高速無線ＬＡＮ用２周波共用広帯域平面アンテナ Dual Frequency Broad band Planar Antenna for High-Speed Wireless LAN Systems たまくまかずお電気工学専攻（修士課程） 102168 玉熊一雄移動体通信工学研究指導教員岩崎久雄１．まえがき表１無線ＬＡＮで使用している周波数近年、ノートパソコン等の携帯情報端末の通信システムとして高速無線 LAN が主に利用されている。現在、無線 LAN に使用されている周波数帯は、2.4GHz 帯と 5GHz 帯の２つの周波帯である。また、ノートパソコン等に無線 LAN が標準搭載される動向にあり、携帯情報端末に内蔵するための小型・薄型アンテナが盛んに研究されている［１］。本論文では、携帯情報端末に無線 LAN を内蔵して利用することを目的とした、2.4GHz 帯と 5GHz 帯で動作する２周波共用広帯域平面アンテナを提案している。三次元電磁界シミュレータを用いて、提案する平面アンテナの動作メカニズムを明らかにするとともに、アンテナ特性を明確にした。フレーム無線ＬＡＮ用アンテナディスプレー２．無線ＬＡＮで使用している周波数表１に無線ＬＡＮで使用している周波数を示す。これより、VSWR≦2 の帯域幅は、2.4GHz 帯で 100MHz、 5GHz 帯で約 1GHz となる。この帯域幅を目標とする。周波数 2.4~2.5GHz 4.9~5.25GHz 5.15~5.875GHz IEEE802.11b/g IEEE802.11a(日本) IEEE802.11a(欧米) 図１アンテナ搭載のイメージ L2 h2 d2 t2 L1 h1 ３．提案する平面アンテナの構造および動作 t1 d1 w2 w1 i 図１に本アンテナ搭載のイメージを示す。ノートパソコンにアンテナを搭載する場合、放射素子は液晶ディスプレイのフレームの部分に内蔵される。そこで放射素子の大きさを、フレームの内部に収まる程度の大きさとした。図２に提案するアンテナの構造を示す。本アンテナは、地導体板の一辺の右側に、高さｔ１、長さＬ１の逆Ｆの導体１と、左側に高さｔ２、長さＬ２の逆Ｌの導体２から構成されている。導体２は導体１とオーバーラップする様に配置する。放射素子の寸法はｔ２×W である。地導体板の寸法はＨ×Ｗである。同軸ケーブルで導体１と地導体板間に給電する。給電点から導体１の左端の長さで共振し、５GHz 帯で動作する。一方、給電点から導体２の右端の長さで共振し、２.４GHz 帯で動作する。よって、２周波化が図れる。導体２導体１給電点 H 地導体板 Z Y X W 図２アンテナの構造 5 ４．解析結果 4 VSWR Ansoft‐HFSSを用いて解析した。文献［１］では、地導体板と導体１の１周波フィルムアンテナが報告されている。そこで、導体２を配置した時のＶＳＷＲの変化を解析した。図３に導体２の有無によるVSWRを示す。導体２により、２.４GHz帯と５GHz帯の２周波で共振していることが分かる。導体２を配置した本アンテナの共振周波数は、１周波アンテナの共振周波数４.６GHz に比べて、５.６５GHz と高くなっている。これより、１周波アンテナとは異なる動作をしていることが分かる。本アンテナの動作を確認するために、２.４２GHz と５.６５GHzの電界分布を解析した。電界分布より、５ GHz帯では地導体板と導体１の間で、給電点から導体１の左端で共振している。２.４GHz帯では、給電点から導体１の左端を折り返して、導体２の右端で共振している。よって、本アンテナはスロットアンテナの様に動作することが分かった。このアンテナのVSWR≦２の帯域幅は 3 導体２なし 2 導体２あり 1 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 Frequency[GHz] H=W= 30 , L1= 22 , h1= 3 , t1= 4 , d1= 1 , w1= 2 i=8 , L2= 15 , h2= 4 , t2= 9 , d2= 1 , w2= 2 単位:mm 図３導体２の有無によるＶＳＷＲ 0 ２.４GHz帯で２００MHz、５GHz帯で１GHzが得られた。図４に放射指向性を示す。２.４GHz帯のピーク利得は０.１dBiで、Ｙ軸方向に放射している。