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明細書 :多周波共用マイクロストリップアンテナ

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第4238325号 (P4238325)
公開番号 特開2008-172697 (P2008-172697A)
登録日 平成21年1月9日(2009.1.9)
発行日 平成21年3月18日(2009.3.18)
公開日 平成20年7月24日(2008.7.24)
発明の名称または考案の名称 多周波共用マイクロストリップアンテナ
国際特許分類 H01Q  13/08        (2006.01)
H01Q   9/44        (2006.01)
H01Q   1/38        (2006.01)
FI H01Q 13/08
H01Q 9/44
H01Q 1/38
請求項の数または発明の数 2
全頁数 21
出願番号 特願2007-005866 (P2007-005866)
出願日 平成19年1月15日(2007.1.15)
新規性喪失の例外の表示 特許法第30条第1項適用 平成18年9月19日~22日 社団法人電子情報通信学会主催の「2006年電子情報通信学会ソサイエティ大会」において文書をもって発表
審査請求日 平成19年3月5日(2007.3.5)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504190548
【氏名又は名称】国立大学法人埼玉大学
発明者または考案者 【氏名】羽石 操
【氏名】木村 雄一
【氏名】四戸 雄介
個別代理人の代理人 【識別番号】100100918、【弁理士】、【氏名又は名称】大橋 公治
【識別番号】100108729、【弁理士】、【氏名又は名称】林 紘樹
審査官 【審査官】宮崎 賢司
参考文献・文献 特開2001-251128(JP,A)
特開2001-094337(JP,A)
特開2003-309416(JP,A)
特開2005-191781(JP,A)
特開2004-328062(JP,A)
特開平05-145329(JP,A)
特開平11-355030(JP,A)
特開平11-308030(JP,A)
特開平9-326628(JP,A)
特表2004-531152(JP,A)
特許第3575012(JP,B2)
特許第3344467(JP,B2)
四戸雄介,マルチバンド特性を有するスリット装荷ひし形MSAについての一検討,電子情報通信学会全国大会05-春-通信-B-1-199,日本,電子情報通信学会,2005年 3月 7日
四戸雄介,マルチバンド特性を有する一層構造スリット装荷ひし形MSAについての放射特性,電子情報通信学会全国大会06-秋-通信ソサイエティ-B-1-111,日本,電子情報通信学会,2006年 9月 7日
調査した分野 H01Q 13/08
H01Q 1/38
H01Q 9/44
WPI
特許請求の範囲 【請求項1】
菱形の外形を有する平面状の放射素子と、
前記菱形の第1の鋭角と第2の鋭角とを結ぶ対角線の延長線上にあって、前記第1の鋭角の近傍に位置する給電点と、
前記放射素子と同一の平面上にあって、前記給電点の位置を基点として、前記菱形の第1の鋭角を挟む二辺と平行にV字状に延びるスタブと
を備え、前記放射素子が、前記対角線の上に基点を有し、且つ、前記第1の鋭角の側に開いたV字状のV型スリットを1または複数具備していることを特徴とする多周波共用マイクロストリップアンテナ。
【請求項2】
請求項1に記載の多周波共用マイクロストリップアンテナであって、前記V型スリットの各辺が前記菱形の第2の鋭角を挟む二辺に平行していることを特徴とする多周波共用マイクロストリップアンテナ。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、複数の周波数で動作する多周波共用特性を備えたマイクロストリップアンテナ(以下、“MSA”と略す。)に関し、素子の厚みを削減し、小型化することを可能にしたものである。
【背景技術】
【0002】
MSAは、放射導体と地導体(GND)との間の電界によって放射導体の端部に生じた磁流を波源として、電波を放射するアンテナである。
本発明者等は、先に、菱形の外形を有する平面状の放射素子に1または複数個のV字状のスリットを設けた多周波共用MSAを開発した(下記非特許文献1)。
【0003】
