JP7079290B2 - 超広帯域アンテナ及び通信端末 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は出願番号が２０２０１０２４６２８８６であり、出願日が２０２０年３月３１日である中国特許に基づいて提案され、該中国特許出願の優先権を主張し、該中国特許の全ての内容がここで参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、アンテナ技術分野に関し、特に超広帯域アンテナ及び通信端末に関する。

超広帯域（ＵＷＢ：Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）技術は、無線搬送波通信技術であり、正弦搬送波を使用せず、ナノ秒レベルの非正弦波の狭いパルスを使用してデータを伝送するため、それに占有されたスペクトル範囲が広い。ＵＷＢ技術は、周波数帯域が広く、伝送レートが低く、電力が低く、セキュリティが高く、システム複雑さが低いなどの特徴を有し、無線通信装置で重要な役割を果たす。

アンテナは超広帯域システムの主な構成部分であり、アパーチャアンテナは、設計が簡単であり、環境影響及びそれ自体間の相互影響が少なく、周波数帯域が広いなどの利点があり、人々に好まれる。ここで、ホーンアンテナはアパーチャアンテナの一種である。図１は関連技術におけるホーンアンテナの構造概略図である。図１に示すように、ホーンアンテナ１００は、ウェーブガイドセグメント１１０とホーン部１２０によって連通されるラジエータと、ウェーブガイドセグメント１１０内に位置する給電プローブ１３０及び給電プローブ１３０の端部に設けられた金属ボール１４０から構成された給電機構と、を備える。ここで、給電機構はウェーブガイドセグメント１１０の底部に位置する。ホーンアンテナは、環境要因による影響が大きく、帯域幅が狭いという問題を克服するが、無線通信システム（例えばスマートＴＶ、携帯電話）の発展に伴い、ＵＷＢアンテナに対する小型化、マイクロ化などの要件が高くなる。

しかしながら、どのように口径アンテナを機器全体などの一体型通信端末に応用するかは、解決しようとする技術的難題となる。

関連技術における問題を克服するために、本開示は、超広帯域アンテナ、無線通信端末を提供する。

本開示の実施形態の第一の態様による超広帯域アンテナは、互いに対向している開口端面を含むウェーブガイドキャビティを含むラジエータと、その中の１つの開口端面に設けられた給電端と、を備える。

一実施形態では、給電端は前記開口端面の中心軸からオフセットされている。

一実施形態では、給電端から開口端面の中心軸までの長さが予め設定された長さである。

一つの実施形態では、ウェーブガイドキャビティの断面が巨形であり、ウェーブガイドキャビティは互いに対向している第一のペアの内側壁、及び互いに対向している第二のペアの内側壁で形成され、第一のペアの内側壁の長さが前記第二のペアの内側壁の長さよりも大きい。

一実施形態では、給電端は第一のペアの内側壁が位置する開口端面に設けられる。

一実施形態では、第一のペアの内側壁は第一の上側壁と第一の下側壁を含み、給電端は前記第一の下側壁が位置する開口端面に設けられ、アンテナは、さらに第一の上側壁が位置する開口端面に設けられる接地端を備える。

本開示の実施形態の第二の態様による無線通信端末は、送受信ユニットと、上記第一の態様及び上記実施形態に記載されるアンテナと、を備え、前記アンテナの給電端が無線周波数送受信ユニットに電気的に接続される。

一実施形態では、前記端末はさらにアンテナのウェーブガイドキャビティが形成される金属部材を備える。

一実施形態では、前記金属部材は金属シェル又は金属フレームを含む。

一実施形態では、前記端末は複数の前記アンテナを備える。

本開示の実施形態が提供する技術的解決策は以下の有益な効果を含むことができる。

関連技術において従来のホーンアンテナがそれ自体のサイズが大きく、構造が複雑であり、加工しにくいため、一体型通信端末への応用が困難であるという技術的課題が克服される。

開口端面給電方式により、帯域幅を効果的に増大することができる。かつアンテナ自体に対する機器全体の他の金属部材の干渉が排除され、性能が影響を受けない。

以上の一般的な説明及び以下の詳細な説明は例示的及び解釈的なものだけであり、本開示を制限できないと理解すべきである。

関連技術におけるホーンアンテナの構造概略図である。 本開示の一つの例示的実施形態による超広帯域アンテナの全体構造概略図である。 図２における超広帯域アンテナ構造の正面図である。 図２における超広帯域アンテナ構造の上面図である。 本開示の一つの例示的実施形態による無線通信端末の構造概略図である。 本開示の一つの例示的実施形態による単一のアンテナ構造のリターンロスグラフである。 本開示の一つの例示的実施形態による複数のアンテナ構造のリターンロスグラフである。 本開示の一つの例示的実施形態による複数のアンテナ構造間の隔離度グラフである。 本開示の一つの例示的実施形態によるアンテナ構造の放射効率のシミュレーション結果の概略図である

