JP5112838B2 - 平面アンテナの放射スロットの改良 - Google Patents

Description

本発明は、放射スロットに基づく小型の平面アンテナに関する。

現在、携帯セルラーフォン、スマートフォン、「携帯情報端末（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）」を意味するＰＤＡ等の移動端末即ちノマディック（ｎｏｍａｄｉｃ）端末の開発、並びにテレビジョン及びこれに関連するサービスを受けるように設計されたマルチメディア携帯データ端末の開発は、ＷＩＦＩ（ワイファイ、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｆｅｄｉｌｉｔｙ）、ＷＩＭＡＸ（ワイマックス、Ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ Ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｃｃｅｓｓ）、ＤＶＢ（ディーブイビー、Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｉｄｅｏ Ｂｒｏａｄｃａｓｔ）−Ｔ、ＤＶＢ−Ｈ等のアプリケーション、又は他の同様のアプリケーションを用いて着実に進んでいる。

これらのアプリケーションを受信するために、端末は、アンテナに、より特定的にはＵＨＦ周波数帯、即ち４７０ＭＨｚから８６２ＭＨｚをカバーする周波数帯、又はそれより高い周波数帯で動作しているアンテナに適合する。

実際、かなり広い帯域幅、ＵＨＦ帯の最低周波数及び小型化が、ノマディック端末即ち携帯端末に一体化可能なアンテナを設計する際の主たる制約である。

一体化可能なアンテナには、特に、放射スロットによって構成される平面アンテナがある。しかしながら、接地面（グランド面）内にエッチング形成された直線形状の放射スロットは、λｇを動作周波数におけるスロット内での誘導波長とすると、モジュロλｇ／２の長さを有する。従って、図１に示すように、公知の誘電体基板上に形成された接地面２内にエッチング形成された直線状のスロット１を用い、３の位置において同軸ケーブルを介して直接的に又はクノールの公知の電磁結合技術を用いて給電された場合、全ての力線（ｆｉｅｌｄ ｌｉｎｅｓ）は同相で放射されかつ矢印Ｆで示すように同一の方向を向く。

公知の構成においては、２．４ＧＨｚの放射スロットについて図２に示されているように、力線の方向はスロットの長さ方向に誘起された電流に依存する。この電流は、図２のスロット１の長さ方向の電流ベクトルＶによって表されている。

図１及び図２に表された構成は、サイズが１１１．２ｍｍ×６０．５ｍｍである最終的な接地面内の２．４ＧＨｚの放射スロットの構成である。この場合、選ばれた誘電体基板は、物理的パラメータが厚さ０．８ｍｍ、誘電率εｒ＝３．３８、及び損失であるタンデルタ（ｔａｎδ）＝０．００２７である公知の基板Ｒｏｇｅｒｓ４００３である。

図１及び２の場合、スロットは、その先端が短絡されたマイクロストリップ線路３で励起される。この種の励起は、クノール（非特許文献１参照）によって定義されているように、マイクロストリップ線路のスロットへの結合条件に従う。この場合のスロットの特性は以下の通りである、
スロット長：４２．４ｍｍ（≒λｇ／２）
スロット幅： ０．５ｍｍ。

Ｊ．Ｂ．Ｋｎｏｒｒ、「Ｓｌｏｔ ｌｉｎｅｄ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ、 ｐａｇｅｓ ５４８−５５４、 Ｍａｙ １９７４

当業者に知られているように、このスロットは動作周波数によっては無視できない長さとなり、これがこの種のアンテナを移動端末に組み込むことを困難にしている。この事実により、全体的なサイズを低減するために、図３に示すように、スロット１０のストランド（ｓｔｒａｎｄｓ）１０ａ及び１０ｂをスパイラル状に折り曲げることが実際に行われている。しかしながら、後により詳細に説明するように、このような放射スロットは、放射効率が著しく低下する。

図３には、誘電体基板の接地面１１にエッチング形成されたスロット１０が示されている。このスロット１０は、マイクロストリップ線路によりクノール式給電方法でその中央部１２において給電されている。このスロットは、各々がストランドの端で開放されており矩形に顕著に折り曲げられている２つのストランド１０ａ及び１０ｂを備えている。ストランド１０ａ及び１０ｂのこの特別の形状により、アンテナの全体サイズを制限することができる。この場合、長さ方向と垂直方向の長さが８．０５ｍｍであるとして、長さ方向のサイズが４２．２ｍｍから９．５ｍｍに低減される。

図１のアンテナ及び図３のアンテナそれぞれの周波数に対する効率を表す図４に示すように、上述のサイズを有する場合、２．４ＧＨｚにおいて、放射効率が約９５％から５０％へ低下していることが分かる。これは、ストランド１０ａ及び１０ｂが折り曲げられた際、図３の矢印Ｆ１及びＦ２で表される、アンテナと平行な部分の力線が顕著に打ち消されて無くなり、このタイプのアンテナの放射効率を低下させるという事実から説明される。

