(57)【要約】【課題】アンテナ長の調整などが不要な小型のアンテナ素子で、ＴＶ放送の周波数帯の全域をカバーできる小型広帯域アンテナを提供する。【解決手段】電波の垂直偏波面を送受信するよう平板状の輻射エレメント１１を鉛直方向に配置し、カウンターポイズ１２を水平方向に配置し、輻射エレメント１１とアンテナ端子１３との間には、シリーズリアクタンスによる調整で共振周波数を下げるインピーダンスマッチング回路１４を設け、輻射エレメント１１とカウンターポイズ１２との間には、中心周波数から離れた周波数範囲のリアクタンス成分をキャンセルする並列共振回路１５を設けた小型広帯域アンテナ１は、ＴＶ放送の周波数帯（４７０ＭＨｚ〜７１０ＭＨｚ）を含む広帯域でＶＳＷＲ＜３の特性を得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波の垂直偏波面を送受信するよう平板状の輻射エレメントを鉛直方向に配置し、接地導体板を水平方向に配置して、Ｖダイポールアンテナ構造とし、
前記輻射エレメントと信号入出部との間には、シリーズリアクタンスによる調整で共振周波数を下げるインピーダンス調整手段を設け、前記輻射エレメントと接地導体との間には、中心周波数から離れた周波数範囲のリアクタンス成分をキャンセルする並列共振回路を設けたことを特徴とする小型広帯域アンテナ。
【請求項２】
目的とする周波数帯域の中心周波数ｆcにおける波長をλcとし、
前記輻射エレメントのエレメント長は、λc／４を指標として設定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の小型広帯域アンテナ。
【請求項３】
前記輻射エレメントの幅を広げることによって、共振時のＱファクタを低減させ、動作周波数帯域を広げるようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の小型広帯域アンテナ。
【請求項４】
前記輻射エレメントと接地導体との間には導通ヒンジを設け、
前記接地導体と輻射エレメントが重なる閉状態と、前記接地導体に対して輻射エレメントが垂直に配置される開状態と、に変換可能としたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の小型広帯域アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＴＶホワイトスペース帯の広帯域に亘って整合がとれ、小型で可搬性の高い小型広帯域アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
移動体通信の分野では、年々トラヒックが増大しており、限られた周波数資源の効率的な運用が求められている。また、超高精細度テレビ放送（４Ｋ、８Ｋ）の実用放送も開始され、通信・放送分野におけるデータ量の増加傾向は、今後も継続してゆくものと考えられる。
【０００３】
一方で、現状の移動体無線通信規格である３Ｇおよび４Ｇを用いた無線通信システムに割当てられた周波数帯のみでは、今後更に増大するトラヒックに対して収容量が十分とは言えず、周波数資源の枯渇が懸念される。現状でも、通信トラヒックの負荷分散を目的として、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）を大容量通信に利用しているが、その周波数帯を含めても今後のトラヒック増加予測に対して十分とは言えない。そのため、限りある周波数資源の網羅的な活用が検討されており、テレビ放送の周波数帯におけるホワイトスペース（ＴＶＷＳ：テレビ帯ホワイトスペース）の利活用も、その技術の一つとして実用化が望まれている。
【０００４】
テレビ放送の周波数帯（４７０ＭＨｚ〜７１０ＭＨｚ）は周波数範囲が広いため、ホワイトスペースとしての周波数資源が豊富であると期待されている。そのため、ＴＶＷＳを使う周波数共用型のコグニティブ無線の分野では、ＩＥＥＥにおいて、ＴＶＷＳ利用技術についての国際標準化のための標準技術（例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｆ、ＩＥＥＥ８０２．２２等）の策定が進められており、対応製品も開発されている。
