JP2005303348A - アンテナおよび通信装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】特にＵＷＢ通信に使用するアンテナとして望ましい特性すなわち群遅延特性、放射パターン特性、ポート特性が広帯域にわたり平坦でかつ小型の広帯域のアンテナを実現する。
【解決手段】放射器２とグランドプレーン３から構成されるアンテナにおいて、放射器２の形状は２次元平面図形に、縮小しｎ個複製しそれを円周上に配置し元の図形に上書きする変換操作Ｔを有限回行って得られる図形を用いる。
【選択図】 図１
【解決手段】放射器２とグランドプレーン３から構成されるアンテナにおいて、放射器２の形状は２次元平面図形に、縮小しｎ個複製しそれを円周上に配置し元の図形に上書きする変換操作Ｔを有限回行って得られる図形を用いる。
【選択図】 図１
Description
本発明はアンテナおよび通信装置に関し、特に、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）通信などに用いられる広帯域アンテナに適用して好適なものである。
ＵＷＢと呼ばれる通信方式は、パルス幅が非常に狭く、非常に広帯域のパルス信号を用いる通信方式である。すなわち、ＵＷＢでは、比帯域すなわち中心周波数と周波数帯域幅の比が２５％以上または５００ＭＨｚ幅以上の広い周波数帯域を利用し、情報を超短時間のパルスのストリームとして送信することで、数ｍ程度以内の近距離において数百Ｍｂｐｓの高速通信を実現することができる。そして、ＵＷＢでは、広い周波数帯域を利用しつつ、単位周波数当たりのエネルギー密度を低く抑えることで、既存通信システムに妨害を与えることなく、高速高容量の通信を行うことができる。
このＵＷＢ通信では信号が広帯域に渡るため、実際に通信を行うには広帯域の素子が必要であり、特に、アンテナに関しては、小型で広帯域特性を有するものが求められている。また、ＵＷＢ通信に用いられるアンテナの特性は、ＳパラメータＳ11のようなポート特性のみでなく、指向性パターンやインパルスレスポンス(群遅延特性)も平坦であることが要求される。特に、超短時間のパルスを使用するＵＷＢ通信において、群遅延特性は重要である。この群遅延特性が平坦でないと、アンテナから放射されるパルス波形に歪みが発生し、主に時間領域での処理が行われるＵＷＢ通信の品質を著しく劣化させる。
このアンテナの候補として、円錐型などの進行波型のアンテナや対数周期型アンテナなどが挙げられる。また、アンテナ形状として自己相似図形を使用するいわゆるフラクタルアンテナは、特許文献１〜４および非特許文献１に開示されているように、小型でかつ広帯域特性を得ることができるとされている。このフラクタルアンテナの代表例として、シェルピンスキー図形を用いたものがある。
図１２（Ａ）は、シェルピンスキーアンテナの概略構成を示す斜視図、図１２（Ｂ）〜図１２（Ｄ）は、シェルピンスキー図形の生成方法を示す平面図である。
図１２（Ａ）において、グランドプレーン１３２上には、放射器１３１が垂直に配置され、放射器１３１とグランドプレーン１３２との間には、給電源１３３が接続されている。ここで、放射器１３１には、シェルピンスキー図形と呼ばれる自己相似三角形のアンテナパターンが用いられている。
図１２（Ａ）において、グランドプレーン１３２上には、放射器１３１が垂直に配置され、放射器１３１とグランドプレーン１３２との間には、給電源１３３が接続されている。ここで、放射器１３１には、シェルピンスキー図形と呼ばれる自己相似三角形のアンテナパターンが用いられている。
シェルピンスキー図形は、図１２（Ｂ）〜図１２（Ｄ）に示すように、三角形の中央を順次取り除く変換を繰り返して生成することができる。すなわち、この変換は、座標軸を取り、原点Ｏと点Ｐ（ａ，ｂ）と点Ｑ（−ａ、ｂ）によって囲まれた三角形内の任意の点Ｓ（ｘ，ｙ）を、以下の操作によって３つの点Ｓ0（ｘ0，ｙ0）、Ｓ1（ｘ1，ｙ1）、Ｓ2（ｘ2，ｙ2）へ写像する作業である。
Ｓ（ｘ、ｙ）→Ｓ0（０．５ｘ、０．５ｙ）
→Ｓ1（０．５ａ＋０．５ｘ、０．５ｂ＋０．５ｙ）
→Ｓ2（‐０．５ａ‐０．５ｘ、０．５ｂ＋０．５ｙ）
図１２（Ｂ）では、Ｐ（ａ，ｂ）＝Ｐ（１，√３）、Ｑ（ａ，ｂ）＝Ｑ（‐１，√３）の場合を例示している。この変換を繰り返すと、図１２（Ｂ）→図１２（Ｃ）→図１２（Ｄ）のように順次変化させることができる。なお、図１２（Ａ）では、この変換が４回行われた場合を示している。この変換は繰り返して行われるため、自己相似形となり、この図形を２倍に拡大すると、元の図形に重ねることができる。すなわち、元の三角形の高さをＨとすると、１回目の変換で取り除かれた三角形の高さはＨ／２、２回目の変換で取り除かれた三角形の高さはＨ／４、３回目の変換で取り除かれた三角形の高さはＨ／８、４回目の変換で取り除かれた三角形の高さはＨ／１６となる。自己相似図形を用いてアンテナを構成すると、自己相似という特徴的な形状により、その周波数特性が等比級数的に繰り返されるようになる。
スペイン特許広報第ＰＣＴ／ＥＳ９９／００２９６（ＷＯ０１２２５２８）号明細書
特表２００３−５１０８７１号公報
米国特許第ＵＳ６１０４３４９号明細書
米国特許第ＵＳ６１２７９７７号明細書
ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳ．ＡＮＴＥＮＮＡＳ ＡＮＤ ＰＲＯＰＡＧＡＴＩＯＮ、 ＶＯＬ． ４６、 Ｎｏ． ４、 ＡＰＲＩＬ １９９８
→Ｓ1（０．５ａ＋０．５ｘ、０．５ｂ＋０．５ｙ）
→Ｓ2（‐０．５ａ‐０．５ｘ、０．５ｂ＋０．５ｙ）
