JP6440300B2

JP6440300B2 - 広帯域アンテナ

Info

Publication number: JP6440300B2
Application number: JP2014207710A
Authority: JP
Inventors: 飯草　恭一; 恭一飯草; 矢野　博之; 博之矢野; 史秀児島
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2034-10-09
Also published as: JP2016076902A

Description

本発明は、低姿勢であると共に広帯域に整合がとれる広帯域アンテナに関する。

近年は、高速・大容量の伝送を可能にする超広帯域（ＵＷＢ）無線システム、ＵＨＦ帯のホワイトスペースを使った無線システムやコグニティブ無線システム、公共ブロードバンド移動体通信システム等の高帯域な無線通信システムが注目されており、このような無線通信システムでは非常に広帯域の周波数を使用することが前提であるため、広帯域特性を有するアンテナが必要となる。特に、移動体用アンテナの重要性が高い。

無指向性のホイップアンテナは、比帯域が約１０％と狭帯域であり、一般的に約４分の１波長の高さを必要とするため、低姿勢のアンテナとして用いるためには、種々の工夫が必要である。低背型アンテナ装置として、車両に固定されるベース部から斜め方向を軸に巻回されるヘリカルアンテナ部を設け、ヘリカルアンテナ部の先端に電気的に接続される導電性のトップロード部を設けたものが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１に記載の低背型アンテナ装置は、ＦＭ周波数帯域がターゲット周波数となるようにヘリカルアンテナ部を適当な長さで巻回し、トップロード部から車両への垂線方向の間にヘリカルアンテナ部が介在しないように配置した半球状のドーム形状を有するトップロード部はＡＭアンテナとして機能する。すなわち、特許文献１に記載の体背型アンテナ装置は、低姿勢のアンテナ構造で、ＦＭ周波数帯域（７６〜９０ＭＨｚ）とＡＭ周波数帯域（５２６．５ｋＨｚ〜１６０６．５ｋＨｚ）の２帯域に使えるのである。

国際公開第２０１４／０６７５７９号

しかしながら、ホワイトスペースを使った無線通信の移動体アンテナ、コグニティブ無線移動体アンテナ、ＵＷＢ用アンテナ、公共ブロードバンド用移動体アンテナとしては、今後の利活用が注目されている公共ブロードバンド（１７０ＭＨｚ〜２０２．５ＭＨｚ）の周波数帯域から地上デジタル放送（４７０ＭＨｚ〜７００ＭＨｚ）の周波数帯域まで広くカバーすることが望まれているのに対し、特許文献１に記載の低背型アンテナ装置は、そのような広帯域をカバーできるものではない。また、特許文献１に記載の低背型アンテナ装置は、その構造上、横幅が広くなってしまうことから、ヘリカルアンテナ部およびトップロード部をアンテナカバーで覆った状態では更に幅広となり、搭載対象である移動体の種類や外観形状によっては、空力的な問題から搭載可能箇所に制限が生じたり、搭載できないといった問題が懸念される。

そこで、本発明は、車両等の移動体に搭載するのに十分な低姿勢で薄型に構成でき、なお且つ、広帯域特性を実現できる広帯域アンテナの提供を目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、誘電体基板の一側面に導電性のアンテナ素子を、他側面に地板導体を設けて平面アンテナを構成し、前記平面アンテナの誘電体基板を立設し得る程度に平坦な取付面を有する導電性の接地導体部に前記平面アンテナを立設し、且つ、前記平面アンテナの地板導体を前記接地導体部に接地してなる広帯域アンテナであって、前記アンテナ素子は、前記接地導体部側より給電される給電点より立ち上がる任意幅のアンテナ垂直部と、該アンテナ垂直部の突出端に連なり接地導体部の取付面に平行な方向へ延出する任意形状のアンテナ水平部と、を有する逆Ｌ形となし、前記地板導体は、接地導体部と導通する接地幅で立ち上がる任意形状の地板垂直部と、該地板垂直部と連なって前記アンテナ素子のアンテナ水平部の延出方向へ延出する任意形状の地板水平部と、を有する逆Ｌ形となし、前記アンテナ素子と前記地板導体の適所が誘電体基板を挟んで近接もしくは重なる形状とすることにより、電波の送受信に伴う信号の伝送路として機能するアンテナ素子の各部における線路インピーダンスを調整するインピーダンス調整手段となし、整合周波数帯を広域化するようにしたことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の広帯域アンテナにおいて、前記インピーダンス調整手段は、主として、アンテナ垂直部におけるアンテナ水平部が延出していない側の縁部である反延出側縁部およびアンテナ水平部における接地導体部に臨んでいない側の縁部である反接地導体側縁部に対して、地板導体が近接もしくは重なる位置および重なる面積を調整するものであることを特徴とする。

本発明に係る広帯域アンテナによれば、金属製の車体等を流用した接地導体部へ立設した平面アンテナにインピーダンス調整手段を設けることで、低姿勢で平面構造の逆Ｌ形モノポールアンテナを広帯域化でき、ＵＷＢ無線システム、ＵＨＦ帯のホワイトスペースを使った無線システムやコグニティブ無線システム、公共ブロードバンド移動体通信システム等に好適なアンテナとなる。