【０００５】
家庭用テレビ受信アンテナとしては、八木アンテナやログペリオディックアンテナなどの複数エレメントアンテナが用いられ、この種のアンテナはテレビ放送の周波数帯に対応しているので、ＴＶＷＳを利用した無線通信のために調整等は不要であるものの、構造が複雑であり、小型化が困難である。また、テレビ放送の周波数帯に対応した小型アンテナとしては、スマートフォン等の携帯通信端末におけるワンセグ視聴用のロッドアンテナがある。ロッドアンテナは伸縮が可能であるから、スマートフォンの筐体内に収納することができ、ワンセグ視聴時に引き出して調整可能な実用的構造と言える。
【０００６】
しかしながら、ロッドアンテナの対応周波数は、その長さから算出される波長に対応したものであり、特定の周波数で最大の性能を得るためには、使用する周波数毎にロッドアンテナの長さ調整が必要となる。すなわち、ＴＶＷＳを利用する無線通信では、一次利用者に影響を与えない周波数を動的に選択してゆく必要があり、選定された周波数で最大の性能を得るためには、ＴＶＷＳ対応無線機のロッドアンテナ長を調整する手間が必要であり、通信周波数が変わる度に利用者が自らロッドアンテナ長を調整しなければならいようでは、到底普及が見込めないし、ロッドアンテナの自動伸縮機構を携帯無線機に設けることは著しく可搬性を損なう可能性があるので、実用的ではない。
【０００７】
そこで、比較的短いロッドアンテナを用いて、ワンセグ放送に対応した広帯域の周波数の送受信機能を持たせることができる携帯通信端末が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この特許文献１に記載の携帯通信端末では、接地電極にイヤホンコード内の導線を接続することで接地電極を実質的に延長し、接地電極とイヤホンコードがロッドアンテナの鏡像となるダイポールアンテナが構成され、ロッドアンテナを長くすることなく、アンテナの素子長を長くし、比較的短いロッドアンテナを用いてもワンセグ放送に対応した広帯域の周波数の送受信を実現できるのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２００６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に記載された発明では、導体としてのイヤホンコードを接続しておかなければならないため、ＴＶＷＳ無線通信に適用する場合、イヤホンコードが携帯通信端末に接続されている必要がある。そのため、特許文献１に記載の携帯通信端末では、イヤホンを使う習慣の無いユーザがイヤホンを付け忘れたり、イヤホンの内部導体が裂断していたりすると、ＴＶＷＳ無線通信を適切に行えない可能性がある。さりとて、携帯通信端末からイヤホンを取り外せない、或いは取り外し困難な構造にしてしまうと、ユーザの利便性を損なうことになる。従って、イヤホンのような外部導体を用いることなく、アンテナ単体の機能として、ＴＶ放送の周波数帯の全域に対応した広帯域特性を備えていることが望ましい。
【００１０】
そこで、本発明は、アンテナ長の調整などが不要な小型のアンテナ素子で、ＴＶ放送の周波数帯の全域をカバーできる小型広帯域アンテナの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、電波の垂直偏波面を送受信するよう平板状の輻射エレメントを鉛直方向に配置し、接地導体板を水平方向に配置して、Ｖダイポールアンテナ構造とし、前記輻射エレメントと信号入出部との間には、シリーズリアクタンスによる調整で共振周波数を下げるインピーダンス調整手段を設け、前記輻射エレメントと接地導体との間には、中心周波数から離れた周波数範囲のリアクタンス成分をキャンセルする並列共振回路を設けたことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、前記請求項１に