JP5284491B2 - ハーフループチップアンテナ及び関連する方法 - Google Patents

Description

本発明は、通信分野、より具体的には、アンテナ及び関連する方法に関する。

より新しい設計及び製造技術は、電子部品の寸法を小さくするとともに、多くの通信装置及びシステムを小型化してきた。あいにく、アンテナは、比較レベルでサイズが小さくされておらず、しばしば、小型の通信装置で使用される大きめの部品の１つとなる。

アンテナサイズは周波数増大により波長を縮小化することによって低減され得るが、波の伝播、増大した受信開口、ビーム幅、又は、簡単に配置のために、周波数が低い方が有利である。サイズが小さくなるにつれて放射抵抗が無限大に近づくスロットタイプのアンテナでさえ、近接効果による導体損失によって制限される。従って、周波数を下げることなくアンテナサイズを小さくすることが望まれるが、最小面積で最大利得を有しながらサイズが低減されたアンテナを設計及び製造することは困難である。

現在の日常的な通信装置においては、装荷ホイップ（loaded whips）アンテナ、銅バネアンテナ（copper springs）（コイル及びパンケーキ）を含む多種態様な構成がアンテナとして使用されており、それらは多種多様な方法で使用されている。パッチ（patch）アンテナは、製造の容易さのためにプリント回路基板（ＰＣＢ）構成を利用してよく、チップ（chip）アンテナは、ＰＷＢに実装される部品であってよい。

アンテナは、電流のカール及びダイバージェンスに対応する２つの種類（ループ及びダイポール）に分けられ得る。カノニカル（canonical）アンテナは、ループ及びダイポールの円及び直線実施形態である。ループとダイポールとの間の複合型アンテナは螺旋形及び弦巻線を有してよい。広く知られているユークリッド配置は、２つの点（線）の間の最短距離や、周囲（円）の最大面積等の利点を有し、それらは、より低い導体損失、より高い放射抵抗、増大した指向性等のために優先的なアンテナ形状でありうる。

ループアンテナは、インダクタよりもむしろキャパシタとの共振にロードされ得る場合、電気的に小さいアンテナ要件のために特別の有用性を有してよい。現在、アンテナ設計者は、室温で導体よりも絶縁体をより良く提供されるので、キャパシタはインダクタよりも低い損失を有することができる。従って、ループアンテナは、最も効率的なサイズでアンテナ構成において必要なインダクタを有する。また、ループアンテナは、装着式の用途のために、誘電加熱を引き起こさない磁気放射近接場により、又は低周波での低減された電磁気干渉（ＥＭＩ）ピックアップのために、利点に恵まれうる。

携帯電話機等の携帯通信に関し、アンテナは、金属シャーシ又はバッテリの近くに配されることがある。その場合、グランドプレーン（ground plane）動作が有利でありうる。グランドプレーン・アンテナの一例は携帯型無線機のためのモノポール又はホイップであり、ホイップ及び無線シャーシはともにアンテナシステムを形成してよい。ホイップアンテナはより良く知られる、ループアンテナのイメージプレーン（image plane）フォームは、導電アーチ、すなわちハーフループを有してよい。ハーフループアンテナは、グランドプレーン動作を可能にしながら、ループアンテナの利点を共有する。

従来技術のアンテナの例には、米国特許第６２５２５６１号明細書（特許文献１）がある。特許文献１は、第１の面及び第２の面を有する誘電体基板を有する無線ＬＡＮアンテナを対象とする。誘電体基板の第１の面は矩形ループを有する。矩形接地銅フォイル（foil）は、矩形ループ内に取り付けられている。信号供給銅フォイルが更に含まれる。信号供給銅フォイルの一方の端部は、矩形ループ及び接地銅フォイルに接続されており、一方、信号供給銅フォイルのもう一方の端部は、矩形ループの他の端部を横切って通っている。更に、背面銅フォイルの層は、プリント回路基板の裏側にめっきされている。この裏側銅フォイルは、前面部におけるループの半分を覆う。接地銅フォイルの横寸法の調整は、アンテナの給電構成に対するアンテナのインピーダンス整合を達成する。

また、米国特許第６５９０５４１号明細書（特許文献２）は、接地面の上に位置付けられたアンテナハーフループを有するハーフループアンテナを対象とし、アンテナハーフループは、凸状の閉曲線を形成する外縁を有する領域を形成する。導体ハーフループは、その端部にある点に向かって次第に細くなる楕円の形状を有し、導体ハーフループのフィードイン点では、バネとして形成されたインダクタンスが挿入されてよい。

米国特許第６２５２５６１号明細書 米国特許第６５９０５４１号明細書

しかし、上記アプローチはいずれも、アンテナサイズを低減し且つ小さい面積について所望の利得を提供しながら、例えば、回路基板又はグランドプレーンのために、チップアンテナ部品を提供することに焦点を当てていない。

