JP2003511953A

JP2003511953A - 広ビーム幅アンテナ

Info

Publication number: JP2003511953A
Application number: JP2001530217A
Authority: JP
Inventors: ジョンケイリース; ジョンエルエイデン
Original assignee: ジアコムインコーポレイテッド
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 2000-10-05
Publication date: 2003-03-25
Also published as: US20020011953A1; WO2001028111A1; CN1385002A; AU7863100A

Abstract

(57)【要約】アンテナ（１００）は、基板（１４０）と折り曲げた放射エレメント（１２０）を備えている。折り曲げた放射エレメント（１２０）と基板（１４０）は、共振キャビティ（２２０）を規定し、これは広ビーム幅で実質的に半球状の放射パターンを与える。本発明に従って構成されたアンテナは、トランシーバシステムに組み込むことができる。このアンテナによって生成される放射パターンは、ＰＣＳ及びＤＣＳ周波数帯で動作する無線通信システムにおける使用に適合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（発明の分野）本発明は、アンテナシステムに、より具体的には、パッチアンテナ（patch an
tenna）システムに関する。

【０００２】（発明の背景）無線通信システムは、最も普通には、ビルの壁、電柱、その他の構造物に設置
されたトランシーバを利用している。このようなトランシーバは、信号の送受信
のためにアンテナを必要とする。アンテナは普通、隔壁コネクタ（bulkhead con
nector）を通してトランシーバのハウジングに直接接続される。トランシーバの
ハウジングに直接接続されたアンテナは、通常小型の全方向性アンテナである。
一方、スタンドアローン型のアンテナは離れた位置に設置することができ、延長
ケーブルを介してトランシーバに接続することができる。スタンドアローン型の
アンテナは、一般にその物理的寸法のために小型トランシーバへの適用が難しく
、トランシーバをビルの側面や電柱の最上部へ取り付けようとする場合には特に
難しい。審美的に押しつけがましいインパクトを与えるアンテナの場合は、大き
な構造物の使用が地域法令などで制限されている住宅地や密集地における使用可
能性がさらに減る。

【０００３】マイクロストリップ構造の一つであるパッチアンテナは、トランシーバにおい
て使用されるアンテナの一つである。パッチアンテナは、その一部が、誘電基板
と呼ばれる低損失の絶縁材料の薄いシートから形成されている。この基板は、そ
の電気的な特徴に加え、しばしばパッチアンテナの構造的なベース部を構成する
。アンテナ構造を完成させるには、誘電基板の一方の側（接地平面）を金属でカ
バーし、他方の側を部分的に金属被覆し、ここにパッチアンテナのパターンを印
刷するかあるいは形成する。この基板は普通二つの役割を果たす。第一に、他の
アンテナ・エレメントのめたの安定な支持物を与える機械的なバックボーンとし
ての役割がある。第二に、電磁界を集中させ、関連する回路内での不要な放射を
防ぐという電気的な機能を果たす。誘電基板の誘電率とその薄さは、アンテナの
電気的な特性に影響を与える。

【０００４】アンテナの到達範囲（coverage）は、その大部分が輻射器又はエレメントの構
造的形態によって決定される。マイクロストリップ型パッチアンテナは特に、そ
の利得が５〜６ｄＢの範囲であり、７０°と９０°の間で３ｄＢのビーム幅を示
す（これやその他の面の定義については、図８及び図９参照）。移動体通信シス
テムや個人通信システムのように広いビームパターンを必要とする応用では、単
一の放射エレメントを用いたパッチアンテナの構成が通常は有利である。より狭
いビーム幅が必要とされる、あるいはより指向性の強いアンテナが必要な場合に
は、等しく放射する多くのエレメントを一緒のグループとなるようグループ分け
し、周期的なアレーを構成して、高い指向性を持たせることができる。放射エレ
メントに対する具体的な形状の選択の仕方は、通常、最適化したいパラメータに
依存する。無線通信システムにおいては、マイクロストリップ型パッチアンテナ
を実現するのに、広いビーム幅及び放射パターンの到達範囲が大きいことによっ
て、長方形のパッチが使用されることが多い。

【０００５】一般に、アンテナはその近くに置かれた物体と相互作用するので、通常は壁か
ら十分な距離を置いた位置又は高いマストや電柱の最上部に接地しなければなら
ない。しかし、マイクロストリップ型パッチアンテナは、接地平面の存在によっ
てある程度シールドされるので、その背後に置かれたものは普通は動作や有効放
射パターンに重大な影響は与えない。マイクロストリップ型パッチアンテナは、
普通ビルの壁に直接接地することができ、また、断面が小さく寸法も小さいので
、他のアンテナよりも目立たなくできる。個人無線通信システムの分野では、マ
イクロストリップ型パッチアンテナのこのような特徴は、混雑した都市部あるい
は人の目につきやすい場所にトランシーバを設置する場合に有利でる。マイクロ
ストリップ型パッチアンテナの帯域幅も、寄生エレメント（parasitic elements
）（ダイポール）をメインの放射エレメントの隣あるいは近くに設けることによ
って、広げることが可能となる。寄生エレメントは、メインの放射エレメントと
の容量結合によって励起される。

