JP4742134B2 - 小型広帯域アンテナおよび無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘電体プリント基板を利用したアンテナに関し、特に、広帯域の無線通信に用いる小型のアンテナに関する。

従来、超広帯域の無線通信技術であるＵＷＢ（Ultra Wide Band）技術が知られている。一般に、ＵＷＢ技術は、ワイヤレスＴＶ、あるいは、ノートパソコンまたは携帯情報端末のための無線ＬＡＮ等に利用される。ＵＷＢ技術を用いた通信の周波数としては、例えば３．１ＧＨｚ〜４．９ＧＨｚが想定されるが、その通信を実現するには、ＵＷＢの無線通信に対処し得るアンテナが必要とされる。

従来知られた広帯域アンテナとして、例えば、図２５に示すようなディスコーンアンテナ２００’がある。ディスコーンアンテナ２００’は、同軸中心導体２０４’が同軸外部導体２０５’により覆われた同軸ケーブル２０３’に、放射素子となる円板２０１’および円錐板２０２’が図示の態様にて取り付けられたものである。

また、上記のディスコーンアンテナ２００’のような立体的なアンテナのほか、従来、プリント基板に放射素子が形成された平面的なアンテナがある。この種のアンテナ技術として、例えば、後述の非特許文献１には、自己補対放射素子を用いた広帯域アンテナが記載されている。このアンテナは、ダイポールアンテナ（Dipole Antenna：双極アンテナ）の２系統の放射素子に相当する２つのパターンがプリント基板に形成されたものである。２つのパターンのうち一方はプリント基板の表面に形成され、他方は、基板の裏面において表面のパターンと対向しないよう形成される。
電子情報通信学会論文誌（Ｂ）Ｖｏｌ.Ｊ８８−Ｂ Ｎｏ．９、２００５年９月、１６６２ページ〜１６７３ページ

ところで、昨今では、上記のＵＷＢ技術を利用し、携帯情報端末やノートパソコンのためのＵＳＢ（Universal Serial Bus）接続をワイヤレスで実現する技術が提案されている。一般に、携帯情報端末やノートパソコンに装着されるＵＳＢ機器のサイズは、携帯情報端末やノートパソコンのサイズや持ち運び性を考慮し、いわゆるメモリスティックのように極力小型であることが望まれる。このメモリスティックの場合、そのサイズは、長さ６０ｍｍｘ幅１５ｍｍｘ厚さ８ｍｍ程度が一般的である。したがって、ＵＷＢ技術によりＵＳＢを実現するにあたっては、端末に装着する無線インタフェース機器のサイズも、メモリスティックのサイズと同程度であることが要求される。

ＵＷＢ技術に係るスティック形状のＵＳＢ機器、すなわち端末に装着する無線インタフェース機器には、アンテナ及びそれに接続された通信回路を実装したプリント基板が搭載されている。このプリント基板の面積は、およそ長さ５０ｍｍｘ幅１０ｍｍであるが、そのうちアンテナに与えられる面積は長さ２０ｍｍｘ幅１０ｍｍ程度である。

前述のディスコーンアンテナ２００は、無線通信において広帯域な特性が得られるが、図２５に示すように、その形状は立体的であり且つ大型化し易い。よって、携帯情報端末に装着する無線インタフェース機器のアンテナには不向きである。一方、非特許文献１にて提案されているアンテナは、平面的なものであるが、アンテナに必要とされる面積が長さ６５ｍｍｘ幅４０ｍｍである。従って、この技術を、アンテナの面積が長さ２０ｍｍｘ幅１０ｍｍ程度に制限される上述の無線インタフェース機器に適用することは困難である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、広帯域の無線通信に使用されるアンテナをより小型にプリント基板へ形成する技術を提供することにある。

本発明に係る小型広帯域アンテナは、誘電体基板に形成された放射素子および該放射素子に双極の電位を供給する給電手段を備え、前記放射素子は、前記給電手段から接地電位が供給される給電点を有する接地電位部と、前記給電手段から接地電位と対の電位が供給される給電点を有する対極電位部とを有し、前記接地電位部および対極電位部は、それぞれが前記誘電体基板の表裏にテーパ形状に形成され且つ相互に容量結合する一対の導体を含み、それぞれの前記給電点が前記誘電体基板の表裏いずれかの同一面の各導体のテーパ頂部に位置する。

本発明の基本構想は、ダイポールアンテナの２系統の放射素子をそれぞれ分割し、分割により形成された素子部分を誘電体基板の表裏に配置するというものである。よって、基板の同一面上には、２系統の素子部分が存在する。かかる構成のアンテナに給電がなされると、表裏に形成された同一系統の素子部分は、互いに重なり合う箇所すなわち誘電体基板を介して対向する箇所で容量結合する。これにより、同一系統の素子部分が基板を介して電気的に接続される。

本発明によれば、放射素子を構成する接地電位部及び対極電位部のそれぞれを分割し、分割により形成された素子部分となる各導体を基板の表裏に配置したことから、アンテナの小型化を図ることができる。また、各導体をテーパ状に形成したことにより、広帯域の周波数特性を得ることができる。したがって、ＵＷＢの無線通信によりＵＳＢを実現する技術にも対処することが可能となる。

