JP5317788B2

JP5317788B2 - アンテナ装置

Info

Publication number: JP5317788B2
Application number: JP2009077055A
Authority: JP
Inventors: 研悟西本; 徹深沢; 一史西澤; 裕章宮下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: JP2010232865A

Description

この発明は、超広帯域（ＵＷＢ：Ultra Wide Band）無線通信などに用いられる小形のアンテナ装置に関するものである。

近年、無線通信システムは高速化に向け進化し続けており、アンテナの更なる小形化、広帯域化が要求されている。一般に、アンテナを小形化していくと、アンテナの帯域が狭くなり、放射効率が劣化する。すなわち、アンテナの小形化には限界がある。そこで、アンテナ方式を工夫することで、帯域、放射効率を劣化させずに、アンテナを限界まで小形化する試みがなされている。

従来の小形の広帯域アンテナの１つの例としては、基板上にスロットループアンテナを折り曲げたアンテナが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、他の例としては、テーパー状導体を卵形に湾曲させ、テーパー状導体の幅広の端部を地板に接続し、テーパー状導体のもう一方の端部を給電したアンテナが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００７−２５９４３８号公報

坂口浩一、長澤幸二、長谷部望、「ＵＷＢ用湾曲板状アンテナ」、２００５年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、Ｂ−１−１５６、Ｓｅｐt．２００５．

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。特許文献１に記載された従来のアンテナは、基板を使用しているため、材料費、エッチング等の加工費が高く、高コストになるという問題がある。また、非特許文献１に記載された他の従来のアンテナは、テーパー状導体を卵形に湾曲させ先端部を地板に接続した複雑な構造であるので、製造コストが高いという問題がある。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、低コストで製造することができ、かつ広帯域化、小形化を図ることができるアンテナ装置を得ることを目的とする。

本発明に係るアンテナ装置は、円形導体板と、グランド導体とを備え、前記円形導体板の直径は、使用周波数帯域の下限周波数における電気長が約１／４波長となる長さであり、前記円形導体板は、２本の折り曲げ線で折り曲げられており、前記２本の折り曲げ線に垂直で、折り曲げられる前の前記円形導体板上の直線であって、かつ前記円形導体板の中心を通る線上にあり、前記円形導体板の一方の端である第１の端部と前記グランド導体の間が給電され、前記線上にあり、前記円形導体板のもう一方の端である第２の端部が前記グランド導体に接続され、前記グランド導体は、平面状であり、前記円形導体板は、２本の折り曲げ線における折り曲げ角度が９０度であり、前記円形導体板の前記第１の端部がある面と、前記円形導体板の前記第２の端部がある面が、前記平面状のグランド導体に対して垂直であるものである。

本発明に係るアンテナ装置によれば、低コストで製造することができ、かつ広帯域化、小形化を図ることができる。

この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図である。円形モノポールアンテナを示す斜視図である。ＦＤＴＤ法によるアンテナの反射特性の計算結果を示す図である。この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の変形例の構成を示す図である。ＦＤＴＤ法によるアンテナの反射特性の計算結果を示す図である。この発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の構成を示す図である。

以下、本発明のアンテナ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置について図１から図３までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、（ａ）はこの発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の円形導体板を示す平面図、（ｂ）はアンテナ装置を−ｙ方向からみた図（側面図）、（ｃ）はアンテナ装置をｚ方向からみた図（平面図）、（ｄ）はアンテナ装置を−ｘ方向からみた図（側面図）である。

図１において、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置は、円形導体板１と、グランド導体１１とが設けられている。

円形導体板１の直径は、使用周波数帯域の下限周波数ｆ１における電気長が約１／４波長となる長さである。円形導体板１は、２本の折り曲げ線２で折り曲げられており、２本の折り曲げ線２は、互いに平行である。また、円形導体板１上の線（直線）３は、円形導体板１の中心を通り、かつ２本の折り曲げ線２に垂直である。円形導体板１上にある線３上には、円形導体板１の一方の端部４と、円形導体板１のもう一方の端部５を有する。

