JP4682965B2 - 広帯域無指向性アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板で構成するアンテナに関する。

近年、２．５ＧＨｚ帯や３．５ＧＨｚ帯で開始される予定のＷｉＭＡＸ技術を用いたアンテナでは、ＭＩＭＯなどの高度なダイバーシティ技術が導入される見込みであり、あらゆる方向からの反射波を受信できる無指向性アンテナが必要である。さらに、ＷｉＭＡＸで使用される周波数は世界中でまちまちであり、全部をカバーするには、広い帯域をカバーする必要がある。例えば、２．５ＧＨｚ帯や３．５ＧＨｚ帯（世界各国で使用する周波数帯域が少しずつ異なる見込みで、共通に使用するには、３．２ＧＨｚ〜３．８ＧＨｚの６００ＭＨｚ程度の広い帯域をカバーする必要がある）を両方カバーするには、２．５ＧＨｚ〜３．８ＧＨｚをカバーする必要がある。

同様のニーズを有する機器としては、無線ＬＡＮやＵＷＢがある。無線ＬＡＮでは、近年、５ＧＨｚ帯が周波数拡張され、４．９ＧＨｚ〜５．９ＧＨｚ程度までカバーできれば、世界の５ＧＨｚ帯はカバーできる。また、ＵＷＢでは、３．１ＧＨｚ〜４．８ＧＨｚがメインに使用される予定である。

このような背景から、本アンテナのような、広帯域で無指向性の放射パターンを有するアンテナは、大変重要であるといえる。

なお、特許文献１に記載されている発明は、モノポールアンテナに関するものである。また、特許文献１には、指向性や帯域に関する記載がない。

また、特許文献２に記載されている発明は、比帯域が狭く、３０％である。
特開２００６−００５８１６号公報 特開平１１−０９７９１５号公報 「アンテナ工学ハンドブック」著者：電子情報通信学会、発売日：１９８０年１０月、 ＩＳＢＮ：４−２７４−０２６７７−９、４２Ｐ

従来技術のアンテナは、図２０に示すような、ダイポールアンテナをプリント基板にエッチングして構成した、プリント化ダイポールと呼ばれるアンテナであった。

図２０は、従来技術のプリント基板を用いたアンテナである。プリント基板１００の表、裏面に、帯状の導体よりなる放射素子１０１と放射素子１０２を反対方向に延ばして配置し、等価的ダイポールアンテナを構成するものである。放射素子１０１と１０２はそれぞれマイクロストリップライン１０３に接続、給電され、下側のマイクロストリップラインは、グランド１０４に接続される。
このアンテナは、例えば、"アンテナ工学ハンドブック（オーム社）"の４２ページに掲載されている。この種のアンテナは、本アンテナのように広い帯域特性は得られず、せいぜい１０％程度の比帯域が得られる程度である。また、図２０において、水平面で無指向性の放射パターンを構成することもできない。特に、水平面の指向性では、プリント基板の左右横方向（図２０記載）では、利得が極端に落ち込むヌルポイントがあり、通信特性の劣化を招くという欠点があった。

そこで、本発明は、広帯域で無指向性の放射パターンを有するアンテナ素子を提供することを目的とする。

本発明の広帯域無指向性アンテナは、プリント基板の表面に、導体より構成される１８０度を越える、ひとつの鈍角を有する５角形の面上の放射素子と、前記放射素子の端部に接続され、給電するために、帯状の導体から構成されるマイクロストリップラインと、プリント基板の裏面に、導体より構成される三角形の放射素子と、前記三角形の放射素子の端部に接続され、給電するために、帯状の導体から構成され、反対の端部がテーパ状に広がるテーパ状導体と、前記テーパ状導体が接続される、導体のグランド板より構成される。このとき、マイクロストリップラインとテーパ状導体は、プリント基板の表と裏で同一方向にのび、プリント基板の表と裏で重なる構造になっている。さらに、５角形の放射素子と三角形の放射素子は、表と裏で、互いに重ならないような位置関係に配置されている。

