JP5299749B2 - 広帯域給電回路及びそれを備えたスロットアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、スロットアンテナに係わり、特に広い周波数帯域で動作する広帯域給電回路及びその広帯域給電回路を備えたスロットアンテナに関するものである。

現在は、衛星通信用からグローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）や携帯電話等の移動体通信用として、様々なアンテナが使用されている。このようにアンテナはいろんな用途に利用されることから、広い周波数帯域で動作する広帯域化が求められている。平行平板間伝送モードで使用されるアンテナとしては、従来スロットアンテナ等のそれほど帯域の広くない素子を用いたアンテナが主流であった。しかし最近は、ヘリカルアンテナ等の帯域の広い素子を用いた応用も広がっている。それに伴って給電回路に対しても広帯域化が求められるようになってきている。

アンテナ及び給電回路の広帯域化として、本願発明者によって開発されたスロットアンテナがある。この平行平板間伝送モードへの給電回路を使用したスロットアンテナの断面図を図１Ａに、図１Ｂにはそのリターンロス特性を示す。図１Ａに示すスロットアンテナ１は、スロットを持つ上面導体板２と下面導体板３、同軸中心導体４、ガイド部５、ショート部７を備えている。上面導体板２と下面導体板３とは、略平行に設けられ、下面導体板３の中央部を下側に凹ませたショート部７が設けられている。ショート部７の底面をなす導体をショート板８とする。スロットアンテナの中央部には、ガイド部５により保護された同軸中心導体４がショート板８に固定されている。本発明ではスロットアンテナ１のスロットを持つ上面導体板２を除く、下面導体板３、同軸中心導体４、ガイド部５、ショート部７、ショート板８を総称して給電回路という。

このスロットアンテナ１では、下面導体板３の中央部分を下側に凹ませたショート部７がインピーダンス変換回路として機能することで、周波数の帯域幅を拡大している。このスロットアンテナ１のリターンロス（ＲＬ）特性の周波数依存性を図１Ｂに示す。リターンロスは、スロットアンテナ１への入射電力と反射電力との比で表され、リターンロス値が小さいとき、その周波数に整合していることを意味する。本発明においては、リターンロス値として−２０ｄＢ、すなわち電力のロスが１％以下の場合を整合したとして判断する。従って図１に示すスロットアンテナ１では、中心周波数は７．７５ＧＨｚ、下限周波数は７．４ＧＨｚ、上限周波数は７．９５ＧＨｚであり、その帯域幅は５５０ＭＨｚ、比帯域は７．１％となる。このスロットアンテナ１の帯域幅は従来に比較し広く、５５０ＭＨｚと改善されている。しかし、この帯域幅をさらに広げるように要求されているという問題がある。

上述したようにアンテナ及びその給電回路の広帯域化の要求は、ますます激しくなり、さらなる広帯域化が求められているという課題がある。

本発明の目的は、これらのアンテナや給電回路の広帯域化の課題を解決する技術を提供することであり、広い周波数帯域で動作する広帯域給電回路及びその広帯域給電回路を備えたスロットアンテナを提供することにある。

本発明の広帯域給電回路は、スロットを持つ上面導体板に対し略平行に設けられた下面導体板と、該下面導体板の中央部分に設けた凹状のショート部と、該ショート部の底面を形成するショート板の中央部分に設けた凸状の座刳りと、該座刳りの中心に、ガイド部に保護された同軸中心導体と、を備えたことを特徴とする。また本発明のスロットアンテナは、上記した広帯域給電回路と、上記スロットを持つ上面導体板とを備えたことを特徴とする。

本発明においては、下面導体板に凹状のショート部を設け、さらにショート部に凸状の座刳りを設ける。このようにショート部を２段構成とすることで帯域幅が拡大することが可能となる。本発明によれば、帯域幅が広い広帯域給電回路、及びその広帯域給電回路を備えた平行平板間伝送モード用のスロットアンテナが得られる。

図１Ａは従来のスロットアンテナの断面図である。 図１Ｂは図１Ａのスロットアンテナのリターンロス特性の周波数依存性を示す図である。 図２Ａは本発明の第１の実施形態に係わるスロットアンテナの断面図である。 図２Ｂは図２Ａのスロットアンテナのリターンロス特性の周波数依存性を示す図である。 図３Ａは本発明の第２の実施形態に係わるスロットアンテナの断面図である。 図３Ｂは図３Ａのスロットアンテナのリターンロス特性の周波数依存性を示す図である。 図４Ａは本発明の第３の実施形態に係わるスロットアンテナの断面図である。 図４Ｂは図４Ａのスロットアンテナのリターンロス特性の周波数依存性を示す図である。

以下に本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態として、図２を参照して詳細に説明する。図２Ａは本発明の第１の実施の形態における平行平板間伝送モードへの給電回路を適用したスロットアンテナの断面図を示している。図２Ｂに、そのリターンロス特性の周波数依存を示す。

