アンテナ
【課題】広帯域において動作可能でありながら、その一部の帯域への干渉を回避したアンテナを実現する。
【解決手段】アンテナ１は、誘電体基板１０と放射素子１１と給電線１２と地板１３とを備えている。給電線１２は、折返部が滑らかな曲線を描くように折り返された幅が不均一な帯状導体であり、誘電体基板１０を介して互いに重なり合う給電線１２と地板１３とによって、ＢＲＦ（Band Reject Filter）として機能するマイクロストリップラインが構成されている。
【解決手段】アンテナ１は、誘電体基板１０と放射素子１１と給電線１２と地板１３とを備えている。給電線１２は、折返部が滑らかな曲線を描くように折り返された幅が不均一な帯状導体であり、誘電体基板１０を介して互いに重なり合う給電線１２と地板１３とによって、ＢＲＦ（Band Reject Filter）として機能するマイクロストリップラインが構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＵＷＢ（Ultra Wide Band：超広帯域無線）に使用されるマイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．６ＧＨｚ以下）など広い動作帯域を有するアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＵＷＢに使用されるマイクロ波帯など広い動作帯域を有する広帯域アンテナに関する需要が高まっている。ところが、このマイクロ波帯は、他の無線通信規格、例えば、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１ａ）に使用される５ＧＨｚ帯を含む。したがって、このような広帯域アンテナには、マイクロ波帯をカバーする広帯域性に加えて、他の無線通信規格に使用される帯域に対して干渉しない低干渉性が強く求められる。
【０００３】
このような要求を満たすアンテナとしては、例えば、特許文献１に記載のパッチアンテナが知られている。特許文献１に記載のパッチアンテナにおいては、放射素子にスタブを形成したり、地板に段差（ステップ）を形成したりすることによって、広帯域化が図られている。また、放射素子にスリットを形成することによって、無線ＬＡＮへの干渉を低減している。
【０００４】
ＵＷＢシステムの無線局用のＢＲＦ（Band Reject Filter）としては、特許文献２に記載のものが知られている。特許文献２に記載のＢＲＦは、特定の帯域（干渉を回避すべき帯域）における反射係数を高めるべく、マイクロストリップラインの幅を不均一にしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００８−５３５３７２（公表日：２００８年 ８月２８日）
【特許文献２】特開２０１０− ５０６５３（公開日：２０１０年 ３月 ４日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載のパッチアンテナにおいては、干渉を回避すべき帯域に応じたスリットを設計する必要があるが、この設計が困難であるという問題があった。具体的には、干渉を回避すべき帯域に対応する波長の半分程度の長さを有するスリットを設ければよいという指針が示されているものの、スリットを折り曲げると期待どおりの反射係数が得られず、期待どおりの反射係数を得るためには試作を繰り返さなければならないという問題があった。一方、干渉を回避すべき帯域に対応する波長の半分程度の長さを有する直線的なスリットを設けようとすると、放射素子の大型化を招来してしまうという問題があった。
【０００７】
また、特許文献２に記載のＢＲＦは、マイクロストリップラインを折り返しても期待どおり反射係数が得られるという好ましい性質を有しているものの、これをアンテナと一体化する方法は知られていなかった。また、アンテナとフィルタとを一体化した場合に、干渉を回避すべき帯域外においてアンテナ単体の場合と同程度の特性を維持する設計手法は知られていなかった。
【０００８】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、広帯域において動作可能でありながら、その一部の帯域への干渉を回避したアンテナであって、従来よりも設計が容易で小型のアンテナを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係るアンテナは、誘電体基板と、上記誘電体基板の一方の主面に形成された放射素子及び給電線と、上記誘電体基板の他方の主面に形成された地板とを備えたアンテナであって、上記給電線は、折返部が滑らかな曲線を描くように折り返された幅が不均一な帯状導体であり、上記誘電体基板を介して互いに重なり合う上記給電線と上記地板とによって、ＢＲＦ（Band Reject Filter）として機能するマイクロストリップラインが構成されている、ことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、上記給電線と上記地板とによって構成されるマイクロストリップラインがＢＲＦ（Band Reject Filter）として機能するので、広帯域において動作可能でありながら、その一部の帯域への干渉を回避したアンテナを実現することができる。この際、上記マイクロストリップラインは、上記地板の上に構成されているので、干渉を回避するためにアンテナの大型化を招来する虞はない。また、干渉を回避することができる帯域は、上記給電線の各部の幅によって決まり、上記給電線の折り返し方よって大きく変動することはないので、設計の自由度が高い。
【００１１】
本発明に係るアンテナにおいて、上記給電線は、その幅の最大値がＷ［ｍｍ］であり、かつ、その中心軸が半径Ｒ［ｍｍ］の円弧を描くように折り返されており、比Ｒ／Ｗが２．５以上である、ことが好ましい。
【００１２】
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるＳ１１を、比Ｒ／Ｗが２．５以下のときのＳ１１よりも小さくすることができる。
【００１３】
本発明に係るアンテナにおいて、上記比Ｒ／Ｗが３．０以上である、ことが好ましい。
【００１４】
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるＳ１１を−５ｄＢよりも小さくすることができる。
【００１５】
本発明に係るアンテナにおいて、上記比Ｒ／Ｗが３．５以上である、ことが好ましい。
【００１６】
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるＳ１１を−１０ｄＢよりも小さくすることができる。
【００１７】
本発明に係るアンテナにおいて、上記放射素子は、矩形状の矩形部と半楕円状の半楕円部とからなる釣鐘型に成形されており、上記矩形部の幅ｗに対する上記矩形部の高さｈの比ｈ／ｗが０．５以上０．７５以下である、ことが好ましい。
【００１８】
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるＶＳＷＲを３．５以下に抑えることができる。
【００１９】
本発明に係るアンテナにおいて、上記放射素子は、矩形状の矩形部と半楕円状の半楕円部とからなる釣鐘型に成形されており、上記半楕円部の短軸ｂに対する上記半楕円の長軸ａの比ｂ／ａが０．５以上１.０以下である、ことが好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるＶＳＷＲを３．５以下に抑えることができる。
【００２１】
本発明に係るアンテナは、上記放射素子と上記給電線との間に介在する矩形状の整合部を更に備えており、上記整合部の高さｈ’に対する上記整合部の幅ｗ’の比ｗ’／ｈ’が２である、ことが好ましい。
【００２２】
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるＶＳＷＲを４以下に抑えることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係るアンテナにおいては、誘電体基板を介して互いに重なり合う給電線と地板とによって、ＢＲＦ（Band Reject Filter）として機能するマイクロストリップラインが構成されている。したがって、広帯域において動作可能でありながら、その一部の帯域への干渉を回避したアンテナであって、従来よりも干渉を回避する構造の設計が容易で小型のアンテナを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係るアンテナの構造を示す図である。（ａ）は、アンテナを上面から見た平面図、（ｂ）は、アンテナを下面から見た平面図、（ｃ）は、アンテナの断面図である。
