(57)【要約】【課題】小型軽量化が可能で、かつ製作費が安価なＵＷＢ通信用超小型アンテナを提供すること。【解決手段】本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナは、基板と、前記基板の一方に前記基板より小さく形成され、フィーダを介して電流が供給されると、励起してエネルギーを放射するパッチと、広帯域特性を得るために、前記基板の他方の表面を一部除去することで形成されるグラウンド領域と、からなることを特徴とする。【選択図】図１
2005192183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の一方に前記基板より小さく形成され、フィーダを介して電流が供給されると、励起してエネルギーを放射するパッチと、
広帯域特性を得るために、前記基板の他方の表面を一部除去することで形成されるグラウンド領域と、からなることを特徴とするＵＷＢ通信用アンテナ。
【請求項２】
前記基板は、印刷回路基板であることを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
【請求項３】
前記基板の絶縁材として、高抵抗シリコン、ガラス、アルミナ、テフロン、エポキシ、ＬＴＣＣのうち何れか一つを用いることを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
【請求項４】
前記パッチは、５．８ＧＨｚが中心周波数となるように形成されることを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
【請求項５】
前記パッチは、円形、三角形、四角形、多角形のうち何れか一つの形状からなることを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
【請求項６】
前記パッチ内に周波数の帯域を調節するエアギャップスロットが形成されることを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
【請求項７】
前記エアギャップスロットは、円形、三角形、四角形、多角形のうち何れか一つの形状からなることを特徴とする請求項６に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
【請求項８】
前記パッチと前記フィーダとのインピダンスマッチングのために、前記パッチと前記フィーダとの間に複数のマッチングスタブが備えられることを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
【請求項９】
前記各マッチングスタブは、四角形、台形、多角形、円のうち何れか一つの形状を有し、一つ、またはアレイに形成されることを特徴とする請求項８に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
【請求項１０】
前記フィーダに隣接するマッチングスタブの幅が他のマッチングスタブの幅より小さいことを特徴とする請求項８に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
【請求項１１】
前記グラウンド領域は、一つのパッチ形態で形成されることを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
【請求項１２】
前記グラウンド領域内にエアギャップスロットが形成されることを特徴とする請求項１１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
【請求項１３】
前記エアギャップスロットは、円形、三角形、四角形、多角形のうち何れか一つの形状からなることを特徴とする請求項１２に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
【請求項１４】
前記パッチは、前記基板上に単層型、または積層型に実現されることを特徴とする請求項１に記載のＵＷＢ通信用アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超広帯域アンテナに関し、特に、ＵＷＢ通信用アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＵＷＢ通信は、アメリカ国防省が１９６０年代に初めて軍事的目的として開発した無線通信方式で、広い周波数帯域、低使用電力、優れた伝送速度を有している。
このＵＷＢ通信は、ＣＤＭＡのホワイトノイズより低水準のスペクトルを形成するため、信号の傍受やカットオフが難しく、保安維持に適している。また、ＵＷＢ通信は、既存の通信システムとは異なり、パルスを使用して通信を実行する。
最近、このような特徴から、ＵＷＢ通信は、次世代無線データ通信として注目を浴びており、世界的にも活発な研究が進められている。
【０００３】
