JP2007534226A - 無線マルチバンド通信システム用の改良型プリント・ダイポール・アンテナ - Google Patents

Abstract

第２の導電素子の一部の上に置かれ、第１の誘電層によってそれから分離された第１の導電素子を含む、無線通信装置用のダイポール・アンテナ。第１の導電ビアは、第１の誘電層を介して第１と第２の導電素子を接続する。第２導電素子は一般に、Ｕ字形である。第２導電素子は、Ｕ字形の足の隣接した端から横方向に伸びる、間隔を置いて配置された複数の導電ストリップを含む。それぞれのストリップは、それぞれ異なる中心周波数λ０に合わせた寸法にされる。第１導電素子はＬ字形とすることができ、Ｌ字形の足の１つは、Ｕ字形の足のうちの１つの上に置かれる。第１導電ビアは、Ｌ字形のもう一方の足をＵ字形のもう一方の足に接続する。

Description

本開示は、無線通信装置およびシステム用のアンテナに関し、より詳細には、無線マルチバンド通信システムの通信用のプリント・ダイポール・アンテナに関する。

無線通信装置およびシステムは一般に、手持ち式であり、または携帯用ラップトップ・コンピュータの一部である。したがって、アンテナは、適切な装置に収まるように、非常に小さい大きさでなければならない。このシステムは、一般的な通信、および無線ローカル・エリア・ネットワーク（ＷＬＡＮ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｌｏｃａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ）システムのために使用される。ダイポール・アンテナは、小さく、また適切な周波数に合わせることができるので、これらのシステム内で使用されてきた。プリント・ダイポールの形は一般に、幅が０．０５λ０未満であり、全長が０．５λ０未満の細い長方形のストリップである。等方性（ｉｓｏｔｒｏｐｅ）ダイポールの理論上の利得は一般に、２．５ｄＢであり、ダブル・ダイポールでは、３ｄＢ以下である。普及しているあるプリント・ダイポール・アンテナは、板状逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ：ｐｌａｎａｒ ｉｎｖｅｒｔｅｄ−Ｆ ａｎｔｅｎｎａ）である。デュアルモードのプリント・ダイポール・アンテナの典型的な例は、米国特許第５，５３２，７０８号及び国際公開第ＷＯ０２／２３６６９号パンフレットに示されている。

本開示は、無線通信装置用のダイポール・アンテナである。それは、第２の導電素子の一部の上に置かれ、第１の誘電層によってそれから分離された第１の導電素子を含む。第１の導電性のビアは、第１誘電層を介して第１と第２導電素子を接続する。第２導電素子は一般に、Ｕ字形である。第２導電素子は、Ｕ字形の足の隣接した端から横に広がる、間隔を置いて配置された複数の導電性のストリップを含む。それぞれのストリップは、異なる中心周波数λ０に合わせた寸法にされる。第１導電素子はＬ字形とすることができ、Ｌ字形の足の１つは、Ｕ字形の足のうちの１つの上に置かれる。第１導電ビアは、Ｌ字形のもう一方の足をＵ字形のもう一方の足に接続する。

第１および第２導電素子は、それぞれ平面状である。このストリップは、０．０５λ０未満の幅、および０．５λ０未満の長さを有する。

アンテナは、無指向性でも、単次元でもよい。それは、単次元である場合、第２導電素子上に置かれ、第２の誘電層によってそれから分離されたグランド・プレーン導体を含む。第３の導電素子は、第２導電素子上に置かれ、第１誘電層によってそれから分離される。第２の導電ビアは、誘電層を介して第３導電素子をグランド導体に接続する。第１および第３導電素子は共平面であり得る。第３導電素子は、それぞれのストリップの外側エッジの一部の上に置かれた複数のフィンガーを含む。

