JP5102941B2 - 広帯域アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）のような広帯域通信システム、並びに、異なる周波数帯域の無線システムにおいて使用される広帯域アンテナに関する。

広帯域通信システムにおいて使用されるアンテナとして、複数素子アンテナ、うず巻状アンテナ、対数周期アンテナ等が知られている。
複数素子アンテナは、周波数帯域が少しずつ異なる多数のアンテナ素子を組み合わせて広帯域のアンテナ特性を得ようとするものである。この複数素子アンテナは、広帯域性に優れた特性を有するものの、多数のアンテナ素子を組み合わせる必要があるので、個々のアンテナ素子の給電インピーダンスの調整や共振周波数の調整が難しい。うず巻状アンテナおよび対数周期アンテナは、構造はシンプルであるが、全体の体積が大きいばかりでなく、グランドを付けると、指向特性がグランド面と垂直方向のみとなる。
また、一般に、複数素子アンテナ、うず巻き状アンテナ、対数周期アンテナにおいて、実用可能な周波数帯域を拡げようとすると、その設計および調整は、非常に困難となる。そのため、従来、量産化が容易な広帯域アンテナを実現することが難かしかった。

近年、ＵＷＢのような広帯域通信システムが種々の分野で応用されてきている。自動車においても、車載無線、携帯電話、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）等の移動体端末、電波センサ等が使用されている。例えば、１台の自動車において、ＡＭ／ＦＭラジオ、車載ＴＶ、ＧＰＳ、衛星デジタル放送、セルラー、ＥＴＣ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｗ−ＬＡＮが使用されることも珍しくなくなっている。
このようにいろいろな帯域の周波数を使用した端末ないしシステムが使用されるようになると、例えば１台の自動車に多くのアンテナを取付なければならないため、アンテナ設置場所が嵩むだけでなく、コストが異常に高くなるという問題があった。
この発明は、上記の問題を一挙に解消し得る超広帯域で高性能かつ低コストの広帯域アンテナを提供することを目的とする。

本発明の広帯域アンテナは、グランド面上で起立する広帯域アンテナであって、それを前記グランド面に対して略垂直の平面上に展開したときに当該グランド面と共に導波管の開口断面のような形状又はその部分形状を形成する枠体を有し、この枠体は、電磁波放射用のアンテナエレメントと、アンテナ特性調整用の補助エレメントとを含んで構成され、前記アンテナエレメントの一端には、前記補助エレメントを通じて又は前記補助エレメントと共に給電端子が接続され、前記アンテナエレメントの他端は、前記グランド面に接続されている。
アンテナ特性は、例えばインピーダンス特性、ＶＳＷＲ特性、放射特性等である。
このような構造の広帯域アンテナでは、アンテナエレメントが導波管のモード理論に準じた動作を行う。導波管を通過する電磁波には、ＴＥモード波とＴＭモード波とがある。ＴＥモード波の波動インピーダンスＺｗと、ＴＭモード波のインピーダンスＺｅは、それぞれ以下のようになる。
Ｚｗ＝Ｚｏ／√（1−（ｆｃ／ｆ）＾2）
Ｚｅ＝Ｚｏ・√（1−（ｆｃ／ｆ）＾2）
但し、Ｚｏ＝120π・√（μr／εr）、μrは伝搬媒体の比透磁率、εrは伝搬媒体の比誘電率である。自由空間の場合、μr＝εr＝1、Ｚｏは120πとなる。
信号の周波数ｆが導波管の遮断周波数ｆｃよりも高ければ、その信号がこの導波管を通過する。もし、信号の周波数ｆが遮断周波数ｆｃよりも限りなく高いとすると、ＺｗおよびＺｅの値は、自由空間におけるＺｏと同様、120πとなる。従って、本発明の広帯域アンテナは、遮断周波数ｆｃが決まれば、それよりも格段に高い周波数ｆはすべて通過するというハイパスフィルタのような動作モードとなる。このような動作モードを応用したのが、本発明の広帯域アンテナの一つの特徴である。アンテナ特性は第2エレメント部により調整することができる。

