JP2005198270A

JP2005198270A - 超広帯域用の３次元無指向性アンテナ

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Publication number: JP2005198270A
Application number: JP2004360611A
Authority: JP
Inventors: Mohamed Ratni; ラトニモハメド; Dragan Krupezevic; クルペシェビッチドラガン
Original assignee: Sony International Europe GmbH
Current assignee: Sony Deutschland GmbH
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2005-07-21
Also published as: US20050156804A1; CN100477381C; KR20050058229A; CN1627563A; EP1542314A1; US7286094B2

Abstract

【課題】一般的には、マイクロ波アンテナの分野に関し、特に、３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚの周波数帯で動作する対称的な無指向性放射パターンを有する超広帯域モノポールアンテナの放射素子の多数の３次元設計に関する。
【解決手段】アンテナ（１００）は、マイクロ波信号の送信及び／又は受信を行う無線通信装置のアナログフロントエンド回路に接続され、アンテナ利得、放射パターン、偏波、周波数帯域幅、群遅延、サイズに関してＦＣＣ（連邦通信委員会:Federaｌ Communication Commission）条件を満たす。アンテナは、底面（２０２ａ’）と放射面（２０２ｂ’）とを有する空気充填及び／又は誘電体充電空胴構造からなる放射素子（２０２）を備える。誘電体基板に印刷された、周波数帯内の電磁波に対して比較的高い表面インピーダンスを有する金属製の地板（２０４）が、反射部として機能する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的には、マイクロ波アンテナの分野に関し、特に、マイクロ波信号を送信及び／又は受信する対称的な無指向性放射パターン（symmetrical omni-directional radiation pattern）を有する超広帯域（ultra-wideband：以下、ＵＷＢという。）モノポールアンテナの放射素子の３次元設計に関する。

ＵＷＢは、通常３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚの周波数帯をカバーしている。例えば、連邦通信委員会（Federal Communication Commission：以下、ＦＣＣという。）では、ＩＥＥＥ８０２．１５に定義されており、その開示内容は、引用により本願に援用される。ＩＥＥＥ８０２．１５短距離無線ネットワーク（Wireless Personal Area Networks：以下ＷＰＡＭという。）のワーキンググループ（例えば、http://www.ieee802.org/15/参照）によれば、８０２．１５ＷＰＡＮ（登録商標）の開発努力は、パーソナルエリアネットワーク、すなわち短距離無線ネットワークの開発に焦点を置いている。これらのＷＰＡＮは、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣという。）、携帯情報端末（personal digital assistants：以下、ＰＤＡという。）、周辺装置、携帯電話機、ページャ、民生用電子機器等の携帯型及び移動型コンピュータを無線ネットワークで接続し、これらの装置が他の装置と通信し、相互運用を行うことを可能にしている。

ＵＷＢに使用可能なマイクロ波アンテナの設計に関する主な問題は、以下のものがある。

・単純な平面給電と、印刷による低コストの製造とを可能にすること、
・ＲＦフロントエンド集積回路のコア基板を同時にアンテナ用基板として用いることにより、すなわち、従来のＲＦフロントエンド集積回路の配置手順を用いてアンテナプリント基板を同時に製造できるようにすることにより、大幅なコスト削減を達成すること、
・０〜１ｄＢｉの利得（タイプ１）及び／又は約６ｄＢｉの利得（タイプ２）を有する対称的な無指向性アンテナの放射パターンに対応できるようにすることである。

近年、小型化、電力効率の向上、そして、連邦通信委員会（Federal Communication Commission：以下、ＦＣＣという。）における移動送受話器の電磁波放射（mobile handset emission）に対する規制の遵守が注目されていることから、アンテナ設計に関して、アンテナ効率の向上と比吸収率（specific absorption rate：以下、ＳＡＲという。）の制御という２つの追加的要素が重要度を増してきており、従来の設計パラメータと同様に考慮しなければならない。

