JP4131976B2 - 一方向の放射パターンを有する小型超広帯域アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、小型超広帯域のアンテナに関し、詳細には一方向の放射パターンを有する小型超広帯域のアンテナに関する。

アンテナとは、電気的な信号を所定の電磁気波に変換し自由空間へ放射したり、その反対の動作を行う部品のことを意味する。また、超広帯域（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ―Ｂａｎｄ、ＵＷＢ）技術はＲＦ搬送波を使用せずに、インパルス信号を直接送受信する無線伝送技術を指す。超広帯域アンテンは３.１〜１０.６ＧＨｚの周波数帯域が用いられてインパルス信号を送受信することのできるアンテナである。

係る超広帯域技術は、既存の狭帯域の通信とは異なって、極めて広い周波数帯域を使用して超低電力で高速データを伝送する通信方法である。従って、現在急速に発展している携帯用通信機器などに適用されている。
現在開発中の携帯用通信機器に使用されるアンテナは、超広帯域信号の送受信ができること、一方向放射パターンであること、超小型であることの条件が求められる。放射パターンとは、アンテナが電磁気波を複写あるいは検知できる有効領域の形態を意味する。携帯用通信機器においては基地局方向にのみ放射パターンが形成されれば通信が可能なので、一方向の放射パターンである必要がある。

図１は公知技術であるヴィバルディー（Vivaldi）アンテナの構成を示す模式図である。同図によると、給電部１１、励起部１２、スロット１３、ダイポール放射体１４、これを支持する基板１５を有する。係るヴィバルディーアンテナの構造は、特許文献１（米国特許第５４２８３６４号）のような先行特許にて言及されている。給電部１１により外部電磁気エネルギーが供給されると、励起部１２が励起される。これによって、給電線１１に沿って伝送された電磁気エネルギーは、その幅が次第に広がるスロット１３に伝達される。伝達された電磁気エネルギーはスロット１３の右側の終端にて空気中の電磁気波に変換されて矢印の一方向へ放射される。

このようなヴィバルディーアンテナは超広帯域における信号の送受信が可能であり、一方向の放射パターンを有する特性を持つ。しかし、所望するような全周波数帯域の放射特性を確保し、外部ソースから供給された電磁気エネルギーを損失なしに伝送するためには、インピーダンスマッチングを行なわなければならない。インピーダンスマッチングのためには、波長が長いほどアンテナのサイズも増大させなければならない。結果的に、低周波帯域の通信のためにアンテナのサイズが大きくなってしまい、小型化に不適であるという問題を抱えている。

図２は基板型ダイポールアンテナの構成を示す模式図である。同図によると、基板型ダイポールアンテナは、基板２１、第１放射体２２、第２放射体２３ａ，２３ｂ，給電体２４、信号供給部２５を含んでいる。図２の構造は、特許文献２（米国特許第６６４２９０３号）に公開されている通りであって、その詳説は除く。
図２の基板型ダイポールアンテナによると、第１放射体２２、第２放射体２３ａ，２３ｂを広い平面型の導体として形成し、基板２１上に積層することによって、広帯域アンテナを具現している。信号供給部２５で供給された電磁気エネルギーは給電体２４に印加される。給電体２４の両側に形成される間隙２６ａ、２６ｂは給電領域３０を形成する。これによって、給電された電磁気エネルギーは、第１放射体２２および第２放射体２３ａ、２３ｂにより電磁気波に変換されてから、矢印方向に放射される。このような基板型ダイポールアンテナは超広帯域の信号伝送が可能であり、比較的小型に製造できるものの、一方向の放射パターンを有しないという問題点がある。

一方、前述のヴィバルディーアンテナ、基板型ダイポールアンテナ以外にも、非特許文献１（Ｗｅｉｇａｎｄなどが２００３年３月の論文（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ.Ａｎｔｅｎｎａｓ Ｐｒｏｐａｇａｔ.ｖｏｌ.５１、ｎｏ.３）で発表した「マイクロストリップパッチアンテナ（Microstrip Patch Antenna）」）などにより知られている。しかし、マイクロストリップパッチアンテナは一方向の放射パターンを有し超小型製造が可能であるが、狭い帯域幅を有する問題点がある。
米国特許第５４２８３６４号公報 米国特許第６６４２９０３号公報 Ｗｅｉｇａｎｄ、マイクロストリップパッチアンテナ（Microstrip Patch Antenna）、２００３年３月、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ.Ａｎｔｅｎｎａｓ Ｐｒｏｐａｇａｔ.ｖｏｌ.５１、ｎｏ.３

本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、ループ放射体およびダイポール放射体を用いて設計することによって、超小型で具現することができると共に一方向の放射パターンを有し、且つ超広帯域周波数帯域にて使用できる小型超広帯域アンテナを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の一実施形態による超広帯域アンテナは、基板と、前記基板の上部表面上に製造され、外部電磁気エネルギーの供給を受ける給電部と、前記給電部を介して給電された前記電磁気エネルギーにより励起され、電磁気波を放射するダイポール放射体（ｄｉｐｏｌｅ ｒａｄｉａｔｏｒ）と、前記ダイポール放射体により放射される電磁気波を干渉し、一方向の放射パターンを有するようにするループ放射体（ｌｏｏｐ ｒａｄｉａｔｏｒ）とを含む。

