JP2013511925A

JP2013511925A - 周転円構造及び等方性放射を有する平面通信アンテナ及び関連する方法

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Publication number: JP2013511925A
Application number: JP2012540123A
Authority: JP
Inventors: ユージーンパースチェ，フランシス
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 2009-11-23
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2013-04-04
Also published as: KR20120084793A; US8390516B2; WO2011063314A1; TWI408847B; EP2504885B1; KR101304854B1; CA2779878C; EP2504885A1; TW201201455A; CA2779878A1; US20110121822A1

Abstract

アンテナデバイスは、基板上に広がり、その中に少なくとも１つのギャップを有する導体を含み、外部リング部は、放射アンテナ素子を定め、少なくとも１つの内部リング部は、給電カプラを定め、外部リング部と直列に接続され、外部リング部内に広がる。結合給電素子は、少なくとも１つの内部リング部に隣接しており、給電構造は、外部リング部に給電するために、結合給電素子に接続される。複数の内部リング部は、複数の内部リング部のうち選択されたものに隣接する結合給電素子を備えてもよい。複数の内部リング部は、共通のサイズを有し、外部リング部内で対称的な間隔になってもよい。放射パターンは、アンテナの方向付けの必要性を除去するほど十分に等方性があり得る。周転円形状の放射素子は、複合アンテナ設計を提供する。

Description

本発明は、無線通信の分野に関し、特にアンテナ及び関連する方法に関する。

新たな設計及び製造技術は、電子部品を小さい大きさにし、多くの通信デバイス及びシステムを小型化している。不都合なことに、アンテナは、相対的にはサイズが減少しておらず、しばしば小さい通信デバイスで使用される大きい構成要素の１つになっている。通信用途において、アンテナサイズを減少させるだけでなく、十分な利得を有する拡張可能なサイズのアンテナを設計及び製造することも、ますます重要になっている。

現在のありふれた通信デバイスでは、多くの種類のパッチアンテナ、ロード・ホイップ（loaded whip）、銅スプリング（copper spring）（コイル及びパンケーキ）及びダイポールが様々な異なる方法で使用されている。しかし、これらのアンテナはしばしば大きく、特定の用途には非現実的である。発散する電流を有するアンテナはダイポールと呼ばれることがあるが、渦巻き型の電流（curling electronic current）を有するものはループになる可能性があり、ダイポール−ループのハイブリッドは、らせん及び渦巻きを有する可能性がある。ダイポールアンテナは細い線又は“１次元”の形状になる可能性があるが、ループアンテナは少なくとも２次元である。ループアンテナは、平面の要件に良く適合し得る。

当然に、アンテナは多くの幾何学的図形を想定する。ユークリッド幾何学は、古くから知られているように最適化に導くため、場合によってはアンテナに好ましい。例えば、線形のダイポールは、２つの点の間の最小距離を有する可能性があり、円形のループアンテナは、最小の状況で最大の囲まれた領域を有する可能性がある。このため、線形及び円形は、アンテナ導体の長さを最小化する可能性がある。しかし、簡単なユークリッドアンテナは、波長に対して小さい物理的サイズでの動作のような全てのニーズを満たすとは限らず、セルフローディング（self loading）アンテナ構造が必要になる可能性がある。サイクリック曲線がアンテナ及びアンテナアレイにとって有利なことがあるが、サイクリックアンテナは従来技術において一般的であるとは思えない。

簡単な平面アンテナ又はパッチアンテナが低コストで製造可能であり、移動通信分野のアンテナとして開発されている。平坦なアンテナ又は薄いアンテナは、例えば、所定のサイズに切断されたパッチ導体を、誘電体を通じて接地した伝導板上に配置することにより、構成される。この構造により、ほぼ平面のダイポールアンテナが比較的簡単な構造で実現可能になる。このようなアンテナは、プリント回路基板（PCB：printed circuit board）のような機器に容易に搭載可能になる。

陸上移動局のような多くの用途は、水平面に搭載されたときに垂直偏波を備えた薄い平面アンテナを必要とし得る。このようなアンテナは、場合によってはマイクロストリップ“パッチ”アンテナとして知られる平面モノポールでもよい。プリント回路の製造を含み、低い姿勢（profile）で搭載可能であり、高い利得及び効率を有するこれらのアンテナの利点は、多くの用途で選択されたアンテナにしている。しかし、典型的には、マイクロストリップパッチアンテナは、狭い周波数帯域のみで効率的である。マイクロストリップパッチアンテナは、マイクロストリップアンテナの帯域幅がアンテナの厚さに比例するため、波の拡張にとって悪い形状をしている。厚さをなくすことで、帯域幅はゼロにさえ近づく（例えば、Munson, page 7-8 “Antenna Engineering Handbook”, 2nd ed., H. Jasik ed.参照）。薄い平面形状では、ループアンテナは、マイクロストリップパッチより領域について大きい帯域幅を提供し得る。

