小型板状ボルケーノスモークアンテナの開発
Development of a Flat Type Small Volcano Smoke Antenna

越地

福朗＊

Koshiji, Fukuro

江口俊

哉＊

Eguchi, Toshiya

要旨
近年，ユビキタス社会を実現する有力な通信手段とし

佐藤

幸

一＊

Sato, Koichi

越地

耕二＊＊

Koshiji, Kohji

1 はじめに（Ultra Wideband）て，3.1−10.6 GHz の帯域を利用するUWB

近年，ユビキタス社会を実現するための有力な通信手技術を用いた通信が注目されている。UWB通信は，3.1−段として，UWB（Ultra Wideband）技術を用いた通信が10.6 GHz の帯域を使用するため，広帯域にわたって良好注目されている。UWB 通信は，3.1−10.6 GHz の周波数帯な特性を有するアンテナが必要とされる。我々はこれま域を使用するため，従来の狭帯域通信に比べ，広帯域にでに，放射板を半円形と台形で構成することで，UWBのわたって良好な特性のアンテナが必要とされる。

全帯域において良好なVSWR 特性（VSWR ≦２）を有す

我々はこれまでに，放射板を半円形と台形で構成するる半円台形不平衡ダイポールアンテナを開発している。

ことで，水平面内無指向性であり，UWBの全帯域におい

本稿では，ボルケーノスモークアンテナを板状化およびて良好なVSWR特性を有する平面型の半円台形不平衡ダ小型化した小型板状ボルケーノスモークアンテナを電磁イポールアンテナを開発している１）。他の研究機関におい界解析により検討し，各寸法に対する特性の変化を調べても，多数のUWB用広帯域アンテナに関する研究がされた。次に，実際にアンテナをプリント基板上に試作し，ている６〜14）。しかしながら，これらのアンテナは，立体形実験により特性を評価し，アンテナの有効性を確認し状を有していたり，平面形状であっても十分小型化された。その結果，提案する小型板状ボルケーノスモークアていないものが多い。UWB無線通信システムが携帯機器ンテナは，水平面内無指向性でありUWBの周波数帯域をやパソコン周辺機器などの小型機器に搭載されることを含む 3.1−11.5 GHz でVSWR ≦ 2.3（帯域幅 115 %）の良考えると，さらなるアンテナの小型，薄型化が必須とい好な特性を得た。

える。

Abstract３）
をもとに，放次元形状のボルケーノスモークアンテナ２，In recent years, wireless communications using UWB(ultra wideband) technology has promised to usher the socalled “ubiquitous world.” In this paper, a flat type small
volcano smoke antenna formed on a PCB (printed circuitboard), miniaturizing the well-known volcano smoke antenna with wideband characteristics, is proposed, and theVSWR (voltage standing wave ratio), gain, and directional
characteristics of the proposed antenna have been analyzed and measured. It was confirmed that the flat typesmall volcano smoke antenna was omnidirectional in thehorizontal plane, and it had a VSWR of ≦ 2.3 in the frequency range from 3.1 to 11.5 GHz (bandwidth of 115 %)covering the UWB frequency band. Further, the radiation
patterns for co-polarization were similar to that of a typical
dipole antenna. The flat type small volcano smoke antenna
proposed in this paper is easily formed on a PCB and fed
by a microstrip line, thus enabling its use as a wideband
and omnidirectional antenna for mobile and wearable
equipment serving high-speed and high-capacity communication.

射板形状を平面形状化および小型化した小型板状ボル

本稿は，広帯域な特性を有することで知られている三＊コニカミノルタテクノロジーセンター㈱ システム技術研究所
アーキテクチャ開発室＊＊東京理科大学 理工学部 電気電子情報工学科

５）
により，UWBの帯域においケーノスモークアンテナ４，て，小型でありながら良好な特性を有するアンテナを得ようとするものである。

２ アンテナの形状
３）
Fig.１は，我々がボルケーノスモークアンテナ２，をもとに，小型板状ボルケーノスモークアンテナへたどり着くまでの過程を示したものである。まず，ボルケーノスモークアンテナの外形を抽出し平面形状化する（同図b）。次に，小型化のために外側を切り取る（同図c）。
最後に，形状を単純化し，マイクロストリップ線路を付加し，小型板状ボルケーノスモークアンテナ（同図d）を得る。
Fig.２は，Fig.１dの小型板状ボルケーノスモークアンテナの詳細寸法を示した図である。本アンテナは，プリント基板の表裏に，各放射板を配置する構成である。放射板の一方を半楕円形と半楕円形に外接するように配置された三角形の組み合わせにより得られる形状（裏面）

