JP5010794B2 - マルチバンド平面アンテナ - Google Patents
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Description
[発明の分野]
本発明は、ブロードバンド及び/又はマルチバンド平面アンテナに関し、より詳細には、移動体無線通信ネットワーク又は家庭用無線通信ネットワークに適合されるアンテナに関する。
【0002】
[発明の背景]
移動体無線通信ネットワーク又は家庭用無線通信ネットワークの開発の骨格において、アンテナの設計は、これらのネットワークに割り当てられている様々な周波数から生じる特定の問題に直面している。特に、以下の概要的な一覧により示されるように、無線技術は各種存在しており、それらで利用されている周波数も各種存在している。
【0003】
【表1】
【0004】
このように、過去20年の間で、オペレータ及び利用国の両者に依存した周波数帯域で実行される様々な移動体電話システムの設置が行われてきている。最近では、所定の技術について、互いの大陸で異なる仕様及び周波数帯域をなお進化しつつ、家庭用無線通信ネットワークの発展を目にしてきている。
【0005】
ユーザの観点から、この多数の周波数帯域は、それぞれのネットワークのための異なる接続装置の使用を含む限り、そのサービスを得ることに対して障害となる場合がある。これは、製造者の見地で見た現在の傾向が、幾つかの技術又は標準と互換性があるようにすることにより、上位の装置を減少することを目的としているためである。
【0006】
数年前には、900MHzのGSM及び1.8GHzのDCSの両者への接続を提供するデュアルバンド電話の外観を見てきている。さらに、家庭用無線ネットワークの分野での複数の標準は、考慮している標準に依存して、非常に離れているか、又は隣接している周波数帯域を分割することに繋がる。
【0007】
将来的に、一方で、デジタルビットレートにおける急増に関連した周波数スペクトルについて、他方で、周波数の欠乏に関連した周波数スペクトルについて、幾つかの周波数帯域及び/又は広帯域の周波数にわたる動作を可能にする装置に対して、今までにない大きな需要が生じる。
【0008】
さらに、一方で家の外にあるときに移動体電話として使用することができ、他方で家に戻ったときに家庭用通信ネットワークの一部を形成する家庭用装置の1項目として使用することができる、いわば、セルラーネットワーク/家庭用ネットワークに互換性のある装置である、携帯用装置を開発することは有益となる。
【0009】
この互換性を可能にするように幾つかの周波数帯域で動作しつつ、さらにコンパクトなアンテナを開発することは明らかに必要である。
【0010】
[発明の概要]
図1に表されているように、所与の周波数fで動作する環状スロット1から構成される平面アンテナが現在知られている。この環状スロット1は、マイクロストリップライン2により給電される。
【0011】
給電線の短絡面、すなわち電流が最大となるゾーンにスロットがあるように、マイクロストリップライン/放射スロットの遷移がなされる場合、環状スロットは、基本周波数の偶数倍の周波数で共振を表す「パッチ」型のライン給電構造と対比して、この周波数の奇数倍の全ての周波数で共振を示ことは、以下のシミュレーション及びトライアルに従うことにより明らかとなる。
【0012】
この動作の方法は、図1に表されるアンテナを作製するために使用される以下の設計ルールを正当化する。この場合、
【数1】
である。ここで、λs及びλmは、スロット内であってマイクロストリップラインでの波長であり、Zantは、アンテナの入力インピーダンスである。さらに、Imは、50Ωと整合ために必要とされるマイクロストリップラインの長さを表す。Ws及びWmは、スロットの幅及びマイクロストリップラインのそれぞれの長さである。
【0013】
したがって、R=7mm、Ws=0.25mm、Im=9.26mm及び基本周波数f=5.8GHzで動作するように、εr=2.6−tanδ=0.002−h=0.8mm−copper th=15μmで“CHUKOH FLO”基板に作製される図1のタイプのアンテナのケースでは、図2に表されているような周波数の動作が観察される。したがって、5.8GHzの周波数fで共振が観察され、続いて、17GHz前後、いわば周波数3fで共振が観察される。反射係数の形式は、11GHz領域で平坦なままとなる。
【0014】
上述した特性に基づいて、本発明は、簡単かつコンパクトな設計による新しいブロードバンド及び/マルチバンド平面アンテナ構造を提案する。
【0015】
したがって、本発明の主眼は、第1の周波数f1で動作するように設計され、スロットが給電線の短絡面にあるように位置される給電線により給電される第1のスロットを備えるタイプのマルチバンド平面アンテナにあり、該アンテナは、第2の周波数f2で動作するように設計され、該給電線により給電される少なくとも1つの第2のスロットをさらに備えていることを特徴とする。
【0016】
