JP2013012952A - Antenna - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、UWB(Ultra Wide Band:超広帯域無線)に使用されるマイクロ波帯(3.1GHz以上10.6GHz以下)など広い動作帯域を有するアンテナに関する。 The present invention relates to an antenna having a wide operating band such as a microwave band (3.1 GHz to 10.6 GHz) used for UWB (Ultra Wide Band).
近年、UWBに使用されるマイクロ波帯など広い動作帯域を有する広帯域アンテナに関する需要が高まっている。ところが、このマイクロ波帯は、他の無線通信規格、例えば、無線LAN(IEEE802.11a)に使用される5GHz帯を含む。したがって、このような広帯域アンテナには、マイクロ波帯をカバーする広帯域性に加えて、他の無線通信規格に使用される帯域に対して干渉しない低干渉性が強く求められる。 In recent years, there has been an increasing demand for a broadband antenna having a wide operating band such as a microwave band used for UWB. However, this microwave band includes a 5 GHz band used for other wireless communication standards, for example, a wireless LAN (IEEE802.11a). Therefore, such a broadband antenna is strongly required to have a low coherence that does not interfere with a band used for other wireless communication standards in addition to a wide band covering the microwave band.
このような要求を満たすアンテナとしては、例えば、特許文献1に記載のパッチアンテナが知られている。特許文献1に記載のパッチアンテナにおいては、放射素子にスタブを形成したり、地板に段差(ステップ)を形成したりすることによって、広帯域化が図られている。また、放射素子にスリットを形成することによって、無線LANへの干渉を低減している。 As an antenna satisfying such a requirement, for example, a patch antenna described in Patent Document 1 is known. In the patch antenna described in Patent Document 1, a wide band is achieved by forming a stub on the radiating element or forming a step on the ground plane. In addition, interference with the wireless LAN is reduced by forming a slit in the radiating element.
UWBシステムの無線局用のBRF(Band Reject Filter)としては、特許文献2に記載のものが知られている。特許文献2に記載のBRFは、特定の帯域(干渉を回避すべき帯域)における反射係数を高めるべく、マイクロストリップラインの幅を不均一にしたものである。 As a BRF (Band Reject Filter) for a radio station of a UWB system, the one described in Patent Document 2 is known. The BRF described in Patent Document 2 has a microstrip line with a non-uniform width in order to increase the reflection coefficient in a specific band (a band where interference should be avoided).
しかしながら、特許文献1に記載のパッチアンテナにおいては、干渉を回避すべき帯域に応じたスリットを設計する必要があるが、この設計が困難であるという問題があった。具体的には、干渉を回避すべき帯域に対応する波長の半分程度の長さを有するスリットを設ければよいという指針が示されているものの、スリットを折り曲げると期待どおりの反射係数が得られず、期待どおりの反射係数を得るためには試作を繰り返さなければならないという問題があった。一方、干渉を回避すべき帯域に対応する波長の半分程度の長さを有する直線的なスリットを設けようとすると、放射素子の大型化を招来してしまうという問題があった。 However, in the patch antenna described in Patent Document 1, it is necessary to design a slit corresponding to a band in which interference should be avoided, but there is a problem that this design is difficult. Specifically, although a guideline indicating that a slit having a length of about half the wavelength corresponding to the band where interference should be avoided is provided, the expected reflection coefficient can be obtained by bending the slit. However, in order to obtain the expected reflection coefficient, there was a problem that the prototype had to be repeated. On the other hand, when a linear slit having a length corresponding to about half the wavelength corresponding to the band where interference should be avoided is provided, there is a problem that the size of the radiating element is increased.
また、特許文献2に記載のBRFは、マイクロストリップラインを折り返しても期待どおり反射係数が得られるという好ましい性質を有しているものの、これをアンテナと一体化する方法は知られていなかった。また、アンテナとフィルタとを一体化した場合に、干渉を回避すべき帯域外においてアンテナ単体の場合と同程度の特性を維持する設計手法は知られていなかった。 Further, although the BRF described in Patent Document 2 has a desirable property that a reflection coefficient can be obtained as expected even when the microstrip line is folded, a method for integrating this with the antenna has not been known. In addition, when the antenna and the filter are integrated, there has been no known design method for maintaining the same level of characteristics as the single antenna outside the band where interference should be avoided.
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、広帯域において動作可能でありながら、その一部の帯域への干渉を回避したアンテナであって、従来よりも設計が容易で小型のアンテナを実現することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is an antenna that can operate in a wide band but avoids interference in a part of the band, and is easier to design than the conventional one. It is to realize a small antenna.
上記課題を解決するために、本発明に係るアンテナは、誘電体基板と、上記誘電体基板の一方の主面に形成された放射素子及び給電線と、上記誘電体基板の他方の主面に形成された地板とを備えたアンテナであって、上記給電線は、折返部が滑らかな曲線を描くように折り返された幅が不均一な帯状導体であり、上記誘電体基板を介して互いに重なり合う上記給電線と上記地板とによって、BRF(Band Reject Filter)として機能するマイクロストリップラインが構成されている、ことを特徴とする。 In order to solve the above problems, an antenna according to the present invention includes a dielectric substrate, a radiating element and a feed line formed on one main surface of the dielectric substrate, and the other main surface of the dielectric substrate. An antenna including a formed ground plane, wherein the feeder line is a strip-like conductor having a non-uniform width folded so that a folded portion draws a smooth curve, and overlaps with each other via the dielectric substrate A microstrip line that functions as a BRF (Band Reject Filter) is constituted by the power supply line and the ground plane.
