(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の周波数帯で共振可能なアンテナ素子を、基板の面に沿って二次元的に形成された導体パターンを用いて小形化および低コスト化に適した構造でありながら、複数の周波数帯で良好な電気的特性を得る。【解決手段】アンテナ電流が地導体３２に写像される接地型アンテナを基本構成とする単一給電方式のアンテナであって、一端が給電端でその反対側の他端が開放端をなす線状の主放射導体部２３と、この主放射導体部２３の途中からＴ字状に分岐して地導体３２に接続する線状の短絡導体部２４とを有し、上記アンテナ電流の分布経路が、上記主放射導体部の一端から他端までの第１の経路、上記主放射導体部２３の一端から上記Ｔ字状の分岐を経て上記地導体３２に至るまでの第２の電流経路、および上記主放射導体部の他端を折り返して上記地導体３２に至るまでの第３の経路で形成されることにより高調波以外で少なくとも２つの共振周波数帯域を持つようにする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の面に沿って二次元的に形成された導体パターンにより、給電により励振されたアンテナ電流が線状に分布して電磁波放射が行われる能動アンテナ素子を構成するとともに、上記アンテナ電流の分布経路が長さを違えて複数通り形成されるようにした単一給電方式の送信および／または受信用のアンテナにおいて、上記アンテナ素子は、上記アンテナ電流が地導体に写像される接地型アンテナを構成するとともに、一端が給電端でその反対側の他端が開放端をなす線状の主放射導体部と、この主放射導体部の途中からＴ字状に分岐して上記地導体に接続する線状の短絡導体部とを有し、上記アンテナ電流の分布経路が、上記主放射導体部の一端から他端までの第１の経路、上記主放射導体部の一端から上記Ｔ字状の分岐を経て上記地導体に至るまでの第２の電流経路、および上記主放射導体部の他端を折り返して上記地導体に至るまでの第３の経路の少なくとも２通りで形成されることにより、高調波以外で少なくとも２つの共振周波数帯域を持つようにしたことを特徴とするアンテナ。
【請求項２】
請求項１において、給電電流が供給される給電導体部と上記放射導体部の給電端との間に、導体パターンの隙間により形成される容量を直列に装荷したことを特徴とするアンテナ。
【請求項３】
請求項１または２において、上記アンテナ電流の分布経路が上記第１〜第３の経路で３通りに形成されることにより高調波以外の周波数で３つの共振周波数帯域を持つようにしたことを特徴とするアンテナ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、上記第１〜第３のいずれか２つ以上の経路によって形成される２つ以上の共振周波数またはそれらの高調波共振周波数を近接させて広帯域特性を形成したことを特徴とするアンテナ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、上記能動アンテナ素子は、その全体または一部が容量成分、誘導成分、または誘電体の装荷による短縮効果により寸法短縮されていることを特徴とするアンテナ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のアンテナを搭載した無線通信機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、単一給電方式で複数の共振周波数帯域を持つ多周波型の送信および／または受信用アンテナに関し、とくにマイクロ波領域以上の超高周波用アンテナであって、たとえば移動体通信機器、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＩＴＳ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）、ＥＴＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｔｏｌｌ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）等の小型無線通信機器に利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
アンテナは、給電側から見て等価的に無限の長さあるいは広がりを持つように構成された放射導体に無線信号波を進行させる進行波型（非共振型）と、所定の長さあるいは広がりを持つように構成された放射導体を無線信号で周波数共振させる共振型の２タイプに大別することができる。前者は、理論的に広帯域でマルチバンドアンテナとしての使用にも適しているが、等価的に無限の長さを持つように構成しなければならないので、小形化は無理である。後者は、共振可能な周波数帯が放射導体の長さや形状等に依存するので、広帯域化は難しいが、小形かつ低コストに構成するのには適している。このため、たとえば無線ＬＡＮやＧＰＳなどの小型無線通信機器では専ら後者が使用される。