従って、以上を鑑み、本発明は、面積に対して利得を増大させるよう構成される放射平面又はプリントチップアンテナを提供することを目的とする。

本発明に従う上記の及び他の目的、特徴、及び利点は、第１及び第２の相対する側面並びに複数の導電トレースを有する誘電体基板と、少なくとも１つの容量素子とを有し、前記複数の導電トレースは、相隔たった第１及び第２の端部を有し、前記誘電体基板の前記第１の側面で弓状経路に沿って延在するハーフループアンテナ素子と、前記ハーフループアンテナ素子の前記相隔たった第１及び第２の端部に隣接して前記誘電体基板の前記第１及び第２の相対する側面の夫々で整列され、互いに電気的に接続される第１及び第２のベースストリップと、前記誘電体基板の前記第２の側面にあり、前記ハーフループアンテナ素子の前記第１の端部と整列され、該第１の端部に電気的に接続されるフィードストリップとを定義するよう前記誘電体基板上において構成され、前記少なくとも１つの容量素子は、前記ハーフループアンテナ素子に付随する、アンテナによって提供される。

少なくとも１つの導電ビアは、前記第１及び第２のベースストリップを電気的に接続してよく、少なくとも１つの第２の導電ビアは、前記フィードストリップと前記ハーフループアンテナ素子の前記第１の端部とを電気的に接続してよい。前記フィードストリップ及び前記第２のベースストリップの隣接する部分は、前記誘電体基板の前記第２の側面で、それらの間に少なくとも１つのギャップを定めてよい。また、前記誘電体基板は、平面誘電体基板を有してよい。前記少なくとも１つの容量素子は、前記第１のベースストリップと前記ハーフループアンテナ素子の前記第１及び第２の端部との間に夫々結合される第１及び第２の容量素子を有してよい。

幾つかの実施形態において、前記複数の導電トレースは、更に、前記第１のベースストリップに電気的に接続される相隔たった第１及び第２の端部を有し、前記誘電体基板の前記第１の側面で前記ハーフループアンテナ素子から隔たって該ハーフループアンテナ素子を囲む第２の弓状経路に沿って延在する外側アンテナ結合素子を定義するよう構成されてよい。前記少なくとも１つの容量素子は、前記外側アンテナ結合素子の中央部分に位置する容量素子を有してよい。前記ハーフループアンテナ素子の第２の端部は、前記誘電体基板の前記第１の側面で前記第１のベースストリップに電気的に接続されてよい。

更なる実施形態で、前記複数の導電トレースは、更に、相隔たった第１及び第２の端部を夫々有し、前記誘電体基板の前記第１の側面で前記ハーフループアンテナ素子から隔たって該ハーフループアンテナ素子を囲む第２の弓状経路に沿って延在する内側及び外側アンテナ結合素子を定義するよう構成されてよい。前記内側アンテナ結合素子の第１の端部及び前記外側アンテナ結合素子の第２の端部は、前記第１のベースストリップに、該第１のベースストリップの相対する端部に隣接して電気的に接続されてよい。前記内部アンテナ結合素子及び前記外部アンテナ結合素子は、前記少なくとも１つの容量素子を定めてよい。

このような小さく且つ効率的なチップアンテナ設計は、例えば、携帯電話機、ページャー、ワイドローカルエリアネットワークカード、ＧＳＭ／地上モバイル通信、テレビアンテナ、及び高周波無線システムといった一般的な消費家電用途を含む無線周波数通信を含め、多種多様な無線製品で使用可能である。アンテナは、隣接する金属面、グランドプレーン等の有無にかかわらず動作する。

方法態様は、アンテナの製造方法であって、相隔たった第１及び第２の端部を有し、誘電体基板の第１の側面で弓状経路に沿って延在するハーフループアンテナ素子と、前記ハーフループアンテナ素子の前記相隔たった第１及び第２の端部に隣接して前記誘電体基板の前記第１の側面及び相対する第２の側面の夫々で整列され、互いに電気的に接続される第１及び第２のベースストリップと、前記誘電体基板の前記第２の側面にあり、前記ハーフループアンテナ素子の前記第１の端部と整列され、該第１の端部に電気的に接続されるフィードストリップとを定義するよう、前記誘電体基板の前記第１及び第２の相対する側面で複数の導電トレースを形成するステップと、前記ハーフループアンテナ素子に付随する少なくとも１つの容量素子を定めるステップとを有する方法を対象とする。

当該方法は、前記第１及び第２のベースストリップを少なくとも１つの第１の導電ビアにより電気的に接続するステップと、前記フィードストリップ及び前記ハーフループアンテナ素子の前記第１の端部を少なくとも１つの導電ビアにより接続するステップとを更に有してよい。前記フィードストリップ及び前記第２のベースストリップの隣接する部分は、前記誘電体基板の前記第２の側面で、それらの間に少なくとも１つのギャップを定めてよい。

前記少なくも１つの容量素子を定めるステップは、第１及び第２の容量素子を、夫々、前記ハーフループアンテナ素子の前記第１及び第２の端部の夫々と前記第１のベースストリップとの間に結合するステップを有してよい。また、前記複数の導電トレースを形成するステップは、前記第１のベースストリップに電気的に接続される相隔たった第１及び第２の端部を有し、前記誘電体基板の前記第１の側面で前記ハーフループアンテナ素子から隔たって該ハーフループアンテナ素子を囲む第２の弓状経路に沿って延在する外側アンテナ結合素子を定めるステップを有する。

前記少なくとも１つの容量素子を定めるステップは、前記外側アンテナ結合素子の中央部分に容量素子を位置付けるステップを有してよい。前記複数の導電トレースを形成するステップは、前記誘電体基板の前記第１の側面で、前記第１のベースストリップに前記ハーフループアンテナ素子の前記第２の端部を電気的に接続するステップを有してよい。

