JP4307489B2 - ダイバシティ受信スロット付きフラットプレートアンテナ - Google Patents

Description

本発明は放射のダイバシティを有するプレーナアンテナに関する。とりわけ本発明は無線伝送の分野で使用されるアンテナに関し、特に家庭内環境、屋内競技場、テレビジョンスタジオ、劇場又はこれに類似の室内のような閉鎖又は半閉環境における伝送の枠内で使用されるアンテナに関する。

公知の高速無線伝送システムではトランスミッタにより伝送される信号は、壁、備品又はこれに類似の要素での信号の多くの反射から結果的に生じる複数のパスを辿ることによってレシーバに到達する。レシーバのレベルで結合される場合には、異なる長さのパスを通った異なる放射の間の位相差は、フェージング又は信号における重大な劣化を引き起こしうる干渉像を生じる。

今や、フェージングのロケーションは新しいオブジェクトの存在又は人々の移動のような環境における変動に従って刻々と変化する。マルチパスによるフェージングは受信される信号品質のレベルでもシステムパフォーマンスのレベルでも重大な劣化をもたらしうる。これらのフェージング現象を克服するために、最も頻繁に使用される技術は空間ダイバシティをインプリメントする技術である。

この技術は、とりわけ、給電ラインによってスイッチに接続された、広い空間有効範囲（wide spatial coverage）を有するアンテナのペアを使用することから成る。しかし、このタイプのダイバシティの利用は、各放射エレメントから見たチャネルレスポンスの十分な無相関（decorrelation）が存在することを保証するために放射エレメント間の最小スペーシングを必要とする。このインプリメンテーションの固有の欠点はとりわけサイズ及びサブストレートに関してコストがかかる放射エレメント間の距離である。

複数の他の解決策がこの問題を克服するために提案された。これらの解決策のうちのいくつかは例えば本出願人の名の下にフランス特許Ａ−２８２８５８４に記述されたような放射のダイバシティを利用する。

本発明は放射のダイバシティを有する新しいプレーナ型アンテナを提案する。

本発明によれば、サブストレート上に実現される、放射のダイバシティを有するプレーナアンテナであって、少なくとも１つの給電ラインにおいて基本モードよりも高いモードで動作するために設計仕様された閉じた形状のスロットを有し、前記給電ラインは前記スロットに、ライン・スロットトランジションにしたがい結合されており、前記スロットの外周はｐ＝ｋλｓとなるように選択され、ここでｐはスロットの外周、ｋは２より大きい整数であり、λｓはスロットにおいてガイドされる波長であるプレーナアンテナにおいて、
プレーナアンテナは、オープンサーキットを形成するスロットゾーンに接続された少なくとも１つの第１の給電ラインと、該第１の給電ラインから距離ｄ＝（２ｎ＋１）λｓ／４に置かれた第２の給電ラインとを有し、ここでｎはゼロより大きいか又はゼロに等しい整数であり、前記第２の給電ラインは、ショートサーキットを形成するスロットゾーンに接続されており、これによりコンプリメンタリな２つの放射パターンが、アクセスのために選択された給電ラインに依存して得られることを特徴とするプレーナアンテナが提案される。

第１の実施形態によれば、各給電ラインは、オープンサーキットにおいて終端し、さらに、トランジションの後のラインの長さが（２ｋ'＋１）λｍ／４に等しくなるようにライン／スロット結合に従ってスロットに結合され、ここでλｍはラインの下にガイドされる波長であり、ｋ'は正の整数又はゼロである。マイクロストリップラインが２ｋ''λｍ／４に配置されたショートサーキットにおいて終端するようにライン／スロット結合が実現され、ここでλｍはラインの下にガイドされる波長であり、ｋ''は正の整数又はゼロである。

第２の実施形態によれば、各給電ラインは接線方向（tangential）ライン／スロットトランジションに従ってスロットに磁気的に結合される。

さらに、スロットの形状は環状、正方形、矩形、多角形又はクローバーの葉の形状である。スロットが矩形形状であるならば、給電ラインはスロットの対称軸から等距離であるか又は給電ラインのうちの１つはスロットの対称軸に応じて位置決めされる。

