JP2009194904A - デュアルビーム放射図を有する印刷アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】移動体通信セル用印刷パッチアンテナの指向性改善を行う。
【解決手段】接地平面、該接地平面に重ねられた基体、共振パッチ３を形成するために該基体上に作製された金属層、および該共振パッチを励振させるための給電手段を備える印刷アンテナであり、前記パッチは、これが両方の上方電磁波モードＴＭ₀₂及びＴＭ₂₀で放射することができるように適合させた寸法を有し、前記給電手段は、パッチの法線に対して対称の２つの主要な非整列放射ローブを、該パッチに直交する同一平面内に持つデュアルビーム放射図を誘導することにより、前記パッチが上記上方電磁波モードの一方で共振するようにパッチに沿って配置された一つの励振点４でパッチを励振させることを可能にする。
【選択図】図５

Description

本発明の技術分野は、電気通信アンテナであり、より詳しくは移動通信セル方式ネットワーク用のアンテナの分野である。
本発明はより正確には接地平面、該接地平面に積み重ねられた基体、および共振パッチ（resonating patch）を形成するために該基体上に作製された金属析出層から構成される種類の印刷技術により作られたアンテナに関する。

ＧＳＭ／ＤＣＳ／ＵＭＴＳ基地局の市街地アンテナには、特にショッピングセンター、ブティック、歩道などの人通りの多い地域で発生する高密集を吸収するという役目が課せられる。

これらのアンテナはさらに地形組み込みの制約を受ける。
カバーすべきゾーンが特に通路または歩道といった細長い場合、アンテナ平面に垂直な方向に最大利得を持つ指向性アンテナの使用は最適ではない。この種のアンテナは、アンテナ近傍域、特にアンテナの真向かいの建物には効果的に利するが、通路または歩道の両端に位置するゾーンには不利である。

本発明は、この難点を克服することを目的とし、このために、接地平面、該接地平面に重ねられた基体、共振パッチを形成するために該基体上に作製された金属層、および該共振パッチを励振させるための給電手段（means of supplying）を備える印刷アンテナであって、前記パッチは、これが両方の上方電磁波モードＴＭ₀₂及びＴＭ₂₀で放射することができるように適合させた寸法を有し、前記給電手段は、パッチの法線に対して対称の２つの主要な非整列（同一線上にない）放射ローブを、該パッチに直交する同一平面内に持つデュアルビーム（二重ビーム）放射図を誘導することにより、前記パッチが上記上方電磁波モードの一方で共振するように配置された一つの励振点でパッチを励振させることを可能にするものであることを特徴とする印刷アンテナを提案する。

このアンテナの制限を意図しない、いくつかの好ましい側面は次の通りである：
・パッチが、一辺がｋ×λ_ｓ（ここで、ｋは真に正の整数であり、λ_ｓは基体の波長を示す）に等しい正方形である；
・励振点がパッチのいずれか一辺の３／４の位置に実質的に位置する；
・給電手段が電磁結合によりパッチに給電する；
・接地平面において結合スロット（結合開口）が切られている；
・給電手段が接触によりパッチに給電する；
・給電手段がマイクロストリップ線である；
・給電手段が同軸プローブである；
・アンテナが、同軸プローブを経て給電されるアンテナの入力インピーダンスに対する誘導挙動を弱めることを目的とする容量補償手段をさらに備える；
・容量補償手段が励振点の周囲でのパッチの延長部の形態をとる；
・該延長部が、半径Ｒｅ＝４×ｈ（ここで、ｈは基体の厚みを意味する）の半円板に実質的に等しい面積の表面を有する；
・延長部が半円板である；
・励振点がパッチの辺と前記半円板の縁部との間の中点に位置する；
・パッチがパッチの直交する２辺上に第１および第２の励振点を有していて、パッチが第１励振点から励振された時にはパッチと直交する第１平面内において第１上方モードで共振し、第２励振点から励振された時にはパッチおよび第１平面と直交する第２平面内において第２上方モードで共振することができるようになっており、前記給電手段は第１励振点と第２励振点とから交互にパッチを励振させるよう設定されている；
・パッチがパッチの各辺に一つずつ配置された４つの励振点を有しており、前記給電手段がこれらの励振点に順に給電することによりパッチを励振させるよう設定されていて、パッチはそれにより円錐形放射図を有する；
・アンテナは可視光線に対して光学的に透明である。

