JP2013527669A - 複数の平面導電素子を有し、その内の1つがスロットを備えるアンテナ - Google Patents

複数の平面導電素子を有し、その内の1つがスロットを備えるアンテナ Download PDF

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Abstract

【課題】
【解決手段】アンテナは、i)対向する第1の側及び第2の側と、ii)導電性ビアと、を有する誘電材料を含む。第1の平面導電素子は、誘電材料の第1の側にあって、i)少なくとも1つの閉鎖スロットと、ii)導電性ビアへの電気的接続部と、を有する。第2の平面導電素子は、誘電材料の第1の側にある。第1及び第2の平面導電素子はそれぞれ、第1の平面導電素子を第2の平面導電素子から電気的に絶縁する間隙に隣接させて配置されている。マイクロストリップ送電線は前記誘電材料の第2の側にあり、導電性ビアに電気的に接続すると共に、導電性ビアから間隙を通って、第2の平面導電素子の下へと延在する経路を有する。第2の平面導電素子はマイクロストリップ送電線に対する基準面を提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は、複数の平面導電素子を有し、その内の1つがスロットを備えるアンテナに関する。
ダイポールアンテナは、高周波を送受信するのに有用なアンテナである。しかし、ダイポールアンテナは1つの周波数帯域でのみ動作するため、複数の帯域で動作するアンテナが必要となる場合がある。例えば、複数の帯域で動作するアンテナは、ワイマックス(WiMax:マイクロ波アクセスのための世界規模の相互運用)、超広帯域無線(UWB)、ワイヤレス・フィデリティ(Wi−Fi)、ジグビー(ZigBee)、及びロング・ターム・エボリューション(LTE)で必要となることが多い。
一実施形態では、アンテナは、i)対向する第1の側及び第2の側と、ii)導電性ビアと、を有する誘電材料を含む。第1の平面導電素子は、前記誘電材料の前記第1の側にあって、i)少なくとも1つの閉鎖スロットと、ii)前記導電性ビアへの電気的接続部と、iii)第1の中心周波数を中心とする第1の周波数範囲にわたって共鳴させることができる外形的特徴と、を有する。第2の平面導電素子もまた、前記誘電材料の前記第1の側にある。前記第1及び第2の平面導電素子はそれぞれ、前記第1の平面導電素子を前記第2の平面導電素子から電気的に絶縁する間隙に隣接させて配置されている。前記第2の平面導電素子は第2の中心周波数を中心とする第2の周波数範囲にわたって共鳴させることができる外形的特徴を有する。マイクロストリップ送電線は前記誘電材料の前記第2の側にある。前記マイクロストリップ送電線は、前記導電性ビアに電気的に接続すると共に、前記導電性ビアから前記間隙を通って、前記第2の平面導電素子の下へと延在する経路を有する。前記第2の平面導電素子は前記マイクロストリップ送電線に対する基準面を提供する。
別の実施形態では、アンテナは、i)対向する第1の側及び第2の側と、ii)導電性ビアとを有する誘電材料を含む。第1の平面導電素子は前記誘電材料の前記第1の側にある。前記第1の平面導電素子は、i)少なくとも1つの閉鎖スロットと、ii)前記導電性ビアへの電気的接続部と、を有する。第2の平面導電素子は前記誘電材料の第1の側にある。前記第1及び第2の平面導電素子の各々は、前記第1の平面導電素子を前記第2の平面導電素子から電気的に絶縁する間隙に隣接させて配置されている。マイクロストリップ送電線は前記誘電材料の第2の側にある。前記マイクロストリップ送電線は、前記導電性ビアに電気的に接続すると共に、前記導電性ビアから前記間隙を通って、前記第2の平面導電素子の下へと延在する経路を有する。前記第2の平面導電素子は前記マイクロストリップ送電線に対する基準面を提供する。
他の実施形態も同様に開示する。
発明を例示する実施形態を図面に示す。
