JP5518985B2 - 円偏波アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、円偏波アンテナに関し、特に、高いアンテナ利得を持つ円偏波アンテナに関するものである。

無線データ通信に関してアンテナは電磁波の伝送および受信の重要な役割を果たす。通常、アンテナには、方位角方向での全方向性放射パターン、および上方向でのヌル（ｎｕｌｌ）パターンが提供されなければならない。よって、例えばダイポールアンテナなどの棒状アンテナは、垂直偏波を送信および受信するのに適していると考えられているため、近年通信デバイスに広く用いられている。

無線通信システムでは、データ信号は多くの周囲の物体から反射される可能性があるため、反射波は、建設的な方法または破壊的な方法でデータ信号と組み合わせられるとよい。ダイポールアンテナも垂直偏波を受信および送信するのに用いられることができるが、周囲環境で生じるマルチパス干渉、回折、または反射は、長距離通信中に垂直偏波の位相を変化させる可能性がある。更に悪い状況では、データ信号は、垂直偏波からダイポールアンテナによって受信されることができない水平偏波に変えられる可能性があるため、データ損失を招く。よって、垂直偏波と水平偏波も処理できるアンテナを提供する必要がある。

高いアンテナ利得を持つ円偏波アンテナを提供する。

１つの例示的な実施形態では、本発明は、第１面および第２面を有する基板、第１面上に配置された給電素子、第２面上に配置され、孔を有する接地面、第２面上に配置され、孔の縁辺に接続されたチューニングスタブ、および、接地面に接続され、電磁波を反射するように構成されたキャビティ構造を備えた円偏波アンテナを提供する。

もう１つの例示的な実施形態では、本発明は、第１面および第２面を有する基板、第１面上に配置された給電素子、第２面上に配置され、孔を有する接地面、第２面上に配置され、孔の縁辺に接続された第１チューニングスタブ、および第２面上に配置され、孔の縁辺に接続された第２チューニングスタブを備えた円偏波アンテナを提供する。

本発明の円偏波アンテナは、アンテナ利得を高めつつ、周波数帯域を広げることができる。

本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナの斜視図である。 図１のＬＬ１の線に沿う断面図である。 図１のＬＬ１２の線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に基づく接地面に接合されたキャビティ（ｃａｖｉｔｙ）構造の断面図である。 本発明のもう１つの実施形態に基づく接地面に接合されたキャビティ構造の斜視図である。 図３ＡのＬＬ１の線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に基づく接地面に接合されたキャビティ構造の断面図である。 本発明の実施形態に基づく接地面に接合されたキャビティ構造の平面図である。 本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナの軸比（ＡＲ）を示すグラフである。 本発明のもう１つの実施形態に基づく円偏波アンテナの斜視図である。 本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナの軸比（ＡＲ）を示すグラフである。 本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナの斜視図である。 本発明のもう１つの実施形態に基づく円偏波アンテナの斜視図である。 本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナの平面図である。 本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナの軸比（ＡＲ）を示すグラフである。 本発明の実施形態に基づく接地面を示す図である。 本発明の実施形態に基づく接地面を示す図である。 本発明の実施形態に基づく接地面を示す図である。 本発明の実施形態に基づく接地面を示す図である。 本発明の実施形態に基づく接地面を示す図である。 本発明の実施形態に基づく接地面を示す図である。 本発明の実施形態に基づく接地面を示す図である。

図１Ａは、本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナ１００を示す立体図である。図１Ｂは、図１に示すアンテナ１００のＬＬ１線に沿った断面図である。図１Ｃは、図１に示す円偏波アンテナ１００のＬＬ２線に沿った断面図である。図１Ａ、１Ｂ、および１Ｃに示されるように、円偏波アンテナ１００は、基板１１０、接地面１２０、給電素子（ｆｅｅｄｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）１３０、チューニングスタブ１４０、およびキャビティ構造１７０を含む。基板１１０は、４.３に等しい誘電率で、厚さが０.６ｍｍであるＦＲ４基板であることができる。接地面１２０、給電素子１３０、およびチューニングスタブ１４０は、例えば銀または銅などの金属で形成される。

