JP2013141216A - 円偏波アンテナ - Google Patents

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Abstract

【課題】高いアンテナ利得を持つ円偏波アンテナを提供する。
【解決手段】第1面および第2面を有する基板、前記第1面上に配置された給電素子、前記第2面上に配置され、孔を有する接地面、前記第2面上に配置され、前記孔の縁辺に接続されたチューニングスタブ、および前記接地面に接続され、電磁波を反射するように構成されたキャビティ構造を備える円偏波アンテナ。
【選択図】図1A

Description

本発明は、円偏波アンテナに関し、特に、高いアンテナ利得を持つ円偏波アンテナに関するものである。
無線データ通信に関してアンテナは電磁波の伝送および受信の重要な役割を果たす。通常、アンテナには、方位角方向での全方向性放射パターン、および上方向でのヌル(null)パターンが提供されなければならない。よって、例えばダイポールアンテナなどの棒状アンテナは、垂直偏波を送信および受信するのに適していると考えられているため、近年通信デバイスに広く用いられている。
無線通信システムでは、データ信号は多くの周囲の物体から反射される可能性があるため、反射波は、建設的な方法または破壊的な方法でデータ信号と組み合わせられるとよい。ダイポールアンテナも垂直偏波を受信および送信するのに用いられることができるが、周囲環境で生じるマルチパス干渉、回折、または反射は、長距離通信中に垂直偏波の位相を変化させる可能性がある。更に悪い状況では、データ信号は、垂直偏波からダイポールアンテナによって受信されることができない水平偏波に変えられる可能性があるため、データ損失を招く。よって、垂直偏波と水平偏波も処理できるアンテナを提供する必要がある。
高いアンテナ利得を持つ円偏波アンテナを提供する。
1つの例示的な実施形態では、本発明は、第1面および第2面を有する基板、第1面上に配置された給電素子、第2面上に配置され、孔を有する接地面、第2面上に配置され、孔の縁辺に接続されたチューニングスタブ、および、接地面に接続され、電磁波を反射するように構成されたキャビティ構造を備えた円偏波アンテナを提供する。
もう1つの例示的な実施形態では、本発明は、第1面および第2面を有する基板、第1面上に配置された給電素子、第2面上に配置され、孔を有する接地面、第2面上に配置され、孔の縁辺に接続された第1チューニングスタブ、および第2面上に配置され、孔の縁辺に接続された第2チューニングスタブを備えた円偏波アンテナを提供する。
本発明の円偏波アンテナは、アンテナ利得を高めつつ、周波数帯域を広げることができる。
本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナの斜視図である。 図1のLL1の線に沿う断面図である。 図1のLL12の線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に基づく接地面に接合されたキャビティ(cavity)構造の断面図である。 本発明のもう1つの実施形態に基づく接地面に接合されたキャビティ構造の斜視図である。 図3AのLL1の線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に基づく接地面に接合されたキャビティ構造の断面図である。 本発明の実施形態に基づく接地面に接合されたキャビティ構造の平面図である。 本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナの軸比(AR)を示すグラフである。 本発明のもう1つの実施形態に基づく円偏波アンテナの斜視図である。 本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナの軸比(AR)を示すグラフである。 本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナの斜視図である。 本発明のもう1つの実施形態に基づく円偏波アンテナの斜視図である。 本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナの平面図である。 本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナの軸比(AR)を示すグラフである。 本発明の実施形態に基づく接地面を示す図である。 本発明の実施形態に基づく接地面を示す図である。 本発明の実施形態に基づく接地面を示す図である。 本発明の実施形態に基づく接地面を示す図である。 本発明の実施形態に基づく接地面を示す図である。 本発明の実施形態に基づく接地面を示す図である。 本発明の実施形態に基づく接地面を示す図である。
