JP5502200B2 - クロスダイポールアンテナ - Google Patents

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Description

本発明は、概して、高周波アンテナ、特に全方向アンテナに関する。良好な送信フィールド(アンテナパターン)は、より低い送信機パワー設定値を使用することを可能とし、これはパワーを一定に保つ。
ある状況では、全方向パターンを備えたアンテナが望まれる。たとえば、そうした特性は、通常、ワイヤレスアクセスポイントなどの送信機用途におけるアンテナのために好まれる。別な状況では、全方向パターンが、FCC規則などの規則によって必要とされるであろう。別な状況では、円偏波のための相対的に良好な軸比特性を有するアンテナが望まれる。
従来型全方向アンテナの一例はターンスタイルアンテナとして公知である。そうしたアンテナは四つの4分の1波長アームから構成され、かつ、各アームは、各アーム間の90°移相インターバルを伴って給電される。0および180度の移相が、同軸ケーブルの中心コア(あるいは中心導体)およびシールド(あるいは外側導体)から、それぞれ利用可能である。90および270度に関して、通常は、4分の1波長移相が4分の1波長のケーブル長さによって実現される。たとえば、特許文献1を参照されたい。それ以外の移相回路もまた使用可能である。たとえば、特許文献2を参照されたい。
従来型全方向アンテナの別な例はクロスダイポールアンテナとして公知である。クロスダイポールアンテナは単一の同軸ケーブルによって駆動され、かつ、有利なことにはコンパクトである。さらに、アームの一つの対(ダイポール)はアームの第2の対(第2のダイポール)よりも長く、この結果、理想的な場合には、外部移相シフターあるいは第2の同軸ケーブルを要さずに、アームそれ自体によって45,135,225,315度の移相が実現される。たとえば、特許文献3、特許文献4の背景の説明(図7)、特許文献5、そして特許文献6の背景の説明(図10B)を参照されたい。
だが、本願出願人は、従来型のクロスダイポールアンテナなどの従来の全方向アンテナは都合の悪いことに零位パターンを示し、これによって、アンテナあるいはシステムの機能が低下し、収率が低減し、あるいはさもなければコストの掛かる回転作業が必要になることがあることに気付いた。
図1は、クロスダイポールアンテナのアームが不均一な振幅によって駆動される場合に生じるアンテナパターン102を示している。図2は正確に90度移相を伴ってクロスダイポールアンテナのアームが駆動されない、すなわち直角位相ではない場合に生じるアンテナパターン202を示している。図1および図2に示すパターンのそれぞれは、問題の根源が認識されるので、当業者であれば容易に修正可能である。
図3は従来型クロスダイポールアンテナの平面図である。たとえば、特許文献3を参照されたい。同軸ケーブルフィードライン、コネクター、ブラケット、アダプター、フレームなどの同軸構造体は、中心導体302と外側シールド304とを含む。同軸ケーブルにおいて、誘電性素材が中心導体302と外側シールド304との間のスペースに充填される。
上から反時計回りに、アンテナは第1のアーム312、第2のアーム314、第3のアーム316、および第4のアーム318を有する。アンテナの鏡像もまた適用可能である。従来のクロスダイポールアンテナにおいては、第1のアーム312および第3のアーム316は(同軸構造体の中心から測った場合に)同じ長さを共有する。第2のアーム314および第4のアーム318は同じ長さを共有する。
図4は、同軸ケーブルの外側導体(シールド)の直径が波長に対して無視できない場合に見られる、従来技術に基づくクロスダイポールアンテナのためのアンテナパターンの例を示している。このアンテナパターンは、実質的に所望の全方位パターンのそれから変化し得る。図4に示すパターン402は、図8に関連付けて以下で説明するようなシミュレーションに基づく。アンテナフェーザー404は均等な大きさのものではなく、直角位相(90度)からオフセットしている。本願出願人は、クロスダイポールアンテナに関して見られる図4に示される非対称アンテナパターンを修正するための従来技術は認識していない。
米国特許第2,086,976号明細書(Brown) 米国特許第3,725,943号明細書(Spanos) 米国特許第2,420,967号明細書(Moore) 米国特許第6,163,306号明細書(Nakamura) 特開平4‐291806号公報 米国特許第6,271,800号明細書(Nakamura)
装置は、クロスダイポールアンテナ用の改良されたアンテナパターンを有する。そうしたアンテナは、好ましくは、全方向アンテナパターンを有する。従来型のクロスダイポールアンテナは、そのアンテナパターンに関して零位を呈するが、これによってアンテナは基準あるいは規格から外れることがある。本願出願人は、アンテナアームに対する同軸ケーブルの接続がアンテナパターンにおける零位の原因であることを認識しかつ確認し、そして接続の影響を補償あるいはキャンセルするために本明細書に開示する技術を発明した。ある実施形態では、同軸ケーブルの中心導体に接続されるクロスダイポールアンテナのアームは従来の長さのままであるが、同軸ケーブルのシールドに接続されるクロスダイポールアンテナの長さは、同軸ケーブルの半径(直径の半分)のある割合だけ延長される。
ある実施形態は以下の装置であり、すなわち当該装置は第1の偏波方向を有するクロスダイポールアンテナを含み、このクロスダイポールアンテナは、中心導体と、対応する半径Rを備えた、ある外径を有する外側シールドと、を有する同軸構造体と、少なくとも第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームを具備してなる複数の導電性アームであって、複数のものは略平面内に存在すると共に約90度だけ互いに離間して、複数のアームのそれぞれの近位端部が中心ポイント付近に配置されるようになっており、かつ、複数のアームのそれぞれは遠位端部において概ね外向きに延在している複数の導電性アームと、を具備してなり、第1のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、かつ、第1の所定の長さを有しており、第2のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、かつ、第1の所定の長さとは異なる第2の所定の長さを有しており、第3のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、かつ、第3の所定の長さを有しており、第3の所定の長さは、第1の所定の長さと、半径Rの0.15ないし1.5倍との合計と等しく、第3のアームは、この第3のアームおよび第1のアームが第1のダイポールを形成するように第1のアームと逆方向に延在しており、第4のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、かつ、第4の所定の長さを有しており、第4の所定の長さは、第2の所定の長さと、半径Rの0.15ないし1.5倍との合計と等しく、第4のアームは、この第4のアームおよび第2のアームが第2のダイポールを形成するように第2のアームと逆方向に延在しており、かつ、当該装置は、第1の偏波と直交する第2の偏波を有する第2のアンテナを含む。
別な実施形態は以下の装置であり、すなわち当該装置は第1の偏波を有するクロスダイポールアンテナを含み、このクロスダイポールアンテナは、中心導体および外側シールドを有する同軸構造体と、少なくとも第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームであって、アームは略平面内に存在すると共に約90度だけ互いに離間しており、各アームの近位端部は中心ポイント付近に配置され、かつ、各アームは遠位端部において概ね外向きに延在している、少なくとも第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームと、を具備してなり、第1のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、第2のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、第3のアームは、近位端部において外側導体に電気的に接続され、第3のアームは、この第3のアームおよび第1のアームが第1のダイポールを形成するように第1のアームと逆方向に延在しており、第4のアームは、近位端部において外側導体に電気的に接続され、第4のアームは、この第4のアームおよび第2のアームが第2のダイポールを形成するように第2のアームと逆方向に延在しており、同軸構造体の外側シールドの半径は、第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームの最短のものの長さの少なくとも50分の1であり、かつ、第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームのそれぞれは、同軸構造体によって誘起されるアンテナパターンの歪みを補償するために、同軸構造体の中心から測った場合に、異なる所定の長さを有し、かつ、当該装置は、第1の偏波と直交する第2の偏波を有する第2のアンテナを含む。
別な実施形態は以下の装置であり、すなわち当該装置は、第1の偏波を有するクロスダイポールアンテナを含み、このクロスダイポールアンテナは、中心導体および外側シールドを有する同軸構造体であって、外側シールドは、ある外径および対応する半径Rを有する同軸構造体と、アームの第1の対を具備してなる第1のダイポールと、アームの第2の対を具備してなる第2のダイポールと、を具備してなり、第1の対あるいは第2の対の少なくとも一つの対のアームは、外側シールドに接続されたアームが、同軸構造体の中心から測った場合に、半径Rの0.15ないし1.5倍だけ、中心導体に接続されたアームよりも長いように、固定された非対称長さを有し、かつ、当該装置は、第1の偏波と直交する第2の偏波を有する第2のアンテナを含む。