基板１１０は、２つの面Ｅ１と面Ｅ２を有し、面Ｅ１は、面Ｅ２に対向する。給電素子１３０は、面Ｅ１上に配置され、給電素子１３０の一端は、信号源１９０に電気的に接続されて入力信号を受信する。接地面１２０は、面Ｅ２上に配置され、孔１２５を有する。孔１２５は、円形、長方形、または他の形状に形成される。チューニングスタブ１４０は、面Ｅ２上に配置され、孔１２５の縁辺に電気的に接続される。本実施形態では、給電素子１３０およびチューニングスタブ１４０は、両方とも実質的に直線状に形成され、孔１２５は、円い形状に形成され、チューニングスタブ１４０は、孔１２５の外周（外周の接線）に対して垂直になるよう配置されている。本例の変形例として、給電素子１３０は、Ｔ字型、または先細り形状であもよい。

キャビティ構造１７０は、接地面１２０に電気的に接続され、電磁波を反射するように構成される。本実施形態では、キャビティ構造１７０は、実質的にキャップのない中空の円柱であり、接地面１２０（例えば点線１７２に沿って）に接合される。円偏波アンテナ１００は、左旋円偏波と右旋円偏波を同時に発生することができる。いくつかの実施形態では、左旋円偏波は、上向きに伝播し、右旋円偏波は、下向きに伝播する。よって、キャビティ構造１７０は、接地面１２０の孔１２５を実質的に覆い、望ましくない方向の電磁波を反射してアンテナ利得を増加させるように構成される。キャビティ構造１７０は、通常、高さが４分の１波長（λ／４）であるように設計され、４分の１波長は、円偏波アンテナの中心動作周波数に基づいて調整されることができる。各種の異なるキャビティ構造があり、以下のように説明されることができる。

図２は、本発明の実施形態に基づく接地面１２０に接合されたキャビティ構造２７０を示す断面図である。図２に示されるように、キャビティ構造２７０は、接地面１２０の孔１２５をカバーするように構成された中空金属シェル（ｓｈｅｌｌ）である。いくつかの実施形態では、中空金属シェルは、例えばＦＲ４媒体または空気などの媒体２７５で充填されている。中空金属シェルは、通常、高さが４分の１波長（λ／４）であるように設計され、４分の１波長は、円偏波アンテナの中心動作周波数に基づいて調整されることができる。

図３Ａは、本発明の他の実施形態に基づく接地面１２０に接合されたキャビティ構造を示す斜視図である。図３Ｂは、図３Ａの接地面１２０に接合されたキャビティ構造３７０のＬＬ１線に沿った断面図である。図３Ａと図３Ｂに示されるように、キャビティ構造３７０は、キャビティ基板３７２、キャビティ接地面３７４、および複数のビア３７６を有している。キャビティ基板３７２は、２つの面を有し、そのいずれか１つの面は、接地面１２０に接合される。キャビティ接地面３７４は、キャビティ基板３７２のもう１つの面Ｅ３上に配置される。複数のビア３７６は、キャビティ基板３７２を通過してそれぞれ形成され、実質的に孔１２５を囲む。複数のビア３７６は、接地面１２０とキャビティ接地面３７４との間に更に電気的に接続される。キャビティ基板３７２は、４.３に等しい誘電率を有するＦＲ４基板で、厚さが４分の１波長（λ／４）であることができ、４分の１波長は、円偏波アンテナの中心動作周波数に基づいて調整される。キャビティ接地面３７４および複数のビア３７６は、例えば銀または銅などの金属で形成される。本実施形態では、複数のビア３７６は、所定の距離Ｄ１の間隔で配置され、円軌道に沿って配置される。好ましい実施例では、所定の距離Ｄ１は、０.６ｍｍより小さく、漏れ波を減少する。

