JP4884028B2

JP4884028B2 - 広帯域アンテナ

Info

Publication number: JP4884028B2
Application number: JP2006051237A
Authority: JP
Inventors: 一彦安達
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2026-02-27
Also published as: JP2007235255A

Description

本発明は、移動体通信機器、小型情報端末、その他の無線装置に利用可能な水平面内無指向性アンテナに関し、より詳細には、広帯域化および小型軽量化を図った水平面内無指向性アンテナに関する。

近年の無線通信技術の飛躍的な発展に伴い、無線技術を利用した製品が広く普及し始め、無線通信路の伝送容量拡大に大きな期待がかけられている。最近では、時間や空間、偏波、符号といった多次元にわたる信号の多重化によって、伝送容量の拡大を図る研究が活発に行われており、特に、広い帯域を使った通信技術（ＵＷＢ）が注目されている。
このＵＷＢ方式は、３ＧＨｚから１１ＧＨｚの極めて広い帯域を使って通信するため大容量の通信が可能になると期待されている。ＵＷＢ方式は、伝送距離が１０ｍ以内を想定しており、家庭内のＡＶ機器などへの応用が考えられている。そのため、それら装置への設置を考えた場合、小型であることが望まれる。
このＵＷＢ通信方法では、広帯域な電波を効率良く受信するアンテナが必要とされる。このような広帯域アンテナとしてはディスコーンアンテナが検討されている。
ディスコーンアンテナの構造を簡単に説明すれば、信号の給電には外導体と誘電体と内導体から成る同軸ケーブルが使用され、その外導体は地板と電気的に接続されており、他方、同軸ケーブルの内導体には逆円錐状の放射素子の頂角が電気的に接続されている。
そして、「アンテナ工学ハンドブック（編者：電子情報通信学会、発行：オーム社、平成１６年５月１５日第１版第１２刷発行１２８ページ）に記載されるディスコーンアンテナの説明によれば、設計基準としては使用最低周波数をｆｃ、このときの波長をλｃとすれば、円錐の半頂角θは約３０°に、また地板の直径をＤ≧０．１５λｃ、ｈ≧０．２λｃに選べばよい、と記載されている。一般に地板径２Ｒは大きいほど性能が良いと考えられている。
このようなディスコーンアンテナの小型化に関しては開示技術としては以下の技術が公開されている。

図１４は、特許文献１に開示される他の従来例を示す図である。図１４に示すように、該アンテナは、円錐状１１の周面に沿ってスパイラル状導電素子１２ａ、１２ｂが形成されたスカート部１０と、このスカート部１０の頂部近傍に配置された円形の平面基体２１の平面上にメアンダ状導電素子２２が形成されたトップロード部２０とを備えている。該アンテナでは、平面基体２１に形成されたメアンダ状導電素子２２が比較的幅広な帯状の形態であること、複数のメアンダラインの存在により多共振となし得ること、等の理由に基づいて広帯域化が図られている。
また、スカート部に形成されたスパイラル状導電素子１２ａ、１２ｂにより、見かけよりも長い電気長を実現できることから、従来のディスコーンアンテナと比較して小型に形成できることを特徴としている。
しかしながら、該アンテナでは基体上にメアンダ状あるいはスパイラル状の導体パターンを形成する必要があり、広帯域化に伴って導体パターンを高密度化する必要があるため、構造が複雑となってしまう欠点がる。
また、周波数特性においても、多波長共振タイプであるため、広い周波数帯域で反射損失の低い特性を実現することが出来ない欠点があった。

図１５は、特許文献２に開示される他の従来例を示す図である。図１５に示すように、該アンテナは、放射素子６の外周面が半楕円回転体形の導体と平面地板５から構成される。該アンテナでは、放射素子６を半楕円回転体形または半球形の形状にすることにより、小型化および広帯域化を図っている。しかしながら、このような従来のディスコーンアンテナは、図１４に示した従来例の多波長共振タイプではなくて、広帯域な領域で使用可能であるが、その使用可能な周波数帯域、特に下限周波数については、放射素子の寸法的要素が支配的であるため、より低い周波数で使用可能とするためには放射素子高さを高くする必要があったし、それに応じて地板も大きくする必要があった。
特開平０９−０８３２３８号特開平０９−１５３７２７号

