JP2014533450A - 超広帯域アンテナ - Google Patents

Abstract

所与の周波数帯域内の電波を送受信することを目的とするアンテナは、反射体の平面に平行な平面内に配置される放射デバイスを構成する、平坦な反射体に置かれる少なくとも１つの放射素子と、放射素子に給電する少なくとも１つの導電線と、放射デバイスの平面に平行な平面に属し、体積形状をもたらす第３の次元を伴う二次元の底を含む、放射素子の上方に配置される少なくとも１つの寄生素子とを含む。

Description

相互参照
本出願は、２０１０年９月２２日に出願された仏国特許出願第１１，５８，４５９号に基づいており、それの開示が、全体としてそれを参照することによりこれによって組み込まれ、それの優先権が、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９の下でこれによって主張される。

本発明は、非常に広い周波数帯域内で動作するアンテナに関する。

基地局アンテナは現在、ＧＳＭからＤＣＳ／ＰＣＳおよびＵＭＴＳに及ぶ周波数領域をカバーする応用のために設計される。しかしながら、現在、７００ＭＨｚおよび２６００ＭＨｚ周波数のためのＬＴＥ（「ロング・ターム・エボリューション」を表す）のように、多くのサービスが現れつつある。顧客の要求は、それに応じて既存のサービスからだけでなく市場に来る新たなサービスからも利益を得るために変わりつつある。さらに今日、製造コストおよび視覚公害を基地局アンテナの設計に完全に組み入れなければならない。顧客の要求を満たすために、すべての動作周波数をカバーし、ＯＥＭおよび通信事業者が最小限の視覚公害および基地局システムに対する最小限の制限ですべてのサービスにアクセスすることを可能にするアンテナが求められている。７００ＭＨｚから９６０ＭＨｚおよび／または１７１０ＭＨｚから２７００ＭＨｚの領域をカバーする周波数帯域を使用するそのようなアンテナは、「超広帯域アンテナ」と呼ばれる。

超広帯域アンテナに関する主な制限は、例えば１７１０ＭＨｚから２７００ＭＨｚの領域をカバーするための帯域幅の値である。アンテナの帯域幅Δｆは、関係Δｆ＝（ｆｍａｘ−ｆｍｉｎ）／／ｆ_０によって定義され、式中ｆｍａｘは、アンテナの最大動作周波数であり、ｆｍｉｎは、アンテナの最小動作周波数であり、ｆ_０は、中心動作周波数である。帯域幅Δｆは典型的には、３０％から５０％に、例えば２ＧＨｚの中心周波数ｆ_０について６００ＭＨｚから１０００ＭＨｚに及ぶこともある。しかしながら、帯域幅の値は、満たすべきただ１つの制限ではない。

むしろ、基地局システムへのその影響を制限するためには、アンテナは、使用される周波数帯域に応じてそのＲＦ無線周波数性能で著しい安定性を有していなければならない。典型的には、アンテナに注入される電力についての分配係数である［Ｓ］パラメータ（「散乱パラメータ」を表す）、および放射パターンは、可能な限り最も低い周波数帯域変動を有するべきである。このことは、基地局アンテナ製造業者にとって解決することが非常に困難なことが判明している技術的問題である。

［Ｓ］パラメータおよび放射性能の安定性を確実にするために、基地局アンテナ製造業者によって現在提案されている解決策は、側壁を含む平坦な反射体、放物面反射体など、特別に設計された形状を持つ反射体を伴う広帯域放射素子を使用することである。最も一般に使用される放射素子は、重ね合わせたダイポールまたは平坦な放射素子（「パッチ」と呼ばれる）である。この種の放射素子を特別に成形された反射体とともに使用することで、インピーダンスおよび放射性能の観点から広帯域仕様を満たすことが可能になる。しかしながら、この解決策は、［Ｓ］パラメータおよび放射性能に関する制限を示し、超広帯域応用には使用できない。

本発明の目的は、特に帯域幅が大きな幅を有するときに、ＲＦアンテナの全体的性能の安定性を改善する解決策を提案することである。

本発明の特定の目的は、従来技術のアンテナについて観察されているよりもはるかに高い、３ｄＢの安定なビーム幅を得ることを可能にする超広帯域アンテナを提案することである。

