JP2004527181A - 超広帯域アンテナ - Google Patents

Abstract

２つの分岐したグランド面の間に配置された能動部材を有するアンチポーダル・アンテナ。能動部材とグランド部品とは、テーパ溝を形成する。グランド部品は、平坦でも外側に湾曲していてもよい。複数の実施例では、グランド部品は準放射線状円錐部に従う。能動部材とグランド部品とは空気によって分離されていてもよい。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁放射線を送受信するためのアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
広帯域送受信アンテナを必要とする応用分野は、医療用画像化、レーダ、無線周波数結晶学、遠隔通信等、多様である。
そのような用途に使用されるアンテナの１つのタイプはマイクロストリップ・アンテナである。代表的なマイクロストリップ・アンテナは、平面の回路基板上に、或る形状でメタライズされて形成される。基板上の他のメタライズ層はグランド面としての役目をする。米国特許第５，０３６，３３５号は、マイクロストリップ・アンテナの一例を記載している。
【０００３】
平衡ストリップライン・アンテナは、能動部品の両側に一対のグランド面を有する以外は、マイクロストリップ・アンテナと同様である。ギラントン（Ｇｕｉｌｌａｎｔｏｎ）等による、Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ １９巻、４号、１９９８年１０月の[超広帯域用の新しく設計されたテーパ付きスロットアンテナ]（Ａ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ ｔａｐｅｒｅｄ ｓｌｏｔ ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ ｕｌｔｒａ−ｗｉｄｅｂａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）には、ストリップライン技術を使用して作製した平衡アンチポーダル・ビバルディ・アンテナ（ａｎｔｉｐｏｄａｌ Ｖｉｖａｌｄｉ ａｎｔｅｎｎａ）が開示されている。
【０００４】
マイクロストリップ・アンテナとストリップライン・アンテナには、メタライズ層が形成されている誘電体基板材料が、或る周波数ではアンテナの放射特性に悪影響を与えるという問題点を有する。
【０００５】
広帯域で送信、受信及び／又は送受信し得るアンテナの必要性がある。
【特許文献１】
米国特許第５，０３６，３３５号。
【非特許文献１】
Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ １９巻、４号、１９９８年１０月の[超広帯域用の新しく設計されたテーパ付きスロットアンテナ]（Ａ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ ｔａｐｅｒｅｄ ｓｌｏｔ ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ ｕｌｔｒａ−ｗｉｄｅｂａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、電磁放射線の送受信のためのアンテナを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様は、一対の、整合し、対称的に分岐したグランド面の間にある能動部品からなる、アンチポーダル・アンテナを提供する。能動部品とグランド部品とは電気伝導性材料のシートからなる。ある実施例においては、能動部品とグランド部品との先端の、内側エッジ部は互いに分岐して、テーパスロットを形成する。
【０００８】
本発明の多様な実施例において、能動部品とグランド部品との内側エッジ部は凸型の指数曲線を示す。能動部品は、より薄い部材の端部で保持された広い先端部を備える。グランド部品も、より薄い部材の端部で保持された広い先端部を備える。能動部品とグランド部品とが広い先端部を備える所では、能動部品の広い先端部は中心線の完全に第１の側（
即ち、中心線を含む、虚数横断面の第１の側）にあり、グランド部品の広い先端部は中心線の完全に第２の側（即ち、横断面の第２の側）にある。
【０００９】
多様な実施例において、グランド部品は、準立方の放物曲線状、アーク状、指数曲線状、線状（例えば、グランド面は平坦）、或いは楕円状等である。幾つかの実施例において、グランド面は弾力性のある柔軟シートからなり、アンテナは、曲線形状の弾力性のある柔軟シートを保持する部材を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の更なる特徴と具体的実施例を下記する。
図は本発明を限定しない実施例を示す。
下記の説明に亘って、本発明のより完全な理解を得るために詳細を述べた。しかしながら本発明は、これらの細目が無くても実施され得る。別例において、本発明を不必要に不明瞭にすることを避けるために、周知の部品は詳細には記載していない。従って、明細書や図面は、限定するためではなくて説明のためである。
【００１１】
図１は、本発明の実施例によるアンテナ１０である。アンテナ１０は、一対のグランド部品１４の間に対称的に位置する、能動部品１２を有する。各部品１２，１４は、電気伝導性材料のシートで形成され得る。電気伝導性材料は金属でもよい。例えば、部品１２，１４は銅シートで形成され得る．能動部品１２はグランド部品１４から電気的に分離されている。
【００１２】
能動部品１２の両側は、空気ギャップ１５によって、グランド部品１４から分離されている。グランド部品１４は能動部品１２とは平行ではなくて、相互に分岐している。グランド部品１４は能動部品１２に関して対称である。本発明の好ましい実施例において、各グランド部品１４は準立体的放物曲線に従う。準立体的放物曲線の点（ｒ、θ）は次式を満たす：
【００１３】
【数１】

