JP4156640B2

JP4156640B2 - 広帯域又は多重帯域の特性を有するスタブフラット型ダイポールアンテナ及びその設計方法

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Publication number: JP4156640B2
Application number: JP2006224366A
Authority: JP
Inventors: ソン−ジュンイ; グァン−チョンイ
Original assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Current assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Priority date: 2005-08-19
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2008-09-24
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Description

本発明は、広帯域又は多重帯域の特性を有するスタブフラット型ダイポールアンテナ及びその設計方法に関する。

さらに詳しくは、フラット型ダイポールアンテナがスタブ（Stub）を有するパラレルメタルストリップライン（Parallel metal strip line）伝送線を介して、中央給電を受ける構造で、スタブの積極的な活用により、様々な周波数の特性（アンテナの入力端での周波数に応じる反射係数の特性）が作られ、この時、作られる様々な周波数の特性の内、システムで求められる周波数の特性（広帯域、二重帯域など）が存在しているのか、存在するとしたら、初期設計値（アンテナの各部分の数値）は、どのような値を有するべきなのかが分かる設計プログラムを提示することによって、本発明が提案した構造を利用した設計時、体系的な設計ができるようにしたものである。

通常、スタブとは、マイクロストリップ（Microstrip）や、ストリップライン（Strip line）からなる回路において、インピーダンスマッチングをするために用いられるものであって、信号の伝送ではなく、周波数のチューニング又は広帯域特性のために信号伝送のための線路に付加的に接続される線路を称するものである。このようなスタブは、「並列（Shunt）スタブ」と「直列（Series）スタブ」に分けられる。そして、前記「並列スタブ」は、「オープン（Open）スタブ」と「ショート（Short）スタブ」に分けられる。

以下の一実施形態では、前記スタブとして、オープンスタブを例に挙げて説明する。しかし、本発明は、オープンスタブに限定されるものではないことに注意する必要がある。

通常、フラット型ダイポールアンテナの構造は、２つのアーム（Arm）が基板にエッチングされた形態である。フラット型ダイポールアンテナの簡単な形状は、簡単な構造、製作の容易性、薄膜構造による小さい体積、高い偏波特性などの様々な長所を有する。また、フラット型ダイポールアンテナのインピーダンス帯域幅は、ダイポールアーム（Arm）の幅に依存するものではあるが、（ダイポールアームの幅が広くなるほど、帯域幅が広くなるが、広くなり過ぎた場合には、伝送線との不連続が大きくなるので、ダイポールアームの幅を広げるのには限界がある。）、通常、定在波比２：１以下を基準とする場合、１０％程度の帯域幅を有する。すなわち、基本的にフラット型ダイポールアンテナは、広いインピーダンス帯域幅を有する。このような長所により、フラット型ダイポールアンテナは、無線通信用アンテナと軍用アンテナとして、盛んに研究されつつある。

従来のフラット型ダイポールアンテナに対する研究は、より簡単な構造で広帯域又は二重帯域の特性を得るための研究であって、本発明もまた、このような研究の継続である。また、従来の研究において、放射体としてのフラット型ダイポールと、給電のための伝送線（Parallel Metal strip line）は、共通に適用される部分であり、本発明でもこれを用いた。しかしながら、本発明で提案した構造の動作原理は、従来の研究とは差があり、提案した構造に対して伝送線モデルの等価回路を基にした設計プログラムを提示することによって体系的な設計が可能になる。

従来のフラット型ダイポールアンテナに対する研究は、非特許文献１を除いては、等価回路を基にした解析を適用したものがない。

本発明に関する類似先行技術の一例を見ると、簡単な構造のフラット型アンテナで二重帯域の動作を得ることができる特許文献１が存在するが、前記特許文献１では、２つのダイポールを用いて、最初のダイポールを給電し、２つ目のダイポールを最初のダイポール上に形成させて、最初のダイポールを介して給電させる形態を有することによって、二重帯域の特性を得ることができる。したがって、アンテナの形状が異なるだけでなく（ダイポールの数、給電線上に開放スタブがあるか否か）、二重帯域の特性を得るための動作原理が異なる。

