(57)【要約】【課題】プリントアンテナに関するものであり，特に，超広帯域の小型，軽量でローコストのプリントアンテナを提供することを目的とする。【解決手段】誘電体の基板と該基板の上に配設された一組のアンテナ素子を備えたプリントアンテナにおいて，一組のアンテナ素子はそれぞれ独立に基板に隣接して配置され，それぞれのアンテナ素子が配置される平面において，該アンテナ素子の配置の間に原点があるｘｙ座標を定義したとして，各アンテナ素子が配置される方向をｘ軸とし，ｘ軸に垂直な方向をｙ軸とし，各アンテナ素子の形状はｘ軸方向に基板の中心部からそれぞれの外方に向うにつれてｙ軸方向の長さが大きくなる形状であり，各アンテナ素子の給電側に各アンテナ素子に一体にインピーダンス整合部を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体の基板と該基板の上に配設された一組のアンテナ素子を備えたプリントアンテナにおいて，
一組のアンテナ素子はそれぞれ独立に基板に隣接して配置され，それぞれのアンテナ素子が配置される平面において，該アンテナ素子の配置の間に原点があるｘｙ座標を定義したとして，各アンテナ素子が配置される方向をｘ軸とし，ｘ軸に垂直な方向をｙ軸とし，各アンテナ素子の形状はｘ軸方向で座標原点から外方に向うにつれてｙ軸方向の長さが大きくなる形状であり，各アンテナ素子の給電側に各アンテナ素子に一体にインピーダンス整合部を備えることを特徴とするプリントアンテナ。
【請求項２】
前記インピーダンス整合部はアンテナ素子側から給電側に向かって段階的に幅が狭くされることを特徴とする請求項１に記載のプリントアンテナ。
【請求項３】
各アンテナ素子の形状は，各アンテナ素子によりボータイ型であることを特徴とする請求項１または２に記載のプリントアンテナ。
【請求項４】
前記アンテナ素子のｘ軸方向の最外側の辺の端部は一部が切り取られていることを特徴とする請求項１，２または３に記載のプリントアンテナ。
【請求項５】
前記アンテナ素子のｘ軸における最外側の各辺および互いに隣接する辺は互いに平行であることを特徴とする請求項１，２，３または４に記載のプリントアンテナ。
【請求項６】
前記アンテナ素子のｘ軸方向の最外側の辺の端部において切り取られた各辺はｘ軸に平行であることを特徴とする請求項４に記載のプリントアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプリントアンテナに関するものであり，特に，周波数帯域が超広帯域であって，小型，軽量でローコストのプリントアンテナを提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
無線装置の普及により周波数帯域が広帯域で，かつ小型，軽量の安価なアンテナが必要とされるようになった。特に，システムのビットレートが大きくなり，数百Ｍｂｐｓのビットレートのシステムに対応できる超広帯域（ＵＷＢ）特性のアンテナが必要とされている。
【０００３】
図１４は従来の広帯域パッチアンテナの例であり，ボータイ型パッチアンテナである。図１４（ａ）は断面図であり，図１４（ｂ）は平面図である。図１４（ａ），（ｂ）において，２０は基板であって，誘電体である。例えばＦＲ４で構成される。２１はパッチであって，図１４（ｂ）で示されるように，ボータイ型の平面形状をもつものであり，銅等で作られるものである。２２はグランド板であって，銅等の金属で作られ，基板２０の裏面に張り付けられているものである。２３は同軸ケーブルであって，同軸ケーブルの導線が基板２０を貫通してパッチ２１に接続される。同軸ケーブル２３のアースシールド線がグランド板２２に接続される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１４に示される従来のボータイ型パッチアンテナは，比較的に周波数帯域が広いものではあるが前述の超広帯域特性を備えるものではなく，超広帯域の周波数帯域をカバーするのには適切でない。パッチアンテナの周波数帯域幅を広帯域化した例はいくつか報告されている（非特許文献１−６参照）。しかし，いずれも３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚの超広帯域周波数特性を備るものではなく，超広帯域通信に使用できるものではない。このように，超広帯域の通信装置に使用できる超広帯域特性のプリントアンテナを実現することは難しいことであった。
【０００５】
本発明は小型，軽量で携帯型無線機器に使用できる超広帯域の周波数特性を備えるプリントアンテナを提供することを目的とするものである。
【非特許文献１】G. Kumar and K. C. Gupta, "Directly coupled multi resonator wide-band microstrip antenna," IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. 33, pp. 588-593, June 1985.
