JP4199631B2

JP4199631B2 - 広帯域アンテナ

Info

Publication number: JP4199631B2
Application number: JP2003334389A
Authority: JP
Inventors: 弘志内村; 直行志野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: JP2005101995A

Description

本発明は無線ＬＡＮの基地局およびＵＷＢなどに用いられる広帯域アンテナに関するものである。

現在２．４ＧＨｚ帯および５ＧＨｚ帯を用いた無線ＬＡＮが普及し始めている。これらのシステムにはパッチアンテナが主に用いられる。しかし、両周波数帯を利用するシステムも検討され始め、この場合には各周波数に対応した２つのアンテナが必要となるので、より広帯域なアンテナが求められている。また、３〜１０ＧＨｚを用いるＵＷＢ技術も米国で民間に開放され、これに適した広帯域アンテナが求められている。広帯域特性を示すアンテナとしてはディスコーンアンテナ、自己補対アンテナ、対数周期アンテナが知られている。特にディスコーンアンテナは非常に帯域が広いことで知られている（非特許文献１参照）。

このディスコーンアンテナは、図６に示すように、金属導体からなる円板（ディスク）５と金属導体からなる円錐体（コーン）６から形成され、同軸線路の信号導体が円錐体６、グランドが円板５に接続されて用いられる。このアンテナのサイズは使用最低周波数ｆで決まり、このときの波長をλとすれば、円錐体６の頂角θを約３０°に、また円板５の直径≧０．１５λ、円錐体６の高さ≧０．２λに選ぶ（参考文献１）。一方このアンテナを、システムの筐体や室内の天井などに設置する場合には、筐体や天井をグランドとし、円錐部に信号線路が接続される。このとき、一般にグランド面が広くなるため、入力インピーダンスが変わり、円錐体６の頂角を約４５°にする必要がある。これにより、アンテナの径が大ききなってしまう。具体的には、使用最低周波数が３ＧＨｚの場合、円錐体６の高さ＝２０ｍｍ、円錐体の径＝４０ｍｍにする必要がある。

このような問題に対して、図６に示すような円錐体６の代わりに、図７に示すように、外周導体が、半回転楕円体７からなるアンテナが提案されている（特許文献１）。このアンテナは従来の図６のディスコーンアンテナに比べ、アンテナの径を小さくできる点で優れている。
アンテナ工学ハンドブック電子情報通信学会編平成１１年３月５日第１版第１０刷発行オーム社ｐ１２８特開平９−１５３７２７号

しかし、小型化に適した図７のアンテナは、図６のディスコーンアンテナの円錐体６の代わりに半回転楕円体７を用いているため、円板５と半回転楕円体７との接触角φが小さくなり、この結果、入力インピーダンスが小さくなり、反射特性が劣化するという問題があった。

また、アンテナへの給電線路（この場合は同軸線路）は一般に５０Ωなので、アンテナの入力インピーダンスも５０Ωであることが望ましい。もちろん、このような広帯域アンテナで所望の帯域全てにわたって５０Ωにすることはできないが、できる限り、５０Ωに近くすることが望ましい。しかし、上記アンテナのように入力インピーダンスが５０Ωから大きくずれると、そのインピーダンスのミスマッチにより反射損失が大きくなり、アンテナ特性が劣化するという問題点があった。

本発明は、かかる従来の問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、良好な反射特性を維持しつつ、従来のディスコーンアンテナより小型軽量化した広帯域アンテナを提供することにある。

本発明の広帯域アンテナは、頂部が給電点となる円錐体の底部に円錐台および円柱を順次接合した形状である放射導体と、該放射導体における前記給電点の周囲に該給電点と接触しないように形成された平面導体とを具備することを特徴とする。

また、本発明の他の広帯域アンテナは、頂部が給電点となるｎ角錐体（ｎ≧３）の底部にｎ角柱を接合した形状である放射導体と、該放射導体における前記給電点の周囲に該給電点と接触しないように形成された平面導体とを具備することを特徴とする。