一方、本発明と関連した類似先行技術の他の例としては、簡単な構造のフラット型アンテナ形状で広帯域又は二重帯域の特性を得ることができる非特許文献１が存在するが、前記非特許文献１は、アンテナ形状において、２つのダイポールを用いて、２つのダイポールと給電のための伝送線の組み合わせによって、広帯域又は二重帯域特性を得ることができる。これに対して、本発明は、１つのダイポールを用い、給電のために開放スタブを有する伝送線を用い、これらの組み合わせ（ダイポールの長さ、伝送線の長さ、開放スタブの長さ、伝送線のインピーダンス）を調節し、広帯域又は二重帯域の特性を得ることができる。したがって、アンテナの形状が異なるだけでなく（ダイポールの数、開放スタブの有無）、広帯域又は二重帯域の特性を得るための動作原理が異なる。

一方、本発明と関連した類似先行技術の他の例には、簡単な構造のフラット型アンテナ形状で、二重帯域の特性を得ることができる非特許文献２が存在するが、前記非特許文献２では、アンテナの形状において、1つのダイポールとスパーライン（Spur-line）によって構成されることに対して、本発明では、１つのダイポールを用い、給電のために開放スタブを有する伝送線を用い、これらの組み合わせ（ダイポールの長さ、伝送線の長さ、開放スタブの長さ、伝送線のインピーダンス）を調節して、広帯域又は二重帯域の特性を得ることができる。したがって、アンテナの形状が異なるだけでなく（スパーライン（Spur-line）の有無、開放スタブの有無）、二重帯域の特性を得るための動作原理が異なる。

一方、本発明と関した類似先行技術のさらに他の例として、簡単な構造のフラット型アンテナの形状で広帯域の特性を得ることができる非特許文献３が存在するが、前記非特許文献３では、アンテナの形状において１つのダイポールで構成され、給電部に別の遷移構造（Transition）を備えることに対して、本発明では、１つのダイポールを用い、給電のために開放スタブを有する伝送線を用い、これらの組み合わせ（ダイポールの長さ、伝送線の長さ、開放スタブの長さ、伝送線のインピーダンス）を調節して、広帯域又は二重帯域の特性を得ることができる。そして、給電部に別の遷移構造を用いていない。したがって、アンテナの形状が異なるだけでなく（遷移構造の有無、開放スタブの有無）、帯域幅を広げるための動作原理が異なる。

また、従来のフラット型ダイポールアンテナに対する研究のほとんどは、全体構造自体をアンテナ解析に関する常用ＣＥＭ（Computational Electro-Magnetics）プログラムを利用して解析したものである。ただし、従来のフラット型ダイポールアンテナに対する研究の内、非特許文献１では、常用ＣＥＭプログラムを利用せず、自らが作成したＣＥＭコードを用いており、この時、全体構造をさらに容易に解析するために等価回路を利用した。すなわち、前述したように本発明は、従来の研究とは異なって、提案した構造に対して、等価回路に基づいた設計プログラムを提示することによって、さらに体系的な設計ができる。

米国特許第6791506号明細書 Faton Tefiku and Craig A. Grimes, "Design of broad-band and dual-band antennas comprised of series-fed printed-strip dipole pairs," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 48，pp. 895-900, June, 2000 H. M. Chen et al, "Feed for dual-band printed dipole antenna," Electronics Letters, Vol. 40, pp. 1320-1322，Oct., 2004 Guan-Yu Chen and Jwo-Shiun Sun, "A printed dipole antenna with microstriptapered balun," Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 40,pp. 344-346，Feb., 2004