本発明の他の側面、目的および利点は、添付図面を参照した、制限しない例として示す、以下の本発明の好適実施形態についての詳しい説明を読むとより明らかとなろう。

本発明に係るアンテナによる歩道型の制限空間のカバーを示す。 その一辺の中央で励振された正方形パッチを示す。 図２のパッチの表面電流分布を示す。 図２のパッチの放射図を示す。 本発明の可能な１態様に係るアンテナのパッチを示す。 図５のパッチの表面電流分布を示す。 図５のパッチの放射図を示す。 同軸プローブを経たアンテナの給電の誘導挙動を示す図である。 同軸プローブを経たアンテナの給電の誘導挙動に対する容量補償の実施を示す図である。 容量補償の可能な１態様を示す。 本発明の１実施形態に従ってパッチに沿って配置された２つの励振点を持つパッチを示す。 図１１のアンテナによる水平面と次に垂直面でデュアルビーム放射が得られる別の手法を示す。図中、Plan Hは平面Ｈを、Plan Vは平面Ｖを意味する。 本発明の１実施形態に従ってパッチに沿って配置された４つの励振点を有するパッチを示す。 図１３のパッチの励振点に順に給電することにより円錐形放射図が得られるのを示す。 本発明に係る光学的に透明なアンテナの例を示す。 本発明に係る光学的に透明なアンテナの別の例を示す。

本発明は特に、カバーすべき細長い領域の末端に位置する移動通信端末の送受信信号の経路により誘導される損失を相殺することができる２方向性放射図（アンテナ指向性図）を水平面（正面図）に有する印刷アンテナを提案することを目的とする。

これに関して、図１は、アンテナＡの２つの好ましい放射方向（矢印Ｆ_R参照）をもつ、得ようとする通路又は歩道の形態の制限された空間Ｅのカバー状況を示す。これらの好ましい放射方向は、空間Ｅの両端を最もよくカバーするために通路又は歩道の方向Ｓに垂直な放射主軸に対して同一方向にはない。

本発明により推奨される解決策は、上方電磁波モード（upper electromagnetic mode）で動作する単一の共振パッチからのデュアルビーム放射図に従って放射する印刷技術により作製されたアンテナである。このパッチはより正確には基体上の金属成膜（層）によって達成され、この基体は接地平面上に設けられる。

これに関して、パッチがＴＭ₀₂とＴＭ₂₀の両方の上方モードで共振することができるように適合させた寸法を有するパッチを使用することが本発明の範囲内で提供される。
図２は、一辺の寸法が基体の波長λ_ｓに等しい正方形パッチ１を示す。従来の共振パッチの寸法は半波長の大きさのものであった。

パッチ１の一辺の中央に配置された励振点２上でパッチに給電すると、それらの間で横方向と垂直方向の２つのモード、ＴＭ０２およびＴＭ２０の励振を生ずる。
図３は、ＣＡＤソフトウェアで模擬された図２のパッチ１における表面電流の分布を示し、図４は、４つの主（放射）ローブの存在により放射された上記２つのモードの動作を示す、図１のパッチの３Ｄ（三次元）で模擬された放射図を示す。理論利得はそれを−１ｄＢｉに上昇させる。

パッチ１はそれにより、互いに向かいあう２辺から逆位相場（anti-phase fileds）を放射して、アンテナの平面に直交する各平面についてデュアルビーム放射図（垂直面におけるデュアルビーム放射図と水平面におけるデュアルビーム放射図）を、即ち、最終的に四重ビーム（quadri-beam）放射図を誘導する。

しかし、このような四重ビーム放射図は、アンテナの垂直面に位置する２つの放射ローブが有用ではないという意味で望ましいものではない。これらの放射ローブに位置するエネルギーは、これらのローブがカバーすべき通路又は歩道の長さに沿った方向には向いていないので、実際、望ましいカバー機能を付与しない。

