JP4959220B2 - 平面アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は平面アンテナ装置に係り、特にＵＷＢ（ultra-wide band）を利用する平面アンテナ装置に関する。

近年、レーダー測位や大伝送容量の通信が可能であることからＵＷＢを利用した無線通信技術が注目されている。特に、２００２年に米国ＦＣＣ（federal communication commission）が３．１〜１０．６ＧＨｚの周波数帯域でＵＷＢを民生で利用するこを認可してから、ＵＷＢ技術の実用化に向けた開発が活発に行なわれている。

ＵＷＢは、上記のように超広帯域を使用して通信を行う通信方式であるので、ＵＷＢに用いられるアンテナ装置には超広帯域で送受信が可能な構造が求められている。

ＦＣＣで認可された３．１〜１０．６ＧＨｚの周波数帯域での使用を目的としたアンテナとして、地板と給電体から構成されたアンテナが提案されている（非特許文献１）。

図１は従来のアンテナ装置を示す。図１（Ａ）に示すアンテナ装置１０は、地板１１上に、円錐を反転させた形状の給電体１２を配置した構成である。給電体１２を構成する円錐は、その側面が軸線に対して角度θとなるように設定されている。この角度θによって所望能特性が得られる。

図１（Ｂ）に示すアンテナ装置２０は、地板１１上に、円錐体２２ａとそれに内接する球体２２ｂとから構成される涙滴状の給電体２２を配置した構成である。
２００３年 電子情報通信学会 B-1-133 FCC認可UWB周波数帯の水平面内無指向性・低VSWRアンテナ、谷口琢也・小林岳彦（東京電機大）（３月22日発表 B201教室） 特開２０００−１９６３２７号公報

従来の広帯域アンテナ装置は、平板状の地板上に円錐形状又は涙滴形状の給電体を配置した構成であるので、大型であり、電子機器、特に携帯機器に組み込むために、小型化、薄型化が望まれていた。

図２は本出願人が先に（特願２００５−１６０２８６号において）出願した明細書及び図面に記載してあるＵＷＢ平面アンテナ装置３０を示す。

ＵＷＢ平面アンテナ装置３０は、誘電体製の基板３１の上面３１ａに、ホームベース形状のアンテナエレメントパターン３２及びこのアンテナエレメントパターン３２より延在して線路３３（３３ａ，３３ｂ，３３ｃ．３３ｄ）が形成してあり、且つ、線路３３の途中に、三段のスタブ付きリングフィルタ３４が形成してあり、基板３１の裏面３１ｂにグランドパターン３８が形成してある構成である。アンテナエレメントパターン３２とグランドパターン３８とは、基板３１の長手方向において接近して配置してある。

このＵＷＢ平面アンテナ装置３０は図１に示すアンテナ装置１０，２０に比較すると相当に小型化、薄型化されている。

この三段のスタブ付きリングフィルタ３４は、第１段目のスタブ付きリングフィルタエレメント３５と、第２段目のスタブ付きリングフィルタエレメント３６と、第３段目のスタブ付きリングフィルタエレメント３７とが平面的に並んでいる構成であるため、ＵＷＢ平面アンテナ装置３０は長手方向の寸法Lが長くなって、十分に小型化することが出来なかった。

本発明は上記の点に鑑みてなされた平面アンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明の平面アンテナ装置は、ホームベース形状のアンテナエレメントパターンと、グランドパターンとを有し、更に、複数段のリングフィルタエレメントよりなるリングフィルタを備えた構成の平面アンテナ装置において、前記リングフィルタを、電気的に直列に接続された個々のリングフィルタエレメントが重なり合った位置関係にある構成とし、且つ、この個々のリングフィルタエレメントが重なり合った位置関係にある構成のリングフィルタと、前記グランドパターンとが重なり合った位置関係にある構成とするとともに、前記グランドパターンが、重なっている方向に隣り合っているリングフィルタエレメントの間に介在している構成としたことを特徴とする。

