の外周のうち、放射素子12の外周の一部22よりも第2の直線Bから遠く、かつ、第1の直線Aで分けられた片方の領域である。このように、帯状導体15は、グランド板11への給電点13から放射素子12へ90°以内の範囲に配置され、放射素子12の外周を半周することはない。
グランド板11への給電点13及び帯状導体の他端を結ぶ直線とグランド板11への給電点13及び放射素子12の給電点14を結ぶ直線とのなす角度θは、5°以上であることが好ましい。ここで、給電点13及び給電点14は第1の直線A上に配置される場合、給電点13及び給電点14を結ぶ直線は第1の直線Aとなる。帯状導体15の他端が第1の直線Aと交差せず、かつ、角度θが5°以上となるように、帯状導体15の長さを調整することで、モノポールアンテナのVSWR特性を向上することができる。
図6は、実施形態2に係るモノポールアンテナの別形態であり、(a)は帯状導体の接続位置の別形態を示し、(b)は放射素子及びグランド板の別形態を示す。図6(a)に示すモノポールアンテナでは、帯状導体15の一端の接続位置が図5に示すモノポールアンテナと異なる。このように、帯状導体15の一端は、給電点13に接続されていればよく、給電点13との相対位置は問わない。
図6(b)に示すモノポールアンテナでは、近接部の端部であるグランド板11の外周の一部21の端部及び放射素子12の外周の一部22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及びVSWR特性を測定した。このときの図3に示すパラーメータは、G=3.2mm、E1=E2=0.9mm、F=0.2mm、Lx1=Lx3=40mm、Ly1=Ly3=Lx2=Lx4=20mm、Ly2=Ly4=10mmである。基板には、PETフィルムを用いた。
比較例1として、図1に示す第1の凸部24及び第2の凸部25を備え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7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平面放射特性では、比較例1に比べて真円に近くなっている。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1に係るモノポールアンテナの指向性よりも、アンテナの無指向性が向上している。
図8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。実施例1では、最低周波数は1.8GHz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。
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
15:帯状導体
21:グランド板11の外周の一部
22、23:放射素子12の外周の一部
24:第1の凸部
25:第2の凸部
31:給電ケーブルでのインピーダンス
32、33:放射素子又はグランド板でのインピーダンス

Claims (6)

  1. 放射素子とグランド板が同一平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が対向する近接部に、前記グランド板の外周の一部を凸状にした第1の凸部、及び、前記放射素子の外周の一部を凸状にした第2の凸部、を備え、
    前記第1の凸部と前記第2の凸部の対向する縁は、互いに平行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請求項1に記載のモノポールアンテナ。
  3. 一端が前記グランド板への給電点に接続され、他端が開放されている帯状導体をさらに備え、
    前記帯状導体は、前記放射素子の外周に沿って配置され、
    前記帯状導体と前記放射素子との間隔は、前記帯状導体の前記一端から前記他端に向けて連続的に広がっていることを特徴とする請求項2に記載のモノポールアンテナ。
  4. 前記第1の凸部及び前記第2の凸部は、ループ状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が互いに対向する方向に垂直な方向における前記第1の凸部及び前記第2の凸部の幅は、3mm以上12mm以下であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のモノポールアンテナ。
  6. 前記第1の凸部と前記第2の凸部の間隔は、0.2mm以上2mm以下であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のモノポールアンテナ。
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