WO2010089819A1 - 阻止帯域を有する広帯域アンテナ - Google Patents

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WO2010089819A1
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slit
broadband antenna
frequency
parasitic element
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高橋文緒
清水浩
中野久松
山崎俊一
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日本アンテナ株式会社
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0442—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular tuning means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/32—Vertical arrangement of element
    • H01Q9/36—Vertical arrangement of element with top loading
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    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/40—Element having extended radiating surface

Definitions

  • the present invention relates to an antenna used in a high-speed wireless communication system using a wide band.
  • UWB Ultra Wide Band
  • UWB utilizes bandwidth 3.1GH Z ⁇ 10.6GH Z, is intended for transmitting and receiving spread data over a wide frequency band.
  • This system has features such as low power consumption, resistance to jamming waves, and high-speed communication, and has attracted attention in various fields.
  • UWB is communication using an extremely wide frequency band, and an antenna that operates in the entire band is required.
  • FIGS. 11A and 11B are diagrams showing one configuration example of the patch antenna described in the above document.
  • FIG. 11A is a perspective view and FIG. 11B is an overhead view.
  • the patch antenna includes a feeding element (radiating electrode) 94 provided on the ground (ground electrode) 91 at a predetermined distance, and a ring-shaped parasitic element (parasitic electrode) surrounding the radiating electrode 94 with a gap 93 therebetween. ) 92.
  • the parasitic element 92 is connected to the ground 91 by a plurality of short-circuit pins (connection electrodes) 95-1 to 95-4.
  • the power feeding element 94 passes through a hole 96 provided in the ground 91, and an outer conductor is connected to a power feeding line 97 connected to the ground 91.
  • the wavelength of the center frequency of the transmission signal is ⁇
  • the distance between the feed element 94 and the ground 91 is 0.06 ⁇ to 0.12 ⁇
  • the length along the outer periphery of the feed element 94 is 0.1 ⁇ to 0.2 ⁇
  • the distance between the outer periphery and the inner periphery of the parasitic element 92 is 0.33 ⁇ to 0.67 ⁇
  • the width of the parasitic element 94 is 0.05 ⁇ to 0.1 ⁇ .
  • the frequency band is expanded by setting the length along the outer periphery of the parasitic element 92 to 0.9 ⁇ to 1.1 ⁇ and the length along the inner periphery of the parasitic element 92 to 0.4 ⁇ to 0.6 ⁇ . In addition, a specific bandwidth of more than 10% is possible.
  • UWB is because a communication system utilizing a wide frequency band from 3.1GH Z ⁇ 10.6GH Z, there is a possibility that the existing wireless communication system such as a wireless LAN that utilizes 5GH Z band competes with the frequency band to be used. Therefore, UWB transmission apparatus is configured to avoid interference with other communication systems, it is necessary to have a structure to suppress the radiation of 5GH Z bands in the example of the wireless LAN. Conventionally, a method of suppressing a corresponding band by adding a filter, a slit, or the like to the transmitter of the UWB system has been adopted. These methods have a problem that the configuration of the transmission apparatus is complicated and the directivity is not stable in the UWB band.
  • the present invention relates to a parasitic element in the vicinity of a shorting pin in an antenna including a feeding element provided on the ground and a parasitic element provided on the ground so as to surround the feeding element and connected to the ground by a shorting pin.
  • a slit in the band By providing a slit in the band, a stop band is formed in a desired frequency band.
  • the present invention suppresses radiation in a desired frequency band by providing a slit in a parasitic element constituting a broadband antenna. Therefore, it is not necessary to add a configuration for suppressing the band corresponding to the transmission apparatus, and stable transmission characteristics can be obtained. Further, by changing the position and shape of the slit, it is possible to arbitrarily adjust the center frequency, bandwidth, inhibition rate, etc. of the stop band.
  • an antenna having a low posture and a simple structure can be obtained by adopting a rotating structure having an exponent (EXP) curve as the shape of the feeding element.
  • FIG. 1 is the whole perspective view which shows 1st Embodiment of the wideband antenna based on this invention
  • (b) is a figure of a feed element.
  • (A) is a bird's-eye view of the antenna which concerns on 1st Embodiment
  • (b) is the detail drawing which expanded the part. It is a figure which shows the structural dimension which measured the characteristic of the wideband antenna which concerns on this invention.
  • the frequency is 2GH Z
  • (a) is a diagram of the radiation pattern of the X-Y plane
  • (b) is a diagram of the radiation pattern of the vertical plane including the shorting pin
  • (C) is the figure of the radiation pattern of the vertical plane containing a short circuit pin, and a 45-degree position.
  • the frequency is 8GH Z
  • (a) is a diagram of the radiation pattern of the X-Y plane
  • (b) is a diagram of the radiation pattern of the vertical plane including the shorting pin
  • (C) is the figure of the radiation pattern of the vertical plane containing a short circuit pin, and a 45-degree position.
  • the frequency is 12GH Z
  • (a) is a diagram of the radiation pattern of the X-Y plane
  • (b) is a diagram of the radiation pattern of the vertical plane including the shorting pin
  • (C) is the figure of the radiation pattern of the vertical plane containing a short circuit pin
  • (A) is a Smith chart which shows the relationship between the slit length and frequency characteristic in 1st Embodiment
  • (b) is a figure of input impedance. It is a figure which shows the relationship between the slit length and VSWR in 1st Embodiment. It is a figure which shows the relationship between the slit length and wavelength in 1st Embodiment.
  • (A) is the bird's-eye view of the antenna which concerns on 2nd Embodiment
  • (b) is the detailed drawing which expanded the part.
  • the frequency is 2GH Z
  • (a) is a diagram of the radiation pattern of the X-Y plane
  • (b) is a diagram of the radiation pattern of the vertical plane including the shorting pin
  • (C) is the figure of the radiation pattern of the vertical plane containing a short circuit pin, and a 45-degree position.
