JP4390651B2

JP4390651B2 - ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ−ＷｉｄｅＢａｎｄ）通信用アンテナ

Info

Publication number: JP4390651B2
Application number: JP2004213442A
Authority: JP
Inventors: パク，ジェ・ヨン
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2003-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2024-07-21
Also published as: EP1501155A1; US7173564B2; US20050052322A1; KR20050010549A; CN1591972A; JP2005192183A

Description

本発明は超広帯域アンテナに関し、特に、ＵＷＢ通信用アンテナに関する。

ＵＷＢ通信は、アメリカ国防省が１９６０年代に初めて軍事的目的として開発した無線通信方式で、広い周波数帯域、低使用電力、優れた伝送速度を有している。
このＵＷＢ通信は、ＣＤＭＡのホワイトノイズより低水準のスペクトルを形成するため、信号の傍受やカットオフが難しく、保安維持に適している。また、ＵＷＢ通信は、既存の通信システムとは異なり、パルスを使用して通信を実行する。
最近、このような特徴から、ＵＷＢ通信は、次世代無線データ通信として注目を浴びており、世界的にも活発な研究が進められている。

ＵＷＢ通信の多くの長所のため、ＵＷＢ通信は、１０ｍ程度の近距離にあるＰＣ、ＴＶ、ＰＤＡ、ＤＶＤ、デジタルカメラ、プリンタなどを連結する個人通信網やホームネットワーク、位置追跡システム、自動車の衝突防止システム、医療機器などに幅広く使用されることが予想されている。

現在、ＵＷＢ通信システムは、アメリカを中心に急速度で標準化が進められている。関連企業や大学の研究所などが共同技術研究団体であるＵＷＢＷＧ(Ultre Wideband Working Group)を設立して活発な活動をしており、韓国でもフォーラムが結成されるなど、多くの関心が持たれている。

最近、アメリカのＦＣＣ(The Federal Communications Commission)で既存の移動通信とＧＰＳ(Global Positioning System)との電波干渉を排除するため、ＵＷＢ通信の帯域幅を３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚで使用することを認可しており、その伝送範囲も９ｍに制限した。

それで、関連業界では、ＵＷＢ通信をＷＰＡＮ(Wireless Personal Area Network)の新たな対案と認識し、これに対するアプリケーション開発に心血を注いでいる。

ところで、ＵＷＢ通信システム開発の重要な要素の一つが超広帯域アンテナの開発である。
ＵＷＢ通信システムは、超高速通信、高伝送量、障害物透過特性の優秀さ、簡単な送受信機構造、低伝送電力など、多くの長所を有しており、それらの長所を有するＵＷＢ通信システムを実現する際の核心部品となっているのがＵＷＢアンテナである。

ＵＷＢアンテナの移動性を保障するためには、その大きさが小さくなければならず、製作が容易でかつ安価である必要がある。さらに、対応する周波数とは独立に一定のインピダンス値を有する構造を有し、パルス信号の歪みが少なくなければならない。

かかるアンテナの開発は容易なものではなく、現在、全世界的に数多くの研究者らが超広帯域アンテナの研究に参加しており、Skycross、Timedomain、Taiyo-Yuden社など、幾つかの企業で試製品を発表しているだけである。

本発明は上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、小型軽量化が可能で、かつ製作費用が安価なＵＷＢ通信用超小型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に、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナは、基板と、前記基板の一方に前記基板より小さく形成され、フィーダを介して電流が供給されると、励起してエネルギーを放射するパッチと、広帯域特性を得るために、前記基板の他方の表面を一部除去することで形成されるグラウンド領域と、からなることを特徴とする。