第1及び第2の平面導電素子を有し、これら平面導電素子の内の一方がスロットを備えると共にマイクロストリップ送電線に電気的に接続した、アンテナの第1の例示的な実施形態を示す図である。 第1及び第2の平面導電素子を有し、これら平面導電素子の内の一方がスロットを備えると共にマイクロストリップ送電線に電気的に接続した、アンテナの第1の例示的な実施形態を示す図である。 第1及び第2の平面導電素子を有し、これら平面導電素子の内の一方がスロットを備えると共にマイクロストリップ送電線に電気的に接続した、アンテナの第1の例示的な実施形態を示す図である。 図1から図3に示すアンテナに電気的に接続し得る例示的な同軸ケーブルの一部を示す。 図1から図3に示すアンテナに図4に示す同軸ケーブルを接続する一例を示す。 図1から図3に示すアンテナに図4に示す同軸ケーブルを接続する一例を示す。 図1から図3に示すアンテナに図4に示す同軸ケーブルを接続する一例を示す。 第1及び第2の平面導電素子を有し、これら平面導電素子の内の一方がスロットを備えると共にマイクロストリップ送電線に電気的に接続した、アンテナの第2の例示的な実施形態を示す図である。 第1及び第2の平面導電素子を有し、これら平面導電素子の内の一方がスロットを備えると共にマイクロストリップ送電線に電気的に接続した、アンテナの第2の例示的な実施形態を示す図である。
図中、別の図面に同一の(又は同様の)要素が存在する場合、それらには同じ参照番号を付して示す。
図1から図3は、アンテナ100の第1の例示的な実施形態を示す。アンテナ100は、第1の側104と第2の側106(図3参照)を有する誘電材料102を含む。第2の側106は第1の側104に対向する。一例として、誘電材料102はFR4、プラスチック、ガラス、セラミック、又はシリカ若しくは炭化水素を含有するもの等の複合材料で製造し得る(又はこれらを含み得る)。誘電材料102の厚さは多様でよいが、一部の実施形態では0.060インチ(1.524mm)に等しい(又は略等しい)厚さとする。
第1の平面導電素子108及び第2の平面導電素子110(図1)は、誘電材料102の第1の側104に配置されている。第1の平面導電素子108は、一対のスロット112、114を有する。第1スロット114のスロット外周116は矩形である。第2スロット112のスロット外周118は、4つより多いエッジを有する(そして、複数の矩形のスロット片が重なり合うことによって画定されるスロットと考えることができる)。第1及び第2の平面導電素子108、110の各々は、第1の平面導電素子108を第2の平面導電素子110から電気的に絶縁する間隙120に隣接させて配置されている。一例として、第1及び第2の導電素子108、110の各々は金属製であり、銅、アルミニウム、又は金から製造し得る(又はこれらを含み得る)。一部の例では、第1及び第2の導電素子108、110は、例えばプリント基板の構成技術を用いて、誘電材料102上に印刷又はその他の方法で形成し得る。あるいは、例えば接着剤を用いて第1及び第2の導電素子108、110を誘電材料102に接着してもよい。
マイクロストリップ送電線122(図2)は、誘電材料102の第2の側106に配置されている。一例として、マイクロストリップ送電線122は、例えばプリント基板の構成技術を用いて誘電材料102上に印刷又はその他の方法で形成し得る。あるいは、例えば接着剤を用いてマイクロストリップ送電線を誘電材料102に接着してもよい。
誘電材料102は複数の導電性ビア(ビア124、126等)を有し、導電性ビア124、126の各々は、接続位置128において他の導電性ビアと近接配置されている。第1の平面導電素子108とマイクロストリップ送電線122はそれぞれ、複数の導電性ビア124、126と接続し、それによって相互に電気的に接続する。一例として、第1の平面導電素子110は、複数の導電性ビア124、126に直接電気的に接続するが、マイクロストリップ送電線122は、マイクロストリップ送電線122を複数の導電性ビア124、126と接続する矩形の導電性パッド130によって、複数の導電性ビア124、126に電気的に接続する。
図2に最も良く示されているように、マイクロストリップ送電線122は、複数の導電性ビア124、126から間隙120を通って(すなわち、間隙120を横切って)第2の平面導電素子110の下へ延在する経路を有する。このようにして、第2の平面導電素子110はマイクロストリップ送電線122に対する基準面を提供する。