【図２】図１に示すアンテナが備えている給電線の構造を示す図である。（ａ）は、給電線を上面から見た平面図であり、（ｂ）は、給電線の直線部の拡大図であり、（ｃ）は、給電線の折返部の拡大図である。
【図３】図１に示すアンテナが備えている給電線と地板とにより構成されるマイクロストリップラインの線素に等価な等価回路を示す回路図である。
【図４】図１に示すアンテナのＶＳＷＲ値の周波数特性を示すグラフである。（ａ）は、給電線として幅が均一で直線的な帯状導体を用いた場合のＶＳＷＲ特性を示し、（ｂ）は、給電線として幅が不均一で折り返された帯状導体（図２に示すもの）を用いた場合のＶＳＷＲ特性を示す。なお、点線は理論値（計算値）に対応し、実線は、実測値（測定値）に対応する。
【図５】Ｒ＝４ｍｍのとき、Ｒ＝５ｍｍのとき、及び、Ｒ＝６ｍｍのときの｜Ｓ１１｜の周波数特性を示すグラフである。
【図６】Ｒを給電線の幅Ｗの最大値で除したものをＲ／Ｗとし、１ＧＨｚ以上５ＧＨｚ以下、及び、６ＧＨｚ以上１１ＧＨｚ以下の帯域における｜Ｓ１１｜の最大値をＲを変えながらプロットしたグラフである。
【図７】Zakharov-Shabat方程式（３）及び（４）をRunge-Kutta法を用いて解くことにより得たｑ（ｘ）から算出した｜Ｓ１１｜の周波数特性と（点線）、及び、実測した｜Ｓ１１｜の周波数特性（実線）とを示すグラフである。
【図８】図１に示すアンテナが備えている放射素子の構造を示す平面図である。
【図９】図８に示す放射素子の第１矩形部の形状によって、ＶＳＷＲ値の周波数特性がどのように変化するかを示したグラフである。
【図１０】図８に示す放射素子の半楕円部の形状によって、ＶＳＷＲ値の周波数特性がどのように変化するかを示したグラフである。
【図１１】図８に示す放射素子の第２矩形部の形状によって、ＶＳＷＲ値の周波数特性がどのように変化するかを示したグラフである。
【図１２】図１に示すアンテナのＸＹ平面内での放射パターンを示すグラフである。（ａ）は、４ＧＨｚにおける放射パターンを示し、（ｂ）は、５．５ＧＨｚにおける放射パターンを示し、（ｃ）は、８ＧＨｚにおける放射パターンを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本実施形態に係るアンテナについて、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。
【００２６】
なお、本実施形態に係るアンテナは、ＵＷＢ（Ultra Wide Band：超広帯域無線）に使用されるマイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．６ＧＨｚ以下）から、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１ａ）に使用される５ＧＨｚ帯（５．１５ＧＨｚ以上５．８５ＧＨｚ以下）を除いた帯域を動作帯域とするものである。ただし、本発明は、第１の帯域から第２の帯域を除いた帯域で動作するアンテナ一般に適用できるものであって、第１の帯域と第２の帯域との組み合わせは、上述したマイクロ波帯と５ＧＨｚ帯との組み合わせに限定されるものではない。
【００２７】
また、以下の説明では、板状部材を構成する６つの面のうち、最大の面積をもつ２つの面を「主面」と記載し、主面を除く４つの面を「端面」と記載する。また、２つの主面を互いに区別する必要があるときには、一方の主面を「上面」と記載し、他方の主面を「下面」と記載する。なお、「上面」及び「下面」との記載は、２つの主面を互いに区別するためのものであり、板状部材の配置を限定するものではない。
【００２８】
〔アンテナの構造〕
本実施形態に係るアンテナ１の構造について、図１を参照して説明する。図１（ａ）は、アンテナ１を上面から見た平面図であり、図１（ｂ）は、アンテナ１を下面から見た平面図であり、図１（ｃ）は、Ａ−Ａ’断面（図１（ａ）参照）におけるアンテナ１の断面図である。
【００２９】
アンテナ１は、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、誘電体基板１０と、誘電体基板１０の一方の主面（以下「上面」と記載）に形成された放射素子１１及び給電線１２と、誘電体基板１０の他方の主面（以下「下面」と記載）に形成された地板１３とを備えている。アンテナ１は、給電線１２の端点１２ｂ、及び、地板１３の端辺１３ａに設けられた給電点から高周波電流の供給を受け、モノポールアンテナとして機能する。
【００３０】
誘電体基板１０は、矩形状の主面を有する板状の誘電体である。本実施形態においては、主面の長辺の長さＷＺを１００ｍｍ、主面の短辺の長さＷＹを６０ｍｍ、厚みを１．２７ｍｍ、誘電率を１０．２としている。なお、以下の説明においては、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すとおり、誘電体基板１０の厚み方向をＸ軸方向、誘電体基板１０の主面の短辺方向をＹ軸方向、誘電体基板１０の主面の長辺方向をＺ軸方向とする。
【００３１】
放射素子１１は、誘電体基板１０の上面のＺ軸正方向側を占めるＷａ×ＷＹ（本実施形態においてはＷａ＝２０ｍｍ）の矩形領域内に形成された、釣鐘状の導体箔である。一方、給電線１２は、誘電体基板１０の上面のＺ軸負方向側を占める（Ｗｂ＋Ｗｃ）×ＷＹ（本実施形態においてはＷｂ=５ｍｍ、Ｗｃ＝７５ｍｍ）の領域内に形成された、幅が不均一な帯状の導体箔である。放射素子１１と給電線１２とは、一枚の導体箔として一体成形されている。
【００３２】
地板１３は、誘電体基板１０の下面のＺ軸負方向側を占める（Ｗｂ＋Ｗｃ）×ＷＹの矩形領域全体を覆う矩形状の導体箔である。すなわち、地板１３は、給電線１２と重なり合い、かつ、放射素子１１とは重なり合わない。上述した給電線１２は、地板１３と誘電体基板１０を介して重なり合うことにより、地板１３と共にマイクロストリップラインを構成する。
【００３３】
放射素子１１は、ＵＷＢに使用されるマイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．６ＧＨｚ以下）において動作するよう設計されている。一方、給電線１２（より正確には、給電線１２のうち、誘電体基板１０の上面のＺ軸負方向側を占めるＷｃ×ＷＹの領域内に形成された部分）と地板１３とにより構成されるマイクロストリップラインは、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１ａ）に使用される５ＧＨｚ帯（５．１５ＧＨｚ以上５．８５ＧＨｚ以下）を選択的に反射するＢＲＦ（Band Reject Filter）として機能するように設計されている。このため、アンテナ１は、マイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．６ＧＨｚ以下）から５ＧＨｚ帯（５．１５ＧＨｚ以上５．８５ＧＨｚ以下）を除いた帯域で動作する。
【００３４】
〔給電線の構造及び機能〕
給電線１２の構造について、図２を参照して説明する。図２（ａ）は、給電線１２を上面から見た平面図であり、図２（ｂ）は、給電線１２の直線部の拡大図であり、図２（ｃ）は、給電線１２の折返部の拡大図である。なお、図２（ａ）に示されているのは、給電線１２のうち、ＢＲＦとして機能させる部分、すなわち、誘電体基板１０の上面のＺ軸負方向側を占めるＷｃ×ＷＹの領域内に形成された部分であり、その全長は２２７ｍｍである。
【００３５】
給電線１２は、図２（ｂ）〜図２（ｃ）に示すように、幅が不均一な帯状導体であり、図２（ａ）に示すように、折返部が滑らかな曲線を描くように折り返されている。給電線１２の幅を不均一にしているのは、給電線１２と地板１３とにより構成されるマイクロストリップラインを、５ＧＨｚ帯（５．１５ＧＨｚ以上５．８５ＧＨｚ以下）を選択的に反射するＢＲＦとして機能させ、かつ小面積化させるためである。一方、折返し構造（メアンダ構造）を採用しているのは、給電線１２を、Ｗｃ×ＷＹ＝７５ｍｍ×６０ｍｍのスペースの中に配置するためである。なお、２２７ｍｍは、１ＧＨｚにおける導波モードの２波長分に相当し、給電線１２と地板１３とにより構成されるマイクロストリップラインをＢＲＦとして機能させるうえで、十分であると考えられている長さである。また、給電線１２の幅Ｗ（ｚ）は、最大で２ｍｍである。