  • the frequency is 8GH Z
  • (a) is a diagram of the radiation pattern of the X-Y plane
  • (b) is a diagram of the radiation pattern of the vertical plane including the shorting pin
  • (C) is the figure of the radiation pattern of the vertical plane containing a short circuit pin, and a 45-degree position.
  • the frequency is 12GH Z
  • (a) is a diagram of the radiation pattern of the X-Y plane
  • (b) is a diagram of the radiation pattern of the vertical plane including the shorting pin
  • (C) is the figure of the radiation pattern of the vertical plane containing a short circuit pin, and a 45-degree position.
  • (A) is a Smith chart which shows the relationship between the slit length and frequency characteristic in 2nd Embodiment
  • (b) is a figure of input impedance. It is a figure which shows the relationship between the slit length and VSWR in 2nd Embodiment. It is a figure which shows the relationship between the slit length and wavelength in 2nd Embodiment.
  • (A) is a Smith chart showing the relationship between slit width and frequency characteristics in the second embodiment, and (b) is a diagram showing VSWR-frequency characteristics. It is a figure which shows the other shape of the slit of 2nd Embodiment.
  • FIG. 9A is a Smith chart showing the relationship between the slit length of FIG. 9-1 and frequency characteristics
  • FIG. 9B is a diagram showing VSWR-frequency characteristics.
  • A is a figure which shows an example of the shape of a feed element
  • (b) is a Smith chart which shows the relationship of the frequency characteristic with the shape of a feed element.
  • A) is a diagram showing VSWR-frequency characteristics showing the relationship of frequency characteristics with the shape of the feed element, and
  • (b) is a diagram showing x 0 -VSWR.
  • A) is a perspective view of the conventional example of a broadband antenna,
  • (b) is a bird's-eye view.
  • FIG. 1A and 1B are diagrams showing a first embodiment of a wideband antenna having a stopband according to the present invention, where FIG. 1A is a perspective view of the whole and FIG. 1B is a diagram of a feed element.
  • FIG. 2A is an overhead view of the antenna according to the first embodiment, and FIG. 2B is a detailed enlarged view of a part thereof.
  • the antenna shown in FIG. 1A is composed of a ground 17 and an antenna body 10 provided on the ground 17 at a predetermined distance.
  • a feeding element 14 having a diameter of 2 ⁇ 1 is located at the center of the antenna body 10, and a dielectric substrate 12 is provided around the feeding element 14.
  • a through hole 19 is provided in the ground 17, and a feed line 18 having an outer conductor connected to the ground 17 passes through and is connected to the bottom of the feed element 14.
  • a ring-shaped parasitic element 11 is installed with a predetermined gap 13 from the feeding element 14.
  • a predetermined number (four in this embodiment) of short-circuit pins 15 are provided at equal intervals on the outer periphery of the parasitic element 11, and the parasitic element 11 and the ground 17 are connected by the short-circuit pin 15.
  • a slit 16 is provided in the parasitic element 11 near each short pin 15.
  • the feeding element 14 has a logarithmic rotating body structure that expands from the ground 17 toward the parasitic element 11.
  • a circular shape on the upper surface of the rotating body is represented as a feeding element 14 in FIG.
  • a power supply line 18 is connected to the lower part of the rotating body.
  • FIG. 2 is an overhead view of the antenna according to the first embodiment shown in FIG.
  • Ground 17 is a disk of diameter D GP.
  • An antenna body 10 including a parasitic element 11, a dielectric substrate 12, and a feeding element 14 is installed on the ground 17 at a predetermined distance.
  • a feeding element 14 having a diameter of 2 ⁇ 1 (the upper surface of the rotating body shown in FIG. 1B) is located at the center of the antenna body 10.
  • a ring-shaped parasitic element 11 is installed on the upper surface of the dielectric substrate 12 with a predetermined gap 13 from the outer periphery of the feeder element 14.
  • the inner diameter of the parasitic element 11 is D IN, ring and the outer diameter is D OUT, ring .
  • FIG. 2B is a detailed view of the vicinity of the shorting pin 15-1 and the slit 16-1.
  • Each slit has an arc that is concentric with the parasitic element 11 on the inside and outside, and the length is L slit .
  • a short-circuit pin is provided on the outer edge of the parasitic element 11 corresponding to the central portion of the slit.
  • FIG. 2B shows that the short-circuit pin 15-1 provided at the outer edge of the parasitic element 11 is located at the center of the arc-shaped slit 16-1. The distance between the inner edge of the slit and the outer edge of the parasitic element 11 is S V.
  • the feed element 14-the gap 13-the inner circumference of the parasitic element 11-the slit 16-1-the outer circumference of the parasitic element 11-the shorting pin 15-1-the ground 17 gives the slit length L slit
  • a resonant circuit having a frequency corresponding to about 1 ⁇ 2 of the wavelength ⁇ is formed, and the component of the frequency is not radiated from the radiating element 14 and becomes a blocking frequency.
  • FIG. 3A is a table showing the structural dimensions used for measuring the characteristics of the antenna according to the present invention.
  • Figure 3-2 through Figure 3-4 in the antenna according to the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the frequency is a diagram showing 2GH Z, 8GH Z, the radiation pattern of 12GH Z.
  • (A) in each figure is a radiation pattern on the XY plane, that is, a plane ( ⁇ ) parallel to the upper surface of the antenna body 10. From the figure, it can be observed that the radiation in the horizontal direction is not affected by the presence of the slit at each frequency, and the radiation is almost uniform in all directions.
  • (B) and (c) in each figure are radiation patterns of a vertical plane ( ⁇ ) including the Z axis, with the zenith direction above and the ground direction below.