多くの小さいアンテナの放射パターンの形状は、半波長ダイポールと同様に、環状又はcos²θばら形（rose）である。しかし、等方性放射パターンは、球形の形状のものになり、アンテナが向けられていない場合又は方向付けられていない場合に有利になり得る。十分な等方性放射を有する平面構造の小さいアンテナは、かなり有用になり得る。

装着式のアンテナは、約50ファラド/メートルの相対誘電率及び1mho/meterの伝導率を有し得る人肉の近くで動作することがある。これは、海水の特性にいくぶんか似ている。人肉は、絶縁されていないアンテナが皮膚に接触した場合に電流Iに対して損失があり、誘電加熱により近接電場Eに対して損失があり、渦電流の誘導により近接磁場Hに対して損失がある。例えば誘電加熱は高い周波数で顕著になり、渦電流の誘導は低い周波数で重要になり、絶縁は伝導された電流の損失を妨げる可能性があるため、装着式のアンテナの設計において、これらの効果を考慮することが重要になり得る。

アンテナ周波数の安定性も他の問題である。この理由は、ずれた同調（調整）は利得の減少を生じる可能性があるためである。小さいアンテナが、人体の近くにより影響を受けないことはほとんどない。１つの種類のみの近接場（E又はH）を変換するアンテナが有利になり得るが、このようなものは知られていないと思われる。

シールド装着式のアンテナは、損失を減少させるために、アンテナと人体との間に金属層を使用する。シールドは、人体の影響を減少させるが、シールド自体が影響を有する。伝導シールドは十分なサイズでなければならず、効率性及び帯域幅を減少させる可能性がある。シールド反射は、鏡の像反転に似ており、例えば、180度の位相ずれは信号の相殺を生じる可能性がある。可能である場合には、装着式のアンテナでシールド及び接地平面を回避することが好ましいことがある。

Lilly他による“Tunable Patch Antenna”という題の米国特許第6,501,427号は、基板上のMEMSスイッチのようなセグメント化されたパッチ及びリードを含むパッチアンテナを対象とする。この構造のセグメントは、アンテナを再構成するように切り替えられ、広い同調可能な帯域幅を提供することができる。しかし、瞬時の帯域幅は影響を受けない可能性がある。

Sampoによる“Microstrip antenna”という題の米国特許第7,126,538号は、接地した伝導板に配置された誘電性メンバを備えたマイクロストリップアンテナを対象とする。パッチアンテナ素子は、誘電性メンバに配置される。

Parscheによる“Broadband Planar Dipole Antenna Structure And Associated Methods”という題の米国特許第7,495,627号は、多項式の調整により増加した瞬時の利得帯域幅を備えた平面ダイポール円形マイクロストリップアンテナについて記載している。しかし、他のニーズ（例えば、垂直偏波ではなく水平偏波、又は無指向性放射ではなく等方性放射）には他のアンテナ種別が必要になる可能性がある。

周波数に関して柔軟性があり及び／又は拡張可能であり、適切な利得を提供し得る平面アンテナのニーズが存在する。このようなアンテナは、例えば医療及び生命情報の遠隔測定を提供するために、患者が装着可能な監視デバイスで使用されるのに望ましいことがある。また、製品を方向付ける必要性を回避する（例えば、電波検知タグ又はタンブリング衛星に有用になり得るようにアンテナを向ける必要性を回避する）のに十分に等方性のある放射パターンを有するアンテナのニーズも存在する。

従って、前述の背景技術を鑑みて、人体の近くに装着され得る安定した周波数及び十分な利得を備えた平面アンテナデバイスを提供することが、本発明の目的である。方向が合っていない通信デバイスにとって十分に等方性のあるアンテナを提供することが、更に他の目的である。

本発明による前記及び他の目的、特徴及び利点は、基板上に広がり、その中に少なくとも１つのギャップ（gap）を有する導体を含むアンテナデバイスにより提供される。外部リング部は、放射アンテナ素子を定め、少なくとも１つの内部リング部は、給電カプラ（feed coupler）を定め、外部リング部と直列に接続され、外部リング部内に広がる。結合給電素子は、少なくとも１つの内部リング部に隣接しており、給電構造は、外部リング部に給電するために、結合給電素子に接続される。