この多周波共用MSAは、図14に示すように、第1の絶縁基板21に形成された菱形の金属導体層から成る放射素子22と、第2の絶縁基板23に形成されたT字形状の金属導体層から成る給電部24と、第2の絶縁基板23の裏面に設けられた地導体25と、中心導体及び外側導体を有する同軸コネクタ26とを備えている。
給電部24のT字形状の金属導体層には、同軸コネクタ26の中心導体の先端が、第2の絶縁基板23を貫通して接続している。この給電部の構造は、“Lプローブ”と呼ばれるものであり、Lプローブは、広帯域な電磁結合型の給電が可能なプローブとして知られている。また、中心導体から絶縁された同軸コネクタ26の外側導体は、地導体25に接続している。
このように、第2の絶縁基板23は、Lプローブ24を保持する給電用基板としての役割を果たしており、アンテナ部基板である第1の絶縁基板21と、Lプローブ24を挟む形で積層される。
アンテナ部基板の第1の絶縁基板21には、正三角形を2つ組み合わせた菱形形状の放射素子22が形成されており、図14(b)、(c)に示すように、Lプローブ24は、この菱形の一方の鋭角位置に配置されている。
また、放射素子22には、菱形の二辺に平行するV字型のスリットが3本(31、32、33)形成されており、各スリット31、32、33のV字はLプローブの側に開いている(このV字型スリットを、以下 “逆V字型スリット”と呼ぶ。)。
【0004】
この3本の逆V字型スリットにより、放射素子22には、図15(a)(b)(c)(d)に示す4つの電流経路が形成され、Lプローブ24から給電を受けた場合に、各電流経路に起因する共振現象が現れる。ここでは、最も長い電流経路(図15(a))の電流分布に基づく現象を“1stモード”、2番目に長い電流経路(図15(b))の電流分布に基づく現象を“2ndモード”、3番目に長い電流経路(図15(c))の電流分布に基づく現象を“3rdモード”、最も短い電流経路(図15(d))の電流分布に基づく現象を “4thモード”と呼ぶことにする。
図16は、このMSAのリターンロス特性を示している。縦軸はリターンロスの値、横軸は周波数を示している。同図中の(a)(b)(c)(d)は、それぞれ、1stモード、2ndモード、3rdモード及び4thモードによる共振現象に対応し、モードの次数が増加するに伴い、その共振周波数が高域側へ移行している。
このように、この多周波共用MSAは、共振周波数を異にする複数のモードを有しているため、マルチバンド特性を持つアンテナとして利用することができる。

【非特許文献1】四戸雄介、羽石操、木村雄一「マルチバンド特性を有するスリット装荷ひし形MSAについての一検討」2005年電子情報通信学会総合大会講演論文集、B-1-199、p199、2005年2月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、この多周波共用MSAは、放射素子22が形成されたアンテナ部基板21と、Lプローブ24が形成された給電用基板23とを正確に位置合せして組み立てる必要があるため、製造工程が複雑になる。また、二枚の基板を積層しているため、素子の厚みを薄くして小型化することが難しい。
【0006】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、製造が容易であり、また、薄型化が可能な多周波共用MSAを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の多周波共用MSAは、菱形の外形を有する平面状の放射素子と、前記菱形の第1の鋭角と第2の鋭角とを結ぶ対角線の延長線上にあって、前記第1の鋭角の近傍に位置する給電点と、前記放射素子と同一の平面上にあって、前記給電点の位置を基点として、前記菱形の第1の鋭角を挟む二辺と平行にV字状に延びるスタブとを備え、前記放射素子が、前記対角線の上に基点を有し、且つ、前記第1の鋭角の側に開いたV字状のV型スリットを1または複数具備していることを特徴としている。
この多周波共用MSAは、給電用スタブが、菱形形状を有する放射素子と同一平面上にあるため、一枚の基板で構成することができる。
【発明の効果】
【0008】
本発明の多周波共用MSAは、複数の基板を組み合わせる必要が無いため、製造が容易である。また、組み合わせ誤差が生じないため、高精度に製造することができる。さらに、一枚の基板で構成できるため、薄型化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る多周波共用MSAの構成を示す図であり、図1(a)は斜視図、図1(b)は断面図、図1(c)は放射素子及び給電スタブの拡大図である。図2は、この多周波共用MSAに形成される電流経路、図3は、この多周波共用MSAのリターンロス特性、図4は、この多周波共用MSAの放射パターン、図5は、この多周波共用MSAの利得特性をそれぞれ示している。