または、プリント基板の表面に、導体より構成される長方形の面上の放射素子と、前記放射素子の端部に接続され、給電するために、帯状の導体から構成されるマイクロストリップラインと、プリント基板の裏面に、導体より構成される三角形の放射素子と、前記三角形の放射素子の端部に接続され、給電するために、帯状の導体から構成され、反対の端部がテーパ状に広がるテーパ状導体と、前記テーパ状導体が接続される、導体のグランド板より構成される。このとき、マイクロストリップラインとテーパ状導体は、プリント基板の表と裏で同一方向にのび、プリント基板の表と裏で重なる構造になっている。さらに、長方形の放射素子と三角形の放射素子は、表と裏で、互いに重ならないような位置関係に配置されている。

（１）プリント基板にエッチングによって簡単、安価に構成でき、（２）広帯域の特性を有し、（３）水平面内（アンテナを平面状にエッチングして構成している面）で概ね無指向性の放射パターンを有するものである。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

本発明の広帯域無指向性アンテナは、パソコンなどに用いるＰＣＭＣＩＡカード型の先端部分に、エッチングによって簡単に形成できるアンテナで、かつ、広帯域の特性を有し、水平面、アンテナを平面状にエッチングして構成している面で概ね無指向性の放射パターンを有するものである。

広帯域な特性を有することで、最近の多様な通信技術を用いた各種端末に利用可能である。例えば、ＷｉＭＡＸ技術を用いた通信サービスは、現在、２．５ＧＨｚ帯や３．５ＧＨｚ帯で開始される予定である。特に、３．５ＧＨｚ帯では、世界各国で使用する周波数帯域が少しずつ異なる見込みで、共通に使用するには、３．２ＧＨｚ〜３．８ＧＨｚの６００ＭＨｚ程度の広い帯域をカバーする必要がある。

このＷｉＭＡＸ技術を用いた通信サービスに共通に使用可能な端末機器に用いられると予想されるＰＣＭＣＩＡカードやコンパクトフラッシュ（登録商標）カードの先端部にエッチングによって構成可能である。

また、無線ＬＡＮの５ＧＨｚ帯のサービスにおいては、全世界で多様な周波数が用いられており、すべて使用できるためには、４．９ＧＨｚ〜５．９ＧＨｚ程度の広い帯域で使用できることが必要である。無線ＬＡＮ機能搭載のＰＤＡ端末や、パソコンのマザーボード基板の端にも、エッチングで構成できる。屋内無線ＬＡＮのアクセスポイントでも同様に、内蔵されるプリント基板の端に、エッチングで構成できる。

さらに、ＵＷＢ（ウルトラワイドバンド）技術を用いたＷＰＡＮ（ワイヤレスパーソナルエリアネットワーク）用の機器や端末でも、日本国内では、３．４ＧＨｚ〜４．８ＧＨｚの帯域で使用できる必要があり、この場合も適用可能である。

以上のように、本発明の広帯域無指向性アンテナは、（１）プリント基板にエッチングによって簡単、安価に構成でき、（２）広帯域の特性を有し、（３）水平面内（アンテナを平面状にエッチングして構成している面）で概ね無指向性の放射パターンを有するものである。

図１に、本発明の広帯域無指向性アンテナの第１の実施例の構成図を示す。また、図２には、図１のプリント基板１の表面、裏面、透視図が示されている。図１において、本アンテナは、誘電体と表面、裏面に銅箔などの薄い導体層を有するプリント基板１上に、エッチングにより形成されたアンテナで、表面に、放射素子２、マイクロストリップライン４が、裏面に、放射素子３、テーパライン６、グランド７が形成される。

表面のマイクロストリップライン４の途中には、電気的なインピーダンス整合を得るために、スタブ５が形成されている。裏面のテーパライン６も、スタブ５と同様に、インピーダンス整合のために設けられている。テーパライン６の勾配は、直線的であるが、曲線で形成される場合も多い。一般に、指数関数的なカーブや、三角関数のカーブ、円や楕円のカーブなどが用いられる。

放射素子２は、２つの直角三角形の鋭角の頂点同士を接続した形状で、一方の直角三角形のもうひとつの鋭角の頂点部分が、マイクロストリップライン４の先端に接続されて給電される。

マイクロストリップライン４は、途中に、インピーダンス整合のために、スタブ５が付加されている。この場合、スタブ５がなくてもインピーダンス整合が得られる場合は不要である。また、スタブ５の形状は、インピーダンス整合を得るために、長方形に限らず、三角形や半円形など、任意の形状となる。