図４Ａは、本発明の実施形態に基づく接地面１２０に接合されたキャビティ構造４７０を示す断面図である。図４Ｂは、本発明の実施形態に基づく接地面１２０に接合されたキャビティ構造４７０の平面図である（図４Ａのキャビティ構造４７０を上から見た図である。）。図４Ａに示されるように、キャビティ構造４７０は、キャビティ構造３７０に加えて、もう１つのキャビティ基板４１０、もう１つのキャビティ接地面４２０、およびもう１つの複数のビア４５０を備えている。注意するのは、本実施形態では、キャビティ接地面３７４は、接地面１２０の孔と同一の孔４３０を有することである。図４Ｂに示されるように、複数のビア４５０は、複数のビア３７６と組み合わさって配置されている（複数のビア３７６、４５０は、一つのビア３７６と一つのビア４５０で組となり、交互に円状に並んで配置されている）。キャビティ基板４１０は、４.３に等しい誘電率を有するＦＲ４基板であることができる。キャビティ接地面４２０および複数のビア４５０は、銀または銅などの金属で形成される。キャビティ構造４７０は、通常、高さが４分の１波長（λ／４）であるように設計され、４分の１波長は、円偏波アンテナの中心動作周波数に基づいて調整されることができる。

本実施形態では、円偏波アンテナ１００の素子のサイズは、以下の通りである。接地面１２０の孔１２５は、１.３ｍｍに等しい半径の円形に形成され、チューニングスタブ１４０は、直線状で長さが０.７５ｍｍ、幅が０.１ｍｍであり、キャビティ構造１７０は、高さが０.６ｍｍである。注意するのは、素子の全てのサイズは、望ましい周波数帯域をカバーするように調整されることができることである。

図５は、本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナ１００の軸比（ＡＲ：Ａｘｉａｌ Ｒａｔｉｏ）を示す図である。垂直軸は軸比（単位：ｄＢ）を表し、水平軸は動作周波数（単位：ＧＨｚ）を表す。給電素子１３０、チューニングスタブ１４０、および孔１２５の周囲の接地面１２０の一部は、励起されて周波数帯域ＦＢ１を形成する。実施形態では、周波数帯域ＦＢ１は、およそ６９ＧＨｚ〜７３ＧＨｚであり、円偏波アンテナ１００の軸比は、周波数帯域ＦＢ１内で５ｄＢより小さい。注意するのは、周波数帯域ＦＢ１は、異なる素子のサイズに応じて調整されることができることである。

図６は、本発明の他のの実施形態に基づく円偏波アンテナ６００を示す斜視図である。円偏波アンテナ６００は、１つ以上のアンテナ素子を備えることができる。本実施形態では、円偏波アンテナ６００は、１つのアンテナ素子６１０で構成される。アンテナ素子６１０は、円偏波アンテナ１００と同様である。それらの違いは、アンテナ素子６１０が２つのチューニングスタブ６３５とチューニングスタブ６５０を備えることだけである。チューニングスタブ６３５とチューニングスタブ６５０は、基板１１０の面Ｅ２上に配置されて、接地面１２０の孔１２５の縁辺に電気的に接続され、チューニングスタブ６３５とチューニングスタブ６５０は、異なる接続位置を有する。本実施形態では、給電素子１３０、チューニングスタブ６３５とチューニングスタブ６５０は、全て実質的に直線状に形成され、孔１２５は円形に形成され、チューニングスタブ６３５とチューニングスタブ６５０は、孔１２５の外周（外周の接線）に対して垂直になるよう配置されている。チューニングスタブ６３５とチューニングスタブ６５０間の角度θ１は、４５度より小さい。給電素子１３０と、チューニングスタブ６３５又はチューニングスタブ６５０のいずれか１つ（より近いチューニングスタブ６３５）との間の角度θ２は、９０度より小さい。他の実施形態では、給電素子１３０は、Ｔ字型、または先細り形状に形成されてもよい。注意するのは、キャビティ構造１７０は、いくつかの実施形態では、アンテナ素子６１０から除去されてもよいことである。

本実施形態では、アンテナ素子６１０の素子のサイズは、以下の通りである。接地面１２０の孔１２５は、１.３ｍｍに等しい半径の円形に形成され、各チューニングスタブ６３５および６５０は、直線状で長さが０.７５ｍｍ、幅が０.１ｍｍであり、キャビティ構造１７０は、高さが０.６ｍｍである。注意するのは、素子の全てのサイズは、望ましい周波数帯域をカバーするように調整されることができることである。