図1Aは、本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナ100を示す立体図である。図1Bは、図1に示すアンテナ100のLL1線に沿った断面図である。図1Cは、図1に示す円偏波アンテナ100のLL2線に沿った断面図である。図1A、1B、および1Cに示されるように、円偏波アンテナ100は、基板110、接地面120、給電素子(feeding element)130、チューニングスタブ140、およびキャビティ構造170を含む。基板110は、4.3に等しい誘電率で、厚さが0.6mmであるFR4基板であることができる。接地面120、給電素子130、およびチューニングスタブ140は、例えば銀または銅などの金属で形成される。
基板110は、2つの面E1と面E2を有し、面E1は、面E2に対向する。給電素子130は、面E1上に配置され、給電素子130の一端は、信号源190に電気的に接続されて入力信号を受信する。接地面120は、面E2上に配置され、孔125を有する。孔125は、円形、長方形、または他の形状に形成される。チューニングスタブ140は、面E2上に配置され、孔125の縁辺に電気的に接続される。本実施形態では、給電素子130およびチューニングスタブ140は、両方とも実質的に直線状に形成され、孔125は、円い形状に形成され、チューニングスタブ140は、孔125の外周(外周の接線)に対して垂直になるよう配置されている。本例の変形例として、給電素子130は、T字型、または先細り形状であもよい。
キャビティ構造170は、接地面120に電気的に接続され、電磁波を反射するように構成される。本実施形態では、キャビティ構造170は、実質的にキャップのない中空の円柱であり、接地面120(例えば点線172に沿って)に接合される。円偏波アンテナ100は、左旋円偏波と右旋円偏波を同時に発生することができる。いくつかの実施形態では、左旋円偏波は、上向きに伝播し、右旋円偏波は、下向きに伝播する。よって、キャビティ構造170は、接地面120の孔125を実質的に覆い、望ましくない方向の電磁波を反射してアンテナ利得を増加させるように構成される。キャビティ構造170は、通常、高さが4分の1波長(λ/4)であるように設計され、4分の1波長は、円偏波アンテナの中心動作周波数に基づいて調整されることができる。各種の異なるキャビティ構造があり、以下のように説明されることができる。
図2は、本発明の実施形態に基づく接地面120に接合されたキャビティ構造270を示す断面図である。図2に示されるように、キャビティ構造270は、接地面120の孔125をカバーするように構成された中空金属シェル(shell)である。いくつかの実施形態では、中空金属シェルは、例えばFR4媒体または空気などの媒体275で充填されている。中空金属シェルは、通常、高さが4分の1波長(λ/4)であるように設計され、4分の1波長は、円偏波アンテナの中心動作周波数に基づいて調整されることができる。
図3Aは、本発明の他の実施形態に基づく接地面120に接合されたキャビティ構造を示す斜視図である。図3Bは、図3Aの接地面120に接合されたキャビティ構造370のLL1線に沿った断面図である。図3Aと図3Bに示されるように、キャビティ構造370は、キャビティ基板372、キャビティ接地面374、および複数のビア376を有している。キャビティ基板372は、2つの面を有し、そのいずれか1つの面は、接地面120に接合される。キャビティ接地面374は、キャビティ基板372のもう1つの面E3上に配置される。複数のビア376は、キャビティ基板372を通過してそれぞれ形成され、実質的に孔125を囲む。複数のビア376は、接地面120とキャビティ接地面374との間に更に電気的に接続される。キャビティ基板372は、4.3に等しい誘電率を有するFR4基板で、厚さが4分の1波長(λ/4)であることができ、4分の1波長は、円偏波アンテナの中心動作周波数に基づいて調整される。キャビティ接地面374および複数のビア376は、例えば銀または銅などの金属で形成される。本実施形態では、複数のビア376は、所定の距離D1の間隔で配置され、円軌道に沿って配置される。好ましい実施例では、所定の距離D1は、0.6mmより小さく、漏れ波を減少する。
