JP4790192B2

JP4790192B2 - 一体化された回路を有する平面超広帯域アンテナ

Info

Publication number: JP4790192B2
Application number: JP2001581380A
Authority: JP
Inventors: ダブリュ．マコークル，ジョン
Original assignee: NXP USA Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 2000-05-03
Filing date: 2001-05-03
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2021-05-03
Also published as: US6559810B2; AU2001259050A1; US20020053994A1; EP1279202A1; US6351246B1; EP1279202B1; DE60132575D1; JP2003533080A; WO2001084670A1; ATE385055T1

Description

【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、一般的に、アンテナ装置およびシステム、より詳しくは、非分散型の超広帯域（ＵＷＢ）特性を有する平面アンテナに関する。
【０００２】
（背景の説明）
レーダおよび通信システムのアンテナに関しては、アンテナのサイズ、空間対周波数における放射パターン、効率対周波数、入力インピーダンス対周波数、および分散に関係する５つの基本的な特性がある。典型的に、アンテナは、数パーセントの帯域幅のみで動作し、また帯域幅は、ＶＳＷＲ（電圧定在波比）が２：１未満である連続周波数帯であるように規定される。対照的に、超広帯域（ＵＷＢ）アンテナは、従来のアンテナに見られる数パーセントよりもかなり大きな帯域幅を提供し、また低い分散性を有する。例えば、Ｌｅｅ（米国特許第５，４２８，３６４号）およびＭｃＣｏｒｋｌｅ（米国特許第５，８８０，６９９号、第５，６０６，３３１および第５，５２３，７６７号）に記述されているように、ＵＷＢアンテナは、分散なしに５つ以上のオクターブの帯域幅をカバーすることができる。他のＵＷＢアンテナの説明は、「超広帯域ショートパルス電磁気学」（監修Ｈ．Ｂｅｒｔｏｎｉ，Ｌ．Ｃａｒｉｎ，ａｎｄＬ．Ｆｅｌｓｅｎ），ＰｌｅｎｕｍＰｒｅｓｓＮｅｗＹｏｒｋ，１９９３（ＩＳＢＮ０−３０６−４４５３０−１）に確認される。
【０００３】
しかし、本発明者が認識するように、上記のＵＷＢアンテナのいずれも、費用効率の高い方法で高性能の非分散特性を提供していない。すなわち、これらのアンテナの製造および大量生産には費用がかかる。本発明者はまた、このような従来のアンテナが無線送信および／または受信回路（例えば、スイッチ、アンプ、ミキサ等）の一体化を許容せず、このため、損失およびシステムリンギング（以下にさらに説明する）が生じる。
【０００４】
超広帯域幅は、システムの中心周波数にほぼ等しい帯域幅を占めるシステムに適用される技術用語である（例えば、−１０ｄＢポイントの間の帯域幅は５０％〜２００％である）。非分散型アンテナ（または一般的な回路）は、周波数に関する位相導関数が定数である（すなわち、位相導関数は周波数に対して変化しない）ような伝達関数を有する。実際に、このことは、そのフーリエ成分の位相が任意であることが許容されるため（パワースペクトルは維持されるが）時間ドメインで拡散される波形とは対照的に、受信されたパルスＥ−フィールド波形が、パルス波形としてアンテナの出力端子に提供されることを意味する。このようなアンテナは、すべての無線周波数（ＲＦ）システムに有用である。非分散型アンテナは、高い空間分解能を必要とする無線およびレーダシステム、特に、分散位相歪みを軽減するための追加の逆フィルタリング構成要素に関連したコストに耐えることができないシステムに、特定の用途を有する。
【０００５】
現在、本発明者によって認識されている他の共通の問題は、大部分のＵＷＢアンテナが、それらの給電がバランスされる（すなわち、差）のでバランを必要とすることである。これらのバランは、克服しなければならない追加の製造コストを伴い、低性能をもたらす。例えば、バランスされたアンテナに関連した放射パターンの対称性（例えば、水平分極アンテナの方位対称性）は、不完全なバランから生じる給電アンバランスのために、劣っていることがある。フェライト材料の限定されたレスポンスのため、バランは、アンテナの代わりにアンテナシステムの帯域幅を限定する可能性がある。例えば、誘導バランは伝統的に使用され、また高価であると同時に帯域幅を制限する。
【０００６】
従来のＵＷＢアンテナに関する他の問題は、システムリンギングを制御することが難しいことである。リンギングは、アンテナを送信機または受信機に接続する伝送線においてエコーのように往復して流れ、また跳ね返るエネルギによって引き起こされる。実用上の観点から、このリンギングの問題は、アンテナのインピーダンスおよびトランシーバのインピーダンスが伝送線のインピーダンスと決して完全に整合しないので、常に存在する。この結果、伝送線のいずれかの方向に移動するエネルギは、伝送線の端部で部分的に反射される。発生する往復のエコーは、これによってＵＷＢシステムの性能を悪化させる。すなわち、さもなければ明瞭に受信されたであろう受信エネルギの一連のクリーンパルスは、信号が無数のエコーに埋まるので、歪むことがある。高出力送信機からのエコーが、レーダおよび通信システムで受信しなければならないマイクロワットの信号を判読不能にする場合、リンギングが特に問題となる。リンギングの持続時間は、伝送線の長さとアンテナの反射係数とトランシーバの反射係数との積に比例する。リンギングによって引き起こされる歪みに加え、伝送線は分散的である場合があり、また低周波数よりも、常に高周波数をより大きく減衰し、伝送線を流れるパルスの歪みとストレッチを引き起こす。