本発明の対象は、所与の周波数帯域内の電波を送受信することを目的とするアンテナであって、
− 反射体の平面に平行な平面内に配置される放射デバイスを構成する、平坦な反射体に置かれる少なくとも１つの放射素子と、
− 放射素子に給電する少なくとも１つの導電線と、
− 放射素子の上方に配置される少なくとも１つの導電性寄生素子とを含む、アンテナである。

寄生素子は、放射デバイスの平面に平行な平面に属し、体積形状（ｖｏｌｕｍｉｃ ｓｈａｐｅ）をもたらす第３の次元を伴う二次元の底を含む。

ここで、用語寄生素子は、放射デバイスの上方に配置され、放射デバイスを通じて直接的にも間接的にも給電されない導電性素子を指す。それはしばしば、用語「導波器」によって示される。ダイポールの上方に三次元（３Ｄ）寄生素子を追加することで、周波数帯域を拡張し、全帯域幅にわたって放射性能の安定性を維持することが可能になる。

第１の実施形態によれば、寄生素子は、正方形の底および切頂ピークを持つ角錐台のように成形される。

第２の実施形態によれば、寄生素子は、３０°から６０°の間に含まれる角度をなし、それらの先端で接続される角錐台セクタを形成する４つの三次元翼から成り、４つの翼は、正方形の底および切頂ピークを画定する。

第３の実施形態によれば、寄生素子は、おおよそ切落し直角三角形の形状をそれぞれ有し、直角に交わる４つの翼から形成され、十字状の底が、直角三角形の長辺によって画定され、ピークが、切落し角部によって画定される。

一実装形態によれば、底の辺長は、約０．２λｍｉｎであり、ただしλ_ｍｉｎは、周波数帯域の最低周波数の波長である。

別の実装形態によれば、ピークの辺の長さは、約０．２λｍａｘであり、ただしλ_ｍａｘは、周波数帯域の最高周波数の波長である。

第４の実施形態によれば、寄生素子は、円柱によって支持される丸みを帯びた円錐体のように成形される。

一実装形態によれば、円形の底の直径は、約０．２λｍｉｎであり、ただしλ_ｍｉｎは、周波数帯域の最低周波数の波長である。

一態様によれば、寄生素子の全高は、０．０５λ_０から０．２５λ_０の間に含まれ、ただしλ_０は、中心動作周波数での波長である。

別の態様によれば、寄生素子の底の平面を放射デバイスの平面から分離する距離は、約０．２λ０であり、ただしλ_０は、周波数帯域の中心周波数の波長である。

本発明は、全周波数帯域にわたるビーム安定性、拡張された帯域幅、および改善された全体的放射性能の利点を有し、特に３ｄＢビーム幅ならびに０°および±６０°での交差偏波を有する。

本発明の他の特徴および利点は、限定されない例としてかつ添付の図面で自然に与えられる一実施形態の次の説明を読むことで明らかになろう。

第１の実施形態の第１の変形による超広帯域アンテナを例示する図である。 図１のアンテナの場合の周波数帯域に基づく電流の分布を例示する図である。 周波数ｆの関数として電圧定在波比ＲＯＳを例示する図である。 周波数ｆの関数として、−３ｄＢに等しい水平面でのビームの幅Ｗの変動を例示する図である。 第１の実施形態の第２の変形によるアンテナを例示する図である。 第１の実施形態の第３の変形によるアンテナを例示する図である。 第２の実施形態によるアンテナを例示する図である。 第３の実施形態によるアンテナを例示する図である。

これらの図のそれぞれで同一の要素は、同じ参照番号を有する。

本発明の第１の実施形態による、放射素子２を含むアンテナ１は、図１ａおよび図１ｂで例示される。図１ａは、アンテナ１の斜視図であり、図１ｂは、平面がどのように重ね合わされるかを示す概略的横断面図である。