図4Aは、本発明の実施形態に基づく接地面120に接合されたキャビティ構造470を示す断面図である。図4Bは、本発明の実施形態に基づく接地面120に接合されたキャビティ構造470の平面図である(図4Aのキャビティ構造470を上から見た図である。)。図4Aに示されるように、キャビティ構造470は、キャビティ構造370に加えて、もう1つのキャビティ基板410、もう1つのキャビティ接地面420、およびもう1つの複数のビア450を備えている。注意するのは、本実施形態では、キャビティ接地面374は、接地面120の孔と同一の孔430を有することである。図4Bに示されるように、複数のビア450は、複数のビア376と組み合わさって配置されている(複数のビア376、450は、一つのビア376と一つのビア450で組となり、交互に円状に並んで配置されている)。キャビティ基板410は、4.3に等しい誘電率を有するFR4基板であることができる。キャビティ接地面420および複数のビア450は、銀または銅などの金属で形成される。キャビティ構造470は、通常、高さが4分の1波長(λ/4)であるように設計され、4分の1波長は、円偏波アンテナの中心動作周波数に基づいて調整されることができる。
本実施形態では、円偏波アンテナ100の素子のサイズは、以下の通りである。接地面120の孔125は、1.3mmに等しい半径の円形に形成され、チューニングスタブ140は、直線状で長さが0.75mm、幅が0.1mmであり、キャビティ構造170は、高さが0.6mmである。注意するのは、素子の全てのサイズは、望ましい周波数帯域をカバーするように調整されることができることである。
図5は、本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナ100の軸比(AR:Axial Ratio)を示す図である。垂直軸は軸比(単位:dB)を表し、水平軸は動作周波数(単位:GHz)を表す。給電素子130、チューニングスタブ140、および孔125の周囲の接地面120の一部は、励起されて周波数帯域FB1を形成する。実施形態では、周波数帯域FB1は、およそ69GHz〜73GHzであり、円偏波アンテナ100の軸比は、周波数帯域FB1内で5dBより小さい。注意するのは、周波数帯域FB1は、異なる素子のサイズに応じて調整されることができることである。
図6は、本発明の他のの実施形態に基づく円偏波アンテナ600を示す斜視図である。円偏波アンテナ600は、1つ以上のアンテナ素子を備えることができる。本実施形態では、円偏波アンテナ600は、1つのアンテナ素子610で構成される。アンテナ素子610は、円偏波アンテナ100と同様である。それらの違いは、アンテナ素子610が2つのチューニングスタブ635とチューニングスタブ650を備えることだけである。チューニングスタブ635とチューニングスタブ650は、基板110の面E2上に配置されて、接地面120の孔125の縁辺に電気的に接続され、チューニングスタブ635とチューニングスタブ650は、異なる接続位置を有する。本実施形態では、給電素子130、チューニングスタブ635とチューニングスタブ650は、全て実質的に直線状に形成され、孔125は円形に形成され、チューニングスタブ635とチューニングスタブ650は、孔125の外周(外周の接線)に対して垂直になるよう配置されている。チューニングスタブ635とチューニングスタブ650間の角度θ1は、45度より小さい。給電素子130と、チューニングスタブ635又はチューニングスタブ650のいずれか1つ(より近いチューニングスタブ635)との間の角度θ2は、90度より小さい。他の実施形態では、給電素子130は、T字型、または先細り形状に形成されてもよい。注意するのは、キャビティ構造170は、いくつかの実施形態では、アンテナ素子610から除去されてもよいことである。
本実施形態では、アンテナ素子610の素子のサイズは、以下の通りである。接地面120の孔125は、1.3mmに等しい半径の円形に形成され、各チューニングスタブ635および650は、直線状で長さが0.75mm、幅が0.1mmであり、キャビティ構造170は、高さが0.6mmである。注意するのは、素子の全てのサイズは、望ましい周波数帯域をカバーするように調整されることができることである。
図7は、本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナ600の軸比(AR)を示す図である。垂直軸は軸比(単位:dB)を表し、水平軸は動作周波数(単位:GHz)を表す。図7には、点線と実線がある。実線は、2つのチューニングスタブを有する円偏波アンテナ600に対応し、点線は、単一のスタブを有する円偏波アンテナ100に対応する。単一のスタブに比べ、2つのスタブは、円偏波アンテナ600により広域の周波数帯域を持たせる。給電素子130、チューニングスタブ635とチューニングスタブ650、および孔125の周囲の接地面120の一部は、励起されて周波数帯域FB2を形成する。本実施形態では、周波数帯域FB2は、およそ58GHz〜71GHzであり、円偏波アンテナ600の軸比は、周波数帯域FB2内で5dBより小さい。注意するのは、周波数帯域FB2は、異なる素子のサイズに応じて調整されることができることである。