第1の平面導電素子108は、第1の中心周波数を中心とする第1の周波数範囲にわたって共鳴できるような外形的特徴を有する。第2の平面導電素子110は、第2の中心周波数を中心とする第2の周波数範囲にわたって共鳴できるような外形的特徴を有する。第2の周波数範囲内の少なくとも一部の周波数は、第1の周波数範囲内の少なくとも一部の周波数とは異なる。これによって、動作中、第1及び第2の平面導電素子108、110は、異なる周波数の信号を受信できると共に、受信した信号に応答してマイクロストリップ送電線122に電圧を印加することができる(受信モード)。同様に、マイクロストリップ送電線122に接続された無線機は、無線機が送信モードで動作する1つ又は複数の周波数に応じて、第1の平面導電素子108、第2の平面導電素子110、又はこれら両方に電圧を印加し得る。
図1及び図2に示すように、第2の平面導電素子110はホール132を有する。誘電材料102はホール134を有する。一例として、ホール132、134は同心で丸いものとして示している。第2の平面導電素子110におけるホール132は誘電材料102におけるホール134より大きいので、誘電材料102の第1の側104は、誘電材料102のホール134に隣接した領域が露出している。
図4は、図5から図7に示すようにアンテナ100に取り付け得る例示的な同軸ケーブル400の一部を示す。同軸ケーブル400(図4)は、中心導体402、導電性シース404、及び誘電体406を有し、該誘電体406は中心導体402を導電性シース404から分離する。同軸ケーブル400はまた、外部誘電性ジャケット408を含んでいてもよい。中心導体402の一部分410は、導電性シース404及び誘電体406から延出している。同軸ケーブル400をアンテナ100の第1の側104に隣接させ、ホール132、134から中心導体402の一部分410を挿入することにより、同軸ケーブル400をアンテナ100に電気的に接続する(図5及び図7参照)。その後、例えば、マイクロストリップ送電線122に中心導体402の一部分410をはんだ付けする、ろう付けする、又は導電的に接着することによって、中心導体402をマイクロストリップ送電線122に電気的に接続する(図6及び図7参照)。同軸ケーブル400の導電性シース404は、第2の平面導電素子110に(例えば上記と同様に導電性シース404を第2の平面導電素子110にはんだ付け、ろう付け、又は導電的接着することにより(図5及び図7参照))電気的に接続される。誘電材料102のホール134に隣接した誘電材料102の露出した環状部分は、同軸ケーブル400の中心導体402が同軸ケーブル400の導電性シールド404に短絡することを防止するという点で有用である。一部の実施形態では、同軸ケーブル400は50オーム(Ω)の同軸ケーブルとしてもよい。
アンテナ100は、第1の平面導電素子112から第2の平面導電素子114まで延在する長さLを有する。長さLは間隙120を横断する。アンテナ100はこの長さに垂直な幅Wを有する。同軸ケーブル400は、アンテナ100の幅に平行な経路を取る。同軸ケーブル400は、その導電性シース404を第2の平面導電素子110に電気的に接続することによって、又はその中心導体402をマイクロストリップ送電線122に電気的に接続することによって、経路に沿って付勢される。
図1から図3、及び図5から図7に示すアンテナでは、マイクロストリップ送電線122の経路は、第2の平面導電素子114の下で方向を変える。より詳細には、マイクロストリップ送電線122の経路は、アンテナ100の長さに平行に間隙120を横断し、その後方向を変えて、アンテナ100の幅に平行に延在する。マイクロストリップ送電線122は概ね、複数の導電性ビア124、126から誘電材料102のホール134に隣接する終端点136まで延在し得る。