図１（ａ）に示す円形導体板１を、図１（ｂ）に示すように、２本の折り曲げ線２で直角に折り曲げ、線３上の円形導体板１の一方の端部５をグランド導体１１に接続し、線３上の円形導体板１のもう一方の端部４とグランド導体１１の間に給電点２１を設ける。この給電点２１の長さは、波長に比べて微小である。

また、グランド導体１１は平面状であり、円形導体板１の端部４がある面と、円形導体板１の端部５がある面を、平面状のグランド導体１１と垂直にする。なお、図１（ｃ）に示すように、グランド導体１１の中央に、折り曲げた円形導体板１を接続しているが、グランド導体１１は無限平面を想定しており、グランド導体１１の中央以外の位置に、折り曲げた円形導体板１を接続しても構わない。

つぎに、この実施の形態１に係るアンテナ装置の動作について図面を参照しながら説明する。図２は、円形モノポールアンテナを示す斜視図である。また、図３は、ＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain）法によるアンテナの反射特性の計算結果を示す図である。

図２に示す円形モノポールアンテナは、折り曲げない状態の円形導体板１をグランド導体１１に垂直に設置し、円形導体板１の端部とグランド導体１１の間を給電したアンテナであり、従来から知られている広帯域アンテナの１つである。

図２の円形モノポールアンテナについて、反射特性をＦＤＴＤ法を用いて計算した結果を図３（ａ）に示す（給電線路の特性インピーダンスは５０Ωとしている）。０．８３ｆ１以上の周波数でリターンロスが−１０ｄＢ以下となっており、リターンロスが−１０ｄＢ以下となる比帯域は１２９％以上である。

また、図１のアンテナ装置において、円形導体板１の端部５をグランド導体１１に接続せず、アンテナの高さｈをｆ１において０．１波長とした場合の反射特性計算結果を図３（ｂ）に示す（給電線路の特性インピーダンスは５０Ωとしている）。低い周波数でリターンロスが劣化しており、ｆ１までリターンロスを−１０ｄＢ以下とするためには、アンテナの大きさを２倍程度にする必要がある。また、リターンロスが−１０ｄＢ以下となる比帯域は４５％であり狭帯域である。

図１のアンテナ装置において、アンテナの高さｈをｆ１において０．１波長とした場合の反射特性計算結果を図３（ｃ）に示す（給電線路の特性インピーダンスは５０Ωとしている）。１．０２ｆ１以上でリターンロスが−１０ｄＢ以下となっており、リターンロスが−１０ｄＢ以下となる比帯域は１１１％である。

以上より、円形導体板１を折り曲げ、かつ円形導体板１の端部５をグランド導体１１に接続することにより、小形な広帯域アンテナが得られることが分かる。

なお、円形導体板１を、正多角形導体板１Ａ（図示せず）、楕円導体板１Ｂ（図示せず）としても、動作原理は本実施の形態１と同様であり、同様な効果を得ることができる。

例えば、正多角形導体板１Ａと、グランド導体１１Ａとを備えたアンテナ装置であって、正多角形導体板１Ａの外接円の直径は、使用周波数帯域の下限周波数における電気長が約１／４波長となる長さであり、正多角形導体板１Ａは、ｎ（１以上の整数）本の折り曲げ線で折り曲げられており、ｎ本の折り曲げ線は、互いに平行であり、ｎ本の折り曲げ線に垂直で、かつ正多角形導体板１Ａの中心を通る直線上にある正多角形導体板１Ａの一方の端部４Ａとグランド導体１１Ａの間が給電され、上記直線上にある正多角形導体板１Ａのもう一方の端部５Ａがグランド導体１１Ａに接続されている。