記載の小型広帯域アンテナにおいて、目的とする周波数帯域の中心周波数ｆcにおける波長をλcとし、前記輻射エレメントのエレメント長は、λc／４を指標として設定するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３に係る発明は、前記請求項１又は請求項２に記載の小型広帯域アンテナにおいて、前記輻射エレメントの幅を広げることによって、共振時のＱファクタを低減させ、動作周波数帯域を広げるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項４に係る発明は、前記請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の小型広帯域アンテナにおいて、前記輻射エレメントと接地導体との間には導通ヒンジを設け、前記接地導体と輻射エレメントが重なる閉状態と、前記接地導体に対して輻射エレメントが垂直に配置される開状態と、に変換可能としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る小型広帯域アンテナ装置によれば、アンテナ長の調整などが不要な小型のアンテナ素子で、ＴＶ放送の周波数帯の全域をカバーできる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る小型広帯域アンテナの実施形態の概略を示す構成図である。
【図２】図１に示す構成の小型広帯域アンテナにおけるＶＳＷＲの周波数特性図である。
【図３】図１に示す小型広帯域アンテナにおける回路定数の説明図である。
【図４】（ａ）は図１の小型広帯域アンテナと同サイズに形成した第１対比用アンテナの概略構成図である。（ｂ）は第１対比用アンテナにおけるＶＳＷＲの周波数特性図である。
【図５】（ａ）は図１の小型広帯域アンテナよりも大型のサイズに形成した第２対比用アンテナの概略構成図である。（ｂ）は第２対比用アンテナにおけるＶＳＷＲの周波数特性図である。
【図６】本発明に係る小型広帯域アンテナを通信デバイスとして試作した試作例の外観図である。
【図７】本発明に係る小型広帯域アンテナの試作例によって実測したＶＳＷＲの周波数特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、添付図面に基づいて、本発明に係る小型広帯域アンテナの実施形態につき説明する。
【００１８】
図１は、小型広帯域アンテナ１の概略構成を示すもので、電波の垂直偏波面を送受信するよう鉛直方向に配置した平板状の輻射エレメント１１と、水平方向に配置したカウンターポイズ１２とで、Ｖダイポールアンテナ構造とする。輻射エレメント１１は、１０２ｍｍ×３２ｍｍの平板状（例えば、厚さ０．０２５ｍｍの銅箔テープにより形成）であり、カウンターポイズ１２は、１２０ｍｍ×４２ｍｍの平板状（厚さ０．０２５ｍｍの銅箔テープにより形成）である。なお、本実施形態の小型広帯域アンテナ１におけるカウンターポイズ１２は、接地面と容量結合させることで接地導体として機能するものであるが、十分な浮遊容量を含む適宜な厚さの金属板などを接地導体として用いても良い。
【００１９】
Ｖダイポールアンテナ構造である小型広帯域アンテナ１においては、通常のダイポールアンテナと同様、輻射エレメント１１のエレメント長は、λc／４（λc：目的とする周波数帯域の中心周波数ｆcにおける波長）を指標として設定する。また、通常、ダイポールアンテナは棒状であるが、小型広帯域アンテナ１の輻射エレメント１１は平板状であり、エレメント幅を広げることによって、共振時のＱファクタを低減させ、動作周波数帯域を広げることができる。
【００２０】
更に、上記輻射エレメント１１と、信号入出力部としてのアンテナ端子１３との間には、シリーズリアクタンスによる調整で共振周波数を下げるインピーダンス調整手段としてのインピーダンスマッチング回路１４を設け、輻射エレメント１１とカウンターポイズ１２との間には、中心周波数から離れた周波数範囲のリアクタンス成分をキャンセルする並列共振回路１５を設けてある。