【０００６】特に無線通信システムにおいては、パッチアンテナシステムをトランシーバの
囲壁に組み込むことは、非常に重要である。いずれも１９９９年５月２１日に出
願された「Radiation Enclosure」と題された米国特許出願第０９／３１６，４
５９号及び「Capacitive Signal Coupling Device」と題された米国特許出願第
０９／３１６，４５７号には、このような組み込みアンテナシステムの好適な実
施例が説明されている。これらの文献は、その全体を参考としてここに援用する
ものとする。

【０００７】個人通信業界において、ＰＣＳ（１８５０ＭＨｚ〜１９９０ＭＨｚ）及びＤＣ
Ｓ（１７１０ＭＨｚ〜１８８０ＭＨｚ）という周波数帯は、これらの周波数帯で
の動作に最適化されたアンテナシステムが必要とされる。すなわち必要とされる
ものは、ＰＣＳ及びＤＣＳの周波数帯において、到達範囲びインピーダンス整合
、低利得で広ビーム幅の半球状の到達範囲という要求される性能に同時に合致す
る、トランシーバのハウジングに組み込まれたアンテナシステムである。

【０００８】（発明の概要）本発明は、広いビーム幅及び半球状の到達範囲を可能としながら、アンテナを
トランシーバのハウジング内へ組み込むことを考慮する。本発明に従って構成さ
れたアンテナは、基板及び共振キャビティを規定する折り曲げた放射エレメント
を含む。

【０００９】好適実施例において、折り曲げた放射エレメントは、ある角度で基板に向けら
れた第一構成要素と、基板の面に実質的に平行とされた第二構成要素を含んでい
る。第二構成要素は基板からある距離だけ離され、共振キャビティは、基板と折
り曲げた放射エレメントとによって規定される。

【００１０】さらに好適実施例において、トランシーバは囲壁と、トランシーバ回路と、本
発明に従って構成されたアンテナを含んでいる。このアンテナは、ＰＣＳ及びＤ
ＣＳの無線通信システムにおける使用に適した広ビーム幅で実質的に半球状の放
射パターンを生成する。

【００１１】（好適な実施例の詳細な説明）パッチアンテナの構造図１Ａはトランシーバ１０を示す。このトランシーバ１０は、ハウジング１２
を備えている。好ましくは、ハウジング１２は、カバー１４及び容器１６で形成
される。カバー１４は、容器１６の中身に素早く簡単にアクセスするために容器
１６にヒンジ固定されるのが好ましい。図１において、ハウジング１２は、トラ
ンシーバ１０内に取り付けられた多数の種々の要素を示すためにカバー１４を開
いた状態で示されている。又、カバー１４は、トランシーバ１０内に取り付けら
れた要素が、水分や埃や油のような悪い環境条件に露出されないよう確保するク
ランプ１８又は同様の固定器具により取り付けることもできる。カバー１４が容
器１６との気密シールを形成しそしてトランシーバ１０内の要素が充分に保護さ
れるように更に確保するために、カバー１４又は容器１６にガスケットシール２
０を組み込むこともできる。

【００１２】トランシーバ１０は、電話又はコンピュータネットワークのような地上ベース
の通信装置と、ＧＳＭベースステーションのようなベースステーション（図示せ
ず）との間のワイヤレスリンクを与えるように構成された自蔵ユニットである。
トランシーバ１０は、回路２１及びアンテナシステム１００を備えている。アン
テナシステム１００は、カバー１４に取り付けられ、そしてケーブル２３により
回路２１に接続される。トランシーバ１０は、それがサービスを提供するエリア
の至近にあるビルの側面又は高いポールの上部に取り付けられるのが好ましい。

【００１３】トランシーバ１０は、電源ケーブル２２を経て外部電源に接続される。データ
は、適当なデータケーブル２４を経てトランシーバ１０へ及びトランシーバ１０
から転送される。データケーブル２４は、同軸ケーブルであるのが好ましい。

【００１４】図１Ｂは、アンテナシステム１００が、カバー１４ではなくて容器１６に組み
込まれたトランシーバ１０を示す。

【００１５】動作中に、トランシーバ１０は、ワイヤレス電話又はページャーのように動作
する。アクチベーションすると、トランシーバ１０は、ベースステーションへの
リンクを確立する。次いで、ベースステーションは、地上ラインベースのシステ
ム又は衛星ベースのシステムを経てローカル公衆交換電話ネットワーク（ＰＳＴ
Ｎ）又は別のデータ分配ネットワークへ信号をルーティングする。ＰＳＴＮから
、信号は、意図された受信者へルーティングされる。意図された受信者は、地上
ラインベースの顧客であるか又は別のワイヤレス顧客である。トランシーバ１０
は、ネットワーク又はプライベート電話線からＰＳＴＮへのワイヤレスリンクを
与え、多数の個々の顧客をＰＳＴＮへ接続するための地上ラインの長いネットワ
ークの必要性を排除する。或いは又、トランシーバ１０は、それ自体ベースステ
ーションであり、ＰＳＴＮと直接通信する。