好ましくは、前記給電部は、前記基板上部の表面上に製造され、前記電磁気エネルギーの供給を受ける信号端子と、前記基板の上部表面上で前記信号端子を基準にして両側に配置され、コプレナ導波路（ｃｏｐｌａｎａｒ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）構造を形成する第１および第２グラウンド端子とを含む構成とする。
また、好ましくは、前記ループ放射体は、前記給電部を介して給電される電磁気エネルギーにより励起され、前記ダイポール放射体により前記基板の一方に放射される電磁気波を補強し、前記基板の他方に放射される電磁気波を相殺することで、前記一方向の放射パターンを有するようにする能動型ループ放射体（ａｃｔｉｖｅ ｌｏｏｐ ｒａｄｉａｔｏｒ）を含む構成とする。

更に、好ましくは、前記ループ放射体は、前記ダイポール放射体および前記能動型ループ放射体により誘導される誘導電磁気エネルギーにより励起されることによって、前記ダイポール放射体によって前記基板の一方に放射される電磁気波を補強し、前記基板の他方に放射される電磁気波を相殺する少なくとも１つの受動型ループ放射体（ｐａｓｓｉｖｅ ｌｏｏｐ ｒａｄｉａｔｏｒ）を更に含む構成とする。

更に、好ましくは、前記能動型ループ放射体及び前記受動型ループ放射体により生成される電場の位相と前記ダイポール放射体により生成される電場の位相とを相互マッチングさせる遅延部を更に含む構成とする。
この場合、前記遅延部は、前記基板の上部表面上で前記給電部及び前記ダイポール放射体を連結する形態で製造され、前記電磁気エネルギーが前記ダイポール放射体に供給される時点を遅延させる構成とすることが好ましい。

一方、前記能動型ループ放射体、前記ダイポール放射体、前記遅延部及び前記受動型ループ放射体は、前記基板の上部表面上で前記給電部と同一平面に位置することが好ましい。
この場合、前記給電部、前記能動型ループ放射体、前記ダイポール放射体、前記遅延部及び前記受動型ループ放射体は、前記基板の上部表面上に積層された金属膜をパターニングし製造することができる。

好ましくは、前記能動型ループ放射体は、一端が前記信号端子と接続され、他端が前記第１グラウンド端子と接続された構造を有する構成である。
また、好ましくは、前記ダイポール放射体は、前記基板の上部表面上で、前記基板の一方に向って所定の角度斜め状態で配置される第１極と、前記基板の上部表面上で、前記第１極と所定の角度斜め状態で配置される第２極とを含む構成である。

更に、好ましくは、前記ダイポール放射体は、前記第１極が前記信号端子と接続され、前記第２極が前記第２グラウンド端子と接続された構造を有する。
また、好ましくは、本超広帯域アンテナは、前記第１および第２グラウンド端子に逆流する電流を遮断する少なくとも１つのスロットを更に含む。
好ましくは、前記ダイポール放射体は、前記信号端子と接続された第１極と、前記第２グラウンド端子と接続された第２極と、前記ダイポール放射体を励起する第１スロットラインとを含む。

この場合、前記第１スロットラインの一端は前記給電部と接続され、前記第１スロットラインの他端は前記ダイポール放射体の入力部を形成し、前記第１極および第２極の間隔は、前記入力部を基点にして次第に広がる形態で実現可能である。
一方、前記ループ放射体は、一端が前記信号端子と接続され、他端は前記第１グラウンド端子と接続され、前記信号端子を介して給電される電磁気エネルギーにより励起されることによって、前記ダイポール放射体により放射される電磁気波のうち、一方向に放射される電磁気波を補強し、他方向に放射される電磁気波を相殺する能動型ループ放射体を含む。

更に、好ましくは、前記ループ放射体は、前記ダイポール放射体および前記能動型ループ放射体により誘導される誘導電磁気エネルギーにより励起されることによって、前記ダイポール放射体によって放射される電磁気波のうち、一方向に放射される電磁気波を補強し、他方向に放射される電磁気波を相殺する少なくとも１つの受動型ループ放射体を更に含む構成である。

この場合、前記能動型ループ放射体は、前記能動型ループ放射体を励起させる第２スロットラインと、前記第２スロットラインと接続され、前記第２スロットラインと接続された部分を除いた残り面が閉面を形成するループとを含む。
一方、前記ダイポール放射体、前記給電部及び前記ループ放射体は、前記基板の表面上に積層された金属膜が所定の形でパターニングされ、前記第１極および第２極間の領域、前記信号端子および前記第１グラウンド端子間の領域、前記信号端子及び前記第２グラウンド端子間の領域、前記能動型ループ放射体のループ領域、前記受動型ループ放射体のループ領域に対応する基板の表面を露出させる方法により製造される。

一方、前記少なくとも１つのスロットは、前記ダイポール放射体を基準にして前記能動型ループ放射体の側面に製造される少なくとも１つの第１スロットを含む構成とすることができる。
この場合、前記少なくとも１つのスロットは、前記ダイポール放射体を基準にして前記受動型ループ放射体の側面に製造される少なくとも１つの第２スロットを更に含む構成とすることができる。

一方、上述した本実施形態において、前記基板は、縦長さが横長さより長い長方形の平板状とすることができる。
また、前記給電部は、前記基板の縦面の縁部に位置し、前記ダイポール放射体は前記給電部が位置した縦面の反対面に向う方向に配置され、給電方向と同じ方向に電磁気波を放射するように構成できる。