図8Aは、本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナ810を示す斜視図である。円偏波アンテナ810は、2つのアンテナ素子610と620を含む。アンテナ素子620は、アンテナ素子610と同一である。アンテナ素子610とアンテナ素子620は、順次回転アレイを形成するように配置される。言い換えると、アンテナ素子610とアンテナ素子620は、異なる入力信号の位相を有する。図8Aに示されるように、アンテナ素子610の給電素子は、信号経路PA1によって信号源190に電気的に接続され、アンテナ素子620の給電素子は、信号経路PA2によって信号源190に電気的に接続される。信号経路PA2は、信号経路PA1より長いことから、アンテナ素子620の入力信号は、アンテナ素子610の入力信号よりも所定の角度(90度でもよい)、遅延する。順次回転アレイは、円偏波アンテナの周波数帯域およびアンテナ利得を改善することができる。
図8Bは、本発明の他の実施形態に基づく円偏波アンテナ820を示す立体図である。円偏波アンテナ820は、4つのアンテナ素子610、620、630、および640を含む。アンテナ素子620、630、および640は、アンテナ素子610と同一である。アンテナ素子610、620、630、および640は、順次回転アレイを形成するように配置される。図8Bに示されるように、アンテナ素子610、620、630、および640の4つの給電素子は、4つの信号経路PA1、PA2、PA3、およびPA4によって信号源190にそれぞれ電気的接続される。1つの実施形態では、アンテナ素子610、620、630、および640は、0、90、180、および270度に等しい入力信号位相をそれぞれ有する。順次回転アレイは、円偏波アンテナの周波数帯域およびアンテナ利得を改善することができる。
同様に、図1A、1B、および1Cに示されるように円偏波アンテナ100は、より多くの同一のアンテナ素子を有して順次回転アレイを形成することができる。
図9は、本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナ900を示す立体図である。図9に示されるように、円偏波アンテナ900は、順次回転アレイを形成するように配置される4つのアンテナ素子910、920、930、および940を含む。1つの実施形態では、アンテナ素子910、920、930、および940は、0、90、180、および270度に等しい入力信号位相をそれぞれ有する。各アンテナ素子910、920、930、および940は、図3Aおよび3Bに示されるように2つのチューニングスタブとキャビティ構造370を含む。また、それらのそれぞれは、先細り形状を有する給電素子を有する。
図10は、本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナ900の軸比(AR)を示す図である。垂直軸は軸比(単位:dB)を表し、水平軸は動作周波数(単位:GHz)を表す。4つのアンテナ素子を有する円偏波アンテナ900は、励起されてアレイ(array)周波数帯域FB3を形成する。本実施形態では、アレイ周波数帯域FB3は、およそ55GHz〜70GHzであり、円偏波アンテナ900の軸比は、周波数帯域FB3内で5dBより小さい。注意するのは、アレイ周波数帯域FB3は、異なる素子のサイズに応じて調整されることができることである。
本発明の接地面は、異なる形状の孔を有し、1つ以上のチューニングスタブを有する。これらは以下のように説明される。
図11Aは、本発明の実施形態に基づく接地面1110を示す図である。図11Aに示されるように、接地面1110は、円形の孔を有する。接地面1110の孔の縁辺に電気的に接続される3つのチューニングスタブがある。
図11Bは、本発明の実施形態に基づく接地面1120を示す図である。図11Bに示されるように、接地面1120は、長方形の孔を有する。接地面1120の孔の縁辺に電気的に接続される2つのチューニングスタブがある。
図11Cは、本発明の実施形態に基づく接地面1130を示す図である。図11Cに示されるように、接地面1130は、長方形の孔を有する。接地面1130の孔の縁辺に電気的に接続される3つのチューニングスタブがある。