放射素子２は、一直線に並べられ、平坦であり側壁を備える反射体３によって支持される。放射素子２は、単一ダイポールを９０°回転させることによってそれを複製することによって得られる、２つの直交する交差偏波半波長ダイポール４ａ、４ｂを含む。ダイポール４ａ、４ｂは、２つの直交する平面５ａ、５ｂで構成される基板５に印刷される。基板５は、ガラスおよび会社「ＴＡＣＯＮＩＣ」からの製品コード「ＴＬＸ−−０８」を持つテフロン平板などの、高誘電率ε_ｒ（１＜εｒ＜５）を持つ材料でできている。ダイポール４ａ、４ｂのそれらのそれぞれのスロットでの交差部は、基板５の直交する平面５ａ、５ｂの交差部と一致する。基板５の両側に印刷される「ストリップライン」型の各ダイポール４ａ、４ｂは、ベース７によって支持される２つの共線的導電性アーム６を含む。ダイポール４ａ、４ｂのアーム６は、図１ｂで概略的に示されるように反射体３の平面Ｐ’に平行な平面Ｐ内に配置される放射デバイスを構成する。アーム６およびベース７は、誘電体基板５の直交する平面５ａ、５ｂの１つの同じ側に印刷される。アーム６は、反射体３の平面に平行な方向に延びる。ダイポール４ａ、４ｂは、誘電体基板５の直交する平面５ａ、５ｂの１つの反対側に印刷され、ここでは図示されないバランに接続される導電線８によって給電される。

寄生素子９、または導波器は、図１ｂで示されるようにダイポール４ａ、４ｂのアーム６に平行に放射素子２の上方に置かれる。寄生素子９は、導電性であり、例えば金属でできている。寄生素子９は、底およびそれに密度特性を与える第３の次元を含む。底は、両偏波に関連付けられた二次元であり、図１ｂで概略的に示されるようにダイポール４ａ、４ｂのアーム６によって構成される放射デバイスの平面Ｐに平行な平面’’Ｐ’’内に含まれる。第１の変形では、寄生素子９は、角錐台形状を有する。

図２ａおよび図２ｂは、周波数に基づいて当該の角錐体の部分を示す周波数帯域に基づく電流の分布を例示する。周波数帯域のより低い周波数端では、電流の分布は、図２ａで示される。放射素子２および角錐状寄生素子９で構成されるアセンブリは、無線周波数の観点からは、あたかも寄生素子９が、電流の大部分が位置する角錐体の正方形の底２０によって表される二次元表面に変形されるかのように振る舞う。底２０は、ダイポール４ａ、４ｂのアーム６によって表される放射デバイスの平面Ｐに平行な平面Ｐ’’に位置する。周波数帯域のもう一方のより高い周波数端では、電流の分布は、図２ｂで示される。放射素子２および角錐状寄生素子９で構成されるアセンブリはまた、あたかも寄生素子９が二次元表面に変形されるかのようにも振る舞うが、しかしこの場合その表面は、角錐体の切頂ピーク２１である。切頂ピーク２１は、ここではダイポール４ａ、４ｂのアーム６によって構成される放射デバイスの平面Ｐに平行な平面Ｐ’’’内に含まれる。角錐台形状は、インピーダンスおよび放射の観点から改善された広帯域性能を得るためにこれらの２つの表面を接続することを可能にする。切頂ピーク２１は、ダイポール４ａ、４ｂのアーム６によって表される放射デバイスの平面Ｐに平行な平面Ｐ’’’内に位置する。

寄生素子９のサイズは、アンテナの動作のために求められる周波数帯域によって決定される。正方形の底２０の寸法は、当該の周波数帯域の最低周波数ｆｍｉｎに直接依存する。角錐状寄生素子９の切頂ピーク２１は、周波数帯域の最高周波数ｆｍａｘに依存する。しかしながら、たとえ切頂ピーク２１が、周波数帯域の底部近くで低い無線妨害を有し、正方形の底２０の無線妨害が、周波数帯域の最上部近くで低くても、三次元（３Ｄ）寄生素子９の全体積は、アンテナ１の無線挙動およびその性能の達成に寄与することに留意されたい。この変形では、正方形の底２０の辺長は、約０．２λｍｉｎであり、ただしλ_ｍｉｎは、周波数帯域の最低周波数ｆｍｉｎの波長である。切頂ピーク２１の辺の長さは、約０．２λｍａｘであり、ただしλ_ｍａｘは、周波数帯域の最高周波数ｆｍａｘの波長である。角錐台状寄生素子９の高さＨは、０．０５λ_０から０．２５λ_０の間であり、ただしλ_０は、中心動作周波数ｆ_０での波長である。