導波管の一例としてはリッジ導波管を挙げることができる。すなわち、本発明の広帯域アンテナは、具体的には、グランド面上で起立する広帯域アンテナであって、それを前記グランド面に対して略垂直の平面上に展開したときに前記グランド面と共にリッジ導波管の開口断面のような形状又はその部分形状を形成する枠体の一部となるアンテナエレメントを含み、前記アンテナエレメントは、前記リッジ導波管のリッジ部に相当するアンテナ特性調整用のリッジエレメント部と、前記リッジ導波管の壁部に相当し、一端が前記リッジエレメント部から延び、他端が前記グランド面に接続された電磁波放射用の放射エレメント部とを有しており、前記リッジエレメント部に給電端子が接続される。

この広帯域アンテナでは、リッジ導波管のモード理論に準じた動作が可能になる。リッジ導波管は、例えば同じ断面サイズの通常の矩形導波管よりも遮断周波数ｆｃが低い。よって、使用可能な周波数を低くしつつ、広帯域性を維持したアンテナを実現することができる。また、リッジエレメント部のような面部を有しているので、例えばワイヤーを巻回する場合よりも整合する範囲がブロードとなる。つまり、電磁波の放射体としての機能を持ちつつ、給電端子での不整合を抑制することもできる。設計、製造時には、使用が予定される最低周波数のみを考慮すればよいので、量産化が容易となり、低コスト化も実現される。

好ましい実施の態様では、前記リッジエレメント部が略円弧状に成形される。このような形状にすることにより、使用可能な周波数の上限が限りなく高まり、広帯域性をより顕著にすることができる。

前記リッジエレメント部は、例えば、前記枠体のうち前記リッジ導波管のリッジ部をその高さ方向に裁断してなる一基端構造のものとすることができる。この場合、前記放射エレメント部は、前記リッジエレメント部の基端から延びるようにする。
広帯域アンテナは、給電端子からの給電がリッジエレメント部の中央部であるとすると、その部位を中心として対称のモード波が複数生じる。リッジ導波管の場合、通過する電磁波の電界強度が最大になるのは、リッジ部の中央（ＴＥ１０）であるから、リッジエレメント部を一基端構造にしても、ハイパスフィルタの特性自体は、後述する両基端構造のものと変わらない。一基端構造の分だけ、小型化を図ることができる。
なお、奇数モード（ＴＥ１０，ＴＥ３０，ＴＥ５０）、偶数モード（ＴＥ２０，ＴＥ４０・・）のどちらのモードを利用する構成としても良いが、奇数モードを使用する構成とすることが望ましい。

前記リッジエレメント部は、例えば、前記枠体のうち前記リッジ導波管のリッジ部の高さが最大となる部位を中心線として対称となる両基端構造のものとすることができる。この場合、前記放射エレメント部が前記リッジエレメント部の両基端からそれぞれ延びるようにする。前記放射エレメント部が、前記リッジエレメント部の両基端からそれぞれ当該リッジエレメント部に対して所定角度方向に延びるようにしても良い。より好ましくは、前記放射エレメント部が、前記リッジエレメント部の両基端からそれぞれ当該リッジエレメント部に対して０度及び１８０度以外の所定角度方向に延びるようにする。
なお、2つの前記アンテナエレメントを、各々のリッジエレメント部の対称中心線を基点に直交させるようにしても良い。このようにすれば、広帯域性を良好に維持しつつ、ア
ンテナ利得を高め、かつ、指向特性をブロードにすることができる。

前記リッジエレメント部は、例えば、前記開口断面構造のうち前記リッジ導波管のリッジ部の高さが最大となる部位を中心線として対称かつ前記リッジ導波管の幅広面上で所定角度で折曲してなる両基端構造のものとすることができる。この場合、前記放射エレメント部は、それぞれ前記リッジ導波管の幅広壁に相当する第１エレメントが前記リッジエレメント部の両基端から延び、かつ前記リッジ導波管の側壁に相当する第２エレメントを共有するようにする。
このような構造の広帯域アンテナでは、その一辺サイズが、ほぼリッジ導波管のリッジ部の半分程度の直方体状にすることができ、アンテナ利得および指向性を良好に維持しつつ、小型化に貢献することができる。

