(57)【要約】【課題】  本発明は、超広帯域アンテナ（以下ＵＷＢとする）を提供する。【解決手段】  このＵＷＢアンテナは、電磁波を送受及び／又は受信する少なくとも１つの放射器（２）を備える。放射器（２）は、全てのＵＷＢ周波数帯域に対して平面楕円であり、所定の波長λの電磁波の送信及び受信を除去するために、所定の波長λにより定まる長さ（ｌ）の楕円ギャップ（３）を少なくとも１つ有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を送信及び／又は受信する少なくとも１つの放射器（２）を備え、
上記放射器（２）の形状は、平面楕円であり、超広帯域の全ての周波数帯域をカバーすることを特徴とする超広帯域アンテナ。
【請求項２】
電磁波を送信及び／又は受信する少なくとも１つの放射器（２）を備え、
上記放射器（２）の形状は、平面楕円であり、所定の波長λの電磁波の送信及び受信を阻止するための楕円ギャップを有し、該楕円ギャップの長さｌは、該所定の波長λにより定まることを特徴とする超広帯域アンテナ。
【請求項３】
上記楕円ギャップ（３）の長さｌは、上記所定の波長λの１／４であることを特徴とする請求項２記載の超広帯域アンテナ。
【請求項４】
上記放射器（２）の中心（Ｃｒ）は、上記楕円ギャップ（３）の中心（Ｃｎ）と一致しておらず、該放射器（２）は、該楕円ギャップ（３）から偏在していることを特徴とする請求項２又は３記載の超広帯域アンテナ。
【請求項５】
上記放射器（２）から、及び／又は該放射器（２）に信号エネルギを伝播する給電回路（４）を備える請求項２乃至４いずれか１項記載の超広帯域アンテナ。
【請求項６】
上記楕円ギャップ（３）の中心（Ｃｎ）は、上記放射器（２）の中心（Ｃｒ）から上記給電回路（４）に延びる直線上に位置することを特徴とする請求項５記載の超広帯域アンテナ。
【請求項７】
上記放射器（２）は、１つの楕円ギャップ（３）を有することを特徴とする請求項２乃至６いずれか１項記載の超広帯域アンテナ。
【請求項８】
上記放射器（２）は、少なくとも２つの楕円ギャップ（３）を有することを特徴とする請求項２乃至６いずれか１項記載の超広帯域アンテナ。
【請求項９】
上記楕円ギャップ（３）は、同一の中心（Ｃｎ）を有し、同心円状に配置されていることを特徴とする請求項８記載の超広帯域アンテナ。
【請求項１０】
１つの放射器（２）を備えることを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項記載の超広帯域アンテナ。
【請求項１１】
互いに直交して配置された２つの放射器（２）を備えることを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項記載の超広帯域アンテナ。
【請求項１２】
グランドプレーンアンテナであることを特徴とする請求項１乃至１１いずれか１項記載の超広帯域アンテナ。
【請求項１３】
ダイポールアンテナであることを特徴とする請求項１乃至１１いずれか１項記載の超広帯域アンテナ。
【請求項１４】
請求項１乃至１３いずれか１項記載の超広帯域アンテナを備える移動又は固定端末装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超広帯域アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、アンテナに対する要求が、非常に増している。約３．１〜１０．６ＧＨｚの超広帯域（以下ＵＷＢとする）を対象とし、目的の信号を増幅するとともに、雑音及び他の帯域からの信号を無効とするのにより適したアンテナシステムが必要とされている。更に、群遅延が小さい放射パターン、高い利得、小さいアンテナが望まれており、また高い費用効果が望まれている。
【０００３】