一方のモードへのアンテナの放射の挙動を減少させ、それによりデュアルビーム放射図を生じさせるために、２つの上方電磁波モードのうちの一方を抑制することが本発明の範囲内で提案される。そのために、ＴＭ０２またはＴＭ２０の一方のモードがフェードアウト（漸次消失）するまで励振点をパッチに沿って移動させることが本発明の範囲内において提案される。

本発明に係るアンテナは、給電（supply）の最初の位置決めによって、図６に示したタイプの表面電流分布を有し（後述する図５のパッチ３に対応する）、単一の上方モードで動作することが可能となり、それによって、図７の３Ｄシミュレーションについて示されたタイプの、パッチに直交する同一平面内に、パッチの法線方向に対して対称で互いに同一線上にはない（非整列の）２つの放射ローブを有する、デュアルビーム放射図が誘導される。

本発明の可能な１態様によると、パッチは、一辺がｋ×λ_ｓ（ここで、ｋは真に正の整数であり、λ_ｓは基体の波長を示す）に実質的に等しい正方形である。
これは、例えば、図５に示すような一辺がλ_ｓの製造方法パッチ３に関する。

本発明の範囲内において、給電手段は、パッチのいずれか一辺の３／４に位置する励振点４においてパッチを励振させるようにする。
パッチのいずれか一辺の３／４の位置での励振によって、望ましくない横断方向モード（例えば、ＴＭ₂₀モード）の放射を阻止することができる。これは、この励振が、前記モードの放射を可能にするために、場は抹消されてしまう一方で、最大電流の到達を強いるからである。

一辺の３／４での励振はパッチの左側と右側のいずれであるかに関係ないことに留意されたい。
図５のパッチ３は、４辺ではなく、２辺の放射ローブにエネルギーが集中するため、２ｄＢｉの理論利得を有し、図２のパッチ１に対しては３ｄＢｉの利得増大となる。

本発明に係るアンテナのこれらのデュアルビーム放射図は、パッチに直交する同じ平面内で、パッチの法線に対して対称で非整列の２つの主要な放射ローブを有する。パッチの法線に対する放射主軸の差（図７にθで示す）は、次式に従って、基体の誘電率に特に依存する。

θ＝円弧ｓｉｎ（λ₀／２ｄ）＝円弧ｓｉｎ（√ε_e／２）
式中、
ε_e：基体の有効誘電率
λ₀：真空中での波長
λ_ｓ：基体の波長、λ_ｓ＝λ₀／√ε_e
１例として、本発明者らにより開発されたプロトタイプで使用されたプレキシグラス（ＰＰＭＡ、アクリルガラスの１種）型の基体の場合、ε_e＝２.７である。そうなると、両方の放射ローブの傾斜角θ＝５５°が得られる。

本発明の可能な１態様によると、給電手段は電磁結合によりパッチに給電する。この結合は、例えば、上記励振点から横断して接地平面に作製されたスロットの手段によって行われる。

本発明の別の可能な１態様によると、給電手段は接触によりパッチに給電する。
給電手段は、例えば、上述した励振点上でパッチと接触するようになるマイクロストリップ線である。給電手段は同軸プローブであってもよい。

同軸プローブにより給電されるアンテナの入力インピーダンスは、無視できない誘導挙動を示すことがある。この挙動は、図８の回路図において、アンテナ（共振回路ＲＬＣにより表される）と直列のインダクタンスＬ_sにより表される。

本発明の有利な変更例によると、アンテナは、同軸プローブにより給電されるアンテナの入力インピーダンスの誘導挙動を弱めることを目的とする容量補償手段をさらに備えている。

容量補償手段（図９においてキャパシタンスＣ_eで示される）により、インダクタンスＬ_sの効果を相殺し、従ってアンテナの入力インピーダンスを適合させることが可能となる。

図９に示すように、容量補償手段は、例えば、励振点４の周囲において半円板（ハーフディスク）型のパッチ延長部５の形態をとることにより、アンテナ本体の一部とすることができる。

延長部５の半円板の半径Ｒ_eは、アンテナを横断する同軸プローブの波長、従って、基体の厚みに依存する。ほぼ、Ｒ_e＝４×ｈ（ここで、ｈは基体の厚みを意味する）であることに留意されたい。