【００２１】
一般に、アンテナは直列共振回路とみなすことができ、インピーダンスマッチング回路１４によってシリーズリアクタンス（コイルのインダクタンスおよびキャパシタのキャパシタンス）を接続すれば、共振周波数を変えずにアンテナ素子（輻射エレメント１１およびカウンターポイズ１２）を小型化できる。これは、インピーダンスマッチング回路１４におけるシリーズリアクタンス中のインダクタンス成分がローディングコイルのように動作して、アンテナ素子の小型化および狭帯域化に寄与することとなり、シリーズリアクタンス中のキャパシタンス成分により、共振周波数の微調整（高周波化）とＱ値の低減効果による広帯域化（インダクタンス成分による狭帯域化のキャンセル効果）が得られるものと考えられる。このような機能を果たすインピーダンスマッチング回路１４によって、輻射エレメント１１のエレメント長に応じた中心周波数ｆc（波長λc）よりも低い周波数へ中心周波数ｆc′（波長λc′）をシフトさせられるので、見かけ上、輻射エレメント１１のアンテナ長λc／４は小型広帯域アンテナ１の中心周波数から逆算されるアンテナ長λc′／４よりも小さい寸法となる。
【００２２】
従って、小型広帯域アンテナ１として実現したい帯域の中心周波数ｆc′よりも適宜高い周波数を中心周波数ｆcに仮設定することで、輻射エレメント１１のアンテナ長λc／４を短く設定する設計手法を採ることも可能である。ただし、インピーダンスマッチング回路１４としてインダクタンスを付加すると、帯域幅を狭めてしまうため、アンテナ長を著しく短くすることは現実的ではない。あくまでも、λc／４を基本としつつ、帯域幅を保持できる範囲でアンテナ特性としての中心周波数ｆc′の要求仕様を満たすように、インピーダンスマッチング回路１４の回路定数を設定することが望ましい。
【００２３】
一方、並列共振回路１５は、中心周波数から離れた周波数範囲のリアクタンス成分をキャンセルし、中心周波数に近い範囲での特性改善を行う。これにより、帯域幅を１．４倍程度に広げることができ、小型広帯域アンテナ１として広帯域化が実現可能となる。
【００２４】
更に、輻射エレメント１１とカウンターポイズ１２との間には導通ヒンジ１６を設け、接地導体１２と輻射エレメント１１が重なる閉状態（図１中、破線で示す）と、接地導体１２に対して輻射エレメント１１が垂直に配置される開状態と、に変換可能とした。かかる開閉構造とすれば、普段は輻射エレメント１１を折り畳んで小さくしておき、使用時にだけ輻射エレメント１１を立ち上げ、アンテナとして利用するようにできる。
【００２５】
また、カウンターポイズ１２に対して輻射エレメント１１を可動させる機構は蝶番に限らない。例えば、ノートＰＣや他の装置において、内部基板等をカウンターポイズ１２として用い、アンテナ不使用時には輻射エレメント１１を折り畳まれた状態で装置内部に収容しておき、アンテナ使用時には輻射エレメント１１を引き出して利用するような構造も可能である。なお、インピーダンスマッチング回路１４と並列共振回路１５は、可動側（輻射エレメント１１の側）に配置するよりも、固定側（カウンターポイズ１２の側）に設けておくことが望ましい。
【００２６】
上述したように、本実施形態に係る小型広帯域アンテナ１は、輻射エレメント１１の形状（アンテナ長およびアンテナ幅）、インピーダンスマッチング回路１４および並列共振回路１５の回路定数を適宜に設定することで、広い周波数帯（例えば、日本におけるＴＶ放送の周波数帯：４７０ＭＨｚ〜７１０ＭＨｚ）に対応した小型のアンテナを実現できる。
【００２７】
図２は、図１に示した小型広帯域アンテナ１の構成から得られたＶＳＷＲ−周波数特性である。１０２ｍｍ×３２ｍｍの輻射エレメント１１と１２０ｍｍ×４２ｍｍのカウンターポイズ１２によるＶダイポールアンテナ構造で、中心周波数６２０ＭＨｚ、帯域幅３００ＭＨｚを実現できており、小型広帯域アンテナ１は、日本のＴＶ放送の周波数帯（４７０ＭＨｚ〜７１０ＭＨｚ）におけるＴＶＷＳを用いたコグニティブ無線通信に好適なアンテナである。
【００２８】
