JP2008035516A - 集積増幅器を備えるスロット型アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】開放スロットアンテナ、更に具体的には、Ｋｎｏｒｒ方式のライン／スロット遷移を用いるアンテナを集積する新しい構造を提案する。
【解決手段】本発明は、接地面Ｇを特色とする基板Ｓと、縦放射開放スロットアンテナ１８と、分配線１０へ接続された出力分割器１０、１１、１２と、増幅器１４が逆相で供給されるように出力分割器１０の出力部の夫々へ接続された増幅器１４とを有する、増幅器を集積されたスロット型アンテナ１８であって、増幅器の出力部は、スロット型アンテナ１８の励振点１９へ直接に結合された出力結合回路１６、１９へ接続される。スロット型アンテナ１８に関する。
【選択図】図２

Description

本発明は、集積増幅器を備えたアンテナ、更に具体的には、同じ基板上に集積された電力増幅器へ接続されたＶｉｖａｌｄｉアンテナ又は同様の形式のアンテナのような開放スロットアンテナに関する。

ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｂ／ｇ標準に従って動作し且つ２．４ＧＨｚ及び５ＧＨｚの周波数帯で動作するＷｉ−Ｆｉ技術は、今日、特に家庭環境での極めて高速な無線送信のために最高の地位を保つ。

例えば、基地又はセットトップボックス（ＳＴＢ）と、コンピュータラップトップ、テレビ受像機又は他の装置などの幾つかの端末との間の、特に高解像度である幾つかの映像ストリームの送信は、標準規格によって許容される最高速度、即ち５４Ｍｂｐｓを達成するよう高次変調の使用を必要とする。６４ＱＡＭ変調などの高次変調は、標準的な変調よりも電力増幅器の出力に関する要求が厳しい。実際に、所与の受信品質のためのＣ／Ｎ関係（搬送波対雑音比）は、変調の次数とともに増大する。更に、変調の次数が高くなればなるほど、非線形性に対する耐性はますます弱まり、電力増幅器のバックオフはますます著しくなる。バックオフは、増幅器の線形動作を確実にする１ｄＢ圧縮で定義される電力増幅器の出力に対するマージンに対応する。

最終的に、一定でないエンベロープから成る、Ｗｉ−Ｆｉシステムで使用される多重搬送波を有するＯＦＤＭ変調は、電力増幅器の非線形性に特に敏感である。

結果として、電力増幅器の従来技術を考慮すると、これらの制約の全ては、目的とされる製品に適合する費用及び電力消費制約を伴う様々な規則によって認められる最大出力を放射することが目下困難であることを意味する。

特に、５ＧＨｚ（５．４７ＧＨｚ〜５．８２５ＧＨｚ）高周波帯域で、欧州では最大３０ｄＢのＥＩＲＰ（等価等方放射電力）及び米国では最大３５ｄＢのＥＩＲＰを放射することが認められる。ほぼ８〜１０ｄＢｉ程度の中程度の指向性を有するアンテナを用いる場合であって、且つ、２ｄＢの送信損失を考える場合には、２２ｄＢｍよりも大きいバックオフを考慮して、線形出力が必要とされる。しかし、目下利用可能な電力増幅器によれば、１８ｄＢｍよりも大きな線形出力を得ることは不可能である。従って、目標とする電力を得るために、ほぼ１８ｄＢｍ程度の線形出力を提供する２又はそれ以上の増幅器を組み合わせられることに関心が持たれている。

