(57)【要約】【課題】  UWB等の広帯域通信システムにおいて、他の無線通信システムが利用する周波数帯と競合する恐れがある周波数帯の放射を阻止すること可能な広帯域アンテナを提供する。【解決手段】  地盤17と地盤17上に所定の距離を隔てて設けられたアンテナ本体10から構成されている。アンテナ本体10は、給電素子14と誘電体基板12からなり、誘電体基板12の上面には、給電素子14から所定の間隙13を隔ててリング状の無給電素子11が設置されている。無給電素子11の外周には所定数の短絡ピン15が等間隔に設置されており、当該短絡ピン15により無給電素子11と地盤17が接続されている。各短絡ピン15の近傍の無給電素子11にはスリット16が設けられている。無給電素子11にスリット16を設けることにより、無給電素子11のスリット近傍にその形状により決まる周波数の共振回路が形成され、当該周波数成分が給電素子14から放射されることが阻止される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤上に設けられた給電素子と前記給電素子を間隙を隔てて取り囲む無給電素子と前記無給電素子を地盤に接続する複数の接続ピンからなる広帯域アンテナであって、
前記接続ピン近傍の無給電素子に特定周波数の放射が阻止される阻止帯域を生成するスリットを有することを特徴とする広帯域アンテナ。
【請求項２】
請求項１記載の広帯域アンテナであって、
前記給電素子と無給電素子は同心円の形状であり、前記接続ピンは無給電素子の外周に等間隔に設置されていることを特徴とする広帯域アンテナ。
【請求項３】
請求項２記載の広帯域アンテナであって、
前記スリットは無給電素子と同心円の円弧であることを特徴とする広帯域アンテナ。
【請求項４】
請求項２及び請求項３記載の広帯域アンテナであって、
阻止帯域の中心周波数の波長をλとした場合、前記スリットの長さは約λ／２であることを特徴とする広帯域アンテナ。
【請求項５】
請求項２記載の広帯域アンテナであって、
前記スリットはＬ字型と逆Ｌ字型の一対のスリットであることを特徴とする広帯域アンテナ。
【請求項６】
請求項５記載の広帯域アンテナであって、
阻止帯域の中心周波数の波長をλとした場合、前記Ｌ字型と逆Ｌ字型の各スリットの長さは約λ／４であることを特徴とする広帯域アンテナ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６記載の広帯域アンテナであって、
前記無給電素子を誘電体基板面に設けたことを特徴とする広帯域アンテナ。
【請求項８】
請求項１乃至請求項５記載の広帯域アンテナであって、
前記給電素子は前記地盤側から前記無給電素子側に向けて拡大する対数曲線の回転体の構造であることを特徴とする広帯域アンテナ。
【請求項９】
請求項８記載の広帯域アンテナであって、
前記対数曲線は、点(ｘ1，0，ｚ1)と点(0，0，ｚ2)の間において
ｘ＝−ｘ0exp［−ｔ(ｚ-ｚ1)］＋ｘ0＋ｘ1 
ｔ＝［ｌn(1+ｘ1/ｘ0)］/[ｚ1−ｚ2]
であることを特徴とする広帯域アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広帯域を利用した高速無線通信システムに用いるアンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
広帯域を利用した高速通信システムとしてUWB(Ultra.Wide.Band)が存在する。UWBは3.1 GHＺ〜10.6GHＺの帯域幅を利用し、データを広い周波数帯に拡散して送受信するものである。このシステムは、消費電力が少ない、妨害電波に強い、高速通信が可能等の特徴を有しており、各分野において注目されている。
