JP4940842B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置に係り、特に、ＵＷＢ（Ultra Wide band）用のアンテナ装置に関する。

ＵＷＢとは、一般的に超広帯域無線を意味し、中心周波数の２５％以上、または１．５ＧＨｚ以上の帯域幅を占有する無線伝送方式を指す広義の用語である。すなわち超広帯域の短パルス（通常１ｎｓ以下）を用いて通信する技術である。

従来の無線とＵＷＢとの違いは、搬送波の有無にある。詳しくは、従来の無線では、搬送波と呼ばれるある周波数の正弦波を様々な方法で変調してデータを送受信するのに対し、ＵＷＢでは搬送波を使用せずに超広帯域の短パルスを使用するようになっている。また、従来の無線では狭い周波数帯域をもつのに対し、ＵＷＢでは超広帯域な周波数帯域をもつようになっている。これは、従来の無線においては、電波は有限な資源であり、周波数帯域の狭いほうが電波を活用することが可能であると考えられたからである。しかし、ＵＷＢにおいては、各周波数での出力エネルギーが非常に小さく、他の無線通信との干渉が問題とならないため、周波数帯域を広くすることが可能となっている。

このように、ＵＷＢは超広帯域であるため、既存の無線通信サービスと周波数帯域が重複してしまう。そのため、現在ではＵＷＢの周波数帯域は３．１〜１０．６ＧＨｚの間に限定されている状況にある。

また、アンテナ装置は基本的に共振現象を利用しており、放射素子の長さ等で共振周波数が決定されるので、多くの周波数成分を含むほど共振させることが難しくなる。そして、ＵＷＢのように周波数帯域が広くなるほど、アンテナ装置の設計が難しくなってしまうという問題がある。

ここで、近距離無線通信において、大容量データ伝送と低消費電力を同時に実現できる次世代技術として、ＵＷＢ用の超小型のセラミックチップアンテナが開発されている。このようなセラミックチップアンテナの開発により、今まで軍事用途に限られていたＵＷＢを、ＰＤＰ（Plasma Display Panel）テレビやデジタルカメラ等デジタル機器同士の超高速データ伝送などの民生用途に広げ、モバイルまで視野に入れた機器の小型化が可能となる。このようなＵＷＢ用アンテナは、Bluetooth（登録商標）や無線ＬＡＮ（Local Area Network）等の用途に使用され得る。

そして、本発明者らは、広帯域化させつつ周波数特性の改善が可能なＵＷＢ用アンテナを提案している（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載のアンテナ装置は、上側誘電体と、下側誘電体と、それらの間に挟まれた導体パターンとから構成されている。導体パターンは、前面の略中央部に給電点を持ち、この給電点から右側面および左側面へそれぞれ所定の角度で広がる逆三角形部分と、この逆三角形部分の上辺に底辺が接する矩形部分とから構成されている。

また、本発明者らは、低域限界周波数を低くして、広帯域に渡って低いＶＳＷＲ特性を示すアンテナ装置も提案している（例えば、非特許文献１〜非特許文献２）。このようなアンテナ装置３０は、図７に示すように、水平面内で延在するグランド板３２と、該グランド板３２の面上にグランド板３２に垂直となるように配置された放射素子３３とを有し、放射素子３３は扇形をしていることを特徴とする。このように、グランド板３２に扇形の放射素子３３を立設させることにより、ＶＳＷＲ特性を広帯域にわたって低下させることができるようになっている（図６参照）。また、図８に示すように、扇形の平板を十字形構造に備えて形成される放射素子５３を備えるアンテナ装置５０も提案されている。このようなアンテナ装置５０によれば、高域での直交偏波成分を低減させて、より広帯域にわたってＶＳＷＲ特性を低下させることが可能である（図６参照）。
特開２００５−９４４３７号公報 森下、山内、中野、"線形広帯域扇形アンテナ"、電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、Ｂ−１−１５８、北海道、９月２００５年 森下、山内、中野、"線形広帯域扇形アンテナ第２報"、電子情報通信学会通信総合大会、Ｂ−１−１６４、東京、３月２００６年