【0010】
この多周波共用MSAは、絶縁基板41の表面に形成された菱形の金属導体層から成る放射素子42と、絶縁基板41の表面に形成されたV字形状の金属導体層から成る給電スタブ43と、絶縁基板41の裏面に設けられた地導体45と、中心導体及び外側導体を有する同軸コネクタ46とを備えている。
同軸コネクタ46の中心導体は、絶縁基板41を貫通し、その先端がV字形状の給電スタブ43に接続している。また、中心導体から絶縁された同軸コネクタ46の外側導体は、絶縁基板41の裏面で地導体45に接続している。
絶縁基板41の表面に形成された放射素子42は、菱形形状を有し、同軸コネクタ46の中心導体は、この菱形の鋭角を結ぶ対角線の延長線上であって、一方の鋭角に近い位置で給電スタブ43と接続している(この鋭角を“第1鋭角”と呼び、他方の鋭角を“第2鋭角”と呼ぶことにする。)。V字形の給電スタブ43は、同軸コネクタ46の中心導体の位置を基点として、二方向に延びるスタブから成り、各スタブは、菱形の第1鋭角を挟む各辺と間隔を空けて平行している。
また、菱形の放射素子42には、第1鋭角の側に開いた逆V字型スリットが3本(51、52、53)形成されている。各逆V字型スリット(51、52、53)の基点は、菱形の第1鋭角及び第2鋭角を結ぶ対角線上にあり、各スリットは、菱形の第2鋭角を挟む二辺のいずれかに平行している。
【0011】
この多周波共用MSAでは、同軸コネクタ46からの給電により、V字形の給電スタブ43が給電線路となって、菱形の放射素子42への電磁結合型の給電が行われ、3本の逆V字型スリットを持つ放射素子42に、図2(a)(b)(c)(d)に示す4つの相似形を成す菱形形状の電流経路が現れる。
図2(a)(b)(c)(d)に示す矢印は、電磁界シミュレータ(モーメント法を用いる電磁界シミュレータ(IE3D))で求めた各電流経路の電流分布を模式的に表している。このように、各電流経路には、それぞれの菱形の辺を通り、第1鋭角から他方の鋭角に一様に向かう電流分布が出現し、そのため放射素子42には、各電流経路による1stモード、2ndモード、3rdモード及び4thモードの共振現象が現れる。
【0012】
図3は、この多周波共用MSAのリターンロス特性を示している。ただし、図1に符号で示した多周波共用MSAの各種寸法諸元は次の通り設定した(単位はmm)。
h1=23.8、w1=0.4、w2=3.2、w3=1.2、d1=d2=d3=0.4、g1=g2=g3=0.4、Pw=1.5、Ph=3.0、Pd=0.4、Pf=1.5、t=2.4、
また、絶縁基板41には、テフロン(登録商標)グラスファイバ基板(PTFE基板、比誘電率εr=2.6)を使用し、この基板に銅薄膜が被着されたプリント基板をエッチングして図1に示す放射素子42と給電スタブ43とを形成した。
図3は、縦軸にリターンロスの値、横軸に周波数を示している。図中、実線は実測値、点線はシミュレーション値を示している。
図3において、3.90GHz(a)にみられる共振現象は、1stモードの電流分布によるものであり、4.64GHz(b)、7.00GHz(c)及び9.88GHz(d)における共振現象は、各々、2ndモード、3rdモード及び4thモードの電流分布によるものである。このように、モードの次数が増加するに伴い、各々のモードに対応する電流経路の経路長が短縮化され、各モードの共振周波数が上昇している。
【0013】
図4は、この多周波共用MSAの1stモード、2ndモード、3rdモード及び4thモードにおけるE面及びH面の放射パターンを(a)(b)(c)及び(d)に示している。図中、実線で放射パターンの特性(実測値及びシミュレーション値)を示し、点線で交差偏波レベル(実測値及びシミュレーション値)を示している。この図から明らかのように、各モードの放射パターンは、E面、H面共に単向性の良好なパターンを示している。なお、主偏波において、放射パターン特性の実測値とシミュレーション値とは良く一致している。
また、図5は、この多周波共用MSAの各モードにおける利得(実測値及びシミュレーション値)を示している。この図から明らかのように、1stモード、2ndモード、3rdモード及び4thモードの全てにおいて4.0dBi以上の利得が得られている。
【0014】