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、フラット型ダイポールアンテナがスタブ（Stub）を有するパラレルメタルストリップライン（Parallel metal strip line）伝送線を介し、中央給電を受ける構造で、スタブの積極的な活用により、様々な周波数の特性（アンテナの入力端での周波数に係る反射係数の特性）を作るようになることによって、広帯域又は多重帯域の特性を有することができるようにし、それに対する設計プログラムを提示することによって、スタブフラット型ダイポールアンテナの設計時、多くの試行錯誤を減らすことができるようにした、スタブフラット型ダイポールアンテナ構造及びその設計方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の装置は、スタブフラット型ダイポールアンテナにおいて、基板と、前記基板の両側にそれぞれ１つずつ存在し、信号を送受信するためのダイポールアームと、前記基板の両側にそれぞれ１つずつ存在し、一方が前記ダイポールアームと接続して、他側が同軸プローブ及びスタブと接続して前記ダイポールアームに給電するためのパラレルメタルストリップライン伝送線と、前記基板の両側にそれぞれ１つずつ存在し、前記パラレルメタルストリップライン伝送線及び前記同軸プローブと接続した前記スタブと、前記パラレルメタルストリップライン伝送線及び前記スタブと接続して前記ダイポールアームに給電するための前記同軸プローブと、前記同軸プローブの内部導体が挿入されるためのホールと、前記同軸プローブの外部導体と、結合するための接触手段とを備える。

上記の目的を達成するための本発明の方法は、スタブフラット型ダイポールアンテナを設計する方法において、前記スタブフラット型ダイポールアンテナの設計プログラムを実行した結果、前記設計プログラムによって、要求仕様に適するスタブフラット型ダイポールアンテナの製作ができることにつれて、前記設計プログラムから第１初期設計値−前記ダイポールアームの長さＡ、前記パラレルメタルストリップライン伝送線と前記スタブとの長さＦ、前記スタブの長さＲ−セット等と、各セットに係る中心動作周波数での反射係数の特性を得るステップと、前記第１初期設計値セットの周波数に係る反射係数の特性によって決定される前記第１初期設計値セットの内いずれかの第２初期設計値−前記ダイポールアームの長さＡ、前記パラレルメタルストリップライン伝送線と前記スタブとの長さＦ、前記スタブの長さＲ−セットを得るステップと、前記第２初期設計値セットを適用した開放スタブフラット型ダイポールアンテナをＣＥＭプログラムを利用して解析するステップと、前記解析結果、前記第２初期設計値を適用した前記スタブフラット型ダイポールアンテナが要求仕様を満足させることにつれて前記スタブフラット型ダイポールアンテナを製作及び測定するステップを備える。

本発明は、フラット型ダイポールアンテナがスタブ（Stub）を有するパラレルメタルストリップライン（Parallel metal strip line）伝送線を介し、中央給電（Center feed）を受ける構造であり、スタブを積極的に活用して、様々な周波数の特性（アンテナの入力端での周波数に係る反射係数の特性）を作るようになることにつれて、非常に簡単な構造で広帯域又は多重帯域の特性を有することができる。

また、本発明に係るスタブフラット型ダイポールアンテナ構造は、アンテナの特性を動かすパラーメーターが明白であり、パラーメーターの数が現実的な設計プログラムの実現に適しており、パラーメーターがアンテナの特性にどのような影響を及ぼすかの把握が容易であり、大きさが小さくて、より小さな空間を占めて効率的な空間活用が可能となるという効果がある。

前記構造が有する様々な長所の内、現実的な設計プログラムの実現の容易性を利用し、上記のスタブフラット型ダイポールアンテナ構造で、システムでもとめられる周波数の特性（広帯域、二重帯域等）を満足させることができるのか、満足させ得る場合、初期設計値（アンテナの各部分の数値）は、どのような値を有するべきなのかを解明できる設計プログラムを提示することによって、本発明が提案したスタブフラット型ダイポールアンテナ構造を利用した設計時、体系的な設計ができるようにして、設計時、多くの試行錯誤を減らすことができるという効果がある。
また、本発明に係るスタブフラット型ダイポールアンテナ構造のパターンは、典型的なダイポールの無指向性（Omni-directional）パターンであり、反射板を用いる場合、指向性（Directional）パターンを作ることができるので無指向性と指向性パターンを全部実現できるという効果がある

以下、本発明の最も好ましい実施形態を添付した図面を参照しながら説明する。

図１Ａ及び図１Ｂは、本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナに対する一実施形態の構造図である。ただし、図１Ａ及び図１Ｂでは給電用同軸プローブが示されていない。

