JP4302437B2 - スロットタイプの改良型平面アンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面アンテナに係り、より詳細には、無線ネットワーク、特に別々の周波数域で動作する無線ネットワークに適したスロットタイプのマルチバンド平面アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動無線ネットワーク若しくは家庭用無線ネットワークを配備する観点において、アンテナの設計は、種々の周波数をこれらのネットワークに割り当てる態様から生ずる特定の問題に直面している。例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａやＨｉｐｅｒｌａｎ２規格の家庭用無線ネットワークの場合、５ＧＨｚ帯で動作する２つの別の周波数ブロックが、以下の表からわかるように、種々のオペレータに割り当てられている。
【０００３】
【外１】

双方の周波数帯をカバーするため、単一の規格に対してであれ双方の規格に対してであれ、種々の解決策の提案がなされている。最も明確な解決策は、同時に双方の周波数帯をカバーする広い周波数帯を持つアンテナを使用することにある。この種の広周波数帯アンテナは、一般的に構造が複雑であり、コストも高い。広帯域アンテナの使用は、また、ノイズの帯域幅及び妨害器に起因した受信機の性能の劣化のような、他の欠点を有しており、妨害器(jammer)は、アンテナによりカバーされる帯域であって、５．３５ＧＨｚと５．４７ＧＨｚとの間の特定アプリケーションに割り当てられていない帯域を含む帯域全体で動作できる。広周波数帯アンテナを使用することは、帯域外送信電力マスクやプロフィール、つまり、割り当てられた帯域内及び当該帯域外で送信の許される最大電力を満たすべく、送信機に対するより厳しいフィルタリング制約を伴う。これは、更なる損失及び設備に対する追加のコストを招く。
【０００４】
無線ネットワークにおいて、所定の瞬間、アンテナは、更に、２つの帯域の何れか一方に属する、約２０ＭＨｚの幅を持つチャンネルをカバーする。広周波数帯アンテナに関する欠点を回避することを可能とする一の解決策は、電気的に調整できる周波数帯を持つアンテナを用いることである。
【０００５】
所定の周波数ｆで動作するアンテナスロット１からなり、該スロットが給電ライン２によって給電される、図１に示されるような平面アンテナが知られている。より正確には、両面が金属化された通常の印刷基板からなる基板上に、円形であってよいが、他の閉じた形状であってもよい環状スロット１が、アンテナのアース面を構成するように意図される側にエッチングすることによって、従来的に製作される。給電ライン２は、スロット１に電磁結合によりエネルギを供給するように意図されている。例えば、それは、マイクロストリップ技術で製作されるラインからなり、図示の実施例では、スロット１から基板の他の側に位置し、このスロットを形成する円に対して径方向に向けられる。
【０００６】
この実施例では、アンテナのマイクロストリップライン−環状スロット間の遷移は、公知の態様で製作され、スロット１が、ライン短絡平面内に、即ち、電流が最も強くなる領域内に位置するようにされる。従って、以下の式が成立する。
【数１】

長さＩ’ｍは、ライン２の
【外２】

マッチングを達成するように選択される。この場合、この場合、スロット１の周囲の長さｐは、スロット内に導かれる波長のｍ倍に等しくなるように選択される。ｍは、正の数である。従って、以下の式が成立する。
【数２】

この場合、種々のモードの共振周波数は、実際には周波数ｆの倍数であり、これらのモードは、基本モード、より高いモード等に対応する。
【０００７】
この種のアンテナは、従って、図２に示すように、並列ＲＬＣ回路によってその共振周波数ｆ周辺でモデル化できる。関係
【外３】

