JP2004520745A - 小型ブロードバンド・リング状・マイクロストリップパッチアンテナ - Google Patents

Abstract

小型のブロードバンドの積み重ねられたマイクロストリップパッチアンテナが提供される。上記アンテナは２つのパッチ、すなわち励振パッチと非励振パッチとで形成され、それらのうちの少なくとも一方は、本発明において新規に画成されたリング状空間充填面（ＲＳＦＳ）によって画成される。この新規な技術によって、アンテナのサイズは従来技術に関して削減可能であり、又は、それに代わって、固定されたサイズが与えられたならば、当該アンテナは、同じサイズの従来型のマイクロストリップパッチアンテナに関してより低い周波数で、かつ拡張された帯域幅で動作可能である。また、当該アンテナは、高次のモードで動作されるときに高い利得を有することを特徴とする。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間充填曲線（space-filling curve：ＳＦＣ）と呼ばれる革新的な曲線のセットに基づく、削減されたサイズとブロードバンドの動作とを有するマイクロストリップパッチアンテナの新規なファミリーに関する。本発明は、携帯型機器のサイズ及び重量が小さいことを必要とする、モバイル通信装置（セルラー電話、セルラーページャ、携帯型コンピュータ、及びデータハンドラなど）の環境において特に有用である。
【背景技術】
【０００２】
アンテナは、それが動作波長と比較して小さい空間内に収容されうるときに、小型アンテナ（ミニチュアアンテナ）であると呼ばれる。より正確には、アンテナを小ささで分類するための基準として、ラジアン球（radiansphere）が用いられる。ラジアン球は、πの２倍で除算された動作波長に等しい半径を有する仮想的な球であり、アンテナは、それが当該ラジアン球の内部に収容されうるときに、波長に関して小型であると呼ばれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
小型アンテナに関する原理的な限界は、エイチ・ホイーラー（H. Wheeler）とエル・ジェイ・チュウ（L. J. Chu）によって１９４０年代半ばに理論的に確立された。彼らは、基本的に、放射される電力と比較してアンテナの近傍に蓄えられた大きなリアクティブエネルギーに起因して、小型アンテナが高いクオリティファクタ（Ｑ）を有するということを提示した。そのような高いクオリティファクタは狭い帯域幅をもたらし、実際に、そのような理論で導出される原理的な限界は、特定のサイズの小型アンテナが与えられた場合の最大の帯域幅を課す。小型アンテナの他の特性は、その小さな放射抵抗とその低い効率とにある。
【０００４】
小さな空間から効率的に放射できる革新的な構造を開発することは、非常に大きな商業的重要性を有し、特に、携帯型機器のサイズ及び重量が小さいことを必要とするモバイル通信装置（いくつかの例を挙げると、セルラー電話、セルラーページャ、携帯型コンピュータ、及びデータハンドラ）の環境において非常に大きな商業的重要性を有する。アール・シー・ハンセン（アール・シー・ハンセン，“アンテナの原理的限界”，ＩＥＥＥプロシーディングズ，Ｖｏｌ．６９，Ｎｏ．２，１９８１年２月（R. C. Hansen, "Fundamental Limitations on Antennas," Proc. IEEE, vol.69, no.2, February 1981））によると、小型アンテナの性能は、当該アンテナを包囲する仮想的なラジアン球内の利用可能な小さな空間を効率的に用いるその能力に依存する。本発明では、従来技術で説明された他の古典的なマイクロストリップパッチアンテナの性能を改善する小型アンテナの設計及び構成のために、リング状空間充填面（ring-like space-filling surface：ＲＳＦＳ）と呼ばれる新規な幾何学的形状のセットが導入される。
【０００５】
