(57)【要約】【課題】本発明は、無指向性アンテナに関し、何れの方向にも放射の落ち込みがほとんど生じない放射パターンを生成することにある。【解決手段】アンテナ導体１２に一端が開口した開口スロット１４を設け、その開口スロット１４においてアンテナ導体１２の表面に電流を平衡給電する。尚、アンテナ導体１２及び開口スロット１４の寸法並びに開口スロット１４における給電位置をそれぞれ、広帯域特性及び無指向性の双方が得られるように設定する。【選択図】図１
2009206816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナ導体に設けられた一端が開口した開口スロットを備え、該開口スロットにおいてアンテナ導体表面に電流が給電されることを特徴とする無指向性アンテナ。
【請求項２】
アンテナ導体及び前記開口スロットの寸法並びに前記開口スロットにおける給電位置はそれぞれ、広帯域特性及び無指向性の双方が得られるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の無指向性アンテナ。
【請求項３】
前記開口スロットにおいてアンテナ導体表面に給電された電流は、該アンテナ導体表面で前記開口スロットに沿って平行な第１方向及び該開口スロットに直交する第２方向の双方に流れることを特徴とする請求項１又は２記載の無指向性アンテナ。
【請求項４】
前記開口スロットにおける給電は、同軸ケーブルから平衡−不平衡変換器を介してアンテナ導体表面に給電が行われることにより、或いは、同軸ケーブルからアンテナ導体表面に直接給電が行われることにより実現されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の無指向性アンテナ。
【請求項５】
前記アンテナ導体は、所定以上の誘電率を有する保持手段上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項記載の無指向性アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無指向性アンテナに係り、特に、例えばＵＷＢ（Ultra Wide Band；超広帯域）にわたって無指向性となる放射特性を有するうえで好適な無指向性アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＵＷＢ（Ultra Wide Band；超広帯域）通信に使用されるＵＷＢ通信用アンテナが知られている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。かかる非特許文献１記載の平面型のＵＷＢ通信用アンテナは、平行に配置された２種類の楕円状素子と、逆Ｕ字状素子と、を備えている。これら２種類の楕円状素子は、下端部で接続されており、その下端部で同軸ケーブルの中心導体に接続されており、その中心導体から給電される。また、大きな楕円状素子には、小さな楕円状素子とほぼ同程度のサイズの楕円状の穴が設けられている。更に、逆Ｕ字状素子は、その頂部が同軸ケーブルの外部導体に接続されている。かかるアンテナにおいては、ダイポールアンテナと同様に、八の字状の放射パターンが得られる。
【特許文献１】特開２００５−１９２１８３号公報
【非特許文献１】電子情報通信学会論文誌 B Vol.J88-B No.9 pp.1710-1717
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記した非特許文献１記載のＵＷＢ通信用アンテナにおいては、アンテナ素子の上下方向（アンテナ素子の延在する方向）に放射の落ち込みが生じるので、ＵＷＢ通信の効率が阻害される。
【０００４】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、何れの方向にも放射の落ち込みがほとんど生じない放射パターンを生成することが可能な無指向性アンテナ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】
【０００５】
上記の目的は、アンテナ導体に設けられた一端が開口した開口スロットを備え、該開口スロットにおいてアンテナ導体表面に電流が給電される無指向性アンテナにより達成される。