ＵＷＢ通信の多くの長所のため、ＵＷＢ通信は、１０ｍ程度の近距離にあるＰＣ、ＴＶ、ＰＤＡ、ＤＶＤ、デジタルカメラ、プリンタなどを連結する個人通信網やホームネットワーク、位置追跡システム、自動車の衝突防止システム、医療機器などに幅広く使用されることが予想されている。
【０００４】
現在、ＵＷＢ通信システムは、アメリカを中心に急速度で標準化が進められている。関連企業や大学の研究所などが共同技術研究団体であるＵＷＢＷＧ(Ultre Wideband Working Group)を設立して活発な活動をしており、韓国でもフォーラムが結成されるなど、多くの関心が持たれている。
【０００５】
最近、アメリカのＦＣＣ(The Federal Communications Commission)で既存の移動通信とＧＰＳ(Global Positioning System)との電波干渉を排除するため、ＵＷＢ通信の帯域幅を３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚで使用することを認可しており、その伝送範囲も９ｍに制限した。
【０００６】
それで、関連業界では、ＵＷＢ通信をＷＰＡＮ(Wireless Personal Area Network)の新たな対案と認識し、これに対するアプリケーション開発に心血を注いでいる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＵＷＢ通信システム開発の重要な要素の一つが超広帯域アンテナの開発である。
ＵＷＢ通信システムは、超高速通信、高伝送量、障害物透過特性の優秀さ、簡単な送受信機構造、低伝送電力など、多くの長所を有しており、それらの長所を有するＵＷＢ通信システムを実現する際の核心部品となっているのがＵＷＢアンテナである。
【０００８】
ＵＷＢアンテナの移動性を保障するためには、その大きさが小さくなければならず、製作が容易でかつ安価である必要がある。さらに、対応する周波数とは独立に一定のインピダンス値を有する構造を有し、パルス信号の歪みが少なくなければならない。
【０００９】
かかるアンテナの開発は容易なものではなく、現在、全世界的に数多くの研究者らが超広帯域アンテナの研究に参加しており、Skycross、Timedomain、Taiyo-Yuden社など、幾つかの企業で試製品を発表しているだけである。
【００１０】
本発明は上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、小型軽量化が可能で、かつ製作費用が安価なＵＷＢ通信用超小型アンテナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナは、基板と、前記基板の一方に前記基板より小さく形成され、フィーダを介して電流が供給されると、励起してエネルギーを放射するパッチと、広帯域特性を得るために、前記基板の他方の表面を一部除去することで形成されるグラウンド領域と、からなることを特徴とする。
【００１２】
前記基板は印刷回路基板であることを特徴とする。
【００１３】
前記基板の絶縁材として、高抵抗シリコン、ガラス、アルミナ、テフロン（登録商標）、エポキシ、ＬＴＣＣのうち何れか一つを用いることを特徴とする。
【００１４】
前記パッチは、５．８ＧＨｚが中心周波数となるように形成されることを特徴とする。
【００１５】
前記パッチは、円形、三角形、四角形、多角形のうち何れか一つの形状からなることを特徴とする。
【００１６】
前記パッチ内に周波数の帯域を調節するエアギャップスロットが形成されることを特徴とする。
【００１７】
前記パッチ内のエアギャップスロットは、円形、三角形、四角形、多角形のうち何れか一つの形状からなることを特徴とする。
【００１８】
前記パッチと前記フィーダとのインピダンスマッチングのために、前記パッチと前記フィーダとの間に複数のマッチングスタブが備えられることを特徴とする。
【００１９】
前記各マッチングスタブは、四角形、台形、多角形、円のうち何れか一つの形状を有し、一つ、またはアレイに形成されることを特徴とする。
【００２０】
前記フィーダに隣接するマッチングスタブの幅が他のマッチングスタブの幅より小さいことを特徴とする。
【００２１】
前記グラウンド領域は、一つのパッチ形態で形成されることを特徴とする。
【００２２】
前記グラウンド領域内にエアギャップスロットが形成されることを特徴とする。
【００２３】
前記グラウンド領域内のエアギャップスロットは、円形、三角形、四角形、多角形のうち何れか一つの形状からなることを特徴とする。
【００２４】
前記パッチは、前記基板上に単層型、または複数層の積層型に実現されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る前記ＵＷＢ通信用アンテナは、ＵＷＢ通信周波数帯域に適用できるフラットパッチアンテナで製作されているので、小型化、軽量化、高性能化、安価化が可能となる。
そして、グラウンド領域の面積を減らし、パッチとフィーダとの間に複数のマッチングスタブを形成することで、より広い帯域幅特性が得られる。
