WO2007091578A1

WO2007091578A1 - アンテナ装置及びそれを用いた通信装置

Info

Publication number: WO2007091578A1
Application number: PCT/JP2007/052076
Authority: WO
Inventors: Akio Kuramoto; Takuji Mochizuki
Original assignee: Nec Corporation; Nec Electronics Corporation
Priority date: 2006-02-08
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2007-08-16
Also published as: JPWO2007091578A1; CN101385200A; JP4747179B2; TW200740035A; EP1986270A4; KR101101215B1; US20090303136A1; TWI413302B; EP1986270A1; AU2007213080A1; KR20080084860A

Abstract

極めてコンパクトで低姿勢、広帯域、簡単な構成で安価なアンテナ装置を提供する。本発明の板状広帯域アンテナ装置は、テーパ型の導体板１１を略コの字状に折り曲げた放射素子と、グランド板としての導体１２と、給電する同軸ケーブル１とにより構成し、同軸ケーブルの同軸中心導体２を、テーパ型のコの字状導体１１に接続し、同軸外部導体３をグランド板１２に接続することによって構成される。こうすることにより、アンテナ装置全体の長さが使用周波数の０．２波長、幅が０．１波長、高さが０．１波長の極めて小型のアンテナ装置となる。

Description

明細書アンテナ装置及びそれを用いた通信装置技術分野

本発明はアンテナ装置及びそれを用いた電子機器に関し、特に UWB (Ultra Wide Band ) 技術を利用して、 USB (Universal Serial Bus) をワイヤレスで実現する際のアンテナとして用いられるアンテナ装置及びそれを用いた通信装置に関するものである。背景技術

UWB技術を用いたワイヤレス TV (テレビジョン）用のアンテナや、ノートパソコン（ノート型パーソナルコンピュータ）、 PDA (パーソナル携帯型情報機器）、その他の携帯端末など比較的小型の情報通信機器に、無線 LANなどのアンテナが必要となってきている。このような UWB技術を用いた通信の周波数では、例えば、 3. l GHz〜4. 9 GH zが想定されており、非常に広帯域のアンテナが必要になる。

最近では、 US Bのインターフェースの電子機器は、 US Bメモリーステイツクに代表されるようにコンパクトである必要があり、通常の外形の大きさは、長さ 6 OmmX幅 15mmX厚さ 12mm程度が一般的である。したがって、 UW

B技術を実装したスティック形状の US B機器の大きさも同等程度が要求され、内部に実装されるプリント基板サイズは、せいぜい長さ 5 OmmX幅 1 Ommであり、そのうちアンテナ部分に与えられる面積は、長さ 2 OmmX幅 1 Omm程度となる。これより、長さ 2 OmmX幅 1 Omm程度で、かつ、高さ 1 1 mmの低姿勢で構成できるァンテナは非常に優位性を持つことになる。

上記のサイズを、最低使用周波数 3. 1 GHzの波長で換算すると、長さ約 0. 2波長 X幅 0. 1波長 X高さ約 0. 12波長となり、このようなアンテナは、広帯域で非常にコンパクトなアンテナであり、特に、高さ 1 lmmという値を達成することは、非常に困難である。従来の広帯域アンテナの例として、図 1 6に示す様なディスクコーンアンテナがある。図において、 1 0 1は円板、 1 0 2は円錐、 1 0 3は同軸ケーブル、 1 0 4は同軸中心導体、 1 0 5は同軸外部導体である。また、文献 1を参照すると、小型の UWB用アンテナが開示されている。すなわち、上下誘電体の間に導体パターンを挾んで設け、この導体パターンは、前面の中央部分に給電点を有し、この給電点から右側面及び左側面へそれぞれある角度で広がるテーパ部分を持つ逆三角形部分と、この逆三角形部分の上辺に接する矩形部分とから構成されている。文献 1 特開 2 0 0 5 - 0 9 4 4 3 7号公報図 1 6に示すような、ディスコーンアンテナは、広帯域な特性が得られるが、以下のような欠点がある。すなわち、寸法が大きく、立体的であり、構造が複雑で高価となる点である。特に、最近良く見られる U S Bスティック形状に収納することが不可能であることは致命的である。

文献 1に記載の UWB用アンテナは、小型で広帯域な特性を有するが、上下誘電体と導体パターンとが必要であり、さらには、導体パターンが平面形状のために、 U S Bスティック形状に収納するには、その長さが制限されてしまい、上限周波数が伸びないという問題がある。また、アンテナ高さも 2 2 mmを超えてしまい、 U S Bスティック形状に収納することはできないことになる。