本発明のより好ましい実施の態様では、上記のバリエーションをもつ広帯域アンテナにおいて、前記アンテナエレメントのリッジエレメント部と同一の形状および構造の補助エレメントを備えたものとする。この補助エレメントは、主として、アンテナエレメントのリッジエレメント部と共に、アンテナ特性調整用として設けられる。本明細書では、そのためにアンテナエレメントに対して「補助エレメント」という用語を用いている。
前記補助エレメントの基端はグランド面上に配備されており、前記補助エレメントと前記リッジエレメント部とは互いに同一面上で対向しており、前記アンテナエレメントの放射エレメント部の終端はグランド面上に配されており、前記補助エレメントの先端と前記リッジエレメント部の先端同士が最も近接する部位に前記給電端子が接続されるようにする。
このような構造の広帯域アンテナは、いわゆるダブルリッジ導波管のモード理論に準じた動作モードとなり、インピーダンス整合がとれる周波数帯域が格段に拡がり、広帯域性を顕著に高めることができる。

本発明によれば、使用可能な最低周波数があるというだけの超広帯域性を実現することができる。通常、グランドが設けられているアンテナにおいて広帯域化を図ることは困難であったが、本発明によれば、それが可能になる。
また、水平面上でほぼ無指向性となるので、汎用的な用途に使用することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
＜第１実施形態＞
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態による広帯域アンテナの外観斜視図、同（ｂ）はＶＳＷＲ特性図である。なお、ＶＳＷＲ特性は、アンテナ特性の一例となるものである。

この実施形態の広帯域アンテナは、矩形状のダブル（シリンダ）リッジ導波管を管軸方向に所定の厚みで裁断し、一つの幅広面をグランド面（以下、「ＧＮＤ」とする）として用いている。この広帯域アンテナは、ダブルリッジ導波管のモード理論に準じた動作を行うもので、アンテナエレメント１１と、補助エレメント１２とを有している。アンテナエレメント１１および補助エレメント１２は、それぞれ導電性の高い金属により形成される。

アンテナエレメント１１は、それをＧＮＤ１０に対して略垂直の平面上に展開したときにＧＮＤ１０と共にリッジ導波管の開口断面構造をなす形状となる。すなわち、アンテナエレメント１１は、ダブルリッジ導波管の開口断面のような形状を形成する枠体の一部となり、上部幅広面のリッジ部に相当するリッジエレメント部１３と、下部幅広面を除く壁部に相当し、一端がリッジエレメント部１３から延び、他端がＧＮＤ１０に接続された電磁波放出用の放射エレメント部１４とを有している。
この実施形態におけるリッジエレメント部１３は、上記のリッジ部の高さが最大となる部位を中心線として対称となる両基端構造のものである。このリッジエレメント部１３の先端は、略円弧状に成形されている。
このような構造のリッジエレメント部１３は、ダブルリッジ導波管の上部幅広面のリッジ部と実質的に同様に作用する。
放射エレメント部１４は、ダブルリッジ導波管の壁部と実質的に同様に作用する。この放射エレメント部１４は、リッジエレメント部１３の両端からそれぞれＧＮＤ１０と水平に延びる第１放射エレメントと、この第１放射エレメントの端部からＧＮＤ１０に向かって垂直方向に延びる第２エレメントとからなる。第２エレメントの終端、つまり放射エレメント部１４の終端は、ＧＮＤ１０上に配されている。

補助エレメント１２は、アンテナエレメントのリッジエレメント部１３と同一の形状および構造のものである。つまり、アンテナエレメント１１から放射エレメント部１４を除去したものに相当する。その基端はＧＮＤ１０上に配備されている。補助エレメント１２とアンテナエレメントのリッジエレメント部１３とは互いに同一面上で対向しており、その先端同士が最も近接する部位に給電端子１００が接続される。
このような構造の補助エレメント１２は、ダブルリッジ導波管の下部幅広面のリッジ部と実質的に同様に作用する。
給電端子１００は、ケーブルＣ１１を通じて無線通信機（図示省略）に接続されるようになっている。

図１（ａ）において、アンテナエレメント１１におけるリッジエレメント部１３と放射エレメント部１４の第１エレメントの長さの和をＬ、放射エレメント部１４の第２エレメントの長さをＨ、リッジ部エレメント１３の長さをＤ、放射エレメント１４の厚みをＴ、リッジエレメント部１３および補助エレメントの高さをＰ／２とすると、最低周波数、つまり遮断周波数を１．５［ＧＨｚ］としたときの広帯域アンテナのサイズは、例えば以下のようになる。
Ｌ＝７０［mm］、Ｈ＝２５［mm］、Ｗ＝４［mm］、Ｄ＝２５［mm］、Ｐ＝１６［mm］、Ｔ＝４［mm］。