本発明に係る広帯域アンテナの実施形態を示し、（ａ）は広帯域アンテナのアンテナ素子配設面側を示す斜視図、（ｂ）は広帯域アンテナの地板導体配設面側を示す斜視図である。アンテナ素子と地板導体との相対位置を示す説明図である。図１に示す構造の広帯域アンテナの周波数特性と、地板導体の無い逆Ｌ形モノポールアンテナの周波数特性を示す周波数特性図である。広帯域アンテナにおける１８０ＭＨzと４３０ＭＨzと６５０ＭＨzの指向性特性図である。アンテナ素子の垂直部における右側縁部をＡ方向へ０．５ｍｍ増減させた場合の特性変化を示す周波数特性図である。地板導体の垂直部における右側縁部をＢ方向へ０．５ｍｍ増減させた場合の特性変化を示す周波数特性図である。地板導体の水平部における下側縁部をＣ方向へ３ｍｍ増減させた場合の特性変化を示す周波数特性図である。アンテナ素子の水平部における第１水平部の下側縁部をＤ方向へ５ｍｍ増減させた場合の特性変化を示す周波数特性図である。アンテナ素子の第１水平部における上側縁部をＥ方向へ５ｍｍ増減させた場合の特性変化を示す周波数特性図である。地板導体の上側縁部をＦ方向へ５ｍｍ増減させた場合の特性変化を示す周波数特性図である。地板導体の水平部における右側縁部をＧ方向へ５ｍｍ増減させた場合の特性変化を示す周波数特性図である。地板導体の左側縁部をＨ方向へ５ｍｍ増減させた場合の特性変化を示す周波数特性図である。アンテナ素子の第２水平部における右側縁部と誘電体基板の右側縁部をＩ方向へ５ｍｍ増減させた場合の特性変化を示す周波数特性図である。アンテナ素子の第１水平部における上側縁部をＪ方向へ３ｍｍ増減させてテーパ部の上側縁部を変化させた場合の特性変化を示す周波数特性図である。アンテナ素子の第１水平部における下側縁部をＫ方向へ５ｍｍ増減させてテーパ部の下側縁部を変化させた場合の特性変化を示す周波数特性図である。アンテナ素子の第２水平部における上側縁部をＬ方向へ５ｍｍ増減させてテーパ部の上側縁部を変化させた場合の特性変化を示す周波数特性図である。アンテナ素子の第２水平部における下側縁部をＭ方向へ５ｍｍ増減させてテーパ部の下側縁部を変化させた場合の特性変化を示す周波数特性図である。アンテナ素子の第２水平部における上側縁部をＮ方向へ５ｍｍ増減させてテーパ部の上側縁部を変化させた場合の特性変化を示す周波数特性図である。アンテナ素子の第２水平部における下側縁部をＯ方向へ５ｍｍ増減させてテーパ部の下側縁部を変化させた場合の特性変化を示す周波数特性図である。接地導体部を有限の面積で変化させた場合の特性変化を示す周波数特性図である。空力的に優れた形状の誘電体基板を用いて構成した広帯域アンテナの説明図である。

次に、添付図面に基づいて、本発明に係る広帯域アンテナの実施形態につき詳細に説明する。

図１は、本発明に係る広帯域アンテナの第１実施形態を示すものである。広帯域アンテナ１は、略四角形の板状に形成した誘電体基板２の一側面をアンテナ素子配設面２１として逆Ｌ形モノポールアンテナとなるアンテナ素子３を設け（図１（ａ）を参照）、他側面を地板導体配設面２２として地板導体４を設けて（図１（ｂ）を参照）、平面アンテナを構成し、この平面アンテナを導電性の接地導体部５の平坦面へほぼ垂直に立設し、地板導体４を接地導体部５と電気的に接続することで平面アンテナを接地したものである。なお、アンテナ素子３には、接地導体部５側に設けた給電部６より送信信号の入力および受信信号の出力を行う。

誘電体基板２は、厚さｈが０．８ｍｍのポリテトラフルオロエチレン（εｒ＝２．１７，ｔａｎδ＝０．０００８）で、アンテナ素子３および地板導体４を構成する銅箔の厚さｔは３５μｍとし、図１中に記載の寸法（単位：ｍｍ）は、約１７５ＭＨｚ〜６７５ＭＨｚの周波数帯（比帯域は約１１８％）で整合するようにＨＦＳＳ（高周波３次元電磁界解析ソフトウェア）を用いて誘電体基板２、アンテナ素子３、地板導体４の設計を行った結果である。なお、接地導体部５は、平面アンテナの誘電体基板２を立設し得る程度に平坦な取付面５１を有する金属板、例えば車両の屋根やボンネット等を適用できるが、本シミュレーションでは、誘電体基板２のアンテナ素子配設面２１および地板導体配設面２２に平行な向きであるＧx方向と、これに直交する向きであるＧy方向へ無限に続く無限広さの平らな鉄板（厚さは０．５ｍｍ）を想定した。

上記誘電体基板２のアンテナ素子配設面２１にエッチング等で形成されるアンテナ素子３は、逆Ｌ形モノポールアンテナとして機能するもので、給電部６より接地導体部５に垂直な方向へ立ち上がる任意幅のアンテナ垂直部３２と、このアンテナ垂直部３２の突出端に連なって接地導体部５に平行な一方向へ延出する任意形状のアンテナ水平部３３と、を有する。