さらに、本発明のさらに他の広帯域アンテナは、頂部が給電点となるｎ角錐体（ｎ≧３）の底部にｎ角錐台およびｎ角柱を順次接合した形状である放射導体と、該放射導体における前記給電点の周囲に該給電点と接触しないように形成された平面導体とを具備することを特徴とするものである。

本発明の広帯域アンテナによれば、放射導体を、円錐体と円錐台および円柱、またはｎ角錐体とｎ角柱、さらには、ｎ角錐体とｎ角錐台およびｎ角柱とを組み合わせた構造とすることにより、入力インピーダンスが小さくなることなく、アンテナの小型化を図ることができるために、広帯域特性と良好な反射特性を保ちつつ、放射体の構造を小型化軽量化できる。

以下、本発明の広帯域アンテナについて、図を参照して説明する。

図１は、広帯域アンテナの一例を示す平面図（ａ）およびそのＸ _１−Ｘ _１線における概略断面図（ｂ）である。図１の広帯域アンテナＡによれば、グランドを形成する平面導体２の中央部に、平面導体２と接触しないように信号導体１が形成されており、その先端には放射導体３が形成されている。

このアンテナＡによれば、放射導体３は、円錐体３ａの底部に円錐台３ｂが一体的に接合された構造体によって形成されている。

かかる広帯域アンテナによれば、信号導体１から入ってきた高周波信号は、放射導体３と平面導体２との間に電界を生じさせ、空間に垂直偏波の電波を放射する。

なお、放射導体３はその構造体の側面のみが導体であれば良く、内部は誘電体であっても、中空であっても導体であってもよい。

またこのアンテナへの入力インピーダンスは、平面導体２の大きさと円錐体３ａの頂角により決まる。即ち、グランドを形成している平面導体２の直径がλと大きいときは円錐体３ａの頂角はほぼ９０°のとき、使用最低周波数からＶＳＷＲ≦２の特性が得られる。平面導体２の直径が０．１５λと小さいときに、円錐体３ａの頂角はほぼ６０°のとき、使用最低周波数からＶＳＷＲ≦２の特性が得られる。従って、実際にはグランドを形成する平面導体の大きさにより円錐３ａの頂角が決定される。

円錐体３ａの高さと円錐台３ｂの高さは電磁界シミュレータ等により、適宜決定する必要があるが、その全体の高さは０．２λ以上必要である（λは使用最低周波数での波長）。

図２は、広帯域アンテナの他の一例を示す平面図（ａ）およびそのＸ _２−Ｘ _２線における概略断面図（ｂ）である。図２の広帯域アンテナＢによれば、放射導体３は、円錐体３ａの底部に円柱体３ｃが一体的に接合したような構造体によって形成されている。

かかる広帯域アンテナは前記アンテナＡと同様な機能を有するが、円錐体３ａの底部に接続された部分は円柱形状をなしている。このことにより、アンテナＢの最外部の径をより小さくすることが可能となり、アンテナの小型化を図ることができる。

図３は、本発明の広帯域アンテナの実施の形態の一例を示す平面図（ａ）およびそのＸ _３−Ｘ _３線における概略断面図（ｂ）である。図３の広帯域アンテナＣによれば、放射導体３は、円錐体３ａと円錐台３ｂと円柱３ｃとが一体的に接合したような構造体によって形成されている。

かかる広帯域アンテナは前記アンテナＡと同様な機能を有するが、円錐体３ａの底部に接続された部分が円錐台および円柱形状をなしている。このことにより、アンテナＢの最外部の径をより小さくすることが可能となり、アンテナの小型化を図ることができる。

図４は、本発明の広帯域アンテナの他の実施の形態の一例を示す平面図（ａ）およびそのＸ _４−Ｘ _４線における概略断面図（ｂ）である。図４の広帯域アンテナＤによれば、放射導体３は、三角錐体４ａと三角柱４ｃとが一体的に接合したような構造体によって形成されている。

このように、図３の円錐体３ａと円錐台３ｂと円柱３ｃとによって構成された放射導体３のみならず、ｎ角錐体４ａとｎ角柱４ｃとによって放射導体４を構成した場合であっても同様の効果を奏する。