マイクロ波アンテナの長さが送信周波数に反比例することはよく知られている。アンテナが小型になるほど、アンテナ効率は下がり、帯域も狭くなる。したがって、新たな無線アプリケーションの周波数が高くなるにつれて、それらのアンテナも小型になる。しかしながら、この当たり前の小型化も、最早消費者の要求に応えるのに十分ではなくなった。このため、アンテナは、無線機器メーカ毎の性能、サイズ、コストの要求により、それぞれ独自のカスタマイズ化された構成部品となりつつある。このような展開は、
・より高い利得を達成することにより、送信機のバッテリパワーの低減と「デッドスポット（dead spots）」における良好な受信を可能にすること、
・１９００ＭＨｚで動作するＰＣベースのアプリケーション、ＧＰＳにベースのアプリケーション及び／又は無線データ交換アプリケーションを、１つのアンテナに統合することにより、マルチバンド動作を可能にすること、
・人体組織の近くで電波の放射方向を制御するとともに、良好に信号を受信するのに使用できる、より柔軟が高いアンテナの設計を可能にすることにより、送受話器の電磁波放射の方向の制御をサポートすること、
・増え続ける高データ速度の要求に応えるために、チャンネル帯域幅を拡大すること、
が可能なアンテナを必要とする新たな無線アプリケーションやサービスによって、引き起こされている。

通常、マイクロ波アンテナは、動作周波数、利得、電圧定在波比（voltage standing wave ratio：以下、ＶＳＷＲという。）、アンテナ入力インピーダンス、帯域幅を含む一連のパラメータに従って特定される。例えば、ＶＳＷＲが３より大きい場合、アンテナが効率的な放射器（radiator）であれば、ＶＳＷＲを低く設計する必要はないが、不整合損失を最小限にするためには、送信機とアンテナとの間に整合回路網（matching network）を配置しなければならない。上述の設計はコストが高く、また、自動整合動作が、低電力でソリッドステートの同調素子を用いる設計に比べて、非常に遅くなる。

超広帯域（ＵＷＢ）技術は、元々は地中レーダ（ground-penetrating radar：以下、ＧＰＲという。）用に開発されたものであり、研究努力の結果、地表面に置かれた及び浅く埋められた目的物、例えば対人地雷を検出して、位置を突き止めるために使用されるようになった。ＲＦ電子部品の開発により、接近して飛行している２機の航空機を区別したいという初期の要望は、レーダの標的の３次元画像を形成する追求に変わった。放射パルス幅の直接的な減衰の可能性はすぐに研究しつくされ、標的から反射されてくる信号の詳細な解析が行われるようになった。標的からの応答における最も重要な変化は、１又は２振幅継続時間における過渡現象の過程で起こることが明らかとなった。この事実自体から、定常発振伝送に対してエネルギを消費することなく、この継続時間のＵＷＢ信号を使用するアイデアが生まれている。

セル方式電話システム、無線ローカルエリアネットワーク（wireless local area network：以下、ＷＬＡＮという。）、短距離無線ネットワーク（wireless personal area network：以下、ＷＰＡＮという。）、特に０．９〜５ＧＨｚの周波数帯における無線通信の発展により、最小限のＲＦ電子部品、高いデータ速度能力、低消費電力、低い検出確率（low probability of detection：以下、ＬＰＤという。）符号を有する高周波数帯で超広帯域の無線通信システムが早急に必要である。今日、ＵＷＢ方式は、例えば、ブルートゥース（Bluetooth）やＩＥＥＥ８０２．１１よりもはるかに高いデータ速度の移動端末（携帯電話機、ラップトップコンピュータ、ＰＤＡ、無線カメラ、ＭＰ３プレーヤ）間の無線ＲＦインターフェースとして使用されている。更に、ＵＷＢ方式は、例えばＧＰＳによる車載ナビゲーション装置で使用する走行方向をＰＤＡ又はラップトップコンピュータからダウンロードするための自動車内サービス用総合システムとして、あるいは、例えば、旅客の娯楽用のオーディオ又はビデオデータをダウンロードするための娯楽システム又は位置に関連したシステムとして使用することもできる。

超広帯域モノポールアンテナ及び改良モノポールアンテナ（modified monopole antenna）は、今日、様々な用途に用いられている。従来、携帯電話機及び無線送受話器には、広帯域及び超広帯域のモノポールアンテナが搭載されている。最も一般的な１／４波長モノポールアンテナのひとつは、所謂ホイップアンテナであり、ホイップアンテナは、様々な周波数で動作することができるが、他のモノポールアンテナに比べて、より良い環境条件を必要とする。しかしながら、モノポールアンテナにも数多くの問題がある。モノポールアンテナは、比較的大型で、送受話器のケースから不格好なアンテナが突き出てしまう。モノポールアンテナが邪魔になる、及び構造が空間的に厳しいという問題により、マルチバンド動作を可能とするために幾つかのアンテナを１つの送受話器に搭載することは難しい。

