JP2015521822A - 電磁ダイポールアンテナ - Google Patents

Abstract

本発明は、アンテナ放射ユニット及び金属グラウンドを備えた電磁ダイポールアンテナを考案する。アンテナ放射ユニットは垂直電気バイブレーター及び水平磁気バイブレーターを主に備えており、垂直電気バイブレーター及び水平磁気バイブレーターは電磁結合構造を形成している。アンテナは小サイズ、低プロファイルなどの利点を有している。

Description

本発明は、電磁ダイポールアンテナ、特に、移動通信システムのための小型化されたワイヤレスアンテナに関連している。

移動通信技術の高速な発展と応用は、現代の通信の発展を、小型化、集積化、及び多機能性（多重バンド、多極化、及び多目的）の方向へ促進させている。アンテナはワイヤレス通信システムにおいて最も重要な部品の一つであり、アンテナのサイズは通信システムのさらなる小型化を制限するボトルネックの一つである。それ故、小型化、集積化、及び多機能性アンテナの設計は現在、アンテナ産業の研究の焦点となっている。

国内外で発行されている小型化多重バンドアンテナについての多くの文献があり、２０１１年１２月２５日に情報技術（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）において発行された「小型化された基地局アンテナの影響（Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ）」は最も一般的な論文である。この論文は、８０６−９６０ＭＨｚ、１７１０−２１７０ＭＨｚ、及び１７１０−２１７０ＭＨｚに応用されることのできるトリバンド（ｔｒｉ−ｂａｎｄ）基地局アンテナを主に紹介している。アンテナのサイズは１３４０ｍｍ×３８０ｍｍ×３８０ｍｍである。しかしながら、アンテナの小型化に対して増加する要求に対応した新たな通信システムに対して、アンテナは今もなお大き過ぎており、アンテナの配置及び導入を容易にするために、小型化されたアンテナ、特に低プロファイル特性を有する小型化されたアンテナはさらに研究される必要がある。

誘電体負荷を有する偏波共用電磁気ダイポール（Ａ Ｄｕａｌ−Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｉｐｏｌｅ Ｗｉｔｈ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｏａｄｉｎｇ）はＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳ ＯＮ ＡＰ，ＶＯＬ．５７，ＮＯ３，ＭＡＲＣＨ ２００９で発行された論文である。この文献で述べられている電磁ダイポールアンテナの構造は図１に示されている。図１は先行技術における電磁ダイポールアンテナの概略図であり、その構造は従来の電気ダイポール１０２及びＬ字形状磁気ダイポール１０３を含み、１０１は金属グラウンドであり、及び１０４は高周波電気信号がＳＭＡコネクタを通して通過するインターフェースである。

図１に示したアンテナは厚さが大きいけれども、処理が難しい。

本発明の実施形態は、アンテナ放射ユニット及び金属グラウンドを含む電磁ダイポールアンテナであって、アンテナ放射ユニットは主に垂直電気ダイポール及び水平磁気ダイポールを含み、垂直電気ダイポール及び水平磁気ダイポールは共同で電磁結合構造を形成している、電磁ダイポールアンテナを提供する。

本発明は、ワイヤレス通信システムに応用することのできる電磁ダイポールアンテナを設計する。アンテナは小サイズであり、低プロファイルであり、並びに多重バンドを包含することができ、及び同様に特定のバンドを最適に包含することができる。

本発明で提供されるアンテナは主に、アンテナ放射ユニット、金属グラウンド、及び電磁結合構造を含み、電磁結合構造は、アンテナ放射ユニットと金属グラウンドとの間に配置されている。

アンテナ放射ユニットは、垂直電気ダイポール群及び水平磁気ダイポール群を含み、電磁結合は、誘電体を通して垂直電気ダイポールと水平磁気ダイポールとの間で実行されている。金属グラウンドは平面グラウンド構造であってもよく、非平面グラウンド構造であってもよい。

垂直電気ダイポール群は主に、ｎ１のＴ字形状フィード構造を含んでいる。各Ｔ字形状フィード構造は、水平チップ導体構造及び金属ロッド状構造によって形成されており、水平チップ導体構造は頂部に積載されており、金属ロッド状構造は水平チップ導体構造に電気的に接続されている。特定の実施形態において、垂直電気ダイポールの数ｎ１、ロッド状構造及びチップ構造が最適化され得る。

水平磁気ダイポール群は、いくつかの水平な閉じた平面金属リング構造、または上で説明したリング構造に接続された十字形状伝導バンド構造を含み、各水平磁気ダイポールは主に、金属伝導バンドの１つ以上の層を含み；及び金属伝導バンドの各層は閉じた平面金属リングにより形成されており、誘電体充填材料が金属伝導バンドの層の間に満たされてもよく、金属伝導バンドは金属ビアを通して電気的に接続されている。