このようなサイズの広帯域アンテナのＶＳＷＲ特性の実測値は、図１（ｂ）のようになった。図１（ｂ）からわかるように、上記サイズによって最低周波数さえ決まれば、それよりも所定値以上高い周波数のＶＳＷＲは、すべて実用範囲に収まっている。なお、計器の都合で、５［ＧＨｚ］以上は数値による定量化はしなかったが、２０［ＧＨｚ］以上の高い周波数においてもＶＳＷＲが良好に維持されていることが確認されている。

＜第２実施形態＞
図２（ａ）は、本発明の第２実施形態による広帯域アンテナの外観斜視図、同（ｂ）はＶＳＷＲ特性図である。

この実施形態の広帯域アンテナは、図２（ａ）に示されるように、ダブルリッジ導波管の開口断面のような形状を形成する枠体（一部）のうち、さらにその右半分を裁断した形状（部分形状）のものである。すなわち、ダブルリッジ導波管の上部幅広面のリッジ部に相当する部分をその高さ方向に裁断してなる一基端構造のリッジエレメント部２３および放射エレメント２４を有するアンテナエレメント２１と、補助エレメント２２とを有している。

リッジエレメント部２３は、ダブルリッジ導波管の上部幅広面のリッジ部と実質的に同様に作用する。放射エレメント部２４は、ダブルリッジ導波管の壁部と実質的に同様に作用するもので、この実施形態では、電磁波放射のために用いられる。この放射エレメント部２４は、リッジエレメント部２３からＧＮＤ１０と水平に延びる第１放射エレメントとＧＮＤ１０と垂直に延びる第２エレメントとからなり、第２エレメントの端部がＧＮＤ１０上に置かれたものとなる。

補助エレメント２２は、アンテナエレメント２１のリッジエレメント部２３と同一の形状およびサイズのもので、その基端はＧＮＤ１０上に配備されている。この補助エレメント２２とリッジエレメント部２３とは互いに同一面上で対向しており、その先端同士が最も近接する部位に給電端子１００が接続される。この給電端子１００は、ケーブルＣ１１を通じて無線通信機（図示省略）に接続されるようになっている。

図２（ａ）におけるＬ、Ｈ、Ｗ、Ｄ、Ｐ、Ｔは、第１実施形態において示した値と同じである。このようなサイズの広帯域アンテナのＶＳＷＲ特性の実測値は、図２（ｂ）のようになった。図２（ｂ）からわかるように、第１実施形態の広帯域アンテナと同様、上記サイズによって最低周波数さえ決まれば、それよりも所定値以上高い周波数のＶＳＷＲは、すべて実用範囲に収まっている。

なお、この広帯域アンテナにおいても、計器の都合で、５［ＧＨｚ］以上は定量化はできなかったが、２０［ＧＨｚ］以上の高い周波数においてもＶＳＷＲが良好に維持されていることが確認されている。

［リッジ構造による検証］
本発明の広帯域アンテナが、導波管の動作モードに準じた特性になることについては、上述したとおりである。以下、アンテナエレメントおよび補助エレメントの形状等がアンテナ特性にどのような影響を与えるかについて検証する。

図３（ａ）は、アンテナエレメント３１のリッジエレメント部３３が、放射エレメント部３４と一体に矩形状に形成された広帯域アンテナの外観斜視図、同（ｂ）はそのアンテナのＶＳＷＲ特性図である。このような構造の広帯域アンテナは、補助エレメントが存在しないので、実質的にシングルリッジ導波管の動作モードとなる。
このような広帯域アンテナでは、ＶＳＷＲが２程度の実用レベルでの広帯域性は得られるものの、周波数がある程度高くなる帯域では特性の劣化が目立つ。そのため、使用範囲に一定の制限がある。

図４（ａ）は、図３（ａ）と同様に、実質的にシングルリッジ導波管の動作モードとなる広帯域アンテナの外観斜視図である。
この例では、アンテナエレメント４１のリッジエレメント部４３が放射エレメント部４４と一体ではなく、ＧＮＤ１０上に配備される。すなわち、リッジエレメント部４３が、シングルリッジ導波管の開口断面のような形状を形成する枠体のうち、下部幅広面のリッジ部に相当するものとなっている。給電端子１００は、直方体状のリッジエレメント部４３の先端と放射エレメント部４４の中央部に接続される。図４（ｂ）はこのアンテナのＶＳＷＲ特性図である。
このような広帯域アンテナでは、ＶＳＷＲが２程度の実用レベルでの広帯域性は得られるものの、周波数がある程度高くなる帯域では、特性の劣化が目立つ。

