(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、コンピュータなどの無線インターフェースとして利用可能なように小型軽量化され、精度良く製造されたバイコニカル・アンテナを提供することにある。【解決手段】  バイコニカル・アンテナ１０ａは、円柱形状の上面Ａおよび下面Ｂのそれぞれから中心に向けて円錐台形状の空洞１４ａ，１６ａを有し、円錐台形状の頂部Ｃ，Ｄの平面同士が平行に対向している誘電体１２ａと、上面Ａの側の空洞１４ａの内面に設けられた導体膜である給電部１８ａと、下面Ｂの側の空洞１６ａの内面に設けられた導体膜であるグランド部２０ａと、を有する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状の上面および下面のそれぞれから中心に向けて円錐台形状の空洞を有し、該円錐台形状の頂部の平面同士が平行になって対向している誘電体と、
前記上面側の空洞の内面に設けられた導体膜である給電部と、
前記下面側の空洞の内面に設けられた導体膜であるグランド部と、
を有するバイコニカル・アンテナ。
【請求項２】
前記給電部の高さが、前記グランド部の高さよりも高い請求項１に記載のバイコニカル・アンテナ。
【請求項３】
前記下面において、前記柱状の誘電体と一体的に形成され、内部に円筒形状の空洞を有する誘電体と、
前記円筒形状の空洞の内面に設けられ、前記グランド部に接続された導体膜であるグランド補強部と、
を有する請求項２に記載のバイコニカル・アンテナ。
【請求項４】
前記上面側の円錐台形状の頂部に設けられた円盤形の空洞と、
前記円盤形の空洞の内面に設けられた導体膜であるリフレクターと、
を有する請求項１乃至３に記載のバイコニカル・アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信をおこなうためのバイコニカル・アンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、超広帯域を利用する通信技術であるＵＷＢ（Ultra
Wideband）が注目されている（非特許文献１、非特許文献２参照）。ＵＷＢは、３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚの帯域において、幅がわずか１ｎｓ程度のパルスを使用する。周波数上で見ると、数ＧＨｚ幅という非常に広い帯域を占有する格好になる。したがって、高速通信をおこなうことが可能となる。
【０００３】
ＵＷＢにおける通信可能距離は短いため、コンピュータと周辺機器とのデータ伝送をおこなうための無線インターフェースへの利用が考えられている（非特許文献３、非特許文献４参照）。
【０００４】
ＵＷＢで使用されるアンテナには、バイコニカル・アンテナがある。バイコニカル・アンテナに関しては、特許文献１や特許文献２に、その構造などが開示されている。
【０００５】
図１１に示すように、一般的なバイコニカル・アンテナ４０は、円錐台形状の金属４２，４４がギャップＧを介して対向している。その内の一方が給電部４２であり、他方がグランド部４４である。給電部４２は、同軸ケーブル３４の中心導体３０に接続されている。グランド部４４は、同軸ケーブル３４のシールド導体３２に接続されている。給電部４２の側面（傾斜面）で電磁波の放射または受信をおこなう。
【０００６】
上述したように、コンピュータでＵＷＢを使用することが考えられている。したがって、アンテナ４０をコンピュータに取り付けたりする必要があり、小型化することが望ましい。特にノート型パソコンに取り付ける場合は、アンテナの小型化が望まれる。例えば、特許文献２では、ギャップの長さが数ｃｍ、その他の部分も数十ｃｍくらいの大きさがあり、非常に大型である。なお、特許文献１には大きさは記載されていない。特許文献１や特許文献２には、アンテナを小型化し、コンピュータの無線インターフェースとして使用するようなことは記載されていない。従来技術のままでは、バイコニカル・アンテナ４０を用いたコンピュータの無線インターフェースは断念しなくてはならない。
【０００７】
また、ＵＷＢの周波数帯域は上述したようにマイクロ波帯域である。したがって、アンテナ４０の製造は、かなりの精度が要求される。アンテナ製造時に、アンテナ４０の形状・寸法の誤差が生じたり、アンテナ４０の表面に傷などがつくと、アンテナ特性が変化してしまう。円錐台形状に金属を削り出したり、アンテナ４０を組み立てたりするときに、極めて精密な製造が要求される。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１８５９４２号公報
【特許文献２】特開平９−８５５０号公報
【非特許文献１】日経エレクトロニクス  ２００３  ２−１７  no.８４１  日経ＢＰ社
【非特許文献２】NIKKEIMICRODEVICES  ２００３．８  No.２１８  日経ＢＰ社