マイクロストリップアンテナ（マイクロストリップパッチアンテナとしても知られる）の一般的な構成は当業者には公知であり、例えば、（ディー・ポーザー，“マイクロストリップアンテナ：マイクロストリップアンテナ及びアレーの解析及び設計”，ＩＥＥＥプレス，ピスカタウェイ，ニュージャージー，０８８５５−１３３１（D. Pozar, "Microstrip Antennas: The Analysis and Design of Microstrip Antennas and Arrays". IEEE Press, Piscataway, NJ 08855-1331））において見つけることができる。そのようなアンテナの、他のアンテナ構成と比較した利点は、（例えば、当該アンテナが乗物の表面形状に応じて適合化されうるような）低く平坦な輪郭と、その便利な製造技術（実質的に任意のプリント回路基板の基板上に任意形状のパッチが印刷されうる。）と、低いコストとにある。この種のアンテナの主要な欠点は、その狭い帯域幅にあり、これは、アンテナのサイズが半波長よりも小さくなるときにさらに縮小される。マイクロストリップアンテナの帯域幅を拡大するための一般的な技術は、非励振パッチ（マイクロストリップアンテナ上に配置され、励振パッチとの近接結合を除いて給電機構を持たない第２のパッチ）によるものであり、この非励振パッチは放射機構を改善する（非励振パッチ技術の説明は、ジェイ・エフ・ズルヒャー及びエフ・イー・ガーディオル，“ブロードバンドパッチアンテナ”，アーテックハウス，１９９５年（J. F. Zurcher and F. E. Gardiol, "Broadband Patch Antennas", Artech House 1995）において見つけることができる。）。そのような積み重ねられた（スタックされた）アンテナ構成に共通する欠点は、構造全体のサイズにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この意味で、本発明は、従来技術に関して積み重ねられたパッチ構成のサイズを削減することと帯域幅を改善することとの両方のための技術を開示する。この新規な技術は、明らかに、従来技術のアンテナの性能を改善するために、誘電体、磁性体、又は磁性誘電体（magnetodielectric）の材料をアンテナに装荷するような、従来技術に係る他の小型化技術とも組み合わせ可能である。
【０００７】
本発明の利点は、広い帯域幅で動作しながらもなお、古典的なパッチアンテナと比較したときに縮小されたサイズを有するマイクロストリップパッチアンテナを取得することにある。提案されたアンテナは、導電性の接地カウンタポイズ又は接地平面と実質的に平行な第１の導電性の面（励振パッチ又はアクティブパッチ）と、そのような励振パッチの上方に平行に配置された第２の導電性の面（非励振パッチ）とによって構成される、積み重ねられたパッチ構成に基づく。そのような非励振パッチは励振パッチの上方に配置されるので、励振パッチは上記非励振パッチと上記接地平面との間に配置される。上記励振パッチを励振するために、１つ又はそれよりも多くの給電ソースが使用可能である。上記励振パッチの給電素子は、他のマイクロストリップパッチアンテナに関する従来技術で説明された公知の給電素子（例えば、同軸プローブ、同一平面内のマイクロストリップ線路、容量性結合、又は接地平面における開口など）のうちの任意のものであってもよい。
【０００８】
本発明の本質的な部分は、励振パッチ又は非励振パッチのいずれか（あるいは両方）の特定の幾何学的形状にある。上記幾何学的形状（ＲＳＦＳ）は、パッチを包囲する外周と、パッチ内における導電性材料が存在しない領域を画成する内周とを備えたリングにてなる。本発明の特徴的な部分は、励振パッチ又は非励振パッチのいずれか（あるいはそれらの両方）の上における、リングの内周又は外周のいずれかの形状にある。上記特徴的な周は、空間充填曲線（ＳＦＣ）として、すなわち、物理的長さに関して長いが、当該曲線が包含されうる面積に関して小さい曲線として形成される。より正確には、本願明細書では、空間充填曲線に対して以下の定義を採用する。すなわち、空間充填曲線は、少なくとも１０個のセグメント（線分）で構成される曲線であって、上記複数のセグメントは、各セグメントがそれらに隣接するものと所定の角度を形成するように互いに接続される、すなわち、隣接するセグメントの対は、より大きな直線状のセグメントを画成することがない。また、上記曲線は、オプションとして、以下のような場合かつその場合に限って空間内の固定された直線方向に沿って周期的であってもよい。すなわち、上記周期は、少なくとも１０個の互いに接続されたセグメントで構成された非周期的な曲線によって画成され、かつ、上記隣接し互いに接続されたセグメントの対は、直線状のより長いセグメントを画成することがない場合である。