本開示のこれらのおよび他の態様は、添付の図面と併せて考慮すれば、本開示の以下の詳細な説明から明らかになる。

あるシステムの本アンテナについて、例えば約２．４ＧＨｚおよび５．２ＧＨｚのＷＬＡＮデュアル周波数帯に関して述べるが、このアンテナは、携帯型の無線通信装置用のいずれの周波数帯でも動作するように設計され得る。これらは、ＧＰＳ（１５７５ＭＨｚ）携帯電話（８２４〜９７０ＭＨｚおよび８６０〜８９０ＭＨｚ）、一部のＰＣＳ装置（１７１０〜１８１０ＭＨｚ、１７５０〜１８７０ＭＨｚおよび１８５０〜１９９０ＭＨｚ）、コードレス電話（９０２〜９２８ＭＨｚ）またはＢｌｕｅ Ｔｏｏｔｈ仕様２．４〜２．５ＧＨＳ周波数範囲を含み得る。

図１、２Ａおよび３のアンテナ・システム１０は、被覆層１４、１６を伴う誘電層１２を含む。基板１２上には、マイクロストリップ・ラインである第１の導電層２０がプリントされており、その反対側には分割ダイポール導電層３０がある。第１導電層２０は一般に、足２２、２４をもつＬ字形である。第２導電層３０は一般に、湾曲部３１および分離された足の対３３をもつＵ字形のストリップ・バルーン・ライン（ｓｔｒｉｐ ｂａｌｌｏｏｎ ｌｉｎｅ）部分３２を含む。複数のストリップ３５、３７、３４、３６が横方向に、また足３３の端に隣接して伸びている。第１導電層２０の足２２は足３３のうちの１つの上に置かれ、もう一方の足２４は足３３の対を横に伸びる。導電ビア４０は、誘電基板１２を介して足２４の端を足３３のうちの１つに接続する。第１導電層２０の足２２のもう一方の端の末端２６は、アンテナ１０の駆動を受信する。

４つのストリップ３４、３６、３５および３７はそれぞれ、異なる周波数信号に合わせられまたはそれを受信するために、一意の寸法にされる。これらはそれぞれ、ストリップが０．０５λ０未満の幅、および０．５λ０未満の全長を有するような寸法にされる。

図２Ｂは、それぞれが第２導電層３０の足３３の隣接した端から広がる６つのストリップ３５、３７、３９、３４、３６、３８を含む、図２Ａの変形体を示している。これは、６つの異なる周波数帯への同調およびその受信を可能にする。両方の実施形態のストリップは一般に、互いに並列である。

誘電基板１２は、プリント回路板、ガラス繊維またはポリイミド製の柔軟な薄膜基板であり得る。被膜１４、１６は、追加の応用誘電層とすることができ、または中空のケーシング構造であり得る。好ましくは、導電層２０および３０は、誘電基板１２上にプリントされる。

図１の４バンド・ダイポール・アンテナの一例として、周波数は、例えば２．４〜２．４８７、５．１５〜５．２５、２．２５〜５．３５および５．７４〜５．８２５ＧＨｚの範囲内であり得る。図４の指向性図について、指向性利得が、周波数のうちの２つ、２．４ＧＨｚ（グラフＡ）および５．６ＧＨｚ（グラフＢ）について図５に示されている。９０度の最大利得は、２．４ＧＨｚで５．４５ｄＢであり、５．６ＧＨｚで６．１９ｄＢである。図６に、ＶＳＷＲおよび振幅Ｓ１１が示されている。ＶＳＷＲは、２．４ＧＨｚおよび５．６ＧＨｚ周波数帯では２未満である。５．１５から５．８２７の帯域は、５．６ＧＨｚでマージ（ｍｅｒｇｅ）する。

誘電基盤１２の高さｈは、層の透過率または誘電定数によって異なる。
適切な寸法の細い長方形のストリップ３４、３６、３５、３７は、導電層の表面波および損失を低減させることによって総利得を増加させる。導電ストリップの数もまた、周波数サブバンドに影響を及ぼす。