【００３６】
給電線１２の形状は、以下のように表現することができる。すなわち、図２（ａ）に示すように、給電線１２は、（１）放射素子１１に接続されたＺ軸負方向に伸びる直線部１２ｃと、（２）直線部１２ｃの放射素子１１側と反対側の端点に接続された四分円状の折返部１２ｄと、（３）折返部１２ｄの直線部１２ｃ側と反対側の端点に接続されたＹ軸負方向に伸びる直線部１２ｅと、（４）直線部１２ｅの折返部１２ｄ側と反対側の端点に接続された半円状の折返部１２ｆと、（５）折返部１２ｆの直線部１２ｅ側と反対側の端点に接続されたＹ軸正方向に伸びる直線部１２ｇと、（６）直線部１２ｇの折返部１２ｆ側と反対側の端点に接続された半円状の折返部１２ｈと、（７）折返部１２ｈの直線部１２ｇ側と反対側の端点に接続されたＹ軸負方向に伸びる直線部１２ｉと、（８）直線部１２ｉの折返部１２ｈ側と反対側の端点に接続された半円状の折返部１２ｊと、（９）折返部１２ｊの直線部１２ｉ側と反対側の端点に接続されたＹ軸正方向に伸びる直線部１２ｋと、（１０）直線部１２ｋの折返部１２ｊ側と反対側の端点に接続された半円状の折返部１２ｌと、（１１）折返部１２ｌの直線部１２ｋ側と反対側の端点に接続されたＹ軸負方向に伸びる直線部１２ｍと、（１２）直線部１２ｍの折返部１２ｌ側と反対側の端点に接続された四分円状の折返部１２ｎと、（１３）折返部１２ｎの直線部１２ｍ側と反対側の端点に接続されたＺ軸負方向に伸びる直線部１２ｏと、により構成されている。
【００３７】
ここで、注目すべきは、給電線１２を構成する各折返部が、滑らかな曲線を描くように折り返されている点、より具体的に言えば、円弧（四分円又は半円）を描くように折り返されている点である。このため、給電線１２の各折返部に角が生じることがない。したがって、角に集中した高次モードの電流が発生し、この高次モードに起因する放射によって、特性が劣化することが少ない。なお、各折返部において給電線１２が描く円弧の半径Ｒの設定については、参照する図面を代えて後述する。
【００３８】
次に、給電線１２の設計方法、すなわち、幅Ｗ（ｚ）の決定方法、及び、折り返しパターンの決定方法について説明する。ここでは、給電線１２の中心軸が描く曲線の弧長パラメータをｚとし、その曲線上の点Ｐ（ｚ）における給電線１２の幅（その曲線の接線に直交する方向の幅）をＷ（ｚ）とする（図２（ｂ）及び図２（ｃ）参照）。給電線１２の設計方法は以下の４つのステップにより構成される。ステップ１〜２は、幅Ｗ（ｚ）の決定方法であり、ステップ３〜４は、折り返しパターンの決定方法である。
【００３９】
ステップ１：所望の反射係数ｒ（ω）（反射係数の周波数依存性）が得られるように給電線１２上の各点におけるインピーダンスＺ（z）を決める。
【００４０】
ステップ２：給電線１２上の各点におけるインピーダンスＺ（ｚ）がステップ１にて決めた値になるよう給電線１２の幅Ｗ（ｚ）を決める。
【００４１】
ステップ３：多重反射を軽減するように給電線１２の端部を構成する直線部１２ｏの長さを決める。
【００４２】
ステップ４：折返部の半径Ｒ（図２（ｃ）参照）、及び、折り返し回数Ｎを決める。
【００４３】
ここで、ステップ４を実施する前にステップ３を実施しているのは、以下の理由による。すなわち、直線部を短くして折返部を給電点に接近させた場合、外部装置（例えば同軸ケーブル）と給電線１２との境界で生じるインビーダンス不整合に起因する反射と折返部における反射とが重畳した多重反射が起こる。そこで、給電線１２の端部を構成する直線部１２ｏの長さを予め確保して多重反射の発生を抑え込んだ上で、給電線１２の残りの部分の折り返し構造を設計する。
【００４４】
ステップ１におけるインピーダンスＺ（ｚ）の決定方法について、図３を参照して説明する。図３は、給電線１２と地板１３とにより構成されるマイクロストリップラインの線素に等価な等価回路を示す回路図である。同図において、ｚは、給電線１２の中心軸（曲線）の弧長パラメータを表し、Ｌ（ｚ）は、給電線１２上の点Ｐ（ｚ）における単位長さあたりのインダクタンスを表し、Ｃ（ｚ）は、給電線１２上の点Ｐ（ｚ）における単位長さあたりのキャパシタンスを表す。
【００４５】
時間項ｅｘｐ（−ｊωｔ）をもつ電圧Ｖ及び電流Ｉに対する電信方程式は、（１）式及び（２）式により与えられる。
【００４６】
【数１】
【００４７】
【数２】
【００４８】
電信方程式（１）及び（２）から、Zakharov-Shabat方程式（３）及び（４）が導出される。
【００４９】
【数３】
【００５０】
【数４】
【００５１】
なお、Zakharov-Shabat方程式（３）及び（４）の導出に際しては、変数変換（５）及び（６）を用いた。
【００５２】
【数５】
【００５３】
【数６】
【００５４】
反射係数ｒ（ω）を（７）式のように定義すると、その逆フーリエ変換Ｒ（ｘ）は（８）式のように与えられる。ｒ（ω）は、上半平面に極をもたない点に留意されたい。
【００５５】
【数７】
【００５６】
【数８】
【００５７】
Zakharov-Shabat方程式（３）及び（４）の解ｑ（ｘ）と、Gel'fand-Levitan-Marchenko型の積分方程式（９）及び（１０）の解Ａ２（ｘ，ｙ）との間には、（１１）式により示される関係がある。したがって、Zakharov-Shabat方程式（３）及び（４）の解ｑ（ｘ）を得るためには、積分方程式（９）及び（１０）を解き、その解Ａ２（ｘ，ｙ）から（１１）式に従ってｑ（ｘ）を求めればよい。
【００５８】
【数９】
【００５９】
【数１０】
【００６０】
【数１１】
【００６１】
インピーダンスＺ（ｘ）は、ｑ（ｘ）から（１２）式に従って求めることができる。
【００６２】
【数１２】
【００６３】
給電線１２と地板１３とにより構成されるマイクロストリップラインがＢＲＦとして機能することは、図４から確認することができる。図４（ａ）は、給電線１２として幅が均一で直線的な帯状導体を用いた場合のＶＳＷＲ値の周波数特性を示すグラフであり、図４（ｂ）は、給電線１２として図２（ａ）に示す幅が不均一で折り返された帯状導体を用いた場合のＶＳＷＲ値の周波数特性を示すグラフである。
【００６４】
給電線１２として幅が均一で直線的な帯状導体を用いた場合、図４（ａ）に示すように、マイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．６ＧＨｚ以下）全域に亘ってＶＳＷＲ値が３．５以下になるのに対して、給電線として幅が不均一で折り返された帯状導体を用いた場合、図４（ｂ）に示すように、５ＧＨｚ帯（５．１５ＧＨｚ以上５．８５ＧＨｚ以下）においてＶＳＷＲ値が跳ね上がる。すなわち、給電線１２と地板１３とにより構成されるマイクロストリップラインが、５ＧＨｚ帯を反射するＢＲＦとして機能していることが確かめられる。
【００６５】
次に、上述したステップ４において、各折返部にて給電線１２が描く円弧の半径Ｒの設定方法について、図５及び図６を参照して説明する。図５は、Ｒ＝４ｍｍのとき、Ｒ＝５ｍｍのとき、及び、Ｒ＝６ｍｍのときの｜Ｓ１１｜の周波数特性を示すグラフである。図６は、Ｒを給電線１２の幅Ｗ（ｚ）の最大値で除したものをＲ／Ｗとし、１ＧＨｚ以上５ＧＨｚ以下、及び、６ＧＨｚ以上１１ＧＨｚ以下の帯域における｜Ｓ１１｜の最大値をＲを変えながらプロットしたものである。
【００６６】
Ｒ／Ｗを２．５よりも小さくすると、５ＧＨｚ帯以外の帯域でも｜Ｓ１１｜maxが−５ｄＢ以上の高い値に張り付いてしまうのに対し、Ｒ／Ｗを２．５以上にすると、Ｒ／Ｗが大きくなるのに従って｜Ｓ１１｜maxが次第に低下することが図６から分かる。すなわち、５ＧＨｚ帯以外の帯域で良好なアンテナ特性を得るためには、少なくともＲ／Ｗを２．５以上にすることが好ましい。例えば、Ｒ＝４ｍｍ（Ｒ／Ｗ＝２）とした場合、５ＧＨｚ帯以外にも｜Ｓ１１｜＞５ｄＢとなるピークが点在していることが図５からも見て取れる。
【００６７】
なお、Ｒ／Ｗが大きくなるのに従って｜Ｓ１１｜maxが次第に低下するのは、給電線１２を構成する直線部間の結合が次第に弱くなると共に、折返部で生じる想定外の反射（設計時に想定されていない反射）が軽減されるので、設計どおり５ＧＨｚ帯でのみ選択的な反射が生じるようになるためであると考えられる。
