JP2008502242A - 全方向性放射を有する広帯域アンテナ - Google Patents

Abstract

本発明は、基板(201)上に設けられている二の導電性アーム(202、203)を有する、全方向放射線を有する広帯域アンテナに関する。二のアームのうち、第2アーム(203)と呼ばれる一のアームは、第1アーム(202)と呼ばれるもう一方のアームを使用することによるシールド線によって給電されていることを特徴とする。

Description

本発明は、特にUWB(Ultra Wideband)型の広帯域パルス型送信のようなワイヤレス高ビットレート通信分野での使用が可能な電磁信号を送受信するための、全方向放射線を有する広帯域アンテナに関する。そのような通信にはたとえば、WLAN、WPAN、WBAN型がある。

パルス型では、情報はたとえば、ナノ秒オーダーの非常に短いパルスのようなパルス列で送信される。この結果、広帯域周波数が実現する。

元々軍事用であった超広帯域送信は、徐々に民生用電気通信の領域に導入されてきている。従ってUWB通信用途の開発を可能にするため、3.1〜10.6GHz周波数帯が（米）連邦通信委員会によって最近採用された。その基準は現在策定されているところである。

多くの用途では、放射パターンに対して回転対称を有する等方性アンテナが必要となる。これは特に、理論的には特定の固定位置を有しておらず、UWBワイヤレスリンクを介してアクセス点とやり取りをしなくてはならない場合、たとえば携帯製品を利用する場合について当てはまる。他にも、たとえばビデオライラ(Video Lyra)型やモバイルPCなどの製品が含まれる。このことは、ある程度のQoSを提供するため、永続的に接続されている必要がある固定ポイント・トゥー・ポイント用途についても当てはまる。特に、移動する人（たち）は、二の高指向性アンテナ間のビームを中断してしまうだろうし、送受信用には全方向性アンテナの使用が好ましい。ここではたとえば、高解像度テレビ受信器と通信するビデオサーバが含まれる。

最も良く知られた全方向性アンテナはダイポールアンテナである。図1に図示されているように、ダイポールアンテナは、長さがλ/4である二の同一アーム101、102を有する。二のアーム101、102は相互に対向するように設けられ、発生装置103によってそれぞれ異なるように給電されている。電磁気学が起こり始めた頃からこの型の放射素子は十分に研究及び使用されてきた。その理由には、実装が単純であるというのもあるが、特にアンテナの電磁気学的作用を律則する数学的表現が単純であるというのがある。非特許文献1の第5章には、この型の放射素子の機構を説明する数学的表現が含まれる。特に長距離放射場は、ダイポールの中心で垂直となる面（図1におけるxOz面）で最大となり、その理論的インピーダンスは約75Ωである。放射素子は元々ワイヤライン技術で使用され、その用途はアマチュア無線、UHF受信及び、最近ではWLAN型のワイヤレスネットワークのような様々なものに及ぶ。プリント回路の出現以来、放射素子の実現はさらに単純なものとなり、アンテナは、いまや回路の集積部分となっている。
米国特許公開第6642903号明細書 J.D.Kraus、Mac Graw Hill、"Antennas"、1988年、第2版

この型の放射素子に関する問題は、帯域が狭い一方で、一般に構造の対称性が失われた状態で与えられてしまうことである。このため、近接場での非対称化及び、非近接場パターンでの劣化が生じてしまう。その結果、この放射素子はもはや全方向性ではなくなる。

互いが異なった状態で与えられている二の導電性の環の組み合わせに基づく広帯域構造はすでに知られている。特許文献1はそのような構造について説明している。導電性環を与えることによって、放射素子が等方的放射パターンを与えるようにするため、複雑な構造が提案されている。

本発明は、放射パターンを妨害しない単純集積構造を有する全方向性広帯域アンテナを提案する。しかも、このアンテナは、パルス型ワイヤレス通信を可能にする。

本発明は、基板上に設けられている二の導電性アームを有する、全方向放射を有する広帯域アンテナに関する。二のアームのうち、第2アームと呼ばれる一のアームは、第1アームと呼ばれるもう一方のアームを使用することによるシールド線によって給電されていることを特徴とする。