本発明は、特にこの放射効率の損失を改善することのできる手段を備えた平面スロットアンテナに関する。

即ち、本発明は、少なくとも１つの接地面を備えた基板上に、平行なストランド部を有する少なくとも１つの折り曲げストランドを構成する放射スロットと、２つの連続するストランド部間で位相反転する少なくとも１つの手段とを備えており、位相反転する手段は、平行なストランド部の電界成分が共に加算されるように、ストランド上に位置している小型の平面アンテナに関する。

本発明の１つの態様によれば、位相反転する手段が、放射スロットの２つの端縁を交差する形態で連結する２つのブリッジから構成されており、接地面が、位相反転する手段の段に、開回路を構成する手段を備えている。好ましくは、ブリッジが、基板の２つの異なる平面内にエッチング形成されたマイクロストリップ線路によって構成されている。

本発明の他の態様によれば、ブリッジが、スロットの両端縁を接続する独立した素子によって構成できる。

本発明のさらに他の態様によれば、開回路を構成する手段が、接地面におけるスロットから構成されている。

本発明によれば、また、接地面内のカットアウト長さに応じて発生し、回路を開回路とするスプリアス共振を防止するための、メタライズされていない領域から接地面が構成されている。接地面のスロット従ってカットアウトがこれらメタライズされていない領域に開放されている。

本発明によれば、さらに、ＵＨＦ帯で動作するために、アンテナの両ストランドを含む基板が、自己の上に折り曲げられている。

本発明の他の特徴及び効果は、添付図面を参照して説明される種々の実施態様に関する以下の記載から明らかとなるであろう。

図の説明を簡単にするため、同一の要素は同一の参照番号を有している。

本発明における最初の実施形態である図５〜８を参照してまず説明を行う。図５には、図３を参照して既に説明した主構成要素、即ち、メタライズされた基板１１上に形成されており、顕著に矩形に折り曲げられた２つのストランド１０ａ及び１０ｂを備えたスロットアンテナ１０が示されている。このスロットは、マイクロストリップ線路１２によって、この場合クノール法を使用して給電されている。さらに、図５に表すように、接地面１１は２つのメタライズされていない領域１４を有している。これら２つのメタライズされていない領域は、スプリアス共振を防止可能とする開回路を形成するためのものである。

本発明によれば、望ましい電界として矢印Ｓで示したように（矢印Ａは実際の電界を示す）、互いに平行なストランド部分の電界が共に加算されるように、円で表す４つの位相反転器１３がスロットのストランド１０ａ及び１０ｂ上に位置している。従って、アーム１０ａにおいて、１つの反転器が第２の折り曲げ部及び第４の折り曲げ部の段に位置しており、アーム１０ｂにおいて、１つの反転器が第１の折り曲げ部及び第３の折り曲げ部の段に位置している。その結果、図５に示す電界の向きとなり、全ての電界成分が共に加算される。

次に、位相反転器の最初の実施形態である図６及び７を参照して説明する。この場合、位相反転器１３はスロット１０の２つの連続する部分間のブリッジによって構成される。

より特定的な形態で図７に示すように、スロット１０の折り曲げ部の段において、スロットの一方の端縁をその他方の端縁に接続する薄膜線路をエッチングすることによって第１のブリッジ１３ａが形成され、スロットの両端縁間に付加された（ボンディングされた）若しくは基板の他の導体面において実現された又は独立部品（抵抗値０Ω）によって生成された金属線路によって、第２のブリッジ１３ｂは、基板の他の平面によりスロットの両端縁を接続している。

図６及び７のブリッジの段に示すように、スロット（カットアウト）１５が接地面内に設けられており、このスロット（カットアウト）１５は、図７では接地面１、接地面２、接地面３及び接地面４で参照されている数個の副平面に接地面を実際に分割する。このスロット（カットアウト）は、２つの隣り合う接地面（それぞれ接地面１及び３、接地面２及び４）に誘起される電流を逆位相にすること可能としており、図６のメタライズされていない領域と連結している。

これら反転器を用いることにより、また、図７に明確に示されているように、放射スロットは、このスロット線路の全長に渡って電流が流れるように充分な離隔距離を有する２つの導電体、即ち接地面１及び接地面２、から構成されている。放射スロットと同一段上の導線路１３ａによって接地面１を接地面４に接続することによって、この放射スロットの長さ方向の電流を幾何学的に反転させた場合、電界の無機は１８０度変化する。同様に、線路１３ａと同じ幅を有する線路１３ｂが基板の他の層に交差することにより、接地面２が接地面３に接続される。スロット即ちカットアウト１５は、放射スロット１０の長さ方向に誘起される電流の極性を変化可能にする。

図１、図３及び図６にそれぞれ示されている３つのタイプのアンテナについて行ったシミュレーションにより、図８に示すような周波数に対する放射効率を表す曲線が得られた。

この場合、反転ブリッジを備えることによって、図３に示すようなストランドが折り曲げられたスロットによって構成されるアンテナの場合と比較して、放射効率が著しく改善されていることが分かる。さらに、位相反転器を備えることによりスロットのサイズをより大幅に低減できるから、２．４ＧＨｚで動作するアンテナとして６．３×９．５ｍｍ^２のサイズを得ることができる。