外部リング部は、第１の直径を有する円形を有してもよく、少なくとも１つの内部リング部は、第１の直径未満の第２の直径を有する円形を有してもよい。第２の直径は、第１の直径の３分の１未満でもよい。また、第１の直径は、アンテナデバイスの動作波長の３分の１未満でもよい。

少なくとも１つのギャップ及び給電カプラは、正反対になることが好ましい。複数の内部リング部は、複数の内部リング部のうち選択されたものに隣接する結合給電素子を備えてもよい。複数の内部リング部は、共通のサイズを有し、外部リング部内で対称的な間隔になってもよい。基板は誘電体でもよく、導体の反対側に接着層を更に含んでもよい。結合給電素子は、磁気カプラリングでもよい。給電構造は、プリント給電路、ツイストペア給電路又は同軸給電路でもよい。

本発明の態様は、柔軟な基板と、柔軟な基板上のセンサ回路と、センサ回路に結合されたバッテリと、センサ回路に結合されたアンテナとを含む電子センサを対象とする。アンテナデバイスは、基板上に広がり、その中に少なくとも１つのギャップ（gap）を有する導体を含む。導体は、放射アンテナ素子を定める外部リング部と、給電カプラ（feed coupler）を定め、外部リング部と直列に接続され、外部リング部内に広がる少なくとも１つの内部リング部とを含む。結合給電素子は、少なくとも１つの内部リング部に隣接しており、給電構造は、外部リング部に給電するために、センサ回路と結合給電素子との間に結合される。

方法の態様は、基板上に広がり、その中に少なくとも１つのギャップ（gap）を有する導体を提供し、外部リング部は、放射アンテナ素子を定め、少なくとも１つの内部リング部は、給電カプラ（feed coupler）を定め、外部リング部と直列に接続され、外部リング部内に広がることを含む、無線伝送デバイスを作ることを対象とする。この方法は、少なくとも１つの内部リング部に隣接して結合給電素子を配置し、外部リング部に給電するために、給電構造を結合給電素子に接続することを含む。

外部リング部は、第１の直径を有する円形を有するように形成されてもよく、少なくとも１つの内部リング部は、第１の直径未満の第２の直径を有する円形を有するように形成されてもよい。少なくとも１つのギャップ及び給電カプラは、正反対になるように形成されてもよい。また、導体を形成することは、複数の内部リング部を形成することを含み、結合給電素子が複数の内部リング部のうち選択されたものに隣接して配置されてもよい。

本発明のアンテナデバイスは、如何なるサイズ及び周波数にも拡張可能である。アンテナは、例えば人体に装着可能な患者監視デバイスにおいて低コストの柔軟な平面アンテナを必要とするもののように、多くの用途で使用され得る。アンテナデバイスは、人体から離れて使用されるときに、アンテナの方向付け又は方向合わせの必要性を回避するほど十分に等方性があり得る。

本発明の実施例によるアンテナデバイスの概略図本発明の他の実施例による複数の内部リングを含むアンテナデバイスの概略図本発明の他の実施例によるアンテナデバイスを含む電子センサの概略図自由空間放射パターン座標系を示すグラフ（図１のアンテナデバイスの場合） dBiでの全視野の実現利得のXY平面のパターン切断面（図１のアンテナデバイスの場合） dBiでの全視野の実現利得のYZ平面のパターン切断面（図１のアンテナデバイスの場合） dBiでの全視野の実現利得のXZ平面のパターン切断面（図１のアンテナデバイスの場合）本発明の図１の実施例の測定したVSWR応答のグラフ様々な導体サイズでの図１の実施例の実現利得のグラフ

本発明について添付図面を参照して以下に詳細に説明する。添付図面には、本発明の好ましい実施例が示されている。しかし、本発明は、多くの異なる形式に具現されてもよく、ここに示された実施例に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施例は、この開示が詳細且つ完全であり、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるために提供されている。同様の参照符号は同様の要素を示す。

まず図１を参照して、安定した周波数及び十分な利得を備えた平面アンテナデバイス10について説明する。このようなアンテナデバイスは、例えば人体の近くに装着される電子デバイス又はセンサに関して使用されてもよい。平面アンテナデバイス10は、柔軟性があってもよいが、必ずしもそうであるとは限らない。アンテナデバイス10は、基板14上に存在し、その中に少なくとも１つのギャップ（gap）16を有してもよい導体12を含む。基板14は、誘電体であり柔軟性があることが好ましい。ギャップ16は、アンテナデバイス10の同調（調整）機能として動作してもよい。このようなギャップ16は、整合の拡張（matching enhancement）のために導体内の電流分布を回転させてもよい。同調のために、任意選択で可変コンデンサ（図示せず）がギャップ16の間に接続されてもよい。