実際、第1アームは導電性材料で実現され、適合する構造を有することでフィーダ線の遮蔽を実現される。遮蔽によって、フィーダ線によって生成されるフィールド線の電磁分離が実現される。従って、アンテナからの放射は構造によって妨害されない。

一の実施例では、両方のアームは二の面を有する基板上に設けられている。少なくとも第1アームは同一幾何学的形状である二の導電性素子を有し、これらの導電性素子は基板の二面上で相互に対向するように設けられ、第2アームは基板内であって、第1アームの下に設けられた線によって給電される。

実際、二の導電性素子間を通る線はアンテナに対して“隠れて”いる。従って、アーム中に誘起される不要な電流が予防される。このことにより、近接場及び非近接場レベルでの対称性が供されることで、アーム間を通過する、中心で垂直な面での全方向性パターンが供される。

本発明の一の実施例に従うと、二の導電性素子は、基板を通過するために形成され、導電性材料で満たされた孔によって接続する。

この特性によって、フィーダ線によって発生する漏れを、基板中での表面波の状態にすることが可能となる。

本発明の一の実施例に従うと、孔は導電性素子の周辺領域で形成される。

この特性によって、相互に対向する導電性素子の両方の部分が同一の電位を有することが保証される。

一の実施例では、第2アームは基板の二面上で相互に対向するように設けられている、同一幾何学的形状である二の導電性素子を有する。

第2アームのような製造物は第1アームのような製造物と同時に得られ、かつアンテナの中心で垂直となる面に対して対称性を有する構造を得る。当然、特に導電性素子の周辺領域での導電性孔は、第2アーム上にも形成されて良い。

一の実施例では、少なくとも一のアームは、環状導電性素子を有する。

環状導電性素子は、広帯域アンテナの実現を可能にする従来技術として知られている。他の幾何学的形状、特に図9で図示されている楕円、を使用しても良い。

一の有利な実施例では、回路は少なくとも一のアームで集積される。

本発明の他の特徴及び利点は、様々な実施例に関する説明を読むことで明らかとなる。説明にあたっては以下の図が参照される。

図2から図5を参照することで、本発明に従った、全方向性放射を有する広帯域アンテナの実施例について最初に説明する。

図2に図示されているように、アンテナはダイポールを構成する二のアーム202及び203を有する。これらのアームはそれぞれ二の環状導電性素子を有する。アーム202は環状導電性素子204及び205を有し、アーム203は環状導電性素子208及び209を有する。環状導電性素子は、基板201上に対で対向するように設けられている。たとえば、素子は基板201上での溝形成による作製、成長、接着による作製又はプリントによって作製されて良い。導電性素子は金属材料によって実現される。たとえば、Cuで構成されても良い。また、面が金属化されたプラスチック材料（”dibbon”のような）又は、金属で満たされた状態のプラスチック材料を使用して良い。

基板201は、様々な柔軟性又は剛性材料で実現されて良い。たとえば、柔軟性若しくは剛性プリント回路基板、又は、ガラス基板、プラスチック基板などの他の誘電材料によって構成されて良い。有利な特性を有する平面アンテナは従って、本発明に従って容易に実現される。

図2の実施例に従うと、導電性素子は、たとえば207及び210のような金属化された孔によって接続される。

ダイポールは、第1アーム202の位置での第1コンタクト211及び、第2アーム203の位置での第2コンタクト212によって作製される。第2コンタクト212は、第1アームの下を通る埋め込み線206を使用することで発生装置と接続する。発生装置は通常、エネルギーをアンテナへ送るRF回路に属する。線206は従って細線である。これにより、この線をアンテナに対して隠すことが可能となる。これはまた、アームから誘起される不要な電流をも防止できる。アンテナの動作は従って、エネルギー供給に影響されない。この結果、近接場及び非近接場での対称性、すなわち中心部で垂直な面での全方向性放射パターンが実現する。よって放射パターンの回転対称性を破る従来技術でのエネルギー供給は、本発明に従って対称性を有する。