個々のフィルタエレメントを重なり合った位置関係にすることによって、複数段のフィルタエレメントが占める面積を、一つのフィルタエレメントが占める面積で済ますことが出来る。また、個々のフィルタエレメントが重なり合った位置関係とされたフィルタをグランドパターンと重なり合った位置関係にある構成とすることによって、フィルタを占める部分をグランドパターンが占める領域で賄うことが可能となる。よって、複数段のフィルタエレメントよりなるフィルタを備えた平面アンテナ装置を、アンテナエレメントパターンとグランドパターンとよりなるサイズにすることが出来る。

次に本発明の実施の形態について説明する。

図３及び図４は本発明の実施例１になるＵＷＢ平面アンテナ装置５０を示す。Ｚ１−Ｚ２はＵＷＢ平面アンテナ装置５０の軸線方向、Ｘ１−Ｘ２は幅方向、Ｙ１−Ｙ２は厚さ方向である。図４の断面図は、厚さ方向を拡大して示す。

このＵＷＢ平面アンテナ装置５０は、三段のスタブ付きリングフィルタ５５を備えている構成であり、図５及び図６に併せて示すように、四層構造であり、第１のシート６０のＹ２側に、第２のシート７０と第３のシート８０とがプリプレグ１００，１０１によって積層してあり、第１のシート６０のＹ１側に、第４のシート９０がプリプレグ１０２によって積層してある構造である。

後述するように、三段のスタブ付きリングフィルタ５５は、電気的に直列に接続してある第１段目のスタブ付きリングフィルタエレメント６５と第２段目のスタブ付きリングフィルタエレメント７５と第３段目のスタブ付きリングフィルタエレメント８５とが、上方向（Ｙ１方向）からみて重なり合っている位置関係にあり、且つ、上方向（Ｙ１方向）からみて三段のスタブ付きリングフィルタ５５とグランドパターン６８等が重なり合っている位置関係にある。よって、このＵＷＢ平面アンテナ装置５０は、アンテナエレメントパターン６２と一つのスタブ付きリングフィルタエレメント６５とがＺ１−Ｚ２方向に接近して並んだ大きさであり、Ｌ１０×Ｗ１の大きさであり、Ｌ１０<Ｌ１であり、図２に示すＵＷＢ平面アンテナ装置３０に比べてサイズが小さい。

なお、三段のスタブ付きリングフィルタ５５は、図８（Ｂ）に示すように、波長λの周波数ｆ０を中心周波数とし、この中心周波数と中心として対称に減衰極周波数が配置されたバンドエリミネート特性を有する。

図６及び図５に示すように、第１のシート６０は、シート体６１の上面に、アンテナエレメントパターン６２と、線路６３、６４と、第１段目のスタブ付きリングフィルタエレメント６５とが形成してあり、シート体６１の下面にグランドパターン６８が形成してあり、更に、線路６４の端にスルーホール６９を有する構成である。アンテナエレメントパターン６２の突部（給電点）６２ａの部分の開き角度θは約６０度である。線路６３はアンテナエレメントパターン６２の突部６２ａからＺ２方向に延在している。第１段目のスタブ付きリングフィルタエレメント６５は、リング部６６とオープンスタブ部６７とからなる。リング部６６は、λ／２の長さの経路部６６ａと、λ／４の長さの経路部６６ｂ、６６ｃとよりなる。λは周波数ｆ０の波長である。経路部６６ａの幅は、経路部６６ｂ、６６ｃの幅よりも広い。このリング部６６は、線路６３と線路６４との間に位置している。グランドパターン６８は、アンテナエレメントパターン６２に対応する部分を除いた領域に形成してあり、四角形状である。

第２のシート７０は、第１のシート６０と同じ大きさであり、シート体７１の上面のうちＺ２寄りの部分に、線路７３、７４と、第２段目のスタブ付きリングフィルタエレメント７５とが形成してあり、シート体７１の下面にグランドパターン７８が形成してあり、更に、線路７３の端にスルーホール７９を有する構成である。第２段目のスタブ付きリングフィルタエレメント７５は、リング部７６とオープンスタブ部７７とからなる。リング部７６は、線路７３と線路７４との間に位置している。グランドパターン７８は、前記のグランドパターン６８と同じ大きさであり、四角形状である。