本発明の目的は、極めてコンパクトで低姿勢、広帯域、簡単な構成で安価なァンテナ装置及びそれを用いた通信機器を提供することである。

本発明の他の目的は、 U S Bスティック形状に収納することが可能な UW B用のアンテナ装置及びそれを用いた通信装置を提供することである。発明の開示

本発明によるアンテナ装置は、幅が先細りとなる導体板を略コの字状または略

U字状に屈曲して得られた放射素子と、この放射素子の先細りの先端における給電点と、この給電点を含む導体板に略平行な方形のグランド板とを含むことを特徵とする。

本発明による他のアンテナ装置は、プリント基板と、前記プリント基板の裏面全面に設けられたグランド部と、前記プリント基板の表面に設けられ一定幅の部分及びこの一定幅の部分の先端に接続されて接続部からみて幅が徐々に大となるテ一パ部分からなるマイクロストリップと、幅が先細りとなる導体板を略コの字状または略 U字状に屈曲して得られた放射素子とを含み、前記テーパ部分の幅が最大の部分に前記放射素子の先細りの先端が接続されていることを特徴とする。本発明による通信装置は、上記のアンテナ装置を内蔵した U S B (Universal Ser i al Bus) に接続可能な無線機器であることを特徴とする。本発明によれば、極めてコンパクトで低姿勢、広帯域、簡単な構成で安価なァンテナ装置を得ることができるという効果がある。また、本発明によれば、 U S Bスティック形状に収納することが可能な UWB用のアンテナ装置を得ることができるという効果もある。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1の実施例の構成を示す斜視図である。

図 2は、本発明の第 1の実施例の側面図である。

図 3は、本発明の第 2の実施例の構成を示す側面図である。

図 4は、本発明の第 3の実施例の構成を示す側面図である。

図 5は、本発明の第 4の実施例の構成を示す側面図である。

図 6は、本発明の第 5の実施例の構成を示す側面図である。

図 7は、本発明の第 6の実施例の構成を示す斜視図である。

図 8は、（A) は本発明の第 7の実施例の構成を示す斜視図、（B ) はその側面図である。

図 9は、導体の形状の変形例を示す図である。

図 1 0は、導体の形状の他の変形例を示す図である。 '

図 1 1は、導体の形状の更に他の変形例を示す図である。

図 1 2は、導体の形状の別の変形例を示す図である。

図 1 3は、導体の形状め更に別の変形例を示す図である。

図 1 4は、本発明の板状広帯域アンテナの試作の構成を示す斜視図である。図 1 5は、本発明の板状広帯域アンテナのリターンロス特性を示す図である。図 1 6は、従来技術のアンテナの例を示す図である。

図において、 1 ：同軸ケーブル、 2 ：同軸中心導体、 3 ：同軸外部導体、 1 1 , 1 2， 2 1, 2 2， 3 1 , 4 1 , 5 1 , 54， 5 6， 6 1〜 7 4 ：導体、 5 2 : プリント基板、 5 3 ：グランド、 54：マイクロストリップライン、 7 5， 7 6 : カツ卜発明を実施するための最良の形態

以下に、図面を参照しつつ本発明の実施例について説明する。図 1は本発明の板状広帯域ァンテナの第 1の実施例の構成の斜視図であり、図 2はその側面図である。本実施例の板状広帯域アンテナは、幅が先細りとなる様なテ一パ型の導体板を略コの字状に折り曲げた（すなわち、略 1 8 0度屈曲させた）放射素子としての導体 1 1と、グランド板となる方形の導体からなる導体 1 2と、給電用の同軸ケーブル 1より構成される。

図 1に示す様に、放射素子である導体 1 1は、台形状の導体部 1 1 aと、矩形状の導体部 1 l bと、三角形状の導体部 1 1 cにより構成されており、台形状導体部 1 1 aと三角形状導体部 1 1 cとが、垂直に設けられた矩形状導体部 1 1 b により、互いに略平行になる様に連結されている。 '

このアンテナへの給電は、同軸ケーブル 1の同軸中心導体 2を導体 1 1の三角形状導体部 1 1 cの端部、すなわち頂点に接続し、同軸外部導体 3の先端部を導体 1 2の端部に接続することによって行われる。

換言すれば、放射素子となる導体 1 1の幅が先細りとなる先端部が給電点となり、この給電点を含む三角形状導体部 1 1 cに平行に、グランド板となる方形導体 1 2が設けられている。

