JP2011066865A - 平面型アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】周波数の帯域幅を拡大する共に、構造が簡単で、小さく薄型化できる平面型アンテナを提供する。
【解決手段】導体の導電板３０と、導電板３０と離間して配設され、導電板３０の分離部３１に配設される基端部２３と導電板３０より上方に突設している突設部２１とを有し、突設部２１の幅Ｗ１が基端部２３の幅Ｗ２より広い導体のロッド２０と、導電板３０と離間して配設され、突設部２１と接続している接続部２２より下部１４の外側輪郭１５が上方に向かうに従い外側方向に漸次拡大していく形状を有する導体の板状アンテナ素子１０とを、絶縁基板上４０に配設した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）通信、放送、自動車、物流、ＩＣチップ、ミリ波次世代放送通信システム等に用いて好適な広帯域の平面型アンテナに関する。

本願出願人は、先に、下記特許文献１に示されるように、数ＧＨｚに亘る広帯域の電波を確実に受信することが可能な３次元のアンテナを提案している。このアンテナ１００は、図８に示すように、外周面上に円周方向に沿って６０度間隔で幅が０．５ｍｍのスリット１０２が形成されている球形状のアンテナ素子１０１と、円板状をなす導電円形板１０３と、その導電円形板１０３の中央に形成された開口部１０７に絶縁ブッシュ１０４を介して立設されているロッド１０５を備え、アンテナ素子１０１は、上下にそれぞれ形成される直径２．５ｍｍの貫通孔１０６によって、ロッド１０５に串刺し状に取り付けられている。そして、ロッド１０５は、コネクター１０８により同軸ケーブル１０９の芯線と接続されるので、アンテナ素子１０１はロッド１０５を介して電気的に接続される。導電板１０３は、同軸ケーブル１０９のシールド線と接続されている。

この構成においては、アンテナ素子１０１はロッド１０５に対して摺動自在に取り付けられるので、アンテナ素子１０１を摺動させて導電円形板１０３からアンテナ素子１０１までの距離を変動させることができ、これによりインピーダンスが変わり、マッチング調整が可能となり、数ＧＨｚに亘る広帯域の電波を確実に受信することが可能となっている。

しかしながら、近年、ＵＷＢ通信が脚光を浴びており、ＵＷＢ通信に好適なさらに広帯域のアンテナが要望されていた。また、テレビ用、携帯電話用等と用途ごとに設置する必要があるアンテナを統合し、一つのアンテナで拾ＧＨｚレベル以上の広帯域をカバーできるアンテナが要望されていた。また、上述のアンテナ素子には、スリットが形成されているので、アンテナの製造工程が煩雑となり、簡略な構造が要望されていた。更に、自動車用や家電製品等に装着して使用する場合に、小さく薄型であることも要望されていた。

特許４２６３７２２

本発明は、上述の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、周波数の帯域幅が広い平面型アンテナを提供することである。

更に、構造が簡単で容易に製造でき、しかも小さく薄型化で、装着時に場所をとならない平面型アンテナを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係る平面型アンテナは、導体の導電板と、前記導電板と離間して配設され、前記導電板の分離部に配設される基端部と前記導電板より上方に突設している突設部とを有し、前記突設部の幅が前記基端部の幅より広い導体のロッドと、前記導電板と離間して配設され、前記突設部と接続している接続部より下部の外側輪郭が上方に向かうに従い外側方向に漸次拡大していく形状を有する導体の板状アンテナ素子とが、絶縁基板上に配設されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に係る平面型アンテナは、請求項１に記載の平面型アンテナであって、前記ロッドの突設部の長さと前記板状アンテナ素子の実効高さとの比が、０．０５乃至０．２５の範囲であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に係る平面型アンテナは、請求項１または請求項２に記載の平面型アンテナであって、前記板状アンテナ素子は、前記接続部より下部の外側輪郭が上方に向かうに従い外側方向に曲線的に漸次拡大していく形状であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に係る平面型アンテナは、請求項１または請求項２に記載の平面型アンテナであって、前記板状アンテナ素子は、前記接続部より下部の外側輪郭が上方に向かうに従い外側方向に直線的に漸次拡大していく形状であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に係る平面型アンテナは、導体の導電板と、前記導電板と離間して配設され、前記導電板の分離部に配設される基端部と前記導電板より上方に突設している突設部とを有し、前記突設部の幅が前記基端部の幅より広い導体のロッドと、前記導電板と離間して配設され、前記突設部と接続している接続部より下部の外側輪郭が上方に向かうに従い外側方向に漸次拡大していく形状を有する導体の板状アンテナ素子とが、絶縁基板上に配設され、前記板状アンテナ素子の実効高さを変更することで、送受信可能な電波の周波数帯域を変更することができることを特徴とするものである。

