JP2009505559A - 超広帯域適用例のための小型アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】寸法的に小さな携帯式デバイスでの使用を可能にする超広帯域アンテナを提供する。表面コンディションにほとんど依存することのないアンテナを提供する。
【解決手段】アンテナ１００が信号を伝送しかつ受信する電波発射要素１０４を有する。電波発射要素１０４は第１部分１１０，第２部分１１２，ノッチ１１４を有する。ノッチ１１４は電波発射要素の外周部分から電波発射要素の内部へと延伸し、電波発射要素を第１部分１１０と第２部分１１２とに分離する。電波発射要素１０４はまた第１部分と第２部分とを構造的に連結する相互連結部分１０８を有する。相互連結部分は電波発射要素の外周部分から末端に位置する。アンテナ１００はさらにアンテナの動作周波数レンジを修正するために電波発射要素の第１部分から延伸する第１アーム１１６を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は一般的にアンテナに関する。特に、超広帯域適用例のための小型で平坦なアンテナに係るものである。。

ワイヤレス通信システムにおいて、超広帯域（ultra-wideband：ＵＷＢ）テクノロジーの使用は、その人気が増大しつつある。ＵＷＢテクノロジーを採用する無線システムは非常に広い動作バンド幅を有する。これは、従来の狭帯域（narrow-band ）無線システムよりもはるかに広い動作周波数レンジが、ＵＷＢ無線システムでは有利に入手可能になることを意味している。ＵＷＢ無線システムのこの区別力ある特徴は、米国連邦通信委員会（ＦＣＣ）に対し、３．１〜１０．６ＧＨｚの間で、有効な（effective ）等方性（isotropic ）電波発射（radiated）パワー（ＥＩＲＰ）が４１．３ｄＢｍ／ＭＨｚを超えない範囲でのＵＷＢ無線システムの動作周波数範囲を法制化するように促している。この法制化は、ＵＷＢ無線システムの周波数スペクトルの一部を占有する従来の狭帯域無線システムに対する干渉を避けるために、ＵＷＢ無線システムの発射パワーレベルと信号スペクトルを限定しようとするものである。

ＵＷＢ無線システムのためのアンテナは、多くの追加的要求を満たすように設計されなければならない。第１に、アンテナは、ブロードバンドの能力を達成しかつ高い電波発射効率（radiation efficiency）を獲得することが可能なように、広くて良好にマッチするバンド幅を有する必要がある。第２に、アンテナは、アンテナを通じて伝送される信号のゆがみ（distortion）を最小限にするために、リニアなフェーズ応答（phase response）を有する必要がある。第３に、アンテナは、所望の方向において、信号を最大のパワーで発射できる必要がある。

回路の集積度と機能における進歩により、最近のワイヤレス通信デバイス、例えばポータブルＵＷＢのＤＶＤプレーヤやセンサーなどは、寸法的に小さくなってきている。その結果、アンテナの寸法は、ＵＷＢ無線システムの全体的寸法に比べて相対的に大きなものとなっている。従って、ＵＷＢ無線システムのための前述した要求に合致させるために、ＵＷＢアンテナを設計するための第４の要求として、他の３つの要求を満足させながら、アンテナの寸法を減少させることが必要となる。

ＵＷＢ無線システムのためのアンテナの各種デザインを通じて、４つの必要とされる点を満足させるために、これまで多くの試みがなされてきた。より注目すべき例として、横断的（transverse）電磁的（electromagnetic ）モード（ＴＥＭ）のホーン（horn）や自己補足的アンテナ、例えばスパイラルアンテナなどがある。両方のタイプのアンテナとも非常に広くて良好にマッチするバンド幅を特徴とする。しかしながら、両方のタイプのアンテナによって生成される信号は、ゆがめられたり、それら個別のフェーズ中心が周波数に依存して変化することに起因する分散（dispersion）に苦しむことになる。