前記複数の導電トレースは、更に、相隔たった第１及び第２の端部を夫々有し、前記誘電体基板の前記第１の側面で前記ハーフループアンテナ素子から隔たって該ハーフループアンテナ素子を囲む第２の弓状経路に沿って延在する内側及び外側アンテナ結合素子を定義するよう構成されてよく、前記内側アンテナ結合素子の第１の端部及び前記外側アンテナ結合素子の第２の端部は、前記第１のベースストリップに、該第１のベースストリップの相対する端部に隣接して電気的に接続される。前記内部アンテナ結合素子及び前記外部アンテナ結合素子は、前記少なくとも１つの容量素子を定めてよい。

本発明に従うアンテナの第１の実施形態の平面図である。 図１の実施形態の底面図である。 図１の実施形態の対応する回路の概略図である。 本発明に従うアンテナの他の実施形態の平面図である。 図４の実施形態の底面図である。 図４の実施形態の対応する回路の概略図である。 本発明に従うアンテナの他の実施形態の平面図である。 図７の実施形態の底面図である。 図７の実施形態の対応する回路の概略図である。 放射パターン座標系で本発明の図４における実施形態を表す図である。 本発明の図４における実施形態の測定されたＸＹ切断放射パターンのプロットである。 本発明の図４における実施形態の測定されたＹＺ切断放射パターンのプロットである。 図４の実施形態におけるアンテナに関して適切な直径対利得を表すグラフである。

以下、本発明について、本発明の好ましい実施形態が示されている添付の図面を参照して、より完全に記載する。なお、本発明は、多種多様な形態で具現されてよく、ここで記載される実施形態に限定されると解されるべきではない。むしろ、それらの実施形態は、本開示が詳細且つ完全であり、本発明の適用範囲を当業者に十分に伝えるように、提供される。同じ参照符号は、代替の実施形態で同じ要素を示すよう、初めから終わりまで同じ要素を表す。

本発明は、パーソナルコンピュータ若しくはパーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）における無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）アンテナ又はパーソナル通信装置用のチップアンテナとして使用されるような、小さい面積に対して所望の利得を有する薄パッチアンテナ又はチップアンテナを対象とする。アンテナの様々な実施形態は、セキュリティ、追跡又は識別タグ、携帯電話機、及び小型プリントアンテナを必要とするその他装置においても使用され得る。アンテナは、平面形状を有するインダクタタイプのアンテナとして考えることができる。アンテナ素子は、低減された又は最小のサイズで最適な利得を得るよう、形状が弓状又は半円状であってよい。本発明は、整合変圧器、バラン、負荷キャパシタ、及び１又はそれ以上の弓状の要素による放射素子を含む複合設計アンテナを構成する方法を提供してよい。

最初に、図１〜３を参照して、本発明に従うアンテナ１０の第１の実施形態が記載されている。アンテナ１０は、単一の弓状の要素を利用してよい。アンテナ１０は誘電体基板１２を有し、誘電体基板１２は、第１及び第２の相対する側面１４、１６と、誘電体基板１２の複数の導電トレース１８とを有する。トレース１８は、相隔たった第１及び第２の端部２２、２４を有し、誘電体基板１２の第１の側面で弓状経路に沿って延在するハーフループアンテナ素子２０を定義するよう構成される。ハーフループアンテナ素子２０は、動作周波数で外周において電気的に小さい（例えば、０．０２から０．２）波長であってよい。

第１及び第２のベースストリップ２６、２８は、例えば導電ビア３０を介して、互いに電気的に接続されており、ハーフループアンテナ素子２０の相隔たった第１及び第２の端部２２、２４に隣接して誘電体基板１２の第１及び第２の相対する側面１４、１６の夫々で整列されている。フィードストリップ３２は、誘電体基板１２の第２の側面１６にあり、ハーフループアンテナ素子２０の第１の端部２４と整列されて、駆動点ビア４０によって第１の端部２４に電気的に接続されている。

表されている実施形態では、一対の容量素子３４、３６がハーフループアンテナ素子２０に付随する。容量素子３４、３６又は同調機能は、導電性ハーフループアンテナ素子２０を共振させるよう動作する。容量素子３４、３６の夫々は、容量結合を有して、導電性ハーフループアンテナ素子２０において、トリマーキャパシタ等のディスクリート受動素子であっても、又はプリントキャパシタ若しくはギャップであってもよい。かかるギャップは、当業者に明らかなように、所望のキャパシタンスを与え且つ所望の抵抗を確立するよう比較的小さい。例示的に、容量素子３４、３６は、夫々、第１のベースストリップ２６とハーフループアンテナ素子２０の第１及び第２の端部２２、２４との間に結合されている。他の実施形態では、１つの、又は２よりも多い容量素子が使用されてよい。

複数の第１の導電ビア３０は、第１及び第２のベースストリップ２６、２８を電気的に接続し、１つの第２の導電ビア４０は、フィードストリップ３２とハーフループアンテナ素子２０の第１の端部２４とを電気的に接続する。導電ビア３０、４０はめっき穴であり、第１及び第２のベースストリップ２６、２８、フィードストリップ３２、及びハーフループアンテナ素子２０を定義する夫々の導電トレース１８から誘電体基板１２を通って延在してよい。当然、他の同様のコネクタが使用されてよい。

