JP3964382B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に、ＵＷＢ（Ultra Wide band）用アンテナに関する。

ＵＷＢとは、その名の通り超広帯域無線を意味し、中心周波数の２５％以上、または１．５ＧＨｚ以上の帯域幅を占有する無線伝送方式を指す広義の用語である。一言でいうと、超広帯域の短パルス（通常１ｎｓ以下）を用いて通信し、無線に革命を起こすような技術である。

従来の無線とＵＷＢとの決定的な違いは、搬送波の有無だといえる。従来の無線では、搬送波と呼ばれるある周波数の正弦波を様々な方法で変調し、データを送受信する。これに対して、ＵＷＢではその搬送波を使わない。ＵＷＢの定義にも書いたように、超広帯域の短パルスを用いる。

ＵＷＢはその名のとおり、超広帯域な周波数帯域をもっている。一方、従来の無線は狭い周波数帯域しかもっていない。それは、周波数帯域の狭いほうが電波を活用できるからである。電波は有限な資源である。では、どうしてＵＷＢは超広帯域であるにも拘らず、注目されているかというと、各周波数での出力エネルギーにある。ＵＷＢは周波数帯域が広い代わりに各周波数での出力が非常に小さい。その大きさは、ノイズに埋もれてしまうくらいなので、他の無線通信との干渉は非常に少ないといえる。ＦＣＣ（Federal Communications Commission：米連邦通信委員会）が許可するのに条件付きとしたのも、他の無線通信との干渉が問題とならないように配慮したためである。

ＵＷＢは超広帯域であるため、既存の無線通信サービスと帯域がかぶってしまう。そのため、現在はＵＷＢの帯域は３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚの間に限定されている状況にある。

また、アンテナは基本的に共振現象を利用している。アンテナはその長さによって共振する周波数が決まってしまうのであるが、多くの周波数成分を含むＵＷＢでは共振させることが難しい。したがって、送信したい電波の周波数帯域が広くなればなるほど、その分アンテナの設計が難しくなる。

たとえば、小型のアンテナとしてパッチアンテナが知られている。そのようなパッチアンテナの１つとして、携帯性に優れるとともに、周波数温度特性が高く、共振周波数のばらつきが小さく信頼性に優れた小型平面パッチアンテナが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、複数の周波数に対応できるパッチアンテナ装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、パッチアンテナは、広帯域ではないので、ＵＷＢ用アンテナとして用いるのは不向きである。

一方、太陽誘電は、近距離無線通信の世界で、大容量データ伝送と低消費電力を同時に実現できる次世代技術として、今最も注目を集めているＵＷＢ向けに、１０ｍｍ×８ｍｍの形状で厚さわずか１ｍｍという超小型のセラミックチップアンテナの開発に成功した。このアンテナの開発により、今まで軍事用途に限られていたＵＷＢを、ＰＤＰ（Plasma Display Panel）テレビやデジタルカメラ等デジタル機器同士のデータを超高速でつなぐなどの民生用途に広げ、モバイルまで視野に入れた機器の小型化が可能となる。

尚、このようなＵＷＢ用アンテナは、Bluetooth（商標）や無線ＬＡＮ（Local Area Network）等の用途に使用され得る。

Bluetoothは、比較的狭い範囲での音声およびデータのワイヤレス通信を、デスクトップおよびノートトップコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、携帯電話、プリンタ、スキャナ、デジタルカメラ、さらには家電製品の間で実現する先端テクノロジーのための一般公開された規格である。Bluetoothは、地球のどこでも利用できる２．４ＧＨｚ帯域の電波を使って動作するので世界中で利用できる。簡単に言えば、Bluetoothを利用するとデジタル周辺機器との接続にケーブルは不要となり、ケーブル接続にともなう面倒はすべて過去のものとなる。