本発明は、以下の効果を奏する。

すなわち、上記構成を備えた請求項1に記載の平面型アンテナは、ロッドが導電板の分離部に配設される基端部と導電板より上方に突設している突設部とを有しているので、板状アンテナ素子と導電板との間に所定の距離を確保することができ、しかも突設部の幅を基端部の幅より広くしたので、非常に広い周波数帯域を確保することができる。

更に、請求項２に記載の平面型アンテナのように、ロッドの突設部の長さと板状アンテナ素子の実効高さとの比が、０．０５乃至０．２５の範囲に設定されているので、拾ＧＨｚ以上の広い周波数帯域を確保することができる。

更に、請求項３または請求項４に記載の平面型アンテナのように、接続部より下部の外側輪郭が上方に向かうに従い外側方向に漸次拡大していく形状を有する板状アンテナ素子の形状としては、接続部より下部の外側輪郭が上方に向かうに従い外側方向に曲線的に漸次拡大していく形状であっても、また直線的に拡大していく形状であっても良く、同じように広い周波数帯を確保することができる。

更に、請求項５に記載の平面型アンテナのように、板状アンテナ素子の実効高さを変更することで、送受信可能な電波の周波数帯域を変更することができるので、使用目的に応じた如何なる周波数帯においても広帯域を確保することができる。

本発明の平面型アンテナは、板状アンテナ素子と、ロッドと、導電板とを絶縁基板上に配設したので、構造が簡単で製造方法を簡素化することができ、しかも平面型アンテナであるので、小型で薄型にすることができ、家電製品等に装着するのに適した形状とすることができる。

更に、本発明の平面型アンテナは、拾ＧＨｚ以上の非常に広い周波数帯域を確保することができるので、ＵＷＢ通信に使用するのに最適である他、複数の周波数帯域の電波を使用するために従来は複数の種類のアンテナを使用していた場合において、それらのアンテナを統合して一種類にすることができるので、自動車用アンテナ等とし使用するのに最適である。

本発明の実施形態に係る平面型アンテナの平面図である。 本発明の実施形態に係る平面型アンテナにおいて、板状アンテナ素子の他の形状を説明するための説明図である。 第１実施モデルにおいて、ロッドの基端部の幅と突設部の幅との異同と、反射特性との関係を示すグラフである。 第２実施モデルにおいて、突設部の長さと板状アンテナ素子の実効高さとの比と、周波数帯域との関係を示すグラフである。 第３実施モデルにおいて、板状アンテナ素子の実効高さと、定在波比との関係を示すグラフである。 第３実施モデルでの放射特性を示すグラフである。 第３実施モデルでの放射特性を示すグラフである。 従来の広帯域の３次元のアンテナ素子を用いたアンテナの斜視図である。

以下に図面を参照して、この発明の実施の形態を例示して説明する。ただし、この発明の範囲は、特に限定的記載がない限り、この実施の形態に記載されている内容に限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る平面型アンテナの平面図であり、図２は、本発明に係る平面型アンテナであって板状アンテナ素子の他の形状を説明するための説明図である。本発明に係る平面型アンテナ１は、板状アンテナ素子１０、ロッド２０、導電板３０が、テフロン(登録商標)等の絶縁体で形成されている基板４０上に配設されている。

板状アンテナ素子１０は、板状の導体であって、銅、真鍮等の金属により形成されていて、後述する導電板３０とは電気的に絶縁されている。内部１１も金属等の導体で形成されているが、図２（１）に示すように、内部１１は中空で、周辺部１２が太い枠体１３で形成されている場合であっても良い。

板状アンテナ素子１０の形状は、下部１４の外側輪郭１５が後述するロッド２０の突設部２１と接続している接続部２２より上方に向かうに従い外側方向に漸次拡大していく形状となっている。この外側輪郭１５が上方に向かうに従い外側方向に漸次拡大していく形状としては、図２（２）に示すように、外側輪郭１５が上方に向かうに従い外側方向に曲線的に漸次拡大していく形状であっても良く、また図２（３）に示すように、外側輪郭１５が上方に向かうに従い外側方向に直線的に漸次拡大していく形状であっても良い。尚、板状アンテナ素子１０の形状は、下部１４の外側輪郭１５が接続部２２より上方に向かうに従い外側方向に漸次拡大していく形状であることが重要であって、上部１６の外側輪郭１５は、図２（４）乃至（６）に示すように、円弧形状、楕円形状、三角形状等の如何なる形状であっても良い。