また、誘電体基板２の地板導体配設面２２にエッチング等で形成される地板導体４は、接地導体部５と導通する接地幅で立ち上がる地板垂直部４１と、この地板垂直部４１の突出端に連なりアンテナ水平部３３の延出方向へ延出する任意形状の地板水平部４２と、を有する逆Ｌ形である。

そして、Ｌ形のアンテナ素子３と地板導体４とは、誘電体基板２を挟んで対峙するもので、夫々の形状を適宜に設定することで、アンテナ素子３のアンテナ垂直部３２やアンテナ水平部３３の各部に対して、地板導体４の地板垂直部４１や地板水平部４２が一部重なる、或いは重ならないよう近接させるなど、両者の状態を任意に設定することが出来る。そして、地板垂直部４１や地板水平部４２が誘電体基板２を挟んでアンテナ素子３のアンテナ垂直部３１やアンテナ水平部３２に近接もしくは重なる部位、重なる量を変化させると、電波の送受信に伴う信号の伝送路として機能するアンテナ素子３の各部における線路インピーダンスを変化させることができる。

すなわち、アンテナ素子３の形状に応じて地板導体４を適宜な形状に設定することによりインピーダンス調整手段を構成でき、このインピーダンス調整手段によってアンテナ素子３の各部におけるインピーダンス調整が適切になされることで、広帯域アンテナ１の整合周波数帯を広域化できるのである。

しかも、１７５ＭＨｚ〜６７５ＭＨｚの周波数帯で整合するような寸法で設計した広帯域アンテナ１は、接地導体部５に立設する誘電体基板２の高さを２４６ｍｍ（１７０ＭＨｚの０．１４波長）程度に抑えることができ、低姿勢で薄いフィン型アンテナに構成できる。なお、アンテナ高さが２５ｃｍ程度あると、通常の車に装着するには十分な低姿勢と言えないものの、赤色回転灯等が装備されている緊急車両に広帯域アンテナ１を設ける場合には、十分許容され得るサイズである。

次に、アンテナ素子３と地板導体４との相対的な位置関係を図２に基づいて説明する。なお、広帯域アンテナ１を使用するとき、上下左右といった向きは関係しないが、本実施形態の説明においては、便宜上、接地導体部５の基板接地面から離隔する側を「上（Top）」、その逆側を「下（Bottom）」、アンテナ素子３のアンテナ垂直部３２に対してアンテナ水平部３３が延出する側を「右（Right）」、その逆側を「左（Left）」と呼び分けることにする。

アンテナ素子３のアンテナ垂直部３１は、その右側縁部３１Ｒと左側縁部３１Ｌがほぼ平行で、線路幅が一定の直線路である。このアンテナ垂直部３１の上部より右側方へ延出するアンテナ水平部３２は、例えば、第１水平部３２１とテーパ部３２２と第２水平部３２３とからなる。

アンテナ水平部３２における第１水平部３２１の上側縁部３２１Ｔと下側縁部３２１Ｂは接地導体部５の取付面５１にほぼ平行で、線路幅が一定の直線路である。第１水平部３２１の上側縁部３２１Ｔは下側縁部３２１Ｂよりも短く、テーパ部３２２の上側縁部３２２Ｔが第２水平部３２３へ向けて上昇傾斜する位置は、テーパ部３２２の下側縁部３２２Ｂが第２水平部２２３へ向けて下降傾斜する位置よりもアンテナ垂直部３１に近い設計値である。

アンテナ水平部３２における第２水平部３２３は、テーパ部３２２の上側縁部３２２Ｔおよび下側縁部３２２Ｂに各々連なる上側縁部３２３Ｔと下側縁部３２３Ｂを接地導体部５の取付面５１にほぼ平行とした広い線路幅の直線路である。第２水平部３２３の右側縁部は、アンテナ水平部３２の右側縁部３２Ｒ（誘電体基板２の右側縁部２Ｒと一致）であり、上側縁部３２３Ｔが下側縁部３２３Ｂよりも長くなる設計値である。本実施形態では、テーパ部３２２の上側縁部３２２Ｔは、水平方向右側に８８．３７ｍｍ進んで４４．５９ｍｍ上がる傾斜であり、下側縁部３２２Ｂは、水平方向右側に１５１．３６ｍｍ進んで５３．０１ｍｍ下がる傾斜である。

一方、地板導体４は、誘電体基板２の左側縁部２Ｌと一致する左側縁部４Ｌと誘電体基板２の上側縁部２Ｔと一致する上側縁部４Ｔを備え、地板垂直部４１の上部右側に地板水平部４２を連設した逆Ｌ形状である。なお、地板垂直部の上部に横長の地板水平部を連設した逆Ｌ形状と捉えても同じであるが、便宜上、上記のように解釈して説明する。また、地板導体４の下側縁部４Ｂは、その全幅が接地導体部５と低抵抗で導通されることが望ましく、誘電体基板２の下側縁部２Ｂと接地導体部５の取付面５１とが密着構造にならない場合（例えば、誘電体基板２の下側縁部２Ｂが直線状で接地導体部５の取付面５１が曲面形状であった場合など）には、任意形状の接地補助部材等を介在させて、地板導体４と接地導体部５とを間接的に導通させるようにしても良い。