放射デバイスの平面Ｐと寄生素子９の底２０の平面Ｐ’’との間の距離は、約０．２λ_０であり、ただしλ_０は、周波数帯域の中心周波数ｆ_０の波長である。

図３は、ｘ軸上のＧＨｚ単位での周波数νの関数として、ｙ軸上の電圧定在波比ＲＯＳ（または「ＶＳＷＲ」）を例示する。曲線３０および３１は、２つのポート＋４５°および−４５°それぞれについて、３Ｄ寄生素子を含む図１のアンテナで得られる。

放射素子を３Ｄ寄生素子と組み合わせることで、帯域幅範囲１．７〜２．７ＧＨｚ（周波数帯域の４５％）での応用について１．５未満の電圧定在波比ＲＯＳで動作する広帯域インピーダンスを得ることが可能になる。

図４は、ｘ軸上のＧＨｚ単位での周波数ｆの関数として、ｙ軸上の度単位で与えられる、−３ｄＢに等しい水平面でのビームの幅Ｗの変動の説明図である。曲線４０および４１は、３Ｄ体積寄生素子を含まないが、しかし例えば２Ｄ平坦寄生素子を含む従来技術のアンテナで得られる。平坦な寄生素子は、その２つの次元が、第３の次元よりもはるかに大きく、第３の次元が無視できるほどである、寄生素子であり、例えば基板に印刷された寄生素子である。曲線４０および４１は、２つのポート＋４５°および−４５°それぞれについて、かつゼロの傾きについて与えられる。曲線４２および４３は、２つのポート＋４５°および−４５°それぞれについて、かつゼロの傾きについて、３Ｄ体積寄生素子を含む図１のアンテナで得られる。

曲線４０および４２ならびに曲線４１および４３を比較すると、アンテナのビームの−３ｄＢ幅Ｗは、周波数帯域の最高周波数について２つのアンテナ間で非常に異なることが示される。３Ｄ体積寄生素子を含む図１のアンテナは、特に高い周波数の領域で、従来技術のアンテナについて観察されるよりもはるかに大きい安定ビーム幅を有する。０°および±６０での交差偏波の改善もまた、指摘されなければならない。

この第１の実施形態の第２の変形は、図５ａおよび図５ｂによって例示される。図５ａは、斜視図であり、図５ｂは、平面がどのように重なり合うかを示す概略的横断面図である。

放射素子５０は、上で述べたように基板５に印刷されたダイポール４を含む。ダイポール４のアーム６は、図５ｂで概略的に示されるように反射体３の平面Ｐ’に平行な平面Ｐ内に配置される放射デバイスを構成する。

寄生素子５１は、放射素子５０の上方に配置される。この第２の変形では、寄生素子５１は、円柱５３によって支持される丸みを帯びた円錐体５２のように成形された三次元体積である。円柱５３の円形の底は、図５ｂで示されるようにダイポール４のアーム６によって形成される放射デバイスの平面Ｐに平行な平面Ｐ’’に位置する。円形の底の直径は、約０．２λｍｉｎであり、ただしλ_ｍｉｎは、最低周波数ｆｍｉｎの波長である。丸みを帯びた円錐体をかぶせた円柱を意味する、寄生素子５１の全高Ｈは、０．０５λ_０から０．２５λ_０の間であり、ただしλ_０は、中心動作周波数ｆ_０での波長である。

図６ａおよび図６ｂは、この第１の実施形態の第３の変形を例示する。図６ａは、斜視図であり、図６ｂは、平面がどのように重なり合うかを示す概略的横断面図である。

放射素子６０は、上で述べたように基板５に印刷されたダイポール４を含む。ダイポール４のアーム６は、図６ｂで概略的に示されるように反射体３の平面Ｐ’に平行な平面Ｐ内に配置される放射デバイスを構成する。