本発明の他の特徴及び利点は様々な実施例の以下の記述から得られる。この記述は添付された図面を参照しつつ行われ、
図１は第１の実施例の概略図であり、
図２は図１のアンテナパラメータを示す曲線であり、
図３ａ及び図３ｂはそれぞれアクセス１又はアクセス２によりそれぞれ給電される場合の図１のアンテナの放射パターンを示し、
図４は図３の放射パターンの断面図であり、
図５は４５°又は１３５°での第２のアクセスに対するアイソレーション曲線Ｓ１２を示し、
図６は本発明によるアンテナの別の実施例の概略図であり、
図７ａ及び図７ｂはそれぞれアクセス１又はアクセス２によりそれぞれ給電される場合の図６のアンテナの放射パターンを示し、
図８ａ及び図８ｂは４分の１波長の異なる値の場合の図６のアンテナのパラメータＳを示し、
図９は本発明によるアンテナの他の実施例の概略図であり、
図１０は図９のアンテナのパラメータＳを示し、
図１１ａ及び図１１ｂはそれぞれ図９のアンテナの放射パターンを示し、
図１２はアンテナの多様な形状の概略図であり、
図１３はさらに別の本発明の実施例の概略図であり、
図１４は１つのＴｘアクセス及び２つのＲｘアクセスを統合する本発明によるアンテナの概略図である。

記述を簡略化するために、同一のエレメントは図面と同一の参照符号を有する。

図１〜５までは本発明の第１の実施例に関する。図１に示されているように、プレーナアンテナはここには図示されていないグラウンドプレーン上のエングレービング（engraving）によってサブストレート２上に実現された環状スロット１によって構成されている。このアンテナは高次モードで、より具体的にいえばその第１の高次モードで動作する。それゆえ、環状スロット１の外周は２λｓに等しく、ここでλｓはスロットにおいてガイドされる波長である。一般的に、スロットの外周はｐ＝ｋλｓただしｋ＞１である。

図１に示されているように、スロットの励起はマイクロストリップ技術において実現される給電ライン３を使用することによって達成される。このライン３は、Knorrにより記述された方法に従ってマイクロストリップラインとスロットとの間の結合を得るためにスロットを横断している。よって、ライン３の長さＬｍは近似的に（２ｋ'＋１）λｍ／４に等しく、ここでλｍはラインの下にガイドされる波長であり、ｋ'は正の整数又はゼロであり、大抵はＬｍ＝λｍ／４である。さらに、図１に示されているように、環状スロットにおけるフィールドの分布は最大フィールドゾーン（オープンサーキットのためのＯＣゾーン）及び最小フィールドゾーン（ショートサーキットのためのＳＣゾーン）を有する。給電ライン３は環状スロット１をオープンサーキットゾーンにおいて横断する。給電ラインの位置決め及び環状スロットの外周のために、２つのＯＣゾーン間の又は２つのＳＣゾーン間の距離はλｓ／２である。スロットにおけるフィールドのこの分布はアンテナの放射パターンを決定する。放射がサブストレートに垂直であるその基本モードで動作する環状スロットとは対照的に、放射はサブストレートの平面内にある。１つの変形実施形態によれば、給電ライン３はショートサーキットにおいて終端する。この場合には、ラインの長さ（Ｌｍ）は、Ｌｍ＝ｋ''λｍ／４であるように選択され、ここでｋ''は正の整数又はゼロである。

本発明によれば、マイクロストリップ技術で実現されKnorr方法に従ってスロットを横断する第２の給電ライン４がＳＣゾーンのレベルに位置決めされている。給電ライン４の長さは上述の規則に従って決定される。よって、アクセスがライン４によって実現される場合には、第１の放射パターンとはコンプリメンタリな第２の放射パターンが得られる。より特定すれば、第２のラインは第１のラインを基準にして＋／−４５°又は＋／−１３５°に配置され、すなわちｄ＝（２ｎ＋１）λｓ／４である距離ｄに配置される。２つのアクセスのこの相対的な位置によってアイソレーションの良好なレベルが得られる。

the Zeland company のＩＥ３Ｄソフトウェアを使用することによってシミュレートされた図１の実施例に準拠する実施形態の設計仕様を以下に示す。εr＝３．３８、ロスタンジェントTanΔ＝０．００２２及び高さH＝０．８１ｍｍを示すRogers RO4003サブストレートの上に図１に示されたようなアンテナが実現される。このアンテナは内径Rint＝１３．４ｍｍ及び外径Rext＝１３．８ｍｍ、すなわち平均直径Ravg１３．６ｍｍを示す環状スロットによって構成される。スロットの幅はWs＝０．４ｍｍに等しい。給電ラインはマイクロストリップ技術を使用して実現され、幅Ｗｍ＝０．３ｍｍ及び長さＬｍ＝λｍ／４を有し、Ｌｍ＝Ｌｍ'＝８．２５ｍｍである。