このように、この多周波共用MSAは、複数の周波数に共振するマルチバンド特性を備えており、異なる周波数を使用する多種類の通信に対応することができる。
なお、ここでは、この多周波共用MSAの放射特性について説明したが、このMSAを受信アンテナとして使用する場合に、全く同じ特性が得られることは、アンテナの“相反性”から自明である。
また、ここでは、基板としてテフロン(登録商標)グラスファイバ基板を使用し、この基板に被着された銅薄膜をエッチングして平面状放射素子42とV字状給電スタブ43とを形成する場合について説明したが、本発明は、それに限るものではなく、例えば、セラミックスグリーンシートに金属粉末を含むメタライズドペーストで平面状放射素子とV字状給電スタブとの導体パターンを印刷し、それを焼成するような方法で形成しても良い。
【0015】
この多周波共用MSAでは、同一平面上の放射素子と給電スタブとのパターンを、エッチングや印刷等の技術を用いて、同時に、且つ、高い精度で形成することができる。そのため、この多周波共用MSAは、製造が容易であり、また、高精度のものを得ることができる。さらに、一枚の基板で構成できるため、薄型化が可能である。
【0016】
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態では、放射素子の逆V字型スリットが一本の場合の特性について説明する。
図6は、第2の実施形態に係る多周波共用MSAの構成を示す図であり、図6(a)は斜視図、図6(b)は断面図、図6(c)は放射素子及び給電スタブの拡大図である。図7は、この多周波共用MSAに形成される電流経路を示し、図8は、逆V字型スリットの位置を変えたときの共振周波数の変化を示している。
この多周波共用MSAは、放射素子42に形成した逆V字型スリット51が一本である点を除き、第1の実施形態の多周波共用MSA(図1)と同じ構成である。図6では、この一本の逆V字型スリット51を、第1の実施形態の逆V字型スリット51と同じ位置に設けている。この多周波共用MSAの各種寸法諸元は、Ph=4.0に変更した点を除けば、第1の実施形態と変わりがない。
【0017】
この多周波共用MSAでは、同軸コネクタ46からの給電により、図7(a)(b)に示す2つの相似形を成す菱形形状の電流経路が放射素子42に形成され、各電流経路による1stモード及び2ndモードの共振現象が現れる。
図8のグラフは、W1の幅を変えて逆V字型スリット51の位置を動かしたときのW1(横軸)と共振周波数(縦軸)との関係を示している。
この図から明らかなように、逆V字型スリットの位置を移動することで、1stモードの共振周波数(実線)を略一定値に保ったまま、2ndモードの共振周波数(点線)を変化させることができる。
【0018】
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態では、放射素子の逆V字型スリットの本数を増やした場合の特性について説明する。
図9は、第3の実施形態に係る多周波共用MSAの構成を示す図であり、図9(a)は斜視図、図9(b)は断面図、図9(c)は放射素子及び給電スタブの拡大図である。図10は、この多周波共用MSAに形成される電流経路、図11は、この多周波共用MSAのリターンロス特性、図12及び図13は、この多周波共用MSAの放射パターンをそれぞれ示している。
【0019】
この多周波共用MSAは、放射素子42に形成した逆V字型スリットが6本(51、52、53、54、55、56)である点を除き、第1の実施形態の多周波共用MSA(図1)と同じ構成である。図9に符号で示した多周波共用MSAの各種寸法諸元は次の通り設定した(単位はmm)。
h1=23.8、w1=0.4、w2=1.2、w3=0.8、w4=w5=w6=0.4、d1~d6=0.4、g1~g6=0.4、Pw=1.5、Ph=3.0、Pd=0.4、Pf=1.5、t=2.4、
この多周波共用MSAでは、同軸コネクタ46からの給電により、図10(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)に示す7つの相似形を成す菱形形状の電流経路が放射素子42に形成され、各電流経路による1stモード、2ndモード、3rdモード、4thモード、5thモード、6thモード及7thモードの共振現象が現れる。
【0020】
