JP4548281B2

JP4548281B2 - 広帯域アンテナ

Info

Publication number: JP4548281B2
Application number: JP2005252142A
Authority: JP
Inventors: 圭介福地
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2025-08-31
Also published as: US20070247384A1; JP2007067900A; CN1925224A; US7405705B2; US20070046554A1; CN1925224B; US7372417B2

Description

本発明は、広帯域アンテナ、特に、次世代・超高速通信方式であるＵＷＢ（ＵｌｔｒａＷｉｄｅＢａｎｄ）通信機器用に適用可能なＵＷＢ等の広帯域アンテナに関するものである。

ＵＷＢ（ウルトラワイドバンド）は、ワイヤレスで、光ファイバ以上の高速通信が可能になる技術であり、２．４ＧＨｚ帯を利用するブルートゥース（登録商標）や現行の５ＧＨｚ帯（ＩＥＥＥ８０２．１１ａ）等を利用する無線ＬＡＮに代わる通信手段として期待されている。

ＵＷＢは、３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚという広帯域で且つマルチバンドな周波数領域を用いて１００Ｍ〜１Ｇ／ｂｐｓとうい高速データ通信を実現する通信方式であり、これに用いるアンテナには、これまでにない広帯域性が求められる。

現状第１期のＵＷＢ通信には、３〜５ＧＨｚの帯域が使用されていることがほぼ決まっている。さらにワイヤレスＬＡＮなどの併用を考慮した場合、２．３〜６ＧＨｚの帯域をカバーすることが望まれる。

従来のＵＷＢ用アンテナとしては、特許文献１に提案されるように、ホームベース形状の導体を誘電体で挟み、ベースボール形状の頂部を電源を挟んでグランドに接続したもの、特許文献２に提案されるようなシェルピンスキーアンテナを改良したもの、特許文献３に示されるようにパッチアンテナを改良したものなど種々のアンテナが提案されている。

特開２００５−９４４３７号公報特開２００４−３４３４２４号公報特開２００５−９４４９９号公報

しかしながら、小型且つ薄型でありながら、２．３〜６ＧＨｚといったような広帯域をカバーし、かつ比帯域５０％以上の広帯域アンテナは実現できていない。

本発明の目的は、小型且つ薄型でありながら、広帯域な周波数帯をカバーし、かつ比帯域５０％以上の広帯域アンテナを提供することにある。

前記の目的を達成するために、請求項１の発明は、広帯域な周波数帯を送受信するための広帯域アンテナであって、矩形の導体板にボウタイ状スリットを形成し、そのボウタイ状スリットの中央部で対向する２つの頂角部の一方に、前記ボウタイ状スリット内であって該ボウタイ状スリットの両端側に向けて延びる補助アンテナ素子を形成し、その補助アンテナ素子を形成した頂角部に給電部を、他方の頂角部にグランド部を形成した広帯域アンテナである。

請求項２の発明は、前記ボウタイ状スリットが、菱形や横長テーパー形状等を二つ並べて連結或いは横８の字形状に形成される請求項１記載の広帯域アンテナである。

請求項３の発明は、前記ボウタイ状スリットのスリット長さは、送受信する波長帯域の低周波側に共振する長さに形成され、前記補助アンテナ素子の各放射素子の長さは、送受信する波長帯域の高周波側に共振する長さに形成される請求項１又は２記載の広帯域アンテナである。

請求項４の発明は、金属板を打ち抜いて、前記矩形の導体板を形成すると共に、その導体板に、前記ボウタイ状スリットと前記補助アンテナ素子とを形成した請求項１〜３いずれかに記載の広帯域アンテナである。

請求項５の発明は、広帯域な周波数帯を送受信するための広帯域アンテナであって、矩形の導体板に、横長の菱形状やテーパー形状の異形スリットを形成すると共にその異形スリットの一端側と連通する切り欠きスリットを形成し、該切り欠きスリットで対向する２つの横角部の一方に、前記異形スリット内であって該異形スリットの他端側に向けて延びる補助アンテナ素子を形成し、その補助アンテナ素子の基部を形成した横各部に給電部を、他方の横角部にグランド部を形成した広帯域アンテナである。

請求項６の発明は、前記異形スリットは、矩形の導体板の上辺側に位置するように形成されて、前記異形スリットから矩形の導体板の下辺側にグランド片が形成される請求項５記載の広帯域アンテナである。