【非特許文献３】日経エレクトロニクス  ２００４  ２−１６  no.８６７  日経ＢＰ社
【非特許文献４】日経エレクトロニクス  ２００４  ３−１５  no.８６９  日経ＢＰ社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、コンピュータなどの無線インターフェースとして利用可能なように小型軽量化され、精度良く製造されたバイコニカル・アンテナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のバイコニカル・アンテナの要旨は、円柱形状の上面および下面のそれぞれから中心に向けて円錐台形状の空洞を有し、該円錐台形状の頂部の平面同士が平行に対向している誘電体と、前記上面側の空洞の内面に設けられた導体膜である給電部と、前記下面側の空洞の内面に設けられた導体膜であるグランド部と、を有する。
【００１１】
前記給電部の方が、前記グランド部よりも高さが高い。
【００１２】
前記下面に取り付けられた円筒形状の誘電体と、前記円筒形状の内面に設けられ、前記グランド部に接続された導体膜であるグランド補強部と、を有する。
【００１３】
前記上面側の円錐台形状の頂部に設けられた円盤形の空洞と、前記円盤形の空洞の内面に設けられた導体膜であるリフレクターと、を有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、給電部とグランド部との間を誘電体で満たしているため、アンテナが小型化される。また、給電部とグランド部の内部を空洞にするため、アンテナが軽量になる。さらに、給電部とグランド部とを構成する導体膜は、無電解銅メッキで形成することができるため、形状の精度が高くなり、高周波のアンテナとして適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明のバイコニカル・アンテナの実施形態について図面を用いて説明する。
【００１６】
図１の本発明のバイコニカル・アンテナ１０ａは、円柱形状の上面Ａおよび下面Ｂのそれぞれから中心に向けて円錐台形状の空洞１４ａ，１６ａを有し、その円錐台形状の頂部Ｃ，Ｄの平面同士が平行に対向している誘電体１２ａと、上面Ａの側の空洞１４ａの内面に設けられた導体膜である給電部１８ａと、下面Ｂの側の空洞１６ａの内面に設けられた導体膜であるグランド部２０ａと、を有する。
【００１７】
従来と比較して、給電部１８ａとグランド部２０ａの間を誘電体１２ａで満たしているため、アンテナ全体の形状が小型化されている。これは、誘電体１２ａの比誘電率が空気よりも高く、アンテナ内の電磁波の波長を短くできるためである。なお、給電部１８ａとグランド部２０ａの間は、図１に示すように、円錐台形状の傾斜面同士の間を含む。
【００１８】
誘電体１２ａの比誘電率は例えば３．６である。誘電体１２ａとしてエポキシ樹脂などが使用可能であるが、同じ誘電率であれば他の樹脂であっても良い。
【００１９】
また、給電部１８ａとグランド部２０ａは内部が空洞１４ａ，１６ａとなっている。これは、式１で示す表皮の厚さδまでしか電磁波が導体内に入り込めないため、内部を導体で満たす必要がないからである。なお、式１においてμは導体の透磁率、ｆは周波数、σは導体の導電率である。内部を空洞１１４ａ，１６ａにすることによって、アンテナ１０ａが軽量化される。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
導体膜は、銅や金などで構成する。膜厚は、少なくとも表皮の厚さδ以上となるようにする。例えば、膜厚は０．１μｍ以上になるようにする。
【００２２】
給電部１８ａの方が、グランド部２０ａよりも高さが高い。一般的なバイコニカル・アンテナは、給電部とグランド部の高さが同じであるが、種々のシミュレーションによって、高さを変えることにより円柱形状の直径が小さくなることがわかっている。アンテナの小型化に向いている。
【００２３】
バイコニカル・アンテナ１０ａは、上記下面Ｂに取り付けられた円筒形状の誘電体１３ａと、円筒形状の内面に設けられ、グランド部２０ａに接続された導体膜であるグランド補強部２４ａと、を有する。例えば、グランド部２０ａの底面の直径とグランド補強部２４ａの直径は同じである。グランド部２０ａが給電部１８ａよりも小さくなっており、この小さくなった分をグランド補強部２４ａで補っている。
【００２４】
上面Ａの円錐台形状の頂部Ｃに設けられた円盤形の空洞２６ａと、円盤形の空洞２６ａの内面に設けられた導体膜であるリフレクター２８ａと、を有する。
【００２５】
バイコニカル・アンテナ１０ａは、中心導体３０と、中心導体３０を覆う絶縁体と、絶縁体を覆うシールド導体３２とを有する同軸ケーブル３４を有する。同軸ケーブル３４の一端は、グランド部２０ａ（グランド補強部２４ａを含む）の空洞１６ａ，２２ａに挿入され、中心導体３０が給電部１８ａに、シールド導体３２がグランド部２０ａに接続されている。中心導体３０とグランド部２０ａとは絶縁されている。
