JP5058515B2

JP5058515B2 - Ｚ型広帯域アンテナ

Info

Publication number: JP5058515B2
Application number: JP2006151722A
Authority: JP
Inventors: 晶夫倉本; 拓志望月
Original assignee: NEC Corp; Renesas Electronics Corp
Current assignee: NEC Corp; Renesas Electronics Corp
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: JP2007324841A

Description

本発明は、金属板や誘電体プリント基板等による簡易な構成のアンテナに関し、特に、小型で広帯域なアンテナに関する。

近年、ＵＷＢ（ウルトラワイドバンド）技術を利用して、ＵＳＢ(Universal Serial Bus)をワイヤレスで実現するために、広帯域のアンテナが必要になっている。さらに、地上波デジタル放送のテレビ受信用アンテナやＵＷＢ技術を用いたワイヤレスＴＶ用のアンテナにおいて、非常に広い帯域のアンテナが必要になっている。

例えば、ＵＷＢ技術を用いた通信の周波数では、すべての帯域を使用する場合、３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚが想定されている。最近では、ＵＳＢのインターフェース機器は、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る。

図２３は、従来の広帯域アンテナとして、ディスコーンアンテナを示す。このアンテナは、広帯域な特性が得られる特徴がある。

また、無線通信装置の回路の接地に接続されるように配された接地面とバンド状に形成された放射構造体とからなるＲＦ信号送受信用アンテナであって、放射構造体がその長さに沿って複数のセクションが形成されるように折り曲げられているバンド状の放射構造体を含む広帯域アンテナがある（例えば、特許文献１参照）。
特表２００２−５１０９２６号公報

しかしながら、従来の広帯域アンテナは、以下のような欠点がある。第１に寸法が大きく、第２に立体的であり、第３に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。

また、従来の広帯域アンテナでは、放射素子を小さくできてもグランド板が非常に大きく、全体として小型の機器を構成することが困難であった。

そこで本発明は、金属板や誘電体プリント基板等による簡易な構成で、小型で広帯域なＺ型広帯域アンテナを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明による第１のＺ型広帯域アンテナは、Ｚ字形状またはＳ字形状の断面を有する導体板によって構成される放射素子と、この放射素子の下面端部から静電容量を形成するためのギャップを介して配置され、導体板によって構成されるグランドとによって構成され、前記グランドに沿って給電導体を配置し、前記放射素子に接続して給電し、前記ギャップは、前記放射素子の下面部と前記グランドをプリント基板の同一面に平行に配置することにより設けられ、前記放射素子のＺ字形状またはＳ字形状の上面部の長さが最低使用周波数の約０．１２波長、前記放射素子のＺ字形状またはＳ字形状の斜面部の長さが最低使用周波数の約０．０７波長、前記放射素子のＺ字形状またはＳ字形状の下面部の長さが最低使用周波数の約０．０６波長、であることを特徴とする。
また、上記の課題を解決するため、本発明による第２のＺ型広帯域アンテナは、Ｚ字形状またはＳ字形状の断面を有する導体板によって構成される放射素子と、この放射素子の下面端部から静電容量を形成するためのギャップを介して配置され、導体板によって構成されるグランドとによって構成され、前記グランドに沿って給電導体を配置し、前記放射素子に接続して給電し、前記ギャップは、前記放射素子の下面部と前記グランドをプリント基板の異なる面に立体的に重ならないように配置することにより設けられ、前記放射素子のＺ字形状またはＳ字形状の上面部の長さが最低使用周波数の約０．１２波長、前記放射素子のＺ字形状またはＳ字形状の斜面部の長さが最低使用周波数の約０．０７波長、前記放射素子のＺ字形状またはＳ字形状の下面部の長さが最低使用周波数の約０．０６波長、であることを特徴とする。

本発明によるＺ型広帯域アンテナは、金属板等を断面がＺ字形状またはＳ字形状に折り曲げただけの放射素子とグランド板による簡単な構造である。よって、板金加工等で非常に安価に製作が可能である。

