JP2009514292A - 放射ダイバーシティを伴う送信／受信アンテナ - Google Patents

Abstract

本発明は、放射ダイバーシティを伴う送信／受信アンテナに関し、該アンテナは、電磁信号の送信／受信回路に、給電ラインのネットワークにより接続される第１及び第２の放射素子（１０、１１）を少なくとも基板上に有しており、前記ネットワークは、第１の放射素子（１０）に接続されている第１の給電ライン（２２）と、２つの放射素子を同相又は逆相で給電する様に、それぞれが切替え部（Ｄ１、Ｄ２）により第２の放射素子（１１）に接続されている２つの第２の給電ライン（２４、２５）の組とで構成され、２つの第２の給電ラインの組は、第３の給電ライン（２５）により第１の給電ラインに接続され、第１の給電ラインと第３の給電ラインは、共通給電ラインにより電磁信号の送信／受信回路の接続されている。

Description

本発明は、放射ダイバーシティを伴う送信／受信アンテナに関する。

無線ネットワークについて、出願人は、マルチパスに起因するフェージングや信号の著しい劣化という問題の解決を可能にする、いくつもの解決法を提案している。出願人は、この様に、特許文献１において、選択的に給電される環状スロット型のアンテナに基づく、放射ダイバーシティを伴うアンテナ・トポロジを提案している。しかしながら、この型のアンテナは、３又は４ｄＢのオーダーの指向性を有している。しかしながら、ＷＡＤＳＬ（無線ＡＤＳＬ）型のアプリケーションのためには、強い指向性が必要である。実際、この種の信号の屋内での送信／受信について、数ｄＢの減衰が生じる住居内での信号の貫通の影響により、システム損失の制約は極めて高い。増幅器の使用といった解決法によりコストを増加させないためには、アンテナの指向性を増加させることが１つの解決法になる。さらに、例えば、ＷＡＤＳＬ型のアプリケーションにおいて、存在するマルチパスから生じる現象を打ち負かすために、ダイバーシティの使用が必要である。ここで提案する解決法は、指向性と共に、満足するマルチパスを可能にするダイバーシティを同時に使用するものであり、この様に、より強力であるが、より高価となる増幅器の追加を避けるものである。

現在、アンテナに良好な指向性をもたらすために、図１に示すタイプのアンテナ・トポロジが使用されている。環状形状であるこのアンテナ・トポロジは、誘電体基板上に刻まれ、電磁信号の放射素子及び送信／受信回路に接続される、複数のマイクロストリップ・ライン部分を含んでいる。

より詳しくは、図１の装置は、基板上に刻まれたマイクロストリップ・ラインにより実現される円環Ａを含んでいる。４つのマイクロストリップ・ライン部分Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４が環Ａに接続されており、λを動作周波数の中心周波数での波長としたとき、２つの外側マイクロストリップ・ライン部分間（Ｌ１、Ｌ４）の距離が３λ／４に等しく、他のライン部分間（Ｌ１、Ｌ２；Ｌ２、Ｌ３；Ｌ３、Ｌ４）の距離がλ／４に等しくされている。環の周囲の長さは、よって、６λ／４である。それぞれがインピーダンスＺ_０である、これら４つのライン部分は、４つのアクセス１、２、３及び４を形成している。アクセス１及び３は、それぞれ、図示しない放射素子に接続され、アクセス２及び４は、給電回路に接続されている。アセンブリがアクセス２で給電された場合、アクセス１及び３に接続されている２つの放射素子は、同相で給電され、アセンブリがアクセス４で給電された場合、アクセス１及び３に接続されている２つの放射素子は、逆相で給電される。よって、２つのアクセスを持つ、このハイブリッドの環は、アクセスの相互の切替え動作を可能とするために、環の上流に切替え部を必要とする。このトポロジは複雑で、実装が難しく、かつ、アンテナへのアクセスと回路とを互い違いに配置しなければならないため、扱い難いものである。

