JP5431446B2 - 改良されたループアンテナ - Google Patents

Description

この発明はアンテナに対する改善に関する。それは、特に、しかしながら排他的ではなく、改良されたループアンテナに関し、移動および／または携帯装置に、特に、しかしながら排他的ではない適用を見出す。

空間において移動する電磁波は、一般に相互に垂直に配される、電（Ｅ）場および磁（Ｈ）場を含む。公知のループアンテナ（磁気ループアンテナとしても公知である）は、一般に、受信アンテナとしてのみ使用され、そして、そのときでさえ、一般に、たとえば、金属検出器およびソーラーデバイスにおける近接場アンテナとして使用される。そのようなループアンテナは、典型的には、それらの低い放射効率（つまりアンテナに供給されるエネルギと比較して、アンテナを出るエネルギの割合）のため、送信アンテナとしては使用されない。

以前の考え方は、したがって、送信と受信とがともに必要な適用例に対しては、ループアンテナに対して偏見がある傾向がある。これは、たとえ、ループアンテナが、ダイポールおよび他の同様の構造のような公知のアンテナの他の形式と比較して非常に広い帯域幅を提供することができても、そうである。小さいループアンテナ（つまり直径が約１波長未満であるもの）に対しては、特に偏見がある。

したがって、この発明の実施例の目的は、送信モードと受信モードとの両方で動作することができ、公知のループアンテナよりも大きな無線性能を可能にすることができる、改善されたループアンテナを提供することである。

この発明によれば、特許請求の範囲に述べられるような装置が提供される。この発明の他の特徴は、従属請求項、および以下の記載から明らかとなる。

この発明についてのよりよい理解のために、およびこの発明の実施例がどのように実施されてもよいか示すために、ここで、例示的に、添付の図面を参照する。

この発明の実施例の概略図を示す。 この発明の実施例のマイクロストリップ実現例を示す。 ４つのディスクリートなアンテナ素子を組込むこの発明の実施例の回路レイアウトを示す。 図３のアンテナ素子のうちの１つについての詳細な図を示す。

絶えずサイズが小さくなりつつある現代の電気通信装置は、改善されたアンテナ設計に対するニーズを生じさせる。移動／セルラー電話のような装置における公知のアンテナは、性能における大きな制限の１つであり、ほとんど常に何らかの態様における妥協点である。

特に、アンテナの効率は、装置の性能に主な影響を及ぼし得る。より効率的なアンテナは、送信機からそれに供給されたエネルギのうちのより大きな割合を放射する。同様に、アンテナの固有の相反性により、より効率的なアンテナは、受信機によって処理するために、受信信号のより大部分を電気エネルギに変換する。

送受信機の出力のインピーダンスは典型的には５０オームであり、したがって、（送信モードと受信モードとの両方における）エネルギの最大のスループットを保証するために、アンテナも５０オームインピーダンスを有するべきである。２者間のどのようなミスマッチも、最適以下の性能をもたらす結果となり、送信の場合には、エネルギが、アンテナから送信機に反射して戻ることになる。受信の場合には、最適以下の性能は、そうでなければ可能であろうよりも低い受信電力として現われる。

公知の単純なループアンテナは典型的には電流を供給される装置であり、それらは主に磁（Ｈ）場を生じさせる。したがって、それらは、典型的には、送信目的には好適ではない。これは、小さいループアンテナ（つまり、１つの波長より小さい、または１つの波長未満の直径を有するループアンテナ）に、特に該当する。対照的に、ダイポールのような、電圧を供給されるアンテナは、Ｅ場およびＨ場の両方を生じさせ、送信および受信モードの両方で使用され得る。

ループアンテナによって受取られる、または送られるエネルギ量は、一部は、その面積によって決定される。ループの面積が半分にされるごとに、受取られ／送られるであろうエネルギ量は３デシベルずつ低減される。この物理的な制約は、非常に小さいループアンテナは実際上使用され得ないことを意味する傾向がある。