【００１６】設置時に、トランシーバ１０は、データケーブル２４及び電源ケーブル２２を
経て家庭又は会社に固定布線される。或いは又、トランシーバ１０は、トランシ
ーバ１０の至近位置に取り付けられるか又はトランシーバ自体に組み込まれた独
立したバッテリパック又は他の再充電可能な電源から電力を受け取ることもでき
る。又、トランシーバ１０は、遠隔メーター読み取り及びプログラミング機能の
ような特徴を含むようにフォーマットされるのが好ましい。このようなプログラ
ム可能なトランシーバの詳細は、参考としてここに取り上げる「Data Terminal
Apparatus」と題するライオン＆ラインのドケット番号２４３／１５０号に見る
ことができる。

【００１７】トランシーバ１０の機能を完成するために、アンテナ１００がその構造に組み
込まれる。トランシーバ１０は、壁又はポールに取り付けられるのが好ましいの
で、それが通信するベースステーション又はネットワークとの効率的な通信を許
すためには、アンテナ１００の幾つかの特徴を維持しなければならない。特に、
アンテナシステムにより形成される放射パターンは、トランシーバが取り付けら
れる位置やトランシーバ自体の設計を考慮しつつ、情報を効率的に送信及び受信
するようにフォーマットされねばならない。最も重要なことに、広い平坦な表面
に対して取り付けられるときには、トランシーバのアンテナは、取り付け面から
離れる方向の放射を最大にする半球状の放射パターンを与えねばならない。同様
に、アンテナ設計は、取り付け面に向けられる放射を最小にするものでなければ
ならない。図１４ないし１９は、本発明に基づいて構成された広ビーム幅折り曲
げパッチアンテナシステムの好ましい実施形態に関連した放射パターンを示す。

【００１８】図２ないし５は、本発明により構成された広ビーム幅折り曲げパッチアンテナ
１００を示す。アンテナエレメント１２０は、折り曲げ形状に作られる。アンテ
ナエレメント１２０の放射部分は、実質的にＬ字型であり、第１放射エレメント
１２２及び第２放射エレメント１２４を含む。又、アンテナエレメント１２０は
、第１放射エレメント１２２の遠方縁に取り付けられた取り付けフランジ１２６
も含むのが好ましい。この取り付けフランジ１２６は、全アンテナエレメント１
２０を別の面に接続できるようにする。２つの放射エレメント１２２及び１２４
は、取り付けフランジ１２６と共に、折り曲げエレメント即ち「階段」状エレメ
ントを形成する。取り付けフランジ１２６は、放射エレメント１２２及び１２４
を接地平面１５０に電気的に接地すると共に、放射エレメント１２２及び１２４
を基板１４０に機械的に取り付け及び整列するためのものである。取り付けフラ
ンジ１２６は、少なくとも１つの穴１２８を含むが、接地平面１５０に接続する
前に放射エレメント１２０を更に効率的に整列するためには２つ以上の穴１２８
が設けられるのが好ましい。穴１２８の各々は、スクリュー、リベット、ボルト
、又は他の形式の適当な固定具を受け入れるように構成される。穴１２８を使用
してアンテナエレメントを接地平面に取り付けるのに加えて、取り付けフランジ
は、一貫した電気的接地が維持されるよう確保するために接地平面に半田付けさ
れるのが好ましい。

【００１９】図６は、第１放射エレメント１２２、第２放射エレメント１２４及び取り付け
フランジ１２６を含むアンテナ要素の構造及び向きを詳細に示している。第１放
射エレメント１２２は、アンテナの用途に対して導電性である銅、銀、金その他
の金属材料で形成された薄い長方形のエレメントであるのが好ましい。第１放射
エレメント１２２は、長方形の幾何学形状に一致する第１の長さ方向エッジ１２
２−ａ及び第２の長さ方向エッジ１２２−ｂとを有する。第１放射エレメント１
２２は、その第１の長さ方向エッジ１２２−ａが取り付けフランジ１２６の第１
の長さ方向エッジ１２６−ａに接触するか又は他のやり方で取り付けられるよう
に配置される。取り付けフランジ１２６に取り付けられると、第１放射エレメン
ト１２２は、そこから離れるように突出し、そして取り付けフランジ１２６に実
質的に垂直となる。

【００２０】第２放射エレメント１２４も、アンテナの用途に対して導電性である銅、銀、
金又は別の材料のような金属材料で形成された薄い長方形のエレメントであるの
が好ましい。第２放射エレメント１２４は、長方形の幾何学形状に一致する第１
の長さ方向エッジ１２４−ａ及び第２の長さ方向エッジ１２４−ｂとを有する。
第２放射エレメント１２４は、その第１の長さ方向エッジ１２４−ａが第１放射
エレメント１２２の第２の長さ方向エッジ１２２−ｂに接触するか又は他のやり
方で取り付けられるように配置される。第１放射エレメント１２２に取り付けら
れると、第２放射エレメント１２４は、そこから離れるように突出し、そして第
１放射エレメント１２２に実質的に垂直となる。第２放射エレメント１２４は、
基板１４０から離間され、そして実質的にそれに平行にされる。

【００２１】従って、第１放射エレメント１２２、第２放射エレメント１２４及び取り付け
フランジ１２６を含む全アンテナエレメント１２０は、階段状エレメントを形成
し、ここで、階段は、取り付けフランジ１２６と第２放射エレメント１２４とで
表わされた２つの「踊り場」を有し、これらは、第１の放射エレメント１２２で
表わされた１つの「蹴上げ部」によって接続されている。個々に取り上げると、
放射エレメント１２２及び１２４は、実質的に「Ｌ」字型のエレメントである。

