JP2008535299A - 構想上の大きな柔軟性を提供する超広帯域アンテナ - Google Patents

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Abstract

【課題】構想上の大きな柔軟性を有する超広帯域アンテナを提案する。
【解決手段】本発明の超広帯域アンテナ(1)は、第一、第二の造形表面(3、4)の間に画定され、これにより、放射素子を画定する放射素子画定ゾーン(2)を形成する。各造形表面(3、4)がさらにアンテナの長手方向軸(Z)を中心として回転対称で、長手方向軸(Z)に対して直交しかつ水平方向軸(X)を含む平面との関係において互いに対面して配置され、放射素子画定ゾーン(2)内の電磁波の電磁界の特性の制御に適合した寸法および輪郭形状を有し、放射素子画定ゾーン(2)は、方位角の面に沿って、周波数帯域内でほぼ恒常な利得を呈するように構成されている。このアンテナは、さらに、同軸線路による励振手段(6)と突起電極による整合手段(7)とを備える。
【選択図】図3

Description

本発明は、電気通信用のアンテナ、特に超広帯域(UWB)タイプのアンテナに関する。
このタイプのアンテナは、かなり以前から民生用レーダーまたは軍事用レーダーの分野において存在しているが、一般向け利用のためのその魅力が浮上したのは最近のことである。
非制限的な一例としては、今日、このようなアンテナが大容量マルチメディアの利用分野において、かつ家庭用又は業務用というターゲットについてきわめて有利な展望を開いているということがわかっている。当然のことながら、これらのアンテナにはその他の利用分野例も存在するが、いずれにせよ伝統的な無線技術(例えば搬送波を用いる狭帯域タイプのもの)に比べてUWB技術を用いることの既知の一つの利点は、非常に高い処理量の可能性を提供するという点にある。
UWB技術のもう一つの既知の利点は、UWB技術がマルチパス伝播の場合の電磁波信号のフェーディングおよび干渉の問題に対しきわめて高いロバスト性を呈するという点にある。
このUWB技術のもう一つの既知の利点は、それがきわめて広い周波数スペクトルを有するということにある。
一例を挙げると、FCC(アメリカ合衆国連邦通信委員会)の最近の規則書では、3.1GHz〜10.6GHzの間に含まれる周波数帯域をライセンス無しで利用することが許可されている。
このような通信システムの基本的な構成要素として、すでにUWBアンテナの数多くの実施形態が提案されてきた。
例えば、ダイポールタイプ(例えば双円錐、正方形または三角形の平面タイプ)、およびモノポールタイプ(例えば円錐形モノポールタイプのアンテナのようなもの)のアンテナに対応する第一の同一種のUWBアンテナ類が知られている〔末尾記載の参考文献1〜6〕。
ここで、ダイポールタイプのアンテナの場合、対称なまたは非対称な形状の放射素子を用いた解決法〔末尾記載の参考文献4〕が提案されたという点に留意されたい。
この第一の種類のアンテナは優れた性能を提供できるものの、その寸法決定がアンテナの動作周波数に左右されるという問題点がある。
より厳密に言うと、特に放射素子の寸法は、目的とされる利用分野において用いられる最低の動作周波数によって規定される。
かくして、双円錐ダイポールタイプのアンテナの場合には、各円錐の寸法は、λ/4に等しく、ここでλは目的とされる利用分野における最大の動作波長である。
したがって、前記利用分野の動作周波数が分かっているため、かかるアンテナの構想をする者にはこのアンテナを実現する上での自由パラメータがほとんどない。
そのために、アンテナが特にそのコンパクト性に関して精確な仕様を満たさないことになる可能性がある。
同様に、第二の同一種のUWBアンテナ類も知られている。
この種類には、ホーン構成タイプのアンテナがまとめられている〔末尾記載の参考文献7〜10〕。
特に、同軸ホーンまたはTEM(英語で「Transverse Electro Magnetic(横電磁界)という表現の頭文字)ホーンタイプの放射素子をもつアンテナが知られている。
この第二の種類のアンテナ中のその他の変形形態は、さらに従来、指数関数の法則にのっとっていることが最も多い造形の輪郭形状をもつ放射素子、および、キャビティまたはバランの励振システムの利用に基礎を置いている〔末尾記載の参考文献9〜10〕。
この種類のアンテナの場合、構想をする者は、前出のものよりもさらに多くの自由パラメータに働きかけることができる。
特に、動作周波数に応じた放射素子の寸法上の制約条件は緩和され、このため、例えば、第一の種類のアンテナのものよりも小さい寸法の放射素子を利用する可能性が提供される。
しかしながら、この第二の同一種のアンテナ類の構想上の柔軟性は、優れたコンパクト性を保ちながらきわめて多様な仕様を満たすにはなお不充分であることに変わりはない。
一例を挙げると、特にアンテナの寸法が縮小された場合にその性能を改善させるためには、励振素子と放射素子との間で穏やかな遷移を伴う結合を得ることを可能にする漸進的整合素子が用いられる。
しかし現在、漸進的整合素子の作動原理により、無視できないほどの場所を占有し必然的にコンパクト性の低いアンテナを導くのはこの漸進的整合素子なのである。
最後に、第三の同一種のアンテナ類は、特定断面をもつスリット入りアンテナに対応する。
特に、二重スリット入りの平面構成の放射素子を含むアンテナが知られている〔末尾記載の参考文献11〕。
この第三の同一種のもう一つのアンテナは、垂直に位置づけされた二本の二重平面スリット構成の放射素子を含んでいる〔末尾記載の参考文献12〕。
これらのアンテナの欠点は、方位角の面内で均等な放射パターンを得ることができないという点にある。
さらに、これらのアンテナと共に整合素子が提案されている場合、その寸法は残念なことに、仕様の最低動作周波数により規定される。
特に、寸法はλ/4に等しくなくてはならず、そのためここではさらにアンテナのコンパクト性が制限されることになる。
