JP2004504747A - マルチバンド平面アンテナ - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の周波数ｆ_１で動作するためにＲ１に設計され、第１のスロットが給電線の短絡面にあるように位置される給電線Ｉ_ｍ１により給電される第１のスロット１０、及び第２の周波数ｆ_２で動作するためにＲ２に設計され、給電線Ｉ_ｍ２により給電される少なくとも１つの第２のスロット１１を備えるマルチバンド平面アンテナに関する。

Description

【０００１】
［発明の分野］
本発明は、ブロードバンド及び／又はマルチバンド平面アンテナに関し、より詳細には、移動体無線通信ネットワーク又は家庭用無線通信ネットワークに適合されるアンテナに関する。
【０００２】
［発明の背景］
移動体無線通信ネットワーク又は家庭用無線通信ネットワークの開発の骨格において、アンテナの設計は、これらのネットワークに割り当てられている様々な周波数から生じる特定の問題に直面している。特に、以下の概要的な一覧により示されるように、無線技術は各種存在しており、それらで利用されている周波数も各種存在している。
【０００３】
【表１】

【０００４】
このように、過去２０年の間で、オペレータ及び利用国の両者に依存した周波数帯域で実行される様々な移動体電話システムの設置が行われてきている。最近では、所定の技術について、互いの大陸で異なる仕様及び周波数帯域をなお進化しつつ、家庭用無線通信ネットワークの発展を目にしてきている。
【０００５】
ユーザの観点から、この多数の周波数帯域は、それぞれのネットワークのための異なる接続装置の使用を含む限り、そのサービスを得ることに対して障害となる場合がある。これは、製造者の見地で見た現在の傾向が、幾つかの技術又は標準と互換性があるようにすることにより、上位の装置を減少することを目的としているためである。
【０００６】
数年前には、９００ＭＨｚのＧＳＭ及び１．８ＧＨｚのＤＣＳの両者への接続を提供するデュアルバンド電話の外観を見てきている。さらに、家庭用無線ネットワークの分野での複数の標準は、考慮している標準に依存して、非常に離れているか、又は隣接している周波数帯域を分割することに繋がる。
【０００７】
将来的に、一方で、デジタルビットレートにおける急増に関連した周波数スペクトルについて、他方で、周波数の欠乏に関連した周波数スペクトルについて、幾つかの周波数帯域及び／又は広帯域の周波数にわたる動作を可能にする装置に対して、今までにない大きな需要が生じる。
【０００８】
さらに、一方で家の外にあるときに移動体電話として使用することができ、他方で家に戻ったときに家庭用通信ネットワークの一部を形成する家庭用装置の１項目として使用することができる、いわば、セルラーネットワーク／家庭用ネットワークに互換性のある装置である、携帯用装置を開発することは有益となる。
【０００９】
この互換性を可能にするように幾つかの周波数帯域で動作しつつ、さらにコンパクトなアンテナを開発することは明らかに必要である。
【００１０】
［発明の概要］
図１に表されているように、所与の周波数ｆで動作する環状スロット１から構成される平面アンテナが現在知られている。この環状スロット１は、マイクロストリップライン２により給電される。
【００１１】
給電線の短絡面、すなわち電流が最大となるゾーンにスロットがあるように、マイクロストリップライン／放射スロットの遷移がなされる場合、環状スロットは、基本周波数の偶数倍の周波数で共振を表す「パッチ」型のライン給電構造と対比して、この周波数の奇数倍の全ての周波数で共振を示ことは、以下のシミュレーション及びトライアルに従うことにより明らかとなる。
【００１２】
この動作の方法は、図１に表されるアンテナを作製するために使用される以下の設計ルールを正当化する。この場合、
【数１】

