(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体の一端面に形成された略錐状の窪みと、前記窪みの表面に設けられた放射電極と、前記誘電体の一端面に対向する他端面に近接略平行して設けられたグランド導体とを備え、前記放射電極の略頂点部位と前記グランド導体の部位との間に電気信号が給電される構成のモノコニカル・アンテナであって、
前記誘電体の比誘電率εrを略１０以下の値にするとともに、前記誘電体の一端面に形成された略錐状の窪みの内角α（錐の中心軸から側面までの角度）を比誘電率εrとの関係を記述した下式に則って決定される値のプラス・マイナス数度の範囲内とする、
ことを特徴とするモノコニカル・アンテナ。
【数１】
0003649224.tif 000004
【請求項２】
前記略錐状の窪みの内角αは、円錐の場合は円錐の中心軸から側面までの角度であり、楕円錐又は角錐の場合は中心軸から側面までの角度のうち最小角と最大角の平均とする、
ことを特徴とする請求項１に記載のモノコニカル・アンテナ。
【請求項３】
前記略錐状の窪みに放射電極を充填するように形成する、
ことを特徴とする請求項１に記載のモノコニカル・アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線ＬＡＮを始めとする無線通信で使用されるアンテナに係り、特に、誘電体の一端面に形成された略錐状の窪みに設けられた放射電極と誘電体の他端面に設けられたグランド導体からなるモノコニカル・アンテナに関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、本来の広帯域特性の資質を十分に維持したまま、誘電体装荷により小型化を実現するモノコニカル・アンテナに関する。
【０００３】
【従来の技術】
近年、無線ＬＡＮシステムの高速化、低価格化に伴い、その需要が著しく増加してきている。特に最近では、人の身の回りに存在する複数の電子機器間で小規模な無線ネットワークを構築して情報通信を行なうために、パーソナル・エリア・ネットワーク（ＰＡＮ）の導入の検討が行なわれている。例えば、２．４ＧＨｚ帯や、５ＧＨｚ帯など、監督官庁の免許が不要な周波数帯域を利用して、異なった無線通信システムが規定されている。
【０００４】
無線ＬＡＮを始めとする無線通信では、アンテナを介した情報伝送が行なわれる。例えば、モノコニカル・アンテナは、誘電体からなる略円錐状の窪みに形成された放射電極と、この誘電体の底面に形成されたグランド電極からなるが、放射電極とグランド電極の間に立つ誘電体による波長短縮効果により、比較的広帯域特性を持つ小型のアンテナを構成することができる。
【０００５】
広帯域特性を持つアンテナは、例えば、データを例えば３ＧＨｚから１０ＧＨｚという超広帯域な周波数帯域に拡散して送受信を行なうＵＷＢ（ウルトラ・ワイド・バンド）通信に利用することができる。また、小型のアンテナは、無線機器の小型軽量化に貢献する。
【０００６】
例えば、特開平８−１３９５１５号公報には、無線ＬＡＮ用の小型の誘電体垂直偏波アンテナについて開示されている。この誘電体垂直偏波アンテナは、円柱の誘電体の一方の底面を円錐形にくり抜いてその部分に放射電極を形成し、反対側の底面にアース電極を形成し、放射電極はアース電極側に貫通孔の導体を介して引き出される（同公報の図１を参照のこと）。
【０００７】
また、同公報の図５には、この誘電体垂直偏波アンテナのアンテナ特性が示されている。同図によれば、概ね１００ＭＨｚ程度の動作帯域（中心周波数が概ね２．５ＧＨｚなので、比帯域幅は約４％である）である。モノコニカル・アンテナは、本来、１オクターブ以上の動作帯域を有するものであり、期待されている広帯域特性を十分に発揮しているとは言い難い。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、本来の広帯域特性の資質を十分に維持したまま誘電体装荷により小型化を実現することができる優れたモノコニカル・アンテナを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、誘電体の一端面に形成された略錐状の窪みと、前記窪みの表面に設けられた放射電極と、前記誘電体の一端面に対向する他端面に近接略平行して設けられたグランド導体とを備え、前記放射電極の略頂点部位と前記グランド導体の部位との間に電気信号が給電される構成のモノコニカル・アンテナであって、
前記誘電体の一端面に形成された略錐状の窪みの内角αを比誘電率εrに応じた所定の規範に則って決定する、
ことを特徴とするモノコニカル・アンテナである。
【００１０】
但し、ここで言う「窪みの内角」とは、錐の中心軸から側面までの角度とする。
【００１１】
本発明によれば、モノコニカル・アンテナが本来持っている広帯域特性の資質を十分に維持したまま、誘電体装荷による小型化を実現することができる。
【００１２】
ここで、前記誘電体の一端面に形成された略錐状の窪みの内角αと比誘電率εrとの関係を記述した下式に則って決定することができる。
【００１３】
【数２】
0003649224.tif 000002