例えば、楕円導体板１Ｂと、グランド導体１１Ｂとを備えたアンテナ装置であって、楕円導体板１Ｂの長径は、使用周波数帯域の下限周波数における電気長が約１／４波長となる長さであり、楕円導体板１Ｂは、ｎ（１以上の整数）本の折り曲げ線で折り曲げられており、ｎ本の折り曲げ線は、互いに平行であり、ｎ本の折り曲げ線に垂直で、かつ楕円導体板１Ｂの中心を通る直線上にある楕円導体板１Ｂの一方の端部４Ｂとグランド導体１１Ｂの間が給電され、上記直線上にある楕円導体板１Ｂのもう一方の端部５Ｂがグランド導体１１Ｂに接続されている。

また、この実施の形態１に係るアンテナ装置では、円形導体板１を２本の折り曲げ線２で折り曲げたが、折り曲げ線２の数は２本に限定するものではなく、ｎを１以上の整数として、折り曲げ線２の数がｎ本であっても上述の効果を奏することができる。例えば、折り曲げ線２の数ｎ＝１の場合、図１（ｂ）のような−ｙ方向からみたアンテナ装置の側面（断面）の形は三角形になる。また、折り曲げ線２の数ｎ＝３の場合、図１（ｂ）のような−ｙ方向からみたアンテナ装置の側面（断面）の形は五角形になる。

さらに、円形導体板１の折り曲げ線２での折り曲げ角度は、９０度に限定するものではなく、任意の角度であっても良い。また、グランド導体１１は平面状でなくても良く、直方体、円柱などあらゆる形状が考えられる。円形導体板１の端部４がある面と、円形導体板１の端部５がある面を、平面状のグランド導体１１と垂直にする必要はない。

以上のように、実施の形態１によれば、円形導体板１を折り曲げ、かつ円形導体板１の端部５をグランド導体１１に接続し、円形導体板１の端部４とグランド導体１１の間を給電することにより、低コストで小形な広帯域アンテナが得られるという効果を奏する。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置について図４を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す図である。

図４において、この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置は、上記の実施の形態１に係るアンテナ装置において、円形導体板１の線３で２分割された一方を削除したものである。

図１に示すアンテナ装置は、線３を含む面に関して面対称の構造となっているので、電流分布も線３を含む面に関して面対称となる。したがって、円形導体板１の線３で２分割された一方を削除しても、上記の実施の形態１と同様に、広帯域な特性を得ることができる。

正多角形導体板１Ａや、楕円導体板１Ｂについても、円形導体板１と同様であり、線３で２分割された一方を削除しても、広帯域な特性を得ることができる。

以上のように、円形導体板１を折り曲げ、かつ円形導体板１の端部５をグランド導体１１に接続し、かつ円形導体板１の線３で２分割された一方を削除し、円形導体板１の端部４とグランド導体１１の間を給電することにより、低コストで小形な広帯域アンテナが得られるという効果を有する。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置について図５から図７までを参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す図である。

図５において、（ａ）はこの発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の円形導体板を示す平面図、（ｂ）はアンテナ装置を−ｙ方向からみた図（側面図）、（ｃ）はアンテナ装置をｚ方向からみた図（平面図）、（ｄ）はアンテナ装置を−ｘ方向からみた図（側面図）である。

図６は、図５のアンテナ装置において、円形導体板１の端部どうしを接続するのではなく、円形導体板１の一方の端部５とグランド導体１１を接続した場合を示す図である。また、図７は、ＦＤＴＤ法によるアンテナの反射特性の計算結果を示す図である。

使用周波数帯域の下限周波数をｆ１とする。図５（ａ）において、円形導体板１の直径は、ｆ１における電気長が約１／４波長となる長さである。また、円形導体板１は、３本の折り曲げ線２を有しており、３本の折り曲げ線２は互いに平行である。円形導体板１上の線３は、円形導体板１の中心を通り、かつ３本の折り曲げ線２に垂直である。

図５（ａ）の円形導体板１を、図５（ｂ）に示すように、３本の折り曲げ線２で直角に折り曲げ、線３上の円形導体板１の一方の端部４と線３上の円形導体板１のもう一方の端部５を、直線導体３１を介して接続する。この直線導体３１は、３本の折り曲げ線２に垂直である。円形導体板１の端部４とグランド導体１１の間に給電点２１を設ける。給電点２１の長さは、波長に比べて微小である。