【０００３】
共振型アンテナでは高調波共振によるマルチバンド（多周波）化も可能であるが、この場合、各周波数は互いに概ね整数比関係となる基本波と高調波に限定される。高調波以外でマルチバンド（多周波）化するためには、給電より励振されるアンテナ電流（アンテナ共振電流）の分布経路が長さを違えて複数通り形成されるように構成すればよい。つまり、アンテナ共振回路を複数形成すればよい。
【０００４】
この種のアンテナとしては、たとえば、特開平０６−２３２６２５、特開平９−２１９６１９、特開２０００−６８７３６、特開２０００−６８７３７、特開２００１−１４４５２４、特開２００１−２５１１２８などに記載のものがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のアンテナには次のような問題があった。たとえば特開２０００−６８７３７や特開２００１−１４４５２４などに記載のものは、立体的（３次元）的な構造が要求されるため、構成が複雑で小形化が難しいとともに、生産適性とくに量産性が悪く低コスト化が困難であった。特開平０６−２３２６２５などは、形状的には比較的簡単ではあるが、上記と同様に立体的な構造であるため、低コスト化には適さない。また、複数の広い面積を持った放射導体が重なり合った状態で対向する構成であるため、放射効率が低下しやすい。
【０００６】
一方、特開２０００−６８７３６、特開平９−２１９６１９、特開２００１−２５１１２８などに記載のものは立体的な構造を必要とせず、基板の面に二次元的に形成された導体パターンを用いて構成できるため、構造が簡単で量産には適している。しかし、これらはいずれも、給電は１箇所で共通であるが、その給電により励振される放射導体は周波数帯ごとに独立して設けられる。つまり、複数のアンテナ素子の給電だけを共通化したのと実質的に同じである。周波数ごとに独立して共振する複数の放射導体部を上記導体パターンで形成するためには大きな面積を必要とし、アンテナの小形化を困難にする。
【０００７】
なお、ＨＦ（短波）あるいはＶＨＦ（超短波）などの比較的低い周波数領域では、アンテナ素子をなす線状導体の途中にＬＣ集中定数による周波数トラップを直列に装荷することにより、その線状導体の共振長さを周波数帯で切替えるようにしたマルチバンドアンテナが使用されることがある。しかし、この技術はＨＦやＶＨＦのような比較的長波長のアンテナには有効だが、分布定数の利用が主となる超高周波領域用アンテナへの適用には無理がある。仮に可能だとしても、非常に複雑な構造となってしまい、少なくとも小形かつ低コストなものにはならない。
【０００８】
この発明は以上のような問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の周波数帯で共振可能なアンテナ素子を、複雑で高コストな立体構造ではなく、基板の面に沿って二次元的に形成された導体パターンを用いて簡単かつ低コストに構成することができるとともに、その構成に必要な導体パターンの寸法とくに長さを小形化することができ、さらに、小形化および低コスト化に適した構造でありながら、高調波以外の複数の周波数帯で良好な電気的特性が得られるようにしたアンテナを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の手段は、基板の面に沿って二次元的に形成された導体パターンにより、給電により励振されたアンテナ電流が線状に分布して電磁波放射が行われる能動アンテナ素子を構成するとともに、上記アンテナ電流の分布経路が長さを違えて複数通り形成されるようにした単一給電方式の送信および／または受信用のアンテナにおいて、上記アンテナ素子は、上記アンテナ電流が地導体に写像される接地型アンテナを構成するとともに、一端が給電端でその反対側の他端が開放端をなす線状の主放射導体部と、この主放射導体部の途中からＴ字状に分岐して上記地導体に接続する線状の短絡導体部とを有し、上記アンテナ電流の分布経路が、上記主放射導体部の一端から他端までの第１の経路、上記主放射導体部の一端から上記Ｔ字状の分岐を経て上記地導体に至るまでの第２の電流経路、および上記主放射導体部の他端を折り返して上記地導体に至るまでの第３の経路の少なくとも２通りで形成されることにより、高調波以外で少なくとも２つの共振周波数帯域を持つようにしたことを特徴とする。
【００１０】