参考までに、図２のＶＳＷＲ−周波数特性を得たときの回路パラメータを図３に示す。しかしながら、インピーダンスマッチング回路１４や並列共振回路１５では、配線パターン自身が有するインダクタンス成分も少なからず影響するので、各ディスクリート部品単体の特性だけで回路パラメータを再現することは難しい。
【００２９】
また、小型広帯域アンテナ１の輻射エレメント１１は、アンテナ長１０２ｍｍであるから、約７３５ＭＨｚを中心周波数とする設計であるが、小型広帯域アンテナ１としての中心周波数は６２０ＭＨｚであり、これに対応する輻射エレメントのアンテナ長は約１２１ｍｍとなる。すなわち、本発明の小型広帯域アンテナ１では、中心周波数をより小さいアンテナ長で実現できるのである。しかも、小型広帯域アンテナ１の輻射エレメント１１は偏波面が鉛直向きに配置されることから、テレビ放送波など、水平偏波を利用する他の通信との干渉軽減も期待できる。
【００３０】
なお、欧米で採用されているＴＶ放送の周波数帯（４７０ＭＨｚ〜７９０ＭＨｚ）は、帯域の上限が日本のＴＶ放送の周波数帯よりも高く、それだけ帯域の広いアンテナが要求される。しかしながら、図２の特性図においては、本実施形態に係る小型広帯域アンテナ１でも、７８０ＭＨｚ辺りまでＶＳＷＲ＜３の特性が得られているので、各種パラメータを再調整すれば、欧米のＴＶ放送の周波数帯は十分達成可能である。
【００３１】
ここで、本実施形態の小型広帯域アンテナ１が、インピーダンスマッチング回路１４および並列共振回路１５を備えることにより、上述した良好な特性を得られることを示すため、図４に基づき、インピーダンスマッチング回路１４および並列共振回路１５を備えていない第１対比用アンテナ１１０について説明する。
【００３２】
図４（ａ）に示すように、第１対比用アンテナ１１０は、本実施形態の小型広帯域アンテナ１の輻射エレメント１１およびカウンターポイズ１２と同サイズの輻射エレメント１１１および接地導体１１２を備える構造である。この第１対比用アンテナ１１０をギャップ給電により動作させたシミュレーション結果（ＶＳＷＲ−周波数特性）を図４（ｂ）に示す。
【００３３】
図４（ｂ）の特性図からわかるように、インピーダンスマッチング回路１４および並列共振回路１５を備えていない第１対比用アンテナ１００では、ＴＶ放送の周波数帯の全域でＶＳＷＲ＜３の特性を得ることができていない。すなわち、同じサイズの輻射エレメント１１およびカウンターポイズ１２で広帯域特定を得ている本実施形態の小型広帯域アンテナ１は、インピーダンスマッチング回路１４および並列共振回路１５の機能によって特性向上を実現していることが理解できよう。
【００３４】
一方、図５（ａ）に示す第２対比用アンテナ１２０は、インピーダンスマッチング回路１４および並列共振回路１５を備えていないものの、本実施形態の小型広帯域アンテナ１の輻射エレメント１１およびカウンターポイズ１２に比べて大型の輻射エレメント１２１（１６７ｍｍ×６０ｍｍ）および接地導体１２２（１１７ｍｍ×６０ｍｍ）を備える構造である。この第２対比用アンテナ１２０をギャップ給電により動作させたシミュレーション結果（ＶＳＷＲ−周波数特性）を図５（ｂ）に示す。
【００３５】
図５（ｂ）の特性図から分かるように、インピーダンスマッチング回路１４および並列共振回路１５を備えていない第２対比用アンテナ１２０であっても、輻射エレメント１２１のアンテナ長やアンテナ幅を大きくし、接地導体１２２も対応させて大きくすれば、広帯域特性を得ることができる。しかしながら、ＴＶＷＳを利活用するコグニティブ無線通信で用いられる携帯無線端末装置に搭載するためには、アンテナの小型化は重要な課題であり、本実施形態の小型広帯域アンテナ１のサイズでＴＶ放送の周波数帯をカバーできるアンテナを実現できる実用的価値は非常に大きい。
【００３６】
図６に示すのは、本発明に係る小型広帯域アンテナを通信デバイス２として試作した試作例である。通信デバイス２は、ＵＳＢ（登録商標）等の標準接続規格に準拠した機能拡張デバイスで、例えば、本体２１の適所に設けられた接続端子２１ａを介して、パーソナルコンピュータや携帯無線端末装置に接続することで、通信デバイス２がＴＶＷＳを利用したコグニティブ無線通信用のアンテナとして機能する。