導体12は、放射アンテナ素子を定める外部リング部18と、外部リング部18と直列に接続され、外部リング部内に広がる給電カプラ（feed coupler）を定める少なくとも１つの内部リング部20とを含む。内部リング部20は、外部リング部18と直列のループとして考えられてもよいが、導体12の横断地点32のいずれにおいても電気接続が存在しないことが好ましい点に留意すべきである。結合給電素子22は、内部リング部20に隣接しており、伝送路24は、内部リング部20を通じた電磁結合又は磁気結合を介して外部リング部18に給電するために、結合給電素子22に接続されている。従って、結合給電素子22は、磁気カプラリングでもよい。結合給電素子22は、導体の横断地点32のいずれにおいても、内部リング部20又は外部リング部18への導電接続を行わない。

平面アンテナデバイス10は、例えば薄い絶縁線又はプリント配線板（PWB：printed wiring board）のような多くの方法で実現されてもよい。導体12が絶縁線である場合、内部リング部は、ループ、湾曲部（bight）又は緩い一つ結び（図示せず）として形成されてもよい。PWBの実施例では、当業者によく知られているように、バイアス（vias）が外部リング部18で内部リング部20の導体を交差してもよい。

図示のように、外部リング部18は、第１の直径A（例えば、約0.124λ又はアンテナデバイス10の動作波長λの３分の１未満）を有する円形を有してもよい。ギャップ16は、約0.0044λの長さBを有してもよく、内部リング部20は、第１の直径A未満の第２の直径C（例えば、0.022λ）を有する円形を有してもよい。例えば、第２の直径Cは、第１の直径Aの３分の１未満でもよい。また、ギャップ16及び給電カプラ内部リング部20は、正反対になることが好ましい。結合給電素子22は、直径D（例えば、約0.022λ）を有してもよい。従って、結合給電素子22は、内部リング部20と同じ直径でもよく、内部リング部20よりわずかに小さくてもよい。

基板14又は誘電体は、導体12の反対側に接着層26を更に含んでもよい。給電構造24は、プリント給電路、ツイストペア給電路若しくは同軸給電路、又は当業者に認識される他の適切な給電構造でもよい。

図１に示す単一の内部リング部の実施例の物理プロトタイプの性能の概要は、以下の表に含まれている。

背景技術として、単一同調の3dB利得帯域幅（1/kr³）Chuの制限は、0.124波長の直径の形状に囲まれたアンテナでは11.7%である。従って、本発明10は、Chuの単一同調の利得帯域幅の制限（“Physical Limitations of Omnidirectional Antennas”, L. J. Chu, Journal Of Applied Physics, Volume 19, December 1948, pp 1163 -1175）の約40%で動作し得る。Chuの制限によるアンテナは、当然に未知である可能性があり、本発明は、十分に等方性のある放射、製造の容易性、一体型のバラン（integral balun）、単一制御の同調等の利点を提供し得る。薄い直線の1/2波のダイポールは、Chuの単一同調の帯域幅の制限の約5%で動作し得る。

図４Ａ〜４Ｄは、自由空間放射パターン座標系（図４Ａ）において本発明を示すグラフであり、XY平面（図４Ｂ）、YZ平面（図４Ｃ）及びZX平面（図４Ｄ）における各基本平面放射パターン断面図において本発明を示すグラフである。プロットした量は、IEEE標準145-1993に記載の等方性放射対に関して、dBi又はデシベルの単位での全視野（total field）の実現利得である。IEEE標準145-1993の内容を援用する。ここで使用される実現利得は、不整合損失と物質的損失とを含む。有利には、放射パターンは、+-3.0dBiまでで等方性（球形）である。偏波は実質的に直線であり、アンテナ構成が水平面にあるときに、水平である。図４Ｂ〜４Ｄの放射パターンは、導体抵抗及び整合条件を考慮したモーメント解析コードの方法で取得されたものである。

本発明が（通信リンクの他方端で）円偏波アンテナと共に使用される場合、本発明は、ランダムに向けられたときに浅い変動（shallow fade）のみを受ける。これは、偏波の不整合損失が3dB（直線上の円形）でほぼ一定であり、前述のように、本発明の放射パターンが+/-3dBまでで等方性であるためである。従って、ページャ、電波検知デバイス又はタンブリング衛星のように、アンテナを向けることができない又は方向付けることができない場合、本発明は有用になり得る。本発明と共に円偏波アンテナを使用することは、ここでの方法として特に特定される。