である。ここで、λ_ｓ及びλ_ｍは、スロット内であってマイクロストリップラインでの波長であり、Ｚ_ａｎｔは、アンテナの入力インピーダンスである。さらに、Ｉ_ｍは、５０Ωと整合ために必要とされるマイクロストリップラインの長さを表す。Ｗ_ｓ及びＷ_ｍは、スロットの幅及びマイクロストリップラインのそれぞれの長さである。
【００１３】
したがって、Ｒ＝７ｍｍ、Ｗ_ｓ＝０．２５ｍｍ、Ｉ_ｍ＝９．２６ｍｍ及び基本周波数ｆ＝５．８ＧＨｚで動作するように、εｒ＝２．６−ｔａｎδ＝０．００２−ｈ＝０．８ｍｍ−ｃｏｐｐｅｒ ｔｈ＝１５μｍで“ＣＨＵＫＯＨ ＦＬＯ”基板に作製される図１のタイプのアンテナのケースでは、図２に表されているような周波数の動作が観察される。したがって、５．８ＧＨｚの周波数ｆで共振が観察され、続いて、１７ＧＨｚ前後、いわば周波数３ｆで共振が観察される。反射係数の形式は、１１ＧＨｚ領域で平坦なままとなる。
【００１４】
上述した特性に基づいて、本発明は、簡単かつコンパクトな設計による新しいブロードバンド及び／マルチバンド平面アンテナ構造を提案する。
【００１５】
したがって、本発明の主眼は、第１の周波数ｆ_１で動作するように設計され、スロットが給電線の短絡面にあるように位置される給電線により給電される第１のスロットを備えるタイプのマルチバンド平面アンテナにあり、該アンテナは、第２の周波数ｆ_２で動作するように設計され、該給電線により給電される少なくとも１つの第２のスロットをさらに備えていることを特徴とする。
【００１６】
マルチバンド動作を可能にする本発明の特徴によれば、第２のスロットは、給電線の短絡面にある。
【００１７】
好適には、このアンテナは、Ｎ個のスロットを備えており、それぞれのスロットは、周波数ｆ_ｉで動作するように設計されている。ここで、ｉは１からＮまでの範囲をとる。それぞれのスロットは、給電線の短絡面にあるように該給電線により給電される。
【００１８】
ブロードバンド動作を可能にする本発明の別の特徴によれば、２つのスロットは、ある点で余接の関係となっている。給電線は、この点、或いは２つのスロットが同心状に位置されるこの点とは反対の点のいずれかのレベルで位置されている。
【００１９】
１実施の形態によれば、それぞれのスロットの長さは、上記周波数ｆ_ｉでスロットが共振するように選択される。それぞれのスロットは、同一又は非同一の形状であり、ある点に関して対称的である。
【００２０】
好適には、それぞれのスロットは、円形又は方形である。スロットには、円偏波の放射を可能にする手段が設けられる場合がある。これらの手段は、たとえばノッチからなる。この場合、給電線の位置に依存して、右又は左円偏波が生成される。
【００２１】
本発明の他の特徴及び利点は、各種実施の形態の記載を読むことにより明らかとなるであろう。この記載は、添付図面を参照して与えられる。
【００２２】
［発明の実施の形態］
図３に表されるように、本発明による２周波アンテナは、第１の基本周波数ｆ_１で動作するようにその半径Ｒ１が選択される第１の環状スロット１０を備えている。したがって、半径Ｒ１は、λ_ｓ１／２Πに等しい。ここで、λ_ｓ１は、スロット１０における波長である。スロット１０は、幅Ｗｓ１を有する。また、アンテナは、第２の基本周波数ｆ_２で動作するようにその半径Ｒ２が選択される第２の環状スロット１１を備えている。半径Ｒ２は、λ_ｓ２／２Πに等しい。本実施の形態では、周波数ｆ_２は、２ｆ_１の近傍に選択されるが、他の比率が考慮される場合がある。
【００２３】
本発明によれば、２つの環状スロット１０及び１１は、１つのマイクロストリップライン１２により給電される。このマイクロストリップラインは、該スロット１０，１１が給電線の短絡面にあるように位置されている。したがって、給電線１２は、ｋ（λ_ｍ２／４）に等しい長さＩ_ｍ２だけスロット１１をオーバーシュートし、ｋ（３λ_ｍ２／４）＝ｋ（λ_ｍ１／４）に等しい長さだけＩ_ｍ１だけスロット１０をオーバーシュートしている。ここで、λ_ｍ２は、周波数ｆ_２でのマイクロストリップラインでの波長であり、λ_ｍ１は、周波数ｆ_１でのマイクロストリップラインでの波長である。ｋは奇数である。
【００２４】
さらに、長さＩ_{ｍ ’}は、５０Ωに３００Ω前後のインピーダンスＺ_ａｎｔを整合するために必要とされるラインの長さを表している。このラインは、幅Ｗ_ｍを有している。一般的な方法では、短絡面にスロットがあるようなラインの長さは、ｋλ_ｍ／４に等しい。ここで、λ_ｍは、スロットについて定義される動作周波数でのマイクロストリップラインの波長であり、ｋは奇数の整数である。
【００２５】
図４に表されているのは、以下の特性による、図３に表されるような構造の反射係数である。
Ｒ１＝１６．４ｍｍ、Ｗ_ｓ１＝０．４ｍｍ、Ｉ_ｍ１＝２０ｍｍ、ｆ_１＝２．４ＧＨｚ
Ｒ２＝７．４ｍｍ、Ｗ_ｓ２＝０．４ｍｍ、Ｉ_ｍ２＝９．２５ｍｍ、ｆ_２＝５．２ＧＨｚ
【００２６】
この場合、マイクロストリップラインは、幅Ｗ_ｍ＝０．３ｍｍ及び長さＩ’_ｍ＝２０ｍｍである。このアセンブリは、基板Ｒ４００３（ε＝３．３８、ｈ＝０．８１ｍｍ）に作製される。
【００２７】
上記構造で得られるシミュレーション結果は、図４に表されている。２．４ＧＨｚ（Ｓ１１＝−２２ｄＢ）での非常に良好な整合を有する新たなトポロジーの２周波による動作、及びＳ１１が５．２ＧＨｚ（Ｓ１１＝−１２ｄＢ）で全体的に補正されている点に注目されたい。
【００２８】
さらに、上記構造により、２．４ＧＨｚでの放射は、スロット単独での放射に類似しており、完全に対称的であることが観察される。５．２ＧＨｚでは、放射に関して僅かに対称性が失われているものの、非常に制限されている。
【００２９】
図５に表されているのは、３周波帯域モードで動作する実施の形態である。このケースでは、基本周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３で動作する３つの環状スロット２１，２２，２３は、１つであって同じマイクロストリップライン２０により給電される。スロットは、先に与えられた設計ルールを使用して作製される。
【００３０】
したがって、それぞれの環状スロットの半径は、Ｒ_ｉ（ｉ＝１，２，３）＝λ_ｓｉ／２Πであるように設計される。ここで、λ_ｓｉは、それぞれのスロットの波長を表している。同様に、短絡面は、Ｉ_ｍ３＝ｋ（λ_３／４）、Ｉ_ｍ２＝ｋ（λ_２／４）及びＩ_ｍ１＝ｋ（λ_１／４）となるように位置されている。ここで、λ_１、λ_２、λ_３は、周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３でのマイクロストリップラインのそれぞれの波長である。ｋは、奇数である。長さＩ’_ｍは、５０Ωに整合するために使用される。
【００３１】
図６ａ、図６ｂ及び図６ｃに表されているのは、本発明による平面アンテナの別の実施の形態である。図６ａ及び図６ｂのケースでは、２つの環状スロットＲ’１及びＲ’２は、ある点で接している。２つの環状スロットＲ’１及びＲ’２は、隣接した周波数で動作するようにその寸法が設計されている。したがって、図６ａに表されているように、アンテナは、点Ａで余接の関係にある２つの環状スロットＲ’１及びＲ’２を備えている。
【００３２】
この実施の形態では、２つのスロットＲ’１及びＲ’２は、点Ａの側に関して共通の給電線により給電される。２つのスロットは、給電線の短絡面に実質的に位置し、長さＩ’_ｍ及びＩ’_{ｍ ’}は、Ｉ’_ｍがｋλ’_ｍ／４に等しく、Ｉ’_{ｍ ’}が５０Ωとの整合を可能にするように選択される。ここで、λ’_ｍは、マイクロストリップラインでの波長であり、ｋは奇数の整数である。
【００３３】
図６ｂの実施の形態によれば、２つの環状スロットは、点Ｂで余接の関係にあい、該点Ｂとは反対側で給電線により給電される。
【００３４】
このケースでは、長さＩ’’_{ｍ ’ ２}及びＩ’’_ｍ１は、スロットＲ’１及びＲ’２が給電線の短絡面に実質的に位置するように選択される。長さＩ’’_{ｍ ’}は、５０Ωへの整合をつくるように選択される。
【００３５】
図６ｃのケースでは、２つの環状スロットＲ’１及びＲ’２は、同心状に位置されている。２つの環状スロットＲ’１及びＲ’２は、たとえば、マイクロストリップ技術を使用して共通の給電線により給電される。このケースでは、長さＩ_ｍ１及びＩ_ｍ２は、スロットＲ’１及びＲ’２が給電線の短絡面に接近して位置するとともに、Ｉ_{ｍ ’}が５０Ωへの整合を可能にするように選択されている。
【００３６】
上述した様々なトポロジーの成果は、引例ＩＥ３Ｄで知られているシミュレーションソフトウェアにより実行される。全てのケースにおいて、グランドプレーン及び基板のサイズは、無限大であることが仮定されている。テストされた様々な構成の幾何学的な特性は、以下の表２に与えられている。
【表２】

