JP2005277501A

JP2005277501A - Ｕｗｂアンテナ

Info

Publication number: JP2005277501A
Application number: JP2004084021A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Nebiya; 英之根日屋; Kotomi Uetake; 古都美植竹; Yukihisa Inoue; 幸久井上
Original assignee: BIJITA SYSTEM KK; Amplet Inc
Current assignee: BIJITA SYSTEM KK; Amplet Inc
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】
従来のＵＷＢ用アンテナは、アンテナ形状が複雑であるため、大量生産することや、家電などの民生用途に使用できるような小型で性能のよいアンテナとして使用することが難しい。
【解決手段】
本件発明は、上記課題に鑑みなされたものである。
第一の発明は、一対のアンテナ素子からなるアンテナ装置であって、前記アンテナ素子は、尖端形状の給電点と、前記給電点からもっとも離れた尖端形状の最外点と、前記給電点と、前記最外点との中間に配置される面状領域部と、からなり、前記給電点と、前記最外点との距離が目的波の二分の一波長の長さであるアンテナ装置に関する。
【選択図】図１

Description

本件発明は、超広帯域の周波数範囲で使用できるアンテナ装置に関するものである。

近年、従来の無線通信に比べ、遥かに周波数スペクトルが広帯域な無線通信システムが注目されている。この超広帯域の技術は、一般に、ＵＷＢ（ＵｌｔｒａＷｉｄｅＢａｎｄ）と呼ばれている。従ってＵＷＢにおいては、占有する帯域が非常に広く広帯域通信が容易に実現される。そこで多くのメーカが、ＰＤＰ（ＰｌａｓｍａＤｉｓｐｌａｙＰａｎｅｌ）テレビや、カメラ一体型ＶＴＲ（ＶｉｄｅｏＴａｐｅＲｅｃｏｒｄｅｒ）、パソコンと周辺機器などのデジタル機器同士をつなぐ超高速インタフェースとして、その実用化を試みている。そしてＵＷＢに使用されるアンテナは、これまでの他の狭帯域の無線技術と全く異なる特性であり、従来とは大幅に異なる設計法が求められる。このため、特許文献１に開示されたようなアンテナが提案されている。
特表平１０−５００８１７

しかしながら、従来のＵＷＢ用アンテナは、アンテナ形状が複雑であるため、大量生産することや、家電などの民生用途に使用できるような小型で性能のよいアンテナとして使用することが難しい。

本件発明は、上記課題に鑑みなされたものである。

第一の発明は、一対のアンテナ素子からなるアンテナ装置であって、前記アンテナ素子は、尖端形状の給電点と、前記給電点からもっとも離れた尖端形状の最外点と、前記給電点と、前記最外点との中間に配置される面状領域部と、からなり、前記給電点と、前記最外点との距離が目的波の二分の一波長の長さであるアンテナ装置に関する。
第二の発明は、前記一対のアンテナ素子の形状は同一である第一の発明に記載のアンテナ装置に関する。
第三の発明は、前記アンテナ素子は、四辺形状である第一の発明又は第二の発明に記載のアンテナ装置に関する。
第四の発明は、前記四辺形状は、ひし形形状である第三の発明に記載のアンテナ装置に関する。
第五の発明は、前記給電点から入力する高周波信号の周波数の変化に対して給電点のインピーダンスの変化が中心値に対して絶対値で２０％以内である第一の発明から第四の発明のいずれか一に記載のアンテナ装置に関する。
第六の発明は、前記アンテナ素子は、平面状である第一の発明から第五の発明のいずれか一に記載のアンテナ装置に関する。
第七の発明は、前記アンテナ素子は、立体状である第一の発明から第五の発明のいずれか一に記載のアンテナ装置に関する。

本件発明によれば、一対のアンテナ素子からなるアンテナ装置であり、アンテナ装置の給電点におけるインピーダンスの変化を低くできるので、簡単な構成で超広帯域のアンテナとして使用することができる。

以下に本件発明の実施形態を説明する。実施形態と、請求項との関係はおおむね次のようなものである。
実施形態１は、主に、請求項１、２、３、４、６などについて説明している。
実施形態２は、主に、請求項５について説明している。
実施形態３は、主に、請求項７について説明している。