また、前記給電部は、前記基板の横面の縁部に位置し、前記ダイポール放射体は前記基板の縦面方向に配置され、給電方向と垂直方向に前記電磁気波を放射するように構成できる。
一方、前記基板は、可用周波数帯域の最小周波数がｆminであり、このｆminに当る自由空間の波長がλminであれば、横長さが0.2λminであり、縦長さが0.3λminである長方形平板で実現可能である。

また、前記第２スロットラインの特性インピーダンスは、前記第１スロットラインの特性インピーダンスの３ないし４倍に設定できる。
この場合、前記第２スロットラインの幅は、前記第１スロットラインの幅より広く設定できる。
好ましくは、前記第２スロットラインの形成された基板領域をエッチングして、前記第２スロットラインの特性インピーダンスを増加させるように構成できる。

一方、可用周波数帯域の最小周波数がｆminであり、このｆminに当る自由空間の波長がλminであれば、最小周波数状態における前記第１スロットラインの電気的な長さおよび第２スロットラインの電気的な長さの差は0.15λminである。
そして、可用周波数帯域の最小周波数がｆminであり、このｆminに当る自由空間の波長がλminであれば、前記少なくとも１つの第１スロット及び前記少なくとも１つの第２スロットの電気的な長さの差は0.2〜0.25λminである。

また、可用周波数帯域の最小周波数がｆminであり、このｆminに当る自由空間の波長がλminである状態において、前記基板の横長さが0.2λminであり、縦長さが0.3λminである長方形平板に製造された場合、前記給電部が前記基板の一側縦面の縁部に配置され、前記受動型ループアンテナは前記基板の横面の縁部のうち前記給電部が配置された縦面から0.05〜0.067λmin離間した位置に製造されることが好ましい。

本発明によるアンテナは、一方向の放射パターンを有すると同時に、超広帯域の通信が可能であり、小型に具現できる。結果的に、現在開発されている各種の携帯用通信機器にて容易に適用することができる。また、基板上に単一金属膜を積層した後、これをパターニングすることにより製造することができ、その製造工程も容易である。特に、同一サイズの従来における超広帯域のアンテナに比べて、アンテナ利得も向上することができる。そして、少なくとも１つのスロットを加えることで、電流漏れを抑え放射パターンが歪曲することを防止できる。

以下、添付の図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳述する。

図３は本発明の一実施の形態に係る超広帯域アンテナの構成を示す模式図である。同図によると、本超広帯域アンテナは、給電部１１０、能動型ループ放射体１２０およびダイポール放射体（ｄｉｐｏｌｅ ｒａｄｉａｔｏｒ）１３０を含んでなる。
給電部１１０は、外部端子と接続されて電磁気エネルギーの供給を受け、後端に伝達する給電作用を行う。このため、給電部１１０は、信号端子１１１およびグラウンド端子１１２ａ、１１２ｂを有する。一方、給電部１１０は、グラウンド端子１１２ａ、１１２ｂが信号端子１１１と同一平面上に位置するコプレナ導波路（ｃｏｐｌａｎａｒ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）構造で製造されることが好ましい。コプレナ導波路構造が、ＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）やＭＩＣ（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を具現するのに有効であるからである。また、グラウンド端子１１２ａ、１１２ｂは、信号端子を隔てて両側に配置される第１グラウンド端子１１２ａおよび第２グラウンド端子１１２ｂに区分付けられる。

一方、能動型ループ放射体１２０はその一端が給電部１１０の信号端子１１１と接続され、他端が第１グラウンド端子１１２ａと接続されている。これにより、信号端子１１１により入力された電磁気エネルギーは第１グラウンド端子１１２ａの方向に伝導される。これによって、超広帯域アンテナを中心にしてオムニ方向（ｏｍｎｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）放射パターンを有することになる。

ダイポール放射体１３０は、第１極１３１および第２極１３２から構成される。ダイポール放射体１３０は、この超広帯域アンテナの一方および他方に同一極性の電磁気波を放射する。ダイポール放射体１３０で放射される電磁気波によって生成される電場の極性は、基板の一方および他方で互いに同一方向である。この場合、基板の一方（図３の場合、右側）に形成された電場は、能動型ループ放射体１２０から放射される電磁気波により生成される電場と同一極性を有するので補強される。一方、基板の他方（図３の場合、左側）に形成された電場は、能動型ループ放射体１２０から放射される電磁気波により生成される電場と反対極性を有しており相殺される。結果的に、基板の一方でのみ電場が生成される一方向（ｕｎｉ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）の放射パターンが形成される。

図４は図３の超広帯域アンテナに対して線分ａで切断した場合の断面図である。同図によると、この超広帯域アンテナは基板１００により支持される。給電部１１０を構成する信号端子１１１、第１および第２グラウンド端子１１２ａ、１１２ｂはコプレナ導波路構造で構成される。
図５は図３の超広帯域アンテナに対して線分ｂで切断した場合の断面図である。同図によると、能動型ループ放射体１２０、ダイポール放射体１３０は、基板１００上の表面で給電部１１０と同一平面に位置する。また、ダイポール放射体１３０の第１極１３１は能動型ループ放射体１２０の一部になる。

図４および図５に示す構造を有する超広帯域アンテナは、基板１００上に所定の金属膜を積層してからエッチングを行いパターニングすることにより製造される。つまり、金属膜に図３のパターンに基づいて製造されたフォトレジスト膜を積層したあと、エッチング液あるいはエッチングガスを投入することで、給電部１１０、能動型ループ放射体１２０、ダイポール１３０を一元に製造できる。