上記の構成によれば、上記給電線と上記地板とによって構成されるマイクロストリップラインがBRF(Band Reject Filter)として機能するので、広帯域において動作可能でありながら、その一部の帯域への干渉を回避したアンテナを実現することができる。この際、上記マイクロストリップラインは、上記地板の上に構成されているので、干渉を回避するためにアンテナの大型化を招来する虞はない。また、干渉を回避することができる帯域は、上記給電線の各部の幅によって決まり、上記給電線の折り返し方よって大きく変動することはないので、設計の自由度が高い。 According to the above configuration, since the microstrip line constituted by the feeder line and the ground plane functions as a BRF (Band Reject Filter), it can operate in a wide band, but interferes with a part of the band. An avoided antenna can be realized. At this time, since the microstrip line is formed on the ground plane, there is no possibility of causing an increase in size of the antenna in order to avoid interference. In addition, the band in which interference can be avoided is determined by the width of each part of the feed line, and does not vary greatly depending on how the feed line is folded back, so the degree of freedom in design is high.
本発明に係るアンテナにおいて、上記給電線は、その幅の最大値がW[mm]であり、かつ、その中心軸が半径R[mm]の円弧を描くように折り返されており、比R/Wが2.5以上である、ことが好ましい。 In the antenna according to the present invention, the feeding line has a maximum width W [mm], and its central axis is folded so as to draw an arc having a radius R [mm], and the ratio R / It is preferable that W is 2.5 or more.
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるS11を、比R/Wが2.5以下のときのS11よりも小さくすることができる。 According to said structure, S11 in frequencies other than the band which should avoid interference can be made smaller than S11 when ratio R / W is 2.5 or less.
本発明に係るアンテナにおいて、上記比R/Wが3.0以上である、ことが好ましい。 In the antenna according to the present invention, the ratio R / W is preferably 3.0 or more.
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるS11を−5dBよりも小さくすることができる。 According to said structure, S11 in frequencies other than the band which should avoid interference can be made smaller than -5dB.
本発明に係るアンテナにおいて、上記比R/Wが3.5以上である、ことが好ましい。 In the antenna according to the present invention, the ratio R / W is preferably 3.5 or more.
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるS11を−10dBよりも小さくすることができる。 According to said structure, S11 in frequencies other than the band which should avoid interference can be made smaller than -10 dB.
本発明に係るアンテナにおいて、上記放射素子は、矩形状の矩形部と半楕円状の半楕円部とからなる釣鐘型に成形されており、上記矩形部の幅wに対する上記矩形部の高さhの比h/wが0.5以上0.75以下である、ことが好ましい。 In the antenna according to the present invention, the radiating element is formed in a bell shape including a rectangular part and a semi-elliptical semi-elliptical part, and the height h of the rectangular part with respect to the width w of the rectangular part. The ratio h / w is preferably 0.5 or more and 0.75 or less.
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるVSWRを3.5以下に抑えることができる。 According to said structure, VSWR in frequencies other than the band which should avoid interference can be restrained to 3.5 or less.
本発明に係るアンテナにおいて、上記放射素子は、矩形状の矩形部と半楕円状の半楕円部とからなる釣鐘型に成形されており、上記半楕円部の短軸bに対する上記半楕円の長軸aの比b/aが0.5以上1.0以下である、ことが好ましい。 In the antenna according to the present invention, the radiating element is formed into a bell shape including a rectangular part and a semi-elliptical semi-elliptical part, and the length of the semi-ellipse with respect to the short axis b of the semi-elliptical part. The ratio b / a of the axis a is preferably 0.5 or more and 1.0 or less.
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるVSWRを3.5以下に抑えることができる。 According to said structure, VSWR in frequencies other than the band which should avoid interference can be restrained to 3.5 or less.
本発明に係るアンテナは、上記放射素子と上記給電線との間に介在する矩形状の整合部を更に備えており、上記整合部の高さh’に対する上記整合部の幅w’の比w’/h’が2である、ことが好ましい。 The antenna according to the present invention further includes a rectangular matching portion interposed between the radiating element and the feed line, and a ratio w of a width w ′ of the matching portion to a height h ′ of the matching portion. It is preferable that '/ h ' is 2.
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるVSWRを4以下に抑えることができる。 According to said structure, VSWR in frequencies other than the band which should avoid interference can be suppressed to 4 or less.
本発明に係るアンテナにおいては、誘電体基板を介して互いに重なり合う給電線と地板とによって、BRF(Band Reject Filter)として機能するマイクロストリップラインが構成されている。したがって、広帯域において動作可能でありながら、その一部の帯域への干渉を回避したアンテナであって、従来よりも干渉を回避する構造の設計が容易で小型のアンテナを実現することができる。 In the antenna according to the present invention, a microstrip line that functions as a BRF (Band Reject Filter) is configured by a feed line and a ground plane that overlap each other via a dielectric substrate. Therefore, it is possible to realize a small antenna that can operate in a wide band but avoids interference in a part of the band and has a structure that can avoid interference more easily than in the past.
本実施形態に係るアンテナについて、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。 The antenna according to this embodiment will be described below with reference to the drawings.
なお、本実施形態に係るアンテナは、UWB(Ultra Wide Band:超広帯域無線)に使用されるマイクロ波帯(3.1GHz以上10.6GHz以下)から、無線LAN(IEEE802.11a)に使用される5GHz帯(5.15GHz以上5.85GHz以下)を除いた帯域を動作帯域とするものである。ただし、本発明は、第1の帯域から第2の帯域を除いた帯域で動作するアンテナ一般に適用できるものであって、第1の帯域と第2の帯域との組み合わせは、上述したマイクロ波帯と5GHz帯との組み合わせに限定されるものではない。 The antenna according to this embodiment is used for a wireless LAN (IEEE802.11a) from a microwave band (3.1 GHz to 10.6 GHz) used for UWB (Ultra Wide Band). The band excluding the 5 GHz band (5.15 GHz to 5.85 GHz) is set as the operation band. However, the present invention can be generally applied to an antenna that operates in a band excluding the second band from the first band, and the combination of the first band and the second band is the above-described microwave band. It is not limited to the combination of and 5 GHz band.