図５（ａ）は、公知のダブルリッジ導波管の動作モードを実現しようとする広帯域アンテナの外観斜視図である。すなわち、この広帯域アンテナは、アンテナエレメント５１のリッジエレメント部５３が矩形状で、補助エレメント５２もまたリッジエレメント部５３と実質的に同一サイズの矩形状に成形される。図５（ｂ）は、このようなアンテナのＶＳＷＲ特性図である。ダブルリッジ導波管の動作理論を適用することができるので、図３、図４に示したものに比べて広帯域性が改善される。

しかしながら、図１（ｂ）、図２（ｂ）のＶＳＷＲ特性に比べると、良好なＶＳＷＲにて通過可能な周波数の上限値がさほど高くない。このことから、リッジエレメント部の先端は、先端の角部を除去して略円弧状にすることにより、帯域幅を格段に拡げることができることがわかる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明をＵＷＢ通信において使用される広帯域のＵＷＢ用アンテナとして実施するときの形態例を説明する。想定するＵＷＢ通信は、ＧＰＳ、無線ＬＡＮ、車載レーダ等とし、通信周波数は３．５［ＧＨｚ］以上で、ＶＳＷＲは、２．０以下とする。

アンテナの小型化を促進するため、この実施形態では、アンテナエレメントの放射エレメント部をリッジエレメント部に対して所定の角度をなすようにする。例えば、図６は、アンテナエレメント１０１と補助エレメント１０２とを有する広帯域のＵＷＢ通信用アンテナを示しているが、アンテナエレメント１０１の第１放射エレメント部１０４と第２放射エレメント部１０５とが、それぞれリッジエレメント部１０３の両基端から当該リッジエレメント部１０３に対して垂直かつ反対方向に延びている。リッジエレメント部１０３は、その先端が略円弧状に成形されている。第１，第２の放射エレメント部１０４，１０５の終端は、それぞれＧＮＤ１０上に置かれている。
このＵＷＢ通信用アンテナもまたダブルリッジ導波管の動作モードを応用したもので、補助エレメント１０２を有しており、給電端子１００は、この補助エレメント１０２の先端とリッジ部エレメント１０３の先端、つまり電界強度が最大となる部位に接続される。
図６に例示されるＵＷＢ通信用アンテナのサイズは、以下のとおりである。
Ｈ１１＝１２［ｍｍ］、Ｗ１１＝３２［ｍｍ］、Ｗ１２＝１６［ｍｍ］、Ｗ１３＝１６［ｍｍ］。

このような構造のＵＷＢ通信用アンテナにおいて、例えばコンピュータ上でアンテナ設計理論に基づくソフトウエアにより設計した、誤差のない理想的な形状のアンテナのＶＳＷＲ特性をシミュレーションした結果と、上記のソフトウエアにより行った設計をもとに実際に作製した実験用サンプルのアンテナ特性の実測結果とを比較してみた。

実験用サンプルは、例えば、アンテナエレメント１０１におけるリッジエレメント部１０３が正確な円弧状ではないとか、リッジエレメント部１０３に対する第１放射エレメント１０４および第２放射エレメント１０５の相対角度が必ずしも直角にならないとか、給電端子１００の位置がリッジエレメント部１０３の最先端から多少ずれているとか、実際の作製に伴うバラツキを持つ、あるいは、ＧＮＤ１０の端部からの放射を考慮したサンプルである。
図７は前者のＳＷＲ特性図、図８は後者のＳＷＲ特性図である。また、実験用サンプルにおける上記サイズでの利得特性は、図９のように、現時点で需要のある周波数帯で４〜５（ｄＢ：入出力比）を超えており、実用可能な範囲であることが実証されている。放射特性は、垂直面で図１０（ａ）、水平面で図１０（ｂ）のようであった。水平方向では、ほぼ無指向性になっている。