二重円錐形及び円板円錐形のアンテナは、ゆがみが小さく、広くて良好にマッチするバンド幅を達成するための比較的安定したフェーズ中心を有する。これは、両方のアンテナの伝送端部で発生する電波発射パルスの反射を削減するのに、抵抗性（resistive ）のローディングが用いられるからである。しかしながら、両方のアンテナはサイズがかさばるものであり、ポータブルな（携帯式の）ＵＷＢデバイスには不向きなものである。

他の試みとして、アンテナをプリント回路基板（ＰＣＢｓ）上に形成することにより、ＵＷＢアンテナの寸法を縮小する試みがなされた。しかしながら、これらの試みでは、動作させるために大きな基礎表面を必要とするアンテナを作ることになった。大きな基礎表面の使用は、アンテナを動作させる際における表面のコンディションの変化に敏感となる。これはアンテナの動作的安定性にかなり影響を与えることになる。

米国特許第６５１２４８８号（シャンツ）は、円形を有する平坦なモノポールアンテナを提案した。モノポールアンテナは、ブロードバンド特性を達成するための動作中に、寄生の（parasitic ）開口表面ループを形成する。しかしながら、モノポールアンテナは基礎表面を必要とするから、動作の安定性は表面のコンディションの変化によってかなり影響を受けることになる。

米国特許第５６２７５５０号及び５６８０１４４号（サナド）では、寸法を減少させるために、平坦なアンテナが長方形と三角形のノッチを有することが提案されている。しかしながら、平坦なアンテナは、同様に、変化する表面のコンディションに敏感であり、モノポールのバンド幅はＵＷＢ適用例のためには充分広いものとはならない。

従って、ＵＷＢアンテナにおいて、寸法的に小さく、かつ小さな携帯式ＵＷＢデバイスでの使用のために、表面コンディションにほとんど依存することのないアンテナが必要とされている

以下において、寸法的に小さく、かつ小さな携帯式ＵＷＢデバイスでの使用のために、表面コンディションにほとんど依存することのないＵＷＢ適用例のための本発明による実施態様が、開示される。

本発明の１つの態様によれば、超広帯域適用例のための基板の少なくとも第１の表面に形成可能なアンテナが開示される。このアンテナは、信号を伝送しかつ受信するための電波発射要素を有する。この電波発射要素は第１部分と第２部分とノッチとを備える。ノッチは前記電波発射要素の外周部分から内部へと延伸し、かつノッチは電波発射要素を前記第１部分と前記第２部分へと分離している。電波発射要素はさらに前記第１部分と前記第２部分とを構造的に相互連結する相互連結部分を有する。相互連結部分は電波発射要素の前記外周部分から概ね末端に形成されている。加えて、アンテナは電波発射要素の前記第１部分から延伸する第１アームを有し、この第１アームはアンテナの動作周波数レンジを修正するようになっている。

本発明の他の態様によれば、超広帯域適用例のための基板の少なくとも第１の表面に形成可能なアンテナを形成する方法が開示される。この方法は、信号を伝送しかつ受信するための電波発射要素を供給する第１の工程であって、この電波発射要素が第１部分と第２部分とノッチとを備える第１工程を有する。前記ノッチは前記電波発射要素の外周部分から内部へと延伸し、かつ前記ノッチは前記電波発射要素を前記第１部分と前記第２部分へと分離している。それから、前記電波発射要素の前記外周部分から概ね末端に相互連結部分が形成され、この相互連結部分は前記第１部分と前記第２部分とを構造的に相互連結する。このアンテナ形成方法はさらに前記電波発射要素の前記第１部分から延伸してアンテナの動作周波数レンジを修正するようになっている第１アームを供給する工程を包含する。

以下において、本発明の実施例が図面を参照しながら詳細に記述される。
図１ａ〜図１ｅは本発明の第１実施態様によるアンテナの概略図である。
図２ａ〜図２ｅは本発明の第２実施態様により修正した図１ａ〜図１ｅのアンテナの概略図である。
図３は図１ａのアンテナ１００の特性にマッチするインピーダンスの測定及びシミュレートした結果を表すグラフである。
図４ａ〜図４ｃは３つの主要平面上での図１ａのアンテナのバンド幅を横断する発射パターンを測定したグラフである。
図５ａ〜図５ｆは電波発射要素の変形例を表す正面図である。