図７は、本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナ６００の軸比（ＡＲ）を示す図である。垂直軸は軸比（単位：ｄＢ）を表し、水平軸は動作周波数（単位：ＧＨｚ）を表す。図７には、点線と実線がある。実線は、２つのチューニングスタブを有する円偏波アンテナ６００に対応し、点線は、単一のスタブを有する円偏波アンテナ１００に対応する。単一のスタブに比べ、２つのスタブは、円偏波アンテナ６００により広域の周波数帯域を持たせる。給電素子１３０、チューニングスタブ６３５とチューニングスタブ６５０、および孔１２５の周囲の接地面１２０の一部は、励起されて周波数帯域ＦＢ２を形成する。本実施形態では、周波数帯域ＦＢ２は、およそ５８ＧＨｚ〜７１ＧＨｚであり、円偏波アンテナ６００の軸比は、周波数帯域ＦＢ２内で５ｄＢより小さい。注意するのは、周波数帯域ＦＢ２は、異なる素子のサイズに応じて調整されることができることである。

図８Ａは、本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナ８１０を示す斜視図である。円偏波アンテナ８１０は、２つのアンテナ素子６１０と６２０を含む。アンテナ素子６２０は、アンテナ素子６１０と同一である。アンテナ素子６１０とアンテナ素子６２０は、順次回転アレイを形成するように配置される。言い換えると、アンテナ素子６１０とアンテナ素子６２０は、異なる入力信号の位相を有する。図８Ａに示されるように、アンテナ素子６１０の給電素子は、信号経路ＰＡ１によって信号源１９０に電気的に接続され、アンテナ素子６２０の給電素子は、信号経路ＰＡ２によって信号源１９０に電気的に接続される。信号経路ＰＡ２は、信号経路ＰＡ１より長いことから、アンテナ素子６２０の入力信号は、アンテナ素子６１０の入力信号よりも所定の角度（９０度でもよい）、遅延する。順次回転アレイは、円偏波アンテナの周波数帯域およびアンテナ利得を改善することができる。

図８Ｂは、本発明の他の実施形態に基づく円偏波アンテナ８２０を示す立体図である。円偏波アンテナ８２０は、４つのアンテナ素子６１０、６２０、６３０、および６４０を含む。アンテナ素子６２０、６３０、および６４０は、アンテナ素子６１０と同一である。アンテナ素子６１０、６２０、６３０、および６４０は、順次回転アレイを形成するように配置される。図８Ｂに示されるように、アンテナ素子６１０、６２０、６３０、および６４０の４つの給電素子は、４つの信号経路ＰＡ１、ＰＡ２、ＰＡ３、およびＰＡ４によって信号源１９０にそれぞれ電気的接続される。１つの実施形態では、アンテナ素子６１０、６２０、６３０、および６４０は、０、９０、１８０、および２７０度に等しい入力信号位相をそれぞれ有する。順次回転アレイは、円偏波アンテナの周波数帯域およびアンテナ利得を改善することができる。

同様に、図１Ａ、１Ｂ、および１Ｃに示されるように円偏波アンテナ１００は、より多くの同一のアンテナ素子を有して順次回転アレイを形成することができる。

図９は、本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナ９００を示す立体図である。図９に示されるように、円偏波アンテナ９００は、順次回転アレイを形成するように配置される４つのアンテナ素子９１０、９２０、９３０、および９４０を含む。１つの実施形態では、アンテナ素子９１０、９２０、９３０、および９４０は、０、９０、１８０、および２７０度に等しい入力信号位相をそれぞれ有する。各アンテナ素子９１０、９２０、９３０、および９４０は、図３Ａおよび３Ｂに示されるように２つのチューニングスタブとキャビティ構造３７０を含む。また、それらのそれぞれは、先細り形状を有する給電素子を有する。