【０００６】
この態様の発明において、アンテナ導体に設けられた一端が開口した開口スロットにおいてアンテナ導体表面に電流が給電されると、開口スロットに沿った方向に電磁波が放射されると共に、開口スロットに直交する方向に電磁波が放射される。従って、本発明によれば、何れの方向にも放射の落ち込みが生じない放射パターンを生成することができる。
【０００７】
尚、上記した無指向性アンテナにおいて、アンテナ導体及び前記開口スロットの寸法並びに前記開口スロットにおける給電位置はそれぞれ、広帯域特性及び無指向性の双方が得られるように設定されていることとすれば、広帯域にわたって無指向性となる放射特性を実現することができる。
【０００８】
また、上記した無指向性アンテナにおいて、前記開口スロットにおいてアンテナ導体表面に給電された電流は、該アンテナ導体表面で前記開口スロットに沿って平行な第１方向及び該開口スロットに直交する第２方向の双方に流れることとすれば、開口スロットに沿った方向に電磁波を放射することができると共に、開口スロットに直交する方向に電磁波を放射することができる。
【０００９】
ところで、上記した無指向性アンテナにおいて、前記開口スロットにおける給電は、同軸ケーブルから平衡−不平衡変換器を介してアンテナ導体表面に給電が行われることにより、或いは、同軸ケーブルからアンテナ導体表面に直接給電が行われることにより実現されることとすればよい。
【００１０】
また、上記した無指向性アンテナにおいて、前記アンテナ導体は、所定以上の誘電率を有する保持手段上に形成されていることとすれば、アンテナの放射特性にほとんど影響を与えることなくアンテナ導体を保持手段上に保持することができ、アンテナ導体を保持手段上に保持しつつ所望のアンテナ動作を実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、何れの方向にも放射の落ち込みがほとんど生じない放射パターンを生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を用いて、本発明の具体的な実施の形態について説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施例である無指向性アンテナ１０の構成図を示す。また、図２は、本実施例の無指向性アンテナ１０の各種寸法を表した図を示す。本実施例の無指向性アンテナ１０は、例えば車両などに搭載されており、ＵＷＢ（Ultra Wide Band；超広帯域；３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚなど）通信に用いられるアンテナである。無指向性アンテナ１０は、平衡型のアンテナであり、図１に示す如く、平板状のアンテナ導体１２を備えている。
【００１４】
アンテナ導体１２は、真鍮や金などの金属により構成されており、正方形状の導体板から成っている。アンテナ導体１２は、使用周波数帯域の中心周波数に対して波長λ／２程度に設定されたアンテナ地板長Ｌを有している。上記したＵＷＢ通信の場合、使用周波数帯域の中心周波数は６．５ＧＨｚ程度であるので、このアンテナ地板長Ｌは２６ｍｍ程度となり、アンテナ導体１２はｘｙ平面において２６ｍｍ×２６ｍｍの大きさ（面積）を有することとなる。
【００１５】
アンテナ導体１２には、一端が開口した開口スロット１４が設けられている。開口スロット１４は、アンテナ導体１２の中心Ｃを通りアンテナ導体１２の一辺に向けて直線状に延びており、その一辺の中点において開口している。開口スロット１４は、開口からの深さを表す所定のスロット長さＳＬと、そのスロットの幅を表す所定のスロット幅ＳＷと、を有している。このスロット長さＳＬは、該開口スロット１４によりヘンテナのループ比（短辺：長辺＝１：３）が実現されるように設定されており、上記したＵＷＢ通信において上記したアンテナ地板長Ｌの場合は２０ｍｍ程度である。
【００１６】
アンテナ導体１２には、一端が送受信機に接続された同軸ケーブル１６の他端が接続されている。同軸ケーブル１６は、送受信機とアンテナ導体１２との間で高周波電力を伝送するための線路であり、例えば５０Ωの特性インピーダンスを有する不平衡型の給電線である。