本発明の他の実施例において、グランド部品１４は種々の形態で分岐している。例えば、
図２Ａは、グランド部品１４が直線的で、角度Φで分岐している、アンテナ１０Ａの正面図を示す。
【００１４】
図２Ｂは、グランド部品１４が次式で与えられる指数プロファイル状である、アンテナ１０Ｂの正面図を示す。
【００１５】
【数２】

図２Ｂの例では、ｆ（ｘ）＝ｘ、
図２Ｃは、グランド部品１４が円弧状である、アンテナ１０Ｃの正面図を示す。
【００１６】
図２Ｄは、グランド部品１４が次式で与えられる楕円プロファイルに従う、アンテナ１０Ｄの正面図を示す。
【００１７】
【数３】

図２Ｅは、グランド部品１４が変則的なプロファイルに従う、アンテナ１０Ｅの正面図を示す。
【００１８】
グランド部品１４の曲線形状は下記の種々の方法で提供される：
所望の曲線を有するように曲げられ得る、金属シート等の柔軟性材料で部品１４を作製する、
成形や鋳造し得る材料から所望の形状に部品１４を成形や鋳込みする、
弾力的な柔軟材料で部品１４を作製して、部品１４を固定形状に保持する。
【００１９】
図２Ｆは、弾力的な柔軟材料でグランド部品１４を作製して、不導電性の弦１６で曲線形状を保持した、アンテナ１０Ｆの正面図を示す。図２Ｆの実施例において、グランド部品１４の曲線は、弦１６の長さとグランド部品１４の曲げ特性と、によって決定される。図２Ｇは、グランド部品１４が柔軟性材料で作製され、１７の外観によって形状が決定される、アンテナ１０Ｇの正面図を示す。外観１７は、グランド部品１４近傍の誘電体材料の量を最少にするために、数点のみでグランド部品１４と接触する。
【００２０】
図３に示すように、アンテナ１０は、同軸ケーブル１９を介して供給される信号によって駆動される。アンテナ１０は、中央の電気伝導体２２を有する同軸ケーブル・コネクタ２０と合体されていてもよい。能動部品１２は、中央の電気伝導体２２に直接固定されている。グランド部品１４は、ケーブル・コネクタ２０のグランド導電体２３と付着していてもよい。本発明の別例として、能動部品１２とグランド部品１４とは、印刷回路基板からなるベースと付着していてもよい。アンテナ１０の部品は、印刷回路基板の導電部品によって提供された信号によって駆動される。
【００２１】
図４，５，６に示すように、能動部品１２は、より薄い部材３２の端部で保持された広い先端部３０からなる。先端部３０は曲線のコーナーを有する。各グランド部品１４も、より薄い部材３３の端部で保持された広い先端部３１からなる。部材３２，３３の広さは互いに等しくてよく、側面から見ると、アンテナ１０の中心線３７に沿って伸長している。図２Ｄに示すように、部材３２，３３は、上から見た殆ど全長に亘って、互いに殆ど平行でよい。
【００２２】
グランド部品１４の中央端１４Ａは広がっている。グランド部品１４のエッジは適当な曲線状である。例えば、３４と３６の部分において、グランド部品１４のエッジは、楕円または指数曲線状である。一実施例において、グランド部品１４のエッジ部３４は、楕円曲線状で、３６は指数曲線状である。能動部品１２の中央端は広がっていない方が望ましい。
【００２３】
図６に最善に示したように、能動部品１２の先端部３０は、内部エッジ部３８を有し、アンテナ１０を側面から見ると、それはグランド部品１４の内部エッジ部３９と一緒にテーパ溝４０を形成する。能動部品１２の内部エッジ部３８とグランド部品１４の内部エッジ部３９とは、中心線３７から対称的に分岐していてもよい。内部エッジ部３８は指数曲
線状でもよい。内部エッジ部３９は指数曲線状でもよい。
【００２４】
能動部品１２の先端部３０は、外部と端縁に、平面４２と４４を有してもよい。 グランド部品１４の先端部３１は、外部と端縁に、平面４３と４５を有してもよい。
本発明によるアンテナは、２０ＭＨｚから１００ＧＨｚまでの帯域の周波数を有する送受信信号に特に適用され得る。
【００２５】