従来のＵＷＢアンテナは、約３．１〜１０．６ＧＨｚの周波数帯域の全てをカバーすることが知られている。ＵＷＢアンテナにおける問題は、マルチメディア無線ループシステム又は無線通信システムに用いられている従来のアンテナに比して、送信信号及び受信信号の周波数帯域幅が非常に広いということである。そのため、ＵＷＢアンテナを全周波数帯域に適応させて、利得を平坦にすることは、非常に困難である。更に、位相変動対周波数を全周波数帯域において線形とすることにより、群遅延を最小にしなければならない。ＵＷＢ通信システムにおいて起こる他の問題は、同じ周波数帯で動作するが、非常に狭い帯域幅しか占有しない他の無線通信システムが存在することである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の目的は、周波数帯域幅、平坦な利得及び位相の線形性（群遅延）等の観点から非常に困難な要求に対して簡単に適応できるＵＷＢアンテナを提供することである。本発明の第２の目的は、同じ周波数帯域で動作している既存の無線通信システムと衝突を避けることができるＵＷＢアンテナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、独立請求項の特徴によって達成される。
【０００６】
本発明は、電磁波を送信及び／又は受信する少なくとも１つの放射器を備える超広帯域（以下、ＵＷＢという。）アンテナを提案し、この放射器の形状は、楕円である。ＵＷＢにおける性能を発揮させるために、様々な構造の放射器が設計されている。
【０００７】
これに反して、これらの構造は、楕円形状で設計することもでき、この場合、所定の波長λ（ノッチ周波数）において電磁波の送信及び受信を阻止或いは除去するために、放射器を、所定の波長λ（ノッチ周波数）によって定まる長さｌの楕円ギャップを少なくとも１つ有するように設計する。
【０００８】
所定の波長λの電磁波の送信及び受信を阻止する少なくとも１つの楕円ギャップを有するＵＷＢアンテナを用いることにより、ＵＷＢアンテナは、様々な周波数帯域に簡単に適用することができ、不要な波長帯域を阻止することができる。
【０００９】
好ましくは、楕円ギャップの長さｌは、所定の波長λの約１／４であり、すなわちｌ＝λ／４である。ここで、ｌは、楕円ギャップの周辺の長さの１／２であり、λは、所定の波長である。
【００１０】
好ましくは、楕円ギャップの周辺の長さの１／２をｌとし、所定の波長をλとすると、楕円ギャップの長さｌは、所定の波長λの約１／４であり、すなわち、ｌ＝λ／４である。
【００１１】
好ましくは、放射器の中心は、楕円ギャップの中心と一致しておらず、すなわち、放射器は、楕円ギャップから偏在している。
【００１２】
好ましい実施形態においては、ＵＷＢアンテナは、放射器から及び／又は放射器に信号エネルギを伝播する給電回路を備える。
【００１３】
楕円ギャップの中心は、好ましくは、放射器の中心から給電回路に延びる直線上に位置する。
【００１４】
ＵＷＢアンテナは、１つの放射器を備える。
【００１５】
ＵＷＢアンテナは、互いに直交して配置された２つの放射器を備える。
【００１６】
好ましくは、放射器は、１つの楕円ギャップを有する。
【００１７】
放射器は、２つの楕円ギャップを有する。
【００１８】
楕円ギャップは、好ましくは、同じ中心を有し、同心円状に配置されている。
【００１９】
ＵＷＢアンテナは、グランドプレーンアンテナとすることができる。
【００２０】
ＵＷＢアンテナは、ダイポールアンテナとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る超広帯域（以下、ＵＷＢという。）アンテナについて、図面を参照しながら説明する。図６ｂは、本発明に係るＵＷＢアンテナの構造を示す図である。ＵＷＢアンテナ１は、図６ｂに示すように、電磁波を送信及び／又は受信する少なくとも１つの放射器２を備える。また、ＵＷＢアンテナ１は、放射器２に及び／又は放射器２から信号エネルギを伝播する給電回路４を備える。更に、放射器２は、所定の波長λの電磁波（周波数ノッチ）の送信及び／又は受信を阻止し、或いは除去する少なくとも１つの楕円ギャップ３を有する。
【００２２】
