JP4747179B2 - アンテナ装置及びそれを用いた通信装置 - Google Patents

Description

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。

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、３．１ＧＨｚ〜４．９ＧＨｚ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、ＵＳＢのインターフェースの電子機器は、ＵＳＢメモリースティッ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６０ｍｍ×幅１５ｍｍ×厚さ１２ｍｍ程度が一般的である。したがって、ＵＷＢ技術を実装したスティック形状のＵＳＢ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５０ｍｍ×幅１０ｍｍであり、そのうちアンテナ部分に与えられる面積は、長さ２０ｍｍ×幅１０ｍｍ程度となる。これより、長さ２０ｍｍ×幅１０ｍｍ程度で、かつ、高さ１１ｍｍの低姿勢で構成できるア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３．１ＧＨｚの波長で換算すると、長さ約０．２波長×幅０．１波長×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１１ｍｍ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１６に示す様なディスクコーンアンテナがある。図において、１０１は円板、１０２は円錐、１０３は同軸ケーブル、１０４は同軸中心導体、１０５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挟んで設け、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２００５−０９４４３７号公報
図１６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ＵＳＢ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、ＵＳＢ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２２ｍｍを超えてしまい、ＵＳＢ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ア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、ＵＳＢスティック形状に収納することが可能なＵＷＢ用のアンテナ装置及びそれを用いた通信装置を提供することである。

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み、放射素子の先細りの先端と反対側の先端は、他の何れとも接触せずオープンな状態であり、前記放射素子の長さは、１／４波長であり、放射素子の下にグランドがあり、かつ、放射素子の面とグランドの面が略平行で、互いに重なる位置に配置されていることを特徴とする。
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ー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ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ 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ア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、ＵＳＢ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１０は、導体の形状の他の変形例を示す図である。
図１１は、導体の形状の更に他の変形例を示す図である。
図１２は、導体の形状の別の変形例を示す図である。
図１３は、導体の形状の更に別の変形例を示す図である。
図１４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１５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１６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、１１，１２，２１，２２，３１，４１，５１，５４，５６，６１〜７４：導体、５２：プリント基板、５３：グランド、５４：マイクロストリップライン、７５，７６：カット

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アンテナの第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ーパ型の導体板を略コの字状に折り曲げた（すなわち、略１８０度屈曲させた）放射素子としての導体１１と、グランド板となる方形の導体からなる導体１２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１１は、台形状の導体部１１ａと、矩形状の導体部１１ｂと、三角形状の導体部１１ｃにより構成されており、台形状導体部１１ａと三角形状導体部１１ｃとが、垂直に設けられた矩形状導体部１１ｂ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１１の三角形状導体部１１ｃ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１２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１１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１１ｃに平行に、グランド板となる方形導体１２が設けられている。
導体１１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１１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１１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ーできることになる。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１１をコの字状としたことにも関連している。まず、導体１１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、３．１ＧＨｚ〜４．９ＧＨｚの帯域で、ＵＳＢメモリー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、１１ｍｍ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１１の幅を広げていくこと、すなわち徐々に広がるようなテーパ状にすることで、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１２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、モノポールアンテナの応用と考えることができる。すなわち、導体１１を広帯域かつ低姿勢の放射素子と考えれば、導体１２は、グランドプレーンである。本来、導体１２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、３．１ＧＨｚ〜４．９ＧＨｚの帯域で、ＵＳＢメモリー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、グランドとして使用できる面積も、１０ｍｍ×２０ｍｍ程度である。導体１２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は、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、１０ｍｍ×２０ｍｍの大きさとしている。
但し、これだけでは、十分なインピーダンス整合が得られないため、導体１１との距離を適当に保ち、導体１１のテーパ形状を調整し、導体１１と導体１２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１１の端部にハンダ付け４ａで接続し、また、同軸外部導体３の先端部を導体１２の端部にハンダ付け４ｂ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２１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２２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３１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っていることである。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１２の左の先端部（先端縁部）に垂直に壁状の導体４１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１２の両側部（縁部）に垂直に壁状の導体５１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４１や、更には導体５１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１１をテーパ状にし、かつ、導体１２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４１や導体５１のような導体を設けることにより、導体１１との静電容量を微調整できるので、よりインピーダンス整合が容易になる。
また、導体１２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１１の上方に行われる。このとき、導体１２が小さいため、導体１２の裏側の方まで、放射電波は回りこむ。しかし、導体４１や導体５１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４１や導体５１がないときよりも、導体１１の上方に強く放射され、導体１２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５２を用いた構成としたことである。プリント基板５２の底面には、導体よりなるグランド５３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５４が配置されている。マイクロストリップライン５４は、グランド５３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。マイクロストリップライン５４の左先端には、テーパ状の導体５６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５５がハンダ付けされている。
図９〜図１３は、第１〜第６の実施例の導体１１の代替形状の例を示すものである。図９（Ａ）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（Ｂ）は、（Ａ）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、（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１０（Ａ）は、図９（Ａ）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ーパ状にしたものである。図１０（Ｂ）は、（Ａ）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１１（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ーパ状にしたものである。図１１（Ｂ）は、（Ａ）の下先端部をカットした形状である。図１１（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ットした（切れ込んだ）形状である。図１３（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１３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、テーパ状というよりも、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、及びインピーダンス整合の原理から考えると、テー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７１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１３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１１に相当する導体８０の形状は、図１１（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。３．１ＧＨｚ〜４．９ＧＨｚにおいて、リターンロス６ｄＢ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１０ｍｍ×長さ２０ｍｍ×高さ１１ｍｍのサイズで、３．１ＧＨｚ〜４．９ＧＨｚの帯域をカバー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３．１ＧＨｚ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 (13)

1. 幅が次第に先細りとなる導体板を略１８０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み、
   前記放射素子の先細りの先端と反対側の先端は、他の何れとも接触せずオープンな状態であり、
   前記放射素子の長さは、１／４波長であり、
   前記放射素子の下に前記グランド板があり、かつ、前記放射素子の面と前記グランド板の面が略平行で、互いに重なる位置に配置されている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ー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。
11. 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１１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徴とする請求項１２に記載の通信装置。

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