仏国特許発明第2843237号明細書は、上述の第一の同一種類のモノポールタイプのアンテナを開示している。
しかしながら、この特許文献のアンテナの放射パターンが特に方位角の面OXY内で周波数に応じて変動するということがわかる。
なお、この特許文献のアンテナは、特に、その杯状体1に沿った造形表面のみを介して電磁波の電磁界を制御するという欠点を呈する。
なお、この特許文献のアンテナはその中央領域に局在化した形で電磁波信号を生成せず、励振手段4と前記領域との間の局在化した結合に有利に作用するための整合手段を有していない。
米国特許第2,532,551号明細書および仏国特許発明第2573576号明細書は、上述の第二の同一種類に属する超広帯域アンテナに関する。つまり、双円錐ホーンアンテナのことである。
これらの特許文献のアンテナは、特に中央領域内に電磁波信号の局在化した結合が不在であることを理由として、このタイプのアンテナについて上述した欠点を呈する。
国際公開第02/056418号パンフレットは、広帯域電磁波プローブに関する。
仏国特許発明第2843237号明細書にならうと、このアンテナは、超広帯域タイプのものではなく、それに適してもいない。
この特許文献のアンテナは、特に電磁波の電磁界を制御するための唯一の表面100を有し、表面250はアースに接続されている。
さらに、この特許文献のアンテナは、同軸の駆動部302とゾーン400との間に局在化した結合に有利に作用するためのコンパクトで効率の良い整合手段を有していない。
米国特許第2,532,551号明細書 仏国特許発明第2573576号明細書 国際公開第02/056418号パンフレット 仏国特許発明第2843237号明細書
したがって、本発明の一つの目的は、改良型アンテナを提案することにある。
特に、本発明の目的は、方位角の面内で無指向的に放射し、かつ、この平面内の周波数で可能なかぎり恒常な利得の値を有するUWBアンテナを提案することにある。
さらに、本発明のアンテナは、有利にも単純な幾何形状を有し、極めて多様な仕様を満たすための構想上の大きな柔軟性を可能にする。
なお、特にこの製作上の際立った単純性のため、本発明は、特に高い技術的再現性、低コスト、および小さい外形寸法といったようなその他の数多くの制約条件を満たすことができる。
かくして本発明は、超広帯域アンテナであって、
− 第一および第二の造形表面の間に画定され、かくして、放射素子を画定する放射素子画定ゾーンであって、これらの造形表面がさらにアンテナの長手方向軸を中心とした回転対称性を呈し、長手方向軸に対して直交しかつ水平方向軸を含む平面との関係において互いに対面して配置され、放射素子画定ゾーン内の電磁波の電磁界の特性を制御するのに適合した寸法および輪郭形状を有し、かくして、アンテナが方位角の面に沿って周波数帯域内でほぼ恒常な利得を呈するようになっている放射素子画定ゾーンと、
− 長手方向軸に平行に延び、中央領域内に局在化した形で電磁波信号を発生させるのに適している励振手段と、
− 第一の造形表面に付随し、放射素子画定ゾーンの中央領域内で第二の造形表面の方向に突出して、励振手段と前記放射素子画定ゾーンとの間の局在化した結合に有利に作用するのに適している整合手段とを含むことを特徴とする超広帯域アンテナを提案する。
このアンテナの非制限的な好ましい各態様は、以下のとおりである。
− 放射素子画定ゾーンは、完全に空気で満たされている。
− 放射素子画定ゾーンは、長手方向軸との関係における回転対称性を有している材料モノブロックを含んでいる。
− 放射素子画定ゾーンは、材料モノブロックにより完全に満たされている。
− 二つの造形表面は、二つの全く個別の素子によってそれぞれ形成されている。
− 材料モノブロックは、二つの全く個別の素子を支持するように配置されている。
− アンテナは、二つの全く個別の素子と一体化された端部をもつスペーサおよび/またはロッドを前記放射素子画定ゾーン内にさらに含んでいる。
− 二つの造形表面と材料モノブロックが単一の部品しか形成しないような形で、材料モノブロックの第一および第二の相対する表面に二つの造形表面がそれぞれ対応している。
− 材料モノブロックは、空気と接触しアンテナの外側面を構成する外部区分をさらに有する。
− 材料モノブロックは、さらに、放射素子画定ゾーンの中央領域を少なくとも一部分に封じ込めた内部区分を有する。
− 内部区分によって少なくとも一部分に封じ込められた中央領域は、空気を含んでいる。
− 材料モノブロックの単数または複数の区分は、放射素子画定ゾーン内の電磁波の電磁界の特性を制御することを可能にする輪郭形状を有する。
− 材料モノブロックの単数または複数の区分の輪郭形状の少なくとも一部分は、長手方向断面で、以下の中から選択された形状を有する。
a.直線
b.長手方向軸との関係において凹状
c.長手方向軸との関係において凸状
− 二つの造形表面の各々の輪郭形状の少なくとも一部分は、長手方向断面で、以下の中から選択された形状を有する。
a.直線
b.長手方向軸に対し直交し水平方向軸を含む平面との関係において凹状
c.長手方向軸に対し直交し水平方向軸を含む平面との関係において凸状
− 二つの造形表面のうちの少なくとも一つの輪郭形状は、少なくとも一つの変曲点を有する。
− 第二の造形表面は、そのほぼ中心に一つのオリフィスを含み、前記オリフィスが少なくとも励振手段の一部を含む。
− 励振手段の一端部は、整合手段と接触している。
− 励振手段は、整合手段と接触した状態にある一端部をもつ中心導体を有する同軸線路である。
− 材料モノブロックは、発泡材、プラスチック、セラミックの中から選ばれるタイプの誘電材料である。
− 単数または複数の区分は、導電性パターンを含む。
− アンテナは、長手方向軸を中心とした回転対称性を有する。
− アンテナは、アンテナから遠くないところに電子回路を収容し、これをアンテナが放射する電磁波の電磁界から保護するように配置されている。
