WO2013035546A1 - アンテナ - Google Patents

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WO2013035546A1
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antenna
radiating element
band
feeder line
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官 寧
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株式会社フジクラ
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/30Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/40Element having extended radiating surface
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00Auxiliary devices
    • H01P1/20Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/201Filters for transverse electromagnetic waves
    • H01P1/203Strip line filters
    • H01P1/20327Electromagnetic interstage coupling
    • H01P1/20354Non-comb or non-interdigital filters
    • H01P1/20381Special shape resonators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00Auxiliary devices
    • H01P1/20Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/201Filters for transverse electromagnetic waves
    • H01P1/203Strip line filters
    • H01P1/2039Galvanic coupling between Input/Output
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/50Feeding or matching arrangements for broad-band or multi-band operation

Definitions

  • the present invention relates to an antenna, and more particularly to an antenna that avoids interference with a specific band.
  • the demand for broadband antennas is increasing.
  • the 5 GHz band (5.15 GHz to 5.15 GHz) used for the wireless LAN (IEEE802.11a). .85 GHz or less).
  • wideband antennas used for UWB are required to avoid interference with the 5 GHz band in addition to the wideband characteristic covering the UWB band.
  • a patch antenna described in Patent Document 1 is known as an antenna that satisfies such requirements.
  • a wide band is achieved by forming a stub on the radiating element or forming a step on the ground plane.
  • interference with the wireless LAN is avoided by forming a slit in the radiating element.
  • Patent Document 2 As a BRF (Band Reject Filter) for a radio station of the UWB system, the one described in Patent Document 2 is known.
  • the BRF described in Patent Document 2 has a microstrip line with a non-uniform width in order to increase the reflection coefficient in a specific band (a band where interference should be avoided).
  • the BRF described in Patent Document 2 has a preferable property that a reflection coefficient can be obtained as expected even when the microstrip line is bent.
  • the BRF described in Patent Document 2 is used by being added to an antenna. For this reason, when using the BRF described in Patent Document 2, there is a problem that a mounting surface for mounting the BRF is required in addition to the mounting surface for mounting the antenna. In order to reduce the mounting area, a method of integrating the BRF with the antenna can be considered, but a specific method of integrating the BRF with the antenna has not been known.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is an antenna that has a wide operating band and avoids interference with a part of the band, and has a mounting area larger than that of the conventional one. It is to realize an antenna that can be small.
  • an antenna according to the present invention is formed on a dielectric substrate, a ground plane formed on the first main surface of the dielectric substrate, and a second main surface of the dielectric substrate.
  • a microstrip line functioning as a BRF (Band Reject Filter) is configured with the ground plane which is a strip-shaped conductor and faces the feeder line through the dielectric substrate.
  • the microstrip line constituted by the feed line and the ground plane functions as a BRF, an antenna that can operate in a wide band but avoids interference in a part of the band is realized. can do.
  • the microstrip line is constituted by the power supply line and the ground plane, a mounting area for providing a separate BRF is not required. For this reason, the mounting area may be smaller than the conventional one.
  • the present invention it is possible to realize an antenna that has a wide operating band and avoids interference with a part of the band and requires a smaller mounting area than the conventional one.
  • FIG. 1 is a perspective view of an antenna according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a plan view showing a top surface of a dielectric substrate provided in the antenna shown in FIG. 1, particularly a dielectric substrate on which a ground plane is formed.
  • FIG. 2B is a plan view showing the lower surface of the dielectric substrate provided in the antenna shown in FIG. 1, particularly the dielectric substrate on which the feed line is formed.
  • It is a graph which shows the width W (z) of the feeder provided with the antenna shown in FIG. W (z) represents the width of the feed line at the point P (z) where the distance from the feed point measured along the feed line is z [mm].
  • It is a circuit diagram which shows the equivalent circuit of the microstrip line comprised by the feeder provided with the antenna shown in FIG.
  • FIG. 1 It is the top view which looked at the radiation element with which the antenna shown in FIG. 1 is provided from the front.
  • FIG. 3 is a graph showing the VSWR characteristics of the antenna shown in FIG. 1 and obtained when the radiating element is removed.
  • FIG. 7A is a graph showing the VSWR characteristics of the antenna shown in FIG.
  • FIG. 7B is a graph showing the VSWR characteristics of the antenna shown in FIG. 1, which are obtained when the feeder line width is made uniform.
  • It is a graph which shows the radiation pattern of the antenna shown in FIG. 8A is a radiation pattern at 2.5 GHz
  • FIG. 8B is a radiation pattern at 4.0 GHz
  • FIG. 8C is a radiation pattern at 5.5 GHz
  • the antenna according to the present embodiment has a band excluding the 5 GHz band (5.15 GHz to 5.85 GHz) from the UWB band (3.1 GHz to 10.6 GHz).
  • the present invention can be generally applied to an antenna that operates in a band obtained by removing a specific portion from a specific band, and the combination of the specific band and the specific portion is limited to the combination of the UWB band and the 5 GHz band described above. It is not something.
  • FIG. 1 is a perspective view of the antenna 1.
  • the antenna 1 includes a radiating element 11 standing on a first main surface (hereinafter referred to as “upper surface”) of a dielectric substrate 10, and a feed line 12 connected to the radiating element 11.