図６は本超広帯域アンテナが一方向の放射パターンを有する原理について説明するための模式図である。同図は、超広帯域アンテナを基準にして所定の距離離れた遠方領域に生成される電場の極性を示す。同図によると、ダイポール放射体１３０によって基板１００の一方および他方で生成される電場はそれぞれ下端に向う。即ち、同一極性の電場が生成される。一方、能動型ループ放射体１２０により基板１００の一方に生成される電場は下端、他方に生成される電場は上端に向う。つまり、相異なる電場が生成されるのである。

結果的に、能動型ループ放射体１２０およびダイポール放射体１３０を組み合せて超広帯域アンテナ３００を具現すると、一方に生成される電場は補強され、他方に生成される電場は相殺される。これにより基板の一方に一方向の放射パターンが形成される。
図７は本発明の他の実施形態に係る超広帯域アンテナの構成を示す模式図である。同図によると、超広帯域アンテナは、給電部２１０、能動型ループ放射体２２０、ダイポール放射体２３０、その他に受動型ループ放射体２４０および遅延部２５０を更に含む。

受動型ループ放射体２４０は、第２グラウンド端子２１２ｂと接続された金属膜部分にて形成される。これにより、給電部２１０から電磁気エネルギーの供給を受けず、能動型ループ放射体２２０およびダイポール放射体２３０が励起されることによって誘導される誘導電磁気エネルギーが給電される。即ち、受動型ループ放射体２４０もオムニ方向の放射パターンで電磁気波を放射する。受動型ループ放射体２４０のサイズ、位置などを調整し、超広帯域アンテナの放射パターンを最適状態に調整できる。即ち、受動型ループ放射体２４０により生成される電場が、ダイポール放射体２３０により基板の一方および他方に生成される電場を補強および相殺する。図７において受動型ループ放射体２４０が１つだけ図示されているが、実施の形態により複数具現することもできる。

一方、ダイポール放射体２３０を構成している第１極２３１は信号端子２１１と接続される。第２極２３２は第２グラウンド端子２１２ｂと接続される。なお、第１および第２極２３１，２３２が分岐する領域は、給電部２１０と一定の距離離間した位置において遅延部２５０を具現する。これによって、遅延部２５０はダイポール放射体２３０に供給される電磁気エネルギーの供給時点を遅延する役割をする。これによって能動型および受動型ループ放射体２２０、２４０により生成される電場、およびダイポール放射体２３０により生成される電場の位相を同一に合わせることによって、電場補強および相殺がなされる。

図８は本発明の他の実施形態に係る超広帯域に係る超広帯域アンテナの構成を示す模式図である。同図に係る超広帯域アンテナは、給電部３１０、能動型ループ放射体３２０、ダイポール放射体３３０、受動型ループ放射体３４０および遅延部３５０の形態および位置が図７とは異なる。金属膜をパターニングする形態を変更することによって、図８のような構造で製造できる。同図によると、受動型ループ放射体３４０が給電部３１０の第２グラウンド端子３１２ｂと接続されず、第１グラウンド端子３１２ａに製造され、ダイポール放射体３３０の上部に製造される。一方、図８の超広帯域アンテナの動作および動作原理は図７における超広帯域アンテナと同一であるのでその詳説は除く。

図９は本発明の他の実施形態に係る超広帯域アンテナの構成を示す模式図である。同図に係る超広帯域アンテナは、給電部４１０、能動型ループ放射体４２０、ダイポール放射体４３０、受動型ループ放射体４４０を含む。各構成要素は基板上に積層された金属膜をパターニングすることにより一元的に製造される。即ち、図９の斜線部分を除いた部分は基板の上部表面を示す。よって、図９の各構成要素は、ダイポール放射体４３０の第１極４３３側の金属膜と第２極４３４側の金属膜上に区分され製造される。つまり、同図によると、能動型ループ放射体４２０は第１極４３３側の金属膜上に製造され、受動型ループ放射体４４０は第２極４３４側の金属膜上に製造される。

給電部４１０は、信号端子４１１、第１グラウンド端子４１２ａ、第２グラウンド端子４１２ｂを含む。図９には図示されていないが、給電部４１０には給電ケーブルが装着されたコネクターを接続することができる。同図において信号端子４１１、第１グラウンド端子４１２ａ、第２グラウンド端子４１２ｂで表示された部分はコネクタ上の信号ライン、グラウンドラインとそれぞれ接続される部分を意味する。

一方、信号端子４１１および第２グラウンド端子４１２ｂ間の空間と、第１極４３３および第２極４３４間の空間は第１スロットライン４３２を形成する。第１スロットライン４３２は、給電時にダイポール放射体４３０を励起する役割をする。第１スロットライン４３２の一端は給電部４１０に接続され、他端はダイポール放射体４３０の入力部４３１と接続される。第１極４３３および第２極４３４は入力部４３１を基点にして互いの間隔が次第に広くなる形状で分岐する。第１極４３３および第２極４３４が分岐する方向は、基板上で給電部４１０が位置する面の反対面に向う方向、即ち、給電が行われる方向である。