図２Ａに示すスロットアンテナ１０は、スロットを持つ上面導体板２と下面導体板３、同軸中心導体４、ガイド部５、逆円錐導体６、ショート部７を備えている。上面導体板２と下面導体板３とは、円形の導体であり、略平行に設けられている。下面導体板３の中央部の一部分を円形に下側に凹ませたショート部７が設けられている。ショート部７の直径をＡ、深さＨ１とする。ショート部の底面をなす導体板をショート板８とする。ショート板８は上面導体板２と下面導体板３と、略平行である。ショート板８の中心には、ショート板８に固定され、ガイド部５により保護された同軸中心導体４が設けられている。さらに同軸中心導体４の先端部に、図に示すように逆円錐形状に太くなった逆円錐導体６が設けられている。スロットアンテナ１０の平面図における中心位置を一点鎖線で示す。これらの上面導体板２と下面導体板３とショート部７のそれぞれの中心点は、この一点鎖線で示す一つの直線上にあり、ほぼスロットアンテナ１０の中心位置にある。従って、この同軸中心導体４及び逆円錐導体６は、上面導体板２と下面導体板３とショート部７の中心位置に、すなわちスロットアンテナ１０の中心部に配置されることになる。

同軸中心導体４の先端部に逆円錐導体６を設けることで、帯域幅を拡大できる。この逆円錐導体６のサイズは整合させる周波数により決定することができる。この逆円錐導体６を備えたスロットアンテナ１０のリターンロス（ＲＬ）特性の周波数依存性を図２Ｂに示す。図２Ｂによれば、中心周波数は７．７５ＧＨｚ、下限周波数は７．２５ＧＨｚ、上限周波数は７．９５ＧＨｚである。その帯域幅は７００ＭＨｚ、比帯域は９％と帯域幅が広がっていることが分かる。本実施形態においては、従来例に比較し、中心周波数は７．７５ＧＨｚと上限周波数は７．９５ＧＨｚは同じ周波数であるが、下限周波数は７．４ＧＨｚから７．２５ＧＨｚへ広くなっています。その結果従来技術に比較し、帯域幅は７００ＭＨｚ、比帯域は９％と改善された。

本実施形態によれば、給電回路の同軸中心導体の先端を逆円錐導体として太くすることにより、スロットアンテナの下限周波数が広がり帯域幅及び比帯域が拡大できる。このように給電回路の同軸中心導体の先端を逆円錐導体と太くすることで、広い周波数帯域で動作する広帯域給電回路、及びその広帯域給電回路を備えたスロットアンテナが得られる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施の形態として、図３を参照して詳細に説明する。図３Ａは本発明の第２の実施の形態における平行平板間伝送モードへの給電回路を適用したスロットアンテナの断面図を示している。図３Ｂに、そのリターンロス特性の周波数依存を示す。第２の実施の形態は、第１の実施の形態のショート部にさらに座刳りを設けた実施形態である。

図３Ａに示すスロットアンテナ１１は、スロットを持つ上面導体板２と下面導体板３、同軸中心導体４、ガイド部５、逆円錐導体６、ショート部７、シュート板８、座刳り９を備えている。第２の実施の形態の構成は、第１の実施の形態の構成に座刳り９が追加されている。第１の実施の形態の構成と同じ構成要素は同じ符号とし、その説明は省略する。座刳り９は、ショート板８の中央部分に、ショート部７側に向かって凸状に構成される。ショート部７は下面導体板３を下側に突き出た凹状の座刳りであり、座刳り９はショート部７の底面にショート部７とは反対方向の上側に突き出た凸状の座刳りである。この座刳り６の底面（図においては上面で示されている）は上面導体板２及び下面導体板３と、略平行である。

この座刳り９とショート部７はともに円形であり、その中心点はスロットアンテナ１１の中心である一点鎖線で示す直線上に並んでいる。ショート部７の直径Ａ、深さＨ１であり、座刳り９はショート板の端よりＢ／２より内側で設けられ、その直径は（Ａ−Ｂ）で、深さＨ２である。

このショート部７に座刳り９を設けることで、ショート部７の構成が２段になる。１段目は直径Ａのスペース領域であり、２段目は１段目の下側に構成された溝状のスペース領域である。この２段構成により周波数の帯域幅がさらに拡大できる。この座刳り９のサイズは整合させる周波数により決定することができる。このスロットアンテナ１１のリターンロス（ＲＬ）特性の周波数依存性を図３Ｂに示す。図３Ｂによれば、中心周波数は７．７５ＧＨｚ、下限周波数は７．１５ＧＨｚ、上限周波数は８．２５ＧＨｚと広帯域化している。その帯域幅は１．１ＧＨｚ、比帯域は１４．２％となる。本実施形態においては、第１実施例に比較し、上限周波数は７．９５ＧＨｚからは８．２５ＧＨｚに、下限周波数は７．２５ＧＨｚから７．１５ＧＨｚへさらに広くなっています。その結果、帯域幅は１．１ＧＨｚ、比帯域は１４．２％と改善された。

