JP2011049984A - 超広帯域アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動作可能帯域の全域に亘ってほぼ無指向性のアンテナ特性を示し、かつ低背化および低コスト化が図りやすい超広帯域アンテナ装置を提供すること。
【解決手段】超広帯域アンテナ装置１は、接地導体平面２上に所定間隔存して配置される放射導体３が、接地導体平面２に対して略直交する面内に延在する垂直導体部３ｃと、接地導体平面２に対して略平行な面内に延在する水平導体部３ｄとを備えている。垂直導体部３ｃは、接地導体平面２に沿って９０度ずつずらして配置させた略扇形の第１〜第４垂直平板部３１〜３４を有しており、これら第１〜第４垂直平板部が放射導体３の中央部３ａから放射状に延びている。水平導体部３ｄは、第１および第２垂直平板部３１，３２の上端どうしを橋絡する第１水平平板部３５と、第３および第４垂直平板部３３，３４の上端どうしを橋絡する第２水平平板部３６とを有しており、第１〜第４垂直平板部のいずれかの下端近傍に給電点Ｐを設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線ＬＡＮやＷｉＭＡＸ等の通信システムに用いて好適な小型の超広帯域アンテナ装置に係り、特に、その放射導体に関するものである。

Ｍｏｎｏ−ＰｕｌｓｅまたはＯＦＤＭにより実現するＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）通信システムが提案され、近年、その研究と実用化が進められている。また、各国ではＵＷＢ通信に関する規定策定も進められている。ＵＷＢ通信に不可欠なＵＷＢアンテナとも称される超広帯域アンテナ装置はに極めて広い動作可能帯域が要求され、近年、近距離の高速無線通信に好適な小型アンテナＵＷＢが提案および実用化されている。この種の超広帯域アンテナ装置を低背化しつつ安価に製造できるようにした従来例として、円形もしくは多角形の金属平板を略直角に折り曲げて垂直導体部および水平導体部を有する放射導体となし、この放射導体を接地導体平面（グラウンド面）上に所定間隔存して配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる従来例において、放射導体の垂直導体部は接地導体平面に対して略直交する面内に延在しており、水平導体部は接地導体平面に対して略平行な面内に延在している。また、放射導体の給電点は接地導体平面に最も近い個所、すなわち垂直導体部の下端に設定されている。

特開２００３−２８３２３３号公報

前述した従来の超広帯域アンテナ装置は、金属平板のプレス加工によって放射導体が形成できるためコスト面で有利であり、かつ放射導体の一部が水平導体部となっているため低背化が図りやすい。しかしながら、かかる従来例のように、接地導体平面に対して略直交する一平面に沿って放射導体の垂直導体部を起立させている超広帯域アンテナ装置の場合、使用する電波の周波数が高まると指向特性が不均一になってしまうため、方角により感度がばらつきやすくなり、ＵＷＢ通信を行うとき、広帯域周波数帯域に亘るレスポンスが不均一となって送受信信号に歪みを生じるという問題があった。

すなわち、かかる従来例において、放射導体の動作可能帯域を３〜１０ＧＨｚに設定したうえで、接地導体平面に対して平行な面内における指向特性を調べてみると、低域ではほぼ無指向性となるが、図９に示すように、５ＧＨｚでは、垂直導体部が正対する方角の感度に比べて、これに直交する方角の感度が若干低下してしまう。また、図１０に示すように、１０ＧＨｚでは指向特性の均一性が完全に失われてしまい、方角による感度のばらつきが極めて大きいことがわかる。なお、指向特性が不均一であると、通信対象がどの方角にあるかに応じてアンテナの通信性能が大きく変化してしまうため、広帯域周波数帯域に亘るレスポンスが不均一となって送受信信号に歪みを生じてしまい、通信の誤り率が高くなるという問題がある。