前述のように、第1の平面導電素子108は第1の中心周波数を中心とする第1の周波数範囲にわたって共鳴できるような外形的特徴を有する。第1の周波数範囲の中心周波数と帯域幅は、第1の平面導電素子108の外周140及びスロット112、114の外周116、118のいずれか一方(またはその両方)のサイズと形状を調整することによって設定することができる。第1の平面導電素子108の外周140と、そのスロット112、114の外周116、118は、複数の直線エッジを有するように図示しているが、これらエッジの一部又は全てを代替的に曲線としてもよく、あるいは、外周140、116、118の1つ以上を連続した曲線形状としてもよい。第1の周波数範囲の中心周波数と帯域幅はまた、スロット112、114の相対的な位置及び関係、又はこれらスロットの第1の平面導電素子108に対する位置及び関係を調整することによって、設定することもできる。
さらに、前述のように、第2の平面導電素子110は、第2の中心周波数を中心とする第2の周波数範囲にわたって共鳴できるような外形的特徴を有する。第2の周波数範囲の中心周波数と帯域幅は、第2の平面導電素子110の外周142のサイズと形状を調整することによって設定することができる。第2の平面導電素子110の外周142は、複数の直線エッジを有するように示しているが、これらエッジの一部又は全てを代替的に曲線としてもよく、あるいは、第2の平面導電素子110の外周142を連続した曲線形状としてもよい。図1及び図5に示すように、第2の平面導電素子110の一部分144を角状としてもよい。
図1から図3、及び図5から図7に示すアンテナ100の利点は、アンテナ100が複数の周波数帯で動作すること、そしてアジマス方向に全方位性があり、小型で高利得であることである。一例として、図1から図3、及び図5から図7に示すアンテナ100は、約7ミリメートル(7mm)の幅と約38mmの長さを有する形状因子で構成したものである。このような形状因子で、図1から図3、及び図5から図7に示すように構成した第1の平面導電素子108と第2の平面導電素子110を用いると、第1の平面導電素子108は、約3.3ギガヘルツ(GHz)から3.8GHzの第1の周波数範囲で共鳴するよう構成され、第2の平面導電素子110は、約2.3GHzから2.7GHzの第2の周波数範囲で共鳴するよう構成された。従って、かかるアンテナは、一般に使用されている2.3GHz、2.5GHz、及び3.5GHzの中心周波数、又はこれら中心周波数付近で共鳴するWiMAX又はLTEアンテナとして動作することができる。
図1から図3、及び図5から図7に示すアンテナ100は、種々の目的で多様に変更可能である。例えば、第1の平面導電素子108の外周140と第2の平面導電素子110の外周142は、例えば図1、図2、図5、及び図6に示す形状よりエッジの数が多い又は少ない、エッジが直線若しくは曲線である、又は外周が連続した曲線である等、代替的な形状をとり得る。第1の平面導電素子108のスロット112、114の外周116、118もまた、図1、図2、図5、及び図6に示すものよりエッジの数が多い又は少ない、エッジが直線若しくは曲線である、又は外周が連続した曲線である等、代替的な形状をとり得る。一部の実施形態では、平面導電素子108、110のいずれか一方又は両方の形状、平面導電素子108、110の一部の形状、又は含まれるスロット112、114の形状は、1つ以上の矩形の導電片又はスロット片を相互接続することによって画定してもよい。一部の実施形態では、第1の平面導電素子108のスロットの数をより多く又はより少なくするよう変更してもよい。他の(又は同じ)実施形態において、第2の平面導電素子110のスロットの数を1つ以上とするよう変更してもよい。
図1から図6に示すアンテナ100では、第1及び第2の平面導電素子108及び110がそれらの外形的特徴により、重複しない周波数範囲において共鳴できるようにされている。しかし一部の実施形態では、第1及び第2の導電素子が重複する周波数範囲において共鳴するようなサイズ及び形状とすることもできる。