無線ＬＡＮとは、電波や赤外線など、有線ケーブル以外の伝送路を利用したＬＡＮをいう。
特開平７−９４９３４号公報 特開平１０−１９０３４７号公報

上述したように、パッチアンテナのような従来のアンテナでは、広帯域化が困難であり、波形歪み（波形の広がり）が発生するという問題がある。

一方、本発明者らは、２００３年９月１８日に、直接給電型のＵＷＢ用アンテナを開発し、既に出願した（２００３年特願第３２５８２８号参照）。しかしながら、直接給電ではマッチング特性が余りよくなく、リターンロスが大きいという問題がある。

したがって、本発明の課題は、マッチング特性が良好なＵＷＢ用アンテナを提供することにある。

本発明の他の課題は、リターンロスが小さいＵＷＢ用アンテナを提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、上面（１０ｕ）を持つ上側誘電体（１１）と、底面（１０ｄ）を持つ下側誘電体（１３）と、上側誘電体と下側誘電体との間に挟まれた導体パターン（１５）とを有するアンテナ装置（１０）であって、導体パターンは、前面（１０ｆ）の略中央部に設けられた給電点（１７）から所定のギャップを空けて離間した頂点（１５１）を持ち、この頂点から右側面（１０ｒｓ）および左側面（１０ｌｓ）へそれぞれ所定の角度で広がる導体右側テーパ部（１５２）および導体左側テーパ部（１５３）を持つ導体逆三角形部分（１５−１）と、この導体逆三角形部分の上辺に底辺が接する導体半円形部分（１５−２）とから構成されており、ＵＷＢ用アンテナ（１０）は、給電点（１７）に接続された給電パターン（２５）を更に含み、給電パターン（２５）は、導体パターン（１５）の寸法を小さくしたような形状を有し、給電パターンからの導体パターンに対する給電を電磁結合によって行うことを特徴とするアンテナ装置が得られる。

上記本発明の第１の態様によるアンテナ装置（１０）において、給電パターン（２５）は、上面（１０ｕ）と底面（１０ｄ）の両面上に形成されても良いし、上面（１０ｕ）および底面（１０ｄ）のどちらか一方の片面上に形成されても良い。給電パターン（２５）は、給電点（１７）から右側面（１０ｒｓ）および左側面（１０ｌｓ）へそれぞれ所定の角度で広がる給電右側テーパ部（２５２）および給電左側テーパ部（２５３）を持つ給電逆三角形部分（２５−１）と、この給電逆三角形部分の上辺に底辺が接する給電半円形部分（２５−２）とから構成されて良い。

本発明の第２の態様によれば、上面（１０ｕ）を持つ上側誘電体（１１）と、底面（１０ｄ）を持つ下側誘電体（１３）と、上側誘電体と下側誘電体との間に挟まれた導体パターン（１５Ａ）とから構成されたアンテナ装置（１０Ａ）であって、導体パターン（１５Ａ）は、前面（１０ｆ）の略中央部に設けられた給電点（１７）から所定のギャップを空けて離間した頂点（１５１）を持ち、この頂点から右側面（１０ｒｓ）および左側面（１０ｌｓ）へそれぞれ所定の角度で広がる導体右側テーパ部（１５２）および導体左側テーパ部（１５３）を持つ導体逆三角形部分（１５−１）と、この導体逆三角形部分の上辺に底辺が接する導体矩形部分（１５−３）とから構成されており、ＵＷＢ用アンテナ（１０Ａ）は、給電点（１７）に接続された給電パターン（２５Ａ）を更に含み、給電パターン（２５Ａ）は、導体パターン（１５Ａ）の導体逆三角形部分（１５−１）の寸法を小さくしたような形状を有し、給電パターンからの導体パターンに対する給電を電磁結合によって行うことを特徴とするアンテナ装置が得られる。

上記本発明の第２の態様によるアンテナ装置（１０Ａ）において、給電パターン（２５Ａ）は、上面（１０ｕ）と底面（１０ｄ）の両面上に形成されても良いし、上面および底面のどちらか一方の片面上に形成されても良い。給電パターン（２５Ａ）は、給電点（１７）から右側面（１０ｒｓ）および左側面（１０ｌｓ）へそれぞれ所定の角度で広がる給電右側テーパ部（２５２）および給電左側テーパ部（２５３）を持つ給電逆三角形部分から構成されて良い。

