JP2002510886A - 金属の表面電流を除去する回路および方法 - Google Patents

金属の表面電流を除去する回路および方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面電流を抑えたグランドプレーンを提供する。 【解決手段】 導電性背面板シート(30)に各々が接続され間に絶縁誘電体(62)が配置された複数の導電性パッチ(62)により、容量性要素(12)と誘導性要素(14)の周期的な二次元パターンが金属シートの表面内に画成されている。それら要素は、それらによって定義される表面内において表面電流を抑制する働きをする。とりわけ、このアレイは、アンテナと組み合わせて使用するグランドプレーンメッシュ(24)を形成する。グランドプレーンメッシュの性能は、グランドプレーンメッシュに沿って事実上表面電流が伝搬することができないところの周波数帯域によって特徴付けられる。そのため、このようなグランドプレーンを航空機や他の金属製乗物に使用すると、アンテナからの放射が航空機や他の乗物の金属表皮に沿って伝搬するのを防止する。また、この表面は、通常の金属表面の場合に生じる位相ずれなしに、電磁波を反射する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明の努力分野は、アンテナ用のグランドプレーンに関し、特にアンテナ
によりグランドプレーン上に誘導される表面電流を減少させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
グランドプレーンは、殆どの無線周波およびマイクロ波のアンテナの広く行き
わたった特徴的部材である。それは、アンテナの下方に横たわる導電性の表面で
できており、殆どの放射をアンテナが置かれている半球の中に指向させることに
よりしばしば有用な作用を果たす。頻繁に、グランドプレーンは、表面が金属の
航空機の場合のように、意図してというよりもむしろ必然的に存在する。多くの
タイプのアンテナにとって、グランドプレーンはアンテナの機能を低下させたり
アンテナの設計自体を左右する。最も自明な制約は、導電性表面上の正接電界が
ゼロでなければならないということであり、そのため電磁波は反射の際に１８０
゜の位相シフトを被るということである。このことは、しばしばアンテナに約１
／４波長の最低高さを課している。そのうえ、ＲＦ表面電流は、グランドプレー
ンの金属表面に沿って自由に伝搬することができる。これらの表面電流は、エッ
ジその他の不連続箇所からの放射のために電力損失を招き、その航空機上の近隣
アンテナ間に干渉をもたらす結果となる。位相合わせしたアレイでは、表面電流
は特に問題となり、アンテナ素子間の結合をもたらし、死角を生じさせる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、ＲＦ電流の伝搬を阻止し電磁波を位相シフトゼロで反射するような金
属表面を提供する何らかのタイプの方法または設計が必要となってくる。また、
アンテナと関係するグランドプレーン上の表面電流を抑制して、より効率的なア
ンテナを提供し、位相合わせしたアレイにおいて素子間の結合を減じ、そして航
空機上の近隣アンテナ間の干渉を減じるような何らかのタイプの方法または装置
がさらに必要である。さらに、アンテナの後方半球へ電力を放射するエッジ電流
のない反射器が必要である。また、反射波が位相シフトされず、放射素子がグラ
ンドプレーンにより短絡されることなく放射素子をグランドプレーンの表面の非
常に近くに置くことができるため、より小型のアンテナを実現できるようなグラ
ンドプレーンも必要である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、複数の要素を備えてなるグランドプレーン内に電磁的に誘導され
る表面電流を減少させるための装置である。各要素は、共振回路である。要素の
各々は、互に相互接続されてアレイを形成している。各共振回路は、一枚の露出
表面を有する。複数の要素の対応する複数の露出表面がグランドプレーンを画成
する。
【０００５】 要素の各々は、電気的にＬＣ共振回路として機能する。要素の各々は、下位の
複数（subplurality）の隣接する要素を有し、その隣接する要素の各々に容量的
に結合されている。複数の要素の各々は、一緒に共通に誘導的に結合されている
。
【０００６】 図解されている態様では、複数要素のアレイは、一つの表面を形成する対応す
る複数個の分離した導電パッチを有する。それらパッチの表面から所定の距離を
隔てて一枚の共通の導電性の背面板がある。それら複数のパッチは、一枚の共通
表面を形成する。複数のパッチの各々は、隔てられた背面板に導電線により結合
されている。発明の装置は、さらに、背面板と複数の要素により画成される表面
との間に設けた誘電体材料を備えている。
【０００７】 図解されている態様では、誘電体材料は誘電体シートである。複数のパッチは
、誘電体シートの第一の表面上に形成された導電性のパッチであり、背面板は、
誘電体シートの反対側の表面上に設けられた連続した導電性の表面である。パッ
チを背面板に接続する線は、誘電体シートを通って画成されるバイアの中に形成
された金属化構造体である。パッチは、誘電体シートの第一の表面上に画成され
た六角形の金属化構造体である。
【０００８】 複数の共振要素は、装置内における表面電流の伝搬を所定の周波数帯域ギャッ
プ内で事実上遮るようにパラメータ設定されている。とりわけ、複数の要素は、
この装置からの電磁波放射を周波数帯域ギャップ内の周波数において位相シフト
なしで反射するようにパラメータ設定されている。
【０００９】 この発明の装置は、さらに、共振要素の表面の上方または内部に設けられたア
ンテナを備えている。とりわけ、そのアンテナは、共振要素の表面に対して平行
に設けられた放射素子で構成されていて、共振要素の表面はアンテナのためのグ
ランドプレーンとして働く。
【００１０】 一つの態様では、アンテナはワイヤアンテナである。他の態様では、アンテナ
はパッチアンテナである。パッチアンテナを共振要素の一つ以上の代わりにその
