JP2011109321A

JP2011109321A - 広帯域アンテナ

Info

Publication number: JP2011109321A
Application number: JP2009261056A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Iigusa; 恭一飯草; Hiroshi Harada; 博司原田
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-06-02
Anticipated expiration: 2029-11-16
Also published as: JP5481676B2

Abstract

【課題】広帯域放射素子の近傍に、その整合周波数より低周波で共振する共振素子を設置し、広帯域放射素子のみに給電してさらに広帯域なアンテナを構成する。
【解決手段】給電線に接続される放射素子と、放射素子の近傍にあって放射素子と電磁結合する共振素子を備え、共振素子の共振周波数は、放射素子の整合周波数の最低値よりも低周波数側にあり、共振素子の共振電流の腹の部分と放射素子との最短距離は、放射素子の整合周波数の最低値の波長の約０．０６倍以上で、共振素子の各々の共振波長の４分の１以内の距離にあり、放射素子の整合周波数に加え、共振素子の共振周波数近傍の周波数でも整合するようにする。また、放射素子として非共振型の広帯域アンテナを用いる。例えば、放射素子は、楕円形状のモノポール放射素子であり、共振素子は、共振周波数を制御可能とするために可変リアクタを介して一端を接地した線状導電体である。
【選択図】図１

Description

本発明は、広帯域放射素子と、整合周波数の異なる共振素子を電磁結合した状態で用いて構成した広帯域アンテナに関している。

無線通信システムの高度化を図るものとしてコグニティブ無線が期待されている。これは、端末や基地局などの無線機に周辺の電波環境を認識・認知する機能を持たせ、認識・認知した電波環境に応じて、無線通信に利用する周波数などを無線機が自ら選択して、周波数の利用効率を高めようとするものである。このようなコグニティブ無線では、複数の無線システムの周波数で整合をとることのできるアンテナが必要であり、各周波数で整合するアンテナを配置したものや、広帯域アンテナ、整合周波数がチューナブルなアンテナ等が求められる。

ＵＷＢ用として比帯域約１４１％の広帯域アンテナの設計例（非特許文献１）があるが、本発明では、チューナブル機能によりさらに広帯域に整合のとれる広帯域アンテナを提案している。

具体的には、例えば、１ＧＨｚから６ＧＨｚの比帯域１４３％の周波数帯域で整合がとれるアンテナを実現するものである。

倉本、"ワイヤレス PAN を目指した広帯域アンテナ、"信学論 B、 Vol.J90-B、 No.9、 pp。797-809、 Sep. 2007。

単一の広帯域アンテナで整合のとれる周波数範囲には限界がある。

そこで、本発明では、広帯域(つまり整合が広帯域でとれる)放射素子の近傍に、その整合周波数より低周波で共振する共振素子を1つあるいは複数設置し、広帯域放射素子のみに給電して広帯域アンテナを構成する。

本発明の広帯域アンテナでは、給電線に接続される放射素子と、該放射素子の近傍にあって該放射素子と電磁結合する共振素子を１つあるいは複数備え、
上記共振素子の共振周波数は、上記放射素子の整合周波数の最低値よりも低周波数側にあり、
上記共振素子の共振電流の腹の部分と上記放射素子との最短距離は、上記放射素子の整合周波数の最低値の波長の約０．０６倍以上で、上記共振素子の各々の共振波長の４分の１以内の距離にあり、
上記放射素子の上記整合周波数に加え、上記共振素子の上記共振周波数近傍の周波数でも整合するようにする。

また、上記共振素子の幾つかに装荷した可変リアクタと、該可変リアクタの制御手段とを備える。

また、上記放射素子として非共振型の広帯域アンテナを用いる。

また、上記放射素子は、楕円形状のモノポール放射素子であり、上記共振素子は、一端を接地した線状導電体である。

広帯域放射素子と、その整合周波数より低周波で共振する共振素子を1つあるいは複数用い、それらの設置距離を適切に調整することにより、低周波数用の共振素子には低周波数の共振電流が励振されるが、高周波数の電流はあまり流れないようにすることができる。低周波数用共振素子に低周波数の共振電流が流れるため、広帯域放射素子はその低周波においても整合が得られるようになる。一方、共振素子に高周波数の電流が強く流れないので、放射素子が単独で有する広帯域な整合特性は保持される。このように、広帯域な周波数帯域に加えそれより低周波数の帯域で整合をとることができる。これを利用して、マルチバンドに整合をとり、広帯域アンテナの整合周波数の更なる広帯域化を図ることが可能となる。