また、そのようなＳＦＣの模様（又は設計）がどのようであっても、それは、始点と終点を除いたいかなる点においてもそれ自体と決して交わることがない（すなわち、曲線全体は、アンテナ構成内で１つのパッチの内周又は外周のいずれかを画成する閉じたループとして構成される。）。セグメント間の角度に起因して、上記空間充填曲線の物理的長さは、上記空間充填曲線と同じ面積（面）に収容されうる任意の直線のそれよりも常に長くなる。それに加えて、本発明に係る小型パッチアンテナの構造を適正に形成するために、ＳＦＣ曲線に属する複数のセグメントは、自由空間の動作波長の１０分の１よりも短くなければならない。
【０００９】
非励振パッチの働きは、アンテナセット全体の帯域幅を拡張することにある。厚さ及びサイズの制約と特定のアプリケーションとに依存して、励振パッチの上方に配置される非励振パッチのために同様の本質的な構成を用いることによって、さらなるサイズの削減が達成される。
【００１０】
正確には、励振パッチ又は非励振パッチのいずれかの上のリングの内周又は外周（あるいは両方）の特定のＳＦＣ形状に起因して、アンテナは低い共振周波数を有することを特徴とし、ゆえに、アンテナのサイズは従来型のアンテナと比較して削減されうる。リング形状におけるそのような特定の幾何学的形状に起因して、本発明は、マイクロストリップ空間充填リングアンテナ（又はＭＳＦＲアンテナ）と呼ばれる。また、リングに対して中央の穴が存在しない、べた（solid）のパッチ構成においてさえも、パッチの周（外周）をＳＦＣとして形成することは、アンテナのサイズを削減することに寄与する（しかしながら、この場合、サイズの削減はリングの場合におけるほど大きくはない。）。
【発明の効果】
【００１１】
本願明細書において開示されたＭＳＦＲ構成（図１）を用いることの利点は、３つの部分からなる。
（ａ）特定の動作周波数又は波長が与えられたならば、上記ＭＳＦＲアンテナは、従来技術に関して削減された電気的サイズを有する。
（ｂ）ＭＳＦＲアンテナの物理的サイズが与えられたならば、上記アンテナは、従来技術よりも低い周波数（より長い波長）で動作可能である。
（ｃ）特定の動作周波数又は波長が与えられたならば、上記ＭＳＦＲアンテナは、従来技術に関してより大きなインピーダンスの帯域幅を有する。
【００１２】
また、これらのアンテナがより高次の周波数モードで動作する場合、それらは狭いビーム放射パターンを有することを特徴とし、このことは、当該アンテナを高い利得のアプリケーションに適当なものにするということが観察される。
【００１３】
当業者には容易に想到されるように、交差偏波又は円偏波又は楕円偏波のような他の特徴は、新規に開示された構成に対して、背景技術で説明された同様の従来技術を適用して取得されうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、ＭＳＦＲアンテナの３つの好ましい実施形態を示す。上段のものは、接地平面（６）上の励振パッチ（３）と、上記励振パッチ上に配置された非励振パッチ（４）とによって形成され、パッチのうちの少なくとも１つがＲＳＦＳである（例えば、図１（上）では両方のパッチがＲＳＦＳであり、（中）では非励振パッチのみがＲＳＦＳであり、（下）では励振パッチのみがＲＳＦＳである）アンテナを示す。上記励振パッチ及び非励振パッチは、その実装は本発明には関わりがないので、現状の当該技術において既に利用可能なマイクロストリップアンテナのための公知技術のうちの任意のものによって実装可能である。例えば、各パッチは、誘電体基板（７及び８）上に印刷可能であり、又は、金属層に対してレーザ切断処理を用いて成形可能である。誘電体基板上にＲＳＦＳをパターン化するために、公知のプリント回路製造技術のうちの任意のものが適用可能である。上記誘電体基板は、例えば、グラスファイバ板、テフロン（登録商標）をベースとする基板（例えば、キュークラッド（Cuclad：登録商標））、又は他の標準的な無線周波及びマイクロ波用基板（例えば、ロジャーズ４００３（Rogers 4003：登録商標）又はカプトン（Kapton：登録商標））であることが可能である。ラジオ、ＴＶ、セルラー電話機（ＧＳＭ９００、ＧＳＭ１８００、ＵＭＴＳ）、又は電磁波による他の通信サービスを送信するか又は受信するために、自動車のような車両、電車又は飛行機にアンテナが装着されるべき場合には、誘電体基板は窓ガラスの一部さえであってもよい。