JP2018508141A - キャビティ付スロットアンテナ - Google Patents

Abstract

内部容積を規定する少なくとも２つの内部容積規定壁と、キャビティを横切って内部容積規定壁に対向して配置され、内部容積の少なくとも一部が外壁の外側にあるように少なくとも２つのさらなる壁により作り出される外面が配置されるように、内部容積へと突き出る少なくとも２つのさらなる壁とを備えるキャビティ付スロットアンテナ。少なくとも２つの内部容積規定壁は、共振スロットを備える。

Description

本明細書に記載される実施形態は、一般にアンテナに関し、特にキャビティ付スロットアンテナに関する。

従来では、スロットは、キャビティ付スロットを形成するために、矩形または円筒形の金属キャビティの１つまたは複数の面上にエッチングされる。複数の半波長スロットが、立方体状キャビティの複数の面に個別にエッチングされ、キャビティを使用して作り出され得る放射パターンを再構成するために、活性化または非活性化される配置構成が知られている。別の場合では、複数波長程度の長さを有するスロットが、キャビティによって生成される放射パターンを再構成するために、立方体の複数の面にエッチングされる。

以下では、図面を参照して実施形態を説明する。
図１は、角のある浅いキャビティが付いている３Ｄスロットの実施形態を示す。 図２は、股関節ステムの縁部に配置された３Ｄキャビティ付スロットの実施形態を示す。 図３は、人体模型の内側に配置された実施形態に従うアンテナのシミュレーションを示す。 図４は、実施形態に従うアンテナについて、シミュレーションされたｄＢ単位の入力反射損｜ｓ１１｜対ＧＨｚ単位の周波数を示す。 図５は、レドームのないプロトタイプアンテナを示す。

実施形態によれば、共振スロットを備える浅い（shallow）非平面キャビティアンテナが提供される。非平面とは、好ましくは、キャビティが（基礎構造（underlying structure）に対して）共形（conformal）であることを意味する。好ましくは、別の構造に接することになるキャビティ形成壁は、すなわち、共振スロットをもたない壁の一部または全部は、共形である。

スロットは、少なくとも２つの平面に延在し得る。

キャビティは、２つの入れ子にされた凸壁（nested convex walls）により形成され得、スロットは、キャビティの凸状外壁を形成する少なくとも２つの壁のうちの１つの壁にわたって延在する。

２つの入れ子にされた凸壁の各々は、２つまたは３つの平面壁から形成され得る。

実施形態によれば、内部容積を規定する少なくとも２つの内部容積規定壁と、キャビティを横切って（across）内部容積規定壁に対向して配置され、内部容積の少なくとも一部が外壁の外側にあるように少なくとも２つのさらなる壁により作り出される外面が配置されるように、内部容積へと突き出る少なくとも２つのさらなる壁とを備えるキャビティ付スロットアンテナ（cavity backed slot antenna）が提供される。少なくとも２つの内部容積規定壁は、共振スロットを備える。

少なくとも２つの内部容積規定壁は、凸状配置構成（convex arrangement）を形成し得、少なくとも２つのさらなる壁は、凸状配置構成内に入れ子にされる凹状配置構成（concave arrangement）を形成し得る。

実施形態によれば、キャビティの少なくとも２つの面にわたって延在する共振スロットを備える浅いキャビティアンテナが提供される。

共振スロットは、半波長スロットであり得る。

スロットは、その片側または両側から延在する１つまたは複数の閉端スロット（closed ended slots）を有する細長い部分を備え得る。

スロットは、第１の周波数における第１のスロット共振と第２の周波数における第２のスロット共振とを備え得、第１の周波数と第２の周波数とは異なる。

第１の周波数および第２の周波数は、２つの周波数間のアンテナの入力反射損が−１０ｄＢを超えないように、重なる帯域幅を有し得る。

アンテナは、インプラント（implant）などの基礎構造の角または縁部を収容する（accommodate）ように成形され得る。

実施形態によれば、上記アンテナのいずれかを備える、人または動物の体の中で使用するためのインプラントが提供される。

実施形態によれば、３Ｄプリンタによる使用のための情報を記憶する非一時的データ記憶デバイスが提供され、情報は、３Ｄプリンタにより使用されると、３Ｄプリンタに、上記アンテナのいずれかを印刷させる。