フィードストリップ３２及び第２のベースストリップ２８の隣接する部分は、例示的に、誘電体基板１２の第２の側面１６で、それらの間にギャップ４２を定める。また、誘電体基板１２は、例示的に、平面誘電体基板を有する。

ここで、単一の弓状の要素から成る図１の実施形態に係る動作の理論について記載する。図３は、図１及び図２のアンテナ１０の実施形態に従う等価回路モジュール５０の概略図である。この図を参照して、容量素子３６はＣ_２に対応し、容量素子３４はＣ_１に対応する。望ましくは、ハーフループアンテナ素子２０は、波長に関して比較的小さく、例えば、固有振動を下回り、低い放射抵抗及び誘導的な駆動点共振を示す（例えば、Ｚ＝０．２＋ｊ１００Ω）。キャパシタ３４、３６は、当業者に認識されうるように、例えば５０オームに対するインピーダンス整合を提供するよう構成される。

ハーフループアンテナ素子２０の電気的長さの短さは、Ｃ_１、Ｃ_２の組み合わせが、駆動点においてＣ_１が直列でありＣ_２が並列であるキャパシタＬ回路網として近似されることを可能にする。共振式Ｆ＝１／２π√（Ｌ_１Ｃ_{ｔｏｔａｌ}）は、動作周波数を計算するために使用されてよい。ここで、Ｌ_１は、ハーフループアンテナ素子２０のインダクタンスであり、Ｃ_{ｔｏｔａｌ}は、直列キャパシタンス式Ｃ_{ｔｏｔａｌ}＝１／［（１／Ｃ_１）＋（１／Ｃ_２）］に従って、直列なＣ_１、Ｃ_２（容量素子３４、３６）により求められる正味のキャパシタンスである。得られる抵抗はＣ_１／Ｃ_２の比に応じて変化する。当業者には知られているように、Ｃ_１、Ｃ_２の値を計算するために、スミスチャートも使用されてよい。

再び図３を参照して、Ｒ_ｒは、ループアンテナ素子２０の放射抵抗を表し、Ｒ_Ｉは、導体損失抵抗を表す。アンテナ効率は、実際にはキャパシタＣ_１、Ｃ_２での損失は小さく無視可能であるから、η＝Ｒ_ｒ／（Ｒ_ｒ＋Ｒ_Ｉ）によって推定され得る。その場合に、アンテナ利得は、Ｇ＝１０ｌｏｇ_１０１．５η＝１０ｌｏｇ_１０［（１．５Ｒ_ｒ）／（Ｒ_ｒ＋Ｒ_Ｉ）］ｄＢｉによって近似されてよい。ここで、ηは効率であり、小さなループアンテナの指向性は約１．５であり、利得は指向性Ｄと効率ηとの積である。大きなグランドプレーン又は無線機シャーシに対する動作は、当然に、実現される利得に影響を及ぼしうる。無限なグランドプレーンは、指向性及び利得において３ｄＢの増大をもたらすが、一般に、グランドプレーンのサイズが小さくなるほど増大量は小さくなる。

本発明の図１の実施形態は、周波数調整がＣ_１及びＣ_２の両方の値を変更して再整合させることを必要とするデュアル制御チューニングに係る。図１を参照して、最良の効率及び利得は、ａ＝０．７８ｂであるときに、試作品において得られた。これは、ハーフループアンテナ素子２０の導電トレースが狭くなり過ぎる場合には導体抵抗損失が過剰となり、ハーフループアンテナ素子２０の導体トレースが広くなり過ぎる場合には導体近接効果が起こるためである。導体近接効果は、最大の効率及びＱのために巻線間に間隔を必要とするコイルインダクタに関して当業者によって十分に理解され得る。

図４〜６を参照して、アンテナ１００の他の実施形態について記載する。アンテナ１００は、２つの弓状の要素を使用してよい。これは、広い帯域幅にわたる単一制御同調のために特に好ましい。アンテナ１００は、第１及び第２の相対する側面１０４、１０６を有する誘電体基板１０２を有し、更に、誘電体基板１２の上に複数の導電トレース１０８を有する。トレース１０８は、相隔たった第１及び第２の端部１２２、１２４を有し、誘電体基板１０２の第１の側面１０４で弓状の経路に沿って延在するハーフループアンテナ素子１２０を定義するよう構成される。

第１及び第２のベースストリップ１２６、１２８が、例えば導電ビア１３０を介して、互いに電気的に接続されており、また、それらは、ハーフループアンテナ素子１２０の相隔たった第１及び第２の端部１２２、１２４に隣接して誘電体基板１０２の第１及び第２の相対する側面１０４、１０６で整列されている。フィードストリップ１３２は、誘電体基板１０２の第２の側面１０６にあり、ハーフループアンテナ素子の第１の端部１２４と整列され、第１の端部１２４と、例えば導電ビア１４０を介して、電気的に接続されている。フィードストリップ１３２は、当業者によって理解されるように、その遠位端部で、例えばマイクロストリップトレース又は同軸フィード等の外部伝送（図示せず。）と接続されてよい。