【００３７】
通信デバイス２は、本体２１に対して開閉パネル２２がヒンジ機構を介して約９０゜回動可能に取り付けられており、例えば、本外２１の上面パネル２１ｂが接地導体として機能し、非導電性の開閉パネル２２の片面（例えば、本体２１の上面パネル２１ｂに重なる面）に銅箔テープ（厚さ０．０２５ｍｍ）を貼着して輻射エレメント２２ａとする。なお、インピーダンスマッチング回路および並列共振回路は、低背のディスクリート部品で構成し、本体２１内に収納されている。なお、輻射エレメント２２ａと本体２１内の回路との接続には、比較的高価な導通ヒンジを使わず、開閉パネル２２を開いて鉛直方向へ立ち上げたときだけ輻射エレメント２２ａの導通部が本体２１の導通部に当たって、輻射エレメント２２ａと本体２２内の回路とが導通する簡易な構造で構わない。
【００３８】
輻射エレメント２２ａは１１０ｍｍ×４０ｍｍ、約１ｍｍの導電性板材（例えば、アルミニウム板）を所要形状に成型した上面パネル２１ｂは１１２．３ｍｍ×５０ｍｍ（更に、両側部での曲折部が夫々６ｍｍ）であり、上述した小型広帯域アンテナ１の輻射エレメント１１およびカウンターポイズ１２よりも一回り大型である。
【００３９】
上述した通信デバイス２で実測したＶＳＷＲ−周波数特性を図７に示す。この特性図から明らかなように、通信デバイス２では、中心周波数６３０ＭＨｚ、帯域幅３２０ＭＨｚを実現しており、日本のＴＶ放送の周波数帯（４７０ＭＨｚ〜７１０ＭＨｚ）は勿論、欧米でのＴＶ放送の周波数帯（４７０ＭＨｚ〜７９０ＭＨｚ）でも、ＶＳＷＲ＜２．５の良特性が得られている。
【００４０】
以上説明したように、本発明に係る小型広帯域アンテナは、輻射エレメントの形状（アンテナ長およびアンテナ幅）、インピーダンス調整手段および並列共振回路の回路定数をパラメータとして適宜に設定することで、広い周波数帯（日本におけるＴＶ放送の周波数帯だけでなく、欧米におけるＴＶ放送の周波数帯）に対応した小型のアンテナを実現できる。
【００４１】
しかしながら、各パラメータは相互に関連し合っているので、各パラメータによってアンテナの諸特性を独立して制御できるものではない。例えば、輻射エレメントのエレメント幅は共振時のＱファクタを下げるパラメータであるものの、アンテナ特性としての広帯域化に輻射エレメントの幅のみが寄与している訳では無く、他のパラメータ（輻射エレメントのアンテナ長、インピーダンス調整手段および並列共振回路の回路定数）との兼ね合いで、小型広帯域アンテナとしての帯域特性が決まるものであるから、全てを総合的に見て各パラメータの組み合わせの有効性を判断しなければならない。
【００４２】
このように、小型広帯域アンテナの良特性を実現するための最適パラメータは、目的とするアンテナ特性から一意に定まるものではなく、どのようなパラメータの組み合わせにより小型広帯域アンテナの良特性を実現するかは、試行錯誤による設計事項である。従って、本実施形態の小型広帯域アンテナ１のアンテナ長よりも短い輻射エレメントで、より広帯域のアンテナを実現できる可能性もある。
【００４３】
以上、本発明に係る小型広帯域アンテナを実施形態に基づき説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない限りにおいて実現可能な全ての小型広帯域アンテナを権利範囲として包摂するものである。
【符号の説明】
【００４４】
１      小型広帯域アンテナ
１１    輻射エレメント
１２    カウンターポイズ（接地導体）
１３    アンテナ端子
１４    インピーダンスマッチング回路（インピーダンス調整手段）
１５    並列共振回路
１６    導通ヒンジ
【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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