<<実施形態１>>
以下に、実施形態1について説明する。

<実施形態１の概念>
以下に、実施形態１の概念について説明する。
最近、ＵＷＢという広帯域通信が注目されている。使用周波数帯域は３．１〜１０．６ＧＨｚである。主力と注目されているＵＷＢを使用したシステムで使用周波数を区分すると、大きく分けて、（１）ＯＦＤＭ（ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）方式を用いるもの、（２）ＤＳ−ＳＳ（ＤｉｒｅｃｔＳｅｑｕｅｎｃｅＳｐｅｃｔｒｕｍＳｐｒｅａｄ：直接拡散）方式を用いるもの、に分類される。（１）ＯＦＤＭ方式では、この全周波数帯域（但し、５．２ＧＨｚ帯の無線ＬＡＮの周波数を除く）が使用される。（２）ＤＳ−ＳＳ方式では、さらに（２−１）３．１ＧＨｚ〜５．２ＧＨｚ帯の無線ＬＡＮの下側が使用されるものと、（２−２）５．２ＧＨｚ帯の無線ＬＡＮの上側〜１０．６ＧＨｚを使用するものに分類される。両方式とも、５．２ＧＨｚ無線ＬＡＮへの干渉が起こらないように考慮されている。

ここでＵＷＢにおいてキーとなる技術は超広帯域アンテナである。超広帯域アンテナ設計のキー技術は、第一には、アンテナ素子の給電点近辺は高周波電流を流し、アンテナ素子の端では高周波電流を分散させるアンテナの形状、第二には、周波数変化に対してインピーダンスの変化を給電点では鈍く見えるような反共振を応用した構造とすることなどである。これらの技術を併用することにより、平面構造の小形で高利得の超広帯域アンテナが実現できる。本実施形態は、上記二つの技術を併せもったアンテナ装置に関する。

図１７は、上記第一のキー技術を有したアンテナ装置１７００の一例を示す図である。図１７に示すアンテナ装置は、アンテナ素子１７０１、１７０２を有する。また各アンテナ素子は、給電点１７０４、１７０５を有する。アンテナ素子は、給電点からリード線を介して電子回路部１７０３に接続されている。一対のアンテナ素子は、三角形形状であることを特徴としている。三角形の頂点近傍が給電点となっている。図１７のアンテナ素子においては、アンテナ素子の給電点と反対側（三角形の底辺側）の形状を平面的、又は立体的に大きくして、アンテナ素子に流れる高周波電流をアンテナ素子の三角形形状の底辺の両端で分散することにより、高周波電流の密度を低くする。このとき、高周波電流の観点から見ると、給電点からは、アンテナ素子の端（三角形の底辺側）の位置が分かりにくくなる。つまり、給電点からは、アンテナ装置の共振周波数が分かりにくくなる。このため、給電点からいろいろな周波数の高周波信号を入力しても、給電点付近の電流密度は高いが、端（三角形の底辺側）の部分の電流密度が低いために、電流分布の定在波が不明瞭になり、広帯域化が実現できる。なお、アンテナ素子の三角形形状は、二等辺三角形、直角二等辺三角形、不等辺三角形などが該当する。また、平面状に限定されず、立体的な構造を有していてもよい。

<構成要件の明示>
以下に、本実施形態の構成要件を明示する。
図1は、本実施形態のアンテナ装置０１００の構成要件を説明するための図である。アンテナ装置は、一対のアンテナ素子０１０１、０１０２からなる。また、各アンテナ素子は、給電点０１０４、０１０５と、最外点０１０６、０１０７と、面状領域部０１０８、０１０９と、を有する。

<構成要件の説明>
以下に、本実施形態の構成要件の説明をする。

<アンテナ素子>
以下に、アンテナ素子の構成要件について説明する。

（給電点）
「給電点」とは、リード線などにより、電子回路部０１０３に接続されて、電力を供給される点状の微小な領域のことをいう。給電点は、尖端形状を有する。ここで「尖端形状」とは、二本の直線又は曲線がその先端で一致することにより形成される尖った形状のことをいう。この尖端形状の有する尖端の角度は、直角に限定されず、鋭角であってもよいし、鈍角であってもよい。

（最外点）
「最外点」とは、給電点からもっとも離れた点状の微小な領域のことをいう。最外点は、尖端形状を有する。ここで「尖端形状」とは、二本の直線又は曲線がその先端で一致することにより形成される尖った形状のことをいう。この尖端形状の有する尖端の角度は、直角に限定されず、鋭角であってもよいし、鈍角であってもよい。