図１に示されるように、２つのアクセス１と２との間の距離は、スロットが円であるならば、外周の１／８倍、すなわち２πｒaverage／８＝１０．６８ｍｍに相応する。これはスロットにおいてガイドされる波長の１／４に相応する（λｓ／４＝１０．６６ｍｍ）。ライン３、４に給電するためのアクセス

のレベルでは、インピーダンスは５０オームである。図２はアイソレーションS及びマッチングパラメータに関して得られる結果を周波数に応じて示している。この場合、およそ−２０ｄBのアイソレーションが得られるのが見てとれる。

さらに、図３ａ及び３ｂに示されている放射パターンによれば、図３ａに示されるようにアクセス

が使用される場合には方向Oｘ及びOｙに従って配向された４つのローブ（lobes）が判別されるが、他方でアクセス

が使用される場合にはこれらのローブは図３ｂに示されているように４５°回転されている。それゆえ、図４に示されているような２つのコンプリメンタリな放射パターンが得られ、図４は図３ａ及び３ｂに示された放射パターンの平面θ＝９５°における断面を示す。

注意すべきは、このアンテナによって放射がサブストレートの平面内で発生され、これによって例えば単段使用（a single stage use）に対して水平方向有効範囲（horizontal coverage）が得られることである。

本発明によれば、第２のアクセス、すなわちマイクロストリップライン４は第１のアクセス、すなわち給電ライン３に対して＋／−１３５°（＋／−３λｓ／４）に配置されうる。これによって図５において示されているように２つの曲線S１２（１３５°アクセス）とS１２（４５°アクセス）との間でアイソレーションレベルのほぼ８ｄBの改善が得られる。

これから図６〜８に関する本発明によるアンテナの別の実施例の記述を行う。この場合、図６に示されるように、円形形状スロットの代わりに、矩形形状のスロット１０が使用される。この矩形形状の長さはｐ＝２λｓ＝２（W＋L）、ただしここでWは矩形の幅に相応し、Lは矩形の長さに相応する。より一般的に言えば、ｐ＝ｋλｓ＝２（W＋L）である。この場合、図６に示されるように、矩形形状スロットはマイクロストリップ技術を使用して実現された２つの給電ライン１１及び１２によって給電される。この給電はKnorrにより記述された上述の方法に従ってライン／スロット結合によって発生される。

本発明によれば、第１の給電ライン１２はこの構造の対称軸、すなわち軸ｘ，ｘ'上に位置決めされ、他方で、第２の給電ライン、すなわちライン１１は距離ｄ＝（２ｎ＋１）λｓ／４に位置決めされ、ただしここでｎはゼロより大きい整数又はゼロに等しい。この非対称性はポートのインピーダンス整合のレベルで配置されている。実際、Ｓ１１とＳ２２インピーダンス整合との間で中心周波数及びインピーダンス整合帯域に関して不均衡が生じる。

この場合、周波数はアクセスポートと下で述べるようなライン・スロットトランジション（line-slot transition）との間に配置された４分の１波長（Ｌｍ’Ｗｍ’）を修正することによってリセンタリングされる。

図６に示されたような矩形形状によって、ライン１２による給電に対しては図７ａに示されたような放射パターンが得られ、又は、ライン１１による給電に対しては図７ｂに示されたような放射パターンが得られる。得られるパターンは環状スロットのパターンと比べると変化しているが、コンプリメンタリなままであることが見て取れる。従って、スロットの形状によって、放射パターンを制御することが可能である。

以下において図６に示されたようなアンテナの実用的な実施形態を記述する。このアンテナはミリメータ単位の次のような設計仕様：
Ｌ＝３２．９２ｍｍ
Ｗ＝１１．２４ｍｍ
Ｄ＝１８．８４ｍｍ
Ｗｓ＝０．４ｍｍ
Ｌｍ＝Ｌｍ’＝８．８５ｍｍ
Ｗｍ＝Ｗｍ’＝０．１５ｍｍ
によってＩＥ３Ｄソフトウェアを使用することによってシミュレートされた。

図８ａの曲線において示されるように、この場合には、同一の周波数にセンタリングされないインピーダンス整合の２つのピークが存在することが見て取れる。これら２つのピークのセンタリングを得るために、Ｌｍ’＝７．８５ｍｍ及びＷｍ’＝０．７５ｍｍとなるようにアクセス１の４分の１波長が修正された。この場合、図８ｂのパラメータSが得られた。ライン１１に相応するアクセスの４分の１波長は修正されていないが、２つのインピーダンス整合ピークは同一の周波数にセンタリングされる。