【００３７】
なお、複数のスロットを用いたトポロジーは、帯域幅において明らかな増加を伴う。この帯域幅の増加は、単一スロットについて３８０ＭＨｚから、同心状に位置される２重スロット構造又は接触する２重スロット構造についての４７０ＭＨｚ及び４５０ＭＨｚまで実際に及ぶ。
【００３８】
この帯域幅の増加は、第３のスロットを追加することによりさらに増加される。９％のオーダの帯域幅が、単一スロットについての６．５５％に対して得られる。全てのケースについて、帯域幅の最大値は、同心状に位置されるスロット構成で得られる。
【００３９】
しかし、このトポロジーは、この構造の動作周波数から１ＧＨｚ低い周波数で擬似の共振を引き起こす（図７参照）。しかし、用途により課されるスペクトル制約に従い、同心状のスロットよりも好適とされる接触型スロット構成（ｎｅｓｔｅｄ ｓｌｏｔ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）では引き起こされない。放射の観点から、各種のトポロジーは、単一の環状スロットでこれまで得られているパターン及び効率を保持する。
【００４０】
したがって、マルチスロット構造のブロードバンド特性は、上述された新しいトポロジーに関して評価される。放射は、提案される構成により分散されない。帯域幅の観点で最も有効なトポロジーは、同心状に位置されるスロットの構成に対応する。しかし、後者の構成は、擬似共振周波数を引き起こす。この擬似共振周波数は、接触型マルチスロット構成では生じない。この構成は、同心状に位置されるスロットの構成の解法と同様にブロードバンドではないが、単一スロットと相対的にかなりの周波数帯域を得ることが可能である。
【００４１】
様々なスロットの実施の形態が図８ａ、図８ｂ、図８ｃを参照して記載される。図８ａでは、スロットは、給電線３１により給電される方形３０からなる。図８ｂでは、スロット１は、円形であり、給電線２により給電され、直線偏波を放射する。図８ｃでは、環状スロット１’には、ノッチ１’’が設けられており、給電線２により給電される。このケースでは、スロットは、給電線の位置に依存して、左又は右である場合がある円偏波を放射する。当業者であれば、スロットの形状にもかかわらず、上述した設計ルールに従うことは明らかであろう。一般には、スロットは、ある点に関して対称的であり、選択された基本周波数で放射するような長さを有する。
【００４２】
本発明は、マイクロストリップ技術で作製された給電線により記載されたが、給電線は、コプレーナ技術で作製される場合がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】
公知の環状スロットアンテナの上部からの外観図である。
【図２】
図１に表されるアンテナのケースにおける周波数の関数として、反射係数を与える曲線である。
【図３】
本発明による２周波平面アンテナの上部からの外観図である。
【図４】
図３に表されるアンテナのケースにおける周波数の関数として、反射係数を与える曲線である。
【図５】
本発明による３周波平面アンテナの上部からの外観図である。
【図６】
図６ａから図６ｃは、本発明の別の実施の形態によるブロードバンド平面アンテナの上部からの外観図である。
【図７】
図１，図３，図５及び図６のアンテナの帯域幅を与える各種曲線を表す図である。
【図８】
図８ａから図８ｃは、本発明のアンテナで使用することができる各種スロットの形状を概念的に表す図である。

