JP2004274757A - 改善された放射ダイバーシティアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 アンテナのかさばりを小さくしつつ十分なダイバーシティを確実とするダイバーシティアンテナを提供することを可能とする。
【解決手段】 本発明は、給電線に電磁的に結合されるスロットライン型の放射素子から構成される放射ダイバーシティアンテナであって、放射素子が木構造を有し、ｋを１つの素子と次の素子の間で同一又は異なる整数とし、λｓを放射素子を構成するスロットライン中の誘導された波長とすると、各放射素子はｋλｓ／２に等しい長さを有し、放射素子のうちの少なくとも１つは、放射素子と給電線の間の結合をコマンドに従って制御するよう放射素子を構成するスロットライン中に配置された切換手段を有する、放射ダイバーシティアンテナに関する。本発明は、主にワイヤレス伝送に適用される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、放射ダイバーシティアンテナの分野に係る。この種類のアンテナは、ワイヤレス伝送の分野、特に家庭内環境、体育館、テレビジョンスタジオ、ホール等の囲まれた又は半分囲まれた環境での伝送の場合に関連する。

囲まれた又は半分囲まれた環境の内部での伝送の場合、電磁波は、壁で、また家具や環境内で考えられる他の面で反射される信号の多数の反射から生ずる多数の経路に関連するフェージング現象を受ける。これらのフェージング現象に対処するために、周知の技術として、空間ダイバーシティを用いるものがある。

知られている方法で、この技術は、例えば、スイッチへの給電線によって接続されているスロット型又は「パッチ」型の２つのアンテナといった広い空間カバレッジを有する一対のアンテナを用いることによるものであり、アンテナの選択は、受信される信号のレベルに従って行われる。この種類のダイバーシティの使用は、各放射素子を通じて見られるチャネル応答の非相関を十分とすることを確実とするよう、放射素子間に最小限の間隔を必要とする。従って、この解決策は、特に、かさばるという不利点がある。

このかさばりの問題を軽減するために、放射ダイバーシティを示すアンテナを用いることが提案されている。放射ダイバーシティは、互いに近傍に配置された放射素子間で切換を行うことによって得られる。この解決策は、アンテナのかさばりを減少させるとともに十分なダイバーシティを確実とすることを可能とする。

従って、本発明は、新規な種類の放射ダイバーシティアンテナに関連する。

本発明によれば、給電線に電磁的に結合されるスロットライン型の放射素子から構成される放射ダイバーシティアンテナは、放射素子が、木構造とされたアームから構成され、ｋを１つのアームと次のアームの間で同一又は異なる整数とし、λｓをアームを構成するスロットライン中の誘導された波長とすると、各アームはｋλｓ／２に等しい長さを有すること、また、アームのうちの少なくとも１つは、アームと給電線の間の結合をコマンドに従って制御するようアームを構成するスロットライン中に配置された切換手段を有することを特徴とする。

上述のアンテナは、切換手段の状態に従って相補的な放射パターンを示す様々なモードで動作しうる。この木構造では、多数の動作モードが利用しやすい。

本発明の望ましい実施例によれば、各アームは切換手段を有する。さらに、切換手段は、スロットの開回路領域に配置され、この切換手段は、おそらくはダイオード、ダイオードとして配列されるトランジスタ、又はＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）から構成される。

本発明の更なる特徴によれば、アームの長さは、短絡面上に配置された挿入物によって区切られ、挿入物は、アーム間の接合のレベルに配置される。

更に、木構造は、Ｈ字型或いはＹ字型、又は、これらの形に関連する形を示しうる。

本発明の他の特徴によれば、アンテナは、マイクロストリップ技術又はコプレーナ技術によって形成される。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、様々な実施例についての以下の説明を読むことにより明らかとなろう。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して以下に記載する種々の実施例の説明を読むことにより明らかとなろう。