本発明の小型広帯域アンテナの第１の実施形態の構成図である。 第１の実施形態のアンテナの表裏を示す構成図である。 本発明の小型広帯域アンテナの第２の実施形態の構成図である。 第２の実施形態のアンテナの表裏を示す構成図である。 本発明の小型広帯域アンテナの第３の実施形態の構成図である。 第３の実施形態のアンテナの表裏を示す構成図である。 本発明の小型広帯域アンテナの第４の実施形態の構成図である。 第４の実施形態のアンテナの表裏を示す構成図である。 本発明の小型広帯域アンテナの第５の実施形態の構成図である。 第５の実施形態のアンテナの表裏を示す構成図である。 本発明の小型広帯域アンテナの第６の実施形態の構成図である。 第６の実施形態のアンテナの表裏を示す構成図である。 本発明の小型広帯域アンテナの第７の実施形態の構成図である。 第７の実施形態のアンテナの表裏を示す構成図である。 本発明の小型広帯域アンテナの第８の実施形態の構成図である。 第８の実施形態のアンテナの表裏を示す構成図である。 本発明の小型広帯域アンテナの第９の実施形態の構成図である。 第９の実施形態のアンテナの表裏を示す構成図である。 本発明の小型広帯域アンテナの第１０の実施形態の構成図である。 本発明の小型広帯域アンテナの第１１の実施形態の構成図である。 本発明の小型広帯域アンテナの第１２の実施形態の構成図である。 本発明の小型広帯域アンテナの第１３の実施形態の構成図である。 第１３の実施形態のアンテナの表裏を示す構成図である。 本発明の小型広帯域アンテナのリターンロス特性の説明図である。 従来のディスコーンアンテナの構成図である。 第１４の実施形態のアンテナの表裏を示す構成図である。 第１４の実施形態のアンテナのリターンロス特性の説明図である。 第１５の実施形態のアンテナの表裏を示す構成図である。 第１６の実施形態のアンテナの表裏を示す構成図である。 第１７の実施形態のアンテナの表裏を示す構成図である。 無線通信装置の概略ブロック図である。

符号の説明

１０１〜１１７：アンテナ
１、６１：プリント基板（誘電体基板）
２：同軸ケーブル
３：同軸中心導体
４：同軸外部導体
５：同軸外部導体接続線
１１〜１７、３１、３２、４１、４２：導体
２１、５１、７３：スルーホール
７１：マイクロストリップライン
７２：グランド
２００：プリント基板（誘電体基板）
２０１：グランド
２０２：マイクロストリップライン
２０３、３０１、４０１：スタブ
２０４：スルーホール

《実施形態の構成の説明１》
図１に、本発明の第１の実施形態のアンテナ１０１の構成を示す。図２は、アンテナ１０１の表面及び裏面における導体パターンの態様を一括して示すものである。本実施形態のアンテナ１０１においては、放射素子としての後述の導体１１〜導体１６およびインピーダンス整合部として機能する導体１７がプリント基板１上にパターン形成されている。プリント基板１は、長手方向の寸法を「Ｙ」および短手方向の寸法を「Ｘ」（Ｘ＜Ｙ）とした矩形を成す誘電体基板である。即ち、本実施形態および以下の実施形態でいうプリント基板は、その外面に導体がプリントされるべき誘電体基板のことを指す。

アンテナ１０１には、放射素子に双極（Dipole）の電位を供給する給電手段としての同軸ケーブル２が接続されている。同軸ケーブル２は、接地電位が与えられた同軸外部導体４と、これに被覆され接地電位と対の電位を供給する同軸中心導体３とを備える。

プリント基板１は矩形状をなしており、放射素子はプリント基板１の２つの長手方向外周辺（寸法Ｙの直線状外周辺）と２つの短手方向外周辺（寸法Ｘの直線状外周辺）とにより規定される矩形状のアンテナ領域に形成されている。

導体１１は、プリント基板１の表面において第１の長手方向外周辺の中央近傍より上方の短手方向外周辺に向かって広がるテーパ形状の導体パターンである。この導体１１は、プリント基板１の上方の１つの頂点を直角点とした大略直角三角形に形成されると共に、その直角三角形の斜辺から基板１の第２の長手方向外周辺の方へと突出する凸部を有する。この凸部は、基板の上方端部付近で三角形または台形に形成される。

導体１２は、プリント基板１の裏面において第２の長手方向外周辺の中央近傍より上方の短手方向外周辺に向かって広がるテーパ形状の導体パターンである。この導体１２は、プリント基板１の上方の１つの頂点を直角点とした大略直角三角形に形成されると共に、その直角三角形の斜辺から基板１の第１の長手方向外周辺の方へと突出する凸部を有する。この凸部は、基板の上方端部付近で三角形または台形に形成される。これら導体１１及び導体１２は、接地電位と対になる電位が供給される対極電位部に対応する構成要素である。

導体１３は、プリント基板１の表面において第１の長手方向外周辺の中央近傍より下方の短手方向外周辺に向かって広がるテーパ形状の導体パターンである。導体１４は、プリント基板１の裏面において第２の長手方向外周辺の中央近傍より下方の短手方向外周辺に向かって広がるテーパ形状の導体パターンである。これらは、接地電位が供給される接地電位部に対応する構成要素であり、プリント基板１の異なる頂点を直角点とした大略直角三角形に形成される。

導体１５及び導体１６は、プリント基板１の第１および第２の長手方向外周辺に対応する両側面に形成され、導体１１及び導体１２に接合された導体であり、プリント基板１の上方の短手方向外周辺に隣接して位置する導体１１及び導体１２間を短絡する手段である。導体１７は、プリント基板１の表面の導体１１から伸長するカギ状（Ｌ字状）のスタブ導体であり、その屈曲方向は該スタブ導体の先端部が導体１１に対向する（すなわち導体１１の斜辺と概ね平行になる）ように設定される。これら導体１５、導体１６及び導体１７は、同軸ケーブル２の特性インピーダンスと、同軸ケーブル２から導体１１側を見た入力インピーダンスとを整合させるためのインピーダンス整合部に対応する構成要素である。

なお、スタブとしての導体１７の形状は、その先端が開放されていれば、図示のようなカギ状に限らず、曲りのない直線的な帯状としてもよい。また、スタブの配置は、図示の導体１７のように導体１１のテーパ頂部付近とすることに限らず、インピーダンス整合の都合に応じて他の配置とすることができる。