【００６８】
更に、Ｒ／Ｗを３．０以上にすれば、５ＧＨｚ帯以外の帯域における｜Ｓ１１｜を−５ｄＢよりも小さくすることができ、Ｒ／Ｗを３．５以上にすれば、５ＧＨｚ帯以外の帯域における｜Ｓ１１｜を−１０ｄＢよりも小さくすることができることが図６から分かる。すなわち、５ＧＨｚ帯以外の帯域でより良好なアンテナ特性を得るためには、Ｒ／Ｗが３．０以上であることが好ましく、Ｒ／Ｗが３．５以上であることがより好ましい。
【００６９】
最後に、Zakharov-Shabat方程式（３）及び（４）を用いた設計の有効性を、図７により確認する。図７において、点線は、Zakharov-Shabat方程式（３）及び（４）をRunge-Kutta法を用いて解くことにより得たｑ（ｘ）から算出した｜Ｓ１１｜を示し、実線は、実測した｜Ｓ１１｜を示す。計算値（点線）と測定値（実線）との間の良好な一致が図７から見て取れる。
【００７０】
〔放射素子の構造及び機能〕
放射素子１１の構造について、図８を参照して説明する。図８は、放射素子１１を上面から見た平面図である。
【００７１】
放射素子１１は、図８に示すように、第１矩形部１１ａと、半楕円部１１ｂと、第２矩形部１１ｃとにより構成される。
【００７２】
第１矩形部１１ａは、幅２ａ（本実施形態においては２ａ＝１５ｍｍ）、高さｈ（本実施形態においてはｈ＝１０ｍｍ）の矩形状の導体箔である。半楕円部１１ｂは、長軸半径ａ（本実施形態においてはａ＝７．５ｍｍ）、短軸半径ｂ（本実施形態においてはｂ＝７．５ｍｍ）の楕円を長軸で２等分して得られる半楕円状の導体箔であり、その長軸が第１矩形部１１の幅２ａの端辺に接続されている。放射素子１１と給電線１２との間に介在する第２矩形部１１ｃは、放射素子１１と給電線１２との間のインピーダンス整合を図るためのものであり、本実施形態においては、第２矩形部１１ｃとして幅Ｗ’（本実施形態においてはＷ’＝４ｍｍ）、高さｈ’（本実施形態においてはｈ’＝２ｍｍ）の矩形状の導体箔を用いている。
【００７３】
図９は、第１矩形部１１ａの形状によって、ＶＳＷＲ値の周波数特性がどのように変化するかを示したグラフである。ここでは、第１矩形部１１ａの形状を規定するパラメータとして、比ｈ／ａを取っている。
【００７４】
図９によれば、１．０≦ｈ／ａ≦１．５のときに、マイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．８ＧＨｚ以下）全域に亘ってＶＳＷＲ値を３．５以下に抑え得ることが分かる。なお、第１矩形部１１ａの幅をｗ（＝２ａ）とすれば、上記範囲は、０．５≦ｈ／ｗ≦０．７５と言い換えることができる。
【００７５】
図１０は、半楕円部１１ｂの形状によって、ＶＳＷＲ値の周波数特性がどのように変化するかを示したグラフである。ここでは、半楕円部１１ｂの形状を規定するパラメータとして、比ｂ／ａを取っている。
【００７６】
図１０によれば、０．５≦ｂ／ａ≦１．０のときに、マイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．８ＧＨｚ以下）全域に亘ってＶＳＷＲ値を３．５以下に抑え得ることが分かる。
【００７７】
図１１は、第２矩形部１１ｃの形状によって、ＶＳＷＲ値の周波数特性がどのように変化するかを示したグラフである。ここでは、第２矩形部の形状を規定するパラメータとして、比ｗ’／ｈ’を取っている。
【００７８】
図１１によれば、ｗ’／ｈ’≒２としたときに、マイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．６ＧＨｚ以下）全域に亘ってＶＳＷＲ値を４．０以下に抑え得ることが分かる。
【００７９】
なお、図９〜図１１に示すＶＳＷＲ値の測定に際しては、給電線１２として幅が均一で直線的な帯状導体を用いている。ただし、給電線１２として図２（ａ）に示す幅が不均一で折り返された帯状導体を用いる場合であっても、５ＧＨｚ帯（５．１５ＧＨｚ以上５．８５ＧＨｚ以下）以外の帯域におけるＶＳＷＲ値は、概ね、図９〜図１１に示したものと一致する。
【００８０】
〔アンテナの指向性〕
最後に、アンテナ１の放射パターン（放射利得の方向依存性）について、図１２を参照して説明する。図１２（ａ）は、４ＧＨｚにおけるＸＹ平面内での放射パターンを示すグラフであり、図１２（ｂ）は、５．５ＧＨｚにおけるＸＹ平面内での放射パターンを示すグラフであり、図１２（ｃ）は、８ＧＨｚにおけるＸＹ平面内での放射パターンを示すグラフである。図１２（ａ）〜図１２（ｃ）を比較すると、５ＧＨｚ帯（５．１５ＧＨｚ以上５．８５ＧＨｚ以下）に属する５．５ＧＨｚにおいて放射が抑制されていることが見て取れる。また、その他の帯域においては、指向性の弱い良好な放射パターンが実現されていることが分かる。
【００８１】
〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明に係るアンテナは、広帯域において動作可能でありながら、その一部の帯域への干渉を回避したアンテナとして利用することができる。例えば、ＵＷＢ（Ultra Wide Band：超広帯域無線）に使用されるマイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．６ＧＨｚ以下）において動作可能でありながら、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１ａ）に使用される５ＧＨｚ帯（５．１５ＧＨｚ以上５．８５ＧＨｚ以下）への干渉を回避したアンテナとして利用することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１ アンテナ
１０ 誘電体基板
１１ 放射素子
１１ａ，１１ｂ 放射素子の端点
１２ 給電線
１２ａ 端辺
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＵＷＢ（Ultra Wide Band：超広帯域無線）に使用されるマイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．６ＧＨｚ以下）など広い動作帯域を有するアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＵＷＢに使用されるマイクロ波帯など広い動作帯域を有する広帯域アンテナに関する需要が高まっている。ところが、このマイクロ波帯は、他の無線通信規格、例えば、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１ａ）に使用される５ＧＨｚ帯を含む。したがって、このような広帯域アンテナには、マイクロ波帯をカバーする広帯域性に加えて、他の無線通信規格に使用される帯域に対して干渉しない低干渉性が強く求められる。
【０００３】
このような要求を満たすアンテナとしては、例えば、特許文献１に記載のパッチアンテナが知られている。特許文献１に記載のパッチアンテナにおいては、放射素子にスタブを形成したり、地板に段差（ステップ）を形成したりすることによって、広帯域化が図られている。また、放射素子にスリットを形成することによって、無線ＬＡＮへの干渉を低減している。
【０００４】
ＵＷＢシステムの無線局用のＢＲＦ（Band Reject Filter）としては、特許文献２に記載のものが知られている。特許文献２に記載のＢＲＦは、特定の帯域（干渉を回避すべき帯域）における反射係数を高めるべく、マイクロストリップラインの幅を不均一にしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００８−５３５３７２（公表日：２００８年 ８月２８日）
【特許文献２】特開２０１０− ５０６５３（公開日：２０１０年 ３月 ４日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載のパッチアンテナにおいては、干渉を回避すべき帯域に応じたスリットを設計する必要があるが、この設計が困難であるという問題があった。具体的には、干渉を回避すべき帯域に対応する波長の半分程度の長さを有するスリットを設ければよいという指針が示されているものの、スリットを折り曲げると期待どおりの反射係数が得られず、期待どおりの反射係数を得るためには試作を繰り返さなければならないという問題があった。一方、干渉を回避すべき帯域に対応する波長の半分程度の長さを有する直線的なスリットを設けようとすると、放射素子の大型化を招来してしまうという問題があった。