５GHz帯のピーク利得は４.９dBiである。以上の結果より、２.４GHz 帯と５GHz帯に要求される帯域幅を満たすことが分かった。更に、５GHz帯では周波数のずれ等を考慮すると、より広帯域なアンテナが求められる。 0 10 330 30 0 300 10 330 X-Y面 X-Z面 Y-Z面 60 60 -10 90 -20 270 -10 120 240 120 0 210 0 150 10 210 150 10 180 180 f = 2 . 42 GHz 図５に５GHz 帯の広帯域化を行ったアンテナの構造を示す。このアンテナは、図２に示したアンテナの導体１に幅Ｓ、長さＬ０のスリット２を設け、導体１を２本にする。５GHz 帯は、給電点から導体１と地導体板間および、導体１のスリット１とスリット２で２共振させることで広帯域化することができると考えられる。 90 -20 -10 240 ５．広帯域化したアンテナの構造および動作 X-Y面 X-Z面 Y-Z面 300 -10 270 30 0 f = 5 . 65 GHz 図４放射指向性導体２Ｌ2 h2 h1 s ６．広帯域化したアンテナの解析結果 t2 図６にＬ０をパラメータとしたＶＳＷＲを示す。スリット２により、５GHz 帯が２共振化し、Ｌ０＝２１mm では、４.８３GHz と６.２３GHz で共振することが分かる。図１のアンテナでは、５GHz 帯のＶＳＷＲ≦２の帯域幅は１GHz であった。図５のアンテナでは、Ｌ０＝２１mm において、２.４GHz 帯で７０MHz、５GHz 帯で２.４３GHz の帯域幅が得られた。以上より、スリット２を設けることで、５GHz 帯を広帯域化できることが分かった。図７にＬ０＝２１mm における、各共振周波数の放射指向性を示す。各共振周波数のピーク利得は、２. ４８GHz で−１.２０dBi 、４.８３GHz で３.３２dBi 、６.２３GHz で４.１４dBi となり、５GHz 帯の指向性は、ほぼ同じであることも分かった。 w2 導体１Ｌ1 d2 Ｌ0 w0 t1 h0 d1 w1 i 給電点スリット１スリット２Ｈ地導体板 Z Y X Ｗ図５５ＧＨｚ帯を広帯域化したアンテナの構造７．まとめ 5 L0 =16mm 4 L0 =21mm L0 =18mm VSWR 本論文は、高速無線 LAN 用の２周波共用広帯域平面アンテナを提案し、三次元電磁界シミュレータを用いて動作メカニズムを検討した。導体１と導体２を共にオーバーラップする様に配置することで、アンテナを２周波化できることを示した。また、５GHz 帯の広帯域化として、導体１にスリット２を設けることで、５GHz 帯が２共振化され広帯域化できることを示した。 3 L0 =20mm 参考文献 2 ［１］池ケ谷他、「2.4GHz 帯モバイル機器内蔵用フィルムアンテナ」日立電線、No21（2002-1）［２］玉熊・岩崎、「高速無線ＬＡＮ用２周波共用広帯域平面アンテナ」2003 信学ソ大、Ｂ−1−１７８ 1 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 Frequency[GHz] 謝辞 H=30 , W= 25 , L1= 22 , L2= 10 , t1= 3.5 , t2= 8 , s= 1 , d1= 1 d2= 1 w0= 2 , w1= 3 , w2= 2 , h0=0.5 , h1= 1 , h2= 3.5 , i = 8 単位：mm 本研究を進めるにあたり、熱心な御指導を賜りました岩崎久雄教授に深く感謝の意を表します。図６Ｌ０をパラメータにしたＶＳＷＲ 0 330 10 0 30 0 300 330 X-Y面 X-Z面 Y-Z面 60 300 90 60 270 180 f = 2.48GHz 300 90 60 270 120 210 10 90 -20 240 120 0 150 X-Y面 X-Z面 Y-Z面 -10 240 0 30 0 -10 120 10 -10 -20 -10 240 10 330 X-Y面 X-Z面 Y-Z面 -10 -20 210 0 30 0 -10 270 10 0 150 180 f = 4.83GHz 図７広帯域化したアンテナの放射指向性 210 10 180 150 f = 6.23GHz