図１２（Ｂ）では、Ｐ（ａ，ｂ）＝Ｐ（１，√３）、Ｑ（ａ，ｂ）＝Ｑ（‐１，√３）の場合を例示している。この変換を繰り返すと、図１２（Ｂ）→図１２（Ｃ）→図１２（Ｄ）のように順次変化させることができる。なお、図１２（Ａ）では、この変換が４回行われた場合を示している。この変換は繰り返して行われるため、自己相似形となり、この図形を２倍に拡大すると、元の図形に重ねることができる。すなわち、元の三角形の高さをＨとすると、１回目の変換で取り除かれた三角形の高さはＨ／２、２回目の変換で取り除かれた三角形の高さはＨ／４、３回目の変換で取り除かれた三角形の高さはＨ／８、４回目の変換で取り除かれた三角形の高さはＨ／１６となる。自己相似図形を用いてアンテナを構成すると、自己相似という特徴的な形状により、その周波数特性が等比級数的に繰り返されるようになる。
しかしながら、円錐型などの進行波型のアンテナや対数周期型アンテナなどでは、広い帯域に渡って一様な特性を得ようとすると、アンテナが大型化する。また、フラクタルアンテナは、小型で広帯域特性を実現できるものの、帯域内での特性が一様でなく、一様な特性を得ようとすると、アンテナが大型化する。
アンテナが大型化すると、一般に指向性特性は周波数特性を持つようになる。逆に、これらのアンテナのサイズを制限すると、一般に周波数特性が平坦でなくなり、例えば、シェルピンスキー図形を用いたフラクタルアンテナでは、そのリップル周期が項比２で等比級数的に変化するようになる。特許文献１乃至４では、アンテナ素子にフラクタル図形を用いると、広帯域化および小型化が可能であるとされているが、これらの文献の中にはＵＷＢ通信に使用できるような広帯域の周波数特性、指向性パターン特性および群遅延特性が得られるフラクタル図形は明記されていない。
アンテナが大型化すると、一般に指向性特性は周波数特性を持つようになる。逆に、これらのアンテナのサイズを制限すると、一般に周波数特性が平坦でなくなり、例えば、シェルピンスキー図形を用いたフラクタルアンテナでは、そのリップル周期が項比２で等比級数的に変化するようになる。特許文献１乃至４では、アンテナ素子にフラクタル図形を用いると、広帯域化および小型化が可能であるとされているが、これらの文献の中にはＵＷＢ通信に使用できるような広帯域の周波数特性、指向性パターン特性および群遅延特性が得られるフラクタル図形は明記されていない。
近年、米国ＦＣＣにより認可されたＵＷＢ通信用の周波数帯は３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚである。その比帯域は１００％以上あり、このような広帯域の周波数帯に利用できる小型アンテナについては報告されていない。
そこで、本発明の目的は、小型化を図りつつ、群遅延特性、放射パターン特性および２ポート特性の平坦性を広帯域に渡って確保することが可能なアンテナおよび通信装置を提供することである。
そこで、本発明の目的は、小型化を図りつつ、群遅延特性、放射パターン特性および２ポート特性の平坦性を広帯域に渡って確保することが可能なアンテナおよび通信装置を提供することである。
上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係るアンテナによれば、放射器の形状が、２次元平面図形を縮小して得られた図形を円周上に配置する操作と、その配置された部分を元の図形に上書きする操作とを含む変換を有限回行って得られる図形であることを特徴とする。
これにより、放射器の形状が自己相似図形となり、アンテナの小型化および広帯域化を図ることが可能となるとともに、縮小図形を円周上に配置することによって、群遅延特性を平坦化することができる。
これにより、放射器の形状が自己相似図形となり、アンテナの小型化および広帯域化を図ることが可能となるとともに、縮小図形を円周上に配置することによって、群遅延特性を平坦化することができる。
また、本発明の一態様に係るアンテナによれば、放射器とグランドプレーンとを含むアンテナにおいて、前記放射器の形状は、２次元平面図形を縮小する操作と、前記縮小された図形をｎ（ｎは１以上の整数）個だけ複製する操作と、前記複製された図形を円周上に配置する操作と、前記円周上に配置された図形を元の図形に上書きする操作とを含む変換を有限回行って得られる図形であることを特徴とする。
これにより、放射器の形状を自己相似図形とすることが可能となり、外側を回る電流経路を長くすることが可能となる。このため、アンテナの小型化を可能としつつ、広帯域化を図ることが可能となるとともに、縮小図形を円周上に配置することにより、群遅延特性を平坦化することができる。
また、本発明の一態様に係るアンテナによれば、前記グランドプレーンは前記放射器と同一基板上に置かれていることを特徴とする。
また、本発明の一態様に係るアンテナによれば、前記グランドプレーンは前記放射器と同一基板上に置かれていることを特徴とする。
これにより、グランドプレーンと放射器とを同一平面上に配置することが可能となり、複雑な立体構造を不要として、プリント基板等にプリントパターンとしてアンテナを実装することが可能となる。このため、アンテナの実装を容易化することが可能となり、コスト増を抑制しつつ、アンテナの群遅延特性を平坦化することが可能となるとともに、小型化および広帯域化を図ることが可能となる。
また、本発明の一態様に係るアンテナによれば、前記グランドプレーンは前記放射器が配置された基板面と対向する面に配置され、前記放射器に接続されたマイクロストリップラインを備えることを特徴とする。
これにより、放射器が配置された基板面の反対側から給電を行うことが可能となる。このため、放射器が配置された基板をプリント基板と共用することが可能となり、放射器が配置された基板に電子部品などを配置することを可能とし、しかもマイクロストリップラインにより給電点の移動を可能とし部品配置の自由度が増大し、アンテナが搭載された通信装置の小型化を図ることができる。
これにより、放射器が配置された基板面の反対側から給電を行うことが可能となる。このため、放射器が配置された基板をプリント基板と共用することが可能となり、放射器が配置された基板に電子部品などを配置することを可能とし、しかもマイクロストリップラインにより給電点の移動を可能とし部品配置の自由度が増大し、アンテナが搭載された通信装置の小型化を図ることができる。