  • the power supply line 12 formed on the second main surface (hereinafter referred to as “lower surface”) of the dielectric substrate 10 and the ground plane 13 formed on the upper surface of the dielectric substrate 10 are provided.
  • the radiating element 11 and the feeder line 12 are connected to each other by a conducting wire 14 that passes through a through hole 10 a provided in the dielectric substrate 10. There is no conduction between the radiating element 11 and the ground plane 13 and between the conductor 14 and the ground plane 13.
  • the antenna 1 is supplied with a high-frequency current from a pair of feeding points P and Q and functions as a monopole antenna.
  • the feed point P to which the inner conductor of the coaxial cable (not shown) is connected is provided at the end point of the feed line 12 (end point opposite to the radiation element 11 side) as shown in FIG.
  • the feed point Q to which the outer conductor of the coaxial cable (not shown) is connected is provided at a point closest to the feed point P among the points on the end side of the ground plane 13 as shown in FIG.
  • the antenna 1 employs a configuration in which a bell-shaped planar conductor is used as the radiating element 11 and the radiating element 11 is supported by the dielectric substrate 15 in order to use the UWB band as an operating band.
  • FIG. 1 shows a mode in which the radiating element 11 stands upright, a mode in which the radiating element 11 tilts is not excluded. Details of the radiating element 11 will be described later with reference to another drawing.
  • the width of the feeder line 12 is made non-uniform in order to exclude the 2.5 GHz band and the 5 GHz band from the operation band.
  • the microstrip line composed of the feeder 12 and the ground plane 13 in the antenna 1 is made to function as a BRF (Band (Reject Filter).
  • the surface on which the base plate 13 is formed is the xy plane, and the axis orthogonal to the xy plane is the z axis.
  • the x axis extends in a direction orthogonal to the surface on which the radiating element 11 is formed
  • the y axis extends in a direction orthogonal to both the x axis and the z axis.
  • FIG. 2A is a plan view showing the upper surface of the dielectric substrate 10 on which the ground plane 13 is formed.
  • a rectangular planar conductor covering the upper surface of the dielectric substrate 10 is used as the ground plane 13 as shown in FIG.
  • a circular opening 13a and a rectangular opening 13b are provided in the vicinity of the center of the base plate 13, and the upper surface of the dielectric substrate 10 is formed in these openings 13a to 13b. Is exposed.
  • the through-hole 10a is formed in a circular region exposed through the opening 13a in the dielectric substrate 10, as shown in FIG. Therefore, the conducting wire 14 passing through the through hole 10a does not contact the ground plane 13. This is why there is no conduction between the conductor 14 and the ground plane 13.
  • the radiating element 11 is bonded to a rectangular region of the dielectric substrate 10 exposed by the opening 13b. Therefore, the radiating element 11 does not come into contact with the ground plane 13. This is why there is no conduction between the radiating element 11 and the ground plane 13.
  • a dielectric substrate having a vertical Wx of 40 mm, a horizontal Wy of 40 mm, a thickness of 1.27 mm, and a relative dielectric constant of 10.6 is used as the dielectric substrate 10.
  • a copper foil having a vertical Wx of 40 mm and a horizontal Wy of 40 mm is used as the ground plate 13 as the ground plate 13.
  • FIG. 2B is a plan view showing the lower surface of the dielectric substrate 10 on which the feeder line 12 is formed.
  • a strip-like conductor (more specifically, a copper foil) having a non-uniform width is used as the feeder line 12.
  • a strip-shaped conductor composed of a straight line portion 12a and a spiral portion 12b is used as the feeder line 12.
  • the straight line portion 12a is a portion that goes straight in the x-axis direction from the feed point P in the feed line 12, and its length is Wx / 2.
  • the spiral portion 12b is a portion of the power supply line 12 excluding the straight portion 12a, and rotates 2.5 times around the through hole 10a while gradually reducing the distance from the through hole 10a.
  • a strip-shaped copper foil having a length of 170 mm and an average width of 1.2 mm is used as the feeder line 12.
  • the shape of the linear part 12a and the spiral part 12b is determined so that the space
  • W (z) of each part of the feeder line 12 is set according to the graph shown in FIG. 3 so that reflection occurs in the 2.5 GHz band and the 5 GHz band.
  • W (z) indicates the width of the feed line 12 at the point P (z) on the feed line 12 where the distance from the feed point P measured along the feed line 12 is z [mm].
  • the width W (z) of each part of the feed line 12 shown in FIG. 3 can be determined by the following two steps.
  • Step 1 The value of the impedance Z (z) at each point P (z) on the feeder line 12 is determined so that reflection occurs in the 2.5 GHz band and the 5 GHz band.
  • Step 2 The width W (z) of the feeder line 12 is determined so that the impedance Z (z) at each point P (z) on the feeder line 12 becomes the value determined in Step 1.
  • the determination of the impedance Z (z) in step 1 is performed according to the telegraph equation.
  • a method of determining the width Z (z) of the feeder line 12 according to the telegraph equation will be described with reference to FIG.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing an equivalent circuit equivalent to a microstrip line composed of the feeder line 12 and the ground plane 13.