以上のように従来の広帯域アンテナでは、広帯域化を図るためにはアンテナ構造が複雑となり、より低い周波数帯で使用するためにはアンテナの大型化が必要となる問題点があった。
本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてなされたもので、その目的は、広帯域で、且つ小形な広帯域アンテナを実現するための最適なアンテナ構造を有する広帯域アンテナを提案することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１記載の広帯域アンテナでは、円形および方形の導体からなる地板と、前記地板の中央に垂直方向に配置された放射素子からなる広帯域アンテナにおいて、前記地板の中心から端までの距離Ｒと実効的な放射素子の高さｈは、Ｒ＜ｈの条件下において、ｈ＝２Ｒ（１＋ｎ）、またＲ＞ｈの条件下においては、Ｒ＝２ｈ（１＋ｎ）（ｎ＝０，１，２，３・・）の関係にあることを特徴としている。
請求項２記載の広帯域アンテナでは、前記放射素子は頂点を地板面側に向けた逆円錐型であることを特徴としている。
請求項３記載の広帯域アンテナでは、前記放射素子は頂点を地板面側に向けた逆釣鐘型であることを特徴としている。
請求項４記載の広帯域アンテナでは、前記放射素子は球面部を地板面側に向けた逆半球型であることを特徴としている。
請求項５記載の広帯域アンテナでは、前記放射素子は球体であることを特徴としている。

請求項６記載の広帯域アンテナでは、導体からなる地板と、前記地板に電気的に絶縁されて配置された板状放射素子からなる広帯域アンテナにおいて、前記放射素子は、前記地板の一辺の中央部に配置され、前記地板中心から端までの距離Ｒと実効的な放射素子の高さｈは、Ｒ＜ｈの条件下において、ｈ＝２Ｒ（１＋ｎ）、またＲ＞ｈの条件下においてはＲ＝２ｈ（１＋ｎ）（ｎ＝０，１，２，３・・）の関係にあることを特徴としている。
請求項７記載の広帯域アンテナでは、前記放射素子は頂角を地板側に向け逆三角形型であることを特徴としている。
請求項８記載の広帯域アンテナでは、前記放射素子は頂点を地板側に向けた逆釣鐘型であることを特徴としている。
請求項９記載の広帯域アンテナでは、前記放射素子は球面部を地板側に向けた逆半円型であることを特徴としている。
請求項１０記載の広帯域アンテナでは、前記放射素子は円型であることを特徴としている。
請求項１１記載の広帯域アンテナでは、前記放射素子又は地板の一方、あるいは両方の表面に不連続部があることを特徴としている。

以上説明したように本発明によれば、放射素子と地板からなる広帯域アンテナにおいて、広帯域性を確保し、かつ小型化可能なアンテナ構成を提供することができる。

以下に添付の図を参照してこの発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明をディスコーンアンテナに実施した場合の一実施形態を示す図であり、断面図（ａ）と平面図（ｂ）である。図１によって構造を簡単に説明すれば、信号の給電には外導体１と誘電体２と内導体３から成る同軸ケーブル４が使用され、その外導体１は地板５と電気的に接続されており、他方、同軸ケーブルの内導体３には逆円錐状の放射素子６の頂角が電気的に接続されている。
そして、「アンテナ工学ハンドブック（編者：電子情報通信学会、発行：オーム社、平成１６年５月１５日第１版第１２刷発行１２８ページ）に記載されるディスコーンアンテナの説明によれば、設計基準としては使用最低周波数をｆｃ、このときの波長をλｃとすれば、円錐の半頂角θは約３０°に、また地板の直径を２Ｒ≧０．１５λｃ、ｈ≧０．２λｃに選べばよい、と記載されている。一般に地板径２Ｒは大きいほど性能が良いと考えられている。