【０００７】
また、特許文献２に記載のＢＲＦは、マイクロストリップラインを折り返しても期待どおり反射係数が得られるという好ましい性質を有しているものの、これをアンテナと一体化する方法は知られていなかった。また、アンテナとフィルタとを一体化した場合に、干渉を回避すべき帯域外においてアンテナ単体の場合と同程度の特性を維持する設計手法は知られていなかった。
【０００８】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、広帯域において動作可能でありながら、その一部の帯域への干渉を回避したアンテナであって、従来よりも設計が容易で小型のアンテナを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係るアンテナは、誘電体基板と、上記誘電体基板の一方の主面に形成された放射素子及び給電線と、上記誘電体基板の他方の主面に形成された地板とを備えたアンテナであって、上記給電線は、折返部が滑らかな曲線を描くように折り返された幅が不均一な帯状導体であり、上記誘電体基板を介して互いに重なり合う上記給電線と上記地板とによって、ＢＲＦ（Band Reject Filter）として機能するマイクロストリップラインが構成されている、ことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、上記給電線と上記地板とによって構成されるマイクロストリップラインがＢＲＦ（Band Reject Filter）として機能するので、広帯域において動作可能でありながら、その一部の帯域への干渉を回避したアンテナを実現することができる。この際、上記マイクロストリップラインは、上記地板の上に構成されているので、干渉を回避するためにアンテナの大型化を招来する虞はない。また、干渉を回避することができる帯域は、上記給電線の各部の幅によって決まり、上記給電線の折り返し方よって大きく変動することはないので、設計の自由度が高い。
【００１１】
本発明に係るアンテナにおいて、上記給電線は、その幅の最大値がＷ［ｍｍ］であり、かつ、その中心軸が半径Ｒ［ｍｍ］の円弧を描くように折り返されており、比Ｒ／Ｗが２．５以上である、ことが好ましい。
【００１２】
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるＳ１１を、比Ｒ／Ｗが２．５以下のときのＳ１１よりも小さくすることができる。
【００１３】
本発明に係るアンテナにおいて、上記比Ｒ／Ｗが３．０以上である、ことが好ましい。
【００１４】
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるＳ１１を−５ｄＢよりも小さくすることができる。
【００１５】
本発明に係るアンテナにおいて、上記比Ｒ／Ｗが３．５以上である、ことが好ましい。
【００１６】
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるＳ１１を−１０ｄＢよりも小さくすることができる。
【００１７】
本発明に係るアンテナにおいて、上記放射素子は、矩形状の矩形部と半楕円状の半楕円部とからなる釣鐘型に成形されており、上記矩形部の幅ｗに対する上記矩形部の高さｈの比ｈ／ｗが０．５以上０．７５以下である、ことが好ましい。
【００１８】
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるＶＳＷＲを３．５以下に抑えることができる。
【００１９】
本発明に係るアンテナにおいて、上記放射素子は、矩形状の矩形部と半楕円状の半楕円部とからなる釣鐘型に成形されており、上記半楕円部の短軸ｂに対する上記半楕円の長軸ａの比ｂ／ａが０．５以上１.０以下である、ことが好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるＶＳＷＲを３．５以下に抑えることができる。
【００２１】
本発明に係るアンテナは、上記放射素子と上記給電線との間に介在する矩形状の整合部を更に備えており、上記整合部の高さｈ’に対する上記整合部の幅ｗ’の比ｗ’／ｈ’が２である、ことが好ましい。
【００２２】
上記の構成によれば、干渉を回避すべき帯域以外の周波数におけるＶＳＷＲを４以下に抑えることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係るアンテナにおいては、誘電体基板を介して互いに重なり合う給電線と地板とによって、ＢＲＦ（Band Reject Filter）として機能するマイクロストリップラインが構成されている。したがって、広帯域において動作可能でありながら、その一部の帯域への干渉を回避したアンテナであって、従来よりも干渉を回避する構造の設計が容易で小型のアンテナを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係るアンテナの構造を示す図である。（ａ）は、アンテナを上面から見た平面図、（ｂ）は、アンテナを下面から見た平面図、（ｃ）は、アンテナの断面図である。
【図２】図１に示すアンテナが備えている給電線の構造を示す図である。（ａ）は、給電線を上面から見た平面図であり、（ｂ）は、給電線の直線部の拡大図であり、（ｃ）は、給電線の折返部の拡大図である。
【図３】図１に示すアンテナが備えている給電線と地板とにより構成されるマイクロストリップラインの線素に等価な等価回路を示す回路図である。
【図４】図１に示すアンテナのＶＳＷＲ値の周波数特性を示すグラフである。（ａ）は、給電線として幅が均一で直線的な帯状導体を用いた場合のＶＳＷＲ特性を示し、（ｂ）は、給電線として幅が不均一で折り返された帯状導体（図２に示すもの）を用いた場合のＶＳＷＲ特性を示す。なお、点線は理論値（計算値）に対応し、実線は、実測値（測定値）に対応する。
【図５】Ｒ＝４ｍｍのとき、Ｒ＝５ｍｍのとき、及び、Ｒ＝６ｍｍのときの｜Ｓ１１｜の周波数特性を示すグラフである。
【図６】Ｒを給電線の幅Ｗの最大値で除したものをＲ／Ｗとし、１ＧＨｚ以上５ＧＨｚ以下、及び、６ＧＨｚ以上１１ＧＨｚ以下の帯域における｜Ｓ１１｜の最大値をＲを変えながらプロットしたグラフである。
【図７】Zakharov-Shabat方程式（３）及び（４）をRunge-Kutta法を用いて解くことにより得たｑ（ｘ）から算出した｜Ｓ１１｜の周波数特性と（点線）、及び、実測した｜Ｓ１１｜の周波数特性（実線）とを示すグラフである。
【図８】図１に示すアンテナが備えている放射素子の構造を示す平面図である。
【図９】図８に示す放射素子の第１矩形部の形状によって、ＶＳＷＲ値の周波数特性がどのように変化するかを示したグラフである。
【図１０】図８に示す放射素子の半楕円部の形状によって、ＶＳＷＲ値の周波数特性がどのように変化するかを示したグラフである。
【図１１】図８に示す放射素子の第２矩形部の形状によって、ＶＳＷＲ値の周波数特性がどのように変化するかを示したグラフである。
【図１２】図１に示すアンテナのＸＹ平面内での放射パターンを示すグラフである。（ａ）は、４ＧＨｚにおける放射パターンを示し、（ｂ）は、５．５ＧＨｚにおける放射パターンを示し、（ｃ）は、８ＧＨｚにおける放射パターンを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本実施形態に係るアンテナについて、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。
【００２６】
なお、本実施形態に係るアンテナは、ＵＷＢ（Ultra Wide Band：超広帯域無線）に使用されるマイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．６ＧＨｚ以下）から、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１ａ）に使用される５ＧＨｚ帯（５．１５ＧＨｚ以上５．８５ＧＨｚ以下）を除いた帯域を動作帯域とするものである。ただし、本発明は、第１の帯域から第２の帯域を除いた帯域で動作するアンテナ一般に適用できるものであって、第１の帯域と第２の帯域との組み合わせは、上述したマイクロ波帯と５ＧＨｚ帯との組み合わせに限定されるものではない。