  • (B) of each figure is a radiation pattern of a vertical plane including a short-circuit pin, and (c) is a radiation pattern at a position of 45 degrees with respect to (b), that is, a vertical plane where no slit exists. From the figure, at any frequency, the radiation in the zenith direction is zero, and the maximum radiation is at an angle of about 30 degrees to 60 degrees from the zenith direction. Further, it can be seen that there is almost no change in the radiation pattern depending on the position of the slit, and almost uniform radiation can be obtained over the entire circumference.
  • FIGS. 4-1 to 4-3 are frequency characteristics measured by changing the length L slit of the slit 16 in the antenna according to the first embodiment (from the slit width W slit and the slit inner diameter) The distance S v to the outer periphery of the element is fixed).
  • 4-1 (a) (1), (2), (3) (indicated by circled numbers in the figure, the same shall apply hereinafter), the L slit is (1) 20.43 mm, (2) 23.38 mm, (3) Smith chart for 26.72mm.
  • B (1), (2), (3) are impedance real parts with frequency on the horizontal axis, (4), (5), ( 6)) (shown in circles in the figure, the same shall apply hereinafter) indicates the imaginary part.
  • (1), (2), and (3) in FIG. 4-2 show the VSWR (voltage standing wave ratio) -frequency characteristics of each L slit .
  • Figure 4-3 when L Slit is 26.72Mm, the center frequency lambda S stopband is approximately 4.3GH Z, and indicates the ratio of the lambda S and W Slit, L Slit, and S V is there.
  • Figures 4-1 to Figure 4-3 the L Slit (1), the longer the (2), (3), the center frequency of the stop band in inverse proportion is about 5.4GH Z, 4.9GH Z, 4.3GH It turns out that it shifts to Z and a low region.
  • FIG. 5 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
  • the slit provided in the vicinity of each short-circuit pin of the parasitic element is composed of a pair of L-shaped and inverted L-shaped slits.
  • FIG. 5A is an overhead view of the antenna according to the second embodiment
  • FIG. 5B is an enlarged detail view of a part thereof.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
  • four short-circuit pins 35-1 to 35-4 are installed at equal intervals on the outer periphery of the parasitic element 11.
  • a pair of L-shaped and inverted L-shaped slits 36-1 to 36-4 is provided in the vicinity of each short-circuit pin of the parasitic element 11.
  • FIG. 5B is a detailed view of the vicinity of the short-circuit pin 35-1 and the slit 36-1.
  • the slit 36-1 is constituted by a pair of slits of an L-shaped slit 36-1-1 and an inverted L-shaped slit 36-1-2.
  • the first side of the two sides constituting the L-shaped and inverted L-shaped slits is an arc concentric with the parasitic element 11.
  • the second side of the two sides has a structure that opens from one end of the first side to the outer edge of the parasitic element 11.
  • the short-circuit pin 35-1 is provided on the outer edge of the non-feed element 11 where the openings of the second sides of the L-shaped slit 36-1-1 and the inverted L-shaped slit 36-1-2 are located.
  • the length of the first side of the slit 36-1-1 and the slit 36-1-2 in FIG. 5B is S L
  • the length of the second side is S V
  • the width of each slit is W slit .
  • the short-circuit pin 35-1-ground 17 allows the slit length S L + S V to be a resonant circuit with a frequency corresponding to about 1/4 of the wavelength ⁇ .
  • the frequency component is not radiated from the radiating element 14 and becomes a blocking frequency.
  • FIGS. 6-1 to 6-3 show the measurement results corresponding to FIGS. 3-2 to 3-4 in the second embodiment. From the measurement diagrams shown in FIGS. 6-1 to 6-3 (a), it is observed that almost uniform radiation is performed in all horizontal directions without being affected by the presence of slits at each frequency. The Also, from the radiation patterns shown in (b) and (c) of the figure, radiation in the zenith direction of the Z axis is zero at each frequency, and maximum radiation is obtained at an angle of about 30 degrees to 60 degrees. It can be seen that there is almost no change in the radiation pattern depending on the position of the slit, and almost uniform radiation can be obtained over the entire circumference.
  • FIGS. 7-1 to 7-3 show frequency characteristics measured by changing the slit length L slit (S L + S V ) in the antenna according to the second embodiment shown in FIG. Slit width W slit is fixed at 0.83mm).
  • Figure 7-2 (1) and (2) shows the VSWR- frequency characteristics of the S L.
  • Figure 7-3 when S L is 8.46 mm, the center frequency lambda S of stopband and be approximately 5.3GH Z, it shows the relationship between the length of the wavelength of the frequency and the slit.
  • Figures 4-1 to Figure 4-3 the S L (1), is changed from (2), 8.46 mm and L Slit, When 9.16Mm, the center frequency of the stopband about 5.3GH Z, 5.0GH Z
  • the shift to the low band is inversely proportional to the increase in L slit .
  • FIG. 8 shows frequency characteristics when the slit width W slit is sequentially increased in the antenna according to the second embodiment shown in FIG. 5 (as a result, the length S v of the second side is also increased).
  • FIG. (1), (2), (3), (4), and (5) in FIG. 8 (a) have a W slit of (1) 0.40 mm, (2) 0.83 mm, (3) 1.24 mm, (4 ) 1.67 mm, (5) Smith chart when 2.10 mm, (b) shows VSWR-frequency characteristics at each W slit . From this figure, when W slit is lengthened to (1), (2), (3), (4), (5), the center frequency f s of the stop band shifts to the low band, and the bandwidth of the stop band is also increased. It can be seen that it increases.
  • FIGS. 4-2 and 7-2 it is possible to shift the center frequency of the stop band to a low band by lengthening the slit.
  • a structure in which the slit is folded back is possible.