本発明によれば、断面がＺ字形状またはＳ字形状の板状導体を放射素子として用いることにより、広帯域、コンパクト、簡単な構成で、安価なアンテナが実現できる。特にＵＳＢスティックタイプのＵＷＢ通信機器の実現が可能である。

次に、本発明の最良の形態について図面を参照して説明する。

実施形態１

図１は、本発明によるＺ型広帯域アンテナの第１の実施形態の構成を示す。本実施形態のＺ型広帯域アンテナは、薄い金属板などの導体より構成された放射素子１と、金属板等の導体によって構成されるグランド板５と、同軸ケーブル１０より構成される。放射素子１は、金属板等の導体板を、断面がＺ字形状またはＳ字形状になるように折り曲げたものである。グランド板５は、放射素子１の下面部４の端部から、静電容量を形成するためのギャップを介して配置されている。

そして、同軸ケーブル１０を金属グランド板５の中央にはわせ、同軸外部導体１３をグランド板５に沿って連続的に接続させ、かつ、同軸中心導体１２を放射素子１の下面部に接続して給電した構造とする。

放射素子１は、上面部２、斜面部３、下面部４より、その断面がＺ字状またはＳ字状に折り曲げた形状で構成される。図１において、上面部２は、その開放端側がやや下向きに折り曲げられているが、水平または上向きな構成も可能である。

各部の寸法については、以下の場合に良好な特性を示すことが確認されている。すなわち、使用する最低使用周波数の波長換算で計算した場合、放射素子１の幅は約０．１波長、上面部２の長さは約０．１２波長、斜面部３の長さは約０．０７波長、下面部４の長さは約０．０６波長である。上面部２、斜面部３、下面部４の長さを全て足すと約０．２５波長になり、この値は、モノポールアンテナの長さと同一になる。

また、グランド板５の大きさは、最低使用周波数の約０．１波長×約０．２５波長、又はそれ以下である。

また、放射素子とグランド板との間のギャップの幅は、最低使用周波数の１／２００〜１／５０波長である。

図２は、第１の実施形態の詳細図で、上面図と側面図を示す。側面図よりわかるように、放射素子１の下面部４が、同軸ケーブル１０の同軸中心導体１２にハンダ付けされた構成になっている。この場合、同軸中心導体１２の接続は、下面部４の上側でも下側でも良い。

実施形態２

図３は、Ｚ型広帯域アンテナの第２の実施形態の構成を示す。図１及び図２との違いは、サポート６があることである。すなわち、図１の構造では、放射素子１を、同軸中心導体１２のみで支えることになり、強度的に弱いという問題があるため、サポート６により、放射素子１とグランド５を物理的に支持した構造にしたものである。この場合、サポート６は、導体ではなく誘電体が用いられる。サポート６と、グランド５または放射素子１との接合は、接着剤や熱融着、ネジなどで止める。

実施形態３

図４は、Ｚ型広帯域アンテナの第３の実施形態の構成を示す。また、図５に側面図、図６に組立図を示す。図４は、誘電体のプリント基板２０を用いて、図１と同じ電気的なモデルを構成したものである。すなわち、プリント基板２０の下側（裏面）にある導体のグランド２１が、図１のグランド５に相当する。そして、プリント基板２０の上側（表面）に配置されるマイクロストリップライン２２は、プリント基板２０とグランド２１によって、マイクロストリップ線路を構成し、図１の同軸ケーブル１０と同等の役目を果たしている。マイクロストリップライン２２は、スルーホール２３を介して、導体より成る下面部３５に接続される。下面部３５は、図１の下面部４に相当している。そして、下面部３５は、スルーホール３６を介して、導体より成る底面部３３に接続される。底面部３３は、導体よりなる斜面部３２を経て、導体よりなる上面部３１に接続される。この場合は、上面部３１、斜面部３２、底面部３３、上導体３４、スルーホール３６、下面部３５から構成される放射素子３０が、図１の放射素子１に相当する。なお、上記において、スルーホール３６は、図６に示すように、なるべく複数設け、底面部３３と下面部３５が、高周波的に短絡となるように高周波抵抗やリアクタンス成分を小さくするのが好ましい。