− 電子回路は、可能なかぎりアンテナの近傍に配置されている。
− 第二の造形表面は、アンテナの外側に凹部を形成しており、電子回路はこの凹部に内蔵されている。
− 整合手段および材料モノブロックは、単一部品から成る。
− 整合手段は、突起電極である。
− 二つの造形表面は、メッキされている。
なお、本発明は、単独でまたは組合せた形で取上げられる上述の特徴を備えた超広帯域アンテナを含むことを特徴とする電気通信システムも同様に提案する。
かくして、以上で提示された様々な手段の適切な組合せは、UWBアンテナの構想をする者に対し数多くの自由パラメータを提供すること、および、本発明の利点を利用して単純な形でこのアンテナを製作すること、特にコンパクトでありながらさまざまな仕様を満たすことを可能にする。
本発明のその他の態様、目的、および利点は、添付図面を参照しながら本発明の以下の説明を読むことによりさらに明白になるものである。
− 図1は、長手方向軸(Z)に対し垂直で水平方向軸(X)を含む平面との関係において対称的に配置された二つの造形表面を有する、本発明に係るアンテナの長手方向軸(Z)を含む平面に沿った断面図である。
− 図2は、励振素子および整合素子が中にある、放射素子画定ゾーンの中央領域の縦断面拡大図である。
− 図3は、図1に示されているアンテナのものとはかなり異なる輪郭形状をもつ二つの造形表面を各々有する、本発明に係る二つのアンテナの縦断面図である。
− 図4は、放射素子画定ゾーンが完全に空気で満たされている本発明のアンテナである。
− 図5は、二つの区分(TおよびT’)を有する材料モノブロックを放射素子画定ゾーン内に含む本発明のアンテナである。
− 図6は、輪郭形状が異なり、区分(T)が長手方向軸(Z)に平行な輪郭形状をもつ二つの造形表面を有する、本発明に係るアンテナの縦断面図である。
− 図7は、輪郭形状が異なり、区分(T)が長手方向軸との関係において傾斜した直線で囲まれた輪郭形状をもつ二つの造形表面を有する、本発明に係るアンテナの縦断面図である。
− 図8は、図7のアンテナの一変形形態であって、対面した造形表面および区分(T)の輪郭形状にさらに作用させる。
− 図9は、材料モノブロックの区分(T)がアンテナの外部に向かって湾曲した輪郭形状を有する本発明のアンテナを縦断面図で示す。
− 図10は、材料モノブロックの区分(T)がアンテナの内部に向かって湾曲した輪郭形状を有する本発明のアンテナを縦断面図で示す。
− 図11は、区分(T)が表面に導電性パターンを含んでいる本発明のアンテナである。
− 図12は、本発明のアンテナの外側の凹部内の電子回路の内蔵を例示している。
− 図13は、本発明のアンテナの詳細な一実施例である。
− 図14は、図13において一実施例として取上げられたアンテナの選択される周波数帯域に応じた整合のシミュレーションを示す。
− 図15は、前記周波数帯域の様々な周波数についての、図13のアンテナの方位角および仰角での放射パターンのシミュレーションを示す。
− 図16は、方位角の面内の図13のアンテナの整合および利得の測定値を示す。
− 図17は、本発明のアンテナの詳細な第二の実施例である。
− 図18は、図17で一実施例として取上げられたアンテナの選択される周波数帯域に応じた整合のシミュレーションを示す。
− 図19は、前記周波数帯域の様々な周波数についての、図17のアンテナの方位角および仰角での放射パターンのシミュレーションを示す。
− 図20は、方位角の面内の図17のアンテナの整合および利得の測定値を示す。
− 図21は、本発明のアンテナの詳細な第三の実施例である。
− 図22は、方位角の面内の図21のアンテナの整合および利得の測定値を示す。
以下の本文中で遠位という用語は、アンテナの中心との関係において理解されるという点に予備に留意されたい。
なお、読み取りを単純にするため、長手方向軸(Z)が垂直軸と整列すること、ならびに、図に表わされている軸(X)が水平軸と整列することを仮定するものとする。
ここで図1を参照すると、本発明の一実施形態による超広帯域アンテナ1が、長手方向軸(Z)を含む平面に沿った断面図で表わされていることが分かる。
このアンテナ1は、長手方向軸(Z)に垂直でかつ水平方向軸(X)を含む平面との関係において互いに対面する同一の二つの造形表面3、4を含む。
放射素子画定ゾーン2はこれら二つの造形表面の間に画定される。
したがって、放射素子画定ゾーン2は、対面する二つの造形表面3、4によって完全に限定された輪郭を一般に呈する。
この実施形態においては、これらの造形表面は、それぞれ上方および下方に開放した放物線の形状の輪郭形状(C)を有する。
しかしながら、選択される輪郭形状の如何に関わらず、放射素子画定ゾーン2内に広がる電磁波の電磁界が、この放射素子画定ゾーンの中央領域内に発生させる電磁波信号5が周波数と可能なかぎり恒常な利得で方位角の方向に伝搬するのを可能にする特性を有するような輪郭の形状に常にするようにする。
喚言すると、常にこれら二つの造形表面3、4の輪郭形状および寸法が放射素子画定ゾーン2内の電磁波の電磁界を制御するのに適合されるようにし、かくしてアンテナが一般に、方位角の方向または方位角の面に沿って選択される周波数帯域内で可能なかぎり恒常な利得を呈する。
本発明によると、可能なかぎり恒常な利得というのは、少なくともfmax/fmin=5を超える通過帯域上でその変動が1.5dB未満であり続けている利得を意味することに留意されたい。
したがって、本発明によると、造形表面の輪郭形状(C)は、アンテナの構想上の自由パラメータを表わす。
この態様については、以下でより詳しく記述する。
ここで図1に戻ると、水平方向軸(X)は、これら二つの造形表面3、4のための、ひいては放射素子画定ゾーン2のための一つの対称軸に対応する。
さらに一層一般的に言うと、アンテナまたは少なくとも二つの造形表面は、垂直軸(Z)を中心とした回転対称性を有しており、このことは特に方位角の面内でアンテナの放射パターンの高い均質性を得ることに寄与している。