（面状領域）
「面状領域部」とは、給電点と、最外点との中間に配置される面状の領域のことをいう。ここで「面」とは、板状の平面に限定されず、滑らかな曲面であってもよい。

（アンテナ素子）
アンテナ素子は、給電点と、最外点との距離が目的波の二分の一波長の長さを有する。また、アンテナ素子は、給電点と、最外点との距離が目的波の二分の一波長の長さに限定されず、二分の一波長の奇数倍の長さであってもよい。またアンテナ素子の形状は、一例として、四辺形状であるように形成される。さらにこの四辺形状は、一例として、ひし形形状である。ここでこのひし形形状には、正方形を含む。上記形状を有するアンテナ素子は、一例として、平面状であるように形成される。アンテナ素子は、一例として、金、銀、銅、アルミニウムなどの導体や導電性セラミックなどで構成することができる。なお、アンテナ素子を平面状に構成する場合には、その厚さを薄く構成することにより、小型のＵＷＢ機器に実装することが容易となる。アンテナ素子の厚さは、一例として、約０．１ｍｍ〜１０ｍｍ程度が該当する。

<アンテナ装置>
以下に、アンテナ装置の構成要件について説明する。

（アンテナ装置）
アンテナ装置は、一対のアンテナ素子からなる。この一対のアンテナ素子の形状は、一例として、同一であるように形成される。一対のアンテナ素子の各給電点は、リード線などによって、ＵＷＢの電子回路部に接続される。ＵＷＢの電子回路部は、一例として、広帯域増幅器、スイッチ、ミキサなどで構成される。

一般的に、アンテナの使用帯域幅は、給電点から入力される高周波信号の周波数の変化に対し、給電点のインピーダンスがどれくらい変化しないかで決まる。以下、図に基づいて、本実施形態のアンテナ装置がＵＷＢアンテナとして、広帯域動作するかを説明する。

図２は、アンテナ素子の給電点より、電力を供給した場合のアンテナ装置０２００の電流分布の概略を示す図である。アンテナ装置は、一対のアンテナ素子０２０１、０２０２からなる。アンテナ素子の給電点はリード線により電子回路部０２０３に接続されている。電子回路部より、電力が供給される。図２に示すように、アンテナ装置には、電流分布に関する定在波０２０４ができる。定在波は谷（節）１、谷（節）２、谷（節）３、山（腹）１、山（腹）２を有している。定在波の谷（節）１の部分に給電（電圧給電）すると、従来のように定在波の山（腹）の部分に給電する場合に比べて、給電点におけるインピーダンスの変化が鈍くなる。これは、次式より分かる。つまり、一般的に、給電点におけるインピーダンスＺは、

Ｚ＝Ｖ／Ｉ
（Ｖ：一対のアンテナ素子の給電点間の電位差、Ｉ：アンテナ素子に流れる電流）

で表される。ここで、従来のように電流分布の定在波の山（腹）の部分に給電（電圧給電）する場合には、給電点から入力される高周波信号の周波数の変化に対して、給電点における定在波の山（腹）の電流分布の振幅（すなわち上式のＩ）が変動する。すなわち、上式において、Ｖが一定であるとすると、給電点のインピーダンスＺが変動することを意味する。しかし、本実施形態のように、給電点の電流分布の定在波の谷（節）の部分に給電（電圧給電）する場合には、給電点から入力される高周波信号の周波数の変化に対して、定在波の谷（節）の電流分布の振幅（すなわち上式のＩ）の変動はほとんど発生しない。つまりＶが一定であるとすると、給電点のインピーダンスＺがほとんど変化しない。したがって、本実施形態のアンテナ装置によれば、電流分布の定在波の谷（節）の部分に給電（電圧給電）することができるので、給電点から入力される高周波信号の周波数の変化に対して、給電点におけるインピーダンスＺの変化を小さくできるため、広帯域化が実現できる。

（実施例１：主に請求項２、４、６に対応）
以下に、実施例１について説明する。実施例１のアンテナ装置は、アンテナ素子の形状が平面状の正方形であり、一対のアンテナ素子の形状が同一であることを特徴とする。
図３は、実施例１のアンテナ装置の平面図あるいは底面図である。ここで、一例として、使用周波数ｆが、ＵＷＢの３．１〜１０．６ＧＨｚであるとすると、その波長λは、光速をｃ＝３．０×１０^８（ｍ／ｓ）として、次式で計算される。