位置に置換して、共振要素の表面内に設けてもよい。
【００１１】 他の態様では、複数の要素は、少なくとも第一および第二のセットの要素を含
んでなっている。第一のセットの要素は、グランドプレーンを含む第一の定義さ
れた平面内に設けられている。第二のセットの要素は、第二の定義された平面内
に設けられている。第二の定義された平面は、第一のグランドプレーンから空間
を隔ててその上方に設けられている。第一および第二のセットの要素により形成
されるアレイは、それぞれが重なり合ったモザイクを形成し、第二のセットの各
要素が前記第一のセットの要素の中の少なくとも一つの要素から離れて重なり合
っている。言い替えれば、基本的グランドプレーンアレイは、その上に重ね合わ
さった複数のパッチを有し、それらパッチは、背面板にも接続されているが、金
属パッチの第一の平面の上に被さって金属パッチの第二の平面を形成している。
【００１２】 さらに他の態様では、第一および第二のセットの要素の各々が、さらに一つ以
上の対応するサブセットの要素を含んでいる。第一のセットの要素の各サブセッ
トは、互いに積み重ねられており、第二のセットの要素の各サブセットは、互い
に積み重ねられている。第一のセットの要素のサブセットは、第二の要素の少な
くとも一つのサブセットから離れかつそれに隣接しており、第一および第二のセ
ットの要素の交互に重なり合ったアレイの二枚以上の層ができている。言い替え
れば、上記で述べた二重層のグランドプレーンは、重ね合わさったパッチの交互
の層を垂直に設けることにより任意の回数繰り返して、パッチの多層階構造を形
成することができる。パッチのそれら平面は、単独で加えて奇数枚の平面をなす
こともできるし、対で加えて偶数枚の平面をなすこともできる。
【００１３】 パッチの各平面の間に誘電体材料を設けることができ、各層の間に同じタイプ
の誘電体材料であってもよいし、材料を選択的に選んで異タイプの誘電体材料の
層を順次段階付けて設けてもよい。
【００１４】 この発明は、また、導電性表面内の表面電流を減少させる方法とも定義され、
複数の共振要素の二次元的アレイを当該表面に用意するステップを含んでいる。
各共振要素は、互いに結合されて、形状および材料によりパラメータ設定され、
帯域内で表面伝搬が実質的に減少される周波数帯域ギャップを総合的に呈してい
る。共振要素の表面の上方に設けられたソースから周波数帯域ギャップ内の周波
数において電磁波エネルギがを放射され、表面から反射される電磁波放射が周波
数帯域ギャップ内の周波数において位相シフトを有しないようになっている。
【００１５】 用意される表面は、周期的またはほぼ周期的なアレイを形成する複数の導電性
要素（導電素子）である。アレイの各要素は、下位の複数の隣接する要素を有し
ていて、それら下位の複数の隣接する要素に容量的に結合されている。複数の要
素の各々は、互いに誘導的に共通結合されている。とりわけ、複数要素の共振ア
レイは、第一の表面上に周期的またはほぼ周期的なアレイを画成する複数の導電
パッチと、第一の表面から所定の距離だけ隔てられた連続した導電性の第二の表
面である。第一の表面の導電パッチの各々は、連続した導電性の第二の表面に誘
導的に結合されている。
【００１６】 ソースから電磁波エネルギを放射するステップは、複数要素のアレイの表面と
平行でかつそれに隣接して設けられたアンテナから電磁波エネルギを放射するこ
と、または共振要素のアレイの表面内に設けられたアンテナから電磁波エネルギ
を放射することを含んでいる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
添付の図面により、この発明をよりよく視覚化し、そこでは同じ部分は同じ数
字で参照されている。この発明がよりよく理解されるために、図解された実施態
様を以下に詳細に説明する。図解された実施態様は、単に例として提供するもの
で、前記の請求項で規定するこの発明を限定する意図のものではない。
【００１８】 間に絶縁誘電体を介在させて導電性の背面板シートに各々が接続された複数の
導電パッチによって、金属シートの表面内に画成される容量性要素および誘導性
要素の二次元の周期的なパターンが用意される。それらの要素は、それらによっ
て画成される表面内の表面電流を抑制するように働く。とりわけ、このアレイは
、アンテナと組み合わせて使用するためのグランドプレーンメッシュを形成する
。グランドプレーンメッシュの機能は、グランドプレーンメッシュに沿って表面
電流が実質的に伝搬することのできない周波数帯域によって特徴付けられる。航
空機や他の金属製の乗物にそのようなグランドプレーンを使用することにより、
アンテナからの放射が航空機や乗物の金属表皮を横切って伝搬するのを防ぐ。こ
れにより、グランドプレーン上の表面電流をなくし、電力損失および隣り合うア
ンテナ間の望まない結合を減少させる。
【００１９】 この発明は、図１に点線の枠１０で図式的に示された付き出した金属要素１０
の薄い二次元パターンから離されかつそれにより被われた連続金属シート３０を
備えてなっている。それぞれの要素１０は、その隣と容量的に結合しているとと
もに、金属シートに誘導的に結合している。例えば、図１の図式的な線図を見る
と、要素１０が仮想キャパシタ１２によって互いに容量的に結合し、仮想的イン
ダクタ１４によりシート３０に誘導的に結合しているように図式的に示されてい
る。要素１０は、薄いメッシュの形態で設けられており、それにより並列共振回
路の二次元回路網として働き、要素１０のアレイにより総合的に構成されている
メッシュ２４の表面インピーダンスを劇的に変化させる。
【００２０】 ここで、図２の図式的な線図を見よう。図２は、図式的形態における印刷回路
板の横断面図である。回路板２４は、在来の絶縁材料２６でできている。板２４
の裏側の表面２８には、銅クラッドのシートのような連続金属シート３０が設け
られている。板２４の表側の表面は、金属バイア接続体３６により各々が裏面プ
レート３０に結合されている六角形の金属パッチ３４の二次元三角格子でパター
ン形成されている。明らかに、寸法等は、この発明の教えるところと矛盾しない