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.4（2007）27

Fig.1 Process of modification

Fig.2 Flat type small volcano smoke antenna proposed in this paper and definition of geometrical parametersとし，他方は，グラウンド導体とし，給電線路に沿って全長 ra ，グラウンド導体幅 a ，グラウンド導体高さ h ，徐々に広がるようにテーパ状に形成し，さらに給電点からテーパ幅 ia ，テーパ長さ ib ，グラウンド導体の上部を丸離れるにしたがって楕円曲線で描かれる形状（表面）としめる楕円曲線は，長径 erz ，短径 erx ，中心座標（ perx ，ている。各寸法は，半楕円の長径 rz ，短径 rx ，半楕円形perz ），マイクロストリップ線路のストリップ導体幅 w とに外接する三角形の頂点位置 ta ，頂角 tang ，上側放射板のしている。

28

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.4（2007）

Fig.3 VSWR characteristics as a function of frequency of proposed antenna

３ 各寸法に対する VSWR 特性の検討
Fig.３は，小型板状ボルケーノスモークアンテナを厚さt = 0.6 ㎜ のプリント基板（比誘電率 εr = 4.2）上に形成る。各寸法に対するVSWR特性を把握することで，短時間に所望の特性のアンテナ形状へと追い込むことができる。解析にはTLM法（Flomerics社：Micro−Stripes）を使用した。

し，アンテナの基本寸法を，半楕円の長径 rz = 12 ㎜，短Fig.３aに半楕円形放射板の短径 rx に対するVSWR特性

径 rx =９㎜，半楕円形に外接する三角形の頂点の位置 ta =を示す。ここで，半楕円に外接する三角形の頂角 tang も rx

1.5 ㎜，頂角 tang = 111.0°，上側放射板の高さ ra = 13.5 ㎜，の変化に伴い変化する。半楕円形放射板の短径 rx の変化

グラウンド導体幅 a = 18 ㎜，グラウンド導体高さ h = 20に対して，高域（９〜11 GHz 付近）の共振周波数のみが㎜，テーパ幅 ia = 1.6 ㎜，テーパ長さ ib = 7.5 ㎜，グラウン変化を示す。

ド導体の上部を丸める楕円曲線は，長径 erz = 15 ㎜，短径Fig.３bに半楕円形放射板の長径 rz に対するVSWR特性

erx = 10 ㎜，中心座標（ perx ，perz ）=（６，15）㎜，マイを示す。ここで，半楕円に外接する三角形の頂角 tang も rz

クロストリップ線路のストリップ導体幅 w = 1.15 ㎜としの変化に伴い変化する。半楕円形放射板の短径 r x と同た場合の各寸法に対するVSWR特性を検討したものであ様，長径 rz の変化に対して，高域（８〜11 GHz 付近）のKONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.4（2007）

29共振周波数が大きく変化する。また，長径 rz が大きくなから，小型化を優先し，プリント基板のサイズを，縦 Hるとアンテナ全長 H が大きくなり，最低共振周波数（４= 33 ㎜，幅 a = 18 ㎜という条件のもとで，UWBの周波数GHz 付近）も変化している。

帯で良好なVSWR特性を有することと，最低共振周波数

Fig.３cにグラウンド導体の高さ h に対するVSWR特性がより低くなることを目指したものである。アンテナ各を示す。グラウンド導体の高さ h の変化に対して，中域寸法は，半楕円の長径 rz = 12 ㎜，短径 rx =９㎜，半楕円（５〜８GHz 付近）の特性が変化し，6.5 GHz 付近をさか形に外接する三角形の頂点の位置 ta = 1.5 ㎜，頂角 tang =いに，h ≧ 22 ㎜とすることで，５GHz 付近の特性が良好