また、以下の説明では、板状部材を構成する6つの面のうち、最大の面積をもつ2つの面を「主面」と記載し、主面を除く4つの面を「端面」と記載する。また、2つの主面を互いに区別する必要があるときには、一方の主面を「上面」と記載し、他方の主面を「下面」と記載する。なお、「上面」及び「下面」との記載は、2つの主面を互いに区別するためのものであり、板状部材の配置を限定するものではない。 In the following description, of the six surfaces constituting the plate-like member, two surfaces having the largest area are described as “main surfaces”, and four surfaces excluding the main surfaces are described as “end surfaces”. . When it is necessary to distinguish two main surfaces from each other, one main surface is described as “upper surface” and the other main surface is described as “lower surface”. The descriptions of “upper surface” and “lower surface” are for distinguishing the two main surfaces from each other, and do not limit the arrangement of the plate-like members.
〔アンテナの構造〕
本実施形態に係るアンテナ1の構造について、図1を参照して説明する。図1(a)は、アンテナ1を上面から見た平面図であり、図1(b)は、アンテナ1を下面から見た平面図であり、図1(c)は、A−A’断面(図1(a)参照)におけるアンテナ1の断面図である。
[Antenna structure]
The structure of the antenna 1 according to this embodiment will be described with reference to FIG. 1A is a plan view of the antenna 1 as viewed from above, FIG. 1B is a plan view of the antenna 1 as viewed from below, and FIG. 1C is a cross-sectional view taken along line AA ′. It is sectional drawing of the antenna 1 in (refer Fig.1 (a)).
アンテナ1は、図1(a)〜図1(c)に示すように、誘電体基板10と、誘電体基板10の一方の主面(以下「上面」と記載)に形成された放射素子11及び給電線12と、誘電体基板10の他方の主面(以下「下面」と記載)に形成された地板13とを備えている。アンテナ1は、給電線12の端点12b、及び、地板13の端辺13aに設けられた給電点から高周波電流の供給を受け、モノポールアンテナとして機能する。 As shown in FIGS. 1A to 1C, the antenna 1 includes a dielectric substrate 10 and a radiating element 11 formed on one main surface (hereinafter referred to as “upper surface”) of the dielectric substrate 10. And a power supply line 12 and a ground plane 13 formed on the other main surface (hereinafter referred to as “lower surface”) of the dielectric substrate 10. The antenna 1 is supplied with a high frequency current from an end point 12b of the feed line 12 and a feed point provided on an end side 13a of the ground plane 13, and functions as a monopole antenna.
誘電体基板10は、矩形状の主面を有する板状の誘電体である。本実施形態においては、主面の長辺の長さWZを100mm、主面の短辺の長さWYを60mm、厚みを1.27mm、誘電率を10.2としている。なお、以下の説明においては、図1(a)〜図1(c)に示すとおり、誘電体基板10の厚み方向をX軸方向、誘電体基板10の主面の短辺方向をY軸方向、誘電体基板10の主面の長辺方向をZ軸方向とする。 The dielectric substrate 10 is a plate-shaped dielectric having a rectangular main surface. In the present embodiment, the long side length WZ of the main surface is 100 mm, the short side length WY of the main surface is 60 mm, the thickness is 1.27 mm, and the dielectric constant is 10.2. In the following description, as shown in FIGS. 1A to 1C, the thickness direction of the dielectric substrate 10 is the X-axis direction, and the short side direction of the main surface of the dielectric substrate 10 is the Y-axis direction. The long side direction of the main surface of the dielectric substrate 10 is taken as the Z-axis direction.
放射素子11は、誘電体基板10の上面のZ軸正方向側を占めるWa×WY(本実施形態においてはWa=20mm)の矩形領域内に形成された、釣鐘状の導体箔である。一方、給電線12は、誘電体基板10の上面のZ軸負方向側を占める(Wb+Wc)×WY(本実施形態においてはWb=5mm、Wc=75mm)の領域内に形成された、幅が不均一な帯状の導体箔である。放射素子11と給電線12とは、一枚の導体箔として一体成形されている。 The radiating element 11 is a bell-shaped conductor foil formed in a rectangular region of Wa × WY (Wa = 20 mm in the present embodiment) occupying the Z-axis positive direction side of the upper surface of the dielectric substrate 10. On the other hand, the feed line 12 has a width formed in a region of (Wb + Wc) × WY (Wb = 5 mm, Wc = 75 mm in the present embodiment) occupying the Z-axis negative direction side of the upper surface of the dielectric substrate 10. It is a non-uniform strip-shaped conductor foil. The radiating element 11 and the feeder 12 are integrally formed as a single conductor foil.
地板13は、誘電体基板10の下面のZ軸負方向側を占める(Wb+Wc)×WYの矩形領域全体を覆う矩形状の導体箔である。すなわち、地板13は、給電線12と重なり合い、かつ、放射素子11とは重なり合わない。上述した給電線12は、地板13と誘電体基板10を介して重なり合うことにより、地板13と共にマイクロストリップラインを構成する。 The ground plane 13 is a rectangular conductor foil that covers the entire rectangular area of (Wb + Wc) × WY that occupies the negative Z-axis side of the lower surface of the dielectric substrate 10. That is, the ground plane 13 overlaps with the feeder line 12 and does not overlap with the radiating element 11. The above-described feed line 12 forms a microstrip line together with the ground plane 13 by overlapping with the ground plane 13 and the dielectric substrate 10.