【００２２】この階段状のアンテナエレメント１２０は、単一の材料部片で形成された一体
的部片であるのが好ましい。それ故、取り付けフランジ１２６、第１放射エレメ
ント１２２及び第２放射エレメント１２４を製造中に機械的に接合することが必
要となる。各アンテナエレメントは、別々に製造された場合には、均一で且つ一
貫した接続が維持されるように互いに溶接又は半田付けされるのが好ましい。

【００２３】再び図２を参照すると、基板１４０は、広ビーム幅折り曲げパッチアンテナ１
００の構造上のベースを形成する。この基板１４０は２つの役割を果たす。電気
的には、送信ライン、回路及びアンテナの一部分である。機械的には、アンテナ
の構造体を支持する。それ故、基板の構造体は、電気的及び機械的の両方の要件
を満足しなければならない。基板の当該電気的特性は、相対的誘電率ε、基板厚
みｈ及び誘電損失係数ｔａｎδである。アンテナ用途では、基板にわたり一定の
誘電率を保持すると共に、均一な厚みを保持することが重要である。基板の誘電
損失は、高い回路性能と良好な全体的効率を確保するためには、できるだけ小さ
くなければならない。通常、ｔａｎδは、０．００２未満でなければならない。

【００２４】物理的に、基板は、充分に大きな機械的抵抗、良好な形状安定性、並びに導体
及び接地平面に使用される金属に近い膨張係数を有していなければならない。更
に、半田付け中の高い温度に耐えると共に、ロスを減少するために滑らかで且つ
フラットな平面を与えねばならない。このような基板を形成するための多数の材
料が商業的に入手できるが、それらには、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ベリリア（Ｂ
ｅＯ）、テフロン（登録商標）、ポリプロピレン、シリコン及びフェライトが含
まれる。

【００２５】基板１４０は、第１面１４４（図２を参照）と、第２面１４６（図４を参照）
とを有する。第１基板面１４４の一部分には、金属化接地平面層１５０が被覆さ
れている。この接地平面層１５０及び基板１４０の両方を貫通して穴１５２が延
びている。この穴１５２は、スクリュー、リベット又はボルトのような固定具を
受け入れる。基板１４０の第１面１４４に配置されるときに、取り付けフランジ
１２６の穴１２８が穴１５２と整列し、エレメントを整列させて機械的固定具で
互いに固定接続できるようにする。エレメントは、互いに半田付けすることもで
きる。基板１４０は、付加的な穴１４２も含み、これも固定具を同様に受け入れ
る。穴１４２は、スタンドオフ（後述する）を基板１４０に固定できるようにす
る。

【００２６】基板に付着される金属の接地平面層は、非常に低い抵抗率（小さなオーミック
損失）、充分な厚み、良好な半田付け性能、及び基板１４０への良好な接着性を
有していなければならない。金属被覆された材料は、半田付けプロセス中に酸化
に耐えると共に、種々の接触形成及びボンディング技術に適したものでなければ
ならない。これらの要件は、通常、金属の選択を、銅、銀、金及びおそらくアル
ミニウムに制限する。他の幾つかの合成材料も商業的に入手できる。

【００２７】アンテナエレメント１２０が基板１４０に取り付けられるときに、共振キャビ
ティ２２０が画成される。より詳細には、この共振キャビティ２２０は、片側で
は第２放射エレメント１２４で境界定めされ、第２の側では第１放射エレメント
１２２により境界定めされ、そして第３の側では基板１４０又は接地平面１５０
により境界定めされた空間の容積である。共振キャビティ２２０の残りの３つの
側は、開放端であり、それらの境界を定める内実な面をもたない。共振キャビテ
ィ２２０は、この領域内の空間の容積である。図７Ａ及び７Ｂは、共振キャビテ
ィ２２０を更に画成し、その開放端境界は、破線で示されている。動作中に、第
１放射エレメント１２２とは反対の開放端において最大放射が発生する。他の２
つの開放側から二次放射が発生する。

【００２８】再び図２ないし５を参照すると、共振キャビティ２２０内に配置されるものと
して、多数の付加的なアンテナエレメントが存在する。これらは、誘電体円筒１
６０、寄生エレメント１７０及びピン１８０を含む。誘電体円筒１６０は、第１
誘電体面１６３、第２誘電体面１６１、及びその長手方向軸を通る通路１６２を
含む。誘電体円筒１６０は、接地平面１５０及び基板１４０の両方を経て延びる
穴１５４に通路１６２が整列されるように配置される。寄生エレメント１７０は
、薄い円盤と同様の形状にされたウェハであり、第２誘電体面１６１に配置され
るのが好ましい。寄生エレメント１７０は、その長手方向軸を経て延びる穴１７
２を含む。寄生エレメント１７０が第２誘電体面１６１の中央に配置されたとき
には、穴１７２が円筒通路１６２及び穴１５４と整列する。ピン１８０は、寄生
ディスクの穴１７２、誘電体円筒の通路１６２及び穴１５４の各々を通して延び
る。ピン１８０の第１端１８１には太い部分即ち張出し部１８２がある。ピン１
８０が通路１６２、穴１７２及び穴１５４に挿入されると、張出し部１８２は、
ピン１８０が開口を経て更に移動するのを防止する。それ故、ピン１８０は、誘
電体円筒１６０及び寄生的円盤１７０の両方を基板１４０に取り付けた状態に保
持する。次いで、ピン１８０の第２端１８３は、基板１４０に半田付けされるか
他のやり方で固定又は接合される。従って、寄生エレメント１７０及び誘電体円
筒１６０は、基板１４０に永久的に固定される。ピン１８０は、信号供給体とし
て働き、第２基板面１４６に配置されたマイクロストリップ伝送線２１２にアン
テナエレメントを接続する。