第１スロットライン４３２のうち所定部分、つまり図９における入力部４３１方向に曲げられた部分は、図７および図８の超広帯域アンテナに設けられた遅延部２５０、３５０と同様の動作をする。
一方、能動型ループアンテナ４２０は、第２スロットライン４２２およびループ４２３を含む。第２スロットライン４２２は信号端子４１１および第１グラウンド端子４１２ａ間の空間を意味する。第２スロットライン４２２は能動型ループアンテナ４２０を励起する。第２スロットライン４２２の一端は給電部４１０と接続される。ループ４２３は第２スロットライン４２２と接続された部分を除いた残り部分が閉面を形成する。第２スロットライン４２２とループ４２３の接続部分は能動型ループアンテナ入力部４２１となる。つまり、第２スロットライン４２２の他端は能動型ループアンテナ入力部４２１を形成する。

第１スロットライン４３２の幅ｗ１、第２スロットライン４２２の幅ｗ２のサイズは、第１および第２スロットライン４３２，４２２の特性インピーダンスと比例する。即ち、幅が広いほど特性インピーダンスの値が増大する。このような点に基づいて、第１および第２スロットライン４３２，４２２間の特性インピーダンス比率を調整しアンテナ特性を最適化することができる。詳細には、第２スロットライン４２２の特性インピーダンスが第１スロットライン４３２の特性インピーダンスの３ないし４倍になるよう具現することができる。これにより、第２スロットライン４２２の特性インピーダンスを増大させるために、ｗ１のサイズを増大させる。この場合、ｗ１が大きすぎれば、第２グラウンド端子４１２ａが給電部４１０の範囲、即ち、コネクタの接続された部分から離れる恐れがある。この場合、ｗ１を維持した状態で第２スロットライン４２２に対応する基板領域をエッチングし、第２スロットライン４２２の断面積を広げる方式により、特性インピーダンスを増大させることができる。

一方、図９の超広帯域アンテナにて使用された基板は、長方形の平板状の誘電体基板により具現することができる。誘電体基板の縦長さおよび横長さは超広帯域アンテナの使用分野および目的によって任意に設定できる。
詳細には、可用周波数帯域の最小周波数がｆminであり、このｆminに該当する自由空間波長がλminであれば、基板の横長さは0.2λmin、縦長さは0.3λminとして設定できる。また、図９に示したように、給電部４１０が左側の縦面の縁部に配置され、ダイポール放射体４３０の第１および第２極４３３，４３４は給電部４１０の反対位置（即ち、図面において右側方向）に次第に拡大される形態で配置され、受動型ループアンテナ４４０は能動型ループアンテナ４２０の反対側の金属膜上に製造される。そして、受動型ループアンテナ４４０は、基板の横面の縁部のうち給電部４１０が製造された縦面から0.05〜0.067λmin程度離れた位置に製造することが好ましい。

更に、最小周波数条件における第１スロットライン４３２の電気的な長さおよび第２スロットライン４２２の電気的な長さ間の差は、ほぼ0.15λminとすることが好ましい。例えば、ｆminが3.2ＧＨｚであれば、誘電体上でｆminに応じる波長λminは3.2ｃｍである。従って、この場合の第１および第２スロットライン４３２，４２２間の長さの差はほぼ５ｍｍ程度となる。

図１０は図９の超広帯域アンテナのＶＳＷＲ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ）特性を示したグラフである。同図において、横軸は周波数ｆ〔ＧＨｚ〕、縦軸はＶＳＷＲである。ＶＳＷＲ値が２未満であれば、入力電力の９０％以上を電磁気波で放射することができる。同図のグラフによると、図９の超広帯域アンテナはほぼ2.9〜10.8ＧＨｚの周波数帯域で使用することができるので、超広帯域の通信が可能である。

図１１は図９における超広帯域アンテナのアンテナ利得特性を示すグラフである。同図において、横軸は周波数ｆ〔ＧＨｚ〕、縦軸は利得Ｇ〔ｄＢ〕である。同図によると、３〜10.5ＧＨｚ周波数帯域での平均利得はほぼ3.8ｄＢｉとして高い。特に、6.5〜9.5ＧＨｚ周波数帯域では４ｄＢｉ以上となる。アンテナの利得が大きいということは放射パターンの方向性が明確になることを意味する。つまり、図１１の利得特性は、図９における超広帯域アンテナは特定方向にもっと強い電磁気波を放射する一方向の放射パターンを有していることが分かる。

図１２は本発明の更なる実施形態に係るスロットが加えられた超広帯域アンテナの構成を示す模式図である。同図による超広帯域アンテナは、給電部５１０、能動型ループ放射体５２０、ダイポール放射体５３０、受動型ループ放射体５４０、それ以外にスロット５５０が加えて設けられる。
同図の超広帯域アンテナによると、給電部５１０が基板の横面の縁部に配置し、ダイポール放射体５３０は左側に向って配置される。これにより、電磁気波のメイン放射方向は給電方向に対して垂直方向となる。一方、図８の超広帯域アンテナにおいても給電方向と放射方向が垂直に形成されているが、図１２の超広帯域アンテナは図８の超広帯域アンテナに比べて放射方向が反対になっていることが分かる。

能動型ループ放射体５２０および受動型ループ放射体５４０は、ダイポール放射体５３０を基準にして両側の金属膜上に製造される。この場合、能動型ループ放射体５２０の一端は給電部５１０内の信号端子５１１と接続され、他端は給電部５１０内の第１グラウンド端子５１２ａと接続される。この際、能動型ループ放射体５２０に流れる電流は、第１グラウンド端子５１２ａに逆流して漏れてしまう恐れがある。漏れ電流が発生すると放射パターンが給電ケーブルの方向に向って斜めになる問題が生じ得る。