  • L (z) represents the inductance per unit length at the point P (z)
  • C (z) represents the capacitance per unit length at the point P (z).
  • the Zakharov-Shabat equations (3) and (4) are derived from the telegraph equations (1) and (2).
  • variable transformations (5) and (6) were used.
  • Impedance Z (x) can be obtained from q (x) according to equation (12).
  • FIG. 5 is a plan view of the radiating element 11 as viewed from the front.
  • the radiating element 11 includes a first rectangular portion 11a, a semi-elliptical portion 11b, and a second rectangular portion 11c.
  • the semi-elliptical copper foil is obtained, and its long axis is connected to the end of the width W of the first rectangular portion 11a.
  • the second rectangular portion 11 c connected to the opposite side of the semi-elliptical portion 11 b to the first rectangular portion 11 a is for impedance matching between the radiating element 11 and the feeder line 12.
  • the overall height H of the radiating element 11 is 23.5 mm.
  • the UWB band can be set as an operation band.
  • the shape of the radiation element 11 is not limited to this. Any planar conductor having any shape can be used as the radiating element 11 as long as the UWB band can be used as the operating band.
  • FIG. 6 is a graph showing the VSWR characteristics of the antenna 1 obtained when the radiating element 11 is removed.
  • the VSWR characteristic of the antenna 1 obtained when the radiating element 11 is removed represents the filter characteristic of a microstrip line constituted by the feeder line 12 and the ground plane 13. From the graph shown in FIG. 6, it can be seen that the VSWR value jumps in the 2.5 GHz band and the 5 GHz band, that is, the reflection in the 2.5 GHz band and the 5 GHz band is realized.
  • FIG. 7A is a graph showing the VSWR characteristics of the antenna 1 obtained when the radiating element 11 is attached. From the graph shown in FIG. 7A, the VSWR is suppressed to 2 or less in the band excluding the 2.5 GHz band and the 5 GHz band from the UWB band, that is, the 2.5 GHz band and the 5 GHz band from the UWB band. It can be seen that the antenna 1 operates in the excluded band.
  • FIG. 7B is a graph showing the VSWR characteristics of the antenna 1 obtained when the width of the feeder 12 is made uniform. From the graph shown in FIG. 7B, when the width of the feeder line 12 is made uniform, the VSWR decreases to 2 or less even in the 2.5 GHz band and the 5 GHz band, that is, also in the 2.5 GHz band and the 5 GHz band. It can be seen that the antenna 1 operates. Thereby, it is confirmed that the factor that suppresses the operation of the antenna 1 in the 2.5 GHz band and the 5 GHz band is that the width of the feeder line 12 is made non-uniform.
  • FIG. 7 also, the result of calculation (numerical simulation) and the result of actual measurement are shown. These show good agreement, and the correctness of the design method using the telegraph equation can be confirmed from FIG.
  • FIG. 8 is a graph showing the radiation pattern of the antenna 1.
  • 8A is a radiation pattern at 2.5 GHz
  • FIG. 8B is a radiation pattern at 4.0 GHz
  • FIG. 8C is a radiation pattern at 5.5 GHz
  • FIG. ) Shows the radiation pattern at 7.0 GHz.
  • the width of the feeder line 12 is made uniform (w / o filter) and when it is made non-uniform (w filter), the 2.5 GHz band (2.5 GHz) and the 5 GHz band (5 (5 GHz), a significant decrease in gain is observed. That is, it is confirmed that the operation of the antenna 1 is suppressed in the 2.5 GHz band and the 5 GHz band by making the width of the feeder line 12 nonuniform.
  • the spiral portion 12b of the power supply line 12 is wound so that the radius of curvature smoothly decreases as it approaches the end point on the opposite side to the power supply point P side. It is not a thing.
  • the shape of the feeder line 12 may be a spiral shape in which straight portions 12 c and quadrants 12 d are alternately connected. This makes it possible to more efficiently arrange the feeder line 12 on the dielectric substrate 10 having a square or rectangular main surface. The reason why the quadrant 12d is provided is to suppress reflection that occurs at the point where the curvature of the feeder 12 changes discontinuously.
  • the feeder line 12 is formed on the lower surface of the dielectric substrate 10, but the present invention is not limited to this. That is, the feed line 12 may be formed on the upper surface of the dielectric substrate 10 as shown in FIG. In this case, the ground plane 13 may be formed on the lower surface of the dielectric substrate 10. In this case, the radiating element 11 and the feeder line 12 may be directly connected on the upper surface of the dielectric substrate 10.
  • the antenna according to the present embodiment includes the dielectric substrate, the ground plane formed on the first main surface of the dielectric substrate, and the power supply formed on the second main surface of the dielectric substrate.
  • the microstrip line functioning as a BRF (Band Reject Filter) is constituted by the power supply line and the ground plane, which are band-shaped conductors having non-uniform widths and facing each other through the dielectric substrate.
  • the microstrip line constituted by the feed line and the ground plane functions as a BRF, an antenna that can operate in a wide band but avoids interference in a part of the band is realized. can do.
  • the microstrip line is constituted by the power supply line and the ground plane, a mounting area for providing a separate BRF is not required. For this reason, the mounting area may be smaller than the conventional one.