なお、本発明に係るＵＷＢアンテナは、更に、アンテナを機能させるために必要とされる機構、例えば電源等を備えていてもよいが、説明を明確にするために、以下では、その説明を省略し、また、図面にも示さない。
【００２３】
図１は、本発明を適用したＵＷＢアンテナ１の概略図である。
【００２４】
電磁波を送信及び／又は受信する放射器２の形状は、楕円形状を有する平面である。放射器２は、あらゆる導電材料、例えば銅又はアルミニウムで製造することができる。また、ＵＷＢアンテナの製造を容易にするために、プラスチック又は他の材料でも製造することができ、この場合、構造体の壁を印刷により薄い金属被膜で覆うようにする。
【００２５】
図１のＵＷＢアンテナ１の構造では、誘電体のレドームを示していないが、機械的安定度を高めるために、誘電体のレドームを用いることもできる。本発明を適用したＵＷＢアンテナ１は、線形の垂直偏波を示す。
【００２６】
放射器２は、少なくとも１つの楕円ギャップ３、すなわち所定の波長λの電磁波の送信及び／又は受信を阻止するためのギャップ又は開口を有する。楕円ギャップ３を放射器２に設けることにより、ＵＷＢアンテナ１は、電磁波を所定の波長λで送信及び／又は受信することはない。
【００２７】
したがって、放射器２の開口又はギャップ３の形状は、楕円である。
【００２８】
楕円ギャップ３の長さは、除去又は阻止する所定の波長λに適合している。楕円ギャップ３の長さは、阻止して除去する波長λの約１／４である。楕円ギャップ３の長さは、楕円の周長の１／２である。
【００２９】
異なる長さの（１つ以上の）ギャップ又は開口（楕円ギャップ）を加えることにより、より広い帯域の波長も除去することができる。
【００３０】
本発明を適用したＵＷＢアンテナ１の放射器２及び楕円ギャップ３の形状及び相対的な位置について、楕円の原則に基づき、図２を参照して説明する。図２は、楕円全体を示す図である。幾何学において、楕円は、焦点Ｆ１、Ｆ２と呼ばれる所定の２つの固定点から点Ｐまでの距離の和が一定の長さ２ａである全ての点Ｐの集合として定義される。これは、以下の条件によって表される。
【００３１】
ｅｌｌ={Ｐ|ＰＦ1+ＰＦ2=２ａ}  ・・・  （１）
楕円の中心ｃは、２つの焦点Ｆ１、Ｆ２の中央に位置している。点Ａ、Ｂは、中心ｃから最も遠くにある点であり、点Ｄ、Ｅは、中心ｃに最も近くにある点である。楕円の中心ｃを通り点Ａと点Ｂを結ぶ線分は、長軸であり、楕円の中心ｃを通り点Ｄと点Ｅを結ぶ線分は、短軸である。長軸と短軸は、互いに直交しており、楕円の中心ｃで交差する。
【００３２】
この結果、長さａは、長軸の半分の長さ、すなわち楕円の中心ｃと、中心ｃから最も遠い点Ａ又は点Ｂとの間の距離である。長さｂは、短軸の半分の長さ、すなわち中心ｃと、中心ｃに最も近い点Ｄ又は点Ｅとの間の距離である。ｘ軸とｙ軸を有する座標系において、楕円の中心ｃを座標系の原点とし、長軸をｘ軸に一致させると、楕円は、以下の恒等式で表すことができる。
【００３３】
ｘ２／ａ２＋ｙ２／ｂ２＝１  ・・・  （２）
なお、円は、楕円の特別な場合、すなわち円の半径をｒとすると、ａ＝ｂ＝ｒとした場合であり、円は、恒等式（３）によって表すことができる。
【００３４】
ｘ２＋ｙ２＝ｒ２  ・・・  （３）
図１に示す放射器２の形状は、上述の式（２）で定義される楕円である。この明細書において用いられる「楕円形状」という用語は、特別な場合における円も含むものとする。更に、放射器２には、この放射器２に及び／又は放射器２から信号エネルギを伝播する給電回路４が設けられている。この給電回路４は、楕円形の長軸又は短軸、すなわち点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのいずれかに設けられている。ここで、給電は、同軸ケーブル又はマイクロストリップラインを用いて実現することができ、特別な取付け又は複雑な電気的条件は必要とされない。
【００３５】