図５は、本発明の図１の実施例の表１のプロトタイプの測定された電圧定在波比（VSWR：voltage standing wave ratio）応答を示している。測定された2〜1のVSWR帯域幅は3.3%であり、これは、送信目的に有用になり得る。6〜1のVSWR周波数は小さいアンテナの3dB利得帯域幅の周波数に対応し得るため、6〜1のVSWR動作は受信に関係してもよい。

図１のアンテナ10の動作理論について説明する。限定しないが、平面アンテナデバイス12の実施例の形状は、r=0.5+cosθを有するパスカルのリマソン（Limacon Of Pascal）として知られる周期的数学曲線であることが好ましい。パスカルのリマソンは、“CRC Standard Mathmatical Tables”, 25th edition, copyright 1978, page 308, case (1) a>bから得られ得る式の外トロコイド曲線（epitrochoid curve）の特定の場合である。この文献は、The Chemical Rubber Companyにより出版されており、この内容を援用する。

図１を参照して動作理論を続けると、外部リング部18は、無線周波数（RF：radio frequency）電流を渦巻きにする円形放射素子（例えば、ループアンテナ）である。線に沿った電流分布は実質的に正弦関数であり、ギャップ16で最小になり、内部リング部20で最大になる。遠方場放射パターンは、外部リング部18のみの電流分布のフーリエ変換に関係してもよい。この理由は、内部リング部20の放射抵抗R_rは、約2〜4ミリオームであり、（大きい）外部リング部18の放射抵抗は、約3〜６オームであるからである。放射抵抗値は近似値であり、導体の直径及びギャップ幅に依存するが、一般的には、（外部リングのR_r）>>（内部リングのR_r）である。主に図１の実施例では結合目的に構成されているが、内部リング部20は、外部リング部18にある程度の誘導負荷（30%の周波数の減少のために371MHzのプロトタイプでは約15ナノヘンリー）を提供する。このため、外部リング部18の固有共鳴は、直列に内部リング部20がなければ、約30%高くなる。外部リング部18及び内部リング部20の結合した放射抵抗に導体抵抗を加えたものは、同軸給電の方法によく考えられるように実質的に50オーム未満になる可能性があり、不連続での駆動は十分でない可能性がある点に留意すべきである。

図１を参照して動作理論を続けると、結合給電素子22は、伝送路からアンテナ構造の放射部分を駆動するために使用され、結合給電素子22は、アンテナ放射抵抗に損失抵抗を加えたものを50オーム又は所望の他の抵抗値に示す。内部リング部20及び結合給電素子22は、それぞれ１つの単巻きの変圧器巻き線に似ており、また、リンクカプラの半分を有してもよい。従って、インピーダンス変換比は疎結合又は密結合により設定され、図１／表１のプロトタイプでは、約10〜1のインピーダンス変換比の減少が実現される（5オームのアンテナから50オームの同軸）。

誘導同調及びリンク結合回路の設計式は、“Radio Engineers Handbook”, Fredrick E. Terman, McGraw-Hill Book Company, 1943, pp 153-162に記載されており、この文献をここで引用する。背景技術として、よく知られた変圧器の設計方法は、密結合の複数の巻き線の間の不均等な巻数比（N₁/N₂）≠1によりインピーダンス変換を実現することでもよい。しかし、本発明では、インピーダンス変換比は、不均等な巻き数を使用するのではなく、巻き数のサイズを変化させることにより設定される。内部リング部20と結合給電素子22との間の間隔の増加は、アンテナ駆動抵抗を減少させる。逆も同様に、間隔の減少は、アンテナ駆動抵抗を増加させる。結合給電素子22のサイズを減少させることは、得られるアンテナ駆動抵抗を減少させる。結合素子22がアンテナデバイス10から離れて配置された場合、簡単なインダクタになり、１つのプロトタイプでは、それ自体でZ=2+j80オームの複素インピーダンスを有する。後者が内部リング部20に配置された場合、アンテナインピーダンスはZ=55+j0.2オームになる。表１のプロトタイプは、3dBの利得帯域幅に基づいて約37の回路Qでの臨界結合で動作する。

