(57)【要約】【課題】広い周波数帯域に対応しながらも小型・軽量で生産性が良く、しかも、球状に近い放射パターンを描くような特性を得られると共に、安定した特性を得ることが可能な広帯域アンテナ提供する。【解決手段】基板４に起立状に固着されるアンテナ素子５を備え、アンテナ素子５は、アンテナ軸心Ｌを回転中心軸としたブロック型回転体形状であって、基板４の給電用孔部40に差込まれる給電部１と、給電部１からアンテナ先端方向Ｅａへ連設される支柱部２と、支柱部２からアンテナ先端方向Ｅａへ連設される頭部３と、を有し、頭部３は、支柱部２から拡径状にアンテナ先端方向Ｅａへ連設される基端側円錐台状部６と、基端側円錐台状部６からアンテナ先端方向Ｅａへ連設される円錐台形状又は円柱形状の頭中間部７と、頭中間部７から縮径状にアンテナ先端方向Ｅａへ連設される扁平状の先端側円錐台状部８と、を有する。【選択図】図１
2019092053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（４）に起立状に固着されるアンテナ素子（５）を備え、
上記アンテナ素子（５）は、アンテナ軸心（Ｌ）を回転中心軸としたブロック型回転体形状であって、上記基板（４）の給電用孔部（40）に差込まれる給電部（１）と、該給電部（１）からアンテナ先端方向（Ｅａ）へ連設される支柱部（２）と、該支柱部（２）から上記アンテナ先端方向（Ｅａ）へ連設される頭部（３）と、を有し、
上記頭部（３）は、上記支柱部（２）から拡径状に上記アンテナ先端方向（Ｅａ）へ連設される基端側円錐台状部（６）と、該基端側円錐台状部（６）から上記アンテナ先端方向（Ｅａ）へ連設される円錐台形状又は円柱形状の頭中間部（７）と、該頭中間部（７）から縮径状に上記アンテナ先端方向（Ｅａ）へ連設される扁平状の先端側円錐台状部（８）と、を有することを特徴とする広帯域アンテナ。
【請求項２】
上記支柱部（２）は、上記基板（４）のグランド面（41）に当接する拡径段差面（21）を有する請求項１記載の広帯域アンテナ。
【請求項３】
上記頭部（３）は、アンテナ先端面（51）に、アンテナ素子表面を流れる電流が上記アンテナ先端面（51）の中央部で重なり合わないようにエネルギーを消費させるための凹部（50）を有する請求項１又は２記載の広帯域アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広帯域アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板に固着される立体形状のアンテナ素子としては、有底円筒状ケースと、ケース内に収納される柱状の内導体と、ケース外周面に接するように基板に立設される外導体と、を有するものが公知である（例えば、特許文献１参照）。
一方、広帯域を利用する通信技術であるＵＷＢ(Ultra Wide Band）が注目されている。ＵＷＢは、３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚの帯域において、幅、わずか１ｎｓ程度のパルスを使用する。周波数上でみると、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行うことが可能となる。ＵＷＢは、近距離高速通信が可能なため、コンピュータと周辺機器とのデータ伝送を行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。また、ＵＷＢの高い周波数領域を使うことは、高周波電波の特徴である直進性を使って通信することで、その通信時間から精度良く移動体との距離を測定することができる。さらに、それを元に、測位計算が可能になる。また、高周波電波の特徴である直進性を使って、電波を反射する物体との距離を測定できる。このことで、侵入検知や物体の形状、動きを検知することができる。また、ＵＷＢの周波数帯は高く、ＷｉＦｉ（登録商標）や携帯電話の周波数と干渉無く利用でき、他への通信機器に影響を与えることもないため、特別な無線によるデータ通信のネットワークを構築することや、医療機器分野においても注目されており、ＩＥＥＥ８０２．１５．６のＢＡＮ（Body Area Network）として制定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−５１５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述の従来のアンテナは、テレビ放送や屋内放送といった、狭い周波数帯域にしか対応できなかった。