本発明は、小型且つ薄型でありながら、２．３〜６ＧＨｚといった周波数帯域をカバーし、かつ比帯域５０％以上の広帯域アンテナを実現できる。

以下本発明の実施形態を添付図面により説明する。

図１、図２は、本発明の広帯域アンテナＡ１の一実施の形態を示したもので、図１は金属板をプレスで打ち抜いた状態を、図２は、同軸ケーブルを接続してアンテナＡ１を構成した図である。

図１、２において、１０は厚さ０．１〜０．５ｍｍの金属板をプレスで打ち抜いて形成した導体板で、矩形状に形成され、その矩形状の導体板１０にボウタイ状スロット１１がプレス打ち抜きで形成される。

矩形状の導体板１０は、横が８０ｍｍ、縦が４０ｍｍの矩形に形成され、ボウタイ状スリット１１は、菱形を横に二つ並べて連結した形状に形成される。

このボウタイ状スリット１１の中央部で対向する一方の頂角部１２ａの両側に、ボウタイ状スリット１１に沿って延びる放射素子１３、１３が形成されて補助アンテナ素子１４が構成される。

この補助アンテナ素子１４側の頂角部１２ａに給電部１５が、他方の頂角部１２ｂにグランド部１６が形成され、図２に示すように同軸ケーブル１７の内側の給電線１８が給電部１５に半田付けされ、外側の外導体１９がグランド部１６に半田付けされる。

ボウタイ状スリット１１のスリット長さＬ11は、送受信する波長帯域の低周波側に共振する長さに形成され、例えば、７６ｍｍに、また最大幅ｗ11が９ｍｍ、中央部の頂角部１２ａ，１２ｂ間の幅ｗ12が２ｍｍに形成される。

また、補助アンテナ素子１４の放射素子１３，１３の長さＬ13は、送受信する波長帯域の高周波側に共振する長さ、すなわち高周波側波長の概ね１／４波長に形成される。本形態では、長さＬ13は、６ＧＨｚ（波長５０ｍｍ）の１／４波長である１２．５ｍｍに形成される。

この図１，図２に示した広帯域アンテナＡ１においては、ボウタイ状スリット１１に形成される電界により低周波側の共振が得られ、補助アンテナ素子１４で高周波側の共振が得られる。

このボウタイ状スリット１１によりスリットアンテナと補助アンテナ素子１４による共振周波数を互いに異なる相補的な値を選ぶことにより目標とする広帯域化が図れる。

図３（ａ）、図３（ｂ）は本発明の他の実施の形態を示したものである。

本実施の形態の広帯域アンテナＡ２は、導体板１０に、横長の８の字状のボウタイ状スリット２１を形成したもので、その他の構成は図１，２と基本的に同じであり、厚さ０．１〜０．５ｍｍの金属板をプレスで打ち抜いて矩形の導体板１０を形成し、その導体板１０に横長８の字状のボウタイ状スリット２１を形成し、そのボウタイ状スリット２１の中央部で対向する一方の頂角部１２ａの両側に、ボウタイ状スリット２１に沿って延びる放射素子１３、１３が形成されて補助アンテナ素子１４が構成される。

この補助アンテナ素子１４側の頂角部１２ａに給電部１５が、他方の頂角部１２ｂにグランド部１６が形成され、図３（ｂ）に示すように同軸ケーブル１７の内側の給電線１８が給電部１５に半田付けされ、外側の外導体１９がグランド部１６に半田付けされる。

この横長８の字状のボウタイ状スリット２１は、曲線で形成されるため、スリット２１間での空間と金属境界の電界分布がスムーズとなり、曲率を調整することにより、低周波側の目標とする共振帯の調整がより容易となる。

図４は、図１，２に示した広帯域アンテナＡ１と図３に示した広帯域アンテナＡ２のリターンロスの測定結果を示したもので、実線ａは、図１，２に示した広帯域アンテナ特性を、点線ｂは、図３に示した広帯域アンテナ特性を示す。

図４より、いずれのアンテナＡ１，Ａ２も、アンテナとして十分な共振を示す指針となるリターンロスの値が−６．０２ｄＢ以下（ＶＳＷＲ＝３．０以下）で、２．３〜６ＧＨｚまで帯域があることが分かる。

帯域の広さを表す指針となる比帯域（帯域／中心周波数）は８９％になり、きわめて広帯域であることが分かり、２．３〜６ＧＨｚまでの発振を実現できていることが分かる。

これは、ワイヤレス通信方式としては、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇ（２．４〜２．５ＧＨｚ）、ＵＷＢ（３〜５ＧＨｚ）、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ（４．９〜５．９ＧＨｚ）の３方式のバンドをカバーすることができるアンテナが実現できていることを意味している。