第３のシート８０は、第３のシート７０と同じものであり、シート体８１の上面に、線路８３、８４と、第３段目のスタブ付きリングフィルタエレメント８５とが形成してあり、シート体８１の下面にグランドパターン８８が形成してあり、更に、線路８４の端にスルーホール８９を有する構成である。第３段目のスタブ付きリングフィルタエレメント８５は、リング部８６とオープンスタブ部８７とからなる。リング部８６は、線路８３と線路８４との間に位置している。グランドパターン８８は、前記のグランドパターン７８と同じ大きさであり、四角形状である。

第４のシート９０は、第１のシート６０と同じ大きさであり、シート体９１の上面のうちＺ２寄りの部分に、グランドパターン９８を有する構成である。グランドパターン９８は、前記のグランドパターン６８と同じ大きさであり、四角形状である。

なお、図示の便宜上、各シート６０、７０、８０、９０について、グランドパターン６８、７８，８８，９８同士を接続するスルーホールの図示は省略してある。

上記のシート６０、７０、８０、９０がプリプレグ１００，１０１、１０２を間に介して積層されて固定してあることによって、図３及び図４に示すＵＷＢ平面アンテナ装置５０が完成する。なお、ＵＷＢ平面アンテナ装置５０を工場で製造する場合には、大きいシートを重ね、切断し、個片化して製造される。

ＵＷＢ平面アンテナ装置５０のＺ２側の側面１１０には、スルーホール６９、８９の部分を除いてグランドパターン１１１が形成してある。

スルーホール８９がＵＷＢ平面アンテナ装置５０のコンタクトとなる。アンテナエレメントパターン６２からスルーホール８９までの経路は、折り返されて立体的に形成され、アンテナエレメントパターン６２→線路６３→第１段目のスタブ付きリングフィルタエレメント６５→線路６４→スルーホール６９→線路７４→第２段目のスタブ付きリングフィルタエレメント７５→線路７５→スルーホール７９→線路８３→第３段目のスタブ付きリングフィルタエレメント８５→線路８４→スルーホール８９となる。

第１段目のスタブ付きリングフィルタエレメント６５と第２段目のスタブ付きリングフィルタエレメント７５と第３段目のスタブ付きリングフィルタエレメント８５とは直列に接続してある。これが、三段のスタブ付きリングフィルタ５５を構成する。

ここで、線路６３、６４は、グランドパターン９８とグランドパターン６８との間に位置して、インピーダンスが５０Ωのストリップライン構造となっている。同じく、線路７４、７３は、グランドパターン６８とグランドパターン７８との間に位置して、インピーダンスが５０Ωのストリップライン構造となっている。同じく、線路８４、８３は、グランドパターン７８とグランドパターン８８との間に位置して、インピーダンスが５０Ωのストリップライン構造となっている。

スルーホール６９、８９の個所は、図７に拡大して示すように、両側のグランドパターン１１１によって、インピーダンスが５０Ωのコプレナ線路型のマイクロ波伝送線路１１２となっている。なお、スルーホール６９、８９は、積層した大きいシートを切断して個片化した場合に、切断面に現れたものであり、形状は半円柱形であり、露出している。

第１、２、３段目のスタブ付きリングフィルタエレメント６５、７５，８５はＹ２側からみて重なり合った位置関係にある。更に、同じくＹ２側からみて、第１、２、３段目のスタブ付きリングフィルタエレメント６５、７５，８５は、グランドパターン６８、７８，８８、９８と重なった位置関係にある。これによって、ＵＷＢ平面アンテナ装置５０は、アンテナエレメントパターン６２と一つのスタブ付きリングフィルタエレメント６５とがＺ軸方向上接近して並んだ大きさで足り、小型化が図られている。

第１、２、３段目のスタブ付きリングフィルタエレメント６５、７５，８５は重なり合った位置関係にあり、相互の結合が起き易い状況にある。しかし、第１段目のスタブ付きリングフィルタエレメント６５と第２段目のスタブ付きリングフィルタエレメント７５とは、その間に位置するグランドパターン６８によって相互の結合は防止されている。第２段目のスタブ付きリングフィルタエレメント７５と第３段目のスタブ付きリングフィルタエレメント８５とは、その間に位置するグランドパターン６８によって相互の結合は防止されている。