当然ながら、励振パッチの入力端子にマッチングネットワークが接続されるか、又は統合化されることが可能である。励振パッチ（３）と非励振パッチ（４）との間の媒体（９）は、空気、フォーム（発泡体）、又は任意の標準的な無線周波及びマイクロ波用基板であることが可能である。上記励振パッチの給電方式は、従来技術のパッチアンテナで用いられた公知の方式のうちの任意のものを採用することができ、例えば、接地平面に接続された外部導体と、所望の入力抵抗の地点（５）において励振パッチに接続された内部導体とを有する同軸ケーブルを採用することができる。当然ながら、同軸ケーブルの接続点の周囲のパッチ上における容量性のギャップ、又は、同軸ケーブルの内部導体に接続され、パッチに平行に所定距離だけ離れて配置された容量性の電極（プレート）などを含む典型的な変形例も、同様に使用可能である。他の明らかな給電機構の例は、例えば、励振パッチアンテナと同じ接地平面を共有するマイクロストリップ伝送線路であり、ここで、上記ストリップは励振パッチに対して容量的に結合されかつ上記励振パッチの下方に所定距離だけ離れて配置され、もう１つの実施形態では、上記ストリップは接地平面の下方に配置されかつスロットを介して励振パッチに接続され、さらに、マイクロストリップ伝送線路は、励振パッチと同一平面内にあるストリップを備えてさえいてもよい。これらすべての機構は従来技術から公知であり、本発明の本質的な部分を構成するものではない。本発明の本質的な部分は励振パッチと非励振パッチの形状（この場合はＲＳＦＳの幾何学的形状）にあって、これが、従来技術の構成に関して当該アンテナのサイズを削減し、かつ帯域幅を拡張することに寄与する。
【００１５】
非励振パッチの寸法は、必ずしも励振パッチと同じではない。その寸法は、励振素子及び非励振素子の共振を比較したときに２０％よりも小さい差を有して実質的に同様の共振周波数を取得するように調整されうる。
【００１６】
図２は他の好ましい実施形態を示し、ここで、上記励振パッチ（３）と非励振パッチ（４）の中心は、接地平面（７）に対する同じ垂直軸上には整列されていない。上の図は垂直及び水平方向の非整列（misalignment）を示し、中は水平方向の非整列を示し、下は垂直方向の非整列を示す。この非整列は、放射パターンのビーム幅を制御するために有用である。
【００１７】
励振パッチ又は非励振パッチのいずれかに対するいくつかの変形例を説明するために、いくつかの例が提示される。図３は励振パッチ又は非励振パッチのいずれかのためのいくつかのＲＳＦＳを示し、ここでは、内周（１）及び外周（２）は同じＳＦＣに基づいている。図４は、異なる内周の長さを有する他の好ましい実施形態を示す。内周におけるこの差は、動作周波数をわずかに変更して調整するために有用である。図５は他の好ましい実施形態を示し、ここでは、ＲＳＦＳの外周（１）は、内周（２）とは異なるＳＦＣに基づいている。図６及び図７は、他のＳＦＣ曲線の例による他の好ましい実施形態を示し、ここでは、ＲＳＦＳの内周（１）及び外周（２）は、同じＳＦＣに基づいている。
【００１８】
図８はいくつかの例を示し、ここでは、除去された部分の中心は、パッチの中心と同じではない。この中心の変位は、ＭＳＦＲアンテナを特定の基準インピーダンスに整合させるために励振パッチ上に給電点を配置することに特に有用である。この方法で、５Ωを超える入力インピーダンスを有することが特徴となりうる。
【００１９】
図９は、いくつかの組み合わせを含む他の好ましい実施形態を示し、ＲＳＦＳの外周（１）と内周が異なるＳＦＣに基づくときの、中心の非整列が存在する実施形態を示す。
【００２０】
図１０はもう１つの好ましい実施形態を示し、（図ａ及びｂ）では、ＲＳＦＳの外周（１）はＳＦＣであり、内周は従来のユークリッド曲線（例えば、正方形、円…）である。さらに、図ｃ及びｄに示された例において、ＲＳＦＳの外周（１）は古典的なユークリッド曲線（例えば、正方形、円…）であり、内周（２）はＳＦＣである。
【００２１】
われわれの発明の原理が、そのいくつかの好ましい実施形態において図示されかつ説明されたが、本発明は、そのような原理から離れることなく構成及び詳細において変更可能であるということは当業者には容易に明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ＭＳＦＲアンテナのための３つの異なる構成を示し、励振パッチ及び非励振パッチのためのＲＳＦＳを有する構成（上）と、非励振パッチのみのためのＲＳＦＳを有する構成（中）と、励振パッチのみのためのＲＳＦＳを有する構成（下）とを示す図である。