上記手段により、複数の周波数帯で共振可能なアンテナ素子を、複雑で高コストな立体構造ではなく、基板の面に沿って二次元的に形成された導体パターンを用いて簡単かつ低コストに構成することができるとともに、その構成に必要な導体パターンの寸法とくに長さを小形化することができる。さらに、小形化および低コスト化に適した構造でありながら、高調波以外の複数の周波数帯で良好な電気的特性を得ることができる。
【００１１】
上記手段では、給電電流が供給される給電導体部と上記放射導体部の給電端との間に、導体パターンの隙間により形成される容量を直列に装荷することにより、給電結合を簡単に形成させることができる。
【００１２】
また、上記アンテナ電流の分布経路が上記第１〜第３の経路で３通りに形成されることにより高調波以外の周波数で３つの共振周波数帯域を持つようにすることができる。さらに、上記第１〜第３のいずれか２つ以上の経路によって形成される２つ以上の共振周波数またはそれらの高調波共振周波数を近接させて広帯域特性を形成することができる。
【００１３】
その他、上記能動アンテナ素子は、その全体または一部を容量成分、誘導成分、または誘電体の装荷による短縮効果により寸法短縮させることができる。また、本発明は、上述した手段によるアンテナを搭載することにより、小形かつ低コストで高性能の無線通信機器を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の代表的な実施例を説明する。なお、アンテナは送信および／または受信用に使用されるが、説明は当該技術分野の慣例にしたがい、送信アンテナを想定して行う。
【００１５】
図１および図２は、本発明の技術が適用されたアンテナの第１実施例を示す。この場合、図１はアンテナ２０の要部拡大図、図２は周辺を含む全体図をそれぞれ示す。
【００１６】
同図に示すアンテナ２０は、プリント回路基板３１の片隅に表面実装された誘電体基板２１を用いて構成されている。誘電体基板２１は高誘電率かつ低損失の誘電体を用いて構成され、一種のチップ部品（ＳＭＤ）として回路基板３１に表面実装されている。さらに具体的に説明すると、この実施例では、誘電体基板２１として、比誘電率εｒ＝２０で大きさが１０．０×４．５×１．５ｍｍの誘電体基板を使用している。また、プリント回路基板３１として、１２５．０×３５．０×０．８ｍｍのガラスエポキシ基板を使用している。この回路基板３１は両面導体（Ｃｕ）基板であって、後述するマイクロストリップラインが凡そ５０Ωの特性インピーダンスで形成される。
【００１７】
誘電体基板２１の面には、主放射導体部２３、短絡導体部２４、給電導体部２５などの導体パターンがそれぞれ形成されている。この場合、主放射導体部２３と給電導体部２５の各導体パターンは基板２１の上面だけに形成され、短絡導体部２４の導体パターンは基板２１の上面から側面にかけて形成されている。基板２１の側面下側には表面実装用のハンダ付用端子２７となる導体パターンも形成されている。上記導体パターンはいずれも、基板２１の面に沿って印刷配線等により二次元的に形成されている。
【００１８】
上記誘電体基板２１が表面実装されたプリント回路基板３１の上面には、地導体３２をなすベタ状の導体パターンが形成されるとともに、伝送線路３３をなすマイクロストリップライン（５０Ω）が形成されている。伝送線路３３は、信号入力端子（出力端子）ＩＮと給電導体部２５間を接続するように形成されている。伝送線路３３と給電導体部２５間は、誘電体基板２１の側面から上面にかけて形成された導体パターンを介して上記給電導体部２５に接続する。
【００１９】
給電導体部２５は主放射導体部２３の一端に近接配置されている。両導体部２３，２５間には所定の隙間（ギャップ）が置かれているが、この隙間を挟んで形成される所定の容量Ｃｓが両導体部２３，２５間に直列に装荷されている。この容量Ｃｓにより両導体部２３，２５間が結合されている。
【００２０】
主放射導体部２３と短絡導体部２４は、励振によりアンテナ電流（アンテナ共振電流）が線状に分布するアンテナ素子の主要部を形成する。このアンテナ素子は、アンテナ電流が地導体３２に写像される接地型アンテナを構成する。接地型アンテナは、給電により励振される実際のアンテナ素子と、地導体３２に写像されるイメージアンテナ素子とによって所定のアンテナ特性を持つようにしたものであって、たとえば１／４波長の接地型アンテナでは、地導体に同じ１／４波長のイメージアンテナが写像されることにより、等価的に２倍の実効長（１／２波長）によるアンテナ特性を得ることができる。このような写像アンテナが形成されるようにするため、上記地導体３２は、誘電体基板２１の下面とその周辺部を除いた領域に全面的に形成されている。
【００２１】