マルチバンド動作を可能にする本発明の特徴によれば、第2のスロットは、給電線の短絡面にある。
【0017】
好適には、このアンテナは、N個のスロットを備えており、それぞれのスロットは、周波数fiで動作するように設計されている。ここで、iは1からNまでの範囲をとる。それぞれのスロットは、給電線の短絡面にあるように該給電線により給電される。
【0018】
ブロードバンド動作を可能にする本発明の別の特徴によれば、2つのスロットは、ある点で余接の関係となっている。給電線は、この点、或いは2つのスロットが同心状に位置されるこの点とは反対の点のいずれかのレベルで位置されている。
【0019】
1実施の形態によれば、それぞれのスロットの長さは、上記周波数fiでスロットが共振するように選択される。それぞれのスロットは、同一又は非同一の形状であり、ある点に関して対称的である。
【0020】
好適には、それぞれのスロットは、円形又は方形である。スロットには、円偏波の放射を可能にする手段が設けられる場合がある。これらの手段は、たとえばノッチからなる。この場合、給電線の位置に依存して、右又は左円偏波が生成される。
【0021】
本発明の他の特徴及び利点は、各種実施の形態の記載を読むことにより明らかとなるであろう。この記載は、添付図面を参照して与えられる。
【0022】
[発明の実施の形態]
図3に表されるように、本発明による2周波アンテナは、第1の基本周波数f1で動作するようにその半径R1が選択される第1の環状スロット10を備えている。したがって、半径R1は、λs1/2Πに等しい。ここで、λs1は、スロット10における波長である。スロット10は、幅Ws1を有する。また、アンテナは、第2の基本周波数f2で動作するようにその半径R2が選択される第2の環状スロット11を備えている。半径R2は、λs2/2Πに等しい。本実施の形態では、周波数f2は、2f1の近傍に選択されるが、他の比率が考慮される場合がある。
【0023】
本発明によれば、2つの環状スロット10及び11は、1つのマイクロストリップライン12により給電される。このマイクロストリップラインは、該スロット10,11が給電線の短絡面にあるように位置されている。したがって、給電線12は、k(λm2/4)に等しい長さIm2だけスロット11をオーバーシュートし、k(3λm2/4)=k(λm1/4)に等しい長さだけIm1だけスロット10をオーバーシュートしている。ここで、λm2は、周波数f2でのマイクロストリップラインでの波長であり、λm1は、周波数f1でのマイクロストリップラインでの波長である。kは奇数である。
【0024】
さらに、長さIm ’は、50Ωに300Ω前後のインピーダンスZantを整合するために必要とされるラインの長さを表している。このラインは、幅Wmを有している。一般的な方法では、短絡面にスロットがあるようなラインの長さは、kλm/4に等しい。ここで、λmは、スロットについて定義される動作周波数でのマイクロストリップラインの波長であり、kは奇数の整数である。
【0025】
図4に表されているのは、以下の特性による、図3に表されるような構造の反射係数である。
R1=16.4mm、Ws1=0.4mm、Im1=20mm、f1=2.4GHz
R2=7.4mm、Ws2=0.4mm、Im2=9.25mm、f2=5.2GHz
【0026】
この場合、マイクロストリップラインは、幅Wm=0.3mm及び長さI’m=20mmである。このアセンブリは、基板R4003(ε=3.38、h=0.81mm)に作製される。
【0027】
上記構造で得られるシミュレーション結果は、図4に表されている。2.4GHz(S11=−22dB)での非常に良好な整合を有する新たなトポロジーの2周波による動作、及びS11が5.2GHz(S11=−12dB)で全体的に補正されている点に注目されたい。
【0028】
さらに、上記構造により、2.4GHzでの放射は、スロット単独での放射に類似しており、完全に対称的であることが観察される。5.2GHzでは、放射に関して僅かに対称性が失われているものの、非常に制限されている。
【0029】
図5に表されているのは、3周波帯域モードで動作する実施の形態である。このケースでは、基本周波数f1、f2、f3で動作する3つの環状スロット21,22,23は、1つであって同じマイクロストリップライン20により給電される。スロットは、先に与えられた設計ルールを使用して作製される。
【0030】
したがって、それぞれの環状スロットの半径は、Ri(i=1,2,3)=λsi/2Πであるように設計される。ここで、λsiは、それぞれのスロットの波長を表している。同様に、短絡面は、Im3=k(λ3/4)、Im2=k(λ2/4)及びIm1=k(λ1/4)となるように位置されている。ここで、λ1、λ2、λ3は、周波数f1、f2、f3でのマイクロストリップラインのそれぞれの波長である。kは、奇数である。長さI’mは、50Ωに整合するために使用される。
【0031】