が、それ故に、
【外４】

に対して、共振周波数で得られ、ｆは共振周波数に等しい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のアンテナは、コンパクトな構造を有し製造が容易であるという特定の効果を奏する。更に、当業者に知られているように、ダイオード、特にＰＩＮダイオードの等価回路は、ダイオードがＯＦＦ状態にあるときは容量性回路であり、若しくは、ダイオードがＯＮ状態にあるときは誘導性回路である。
【０００９】
本発明は、それ故に、環状スロットタイプの平面アンテナの改良に関し、複数の周波数帯の有効範囲を提供することを可能としつつ、広周波数帯アンテナに関連した欠点及び困難を回避する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所与の周波数で動作するように構成された閉曲線からなるスロットを含む基板により支持され、スロットが給電ラインの短絡面に位置するように配置された給電ラインにより給電される、平面アンテナであって、
平面アンテナは、前記スロット上に並列に複数のスイッチング手段を含み、該スイッチング手段は、前記平面アンテナの動作周波数帯の幅及び中心周波数を修正するように閉状態若しくは開状態をとることができることを特徴とする、平面アンテナに関する。
【００１１】
スイッチング手段は、好ましくは、周波数の連続的な調整を可能とするバラクター若しくはダイオードからなる。代替実施例によれば、ダイオードは、少なくとも、バラクターに並列に配置される。更に、スイッチング手段（複数を含む）は、前記アンテナの所望の共振周波数を関数として、最小値を与える前記スロットに対する電気的短絡面と、最大値を与える前記スロットに対する電気的開回路面との間に並列に設けられる。
【００１２】
本発明の他の特徴及び効果は、図面を参照して以下の好ましい実施例の説明を読むことで明らかになるだろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図の説明を簡素化するため、同一の要素には同一の参照符合が付される。
【００１４】
先ず、図３乃至図５を参照して、本発明の第１実施例を説明する。従って、図３に示すように、本発明による平面アンテナは、基板１０上に公知の方法で作製された環状のスロット１１からなる。この環状スロット１１は、給電ライン１２、より詳細には、無線周波数供給に接続されたマイクロストリップラインにより給電される。更に、図３に示すように、金属化ホールにより終端する給電ライン１４は、アンテナの連続的な制御を提供する。この種のアンテナは、測定のために製造される。この場合、アンテナは、高さｈ＝０．８１ｍｍ、
誘電率
【外５】

、及び、タンジェント
【外６】

を有するＲＯ４００３基板上に製作される。この場合、公知の態様で金属化された基板は、長さＬ＝３５ｍｍで幅Ｗ＝３０ｍｍのアース面を形成する。マイクロストリップライン１２は、スロット１１が給電ラインの短絡面内に位置するように配置される。それ故に、給電ライン１２は、長さ
【外７】

だけスロット１１に重なる（オーバーラップする）。ここで、
【外８】

は、ラインに導かれる波長であり、ｋは奇数である。本例では、
【外９】

ライン１２の幅は、Ｗ＝０．３ｍｍである。更に、給電ライン１２は、コネクタの標準のインピーダンスに整合する
【外１０】

の長さによって終端し、
【外１１】

となる。
【００１５】
本発明によれば、ダイオード１３、即ち、実施例で示されるＨＰダイオードＲｅｆ：ＨＳＭＰ−４８９ＢのようなＰＩＮダイオードは、スロット１１に並列に配置される。図３の実施例では、ダイオード１３は、スロット１１の開回路面に配置される。このダイオード１３は、制御回路（図示せず）に接続され、ＯＦＦ状態若しくはＯＮ状態にされることが可能とされる。
【００１６】
ここで、図４ａ及び図４ｂを参照して、ダイオードが並列に設けられる環状スロットを有する種のアンテナの動作をより詳細に説明する。
【００１７】
ダイオードがＯＦＦ状態にあるとき、その動作は容量性の動作であり、それ故に、この場合、図４ａに示すものと等価の回路が得られ、つまり、並列の２つのキャパシタＣ及びＣｄが、Ｃｅ＝Ｃ＋Ｃｄの値を持つキャパシタンスＣｅを与える。公知なように、この回路の共振周波数ｆ’は、
【外１２】