本発明の広帯域アンテナの構成例を示す図である。アンテナと可変リアクタの特性の周波数特性を示す図である。広帯域アンテナ対応とチューナブル対応の整合周波数帯の分担を示す図である。広帯域アンテナだけの場合と、３本の折り曲げた線状導電体を付加した場合の、リターンロス周波数特性を示す図である。低周波数側について、可変リアクタＸ₁、Ｘ₂、Ｘ₃のリアクタンス値の１つのリアクタンス値を適切な値に固定した場合の、残りの２つのリアクタンス値に対するｖｓｗｒの依存性を等高線で示す図である。高周波数側について、可変リアクタＸ₁、Ｘ₂、Ｘ₃のリアクタンス値の１つのリアクタンス値を適切な値に固定した場合の、残りの２つのリアクタンス値に対するｖｓｗｒの依存性を等高線で示す図である。図５（ａ）から（ｆ）と図６（ｇ）から（ｊ）を基に、各周波数でｖｓｗｒが３以下でほぼ最小となるリアクタンスを可変範囲の四角内から見つけ、そのリアクタンス値を実現する電気容量Ｃを求めて、リターンロスＳ₁₁の周波数特性を電磁界解析シミュレータＩＥ３Ｄで計算した結果を示す図である。可変リアクタを装荷したアンテナで整合のとれるリアクタンス領域と、バラクタのリアクタ値の可変領域を模式的に示す図である。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

図１に本発明の広帯域アンテナの構成例を示す。これは、給電線に接続される放射素子１と、該放射素子の近傍にあって該放射素子と電磁結合する共振素子２を３つ備える。例えば、上記放射素子２は、楕円形状のモノポール放射素子である。また、上記共振素子は、折り曲げた線状導電体で、可変リアクタ３（Ｘ₁、Ｘ₂、Ｘ₃）を介して一端を接地板５に接地している。さらに、上記共振素子２の共振周波数は、上記放射素子１の整合周波数の最低値よりも低周波数側にあり、上記共振素子２の共振電流の腹の部分と上記放射素子１との最短距離は、上記放射素子１の整合周波数の最低値の波長の約０．０６倍以上で、上記共振素子２の各々の共振波長の４分の１以内の距離にある。上記放射素子１の上記整合周波数に加え、上記共振素子２の上記共振周波数近傍の周波数でも整合する。ここで、整合周波数とは、ｖｓｗｒが予め決められた値以下になる周波数である。

ここで、上記共振素子２の共振電流の腹の部分と上記放射素子１との最短距離は、上記放射素子１の整合周波数の最低値の波長の約０．０６倍以上で、上記共振素子２の各々の共振波長の４分の１以内の距離にあるようにするのは、低周波数用の上記共振素子２には低周波数の共振電流が励振されるが、高周波数の電流はあまり流れないようにするためであり、多数の例から経験的に求めた値である。

図２に、アンテナと可変リアクタの特性の周波数依存性を示すように、可変リアクタのリアクタンス値可変幅は低周波数ほど広くなり、一方、比帯域を一定と考えるとアンテナの整合帯域は高周波ほど広くなる。そこで、高周波側の整合は広帯域アンテナを用い、低周波数側の整合は可変リアクタ装荷により広げるものとする。図３に、広帯域アンテナ対応とチューナブル対応の整合周波数帯の分担を示すように、１〜３ＧＨｚを主に可変リアクタ（バラクタ）装荷により、３〜６ＧＨｚを広帯域アンテナにより、整合をとる。帯域は低周波数側が２ＧＨｚ（比帯域４０％）、高周波数側が３ＧＨｚ（比帯域６０％）と後者の方が広いが、それぞれの周波数帯の比帯域で見ると、低周波数側は１００％、高周波数側は６６．７％と後者の方が狭い（逆の構成の場合は、低周波数側＝広帯域アンテナ：１２０％、高周波数側＝チューナブルアンテナ：４０％と比帯域がアンバランスになる）。

図１の場合は、放射素子１としては、非共振型放射素子を用いている。低周波数側の共振素子２のサイズは大きく、高調波の電流が流れうるため、高周波数側の非共振型放射素子１に影響を与え易い。そこで、非共振型放射素子のみを直接給電し、共振素子２は放射素子１により電磁結合で給電される構造をとる。低周波数の波長は高周波数より長いため、電磁的に結合できる領域が広いので、低周波数では電磁結合するが、高周波数では影響が小さいように（つまり、高周波数側アンテナの広帯域整合を大きく崩さないように）構成することが可能である。

当然のことながら、非共振型放射素子１に高周波信号を高周波信号発生器７から給電し、共振素子２には給電しない。また、可変リアクタ３（バラクタ）Ｘ₁、Ｘ₂、Ｘ₃の制御のために、制御器６から制御電圧を印加する。

次に、整合特性について説明する。
図１のアンテナにおいて、広帯域な非共振型放射素子１は３〜６ＧＨｚで整合がとれる。接地導体とは誘電体を挟んで反対側の面に構成し、マイクロストリップ（ＭＳ）線路で給電している。ＭＳ線路の影響を小さくするため、解析モデルでは線路長を短くしている。また、チューナブルな特性を持たせるため、３本の折り曲げた線状導電体を付加している。広帯域な非共振放射素子だけの場合と、上記３本の折り曲げた線状導電体を付加した場合の、リターンロス周波数特性を図４に示す。楕円の非共振型放射素子によって３〜６ＧＨｚで整合がとれていることが分かる。上記３本の折り曲げた線状導電体の付加により、３〜６ＧＨｚで整合特性が影響を受け、劣化している周波数もあるが、ほぼｖｓｗｒ３以下の整合が維持できている。一方、１〜３ＧＨｚの整合特性は影響を受けて改善しているが、ｖｓｗｒ３以下の整合はその全帯域では得られていない。