よって、図１２に示したように、スロット５５０を能動型ループ放射体５２０の周辺に製造すると、信号端子５１１を介して流入し、基板の縁部の金属膜に沿って流れる電流が第１グラウンド端子５１２ａに逆流することを前もって遮断することができる。これにより電流の漏れを抑えることができる。
その他、ダイポール放射体５３０を構成している第１極５３３および第２極５３４、入力部５３１、第１スロットライン５３２、能動型ループ放射体５２０を構成する第２スロットライン５２２、ループ５２３、受動型ループ放射体５４０などの構造および動作原理は前述した実施形態と同一であるためその説明は除く。

図１３は本発明の更なる実施形態に係るスロットが加えられた超広帯域アンテナの構成を示す模式図である。同図によると、給電部６１０、能動型ループ放射体６２０、ダイポール放射体６３０、受動型ループ放射体６４０、その他複数のスロット６５０、６６０，６７０が加えて設けられる。
詳細には、能動型ループ放射体６２０の周りに２つのスロット６５０、６６０が製造され、受動型ループ放射体６７０の周りには１つのスロット６７０が製造される。本明細書では能動型ループ放射体６２０周りのスロット６５０，６６０を第１スロットと命名し、受動型ループ放射体６７０周りのスロット６７０を第２スロットと命名する。第１および第２スロット６５０，６６０，６７０の個数および長さは任意に調節できる。

好ましくは、各スロット６５０、６６０、６７０の電気的な長さを0.2λmin〜0.25λmin内の範囲で製造できる。
その他、ダイポール放射体５３０を構成する第１極６３３および第２極６３４、入力部６３１、第１スロットライン６３２、能動型ループ放射体６２０を構成する第２スロットライン６２２、ループ６２３、受動型ループ放射体６４０などの構造および動作の原理は前述した実施形態と同一であるのでその説明は除く。

図１４および図１５は、図１３の超広帯域アンテナの特性を測定したグラフである。即ち、基板の横＊縦＊幅は20ｍｍ＊30ｍｍ＊1.27ｍｍ、第１スロットライン６３２の電気的な長さおよび第２スロットライン６２２の電気的な長さ間の差は、ほぼ0.15λmin、各スロットの電気的な長さは0.2λmin〜0.25λmin程度であって、設計された超広帯域アンテナに対する実験結果を示す。

図１４は図１３の超広帯域アンテナのＶＳＷＲ特性を示すグラフである。同図によると、3.0〜10.7ＧＨｚ周波数帯域でＶＳＷＲが２未満である。従って、図１３のアンテナは超広帯域周波数帯域で使用できるアンテナであることが分かる。
図１５は図１３の超広帯域アンテナのアンテナ利得特性を示すグラフである。同図によると、3.0〜10.7ＧＨｚ周波数帯域での平均利得が略3.0ｄＢｉであることが分かる。よって、同図の超広帯域アンテナが一方向の放射パターンを有していることが分かる。

以上の実施形態で説明したように、本発明に係る超広帯域アンテナは能動型ループ放射体１２０，２２０，３２０，４２０、５２０、６２０およびダイポール放射体１３０，２３０，３３０，４３０，５３０，６３０の組み合わせからなる。各放射体の周波数特性をみると、ダイポール放射体１３０、２３０，３３０，４３０、５３０、６３０は低周波帯域でコンデンサーのように動作してから、一定の周波数ｆ１以上になると電磁気波を放射する。即ち、ｆ１以上の周波数帯域でのみアンテナとして動作するのである。一方、能動型ループ放射体１２０，２２０、３２０，４２０，５２０，６２０は低周波帯域でインダクターのように動作してから、一定の周波数ｆ２以上になると電磁気波を放射する。本発明によると、ダイポール放射体１３０，２３０，３３０，４３０，５３０，６３０および能動型放射体１２０，２２０、３２０，４２０，５２０，６２０を組み合わせた後、そのうち少なくとも１つの放射体のサイズを調整して臨界周波数をｆ１＝ｆ２に一致させる。このようにすると、周波数ｆ＜ｆ１＝ｆ２である領域において、ダイポール放射体１３０，２３０，３３０，４３０，５３０，６３０のコンデンサー成分と能動型ループ放射体１２０，２２０、３２０，４２０，５２０，６２０のインダクタンス成分とが互いに相殺される。これにより、 ｆ＜ｆ１＝ｆ２領域においても電磁気波の放射が行われる。この場合、図７，８，９，１２，１３に図示された通りに、受動型ループ放射体２４０、３４０，４４０，５４０，６４０を更に備えることによって放射特性をチューニングすることもできる。また、図１２、１３に示したように、スロット５５０、６５０、６６０、６７０を更に備えることによって放射パターンの歪曲を抑えることができる。

結果的に、アンテナのサイズを増大せずに、低周波帯域に至るまで動作することができるので、超広帯域の通信が可能になる。従って、本超広帯域のアンテナを使用すれば類似サイズの従来における超広帯域アンテナを使用するときより最大３ｄＢ向上された利得が獲得できる。
以上、図面に基づいて本発明の好適な実施形態を図示および説明してきたが本発明の保護範囲は、前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。