前記基板は印刷回路基板であることを特徴とする。

前記基板の絶縁材として、高抵抗シリコン、ガラス、アルミナ、テフロン（登録商標）、エポキシ、ＬＴＣＣのうち何れか一つを用いることを特徴とする。

前記パッチは、５．８ＧＨｚが中心周波数となるように形成されることを特徴とする。

前記パッチは、円形、三角形、四角形、多角形のうち何れか一つの形状からなることを特徴とする。

前記パッチ内に周波数の帯域を調節するエアギャップスロットが形成されることを特徴とする。

前記パッチ内のエアギャップスロットは、円形、三角形、四角形、多角形のうち何れか一つの形状からなることを特徴とする。

前記パッチと前記フィーダとのインピダンスマッチングのために、前記パッチと前記フィーダとの間に複数のマッチングスタブが備えられることを特徴とする。

前記各マッチングスタブは、四角形、台形、多角形、円のうち何れか一つの形状を有し、一つ、またはアレイに形成されることを特徴とする。

前記フィーダに隣接するマッチングスタブの幅が他のマッチングスタブの幅より小さいことを特徴とする。

前記グラウンド領域は、一つのパッチ形態で形成されることを特徴とする。

前記グラウンド領域内にエアギャップスロットが形成されることを特徴とする。

前記グラウンド領域内のエアギャップスロットは、円形、三角形、四角形、多角形のうち何れか一つの形状からなることを特徴とする。

前記パッチは、前記基板上に単層型、または複数層の積層型に実現されることを特徴とする。

本発明に係る前記ＵＷＢ通信用アンテナは、ＵＷＢ通信周波数帯域に適用できるフラットパッチアンテナで製作されているので、小型化、軽量化、高性能化、安価化が可能となる。
そして、グラウンド領域の面積を減らし、パッチとフィーダとの間に複数のマッチングスタブを形成することで、より広い帯域幅特性が得られる。
また、ＦＲ−４基板を使用することで、製作費用を減らし、大量生産を容易にすることができる。

以下、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナの好適な実施の形態について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナは、ＵＷＢ通信周波数帯域（３．４〜１０．６ＧＨｚ）の信号を受信できる一方、小型軽量化することができるフラットパッチアンテナである。

図１〜図２は、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナを示す図で、図１はＵＷＢ通信用アンテナの表面を、図２はＵＷＢ通信用アンテナの裏面を示す。
図１に示すように、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナは、絶縁体からなる板材の表裏両面に金属膜を形成させた基板１０８を用いている。その基板１０８の一方の面の金属膜の一部を除去してパッチ１０１を形成するが、その際、５．８ＧＨｚを中心周波数に持つように設計する。
パッチ１０１の形状は、円形、三角形、四角形、多角形などその形状に制限があるわけではないが、解析の容易さから四角形や円形パッチが主に用いられており、本発明の実施の形態では四角パッチ１０１を用いる。

本実施形態のパッチ１０１内にはエアギャップスロット１０２が形成されている。これは、周波数を調整し、アンテナの大きさを減らすためである。すなわち、エアギャップスロット１０２で帯域幅を調整して、ＵＷＢ通信周波数帯域の３．１〜１０．６ＧＨｚに近接するように設計する。
スロット１０２の形状は、同様に、円形、三角形、四角形、多角形などその形状に制限があるわけではないが、本発明の実施の形態では矩形のエアギャップスロット１０２を形成させている。

一方、図２に示すように、基板１０８の他方の面の金属膜の一定の部分を除去してグラウンド１０７を形成する。
本実施形態では、グラウンド１０７の面積を減らすことで、周波数の帯域幅を広くしている。グラウンド１０７は一つのパッチの形状に形成されているが、グラウンド１０７に多様な形状のエアギャップスロットを形成させてもよい。

再び図１を参照にすると、基板のパッチ１０１を形成させた面にはフィーダ１０３も形成させてあり、そのフィーダ１０３とパッチ１０１とのインピダンスを整合させるために、フィーダ１０３とパッチ１０１との間にマッチングスタブ１０４、１０５を形成させている。

フィーダは、送受信機とアンテナすなわち送受信器とアンテナの給電点を電気的に接続して、高周波電力を伝送するための線路である。そして、マッチングスタブは、インピダンス整合を取るために、平行な２線、同軸線、導波管などの伝送線路の一部に設置した分岐回路または集中素子をいう。

