JP2007524322A - アンテナアレイ - Google Patents

Abstract

本発明は、誘電体材料の基板を具え、前記基板の前面に供給ラインを具えるとともに前記基板の後面に接地メタライゼーションを具え、前記接地メタライゼーションが前記基板の前面まで延在することを特徴とする誘電体アンテナに関する。これら誘電体アンテナを、種々の周波数帯域、例えば、ＧＳＭ９００，ＧＳＭ−ＰＣＳ，ＧＳＭ−ＰＣＳ，ＵＭＴＳ，ＣＤＭＡ及びＢｌｕｅｔｏｏｔｈのアプリケーションに対して設計することができる。

Description

本発明は、誘電体材料の基板を具える誘電体アンテナに関する。この基板は、供給ライン及び接地メタライゼーションを支持する。

移動体通信に用いられるパッチアンテナは、米国特許第６５４５６４１号又は独国特許第１００４９８４３号から既知である。原理的には、パッチアンテナは、パッチアンテナの高さが制約される場合には非常に狭帯域である。このために、制約された範囲でしかパッチアンテナを用いることができない。しかしながら、移動体通信は、送信動作及び受信胴さを可能にするためにかなりの帯域幅を必要とする。複数の基板が、移動体通信のパッチアンテナで使用するために垂直方向に積み上げて配置される。この配置によって、通信に要求される帯域幅を与えることができる。このようなスタッキングモデルは、アンテナのサイズを比例的に増大する。周波数範囲８８０〜９６０ＭＨｚのＧＳＭ９００で用いることができるこの設計のＧＳＭアンテナの大きさは、少なくとも１９．４ｍｍ×１０．９ｍｍ×４．０ｍｍとなる。表面装着装置のように装着する表面を有するこのアンテナをボード上に配置することが提案されている。アンテナの特性は、ボード上の位置、上部又は側部の位置に依存し、その結果、アッセンブリの状況に適するようアンテナを適合させる必要がある。

誘電体材料基板を有する誘電体ブロックアンテナは、米国特許公開２００２／００６７３１２号から既知である。この基板は、供給ライン及び接地メタライゼーションを支持する。

マイクロ波範囲の電磁波が、情報を送信するために移動体通信及び無線通信に用いられる。携帯電話レンジの例は、８８０〜９６０ＭＨｚの周波数範囲のＧＭＳ９００及び１７１０〜１８８０ＭＨｚの周波数範囲の欧州におけるＧＳＭ−ＤＣＳである。

移動体通信の第３世代は、１８８０〜２２００ＭＨｚのＵＭＴＳレンジ並びに１９２０〜１９８０ＭＨｚ及び２１１０〜２１７０ＭＨｚの広帯域ＣＤＭＡにおいて更なる帯域を有する。２４００〜２４８３．５ＭＨｚの周波数範囲の個別の端末装置間の通信に対してＢｌｕｅｔｏｏｔｈが用いられる。

対応するアンテナ技術を有する種々のネットワークで用いるために装備されたＴｒｉ−Ｂａｎｄ電話と称される携帯電話が、既に市場に出ている。

更に小さな電子装置を提供することに努力が向けられている。これによって、複数のネットワークでのこれらの電子装置の動作を可能にし又は更なる小型化を可能にするようこれら電子装置にアンテナ技術を装備できるようにするために、著しく小さいアンテナ及びアンテナ技術を提供する必要が生じる。

アンテナを互いに隣接して配置することができない。その理由は、互いに近接する配置によってアンテナが互いに大きな悪影響を及ぼすからであり、その結果、アンテナを個別に使用する際に達成することができる互いに隣接して配置したアンテナによって送信及び受信パフォーマンスを達成することができない。このことは、与えられたスペースの利用の最適化に制約を課す。

本発明の目的は、コンパクトな構成を有し、優れた放送特性を有し、かつ、アプリケーションをできるだけフレキシブルにすることができる誘電体アンテナを提供することである。