図１に概略的に示されるアンテナはループアンテナ１０である。それは、ここにおいて、理解を容易にするため、示される。この発明の実際の実施例は、示されるアンテナには恐らく物理的には似ないであろう。この場合、それは、同軸ケーブル２０から給電されて示され、つまり、ループの一方端はケーブル２０の中心導体２１に接続され、ループの他方端はケーブル２０の外側シース２２に接続される。ループアンテナ１０は、それが、ループアンテナの円周のまわりのループ部分に結合される直列共振回路３０を含む点で、公知のループアンテナと異なる。この結合の位置は、アンテナの動作において、重要な役割を演じる。

直列共振回路３０の慎重な位置決めによって、アンテナによって生成される／受取られるＥ場およびＨ場は、互いに直交になるようなされ得る。これは、電磁波が、空間をとおって効果的に伝搬することを可能にする効果がある。直交するよう配されるＥ場およびＨ場の両方が存在しない状態では、波は、短い距離以外の何物も成功裡には越えて伝搬しない。これを達成するために、直列共振回路３０は、アンテナ（特に直列共振回路３０）によって生じるＥ場が、ループアンテナ２０によって生じるＨ場に関して９０度位相がずれた位置に置かれる。実際、直列共振回路３０なしでは、Ｅ場は、アンテナによってはほとんど生じないか、またはまったく生じない。

このように、Ｅ場とＨ場との間に９０度の位相関係があるように回路素子を配することによって、アンテナは送信および受信双方のアンテナとして、より効果的に機能するようなされ得る、なぜならば、ループアンテナによって単独で（または本質的に単独で）生じるＨ場が、直列共振回路３０からのＥ場で補われ、それによって、アンテナから送られるエネルギを、はるかにより大きな距離にわたる伝送に対して好適な形にするからである。

直列共振回路はインダクタＬおよびコンデンサＣを含み、それらの値は、それらがアンテナの動作周波数で共振するように、選択される。共振が生じるのは、コンデンサのリアクタンスがインダクタのリアクタンスと等しいとき、つまり、Ｘ_Ｌ＝Ｘ_Ｃのときである。ＬおよびＣの値は、したがって、所望の動作範囲を与えるよう選択され得る。たとえば水晶発振器を用いる、直列共振回路の他の形態を用いて、他の動作特性を与え得る。水晶発振器が使用される場合、そのような回路のＱ値は、示される単純なＬ−Ｃ回路のそれよりもはるかに大きく、それは、結果として、アンテナの帯域幅特性を制限することになる。

直列共振回路は、Ｅ場放射器として効果的に動作している（これは、アンテナに内在的な相反性のため、それはＥ場受信機でもあることを意味する）。直列共振回路は、四分の一波長（λ／４）アンテナとして動作する。理論上、だが実際には一般にはそうではないが、単に、ロッドアンテナを、四分の一波長の長さで、直列共振回路のかわりに有することが可能であろう。

直列共振回路の位置決めは重要である：それは、Ｅ場とＨ場との間の位相差が９０度である点で位置決めされ、ループに結合されなければならない。正確に９０度からの変動量は、ある程度まで、アンテナの意図される用途に依存するが、一般には、ちょうど９０度に近ければ近いほど、アンテナの性能はよりよい。

これは、十分な電波の伝搬を保証するためには、Ｅ場とＨ場との間の位相差は、できるだけ９０度に近くなければならないという事実による。さらに、Ｅ場およびＨ場の大きさは、理想的には同一であるべきである。

実際には、直列共振素子がループに結合される点は、Ｅ場とＨ場との間の位相差を測定することができるＥ場プローブおよびＨ場プローブの使用を通じて経験的に見つけられる。所望の９０度の差が観測されるまで、結合の点は移動される。

したがって、たとえ要素の配置の基礎となる原理がよく理解されても、ある程度の経験的な測定および試行錯誤が、アンテナの最適な性能を保証するべく要求される。これは、単に、所望の性能が達成される前にある程度の「調整」を要するマイクロストリップ回路の性質による。

公知の単純なループアンテナは、非常に広い帯域幅、典型的には１オクターブを提供し、一方、ダイポールのような公知のアンテナは、はるかに狭い帯域幅、典型的には動作周波数のはるかにより小さな数分の一（恐らく移動電話の動作周波数において１ＭＨｚ）を有する。

