JP3649224B2 - モノコニカル・アンテナ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線LANを始めとする無線通信で使用されるアンテナに係り、特に、誘電体の一端面に形成された略錐状の窪みに設けられた放射電極と誘電体の他端面に設けられたグランド導体からなるモノコニカル・アンテナに関する。
【0002】
さらに詳しくは、本発明は、本来の広帯域特性の資質を十分に維持したまま、誘電体装荷により小型化を実現するモノコニカル・アンテナに関する。
【0003】
【従来の技術】
近年、無線LANシステムの高速化、低価格化に伴い、その需要が著しく増加してきている。特に最近では、人の身の回りに存在する複数の電子機器間で小規模な無線ネットワークを構築して情報通信を行なうために、パーソナル・エリア・ネットワーク(PAN)の導入の検討が行なわれている。例えば、2.4GHz帯や、5GHz帯など、監督官庁の免許が不要な周波数帯域を利用して、異なった無線通信システムが規定されている。
【0004】
無線LANを始めとする無線通信では、アンテナを介した情報伝送が行なわれる。例えば、モノコニカル・アンテナは、誘電体からなる略円錐状の窪みに形成された放射電極と、この誘電体の底面に形成されたグランド電極からなるが、放射電極とグランド電極の間に立つ誘電体による波長短縮効果により、比較的広帯域特性を持つ小型のアンテナを構成することができる。
【0005】
広帯域特性を持つアンテナは、例えば、データを例えば3GHzから10GHzという超広帯域な周波数帯域に拡散して送受信を行なうUWB(ウルトラ・ワイド・バンド)通信に利用することができる。また、小型のアンテナは、無線機器の小型軽量化に貢献する。
【0006】
例えば、特開平8−139515号公報には、無線LAN用の小型の誘電体垂直偏波アンテナについて開示されている。この誘電体垂直偏波アンテナは、円柱の誘電体の一方の底面を円錐形にくり抜いてその部分に放射電極を形成し、反対側の底面にアース電極を形成し、放射電極はアース電極側に貫通孔の導体を介して引き出される(同公報の図1を参照のこと)。
【0007】
また、同公報の図5には、この誘電体垂直偏波アンテナのアンテナ特性が示されている。同図によれば、概ね100MHz程度の動作帯域(中心周波数が概ね2.5GHzなので、比帯域幅は約4%である)である。モノコニカル・アンテナは、本来、1オクターブ以上の動作帯域を有するものであり、期待されている広帯域特性を十分に発揮しているとは言い難い。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、本来の広帯域特性の資質を十分に維持したまま誘電体装荷により小型化を実現することができる優れたモノコニカル・アンテナを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、誘電体の一端面に形成された略錐状の窪みと、前記窪みの表面に設けられた放射電極と、前記誘電体の一端面に対向する他端面に近接略平行して設けられたグランド導体とを備え、前記放射電極の略頂点部位と前記グランド導体の部位との間に電気信号が給電される構成のモノコニカル・アンテナであって、
前記誘電体の一端面に形成された略錐状の窪みの内角αを比誘電率εrに応じた所定の規範に則って決定する、
ことを特徴とするモノコニカル・アンテナである。
【0010】
但し、ここで言う「窪みの内角」とは、錐の中心軸から側面までの角度とする。
【0011】
本発明によれば、モノコニカル・アンテナが本来持っている広帯域特性の資質を十分に維持したまま、誘電体装荷による小型化を実現することができる。
【0012】
ここで、前記誘電体の一端面に形成された略錐状の窪みの内角αと比誘電率εrとの関係を記述した下式に則って決定することができる。
【0013】
【数2】
【0014】
本発明者らは、幾つかのシミュレーション結果から、誘電体の一端面に形成する円錐の最適整合をもたらす内角値が、覆われる誘電体の比誘電率εrに依存していることを見出した。そして、適宜近似式を立て、その係数を調整することにより、上記の近似式を得ることができる。
【0015】
また、前記略錐状の窪みの内角αは、円錐の場合は円錐の中心軸から側面までの角度であり、楕円錐又は角錐の場合は中心軸から側面までの角度のうち最小角と最大角の平均とする。
【0016】
また、前記略錐状の窪みに放射電極を充填するように形成してもよい。
【0017】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【0019】
本発明は、モノコニカル・アンテナが本来持っている広帯域特性の資質を十分に維持したまま、誘電体装荷による小型化を実現するものである。
