(57)【要約】【課題】  非常に広帯域な範囲で反射損の少ないアンテナを実現する。【解決手段】  誘電体基板１１と、前記誘電体基板の片面に線対称かつ回転対称に配置された複数の扇型のアンテナ導体１，２と、線対称に配置され前記複数の扇型のアンテナ導体間を短絡する円弧状の導体９と、線対称に配置された複数の給電用導体３，４とを備える。前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点が回転中心近傍に互いに対向して配置され、前記複数の給電用導体の一端はそれぞれ前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点近傍に接続され、前記複数の給電用導体の他端は給電端５，６であり、前記円弧状の導体は、前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点を挟んで前記複数の給電用導体の給電端の反対側に配置されている。【選択図】              図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、前記誘電体基板の片面に線対称かつ回転対称に配置された複数の扇型のアンテナ導体と、線対称に配置され前記複数の扇型のアンテナ導体間を短絡する円弧状の導体と、線対称に配置された複数の給電用導体とを備え、前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点が回転中心近傍に互いに対向して配置され、前記複数の給電用導体の一端はそれぞれ前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点近傍に接続され、前記複数の給電用導体の他端は給電端であり、前記円弧状の導体は、前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点を挟んで前記複数の給電用導体の給電端の反対側に配置されていることを特徴とするアンテナ構造。
【請求項２】
前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点の角度がそれぞれ１２０度であることを特徴とする請求項１記載のアンテナ構造。
【請求項３】
前記円弧状の導体は、前記複数の扇型のアンテナ導体の外周を短絡することを特徴とする請求項１記載のアンテナ構造。
【請求項４】
前記円弧状の導体は、前記複数の扇型のアンテナ導体の外周よりも外側に設けられた第１の部分と、前記第１の部分を前記複数の扇型のアンテナ導体の外周にそれぞれ接続する複数の第２の部分とを含むことを特徴とする請求項１記載のアンテナ構造。
【請求項５】
前記円弧状の導体は、前記複数の扇型のアンテナ導体の半径の略中間を短絡することを特徴とする請求項１記載のアンテナ構造。
【請求項６】
前記複数の給電用導体の幅は、前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点よりも、前記給電端のほうが広くなっていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ構造。
【請求項７】
前記複数の扇型のアンテナ導体が設けられた面とは異なる前記誘電体基板の面に、前記複数の給電用導体が設けられ、前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点と前記複数の給電用導体は、それぞれビアで接続されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はアンテナ構造に関し、特に、超広帯域の小型アンテナ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年無線ＬＡＮ、ブルートゥース（商標）等の近距離無線インターフェースが広く使用されるようになってきているが、さらに高速の伝送を可能にする超広帯域無線方式（ＵＷＢ）が次期システムとして注目されている。各国で仕様の検討が進められている最中であるが、その使用周波数として米国では３．１〜１０．６ＧＨｚの間で比較的大きな出力が認められている。いずれにしてもこのＵＷＢシステムは非常に広帯域の周波数を使用するため１００Ｍｂｐｓ以上の高速の無線伝送が可能であるが、このような広帯域の信号を伝送するアンテナを実現することは容易ではない。通常のアンテナを位相整合しても、このような広帯域なアンテナは実現できない。
【０００３】
非常に広帯域な範囲で反射損を少なくするアンテナ構造として下記特許文献１に記載されたものがある。