一部の実施形態では、第2の平面導電素子110及び誘電材料102におけるホール132、134は、図1、図2、図5、及び図6に示すようなサイズ設定、位置決め、及び心合わせを行い得る。他の実施形態では、ホール132、134のサイズ設定、位置決め、又は心合わせを異なるように行ってもよい。本明細書中で定義するように「心合わせされた」ホールは、少なくとも部分的に重なり合うホールなので、心合わせしたホールを通して物体を挿入することが可能である。図1では、誘電材料102の第1の側104の、誘電材料102のホール134に隣接した部分が露出するようサイズ設定及び心合わせをしたホール132、134を示しているが、誘電材料102の第1の側104の、ホール134に隣接した部分を露出させる必要はない。
一部の実施形態では、図1、図2、図5、及び図6に示す複数の導電性ビア124、126の数をより多く又はより少なくしてもよい。一部の例では、複数の導電性ビア124、126が1つのみの導電性ビアからなる場合もある。接続位置128に設ける導電性ビア124、126の数に関わらず、矩形の導電性パッド130の代わりに、別の形状を有する導電性パッドを用いてもよい。あるいは、1つ以上の導電性ビア124、126をマイクロストリップ送電線122に直接(すなわち、パッド130を用いずに)電気的に接続させてもよい。
図1、図2、図5、及び図6において、一例として、第1の平面導電素子108と第2の平面導電素子110との間の間隙120は、均一な幅を有する矩形として示している。
本明細書に記載するように構成したアンテナの動作帯域は、連続していても非連続でもよい。一部の例では、それぞれの動作帯域は、標準的な動作帯域の一部若しくは全てをカバーしていてもよく、又は標準的な動作帯域を複数カバーしていてもよい。しかし、動作帯域の範囲を広げることは、場合によっては動作帯域の利得を小さくするおそれがあることに留意されたい。
図8及び図9は、図1から図3、及び図5から図7に示すアンテナ100の変形800を示しており、第2の平面導電素子802及び誘電材料804におけるホールと、ホールを貫通する同軸ケーブルが取り除かれている。マイクロストリップ送電線122を延長する、又は別の送電線(例えば別のマイクロストリップ送電線)を接続することで、マイクロストリップ送電線122を無線機806に電気的に接続させている。第2の平面導電素子804は、無線機806と共有するシステム又は局所接地等の地電位に接続してもよい。
場合によっては、無線機806をアンテナ800と同じ誘電材料804上に搭載してもよい。追加の導電性ビア又は他の電気的接続要素の使用を避けるために、無線機806を、誘電材料804の第2の側808(すなわち、誘電材料804のマイクロストリップ送電線122と同じ側)に搭載してもよい。無線機806は集積回路を含み得る。

Claims (21)

  1. i)対向する第1の側及び第2の側と、ii)導電性ビアと、を有する誘電材料と、
    前記誘電材料の前記第1の側にあって、i)少なくとも1つの閉鎖スロットと、ii)前記導電性ビアへの電気的接続部と、iii)第1の中心周波数を中心とする第1の周波数範囲にわたって共鳴させることができる外形的特徴と、を有する第1の平面導電素子と、
    前記誘電材料の前記第1の側にある第2の平面導電素子であって、前記第1及び第2の平面導電素子をそれぞれ、前記第1の平面導電素子を前記第2の平面導電素子から電気的に絶縁する間隙に隣接させて配置し、前記第2の平面導電素子は第2の中心周波数を中心とする第2の周波数範囲にわたって共鳴させることができる外形的特徴を有する、前記第2の平面導電素子と、
    前記誘電材料の前記第2の側にあるマイクロストリップ送電線であって、前記導電性ビアに電気的に接続すると共に、前記導電性ビアから前記間隙を通って、前記第2の平面導電素子の下へと延在する経路を有する、前記マイクロストリップ送電線と、を含み、前記第2の平面導電素子が前記マイクロストリップ送電線に対する基準面を提供する、アンテナ。
  2. 前記誘電材料がFR4を含む、請求項1に記載のアンテナ。
  3. 前記第2の平面導電素子がホールを有し、前記誘電材料がホールを有し、前記第2の平面導電素子におけるホールと前記誘電材料におけるホールを心合わせした、請求項1に記載のアンテナ。
  4. 前記第2の平面導電素子におけるホールを、前記誘電材料におけるホールよりも大きくすることによって、前記誘電材料におけるホールに隣接する前記誘電材料の前記第1の側が露出した、請求項3に記載のアンテナ。