このアンテナは、さらに、励振手段6を備え、それは、標準的には同軸線路であり、垂直軸(Z)に対し平行に延び放射素子画定ゾーン2の中央領域内で一つの電磁波信号5を発生させるのに適している。
この励振手段の一部は、造形表面4のほぼ中心に実現された垂直な貫通オリフィスに内蔵されている。
このようにして、励振手段6は、アンテナの下部で外部から放射素子画定ゾーン2の中央領域に達することができる。
そして、特に図1が示すとおり、励振手段はかくして中央領域内に局在化した形で電磁波信号5を発生させるのに適している。
さらに一層厳密には、励振手段6は同様に放射素子画定ゾーン2の中央領域を横断し、造形表面3の下で、中心に配置された局所的整合手段7と密に接触することになる。
したがって、整合手段7は貫通オリフィスにほぼ面して存在する。
図1に例示されているように、整合手段7は造形表面3から貫通オリフィスの方向に突出する円筒形の突起電極の形状をしている。
かかる整合手段は、縮小された寸法にとどまりながら励振手段6と放射素子画定ゾーン2との間の電磁波信号の遷移を局在的に有利に作用させることを可能にする。
図2は、放射素子画定ゾーン2の中央領域の詳細な縦断面図を示している。
以下の記述では、単純に、突起電極7がそれぞれdおよびhと記された直径および高さを有するものと考えることにする。
同様に、突起電極7の下端部と貫通オリフィスの上端部の間には垂直軸に沿って長さeのパラメータ化可能なスペースが存在するものと考えることにする。
前述のとおり、ここで非制限的な例として表わされている励振手段は、突起電極7の下端部に連結された中心導体6’’、および中心導体6’’をとり囲み造形表面4に対し電気的に接続されている周辺導体6’を含む同軸線路6である。
これに関して、造形表面3および4が導電性材料の薄い層で被覆され、これら二つ両方で一つの放射素子を画定しているということを指摘することが適切である。
ここで、放射素子画定ゾーン2についてさらに詳述する。
これに関して、図3は本発明の好ましい一変形形態を例示している。
ここでは、放射素子画定ゾーン2が材料モノブロック10により完全に満たされている二つのアンテナが表わされている。
したがって、このモノブロック10は、垂直軸(Z)を中心として中央領域から造形表面3、4の遠位縁部により画定されるアンテナの端部まで延びている。
アンテナの一つの側面で空気と接触した状態にあるモノブロック10の表面は、輪郭形状がアンテナの構想に対し自由パラメータとして役立つことのできる区分(T)を構成している。
この変形形態においては、同様に、二つの造形表面3、4がそれぞれ材料モノブロック10の上部および下部表面であり、かくして唯一の物理的部品しか存在しないということも分かる。かくして、放射素子画定ゾーン2の占有体積の大部分は、いわば材料モノブロック10の占有体積により画定される。
同様に、整合手段7および材料モノブロック10がそれ自体唯一の部品から成ることも分かる。
もう一つの変形形態においては、二つの造形表面3、4は、それぞれ二つの全く個別の素子3’および4’、つまり独立した二つの物理的部品で形成されている。
このとき、放射素子画定ゾーン2は、図4に示されているように、完全に空気で満たされ得る。
この場合、二つの素子3’および4’を互いに対面して固定するために前記放射素子画定ゾーン(2)内に手段10’が設けられる。
この固定手段10’は、例えば、垂直軸(Z)を中心として分布し、かつその端部が素子3’および4’に固定されているスペーサおよび/またはロッドである。
放射素子画定ゾーン2は、同様に空気および材料モノブロック10により構成され得る。
非制限的な一例が図5に示されている。
材料モノブロック10は、ここでは空気と接触する二つの区分(T)および(T’)を有する。
より厳密には、材料モノブロックは、アンテナの外側面を構成する外部区分(T)、および放射素子画定ゾーン2の中央領域を少なくとも一部分封じ込めている内部区分(T’)を有する。
かくして、水平方向断面で見ると、モノブロック10は垂直軸(Z)を中心として配置されたリングに対応する。
内部区分(T’)は空気を封じ込めているが、本発明は、好ましくは誘電特性をもつその他の気体をこの内部区分に封じ込めることができることも同様に想定している。
有利には、モノブロック10は、全く個別の二つの素子3’および4’のための支持体を構成する。
しかし、上述のロッドまたはスペーサといったような固定手段10’(図5には示さず)によりアンテナの剛性を強化することも同様に可能である。
以上の記述からわかるように、アンテナを構想をする者は、かくして今後は、一定の与えられた仕様についてUWBアンテナの構想に関する高い柔軟性を入手することになる。
しかしながら、本発明のアンテナは、さらに、より多数の自由パラメータを提供する。
前述のとおり、基礎的な自由パラメータは、造形表面3、4の輪郭形状(C、C’)に働きかけることから成る。
本発明によると、これらの輪郭形状(C、C’)の少なくとも一部分は、縦断面で、以下の中から選択される形状を有する。
a.直線
b.長手方向軸(Z)に対し直交し水平方向軸(X)を含む平面との関係において凹状
c.長手方向軸(Z)に対し直交し水平方向軸(X)を含む平面との関係において凸状
かくして、二つの造形表面3、4の各々は、複数の表面部分の並置から成るようにすることができ、これらの部分は場合によって互いに異なる形状の輪郭を有するようにできる。
当然のことながら、全体として以上で列挙した形状のうちの一つを有する輪郭形状をこれら二つの造形表面がもつことも考えられないことではない。
なお、このことは、添付の図面により一般的に例示されている。
例えば、図1および図3は、水平軸との関係において凸状放物線の形状を全体として有する輪郭形状(C)とのこの水平軸の関係において対称である二つの造形表面3、4を示していた。