  • L slit (S L ) can be lengthened, and the center frequency of the stop band can be greatly shifted to the low band.
  • FIG. 9-1 shows the configuration shown in FIG. 5, in which S L is S L1 + S L2 by folding back the first side of the L-shaped and inverted L-shaped slits, and the length is almost doubled. It is. (1), (2), (3), (4), and (5) in FIG.
  • the characteristics of the stop band can be changed by changing the shape of the feed element.
  • FIG. 10A and FIG. 10B are configuration examples of a feed element that can adjust the characteristics of the stop band, have a low profile and a stable structure, and obtain stable characteristics.
  • FIG. 10-1 (b) is a Smith chart when x 0 is (1) 0.005, (2) 0.001, and (3) 0.0001.
  • FIG. 10-2 (a) is a view corresponding VSWR- frequency characteristics in the x
  • FIG. 10-2 (b) is a representation of the relationship between the center frequency and VSWR of x 0 and stopband . From the figure, it can be seen that if the value of z 0 is fixed and the value of x 0 is increased, the amount of attenuation in the stop band increases.
  • the configuration shown in FIGS. 1 to 10-2 is a configuration in which a feeding element 14 is provided at the center of the dielectric substrate 12, and a parasitic element 11 is provided on the upper surface thereof.
  • the dielectric substrate 12 is not an essential element and can be omitted.
  • the parasitic element 11 and the feeding element 14 are separated from the ground 17 by the shorting pins 15-1 to 15-4 (or 35-1 to 35-4) and the feeding line 18.
  • a configuration for fixing, or a configuration for fixing by being separated from the ground 17 by another support body is possible.
  • the size of the antenna is determined by the dielectric constant ( ⁇ r) of the dielectric, It is possible to reduce the size.
  • the first and second embodiments have an outer diameter of configuration using a circular conductor of D GP as ground, when installing the antenna on an automobile or the like, can also be a body made of an automobile metal and ground It is.
  • the feeding element and the parasitic element are concentric.
  • the present invention is applied to an antenna configured by a feeding element and a parasitic element other than a circle, such as a square. Is also possible.
  • the present invention relates to a broadband antenna including a feed element and a parasitic element installed at a predetermined interval from the feed element on the ground.
  • the invention relates to a high-speed communication system using a broadband such as UWB. It relates to a broadband antenna that can be used.
  • a broadband antenna that can be used.
  • UWB that uses a wide frequency band
  • a frequency to be used competes with a frequency band to be used by another communication system.