一般的な１／４波長モノポールアンテナの問題に対処するために様々な方法が研究されており、これらの方法の多くは、マイクロストリップアンテナの設計に基づくものである。このような有望な設計のひとつに、逆Ｆアンテナ（Inverted-F Antenna：以下、ＩＦＡという。）があり、逆Ｆアンテナは、形状は異なるが、一種のモノポールアンテナである。ＩＦＡは、航空宇宙科学の分野で頻繁に使用されている改良逆Ｌ低姿勢構造（modified inverted-L low profile structure）を利用している。一般的なＩＦＡは、無指向性放射パターンを有する方形の放射素子を備え、かなり高いアンテナ利得を示す。ＩＦＡの帯域幅は移動動作に使用できるほど十分広く、また、このアンテナは垂直及び水平の両方向の偏波に対して感度が高いので、移動体アプリケーションに理想的に適している。複数の周波数帯で動作できるアンテナに対する需要が高まっていることから、携帯電話システムは、現在、複数の周波数帯（例えば、９００ＭＨｚ、１．８ＧＨｚ、２．０ＧＨｚ）で動作する。

最新の技術によれば、小型で性能が大幅に向上した高性能の広帯域マイクロ波アンテナを低コストで設計するという高度な条件を満たすために、種々の方法が追究されている。これらのマイクロ波アンテナでは、高利得を達成し、マルチバンド動作を可能にし、また、移動送受話器の電磁放射の方向を制御できるようにすることによりアンテナ効率を向上させ、更には、広帯域化することにより、増え続ける移動体アプリケーションのデータ速度要求を満足させている。これらの要求を満たすためには、設計の課題がより複雑化し、無線機器メーカは、従来の技術に基づくアンテナ設計では最早十分ではないことを理解しつつある。

信号源と、２〜６ＧＨｚの周波数帯で動作する第１及び第２の放射素子を有するＵＷＢアンテナ間で信号を結合させる装置が、国際特許出願ＷＯ０２／０９３６９０Ａ１に開示されている。これにより、信号源は、第１の放射素子の一端と第２の放射素子の一端とを含む接続位置にてアンテナに信号を供給する。更に、この装置は、第１及び第２の給電機構を備えている。第１の給電機構は、信号源から第２の放射素子の一端への給電距離を延ばし、第１の放射素子を第１の給電機構と空間を隔てた２つの領域に分割して、第１の給電機構と２つの領域間の間隔を徐々に狭くしている。第２の給電機構は、信号源を第１の放射素子に結合させる。これにより、上述の間隙は、２つの領域と第１の給電機構との間に信号を伝播する構造を形成している。

米国特許出願ＵＳ２００２／００５３９９４Ａ１に記載されている発明は、電子集積回路を備えたＵＷＢ平面アンテナに関するものである。このアンテナは、一端が端子に接続された第１の平衡素子を備えている。第２の平衡素子は、他端にて他の端子に接続されている。これにより、第２の平衡素子は、第１及び第２の平衡素子上の全てのミラーポイントに対して対称面上のいずれの点も等距離であるような対称面が存在するように、第１の平衡素子の形状を写した形状となる。各平衡素子は、基本的には導電材料から構成されている。第１の平衡素子と第２の平衡素子との間には、対称面の対称軸によって三角形を形成し、この三角形の底辺が端子の方向に向かうように接地素子が配置されている。したがって、接地素子と各平衡素子とは、端子から外部に向かって広がるとともに接地素子の頂点にて交わる２つのテーパ状のギャップを形成している。この構成では、高感度のＵＷＢ電子部品を接地素子の周辺部内に収納することができるので、伝送線路の損失及びばらつきを無くすことがことができる。第１の平衡素子と第２の平衡素子の間に接続された抵抗ループは、低い周波数応答を高め、電圧定在波比を向上させる。複数の素子を配列した直線アンテナ列（linear array）が開示されているが、直線アンテナ列では、アレーサイズによって定まる遮断周波数が低く、その放射パターンは、一方向に限定され、放射角は、方位角において最大１８０度である。

本発明は、上述した従来の実情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ＵＷＢ規格を満たすとともに、アンテナ利得、放射パターン、偏波、周波数帯域幅、群遅延に関するＦＣＣの要件、及び小型化を満足する超広帯域アンテナ（３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚ間の周波数帯）の設計を提案することである。