放射素子11は、UWBに使用されるマイクロ波帯(3.1GHz以上10.6GHz以下)において動作するよう設計されている。一方、給電線12(より正確には、給電線12のうち、誘電体基板10の上面のZ軸負方向側を占めるWc×WYの領域内に形成された部分)と地板13とにより構成されるマイクロストリップラインは、無線LAN(IEEE802.11a)に使用される5GHz帯(5.15GHz以上5.85GHz以下)を選択的に反射するBRF(Band Reject Filter)として機能するように設計されている。このため、アンテナ1は、マイクロ波帯(3.1GHz以上10.6GHz以下)から5GHz帯(5.15GHz以上5.85GHz以下)を除いた帯域で動作する。 The radiating element 11 is designed to operate in a microwave band (3.1 GHz to 10.6 GHz) used for UWB. On the other hand, the feed line 12 (more precisely, a part of the feed line 12 formed in a Wc × WY region occupying the Z-axis negative direction side of the upper surface of the dielectric substrate 10) and the ground plane 13 are configured. The microstrip line is designed to function as a BRF (Band Reject Filter) that selectively reflects the 5 GHz band (5.15 GHz to 5.85 GHz) used in wireless LAN (IEEE802.11a). . For this reason, the antenna 1 operates in a band excluding the 5 GHz band (5.15 GHz to 5.85 GHz) from the microwave band (3.1 GHz to 10.6 GHz).
〔給電線の構造及び機能〕
給電線12の構造について、図2を参照して説明する。図2(a)は、給電線12を上面から見た平面図であり、図2(b)は、給電線12の直線部の拡大図であり、図2(c)は、給電線12の折返部の拡大図である。なお、図2(a)に示されているのは、給電線12のうち、BRFとして機能させる部分、すなわち、誘電体基板10の上面のZ軸負方向側を占めるWc×WYの領域内に形成された部分であり、その全長は227mmである。
[Structure and function of feeder line]
The structure of the feeder 12 will be described with reference to FIG. 2A is a plan view of the feeder line 12 as viewed from above, FIG. 2B is an enlarged view of a straight line portion of the feeder line 12, and FIG. It is an enlarged view of a return part. 2A shows a portion of the feeder 12 that functions as a BRF, that is, a Wc × WY region that occupies the negative side of the Z-axis on the top surface of the dielectric substrate 10. It is a formed part, and its total length is 227 mm.
給電線12は、図2(b)〜図2(c)に示すように、幅が不均一な帯状導体であり、図2(a)に示すように、折返部が滑らかな曲線を描くように折り返されている。給電線12の幅を不均一にしているのは、給電線12と地板13とにより構成されるマイクロストリップラインを、5GHz帯(5.15GHz以上5.85GHz以下)を選択的に反射するBRFとして機能させ、かつ小面積化させるためである。一方、折返し構造(メアンダ構造)を採用しているのは、給電線12を、Wc×WY=75mm×60mmのスペースの中に配置するためである。なお、227mmは、1GHzにおける導波モードの2波長分に相当し、給電線12と地板13とにより構成されるマイクロストリップラインをBRFとして機能させるうえで、十分であると考えられている長さである。また、給電線12の幅W(z)は、最大で2mmである。 As shown in FIGS. 2B to 2C, the power supply line 12 is a strip-like conductor having a non-uniform width, and as shown in FIG. 2A, the folded portion draws a smooth curve. It is folded back. The reason why the width of the feeder line 12 is not uniform is that the microstrip line formed by the feeder line 12 and the ground plane 13 is a BRF that selectively reflects the 5 GHz band (5.15 GHz to 5.85 GHz). This is to make it function and reduce the area. On the other hand, the reason why the folded structure (meander structure) is adopted is to arrange the feeder 12 in a space of Wc × WY = 75 mm × 60 mm. Note that 227 mm corresponds to two wavelengths of the waveguide mode at 1 GHz, and is considered to be sufficient for causing the microstrip line constituted by the feeder line 12 and the ground plane 13 to function as a BRF. It is. Further, the width W (z) of the feeder line 12 is 2 mm at the maximum.
給電線12の形状は、以下のように表現することができる。すなわち、図2(a)に示すように、給電線12は、(1)放射素子11に接続されたZ軸負方向に伸びる直線部12cと、(2)直線部12cの放射素子11側と反対側の端点に接続された四分円状の折返部12dと、(3)折返部12dの直線部12c側と反対側の端点に接続されたY軸負方向に伸びる直線部12eと、(4)直線部12eの折返部12d側と反対側の端点に接続された半円状の折返部12fと、(5)折返部12fの直線部12e側と反対側の端点に接続されたY軸正方向に伸びる直線部12gと、(6)直線部12gの折返部12f側と反対側の端点に接続された半円状の折返部12hと、(7)折返部12hの直線部12g側と反対側の端点に接続されたY軸負方向に伸びる直線部12iと、(8)直線部12iの折返部12h側と反対側の端点に接続された半円状の折返部12jと、(9)折返部12jの直線部12i側と反対側の端点に接続されたY軸正方向に伸びる直線部12kと、(10)直線部12kの折返部12j側と反対側の端点に接続された半円状の折返部12lと、(11)折返部12lの直線部12k側と反対側の端点に接続されたY軸負方向に伸びる直線部12mと、(12)直線部12mの折返部12l側と反対側の端点に接続された四分円状の折返部12nと、(13)折返部12nの直線部12m側と反対側の端点に接続されたZ軸負方向に伸びる直線部12oと、により構成されている。 The shape of the feeder line 12 can be expressed as follows. That is, as shown in FIG. 2A, the feeder 12 includes (1) a linear portion 12c connected to the radiating element 11 and extending in the negative Z-axis direction, and (2) a radiating element 11 side of the linear portion 12c. A quadrant-shaped folded portion 12d connected to the opposite end point; and (3) a linear portion 12e extending in the negative Y-axis direction connected to the opposite end point of the folded portion 12d to the linear portion 12c side; 4) A semicircular folded portion 12f connected to the end of the straight portion 12e opposite to the folded portion 12d, and (5) a Y-axis connected to the end of the folded portion 12f opposite to the linear portion 12e. A straight portion 12g extending in the forward direction; (6) a semicircular folded portion 12h connected to an end of the straight portion 12g opposite to the folded portion 12f; and (7) a straight portion 12g side of the folded portion 12h. A straight portion 12i extending in the negative direction of the Y-axis connected to the opposite end point; and (8) a straight portion 12i. A semicircular folded portion 12j connected to an end point on the opposite side to the folded portion 12h side, and (9) a straight line portion extending in the positive direction of the Y axis connected to an end point on the opposite side to the linear portion 12i side of the folded portion 12j. 12k, (10) a semicircular folded portion 12l connected to the end of the straight portion 12k opposite to the folded portion 12j, and (11) connected to an end of the folded portion 12l opposite to the straight portion 12k. A linear portion 12m extending in the negative Y-axis direction, (12) a quadrant-shaped folded portion 12n connected to the end of the straight portion 12m opposite to the folded portion 12l side, and (13) the folded portion 12n It is comprised by the linear part 12o extended in the Z-axis negative direction connected to the end point on the opposite side to the linear part 12m side.