【０００７】
（発明の概要）
上述のことに鑑み、電子回路を一体化できる簡単なＵＷＢアンテナに対し技術的な必要性がなお存在する。
【０００８】
また、本発明の目的は、帯域幅を制限する高価な誘導バランなしに、バランスされた信号を生成かつ受信するすべての電子手段を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、各アレイ要素が個別に電力供給される（すなわち、各アレイ要素のアクティブ電子回路用の接地および電源は、他の要素から切り離される）、ユニークな特性を有するアレイアンテナを作り上げることである。
【００１０】
また、本発明の目的は、廉価に大量生産されるＵＷＢアンテナを提供するための新規な装置およびシステムを提供することである。
【００１１】
また、本発明の目的は、超広帯域にわたって平坦な振幅応答と平坦な位相応答とを有するＵＷＢアンテナを提供するための新規な装置およびシステムを提供することである。
【００１２】
また、本発明の目的は、対称の放射パターンを有するＵＷＢアンテナを提供するための新規な装置およびシステムを提供することである。
【００１３】
また、本発明の目的は、効率的であるが、電気的に小さなＵＷＢアンテナを提供するための新規な装置およびシステムを提供することである。
【００１４】
また、本発明の目的は、送信および受信回路を同一の基板の上に一体化するＵＷＢアンテナを提供するための新規な装置およびシステムを提供することである。
【００１５】
また、本発明の目的は、多くの対象物に容易に取り付けることができるように、平面性及び順応性のあるＵＷＢアンテナを提供するための新規な装置およびシステムを提供することである。
【００１６】
本発明のさらなる目的は、１Ｄ（次元）に配列できるＵＷＢアンテナを提供するための新規な装置およびシステムを提供することであり、このアンテナでは、基板面に放射が指向される単一の基板上にＵＷＢアンテナのアレイが形成される。
【００１７】
本発明の他の態様によれば、超広帯域（ＵＷＢ）特性を有するアンテナ装置は、一方の端部で端子に結合された第１のバランス要素を有する。第２のバランス要素は一方の端部で他の端子に結合され、第２のバランス要素は第１のバランス要素と第２のバランス要素との間に対称面を提供するために第１のバランス要素の形状を反映する形状を有し、バランス要素の各々は略導電性の材料から製造される。接地要素は、対称面に対称軸を有する第１のバランス要素と第２のバランス要素との間に配置される。上記の装置は、アンテナ内の電子回路の配置を許容するＵＷＢアンテナを提供する。
【００１８】
本発明の他の態様によれば、超広帯域（ＵＷＢ）アンテナシステムは複数のアンテナ要素を有する。複数のアンテナ要素の各々は、一方の端部で端子に結合される第１のバランス要素と、一方の端部で他の端子に結合される第２のバランス要素とを含む。第２のバランス要素は第１のバランス要素の形状を反映する形状を有し、バランス要素の各々は略導電性の材料から製造される。アンテナ要素の各々はまた、第１のバランス要素と第２のバランス要素との間に配置される接地要素を含む。時分割分配器／結合器回路は複数のアンテナに結合され、また複数のアンテナに関連したビームを操作するように構成される。上記の装置は、費用効果を維持しつつ、アンテナシステムの設計の柔軟性を有利に提供する。
【００１９】
本発明のなお他の態様によれば、超広帯域（ＵＷＢ）周波数スペクトルにわたって信号を伝送するための方法が提供される。本方法は、送信機において入力ソース信号を受信することを含む。本方法はまた、ＵＷＢアンテナを用いて、ソース信号に応答して複数の端子において伝送信号を放射することを含む。ＵＷＢアンテナは、複数のバランス要素と、複数のバランス要素の間に配置される接地要素とを含む。バランス要素は端子に結合される。接地要素は送信機を収容する。複数の接地要素の１つは、複数の接地要素の他の形状を反映する形状を有する。バランス要素の各々は、略導電性の材料から製造される。この方法の下で、費用効率の高いＵＷＢアンテナは高性能を示す。
【００２０】
本発明のなお他の態様によれば、超広帯域（ＵＷＢ）周波数スペクトルにわたって信号を受信するための方法が提供される。本方法は、ＵＷＢアンテナを介して信号を受信することを含む。ＵＷＢアンテナは、複数のバランス要素と、複数のバランス要素の間に配置される接地要素とを含む。バランス要素は端子に結合される。接地要素は送信機を収容する。複数の接地要素の１つは、複数の接地要素の他の形状を反映する形状を有する。バランス要素の各々は、略導電性の材料から製造される。本方法はまた、受信ステップに基づき差分信号を出力することを含む。この方法の下で、ＵＷＢアンテナは電子回路の一体化を行い、これによって、伝送ラインの損失とシステムリンギングとを最小にする。
【００２１】