図6a、図6b及び図6cに表されているのは、本発明による平面アンテナの別の実施の形態である。図6a及び図6bのケースでは、2つの環状スロットR’1及びR’2は、ある点で接している。2つの環状スロットR’1及びR’2は、隣接した周波数で動作するようにその寸法が設計されている。したがって、図6aに表されているように、アンテナは、点Aで余接の関係にある2つの環状スロットR’1及びR’2を備えている。
【0032】
この実施の形態では、2つのスロットR’1及びR’2は、点Aの側に関して共通の給電線により給電される。2つのスロットは、給電線の短絡面に実質的に位置し、長さI’m及びI’m ’は、I’mがkλ’m/4に等しく、I’m ’が50Ωとの整合を可能にするように選択される。ここで、λ’mは、マイクロストリップラインでの波長であり、kは奇数の整数である。
【0033】
図6bの実施の形態によれば、2つの環状スロットは、点Bで余接の関係にあい、該点Bとは反対側で給電線により給電される。
【0034】
このケースでは、長さI’’m ’ 2及びI’’m1は、スロットR’1及びR’2が給電線の短絡面に実質的に位置するように選択される。長さI’’m ’は、50Ωへの整合をつくるように選択される。
【0035】
図6cのケースでは、2つの環状スロットR’1及びR’2は、同心状に位置されている。2つの環状スロットR’1及びR’2は、たとえば、マイクロストリップ技術を使用して共通の給電線により給電される。このケースでは、長さIm1及びIm2は、スロットR’1及びR’2が給電線の短絡面に接近して位置するとともに、Im ’が50Ωへの整合を可能にするように選択されている。
【0036】
上述した様々なトポロジーの成果は、引例IE3Dで知られているシミュレーションソフトウェアにより実行される。全てのケースにおいて、グランドプレーン及び基板のサイズは、無限大であることが仮定されている。テストされた様々な構成の幾何学的な特性は、以下の表2に与えられている。
【表2】
【0037】
なお、複数のスロットを用いたトポロジーは、帯域幅において明らかな増加を伴う。この帯域幅の増加は、単一スロットについて380MHzから、同心状に位置される2重スロット構造又は接触する2重スロット構造についての470MHz及び450MHzまで実際に及ぶ。
【0038】
この帯域幅の増加は、第3のスロットを追加することによりさらに増加される。9%のオーダの帯域幅が、単一スロットについての6.55%に対して得られる。全てのケースについて、帯域幅の最大値は、同心状に位置されるスロット構成で得られる。
【0039】
しかし、このトポロジーは、この構造の動作周波数から1GHz低い周波数で擬似の共振を引き起こす(図7参照)。しかし、用途により課されるスペクトル制約に従い、同心状のスロットよりも好適とされる接触型スロット構成(nested slot configuration)では引き起こされない。放射の観点から、各種のトポロジーは、単一の環状スロットでこれまで得られているパターン及び効率を保持する。
【0040】
したがって、マルチスロット構造のブロードバンド特性は、上述された新しいトポロジーに関して評価される。放射は、提案される構成により分散されない。帯域幅の観点で最も有効なトポロジーは、同心状に位置されるスロットの構成に対応する。しかし、後者の構成は、擬似共振周波数を引き起こす。この擬似共振周波数は、接触型マルチスロット構成では生じない。この構成は、同心状に位置されるスロットの構成の解法と同様にブロードバンドではないが、単一スロットと相対的にかなりの周波数帯域を得ることが可能である。
【0041】
様々なスロットの実施の形態が図8a、図8b、図8cを参照して記載される。図8aでは、スロットは、給電線31により給電される方形30からなる。図8bでは、スロット1は、円形であり、給電線2により給電され、直線偏波を放射する。図8cでは、環状スロット1’には、ノッチ1’’が設けられており、給電線2により給電される。このケースでは、スロットは、給電線の位置に依存して、左又は右である場合がある円偏波を放射する。当業者であれば、スロットの形状にもかかわらず、上述した設計ルールに従うことは明らかであろう。一般には、スロットは、ある点に関して対称的であり、選択された基本周波数で放射するような長さを有する。
【0042】
本発明は、マイクロストリップ技術で作製された給電線により記載されたが、給電線は、コプレーナ技術で作製される場合がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 公知の環状スロットアンテナの上部からの外観図である。
【図2】 図1に表されるアンテナのケースにおける周波数の関数として、反射係数を与える曲線である。
【図3】 本発明による2周波平面アンテナの上部からの外観図である。
【図4】 図3に表されるアンテナのケースにおける周波数の関数として、反射係数を与える曲線である。
【図5】 本発明による3周波平面アンテナの上部からの外観図である。
【図6】 図6aから図6cは、本発明の別の実施の形態によるブロードバンド平面アンテナの上部からの外観図である。