次に、具体的な実施形態を説明する前に、本発明の原理を説明する。
まず、図１に示すディスコーンアンテナの反射損失（Ｓ１１）の周波数依存性について説明する。
図２および図３に、図１に示すディスコーンアンテナにおける放射素子６の物理的高さｈ０＝１５ｍｍおよび半頂角θ＝２２°、地板径２Ｒ＝４０ｍｍの場合の、反射損失および入力インピーダンスの測定結果をそれぞれ示す。
図２に示すように、本ディスコーンアンテナは、９ＧＨｚから２５ＧＨｚの周波数範囲において、反射損失が−１０ｄＢ以下を示し、広帯域特性が得られている。しかし、図２の周波数特性を、より詳しく見れば、低周波において反射損失は周波数と共に減少し極小値を示し、再び反射損失が増加し極大値（以後、Ｓ１１ｍａｘと記す）を示し（図２の○部分）ており、その結果、広帯域特性の下限周波数が高周波側にシフトしている。これは、図３の入力インピーダンスのグラフに示すように、共振周波数付近で抵抗成分が５０Ωに近くなるために反射損失Ｓ１１が極小値を示し、反共振周波数付近で抵抗成分が１４０Ω程度と最大になるため反射損失が極大値（Ｓ１１ｍａｘ）を示すことが分かる。
ここで、前記Ｓ１１ｍａｘ値を低減できれば、下限周波数は低周波側にシフトし、広帯域特性が改善されることが期待できる。そこで、本発明者は、ディスコーンアンテナの周波数特性の地板径依存性を詳細に調べた結果、前記Ｓ１１ｍａｘには地板径依存性があり、周期的に極小値を示すことを見出した。

図４は、放射素子６の物理的高さｈ０＝１５ｍｍ固定とし、地板径２Ｒを１０ｍｍから１５０ｍｍまで変えて反射損失の周波数特性を測定し、反射損失が−６（ｄＢ）以下になる周波数ｆｃと前記Ｓ１１ｍａｘの地板径依存性をまとめたグラフである。図４に示すように、ｆｃは地板径と共に低周波側にシフトし、地板径２Ｒ＝１２０ｍｍで飽和する傾向を示した。
一方、Ｓ１１ｍａｘは地板径と共に増加、減少を周期的に繰り返す傾向を示した。この例では、地板径２Ｒが〜１５ｍｍ、〜６０ｍｍ、〜１２０ｍｍにおいてＳ１１ｍａｘは極小値を示した。つまり、ディスコーンアンテナには、最適な地板径が存在することが示唆された。
前記Ｓ１１ｍａｘの周期的な地板径依存性は次のように考えられる。広帯域アンテナにおいて、反射損失特性は放射素子端からの反射波と地板端からの反射波の合成であるから、給電点において両反射波の位相が１８０°ずれる場合、両反射波は打ち消し合い反射損が低減する。逆に同相となった場合には両反射波は重なり合いＳ１１ｍａｘは増加する、と考える。
より具体的には、放射素子高さを固定して、地板径２Ｒを変化させた場合、放射素子側と地板半径側の反射波の経路長差が１／２λであれば両反射波は打ち消し合いＳ１１ｍａｘが減少し、λであれば強め合いＳ１１ｍａｘは増加するのである。したがって、放射素子６側の反射波の経路長が分かれば、Ｓ１１ｍａｘを打ち消すために必要な地板径２Ｒを求めることができる。
しかしながら、逆三角錐状のような広がりを持った放射素子６の反射波経路長は簡単には定義できない。そこで、我々は電磁界シミュレーションにより、無限大地板での反共振周波数を求め、その波長の１／４を実効的な放射器高さｈと定義した。