さらに、上述の従来のアンテナは、アンテナ素子の構造が複雑で製作が困難である（製作費用が高くなる）と共に、基板への取付けに手間と時間がかかり、生産性が悪いといった問題もあった。
また、ＵＷＢを用いて測距や生体検知を行う場合、対象物から直接戻ってくる反射波を受信する必要があるため、アンテナ素子を中心として球状に近い放射パターンを描けるようなアンテナが求められている。
【０００５】
そこで、本発明は、広い周波数帯域に対応しながらも小型・軽量で生産性が良く、しかも、球状に近い放射パターンを描くような特性を得られると共に、安定した特性を得ることが可能な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】
【０００６】
本発明の広帯域アンテナ装置は、基板に起立状に固着されるアンテナ素子を備え、上記アンテナ素子は、アンテナ軸心を回転中心軸としたブロック型回転体形状であって、上記基板の給電用孔部に差込まれる給電部と、該給電部からアンテナ先端方向へ連設される支柱部と、該支柱部から上記アンテナ先端方向へ連設される頭部と、を有し、上記頭部は、上記支柱部から拡径状に上記アンテナ先端方向へ連設される基端側円錐台状部と、該基端側円錐台状部から上記アンテナ先端方向へ連設される円錐台形状又は円柱形状の頭中間部と、該頭中間部から縮径状に上記アンテナ先端方向へ連設される扁平状の先端側円錐台状部と、を有するものである。
また、上記支柱部は、上記基板のグランド面に当接する拡径段差面を有するものである。
また、上記頭部は、アンテナ先端面に、アンテナ素子表面を流れる電流が上記アンテナ先端面の中央部で重なり合わないようにエネルギーを消費させるための凹部を有するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、広帯域に対応可能なアンテナ素子を、容易かつ迅速に製作できると共に、基板へ差込むように取付けでき、組立を容易に行え、生産性に優れる。球状に近い放射パターン（均一状の放射パターン）を描くような特性が得られると共に安定した特性を得ることができる。つまり、高速無線通信や動体検知や測距・測位を行う装置に最適である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の一形態を示す半裁断面図である。
【図２】アンテナ素子の一例を示す平面図である。
【図３】要部底面図である。
【図４】他の実施形態を示す半裁断面図である。
【図５】第１実施例のＶＳＷＲ特性を示すグラフ図である。
【図６】第２実施例のＶＳＷＲ特性を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図示の実施形態に基づき本発明を詳説する。
本発明の広帯域アンテナは、図１に示すように、基板４に起立状に固着されるアンテナ素子５を備えている。
アンテナ素子５は、アンテナ軸心Ｌを回転中心軸としたブロック型回転体形状であって、表面は導電性を有している。
基板４は、表て面に、銅等の導体（導電性材）で形成されるグランド面41を有し、裏面に、銅等の導体で形成される回路パターン42を有している。
【００１０】
アンテナ素子５は、基板４に貫設された導電性の給電用孔部40に差込まれる給電部１と、給電部１からアンテナ先端方向Ｅａへ連設される支柱部２と、支柱部２からアンテナ先端方向Ｅａへ連設される頭部３とを、一体に有している。
【００１１】
アンテナ素子５は、表面が導電性を有していれば、材質は自由である。
つまり、アンテナ素子５は、金属等の導電性材から成るもの、例えば、真鍮等の金属丸棒材を機械加工したものである。