【0020】
図1には、本発明の一実施形態に係るモノコニカル・アンテナ1の外観構成を示している。
【0021】
同図に示すように、モノコニカル・アンテナ1は、誘電体柱10の一端面に形成された略円錐状の窪み11と、窪みの表面に設けられた放射電極12と、誘電体10の一端面に対向する他端面に近接略平行して設けられたグランド導体13とを備え、放射電極12の略頂点部位14とグランド導体13の部位との間に電気信号が給電されるようになっている。
【0022】
本実施形態に係るモノコニカル・アンテナ1の場合、誘電体10の一端面に形成された略円錐状の窪み11の内角α(錐の中心軸から側面までの角度)を比誘電率εrに応じた所定の規範に則って決定するようになっている。この規範とは、例えば以下の通りである。
【0023】
▲1▼モノコニカル・アンテナ1を比誘電率εr=2の誘電体で覆う場合、円錐内角が概ね45度となるように構成する。
▲2▼モノコニカル・アンテナ1を比誘電率εr=3の誘電体で覆う場合、円錐内角が概ね37度となるように構成する。
▲3▼モノコニカル・アンテナ1を比誘電率εr=5の誘電体で覆う場合、円錐内角が概ね28度となるように構成する。
▲4▼モノコニカル・アンテナ1を比誘電率εr=8の誘電体で覆う場合、円錐内角が概ね23度となるように構成する。
【0024】
上記の拠り所となる規範は、誘電体10の一端面に形成された円錐状の窪み11の内角αを比誘電率εrとの関係を記述した下式である。
【0025】
【数3】
【0026】
ここで、設定内角の有効範囲は、上式で与えられる値のプラス・マイナス数度程度の範囲であり、この範囲内であれば実用上問題はない。
【0027】
上述したようなモノコニカル・アンテナの構成方法によれば、アンテナの帯域幅を飛躍的に向上させることができる。
【0028】
図2及び図3には、本実施形態に係る構成に基づくモノコニカル・アンテナの周波数特性の計算例(電磁界シミュレーションによる結果)を示している。図2には、比誘電率εrが3で円錐内角が40度の場合、図3には、比誘電率εrが8で円錐内角が22度の場合の周波数特性を、スミス・チャート(中心50Ω)とVSWR特性の形態でそれぞれ示している。
【0029】
いずれの構成例でも、スミス・チャートの中心付近において渦巻き形状の特性を持ち、良好な周波数特性を得ている。また、VSWRは2以下となる周波数領域において良好なアンテナ特性を持つとされているが、いずれの構成例においてもVSWR≦2の比帯域幅がほぼ100%に達しており、特開平8−139515号公報で示されている特性例に比し、飛躍的に帯域幅を向上させていることが判る。
【0030】
本発明に係るモノコニカル・アンテナの構成方法として、誘電体10の一端面に形成される窪み11は円錐形状に限定されるものではない。楕円錐あるいは角錐の場合であっても、本発明の効果を同様に奏することができる。角錐を窪みとした場合のその内角αの定義は、「中心軸から側面までの角度のうち、最小角と最大角の平均」とする。
【0031】
また、誘電体柱10の外形についても特に限定されない。基本的には、円柱や角柱など放射電極を覆うものであれば何でもよい。また、放射電極は、円錐状の窪み11の表面に形成されるもの以外に、窪み11に充填するように形成してもよい。
【0032】
なお、誘電体10の比誘電率εrの有効範囲は概ね10程度までである。
【0033】
本発明者らは、誘電体の一端面に形成する円錐の内角αを設定する規範となる式[数3]を、電磁界シミュレーションによる擬似実験を介して近似的に導き出した。図4〜図7に示すように、幾つかのシミュレーション結果から、誘電体の一端面に形成する円錐の最適整合をもたらす内角値が、覆われる誘電体の比誘電率εrに依存していることを見出した。そして、適宜近似式を立て、その係数を調整することにより、設計上有意な近似曲線を得ることができる。以下、図4〜図7について、説明を加えておく。
【0034】
図4には、誘電体10の比誘電率εrが1の場合の各内角に対する周波数特性(右側、上段より内角58度の場合、内角40度の場合、内角24度の場合の3ケース)と、本発明に係る内角設定式による場合のプロット図(左側)と、両者の関係を示している。周波数特性図は、スミス・チャートとVSWR特性図により示されている。
【0035】
同図の右側の周波数特性図より、内角が概ね58度の場合、スミス・チャートにおいて略中心付近に渦巻きを持つとともに、VSWR≦2の比帯域幅が最も大きいことが判る。すなわち、最適な整合をもたらす内角が58度であり、且つ、その内角値が本発明にかかる内角設定式のプロット線の極近傍に位置することが判る。
【0036】
