JP2019519164A

JP2019519164A - 電気的小型アンテナの効率を向上させる方法

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Publication number: JP2019519164A
Application number: JP2018566515A
Authority: JP
Inventors: シータランドゥー，ディヴィータ; モハメド−ハサネイン，ラバー; フセイン，スルール; ベアビノー，マリオン
Original assignee: アンスティテュフランセデシアンスエテクノロジデトランスポール，ドゥラメナジュマンエデレゾ
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2037-06-19
Also published as: WO2017220905A1; CN109643851B; US11050156B2; EP3472898A1; EP3472898B1; JP6905659B2; CN109643851A; US20190237878A1; FR3052920A1; FR3052920B1

Abstract

電気的小型アンテナ（１）の効率を向上させる方法であって、以下の工程を備える方法：・アンテナを選択する（１００）；・選択されたアンテナ（１）に給電する；・ある伝送周波数についての、選択されたアンテナ（１）に蓄えられるエネルギーを定量化する（１１０）；・定量化された蓄えられるエネルギーに基づいて、アンテナ（１）の性質を特定する、ここで、この特定は、蓄えられるエネルギーの量をエネルギー閾値と比較すること（１２０）を備え、アンテナ（１）は、定量化された蓄えられるエネルギーがエネルギー閾値未満であれば電気的な性質を有し（１３０）、そうでなければ磁気的な性質を有する（１３５）；および・選択されたアンテナ（１）の効率を向上させるための、選択されたアンテナ（１）に関連付けるべき１つのメタマテリアル加入物（２）を選択する、ここで、１つのメタマテリアル加入物の選択は、加入物のリストから、選択されたアンテナ（１）の性質に基づいてなされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気的小型アンテナに関する。より具体的には、本発明は、電気的小型アンテナの効率を向上させる方法に関する。

H.A. Wheelerの関係によれば、アンテナは、そのアンテナの最大寸法がλ／πよりも小さい場合に、すなわちそのアンテナの体積が「ラジアン球」とも称される半径λ／２πの球よりも小さい場合に、「電気的に小型である」と称される。ここで、λは、アンテナが機能する波長である。この定義は、アンテナはそのアンテナがｋａ＜１の条件を満たす場合に「電気的に小型である」と称するのと等価である。ここで、ｋは、波数２π／λである。ａは、「Chuの球」という用語でも知られるアンテナを取り囲む最小の球の半径である。

「ラジアン球」は、アンテナに電磁気的エネルギーが蓄えられる近接場と、それが伝搬する遠方場との間の遷移距離（distance de transition）に対応する。

電気的波長に相対的なアンテナサイズを上記のように小さくすると、アンテナの無線性能が制限される。

電気的小型アンテナ（ＥＳＡ）の性能は、その電気的サイズｋａ、そのＱ値（または帯域幅）およびその放射効率ηによって特徴付けられる。放射効率ηは、アンテナによる放射電力をアンテナによる受電電力で割った比率として定義される。

アンテナにおける損失は、直列損失抵抗（resistance serie de pertes）Ｒ_lossによってモデル化される。放射抵抗Ｒ_radおよび総合入力抵抗Ｒ_AすなわちＲ_rad＋Ｒ_lossにより、放射効率ηは、以下のように記載され得る：

小型アンテナのサイズでは効率が低下する理由は、導電損失にあるわけでも誘電損失にあるわけでもなく、むしろ、アンテナの周囲に蓄えられるエネルギーに由来する低い放射抵抗にある。

今後数年間で、スマート無線に基づく新しい通信システムがより一層普及し、そのようなタイプのシステムが大規模に展開されることが期待される。このようなシステムの適切な動作は、とりわけ、スペクトルプローブユニット（unite de sondage spectral）にかかっている。アプリケーション制約（contraintes applicatives）を考慮すると、このようなスペクトルプローブシステム用の受信アンテナを設計するのは難しい。

特に、合理的な寸法および性能を維持したまま、比較的低い周波数（６００メガヘルツ（ＭＨｚ）から７００ＭＨｚ程度の周波数）でそのような電気的小型アンテナを動作させる必要がある。