複数の導電トレース１０８は、更に、第１のベースストリップ１２６と電気的に接続されている相隔たった第１及び第２の端部１５２、１５４を有し、誘電体基板１０２の第１の側面１０４でハーフループアンテナ素子１２０から隔たってハーフループアンテナ素子１２０を囲む第２の弓状経路に沿って延在する外部アンテナ放射素子１５０を定義するよう構成される。アンテナ放射素子１５０は、優先的に、電気的に小さく、例えば、動作周波数でその外周に沿って０．０２及び０．２０波長である。容量素子１５６は、例えば外部アンテナ放射素子１５０のギャップにわたって、外部アンテナ放射素子１５０の中心部に位置付けられている。容量素子１５６は、固定キャパシタ、機械的に可変なキャパシタ、又はバラクタダイオードであってよい。ハーフループアンテナ結合１２０の第２の端部１２４は、誘電体基板１０２の第１の側面１０４で第１のベースストリップ１２６と電気的に接続されている。

この実施形態では、ハーフループアンテナ結合素子１２０は、内部磁気結合フィードリングを定め、広帯域カプラーの機能を果たし、非共振である。外部アンテナ放射素子１５０は、アンテナ１００の動作の間、共振して放射する。ハーフループアンテナ結合素子１２０は、非共振であり且つ放射体である。また、フィードライン共通モードの低減のためのバラン機能が、ハーフループアンテナ結合素子１２０によって提供されてもよい。この効果は、低周波実施から当業者によって理解される絶縁変圧器と同様である。

図６は、図４及び図５の２つの弓状要素に係る対応する回路１６０の概略図であり、この回路１６０に関し、以下、動作の理論を記載する。図４を参照して、外部アンテナ放射素子１５０は、電気的に小さく、誘導的であり、容量素子１５６によって共振させられる。それは、電気的に小さいループアンテナ（すなわち、グランドプレーンが用いられる場合はハーフループアンテナ）として放射する。電気的に小さいサイズに起因して、外部アンテナ放射素子１５０の放射抵抗は、例えば、実際上約０．０１から０．３Ωの間と、ほとんどの目的のために低くてよい。従って、ハーフループ結合素子１２０は、低い放射抵抗をより高い値（例えば、５０Ω）とするために、アンテナ放射素子１５０のための広帯域カプラーとして機能するよう含まれてよい。外部アンテナ放射素子１５０及びハーフループ結合素子１２０は、それらの重なり合う開口と、共通する放射磁気近接場とにより結合し、例えば、ハーフループ結合素子１２０は、変圧器の一次巻線と同様であり、アンテナ放射素子１５０は、変圧器の二次巻線である。

５０Ω又は他の所望の駆動抵抗は、アンテナ放射素子１５０に対してハーフループ結合素子１２０のサイズを変えることによって、実際上、容易に達成される。変圧器は事実上広帯域であるから、アンテナ１００は広帯域単一制御チューニングを提供し、１０から１のチューニング範囲が、実際上、単に容量素子１５６の値の変化によって、２から１を下回るＶＳＷＲを有して、本アプローチにより達成されている。チューニング範囲（ΔＦ）は、容量素子１５６での容量変化（ΔＣ）の平方根であり、例えば、ΔＦ＝√（ΔＣ）である。これは、コモン共振式Ｆ＝１／２π√（ＬＣ）から得られる。ハーフループ結合素子１２０における金属導体損失は、ハーフループアンテナ素子１２０が、例えば５０Ωの比較的高い回路インピーダンスで動作しうるので、ほとんどの場合に小さい。

引き続き図４を参照して、試作品において、外部アンテナ放射素子１５０から最良の放射効率及び利得性能を提供するトレース幅は、ｄ＝０．７８ｃであるときであってよい。５０Ω駆動インピーダンスを得るためのハーフループ結合素子の半径寸法は、ｅ＝０．３５ｃ及びｆ＝０．３１ｃである。ハーフループ結合素子１２０のトレース幅は、アンテナ放射素子１５０の近接場をシェーディングすること及び放射抵抗を下げることを回避するよう、優先的に、むしろ狭い。

表１は、本発明の図４及び図５の実施形態の例及び試作品の動作パラメータを提供する。

ここで図７〜９を参照して、アンテナ２００の他の実施形態について記載される。アンテナ２００は、３よりも多い弓状の要素を用いてよく、ディスクリート部品キャパシタを用いない動作を可能にする。従って、実施形態２００は、非常に薄く且つ平面であり、実際上厚さが約０．００３インチ（７．６×１０^−５メートル）であってよい。アンテナ２００は、第１及び第２の相対する側面２０４、２０６を有する誘電体基板２０２を有し、更に、誘電体基板２０２の上に複数の導電トレース２０８を有する。トレース２０８は、相隔たった第１及び第２の端部２２２、２２４を有し、誘電体基板２０２の第１の側面２０４で弓状の経路に沿って延在するハーフループアンテナ素子２２０を定義するよう構成される。

第１及び第２のベースストリップ２２６、２２８が、例えば導電ビア２３０を介して、互いに電気的に接続されており、また、それらは、ハーフループアンテナ素子２２０の相隔たった第１及び第２の端部２２２、２２４に隣接して誘電体基板２０２の第１及び第２の側面２０４、２０６の夫々で整列されている。フィードストリップ２３２は、誘電体基板２０２の第２の側面２０６にあり、ハーフループアンテナ素子２２０の第１の端部２２４と整列され、第１の端部２２４へ、例えば他の導電ビア２４０を介して、電気的に接続されている。