【特許文献１】特開２００５−１３０２９２号公報  特許文献１に記載のアンテナ構造は、誘電体基板と、前記誘電体基板上の片面に構成され、当該面において擬似自己補対な複数のアンテナ導体と、前記アンテナ導体の対称軸に関し対称な複数の給電用導体とを備え、前記複数のアンテナ導体間の回転対称の中心において使用周波数の真空中での波長の１／１０以下の間隙が設けられていることを特徴とするものである。
【０００４】
また、広帯域なアンテナの１つとして、ボウタイアンテナの２つのアンテナ導体を短絡したものが報告されている（非特許文献１）。図９はその説明図である。図９（ａ）は扇形のループアンテナのトポロジ、同（ｂ）は２つの扇形のループアンテナを結合したもののトポロジである。これらの図において扇形の導体の中心が給電点である。同（ｃ）は同（ｂ）のアンテナの半分を用いて接地面上に実現したアンテナ構造を示す。図９において、黒く塗りつぶした部分が導体を示す。
【非特許文献１】Nader Behdad and Kamal Sarabandi, "A Compact Antenna for Ultrawide-Band Applications" IEEE TRANSACTION ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL.53, NO.7, JULY 2005, pp2185-2192
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１記載のアンテナ構造は、自己補対構造を基礎としている。自己補対構造とは、複数のアンテナ導体が対称軸に関して左右で対称となっており、かつ、対称点に関して１８０°回転するとアンテナ導体がアンテナ導体自身と重なり、９０°回転するとアンテナ導体がパターンのない部分と重なる構造である。理論的には、自己補対構造は広帯域なアンテナを実現できるが、アンテナ導体の大きさが無限大でなければならない。そのようなアンテナ構造は実際には実現できず、アンテナ導体を所定の範囲の大きさに納めなければならない（特許文献１では「擬似」自己補対としている）。そのため、特性が若干劣化する。
【０００６】
非特許文献１記載のアンテナ構造（図９（ｃ））は立体構造であるため、実装が難しかった。また、図９（ｂ）の構造は平面で実現できるものの、給電点の回りが導体で囲まれているため、中心にある給電点から信号を取り出すのが難しいという欠点があった。アンテナ導体の同一面上に給電線を配置すると短絡線と短絡してしまうし、給電点からビアを介して他の面に引き出した後、当該ビアに給電線を接続したとしても、誘電体を介して短絡線又はアンテナ導体と給電線が交差するためアンテナの動作を悪化させてしまう。これを避けるために誘電体を厚くすることが考えられるが、すると材料のコストが上がってしまうという欠点があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、、有限の大きさのアンテナ導体を用いながら良好な広帯域特性を実現できるアンテナ構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るアンテナ構造は、誘電体基板と、前記誘電体基板の片面に線対称かつ回転対称に配置された複数の扇型のアンテナ導体と、線対称に配置され前記複数の扇型のアンテナ導体間を短絡する円弧状の導体と、線対称に配置された複数の給電用導体とを備え、前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点が回転中心近傍に互いに対向して配置され、前記複数の給電用導体の一端はそれぞれ前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点近傍に接続され、前記複数の給電用導体の他端は給電端であり、前記円弧状の導体は、前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点を挟んで前記複数の給電用導体の給電端の反対側に配置されていることを特徴とするものである。
【０００９】
前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点の角度がそれぞれ１２０度である。
【００１０】
前記円弧状の導体は、前記複数の扇型のアンテナ導体の外周を短絡する。
前記円弧状の導体は、前記複数の扇型のアンテナ導体の外周よりも外側に設けられた第１の部分と、前記第１の部分を前記複数の扇型のアンテナ導体の外周にそれぞれ接続する複数の第２の部分とを含むものでもよい。
あるいは、前記円弧状の導体は、前記複数の扇型のアンテナ導体の半径の略中間を短絡する。
【００１１】