従って、図１に表されるように、目標とする出力を得るようプッシュプル構造で実装された２つの増幅器を含む構成を使用することが提案される。

図１は、プッシュプル増幅器構造による集積増幅器を有するＶｉｖａｌｄｉ型アンテナを表す。更に詳細には、接地面Ｇを特色とする同一基板Ｓ上で、増幅回路へ接続されたＶｉｖａｌｄｉ型アンテナ７を有するよう構成される。このアンテナは、Ｋｎｏｒｒ方式に従う電磁結合を介するマイクロストリップ技術を用いて、励振ライン６へ励振点８で接続されている。従って、マイクロストリップライン６は、接地面Ｇの面の反対の基板の面に実現される。プッシュプル構造における増幅器の回路は、２つのハイブリッド・リング２及び５を実施する。このハイブリッド・リングの描写は簡単化されている。実際には、夫々のリングの０／１８０°アクセスの間に置かれるべき充電抵抗がこの図には示されていない。更に具体的には、図１に表されるように、参照番号１は、アンテナの励振回路へ接続されるよう設計された入力ポートを示す。この入力ポート１は、０〜１８０°出力分割器の機能を有する第１のハイブリッド・リング２へ接続されている。従って、ハイブリッド・リング２の２つの出力ポート３で、振幅は同じであるが位相が反対である信号が得られる。出力３の夫々は、最短動作波長で同一寸法のインピーダンス整合ラインによって電力増幅器４へ接続される。夫々の電力増幅器４の出力は、出力結合回路の役割を果たす第２のハイブリッド・リング５の入力へ接続される。このハイブリッド・リング５は、Ｖｉｖａｌｄｉ型アンテナの励振ライン６へ接続される。このプッシュプル構造は、２つのハイブリッド・リングを備えた構造であって、２つのハイブリッド・リングによって占有される面に関連する十分なサイズをもたらす。この構造は、また、ハイブリッド・リングによってもたらされる更なる損失と、ハイブリッド・リングの帯域幅に関連する周波数帯域における一定の制限とを生ずる。
ＷＯ０２／４７２０５ ＥＰ０６８５９０１Ａ マイクロ波理論及び技術に関するＩＥＥＥ報告書Ｖｏｌ．４７、ｎｏ．８、１９９９−８、「集積アンテナプッシュプル電力増幅器（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ−Ａｎｔｅｎｎａ Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ）」

本発明は、開放スロットアンテナ、更に具体的には、Ｋｎｏｒｒ方式のライン／スロット遷移を用いるいずれかのアンテナを集積する新しい構造を提案する。

従って、本発明は、接地面を設けられた基板上に縦放射開放スロットアンテナと、２つの増幅器が逆相で供給されるように、その入力部で分配線へ接続され且つその出力部で前記２つの増幅器へ接続された出力分割器とを有し、前記増幅器の出力部は第１のマイクロストリップラインを有する出力結合回路へその入力部で接続される、集積増幅器を備えたアンテナであって、前記第１のマイクロストリップラインは、その励振点で前記スロット型アンテナのスロットに直接に結合される、ことを特徴とするアンテナに関する。

一実施例に従って、前記スロットアンテナのスロットとの前記第１のマイクロストリップラインの結合は電磁結合である。望ましくは、前記第１のマイクロストリップラインは、その中央で前記スロットアンテナのスロットに結合される。

更に、前記出力分配器は、その入力部で前記分配線へ及びその出力部で第２のマイクロストリップラインへ結合されたスロットを有し、前記第２のマイクロストリップラインの夫々の先端は、増幅器の入力部へ接続される。この場合に、前記スロットと前記分配線との間又は前記スロットと前記第２のマイクロストリップラインとの間の結合は、望ましくは、Ｋｎｏｒｒ方式の電磁結合である。更に、望ましくは、前記出力分配器のスロットは長さ３λ／４のスロットラインであり、λは動作周波数波長の長さである。

本発明の他の特徴に従って、前記縦放射スロットアンテナは、Ｖｉｖａｌｄｉ型アンテナ、プリントダイポール、一定若しくは線形な形状を有する放射開口、又はＫｎｏｒｒ方式のライン／スロット遷移を用いるいずれかの他のアンテナである。

本発明により、開放スロットアンテナ、更に具体的には、Ｋｎｏｒｒ方式のライン／スロット遷移を用いるアンテナを集積する新しい構造が提案された。

本発明の他の特徴及び利点は、様々な実施例の記載を読むと明らかとなるであろう。この記載は、添付の図面を参照して理解される。

以下、本発明の第１の実施例は、図２〜４を参照して記載される。

従って、図２に表されるように、接地面Ｇを特色とする基板Ｓで、縦放射スロット型アンテナが実現される。更に具体的には、この場合にはＶｉｖａｌｄｉ型アンテナ１８である。更に、同一基板上で、電力増幅器回路が集積されている。更に詳細には、図２に表されるように、電力増幅器回路は、マイクロストリップ技術を用いて実現された分配線１０を有する。この分配線１０は、第１のスロットライン１１と、Ｋｎｏｒｒ方式の結合に従って電磁気的に結合される。スロットライン１１は、その出力部で第１のマイクロストリップライン１２と結合される。スロットライン１１とのマイクロストリップライン１２の結合は、Ｋｎｏｒｒ方式の電磁結合を用いることによってマイクロストリップライン１２の中央で実現される。更に、アセンブリのインピーダンス整合を実現するよう、スタブ１３がスロットライン１１の夫々の先端で及びマイクロストリップライン１０の端部で設けられる。このアセンブリは、振幅は同じだが位相が反対である信号がライン１２の両先端（Ｐ（０°）及びＰ（１８０°））で得られることを可能にするよう出力分割器を形成する。