【００１７】
同軸ケーブル１６の中心導体は、平衡−不平衡変換器（バラン）１８に接続されている。バラン１８には、また、一対の差動線路２０の一端が接続されている。一対の差動線路２０の他端は、給電点Ｏとしてアンテナ導体１２の開口スロット１４を挟んだ両表面に接続されている。バラン１８は、同軸ケーブル１６側の不平衡な電気信号とアンテナ導体１２側の平衡な電気信号とを変換する機器であり、ＵＷＢ通信に適用可能な広帯域バランである。また、同軸ケーブル１６の外部導体は、接地されている。
【００１８】
同軸ケーブル１６は、アンテナ導体１２表面に平行に延びて配置されている。また、差動線路２０は、アンテナ導体１２表面に平行にかつ開口スロット１４の深さ方向（図１においてＹ方向）に沿って平行に延びて配置されている。同軸ケーブル１６は、バラン１８及び差動線路２０を介してアンテナ導体１２に接続されている。この同軸ケーブル１６側（具体的には、差動線路２０）とアンテナ導体１２との接続点である給電点Ｏは、後述の如く、アンテナ導体１２の中心Ｃから所定の距離Ｋだけ離れた位置（給電位置）に設けられている。
【００１９】
図３は、アンテナ導体１２の厚さＤに応じたアンテナ特性を表した図を示す。尚、図３には、ＦＤＴＤやＦＥＭなどの電磁界シミュレーションによる周波数と反射損失との関係を表した図を示す。図４は、開口スロット１４のスロット幅ＳＬ及び給電位置Ｏのアンテナ導体１２中心からの距離Ｋに応じたアンテナ特性を表した図を示す。尚、図４には、ＦＤＴＤやＦＥＭなどの電磁界シミュレーションによる周波数とＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）との関係を表した図を示す。また、図３及び図４には、アンテナ導体１２のアンテナ地板長Ｌが２６ｍｍにかつ開口スロット１４のスロット長ＳＬが２０ｍｍにそれぞれ固定される状況のものを示す。
【００２０】
上記した無指向性アンテナ１０のアンテナ特性は、アンテナ導体１２や開口スロット１４の寸法及び給電位置の距離Ｋに応じて異なる。具体的には、周波数に対する反射損失は、図３に示す如く、アンテナ導体１２の厚さ（ｚ方向）Ｄに応じて異なり、また、周波数に対するＶＳＷＲは、図４に示す如く、開口スロット１４のスロット幅ＳＷ及び給電位置の距離Ｋに応じて異なる。
【００２１】
そして、アンテナ導体１２のアンテナ地板長Ｌが２６ｍｍにかつ開口スロット１４のスロット長ＳＬが２０ｍｍにそれぞれ固定される状況においては、アンテナ導体１２の厚さＤが０．３ｍｍ以下であるときに、反射損失が超広帯域にわたって−１０ｄＢ以下となる。また、スロット幅ＳＷが０．３ｍｍでありかつ距離Ｋが４．５ｍｍであるときに、ＶＳＷＲが約４ＧＨｚ〜約１２ＧＨｚの超広帯域にわたって"２"を下回るものとなる。
【００２２】
そこで、本実施例の無指向性アンテナ１０において、アンテナ導体１２及び開口スロット１４の寸法並びに給電位置の距離Ｋは、広帯域特性、無指向性、及びインピーダンス整合が得られるように上記した範囲内の数値に設定されている。具体的には、アンテナ導体１２のアンテナ地板長Ｌが略２６ｍｍに、開口スロット１４のスロット長ＳＬが略２０ｍｍに、そのスロット幅ＳＷが略０．３ｍｍに、給電位置の距離Ｋが略４．５ｍｍに、アンテナ導体１２の厚さＤが略０．１ｍｍに、それぞれ設定される。尚、この「略」とは、広帯域特性、無指向性、及びインピーダンス整合が損われない程度に、示された数値の９５％〜１０５％の範囲内のことを意味する。
【００２３】
図５は、本実施例の無指向性アンテナ１０の実装例を示す。尚、図５（Ａ）には斜視図を、図５（Ｂ）には上面図を、また、図５（Ｃ）には断面図を、それぞれ示す。
【００２４】
上記した無指向性アンテナ１０のアンテナ導体１２は、誘電体基板２２上に形成されている。誘電体基板２２は、無指向性アンテナ１０の放射特性にほとんど影響を与えることのない大きさ及び誘電率を有している。誘電体基板２２のｘｙ平面の大きさは、アンテナ導体１２と同程度に設定されており、誘電体基板２２のｚ方向の厚さは、０．６ｍｍ程度に設定されている。また、誘電体基板２２の誘電率は"２"程度に設定されている。