図3Bは、特に、輪郭形状(C)が変曲点を呈するという点で図3Aと異なる。
図6では、造形表面3、4は、特に図1の場合のように上方および下方に開放した、ただし湾曲率が包括的に異なっている放物線の形状の輪郭形状(C、C’)を提示している。
反対に、造形表面4の輪郭形状(C)と異なり、造形表面3の輪郭形状(C’)は特に変曲点を含む。
図7は、造形表面3の輪郭形状(C’)が遠位端部で水平になるほどに広がったアンテナの一例を示している。
これら二つの最後の図面および図8に例示されているように、アンテナを構想をする者は、造形表面4、3の輪郭形状(C、C’)の対称性が義務的でないという点に働きかけることも同様にできるということを指摘することができる。
図6〜図8に示されている例では、各造形表面4、3のそれぞれの輪郭形状(C)および(C’)の高さを、HおよびH’と呼称する。
問題の高さは、輪郭形状の遠位端部と垂直軸上にあるその中心との間の垂直軸上に投影された距離に対応するものと理解される。
なお、各造形表面4、3のそれぞれの半径は、RおよびR’と呼称する。
最後に、Sは、二つの造形表面3、4を離隔する最短距離、あるいは又放射素子画定ゾーン2の中心におけるこれら二つの造形表面を離隔する距離を意味する。
これらの定義づけを考慮に入れて、図8のアンテナは、以下の系により定義される。
(C’)≠(C)、H’>H、R’<R
同じ考え方で、図6のアンテナは、以下の系で定義される。
(C’)≠(C)、H’=H、R’=R
そして、図7の系は、以下のとおりである。
(C’)≠(C)、H’>H、R’>R
当然のことながら、パラメータH、Rのうちの少なくとも一つおよび輪郭形状(C)を可変させることにより対面した造形表面3、4の輪郭形状の非対称化に働きかけるその他の可能な系も存在する。
アンテナを構想をする者に提供されるもう一つの基礎的な自由パラメータは、材料モノブロック10の単数または複数の区分(T、T’)の輪郭形状に働きかけることから成る。
造形表面4および3の輪郭形状(C、C’)にならうと、単数または複数の区分(T、T’)の輪郭形状の少なくとも一部分は、縦断面で、以下のものの中から選択された形状を有する。
a.直線
b.長手方向軸(Z)に対し直交し水平方向軸(X)を含む平面との関係において凹状
c.長手方向軸(Z)に対し直交し水平方向軸(X)を含む平面との関係において凸状
かくして、一区分は、区分の複数の部分の並置から成りえ、区分のこれらの部分は場合によって互いに異なる形状の輪郭形状を有する。
当然のことながら、全体として以上のリストの形状のうちの一つを有する輪郭形状をこれら二つの造形表面がもつことも考えられないことではない。
非制限的な一例として、特に図3〜図8によると、外部および/または内部区分の輪郭形状は、したがって、全体として長手方向軸との関係において傾斜したまたはしていない直線(例えば図3、図5、図6、図7、および図8)であるか、外向きに湾曲(図9)または内向きに湾曲(図10)し得る。
アンテナを構想をする者に提供されているもう一つの自由パラメータは、さらにもう一度放射素子画定ゾーン2内の電磁波の電磁界の特性の制御、つまり、特に放射パターンの様相、指向性の値または偏向といったようなアンテナの放射特性の制御に貢献するような形でモノブロック10の一区分に少なくとも一つの導電性パターン11を配置できることである。
例えば、図11では、アンテナの外部区分(T)に複数の導電性パターンが印刷されている。
もう一つの自由パラメータは、さらに、突起電極の形状か、あるいは、寸法d、および/または、hの値を修正することにより、突起電極7の幾何形状に働きかけることから成る。
非制限的な一例としては、突起電極は、縦断面で台形形状を有することができ、ここで最も短い辺は下辺である。
図12には、本発明に係るアンテナの補足的利点を例示した。
実際、アンテナはそれから遠くないところに電子回路12を収容し、アンテナが放射する電磁波の電磁界からこの電子回路を保護するように配置されることができる。
好ましくは、電子回路12は、可能なかぎりアンテナ(1)の近傍に配置され、このことがさらに信号対雑音比を最適化することを可能にする。
同じく図12に例示されているように、電子回路は、アンテナの外側の凹部13に内蔵されている。
アンテナを下から見た場合、この凹部13は、この非制限的な例において、第二の造形表面4の輪郭形状(C)の凹形状によって形成された凹部に対応している。
次に、本発明に係るアンテナ、例えば、図3のアンテナの製造方法を提示する。
この方法は、まず第一に材料モノブロック10を整形することにある。
ここで、材料の選択も同じくアンテナの構想のための補足的自由パラメータを構成するということに留意されたい。
一般的には、εrがその値が1に比較的近く、tanδが、可能なかぎり小さな値となる(εrは比誘電率であり、tanδは、誘電正接で、本発明において好ましくは10-3未満)ような電気的特性をもつもので、好ましくは発泡材タイプまたはプラスチックタイプの誘電材料を用いることが提案されている。
モノブロック10の造形は、適切な材料の選択に基づく所望の部品の機械加工または成形により実現可能である。
整形が行なわれると、次に、整合用突起電極7が実現された造形表面3、ならびに造形表面4の全ての成形された表面の選択的メッキを行う。
造形表面4に同軸線路6との連結レベルの円形非メッキ処理部分のみが設けられる。
前記メッキは、例えば、導電性塗料の被着または金属の電気化学被着によって実施可能である。
この点に関して、支持モノブロック10の区分(T)自体はメッキされないことに留意されたい。
最後に、同軸線路6をこのときアンテナに接続することができる。
この場合、ろう付けまたは導電性接着剤による電気的導通が、一方では非メッキ処理部分のところに位置づけされた周辺導体6’と造形表面4のメッキとの間、そして他方では同軸線路6’’の中心導体6’’と整合用突起電極7の下部との間で確保されなくてはならない。