情報は、アンテナの幾何形状を規定し得る。

情報は、３Ｄプリンタによる実行のためのコマンドを備え得、前記コマンドは、実行されると、３Ｄプリンタにアンテナを印刷させる。

実施形態によれば、キャビティ付スロットアンテナを形成する方法であって、少なくとも２つの内部容積規定壁を設けることにより内部容積を規定することと、キャビティを横切ってそれぞれの内部容積規定壁に対向して配置され、内部容積の少なくとも一部が外壁の外側にあるように少なくとも２つのさらなる壁により作り出される外面が配置されるように、内部容積へと突き出る少なくとも２つのさらなる壁を内部容積内に設けることと、共振スロットを備える少なくとも２つの内部容積規定壁に共振スロットを設けることとを備える方法が提供される。

図１は、実施形態のキャビティ１００を示す。キャビティ１００は、３つの導電壁１１０、１２０、および１３０からなる。３つの壁は、互いに導電的に接続される。３つのさらなる導電壁が設けられる。これらの３つのさらなる壁はそれぞれ、距離１４０で壁１１０、１２０、および１３０に対して平行に延在する。この距離１４０は、図１において、壁１３０に平行な壁についてのみ示されるが、壁１１０および１２０に平行な壁は、このように、壁１１０および１２０から等しく離間される。これらの壁のすべては、それらそれぞれの隣接するものに導電的に接続され、壁は、離間距離１４０のすべてにわたって互いに隣接する。この実施形態では、壁１１０、１２０、および１３０はすべて、それらに平行に延在する壁から同じ距離１４０だけ離間されるが、このことは本質的でなく、その代わりに、平行な壁のそれぞれの組間の間隔は異なる壁の対で異なってもよいことが了解されるであろう。

図１に示されるアンテナ１００は、壁間の導電性相互接続によってキャビティを形成するが、立方体状キャビティを形成しないことが了解されるであろう。実施形態の浅いキャビティ１００の壁１１０、１２０、および１３０は、それらが立方体状キャビティの部分を形成する場合にそうであるのと同様に、内部空間を規定するが、この内部空間の少なくとも一部は、キャビティの外側のままとなる。これは、壁１１０、１２０、および１３０に平行に配置される壁が、壁１１０、１２０、および１３０によって形成される角へと内部に突き出る角を形成するためである。壁１１０、１２０、および１３０によって規定される内部空間は、したがって、キャビティ１００の構成要素によって、すなわち、壁１１０、１２０、および１３０に平行に延在する壁によって、ならびに、壁のすべての間の／壁を支持する任意の誘電体材料によって部分的にだけ占有される。キャビティは、したがって、共形に作られ得、既存の構造の上に、たとえばキャビティが空間の小さい量だけを占有するように既存の構造の縁部上に配置され得る。本明細書に記載されるタイプのキャビティアンテナは、したがって、空間の利用可能度が制限される環境中で使用するための小型化の点で、利点をもたらす。キャビティの形状は、さらに、共振スロットにより生成される場が電気的に結合し得る基礎構造から共振スロットを分離するための材料のためのある空間を可能にする。本開示中の浅いキャビティを参照すると、キャビティの中心共振周波数の波長の１／１０より短い、対向するキャビティ壁間の間隔１５０を有するキャビティへの参照がなされる。キャビティのすべての内寸は、キャビティによりサポートされる任意の共振モードが、スロットの共振周波数より高い周波数を有するようなものである。したがって、キャビティがサポートすることができ得る任意の共振は、スロットの共振挙動と干渉せず、スロットによりサポートされる共振周波数の励起によって励起されないことになる。