この目的は独立請求項の特徴により達成される。また、本発明の優れた特徴は、独立請求項で定義される。

本発明は、基本的に、例えば、無線ＲＦ送受信機のアナログフロントエンド回路に接続でき、所定の動作帯域幅内のマイクロ波信号を送信及び／又は受信する対称的な無指向性放射パターンを有するモノポールアンテナの放射素子の多数の３次元設計に関する。モノポールアンテナは、３．１〜１０．６ＧＨｚの周波数帯で動作することができる。このモノポールアンテナは、例えば、放射素子として機能し、対称的な無指向性放射パターンを与える底面及び放射面を有する空気及び／又は誘電体が充填された空胴構造と、誘電体基板上に印刷され、限定された周波数帯内の電磁波に対して比較的高い表面インピーダンスを有する反射器として機能する金属製の地板と、対称的な無指向性放射パターンを電気的に制御するためのアンテナ給電回路と、アンテナ給電回路と放射素子の底面とを接続する給電線とを備える。本発明によれば、超広帯域モノポールアンテナの放射素子内にアナログフロントエンド回路の一部を任意に配置することができる。

提案した設計には、真円錐台形状を有する放射素子、凸状又は凹状の３次元曲面を有する回転対称型放射素子、底面が四角形である正四角錐台状の放射素子、そして、円錐形状、角錐形状、凸状又は凹状の第１の部分と、上面が第１の部分の合同の底面の上方に配置された閉じた円柱状又は立方体状の第２の部分とからなる複合構造の放射素子が含まれる。更に、放射状に切込みが設けられた円柱状又は半球状の放射素子、互いに上面で積み重ねられた凸状部又は円錐状部からなる複合構造の設計も含まれる。モノポールアンテナは全体のサイズが１ｃｍ^３未満であり、いずれの無線通信装置にも容易に組み込むことができる。

本発明の更なる利点及び利用可能性については、従属請求項、及び、図面に示された以下に説明する本発明の種々の実施例から明らかとなる。

以下、本発明の種々の実施例を図１〜図３を参照して詳細に説明する。図１〜図３において、指示符号が付された構成要素の意味を、実施例の最後の表１〜表６に示す。

図２ａ〜図２ｃに示す放射素子２０２は、銅、アルミニウム又はあらゆる金属材料で造ることができる。また、放射素子２０２は、金属が印刷された木材又はプラスチックで構成することもでき、基台２０２ｃと、超広帯域モノポールアンテナ１００のＲＦコネクタ２０６とを備える。基台２０２ｃは、金属製の地板（ground plane）２０４が印刷された誘電体基板２０５に取り付けられる。ＲＦコネクタ２０６は、放射素子２０２を、（受信の場合）受信マイクロ波信号をＲＦバンドからベースバンドにダウンコンバートするベースバンド処理ブロック２１０に、また、（送信の場合）対称的な無指向性放射パターンを電気的に制御するためのアンテナ給電回路２１１に接続するのに用いられる。好ましくは、アンテナ給電回路２１１を放射素子２０２の底面２０２ａ’に接続する給電線２０２ｂを、同軸ケーブル又はマイクロストリップラインとする。この結果、特殊な取付ピンを何ら必要としない。

本発明の他の実施例では、モノポールアンテナ１００は、例えば、米国特許出願ＵＳ２００２／００５３９９９４Ａ１に開示されるように、不平衡ＲＦ入力ポートを備える。これにより、民生用電子機器へ実装する際に、柔軟性を更に高めることができる。また、アンテナを同軸ケーブルでＲＦモジュールに接続する場合には、不平衡入力ポートによって、より高い柔軟性が得られる。更に、金属製の地板２０４をアンテナ給電回路２１１のグランドに直接接続することができ、また、測定の目的で、平衡ＲＦ入力ポートの場合には平衡−不平衡変換器（バラン）が必要であるのに対し、通常のネットワークアナライザを用いることができる。

図２ｂ及び図２ｃに示すように、超広帯域モノポールアンテナ１００の放射素子２０２の空気が満たされた部分（air-filled part）内には、アナログのフロントエンド回路の少なくとも一部２０７が配設されており、このフロントエンド回路の一部２０７は、受信マイクロ波信号のＲＦ信号スペクトルに含まれているスプリアス帯域外成分を減衰させる帯域選択フィルタリング手段２０７ａと、無線通信装置の入力パワーレベルを制御する増幅手段２０７ｂと、受信ＲＦ信号スペクトルの帯域外周波数を抑圧するバンドパスフィルタリング手段２０７ｃとを備えている。