【非特許文献２】K. L. Wong and W. S. Hsu, "Broadband triangular microstrip antenna with U-shaped slot," Elec. Lett., vol. 33, pp. 2085-2087, 1997.
【非特許文献３】F. Yang, X. X. Zhang, X. Ye, Y. Rahmat-Samii, "Wide-band E-shaped patch antenna for wireless communication," IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. 49, pp. 1094-1100, July 2001.
【非特許文献４】A. K. Shackelford, K. F. Lee, and K. M. Luk, "Design of small-size wide-bandwidth microstrip-patch antenna," IEEE Antennas Propagation Magz., vol. 44, pp. 75-83, February 2003.
【非特許文献５】J. Y. Chiou, J. Y. Sze, K. L. Wong, "A broad-band CPW-fed strip-loaded square slot antenna," ," IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. 51, pp. 719-721, April 2003.
【非特許文献６】N. Herscovici, Z. Sipus, and D. Bonefacic, "Circularly polarized single-fed wide-band microstrip patch," IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. 51, pp. 1277-1280, June 2003.
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のプリントアンテナは，ダイポールアンテナの形状をボータイ型とし，アンテナ素子を誘電体の基板にプリントにより構成できるようにした。さらに，ストリップ線路との接続部にインピーダンス整合部を設けるようにした。このようにして，小型，軽量で製造コストの廉価な超広帯域特性を備える新しい構造のダイポールアンテナを実現した。
【０００７】
本発明は，誘電体の基板と該基板の上に配設された一組のアンテナ素子を備えたプリントアンテナにおいて，一組のアンテナ素子はそれぞれ独立に基板に隣接して配置され，それぞれのアンテナ素子が配置される平面において，該アンテナ素子の配置の間に原点があるｘｙ座標を定義したとして，各アンテナ素子が配置される方向をｘ軸とし，ｘ軸に垂直な方向をｙ軸とし，各アンテナ素子の形状はｘ軸方向に座標の原点から外方に向うにつれてｙ軸方向の長さが大きくなる形状であり，各アンテナ素子の給電側に各アンテナ素子に一体にインピーダンス整合部を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のプリントアンテナは，周波数が３．１〜１０．６ＧＨｚの広帯域においてＶＳＷＲ（Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｓｔａｎｄｉｎｇ  Ｗａｖｅ  Ｒａｔｉｏ）＝３以下の良好な周波数特性を備えるものである。そのため，周波数特性が超広帯域の通信装置において使用できる性能を備えるものである。さらに，その周波数帯域でダイポールアンテナの良好な放射特性を備えるものである。また，プリントアンテナの大きさは幅４０ｍｍ×長さ１６ｍｍ程度の小型なものであり，軽量で廉価に製造できるので，利用面および製造面においてもすぐれた効果を備えるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は本発明の実施例の説明図１である。図１は，本発明のプリントアンテナの例を示す。一組のアンテナ素子はそれぞれが，同じ大きさで，二つのアンテナ素子によりボータイの形状をもつものである。それぞれのアンテナ素子は，基板２０上に構成される。基板２０は，廉価なＦＲ４等の誘電体の基板（誘電率εr ＝４．４）を使用でき，例えば厚さ０．５ｍｍ程度の薄いものである。本発明のプリントアンテナは，図１４に示される従来のボータイ型パッチアンテナと異なり，一種のダイポールアンテナの形状をもつものである。また，アンテナ素子と給電側のストリップ線路との間にインピーダンス整合部が設けられている。本発明のプリントアンテナは，７５オームのコプレーナストリップ線路を用いて給電できる。
【００１０】