図11Dは、本発明の実施形態に基づく接地面1140を示す図である。図11Dに示されるように、接地面1140は、長方形の孔を有する。接地面1140の孔の縁辺に電気的に接続される2つのチューニングスタブがある。注意することは、接地面1140の孔は、図11Bと比較し、角度によって回転されることである。
図11Eは、本発明の実施形態に基づく接地面1150を示す図である。図11Eに示されるように、接地面1150は、正八角形の孔を有する。接地面1150の孔の縁辺に電気的に接続される2つのチューニングスタブがある。
図11Fは、本発明の実施形態に基づく接地面1160を示す図である。図11Fに示されるように、接地面1160は、楕円形の孔を有する。接地面1160の孔の縁辺に電気的に接続される2つのチューニングスタブがある。
図11Gは、本発明の実施形態に基づく接地面1170を示す図である。図11Gに示されるように、接地面1170は、長方形の孔を有する。接地面1170の孔の縁辺に電気的に接続される2つのチューニングスタブがある。注意することは、接地面1170の孔は、図11Fと比較し、角度によって回転されることである。
本発明の円偏波アンテナは、高いアンテナ利得および広域の周波数帯域を提供する。それらは、高速通信用の各種のモバイルデバイスに用いられることができる。
明細書における「第1の」、「第2の」、「第3の」等の序数詞の使用は、それ自体が優先度、序列、又は順序を示唆するものではなく、むしろ、単に2つ以上の特徴、要素、項目等を区別するための識別表示として使用している。クレーム要素を変えるための、請求項における「第1の」、「第2の」、「第3の」等の序数詞の使用は、それ自体が、1つのクレーム要素を他のクレーム要素と比較して優先度、序列、又は順序、もしくは方法を実施する行為の時間的順序を示唆するものではなく、むしろ、単にクレーム要素を区別するために、特定の名前を有する1つのクレーム要素を同じ名前を有する他の要素から区別するための識別表示として(だが、序数詞を)使用している。
この発明は、実施例の方法及び望ましい実施の形態によって記述されているが、本発明は、これらを限定するものではないことは理解される。逆に、設計上の種々の変更及び同様の配置をカバーするものである(当業者には明白なように)。よって、添付の請求の範囲は、最も広義な解釈が与えられ、全てのこのような変更及び同様の配置を含むべきである。
100、600、810、820、900…円偏波アンテナ
110…基板
120、110、1120、1130、1140、1150、1160、1170…接地面
125…孔
130…給電素子
140、635、650…チューニングスタブ
170、270、370、470…キャビティ構造
172…点線
190…信号源
275…媒体
372、410…キャビティ基板
374、420…キャビティ接地面
376、450…ビア
610、620、630、640、910、920、930、940…アンテナ素子

Claims (31)

  1. 第1面および第2面を有する基板、
    前記第1面上に配置された給電素子、
    前記第2面上に配置され、孔を有する接地面、
    前記第2面上に配置され、前記孔の縁辺に接続されたチューニングスタブ、および
    前記接地面に接続され、電磁波を反射するように構成されたキャビティ構造
    を備える円偏波アンテナ。
  2. 前記キャビティ構造は、前記孔をカバーするように構成された中空金属シェルである請求項1に記載の円偏波アンテナ。
  3. 前記キャビティ構造は、
    キャビティ基板、
    前記キャビティ基板の表面上に配置されたキャビティ接地面、および
    前記キャビティ基板を通過して形成され、前記孔を実質的に囲み、前記接地面と前記キャビティ接地面との間に接続された複数のビアを備える請求項1に記載の円偏波アンテナ。
  4. 前記複数のビアは、所定の距離の間隔で配置される請求項3に記載の円偏波アンテナ。
  5. 前記所定の距離は、0.6mmより小さい請求項4に記載の円偏波アンテナ。
  6. 前記給電素子、前記チューニングスタブ、および前記接地面の一部は、励起されて周波数帯域を形成する請求項1、2、3、4、および5のいずれか1つに記載の円偏波アンテナ。
  7. 前記周波数帯域は、およそ69GHz〜73GHzである請求項6に記載の円偏波アンテナ。
  8. 前記円偏波アンテナの軸比は、前記周波数帯域内で5dBより小さい請求項6に記載の円偏波アンテナ。
  9. 前記孔は、円形に形成されている請求項1、2、3、4、5、6、7および8のいずれか1つに記載の円偏波アンテナ。
  10. 前記給電素子は、実質的に直線状である請求項1、2、3、4、5、6、7、8および9のいずれか1つに記載の円偏波アンテナ。