具体的に説明すると、図２および図３の特性を示したディスコーンアンテナの放射素子形状（放射素子の物理的高さｈ０＝１５ｍｍおよび半頂角θ＝２２°）において、電磁界シミュレーションで求めた無限大地板での反共振周波数は、５ＧＨｚ（λ＝６０ｍｍ）であった。したがって、実効的な放射素子高さｈはλ／４＝１５ｍｍと定義される。
この条件では、放射素子６の物理的な高さｈ０と実効的高さｈは一致した。他の放射素子形状においても同様のシミュレーションを行った結果からも、放射素子の物理的高さｈ０と実効的高さｈは、ほぼ等しいことを確認している。
したがって、地板無限大での反共振波周波数５ＧＨｚ（λ＝６０ｍｍ）から実効的放射素子高さｈ＝λ／４＝１５ｍｍと定義すれば、反射波が打消し合うための地板半径Ｒは、実効的放射素子高さｈ分よりλ／４（往復でλ／２）長くすれば良いことになる。
これまでの説明では、実効的放射素子高さｈが地板半径Ｒよりも小さい（ｈ＜Ｒ）場合を議論したが、ｈ＞Ｒでも、両者を入れ替えれば成立することは明らかである。したがって、ｈ＝１５ｍｍの場合には、Ｒ＝７．５ｍｍ（２Ｒ＝１５ｍｍ）の場合、Ｓ１１ｍａｘは極小値を示すと考えられる。

以上の考察から、放射素子端および地板端からの両反射波の位相差を逆相となる条件は、実効的放射素子高さｈと地板半径Ｒを使って次式で与えられる。
ｈ＜Ｒでは
Ｒ＝２ｈ（１＋ｎ）
ｈ＞Ｒでは
ｈ＝２Ｒ（１＋ｎ）
ここで、ｎ＝０，１，２・・・
・・・式（１）
上記式の妥当性を検証するために、図４の実験条件で、反射波が逆相になる地板径（地板半径）を計算すれば、ｈ＞Ｒの場合には地板径２Ｒ＝１５ｍｍ（Ｒ＝７．５ｍｍ）、ｈ＜Ｒの場合には地板径２Ｒ＝６０ｍｍ（Ｒ＝３０ｍｍ）、２Ｒ＝１２０ｍｍ（Ｒ＝６０ｍｍ）と求まり実験結果とほぼ一致した。したがって、本関係式（１）は広帯域アンテナの地板径依存性を説明する関係式として妥当であると判断され、本関係式（１）によって設計したアンテナ構造では、放射素子の給電点において、放射素子端および地板端からの反射波が逆位相となり反射波同士が打消し合うため、反射損失を低減させる作用がある。また、広帯域で、且つ小形な広帯域アンテナを実現することができる。
そこで、実効的放射素子の高さｈは、ほぼ実際の放射素子高さｈ０に等しい場合が多く、近似的には実際の放射素子高さｈ０を使って一次近似を行い、その値を中心に電磁界シミュレーションにより最適な地板径および放射素子形状を設計する。
上記アンテナの構成は平面的に形成された広帯域アンテナでも同様に成り立つことを確認している。

次に、上記関係式（１）によって設計したアンテナの具体例について説明する。
具体例について、図１のディスコーンアンテナの図を使って説明する。
図１に示すように、具体例のアンテナは、同軸ケーブル４によって給電され、同軸ケーブルの外導体１は地板５と電気的に接続されている。一方の内導体３は逆円錐状の放射素子６と給電点６’において電気的に接続されている。放射素子６は、地板の上面に頂角を対向させて配置し、その半頂角θ＝４４°、放射素子６の物理的高さｈ’＝７．５ｍｍとした。前記放射素子６において、地板無限大での反共振周波数を電磁界シミュレーションで求めた結果、ｆ＝１０ＧＨｚ（λ＝３０ｍｍ）を得た。したがって、本放射素子６の実効的高さｈ＝７．５ｍｍと定義した。以上の結果から、広帯域性を確保するために適した地板径は、本発明の設計指針（上記関係式（１））に従い、２Ｒ＝４ｈ＝３０ｍｍ（ｎ＝０）と決定し、試作を行った。
図５に図１に示した具体例の反射損失対周波数特性を示す。図５に示すように、１０ＧＨｚ以上で反射損失−１０ｄＢ以下の良好な反射損失特性が得られている。
この具体例の結果からも明らかなように、本発明の設計法を適用すれば、これまでアンテナ外形を大きくしていた地板径を最適な大きさに設定することが可能となり、アンテナ全体の大きさを小型化することが可能になる。
本発明で提示した関係式（１）は、放射素子の断面形状にはあまり依存しない。そのため、広帯域性が得られる放射素子形状であれば、図６〜８に示すように、種々の放射素子形状が適用可能である。