地板垂直部４１は、誘電体基板２の左側縁部２Ｌと一致して接地導体部５の取付面５１にほぼ垂直な左側縁部４１Ｌと、アンテナ素子３におけるアンテナ垂直部３１の左側縁部３１Ｌよりも右側寄りであるが右側縁部３１Ｒよりも左側寄りの位置で接地導体部５の取付面５１にほぼ垂直に立ち上がる右側縁部４１Ｒおよび仮想右側縁部４１Ｒ′（図２中、破線で示す）で囲まれる領域であり、地板導体４の右側縁部４１Ｒとアンテナ素子３における左側縁部３１Ｌとの相対位置を変えれば、アンテナ素子３の垂直部３１と地板導体４の地板垂直部４１との重なり具合（設計例では、重なり幅１．２１ｍｍ）を変化させられる。すなわち、地板垂直部４１における右側縁部４１Ｒ周辺は、アンテナ垂直部３１に対するインピーダンス調整手段として機能する。

また、地板水平部４２は、アンテナ素子３における第１水平部３２１の上側縁部３２１Ｔよりも適宜上方にある仮想右側縁部４１Ｒ′より右側（アンテナ水平部３２の延出する側）へ突出する領域であり、右側縁部４２Ｒと下側縁部４２Ｂが交わる右下角部４２Ｃが、誘電体基板２を挟んで、アンテナ素子３におけるテーパ部３２２と若干重なる。すなわち、地板水平部４２における下側縁部４２Ｂを延出させる上下位置や右側縁部４２Ｒを延出させる左右位置を任意に設定することで、右下角部４２Ｃがテーパ部３２２と重なる位置や重なる面積を調整できるので、右下角部４２Ｃは、アンテナ水平部３２に対するインピーダンス調整手段として機能する。

上述した本実施形態に係る広帯域アンテナ１における反射係数Ｓ₁₁の周波数特性として、有限要素法ソフトウェアＨＦＳＳを用いて計算した結果を図３に示す。地板導体４を設けることにより、１７５ＭＨｚ〜６７５ＭＨｚの比帯域１１８％でＳ₁₁が−１０ｄＢ以下に整合されることがわかる。一方、地板導体４を設けていないアンテナでは、広帯域特性を実現できない。すなわち、アンテナ素子３と地板導体４を適切に設計することで、有効なインピーダンス調整手段としての機能を発揮させれば、低姿勢で平面構造の逆Ｌ形モノポールアンテナを広帯域化できるのである。

また、広帯域アンテナ１における接地導体部５を有限の広さ（Ｇx方向が１．２７ｍ、Ｇy方向が０．８８ｍ）とした場合の指向特性を図４に示す。φ＝０°面の絶対利得Ｇａ［ｄＢｉ］を図４（ａ）に、φ＝９０°面の絶対利得Ｇａ［ｄＢｉ］を図４（ｂ）に、θ＝９０°面の絶対利得Ｇａ［ｄＢｉ］を図４（ｃ）に夫々示し、１８０ＭＨｚ、４３０ＭＨｚ、６５０ＭＨｚそれぞれについて、φ方向成分とθ方向成分の計算結果を示す。周波数による指向性の変化は見られるものの、垂直偏波はほぼ水平面に無指向性となり、水平偏波はｘ軸方向を向いたダイポールアンテナの指向パターンとおおむね同じである。

次に、上述した実施形態に係る広帯域アンテナ１の設計値を基準として、アンテナ素子３や地板導体４の各部寸法を変化させることによる、反射係数Ｓ₁₁の周波数特性への影響をみる。

図５に示すのは、アンテナ素子３におけるアンテナ垂直部３１の右側縁部３１ＲをＡ方向へ増減させたときの周波数特性である。アンテナ垂直部３１の右側縁部３１ＲをＡ方向へ＋０．５ｍｍして線路幅を太くした場合の周波数特性を太実線で、アンテナ垂直部３１の右側縁部３１Ｒを−０．５ｍｍして線路幅を細くした場合の周波数特性を太破線で、比較のための基準設計での周波数特性を細破線で示す。若干の特性変化は見られるものの、全体として、それほど大きな劣化や向上は見られない。

図６に示すのは、地板導体４における地板垂直部４１の右側縁部４１ＲをＢ方向へ増減させたときの周波数特性である。地板垂直部４１の右側縁部４１ＲをＢ方向へ＋０．５ｍｍしてアンテナ素子３におけるアンテナ垂直部３１との重なり幅を広くした場合の周波数特性を太実線で、地板垂直部４１の右側縁部４１ＲをＢ方向へ−０．５ｍｍしてアンテナ素子３におけるアンテナ垂直部３１との重なり幅を狭くした場合の周波数特性を太破線で、比較のための基準設計での周波数特性を細破線で示す。このように、アンテナ垂直部３１と地板垂直部４１との重なり幅を変化させると、顕著な特性変化が生じており、重なり幅が広過ぎても狭過ぎても広帯域特性を得難いことが分かる。適切な設計によるインピーダンス調整が重要なのである。