ＵＨＦ帯で動作する、折り曲げられたスロットアンテナを特に実現するために用いられる、本発明の他の実施形態について、図９を参照して以下説明する。

この場合、図９に示すように、ストランドが矩形形状に顕著に折り曲げられたスロット１１０及び１１０′が２つの基板部１００及び１００′にエッチング形成されている。この場合、アンテナのサイズを制限するために、基板１００及び１００′は、一方の上に他方が載置されており、各々がその端縁１０１及び１０１′において導電ピン１０２を介して互いに接続されている。

図９に示すように、スロット１１０は、基板１０７上で開放されるトリプレート線路１０６によって給電されている。この基板は、ＦＲ４の多層（εｒ＝４．５、ｔａｎδ＝０．０２）によるものである。本実施形態において、外側層は、スロットの外形をプリントするために用いられており、１つのみの内側層はトリプレート励起線路のために用いられる。トリプレート励起線路の先端は、前の図面に示すように短絡はされておらず、ＵＨＦ帯で結合するに適切な長さを有している。

本発明によれば、位相反転器１０３及び１０３′はスロットの折れ曲げ部の１つの段でスロット１１０の各部において実現されている。これら位相反転器１０３及び１０３′は、それぞれ、スロット１１０の端縁の１つをこれに対向する他方の端縁に接続すると共に接地面１００及び１００′と同じ平面に位置している金属線路と、基板の他の層内における他の金属ブリッジによって接続される他の金属線路とによって構成される。この他の金属ブリッジは、金属ピンを介してスロットの両方の端縁に接続されている。

図９に示すように、接地面１００及び１００′の各々は、接地面１００及び１００′のメタライズされていない領域１０５及び１０５′に開口するスロット１０４及び１０４′を形成している。この構造は、ＵＨＦ帯で動作可能であり移動端末のカードに容易に組み込むことができる小型アンテナを実現可能にする。折り曲げ部の段におけるスタッド１１１は、スロットの両方の外側段の間の面の連続性を確保する。

以上述べたアンテナはいくつかの利点を有している。標準的な折り曲げスロットに比較して非常に良好な放射効率を得ることができる。また、この種のアンテナは、その平面構造により、消費者の製品に容易に組み込むことができる。さらに、使用する技術がプリント技術であるため、無線周波数回路をアンテナと同じカード上に容易に組み込むことができる。この解決法は、低価格の基板上へのプリント技術を用いているため、低コストの解決法である。従って、動作中心周波数において０．２２λｇのオーダのサイズの小型アンテナを提供することが可能となる。

従来技術による放射直線状スロットアンテナの上面平面図である。 放射直線状スロットアンテナの動作を説明するための、図１のアンテナを拡大した図である。 他の態様におけるスロットアンテナの平面図である。 ２．４ＧＨｚで動作する図１のアンテナ及び図３のアンテナそれぞれの周波数に対する放射効率を表す曲線図である。 本発明による放射直線状スロットアンテナの上面平面図である。 本発明におけるアンテナの最初の実施形態の上面図である。 本発明における位相反転手段を示す全体及び拡大上面図である。 図１のアンテナ、図３のアンテナ及び図６のアンテナそれぞれの周波数に対する放射効率を表す曲線図である。 ＵＨＦ帯で動作する本発明におけるアンテナの他の実施形態の斜視図である。

符号の説明

１０、１１０、１１０′ スロット
１０ａ、１０ｂ ストランド
１１ 接地面、基板
１２ 中央部、マイクロストリップ線路
１３、１０３、１０３′ 位相反転器
１３ａ、１３ｂ ブリッジ
１４、１０５、１０５′ メタライズされていない領域
１５、１０４、１０４′ スロット（カットアウト）
１００、１００′ 基板
１０１、１０１′ 端縁
１０２ 導電ピン
１０６ トリプレート線路
１１１ スタッド

Claims (6)

1. 少なくとも１つの接地面を備えた基板上に、平行なストランド部を有する少なくとも１つの折り曲げストランドを構成する放射スロットと、２つの連続するストランド部間で位相反転する少なくとも１つの手段とを備えており、前記位相反転する手段は、前記平行なストランド部の電界成分が共に加算されるように、前記放射スロットの２つの端縁を交差する形態で連結する２つのブリッジから構成されており、前記接地面が、前記位相反転する手段の段に、開回路を構成する手段を備えている、小型平面アンテナ。
2. 前記開回路を構成する手段が、前記接地面におけるスロット即ちカットアウトから構成されている、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記接地面が、メタライズされていない領域を備えている、請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記ブリッジが、前記スロットの両端縁を接続する独立した素子によって実現されている、請求項１に記載のアンテナ。
5. 前記ブリッジが、前記基板の２つの異なる平面内にエッチング形成されたマイクロストリップ線路によって実現されている、請求項１に記載のアンテナ。
6. アンテナの両ストランドを備えた前記基板が、自己の上に折り曲げられている、請求項１から５のいずれか１項に記載のアンテナ。

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