キャビティ１００は、さらに、図１において、スロット＃１およびスロット＃２とマーキングされた２つの共振（半波長）スロットを備える。これらのスロットは、既知の方法で側壁１１０、１２０、および１３０上に設けられ、たとえば、それらを導電側壁へとエッチングすることにより形成され得る。これらのスロットの両方は、キャビティの側壁１１０、１２０、および１３０のうちの複数にわたって延在する。スロットが複数の側壁を占有することを許容することによって、個々の側壁は、もはや共振スロットを保持するのに好適なサイズである必要はない。したがって、共振スロットが複数の側壁にわたって延在することを許容することによって、キャビティは、依然として共振スロットを設けている一方でさらに小型化され得る。図１から理解され得るように、スロットの電気的長さは、スロットのいずれかの側へと延在するスリットを設けることによってさらに増加され、それによって、スロットが所与の方向へ占有するために必要な空間の量をさらに減少させる。スロットと同様にスリットの配置および寸法は、要求される周波数および帯域幅仕様に従いながら、それらが占有する空間の量を最適化するように選択され得ることが了解されるであろう。スリット幅およびスリット長は、特に、個別スロットの動作周波数／帯域幅と、したがってやはりアンテナの帯域幅とを調整するために、スロット長およびそれ自体と一緒に調節され得る。アンテナにより生成される放射場は、壁１１０、１２０、および１３０上のスロットの位置を選択することによって成形され得る。スロットの位置は、本実施形態のアンテナにより生成される放射場のパターンについては、他の既知のキャビティアンテナについての場合ほど重要ではない。壁１１０、１２０、および１３０に平行に延在する壁が連続した導電面である場合、それらは、アンテナを、アンテナが適合する基礎構造から電気的に分離する。

本実施形態では、第１のスロットの長さは、第１のスロットがスリットを装荷される前で、０．４５波長と０．５５波長との間である。装荷後、スリット幅および長さに応じて、スロット長は減少する。推奨されるスリット長は、スロット幅と同じであり、スリット幅は、スリット長の１／６であるように選択される。第２のスロットの長さは、第１のスロットよりも２０％長く選択される。このことが、より広い帯域幅を作り出す。

キャビティ１００は、平行な壁間に挟まれ、対向する壁を接続する導電面のうちの１つへと短くされる（shortened）、懸垂ストリップラインフィード１５０によって励起される。ストリップラインフィード１５０は、壁１１０、１２０、および１３０にごく近接して延在する一方、それぞれ、壁１１０、１２０、および／または１３０からよりも遠い任意の他の導電面から離間されるように懸垂される。これは、ストリップラインフィード１５０と次に近い導電構造との間の距離がストリップラインフィード１５０を壁１１０、１２０、および１３０から隔てる距離よりも長いように、それぞれ、壁１１０、１２０、および１３０に対向するストリップラインフィード１５０の側部として、壁１１０、１２０、および１３０をそれらの対向する相手先の壁から隔てる誘電体が存在するためである。ストリップラインフィード１５０と壁１１０、１２０、および１３０との間のそれぞれの距離は、同じであり得るが同じである必要がないことが当然了解されるであろう。

フィードの長さおよび場所は、ストリップラインがスロットの中心位置からオフセットされるが、所望の／５０Ωの入力インピーダンス整合が達成されるように調整される。ストリップラインは、小型化目的および／または複数のスロットを励起させるためにやはり蛇行され得る。図１は２つのスロットを有するキャビティを図示するが、単一のスロットまたは２つより多いスロットなど、異なる数のスロットが設けられ得ることが了解されるであろう。異なる電気的長さの複数のスロットを選択することによって、異なる共振が作り出され、アンテナの帯域幅を増加させる。これは、ある量のアンテナの離調を引き起こし得る導電材料の近くにアンテナが配置される用途で有用である。これは、たとえば、導電組織にほとんど必然的に近い移植可能アンテナについての場合である。ストリップラインフィードは、ある場所においてスロットにわたって延在し、キャビティ／スロットの組合せの共振周波数のすべてにおいてインピーダンス整合が達成されるように、長さ／それぞれのエンドポイントを有する。ストリップラインフィード１５０の所望の場所は、シミュレーションを通して決定される。

一実施形態では、アンテナは、人体中のインプラントからの情報の通信のために使用される。この実施形態では、アンテナは、体の中の導電構造物からの分離のために、レドーム（スーパーストレート）によって囲繞される。アンテナにより生成される近距離場の一部分は、近距離場損失が少なくとも減少されるように、レドーム中に含まれ得る。高磁気近距離場は、ダイポールなどの電気的アンテナの電気近距離場よりも、人体中での放散を受けにくい。したがって、スロットは、インプラントのために、一般的に使用される３Ｄ ＰＩＦＡよりも有利である。本実施形態では、基体は、６．１５という高い誘電率を有する基体であるように選択される。レドームは、１．２７ｍｍの同じ厚さを有する同じ材料からなる。

上に議論されたさらなる壁は、壁１１０、１２０、および１３０に対して平行に延在するが、共振スロットを基礎となるまたは囲繞する構造から絶縁する壁が、スロットを備える壁に対して平行に延在する必要があるというのは本質的でないことが了解されるであろう。