【００２９】アンテナエレメント１２０に対する誘電体円筒１６０、寄生ディスク１７０及
びピン１８０の位置及び寸法は、折り曲げパッチアンテナ１００の性能特性にお
いて重要なファクタである。折り曲げパッチアンテナエレメントの好ましい実施
形態が図１０ないし１３に示されている。図１０ないし１３における全ての寸法
は、インチである。

【００３０】同軸ケーブル２００は、アンテナエレメントと、ハウジング１２内に取り付け
られたトランシーバ回路との間の接続を与える。銅のパッド２１０及びマイクロ
ストリップ伝送線２１２は、第２基板面１４６に配置される（図４を参照）。銅
のパッド２１０及びマイクロストリップ伝送線２１２は、アンテナエレメントか
ら同軸ケーブル２００への電気的接続及び機械的遷移を与える。より詳細には、
銅のパッド２１０及びマイクロストリップ伝送線２１２は、同軸ケーブル２００
の大きなリードから回路及びパッチアンテナのマイクロストリップエレメントへ
の滑らかな遷移を与える。

【００３１】同軸ケーブル２００は、中心導体２０２及び外部ジャケット２０４を含むのが
好ましい。外部ジャケット２０４は、銅のパッド２１０に半田付けされ、そして
銅のパッドが接地平面１５０に接地される。中心導体２０２は、マイクロストリ
ップ伝送線２１２に半田付けされる。同軸ケーブルの自由端には、フィッティン
グ２０６が設けられる。このフィッティング２０６は、トランシーバハウジング
１２（図１Ａを参照）内に取り付けられる無線トランシーバ回路板の対応部分に
接続されるのが好ましい。

【００３２】スタンドオフ支持構造体１９０は、アンテナのための部分的包囲体及び取り付
け機構を形成する。このスタンドオフ１９０は、基板１４０の穴１４２に整列し
た穴１９２を含む。この穴１９２は、スクリュー、リベット又はボルトのような
固定具を受け入れる。それ故、スタンドオフ１９２は、基板１４０にしっかりと
固定することができる。更に、スタンドオフ１９０は、くぼみ１９４を含み、こ
れは、スタンドオフ及びアンテナ構造体をトランシーバハウジング１２内又は蓋
１４（図１Ａ及び１Ｂを参照）に取り付けできるようにする。

【００３３】本発明の放射パターン放射エレメントにより発生される放射パターンに基づいてアンテナの送信特性
が測定される。放射パターンは、アンテナにより放射される電力の空間的分布を
定め、そしてその最大値に対して正規化される。アンテナ付近の電磁界の分布は
、アンテナにより励起される波の多数の作用から生じる。この分布は、放射され
た波と、電界及び磁界の局部的集中との両方を含む極めて複雑なものになり、リ
アクティブな作用を引き起こす。それ故、本発明の状況においては、トランシー
バハウジング１２、トランシーバ１０内の回路、及び他の全ての機械的及び電気
的要素の合成作用の各々がパッチアンテナの全放射パターンに影響する。特に、
各アンテナエレメントのサイズ及び形状、第２放射エレメント１２４と接地平面
１５０との間隔、第２放射エレメント１２４とカバー１４との間隔、並びにフィ
ードポイントの位置は、全て、各特定の用途に対してカスタマイズする必要のあ
る重要なパラメータである。放射エレメント１２２及び１２４、接地平面１５０
及び寄生エレメント１７０の各々のサイズも、折り曲げパッチアンテナの特定の
性能特性にとって重要である。

【００３４】所与の方向におけるアンテナの利得は、アンテナによって放射される電力と、
同じ入力信号が供給される仮説のロスなし全方向アンテナ（等方性放射器と称す
る）により放射される電力とに比によって定義される。利得を決定するために、
送信アンテナに供給される電力と、受信アンテナにより収集された電力とを測定
し、そしてフリスの伝送式を使用する。

【００３５】Ｐ_r＝Ｐ_inＧ_tＧ_r（λ／４πＲ）² 但し、Ｐ_rは、受信電力であり、Ｐ_inは、送信アンテナの入力に供給される電力
であり、Ｇ_tは、送信アンテナの利得であり、Ｇ_rは、受信アンテナの利得であり
、λは、自由空間の波長であり、そしてＲは、２つのアンテナ間の距離である。
比Ｐ_r／Ｐ_inが測定され、λとＲは既知であるから、積Ｇ_tＧ_rを推定することが
できる。次いで、３つの異なる可能性を考えることができる。