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、動作可能帯域の全域に亘ってほぼ無指向性のアンテナ特性を示し、かつ低背化および低コスト化が図りやすい超広帯域アンテナ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、接地導体平面上に所定間隔存して配置される放射導体が、前記接地導体平面に対して略直交する面内に延在する垂直導体部と、前記接地導体平面に対して略平行な面内に延在する水平導体部とを備え、前記垂直導体部の上端に前記水平導体部の側縁が連続している超広帯域アンテナ装置において、前記垂直導体部が、前記接地導体平面に沿って９０度ずつずらして配置させた第１、第２、第３および第４垂直平板部を有しており、これら第１〜第４垂直平板部が前記放射導体の中央部から放射状に延びていると共に、前記水平導体部が、前記第１および第２垂直平板部の上端どうしを橋絡する第１水平平板部と、前記第３および第４垂直平板部の上端どうしを橋絡する第２水平平板部とを有しており、前記第１〜第４垂直平板部のいずれかの下端近傍に給電点を設けることとした。

このように構成された超広帯域アンテナ装置は、放射導体の垂直導体部の構成要素である第１〜第４垂直平板部が平面視で十字状に配設されており、第１および第３垂直平板部が正対する方角と、第２および第４垂直平板部が正対する方角とが９０度異なっている。そして、これら４つの垂直平板部が相互補完的な指向特性を示すことから、放射導体全体として見るとアンテナ特性はほぼ無指向性となる。また、第１および第２垂直平板部の各上端に連続する水平導体部として第１水平平板部が設けられ、同様に第３および第４垂直平板部の各上端に連続する水平導体部として第２水平平板部が設けられているため、放射導体全体の低背化が容易であると共に、金属平板のプレス加工によって放射導体を安価に製造することができる。

上記の構成において、第１〜第４垂直平板部がすべて同等な大きさの略扇形もしくは多角形に形成されており、かつ各垂直平板部の幅寸法が下端側で漸減していると、所定形状に打ち抜いた金属平板を折り曲げて動作可能帯域の広い放射導体を形成することが容易となるため好ましい。この場合において、放射導体は、所定形状に打ち抜いた１つの金属平板を折り曲げることによって第１〜第４垂直平板部と第１および第２水平平板部とが一括形成されていることが好ましく、こうすることによって放射導体の製造コストが大幅に低減できる。ただし、１つの金属平板を折り曲げて第１および第２垂直平板部と第１水平平板部を形成するだけであっても、これと同じものを第３よび第４垂直平板部と第２水平平板部として流用できるため、両者を背中合わせに接合することによって放射導体の製造コストを低減することは可能である。

また、上記の構成において、第１〜第４垂直平板部のそれぞれに特定周波数を除去するためのスリットが設けてあると、動作可能帯域に不所望な周波数が存在しても、この特定周波数の信号はスリットにトラップされて減衰するため誤って送受信される虞がなくなる。しかも、放射導体は４つの垂直平板部を有するため、トラップ用のスリットを最適な個所に形成することは容易である。

また、上記の構成において、接地導体平面上に絶縁体が載置固定され、この絶縁体上に放射導体が載置固定されていると、放射導体を接地導体平面上に所定間隔存して安定した姿勢で配置させることが容易となるため好ましい。

本発明の超広帯域アンテナ装置は、放射導体の垂直導体部の構成要素である第１〜第４垂直平板部が接地導体平面に沿って９０度ずつずらして配設されているため、これら４つの垂直平板部が相互補完的な指向特性を示し、放射導体全体として見るとアンテナ特性がほぼ無指向性となる。すなわち、この超広帯域アンテナ装置は動作可能帯域の全域に亘って、方角による感度のばらつきがほとんど生じないため、通信対象がどの方角にあっても通信性能のばらつきがほとんどなくて使い勝手が良好となる。また、あらゆる方向における利得が均一であるため、広帯域に亘り周波数レスポンスがよく、送受信信号に歪みが生じ難く、通信データの誤り率の劣化を防ぐことができる。さらに、第１および第２垂直平板部の各上端に連続する水平導体部として第１水平平板部が設けられ、同様に第３および第４垂直平板部の各上端に連続する水平導体部として第２水平平板部が設けられているため、放射導体全体の低背化が容易であると共に、金属平板のプレス加工によって放射導体を安価に製造することができる。