本発明の他の態様によれば、超広帯域（ＵＷＢ）アンテナシステムは、１Ｄ（次元）に配列された複数のアレイ要素を有する。複数のアンテナ要素の各々は、一方の端部で端子に結合される第１のバランス要素と、一方の端部で他の端子に結合される第２のバランス要素とを含む。第２のバランス要素は第１のバランス要素と第２のバランス要素との間に対称面を提供するために第１のバランス要素の形状を反映する形状を有し、バランス要素の各々は略導電性の材料から製造される。アンテナ要素の各々はまた、対称面に対称軸を有する第１のバランス要素と第２のバランス要素との間に配置される接地要素を含む。時分割分配器／結合器回路は、複数のアレイ要素に結合され、また複数のアレイ要素を制御するように構成される。上記の構成は、アンテナシステムの設計の柔軟性を有利に提供する。
【００２２】
以下に明らかになり得る本発明の上記および他の目的、利点および特徴に関して、本発明、添付請求項の次の詳細な説明および本明細書の複数の図面を参照して、本発明の本質をより明瞭に理解することが可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明のより完全な理解およびそれに付随する多くの利点は、添付図に関連して考慮し、次の詳細な説明を参照してより良く理解することによって、容易に獲得される。
【００２４】
次に、図面を参照すると、分かりやすくするために特定の用語が使用される。しかし、本発明は、そのように選択される特定の用語に限定されることを意図するものではなく、明細書において参照される要素の各々は、同様の方法で動作するすべての技術的等価物を含むことが意図されることを理解すべきである。
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態によるＵＷＢアンテナの図面である。ＵＷＢアンテナ１００は、バランス要素１０１と１０２と、２つのバランス要素１０１と１０２の間に配置された接地要素１０３とを含む。要素１０１〜１０３は、一般的に導電性の材料（例えば銅）から製造され、すなわち、材料は抵抗性金属であり得る。バランス要素１０１と１０２の各々はアンテナ１００の底部において端子１０４と１０５にそれぞれ接続される。端子１０４と１０５は、アンテナ１００にまたはそれから差分信号を送受信する。バランス要素１０１の形状の幅は端子１０４の接続点から大きくなり、先端で丸くなる。他方のバランス要素１０２は、第１および第２のバランス要素のすべてのミラーポイントに対し対称面の任意の点が等距離である対称面が存在するように、バランス要素１０１の形状を反映する形状を有する。接地要素１０３は、対称面の対称軸線と共に略三角形の形状を有し、三角形の底辺が端子１０４と１０５に向かうように配向される。したがって、接地要素１０３、およびバランス要素１０１と１０２の各々は２つのテーパ状のギャップを形成し、テーパ部は端子１０４と１０５から外側方向に延在する。
【００２６】
典型的な実施形態では、アンテナ１００は、標準同軸ケーブル１０６と１０７を使用して端子１０４と１０５に接続される。アンテナ１００の動作特性は、バランス要素１０１と１０２の相対的構成および接地要素１０３の形状に主に関係する。本実施例では、接地要素１０３とバランス要素１０１、１０２との間のテーパ状のギャップがアンテナ１００のレスポンスを決定する。テーパ状のギャップは、滑らかなインピーダンス遷移を行うために存在する。すなわち、テーパ状のギャップに結合されたバランス要素１０１と１０２の形状により、インピーダンスが円滑に増大する伝送線に沿って進行波が生成される。要素間のギャップに結合されたバランス要素１０１と１０２の形状は、長方形領域の長側面対短側面の任意の所望の比率のために、時間分域反射率計（ＴＤＲ）で測定されるような滑らかなインピーダンス遷移を提供するように最適化される。好ましい実施形態のバランス要素１０１と１０２の形状が、図１の正方形格子に示されている。より狭い帯域幅の用途にも、ベクトルネットワーク解析器により周波数ドメインの最適化を行い、特定の周波数帯域にわたって反射を最小にできる。
【００２７】
動作時、負のステップ電圧は、同軸ライン１０６を介してバランス要素１０１に印加され、一方、正のステップ電圧は、同軸ライン１０７を通してバランス要素１０２に印加され、前述の対称面が接地電位にあるバランスされたフィールドが結果として得られ、したがって接地対称面と呼ばれる。構造に示されているように、アンテナ１００は、要素１０１〜１０３を含む面に対して垂直の接地対称面を提供する。
【００２８】
アンテナ１００の寸法は、バランス要素１０１の外側縁部からバランス要素１０２の他方の縁部への幅が、バランス要素１０１と１０２の底部から先端で測定されるアンテナ１００の高さよりも大きくなるような寸法である。典型的な実施形態では、アンテナ１００は長方形のプリント回路基板（図示せず）に形成される。アンテナ１００のエネルギは、端子１０４と１０５の反対側の長方形のＰＣ基板の頂部（長側面）から指向される。
【００２９】
図２は、本発明の実施形態による細長いバランス要素を有するＵＷＢアンテナを示している。図１のアンテナ１００の構造と同様のアンテナ２００は、このような要素２０１と２０２の間に配置された接地要素２０３を有する２つのバランス要素２０１と２０２を有する。図１のアンテナ１００と異なり、バランス要素２０１と２０２は接地要素２０３よりも著しく長く、また大きく変化しない幅を有する。典型的な実施形態では、アンテナ２００は、長方形のＰＣ基板（図示せず）の右（短い）側からエネルギを指向するように最適化される。図示されていないが、アンテナ２００は、アンテナ１００（図１）と同様の２つの給電点を含む。