また、ＦＲ−４基板を使用することで、製作費用を減らし、大量生産を容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナの好適な実施の形態について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナは、ＵＷＢ通信周波数帯域（３．４〜１０．６ＧＨｚ）の信号を受信できる一方、小型軽量化することができるフラットパッチアンテナである。
【００２８】
図１〜図２は、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナを示す図で、図１はＵＷＢ通信用アンテナの表面を、図２はＵＷＢ通信用アンテナの裏面を示す。
図１に示すように、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナは、絶縁体からなる板材の表裏両面に金属膜を形成させた基板１０８を用いている。その基板１０８の一方の面の金属膜の一部を除去してパッチ１０１を形成するが、その際、５．８ＧＨｚを中心周波数に持つように設計する。
パッチ１０１の形状は、円形、三角形、四角形、多角形などその形状に制限があるわけではないが、解析の容易さから四角形や円形パッチが主に用いられており、本発明の実施の形態では四角パッチ１０１を用いる。
【００２９】
本実施形態のパッチ１０１内にはエアギャップスロット１０２が形成されている。これは、周波数を調整し、アンテナの大きさを減らすためである。すなわち、エアギャップスロット１０２で帯域幅を調整して、 ＵＷＢ通信周波数帯域の３．１〜１０．６ＧＨｚに近接するように設計する。
スロット１０２の形状は、同様に、円形、三角形、四角形、多角形などその形状に制限があるわけではないが、本発明の実施の形態では矩形のエアギャップスロット１０２を形成させている。
【００３０】
一方、図２に示すように、基板１０８の他方の面の金属膜の一定の部分を除去してグラウンド１０７を形成する。
本実施形態では、グラウンド１０７の面積を減らすことで、周波数の帯域幅を広くしている。グラウンド１０７は一つのパッチの形状に形成されているが、グラウンド１０７に多様な形状のエアギャップスロットを形成させてもよい。
【００３１】
再び図１を参照にすると、基板のパッチ１０１を形成させた面にはフィーダ１０３も形成させてあり、そのフィーダ１０３とパッチ１０１とのインピダンスを整合させるために、フィーダ１０３とパッチ１０１との間にマッチングスタブ１０４、１０５を形成させている。
【００３２】
フィーダは、送受信機とアンテナすなわち送受信器とアンテナの給電点を電気的に接続して、高周波電力を伝送するための線路である。そして、マッチングスタブは、インピダンス整合を取るために、平行な２線、同軸線、導波管などの伝送線路の一部に設置した分岐回路または集中素子をいう。
【００３３】
すなわち、パッチ１０１にマッチングスタブ１０４、１０５を連結することで、５０Ωのフィーダ１０３に整合させる。このようにすると、ＵＷＢ通信用アンテナは、更に広い帯域幅（６ＧＨｚ）を有するようになる。
【００３４】
マッチングスタブ１０４、１０５の形状は、矩形だけでなく、台形、多角形、円のような多様な形状として設計することができ、アレイ形態とすることもできる。
そして、第１マッチングスタブ１０４の幅より第２マッチングスタブ１０５の幅を小さく設計して、電波を流れ易いようにすることが望ましい。
【００３５】
また、フィーダとしては、安定性、遮蔽性、低損失、ＶＳＷＲ、作業性などに優れた同軸ケーブが主に使用されている。
【００３６】
そして、本発明の実施形態においては、基板１０８として印刷回路用の基板を用いている。特に、印刷回路基板の中でも最も広範囲に用いられるＦＲ−４基板１０８を使用して製作費用を減らし、大量生産を可能にする。
【００３７】
もちろん、基板１０８としては、ＦＲ−４の外に高抵抗シリコン、ガラス、アルミナ、テフロン、エポキシ、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramic）などの板材を用いたものとすることができる。ここで、基板１０８としてＦＲ−４印刷回路基板を用いる場合、誘電率値は４．４、高さは１．６ｍｍで、基板を含むアンテナ全体の大きさは３０×３５ｍｍ2となり、ＵＷＢ通信用アンテナの小型化が可能となる。
【００３８】
一方、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナは、基板１０８上に単層に形成させても良いが、複数層に積層させても良い。
このように本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナは、四角形のパッチ構造を有し、ＦＲ−４印刷回路基板を用いることで、製作費用を減らし、大量生産が容易となる。
【００３９】
図１に示す前記四角パッチ１０１は、その大きさの増減によってＵＷＢ通信用アンテナの帯域が大きく変わるわけではないが、その大きさが大きくなればＵＷＢ通信用アンテナの周波数が下向きに移動し、逆に小さくなれば周波数が上向きに移動する。
【００４０】