寄生素子６１は、放射素子６０の上方に配置される。この第３の変形では、三次元寄生素子６１は、おおよそ切落し直角三角形のようにそれぞれ成形され、直角に交わる４つの翼６２から形成される。直角三角形の長辺によって画定される寄生素子６１の十字状の底は、ダイポール４のアーム６によって形成される放射デバイスの平面Ｐに平行である平面Ｐ’’内に位置する。直角三角形の切落し角部によって画定されるピーク６３は、ここではダイポール４のアーム６によって形成される放射デバイスの平面Ｐに平行な平面Ｐ’’’内に含まれる。直角三角形の長辺の長さは、約０．１λｍｉｎであり、ただしλ_ｍｉｎは、周波数帯域の最低周波数ｆｍｉｎの波長である。十字状の底の全体的な表面は、約０．２λｍｉｎ×０．２λｍｉｎである。寄生素子６１の高さＨは、０．０５λ_０から０．２５λ_０の間であり、ただしλ_０は、中心動作周波数ｆ_０での波長である。

第２の実施形態は、図７ａおよび図７ｂによって例示される。図７ａは、斜視図であり、図７ｂは、平面がどのように重なり合うかを示す概略的横断面図である。

放射素子７０は、側部トラップ７２を備えた反射体７１にパッチ・アンテナ７３を含み、そのアンテナは、その放射デバイスが誘電体層によって導電性平面から分離された導電性表面である平坦なアンテナである。誘電体基板７４に印刷されたパッチ・アンテナ７３は、パッチ・アンテナ７３のための接地平面７７としての機能を果たす導電性取り付け台に組み込まれた交差スロット７６を通って給電線７５と電磁結合することによって給電される。マイクロストリップ型の給電線７５は、誘電体媒質７８に印刷され、交差スロット７６の下方に置かれる。パッチ・アンテナ７３は、図７ｂで概略的に示されるように反射体７１の平面Ｐ’に平行な平面Ｐ内に配置される平坦な放射デバイスを構成する。誘電体基板７４によって支持されるパッチ・アンテナ７３は、交差スロット７６にできるだけ近くに配置されてもよくまたは誘電体スペーサ、例えばプラスチック円柱を用いて交差スロット７６から分離されてもよい。

図１ａでのものに似た、正方形の底８０を持つ角錐台のように成形された寄生素子７９は、パッチ・アンテナ７３の上方に配置される。図７ｂで概略的に示されるように、底８０は、パッチ・アンテナ７３によって構成される放射デバイスの平面Ｐに平行な平面Ｐ’’内に含まれ、切頂ピーク８１は、ここではパッチ・アンテナ７３によって構成される放射デバイスの平面Ｐに平行な平面Ｐ’’’内に含まれる。この変形では、正方形の底８０の辺長は、約０．２λｍｉｎであり、ただしλ_ｍｉｎは、周波数帯域の最低周波数ｆｍｉｎの波長である。切頂ピーク８１の辺の長さは、約０．２λｍａｘであり、ただしλ_ｍａｘは、周波数帯域の最高周波数ｆｍａｘの波長である。角錐台状寄生素子９の高さＨは、０．０５λ_０から０．２５λ_０の間であり、ただしλ_０は、中心動作周波数ｆ_０での波長である。

次に、第３の実施形態を例示する図８ａおよび図８ｂを考えてみる。図８ａは、斜視図であり、図８ｂは、平面がどのように重なり合うかを示す概略的横断面図である。

「バタフライ」型の放射素子９０は、反射体９１に固定され、直交する交差偏波±４５°を持つ２つのダイポール９２、９３でできている。各ダイポール９２、９３は、ベース９４の一部によって支持される２つのアーム９２ａ、９２ｂおよび９３ａ、９３ｂをそれぞれ含む。アーム９２ａ、９２ｂおよび９３ａ、９３ｂのそれぞれは、Ｖ字を形成し、アーム９２ａ、９２ｂおよび９３ａ、９３ｂは、Ｖ字の先端で交わる。ダイポール９２、９３のアーム９２ａ、９２ｂおよび９３ａ、９３ｂは、図８ｂで概略的に示されるように反射体９１の平面Ｐ’に平行な平面Ｐ内に配置される放射デバイスを構成する。