この発明の実施例で示されるようにループアンテナを直列共振回路と組合わせることによって、かなり最高の両方のタイプのアンテナを達成し得る。特に、ループアンテナは一般にＨ場しか生じ得ず、電圧を供給されるフラクショナルアンテナ（fractional antenna）は低い効率でしか動作し得ないため、それら２つの組合せはどちらかが所与の空間から単独で与え得るよりも大きな効率を見込む。

図２は、マイクロストリップ構築技術を用いた、アンテナの実際的な実現例を示す。そのような印刷技術は、コンパクトで一貫したアンテナが設計され構築されることを可能にする。この技術を用いて構築されるアンテナの実施例は、移動または携帯型の装置（たとえば電話、ＰＤＡ、ラップトップ）に容易に組入れられ得る。

マイクロストリップ技術は周知であるので、ここでは詳細には議論されない。銅トレースが（通常、エッチングまたはレーザトリミングによって）特に誘電性の効果を有する好適な基板上に配置される、と言うことで十分である。材料および寸法の慎重な選択によって、キャパシタンスおよびインダクタンスの特定の値が、別途のディスクリートな構成要素の必要なく達成され得る。

実際、アンテナの基本的レイアウトは、マイクロストリップ技術を用いて、配され製造される。最終設計は、基板上の物理的なトレースが調整される、ある量の手動較正の結果として、到る。実際には、公知の容量素子（たとえば２ピコファラド）を有する金属要素を含む、較正されたキャパシタンススティック（capacitance sticks）を使用する。キャパシタンススティックを、アンテナトレースのさまざまな部分に接する状態で置き、アンテナの性能を測定する。

熟練した技術者または設計者の手の中では、この技術は、どこで、アンテナを形成するトレースが、サイズ調整（キャパシタンスおよび／またはインダクタンスの調整と等価）されるべきかを明らかにする。多くの反復の後、所望の性能を有するアンテナが達成され得る。

図２に示されるアンテナは、プリント回路基板１００の、ある部分上に、公知の態様で配される。アンテナはループ１１０を含み、それは、この場合では、本質的に矩形であるが、概ね開いた基部をともなう。概ね開いた基部の２つの端部は、図１に示されるように、同軸ケーブル１３０から給電される。

ループ１１０の内部に位置するのは、直列共振回路１２０である。直列共振回路は、回路基板上で、蛇行するトレース１２４（インダクタとして示され、なぜならば、それがそのようなトレースの主な特性であるので）によってループ１００に結合されるＪ形状のトレース１２２の形式をとる。Ｊ形状のトレース１２２は、その寸法およびアンテナに対して用いられる材料によって司られる、本質的に容量性の特性を有し、このトレースは、蛇行するトレース１２４とともに、直列共振回路として機能する。

約２．４ＧＨｚの周波数での使用については、Ｃの値は０．５〜２．０ｐＦの範囲にあり、Ｌの値は約０．６ｎＨである。マイクロストリップ設計テーブルおよび／またはプログラムを用いて、これらの値を有する好適なトレースを設計し得る。

直列共振素子とループとの間の接続の点は、やはり、経験的に、Ｅ場プローブおよびＨ場プローブを用いて決定される。一旦おおよその位置が決定されると、ここで論じられる周波数では、テスト装置からの最もわずかな干渉でさえ、大きな実際的な影響を有し得ることを念頭において、微細調整を、接続ならびに／またはＬおよびＣの値に対して、トレースの元の位置でのレーザトリミングによってなし得る。一旦最終設計が確立されると、それは、十分な再現性で、繰り返し再生され得る。

この発明の実施例により構築されるアンテナは、同様の体積の公知のアンテナを越える本質的な効率利得を提供することが、経験的に見出される。

この発明のさらなる実施例では、複数のディスクリートなアンテナ素子を組合わせて、単一素子の使用によって達成され得るよりも大きな性能を提供し得る。

図３は回路基板２０５上に配されるアンテナ２００を示す。アンテナ２００は、４つの、別々の、機能的に同一であるアンテナ素子２１０を含む。それらは、各々並列で駆動される２つの組として配される。