本発明の目的は、請求項１に記載されたような特徴を有するアンテナによって達成される。

誘電体ブロックアンテナとしても設計される本発明による誘電体アンテナは、誘電体材料基板を有する。この基板は、前面でメタライゼーションを支持し、メタライゼーションは、原則的にはアプリケーションの５０Ωの高周波給電線に接続される。このメタライゼーションを、以下では給電線とも称する。基板は、後面において、以下では接地メタライゼーションと称される他のメタライゼーションを支持し、それは、アプリケーションの接地メタライゼーションに接続され、基板の前面まで延在する。本発明によるアンテナは、良好な受信及び送信特性により優れており、コンパクトな設計を有する。

他の形態において、接地メタライゼーションは、アプリケーションに応じた分岐によって形成され、その分岐（スイッチ）の結果、アンテナは、種々の周波数範囲で共振を有する。これによって、このアンテナを複数のネットワークで用いることができる。

他の有利な手段を、他の従属項に記載する。本発明のこれら及び他の態様を、後に説明する一つ以上の実施の形態を参照しながら明らかにするが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。

図１及び２は、しばしばパッチパネルとしても設計されるボード５に垂直に配置された誘電体材料７の基板９を有する誘電体アンテナを示す。パッチパネルは、ＰＣＢと略称されるプリント回路基板としても設計される。

アンテナ２の垂直配置は、ＰＣＢ５の上にいかなるスペースも必要とせず、このことは有利である。アンテナ２を、携帯電話機やラップトップのような電子装置の図示しないケースに格納することができ、この場合、アンテナ２のＰＣＢ５への電気的な接続のみが利用できるようにする必要がある。この接続を、プラグインコネクタによって確立することができる。アンテナ２のこのようなフレキシブルな配置によって、電子装置内に存在するスペースを最適に利用することができる。したがって、例えば、ラッチ接合又は接着接合を用いることによってアンテナ２をハウジングに固定することができる。

図１及び２に示す配置において、アンテナ２は、ＰＣＢ５に対して垂直方向に直接固定される。この場合、アンテナ２とＰＣＢ５のメタライゼーション６との間に最小距離２７が存在するように設計される。このような最小距離２７によって、ＰＣＢ５によるアンテナ２への影響を小さくする。アンテナに対するＰＣＢ５の影響を、図１１を用いて後に説明する。

アンテナのパフォーマンスのパラメータは、メタライゼーション６に対するＰＣＢ５の距離ではなく多数のパラメータによって悪影響が及ぼされる。したがって、例えば、ＰＣＢ５に対するアンテナ２の相対位置もアンテナの送信及び受信動作に悪影響を及ぼす。このような依存性を、種々の実施の形態を説明するときに詳細に説明する。図１及び２は、互いに相違する二つの配置位置のアンテナ２を示す。アンテナの配置に対して他の位置、特に、ケースの中央の配置も可能である。

図１は、ＰＣＢ５の長い方の側面エッジに配置された誘電体アンテナ２を示す。アンテナ２の誘電体基板９は、ＰＣＢ５の平面に垂直に配置される。この位置を側部の位置４３と称する。

図２は、ＰＣＢ５の短い方の側面エッジに配置された誘電体アンテナ２を示す。この配置を上部の位置４１と称する。

アンテナの特別な設計により、アンテナを調整することが可能となり、これらのアンテナを、アンテナ２の設計においていかなる適合を行う必要なくほぼ同一のパフォーマンスで上部の位置４１及び側部の位置４３の配置に用いることができる。基板９上の供給ライン１９及び接地メタライゼーション２１の配置を、アンテナ２の設計とともに説明する。

ＰＣＢ５は、特に、アンテナを操作するのに必要な電子部品（ここでは電子部品を図示しない。）を配置するのに必要となる。アンテナ２は、ＰＣＢ５に装備された電子部品とともに送受信ユニット１を形成する。