  • Conventionally, a configuration for blocking a frequency band competing with a transmission apparatus is required, and there is a problem that the structure becomes complicated and the characteristics become unstable.
  • a slit is provided in a parasitic element located on the outer periphery of the feeding element, thereby forming a resonance circuit having a desired frequency and preventing the frequency component from being radiated from the antenna.
  • a simple configuration in which a slit is provided in a parasitic element.
  • the shape of the slit such as changing the width of the slit, it is possible to set not only the center frequency of the stop band but also the bandwidth and attenuation factor of the stop band to desired values.
  • a logarithmic rotating body structure that expands from the ground side toward the parasitic element side is adopted as the feeding element. With this configuration, the height of the antenna can be suppressed, and the wideband antenna can be placed in a low posture.

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Abstract

　UWB等の広帯域通信システムにおいて、他の無線通信システムが利用する周波数帯と競合する恐れがある周波数帯の放射を阻止すること可能な広帯域アンテナを提供する。　地盤17と地盤17上に所定の距離を隔てて設けられたアンテナ本体10から構成されている。アンテナ本体10は、給電素子14と誘電体基板12からなり、誘電体基板12の上面には、給電素子14から所定の間隙13を隔ててリング状の無給電素子11が設置されている。無給電素子11の外周には所定数の短絡ピン15が等間隔に設置されており、当該短絡ピン15により無給電素子11と地盤17が接続されている。各短絡ピン15の近傍の無給電素子11にはスリット16が設けられている。無給電素子11にスリット16を設けることにより、無給電素子11のスリット近傍にその形状により決まる周波数の共振回路が形成され、当該周波数成分が給電素子14から放射されることが阻止される。

Description

阻止帯域を有する広帯域アンテナ
　本発明は、広帯域を利用した高速無線通信システムに用いるアンテナに関するものである。
　広帯域を利用した高速通信システムとしてUWB(Ultra.Wide.Band)が存在する。UWBは3.1GHZ～10.6GHZの帯域幅を利用し、データを広い周波数帯に拡散して送受信するものである。このシステムは、消費電力が少ない、妨害電波に強い、高速通信が可能等の特徴を有しており、各分野において注目されている。
　UWBは極めて広い周波数帯を利用する通信であり、その全帯域で動作するアンテナが必要となる。広帯域で動作するパッチアンテナの例として下記の文献が存在する。
特開２００７－９７１１５号公報
　図１１は上記文献に示されるパッチアンテナの一つの構成例を示す図であり、同図(ａ)は斜視図、(ｂ)は俯瞰図である。同パッチアンテナは地盤(グランド電極)91上に所定の距離を隔てて設けられた給電素子(放射電極)94と、放射電極94を間隙93を隔てて取り囲むリング状の無給電素子(無給電電極)92から構成されている。無給電素子92は複数の短絡ピン(接続電極)95-1乃至95-4により地盤91と接続されている。給電素子94は地盤91に設けられた穴96を貫通し、外導体が地盤91に接続された給電ライン97に接続されている。
　送信信号の中心周波数の波長をλとした場合、給電素子94と地盤91の間隔を0.06λ～0.12λ、給電素子94の外周部に沿った長さを0.1λ～0.2λ、給電素子94の外周部と無給電素子92の内周部との距離を0.33λ～0.67λ、無給電素子94の幅を0.05λ～0.1λとする。また、無給電素子92の外周部に沿った長さを0.9λ～1.1λ、無給電素子92の内周部に沿った長さを0.4λ～0.6λに設定することにより、周波数帯域が拡大し、十数％の比帯域を可能としている。
　UWBは3.1GHZ～10.6GHZの広い周波数帯域を利用する通信システムであるため、5GHZ帯を利用する無線LAN等の既存の無線通信システムが利用する周波数帯と競合する恐れがある。このため、UWBの送信装置は他の通信システムとの干渉を回避する構成、上記無線LANの例では5GHZ帯の放射を抑止する構成を持つことが必要となる。
　従来は、UWBシステムの送信装置にフィルター、スリット等を追加することにより対応する帯域を抑止する方法が採られていた。これらの方法は、送信装置の構成が複雑となり、UWB帯域内において指向性が安定しない問題があった。
　本発明は、地盤上に設けられた給電素子と、当該給電素子を取り囲むように地盤上に設けられ、地盤と短絡ピンにより接続された無給電素子を備えるアンテナにおいて、短絡ピン近傍の無給電素子にスリットを設けることにより、所望の周波数帯域に阻止域を形成するものである。
　本発明は広帯域アンテナを構成する無給電素子にスリットを設けることにより所望の周波数帯域の放射を抑止するものである。従って、送信装置に対応する帯域を抑止するための構成を付加する必要が無く、安定した送信特性を得ることが可能となる。また、スリットの位置及び形状を変化させることにより、阻止域の中心周波数、帯域幅、抑止率等を任意に調整することが可能となる。
　また、本発明は給電素子の形状を指数(EXP)曲線の回転構造とすることにより、低姿勢であり簡単な構造のアンテナとすることを可能とするものである。