複数の導電トレース２０８は、更に、相隔たった第１及び第２の端部２７６、２７８、２８０、２８２を夫々有し、誘電体基板２０２の第１の側面２０４でハーフループアンテナ素子２２０から隔たってハーフループアンテナ素子２２０を囲む第２の弓状経路に沿って延在する内部及び外部アンテナ結合素子２７２、２７４を定義するよう構成される。内部アンテナ結合素子２７２の第１の端部２７６及び外部アンテナ結合素子２７４の第２の端部２８２は、第１のベースストリップ２２６に、その相対する端部に隣接して電気的に接続されている。

内部及び外部アンテナ結合素子２７２、２７４はともに容量素子を定める。例えば、両方の素子は、互いに対するキャパシタプレートとして働き、結合される電気的に小さいアンテナ構成を共振させる。内部及び外部アンテナ結合素子２７２、２７４は両方とも同時に同相で放射し、単一の電気的に小さいハーフループアンテナを有効に形成する。また、内部及び外部アンテナ結合素子２７２、２７４の間の分布キャパシタンスは、当業者によって理解されるように、隣接する誘電体、人、構成等に対しチューニングを安定させることができる。更に、更なるアンテナ結合素子が、望まれるようにアンテナサイズを低減し又は動作周波数を低めるために加えられてよい。

図９は、図７及び図８のアンテナ２００の実施形態に係る対応する回路２６０の概略図である。これらの図を参照して、３つの弓状の要素を用いる実施形態に係る動作の理論は、ディスクリートチップキャパシタ（容量素子１５６）が削除され、外部アンテナ結合素子２７４によって置換されている点を除いて、２つの要素を用いる図４の実施形態と同様である。内部及び外部アンテナ結合素子２７２、２７４の間の分布キャパシタンスは、そのままで容量素子１５６を形成する。数的電磁気ソフトウェアモデル（例えば、ペンシルバニア州ピッツバーグにあるアンソフト・コーポレーションによるAnsoft High Frequency Structure Simulator（ＨＦＳＳ））が、この実施形態のために動作周波数を予測し且つスケーリングするために使用されてよい。カリフォルニア州サンタクララにあるアジレント・ラボラトリによるMomentum planar EM structure simulatorも使用されてよい。網掛け密度（meshing density）の考え方は、小型のアンテナにおいて効率予測を問題があるものとし、このパラメータに関しては、回路等価計算が好ましい。

ＰＷＢパターン／アンテナ設計がアンテナ２００のために確立されると、アンテナのための全体的なＰＷＭアートワークは、他の周波数のための設計を達成するよう、線形にスケーリングされてよい（例えば、全体的にリサイズされる。）。アンテナサイズは周波数の逆数であるから、アンテナ２００のサイズを２倍にすると、周波数は１／２だけ下がり、他の全てのパラメータは一定に保たれる。周波数に対する微調整は、特に自由端での、内部及び外部アンテナ結合素子２７２、２７４の部分のアブレーションによって達成されてよい。内部及び外部アンテナ結合素子２７２、２７４は、最大負荷効果のために試作品において近くに配置されており、多数の弓状の素子を用いて、相互嵌合された負荷キャパシタがそのままで有効に形成される。例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又は液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の低損失ＰＷＢ材料が、３よりも多い弓状の要素を用いる実施形態のために好ましい。本発明の単一の及び複数の弓状の要素を用いる実施形態は、損失の多いＰＷＭ材料における使用に関して利点に恵まれている。一般に、銅が内部及び外部アンテナ結合素子２７２、２７４のための好ましい材料である。銀は最良の室温導体であるが、銅に対する利得の利点は実際上無視可能である。共振放射弓状要素における如何なる接続も適切にはんだ付けされるべきである。電気的に小さい実施形態において、Δη＝√（Δσ）であり、例えば、放射効率は導体の導電率の平方根により変化する。

ここで、本発明の放射パターンについて考える。図１０は、ＩＥＥＥ標準規格１４５−１９７３の放射パターン座標系において本発明の図４の（２つの弓状要素を用いる）実施形態を表す。図１１は、本発明の図４の例及び試作品の測定されたＸＹ切断放射パターンの極座標プロットである。図１２は、本発明の図４の例及び試作品の測定されたＹＺ切断放射パターンの極座標プロットである。いずれの放射パターンもＥ_φ場成分に関し、利得単位はｄＢｉ、すなわち、仮想的な等方性アンテナに関するデシベルである。

明らかなように、ＸＹ平面パターンは、おおよそ円形であり、全方向性であり、ＹＺ平面パターン形状は、おおよそｃｏｓ^２（θ＋９０°）であり、例えば、２花弁ローズである。ＺＹ平面放射パターン（図示せず。）は、同様に、ｃｏｓ^２（θ＋９０°）であり、例えば、２花弁ローズである。このように、本発明の放射パターンの例の形状は、小ダイポールと同様であり、それらは、多くの目的にとって十分でありうる。本発明の極性は実質的に線形であり、Ｅ_φ、例えば、放射平面波の電界は、実質的に、図１０の座標系のφ方向にある。放射パターン測定は図４の（２つの要素を用いる）実施形態に係るが、他の実施形態（単一の弓状要素、３つの弓状要素、等）のための放射パターン形状は同じか又はほぼ同じである。