図7は、図2に図示されたアンテナの第1アーム202の中心を通る面(xz)での断面を図示している。概略的に図示されている導電性素子204、導電性素子204及び金属で満たされた孔207が第1導体を表し、第2導体を表すフィーダ線206が細線を形成することが分かる。この図では、二導体間の電場の向きを表す線が矢印で図示されている。これらの電場が伝搬する誘電環境は均一である。細線は、TEM（横電磁型）と呼ばれるモードが伝搬する伝送線である。TEMモードとは、電磁場が一の横方向成分（つまり切断面）のみを有するモードである。電磁波が導波され、放射しないので、その線は従って遮蔽される。

得られた結果のシミュレーションを行うため、二のアームを使用することによって、図2に図示されたアンテナが作製された。当該二のアームの各々は、直径が19.5mmである二の環状導電性素子を有し、その素子は、相対誘電率ε_r=4.4で高さh=1mmであるFR4型基板の二の面上に互いに対向するように溝を形成することによって作製されている。これらのアームは、距離d=1mmで隔てられている。対向する導電性素子は金属で満たされた孔によって対で接続している。線206の幅は0.4mmである。この線は、第1アーム“内部”を通り、第1アームと第2アームとを接続する金属で満たされたビアホールで終端する。この構造は、電磁シミュレータである、HFSS（Ansoft社）及び、IE3D（Zeland社）を用いてシミュレーションが行われた。シミュレーション結果を図3から図5に示す。

図3の曲線301で示されているように、インピーダンスが50Ωでの直接整合が得られた。このインピーダンスは、二のアームを有し、各アームが基板の単一面上に一の導電性素子を有するダイポールで得られる曲線302でのインピーダンスよりも小さい。このインピーダンスの減少は、満たす金属の量が増加して素子が厚くなることに起因して、インピーダンスが平行に設けられるためである。図3の曲線301に示されているように、この特性によって、2.65GHz-12GHzをカバーする非常に広い帯域において、アンテナを-10dB未満で整合させることが可能となる。

従ってアンテナの最大径は、(19.5*2+1)=40mmで、特に2.65GHzで0.35λである。曲線301から観察される、本発明に従ったアンテナの利点の一は従って、75Ωでの整合において、低い方の周波数が、二のアームを有し、各アームが基板の単一面上に一の導電性素子を有するダイポールでの値よりも小さくなることである。-8.6%の周波数オフセットが得られる（2.9GHzから2.65GHzで通過する）。

他の利点は、50Ωで直接整合するので、アンテナとRFフィーダ回路との間に75Ωから50Ωへのインピーダンス変換器を必要としないことである。縦軸の値の落ち込みは従って制限される。この型の変換器で、このような帯域での周波数変換を実現するのは難しいため、これはなおいっそうの利点となる。

図4は様々な周波数での放射パターンを図示している。図4に図示されている様々な周波数は、2.65GHz(4a)、3GHz(4b)、4GHz(4c)、5GHz(4d)、6GHz(4e)、7GHz(4f)、8GHz(4g)、9GHz(4h)、10GHz(4i)である。非常に広い周波数領域について、これらのパターンが全方向性であることが確かめられた。周波数帯のうちの高周波(f>9GHz)では、8dB周辺のパターンでの波紋が、方位面(azimuthal plane)で観察される。この波紋は、放出された信号の状態を非常にわずかではあるが劣化させる。それは、方位面において等方的に放出されない高周波（信号が急速に変化する）成分のみである。この波紋を補償するためには、構造全体の大きさを、周波数がわずかに高くなるように再設定すれば十分である。再設定するには、構造全体の大きさを、因子3.1GHz/2.65GHz=1.17倍分減少させる。9GHzで表れる波紋は、1.17×9=10.5GHzで表れるようになる。この値は使用する帯域のほとんど外側である。

以下の表は、利得の値が周波数帯全体でほぼ一定であることを示している。

図5は、ダイポールの放射効率502及び、アンテナの全体効率501を図示している。この効率は、3.1GHz-10.6GHz帯全体で91%を超えている。この点は特に、全く増幅させることなく、最小出力を伝送することが可能であるのでUWB技術にとって興味深い。