要領で用途に応じて任意に変更することができる。
【００２１】 実効的には、回路板２４は、ＲＦ電流が金属表面３０に沿って流れるのを防ぐ
二次元の周波数フィルタである。パッチ３４は、三角形の格子に配置されている
けれども、この発明はこの幾何学的形態に限定されるものでもなく、正確に周期
的である必要もない、と理解されなければならない。より重要なパラメータは、
表面の上の個別の要素のインダクタンスおよびキャパシタンスである。この故に
、各要素のインダクタンスおよびキャパシタンスに関してこの発明の教えと矛盾
しないで、他の多くの幾何学的形態および非周期的パターンが採用されてもよい
、と明白に理解されなければならない。
【００２２】 図３は、図２のグランドプレーンメッシュ２４の上平面図である。各要素３４
は、その中央で金属バイア３６と接続された六角形の形に設けられている。複数
の六角形の要素３４がメッシュ２４の表面を横切る三角格子を形作っている。
【００２３】 ここで、グランドプレーンメッシュ２４の働きを、図４および５の上平面図に
それぞれ垂直および水平のモノポールアンテナについて図式的に示されたように
、波がその表面の一端からモノポールアンテナプローブを用いて発せられ他端に
おいて類似のアンテナで受けられた場合について考察する。強力な伝送は、グラ
ンドプレーンメッシュ２４内の表面モードに結合していることを示す。
【００２４】 図６は、図４の試験用装置構成において測定されたｄＢで表した伝送振幅をＧ
Ｈｚで表した周波数の関数として示すグラフである。図６に描画された実験結果
に約２８ＧＨｚの所に下側の帯域エッジ５４が明瞭に示されており、そこの所で
伝送振幅が３０ｄＢだけ急峻に落ちている。下側の帯域エッジ５４より上では、
表面電流はグランドプレーンメッシュ２４の上表面の上の並列共振回路のパター
ンによって阻止されている。上側の帯域エッジは、測定装置がその範囲で５０Ｇ
Ｈｚに制限されていたので、図６の描写には見られない。
【００２５】 図６のこの発明の伝送性能を図７に示されたような従来のプレーン金属シート
のそれと比較する。帯域ギャップの中、すなわち下側と上側の帯域エッジの間の
周波数範囲では、この発明の構造体を横切る伝送は、通常の金属シート上よりも
２０ｄＢ少ない。したがって、図６と７を比較することにより、この発明のグラ
ンドプレーンメッシュ２４内で表面電流の伝搬が抑制されることの有効な証拠が
得られる。
【００２６】 ここで、小さいモノポールアンテナに対するグランドプレーンメッシュ２４の
効果を考察する。この試験では、同軸ケーブルがグランドプレーンメッシュ２４
の後ろ側を通って挿入され、同軸ケーブルのセンタピンをグランドプレーンメッ
シュ２４の前側を越えて２ｍｍ延び出させてモノポールアンテナとして作用させ
ている。同軸ケーブルの外側導体は、グランドプレーンメッシュ２４の後ろ側で
連続した金属の後ろ側シート３０に接続されている。無響室内で測定した角度の
関数としてのアンテナパターンが図８および９に示されており、それらはそれぞ
れ帯域エッジより下および上のアンテナパターンの極座標プロットである。帯域
エッジより下では、図８に示されるように、モノポールアンテナは９０°と２７
０°の間の後方の半球の中へも含めてあらゆる方向に放射する。極パターンは、
アンテナゲインの方位角分布を示しており、グラフの中心からの半径方向距離に
より伝送強度をｄＢで表している。したがって、前方の半球は、正面方向である
０°を通って９０°と２７０°の間の角度である。後方の半球は、後方正面方向
である１８０°を通って９０°と２７０°の間の角度である。
【００２７】 図８の後方放射は、グランドプレーンに沿って伝搬しエッジから電力を放射す
る電流のせいである。このパターンは、また、グランドプレーン上に定在波を形
成する表面電流のため、多くのローブを含んでもいる。帯域エッジより上では、
背面板電流は、図９に劇的に示されているように消去されている。結果として得
られるアンテナパターンは滑らかで、後方半球におけるアンテナ阻止(antenna r
ejection)は３０ｄＢよりも大きい。表面電流がエッジへ伝搬できないので、実
際に使用されたグランドプレーンの有限の大きさおよび容量は、それが恰も無限
であるかのように見える。
【００２８】 比較の目的のために、同じ極座標プロットを、同じ周波数で、だだし従来の金
属グランドプレーンつまり無垢の金属シートについて、図１０および１１に示す
。予想どおり、図１０および図１１は、両者とも多くのローブおよび後方半球へ
の相当量の放射を示している。
【００２９】 上記に説明した測定からいくつかの結論が導き出せる。第一に、無線周波（Ｒ
Ｆ）の表面電流は、しばしば実際のアンテナ環境において存在し、それらはアン
テナの放射パターンに相当な影響を与える。この発明のグランドプレーンメッシ
ュ２４は、ＲＦ表面電流の伝搬を実質的に減少させ、それに対応する改善をアン
テナパターンに達成する。上記の例証では単純なモノポールを用いたが、その結
果はこの発明の改善が多くのタイプのアンテナにおいて実現されることを示唆し
ている。この発明のグランドプレーンメッシュ２４は、表面波に相当量の電力を
失う傾向のあるパッチアンテナの効率を改善することができる。位相合わせした
アレイでは、この発明の構造が死角効果および要素間の結合を減じることができ
る。航空機では、この発明のグランドプレーン構造の二次元幾何学形態を有する
ガードリングを使用することにより、近接するアンテナ間の干渉を減らすことが
できる。無線電話では、この発明に従って工夫した表面を使用して、使用者から
電磁波放射を離して指向させることができる。最も重要なことは、従来の金属グ
ランドプレーンの欠点のために以前は実現的でなかったアンテナの設計が、今や
このグランドプレーンメッシュ２４でもって可能となるのである。
【００３０】 この発明の第二の重要な特徴は、それが電磁波を通常の金属表面とは異なる位
相で反射することである。反射波の位相は、ホーンアンテナを使用して表面に向
けて平面波を発射し、第二のホーンアンテナで受信した波の位相を測定すること