図７に示すのは、地板導体４における地板水平部４２の下側縁部４２ＢをＣ方向へ増減させたときの周波数特性である。地板水平部４２の下側縁部４２ＢをＣ方向へ＋３．０ｍｍして右下角部４２Ｃがアンテナ素子３のアンテナ水平部３２におけるテーパ部３２２と重なる面積を広くした場合の周波数特性を太実線で、地板水平部４２の下側縁部４２ＢをＣ方向へ−３．０ｍｍして右下角部４２Ｃがアンテナ素子３のアンテナ水平部３２におけるテーパ部３２２との重なる面積を狭くした場合の周波数特性を太破線で、比較のための基準設計での周波数特性を細破線で示す。このように、アンテナ水平部３２と地板水平部４２との重なり具合を変化させると、顕著な特性変化が生じており、重なる面積が広過ぎても狭過ぎても広帯域特性を得難いことが分かる。また、地板水平部４２の下側縁部４２ＢをＣ方向へ増減させることで、アンテナ素子３のアンテナ水平部３２との近接度合いも変化することから、そのインピーダンス変化の影響により特性変化が生じたとも考えられる。

図８に示すのは、アンテナ素子３のアンテナ水平部３２における第１水平部３２１の下側縁部３２１ＢをＤ方向へ増減させたときの周波数特性である。なお、第１水平部３２１の下側縁部３２１Ｂを上下移動させることに伴って、テーパ部３２２の下側縁部３２２Ｂの傾斜状態は若干変化する。第１水平部３２１の下側縁部３２２ＢをＤ方向へ＋５．０ｍｍして線路幅を太くした場合の周波数特性を太実線で、第１水平部３２１の下側縁部３２３ＢをＤ方向へ−５．０ｍｍして線路幅を細くした場合の周波数特性を太破線で、比較のための基準設計での周波数特性を細破線で示す。若干の特性変化は見られるものの、全体として、それほど大きな劣化や向上は見られない。

図９に示すのは、アンテナ素子３のアンテナ水平部３２における第１水平部３２１の上側縁部３２１ＴをＥ方向へ増減させたときの周波数特性である。なお、第１水平部３２１の上側縁部３２１Ｔは、長さを変えずに上下位置のみを変化させるので、テーパ部３２２の上側縁部３２２Ｔの傾斜状態は若干変化し、地板導体４の右下角部４２Ｃと重なる面積が変わる。第１水平部３２１の上側縁部３２１ＴをＥ方向へ＋５．０ｍｍして地板水平部４２の下側縁部４２Ｂに近接させた場合の周波数特性を太実線で、第１水平部３２１の上側縁部３２１ＴをＥ方向へ−５．０ｍｍして地板水平部４２の下側縁部４２Ｂから離隔させた場合の周波数特性を太破線で、比較のための基準設計での周波数特性を細破線で示す。テーパ部３２２の上側縁部３２２Ｔの傾斜状態が変わって、地板導体４の右下角部４２Ｃと重なる面積が変化することから、若干の特性変化は見られるものの、全体として、それほど大きな劣化や向上は見られない。

図１０に示すのは、地板導体４における上側縁部４ＴをＦ方向へ増減させたときの周波数特性である。なお、地板導体４の上側縁部４Ｔの上下位置を変化させることに伴って誘電体基板２の上側縁部２Ｔの上下位置も変化させる。地板導体４の上側縁部４ＴをＦ方向へ＋５．０ｍｍした場合の周波数特性を太実線で、地板導体４の上側縁部４ＴをＦ方向へ−５．０ｍｍした場合の周波数特性を太破線で、比較のための基準設計での周波数特性を細破線で示す。地板導体４の高さを設計基準値から多少変化させても、周波数特性への影響はほとんど無い。

図１１に示すのは、地板導体４における地板水平部４２の右側縁部４２ＲをＧ方向へ増減させたときの周波数特性である。地板水平部４２の右側縁部４２ＲをＧ方向へ＋５．０ｍｍして右下角部４２Ｃがアンテナ素子３のアンテナ水平部３２におけるテーパ部３２２と重なる面積を広くした場合の周波数特性を太実線で、地板水平部４２の右側縁部４２ＲをＧ方向へ−５．０ｍｍして右下角部４２Ｃがアンテナ素子３のアンテナ水平部３２におけるテーパ部３２２との重なる面積を狭くした場合の周波数特性を太破線で、比較のための基準設計での周波数特性を細破線で示す。地板水平部４２における右側縁部４２Ｒを右側に移動させて地板水平部４２の右側突出量を大きくし、右下角部４２Ｃがアンテナ素子３のテーパ部３２２と重なる面積を基準設計値よりも増やした場合は、大きな特性変化が見られない。一方、逆に地板水平部４２における右側縁部４２Ｒを左側に移動させて地板水平部４２の右側突出量を小さくし、右下角部４２Ｃがアンテナ素子３のテーパ部３２２と重なる面積を基準設計値よりも減らした場合は、整合特性の変化が大きい。このことから、右下角部４２Ｃがアンテナ素子３のテーパ部３２２と重なる面積を一定以上確保しないと、広帯域特性を得られないことが分かる。

図１２に示すのは、地板導体４における左側縁部４ＬをＨ方向へ増減させたときの周波数特性である。なお、地板導体４の左側縁部４Ｌの左右位置を変化させることに伴って誘電体基板２の左側縁部２Ｌの左右位置も変化させる。地板導体４の左側縁部４ＬをＨ方向へ＋５．０ｍｍした場合の周波数特性を太実線で、地板導体４の左側縁部４ＬをＨ方向へ−５．０ｍｍした場合の周波数特性を太破線で、比較のための基準設計での周波数特性を細破線で示す。地板導体４の左右幅を設計基準値から多少変化させても、周波数特性への影響はほとんど無い。