サイズに対して良好な利得を提供することに加えて、本発明は、利得トレードを有して、サイズ及び周波数のほぼあらゆる組み合わせを実施されるという利点を有する。図１３は、近似値として異なったサイズ及び周波数における本発明の利得トレードに係るグラフである。サイズパラメータは、インチでのアンテナ外径（例えば、外部の弓状放射要素がある虚円の直径）であり、図１を参照して、アンテナ外径ｄは大きさｂの２倍に等しい（ｄ＝２ｂ）。−５０ｄＢｉトレードは、周辺ノイズレベルが高い場合に、低周波受信のみの要求に有用でありうる。最小サイズにおける利得トレードは、銅の室温導体抵抗から生じ、先に述べたような小型のアンテナに対する本質的限界である。

当然、本発明は、概して、電気的に小さいアンテナ要求を対象としている。小さいサイズは、プラスの利得値にとって望ましい。実現される利得は、グランドプレーン又は自由空間環境、ＰＷＢ材料、導体被覆、キャパシタＱ等により、図１３の値の僅かに上下に変化する。本発明の利得は、最大サイズで漸近的に１．７ｄＢｉに近づく。引き続き図１３を参照して、点３１０は、サイズ及び周波数に関して表１の例及び試作品の測定された利得を表す。

例えば、記載される実施形態で説明されるような、この小さく且つ効率的なチップアンテナ設計は、携帯電話機、ページャー、ワイドローカルエリアネットワークカード、ＧＳＭ／地上モバイル通信、ＴＶアンテナ、及び高周波無線システムといった一般的な消費家電用途を含む無線周波数通信を含め、多種多様な無線製品で使用可能である。アンテナは、隣接する金属面、グランドプレーン等の有無にかかわらず動作する。

方法態様は、図１〜９の上記実施形態を参照して記載される。方法は、相隔たった第１及び第２の端部２２／２４、１２２／１２４、２２２／２２４を有し且つ誘電体基板１２、１０２、２０２の第１の側面１４、１０４、２０４で弓状の経路に沿って延在するハーフループアンテナ素子２０、１２０、２２０を定義するよう誘電体基板の第１及び第２の相対する側面１４／１６、１０４／１０６。２０４／２０６で複数の導電トレース１８、１０８、２０８を形成するステップを有するアンテナ製造方法を対象とする。

第１及び第２のベースストリップ２６／２８、１２６／１２８。２２６／２２８は、互いに電気的に接続され、ハーフループアンテナ素子２０、１２０、２２０の相隔たった第１及び第２の端部に隣接して誘電体基板の第１及び第２の相対する側面の夫々で整列される。フィードストリップ３２、１３２，２３２は、誘電体基板の第２の側面にあり、ハーフループアンテナ素子の第１の端部と整列され、該第１の端部に電気的に接続される。方法は、ハーフループアンテナ素子２０、１２０、２２０に付随する少なくとも１つの容量素子３４／３６、１５６、２７２／２７４を定めるステップを有する。

方法は、少なくとも１つの第１の導電ビア３０、１３０、２３０により第１及び第２のベースストリップを電気的に接続するステップと、少なくとも１つの第２の導電ビア４０、１４０、２４０によりハーフループアンテナ素子の第１の端部とフィードストリップとを電気的に接続するステップとを更に有してよい。フィードストリップ及び第２のベースストリップの隣接する部分は、誘電体基板の第２の側面で、それらの間に少なくとも１つのギャップ４２、１４２、２４２を定義してよい。

少なくとも１つの容量素子を定めるステップは、（例えば、図１に示されるように）ハーフループアンテナ素子２０の第１及び第２の端部２２、２４の夫々と第１のベースストリップ２６との間に第１及び第２の容量素子２４、２６を夫々結合することを含んでよい。また、複数の導電トレースを形成するステップは、（図４に示されるように）第１のベースストリップ１２６に電気的に接続されている相隔たった第１及び第２の端部１２２、１２４を有し且つ誘電体基板１０２の第１の側面１０４でハーフループアンテナ素子１２０から隔たって該ハーフループアンテナ素子１２０を囲む第２の弓状の経路に沿って延在する外部アンテナ放射素子１５０を定めることを含んでよい。

少なくとも１つの容量素子を定めるステップは、外部アンテナ放射要素１５０の中心部分又はギャップ１５８に容量素子１５６を位置付けることを含んでよい。複数の導電トレース１０８を形成するステップは、誘電体基板１０２の第１の側面１４で第１のベースストリップ１２６にハーフループアンテナ素子１２０の第２の端部１２４を電気的に接続することを含んでよい。

複数の導電トレース２０８は、更に、相隔たった第１及び第２の端部２７６／２８０、２７８／２８２を夫々有し、誘電体基板２０２の第１の側面２０４でハーフループアンテナ素子２２０から隔たってハーフループアンテナ素子２２０を囲む第２の弓状の経路に沿って延在する内部及び外部アンテナ結合素子２７２、２７４を定義するよう構成されてよい。内部アンテナ結合素子２７２の第１の端部２７６及び外部アンテナ結合素子２７４の第２の端部２８２は、第１のベースストリップ２２６に、該第１のベースストリップ２２６の相対する端部に隣接して電気的に接続される。上述されたように、内部及び外部アンテナ結合素子２７２、２７４は容量素子を定義する。

本発明のようなループアンテナは、それらの放射近接場が電気的にというよりむしろ磁気的であるので、ダイポールに対して利点に恵まれている。磁場からの渦電流加熱損失は周波数に伴って一定であり、周波数の二乗により増大する誘電加熱損失ほど顕著でない。従って、本発明は、装着又は携帯要求にとって優先的でありうる。試作品試験において、本発明のチューニング安定性は、携帯される場合に、平面反転（planar inverted）Ｆ（ＰＩＦＡ）スロットタイプよりもずっと良かった。これは、本発明の、放射電気ではなく、放射磁気近接場による。