かかる構成のアンテナ１０１において、その給電は、図１に示すように、同軸ケーブル２の同軸中心導体３を導体１１のテーパ頂部にハンダ付けし、また、同軸外部導体４を導体１３のテーパ頂部からプリント基板１の第１の長手方向外周辺に沿って一様にハンダ付けすることにより実現する。かくして、接地電位部および対極電位部の給電点は、誘電体基板１の表面の導体１１，１３のテーパ頂部に位置する。

以上のように、接地電位部の一対の導体１３，１４は、各導体のテーパ頂部の近傍の領域同士が誘電体基板１を介して対向することなく配置され、各導体のテーパ頂部の近傍の領域以外の一部の領域（下方の短手方向外周辺に隣接する領域）同士が誘電体基板１を介して対向して配置されている。同様に、対極電位部の一対の導体１１，１２は、各導体のテーパ頂部の近傍の領域同士が誘電体基板１を介して対向することなく配置され、各導体のテーパ頂部の近傍の領域以外の一部の領域（上方の短手方向外周辺に隣接する領域）同士が誘電体基板１を介して対向して配置されている。

接地電位部および対極電位部のそれぞれの給電点の位置する導体１１，１３は、そのテーパ頂部同士がプリント基板１の外形と一致する矩形状のアンテナ領域の第１の長手方向辺の中央の近傍に配置され、且つテーパ頂部を挟む辺のうちの一方がアンテナ領域の第１の長手方向辺に合致している。また、接地電位部および対極電位部のそれぞれの前記給電点の位置する導体と対をなす導体１２，１４は、そのテーパ頂部同士が前記アンテナ領域の第２の長手方向辺の中央の近傍に配置され、且つテーパ頂部を挟む辺のうちの一方がアンテナ領域の第２の長手方向辺に合致している。更に、接地電位部の一対の導体１３，１４のテーパ頂部を挟む辺のうちの他方（即ち斜辺）同士が交差し、対極電位部の一対の導体１１，１２のテーパ頂部を挟む辺のうちの他方（即ち斜辺）同士が交差している。尚、この交差は、実際に交わることを意味するものではなく、基板の表面または裏面の法線方向から見た場合に交差して見えることを意味する。

図３に、本発明の第２の実施形態のアンテナ１０２の構成を示す。図４は、アンテナ１０２の表面及び裏面における導体パターンの態様を一括して示すものである。本実施形態のアンテナ１０２と、図１に示す前述のアンテナ１０１との差異は、導体１１及び導体１２間の短絡手段にある。具体的には、図１のアンテナ１０１の短絡手段が側面の導体１５及び導体１６であるのに対し、本実施形態のアンテナ１０２は、図３及び図４に示すスルーホール２１を短絡手段とする。

スルーホール２１は、別名ビアホールと称される従来知られた短絡手段であり、その構造は、導体１１及び導体１２間に位置するプリント基板１を貫通する穴の内壁に導体が形成されたものである。スルーホール２１の数は、図示の例では、プリント基板１における上方の両側面に沿って３箇所ずつ、計６箇所であるが、高周波的にみて、すなわち使用する波長の長さに対してスルーホール２１が十分小さいものであれば、２個ずつまたは１個ずつ、あるいは３個ずつ以上など、適宜設定が可能である。また、スルーホール２１の配置も図示のものに限らない。

図５に、本発明の第３の実施形態のアンテナ１０３の構成を示す。図６は、アンテナ１０３の表面及び裏面における導体パターンの態様を一括して示すものである。本実施形態のアンテナ１０３と、図１に示す前述のアンテナ１０１との差異は、短絡手段の有無と、対極電位部となる導体パターンの形状にある。すなわち、アンテナ１０３は、プリント基板１の表裏間の短絡手段を具備せず、また、対極電位部として、図１の導体１１及び導体１２に替わる導体３１及び導体３２を備える。

導体３１は、プリント基板１の表面において第１の長手方向外周辺の中央近傍より上方の短手方向外周辺に向かって広がるテーパ形状の導体パターンである。導体３２は、プリント基板１の裏面において第２の長手方向外周辺の中央近傍より上方の短手方向外周辺に向かって広がるテーパ形状の導体パターンである。これら導体３１および導体３２は、図５及び図６に示すように、それぞれ前述の導体１１及び導体１２のような凸部を具備しない大略直角三角形に形成される。

図７に、本発明の第４の実施形態のアンテナ１０４の構成を示す。図８は、アンテナ１０４の表面及び裏面における導体パターンの態様を一括して示すものである。本実施形態のアンテナ１０４は、図１に示す前述のアンテナ１０１のプリント基板１の裏面に、スタブとなる導体４１を付加したものと同等である。

導体４１は、プリント基板１の裏面において、一部がプリント基板１の表面の導体１３と対向するように形成され、本発明における接地電位部のためのインピーダンス整合部となる第２のスタブ導体としての機能を果たす。図示の導体４１は、プリント基板１の裏面において第１の長手方向外周辺の中央近傍から延びていて、いずれの導体パターンにも接合されることなく独立して形成されており、その屈曲方向はプリント基板１の表面のスタブ導体１７のそれと水平方向（即ち、プリント基板１の短手方向外周辺と平行な方向）に関して対称になるよう配置されている。すなわち、第２のスタブ導体４１は、その屈曲方向がその先端部が第２のスタブ導体４１と容量結合する接地電位部の導体１３に誘電体基板１の表裏で（すなわち誘電体基板１を介して）対向する（すなわち導体１３の斜辺と概ね平行になる）ように形成されている。なお、導体４１の形状は、プリント基板１の表面のスタブ導体１７と同様にカギ形状（Ｌ字状）であるが、これに替えて曲がりのない帯形状であってもよい。

図９に、本発明の第５の実施形態のアンテナ１０５の構成を示す。図１０は、アンテナ１０５の表面及び裏面における導体パターンの態様を一括して示すものである。

本実施形態のアンテナ１０５と、図７に示す前述のアンテナ１０４との差異は、短絡手段にある。具体的には、図７のアンテナ１０４が短絡手段としてプリント基板１の側面の導体１５及び導体１６を具備するのに対し、アンテナ１０５は、図９に示すように、スルーホール２１を短絡手段とする。このスルーホール２１は、図３に示す前述のアンテナ１０２が具備するものと同様のものであり、説明を省略する。