ここでの添付図面は明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成し、本開示に一致する実施形態を示し、且つ明細書と共に本開示の原理を解釈することに用いられる。

ここで例示的実施形態を詳しく説明し、その例が図面に示される。以下の説明が図面に関する時に、特に明記しない限り、異なる図面における同じ数字は同じ又は類似の要素を表す。以下の例示的実施形態に記載される実施方式は本開示に一致する全ての実施方式を表すものではない。逆に、それらは添付の特許請求の範囲に詳細に記載された、本開示のいくつかの態様に一致する装置および方法の一例に過ぎない。

関連技術において、超広帯域アンテナ（以下にＵＷＢアンテナとも呼ばれる）の主なタイプは、ヘリカルアンテナ、コーンスパイラルアンテナ、対数周期アンテナ、ピラミッドアンテナ、球形アンテナ、反射アンテナ、ホーンアンテナ、フィッシュボーンアンテナなどである。

ＵＷＢアンテナは、動作原理に従ってラインエレメントアンテナ、進行波アンテナ、アレイアンテナ、アパーチャアンテナの４つのタイプに大別されてもよい。ここで、ラインエレメントアンテナ、進行波アンテナ（例えば平面ヘリカルアンテナ）及びアレイアンテナは、いずれも設計が複雑であり、加工精度要件が高く、デバッグ及びメンテナンスが困難であり、環境要因による影響が大きく、アンテナ同士が互いに干渉し、帯域幅が狭いなどの欠点があるため、機器全体（スマートＴＶ、携帯電話など）の一体型装置への応用に適合しない。ここで、他のアンテナと比較して、アパーチャアンテナは、設計が簡単であり、環境影響及びアンテナ間の影響が小さく、周波数帯域が広いなどの利点があるため、機器全体である一体型装置への応用が熱望されている。

図１に示すように、ホーンアンテナ１００は、アパーチャアンテナの一種として、環境要因による影響が大きく、帯域幅が狭いという問題を克服するが、ホーンアンテナ１００は一体型装置（例えば無線通信端末）への応用中に次の難題がある。

１、ホーン部の加工難度が大きい。

２、給電機構がプローブと金属球構造であり、かつウェーブガイドセグメントの底部に位置するため、デバッグ及びメンテナンスが不便である。

３、バッチ加工を行う時に、給電機構に接続されたフランジの位置がわずかにオフセットされ、つまり、フランジ上のネジの締め具合がアンテナの加工精度に影響するため、アンテナの性能が影響を受け、かつ加工の一貫性が悪い。

４、給電プローブの高さ（長さ）が動作周波数の少なくとも１／４の波長を満たすべきである。例えば、低周波帯が６～９ＧＨｚである場合、ウェーブガイドセグメントの高さが少なくとも１５ｍｍ以上であり、かつ給電プローブからウェーブガイドセグメントの後端面までの距離も少なくとも１２ｍｍ以上である。したがって、高さ又は長さを問わず、サイズが大きいため、スマートテレビ、スマートフォンなどの機器全体のサイズが限られた統合通信端末への応用は非常に難しい。

これに鑑みて、本開示は、関連技術において従来のホーンアンテナがそれ自体のサイズが大きく、構造が複雑であり、加工しにくいため、一体型通信端末への応用が困難であるという技術的課題を克服する超広帯域アンテナを提供する。

図２は本開示の一つの例示的実施形態によるＵＷＢアンテナの全体構造概略図である。図３は図２におけるＵＷＢアンテナ構造の正面図である。図４は図２におけるＵＷＢアンテナ構造の上面図である。図２－図４に示すように、本開示によるＵＷＢアンテナ２００はラジエータ２１０と給電端２３０を備える。

ラジエータ２１０は矩形の平行六面体構造である。ラジエータ２１０は金属ラジエータである。ラジエータ２１０は、互いに対向している第一のペアの側面（左、右）２１１、２１１^’、互いに対向している第二のペアの側面（上、下）２１２、２１２^’、及び互いに対向している１ペアの端面（前、後）２１３、２１３^’を含む。