或いは、アンテナ素子５は、セラミックやプラスチック等の非導電性材で形成したブロック型回転体の素材表面に、導電性処理（金属等の導電性材をめっき又は塗布又は貼着等）をしたものである。
【００１２】
頭部３は、支柱部２の先端から拡径状にアンテナ先端方向Ｅａへ連設される基端側円錐台状部６と、基端側円錐台状部６の先端からアンテナ先端方向Ｅａへ連設される頭中間部７と、頭中間部７の先端から縮径状にアンテナ先端方向Ｅａへ連設される扁平状の先端側円錐台状部８と、を有する。
頭部３は、各部６,７,８（基端側円錐台状部６、頭中間部７、先端側円錐台状部８）の外周面が連続しており（接しており）、段差面を形成しないように連設している。
【００１３】
ここで、図１に示す実施形態に於ては、アンテナ素子５の頭部３は、頭中間部７を、円錐台形状とし（外周面をテーパ状とし）、さらに、頭中間部７を、基端側円錐台状部６の先端から拡径状にアンテナ先端方向Ｅａへ連設している。言い換えると、図１の頭部３は、拡径型円錐台形状の頭中間部７を有している。
図４に示す他の実施形態に於ては、アンテナ素子５の頭部３は、頭中間部７を、円錐台形状とし（外周面をテーパ状とし）、さらに、頭中間部７を、基端側円錐台状部６の先端から縮径状にアンテナ先端方向Ｅａへ連設している。言い換えると、図４の頭部３は、縮径型円錐台形状の頭中間部７を有している。
そして、図示省略するが、別の実施形態に於ては、アンテナ素子５の頭部３は、頭中間部７を、円柱状として（外周面をストレート状として）アンテナ先端方向Ｅａへ連設している。
【００１４】
図１及び図４に示すように、アンテナ素子５は、頭部３を、３つの円錐台形状部位が支柱部２の先端からアンテナ先端方向Ｅａへ積み重なった形状、又は、図示省略するが拡径型円錐台形状と円柱形状と縮径型円錐台形状が支柱部２の先端からアンテナ先端方向Ｅａへ積み重なった形状、とすることで、頭部３を球状とした比較例（図示省略）と比べて、放射パターンが球状で電波の強さ（エネルギー）も均一状となる。
比較例は、（本発明に係るアンテナ素子５と比べて）、放射方向が横（ラジアル方向）やアンテナ基端方向に偏り、通信に適したアンテナ先端方向Ｅａには電波が弱い。
【００１５】
また、アンテナ素子５は、グランド面41からの突出寸法を変化させることで、所望のＶＳＷＲ特性が得られる。
例えば、拡径段差面21（グランド面41）から、頭部３の各部６,７,８（基端側円錐台状部６、頭中間部７、先端側円錐台状部８）の先端（先端縁）までの各第１・第２・第３突出寸法Ｈ６，Ｈ７，Ｈ８を変更することで、所望のＶＳＷＲ特性を得ることができる。
【００１６】
また、アンテナ素子５は、頭部３の各部６，７，８の先端の各第１・第２・第３直径寸法Ｄｄ，Ｄｅ，Ｄｆを変更することで、使用する周波数帯域の変更が可能となる。
【００１７】
ここで、基端側円錐台状部６の外周面の傾斜角度θ６を第１傾斜角度θ６と呼び、頭中間部７の外周面の傾斜角度θ７を第２傾斜角度θ７と呼ぶ。また、第１突出寸法Ｈ６と支柱長さ寸法Ｈ２の差（Ｈ６−Ｈ２）を基端側円錐台長さ（高さ）寸法Ｈｘと呼び、第２突出寸法Ｈ７と第１突出寸法Ｈ６の差（Ｈ７−Ｈ６）を頭中間長さ（高さ）寸法Ｈｙと呼ぶ。
【００１８】
基端側円錐台状部６を、拡径型の円錐台形状とすることで、広い周波数帯域幅を得ることができる。
基端側円錐台状部６は、第１傾斜角度θ６を３５度以上６５度以下に設定し、且つ、第１直径寸法Ｄｄを基端側円錐台長さ寸法Ｈｘの１．８倍以上４．５倍以下に設定するのが望ましい（より好ましくは、第１直径寸法Ｄｄを基端側円錐台長さ寸法Ｈｘの２．０倍以上４．５倍以下に設定する）。このように設定することで、確実に広い周波数域帯幅を安定して得ることができる。
【００１９】
頭中間部７を、拡径型や縮径型の円錐台形状、又は、円柱形状とすることで、広い周波数帯域幅を得ることができる。
頭中間部７は、第２傾斜角度θ７を、−３５度以上５０度以下（好ましくは、−２３度以上５０度以下）に設定し、かつ、第２直径寸法Ｄｅを頭中間長さ寸法Ｈｙの１．１倍以上３．５倍以下に設定するのが望ましい。
拡径型円錐台形状の頭中間部７（図１参照）は、第２傾斜角度θ７を、０度を超え５０度以下に設定するのが望ましい。