【００３６】（１）ソースアンテナの利得を、以前の測定から既に知っているか、又はアン
テナが標準的なラボラトリーにおいて最初に校正された高精度アンテナであるこ
とから既に知っている。

【００３７】（２）測定に使用される２つのアンテナが同一であり、この場合、Ｇ_t＝Ｇ_rで
あり、積の平方根を得る。

【００３８】（３）既知の利得をもつ３つのアンテナを有する。その２つの間の送信を、３
つの異なるアンテナ対に対して次々に測定する。従って、３つのアンテナの利得
の決定は簡単である。

【００３９】アンテナ、特にパッチアンテナの放射パターンは、通常、垂直平面（Ｅ面）、
水平平面（Ｈ面）、及び垂直からある角度（−４５°、＋４５°等）として定義
された偏波平面に沿って測定される。図８及び９は、本発明により構成された折
り曲げパッチアンテナに関連してこれら平面の定義を示している。

【００４０】上述したように、トランシーバにマイクロ電子回路、堅牢な包囲体、固定具、
半田材料及び他のハードウェアが存在することは、アンテナの放射パターン及び
性能に各々影響する。図１０ないし１３に示す寸法をもつ本発明により構成され
た広ビーム幅折り曲げパッチアンテナの好ましい実施形態は、１８５０ＭＨｚ−
１９９０ＭＨｚのＰＣＳ帯域及び１７１０ＭＨｚ−１８８０ＭＨｚのＤＣＳ帯域
における動作に必要な性能要件を達成する。即ち、トランシーバやマイクロ回路
が存在する環境においても、カバレージ及びインピーダンス整合要件が満足され
る。更に、アンテナは、上記周波数帯域において低利得（４ｄＢ）、広ビーム幅
半球状カバレージ及び最小偏波弁別を達成する。

【００４１】図１０ないし１３は、好ましい実施形態において、ＰＣＳトランシーバアンテ
ナシステムとして使用するためのプリント回路板の寸法詳細（図１０）、折り曲
げアンテナエレメントの寸法詳細（図１１Ａ及び１１Ｂ）、寄生エレメントの寸
法詳細（図１２Ａ及び１２Ｂ）及び円筒状誘電体エレメントの寸法詳細（図１３
Ａ及び１３Ｂ）を示す。本発明により構成された折り曲げパッチアンテナの多数
のエレメントは、図１０ないし１３の寸法に最適化される。全ての寸法は、イン
チで示す。

【００４２】図１０を参照すれば、基板１４０は、長さが約３．６インチでありそして巾が
約２．１９インチである。図１０には、穴１５４、１５２及び１４２も示されて
おり、特に、基板１４０におけるそれらの相対的な位置も示されている。

【００４３】図１１Ａ及び１１Ｂには、アンテナエレメント１２０の好ましい寸法が示され
ている。穴１２８は、基板１４０の穴１５２に整列するように配置されている。

【００４４】図１２Ａ及び１２Ｂには、寄生エレメント１７０の好ましい寸法が示されてい
る。寄生エレメント１７０は、直径が約０．５４インチで、厚みが約０．０３１
インチで、中央の穴１７２の直径が約０．０３８インチの円盤状のエレメントで
あるのが好ましい。

【００４５】図１３Ａ及び１３Ｂには、誘電体円筒１６０の好ましい寸法が示されている。
この円筒１６０は、高さが約０．３０９インチで、直径が約０．１８８インチで
あるのが好ましい。中央の通路１６２は、直径が約０．０２９インチである。

【００４６】図１４−１９は、全ての電子回路が設置されそして取り付けスクリューや送信
ケーブルを含む全ての機械的ハードウェアが配置されて組み立てられたトランシ
ーバ１０に対する放射パターンを示す。図１４ないし１９に示された放射パター
ンは、図１０ないし１３に示された寸法で作られた折り曲げパッチアンテナシス
テムに対応する。放射パターンは、１８５０、１９２０及び２０００ＭＨｚの周
波数において、Ｅ面、Ｈ面、−４５°偏波及び＋４５°偏波に対して示されてい
る。各放射パターンにおいては、アンテナエレメントの極端部（即ち、９０°付
近及び２７０°付近）で振幅が若干減少する実質的に半球状のパターンが形成さ
れる。この放射パターンは、ＰＣＳ及びＤＣＳ通信システムに使用されるトラン
シーバに要求される広ビーム幅の半球状カバレージパターンを与える。

【００４７】以上、添付図面を参照して本発明を詳細に説明したが、これは単なる例示に過
ぎず、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに異なる実施も可能であることを理解
されたい。それ故、本発明は、上記説明に限定されるものではなく、特許請求の
範囲のみによって限定される。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】本発明に従って構成された広ビーム幅の折り曲げたパッチアンテナを組み込ん
だ、壁又は電柱に取り付けるトランシーバ（カバーを開いた状態）の斜視図であ
る。