本発明の望ましい実施例について、まず図１乃至７を参照して説明する。この場合、図１に示すように、放射ダイバーシティアンテナは、主に、Ｈ字型構造中のアーム部から形成されるスロットライン型の放射素子から構成される。この構造は、マイクロストリップ技術で公知の方法で、その面が金属化されている基板１０上に形成される。特に、この構造は、夫々が基板１０の上面にエッチングされたスロットラインから構成されＨ字型に配置される５つの放射アーム１，２，３，４，５を有する。

更に、図１に示すように、スロットラインは、基板１０の下面に形成された単給電線６を介してＫｎｏｒｒによる理論に従った電磁結合により給電される。従って、図２に示すように、給電線６はスロット５に対して垂直であり、距離Ｌｍに亘って延在し、この距離Ｌｍはｋλｍ／４のオーダであり、但し、λｍは給電線中の誘導された波長であり、λｍ＝λ０／√εｒｅｆｆであり（λ０は真空内での波長であり、εｒｅｆｆは線の誘電率である）、ｋは奇数の整数である。給電線は、長さＬを有し５０オームの接続を可能とする線６の幅よりも大きい幅Ｗを有するライン６’によって、距離Ｌｍを越えて延在する。５つの放射アーム１，２，３，４，５は、長さＬｓのスロットラインから構成され、λｓ＝λ０／√εｒ１ｅｆｆのときＬｓ＝ｋλｓ／２であり、εｒ１ｅｆｆはスロットの誘電率であり、ｋは各アームに対して同じであるか所望の木によって異なりうる整数である。

放射ダイバーシティを得ることを可能とする図１及び図２に示すＨ字型構造を有するアンテナを得るため、切換手段は、当該アームと給電線の間の電磁結合を制御するよう、アンテナを構成するスロットライン中に配置される。より具体的には、ダイオードｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４は、スロットラインの開回路平面上の各スロットライン１、２、３、４中に配置される。スロットラインが長さＬｓ＝ｋλｓ／２、より特定的にはλｓ／２を、示すため、ダイオードは各スロットライン１、２、３、４の中央に配置される。図示の実施例では、ダイオードは各スロット中に配置される。しかしながら、当業者によれば、放射ダイバーシティアンテナは、いずれかのスロット中に配置される単一のダイオードで得られることが明らかであろう。

更に、本発明の他の特徴によれば、スロットライン型のアームの短絡領域に、即ち、図２に示すように、アームの接合のレベルに、金属の挿入物が配置される。挿入物は短絡領域に配置されているため、ダイオードｄ１、ｄ２、ｄ３、又はｄ４のいずれもがアクティブでないときは構造の動作を変更させないが、対応するダイオードがアクティブであるときはスロットライン中にゼロ電流割当てを強いる。

更に、以下詳述するように、ダイオードｄ１、ｄ２、ｄ３、又はｄ４のうちのいずれかがアクティブであるとき、スロットライン型の対応するアームの開回路領域に短絡条件を課すことによりこの素子中の電磁場の放射を防止する。

以下、図１乃至図７を参照して、ダイオードｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４の状態に従って図２に示す構造の動作を説明する。

（１）ダイオードｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４のいずれもアクティブでない場合。Ｈ字型構造に電圧が加えられると、３次元表現については図３ａに示すように、２次元表現については図３ｂに示すように、放射パターンが得られる。この場合、図３ａの３次元表現によれば、特に、例えば一方がφ＝４５°、他方がφ＝１３５°の２つの無指向性の平面で、準無指向性（ｑｕａｓｉ−ｏｍｉｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）放射パターンが得られる。このことは、平面φ＝４６°及びφ＝１３４°を通る断面を表わす図３ｂの２次元パターンによって確かめることができる。更に、図３ｂの曲線は、断平面についての３ｄｂ利得の最大振動を示す。

（２）４つのダイオードｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４のうち１つのダイオードのみがアクティブである場合。従って、４つの動作モードが定義されうる。この場合、これらの各モードに対して、放射パターンは、準無指向性の断平面を有することとなる。図４ａ及び図４ｂに示すように、スロットライン１中に位置するダイオードがアクティブである場合、平面φ＝１３５°は、図４ｃの３次元放射パターン中に示すように、準無指向性の断平面である。