【００２６】
同軸ケーブル３４の他端にはコネクター３６が接続され、バイコニカル・アンテナ１０ａが種々の回路に接続できるようになっている。
【００２７】
バイコニカル・アンテナ１０ａの形状の一例を以下に示す。給電部２０ａの頂部Ｃおよび底部Ａの直径は、それぞれ１１．０ｍｍおよび２．８ｍｍである。給電部１８ａの高さは８．０ｍｍである。グランド部２０ａの頂部Ｄおよび底部Ｂの直径は、それぞれ２．８ｍｍおよび９．４ｍｍである。グランド部２０ａの高さは５．０ｍｍである。リフレクター２８ａの直径および高さは、それぞれ２．８ｍｍおよび１．０ｍｍである。グランド補強部２４ａの直径および高さは、それぞれ９．４ｍｍおよび１３．０ｍｍである。給電部１８ａとグランド部２０ａとのギャップＧは、２．８ｍｍである。
【００２８】
上記の形状のバイコニカル・アンテナ１０ａのＶＳＷＲ（voltage standing wave ratio）をシミュレーションによって求めている。その結果が図２である。使用したシミュレーターは、Ａｎｓｏｆｔ社のＨＦＳＳである。シミュレーションは、同軸ケーブル３６をグランド補強部２４ａの下端Ｅで終端させてシミュレーションしている。ＵＷＢ使用帯域において、ＶＳＷＲが２以下となっている。また、ＵＷＢ使用帯域外になると急激にＶＳＷＲが上昇している。アンテナ１０ａを使用するにあたって必要な帯域だけ使用することができ、アンテナ特性が良好であることを示している。なお、ＶＳＷＲは、１に近づくほどアンテナとして良好に利用でき、２以下であれば実用上問題ない。
【００２９】
アンテナ１０ａの形状や比誘電率を種々変化させたシミュレーションの結果を以下に示す。シミュレーターは上記のものと同じである。
【００３０】
図３に誘電体１２ａの比誘電率を種々変化させたシミュレーション結果を示す。比誘電率が３．６のときが最も良く、３．０や４．０でも良好なアンテナ特性を示す。単に比誘電率を高くするだけでは、所望のアンテナ特性が得られないことがわかる。
【００３１】
図４にギャップＧを変化させた場合のシミュレーション結果を示す。ギャップＧが２．８ｍｍのときに最も良いアンテナ特性を示している。ギャップＧが２．８ｍｍよりも広すぎたり狭すぎたりするとアンテナ特性が悪化するのがわかる。
【００３２】
図５に給電部１８ａの高さを変化させた場合のシミュレーション結果を示す。給電部１８ａの高さが８．０ｍｍのときに最もアンテナ特性が良くなる。高さを低くすると低周波側でアンテナ特性が悪化し、高さを高くすると高周波側でアンテナ特性が悪化する。
【００３３】
図６にグランド部２０ａの高さを変化させた場合のシミュレーション結果を示す。グランド部２０ａの高さが５または６ｍｍのときにアンテナ特性が良く、７ｍｍであっても良好である。アンテナの小型化を考慮すると、５ｍｍが好ましい。また、高さが低くなると低周波側でアンテナ特性が悪化する。
【００３４】
図７にグランド補強部２４ａの高さを変化させた場合のシミュレーション結果を示す。グランド補強部２４ａの高さが１３ｍｍまたは１５ｍｍのときにアンテナ特性が最も良い。アンテナ１０ａの小型化を考慮すると１３ｍｍが好ましい。
【００３５】
図８にバイコニカル・アンテナ１０ａの幅、言い換えると給電部１８ａの円錐台形の底部Ａの直径を変化させたときのシミュレーション結果を示す。１１ｍｍが最も良く、１０ｍｍや１２ｍｍでも良好なアンテナ特性である。９．０ｍｍになると、中間の周波数帯でＶＳＷＲが２以上となり、アンテナ特性が悪化してしまう。
【００３６】
リフレクター２８ａの高さを変化させたときのシミュレーション結果を図９に示す。リフレクター２８ａの高さが１．０または１．５ｍｍのときにアンテナ特性が良好である。アンテナ１０ａの小型化を考慮すると１．０ｍｍがよい。リフレクター２８ａの高さを低くすると高周波側でアンテナ特性が悪化し、高くすると低周波側でアンテナ特性が悪化する。
【００３７】
次に、本発明のバイコニカル・アンテナ１０ａの製造方法について説明する。次の（１）〜（４）の工程でバイコニカル・アンテナ１０ａが製造される。
【００３８】
（１）旋盤加工（少量生産）または金型成形（大量生産）により、円柱形状の上面Ａおよび下面Ｂから中心に向かって円錐台形状の空洞を有する誘電体１２ａを形成する。また、下面Ｂには円筒形状の誘電体１３ａが誘電体１２ａと一体になっており、同時に形成される。
【００３９】