によって試験することができる。反射波の位相を図１２に示す。２８ＧＨｚにお
ける帯域ギャップより下では、反射波の位相は、通常の金属表面の場合と同じで
あり、反射の際１８０°の位相シフトを示している。帯域エッジの近傍の２８Ｇ
Ｈｚでは、位相シフトは９０°の値のところを通過するが、３５ＧＨｚでは反射
波はゼロの位相シフトを有する。位相シフトがゼロであるグランドプレーンは、
その表面に電界の節（ノード）を持たず、むしろ腹を持つことになる。そうする
と、アンテナを、短絡されることなく、グランドプレーンメッシュ２４の表面の
非常に近くに置くことができる。
【００３１】 ２８ＧＨｚにおける帯域帯域エッジの近くで周波数とともに変化する位相シフ
トは、等価のタイムグループディレイと関連させることができる。誘電体の如何
なる厚さが図８および９に図解されたモノポールアンテナのグループディレイと
関連しているかを論じるのは、自然なことである。等価厚みは、材料２６の誘電
定数がε＝２．２であることを考えると、グランドプレーンメッシュ２４の実際
の厚みの３倍に等しい。このように、位相シフトは、単純にグランドプレーンメ
ッシュ２４の厚みのためではなく、むしろグランドプレーンメッシュ２４の表面
上の共振回路のエネルギ蓄積作用である。別の見方をすると、それは、材料の共
振性質のため増加した実効誘電定数と見ることもできる。
【００３２】 この発明は、従来の金属グランドプレーンをグランドプレーンメッシュ２４で
置き換えることによって、単純モノポールアンテナなどの種々のアンテナの特性
を改善するために使用することができる。モノポールアンテナや他のデザインの
アンテナから後方半球内の放射を除きかつアンテナパターンを滑らかにすること
が期待できる。キャパシタンスおよびインダクタンスを増加することにより、こ
の発明の教えるところに従って作られた構造のものは、図解の実施態様に関して
説明したマイクロ波周波数においてのみでなく、超短波（ＵＨＦ）またはそれよ
り低い周波数においても動作することができる。
【００３３】 グランドプレーンメッシュ２４を備えてなる並列共振回路の中のキャパシタン
スおよびインダクタンスを増加することにより、下側の帯域エッジの周波数を低
くすることができる。この構造体を横切る表面電流伝送を図１３に示し、そこに
は帯域ギャップが１１および１７ＧＨｚの間に明瞭に見られる。図１４は、この
キャパシタンスおよびインダクタンスを設けた表面から反射される電磁波につい
て生じる位相シフトを示す。低い周波数においては、反射位相は１８０°で、反
射波が入射波と逆相であることを示している。この低い周波数範囲では、平面は
そのように通常の連続金属グランドプレーンシートに類似している。周波数が下
側の帯域エッジ５４を越えて増加するにつれて、波は同相で反射される。図１４
の右側部分の陰影領域に示された帯域ギャップの中では、波は同相で反射される
。これにより、帯域ギャップの中では、そのような構造の近くに置かれたアンテ
ナは、反射波から建設的な干渉を受け、短絡されないことになる。反射波の位相
は、帯域ギャップの中でゼロを横切り、上側の帯域エッジ５６を越える周波数に
おいて終局的には−１８０°に近づく。
【００３４】 この発明のグランドプレーンメッシュ２４は、かくして通常の金属グランドプ
レーンでは不可能であった低い丈のアンテナを製造できるようにする。図１５は
、航空機の表皮において起こり得るように在来の金属グランドプレーン６０に対
して平らに横たわるかまたは僅かに上方に離された従来技術の水平ワイヤアンテ
ナ４８を示す。図１６は、この発明のグランドプレーンメッシュ２４の上方に設
けられた同じアンテナ５８を示す。図１５のアンテナのＳ１１反射損失(return
loss)を周波数に対する伝送強度のグラフとして図１７のグラフに示す。Ｓ１１
反射損失は、アンテナから反射されてソースに向かって戻る電力の測定である。
このアンテナは、−３ｄＢつまり５０％以上の電力をマイクロ波ソースの方へ反
射し戻すので、非常に貧弱な放射性能を呈する。グランドプレーン６０の金属表
面の好ましくない位相シフトがアンテナ５８からの直接放射と金属表面６０から
反射された放射との破壊的な干渉を生じさせるために、貧弱な放射性能になるも
のと理解できる。
【００３５】 図１８は、グランドプレーンメッシュ２４を付けた同じアンテナ５８のＳ１１
反射損失を示す。帯域エッジ５４より下では、アンテナ５８も図１５および１７
に示された在来の金属グランドプレーンの上方にアンテナを配置した構造に似て
貧弱に機能する。帯域エッジ５４より上では、電磁波はグランドプレーンメッシ
ュ２４の表面から同相で反射されるので、直接放射を強める。アンテナ５８は、
約−１０ｄＢ（１０％）の反射損失でもって良好に機能する。
【００３６】 図１５および１６の二つのグランドプレーン配置構成におけるアンテナ５８の
極放射パターンをそれぞれ図１９および２０に示す。測定は、１３ＧＨｚで行い
、同じスケール上にプロットした。グランドプレーンメッシュ２４上のワイヤア
ンテナ５８は、在来の金属グランドプレーン上のものよりも約８ｄＢ多い利得を
有し、Ｓ１１測定と一致する。
【００３７】 同様に、図２１および２２は、パッチアンテナ６２を図式的に描写した横断面
図であり、図２１では通常の金属グランドプレーン表面６０の上方に取り付け、
図２２ではグランドプレーンメッシュ２４の上方に取り付けてある。図２１およ
び２２のアンテナ配置構成について測定したアンテナ反射損失を図２３のグラフ
に示す。両者配置構成は、類似の反射損失および帯域幅を有する。図２４は、金
属表面６０の上のパッチアンテナの１３．５ＧＨｚでの極放射パターンを示し、
そこでは両者アンテナの反射損失は等しい。このパターンは、後方半球内に相当
量の放射を有するとともに、前方半球内に波打ちを有する。これらの効果の両方
ともグランドプレーン上の表面電流により起こされている。
【００３８】 図２５は、グランドプレーンメッシュ２４付きのパッチアンテナ６２について
の極放射パターンを示す。このパターンは、より滑らかで、より対称的で、後方
への放射がより少ない。このアンテナは、また従来のグランドプレーン付きで使