  • the radiating element is standing (standing) on the first main surface of the dielectric substrate, and the conductive element passes through a through-hole formed in the dielectric substrate. It is preferable that it is connected to a feeder line.
  • the ground plane is interposed between the radiating element and the feed line. Therefore, it is possible to prevent the stop band of the microstrip line from fluctuating due to the influence of the electromagnetic field formed around the radiating element.
  • the radiating element is standing (standing) on the second main surface of the dielectric substrate and directly connected to the feeder line.
  • the feeder line includes a spiral portion wound in a spiral shape.
  • a longer feeder line can be formed in a narrower region. Therefore, the dielectric substrate can be reduced in size without sacrificing the band rejection function of the microstrip line. Thereby, the antenna can be further reduced in size.
  • the spiral portion is wound in a spiral shape in which the radius of curvature smoothly decreases as it approaches the end point.
  • the spiral portion does not include a corner, unnecessary reflection that may occur at the corner can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent the stop band of the microstrip line from fluctuating due to this unnecessary reflection.
  • the spiral portion is wound in a spiral shape in which straight lines and quadrants are alternately connected.
  • the outer shape of the spiral portion can be made substantially rectangular or substantially square without making a corner. Therefore, it is possible to efficiently arrange the feeder lines on the rectangular or square dielectric substrate.
  • the radiating element is preferably a bell-shaped planar conductor including a rectangular portion and a semi-elliptical portion.
  • a broadband antenna such as a UWB wireless antenna can be realized.
  • the BRF may have a single stop band or may have two or more stop bands that are not continuous with each other.
  • the present invention can be suitably used as a wideband antenna that avoids interference with a specific band, such as a UWB wireless antenna that avoids interference with the 2.5 GHz band and the 5 GHz band.

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Abstract

 誘電体基板(10)と放射素子(11)と給電線(12)と地板(13)とを備えたアンテナ(1)において、誘電体基板(10)を介して互いに対向する給電線(12)と地板(13)とによって、BRFとして機能するマイクロストリップラインを構成する。

Description

アンテナ
 本発明は、アンテナ、特に、特定帯域への干渉を回避したアンテナに関する。
 近年、UWB無線などの普及に伴い、広帯域アンテナに関する需要が高まっている。ところが、FCC(Federal Communications Commission:米国通信委員会)が定めたUWB帯(3.1GHz以上10.6GHz以下)には、無線LAN(IEEE802.11a)に使用される5GHz帯(5.15GHz以上5.85GHz以下)が含まれる。このため、UWBに使用される広帯域アンテナには、UWB帯をカバーする広帯域性に加えて、5GHz帯への干渉を回避することが求められている。