基本的なアンテナ素子２１０の複数のインスタンスを提供する効果は、アンテナ２００の全体的な性能を改善することである。アンテナの構造に関連付けられる損失がない状態では、各々が、アンテナに３ｄＢの利得を加える素子の数の２倍である、基本的なアンテナ素子の非常に多くの個々のインスタンスを含むアンテナを構築することが、理論上、可能であろう。実際には、しかしながら、損失（特に、誘電加熱効果）は、余分な素子を無限に追加することは可能ではないことを意味する。図３に示される４素子アンテナの例は、物理的に可能なものの範囲内に十分にあり、単一素子からなるアンテナを越える６デシベル（より少ない任意の誘電加熱損失）の利得を加える。

図３のアンテナ２００はマイクロセルラー基地局または他の固定無線インフラストラクチャでの使用に好適であり、一方、単一素子２１０はセルラーまたは移動ハンドセット、ページャー、ＰＤＡもしくはラップトップコンピュータのような移動装置での使用に好適である。唯一の現実の決定問題はサイズである。

図３に示されるアンテナ素子２１０は図２に示されるそれとは異なることが理解され得る。それは、図４に、より非常に詳細に示される。

アンテナ素子２１０はより大きな動作上の帯域幅を提供するよう具体的に適合されている。これは、特に、パッチアンテナ２２０および位相トラッカ２３０の提供により達成され、それらの両方とも、ループ２５０に結合される。

パッチアンテナ２２０は図２に示される同調回路１２０を取り除くだけでなく、Ｅ場放射器としても動作する。しかしながら、パッチアンテナ２２０の動作帯域幅は同調回路１２０のそれより広い。

同調回路１２０の場合は、同調回路とループとの間の接続点が、アンテナの全体的な性能の決定において重要だった。パッチアンテナの場合には、接続点はパッチアンテナの一方の側の長さに沿って効果的に分配されるので、正確な位置はそれほど重要ではない。パッチの縁部がループ２５０と出会う端部点は、ループの寸法とともに、アンテナの動作周波数範囲を決定する。

ループ寸法も、アンテナの動作周波数の決定において重要である。特に、先に言及されたように、全面的なループ長は鍵となる寸法である。より広い動作周波数範囲を考慮に入れるために、三角形の位相トラッカ要素２３０は、（図３に示されるような２つの可能な場所のうちの１つにおいて）パッチアンテナに直接対向して設けられる。位相トラッカ２３０は、給電点２４０で供給される信号の周波数によってループを長くまたは短くする可変長トラックとして効果的に働く。

位相トラッカ２３０は、一部のみが所与の周波数で共振し、それによってループの実効長を変更する、無限に近い直列Ｌ−Ｃ成分と等価である。このようにして、そのような構成要素を有さない単純なループを用いるよりもより広い動作帯域幅が達成され得る。

位相トラッカ２３０は、図３において、２つの異なる位置のうちの１つに示される。この理由は、隣接したアンテナ素子間の相互干渉を最小限にするのを試みることを行なうためであり、両方の構成は機能的に同一である。

図３のアンテナ２００では、動作上の帯域幅は、約１．８〜２．７ＧＨｚであり、ＷｉＦｉ、衛星およびセルラー通信に関連付けられるものを含む、非常に多くの対象の周波数帯をカバーする。この発明の実施例のさらなる開発は、さらに大きな帯域幅に到りそうである。

どのような形式のＥ場放射器でも図３に示される複数素子構成において使用されてよいことは当業者には明らかであり、パッチアンテナは単なる例である。同様に、単一素子実施例は、パッチ、同調回路、または他の好適な形式のアンテナを用いてもよい。