本発明を適用した放射器２は、所定の波長λの電磁波の送信及び受信を阻止する少なくとも１つの楕円ギャップ３を有する。楕円ギャップ３の形状は、円を含む楕円である。ここで、楕円ギャップ３の弧の長さは、所定の波長λの１／４の範囲内にある。すなわち、特定の波長の電磁波の送信及び受信を阻止しなければならない場合に、楕円ギャップ３の長さをその波長に応じた長さとすることができる。楕円ギャップ３の長さｌは、以下の関係を満たす。
【００３６】
ｌ＝λ／４  ・・・（４）
ここで、長さｌは、楕円の周長の半分に等しい。
【００３７】
楕円ギャップ３の長さｌと周波数ｆの関係は、光速をｃとすると、波長λと周波数ｆの関係を用いて計算をすることができる。
【００３８】
λ＝ｃ／ｆ  ・・・  （５）
であり、式４に式５を代入して、書き換えると、
１２０／ｆ（Ｇｈｚ）≦ｌ（ｍｍ）≦１８０／ｆ（Ｇｈｚ）  ・・・  （６）
となり、
１２０／ｆ（Ｇｈｚ）＝ｌ（ｍｍ）  ・・・  （７）
となる。
【００３９】
ここで、楕円ギャップ３の長さｌの単位はｍｍであり、周波数ｆの単位はＧＨｚである。
【００４０】
広い帯域の周波数の電磁波を阻止する必要がある場合、楕円ギャップ３を複数設ける必要がある。それぞれの弧の長さによって、特定のノッチ周波数が定まる。
【００４１】
上述の式４に示すように、楕円ギャップ３の長さｌは、波長λに比例する。これは、楕円ギャップ３の長さｌを長くすると、除去する波長も長くなり、楕円ギャップ３の長さｌを短くすると、除去する波長も短くなる。上述したように、広い帯域の波長は、複数の楕円ギャップ３によって阻止することができる。
【００４２】
上述したように、放射器２には、複数の楕円ギャップ３を設けることができる。したがって、複数の周波数の電磁波を阻止するためには、複数の楕円ギャップ３を設ければよい。
【００４３】
複数の楕円ギャップ３は、全て同心円状に位置し、すなわち同じ中心ｃｎを有し、それらの長軸及び短軸は、同じ方向を向いている。また、楕円ギャップ３は、放射器２に対して偏在しており、すなわち、放射器２の中心ｃｒは、楕円ギャップ３の中心ｃｎとは異なる位置にある。楕円ギャップ３の中心ｃｎは、放射器２の中心ｃｒから給電回路４に延びる直線上にある。すなわち、楕円ギャップ３の中心ｃｎは、楕円形状の放射器２の長軸又は短軸上に存在する。
【００４４】
上述したように、本発明を適用したＵＷＢアンテナ１は、単一放射器２又は２つの放射器２を備えることができる。ＵＷＢアンテナ１が同じ中心ｃｒを有する２つの放射器２を備えている場合、２つの放射器２は、互いに直交し、短軸又は長軸の真ん中で交差する。十文字直交した放射器２は、２つ以上の部品を組み合わせて、又は単一の部品で製造することができる。
【００４５】
本発明に係るＵＷＢアンテナの好ましい実施の形態について、図３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂを参照して詳細に説明する。
【００４６】
図３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ、７ｂは、１つの放射器２を備えるＵＷＢアンテナ１の構造を示す図である。ここで、図３ｂ、５ｂ、６ｂ、７ｂに示すＵＷＢアンテナ１は、楕円形状の垂直ディスクアンテナであり、図４ｂに示すＵＷＢアンテナ１は、楕円形状の垂直リングアンテナである。一方、図３ａ、４ａ、５ａ、６ａ、７ａ、８ａ、８ｂは、十文字直交したＵＷＢアンテナ１の構造を示す図であり、ＵＷＢアンテナ１は、上述したように、互いに直角に交差した２つの放射器２を備えている。ここで、図３ａ、５ａ、６ａ、７ａ、８ａ、８ｂに示すＵＷＢアンテナ１は、楕円形状の十文字直交した垂直ディスクアンテナであり、図４ａに示すＵＷＢアンテナ１は、楕円形状の十文字直交した垂直リングアンテナである。ここで、図８ａ、８ｂに示すＵＷＢアンテナ１以外の十文字直交した全てのＵＷＢアンテナ１は、大きさ、形状及び設けられた楕円ギャップ３が同一の放射器２を備える。十文字直交したＵＷＢアンテナ１の放射器２は、図８ａに示すように、同じ大きさを有するが、異なる楕円ギャップ３を有していてもよい。更に、放射器２は、図８ｂに示すように、大きさも異なっていてもよい。図３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂは、単一の放射器２を備えた、又は十文字直交した放射器２を備えたＵＷＢアンテナ１の構造を示す図である。なお、これらのＵＷＢアンテナは、楕円ギャップを無くして設計すると、全ＵＷＢ周波数帯域で働くと考えられ、したがって、ノッチ周波数も無くなる。