従来のヴィバルディーアンテナ（ｖｉｖａｌｄｉ ａｎｔｅｎｎａ）の構成を示す模式図である。 従来の基板型ダイポールアンテナの構成を示す模式図である。 本発明の一実施の形態に係る超広帯域アンテナの構成を示す模式図である。 図３のアンテナに対する断面図である。 図３のアンテナに対する断面図である。 図３の超広帯域アンテナで一方向の放射パターンの原理を説明するための模式図である。 本発明の実施形態に係る超広帯域アンテナの構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る超広帯域アンテナの構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る超広帯域アンテナの構成を示す模式図である。 図９の超広帯域アンテナのＶＳＷＲ（Ｖｏｌｔａｇｅ ＳｔａｎｄｉｎｇＷａｖｅ Ｒａｔｉｏ）特性を説明するためのグラフである。 図９の超広帯域アンテナのアンテナ利得特性を説明するためのグラフである。 本発明の他の実施形態に係るスロットの加えられた超広帯域アンテナの構成を示す模式図である。 本発明の他の実施形態に係るスロットの加えられた超広帯域アンテナの構成を示す模式図である。 図１３の超広帯域アンテナのＶＳＷＲ（Ｖｏｌｔａｇｅ ＳｔａｎｄｉｎｇＷａｖｅ Ｒａｔｉｏ）特性を説明するためのグラフである。 図１３の超広帯域アンテナのアンテナ利得特性を説明するためのグラフである。

符号の説明

１００ 基板
１１０，２１０，３１０，４１０，５１０，６１０ 給電部
１１１，２１１，３１１，４１１，５１１，６１１ 信号端子
１１２ａ，２１２ａ，３１２ａ，４１２ａ，５１２ａ，６１２ａ 第１グラウンド端子
１１２ｂ，２１２ｂ，３１２ｂ，４１２ｂ，５１２ｂ，６１２ｂ 第２グラウンド端子
１２０，２２０，３２０，４２０，５２０，６２０ 能動型ループ放射体
１３０，２３０，３３０，４３０，５３０，６３０ ダイポール放射体
２４０，３４０，４４０，５４０，６４０ 受動型ループ放射体
２５０，３５０ 遅延部
４３１，５３１，６３１ 入力部
４３２，５３２，６３２ 第１スロットライン
４２２，５２２，６２２ 第２スロットライン
５５０，６５０，６６０，６７０ スロット

Claims (28)