図において、このアンテナは、本発明の実施態様に従いＵＷＢ適用例のために寸法が小さく概ね基礎に依存することのないアンテナであり、携帯式ＵＷＢデバイスのミニチュア化を容易にするアンテナが開示されている。

各種の従来型のＵＷＢアンテナがこれまで提案されてきた。しかしながら、これら従来型のＵＷＢアンテナは小型で携帯式のＵＷＢデバイスに使用するには適さなかった。他の従来型ＵＷＢアンテナは動作のために基礎表面を必要とし、アンテナの動作安定性にかなり影響を与える基礎表面のコンディションにアンテナは敏感であった。

簡潔と明確化のために、以下において本発明の記述はＵＷＢ（超広帯域）適用例に限定することとする。しかしながら、ＵＷＢ適用例に類似した動作パフォーマンスを必要とする他の適用例から本発明を除外するものではない。本発明の実施態様の基本的要件に対する機能的な原理は、各種の実施態様を通じて同様のままである。

図１ａ〜図１ｅ及び図２ａ〜図２ｅを参照しながら、本発明の実施態様について詳細に記述する。類似の要素には類似の符号が付されている。

図１ａ〜図１ｅには、本発明の第１実施態様によるアンテナ１００の幾何学的外形が示されている。アンテナ１００は、コンパクトなデザインを必要とする小型で携帯式のＵＷＢ適用例に使用されるように、小さな寸法で作られている。図１ａはアンテナ１００の平面図である。図１ｂは線１−１に沿うアンテナ１００の側面図である。図１ｃは線２−２に沿うアンテナ１００の底面図、図１ｄはアンテナ１００の背面図である。アンテナ１００は、好適には第１表面上でかつ基板１０２、例えばプリント回路基板（ＰＣＢ）の頂端に隣接してモノリシック構造で形成される。アンテナ１００は、他のアンテナへ及び他のアンテナから信号を伝送しかつ受信するための電波発射要素（radiating element ）１０４を有する。

電波発射要素１０４は幾何学的に形成されかつ好適にはプレート（板）状に形成される。本発明のこの第１実施態様において、電波発射要素１０４は、頂端１０５と平坦表面とを有する四角形の形状に作られている。第１の例示的デザインでは、電波発射要素１０４は非平坦表面、例えば波形（コルゲート状）あるいは他の屈曲表面上に形成される。第２の例示的デザインでは、電波発射要素１０４はそれ自身が非平坦で、屈曲したあるいは波形に形成される。従って、第２の例示的デザインでは、スタンドアローンのプレート状構造となり、これは好適には基板１０２に垂直に取り付けられる。電波発射要素１０４の第１及び第２の例示的デザインでは、電波発射要素１０４の下側隅１０５Ａの少なくとも１つは、インピーダンスをマッチングさせる目的のために、斜角を形成するようにカットすることができる。

電波発射要素１０４は信号を伝送しかつ受信するための給電（feeding ）ポイント１０６を有する。給電ポイント１０６は、電波発射要素１０４の平坦表面上の所定の位置に配置されている。給電ポイント１０６は、本発明の第１実施態様に従い、好適には底端１０７に沿って位置決めされ、底端１０７は電波発射要素１０４の頂端１０５の反対側に位置している。電波発射要素１０４はその内部に形成されたノッチ１１４又はスロットを有する。ノッチ１１４は、電波発射要素１０４の外周の部分、例えば頂端１０５から、電波発射要素１０４の内部へと延伸しており、電波発射要素１０４の外周はいかなる形状に作ることもできる。従って、ノッチ１１４は、電波発射要素１０４の頂端１０５に沿った端部開放型であり、電波発射要素１０４を概ね第１部分１１０と第２部分１１２とに分離している。ノッチ１１４は幾何学的形状に作られ、好適にはかなり細長く作られる。相互連結部分１０８は、第１部分１１０と第２部分１１２とを構造的に相互連結し、かつ電波発射要素１０４の外周部分から概ね末端に形成される。