また、本発明の一態様に係るアンテナによれば、前記グランドプレーンは前記放射器の面と直交して置かれていることを特徴とする。
これにより、グランドプレーンの下側からアンテナへの給電を行うことが可能となり、放射器を給電回路から分離することができる。このため、不要な結合をなくしノイズや不要放射の影響を低減することが可能となるとともに、アンテナの小型化および広帯域化を可能としつつ、群遅延特性を平坦化することができる。
これにより、グランドプレーンの下側からアンテナへの給電を行うことが可能となり、放射器を給電回路から分離することができる。このため、不要な結合をなくしノイズや不要放射の影響を低減することが可能となるとともに、アンテナの小型化および広帯域化を可能としつつ、群遅延特性を平坦化することができる。
また、本発明の一態様に係るアンテナによれば、前記円周上に配置された図形は、少なくとも一部が元の図形と重なるように配置されていることを特徴とする。
これにより、縮小図形を円周上に配置させつつ、自己相似図形を電磁的に結合させることが可能となり、アンテナの小型化を可能としつつ、広帯域化を図ることが可能となるとともに、群遅延特性を平坦化することができる。
これにより、縮小図形を円周上に配置させつつ、自己相似図形を電磁的に結合させることが可能となり、アンテナの小型化を可能としつつ、広帯域化を図ることが可能となるとともに、群遅延特性を平坦化することができる。
また、本発明の一態様に係るアンテナによれば、前記重なり部分の面積は、前記円周上に配置された縮小図形の面積の２０〜８０％の範囲内であることを特徴とする。
これにより、鋭角部分の増大を抑制しつつ、自己相似図形を生成することが可能となり、多重反射を低減することを可能として、位相特性の劣化を抑制することができる。このため、超短時間パルスの伝送を効率よく行うことが可能となり、パルス波形の歪みを抑制することを可能として、ＵＷＢ通信の品質を向上させることができる。
これにより、鋭角部分の増大を抑制しつつ、自己相似図形を生成することが可能となり、多重反射を低減することを可能として、位相特性の劣化を抑制することができる。このため、超短時間パルスの伝送を効率よく行うことが可能となり、パルス波形の歪みを抑制することを可能として、ＵＷＢ通信の品質を向上させることができる。
また、本発明の一態様に係るアンテナによれば、前記２次元平面図形は、円環、楕円または繭型であることを特徴とする。
これにより、鋭角部分の増大を抑制しつつ、自己相似図形を生成することが可能となり、群遅延特性を平坦化することが可能となる。
また、本発明の一態様に係るアンテナによれば、放射器とグランドプレーンとを含むアンテナにおいて、前記放射器の形状は、２次元平面図形を縮小する操作と、前記縮小された図形をｎ（ｎは１以上の整数）個だけ複製する操作と、前記複製された図形を円周上に配置する操作と、前記円周上に配置された図形を元の図形に上書きする操作とを含む変換を有限回行って得られる図形をさらに横方向に縮小または拡大して得られる図形であることを特徴とする。
これにより、鋭角部分の増大を抑制しつつ、自己相似図形を生成することが可能となり、群遅延特性を平坦化することが可能となる。
また、本発明の一態様に係るアンテナによれば、放射器とグランドプレーンとを含むアンテナにおいて、前記放射器の形状は、２次元平面図形を縮小する操作と、前記縮小された図形をｎ（ｎは１以上の整数）個だけ複製する操作と、前記複製された図形を円周上に配置する操作と、前記円周上に配置された図形を元の図形に上書きする操作とを含む変換を有限回行って得られる図形をさらに横方向に縮小または拡大して得られる図形であることを特徴とする。
これにより、アンテナの周波数特性をより一層平坦かつ広帯域に調整することができ、広帯域アンテナを設計する上での自由度を向上させることができる。
また、本発明の一態様に係るアンテナによれば、前記変換回数は１であり、複製個数ｎは８であることを特徴とする。
これにより、自己相似図形を生成する際に、アンテナ特性を確保することを可能としつつ、放射器の形状が無駄に微細化されることを防止することが可能となる。このため、アンテナの設計を容易に行うことが可能となるとともに、アンテナ作成時における加工精度を緩和すること可能となり、コスト増を抑制しつつ、アンテナの小型化および広帯域化を図ることが可能となるとともに、群遅延特性を平坦化することができる。
また、本発明の一態様に係るアンテナによれば、前記変換回数は１であり、複製個数ｎは８であることを特徴とする。
これにより、自己相似図形を生成する際に、アンテナ特性を確保することを可能としつつ、放射器の形状が無駄に微細化されることを防止することが可能となる。このため、アンテナの設計を容易に行うことが可能となるとともに、アンテナ作成時における加工精度を緩和すること可能となり、コスト増を抑制しつつ、アンテナの小型化および広帯域化を図ることが可能となるとともに、群遅延特性を平坦化することができる。
また、本発明の一態様に係るアンテナによれば、放射器とグランドプレーンとを含むアンテナにおいて、前記放射器の形状が、第１の円環と、前記第１の円環を縮小して第（Ｎ−１）の円環と電磁的に結合可能なように円周上に配置された第Ｎの円環（Ｎは２以上の連続した値をとる整数）とを備えることを特徴とする。
これにより、鋭角部分の増大を抑制しつつ、放射器の形状を自己相似図形とすることが可能となり、多重反射を低減することを可能としつつ、外側を回る電流経路を長くすることが可能となる。このため、アンテナの小型化および広帯域化を図ることが可能となるとともに、位相特性の劣化を抑制することを可能として、群遅延特性を平坦化することができる。
これにより、鋭角部分の増大を抑制しつつ、放射器の形状を自己相似図形とすることが可能となり、多重反射を低減することを可能としつつ、外側を回る電流経路を長くすることが可能となる。このため、アンテナの小型化および広帯域化を図ることが可能となるとともに、位相特性の劣化を抑制することを可能として、群遅延特性を平坦化することができる。
