JP4328900B2 - Ｕｗｂループアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、ＵＷＢ信号放射のためにＬ形状部アームを備えるプリントループアンテナに関する。

ＵＷＢ通信システムと通常の狭帯域通信システムの相違は，ＵＷＢシステムはキャリアなしに非常に短いパルスを送信するので，その周波数成分の帯域幅は数ＧＨｚ以上ある。その結果として，ＵＷＢシステムでは，アンテナが他のシステムより重要な役割をはたす。

通常のアンテナと比較すると，限られたアンテナ容積の範囲でバンド幅およびゲイン等に良好なパラメータを備えるようにすることは難しい。高いデータレートでローパワーのＵＷＢシステムの場合に、アンテナ設計はさらに難しいことになる。さらに，ＵＷＢシステムのアンテナは，全周波数帯域において周波数に対する位相変化が線形であること，水平面内無指向性の放射パターンであること，そして一定ゲインの特性を備えていなければならない。そのため，ＵＷＢアンテナは、不必要なひずみをさけるために注意深く設計されるべきであり、このことが、ＵＷＢシステムではアンテナ設計が重要となっている理由である。

プリントモノポール及びダイポールアンテナは、小型、軽量、製造容易、低コストのような多くの利点のために、種々のワイヤレス用とで広く使用されている。そのいくつかは、非特許文献１，２に記載されている。

ループアンテナはまた、ワイヤレス通信のために使用することができる（非特許文献３−５参照）。

図１１は，従来のループアンテナである。絶縁性の材料の基板１の上に、ループアンテナ素子が、銅等の金属を印刷することにより、構成される。しかしながら、従来のワイヤーループアンテナは、２：１ＶＳＷＲに対して１０％帯域幅以下である。それ故、従来のループアンテナは、帯域幅を増すために変更を加えた。ワイヤーループ内に小ギャップを有する広帯域ループアンテナが、非特許文献３に記載されている。この小ギャップは、インピーダンス帯域幅を２４％以上増加させた。

本発明において、我々は、左及び上アームが一緒になってＬ形状部を構成するループアンテナを提供する。しかしながら、このＬ形状アンテナ自体は、インピーダンス帯域幅を広くし、かつ交差偏波放射を小さくする広帯域平面アンテナの一種である（非特許文献６，７参照）。
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マッチングの低下及び反射の増加という犠牲を払って、衝動的動作を良好にしたアンテナがある。また、放射効率を低下するが、マッチングを良好にし、かつインピーダンス帯域幅を大きくした、抵抗性負荷のアンテナがある。

良好な性能を有する大サイズのパラボラアンテナはＵＷＢシステムに使用できるが、しかし，大部分の市販価格の携帯サイズの用途には適さない。

ＵＷＢシステムについて、解決されるべき課題は、特に、低コストで、形状の小さな放射効率の良い構成が典型的な用途のために必要とされるとき、ＵＷＢ信号放射のためのアンテナ構成である。

本発明において、我々は、ＵＷＢシステムのためのオンチップ或いはスタンドアローンアンテナとして使用することができるコンパクトサイズの新規なループアンテナを提案する。

本発明は、Ｌ形状アームを持つ新規なプリントループアンテナを提供する。このアンテナは、３．１ＧＨｚ−５．１ＧＨｚのＵＷＢシステムの低帯域周波数で良好に動作する。このアンテナは、その帯域幅全体にわたって-10 (dB)以下のリターンロスを示している。

このアンテナは、ＦＲ４基板上に構成され、かつ、５０Ωの対構成テーパ伝送路によって給電される。その低域周波数は、ループアンテナのＬ型の形状部に依存するが、しかし、周波数上限は、テーパ伝送路によって決定されるということがわかった。本発明のアンテナは、非常に設計が容易で、かつ安価である。

本発明において、広帯域Ｌ−ループアンテナが提供される。それは、ＵＷＢの低域帯域に対して優れた性能を有し、かつ小サイズ、安価、設計容易の魅力的な特徴を有している。3.1-5.1 (GHz)の全帯域幅にわたって、VSWR 1.6が達成可能であることが示された。リターンロス-10 dBが、その周波数帯域に亘って達成される。その全周波数帯域に亘ってゲインは、1 dBi以上である。２つの分析技術、モーメント法と有限要素法が、この新規なアンテナを設計するために適用され、これらによる結果は信頼できると結論づけることができる。良好なインピーダンスマッチングが、簡単に達成された。