出力分割器は図３で更に詳細に表され、その機能は図４を参照して説明される。図４は、ａ）で送信及び帰還損失を、及びｂ）でポート間の周波数に依存する位相差を示す。従って、マイクロストリップライン１２の２つの出力ポートＰ（０°）及びＰ（１８０°）の間の位相差は、極めて幅広い周波数帯で１８０°に等しいままであることが認められる。実際に、この構造はスロット１１に対して完全に対称であり、共振素子は存在しないので、従って、２つのポート間の位相差は、極めて大きな帯域幅で一定である。これは、ハイブリットリングに関しては異なる。ハイブリッドリングは、１／４波長に比例する長さを有する素子によって必要な大きさにされる。

更に図４ａで、この接合のための送信損失に関して、幅広い周波数帯で１ｄＢよりも小さい良好な損失が知られる。

図４で示される結果は、タイプＲｏｇｅｒｓ４００３（εｒ＝３．３８ｍｍ、ｈ＝０．８１ｍｍ及び＝１７．５μｍ）の基板上で実現される図３の構造をシミュレーションすることによって、電磁気ソフトウェアＩＥ３Ｄ（Ｚｅｌａｎｄ）を用いて得られた。出力分割器に関して、分配線１０は、固有インピーダンス５０Ω及び幅１．８５ｍｍのマイクロストリップラインと、幅１．０６ｍｍ及び長さ６．６５ｍｍのインピーダンス整合マイクロストリップとによって形成される。分割器の出力マイクロストリップライン１２は、１．５６ｍｍの幅及び１３．３ｍｍの長さを有する。スタブ１３は、インピーダンス整合のために使用される。マイクロストリップライン１０の先端での放射状スタブは、２．９ｍｍの半径及び８０°の開口度を有し、スロットライン１１の夫々の先端で使用される２つの放射状スロットスタブは同じ寸法を示す。更に、スロットライン１１は、０．４ｍｍの幅及び１１．５ｍｍの長さを有する。

図２で表されるように、分割器の出力マイクロストリップラインの夫々の先端は、電力増幅器１４の入力部でインピーダンス整合ライン１５によって接続される。望ましくは、使用される増幅器は、Ｂ級で動作する電力増幅器である。しかし、他の形式の増幅器が使用されても良い。夫々の増幅器１４の出力は、以下で記載される出力結合回路の入力部へ夫々接続される。２つのチャネル間の位相バランスを確保するよう、示される実施例で、増幅器の前及び後に設けられるマイクロストリップライン１５及び１７の部分は、厳密に等しい長さを有する。

更に、図２に表されるように、本発明の本質的特性に従って、結合回路は、スロット型アンテナの励振点に、即ち、Ｖｉｖａｌｄｉ型アンテナ１８の励振点１９に直接に結合される。更に具体的には、結合回路は、その励振点１９のレベルで、Ｖｉｖａｌｄｉ型アンテナ１８のスロットに電磁気的に結合されたマイクロストリップライン１６を有する。その結合はＫｎｏｒｒ方式の電磁結合であり、マイクロストリップライン１６の中央で実現される。従って、マイクロストリップライン接合は、その出力部で２つの電力増幅器１４から発せられる電力をＶｉｖａｌｄｉ型アンテナ１８の励振スロットラインへ構造上結合する。ライン部分１７の長さは厳密に等しいので、マイクロストリップライン１６の２つのアクセス１６ａ及び１６ｂを介して到達する電力は、位相が反対である。それは、スロットのレベルで電力の構造的な結合を可能にする１８０°のこのような位相差である。

接合のためだけに得られるシミュレーションは、逆位相の励振の場合に、Ｖｉｖａｌｄｉ型アンテナの利得が、５ＧＨｚ〜６ＧＨｚで５ｄＢから６．６ｄＢの間で変化し、位相励起の場合に−７ｄＢを下回ることを示す。更に、この接合は、２次高調波を反射することによって、電力増幅器の夫々の効率改善に寄与する。実際に、スロット「スタブ」のＫｎｏｒｒ方式遷移は、ほぼ波長の１／４の倍数程度である。従って、遷移面で、スロット「スタブ」は、動作周波数で開回路面をもたらす。その動作周波数の中で、他のものが結合を可能にする。しかし、２倍の周波数では、この同じ「スタブ」は、遷移面で短絡回路をもたらし、従って結合を最小限とする。これは、２次高調波を取り除く。