実施形態４

図７は、Ｚ型広帯域アンテナの第４の実施形態の構成を示す。図４〜６の構造との違いは、放射素子４０の形状の違いによる。すなわち、放射素子４０は、導体よりなる上面部４１と、導体よりなる斜面部４２と、導体よりなる底面部４３と、導体よりなる上導体４４と、導体のスルーホール３５と、導体よりなる下面部３５より構成される。この構成において、斜面部４２と底面部４３の接続位置が、図４〜６の構成と反対側になっている。しかし、いずれの接続でも、電気的なモデルとして観ると、図１の構成と等価といえる。

実施形態５

図８は、Ｚ型広帯域アンテナの第５の実施形態の構成を示す。また、図９に側面図を示す。図７との違いは、上導体４６の形状である。すなわち、図７における上導体４４と下面部３５の代わりに、上導体４４を延長した形として、上導体４６のように延ばし、マイクロストリップライン２２を直接接続することで給電を行っている。

実施形態６

図１０は、Ｚ型広帯域アンテナの第６の実施形態の構成を示す。図８との違いは、マイクロストリップライン２２と上導体４６の間に整合部２４が挿入されていることである。整合部２４を挿入することで、インピーダンス整合がとりやくなるという利点がある。

図１１は、図１０の上面図を示す。（１）は、上から見て、グランド２１が、整合部２４の下側の段差と一致している場合である。同様に、（２）は、グランド２１が、整合部２４の中間の位置まで延びている場合である。（３）は、グランド２１が、整合部２４よりも上側で、上導体４６の下あるいは、上導体４６の下を通り過ぎて、上から見て重なる部分ができるぐらいまで、グランド２１を延ばした構成である。これらの形状は、アンテナのインピーダンス整合を良好に保つために、適宜、適当な構造が選択される。

実施形態７

図１２は、Ｚ型広帯域アンテナの第７の実施形態の構成を示す。図８との違いは、上導体５０の形状の違いである。すなわち、図１２では、上導体５０のマイクロストリップライン２２に接続される側がテーパ状に、ななめに形成されている。

この場合の上面図を図１３に示す。（１）は、上から見て、グランド２１が、マイクロストリップライン２２と上導体５０との接合部より下まで延びている構成である。（２）は、グランド２１が、接合部と一致した場合である。（３）は、グランド２１が、接合部よりも上まで延びている場合である。これらの形状も、図１１同様、アンテナのインピーダンス整合を良好に保つために、適宜、適当な構造が選択される。

実施形態８

図１４は、Ｚ型広帯域アンテナの第８の実施形態の構成を示す。図１２との違いは、上導体６０の形状の違いである。すなわち、図１４では、上導体６０のマイクロストリップライン２２に接続される側が曲線の円弧状に形成されている。

この場合の上面図を図１５に示す。（１）は、上から見て、グランド２１が、マイクロストリップライン２２と上導体６０との接合部より下まで延びている構成である。（２）は、グランド２１が、接合部と一致した場合である。（３）は、グランド２１が、接合部よりも上まで延びている場合である。これらの形状も、図１１同様、アンテナのインピーダンス整合を良好に保つために、適宜、適当な構造が選択される。

実施形態９

図１６は、Ｚ型広帯域アンテナの第９の実施形態の構成を示す。図８との違いは、グランド６１の形状の違いである。すなわち、図１６では、グランド６１の上導体４６側の形状がテーパ状になっている。

この場合の上面図を図１７に示す。（１）は、上から見て、グランド６１が、マイクロストリップライン２２と上導体４６との接合部より下まで延びている構成である。（２）は、グランド６１が、接合部と一致した場合である。（３）は、グランド６１が、接合部よりも上まで延びている場合である。これらの形状も、図１１同様、アンテナのインピーダンス整合を良好に保つために、適宜、適当な構造が選択される。

図１８は、本発明によるＺ型広帯域アンテナの良好なインピーダンス整合を得るための、整合の種類の上面図を示す。（１）は、図８において、グランド２１がやや下側にずれた場合である。（２）のマイクロストリップライン７２は、図８におけるマイクロストリップライン２２が、下側が広がるテーパ状になったものである。（３）のマイクロストリップライン７３は、図８におけるマイクロストリップライン２２が、上側が広がるテーパ状になったものである。