図２は、股関節インプラントの角に置かれる、図１に示された浅いキャビティアンテナを示す。アンテナの空間要件は人体中のインプラントの全体的な空間要件をごくわずかに増加させることが了解されるであろう。整形外科のインプラントの表面が導電性であるので、ステム自体が大きい接地平面として使用され得ることが了解されるであろう。この構成では、スロットを備えないキャビティ壁がインプラントの表面によって置き換えられ得る。

図３は、図２に示される様式で股関節インプラント上に配置され、人体組織の関連のある部分によって囲繞された、図１のアンテナの電磁場のシミュレーションのためのモデルを示す。

図４は、この構成におけるアンテナについての、シミュレーションされたｄＢ単位の入力反射損｜ｓ１１｜対ＧＨｚ単位の周波数を示す。２つのスロットが存在するために、約１．２５ＧＨｚの広い−１０ｄＢ帯域幅が達成される。スロットに起因する２つの共振が、２．５ＧＨｚおよび３ＧＨｚにおいて見ることができる。角のあるキャビティは、別の平面においてキャビティを１回または複数回さらに延在させることを追加することによってより大きく作られ得、４０３ＭＨｚ ＭＩＣＳ帯域を励起させ得るより大きいスロットが含まれ得る。

図５は、レドームを除外した、図１に示されたアンテナのプロトタイプを示す。

上に記載された実施形態は、対向する壁間の間隔（図１中の１４０）よりも両方の方向ではるかに大きい壁を有する浅い「角」キャビティに関するが、他の実施形態では、浅い「縁部」キャビティ、すなわち、壁１１０、１２０、または１３０のうちの１つ、ならびに、省かれた面に平行に延在する関連するキャビティ壁および２つの省かれた壁間に挟まれる誘電体を省いたキャビティが代わりに設けられ得ることが了解されるであろう。別の実施形態では、壁１１０、１２０、１３０のうちの１つと、それに平行な壁と、２つの壁間に挟まれる誘電体とを除去する代わりに、同様の壁／誘電体／壁構造が、壁１２０、１１０、または１３０それぞれの自由な縁部のうちの１つに、壁１１０、１２０、１３０のうちの１つまたは２つに平行に追加されることが等しく想定される。そうすることで、それぞれ２つまたは３つの側部を介して、浅いキャビティ構造によって囲まれる空間に完全にアクセスすることが依然として可能な、４つまたは５つの側部がある浅いキャビティ構造が作り出される。より多くの数の外壁を設けることによって、蛇行スロットの配置により多くの自由度が提供される。これは、予め規定された所望の長さのスロットが多数の面上に置かれ得るとすると、スロットの共振周波数を（スロットをより長くすることによって）低くすること、またはキャビティアンテナによって囲まれる空間のサイズを減らすことのいずれかで有用である。これらの面は、したがって、サイズが減少され得る。

上に記載された実施形態は、平坦な側壁を備えるとして議論されているが、導電面でコーティングされ、所望のスロットパターンを備えるようにエッチングされた可撓性基板を使用することにより、角または縁部キャビティが作り出され得ることも想定される。そのような可撓性基板は、基礎構造と一致させるために曲げられ得、こうして形成されるキャビティ共振器は、キャビティ壁が延在する平面間に縁部を備え得ない。その代わり、キャビティ壁間のスムーズな移行部が設けられ得る。あるいは、（医学的インプラントなど、所定の基礎構造と一致するように設けられ得る）曲面基板が設けられ得、その表面が導電性にされ得る。これは、導電性印刷材料／インクを使用して表面上に印刷することによって達成され得る。スロットは、関連する区域上に単に印刷しないことによって、または印刷が終了した後これらの区域から導電性材料を除去することによって形成され得る。

上に議論された方法では、キャビティの全壁が単一の、または少ない数の製造ステップで形成されるが、３Ｄプリント技術の進歩が、電子回路を印刷することを可能にした。したがって、印刷の方向が表面に平行でない場合、キャビティの壁の一部または全部が、非常に少ない漸増ステップで、層ごとに構築され得ることがさらに想定される。３Ｄプリント技術を使用して、実施形態のアンテナが、基礎構造と最大限一致して作られ得る。キャビティアンテナが一致する必要があるデバイスがそれ自体３Ｄプリンタを使用して印刷される場合、キャビティアンテナは、デバイスと同じ印刷プロセスで印刷され得ることがさらに想定される。これは、たとえば、人体との最適な一致のために印刷され、同じ印刷プロセスで追加される本明細書に記載されたタイプのキャビティアンテナを有し得る医学的インプラントの場合において実践となり得る。