以下の表１に、各ダイオードｄ１、ｄ２、ｄ３、又はｄ４が順番にアクティブとなった場合の準無指向性の断平面の方向と、この平面上の利得の変化とを示す。

（３）２つのダイオードがアクティブである場合。以下、図５ａ、図５ｂ、及び図５ｃを参照して、図２の構造においてダイオードが対ごとにアクティブである場合について説明する。この場合、Ｕ、Ｚ、又はＴ構造、並びに、これらのデュアルモードを示す動作モードを定義することが可能である。構造は、図５ｂに示す方法でシミュレートされ、得られた放射パターンは、各モードが、放射パターンが準無指向性である平面を与えることを示した。従って、ダイオードｄ２及びｄ４がアクティブであるとき、図５ａの（１）に示すように、９０°の断平面（図５ｃの（１））に対する準無指向性の放射パターンを有するＵ構造が得られる。ダイオードｄ２及びｄ３がアクティブであるとき、図５ａに示すようなＺ構造が得られる。この場合、φ＝６７．５°であるよう平面に対する準無指向性の放射パターンが得られる（図５ｃの（２））。ダイオードｄ１及びｄ４がアクティブであるときに得られるデュアルＺスロットについては、φ＝１１２．５°に対する準無指向性平面が得られる。ダイオードｄ３及びｄ４がアクティブであるとき、図５ａの（３）に示すようなＴ構造が得られる。この場合、φ＝０°であるよう断平面に対して準無指向性の放射パターンが得られる（図５ｃの（３））。

全ての結果を表２に示す。

（４）図６は、３つのダイオードがアクティブな場合を表す。この場合、４つの動作モードが定義されうる。これらの各モードに対して、放射パターンは準無指向性の断平面を有する。アクティブダイオードと準無指向性の平面の間の関係を、以下の表３に示す。

ＳＷＲを周波数の関数として示す図７によれば、かなり大きい周波数帯域に亘って様々なモードに対して、アクティブなダイオードの数の関数として、良い対応関係が観察される。

例示として、上述の結果、特にパターンは、例えば図２に示すようなＨ字型構造を有するアンテナ上のＡｎｓｏｆｔＨＦＳＳソフトウエアを用いて行われる電磁シミュレーションの結果であり、構造は、以下の寸法を有する。

スロット１、２、３、４、５：Ｌｓ＝２０．４ｍｍ、Ｗｓ＝０．４ｍｍ、及び、ｉ＝０．６ｍｍ（ｉはアクティブなダイオードをシミュレートするスロットに亘る金属の挿入物の幅を表す）。

給電線６：Ｌｍ＝８．２５ｍｍ、Ｗｍ＝０．３ｍｍ、Ｌｍ＝２１．７５ｍｍ、Ｗｍ＝１．８５ｍｍ。

基板１０：Ｌ＝６０ｍｍ、Ｗ＝４０ｍｍ。用いられる基板は、ＲｏｇｅｒＲＯ４００３であり、次の特性を示す：εｒ＝３．３８、ｔａｎｇｅｎｔΔ＝０．００２２、高さＨ＝０．８１ｍｍ。

更に、図８に、本発明による、スロットライン中のダイオードの配置の原理を示す。この場合、用いられるダイオードは、ＳＯＴ３２３パッケージ中のＨＰ４８９Ｂダイオードである。これは、その一端、即ち陽極が基板の金属化によって形成される接地面Ｐ２に接続され、その他端、即ち陰極が穴Ｖを横切って破線で示されるように基板の下面に形成される制御線Ｌに接続されるよう、スロットラインＦを横切って配置され、穴Ｖは、接地面Ｐ１から切り離された素子中に形成されている。この技術は、当業者によって公知であり、例えば、ディー・ペルーリス（Ｄ．Ｐｅｒｏｕｌｉｓ）、ケイ・サラバンディ（Ｋ．Ｓａｒａｂａｎｄｉ）、及び、エルピービー・カテチ（ＬＰＢ．Ｋａｔｅｃｈｉ）著、「Ａ ｐｌａｎａｒ ＶＨＦ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｓｌｏｔ ａｎｔｅｎｎａ」、ＩＥＥＥ アンテナ及び伝搬に関するシンポジウムの要約、第１巻、ｐ．１５４−１５７に記載されている。