ビア４０の位置、およびＵ字形の下位導体の足３３の間のスロットＳは、周波数帯域内の利得「分布」に関するアンテナ性能に影響を及ぼす。スロット寸法Ｓの幅およびビア４０の位置は、ストリップ３４、３６、３５、３７のすべての周波数帯においてほぼ同じ利得を有するように選択される。得られる理論上の最大利得は、４ｄＢより大きく、２．４ＧＨｚで５．７ｄＢであり、５．４ＧＨｚで７．５ｄＢである。

図７Ａは、給電点ｆｐまたはビア４０の様々な位置、およびＶＳＷＲおよびＳ１１に対する影響についてのグラフである。中心給電点ｆｐ１は、図６の結果に対応する。給電点ｆｐの変化は、利得に小さい影響を及ぼし、また５ＧＨｚ範囲内の第２の周波数でのλ０のシフトに大きい影響を及ぼす。

図８は、スロット幅を１ｍｍから３ｍｍに、５ｍｍに変更する影響を示している。３ｍｍスロット幅は、図６に対応する。ＶＳＷＲには大きい変化はないが、Ｓ１１の利得にはかなりの変化がある。例えば、５ｍｍストリップでは、Ｓ１１は、２．５ＧＨｚで−２１ｄＢであり、５．３ＧＨｚで−１６ｄＢである。３．３ｍｍストリップでは、Ｓ１１は、２．５ＧＨｚで−１４ｄＢであり、５．２３ＧＨｚで−２５ｄＢある。１ｍｍストリップでは、Ｓ１１は、２．５ＧＨｚおよび５．３ＧＨｚで、−１３ｄＢにほぼ等しい。

５ｍｍ、１０ｍｍおよび１５ｍｍの間の足３４、３５、３６、３７の長さの変化は、ＶＳＷＲおよびＳ１１上の利得に非常に小さい影響を及ぼすことに留意されたい。図６は、１５ｍｍ長に対応する。また、足３４、３５、３６、３７の間の距離を１ｍｍ、２ｍｍおよび４ｍｍ間に変更することも、ＶＳＷＲおよびＳ１１の利得に非常に小さい影響を及ぼす。分離の２つのミリメータは、図６に反映されている。２ｍｍと４ｍｍの間隔の間の利得差は、約２ｄＢであった。図９は、２、３および４ダイポール・ストリップの反応を示している。

図１０Ａおよび１０Ｂは、個々のストリップの幅を維持しながらダイポールの幅を変更することの影響を示している。ダイポールの幅は、６ｍｍから８ｍｍ、１０ｍｍに変化する。６ｍｍ幅は、図６のそれに対応する。６ｍｍ幅では、−１４ｄＢのＳ１１利得をもつ２．４、および−２５ｄＢのＳ１１利得をもつ５．３ＧＨｚで、２つの別個の周波数が存在する。８ｍｍ幅では、１．７４から５．４ＧＨｚに渡る２未満のＶＳＷＲを有し、また約２０ｄＢのＳ１１利得を有する１つの大きい帯域がある。同様に、１０ｍｍ幅は、１．６５から５．１６ＧＨｚに渡る２未満のＶＳＷＲの、また２．２ＧＨｚでの−３４ｄＢのの利得から４．９ＧＨｚでの−１１ｄＢの利得を有する１つの大きい帯域である。

本発明の原理を取り入れる指向性または単向性ダイポール・アンテナが、図７から９に示されている。図１の無指向性アンテナのそれと同じ構造、機能および目的を有する要素は、同じ番号をもつ。

図１１から１３のアンテナ１１は、誘電基板１２の第１の表面上の第１の導電層２０、および誘電基板１２の反対の表面上の第２の導電ダイポール３０に加えて、下位誘電層１６によって第２導電層３０から分離されたグランド導電層６０を含む。また第３の導電素子５０が、第１導電素子２０と同じ誘電基板１２の表面上に設けられる。第３の導電素子５０は、指向性のダイポールである。それは、端部分５３の対をもつ中心ストリップ５１を含む。これは一般に、バーベル形の導電素子である。それは、第２導電層３０のストリップ３４、３６、３５、３７の上に置かれる。それは、誘電基板１２および誘電層１６を通って伸びるビア４２によってグランド層６０に接続される。