仏国特許出願第０１ １０６９６号明細書

よって、本発明は、良好な指向性を持ち、さらに、実装が容易な放射ダイバーシティを伴う送信／受信アンテナに関するものである。

本発明は、電磁信号の送信／受信回路に給電ラインのネットワークにより接続されている第１及び第２の放射素子を少なくとも基板上に有する、放射ダイバーシティを伴う送信／受信アンテナに関し、前記ネットワークは、前記第１の放射素子に接続されている第１の給電ラインと、前記２つの放射素子を同相又は逆相で給電する様に、それぞれが切替え部により前記第２の放射素子に接続されている２つの第２の給電ラインの組とを有している。前記２つの第２の給電ラインの組は、第３の給電ラインにより前記第１の給電ラインに接続され、前記第１の給電ラインと前記第３の給電ラインは、共通給電ラインにより、前記電磁信号の送信／受信回路に接続されている。

第１の実施形態によれば、放射素子はスロット型アンテナ、より詳しくは、環状スロット又は多角形スロット・アンテナにより構成されている。この場合、スロット型アンテナは、電磁結合により給電ラインに接続されており、給電ラインは、基板のスロット型ソース・アンテナを有している面とは反対の面上にエッチングされたマイクロストリップ・ラインにより構成されている。

本発明の他の特徴によると、第１の給電ラインは、第２の給電ラインの１つの長さと、第３の給電ラインの長さとの和に等しい長さを有している。

他の実施形態によると、放射素子は、パッチ型のアンテナにより構成されている。この場合、給電ラインは、基板のパッチを有している面上にエッチングされたマイクロストリップ・ラインにより構成されていることが好ましい。

さらに、切替え部は、例えば、ダイオードや、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）又は微小電気機械システムや、トランジスタや、切替え機能（商業的には“切替え”型）を実行する他の素子により構成される。ダイオードの場合、これらは、互いに逆向き（ヘッド・トゥ・テイル）で実装され、同じ電圧により制御される。

本発明の他の特徴及び利点については、図を参照して行う、以下の複数の実施形態についての記載を読むことで明らかになる。

図２及び図３を参照して、本発明による放射ダイバーシティを伴うアンテナの第１実施形態についてまず記述する。図２に示す様に、アンテナは、誘電体基板のグラウンド面にエッチングにより公知の方法で作成された２つの環状スロットで構成される、２つの放射素子１０及び１１を含んでいる。本実施形態において、２つの環状スロットは、λｓを選択周波数のスロットでの波長としたとき、ｋλｓに等しい直径を有している。スロットを多角形の形状にできることと、異なるサイズにできることは、当業者には自明である。

本実施形態において、スロット型アンテナは、公知のクノル法による電磁結合により給電される。しかしながら、本発明の範囲を脱しない限り、スロットの接給電といった、他の方法を利用することができる。より詳しくは、図２に示す様に、第１のアンテナ１０は、基板の環状スロットが形成されている面とは逆の面に形成されているライン２２により給電される。ライン２２は、動作周波数の中心周波数のマイクロストリップにおける波長をλｍとしたとき、その先端から長さｋ´λｍ／４の位置でスロット１０と交差する。

図２に示す様に、第２の環状スロット１１は、２つの給電ライン２３及び２４の組により給電される。この２つの給電ライン２３及び２４は、基板のスロット１１の面とは反対の面にエッチングされたマイクロストリップ・ラインにより形成されている。第１の環状スロット１０の場合と同様、クノル法による電磁結合により給電され、ライン２３及び２４は、先端からの長さｋ´λｍ／４の位置にある点Ｐ及びＰ´で、環状スロットと交差している。この場合、ライン２３とスロット１１との交差点Ｐと、ライン２４とスロット１１との交差点Ｐ´は、以下に説明するように、同相又は逆相での給電を得るために、直径方向において正反対である。２つの給電ライン２３及び２４は、第３の給電ライン２５に接続され、第３の給電ライン２５は、給電ライン２２と共に、共通給電ライン２６に接続されて、図示しない電磁波送信／受信回路にこれらラインを接続することを可能にしている。