図１３に示すのは、アンテナ素子３のアンテナ水平部３２の右側縁部３２ＲをＩ方向へ増減させて、第２水平部３２３が右側に延出する長さを変化させたときの周波数特性である。なお、アンテナ水平部３２の右側縁部３２Ｒの左右位置を変化させることに伴って誘電体基板２の右側縁部２Ｒの左右位置も変化させる。第２水平部３２３の上側縁部３２３Ｔおよび下側縁部３２３ＢをＩ方向へ＋５．０ｍｍしてアンテナ水平部３２の右側縁部３２Ｒを右側へ延ばした場合の周波数特性を太実線で、第２水平部３２３の上側縁部３２３Ｔおよび下側縁部３２３ＢをＩ方向へ−５．０ｍｍしてアンテナ水平部３２の右側縁部３２Ｒを左側へ縮めた場合の周波数特性を太破線で、比較のための基準設計での周波数特性を細破線で示す。若干の特性変化は見られるものの、全体として、それほど大きな劣化や向上は見られない。

図１４に示すのは、アンテナ素子３のアンテナ水平部３２における第１水平部３２１の上側縁部３２１ＴをＪ方向へ増減させたときの周波数特性である。なお、第１水平部３２１の上側縁部３２１Ｔの長さを変化させるので、テーパ部３２２の上側縁部３２２Ｔの傾斜状態は変化し、地板導体４の右下角部４２Ｃと重なる面積が変わる。第１水平部３２１の上側縁部３２１ＴをＪ方向へ＋５．０ｍｍしてテーパ部３２２における上側縁部３２２Ｔの傾斜始点を右側へ移動させた場合の周波数特性を太実線で、第１水平部３２１の上側縁部３２１ＴをＪ方向へ−５．０ｍｍしてテーパ部３２２における上側縁部３２２Ｔの傾斜始点を左側へ移動させた場合の周波数特性を太破線で、比較のための基準設計での周波数特性を細破線で示す。第１水平部３２１における上側縁部３２１Ｔを右側に延ばしてテーパ部３２２における上側縁部３２２Ｔの傾斜始点を右側へ移動させ、右下角部４２Ｃがアンテナ素子３のテーパ部３２２と重なる面積を基準設計値よりも減らした場合、多少の特性変化はあるものの、極端な劣化は見られない。一方、逆に第１水平部３２１における上側縁部３２１Ｔを左側に縮めてテーパ部３２２における上側縁部３２２Ｔの傾斜始点を左側へ移動させ、右下角部４２Ｃがアンテナ素子３のテーパ部３２２と重なる面積を基準設計値よりも増やした場合、整合特性の変化が激しく、全体として劣化する傾向が見られる。このことから、アンテナ素子３のテーパ部３２２が地板導体４の右下角部４２Ｃと重なる面積を必要以上に確保してしまうと、広帯域特性を得られないことが分かる。

図１５に示すのは、アンテナ素子３のアンテナ水平部３２における第１水平部３２１の下側縁部３２１ＢをＫ方向へ増減させたときの周波数特性である。なお、第１水平部３２１の下側縁部３２１Ｂの長さを変化させるので、テーパ部３２２の下側縁部３２２Ｂの傾斜状態が変化する。第１水平部３２１の下側縁部３２１ＢをＫ方向へ＋５．０ｍｍしてテーパ部３２２における下側縁部３２２Ｂの傾斜始点を右側へ移動させた場合の周波数特性を太実線で、第１水平部３２１の下側縁部３２１ＢをＫ方向へ−５．０ｍｍしてテーパ部３２２における下側縁部３２２Ｂの傾斜始点を左側へ移動させた場合の周波数特性を太破線で、比較のための基準設計での周波数特性を細破線で示す。アンテナ素子３の水平部３２における下側縁部の形状を設計基準値から多少変化させても、周波数特性への影響はほとんど無い。

図１６に示すのは、アンテナ素子３のアンテナ水平部３２における第２水平部３２３の上側縁部３２３ＴをＬ方向へ増減させたときの周波数特性である。なお、第２水平部３２３の上側縁部３２３Ｔの長さを変化させるので、テーパ部３２２の上側縁部３２２Ｔの傾斜状態は変化し、地板導体４の右下角部４２Ｃと重なる面積が変わる。第２水平部３２３の上側縁部３２３ＴをＬ方向へ＋５．０ｍｍしてテーパ部３２２における上側縁部３２２Ｔの傾斜終点を左側へ移動させた場合の周波数特性を太実線で、第２水平部３２３の上側縁部３２３ＴをＬ方向へ−５．０ｍｍしてテーパ部３２２における上側縁部３２２Ｔの傾斜終点を右側へ移動させた場合の周波数特性を太破線で、比較のための基準設計での周波数特性を細破線で示す。第２水平部３２３における上側縁部３２３Ｔを右側に縮めてテーパ部３２２における上側縁部３２２Ｔの傾斜終点を右側へ移動させ、右下角部４２Ｃがアンテナ素子３のテーパ部３２２と重なる面積を基準設計値よりも減らした場合、多少の特性変化はあるものの、極端な劣化は見られない。一方、逆に第２水平部３２３における上側縁部３２３Ｔを左側に延ばしてテーパ部３２２における上側縁部３２２Ｔの傾斜終点を左側へ移動させ、右下角部４２Ｃがアンテナ素子３のテーパ部３２２と重なる面積を基準設計値よりも増やした場合、整合特性の変化が激しく、全体として劣化する傾向が見られる。このことから、図１４の周波数特性と同様に、アンテナ素子３のテーパ部３２２が地板導体４の右下角部４２Ｃと重なる面積を必要以上に確保してしまうと、広帯域特性を得られないことが分かる。