前記複数の給電用導体の幅は、前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点よりも、前記給電端のほうが広くなっているものでもよい。
【００１２】
前記複数の扇型のアンテナ導体が設けられた面とは異なる前記誘電体基板の面に、前記複数の給電用導体が設けられ、前記複数の扇型のアンテナ導体の頂点と前記複数の給電用導体は、それぞれビアで接続されているものでもよい。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、非常に広帯域な範囲で反射損の少ないアンテナを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
発明の実施の形態１．
発明の実施の形態１に係るアンテナについて図面を参照して説明する。
図１（ａ）は、発明の実施の形態１に係るアンテナ構造の平面図である。１、２はアンテナを構成する扇形のアンテナ導体（その角度は１２０度。ただしこの角度に限定されない）、３，４はそれぞれの一方の端がアンテナ導体１，２に接続された給電用導体である。５，６は給電用導体３，４のアンテナ導体１，２と反対側の端である。これらの部分（給電端）５，６から位相が互いに１８０度ずれた信号が給電される。アンテナ導体１，２及び給電用導体３，４は、対称軸ＡＳに関して線対称である。９は対称軸ＡＳに関し対称に配置され、複数の扇型のアンテナ導体１と２をその外周Ｐ、Ｑにおいて短絡する円弧状の導体である。円弧状の導体９は、回転対称点ＰＳを中心として複数の給電用導体３、４の反対側に配置され、そこで複数の扇型のアンテナ導体１と２を短絡している。図１の例では、円弧状の導体９は扇型のアンテナ導体１、２の外周（円弧）と同じ形状をしており、扇型のアンテナ導体１、２の最外縁ＰとＱを短絡している。
【００１５】
アンテナ導体１，２を短絡する円弧状の導体９は、その形状が対称である限り奇モードが固有モードとなるため差動動作に悪影響は与えない。従って円弧状の導体９の幅が一定でなくてもよい。図１ではアンテナ導体１，２の最外周Ｐ，Ｑを接続しているが、部分を短絡してもよい。
【００１６】
アンテナ導体１と２の間には対称点ＰＳが存在し、この対称点ＰＳに関してアンテナ導体１と２は回転対称である。すなわち、２つの扇形の導体１と２を対称点ＰＳを中心に１８０度回転させると、図１（ａ）の扇形の導体１と２とそれぞれ一致する。
【００１７】
図１（ｂ）は発明の実施の形態１に係るアンテナ構造の断面図（同図（ａ）のａ−ａ矢視断面図）である。１１は誘電体基板である。アンテナ導体１，２及び給電用導体３，４は、誘電体基板１１の同じ面上に形成される。
【００１８】
図１（ａ）において、複数のアンテナ導体１、２の上側に円弧状の導体９（以下、「短絡金属」「短絡線」と記すことがある）が設けられているので、複数のアンテナ導体１と２は直流（ＤＣ）では短絡されている。他方、下側には短絡金属はなく、その複数のアンテナ導体１と２の間で給電線３，４が引き出されている。
【００１９】
発明の実施の形態１に係るアンテナ構造によれば、短絡線９がない場合概ね自己補対アンテナ構造であるが、アンテナ導体１と２が短絡されていることで、ＤＣでは短絡となりアンテナとしては動作しないが、短絡線のインダクタンスにより周波数が高くなると短絡ではなくなりアンテナとして動作し始める。
【００２０】
発明の実施の形態１に係るアンテナ構造を、特許文献１記載のアンテナ構造と比較すると、次の点で相違する。
（１）発明の実施の形態１が円弧状の導体（短絡金属）９を備えるのに対し、特許文献１は備えない点
（２）発明の実施の形態１のアンテナ導体１，２が扇形であるのに対し、特許文献１は三角形である点
（３）発明の実施の形態１のアンテナ導体１、２の角度が１２０度であるのに対し、特許文献１は９０度である点
【００２１】
発明の実施の形態１に係るアンテナ構造を、非特許文献１記載のアンテナ構造と比較すると、次の点で相違する。
（４）発明の実施の形態１ではアンテナ導体１，２と同じ平面に設けられた給電用導体３，４を備えるのに対し、非特許文献１では給電用導体が明示されていない点（非特許文献１の給電源とその流れは模式的に描かれたものにすぎない）
（５）発明の実施の形態１のアンテナ構造は開いている（扇形のアンテナ導体１，２の中心に位置する給電点からアンテナの外部へ向けて、アンテナ導体１，２又は短絡金属９のいずれにも接触することなく、ラインを引くことができる）のに対し、非特許文献１の構造は閉じている点
【００２２】