本発明による誘電体アンテナ２の実施の形態の構造を、図３を参照して詳細に説明する。図３に示すアンテナ２は、２．４〜２．５ＧＨｚの周波数範囲に対して設計される。誘電体材料１１は、εｒ＝２０．６の誘電率の基板材料として用いられる。典型的な材料は、高周波特性に対して低い損失及び低い温度依存性を有する高周波基板(high-frequency compatible substrate)である。そのような材料は、ＮＰＯ材料として知られており、又はＳＬ材料と称される。図示した実施の形態の例は、前面１３、後面１５、短側面１７及び長側面１８を有するブロック形態の基板９を有する。

短側面１７から開始する供給ライン１９は、前面１３上に延在し、長側面１８のエッジに並行である。供給ライン１９は、前面１３の中央に配置されており、長側面１８の長さの半分である。供給ライン１９は、短側面１７の長さより著しく狭くなっている。アンテナ２の接地メタライゼーション２１は、基板９の後面１５に配置された主要ライン２０を有する。主要ライン２０は、後面１５の中央に配置され、後面１５の長い境界エッジに並行である。接地メタライゼーション２１の主要ライン２０も、基板９の長さの一部の上にのみ延在し、供給ライン１９が開始して前面１３上に延在する短側面１７に対向するように配置された短側面１７上で連続する。接地メタライゼーション２１の主要ライン２０は、前面１３までこの側面１７全体に亘って延在する。主要ライン２０は、第１アーム３７及び第２アームのスイッチ３３に分岐する。これら二つのアーム３７，３９は、基板の前面に並行に延在するとともに前面１３の長側面１８上の境界エッジを中心とする対称軸３５の回りで、ミラー対称に配置される。対称軸３５を、明瞭のために図７に示す実施の形態の例にのみ図示する。

前面１３及び後面１５を、これらの面に平行な平面に投影すると、供給ライン１９及び接地メタライゼーション２１又は主要ライン２０の一部は、所定の領域を互いにカバーする。この領域を、オーバラップ領域と称し、図４に示される。

オーバラップ領域２２の長さは、一方では共振の位置に影響を及ぼし、他方では利用できる帯域幅に影響を及ぼす。これは、共振型メタライゼーション(resonant mass metallization)２１の有効長又は主要ライン２０の有効長が依存するような周波数を用いて基板の後面１５の共振型メタライゼーション２１における基板９の前面１３上の供給ライン１９の結合点を変化することによって達成される。したがって、信号が広帯域で配信される。配信を、接地ライン２１の幅によって変更することもでき、それは、アプリケーションにおける電気的な環境に対するアンテナの調整を容易にし、電気的な環境は、例えば、ディスプレイ、電池、拡声器及び他の導電表面によって影響が及ぼされる。

第１アーム３７及び第２アーム３９の基板９の前面１３上の接地メタライゼーション２１のスイッチの対称性及び並行関係は、決定の効果を有する。その理由は、僅かな偏位によって利用できる大域幅が大幅に減少するからである。接地メタライゼーション２１及び供給ライン１９のプリント配線の全長及び基板９の誘電率は、共振の位置を支配的に決定する。共振を、これらのパラメータを変更することによって要求に応じて正確に移動することができる。

アンテナ２のメタライゼーション構造である接地メタライゼーション２１及び供給ライン１９は、銀や胴やアルミニウムのような高導電材料又は超伝導体からなる。

二つの電気的な接続部２３及び２５は、供給ライン１９及び接地メタライゼーション２１をＰＣＢに接続する。供給ライン１９を、短側面に配置されたコンタクト部を通じて高周波給電線２５にコンタクトする。高周波給電線２５は、一般に５０Ωの抵抗を有する。