λ＝ｃ／ｆ
＝（３．０×１０^８）／（１０．６×１０^９）
〜（３．０×１０^８）／（３．１×１０^９）
＝約２８．３〜９６．８（ｍｍ）

となる。よってアンテナ素子は、一辺の長さが約１０．２〜３４．２ｍｍ（（λ／２）／√２より）の正方形となる。

図４は、実施例１のアンテナ装置の正面図あるいは背面図である。
図５は、実施例１のアンテナ装置の右側面図あるいは左側面図である。
図６は、実施例１のアンテナ装置の斜視図である。

図７は、本実施形態のアンテナ装置を使用した場合の、ＲｅｔｕｒｎＬｏｓｓ（電圧リターンロス）あるいはＶＳＷＲ（ＶｏｌｔａｇｅＳｔａｎｄｉｎｇＷａｖｅＲａｔｉｏ：電圧定在波比）と、ＵＷＢの使用周波数３．１〜１０．６ＧＨｚとの関係を、シミュレーションにより求めたものである。ここで左側の縦軸はＲｅｔｕｒｎＬｏｓｓ（ｄＢ）を、右側の縦軸はＶＳＷＲを、横軸は使用周波数（ＧＨｚ）をそれぞれ示している。一般的に、アンテナのＲｅｔｕｒｎＬｏｓｓが約−１０ｄＢ以下、ＶＳＷＲで換算すると約２．０以下であれば、品質を落とすことなく使用できる。またＲｅｔｕｒｎＬｏｓｓ、ＶＳＷＲはそれぞれ次式で定義される。

ＲｅｔｕｒｎＬｏｓｓ＝２０ｌｏｇ（Ｖｒ／Ｖｆ）（ｄＢ）
（Ｖｆ：進行波電圧、Ｖｆ：反射波電圧）

ＶＳＷＲ＝（１＋｜ρ｜）／（１−｜ρ｜）
（ρ＝Ｖｒ／Ｖｆ：電圧反射係数）

図７においては、ＵＷＢの使用周波数３．１〜１０．６ＧＨｚに亙って、本実施形態のアンテナ装置のＲｅｔｕｒｎＬｏｓｓが約−１０ｄＢ以下、ＶＳＷＲで換算すると約２．０以下となっていることが分かる。なお、図７においては、ＵＷＢの使用周波数３．１〜１０．６ＧＨｚの中心周波数である６．８５ＧＨｚとして、波長λを算出し、アンテナ素子の一辺の長さを、約１５．５ｍｍとして計算している。

（実施例２：主に請求項１に対応）
以下に、実施例２について説明する。実施例２のアンテナ装置は、一対のアンテナ素子の形状が同一でないことを特徴とする。
図８は、実施例２のアンテナ装置の一例を示す平面図あるいは底面図である。図８に示すアンテナ装置は、右側のアンテナ素子の形状が正方形であり、左側のアンテナ素子の形状が、正方形の四つの角のうち、給電点と最外点以外の二つの角が丸みを帯びていることを特徴としている。

（実施例３：主に請求項２に対応）
以下に、実施例３について説明する。実施例３のアンテナ装置は、一対のアンテナ素子の形状が同一であることを特徴とする。
図９は、実施例３のアンテナ装置の一例を示す平面図あるいは底面図である。図９に示すアンテナ装置は、一対のアンテナ素子の形状が、正方形の四つの角のうち、給電点と最外点以外の二つの角が丸みを帯びていることを特徴としている。

（実施例４：主に請求項２、３に対応）
以下に、実施例４について説明する。実施例４のアンテナ装置は、アンテナ素子は、四辺形状であることを特徴とする。
図１０は、実施例４のアンテナ装置の一例を示す平面図あるいは底面図である。図１０に示すアンテナ装置は、一対のアンテナ素子の形状が、長方形であることを特徴としている。なお、一対のアンテナ形状が異なっていてもよい。

（実施例５：主に請求項２、４に対応）
以下に、実施例５について説明する。実施例５のアンテナ装置は、アンテナ素子は、ひし形形状であることを特徴とする。
図１１は、実施例５のアンテナ装置の一例を示す平面図あるいは底面図である。図１１に示すアンテナ装置は、一対のアンテナ素子の形状が、ひし形であることを特徴としている。なお、一対のアンテナ形状が異なっていてもよい。