また、本発明の一態様に係る通信装置によれば、上述したいずれかのアンテナを備えることを特徴とする。
これにより、アンテナの小型化および広帯域化を可能としつつ、群遅延特性を平坦化することが可能となり、通信装置の小型化を図りつつ、数十ｍ以内の近距離において数百Ｍｂｐｓの高速通信を実現することができる。
これにより、アンテナの小型化および広帯域化を可能としつつ、群遅延特性を平坦化することが可能となり、通信装置の小型化を図りつつ、数十ｍ以内の近距離において数百Ｍｂｐｓの高速通信を実現することができる。
以下、本発明の実施形態に係る広帯域アンテナについて図面を参照しながら説明する。
図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係る広帯域アンテナの概略構成を示す平面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のａ−ａ´線で切断した断面図である。
図１において、広帯域アンテナには、基板１、放射器２およびグランドプレーン３が設けられ、放射器２およびグランドプレーン３は基板１の同一面上に配置されている。なお、基板１は誘電体から構成され、放射器２およびグランドプレーン３は金属などの導体から構成される。また、放射器２とグランドプレーン３には、給電点４、５がそれぞれ設けられている。
図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係る広帯域アンテナの概略構成を示す平面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のａ−ａ´線で切断した断面図である。
図１において、広帯域アンテナには、基板１、放射器２およびグランドプレーン３が設けられ、放射器２およびグランドプレーン３は基板１の同一面上に配置されている。なお、基板１は誘電体から構成され、放射器２およびグランドプレーン３は金属などの導体から構成される。また、放射器２とグランドプレーン３には、給電点４、５がそれぞれ設けられている。
ここで、放射器２には、導体パターン２ａ、２ｂが設けられている。そして、放射器２の形状には、導体パターン２ａを縮小してｎ（ｎは１以上の整数）個だけ複製し、その複製された導体パターン２ｂを円周上に等間隔に配置し、その円周上に配置された導体パターン２ｂを導体パターン２ａに上書きする変換を有限回行って得られる図形が含まれている。なお、上書きとは、導体パターン２ｂの形状を保存したまま、導体パターン２ｂが配置される部分を導体パターン２ａと置き換えること、すなわち導体パターン２ｂの穴の部分が導体パターン２ａによって潰されないようにすることをいう。
これにより、放射器２の形状を自己相似図形とすることが可能となり、外側を回る電流経路を長くすることが可能となる。このため、広帯域アンテナの小型化を可能としつつ、広帯域化を図ることが可能となるとともに、導体パターン２ａと相似な導体パターン２ｂを円周上に配置することにより、群遅延特性を平坦化することができる。
また、導体パターン２ｂの少なくとも一部は、導体パターン２ａ上に重ねて配置することが好ましく、導体パターン２ａ、２ｂの重なり部分の面積は、導体パターン２ａ、２ｂの内側をそれぞれ塗り潰した時に、塗り潰された導体パターン２ｂの面積の２０〜８０％の範囲内であることが好ましい。また、導体パターン２ａ、２ｂの形状は、円環、楕円または繭型などの閉曲線であることが好ましい。これにより、放射器２の形状に鋭角部分が発生することを抑制しつつ、自己相似図形を生成することが可能となり、多重反射を低減することを可能として、位相特性の劣化を抑制することができる。このため、超短時間パルスの伝送において、パルス波形の歪みを抑制し、通信を効率よく行うことを可能として、ＵＷＢ通信の品質を向上させることができる。
また、導体パターン２ｂの少なくとも一部は、導体パターン２ａ上に重ねて配置することが好ましく、導体パターン２ａ、２ｂの重なり部分の面積は、導体パターン２ａ、２ｂの内側をそれぞれ塗り潰した時に、塗り潰された導体パターン２ｂの面積の２０〜８０％の範囲内であることが好ましい。また、導体パターン２ａ、２ｂの形状は、円環、楕円または繭型などの閉曲線であることが好ましい。これにより、放射器２の形状に鋭角部分が発生することを抑制しつつ、自己相似図形を生成することが可能となり、多重反射を低減することを可能として、位相特性の劣化を抑制することができる。このため、超短時間パルスの伝送において、パルス波形の歪みを抑制し、通信を効率よく行うことを可能として、ＵＷＢ通信の品質を向上させることができる。
また、図１の広帯域アンテナでは、変換回数を１とし、導体パターン２ａを複製して得られた導体パターン２ｂの個数ｎは８とした。これにより、放射器２の形状の複雑化を抑制しつつ、放射器の形状を自己相似図形とすることが可能となる。このため、広帯域アンテナの設計を容易に行うことが可能となるとともに、広帯域アンテナ作成時における加工精度を緩和すること可能となる。
また、放射器２およびグランドプレーン３を基板１の同一面上に配置することにより、複雑な立体構造を不要として、プリント基板等にプリントパターンとして広帯域アンテナを実装することが可能となる。このため、広帯域アンテナの実装を容易化することが可能となり、コスト増を抑制しつつ、広帯域アンテナの群遅延特性を平坦化することが可能となるとともに、小型化および広帯域化を図ることが可能となる。
なお、図１のアンテナを３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚのＵＷＢ通信用として用いた場合の好ましい寸法諸元を表１に示す。