UWBは極めて広い周波数帯を利用する通信であり、その全帯域で動作するアンテナが必要となる。広帯域で動作するパッチアンテナの例として下記の文献が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−９７１１５号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１１は上記文献に示されるパッチアンテナの一つの構成例を示す図であり、同図(ａ)は斜視図、(ｂ)は俯瞰図である。同パッチアンテナは地盤(グランド電極)91上に所定の距離を隔てて設けられた給電素子(放射電極)94と、放射電極94を間隙93を隔てて取り囲むリング状の無給電素子(無給電電極)92から構成されている。無給電素子92は複数の短絡ピン(接続電極)95-1乃至95-4により地盤91と接続されている。給電素子94は地盤91に設けられた穴96を貫通し、外導体が地盤91に接続された給電ライン97に接続されている。
送信信号の中心周波数の波長をλとした場合、給電素子94と地盤91の間隔を0.06λ〜0.12λ、給電素子94の外周部に沿った長さを0.1λ〜0.2λ、給電素子94の外周部と無給電素子92の内周部との距離を0.33λ〜0.67λ、無給電素子94の幅を0.05λ〜0.1λとする。また、無給電素子92の外周部に沿った長さを0.9λ〜１．1λ、無給電素子92の内周部に沿った長さを0.4λ〜0.6λに設定することにより、周波数帯域が拡大し、十数％の比帯域を可能としている。
【０００５】
UWBは3.1 GHZ〜10.6GHZの広い周波数帯域を利用する通信システムであるため、5GHＺ帯を利用する無線LAN等の既存の無線通信システムが利用する周波数帯と競合する恐れがある。このため、UWBの送信装置は他の通信システムとの干渉を回避する構成、上記無線LANの例では5GHＺ帯の放射を抑止する構成を持つことが必要となる。
従来は、UWBシステムの送信装置にフィルター、スリット等を追加することにより対応する帯域を抑止する方法が採られていた。これらの方法は、送信装置の構成が複雑となり、UWB帯域内において指向性が安定しない問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、地盤上に設けられた給電素子と、当該給電素子を取り囲むように地盤上に設けられ、地盤と短絡ピンにより接続された無給電素子を備えるアンテナにおいて、短絡ピン近傍の無給電素子にスリットを設けることにより、所望の周波数帯域に阻止域を形成するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は広帯域アンテナを構成する無給電素子にスリットを設けることにより所望の周波数帯域の放射を抑止するものである。従って、送信装置に対応する帯域を抑止するための構成を付加する必要が無く、安定した送信特性を得ることが可能となる。また、スリットの位置及び形状を変化させることにより、阻止域の中心周波数、帯域幅、抑止率等を任意に調整することが可能となる。
また、本発明は給電素子の形状を指数(EXP)曲線の回転構造とすることにより、低姿勢であり簡単な構造のアンテナとすることを可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る広帯域アンテナの第１の実施形態の斜視図
【図２】第１の実施形態の俯瞰図
【図３−１】本発明に係る広帯域アンテナの特性を測定した構造寸法を示す図
【図３−２】第１の実施形態の２ＧＨＺの放射パターンの図
【図３−３】第１の実施形態の８ＧＨＺの放射パターンの図
【図３−４】第１の実施形態の１２ＧＨＺの放射パターンの図
【図４−１】第１の実施形態におけるスリット長と周波数特性の関係を示す図
【図４−２】第１の実施形態におけるスリット長とVSWRの関係を示す図
【図４−３】第１の実施形態におけるスリット長と波長の関係を示す図
【図５】第２の実施形態の俯瞰図
【図６−１】第２の実施形態の２ＧＨＺの放射パターンの図
【図６−２】第２の実施形態の８ＧＨＺの放射パターンの図
【図６−３】第２の実施形態の１２ＧＨＺの放射パターンの図
【図７−１】第２の実施形態におけるスリット長と周波数特性の関係を示す図
【図７−２】第２の実施形態におけるスリット長とVSWRの関係を示す図
【図７−３】第２の実施形態におけるスリット長と波長の関係を示す図
【図８】第２の実施形態においてスリットの幅と周波数特性の関係を示す図
【図９−１】第２の実施形態のスリットの他の形状を示す図
【図９−２】図９−１のスリットの長さと周波数特性の関係を示す図
【図１０−１】給電素子の形状との周波数特性の関係を示す図
【図１０−２】給電素子の形状との周波数特性の関係を示す図