導体 1 1を、同軸中心導体 2が接続されている給電点から観て、その幅が徐々に広がる様なテーパ状にすることにより、 2つの効果が得られる。第 1の効果は広帯域化が可能であること、第 2の効果はインピーダンス整合が良好になることである。

初めに、広帯域化が可能であることについて説明する。一般に、この種のアンテナの放射素子上に分布する電流は、波長によって決定される。もし、導体 1 1 が線状であれば、その長さに応じた波長しか分布できないので、広い帯域で使用することはできない。しかし、テーパ状の導体であれば、いろいろな波長に対応できる。何故なら、同軸中心導体 2が接続されている給電部分から、導体 1 1の折り返した先端部分までの長さは、多様な値となるからである。

例えば、両端に沿って考えれば、長さは長くなるので、長い波長、すなわち、低い周波数に対応可能である。中央部で考えれば、長さは最短となり、この長さに応じた高い周波数に対応が可能になる。両端に沿った線と、中央に沿った線の間は、両者の中間の長さになるので、その間の帯域をカバ一できることになる。これが広帯域化が可能な理由である。

次に、インピーダンス整合が良好になる点について説明する。このことは、導体 1 1をコの字状としたことにも関連している。まず、導体 1 1をコの字状にしたのは、低姿勢化（高さが低い構造とすること）を達成するためである。そもそも、本アンテナの発明の主旨は、 3 . l GH z〜4 . 9 G H zの帯域で、 U S B メモリ一スティックに代表されるようなコンパクトな筐体に実装可能なアンテナの実現であり、そのためには、この低姿勢な構造は必須である。特に、高さについては、 1 1 mm程度が、持ち運びやデザイン的な観点で許容限界である。この値を達成するために、コの字状に折り曲げることにしているのである。

しかし、単純に、コの字状にしただけでは、良好なインピーダンス整合は得られない。そこで、同軸中心導体 2が接続されている給電部分から観て、徐々に導体 1 1の幅を広げていくこと、すなわち徐々に広がるようなテ一パ状にすることで、インピーダンス変換を徐々に行っていく作用があり、良好なインピーダンス整合が可能になる。

また、導体 1 2は、このとき、グランドプレーンの役割をしている。本アンテナは、基本的には、モノポ一ルアンテナの応用と考えることができる。すなわち、導体 1 1を広帯域かつ低姿勢の放射素子と考えれば、導体 1 2は、グランドプレーンである。本来、導体 1 2は、無限の大きさ、または、使用波長に比べて十分大きな寸法であることが望ましい。

しかし、本アンテナの主旨は、 3 . l G H z〜4 . 9 G H zの帯域で、 U S B メモリ一スティックに代表されるようなコンパク卜な筐体に実装可能なアンテナの実現であり、そのためには、グランドとして使用できる面積も、 1 0 mm X 2 O mm程度である。導体 1 2は、グランドプレーンであるため、その大きさが使用波長に対して十分大きくないときば、許容範囲で大きな面積にすることが、特性を良好にすることになるため、 1 O mm X 2 O mmの大きさとしている。

但し、これだけでは、十分なインピ一ダンス整合が得られないため、導体 1 1 との距離を適当に保ち、導体 1 1のテーパ形状を調整し、導体 1 1と導体 1 2の静電容量を調整することで、インピーダンス整合を良好に調整している。

図 2の側面図を参照すると、同軸ケーブル 1の同軸中心導体 2を導体 1 1の端部にハンダ付け 4 aで接続し、また、同軸外部導体 3の先端部を導体 1 2の端部にハンダ付け 4 bで接続するようになっている。

図 3は本発明の第 2の実施例の構成を示す側面図である。先の第 1の実施例である図 1及び図 2との違いは、導体 2 1の左端がコの字状ではなく、ラウンド状、すなわち、略 U字状に折り曲げられいていることである。本例でも、第 1の実施例と同等の作用効果がある。

図 4は、本発明の第 3の実施例の構成図を示す側面図である。先の第 1の実施例である図 1及び図 2との違いは、導体 2 2が、コの字状ではなく、右上方向に斜めに伸びている形状であることである。すなわち、コの字状の先端部開放部に向けて次第に広角度となっている。この構造では、やや低姿勢に欠けるものである。

図 5は、本発明の第 4の実施例の構成図を示す側面図である。図 4の第 3の実施例との違いは、導体 3 1の下側部分が、左上方向に斜めに伸びている形状であることであり、この例でも、.コの字状の先端部開放部に向けて次第に広角度となつていることである。この構造も低姿勢に欠けることになる。