また、グランド導体１１は方形であり、円形導体板１の端部４がある面を、方形のグランド導体１１と同じ面に、方形のグランド導体１１の一辺の近傍に設置し、円形導体板１の端部５がある面を、方形のグランド導体１１に垂直にする。

つぎに、この実施の形態３に係るアンテナ装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図５に示すアンテナ装置において、円形導体板１の端部４と円形導体板１の端部５を直線導体３１を介して接続するのではなく、図６に示すように、円形導体板１の端部５とグランド導体１１を線導体３２を介して接続する場合を考える。すなわち、上記の実施の形態１に係るアンテナ装置と同種類のアンテナを考える。

この場合に、図６に示すａをｆ１において０．０５波長、ｂをｆ１において０．１波長とし、アンテナの反射特性をＦＤＴＤ法を用いて計算した結果を図７（ａ）に示す（給電線路の特性インピーダンスは７５Ωとしている）。０．６３ｆ１以上でリターンロスが−１０ｄＢ以下となっており、リターンロスが−１０ｄＢ以下となる比帯域は１４４％以上である。

また、図５のアンテナ装置において、ａをｆ１において０．０５波長、ｂをｆ１において０．１波長とした時の反射特性計算結果を図７（ｂ）に示す（給電線路の特性インピーダンスは５０Ωとしている）。０．８８ｆ１以上でリターンロスが−１０ｄＢ以下となっており、リターンロスが−１０ｄＢ以下となる比帯域は１２６％以上である。

以上から、円形導体板１の端部５とグランド導体１１を接続するのではなく、円形導体板１の端部４と円形導体板１の端部５を接続した場合においても、小形な広帯域アンテナが得られることが分かる。

なお、円形導体板１を、正多角形導体板１Ａ（図示せず）、楕円導体板１Ｂ（図示せず）としても、動作原理は本実施の形態３と同様であり、同様な効果を得ることができる。

例えば、正多角形導体板１Ａと、グランド導体１１Ａと、直線導体３１Ａとを備えたアンテナ装置であって、正多角形導体板１Ａの外接円の直径は、使用周波数帯域の下限周波数における電気長が約１／４波長となる長さであり、正多角形導体板１Ａは、ｎ（１以上の整数）本の折り曲げ線で折り曲げられており、ｎ本の折り曲げ線は、互いに平行であり、直線導体３１Ａは、ｎ本の折り曲げ線に垂直であり、ｎ本の折り曲げ線に垂直で、かつ正多角形導体板１Ａの中心を通る直線上にある正多角形導体板１Ａの一方の端部４Ａと、上記直線上にある正多角形導体板１Ａのもう一方の端部５Ａが直線導体３１Ａを介して接続され、端部４Ａとグランド導体１１Ａの間が給電されている。

例えば、楕円導体板１Ｂと、グランド導体１１Ｂと、直線導体３１Ｂとを備えたアンテナ装置であって、楕円導体板１Ｂの長径は、使用周波数帯域の下限周波数における電気長が約１／４波長となる長さであり、楕円導体板１Ｂ、ｎ（１以上の整数）本の折り曲げ線で折り曲げられており、ｎ本の折り曲げ線は、互いに平行であり、直線導体３１Ｂは、ｎ本の折り曲げ線に垂直であり、ｎ本の折り曲げ線に垂直で、かつ楕円導体板１Ｂの中心を通る直線上にある楕円導体板１Ｂの一方の端である端部４Ｂと、上記直線上にある楕円導体板１Ｂのもう一方の端部５Ｂが直線導体３１Ｂを介して接続され、端部４Ｂとグランド導体１１Ｂの間が給電されている。

また、この実施の形態３に係るアンテナ装置では、円形導体板１を３本の折り曲げ線２で折り曲げたが、折り曲げ線２の数は３本に限定するものではなく、ｎを１以上の整数として、折り曲げ線２の数がｎ本であっても上述の効果を奏することができる。