【００４７】
本発明の一実施の形態において、放射器２は、図５ａ、５ｂに示すように、単一の周波数又は狭い周波数帯域内の電磁波を除去する単一の楕円ギャップ３を有する。
【００４８】
図５ａに示す十文字直交したＵＷＢアンテナ１の２つの放射器２ａ、２ｂは、それぞれ単一の楕円ギャップ３ａ、３ｂを有し、ギャップとして同心円からオフセットした楕円を有する楕円形状の十文字直交した垂直ディスクアンテナを構成し、図５ｂに示す単一の放射器２は、単一の楕円ギャップ３を有し、ギャップとして同心円からオフセットした楕円を有する楕円形状の垂直ディスクアンテナを構成している。
【００４９】
図６ａに示す十文字直交したＵＷＢアンテナ１の２つの放射器２ａ、２ｂは、それぞれ単一の楕円ギャップ３ａ、３ｂを有し、ギャップとして同心円からオフセットした楕円と十文字直交した楕円リングとを有する楕円形状の十文字直交した垂直ディスクアンテナを構成する。図６ｂに示す単一の放射器２は、１つの楕円ギャップ３を有し、ギャップとして同心円からオフセットした楕円と楕円リングとを有する楕円形状の垂直ディスクアンテナを構成する。
【００５０】
図７ａは、２つの放射器２ａ、２ｂを備えるＵＷＢアンテナ１の構造を示す図であり、それぞれの放射器２ａ、２ｂは、２つの単一周波数の又は２つの周波数帯域の電磁波を除去するために、２つの楕円ギャップ３を有する。同様に、図７ｂは、単一の放射器２を備えるＵＷＢアンテナ１の構造を示す図であり、放射器２は、２つの楕円ギャップ３を有することにより、２つの単一周波数の又は２つの周波数帯域の電磁波の送信及び／又は受信を除去する。したがって、図７ａに示すＵＷＢアンテナ１は、ギャップとして同心円からオフセットした２つのリングを有する楕円形状の十文字直交した垂直ディスクアンテナであり、図７ｂに示すＵＷＢアンテナ１は、ギャップとして同心円からオフセットした２つのリングを有する楕円形状の垂直ディスクアンテナである。
【００５１】
更に、図８ａは、本発明に係るＵＷＢアンテナの実施の形態を示す図である。図８ａに示すＵＷＢアンテナ１は、それぞれが同じ大きさを有するが、異なるギャップを有する２つの放射器２ａ、２ｂを備える。放射器２ａは、オフセットした楕円として与えられる楕円ギャップと、細い楕円リングとして与えられる楕円ギャップを有する。放射器２ｂは、オフセットした楕円として与えられる楕円ギャップと、太い楕円リングとして与えられるギャップとを有する。更に、２つの放射器２ａ、２ｂの各楕円ギャップは、大きさ及び弧の長さが異なる。したがって、図８ａに示すＵＷＢアンテナ１は、楕円ギャップとして２つのオフセットされた直交リングを有する楕円形状の十文字直交した垂直ディスクアンテナである。
【００５２】
図８ｂは、本発明に係るＵＷＢアンテナの他の実施の形態を示す図であり、ＵＷＢアンテナ１は、それぞれが異なる大きさ及び異なる楕円ギャップを有する２つの放射器を備える。各放射器は、オフセットした楕円として与えられるギャップと、大きな楕円リングとして与えられるギャップとを有し、全てのギャップは、大きさ及び弧の長さが異なる。したがって、図８ｂに示すＵＷＢアンテナ１は、楕円ギャップとして、同心円からオフセットし、互いに交差した２つのリングを有する楕円形状の十文字直交した垂直ディスクアンテナある。
【００５３】