装置は、クロスダイポールアンテナ用の改良されたアンテナパターンを有する。そうしたアンテナは、好ましくは、全方向アンテナパターンを有する。従来型のクロスダイポールアンテナは、そのアンテナパターンに関して零位を呈するが、これによってアンテナは基準あるいは規格から外れることがある。本願出願人は、アンテナアームに対する同軸ケーブルの接続がアンテナパターンにおける零位の原因であることを認識しかつ確認し、そして接続の影響を補償あるいはキャンセルするために本明細書に開示する技術を発明した。ある実施形態では、同軸ケーブルの中心導体に接続されるクロスダイポールアンテナのアームは従来の長さのままであるが、同軸ケーブルのシールドに接続されるクロスダイポールアンテナのアームは同軸ケーブルの半径R(直径の半分)のある割合だけ延長される。別な実施形態では、全てのアームの長さは、従来のクロスダイポールアンテナのそれから変更される。
別な実施形態は以下の装置であり、すなわち当該装置は第1の偏波および第2の偏波を有するクロスダイポールアンテナを含み、このクロスダイポールアンテナは、中心導体および外側シールドを有する同軸構造体と、少なくとも第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームであって、アームは略平面内に存在すると共に約90度だけ互いに離間しており、各アームの近位端部は中心ポイント付近に配置され、かつ、各アームは遠位端部において概ね外向きに延在している、少なくとも第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームと、を具備してなり、第1のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、第2のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、第3のアームは、近位端部において外側導体に電気的に接続され、第3のアームは、この第3のアームおよび第1のアームが第1のダイポールを形成するように第1のアームと逆方向に延在しており、第4のアームは、近位端部において外側導体に電気的に接続され、第4のアームは、この第4のアームおよび第2のアームが第2のダイポールを形成するように第2のアームと逆方向に延在しており、同軸構造体の外側シールドの半径は、第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームの最短のものの長さの少なくとも50分の1であり、かつ、第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームのそれぞれは、同軸構造体によって誘起されるアンテナパターンの歪みを補償するために、同軸構造体の中心から測った場合に、異なる所定の長さを有し、かつ、当該装置は、クロスダイポールアンテナの第1の偏波および第2の偏波と直交する第3の偏波を有する第2のアンテナを含む。ある実施形態では、同軸構造体の外側シールドの半径は、クロスダイポールアンテナのアームの最短のものの少なくとも50分の1(1/50)である。
別な実施形態は以下の装置であり、すなわち当該装置は、第1の偏波および第2の偏波を有するクロスダイポールアンテナを含み、このクロスダイポールアンテナは、中心導体および外側シールドを有する同軸構造体であって、外側シールドは、ある外径および対応する半径Rを有する同軸構造体と、アームの第1の対を具備してなる第1のダイポールと、アームの第2の対を具備してなる第2のダイポールと、を具備してなり、第1の対あるいは第2の対の少なくとも一つの対のアームは、外側シールドに接続されたアームが、同軸構造体の中心から測った場合に、半径Rの0.15ないし1.5倍だけ、中心導体に接続されたアームよりも長いように、固定された非対称長さを有し、かつ、当該装置は、第1の偏波および第2の偏波と直交する第3の偏波を有する第2のアンテナを含む。
さらに、アンテナ小型化技術もまた採用できる。
ある実施形態は、クロスダイポールアンテナを具備してなる装置を含み、このクロスダイポールアンテナは、中心導体と、対応する半径Rを備えた、ある外径を有する外側シールドと、を有する同軸構造体と、少なくとも第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームを具備してなる複数の導電性アームであって、複数のものは略平面内に存在すると共に約90度だけ互いに離間して、複数のアームのそれぞれの近位端部が中心ポイント付近に配置されるようになっており、かつ、複数のアームのそれぞれは遠位端部において概ね外向きに延在している複数の導電性アームと、を含み、第1のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、かつ、第1の所定の有効電気的長さを有しており、第2のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、かつ、第1の所定の長さとは異なる第2の所定の有効電気的長さを有しており、第3のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、かつ、第3の所定の有効電気的長さを有しており、第3の所定の長さは、第1の所定の有効電気的長さと、半径Rの0.3ないし1.2倍との合計と等しく、第3のアームは、この第3のアームおよび第1のアームが第1のダイポールを形成するように第1のアームと逆方向に延在しており、第4のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、かつ、第4の所定の有効電気的長さを有しており、第4の所定の有効電気的長さは、第2の所定の有効電気的長さと、半径Rの0.15ないし1.5倍との合計と等しく、第4のアームは、この第4のアームおよび第2のアームが第2のダイポールを形成するように第2のアームと逆方向に延在しており、第1の所定の有効電気的長さ、第2の所定の有効電気的長さ、第3の所定の有効電気的長さ、および第4の所定の有効電気的長さの一つ以上は、その所定の有効電気的長さよりも物理的に短い。
ある実施形態は、クロスダイポールアンテナを具備してなる装置を含み、このクロスダイポールアンテナは、中心導体および外側シールドを有する同軸構造体と、少なくとも第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームであって、アームは略平面内に存在すると共に約90度だけ互いに離間しており、各アームの近位端部は中心ポイント付近に配置され、かつ、各アームは遠位端部において概ね外向きに延在している、少なくとも第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームと、を具備してなり、第1のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、第2のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、第3のアームは、近位端部において外側導体に電気的に接続され、第3のアームは、この第3のアームおよび第1のアームが第1のダイポールを形成するように第1のアームと逆方向に延在しており、第4のアームは、近位端部において外側導体に電気的に接続され、かつ、第4のアームは、この第4のアームおよび第2のアームが第2のダイポールを形成するように第2のアームと逆方向に延在しており、同軸構造体の外側シールドの半径は、第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームの最短のものの長さの少なくとも50分の1であり、かつ、第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームのそれぞれは、同軸構造体によって誘起されるアンテナパターンの歪みを補償するために、同軸構造体の中心から測った場合に、異なる所定の有効電気的長さを有し、第1のアーム、第2のアーム、第3のアームあるいは第4のアームの一つ以上は、その所定の有効電気的長さよりも物理的に短い。
ある実施形態はクロスダイポールアンテナを具備してなる装置を含み、このクロスダイポールアンテナは、中心導体および外側シールドを有する同軸構造体であって、外側シールドは、ある外径および対応する半径Rを有する同軸構造体と、アームの第1の対を具備してなる第1のダイポールと、アームの第2の対を具備してなる第2のダイポールと、を具備してなり、第1の対あるいは第2の対の少なくとも一つの対のアームは、外側シールドに接続されたアームが、同軸構造体の中心から測った場合に、半径Rの0.15ないし1.5倍だけ、中心導体に接続されたアームよりも長いように、固定された非対称有効電気的長さを有し、アンテナの少なくとも一つのアームは、その有効電気的長さよりも短い物理的長さを有する。
ある実施形態は、波長λを有する信号のために使用されることを意図されたクロスダイポールアンテナを設計するための方法を含み、クロスダイポールアンテナは、第1のアーム、第2のアーム、第3のアーム、および第4のアームを具備してなり、当該方法は、クロスダイポールアンテナのシミュレーションモデルを生成するステップであって、シミュレーションモデルは、第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームと、それに対して第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームが接続される同軸構造体と、を含んでいるステップと、シミュレーションモデルのコンピューター実行によってクロスダイポールアンテナをシミュレーションするステップと、第1のアームおよび第3のアームに関する長さaλと共に開始するステップであって、aに関する値は約0.25であり、第1のアームは同軸構造体の中心導体に接続され、かつ、第3のアームは同軸構造体のシールドに接続されるステップと、第2のアームおよび第4のアームに関する長さbλと共に開始するステップであって、bに関する値は約0.25であり、第2のアームは同軸構造体の中心導体に接続され、かつ、第4のアームは同軸構造体のシールドに接続されるステップと、アームの間で直角位相関係が確立されるまで短いアームのaに関する値を調整すると共に長いアームのbに関する値を調整するステップであって、短いアームのaに関する最終値が長いアームのbに関する最終値よりも小さく、直角位相関係はシミュレーションモデルのコンピューター実行によって決定されるステップと、同軸構造体の半径Rのある割合xだけ、第1のアームに対して第3のアームの長さを増大させるステップと、同軸構造体の半径Rのある割合xだけ、第2のアームに対して第4のアームの長さを増大させるステップと、シミュレーション結果に応じて、第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームの一つ以上のアーム長を調整するステップと、を含む。