さらに詳細には、図１Ａは、本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの基板の第１面（第１面である上面を第２面である下の面から投影して見た時の形状）の一実施形態の構造図であり、図１Ｂは、本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの基板である第２面（第２面である下の面を第２面である下の面で見た時の形状）の一実施形態の構造図である。

図１Ａと図１Ｂの構造は、それぞれ動作するのではなく、基板の第１面と基板の第２面の構造が共に動作するもので、基板（PCB: Printed Circuit Board）の両面１１，１６、信号の送受信のためのフラット型ダイポールアーム（Printed dipole arm）１５，１７、ダイポールアーム１５，１７と接続されたパラレルメタルストリップライン（Parallel metal strip line）伝送線１４，１８、パラレルメタルストリップライン伝送線１４，１８と接続された開放スタブ（Open-circuit stub）１３，２０、同軸プローブの内部導体が挿入されるための非金属ホール（Non-through Hole）１２，１９、同軸プローブの外部導体と結合するための四角接触部（Square Contact）２１を備える。

図２は、本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの等価回路と、設計パラーメーターを示した一実施形態の説明図である。

図２に示したように、本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナに関する設計パラーメーターを見ると、比誘電率ε_r（Relative permittivity）２２、基板の厚さｈ（Thickness of a PCB）２３、伝送線の幅Ｗ_F（Width of Feed line）２４、アーム（Arm）の幅Ｗ_A（Width of Arm）２５、アーム（Arm）の長さＡ（Length of Arm）２６、伝送線と開放スタブとの長差Ｆ（Length of transmission line and open stub）２７、開放スタブの長さＲ（Length of open stub）２８、伝送線のインピーダンスＺｔ（Impedance of transmission line）が用いられる。

図２において、ダイポールと開放面（Open load）とでの反射係数は、下記の数式（１）のように表れ、給電点から見たダイポールと開放スタブとのインピーダンスは、下記の数式（２）の通りである。したがって、最終的のアンテナ入力インピーダンスとアンテナ入力端とでの反射係数は、下記の数式（３）のように表すことができる。

前記数式（１）でＺ_dipoleは、図２に示したように、伝送線路からダイポールを眺めた時のインピーダンスであり、Ｚ_openは、伝送線から開放面（Open load）を眺めた時のインピーダンスである。

前記数式（２）でγは、伝送線の伝播定数である。

前記数式（１）〜（３）で確認できるように、パラーメーターＡ，Ｆ，Ｒ，Ｚｔを変化させることによって、様々な周波数の特性（周波数に応じる反射係数の特性）を作ることができる。すなわち、開放スタブを積極的に活用することによって、周波数に係る反射係数の特性を前記数式（３）のように主要パラーメーターＡ，Ｆ，Ｒ，Ｚｔの関数に作ることができ、このような主要パラーメーターを変化させることによって、求められる任意の周波数の特性（広帯域、二重帯域等）を作る可能性がある。また、等価回路を利用して周波数に応じる反射係数の特性を前記数式（３）の簡単な数式として表すことができるので、求められる任意の周波数の特性が、提案した構造によって実現できるのか、実現できる場合、主要パラーメーターは、どのような値を有するべきなのかを手軽に確認できる。

万一、開放スタブを利用せず、伝送線の長さだけを変化させるとしたら、アンテナの入力インピーダンスが、スミスチャート上に定数（Constant）定在波比（VSWR:Voltage Standing Wave Ratio）を有する円の上を回転することなので、入力端での反射係数は、単なるＡ，Ztの関数になり、これは、基本的なダイポール構造と類似したもので、様々な周波数の特性を得ることはできない。

決められた任意の一種類の基板に対してＺ_dipole、Ｚ_open、γを解明し、上記の数式（１）〜（３）を利用して、求められる周波数に係る反射係数の特性がＩ（ｆ，Ａ，Ｆ，Ｒ，Ｚｔ）で実現できるのかと、実現できる場合、本発明に係るアンテナ構造の各部分の寸法は、どのような値を有するべきなのかが分かる。これが設計プログラムの動作原理であり、求められる周波数の特性を入力すると本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの構造によって、これを満足させることができるのかを確認でき、この時、本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナ構造の寸法がテキストファイルで出力される。