さらに、円形導体板１の折り曲げ線２での折り曲げ角度は、９０度に限定するものではなく、任意の角度であっても良い。また、グランド導体１１は方形でなくても良く、直方体、円柱などあらゆる形状が考えられる。円形導体板１の端部４がある面を、方形のグランド導体１１と同じ面に、方形のグランド導体１１の一辺の近傍に設置する必要はなく、円形導体板１の端部５がある面を、方形のグランド導体１１に垂直にする必要はない。

以上のように、円形導体板１を折り曲げ、かつ円形導体板１の端部４と円形導体板１の端部５を直線導体３１を介して接続し、円形導体板１の端部４とグランド導体１１の間を給電することにより、低コストで小形な広帯域アンテナが得られるという効果を有する。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係るアンテナ装置について図８を参照しながら説明する。図８は、この発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の構成を示す図である。

図８において、この発明の実施の形態４に係るアンテナ装置は、上記の実施の形態３に係るアンテナ装置において、円形導体板１の線３で２分割された一方を削除したものである。

図５のアンテナ装置は、線３を含む面に関して面対称の構造となっているので、電流分布も線３を含む面に関して面対称となる。したがって、円形導体板１の線３で２分割された一方を削除しても、上記の実施の形態３と同様に、広帯域な特性を得ることができる。

以上のように、円形導体板１を折り曲げ、かつ円形導体板１の端部４と円形導体板１の端部５を直線導体３１を介して接続し、かつ円形導体板１の線３で２分割された一方を削除し、円形導体板１の端部４とグランド導体１１の間を給電することにより、低コストで小形な広帯域アンテナが得られるという効果を有する。

１円形導体板、２折り曲げ線、３線（直線）、４端部、５端部、１１グランド導体、２１給電点、３１直線導体、３２線導体。

Claims

円形導体板と、
グランド導体とを備え、
前記円形導体板の直径は、使用周波数帯域の下限周波数における電気長が約１／４波長となる長さであり、
前記円形導体板は、２本の折り曲げ線で折り曲げられており、
前記２本の折り曲げ線に垂直で、折り曲げられる前の前記円形導体板上の直線であって、かつ前記円形導体板の中心を通る線上にあり、前記円形導体板の一方の端である第１の端部と前記グランド導体の間が給電され、
前記線上にあり、前記円形導体板のもう一方の端である第２の端部が前記グランド導体に接続され、
前記グランド導体は、平面状であり、
前記円形導体板は、２本の折り曲げ線における折り曲げ角度が９０度であり、
前記円形導体板の前記第１の端部がある面と、前記円形導体板の前記第２の端部がある面が、前記平面状のグランド導体に対して垂直である
ことを特徴とするアンテナ装置。
前記円形導体板の前記直線で２分割された一方が削除されている
ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
円形導体板と、
グランド導体と、
直線導体とを備え、
前記円形導体板の直径は、使用周波数帯域の下限周波数における電気長が約１／４波長となる長さであり、
前記円形導体板は、３本の折り曲げ線で折り曲げられており、
前記直線導体は、前記３本の折り曲げ線に垂直であり、
前記３本の折り曲げ線に垂直で、折り曲げられる前の前記円形導体板上の直線であって、かつ前記円形導体板の中心を通る線上にあり、前記円形導体板の一方の端である第１の端部と、前記線上にあり、前記円形導体板のもう一方の端である第２の端部が前記直線導体を介して接続され、
前記第１の端部と前記グランド導体の間が給電され、
前記グランド導体は、方形であり、
前記円形導体板は、３本の折り曲げ線における折り曲げ角度が９０度であり、
前記円形導体板の前記第１の端部のある面が、前記方形のグランド導体と同じ面に、かつ前記方形のグランド導体の一辺の近傍に設置され、
前記円形導体板の前記第２の端部のある面が、前記方形のグランド導体に対して垂直である
ことを特徴とするアンテナ装置。
前記円形導体板の前記直線で２分割された一方が削除されている
ことを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。