ある実施形態は以下の装置を含み、すなわち当該装置は、第1の偏波方向を有するクロスダイポールアンテナを含み、クロスダイポールアンテナは、中心導体と、対応する半径Rを備えた、ある外径を有する外側シールドと、を有する同軸構造体と、少なくとも第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームを具備してなる複数の導電性アームであって、複数のものは略平面内に存在すると共に約90度だけ互いに離間して、複数のアームのそれぞれの近位端部が中心ポイント付近に配置されるようになっており、かつ、複数のアームのそれぞれは遠位端部において概ね外向きに延在している複数の導電性アームと、を具備してなり、第1のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、かつ、第1の所定の長さを有しており、第2のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、かつ、第1の所定の長さとは異なる第2の所定の長さを有しており、第3のアームは、近位端部において外側シールドに電気的に接続され、かつ、第3の所定の長さを有しており、第3の所定の長さは、第1の所定の長さと、半径Rの0.15ないし1.5倍との合計と等しく、第3のアームは、この第3のアームおよび第1のアームが第1のダイポールを形成するように第1のアームと逆方向に延在しており、第4のアームは、近位端部において外側シールドに電気的に接続され、かつ、第4の所定の長さを有しており、第4の所定の長さは、第2の所定の長さと、半径Rの0.15ないし1.5倍との合計と等しく、第4のアームは、この第4のアームおよび第2のアームが第2のダイポールを形成するように第2のアームと逆方向に延在しており、かつ、当該装置は、第1の偏波と直交する第2の偏波を有する第2のアンテナを含む。
ある実施形態は以下の装置を含み、すなわち当該装置は第1の偏波を有するクロスダイポールアンテナを具備し、クロスダイポールアンテナは、中心導体と外側シールドと、を有する同軸構造体と、少なくとも第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームであって、アームは略平面内に存在すると共に約90度だけ互いに離間して、各アームの近位端部は中心ポイント付近に配置されており、かつ、各アームは遠位端部において概ね外向きに延在している、少なくとも第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームと、を具備してなり、第1のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、第2のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、第3のアームは、近位端部において外側シールドに電気的に接続され、第3のアームは、この第3のアームおよび第1のアームが第1のダイポールを形成するように第1のアームと逆方向に延在しており、かつ、第4のアームは、近位端部において外側シールドに電気的に接続され、第4のアームは、この第4のアームおよび第2のアームが第2のダイポールを形成するように第2のアームと逆方向に延在しており、同軸構造体の外側シールドの半径は、第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームの最短のものの長さの少なくとも50分の1であり、かつ、第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームのそれぞれは、同軸構造体によって誘起されるアンテナパターンの歪みを補償するために、同軸構造体の中心から測った場合に、異なる所定の長さを有し、かつ、当該装置は、第1の偏波と直交する第2の偏波を有する第2のアンテナを含む。
ある実施形態は以下の装置を含み、すなわち当該装置は、第1の偏波を有するクロスダイポールアンテナを含み、クロスダイポールアンテナは、中心導体および外側シールドを有する同軸構造体であって、外側シールドは、ある外径および対応する半径Rを有している同軸構造体と、アームの第1の対を具備してなる第1のダイポールと、アームの第2の対を具備してなる第2のダイポールと、を具備してなり、第1の対あるいは第2の対の少なくとも一つの対のアームは、外側シールドに接続されたアームが、同軸構造体の中心から測った場合に、半径Rの0.15ないし1.5倍だけ、中心導体に接続されたアームよりも長いように、固定された非対称長さを有し、かつ、当該装置は、第1の偏波と直交する第2の偏波を有する第2のアンテナを含む。
ある装置は、波長λを有する信号のために使用されることを意図されたクロスダイポールアンテナを含み、当該装置は、中心導体と、対応する半径Rを備えた、ある外径を有する外側シールドと、を有する同軸構造体と、少なくとも第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームを具備してなる複数の導電性アームであって、複数のものは略平面内に存在すると共に約90度だけ互いに離間して、複数のアームのそれぞれの近位端部が中心ポイント付近に配置されるようになっており、かつ、複数のアームのそれぞれは遠位端部において概ね外向きに延在している複数の導電性アームと、を具備してなり、第1のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、かつ、第1の所定の長さを有しており、第2のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、かつ、第1の所定の長さとは異なる第2の所定の長さを有しており、第3のアームは、近位端部において外側シールドに電気的に接続され、かつ、第3の所定の長さを有しており、第3の所定の長さは、第1の所定の長さと、半径Rの0.3ないし1.2倍との合計と等しく、第3のアームは、この第3のアームおよび第1のアームが第1のダイポールを形成するように第1のアームと逆方向に延在しており、第4のアームは、近位端部において外側シールドに電気的に接続され、かつ、第4の所定の長さを有しており、第4の所定の長さは、第2の所定の長さと、半径Rの0.3ないし1.2倍との合計と等しく、第4のアームは、この第4のアームおよび第2のアームが第2のダイポールを形成するように第2のアームと逆方向に延在している。
ある実施形態はクロスダイポールアンテナを含み、当該クロスダイポールアンテナは、中心導体と外側シールドと、を有する同軸構造体と、少なくとも第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームであって、アームは略平面内に存在すると共に約90度だけ互いに離間して、各アームの近位端部は中心ポイント付近に配置されており、かつ、各アームは遠位端部において概ね外向きに延在している、少なくとも第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームと、を具備してなり、第1のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、第2のアームは、近位端部において中心導体に電気的に接続され、第3のアームは、近位端部において外側シールドに電気的に接続され、第3のアームは、この第3のアームおよび第1のアームが第1のダイポールを形成するように第1のアームと逆方向に延在しており、第4のアームは、近位端部において外側シールドに電気的に接続され、第4のアームは、この第4のアームおよび第2のアームが第2のダイポールを形成するように第2のアームと逆方向に延在しており、同軸構造体の外側シールドの半径は、第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームの最短のものの長さの少なくとも50分の1であり、かつ、第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームのそれぞれは、同軸構造体によって誘起されるアンテナパターンの歪みを補償するために、同軸構造体の中心から測った場合に、異なる所定の長さを有する。
ある実施形態はクロスダイポールアンテナを含み、当該クロスダイポールアンテナは、中心導体と外側シールドと、を有する同軸構造体であって、外側シールドはある外径と、対応する半径Rとを有する同軸構造体と、アームの第1の対を具備してなる第1のダイポールと、アームの第2の対を具備してなる第2のダイポールと、を含み、第1の対あるいは第2の対の少なくとも一つの対のアームは、外側シールドに接続されたアームが、同軸構造体の中心から測った場合に、半径Rの0.3ないし1.2倍だけ、中心導体に接続されたアームよりも長いように、固定された非対称長さを有する。
ある実施形態は、波長λを有する信号のために使用されることを意図されたクロスダイポールアンテナを設計するための方法を含み、クロスダイポールアンテナは、第1のアームと、第2のアームと、第3のアームと、第4のアームと、を具備してなり、当該方法は、クロスダイポールアンテナのシミュレーションモデルを生成するステップであって、シミュレーションモデルは、第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームと、それに対して第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームが接続される同軸構造体と、を含んでいるステップと、シミュレーションモデルのコンピューター実行によってクロスダイポールアンテナをシミュレーションするステップと、シミュレーション結果に応じて、第1のアーム、第2のアーム、第3のアームおよび第4のアームの一つ以上のアーム長を調整するステップと、を含む。