前記延長部の容量効果の利点を大いに利用するために、同軸プローブの位置を、図１０に示すように、パッチの辺と前記半円板の縁部との間の中点に位置させることができる。
容量延長部は、半円形の延長部に限られるものではなく、他の幾何学形態をとることもできる。延長部の全表面は、同様の容量効果を生じさせるために前記半円の表面とほぼ等しいくしなければならないことは認められよう。

以上の説明では、本発明に係るアンテナは、パッチの給電と同一平面内でのデュアルビーム放射図の発生のために単一の励振点を有していた。
しかし、本発明はこの特定の場合に制限されるものではなく、それぞれが同一平面内でデュアルビーム放射図を発生させるためにパッチに沿って配置された複数の励振点をアンテナが有している変更例にも本発明は拡張される。

図１１の図に示した変更例では、正方形パッチ７は、該パッチの直交する２辺に配置された第１および第２の励振点８、９を備えていて、パッチは、該第１励振点から励振された時にはパッチと直交する第１平面内において第１の上方モード（例、ＴＭ２０）で共振し、該第２励振点から励振された時にはパッチおよび第１平面と直交する第２平面内において第２上方モード（例、ＴＭ０２）で共振するようになっている。図１２に示すように、励振点８でのパッチ７の励振は水平面（平面Ｈ）におけるデュアルビーム放射図の誘導を可能にし、励振点９での該パッチの励振は垂直面（平面Ｖ）におけるデュアルビーム放射図の誘導を可能にする。この変更例の範囲内において、給電手段は、第１励振点と第２励振点とから交互にパッチを励振させるよう設定されることができ、該アンテナが、平面Ｈにおけるデュアルビーム放射図（水平放射図）および水平放射図と直交する放射図（垂直放射図と呼ぶ）を交互に付与するようになっている。

この変更例は特に、２つの軸を備えたヤーヌス配置（反対の２方向を向く配置）におけるドップラー効果による移動および速度の検出のためのコンパクオなアンテナの設計に適用できる（これに対し、前述した態様は単一の軸に従って設計されている）。

図１３に示したさらに別の態様によると、正方形パッチ１０は、本発明に係るパッチの各辺に一つずつ配置された４つの励振点１１〜１４を有し（図示例では、正方形パッチの各辺の３／４の位置に）、給電手段はこれらの励振点に順に給電することによりパッチを励振させるよう設定されていて、パッチが円錐形放射図を有するようになっている。

図１３に示すように、各励振点１１〜１４の給電は、その前の励振点に対して９０°ずつ位相が遅れている。このような変更例は、順次給電の方向に応じて左または右円偏波をもつ円錐形形態を得るのを可能にする。

この変更例は、図１４に示すように、静止地球軌道衛星から来る信号の受信のための、特に自動車の屋根に搭載される、オンボード（機上）衛星受信用の非常にコンパクトなアンテナの設計に特に適用できる。実際、静止地球軌道衛星は地上に対して３５°の角度に位置する（欧州の平均で）。しかし、垂直に対して角度θ＝５５°を有する（プレキシグラス基体の場合）ことにより、本アンテナは、水平面（例えば、自動の屋根のような）を用いた衛星受信用に特に興味ある解決策となることができる。

最初に述べたように、市街地のアンテナは景観統合の制約も受ける。この制約を満たすために、本発明は好適態様においてデュアルビーム放射図をもつ光学的に透明なアンテナを提供する。

そのためには、アンテナの基体をガラス製のものとするか、または任意の他の光学的に透明な誘電材料、例えば、プレキシグラスから形成することができる。
ここで、「光学的に透明な」材料とは、可視光の少なくとも約３０％、より好ましくは可視光の６０％以上を透過させることができる、可視光に対して実質的に透明な材料を意味する。

接地平面および好ましくは一辺がλｓの共振性パッチは、それぞれプラスチックフィルム、例えば、ポリエステルフィルム上での光学的に透明な導電性材料の成膜により形成される。光学的に透明な導電性材料はまた、エッチング法により直接成膜することもできる。しかし、より好ましくはは、光学的に透明な導電性材料は、これに制限されるものではないが、酸化インジウム−錫（ＩＴＯ）または銀ドープ酸化錫（ＡｇＨＴ）から作成される。