用したときよりも約２ｄＢ多い利得を有する。
【００３９】 図２６は、グランドプレーンメッシュ２４の別の実施態様の横断面図であり、
上面金属パッチ６２がメッシュ２４内でプレート３４の上方にそれと重なり合っ
て設けられ、プレート３４から薄い誘電体スペーサ７０で隔てられている。図２
７は、図２６に示された構造体の上平面図である。金属パッチの上層がその下方
の第二の層と重なり合って示されている。これにより隣り合う要素間のキャパシ
タンスを増加させ、周波数を低くしている。導電バイア７２が一部のまたは全部
の金属パッチ６２を無垢の金属シート３０に接続しており、金属シート３０は第
二の誘電体層２６により金属パッチ６２の多数の層から隔てられている。所望の
キャパシタンスを実現するために、所望に応じて図２６に示されたものに金属パ
ッチ６２および誘電体シート７０の追加の層を垂直方向に加えることができる。
【００４０】 図２６および２７のグランドプレーンメッシュ２４の電磁特性を図２８および
２９のグラフに描写する。図２８は、図２６および２７に描写した構造体の上に
おける表面波伝送強度対周波数のグラフである。帯域ギャップが２．２ＧＨｚか
ら２．５ＧＨｚの周波数範囲をカバーしていることを見ることができる。図２９
は、図２６および２７に描写した構造体の反射位相のグラフである。反射位相は
帯域ギャップ内の周波数の所でゼロを横切っている。
【００４１】 したがって、グランドプレーンメッシュ２４の動作する周波数が幾何学的態様
を調節することによって調整できるということが理解できる。グランドプレーン
メッシュ２４上の低い丈のアンテナは、無垢の金属グランドプレーン上の類似の
アンテナよりも良好に機能することを実証している。図解した実施態様は、垂直
モノポールまたは水平ワイヤのアンテナおよびパッチアンテナの比較上の使用の
みを示してきたが、類似のやり方で他のアンテナデザインを採用することもでき
る。両者アンテナの配置構成は、表面波抑制をうまく利用しているもので、パッ
チアンテナよりも水平ワイヤアンテナの方が、グランドプレーンメッシュ２４の
表面の位相特性の反射から利を受けており、他のやり方では不可能であろうアン
テナの新規な幾何学的態様（大きさや形）を提供する。
【００４２】 まとめとして、ここに次のことが実現される。すなわち、この発明のグランド
プレーンメッシュ２４は、 （１）金属要素の二次元的配置を取り入れた金属グランドプレーンで構成されて
おり、 （２）各要素は、近隣の要素と容量的に結合され、背面シート３０のグランドプ
レーンに誘導的に結合されており、 （３）メッシュ２４は、並列共振回路の回路網を形成し、 （４）並列共振回路は、グランドプレーンメッシュ２４上の表面電流の伝搬を阻
止し、そして （５）グランドプレーンメッシュ２４の共振性質がその表面から反射される電磁
波位相を変化させる。
【００４３】 グランドプレーンメッシュ２４は、その表面に沿うＲＦ電流の伝搬を阻止する
。
【００４４】
【付言】
この発明の精神および範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの変更
や修正が可能である。したがって、図解した実施態様は例のためにのみ説明した
のであり、それは各請求項で定義されるこの発明を限定すると解釈されるべきで
ない、と理解されなければならない。
【００４５】 この発明およびその種々の実施態様を説明するためにこの明細書で使用した語
句は、それらの一般的に定義された語義の意味においてのみならず、この明細書
中で特別に定義したことにより、一般的に定義された語義の範囲を越えて構造、
材料または行為を含むものと理解されるべきである。したがって、一つの要素が
この明細書の文脈において一つより多い意味を含むと理解できる場合は、請求項
におけるその語句の使用は、明細書および語句自体により支持されたあらゆる可
能な意味に対して総称的であると理解されるべきである。
【００４６】 したがって、前記の請求項の語句または要素の定義は、文字どおりに説明され
ている要素の組合せのみならず、実質的に同じ作用を実質的に同じ具合に果たし
実質的に同じ結果を得るためのあらゆる等価の構造、材料または行為を含むもの
とこの明細書において定義される。この意味において、したがって、前記請求項
の要素の如何なる一つを二以上の要素によって等価的に置換してもよいし、また
は請求項中の二以上の要素を単一の要素で置換してもよい。
【００４７】 当業者から見て、請求されている主題からの実質的でない変更は、現在知られ
ているものおよび後に考案されたものとも、等価的に請求項の範囲内にあると、
ここに殊更に意図するところである。したがって、当業者に現在または後日知ら
れる自明の置換は、定義された要素の範囲内にあると、ここに定義する。
【００４８】 したがって、請求項は、上記に具体的に図解し説明したところのもの、概念的
に等価であるもの、自明に置換できるもの、およびこの発明の本質的な思想を本
質的に取り込んでいるものを含むと理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明のグランドプレーンメッシュの等価回路図であり、突き
出した複数要素の薄い二次元の層に被われたグランドプレーンの金属シートを示
す。各要素は互いに容量的に接続されているとともに、背面の金属表面に誘導的
に接続されている。反対側の表面の金属要素の周期性ピッチａおよびグランドプ
レーンメッシュの厚さｔは、自由空間波長に比べて十分に小さい。
【図２】 この発明のグランドプレーンメッシュ２４の横断面図である。
【図３】 図１の分布インダクタンスおよび分布容量を組み入れたこの発明
のグランドプレーンメッシュの実際の二次元グランドプレーン構造の平面図であ
る。
【図４】 グランドプレーンメッシュ上の表面波モードを測定するための技
術を図解する図である。図示の態様は、垂直モノポールアンテナプローブ（これ
がグランドプレーンを横切って表面波を伝送する）、および表面波を受信する類
似のアンテナを示す。
【図５】 水平方向に向けたモノポールアンテナプローブを使用してグラン