ここで、注目すべきは、給電線12を構成する各折返部が、滑らかな曲線を描くように折り返されている点、より具体的に言えば、円弧(四分円又は半円)を描くように折り返されている点である。このため、給電線12の各折返部に角が生じることがない。したがって、角に集中した高次モードの電流が発生し、この高次モードに起因する放射によって、特性が劣化することが少ない。なお、各折返部において給電線12が描く円弧の半径Rの設定については、参照する図面を代えて後述する。 Here, it should be noted that each folded portion constituting the feeder line 12 is folded so as to draw a smooth curve, more specifically, an arc (quadrant or semicircle) is drawn. It is a point that is folded. For this reason, a corner | angular part does not arise in each folding | turning part of the feeder 12. Therefore, a high-order mode current concentrated at the corner is generated, and the characteristics are hardly deteriorated by radiation caused by the high-order mode. Note that the setting of the radius R of the arc drawn by the feeder 12 in each folded portion will be described later with reference to another drawing.
次に、給電線12の設計方法、すなわち、幅W(z)の決定方法、及び、折り返しパターンの決定方法について説明する。ここでは、給電線12の中心軸が描く曲線の弧長パラメータをzとし、その曲線上の点P(z)における給電線12の幅(その曲線の接線に直交する方向の幅)をW(z)とする(図2(b)及び図2(c)参照)。給電線12の設計方法は以下の4つのステップにより構成される。ステップ1〜2は、幅W(z)の決定方法であり、ステップ3〜4は、折り返しパターンの決定方法である。 Next, a method for designing the feeder line 12, that is, a method for determining the width W (z) and a method for determining the return pattern will be described. Here, the arc length parameter of the curve drawn by the central axis of the feed line 12 is z, and the width of the feed line 12 at the point P (z) on the curve (the width in the direction perpendicular to the tangent line of the curve) is W ( z) (see FIGS. 2B and 2C). The design method of the feeder 12 includes the following four steps. Steps 1 and 2 are methods for determining the width W (z), and steps 3 to 4 are methods for determining a folding pattern.
ステップ1:所望の反射係数r(ω)(反射係数の周波数依存性)が得られるように給電線12上の各点におけるインピーダンスZ(z)を決める。 Step 1: Impedance Z (z) at each point on the feeder 12 is determined so that a desired reflection coefficient r (ω) (frequency dependence of the reflection coefficient) is obtained.
ステップ2:給電線12上の各点におけるインピーダンスZ(z)がステップ1にて決めた値になるよう給電線12の幅W(z)を決める。 Step 2: The width W (z) of the feeder line 12 is determined so that the impedance Z (z) at each point on the feeder line 12 becomes the value determined in Step 1.
ステップ3:多重反射を軽減するように給電線12の端部を構成する直線部12oの長さを決める。 Step 3: The length of the straight line portion 12o constituting the end portion of the feeder line 12 is determined so as to reduce multiple reflection.
ステップ4:折返部の半径R(図2(c)参照)、及び、折り返し回数Nを決める。 Step 4: Determine the radius R of the folded portion (see FIG. 2C) and the number N of folded times.
ここで、ステップ4を実施する前にステップ3を実施しているのは、以下の理由による。すなわち、直線部を短くして折返部を給電点に接近させた場合、外部装置(例えば同軸ケーブル)と給電線12との境界で生じるインビーダンス不整合に起因する反射と折返部における反射とが重畳した多重反射が起こる。そこで、給電線12の端部を構成する直線部12oの長さを予め確保して多重反射の発生を抑え込んだ上で、給電線12の残りの部分の折り返し構造を設計する。 Here, the reason why Step 3 is performed before Step 4 is performed is as follows. That is, when the straight part is shortened and the folded part is brought close to the feeding point, reflection due to impedance mismatch occurring at the boundary between the external device (for example, coaxial cable) and the feeding line 12 and reflection at the folded part Multiple reflections in which are superimposed. Therefore, the length of the straight line portion 12o constituting the end portion of the feeder line 12 is secured in advance to suppress the occurrence of multiple reflections, and then the folded structure of the remaining portion of the feeder line 12 is designed.
ステップ1におけるインピーダンスZ(z)の決定方法について、図3を参照して説明する。図3は、給電線12と地板13とにより構成されるマイクロストリップラインの線素に等価な等価回路を示す回路図である。同図において、zは、給電線12の中心軸(曲線)の弧長パラメータを表し、L(z)は、給電線12上の点P(z)における単位長さあたりのインダクタンスを表し、C(z)は、給電線12上の点P(z)における単位長さあたりのキャパシタンスを表す。 A method of determining the impedance Z (z) in step 1 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a circuit diagram showing an equivalent circuit equivalent to a line element of a microstrip line constituted by the feeder line 12 and the ground plane 13. In the figure, z represents an arc length parameter of the central axis (curve) of the feeder line 12, L (z) represents an inductance per unit length at a point P (z) on the feeder line 12, and C (Z) represents a capacitance per unit length at a point P (z) on the feeder line 12.