【００２５】
尚、誘電体基板２２はアンテナ導体１２と同様にその開口スロット１４に沿って開口していることが、無指向性アンテナ１０の放射効率を向上させるうえでは有効である。しかし、誘電体基板２２にかかる開口を設けない場合であっても、無指向性アンテナ１０を所望の放射特性を得ることは可能である。
【００２６】
また、アンテナ導体１２が誘電体基板２２上に形成された無指向性アンテナ１０は、そのアンテナ導体１２及び誘電体基板２２を保持する筐体２４に実装されている。筐体２４は、例えば、ｘｙ平面に３０ｍｍ×３０ｍｍ程度の大きさ、及び、ｚ方向に３．６ｍｍ程度の高さを有しており、それぞれの面が１ｍｍ程度の厚さからなるものとなっている。また、筐体２４は、誘電体基板２２と同様の"２"程度の誘電率を有している。
【００２７】
図６は、本実施例の無指向性アンテナ１０におけるアンテナ導体１２の表面における電流分布を表した図を示す。図７は、本実施例の無指向性アンテナ１０における周波数ごとの放射効率を表した図を示す。また、図８は、本実施例の無指向性アンテナ１０における周波数ごとの放射パターン特性を表した図を示す。尚、図８（Ａ）にはｘｙ平面に関するものを、図８（Ｂ）にはｙｚ平面に関するものを、図８（Ｃ）にはｘｚ平面に関するものを、それぞれ示す。
【００２８】
上記した構成を有する無指向性アンテナ１０においては、同軸ケーブル１６からバラン１８及び差動線路２０を介してアンテナ導体１２に電流が平衡給電される。かかる平衡給電が行われると、その電流は、アンテナ導体１２の表面において、図６に示す如く、開口スロット１４近傍ではその開口スロット１４に沿って平行（ｙ軸方向）に流れると共に、そのＹ軸方向の端辺近傍では開口スロット１４に直交するｘ軸方向に流れる。この際、アンテナ導体１２の表面における電流分布は、共振周波数ごとに異なるものとなるが、共振周波数に関係なく略一様となる。
【００２９】
アンテナ導体１２の開口スロット１４近傍で開口スロット１４に沿ってｙ軸方向に電流が流れると、水平方向（ｘｚ方向）に電磁波が放射される。また、アンテナ導体１２のＹ軸方向の端辺近傍で開口スロット１４に直交するｘ軸方向に電流が流れると、垂直方向（ｙｚ方向）に電磁波が放射される。この点、無指向性アンテナ１０においては、超広帯域にわたってアンテナ導体１２に対する何れの方向においても電磁波の放射落ち込みがほとんど生じない放射パターンを生成することができる。そして、図４に示す如く超広帯域にわたってＶＳＷＲを"２"より小さくすることができると共に、図７に示す如く超広帯域にわたって入力電力に対する出力電力の比を表す放射効率を"０．７"以上とすることができる。
【００３０】
従って、本実施例の無指向性アンテナ１０によれば、ＵＷＢ通信に用いる３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚの超広帯域にわたって無指向性となる放射特性を実現することが可能となっている。
【００３１】
このように、本実施例においては、超広帯域にわたって無指向性となる放射特性を実現するのに、平板状のアンテナ導体１２に一端が開口した開口スロット１４を設けたうえで、それらのアンテナ導体１２や開口スロット１４の寸法並びにその開口スロット１４におけるアンテナ導体１２への給電位置を適当に設定することとすればよい。この点、本実施例によれば、薄型・コンパクトでありかつ高効率なＵＷＢ通信用無指向性アンテナを実現することが可能となっている。
【００３２】
また、本実施例においては、アンテナ導体１２が、無指向性アンテナ１０の放射特性にほとんど影響を与えることのない大きさ及び誘電率を有する誘電体基板２２上に形成されている。この点、本実施例によれば、アンテナの放射特性にほとんど影響を与えることなくアンテナ導体１２を誘電体基板２２上に保持することができるので、アンテナ導体１２を適切に保持しつつ所望のアンテナ動作を実現することが可能となっている。
【００３３】
尚、上記の実施例においては、アンテナ導体１２が特許請求の範囲に記載した「アンテナ導体」に、開口スロット１４が特許請求の範囲に記載した「開口スロット」に、バラン１８が特許請求の範囲に記載した「平衡−不平衡変換器」に、Ｙ方向が特許請求の範囲に記載した「第１方向」に、Ｘ方向が特許請求の範囲に記載した「第２方向」に、誘電体基板２２が特許請求の範囲に記載した「保持手段」に、それぞれ相当している。