本発明の一実施例では、超広帯域モノポールアンテナは、３．１〜１０．６ＧＨｚの周波数帯で動作するように特別に設計されたアンテナ端の一部である。このアンテナは、全周波数帯に亘って、仰角が９０度を有する方位角面（azimuth plane）において対称的な無指向性放射パターンが得られる。これにより、放射ビームは、直線垂直偏波（linear vertical polarization）、周波数ωに対して線形の位相変動（linear phase variation）Δψを示し、これは、振幅応答特性が全周波数帯に亘って平坦（約３ｄＢ）であることを意味するだけではなく、以下の式（１）に示すように、群遅延が全周波数帯に亘って一定であることを意味する。

抵抗負荷を用いない反射減衰量は、以下の式（２）で表され、３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚの周波数帯において−１０ｄＢ未満の値となる。

複素数の値である反射係数ρをアンテナ端から反射される電力に対するアンテナ端に入力した電力の比（ｄＢ）とすると、この反射減衰量は、反射係数ρの絶対値の関数として定義される。また、これは、以下の式（３）で表される電圧定在波比が２未満であるに対応している。

抵抗負荷及び／又は新たなインピーダンス整合回路を使用すると、反射減衰量を−１０ｄＢよりも更に良くすることができる。

以下、本発明に係る超広帯域モノポールアンテナの様々な設計の１２の実施例について、図３ａ〜図３ｌを参照して詳細に説明する。

図３ａは、本発明の第１の実施例３００ａに係るモノポールアンテナ１００の放射素子２０２の第１の設計を示す第１の３次元外観図であり、放射素子２０２は、円形断面及び円錐構造を有する回転対称形状を有している。

図３ｂに示す第２の３次元外観図は、本発明の第２の実施例３００ｂに係るモノポールアンテナ１００の放射素子２０２の第２の設計を示し、放射素子２０２は、円形断面及び円錐構造を有する回転対称形状の第１の部分３００ｂ１と、円錐状の第１の部分３００ｂ１の円形底面に合同の円形上面を有する閉じた真円柱状の第２の部分３００ｂ２とを備えている。これにより、円柱状の第２の部分３００ｂ２の円形上面が、円錐状の第１の部分３００ｂ１の円形底面の上方で同軸に配置されている。図３ｃは、本発明の第３の実施例３００ｃに係るモノポールアンテナ１００の放射素子２０２の第３の設計を示す第３の３次元外観図であり、放射素子２０２は、円形断面、円錐構造及び凹状の３次元曲面を有する回転対称形状を有している。

図３ｄに示す第４の３次元外観図は、本発明の第４の実施例３００ｄに係るモノポールアンテナ１００の放射素子２０２の第４の設計を示し、放射素子２０２は、円形断面、円錐構造及び凹状の３次元曲面を有する回転対称形状の第１の部分３００ｄ１と、円錐状の第１の部分３００ｄ１の円形底面に合同の円形上面を有する閉じた真円柱状の第２の部分３００ｄ２とを備え、円柱状の第２の部分３００ｄ２の円形上面が、凹状の第１の部分３００ｄ１の円形底面の上方で同軸に配置されている。

図３ｅは、本発明の第５の実施例３００ｅに係るモノポールアンテナ１００の放射素子２０２の第５の設計を示す第５の３次元外観図であり、放射素子２０２は、円形断面、円錐構造及び凸状の３次元曲面を有する回転対称形状を有している。

図３ｆに示す第６の３次元外観図は、本発明の第６の実施例３００ｆに係るモノポールアンテナ１００の放射素子２０２の第６の設計を示し、放射素子２０２は、円形断面、円錐構造及び凸状の３次元曲面を有する回転対称形状の第１の部分３００ｆ１と、円錐状の第１の部分３００ｆ１の円形底面に合同の円形上面を有する閉じた真円柱状の第２の部分３００ｆ２とを備え、円柱状の第２の部分３００ｆ２の上面が、凸状の第１の部分３００ｆ１の底面の上方で同軸に配置されている。

図３ｇは、本発明の第７の実施例３００ｇに係るモノポールアンテナ１００の放射素子２０２の第７の設計を示す第７の３次元外観図であり、放射素子２０２は、底面が四角形である正四角錐台形状を有している。

図３ｈに示す第８の３次元外観図は、本発明の第８の実施例３００ｈに係るモノポールアンテナ１００の放射素子２０２の第８の設計を示し、放射素子２０２は、正四角錐台状の第１の部分３００ｈ１と、正四角錐台状の第１の部分３００ｈ１の四角形底面に合同の四角形上面を有する閉じた正直方体（立方体）状の第２の部分３００ｈ２とを備え、立方体状の第２の部分３００ｈ２の四角形上面が、正四角錐台状の第１の部分３００ｈ１の合同の四角形底面の上方に配置されている。