基板が決められると、Ｚ_dipole、Ｚ_open、γの抽出過程が一回必要となりＺ_dipole、Ｚ_open、γの抽出のためのＣＥＭプログラムとして、いかなるＣＥＭプログラムでも用いることができる。

図３〜図５は、本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナを設計プログラムを利用して、体系的に設計するための準備過程であるＺ_dipole、Ｚ_open、γの抽出過程を示した一実施形態の説明図である。

図３は、伝送線の伝播定数γを抽出するための過程である。図３に示した伝送線の構造のＳ₂₁をＣＥＭプログラムの計算を介して解明することによって、伝送線の伝播定数を抽出できる。図４に示した基準ダイポール構造のＳ₁₁をＣＥＭ計算を介して解明することによって、Ｚ_dipoleを抽出することができ、図５に示した基準開放スタブ構造のＳ₁₁をＣＥＭ計算を介して解明することによってＺ_openを抽出することができる。図３〜図５の抽出過程は、任意に決められた一種類の基板に対して一回だけ求められる。

この時、伝送線の伝播定数γの抽出は、決められた任意の伝送線の特性インピーダンスＺｔに対し一回行われ、伝送線の伝播定数γは、伝送線のインピーダンスＺｔと無関係であると仮定し、設計プログラムで用いられた。

図６は、本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの設計のために、本発明に係る設計プログラムの使用形態を示した一実施形態の説明図である。

図６に示しめしたように、「入力１」に求められる仕様に応じる中心動作周波数、中心動作周波数で許容する最大反射係数と、用いられる伝送線のインピーダンスが、入力されると「出力１」のようなテキストファイルが生成される。ここで、中心動作周波数とは、二重帯域での各帯域の中心周波数を意味する。このテキストファイルの内容は、「入力１」で入力された要求仕様を満足させる本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの第１初期設計値Ａ，Ｆ，Ｒのセットと、各セットに応じる中心動作周波数での反射係数値である。

この時、各帯域の帯域幅もまた関心事項になるだろう。すなわち、二重帯域ならば、各帯域での帯域幅が求められる仕様を満足させているのかを確認する必要があるので、「出力１」で得た第１初期設計値Ａ，Ｆ，Ｒセットと用いる伝送線のインピーダンスＺｔを「入力２」に入力させると、第１初期設計値セットの周波数に応じる反射係数の特性が、「出力２」のようなグラフとして示され、各帯域の帯域幅を確認できるようになる。これを介して「出力１」で得たいくつかの第１初期設計値Ａ，Ｆ，Ｒセットの内のいずれかを選択し、本発明に係るスタブフラット型ダイポールアンテナの第２初期設計値Ａ，Ｆ，Ｒセットを得ることができる。

設計プログラムを検証するために、設計プログラムで予測された周波数に応じる反射係数の特性と、設計プログラムから確認した寸法のアンテナをＣＥＭプログラムによって解析した時の周波数に係る反射係数の特性を比較した結果が図７Ａ〜図７Ｂに示されている。

すなわち、図７Ａ〜図７Ｂは、本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの設計のための設計プログラムの正確性を検証するために、設計プログラムで予測された周波数に応じる反射係数の特性と、設計プログラムによって検知した寸法のアンテナをＣＥＭ（Computational Electro-Magnetics）プログラムで解釈した時の周波数に係る反射係数の特性を比較するための一実施形態の図面である。

図７Ａ〜図７Ｂに示したように、広帯域と多重帯域の一例として、二重帯域に対して比較して現れている。ここで、小（Small）、中（Medium）、大（Large）プローブ（Probe）は、主に給電用として用いられる同軸プローブの規格を意味し、その詳細な規格は、下記の表１の通りである。

図８は、本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの給電用の同軸プローブ部分の補正値を示した一実施形態の説明図である。