 このような要求を満たすアンテナとしては、例えば、特許文献1に記載のパッチアンテナが知られている。特許文献1に記載のパッチアンテナにおいては、放射素子にスタブを形成したり、地板にステップを形成したりすることによって、広帯域化が図られている。また、放射素子にスリットを形成することによって、無線LANへの干渉を回避している。
 また、UWBシステムの無線局用のBRF(Band Reject Filter:帯域阻止フィルタ)としては、特許文献2に記載のものが知られている。特許文献2に記載のBRFは、特定の帯域(干渉を回避すべき帯域)における反射係数を高めるべく、マイクロストリップラインの幅を不均一にしたものである。
日本国公表特許公報「特表2008-535372号公報(公表日:2008年 8月28日)」 日本国公開特許公報「特開2010- 50653号公報(公開日:2010年 3月 4日)」
 しかしながら、特許文献1に記載のパッチアンテナにおいては、干渉を回避すべき帯域に応じたスリットを設計する必要があるが、この設計が困難であるという問題があった。具体的には、干渉を回避すべき帯域に対応する波長の半分程度の長さを有するスリットを設ければよいという指針が示されているものの、スリットを折り曲げると期待どおりの反射係数が得られず、期待どおりの反射係数を得るためには試作を繰り返さなければならないという問題があった。一方、干渉を回避すべき帯域に対応する波長の半分程度の長さを有する直線的なスリットを設けようとすると、放射素子の大型化を招来してしまうという問題があった。
 一方、特許文献2に記載のBRFは、マイクロストリップラインを折り曲げても期待どおり反射係数が得られるという好ましい性質を有している。しかしながら、特許文献2に記載のBRFは、アンテナに付加して利用するものである。このため、特許文献2に記載のBRFの利用にあたっては、アンテナを実装するための実装面に加え、BRFを実装するための実装面が必要になるという問題があった。実装面積を小さくするためには、BRFをアンテナと一体化するという方法が考えられるが、BRFをアンテナと一体化する具体的な方法は知られていなかった。
 本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、広い動作帯域を有しながら、その一部の帯域への干渉を回避したアンテナであって、従来よりも実装面積が小さくて済むアンテナを実現することにある。
 上記課題を解決するために、本発明に係るアンテナは、誘電体基板と、上記誘電体基板の第1の主面に形成された地板と、上記誘電体基板の第2の主面に形成された給電線と、
 上記給電線に接続された放射素子であって、上記誘電体基板の上記第1の主面又は上記第2の主面に起立した放射素子とを備え、上記給電線は、幅が不均一な帯状導体であり、上記誘電体基板を介して当該給電線と対向する上記地板と共に、BRF(Band Reject Filter)として機能するマイクロストリップラインを構成する、ことを特徴とする。
 上記の構成によれば、上記給電線と上記地板とによって構成されるマイクロストリップラインがBRFとして機能するので、広帯域において動作可能でありながら、その一部の帯域への干渉を回避したアンテナを実現することができる。この際、上記マイクロストリップラインは、上記給電線と上記地板とによって構成されているので、別体のBRFを設けるための実装面積を必要としない。このため、従来よりも実装面積が小さくて済む。
 本発明によれば、広い動作帯域を有しながら、その一部の帯域への干渉を回避したアンテナであって、従来よりも実装面積が小さくて済むアンテナを実現することができる。
本発明の実施形態に係るアンテナの斜視図である。 図2の(a)は、図1に示すアンテナが備える誘電体基板、特に、地板が形成された誘電体基板の上面を示す平面図である。図2の(b)は、図1に示すアンテナが備える誘電体基板、特に、給電線が形成された誘電体基板の下面を示す平面図である。 図1に示すアンテナが備える給電線の幅W(z)を示すグラフである。なお、W(z)は、給電線に沿って測った給電点からの距離がz[mm]である点P(z)における給電線の幅を表す。 図1に示すアンテナが備える給電線と地板とにより構成されるマイクロストリップラインの等価回路を示す回路図である。 図1に示すアンテナが備える放射素子を正面から見た平面図である。 図1に示すアンテナのVSWR特性であって、放射素子を取り去ったときに得られるVSWR特性を示すグラフである。 図7の(a)は、図1に示すアンテナのVSWR特性を示すグラフである。図7の(b)は、図1に示すアンテナのVSWR特性であって、給電線幅を均一にしたときに得られるVSWR特性を示すグラフである。 図1に示すアンテナの放射パターンを示すグラフである。図8の(a)は、2.5GHzにおける放射パターン、図8の(b)は、4.0GHzにおける放射パターン、図8の(c)は、5.5GHzにおける放射パターン、図8の(d)は、7.0GHzにおける放射パターンを示す。それぞれのグラフにおいて、w/o filterは、給電線の幅を均一にした場合に対応し、w filterは、図3に示すように給電線の幅を不均一にした場合に対応する。 図1に示すアンテナが備える給電線の変形例を示す平面図である。 図1に示すアンテナの変形例を示す斜視図である。
 本実施形態に係るアンテナについて、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。
 なお、本実施形態に係るアンテナは、UWB帯(3.1GHz以上10.6GHz以下)から5GHz帯(5.15GHz以上5.85GHz以下)を除いた帯域を動作帯域とするものである。ただし、本発明は、特定帯域から特定部分を除いた帯域で動作するアンテナ一般に適用できるものであって、特定帯域と特定部分との組み合わせは、上述したUWB帯と5GHz帯との組み合わせに限定されるものではない。
 また、以下の説明では、板状部材を構成する6つの面のうち、最大の面積をもつ2つの面を「主面」と記載し、主面を除く4つの面を「端面」と記載する。また、2つの主面を互いに区別する必要があるときには、一方の主面を「上面」と記載し、他方の主面を「下面」と記載する。なお、「上面」及び「下面」との記載は、2つの主面を互いに区別するためのものであり、板状部材の配置を限定するものではない。
 〔アンテナの構造〕