本発明の第１実施形態例に係る超広帯域アンテナ装置の斜視図である。 図１に示す放射導体の側面図である。 図１に示す放射導体の上面図である。 図１に示す放射導体の展開図である。 図１に示す放射導体の５ＧＨｚにおける指向特性を調べた測定図である。 図１に示す放射導体の１０ＧＨｚにおける指向特性を調べた測定図である。 本発明の第２実施形態例に係る超広帯域アンテナ装置の放射導体を示す斜視図である。 図７に示す放射導体の片側半分の展開図である。 従来例に係る放射導体の５ＧＨｚにおける指向特性を調べた測定図である。 同従来例に係る放射導体の１０ＧＨｚにおける指向特性を調べた測定図である。

以下、本発明の実施形態例について説明する。まず、本発明の第１実施形態例に係る超広帯域アンテナ装置について、図１〜図６を参照しつつ説明する。

図１に示す超広帯域アンテナ装置１は、接地導体平面（グラウンド面）２上に所定間隔存して放射導体３を配置し、この放射導体３の給電点Ｐに所定の高周波信号を給電して励振させるというものである。放射導体３は、図４に示すような形状に打ち抜いた金属平板４を折り曲げて適宜個所を半田付けすることにより形成されている。この放射導体３の外観形状は、起立姿勢の角柱状の中央部３ａを挟んで、横向きの略三角錐状の立体であるユニット半体３ｂが背中合わせに一対接合された形状となっている。そして、図１に示すように、接地導体平面２上に絶縁板５を載置固定し、この絶縁板５上に放射導体３を載置固定することによって超広帯域アンテナ装置１が構成されており、絶縁板５上における放射導体３の姿勢は安定している。なお、図１中の符号Ｑは接地導体平面２に対する給電点を示している。

放射導体３について詳しく説明すると、この放射導体３の一対のユニット半体３ｂは、接地導体平面２に対して略直交する面内に延在する垂直導体部３ｃと、接地導体平面２に対して略平行な面内に延在する水平導体部３ｄとによって主に構成されている。ここで、垂直導体部３ａは第１〜第４垂直平板部３１〜３４の総称であり、水平導体部３ｄは第１および第２水平平板部３５，３６の総称である。第１、第２、第３および第４垂直平板部３１，３２，３３，３４は放射導体３の中央部３ａから放射状（十字状）に延びている同じ大きさの略扇形平板であり、これら第１〜第４垂直平板部３１〜３４が接地導体平面２に沿って９０度ずつずらした位置に配設されている。また、各垂直平板部３１〜３４の幅寸法は下端側で漸減し上端側で漸増している。そして、略扇形の第１水平平板部３５の両側縁が第１および第２垂直平板部３１，３２の上端に連続して、これら３つの平板部３１，３２，３５どうしが互いに直交する位置関係となっている。同様に、略扇形の第２水平平板部３６の両側縁が第３および第４垂直平板部３３，３４の上端に連続して、これら３つの平板部３３，３４，３６どうしが互いに直交する位置関係となっており、第１および第２水平平板部３５，３６どうしは同一平面内で点対称な位置関係となっている。つまり、第１および第２垂直平板部３１，３２の上端どうしを第１水平平板部３５で橋絡してなる略三角錐状の立体が一方のユニット半体３ｂを構成しており、同様に第３および第４垂直平板部３３，３４の上端どうしを第２水平平板部３６で橋絡してなる略三角錐状の立体が他方のユニット半体３ｂを構成している。ただし、これら一対のユニット半体３ｂは同形状である。

また、この放射導体３には、インピーダンスを整合させるうえで好適な適宜個所を選択して給電点Ｐが設定されている。給電点Ｐは、放射導体３のうち接地導体平面２に近い第１〜第４垂直平板部３１〜３４の下端近傍の適宜個所に設けることが好ましく、本実施形態例では第１垂直平板部３１の下端近傍に給電点Ｐを設けている。