本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの設計プログラムで検知した寸法の開放スタブフラット型ダイポールアンテナを製作したり、ＣＥＭプログラムで解析したりする場合、図８に示したように、給電用の同軸プローブ部分を幅４．1ｍｍの等価伝送線に仮定して伝送線と開放スタブの長さＦと、開放スタブの長さＲの値を補正した。等価伝送線の幅は、同軸プローブの誘電体の直径、四角接触部（Square contact）、伝送線の幅によって決められる値であると判断する。実施形態では、図８の大プローブの誘電体の直径である４．１ｍｍが、等価伝送線の幅として用いられた。補正は、本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの設計プログラムによって解明した伝送線と開放スタブの長さＦと、開放スタブの長さＲとの値にそれぞれ４．１ｍｍと２．０５ｍｍとを加えて用いるものである。

また、アンテナケース、反射板などが、本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナに存在する場合、周波数に係る反射係数の特性に影響を与える。本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの製作後の測定結果又はＣＥＭプロッグラムで解析した結果、周波数に応じる反射係数の性が変化されると、下記の数式（４）を用いて、求められる周波数の特性に作ることができる。

図９は、本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの設計方法に対する実施形態の流れ図である。

まず、本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの設計プログラムを実行させ（Ｓ９０１）、該設計プログラムによって要求仕様に適する開放スタブフラット型ダイポールアンテナの製作が可能であるかを判断する（Ｓ９０２）。

該判断結果（Ｓ９０２）、開放スタブフラット型ダイポールアンテナの製作が可能である場合、他の例のアンテナを用いなければならない（Ｓ９０３）。

前記判断結果（Ｓ９０２）、開放スタブフラット型ダイポールアンテナの製作が可能である場合、設計プログラムから第１初期設計値Ａ，Ｆ，Ｒセットと各セットに応じる中心動作周波数での反射係数値を得、第１初期設計値Ａ，Ｆ，Ｒセットの週波数に応じる反射係数の特性により、第１初期設計値Ａ，Ｆ，Ｒセットの内のいずれかの第２初期設計値Ａ，Ｆ，Ｒセットを得る（Ｓ９０４）。

その後、前記で得た本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの第２初期設計値Ａ，Ｆ，Ｒセットを適用させた開放スタブフラット型ダイポールアンテナを、ＣＥＭプログラムを用いて解析する（Ｓ９０５）。

このように、ＣＥＭプログラムの解析（Ｓ９０５）、本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナが要求仕様を満足させているのかを判断して（Ｓ９０６）、要求仕様を満足させない場合、第２初期設計値Ａ，Ｆ，Ｒセットをチューニングして（Ｓ９０７）、ＣＥＭプログラムを用いて解析する過程（Ｓ９０５）から、その後の過程を繰り返す。

前記判断の結果（Ｓ９０６）、本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナが要求仕様を満足させる場合、要求仕様を満足させる開放スタブフラット型ダイポールアンテナを製作及び測定する（Ｓ９０８）。

そして、該製作及び測定の結果（Ｓ９０８）が要求仕様を実際に満足させるのかを判断し（Ｓ９０９）、前記要求仕様を満足させない場合、第２初期設計値Ａ，Ｆ，Ｒセットをチューニングする（Ｓ９０７）、以後の過程を繰り返す。

仮りに、前記製作及び測定の結果（Ｓ９０８）が前記要求仕様を満足させれば終了される。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、２種類の設計仕様に対して前記図９の設計方法を適用して製作された本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの写真と測定結果を示した一実施形態の説明図である。

ここで、２種類の設計仕様とは、システムで要求する仕様を言い、２種類の設計仕様は次の通りである。また、２つのアンテナが共にケースがあり、第２仕様に対するアンテナは反射板を有する。

第１設計仕様（多重帯域）は、１．９０ＧＨｚ，２．７２ＧＨｚであり、各帯域の帯域幅は、７０ＭＨｚ以上でなければならない。第２設計仕様（広帯域）は、２．５０ＧＨｚ〜２．７０ＧＨｚを含まなければならない。

図１０Ａは、第１設計仕様を満足させるように製作された８つの本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの内のいずれかの写真とそれぞれの８つの測定結果を示した一実施形態の説明図であり、図１０Ｂは、第２設計仕様を満足させるように製作された９つの本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの内のいずれかの写真と、それぞれの９つの測定結果を示した一実施形態の説明図である。