要約すると、本発明は、放射素子、負荷キャパシタ、整合カプラー、及びバランが弓状又は半円状の要素のシステムから実現されるところの複合設計のハーフループアンテナを提供する。本発明は、小さく、サイズに関して良好な利得を提供し、スケーリング可能であり、グランドプレーンの有無に関わらず動作可能であり、携帯電話又はページャー等の携帯通信要求に適している。

Claims (8)

1. 第１及び第２の相対する側面並びに複数の導電トレースを有する誘電体基板と、
   少なくとも２つの同調用容量素子と
   を有し、
   前記複数の導電トレースは、
   相隔たった第１及び第２の端部を有し、前記誘電体基板の前記第１の側面で弓状経路に沿って延在するハーフループアンテナ素子と、
   前記ハーフループアンテナ素子の前記相隔たった第１及び第２の端部に隣接して前記誘電体基板の前記第１及び第２の相対する側面の夫々で整列され、互いに電気的に接続される第１及び第２のベースストリップと、
   前記誘電体基板の前記第２の側面にあり、前記ハーフループアンテナ素子の前記第１の端部と整列され、該第１の端部に電気的に接続されるフィードストリップと
   を定義するよう前記誘電体基板上において構成され、
   前記少なくとも２つの同調用容量素子の各々は、前記ハーフループアンテナ素子の第１及び第２の端部と第１のベースストリップとの間にそれぞれ接続され、
   前記フィードストリップと前記ハーフループアンテナ素子の前記第１の端部とが、少なくとも１つの導電ビアにより電気的に接続された、
   アンテナ。
2. 前記第１及び第２のベースストリップを電気的に接続する少なくとも１つの第２の導電ビア、
   を更に有する請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記複数の導電トレースは、更に、前記第１のベースストリップに電気的に接続される相隔たった第１及び第２の端部を有し、前記誘電体基板の前記第１の側面で前記ハーフループアンテナ素子から隔たって該ハーフループアンテナ素子を囲む第２の弓状経路に沿って延在する外側アンテナ結合素子を定義するよう構成される、
   請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記複数の導電トレースは、更に、相隔たった第１及び第２の端部を夫々有し、前記誘電体基板の前記第１の側面で前記ハーフループアンテナ素子から隔たって該ハーフループアンテナ素子を囲む第２の弓状経路に沿って延在する内側及び外側アンテナ結合素子を定義するよう構成され、
   前記内側アンテナ結合素子の第１の端部及び前記外側アンテナ結合素子の第２の端部は、前記第１のベースストリップに、該第一のベースストリップの相対する端部に隣接して電気的に接続され、
   前記内部アンテナ結合素子及び前記外部アンテナ結合素子は、前記少なくとも２つの容量素子を定義する、
   請求項１に記載のアンテナ。
5. アンテナの製造方法であって、
   相隔たった第１及び第２の端部を有し、誘電体基板の第１の側面で弓状経路に沿って延在するハーフループアンテナ素子と、
   前記ハーフループアンテナ素子の前記相隔たった第１及び第２の端部に隣接して前記誘電体基板の前記第１の側面及び相対する第２の側面の夫々で整列され、互いに電気的に接続される第１及び第２のベースストリップと、
   前記誘電体基板の前記第２の側面にあり、前記ハーフループアンテナ素子の前記第１の端部と整列され、該第１の端部に電気的に接続されるフィードストリップと
   を定義するよう、前記誘電体基板の前記第１及び第２の相対する側面で複数の導電トレースを形成するステップと、
   少なくとも２つの同調用容量素子を、前記ハーフループアンテナ素子の第１及び第２の端部と第１のベースストリップとの間にそれぞれ接続するステップと、
   前記第１及び第２のベースストリップを少なくとも１つの第１の導電ビアにより電気的に接続するステップと、
   を有する方法。
6. 前記フィードストリップ及び前記ハーフループアンテナ素子の前記第１の端部を少なくとも１つの第２の導電ビアにより接続するステップと
   を更に有する請求項５に記載の方法。
7. 前記複数の導電トレースを形成するステップは、前記第１のベースストリップに電気的に接続される相隔たった第１及び第２の端部を有し、前記誘電体基板の前記第１の側面で前記ハーフループアンテナ素子から隔たって該ハーフループアンテナ素子を囲む第２の弓状経路に沿って延在する外側アンテナ結合素子を定めるステップを有する、
   請求項５に記載の方法。
8. 前記複数の導電トレースは、更に、相隔たった第１及び第２の端部を夫々有し、前記誘電体基板の前記第１の側面で前記ハーフループアンテナ素子から隔たって該ハーフループアンテナ素子を囲む第２の弓状経路に沿って延在する内側及び外側アンテナ結合素子を定義するよう構成され、
   前記内側アンテナ結合素子の第１の端部及び前記外側アンテナ結合素子の第２の端部は、前記第１のベースストリップに、該第１のベースストリップの相対する端部に隣接して電気的に接続され、
   前記内部アンテナ結合素子及び前記外部アンテナ結合素子は、前記少なくとも２つの容量素子を定義する、
   請求項５に記載の方法。
   

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