図示したアンテナ２の設計は、共振構造として接地メタライゼーション２１の主要ライン２０上の供給ライン１９の部分的に並列な電線管によって高周波信号の結合を行うことと区別される。この配置によって、開始点(entry point)を周波数に応じて偏位することができる。共振構造としての接地メタライゼーション２１の対称構造とともに、２．４〜２．５ＧＨｚの周波数範囲及び３９０ＭＨｚの帯域幅における−１４ｄＢを、８×８×１ｍｍ^３のみの取り付けサイズに対して−１０ｄＢへ良好に調整することができる。このコンパクトなアンテナは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ，ＷＬＡＮ及びＨｏｍｅＲＦ配置に対して設計される。

携帯電話の基板９の垂直配置は実際に使用できる。その理由は、ディスプレイが携帯電話のＰＣＢの一方の側に配置されるとともに電池が常にＰＣＢの他方の側にあるからである。したがって、アンテナ２の基板９の垂直配置は、携帯電話の使用の際に素子の高さを大きくする必要がなく、ＰＣＢにスペースを必要としない。

図１１は、図３に示したアンテナのシミュレートしたＳ_１１パラメータを示す。
図１１に示すアンテナのＳ１１パラメータのシミュレートした値によれば、アンテナ２は、１００ｍｍ×４０ｍｍのＰＣＢを用いたときには３４００〜２５００ＭＨｚ（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ，ＷＬＡＮ，ＨｏｍｅＲＦ）の周波数範囲によって−１４ｄＢより良好に調整される。したがって、シミュレーションによれば、対応する周波数に対して９５％を超えるエネルギーをアンテナに供給することができる。ここでは、ＰＣＢ５の接地メタライゼーション２１からメタライゼーション６までの２ｍｍの最小距離２７を仮定する。接地メタライゼーション２１は、接続部２３を通じたＰＣＢ５のメタライゼーション６の電気的な接続を有する。−１０ｄＢの調整に対して、アンテナは３９０ＭＨｚの帯域幅を有する。

図１１は、４０ｍｍ×３０ｍｍのＰＣＢを用いたときの図２からのアンテナ２のシミュレートされたＳ_１１パラメータも示す。比較すると、ＰＣＢが小さくなるに従って共振の最大が広く平坦になることが明らかである。さらに、変形したアンテナのシミュレートされたＳ_１１パラメータを、比較のために図１１に示し、その構成は原理的に図３と同一であり、基板の大きさが変更されている。１００ｍｍ×４０ｍｍの大きさのＰＣＢは、このシミュレーションに基づいた。また、シミュレーションから得られたＳ_１１パラメータから明らかなように、共振の最大は、基板９の長手方向が増大するとともに基板９の高さが減少するに従って狭くかつ高くなる。

図４，５に示す実施の形態は、図３に示す実施の形態と基本構造が異なり、図３に示す実施の形態において、前面１３のアーム３７及び３９は、前面に配置された給電ライン１９を指す端部を有し、それに対して、図４及び５に示すアンテナのアームは、供給ライン１９が開始する短側面１７の境界エッジで終了する。図４及び５に示すアンテナの残りの構造は、図３を用いて説明したアンテナの構造と同一である。このために、図４及び５に示すアンテナの残りの構造を更に詳しく説明しない。

このアンテナは、１８８０〜２２００ＭＨｚのＵＭＴＳ並びに１９２０〜１９８０ＭＨｚ及び２１１０〜２１７０ＭＨｚのＣＤＭＡの周波数範囲の使用に適している。誘電率２１の基板９が選択される。基板は、１１ｍｍ×１１ｍｍ×１ｍｍの大きさを有する。アンテナ２の接地メタライゼーション２１からＰＣＢ５のメタライゼーション６までの最小距離２７を２ｍｍとすべきである。これによって、ＰＣＢ５のメタライゼーションがアンテナ２に悪影響を及ぼすのを防止する。

このアンテナの測定されたＳ_１１パラメータを、図１０に示す。さらに、９０％を超えるアンテナによって吸収される放射エネルギーの成分すなわち最大放射効率を、反射のないアンテナチャンバで測定した。