図１０は、本発明の実施形態に基づく円偏波アンテナ９００の軸比（ＡＲ）を示す図である。垂直軸は軸比（単位：ｄＢ）を表し、水平軸は動作周波数（単位：ＧＨｚ）を表す。４つのアンテナ素子を有する円偏波アンテナ９００は、励起されてアレイ（ａｒｒａｙ）周波数帯域ＦＢ３を形成する。本実施形態では、アレイ周波数帯域ＦＢ３は、およそ５５ＧＨｚ〜７０ＧＨｚであり、円偏波アンテナ９００の軸比は、周波数帯域ＦＢ３内で５ｄＢより小さい。注意するのは、アレイ周波数帯域ＦＢ３は、異なる素子のサイズに応じて調整されることができることである。

本発明の接地面は、異なる形状の孔を有し、１つ以上のチューニングスタブを有する。これらは以下のように説明される。

図１１Ａは、本発明の実施形態に基づく接地面１１１０を示す図である。図１１Ａに示されるように、接地面１１１０は、円形の孔を有する。接地面１１１０の孔の縁辺に電気的に接続される３つのチューニングスタブがある。

図１１Ｂは、本発明の実施形態に基づく接地面１１２０を示す図である。図１１Ｂに示されるように、接地面１１２０は、長方形の孔を有する。接地面１１２０の孔の縁辺に電気的に接続される２つのチューニングスタブがある。

図１１Ｃは、本発明の実施形態に基づく接地面１１３０を示す図である。図１１Ｃに示されるように、接地面１１３０は、長方形の孔を有する。接地面１１３０の孔の縁辺に電気的に接続される３つのチューニングスタブがある。

図１１Ｄは、本発明の実施形態に基づく接地面１１４０を示す図である。図１１Ｄに示されるように、接地面１１４０は、長方形の孔を有する。接地面１１４０の孔の縁辺に電気的に接続される２つのチューニングスタブがある。注意することは、接地面１１４０の孔は、図１１Ｂと比較し、角度によって回転されることである。

図１１Ｅは、本発明の実施形態に基づく接地面１１５０を示す図である。図１１Ｅに示されるように、接地面１１５０は、正八角形の孔を有する。接地面１１５０の孔の縁辺に電気的に接続される２つのチューニングスタブがある。

図１１Ｆは、本発明の実施形態に基づく接地面１１６０を示す図である。図１１Ｆに示されるように、接地面１１６０は、楕円形の孔を有する。接地面１１６０の孔の縁辺に電気的に接続される２つのチューニングスタブがある。

図１１Ｇは、本発明の実施形態に基づく接地面１１７０を示す図である。図１１Ｇに示されるように、接地面１１７０は、長方形の孔を有する。接地面１１７０の孔の縁辺に電気的に接続される２つのチューニングスタブがある。注意することは、接地面１１７０の孔は、図１１Ｆと比較し、角度によって回転されることである。

本発明の円偏波アンテナは、高いアンテナ利得および広域の周波数帯域を提供する。それらは、高速通信用の各種のモバイルデバイスに用いられることができる。

明細書における「第１の」、「第２の」、「第３の」等の序数詞の使用は、それ自体が優先度、序列、又は順序を示唆するものではなく、むしろ、単に２つ以上の特徴、要素、項目等を区別するための識別表示として使用している。クレーム要素を変えるための、請求項における「第１の」、「第２の」、「第３の」等の序数詞の使用は、それ自体が、１つのクレーム要素を他のクレーム要素と比較して優先度、序列、又は順序、もしくは方法を実施する行為の時間的順序を示唆するものではなく、むしろ、単にクレーム要素を区別するために、特定の名前を有する１つのクレーム要素を同じ名前を有する他の要素から区別するための識別表示として（だが、序数詞を）使用している。

この発明は、実施例の方法及び望ましい実施の形態によって記述されているが、本発明は、これらを限定するものではないことは理解される。逆に、設計上の種々の変更及び同様の配置をカバーするものである（当業者には明白なように）。よって、添付の請求の範囲は、最も広義な解釈が与えられ、全てのこのような変更及び同様の配置を含むべきである。