図面(一定の率での縮尺ではない)ならびに関連する以下の記述は、本発明の特定の実施形態を説明するために提示したものであり、限定を意図するものではない。
不均一な電流分布を伴う従来型クロスダイポールアンテナのためのアンテナパターンの例を示す図である。 一様でない位相分離を伴う従来型クロスダイポールアンテナのためのアンテナパターンの例を示す図である。 従来型クロスダイポールアンテナの平面図である。 従来型クロスダイポールアンテナのための非対称アンテナパターンの例を示す図である。 本発明の実施形態によってアプローチ可能な理想的なアンテナパターンを示す図である。 本発明の実施形態に基づくクロスダイポールアンテナの平面図である。 クロスダイポールアンテナの実施形態の斜視図である。 従来型アンテナのシミュレーション結果を示す図である。 クロスダイポールアンテナの実施形態のシミュレーション結果を示す図である。 偏波ダイバーシティーを利用するアンテナの2×2アレイの例を示す図である。 「ティー」状にモノポールアンテナと組み合わされたクロスダイポールアンテナを利用する偏波ダイバーシティーの別な例を示す図である。 従来型ダイポールの例を示す図である。 ダイポールのための従来のローディング技術の例を示す図である。 ダイポールのための従来のローディング技術の例を示す図である。 ダイポールのための従来のローディング技術の例を示す図である。 ダイポールのための従来のローディング技術の例を示す図である。 ダイポールのための従来のローディング技術の例を示す図である。 ダイポールのための従来のローディング技術の例を示す図である。 本発明の実施形態に基づくクロスダイポールアンテナの平面図であり、アームのそれぞれは端部折り曲げによってコンパクト化されている。 本発明の実施形態に基づくクロスダイポールアンテナの平面図であり、アームのそれぞれは蛇行パターンによってコンパクト化されている。 本発明の実施形態に基づくクロスダイポールアンテナの平面図であり、アームの二つが容量性端部ロードによってコンパクト化され、かつ、アームの二つが蛇行パターンによってコンパクト化されている。 図14Aに示すクロスダイポールアンテナの斜視図であり、ダイポールアンテナは、チップアンテナを形成するために誘電体ブロック内でコンパクト化されている。 「ティー」状にモノポールアンテナと組み合わされたクロスダイポールアンテナを利用する偏波ダイバーシティーの別な例を示す図である。
以下、特定の実施形態について説明するが、(本明細書中で言及する利点および機能の全てを提供しない実施形態を含む)本発明の他の実施形態は当業者にとって自明であろう。
図5は、本発明の実施形態のためにアプローチ可能な理想的なアンテナパターン502を示している。シミュレーションおよび試験結果は、直角位相における対称アンテナフェーザー504によって、ギガヘルツの10倍でさえ、アンテナパターンは1dB内へと全方向にすることができることを示した。ある用途においては、フェデラルコミュニケーションコミッション(FCC)あるいはその他の規制機関がアンテナ要件を述べている。その他の規制機関あるいは準規制機関としては、the International Convention for the Safety of Life at Sea (SOLAS)(これは捜索救助用トランスポンダ(SARTs)を定める)、the International Maritime Organization (IMO)(これは決議A.802(19)におけるSART性能基準を推奨する)、およびthe International Telecommunication Union(ITU)(これはIMO推奨性能およびSOLAS遵守を達成するための技術的特性を制定しかつRecommendation ITU-R M.628-4を出版する(これはアンテナ特性を含む))が挙げられる。規制機関、たとえばFCCなどは、通常、参照によって、こうした基準を包含する。ある例では、ITU-R M.628.4は、偏波もまた水平状態で、水平線+/-2dBで全方向性を必要とする。直線偏波アンテナの偏りは、使用時、その方向に依存して変化し得る。たとえば、テーブル上に倒した状態で置かれたり、あるいはユーザーの耳の近くにあるときには垂直に保持されるなど、セルラーフォンはさまざまな向きに置かれることがある。したがって、さまざまな直線偏波アンテナは、垂直偏波、水平偏波、あるいは垂直・水平の両偏波を、その向きに依存して発生させることができる。さらに、クロスダイポールアンテナあるいはターンスタイルアンテナに対するユーザーの位置関係によって、偏波は変化し得る。アンテナのアームが水平であるようにクロスダイポールアンテナが水平に設置される場合、水平線付近でアンテナによって放射される波の偏りは水平であり、そしてアンテナは概ね全方向性である。開示された技術は、水平に設置された際に、クロスダイポールアンテナの全方向性を改善する。そうした水平設置は、たとえば、ワイヤレスアクセスポイント用途において有用である。天頂あるいは天底方向に関して、クロスダイポールアンテナは、アームの位相に依存して、右手あるいは左手偏波を伴う円偏波を示す。天頂あるいは天底方向に関する放射は必要とされずかつクロスダイポールアンテナは水平向きを有するSOLAS用途におけるような、ある実施形態では、クロスダイポールアンテナのアームは、水平方向に天頂あるいは天底方向からエネルギーの方向を変えるために、リフレクター間に任意選択で介在させることができる。だが、アーム間の位相の改善はまた円偏波の軸比特性を改善する。軸比は、電界ベクトルによって規定される長軸および短軸の長さの比率である。ある実施形態では、アーム間の改善された位相によって、円偏波の軸比は1に近付くことができる。
本願出願人は、両シミュレーションによってかつ試験において、相対的に高い周波数では、同軸ケーブルに対するアンテナの接続はアンテナパターンを歪めることを想定し、そしてそれを確かめた。遠い昔は、周波数は相対的に低くかつこれに応じて長い波長を有していたので、そうした歪みは比較的小さなものであった。だが、多くの現代的なデバイスは相対的に高い周波数を使用する。たとえば、IEEE 802.11のワイヤレスローカルエリアネットワーク基準の下では、適用周波数は2.4,3.6および5ギガヘルツ(GHz)レンジ内にある。別な例では、IEEE 802.16のブロードバンドワイアレスアクセス基準は、10ないし66GHz、2ないし11GHzなどの周波数帯域を使用する。相対的に高い周波数においては、波長は相対的に短くなる。たとえば、10GHzの周波数を持つ信号は、僅か約3センチメートルの波長しか持たない。同軸ケーブルのシールド直径はケーブルに依存して広範に変化し得るが、一般に、数センチメートルの範囲において作用する。
本願出願人は、設計ツールはクロスダイポールアンテナ用の全方向アンテナパターンを予測するが、実際には、アンテナパターンは受け容れられない零位を呈することを見出した。こうした零位は、都合の悪いことに、カバレージに「デッドスポット」を発生させることがある。本願出願人は、同軸ケーブル直径に起因するさらなる移相が存在することを見出したが、これは、比較的低い周波数および比較的長い波長では無視できるものの、高い周波数では無視できない。ある実施形態では、同軸ケーブルの外側シールドの半径(直径の半分)が、アンテナのために意図された波長の少なくとも2〜3パーセントである場合、開示した技術が利用されるべきである。得られるアンテナは、良好なカバレージを備えた、より全方向性のアンテナパターンを有する。
図6は本発明の実施形態に基づくクロスダイポールアンテナの平面図である。図面は一定の率で縮尺したものではない。アーム長の差異は、改良をより分かりやすくするために誇張されている。同軸構造体もまた示されている。同軸構造体は、たとえば、同軸ケーブル、同軸ケーブル用のコネクター、アダプター、あるいはアンテナ自体のフレームの一部に対応できる。図6において、クロスダイポールアンテナの導電性部分のみが示されている。シングルクロスダイポールアンテナが示されているに過ぎないが、本発明の実施形態は、ベイド(bayed)アレイにおけるようなクロスダイポールアンテナのアレイに適用可能である。さらに、相対的に細い、長尺なアームと関連付けて図示しているが、アンテナのアームはさまざまな形状を有することができる。
同軸構造体は中心導体602と外側シールド604とを含む。同軸ケーブルにおいては、誘電性素材が中心導体602と外側シールド604との間のスペースに充填される。
上から反時計回りに、アンテナは、第1のアーム612、第2のアーム614、第3のアーム616、および第4のアーム618を有する。アームの鏡像もまた適用可能である。ある実施形態では、アーム612,614,616,618は「ファン」形状であり、かつ、プリント回路上に形成される。最適化技術が各ダイポールに適用されるので、図示されたアーム612,614,616,618はいずれも同じ長さを持たない。だが、以下で説明するように、次善の解決策においては、最適化技術がダイポールの対のただ一つのダイポールに適用される。当業者にとって、クロスダイポールアンテナの正確な寸法は同軸フィードライン直径およびアンテナに関して意図された周波数帯域に依存して変化することは明らかである。
第1のアーム612および第3のアーム616は第1のダイポールを形成する。第2のアーム614および第4のアーム618は第2のダイポールを形成する。従来のクロスダイポールアンテナにおいては、第1のアーム612および第3のアーム616はそれぞれ同じ長さを有しており、かつ、それぞれ、意図された周波数帯域に関する波長の半分よりも短い。さらに、従来のクロスダイポールアンテナにおいては、第2のアーム614および第4のアーム618はそれぞれ同じ長さを有しており、かつ、それぞれ、意図された周波数帯域に関する波長の半分よりも長い。