これらの実測結果からわかるように、図６のようなアンテナ構造を採用することにより、シミュレーションと実験用サンプルとは、より高い周波数帯でＳＷＲ特性に多少の相違が生じるものの、ある周波数以上では、ＳＷＲ（電圧比の場合、ＶＳＷＲ）の値が安定して２以下となる周波数が５０［ＧＨｚ］近くまで延びている。
これは、アンテナの設計、製造に際して大きな許容範囲が存在するため、量産化に適したアンテナ構造であることを意味している。実際に、広帯域アンテナを製造する際には、加工誤差、給電用の同軸コネクタとケーブルのミスマッチング（特にミリ波で生じやすい）、給電端子１００の取付誤差、アンテナ材料のLoss（接合材料のLoss等）、測定誤差等によるバラツキが生じる。しかし、この実施形態のＵＷＢ通信用アンテナの構造によれば、多少の設計、製造のバラツキがあっても、シミュレーションの結果とほぼ同様の特性が得られている。つまり、小型かつ高利得で超広帯域性という基本部分は、維持されている。

以上の事実は、アンテナエレメント１０１が、それを平面上に展開したときにＧＮＤ１０と共にリッジ導波管の開口断面のような形状を形成する枠体の一部となるものであること、しかも、そのリッジエレメント部１０３の先端と、補助エレメント１０２の先端とが共に略円弧状であることがその要因の一つになっていると考えられる。
図６に示した広帯域アンテナの場合、上述したサイズによる実用的な最低通信可能な周波数は３．４３９６［ＧＨｚ］であり、この周波数以上は、どの周波数でも使用することができる。従って、最低使用周波数に適合するサイズで設計、製造すれば、１つのアンテナで、多くの通信用のアンテナとして用いることができる。
このような性質は、今後、用途が飛躍的に拡大することが予想されるＵＷＢ通信、特に、車載型の複数の通信機器用のアンテナとしては、かなり適した性質であるといえよう。このＵＷＢ用アンテナを自動車等に取り付ける場合、その自動車等のボディをＧＮＤ面にすることができ、非常に便利である。

＜第４実施形態＞
ＵＷＢ通信用アンテナは、図１１のような構造のものであっても良い。図１１に示されるアンテナは、図６のＵＷＢ用アンテナにおいて、アンテナエレメント１０１および補助エレメント１０２の最大高の部分を中心として２つに裁断したものに相当する。
すなわち、アンテナエレメント２０３のリッジエレメント部２０５と、これに対向する補助エレメント２０４とをそれぞれ半円弧状に成形したものである。給電端子１００は、それぞれアンテナエレメント２０３のリッジエレメント部２０５の先端および補助エレメント２０４の先端に接続される。アンテナサイズは、以下のとおりである。
Ｈ２１＝１２［ｍｍ］、Ｗ２２＝１６［ｍｍ］、Ｗ２３＝１６［ｍｍ］。
図１１の構造のＵＷＢ用アンテナの場合、利得は図６に示したものよりも多少低下するが、ＶＳＷＲ特性のパターンならびに放射特性は、図６に示したものとほぼ同様となる。アンテナの小型化を重視する用途では、図１１のようなＵＷＢ用アンテナが好適である。

＜第５実施形態＞
図１２は、ＵＷＢ通信用アンテナの変形例を示している。このアンテナは、図１１に示したＵＷＢ通信用アンテナを２つ組み合わせたものといえる。
すなわち、アンテナエレメント３０１のリッジエレメント部３０３，３０５が、ダブルリッジ導波管の開口断面のような形状を形成する枠体のうちそのダブルリッジ導波管のリッジ部に相当する部分の高さが最大となる部位を中心線として対称となる両基端構造のものであり、放射エレメント部３０６は、それぞれダブルリッジ導波管の幅広壁に相当する第１エレメントがリッジエレメント部の両基端から延び、かつダブルリッジ導波管の側壁に相当する第２エレメントを、２つの第１エレメントから延びるエレメントとして共有し、かつ第２エレメントの端部がＧＮＤ上に延びる。補助エレメント３０４は、リッジエレメント部３０３，３０５と同じサイズで対向し、それぞれの先端に給電端子１００が接続される。

一対の第１エレメントの長さＷ３２，Ｗ３３はそれぞれ１６［ｍｍ］であり、第２エレメントの長さ（アンテナ高）Ｈ３１は１２［ｍｍ］である。
このような構造、サイズのＵＷＢ通信用アンテナは、図１１に示したものと実装上はほぼ同じサイズでありながら、その利得特性を著しく良好にすることができる。従って、小型化、広帯域性、利得特性をすべて兼ね備えた優れたＵＷＢ通信用アンテナを実現することができる。