第３の実施例が次に図９〜１１を参照しつつ記述される。この場合、閉じた形状を有するスロットにより構成されたアンテナが、ラインｘｘ'に関して対称的である給電ライン２１、２２により形成された２つのアクセスを有する矩形状スロット２０により実現されている。この対称的なアクセス構造によって、もし矩形状スロットの外周ｐがｐ＝２λｓ＝２（Ｗ＋Ｌ）であるように選択されるならば、均整のとれたマッチングが得られ、ただしここでＷが矩形幅、Ｌがその長さ、λｓはスロットにおいてガイドされる波長である。前述したように、ｐはｐ＝ｋλｓと選択されてもよい。さらにライン２２のアクセスとライン２１のアクセスとの間の距離はｄ＝（２ｎ＋１）λｓ／４ただしここでｎはゼロより大きいか又はゼロに等しい整数であり、ライン２１及び２２により形成されるアクセスは矩形状スロットの対称軸ｘｘ'から等距離である。

この場合、対称的なアクセスを有する矩形状スロットのパラメータSを与える図１０に示されるように、２つのインピーダンス整合ピークは正確に重なっているが、アイソレーションのレベルは図６に示されるような非対称アクセスを有する矩形状スロットにより構成されたアンテナの場合より高い。

図９のアンテナ構造は図１１ａ及び１１ｂのパターンにより示されるように、利用されるアクセスに従って異なる放射パターンを与える。

これまでの実施例は、閉じた環状又は矩形状のスロットにより構成されたプレーナアンテナに関する。しかし、図１２に示されているように、他の閉じた形状もスロットアンテナに使用でき、とりわけ直交形状３０、正方形４０、クローバーの葉の形状５０も使用できる。動作条件の１つは、スロットの外周がスロットにおいてガイドされる波長の２より大きいか又は２に等しい整数ｋ倍すなわちｐ＝ｋλｓであること及びアクセスの間の距離ｄがｄ＝（２ｎ＋１）λｓ／４、ただしここでｎはゼロより大きいか又はゼロに等しい整数であることである。

この場合、スロットの高次モードが使用され、これによりコンプリメンタリな放射パターンが得られる。特に、ここで提案された構造はサブストレートの平面内に放射し、これはその基本モードで動作するスロットアンテナとは異なる。

図１３に示されるような本発明の変形実施例によれば、リングにより構成されているアンテナスロット６０は給電ライン６１、６２により示されているように接線方向から給電される。この場合、同じデザインルールが利用される。接線方向の給電の利点はスロットの外側の給電ラインを有すること及び帯域幅を増大することである。

本発明によれば及び図１４に示されているように、もし閉じた形状のスロットアンテナがとりわけ矩形又は正方形によって構成されているならば、良好なアイソレーションを有する受信／送信動作及び受信のための２のオーダのダイバシティを可能にする構造を実現することが可能である。獲得されるＲｘ／Ｔｘアイソレーションは矩形状スロットの場合の図８において与えられる。アクセスＴｘにより給電されるアンテナの放射パターンは図７ａのそれに相応し、アクセスＲｘ１により給電されるアンテナのそれは図７ｂのパターンに相応する。同様に、アクセスＲｘ２により給電されるアンテナのパターンは図７ｂに示されたパターンの軸Oｘに関して対称的である。２つのアクセスＲｘ間の距離はλｓ／２であり、もしくはより一般的に言えば、ｋ'''λｓ／２であり、ただしここでｋ'''は０より大きい整数である。従って、アイソレーションはこれらの２つのアクセスの間では本質的に良好ではない。ＳＰＤＴ回路のようなスイッチング装置がＲｘアクセスのレベルで使用されることになる。

従って、統合されたスイッチング装置が使用される場合には、このタイプの構造を使用することによってアイソレーションの良好なレベルを得ることができ、さらに非常に低い全体設計寸法を有する受信用のオーダ２のダイバシティが可能となる。

添付された請求項の範囲から逸脱することなしに上述の構造に修正が行われうることは当業者には自明である。とりわけ、給電ラインはコプレーナ技術又はアウターコアがサブストレートに接続される同軸ケーブルとは異なる技術を使用して実現することができる。

