JP2012049783A - Ｌ字型折り返しモノポールアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デュアルバンド化及び低背化を図ることができるＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置を提供する。
【解決手段】Ｌ字型折り返しモノポールアンテナ装置１０は、誘電体基板２０と、誘電体基板２０の基板面２１上に形成された接地導体１１及び給電導体１２と、折り返された帯状導体で形成された一対のＬ字型アンテナ素子３０と、を有し、誘電体基板２０は、Ｌ字型アンテナ素子３０が誘電体基板２０と対向する基板面２１上に接地導体１１を除去して形成された素子対向領域部２２と、素子対向領域部２２に形成された補助素子部２３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、移動無線通信システムで使用される電波を送受信するＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置に関する。

従来、無線通信速度を増大するための伝送技術として、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）通信方式が知られている。このＭＩＭＯ通信方式では、送信アンテナ及び受信アンテナを複数設け、複数の送信アンテナから互いに異なるデータを送信することで、空間多重が行われる。これにより、周波数帯域を増加させることなく、伝送速度を向上させることが可能になる。

ＭＩＭＯ通信方式に利用されるアンテナとしては、例えば、非特許文献１に記載されているＬ字型折り返しモノポールアンテナが知られている。非特許文献１によれば、一対のＬ字型折り返しモノポールアンテナ素子を対称に配置することにより、逆Ｆアンテナ素子等に比べて小型化が可能となり、また、帯域幅の面でも有利なアンテナを実現できるものとされている。

Ｋｉｍ Ｙｏｎｇｈｏ、森下久、小柳芳雄著「携帯端末用Ｌ字型折り返しモノポールアンテナの基礎検討」電子情報通信学会総合大会、２００７年３月７日、Ｐ．１２８

ところで、ＭＩＭＯ通信方式は、高速データ通信を主目的とした次世代の移動無線通信システムの無線通信規格、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１６で規格化されているＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access ）規格への適用が見込まれている。このＷｉＭＡＸ規格には、２．５ＧＨｚ帯、３．５ＧＨｚ帯及び５．８ＧＨｚ帯の３つの使用周波数帯域が定められている。

近時、ＷｉＭＡＸ規格に対応するアンテナに対して、例えば、２．５ＧＨｚ帯及び３．５ＧＨｚ帯の２つの使用周波数帯域にそれぞれ共振点を有する構成（デュアルバンド化）の要求や、通信端末の小型化を図るためにアンテナ高さを低くする構成（低背化）の要求がある。

しかしながら、非特許文献１に記載された従来のものは、単一の共振点を有するものなのでデュアルバンド化が図れず、また、低背化を図ろうとすると使用周波数帯域が狭くなってしまうという課題があった。

本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、デュアルバンド化及び低背化を図ることができるＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明のＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置は、誘電体基板と、前記誘電体基板の一の面上に形成された接地導体及び一対の給電導体と、折り返された帯状導体で形成され、前記一の面側に対称に設けられた一対のＬ字型折り返しモノポールアンテナ素子と、を有するＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置であって、前記Ｌ字型折り返しモノポールアンテナ素子は、それぞれ、前記帯状導体の表面が互いに対向するように折り返され、前記一の面に平行に設けられたＬ字形状のＬ字型素子部と、前記帯状導体の一端部であり、前記一の面に垂直に延びて前記接地導体に接続された接地導体接続素子部と、前記帯状導体の他端部であり、前記一の面に垂直に延びて対応する前記給電導体に接続された給電導体接続素子部と、を有し、前記誘電体基板は、一対の前記Ｌ字型素子部とそれぞれ対向する一対の素子対向領域部と、前記一の面上の前記一対の素子対向領域部とは異なる領域に前記接地導体が形成された接地導体形成領域部と、前記一対の素子対向領域部にそれぞれ形成され、対応する前記接地導体接続素子部及び前記給電導体接続素子部のいずれか一方と接続された一対の補助素子部と、を有する構成を有している。

本発明は、デュアルバンド化及び低背化を図ることができるという効果を有するＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置を提供することができるものである。

本発明に係るＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置の一実施形態における斜視図である。 本発明に係るＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置の一実施形態において、Ｌ字型折り返しモノポールアンテナ素子及び基板の寸法例を示す図である。 本発明に係るＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置の一実施形態において、ＶＳＷＲ特性を示すグラフである。 本発明に係るＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置の一実施形態において、アイソレーション特性を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態におけるＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置１０は、誘電体基板２０と、誘電体基板２０の一の面である基板面２１上に形成された接地導体１１及び給電導体１２と、折り返された帯状導体で形成された一対のＬ字型折り返しモノポールアンテナ素子（以下、単に「Ｌ字型アンテナ素子」という。）３０と、を有する。なお、Ｌ字型折り返しモノポールアンテナ装置１０は、左右対称の構造であるため、図１では左側のＬ字型アンテナ素子３０の周辺構成にのみ符号を付し、右側の構成については符号及び説明を省略する。