主放射導体部２３は誘電体基板２１の上面を屈曲（あるいは方向転換）しながら所定長さの線状導体パターンを形成している。この主放射導体部２３の一端は給電端で上記容量Ｃｓを介して給電導体部２５に結合され、その他端は開放端となっている。短絡導体部２４は線状導体パターンにより形成され、主放射導体部２３の途中からＴ字状に分岐して上記地導体３２に接続している。
【００２２】
図３は、上述したアンテナ２０の等価図を示す。上述したアンテナ２０は、主放射導体部２３の一端から容量Ｃｓを介して行われる給電により励振される。この励振により分布するアンテナ電流は、同図の（ａ）（ｂ）（ｃ）にそれぞれ矢印で示すように、３通りの経路で分布する。
【００２３】
第１の経路は、（ａ）に示すように、主放射導体部２３の一端から他端までの経路であって、この経路に沿ってアンテナ電流が分布する。この場合、アンテナ２０は、主放射導体部２３の他端（開放端）で電流最小（電圧最大）となるような電流分布で共振する。つまり、そのような電流分布を生じさせる波長（周波数帯域）で共振する。
【００２４】
第２の経路は、（ｂ）に示すように、主放射導体部２３の一端から上記Ｔ字状の分岐を経て上記地導体３２に至るまでの経路であって、この経路に沿ってアンテナ電流が分布する。この場合、アンテナ２０は、その第２の経路にて、短絡導体部２４の先端（接地端）で電流最大（電圧最小）となるような電流分布で共振する。つまり、そのような電流分布を生じさせる波長（周波数帯域）で共振する。
【００２５】
第３の経路は、主放射導体部２３の他端を折り返して上記地導体３２に至るまでの経路であって、この経路に沿ってアンテナ電流が分布する。この場合、アンテナ２０は、その第３の経路にて、短絡導体部２４の先端（接地端）で電流最大（電圧最小）となるような電流分布で共振する。つまり、そのような電流分布を生じさせる波長（周波数帯域）で共振する。
【００２６】
第１〜第３の経路における共振周波数はそれぞれ、主放射導体部２３の長さ、Ｔ字状分岐の位置、および短絡導体部２４の長さなどをパラメータにして任意に設定することができる。これにより、高調波以外で３つの共振周波数帯域を持つようにすることができる。
【００２７】
図４は、上述したアンテナで得ることができるＶＳＷＲ／周波数特性の第１例を示す。同図に示す例では、３つの異なる周波数帯域でそれぞれＶＳＷＲ（定在波比）が最小（ＶＳＷＲ＜２）となっている。したがって、この場合は、その３つの周波数帯域で使用可能なマルチバンドアンテナが構成されている。これは、アンテナ電流の分布経路が上記第１〜第３の経路で３通りに形成され、各経路ごとにその経路の実効長でアンテナ２０が共振するためである。これにより、高調波以外の周波数で３つの共振周波数帯域を持たせることができる。
【００２８】
図５は、上述したアンテナで得ることができるＶＳＷＲ／周波数特性の第２例を示す。同図に示す例では、ＶＳＷＲ（定在波比）が最小（ＶＳＷＲ＜２）となる周波数帯域は２つであるが、一方の周波数帯域の幅（ＶＳＷＲ＜２となる幅）が非常に広くなっている。これは、上述した３つの共振周波数帯域のうち、隣り合う２つの周波数帯域を近接させて一つに連続させたことによる。
【００２９】
上述のように、本発明のアンテナ２０では、アンテナ電流の分布経路が第１〜第３の経路で３通りに形成されることにより高調波以外の周波数で３つの共振周波数帯域を持つことができるが、そのうちの２つ以上の共振周波数を近接させることにより、非常に広帯域な周波数特性を合成することができる。
【００３０】
また、上述した実施例のアンテナ２０を電磁界解析したところ、それぞれの共振周波数帯域で高い放射効率（９０％以上）を得ることができた。また、図５において、ＶＳＷＲ＜２の比帯域は、計算値と試作品による実測値の双方で、低域側では６．５％、高域側では４０％以上の広帯域特性を示した。
【００３１】
図６から図１１までは、上述した実施例のアンテナ、とくに図５の特性を持つように構成したアンテナの指向性を示す。この場合、図６〜図８は、低域（Ｌｏｗ−ｂａｎｄ）側の指向性をＺ−Ｘ、Ｚ−Ｙ、Ｘ−Ｙの各面ごとに示す。また、図９〜図１１は、高域（Ｈｉｇｈ−ｂａｎｄ）側の指向性をＺ−Ｘ、Ｚ−Ｙ、Ｘ−Ｙの各面ごとに示す。同図に示すように、上述したアンテナ２０は低域側と高域側の両方でそれぞれ良好な広指向性を持つことができる。このような広指向性は、たとえば受動アンテナ素子などによって特定の指向性を設計する場合にも好都合である。
【００３２】
図１２は本発明によるアンテナの第２実施例を示す。上述した主放射導体部２３や短絡導体部２４などの導体パターンは、同図に示すように、基板２１，３１の大きさや形状、あるいはその他の条件に応じて変更することができる。また、同図に示すように、マイクロストリップラインによる給電用の伝送線路３３は、回路基板３１に実装した高周波回路（図示省略）に接続させるように形成してもよい。
【００３３】