残念ながら、アンテナの小型化は、必然的に、性能に関する妥協、特に帯域幅および効率の点での妥協を伴う。

様々な電気的小型アンテナであって該アンテナの効率を向上させることを可能にする特徴を有するものが存在する。具体的には、米国特許出願公開第２００９／０１４０９４６号明細書により、ＬＣ共振タイプの加入物すなわちインダクタンスおよびキャパシタンスを兼ね備えるが故に電気的かつ磁気的であるタイプの加入物が近接場に設けられた、電気的小型アンテナが開示されている。この加入物は、いわゆる「メタマテリアル励起（inspiree de metamateriaux）」加入物であり、小型の電気的かつ磁気的な３次元アンテナに適用される。

しかし、上記の文献は、ダイポールアンテナおよびループアンテナのような基本アンテナ（antennes elementaires）に留まるものであり、しかもそれらの最終的な帯域幅は非常に狭い（faible）。

本発明は、上記の特定の課題を、メタマテリアル加入物のリストに基づいて電気的小型アンテナの効率を向上させる方法を提案することによって解決することを目的とする。

本発明は、第１に、電気的小型アンテナの効率を向上させる方法であって、以下の工程を備える方法を提供する：
・アンテナを選択する；
・上記選択されたアンテナに給電する；
・ある伝送周波数についての、選択されたアンテナに蓄えられるエネルギーを定量化する；
・定量化された蓄えられるエネルギーに基づいて、アンテナの性質を特定する、ここで、この特定は、上記の蓄えられるエネルギーの量をエネルギー閾値と比較することを備え、アンテナは、定量化された蓄えられるエネルギーがエネルギー閾値未満であれば電気的な性質を有し、そうでなければ磁気的な性質を有する；および
・選択されたアンテナの効率を向上させるための、選択されたアンテナに関連付けるべき１つのメタマテリアル加入物（une inclusion en metamateriau）を選択する、ここで、１つのメタマテリアル加入物の選択は、加入物のリストから、選択されたアンテナの性質に基づいてなされる。

このため、本発明により、あるアンテナの放射効率を向上させてそのアンテナの全体的な効率を向上させるための１つの特定のメタマテリアル加入物を、選択し、上記アンテナと関連付けることが可能となる。

より具体的には、上記の蓄えられるエネルギーの量は、ゼロエネルギー閾値と比較される。このため、上記の比較は、蓄えられるエネルギーの量の値の符号を特定することに対応する。

アンテナに蓄えられるエネルギーは、例えばIEEEジャーナルにおいて２００６年に公開されたCollardeyらによる論文「Calculation of small antennas quality factor using FDTD method」に記載された方法のような、様々な方法を用いて計算され得る。

公知の改良されたアンテナとは異なり、本発明の方法により、通信装置内で用いられるような複雑なアンテナを対象とすることが可能となる。例えば、電話の構造内にアンテナを組み込むには、かなり変則的な幾何形状（geometrie particulierement irreguliere）を呈するアンテナが用いられる必要がある。

本発明の方法により提案される解析および統合は、電気的小型アンテナと、非標準かつ任意のメタマテリアル加入物すなわち特にサイズおよび性質が任意であり得る加入物と、を備えるペアに適用され得る。本方法により、システマティックに（systematique）、アンテナと、放射効率を向上させるための、該アンテナに関連付けられるべきメタマテリアル励起加入物と、のペアという結果物がもたらされる。

このため、本方法により、既存のアンテナと比較してアンテナの性能を向上させること、具体的には：
・放射効率
・帯域幅（通過帯域）
・物理的寸法、および
・全周波数帯域にわたる放射パターンの安定性
の点でアンテナの性能を向上させることが可能となる。

電気的小型アンテナの効率を向上させる方法の第１の側面では、選択されたアンテナに蓄えられるエネルギーの定量化は、アンテナを複数の表面電流モードに分解すること（decomposition）と、基本モードのみに蓄えられるエネルギーを推定することと、を備える。

本方法は、具体的には、加入物なしのアンテナに蓄えられるエネルギーの評価を、存在する複数の電流モードの各々について行うための、特性モード理論に基づいた解析に基づいている。アンテナに蓄えられるエネルギーの大きさの程度を定量化するために、基本モード、ここで外部給電によって励起されるアンテナの基本モードは最大のモード重みに関連付けられたモードに対応する、が同定され、基本モードの固有値と、上記関連付けられた重みの二乗と、の積が計算される。

本方法は、第１に、電気的小型アンテナおよび複数のメタマテリアル加入物を解析するのに適した指標を定義することを備える。第２に、２つの構造の関連付けにより放射効率の点で電気的小型アンテナの性能向上を実現するための基準が提案される。