図11は、この多周波共用MSAのリターンロス特性を示している。図11において、3.63GHz(a)の共振現象は、1stモードの電流分布によるものであり、4.45GHz(b)、5.25GHz(c)、6.05GHz(d)、6・78GHz(e)、7.73GHz(f)及び9・87GHz(g)における共振現象は、各々、2ndモード、3rdモード、4thモード、5thモード、6thモード及7thモードの電流分布によるものである。
また、この多周波共用MSAの1stモード、2ndモード、3rdモード及び4thモードにおける放射パターンを、図12(a)(b)(c)及び(d)として示し、この多周波共用MSAの5thモード、6thモード及び7thモードにおける放射パターンを、図13(e)(f)及び(g)として示している。図中、細実線はE面の放射パターン特性を示し、太実線はH面の放射パターン特性を示している。また、点線は交差偏波レベルを示している。
【0021】
これらの実施形態から明らかなように、この多周波共用MSAでは、逆V字型スリットの本数とモード数とが対応している。そのため、この多周波共用MSAでは、逆V字型スリットの本数を選択することにより、モード数を自由に設定できる。
また、この多周波共用MSAでは、逆V字型スリットの位置と各モードの共振長とが対応している。そのため、この多周波共用MSAでは、逆V字型スリットの位置を選択することにより、各モードの共振周波数を自由に調整できる。
こうした特性は、非特許文献1に記載した二層構造の多周波共用MSAも有している。本発明の多周波共用MSAは、二層構造の多周波共用MSAと同じ特性を一層構造で実現することができる。
そのため、本発明は、モード数や共振周波数を自由に設定できると共に、薄型化・小型化が可能であり、さらに、製造が容易で、精度の高い多周波共用MSAを得ることができる。
【0022】
この多周波共用MSAは、例えば、GSM、DCS及びPCS方式を受信するセルラ電話用3周波共用マルチバンドアンテナとして用いることができ、また、無線LAN用(5.0GHz帯)及びVICS用(2.4GHz帯)のマルチバンドアンテナとしての応用などを想定することができる。また、どの周波数帯にも対応可能なアンテナとして使用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【0023】
本発明は、移動通信を始めとして、各分野で多周波共用のアンテナとして広く利用することができ、また、アンテナを使用する既存分野において、どの周波数帯にも対応可能なアンテナとして、広く用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る多周波共用MSAの構成を示す図
【図2】図1の多周波共用MSAに形成される電流経路を示す図
【図3】図1の多周波共用MSAのリターンロス特性を示す図
【図4】図1の多周波共用MSAの放射パターンを示す図
【図5】図1の多周波共用MSAの利得特性を示す図
【図6】本発明の第2の実施形態に係る多周波共用MSAの構成を示す図
【図7】図6の多周波共用MSAに形成される電流経路を示す図
【図8】図6の多周波共用MSAにおいて逆V字型スリットの位置を変えたときの共振周波数の変化を示す図
【図9】本発明の第3の実施形態に係る多周波共用MSAの構成を示す図
【図10】図9の多周波共用MSAに形成される電流経路を示す図
【図11】図9の多周波共用MSAのリターンロス特性を示す図
【図12】図9の多周波共用MSAにおける1stモード~4thモードの放射パターンを示す図
【図13】図9の多周波共用MSAにおける5thモード~7thモードの放射パターンを示す図
【図14】従来の多周波共用MSAの構成を示す図
【図15】従来の多周波共用MSAに形成される電流経路を示す図
【図16】従来の多周波共用MSAのリターンロス特性を示す図
【符号の説明】
【0025】
21 第1の絶縁基板
22 放射素子
23 第2の絶縁基板
24 Lプローブ
25 地導体
26 同軸コネクタ
31 逆V字型スリット
32 逆V字型スリット
33 逆V字型スリット
41 絶縁基板
42 放射素子
43 給電スタブ
45 地導体
46 同軸コネクタ
51 逆V字型スリット
52 逆V字型スリット
53 逆V字型スリット
54 逆V字型スリット
55 逆V字型スリット
56 逆V字型スリット
図面
【図3】
0
【図1】
1
【図2】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7
【図9】
8
【図10】
9
【図11】
10
【図12】
11
【図13】
12
【図14】
13
【図15】
14
【図16】
15