第１の実施例の概略図である。 図１のアンテナパラメータを示す曲線である。 図３ａ及び図３ｂはアクセス１又はアクセス２によりそれぞれ給電される場合の図１のアンテナの放射パターンを示す。 図３の放射パターンの断面図である。 ４５°又は１３５°での第２のアクセスに対するアイソレーション曲線Ｓ１２を示す。 本発明によるアンテナの別の実施例の概略図である。 図７ａ及び図７ｂはアクセス１又はアクセス２によりそれぞれ給電される場合の図６のアンテナの放射パターンを示す。 図８ａ及び図８ｂは４分の１波長の異なる値の場合の図６のアンテナのパラメータＳを示す。 本発明によるアンテナの他の実施例の概略図である。 図９のアンテナのパラメータＳを示す。 図１１ａ及び図１１ｂは図９のアンテナの放射パターンを示す。 アンテナの多様な形状の概略図である。 さらに別の本発明の実施例の概略図である。 １つのＴｘアクセス及び２つのＲｘアクセスを統合する本発明によるアンテナの概略図である。

符号の説明

１ 環状スロット
２ サブストレート
３ 給電ライン
４ 給電ライン
１０ 矩形状スロット
１１ 給電ライン
１２ 給電ライン
２０ 矩形状スロット
２１ 給電ライン
２２ 給電ライン
３０ ８角形状スロット
４０ 正方形状スロット
５０ クローバーの葉の形状のスロット
６０ リングにより構成されるアンテナスロット
６１ 給電ライン
６２ 給電ライン

Claims (8)

1. サブストレート（２）上に実現される、放射のダイバシティを有するプレーナアンテナであって、
   少なくとも１つの給電ライン（３，４）において基本モードよりも高いモードで動作するために設計仕様された閉じた形状のスロット（１）を有し、
   前記給電ラインは前記スロットに、ライン・スロットトランジションにしたがい結合されており、
   前記スロットの外周はｐ＝ｋλｓとなるように選択され、ここでｐはスロットの外周、ｋは２より大きい整数であり、λｓはスロットにおいてガイドされる波長であるプレーナアンテナにおいて、
   プレーナアンテナは、オープンサーキットを形成するスロットゾーン（ＯＣ）に接続された少なくとも１つの第１の給電ライン（３）と、該第１の給電ラインから距離ｄ＝（２ｎ＋１）λｓ／４に置かれた第２の給電ライン（４）とを有し、
   ここでｎはゼロより大きいか又はゼロに等しい整数であり、
   前記第２の給電ライン（４）は、ショートサーキットを形成するスロットゾーン（ＳＣ）に接続されており、これによりコンプリメンタリな２つの放射パターンが、アクセスのために選択された給電ラインに依存して得られることを特徴とするプレーナアンテナ。
2. 前記第１と第２の給電ラインは、オープンサーキットにおいてそれぞれ終端し、
   かつ前記第１と第２の給電ラインは、ライン・スロットトランジションに従ってスロットに結合され、
   前記前記第１と第２の給電ラインの長さは、ライン・スロットトランジションの後で、（２ｋ'＋１）λｍ／４に等しく、ただしここでλｍは給電ラインでガイドされる波長であり、ｋ'は正の整数又はゼロであることを特徴とする、請求項１記載のアンテナ。
3. 各給電ラインは、ライン・スロットトランジションにしたがい、ショートサーキットにより終端されるマイクロストリップラインに結合され、
   前記各給電ラインの長さは、ライン・スロットトランジションの後で、ｋ"λｍ／４に等しく、ここでλｍは給電ラインでガイドされる波長であり、ｋ''は正の整数又はゼロであることを特徴とする、請求項１記載のアンテナ。
4. 各給電ラインは接線方向ライン／スロットトランジションに従って磁気的にスロットに結合されることを特徴とする、請求項１記載のアンテナ。
5. 給電ラインはマイクロストリップ技術、またはコプレーナ技術において実現されることを特徴とする、請求項１〜３のうちの１項記載のアンテナ。
6. スロットの形状は環状（１）、正方形（４０）、矩形（１０、２０）、多角形（３０）、クローバーの葉の形状（５０）であることを特徴とする、請求項１〜５のうちのいずれか１項記載のアンテナ。
7. 矩形形状（２０）のスロットの場合には、給電ライン（２１，２２）はスロットの対称軸（ｘ，ｘ’）から等距離であることを特徴とする、請求項６記載のアンテナ。
8. 矩形形状（２０）のスロットの場合には、給電ライン（２１，２２）のうちの１つはスロットの対称軸（ｘ，ｘ’）に応じて位置決めされることを特徴とする、請求項６記載のアンテナ。

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