時間項exp(−jωt)をもつ電圧V及び電流Iに対する電信方程式は、(1)式及び(2)式により与えられる。 The telegraph equations for voltage V and current I with time term exp (−jωt) are given by equations (1) and (2).
電信方程式(1)及び(2)から、Zakharov-Shabat方程式(3)及び(4)が導出される。 From the telegraph equations (1) and (2), the Zakharov-Shabat equations (3) and (4) are derived.
なお、Zakharov-Shabat方程式(3)及び(4)の導出に際しては、変数変換(5)及び(6)を用いた。 Note that variable transformations (5) and (6) were used in deriving the Zakharov-Shabat equations (3) and (4).
反射係数r(ω)を(7)式のように定義すると、その逆フーリエ変換R(x)は(8)式のように与えられる。r(ω)は、上半平面に極をもたない点に留意されたい。 When the reflection coefficient r (ω) is defined as in the equation (7), the inverse Fourier transform R (x) is given as in the equation (8). Note that r (ω) has no poles in the upper half-plane.
Zakharov-Shabat方程式(3)及び(4)の解q(x)と、Gel'fand-Levitan-Marchenko型の積分方程式(9)及び(10)の解A2(x,y)との間には、(11)式により示される関係がある。したがって、Zakharov-Shabat方程式(3)及び(4)の解q(x)を得るためには、積分方程式(9)及び(10)を解き、その解A2(x,y)から(11)式に従ってq(x)を求めればよい。 Between the solution q (x) of Zakharov-Shabat equations (3) and (4) and the solution A2 (x, y) of Gel'fand-Levitan-Marchenko type integral equations (9) and (10) , (11) there is a relationship shown. Therefore, in order to obtain the solution q (x) of the Zakharov-Shabat equations (3) and (4), the integral equations (9) and (10) are solved, and from the solution A2 (x, y) to the equation (11) Q (x) may be obtained according to
インピーダンスZ(x)は、q(x)から(12)式に従って求めることができる。 The impedance Z (x) can be obtained according to the equation (12) from q (x).
給電線12と地板13とにより構成されるマイクロストリップラインがBRFとして機能することは、図4から確認することができる。図4(a)は、給電線12として幅が均一で直線的な帯状導体を用いた場合のVSWR値の周波数特性を示すグラフであり、図4(b)は、給電線12として図2(a)に示す幅が不均一で折り返された帯状導体を用いた場合のVSWR値の周波数特性を示すグラフである。 It can be confirmed from FIG. 4 that the microstrip line constituted by the feeder line 12 and the ground plane 13 functions as a BRF. FIG. 4A is a graph showing the frequency characteristics of the VSWR value when a linear strip-shaped conductor having a uniform width is used as the feeder line 12, and FIG. It is a graph which shows the frequency characteristic of the VSWR value at the time of using the strip | belt-shaped conductor by which the width | variety shown to a) is non-uniform | heterogenous.
給電線12として幅が均一で直線的な帯状導体を用いた場合、図4(a)に示すように、マイクロ波帯(3.1GHz以上10.6GHz以下)全域に亘ってVSWR値が3.5以下になるのに対して、給電線として幅が不均一で折り返された帯状導体を用いた場合、図4(b)に示すように、5GHz帯(5.15GHz以上5.85GHz以下)においてVSWR値が跳ね上がる。すなわち、給電線12と地板13とにより構成されるマイクロストリップラインが、5GHz帯を反射するBRFとして機能していることが確かめられる。 When a linear strip conductor having a uniform width is used as the feeder line 12, the VSWR value is 3. over the entire microwave band (3.1 GHz to 10.6 GHz) as shown in FIG. On the other hand, when a strip-like conductor with a non-uniform width is used as a power supply line, it is 5 GHz or less, as shown in FIG. 4B, in the 5 GHz band (5.15 GHz to 5.85 GHz). The VSWR value jumps up. That is, it can be confirmed that the microstrip line composed of the feeder line 12 and the ground plane 13 functions as a BRF that reflects the 5 GHz band.
次に、上述したステップ4において、各折返部にて給電線12が描く円弧の半径Rの設定方法について、図5及び図6を参照して説明する。図5は、R=4mmのとき、R=5mmのとき、及び、R=6mmのときの|S11|の周波数特性を示すグラフである。図6は、Rを給電線12の幅W(z)の最大値で除したものをR/Wとし、1GHz以上5GHz以下、及び、6GHz以上11GHz以下の帯域における|S11|の最大値をRを変えながらプロットしたものである。 Next, in step 4 described above, a method for setting the radius R of the arc drawn by the feeder 12 at each turn-back portion will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. 5 is a graph showing the frequency characteristics of | S11 | when R = 4 mm, R = 5 mm, and R = 6 mm. In FIG. 6, R / W is obtained by dividing R by the maximum value of the width W (z) of the feeder line 12, and the maximum value of | S11 | in the bands of 1 GHz to 5 GHz and 6 GHz to 11 GHz is R Plotting while changing.
R/Wを2.5よりも小さくすると、5GHz帯以外の帯域でも|S11|maxが−5dB以上の高い値に張り付いてしまうのに対し、R/Wを2.5以上にすると、R/Wが大きくなるのに従って|S11|maxが次第に低下することが図6から分かる。すなわち、5GHz帯以外の帯域で良好なアンテナ特性を得るためには、少なくともR/Wを2.5以上にすることが好ましい。例えば、R=4mm(R/W=2)とした場合、5GHz帯以外にも|S11|>5dBとなるピークが点在していることが図5からも見て取れる。 If R / W is made smaller than 2.5, | S11 | max sticks to a high value of −5 dB or more even in a band other than the 5 GHz band, whereas if R / W is made 2.5 or more, R It can be seen from FIG. 6 that | S11 | max gradually decreases as / W increases. That is, in order to obtain good antenna characteristics in a band other than the 5 GHz band, it is preferable that at least R / W is 2.5 or more. For example, when R = 4 mm (R / W = 2), it can be seen from FIG. 5 that peaks other than 5 GHz band are dotted with | S11 |> 5 dB.