図１１に、本発明の第６の実施形態のアンテナ１０６の構成を示す。図１２は、アンテナ１０６の表面及び裏面における導体パターンの態様を一括して示すものである。本実施形態のアンテナ１０６は、図５に示す前述のアンテナ１０３、すなわち短絡手段を具備しないアンテナ１０３に対し、その裏面に図７に示す前述のアンテナ１０４と同様な第２のスタブとなる導体４１を付加したものと同等である。

図１３に、本発明の第７の実施形態のアンテナ１０７の構成を示す。図１４は、アンテナ１０７の表面及び裏面における導体パターンの態様を一括して示すものである。本実施形態のアンテナ１０７は、図７に示す前述のアンテナ１０４に対し、プリント基板１の表面の導体１３と、プリント基板１の裏面に形成された第２のスタブ導体４１とを基板側面で短絡する導体４２を付加したものと同等である。

図１５に、本発明の第８の実施形態のアンテナ１０８の構成を示す。図１６は、アンテナ１０８の表面及び裏面における導体パターンの態様を一括して示すものである。本実施形態のアンテナ１０８は、図９に示す前述のアンテナ１０５に対し、プリント基板１の表面の導体１３とプリント基板１の裏面の第２のスタブ導体４１とをスルーホール５１により短絡したものと同等である。このスルーホール５１の構造は、プリント基板１の上方端部にあるスルーホール２１と同様であり、説明を省略する。

図１７に、本発明の第９の実施形態のアンテナ１０９の構成を示す。図１８は、アンテナ１０９の表面及び裏面における導体パターンの態様を一括して示すものである。本実施形態のアンテナ１０９は、図１１に示す前述のアンテナ１０６に対し、プリント基板１の表面の導体１３とプリント基板１の裏面の第２のスタブ導体４１とをスルーホール５１により短絡したものと同等である。

次に、本発明の小型広帯域アンテナにおける給電に関し、その実施形態を説明する。図１９に、第１０の実施形態のアンテナ１１０の構成を示す。図示のアンテナ１１０は、便宜上、前述の第１の実施形態（図１及び図２）の導体パターンを適用したものであるが、導体パターンは、これに限らず他の実施形態のものであってもよい。

アンテナ１１０の給電は、同軸ケーブル２の同軸中心導体３が、導体１１のテーパ頂部にハンダ付けされる一方で、同軸外部導体４は、同軸外部導体接続線５により導体１３のテーパ頂部に接続される。より詳しくは、同軸外部導体接続線５の一端が同軸外部導体４にハンダ付けされ、他端が導体１３のテーパ頂部にハンダ付けされる。

前述の第１〜第９の各実施形態では、同軸ケーブル２が、プリント基板１に対しその長手方向に沿って配置されて接続されたのに対し、図１９に示す本実施形態では、同軸中心導体３に曲げを施すことにより、同軸ケーブル２がプリント基板１に対しその長手方向にほぼ直交する方向に配置されて接続される。

図２０に、給電に関する他の実施形態としての第１１の実施形態の構成を示す。本実施形態のアンテナ１１１と、図１９に示す前述のアンテナ１１０との差異は、同軸外部導体４の接続態様にある。前述のアンテナ１１０は導体１３及び同軸外部導体４が同軸外部導体接続線５により接続されているのに対し、本実施形態のアンテナ１１１は、図２０に示すように、同軸外部導体４が導体１３のテーパ頂部に点接触により直接的にハンダ付けされる。

このように、本発明を実施するにあたっては、同軸ケーブル２の配線方向の都合に応じて、図１に示すような前述の給電方法、あるいは図１９又は図２０に示す給電方法を適用すればよい。

図２１に、本発明の第１２の実施形態の構成を示す。前述の各実施形態は、プリント基板１の寸法がアンテナの外周寸法を規定するものであったが、本実施形態は、前述のプリント基板１よりも大型のプリント基板６１の一部の領域（アンテナ領域）にアンテナ１１２を形成するものである。このプリント基板６１は、携帯情報端末に装着するＵＳＢ対応の無線インタフェース機器のような無線通信装置に搭載される誘電体基板であり、プリント基板６１を用いて、図示しない通信回路がアンテナ１１２と共に形成される。

即ち、誘電体基板６１は矩形状をなしており、放射素子は誘電体基板６１の長手方向外周辺の一部と短手方向外周辺の一部とにより規定される矩形状のアンテナ領域に形成されている。誘電体基板６１の長手方向とアンテナ領域の長手方向とは、一致する必要はなく、たとえば互いに直交していてもよい。

以上のようにして、小型広帯域アンテナと、そのプリント基板６１を用いて形成され且つ小型広帯域アンテナと電気的に接続された無線通信回路部とを含む無線通信装置が構成される。このような無線通信装置の概略ブロック図を図３１に示す。

図２１に示すアンテナ１１２は、その導体パターンとしては図３に示すアンテナ１０２のものが適用され、また、給電方法としては、図１９に示すものが適用されたものである。プリント基板６１に形成するアンテナの導体パターンとしては、図示のものに替えて他の実施形態のものを適用することができるが、短絡手段を持たせる場合は、スルーホールを具備する実施形態のものを適用する。

図２２に、本発明の第１３の実施形態の構成を示す。図２３は、本実施形態のアンテナ１１３の表面及び裏面における導体パターンの態様を一括して示すものである。

本実施形態のアンテナ１１３は、図２１に示す前述のアンテナ１１２の給電手段として、同軸ケーブル２を接続することに替えて、プリント基板１の表裏にマイクロストリップライン７１及びグランド７２を形成したものと同等である。具体的には、図２２に示すように、同軸中心導体３に対応するマイクロストリップライン７１をプリント基板１の表面の導体３１に接続し、同軸外部導体４に対応するプリント基板１の裏面のグランド７２とプリント基板１の表面の導体１３とをプリント基板１に形成されたスルーホール７３により短絡する。