接地導体１１は、Ｌ字型アンテナ素子３０の一端が半田付けされて接地される素子接地領域部１１ａを有する。給電導体１２は、Ｌ字型アンテナ素子３０の他端が半田付けされるものである。また、給電導体１２には、図示しない同軸ケーブルの中心導体が半田付けされる中心導体接続部１２ａを有する。同軸ケーブルの外部導体は、中心導体接続部１２ａの近傍の接地導体１１上に半田付けされる。

Ｌ字型アンテナ素子３０は、例えば、１枚の銅板をプレス加工技術により、打ち抜きと折り曲げ加工を行って作製される。このＬ字型アンテナ素子３０は、図中のｚ軸方向から見たとき、Ｌ字形状に形成されている。また、Ｌ字型アンテナ素子３０は、帯状銅板の表面が互いに対向するように折り返され、基板面２１に平行に設けられたＬ字形状のＬ字型素子部３１を有する。Ｌ字型素子部３１は、上側Ｌ字面３１ａ及び下側Ｌ字面３１ｂと、これらを接続する折返部３１ｃと、を有する。

さらに、Ｌ字型アンテナ素子３０は、上側Ｌ字面３１ａの端部から基板面２１に垂直に延びて素子接地領域部１１ａに接続された接地側素子部３２と、下側Ｌ字面３１ｂの端部から基板面２１に垂直に延びて給電導体１２に接続された給電側素子部３３と、を有する。ここで、接地側素子部３２及び給電側素子部３３は、それぞれ、本発明に係る接地導体接続素子部及び給電導体接続素子部を構成する。

本実施形態では、左右のＬ字型アンテナ素子３０を一体化する構成としている。そのため、左右の接地側素子部３２は、互いに接続部３４と接続されており、接続部３４が素子接地領域部１１ａに半田付けされる構成となっている。左右のＬ字型アンテナ素子３０をそれぞれ独立させる構成とする場合は、帯状銅板の一端部となる接地側素子部３２を素子接地領域部１１ａに半田付けし、帯状銅板の他端部となる給電側素子部３３を給電導体１２に半田付けする構成となる。

誘電体基板２０は、例えば、銅張積層板で構成される。この誘電体基板２０は、図中のｘ軸方向が長手方向となる四角形の形状で構成され、長辺２０ａ及び短辺２０ｂを有する。また、誘電体基板２０は、Ｌ字型素子部３１と対向する素子対向領域部２２と、素子対向領域部２２に形成され、その一端が給電導体１２と接続される補助素子部２３と、を有する。なお、接地導体１１が形成された基板面２１上の領域は、本発明に係る接地導体形成領域部を構成する。

次に、本実施形態における誘電体基板２０及びＬ字型アンテナ素子３０の構成をさらに具体的に示すため、誘電体基板２０及びＬ字型アンテナ素子３０の主要寸法について具体例を図２に示す。図２に示した寸法は、本実施形態におけるＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置１０の特性を確認するために作製した試作品の寸法である。この試作品は、ＷｉＭＡＸ規格の２．５ＧＨｚ帯及び３．５ＧＨｚ帯のそれぞれに共振周波数を有するようデュアルバンド化を図ったものである。ここで、２．５ＧＨｚ帯は２．３ＧＨｚから２．７ＧＨｚまでの周波数帯域、３．５ＧＨｚ帯は３．４ＧＨｚから３．８ＧＨｚまでの周波数帯域である。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、それぞれ、Ｌ字型アンテナ素子３０及び誘電体基板２０の主要寸法を示している。

まず、Ｌ字型アンテナ素子３０について説明する。Ｌ字型アンテナ素子３０は、図２（ａ）に示すように、帯状銅板の幅を５ｍｍとし、左右対称に形成されたものである。Ｌ字型アンテナ素子３０の全長（片側）は、２．５ＧＨｚ帯の使用周波数帯域の波長に基づいて決定されている。具体的には、Ｌ字型アンテナ素子３０の全長が、２．５ＧＨｚ帯のほぼ中心の周波数である２．５ＧＨｚの波長の１／２（＝６０ｍｍ）程度を目標値として設定している。実際には、図示した試作品において、Ｌ字型アンテナ素子３０の帯状銅板の幅中心での全長は、約５４ｍｍである。