三次元寄生素子９５は、放射素子９０の上方に配置される。寄生素子９５は、４つの翼９６ａ、９６ｂ、９６ｃおよび９６ｄで三次元に構成される。翼９６ａ〜９６ｄは、３０°から６０°の間の角度を持ち、それらの先端で接続され、その底がダイポール９２、９３のアーム９２ａ、９２ｂ、９３ａ、９３ｂに平行な平面内に位置する、角錐台セクタを形成する。４つの翼９６ａ〜９６ｄは、その辺が約０．２λｍｉｎの長さである正方形の底を画定し、ただしλ_ｍｉｎは、周波数帯域の最低周波数ｆｍｉｎの波長である。翼９６ａ〜９６ｄの切頂端部は、その辺長が約０．２λｍａｘであるピークを画定し、ただしλ_ｍａｘは、周波数帯域の最高周波数ｆｍａｘの波長である。寄生素子９５の高さＨは、０．０５λ_０から０．２５λ_０の間であり、ただしλ_０は、中心動作周波数ｆ_０での波長である。

当然ながら、本発明は、述べられた実施形態に限定されず、むしろ本発明の趣旨から逸脱することなく当業者にとって利用しやすい多くの変形を受ける。特に、寄生素子の体積の形状を変更し、任意の種類の放射素子を使用することは、本発明の範囲から逸脱することなく可能である。

Claims (10)

1. 所与の周波数帯域内の電波を送受信することを目的とするアンテナであって、
   反射体の平面Ｐ’に平行な平面Ｐ内に配置される放射デバイスを構成する、平坦な前記反射体に置かれる少なくとも１つの放射素子と、
   前記放射素子に給電する少なくとも１つの導電線と、
   前記放射デバイスの前記平面Ｐに平行な平面Ｐ’’に属し、体積形状をもたらす第３の次元を伴う二次元の底を含む、前記放射素子の上方に配置される少なくとも１つの導電性寄生素子とを備える、アンテナ。
2. 前記寄生素子は、正方形の底および切頂ピークを持つ角錐台のように成形される、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記寄生素子は、３０°から６０°の間に含まれる角度をなし、それらの先端で接続される角錐台セクタを形成する４つの三次元翼から成り、前記４つの翼が、正方形の底および切頂ピークを画定する、請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記寄生素子は、おおよそ切落し直角三角形の形状をそれぞれ有し、直角に交わる４つの翼から形成され、十字状の底が、前記直角三角形の長辺によって画定され、ピークが、切落し角部によって画定される、請求項１に記載のアンテナ。
5. 前記底の辺長は、約０．２λｍｉｎであり、ただしλ_ｍｉｎは、前記周波数帯域の最低周波数の波長である、請求項２乃至４のいずれか１項に記載のアンテナ。
6. 前記ピークの辺の長さは、約０．２λｍａｘであり、ただしλ_ｍａｘは、前記周波数帯域の最高周波数の波長である、請求項２乃至４のいずれか１項に記載のアンテナ。
7. 前記寄生素子は、円柱によって支持される丸みを帯びた円錐体のように成形される、請求項１に記載のアンテナ。
8. 円形の底の直径は、約０．２λｍｉｎであり、ただしλ_ｍｉｎは、前記周波数帯域の最低周波数の波長である、請求項７に記載のアンテナ。
9. 前記寄生素子の全高は、０．０５λ_０から０．２５λ_０の間であり、ただしλ_０は、中心動作周波数の波長である、請求項２乃至４および請求項７のいずれか１項に記載のアンテナ。
10. 前記寄生素子の底の前記平面Ｐ’’を前記放射デバイスの前記平面Ｐから分離する距離は、約０．２λ_０であり、ただしλ_０は、前記周波数帯域の中心周波数での波長である、請求項１に記載のアンテナ。

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