（ａ）は本発明に係る広帯域アンテナの第１の実施形態を示す全体の斜視図であり、（ｂ）は給電素子の図である。 （ａ）は第１の実施形態に係るアンテナの俯瞰図であり、（ｂ）はその一部を拡大した詳細図である。 本発明に係る広帯域アンテナの特性を測定した構造寸法を示す図である。 第１の実施形態に係るアンテナにおいて、周波数が２GHZの、（ａ）はＸ－Ｙ平面の放射パターンの図であり、（ｂ）は短絡ピンを含む垂直面の放射パターンの図であり、（ｃ）は短絡ピンを含む垂直面と４５度の位置の放射パターンの図である。 第１の実施形態に係るアンテナにおいて、周波数が８GHZの、（ａ）はＸ－Ｙ平面の放射パターンの図であり、（ｂ）は短絡ピンを含む垂直面の放射パターンの図であり、（ｃ）は短絡ピンを含む垂直面と４５度の位置の放射パターンの図である。 第１の実施形態に係るアンテナにおいて、周波数が１２GHZの、（ａ）はＸ－Ｙ平面の放射パターンの図であり、（ｂ）は短絡ピンを含む垂直面の放射パターンの図であり、（ｃ）は短絡ピンを含む垂直面と４５度の位置の放射パターンの図である。 （ａ）は第１の実施形態におけるスリット長と周波数特性の関係を示すスミスチャートであり、（ｂ）は入力インピーダンスの図である。 第１の実施形態におけるスリット長とVSWRの関係を示す図である。 第１の実施形態におけるスリット長と波長の関係を示す図である。 （ａ）は第２の実施形態に係るアンテナの俯瞰図であり、（ｂ）はその一部を拡大した詳細図である。 第２の実施形態に係るアンテナにおいて、周波数が２GHZの、（ａ）はＸ－Ｙ平面の放射パターンの図であり、（ｂ）は短絡ピンを含む垂直面の放射パターンの図であり、（ｃ）は短絡ピンを含む垂直面と４５度の位置の放射パターンの図である。 第２の実施形態に係るアンテナにおいて、周波数が８GHZの、（ａ）はＸ－Ｙ平面の放射パターンの図であり、（ｂ）は短絡ピンを含む垂直面の放射パターンの図であり、（ｃ）は短絡ピンを含む垂直面と４５度の位置の放射パターンの図である。 第２の実施形態に係るアンテナにおいて、周波数が１２GHZの、（ａ）はＸ－Ｙ平面の放射パターンの図であり、（ｂ）は短絡ピンを含む垂直面の放射パターンの図であり、（ｃ）は短絡ピンを含む垂直面と４５度の位置の放射パターンの図である。 （ａ）は第２の実施形態におけるスリット長と周波数特性の関係を示すスミスチャートであり、（ｂ）は入力インピーダンスの図である。 第２の実施形態におけるスリット長とVSWRの関係を示す図である。 第２の実施形態におけるスリット長と波長の関係を示す図である。 （ａ）は第２の実施形態においてスリットの幅と周波数特性の関係を示すスミスチャートであり、（ｂ）はVSWR－周波数特性を示す図である。 第２の実施形態のスリットの他の形状を示す図である。 （ａ）は図９－１のスリットの長さと周波数特性の関係を示すスミスチャートであり、（ｂ）はVSWR－周波数特性を示す図である。 （ａ）は給電素子の形状の一例を示す図であり、（ｂ）は給電素子の形状との周波数特性の関係を示すスミスチャートである。 （ａ）は給電素子の形状との周波数特性の関係を示すVSWR－周波数特性を示す図であり、（ｂ）はｘ0－VSWRを示す図である。 （ａ）は広帯域アンテナの従来例の斜視図であり、（ｂ）は俯瞰図である。
　図1は本発明に係る阻止帯域を有する広帯域アンテナの第１の実施形態を示す図であり、同図(ａ)は全体の斜視図、(ｂ)は給電素子の図である。また、図２(ａ)は第１の実施形態に係るアンテナの俯瞰図であり、同図(ｂ)はその一部を拡大した詳細図である。
　図１(ａ)に示されるアンテナは、地盤17と地盤17上に所定の距離を隔てて設けられたアンテナ本体10から構成されている。アンテナ本体10の中央部には、直径が２Ｘ1の給電素子14が位置し、その周囲には誘電体の基板12が設けられている。また、地盤17には貫通穴19が設けられており、外導体が地盤17に接続された給電ライン18が貫通し、給電素子14の底部に接続されている。
　誘電体基板12の上面には、給電素子14から所定の間隙13を隔ててリング状の無給電素子11が設置されている。無給電素子11の外周には所定数(同実施形態では４本)の短絡ピン15が等間隔に設置されており、当該短絡ピン15により無給電素子11と地盤17が接続されている。各短絡ピン15の近傍の無給電素子11にはスリット16が設けられている。
　図１(ｂ)に示されるように、給電素子14は地盤17から無給電素子11に向けて拡大する対数曲線の回転体の構造を有している。回転体の上面の円形が図１(ｂ)の給電素子14として表されている。また、当該回転体の下部に給電ライン18が接続される。
　図２は図１に示される第１の実施形態に係るアンテナの俯瞰図である。地盤17は直径がＤGPの円盤である。無給電素子11、誘電体基板12、給電素子14からなるアンテナ本体10が、地盤17上に所定の距離を隔てて設置されている。
　アンテナ本体10の中心部に直径が２Ｘ1の給電素子14(図１(ｂ)に示される回転体の上面)が位置する。
　給電素子14の外周から所定の間隙13を隔ててリング状の無給電素子11が誘電体基板12の上面に設置されている。無給電素子11の内周の直径はＤIN,ringであり、外周の直径はＤOUT,ringである。
　無給電素子11の外周には４本の短絡ピン15-1乃至15-4が等間隔に設置されており、当該短絡ピンにより無給電素子11は地盤17と接続されている。
　各短絡ピン近傍の無給電素子11にはスリット16-1乃至16-4が設けられている。図２(ｂ)は短絡ピン15-1とスリット16-1の近傍の詳細図である。
　各スリットは、内側と外側が無給電素子11と同心円の円弧であり、長さはＬslitである。また、スリットの中央部に対応する無給電素子11の外縁に短絡ピンが設けられている。図２(ｂ)は無給電素子11の外縁に設けられた短絡ピン15-1が円弧状のスリット16-1の中央に位置することを示すものである。スリットの内縁と無給電素子11の外縁の距離をＳVとする。
　同構成の、給電素子14－間隙13－無給電素子11の内周部－スリット16-1－無給電素子11の外周部－短絡ピン15-1－地盤17により、スリットの長さＬslitが波長λの約1/2に相当する周波数の共振回路が形成され、当該周波数の成分は放射素子14から放射されず、阻止周波数となる。
　図３－１は本件発明に係るアンテナの特性の測定に使用した構造寸法を示す表である。図３－２乃至図３－４は、図１及び図２に示される第１の実施形態に係るアンテナにおいて、周波数が、２GHZ、８GHZ、１２GHZの放射パターンを示す図である。各図の(ａ)はＸ－Ｙ平面、即ち、アンテナ本体10の上面に平行な面(φ)の放射パターンである。同図から水平方向の放射は各周波数においてスリットの存在に影響されること無く、全方向にほぼ均一の放射が行われることが観測される。