図示する実施形態では、第1のアーム612および第2のアーム614(そのいずれもが、同軸構造体の中心導体602に電気的に接続される)は一般的な長さのものである。第3のアーム616および第4のアーム618は同軸構造体の外側シールド604に電気的に接続され、かつ、好ましくは外側シールド604の半径Rの約0.6倍だけ、一般的な長さよりも長い。
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表1は、アンテナに関する、接続、相対角度、およびアーム長をまとめたものである。各アームの長さとは、同軸フィードラインの中心から遠位端部までであり、この場合、各アームの近位端部が中心導体にあるいは外側シールドに適切に接続される。従来技術とは対照的に、各ダイポールのアーム長は同じではない。図示する実施形態では、第1のアーム612および第2のアーム614は従来技術の対応するアーム312,314(図3)よりも短く、かつ、第3のアーム616および第4のアーム618は従来技術の対応するアーム316,318(図3)よりも長い。表1において、ファクターaは、従来のクロスダイポールアンテナの短いアームのために使用される割合に対応する。ファクターbは従来のクロスダイポールアンテナの長いアームのために使用される割合に関する。通常、熟練した専門家はファクターaに関する、そしてファクターbに関する出発ポイントとして0.5を使用し、そして、対応するアームをより容量性のものとするためにaを小さくし、かつ、対応するアームをより誘導性のものとするためにbを大きくする。これによって位相は45度だけ進められかつ遅らせられるが、これは、今度は、アーム間の所望の直角位相関係を生み出す。ベクター電圧計、ネットワークアナライザー、およびシミュレーションモデルが、通常は、ファクターaおよびファクターbに対応する所望の長さを生み出すために採用される。本願出願人は、同軸ケーブルなどの、対応する同軸構造体の外側導体の半径R(直径の半分)が、外側導体に接続されたこれらのアームに関するアーム長に影響を与えることを見出した。外側導体によって生み出されるアンテナパターンへの歪み作用は、同軸構造体外径がアームの長さに対して大きくなるとき、より激しいものとなる。周波数が高くなるとき、アーム長は減少する。さらに、大径同軸構造体は高周波数においてロスが少ないので、周波数が高くなるとき、より大径の同軸構造体を使用することが望ましい。ある実施形態では、開示された技術は、1GHz超でアンテナパターンに顕著な利益をもたらす。ある実施形態では、図示する技術は、同軸構造体の外側シールドの半径がアーム612,614,616,618の最も短いものの少なくとも50分の1(1/50)であるか、アーム612,614,616,618の最も短いものの少なくとも30分の1(1/30)である場合に、適用可能である。
定数Rは、同軸構造体の外側シールド604の半径を表す。ファクターxは、小数、好ましくは0.6に対応し、これには、半径Rが掛けられ、そして第3のアーム616および第4のアーム618の長さに付加される。ファクターxに由来する付加的な長さは、第3のアーム616および第4のアーム618に関して同じである必要はない。だが、ファクターxは比較的広い範囲で変化できる。たとえば、xは約0.54と約0.66との間で変化できる。別な例では、xは約0.48と約0.72との間で変化できる。別な例では、xは約0.48と約0.78との間で変化できる。別な例では、xは約0.3と約1.2との間で変化できる。別な例では、xは約0.15と約1.15との間で変化できる。xに関するその他の適用可能な値は、当業者であれば容易に決定できる。
変更されたアーム長は、高い周波数での作動のためのアンテナパターンに関して重要な特質である。ある実施形態では、アーム長は予め決定された長さであるか固定された長さであり、エンドユーザーが調整することはできない。たとえば、各アームは、回路基板上の導電性トレースから形成できる。代替実施形態では、アームは、ロッド、チューブ、ワイヤフレーム、プレートなどから形成できる。
図7は、図6に関連して先に説明したクロスダイポールアンテナの実施形態の斜視図である。繰り返すが、アンテナの導電性部分しか示していない。図6および図7に現れる同じ部品は、同じ参照数字で示している。図6に関連して先に説明したように、図示する実施形態の鏡像もまた適用可能である。
回転が必要でないので、アンテナのアーム612,614,616,618はプリント回路基板上の導電性トレース(通常は銅)を用いて具現化できる。たとえば、第1のアーム612および第2のアーム614は回路基板の第1の側(たとえば上側)に形成でき、かつ、第3のアーム616および第4のアーム618は回路基板の第2の側(たとえば下側)に形成できる。たとえば、中心導体602は、第1のアーム612および第2のアーム614のためのトレースに電気的に接続するためにハンダ付けでき、かつ、外側シールド604は、第3のアーム616および第4のアーム618のためのトレースに接続するためにハンダ付けできる。代替実施形態では、トレースは回路基板の異なる層上に形成されるが、これは、必ずしも、回路基盤の対向する面上でなくてもよい。もちろん、アダプターおよび/またはコネクターを、同軸構造体とアンテナのアーム612,614,616,618との間に配置してもよい。
好ましくは、アンテナの各ダイポールからの一つのアームの長さは、同軸構造体の影響を補償するために、標準的なクロスダイポール寸法のそれから延長される。だが、代替実施形態では、より小さいダイポールが、本明細書に開示したように、変更された長さを備えたアームを有する。
さまざまなソフトウエアプログラムがアンテナを設計するために利用できる。たとえば、EZNEC(これは以下のURL:<http://www.eznec.com/>から入手可能なソフトウエアツールである)が利用できる。図8および図9に示すシミュレーションを作動させるために、本願出願人は1000のファクターでサイズおよび波長を拡大した(1/1000のファクターでの周波数の縮小)。インチの1000分の1の全ての寸法はインチへと拡大され、かつ、ギガヘルツ(GHz)の周波数はメガヘルツ(MHz)へと縮小された。
表2および表3は、約9.4GHzでの動作に適したアンテナのためのディメンジョンの例を示している。表2は従来技術の図3に対応し、かつ、表3は図6および図7に示す実施形態に対応する。これらの長さは、同軸構造体の中心から測ったものである。さらにシミュレーションモデルは、0.1インチ直径同軸ケーブルフィードラインを含んでいた。
Figure 0005502200
Figure 0005502200
シミュレーションは無損失ケーブルを仮定し、かつ、自由空間内で設計された(無接地)。フィードラインのシールドの開放端部の効果をモデル化するために、八角形パターンのワイヤがこのモデル内に組み込まれた。さらに、スポークパターンのワイヤが、シールドの開放端部のモデリングのために、八角形パターンのワイヤに対して電流を導いた。
図8は、表2に示すディメンジョンを有する、9.4GHzでの従来型アンテナのシミュレーション結果を示している。シミュレーションモデルに組み込まれたフィードラインによって、シミュレーションは、好ましくない「インゲン豆」形状を示した。
図9は、表3に示すディメンジョンを有する、9.4GHzでのクロスダイポールアンテナの実施形態のシミュレーション結果を示している。フィードラインもまた図9においてはモデル化される。シミュレーション結果によって示されるように、アンテナパターンは概ね全方向性である。模擬モデルは、プリント回路基板上に容易に形成できる「ファン」形状アームを有するフラットアンテナに対応する。ファン形状アンテナのそれぞれは、シミュレーションにおいては、3本のワイヤによってモデル化される。
シングルクロスダイポールに関連して説明したが、本明細書中で説明したクロスダイポールアンテナの原理および利点はまた、アンテナアレイに対して、あるいは、クロスダイポールアンテナが二つのディスク間に挟み込まれた場合などのリフレクターを備えた組み合わせに対して適用可能である。そうした形態は、捜索救助用トランスポンダ(SARTs)において有用である。ある実施形態では、複数のクロスダイポールアンテナが、アレイの高さに沿って離間して配置されたアームのセットを備えた垂直同軸フィードラインと共にアレイ内に配置できる。リフレクターを備えた別の実施形態では、天底あるいは天頂方向が望まれ、かつ、クロスダイポールアンテナは、リフレクター用の供給源として円偏波を発するが、これは、たとえば、パラボラリフレクターすなわちディッシュ、あるいはキャビティバックド(cavity-backed)円偏波アンテナを形成するために使用されるその他のリフレクターであってもよい。たとえば、本発明の実施形態に基づくクロスダイポールアンテナは、クロスダイポールアンテナの別な側でディッシュに供給するために、クロスダイポールアンテナの一方側においてプレートと組み合わされてもよい。
特定の偏波の本発明のクロスダイポールアンテナ実施形態は、有利なことには、直交偏波を特徴とするアンテナシステムを形成するために、クロスダイポールアンテナの偏波と直交する偏波を有する一つ以上の別なアンテナと組み合わせることができるが、これは、偏波ダイバーシティおよび/または空間多重化のために利用できる。たとえば、水平偏波を有するクロスダイポールアンテナは、垂直偏波を有するダイポールアンテナあるいはモノポールアンテナと組み合わせることができる。空間多重化の場合、垂直偏波を有する電磁波は独立した情報を運ぶことができ、これは、単一偏波システムに比べて、データレートの増大を可能とすることができる。たとえば、M.Shafi、M.Zhang、A.L.Moustakas、P.J.Smith、A.F.Molisch、F.TufvessonおよびS.H.Simon著、Polarized MIMO Channels in 3D: Models, Measurements and Mutual Information, IEEE J. Selected Areas Comm.、24、514-527(2006年)を参照されたい。したがって、データレートは、直交偏波を送信/受信できないシステムに比べて、概ね2倍にすることができる。偏波ダイバーシティの例に関して、同じ情報は二つの直交偏波によって伝達でき、しかも二つの偏波のフェーディングは同一であるので、偏波ダイバーシティは、より大きな信号ロバストネスを実現する。偏波ダイバーシティによって、互いに直交する偏波を有する波は、直交偏波を持たない波よりも、互いに干渉する程度が著しく少ない。したがって、水平偏波を利用するシステムを介して伝達できるスループットすなわちデータレートは、偏波ダイバーシティを伴わないシステムのそれの、ほとんど2倍となり得る。偏波ダイバーシティのための別なアンテナとクロスダイポールアンテナを組み合わせる多くの形態が実施可能であり、そして以下の形態は例証であり限定ではない。