しかしながら、従来のアンテナ装置では、ＶＳＷＲ特性を広帯域にわたって低下させることが可能であるが、ＵＷＢ以外の用途に使用されている特性の周波数（例えば自動料金システム（ＥＴＣ）の場合は５．８ＧＨｚ）においては却って妨害となってしまう可能性があるという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、所望の阻止帯域を設定することが可能なアンテナ装置の提供を目的とするものである。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
グランド板と、該グランド板上に当該グランド板に垂直となるように配置された放射素子と、前記グランド板及び前記放射素子へ給電する給電手段とを有するアンテナ装置において、
前記放射素子は、前記グランド板から垂直方向に沿った中心軸を基準として、放射状に配置される複数の単位給電面を備えており、
前記単位給電面の縁は、
前記中心軸上に位置する基準直線と、
前記基準直線上の一点を中心とする円弧の一部である上部円弧曲線と、
前記グランド板に最も近づく箇所と前記上部円弧曲線の一端とを結ぶ指数関数で表される曲線からなる側部エッジ曲線と、を備え、
前記単位給電面の前記上部円弧曲線又は前記側部エッジ曲線同士を結ぶ導電部材を備えていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記放射素子は、前記中心軸を基準として線対称になるように前記単位給電面を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のアンテナ装置において、
前記放射素子は、前記単位給電面同士のなす角度が等しくなるように前記単位給電面を備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のアンテナ装置において、
前記単位給電面の数は４個であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
前記導電部材は金属線であり、前記単位給電面の前記上部円弧曲線又は前記側部エッジ曲線に電気的に接続されることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のアンテナ装置において、
前記金属線は、前記単位給電面の前記上部円弧曲線又は前記側部エッジ曲線に接続されていない箇所で折曲されてその長さを調整されることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のアンテナ装置において、
前記金属線は、前記単位給電面の前記上部円弧曲線又は前記側部エッジ曲線に接続されていない部分が、前記中心軸側に向けて近づくように備えられていることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項５〜７のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
前記金属線は、全ての前記単位給電面の前記上部円弧曲線又は前記側部エッジ曲線同士を結ぶことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、中心軸を基準として放射状に配置される複数の単位給電面を備え、当該単位給電面の上部円弧曲線又は側部エッジ曲線同士を結ぶ導電部材を備えることにより、アンテナ装置に特定周波数における阻止帯域を設定することが可能である。また、放射素子を構成する単位給電面の形状を、基準直線、上部円弧曲線および側部エッジ曲線から形成される形状とするので、高周波数帯域においてもＶＳＷＲ特性を低下させることが可能である。したがって、阻止帯域以外の使用可能な周波数帯域をより広くすることが可能である。

請求項２に記載の発明によれば、放射素子において単位給電面は線対称に備えられているので、線対称形状の放射素子とすることが可能であり、アンテナ装置の放射パターンを均等にし、指向性を向上させることが可能である。

請求項３に記載の発明によれば、単位給電面同士のなす角度が等しくなるような放射状に単位給電面が配置されて放射素子が構成されているので、アンテナ装置の放射パターンを均等にし、指向性を向上させることが可能である。

請求項４に記載の発明によれば、４つの単位給電面同士のなす角度が等しくなるように、９０°間隔で放射状に単位給電面が配置されて放射素子が構成されているので、平面視十字形構造とすることができ、低周波数帯域においてもＶＳＷＲ特性を低下させることが可能である。したがって、阻止帯域以外の使用可能な周波数帯域をより広くすることが可能である。

請求項５に記載の発明によれば、金属線を半田付け等電気的に接続することにより阻止帯域を容易に設定することが可能である。

請求項６に記載の発明によれば、金属線は単位給電面との接続に使用しない箇所を折曲させることにより、その長さを容易に調整することが可能であり、金属線の長さを調整することにより、阻止帯域の中心周波数を調整することが可能である。したがって、所望の中心周波数で阻止帯域を設定することが可能なアンテナ装置とすることができる。

請求項７に記載の発明によれば、金属線は、単位給電面の上部円弧曲線又は側部エッジ曲線に接続されていない部分が中心軸側に向けて近づくように備えられているので、金属線が放射素子から外側（中心軸から遠ざかる方向）に突出することは無く、アンテナ装置が大型化することを防止することが可能である。

請求項８に記載の発明によれば、金属線は全ての単位給電面の上部円弧曲線又は側部エッジ曲線同士を結ぶので、放射素子を一周することとなる。したがって、放射素子の周囲に均等に金属線が備えられ、放射パターンが不均衡になることを回避することができ、アンテナ装置の指向性を低下させること無く阻止帯域を設定することが可能となる。

以下に、本発明に係るアンテナ装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲を図示例に限定するものではない。