により与えられる。Ｃｅは、ダイオードの一切無いスロットに対応する値Ｃよりも高い値を持つので、周波数ｆ’が、ダイオードの一切無いスロット周波数ｆよりも低いことが推測できる。
【００１８】
ＯＮ状態のダイオードは誘導性動作を有することから、２つのインダクタンスＬ及びＬｄが並列となる、図４ｂのものと等価の図が得られる。この場合、等価インダクタンスの値Ｌｅは、Ｌｅ＝ＬＬｄ／（Ｌ＋Ｌｄ）に等しい。この回路では、動作周波数ｆ”は、新たな共振条件
【外１３】

により与えられる。ＬｅはＬより小さいので、周波数ｆ”がダイオードの一切無いスロット周波数ｆよりも高いことが推測できる。従って、ダイオード１３の状態を制御することによって、図３のアンテナの共振周波数を制御することが可能である。
【００１９】
複数のダイオードを並列に置く効果は、それ故に、
１）ＯＦＦ状態のダイオードに対して得られる低い周波数ｆ’とダイオードが一切存在しない際の周波数ｆとの差を増大すること、及び、
２）ＯＮ状態のダイオードに対して得られる高い周波数ｆ”とダイオードが一切存在しない際の周波数ｆとの差を増大すること、である。
【００２０】
それ故に、ダイオードが一切存在しないスロットの共振周波数に対して、より広い若しくはより狭い帯域で、より対称な若しくはより対称でない帯域に亘り、図３のアンテナの共振周波数を制御することが可能となる。
【００２１】
図５の曲線は、明確に、図３のアンテナ構造に対して、ＯＦＦ状態からＯＮ状態へのＰＩＮダイオードのスイッチングによって、ＯＦＦ状態のダイオードに対する約４．８ＧＨｚの周波数から、ＯＮ状態のダイオードに対する約７．１ＧＨｚの周波数へと変化することが可能となる。
【００２２】
次に、図６及び図７を参照して、スロットにダイオード若しくは複数のダイオードを設置することにより得られる作用を示し、この作用は、スロットの動作周波数への影響をもたらす。
【００２３】
図６は、例えばマイクロストリップライン１２により給電される環状スロット１１を概略的に示す。この図では、ダイオードは、スロット内に並列で、ダイオード１３のような開回路面に対応する位置と、ダイオード１３’のような短絡面に対応する位置との間の種々の位置にて設置される。他のダイオードは、例えば、短絡面から２２°、４５°及び６０°の位置に配置される。この場合、ダイオードの共振スロット１１との結合が改善され、ＯＦＦ状態の場合での、等価キャパシタンスの正確な値、若しくは、ＯＮ状態の場合のインダクタンスの正確な値が改善される。ダイオード１３’が電気的な短絡面内に位置するとき、それは、ゼロインピーダンスに並列なインピーダンス（状態に依存して、容量性若しくは誘導性）を付与する。それ故に、その作用は最小である。ダイオード１３が開回路面に位置するとき、逆に、それは、無限インピーダンスに並列なインピーダンスを付与し、その作用は最大である。得られた種々の結果は、図７に示され、周波数ＧＨｚの関数として反射係数Ｓ１１がｄＢで与えられている。
【００２４】
図８及び図９は、本発明の代替実施例を示す。図８は、図３のように、マイクロストリップライン１２により給電されるスロットアンテナ１１からなる平面アンテナを示し、マイクロストリップライン１４は、アンテナの連続値を制御する。この場合、図８に示すように、２つのダイオード１５Ａ，１５Ｂが、スロットに対する短絡面（ＳＣ面で参照される）の両側でスロット上に並列に設けられる。この実施例では、２つのダイオード１５Ａ，１５Ｂ間の距離ｄは、２．８ｍｍである。この場合、ダイオードがＯＦＦ状態からＯＮ状態に変化する時、周波数ＧＨｚの関数として反射係数Ｓ１１がｄＢで与えられる図９に示すように、動作周波数が５．５４ＧＨｚから５．９４Ｇｈｚへと変化する。５００ＭＨｚの周波数シフトがそれ故に観測される。
【００２５】
輻射図測定は、上述の寸法を有する図８に示すようなアンテナモデルを備えた無響室で実行された。この場合、ダイオードは、環状スロットの基本放射を乱さないことが見出される。
【００２６】
本発明は、スイッチング手段としてＰＩＮダイオードを参照して説明されている。スロットは、更に、環状以外の閉形状を有してよい。それは、正方形、三角形、長方形のような多角形であってよい。上述の本発明は、それ故に、特にＩＥＥＥ８０２．１１ａやＨｉｐｅｒｌａｎ２規格に対応する複数の周波数帯で動作できる、コンパクトで安価な平面アンテナを提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術による環状スロットタイプの平面アンテナを示す図である。
【図２】図１のアンテナの等価回路図である。
【図３】本発明の一実施例の平面図である。
【図４ａ】図３のアンテナの等価回路図である。
【図４ｂ】図３のアンテナの等価回路図である。
【図５】ダイオードがスロットの開回路面内にあるときの、図３のアンテナの周波数と反射係数の関係（ダイオードＯＮ若しくはＯＦＦ）を示す図である。
【図６】ダイオードに対する種々の考えられる位置を示す、本発明によるアンテナの概略的な平面図である。
【図７】ダイオードに対する種々の考えられる位置に対する周波数と反射係数の関係を与える曲線を示す図である。
【図８】本発明のその他の実施例による、短絡面の両側に２つのダイオードを備える環状スロットタイプのアンテナの概略的な平面図である。
【図９】ダイオードの両状態に対する図８のアンテナに対する周波数と反射係数の関係を与える曲線を示す図である。
【符号の説明】
１０ 基板
１１ 環状スロット
１２ 給電ライン
１３ ダイオード
１４ 給電ライン