【図１Ｂ】本発明に従って構成された広ビーム幅の折り曲げたパッチアンテナを組み込ん
だ、壁又は電柱に取り付けるトランシーバ（カバーを開いた状態）の斜視図であ
る。

【図２】本発明に従って構成された広ビーム幅の折り曲げたパッチアンテナの分解斜視
図である。

【図３】図２に示したアンテナの上から見た平面図である。

【図４】図２に示したアンテナの下から見た平面図である。

【図５】図３にＡ−Ａで示した部分で切り取った図３のアンテナの断面図である。

【図６】折り曲げたパッチアンテナの放射エレメントとその関連する取り付けフランジ
の分解斜視図である。

【図７Ａ】基板に取り付けた、折り曲げたパッチアンテナ・エレメントの概略斜視図であ
る。

【図７Ｂ】基板に取り付けた、折り曲げたパッチアンテナ・エレメントの概略斜視図であ
る。

【図８】Ｈ面及びＥ面の放射パターンを定義する図である。

【図９】アンテナの放射パターンにおける、偏向させた４５°面と−４５°面を定義す
る図である。

【図１０】本発明に従って構成された折り曲げたパッチアンテナの基板の好適な実施例を
示している。

【図１１Ａ】本発明に従って構成された折り曲げたパッチアンテナの放射アンテナエレメン
トの好適な実施例を示している。

【図１１Ｂ】本発明に従って構成された折り曲げたパッチアンテナの放射アンテナエレメン
トの好適な実施例を示している。

【図１２Ａ】本発明に従って構成された折り曲げたパッチアンテナの寄生ディスクの好適な
実施例を示している。

【図１２Ｂ】本発明に従って構成された折り曲げたパッチアンテナの寄生ディスクの好適な
実施例を示している。

【図１３Ａ】本発明に従って構成された折り曲げたパッチアンテナの誘電シリンダの好適な
実施例を示している。

【図１３Ｂ】本発明に従って構成された折り曲げたパッチアンテナの誘電シリンダの好適な
実施例を示している。

【図１４】１８５０ＭＨｚの周波数における、トランシーバに組み込まれた広ビーム幅の
折り曲げたパッチアンテナのＥ面、Ｈ面、そして３Ｄｂ放射パターンのグラフで
ある。

【図１５】１９２０ＭＨｚの周波数における、トランシーバに組み込まれた広ビーム幅の
折り曲げたパッチアンテナのＥ面、Ｈ面、そして３Ｄｂ放射パターンのグラフで
ある。

【図１６】２０００ＭＨｚの周波数における、トランシーバに組み込まれた広ビーム幅の
折り曲げたパッチアンテナのＥ面、Ｈ面、そして３Ｄｂ放射パターンのグラフで
ある。

【図１７】１８５０ＭＨｚの周波数における、トランシーバに組み込まれた広ビーム幅の
折り曲げたパッチアンテナの−４５°面、＋４５°面、そして３Ｄｂ放射パター
ンのグラフである。

【図１８】１９２０ＭＨｚの周波数における、トランシーバに組み込まれた広ビーム幅の
折り曲げたパッチアンテナの−４５°面、＋４５°面、そして３Ｄｂ放射パター
ンのグラフである。