 本実施形態に係るアンテナ1の構造について、図1を参照して説明する。図1は、アンテナ1の斜視図である。
 アンテナ1は、図1に示すように、誘電体基板10の第1の主面(以下「上面」と記載)に起立した放射素子11と、放射素子11に接続された給電線12であって、誘電体基板10の第2の主面(以下「下面」と記載)に形成された給電線12と、誘電体基板10の上面に形成された地板13とを備えている。放射素子11と給電線12とは、誘電体基板10に設けられた貫通孔10aを通る導線14によって互いに接続されている。なお、放射素子11と地板13との間、及び、導線14と地板13との間に導通はない。
 アンテナ1は、一対の給電点P,Qから高周波電流の供給を受け、モノポールアンテナとして機能する。なお、同軸ケーブル(不図示)の内側導体が接続される給電点Pは、図1に示すように、給電線12の端点(放射素子11側と反対側の端点)に設けられる。また、同軸ケーブル(不図示)の外側導体が接続される給電点Qは、図1に示すように、地板13の端辺上の点のうち、給電点Pに最も近い点に設けられる。
 アンテナ1においては、UWB帯を動作帯域とするために、釣鐘形の面状導体を放射素子11として用い、この放射素子11を誘電体基板15によって支持する構成を採用している。なお、図1においては、放射素子11が直立する態様を示しているが、放射素子11が傾立する態様を排除するものではない。この放射素子11の詳細については、参照する図面を代えて後述する。
 また、アンテナ1においては、2.5GHz帯及び5GHz帯を動作帯域から除外するために、給電線12の幅を不均一にしている。これによって、アンテナ1における給電線12と地板13とで構成されるマイクロストリップラインをBRF(Band Reject Filter:帯域阻止フィルタ)として機能させている。このような構成を採用することによって、別体のBRFを設ける必要がなくなる。給電線12及び地板13の詳細については、参照する図面を代えて後述する。
 なお、以下の説明では、地板13が形成される面をxy平面とし、このxy平面に直交する軸をz軸とする。また、x軸は、放射素子11が形成される面と直交する方向に伸び、y軸は、x軸及びz軸の双方と直交する方向に伸びるものとする。
 〔給電線及び地板の詳細〕
 次に、地板13の詳細について、図2の(a)を参照して説明する。図2の(a)は、地板13が形成された誘電体基板10の上面を示す平面図である。
 本実施形態においては、地板13として、図2の(a)に示すように、誘電体基板10の上面を覆う長方形の面状導体を用いる。ただし、地板13の中央付近には、図2の(a)に示すように、円形の開口13aと長方形の開口13bとが設けられており、これらの開口13a~13bにおいて誘電体基板10の上面が露出している。
 貫通孔10aは、図2の(a)に示すように、誘電体基板10のうち、開口13aによって露出した円形の領域に形成される。したがって、貫通孔10aを通る導線14が地板13に接触することはない。導線14と地板13との間に導通がないのは、このためである。また、放射素子11は、図1に示したように、誘電体基板10うち、開口13bによって露出した長方形の領域に接合される。したがって、放射素子11が地板13に接触することはない。放射素子11と地板13との間に導通がないのは、このためである。
 なお、本実施形態においては、誘電体基板10として、縦Wxが40mm、横Wyが40mm、厚さが1.27mm、比誘電率が10.6の誘電体基板を用いる。また、地板13として、縦Wxが40mm、横Wyが40mmの銅箔を用いる。
 次に、給電線12の詳細について、図2の(b)を参照して説明する。図2の(b)は、給電線12が形成された誘電体基板10の下面を示す平面図である。
 本実施形態においては、給電線12として、図2の(b)に示すように、幅が不均一な帯状導体(より具体的には銅箔)を用いる。特に、本実施形態においては、給電線12として、図2の(b)に示すように、直線部12aと螺旋部12bとからなる帯状導体を用いる。直線部12aは、給電線12において、給電点Pからx軸方向に直進する部分であり、その長さは、Wx/2である。螺旋部12bは、給電線12において、直線部12aを除いた部分であり、貫通孔10aとの距離を次第に縮めながら、貫通孔10aの周りを2.5回転する。このような給電線12を用いることによって、長い給電線12を狭い領域に収める場合であっても、給電線12同士の間隔を保ち、給電線12同士の結合を抑えることができる。
 なお、本実施形態においては、給電線12として、長さが170mm、平均幅が1.2mmの帯状銅箔を用いる。また、直線部12a及び螺旋部12bの形状は、給電線12同士の間隔が5mm以上となるように決める。
 給電線12の各部の幅W(z)は、2.5GHz帯及び5GHz帯において反射が生じるよう、図3に示すグラフに従って設定される。ここで、W(z)は、給電線12に沿って測った給電点Pからの距離がz[mm]となる給電線12上の点P(z)における給電線12の幅を示す。
 〔給電線幅の決定方法〕
 図3に示した給電線12の各部の幅W(z)は、以下の2つのステップにより決定することができる。
 ステップ1:2.5GHz帯及び5GHz帯において反射が生じるよう、給電線12上の各点P(z)におけるインピーダンスZ(z)の値を決定する。
 ステップ2:給電線12上の各点P(z)におけるインピーダンスZ(z)がステップ1にて決定した値になるよう、給電線12の幅W(z)を決定する。
 ステップ1におけるインピーダンスZ(z)の決定は、電信方程式に従って行われる。以下、電信方程式に従って給電線12の幅Z(z)を決定する方法について、図4を参照して説明する。
 図4は、給電線12と地板13とにより構成されるマイクロストリップラインに等価な等価回路を示す回路図である。図4において、L(z)は、点P(z)における単位長さあたりのインダクタンスを表し、C(z)は、点P(z)における単位長さあたりのキャパシタンスを表す。