なお、表面の導体１３と裏面のグランド７２との短絡形態は、図示のものに限らず、例えば、棒状の導体または導線によってハンダ付けで接続する、あるいは、グランド７２のパターンを導体１３の下まで形成し、静電容量によって両者を高周波的に短絡させるという形態がある。

以上の実施形態では、短絡手段の一つとして、プリント基板１の側面に形成される導体１５及び導体１６（例えば図１）を説明したが、短絡手段の形態としては、プリント基板１の上方の側面、すなわち基板１の上方の短手方向外周辺に、導体１１及び導体１２を短絡する導体を形成するという形態であってもよい。その場合、導体パターンとしては、上方端部付近で矩形を成す導体１１及び導体１２（図１）に替えて、図５に示すような導体３１及び導体３２であってもよい。

また、本発明に係る小型広帯域アンテナに関し、その放射素子の形状は、上記各実施形態のものに限定されない。例えば、放射素子となる各導体パターンの形状は、大略直角三角形に替えて、直角点を有しない大略三角形であってもよい。さらにまた、給電点が設定される頂点を具備するテーパ形状であれば、上記実施形態のような直線のみにより形成される形状に限らず、例えば曲線を含む形状であってもよい。また、接地電位部および対極電位部のそれぞれの導体は、そのテーパ頂部を挟む２つの辺のいずれもがプリント基板の外周辺に合致しなくともよい。

《電気的作用の説明１》
次に、本発明の小型広帯域アンテナの電気的作用について説明する。まず、短絡手段を具備しない図５に示すアンテナ１０３を例に挙げて説明する。アンテナ１０３の基本的な動作は、ダイポールアンテナに基づく。図５より、同軸ケーブル２はプリント基板１の表面において導体３１及び導体１３に接続されているが、これら導体３１及び導体１３は、ダイポールアンテナの双極のエレメントに相当する。

しかしながら、基板表面に導体３１及び導体１３を形成したのみでは、各エレメントとしての絶対的な長さが不足する。そこで、この不足分の長さを補うべく形成されているのが導体３２及び導体１４である。すなわち、表面の導体３１及び裏面の導体３２により本発明に係る対極電位部を形成し、また、表面の導体１３及び裏面の導体１４が接地電位部を形成する。

対極電位部に関し、表面の導体３１と裏面の導体３２は、直流的には導通していないが、高周波的には接続されているとみなすことができる。高周波的な接続とは、導体３１及び導体３２間の容量結合による作用を指す。より詳細には、同軸ケーブル２からの給電により、プリント基板１を挟む導体３１及び導体３２の重複箇所において容量結合が生じ、結果、導体３１及び導体３２間が電気的に接続されることを指す。

したがって、アンテナ１０３をダイポールアンテナとして見た場合、同軸中心導体３に接続される放射素子の長さは、導体３１及び導体３２の長さを足したものと考えることができる。また、導体３１及び導体３２は上方端部で接続され、且つ、導体３２が裏面側に折り曲げられたものと解釈できる。

ここで、導体３１及び導体３２はそれぞれテーパ形状に形成されていることから、両者を同一平面上にて接続した状態を想定すると、その形状は、概ね平行四辺形を成す。よって、給電点となる導体３１のテーパ頂部から導体３２への電気の伝播ルートとして、多様な長さのルートを確保できる。このことは、多様な長さの波長が分布できることを意味し、すなわち、広帯域特性を得ることができる所以である。

ダイポールアンテナの他方のエレメントとなる接地電位部については、上記説明を導体１３及び導体１４に適用したものと同等であり、説明を省略する。また、導体１７は、前述したように、インピーダンス整合をとるために適正な位置に形成されたスタブである。

次に、本発明の電気的作用について、短絡手段を具備する図１に示すアンテナ１０１を例に挙げて説明する。図１のアンテナ１０１の作用も、基本的には、図５のアンテナ１０３の作用と同様である。アンテナ１０１とアンテナ１０３との違いは、インピーダンスを整合させるための短絡手段が付加されていることである。すなわち、アンテナ１０１において、対極電位部となる導体１１及び導体１２が凸部を有しており、その凸部に接合された導体１５及び導体１６により導体１１及び導体１２が短絡されている。

図５のアンテナ１０３に対し、図１のアンテナ１０１には上記のような構造の違いはあるが、各アンテナエレメントをプリント基板１の端部で折り返した状態に形成し、且つ、折り返しによる重複箇所で容量結合させるということに関しては、アンテナ１０１及びアンテナ１０３間の差異はない。両者の構造の違いは、インピーダンスの整合手段と考えて差し支えなく、原理的な差異はない。

このように、本発明に係る小型広帯域アンテナは、いずれも双極のエレメントを持つダイポールアンテナと原理的に同様な動作をする。

本発明の小型広帯域アンテナの実際のアンテナ寸法について説明する。アンテナ寸法は、使用周波数の最小値の波長で計算して、例えば、短手方向を約０．１波長分の寸法とし、また、長手方向を約０．２波長分の寸法とすることができる。図１及び図５では、Ｘ＝約０．１波長、Ｙ＝約０．２波長となる。

本発明のアンテナは、前述したように、ダイポールアンテナの各エレメントの中央付近に幅を持たせ、それらを折り返したものとみなすことができる。よって、この見地によれば、折り返した状態での縦（Ｙ）の長さが０．２波長であることは、折り返し分を伸ばせば、各エレメントの長さは０．２波長となる。さらに、エレメントの斜め方向、すなわち前述した擬似的な平行四辺形における対角線方向にも電流が流れることを考慮すれば、各エレメントの全長は概ね０．２５波長になると考えられる。よって、本発明の原理が、広帯域通信において十分に実用的かつ効果的なものであることがわかる。