動作理論を続けると、全体として本発明のアンテナ10の共振周波数は、結合回路で一般的なように、結合の増加でわずかに上にシフトする。このシフトは、設計周波数の約1/2〜2パーセントになる可能性があり、同調の際に補償され得る。製造時には、初めにはギャップ16は小さくされてもよく、初めにはアンテナ10は周波数で低くされてもよい。次に、アンテナ10は、ギャップ16の除去により正確に上に調整されてもよい（例えば、同調又は製造のトリミング）。しかし、本発明は、当然に、手動の周波数調整を必要とすることに限定されず、マイクロストリップパッチアンテナとは異なり、本発明は、PWB誘電変化に比較的に敏感ではない。この理由は、プリント伝送路が内部に必要ないからである。

図１の実施例の動作理論を続けると、内部リング部20及び結合給電素子22の双方は、カプラに加えて、絶縁変圧器の種別のバランを形成する。この理由は、内部リング部20と結合給電素子22との間の浮遊容量が取るに足らない又はほぼそのようになり得るからである。バランデバイスは、同軸給電ケーブルの外側の一般の電流を減少又は除去させてもよく、このことは、同軸ケーブルを偶然に放射させてもよい。バランの効果により本発明は、伝導電磁干渉（EMI：electromagnetic interference）の阻止の有利な特性も同様に有し得る。

図２に示す実施例を参照すると、アンテナデバイス100は、外部リング部118と、その中の関連するギャップ106とを備えた導体112を含む。アンテナデバイス100は、複数の内部リング部120を含む。結合給電素子122は、給電カプラ内部リング部121に隣接しており、給電構造124に接続されている。複数の内部リング部120は、共通のサイズを有してもよく、外部リング部118内で対称的な間隔になってもよい。図示のように、実施例は、８個の内部リング部120/121を含むが、その数は周波数及びアンテナサイズを独立して調整できる。

内部リング部120/121は、サイクロイド（cycloid）（正確には内トロコイド（hypotrochoid））の花びら（petal）と考えられてもよい。花びらは、ローディングインダクタ（loading inductor）及び／又は放射ループアンテナ素子の直列給電アレイを定める。給電カプラの内部リング部121は、結合給電素子122と共にバランチョーク（balun choke）を定めてもよい。

図２のアンテナ100（複数の内部リング部）は、主に電気的に小さいサイズの要件を対象としており、直径Eの好ましい範囲は、約0.125λ〜0.0625λでもよい。しかし、アンテナ100は、更に小さくされてもよい。本発明のサイクロイド形状は、内部リングの花びら120を形成するときに、導体132の交差をたどる。これは、内部リング120及び外部リング118の場の間で位相を反対にするのではなく、建設的にすることを確保するのに有利である。

図２の実施例は、最小のサイズで利得の交換により、サイズ及び周波数のほとんどの組み合わせで実現され得る。当業者に分かるように、電気的に小さいアンテナのアンテナ利得は、導体損失抵抗により影響を受け得る。導体損失抵抗は、十分に小さいサイズを有し、部屋の温度で金属導体を使用する全ての今日のアンテナにとって基本的な制限を有する。サイズの減少で上昇する放射抵抗を有し得るスロットアンテナですら、導体の近接効果の発現のため、損失抵抗の制限を受ける。本発明では、導体12の幅を約0.20C未満に保持することにより、スロット効果は回避され得る。このことは、最善の利得のためには、導体の直径12が内部結合リング120の直径Cの約２０分の１より大きくなるべきではないことを意味する。導体の近接効果は単巻きを通じて生じ得るため、薄い導体が好ましい。

図２の実施例は、更なるローディング効果（loading effect）のため、内部リング部120の内部に更なる内部リング部128を含んでもよい。例えば、本発明は、多くの繰り返しの周期的又は部分的な構造を形成してもよい。一般的に、外部リング部118の直径Eが小さいほど、多くの内部リング部120、128が構成されてもよい。内部リング部120、128の直径を変更すること又は次第に変化させることが想定され、複数の共振又は調和級数応答を調整するために使用されてもよい。プロトタイプでは、奇数の調波での共振が存在する。

図２の実施例の物理プロトタイプは、直径F=0.01λ_airの８個の内部リング部120を使用してE=0.033λ_airで共振する。内部リング部120は、互いに重複せず、それぞれ約25ナノヘンリーのローディングインダクタンス（loading inductance）を提供する。結合した全体のローディング効果は約4.8〜1の周波数の減少である。例えば、内部ローディングリング120がない場合、アンテナ100の共振周波数は583MHzである。図２のプロトタイプは、3.2インチの外部直径及び約-10dBiの実現利得を有して121.5MHzで動作する。線質係数（quality factor）Qは、22で測定され、これは、帯域幅及び他の検討事項に関係する。