111.0°，上側放射板の高さ ra = 13.5 ㎜，グラウンド導体幅になり，h ≦ 20 ㎜とすることで，7.5 GHz 付近の特性が良

a = 18 ㎜，グラウンド導体高さ h = 21 ㎜，テーパ幅 ia =好になる。また，グラウンド導体の高さ h が変化するこ

1.7 ㎜，テーパ長さ ib =８㎜，グラウンド導体の上部を丸とで，アンテナ全長 H が変化するが，最低共振周波数める楕円曲線は，長径 erz = 15 ㎜，短径 erx = 10 ㎜，中心（4.5 GHz 付近）はほとんど変化しないことがわかる。

座標（ perx ，perz ）=（６，15）㎜，マイクロストリップ線

Fig.３dにグラウンド導体の上部を丸める楕円曲線の短路のストリップ導体幅 w = 1.15 ㎜である。

径 erx に対するVSWR特性を示す。楕円曲線の短径 erx がFig.５は，Fig.４のアンテナのVSWR特性の測定結果と大きくなるにつれて，中高域（５GHz 以上）のVSWR特解析結果を比較したものである。解析値と実測値の比較性が良好になるが，最低共振周波数（４GHz 付近）が上をすると，共振周波数に若干のずれはあるもののほぼ一昇する。

致している。このことからシミュレーションが妥当な結Fig.３eにグラウンド導体の上部を丸める楕円曲線の長果であることが確認できる。また，実測値において，4.5径 erz に対するVSWR特性を示す。楕円曲線の短径 erx が大GHz，5.6 GHz，8.5 GHz 付近でVSWR特性に若干の劣化きくなるにつれて，最低共振周波数（４GHz 付近）が低下がみられる。これはコネクタの挿入やコネクタ部分の半するが，中高域（５GHz 以上）のVSWR特性が悪化する。

田付けによる反射の影響と考えられる。

Fig.３fにグラウンド導体の上部を丸める楕円曲線の中

試作アンテナは，Fig.５に示すように，3.1〜11.5 GHz

心座標（ perx ，perz ）の perx に対するVSWR特性の変化をでVSWR ≦ 2.3，帯域幅 115 %の良好な特性を示した。

示す。同図から perx が大きいほど最低共振周波数が低下す

Fig.６a〜cにFig.４のアンテナの3.1 GHz，５GHz，ることがわかる。また，perx = 5.0 ㎜ 付近に広帯域にわ８GHz，10.6 GHz における放射パターンの測定値（主偏たってフラットな特性を持つ値が存在することがわかる。

波成分）を示す。

Fig.３gにテーパ幅 ia に対するVSWR特性を示す。テー

まず，XY面に着目する。Fig.６aに示すとおり，水平パ幅 ia が大きくなるにつれて，最低共振周波数（４GHz 付面内（XY面内）においては，ほぼ無指向性を示してい近）が低下し，３〜４GHz 付近のVSWR特性が良好になるる。水平面内のゲインは，−４〜０dBi と一般的なダイが，４GHz 以上では，ia = 1.6 ㎜ 付近に最も良好になる値

ポールアンテナと比較すると若干利得が小さいが，小型が存在することがわかる。の広帯域水平面内無指向性アンテナとしては，十分な特Fig.３hにテーパ長 ib に対するVSWR特性を示す。テー性といえる。

パ長 ib が大きくなるにつれて，インピーダンス整合が改次に，Fig.６b，cに示すYZ面，ZX面に着目する。3.1

善し，全体的にVSWR特性が改善することがわかる。

GHz において，半楕円形放射板からの放射が弱い特性となっているものの，中高域（５，８，10.6 GHz）において４試作アンテナの特性

Fig.４は，試作した小型板状ボルケーノスモークアンテ
ナの写真である。Fig.４のアンテナは，Fig.３の解析結果

Fig.4 Proposed flat type small volcano smoke antenna

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Fig.5 Comparison of VSWR characteristics obtained fromanalysis and measurement as a function of frequency

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.4（2007）

Angle (degrees)

Angle (degrees)

Angle (degrees)Fig.6 Radiation patterns obtained from measurements

は，一般的なダイポールアンテナの指向性に近い良好な

４）越地福朗，江口俊哉，佐藤幸一，越地耕二， 小形板状ボルケー
ノスモークアンテナの検討 ,特性となっていることがわかる。
したがって，携帯端末などに搭載する広帯域用の水平面内無指向性アンテナとしては，十分な特性と考える。

2006 電子情報通信学会 ソサイエティ大会, 最新の広帯域・マルチバンドアンテナ技術シンポジウ
ム , BS− 1 − 12, Sep. 2006.
５）F. Koshiji, T. Eguchi, K. Sato, K. Koshiji, “Proposal and investigation of a flat type small volcano smoke antenna”, 2006 International Symposium on Antennas and Propagation, Conf99a330-

５ まとめr307, Nov. 2006.