【図１１】広帯域アンテナの従来例の図
【実施例】
【０００９】
図1は本発明に係る阻止帯域を有する広帯域アンテナの第１の実施形態を示す図であり、同図(ａ)は全体の斜視図、(ｂ)は給電素子の図である。また、図２(ａ)は第１の実施形態に係るアンテナの俯瞰図であり、同図(ｂ)はその一部を拡大した詳細図である。
図１(ａ)に示されるアンテナは、地盤17と地盤17上に所定の距離を隔てて設けられたアンテナ本体10から構成されている。アンテナ本体10の中央部には、直径が２Ｘ1の給電素子14が位置し、その周囲には誘電体の基板12が設けられている。また、地盤17には貫通穴19が設けられており、外導体が地盤17に接続された給電ライン18が貫通し、給電素子14の底部に接続されている。
【００１０】
誘電体基板12の上面には、給電素子14から所定の間隙13を隔ててリング状の無給電素子11が設置されている。無給電素子11の外周には所定数(同実施形態では４本)の短絡ピン15が等間隔に設置されており、当該短絡ピン15により無給電素子11と地盤17が接続されている。各短絡ピン15の近傍の無給電素子11にはスリット16が設けられている。
図１(ｂ)に示されるように、給電素子14は地盤17から無給電素子11に向けて拡大する対数曲線の回転体の構造を有している。回転体の上面の円形が図１(ｂ)の給電素子14として表されている。また、当該回転体の下部に給電ライン18が接続される。
【００１１】
図２は図１に示される第１の実施形態に係るアンテナの俯瞰図である。地盤17は直径がＤGPの円盤である。無給電素子11、誘電体基板12、給電素子14からなるアンテナ本体10が、地盤17上に所定の距離を隔てて設置されている。
アンテナ本体10の中心部に直径が２Ｘ1の給電素子14(図１(ｂ)に示される回転体の上面)が位置する。
給電素子14の外周から所定の間隙13を隔ててリング状の無給電素子11が誘電体基板12の上面に設置されている。無給電素子11の内周の直径はＤIN,ringであり、外周の直径はＤOUT,ringである。
無給電素子11の外周には４本の短絡ピン15-1乃至15-4が等間隔に設置されており、当該短絡ピンにより無給電素子11は地盤17と接続されている。
各短絡ピン近傍の無給電素子11にはスリット16-1乃至16-4が設けられている。図２(ｂ)は短絡ピン15-1とスリット16-1の近傍の詳細図である。
【００１２】
各スリットは、内側と外側が無給電素子11と同心円の円弧であり、長さはＬslitである。また、スリットの中央部に対応する無給電素子11の外縁に短絡ピンが設けられている。図２(ｂ)は無給電素子11の外縁に設けられた短絡ピン15-1が円弧状のスリット16-1の中央に位置することを示すものである。スリットの内縁と無給電素子11の外縁の距離をＳVとする。
同構成の、給電素子14−間隙13−無給電素子11の内周部−スリット16-1−無給電素子11の外周部−短絡ピン15-1−地盤17により、スリットの長さＬslitが波長λの約1/2に相当する周波数の共振回路が形成され、当該周波数の成分は放射素子14から放射されず、阻止周波数となる。
【００１３】
図３−１は本件発明に係るアンテナの特性の測定に使用した構造寸法を示す表である。図３−２乃至図３−４は、図１及び図２に示される第１の実施形態に係るアンテナにおいて、周波数が、２ＧHＺ、８ＧHＺ、１２ＧHＺの放射パターンを示す図である。各図の(ａ)はＸ−Ｙ平面、即ち、アンテナ本体10の上面に平行な面(φ)の放射パターンである。同図から水平方向の放射は各周波数においてスリットの存在に影響されること無く、全方向にほぼ均一の放射が行われることが観測される。
各図の(ｂ)と(ｃ)はＺ軸を含む垂直面(θ)の放射パターンであり、上方が天頂方向、下方が地盤方向である。各図の(ｂ)は短絡ピンを含む垂直面、(ｃ)は(ｂ)と４５度の位置、即ちスリットが存在しない垂直面の放射パターンである。同図から、いずれの周波数においても、天頂方向への放射はゼロとなり、天頂方向から約３０度から６０度の角度で最大の放射となる。また、スリットの位置による放射パターンの変化はほとんど無く、全周に渡ってほぼ均一な放射が得られることがわかる。
【００１４】