すなわち、パッチ１０１にマッチングスタブ１０４、１０５を連結することで、５０Ωのフィーダ１０３に整合させる。このようにすると、ＵＷＢ通信用アンテナは、更に広い帯域幅（６ＧＨｚ）を有するようになる。

マッチングスタブ１０４、１０５の形状は、矩形だけでなく、台形、多角形、円のような多様な形状として設計することができ、アレイ形態とすることもできる。
そして、第１マッチングスタブ１０４の幅より第２マッチングスタブ１０５の幅を小さく設計して、電波を流れ易いようにすることが望ましい。

また、フィーダとしては、安定性、遮蔽性、低損失、ＶＳＷＲ、作業性などに優れた同軸ケーブが主に使用されている。

そして、本発明の実施形態においては、基板１０８として印刷回路用の基板を用いている。特に、印刷回路基板の中でも最も広範囲に用いられるＦＲ−４基板１０８を使用して製作費用を減らし、大量生産を可能にする。

もちろん、基板１０８としては、ＦＲ−４の外に高抵抗シリコン、ガラス、アルミナ、テフロン、エポキシ、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramic）などの板材を用いたものとすることができる。ここで、基板１０８としてＦＲ−４印刷回路基板を用いる場合、誘電率値は４．４、高さは１．６ｍｍで、基板を含むアンテナ全体の大きさは３０×３５ｍｍ²となり、ＵＷＢ通信用アンテナの小型化が可能となる。

一方、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナは、基板１０８上に単層に形成させても良いが、複数層に積層させても良い。
このように本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナは、四角形のパッチ構造を有し、ＦＲ−４印刷回路基板を用いることで、製作費用を減らし、大量生産が容易となる。

図１に示す前記四角パッチ１０１は、その大きさの増減によってＵＷＢ通信用アンテナの帯域が大きく変わるわけではないが、その大きさが大きくなればＵＷＢ通信用アンテナの周波数が下向きに移動し、逆に小さくなれば周波数が上向きに移動する。

また、グラウンド１０７の面積を調整することで、ＵＷＢ通信用アンテナに広帯域特性を持たせることができる。すなわち、グラウンドの幅１０６が四角パッチ１０１に近接した距離まで接近すると、ＶＳＷＲ(voltage standing wave ratio)が小さくなり、四角パッチ１０１から遠ざかればＶＳＷＲが高くなって、６．５ＧＨｚではＶＳＷＲの値が２：１を超える。ここで、ＶＳＷＲが小さいほど反射が少ないという意味で、ＶＳＷＲが２：１以下になれば、マッチングが比較的うまくいっていると評価できる。
したがって、グラウンド１０７の幅は、シミュレーションを通じて最適化させた結果値を適用する。

同様に、マッチングスタブ１０４、１０５もシミュレーションを通じてその最適値を決める。
尚、上記図１で四角パッチ１０１内の四角スロット１０２は、周波数を調整するだけでなく、アンテナの大きさを減らす効果を有するが、これもまたシミュレーションを通じて最適値を決める。この値は、四角スロット１０２の幅が広くなる場合はＶＳＷＲ値が悪くなり、長さが短かすぎたり長すぎたりする場合は帯域幅に影響を与えるので、これを考慮して決定する方が好ましい。

シミュレーションを行うためのツールとして、本発明では、常用ツールのＣＳＴ社のＭＷＳ(Micro Wave Studio)を用いた。
実際にＵＷＢ通信用アンテナを製作した後の測定結果も、シミュレーションの結果と類似していた。すなわち、帯域幅は３．４〜１２ＧＨｚ以上と測定されたので、ＵＷＢ通信システムで要求する周波数帯域幅（３．１〜１０．６ＧＨｚ）に適用できる。

図３は、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナを直接製作して、反射損失を測定した結果を示す図である。反射損失はネットワーク分析器で測定する。図示したように、本実施形態に係るＵＷＢ通信用アンテナは、ＶＳＷＲ２：１で３．４〜１２ＧＨｚの帯域幅を有する。