図３ｉは、本発明の第９の実施例３００ｉに係るモノポールアンテナ１００の放射素子２０２の第９の設計を示す第９の３次元外観図であり、放射素子２０２は、長手方向に延在する４つのＶ字状の放射状切込みを有する真円柱形状を有しており、Ｖ字状の放射状切込みは、この円柱の円周において方位角方向に等間隔で設けられおり、放射素子２０２の断面は、２つの細長い楕円構造が直交した形状を有する。

同様に、図３ｊは、本発明の第１０の実施例３００ｊに係るモノポールアンテナ１００の放射素子２０２の第１０の設計を示す第１０の３次元外観図であり、放射素子２０２は、長手方向に延在する４つのＶ字状の放射状切込みを有する半球形状を有しており、Ｖ字状の放射状切込みは、この半球の円周において方位角方向に等間隔で設けられおり、放射素子２０２の断面は、２つの細長い楕円構造が直交した形状を有する。

図３ｋに示す第１１の３次元外観図は、本発明の第１１の実施例３００ｋに係るモノポールアンテナ１００の放射素子２０２の第１１の設計を示し、放射素子２０２は、同じ又は異なる高さを有し、それぞれ円形断面、円錐構造及び凸状の３次元曲面を有する回転対称形状の少なくとも２つの部分を備えている。図３ｋでは、４つの部分（３００ｋ１、３００ｋ２、３００ｋ３、３００ｋ４）のみを使用した具体例を示しており、部分３００ｋ２、３００ｋ３、３００ｋ４は、それぞれ、部分３００ｋ１、３００ｋ２、３００ｋ３の円形底面に合同の円形上面を有している。部分３００ｋ１、３００ｋ２、３００ｋ３、３００ｋ４は、半径の順に積み重ねられている。部分３００ｋ２、３００ｋ３、３００ｋ４の円形上面は、それぞれ、隣接したより小径の部分３００ｋ１、３００ｋ２、３００ｋ３の合同の円形底面の上方で同軸に配置されている。

図３ｌに示す第１２の３次元外観図は、本発明の第１２の実施例３００ｌに係るモノポールアンテナ１００の放射素子２０２の第１２の設計を示し、放射素子２０２は、真円錐台形状を有する第１の部分３００ｌ１と、それより高さが低く開口角が大きい、閉じた真円錐形状を有する第２の部分３００ｌ２とを備え、第２の部分３００ｌ２の円錐の頂点は、第１の部分３００ｌ１の円形底面の中心に同軸上に配置されている。

放射素子２０２の空胴共振器２０２ａ内には、放射素子２０２の底面２０２ａ’にて高次モード波とともに励起された横電磁界（transversal electromagnetic mode：以下、ＴＥＭという。）波が存在する。これらの高次モード波は、アンテナの入力インピーダンスＺ（ω）＝Ｒ（ω）＋ｊ・Ｘ（ω）のリアクタンス成分Ｘ（ω）に大きく寄与する。したがって、底面２０２ａ’における電磁波の反射及び定在波により、複素数のアンテナ入力インピーダンスＺ（ω）のリアクタンス成分はＸ（ω）≠０となる。Ｘ（ω）は放射素子の長さによって変わり、Ｘ（ω）＝０は無限の長さを有する双円錐放射素子２０２の場合にしか達成できないことがわかる。放射素子２０２の開口角を大きくすることにより、広周波数帯域に亘ってリアクタンス成分Ｘ（ω）を最小限に維持することができる。同時に、アンテナの入力インピーダンスＺ（ω）の抵抗成分Ｒ（ω）を、角周波数ωの変化又は長さの変化に対して余り感度が高くならないようにすることができる。

本発明の更なる実施例は、無線通信装置のＲＦ送受信機であり、この送受信機は、上述したモノポールアンテナ１００を用いている。更に、上述したモノポールアンテナと同じ種類の他のモノポールアンテナ１００’を、金属製の地板２０４に対してモノポールアンテナ１００と反対側に対称的に取り付け、超広帯域の周波数範囲に対して必要な寸法のダイポールアンテナを形成することができる。