図２に発明の実施の形態１に係るアンテナ構造の特性（○印）と、比較例の特性（×印）を示す。図２はコンピュータシミュレーションにより求めたものである。比較例は、図３に示す構造のものである。比較例はアンテナ導体１と２をその両側で短絡したものである。この構造では、上記（５）の点でアンテナ給電線の配置が困難であるので、実用することはできない（コンピュータシミュレーションは可能である）。比較例はあくまで参考のためのものである。
【００２３】
比較例のアンテナ構造では給電点が金属で囲まれているために線路と交差してしまう。基板の裏に給電線をビアで引き出し、誘電体を介して短絡金属９と交叉させることで低周波での短絡は避けることができるが、高周波帯では交叉部でアンテナ短絡金属と給電線が交叉する部分で容量的に結合しアンテナの特性を悪化させてしまう。発明の実施の形態１に係るアンテナ構造であればそのような不都合を避けることができる。
【００２４】
図２は、アンテナ導体１，２の形状を扇型の部分の半径が２１ｍｍで挟む角度１２０度とし、比誘電率３．５、厚さ０．１ｍｍの基板上に銅を用いてアンテナ導体を作製したものとしてシミュレーションを行ったものである。
【００２５】
図２（ａ）は入力インピーダンスの比較を示している。同図によれば、発明の実施の形態１に係るアンテナ構造、比較例のアンテナ構造のいずれも３ＧＨｚ以上では概ね一定の入力インピーダンスであり、両者ほぼ同じ特性を示す。すなわち、発明の実施の形態１に係るアンテナ構造、比較例のアンテナ構造のいずれについても、３ＧＨｚ以上で入力インピーダンスは実部１６０Ω、虚部０Ωでほぼ一定の値を示している。
【００２６】
図２（ｂ）は、発明の実施の形態１に係るアンテナ構造、比較例のアンテナ構造のアンテナを１６０Ωのインピーダンスの差動端子に接続したときの反射損失を示す。いずれも２ＧＨｚ以上で−１０ｄＢ以下の反射損失が得られることを示す。いずれもアンテナで通常要求される反射損失（−１０ｄＢ以下）を満足し、２ＧＨｚ−１５ＧＨｚという非常に広帯域なアンテナ特性が実現されている。この反射特性は実用上許容できる範囲のものである。
【００２７】
以上説明したように、本発明の実施の形態１に係るアンテナ構造は、給電線を設けてもアンテナの動作に影響をほとんどもたらさない上にアンテナの性能も同等な広帯域特性を得ることができるという特徴をもつ。
【００２８】
発明の実施の形態２．
図２のシミュレーション結果によれば、図１のアンテナ構造は入力インピーダンス１６０Ωで終端されるべきものである。しかし、実用上は入力インピーダンス１６０Ωで終端される場合は少なく、通常の場合、アンテナは同軸ケーブル（不平衡の５０Ω）または差動の１００Ωで終端される。インピーダンスの整合を行わないと、信号が減衰してしまう。これを避けるには、差動で終端される場合には差動のインピーダンス整合回路、同軸ケーブルで終端する場合にはインピーダンス整合回路と平衡不平衡変換回路（バラン）が必要となる。
【００２９】
アンテナ導体１，２の形状を変えることなく、給電線３，４の寸法形状を調整することで、任意の端子インピーダンスに合わせることができる。図４及び図５は発明の実施の形態２に係るアンテナ構造の平面図である。この図において上記発明の実施の形態と同一又は相当する部分には同一符号を付してある。
【００３０】
図４において、給電用導体３の端５の幅とその他端（アンテナ導体１側の端）の幅を比較すると、アンテナ導体１側の端から端５へ向かうに従って単調に幅が大きくなっている。給電用導体４の端６の幅とその他端（アンテナ導体１側の端）の幅についても同様である。傾きが場所によって変化したり、部分的に不連続に変化するものでもよい。要するに、一方の端から他端へ向かうに従って徐々に幅が狭くあるいは広くなり、狭くなっていく途中で逆に広くなったりしなければよい。
【００３１】
あるいは、図５に示すように、給電用導体３がそれぞれ幅の異なる給電用導体３−１と３−２とから構成されてもよい。給電用導体４も同様である。
【００３２】
発明の実施の形態２において、給電用導体３，４の幅が上述のようになっているので、給電用導体３，４に接続されるＬＳＩの出力インピーダンスがアンテナの入力インピーダンスより低い場合であっても、外部の信号源インピーダンスがアンテナに整合するようにできる。
【００３３】
なお、ＬＳＩの出力インピーダンスがアンテナの入力インピーダンスより高い場合は、上述の場合と逆に、すなわち給電用導体３，４の幅はアンテナに接続される部分で広く、外部から給電される側５，６で狭くなるように構成すればよい。
【００３４】