図１７に示すのは、アンテナ素子３のアンテナ水平部３２における第２水平部３２３の下側縁部３２３ＢをＭ方向へ増減させたときの周波数特性である。なお、第２水平部３２３の下側縁部３２３Ｂの長さを変化させるので、テーパ部３２２の下側縁部３２２Ｂの傾斜状態も変化する。第２水平部３２３の下側縁部３２３ＢをＭ方向へ＋５．０ｍｍしてテーパ部３２２における下側縁部３２２Ｂの傾斜終点を左側へ移動させた場合の周波数特性を太実線で、第２水平部３２３の下側縁部３２３ＢをＭ方向へ−５．０ｍｍしてテーパ部３２２における下側縁部３２２Ｂの傾斜終点を右側へ移動させた場合の周波数特性を太破線で、比較のための基準設計での周波数特性を細破線で示す。アンテナ素子３の水平部３２における下側縁部の形状を設計基準値から多少変化させても、周波数特性への影響はほとんど無い。

図１８に示すのは、アンテナ素子３のアンテナ水平部３２における第２水平部３２３の上側縁部３２３ＴをＮ方向へ増減させたときの周波数特性である。なお、第２水平部３２３の上側縁部３２３Ｔは、長さを変えずに上下位置のみを変化させるので、テーパ部３２２の上側縁部３２２Ｔの傾斜状態は若干変化し、地板導体４の右下角部４２Ｃと重なる面積が変わる。第２水平部３２３の上側縁部３２３ＴをＮ方向へ＋５．０ｍｍしてテーパ部３２２が地板導体４の右下角部４２Ｃと重なる面積を増やした場合の周波数特性を太実線で、第２水平部３２３の上側縁部３２３ＴをＮ方向へ−５．０ｍｍしてテーパ部３２２が地板導体４の右下角部４２Ｃと重なる面積を減らした場合の周波数特性を太破線で、比較のための基準設計での周波数特性を細破線で示す。第２水平部３２３における上側縁部３２３Ｔを下方へ移動させてテーパ部３２２における上側縁部３２２Ｔの傾斜を若干緩やかにし、右下角部４２Ｃがアンテナ素子３のテーパ部３２２と重なる面積を基準設計値よりも減らした場合、多少の特性変化はあるものの、極端な劣化は見られない。一方、逆に第２水平部３２３における上側縁部３２３Ｔを上方へ移動させてテーパ部３２２における上側縁部３２２Ｔの傾斜を若干急にし、右下角部４２Ｃがアンテナ素子３のテーパ部３２２と重なる面積を基準設計値よりも増やした場合、整合特性の変化が激しく、全体として劣化する傾向が見られる。このことから、図１４や図１６の周波数特性と同様に、アンテナ素子３のテーパ部３２２が地板導体４の右下角部４２Ｃと重なる面積を必要以上に確保してしまうと、広帯域特性を得られないことが分かる。

図１９に示すのは、アンテナ素子３のアンテナ水平部３２における第２水平部３２３の下側縁部３２３ＢをＯ方向へ増減させたときの周波数特性である。なお、第２水平部３２３の下側縁部３２３Ｂは、長さを変えずに上下位置のみを変化させるので、テーパ部３２２の下側縁部３２２Ｂの傾斜状態は若干変化する。第２水平部３２３の下側縁部３２３ＢをＯ方向へ＋５．０ｍｍしてテーパ部３２２における下側縁部３２２Ｂの傾斜を急にした場合の周波数特性を太実線で、第２水平部３２３の下側縁部３２３ＢをＯ方向へ−５．０ｍｍしてテーパ部３２２における下側縁部３２２Ｂの傾斜を緩やかにした場合の周波数特性を太破線で、比較のための基準設計での周波数特性を細破線で示す。アンテナ素子３の水平部３２における下側縁部の形状を設計基準値から多少変化させても、周波数特性への影響はほとんど無い。

以上は、広帯域特性を実現する適切なインピーダンス調整手段として機能させるためのアンテナ素子３と地板導体４の形状設定について検討するため、無限広さの接地導体部５を用いるものとしたが、本発明に係る広帯域アンテナ１を車両等に実装する場合、有限面積の接地導体部５でも十分な広帯域特性を発揮できなければならない。

図２０に示すのは、種々の面積の鉄板（厚さ０．５ｍｍ）を接地導体部として用い、その中心をアンテナ素子３への給電部６としたときの周波数特性である。軽乗用車を模した１．５ｍ×３．４ｍの鉄板（Ｇx方向：３．４ｍ、Ｇy方向：１．５ｍ）を接地導体部５に用いた場合の周波数特性を太実線で、面積をより小さくした１．０ｍ×１．０ｍの鉄板を接地導体部５に用いた場合の周波数特性を太破線で、面積を一層小さくした０．５ｍ×０．５ｍの鉄板を接地導体部５に用いた場合の周波数特性を太点線で、比較のための基準設計での周波数特性を細破線で示す。１．５ｍ×３．４ｍの地板導体部５を用いれば、無限広さの場合と同等程度の広帯域特性を実現でき、地板導体部５の寸法が１．０ｍ×１．０ｍになると、低周波数帯での整合特性の変化がみられるが、整合特性の傾向は維持され、広帯域特性の著しい劣化はない。なお、地板導体部５の寸法が０．５ｍ×０．５ｍにまで小さくなると、広帯域特性の維持は困難なようである。