さらに、本発明によると、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２が、それぞれ、各給電ライン２３、２４に実装されている。ダイオードＤ１及びＤ２は、互いに逆向き（Ｈｅａｄ ｔｏ Ｔａｉｌ）で実装され、一方のダイオードが導通しているとき、他方のダイオードが非導通である様に、共通電位に接続されている。図４に、ダイオードの実装を図式的に示す。図に示す様に、ダイオードＤ１は、短絡回路ＳＣから給電ラインを導通する様に実装され、ダイオードＤ２は、給電ラインから短絡回路ＳＣを導通する様に実装されている。よって、アクセス２（３）を有効にするためには、負（正）の電圧をダイオードＤ２（Ｄ１）に適用しなければならず、Ｄ２を導通状態（非導通状態）にし、Ｄ１を非導通状態（導通状態）にする。

本発明によると、第１の給電ライン２２は長さＬ１であり、最適動作のために、長さＬ１は、第２の給電ライン２３、２４のいずれかの長さＬ２と、給電ライン２５の長さＬ３の和に等しい。

続いて、図３を参照して、図２の放射ダイバーシティを伴うアンテナの動作について説明する。

図３のａ）に示す様に、ダイオードＤ１が非導通状態であり、ダイオードＤ２が導通状態であるとき、スロット１１への給電はライン２５及び２４により行われ、２つの環状スロット１０及び１１は同相で給電される。これに対し、図３のｂ）に示す様に、ダイオードＤ２が非導通状態であり、ダイオードＤ１が導通状態であるとき、スロット１１への給電はライン２５及び２３により行われ、この場合、２つの環状スロット１０及び１１は逆相で給電される。よって、２つの環状スロットを同相で給電したとき、２つの放射パターンの和に対応する放射パターンが得られ、２つの環状スロットを逆相で給電したとき、２つの放射パターンの差に対応する放射パターンが得られる。図５は、図３に示すスロット型アンテナで得られた“和”と“差”のパターンを示す図である。“和”のパターンでは６．６ｄＢの、“差”のパターンでは３．６ｄＢの指向性を記録している。“和”のパターンは、方位角面内に主ローブを有し、“差”のパターンは、方位角面内にヌル点を、±６０°の面内に主ローブを有している。

本発明の他の実施形態について、図６から９を参照して説明する。

この場合、基板に設けられる２つの放射素子は、基板のグラウンド面をエッチングすることにより得られる２つのパッチ３０及び３１により構成される。これらのパッチは、必要な周波数で動作する様に、公知の方法でサイズが決められる。

図６に示す様に、パッチ３０は、給電ライン４０により給電され、パッチ３１は、パッチ３１の両側で対称に接続されている２つの給電ライン４１及び４２により給電されている。これら２つの給電ラインは、共通ライン４３に接続されている。

本発明によると、ダイオードＤ１、Ｄ２は、それぞれ、給電ライン４１、４２に、互いに逆向きで実装され、共通電位が印加されている。

図７を参照し、図４に示すアンテナの動作について説明する。

図７のａ）に示す様に、給電ライン４２に実装されているダイオードＤ２が非導通状態であり、ダイオードＤ１が導通状態であるとき、２つのパッチは同相で給電され、図７のｂ）に示す様に、給電ライン４１に実装されているダイオードＤ１が非導通状態であり、ダイオードＤ２が導通状態であるとき、２つのパッチは逆相で給電される。

図６及び図７に示す放射素子がパッチである、放射ダイバーシティを伴うアンテナをシミュレーションするために、公知のアプリケーション・ソフトウェアを使用した。この場合、２つのパッチ３０及び３１は、５．２５ＧＨｚで動作する様に、公知の方法で、そのサイズを決め、上述した通りにネットワークにグループ化した。

図８は、図７の２つの構成に対応するインピーダンス整合曲線を示している。この図は、パッチ３０のインピーダンス整合曲線Ｓ（１，１）と、パッチ３１のインピーダンス整合曲線Ｓ（２，２）を示している。最も良くとも、各パッチで観測されるインピーダンス整合に等しいインピーダンス整合は、ポート１と２の再結合の間に予期される。関連する帯域は、放射素子の選択と直接的に関係することに留意すべきである。