図10は偏波ダイバーシティーを利用するアンテナの2×2アレイの例を示している。このアレイは、多重入力および多重出力(MIMO)システムのコンポーネントとして利用できる。2×2アレイの各アンテナはそれ自身の同軸構造体に接続されるが、これは同軸ケーブル(硬質あるいはフレキシブル)であってもよい。同軸構造体の他端は、続いて、送信機、受信機、送信機/受信機、トランシーバーなど(図示せず)に接続できる。
図10の図示する実施形態では、第1のクロスダイポールアンテナ1002および第2のクロスダイポールアンテナ1004は第1の方向の偏波を実現する。第1のクロスダイポールアンテナ1002および第2のクロスダイポールアンテナ1004は、図6および図7に関連して先に説明したクロスダイポールアンテナに対応する。第1のモノポールアンテナ1006および第2のモノポールアンテナ1008は、第1の方向と直交する第2の方向における偏波を実現する。たとえば、第1の偏波は水平であってもよく、かつ、第2の偏波は垂直であってもよい。
ある実施例では、第1のモノポールアンテナ1006は、同軸構造体1014の中心導体部分1010および折り返し部分1012から形成される。中心導体部分1010および折り返し部分1012のそれぞれは、概ね、関心のある周波数に関する四分の一波長である。折り返し部分1012は同軸構造体1014のシールドに対して接続される。もちろん、アンテナは、下にある構造体が肉眼で認識できないようにプラスチックでカプセル化されてもよい。
アンテナ1002,1004,1006、1008は、同じ周波数レンジを有してもよく、あるいは異なる周波数レンジを有してもよい。代替実施形態では、ダイポールアンテナは、第1のモノポールアンテナ1006および第2のモノポールアンテナ1008の一つ以上の代わりに使用可能である。
上記アレイは2×2以外のディメンジョンを有することができる。たとえば、二つのアンテナのより小さなアレイを、たとえば、互いに直交する偏波を伴う第1のクロスダイポールアンテナ1002および第1のモノポールアンテナ1006を使用できる。
他の変形例は、3×3アレイで、4×4アレイで、あるいはさらに大きくアンテナを配置するといった、アレイのサイズの増大に対応する。もちろん、数多くの変更が可能である。たとえば、三角形アレイ、円形アレイなどの非矩形アレイが適用可能である。
図11は、「ティー」を使用してモノポールアンテナ1104と組み合わされたクロスダイポールアンテナ1102を用いる直交偏波を伴うアンテナの別な例を示している。図示する実施形態は「オールインワン」設計の例である。別な「オールインワン」形態は、当業者であれば、容易に決定可能である。クロスダイポールアンテナ1102は、図6および図7に関連して先に説明したクロスダイポールアンテナに対応し得る。同軸構造体の端部1106は、送信機、受信機、送信機/受信機、トランシーバーなどに接続される。「ティー」のセクションの長さは、インピーダンス不整合について修正するために調整可能である。Smith Chartなどの技術が設計者を支援するために利用できる。
図示する例では、同じフィードラインが、同じ信号に関する二つの直交偏波を実現するためにクロスダイポールアンテナ1102およびモノポールアーム1104の両方に供給する。同じフィードラインがクロスダイポールアンテナ1102およびモノポールアーム1104の両方に供給するとき、可変位相シフター(図示せず)が、クロスダイポールアンテナ1102とモノポールアンテナ1104との間に相対的位相差を発生させるために、ティーと、クロスダイポールアンテナ102およびモノポールアンテナ1104の少なくとも一方との間に挿入されるべきであり、移相は、それが、検出された信号全部の信号対ノイズおよび干渉比における改良につながるように選択される。ある実施形態では、可変位相シフターは、経路長を変更するために選択されかつ選択が取り消される複数の選択可能な経路長を有するデバイスに対応する。PINダイオードが特定の経路を機能させるために使用可能である。これらPINダイオードは、マイクロプロセッサーなどの制御回路からの制御信号に応答して選択的に作動させることができる。既成の位相シフターを、これに代えて利用できる。たとえば、適当な位相シフターは、Narda Microwave, Microtek Inc.などから入手可能である。
移相周波数に関して、位相の全サイクル(360度)を偏移させる移相のための周波数は非常に広い範囲で変更可能であるが、システムの受信機と送信機との間の最大見込みドップラー偏位周波数と少なくとも同じくらい高いものであるべきである。もちろんドップラー偏移周波数は伝達されるRF周波数と共に変化する。たとえば、WiFiワイヤレスアクセスポイントの例において、ワイヤレスアクセスポイントのコントローラーあるいはマイクロプロセッサーは、可変位相シフターの移相を制御できる。移相周波数は、これに限定されるわけではないが、数千ヘルツといった特定の周波数へ予め決定でき、あるいは、遭遇するドップラー周波数の変化に応答して適切に調整可能である。
代替実施形態では、クロスダイポールアンテナ1102およびモノポールアンテナ1104は、その相対的向きを維持できるが、その代わりに、別個のフィードラインに接続できる。別個のフィードラインへの/それからの信号は、ベースバンドから/それへと偏移させられたアップ(ダウン)周波数であってもよく、この結果、ベースバンドにおける信号の別個の処理が可能である。この解決策は、ダイバーシティおよび空間多重化の両方のために利用できる。
フルサイズクロスダイポールアンテナに関連して先に説明したが、クロスダイポールアンテナの原理および利点はまたクロスダイポールアンテナの小型バージョンにも当てはまる。アンテナ技術に関連する小型化は単なる拡大縮小ではない。フルサイズクロスダイポールアンテナに関して、アンテナのアームの物理的な長さは電気的な長さと同じである。したがって、表1、表2および表3に関連して先に説明したアームに関する長さは、アームの物理的長さおよびその電気的長さの両方に当てはまる。
アンテナ小型化に関して、ダイポールのアームの物理的長さは、アームの有効電気的長さあるいは仮想長さよりも短くてもよい。小型化されたアームの有効電気的長さは、(容量性ロードを避けるために)直線状の、非常に細い導体を用いてかつ自由空間内で形成されるならば、電気的性能のためにアームが有するであろう対応する長さである。アンテナ小型化技術は従来公知であり、かつ、高い比誘電率および/または高い比透磁率を備えた物質中にアンテナを埋め込む技術と同様、ローディング技術を含む。ローディング技術の例に関しては、2006年7月付けの、Compact Integrated Antennasというタイトルの、Freescale SemiconductorからのApplication Note AN2731(改訂版1.4)を挙げることができ、これは、以下のURL:<http://www.freescale.com/files/rf if/doc/app note/AN2731.pdf>から利用可能である。
極めて広範囲のローディング技術が、有効電気的長さ関係を維持しながら、クロスダイポールアンテナの一つ以上のアームを物理的に短くするために使用できる。アンテナ小型化に関して、表1、表2および表3に関連して先に説明したアームに関する長さは、アームの有効電気的長さに当てはまり、かつ、小型化されたアームのための物理的長さから変化し得る。
比較のために、図12Aは従来のダイポールの例を示す。図12B〜12Gは、本発明の実施形態に基づくクロスダイポールアンテナの一つ以上のアームに適用できるダイポールのための従来のローディング技術の非網羅的な例を示している。それ以外のローディング技術(やがて発見されるローディング技術を含む)もまた適用可能である。図12B〜12Gにおいて、ローディング技術はダイポールの各アームに適用される。だが、こうしたロード技術は、ダイポールの一方あるいは両方のアームに対して(たとえば一つの非ロードアームおよび一つのロードアーム)に対して、クロスダイポールアンテナの一方あるいは両方のダイポールに対して適用可能であり、一つ以上のタイプのロード技術がクロスダイポールアンテナのダイポールにあるいはその両方のダイポールに適用可能であるように組み合わせることができ、そして、一つ以上のロード技術がクロスダイポールアンテナの特定のアームに対して適用できるように組み合わせることさえ可能である。
図12Bは屈曲ダイポールの例を示している。図12Cは折り曲げ、図示する例では、二重折り曲げダイポールの例を示している。図12Dは容量性端部ローディングの例を示しており、これはまた「トップハット」として公知である。容量性端部ローディングは、アームの遠位端部において容量性プレートを使用することで具現化できる。図12Eは蛇行パターンローディングの例を示している。図12B〜12Eに示すローディング技術は図示するように二次元において平坦に具現化できる。これは、アンテナが一体化された回路の一部である場合に、あるいはその他のパッケージングの理由から有利である。だが、ローディング技術はまた、屈曲、折り曲げ、端部ロード、あるいは三次元蛇行であってもよい。図12Fは誘導性ローディングの例を示しており、これは、通常、コイルを用いて具現化できる。図12Gは、ヘアピン形態でスタブローディングの例を示している。別な例では、アームは「ファン」形状を有することができる。ファン形状アームに関して、遠位端部におけるアームの一部は、同軸構造体により近いアームの一部よりも幅広である。