図 6は、本発明の第 5の実施例の構成図を示す側面図である。先の第 1の実施例である図 1及び図 2との違いは、導体 1 2の左の先端部（先端縁部）に垂直に壁状の導体 4 1が付加されていることである。また、図 7は、本発明の第 6の実施例の構成図を示す斜視図である。図 6の第 5の実施例との違いは、導体 1 2の両側部（縁部）に垂直に壁状の導体 5 1が付加されていることである。図 6及び図 7において、導体 4 1や、更には導体 5 1を設けることは、次の 2 つの効果がある。 1番目は、インピーダンス整合が良好になること、 2番目は、放射方向を絞れることである。インピーダンス整合については、図 1の説明でも記したとおり、本アンテナのインピーダンス整合は、導体 1 1をテ一パ状にし、かつ、導体 1 2との間隔による静電容量を調整して、インピーダンス整合が行われる。この場合、微妙な静電容量の調整は、難しく、導体 4 1や導体 5 1のような導体を設けることにより、導体 1 1との静電容量を微調整できるので、よりィンピーダンス整合が容易になる。

また、導体 1 2は、グランドプレーンとしての機能があるため、電波の放射は主に、導体 1 1の上方に行われる。このとき、導体 1 2が小さいため、導体 1 2 の裏側の方まで、放射電波は回りこむ。しかし、導体 4 1や導体 5 1を設けることで、小さな反射板のような効果が生じ、放射電波は、導体 4 1や導体 5 1がないときよりも、導体 1 1の上方に強く放射され、導体 1 2の裏側（下側）に回りこむ電波は少なく、放射電波をより上方に集められるメリットがある。

図 8は、本発明の第 7の実施例の構成図を示す斜視図である。先の第 1〜第 6 の実施例との違いは、プリント基板 5 2を用いた構成としたことである。プリント基板 5 2の底面には、導体よりなるグランド 5 3が配置され、右上面には、導体よりなるマイクロストリップライン 5 4が配置されている。マイクロストリップライン 5 4は、グランド 5 3とで、いわゆるマイクロストリップ線路を形成しており、図 1の同軸ケーブル 1の代わりとして機能している。マイクロストリツプライン 5 4の左先端には、テ一パ状の導体 5 6が形成され、その左端には、コの字状で、かつテーパ状の導体 5 5がハンダ付けされている。

図 9〜図 1 3は、第 1〜第 6の実施例の導体 1 1の代替形状の例を示すものである。図 9 (Α) は、三角形の形状で、中央の 2本の点線で、コの字状に折り曲げるものである。図 9 ( Β ) は、（Α) の下先端をカットした台形の形状で、中央の 2本の点線で、コの字状に折り曲げるものである。図 9 ( C ) は、（Β ) の中央の 2本の点線部分を縦の直線としたものである。

図 1 0 (Α) は、図 9 (Α) の三角形の形状を曲線として、先端に行くほど急速にやせるようなテ一パ状にしたものである。図 1 0 ( Β ) は、（Α) の下先端部をカットした形状である。図 10 (C) は、（B) の中央の 2本の点線部分を縦の直線としたものである。

図 1 1 (A) は、図 9 (A) とはと逆に、三角形の形状を曲線として太るようなテ一パ状にしたものである。図 1 1 (B) は、（A) の下先端部をカットした形状である。図 1 1 (C) は、（B) の中央の 2本の点線部分を縦の直線としたものである。

図 12 (A) は、楕円状の導体としたものである。図 12 (B) は、大きな楕円と小さな楕円を接続し、接続部分に直線部を設けた形状である。図 12 (C) は、（B) の上先端をカットした形状である。図 13 (A) は、図 9 (B) の上部分を略方形にカツトした（切れ込んだ）形状である。図 1 3 (B) は、図 12 (c) の上部分を V字状にカットした（切れ込んだ）形状である。

上記、図 9〜図 1 3の形状は、それらの組み合わせも実施されうる。また、これらは、図 8の第 7の実施例の導体 55及び導体 57を組み合わせた形状の代わりとしても適用されうる。また、上記の説明において、点線の折り曲げ部分は、図 3にみられるようなラウンドとする応用もありえる。

上記において、図 12の形状、及び類似する形状については、テ一パ状というよりも、楕円に近い形状である。しかし、本アンテナの広帯域化の原理、及びィンピーダンス整合の原理から考えると、テ一パ状の素子を使用したときと、同様の効果が得られることは、容易に予想できる。

例えば、広帯域化の原理で考えれば、図 12の（A) や（B) の形状を使用しても、図 1の広帯域の説明で述べたように、同軸中心導体 2が接続されている給電部分から、導体 70または導体 7 1の折り返した先端部分までの長さは、多様な値となるからである。