なお、R/Wが大きくなるのに従って|S11|maxが次第に低下するのは、給電線12を構成する直線部間の結合が次第に弱くなると共に、折返部で生じる想定外の反射(設計時に想定されていない反射)が軽減されるので、設計どおり5GHz帯でのみ選択的な反射が生じるようになるためであると考えられる。 Note that as S / W increases, | S11 | max gradually decreases because the coupling between the linear portions constituting the feeder 12 gradually weakens and unexpected reflections that occur in the folded portion (assumed at the time of design) This is considered to be because selective reflection occurs only in the 5 GHz band as designed.
更に、R/Wを3.0以上にすれば、5GHz帯以外の帯域における|S11|を−5dBよりも小さくすることができ、R/Wを3.5以上にすれば、5GHz帯以外の帯域における|S11|を−10dBよりも小さくすることができることが図6から分かる。すなわち、5GHz帯以外の帯域でより良好なアンテナ特性を得るためには、R/Wが3.0以上であることが好ましく、R/Wが3.5以上であることがより好ましい。 Further, if R / W is set to 3.0 or more, | S11 | in a band other than the 5 GHz band can be made smaller than −5 dB. It can be seen from FIG. 6 that | S11 | in the band can be made smaller than −10 dB. That is, in order to obtain better antenna characteristics in a band other than the 5 GHz band, R / W is preferably 3.0 or more, and more preferably R / W is 3.5 or more.
最後に、Zakharov-Shabat方程式(3)及び(4)を用いた設計の有効性を、図7により確認する。図7において、点線は、Zakharov-Shabat方程式(3)及び(4)をRunge-Kutta法を用いて解くことにより得たq(x)から算出した|S11|を示し、実線は、実測した|S11|を示す。計算値(点線)と測定値(実線)との間の良好な一致が図7から見て取れる。 Finally, the effectiveness of the design using the Zakharov-Shabat equations (3) and (4) is confirmed with reference to FIG. In FIG. 7, the dotted line indicates | S11 | calculated from q (x) obtained by solving the Zakharov-Shabat equations (3) and (4) using the Runge-Kutta method, and the solid line indicates the measured | S11 | is shown. A good agreement between the calculated value (dotted line) and the measured value (solid line) can be seen from FIG.
〔放射素子の構造及び機能〕
放射素子11の構造について、図8を参照して説明する。図8は、放射素子11を上面から見た平面図である。
[Structure and function of radiation element]
The structure of the radiation element 11 will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a plan view of the radiating element 11 as viewed from above.
放射素子11は、図8に示すように、第1矩形部11aと、半楕円部11bと、第2矩形部11cとにより構成される。 As shown in FIG. 8, the radiating element 11 includes a first rectangular portion 11a, a semi-elliptical portion 11b, and a second rectangular portion 11c.
第1矩形部11aは、幅2a(本実施形態においては2a=15mm)、高さh(本実施形態においてはh=10mm)の矩形状の導体箔である。半楕円部11bは、長軸半径a(本実施形態においてはa=7.5mm)、短軸半径b(本実施形態においてはb=7.5mm)の楕円を長軸で2等分して得られる半楕円状の導体箔であり、その長軸が第1矩形部11の幅2aの端辺に接続されている。放射素子11と給電線12との間に介在する第2矩形部11cは、放射素子11と給電線12との間のインピーダンス整合を図るためのものであり、本実施形態においては、第2矩形部11cとして幅W’(本実施形態においてはW’=4mm)、高さh’(本実施形態においてはh’=2mm)の矩形状の導体箔を用いている。 The first rectangular portion 11a is a rectangular conductor foil having a width 2a (2a = 15 mm in the present embodiment) and a height h (h = 10 mm in the present embodiment). The semi-elliptical portion 11b divides an ellipse having a major axis radius a (a = 7.5 mm in the present embodiment) and a minor axis radius b (b = 7.5 mm in the present embodiment) into two equal parts along the major axis. The obtained semi-elliptical conductor foil has a long axis connected to the end of the first rectangular portion 11 having the width 2a. The second rectangular portion 11c interposed between the radiating element 11 and the feed line 12 is for impedance matching between the radiating element 11 and the feed line 12. In the present embodiment, the second rectangular portion 11c is used. A rectangular conductor foil having a width W ′ (W ′ = 4 mm in the present embodiment) and a height h ′ (h ′ = 2 mm in the present embodiment) is used as the portion 11c.
図9は、第1矩形部11aの形状によって、VSWR値の周波数特性がどのように変化するかを示したグラフである。ここでは、第1矩形部11aの形状を規定するパラメータとして、比h/aを取っている。 FIG. 9 is a graph showing how the frequency characteristic of the VSWR value changes depending on the shape of the first rectangular portion 11a. Here, the ratio h / a is taken as a parameter that defines the shape of the first rectangular portion 11a.
図9によれば、1.0≦h/a≦1.5のときに、マイクロ波帯(3.1GHz以上10.8GHz以下)全域に亘ってVSWR値を3.5以下に抑え得ることが分かる。なお、第1矩形部11aの幅をw(=2a)とすれば、上記範囲は、0.5≦h/w≦0.75と言い換えることができる。 According to FIG. 9, when 1.0 ≦ h / a ≦ 1.5, the VSWR value can be suppressed to 3.5 or less over the entire microwave band (3.1 GHz to 10.8 GHz). I understand. If the width of the first rectangular portion 11a is w (= 2a), the above range can be restated as 0.5 ≦ h / w ≦ 0.75.
