WO2010044262A1 - 広帯域アンテナ - Google Patents

Abstract

　極めて広い周波数帯域に対応可能なアンテナを提供する。アンテナ素子と給電脚部とが各々一対ずつ設けられ、微小間隙Ｇをもって一直線Ｌに関して線対称に配置される。

Description

広帯域アンテナ

　本発明は、広帯域アンテナに関する。

　例えば、自動車用のアンテナにあっては、ＡＭ／ＦＭラジオ、ＶＩＣＳ（Vehicle Information and Communication System）、ＧＰＳ、テレビ（ＶＨＦ／ＵＨＦ帯）、ＥＴＣ（Electronic Toll Collection system）等の対象周波数の異なる複数のアンテナを、車内又は車外に設置する必要があった。

　これらの各アンテナは、極力コンパクトに配置されることが望ましい。しかしアンテナ同士を近接させると、電磁結合によってアンテナは互いに干渉する。この干渉の影響によって、これらアンテナは正常に機能しないおそれがある。そこで、アンテナ間の干渉を避ける目的で、各アンテナは適切な間隔やレイアウトを考慮する必要があった。

　アンテナと、関連する機器との間はケーブルによって接続される。そのため異なるアンテナを使用する複数の無線機器が共存する場合、ケーブルの取り回しが煩雑になる問題がある。

　一方、携帯電話や無線ＬＡＮ等の無線通信においても、さまざまな周波数帯が利用される。特に、近年提唱されるＵＷＢ（Ultra Wide Band）通信は、3.1～10.6GHzにわたる、非常に幅広い周波数帯域を使用する。そのため、このような幅広い周波数帯域をカバーできる広帯域アンテナが求められる。

　特許文献１のＵＷＢアンテナでは、２枚の菱形や正方形や長方形等の角のある面状アンテナ素子の角部を相互に接近させて、対称に配置する。角部を給電点となるようにケーブルを接続する。このケーブルの他端は、受信機などの電子回路へ接続される。

特開２００５－２７７５０１号公報

　しかしながら、特許文献１のＵＷＢアンテナでは、一般にアンテナとして求められる－10dB以下の反射減衰量（電圧定在波比2.0以下に相当する）を実現する周波数帯域が、地上波デジタルテレビの470MHzまでをカバーするほどには、広くないことが実験の結果判明した。

　図６（Ａ）は、一辺が25mmである正方形（25mm角という）のアンテナ素子30を有するアンテナ40Aの正面図である。図６（Ｂ）は、一辺が50mmである正方形（50mm角という）のアンテナ素子30を有するアンテナ40Bの正面図である。

　図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、アンテナ素子30, 30を構成する２枚の正方形の薄い金属板は、直線31に関して対称に配置される。アンテナ素子30, 30の角部32, 32は互いに近接して配置される。帯状脚部33, 33は、直線31に沿って微小間隙Ｋを形成するように、角部32, 32から平行に延びる。脚部33の外端33aに、リード線35が接続される。換言すれば外端33aは給電点Ｑとして機能する。ケーブル36はアンテナ40Aを、関連する電子回路（受信機など）と接続する。

　図７は、この図６（Ａ）および図６（Ｂ）にそれぞれ示されるアンテナ40A，40Bの反射減衰量の実測結果を示すグラフである。横軸は、周波数（GHz）を示し、縦軸は反射減衰量（dB）を示す。図７からわかるように、－10dB以下の反射減衰量が得られる各々の周波数帯域ＷＡ，ＷＢは狭く、実用性に欠けることが判明した。

　本発明は、従来の周波数帯域よりも、十分に広い周波数帯域において、アンテナとして十分に実用的な反射減衰量が得られる広帯域アンテナを、簡素な形状と構造で提供することを目的とする。

　また、本発明によるアンテナは、従来のように複数の無線通信システムごとに必要だった多くのアンテナを統合することを他の目的とする。さらに、本発明は、この統合によって煩雑なケーブルの配線を簡略化することを目的とする。