いくつかの実施形態が記載されてきたが、これらの実施形態は、例としてのみ提示されており、本発明の範囲を限定する意図はない。実際に、本明細書に記載される新規のデバイス、および方法は、様々な他の形態で実現され得る。さらに、本明細書に記載されるデバイス、方法、および製品の形態において、様々な省略、代替、および変更が、本発明の精神から逸脱することなくなされ得る。添付する請求項およびそれらの等価物は、本発明の範囲および精神を含むような形態または変形をカバーすることが意図される。

Claims (16)

1. 共振スロットを備える浅い非平面キャビティアンテナ。
2. 前記スロットが少なくとも２つの平面に延在する、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記キャビティが２つの入れ子にされた凸壁により形成され、前記スロットが、前記キャビティの凸状外壁を形成する前記少なくとも２つの壁のうちの１つの壁にわたって延在する、請求項２に記載のアンテナ。
4. ２つの入れ子にされた凸壁の各々は、２つまたは３つの平面壁から形成されている、請求項３に記載のアンテナ。
5. 内部容積を規定する少なくとも２つの内部容積規定壁と、
   キャビティを横切って前記内部容積規定壁に対向して配置され、前記内部容積の少なくとも一部が外壁の外側にあるように少なくとも２つのさらなる壁により作り出される外面が配置されるように、前記内部容積へと突き出る少なくとも２つのさらなる壁と
   を備え、
   前記少なくとも２つの内部容積規定壁が共振スロットを備える、キャビティ付スロットアンテナ。
6. 前記少なくとも２つの内部容積規定壁が凸状配置構成を形成し、前記少なくとも２つのさらなる壁が前記凸状配置構成内に入れ子にされる凹状配置構成を形成する、請求項５に記載のアンテナ。
7. キャビティの少なくとも２つの面にわたって延在する共振スロットを備える浅いキャビティアンテナ。
8. 前記スロットは、その片側または両側から延在する１つまたは複数の閉端スロットを有する細長い部分を備える、請求項５、６、または７に記載のアンテナ。
9. 前記スロットは、第１の周波数における第１のスロット共振と第２の周波数における第２のスロット共振とを備え、前記第１の周波数と前記第２の周波数とが異なる、請求項１乃至８のいずれかに記載のアンテナ。
10. 前記第１の周波数および前記第２の周波数は、前記２つの周波数間の前記アンテナの入力反射損が−１０ｄＢを超えないように、重なる帯域幅を有する、請求項９に記載のアンテナ。
11. 前記アンテナが、インプラントなどの基礎構造の角または縁部を収容するように成形されている、請求項１乃至１０のいずれかに記載のアンテナ。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載のアンテナを備える、人または動物の体の中で使用するためのインプラント。
13. ３Ｄプリンタにより使用するための情報を記憶する非一時的データ記憶デバイスであって、前記情報が、前記３Ｄプリンタにより使用されると、前記３Ｄプリンタに、請求項１乃至１１のいずれかに記載のアンテナを印刷させる、非一時的データ記憶デバイス。
14. 前記情報が前記アンテナの幾何形状を規定する、請求項１１に記載の記憶デバイス。
15. 前記情報が前記３Ｄプリンタによる実行のためのコマンドを備え、前記コマンドが、実行されると、前記３Ｄプリンタに前記アンテナを印刷させる、請求項１１に記載の記憶デバイス。
16. キャビティ付スロットアンテナを形成する方法であって、
    少なくとも２つの内部容積規定壁を設けることにより内部容積を規定することと、
    キャビティを横切って前記内部容積規定壁にそれぞれ対向して配置され、前記内部容積の少なくとも一部が外壁の外側にあるように少なくとも２つのさらなる壁により作り出される外面が配置されるように、前記内部容積へと突き出る少なくとも２つのさらなる壁を前記内部容積内に設けることと、
    共振スロットを備える前記少なくとも２つの内部容積規定壁に共振スロットを設けることと
    を備える方法。