本発明の原理に基づいたＵＷＢアンテナ１（図３ａ〜図４ｂ）は、３．１〜１０．６ＧＨｚの全周波数帯域をカバーすることができる。ＵＷＢアンテナ１（図５ａ〜図８ｂ）は、３．１〜１０．６ＧＨｚの全周波数帯域をカバーすることができるとともに、同時に、同じ周波数帯域を使用している他の通信システムとの混信を避けるために、例えば５ＧＨｚ等の非常に混雑した周波数の電磁波を阻止することができる。
【００５４】
本発明の原理に基づいた全てのＵＷＢアンテナは、グランドプレーンアンテナ又はダイポールアンテナとして提供することができる。図９ａは、グランドプレーンＵＷＢアンテナの構造を示す図であり、この図９ａに示すように、グランドプレーンＵＷＢアンテナ１は、グランドプレート５を有する２つの放射器２ａ、２ｂを備える。２つの放射器２ａ、２ｂの代わりに、１つの垂直放射器２ａを用いることもできる。図９ｂは、４つの放射器を備えるダイポールアンテナの構造を示す図であり、２つの放射器は、それぞれ楕円形状の十文字直交したアンテナとして実現されている。同様に、単一の垂直放射器２をそれぞれ備える２つの垂直ＵＷＢアンテナ１は、ダイポールアンテナとして用いることもできる。
【００５５】
図１０は、本発明の原理に基づいたＵＷＢアンテナの周波数５ＧＨｚにおける放射パターンを示す図である。ＵＷＢアンテナは、全ての周波数帯域に対し、方位角面内において対称の無指向性放射パターンを示す。更に、このＵＷＢアンテナは、全ての周波数帯域に対し、９０度の仰角で対称の無指向性放射パターンを示す。
【００５６】
図１１は、本発明の原理に基づいたＵＷＢアンテナのマッチング特性を示す図であり、このＵＷＢアンテナは、周波数５．８ＧＨｚにノッチを有する。図１２は、本発明の原理に基づいたＵＷＢアンテナの周波数特性を示す図であり、このＵＷＢアンテナは、周波数５．８ＧＨｚにおいて利得のノッチを有する。このＵＷＢアンテナは、ノッチ周波数以外では線形の位相変動対周波数を示し、これにより、全周波数帯域において群遅延が一定となる。更に、ＵＷＢアンテナは、ノッチ周波数以外では、典型的なＶＳＷＲ＜２を示す。このマッチングは、抵抗負荷を用いて得られたものである。
【００５７】
本発明に係るＵＷＢアンテナは、小形の消費者商品、例えば移動端末装置等に実装することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明を適用した超広帯域アンテナを概略的に示す図である。
【図２】楕円を説明するための図である。
【図３】本発明に係るＵＷＢアンテナの実施の形態を示す図である。
【図４】本発明に係るＵＷＢアンテナの実施の形態を示す図である。
【図５】本発明に係るノッチ機能を有するＵＷＢアンテナの実施の形態を示す図である。
【図６】本発明に係るノッチ機能を有するＵＷＢアンテナの実施の形態を示す図である。
【図７】本発明に係るノッチ機能を有するＵＷＢアンテナの実施の形態を示す図である。
【図８】本発明に係るノッチ機能を有するＵＷＢアンテナの実施の形態を示す図である。
【図９】本発明に係るＵＷＢアンテナの実施の形態を示す図である。
【図１０】本発明に係るＵＷＢアンテナの放射パターンを示す図である。
【図１１】本発明に係るＵＷＢアンテナの具体的なマッチング特性を示す図である。
【図１２】本発明に係るＵＷＢアンテナの具体的な周波数特性を示す図である。
【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】
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【図８】
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【図９】
2006174443.tif 000011
【図１０】
2006174443.tif 000012
【図１１】
2006174443.tif 000013
【図１２】
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【外国語明細書】
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