<実施形態１の効果の簡単な説明>

本実施形態のアンテナ装置によれば、給電点から入力される高周波信号の周波数の変化に対して、給電点におけるインピーダンスの変化を小さくできるため、広帯域化が実現できる。

<<実施形態２>>
以下に、実施形態２について説明する。

<実施形態２の概念>
以下に、実施形態２の概念について説明する。
本実施形態のアンテナ装置は、給電点から入力する高周波信号の周波数の変化に対して給電点のインピーダンスの変化が中心値に対して絶対値で２０％以内である実施形態１に記載のアンテナ装置に関する。
図１２は、ＵＷＢの使用周波数（横軸）と、給電点のインピーダンス（縦軸）の関係の一例を示す図である。給電点から入力する高周波信号の周波数３．１〜１０．６ＧＨｚの中心周波数である６．８５ＧＨｚに対して給電点インピーダンスが５０Ωとした場合には、本実施形態のアンテナ装置は、４５〜５５Ωとなるように構成される。

<実施形態２の効果の簡単な説明>

本実施形態のアンテナ装置によれば、給電点のインピーダンスの変化が中心値に対して絶対値で２０％以内にすることにより、ＵＷＢの使用領域に対して、高品質のアンテナ装置を提供することができる。

<<実施形態３>>

<実施形態３の概念>
以下に、実施形態３の概念について説明する。
本実施形態のアンテナ装置は、アンテナ素子は、立体状である実施形態１又は２に記載のアンテナ装置に関する。

（実施例６）
以下に、実施例６について説明する。実施例６のアンテナ装置は、立体状であることを特徴とする。
図１３は、実施例６のアンテナ装置の平面図あるいは底面図である。
図１４は、実施例６のアンテナ装置の正面図あるいは背面図である。
図１５は、実施例６のアンテナ装置の右側面図あるいは左側面図である。
図１６は、実施例６のアンテナ装置の斜視図である。

<実施形態３の効果の簡単な説明>

本件発明は、家電などの民生用途に使用できるような小型で性能のよいＵＷＢアンテナとして使用することができる。

実施形態１のアンテナ装置の概念図実施形態１のアンテナ装置の動作を説明する図実施形態１のアンテナ装置の実施例１の平面図あるいは底面図実施形態１のアンテナ装置の実施例１の左側面図あるいは右側面図実施形態１のアンテナ装置の実施例１の正面図あるいは背面図実施形態１のアンテナ装置の実施例１の斜視図実施形態１のアンテナ装置の実施例１の説明図実施形態１のアンテナ装置の実施例２の平面図あるいは底面図実施形態１のアンテナ装置の実施例３の平面図あるいは底面図実施形態１のアンテナ装置の実施例４の平面図あるいは底面図実施形態１のアンテナ装置の実施例５の平面図あるいは底面図実施形態２のアンテナ装置の説明図実施形態３のアンテナ装置の実施例６の平面図あるいは底面図実施形態３のアンテナ装置の実施例６の左側面図あるいは右側面図実施形態３のアンテナ装置の実施例６の正面図あるいは背面図実施形態３のアンテナ装置の実施例６の斜視図実施形態１のアンテナ装置その２の概念図

符号の説明

０１００アンテナ装置
０１０１アンテナ素子
０１０２アンテナ素子
０１０３電子回路部
０１０４給電点
０１０５給電点
０１０６最外点
０１０７最外点
０１０８面状領域部
０１０９面状領域部

Claims

一対のアンテナ素子からなるアンテナ装置であって、
前記アンテナ素子は、
尖端形状の給電点と、
前記給電点からもっとも離れた尖端形状の最外点と、
前記給電点と、前記最外点との中間に配置される面状領域部と、
からなり、
前記給電点と、前記最外点との距離が目的波の二分の一波長の長さであるアンテナ装置。
前記一対のアンテナ素子の形状は同一である請求項１に記載のアンテナ装置。
前記アンテナ素子は、四辺形状である請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
前記四辺形状は、ひし形形状である請求項３に記載のアンテナ装置。
前記給電点から入力する高周波信号の周波数の変化に対して給電点のインピーダンスの変化が中心値に対して絶対値で２０％以内である請求項１から４のいずれか一に記載のアンテナ装置。
前記アンテナ素子は、平面状である請求項１から５のいずれか一に記載のアンテナ装置。
前記アンテナ素子は、立体状である請求項１から５のいずれか一に記載のアンテナ装置。