ただし、表１の例では、導体パターン２ａをイニシエータ（変換の元となる最初の図形）Ｉ0とした。また、ａは、導体パターン２ａを縮小して導体パターン２ｂを生成する際の縮小率、ｒは、導体パターン２ｂを円周上に配置する際の円の半径である。また、ｈは、ＵＷＢ帯域の下限（３．１ＧＨｚ）と上限（１０．６ＧＨｚ）との相乗平均周波数（５．７３２ＧＨｚ）の電磁波の波長（５２．３３７ｍｍ）の四分の一、すなわち、１３．０８ｍｍである。また、イニシエータＩ0の外半径ｒoは、ｈで規格化された値を示す。表１より、放射器の高さすなわちアンテナのサイズは、ＵＷＢ帯域の下限周波数の電磁波の波長の四分の一（２４．２ｍｍ）よりはるかに小さくすることができる。なお、本実施形態に係る広帯域アンテナでは、周波数特性が平坦であるため、表１に示した寸法諸元の±２０％程度の範囲内であれば、十分な性能を得ることができる。
図２は、図１の広帯域アンテナのＳパラメータＳ11特性を説明する図である。なお、図３のＳパラメータＳ11特性では、図１の広帯域アンテナの規格化インピーダンスを５０Ωとした。
図２において、図２のプロットＫ１が図１の広帯域アンテナのＳパラメータＳ11特性を示す。なお、同図のプロットＫ２は、放射器２として図９のパターンを用いた場合の広帯域アンテナのＳパラメータＳ11特性を比較して示したものである。図２から判るように、図１の広帯域アンテナでは、広い周波数範囲に渡り良好なＳパラメータＳ11特性を得ることができる。
図２において、図２のプロットＫ１が図１の広帯域アンテナのＳパラメータＳ11特性を示す。なお、同図のプロットＫ２は、放射器２として図９のパターンを用いた場合の広帯域アンテナのＳパラメータＳ11特性を比較して示したものである。図２から判るように、図１の広帯域アンテナでは、広い周波数範囲に渡り良好なＳパラメータＳ11特性を得ることができる。
図３は、図１の広帯域アンテナの水平面すなわち図１の断面ａ−ａ´および基板面に垂直に交わる面内の放射パターン特性を説明する図、図４は、図１の広帯域アンテナの垂直面内すなわち図１の断面ａ−ａ´を含む面内の放射パターン特性を説明する図である。なお、この放射パターンはオムニディレクショナル特性である。
図３および図４において、放射パターンは帯域内において周波数によらずほぼ一様であり、非常に良好な広帯域特性を示すことが判る。また、指向性パターンは水平面内において無指向性であり、周波数特性をほとんど持たないことが判る。
図３および図４において、放射パターンは帯域内において周波数によらずほぼ一様であり、非常に良好な広帯域特性を示すことが判る。また、指向性パターンは水平面内において無指向性であり、周波数特性をほとんど持たないことが判る。
また、アンテナサイズは、突起部までの１．０７ｈであり、これは帯域下限周波数の波長の約１／７であり、非常に小型である。このため、フェーズセンターのずれが少なく、良好な位相特性（群遅延特性）を得られることが判る。
なお、上述した本実施形態では、特定の寸法で特定の周波数での特性を例示しているが、これに限られるものではない。よく知られているように、マックスウェルの方程式は、電磁波の波長により規格化すれば同一の方程式となるため、使用する波長に比例して（すなわち、周波数に反比例して）アンテナ寸法を調整すれば、同一の特性を得ることができる。
なお、上述した本実施形態では、特定の寸法で特定の周波数での特性を例示しているが、これに限られるものではない。よく知られているように、マックスウェルの方程式は、電磁波の波長により規格化すれば同一の方程式となるため、使用する波長に比例して（すなわち、周波数に反比例して）アンテナ寸法を調整すれば、同一の特性を得ることができる。
以下、本発明の実施形態に係る放射器形状の生成方法を一般化して説明する。
図５（Ａ）〜図５（Ｄ）は、モノポールアンテナの構成例を示す平面図である。
図５（Ａ）において、線状放射器１２およびグランドプレーン１３が同一面上に配置されている。また、線状放射器１２とグランドプレーン１３との間には、給電点１４、１５がそれぞれ設けられている。ここで、図１の広帯域アンテナは図５（Ａ）に示すようなモノポールアンテナの一種であり、モノポールアンテナでは放射器１２の形状が太いほど、周波数特性が広くなることが知られている。
図５（Ａ）〜図５（Ｄ）は、モノポールアンテナの構成例を示す平面図である。
図５（Ａ）において、線状放射器１２およびグランドプレーン１３が同一面上に配置されている。また、線状放射器１２とグランドプレーン１３との間には、給電点１４、１５がそれぞれ設けられている。ここで、図１の広帯域アンテナは図５（Ａ）に示すようなモノポールアンテナの一種であり、モノポールアンテナでは放射器１２の形状が太いほど、周波数特性が広くなることが知られている。
また、図５（Ｂ）において、円盤放射器２２およびグランドプレーン２３が同一面上に配置されている。また、円盤放射器２２とグランドプレーン２３との間には、給電点２４、２５がそれぞれ設けられている。
また、図５（Ｃ）において、円環放射器３２およびグランドプレーン３３が水平面上に配置されている。また、円環放射器３２とグランドプレーン３３との間には、給電点３４、３５がそれぞれ設けられている。
また、図５（Ｃ）において、円環放射器３２およびグランドプレーン３３が水平面上に配置されている。また、円環放射器３２とグランドプレーン３３との間には、給電点３４、３５がそれぞれ設けられている。
ここで、図５（Ａ）の線状放射器１２の代わりに、図５（Ｂ）の円盤放射器２２を用いた場合や図５（Ｃ）の円環放射器３２を用いた場合には、図５（Ａ）の線状放射器１２と比較して、ＳパラメータＳ11特性および放射パターンとも周波数帯域を広げることができる。
また、図５（Ｄ）において、二重円環放射器４２およびグランドプレーン４３が水平面上に配置されている。また、二重円環放射器４２とグランドプレーン４３との間には、給電点４４、４５がそれぞれ設けられている。なお、二重円環放射器４２は、異なるサイズの円環が複数個並列に繋がれたものである。
また、図５（Ｄ）において、二重円環放射器４２およびグランドプレーン４３が水平面上に配置されている。また、二重円環放射器４２とグランドプレーン４３との間には、給電点４４、４５がそれぞれ設けられている。なお、二重円環放射器４２は、異なるサイズの円環が複数個並列に繋がれたものである。