そこで、上記の様に３本の折り曲げた線状導電体の根元に可変リアクタを装荷した場合の特性を調べる。可変リアクタＸ₁、Ｘ₂、Ｘ₃のリアクタンス値を、同じ符号を用いてＸ₁、Ｘ₂、Ｘ₃とする。その値１つのリアクタンス値を適切な値に固定した場合の、残りの２つのリアクタンス値に対するｖｓｗｒの依存性を等高線で、低周波数側について図５に、高周波数側について図６に示す。付随インダクタンス１．６ｎＨを有する電気容量Ｃの可変リアクタが２つ逆直列に装荷されているというモデルで、各周波数で実現できる可変リアクタのリアクタンス可変範囲を点線の四角で表す。高周波になるに従い可変範囲が狭くなり、リアクタンス値の大きな領域に移っている。

図５と図６を基に、各周波数でｖｓｗｒが３以下でほぼ最小となるリアクタンスを可変範囲の四角内から見つけ、そのリアクタンス値を実現する電気容量Ｃを求めて、リターンロスＳ₁₁の周波数特性を電磁界解析シミュレータＩＥ３Ｄで計算した結果を図７に示す。

図７（ａ）より、リアクタンス制御により、１〜３ＧＨｚの周波数でもｖｓｗｒ３以下の整合がとれることが分かる。また、図７（ｂ）より、３〜６ＧＨｚでの整合は大きく変化しないが、リアクタンス制御により４ＧＨｚ付近の整合が少し改善している。合わせて１〜６ＧＨｚの全周波数でｖｓｗｒ３以下の整合がとれることが分かる。

図８に、可変リアクタを装荷したアンテナで整合のとれるリアクタンス領域と、可変リアクタのリアクタンス値可変領域を模式的に示す。縦縞の領域は，整合の良くなるアンテナのリアクタンス領域の１つに注目した場合の，その領域のＸ₁あるいはＸ₂の範囲を表している。横縞の領域は可変リアクタのリアクタンス可変範囲を表している。リアクタンス領域が重なった周波数範囲（矢印で示す）で、さらにＸ₁とＸ₂の両方に関して重なった周波数範囲で整合をとることができる。図８に示されている様に、アンテナの整合条件を満たすリアクタンス値は高周波数帯になるほど小さくなる傾向があることが分かる。しかし、可変リアクタのリアクタンス値は高周波数帯になるほど大きくなるため、バラタ装荷による広帯域化には限界がある。

一方、整合条件を満たすリアクタンス領域は高周波数帯で広くなり、可変リアクタのリアクタンス可変範囲は低周波数帯で広くなる。そこで、広帯域アンテナの整合周波数を、可変リアクタ装荷により低周波数帯側に拡大する方法を検討した。高周波数帯側のアンテナ自身の広帯域な整合特性を維持するように、可変リアクタを装荷した低周波数帯側のアンテナは電磁結合を用いて給電する。高周波数帯側のアンテナは、低周波数側のアンテナより小さいので、給電プローブと見ることもできる。その結果、１〜６ＧＨｚの広帯域でｖｓｗｒ３以下の整合をとるアンテナが実現可能であることが明らかになった。

上記では、楕円形状のモノポール放射素子を用いる例を示したが、これは非共振型の放射素子の例であって、この他に、例えばループアンテナ、ホーンアンテナ、スロットアンテナ、ヘリカルアンテナ、進行波型アンテナなどを用いることができる。

また、共振型のアンテナであっても広帯域の整合帯域を持つものがよく知られており、これらを本発明の放射素子として用いることができる。

広帯域アンテナは、上記のコグニティブ無線に限らず、UWB（Ultra Wide Band：超広帯域無線）方式においても用いられるものであり、一般に超高速無線通信において利用される。本発明の広帯域アンテナも、これらの分野に適用することができる。

１放射素子
２共振素子
３可変インダクタ
４給電点
５接地板
６制御器
７高周波信号発生器

Claims

給電線に接続される放射素子と、該放射素子の近傍にあって該放射素子と電磁結合する共振素子を１つあるいは複数備え、
上記共振素子の共振周波数は、上記放射素子の整合周波数の最低値よりも低周波数側にあり、
上記共振素子の共振電流の腹の部分と上記放射素子との最短距離は、上記放射素子の整合周波数の最低値の波長の約０．０６倍以上で、上記共振素子の各々の共振波長の４分の１以内の距離にあり、
上記放射素子の上記整合周波数に加え、上記共振素子の上記共振周波数近傍の周波数でも整合するようにすることを特徴とする広帯域アンテナ。
上記共振素子の幾つかに装荷した可変リアクタと、該可変リアクタの制御手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の広帯域アンテナ。
上記放射素子として非共振型の広帯域アンテナを用いることを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の広帯域アンテナ。
上記放射素子は、楕円形状のモノポール放射素子であり、上記共振素子は、一端を接地した線状導電体であることを特徴とする請求項３記載の広帯域アンテナ。