また、本発明は、上述のようなＲＦ送受信機からなる無線インターフェースを有する電子装置に関する。

無線通信装置のアナログフロントエンド回路に取り付けられた、所定動作帯域幅内のマイクロ波信号の送信及び／又は受信を行う対称的な無指向性放射パターンを有する超広帯域モノポールアンテナの３次元外観図を示す図である。金属製の地板が印刷された誘電体基板に取り付けられた、放射素子と、基台と、超広帯域モノポールアンテナのＲＦコネクタとを示す概略図である。図２ａに基づく概略図であって、超広帯域モノポールアンテナの放射素子内に配置されたアナログフロントエンド回路の一部を示すブロック図である。図２ｃに基づく概略図であって、超広帯域モノポールアンテナのベースバンド処理ブロックと、対称的な無指向性放射パターンを電気的に制御するための給電回路とを示す図である。本発明の実施例によるモノポールアンテナの設計を示す３次元外観図である。本発明の実施例によるモノポールアンテナの設計を示す３次元外観図である。本発明の実施例によるモノポールアンテナの設計を示す３次元外観図である。本発明の実施例によるモノポールアンテナの設計を示す３次元外観図である。本発明の実施例によるモノポールアンテナの設計を示す３次元外観図である。本発明の実施例によるモノポールアンテナの設計を示す３次元外観図である。本発明の実施例によるモノポールアンテナの設計を示す３次元外観図である。本発明の実施例によるモノポールアンテナの設計を示す３次元外観図である。本発明の実施例によるモノポールアンテナの設計を示す３次元外観図である。本発明の実施例によるモノポールアンテナの設計を示す３次元外観図である。本発明の実施例によるモノポールアンテナの設計を示す３次元外観図である。本発明の実施例によるモノポールアンテナの設計を示す３次元外観図である。