図１に示すように、本実施形態におけるアンテナ装置１には、半径２０ｍｍの円板形状のグランド板２と、グランド板２上にグランド板２に垂直となるように配置された放射素子３とが備えられている。ここで、グランド板２の面をＸＹ面とし、その垂直方向をＺ方向とする。

グランド板２は、例えば、銅、アルミニウム、金、銀、白金等の導電性の材料により形成されたものである。グランド板２の中心には、グランド給電点としての孔部２ａがＺ方向に貫通して形成されている。グランド板２の下面側であって孔部２ａの円周上には、グランド板２への給電を行う給電手段（図示省略）が接続されている。孔部２ａの内側には誘電体を介在させて放射素子３への給電を行う給電線４が貫通されている。なお、グランド板２および放射素子３への給電手段に特に制限は無く適宜変更可能であり、図２以外の図面では給電手段を簡略化して図示する。

放射素子３は、グランド板２と同様に導電性の材料により形成されており、グランド板２の中心からＺ方向に沿った中心軸５を基準として、放射状に配置される複数の単位給電面６…を備えている。詳しくは、本実施形態においては、放射素子３は４つの単位給電面６を備えており、図２に示すように中心軸５を基準として９０°間隔で配置されるようになっている。中心軸５の下端には、放射素子３への給電を行う給電線４が電気的に接続されている。なお、単位給電面６の数および配置関係に特に制限は無いが、中心軸５を基準として単位給電面６同士のなす角度が等しくなるように配置するのが好ましい。また、単位給電面６は中心軸５を基準として線対称となるような形状が好ましい。

図３に示すように、単位給電面６の縁は、中心軸５上に位置する基準直線６ａと、単位給電面６の上部で基準直線６ａ上の一点を中心とする円弧の一部である上部円弧曲線６ｂと、グランド板２に最も近づく箇所と上部円弧曲線６ｂの一端とを結ぶ指数関数で表される曲線からなる側部エッジ曲線６ｃとから構成されている。上部円弧曲線６ｂは、基準直線６ａの下端から所定の距離ｒだけ離れた一点を中心とする半径ｒの円弧の一部である。また、上部円弧曲線６ｂの内角はαであり、その他端は基準直線６ａの上端と一致する。なお、本実施形態においては、半径ｒは２１．８ｍｍであり、内角２αは１２０°である。

側部エッジ曲線６ｃは、基準直線６ａの下端を原点とするＹＺ平面において上部円弧曲線６ｂの一端の座標を（ｙ１，ｚ１）とすると、下記式（１）で表される曲線である。なお、本実施形態における係数ａは０．２２１６５１である。また、グランド板２および放射素子３の各部の長さ寸法等は、求める共振周波数や使用帯域に応じて適宜変更可能である。
ｙ＝−［ｅｘｐ｛−ａ（ｚ−ｚ１）｝−１］＋ｙ１ …（１）

放射素子３には、単位給電面６の中心軸５上に位置しない縁同士を結ぶ導電部材が備えられている。導電部材は、本実施形態においては金属線７であり、放射素子３を一周して全ての単位給電面６の縁同士を結ぶようになっている。金属線７は、上部円弧曲線６ｂと側部エッジ曲線６ｃとの接続箇所に半田付け等により固定されるようになっている。金属線７の固定箇所に特に制限は無く、単位給電面６の形状等によって適宜変更可能である。また、金属線７は放射素子３を一周して全ての単位給電面６の縁同士を結ぶものに限られないが、アンテナ装置１の放射パターンが均等になるように適宜変更可能である。導電部材も導電性のものであれば金属線７に限られないが、金属線７の場合、半田付け等により単位給電面６との固定及び電気的接続が容易であり好ましい。

金属線７において、単位給電面６の縁に接続されていない箇所は、直線状にしてもよく、折曲しても金属線７の長さを調整することとしても良い。例えば、図４に示すように、単位給電面６の縁同士の間の空間で中心Ｍを折曲させることとしても良い。中心Ｍで折曲させた金属線７は、金属線７と単位給電面６との接続箇所を変えずに中心ＭのＺ方向における位置を変化させることにより、金属線７の長さ寸法を変化させることができるようになっている。つまり、図５に示すように、単位給電面６の下端からＺ方向における中心Ｍまでの高さｈを調整することにより、金属線７の長さ寸法を変化させて阻止帯域の中心周波数を調整するようになっている。また、中心ＭのＺ方向における位置を変化させることにより、金属線７が放射素子３から外側（中心軸５から遠ざかる方向）に突出することもなく、金属線７を備えることによる放射素子３の大型化を回避することが可能である。なお、中心ＭはＺ方向に沿ってその位置を変化することとしたが、中心軸５側に向けて近づくように備えることとしても良い。