次に、誘電体基板２０について説明する。図２（ｂ）に示すように、誘電体基板２０の外形寸法は、３０ｍｍ×７５ｍｍである。素子接地領域部１１ａ、給電導体１２、素子対向領域部２２及び補助素子部２３の形状は、銅張積層板の銅箔を例えばエッチングにより、図示のような所望の形状に除去することにより得られる。

素子対向領域部２２の形状は、図２（ａ）と対比すれば分かるように、Ｌ字型アンテナ素子３０の下側Ｌ字面３１ｂの形状にほぼ対応させた形状としている。発明者の検討によれば、下側Ｌ字面３１ｂの下面に接地導体１１が存在している従来の構造の場合は、上側Ｌ字面３１ａから基板面２１までの寸法、すなわち、Ｌ字型アンテナ素子３０の高さを低くするに従って使用周波数帯域幅が狭くなることが判明した。一方、素子対向領域部２２を形成することにより従来の２倍以上の帯域が得られ、広帯域化が図れるという結果が得られた。したがって、素子対向領域部２２を形成することにより、Ｌ字型折り返しモノポールアンテナ装置１０の低背化が可能となった。本実施形態では、図２（ａ）に示すように、Ｌ字型アンテナ素子３０の高さを４．２ｍｍに抑えることができた。

補助素子部２３は、誘電体基板２０の長辺２０ａに沿った第１素子部２３ａと、誘電体基板２０の短辺２０ｂに沿った第２素子部２３ｂと、第２素子部２３ｂと給電導体１２とを接続する接続部２３ｃとで構成される。第１素子部２３ａと第２素子部２３ｂとの交点の角部２３ｄは、誘電体基板２０の長辺２０ａと短辺２０ｂとの交点である角部２０ｃの近傍に位置している。また、第１素子部２３ａ及び第２素子部２３ｂと、接地導体１１との間隔をできるだけ大きくすることが、広帯域化を図る上で好ましい。なお、角部２３ｄの位置は、Ｌ字型アンテナ素子３０のＬ字形状の外側角部３１ｄと対応する位置である。すなわち、Ｌ字型アンテナ素子３０のＬ字形状の外側角部３１ｄは、誘電体基板２０の角部２０ｃとほぼ対応した位置になる。

補助素子部２３の全長は、３．５ＧＨｚ帯の使用周波数帯域の波長に基づいて決定されている。具体的には、補助素子部２３の全長が、３．５ＧＨｚ帯のほぼ中心の周波数である３．５ＧＨｚの波長の１／４（＝２１ｍｍ）程度を目標値として設定している。実際には、図示した試作品において、補助素子部２３の全長は、約２７ｍｍである。この寸法は、Ｌ字型アンテナ素子３０との結合による影響を考慮して決定したものであり、前述の目標値よりもやや長くなっている。

本実施形態では、補助素子部２３を設けたことにより、Ｌ字型アンテナ素子３０により発生する共振周波数とは異なる周波数で補助素子部２３に共振を発生させることが可能となる。すなわち、本実施形態におけるＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置１０は、デュアルバンド化を図ることができる。

次に、本実施形態におけるＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置１０の試作品の特性について測定結果を説明する。

図３は、ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio：電圧定在波比）特性の測定結果を示すグラフである。図３（ａ）は、図１における左側のＬ字型アンテナ素子３０、図３（ｂ）は、右側のＬ字型アンテナ素子３０のＶＳＷＲを示す。また、図中の△印の符号１及び２は、それぞれ、２．３ＧＨｚ及び２．７ＧＨｚの周波数を示し、ともに２．５ＧＨｚ帯の周波数である。また、図中の△印の符号３及び４は、それぞれ、３．４ＧＨｚ及び３．８ＧＨｚの周波数を示し、ともに３．５ＧＨｚ帯の周波数である。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、Ｌ字型折り返しモノポールアンテナ装置１０の試作品は、２．５ＧＨｚ帯及び３．５ＧＨｚ帯においてそれぞれ共振点を有し、ＶＳＷＲ特性の実用的な値である３以下の特性が得られている。

図４は、アイソレーション特性の測定結果を示すグラフである。図４（ａ）は左側のＬ字型アンテナ素子３０において、図４（ｂ）は右側のＬ字型アンテナ素子３０において、それぞれ、他方の素子からの信号の漏れ程度を表している。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、Ｌ字型折り返しモノポールアンテナ装置１０の試作品は、２．５ＧＨｚ帯及び３．５ＧＨｚ帯を含む全測定周波数において、アイソレーション特性の実用的な値である−１０ｄＢ以下の特性が得られている。