　本発明の広帯域アンテナは、平坦で導電性を有する１対のアンテナ素子と、平坦で導電性を有する１対の帯状給電脚部とを備え、前記アンテナ素子は、対称軸について線対称に配置され、前記帯状給電脚部は、互いの間に微小間隙を有して、前記対称軸について線対称に配置され、前記帯状給電脚部は、前記アンテナ素子が互いに最も近づく隣接部において前記アンテナ素子に接続され、前記帯状給電脚部のそれぞれの幅は、前記接続部から遠くなるにつれて大きくなる。

　ある実施形態によれば、前記アンテナ素子の前記接続部から最も離れた外縁部は、円弧の一部を構成し、前記隣接部は、仮想的な円弧の一部を含み、前記隣接部における前記仮想的な円弧に接する接線方向に沿って、前記脚部が前記アンテナ素子に接合されることによって、接合部が形成される。

　ある実施形態によれば、前記アンテナ素子は、中央に窓部を有する閉じた円環をなす。

　ある実施形態によれば、前記アンテナ素子は、実質的に楕円形であり、前記楕円の長軸が前記対称軸と交わる角度は、40°～100°である。

　ある実施形態によれば、前記楕円の長軸が前記対称軸と交わる角度は、約９０°である。

　ある実施形態によれば、前記アンテナ素子および前記脚部は、可視光線の透過率が70％～95％であることによって、肉眼で透視可能である。

　ある実施形態によれば、前記アンテナ素子および前記脚部は、自動車のガラス面上に設けられる。

　極めて広い周波数帯域で優れた反射減衰量特性を示すアンテナを提供することによって、ＵＷＢ通信から、さらに低い地上波デジタルテレビまでを１種類のアンテナでカバーすることができる。

図１は本発明の第１実施形態を示す正面図である。 図２は本発明の第２実施形態を示す正面図である。 図３は本発明の図１に対応した実施例についての実測結果を示すグラフである。 図４は本発明の第３実施形態を示す正面図である。 図５は本発明の第４実施形態を示す正面図である。 図６において、（Ａ）は２５ｍｍ角のエレメントを有する従来例のアンテナを示す正面図であり、（Ｂ）は５０ｍｍ角のエレメントを有する従来例のアンテナを示す正面図である。 図７は従来例の実測結果を示すグラフである。

　以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

　図１は、本発明による第１実施形態の正面図である。図２は、本発明による第２実施形態の正面図である。

　一対の平坦で導電性を有するアンテナ素子１，１は、線対称の軸である直線Ｌに関して対称に配置される。一対の平坦で導電性を有する帯状給電脚部２，２は、アンテナ素子１，１の隣接部５，５から突出する。アンテナ素子１，１と、脚部２，２とは、一体形成される。

　一対の脚部２，２は、前記直線Ｌに関して線対称に配置され、相互に隣接し、その間に微小間隙Ｇを有する。

　給電脚部２，２は、アンテナ素子１，１が互いに最も近づく隣接部においてアンテナ素子１，１に接続される。

　脚部２，２のそれぞれは、外端方向Ｃに沿って、すなわち接続部Ｓから遠くなる向きに沿って、しだいに幅寸法Ｗが増加する。外に広がる形状を有する脚部２とアンテナ素子１とは、望ましくは、一枚の金属薄板をもって構成する。具体的には、アンテナ素子１及び脚部２は、厚さ寸法Ｔ（図示せず）が100μｍ以下のＣｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ等の金属薄板（金属箔）や金属酸化物膜（ＩＴＯやＳｎＯ系等）から成り、ガラスや電子基板等に張ることによって、実現できる。

　例えば、自動車のフロントガラスや背面ガラスや窓ガラス等のガラス面に貼って使用できる。アンテナ素子１，１および脚部２，２は、特に、可視光線の透過率を70％～95％に設定すれば、人の肉眼をもって透視可能である。したがってアンテナ素子１，１および脚部２，２は、メッシュ型又は極めて薄い（例えば0.05μｍの）金属薄膜や金属酸化物膜によって実現され得る。