【００１４】
本発明者らは、幾つかのシミュレーション結果から、誘電体の一端面に形成する円錐の最適整合をもたらす内角値が、覆われる誘電体の比誘電率εrに依存していることを見出した。そして、適宜近似式を立て、その係数を調整することにより、上記の近似式を得ることができる。
【００１５】
また、前記略錐状の窪みの内角αは、円錐の場合は円錐の中心軸から側面までの角度であり、楕円錐又は角錐の場合は中心軸から側面までの角度のうち最小角と最大角の平均とする。
【００１６】
また、前記略錐状の窪みに放射電極を充填するように形成してもよい。
【００１７】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００１９】
本発明は、モノコニカル・アンテナが本来持っている広帯域特性の資質を十分に維持したまま、誘電体装荷による小型化を実現するものである。
【００２０】
図１には、本発明の一実施形態に係るモノコニカル・アンテナ１の外観構成を示している。
【００２１】
同図に示すように、モノコニカル・アンテナ１は、誘電体柱１０の一端面に形成された略円錐状の窪み１１と、窪みの表面に設けられた放射電極１２と、誘電体１０の一端面に対向する他端面に近接略平行して設けられたグランド導体１３とを備え、放射電極１２の略頂点部位１４とグランド導体１３の部位との間に電気信号が給電されるようになっている。
【００２２】
本実施形態に係るモノコニカル・アンテナ１の場合、誘電体１０の一端面に形成された略円錐状の窪み１１の内角α（錐の中心軸から側面までの角度）を比誘電率εrに応じた所定の規範に則って決定するようになっている。この規範とは、例えば以下の通りである。
【００２３】
▲１▼モノコニカル・アンテナ１を比誘電率εr＝２の誘電体で覆う場合、円錐内角が概ね４５度となるように構成する。
▲２▼モノコニカル・アンテナ１を比誘電率εr＝３の誘電体で覆う場合、円錐内角が概ね３７度となるように構成する。
▲３▼モノコニカル・アンテナ１を比誘電率εr＝５の誘電体で覆う場合、円錐内角が概ね２８度となるように構成する。
▲４▼モノコニカル・アンテナ１を比誘電率εr＝８の誘電体で覆う場合、円錐内角が概ね２３度となるように構成する。
【００２４】
上記の拠り所となる規範は、誘電体１０の一端面に形成された円錐状の窪み１１の内角αを比誘電率εrとの関係を記述した下式である。
【００２５】
【数３】
0003649224.tif 000003
【００２６】
ここで、設定内角の有効範囲は、上式で与えられる値のプラス・マイナス数度程度の範囲であり、この範囲内であれば実用上問題はない。
【００２７】
上述したようなモノコニカル・アンテナの構成方法によれば、アンテナの帯域幅を飛躍的に向上させることができる。
【００２８】
図２及び図３には、本実施形態に係る構成に基づくモノコニカル・アンテナの周波数特性の計算例（電磁界シミュレーションによる結果）を示している。図２には、比誘電率εrが３で円錐内角が４０度の場合、図３には、比誘電率εrが８で円錐内角が２２度の場合の周波数特性を、スミス・チャート（中心５０Ω）とＶＳＷＲ特性の形態でそれぞれ示している。
【００２９】
いずれの構成例でも、スミス・チャートの中心付近において渦巻き形状の特性を持ち、良好な周波数特性を得ている。また、ＶＳＷＲは２以下となる周波数領域において良好なアンテナ特性を持つとされているが、いずれの構成例においてもＶＳＷＲ≦２の比帯域幅がほぼ１００％に達しており、特開平８−１３９５１５号公報で示されている特性例に比し、飛躍的に帯域幅を向上させていることが判る。
【００３０】
本発明に係るモノコニカル・アンテナの構成方法として、誘電体１０の一端面に形成される窪み１１は円錐形状に限定されるものではない。楕円錐あるいは角錐の場合であっても、本発明の効果を同様に奏することができる。角錐を窪みとした場合のその内角αの定義は、「中心軸から側面までの角度のうち、最小角と最大角の平均」とする。
【００３１】
また、誘電体柱１０の外形についても特に限定されない。基本的には、円柱や角柱など放射電極を覆うものであれば何でもよい。また、放射電極は、円錐状の窪み１１の表面に形成されるもの以外に、窪み１１に充填するように形成してもよい。
【００３２】
なお、誘電体１０の比誘電率εrの有効範囲は概ね１０程度までである。
【００３３】
本発明者らは、誘電体の一端面に形成する円錐の内角αを設定する規範となる式［数３］を、電磁界シミュレーションによる擬似実験を介して近似的に導き出した。図４〜図７に示すように、幾つかのシミュレーション結果から、誘電体の一端面に形成する円錐の最適整合をもたらす内角値が、覆われる誘電体の比誘電率εrに依存していることを見出した。そして、適宜近似式を立て、その係数を調整することにより、設計上有意な近似曲線を得ることができる。以下、図４〜図７について、説明を加えておく。
【００３４】
図４には、誘電体１０の比誘電率εrが１の場合の各内角に対する周波数特性（右側、上段より内角５８度の場合、内角４０度の場合、内角２４度の場合の３ケース）と、本発明に係る内角設定式による場合のプロット図（左側）と、両者の関係を示している。周波数特性図は、スミス・チャートとＶＳＷＲ特性図により示されている。