指向性ダイポール５０は、各ストリップ３４、３６、３５、３７のエッジの一部に置かれた複数のフィンガーを含む。図示するように、端のストリップ５２、５８は、ストリップ３４、３６、３５、３７の外側エッジ上に置かれ、またそれを超えて横方向に伸びる。内部フィンガー５４、５６は、ストリップ３４、３６、３５、３７の内部エッジに隣接しており、それを超えて横方向に伸びていない。

好ましくは、誘電基板１２の透過率または誘電定数は、誘電層１６の透過率または誘電定数より大きい。また誘電基板１２の厚さｈ１は、誘電層１６の厚さｈ２よりかなり小さい。好ましくは、誘電基板１２は、誘電層１６の厚さの少なくとも半分である。

指向性ダイポール５０の端部分５３の多角形の周辺は、ＰＥＡＮ０３フラクタル形状の指向性ダイポールの類似の形を有する。アンテナ１２の側面は、二重板状逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）のように見えることにも留意されたい。

図１４はアンテナ１２の指向性利得のグラフであり、図１５は、ＶＳＷＲおよび利得Ｓ１１のグラフを示している。５つの周波数が図１０に示されている。最大利得は、７ｄＢより大きく、２．５ＧＨｚで８．２９ｄＢ、また５．７ＧＨｚ１０．５ｄＢである。図１５のＶＳＷＲは、２未満の少なくとも２つの周波数について、２未満である。

図１６Ａおよび１６Ｂは、給電点ｆｐまたはビア４０の影響を示している。給電点ゼロは、図１５のそれに類似する。図１７は、１ｍｍ、３ｍｍおよび５ｍｍについて、スロット幅Ｓの影響を示している。３ｍｍ幅は一般に、図１５のそれに対応する。図１８Ａおよび図１８Ｂは、６ｍｍ、８ｍｍおよび１０ｍｍの幅について、ダイポール・ストリップ幅の影響を示している。６ｍｍ幅は、図１５のそれに対応する。図１９Ａおよび図１９Ｂは、５ＧＨｚ範囲の第２周波数上の指向性ダイポール５０の一部５１の長さＬＳＤの影響を示している。８ｍｍ幅は一般に、図１５のそれに対応する。

図示されていないが、絶縁層１２に介したダイポールの周りの複数のビア・ホールが設けられ得る。これらのビア・ホールは、疑似フォトニック結晶を提供する。これは、誘電物質内の表面波および放射を低減させることによって総利得を増加させる。これは、両方のアンテナに当てはまる。

本開示について述べ、詳細に示したが、これは説明および例示のために行われているにすぎず、限定するためのものと見なすべきでないことを明確に理解されたい。本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲の語句によって制限されるにすぎない。

本発明の原理を取り入れた無指向性の４バンド・ダイポール・アンテナの透視図である。 図１のダイポール導電層の平面図である。 図２Ａのダイポール導電層の６バンド変形体の図である。 図１のアンテナの平面図である。 図１のアンテナの指向性図である。 同調周波数のうちの２つの指向性利得のグラフである。 周波数対電圧定在波比（ＶＳＷＲ）およびＳ１１の利得のグラフである。 給電点またはビアの変更の、図７Ｂに示す図１のダイポール・アンテナの特性に対する影響を示すグラフである。 図１のダイポール・アンテナの給電点またはビアの変更を示す図である。 図１のダイポールのスロットＳの幅の変更の影響を示すグラフである。 図１の２、３、４ストリップ・ダイポールについての影響を示すグラフである。 図１０Ｂに示す、図１のダイポールの幅の変更の影響を示すグラフである。 図１のダイポールの幅の変更を示す図である。 本発明の原理を取り入れた指向性ダイポール・アンテナの透視図である。 図１１のアンテナの上面図である。 図１１のアンテナの底面図である。 ５つの周波数についての図１１のアンテナの指向性利得のグラフである。 周波数対図１１のアンテナのＶＳＷＲおよびＳ１１のグラフである。 図１１のダイポール・アンテナについて図１６Ｂに示す給電位置の給電点またはビア４０の変更の影響を示すグラフである。 図１１のダイポール・アンテナについての給電位置の給電点またはビア４０の変更を示す図である。 図１１のダイポール・アンテナのスロットＳの幅の変更の影響を示すグラフである。 図１１のアンテナの図１８Ｂに示すダイポールの幅の変更の影響を示すグラフである。 図１１のアンテナのダイポールの幅の変更を示す図である。 図１１のダイポール・アンテナの図１９Ｂに示す指向性ダイポールの長さの変更の影響を示す第２の周波数のグラフである。 図１１のダイポール・アンテナの指向性ダイポールの長さの変更を示す図である。