ラジエータ２１０は、互いに対向している開口端面２１３、２１３^’を含むウェーブガイドキャビティ２２０を含む。ここで、ウェーブガイドキャビティ２２０の開口端面２１３、２１３^’はそれぞれラジエータ２１０の１ペアの端面（前、後）２１３、２１３^’と同一の面に位置する。そのため、ウェーブガイドキャビティ２２０については、ラジエータ２１０の内部に透明なウェーブガイドキャビティ２２０が形成される。

ウェーブガイドキャビティ２２０は、矩形の平行六面体構造であり、断面が矩形である。ウェーブガイドキャビティ２２０は、互いに対向している第一のペアの内側壁（上、下）２２２、２２２^’と互いに対向している第二のペアの内側壁（左、右）２２１、２２１^’を含む。ここで、第一のペアの内側壁（上、下）２２２、２２２^’と第二のペアの内側壁（左、右）２２１、２２１^’はウェーブガイドキャビティ２２０を共同で形成する。

給電端２３０は、ウェーブガイドキャビティ２２０の１つの開口端面２１３又は２１３^’に設けられ、無線通信信号の受信に用いられる。例えば、給電端２３０は、第一のペアの内側壁（上、下）２２２、２２２^’の端面に設けられる。図には給電端２３０がウェーブガイドキャビティ２２０の後端の第一のペアの内側壁２２２、２２２^’の端面に設けられることが示される。

一実施形態では、第一のペアの内側壁２２、２２２^’は第一の上側壁と第一の下側壁を含み、給電端２３０は第一の下側壁が位置する開口端面に設けられる。アンテナは、さらに第一の上側壁が位置する開口端面に設けられた接地端を備える。

実施する際に、給電端２３０は、接続部材（図示せず）を介して無線通信端末の無線周波数送受信ユニット（図示せず）に電気的に接続されてもよい。接続部材は同軸ケーブルであってもよい。同軸ケーブルの中心導体は、ウェーブガイドキャビティ２２０の第一のペアの内側壁２２２^’の端面に溶接され、同軸ケーブルの外部導体（編組メッシュ）は、ウェーブガイドキャビティ２２０の第一のペアの内側壁２２２の端面に溶接される。

一実施形態では、給電端２３０は、ウェーブガイドキャビティ２２０の開口端面の中心軸からオフセットされる。ウェーブガイドキャビティの開口端面の中心軸（即ち中央給電）に信号のエネルギー損失が極めて非常に大きい。本実施形態では、バイアス給電方式により、信号のエネルギー損失を効果的に低減し、帯域幅をさらに増大することができる。

ホーンアンテナと比較して、本開示の超広帯域（ＵＷＢ）アンテナは、ホーン口が除去され、加工難度が下がり、ウェーブガイドキャビティが対向する開口端面を有し、即ちウェーブガイドキャビティの両端が透明であり、関連技術における、一端に開口を通して給電するホーンアンテナと比較して、開口端面給電方式により、アンテナの共振周波数を下げ、それによって有効帯域幅を増大することができる。また、端面給電方式により、ウェーブガイドキャビティの高さを（ホーンアンテナのウェーブガイドセグメントの高さの１／７に）大幅に低減させることができるため、アンテナは、全体のサイズが小さく、構造がコンパクトであり、様々な無線通信端末に適用できる。

本開示はさらに無線通信端末を提供する。該無線通信端末は、携帯電話、ノートブックコンピュータ、タブレットコンピュータ、スマートテレビ、又はアンテナト送受信機を搭載できるいかなる電子装置であってもよい。本開示の実施形態では、無線通信端末がスマートテレビであることを例に挙げて説明するが、本開示はこれに限定されない。

図５は本開示の一つの例示的実施形態による無線通信端末の構造概略図である。

図５に示すように、本開示の無線通信端末３００は、無線周波数送受信ユニット（図示せず）と、上記の任意の実施形態に記載されるＵＷＢアンテナと、を備える。ＵＷＢアンテナの給電端２３０は無線周波数送受信ユニットに電気的に接続される。

例えば、給電端２３０は、接続部材を介して無線周波数送受信ユニットに電気的に接続されてもよい。接続部材は同軸ケーブルであってもよい。本実施形態では、外径１．１３ｍｍのＩＰＸ同軸ケーブルを使用してアンテナに給電する。ＰＸ同軸ケーブルは、同じ軸線の高次モードを効果的に抑制することができる。実施する時に、同軸ケーブルの中心導体は、ウェーブガイドキャビティの給電端、即ちウェーブガイドキャビティの下側壁に溶接され、同軸ケーブルの外部導体（編組メッシュ）は、ウェーブキャビティの上側壁に溶接される。溶接接続に加えて、接続位置の導電性さえ確保すれば、圧着などの他の適切な接続方法も使用されてもよい。アンテナとメインボード上の無線周波数送受信ユニット間の接続を保証するために、ＩＰＸ同軸ケーブルについて３０ｍｍ～４０ｍｍなどの適切な長さを使用する必要がある。