上記のことから、使用周波数の最小値が例えば３．１ＧＨｚの場合、その波長は約９７ｍｍであることから、アンテナ寸法としては、約１０ｍｍ×約２０ｍｍ確保できれば実現可能である。よって、本発明によれば、ＵＷＢによりＵＳＢ接続を実現するための無線インタフェース機器に好適となる。

図２４は、図１の構成に関するリターンロス特性の実測値である。ここで、図１に示すプリント基板１の寸法は、長さ（Ｙ）が約２０ｍｍ、幅（Ｘ）が約１０ｍｍ、厚さは約０．８ｍｍとしている。また、プリント基板１の材料は、ＦＲ−４基板（ガラスエポキシ基板）である。図２４より、３．１ＧＨｚから４．９ＧＨｚのリターンロスは、約−７．４ｄＢであり、ＶＳＷＲは、２．５以下である。

以上説明した実施形態によれば、ＵＷＢのような広帯域の無線通信に対処し得るアンテナをプリント基板上に小型に形成することができる。

《実施形態の構成の説明２》
図２６に、本発明の第１４の実施形態の構成を示す。図２６は、本実施形態のアンテナ１１４の表面及び裏面における導体パターンの態様を一括して示すものである。本実施形態のアンテナ１１４は、給電手段としてマイクロストリップ線路（７１、７２）を具備する前述のアンテナ１１３（図２２及び図２３）を応用したものである。

アンテナ１１４は、図２６に示すように全体が長方形、または、少なくともアンテナ１１４が形成される部分（アンテナ領域）が長方形を成すプリント基板２００と、プリント基板２００の端部周辺の表裏に形成された導体１１、導体１２、導体１３及び導体１４と、給電手段としてのマイクロストリップライン２０２及びグランド２０１とを備える。ここで、マイクロストリップライン２０２は、本発明におけるマイクロストリップ線路を構成する第１の導体に対応し、グランド２０１は第２の導体に対応する。

導体１１〜導体１４の形状は、基本的には、前述の実施形態において対応するものと同様であるが、導体１３は、テーパ形状に広がった端部でグランド２０１と接続されており、実質的にはグランド２０１と一体化された形状を成す。元来、グランド２０１は、プリント基板２００に実装されるＵＷＢ用ＬＳＩ（図示略）等の部品に接地電位を供給するためにプリント基板２００上に形成される、いわゆるグランド板である。本実施形態では、導体１３をグランド２０１と一体化することにより、アンテナ１１４と実装部品とでグランド２０１を共用する。

図２６に示すように、アンテナ１１４は、プリント基板２００の表面の導体１３のテーパ頂部から伸長する鉤状のスタブ導体であるスタブ２０３を有する。スタブ２０３は、その屈曲方向がスタブ先端部が導体１３に対向する（すなわち導体１３の斜辺と概ね平行になる）ように設定されている。このスタブ２０３は、アンテナ１１４の電気的なインピーダンスを調整するものであるから、配置及び数量は、図示のものに限らず、必要に応じて適宜変更してよい。

アンテナ１１４における給電は、導体１１のテーパ頂部にスルーホール２０４を介して接続されたマイクロストリップライン２０２により行われる。マイクロストリップライン２０２の端部は、必要に応じて、グランド２０１側に実装されるＵＷＢ用ＬＳＩ等の回路に接続される。

以上のようにして、小型広帯域アンテナと、そのプリント基板２００を用いて形成され且つ小型広帯域アンテナと電気的に接続された無線通信回路部とを含む無線通信装置が構成される。

《電気的作用の説明２》
アンテナ１１４の電気的作用は、原理的には、アンテナ１０１及びアンテナ１０３（図１及び図５）を例に挙げて説明した前述の電気的作用と同様である。前述の説明を引用すると、アンテナ１１４は、垂直のダイポールアンテナとみなすことができる。また、アンテナ１１４は、導体１３がグランド２０１と一体化されていることから、図２６における導体１３の右端も、部分的には図５に示すアンテナに関する電気的作用の説明において記載したように、ダイポールの他方のエレメントの一部として作用する。よって、導体１３をグランド２０１と接続し、導体１３上の電流がグランド２０１側にも自由に流れることができるようにすることで、インピーダンスの整合の効果が高められる。

図２７に、図２６の構成におけるリターンロス特性を示す。図示の特性は、プリント基板２００の寸法が、幅１０ｍｍ、長さ４５ｍｍ、厚さ０．８ｍｍであり、基板部材としてガラスエポキシ基板（ＦＲ−４基板）を用いた場合の実測例である。図２７に示すように、使用帯域の３．１ＧＨｚ〜４．９ＧＨｚにおいて、−１１ｄＢのリターンロスが得られている。この値は、ＶＳＷＲで１．８以下に相当する。このように良好なＶＳＷＲが得られることで、インピーダンスの不整合に起因してアンテナから反射される電力も減るため、アンテナの放射効率および利得が高められる。

このように、プリント基板（２００）に実装されるＵＷＢ用ＬＳＩ等の回路のためのグランド板（２０１）をアンテナと共用するよう構成することで、より良好なＶＳＷＲ特性、放射効率及び利得を実現することができる。

《実施形態の構成の説明３》
前述したように、図２６に示すスタブ２０３のようなスタブ導体の配置および数量は、図示のものに限定されない。以下、図２８、図２９及び図３０を参照して、アンテナ１１４の構成からスタブ導体（２０３）の配置あるいは数量を変更した実施形態について説明する。

図２８に、本発明の第１５の実施形態の構成を示す。図２８は、本実施形態のアンテナ１１５の表面及び裏面における導体パターンの態様を一括して示すものである。前述のアンテナ１１４（図２６）が、導体１３から伸長するスタブ２０３を有するのに対し、本実施形態のアンテナ１１５は、図２８に示すように、プリント基板２００の裏面にてマイクロストリップライン２０２から伸長するスタブ３０１を有する。スタブ３０１は、スタブ２０３と同様に鉤状を成し、その屈曲方向がスタブ先端部がプリント基板２００を介して導体１１に対向する（すなわち導体１１の斜辺と概ね平行になる）ように設定されている。