　なおアンテナ素子１，１および脚部２，２をガラス上に張るためには、ガラス上に接着剤や粘着剤等を塗布すればよい。あるいはアンテナ素子１，１および脚部２，２は、ガラス上に焼付けて積層されてもよい。他の実施形態ではアンテナ素子１，１および脚部２，２は、ガラス層の間に挟まれて、固定される。これら全ての場合は本発明の範囲に包含される。

　一対の脚部２，２の微小間隙Ｇは、外端２Ａ側から、アンテナ素子１の近接部５側へゆくに従って、しだいに増加するテーパ状に形成される。言い換えると、微小間隙Ｇは、近接部位５側から外端方向Ｃへしだいに減少する。

　アンテナ素子１の形状は、実質的に楕円形であるが、図１では、中央領域に、相似な形を有する実質的に楕円形である窓部３が形成され、閉じた円環をなす。図２では、この窓部３が存在しない。

　ケーブル６は、アンテナを電子回路（アンプやフィルタなど）に結合する。ケーブル６は、導線（つまりリード線）７によって、給電点Ｅにおいて脚部２の外端２Ａに接続される。給電点Ｅは、微小間隙Ｇに近い位置、すなわち脚部２，２の角部に設けるのが望ましい。

　脚部２の外側端部８は、大きな曲率半径の凹状円弧形に形成される。

　図１，図２に示すように、アンテナ素子１の近接部位５から最も離れた最外端部10は、滑らかな円弧状であり、しかも、上記隣接部５も滑らかな円弧状である。図１，図２ではアンテナ素子１の外形が実質的に楕円形であるので、最外端部10および隣接部５も円弧状に形成されているといえる。

　隣接部５の円弧状の仮想円弧（仮想曲線）、すなわち、ほぼ楕円形の小曲率半径部（図中の曲線部）に接する接線方向から、脚部２の内端部９が接合して、接合部Ｓ（点線で示される）が形成される。

　図１，図２では、アンテナ素子１は実質的に楕円形であり、その長軸Ｌ1が対称軸Ｌと交わる角度θは、90°である。よって脚部２は、長軸Ｌ1と直交する方向から、アンテナ素子１の隣接部５に接合し、滑らかな接合部Ｓを形成する。接合部Ｓの弧の長さは、脚部２の幅Ｗの最小値よりも、十分に大きい。

　図１において、アンテナ素子１の楕円全体としての面積（すなわち図２のアンテナ素子１の面積）をＳ0とし、窓部３の面積をＳ3とすると、次の数式１を満たすように、面積の割合（100分率表示）に設定する。つまり、下限値においては、図２も含む。
　０％≦Ｓ3／Ｓ0≦35％　－－（１）

　図４，図５は、それぞれ第３，第４実施形態を示す。アンテナ素子１は、その外形が実質的に楕円形であり、上述の実施形態と同様である。図４，図５の実施形態は、長軸Ｌ1が一直線Ｌと交わる角度θが45°であることが図１，図２に示した第１，第２実施形態と異なる。本発明によれば、脚部２の外端２Ａ側からアンテナ素子１の方向へ延伸する直線Ｌと、長軸Ｌ1 との成す角度をθと表せば、40°≦θ≦100°に設定するのが好ましく、θが下限値未満であるか、または上限値を超えると、いずれの場合も低周波数領域の特性が急激に低下する。

　図４，図５に示す脚部２の直線Ｌに沿った長さは、図１，図２に比較して小さい。アンテナ素子１の重心点（中心点）から、脚部２の外端２Ａまでの長さが、図１，図２と同一であると仮定する。アンテナ素子１において、例えば、図４，図５に示すようにθ＝45°であり、すなわち斜め方向から長軸Ｌ1が対称軸Ｌと交わると、接合部Ｓは、脚部２のより下方に位置する。このため、脚部２の長さが減少する。外側端部８は、直線辺で形成される。このように、各脚部２は、外端方向Ｃに向かうにつれ、急に幅Ｗが増加する実質的に低三角形である。