図６は、図５（Ａ）〜図５（Ｄ）の各アンテナパターンのＳパラメータＳ11特性を説明する図である。なお、放射器１２、２２、３２、４２の高さ（グランドプレーン１３、２３、３３、４３の上端からそれぞれ計った高さ）はすべて１.１４ｈに統一した。
図６において、プロットＫ１１〜Ｋ１４は、図５（Ｂ）の円盤放射器２２、図５（Ｃ）の円環放射器３２、図５（Ａ）の線状放射器１２および図５（Ｄ）の二重円環放射器４２のＳパラメータＳ11特性をそれぞれ示す。
図６において、プロットＫ１１〜Ｋ１４は、図５（Ｂ）の円盤放射器２２、図５（Ｃ）の円環放射器３２、図５（Ａ）の線状放射器１２および図５（Ｄ）の二重円環放射器４２のＳパラメータＳ11特性をそれぞれ示す。
図６から判るように、円盤放射器２２では広い帯域特性を示すが、反射率が大きく効率が悪い。また、円環放射器２２では、特定の周波数での放射が強くなる。これらの形状の放射器２２、３２では、ＵＷＢに使用できるほど帯域が十分広くないことが判る。
また、図５（Ｄ）のように異なるサイズの円環を２個、例えば大きさ１：２の円環を２個並列に接続し二重円環放射器４２とし広帯域化を狙っても、図６から広帯域化にはほとんど効果がないことが分かる。
また、図５（Ｄ）のように異なるサイズの円環を２個、例えば大きさ１：２の円環を２個並列に接続し二重円環放射器４２とし広帯域化を狙っても、図６から広帯域化にはほとんど効果がないことが分かる。
一方、以下のような変換Ｔにより円環を自己相似的に繰り返し重ねることにより得られる図形を放射器とすると、良好な周波数特性を得ることができた。すなわち、イニシエータをＩ0とすると、イニシエータＩ0に変換Ｔをｎ回だけ施して得られた図形Ｉnを放射器形状として使用する。
ここで、ｉ番目の図形をＩiとすると、
Ｉi+1＝ＴＩi
である。ただし、Ｔは
ここで、ｉ番目の図形をＩiとすると、
Ｉi+1＝ＴＩi
である。ただし、Ｔは
である。
ここで、Ｍ（ｘ，ｙ）は図形をｘ方向、ｙ方向にそれぞれ（ｘ、ｙ）移動する変換、Ｓ（ａ）は図形をａ倍にサイズ変更する変換であり、＊は２つの変換の結合を表す。すなわち、Σ記号の項は、与えられた図形をａ倍にサイズ変換し（ａ＜１のときは縮小し）、そ
れを半径ｒの円周上にｎ個等間隔に並べることを意味する。最後の項の１は恒等変換であり、元の図形と重ね合わせられることを示す。なお、元の図形との重ね合わせの結果、Ｉiの内部（穴）が元の図形によって潰れないようにするため、Σの項を上書きするものと
する。
ここで、Ｍ（ｘ，ｙ）は図形をｘ方向、ｙ方向にそれぞれ（ｘ、ｙ）移動する変換、Ｓ（ａ）は図形をａ倍にサイズ変更する変換であり、＊は２つの変換の結合を表す。すなわち、Σ記号の項は、与えられた図形をａ倍にサイズ変換し（ａ＜１のときは縮小し）、そ
れを半径ｒの円周上にｎ個等間隔に並べることを意味する。最後の項の１は恒等変換であり、元の図形と重ね合わせられることを示す。なお、元の図形との重ね合わせの結果、Ｉiの内部（穴）が元の図形によって潰れないようにするため、Σの項を上書きするものと
する。
このような変換Ｔにより得られる図形を放射器の形状とすることにより、広帯域アンテナの小型化をおよび広帯域化を図ることを可能としつつ、群遅延特性を平坦化することができる。
図７は、本発明の第２実施形態に係る広帯域アンテナの放射器形状の生成方法の具体例を示す平面図である。
図７は、本発明の第２実施形態に係る広帯域アンテナの放射器形状の生成方法の具体例を示す平面図である。
図７（Ａ）において、イニシエータＩ0として外半径＝１、内半径＝０．７５の円環Ｓ１を用いた。そして、ｒ＝１、ｎ＝８、ａ＝０．２５の場合について、円環Ｓ１に対して変換Ｔを施すことにより、図７（Ａ）の円環Ｓ１上に円環Ｓ２が上書きされた図７（Ｂ）の変換図形Ｉ1を得た。
また、円環Ｓ２に対して変換Ｔを施すことにより、図７（Ｂ）の円環Ｓ１、Ｓ２上に円環Ｓ３が上書きされた図７（Ｃ）の変換図形Ｉ2を得た。さらに、円環Ｓ３に対して変換Ｔを施すことにより、図７（Ｃ）の円環Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３上に円環Ｓ４が上書きされた図７（Ｄ）の変換図形Ｉ3を得た。
また、円環Ｓ２に対して変換Ｔを施すことにより、図７（Ｂ）の円環Ｓ１、Ｓ２上に円環Ｓ３が上書きされた図７（Ｃ）の変換図形Ｉ2を得た。さらに、円環Ｓ３に対して変換Ｔを施すことにより、図７（Ｃ）の円環Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３上に円環Ｓ４が上書きされた図７（Ｄ）の変換図形Ｉ3を得た。
ここで、縮小率ａが小さいと、変換Ｔを繰り返して得られた図形は急激に微細化する。一方、波長に対しあまり細かい構造はアンテナ特性に影響がない。このため、変換回数はｎ＝８の時には、１回で十分である。
また、図７（Ｅ）において、円環Ｓ１´上に円環Ｓ２´が上書きされ、円環Ｓ２´に円環Ｓ３´が上書きされている。なお、図７（Ｅ）の円環Ｓ１´〜Ｓ３´の配置関係は、図７（Ｃ）の円環Ｓ１〜Ｓ３の配置関係と同様であり、図７（Ｅ）の形状は、円環Ｓ１´〜Ｓ３´の線幅を一定としたものである。これにより、変換Ｔの繰り返しにより円環Ｓ１´〜Ｓ３´の線幅が急激に細くなることを防ぐことが可能となり、必要なアンテナ特性を維持しつつ、アンテナ加工を容易化することが可能となる。
また、図７（Ｅ）において、円環Ｓ１´上に円環Ｓ２´が上書きされ、円環Ｓ２´に円環Ｓ３´が上書きされている。なお、図７（Ｅ）の円環Ｓ１´〜Ｓ３´の配置関係は、図７（Ｃ）の円環Ｓ１〜Ｓ３の配置関係と同様であり、図７（Ｅ）の形状は、円環Ｓ１´〜Ｓ３´の線幅を一定としたものである。これにより、変換Ｔの繰り返しにより円環Ｓ１´〜Ｓ３´の線幅が急激に細くなることを防ぐことが可能となり、必要なアンテナ特性を維持しつつ、アンテナ加工を容易化することが可能となる。