図４−１乃至図４−３は第１の実施形態に係るアンテナにおいて、スリット16の長さＬslitを変化させて測定した周波数特性である(スリットの幅Ｗslitとスリットの内径から無給電素子の外周までの距離Ｓvは固定)。
図４−１(ａ)の(1)、(2)、(3)(図では丸数字で示されている、以下同じ)は、Ｌslitが(1)20.43mm、(2)23.38mm、(３)26.72mmの場合のスミスチャートであり、(ｂ)の(1)、(2)、(3)は横軸を周波数としたインピーダンスのリアルパートを、(4)、(5)、(6))(図では丸数字で示されている、以下同じ)はイマジナリーパートを示す。また、図４−２の(1)、(2)、(3)は各ＬslitのVSWR(電圧定在波比)−周波数特性を示す。図４−３は、Ｌslitが26.72mmの時、阻止帯域の中心周波数λSが約4.3ＧHＺとなること、及び、λSとＷslit、Ｌslit、及びＳVの比を示すものである。
図４−１乃至図４−３から、Ｌslitを(1)、(2)、(3)と長くすると、反比例して阻止帯域の中心周波数は、約5.4ＧHＺ、4.9ＧHＺ、4.3ＧHＺと低域へシフトすることがわかる。
【００１５】
図５は本発明の第２の実施形態を示す図である。同実施形態は無給電素子の各短絡ピン近傍に設けられたスリットが、Ｌ字型と逆Ｌ字型の一対のスリットから構成されている。図５(ａ)は第２の実施形態に係るアンテナの俯瞰図であり、同図(ｂ)は一部を拡大した詳細図である。同図おいて第１の実施形態と同一の構成部は図２と同一の符号が付されている。
第２の実施形態は第１の実施形態と同様、無給電素子11の外周に４つの短絡ピン35-1乃至35-4が等間隔に設置されている。無給電素子11の各短絡ピン近傍にはＬ字型と逆Ｌ字型の一対のスリット36-1乃至36-4が設けられている。
図５(ｂ)は短絡ピン35-1とスリット36-1の近傍の詳細図である。スリット36-1はＬ字型のスリット36-1-1と逆Ｌ字型のスリット36-1-2の一対のスリットにより構成されている。Ｌ字型及び逆Ｌ字型のスリットを構成する２つの辺の第１の辺は無給電素子11と同心円の円弧である。また、前記２つの辺の第２の辺は、前記第１の辺の一端から無給電素子11の外縁に至り開口する構造である。
短絡ピン35-1はＬ字型のスリット36-1-1と逆Ｌ字型のスリット36-1-2の第２の辺の開口部が位置する無給素子11の外縁に設けられている。
【００１６】
図５(ｂ)のスリット36-1-1及びスリット36-1-2の第１の辺の長さをＳL、第２の辺の長さをＳV、各スリットの幅をＷslitで表す。
第２の実施形態に係る構成により、給電素子14−間隙13−無給電素子11の内周部−スリット36-1-1(及び、スリット36-1-2)−無給電素子11のスリット36-1-1とスリット36-1-2の間の部位−短絡ピン35-1−地盤17により、スリットの長さＳL＋ＳVが波長λの約1/4に相当する周波数の共振回路が形成され、当該周波数成分は放射素子14から放射されず、阻止周波数となる。
【００１７】
図６−１乃至図６−３は、第１の実施形態における図３−２乃至図３−４に対応する測定結果である。図６−１乃至図６−３の(ａ)に示される測定図から、各周波数においてスリットの存在に影響されること無く、水平方向の全方向にほぼ均一の放射が行われることが観測される。また、同図の(ｂ)及び(ｃ)に示される放射パターンから、各周波数においてＺ軸の天頂方向への放射はゼロとなり、約３０度から６０度の角度で最大の放射が得られること、及び、スリットの位置による放射パターンの変化はほとんど無く、全周に渡ってほぼ均一な放射が得られることがわかる。
【００１８】
図７−１乃至図７−３は、図５に示される第２の実施形態に係るアンテナにおいて、スリットの長さＬslit(ＳL＋ＳV)を変化させて測定した周波数特性が示される(スリットの幅Ｗslitは0.83mmに固定)。
図７−１(ａ)の(1)、(2)は、スリットの内径から無給電素子の外周までの距離、即ち第２辺の長さＳvを2.5mmとし、第１の辺の長さＳLを(1)8.46mm及び(2)9.16mmとした場合のスミスチャートであり、(ｂ)の(1)と(2)は横軸を周波数としたインピーダンスのリアルパートを、(3)と(4)はイマジナリーパートを示す。また、図７−２の(1)と(2)は各ＳLのVSWR−周波数特性を示す。図７−３は、ＳLが8.46mmの時、阻止帯域の中心周波数λSは約5.3ＧHZとなることと、当該周波数の波長とスリットの各長さの関係を示すものである。