さらに、インピーダンス整合の原理では、同軸中心導体 2が接続されている給電部分から観て、徐々に、導体 70または導体 71の幅が広がっていくことで、インピーダンス変換を徐々に行っていく作用があることはことは代わりが無いためである。

また、図 1 3の（A) および（B) においては、上部に切れ込みが入った形状になっている。この点についても、広帯域化の原理で考えれば、導体 73や導体 74の形状を使用しても、図 1の広帯域の説明に記しているように、同軸中心導体 2が接続されている給電部分から、導体 73または導体 74の折り返した先端部分までの長さは、多様な値となるから、同様の考え方が適用できる。

図 14は、実際に試作した本発明の板状広帯域アンテナの形状及び寸法である。図 1の導体 1 1に相当する導体 80の形状は、図 1 1 (B) の形状に相当し、これをラウンド状に折り曲げたものである。

図 15は、図 14の板状広帯域アンテナのリターンロス特性を示している。 3. l GHz〜4. 9 GHzにおいて、リタ一ンロス 6 d Bが得られており、この値は、 VSWR3. 0以下となる。

上述した様に、本発明の板状広帯域アンテナは、幅 1 OmmX長さ 2 OmmX 高さ 1 1 mmのサイズで、 3. l GHz〜4. 9 GH zの帯域をカバ一することができるコンパクトアンテナとなっている。この寸法は、最低使用周波数の 3. 1 GHzの波長で換算すると、アンテナ装置全体の長さ、幅及び高さが、それぞれ略 0. 2波長、略 0. 1波長及び略 0. 1波長のサイズとなる。本発明の特徴をまとめると、非常にコンパクトで低姿勢、広帯域、簡単で安価に構成できるということになる。

Claims

請求の範囲

1 . 幅が次第に先細りとなる導体板を略 1 8 0度屈曲させた放射素子と、この放射素子の先細りの先端における給電点と、この給電点を含む導体板に略平行な方形のグランド板とを含むことを特徴とするアンテナ装置。

2 . 前記放射素子が、前記導体板を略コの字状または略 U字状に屈曲させてなることを特徴とする請求項 1に記載のアンテナ装置。

3 . 前記略コの字状または略 U字状の先端部開放部に向けて次第に広角度とされていることを特徴とする請求項 1又は請求項 2に記載のアンテナ装置。

4 . 前記給電点に同軸ケーブルの内部導体が、前記グランド板に前記同軸ケーブルの外部導体が、それぞれ接続されていることを特徴とする請求項 1から請求項 3の何れか 1項に記載のアンテナ装置。

5 . 前記グランド板の縁部に垂直に設けられた導体を、更に含むことを特徴とする請求項 1から請求項 4の何れか 1項に記載のアンテナ装置。

6 . プリント基板と、前記プリント基板の裏面全面に設けられたグランド部と、前記プリント基板の表面に設けられ一定幅の部分及びこの一定幅の部分の先端に接続されて接続部からみて幅が徐々に大となるテ一パ部分からなるマイクロストリップと、幅が先細りとなる導体板を略コの字状または略 U字状に屈曲して得られた放射素子とを含み、前記テーパ部分の幅が最大の部分に前記放射素子の先細りの先端が接続されていることを特徴とするアンテナ装置。

7 . 前記放射素子の先細りの形状は、直線状のテーパであることを特徴とする請求項 1から請求項 6の何れか 1項に記載のアンテナ装置。

8. 前記放射素子の先細りの形状は、曲線状のテーパであることを特徴とする請求項 1から請求項 6の何れか 1項に記載のアンテナ装置。

9. 前記放射素子の幅の最大部分に切り込み部が設けられていることを特徴とする請求項 1から請求項 8の何れか 1項に記載のアンテナ装置。

10. 幅が先細りとなる前記放射素子に代えて、楕円状の放射素子としたことを特徴とする請求項 1から請求項 9の何れか 1項に記載のアンテナ装置。

1 1. アンテナ装置全体の長さ、幅及び高さが、使用する周波数の最低周波数の波長に対して、それぞれ略 0. 2波長、略 0. 1波長及び略 0. 1波長であることを特徴とする請求項 1から請求項 10の何れか 1項に記載のアンテナ装置。

12. 請求項 1から請求項 1 1の何れか 1項に記載のアンテナ装置を有することを特徴とする通信装置。

13. USB (Universal Serial Bus) に接続可能な無線機器であることを特徵とする請求項 12に記載の通信装置。