【００２７】
また、以下の説明では、板状部材を構成する６つの面のうち、最大の面積をもつ２つの面を「主面」と記載し、主面を除く４つの面を「端面」と記載する。また、２つの主面を互いに区別する必要があるときには、一方の主面を「上面」と記載し、他方の主面を「下面」と記載する。なお、「上面」及び「下面」との記載は、２つの主面を互いに区別するためのものであり、板状部材の配置を限定するものではない。
【００２８】
〔アンテナの構造〕
本実施形態に係るアンテナ１の構造について、図１を参照して説明する。図１（ａ）は、アンテナ１を上面から見た平面図であり、図１（ｂ）は、アンテナ１を下面から見た平面図であり、図１（ｃ）は、Ａ−Ａ’断面（図１（ａ）参照）におけるアンテナ１の断面図である。
【００２９】
アンテナ１は、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、誘電体基板１０と、誘電体基板１０の一方の主面（以下「上面」と記載）に形成された放射素子１１及び給電線１２と、誘電体基板１０の他方の主面（以下「下面」と記載）に形成された地板１３とを備えている。アンテナ１は、給電線１２の端点１２ｂ、及び、地板１３の端辺１３ａに設けられた給電点から高周波電流の供給を受け、モノポールアンテナとして機能する。
【００３０】
誘電体基板１０は、矩形状の主面を有する板状の誘電体である。本実施形態においては、主面の長辺の長さＷＺを１００ｍｍ、主面の短辺の長さＷＹを６０ｍｍ、厚みを１．２７ｍｍ、誘電率を１０．２としている。なお、以下の説明においては、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すとおり、誘電体基板１０の厚み方向をＸ軸方向、誘電体基板１０の主面の短辺方向をＹ軸方向、誘電体基板１０の主面の長辺方向をＺ軸方向とする。
【００３１】
放射素子１１は、誘電体基板１０の上面のＺ軸正方向側を占めるＷａ×ＷＹ（本実施形態においてはＷａ＝２０ｍｍ）の矩形領域内に形成された、釣鐘状の導体箔である。一方、給電線１２は、誘電体基板１０の上面のＺ軸負方向側を占める（Ｗｂ＋Ｗｃ）×ＷＹ（本実施形態においてはＷｂ=５ｍｍ、Ｗｃ＝７５ｍｍ）の領域内に形成された、幅が不均一な帯状の導体箔である。放射素子１１と給電線１２とは、一枚の導体箔として一体成形されている。
【００３２】
地板１３は、誘電体基板１０の下面のＺ軸負方向側を占める（Ｗｂ＋Ｗｃ）×ＷＹの矩形領域全体を覆う矩形状の導体箔である。すなわち、地板１３は、給電線１２と重なり合い、かつ、放射素子１１とは重なり合わない。上述した給電線１２は、地板１３と誘電体基板１０を介して重なり合うことにより、地板１３と共にマイクロストリップラインを構成する。
【００３３】
放射素子１１は、ＵＷＢに使用されるマイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．６ＧＨｚ以下）において動作するよう設計されている。一方、給電線１２（より正確には、給電線１２のうち、誘電体基板１０の上面のＺ軸負方向側を占めるＷｃ×ＷＹの領域内に形成された部分）と地板１３とにより構成されるマイクロストリップラインは、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１ａ）に使用される５ＧＨｚ帯（５．１５ＧＨｚ以上５．８５ＧＨｚ以下）を選択的に反射するＢＲＦ（Band Reject Filter）として機能するように設計されている。このため、アンテナ１は、マイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．６ＧＨｚ以下）から５ＧＨｚ帯（５．１５ＧＨｚ以上５．８５ＧＨｚ以下）を除いた帯域で動作する。
【００３４】
〔給電線の構造及び機能〕
給電線１２の構造について、図２を参照して説明する。図２（ａ）は、給電線１２を上面から見た平面図であり、図２（ｂ）は、給電線１２の直線部の拡大図であり、図２（ｃ）は、給電線１２の折返部の拡大図である。なお、図２（ａ）に示されているのは、給電線１２のうち、ＢＲＦとして機能させる部分、すなわち、誘電体基板１０の上面のＺ軸負方向側を占めるＷｃ×ＷＹの領域内に形成された部分であり、その全長は２２７ｍｍである。
【００３５】
給電線１２は、図２（ｂ）〜図２（ｃ）に示すように、幅が不均一な帯状導体であり、図２（ａ）に示すように、折返部が滑らかな曲線を描くように折り返されている。給電線１２の幅を不均一にしているのは、給電線１２と地板１３とにより構成されるマイクロストリップラインを、５ＧＨｚ帯（５．１５ＧＨｚ以上５．８５ＧＨｚ以下）を選択的に反射するＢＲＦとして機能させ、かつ小面積化させるためである。一方、折返し構造（メアンダ構造）を採用しているのは、給電線１２を、Ｗｃ×ＷＹ＝７５ｍｍ×６０ｍｍのスペースの中に配置するためである。なお、２２７ｍｍは、１ＧＨｚにおける導波モードの２波長分に相当し、給電線１２と地板１３とにより構成されるマイクロストリップラインをＢＲＦとして機能させるうえで、十分であると考えられている長さである。また、給電線１２の幅Ｗ（ｚ）は、最大で２ｍｍである。
【００３６】
給電線１２の形状は、以下のように表現することができる。すなわち、図２（ａ）に示すように、給電線１２は、（１）放射素子１１に接続されたＺ軸負方向に伸びる直線部１２ｃと、（２）直線部１２ｃの放射素子１１側と反対側の端点に接続された四分円状の折返部１２ｄと、（３）折返部１２ｄの直線部１２ｃ側と反対側の端点に接続されたＹ軸負方向に伸びる直線部１２ｅと、（４）直線部１２ｅの折返部１２ｄ側と反対側の端点に接続された半円状の折返部１２ｆと、（５）折返部１２ｆの直線部１２ｅ側と反対側の端点に接続されたＹ軸正方向に伸びる直線部１２ｇと、（６）直線部１２ｇの折返部１２ｆ側と反対側の端点に接続された半円状の折返部１２ｈと、（７）折返部１２ｈの直線部１２ｇ側と反対側の端点に接続されたＹ軸負方向に伸びる直線部１２ｉと、（８）直線部１２ｉの折返部１２ｈ側と反対側の端点に接続された半円状の折返部１２ｊと、（９）折返部１２ｊの直線部１２ｉ側と反対側の端点に接続されたＹ軸正方向に伸びる直線部１２ｋと、（１０）直線部１２ｋの折返部１２ｊ側と反対側の端点に接続された半円状の折返部１２ｌと、（１１）折返部１２ｌの直線部１２ｋ側と反対側の端点に接続されたＹ軸負方向に伸びる直線部１２ｍと、（１２）直線部１２ｍの折返部１２ｌ側と反対側の端点に接続された四分円状の折返部１２ｎと、（１３）折返部１２ｎの直線部１２ｍ側と反対側の端点に接続されたＺ軸負方向に伸びる直線部１２ｏと、により構成されている。
【００３７】
ここで、注目すべきは、給電線１２を構成する各折返部が、滑らかな曲線を描くように折り返されている点、より具体的に言えば、円弧（四分円又は半円）を描くように折り返されている点である。このため、給電線１２の各折返部に角が生じることがない。したがって、角に集中した高次モードの電流が発生し、この高次モードに起因する放射によって、特性が劣化することが少ない。なお、各折返部において給電線１２が描く円弧の半径Ｒの設定については、参照する図面を代えて後述する。
【００３８】
次に、給電線１２の設計方法、すなわち、幅Ｗ（ｚ）の決定方法、及び、折り返しパターンの決定方法について説明する。ここでは、給電線１２の中心軸が描く曲線の弧長パラメータをｚとし、その曲線上の点Ｐ（ｚ）における給電線１２の幅（その曲線の接線に直交する方向の幅）をＷ（ｚ）とする（図２（ｂ）及び図２（ｃ）参照）。給電線１２の設計方法は以下の４つのステップにより構成される。ステップ１〜２は、幅Ｗ（ｚ）の決定方法であり、ステップ３〜４は、折り返しパターンの決定方法である。
【００３９】
ステップ１：所望の反射係数ｒ（ω）（反射係数の周波数依存性）が得られるように給電線１２上の各点におけるインピーダンスＺ（z）を決める。
【００４０】
ステップ２：給電線１２上の各点におけるインピーダンスＺ（ｚ）がステップ１にて決めた値になるよう給電線１２の幅Ｗ（ｚ）を決める。
【００４１】
ステップ３：多重反射を軽減するように給電線１２の端部を構成する直線部１２ｏの長さを決める。
【００４２】
ステップ４：折返部の半径Ｒ（図２（ｃ）参照）、及び、折り返し回数Ｎを決める。
【００４３】