図１（ａ）は平面図であり，図１（ｂ）は断面図である。図１（ｃ）は以下の説明において使用する本発明のプリントアンテナの面に定義したｘｙ座標を示すものである。図１（ａ），（ｂ）において，１１および１２はアンテナ素子であり，基板２０に銅板を印刷もしくは誘電体上に配設された銅板をエッチングする等により作られる。一組のアンテナ素子１１と１２は，基板２０に配置されて，図１（ａ）に示されるようにボータイ型の形状をもつものである。また，１５と１６は給電側のストリップ線路である。アンテナ素子１１，１２とストリップ線路１５，１６の間に，それぞれアンテナ素子と一体にインピーダンス整合部１３と１４が設けられる。
【００１１】
図１（ａ）において，１１１，１１２，１２１および１２２はアンテナ素子の切り欠き部であり，ｘ軸方向に平行にアンテナ素子の辺Ａと辺Ｂ（図２（ｂ）参照）の端部をカットしたものである。各切り欠き部はアンテナの小型化とアンテナ特性の改善のために備えたものである。切り欠き部を設けたことにより小型化が図れるだけでなく，ＶＳＷＲも改善されるものである。
【００１２】
図１（ｃ）は本発明のプリントアンテナの面に定義したｘｙ座標を示す。一組のアンテナ素子１１と１２が配置される間の部分に座標軸の原点Ｏを定め，アンテナ素子１１と１２が配置される方向をｘ軸，原点Ｏを通ってｘ軸に垂直な方向をｙ軸にする。また，図１（ｃ）に示すように，アンテナ素子１１および１２のｘ軸方向での外側の辺をそれぞれ辺Ａ，辺Ｂとする。また，アンテナ素子１１および１２の隣接する辺をそれぞれ辺Ｃおよび辺Ｄとする。また，アンテナ素子１１の上下の辺をそれぞれ辺Ｅ，辺Ｇとする。アンテナ素子１２の上下の辺をそれぞれ辺Ｆ，辺Ｈとする。
【００１３】
図２（ａ）は本発明のプリントアンテナの給電方法の説明図である。インピーダンス整合部１３，１４を介して左右にあるアンテナ素子１１とアンテナ素子１２に給電側から給電される。図２（ｂ）は，本発明のプリントアンテナのサイズの例を示す。本発明のプリントアンテナの幅をあらわす辺Ａと辺Ｂの距離は４０ｍｍであり，辺Ａと辺Ｂは互いに平行に配置される。また，本発明のプリントアンテナの長さを表す辺Ａと辺Ｂの長さは１６ｍｍである。各切り欠き部の長さは１ｍｍであり，いずれもｘ軸に平行に作られる。左右のアンテナ素子の隣接部（辺Ｃと辺Ｄ）の間隔の距離は２ｍｍであり，辺Ｃと辺Ｄは互いに平行になるように配置される。辺Ｅおよび辺Ｆのｘ軸方向とのなす角をα，辺Ｇと辺Ｈのｘ軸方向とのなす角をβとする。本実施例においては，α＝２３．９６°，β＝２０．５５°である。基板の厚さは０．５ｍｍであり，誘電率はεr ＝４．４である。
【００１４】
各インピーダンス整合部１３と１４は図示のような寸法で段階的に幅が狭められ，ストリップ線路１５，１６に接続される。
【００１５】
本発明のプリントアンテナは，ＦＲ４でつくられる基板２０に銅板を張り付けた材料をもとにして，銅板の一部を周知のフォトエッチング技術等を使用して除去することにより作成することができる。例えば，基板２０の全面に配設されている銅板の上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト膜を生成する。次に，アンテナ素子およびインピーダンス整合部のパターンをもつ露光マスクによりフォトレジスト膜を露光する。そのフォトレジスト膜を溶剤に浸漬し，露光されない部分を溶剤により除去し，露光された部分を銅板の上に残して，エッチングマスクにする。次に，全体を銅のエッチング液に浸漬し，フォトレジストで作られたエッチングマスクをマスクとして銅をエッチングし，図１（ａ）のアンテナ素子およびインピーダンス整合部の一体化した銅のアンテナ素子のパターンを基板２０上に形成する。
【００１６】
図３−図１３は本発明のプリントアンテナの特性を求めたものである。アンテナ特性は「ＡＮＳＯＦＴ  ＥＮＳＥＭＢＬＥ」という名称のシミュレータを使用して求めたものである。図３はリターンロスの周波数特性を示す図であり，周波数が３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚにおけるＳ１１マトリックスによる散乱特性（リターンロス特性）を求めたものである。図３で示されるように，周波数範囲が３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚのほぼ全域においてリターンロスが−６ｄＢ以下である。本発明のプリントアンテナは良好な超広帯域リターンロス特性をもつことが示されている。
【００１７】
図４はＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。図４に示されるように本発明のプリントアンテナは，周波数範囲が３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚのほぼ全域でＶＳＷＲは約２．５−３程度以下であり，超広帯域の周波数の幅で良好なＶＳＷＲ特性を備えるものである。