本発明の幾つかの実施例によるアンテナは、５ＧＨｚの帯域に亘って、戻り損失が−３ｄＢ以下であって、平均戻り損失の偏差が、１０ｄＢ以下であることを特徴とする。
例：
本発明の試作例によるアンテナの寸法は、
Ｌ１＝１０ｃｍ
Ｌ２＝３.３ｃｍ
Ｌ４＝１.７ｃｍ
Ｌ５＝２.４ｃｍ
Ｄ１＝０.５ｃｍ
Ｄ２＝９.０ｃｍ
Ｈ１＝７.４ｃｍ
Ｈ２＝２ｃｍ
Ｈ３＝５.０ｃｍ
Ｈ４＝０.５ｃｍ。
試作アンテナの能動部品とグランド部品とは、約０.６７５ｍｍ厚の銅シートで作製され
る。
試作アンテナにおいて、能動部品１２のエッジは下記の曲線状である：
５０部分は凹形の円弧状、
５１部分は凸形の円弧状、
３８部分は凸形の指数曲線状。
試作アンテナにおいて、グランド部品１４のエッジは下記の曲線状である：
３４部分は凹形の楕円曲線状、
３６部分は凹形の指数曲線状、
３９部分は凸形の指数曲線状、
５２部分は凹形の円弧状、
５３部分は凸形の円弧状。
図２Ｂに示すように、試作アンテナのグランド部品は指数曲線状である。
【００２６】
試作アンテナは、２.２ＧＨｚから１３.５ＧＨｚまでの１０ｄＢ帯域を実証した。図７は、試作アンテナのＳ１１戻り損失曲線を示す。図８，９は、９ＧＨｚでの試作アンテナのＥ面とＨ面の放射パターンを示す。図８、９において、実線で共偏波を、鎖線で交差偏波を示す。Ｅ面の交差偏波のレベルは０°で１８ｄＢ以下である。Ｈ面の交差偏波のレベルは０°で約−２１ｄＢである。９ＧＨｚでの利得は６ｄＢである。
【００２７】
上記の開示によって、本発明を実施する際に、本発明の精神や範囲から逸脱せずに多くの改変や変形は可能である。例えば、
能動部品１２やグランド部品１４を、すべて同一の導電材料で作製する必要は無い。これらの成分は、コア部分は他の材料であって、電気伝導材料がコーティングまたはメッキされていてもよい。
【００２８】
アンテナ成分１０を囲む誘電体は空気、気体、液体、真空、或いは固体材料（泡のような混合相材料を含む固体）でもよい。アンテナ１０は、適当なレーダドーム（即ち、囲い）内に装着されていてもよい。アンテナ１０を囲む材料の誘電特性を変化させるために、
囲い内の雰囲気は多様であってよい。アンテナ１０の特性を絞り込むために、能動部品やグランド部品を追加してもよい。本発明によるアンテナの寸法は、動作する多様な周波数域で決定される。
【００２９】
一般には望ましくはないが、能動部品とグランド部品との間に小型の誘電体スペーサを配置して、能動部品とグランド部品とを離間させることによって、グランド部品の所望の形状を維持する。
【００３０】
従って、本発明の範囲は請求項によって規定された内容によって解釈される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施例によるアンテナの斜視図。
【図２】図１のアンテナの平面図。
【図２Ａ】グランド部品が多様な曲線を有する、本発明の実施例によるアンテナの平面図。
【図２Ｂ】グランド部品が多様な曲線を有する、本発明の実施例によるアンテナの平面図。
【図２Ｃ】グランド部品が多様な曲線を有する、本発明の実施例によるアンテナの平面図。
【図２Ｄ】グランド部品が多様な曲線を有する、本発明の実施例によるアンテナの平面図。
【図２Ｅ】グランド部品が多様な曲線を有する、本発明の実施例によるアンテナの平面図。
【図２Ｆ】グランド部品が多様な曲面形状で保持されている、本発明の実施例によるアンテナの平面図。
【図２Ｇ】グランド部品が多様な曲面形状で保持されている、本発明の実施例によるアンテナの平面図。
【図３】アンテナが同軸ケーブルのコネクタと組み合わさった、本発明の実施例によるアンテナの詳細図。
【図４】図１のアンテナの能動部品の側面図。
【図５】図１のアンテナのグランド部品の側面図。
【図６】一方のグランド部品を除去した、図１のアンテナの側面図。
【図７】アンテナ試作品の戻り損失曲線。
【図８】アンテナ試作品の９ＧＨｚでのＥ面とＨ面の放射パターン。
【図９】アンテナ試作品の９ＧＨｚでのＥ面とＨ面の放射パターン。

Claims (30)