尚、上記括弧内の符号は、本発明の理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、これらに限定されないのは勿論である。

本発明では、２枚の誘電体で導体パターンを挟み、この導体パターンは、給電点からギャップを介して離間した頂点と、この頂点から両側に所定の角度で広がるテーパ部とを持ち、給電点に接続された給電パターンから導体パターンに対して電磁的結合によって給電を行っているので、直接給電の場合に比較してマッチング特性が向上し、リターンロスを小さくすることができるという効果を奏する。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係るＵＷＢ用アンテナ１０について説明する。図１において、（ａ）はＵＷＢ用アンテナ１０の斜視図、（ｂ）はＵＷＢ用アンテナ１０の平面図であり、（ｃ）はＵＷＢ用アンテナ１０の縦断面側面図である。

ＵＷＢ用アンテナ１０は、全体の外観が、長さ（縦）Ｂ、幅（横）Ｗ、厚さＴを持つ直方体（矩形板）の形状をしている。図示の例では、長さＢが２２．８ｍｍ、幅Ｗが２１．６ｍｍ、高さＴが０．８ｍｍである。

ＵＷＢ用アンテナ１０は、上面１０ｕ、底面１０ｄ、前面１０ｆ、背面１０ｂ、右側面１０ｒｓ、および左側面１０ｌｓを持つ。

ＵＷＢ用アンテナ１０は、上面１０ｕを持つ上側矩形誘電体１１と、底面１０ｄを持つ下側矩形誘電体１３と、上側矩形誘電体１１と下側矩形誘電体１３との間に挟まれた導体パターン１５とを有する。上側矩形誘電体１１および下側矩形誘電体１３の各々は、長さＢ、幅Ｗ、高さＴ／２を持つ。導体パターン１３は、例えば、銀ペースト等の材料から作られ、その厚さは約８μｍである。

また、上側矩形誘電体１１および下側矩形誘電体１３は比誘電率εｒを持つ。図示の例では、比誘電率εｒは４．４である。上側矩形誘電体１１および下側矩形誘電体１３は、例えば、セラミック板で構成される。

導体パターン１５は、前面１０ｆの略中央部に設けられた給電点１７から所定のギャップを空けて離間した頂点１５１を持ち、この頂点１５１から右側面１０ｒｓおよび左側面１０ｌｓへそれぞれ所定の角度で広がる導体右側テーパ部１５２、導体左側テーパ部１５３を持つ。図示の例では、所定の角度は４５°である。

図１では、給電点１７を原点とした、互いに直交するｘ軸方向、ｙ軸方向、およびｚ軸方向を示してある。ｘ軸方向は上下方向、ｙ軸方向は左右方向、ｚ軸方向は前後方向を示している。

図示の導体パターン１５は、前面１０ｆ側に形成された導体逆三角形部分１５−１と、背面１０ｂ側に形成された導体半円形部分１５−２とから構成されている。導体逆三角形部分１５−１の上辺と、導体半円形部分１５−２の底辺とが互いに接している。導体半円形部分１５−２は、半径Ｓを持ち、導体逆三角形部分１５−１は、高さ（Ｂ−Ｓ）を持つ。図示の例では、半径Ｓが１０．８ｍｍである。

給電点１７には、縦ｇで幅Ｗのグランド部品２０が電気的に接続される。図示の例では、縦ｇは４．８ｍｍである。

図示のＵＷＢ用アンテナ１０は、給電点１７に接続された給電パターン２５を更に含む。すなわち、この給電パターン２５からの導体パターン１５に対する給電を電磁結合によって行っている。換言すれば、ギャップ給電を行っている。すなわち、給電パターン２５と導体パターン１５とは、Ｔ／２のギャップを介して離間しており、導体パターン１５と給電パターン２５との重なり合った部分で給電が行われる。この部分がコンデンサのように容量を持ち、給電パターン１５に給電が行われる。