図１０Ａ及び図１０Ｂに示した、２種類の設計仕様に対して、前記図９の設計方法を適用して製作された複数の本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの測定結果、第１設計仕様を満足させるために製作された８つのアンテナ及び第２設計仕様を満足させるために製作された９つのアンテナがそれぞれ互いに類似のＳ₁₁特性を示して、それぞれ２種類の設計仕様を満足させることが分かる。

図１１Ａ及び１１Ｂは、本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの同軸プローブ、開放スタブ及び伝送線の結合方式を備えた全体構造と同軸プローブの詳細構造を示した一実施形態の説明図である。

図１１Ａ及び１１Ｂに示したように、フラット型基板のパラレルメタルストリップラリン（Parallel metal strip line）と、給電のための同軸プローブの結合形態は、別途のバラン（Balun）を必要としない。本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの給電構造に別途のバランが要らないという事実は、前記図７Ａ〜図７Ｂで確認することができる。すなわち、前記図１の構造に対して前記図２と同様な伝送線モデル等価回路は、ダイポールに平衡（balanced）電流が流れる時に成立することであるので、前記図７Ａ〜図７Ｂでの設計プログラムの結果とＣＥＭ計算結果が類似であることから、図１１の給電方法が別途のバランを必要としないことが確認できるということである。

尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものなく、本発明に係わる技術的思想の範囲内から逸脱しない範囲内で、様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。

本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナに対する一実施形態の構造図である。本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナに対する一実施形態の構造図である。本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの等価回路と設計パラーメーターを示した一実施形態の説明図である。本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナを設計したプログラムを利用して体系的に設計するためのＺ_dipole、Ｚ_open、γの抽出過程を示した一実施形態の説明図である。本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナを設計したプログラムを利用して体系的に設計するためのＺ_dipole、Ｚ_open、γの抽出過程を示した一実施形態の説明図である。本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナを設計したプログラムを利用して体系的に設計するためのＺ_dipole、Ｚ_open、γの抽出過程を示した一実施形態の説明図である。本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの設計のための設計プログラムの使用例を示した一実施形態の説明図である。本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの設計プログラムの正確性を確認するための一実施形態の説明図である。本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの設計プログラムの正確性を確認するための一実施形態の説明図である。本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの給電用の同軸プローブ部の補正値を示した一実施形態の説明図である。本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの設計方法に対する一実施形態の流れ図である。本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの写真と測定結果を示した一実施形態の説明図である。本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの写真と測定結果を示した一実施形態の説明図である。本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの同軸プローブ、開放スタブ及び伝送線の結合方式を備える全体構造と同軸プローブの詳細構造を示した一実施形態の説明図である。本発明に係る開放スタブフラット型ダイポールアンテナの同軸プローブ、開放スタブ及び伝送線の結合方式を備える全体構造と同軸プローブの詳細構造を示した一実施形態の説明図である。

符号の説明

１１，１６基板（ＰＣＢ）の両側
１５，１７フラット型ダイポールアーム
１４，１８パラレルメタルストリップライン伝送線
１３，２０開放スタブ
１２，１９同軸プローブの内部導体が挿入される非金属ホール
２１同軸プローブの外部導体と結合する四角接触部
２２比誘電率（ε_r）
２３基板の厚さ（h）
２４伝送線の幅（Ｗ_F）
２５アームの幅（Ｗ_A）
２６アームの長さ（A）
２７伝送線と開放スタブの長さ（Ｆ）
２８開放スタブの長さ（Ｒ）