＜第６実施形態＞
図１３は、ＵＷＢ通信用アンテナの他の変形例を示している。このアンテナは、図６に示したＵＷＢ通信用アンテナを２つ、あるいは図１１に示したＵＷＢ通信用アンテナを４つ組み合わせたものといえる。
図６のＵＷＢ通信用アンテナとの対比では、２つのアンテナエレメント１０１を、各々のリッジエレメント部１０３の中心対称線を基点に直交させたものに相当する。すなわち、この実施形態のＵＷＢ通信用アンテナは、それぞれ両基端を有する２つのリッジエレメント部４０３と、各基端から延びる４つの放射エレメント部４０４，４０５，４０６，４０７を有するアンテナエレメント４０１と、このアンテナエレメント４０１のリッジエレメント部４０３と同じ形状およびサイズで対向する補助エレメント４０２とを備えている。給電端子１００は、リッジエレメント部４０３の先端と補助エレメント４０２の先端に、それぞれ接続される。２組の放射エレメント部４０４，４０６、４０５，４０７は、それぞれリッジエレメント部４０３に対して垂直かつ反対方向に延びており、その端部がＧＮＤに置かれる。

アンテナサイズは、以下のとおりである。
Ｈ４１＝１２［ｍｍ］、Ｗ４２＝Ｗ４３＝Ｗ４４＝Ｗ４５＝１６［ｍｍ］。
このような構造、サイズのＵＷＢ通信用アンテナは、図６に示したものと実装上はほぼ同じサイズでありながら、図６に示したＵＷＢ通信用アンテナよりもさらに無指向性とすることができる。従って、小型化、広帯域性、高利得特性、無指向性をすべて兼ね備えた優れたＵＷＢ通信用アンテナを実現することができる。

＜実施形態の広帯域アンテナの利点＞
以上、本発明の広帯域アンテナを複数の実施形態を示して説明したが、各実施形態において共通していえる特徴は、本発明の広帯域アンテナは、導波管モードに基づいて、最低使用可能周波数があるだけの超広帯域のアンテナであること、ある平面上で無指向性であることである。このような特性は、今後、用途が飛躍的に拡大することが予想されるＵＷＢ通信用の汎用アンテナとして、きわめて重要なものである。
図１１の構造のアンテナでは、さらに小型化を促進することができ、複数のアンテナを組み合わせた図１２，１３の例では、小型でありながら、ＵＷＢ通信に際して高い利得が得られる。
なお、本明細書に示した広帯域アンテナ（ＵＷＢ通信用アンテナ）の構造、サイズ、材質等は例示であり、本発明の特徴を逸脱しない範囲での実施は、本発明の範囲である。

本発明の広帯域アンテナは、ＵＷＢ通信用アンテナのほか、携帯電話、ＰＤＡなど、複数の周波数を使用することが予定されつつもアンテナの取付位置が限られる移動体端末用のアンテナ、ＧＰＳアンテナ、地上波デジタル放送システムの受信アンテナ、無線ＬＡＮの送受信アンテナ、衛星デジタル放送の受信アンテナ、セルラー用アンテナ、ＥＴＣ送受信用アンテナ、電波センサ、放送によるラジオ受信機用アンテナ、その他の多くのアンテナとして利用することができる。本発明の広帯域アンテナの最大の利点は、これらの多くの用途に対して１つのアンテナで対応可能ということである。

（ａ）は本発明の第１実施形態による広帯域アンテナの外観斜視図、（ｂ）はそのアンテナのＶＳＷＲ特性図。 （ａ）は本発明の第２実施形態による広帯域アンテナの外観斜視図、（ｂ）はそのアンテナのＶＳＷＲ特性図。 （ａ）は検証用アンテナの外観斜視図、（ｂ）はそのアンテナのＶＳＷＲ特性図。 （ａ）は検証用アンテナの外観斜視図、（ｂ）はそのアンテナのＶＳＷＲ特性図。 （ａ）は検証用アンテナの外観斜視図、（ｂ）はそのアンテナのＶＳＷＲ特性図。 本発明の第３実施形態による広帯域アンテナ（ＵＷＢ通信用アンテナ）の外観斜視図。 図６のアンテナのシミュレーションによるＳＷＲ特性図。 図６のアンテナの実験用サンプルによるＳＷＲ特性図。 図６のアンテナ（実験用サンプル）による利得特性図。 （ａ）は図６のアンテナ（実験用サンプル）の垂直方向の指向特性図、（ｂ）は水平方向の指向特性図。 本発明の第４実施形態による広帯域アンテナ（ＵＷＢ通信用アンテナ）の外観斜視図。 本発明の第５実施形態による広帯域アンテナ（ＵＷＢ通信用アンテナ）の外観斜視図。 本発明の第６実施形態による広帯域アンテナ（ＵＷＢ通信用アンテナ）の外観斜視図。