図２９に、本発明の第１６の実施形態の構成を示す。図２９は、本実施形態のアンテナ１１６の表面及び裏面における導体パターンの態様を一括して示すものである。アンテナ１１６のスタブ導体は、導体１１のテーパ頂部、すなわちプリント基板２００の表面におけるスルーホール２０４付近から伸長する鉤状のスタブ４０１である。スタブ４０１は、図２９に示すように、その屈曲方向がスタブ先端部が導体１１に対向する（すなわち導体１１の斜辺と概ね平行になる）ように設定されている。

図３０に、本発明の第１７の実施形態の構成を示す。図３０は、本実施形態のアンテナ１１７の表面及び裏面における導体パターンの態様を一括して示すものである。アンテナ１１７は、スタブ導体として、プリント基板２００の表面において導体１３から伸長する前述のスタブ２０３（図２６）と、裏面においてマイクロストリップライン２０２から伸長する前述のスタブ３０１（図２８）とを備える。

図２６に示すアンテナ１１４を基本としてスタブ導体（２０３）の配置及び数量を変更した構成は、図２８〜図３０に示す上記のものに限らず、インピーダンス整合の都合に応じて適宜変更してよい。

本発明の小型広帯域アンテナは、ＵＷＢ無線技術に用いるアンテナ、無線ＬＡＮ用アンテナ、地上波デジタルＴＶ放送受信用アンテナ、及び、携帯電話用アンテナ等、小型に形成でき且つ広い周波数帯域を必要とする用途に好適である。

Claims (30)