 時間項exp(-jωt)をもつ電圧V及び電流Iに対する電信方程式は、(1)及び(2)により与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 電信方程式(1)及び(2)から、Zakharov-Shabat方程式(3)及び(4)が導出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 Zakharov-Shabat方程式(3)及び(4)の導出に際しては、変数変換(5)及び(6)を用いた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 反射係数r(ω)を(7)のように定義すると、その逆フーリエ変換R(x)は(8)のように与えられる。r(ω)は、上半平面に極をもたない点に留意されたい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 Zakharov-Shabat方程式(3)及び(4)の解q(x)と、Gel'fand-Levitan-Marchenko型の積分方程式(9)及び(10)の解A2(x,y)との間には、(11)により示される関係がある。したがって、Zakharov-Shabat方程式(3)及び(4)の解q(x)を得るためには、積分方程式(9)及び(10)を解き、その解A2(x,y)から(11)式に従ってq(x)を求めればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 インピーダンスZ(x)は、q(x)から(12)式に従って求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 〔放射素子の詳細〕
 次に、放射素子11の詳細について、図5を参照して説明する。図5は、放射素子11を正面から見た平面図である。
 放射素子11は、図5に示すように、第1矩形部11aと、半楕円部11bと、第2矩形部11cとにより構成される。
 第1矩形部11aは、幅W(本実施形態においてはW=36mm)、高さH’(本実施形態においてはH’=9mm)の長方形の銅箔である。半楕円部11bは、短軸半径a(本実施形態においてはa=13.5mm)、長軸半径b(本実施形態においてはb=W/2=18mm)の楕円を長軸で2等分して得られる半楕円形の銅箔であり、その長軸が第1矩形部11aの幅Wの端辺に接続されている。半楕円部11bの第1矩形部11a側と反対側に接続された第2矩形部11cは、放射素子11と給電線12との間のインピーダンス整合を図るためのものである。本実施形態においては、第2矩形部11cとして幅W’(本実施形態においてはW’=12mm)、高さH”(本実施形態においてはH”=1mm)の長方形の銅箔を用いている。放射素子11全体の高さHは、23.5mmとなる。
 このような放射素子11を用いることよって、UWB帯を動作帯域とすることができる。ただし、放射素子11の形状は、これに限定されるものではない。UWB帯を動作帯域とし得るものであれば、どのような形状を有する平面導体であっても、放射素子11として利用することができる。
 〔フィルタ特性及びアンテナ特性〕
 次に、アンテナ1のフィルタ特性及びアンテナ特性について、図6~図8を参照して説明する。
 図6は、放射素子11を取り去ったときに得られるアンテナ1のVSWR特性を示すグラフである。放射素子11を取り去ったときに得られるアンテナ1のVSWR特性は、給電線12と地板13とにより構成されるマイクロストリップラインのフィルタ特性を表す。図6に示すグラフから、2.5GHz帯及び5GHz帯においてVSWR値が跳ね上がっていること、すなわち、2.5GHz帯及び5GHz帯における反射が実現されていることが見て取れる。
 なお、図6においては、計算(数値シミュレーション)の結果と、実測の結果とを併記している。これらは良好な一致を示しており、電信方程式を用いた設計方法の正当性が図6からも確かめられる。
 図7の(a)は、放射素子11を取り付けたときに得られるアンテナ1のVSWR特性を示すグラフである。図7の(a)に示すグラフから、UWB帯から2.5GHz帯及び5GHz帯を除いた帯域においてVSWRが2以下に抑えられていること、すなわち、UWB帯から2.5GHz帯及び5GHz帯を除いた帯域においてアンテナ1が動作することが見て取れる。
 図7の(b)は、給電線12の幅を均一にしたときに得られるアンテナ1のVSWR特性を示すグラフである。図7の(b)に示すグラフから、給電線12の幅を均一にすると、2.5GHz帯及び5GHz帯においてもVSWRが2以下に低下すること、すなわち、2.5GHz帯及び5GHz帯においてもアンテナ1が動作することが見て取れる。これにより、2.5GHz帯及び5GHz帯においてアンテナ1の動作が抑制される要因が、給電線12の幅を不均一にした点にあることが確かめられる。
 なお、図7においても、計算(数値シミュレーション)の結果と、実測の結果とを併記している。これらは良好な一致を示しており、電信方程式を用いた設計方法の正当性が図7からも確かめられる。
 図8は、アンテナ1の放射パターンを示すグラフである。図8の(a)は、2.5GHzにおける放射パターン、図8の(b)は、4.0GHzにおける放射パターン、図8の(c)は、5.5GHzにおける放射パターン、図8の(d)は、7.0GHzにおける放射パターンを示す。それぞれのグラフにおいて、給電線12の幅を均一にした場合(w/o filter)と不均一にした場合(w filter)とを比較すると、2.5GHz帯(2.5GHz)及び5GHz帯(5.5GHz)において利得の優位な低下が見られる。すなわち、給電線12の幅を不均一にすることによって、2.5GHz帯及び5GHz帯においてアンテナ1の動作が抑制されていることが確かめられる。
 〔変形例〕
 本実施形態においては、給電線12の螺旋部12bが、給電点P側と反対側の端点に近づくに従って曲率半径が滑らかに減少するように巻かれているものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、給電線12の形状を、図8に示すように、直線部12cと四分円部12dとが交互に連なる螺旋形状としてもよい。これにより、正方形又は長方形の主面を有する誘電体基板10上への給電線12の配置をより効率的に行うことが可能になる。なお、四分円部12dを設けているのは、給電線12の曲率が不連続に変化する点において生じる反射を抑制するためである。