上述の放射ダイバーシティアンテナは、特に、ＨＩＰＥＲＬＡＮ２標準に対応するシステムでの使用を可能とする放射パターンの高いダイバーシティを示す。このアンテナは、多層基板上にプリント構造を用いて容易に作成されうるという利点がある。更に、切換システムは実施が容易である。これは、上述の実施例に示されるようなダイオードから構成されうるが、ダイオードが配置されたトランジスタ又はＭＥＭＳ（「Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ」）等の任意の他の切換システムから構成されてもよい。

図９は、図１及び図２と同様の構造であるが、コプレーナ技術を用いて作成されたものを示す。この場合、給電線は、接地と同じ基板の面上に形成され、図示するように、要素７はスロットライン５をその中央で垂直に切るエッチング７ａ，７ｂによって囲まれる。放射ダイバーシティアンテナの他の要素、即ち、スロットラインを形成するよう接地面Ａをエッチングすることによって形成されるアーム１、２、３、４は、図２に示すものと同じである。様々な寸法は、マイクロストリップ技術によって形成される構造と同じままとされる。

図９に示す構造は、構成要素の構成要素の移転を必要とする回路にとって特に魅力的である。

本発明の他の実施例について、以下図１０及び図１１を参照して説明する。図１０中、Ｈ型構造を示す放射ダイバーシティアンテナのアームのうちの１つ、即ちスロットライン１’は長さλｓを有し、他のアーム２、３、４、５は長さλｓ／２を有する。この実施例では、挿入物ｉは、スロットライン１中に長さλｓ／２にあると考えられ、２つのダイオードｄ１、ｄ’１は夫々、スロットラインの始まりから距離λｓ／４及び３λｓ／４にあると考えられる。スロットライン１の動作は、ダイオードｄ１がアクティブであるときに無効とされる。この場合、ダイオードｄ’１のみがアクティブであるとき、スロットライン１の第２の部分のみが動作しない。従って、長さλｓ／２のスロットラインを有するＨ字型構造の動作に戻る。

従って、本発明は、λｓ／２の倍数である場合は、同じであるか、各アームに対して異なりうる長さを有するスロットライン型のアームを示す構造で作成されうる。

図１１に、図１０に示す種類の構造を有するが、全てのアーム１、２、３、４が長さλｓを有するアンテナに対するＡｎｓｏｆｔＨＦＳＳソフトウエアを用いたシミュレーションによって得られる３次元放射パターンを示し、この場合のダイオードはパッシブである。

更に、様々な長さを有するスロットラインを用いることにより、放射ダイバーシティに加えて周波数ダイバーシティを得ることが可能となる。特に、スロットラインの長さはその共振周波数を調整する。スロットラインは、その長さＬがＬ＝λｓ／２であり、λｓがスロット中の誘導された波長であるような寸法とされる。更に、共振周波数ｆは、誘導された波長に関連付けられ、

寸法Ｌが変更された場合は、周波数もまた変更される。

以下、図１２Ａ及び図１２Ｂを参照して、本発明による放射ダイバーシティアンテナを得るために使用されうる更なる他の種類の構造について説明する。

この場合、アーム１は、略Ｙ構造を有するよう２つの放射素子１ａ、１ｂで延長される。図１２ａの実施例では、２つの放射アーム１ａ及び１ｂは垂直であり、従って図１２ｂの放射パターンを与える。しかしながら、アーム１ａと１ｂの間の角度は、求められている結果を与えつつ他の値を有しうる。図１２ａにおいて、スロットライン１ｂ及びスロットライン１ａは、木を拡大するようスロットライン１に追加されている。これらの２つの新しいスロットラインは、スロットライン２と３がスロットライン４に結合されるようスロットライン１に結合される。上述したことと同様に、スロットライン１は、スロットライン１ａ及び／又は１ｂに、これらのスロットライン１ａ及び１ｂ中に配置された切換素子の状態に従って結合される。この種類の木は、スロットライン２、３、及び４について考えることもでき、また、複雑な木構造となるよう追加されたスロットラインについて考えることもできる。従って、アクセス可能な形態の数は、構造が与えうるダイバーシティの次数と同様に増加される。Ｎ本のスロットライン（各スロットラインは切換素子を具備する）を有する構造については、ダイバーシティのオーダは２^Nである。