以上のことからわかるように、中心導体6’’はこのとき高さeの小さな穴を介して誘電材料モノブロック10を横断する。
この製造方法には、実現の際立った単純性および低コストを呈する利点がある。
技術的再現性のレベルでは、アンテナの構成素子全体を実現する部品が一つしかないため、特に二つの造形表面3、4の間の間隔および心合せのレベルでのこれらの素子の位置づけを非常にうまく制御することを確保することが可能である。
ここで、本発明の詳細な実施例ならびにこれらの実施例から得られる性能の結果を提示する。
図13は、互いに対称なRc=32.5mmという曲率半径、H=13mmおよびR=26mmという寸法の、互いの間隔がS=3mmに定められている二つの球形キャップから成る、UWBアンテナの第一の実施例を示している。
これら二つのキャップの極端縁部を結ぶと、このときアンテナが呈する区分(T)は、半径R=26mmおよび高さ2H+S=29mmの円筒形区分に対応する。
整合用突起電極7に関しては、高さh=2.5mmおよび直径d=3.5mmの円筒形幾何形状を呈する。
励振手段6に関しては、とられた解決策は、特性インピーダンス50Ωの標準的テフロン(登録商標)の同軸ケーブルの利用に対応する。
誘電材料のモノブロック10は、5GHzで測定されたεr=1.11およびtanδ=7.10-4といった電気的特性のポリメタクリル酸イミドの発泡材である。
当該ケースにおいては、この材料10(例えば発泡材のモノブロック)は、単一部品としての造形表面3、4と整合素子7から成るアセンブリを集合的に実現するため、マイクロフライス削りにより機械加工された。
アンテナの導電性ゾーンの選択的メッキに関しては、これは、材料10への銀ベースの金属塗料の直接的被着により行なわれた。
このアンテナの作動に関しては、時間領域において動作する電磁波用のコンピュータアシストソフトウェアCAOを用いてシミュレーションの段階が行なわれた。
図14で、符号39で示されている反射係数のシミュレーションは、このアンテナの整合レベルが、ここで一例として考慮された周波数帯域3.1GHz〜10.6GHz全体にわたり常に−10dB未満であり、これが充分なものであるという点を強調している。
一方、図15は、全ての帯域の幅(すなわち3.1GHz、5.0GHz、6.85GHz、8.5GHzおよび10.6GHz)に分布した複数の周波数について方位角および仰角での放射パターンを示している。
この場合、アンテナの放射が方位角の面内でまさに無指向性のタイプであり、周波数に応じてこの平面内の利得の値がわずかに分散している(それぞれ、前述の周波数の値について、0.6dBi、−2.4dBi、1.1dBi、2.4dBi、および1.7dBi)ということが確認される。
アンテナの性能の最初のシミュレーションの段階の後、複数のプロトタイプを製作し、整合および伝送について特性評価したが、ここでこの伝達の測定は、距離Dだけ離隔した本発明の二つのアンテナ間の単純な電波到達算定に係るリンクバジェットに基づいて方位角の面内で行なわれた。
Figure 2008535299
ここに、λは波長、Prは受信電力、Gはアンテナの利得、そしてPeは発信電力である。
電波到達算定に係るリンクバジェットの一般式に基づき、このときこの方位角の面内の周波数に応じたアンテナの利得の実験値を演繹しそれを理論的に得られた値と比較することが可能である。
整合および利得の値に対応する実験結果は、3.1GHz〜10.6GHzの動作帯域でシミュレートされた性能を立証している。
特に図16を参照すると、符号40に係る整合のレベルは、動作帯域全体にわたりいつも−10dB未満にとどまっていることが分る。
周波数に応じた方位角の面内の利得の値については、測定された曲線(図16の符号41)が、マルチパスの存在に結びつけられる波動を表している。
このマルチパスは、電波無響室で特性評価の測定が行なわれなかった場合に存在する。
したがって、利得について得られた結果は、量的というよりも質的なものである。
それでも、問題の帯域3.1GHz〜10.6GHzでは、測定値が、[−2.5dBi、2.5dBi]の範囲内に含まれた状態にとどまっていることが確認され、これはシミュレーションと一致している。
本発明に係るアンテナの詳細な第二の実施例は、図17に示されている。
ここで問題となっているのは、水平軸に沿って非対称な素子3および4を有するものの長手方向軸(Z)を中心にした回転対称性を含むコンパクトなUWBアンテナである。
図18の符号40は、このアンテナの反射係数の、動作周波数に応じたシミュレーションを示す。
この反射係数(図18の符号42)は、3.1GHz〜10.6GHzの帯域全体にわたり−10dB未満のレベルを保っていることが確認できる。
補足的に、図19は、第一の実施例の場合に取り上げられたものと同じ周波数(すなわち3.1GHz、5.0GHz、6.85GHz、8.5GHz、および10.6GHz)での方位角および仰角での放射パターンを表わしている。
ここでも、また、新たに、アンテナの放射が常に周波数に応じてこの放射パターンに係る平面内の利得の値のわずかしかない変動に関係する(それぞれ、前述の周波数について1.5dBi、−0.4dBi、−2.1dBi、0.5dBi、および0.5dBi)、方位角にて無指向性のタイプのものであることが確認される。
実験のこの放射パターンに係る面において、このアンテナについて実施された測定は、反射係数(図20の符号43)の測定レベルが3.1GHz〜10.6GHzの帯域全体にわたり常に−15dB未満にとどまっていることから、このアンテナが良好に整合させられているということを示している(図20参照)。
周波数に応じた方位角の面内の利得(図20の符号44)の値に関しては、利得の値はここでも又、[−2dBi、2dBi]の範囲に変動が制限された状態で、シミュレーションに一致している。
最後に、第三のアンテナの実施例が、以下で簡単に記述され、図21に例示されている。