 また、本実施形態においては、給電線12を誘電体基板10の下面に形成したが、これに限定されるものではない。すなわち、給電線12は、図9に示すように、誘電体基板10の上面に形成してもよい。この場合、地板13は、誘電体基板10の下面に形成すればよい。また、この場合、放射素子11と給電線12とは、誘電体基板10の上面において直接接続すればよい。
 〔まとめ〕
 以上のように、本実施形態に係るアンテナは、誘電体基板と、上記誘電体基板の第1の主面に形成された地板と、上記誘電体基板の第2の主面に形成された給電線と、上記給電線に接続された放射素子であって、上記誘電体基板の上記第1の主面又は上記第2の主面に立脚(起立)した放射素子とを備え、上記給電線は、幅が不均一な帯状導体であり、上記誘電体基板を介して互いに対向する上記給電線と上記地板とによって、BRF(Band Reject Filter)として機能するマイクロストリップラインが構成されている、ことを特徴とする。
 上記の構成によれば、上記給電線と上記地板とによって構成されるマイクロストリップラインがBRFとして機能するので、広帯域において動作可能でありながら、その一部の帯域への干渉を回避したアンテナを実現することができる。この際、上記マイクロストリップラインは、上記給電線と上記地板とによって構成されているので、別体のBRFを設けるための実装面積を必要としない。このため、従来よりも実装面積が小さくて済む。
 本実施形態に係るアンテナにおいて、上記放射素子は、上記誘電体基板の上記第1の主面に立脚(起立)しており、上記誘電体基板に形成された貫通孔を通る導線を介して上記給電線に接続されている、ことが好ましい。
 上記の構成によれば、上記放射素子と上記給電線との間に地板が介在する。したがって、上記放射素子の周辺に形成された電磁界の影響によって、上記マイクロストリップラインの阻止帯域が変動することを防止することができる。
 本実施形態に係るアンテナにおいて、上記放射素子は、上記誘電体基板の上記第2の主面に立脚(起立)しており、上記給電線に直接接続されている、ことが好ましい。
 上記の構成によれば、上記誘電体基板に貫通孔を設けたり、該貫通孔を通る導線によって上記放射素子と上記給電線とを接続したりする必要がない。したがって、製造を容易にし、製造コストを低下させることができる。
 本実施形態に係るアンテナにおいて、上記給電線は、螺旋状に巻かれた螺旋部を含んでいる、ことが好ましい。
 上記の構成によれば、より長い給電線をより狭い領域に形成することができる。したがって、上記マイクロストリップラインが有する帯域阻止機能を犠牲にすることなく、上記誘電体基板を小型化することができる。これにより、上記アンテナを、より一層、小型化することができる。
 本実施形態に係るアンテナにおいて、上記螺旋部は、端点に近づくに従って曲率半径が滑らかに減少する螺旋状に巻かれている、ことが好ましい。
 上記の構成によれば、上記螺旋部は角を含まないので、角において生じ得る不要反射を抑えることができる。したがって、この不要反射によって、上記マイクロストリップラインの阻止帯域が変動することを防止することができる。
 本実施形態に係るアンテナにおいて、上記螺旋部は、直線と四分円とを交互に連ねた螺旋状に巻かれている、ことが好ましい。
 上記の構成によれば、角を作らずに上記螺旋部の外形を略長方形又は略正方形にすることができる。したがって、長方形又は正方形の上記誘電体基板に対して上記給電線を効率良く配置することができる。
 本実施形態に係るアンテナにおいて、上記放射素子は、矩形部と半楕円部とを含む釣鐘形の平面導体である、ことが好ましい。
 上記の構成によれば、UWB無線用のアンテナなど、広帯域のアンテナを実現することができる。
 なお、上記BRFは、単一の阻止帯域を有するものであってもよいし、互いに連続しない2以上の阻止帯域を有するものであってもよい。
 〔付記事項〕
 本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
 本発明は、2.5GHz帯及び5GHz帯への干渉を回避したUWB無線用アンテナなど、特定帯域への干渉を回避した広帯域アンテナとして好適に利用することができる。
 1    アンテナ
 10   誘電体基板
 10a  貫通孔
 11   放射素子
 12   給電線
 13   地板
 13a  開口
 13b  開口
 14   導線
 15   誘電体基板
 P,Q  給電点

Claims (8)

  1.  誘電体基板と、
     上記誘電体基板の第1の主面に形成された地板と、
     上記誘電体基板の第2の主面に形成された給電線と、
     上記給電線に接続された放射素子であって、上記誘電体基板の上記第1の主面又は上記第2の主面に起立した放射素子とを備え、
     上記給電線は、幅が不均一な帯状導体であり、上記誘電体基板を介して当該給電線と対向する上記地板と共に、BRF(Band Reject Filter)として機能するマイクロストリップラインを構成する、ことを特徴とするアンテナ。
  2.  上記放射素子は、上記誘電体基板の上記第1の主面に起立しており、上記誘電体基板に形成された貫通孔を通る導線を介して上記給電線に接続されている、ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
  3.  上記放射素子は、上記誘電体基板の上記第2の主面に起立しており、上記給電線に直接接続されている、ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
  4.  上記給電線は、螺旋状に巻かれた螺旋部を含んでいる、ことを特徴とする請求項1から3までの何れか1項に記載のアンテナ。
  5.  上記螺旋部は、端点に近づくに従って曲率半径が滑らかに減少する螺旋状に巻かれている、ことを特徴とする請求項4に記載のアンテナ。
  6.  上記螺旋部は、直線と四分円とを交互に連ねた螺旋状に巻かれている、ことを特徴とする請求項4に記載のアンテナ。
  7.  上記放射素子は、矩形部と半楕円部とを含む釣鐘形の平面導体である、ことを特徴とする請求項1から6までの何れか1項に記載のアンテナ。
  8.  上記BRFは、互いに連続しない2以上の阻止帯域をもつ、ことを特徴とする請求項1から7までの何れか1項に記載のアンテナ。
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