本発明のＬ−ループアンテナの平面図と断面図を示す図である。 本発明のＬ−ループアンテナの例を示す図である。 本発明に適用するテーパ伝送路の形状の例を示す図である。 本発明のＬ−ループアンテナのＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。 本発明のＬ−ループアンテナのリターンロスの周波数特性を示す図である。 本発明のＬ−ループアンテナの利得の周波数特性を示す図である。 本発明のＬ−ループアンテナの電流分布を示す図である。 本発明のＬ−ループアンテナの３．１ＧＨｚの放射特性を示す図である。 本発明のＬ−ループアンテナの４．１ＧＨｚの放射特性を示す図である。 本発明のＬ−ループアンテナの５．１ＧＨｚの放射特性を示す図である。 従来のループアンテナを示す図である。

図１及び図２は、新規な小型平面Ｌ−ループアンテナを示している。図１は本発明の実施の形態を示す図である。図１（ａ）は平面図である。図１（ｂ）はＸ−Ｘ’での断面図である。図１（ｃ）はＹ−Ｙ’での断面図である。図２は、図１に示されるようなＬ−ループアンテナの一例である。図１において，基板１は、ＦＲ−４、テフロン（登録商標）、或いはシリコン等の絶縁性材料で構成され、かつこの基板１の上に、Ｌ−ループアンテナが、銅、銀、白金、金、若しくはアルミニウム等の金属材料により構成される。

図１において、Ｌ−形状部アームを持つ新規なプリントループアンテナが示されている。このアンテナは、４つのアームを有する正方形又は長方形ループ形状に形成される。第１のアームは、中央で切断されて、その両切断端がそれぞれ対構成のテーパ伝送路４，５に接続されている。第２及び第３のサイドアームは、第１のアームの外端とそれぞれ接続されている。第２及び第３のアームの他端のそれぞれは、第１のアームに対向する第４のアームの両端に接続され、これによって、正方形或いは矩形ループを形成している。

Ｌ型の形状部は、サイドアームの一方と第４のアームの幅を、他のサイドアーム及び対構成のテーパ伝送路４，５と接続されている第１のアームと比較して、広くすることにより形成される。しかしながら、その一方のサイドアームと第４のアームの全長に亘ってその幅を広くすることは必ずしも必要ではない。この幅は、一方のサイドアーム及び第４のアームのそれぞれの長さを部分的に広くしても良い。

線形偏波放射をするために、正方形（又は矩形）ループアンテナの外周の全長は、実質上１波長にすべきである。３．１ＧＨｚ用のアンテナの設計は、波長λ₀ = 96.77 mmになる。例示のアンテナは、厚さh_mの銅の金属単一層から構成され、かつ、厚さh_s及び比誘電率ε_rの基板１の上面にプリントされる。対構成のテーパ伝送路４，５は、同じ基板１の上面にプリントされる。

金属層は、厚さh_m = 0.018 mmを有している。この金属層は、ε_r = 4.4 , 誘電損失（loss tangent） tanθ = 0.02, 厚さh_s = 1 mmの基板上にある。例示のアンテナのサイズは、24 x 25 x 1 mmであり、ワイヤレスシステムに対して全く適切である。矩形ループは、アンテナ設計の１波長にかなり近い９８mmの長さを有している。基準面は、アンテナの中央である。

テーパ伝送路４，５は、外部の回路装置（図示せず）に接続される。図１はテーパ伝送路４，５の外側の辺の形状が直線型である場合を示すものである。テーパ伝送路は、外部の回路装置に接続される側からアンテナ素子に向かって広くなる形状でアンテナ素子と一体に基板上に形成されている。

テーパ伝送路は、広い周波数範囲に亘って良好なインピーダンスマッチングを示した（非特許文献８−１３参照）。このアンテナは、対構成テーパ伝送路を通して５０Ω同軸ケーブルから給電される。テーパ形状は、反射を最小化し、かつインピーダンスマッチング及び帯域幅を最適化するように選択される。