また、図5には、誘電体10の比誘電率εrが3の場合の各内角に対する周波数特性(右側、上段より内角58度の場合、内角40度の場合、内角24度の場合の3ケース)と、本発明に係る内角設定式による場合のプロット図(左側)と、両者の関係を示している。周波数特性図は、スミス・チャートとVSWR特性図により示されている。
【0037】
同図の右側の周波数特性図より、内角が概ね40度の場合、スミス・チャートにおいて略中心付近に渦巻きを持つとともに、VSWR≦2の比帯域幅が最も大きいことが判る。すなわち、最適な整合をもたらす内角が40度であり、且つ、その内角値が本発明にかかる内角設定式のプロット線の極近傍に位置することが判る。
【0038】
また、図6には、誘電体10の比誘電率εrが5の場合の各内角に対する周波数特性(右側、上段より内角40度の場合、内角26度の場合、内角15度の場合の3ケース)と、本発明に係る内角設定式による場合のプロット図(左側)と、両者の関係を示している。周波数特性図は、スミス・チャートとVSWR特性図により示されている。
【0039】
同図の右側の周波数特性図より、内角が概ね26度の場合、スミス・チャートにおいて略中心付近に渦巻きを持つとともに、VSWR≦2の比帯域幅が最も大きいことが判る。すなわち、最適な整合をもたらす内角が26度であり、且つ、その内角値が本発明にかかる内角設定式のプロット線の極近傍に位置することが判る。
【0040】
また、図7には、誘電体10の比誘電率εrが8の場合の各内角に対する周波数特性(右側、上段より内角36度の場合、内角22度の場合、内角10度の場合の3ケース)と、本発明に係る内角設定式による場合のプロット図(左側)と、両者の関係を示している。周波数特性図は、スミス・チャートとVSWR特性図により示されている。
【0041】
同図の右側の周波数特性図より、内角が概ね22度の場合、スミス・チャートにおいて略中心付近に渦巻きを持つとともに、VSWR≦2の比帯域幅が最も大きいことが判る。すなわち、最適な整合をもたらす内角が22度であり、且つ、その内角値が本発明にかかる内角設定式のプロット線の近傍に位置することが判る。
【0042】
[追補]
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【0043】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、本来の広帯域特性の資質を十分に維持したまま誘電体装荷により小型化を実現することができる優れたモノコニカル・アンテナを提供することができる。
【0044】
本発明によれば、誘電体装荷モノコニカル・アンテナの適用範囲を飛躍的に拡大することができるので、例えばUWB通信システムの小型アンテナとして実用に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るモノコニカル・アンテナ1の外観構成を示した図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る構成に基づくモノコニカル・アンテナの周波数特性の計算例(電磁界シミュレーションによる結果)を示した図である。
【図3】本発明の一実施形態に係る構成に基づくモノコニカル・アンテナの周波数特性の計算例(電磁界シミュレーションによる結果)を示した図である。
【図4】誘電体10の比誘電率εrが1の場合の各内角に対する周波数特性(右側)と、本発明に係る内角設定式による場合のプロット図(左側)と、両者の関係を示した図である。
【図5】誘電体10の比誘電率εrが3の場合の各内角に対する周波数特性(右側)と、本発明に係る内角設定式による場合のプロット図(左側)と、両者の関係を示した図である。
【図6】誘電体10の比誘電率εrが5の場合の各内角に対する周波数特性(右側)と、本発明に係る内角設定式による場合のプロット図(左側)と、両者の関係を示した図である。
【図7】誘電体10の比誘電率εrが8の場合の各内角に対する周波数特性(右側)と、本発明に係る内角設定式による場合のプロット図(左側)と、両者の関係を示した図である。
【符号の説明】
1…モノコニカル・アンテナ
10…誘電体
11…窪み
12…放射電極
13…グランド導体
14…放射電極12の略頂点部位
Claims (3)
- 前記略錐状の窪みの内角αは、円錐の場合は円錐の中心軸から側面までの角度であり、楕円錐又は角錐の場合は中心軸から側面までの角度のうち最小角と最大角の平均とする、
ことを特徴とする請求項1に記載のモノコニカル・アンテナ。 - 前記略錐状の窪みに放射電極を充填するように形成する、
ことを特徴とする請求項1に記載のモノコニカル・アンテナ。
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