1. 整合し、対称的に分岐した一対のグランド部品（１４）の間に配置された能動部品（１２）からなるアンチポーダル・アンテナ（１０）。
2. 前記能動部品（１２）とグランド部品（１４）との先端部の内側エッジ部（３８，３９）が互いに分岐して、テーパ溝（４０）を形成する請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記テーパ溝（４０）が中心線（３７）に関して対称的である請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記能動部品とグランド部品との内側エッジ部（３８，３９）が凸の指数曲線状である請求項２又は３に記載のアンテナ。
5. 前記能動部品（１２）が、薄い部材（３２）の端部で保持された広い先端部（３０）からなる請求項２乃至４の何れかに記載のアンテナ。
6. 前記グランド部品（１４）がそれぞれ、薄い部材（３３）の端部で保持された広い先端部（３１）からなる請求項２乃至５の何れかに記載のアンテナ。
7. 前記能動部品（１２）の広い先端部（３０）が、完全に中心線（３７）の第１の側にある請求項５又は６に記載のアンテナ。
8. 前記グランド部品（１４）の広い先端部（３１）が、完全に中心線（３７）の第２の側にある請求項７記載のアンテナ。
9. 前記能動部品とグランド部品とが、同各部品の厚さが同各部品の幅よりも小さい電気伝導部材からなる請求項１乃至８の何れかに記載のアンテナ。
10. 前記能動部品とグランド部品とが、それぞれシート材料からなる請求項１乃至８の何れかに記載のアンテナ。
11. 前記能動部品（１２）が殆ど平板である請求項１乃至１０の何れかに記載のアンテナ。
12. 前記グランド部品（１４）が曲線状であって、同グランド部品の湾曲のすべての軸は前記能動部品の面に平行である請求項１０に記載のアンテナ。
13. 前記グランド部品（１４）が曲線状である請求項１乃至１０の何れかに記載のアンテナ。
14. 前記グランド部品（１４）がそれぞれ、準立体放射曲線状である請求項１乃至１３の何れかに記載のアンテナ。
15. 前記グランド部品（１４）がそれぞれ、円弧状である請求項１乃至１３の何れかに記載のアンテナ。
16. 前記グランド部品（１４）がそれぞれ、指数曲線状である請求項１乃至１３の何れかに記載のアンテナ。
17. 前記グランド部品（１４）がそれぞれ、平坦である請求項１乃至１３の何れかに記載の
    アンテナ。
18. 前記グランド部品（１４）がそれぞれ、楕円曲線状である請求項１乃至１３の何れかに記載のアンテナ。
19. 前記能動部品とグランド部品と（１２、１４）が空気によって囲まれている請求項１乃至１８の何れかに記載のアンテナ。
20. 前記能動部品とグランド部品と（１２、１４）が空気以外の他の気体によって囲まれている請求項１乃至１８の何れかに記載のアンテナ。
21. 前記能動部品とグランド部品と（１２、１４）が、空気とは異なる誘電特性を有する液体によって囲まれている請求項１乃至１８の何れかに記載のアンテナ。
22. 前記能動部品とグランド部品と（１２、１４）が真空中にある請求項１乃至１８の何れかに記載のアンテナ。
23. 前記能動部品とグランド部品と（１２、１４）が固体の誘電材料中に埋め込まれている請求項１乃至１８の何れかに記載のアンテナ。
24. 前記グランド部品（１４）がそれぞれ、弾力性の柔軟性シートからなり、前記アンテナは、該弾力性の柔軟性シートを曲線形状に保持する部材（１６）を備える請求項１に記載のアンテナ。
25. 前記グランド部品（１４）がそれぞれ、柔軟性シートからなり、前記アンテナは各グランド部品（１４）に対応した曲線形状（１７）を備え、該各グランド部品は同曲線形状に従うべく保持される請求項１乃至２４の何れかに記載のアンテナ。
26. 前記曲線形状（１７）は対応するグランド部品（１４）と、離間した不連続の領域のみで接触している請求項２５に記載のアンテナ。
27. 中心導体（２２）と遮蔽導体（２３）とを有する同軸コネクタ（２０）を備え、能動部品（１２）が中心導体（２２）に直接装着され、グランド部品（１４）が遮蔽導体（２３）に装着される請求項１乃至２６の何れかに記載のアンテナ。
28. ５ＧＨｚの帯域での、平均戻り損失が−３ｄＢ以下であって、平均戻り損失の偏差が１０ｄＢ以下である請求項１乃至２７の何れかに記載のアンテナ。
29. 前記グランド部品（１４）の中間端（１４Ａ）が広がっている請求項１乃至２８の何れかに記載のアンテナ。
30. ２０ＭＨｚから１００ＧＨｚの範囲の１つ以上の周波数で電磁放射線を伝送する請求項１乃至２９の何れかに記載のアンテナの使用。

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