【００３４】
ところで、上記の実施例においては、アンテナ導体１２及び開口スロット１４の寸法並びに給電位置の距離Ｋを、広帯域特性、無指向性、及びインピーダンス整合が得られるように上記した数値に設定することとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、広帯域特性、無指向性、及びインピーダンス整合が得られるものであれば、上記した数値以外の数値に設定することとしてもよい。
【００３５】
また、上記の実施例においては、送受信機とアンテナ導体１２との間で高周波電力を伝送するための線路を不平衡型の同軸ケーブル１６としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、平衡型のフィーダー線としてもよい。
【００３６】
また、上記の実施例においては、同軸ケーブル１６をバラン１８及び差動線路２０を介してアンテナ導体１２に接続する無指向性アンテナ１０を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図９及び図１０に示す、同軸ケーブル１０２，２０２を直接にアンテナ導体１２に接続する無指向性アンテナ１００，２００であっても同様の効果を実現することが可能である。
【００３７】
すなわち、図９に示す如く、無指向性アンテナ１００において、アンテナ導体１２に接続する同軸ケーブル１０２は、アンテナの広帯域特性、無指向性、及びインピーダンス整合が得られる範囲でアンテナ導体１２の表面に這わされて給電点Ｏまで延びている。具体的には、同軸ケーブル１０２は、アンテナ導体１２にその開口スロット１４の開口側とは中心Ｃを挟んで反対側からその開口スロット１４に平行に延びて接続し、その後、そのアンテナ導体１２の表面上で這わされてコの字状に屈曲し給電点Ｏに導かれている。同軸ケーブル１０２の外部導体は、アンテナ導体１２の表面に半田付けされている。また、同軸ケーブル１０２の中心導体は、そのアンテナ導体１２の給電点Ｏに接続されている。この中心導体は、アンテナ導体１２の開口スロット１４を挟んで同軸ケーブル１０２が延びてきた側と反対側にある給電点Ｏに接続される。
【００３８】
また、無指向性アンテナ２００において、アンテナ導体１２に接続する同軸ケーブル２０２は、アンテナの広帯域特性、無指向性、及びインピーダンス整合が得られる範囲で給電点Ｏまで延びている。具体的には、同軸ケーブル２０２は、アンテナ導体１２の開口スロット１４の開口側とは中心Ｃを挟んで反対側からその開口スロット１４に平行に延び、屈曲した後、アンテナ導体１２の表面から中空に浮いた状態（例えば、アンテナ導体１２の表面から５０ｍｍほど離れた位置）で開口スロット１４に平行に延び、給電点Ｏの直上で屈曲し給電点Ｏに導かれている。尚、屈曲間の距離は例えば１００ｍｍ程度である。同軸ケーブル２０２の中心導体と外部導体とは、アンテナ導体１２の開口スロット１４を挟んでその表面の給電点Ｏに接続されている。
【００３９】
このような無指向性アンテナ１００，２００においては、同軸ケーブル１０２，２０２を介してアンテナ導体１２に直接に電流が給電される。かかる給電が行われると、その電流は、アンテナ導体１２の表面において、図６に示す如く、開口スロット１４近傍ではその開口スロット１４に沿って平行（ｙ軸方向）に流れると共に、そのＹ軸方向の端辺近傍では開口スロット１４に直交するｘ軸方向に流れる。従って、この変形例においても、ＵＷＢ通信に用いる３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚの超広帯域にわたって無指向性となる放射特性を実現することが可能となり、薄型・コンパクトでありかつ高効率なＵＷＢ通信用無指向性アンテナを実現することが可能となる。
【００４０】
更に、上記した無指向性アンテナ１００においては、図９に示す如く、同軸ケーブル１０２を直接にアンテナ導体１２に接続することで、同軸ケーブル１０２を介してアンテナ導体表面に直接給電することとしたが、図１１に示す如く、同軸ケーブル３０２を増幅器であるＩＣチップ３０４を介してアンテナ導体１２に接続することで、ＩＣチップ３０４により電力増幅したうえで同軸ケーブル３０２を介してアンテナ導体表面に直接給電することとしてもよい。