木構造とされた放射ダイバーシティアンテナを示す図である。 本発明による、切換手段を具備した図１に示す構造を上から見た図である。 図１によるアンテナ構造の３次元放射パターンを示す図である。 図１によるアンテナ構造の２次元放射パターンを示す図である。 ダイオードがアクティブであるときの図２のアンテナを理論的なモデルに従って示す図である。 ダイオードがアクティブであるときの図２のアンテナをシミュレートされたモデルに従って示す図である。 ダイオードがアクティブであるときの図２のアンテナを３次元放射パターンに従って示す図である。 図４ａと同じものを、ダイオード２及び４がアクティブである場合、ダイオード２及び３がアクティブである場合、並びに、ダイオード３及び４がアクティブである場合について示す図である。 図４ｂと同じものを、ダイオード２及び４がアクティブである場合、ダイオード２及び３がアクティブである場合、並びに、ダイオード３及び４がアクティブである場合について示す図である。 図４ｃと同じものを、ダイオード２及び４がアクティブである場合、ダイオード２及び３がアクティブである場合、並びに、ダイオード３及び４がアクティブである場合について示す図である。 ３つのダイオードがアクティブである場合の、図１のアンテナの理論的モデルを示す図である。 ＳＷＲ即ち定常波比率をアクティブなダイオードの数に従った周波数の関数として示す図である。 スロットライン中のダイオードの配置の原理を示す図である。 コプレーナモードで生成される放射ダイバーシティアンテナを上から見た平面図である。 他の実施例による本発明によるアンテナを上から見た図である。 図１０のアンテナの放射パターンを三次元で見た図である。 本発明による放射ダイバーシティアンテナの他の実施例を上から見た図である。 図１２ａに示す他の実施例の３次元放射パターンを示す図である。

符号の説明

１，２，３，４，５ スロットライン
６ 給電線

Claims (9)

1. 給電線に電磁的に結合されるスロットライン型の放射素子から構成される放射ダイバーシティアンテナであって、
   前記放射素子は、木構造とされたアームから構成され、ｋを１つのアームと次のアームの間で同一又は異なる整数とし、λｓをアームを構成するスロットライン中の誘導された波長とすると、各アームはｋλｓ／２に等しい長さを有し、
   前記アームのうちの少なくとも１つは、前記アームと前記給電線の間の結合をコマンドに従って制御するよう前記アームを構成するスロットライン中に配置された切換手段を有することを特徴とする、アンテナ。
2. 各アームは切換手段を有することを特徴とする、請求項１記載のアンテナ。
3. 前記切換手段は、前記スロットの開回路領域に配置されることを特徴とする、請求項１又は２記載のアンテナ。
4. 前記切換手段は、ダイオード、ダイオードとして配列されるトランジスタ、又はＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）から構成されることを特徴とする、請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のアンテナ。
5. 各アームの前記長さは、短絡面上に配置された挿入物によって区切られることを特徴とする、請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のアンテナ。
6. 前記挿入物は、アーム間の接合のレベルに配置されることを特徴とする、請求項５記載のアンテナ。
7. 前記木構造は、Ｈ字型或いはＹ字型、又は、これらの形に関連する形を有することを特徴とする、請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のアンテナ。
8. 前記アンテナは、マイクロストリップ技術又はコプレーナ技術によって形成されることを特徴とする、請求項１乃至７のうちいずれか一項記載のアンテナ。
9. 前記スロットラインの長さは周波数ダイバーシティを生じさせるよう選定されることを特徴とする、請求項１乃至８のうちいずれか一項記載のアンテナ。

Images