図示の給電パターン２５は、上面１０ｕ上および底面１０ｄ上の両面上に形成されている。しかしながら、給電パターン２５は、上面１０ｕ上又は底面１０ｄ上のどちらか一方の片面上にのみ形成されても良い。

また、図示の給電パターン２５は、実質的に導体パターン１５を小型化した形状（すなわち、導体パターン１５の寸法を小さくした形状）をしている。詳述すると、給電パターン２５は、給電点１７から右側面１０ｒｓおよび左側面１０ｌｓへそれぞれ所定の角度で広がる給電右側テーパ部２５２、給電左側テーパ部２５３を持つ。給電パターン２５は、前面１０ｆ側に形成された給電逆三角形部分２５−１と、この給電逆三角形部分２５−１の上辺に底辺が接続する給電半円形部分２５−２とから構成される。

なお、図示の例では、グランド部品２０とＵＷＢ用アンテナ１０とを合わせた縦寸法Ｈ_１は２４．４ｍｍである。また、給電パターン２５の縦寸法Ｈ_２は７．６ｍｍである。ＵＷＢ用アンテナ１０とグランド部品２０との間の間隔ｄは０．８ｍｍである。

図２に図１に示したＵＷＢ用アンテナ１０の各種寸法やパラメータを纏めて示す。

図３に直接給電型のＵＷＳ用アンテナ、給電パターン２５を１枚だけ設けたギャップ給電型のＵＷＳ用アンテナ、および図１に図示したような給電パターン２５を２枚設けたギャップ給電型のＵＷＳ用アンテナ１０のアンテナ特性を示す。図３において、横軸は周波数（ＧＨｚ）を示し、縦軸はＳパラメータのＳ１１（ｄＢ）を示す。

ここで、Ｓパラメータは、下記の数１のように定義される。

ここで、ａ１、ａ２は入力電圧、ｂ１、ｂ２は反射電圧である。数１からＳ１１およびＳ２１は、数１でａ２＝０とすることによって求められ、Ｓ１２およびＳ２２は、数１でａ１＝０とすることによって求めることができる。Ｓ１１とＳ２２は反射特性を表し、Ｓ１２とＳ２１は通過特性を表す。このように、Ｓパラメータは入力電圧、反射電圧の比で表現されるため、マイクロ波帯でも容易にパラメータを求めることができる。

すなわち、ＳパラメータのＳ１１は反射係数を表している。反射係数Ｓ１１が小さい程、アンテナとしてマッチングがとれていることを示す。なお、反射係数Ｓ１１はリターンロスとも呼ばれる。

図３から、周波数が約３ＧＨｚ以上において、直接給電の場合よりもギャップ給電の方がリターンロスが小さいことが分かる。また、給電パターン２５を１枚設けたギャップ給電よりも、給電パターン２５を２枚設けたギャップ給電の方がリターンロスが小さくなっていることが分かる。

図４を参照して、本発明の第２の実施の形態に係るＵＷＢ用アンテナ１０Ａについて説明する。図４はＵＷＢ用アンテナ１０Ａの斜視図である。

図示のＵＷＢ用アンテナ１０Ａは、導体半円形部分１５−２の代わりに導体矩形部分１５−３を有する導体パターン１５Ａを使用するとともに、略扇形の給電パターン２５の代わりに逆三角形の給電パターン２５Ａを使用している点を除いて、図１に示したＵＷＢ用アンテナ１０と同様の構成を有する。すなわち、給電パターン２５Ａは、給電点１７から右側面１０ｒｓおよび左側面１０ｌｓへそれぞれ所定の角度で広がる給電右側テーパ部２５２および給電左側テーパ部２５３を持つ給電逆三角形部分から構成されている。