図９は、図７の構成ａ）及びｂ）の放射パターンを示している。構成１の場合、２つのパッチ３１及び３２は同相で給電され、得られる放射パターンは、よって、２つのパッチの放射ダイアグラムの和になる。このパターンは、放射角面内に主ローブを有し、この方向に９．３ｄＢの指向性を持つ。構成２の場合、パッチは逆相で給電される。よって、この場合、各パッチの放射パターンの差が、放射パターンとなる。したがって、このパターンは、放射角面内にヌルを有し、±６０°の面内に２つの主ローブを有する。これらローブの指向性は、８ｄＢである。この型のアンテナで得られる指向性は、よって、従来技術による放射ダイバーシティを伴うアンテナで得られる指向性より著しく強いものである。

上記例は、一例であることは、当業者には明らかである。

従来技術によるアンテナ・トポロジを極めて図式的に示す図である。 本発明による放射ダイバーシティを伴うアンテナの第１実施形態のブロック図である。 図２に示す本発明によるアンテナの２つの動作モードを示す図である。 ダイオードのアセンブリの説明図である。 図３に示す２つの構成についての、アンテナの放射パターンを示す図である。 本発明による放射ダイバーシティを伴うアンテナの第２実施形態のブロック図である。 図４に示す本発明によるアンテナの２つの動作モードを示す図である。 図５に示す２つの構成についての、アンテナのインピーダンス整合曲線を示す図である。 図５に示す２つの構成についての、アンテナの放射パターンを示す図である。

符号の説明

１０、１１ 環状スロット
２２、２３、２４、２５、４０、４１、４２ 給電ライン
２６、４３ 共通給電ライン
３０、３１ パッチ

Claims (10)

1. 電磁信号の送信／受信回路に給電ラインのネットワークにより接続されている第１及び第２の放射素子（１０、１１；３０、３１）を少なくとも基板上に有する、放射ダイバーシティを伴う送信／受信アンテナであって、
   前記ネットワークは、
   前記第１の放射素子（１０；３０）に接続されている第１の給電ライン（２２；４０）と、
   前記２つの放射素子を同相又は逆相で給電する様に、それぞれが切替え部（Ｄ１、Ｄ２）により前記第２の放射素子（１１；３１）に接続されている２つの第２の給電ライン（２３、２４；４１、４２）の組とを有し、
   前記２つの第２の給電ラインの組は、第３の給電ライン（２５；４３）により前記第１の給電ラインに接続され、
   前記第１の給電ラインと前記第３の給電ラインは、共通給電ラインにより、前記電磁信号の送信／受信回路に接続されている、
   アンテナ。
2. 前記第１及び第２の放射素子（１０、１１）は、スロット型アンテナにより構成されている、
   請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記スロット型アンテナは、環状スロット又は多角形スロットにより構成されている、
   請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記スロット型アンテナは、電磁結合により前記給電ラインに接続されている、
   請求項２又は３に記載のアンテナ。
5. 前記給電ライン（２２、２３、２４、２５、２６）は、基板の前記スロット型アンテナを有している面とは反対の面にエッチングされたマイクロストリップ・ラインにより構成されている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のアンテナ。
6. 前記第１の給電ライン（２２）は、前記第２の給電ライン（２３、２４）の１つの長さ（Ｌ２）と前記第３の給電ライン（２５）の長さ（Ｌ３）との和に等しい長さ（Ｌ１）を持つ、
   請求項１から５のいずれか１項に記載のアンテナ。
7. 前記第１及び第２の放射素子（３０、３１）は、パッチ型アンテナにより構成されている、
   請求項１に記載のアンテナ。
8. 前記給電ライン（４０、４１、４２、４３）は、基板の前記パッチ型アンテナを有している面にエッチングされたマイクロストリップ・ラインにより構成されている、
   請求項７に記載のアンテナ。
9. 前記切替え部は、ダイオード（Ｄ１、Ｄ２）、トランジスタ、切替え回路又はＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）により構成されている、
   請求項１から８のいずれか１項に記載のアンテナ。
10. 前記ダイオードは、互いに逆向きで実装され、同じ電位により制御される、
    請求項９に記載のアンテナ。

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