1. 誘電体基板に形成された放射素子および該放射素子に双極の電位を供給する給電手段を備え、
   前記放射素子は、前記給電手段から接地電位が供給される給電点を有する接地電位部と、前記給電手段から接地電位と対の電位が供給される給電点を有する対極電位部とを有し、
   前記接地電位部および対極電位部は、それぞれが前記誘電体基板の表裏にテーパ形状に形成され且つ相互に容量結合する一対の導体を含み、それぞれの前記給電点が前記誘電体基板の表裏いずれかの同一面の各導体のテーパ頂部に位置することを特徴とする小型広帯域アンテナ。
2. 前記接地電位部および対極電位部のそれぞれの前記一対の導体は、各導体のテーパ頂部の近傍の領域同士が前記誘電体基板を介して対向することなく配置され、各導体の前記テーパ頂部の近傍の領域以外の領域同士が前記誘電体基板を介して対向して配置されていることを特徴とする請求項１記載の小型広帯域アンテナ。
3. 前記誘電体基板は矩形状をなしており、前記放射素子は前記誘電体基板の長手方向外周辺の少なくとも一部と短手方向外周辺の少なくとも一部とにより規定される矩形状のアンテナ領域に形成されており、
   前記接地電位部および対極電位部のそれぞれの前記給電点の位置する導体は、そのテーパ頂部同士が前記アンテナ領域の第１の長手方向辺の中央の近傍に配置され且つ前記テーパ頂部を挟む辺のうちの一方が前記アンテナ領域の第１の長手方向辺に合致しており、
   前記接地電位部および対極電位部のそれぞれの前記給電点の位置する導体と対をなす導体は、そのテーパ頂部同士が前記アンテナ領域の第２の長手方向辺の中央の近傍に配置され且つ前記テーパ頂部を挟む辺のうちの一方が前記アンテナ領域の第２の長手方向辺に合致しており、
   前記接地電位部の一対の導体の前記テーパ頂部を挟む辺のうちの他方同士が交差し、前記対極電位部の一対の導体の前記テーパ頂部を挟む辺のうちの他方同士が交差していることを特徴とする請求項１〜２のいずれか一項記載の小型広帯域アンテナ。
4. 更に、前記放射素子と前記給電手段との間でインピーダンスを整合させるためのインピーダンス整合部を備えていることを特徴とする請求項１記載の小型広帯域アンテナ。
5. 前記インピーダンス整合部は、前記対極電位部の一方の導体から伸長し且つその端部が開放されたスタブ導体を含むことを特徴とする請求項４記載の小型広帯域アンテナ。
6. 前記スタブ導体が鉤状であることを特徴とする請求項５記載の小型広帯域アンテナ。
7. 前記インピーダンス整合部は、前記スタブ導体の形成された前記誘電体基板の表裏いずれかの面と同一面にある前記接地電位部の導体と前記誘電体基板を介して相互に容量結合し、且つ前記スタブ導体の形成された前記誘電体基板の表裏いずれかの面の反対面に配された第２のスタブ導体を含むことを特徴とする請求項５記載の小型広帯域アンテナ。
8. 前記インピーダンス整合部は、前記誘電体基板の側面に形成され且つ前記対極電位部の一対の導体と接合され且つ該一対の導体を短絡する側面導体を含むことを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項記載の小型広帯域アンテナ。
9. 前記インピーダンス整合部は、前記誘電体基板に設けられ且つ前記対極電位部の一対の導体を短絡するスルーホールを含むことを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項記載の小型広帯域アンテナ。
10. 前記接地電位部および対極電位部のそれぞれの一対の導体は、各導体が、前記テーパ形状を形成する一辺を斜辺とした大略直角三角形を成し且つ他方の導体と前記斜辺同士が交差するように配されたことを特徴とする請求項１記載の小型広帯域アンテナ。
11. 前記接地電位部および対極電位部のそれぞれの一対の導体は、各導体が、前記テーパ形状を形成する一辺を斜辺とした大略直角三角形を成し且つ他方の導体と前記斜辺同士が交差するように配され、
    前記対極電位部の一対の導体は、それぞれの前記斜辺に付属する凸部を有し、該凸部が前記側面導体と接合されていることを特徴とする請求項８記載の小型広帯域アンテナ。
12. 前記接地電位部および対極電位部のそれぞれの一対の導体は、各導体が、前記テーパ形状を形成する一辺を斜辺とした大略直角三角形を成し且つ他方の導体と前記斜辺同士が交差するように配され、
    前記対極電位部の一対の導体は、それぞれの前記斜辺に付属する凸部を有し、該凸部が前記スルーホールと接合されていることを特徴とする請求項９記載の小型広帯域アンテナ。
13. 前記インピーダンス整合部は、前記スタブ導体の形成された前記誘電体基板の表裏いずれかの面の反対面に配された第２のスタブ導体を含み、更に、前記誘電体基板の側面に形成され且つ前記第２のスタブ導体と前記第２のスタブ導体の形成された前記誘電体基板の表裏いずれかの面の反対面に形成されている前記接地電位部の導体とを短絡すべく該導体及び前記第２のスタブ導体に接合された側面導体を含むことを特徴とする請求項５記載の小型広帯域アンテナ。
14. 前記インピーダンス整合部は、前記スタブ導体の形成された前記誘電体基板の表裏いずれかの面の反対面に配された第２のスタブ導体を含み、更に、前記誘電体基板に設けられ且つ前記第２のスタブ導体と前記第２のスタブ導体の形成された前記誘電体基板の表裏いずれかの面の反対面に形成されている前記接地電位部の導体とを短絡すべく該導体及び前記第２のスタブ導体に接合されたスルーホールを含むことを特徴とする請求項５記載の小型広帯域アンテナ。
15. 前記スタブ導体は、前記対極電位部の導体のテーパ頂部から伸長し且つその鉤状の屈曲方向がその先端部が前記対極電位部の導体に対向するように形成されたことを特徴とする請求項６に記載の小型広帯域アンテナ。
16. 前記第２のスタブ導体は、鉤状であり、その鉤状の屈曲方向がその先端部が前記第２のスタブ導体と容量結合する前記接地電位部の導体に前記誘電体基板の表裏で対向するよう形成されたことを特徴とする請求項７記載の小型広帯域アンテナ。
17. 前記スタブ導体または第２のスタブ導体が直線状であることを特徴とする請求項５、７、１３及び１４のいずれか一項に記載の小型広帯域アンテナ。
18. 前記給電手段は、前記対極電位部の一方の導体と接合される中心導体および該中心導体を被覆し前記接地電位部に接地電位を供給する外部導体を備える同軸ケーブルであることを特徴とする請求項１記載の小型広帯域アンテナ。
19. 前記同軸ケーブルの外部導体が、前記中心導体が接合された前記対極電位部の導体の形成された前記誘電体基板の表裏いずれかの面と同一面にある前記接地電位部の導体に、前記テーパ頂部を挟む辺のうちの一方であって前記誘電体基板の外周辺に合致する辺に沿って接合されていることを特徴とする請求項１８記載の小型広帯域アンテナ。
20. 前記同軸ケーブルは前記給電点の位置する前記対極電位部および接地電位部の導体のテーパ頂部を挟む辺のうちの一方であって前記誘電体基板の外周辺に合致する辺を横切る向きに配置されていることを特徴とする請求項１８記載の小型広帯域アンテナ。
21. 前記外部導体が接続線を介して前記導体と接合されることを特徴とする請求項２０記載の小型広帯域アンテナ。
22. 前記給電手段は、前記誘電体基板に形成されたマイクロストリップ線路であることを特徴とする請求項１記載の小型広帯域アンテナ。
23. 前記マイクロストリップ線路は、前記対極電位部の一方の導体から伸長する導体と、前記接地電位部の一方の導体に前記誘電体基板に形成されたスルーホールにより短絡された導体とを含むことを特徴とする請求項２２記載の小型広帯域アンテナ。
24. 前記放射素子の外周を規定する寸法および形状が適用波長の最小値に基づく０．１波長ｘ０．２波長の矩形であることを特徴とする請求項１記載の小型広帯域アンテナ。
25. 前記誘電体基板の寸法が前記放射素子の外周を規定する寸法と同一であることを特徴とする請求項２４記載の小型広帯域アンテナ。
26. 請求項１記載の小型広帯域アンテナと、該小型広帯域アンテナの誘電体基板を用いて形成された無線通信回路部とを含むことを特徴とする無線通信装置。
27. 前記マイクロストリップ線路は、前記対極電位部の一方の導体に前記誘電体基板に形成されたスルーホールにより短絡された第１の導体と、前記接地電位部の一方の導体と一体化され且つ無線通信回路が搭載される第２の導体とを含むことを特徴とする請求項２３記載の小型広帯域アンテナ。
28. 前記インピーダンス整合部は、前記第２の導体と一体化された前記接地電位部の一方の導体から伸長し且つその端部が開放された鉤状のスタブ導体を含み、
    前記鉤状のスタブ導体は、屈曲方向がその先端部が前記接地電位部の一方の導体に対向するよう形成されたことを特徴とする請求項２７記載の小型広帯域アンテナ。
29. 前記インピーダンス整合部は、前記第１の導体から伸長し且つその端部が開放された鉤状のスタブ導体を含み、
    前記第１の導体から伸長する前記鉤状のスタブ導体は、屈曲方向がその先端部が前記対極電位部の一方の導体に対向するよう形成されたことを特徴とする請求項２７〜２８のいずれか一項記載の小型広帯域アンテナ。
30. 前記インピーダンス整合部は、前記第２の導体の形成された前記誘電体基板の表裏いずれかの面と同一面に配された前記対極電位部の一方の導体から伸長し且つその端部が開放された鉤状のスタブ導体を含み、
    前記鉤状のスタブ導体は、屈曲方向がその先端部が前記対極電位部の一方の導体に対向するよう形成されたことを特徴とする請求項２７記載の小型広帯域アンテナ。

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