図３に示される複数素子バージョンは４つのディスクリートな素子を使用するが、これは、システム要件そのものおよび利用可能な空間によって、上下に変動され得る。

この発明の実施例は、同様にサイズ決めされた公知のアンテナと比較して、非常に大きくされた帯域幅にわたって動作可能であり、優れた性能特性を有する、単一のアンテナまたは多素子アンテナのいずれかの使用を考慮に入れる。さらに、複雑な構成要素を必要とせず、広範囲のＲＦ装置に適用可能な廉価な装置をもたらす結果となる。

この発明の実施例は、移動電気通信装置に特定の使用を見出すが、効率的なアンテナが小空間において必要である任意の装置において用いられ得る。

この出願に関連してこの明細書と同時にまたはそれに先立って提出され、この明細書とともに公の閲覧に対して開かれている、すべての書類および文献に対して注意が向けられるものであり、すべてのそのような書類および文献の内容をここに引用により援用する。

この明細書（特許請求の範囲、要約書および図面を含む）に開示される特徴のすべておよび／またはそのように開示される任意の方法もしくはプロセスのステップのすべては、そのような特徴および／またはステップのうちの少なくともいくつかが相互に排他的である組合せを除き、任意の組合せで組合わせられてもよい。

この明細書（特許請求の範囲、要約書および図面を含む）に開示される各特徴は、明示的に特段の言及がなければ、同じ目的、等価な目的、または類似の目的を果たす代替的特徴と置換えられてもよい。したがって、明示的に特段の言及がなければ、開示される各特徴は、等価または同様の特徴の包括的な連なりのみからなる一例である。

この発明は前述の実施例の詳細に制限されない。この発明は、この明細書（特許請求の範囲、要約書および図面を含む）に開示される特徴のうちの任意の新規な１つもしくは任意の新規な組合わせ、またはそのように開示される任意の方法もしくはプロセスのステップのうちの任意の新規な１つもしくは任意の新規な組合わせに拡張する。

Claims (12)

1. マイクロストリップアンテナであって、
   磁界を生成するよう構成されるループ素子と、
   前記ループ素子に導電結合され、あたえられるＲＦ信号に応じて前記ループ素子の電気的長さを変更するよう構成される三角形の要素を含む位相トラッカと、
   電界放射器とを含み、前記電界放射器は、前記ループ素子の円周上の前記位相トラッカと反対の位置において結合されるときに、動作周波数において、前記マイクロストリップアンテナによって生じる電界と磁界との間に実質的に９０度の位相差があるように、前記磁界に直交する前記電界を生成するよう構成される、マイクロストリップアンテナ。
2. 前記電界放射器は四分の一波長アンテナである、請求項１に記載のマイクロストリップアンテナ。
3. 前記電界放射器はパッチアンテナである、請求項１に記載のマイクロストリップアンテナ。
4. 前記位相トラッカは、前記ループ素子の、前記電界放射器と反対の側に位置決めされる、請求項１から３のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
5. 前記位相トラッカは、前記ループ素子の、前記電界放射器と同じ側に位置決めされる、請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
6. 前記位相トラッカは複数のＬ−Ｃ成分と電気的に等価であり、前記複数のＬ−Ｃ成分のいくつかのみが任意の所与の周波数で共振し、それによってループの電気的長さを変更する、請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
7. 約１．８〜２．７ＧＨｚの動作帯域幅を有する、請求項１から６のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナを複数含む、多素子アンテナ。
9. マイクロストリップアンテナを用いてＲＦ信号を送信または受信する方法であって、前記マイクロストリップアンテナは、磁界を生成するループ素子と、前記ループ素子に導電結合され、あたえられるＲＦ信号に応じてループの電気的長さを変更する三角形の要素を含む位相トラッカと、前記磁界に直交する電界を生成し、動作周波数において、前記マイクロストリップアンテナによって生じる前記電界と前記磁界との間に実質的に９０度の位相差があるように、前記ループ素子の円周上の前記位相トラッカと反対の位置において結合される電界放射器とを含む、方法。
10. 前記ＲＦ信号は周波数を約１．８〜２．７ＧＨｚの範囲に有する、請求項９に記載の方法。
11. 請求項９または１０に記載の方法にしたがって送信される信号。
12. 請求項９または１０に記載の方法にしたがって受信される信号。

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