グランドパターン６８、７８，８８，９８同士は、図示しないスルーホールによって電気的に接続してある。また、グランドパターン１１１は各グランドパターン６８、７８，８８，９８の端と電気的に接続してある。

上記のＵＷＢ平面アンテナ装置５０は、同軸ケーブル（図示せず）の端と接続されて、例えば、芯線をスルーホール８９に半田付けされ、網線をグランドパターン１１１に半田付けされて使用される。高周波信号が上記の経路を通って伝送されてアンテナエレメントパターン６２に供給され、また、グランドパターン６８、７８，８８，９８は共にグランド電位とされる。アンテナエレメントパターン６２と何れかのグランドパターン６８、７８，８８，９８との間に電気力線が形成され、アンテナエレメントパターン６２より電波が送信される。また、アンテナエレメントパターン６２が受信した電波信号は、上記の経路を通って、途中、第１、２，３段目のスタブ付きリングフィルタエレメント６５、７５，８５を経て、同軸ケーブル（図示せず）に送り出される。

このＵＷＢ平面アンテナ装置５０より三段のスタブ付きリングフィルタを除去した構成では、VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)−周波数特性は、図８（Ａ）に示す如くであり、三段のスタブ付きリングフィルタ５５の通過特性は、図８（Ｂ）に示す如くであり、ＵＷＢ平面アンテナ装置５０は、図８（Ｃ）に示す所望のVSWR−周波数特性を有する。

ここで、全部の線路６３等はマイクロストリップライン構造ではなくてストリップライン構造であること、側面に露出しているスルーホール６９、８９の個所はコプレナ線路型のマイクロ波伝送線路１１２となっていること、重なり合った位置関係にある第１、２、３段目のスタブ付きリングフィルタエレメント６５、７５，８５はグランドパターン６８、７８によって相互の結合が防止されていること、及び、最上面のグランドパターン９８が線路６３、第１段目のスタブ付きリングフィルタエレメント６５、線路６４をシールドしていること等によって、ＵＷＢ平面アンテナ装置５０は良好な特性を有する。

なお、最上面のシート９０のサイズを小さくして、アンテナエレメントパターン６２が露出した構成としてもよい。

図９及び図１０は本発明の実施例２になるＵＷＢ平面アンテナ装置５０Ａを示す。Ｚ１−Ｚ２はＵＷＢ平面アンテナ装置５０Ａの軸線方向、Ｘ１−Ｘ２は幅方向、Ｙ１−Ｙ２は厚さ方向である。

このＵＷＢ平面アンテナ装置５０Ａは、三段のスタブ付きリングフィルタを備えている構成であり、図３及び図４に示すＵＷＢ平面アンテナ装置５０において、アンテナエレメントパターン６２に代えて、板材よりなるアンテナエレメント部材１２０を使用し、シート６０、７０，８０，９０については、アンテナエレメントパターン６２に対応する部分を切除したサイズのシート６０Ａ、７０Ａ，８０Ａ，９０Ａを積層した構成とし、アンテナエレメント部材１２０の突部（給電点）を、線路６３の端に半田１２１によって半田付けしてある構成である。

このＵＷＢ平面アンテナ装置５０Ａは、Ｌ１１×Ｗ１の大きさであり、Ｌ１１<Ｌ１であり、図２に示すＵＷＢ平面アンテナ装置３０に比べてサイズが小さい。

図１１は上記のＵＷＢ平面アンテナ装置５０Ａの変形例になるＵＷＢ平面アンテナ装置５０Ｂを示す。アンテナエレメント部材１２０は縦向きにして固定してある。このＵＷＢ平面アンテナ装置５０Ｂは、Ｌ１２×Ｗ１の大きさであり、Ｌ１２<Ｌ１であり、図９に示すＵＷＢ平面アンテナ装置５０Ａに比べてサイズが小さい。

図１２（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施例３になるＵＷＢ平面アンテナ装置５０Ｃを示す。図１３はこのＵＷＢ平面アンテナ装置５０Ｃを分解して示す。

このＵＷＢ平面アンテナ装置５０Ｃは、三段のスタブ付きリングフィルタを備えている構成であり、平面アンテナ本体１３０の上面に、三段のスタブ付きリングフィルタ部品１４０が実装してある構成である。