電気的小型アンテナの効率を向上させる方法の変形例では、選択されたアンテナに蓄えられるエネルギーの定量化は、アンテナを複数の周波数励起モードに分解することと、個々のモードに蓄えられるエネルギーの合計から蓄えられるエネルギーを推定することと、を備える。概して言うと、電気的小型アンテナでは、放射は、基本モードにより生じる。しかし、より複雑なマルチモードアンテナでは、モード毎に蓄えられるエネルギーの合計を考慮することが必要となる。

電気的小型アンテナの効率を向上させる方法の第２の側面では、加入物のリストは、複数のメタマテリアル加入物、ここで複数のメタマテリアル加入物は該複数の加入物の性質に応じて複数の電気的加入物を備える（regroupant）第１カテゴリまたは複数の磁気的加入物を備える第２カテゴリへと分類されている、から事前に形成されている。

電気的小型アンテナの効率を向上させる方法の第３の側面では、複数の加入物はまた、該複数の加入物の幾何形状に基づいて第１カテゴリおよび第２カテゴリの各々へとリスト化されており、１つの加入物を選択する工程は、さらに、アンテナの幾何形状を定義することを備え、１つの加入物の選択は、選択されたアンテナの幾何形状に基づいてなされる。

複数の加入物の幾何形状を各カテゴリに分類することにより、選択されたアンテナを改良する１つの加入物の選択肢となる複数の加入物の数をより削減できる。

電気的小型アンテナの効率を向上させる方法の第４の側面では、複数の加入物の性質は、該複数の加入物の固有値を計算することにより事前に特定されており、１つの加入物は、該１つの加入物の固有値が正である場合には磁気的な性質を有し、該１つの加入物の固有値が負である場合には電気的な性質を有する。

複数の加入物の固有値は、アンテナの伝送周波数に基づいて計算され得る。

電気的小型アンテナの効率を向上させる方法の第５の側面では、加入物のリストから１つのメタマテリアル加入物を選択することは、アンテナの幾何形状を定義することを含み、１つのメタマテリアル加入物の選択はまた、アンテナの幾何形状に基づいてなされる。

本発明はまた、上述の方法を実装するように構成された手段を有するコンピュータシステムを提案する。

さらに、本発明はまた、コンピュータシステムのメモリに直接的にロード可能なコンピュータプログラム製品であって、該プログラムが上記コンピュータシステムにおいて実行されるときに上記方法を実行するソフトウェアコード部を有するコンピュータプログラム製品を提供する。

本発明はまた、コンピュータシステムにより読み取り可能な媒体であって、コンピュータシステムに上記の方法を実行させるように構成されたコンピュータ実行可能命令を有する媒体を提案する。

本発明は、非限定的に示された以下の明細書を、添付図面を参照しながら読むことにより、より理解され得る。

図１は、本発明の一実装例に係る、電気的小型アンテナの効率を向上させる方法のフローチャートである。図２は、加入物なしの平面アンテナの一例を示す。図３Ａは、図２のアンテナと協働するように構成されたメタマテリアル加入物の正面図である。図３Ｂは、図２のアンテナと協働するように構成されたメタマテリアル加入物の斜視図である。図４は、メタマテリアル加入物の追加によって改良された平面アンテナの一例を示す。図５Ａは、メタマテリアル加入物の幾何形状の他の例を示す。図５Ｂは、メタマテリアル加入物の幾何形状の他の例を示す。図５Ｃは、メタマテリアル加入物の幾何形状の他の例を示す。図５Ｄは、メタマテリアル加入物の幾何形状の他の例を示す。図５Ｅは、メタマテリアル加入物の幾何形状の他の例を示す。図５Ｆは、メタマテリアル加入物の幾何形状の他の例を示す。

図１は、本発明の一実装例に係る、電気的小型アンテナの効率を向上させる方法を示すフローチャートである。

本方法の第１工程１００において、改良されるべき電気的小型アンテナが選択される。例えば、電気的小型アンテナは、図２に示すアンテナのような、平面アンテナであり得る。

図２において、平面アンテナ１は、楕円形状を呈し電気的に励起された状態で波を伝送する放射部２と、放射部２に電気的励起電流を伝達する供給システム３と、を備える。上記電流は、具体的には、供給チャネル４、供給チャネル４の端部は放射部２に結合されており該端部は互いに異なる３箇所で放射部２に結合された供給三叉部５を呈する、を通じて伝達される。