Claims

超広帯域の周波数範囲に必要な寸法とされ、無線通信装置のアナログフロントエンド回路に取付可能なマイクロ波信号用のモノポールアンテナ（１００）において、
底面（２０２ａ’）が放射素子（２０２）として機能する放射素子（２０２ａ）を有する３次元空胴構造と、
金属製の地板（２０４）と、
アンテナ給電回路（２１１）と、
上記アンテナ給電回路（２１１）を上記放射素子（２０２）の底面（２０２ａ’）に接続する給電線（２０２ｂ）とを備えるモノポールアンテナ。
放射素子として機能する放射面（２０２ｂ’）を備える請求項１記載のモノポールアンテナ。
上記アナログフロントエンド回路の少なくとも幾つかの部分（２０７）は、当該モノポールアンテナ（１００）の放射素子（２０２）内に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のモノポールアンテナ。
上記放射素子（２０２）内に配置されたアナログフロントエンド回路は、帯域選択フィルタリング手段（２０７ａ）と、増幅手段（２０７ｂ）と、バンドパスフィルタリング手段（２０７ｃ）とのうちの少なくとも１つを備えることを特徴とする請求項３記載のモノポールアンテナ。
上記放射素子（２０２）は、円形断面及び円錐構造を有する回転対称形状を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
上記放射素子（２０２）は、円形断面及び円錐構造を有する回転対称形状の第１の部分（３００ｂ１）と、該円錐状の第１の部分（３００ｂ１）の円形底面に合同の円形上面を有する閉じた真円柱状の第２の部分（３００ｂ２）とを備え、該真円柱状の第２の部分（３００ｂ２）の円形上面が、該第１の部分（３００ｂ１）の合同の円形底面の上方で同軸に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
上記放射素子（２０２）は、円形断面、円錐構造及び凹状の３次元曲面を有する回転対称形状を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
上記放射素子（２０２）は、円形断面、円錐構造及び凹状の３次元曲面を有する回転対称形状の第１の部分（３００ｄ１）と、該円錐状の第１の部分（３００ｄ１）の円形底面に合同の円形上面を有する閉じた真円柱状の第２の部分（３００ｄ２）とを備え、該真円柱状の第２の部分（３００ｄ２）の円形上面が、該凹状の第１の部分（３００ｄ１）の合同の円形底面の上方で同軸に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
上記放射素子（２０２）は、円形断面、円錐構造及び凸状の３次元曲面を有する回転対称形状を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
上記放射素子（２０２）は、円形断面、円錐構造及び凸状の３次元曲面を有する回転対称形状の第１の部分（３００ｆ１）と、該円錐状の第１の部分（３００ｆ１）の円形底面に合同の円形上面を有する閉じた真円柱状の第２の部分（３００ｆ２）とを備え、該真円柱状の第２の部分（３００ｆ２）の上面が、該凸状の第１の部分（３００ｆ１）の合同の円形底面の上方で同軸に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
上記放射素子（２０２）は、底面が四角形である正四角錐台形状を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
上記放射素子（２０２）は、正四角錐台状の第１の部分（３００ｈ１）と、該正四角錐台状の第１の部分（３００ｈ１）の四角形底面に合同の四角形上面を有する閉じた正直方体状の第２の部分（３００ｈ２）とを備え、該正直方体状の第２の部分（３００ｈ２）の四角形上面が、該正四角錐台状の第１の部分（３００ｈ１）の合同の四角形底面の上方で合同に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
上記放射素子（２０２）は、長手方向に延在する４つのＶ字状の放射状切込みを有する真円柱形状を有しており、該Ｖ字状の放射状切込みは、該円柱の円周において方位角方向に等間隔で設けられており、該放射素子（２０２）の断面は、２つの細長い楕円構造が直交した形状を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
上記放射素子（２０２）は、長手方向に延在する４つのＶ字状の放射状切込みを有する半球形状を有しており、該Ｖ字状の放射状切込みは、該半球の円周において方位角方向に等間隔で設けられており、放射素子（２０２）の断面は、２つの細長い楕円構造が直交した形状を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
上記放射素子（２０２）は、同じ又は異なる高さを有し、それぞれ円形断面、円錐構造及び凸状の３次元曲面を有する回転対称形状の少なくとも２つの部分（３００ｋ１、３００ｋ２、３００ｋ３、３００ｋ４、・・・、３００ｋｎ）を備え、該部分（３００ｋ２、３００ｋ３、３００ｋ４、・・・、３００ｋｎ）は、それぞれ、該部分（３００ｋ１、３００ｋ２、３００ｋ３、・・・、３００ｋｎ）のうちの１つの円形底面に合同である円形上面を有し、該部分（３００ｋ１、３００ｋ２、３００ｋ３、３００ｋ４、・・・、３００ｋｎ）は、半径の順に積み重ねられ、該部分（３００ｋ２、３００ｋ３、３００ｋ４、・・・、３００ｋｎ）の円形上面は、それぞれ、隣接したより小径の部分（３００ｋ１、３００ｋ２、３００ｋ３）の合同の円形底面の上方で同軸に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
上記放射素子（２０２）は、底面が円形である真円錐台形状の第１の部分（３００ｌ１）と、それより高さが低く開口角が大きい、閉じた真円錐形状を有する第２の部分とを備え、該第２の部分（３００ｌ２）の円錐の頂点は、該第１の部分（３００ｌ１）の円形底面の中心に同軸上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
放射ビームが直線垂直偏波を示すことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
上記アンテナ給電回路（２１１）を上記放射素子（２０２）の底面（２０２ａ’）に接続する上記給電線（２０２ｂ）は、同軸ケーブルであることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
上記アンテナ給電回路（２１１）を上記放射素子（２０２）の底面（２０２ａ’）に接続する上記給電線（２０２ｂ）は、マイクロストリップラインであることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
上記放射ビームは、全周波数帯に亘って約３ｄＢの平坦な振幅応答特性を示すことを特徴とする請求項１９記載のモノポールアンテナ。
全周波数帯に亘って仰角１６０度を有する方位角面において対称的な無指向性放射パターンを有することを特徴とする請求項１９及び２０のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
上記対称的な無指向性放射パターンは、周波数に対してほぼ線形の位相変動を示すことを特徴とする請求項２１記載のモノポールアンテナ。
反射減衰量が、電圧定在波比が２未満であるのに対応して、３．１〜１０．６ＧＨｚの周波数帯において−１０ｄＢ未満であることを特徴とする請求項１９乃至２２のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
抵抗負荷及び／又はインピーダンス整合回路を用いた場合に、反射減衰量が３．１〜１０．６ＧＨｚの周波数帯において−１０ｄＢより更に良好であることを特徴とする請求項１９乃至２２のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
上記放射素子（２０２）は、全体のサイズが１ｃｍ^３未満であることを特徴とする請求項１乃至２４のいずれか１項記載のモノポールアンテナ。
請求項１乃至２５のいずれか１項記載のモノポールアンテナ（１００）を備える無線通信装置のＲＦ送受信機。
金属製の地板（２０４）に対してモノポールアンテナ（１００）と反対側に他のモノポールアンテナ（１００’）を対称的に取り付け、超広帯域の周波数範囲に対して必要な寸法のダイポールアンテナを形成していることを特徴とする請求項２６記載のＲＦ送受信機。
請求項２６又は２７記載のＲＦ送受信機を有する無線インターフェースを備える電子装置。