Claims

基板と、
前記基板の第１の面および第２の面にそれぞれ１つずつ存在する、信号を送受信するための第１のダイポールアームおよび第２のダイポールアームと、
前記第１のダイポールアームおよび前記第２のダイポールアームにそれぞれ前記第１の面および前記第２の面の上で接続された、給電のための第１のパラレルメタルストリップライン伝送線および第２のパラレルメタルストリップライン伝送線と、
前記第１のパラレルメタルストリップライン伝送線および前記第２のパラレルメタルストリップライン伝送線にそれぞれ前記第１の面および前記第２の面の上で接続された第１のスラブおよび第２のスタブと、
前記第１のパラレルメタルストリップライン伝送線と前記第１のスラブとの間に設けられた、同軸ケーブルを挿入するための第１のホール、および、前記第２のパラレルメタルストリップライン伝送線と前記第２のスラブとの間に設けられた、前記同軸ケーブルの内部導体を挿入するための第２のホールと、
前記第１のホール又は前記第２のホールの周囲に配置された、前記同軸プローブの外部導体と結合するための接触部と
を備えたことを特徴とするスタブフラット型ダイポールアンテナ。
前記スタブフラット型ダイポールアンテナは、
バランが要らない給電構造を有することを特徴とする請求項１に記載のスタブフラット型ダイポールアンテナ。
前記第1および第２のダイポールアームの長さ、前記第1および第２のパラレルメタルストリップライン伝送線の長さ、前記第１および第２のスタブの長さ、前記第１および第２のパラレルメタルストリップライン伝送線のインピーダンスを調節することによって、広帯域又は多重帯域の特性を得ることを特徴とする請求項１又は２に記載のスタブフラット型ダイポールアンテナ。
前記スタブフラット型ダイポールアンテナの設計時、
前記スタブフラット型ダイポールアンテナの構造に対して、伝送線モデルの等価回路を基にした設計プログラムによって自動化された初期設計が可能であることを特徴とする請求項３に記載のスタブフラット型ダイポールアンテナ。
前記スタブフラット型ダイポールアンテナに対する設計プログラムは、
求められる仕様に応じる中心動作周波数、該中心動作周波数で許容する最大反射係数、前記第1および第２のパラレルメタルストリップライン伝送線のインピーダンスが入力されると、要求された仕様を満足させるスタブフラット型ダイポールアンテナの第１初期設計値セットを出力することを特徴とする請求項４に記載のスタブフラット型ダイポールアンテナ。
前記スタブフラット型ダイポールアンテナの第１初期設計値セットは、
前記第1および第２のダイポールアームの長さ、前記第1のパラレルメタルストリップライン伝送線と前記第1のスタブを合わせた長さ、前記第1および第２のスタブの長さであることを特徴とする請求項５に記載のスタブフラット型ダイポールアンテナ。
前記スタブフラット型ダイポールアンテナに対する設計プログラムは、
前記第１初期設計値セットと前記第1および第２のパラレルメタルストリップライン伝送線のインピーダンス値が入力されると、周波数に応じる反射係数の特性を出力することを特徴とする請求項４に記載のスタブフラット型ダイポールアンテナ。
請求項１に記載のスタブフラット型ダイポールアンテナを設計する方法において、
前記スタブフラット型ダイポールアンテナの設計プログラムを実行させた結果、前記設計プログラムによって、要求仕様に適するスタブフラット型ダイポールアンテナの製作が可能になる場合、前記設計プログラムから第１初期設計値（前記第１および第２のダイポールアームの長さＡ、前記第１のパラレルメタルストリップライン伝送線と前記第１のスタブを合わせた長さＦ、前記第１および第２のスタブの長さＲ）セットと各セットに応じる中心動作周波数での反射係数の特性を得るステップと、
前記第１初期設計値セットの周波数に係る反射係数の特性によって決定される前記第１初期設計値セットの内の１つである第２初期設計値（前記第１および第２のダイポールアームの長さＡ、前記第１のパラレルメタルストリップライン伝送線と前記第１のスタブを合わせた長さＦ、前記第１および第２のスタブの長さＲ）セットを得るステップと、
前記第２初期設計値セットを適用させた開放スタブフラット型ダイポールアンテナをＣＥＭプログラムを用いて解析するステップと、
前記解析結果、前記第２初期設計値を適用した前記スタブフラット型ダイポールアンテナが要求仕様を満足させる場合、前記スタブフラット型ダイポールアンテナを製作及び測定するステップと
を含むことを特徴とするスタブフラット型ダイポールアンテナの設計方法。