【００３０】
図３は、電磁界が図１のアンテナの長さに沿って伝搬する形態を示している。上述のように、接地要素１０３の頂点および軸線は、バランス要素１０１と１０２上の対向する電磁界に対し等距離である接地対称面にある。図１に戻ると、アンテナ１００は２つの給電部（すなわち端子１０４と１０５）を有する。接地と第１のバランス要素１０１との間に給電部１０４があり、ならびに接地と第２のバランス要素１０２との間に給電部１０５がある。
【００３１】
図示したように、電磁界３０１は、バランス要素１０１から給電点１０４と１０５からバランス要素１０２に、外側に伝搬する。矢印は正を示しており、したがって、図１で説明したように励起が生じると、フィールド３０１は、駆動点１０４からまた駆動点１０５から三角形の接地要素１０３の頂点に向かって伝搬する。接地要素１０３を越えて、電磁界３０１は接地要素１０３の介在なしに存在し、空間に放射し続ける。
【００３２】
接地要素１０３は、第１および第２のバランス要素１０１と１０２の間の距離の拡大を許容し、これによって、アンテナ１００の低周波カットオフ点を低減する。換言すれば、バランス要素１０１と１０２は、介在する接地要素１０３がない場合と較べて互いにさらに遠くに離して配置できる。アンテナ１００の低周波カットオフ点はアンテナ１００の寸法に左右される。接地要素１０３はバランス要素１０１と１０２を本質的に広げて、より大きな放射面積が得られるが、さらに重要なことは、接地要素によってギャップが分割されることであり、このギャップ内にフィールドがほぼ完全に収容される。
【００３３】
ギャップを分割する機能の結果、接地対称面は、給電位置１０４と１０５の近くの小さな領域で有効に引き離される。したがって、アンテナ１００は、これらの２つの給電点１０４と１０５において電子回路パッケージを有利に一体化できる。例えば、送信または受信増幅器はアンテナ構造体１００それ自体の中に装着できる。この能力は、介在バランおよび増幅器に至るケーブルの使用に関連した問題に向けられる。したがって、高性能、高帯域幅のアンテナを経済的に獲得できる。電子回路をアンテナ１００内に一体化するこの構想が図４に示されている。
【００３４】
図４は、本発明の実施形態による一体化された電子回路を有する接地要素の分解図である。接地要素４０１は、アンテナ４００の反対側にある接地面（図示せず）に接地要素４０１を接続できるバイア（ｖｉａｓ）４０３を含む。さらに、バイア４０３は、多層の実施形態の内部層（図６Ａおよび図６Ｂに図示）を接続することができる。アンテナ１００（図１）の接地要素１０３と対照的に、接地要素４０１は切り取られた領域４０５を有する。切り取られた領域４０５内に、種々の電子回路４０７を配置できる。例えば、広帯域増幅器またはスイッチまたはミキサのようなネットワークが、接地要素４０１内に位置し得る。電子回路４０７は、リードライン４０９と４１１を通してバランス要素１０１と１０２にそれぞれ接続される。図４は、図１に完全に示されているバランス要素１０１と１０２を部分的にのみ示していることに留意されたい。電子回路４０７は三角形の接地要素４０１内の切り取られた領域４０５を占有することができるが、この理由は、アンテナのフィールドが、要素１０１と４０１の間の、および要素１０２と４０１の間のギャップに主に存在するが、接地要素４０１それ自体の中には存在しないからである。
【００３５】
接地要素４０１に示したように、周辺のみが接地として機能するように、接地要素１０３は、金属（例えば銅）または一般的に導電性の材料の単一シートで形成できる。したがって、今や電磁界は、バランス要素１０１と接地要素４０１との間に存在し、接地要素４０１の周辺はフィールドの位置を確立する。したがって、アンテナ４００のインピーダンスは、切り取られた領域なしに接地要素を利用する図１のアンテナ１００のインピーダンスと本質的に同一である。
【００３６】
上述の方法は、高感度の電子回路４０７（例えばＵＷＢ受信増幅器および／または送信増幅器）をアンテナ４００内に一体化する能力を提供することによって、性能の向上およびパッケージの改良を有利に達成する。特に、例えば増幅器をアンテナ端子に直接接続でき、これによって、伝送線の損失、分散、および従来のＵＷＢアンテナに関連したリンギングを除去する。
【００３７】
図５Ａと図５Ｂは、本発明の実施形態によるＵＷＢアンテナの接地要素内に位置する受信器および送信器のブロック図をそれぞれ示している。図５Ａでは、受信器５０１は、バランス要素１０１の端子（図４）から入力信号（Ｖ₁）を受信するマイクロ波増幅器５０３を含む。増幅器５０３は増幅器５０７に接続される。増幅器５０７は増幅器５０３から信号を受信して、加算接合回路５０９に出力する。
【００３８】
受信器５０１はまた、第２のバランス要素１０２（図４）の端子に接続される増幅器５１１を有する。バランス要素１０２は信号（Ｖ₂）を増幅器５１１の入力部に供給する。増幅器５０３、５０７、５１１の各々はマイクロ波増幅器であり、したがって、これらの増幅器５０３、５０７、５１１は入力信号を反転する。位相の反転を補償するために、両方の経路を通した差分位相シフトがすべての周波数において１８０°であり、また振幅が整合されることを前提として、奇数の増幅器をバランス要素の一方（例えばバランス要素１０１）に、また偶数の増幅器を他方のバランス要素（例えばバランス要素１０２）に利用することによって、バランスされたアンテナシステムが形成される。例えば、受信器５０１は、Ｍｉｎｉ−ＣｉｒｃｕｉｔｓＥＲＡ−５ＳＭ増幅器を使用可能であり、これらの増幅器は１ＭＨｚ〜４ＧＨｚ±２°以内にある。