ドプレーンメッシュを横切る表面波を測定する別の技術を図解する図である。
【図６】 図４に示した表面波測定技術を使用した伝送強度対周波数のグラ
フである。
【図７】 グランドプレーンとして作用する従来の連続金属シートについて
の伝送強度対周波数のグラフである。
【図８】 帯域エッジより下の２６．５ＧＨｚの周波数で動作するこの発明
のグランドプレーンメッシュ上に取り付けたモノポールアンテナの極放射パター
ンである。
【図９】 ３５．４ＧＨｚの周波数で動作する図８に示した同じモノポール
の極放射パターンである。後方半球の放射が３０ｄＢ減じられており、このパタ
ーンにはグランドプレーン上のマルチパス電流に関わる死角がなく、滑らかな主
ローブのみを呈している。
【図１０】 通常の金属グランドプレーンにおける２６．５ＧＨｚでの類似
のモノポールの極放射パターンである。
【図１１】 図１０のモノポールの３５．４ＧＨｚでの極放射パターンであ
る。
【図１２】 この発明のグランドプレーンメッシュの通常の金属表面に関す
る反射波の位相を周波数の関数として示すグラフである。周波数につれて位相が
変化し約３５ＧＨｚでゼロを通過することが描かれている。
【図１３】 この発明のグランドプレーンメッシュ上での表面波伝送強度を
周波数の関数として示すグラフである。帯域ギャップが１１ＧＨｚから１７ＧＨ
ｚの範囲をカバーして明瞭に見られる。
【図１４】 この発明のグランドプレーンメッシュから反射された波の位相
シフトを周波数の関数として示すグラフである。帯域ギャップ内では、波は同相
で（位相が合って）反射されている。帯域ギャップ外では、通常の連続金属グラ
ンドプレーンシートの場合のように、波は逆相で（位相が外れて）反射されてい
る。
【図１５】 金属表面に対して平らに横たわる水平ワイヤアンテナの図式的
な描写である。このアンテナは、金属表面から反射される波からの破壊的な干渉
のため十分に放射しない。というのは、金属表面、つまりその中に形成される打
消し像により実効的に短絡されるからである。
【図１６】 この発明のグランドプレーンメッシュを使用した水平ワイヤア
ンテナの図式的な断面描写である。グランドプレーンメッシュの好ましい位相シ
フト特性のため、図１６のアンテナは短絡されず、十分に放射する。
【図１７】 図１５の金属グランドプレーン上方の水平ワイヤアンテナにつ
いてＳ１１の反射損失を示す周波数の関数としての伝送強度のグラフである。反
射損失は−３ｄＢ（５０％）より大きく、アンテナが不十分に回転していること
を示している。
【図１８】 図１６に示したのと同じこの発明のグランドプレーンメッシュ
上方のアンテナからのＳ１１反射損失である。下側の帯域エッジより下では、ア
ンテナは通常のグランドプレーンシート上のアンテナと似たように機能している
。帯域エッジより上では、反射損失は約−１０ｄＢ（１０％）であり、良好なア
ンテナ機能を示している。
【図１９】 図１５の水平ワイヤアンテナについてのアンテナパターンの極
放射グラフである。
【図２０】 図１６の水平アンテナの極放射パターンである。放射レベルは
図１９における金属グランドプレーン上よりも約８ｄＢ多く、ずっと良好なアン
テナ機能を示している。
【図２１】 従来の連続金属グランドプレーン上方のパッチアンテナの図式
的な断面描写である。
【図２２】 図２１のと同じパッチアンテナであるが、この発明のグランド
プレーンメッシュの中に組み込んだ場合の図式的な横断面図である。
【図２３】 図２１および２２の両者パッチアンテナのＳ１１測定であり、
両者が類似の反射損失および類似の放射帯域幅を有することを示している。図２
１のアンテナは点線で示され、図２２のアンテナは実線で示されている。
【図２４】 図２１の従来のパッチアンテナの極放射パターンである。この
パターンは後方半球の有意な放射を示しており、前方半球の放射パターンが波打
った特徴を呈している。これらの効果の両方ともが従来の金属グランドプレーン
上に表面電流により引き起こされている。Ｅ平面グラフが実線により示され、Ｈ
平面グラフが点線により示されている。
【図２５】 図２２のパッチアンテナの極放射パターンである。このアンテ
ナは、図２１のアンテナよりも少ない後方放射を有している。このパターンは、
ずっと良好に対称的であり、前方半球に波打を有していない。これらの改善は、
グランドプレーンメッシュにより表面電流が抑えられたためである。
【図２６】 グランドプレーンメッシュを交互に実施した態様の横断面図で
あり、上面の金属パッチが二枚の重なり合った層を形成し、薄い誘電体スペーサ
によって隔てられている。これにより、隣接する要素間の容量を増加させて、周
波数を低くしている。
【図２７】 図２６に示された構造の平面図である。金属パッチの最上層が
下んにある第二の層と重なり合って示されている。
【図２８】 図２６および図２７に描写された構造体上での周波数に対する
表面波伝送強度のグラフである。帯域ギャップが２．２ＧＨｚから２．５ＧＨｚ
の周波数範囲をカバーしているのが見られる。
【図２９】 図２６および図２７に描写された構造体の反射位相のグラフで
ある。反射位相は、帯域ギャップ内の周波数でゼロを通って横切っている。
【符号の説明】１０…アンテナ要素、１２…キャパシタ、１４…インダクタ
、２４…グランドプレーンメッシュ、２６…誘電体、３０…背面シート、３４…
プレート、６２…パッチ、７０…誘電体、７２…バイア
【手続補正書】
【提出日】平成１２年１１月１６日（２０００．１１．１６）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１６
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１９】 この発明は、図１に点線の枠１０で図式的に示された付き出した金属要素１０
の薄い二次元パターンから離されかつそれにより被われた連続金属シート３０を
備えてなっている。それぞれの要素１０は、その隣と容量的に結合しているとと
もに、金属シートに誘導的に結合しており、容量とインダクタンスが分布したア レイを形成して いる。例えば、図１の図式的な線図を見ると、要素１０が仮想キ