なお、ボウタイ状スリット１１，２１として菱形を２つ横に並べた形状や横長８の字状に形成する例を示したが、共振させる低周波側の周波数帯に応じてその形状を適宜変更することは勿論であり、また補助アンテナ素子１４の長さも共振させる高周波側の周波数帯に応じて適宜変更することができる。またグランド部１６は、設置する金属筐体との電気的結合を良好とするために、そのグランド部側の導体板１０に金属筐体と接触させるための接触部を設けることも可能であり、金属筐体をアンテナグランドとして利用することにより、小型かつ高性能なアンテナとすることができる。

図５、図６は、本発明のさらに他の実施の形態を示すものである。

上述した実施の形態においては、導体板１０にボウタイ状スリット１１，２１を形成し、そのボウタイ状スリット１１，２１の中央部で同軸ケーブル１７を接続する例を示したが、低周波数側の共振を得るためには、ボウタイ状スリット１１，２１は約７０ｍｍ近くの長さが必要となり、ノートＰＣ等に設置するにはさらなる小型化が必要である。

そこで、本実施の形態では、図１，２で示した広帯域アンテナＡ１をボウタイ状スリット１１の中央部から切断して広帯域アンテナＡ３としたものである。

すなわち図６（ａ）に示すように、銅合金等の金属板をプレス等にて打ち抜いて、矩形の導体板１０（例えば横４０ｍｍ、縦３０ｍｍ）を形成し、その矩形の導体板１０に、横長の菱形状からなる異形スリット３１（横３８ｍｍ、縦１０ｍｍ）を形成すると共にその異形スリット３１の一側の横角部３２ａ、３２ｂから矩形の導体板１０の縦辺にかけて切り欠きスリット３３を形成し、その切り欠きスリット３３で対向する一方の横角部３２ａから異形スリット３１に延びる補助アンテナ素子３４（長さ１２ｍｍ）を形成し、その補助アンテナ素子３４の基部（一方の横角部３２ａ）に給電部３５を形成し、切り欠きスリット３１を介して対向する他方の横角部３２ｂにグランド部３６を形成したものである。

この菱形状の異形スリット３１は、矩形の導体板１０の上辺側に位置するように形成されて、異形スリット３１から矩形の導体板１０の下辺側に、上辺側より面積が大きいグランド片１０ｇが形成されようにする。

このように異形スリット３１と補助アンテナ素子３４をプレス等にて打ち抜いて形成した後、導体板１０の表裏をポリイミドフィルム４０でラミネートし、その後、上辺側を、谷折りして起立部１０ｓを形成する。

また、同軸ケーブル１７（外径１．１３ｍｍ、長さ５１０ｍｍ）は、図示のように異形スリット３１の長手方向に沿うように配置し、その内側の給電線１５を補助アンテナ素子３４の基部の給電部３５に半田付けし、また外側の外導体１９を横角部３２ｂのグランド部３６に半田付けして広帯域アンテナＡ３を構成する。

図５は、図６の広帯域アンテナＡ３をノートＰＣ４２に装着した例を示し、アンテナＡ３をディスプレイ４３の裏面とカバーの間に設置した状態を示している。

図７は、図６に示した広帯域アンテナＡ３のアンテナ特性を示し、図７（ａ）は周波数に対するリターンロスを、図７（ｂ）は、周波数における電圧定在波比（ＶＳＷＲ）を示したものである。

図７（ａ）、図７（ｂ）に示すようにリターンロスが−７．３６ｄＢ以下（ＶＳＷＲ２．５以下）の帯域は約２．３〜６ＧＨｚと広帯域のアンテナが実現できている。

図８は、図６（ｂ）で示したアンテナＡ３の座標を、図示のようにｘ−ｙ−ｚとし、図５のようにノートＰＣ４２に実装したときの、２．４５ＧＨｚ（図８（ａ））と、３ＧＨｚ（図８（ｂ））と、５．１ＧＨｚ（図８（ｃ））のｘ−ｙ平面の放射パターンを示したもので、図において、実線ｈは、水平偏波、点線ｖは垂直偏波を示す。