【図２】ＭＳＦＲアンテナのための３つの異なる構成を示し、励振パッチ及び非励振パッチの中央が、接地平面に対する同一の垂直軸上に乗っていない場合を示す図である。
【図３】いくつかのＲＳＦＳの例を示し、内周と外周が同一の曲線に基づきかつ同一の本数のセグメントを有する場合を示す図である。
【図４】同じ曲線に基づくいくつかのＲＳＦＳの例を示し、それぞれの場合で外周と内周が異なる長さを有するときを示す図である。
【図５】複数のＲＳＦＳの例を示し、外周と内周が、等しい本数のセグメントと異なる本数のセグメントを有する異なる曲線に基づく場合を示す図である。
【図６】異なるＳＦＣに基づいた図３の場合のＲＳＦＳの例を示す図である。
【図７】図６の例にさらに追加されたＲＳＦＳの例を示す図である。
【図８】いくつかのＲＳＦＳの例を示し、構造全体の中心が、除去された部分の中心と一致しない場合を示す図である。
【図９】複数のＲＳＦＳの例を示し、内周と外周のために異なるＳＦＣを有し、かつ、構造全体の中心が、除去された部分の中心とは異なるように配置された場合を示す図である。
【図１０】複数のＲＳＦＳの例を示し、図ａ及びｂは、外周がＳＦＣであり内周が古典的なユークリッド曲線（例えば、正方形、円、三角形…）である場合を示し、図ｃ及びｄは、外周が従来の多角形の幾何学的形状（例えば、正方形、円、三角形…）であり内周がＳＦＣである場合を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１…外周、
２…内周、
３…励振パッチ、
４…非励振パッチ、
５…所望の入力抵抗の地点、
６…接地平面、
７，８…誘電体基板、
９…媒体。

Claims (6)

1. 少なくとも２つの導電性の平行な面と、導電性の接地
   平面又はカウンタポイズとを備え、上記導電性の第１の面は、上記接地平面の上面に実質的に平行に配置されかつ給電点を含む励振素子として動作し、上記第２の面は、上記第１の面の上方に配置された非励振素子として動作する、小型ブロードバンド・マイクロストリップパッチアンテナにおいて、
   上記第１及び第２の導電性の面のうちの少なくとも一方は、内周と外周を備えた平面状のリングにてなり、上記周の少なくとも一方の形状は空間充填曲線であり、
   上記空間充填曲線は少なくとも１０個のセグメントによって構成され、上記複数のセグメントは、各隣接するセグメントと接続され、上記複数の隣接するセグメントは、それらに隣接するものと所定の角度を形成し、隣接するセグメントの対はより大きな直線状のセグメントを画成せず、
   上記空間充填曲線は、始点と終点とを除いたいかなる点においてもそれ自体と決して交わることがなく、
   上記複数のセグメントを自由空間の動作波長の１０分の１よりも短くすることにより、当該アンテナのサイズを削減することを特徴とする小型ブロードバンド・マイクロストリップパッチアンテナ。
2. 上記面の両方の中心に直交する２つの軸を重複させないことによりインピーダンスの帯域幅と放射パターンのビーム幅との両方を制御するように、上記面のうちの少なくとも一方は横方向に変位された請求項１記載の小型ブロードバンド・マイクロストリップパッチアンテナ。
3. 上記第１又は第２の面の少なくとも一方の下方又は上方に、誘電体、磁性体、又は磁性誘電体の材料が配置された請求項１又は２記載の小型ブロードバンド・マイクロストリップパッチアンテナ。
4. 上記第１及び第２の面の共振周波数は、２０％よりも小さい差を有して実質的に同様である請求項１、２又は３記載の小型ブロードバンド・マイクロストリップパッチアンテナ。
5. 上記内周の中心は上記外周の中心の位置と一致せず、当該アンテナは５Ωより高い入力インピーダンスを有することを特徴とする、先行する請求項のうちのいずれか１つに記載の小型ブロードバンド・マイクロストリップパッチアンテナ。
6. 当該アンテナは基本の周波数モードよりも高次の周波数モードで動作することにより高い利得放射パターンを有することを特徴とする、先行する請求項のうちのいずれか１つに記載の小型ブロードバンド・マイクロストリップパッチアンテナ。