【図１９】２０００ＭＨｚの周波数における、トランシーバに組み込まれた広ビーム幅の
折り曲げたパッチアンテナの−４５°面、＋４５°面、そして３Ｄｂ放射パター
ンのグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷＦターム(参考） 5J045 AA01 AA05 AA21 AB05 DA09 EA07 HA06 MA04 NA01 5J046 AA04 AA07 AA12 AB13 PA07 5J047 AA04 AA07 AA12 AB13 EF04 EF05 FD01 5K011 AA06 DA02 JA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】実質的に平坦な基板と、前記基板に対しある角度に向けられている第１構成要素と、前記基板の平面と
実質的に平行に向けられている第２構成要素とを備えた折り曲げた放射エレメン
トと、を備えており、前記第２構成要素は前記基板から間隔を空けて設けられ、
前記基板と前記折り曲げた放射エレメントとが共振キャビティを形成しているこ
とを特徴とするアンテナ。
【請求項２】前記折り曲げた放射エレメントは、実質的にＬ字型をしてい
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】前記第１構成要素は、前記基板に対し実質的に垂直方向に向
けられており、前記基板に接続されている第１長幅の縁部と、第２長幅の縁部と
を備えており、前記第２構成要素は、前記第１構成要素の前記第２長幅の縁部に
接続され、前記第１構成要素に対し実質的に垂直方向に向けられていることを特
徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項４】前記基板は、第１基板面と第２基板面とを有しており、前記
第１基板面上に接地面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアン
テナ。
【請求項５】誘電部材を更に備えており、前記誘電部材は、前記接地面と
接触している第１誘電面と、第２誘電面とを有していることを特徴とする請求項
４に記載のアンテナ。
【請求項６】前記第２誘電面に取り付けられた寄生エレメントを更に備え
ており、前記誘電部材と前記寄生エレメントとは、前記共振キャビティ内に配置
されていることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ。
【請求項７】前記形成された共振キャビティは、広いビーム幅と、偏波ダ
イバーシティと、実質的に半球状の放射パターンとを作り出すことを特徴とする
請求項１に記載のアンテナ。
【請求項８】前記寄生エレメントは円盤状であることを特徴とする請求項
６に記載のアンテナ。
【請求項９】前記基板は誘電性材料で作られていることを特徴とする請求
項１に記載のアンテナ。
【請求項１０】前記第２基板面上に形成されたマイクロストリップ回路を
更に備えていることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ。
【請求項１１】前記マイクロストリップ回路は、前記基板面の内に１つに
プリントされていることを特徴とする請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１２】前記基板に取り付けられたスタンドオフを更に備えている
ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１３】前記折り曲げた放射エレメントは、前記第１構成要素の前
記第１長幅の縁部から外向きに延在する取り付けフランジを更に備えており、前
記取り付けフランジは、前記第１構成要素に対し実質的に垂直であることを特徴
とする請求項３に記載のアンテナ。
【請求項１４】前記取り付けフランジは、前記第２構成要素と反対方向に
延在していることを特徴とする請求項１３に記載のアンテナ。
【請求項１５】前記取り付けフランジは、前記折り曲げた放射エレメント
が前記基板に取り外し可能に取り付けられるように、締め付け装置を受け入れる
ことのできる少なくとも１つの開口を含んでいることを特徴とする請求項１３に
記載のアンテナ。
【請求項１６】前記折り曲げた放射エレメントは、前記第１長幅の縁部に
おいて前記第１構成要素に取り付けられている取り付けフランジを更に備えてお
り、前記取り付けフランジは前記接地面と電気的に接触していることを特徴とす
る請求項４に記載のアンテナ。
【請求項１７】前記誘電部材は円筒状であることを特徴とする請求項５に
記載のアンテナ。
【請求項１８】前記誘電部材は、前記第１誘電面から前記第２誘電面に延
在する長手軸が通る経路を含んでおり、前記寄生エレメントは、前記長手軸が通
る開口を含んでおり、前記寄生エレメントの開口は、前記経路と整列しているこ
とを特徴とする請求項６に記載のアンテナ。
【請求項１９】前記寄生エレメントの開口と前記誘電部材の開口を通って
伸張するピンを更に備えており、前記ピンは、キャップを有する第１端と、第２
端とを有していることを特徴とする請求項１８に記載のアンテナ。
【請求項２０】前記キャップは前記寄生エレメントと接触しており、前記
ピンの前記第２端は、前記基板上に形成されたマイクロストリップ伝送線と接触
していることを特徴とする請求項１９に記載のアンテナ。
【請求項２１】前記第２基板面上に形成されているマイクロストリップ変
換素子を更に備えており、前記マイクロストリップ変換素子は、第１導電導線と
係合できるようになっている第１接点を含んでいることを特徴とする請求項４に
記載のアンテナ。
【請求項２２】前記マイクロストリップ変換素子は、第２導電導線と係合
できるようになっている第２接点を更に含んでいることを特徴とする請求項２１
に記載のアンテナ。
【請求項２３】前記共振キャビティは、０．５立方インチから１．０立方
インチの間の容積を有していることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項２４】前記アンテナは、囲壁内に取り付けられていることを特徴
とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項２５】囲壁と、送受信器回路と、実質的に平坦な基板と折り曲げた放射エレメントとを備えているアンテナであ
って、前記折り曲げた放射エレメントは前記基板に取り付けられ、前記基板と前
記折り曲げた放射エレメントとが共振キャビティを形成しているアンテナと、を
備えていることを特徴とする送受信器。
【請求項２６】前記アンテナは、前記共振キャビティ内に配置された誘電
部材と前記誘電部材に取り付けられた寄生エレメントとを更に備えていることを
特徴とする請求項２５に記載の送受信器。
【請求項２７】前記共振キャビティは、広いビーム幅、偏波ダイバーシテ
ィ、及び実質的に半球状の放射パターンを作り出すことを特徴とする請求項２５
に記載の送受信器。
【請求項２８】前記放射パターンは、６ｄＢの最大ゲインを有しているこ
とを特徴とする請求項２７に記載の送受信器。
【請求項２９】前記囲壁は、平面に取り付けるように形成されていること
を特徴とする請求項２５に記載の送受信器。
【請求項３０】前記基板は、第１基板面と第２基板面とを有し、前記アン
テナは、前記第１基板面に取り付けられた接地面を更に備えており、前記第２基
板面は、マイクロストリップ変換素子を含んでおり、前記マイクロストリップ変
換素子は、第１及び第２導電導線と係合できるようになっている第１及び第２接
点を含んでいることを特徴とする請求項２５に記載の送受信器。
【請求項３１】前記第１導電導線は、同軸ケーブルの外装であり、前記第
２導電導線は前記同軸ケーブルの中心導線であることを特徴とする請求項３０に
記載の送受信器。
【請求項３２】実質的に平坦な基板に取り付けられている折り曲げた放射
エレメントにおいて、前記基板に対しある角度に向けられている第１構成要素と、前記基板の平面と実質的に平行に向けられている第２構成要素と、を備えてお
り、前記第１構成要素は前記基板から間隔を空けて設けられ、前記基板と前記折り
曲げた放射エレメントとが共振キャビティを形成していることを特徴とする折り
曲げた放射エレメント。
【請求項３３】前記共振キャビティは、広いビーム幅、偏波ダイバーシテ
ィ、及び実質的に半球状の放射パターンを作り出すことを特徴とする請求項３２
に記載の折り曲げた放射エレメント。
【請求項３４】前記基板は、第１基板面と第２基板面とを有しており、前
記第１基板面は、金属被覆された接地面コーティングを含んでいることを特徴と
する請求項３２に記載の折り曲げた放射エレメント。