図１３は本発明によるアンテナの第３実施例を示す。上述した主放射導体部２３や短絡導体部２４などの導体パターンが形成される誘電体基板２１には、同図に示すように、給電を行わない受動アンテナ素子２６の導体パターンを同時に形成してもよい。受動アンテナ素子２６は、たとえばアンテナ利得を特定方向だけ選択的に高くする場合、あるいは周波数特性を変更また調整する場合などに使用して有効である。
【００３４】
図１４は本発明によるアンテナの第４実施例を示す。上述した主放射導体部２３や短絡導体部２４などの導体パターンは、同図に示すように、プリント回路基板３１上に直接形成することも可能である。この場合、前述した誘電体基板２１は使用せず、プリント回路基板３１の一部でその誘電体基板２１を代用する。
【００３５】
上述したように、本発明のアンテナ２０では、複数の周波数帯で共振可能なアンテナ素子を、複雑で高コストな立体構造ではなく、基板２１の面に沿って二次元的に形成された導体パターンを用いて簡単かつ低コストに構成することができるとともに、その構成に必要な導体パターンの寸法とくに長さを小形化することができる。さらに、小形化および低コスト化に適した構造でありながら、高調波以外の複数の周波数帯で良好な電気的特性を得ることができる。
【００３６】
また、本発明のアンテナ２０は、接地型アンテナを基本構造とすることもその小形化に寄与しているが、さらに、主放射導体部２３と短絡導体部２４が形成する能動アンテナ素子は、その全体または一部に容量成分、誘導成分、または誘電体を装荷させることで生じる短縮効果により、導体パターンの寸法とくに長さを短縮して一層の小形化が可能である。
【００３７】
上述した各実施形態において、主放射導体部２３、短絡導体部２４、給電導体部２５などの導体パターンは、金、銀、銅等の導体を、印刷、めっき、蒸着、スパッタ、エッチング等によって構成することができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の周波数帯で共振可能なアンテナ素子を、複雑で高コストな立体構造ではなく、基板の面に沿って二次元的に形成された導体パターンを用いて簡単かつ低コストに構成することができるとともに、その構成に必要な導体パターンの寸法とくに長さを小形化することができ、さらに、小形化および低コスト化に適した構造でありながら、高調波以外の複数の周波数帯で良好な電気的特性のアンテナを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例によるアンテナの要部を示す斜視図である。
【図２】図１に示したアンテナの周辺部を含む全体を示す斜視図である。
【図３】本発明によるアンテナの動作例として各電流経路を示す概念図である。
【図４】本発明によるアンテナにて実現されるＶＳＷＲ／周波数特性の第１例を示すグラフである。
【図５】本発明によるアンテナにて実現されるＶＳＷＲ／周波数特性の第２例を示すグラフである。
【図６】本発明よるアンテナで得られる指向性の一例であって、とくに低域側周波数帯におけるＺ−Ｘ面でのアンテナ指向性を示すグラフである。
【図７】本発明よるアンテナで得られる指向性の一例であって、とくに低域側周波数帯におけるＺ−Ｙ面でのアンテナ指向性を示すグラフである。
【図８】本発明よるアンテナで得られる指向性の一例であって、とくに低域側周波数帯におけるＸ−Ｙ面でのアンテナ指向性を示すグラフである。
【図９】本発明よるアンテナで得られる指向性の一例であって、とくに高域側周波数帯におけるＺ−Ｘ面でのアンテナ指向性を示すグラフである。
【図１０】本発明よるアンテナで得られる指向性の一例であって、とくに高域側周波数帯におけるＺ−Ｙ面でのアンテナ指向性を示すグラフである。
【図１１】本発明よるアンテナで得られる指向性の一例であって、とくに高域側周波数帯におけるＸ−Ｙ面でのアンテナ指向性を示すグラフである。
【図１２】本発明によるアンテナの第２実施例を示す斜視図である。
【図１３】本発明によるアンテナの第３実施例を示す斜視図である。
【図１４】本発明によるアンテナの第４実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
２０  アンテナ
２１  誘電体基板
２３  主放射導体部
２４  短絡導体部
２５  給電導体部
２６  受動アンテナ素子
２７  ハンダ付用端子
Ｃｓ  容量
３１  プリント回路基板
３２  地導体
３３  伝送線路（マイクロストリップライン）
ＩＮ  信号入力端子（出力端子）
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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