1. 基板と、
   前記基板の上部表面上に製造され、外部電磁気エネルギーの供給を受ける給電部と、
   前記給電部を介して給電された前記電磁気エネルギーにより励起され、電磁気波を放射するダイポール放射体（ｄｉｐｏｌｅ ｒａｄｉａｔｏｒ）と、
   前記ダイポール放射体により放射される電磁気波を干渉し、一方向の放射パターンを有するようにするループ放射体（ｌｏｏｐ ｒａｄｉａｔｏｒ）と、
   を含み、
   前記給電部は、
   前記基板上部の表面上に製造され、前記電磁気エネルギーの供給を受ける信号端子と、
   前記基板の上部表面上で前記信号端子を基準にして両側に配置し、コプレナ導波路（ｃｏｐｌａｎａｒ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）構造を形成する第１および第２グラウンド端子と、
   を含み、
   前記ループ放射体は、前記給電部を介して給電される電磁気エネルギーにより励起され、前記ダイポール放射体により前記基板の一方に放射される電磁気波を補強し、前記基板の他方に放射される電磁気波を相殺することで、前記一方向の放射パターンを有するようにする能動型ループ放射体（ａｃｔｉｖｅ ｌｏｏｐ ｒａｄｉａｔｏｒ）を含むことを特徴とする超広帯域アンテナ。
2. 前記ループ放射体は、前記ダイポール放射体および前記能動型ループ放射体により誘導される誘導電磁気エネルギーにより励起され、前記ダイポール放射体によって前記基板の一方に放射される電磁気波を補強し、前記基板の他方に放射される電磁気波を相殺する少なくとも１つの受動型ループ放射体（ｐａｓｓｉｖｅ ｌｏｏｐ ｒａｄｉａｔｏｒ）を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の超広帯域アンテナ。
3. 前記能動型ループ放射体及び前記受動型ループ放射体により生成される電場の位相と前記ダイポール放射体により生成される電場の位相とを相互マッチングさせる遅延部を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の超広帯域アンテナ。
4. 前記遅延部は、前記基板の上部表面上で前記給電部及び前記ダイポール放射体を連結する形態で構成され、前記電磁気エネルギーが前記ダイポール放射体に供給される時点を遅延させることを特徴とする請求項３に記載の超広帯域アンテナ。
5. 前記能動型ループ放射体、前記ダイポール放射体、前記遅延部及び前記受動型ループ放射体は、前記基板の上部表面上において前記給電部と同一平面に位置することを特徴とする請求項３に記載の超広帯域アンテナ。
6. 前記給電部、前記能動型ループ放射体、前記ダイポール放射体、前記遅延部及び前記受動型ループ放射体は、前記基板の上部表面上に積層された金属膜をパターニングし製造されたことを特徴とする請求項３に記載の超広帯域アンテナ。
7. 前記能動型ループ放射体は、一端が前記信号端子と接続され、他端が前記第１グラウンド端子と接続された構造を有することを特徴とする請求項３に記載の超広帯域アンテナ。
8. 前記ダイポール放射体は、
   前記基板の上部表面上で、前記基板の一方に向って所定の角度斜め状態で配置される第１極と、
   前記基板の上部表面上で、前記第１極と所定の角度斜め状態で配置される第２極と、
   を含むことを特徴とする請求項７に記載の超広帯域アンテナ。
9. 前記ダイポール放射体は、前記第１極が前記信号端子と接続され、前記第２極が前記第２グラウンド端子と接続された構造を有することを特徴とする請求項８に記載の超広帯域アンテナ。
10. 前記第１および第２グラウンド端子に逆流する電流を遮断する少なくとも１つのスロットを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の超広帯域アンテナ。
11. 前記ダイポール放射体は、
    前記信号端子と接続された第１極と、
    前記第２グラウンド端子と接続された第２極と、
    前記ダイポール放射体を励起させる第１スロットラインと、
    を含むことを特徴とする請求項１０に記載の超広帯域アンテナ。
12. 前記第１スロットラインの一端は前記給電部と接続され、前記第１スロットラインの他端は前記ダイポール放射体の入力部を形成し、
    前記第１極および第２極の間隔は、前記入力部を基点にして次第に広がる形態であることを特徴とする請求項１１に記載の超広帯域アンテナ。
13. 前記ループ放射体は、一端が前記信号端子と接続され、他端は前記第１グラウンド端子と接続され、前記信号端子を介して給電される電磁気エネルギーにより励起されることによって、前記ダイポール放射体により放射される電磁気波のうち、一方向に放射される電磁気波を補強し、他方向に放射される電磁気波を相殺する能動型ループ放射体を含むことを特徴とする請求項１２に記載の超広帯域アンテナ。
14. 前記ループ放射体は、前記ダイポール放射体および前記能動型ループ放射体により誘導される誘導電磁気エネルギーにより励起されることによって、前記ダイポール放射体によって放射される電磁気波のうち、一方向に放射される電磁気波を補強し、他方向に放射される電磁気波を相殺する少なくとも１つの受動型ループ放射体を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の超広帯域アンテナ。
15. 前記能動型ループ放射体は、
    前記能動型ループ放射体を励起させる第２スロットラインと、
    前記第２スロットラインと接続され、前記第２スロットラインと接続された部分を除いた残り面が閉面を形成するループと、
    を含むことを特徴とする請求項１４に記載の超広帯域アンテナ。
16. 前記ダイポール放射体、前記給電部、及び前記ループ放射体は、
    前記基板の表面上に積層された金属膜が所定の形でパターニングされ、前記第１極および第２極間の領域、前記信号端子および前記第１グラウンド端子間の領域、前記信号端子及び前記第２グラウンド端子間の領域、前記能動型ループ放射体のループ領域、前記受動型ループ放射体のループ領域に対応する基板の表面を露出して製造されることを特徴とする請求項１５に記載の超広帯域アンテナ。
17. 前記少なくとも１つのスロットは、前記ダイポール放射体を基準にして前記能動型ループ放射体の側面に製造される少なくとも１つの第１スロットを含むことを特徴とする請求項１６に記載の超広帯域アンテナ。
18. 前記少なくとも１つのスロットは、前記ダイポール放射体を基準にして前記受動型ループ放射体の側面に製造される少なくとも１つの第２スロットを更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の超広帯域アンテナ。
19. 前記基板は、縦長さが横長さより長い長方形の平板状であることを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の超広帯域アンテナ。
20. 前記給電部は、前記基板の縦面の縁部に位置し、前記ダイポール放射体は前記給電部が位置した縦面の反対面に向う方向に配置され、給電方向と同じ方向に電磁気波を放射することを特徴とする請求項１９に記載の超広帯域アンテナ。
21. 前記給電部は、前記基板の横面の縁部に位置し、前記ダイポール放射体は前記基板の縦面方向に配置され、給電方向に対して垂直方向に前記電磁気波を放射することを特徴とする請求項１９に記載の超広帯域アンテナ。
22. 前記基板は、可用周波数帯域の最小周波数がｆminであり、前記ｆminに当る自由空間の波長がλminであれば、横長さが0.2λminであり、縦長さが0.3λminである長方形平板であることを特徴とする請求項１９に記載の超広帯域アンテナ。
23. 前記第２スロットラインの特性インピーダンスは、前記第１スロットラインの特性インピーダンスの３〜４倍であることを特徴とする請求項１５に記載の超広帯域アンテナ。
24. 前記第２スロットラインの幅は、前記第１スロットラインの幅より広いことを特徴とする請求項２３に記載の超広帯域アンテナ。
25. 前記第２スロットラインが形成された基板領域をエッチングし、前記第２スロットラインの特性インピーダンスを増加したことを特徴とする請求項２３に記載の超広帯域アンテナ。
26. 可用周波数帯域の最小周波数がｆminであり、前記ｆminに当る自由空間の波長がλminであれば、最小周波数状態における前記第１スロットラインの長さおよび第２スロットラインの長さの差は0.15λminであることを特徴とする請求項２３に記載の超広帯域アンテナ。
27. 可用周波数帯域の最小周波数がｆminであり、前記ｆminに当る自由空間の波長がλminであれば、前記少なくとも１つの第１スロット及び前記少なくとも１つの第２スロットの長さの差は0.2〜0.25λminであることを特徴とする請求項１８に記載の超広帯域アンテナ。
28. 可用周波数帯域の最小周波数がｆminであり、前記ｆminに当る自由空間の波長がλminである状態において、前記基板の横長さが0.2λminであり、縦長さが0.3λminである長方形平板に製造された場合、前記給電部が前記基板の一側縦面の縁部に配置され、前記受動型ループアンテナは前記基板の横面の縁部のうち前記給電部が配置された縦面から0.05〜0.067λmin離間した位置に製造されることを特徴とする請求項１４に記載の超広帯域アンテナ。
    

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