図１０からわかるように、図４及び５に示すアンテナの共振周波数の位置は、取り付け位置に依存する。これによって、種々の取り付け位置に対する任意の特別な設計の必要を軽減し、したがって、開発コストを低減するとともにアプリケーションの範囲を広げる。

アンテナの更に二つの実施の形態を、図６及び７並びに図８及び９に示し、これらは、以前に示した実施の形態と少しだけ異なる。これらのアンテナを、ＧＳＭ−ＤＣＳ又はＧＳＭ−ＰＣＳを有するＧＳＭ９００用のマルチバンドアンテナとする。２１の誘電率を有する材料を、両実施の形態の基板９として用いる。二つの実施の形態の寸法を２４×１１×１ｍｍ^３とする。

これらの実施の形態は、交差型スイッチ２９として設計した接地メタライゼーション２１のスイッチで既に説明した実施の形態と異なる。このスイッチは、基板９の後面１５に配置される。この交差型スイッチ２９は、主要ライン２０に対してミラー対称に延在する二つのアーム３１を形成する。アーム３１はそれぞれ、主要ライン２０に垂直に延在する第１区分を有する。第１区分に接続するアームの第２区分は、主要ライン２０に並行に延在し、第２区分の端部は、供給ライン１９が開始する短側面１７に向かう。これら二つの実施の形態は、第１及び第２区分の長さが異なる。アーム３１の形状及び交差型スイッチ２９の位置によって、アンテナの共振の位置を特別に変更することができる。更なる共振を実現するために、更にスイッチを設けることができる。

図１２は、図６及び７に示すアンテナの上部の位置及び側部の位置におけるシミュレートされたＳ_１１パラメータ並びに図８及び９に示すアンテナの側部の位置におけるシミュレートされたＳ_１１パラメータを示す。

このアンテナの放射効率を測定チャンバで測定した。アンテナを側部の位置に配置した場合、ＧＳＭ９００周波数帯域において、最大放射効率は９０％を超え、ＤＣＳ周波数帯域において、最大放射効率は８０％を超える。一般に、放射は取り付け位置によってある程度影響が及ぼされる。

図１３は、図１２で既に示したシミュレートされたＳ_１１パラメータと比較した上部の位置及び側部の位置に配置された図８及び９に示すアンテナの測定されたＳ_１１パラメータを示す。図１２に示すシミュレートされたデータと比較して、１７１０〜１９９０ＭＨｚの周波数範囲の調整は、トリプルバンドアプリケーション（ＤＣＳ＋ＰＣＳ）に対して十分である。

参照図面のリスト
１ 送受信ユニット
２ アンテナ
３ ハウジング
５ ＰＣＢ
６ ＰＣＢのメタライゼーション
７ 誘電体アンテナ
９ 基板
１１ 誘電体材料
１３ 前面
１５ 後面
１７ 短側面
１８ 長側面
１９ 供給ライン
２０ 主要ライン
２１ 接地メタライゼーション
２２ オーバラップ領域
２３ 接地端子
２５ 高周波給電線／接続部
２７ 最小距離
２９ 交差型スイッチ
３１ アーム
３３ スイッチ
３５ 対称軸
３７ 第１アーム
３９ 第２アーム
４１ 上部の位置
４３ 側部の位置