【００３９】
増幅器５１１は、バランス要素１０２を通して入力信号を受信し、その信号を遅延回路５１３に出力する。遅延回路５１３は、増幅器５０７からの信号が回路５０７に到達するのと同時に、増幅器５１１からの信号を加算接合回路５０９に供給する。換言すれば、遅延回路５１３は、増幅器５０７と接続ライン長さとに関連した遅延を考慮する。加算接合回路５０９は、次式による受信信号Ｖ₁とＶ₂に応答して電圧Ｖ_OUTを出力する。
Ｖ_OUT（ｔ）＝Ｇｒ^＊［Ｖ₁（ｔ−ｘ）−Ｖ₂（ｔ−ｘ）］
ここで、Ｇｒは受信器５０１の利得を表し、ｔは時間を表し、またｘは、増幅器５０３と５１１への入力から加算接合出力への時間遅延を表す。
【００４０】
図５Ｂは、図４のＵＷＢアンテナの接地要素内に一体化できる送信機を示している。送信器５２１は、信号源（図示せず）から入力信号を受信すると共にその受信信号を２つの経路に分割する分配接合回路５２３を有する。分割信号の第１の経路は、増幅器５２９に接続される増幅器５２５に転送される。増幅器５２９は分割信号をバランス要素１０１の端子（図４）に出力する。分割信号の第２の経路は遅延回路５３１に送信され、次に、信号を第２のバランス要素１０２（図４）に出力する増幅器５３３に送信される。遅延回路５３１は、対応する分割信号がバランス要素１０１の端子に到達するのと同時に、増幅器５３３からの出力信号が第２のバランス要素１０２の端子（図４）に到達するのを保証する。増幅器は反転し、また分割器が各経路に沿った利得に従って振幅を調整するので、増幅器５２９の出力電圧Ｖ₃は、増幅器５３３の出力電圧Ｖ₄と振幅が等しく、また位相が１８０°ずれている。したがって、分配接合回路５２３に給電される電圧Ｖ_INに応答して、２つの出力電圧は次式である。
Ｖ₃（ｔ）＝−Ｖ₄（ｔ）＝Ｇｔ^＊Ｖ_IN（ｔ−ｘ）
ここで、Ｇｔは送信器５２１の利得を表し、ｔは時間を表し、またｘは、スプリットジャンクション回路５２３への入力および増幅器５２９と５３３の出力からの時間遅延を表す。
【００４１】
本発明によって、アンテナ構造内への受信器５０１および送信器５２１のようなアクティブ構成要素の一体化が有利に許容される。電子回路４０７を接地要素４０１（図４）内に配置して、増幅器入カインピーダンスをアンテナに整合させ、増幅器の逆の転送インピーダンスを有する伝送線インピーダンスからアンテナインピーダンスを絶縁し、また往復エコー時間を、アンテナそれ自体の伝送線構造体における固有の往復エコー時間に最小化することによって、システムリンギングが最小にされる。さらに、図６Ａと図６Ｂに関して以下に説明するように、設計の柔軟性が大幅に強化される。
【００４２】
図６Ａは、本発明の実施形態による多面（または多層）ＵＷＢアンテナ設計の断面図を示している。図６Ａから理解されるように、ＵＷＢアンテナシステム６００は３つの基板層６０１、６０３、６０５を有し、これらの基板層はそれぞれの両面にＵＷＢアンテナ１００の要素１０１〜１０３を含む。典型的な実施形態によれば、基板層はＰＣ基板であり、またＵＷＢアンテナ構成要素１０１〜１０３は銅である。接地要素１０３の各面は電子回路を収容でき、このようにして、電子回路が異なる面の間に分布されるように、ＵＷＢアンテナシステム６００を設計できる。例えば、層６０１の上部の接地要素１０３は、受信器５０１（図５Ａ）を含むように設計でき、一方、層６０５の底部の接地要素１０３は、送信器５２１（図５Ｂ）を収容できる。代わりに、層６０３の表面の接地要素１０３は、受信器５０１と送信器５２１の両方に共通の構成要素を有することが可能であり、例えば、共通の構成要素は、遅延回路（例えば５１３と５３１）であり得る。実際の実施では、遅延回路は伝送線から形成され、したがって、ＵＷＢアンテナシステム６００では、この遅延回路は層６０３のストリップラインまたはマイクロストリップラインであり得る。典型的な実施形態では、層６０３の接地要素１０３の一方の面は電源を収容するように構成でき、この電源において接地要素１０３の他方の面は接地面として機能する。バイア６０７と６０９は、バランス要素１０１およびバランス要素１０２の多数の面をそれぞれ接続する。接地要素１０３の多数の面はバイア６１１を通して接続される。上述の装置の下で、ＵＷＢアンテナシステム６００を任意の数の層で設計して、多数の電子部品を一体化できることが認識される。重要なことは、アンテナ性能を犠牲にすることなく、これらの電子部品（例えば遅延回路）の数を低減するような方法で、本発明により多層が許容される。したがって、Ｔ／Ｒ（送信器／受信器）の切換えは、非常に小さな領域のごく少ない構成要素によって容易に達成できる。
【００４３】
図６Ｂは、本発明の一実施形態による単一基板層を有するＵＷＢアンテナシステムを示している。ＵＷＢアンテナシステム６５０は、本質的に、図６ＡのＵＷＢアンテナシステム６００の多層設計の１つの層である。特に、基板層６０１は、アンテナ構成要素１０１〜１０３を両面に含む。バイア６１１は接地要素１０３を接続する。バイア６０７と６０９はバランス要素１０１と１０２をそれぞれ接続する。本発明は、設計上相当な柔軟性を提供できることが明瞭である。この能力によって、別個の構成要素の数を低減でき、また既存の製造工程に容易に適合できるという点で、製造コストが減少される。