また、グラウンド１０７の面積を調整することで、ＵＷＢ通信用アンテナに広帯域特性を持たせることができる。すなわち、グラウンドの幅１０６が四角パッチ１０１に近接した距離まで接近すると、ＶＳＷＲ(voltage standing wave ratio)が小さくなり、四角パッチ１０１から遠ざかればＶＳＷＲが高くなって、６．５ＧＨｚではＶＳＷＲの値が２：１を超える。ここで、ＶＳＷＲが小さいほど反射が少ないという意味で、ＶＳＷＲが２：１以下になれば、マッチングが比較的うまくいっていると評価できる。
したがって、グラウンド１０７の幅は、シミュレーションを通じて最適化させた結果値を適用する。
【００４１】
同様に、マッチングスタブ１０４、１０５もシミュレーションを通じてその最適値を決める。
尚、上記図１で四角パッチ１０１内の四角スロット１０２は、周波数を調整するだけでなく、アンテナの大きさを減らす効果を有するが、これもまたシミュレーションを通じて最適値を決める。この値は、四角スロット１０２の幅が広くなる場合はＶＳＷＲ値が悪くなり、長さが短かすぎたり長すぎたりする場合は帯域幅に影響を与えるので、これを考慮して決定する方が好ましい。
【００４２】
シミュレーションを行うためのツールとして、本発明では、常用ツールのＣＳＴ社のＭＷＳ(Micro Wave Studio)を用いた。
実際にＵＷＢ通信用アンテナを製作した後の測定結果も、シミュレーションの結果と類似していた。すなわち、帯域幅は３．４〜１２ＧＨｚ以上と測定されたので、ＵＷＢ通信システムで要求する周波数帯域幅（３．１〜１０．６ＧＨｚ）に適用できる。
【００４３】
図３は、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナを直接製作して、反射損失を測定した結果を示す図である。反射損失はネットワーク分析器で測定する。図示したように、本実施形態に係るＵＷＢ通信用アンテナは、ＶＳＷＲ２：１で３．４〜１２ＧＨｚの帯域幅を有する。
【００４４】
図４は、本実施形態に係るＵＷＢ通信用アンテナのグループ遅延を示す図である。グループ遅延の特性によってパルス信号の歪みの程度を判断できるので、グループ遅延は、ＵＷＢ通信用アンテナの設計や解釈において重要なパラメータとして活用される。
図示したように、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナのグループ遅延は２ｎｓ程度で、その性能が優れていることが分かる。その数値は他社で開発されたアンテナとその性能が類似している。
【００４５】
図５は、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナの放射パターンを測定した図である。
図示したように、本ＵＷＢ通信用アンテナは、ＸＺ平面で無指向性特性を示している。このような放射パターンはダイポールアンテナに類似している。
【００４６】
図６は、本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナの利得を測定して示した図である。
図示したように、本ＵＷＢ通信用アンテナは、ＵＷＢ通信帯域内の３ＧＨｚで最大利得６．０３ｄＢｉ、９ＧＨｚで最低利得−６．６７ｄＢｉを有する。
【００４７】
本発明に係る前記ＵＷＢ通信用アンテナ及びＵＷＢ通信システムは、家電産業、ＰＣ産業、携帯電話機、ＰＤＡ、医療機器、自動車産業などに幅広く適用される。
【００４８】
以上説明した内容を通じて、当業者であれば本発明の技術思想を外れない範囲内で多様な変更や修正が可能であることが分かるであろう。従って、本発明の技術的範囲は、実施形態に記載の内容に限定されるわけではなく、特許請求の範囲によって定められるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明に係るＵＷＢ通信用超小型アンテナの表面を示す図である。
【図２】本発明に係るＵＷＢ通信用超小型アンテナの背面を示す図である。
【図３】本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナの反射損失を測定して示す図である。
【図４】本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナのグループ遅延を示す図である。
【図５】本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナの放射パターンを測定して示す図である。
【図６】本発明に係るＵＷＢ通信用アンテナの利得を測定して示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０１  パッチ、１０２  スロット、１０３  フィーダ、１０４、１０５  マッチングスタブ、１０６  グラウンドの幅、１０７  グラウンド、１０８  基板
【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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