放射素子３は、直角三角形の形状で、ひとつの鋭角の頂点部分が、テーパライン６の先端に接続されて給電される。テーパライン６は、先端部は細く、徐々に幅広になっていき、グランド７に接続される。マイクロストリップライン４とテーパライン６は、プリント基板１の表裏で、マイクロストリップ線路を形成している。図２（３）の透視図でわかるように、マイクロストリップライン４は、グランド７と重なる部分で、幅が変わり、以後一定の幅となる。マイクストリップライン４は、グランド７と約５０オームのマイクロストリップ線路を形成している。

図１において、ａの長さは、最低使用周波数の０．０５〜０．１波長、ｂの長さは、０．１〜０．１５波長が選ばれることが多い。実験結果では、最低使用周波数２．２ＧＨｚのとき、ａ＝１０ｍｍで、約０．０７波長、ｂ＝１７ｍｍで、約０，１２５波長の場合、２．２ＧＨｚ〜５ＧＨｚでＶＳＷＲが２．０以下となる。この例は、図１６に示されている。

図３に、本発明の広帯域無指向性アンテナの第２の実施例の構成図を示す。また、図４には、図３のプリント基板１０の表面、裏面、透視図が示されている。図３において、図１との構造の違いは、マイクロストリップライン１１が、テーパライン６のように、テーパ形状になっておらず、幅が一定の直線的な帯状に形成されていることである。図１と図３の違いは、主に、テーパライン６によって整合をとるか、マイクロストリップライン１１によって整合をとるかの違いである。

図３において、ｃの長さは、最低使用周波数の０．１〜０．１３波長、ｄの長さは、０．１８〜０．２３波長が選ばれることが多い。実験結果では、最低使用周波数３．４ＧＨｚのとき、ａ＝１０ｍｍで、約０．１１波長、ｂ＝１７ｍｍで、約０．１９波長の場合、３．４ＧＨｚ〜６．４ＧＨｚでＶＳＷＲが２．０以下となる。この例は、図１７に示されている。

図５に、本発明の広帯域無指向性アンテナの第３の実施例の構成図を示す。また、図６には、図５のプリント基板２０の表面、裏面、透視図が示されている。図５において、図３との構造の違いは、放射素子２の代わりに、長方形の放射素子２１が用いられていることである。

図５において、ｅの長さは、最低使用周波数の０．７〜０．１波長、ｆの長さは、０．１２〜０．１６波長が選ばれることが多い。実験結果では、最低使用周波数２．５ＧＨｚのとき、ａ＝１０ｍｍで、約０．０８波長、ｂ＝１７ｍｍで、約０．１４波長の場合、２．５ＧＨｚ〜６．２ＧＨｚでＶＳＷＲが２．０以下となる。この例は、図１８に示されている。

図７に、本発明の広帯域無指向性アンテナの第４の実施例の構成図を示す。また、図８には、図７のプリント基板３０の表面、裏面、透視図が示されている。図７は、図１の構造の広帯域無指向性アンテナを２つ用いた例である。通常、ノートパソコンに挿入して使用するＰＣＭＣＩＡカードタイプの通信ユニットでは、そのカード先端部に、図７のようなアンテナを２つ形成して、ダイバーシティ技術などを用いて、通信に使用されることが多い。

図９に、本発明の広帯域無指向性アンテナの第５の実施例の構成図を示す。また、図１０には、図９のプリント基板４０の表面、裏面、透視図が示されている。図９は、図３の構造の広帯域無指向性アンテナを２つ用いた例である。

図１１に、本発明の広帯域無指向性アンテナの第６の実施例の構成図を示す。また、図１２には、図１１のプリント基板５０の表面、裏面、透視図が示されている。図１１は、図５の構造の広帯域無指向性アンテナを２つ用いた例である。

図１３は、図１〜４、図７〜１０における放射素子２の形状を示したものであり、図１３（１）〜（７）のような変形例が考えられる。（１）は、図１〜４、図７〜１０と同じ形状である。（２）は、先端部が、幅一定の帯状になったものである。（３）は、先端部が帯状で内側に曲げられている形状である。（４）は、帯状の導体をコの字上にしたものである。（５）は、Ｌ字の帯状の導体の先端部の片側をテーパ状に広げた形状である。（６）は、方形の導体の内側を半楕円でくりぬいた形状である。（７）は、方形の導体を半楕円でくりぬき、外周の直角部を円弧状にしたものである。