本実施形態によれば、ショート部７に座刳り９を設けショート部を２段構成とすることにより、スロットアンテナ１１の上限及び下限周波数が広がり帯域幅及び比帯域が拡大できる。このようにショート部を２段構成とすることで、広い周波数帯域で動作する広帯域給電回路、及びその広帯域給電回路を備えたスロットアンテナが得られる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態として、図４を参照して詳細に説明する。図４Ａは本発明の第３の実施の形態における平行平板間伝送モードへの給電回路を適用したスロットアンテナの断面図を示している。図４Ｂに、そのリターンロス特性の周波数依存を示す。第３の実施の形態は、第２の実施の形態のショート部及び座刳りの側壁をテーパー形状とした実施形態である。

図４Ａに示すスロットアンテナ１２は、スロットを持つ上面導体板２と下面導体板３、同軸中心導体４、ガイド部５、逆円錐導体６、ショート部７、シュート板８、座刳り９を備えている。第２の実施の形態と同様の構成要素についての説明は省略する。本実施形態においては、これらの構造をショート部７と座刳り９の側壁をテーパー形状とし、傾斜させている実施形態である。ショート部７の側壁を垂直からβずらし、下面導体板３との接合面をβだけ広げ、側壁をβ／Ｈ１だけ傾斜させている。座刳り９においては、その側壁を垂直からαずらし、凸部の上面をαだけ小さくし、側壁をα／Ｈ２だけ傾斜させている。このようにショート部７、座刳り９の側壁をテーパー形状とし、傾斜させる。この傾斜β／Ｈ１、α／Ｈ２は整合させる周波数により決定することができる。

このショート部７、座刳り９の側壁をテーパー形状とし、傾斜させることで、周波数の帯域幅がさらに拡大できる。側壁を傾斜させることで、ショート位置と径があいまい化され帯域幅がさらに拡大でする。このスロットアンテナ１２のリターンロス（ＲＬ）特性の周波数依存性を図４Ｂに示す。図４Ｂによれば、中心周波数は７．７５ＧＨｚ、下限周波数は７．０５ＧＨｚ、上限周波数は８．６５ＧＨｚである。その帯域幅は１．６ＧＨｚ、比帯域は２０．６％と、さらに広帯域化していることが分かる。本実施形態においては、第２実施例に比較し、上限周波数は８．２５ＧＨｚからは８．６５ＧＨｚに、下限周波数は７．１５ＧＨｚから７．０５ＧＨｚへ広くなっています。その結果、帯域幅は１．１ＧＨｚ、比帯域は２０．６％と改善された。

本実施形態によれば、ショート部７に座刳り９を設け、ショート部７と座刳り９の側壁を傾斜させることで、上限及び下限周波数が広がり帯域幅及び比帯域をさらに拡大できる。このようにショート部と座刳りの側壁を傾斜させ、広い周波数帯域で動作する広帯域給電回路、及びその広帯域給電回路を備えたスロットアンテナが得られる。

以上、本願発明を実施形態として説明した。本願発明の広帯域給電回路は、スロットを持つ上面導体板に対し略平行に設けられた下面導体板と、該下面導体板の中央部分に設けた凹状のショート部と、該ショート部の底面を形成するショート板の中央部分に設けた凸状の座刳りと、該座刳りの中心に、ガイド部に保護された同軸中心導体と、を備えたことを特徴とする。

また広帯域給電回路のショート部の側壁を傾斜させることができ、さらに座刳りの側壁も傾斜させることができる。また、このショート部と座刳りはともに円形形状とし、その中心点は同一直線上にあるように構成することができる。さらに、その同軸中心導体の先端部を逆円錐導体とすることもできる。

さらに本願発明においては、上記した広帯域給電回路と、上記スロットを持つ上面導体板とを備えたスロットアンテナを得られることが特徴である。このスロットアンテナは平行平板間伝送モード用として使用することができる。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記の実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１ スロットアンテナ
２ スロットを持つ上面導体板
３ 下面導体板
４ 同軸中心導体
５ ガイド部
６ 逆円錐導体
７ ショート部
８ ショート板
９ 座刳り
１０、１１、１２ スロットアンテナ

Claims (6)

1. スロットを持つ上面導体板に対し略平行に設けられた下面導体板と、該下面導体板の中央部分に設けた凹状のショート部と、該ショート部の底面を形成するショート板の中央部分に設けた凸状の座刳りと、該座刳りの中心に、ガイド部に保護された同軸中心導体と、を備えたことを特徴とする広帯域給電回路。
2. 前記ショート部の側壁が傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の広帯域給電回路。
3. 前記座刳りの側壁が傾斜していることを特徴とする請求項１又は２に記載の広帯域給電回路。
4. 前記ショート部と座刳りがともに円形形状であり、その中心点が同一直線上に並んでいることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の広帯域給電回路。
5. 前記同軸中心導体の先端部が、逆円錐導体であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の広帯域給電回路。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の広帯域給電回路と、前記スロットを持つ上面導体板とを備えたことを特徴とするスロットアンテナ。

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