図３を参照して、本発明の特徴に従ってアンテナデバイス202を含む電子センサ200について説明する。センサ200は、柔軟な基板214と、柔軟な基板上のセンサ回路230と、センサ回路に結合されたバッテリ232と、センサ回路に結合されたアンテナデバイス202とを含む。電子センサ200は、例えば人間の生命徴候等の医療遠隔測定のための、装着可能な患者監視デバイスを定めてもよい。

アンテナデバイス202は、基板212に広がり、その中に少なくとも１つのギャップ216を有する導体212を含む。導体212は、放射アンテナ素子を定める外部リング部218と、外部リング部218と直列に接続され、外部リング部内に広がる給電カプラを定める少なくとも１つの内部リング部220とを含む。結合給電素子222は、少なくとも１つの内部リング部220に隣接しており、給電構造224は、外部リング部218に給電するために、センサ回路230と結合給電素子222との間に結合される。

基板214は、例えば、背面に接着性226を有する医療用布地（medical grade cloth）又は柔軟な包袋でもよい。従って、電子センサ200は、患者の人体に装着され、生命徴候等のような患者の医療情報の無線遠隔測定を提供してもよい。センサ回路230は、心拍数、ECG、呼吸、体温、血圧等のような生命徴候を監視する様々なセンサを含んでもよい。これらは、コントローラ／プロセッサで処理され、無線送信機を介して送信される。当業者に分かるように、無線ネットワーク及びデータ管理システムは、このような電子センサ200の使用に関連してもよい。

装着された用途では、本発明のアンテナデバイス202の放射近傍磁場は、人体の誘電加熱が最小化され得るため、アンテナ効率にとって有益になり得る。これは、UHF（300-3000MHz）以上の周波数で重要になることがある。アンテナ202は、典型的なマイクロストリップパッチアンテナの方法とは異なり、アンテナ202と患者の人体との間にシールド又は接地面なしに動作可能である。例えば包袋では、アンテナデバイス202は、有利には、患者の快適さのために薄い線になってもよく、柔軟な基板214は通気性があってもよい。例えば、2441MHzでは、アンテナデバイス202は、直径で約0.6インチでもよく、結び付け、結び目又は折り合わせによる#50 AWGマグネット銅線で作られてもよい。

図６は、様々な銅線サイズ及び周波数について、本発明の図１の実施例（唯一の内部リング部20を使用する）の自由空間の実現利得を示している。図６の例では、外部リング部18及び内部リング部20は、同じ線の寸法である。図６から分かるように、本発明は、繊細な導体で作られた場合に、有用な放射効率を提供し得る。背景技術として、番号50のAWG（American Wire Gauge）ワイヤは、直径25ミクロンであり、人間の髪の毛は、直径約100ミクロンである。当然に、本発明は、線の構成に限定されず、プリント配線基板、スタンプ金属、導電性インク、配管又は他の構成が使用されてもよい。

本発明の図１の実施例では、5〜1以上の広い同調可能な帯域幅は、ギャップ16の間に可変コンデンサ（図示せず）を含めることにより、低いVSWRで実現される。結合給電素子22に対する内部リング部20の変圧動作は、実際に広帯域であるため、可変コンデンサが、必要となる唯一の同調の調整になる。例えば、単一制御の同調が実現される。ギャップ16での静電容量を増加させることは、周波数を減少させ、同調シフトは、共振式F=1/2π√LC（ただし、Lはアンテナ10のインダクタンスである）から生じるように、静電容量の変化のほぼ平方根になる。バラクタダイオード（varactor diode）が電子同調を提供してもよく、ツイスト線コンデンサがギャップ16で同様に形成されてもよい。

図１を参照すると、方法の態様は、基板14上に広がり、少なくとも１つのギャップ16を有する導体12を形成することを含む、アンテナデバイス10を作ることを対象とする。導体12は、放射アンテナ素子を定める外部リング部16と、給電カプラを定め、外部リング部と直列に接続され、外部リング部内に広がる少なくとも１つの内部リング部とを含む。この方法は、少なくとも１つの内部リング部20に隣接して結合給電素子22を配置し、外部リング部に給電するために、給電構造24を結合給電素子に接続することを含む。