　図４，図５に示す実施形態の上述以外の構成は、図１，図２と同一符号については同様の構成である。図４，図５で、隣接部５，最外端部10は、長軸Ｌ1から離れた位置にあるが、円弧状、すなわち角がない形状であり、これは図１，図２と同様である。

　図３に示すグラフは、図１に示す実施形態の実測された周波数特性を示す。横軸は周波数（ＧHz），縦軸は反射減衰量（dB）である。具体的には、この実施形態では材質はＣｕ，厚さ寸法は35μｍ，アンテナ素子１の長軸Ｌ1に沿っての長さ寸法は100mm，短軸寸法は70mm，窓部３の楕円の長軸寸法は70mm、短軸寸法は40mm、Ｓ3／Ｓ0＝33％、長軸Ｌ1から脚部２の外端２Ａの距離は50mm，外端２Ａの辺の長さは35mm，外側端部８の曲率半径は50mm，微小間隙Ｇの外端２Ａ近傍における値は0.5mmである。

　図３からわかるように、既述の－10dBの線Ｎ_-10以下の減衰量（dB）を示す周波数帯域Ｗｃは十分に広い。すなわち周波数ｆ_Lから高い周波数ｆ_Hにわたる広帯域において、－10dBの線Ｎ_-10以下の反射減衰量が得られた。具体的には、ｆ_L＝0.4ＧHz,ｆ_H＝7.9ＧHzである。両者の中央の周波数（すなわち平均周波数）をｆ₀とすると、本発明にあっては、以下の数式２を満たす場合を、「広帯域」アンテナと定義する。
　（ｆ_H－ｆ_L）／ｆ₀≧1.0　－－（２）

　図３に示す実施形態は、（ｆ_H－ｆ_L）＝7.9－0.4＝7.5,ｆ₀＝（7.9＋0.4）÷２＝4.15である。よって（ｆ_H－ｆ_L）／ｆ₀＝7.5÷4.15＝1.81となり、十分に広い周波数帯域で－10dB以下の好適な反射減衰特性を示す。

　なお、図１または図２において、脚部２の形状と寸法、および微小間隙Ｇを最適化することによって、図３中に２点鎖線Ｍにて示すように、ＵＷＢ通信用の10.6ＧHzをもカバーすることが可能であり、これは本発明者によって既に確認されている。

　図３において、横軸のｆ１～ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５，ｆ６，ｆ７～ｆ８の各符号は、現在、日本で使用される主な周波数を示し、以下の表１の通りである。

　表１と図３からわかるように、本発明は、地上波デジタルテレビ，ＧＰＳ，無線ＬＡＮ，ＥＴＣ等をカバーする、単一の統合された広帯域アンテナを実現する。例えば、自動車のフロントガラス等に本発明の広帯域アンテナを貼って用いれば、極めて有用である。従来例を示す図７のグラフと比較すれば、本発明の実施形態を示す図３のグラフが、いかに幅広い周波数帯域をカバーするかが判る。本発明によれば、図３に２点鎖線Ｍで示される、ＵＷＢ通信にも適用可能な広帯域特性を有するアンテナが提供される。

　本発明は以上述べたように、一対の薄片面状アンテナ素子１，１を一直線Ｌに関して線対称に配設する。さらに、上記一直線Ｌに関して線対称として微小間隙Ｇをもって相互に近接して一対の面状給電用脚部２，２を、上記アンテナ素子１，１の相互近接部位５，５から、突出状に形成する。さらに、上記各脚部２，２は、外端方向Ｃにしだいに幅寸法Ｗが増加する外方拡幅形状である。よって脚部２，２は特性インピーダンスが徐々に変化する広帯域のインピーダンスの整合回路を構成する。その結果、十分に広い周波数帯域に対応可能となり、複数の無線通信システムのアンテナを統合できる。これは従来、必要だった多数のアンテナと比較すると有利である。これによって、煩雑な配線を簡略化できることとなり、ＵＷＢ通信のような、非常に広い周波数帯域を必要とする通信への貢献は著大である。また、薄片面状であるので、自動車のフロントガラス等にも貼着しやすく、実用性も高い。