このアンテナの造形表面4は、球形キャップの形状を呈しており、一方、上部造形表面3は縁部で広がった倒置した鐘の形のタイプの輪郭をもつ形状を呈している。
方位角の面での整合および利得の実験的測定値が図22に示されている。
図22の符号50で示す反射係数が、3.1GHz〜10.6GHzの動作帯域全体にわたり常に−12dB未満にとどまっていることがわかる。
したがって、このアンテナは前述のアンテナの場合のように、完全に満足のいく一つの整合を呈している。
図22の符号51で示す利得に関しては、これが周波数に伴ってほとんど変動せず、実際その値が[−1.5;1.5dBi]の範囲内に含まれた状態にいつもとどまっているということが確認できる。
したがって、この第三の実施例は充分な性能、特に非常にごく小さな占有体積を提供することが可能である。
実際、このアンテナの占有体積が、37.7cm3であるのに対し、以上で記述されている第一の実施例の占有体積は、61.6cm3である。
この例において選択されたアンテナのタイプの占有体積をさらに削減しようとする場合、満足のいく性能、特に、考慮されている帯域内で常に−9dB未満の反射係数、および、[−2dBi、2dBi]の間隔上に制限された周波数での変動を同様に呈する方位角の面内での利得を得ながら、占有体積が17.7cm3のアンテナ、つまり第一の実施例に比べて70%の削減を実現することが可能であったということに留意されたい。
同様に、このアンテナが有利にもコンパクトなものであることがわかる。当然のことながら、本発明は、以上で記述し各図面上に表わした実施形態に制限されるものでは全くない。
結論として、本発明は、きわめて大きなアンテナの構想上の柔軟性を提供し、かくしてきわめて多様な仕様を満たすことのできる超広帯域アンテナを提供する。
かくして、軍事用と同様に民生用(一般用または非一般用)の利用分野でも、かかるアンテナを利用することができる。
非制限的な例として、コンピュータ、固定電話または携帯電話、プリンタ、テレビ、CD−ROMリーダーといった様々な機器、またはより一般的に、ワイヤレスの通信が利用されるあらゆる機器において本発明の単数または複数のアンテナを配置するのを考慮することができる。
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長手方向軸(Z)に対し垂直で水平方向軸(X)を含む平面との関係において対称的に配置された二つの造形表面を有する、本発明に係るアンテナの長手方向軸(Z)を含む平面に沿った断面図 励振素子および整合素子が中にある、放射素子画定ゾーンの中央領域の縦断面拡大図 図1に示されているアンテナのものとはかなり異なる輪郭形状をもつ二つの造形表面を各々有する、本発明に係る二つのアンテナの縦断面図 放射素子画定ゾーンが完全に空気で満たされている本発明のアンテナ 二つの区分(TおよびT’)を有する材料モノブロックを放射素子画定ゾーン内に含む本発明のアンテナ 輪郭形状が異なり、区分(T)が長手方向軸(Z)に平行な輪郭形状をもつ二つの造形表面を有する、本発明に係るアンテナの縦断面図 輪郭形状が異なり、その区分(T)が長手方向軸との関係において傾斜した直線で囲まれた輪郭形状をもつ二つの造形表面を有する、本発明に係るアンテナの縦断面図 図7のアンテナの一変形形態で、対面した表面および区分(T)の輪郭形状にさらに働きかける。 材料モノブロックの区分(T)がアンテナの外部に向かって湾曲した輪郭形状を有する、本発明のアンテナの縦断面図 材料モノブロックの区分(T)がアンテナの内部に向かって湾曲した輪郭形状を有する、本発明のアンテナの縦断面図 区分(T)が表面に導電性パターンを含んでいる本発明のアンテナ 本発明のアンテナの外側の凹部への電子回路の内蔵を例示している。 本発明のアンテナの詳細な一実施例 図13において一実施例として取上げられたアンテナの選択される周波数帯域に応じた整合のシミュレーション 前記周波数帯域の様々な周波数についての、図13のアンテナの方位角および仰角での放射パターンのシミュレーション 方位角の面内の図13のアンテナの整合および利得の測定値 本発明のアンテナの詳細な第二の実施例 図17で一実施例として取上げられたアンテナの選択される周波数帯域に応じた整合のシミュレーション 前記周波数帯域の様々な周波数についての、図17のアンテナの方位角および仰角での放射パターンのシミュレーション 方位角の面内の図17のアンテナの整合および利得の測定値 本発明のアンテナの詳細な第三の実施例 方位角の面内の図21のアンテナの整合および利得の測定値
符号の説明
1 アンテナ
2 放射素子画定ゾーン
3、4 造形表面
5 電磁波信号
6 励振手段
7 整合手段
10 材料モノブロック
12 電子回路
13 凹部

Claims (28)

  1. 超広帯域アンテナ(1)であって、
    − 第一の造形表面(3)と第二の造形表面(4)の二つの造形表面(3、4)の間に画定され、かくして、放射素子を画定する放射素子画定ゾーン(2)であって、これらの造形表面(3、4)がさらにアンテナの長手方向軸(Z)を中心とした回転対称性を呈し、長手方向軸(Z)に対して直交しかつ水平方向軸(X)を含む平面との関係において互いに対面して配置され、放射素子画定ゾーン(2)内の電磁波の電磁界の特性の制御に適合した寸法および輪郭形状を有し、かくして、アンテナは、方位角の面に沿って、周波数帯域内でほぼ恒常な利得を呈するようになっている放射素子画定ゾーン(2)と、
    − 長手方向軸(Z)に平行に延び、放射素子画定ゾーン(2)の中央領域内に局在化した形で電磁波信号(5)を発生させるのに適した励振手段(6)と、
    − 第一の造形表面(3)に付随し、放射素子画定ゾーン(2)の中央領域内で第二の造形表面(4)の方向に突出して、励振手段(6)と前記放射素子画定ゾーン(2)との間の局在化した結合に有利に作用することのできる整合手段(7)と
    を含むことを特徴とする、超広帯域アンテナ。