（４）は、図１０の構成で、マイクロストリップライン２２の途中にスタブ７６が付加された場合である。（５）は、図１０の構成で、整合部２４の途中にスタブ７７が付加された場合である。これらの形状も、アンテナのインピーダンス整合や帯域特性を良好に保つために、適宜、適当な構造が選択される。

図１９は、本発明によるＺ型広帯域アンテナに用いられる様々な放射素子の斜視図を示す。（１）の放射素子８１は、図７の放射素子４０と同じ形状である。（２）の放射素子８２は、（１）の放射素子８１の上面部を水平にしたものである。（３）の放射素子８３は、（１）の放射素子８１の上面部を上向きにしたものである。

（４）の放射素子８４は、（２）のＳ字形状の屈曲部を９０度の角度に限定して擬似形成した形状である。図２０は、放射素子８４を用いた場合の第１０の実施形態の側面図を示す。（５）の放射素子８５は、（４）の上面部先端を凸形の円弧状に変形したものである。（６）の放射素子８６は、（４）の上面部先端を凹形の円弧状に変形したものである。これらの形状も、アンテナのインピーダンス整合や帯域特性を良好に保つために、適宜、適当な構造が選択される。

図２１は、図１の構成で試作した場合のＺ型広帯域アンテナの寸法を示す。上面図を参照すると、放射素子の幅は約０．１波長、放射素子とグランド板とを合わせた長さは、約０．４５波長である。側面図を参照すると、放射素子の上面部の長さは約０．１２波長、斜面部の長さは約０．０７波長、下面部の長さは約０．０６波長である。上面部と斜面部のなす角度は３０°、斜面部と下面部のなす角度は４５°である。また、放射素子とグランド板との間のギャップは１ｍｍである。

図２２は、図２１の寸法におけるＺ型広帯域アンテナのリターンロス特性を示す。本試作例では、２．８ＧＨｚ〜１１ＧＨｚ以上まで、ＶＳＷＲ２．５以下が得られている。

比帯域＝帯域／中心周波数なので、ＶＳＷＲ２．５以下が得られる帯域の場合、
（１１−２．８）／（（１１＋２．８）／２）×１００％＝１１８％
となる。

以上、本発明によるＺ型広帯域アンテナは、前述の３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚをカバーするために、概ね、幅１０ｍｍ×長さ４５ｍｍ×高さ７ｍｍで実現可能である。すなわち、ＵＳＢスティックサイズで、広帯域アンテナを実現できる。この寸法は、最低使用周波数の３．１ＧＨｚの波長で換算すると、０．１波長×０．４５波長×０．０７波長のサイズである。この場合、放射素子部分の大きさは、概ね、幅１０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、高さ７ｍｍとなり、アンテナのグランドとしてのエリアは、ＵＷＢのトランシーバ用ＬＳＩが搭載されるエリアと兼用できる。

本発明によるＺ型広帯域アンテナは、グランド板を含めて０．１波長×０．４５波長の大きさで、比帯域１１８％以上（ＶＳＷＲ２．５以下とした場合）の広帯域で小型のアンテナを構成でき、小型の機器が実現可能となる。これによって、ＵＳＢスティックタイプのＵＷＢ通信機器の実現が可能となる。

本発明によるＺ型広帯域アンテナは、ＵＷＢ無線技術を用いたアンテナ、無線ＬＡＮ用アンテナ、携帯電話用アンテナ、地上波デジタル放送のテレビ受信用アンテナ、その他、小型で広い帯域を必要とする用途のアンテナに利用することができる。