グランド板２と放射素子３とは、Ｚ方向に所定の間隔Δ_ＦＤだけ離間するように配置されている。グランド板２と放射素子３との間隔Δ_ＦＤに特に制限は無く、インピーダンス整合等の条件に合わせて調整することが可能である。本実施形態における間隔Δ_ＦＤは、０．３７５ｍｍである。

次に、本実施形態の作用について説明する。
アンテナ装置１が電波を送信する場合、信号処理装置からの電気信号に基づいて、給電手段を介して放射素子３およびグランド板２に所定の振幅及び位相で電流が供給される。放射素子３に給電された電流は、各単位給電面６の側部エッジ曲線６ｃおよび上部円弧曲線６ｂに沿って流れる。このように、放射素子３及びグランド板２に電流が流れると、アンテナ装置１から電波が送信されるようになっている。

アンテナ装置１が電波を受信する場合、所定の周波数の電波が放射素子３により受信されると、放射素子３およびグランド板２から、受信した電波に応じた振幅及び位相の電圧電流が給電手段に流れる。そして、給電手段に入射した電流は信号処理装置に伝達され、電気信号として処理される。

次に、本実施形態のアンテナ装置１のアンテナ特性について説明する。
まず、図６に示すように、導電部材を備えない従来のアンテナ装置においては、広い周波数帯域でＶＳＷＲ特性が均等に低下されており、阻止帯域が設定されていない。ここで、図６中、「Ｆｌａｔ」とは、図７に示すように、２つの単位給電面を線対称となるように配置することによりフラットな放射素子３３を構成する従来のアンテナ装置３０のことである。また、図６中「Ｃｒｏｓｓｅｄ」とは、図８に示すように、４つの単位給電面を中心軸を基準として９０°間隔で配置して放射素子５３を構成する従来のアンテナ装置５０のことである。このように、単位給電面の数を２つから４つに増加し、かつ４つの単位給電面を平面視十字形構造をとるように配置して放射素子５３を構成することによって、広範囲でＶＳＷＲ特性が低下し、より広い周波数帯域を使用帯域とすることができるようになっている。ここで、図６中、縦軸の「ＶＳＷＲ_５０」は、５０Ωで給電した際のＶＳＷＲ特性を示すこととする。

続いて、図９に示すように、導電部材を備える本発明に係るアンテナ装置においては、特定周波数における阻止帯域が設定されていることがわかる。また、金属線７の折曲箇所である中心Ｍの高さｈを変化させることにより、阻止帯域の中心周波数が変化するようになっている。つまり、中心Ｍの高さｈを変化させて金属線７の長さを調整することにより、阻止帯域の中心周波数を調整することができるようになっている。

以上より、本実施形態に係るアンテナ装置１によれば、中心軸５を基準として放射状に配置される複数の単位給電面６を備え、単位給電面６の中心軸５上に位置しない縁同士を結ぶ導電部材としての金属線７を備えることにより、アンテナ装置１に特定周波数における阻止帯域を設定することが可能である。

そして、アンテナ装置１自体に阻止帯域を設定することができるので、アンテナ装置に別途阻止フィルタ等を備える必要がなく、部品数の削減が可能である。また、アンテナ装置に阻止フィルタ等を備えて阻止帯域を設定する場合に比べて、予め所望の中心周波数の阻止帯域が設定されたアンテナ装置を製造することができるので、正確に阻止帯域を設定することが可能である。

また、放射素子３を構成する単位給電面６の形状を、基準直線６ａ、上部円弧曲線６ｂおよび側部エッジ曲線６ｃから形成される形状とするので、高周波数帯域においてもＶＳＷＲ特性を低下させることが可能である。したがって、阻止帯域以外の使用可能な周波数帯域をより広くすることが可能である。

また、放射素子３において単位給電面６を線対称に備えると、線対称形状の放射素子３とすることが可能であり、アンテナ装置１の放射パターンを均等にし、指向性を向上させることが可能である。

また、単位給電面６同士のなす角度が等しくなるように放射状に配置して放射素子３を構成することとすると、アンテナ装置１の放射パターンを均等にし、指向性を向上させることが可能である。