図４は、本実施形態に係るＵＷＢ通信用アンテナのグループ遅延を示す図である。グループ遅延の特性によってパルス信号の歪みの程度を判断できるので、グループ遅延は、ＵＷＢ通信用アンテナの設計や解釈において重要なパラメータとして活用される。
図示したように、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナのグループ遅延は２ｎｓ程度で、その性能が優れていることが分かる。その数値は他社で開発されたアンテナとその性能が類似している。

図５は、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナの放射パターンを測定した図である。
図示したように、本ＵＷＢ通信用アンテナは、ＸＺ平面で無指向性特性を示している。このような放射パターンはダイポールアンテナに類似している。

図６は、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナの利得を測定して示した図である。
図示したように、本ＵＷＢ通信用アンテナは、ＵＷＢ通信帯域内の３ＧＨｚで最大利得６．０３ｄＢｉ、９ＧＨｚで最低利得−６．６７ｄＢｉを有する。

本発明に係る前記ＵＷＢ通信用アンテナ及びＵＷＢ通信システムは、家電産業、ＰＣ産業、携帯電話機、ＰＤＡ、医療機器、自動車産業などに幅広く適用される。

以上説明した内容を通じて、当業者であれば本発明の技術思想を外れない範囲内で多様な変更や修正が可能であることが分かるであろう。従って、本発明の技術的範囲は、実施形態に記載の内容に限定されるわけではなく、特許請求の範囲によって定められるべきである。

本発明に係るＵＷＢ通信用超小型アンテナの表面を示す図である。本発明に係るＵＷＢ通信用超小型アンテナの背面を示す図である。本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナの反射損失を測定して示す図である。本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナのグループ遅延を示す図である。本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナの放射パターンを測定して示す図である。本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナの利得を測定して示す図である。

符号の説明

１０１パッチ、１０２スロット、１０３フィーダ、１０４、１０５マッチングスタブ、１０６グラウンドの幅、１０７グラウンド、１０８基板

Claims

基板と、
前記基板の一方に前記基板より小さく形成され、フィーダを介して電流が供給されると、励起してエネルギーを放射するパッチと、
広帯域特性を得るために、前記基板の他方の表面を一部除去することで形成されるグラウンド領域と、
前記パッチと前記フィーダとのインピダンスマッチングのために前記パッチと前記フィーダとの間に形成され、互いに直接接触し合う複数のマッチングスタブと
を備え、
前記グラウンド領域は、前記パッチの下部まで拡がらないように前記基板の端から前記基板の片面に形成される前記パッチの端に相当する位置よりも短い位置までしか拡がらず、
第１エアギャップスロットが周波数の帯域を調節するために前記パッチに形成され、第２エアギャップスロットが前記グラウンド領域の面積を減らすために前記グラウンド領域に形成されることを特徴とするＵＷＢ通信用アンテナ。
前記基板は、印刷回路基板であることを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
前記基板の絶縁材として、高抵抗シリコン、ガラス、アルミナ、テフロン（登録商標）、エポキシ、ＬＴＣＣのうち何れか一つを用いることを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
前記パッチは、５．８ＧＨｚが中心周波数となるように形成されることを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
前記パッチは、円形、三角形、四角形、多角形のうち何れか一つの形状からなることを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
前記第１エアギャップスロットは、円形、三角形、四角形、多角形のうち何れか一つの形状からなることを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
前記各マッチングスタブは、四角形、台形、多角形、円のうち何れか一つの形状を有し、一つ、またはアレイに形成されることを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
前記フィーダに隣接するマッチングスタブの幅が他のマッチングスタブの幅より小さいことを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
前記グラウンド領域は、一つのパッチ形態で形成されることを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
前記第２エアギャップスロットは、円形、三角形、四角形、多角形のうち何れか一つの形状からなることを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
前記パッチは、前記基板上に単層型、または積層型に実現されることを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。