ャパシタ１２によって互いに容量的に結合し、仮想的インダクタ１４によりシー
ト３０に誘導的に結合しているように図式的に示されている。要素１０は、薄い
メッシュの形態で設けられており、それにより並列共振回路の二次元回路網とし
て働き、要素１０のアレイにより総合的に構成されているメッシュ２４の表面イ
ンピーダンスを劇的に変化させる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２０】 ここで、図２の図式的な線図を見よう。図２は、メッシュ２４を構成する金属 要素１０のアレイパターンを印刷形成した 印刷回路板の横断面の模式図である。 以下、理解可能な範囲で、「メッシュ２４」と「回路板２４」を同義的に使用す る。 回路板２４の基板は、在来の絶縁材料２６でできている。回路板２４の裏側
の表面２８には、銅クラッドのシートのような連続金属シート３０が設けられて
いる。回路板２４の表側の表面は、金属バイア接続体３６により各々が裏面プレ
ート３０に結合されている六角形の金属パッチ３４の二次元三角格子でパターン
形成されている。明らかに、寸法等は、この発明の教えるところと矛盾しない要
領で用途に応じて任意に変更することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２２】 図３は、図２のグランドプレーンメッシュ２４の上平面図である。各要素３４
は、その中央で金属バイア３６と接続された六角形の形に設けられている。複数
の六角形の要素３４がメッシュ２４の表面にわたって分布する三角格子を形作っ
ている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２】
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３】
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正内容】
【図４】
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正内容】
【図５】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 ヤブロノヴィッチ， エリ アメリカ合衆国 90265 カリフォルニア 州 マリブー ウェイククレストドライブ 18319 (71)出願人 シーベンパイパー， ダン アメリカ合衆国 90025 カリフォルニア 州 ロサンジェルス コリントアベニュー ナンバー５ 1705 (72)発明者 ヤブロノヴィッチ， エリ アメリカ合衆国 90265 カリフォルニア 州 マリブー ウェイククレストドライブ 18319 (72)発明者 シーベンパイパー， ダン アメリカ合衆国 90025 カリフォルニア 州 ロサンジェルス コリントアベニュー ナンバー５ 1705 Ｆターム(参考） 5J045 AA21 DA06 EA16 FA08 NA01

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 各要素が共振回路である複数の要素を備えてなり、 前記要素の各々は互に相互接続されてアレイを形成し、各共振回路は一枚の定
    義された平面内に配置される表面を有し、前記複数の要素の各対応する複数の前
    記表面がグランドプレーンを画成することを特徴とする グランドプレーン内に電磁的に誘導される表面電流を減少させる装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の装置であって、 前記複数の要素の各々が電気的にＬＣ共振回路として機能する ことを特徴とする装置。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の装置であって、 前記複数の要素の各々が下位の複数の隣接する要素を有し、前記隣接する要素
    の各々に容量的に結合されている ことを特徴とする装置。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の装置であって、 前記複数の要素の各々が一緒に誘導的に共通結合されている ことを特徴とする装置。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の装置であって、 前記複数の要素のアレイは、一つの表面を形成する対応する複数個の分離した
    導電パッチと、前記パッチの前記表面から所定の距離隔てられた一枚の共通の導
    電性の背面板とを有してなり、 前記複数のパッチが一枚の共通表面を形成し、前記複数のパッチの各々が導電
    線により前記隔てられた共通の背面板に結合されている ことを特徴とする装置。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載の装置であって、 さらに、前記複数の要素により画成される前記表面と前記背面板との間に介在
    させた誘電体材料を備えてなる装置。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載の装置であって、 前記誘電体材料は誘電体シートであり、 前記複数のパッチは前記誘電体シートの第一の表面上に形成された導電性のパ
    ッチであり、 前記背面板は前記誘電体シートの反対側の表面上に設けられた連続した導電性
    の表面であり、 前記パッチを前記背面板に接続する前記導電線は前記誘電体シートを通って画
    成されるバイアの中に形成された金属化構造である ことを特徴とする装置。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の装置であって、 前記パッチが前記誘電体シートの前記第一の表面上に画成された六角形の金属
    化構造である ことを特徴とする装置。
  9. 【請求項９】 請求項１に記載の装置であって、 前記複数の共振要素が前記装置内における表面電流の伝搬を所定の周波数帯域
    ギャップ内で事実上遮るようにパラメータ設定されている ことを特徴とする装置。