　各図の(ｂ)と(ｃ)はＺ軸を含む垂直面(θ)の放射パターンであり、上方が天頂方向、下方が地盤方向である。各図の(ｂ)は短絡ピンを含む垂直面、(ｃ)は(ｂ)と４５度の位置、即ちスリットが存在しない垂直面の放射パターンである。同図から、いずれの周波数においても、天頂方向への放射はゼロとなり、天頂方向から約３０度から６０度の角度で最大の放射となる。また、スリットの位置による放射パターンの変化はほとんど無く、全周に渡ってほぼ均一な放射が得られることがわかる。
　図４－１乃至図４－３は第１の実施形態に係るアンテナにおいて、スリット16の長さＬslitを変化させて測定した周波数特性である(スリットの幅Ｗslitとスリットの内径から無給電素子の外周までの距離Ｓvは固定)。
　図４－１(ａ)の(1)、(2)、(3)(図では丸数字で示されている、以下同じ)は、Ｌslitが(1)20.43mm、(2)23.38mm、(３)26.72mmの場合のスミスチャートであり、(ｂ)の(1)、(2)、(3)は横軸を周波数としたインピーダンスのリアルパートを、(4)、(5)、(6))(図では丸数字で示されている、以下同じ)はイマジナリーパートを示す。また、図４－２の(1)、(2)、(3)は各ＬslitのVSWR(電圧定在波比)－周波数特性を示す。図４－３は、Ｌslitが26.72mmの時、阻止帯域の中心周波数λSが約4.3GHZとなること、及び、λSとＷslit、Ｌslit、及びＳVの比を示すものである。
　図４－１乃至図４－３から、Ｌslitを(1)、(2)、(3)と長くすると、反比例して阻止帯域の中心周波数は、約5.4GHZ、4.9GHZ、4.3GHZと低域へシフトすることがわかる。
　図５は本発明の第２の実施形態を示す図である。同実施形態は無給電素子の各短絡ピン近傍に設けられたスリットが、Ｌ字型と逆Ｌ字型の一対のスリットから構成されている。図５(ａ)は第２の実施形態に係るアンテナの俯瞰図であり、同図(ｂ)は一部を拡大した詳細図である。同図おいて第１の実施形態と同一の構成部は図２と同一の符号が付されている。
　第２の実施形態は第１の実施形態と同様、無給電素子11の外周に４つの短絡ピン35-1乃至35-4が等間隔に設置されている。無給電素子11の各短絡ピン近傍にはＬ字型と逆Ｌ字型の一対のスリット36-1乃至36-4が設けられている。
　図５(ｂ)は短絡ピン35-1とスリット36-1の近傍の詳細図である。スリット36-1はＬ字型のスリット36-1-1と逆Ｌ字型のスリット36-1-2の一対のスリットにより構成されている。Ｌ字型及び逆Ｌ字型のスリットを構成する２つの辺の第１の辺は無給電素子11と同心円の円弧である。また、前記２つの辺の第２の辺は、前記第１の辺の一端から無給電素子11の外縁に至り開口する構造である。
　短絡ピン35-1はＬ字型のスリット36-1-1と逆Ｌ字型のスリット36-1-2の第２の辺の開口部が位置する無給素子11の外縁に設けられている。
　図５(ｂ)のスリット36-1-1及びスリット36-1-2の第１の辺の長さをＳL、第２の辺の長さをＳV、各スリットの幅をＷslitで表す。
　第２の実施形態に係る構成により、給電素子14－間隙13－無給電素子11の内周部－スリット36-1-1(及び、スリット36-1-2)－無給電素子11のスリット36-1-1とスリット36-1-2の間の部位－短絡ピン35-1－地盤17により、スリットの長さＳL＋ＳVが波長λの約1/4に相当する周波数の共振回路が形成され、当該周波数成分は放射素子14から放射されず、阻止周波数となる。
　図６－１乃至図６－３は、第２の実施形態における図３－２乃至図３－４に対応する測定結果である。図６－１乃至図６－３の(ａ)に示される測定図から、各周波数においてスリットの存在に影響されること無く、水平方向の全方向にほぼ均一の放射が行われることが観測される。また、同図の(ｂ)及び(ｃ)に示される放射パターンから、各周波数においてＺ軸の天頂方向への放射はゼロとなり、約３０度から６０度の角度で最大の放射が得られること、及び、スリットの位置による放射パターンの変化はほとんど無く、全周に渡ってほぼ均一な放射が得られることがわかる。
　図７－１乃至図７－３は、図５に示される第２の実施形態に係るアンテナにおいて、スリットの長さＬslit(ＳL＋ＳV)を変化させて測定した周波数特性が示される(スリットの幅Ｗslitは0.83mmに固定)。
　　図７－１(ａ)の(1)、(2)は、スリットの内径から無給電素子の外周までの距離、即ち第２辺の長さＳvを2.5mmとし、第１の辺の長さＳLを(1)8.46mm及び(2)9.16mmとした場合のスミスチャートであり、(ｂ)の(1)と(2)は横軸を周波数としたインピーダンスのリアルパートを、(3)と(4)はイマジナリーパートを示す。また、図７－２の(1)と(2)は各ＳLのVSWR－周波数特性を示す。図７－３は、ＳLが8.46mmの時、阻止帯域の中心周波数λSは約5.3GHZとなることと、当該周波数の波長とスリットの各長さの関係を示すものである。
　図４－１乃至図４－３から、ＳLを(1)、(2)と変化させ、Ｌslitを8.46mm、9.16mmとすると、阻止帯域の中心周波数は約5.3GHZ、5.0GHZとなり、Ｌslitの増加に反比例して低域へシフトすることがわかる。
　図８は、図５に示される第２の実施形態に係るアンテナにおいて、スリットの幅Ｗslitを順次増加させた時(結果として、第２の辺の長さＳvも増加する)の周波数特性を示す図である。
　図８(ａ)の(1)、(2)、(3)、(4)、(5)は、Ｗslitが(1)0.40mm、(2)0.83mm、(3)1.24mm、(4)1.67mm、(5)2.10mmの時のスミスチャートであり、(ｂ)は各ＷslitにおけるVSWR－周波数特性を示す。同図から、Ｗslitを(1)、(2)、(3)、(4)、(5)と長くすると阻止帯域の中心周波数ｆsが低域へシフトすると共に、阻止域の帯域幅が増加することがわかる。
　図４－２及び図７－２に示されるようにスリットを長くすることにより阻止帯域の中心周波数を低域へシフトさせることが可能である。スリットを長くする方法として、スリットを折り返す構造が可能である。スリットを折り返すことにより、Ｌslit(ＳL)を長くし、阻止帯域の中心周波数を低域へ大きくシフトさせることが可能となる。図９－１は図５に示される構成において、Ｌ字型と逆Ｌ字型のスリットの第１の辺を折り返すことにより、ＳLをＳL1＋ＳL2とし、ほぼ２倍の長さとしたものである。