図８に示すように、アンテナＡ３は、２．４５ＧＨｚ、３ＧＨｚ、５．１ＧＨｚ帯とも無指向性でありながら、それぞれの周波数において利得が高いことが分かる。

図９（ａ）は、２．３〜２．５ＧＨｚ帯の平均利得を、図９は３〜６ＧＨｚ帯の平均利得を示したものである。

この図９より、アンテナＡ３は、広帯域にわたってフラットでかつ高利得のアンテナが実現できていることが分かる。

次に、図１０、図１１に本発明のさらに他の実施の形態を示し、図１と図３のアンテナＡ１，Ａ２を変形した例を示したもので、図１０は、導体板１０に形成するボウタイ状スリット１１Ａを、二等辺三角形（テーパー形状）の頂角同士を向き合うように接合し、これを横にして構成したアンテナＡ４例を示し、図１１は、ボウタイ状スリット１１Ｂを、ネクタイ形状の基部を向き合うように接合し、これを横にして構成したアンテナＡ５の例を示す。

この図１０，図１１の広帯域アンテナＡ４，Ａ５は、ボウタイ状スリット１１Ａ、１１Ｂの形状を変更したものであり、これにより、スリット間の電界分布を変更できるため、低周波側で共振させたい波長に応じたアンテナの設計が行える。

また、図１２は、本発明のさらに他の実施の形態を示したもので、図６のアンテナＡ３を変形したもので、異形スリット３１Ａを菱形状とする代わりに横長三角形状にしてアンテナＡ６を構成したものである。

このアンテナＡ６においても、異形スリット３１Ａを横長三角形状にすることで電界分布が変更でき、低周波側の共振波長を変更できる。

以上のように、本発明の広帯域アンテナは、比帯域５０％で、２．３〜６ＧＨｚ帯に共振する広帯域アンテナを実現している。

本発明の一実施の形態を示す図である。図１の広帯域アンテナに同軸ケーブルを接続した状態を示す図である。本発明の他の実施の形態を示す図である。図１と図２の広帯域アンテナのアンテナ特性を示す図である。本発明において、図６のアンテナＡ３をノートＰＣに組み込んだ使用状態を示す図である。本発明のさらに他の実施の形態を示す図である。図６のアンテナＡ３のリターンロスと電圧定在比の特性を示す図である。図６のアンテナＡ３の各周波数におけるｘ−ｙ面の放射パターンを示す図である。図６のアンテナＡ３の周波数における平均利得を示す図である。本発明のさらに他の実施の形態を示す図である。本発明のさらに他の実施の形態を示す図である。本発明のさらに他の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１０導体板
１１、１１Ａ、１１Ｂ、２１ボウタイ状スリット
１２ａ，１２ｂ頂角部
１４、３４補助アンテナ素子
１５給電部
１６グランド部
３１、３１Ａ異形スリット

Claims

広帯域な周波数帯を送受信するための広帯域アンテナであって、矩形の導体板にボウタイ状スリットを形成し、そのボウタイ状スリットの中央部で対向する２つの頂角部の一方に、前記ボウタイ状スリット内であって該ボウタイ状スリットの両端側に向けて延びる補助アンテナ素子を形成し、その補助アンテナ素子を形成した頂角部に給電部を、他方の頂角部にグランド部を形成したことを特徴とする広帯域アンテナ。
前記ボウタイ状スリットが、菱形や横長テーパー形状を二つ並べて連結或いは横８の字形状に形成される請求項１記載の広帯域アンテナ。
前記ボウタイ状スリットのスリット長さは、送受信する波長帯域の低周波側に共振する長さに形成され、前記補助アンテナ素子の各放射素子の長さは、送受信する波長帯域の高周波側に共振する長さに形成される請求項１又は２記載の広帯域アンテナ。
金属板を打ち抜いて、前記矩形の導体板を形成すると共に、その導体板に、前記ボウタイ状スリットと前記補助アンテナ素子とを形成した請求項１〜３いずれかに記載の広帯域アンテナ。
広帯域な周波数帯を送受信するための広帯域アンテナであって、矩形の導体板に、横長の菱形状やテーパー形状の異形スリットを形成すると共にその異形スリットの一端側と連通する切り欠きスリットを形成し、該切り欠きスリットで対向する２つの横角部の一方に、前記異形スリット内であって該異形スリットの他端側に向けて延びる補助アンテナ素子を形成し、その補助アンテナ素子の基部を形成した横各部に給電部を、他方の横角部にグランド部を形成したことを特徴とする広帯域アンテナ。
前記異形スリットは、矩形の導体板の上辺側に位置するように形成されて、前記異形スリットから矩形の導体板の下辺側にグランド片が形成される請求項５記載の広帯域アンテナ。