放射部２の楕円形状により、エネルギーを定量化するときに、インピーダンスマッチングの追加の自由度がもたらされ得る。供給三叉部５は、励起されるモードの数（nombre de modes excites）が増加し第１モード（premiers modes）のカットオフ周波数が低下するように、等間隔の３箇所でアンテナ１の放射部２を励起させるのに用いられる。

第２工程１１０において、選択されたアンテナ１が給電され、アンテナ１に蓄えられるエネルギーが定量化される。

蓄えられるエネルギーを定量化するために、例えばモーメント法を用いて、供給システム３とそれに接続された（図示しない）供給装置とによって印加された電界の存在下で、アンテナ１の放射部２のインピーダンスマトリクスＺが特定される。さらに、特性モード理論に基づいて、モード電流すなわちアンテナ構造の各共振モードの電流が特定される。モード電流は、給電されているときの構造すなわちアンテナ１の固有値に対応する。この計算は、対象とする周波数範囲または（ou）アンテナ１の動作周波数範囲について行われる。周波数の範囲は、例えば、９００ＭＨｚ〜１１００ＭＨｚである。

その後、基本モードが同定され、１つの（または複数の）基本モードの総無効電力が計算される。総無効電力は、具体的には、基本モードの固有値と、関連付けられた重みの２乗と、の積に基づいて計算される。総無効電力は、以下の数式を用いて定義され得る：

ここで、Ｐ_rは、総無効電力である。ｎは、モードインデックスである。α_nは、モードｎの重み係数である。λ_nは、モードｎの固有値である。Ｎは、対象とする基本モードの個数である。

電気的小型アンテナに蓄えられるエネルギーを定量化するための方法の例は、IEEEジャーナルにおいて２０１５年に公開されたM.H. Rabahらによる論文「New metrics for artificial magnetism from metal-dielectric metamaterial based on the theory of characteristic modes」、および、IEEEジャーナルにおいて２００６年に公開されたS. Collardeyらによる論文「Calculation of small antennas quality factor using FDTD method」において示されている。これら２つの論文の内容は、本特許出願に参考文献として完全に組み込まれる。

第３工程１２０において、事前に計算された蓄えられるエネルギーの符号が検討（etudie）される。

蓄えられるエネルギーが負である場合、後続する工程１３０において、アンテナ１の性質は「電気的」であると識別される。一方、蓄えられるエネルギーが正である場合、工程１３５において、アンテナ１の性質は「磁気的」であると識別される。

アンテナ１が磁気的な性質を有する場合、工程１３５の後、工程１４５において、メタマテリアル加入物のリストからの加入物の選択は、複数の電気的加入物を含む（regroupant）加入物の第１カテゴリに制限される。

アンテナ１が電気的な性質を有する場合、工程１３０の後、工程１４０において、メタマテリアル加入物のリストからの加入物の選択は、複数の磁気的加入物を含む加入物の第２カテゴリに制限される。

その後、工程１４０の後の工程１５０において、または、工程１４５の後の工程１５５において、アンテナ１に最も適合した１つの電気的加入物または１つの磁気的加入物を定義することによりアンテナ１の効率の向上を最適化するために、アンテナ１の幾何形状、具体的にはその放射部２の幾何形状が認識され、利用可能な加入物の幾何グループが定義され、対象とするカテゴリにおけるメタマテリアル加入物の数が減らされる。

例えば、平面アンテナ１用の加入物は、図３Ａおよび３Ｂに示す加入物６に対応し得る。メタマテリアル加入物６は、図３Ａに示すように、第１半径Ｒ１および第２半径Ｒ２を有する楕円形状を呈する。

さらに、閉じた楕円（ellipse fermee）を形成できるように、加入物６は、図３Ｂに示すように、第１平面において拡がる第１半楕円６１と、第１半楕円６１と相補的な第２半楕円６２であって第１半楕円６１が拡がる第１平面とは別で第１平面と平行な第２平面において拡がる第２半楕円６２と、を有する。第１半楕円６１および第２半楕円６２は、第１半楕円６１の第１端部と第２半楕円６２の第１端部６２ａとの間、第１半楕円６１の第１端部は第２半楕円６２の第１端部６２ａに対向している、に形成された接続部６３によって結合されている。第１半楕円６１の第２端部６１ｂおよび第２半楕円６２の第２端部６２ｂは互いに対向しており、第１端部６１ｂは第１半楕円６１の第１端部６１ａの反対側にあり、第２端部６２ｂは第２半楕円６２の第１端部６２ａの反対側にあり、第２端部６１ｂおよび第２端部６２ｂは隙間６４によって離間している。