符号の説明

11,21,31,41,51,101,203,301,401・・・アンテナエレメント
13,23,33,43,53,103,205,303,305,403・・・リッジエレメント部
14,24,34,44,54,104,105,206,306,404,405,406,407・・・放射エレメント部
12,22,52,102,204,302,402・・・補助エレメント
100・・・給電端子
10・・・ＧＮＤ（グランド面）
C11・・・ケーブル

Claims (9)

1. グランド面上で起立する広帯域アンテナであって、
   それを前記グランド面に対して略垂直の平面上に展開したときに当該グランド面と共に導波管の開口断面のような形状又はその部分形状を形成する枠体を有し、
   この枠体は、電磁波放射用のアンテナエレメントと、アンテナ特性調整用の補助エレメントとを含んで構成され、
   前記アンテナエレメントの一端には、前記補助エレメントを通じて又は前記補助エレメントと共に給電端子が接続され、前記アンテナエレメントの他端は、前記グランド面に接続されている、
   広帯域アンテナ。
2. グランド面上で起立する広帯域アンテナであって、
   それを前記グランド面に対して略垂直の平面上に展開したときに前記グランド面と共にリッジ導波管の開口断面のような形状又はその部分形状を形成する枠体の一部となるアンテナエレメントを含み、
   前記アンテナエレメントは、前記リッジ導波管のリッジ部に相当するアンテナ特性調整用のリッジエレメント部と、前記リッジ導波管の壁部に相当し、一端が前記リッジエレメント部から延び、他端が前記グランド面に接続された電磁波放射用の放射エレメント部とを有しており、前記リッジエレメント部に給電端子が接続される、
   広帯域アンテナ。
3. 前記リッジエレメント部が略円弧状に成形されている、
   請求項２記載の広帯域アンテナ。
4. 前記リッジエレメント部は、前記枠体のうち前記リッジ導波管のリッジ部をその高さ方向に裁断してなる一基端構造のものであり、
   前記放射エレメント部が前記リッジエレメント部の基端から延びる、
   請求項３記載の広帯域アンテナ。
5. 前記リッジエレメント部は、前記枠体のうち前記リッジ導波管のリッジ部の高さが最大となる部位を中心線として対称となる両基端構造のものであり、
   前記放射エレメント部が、前記リッジエレメント部の両基端からそれぞれ当該リッジエレメント部に対して０度及び１８０度以外の所定角度方向に延びる、
   請求項４記載の広帯域アンテナ。
6. 前記放射エレメント部が、前記リッジエレメント部の両基端からそれぞれ当該リッジエレメント部に対して垂直かつ反対方向に延びる、
   請求項５記載の広帯域アンテナ。
7. ２つの前記アンテナエレメントを、各々のリッジエレメント部の中心対称線を基点に直交させてなる、
   請求項６記載の広帯域アンテナ。
8. 前記リッジエレメント部は、前記枠体のうち前記リッジ導波管のリッジ部の高さが最大となる部位を中心線として対称かつ前記リッジ導波管の幅広面上で所定角度で折曲してなる両基端構造のものであり、
   前記放射エレメント部は、それぞれ前記リッジ導波管の幅広壁に相当する第１エレメントが前記リッジエレメント部の両基端から延び、かつ前記リッジ導波管の側壁に相当する第２エレメントを共有する、
   請求項３記載の広帯域アンテナ。
9. 前記アンテナエレメントのリッジエレメント部と同一の形状および構造の補助エレメントを備えており、
   前記補助エレメントの基端はグランド面上に配備されており、
   前記補助エレメントと前記リッジエレメント部とは互いに同一面上で対向しており、
   前記アンテナエレメントの放射エレメント部の終端はグランド面上に配されており、
   前記補助エレメントの先端と前記アンテナエレメントのリッジエレメント部の先端同士が最も近接する部位に前記給電端子が接続される、
   請求項２ないし８のいずれかの項記載の広帯域アンテナ。

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