また、この放射導体３には、動作可能帯域に含まれる特定周波数を除去するためにスリット３ｅが設けてあり、該特定周波数の信号はスリット３ｅにトラップされて減衰するため誤って送受信される虞がない。この種のスリット３ｅは４枚全ての垂直導体部３ｃの適宜個所に設けることが好ましく、本実施形態例では第１〜第４垂直平板部３１〜３４をそれぞれ所定の大きさに切り欠いてトラップ用のスリット３ｅとなしている。トラップしたい周波数に応じてスリット３ｅを最適な個所に形成することは容易である。

次に、図４の展開図に示す金属平板４について説明すると、この金属平板４は一対の円板部４１，４２を一対のＴ字形状部４３，４４の両側に並べた形状に打ち抜かれている。各円板部４１，４２の帯状領域４１ａ，４２ａと一対のＴ字形状部４３，４４とを起立させて接合することにより、放射導体３の角柱状の中央部３ａが形成される。円板部４１には、ほぼ同じ大きさの４つの扇形領域４１ｂ〜４１ｅが折り曲げ線（破線部）によって区画されており、このうち帯状領域４１ａに隣接する扇形領域４１ｂ，４１ｃがそれぞれ第１垂直平板部３１と第２垂直平板部３２になり、残り２つの扇形領域４１ｄ，４１ｅは重ね合わせて接合することにより第１水平平板部３５となる。同様に、円板部４２は、ほぼ同じ大きさの４つの扇形領域４２ｂ〜４２ｅが折り曲げ線（破線部）によって区画されており、このうち帯状領域４２ａに隣接する扇形領域４２ｂ，４２ｃがそれぞれ第３垂直平板部３３と第４垂直平板部３４になり、残り２つの扇形領域４２ｄ，４２ｅは重ね合わせて接合することにより第２水平平板部３６となる。なお、図４においてトラップ用のスリット３ｅは図示省略されている。

以上説明したように、本実施形態例に係る超広帯域アンテナ装置１は、放射導体３の垂直導体部３ｃが、平面視で十字状に配設された第１〜第４垂直平板部３１〜３４からなり、第１および第３垂直平板部３１，３３が正対する方角と、第２および第４垂直平板部３２，３４が正対する方角とが９０度異なっている。そして、これら４つの垂直平板部３１〜３４が相互補完的な指向特性を示すことから、放射導体３全体として見るとアンテナ特性はほぼ無指向性となる。

具体的には、放射導体３の動作可能帯域が３〜１０ＧＨｚであるとして、接地導体平面２に対して平行な面内における指向特性を調べてみると、低域だけでなく５ＧＨｚのときにも図５に示すようにほぼ無指向性となり、方角による感度のばらつきは現われない。また、図６に示すように、１０ＧＨｚのときには方角により僅かに感度のばらつきが現われるものの、ほぼ無指向性に近い指向特性となることがわかる。すなわち、この超広帯域アンテナ装置１は、動作可能帯域の全域に亘って方角による感度のばらつきがほとんど生じないため、通信対象がどの方角にあっても通信性能のばらつきがほとんどなくて使い勝手がよい。また、あらゆる方向における利得が均一であるため、広帯域に亘り周波数レスポンスがよく、送受信信号に歪みが生じ難く、通信データの誤り率の劣化を防ぐことができる。

また、この超広帯域アンテナ装置１の放射導体３は、第１および第２垂直平板部３１，３２の上端どうしを第１水平平板部３５が橋絡しており、かつ第３および第４垂直平板部３３，３４の上端どうしを第２水平平板部３６が橋絡しているため、放射導体３全体の低背化が容易である。

しかも、この放射導体３は、所定形状に打ち抜いた１つの金属平板４を折り曲げることによって、中央部３ａと第１〜第４垂直平板部３１〜３４と第１および第２水平平板部３５，３６とが一括形成できるため、極めて安価に放射導体３が製造できる。

次に、本発明の第２実施形態例に係る超広帯域アンテナ装置について、図７と図８を参照しつつ説明する。ただし、図７において図１〜図４と対応する部分には同一符号が付してあるため、重複する説明は省略する。