本実施形態では、関連技術におけるホーンアンテナ１００と比較して、ＵＷＢアンテナ２００は、ホーンアンテナの有効帯域幅が予約され、環境要因による影響が小さいなどの利点に基づき、端面給電方式により、ラジエータ２１０のウェーブガイドキャビティ２２０の高さを大幅に低減でき、そのため、無線通信端末３００での実際応用を満たすように、ラジエータ２１０の全体サイズをより小さくすることができ、アパーチャアンテナを通信端末装置に応用することを熱望するという技術的難題を克服し、それによって通信端末でのアパーチャアンテナの応用が可能になる。また、本実施形態では、ＵＷＢアンテナは、アンテナ全体に対する機器全体の金属の干渉を排除する。

いくつかの実施形態では、無線通信端末３００はさらにアンテナ２００のウェーブガイドキャビティ２２０が形成される金属部材を備える。金属部材は、スマートＴＶの金属フレーム３２０であってもよいし、表示画面の金属パネルであってもよい。本実施形態は、金属部材が金属フレーム３２０であることを例に挙げて説明する。

無線通信端末３００は、サイズが１３２．９ｍｍ×７４．８ｍｍ×３０ｍｍであってもよく、本体及び表示画面３１０を備える。本体はキャビティを有するバックシェル（図示せず）と金属フレーム３２０を含む。金属フレーム３２０は表示画面３１０の接地端に電気的に接続されて接地する。金属フレーム３２０の前後方向の長さが１０ｍｍ～２０ｍｍであってもよい。厚さが３ｍｍ以上であってもよい。金属フレーム３２０はアルミニウムによって導電的に酸化されてもよいし、亜鉛メッキされた真鍮又は他の適切な材料及びプロセスを採用してもよい。

実施する時に、図５に示すように、スマートＴＶの金属フレーム３２０がベースとして使用されてもよい。厚さ３ｍｍの金属フレーム３２０に幅２５ｍｍ×高さ２ｍｍの溝が開設され、且つ前後に貫通し、そのため、ラジエータとしての上記ウェーブガイドキャビティ２２０が形成されてもよい。ここで、ウェーブガイドキャビティ２２０の下側壁の厚さが１ｍｍ～３ｍｍであってもよい。本実施形態では、ウェーブガイドキャビティ２２０の各側壁の厚さがサイズの制限を受けない。金属フレームの厚さは、スマートＴＶの型番及びサイズに応じて異なってもよく、ウェーブガイドキャビティ２２０の各側壁の厚さは、金属フレームの厚さに従って変化する。キャビティ２２０の断面サイズ２５ｍｍ×２ｍｍさえ満せばいい。

ウェーブガイドキャビティ２２０の開口端面の、中心軸からオフセットされた位置に給電端があり、給電端は、同軸伝送線の信号の正端子に接続されて無線周波数送受信ユニットと結合し、アンテナ信号を送受信することに用いられる。ウェーブガイドキャビティ２２０の開口端面の、給電端と略平行な位置に接地端が設けられ、接地端は、同軸伝送線路の負端子に接続されて無線信号発生器の信号の負端子及びシステム接地面と結合することに用いられる。

いくつかの実施形態では、スマートＴＶの他の金属部品例えば金属シェルは、ベースとして使用されてもよい。金属シェルには幅２５ｍｍ×高さ２ｍｍの溝が開設され、且つ前後に貫通し、そのため、ラジエータとしての上記ウェーブガイドキャビティ２２０が形成されてもよい。

一実施形態では、端末３００は、複数のアンテナ２００を備える。例えば、複数のアンテナは、別々の独立したアンテナであってもよいし、端末３００上の金属部材はベースとして使用されてもよい。金属部材には複数のウェーブガイドキャビティ２２０が設けられる。複数のウェーブガイドキャビティ２２０の間の相互の影響を考慮する必要がない。複数のウェーブガイドキャビティ２２０の間の距離が需要に応じて設定されてもよい。金属部材上の各アンテナは同じアンテナであってもよく、又は異なるアンテナであってもよい。本実施形態では、電子装置には３グループの同じアンテナが設けられ、その中、１グループが主なアンテナであり、別の２つのグループが補助アンテナである。

図６は本開示の一つの例示的実施形態による単一のアンテナ構造のリターンロスグラフである。図６に示すように、一般的には、６－９Ｈｚの広帯域アンテナの場合、リターンロスＳ１１は－６ｄＢだけでいい。本実施形態のアンテナのリターンロスは－８ｄＢであり、広帯域アンテナの要件を完全に満たす。