また、４つの単位給電面６を等角度（９０°）間隔で放射状に配置して放射素子３を構成することにより、平面視十字形構造とすることができ、低周波数帯域においてもＶＳＷＲ特性を低下させることが可能である。したがって、阻止帯域以外の使用可能な周波数帯域をより広くすることが可能である。

また、導電部材として金属線７を用いることにより、半田付け等電気的に接続することが容易であり、阻止帯域を簡便に設定することが可能である。

また、導電部材として金属線７を用いることにより、単位給電面６との接続に使用しない箇所を折曲させて長さを容易に調整することが可能であり、阻止帯域の中心周波数を調整することが可能である。したがって、所望の中心周波数で阻止帯域を設定することが可能なアンテナ装置１とすることができる。

また、金属線７を、単位給電面６の縁に接続されていない部分が中心軸５側に向けて近づくように備えた場合、金属線７が放射素子３から外側（中心軸５から遠ざかる方向）に突出することは無く、アンテナ装置１が大型化することを防止することが可能である。

さらに、金属線７は４つの単位給電面６の縁同士を全て結ぶので、放射素子３を一周することとなる。したがって、放射素子３の周囲に均等に金属線７が備えられ、放射パターンが不均衡になることを回避することができ、アンテナ装置１の指向性を低下させること無く阻止帯域を設定することが可能となる。

なお、本実施形態においては、４つの単位給電面６を用いることとしたが、図１０に示すように２つの単位給電面６を用いることとしても良い。その場合、単位給電面６を中心軸（図示省略）に関して線対称となるように配置すると、Ｆｌａｔな放射素子３が構成される。また、金属線７は単位給電面６の縁同士を結び、かつ、平面視円形となるように湾曲して備えられる。

また、図１１に示すように３つの単位給電面６を用いることとしても良い。その場合、単位給電面６を中心軸５を基準にして、単位給電面６同士のなす角度が等しくなるように放射状に配置する。また、金属線７は単位給電面６の縁同士を結び、かつ、平面視正三角形となるように備えられる。

本発明に係るアンテナ装置を示す斜視図である。 本発明に係るアンテナ装置の平面図である。 本発明に係るアンテナ装置の側面図である。 本発明に係るアンテナ装置の変形例を示す斜視図である。 本発明に係るアンテナ装置の変形例を示す側面図である。 従来のアンテナ装置のアンテナ特性を示すグラフである。 従来のアンテナ装置の斜視図である。 従来のアンテナ装置の斜視図である。 本発明に係るアンテナ装置の特性を示すグラフである。 本発明に係るアンテナ装置の変形例を示す斜視図である。 本発明に係るアンテナ装置の変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１ アンテナ装置
２ グランド板
２ａ 孔部
３ 放射素子
４ 給電線
５ 中心軸
６ 単位給電面
６ａ 基準直線
６ｂ 上部円弧曲線
６ｃ 側部エッジ曲線
７ 金属線

Claims (8)

1. グランド板と、該グランド板上に当該グランド板に垂直となるように配置された放射素子と、前記グランド板及び前記放射素子へ給電する給電手段とを有するアンテナ装置において、
   前記放射素子は、前記グランド板から垂直方向に沿った中心軸を基準として、放射状に配置される複数の単位給電面を備えており、
   前記単位給電面の縁は、
   前記中心軸上に位置する基準直線と、
   前記基準直線上の一点を中心とする円弧の一部である上部円弧曲線と、
   前記グランド板に最も近づく箇所と前記上部円弧曲線の一端とを結ぶ指数関数で表される曲線からなる側部エッジ曲線と、を備え、
   前記単位給電面の前記上部円弧曲線又は前記側部エッジ曲線同士を結ぶ導電部材を備えていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記放射素子は、前記中心軸を基準として線対称になるように前記単位給電面を備えることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記放射素子は、前記単位給電面同士のなす角度が等しくなるように前記単位給電面を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記単位給電面の数は４個であることを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記導電部材は金属線であり、前記単位給電面の前記上部円弧曲線又は前記側部エッジ曲線に電気的に接続されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
6. 前記金属線は、前記単位給電面の前記上部円弧曲線又は前記側部エッジ曲線に接続されていない箇所で折曲されてその長さを調整されることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 前記金属線は、前記単位給電面の前記上部円弧曲線又は前記側部エッジ曲線に接続されていない部分が、前記中心軸側に向けて近づくように備えられていることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ装置。
8. 前記金属線は、全ての前記単位給電面の前記上部円弧曲線又は前記側部エッジ曲線同士を結ぶことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のアンテナ装置。

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