【００４４】
図６Ｃは、本発明の実施形態による単一層のＵＷＢアンテナ設計を示している。バランス要素１０１と１０２ならびに接地要素１０３は基板６０１の一方の表面のみに形成される。図６Ｄに示した他の実施形態では、バランス要素１０２の１つが基板６０１の底面に形成される。このようにして、本発明は、多数のコンフォーマル設計パラメータおよび目的に基づき、ＵＷＢアンテナを構成する際に大きな柔軟性を提供する。
【００４５】
図７は、本発明の実施形態による抵抗性の導電性ループ接続部を有する図１のＵＷＢアンテナの図面を示している。低周波で特に顕著な信号反射は、システムリンギングを引き起こすことに加えて、アンテナ１００内の高感度の電子回路を損傷する可能性がある。この影響を最小にするため、抵抗性の導電性ループ７０８がアンテナ７００に取り付けられ、ＤＣ経路を設ける。抵抗性の導電性ループ７０８は、点７１０においてバランス要素１０１に、点７０９においてバランス要素１０２に接続される。抵抗性の導電性ループ７０８は低周波の復帰路を提供し、また点７１１、７１２、７１３、７１４において連続的または集合的（ｌｕｍｐｅｄ）であり得る。例えば、ニクロムまたは抵抗性インクのような抵抗性材料を使用でき、これによって、連続的に抵抗性のループ７０８を提供する。代わりに、抵抗器７１２〜７１４をループ７０８に取り付けて、導電性ループ７０８を抵抗性にすることができる。
【００４６】
さらに、このループ７０８は、低周波においてアンテナ７００がループアンテナとして動作することを可能にする。さらに、低周波において、抵抗性の導電性ループ７０８はＶＳＷＲを改善する。図７に示したループ７０８は、低周波エネルギがアンテナから高周波と同一の方向に指向されるように、端子１０４と１０５の後部に配置される。アンテナの応答は、次のファクタ、すなわち、バランス要素１０１と１０２の取付点７１０と７０９の位置、ループ７０８の長さ、端子１０４と１０５に対するループの配置（例えば端子１０４と１０５の前部、後部、またはそれらの間）、およびループの抵抗によって指定されることに留意されたい。ループ７０８の長さについては、より長いループは、より大きな低周波放射を有する。より低周波のループ動作とより高周波の進行波動作との間の滑らかなインピーダンス遷移のために、より短いループがより優れた結果を提供する。
【００４７】
図８は、短い電源／接地バーを利用する、本発明の実施形態による図４のＵＷＢアンテナを示している。単一層の設計のために、バー８０１は、電子回路４０７に接続するための便利な電源／接地バーを提供する。比較的短いバー８０１は電磁界との相互作用をほとんど行わない。代わりに、図９のようにバー８０１を延長することができる。
【００４８】
図９は、延在した電源／接地バーを有する本発明の一実施形態による図４のＵＷＢアンテナを示している。図８のバー８０１と同様に、延在したバー９０１は電子回路４０７への接続を行う。さらに、延在したバー９０１はリフレクタとして機能し、アンテナ４０１の放射パターンと異なる放射パターンをもたらす。より長いバー９０１を使用して、パルス応答の形状ならびにアンテナ９００の前部対後部の比率を変更できる。
【００４９】
図１０は、抵抗性の導電性ループと共に抵抗性の負荷がバランス要素に適用される本発明の実施形態によるＵＷＢアンテナの図面を示している。図１の設計と同様に、ＵＷＢアンテナ１０００は２つのバランス要素１００１と１００２と三角形の接地要素１００３とを含む。２つのバランス要素１００１と１００２の形状は互いに反映し、形状の各々は、バランス要素１００１とバランス要素１００２とにそれぞれ接続される端子１００４と１００５から外側方向にテーパ状である。バランス要素１００１と１００２の各々は３つのセクションに分割される。すなわち、バランス要素１００１はパーティション１００１ａ、１００１ｂ、１００１ｃを有する。同様に、バランス要素１００２は３つのセクション１００２ａ、１００２ｂ、１００２ｃに分割される。抵抗性シートを形成するために、抵抗器１０５１はバランス要素１００１と１００２の個々のセクションに接合する。抵抗性の負荷により、アンテナ１０００は、効率を周波数に対する利得リップルおよびＶＳＷＲリップルの低減と交換することができる。パーティションを形成するために、本発明の一実施形態によれば、ギャップ１０５０はバランス要素１００１と１００２内にエッチングされる。２つのバランス要素１００１と１００２は、抵抗性シートを模倣するためにギャップ１０５０を横切って取り付けられた抵抗器１０５１を有する。代わりに、抵抗性の金属シートまたは導電性インクを要素１００１と１００２に使用できる。
【００５０】
さらに、アンテナ１０００は、抵抗器１０１１〜１０１４を有すると共に端子１００４と１００５の後部にループされる抵抗性の導電性ループ１００８を使用する。これらの端子１００４と１００５は接地要素１００３内の電子回路４０７に接続される。
【００５１】