図７は本開示の一つの例示的実施形態による複数のアンテナ構造のリターンロスグラフである。図８は本開示の一つの例示的実施形態による複数のアンテナ構造間の隔離度グラフである。図７と図８に示すように、複数のアンテナ構造（図で３つ示される）間の隔離度はいずれも２０ｄＢ以上であり、設計要件を満たしている。３つのアンテナ構造が相互の隔離度を満たしている前提で、それぞれのリターンロスＳ１１、Ｓ２２、Ｓ３３も設計要件を満たしている。

図９は本開示の一つの例示的実施形態によるアンテナ構造の放射効率のシミュレーション結果の概略図である。図９に示すように、アンテナ構造の放射効率が１（１００％）よりもわずかに大きいと、本実施形態におけるアンテナ構造の放射効率が確かに高いことを示している。

当業者は明細書を考慮及びここで開示された発明を実践した後、本開示の他の実施手段を容易に想到する。本開示は本開示のいかなる変形、用途又は適応変更を含むことを意図しており、これらの変形、用途又は適応変更が本開示の一般的な原理に従い且つ本開示に開示されていない本技術分野における公知常識又は一般的な技術的手段を含む。本明細書および実施形態は単なる例示として見なされるが、本開示の真の範囲と精神は以下の特許請求の範囲によって示される。

理解すべきものとして、本開示は以上に説明され且つ添付図面に示された正確な構造に限定されず、且つその範囲から逸脱することなく様々な修正及び変更を行うことができる。本開示の範囲は添付の特許請求の範囲のみによって限定される。当業者は明細書を考慮およびここで開示された発明を実践した後、本開示の他の実施手段を容易に想到する。本開示は本開示のいかなる変形、用途又は適応変更を含むことを意図しており、これらの変形、用途又は適応変更が本開示の一般的な原理に従い且つ本開示に開示されていない本技術分野における公知常識又は一般的な技術的手段を含む。本明細書および実施形態は単なる例示として見なされるが、本開示の真の範囲と精神は以下の特許請求の範囲によって示される。

理解すべきものとして、本開示は以上に説明され且つ添付図面に示された正確な構造に限定されず、且つその範囲から逸脱することなく様々な修正及び変更を行うことができる。本開示の範囲は添付の特許請求の範囲のみによって限定される。

Claims (10)

1. 超広帯域（ＵＷＢ）アンテナであって、
   互いに対向している開口端面を含むウェーブガイドキャビティを含むラジエータと、
   その中の１つの前記開口端面に設けられ、無線通信信号の受信に用いられる給電端と、を備え、
   前記ウェーブガイドキャビティの前記開口端面は前記ラジエータの１ペアの端面と面一である、前記超広帯域（ＵＷＢ）アンテナ。
2. 前記給電端は前記開口端面の中心軸からオフセットされていることを特徴とする
   請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記給電端から前記開口端面の前記中心軸までの長さが予め設定された長さであることを特徴とする
   請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記ウェーブガイドキャビティの断面が矩形であり、
   前記ウェーブガイドキャビティは互いに対向している第一のペアの内側壁、及び互いに対向している第二のペアの内側壁で形成され、
   前記第一のペアの内側壁の長さが前記第二のペアの内側壁の長さよりも大きいことを特徴とする
   請求項１に記載のアンテナ。
5. 前記給電端は前記第一のペアの内側壁が位置する開口端面に設けられることを特徴とする
   請求項４に記載のアンテナ。
6. 前記第一のペアの内側壁は第一の上側壁と第一の下側壁を含み、
   前記給電端は前記第一の下側壁が位置する開口端面に設けられ、
   前記アンテナは、さらに前記第一の上側壁が位置する開口端面に設けられた接地端を備えることを特徴とする
   請求項５に記載のアンテナ。
7. 無線通信端末であって、
   無線周波数送受信ユニットと、
   請求項１～６のいずれかの一項に記載のアンテナと、を備え、
   前記アンテナの給電端は前記無線周波数送受信ユニットに電気的に接続される、前記無線通信端末。
8. 前記端末はさらに、
   前記アンテナのウェーブガイドキャビティが形成される金属部材を備えることを特徴とする
   請求項７に記載の端末。
9. 前記金属部材は金属シェル及び／又は金属フレームを含むことを特徴とする
   請求項８に記載の端末。
10. 前記端末は複数の前記アンテナを備えることを特徴とする 請求項７～９のいずれか一項に記載の端末。
    

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