Claims (18)

1. 無線通信装置用のダイポール・アンテナであって、
   第２の導電素子の一部の上に置かれ、第１の誘電層によってそれから分離された第１の導電素子と、
   前記第１誘電層を介して前記第１と第２導電素子を接続する第１の導電ビアと、
   一般にＵ字形であり、前記Ｕ字形の足の隣接した端から横に伸びる間隔が置かれた複数の導電ストリップを含む前記第２導電素子であって、それぞれのストリップが異なるλｏに合わせた寸法にされる前記第２導電素子とを備えるダイポール・アンテナ。
2. 第１導電素子がＬ字形である請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記Ｌ字形の足のうちの１つが前記Ｕ字形の足のうちの１つの上に置かれる請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記第１導電ビアが前記Ｌ字形のもう一方の足を前記Ｕ字形のもう一方の足に接続する請求項３に記載のアンテナ。
5. 前記第１導電ビアがＬ字形の足のうちの１つの足の端を前記Ｕ字形の足のうちの１つに接続する請求項２に記載のアンテナ。
6. 前記第１および第２導電素子がそれぞれ平面状である請求項１に記載のアンテナ。
7. それぞれのストリップが０．０５λｏ未満の幅、および０．５λｏ未満の長さを有する請求項１に記載のアンテナ。
8. 前記アンテナが無指向性であり、利得が４ｄＢを超える請求項１に記載のアンテナ。
9. 第２導電素子の上に置かれ、第２の誘電層によってそれから分離されたグランド・プレーン導体と、前記第２導電素子の上に置かれ、前記第１誘電層によってそれから分離された第３の導電素子と、前記誘電層を介して前記第３導電素子を前記グランド導体に接続する第２の導電ビアとを含む請求項１に記載のアンテナ。
10. 前記第１および第３導電素子が共平面である請求項９に記載のアンテナ。
11. 前記第３導電素子が、前記ストリップのそれぞれの外側エッジの一部の上に置かれた複数のフィンガーを含む請求項９に記載のアンテナ。
12. 前記Ｕ字形の各足の上の第１および最後のストリップ上に置かれた第１および最後のフィンガーが、前記各ストリップの外側エッジを超えて横方向に伸びる請求項９に記載のアンテナ。
13. 前記第１誘電層の透過率が前記第２誘電層の透過率よりかなり大きい請求項９に記載のアンテナ。
14. 前記第１誘電層の厚さが前記第２誘電層の厚さよりかなり小さい請求項１３に記載のアンテナ。
15. 前記第１誘電層の厚さが前記第２誘電層の厚さの少なくとも半分である請求項９に記載のアンテナ。
16. 指向性であり、７ｄＢを超える利得を有する請求項９に記載のアンテナ。
17. 前記第１誘電層が基板であり、前記第１および第２導電素子が前記基板上のプリントされた素子である請求項１に記載のアンテナ。
18. 前記複数のストリップが互いに並列する請求項１に記載のアンテナ。
    

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