図10は、半楕円部11bの形状によって、VSWR値の周波数特性がどのように変化するかを示したグラフである。ここでは、半楕円部11bの形状を規定するパラメータとして、比b/aを取っている。 FIG. 10 is a graph showing how the frequency characteristics of the VSWR value change depending on the shape of the semi-elliptical portion 11b. Here, the ratio b / a is taken as a parameter that defines the shape of the semi-elliptical portion 11b.
図10によれば、0.5≦b/a≦1.0のときに、マイクロ波帯(3.1GHz以上10.8GHz以下)全域に亘ってVSWR値を3.5以下に抑え得ることが分かる。 According to FIG. 10, when 0.5 ≦ b / a ≦ 1.0, the VSWR value can be suppressed to 3.5 or less over the entire microwave band (3.1 GHz to 10.8 GHz). I understand.
図11は、第2矩形部11cの形状によって、VSWR値の周波数特性がどのように変化するかを示したグラフである。ここでは、第2矩形部の形状を規定するパラメータとして、比w’/h’を取っている。 FIG. 11 is a graph showing how the frequency characteristic of the VSWR value changes depending on the shape of the second rectangular portion 11c. Here, the ratio w ′ / h ′ is taken as a parameter that defines the shape of the second rectangular portion.
図11によれば、w’/h’≒2としたときに、マイクロ波帯(3.1GHz以上10.6GHz以下)全域に亘ってVSWR値を4.0以下に抑え得ることが分かる。 As can be seen from FIG. 11, when w ′ / h′≈2, the VSWR value can be suppressed to 4.0 or less over the entire microwave band (3.1 GHz to 10.6 GHz).
なお、図9〜図11に示すVSWR値の測定に際しては、給電線12として幅が均一で直線的な帯状導体を用いている。ただし、給電線12として図2(a)に示す幅が不均一で折り返された帯状導体を用いる場合であっても、5GHz帯(5.15GHz以上5.85GHz以下)以外の帯域におけるVSWR値は、概ね、図9〜図11に示したものと一致する。 In the measurement of the VSWR value shown in FIGS. 9 to 11, a linear strip-shaped conductor having a uniform width is used as the feeder line 12. However, even in the case of using a folded strip-shaped conductor having a non-uniform width shown in FIG. 2A as the feeder line 12, the VSWR value in a band other than the 5 GHz band (5.15 GHz to 5.85 GHz) is In general, this corresponds to that shown in FIGS.
〔アンテナの指向性〕
最後に、アンテナ1の放射パターン(放射利得の方向依存性)について、図12を参照して説明する。図12(a)は、4GHzにおけるXY平面内での放射パターンを示すグラフであり、図12(b)は、5.5GHzにおけるXY平面内での放射パターンを示すグラフであり、図12(c)は、8GHzにおけるXY平面内での放射パターンを示すグラフである。図12(a)〜図12(c)を比較すると、5GHz帯(5.15GHz以上5.85GHz以下)に属する5.5GHzにおいて放射が抑制されていることが見て取れる。また、その他の帯域においては、指向性の弱い良好な放射パターンが実現されていることが分かる。
[Direction of antenna]
Finally, the radiation pattern (direction dependence of the radiation gain) of the antenna 1 will be described with reference to FIG. 12A is a graph showing a radiation pattern in the XY plane at 4 GHz, and FIG. 12B is a graph showing a radiation pattern in the XY plane at 5.5 GHz. ) Is a graph showing a radiation pattern in the XY plane at 8 GHz. Comparing FIG. 12A to FIG. 12C, it can be seen that radiation is suppressed at 5.5 GHz belonging to the 5 GHz band (5.15 GHz to 5.85 GHz). It can also be seen that a good radiation pattern with low directivity is realized in other bands.
〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
[Additional Notes]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.
本発明に係るアンテナは、広帯域において動作可能でありながら、その一部の帯域への干渉を回避したアンテナとして利用することができる。例えば、UWB(Ultra Wide Band:超広帯域無線)に使用されるマイクロ波帯(3.1GHz以上10.6GHz以下)において動作可能でありながら、無線LAN(IEEE802.11a)に使用される5GHz帯(5.15GHz以上5.85GHz以下)への干渉を回避したアンテナとして利用することができる。 The antenna according to the present invention can be used as an antenna that can operate in a wide band but avoids interference in a part of the band. For example, while operating in a microwave band (3.1 GHz to 10.6 GHz) used for UWB (Ultra Wide Band), a 5 GHz band (used for a wireless LAN (IEEE802.11a)) ( (5.15 GHz to 5.85 GHz) interference can be used as an antenna.
1 アンテナ
10 誘電体基板
11 放射素子
11a,11b 放射素子の端点
12 給電線
12a 端辺
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Antenna 10 Dielectric substrate 11 Radiating element 11a, 11b End point of a radiating element 12 Feed line 12a End side
Claims (7)
上記給電線は、折返部が滑らかな曲線を描くように折り返された幅が不均一な帯状導体であり、上記誘電体基板を介して互いに重なり合う上記給電線と上記地板とによって、BRF(Band RejectFilter)として機能するマイクロストリップラインが構成されている、ことを特徴とするアンテナ。 An antenna comprising a dielectric substrate, a radiation element and a feed line formed on one main surface of the dielectric substrate, and a ground plane formed on the other main surface of the dielectric substrate,
The feeder line is a strip-like conductor having a non-uniform width folded back so that the folded portion draws a smooth curve. The feeder line and the ground plane overlap each other via the dielectric substrate, and a BRF (Band RejectFilter). The antenna is characterized in that a microstrip line functioning as a) is configured.
比R/Wが2.5以上である、ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。 The power supply line is folded so that the maximum value of its width is W [mm], and its central axis draws an arc of radius R [mm],
The antenna according to claim 1, wherein the ratio R / W is 2.5 or more.
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
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