図７に示す超広帯域アンテナ装置の放射導体３は、図８に示す形状に打ち抜いた金属平板４０を折り曲げて形成したユニット半体３ｆを、背中合わせに２つ接合することによって形成されたものである。この金属平板４０の折り曲げ線（破線部）はすべて直角に折り曲げられ、扇形領域４０ｂ，４０ｃどうしを帯状領域４０ａにて接合することによりユニット半体３ｆが得られる。つまり、金属平板４０の扇形領域４０ｂが第１垂直平板部３１（または第３垂直平板部３３）になり、扇形領域４０ｃが第２垂直平板部３２（または第４垂直平板部３４）になり、残りの扇形領域４０ｄが第１水平平板部３５（または第２水平平板部３６）になる。そして、一方のユニット半体３ｆにおける第１および第２垂直平板部３１，３２の境界部分と、他方のユニット半体３ｆにおける第３および第４垂直平板部３３，３４の境界部分とを衝合させて、帯状領域４０ｅにて両ユニット半体３ｆどうしを接合することにより放射導体３が得られ、該衝合部分が放射導体３の中央部３ａとなる。

このように本実施形態例では、１つの金属平板４０だけで放射導体３を形成することはできないが、この金属平板４０を折り曲げて形成されるユニット半体３ｆを２つ用いることによって、前述した第１実施形態例とほぼ同形状の放射導体３が容易に形成できる。すなわち、本実施形態例の場合、金属平板４０の形状が単純で折り曲げ加工しやすく、かつ半田付け個所が少なくて済むため、放射導体３の製造コストが低減できる。

なお、上記した第１および第２実施形態例では、いずれも放射導体３の第１〜第４垂直平板部３１〜３４が略扇形である場合について説明したが、各垂直平板部３１〜３４が多角形であってもよい。

１ 超広帯域アンテナ装置
２ 接地導体平面
３ 放射導体
３ａ 中央部
３ｂ，３ｆ ユニット半体
３ｃ 垂直導体部
３ｄ 水平導体部
３ｅ スリット
４，４０ 金属平板
５ 絶縁板（絶縁体）
３１ 第１垂直平板部
３２ 第２垂直平板部
３３ 第３垂直平板部
３４ 第４垂直平板部
３５ 第１水平平板部
３６ 第２水平平板部
Ｐ 給電点

Claims (5)

1. 接地導体平面上に所定間隔存して配置される放射導体が、前記接地導体平面に対して略直交する面内に延在する垂直導体部と、前記接地導体平面に対して略平行な面内に延在する水平導体部とを備え、前記垂直導体部の上端に前記水平導体部の側縁が連続している超広帯域アンテナ装置であって、
   前記垂直導体部が、前記接地導体平面に沿って９０度ずつずらして配置させた第１、第２、第３および第４垂直平板部を有しており、これら第１〜第４垂直平板部が前記放射導体の中央部から放射状に延びていると共に、前記水平導体部が、前記第１および第２垂直平板部の上端どうしを橋絡する第１水平平板部と、前記第３および第４垂直平板部の上端どうしを橋絡する第２水平平板部とを有しており、前記第１〜第４垂直平板部のいずれかの下端近傍に給電点を設けたことを特徴とする超広帯域アンテナ装置。
2. 請求項１の記載において、前記第１〜第４垂直平板部がすべて同等な大きさの略扇形もしくは多角形に形成されており、かつ各垂直平板部の幅寸法が下端側で漸減していることを特徴とする超広帯域アンテナ装置。
3. 請求項２の記載において、前記放射導体は、所定形状に打ち抜いた１つの金属平板を折り曲げることによって前記第１〜第４垂直平板部と前記第１および第２水平平板部とが一括形成されていることを特徴とする超広帯域アンテナ装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項の記載において、前記第１〜第４垂直平板部のそれぞれに特定周波数を除去するためのスリットが設けてあることを特徴とする超広帯域アンテナ装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項の記載において、前記接地導体平面上に絶縁体が載置固定され、この絶縁体上に前記放射導体が載置固定されていることを特徴とする超広帯域アンテナ装置。

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