図１１は、本発明の実施形態によるＵＷＢアンテナの１Ｄアレイの図面を示している。ＵＷＢアンテナアレイ１１００は、時分割分配器／結合器回路１１０９に接続される任意の数のアレイ要素１１０１、１１０３、１１０５、１１０７を含むことができる。時分割分配器／結合器回路１１０９は、アレイ要素１１０１、１１０３、１１０５、１１０７に給電される信号を遅延し、かつそれに重みを付けることによって、アレイ１１００に関連するビームの操作を制御する。アレイ要素１１０１、１１０３、１１０５、１１０７の各々のフェライトコア１１１１は、アクティブ電子回路用の接地および電源の切り離しを行う。この切り離しによって、要素サイズではなく、アレイ１１００のサイズ全体による低周波カットオフの決定が可能になる。要素１１０１、１１０３、１１０５、１１０７は、空中で直列に結合し、しかし分配器／結合器回路１１０９で並列に結合して、操作可能なアレイ１１００に、要素１１０１、１１０３、１１０５、１１０７よりも大きな帯域幅を付与することができる。
【００５２】
本明細書に記述した技術は、従来の方法と較べて複数の利点を高性能、低コストのＵＷＢアンテナの製造に提供する。一実施形態によれば、本発明は、バランスされた放射構造体の間の接地対称面の近くにある接地要素（すなわち分離された銅領域）を銅パターンに設ける。この接地要素は、電子回路を接地対称領域に配置できるように当該領域を形成する。電子回路をアンテナ構造に統合することによって、性能の向上およびパッケージの改良が達成される。高感度のＵＷＢ受信増幅器および／または送信増幅器を接地要素内にパックすることによって、増幅器をアンテナ端子に直接接続できる。この直接接続は、通常の伝送線の損失および分散を除去し、システムリンギングを最小にする。
【００５３】
上述の教示を考慮すれば、本発明の多くの修正と変更が可能であることが明らかである。したがって、添付特許請求の範囲内で、本明細書に具体的に記述したのとは別の方法で本発明が実施可能であることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】長方形のプリント回路基板の上部（長い）側からエネルギを指向するように構成された本発明の実施形態に係るＵＷＢアンテナの図である。
【図２】長方形のプリント回路基板の右（短い）側からエネルギを指向するように構成された本発明の実施形態に係るＵＷＢアンテナの図である。
【図３】図１のＵＷＢアンテナの長さに沿って伝搬する電磁フィールドの図である。
【図４】電子回路がアンテナ内に一体化された本発明の実施形態に係るＵＷＢアンテナの接地要素の分解図である。
【図５Ａ】図４のＵＷＢアンテナに配置し得る受信回路および送信回路の図である。
【図５Ｂ】図４のＵＷＢアンテナに配置し得る受信回路および送信回路の図である。
【図６Ａ】ＵＷＢアンテナの異なる層状構造を含む本発明の典型的な種々の実施形態の図である。
【図６Ｂ】ＵＷＢアンテナの異なる層状構造を含む本発明の典型的な種々の実施形態の図である。
【図６Ｃ】ＵＷＢアンテナの異なる層状構造を含む本発明の典型的な種々の実施形態の図である。
【図６Ｄ】ＵＷＢアンテナの異なる層状構造を含む本発明の典型的な種々の実施形態の図である。
【図７】低周波の復帰路を提供する抵抗性の導電性ループ接続部を有する本発明の実施形態に係る図１のＵＷＢアンテナの図である。
【図８】アンテナの後部に配置された短い接地バー（または電源バー）を有する本発明の実施形態に係る図４のＵＷＢアンテナの図である。
【図９】アンテナの後部に配置された長い接地バー（または電源バー）を有する本発明の実施形態による図４のＵＷＢアンテナの図である。
【図１０】抵抗性の負荷ならびに抵抗性の導電性ループを有する本発明の実施形態に係るＵＷＢアンテナの図である。
【図１１】本発明の実施形態に係るＵＷＢアンテナの１Ｄアレイの図である。

Claims

超広帯域（ＵＷＢ）特性を有するアンテナ装置であって、
一方の端部で端子に結合された第１のバランス要素と、
一方の端部で他の端子に結合された第２のバランス要素であって、前記第２のバランス要素は前記第１のバランス要素と前記第２のバランス要素との間に対称面を形成するために前記第１のバランス要素の形状を反映する形状を有し、前記バランス要素の各々が略導電性の材料から製造されることと、
前記対称面に対称軸を有し、前記第１のバランス要素と前記第２のバランス要素との間に配置された接地要素と、を備え、
前記接地要素は切り取られた領域を有し、前記アンテナ装置は前記切り取られた領域内に配置された電子回路をさらに備える、アンテナ装置。
超広帯域（ＵＷＢ）特性を有するアンテナ装置であって、
一方の端部で端子に結合された第１のバランス要素と、
一方の端部で他の端子に結合された第２のバランス要素であって、前記第２のバランス要素は前記第１のバランス要素と前記第２のバランス要素との間に対称面を形成するために前記第１のバランス要素の形状を反映する形状を有し、前記バランス要素の各々が略導電性の材料から製造されることと、
前記対称面に対称軸を有し、前記第１のバランス要素と前記第２のバランス要素との間に配置された接地要素と、を備え、
前記バランス要素の各々が、複数の部分に分割され、前記複数の部分が抵抗器によって接続される、アンテナ装置。
超広帯域（ＵＷＢ）特性を有するアンテナ装置であって、
一方の端部で端子に結合された第１のバランス要素と、
一方の端部で他の端子に結合された第２のバランス要素であって、前記第２のバランス要素は前記第１のバランス要素と前記第２のバランス要素との間に対称面を形成するために前記第１のバランス要素の形状を反映する形状を有し、前記バランス要素の各々が略導電性の材料から製造されることと、
前記対称面に対称軸を有し、前記第１のバランス要素と前記第２のバランス要素との間に配置された接地要素と、
前記第１のバランス要素と前記第２のバランス要素とに接続された導電性ループと、を備えるアンテナ装置。