さらに、接地平面および共振性パッチは、ガラス層のような光学的に透明な誘電体層の間にサンドイッチ状に挟むこともできる。
図１５および１６は、情報のために提供された光学的に透明なアンテナの図である。

図１５は、接地平面Ｍ、基体Ｓ、および共振パッチＰを備えた、本発明に係る光学的に透明なアンテナを示す。ここで、パッチは本発明に従って配置された励振点Ｅ上で給電され、同軸プローブにより給電される。

図１６は、接地平面Ｍ、基体Ｓ、および共振パッチＰを備えた、本発明に係る別の光学的に透明なアンテナを示す。ここで、パッチＰは、やはり作成されたマイクロストリップラインＬを介して励振点Ｅ上で給電される。

これら２つの図１５および１６において、接地平面ＭおよびパッチＰは２枚の光学的に透明な層Ｖの間にサンドイッチされている。

Claims (16)

1. 接地平面（Ｍ）、該接地平面に重ねられた基体（Ｓ）、共振パッチ（３、６、７、１０、Ｐ）を形成するために該基体上に作製された金属層、および該共振パッチを励振させるための給電手段を備える印刷アンテナであって、前記パッチは、これが両方の上方電磁波モードＴＭ₀₂およびＴＭ₂₀で放射することができるように適合させた寸法を有し、かつ前記給電手段は、パッチの法線に対して対称の２つの主要な非整列放射ローブを、該パッチに直交する同一平面内に持つデュアルビーム放射図を誘導することにより、前記パッチが上記上方電磁波モードの一方で共振するように配置された一つの励振点（４、８、９、１１〜１４、Ｅ）でパッチを励振させることを可能にすることを特徴とする、印刷アンテナ。
2. 前記パッチは、一辺がｋ×λ_ｓ（ここで、ｋは真に正の整数であり、λ_ｓは基体の波長を示す）に実質的に等しい正方形である、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記励振点が該パッチのいずれか一辺の３／４の位置に実質的に位置する、請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記給電手段が電磁結合により該パッチに給電する、請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ。
5. 結合用スロットが接地平面に切られている、請求項４に記載のアンテナ。
6. 前記給電手段が接触により該パッチに給電する、請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ。
7. 前記給電手段がマイクロストリップ線である、請求項６に記載のアンテナ。
8. 前記給電手段が同軸プローブである、請求項６に記載のアンテナ。
9. 同軸プローブにより給電されるアンテナの入力インピーダンスの誘導挙動を弱めることを目的とする容量補償手段（５）をさらに備える、請求項８に記載のアンテナ。
10. 容量補償手段（５）が励振点の周囲でのパッチの延長部の形態をとる、請求項９に記載のアンテナ。
11. 前記延長部（５）が、半径Ｒ_e＝４×ｈ（ここで、ｈは基体の厚みを意味する）の半円板に実質的に等しい面積の表面を有する、請求項１０に記載のアンテナ。
12. 前記延長部が半円板（５）である、請求項１１に記載のアンテナ。
13. 前記励振点（４）が前記パッチ（６）の辺と前記半円板（５）の縁部との間に中点に位置する、請求項１２に記載のアンテナ。
14. 前記パッチ（７）が、該パッチの直交する２辺上に第１の励振点（８）および第２の励振点（９）を有していて、パッチが第１励振点から励振された時にはパッチと直交する第１平面内において第１の上方モードで共振することができ、第２励振点から励振された時にはパッチおよび第１平面と直交する第２平面内において第２の上方モードで共振することができるようになっており、前記給電手段は該第１励振点と該第２励振点とから交互にパッチを励振させるよう設定されている、請求項１〜１３のいずれかに記載のアンテナ。
15. 前記パッチ（１０）がパッチの各辺に一つずつ配置された４つの励振点（１１〜１４）を有しており、前記給電手段はこれらの励振点に順に給電することによりパッチを励振させるよう設定されていて、パッチはそれにより円錐形放射図を有する、請求項１〜１３のいずれかに記載のアンテナ。
16. 可視光線に対して光学的に透明であることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれかに記載のアンテナ。

Images