縮径型円錐台形状の頭中間部７（図４参照）は、第２傾斜角度θ７を、−３５度以上０度未満（好ましくは−２３度以上０度未満）に設定するのが望ましい。
円柱形状の頭中間部７（図示省略）は、第２傾斜角度θ７を０度に設定する。
このように設定することで、確実に広い周波数帯域幅を安定して得ることができる。  
【００２０】
なお、本発明において、各傾斜角度θ２，θ６，θ７，θ８は、グランド面41に垂直な線（アンテナ軸心Ｌに平行な線）を０度として、拡径側をプラス角度、縮径側をマイナス角度で呼んでいる。
【００２１】
また、先端側円錐台状部８の外周面の傾斜角度（第３傾斜角度）θ８を設計変更することで、特性の微調整が可能である。
【００２２】
さらに、図１と図２と図４に示すように、頭部３は、アンテナ先端面（先端側円錐台状部８の先端面）の中央部に、アンテナ素子表面を流れる電流がアンテナ先端面51の中央部で重なり合わないようにエネルギーを消費させるための凹部50を有している。凹部50は、有底の円形孔であって、拡径状に開口するテーパ状の開口縁部55を有している。
このように、凹部50を設けることで、より均一な放射パターンを描くような特性を得ることができる。
【００２３】
支柱部２は、基板４のグランド面41に当接するための拡径段差面21を有している。言い換えると、給電部１の先端から拡径段差面21を形成するように支柱部２が連設されている。拡径段差面21は、アンテナ軸心Ｌに直交する平面状（グランド面41に対して平行面状）に形成している。
【００２４】
給電部１を給電用孔部40に差込んで拡径段差面21を基板４（グランド面41）に当接させるだけで、アンテナ軸心Ｌを基板４のグランド面（表て面）41に対して、容易に垂直にでき、その垂直を保持したまま、基板４へのはんだ付け等の組付け固着作業を行える。
つまり、アンテナ軸心Ｌがグランド面41に対して傾いたまま固着するような組立ミスを防止できる。支柱長さ寸法Ｈ２によって、グランド面41から頭部３までの離間寸法が確実に規定される。上記離間寸法が所定の値で（支柱長さ寸法Ｈ２と一致して）、正確に組み付けられて、安定した特性を得ることができると共に、生産性を向上できる。
【００２５】
支柱部２の形状は、アンテナ軸心Ｌを回転中心軸とした回転体形状であれば自由であって、図１に於ては円錐台形状である。図示省略するが円柱形状とするも良い。或いは、図４に示す他の実施形態のように、縮径型の円錐台形状の第１柱部20からアンテナ先端方向Ｅａに短円柱形状の第２柱部22を連設した（積み重ねた）形状とするも良い。また、支柱部２は、側面視で、矩形状又は六角形状とするのが、製作が容易となって望ましい。また、支柱部２の先端部は円柱形状とすると、製作が容易で好ましい。
【００２６】
給電部１は、円柱形状であって、図３に示すように、給電直径寸法Ｄａは、インピーダンスマッチングされた回路パターン42のパターン幅寸法Ｗと同等に設定するのが望ましい。
【００２７】
給電部１の給電長さ寸法Ｈ１は、基板４の厚みよりも僅かに大きく設定し、基板４の裏面の回路パターン42から僅かに突出させて、はんだ付けが容易となるようにしている。なお、図１と図４に於て、回路パターン42は、説明を容易にするために実際よりも厚く図示している。
【００２８】
そして、図１に示したアンテナ素子５を、Ｈ１＝１．１ｍｍ、Ｈ２＝１．１ｍｍ、Ｈ６＝４．５ｍｍ、Ｈ７＝８．４６ｍｍ、Ｈ８＝８．９４ｍｍ、Ｄａ＝１．１ｍｍ、Ｄｂ＝２．２ｍｍ、Ｄｃ＝１．１ｍｍ、Ｄｄ＝６．６ｍｍ、Ｄｅ＝８．７４ｍｍ、Ｄｆ＝８．０ｍｍ、ｈ５５＝０．５ｍｍ、ｈ５０＝２．０ｍｍ、Ｄ５５＝３．４ｍｍ、Ｄ５０＝２．４ｍｍ、θ２＝−２６．５７度、θ６＝５０．０９度、θ７＝１５．１２度、θ８＝−３７．４４度とし、材質を真鍮とした第１実施例について、Ansoft社のシミュレータを用いて電磁界解析を行って得たＶＳＷＲ特性（電圧定在波比）を図５に示す。
【００２９】
このように、基板４からの最大突出寸法（第３突出寸法Ｈ８）が９ｍｍ未満で、直径の最大寸法（第２直径寸法Ｄｅ）が９ｍｍ未満と、非常に小型でありながらも、図５から明らかなように、約６．５ＧＨｚ〜約１２．４ＧＨｚの周波数帯域で、ＶＳＷＲ（電圧定在波比）が２．０以下であり、広い周波数帯域を得ている。