発明の実施の形態２によれば、インピーダンス整合を行うことで、アンテナの広帯域性も十分保持できる。インピーダンス整合回路は給電線のインピーダンスを所望のインピーダンスに設計する必要があるが、いまの場合アンテナの入力インピーダンスは給電点のインピーダンスより高いため、1対の給電線の線路幅をアンテナ側を細い線路幅として高インピーダンスに、給電側を太い線路として低インピーダンスとし線路幅を調整することで実現できる。また、さらに不平衡の給電を行う場合はバラン機能も果たすという特徴も有する。上記の給電線の近傍には接地面がないため、電流連続の法則から線路間で電流が逆方向にながれこれがバランの役割も果たすことになる。
【００３５】
発明の実施の形態３．
発明の実施の形態１では誘電体基板１１の一方の面にアンテナ導体１，２及び給電用線路３，４を設けたが、給電用線路３，４をアンテナ導体１，２とは異なる面に設けるようにしてもよい。図６に発明の実施の形態３の例を示す。これらの図において上記発明の実施の形態と同一又は相当する部分には同一符号を付してある。
【００３６】
図６（ａ）は発明の実施の形態３に係るアンテナ構造の平面図、同図（ｂ）はｂ−ｂ矢視断面図を示す。給電用導体３，４は誘電体基板の裏面に設けられている。そのためアンテナ導体１，２と給電用導体３，４を接続するためのビア２４，２５が設けられている。部分５，６から位相が互いに１８０度ずれた信号が給電される。
【００３７】
発明の実施の形態４．
図７に発明の実施の形態４のアンテナ構造を示す。同図において上記発明の実施の形態と同一又は相当する部分には同一符号を付してある。
【００３８】
図７の短絡金属９は、複数の扇型のアンテナ導体１，２の外周よりもやや外側に設けられた第１の部分９’と、第１の部分９’を複数の扇型のアンテナ導体１，２の外周にそれぞれ接続するための第２の部分Ｐ’、Ｑ’とからなる。第２の部分Ｐ’、Ｑ’は、複数の扇型のアンテナ導体１，２の端ではなく、その円弧の途中に設けられており、第２の部分Ｐ’とＱ’の間を第１の部分９’で短絡している。第１の部分９’は、複数の扇型のアンテナ導体１，２よりもやや大きいので第２の部分Ｐ’とＱ’以外では複数の扇型のアンテナ導体１，２には接触しない。
【００３９】
図７の短絡金属９は、図１のものよりも長い。この長さを調整することでインピーダンスを変えることができる。
【００４０】
発明の実施の形態４のアンテナ構造でも、上記発明の実施の形態のものと同様の作用効果を奏する。
【００４１】
発明の実施の形態５．
図８に発明の実施の形態５のアンテナ構造を示す。同図において上記発明の実施の形態と同一又は相当する部分には同一符号を付してある。
【００４２】
図８の円弧状の導体９’’は、複数の扇型のアンテナ導体１，２よりも小さく（図８では概ね複数の扇型のアンテナ導体１，２の半径の半分）、その中間を短絡している。図８において、Ｐ’’、Ｑ’’は複数の扇型のアンテナ導体１，２と円弧状の導体９’’の接続点である。
【００４３】
発明の実施の形態５のアンテナ構造でも、上記発明の実施の形態のものと同様の作用効果を奏する。
【００４４】
本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１（ａ）は発明の実施の形態１に係るアンテナ構造の平面図、図１（ｂ）はａ−ａ矢視断面図である。
【図２】発明の実施の形態１に係るアンテナ構造による特性及び比較例の特性を示すグラフである。
【図３】比較例のアンテナ構造の平面図である。
【図４】発明の実施の形態２に係るアンテナ構造の平面図である。
【図５】発明の実施の形態２に係る他のアンテナ構造の平面図である。
【図６】発明の実施の形態３に係るアンテナ構造の平面図である。
【図７】発明の実施の形態４に係るアンテナ構造の平面図である。
【図８】発明の実施の形態５に係るアンテナ構造の平面図である。
【図９】従来のアンテナ構造の説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
１、２    扇形のアンテナ導体
３，４    給電用導体（給電線）
５，６    給電端
９、９’’  円弧状の導体（短絡金属、短絡線）
９’      円弧状の導体の第１の部分
１１        誘電体基板
２４、２５  ビア
Ｐ’、Ｑ’  円弧状の導体の第２の部分
【図１】
2008166856.tif 000003
【図２】
2008166856.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008166856.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2008166856.tif 000009
【図８】
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【図９】
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