図６は、本発明の放射素子形状を逆釣鐘型とした実施例に係るアンテナの構成を示す断面図である。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付す。
図７は、本発明の放射素子形状を半球型とした実施例に係るアンテナの構成を示す断面図である。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付す。
図８は、本発明の放射素子形状を球型とした実施例に係るアンテナの構成を示す断面図である。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付す。
これまでの実施例では３次元の広帯域アンテナに関するものであったが、本発明は、平面型広帯域アンテナにも適用できる。
図９は、本発明を平面型広帯域アンテナに適用した実施例に係るアンテナの構成を示す断面図と平面図で、この場合、放射素子形状が三角型板状となっている。
図９に示すように、この平面型広帯域アンテナにおいては、誘電体基板２の一方には導体からなる地板５が配置され、他方の面には、マイクロストリップ線路７と接続された逆三角形状の板状放射素子６が配置されている。前記地板５は放射素子６を中心として、両側に延伸しており、その長さＲは本発明の関係式（１）によって決定されている。すなわち、放射素子６は、地板５の一辺の中央部に配置されている。
このように、本発明を平面型広帯域アンテナに適用すれば、より小型化することが可能になる。すなわち、本発明で提示した関係式（１）は、平面型広帯域アンテナの放射素子の断面形状にはあまり依存しない。そのため、広帯域性が得られる放射素子形状であれば、適用可能である。

また、図１０は、本発明を平面型広帯域アンテナに適用した実施例に係るアンテナの構成を示す断面図と平面図で、この場合、放射素子形状が釣鐘型板状となっている。
また、図１１は、本発明を平面型広帯域アンテナに適用した実施例に係るアンテナの構成を示す断面図と平面図で、この場合、放射素子形状が半円型板状となっている。
また、図１２は、本発明を平面型広帯域アンテナに適用した実施例に係るアンテナの構成を示す断面図と平面図で、この場合、放射素子形状が円型板状となっている。
図１３は、本発明の他の実施例に係るアンテナの構成を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。図１３に示した実施例では、地板表面に段差８を設けた構造を示しており、この実施例では、放射素子からの反射波に対して、地板からの反射波は中央からＲ’の距離にある不連続部からの反射波と距離Ｒからの反射波重ねあわせになるため、反射損失特性の調整範囲が広く出来る利点がある。
なお、図１３では不連続部として導体の段差を利用しているが、不連続部としては、導体の除去、曲げ、電気抵抗差、導体上の誘電体や磁性体の有無など電磁気環境の不連続であれば同様の効果が得られる。また、放射素子側に不連続部を設けても同様の効果が得られることは言うまでもない。
さらに、本発明はディスコーンアンテナに限定したものではなく、他の広帯域アンテナ、たとえばバイコニカルアンテナにおいても同様な効果が得られる。