１００、６００、８１０、８２０、９００…円偏波アンテナ
１１０…基板
１２０、１１０、１１２０、１１３０、１１４０、１１５０、１１６０、１１７０…接地面
１２５…孔
１３０…給電素子
１４０、６３５、６５０…チューニングスタブ
１７０、２７０、３７０、４７０…キャビティ構造
１７２…点線
１９０…信号源
２７５…媒体
３７２、４１０…キャビティ基板
３７４、４２０…キャビティ接地面
３７６、４５０…ビア
６１０、６２０、６３０、６４０、９１０、９２０、９３０、９４０…アンテナ素子

Claims (19)

1. 第１面および第２面を有する基板、
   前記第１面上に配置された給電素子、
   前記第２面上に配置され、孔を有する接地面、
   前記第２面上に配置され、前記孔の縁辺に接続された第１チューニングスタブ、および
   前記第２面上に配置され、前記孔の縁辺に接続された第２チューニングスタブを有する第１アンテナ素子、を備え、
   前記第１チューニングスタブと前記第２チューニングスタブとの間の第１角度は、４５度より小さい円偏波アンテナ。
2. 前記第１アンテナ素子は、
   前記接地面に接続され、電磁波を反射するように構成されたキャビティ構造を更に有する請求項１に記載の円偏波アンテナ。
3. 前記キャビティ構造は、前記孔をカバーするように構成された中空金属シェルである請求項２に記載の円偏波アンテナ。
4. 前記キャビティ構造は、
   キャビティ基板、
   前記キャビティ基板の表面上に配置されたキャビティ接地面、および
   キャビティ基板を通過して形成され、前記孔を実質的に囲み、前記接地面と前記キャビティ接地面との間に接続された複数のビアを備える請求項２に記載の円偏波アンテナ。
5. 前記複数のビアは、所定の距離の間隔で配置される請求項４に記載の円偏波アンテナ。
6. 前記所定の距離は、０.６ｍｍより小さい請求項５に記載の円偏波アンテナ。
7. 前記給電素子、前記第１チューニングスタブ、第２チューニングスタブ、および前記接地面の一部は、励起されて周波数帯域を形成する請求項１、２、３、４、５および６のいずれか１つに記載の円偏波アンテナ。
8. 前記周波数帯域は、およそ５８ＧＨｚ〜７１ＧＨｚである請求項７に記載の円偏波アンテナ。
9. 前記円偏波アンテナの軸比は、前記周波数帯域内で５ｄＢより小さい請求項７に記載の円偏波アンテナ。
10. 前記第１アンテナ素子と同一である第２アンテナ素子を更に備える請求項１、２、３、４、５、および６のいずれか１つに記載の円偏波アンテナ。
11. 前記第１アンテナ素子および第２アンテナ素子は、順次回転アレイを形成するように配置される請求項１０に記載の円偏波アンテナ。
12. 前記第１アンテナ素子と同一の第３アンテナ素子、および
    前記第１アンテナ素子と同一の第４アンテナ素子を更に備える請求項１０に記載の円偏波アンテナ。
13. 前記第１アンテナ素子、前記第２アンテナ素子、前記第３アンテナ素子、および第４アンテナ素子は、順次回転アレイを形成するように配置される請求項１２に記載の円偏波アンテナ。
14. 前記順次回転アレイは励起されて、およそ５５ＧＨｚ〜７０ＧＨｚのアレイ周波数帯域を形成する請求項１３に記載の円偏波アンテナ。
15. 円偏波アンテナの軸比は、前記アレイ周波数帯域内で５ｄＢより小さい請求項１４に記載の円偏波アンテナ。
16. 前記給電素子と、前記第１チューニングスタブと前記第２チューニングスタブのいずれか１つとの間の第２角度は、９０度より小さい請求項１〜１５のいずれか１項に記載の円偏波アンテナ。
17. 前記孔は、円形に形成されている請求項１〜１６のいずれか１項に記載の円偏波アンテナ。
18. 前記給電素子は、実質的に直線状である請求項１〜１６のいずれか１項にのいずれか１つに記載の円偏波アンテナ。
19. 前記第１チューニングスタブと前記第２チューニングスタブは、実質的に直線状である請求項１〜１８のいずれか１項に記載の円偏波アンテナ。

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