平面アンテナ本体１３０は、図１３に示すように、誘電体製の基板１３１の上面１３１ａに、アンテナエレメントパターン１３２と、線路１３３，１３４とが形成してあり、基板１３１の下面１３１ｂに、四角形状のグランドパターン１３５が形成してある構成である。線路１３３は、アンテナエレメントパターン１３２の突部（給電点）１３２ａから延びており、先端に端子部１３３ａを有する。線路１３４は、基板１３１のＺ２側に形成してあり、両端に端子部１３４ａ、１３４ｂを有する。線路１３３と線路１３４との間は空いており、この部分に三段のスタブ付きリングフィルタ部品１４０が実装される。

三段のスタブ付きリングフィルタ部品１４０は、大略、上記のシート６０Ａ、７０Ａ，８０Ａ，９０Ａが積層された構成であり、第１段目のスタブ付きリングフィルタ６５と第２段目のスタブ付きリングフィルタエレメント７５と第３段目のスタブ付きリングフィルタエレメント８５とが線路で接続してあり、下面の両端に、端子（図示せず）を有する構成である。

三段のスタブ付きリングフィルタ部品１４０が、その下面の端子（図示せず）を、端子部１３３ａと端子部１３４ａとに接続させて、平面アンテナ本体１３０の上面に実装してある。

このＵＷＢ平面アンテナ装置５０Ｃは、Ｌ１３×Ｗ１の大きさであり、Ｌ１３<Ｌ１であり、図２に示すＵＷＢ平面アンテナ装置３０に比べてサイズが小さい。

図１４（Ａ）、（Ｂ）及び図１５は本発明の実施例４になるＵＷＢ平面アンテナ装置５０Ｄを示す。図１６はこのＵＷＢ平面アンテナ装置５０Ｄを分解して示す。

このＵＷＢ平面アンテナ装置５０Ｄは、二段のスタブ付きリングフィルタを備えている構成であり、上面に、アンテナエレメントパターン１５０と線路１７１，１７２と第１段目のスタブ付きリングフィルタエレメント１６１とを有し、内層にグランドパターン１５５を有し、下面に線路１７３，１７４と第２段目のスタブ付きリングフィルタエレメント１６２を有する構成である。線路１７２と線路１７３とはスルーホール１７５で接続してあり、第１段目のスタブ付きリングフィルタエレメント１６１と第２段目のスタブ付きリングフィルタエレメント１６２とは直列に接続してある。

このＵＷＢ平面アンテナ装置５０Ｄは、図１６に示すように、第１のシート１８０を、第２のシート１９０の上面に重ねて固定することによって製造される。第１のシート１８０は、シート体１８１の上面１８１ａに、アンテナエレメントパターン１５０と第１段目のスタブ付きリングフィルタエレメント１６１とが形成してある構成である。第２のシート１９０は、シート体１９１の上面１９１ａにグランドパターン１５５が形成してあり、下面１９１ｂに第２段目のスタブ付きリングフィルタエレメント１６２が形成してある構成である。

このＵＷＢ平面アンテナ装置５０Ｄは、Ｌ１４×Ｗ１の大きさであり、Ｌ１４<Ｌ１であり、図２に示すＵＷＢ平面アンテナ装置３０に比べてサイズが小さい。

従来のアンテナ装置の一例の構成図である。 本出願人が先に出願したＵＷＢ平面アンテナ装置の構造を示す図である。 本発明の実施例１になるＵＷＢ平面アンテナ装置の斜視図である。 図３のＵＷＢ平面アンテナ装置の断面図である。 図３のＵＷＢ平面アンテナ装置を分解して示す図である。 図３のＵＷＢ平面アンテナ装置を分解して示す斜視図である。 図３の一部を拡大して示す図である。 ＵＷＢ平面アンテナとリングフィルタの特性を示す図である。 本発明の実施例２になるＵＷＢ平面アンテナ装置の斜視図である。 図９のＵＷＢ平面アンテナ装置の断面図である。 図９のＵＷＢ平面アンテナ装置の変形例を示す図である。 本発明の実施例３になるＵＷＢ平面アンテナ装置の斜視図である。 図１２のＵＷＢ平面アンテナ装置の分解斜視図である。 本発明の実施例４になるＵＷＢ平面アンテナ装置の斜視図である。 図１４のＵＷＢ平面アンテナ装置の断面図である。 図１４のＵＷＢ平面アンテナ装置の分解斜視図である。