アンテナ１００はさらに電波発射要素１０４の第１部分１１０から概ね外側に延伸する第１アーム１１６を有する。第１アーム１１６は好適には四角形を有するがこれに限定されない。加えて、第１アーム１１６は電波発射要素１０４の第１部分に沿って線１−１と反対側に位置し、かつ電波発射要素１０４の外周部分でノッチ１１４がそこから延伸している外周部分の概ね反対側付近に位置している。

電波発射要素１０４のノッチ１１４と第１アーム１１６は、そこをＵＷＢバンド幅が走行可能な電流通路を形成することが有利である。アンテナの動作周波数バンド幅とインピーダンス応答特性は、電波発射要素１０４のノッチ１１４と第１アーム１１６の寸法と位置を個別に変化させることにより修正することが可能である。

図１ａに示すように、連結用給電ストリップ（帯板）１１８は、電波発射要素１０４の底端１０５から外側へと延伸している。コネクタ１１８は幾何学的形状に作られ、かつ好適には細長い形状で、基板１０２と電波発射要素１０４の寸法に依存する長さに作られる。電波発射要素１０４，第１アーム１１６，コネクタ１１８は好適には基板１０２の第１表面上に形成される。

コネクタ１１８は、好適には電波発射要素１０４を給電部１２２（図１ｅ参照）に連結するのを容易にする形状に作られる。給電ポイント１０６とコネクタ１１８は、アンテナ１００のインピーダンスマッチングを改良するように変形することができる。給電部１２２は好適には１つの端子でコネクタ１１８に連結され、他の端子で信号を伝送及び受信するための基礎表面１２０に連結される。基礎表面１２０は好適には基板１０２の第２表面上に形成される。第２表面は基板１０２の第１表面と外側に向かって反対側にある。基礎表面１２０は好適には四角形を有するがこれに限定されない。

図１ｂ及び図１ｅに示すように、電波発射要素１０４と基礎表面１２０との間に給電ギャップｇが形成される。アンテナ１００の動作周波数バンド幅とインピーダンス応答特性は、ノッチ１１４と第１アーム１１６の寸法及び位置に加えて、給電ポイント１０６の位置と給電ギャップｇの寸法を個別的に変化させることにより修正可能である。従って、給電ギャップｇは可変であり、設計上の必要性に依存する。

代替例として、図１ｅに示すように、基礎表面１２０は、電波発射要素１０４及び第１アーム１１６と同じく、基板１２０の第１表面上に形成することができ、この例ではコネクタ１１８が省略される。それから給電部１２２は好適には１つの端子がコネクタ１１８に連結され、他の端子が基礎表面１２０へと連結される。

図２ａ〜図２ｅは本発明の第２実施態様を示しており、この例ではアンテナ１００は本発明の第１実施態様と構造的に同様に作られ、ノッチ１１４を有する電波発射要素１０４，第１アーム１１６，コネクタ１１８，及び基礎表面１２０を有する。電波発射要素１０４は、基礎表面１２０から給電ギャップｇだけ分離されている。図２ａはアンテナ１００の平面図である。図２ｂは線１−１に沿うアンテナ１００の側面図である。図２ｃは線２−２に沿うアンテナ１００の底面図、図２ｄはアンテナ１００の背面図である。

追加の第２アーム２０２が、電波発射要素１０４の第２部分１１２から概ね外側へと延伸している。第２アーム２０２は好適にはＬ字形を有するがこれに限定されない。第２アーム２０２は好適には電波発射要素１０４の線１−１と平行な第２側部に沿って形成され、第１アーム１１６と反対向きに外側へと延伸している。第２アーム２０２は好適には第１セクション２０４と第２セクション２０６とを有する。第１セクション２０４は一端が電波発射要素１０４の第２部分１１２に連結されている。第２セクション２０６は第１セクション２０４に沿い、好適には電波発射要素１０４の第２部分１１２から末端に連結されている。

本発明のこの第２実施態様では、第２アーム２０２の第２セクション２０６は好適にはその第１セクション２０４に垂直に配置され、好適には電波発射要素１０４の底端１０７に向かって延伸している。第２アーム２０２は、アンテナ１００の動作周波数レンジが本発明の第１実施態様の動作周波数レンジよりも広くなるような形状に作られる。電波発射要素１０４，第１及び第２アーム１１６，２０２，及びコネクタ１１８は、好適には平坦であり、基板１０２の第１の側部上に形成される。