本発明によるＺ型広帯域アンテナの第１の実施形態の構成図である。第１の実施形態の詳細図である。第２の実施形態の構成図である。第３の実施形態の構成図である。第３の実施形態の側面図である。第３の実施形態の組立図である。第４の実施形態の構成図である。第５の実施形態の構成図である。第５の実施形態の側面図である。第６の実施形態の構成図である。第６の実施形態の上面図である。第７の実施形態の構成図である。第７の実施形態の上面図である。第８の実施形態の構成図である。第８の実施形態の上面図である。第９の実施形態の構成図である。第９の実施形態の上面図である。整合の種類の上面図である。放射素子の斜視図である。第１０の実施形態の側面図である。Ｚ型広帯域アンテナの実施例を示す図である。Ｚ型広帯域アンテナのリターンロス特性を示す図である。従来の広帯域アンテナの例を示す図である。

符号の説明

１放射素子
２上面部
３斜面部
４下面部
５グランド板
１０同軸ケーブル
１１コネクタ
１２同軸中心導体
１３同軸外部導体

Claims

Ｚ字形状またはＳ字形状の断面を有する導体板によって構成される放射素子と、
この放射素子の下面端部から静電容量を形成するためのギャップを介して配置され、導体板によって構成されるグランドとによって構成され、
前記グランドに沿って給電導体を配置し、前記放射素子に接続して給電し、
前記ギャップは、前記放射素子の下面部と前記グランドをプリント基板の同一面に平行に配置することにより設けられ、
前記放射素子のＺ字形状またはＳ字形状の上面部の長さが最低使用周波数の約０．１２波長、前記放射素子のＺ字形状またはＳ字形状の斜面部の長さが最低使用周波数の約０．０７波長、前記放射素子のＺ字形状またはＳ字形状の下面部の長さが最低使用周波数の約０．０６波長、であることを特徴とするＺ型広帯域アンテナ。
Ｚ字形状またはＳ字形状の断面を有する導体板によって構成される放射素子と、
この放射素子の下面端部から静電容量を形成するためのギャップを介して配置され、導体板によって構成されるグランドとによって構成され、
前記グランドに沿って給電導体を配置し、前記放射素子に接続して給電し、
前記ギャップは、前記放射素子の下面部と前記グランドをプリント基板の異なる面に立体的に重ならないように配置することにより設けられ、
前記放射素子のＺ字形状またはＳ字形状の上面部の長さが最低使用周波数の約０．１２波長、前記放射素子のＺ字形状またはＳ字形状の斜面部の長さが最低使用周波数の約０．０７波長、前記放射素子のＺ字形状またはＳ字形状の下面部の長さが最低使用周波数の約０．０６波長、であることを特徴とするＺ型広帯域アンテナ。
前記給電導体をプリント基板の表面に配置されたマイクロストリップラインとして、前記放射素子の下面部に接続し、前記プリント基板の裏面に前記グランドを配置した構造とすることを特徴とする請求項１に記載のＺ型広帯域アンテナ。
前記マイクロストリップラインと前記放射素子の下面部との接続部にインピーダンス整合のための整合部を有する構造としたことを特徴とする請求項３に記載のＺ型広帯域アンテナ。
前記プリント基板の表面に正対した場合の、前記下面部の前記マイクロストリップラインに接続される側が、テーパー状に、ななめに形成されていることを特徴とする請求項３に記載のＺ型広帯域アンテナ。
前記プリント基板の表面に正対した場合の、前記下面部の前記マイクロストリップラインに接続される側が、曲線の円弧状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のＺ型広帯域アンテナ。
前記給電導体をプリント基板の表面に配置されたマイクロストリップラインとして、前記プリント基板の裏面に配置された下面部にスルーホールを介して接続し、当該下面部と前記プリント基板の表面に配置された前記Ｚ字形状またはＳ字形状の断面を有する導体板とをスルーホールを介して接続し、前記プリント基板の裏面に前記グランドを配置した構造とすることを特徴とする請求項１に記載のＺ型広帯域アンテナ。
前記放射素子は、その幅が最低使用周波数の約０．１波長、Ｚ字形状またはＳ字形状の上面部、斜面部、下面部の長さ合計が約０．２５波長であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のＺ型広帯域アンテナ。
前記グランドの大きさが、最低使用周波数の約０．１波長×約０．２５波長、又はそれ以下であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載のＺ型広帯域アンテナ。
前記ギャップの幅が、最低使用周波数の１／２００〜１／５０波長であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載のＺ型広帯域アンテナ。