図１４は、図１〜１２における放射素子３の形状を示したものであり、図１４（１）〜（７）のような変形例が考えられる。（１）は、図１〜１２と同じ形状である。（２）は、下先端部をカットしたものである。（３）は、直角三角形ではなく、通常の三角形を用いた例である。（４）は、Ｌ字の帯状の導体を用いたものである。（５）は、（４）の先端を半楕円にしたものである。（６）は、方形の導体の内側を半楕円でくりぬいた形状である。（７）は、方形の導体を半楕円でくりぬき、外周の直角部を円弧状にしたものである。

図１５は、図５〜６、図１１〜１２における放射素子２１の形状を示したものであり、図１５（１）〜（７）のような変形例が考えられる。（１）は、図５〜６、図１１〜１２と同じ形状である。（２）は、半楕円状の形状である。（３）は、長方形の左横部を、三角形でえぐった形状である。（４）は、長方形の左横部を、長方形でえぐった形状である。（５）は、長方形の中心を長方形でくりぬいた形状である。三角形の一辺をマイクロストリップラインに這わせた形状である。（７）は、（６）の三角形部分を左右反転させた形状である。

図１６は、第１の実施例のアンテナのリターンロス特性の実測値である。プリント基板は、厚さ１ｍｍのガラスエポキシ基板（ＦＲ−４）を用いている。寸法は、図１でａ＝１０ｍｍ、ｂ＝１７ｍｍである。２．２〜５ＧＨｚにおいて、リターンロスが−９．５ｄＢ以下で、ＶＳＷＲが２以下になり、実用できる帯域である。

図１７は、第２の実施例のアンテナのリターンロス特性の実測値である。プリント基板は、図１と同じである。寸法は、図３でｃ＝１０ｍｍ、ｄ＝１７ｍｍである。３．４〜６．４ＧＨｚにおいて、リターンロスが−９．５ｄＢ以下で、ＶＳＷＲが２以下になり、実用できる帯域である。

図１８は、第３の実施例のアンテナのリターンロス特性の実測値である。プリント基板は、図１と同じである。寸法は、図５でｅ＝１０ｍｍ、ｆ＝１７ｍｍである。２．５〜６．２ＧＨｚにおいて、リターンロスが−９．５ｄＢ以下で、ＶＳＷＲが２以下になり、実用できる帯域である。

図１９は、第４の実施例のアンテナの水平面内の放射パターン特性の実測値である。図７の構成で、ａ＝１０ｍｍ、ｂ＝１７ｍｍとした場合の３．１ＧＨｚと４．８ＧＨｚの水平面の放射パターンを示す。測定値は、図７の右手前側のアンテナに給電し、左奥側のアンテナの給電点は５０オームで終端している。図１９で、０度方向は、Ｚ軸方向を示している。放射パターンは、０度±１００度で概ね一様な無指向性の放射パターン、すなわち、レベル変動の少ない放射パターンを示している。この場合、３６０度で無指向性が得られないのは、偏波と同一面にグランド３１（図７）が存在するため、後方はブロックされて放射が抑制されたり、散乱による乱れが生じるためである。

本発明の広帯域無指向性アンテナは、ＷｉＭＡＸ技術を用いた通信サービスの端末や基地局用アンテナとして、また、無線ＬＡＮ用の端末や基地局用アンテナとして、さらに、ＵＷＢの端末用アンテナとして使用することが可能である。

ＷｉＭＡＸ無線技術を用いたアンテナ。ＭＩＭＯ技術を用いたアンテナ。ＵＷＢ無線技術を用いたアンテナ。無線ＬＡＮ用アンテナ。その他、小型で広い帯域と無指向性の放射特性を必要とする用途のアンテナ。

本発明の広帯域無指向性アンテナの第１の実施例の構成図 プリント基板１の表面図及び裏面図 本発明の広帯域無指向性アンテナの第２の実施例の構成図 プリント基板１０の表面図及び裏面図 本発明の広帯域無指向性アンテナの第３の実施例の構成図 プリント基板２０の表面図及び裏面図 本発明の広帯域無指向性アンテナの第４の実施例の構成図 プリント基板３０の表面図及び裏面図 本発明の広帯域無指向性アンテナの第５の実施例の構成図 プリント基板４０の表面図及び裏面図 本発明の広帯域無指向性アンテナの第６の実施例の構成図 プリント基板５０の表面図及び裏面図 放射素子２の形状 放射素子３の形状 放射素子２１の形状 第１の実施例のアンテナのリターンロス特性 第２の実施例のアンテナのリターンロス特性 第３の実施例のアンテナのリターンロス特性 第４の実施例のアンテナの放射パターン特性 従来技術のプリント基板を用いたアンテナ