本発明をディスコーンアンテナに実施した場合の一実施形態を示す断面図と平面図。図１に示すディスコーンアンテナにおける放射素子の高さｈ＝１５ｍｍおよび半頂角θ＝２２°、地板径２Ｒ＝４０ｍｍの場合の、反射損失の測定結果を示す図。図１に示すディスコーンアンテナにおける放射素子の高さｈ＝１５ｍｍおよび半頂角θ＝２２°、地板径２Ｒ＝４０ｍｍの場合の、入力インピーダンスの測定結果を示す図。放射素子の高さｈ＝１５ｍｍ固定とし、地板径２Ｒを１０ｍｍから１５０ｍｍまで変えて反射損失の周波数特性を測定してまとめたグラフ図。図１に示した具体例の反射損失対周波数特性を示すグラフ図。本発明の放射素子形状を逆釣鐘型とした実施例に係るアンテナの構成を示す断面図。本発明の放射素子形状を半球型とした実施例に係るアンテナの構成を示す断面図。本発明の放射素子形状を球型とした実施例に係るアンテナの構成を示す断面図。本発明を平面型広帯域アンテナに適用した実施例に係るアンテナの構成を示す断面図と平面図。本発明を平面型広帯域アンテナに適用した実施例に係るアンテナの構成を示す断面図と平面図。本発明を平面型広帯域アンテナに適用した実施例に係るアンテナの構成を示す断面図と平面図。本発明を平面型広帯域アンテナに適用した実施例に係るアンテナの構成を示す断面図と平面図。本発明の他の実施例に係るアンテナの構成を示す断面図と平面図。特開平０９−０８３２３８号公報に開示される他の従来例を示す図。特開平０９−１５３７２７号公報に開示される他の従来例を示す図。

符号の説明

１外導体、２誘電体、３内導体、４同軸ケーブル、５地板、６放射素子、６’ 給電点、７マイクロストリップ線路、８段差

Claims

円形の導体からなる地板と、前記地板の中央に垂直方向に配置された放射素子からなる広帯域アンテナであって、
前記放射素子の実効的な高さｈの値を、前記地板を無限大とした時に電磁界シミュレーションにより求められる反共振周波数の波長の１／４とした時に、
前記地板の中心から端までの距離Ｒと前記実効的な高さｈは、Ｒ＜ｈの条件下において、ｈ＝２Ｒ（１＋ｎ）、またＲ＞ｈの条件下においては、Ｒ＝２ｈ（１＋ｎ）（ｎ＝０，１，２・・・）の関係にあることを特徴とする広帯域アンテナ。
前記放射素子は頂点を地板面側に向けた逆円錐型であることを特徴とする請求項１記載の広帯域アンテナ。
前記放射素子は頂点を地板面側に向けた逆釣鐘型であることを特徴とする請求項１記載の広帯域アンテナ。
前記放射素子は球面部を地板面側に向けた逆半球型であることを特徴とする請求項１記載の広帯域アンテナ。
前記放射素子は球体であることを特徴とする請求項１記載の広帯域アンテナ。
導体からなる地板と、前記地板に電気的に絶縁されて配置された板状放射素子からなる広帯域アンテナにおいて、
前記放射素子は、前記地板の一辺の中央部に配置され、
前記放射素子の実効的な高さｈの値を、前記地板を無限大とした時に電磁界シミュレーションにより求められる反共振周波数の波長の１／４とした時に、
前記地板中心から端までの距離Ｒと実効的な放射素子の高さｈは、Ｒ＜ｈの条件下において、ｈ＝２Ｒ（１＋ｎ）、またＲ＞ｈの条件下においてはＲ＝２ｈ（１＋ｎ）（ｎ＝０，１，２，・・）の関係にあることを特徴とする広帯域アンテナ。
前記放射素子は頂角を地板側に向け逆三角形型であることを特徴とする請求項６記載の広帯域アンテナ。
前記放射素子は頂点を地板側に向けた逆釣鐘型であることを特徴とする請求項６記載の広帯域アンテナ。
前記放射素子は球面部を地板側に向けた逆半円型であることを特徴とする請求項６記載の広帯域アンテナ。
前記放射素子は円型であることを特徴とする請求項６記載の広帯域アンテナ。
前記放射素子および地板の一方、あるいは両方の表面に不連続部があることを特徴とする請求項１又は６記載の広帯域アンテナ。