超広帯域（ＵＷＢ）特性を有するアンテナ装置であって、
一方の端部で端子に結合された第１のバランス要素と、
一方の端部で他の端子に結合された第２のバランス要素であって、前記第２のバランス要素は前記第１のバランス要素と前記第２のバランス要素との間に対称面を形成するために前記第１のバランス要素の形状を反映する形状を有し、前記バランス要素の各々が略導電性の材料から製造されることと、
前記対称面に対称軸を有し、前記第１のバランス要素と前記第２のバランス要素との間に配置された接地要素と、
前記第１のバランス要素と前記第２のバランス要素とに接続された導電性ループと、を備え、
前記導電性ループの中央部分が前記接地要素の一方の端部の後部に配置される、アンテナ装置。
超広帯域（ＵＷＢ）アンテナシステムであって、
複数のアンテナであって、前記複数のアンテナの各々が、
一方の端部で端子に結合された第１のバランス要素と、
一方の端部で他の端子に結合された第２のバランス要素であって、前記第２のバランス要素が前記第１のバランス要素の形状を反映する形状を有し、前記バランス要素の各々が略導電性の材料から製造されることと、
前記第１のバランス要素と前記第２のバランス要素との間に配置された接地要素とを有することと、
前記複数のアンテナに結合され、また前記複数のアンテナに関連したビームを操作するように構成された時分割分配器／結合器回路と、を備え、
前記複数のアンテナの１つの前記接地要素は切り取られた領域を有し、前記システムが、前記１つのアンテナの切り取られた領域に配置された電子回路をさらに有する、システム。
超広帯域（ＵＷＢ）アンテナシステムであって、
複数のアンテナであって、前記複数のアンテナの各々が、
一方の端部で端子に結合された第１のバランス要素と、
一方の端部で他の端子に結合された第２のバランス要素であって、前記第２のバランス要素が前記第１のバランス要素の形状を反映する形状を有し、前記バランス要素の各々が略導電性の材料から製造されることと、
前記第１のバランス要素と前記第２のバランス要素との間に配置された接地要素とを有することと、
前記複数のアンテナに結合され、また前記複数のアンテナに関連したビームを操作するように構成された時分割分配器／結合器回路と、を備え、
前記バランス要素の各々が、複数の部分に分割され、前記複数の部分が抵抗器によって接続される、システム。
超広帯域（ＵＷＢ）アンテナシステムであって、
複数のアンテナであって、前記複数のアンテナの各々が、
一方の端部で端子に結合された第１のバランス要素と、
一方の端部で他の端子に結合された第２のバランス要素であって、前記第２のバランス要素が前記第１のバランス要素の形状を反映する形状を有し、前記バランス要素の各々が略導電性の材料から製造されることと、
前記第１のバランス要素と前記第２のバランス要素との間に配置された接地要素とを有することと、
前記複数のアンテナに結合され、また前記複数のアンテナに関連したビームを操作するように構成された時分割分配器／結合器回路と、を備え、
前記アンテナの１つが、前記第１のバランス要素と前記第２のバランス要素とに接続された導電性ループをさらに有する、システム。
超広帯域（ＵＷＢ）アンテナシステムであって、
複数のアンテナであって、前記複数のアンテナの各々が、
一方の端部で端子に結合された第１のバランス要素と、
一方の端部で他の端子に結合された第２のバランス要素であって、前記第２のバランス要素が前記第１のバランス要素の形状を反映する形状を有し、前記バランス要素の各々が略導電性の材料から製造されることと、
前記第１のバランス要素と前記第２のバランス要素との間に配置された接地要素とを有することと、
前記複数のアンテナに結合され、また前記複数のアンテナに関連したビームを操作するように構成された時分割分配器／結合器回路と、を備え、
前記アンテナの１つが、前記第１のバランス要素と前記第２のバランス要素とに接続された導電性ループをさらに有し、前記導電性ループの中央部分が前記接地要素の一方の端部の後部に配置される、システム。
超広帯域（ＵＷＢ）周波数スペクトルにわたって信号を伝送する方法であって、
送信機において入力ソース信号を受信する受信ステップと、
前記ソース信号に応答して、ＵＷＢアンテナから伝送信号を放射する放射ステップであって、前記ＵＷＢアンテナは、複数のバランス要素と該複数のバランス要素の間に配置された接地要素とを有し、前記バランス要素の各々がＵＷＢアンテナの端子に結合され、前記接地要素が切り取られた領域を有するとともに、前記送信機が前記切り取られた領域内に配置される、前記放射ステップと、
を含み、
前記複数のバランス要素の１つが、前記複数のバランス要素の他の形状を反映する形状を有し、前記バランス要素の各々が、略導電性の材料から製造される方法。
超広帯域（ＵＷＢ）周波数スペクトルにわたって信号を受信する方法であって、
ＵＷＢアンテナを介して信号を受信する受信ステップであって、前記ＵＷＢアンテナは、複数のバランス要素と、該複数のバランス要素の間に配置された接地要素とを有し、前記バランス要素の各々がＵＷＢアンテナの端子に結合され、前記接地要素が切り取られた領域を有するとともに、受信機が前記切り取られた領域内に配置され、前記複数のバランス要素の１つが前記複数のバランス要素の他の形状を反映する形状を有し、前記バランス要素の各々が略導電性の材料から製造される、前記受信ステップと、
前記受信ステップに基づき差分信号を出力する出力ステップとを有する方法。