Claims (3)

1. 所定の周波数で動作するように構成された閉曲線からなる環状ないし多角形のスロット（１１）を含む基板（１０）により支持され、スロット（１１）が給電ラインの短絡面に位置するように給電ライン（１２）／スロット（１１）の遷移部を形成してスロット（１１）を横切る給電ライン（１２）により給電される、平面アンテナであって、
   少なくとも１つのスイッチング可能なダイオードタイプの手段（１３；１３，１３’）が、開回路面（ＯＣ）におけるマイクロストリップの給電ライン（１２）／環状のスロット（１１）の遷移部と反対側でマイクロストリップの給電ライン（１２）に並列に環状のスロット（１１）上に位置し、即ち、電流が最も小さくなる領域内に位置し、若しくは、開回路面（ＯＣ）から短絡面に至るまでの種々の位置に位置し、
   前記少なくとも１つのスイッチング可能なダイオードタイプの手段（１３）は、該手段をＯＦＦ状態若しくはＯＮ状態のいずれかにすることを可能とする制御回路に接続され、これにより、該少なくとも１つのスイッチング可能なダイオードタイプの手段（１３）の状態を制御することにより当該平面アンテナの共振周波数を制御することを可能とする、平面アンテナ。
2. 所定の周波数で動作するように構成された閉曲線からなる環状ないし多角形のスロット（１１）を含む基板（１０）により支持され、スロット（１１）が給電ラインの短絡面に位置するように給電ライン（１２）／スロット（１１）の遷移部を形成してスロット（１１）を横切る給電ライン（１２）により給電される、平面アンテナであって、
   ２つのスイッチング可能なダイオードタイプの手段（１５Ａ，１５Ｂ）が、距離（ｄ）隔てて短絡面（ＳＣ）の各側のスロット上に並列に設けられ、
   前記２つのスイッチング可能なダイオードタイプの手段（１５Ａ，１５Ｂ）は、該手段をＯＦＦ状態若しくはＯＮ状態のいずれかにすることを可能とする制御回路に接続され、これにより、該２つのスイッチング可能なダイオードタイプの手段（１５Ａ，１５Ｂ）の状態を制御することにより当該平面アンテナの共振周波数を制御することを可能とする、平面アンテナ。
3. 前記スイッチング可能なダイオードタイプの手段は、ＰＩＮダイオードからなる、請求項１又は２記載のアンテナ。

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