上記アンテナＣは、円錐体３ａと、円錐台３ｂおよび円柱３ｃとを組合せた例であるが、この組合せは、これらに限られることなく、円錐体３ａに対して、円錐台３ｂと円柱３ｃとをそれぞれ２個以上を用いて、例えば、３ａ−３ｂ−３ｃ−３ｂ，３ａ−３ｃ−３ｂ，３ａ−３ｃ−３ｂ−３ｃ、３ａ−３ｂ−３ｃ−３ｂ−３ｃなど種々に組み合わせてもよい。

また、上記の例では、円錐体３ａと円錐台３ｂと円柱３ｃとが別体からなり、接合一体化したように記載したが、これらの形状体は、いずれも放射導体３の外側壁を形成する要素として記載したものであって、外側壁が上記の構造を有する限りにおいて、別体であっても、上記の外壁面を有する一体物であっても全く問題がない。

上記の他の態様は、ｎ角錐体４ａとｎ角錐台とｎ角柱４ｃとによって放射導体を構成した場合であっても同様の効果を奏するものである。また、図４ではｎ＝３の場合について説明したが、ｎ≧４であっても本発明の効果には実質的に差異はない。

さらに、ｎ角錐台は３個以上積み上げても何ら問題はない。

次に、図５は図１乃至図４に示した構造について、反射特性の計算を行った結果である。

図１の広帯域アンテナでは、円錐体３ａの高さを７ｍｍ、その底面の径を１２ｍｍ、円錐台３ｂの高さを１５ｍｍ、その底面の径を１６ｍｍとした。また、図２の広帯域アンテナでは、円錐体３ａの高さを７ｍｍ、その底面の径を１２ｍｍ、円柱３ｃの高さを１５ｍｍとした。また、図３の広帯域アンテナでは、円錐体３ａの高さを５ｍｍ、その底面の径を６ｍｍ、円錐台３ｂの高さを４ｍｍ、その底面の径を１２ｍｍ、円柱３ｃの高さを１３ｍｍとした。また、図４の広帯域アンテナでは、正三角錐体４ａの高さを７ｍｍ、その底面の一辺を１２ｍｍ、三角柱４ｃの高さを１５ｍｍとした。なお、全ての場合の平面導体２の大きさは、５０ｍｍ角とした。

図５の実線は図１に示す広帯域アンテナ、点線は図２に示す広帯域アンテナ、一点鎖線は図３に示す広帯域アンテナ、破線は図４に示す広帯域アンテナである。アンテナの周波数帯域を示す範囲は一般にＶＳＷＲが２以下、即ち反射特性で−９．５４ｄＢ以下の領域で表現することが多い。全ての広帯域アンテナにおいて、約３ＧＨｚから１０ＧＨｚ以上の領域で良好な反射特性が得られており、広帯域な特性のアンテナとなっているが、特に図３に示す広帯域アンテナにおいて７ＧＨｚ以上の周波数領域における反射特性が優れていることがわかる。

広帯域アンテナの一例を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。広帯域アンテナの他の例を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。本発明における広帯域アンテナの実施の形態の一例を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。本発明における広帯域アンテナの他の実施の形態の一例を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。図１乃至図４に示す広帯域アンテナの反射特性である。従来の広帯域アンテナを示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。従来の他の広帯域アンテナを示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。

符号の説明

１信号導体
２平面導体
３放射導体
４放射導体

Claims

頂部が給電点となる円錐体の底部に円錐台および円柱を順次接合した形状である放射導体と、該放射導体における前記給電点の周囲に該給電点と接触しないように形成された平面導体とを具備することを特徴とする広帯域アンテナ。
頂部が給電点となるｎ角錐体（ｎ≧３）の底部にｎ角柱を接合した形状である放射導体と、該放射導体における前記給電点の周囲に該給電点と接触しないように形成された平面導体とを具備することを特徴とする広帯域アンテナ。
頂部が給電点となるｎ角錐体（ｎ≧３）の底部にｎ角錐台およびｎ角柱を順次接合した形状である放射導体と、該放射導体における前記給電点の周囲に該給電点と接触しないように形成された平面導体とを具備することを特徴とする広帯域アンテナ。