本稿では，立体形状を有するボルケーノスモークアン
テナを板状化および小型化した小型板状ボルケーノス

６）N. P. Agrawall, G. Kumar and K. P. Ray, “Wideband Planar
Monopole Antennas”, IEEE Trans. on Antenna and Propagation, 46（2）, 294− 295, Feb 1998.

モークアンテナを提案し，その特性の検討を行った。ま７）T.Taniguchi and T.Kobayashi, “An omnidirectional and Low-ず，電磁界解析によりアンテナの各寸法に対する特性をVSWR antenna for the FCC-approved UWB frequency band”,調べ，次に，実際にアンテナを試作し，実験により特性を評価した。その結果，提案する小型板状ボルケーノス
モークアンテナは，水平面内無指向性を有し，UWBの周波数帯域を含む 3.1−11.5 GHz でVSWR ≦ 2.3（帯域幅 115IEEE APS Int. Symp. Vol.3, 460-463, June 2003
８）越地福朗，江口俊哉，佐藤幸一，越地耕二， 広帯域小型平面アンテナにおける放射板形状の検討， エレクトロニクス実装学会
超高速高周波エレクトロニクス実装研究会，5（3）, Nov. 2005.
９）斉藤昭，岩木孝憲，本城和彦，佐藤謙一，小山とよこ，渡部貢市，%）の特性を得た。また，放射パターンの主偏波について樹脂プリント基板上に作製したＵＷＢ用自己補対アンテナ小型は，若干の指向性の変化はあるものの，ダイポールアン化の基本検討， 2004 電子情報通信学会 総合大会，B − 1 − 73，テナに近い良好な指向性が得られている。
本アンテナは，プリント基板を用い，マイクロストリップ線路による給電を行うため，携帯機器やウェアラブル機器などの高速大容量通信を行う小型無線端末など

Mar. 2004.
10）河村尚志，山本綾，梅田等，手代木扶， UWB 用自己補対スパイラルアンテナの伝送特性， 2004 電子情報通信学会 総合大会，
B− 1− 109，Mar. 2004.
11）飴谷充隆，山本学，野島俊雄，伊藤精彦， 自己補対放射素子を用いたマイクロストリップ給電広帯域プリントダイポールアンテに内蔵可能と考える。

ナ， 電子情報通信学会 論文誌B，88−B（9），1662−1673, Sep. 2005.
12）手嶋正雄，島崎寛，峯邑隆司，天野隆， 広帯域台形形状モノポー
ルアンテナに関する検討， 2004 電子情報通信学会ソサイエティ●参考文献大会，B− 1 − 73，Sep. 2004.

１）越地福朗，江口俊哉，佐藤幸一，越地耕二， UWB 用半円台形
不平衡ダイポールアンテナの検討， 2006 電子情報通信学会 総合大会，B− 1 − 118, Mar. 2006.
２）J. D. Kraus and R. J. Roland, “Antennas, 3rd edition,” McGrawHill, 2003.
３）Lee Paulsen, J. B. West, W. F. Perger and J. Kraus, “Recent13）小林弘幸，笹森崇行，戸花照雄，阿部紘士， 円形プリントモノ
ポールアンテナの広帯域化の一検討， 2006 電子情報通信学会 ソサイエティ大会，B− 1 − 114，Mar. 2006.
14）倉本晶夫，２種類の楕円状素子を平行に配置した平面型のUWB（9），1710− 1717，
アンテナ， 電子情報通信学会 論文誌 B，88− B
Sep. 2005.

Investigations on the Volcano Smoke Antenna”, IEEE APS Int.
Symp. Vol.3, 845 − 848, Jun 2003.

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