図４−１乃至図４−３から、ＳLを(1)、(2)と変化させ、Ｌslitを8.46mm、9.16mmとすると、阻止帯域の中心周波数は約5.3ＧHＺ、5.0ＧHＺとなり、Ｌslitの増加に反比例して低域へシフトすることがわかる。
【００１９】
図８は、図５に示される第２の実施形態に係るアンテナにおいて、スリットの幅Ｗslitを順次増加させた時(結果として、第２の辺の長さＳvも増加する)の周波数特性を示す図である。
図８(ａ)の(1)、(2)、(3)、(4)、(5)は、Ｗslitが(1)0.40mm、(2)0.83mm、(3)1.24mm、(4)1.67mm、(5)2.10mmの時のスミスチャートであり、(ｂ)は各ＷslitにおけるVSWR−周波数特性を示す。同図から、Ｗslitを(1)、(2)、(3)、(4)、(5)と長くすると阻止帯域の中心周波数ｆsが低域へシフトすると共に、阻止域の帯域幅が増加することがわかる。
【００２０】
図４−２及び図７−２に示されるようにスリットを長くすることにより阻止帯域の中心周波数を低域へシフトさせことが可能である。スリットを長くする方法として、スリットを折り返す構造が可能である。スリットを折り返すことにより、Ｌslit(ＳL)を長くし、阻止帯域の中心周波数を低域へ大きくシフトさせことが可能となる。図９−１は図５に示される構成において、Ｌ字型と逆Ｌ字型のスリットの第１の辺を折り返すことにより、ＳLをＳL1＋ＳL2とし、ほぼ２倍の長さとしたものである。
図９−２(ａ)の(1)、(2)、(3)、(4)、(5)は、ＳL(ＳL1＋ＳL2)を(1)5.93mm、(2)8.46mm、(3)9.16mm、(4)15.4mm、(5)23.6mmと変化さけた時のスミスチャートであり、(ｂ)は各ＳLにおけるVSWR−周波数特性を示す図である。図７−２と図９−２(ｂ)を比較すると、スリットを折り返すことにより、ＳLは15.4mm、23.6mmと長くなり、阻止帯域の中心周波数が3.4GHZ、2.9GHZと低域へ大きくシフトすることがわかる。
【００２１】
本発明は給電素子の形状を変更することにより阻止帯域の特性を変化させることが可能である。図１０−１及び図１０−２は、阻止帯域の特性を調整することが可能であるとともに、低姿勢であり安定した構造となり、かつ安定した特性が得られる給電素子の構成例である。
図１０−１(ａ)は上記目的を達成する給電素子の形状の一例を示すものである。同形状は、Ｘ−Ｚ面のＰ点(ｘ1，0，ｚ1)とＱ点(0，0，ｚ2)の間を
ｘ＝−ｘ0exp［−ｔ(ｚ-ｚ1)］＋ｘ0＋ｘ1  
ｔ＝［ｌn(1+ｘ1/ｘ0)]/[ｚ1−ｚ2]
で表される指数曲線とし、当該曲線をＺ軸を中心に回転して得られる回転体である。ｘ0、ｘ1、ｚ1、及びｚ2を変更することにより給電素子14の形状が変わり、阻止帯域の特性を調整することが可能となる。
図１０−１(ｂ)はｘ0が、(1)0.005、(2)0.001、(3)0.0001の時のスミスチャートである。また、図１０−２(ａ)は上記ｘ0に対応するVSWR−周波数特性図であり、図１０−２(ｂ)はｘ0と阻止帯域の中心周波数とVSWRの関係を表したものである。
同図から、ｚ0を固定値としｘ0の値を大きくすると阻止域の減衰量が増えることがわかる。
【００２２】
図１乃至図１０−２に示される構成は、誘電体基板12の中心部に給電素子14を設け、その上面に無給電素子11を設置する構成である。本発明に係る広帯域アンテナにおいて、誘電体基板12は必須の要素ではなく省略可能である。誘電体基板12を省略する構成では、無給電素子11と給電素子14は短絡ピン15-1乃至15-4(又は、35-1乃至35-4)と給電ライン18により、地盤17から離して固定する構成、或いは、他の支持体により地盤17から離して固定する構成が可能である。
しかし、無給電素子11と地盤17の間に誘電体を用いることにより、誘電体の誘電率(εr)によってアンテナの大きさを、
【数１】