即ち、板状アンテナ素子１０は、下部１４の外側輪郭１５が接続部２２より上方に向かうに従い外側方向に漸次拡大していく形状となっていることで、板状アンテナ素子１０の下方に位置する給電部より電波が上方に向かって徐々に拡大する形状となっている。

ロッド２０は、板状の導体であって、銅、真鍮等の金属により形成されていて、導電板３０より上方に突設している突設部２１と、導電板３０の分離部３１に配設されている基端部２３とを有している。ロッド２０は、突設部２１の幅Ｗ１が、基端部２３の幅Ｗ２より広く、後述するように広い周波数帯域を確保することができるようになっている。尚、本実施形態では、幅Ｗ１が徐々に狭くなり基端部２３との境界部２５には段付が形成されていない場合について説明したが、図２（２）（３）に示すように、境界部２５において段付２４が形成された場合であっても良い。尚、Ｗ１／Ｗ２の比を最適化することで、更に広い周波数帯域を確保することが可能となっている。

ロッド２０は、導電板３０とは電気的に絶縁されているが、突設部２１で板状アンテナ素子１０と電気的に接続され、基端部２３で同軸ケーブル５０の芯線に接続され、給電部となっている。基端部２３と突設部２１との境界部２５が給電点となるが、突設部２１は給電部としてもアンテナとしても機能している。

導電板３０は、板状の導体であって、銅、真鍮等の金属により形成されていて、中央には、ロッド２０の基端部２３を配設できるように分離部３１が形成されている。導電板３０はグランド板となり、図示しないが同軸ケーブルのシールド線に接続されている。導電板３０は、板状アンテナ素子１０及びロッド２０とは間隙を有して配設されているので、電気的に絶縁された状態となっている。

第１実施モデル
次に、ロッド２０の幅が、突設部２１と基端部２３とで異なる場合の効果を確認するため、以下の内容でシュミレーションモデルにより確認した。
（ａ）突設部と基端部との幅が異なる場合
板状アンテナ素子１０の実効高さＨ ： １０ｍｍ
ロッド２０の突設部２１の長さＬ ： １ｍｍ
ロッド２０の突設部２１の幅Ｗ１ ： ３．０ｍｍ
ロッド２０の基端部２３の幅Ｗ２ ： ２．５ｍｍ
（ｂ）突設部と基端部との幅が同じ場合
板状アンテナ素子１０の実効高さＨ ： １０ｍｍ
ロッド２０の突設部２１の長さＬ ： １ｍｍ
ロッド２０の突設部２１の幅Ｗ１ ： ２．５ｍｍ
ロッド２０の基端部２３の幅Ｗ２ ： ２．５ｍｍ

図３に上記結果を示す。図３は、突設部２１と基端部２３との幅が異なる（ａ）の場合の反射特性と、突設部２１と基端部２３との幅が同じ（ｂ）の場合の反射特性とを示している。図３において、反射によるリターンロスが−１０ｄＢ以下の帯域は、下限周波数の領域では、差が認められない。しかし、上限周波数の領域では、（ｂ）の場合、周波数が高くなるに従いリターンロスの上昇も大きくなるが、（ａ）の場合は、周波数が高くなってもリターンロスの上昇が緩やかであるので帯域幅が拡大し、広帯域を確保している。

第２実施モデル
次に、ロッド２０の突設部２１の長さＬと板状アンテナ素子１０の実効高さＨとの比（Ｌ／Ｈ）を変化させた場合の効果を確認するため、以下の条件に基づきＬを変化させた内容でシュミレーションモデルにより確認した。
（ｃ）
板状アンテナ素子１０の実効高さＨ ： １０ｍｍ
ロッド２０の突設部２１の幅Ｗ１ ： ３．０ｍｍ
ロッド２０の基端部２３の幅Ｗ２ ： ２．５ｍｍ

図４に上記結果を示す。図４は、ロッド２０の突設部２１の長さＬを変化させた場合において、板状アンテナ素子の実効高さとの比（Ｌ／Ｈ）と、反射によるリターンロスが−１０ｄＢ以下の帯域の幅との関係を示している。図４において、反射によるリターンロスが−１０ｄＢ以下の帯域幅が１０ＧＨｚ以上になる（Ｌ／Ｈ）の値は、０．０５から０．２５の範囲である。即ち、板状アンテナ素子の実効高さが１０ｍｍ場合で、突起部２１の長さＬが０．５から２．５ｍｍの範囲にある場合に、１０ＧＨｚ以上の広帯域を確保することが可能となる。