【００４１】
すなわち、図１１に示す如く、無指向性アンテナ３００において、アンテナ導体１２に接続する同軸ケーブル３０２は、アンテナの広帯域特性、無指向性、及びインピーダンス整合が得られる範囲でアンテナ導体１２の表面に這わされて給電点Ｏまで延びている。具体的には、同軸ケーブル３０２は、アンテナ導体１２にその開口スロット１４の開口側とは中心Ｃを挟んで反対側からその開口スロット１４に平行に延びて接続し、その後、そのアンテナ導体１２の表面上で這わされてコの字状に屈曲し、増幅器であるＩＣチップ３０４を介して給電点Ｏに導かれている。同軸ケーブル３０２の外部導体は、アンテナ導体１２の表面に半田付けされている。また、同軸ケーブル３０２の中心導体は、そのアンテナ導体１２の給電点Ｏに接続されている。この中心導体は、アンテナ導体１２の開口スロット１４を挟んで同軸ケーブル３０２が延びてきた側と反対側にある給電点Ｏに接続される。ＩＣチップ３０４は、送受信機側から供給される入力電力を所定比率で増幅する。
【００４２】
このような無指向性アンテナ３００においては、同軸ケーブル３０２を介してアンテナ導体１２に直接に電流が給電されると共に、その給電が入力電力を増幅したうえで行われる。かかる給電が行われると、その電流は、アンテナ導体１２の表面において、図６に示す如く、開口スロット１４近傍ではその開口スロット１４に沿って平行（ｙ軸方向）に流れると共に、そのＹ軸方向の端辺近傍では開口スロット１４に直交するｘ軸方向に流れる。従って、この変形例においても、ＵＷＢ通信に用いる３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚの超広帯域にわたって無指向性となる放射特性を実現することが可能となり、薄型・コンパクトでありかつ高効率なＵＷＢ通信用無指向性アンテナを実現することが可能となる。また、入力電力が増幅されて給電が行われるので、更に効果的な無指向性アンテナを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施例である無指向性アンテナの構成図である。
【図２】本実施例の無指向性アンテナの各種寸法を表した図である。
【図３】アンテナ導体の厚さＤに応じたアンテナ特性を表した図である。
【図４】開口スロットのスロット幅ＳＬ及び給電位置の距離Ｋに応じたアンテナ特性を表した図である。
【図５】本実施例の無指向性アンテナの実装例を表した図である。
【図６】本実施例の無指向性アンテナにおけるアンテナ導体の表面における電流分布を表した図である。
【図７】本実施例の無指向性アンテナにおける周波数ごとの放射効率を表した図である。
【図８】本実施例の無指向性アンテナにおける周波数ごとの放射パターン特性を表した図である。
【図９】本発明の変形例である無指向性アンテナの構成図である。
【図１０】本発明の変形例である無指向性アンテナの構成図である。
【図１１】本発明の変形例である無指向性アンテナの構成図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０，１００，２００，３００  無指向性アンテナ
１２  アンテナ導体
１４  開口スロット
１６，１０２，２０２，３０２  同軸ケーブル
１８  バラン
２０  差動線路
２２  誘電体基板
２４  筐体
【図１】
2009206816.tif 000003
【図２】
2009206816.tif 000004
【図３】
2009206816.tif 000005
【図４】
2009206816.tif 000006
【図５】
2009206816.tif 000007
【図６】
2009206816.tif 000008
【図７】
2009206816.tif 000009
【図８】
2009206816.tif 000010
【図９】
2009206816.tif 000011
【図１０】
2009206816.tif 000012
【図１１】
2009206816.tif 000013