外部リング部118は、第１の直径Aを有する円形を有するように形成されてもよく、少なくとも１つの内部リング部は、第１の直径未満の第２の直径Cを有する円形を有するように形成されてもよい。ギャップ16及び給電カプラ20は、正反対になるように形成されてもよい。図２を更に参照すると、導体112を形成することは、複数の内部リング部120/121を形成することを含み、結合給電素子122は、給電カプラとして動作するために、複数の内部リング部のうち選択されたもの（121）に隣接して配置されてもよい。

配線構成により、本発明は軽量アンテナ、隠しアンテナ又は軍事通信アンテナとして特に有用になる。背景技術として、多くのツイスト線伝送路は、十分なねじりで50オームの特性のインピーダンスを提供する。

本発明は、小さく、水平偏波であり、無指向性のパターン有効範囲を有するため、88〜108MHzでの米国のFM放送受信に適している。

テストにより、本発明のアンテナデバイス10が優れたGPS受信を提供することが明らかになっている。すなわち、ランダムな方向の電波検知デバイスを有する追跡タグで使用された場合、GPS（Global Positioning System）ナビゲーション衛星の可用性が高くなる。従来の円偏波マイクロストリップパッチアンテナとは異なり、本発明は、機械的に逆になったときに、交差の意味で（cross sense）（LHCP上のRHCP）偏波不整合損失による深い変動を受けない。背景技術として、GPS衛星は、実際には直接に地上局の上までほとんど時間を費やさない低い地球軌道（LEO：low earth orbit）の種別であり、正確に言えば、可視時間は水平線の近くで最大になる。従って、本発明の十分に等方性のある放射パターンは、従来技術のマイクロストリップパッチ又はヤギ−ウダ・ターンスタイルアンテナのように、高い利得を備えた方向の定められていないアンテナで有利になり得る。

この実施例のアンテナデバイスは、インピーダンス整合カプラ、バラン及びローディングインダクタを含み、周転円形状（epicyclic geometric）の曲線から複合アンテナ設計を提供する。アンテナサイズ及び周波数は、独立して拡大縮小されてもよく、前述の装着可能な患者監視デバイスのように、低コストの柔軟な平面アンテナを必要とする如何なる用途で使用されてもよい。他の用途は、RFID、GPS、携帯電話及び／又は他の無線パーソナル通信デバイスを含むが、これらに限定されない。

Claims

基板と、
前記基板上に広がり、その中に少なくとも１つのギャップを有する導体であり、放射アンテナ素子を定める外部リング部と、給電カプラを定め、前記外部リング部と直列に接続され、前記外部リング部内に広がる少なくとも１つの内部リング部とを含む導体と、
前記少なくとも１つの内部リング部に隣接した結合給電素子と、
前記外部リング部に給電するために、前記結合給電素子に接続された給電構造と
を有するアンテナデバイス。
前記外部リング部は、第１の直径を有する円形を有し、
前記少なくとも１つの内部リング部は、前記第１の直径未満の第２の直径を有する円形を有する、請求項１に記載のアンテナデバイス。
前記第１の直径は、前記アンテナデバイスの動作波長の３分の１未満である、請求項２に記載のアンテナデバイス。
前記少なくとも１つのギャップ及び前記給電カプラは、正反対になる、請求項１に記載のアンテナデバイス。
前記少なくとも１つの内部リング部は、複数の内部リング部を有し、
前記結合給電素子は、前記複数の内部リング部のうち選択されたものに隣接する、請求項１に記載のアンテナデバイス。
無線伝送デバイスを作る方法であって、
基板上に広がり、その中に少なくとも１つのギャップを有する導体を提供するステップであり、前記導体は、放射アンテナ素子を定める外部リング部と、給電カプラを定め、前記外部リング部と直列に接続され、前記外部リング部内に広がる少なくとも１つの内部リング部とを含むステップと、
前記少なくとも１つの内部リング部に隣接して結合給電素子を配置するステップと、
前記外部リング部に給電するために、給電構造を前記結合給電素子に接続するステップと
を有する方法。
前記外部リング部は、第１の直径を有する円形を有するように形成され、
前記少なくとも１つの内部リング部は、前記第１の直径未満の第２の直径を有する円形を有するように形成される、請求項６に記載の方法。
前記少なくとも１つのギャップ及び前記給電カプラは、正反対になるように形成される、請求項６に記載の方法。
前記導体を形成することは、複数の内部リング部を形成することを含み、
前記結合給電素子が前記複数の内部リング部のうち選択されたものに隣接して配置される、請求項６に記載の方法。
前記複数の内部リング部は、共通のサイズを有し、前記外部リング部内で対称的な間隔になるように形成される、請求項９に記載の方法。