　アンテナ素子１の上記隣接部５から最も離れた最外端部10は、滑らかな円弧状であり、かつ、上記アンテナ素子１の上記隣接部５は滑らかな円弧状として該円弧状の仮想円弧に接する接線方向から、上記脚部２が接合して、接合部Ｓが形成されているので、図３に例示したように、－10dBの線よりも下方の反射減衰量曲線が一部分のみが急峻な山を描いて、－10dBの線より上方へ突き抜けるような特性を示すことがなくなる。従って、安定した反射減衰特性を広い周波数帯域にて示すこととなる。

　ある実施形態によればアンテナ素子１は、中央領域に窓部３が形成された閉環状であるので、優れた反射減衰特性を幅広い周波数帯域において示す。

　ある実施形態によればアンテナ素子１は、ほぼ楕円形であって、その長軸Ｌ1が上記一直線Ｌと交わる角度θを40°～100°に設定したので、簡素な形状であって、安定して広い周波数帯域にて優れた反射減衰特性を示す。

　ある実施形態によればアンテナ素子１は、ほぼ楕円形であって、上記角度θを約90°として、その長軸Ｌ1が上記一直線Ｌと、直交するように配設されている構成によって、簡素な形状にて極めて広い周波数帯域に於て、優秀な反射減衰特性を示し、ＵＷＢ通信等のように極めて広い周波数帯域を必要とする通信にも適用可能となる。

　ある実施形態によればアンテナ素子１，１及び脚部２，２は、可視光線の透過率が70％～95％であるので、肉眼で透視可能である。よって自動車や窓等の透明ガラス面に張設して使用できる。

　ある実施形態によればアンテナは、自動車のガラス面に張設されているので、アンテナが薄い金属片（箔）からなっていても十分に補強されて、耐久性が得られる。加えて、ＥＴＣ，ＧＰＳ，無線ＬＡＮ等の自動車に必須の各種通信を目立たないアンテナによって実現できる。

　本発明は、広帯域において周波数が優れたアンテナを提供できる点で有用である。

　１　アンテナ素子
　２　脚部
　２Ａ　外端
　５　隣接部
　１０　最外端部
　Ｃ　外端方向
　Ｇ　微小間隙
　Ｌ　対称軸
　Ｌ１　長軸
　Ｓ　接合部
　θ　角度

Claims (7)

1. 　平坦で導電性を有する１対のアンテナ素子と、
   　平坦で導電性を有する１対の帯状給電脚部と
   を備える広帯域アンテナであって、
   　前記アンテナ素子は、対称軸について線対称に配置され、
   　前記帯状給電脚部は、互いの間に微小間隙を有して、前記対称軸について線対称に配置され、
   　前記帯状給電脚部は、前記アンテナ素子が互いに最も近づく隣接部において前記アンテナ素子に接続され、
   　前記帯状給電脚部のそれぞれの幅は、前記接続部から遠くなるにつれて大きくなる
   広帯域アンテナ。
2. 　前記アンテナ素子の前記接続部から最も離れた外縁部は、円弧の一部を構成し、
   　前記隣接部は、仮想的な円弧の一部を含み、
   　前記隣接部における前記仮想的な円弧に接する接線方向に沿って、前記脚部が前記アンテナ素子に接合されることによって、接合部が形成される請求項１に記載の広帯域アンテナ。
3. 　前記アンテナ素子は、中央に窓部を有する閉じた円環をなす請求項１に記載の広帯域アンテナ。
4. 　前記アンテナ素子は、実質的に楕円形であり、
   　前記楕円の長軸が前記対称軸と交わる角度は、40°～100°である請求項１に記載の広帯域アンテナ。
5. 　前記楕円の長軸が前記対称軸と交わる角度は、約９０°である請求項４に記載の広帯域アンテナ。
6. 　前記アンテナ素子および前記脚部は、可視光線の透過率が70％～95％であることによって、肉眼で透視可能である請求項１に記載の広帯域アンテナ。
7. 　前記アンテナ素子および前記脚部は、自動車のガラス面上に設けられる請求項１に記載の広帯域アンテナ。

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