　図９－２(ａ)の(1)、(2)、(3)、(4)、(5)は、ＳL(ＳL1＋ＳL2)を(1)5.93mm、(2)8.46mm、(3)9.16mm、(4)15.4mm、(5)23.6mmと変化させた時のスミスチャートであり、(ｂ)は各ＳLにおけるVSWR－周波数特性を示す図である。図７－２と図９－２(ｂ)を比較すると、スリットを折り返すことにより、ＳLは15.4mm、23.6mmと長くなり、阻止帯域の中心周波数が3.4GHZ、2.9GHZと低域へ大きくシフトすることがわかる。
　本発明は給電素子の形状を変更することにより阻止帯域の特性を変化させることが可能である。図１０－１及び図１０－２は、阻止帯域の特性を調整することが可能であるとともに、低姿勢であり安定した構造となり、かつ安定した特性が得られる給電素子の構成例である。
　図１０－１(ａ)は上記目的を達成する給電素子の形状の一例を示すものである。同形状は、Ｘ－Ｚ面のＰ点(ｘ1，0，ｚ1)とＱ点(0，0，ｚ2)の間を
　　ｘ＝－ｘ0exp［－ｔ(ｚ-ｚ1)］＋ｘ0＋ｘ1　
　　ｔ＝［ｌn(1+ｘ1/ｘ0)]/[ｚ1－ｚ2]
で表される指数曲線とし、当該曲線をＺ軸を中心に回転して得られる回転体である。ｘ0、ｘ1、ｚ1、及びｚ2を変更することにより給電素子14の形状が変わり、阻止帯域の特性を調整することが可能となる。
　図１０－１(ｂ)はｘ0が、(1)0.005、(2)0.001、(3)0.0001の時のスミスチャートである。また、図１０－２(ａ)は上記ｘ0に対応するVSWR－周波数特性図であり、図１０－２(ｂ)はｘ0と阻止帯域の中心周波数とVSWRの関係を表したものである。
　同図から、ｚ0を固定値としｘ0の値を大きくすると阻止域の減衰量が増えることがわかる。
　図１乃至図１０－２に示される構成は、誘電体基板12の中心部に給電素子14を設け、その上面に無給電素子11を設置する構成である。本発明に係る広帯域アンテナにおいて、誘電体基板12は必須の要素ではなく省略可能である。誘電体基板12を省略する構成では、無給電素子11と給電素子14は短絡ピン15-1乃至15-4(又は、35-1乃至35-4)と給電ライン18により、地盤17から離して固定する構成、或いは、他の支持体により地盤17から離して固定する構成が可能である。
　しかし、無給電素子11と地盤17の間に誘電体を用いることにより、誘電体の誘電率(εr)によってアンテナの大きさを、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 に小型化することが可能となる。
　地盤17は無給電素子11の外径以上の大きさがあれは十分である。第１及び第２の実施形態は外径がＤGPの円形の導体を地盤として用いる構成であるが、当該アンテナを自動車等に設置する場合、自動車の金属製の車体を地盤とすることも可能である。
　上記各実施形態は、給電素子と無給電素子を同心円の形状とするものであるが、本発明を正方形のように円形以外の形状の給電素子と無給電素子により構成されたアンテナに適用することも可能である。
　本発明は地盤上に給電素子と当該給電素子から所定の間隔を隔てて設置された無給電素子からなる広帯域アンテナに関するものであり、具体的には、UWB等の広帯域を利用した高速通信システムに利用可能な広帯域アンテナに関するものである。利用する周波数帯域が広いUWBでは、利用する周波数と他の通信システムが利用する周波数帯が競合する場合がある。従来は、送信装置に競合する周波数帯を阻止する構成が必要であり、構造が複雑となり、特性が不安定となる問題があった。
　本発明、給電素子の外周に位置する無給電素子にスリットを設けたことにより、所望の周波数の共振回路を構成し、当該周波数成分がアンテナから放射されるのを阻止する構成である。本発明は、無給電素子にスリットを設けるという簡単な構成により、競合の恐れがある周波数帯の放射を確実に阻止することが可能となる。また、スリットの幅を変更する等、スリットの形状を適宜選択することにより、阻止帯域の中心周波数のみならず、阻止帯域の帯域幅、減衰率を所望の値に設定することが可能である。
　本発明の一つの実施形態では、給電素子として地盤側から無給電素子側に向けて拡大する対数曲線の回転体の構造を採用する。この構成によりアンテナの高さを抑えることが可能となり、広帯域アンテナを低姿勢とすることが可能となる。

Claims (10)

  1. 　地盤上に設けられた給電素子と前記給電素子を間隙を隔てて取り囲む無給電素子と前記無給電素子を地盤に接続する複数の接続ピンからなる広帯域アンテナであって、
    　前記接続ピン近傍の無給電素子に特定周波数の放射が阻止される阻止帯域を生成するスリットを有することを特徴とする広帯域アンテナ。
  2. 　請求項１記載の広帯域アンテナであって、
    　前記給電素子と無給電素子は同心円の形状であり、前記接続ピンは無給電素子の外周に等間隔に設置されていることを特徴とする広帯域アンテナ。
  3. 　請求項２記載の広帯域アンテナであって、
    　前記スリットは無給電素子と同心円の円弧であることを特徴とする広帯域アンテナ。
  4. 　請求項２記載の広帯域アンテナであって、
    　阻止帯域の中心周波数の波長をλとした場合、前記スリットの長さは約λ／２であることを特徴とする広帯域アンテナ。
  5. 　請求項３記載の広帯域アンテナであって、
    　阻止帯域の中心周波数の波長をλとした場合、前記スリットの長さは約λ／２であることを特徴とする広帯域アンテナ。
  6. 　請求項２記載の広帯域アンテナであって、
    　前記スリットはＬ字型と逆Ｌ字型の一対のスリットであることを特徴とする広帯域アンテナ。
  7. 　請求項６記載の広帯域アンテナであって、
    　阻止帯域の中心周波数の波長をλとした場合、前記Ｌ字型と逆Ｌ字型の各スリットの長さは約λ／４であることを特徴とする広帯域アンテナ。
  8. 　請求項１乃至請求項７記載の広帯域アンテナであって、
    　前記無給電素子を誘電体基板面に設けたことを特徴とする広帯域アンテナ。
  9. 　請求項１乃至請求項６記載の広帯域アンテナであって、
    　前記給電素子は前記地盤側から前記無給電素子側に向けて拡大する対数曲線の回転体の構造であることを特徴とする広帯域アンテナ。
  10. 　請求項９記載の広帯域アンテナであって、
    　前記対数曲線は、点(ｘ1，0，ｚ1)と点(0，0，ｚ2)の間において
    　　ｘ＝－ｘ0exp［－ｔ(ｚ-ｚ1)］＋ｘ0＋ｘ1 
    　　ｔ＝［ｌn(1+ｘ1/ｘ0)］/[ｚ1－ｚ2]
    であることを特徴とする広帯域アンテナ。
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