図８は、本発明の第３〜第７実施形態に係る広帯域アンテナの放射器形状を例示する平面図である。なお、図８（Ａ）〜（Ｄ）の放射器形状は、以下の表２の諸元に基づいてそれぞれ生成した。
図８（Ａ）において、ｎ＝３の場合は、シェルピンスキー図形と似たような構造を持ち、特性もそれに近くなる。しかし、図８（Ａ）の図形では、イニシエータＩ0が円環であるため、イニシエータＩ0の持つ広帯域特性が現れ、より好ましいアンテナ特性を得ることができる。なお、（１）式で示される変換Ｔを行うと、図８（Ａ）の上下逆の図形が得られるが、図８（Ａ）では、給電点が下にあると仮定して見やすいように反転して示してある。
また、図８（Ｂ）、（Ｃ）において、ｒの値をイニシエータＩ0の外径ｒoより小さくすることにより、変換の繰り返し毎に図形が内側に出張る図形を生成することができる。また、図８（Ｄ）において、ｒの値をイニシエータＩ0の外径ｒoより大きくすることにより、変換の繰り返し毎に図形が外側に出張る図形を生成することができる。ここで、図８（Ｄ）の図形の方が、外側を回る電流経路を長くすることが可能となり、図８（Ｂ）、（Ｃ）の図形より良好なアンテナ特性を得ることができる。
また、ｒを適宜調整することにより、図８（Ｅ）に示すように、変換を繰り返しても外側にも内側にも出張らず、穴の部分のみがイニシエータＩ0に空いた図形も作ることができる。これらの場合も含めて比較すると、外周辺の長さが一番長くなる図８の（Ａ）、（Ｄ）の形が最も小型化に適している。
なお、広帯域アンテナの放射器形状としては、図８（Ａ）〜（Ｅ）のどの図形を用いても良い。ただし、帯域３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚのＵＷＢ用アンテナとしては、表１に示す諸元の時が良い特性を示すようである。
なお、広帯域アンテナの放射器形状としては、図８（Ａ）〜（Ｅ）のどの図形を用いても良い。ただし、帯域３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚのＵＷＢ用アンテナとしては、表１に示す諸元の時が良い特性を示すようである。
また、ここで例示しているアンテナの誘電体基板の厚さは２ｍｍ以下、非誘電率は４程度であるが、基板の厚さは極端に厚くない限り、特性上に大きな差はない。また、基板の比誘電率を低くすることにより、広域側のアンテナ特性を向上させることができる。
図９は、本発明の第８実施形態に係る広帯域アンテナの放射器形状を示す平面図である。
図９は、本発明の第８実施形態に係る広帯域アンテナの放射器形状を示す平面図である。
図９において、放射器２´の形状は、図１の放射器２の形状に対して、高さを一定としたまま、横方向にｂ倍に拡大または縮小されている。なお、この図９では、ｂ＝０.８の場合を例示している。これにより、ＳパラメータＳ11の特性を改善することができる。この様子を図２のプロットＫ２に示す。すなわち、横方向に縮小しない図１の放射器２に比較し、横方向の縮小された放射器２´では広帯域側を伸ばすことができ、特性を改善することができる。ただし、放射器２、２´の高さは同じなので、低域での特性はほとんど同じである。
図１０（Ａ）は、本発明の第９実施形態に係る広帯域アンテナの概略構成を示す平面図、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のｂ−ｂ´線で切断した断面図である。
図１０において、広帯域アンテナには、基板１１１、放射器１１２、グランドプレーン１１３およびマイクロストリップライン１１６が設けられている。ここで、放射器１１２およびマイクロストリップライン１１６は、基板１１１の一方の面に配置され、放射器１１２はマイクロストリップライン１１６に接続されている。また、グランドプレーン１１３は、放射器１１２が配置された基板面と対向する面に配置されるとともに、マイクロストリップライン１１６は、基板１１１の裏面に引き出されている。そして、グランドプレーン１１３とマイクロストリップライン１１６には、給電点１１４、１１５がそれぞれ設けられ、マイクロストリップライン１１６を介して放射器１１２に給電することができる。なお、マイクロストリップライン１１６の幅は、基板１１１の誘電率と厚さにより決めることができ、規格化インピーダンスが１になるように調整することができる。
図１０において、広帯域アンテナには、基板１１１、放射器１１２、グランドプレーン１１３およびマイクロストリップライン１１６が設けられている。ここで、放射器１１２およびマイクロストリップライン１１６は、基板１１１の一方の面に配置され、放射器１１２はマイクロストリップライン１１６に接続されている。また、グランドプレーン１１３は、放射器１１２が配置された基板面と対向する面に配置されるとともに、マイクロストリップライン１１６は、基板１１１の裏面に引き出されている。そして、グランドプレーン１１３とマイクロストリップライン１１６には、給電点１１４、１１５がそれぞれ設けられ、マイクロストリップライン１１６を介して放射器１１２に給電することができる。なお、マイクロストリップライン１１６の幅は、基板１１１の誘電率と厚さにより決めることができ、規格化インピーダンスが１になるように調整することができる。
また、放射器１１２には、導体パターン１１２ａ、１１２ｂが設けられている。そして、放射器１１２の形状には、導体パターン１１２ａを縮小してｎ個だけ複製し、その複製された導体パターン１１２ｂを円周上に等間隔に配置し、その円周上に配置された導体パターン１１２ｂを導体パターン１１２ａに上書きする変換を有限回行って得られる図形が含まれる。
ここで、放射器１１２が配置された基板面と対向する面にグランドプレーン１１３を配置することにより、放射器１１２が配置された基板面の反対側から給電を行うことが可能となる。このため、放射器１１２が配置された基板１１１をプリント基板と共用することが可能となり、放射器１１２が配置された基板面およびグランドプレーン面に電子部品などを配置することを可能として、アンテナが搭載された通信装置の小型化を図ることができる