代替例として、図２ｅに示すように、本発明の第２実施態様における基礎表面１２０は、電波発射要素１０４と第１及び第２アーム１１６，２０２と同じく、基板１２０の第１表面上に形成され、この例ではコネクタ１１８は省略されている。それから電波発射要素１０４は、給電ポイント１０６を介して、給電部１２２の１つの端子に連結されている。給電部１２２の他の端子は基礎表面１２０に連結されている。

本発明のこの第２実施態様について記述したアンテナ１００は、本発明の第１実施態様と同様の機能を達成し、かつ類似のインピーダンスマッチングと、伝送機能特性を有する。電波発射要素１０４，第１及び第２アーム１１６，２０２，コネクタ１１８及び基礎表面１２０の寸法は、基板１０２の厚さと材料のタイプと同様に、設計上の必要性に依存する。アンテナ１００は好適には銅のような導電性材料で作られる。

図３は図１ａのアンテナ１００のインピーダンスマッチングを測定した結果及びシミュレートした結果を表しており、良好な一致を見せている。アンテナ１００のインピーダンスマッチング周波数応答は、｜Ｓ₁₁｜で表示されている。測定した結果とシミュレートした結果とは、アンテナ１００が、周波数レンジ２．９〜１２ＧＨｚを通じて、良好にマッチするインピーダンスマッチング特性を有し、かつ同じ周波数レンジ上で良好なリターンロス｜Ｓ₁₁｜を達成することを示している。

加えて、測定した結果及びシミュレートした結果の両方は、リターンロスが−１０ｄＢ以下となるための、周波数レンジ約２．９〜１２ＧＨｚであるＵＷＢインピーダンスバンド幅を示した。シミュレートした結果はいかなる伝送構造をも使用せずに得られた。測定した結果は、無線周波数（ＲＦ）同軸ケーブルを用いて得られた。このことは、本発明の第１実施態様によるアンテナ１００は、伝送構造や同軸ケーブルによって導入される基礎の状態変化によってはほとんど影響されないことを示唆しており、それゆえ基礎の状態にほとんど依存しないという有利さがある。

図４ａ〜図４ｃは３つの主要平面、すなわち図４ａのｙ−ｚ平面，図４ｂのｘ−ｚ平面，図４ｃのｘ−ｙ平面を横断する図１ａのアンテナ１００の電波発射パターンを示している。３つの主要平面の各々を横断する電波発射パターンは、３つの異なる周波数、すなわち３，７及び１０ＧＨｚで測定された。この結果は、ＵＷＢバンド幅を横断するアンテナ１００の電波発射パフォーマンスが安定したものであることを示している。３つの主要平面を横断して測定されたアンテナ１００の最大平均ゲイン（gain）は２．６ｄＢｉよりも大きく、一方３つの主要平面を横断して測定された平均ゲインは−２．３ｄＢｉから２．６ｄＢｉの間で変化した。それゆえ、アンテナ１００のゲインは、多くのモバイル通信適用例にとって充分に高いものである。

本発明による各種の実施態様は、充分なゲインとデバイスをミニチュア化するための小さな寸法という要求を必要とする携帯式ＵＷＢシステムに有利に適用することができる。

上述した方法で、ＵＷＢ適用例のためのノッチを有するアンテナが開示された。本発明のわずかな数の実施態様だけが開示されたが、この開示を見た当業者であれば、本発明の範囲と精神から離れることなく、多くの変更及び／又は修正をなすことができよう。例えば、図５ａ〜５ｆに示すように、本発明の第１及び第２実施態様における電波発射要素は、導電性材料から他の幾何学的な形状、例えば楕円，三角形，多角形あるいは環状に構成することもできる。

Claims (20)