符号の説明

５０、５０Ａ〜５０Ｄ ＵＷＢ平面アンテナ装置
５５ 三段のスタブ付きリングフィルタ
６０，６０Ａ 第１のシート
６１、７１，８１ シート体
６２，７２，８２ アンテナエレメントパターン
６３，６４，７３，７４，８３，８４ 線路
６５ 第１段目のスタブ付きリングフィルタエレメント
６６，７６，８６ リング部
６７，７７，８７ オープンスタブ部
６８、７８，８８，９８、１１１ グランドパターン
６９，７９，８９ スルーホール
７０，７０Ａ 第２のシート
７５ 第２段目のスタブ付きリングフィルタエレメント
８０，８０Ａ 第３のシート
８５ 第３段目のスタブ付きリングフィルタエレメント
９０，９０Ａ 第４のシート
１００，１０１、１０２ プリプレグ
１１０ 側面
１１２ コプレナ線路型のマイクロ波伝送線路
１２０ アンテナエレメント部材
１２１ 半田
１３０ 平面アンテナ本体
１３１ 誘電体製の基板
１３２ アンテナエレメントパターン
１３３，１３４ 線路
１３５ グランドパターン
１４０ 三段のスタブ付きリングフィルタ部品
１５０ アンテナエレメントパターン
１５５ グランドパターン
１６１ 第１段目のスタブ付きリングフィルタエレメント
１６２ 第２段目のスタブ付きリングフィルタエレメント
１７１，１７２，１７３，１７４ 線路
１７５ スルーホール

Claims (5)

1. ホームベース形状のアンテナエレメントパターンと、グランドパターンとを有し、更に、複数段のリングフィルタエレメントよりなるリングフィルタを備えた構成の平面アンテナ装置において、
   前記リングフィルタを、電気的に直列に接続された個々のリングフィルタエレメントが重なり合った位置関係にある構成とし、
   且つ、この個々のリングフィルタエレメントが重なり合った位置関係にある構成のリングフィルタと、前記グランドパターンとが重なり合った位置関係にある構成とするとともに、前記グランドパターンが、重なっている方向に隣り合っているリングフィルタエレメントの間に介在している構成としたことを特徴とする平面アンテナ装置。
2. ホームベース形状のアンテナエレメントパターンと、グランドパターンとを有し、更に、複数段のリングフィルタエレメントよりなるリングフィルタを備えた構成の平面アンテナ装置において、
   前記リングフィルタを、電気的に直列に接続された個々のリングフィルタエレメントが重なり合った位置関係にある構成とし、
   且つ、この個々のリングフィルタエレメントが重なり合った位置関係にある構成のリングフィルタと、前記グランドパターンとが重なり合った位置関係にある構成とするとともに、
   前記グランドパターンが基板の内層に形成してあり、
   前記個々のリングフィルタエレメントが、該基板の上面と下面とに分けて形成してある構成としたことを特徴とする平面アンテナ装置。
3. 請求項１又は２に記載の平面アンテナ装置において、
   個々のリングフィルタエレメントを電気的に直列に接続する部分が、ストリップライン構造であることを特徴とする平面アンテナ装置。
4. 請求項１又は２に記載の平面アンテナ装置において、
   前記アンテナエレメントパターンに代えて、ホームベース形状の板状のアンテナエレメント部材を取り付けた構成としたことを特徴とする平面アンテナ装置。
5. 請求項１又は２に記載の平面アンテナ装置において、
   前記リングフィルタは、電気的に直列に接続された個々のリングフィルタエレメントが重なり合った位置関係にあるフィルタ部品よりなり、
   該フィルタ部品が、前記アンテナエレメントパターンとグランドパターンとが形成された平面アンテナ本体に実装してある構成としたことを特徴とする平面アンテナ装置。

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