メタマテリアル加入物がパネルに設けられる場合、接続部６３は、パネルの第１面に設けられた第１半楕円６１をパネルの第１面とは反対側にあるパネルの第２面に設けられた第２半楕円６２に電気的に接続するビア（via）を形成する。

図４に、図３Ａおよび３Ｂのメタマテリアル加入物が追加されることによって改良された図２の平面アンテナ１を示す。

図５Ａ〜５Ｆに、電気的小型アンテナの他の幾何形状に利用可能な、メタマテリアル加入物の幾何形状の他の例を示す。

このように、本発明は、電気的小型アンテナの効率を、一連のメタマテリアル加入物、ここで一連のメタマテリアル加入物はそれらの性質に少なくとも基づいて事前にリストに分類されている、を用いて向上させる方法を提供する。

Claims

電気的小型アンテナ（１）の効率を向上させる方法であって、以下の工程を備える方法：
・アンテナを選択する（１００）；
・選択された前記アンテナ（１）に給電する；
・ある伝送周波数についての、選択された前記アンテナ（１）に蓄えられるエネルギーを定量化する（１１０）；
・定量化された前記蓄えられるエネルギーに基づいて、前記アンテナ（１）の性質を特定する、ここで、この特定は、前記蓄えられるエネルギーの量をエネルギー閾値と比較すること（１２０）を備え、前記アンテナ（１）は、定量化された前記蓄えられるエネルギーが前記エネルギー閾値未満であれば電気的な性質を有し（１３０）、そうでなければ磁気的な性質を有する（１３５）；および
・選択された前記アンテナ（１）の効率を向上させるための、選択された前記アンテナ（１）に関連付けるべき１つのメタマテリアル加入物（２）を選択する、ここで、前記１つのメタマテリアル加入物の前記選択は、加入物のリストから、選択された前記アンテナ（１）の前記性質に基づいてなされる。
選択された前記アンテナ（１）に蓄えられるエネルギーの定量化は、前記アンテナ（１）を複数の表面電流モードに分解することと、基本モードのみに蓄えられるエネルギーを推定することと、を備える、請求項１に記載の方法。
選択された前記アンテナ（１）に蓄えられるエネルギーの定量化は、前記アンテナ（１）を複数の周波数励起モードに分解することと、個々のモードに蓄えられるエネルギーの合計から前記蓄えられるエネルギーを推定することと、を備える、請求項１に記載の方法。
前記加入物（２）のリストは、複数のメタマテリアル加入物、ここで前記複数のメタマテリアル加入物は前記複数の加入物の性質に応じて複数の電気的加入物を備える第１カテゴリまたは複数の磁気的加入物を備える第２カテゴリへと分類されている、から事前に形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
前記複数の加入物（２）の前記性質は、前記複数の加入物の固有値を計算することにより事前に特定されており、１つの加入物は、前記１つの加入物の固有値が正である場合には磁気的な性質を有し、前記１つの加入物の固有値が負である場合には電気的な性質を有する、請求項４に記載の方法。
前記複数の加入物はまた、前記複数の加入物の幾何形状に基づいて前記第１カテゴリおよび前記第２カテゴリの各々へとリスト化されており、前記１つの加入物を選択する工程は、さらに、前記アンテナの幾何形状を定義することを備え、前記１つの加入物の前記選択はまた、選択された前記アンテナの前記幾何形状に基づいてなされる、請求項４または請求項５に記載の方法。
加入物のリストから１つのメタマテリアル加入物を選択することは、前記アンテナ（１）の前記幾何形状を定義することを含み、前記１つのメタマテリアル加入物の前記選択はまた、前記アンテナの前記幾何形状に基づいてなされる、請求項６に記載の方法。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成された手段を備える、コンピュータシステム。
コンピュータシステムのメモリに直接的にロード可能なコンピュータプログラム製品であって、前記プログラムが前記コンピュータシステムにおいて実行されるときに請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法を実行するソフトウェアコード部を含む、コンピュータプログラム製品。
コンピュータシステムにより読み取り可能な媒体であって、前記コンピュータシステムに請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法を実行させるように構成されたコンピュータ実行可能命令を有する、媒体。