Claims (11)

1. 第１の周波数で動作するように設計され、第１のスロットが給電線の短絡面にあるように位置される前記給電線により給電される第１のスロットを備えるタイプのマルチバンド平面アンテナであって、
   第２の周波数で動作するように設計され、前記給電線により給電される少なくとも１つの第２のスロットを備える、
   ことを特徴とするアンテナ。
2. 前記第２のスロットは、前記給電線の短絡面にあるように前記給電線により給電される、
   ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
3. Ｎ個のスロットを備え、前記Ｎ個のスロットのそれぞれは、ｉが１からＮの範囲をとる周波数ｆ_ｉで動作するように設計され、前記給電線の短絡面にあるように前記給電線により給電される、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ。
4. 前記第１のスロットと前記第２のスロットは、給電線がこの点に位置される点、或いは直径上の反対の点で余接の関係にある、
   ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
5. 前記第１のスロットと前記第２のスロットは同心状に位置される、
   ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
6. 前記第１のスロットと前記第２のスロットのそれぞれの長さは、前記第１のスロットと前記第２のスロットのそれぞれが前記周波数ｆ_ｉで共振するように選択される、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載のアンテナ。
7. 前記第１のスロットと前記第２のスロットのそれぞれは、ある点に関して対称的な形状を有する、
   ことを特徴とする請求項６記載のアンテナ。
8. 前記第１のスロットと前記第２のスロットのそれぞれは、円形又は方形である、
   ことを特徴とする請求項７記載のアンテナ。
9. 前記第１のスロットと前記第２のスロットのそれぞれには、円偏波の放射を可能にする手段が設けられる、
   ことを特徴とする請求項７又は８記載のアンテナ。
10. 前記手段は、前記第１のスロット又は前記第２のスロットに設けられたノッチからなる、
    ことを特徴とする請求項９記載のアンテナ。
11. 前記給電線は、マイクロストリップライン、又はコプレーナ技術で作製されたラインである、
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項記載のアンテナ。

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