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に小型化することが可能となる。
【００２３】
地盤17は無給電素子11の外径以上の大きさがあれは十分である。第１及び第２の実施形態は外径がＤGPの円形の導体を地盤として用いる構成であるが、当該アンテナを自動車等に設置する場合、自動車の金属製の車体を地盤とすることも可能である。
上記各実施形態は、給電素子と無給電素子を同心円の形状とするものであるが、本発明を正方形のように円形以外の形状の給電素子と無給電素子により構成されたアンテナに適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は地盤上に給電素子と当該給電素子から所定の間隔を隔てて設置された無給電素子からなる広帯域アンテナに関するものであり、具体的には、UWB等の広帯域を利用した高速通信システムに利用可能な広帯域アンテナに関するものである。利用する周波数帯域が広いUWBでは、利用する周波数と他の通信システムが利用する周波数帯が競合する場合がある。従来は、送信装置に競合する周波数帯を阻止する構成が必要であり、構造が複雑となり、特性が不安定となる問題があった。
本発明、給電素子の外周に位置する無給電素子にスリットを設けことにより、所望の周波数の共振回路を構成し、当該周波数成分がアンテナから放射されるのを阻止する構成である。本発明は、無給電素子にスリットを設けるという簡単な構成により、競合の恐れがある周波数帯の放射を確実に阻止することが可能となる。また、スリットの幅を変更する等、スリットの形状を適宜選択することにより、阻止帯域の中心周波数のみならず、阻止帯域の帯域幅、減衰率を所望の値に設定することが可能である。
本発明の一つの実施形態では、給電素子として地盤側から無給電素子側に向けて拡大する対数曲線の回転体の構造を採用する。この構成によりアンテナの高さを抑えることが可能となり、広帯域アンテナを低姿勢とすることが可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図３−３】
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【図３−４】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図４−３】
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【図５】
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【図６−１】
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【図６−２】
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【図６−３】
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【図７−１】
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【図７−２】
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【図７−３】
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【図８】
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【図９−１】
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【図９−２】
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【図１０−１】
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【図１０−２】
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【図１１】
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