  10. 【請求項１０】 請求項１に記載の装置であって、 前記複数の要素が前記装置からの電磁波放射を周波数帯域ギャップ内のある周
    波数において位相シフトなしで反射するようにパラメータ設定されている ことを特徴とする装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１に記載の装置であって、 さらに、共振要素の前記表面の上方に設けられたアンテナを備えてなる装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１１に記載の装置であって、 前記アンテナが前記アンテナのためのグランドプレーンとして作用する前記共
    振要素の前記表面に対して平行に設けられた放射素子で構成されている ことを特徴とする装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１２に記載の装置であって、 前記アンテナがワイヤアンテナである ことを特徴とする装置。
  14. 【請求項１４】 請求項１２に記載の装置であって、 前記アンテナがパッチアンテナである ことを特徴とする装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１４に記載の装置であって、 前記パッチアンテナが前記共振要素の一つの代わりにその位置に置かれ、前記
    共振要素の前記表面内に設けられている ことを特徴とする装置。
  16. 【請求項１６】 導電性表面内の表面電流を減少させる方法であって、 帯域内で表面伝搬が実質的に減少される周波数帯域ギャップを総合的に呈する
    ように、各共振要素が互いに結合され形状および材料によりパラメータ設定され
    ている複数の共振要素の二次元的アレイを前記表面に用意する段階と、 共振要素の前記表面の上方に設けられたソースから前記周波数帯域ギャップ内
    の周波数において電磁波エネルギを放射して、前記表面から反射された電磁波放
    射が前記周波数帯域ギャップ内の周波数において位相シフトを有しないようにす
    る段階と を含んでなる方法。
  17. 【請求項１７】 請求項１６に記載の方法であって、 前記表面に用意する段階は、複数の周期的またはほぼ周期的な導電要素のアレ
    イを用意し、前記アレイの各要素は下位の複数の隣接する要素を有していてそれ
    ら下位の複数の隣接する要素に容量的に結合されており、前記複数の要素の各々
    は互いに誘導的に共通結合されている段階である ことを特徴とする方法。
  18. 【請求項１８】 請求項１７に記載の方法であって、 複数要素の前記共振アレイを用意する段階は、第一の表面上に周期的またはほ
    ぼ周期的なアレイを画成する複数の導電パッチを用意するとともに、前記第一の
    表面から所定の距離だけ隔てられた連続した導電性の第二の表面を用意し、前記
    第一の表面の前記導電パッチの各々は前記連続した導電性の第二の表面に誘導的
    に結合されている段階である ことを特徴とする方法。
  19. 【請求項１９】 請求項１６に記載の方法であって、 ソースから電磁波エネルギを放射する段階は、要素の前記アレイの前記表面と
    平行でかつそれに隣接して設けられたワイヤアンテナから電磁波エネルギを放射
    する段階を含んでなる ことを特徴とする方法。
  20. 【請求項２０】 請求項１６に記載の方法であって、 ソースから電磁波エネルギを放射する段階は、共振要素の前記アレイの前記表
    面内に設けられたアンテナから電磁波エネルギを放射する段階を含んでなる ことを特徴とする方法。
  21. 【請求項２１】 請求項１に記載の装置であって、 前記複数の要素は、少なくとも第一および第二のセットの要素を含んでなり、
    前記第一のセットの要素は前記グランドプレーンを含む第一の定義された平面内
    に設けられており、前記第二のセットの要素は第二の定義された平面内に設けら
    れており、前記第二の定義された平面は前記第一のグランドプレーンから空間を
    隔ててその上方に設けられており、前記第一および第二のセットの要素により形
    成されるアレイはそれぞれが重なり合ったモザイクを形成し、前記第二のセット
    の各要素が前記第一のセットの要素の中の少なくとも一つの要素から離れて重な
    り合っている ことを特徴とする装置。
  22. 【請求項２２】 請求項２１に記載の装置であって、 前記第一および第二のセットの要素の各々がさらに一つ以上の対応するサブセ
    ットの要素を含んでなり、前記第一のセットの要素の各サブセットは互いに積み
    重ねられているとともに前記第二のセットの要素の各サブセットは互いに積み重
    ねられており、前記第一のセットの要素の前記サブセットは前記第二の要素の少
    なくとも一つのサブセットから離れかつ隣接しており、前記第一および第二のセ
    ットの要素の交互に重なり合ったアレイの二枚以上の層ができている ことを特徴とする装置。
  23. 【請求項２３】 請求項２１に記載の装置であって、 前記第一の要素セットが、前記対応する第一の定義された平面を形成する対応
    する複数の分離した第一の導電パッチと、前記第一の導電パッチの前記表面から
    所定の距離だけ隔てられた共通の導電背面板と、前記背面板と前記第一の導電パ
    ッチの間に設けた第一の誘電体材料とを備えてなり、 前記複数の第一の導電パッチが共通表面を形成し、前記複数の第一の導電パッ
    チの各々が前記隔たった背面板に導電線で結合されている ことを特徴とする装置。
  24. 【請求項２４】 請求項２１に記載の装置であって、 前記第二の要素セットが、前記対応する第二の定義された平面を形成する対応
    する複数の離れた第二の導電パッチと、前記第一および第二の導電パッチの間に
    設けられた第二の誘電体材料とを備えてなる ことを特徴とする装置。
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