【図7】 図1,図3,図5及び図6のアンテナの帯域幅を与える各種曲線を表す図である。
【図8】 図8aから図8cは、本発明のアンテナで使用することができる各種スロットの形状を概念的に表す図である。
Claims (13)
- 環状スロットのタイプ又はある点に関して対称的な形状からなる第1のスロットであって、該第1のスロットの外周が第1の周波数で動作するために設計される第1のスロットを基板上に備えるタイプのマルチバンド平面アンテナであって、
環状スロットのタイプ又はある点に関して対称的な形状からなり、前記第1のスロットが設けられる前記基板上の面と同じ面に設けられる少なくとも1つの第2のスロットであって、該第2のスロットの外周が第2の周波数で動作するために設計され、前記第1のスロットとオーバラップされる少なくとも1つの第2のスロットを有し、
前記第1及び第2のスロットは共通の給電線により給電され、前記給電線は、該給電線の短絡面において前記第1及び第2のスロットのそれぞれに交わるように位置される、
ことを特徴とするアンテナ。 - 前記第1のスロットと前記第2のスロットは、ある点で接しており、前記給電線は、前記ある点と交わるように位置されるか、前記第1のスロット及び前記第2のスロットが環状スロットのタイプである場合に前記第1のスロットと前記第2のスロットとが接する点に対して直径上の反対側にある点と交わるように位置され、前記第1のスロット及び前記第2のスロットがその中心点に関して対称的な形状である場合に前記対称的な形状の中心点に関して前記第1のスロットと前記第2のスロットとが接する点とは反対側にある点と交わるように配置される、
ことを特徴とする請求項1記載のアンテナ。 - 前記第1のスロットと前記第2のスロットのそれぞれには、円偏波の放射を可能にする手段が設けられる、
ことを特徴とする請求項1又は2記載のアンテナ。 - 前記手段は、前記第1のスロット又は前記第2のスロットに設けられたノッチからなる、
ことを特徴とする請求項3記載のアンテナ。 - 前記給電線は、マイクロストリップライン、又はコプレーナ技術で作製されたラインである、
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか記載のアンテナ。 - 環状スロットのタイプ又はある点に関して対称的な形状からなる第1のスロットであって、該第1のスロットの外周が第1の周波数で動作するために設計される第1のスロットを基板上に備えるタイプのマルチバンド平面アンテナであって、
環状スロットのタイプ又はある点に関して対称的な形状からなり、前記第1のスロットが設けられる前記基板上の面と同じ面に設けられる少なくとも1つの第2のスロットであって、該第2のスロットの外周が第2の周波数で動作するために設計され、前記第1のスロットと同心状に位置される少なくとも1つの第2のスロットを有し、
前記第1及び第2のスロットは共通の給電線により給電され、前記給電線は、該給電線の短絡面において前記第1及び第2のスロットのそれぞれと交わるように位置される、
ことを特徴とするアンテナ。 - 前記第1のスロットと前記第2のスロットのそれぞれには、円偏波の放射を可能にする手段が設けられる、
ことを特徴とする請求項6記載のアンテナ。 - 前記手段は、前記第1のスロット又は前記第2のスロットに設けられたノッチからなる、
ことを特徴とする請求項7記載のアンテナ。 - 前記給電線は、マイクロストリップライン、又はコプレーナ技術で作製されたラインである、
ことを特徴とする請求項6乃至8の何れか記載のアンテナ。 - 環状スロットのタイプ又はある点に関して対称的な形状からなる第1のスロットであって、該第1のスロットの外周が第1の周波数で動作するために設計される第1のスロットを基板上に備えるタイプのマルチバンド平面アンテナであって、
環状スロットのタイプ又はある点に関して対称的な形状からなり、前記第1のスロットが設けられる前記基板上の面と同じ面に設けられる少なくとも1つの第2のスロットであって、該第2のスロットの外周が前記少なくとも1つの第二のスロットについて対応する周波数で動作するために設計される少なくとも1つの第2のスロットを有し、
前記第1及び少なくとも1つの第2のスロットは共通の給電線により給電され、前記給電線は、該給電線の短絡面において前記第1及び少なくとも1つの第2のスロットのそれぞれと交わるように位置される、
ことを特徴とするアンテナ。 - 前記第1のスロットと前記第2のスロットのそれぞれには、円偏波の放射を可能にする手段が設けられる、
ことを特徴とする請求項10記載のアンテナ。 - 前記手段は、前記第1のスロット又は前記第2のスロットに設けられたノッチからなる、
ことを特徴とする請求項11記載のアンテナ。 - 前記給電線は、マイクロストリップライン、又はコプレーナ技術で作製されたラインである、
ことを特徴とする請求項10乃至12の何れか記載のアンテナ。
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