図13Aは、本発明の実施形態に基づくクロスダイポールアンテナの平面図であり、アーム1312,1314,1316,1318のそれぞれは端部折り曲げによってコンパクト化されている。同軸構造体は中心導体1302および外側シールド1304を含むが、これは、図6に関連して先に説明した中心導体602および外側シールド604に対応し得る。第1のアーム1312、第2のアーム1314、第3のアーム1316および第4のアーム1318は、図6に関連して先に説明した実施形態の第1のアーム612、第2のアーム614、第3のアーム616および第4のアーム618のそれぞれと同じ有効電気的長さを有するが、アーム1312,1314,1316,1318は物理的に短い。アンテナの鏡像もまた適用可能である。図13Aのアンテナは例証目的で描かれたものであり、必ずしも一定の縮尺ではない。アーム端部のそれぞれが折り曲げられた状態で示されているが、別な実施形態では、一つ、二つ、あるいは三つのアームが端部折り曲げによってコンパクト化され、そして別なアームはコンパクト化されないか、あるいは異なる手法でコンパクト化される。したがって、小型化されたアームは、屈曲アーム、折り曲げアーム、容量性およびロードアーム、蛇行パターンロードアーム、あるいは誘導性ロードアームの少なくとも一つに対応し得る。
図13Bは、本発明の実施形態に基づくクロスダイポールアンテナの平面図であり、アーム1332,1334,1336,1338のそれぞれは蛇行によってコンパクト化されている。同軸構造体は中心導体1322および外側シールド1324を含むが、これは、図6に関連して先に説明した中心導体602および外側シールド604に対応し得る。第1のアーム1332、第2のアーム1334、第3のアーム1336および第4のアーム1338は、図6に関連して先に説明した実施形態の第1のアーム612、第2のアーム614、第3のアーム616および第4のアーム618のそれぞれと同じ有効電気的長さを有するが、アーム1332,1334,1336,1338は物理的に短い。アンテナの鏡像もまた適用可能である。図13Bのアンテナは例証目的で描かれたものであり、必ずしも一定の縮尺ではない。アーム端部のそれぞれが蛇行状態で示されているが、別な実施形態では、一つ、二つ、あるいは三つのアームが蛇行によってコンパクト化され、そして別なアームはコンパクト化されないか、あるいは異なる手法でコンパクト化される。蛇行パターンはまた、インピーダンス整合のためのスタブを含み得る。
図14Aは、本発明の実施形態に基づくクロスダイポールアンテナの平面図であり、アーム1412,1416の二つは容量性端部ロードによってコンパクト化され、かつ、アーム1414,1418の二つは蛇行パターンによってコンパクト化されている。同軸構造体は中心導体1402および外側シールド1404を含むが、これは、図6に関連して先に説明した中心導体602および外側シールド604に対応し得る。第1のアーム1412、第2のアーム1414、第3のアーム1416および第4のアーム1418は、図6に関連して先に説明した実施形態の第1のアーム612、第2のアーム614、第3のアーム616および第4のアーム618のそれぞれと同じ有効電気的長さを有するが、アーム1412,1414,1416,1418は物理的に短い。アンテナの鏡像もまた適用可能である。図14Aのアンテナは例証目的で描かれたものであり、必ずしも一定の縮尺ではない。もちろん、その他の組み合わせも可能である。
図14Bは図14Aに示すクロスダイポールアンテナの斜視図である。さらに、アンテナのアームは、高い比誘電率εおよび/または高い比透磁率μを有する素材内に埋設される。高い比誘電率ε、高い比透磁率μ、あるいは両方の特性は、アームに関するより大きな有効電気的長さを維持しながら、アンテナの物理的サイズをさらに縮小させることができる。
アンテナのアームは、パッケージングあるいは小型化のために高い比誘電率εおよび/または高い比透磁率μを有する素材内に埋設することができる。自由空間の比誘電率および比透磁率は1である。ある実施形態では、高い比誘電率は少なくとも1.1の比誘電率に関する値を含む。ある実施形態では、高い比透磁率は少なくとも1.1の比透磁率に関する値を含む。小型化のためにあるいはパッケージングのために望まれる場合、高い比誘電率ε特性および/または高い比透磁率μ特性を備えた素材内へのアームの埋め込みは、別のフルサイズアンテナに対して、かつ、図12B〜12Gに関連して先に説明したローディング技術の一つ以上を利用するアンテナに対して適用可能である。
図15は、可変シフター1508を加えた状態で図11の例を示している。図示する実施形態では、可変位相シフター1508は、ティーとモノポールアンテナ1104との間に挿入される。たとえば、ワイヤレスアクセスポイントのコントローラーあるいはマイクロプロセッサーは入力「位相偏移制御」によって示すように可変位相シフターの移相を制御することができる。移相周波数は、これに限定されるわけではないが、数千ヘルツといった特定の周波数へ予め決定でき、あるいは、遭遇するドップラー周波数の変化に応答して適切に調整可能である。
図6に戻ると、別な実施形態では、第1のアーム612および第3のアーム616は第1のダイポールを形成する。第2のアーム614および第4のアーム618は第2のダイポールを形成する。従来のクロスダイポールアンテナにおいては、第1のアーム612および第3のアーム616は同じ長さを有し、かつ、それぞれ、意図された周波数帯域に関する波長の4分の1よりも短い。また、従来のクロスダイポールアンテナにおいては、第2のアーム614および第4のアーム618は同じ長さを有し、かつ、それぞれ、(ある小型化技術の使用にもかかわらず)意図された周波数帯域に関する波長の4分の1よりも長い。本発明の実施形態によれば、クロスダイポールアンテナのダイポールのアーム長は、以下の表4に関連して説明するように変化し得る。
Figure 0005502200
ある実施形態では、四つの調整ファクターy1,y2,y3およびy4は同一である必要はなく、そして、好ましくは、全ての四つのアームが性能のために最適化される。表3に関連して先に説明した形態においては、この例は、図に示すパターンをもたらし、有利なことには、相対的に等しい振幅を備えた相対的に良好な移相矩象を呈する。それどころか、表2の形態は図に示すパターンをもたらす。表4に関して先に説明した形態に戻ると、調整ファクターy3およびy4による外側シールド接続アーム616,618の延長は、内側導体接続アーム612,614の調整ファクターy1およびy2による短縮によって実現される。
表5(以下に示す)は、アンテナの別な実施形態に関する、接続、相対角度、およびアーム長をまとめたものである。各アームの長さとは、同軸フィードラインの中心から遠位端部までであり、この場合、各アームの近位端部が中心導体にあるいは外側シールドに適切に接続される。従来技術とは対照的に、各ダイポールのアーム長は同じではない。図示する実施形態では、第1のアーム612および第2のアーム614(図6)は従来技術の対応するアーム312,314(図3)よりも短く、かつ、第3のアーム616および第4のアーム618は従来技術の対応するアーム316,318(図3)よりも長い。表5において、ファクターaは、従来のクロスダイポールアンテナの短いアームのために使用される割合に対応する。ファクターbは従来のクロスダイポールアンテナの長いアームのために使用される割合に関する。ある実施形態では、熟練した専門家はファクターaに関する、そしてファクターbに関する出発ポイントとして0.25を使用する。この場合、対応するアームをより容量性のものとするためにaを小さくし、かつ、対応するアームをより誘導性のものとするためにbを大きくすることによって、電流の位相はそれぞれ進められかつ遅らせられる。各位相が45度だけ変更されたとき、アーム間の所望の直角位相関係が確立される。ベクター電圧計、ネットワークアナライザー、およびシミュレーションモデルが、通常は、ファクターaおよびファクターbに対応する所望の長さを生み出すために採用される。本願出願人は、同軸ケーブルなどの、対応する同軸構造体の外側導体の半径R(直径の半分)が、外側導体に接続されたこれらのアームに関するアーム長に影響を与えることを見出した。外側導体によって生み出されるアンテナパターンへの歪み作用は、同軸構造体外径がアームの長さに対して大きくなるとき、より激しいものとなる。周波数が高くなるとき、アーム長は減少する。さらに、大径同軸構造体は高周波数においてロスが少ないので、周波数が高くなるとき、より大径の同軸構造体を使用することが望ましい。ある実施形態では、開示された技術は、1GHz超でアンテナパターンに顕著な利益をもたらす。たとえば、図9のパターンを参照されたい。対照的に、従来技術によれば、図8の「インゲン豆」形状パターンは修正可能ではない。ある実施形態では、図示する技術は、同軸構造体の外側シールドの半径がアーム612,614,616,618の最も短いものの少なくとも50分の1(1/50)であるか、アーム612,614,616,618の最も短いものの少なくとも30分の1(1/30)である場合に、適用可能である。
定数Rは、同軸構造体の外側シールド604の半径を表す。ファクターy,y,yおよびyは、小数、好ましくは0.6に対応し、これには、半径Rが掛けられ、そして第3のアーム616および第4のアーム618の長さに付加される。だが、ファクターy,y,yおよびyは比較的広い範囲で変化できる。たとえば、y,y,yおよびyは約0.54と約0.66との間で変化できる。別な例では、y,y,yおよびyは約0.48と約0.72との間で変化できる。別な例では、y,y,yおよびyは約0.48と約0.78との間で変化できる。別な例では、y,y,yおよびyは約0.3と約1.2との間で変化できる。別な例では、y,y,yおよびyは約0.15と約1.15との間で変化できる。y,y,yおよびyに関するその他の適用可能な値は、当業者であれば容易に決定できる。
表4は、約9.4GHzでの動作に好適なアンテナの実施形態のためのディメンションの例を示すが、ここで、アンテナは、プリント回路(PC)基板上の銅トレースを用いて形成されたファン形状アームを有する。PC基板の誘電体だけでなくアームのそうしたファン形状は、僅かな小型化効果を有し、その結果、図示する実施形態のアーム長はそれぞれ自由空間波長の4分の1よりも短い。たとえば、遠位端部におけるアームの開拡は、図12Dに関連して先に説明した容量性端部ロードアームと類似の効果を有する。こうした長さは同軸構造体の中心から測ったものである。さらに、シミュレーションモデルは、0.1インチ直径同軸ケーブルフィードラインを含んでいた。