【００３５】
同図の右側の周波数特性図より、内角が概ね５８度の場合、スミス・チャートにおいて略中心付近に渦巻きを持つとともに、ＶＳＷＲ≦２の比帯域幅が最も大きいことが判る。すなわち、最適な整合をもたらす内角が５８度であり、且つ、その内角値が本発明にかかる内角設定式のプロット線の極近傍に位置することが判る。
【００３６】
また、図５には、誘電体１０の比誘電率εrが３の場合の各内角に対する周波数特性（右側、上段より内角５８度の場合、内角４０度の場合、内角２４度の場合の３ケース）と、本発明に係る内角設定式による場合のプロット図（左側）と、両者の関係を示している。周波数特性図は、スミス・チャートとＶＳＷＲ特性図により示されている。
【００３７】
同図の右側の周波数特性図より、内角が概ね４０度の場合、スミス・チャートにおいて略中心付近に渦巻きを持つとともに、ＶＳＷＲ≦２の比帯域幅が最も大きいことが判る。すなわち、最適な整合をもたらす内角が４０度であり、且つ、その内角値が本発明にかかる内角設定式のプロット線の極近傍に位置することが判る。
【００３８】
また、図６には、誘電体１０の比誘電率εrが５の場合の各内角に対する周波数特性（右側、上段より内角４０度の場合、内角２６度の場合、内角１５度の場合の３ケース）と、本発明に係る内角設定式による場合のプロット図（左側）と、両者の関係を示している。周波数特性図は、スミス・チャートとＶＳＷＲ特性図により示されている。
【００３９】
同図の右側の周波数特性図より、内角が概ね２６度の場合、スミス・チャートにおいて略中心付近に渦巻きを持つとともに、ＶＳＷＲ≦２の比帯域幅が最も大きいことが判る。すなわち、最適な整合をもたらす内角が２６度であり、且つ、その内角値が本発明にかかる内角設定式のプロット線の極近傍に位置することが判る。
【００４０】
また、図７には、誘電体１０の比誘電率εrが８の場合の各内角に対する周波数特性（右側、上段より内角３６度の場合、内角２２度の場合、内角１０度の場合の３ケース）と、本発明に係る内角設定式による場合のプロット図（左側）と、両者の関係を示している。周波数特性図は、スミス・チャートとＶＳＷＲ特性図により示されている。
【００４１】
同図の右側の周波数特性図より、内角が概ね２２度の場合、スミス・チャートにおいて略中心付近に渦巻きを持つとともに、ＶＳＷＲ≦２の比帯域幅が最も大きいことが判る。すなわち、最適な整合をもたらす内角が２２度であり、且つ、その内角値が本発明にかかる内角設定式のプロット線の近傍に位置することが判る。
【００４２】
［追補］
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、本来の広帯域特性の資質を十分に維持したまま誘電体装荷により小型化を実現することができる優れたモノコニカル・アンテナを提供することができる。
【００４４】
本発明によれば、誘電体装荷モノコニカル・アンテナの適用範囲を飛躍的に拡大することができるので、例えばＵＷＢ通信システムの小型アンテナとして実用に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るモノコニカル・アンテナ１の外観構成を示した図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る構成に基づくモノコニカル・アンテナの周波数特性の計算例（電磁界シミュレーションによる結果）を示した図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る構成に基づくモノコニカル・アンテナの周波数特性の計算例（電磁界シミュレーションによる結果）を示した図である。
【図４】誘電体１０の比誘電率εrが１の場合の各内角に対する周波数特性（右側）と、本発明に係る内角設定式による場合のプロット図（左側）と、両者の関係を示した図である。
【図５】誘電体１０の比誘電率εrが３の場合の各内角に対する周波数特性（右側）と、本発明に係る内角設定式による場合のプロット図（左側）と、両者の関係を示した図である。
【図６】誘電体１０の比誘電率εrが５の場合の各内角に対する周波数特性（右側）と、本発明に係る内角設定式による場合のプロット図（左側）と、両者の関係を示した図である。
【図７】誘電体１０の比誘電率εrが８の場合の各内角に対する周波数特性（右側）と、本発明に係る内角設定式による場合のプロット図（左側）と、両者の関係を示した図である。
【符号の説明】
１…モノコニカル・アンテナ
１０…誘電体
１１…窪み
１２…放射電極
１３…グランド導体
１４…放射電極１２の略頂点部位
【図１】
0003649224.tif 000005
【図２】
0003649224.tif 000006
【図３】
0003649224.tif 000007
【図４】
0003649224.tif 000008
【図５】
0003649224.tif 000009
【図６】
0003649224.tif 000010
【図７】
0003649224.tif 000011