ここで、ステップ４を実施する前にステップ３を実施しているのは、以下の理由による。すなわち、直線部を短くして折返部を給電点に接近させた場合、外部装置（例えば同軸ケーブル）と給電線１２との境界で生じるインビーダンス不整合に起因する反射と折返部における反射とが重畳した多重反射が起こる。そこで、給電線１２の端部を構成する直線部１２ｏの長さを予め確保して多重反射の発生を抑え込んだ上で、給電線１２の残りの部分の折り返し構造を設計する。
【００４４】
ステップ１におけるインピーダンスＺ（ｚ）の決定方法について、図３を参照して説明する。図３は、給電線１２と地板１３とにより構成されるマイクロストリップラインの線素に等価な等価回路を示す回路図である。同図において、ｚは、給電線１２の中心軸（曲線）の弧長パラメータを表し、Ｌ（ｚ）は、給電線１２上の点Ｐ（ｚ）における単位長さあたりのインダクタンスを表し、Ｃ（ｚ）は、給電線１２上の点Ｐ（ｚ）における単位長さあたりのキャパシタンスを表す。
【００４５】
時間項ｅｘｐ（−ｊωｔ）をもつ電圧Ｖ及び電流Ｉに対する電信方程式は、（１）式及び（２）式により与えられる。
【００４６】
【数１】
【００４７】
【数２】
【００４８】
電信方程式（１）及び（２）から、Zakharov-Shabat方程式（３）及び（４）が導出される。
【００４９】
【数３】
【００５０】
【数４】
【００５１】
なお、Zakharov-Shabat方程式（３）及び（４）の導出に際しては、変数変換（５）及び（６）を用いた。
【００５２】
【数５】
【００５３】
【数６】
【００５４】
反射係数ｒ（ω）を（７）式のように定義すると、その逆フーリエ変換Ｒ（ｘ）は（８）式のように与えられる。ｒ（ω）は、上半平面に極をもたない点に留意されたい。
【００５５】
【数７】
【００５６】
【数８】
【００５７】
Zakharov-Shabat方程式（３）及び（４）の解ｑ（ｘ）と、Gel'fand-Levitan-Marchenko型の積分方程式（９）及び（１０）の解Ａ２（ｘ，ｙ）との間には、（１１）式により示される関係がある。したがって、Zakharov-Shabat方程式（３）及び（４）の解ｑ（ｘ）を得るためには、積分方程式（９）及び（１０）を解き、その解Ａ２（ｘ，ｙ）から（１１）式に従ってｑ（ｘ）を求めればよい。
【００５８】
【数９】
【００５９】
【数１０】
【００６０】
【数１１】
【００６１】
インピーダンスＺ（ｘ）は、ｑ（ｘ）から（１２）式に従って求めることができる。
【００６２】
【数１２】
【００６３】
給電線１２と地板１３とにより構成されるマイクロストリップラインがＢＲＦとして機能することは、図４から確認することができる。図４（ａ）は、給電線１２として幅が均一で直線的な帯状導体を用いた場合のＶＳＷＲ値の周波数特性を示すグラフであり、図４（ｂ）は、給電線１２として図２（ａ）に示す幅が不均一で折り返された帯状導体を用いた場合のＶＳＷＲ値の周波数特性を示すグラフである。
【００６４】
給電線１２として幅が均一で直線的な帯状導体を用いた場合、図４（ａ）に示すように、マイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．６ＧＨｚ以下）全域に亘ってＶＳＷＲ値が３．５以下になるのに対して、給電線として幅が不均一で折り返された帯状導体を用いた場合、図４（ｂ）に示すように、５ＧＨｚ帯（５．１５ＧＨｚ以上５．８５ＧＨｚ以下）においてＶＳＷＲ値が跳ね上がる。すなわち、給電線１２と地板１３とにより構成されるマイクロストリップラインが、５ＧＨｚ帯を反射するＢＲＦとして機能していることが確かめられる。
【００６５】
次に、上述したステップ４において、各折返部にて給電線１２が描く円弧の半径Ｒの設定方法について、図５及び図６を参照して説明する。図５は、Ｒ＝４ｍｍのとき、Ｒ＝５ｍｍのとき、及び、Ｒ＝６ｍｍのときの｜Ｓ１１｜の周波数特性を示すグラフである。図６は、Ｒを給電線１２の幅Ｗ（ｚ）の最大値で除したものをＲ／Ｗとし、１ＧＨｚ以上５ＧＨｚ以下、及び、６ＧＨｚ以上１１ＧＨｚ以下の帯域における｜Ｓ１１｜の最大値をＲを変えながらプロットしたものである。
【００６６】
Ｒ／Ｗを２．５よりも小さくすると、５ＧＨｚ帯以外の帯域でも｜Ｓ１１｜maxが−５ｄＢ以上の高い値に張り付いてしまうのに対し、Ｒ／Ｗを２．５以上にすると、Ｒ／Ｗが大きくなるのに従って｜Ｓ１１｜maxが次第に低下することが図６から分かる。すなわち、５ＧＨｚ帯以外の帯域で良好なアンテナ特性を得るためには、少なくともＲ／Ｗを２．５以上にすることが好ましい。例えば、Ｒ＝４ｍｍ（Ｒ／Ｗ＝２）とした場合、５ＧＨｚ帯以外にも｜Ｓ１１｜＞５ｄＢとなるピークが点在していることが図５からも見て取れる。
【００６７】
なお、Ｒ／Ｗが大きくなるのに従って｜Ｓ１１｜maxが次第に低下するのは、給電線１２を構成する直線部間の結合が次第に弱くなると共に、折返部で生じる想定外の反射（設計時に想定されていない反射）が軽減されるので、設計どおり５ＧＨｚ帯でのみ選択的な反射が生じるようになるためであると考えられる。
【００６８】
更に、Ｒ／Ｗを３．０以上にすれば、５ＧＨｚ帯以外の帯域における｜Ｓ１１｜を−５ｄＢよりも小さくすることができ、Ｒ／Ｗを３．５以上にすれば、５ＧＨｚ帯以外の帯域における｜Ｓ１１｜を−１０ｄＢよりも小さくすることができることが図６から分かる。すなわち、５ＧＨｚ帯以外の帯域でより良好なアンテナ特性を得るためには、Ｒ／Ｗが３．０以上であることが好ましく、Ｒ／Ｗが３．５以上であることがより好ましい。
【００６９】
最後に、Zakharov-Shabat方程式（３）及び（４）を用いた設計の有効性を、図７により確認する。図７において、点線は、Zakharov-Shabat方程式（３）及び（４）をRunge-Kutta法を用いて解くことにより得たｑ（ｘ）から算出した｜Ｓ１１｜を示し、実線は、実測した｜Ｓ１１｜を示す。計算値（点線）と測定値（実線）との間の良好な一致が図７から見て取れる。
【００７０】
〔放射素子の構造及び機能〕
放射素子１１の構造について、図８を参照して説明する。図８は、放射素子１１を上面から見た平面図である。
【００７１】
放射素子１１は、図８に示すように、第１矩形部１１ａと、半楕円部１１ｂと、第２矩形部１１ｃとにより構成される。
【００７２】
第１矩形部１１ａは、幅２ａ（本実施形態においては２ａ＝１５ｍｍ）、高さｈ（本実施形態においてはｈ＝１０ｍｍ）の矩形状の導体箔である。半楕円部１１ｂは、長軸半径ａ（本実施形態においてはａ＝７．５ｍｍ）、短軸半径ｂ（本実施形態においてはｂ＝７．５ｍｍ）の楕円を長軸で２等分して得られる半楕円状の導体箔であり、その長軸が第１矩形部１１の幅２ａの端辺に接続されている。放射素子１１と給電線１２との間に介在する第２矩形部１１ｃは、放射素子１１と給電線１２との間のインピーダンス整合を図るためのものであり、本実施形態においては、第２矩形部１１ｃとして幅Ｗ’（本実施形態においてはＷ’＝４ｍｍ）、高さｈ’（本実施形態においてはｈ’＝２ｍｍ）の矩形状の導体箔を用いている。
【００７３】
図９は、第１矩形部１１ａの形状によって、ＶＳＷＲ値の周波数特性がどのように変化するかを示したグラフである。ここでは、第１矩形部１１ａの形状を規定するパラメータとして、比ｈ／ａを取っている。
【００７４】
図９によれば、１．０≦ｈ／ａ≦１．５のときに、マイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．８ＧＨｚ以下）全域に亘ってＶＳＷＲ値を３．５以下に抑え得ることが分かる。なお、第１矩形部１１ａの幅をｗ（＝２ａ）とすれば、上記範囲は、０．５≦ｈ／ｗ≦０．７５と言い換えることができる。
【００７５】
図１０は、半楕円部１１ｂの形状によって、ＶＳＷＲ値の周波数特性がどのように変化するかを示したグラフである。ここでは、半楕円部１１ｂの形状を規定するパラメータとして、比ｂ／ａを取っている。
【００７６】
図１０によれば、０．５≦ｂ／ａ≦１．０のときに、マイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．８ＧＨｚ以下）全域に亘ってＶＳＷＲ値を３．５以下に抑え得ることが分かる。
【００７７】
図１１は、第２矩形部１１ｃの形状によって、ＶＳＷＲ値の周波数特性がどのように変化するかを示したグラフである。ここでは、第２矩形部の形状を規定するパラメータとして、比ｗ’／ｈ’を取っている。