本発明のアンテナは，ＦＲ−４でつくられる基板１、及びこの基板に張り付けた銅板から造られる。アンテナ素子からなるアンテナパターン及びインピーダンスマッチング部は、例えば、銅板をフォトエッチングすることにより作成することができる。銅板の上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト膜を生成する。次に，アンテナ素子およびインピーダンス整合部のパターンをもつ露光マスクによりフォトレジスト膜を露光する。そのフォトレジスト膜を溶剤に浸漬し，露光されない部分を溶剤により除去する。フォトレジスト膜の露光された部分は、銅板の上に残される。次に，全体を銅のエッチング液に浸漬し，フォトレジストで作られたエッチングマスクをマスクとして銅をエッチングする。これによって、テーパ伝送路４，５を一体化したＬ−ループアンテナを作成する。

図２は本発明のＬ−ループアンテナの詳細なサイズの例を示す。

図３は本発明のテーパ伝送路の形状の例を示す。図３（ａ）は直線型のテーパ伝送路である。図３（ｂ）は曲線状のテーパ伝送路の例を示すものである。図３（ｃ）はステップ型テーパ伝送路を示すものである。

図４〜図１０は本発明の実施の形態のアンテナの各種特性を示す。図２，図３（ａ）に示すサイズの直線テーパ伝送路をもつＬ−ループアンテナの特性をシミュレーションにより求めたものである。

例示のアンテナは、3.1-5.1 GHzの周波数範囲で動作することができる。このアンテナ設計について詳細に述べ、かつ、このアンテナのシミュレーション結果を提示する。シミュレーション結果は，Ansoft Designer 1.1 及び Ansoft High Frequency Structure Simulator, HFSS 9.1で得られたものであり，得られた結果は、信頼性があることが確認されている。

図４は，アンテナのＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。３．１から５．１GHｚの周波数でＶＳＷＲ１．６以下の特性を示す。

図５は，本発明のアンテナのリターンロスを示す図である。リターンロスは，全周波数範囲で−１０ｄＢ以下であり，広い動作帯域幅が得られることが明白に示されている。

図６は，本発明のアンテナの利得の周波数特性である。全周波数において１ｄＢｉ以上が達成されることが示されている。

図７は，本発明のＬ−ループアンテナの電流分布を示す図である。明るいほど電流が強い。

図８〜図１０は，３．１ＧＨｚ，４．１ＧＨｚおよび５．１ＧＨｚでの放射パターンを示す。座標軸は図１に示すように，アンテナの中心を原点としてｘ軸およびｙ軸を定める。ｚ軸は原点を通って，アンテナの面に垂直な方向に定める。

図８〜図１０において，実線のパターンはφ＝０°での放射パターンである。点線のパターンはφ＝９０°の放射パターンである。図示のように良好な放射パターンであることが示されている。放射パターンは、全周波数に対して殆ど同じであり、このことは、高データレートのワイヤレスシステムに対して非常に重要である。

Claims (5)

1. ３．１ＧＨｚ−５．１ＧＨｚの帯域周波数で動作し、かつ、キャリアなしに非常に短いパルスを送信するＵＷＢシステムに用いられる正方形或いは矩形ループのＵＷＢループアンテナにおいて、
   外周の全長が実質上１波長に形成される前記正方形或いは矩形ループは、中央で切断されてその両切断端がそれぞれ対構成のテーパ伝送路と接続される第１のアーム、該第１のアームの両外端とそれぞれ接続されるサイドの第２及び第３のアーム、該第２及び第３のアームの他端のそれぞれと接続される第４のアームを有して、
   金属単一層からなるアンテナが基板の上面にプリントされ、かつ、前記対構成のテーパ伝送路が同じ基板の上面にプリントされ、
   Ｌ型の形状部が、サイドアームの１つ及び第４のアームの幅を、他のサイドアーム及び第１のアームと比較して、部分的或いは全体的に広くすることにより形成される、
   ことから成るＵＷＢループアンテナ。
2. テーパ伝送路は、外部回路装置が接続される端部からアンテナ素子に向かって広くなる形状で、アンテナ素子と一体に基板上に形成されている請求項１に記載のＵＷＢループアンテナ。
3. 前記テーパ伝送路の外側の辺は直線形状、湾曲形状、或いはステップ形状である請求項２に記載のＵＷＢループアンテナ。
4. 前記金属層は銅，銀，白金，金もしくはアルミニウムのいずれか一つである請求項１に記載のＵＷＢループアンテナ。
5. 前記基板の材料はテフロン（登録商標），ＦＲ−４もしくはシリコンのいずれか一つである請求項１に記載のＵＷＢループアンテナ。

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