（２）無電解銅メッキによって円錐台形状の空洞１４ａ，１６ａの内面に導体膜を形成する。この導体膜は、上面側が給電部１８ａ、下面側がグランド部２０ａになる。無電解銅メッキをおこなうときに、給電部１８ａ、グランド部２０ａ、グランド補強部２４ａ以外の部分は、リフトオフレジストをほどこしておく。無電解銅メッキ後にリフトオフレジストを除去し、給電部１８ａなど以外のメッキを除去する。また、無電解銅メッキで膜厚が薄いようであれば、そのメッキをベースとして電気銅メッキをほどこしても良い。また、銅板を金型で打ち抜いた電極で給電部１８ａを構成しても良い。必要に応じてバリなどを取り除いたり寸法の違いなどを調整したりする最終仕上げをおこなう。
【００４０】
（３）同軸プローブ３４を準備し、上記下側Ｅ（Ｂ）の空洞から同軸プローブ３４を空洞１６ａ，２２ａ内に挿入し、中心導体３０を給電部１８ａに接続し、シールド導体３２をグランド部２０ａに接続する。
【００４１】
（４）同軸プローブ３４にコネクター３６を取り付ける。これによって、アンテナ１０ａが完成する。
【００４２】
本発明のバイコニカル・アンテナ１０ａは、無電解銅メッキで給電部１８ａやグランド部２０ａを形成している。したがって、給電部１８ａなどは、導体から削り出すよりも形状の精度が高く、高周波のアンテナに適している。また、導体を削りだして給電部などを作るよりも量産しやすい利点がある。
【００４３】
上記（２）の工程で無電解銅メッキをおこなったが、金などを蒸着させて導体膜を形成しても良い。メッキと同様に、精度良く給電部１８ａなどを形成することができる。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるとはない。例えば、図１０に示すように、給電部１８ｂとグランド部２０ｂとが対象な形をしたバイコニカル・アンテナ１０ｂであっても良い。給電部１８ｂおよびグランド部２０ｂは、上記の実施形態と同様に導体膜で形成し、内部は空洞１４ｂ，１６ｂにする。また、導体膜の形成も無電解銅メッキをおこなって形成する。無電解銅メッキなどにより、寸法形状の精度が高いアンテナ１０ｂとなり、高周波のアンテナとして適している。
【００４５】
図１のリフレクター２８ａの直径を種々変化させても良い。リフレクター２８ａによって、ある周波数帯域をカットすることができる。図１０の給電部１８ｂに図１と同様に頂部Ｃにリフレクターを設けても良く、そのリフレクターの直径を種々変化させても良い。また、図１において、リフレクター２８ａが無い構成であっても良い。
【００４６】
誘電体１２ａは、エポキシ樹脂を使用する以外にアルミナなどを使用しても良い。この場合、上記（１）の工程は、アルミナを図１などに示す形の型にいれて乾燥・焼成する工程となる。
【００４７】
図１の給電部１８ａおよびグランド部２０ａの空洞１４ａ，１４ｂは、底面の大きさが異なったが、同じであっても良い。
【００４８】
その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明のバイコニカル・アンテナの構成を示す図である。
【図２】図１のバイコニカル・アンテナのＶＳＷＲのシミュレーション結果を示す図である。
【図３】誘電体の比誘電率を種々変化させた場合のＶＳＷＲのシミュレーション結果を示す図である。
【図４】ギャップを変化させた場合のＶＳＷＲのシミュレーション結果を示す図である。
【図５】給電部の高さを変化させた場合のＶＳＷＲのシミュレーション結果を示す図である。
【図６】グランド部の高さを変化させた場合のＶＳＷＲのシミュレーション結果を示す図である。
【図７】グランド補強部の高さを変化させた場合のＶＳＷＲのシミュレーション結果を示す図である。
【図８】バイコニカル・アンテナの給電部の円錐台形の底部の直径を変化させたときのＶＳＷＲのシミュレーション結果を示す図である。
【図９】リフレクターの高さを変化させたときのＶＳＷＲのシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】給電部とグランド部とが対象となっているバイコニカル・アンテナの構成を示す図である。
【図１１】従来のバイコニカル・アンテナの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０ａ，１０ｂ，４０：バイコニカル・アンテナ
１２ａ，１２ｂ，１３ａ：誘電体
１４ａ，４ｂ，１６ａ，１６ｂ，２２ａ，２６ａ：空洞
１８ａ，１８ｂ，４２：給電部
２０ａ，２０ｂ，４４：グランド部
２４ａ：グランド補強部
２８ａ：リフレクター
３０：中心導体
３２：シールド導体
３４：同軸ケーブル
３６：コネクター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006041877.tif 000010
【図８】
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【図９】
2006041877.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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