【００７８】
図１１によれば、ｗ’／ｈ’≒２としたときに、マイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．６ＧＨｚ以下）全域に亘ってＶＳＷＲ値を４．０以下に抑え得ることが分かる。
【００７９】
なお、図９〜図１１に示すＶＳＷＲ値の測定に際しては、給電線１２として幅が均一で直線的な帯状導体を用いている。ただし、給電線１２として図２（ａ）に示す幅が不均一で折り返された帯状導体を用いる場合であっても、５ＧＨｚ帯（５．１５ＧＨｚ以上５．８５ＧＨｚ以下）以外の帯域におけるＶＳＷＲ値は、概ね、図９〜図１１に示したものと一致する。
【００８０】
〔アンテナの指向性〕
最後に、アンテナ１の放射パターン（放射利得の方向依存性）について、図１２を参照して説明する。図１２（ａ）は、４ＧＨｚにおけるＸＹ平面内での放射パターンを示すグラフであり、図１２（ｂ）は、５．５ＧＨｚにおけるＸＹ平面内での放射パターンを示すグラフであり、図１２（ｃ）は、８ＧＨｚにおけるＸＹ平面内での放射パターンを示すグラフである。図１２（ａ）〜図１２（ｃ）を比較すると、５ＧＨｚ帯（５．１５ＧＨｚ以上５．８５ＧＨｚ以下）に属する５．５ＧＨｚにおいて放射が抑制されていることが見て取れる。また、その他の帯域においては、指向性の弱い良好な放射パターンが実現されていることが分かる。
【００８１】
〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明に係るアンテナは、広帯域において動作可能でありながら、その一部の帯域への干渉を回避したアンテナとして利用することができる。例えば、ＵＷＢ（Ultra Wide Band：超広帯域無線）に使用されるマイクロ波帯（３．１ＧＨｚ以上１０．６ＧＨｚ以下）において動作可能でありながら、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１ａ）に使用される５ＧＨｚ帯（５．１５ＧＨｚ以上５．８５ＧＨｚ以下）への干渉を回避したアンテナとして利用することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１ アンテナ
１０ 誘電体基板
１１ 放射素子
１１ａ，１１ｂ 放射素子の端点
１２ 給電線
１２ａ 端辺
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、上記誘電体基板の一方の主面に形成された放射素子及び給電線と、上記誘電体基板の他方の主面に形成された地板とを備えたアンテナであって、
上記給電線は、折返部が滑らかな曲線を描くように折り返された幅が不均一な帯状導体であり、上記誘電体基板を介して互いに重なり合う上記給電線と上記地板とによって、ＢＲＦ（Band RejectFilter）として機能するマイクロストリップラインが構成されている、ことを特徴とするアンテナ。
【請求項２】
上記給電線は、その幅の最大値がＷ［ｍｍ］であり、かつ、その中心軸が半径Ｒ［ｍｍ］の円弧を描くように折り返されており、
比Ｒ／Ｗが２．５以上である、ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
上記比Ｒ／Ｗが３．０以上である、ことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。
【請求項４】
上記比Ｒ／Ｗが３．５以上である、ことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ。
【請求項５】
上記放射素子は、矩形状の矩形部と半楕円状の半楕円部とからなる釣鐘型に成形されており、上記矩形部の幅ｗに対する上記矩形部の高さｈの比ｈ／ｗが０．５以上０．７５以下である、ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のアンテナ。
【請求項６】
上記放射素子は、矩形状の矩形部と半楕円状の半楕円部とからなる釣鐘型に成形されており、上記半楕円部の短軸ｂに対する上記半楕円の長軸ａの比ｂ／ａが０．５以上１.０以下である、ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のアンテナ。
【請求項７】
上記放射素子と上記給電線との間に介在する矩形状の整合部を更に備えており、上記整合部の高さｈ’に対する上記整合部の幅ｗ’の比ｗ’／ｈ’が２である、ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のアンテナ。
【請求項１】
誘電体基板と、上記誘電体基板の一方の主面に形成された放射素子及び給電線と、上記誘電体基板の他方の主面に形成された地板とを備えたアンテナであって、
上記給電線は、折返部が滑らかな曲線を描くように折り返された幅が不均一な帯状導体であり、上記誘電体基板を介して互いに重なり合う上記給電線と上記地板とによって、ＢＲＦ（Band RejectFilter）として機能するマイクロストリップラインが構成されている、ことを特徴とするアンテナ。
【請求項２】
上記給電線は、その幅の最大値がＷ［ｍｍ］であり、かつ、その中心軸が半径Ｒ［ｍｍ］の円弧を描くように折り返されており、
比Ｒ／Ｗが２．５以上である、ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
上記比Ｒ／Ｗが３．０以上である、ことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。
【請求項４】
上記比Ｒ／Ｗが３．５以上である、ことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ。
【請求項５】
上記放射素子は、矩形状の矩形部と半楕円状の半楕円部とからなる釣鐘型に成形されており、上記矩形部の幅ｗに対する上記矩形部の高さｈの比ｈ／ｗが０．５以上０．７５以下である、ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のアンテナ。
【請求項６】
上記放射素子は、矩形状の矩形部と半楕円状の半楕円部とからなる釣鐘型に成形されており、上記半楕円部の短軸ｂに対する上記半楕円の長軸ａの比ｂ／ａが０．５以上１.０以下である、ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のアンテナ。
【請求項７】
上記放射素子と上記給電線との間に介在する矩形状の整合部を更に備えており、上記整合部の高さｈ’に対する上記整合部の幅ｗ’の比ｗ’／ｈ’が２である、ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のアンテナ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図５】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図５】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−１２９５２（Ｐ２０１３−１２９５２Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４４８４６（Ｐ２０１１−１４４８４６）
【出願日】平成２３年６月２９日（２０１１．６．２９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 発行所名 社団法人 電子情報通信学会、刊行物名 電子情報通信学会２０１１年総合大会プログラム、該当頁数 １０１頁、発行日 平成２３年２月２８日
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２９日（２０１１．６．２９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 発行所名 社団法人 電子情報通信学会、刊行物名 電子情報通信学会２０１１年総合大会プログラム、該当頁数 １０１頁、発行日 平成２３年２月２８日
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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