  2. 前記放射素子画定ゾーン(2)が、完全に空気で満たされていることを特徴とする、請求項1に記載の超広帯域アンテナ。
  3. 前記放射素子画定ゾーン(2)が、長手方向軸(Z)との関係において回転対称性を有している材料モノブロック(10)を含んでいることを特徴とする、請求項1に記載の超広帯域アンテナ。
  4. 前記放射素子画定ゾーン(2)が材料モノブロック(10)により完全に満たされていることを特徴とする、請求項3に記載の超広帯域アンテナ。
  5. 前記二つの造形表面(3、4)が二つの全く個別の素子(3’、4’)によってそれぞれ形成されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一つに記載の超広帯域アンテナ。
  6. 前記材料モノブロック(10)が、二つの全く個別の素子を支持するように配置されていることを特徴とする、請求項5に記載の超広帯域アンテナ。
  7. 前記二つの全く個別の素子(3’、4’)と一体化された端部をもつスペーサおよび/またはロッドを前記放射素子画定ゾーン(2)内にさらに含んでいることを特徴とする、請求項5または請求項6に記載の超広帯域アンテナ。
  8. 前記材料モノブロック(10)が、放射素子画定ゾーン(2)の中央領域を少なくとも一部分に封じ込めた内部区分(T’)を有することを特徴とする、請求項3および請求項5〜7のいずれか一つに記載の超広帯域アンテナ。
  9. 内部区分(T’)によって少なくとも一部分に封じ込められた中央領域が空気を含んでいることを特徴とする、請求項8に記載の超広帯域アンテナ。
  10. 前記二つの造形表面(3、4)および前記材料モノブロック(10)が、単一部品しか形成しないような形で、材料モノブロック(10)の第一および第二の相対する表面に二つの造型表面がそれぞれ対応していることを特徴とする、請求項3または請求項4に記載の超広帯域アンテナ。
  11. 材料モノブロック(10)が、空気と接触しアンテナ(1)の外側面を構成する外部区分(T)をさらに有することを特徴とする、請求項3〜10のいずれか一つに記載の超広帯域アンテナ。
  12. 前記材料モノブロック(10)の単数または複数の区分(T、T’)が、放射素子画定ゾーン(2)内の電磁波の電磁界の特性を制御することを可能にする輪郭形状を有することを特徴とする、請求項8〜11のいずれか一つに記載の超広帯域アンテナ。
  13. 前記材料モノブロック(10)の単数または複数の区分(T、T’)の輪郭形状の少なくとも一部分が、縦断面で、以下の中から選択される形状を有することを特徴とする、請求項12に記載の超広帯域アンテナ。
    a.直線
    b.長手方向軸(Z)との関係において凹状
    c.長手方向軸(Z)との関係において凸状
  14. 前記二つの造形表面(3、4)の各々の輪郭形状(C、C’)の少なくとも一部分が、縦断面で、以下の中から選択された形状を有することを特徴とする、請求項1〜13のいずれか一つに記載の超広帯域アンテナ。
    a.直線
    b.長手方向軸(Z)に対し直交し水平方向軸(X)を含む平面との関係において凹状
    c.長手方向軸(Z)に対し直交し水平方向軸(X)を含む平面との関係において凸状
  15. 前記二つの造形表面(3、4)のうちの少なくとも一つの造形表面の輪郭形状(C、C’)が、少なくとも一つの変曲点を有することを特徴とする、請求項14に記載の超広帯域アンテナ。
  16. 前記第二の造形表面(4)が、そのほぼ中心に一つのオリフィスを含み、前記オリフィスが励振手段(6)の少なくとも一部を含むことを特徴とする、請求項1〜15のいずれか一つに記載の超広帯域アンテナ。
  17. 前記励振手段(6)の一端部が、整合手段(7)と接触していることを特徴とする、請求項1〜16のいずれか一つに記載の超広帯域アンテナ。
  18. 前記励振手段(6)が、整合手段(7)と接触した状態にある一端部をもつ中心導体(6’’)を有する同軸線路であることを特徴とする、請求項1〜17のいずれか一つに記載の超広帯域アンテナ。
  19. 前記材料モノブロック(10)が、発泡材、プラスチック、セラミックというリストの中から選ばれるタイプの誘電材料であることを特徴とする、請求項3〜18のいずれか一つに記載の超広帯域アンテナ。
  20. 単数または複数の区分(T、T’)が導電性パターン(11)を含むことを特徴とする、請求項8〜19のいずれか一つに記載の超広帯域アンテナ。
  21. 長手方向軸(Z)を中心とした回転対称性を有することを特徴とする、請求項1〜20のいずれか一つに記載の超広帯域アンテナ。
  22. 前記アンテナが、アンテナから遠くないところに電子回路(12)を収容しこれをアンテナが放射する電磁波の電磁界から保護するように配置されていることを特徴とする、請求項1〜21のいずれか一つに記載の超広帯域アンテナ。
  23. 前記電子回路(12)が、可能なかぎりアンテナ(1)の近傍に配置されていることを特徴とする、請求項22に記載の超広帯域アンテナ。
  24. 前記第二の造形表面(4)が、アンテナ(1)の外側の凹部を形成していること、および、電子回路がこの凹部に内蔵されていることを特徴とする、請求項22または請求項23に記載の超広帯域アンテナ。
  25. 前記整合手段(7)および材料モノブロック(10)が、単一部品から成ることを特徴とする、請求項3〜24のいずれか一つに記載の超広帯域アンテナ。
  26. 前記整合手段(7)が、突起電極であることを特徴とする、請求項1〜25のいずれか一つに記載の超広帯域アンテナ。
  27. 前記二つの造形表面(3、4)が、メッキされていることを特徴とする、請求項1〜26のいずれか一つに記載の超広帯域アンテナ。
  28. 請求項1〜27のいずれか一つに記載の超広帯域アンテナを含む、電気通信システム。
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