なお、図１０の広帯域アンテナの特性も図３乃至図５に示すものと同じであり、ＵＷＢ通信用として良好なアンテナ特性を得ることができる。
なお、図１０の広帯域アンテナの特性も図３乃至図５に示すものと同じであり、ＵＷＢ通信用として良好なアンテナ特性を得ることができる。
図１１は、本発明の第１０実施形態に係る広帯域アンテナの概略構成を示す斜視図である。
図１１において、広帯域アンテナには、放射器１２２およびグランドプレーン１２３が設けられ、放射器１２２はグランドプレーン１２３に対して垂直に配置されている。また、放射器１２２とグランドプレーン１２３には、給電点１２４、１２５がそれぞれ設けられ、放射器１２２への給電はグランドプレーン１２３の裏側から同軸ケーブルを介して行うことができる。ここで、放射器１２２には、導体パターン１２２ａ、１２２ｂが設けられ、導体パターン１２２ａ、１２２ｂの形状は、円環をイニシエータＩ0として上記に説明したような方法で作成した自己相似図形とすることができる。
図１１において、広帯域アンテナには、放射器１２２およびグランドプレーン１２３が設けられ、放射器１２２はグランドプレーン１２３に対して垂直に配置されている。また、放射器１２２とグランドプレーン１２３には、給電点１２４、１２５がそれぞれ設けられ、放射器１２２への給電はグランドプレーン１２３の裏側から同軸ケーブルを介して行うことができる。ここで、放射器１２２には、導体パターン１２２ａ、１２２ｂが設けられ、導体パターン１２２ａ、１２２ｂの形状は、円環をイニシエータＩ0として上記に説明したような方法で作成した自己相似図形とすることができる。
ここで、グランドプレーン１２３に対して放射器１２２を垂直に配置することにより、放射器１２２をグランドプレーン１２３と反対側に置くことができる。このため、回路が発するノイズ等の放射器１２２への回りこみの影響を低減することができ、通信品質を向上させることができる。特に、受信アンテナとして使う場合に効果が大きい。なお、図１１の広帯域アンテナの特性は、図１および図１０の広帯域アンテナと同様の特性を得ることができる。
このように、上述した広帯域アンテナは、小型で構造が簡単でかつ、十分な広帯域特性を示し、特に、ＳパラメータＳ11に代表されるポート特性のみでなく、放射パターンや位相特性（群遅延特性）についても平坦な広帯域特性を示し、ＵＷＢ通信において実用性が高いものである。このため、上述した広帯域アンテナを無線ＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などに適用することにより、通信装置の小型化を図りつつ、数ｍ程度の近距離において数百Ｍｂｐｓの高速通信を実現することができる。
１、１１１ 基板、２、２´、１２、２２、３２、４２、１１２、１２２ 放射器、２ａ、２ｂ、１１２ａ、１１２ｂ、１２２ａ、１２２ｂ 導体パターン、３、１３、２３、３３、４３、１１３、１２３ グランドプレーン、４、５、１４、１５、２４、２５ 、３４、３５、４４、４５、１１４、１１５、１２４、１２５ 給電点、５１〜５４、５１´〜５３´ 円環、１１６ マイクロストリップライン
Claims (12)
- 放射器の形状が、２次元平面図形を縮小して得られた図形を円周上に配置する操作と、その配置された部分を元の図形に上書きする操作とを含む変換を有限回行って得られる図形であることを特徴とするアンテナ。
- 放射器とグランドプレーンとを含むアンテナにおいて、
前記放射器の形状は、２次元平面図形を縮小する操作と、前記縮小された図形をｎ（ｎは１以上の整数）個だけ複製する操作と、前記複製された図形を円周上に配置する操作と、前記円周上に配置された図形を元の図形に上書きする操作とを含む変換を有限回行って得られる図形であることを特徴とするアンテナ。 - 前記グランドプレーンは前記放射器と同一基板上に置かれていることを特徴とする請求項２記載のアンテナ。
- 前記グランドプレーンは前記放射器が配置された基板面と対向する面に配置され、前記放射器に接続されたマイクロストリップラインを備えることを特徴とする請求項２記載のアンテナ。
- 前記グランドプレーンは前記放射器の面と直交して置かれていることを特徴とする請求項２記載のアンテナ。
- 前記円周上に配置された図形は、少なくとも一部が元の図形と重なるように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のアンテナ。
- 前記重なり部分の面積は、前記円周上に配置された縮小図形の面積の２０〜８０％の範囲内であることを特徴とする請求項６記載のアンテナ。
- 前記２次元平面図形は、円環、楕円または繭型であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載のアンテナ。
- 放射器とグランドプレーンとを含むアンテナにおいて、
前記放射器の形状は、２次元平面図形を縮小する操作と、前記縮小された図形をｎ（ｎは１以上の整数）個だけ複製する操作と、前記複製された図形を円周上に配置する操作と、前記円周上に配置された図形を元の図形に上書きする操作とを含む変換を有限回行って得られる図形をさらに横方向に縮小または拡大して得られる図形であることを特徴とするアンテナ。 - 前記変換回数は１であり、複製個数ｎは８であることを特徴とする請求項２〜９のいずれか１項記載のアンテナ。
- 放射器とグランドプレーンとを含むアンテナにおいて、
前記放射器の形状が、第１の円環と、前記第１の円環を縮小して第（Ｎ−１）の円環と電磁的に結合可能なように円周上に配置された第Ｎの円環（Ｎは２以上の連続した値をとる整数）とを備えることを特徴とするアンテナ。 - 請求項１〜１１のいずれか１項記載のアンテナを備えることを特徴とする通信装置。
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