また、本実施形態の広帯域アンテナ１において、種々の部位を変化させたときの特性変化を例示したが、周波数特性に影響のないものもあった。従って、アンテナ素子３や地板導体３において周波数特性に影響のない部分を除去することで、平面アンテナの形状を四角形から変化させ、空力特性に優れた形状とすることも可能である。

図２１に示す広帯域アンテナ１′は、空力的に優れた形状の誘電体基板２′にアンテナ素子３および地板導体４を形成したものである。具体的には、特性変化の影響が大きい領域（アンテナ素子３におけるアンテナ垂直部３１、第１水平部３２１およびテーパ部３２２、地板導体４における地板垂直部４１の右側縁部４１Ｒ、地板水平部４２の右下角部４２Ｃ）をそのままに、特性変化の影響が少ない領域から選定した第１除去領域３２ａ（基板２における右上角部を含む略三角形の領域）と第２除去領域３２ｂ（基板２における左上角部を含む略三角形の領域）を除いて誘電体基板２′とし、この誘電体基板２′の外形と一致させるように、アンテナ素子３′の第２水平部３２３および地板導体４の外縁部を形成する。

上記誘電体基板２′の外形は、上縁の左側が膨らんで右側へ傾斜してゆく流線形状を呈するものである。誘電体基板２′の右側外形は、接地導体部５の取付面５１に垂直な右側垂直縁部２Ｒ１から左側へ急峻な傾斜となる右側傾斜縁部２Ｒ２に連なる。この右側傾斜縁部２Ｒ２の上端に連なる上側傾斜縁部２Ｔ１は、左側に向かって上昇する比較的緩やかな傾斜であり、誘電体基板２の上側縁部２Ｔと同じ高さの上側平坦部２Ｔ２の右側端に連なる。比較的短い上側平坦部２Ｔ２の左側端は上側曲縁部２Ｔ３に連なり、この左側曲縁部２Ｔ３の左側端縁が左側縁部２Ｌと連なる。

なお、第１，第２除去領域３２ａ，３２ｂを選定するに当たっては、アンテナ素子３′と地板導体４′によるインピーダンス調整手段の機能を著しく阻害しないことが重要で、例えば、上側傾斜縁部２Ｔ１はテーパ部３２２の上側縁部３２２Ｔよりも上に位置させたり、地板導体４の有効面積を極端に狭くしないといったインピーダンス調整機能保持条件を満たすように除去領域を選定すれば良い。

以上、本発明に係る広帯域アンテナの実施形態に基づき説明したが、本発明は、これらの実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない限りにおいて実現可能な全ての広帯域アンテナを権利範囲として包摂するものである。

１広帯域アンテナ
２誘電体基板
２１アンテナ素子配設面
２２地板導体配設面
３アンテナ素子
３１アンテナ垂直部
３１Ｌ左側縁部
３２アンテナ水平部
３２１第１水平部
３２２テーパ部
３２３第２水平部
４地板導体
４１地板水平部
４１Ｒ右側縁部
４２地板垂直部
４２Ｃ右下角部
５接地導体部
５１取付面
６給電部

Claims

誘電体基板の一側面に導電性のアンテナ素子を、他側面に地板導体を設けて平面アンテナを構成し、
前記平面アンテナの誘電体基板を立設し得る程度に平坦な取付面を有する導電性の接地導体部に前記平面アンテナを立設し、且つ、前記平面アンテナの地板導体を前記接地導体部に接地してなる広帯域アンテナであって、
前記アンテナ素子は、前記接地導体部側より給電される給電点より立ち上がる任意幅のアンテナ垂直部と、該アンテナ垂直部の突出端に連なり接地導体部の取付面に平行な方向へ延出する任意形状のアンテナ水平部と、を有する逆Ｌ形となし、
前記地板導体は、接地導体部と導通する接地幅で立ち上がる任意形状の地板垂直部と、該地板垂直部と連なって前記アンテナ素子のアンテナ水平部の延出方向へ延出する任意形状の地板水平部と、を有する逆Ｌ形となし、
前記アンテナ素子と前記地板導体の適所が誘電体基板を挟んで近接もしくは重なる形状とすることにより、電波の送受信に伴う信号の伝送路として機能するアンテナ素子の各部における線路インピーダンスを調整するインピーダンス調整手段となし、整合周波数帯を広域化するようにしたことを特徴とする広帯域アンテナ。
前記インピーダンス調整手段は、主として、アンテナ垂直部におけるアンテナ水平部が延出していない側の縁部である反延出側縁部およびアンテナ水平部における接地導体部に臨んでいない側の縁部である反接地導体側縁部に対して、地板導体が近接もしくは重なる位置および重なる面積を調整するものであることを特徴とする請求項１に記載の広帯域アンテナ。