第３実施モデル
次に、板状アンテナ素子の実効高さＨを変化させた場合の効果を確認するため、以下の内容でシュミレーションモデルにより確認した。
（ｄ）板状アンテナ素子１０の実効高さが１２０ｍｍの場合
板状アンテナ素子１０の実効高さＨ ： １２０ｍｍ
ロッド２０の突設部２１の長さＬ ： １２ｍｍ
ロッド２０の突設部２１の幅Ｗ１ ： ３６ｍｍ
ロッド２０の基端部２３の幅Ｗ２ ： ３０ｍｍ
（ｅ）板状アンテナ素子の実効高さが６０ｍｍの場合
板状アンテナ素子１０の実効高さＨ ： ６０ｍｍ
ロッド２０の突設部２１の長さＬ ： ６ｍｍ
ロッド２０の突設部２１の幅Ｗ１ ： １８ｍｍ
ロッド２０の基端部２３の幅Ｗ２ ： １５ｍｍ

図５に上記結果を示す。図５は、板状アンテナ素子の実効高さが１２０ｍｍ（ｄ）の場合と、板状アンテナ素子の実効高さが６０ｍｍ（ｅ）の場合の定在波比を示している。図５において、定在波比１．８以下の帯域は、板状アンテナ素子の実効高さＨが小さい（ｅ）場合の方が、板状アンテナ素子の実効高さＨが大きい（ｄ）場合より帯域幅が広がり、且つ高周波数帯に移行している。

図６は、板状アンテナ素子の実効高さが６０ｍｍの場合で、４００ＭＨｚにおける垂直偏波水平面指向性を示すものである。

図７は、板状アンテナ素子の実効高さが６０ｍｍの場合で、１０００ＭＨｚにおける垂直偏波水平面指向性を示すものである。

以上の通り、平面型アンテナ１において、ロッド２０の突設部２１の幅Ｗ１を基端部２２の幅Ｗ２より広くすることで、広い周波数の帯域を確保することが可能となる。これにより、テレビ受信用の周波数帯からミリ波通信用の周波数帯までの広い周波数の帯域を確保することが可能となる。

また、ロッド２０に一定の長さＬを有する突設部２１を形成し、板状アンテナ素子１０を導電板３０より上方に突設させることで、広い周波数の帯域を確保することを可能となる。特に、突設部２１の長さＬと板状アンテナ素子１０の実効高さＨとの比（Ｌ／Ｈ）を０．０５乃至０．２５の範囲に設定すると、拾ＧＨｚ以上の広帯域を確保することが可能となる。

また、板状アンテナ素子１０の実効高さＨを変更することで、送受信可能な電波の周波数帯域を変更することが可能となり、更に、実効高さＨを小さくすると周波数帯域を拡大することが可能となる。

１ 平面型アンテナ
１０ 板状アンテナ素子
１１ 内部
１２ 周辺部
１３ 枠体
１４ 下部
１５ 外側輪郭
１６ 上部
２０ ロッド
２１ 突設部
２２ 接続部
２３ 基端部
２４ 段付
２５ 境界部
３０ 導電板
３１ 分離部
４０ 基板
５０ 同軸ケーブル
Ｈ 板状アンテナ素子の実効高さ
Ｌ 突設部の長さ
Ｗ１ 突設部の幅
Ｗ２ 基端部の幅

Claims (5)

1. 導体の導電板と、
   前記導電板と離間して配設され、前記導電板の分離部に配設される基端部と前記導電板より上方に突設している突設部とを有し、前記突設部の幅が前記基端部の幅より広い導体のロッドと、
   前記導電板と離間して配設され、前記突設部と接続している接続部より下部の外側輪郭が上方に向かうに従い外側方向に漸次拡大していく形状を有する導体の板状アンテナ素子とが、
   絶縁基板上に配設されている平面型アンテナ。
2. 前記ロッドの突設部の長さと前記板状アンテナ素子の実効高さとの比が、０．０５乃至０．２５の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の平面型アンテナ。
3. 前記板状アンテナ素子は、前記接続部より下部の外側輪郭が上方に向かうに従い外側方向に曲線的に漸次拡大していく形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の平面型アンテナ。
4. 前記板状アンテナ素子は、前記接続部より下部の外側輪郭が上方に向かうに従い外側方向に直線的に漸次拡大していく形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の平面型アンテナ。
5. 導体の導電板と、
   前記導電板と離間して配設され、前記導電板の分離部に配設される基端部と前記導電板より上方に突設している突設部とを有し、前記突設部の幅が前記基端部の幅より広い導体のロッドと、
   前記導電板と離間して配設され、前記突設部と接続している接続部より下部の外側輪郭が上方に向かうに従い外側方向に漸次拡大していく形状を有する導体の板状アンテナ素子とが、
   絶縁基板上に配設され、
   前記板状アンテナ素子の実効高さを変更することで、送受信可能な電波の周波数帯域を変更することができることを特徴とする平面型アンテナ。

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