本発明はその幾何学的形状及び集積フィーダ系によって、パルス系によって課される時間的制約に対しても十分に対処する。しかもこのアンテナは、高周波回路の標準インピーダンスである50Ωに対して整合する。

図6を参照することで、本発明における他の有利な実施例についてここで説明する。この図は、方位面に対して非対称のアームを有するダイポールを表す。実際、本発明に従うと、二のアームは各異なる形状を有して良い。特に図6に従うと、第2アーム603のフィーダ線606が下を通過する第1アーム602は大きく、かつアンテナ後方に設けられている一以上の回路611のグランド面としての役割を果たす。そのような回路611は、たとえばRF回路及び/又は、デジタル回路であって良い。

シミュレーション結果で示されたように、本発明に従ったアンテナは以下の利点を有する。
-高周波数帯において、方位面での放射パターンが全方向性であること。
-高周波数帯において、良好なレベルでの整合が実現すること。
-平坦な形状のため、コンシューマ向け製品への組み込みが容易であること。
-アンテナと同一基板に高周波回路を組み込むことができること（プリント回路技術）。
-低コスト基板上でのプリント回路技術であるため、低コストの解決法であること。
-小さな寸法の構造であること：最低周波数での最大長は0.35λである。

本発明はここまで説明されてきた実施例に限定されず、当業者は、同軸ケーブルを第1アームに接続することでシールド線を実現するなどといった様々な型の実施例が存在することを理解する。この場合同軸ケーブルは、基板の一面上に設けられている導電性素子に半田付けされる。そのような導電性素子はたとえば、図2に図示された導電性素子204に似ている。有利なことに、図8に図示されているように、同軸ケーブル813は、方位面(xz)に垂直な直径に沿って半田付けされ、導電性素子804の一部となる。

しかも図9に図示されているように、導電性素子は環状のみならず、垂直又は水平の主軸を有する楕円形状であっても良い。

ダイポールアンテナの基本概念を図示している。 本発明の一の実施例に従ったアンテナの斜視図である。 図2に図示されたアンテナによって与えられる信号周波数に対する反射係数の変化を示す曲線を図示している。 図3に図示されたアンテナの3D放射パターンを図示している。 図2に図示されたアンテナの効率を示す曲線を図示している。 本発明の一の有利な実施例に従ったアンテナの概略的上面図である。 図2に図示されたアンテナの導電性素子202の中心部を通る面(xz)での断面図である。 本発明の一の変化例に従ったアンテナの導電性素子中心部を通る面(xz)と等価な面での断面図である。 本発明に従った一のアンテナの幾何学的形状の変化例を図示している。

Claims (7)

1. 基板上に設けられている二の導電性アームを有し、
   前記二のアームのうちの第2アームと呼ばれるアームが、第1アームと呼ばれる他方のアームを利用したシールド線によって給電される、
   ことを特徴とする、全方向性放射を有する広帯域アンテナ。
2. 前記二のアームが、二の面を与える基板上に設けられ、
   少なくとも前記第1アームは、前記基板の二の面上で互いに対向するように設けられていて、同一の幾何学的形状である二の導電性素子を有し、かつ、
   前記第2アームが、前記第1アームの下で前記基板内に設けられている線によって給電される、
   ことを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ。
3. 前記二の導電性素子が、前記基板を貫通し、導電性材料によって満たされる孔によって接続することを特徴とする、請求項2に記載のアンテナ。
4. 前記孔が前記導電性素子の周辺部で形成されることを特徴とする、請求項3に記載のアンテナ。
5. 前記第2アームが、前記基板の二の面上に互いに対向するように設けられていて、同一の幾何学的形状である二の導電性素子を有することを特徴とする、請求項2から4までのいずれか1つに記載のアンテナ。
6. 回路が少なくとも一のアームに集積されることを特徴とする、請求項2から5までのいずれか1つに記載のアンテナ。
7. 前記アームの少なくとも一が環状導電性素子を有することを特徴とする、請求項1から6までのいずれか1つに記載のアンテナ。

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