  11. 前記チューニングスタブは、実質的に直線状である請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9および10のいずれか1つに記載の円偏波アンテナ。
  12. 第1面および第2面を有する基板、
    前記第1面上に配置された給電素子、
    前記第2面上に配置され、孔を有する接地面、
    前記第2面上に配置され、前記孔の縁辺に接続された第1チューニングスタブ、および
    前記第2面上に配置され、前記孔の縁辺に接続された第2チューニングスタブを有する第1アンテナ素子、を備える円偏波アンテナ。
  13. 前記第1アンテナ素子は、
    前記接地面に接続され、電磁波を反射するように構成されたキャビティ構造を更に有する請求項12に記載の円偏波アンテナ。
  14. 前記キャビティ構造は、前記孔をカバーするように構成された中空金属シェルである請求項13に記載の円偏波アンテナ。
  15. 前記キャビティ構造は、
    キャビティ基板、
    前記キャビティ基板の表面上に配置されたキャビティ接地面、および
    キャビティ基板を通過して形成され、前記孔を実質的に囲み、前記接地面と前記キャビティ接地面との間に接続された複数のビアを備える請求項13に記載の円偏波アンテナ。
  16. 前記複数のビアは、所定の距離の間隔で配置される請求項15に記載の円偏波アンテナ。
  17. 前記所定の距離は、0.6mmより小さい請求項16に記載の円偏波アンテナ。
  18. 前記給電素子、前記第1チューニングスタブ、第2チューニングスタブ、および前記接地面の一部は、励起されて周波数帯域を形成する請求項12、13、14、15、16および17のいずれか1つに記載の円偏波アンテナ。
  19. 前記周波数帯域は、およそ58GHz〜71GHzである請求項18に記載の円偏波アンテナ。
  20. 前記円偏波アンテナの軸比は、前記周波数帯域内で5dBより小さい請求項18に記載の円偏波アンテナ。
  21. 前記第1アンテナ素子と同一である第2アンテナ素子を更に備える請求項12、13、14、15、16、および17のいずれか1つに記載の円偏波アンテナ。
  22. 前記第1アンテナ素子および第2アンテナ素子は、順次回転アレイを形成するように配置される請求項21に記載の円偏波アンテナ。
  23. 前記第1アンテナ素子と同一の第3アンテナ素子、および
    前記第1アンテナ素子と同一の第4アンテナ素子を更に備える請求項21に記載の円偏波アンテナ。
  24. 前記第1アンテナ素子、前記第2アンテナ素子、前記第3アンテナ素子、および第4アンテナ素子は、順次回転アレイを形成するように配置される請求項23に記載の円偏波アンテナ。
  25. 前記順次回転アレイは励起されて、およそ55GHz〜70GHzのアレイ周波数帯域を形成する請求項24に記載の円偏波アンテナ。
  26. 円偏波アンテナの軸比は、前記アレイ周波数帯域内で5dBより小さい請求項25に記載の円偏波アンテナ。
  27. 前記第1チューニングスタブと前記第2チューニングスタブとの間の第1角度は、45度より小さい請求項12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25および26のいずれか1つに記載の円偏波アンテナ。
  28. 前記給電素子と、前記第1チューニングスタブと前記第2チューニングスタブのいずれか1つとの間の第2角度は、90度より小さい請求項12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26および27のいずれか1つに記載の円偏波アンテナ。
  29. 前記孔は、円形に形成されている請求項12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27および28のいずれか1つに記載の円偏波アンテナ。
  30. 前記給電素子は、実質的に直線状である請求項12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28および29のいずれか1つに記載の円偏波アンテナ。
  31. 前記第1チューニングスタブと前記第2チューニングスタブは、実質的に直線状である請求項12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28,29および30のいずれか1つに記載の円偏波アンテナ。
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