【００１８】
図５はアンテナ利得の周波数特性を示す図である。周波数が３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚのほぼ全域で２．５ｄＢｉ以上の利得が得られ，最大利得は４．７ｄＢｉである。
【００１９】
図６はポート（図２（ａ）参照）における特性インピーダンスの周波数特性を示す図である。周波数が３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚの範囲で約７１Ωから７３Ωの範囲にあり，周波数全域で約２オームの変動があるだけで，ほぼ一定である。図７はポートにおける特性インピーダンス実部の周波数特性を示す図である。周波数が３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚの範囲のほぼ全域で約７１Ωから７３Ωであり，変動の幅は約２Ωであって，ほぼ一定であることが示されている。図８はポートにおける特性インピーダンス虚部の周波数特性を示す図である。周波数が３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚの範囲でほぼ０である。図９はポートにおける特性インピーダンスの位相の周波数特性を示す図であり，周波数が３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚの範囲でほぼ０である。
【００２０】
図１０〜図１３は本発明の放射特性を示す。図１０〜図１３の各図において，（ａ）はφ＝０°，（ｂ）はφ＝９０°でのそれぞれの周波数における放射特性を示すものである。図１０は周波数３．１ＧＨｚの放射特性である。図１１は周波数５．１ＧＨｚの放射特性である。図１２は周波数７．１ＧＨｚの放射特性である。図１３は周波数９．１ＧＨｚの放射特性である。いずれも，それぞれの周波数において，ダイポールアンテナの特徴的な８の字型の放射特性を示している。図示されてはいないがｙｚ面内で円形の放射特性を示し，良好な無指向性を備えている。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明によれば，超広帯域の周波数範囲でＶＳＷＲおよびリターンロスが小さいプリントアンテナを実現できる。また，広帯域においてアンテナ利得も大きくとれる。また，特性インピーダンスもほぼ一定で変動が小さく，特性インピーダンスの位相の周波数による変化も小さい。さらに，周波数の超広帯域にわたって放射特性は，良好なダイポールアンテナの特性を示し，ｙｚ面においては無指向性の放射特性をもつ。また，アンテナ素子とストリップ線路とのインピーダンス整合も，インピーダンス整合部の長さと幅を調整するだけで容易にとることができる。しかも，本発明のプリントアンテナは，簡単な構成であり，小型，軽量なので，無線通信機器において，特に携帯型小型無線通信機器において幅広く応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例の説明図１を示す図である。
【図２】本発明の実施例の説明図２を示す図である。
【図３】本発明のプリントアンテナのリターンロスの周波数特性を示す図である。
【図４】本発明のプリントアンテナのＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。
【図５】本発明のプリントアンテナのアンテナ利得の周波数特性を示す図である。
【図６】本発明のプリントアンテナの特性インピーダンスの周波数特性を示す図である。
【図７】本発明のプリントアンテナの特性インピーダンス実部の周波数特性を示す図である。
【図８】本発明のプリントアンテナの特性インピーダンス虚部の周波数特性を示す図である。
【図９】本発明のプリントアンテナの特性インピーダンスの位相の周波数特性を示す図である。
【図１０】本発明のプリントアンテナの周波数３．１ＧＨｚにおける放射特性を示す図である。
【図１１】本発明のプリントアンテナの周波数５．１ＧＨｚにおける放射特性を示す図である。
【図１２】本発明のプリントアンテナの周波数７．１ＧＨｚにおける放射特性を示す図である。
【図１３】本発明のプリントアンテナの周波数９．１ＧＨｚにおける放射特性を示す図である。
【図１４】従来のボータイ型パッチアンテナを示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１１：アンテナ素子
１２：アンテナ素子
１３：インピーダンス整合部
１４: インピーダンス整合部
１５: ストリップ線路
１６：ストリップ線路
２０：基板
１１１，１１２，１２１，１２２：切り欠き部
【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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