  5. 中心導体と、導電性シースと、前記中心導体を前記導電性シースから分離する誘電体とを有する同軸ケーブルをさらに含み、前記中心導体が、前記第2の平面導電素子におけるホールと前記誘電材料におけるホールを通って延出し、前記中心導体が、前記マイクロストリップ送電線に電気的に接続し、前記導電性シースが前記第2の平面導電素子に電気的に接続する、請求項3に記載のアンテナ。
  6. 前記アンテナが、前記第1の平面導電素子から前記第2の平面導電素子まで延在する長さを有し、前記長さは前記間隙を横断し、
    前記アンテナが前記長さに垂直な幅を有し、
    前記同軸ケーブルが、前記アンテナの前記幅に平行な経路を取り、前記同軸ケーブルが、前記導電性シースを前記第2の平面導電素子に電気的に接続することによって、前記経路に沿って付勢される、請求項5に記載のアンテナ。
  7. 前記マイクロストリップ送電線の前記経路が、前記第2の平面導電素子の下で方向を変える、請求項1に記載のアンテナ。
  8. 前記アンテナが、前記第1の平面導電素子から前記第2の平面導電素子まで延在する長さを有し、前記長さは前記間隙を横断し、
    前記アンテナが、前記長さに垂直な幅を有し、
    前記マイクロストリップ送電線の前記経路が、前記長さに平行に前記間隙を横断し、その後方向を変えて前記幅に平行に延在する、請求項1に記載のアンテナ。
  9. 前記第1の平面導電素子と前記第2の平面導電素子が金属製である、請求項1に記載のアンテナ。
  10. 前記少なくとも1つの閉鎖スロットが、少なくとも2つの閉鎖スロットを含む、請求項1に記載のアンテナ。
  11. 前記少なくとも1つの閉鎖スロットが、スロット外周を有する閉鎖スロットを含み、前記スロット外周は4つより多いエッジを有する、請求項1に記載のアンテナ。
  12. 前記第2の平面導電素子が、エッジの数が4つより多い外周を有する、請求項1に記載のアンテナ。
  13. 前記第2の平面導電素子の一部が角状の形状を有する、請求項1に記載のアンテナ。
  14. 前記誘電材料が複数の導電性ビアを有し、前記導電性ビアが1つであり、前記複数の導電性ビアの各々は、接続位置において他の導電性ビアと近接配置され、
    前記マイクロストリップ送電線及び前記第1の平面導電素子の各々が、前記複数の導電性ビアの各々と電気的に接続された、請求項1に記載のアンテナ。
  15. 前記誘電材料上に無線機をさらに含み、前記マイクロストリップ送電線が前記無線機に電気的に接続された、請求項1に記載のアンテナ。
  16. 前記無線機が前記誘電材料の前記第2の側にある、請求項15に記載のアンテナ。
  17. 前記無線機が集積回路を含む、請求項15に記載のアンテナ。
  18. 前記第1の周波数範囲と前記第2の周波数範囲が重複しない、請求項1に記載のアンテナ。
  19. 前記第1の周波数範囲と前記第2の周波数範囲が重複する、請求項1に記載のアンテナ。
  20. i)対向する第1の側及び第2の側と、ii)導電性ビアとを有する誘電材料と、
    前記誘電材料の前記第1の側にあって、i)少なくとも1つの閉鎖スロットと、ii)前記導電性ビアへの電気的接続部と、を有する第1の平面導電素子と、
    前記誘電材料の第1の側にある第2の平面導電素子であって、前記第1及び第2の平面導電素子をそれぞれ、前記第1の平面導電素子を前記第2の平面導電素子から電気的に絶縁する間隙に隣接させて配置する、前記第2の平面導電素子と、
    前記誘電材料の第2の側にあるマイクロストリップ送電線であって、前記導電性ビアに電気的に接続すると共に、前記導電性ビアから前記間隙を通って、前記第2の平面導電素子の下へと延在する経路を有する、前記マイクロストリップ送電線、とを含み、前記第2の平面導電素子が前記マイクロストリップ送電線に対する基準面を提供する、アンテナ。
  21. 前記誘電材料上に無線機をさらに含み、前記マイクロストリップ送電線が前記無線機に電気的に接続された、請求項20に記載のアンテナ。
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