【００３０】
次に、図４に示したアンテナ素子５を、Ｈ１＝１．１ｍｍ、Ｈ２０＝１．１ｍｍ、Ｈ２＝１．４ｍｍ、Ｈ６＝４．８ｍｍ、Ｈ７＝７．３８ｍｍ、Ｈ８＝７．８ｍｍ、Ｄａ＝１．１ｍｍ、Ｄｂ＝１．７ｍｍ、Ｄｃ＝１．１ｍｍ、Ｄｄ＝１０．０ｍｍ、Ｄｅ＝６．５６ｍｍ、Ｄｆ＝４．９９ｍｍ、ｈ５５＝０．５ｍｍ、ｈ５０＝２．０ｍｍ、Ｄ５５＝３．４ｍｍ、Ｄ５０＝２．４ｍｍ、θ２＝−１５．２６度、θ６＝６２．６７度、θ７＝−３３．６９度、θ８＝−６１．８５度とし、材質を真鍮とした第２実施例について、Ansoft社のシミュレータを用いて電磁界解析を行って得たＶＳＷＲ特性を図６に示す。
【００３１】
このように、基板４からの最大突出寸法（第３突出寸法Ｈ８）が８ｍｍ未満で、直径の最大寸法（第１直径寸法Ｄｄ）が１０ｍｍ以下と、非常に小型でありながらも、図６から明らかなように、約１０．０ＧＨｚ〜約１５．２ＧＨｚの周波数帯域で、ＶＳＷＲ（電圧定在波比）が２．０以下であり、図１のアンテナ素子５に比べて、高い周波数帯域を得ている。
【００３２】
なお、本発明は、設計変更可能であって、上述の各部寸法及び角度は、一例であって、目的とする（使用する）周波数帯に応じて寸法及び角度変更可能である。アンテナ素子５と基板４の固着手段はハンダ付けや圧入等自由である。
【００３３】
以上のように、本発明の広帯域アンテナは、基板４に起立状に固着されるアンテナ素子５を備え、上記アンテナ素子５は、アンテナ軸心Ｌを回転中心軸としたブロック型回転体形状であって、上記基板４の給電用孔部40に差込まれる給電部１と、該給電部１からアンテナ先端方向Ｅａへ連設される支柱部２と、該支柱部２から上記アンテナ先端方向Ｅａへ連設される頭部３と、を有し、上記頭部３は、上記支柱部２から拡径状に上記アンテナ先端方向Ｅａへ連設される基端側円錐台状部６と、該基端側円錐台状部６から上記アンテナ先端方向Ｅａへ連設される円錐台形状又は円柱形状の頭中間部７と、該頭中間部７から縮径状に上記アンテナ先端方向Ｅａへ連設される扁平状の先端側円錐台状部８と、を有するので、広帯域に対応可能なアンテナ素子５を、容易かつ迅速に、かつ、小型・軽量に製作できる。基板４へ差込むように取付けでき、組立を容易に行え、生産性に優れる。球状に近い放射パターン（均一状の放射パターン）を描くような特性が得られると共に安定した特性を得ることができる。つまり、高速無線通信や動体検知や測距・測位を行う装置に最適である。
【００３４】
また、上記支柱部２は、上記基板４のグランド面41に当接する拡径段差面21を有するので、アンテナ軸心Ｌを基板４のグランド面（表て面）41に対して、容易に垂直にでき、その垂直を保持したまま、基板４へのはんだ付け等の組付け固着作業を行える。アンテナ軸心Ｌがグランド面41に対して傾いたまま固着するような組立ミスを防止できる。グランド面41から頭部３までの離間寸法が、支柱長さ寸法Ｈ２によって確実に規定される。上記離間寸法が所定の値で正確に組み付けられて、安定した特性を得ることができると共に、生産性を向上できる。
【００３５】
また、上記頭部３は、アンテナ先端面51に、アンテナ素子表面を流れる電流が上記アンテナ先端面51の中央部で重なり合わないようにエネルギーを消費させるための凹部50を有するので、より均一な放射パターンを描くような特性を得ることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１  給電部
２  支柱部
３  頭部
４  基板
５  アンテナ素子
６  基端側円錐台状部
７  頭中間部
８  先端側円錐台状部
21  拡径段差面
40  給電用孔部
41  グランド面
50  凹部
51  アンテナ先端面
Ｅａ  アンテナ先端方向
Ｌ  アンテナ軸心
【図１】
2019092053.tif 000003
【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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