以上のように、本実施形態におけるＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置１０は、Ｌ字型アンテナ素子３０が誘電体基板２０と対向する基板面２１上に、素子対向領域部２２を形成する構成としたので、低背化を図ることができる。

また、本実施形態におけるＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置１０は、素子対向領域部２２に補助素子部２３を形成する構成としたので、デュアルバンド化を図ることができる。

なお、前述の実施形態において、デュアルバンド化を図る対象として、２．５ＧＨｚ帯及び３．５ＧＨｚ帯の周波数帯域を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の周波数帯域を対象としてデュアルバンド化を図ることもできる。

また、前述の実施形態において、補助素子部２３を給電導体１２に接続する構成を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、補助素子部２３を接地導体１１に接続する構成としても同様の効果が得られる。

また、前述の実施形態において、一対のＬ字型アンテナ素子３０が左右対称として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、使用目的に応じてＬ字型アンテナ素子３０の形状を左右で互いに異ならせてもよい。

以上のように、本発明に係るＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置は、デュアルバンド化及び低背化を図ることができるという効果を有し、移動無線通信システムで使用される電波を送受信するＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置等として有用である。

１０ Ｌ字型折り返しモノポールアンテナ装置
１１ 接地導体
１１ａ 素子接地領域部
１２ 給電導体
１２ａ 中心導体接続部
２０ 誘電体基板
２０ａ 長辺
２０ｂ 短辺
２０ｃ 角部
２１ 基板面
２２ 素子対向領域部
２３ 補助素子部
２３ａ 第１素子部
２３ｂ 第２素子部
２３ｃ 接続部
２３ｄ 角部
３０ Ｌ字型アンテナ素子（Ｌ字型折り返しモノポールアンテナ素子）
３１ Ｌ字型素子部
３１ａ 上側Ｌ字面
３１ｂ 下側Ｌ字面
３１ｃ 折返部
３１ｄ 外側角部
３２ 接地側素子部（接地導体接続素子部）
３３ 給電側素子部（給電導体接続素子部）
３４ 接続部

Claims (4)

1. 誘電体基板と、前記誘電体基板の一の面上に形成された接地導体及び一対の給電導体と、折り返された帯状導体で形成され、前記一の面側に対称に設けられた一対のＬ字型折り返しモノポールアンテナ素子と、を有するＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置であって、
   前記Ｌ字型折り返しモノポールアンテナ素子は、それぞれ、
   前記帯状導体の表面が互いに対向するように折り返され、前記一の面に平行に設けられたＬ字形状のＬ字型素子部と、
   前記帯状導体の一端部であり、前記一の面に垂直に延びて前記接地導体に接続された接地導体接続素子部と、
   前記帯状導体の他端部であり、前記一の面に垂直に延びて対応する前記給電導体に接続された給電導体接続素子部と、を有し、
   前記誘電体基板は、
   一対の前記Ｌ字型素子部とそれぞれ対向する一対の素子対向領域部と、
   前記一の面上の前記一対の素子対向領域部とは異なる領域に前記接地導体が形成された接地導体形成領域部と、
   前記一対の素子対向領域部にそれぞれ形成され、対応する前記接地導体接続素子部及び前記給電導体接続素子部のいずれか一方と接続された一対の補助素子部と、を有するＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置。
2. 前記誘電体基板は四角形状を有し、
   一対の前記Ｌ字型素子部は、それぞれ、前記誘電体基板の一辺の両端の角部に沿ってＬ字形状に形成されたものである請求項１に記載のＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置。
3. 前記一対の補助素子部は、それぞれ、Ｌ字形状を有し、前記誘電体基板の一辺の両端の角部に沿ってＬ字形状に形成されたものである請求項２に記載のＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置。
4. 前記Ｌ字型折り返しモノポールアンテナ素子及び前記補助素子部のそれぞれの全長は、互いに異なる２つの使用周波数帯域の波長によって定められるものであって、
   前記Ｌ字型折り返しモノポールアンテナ素子の全長は、前記２つの使用周波数帯域のうち低い方の使用周波数帯域の波長の１／２であり、
   前記補助素子部の全長は、前記２つの使用周波数帯域のうち高い方の使用周波数帯域の波長の１／４である請求項３に記載のＬ字型折り返しモノポールアンテナ装置。

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