以下、本発明の他の実施例は、図５〜６を参照して記載される。

この実施例は、ＦＲ４として一般に知られる非常に価格の安い多相基板を使用する。この基板は、２つの誘電体層と、３つのメタライズ層、即ち、最上層、中間層及び最下層とを有する。２つの誘電体層の厚さは、夫々、０．２６ｍｍ及び０．４１ｍｍである。第１の外部導電層、即ち最上層は、図６Ａに示されるように、マイクロストリップライン及び供給トラックが印刷されることを可能にする。この最上面には、また、例えば、増幅器ＰＡ、チョークコイルＬ及びデカップリングコンデンサＣなどの部品が配置される。スロットライン及び縦放射スロット型アンテナ、即ち、表される実施例におけるＶｉｖａｌｄｉ型アンテナ２０は、更に具体的に図６Ｂで表される第２の導電層、即ち中間層に印刷される。電力増幅器の供給トラック２１、２２のみが、図６Ｃに示される第３の導電層、即ち最下層に印刷される。この第３層は、２つの電力増幅器ＰＡが最上面に印刷されたＲＦトラックを交差することを回避しながら給電されることを可能にする。更に、これらの図で、「スルーホール」又は「ホール」は、図式的に表されており、トラックの相互接続を可能にする。

この実施例で、図５で示されるように、出力分割器及び出力結合回路は、図２の実施例で使用されたものと同じ原理を使用する。しかし、出力分割器のスロットライン及びマイクロストリップラインの配置は、回路のサイズを低減しながら電力増幅器の入力部と出力部との間の十分なアイソレーションが存在するような態様で達成されている。

実際には、図５に表されるように、出力分割器のスロットライン２３は、Ｖｉｖａｌｄｉ型アンテナ２０の放射スロットに直交する。この特定の配置は、結合が放射により低下して、増幅器の潜在的な発振問題が回避されることを可能にする。

更に詳細には、図５の出力分割器は、幅０．３５ｍｍ及び長さ６．３ｍｍのインピーダンス変圧器を形成するマイクロストリップラインＴ３を介して延在する、５０Ω及び幅０．４８ｍｍの固有インピーダンスラインによって、並びに、幅０．２５ｍｍ及び長さ６．９ｍｍの開回路マイクロストリップラインＴ１によって形成される外部取付部品Ｔ０から作られた分配線２４を有する。この分配線２４は、幅０．２５ｍｍ及び長さ７．９ｍｍの遷移スロットラインＴ４によって特にＶｉｖａｌｄｉ型アンテナ２０のスロットラインへ接続された幅０．２５ｍｍ及び長さ７．２ｍｍの２つの開回路スロットラインＴ２によって形成されたスロットライン２３と、Ｋｎｏｒｒ結合に従って、電磁気的に結合される。適切な動作のために、スロットライン２３は、望ましくは３λ／４に等しい全長を有する。なお、λは動作周波数波長である。

スロットライン２３は、マイクロストリップライン２５とその出力部で結合される。マイクロストリップライン２５は、電力増幅器ＰＡへ出力分割器の夫々の出力部を接続する５０Ωの特有のインピーダンス及び幅０．４８ｍｍの２つのマイクロストリップライン２６を介して延在する。マイクロストリップライン２５の中央は、分割器の出力間の振幅バランスを補償するよう分割器の中央ノードへ加えられたインピーダンス整合部２５ａを有する。更に、ライン部２６は同じ長さを有する。夫々の電力増幅器ＰＡの出力部は、Ｖｉｖａｌｄｉ型アンテナ２０と励振点２９で電磁気的に結合されたマイクロストリップライン２８によって形成される出力結合回路の入力部へライン部２７によって接続される。増幅器の出力ライン２７は、５０Ωの特有のインピーダンス及び０．４８ｍｍの幅を有し、最短波長と同じ長さを有する。

出力結合回路は、Ｖｉｖａｌｄｉ型アンテナのスロットの励振点２９でのＫｎｏｒｒ方式結合に従って電磁気的に結合されるマイクロストリップライン２８により形成される。励振点２９は、マイクロストリップライン２８の中央で見られうる。この場合に、マイクロストリップラインは、０．８４ｍｍの幅及び１２．３ｍｍの長さを有する。Ｖｉｖａｌｄｉ型アンテナは、図５に示されるように、以下の寸法を有する：
テーパースロットの開口ａ＝２５．２ｍｍ、
Ｖｉｖａｌｄｉ型アンテナの端部ｂ＝６ｍｍ、
テーパー部分の長さｄ＝２１．３ｍｍ、
励振スロットの幅ｅ＝０．８２ｍｍ、
励振スロットの長さｃ＝９．８ｍｍ。