符号の説明

１ プリント基板
２ 放射素子
３ 放射素子
４ マイクロストリップライン
５ スタブ
６ テーパライン
７ グランド

Claims (10)

1. 基板の表面に、板状の導体より構成される第１の放射素子と、前記第１の放射素子の端部に接続され給電するために帯状の導体から構成される第１の帯状導体と、
   前記基板の裏面に、板状の導体より構成される第２の放射素子と、前記第２の放射素子の端部に接続され給電するために帯状の導体から構成される第２の帯状導体と、を備え、
   前記第１の放射素子は、先端側の第１の台形の部分と根本側の第２の台形の部分を備え、第１の台形の下底と第２の台形の上底が、一致するようにして接合した形状であり、
   前記第１の台形は、先端側の上底と、その対辺である下底と、前記第１の帯状導体と隣接する第１の側辺とその対辺である第２の側辺を有し、
   前記第１の台形の上底及び下底は、前記第１の帯状導体と直交し、
   前記第１の台形の第２の側辺は、前記第１の帯状導体と平行であり、
   前記第１の台形の下底は、前記第１の台形の上底よりも短く、
   前記第２の台形は、先端側の上底と、その対辺である下底と、前記第１の帯状導体と隣接する第１の側辺とその対辺である第２の側辺を有し、
   前記第２の台形の上底は、前記第１の台形の下底と一致し、
   前記第２の台形の下底は、前記第１の帯状導体と直交し、
   前記第２の台形の第２の側辺は前記第１の帯状導体と平行であり、
   前記第２の台形の下底は、前記第２の台形の上底よりも長いことを特徴とするアンテナ。
2. 請求項１に記載のアンテナにおいて、
   前記第２の放射素子は、直角三角形から構成され、直角三角形の直角をはさむ２辺のうち、１辺は、前記第２の帯状導体と直交し、他の辺は、前記第２の帯状導体と平行であることを特徴としたアンテナ。
3. 請求項２に記載のアンテナにおいて、
   前記第２の帯状導体は、前記第２の放射素子から遠ざかるにしたがって、その幅が徐々に、ステップ状または、曲線状または、直線状に広がっていくテーパラインであることを特徴とするアンテナ。
4. 基板の表面に、板状の導体より構成される第１の放射素子と、前記第１の放射素子の端部に接続され給電するために帯状の導体から構成される第１の帯状導体と、
   前記基板の裏面に、板状の導体より構成される第２の放射素子と、前記第２の放射素子の端部に接続され給電するために帯状の導体から構成される第２の帯状導体と、を備え、
   前記第１の放射素子は、矩形部分から構成され、
   前記第２の放射素子は、直角三角形から構成され、直角三角形の直角をはさむ２辺のうち、１辺は、前記第２の帯状導体と直交し、他の辺は、前記第２の帯状導体と平行であることを特徴としたアンテナ。
5. 前記第１の帯状導体と前記第２の帯状導体は、前記基板の表と裏で同一方向に伸び、且つ、前記プリント基板の表と裏で重なる構造になっており、
   前記第１の放射素子と前記第２の放射素子は、前記基板の表と裏で互いに立体的に重ならない位置関係に配置されていることを特徴とするアンテナ。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載のアンテナにおいて、
   前記第１の放射素子と前記第２の放射素子の何れか又は双方は、曲線状に削除された部分を更に備えることを特徴とするアンテナ。
7. 請求項１乃至５の何れか１項に記載のアンテナにおいて、
   前記第１の放射素子と前記第２の放射素子の何れか又は双方は、三角形、四角形、台形又は半楕円により一部が除かれた形状を更に有することを特徴とするアンテナ。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載のアンテナにおいて、
   前記放射素子の外周の接線のプリント基板の表面と平行な平面における角度は、少なくとも２方向に亘り分布することを特徴とするアンテナ。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載のアンテナにおいて、
   前記第２の放射素子は、グランドと結合されていることを特徴とするアンテナ。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載のアンテナにおいて、
    前記第１の放射素子と前記第２の放射素子との組を複数備えることを特徴とするアンテナ。

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