1. 超広帯域適用のための基板の少なくとも第１の表面に形成可能なアンテナであって、
   信号を伝送しかつ受信するための電波発射要素を備え、この電波発射要素が第１部分と第２部分とノッチと相互連結部分とを備え、
   前記ノッチは前記電波発射要素の外周部分から内部へと延伸し、かつ前記ノッチは前記電波発射要素を前記第１部分と前記第２部分へと分離しており、
   前記相互連結部分は前記第１部分と前記第２部分とを構造的に相互連結しかつ前記電波発射要素の前記外周部分から概ね末端に形成されており、
   アンテナはさらに前記電波発射要素の前記第１部分から延伸してアンテナの動作周波数レンジを修正するような第１アームを備えているアンテナ。
2. 前記第１アームは前記電波発射要素の前記第１部分から概ね外側へと延伸しかつ前記電波発射要素の前記外周部分から概ね中心側へと形成されており、そこから前記ノッチが前記電波発射要素の中へと延伸している請求項１記載のアンテナ。
3. 前記ノッチは概ね細長い形状をしている請求項１記載のアンテナ。
4. 前記電波発射要素は波形をしている請求項１記載のアンテナ。
5. さらに前記電波発射要素の前記第２部分から延伸する第２アームを有する請求項１記載のアンテナ。
6. 前記第２アームは前記電波発射要素の前記第２部分から概ね外側へと延伸している請求項５記載のアンテナ。
7. 前記第２アームは第１セクションと第２セクションとを有し、第１セクションの一端は前記電波発射要素の前記第２部分に連結され、第２セクションは第１セクションに沿って連結されている請求項５記載のアンテナ。
8. 前記第２アームの第２セクションは前記第２アームの第１セクションに対し概ね垂直である請求項５記載のアンテナ。
9. 前記第２アームの第２セクションは前記電波発射要素の前記第２部分に概ね沿って延伸している請求項７記載のアンテナ。
10. 前記電波発射要素と前記第１アームと前記第２アームとは基板の第１表面上に形成されている請求項５記載のアンテナ。
11. 基礎表面が前記電波発射要素に連結されかつ基板の第１表面及び第２表面の少なくとも一方の上に形成され、基板の第２表面は基板の第１表面の反対側にある請求項１記載のアンテナ。
12. コネクタが前記電波発射要素から延伸し、このコネクタは前記電波発射要素を給電部に連結するのを容易にする形状に作られている請求項１１記載のアンテナ。
13. 前記コネクタは前記電波発射要素から概ね外側へと延伸し、前記コネクタは前記電波発射要素の外周から前記電波発射要素の前記相互連結部分の中心側へと延伸している請求項１２記載のアンテナ。
14. 前記基礎表面は前記電波発射要素と共通平面である請求項１１記載のアンテナ。
15. 前記電波発射要素は給電部を介して前記基礎表面に連結されている請求項１１記載のアンテナ。
16. 超広帯域適用のための基板の少なくとも第１の表面に形成可能なアンテナを形成する方法であって、
    信号を伝送しかつ受信するための電波発射要素を供給する工程であって、
    この電波発射要素が第１部分と第２部分とノッチと相互連結部分とを備え、
    前記ノッチは前記電波発射要素の外周部分から内部へと延伸し、かつ前記ノッチは前記電波発射要素を前記第１部分と前記第２部分へと分離しており、
    前記相互連結部分は前記第１部分と前記第２部分とを構造的に相互連結しかつ前記電波発射要素の前記外周部分から概ね末端に形成されている供給工程と、
    前記電波発射要素の前記第１部分から延伸してアンテナの動作周波数レンジを修正するようになっている第１アームを供給する工程とを包含するアンテナ形成方法。
17. さらに前記電波発射要素の前記第２部分から概ね外側へと延伸する第２アームを供給する工程を包含する請求項１６記載のアンテナ形成方法。
18. 前記基板の第１表面及び第２表面の少なくとも一方の上に基礎表面を供給する工程を包含する請求項１６記載のアンテナ形成方法。
19. 前記電波発射要素と前記基礎表面はコネクタ及び給電部の一方を介して連結されている請求項１８記載のアンテナ形成方法。
20. 当該アンテナは一体化された構造である請求項１７記載のアンテナ形成方法。

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