図７に示されるアンテナ部は、プッシュプル機能の集積のために有用な接地面を集積するようＨＦＳＳ電磁気シミューレターによってシミュレーションされた。シミュレーションの結果は、図８及び９に示される。

図８は、２つのアクセスのインピーダンス整合及びこれら２つのアクセス間のアイソレーションを示す。約−６ｄＢのインピーダンス整合及び−６ｄＢよりも良いアイソレーションは、２つの０°及び１８０°のアクセスの励振の場合に良好な効率を可能にする。

図９は、０°／１８０°でのアンテナ励振を伴う５．４ＧＨｚでの利得放射パターンを示す。このアンテナは５．５ｄＢｉよりも大きい利得を与える。この利得がＶｉｖａｌｄｉ型アンテナの形状を調整することによって変更可能であることは、当業者には明らかである。

前出の寸法は一例として、本発明の実施可能性を示すために与えられることは、当業者には明らかである。決してそれらに限定されない。

従来技術に従う、電力増幅器を集積されたＶｉｖａｌｄｉ型アンテナの実施例の平面図である。 本発明の第１の実施例に従う、増幅器を集積されたＶｉｖａｌｄｉ型アンテナの平面図である。 図１のアンテナとともに使用される周波数分割器部分の拡大された平面図である。 ａで送信及び帰還損失を、ｂで図３の周波数分割器の入力部と出力部の夫々との間の位相を表す。 本発明に従って増幅器を集積されたＶｉｖａｌｄｉ型アンテナの第２の実施例の上から見た平面図である。 図５に従う多相基板上でのアンテナ及びその関連する回路の実現のための第１の導電層レベルを示す平面図である。 図５に従う多相基板上でのアンテナ及びその関連する回路の実現のための第２の導電層レベルを示す平面図である。 図５に従う多相基板上でのアンテナ及びその関連する回路の実現のための第３の導電層レベルを示す平面図である。 シミュレーションされたアンテナ部の斜視図である。 アンテナへの２つのアクセスの間のインピーダンス整合及びアイソレーション曲線を示す。 ０°／１８０°でのアンテナの励振を伴うアンテナの放射パターンを表す。

符号の説明

Ｓ 基板
Ｇ 接地
１０，２４ 分配線
１１，２３ スロットライン
１２，１６，２５，２９ マイクロストリップライン
１３ スタブ
１４ 電力増幅器
１５，１７ インピーダンス整合ライン
１８，２０ Ｖｉｖａｌｄｉ型アンテナ
１９，２９ 励振点
Ｐ 出力ポート

Claims (7)

1. 接地面を設けられた基板上に、縦放射開放スロットアンテナと、２つの増幅器が逆相で供給されるように、その入力部で分配線へ接続され且つその出力部で前記２つの増幅器へ接続された出力分割器とを有し、前記増幅器の出力部は第１のマイクロストリップラインを有する出力結合回路へその入力部で接続される、集積増幅器を備えたアンテナであって、
   前記第１のマイクロストリップラインは、その励振点で前記スロット型アンテナのスロットに直接に結合される、ことを特徴とするアンテナ。
2. 前記スロットアンテナのスロットとの前記第１のマイクロストリップラインの結合は電磁結合である、ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
3. 前記第１のマイクロストリップラインは、その中央で前記スロットアンテナのスロットに結合される、ことを特徴とする請求項２記載のアンテナ。
4. 前記出力分配器は、その入力部で前記分配線へ及びその出力部で第２のマイクロストリップラインへ結合されたスロットを有し、
   前記第２のマイクロストリップラインの夫々の先端は、前記増幅器の入力部へ接続される、ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のアンテナ。
5. 前記出力分配器のスロットと前記分配線との間又は前記出力分配器のスロットと前記第２のマイクロストリップラインとの間の結合は、Ｋｎｏｒｒ方式の電磁結合である、ことを特徴とする請求項４記載のアンテナ。
6. 前記出力分配器のスロットは長さ３λ／４のスロットラインであり、
   λは動作周波数波長の長さである、ことを特徴とする請求項４又は５記載のアンテナ。
7. 前記縦放射スロットアンテナは、Ｖｉｖａｌｄｉ型アンテナ、プリントダイポール、一定若しくは線形な形状を有する放射開口、又はＫｎｏｒｒ方式のライン／スロット遷移を用いるいずれかの他のアンテナである、ことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のアンテナ。

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