このような構成を有するＵＷＢ用アンテナ１０Ａでも、本発明者らは、図１に示されたＵＷＢ用アンテナ１０と同様のアンテナ特性が得られることを確認している。

以上、本発明について好ましい実施の形態によって説明してきたが、本発明は上述した実施の形態に限定しないのは勿論である。

本発明の第１の実施の形態に係るＵＷＢ用アンテナの構成を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は縦断面側面図である。 図１に示したＵＷＢ用アンテナの各種寸法やパラメータを纏めて示す図である。 直接給電型のＵＷＳ用アンテナ、給電パターンを１枚設けたギャップ給電型のＵＷＳ用アンテナ、および図１に図示したような給電パターンを２枚設けたギャップ給電型のＵＷＳ用アンテナのアンテナ特性を示す特性図である。 本発明の第２の実施の形態に係るＵＷＢ用アンテナの構成を示す斜視図である。

符号の説明

１０、１０Ａ ＵＷＢ用アンテナ
１１ 上側矩形誘電体
１３ 下側矩形誘電体
１５、１５Ａ 導体パターン
１５１ 頂点
１５２ 導体右側テーパ部
１５３ 導体左側テーパ部
１５−１ 導体逆三角形部分
１５−２ 導体半円形部分
１５−３ 導体矩形部分
１７ 給電点
２５、２５Ａ 給電パターン
２５２ 給電右側テーパ部
２５３ 給電左側テーパ部
２５−１ 給電逆三角形部分
２５−２ 給電半円形部分

Claims (8)

1. 上面を持つ上側誘電体と、底面を持つ下側誘電体と、前記上側誘電体と前記下側誘電体との間に挟まれた導体パターンとを有するアンテナ装置であって、
   前記導体パターンは、前面の略中央部に設けられた給電点から所定のギャップを空けて離間した頂点を持ち、該頂点から右側面および左側面へそれぞれ所定の角度で広がる導体右側テーパ部および導体左側テーパ部を持つ導体逆三角形部分と、該導体逆三角形部分の上辺に底辺が接する導体半円形部分とから構成されており、
   前記アンテナ装置は、前記給電点に接続された給電パターンを更に含み、前記給電パターンが、前記導体パターンの寸法を小さくしたような形状を有し、前記給電パターンからの前記導体パターンに対する給電を電磁結合によって行うことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記給電パターンが、前記上面と前記底面の両面上に形成されている、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記給電パターンが、前記上面および前記底面のどちらか一方の片面上に形成されている、請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記給電パターンは、前記給電点から前記右側面および前記左側面へそれぞれ前記所定の角度で広がる給電右側テーパ部および給電左側テーパ部を持つ給電逆三角形部分と、該給電逆三角形部分の上辺に底辺が接する給電半円形部分とから構成されている、請求項１に記載のアンテナ装置。
5. 上面を持つ上側誘電体と、底面を持つ下側誘電体と、前記上側誘電体と前記下側誘電体との間に挟まれた導体パターンとから構成されたアンテナ装置であって、前記導体パターンは、前面の略中央部に設けられた給電点から所定のギャップを空けて離間した頂点を持ち、該頂点から右側面および左側面へそれぞれ所定の角度で広がる導体右側テーパ部および導体左側テーパ部を持つ導体逆三角形部分と、該導体逆三角形部分の上辺に底辺が接する導体矩形部分とから構成されており、
   前記アンテナ装置は、前記給電点に接続された給電パターンを更に含み、前記給電パターンが、前記導体パターンの前記導体逆三角形部分の寸法を小さくしたような形状を有し、前記給電パターンからの前記導体パターンに対する給電を電磁結合によって行うことを特徴とするアンテナ装置。
6. 前記給電パターンが、前記上面と前記底面の両面上に形成されている、請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 前記給電パターンが、前記上面および前記底面のどちらか一方の片面上に形成されている、請求項５に記載のアンテナ装置。
8. 前記給電パターンは、前記給電点から前記右側面および前記左側面へそれぞれ前記所定の角度で広がる給電右側テーパ部および給電左側テーパ部を持つ給電逆三角形部分から構成されている、請求項５に記載のアンテナ装置。

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