上部の位置における誘電体アンテナを示す。 側部の位置におけるアンテナを示す。 ２．４ＧＨｚ；８ｍｍ×８ｍｍ×１ｍｍのアンテナを示す。 大きさ１１ｍｍ×１１ｍｍ×１ｍｍ，１８８０〜２２００ＭＨｚのＵＭＴＳアンテナを示す。 図４からのＵＭＴＳアンテナを示す。 ＧＳＭ９００（８８０〜９６０ＭＨｚ）及びＰＣＳ（１８５９〜１９９０ＭＨｚ）のデュアルバンドアンテナを示す。 ＧＳＭ９００（８８０〜９６０ＭＨｚ）及びＰＣＳ（１８５９〜１９９０ＭＨｚ）のデュアルバンドアンテナを示す。 ＧＳＭ９００（８８０〜９６０ＭＨｚ）及びＰＣＳ（１７１０〜１８８０ＭＨｚ）のデュアルバンドアンテナを示す。 ＧＳＭ９００（８８０〜９６０ＭＨｚ）及びＰＣＳ（１７１０〜１８８０ＭＨｚ）のデュアルバンドアンテナを示す。 図４及び５に示すアンテナの測定されたＳパラメータのグラフ表示を与える。 図３に示すアンテナ及び種々のサイズのパッチパネルであるプリント回路基板（ＰＣＢ）を有する、素子の高さを減少したアンテナの測定されたＳパラメータのグラフ表示を与える。 図６〜９に示すアンテナの周波数に依存する測定されたＳパラメータの描写を与える。 図８及び９に示すアンテナの測定されたＳパラメータのグラフ表示を与える。

Claims (16)

1. 誘電体材料の基板を具え、前記基板の前面に供給ラインを具えるとともに前記基板の後面に接地メタライゼーションを具え、前記接地メタライゼーションが前記基板の前面まで延在することを特徴とする誘電体アンテナ。
2. 前記接地メタライゼーションが主要ラインを具え、前記主要ラインが、前記後面上に配置され、前記前面に配置された給電ラインに並行に整列したことを特徴とする請求項１記載の誘電体アンテナ。
3. 前記給電ライン及び前記接地メタライゼーションがオーバラップ領域を有し、前記給電ラインと前記接地メタライゼーション又は主要ラインとが、前記基板の前面及び後面を投影する場合にオーバラップすることを特徴とする請求項２記載の誘電体アンテナ。
4. 前記オーバラップ領域が、前記給電ラインの延在方向における基板の長さの７０％未満、好適には５０％未満としたことを特徴とする請求項３記載の誘電体アンテナ。
5. 前記基板の中心軸における前記基板の前面及び後面にメタライゼーションを配置したことを特徴とする請求項２記載の誘電体アンテナ。
6. 前記接地メタライゼーションが前記前面上に二つのアームを有することを特徴とする請求項１記載の誘電体アンテナ。
7. 前記二つのアームを前記給電ラインに並行に配置したことを特徴とする請求項６記載の誘電体アンテナ。
8. 前記接地メタライゼーションの二つのアームが、前記前面上で同一長を有することを特徴とする請求項６又は７記載の誘電体アンテナ。
9. 前記二つのアームを、対称軸の回りでミラー対称に配置したことを特徴とする請求項６記載の誘電体アンテナ。
10. 前記接地メタライゼーションが、前記後面上に交差型スイッチを有することを特徴とする請求項６記載の誘電体アンテナ。
11. 誘電体材料によって構成された基板と、前記基板の前面上の供給ラインと、前記基板の後面上の供給ラインに並行に配置された、接地メタライゼーションの主要ラインとを具えることを特徴とする移動体通信用誘電体アンテナ。
12. 請求項１〜１２のうちの少なくとも１項に記載されたアンテナを有する回路基板。
13. 前記アンテナの基板を前記回路基板に垂直に配置したことを特徴とする請求項１２記載の回路基板。
14. 前記基板が、上部の位置及び側部の位置の配置に適していることを特徴とする請求項１３記載の回路基板。
15. ハウジング及び請求項１０又は１１記載の回路基板を具える送受信ユニットにおいて、前記アンテナを、前記ハウジングを有する支持部に強固に接続し、前記回路基板に電気的に接続することを特徴とする送受信ユニット。
16. 基板を具えるアンテナを装着したハウジングを有する送受信ユニットの製造方法であって、このアンテナを、高周波給電線及び接地端子を通じてＰＣＢに電気的に接続することを特徴とする送受信ユニットの製造方法。

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