Figure 0005502200
表5において、「アーム」の行は特定のアームを表し、「接続」の行はアームに関する接続を表し、「adj」の列は表4に関連して先に説明したようなアームに関する調整に対応する。「adj./R」の行は、0.1インチ直径(0.05インチ半径)同軸構造体を備えた表3に示された例において使用されるように、y,y,yおよびyに関する実際の値を示している。「adj.(インチ)」の行は調整量をインチで示している。「アーム長」の行はアーム全長を示し、そして「相対adj./R」は、表1に関連して先に説明した対応するx値を示している。
アンテナのアーム612,614,616,618はプリント回路基板上の導電性トレース(通常は銅)を用いて具現化できる。たとえば、第1のアーム612および第2のアーム614は回路基板の第1の側(たとえば上側)に形成でき、かつ、第3のアーム616および第4のアーム618は回路基板の第2の側(たとえば下側)に形成できる。たとえば、中心導体602は、第1のアーム612および第2のアーム614のためのトレースに対して電気的に接続するためにハンダ付けでき、かつ、外側シールド604は第2のアーム614および第4のアーム618のためのトレースに接続するためにハンダ付けできる。代替実施形態では、トレースは回路基板の異なる層上に形成されるが、これは必ずしも回路基板の対向する面上ではない。もちろん、アダプターおよび/またはコネクターを同軸構造体とアンテナのアーム612,614,616,618との間に配置することもできる。
上記クロスダイポールアンテナは、これに限定されるわけではないが、ベースステーション、ワイヤレスルータ、ワイヤレスアクセスポイント、ワイヤレスブリッジ、セルラーテレフォンベースステーション、セルラーテレフォン、ワイヤレスコンピューター、ポータブルあるいはハンドヘルドコンピューター、テレビ用のセットトップボックス、ビデオゲーミングコンソール、双方向キオスク、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタル音楽プレイヤー、その他の電子デバイスあるいはその組み合わせといった、さまざまな用途において使用できる。クロスダイポールアンテナを使用可能な用途のその他の例はフェムトセル内である。
以上、さまざまな実施形態について説明してきた。特定の実施形態を参照して説明したが、この説明は例証を意図したものであり、限定を意図していない。さまざまな変更および用途は当業者にとって自明である。
502 アンテナパターン
504 対称アンテナフェーザー
602 中心導体
604 外側シールド
612 第1のアーム
614 第2のアーム
616 第3のアーム
618 第4のアーム
1002 第1のクロスダイポールアンテナ
1004 第2のクロスダイポールアンテナ
1006 第1のモノポールアンテナ
1008 第2のモノポールアンテナ
1010 中心導体部分
1012 折り返し部分
1014 同軸構造体
1102 クロスダイポールアンテナ
1104 モノポールアーム
1302 中心導体
1304 外側シールド
1312 第1のアーム
1314 第2のアーム
1316 第3のアーム
1318 第4のアーム

Claims (16)

  1. クロスダイポールアンテナを具備してなる装置であって、前記クロスダイポールアンテナは、
    中心導体および外側シールドを有する同軸構造体であって、前記外側シールドは、ある外径および対応する半径Rを有する同軸構造体と、
    アームの第1の対を具備してなる第1のダイポールと、
    アームの第2の対を具備してなる第2のダイポールと、を具備してなり、
    前記第1の対あるいは前記第2の対の少なくとも一つの対のアームは、前記外側シールドに接続されたアームが、前記同軸構造体の中心から測った場合に、前記半径Rの0.15ないし1.5倍だけ、前記中心導体に接続されたアームよりも長いように、固定された非対称有効電気的長さを有し、前記アンテナの少なくとも一つのアームは、その有効電気的長さよりも短い物理的長さを有することを特徴とする装置。
  2. 前記同軸構造体の前記外側シールドの半径は、前記第1のダイポールあるいは前記第2のダイポールの最短アームの少なくとも30分の1であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
  3. 前記同軸構造体は同軸ケーブルフィードラインを具備してなることを特徴とする請求項1に記載の装置。
  4. 前記同軸構造体は同軸ケーブルコネクターを具備してなることを特徴とする請求項1に記載の装置。
  5. 前記第1のダイポールおよび前記第2のダイポールは、プリント回路基板のトレースを具備してなることを特徴とする請求項1に記載の装置。
  6. 前記アンテナは、一つ以上のリフレクターをさらに具備してなることを特徴とする請求項1に記載の装置。
  7. 前記クロスダイポールアンテナは第1の偏波方向を有し、さらに、前記第1の偏波と直交する第2の偏波を有する第2のアンテナを具備してなることを特徴とする請求項1に記載の装置。
  8. 前記クロスダイポールアンテナは水平偏波方向を有し、かつ、前記第2のアンテナは垂直偏波方向を有することを特徴とする請求項7に記載の装置。
  9. 前記第2のアンテナはモノポールアンテナを具備してなることを特徴とする請求項7に記載の装置。
  10. 前記第2のアンテナはダイポールアンテナを具備してなることを特徴とする請求項7に記載の装置。
  11. 前記クロスダイポールアンテナは水平偏波方向を有し、かつ、前記第2のアンテナは前記クロスダイポールアンテナから水平方向に離間しており、前記クロスダイポールアンテナおよび前記第2のアンテナのそれぞれは別個のフィードラインに接続されることを特徴とする請求項7に記載の装置。
  12. 前記クロスダイポールアンテナと同じ偏波方向を有する一つ以上の付加的なクロスダイポールアンテナと、
    前記第2のアンテナと同じ偏波方向を有する一つ以上の付加的なアンテナと、をさらに具備してなり、前記装置はアンテナアレイを具備してなることを特徴とする請求項7に記載の装置。
  13. 第3のアンテナとして第2のクロスダイポールアンテナをさらに具備してなり、かつ、第4のアンテナをさらに具備してなり、前記第2のクロスダイポールアンテナは前記クロスダイポールアンテナと同じ偏波方向を有し、前記第4のアンテナは前記第2のアンテナと同じ偏波方向を有し、前記クロスダイポールアンテナ、前記第2のアンテナ、前記第2のクロスダイポールアンテナおよび前記第4のアンテナは、前記第2のクロスダイポールアンテナが前記クロスダイポールアンテナの斜め向かい存在し、かつ、前記第4のアンテナが前記第2のアンテナの斜め向かいに存在するように、2×2アンテナアレイで配置されていることを特徴とする請求項7に記載の装置。
  14. 第1の端部、第2の端部および第3の端部を有するティージョイントをさらに具備してなり、前記第1の端部はフィードラインに接続され、前記クロスダイポールアンテナは前記第2の端部に配置され、前記第2のアンテナは前記第3の端部に配置され、かつ、前記第2のアンテナはモノポールアンテナを具備してなることを特徴とする請求項7に記載の装置。
  15. 少なくとも一つのアームは、屈曲アーム、折り曲げアーム、容量性端部ロードアーム、蛇行パターンロードアーム、誘導性ロードアーム、あるいは高比誘電率および/または透磁率素材内への埋め込みの少なくとも一つから選ばれた小型化技術によって、その所定の有効電気的長さよりも物理的に短いことを特徴とする請求項1に記載の装置。
  16. 波長λを有する信号のために使用されることを意図されたクロスダイポールアンテナを設計するための方法であって、前記クロスダイポールアンテナは、第1のアーム、第2のアーム、第3のアーム、および第4のアームを具備してなり、前記方法は、
    前記クロスダイポールアンテナのシミュレーションモデルを生成するステップであって、前記シミュレーションモデルは、前記第1のアームと、前記第2のアームと、前記第3のアームと、前記第4のアームと、それに対して前記第1のアーム、前記第2のアーム、前記第3のアームおよび前記第4のアームが接続される同軸構造体と、を含んでいるステップと、
    前記シミュレーションモデルのコンピューター実行によって前記クロスダイポールアンテナをシミュレーションするステップと、
    前記第1のアームおよび前記第3のアームに関する長さaλと共に開始するステップであって、aに関する値は約0.25であり、前記第1のアームは前記同軸構造体の中心導体に接続され、かつ、前記第3のアームは前記同軸構造体のシールドに接続されるステップと、
    前記第2のアームおよび前記第4のアームに関する長さbλと共に開始するステップであって、bに関する値は約0.25であり、前記第2のアームは前記同軸構造体の中心導体に接続され、かつ、前記第4のアームは前記同軸構造体のシールドに接続されるステップと、
    アームの間で直角位相関係が確立されるまで短いアームのaに関する値を調整すると共に長いアームのbに関する値を調整するステップであって、前記短いアームのaに関する最終値が前記長いアームのbに関する最終値よりも小さく、前記直角位相関係は前記シミュレーションモデルのコンピューター実行によって決定されるステップと、
    前記同軸構造体の半径Rのある割合xだけ、前記第1のアームに対して前記第3のアームの長さを増大させるステップと、
    前記同軸構造体の半径Rのある割合xだけ、前記第2のアームに対して前記第4のアームの長さを増大させるステップと、
    シミュレーション結果に応じて、前記第1のアーム、前記第2のアーム、前記第3のアームおよび前記第4のアームの一つ以上のアーム長を調整するステップと、を具備することを特徴とする方法。
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