アンテナの作動過程は：ｐ１の励起源が、フロアとＴ字形状構造の底部との間に積載された空間構造を通して電気ダイポール上に電磁励起を実行し、Ｔ字形状フィード構造のチップ部分は誘電体を通して水平磁気ダイポールと電磁結合を実行し、及び上記二つの連合作用の下、電磁ダイポールの電磁エネルギー放射が実行される。

本発明に関わる小型化された電磁ダイポールアンテナの論理概略図が図１０に示されている。

本発明において提供されるアンテナの低プロファイル機構は、以下のようである。電磁場の双体原理によれば、良導体平面上の水平磁気ダイポールの鏡像磁流は、水平磁気ダイポールの磁流（略して、ソース磁流）と同じ方向であり、それ故、励起源が位置している半空間に作られた電磁場は、ソース磁流及びそれに関する鏡像磁流によって形成された２要素アレイによって特徴付けされ得る。２要素アレイの空間が半波長未満のとき、すなわち、磁気ダイポールと良導体との間の空間が１／４波長であり、上で説明されたアレイにより作られた電磁場は、重畳を通して強化される。それ故、良導体上の水平磁気ダイポールを利用することにより、低プロファイルを実施することができる。

本発明において提供されるアンテナの広帯域機構は以下のようである。いくつかの水平の閉じた平面金属リングまたは上で説明したリング構造に接続された十字形状伝導バンドにより形成された水平磁気ダイポールは、多重モードラジエータであり、及び多重モードラジエータの各放射モードは一つの共振周波数に対応しており、ここで、水平磁気ダイポールの一つの金属リングの外周の長さの半分が、ラジエータの最小共振周波数に対応しており、上で説明したリング構造に接続された十字形状伝導バンドの長さの半分が、ラジエータの最大共振周波数に対応している。それ故、一方では、本発明で提供される水平磁気ダイポールが、広域周波数での電磁放射を実行することができ；他方では、垂直電気ダイポールが電磁負荷を受ける頂部を有する単極アンテナとされ、且つ電磁波を送信及び放射するために使用されてもよい。負荷効果は明らかであるので、垂直電気ダイポールと水平磁気ダイポールとの間の電磁結合はアンテナにおけるエネルギー伝達の主な要因である。電磁結合はまた、垂直電気ダイポールと水平磁気ダイポールとの間のインピーダンス変化の効果を有しており、それによって、アンテナのインピーダンス帯域幅を広げる。

本発明で提供されるアンテナの＋−４５度双極機構は次のようである。本発明において、対称中心としての幾何学的中心点をとり、且つ水平方向に９０度の角度差を連続して有する４ポートフィード構造が採用され、及び対角ポートが異なる励起ポートである励起モードが採用され、それによって、＋−４５度の双極の電磁波放射を保証する。

本発明で提供されるアンテナの形状保持能力機構は次のようである。放射ユニットの放射パターン周波数帯域幅をさらに増大させるために、すなわち、放射ユニットの放射パターン形状保持能力を増大させるために、八角形金属リングの頂部層に追加されている中心に丸穴を有する八角形金属片が採用され、その結果、八角形金属リングの表面に本来は制限されていた電流路が、八角形金属リングの表面上の電流路と八角形金属片上の電流路に増大され、それによって放射ユニットの表面上の電流路の数を増大させ、且つ異なる周波数での放射パターン形状保持能力の増大を促進させる。

本発明の実施形態における技術的解法をより明確に説明するために、以下では、実施形態または従来技術を説明するために必要とされる添付の図面を簡潔に導入する。以下の説明における添付の図面は、本発明のいくつかの実施形態を単に示しているだけであり、当業者であれば、創造的活動無しにこれらの添付の図面から他の類似の解法を導くことができる。

従来技術における電磁ダイポールアンテナの概略図である。 本発明の実施形態による電磁ダイポールアンテナの物理的概略図である。 本発明の実施形態による垂直電気ダイポールの概略図である。 本発明の実施形態による、上部金属伝導バンドを除去した水平磁気ダイポールの概略構造図である。 本発明の実施形態による一つの水平磁気ダイポール上の上部金属伝導バンドの概略図である。 本発明の実施形態による電磁ダイポールアンテナの定在波比曲線である。 本発明の実施形態による、１．８ＧＨｚでの電磁ダイポールアンテナのゲイン放射パターンである。 本発明の実施形態による、２．１ＧＨｚでの電磁ダイポールアンテナのゲイン放射パターンである。 本発明の実施形態による、２．４ＧＨｚでの電磁ダイポールアンテナのゲイン放射パターンである。 電磁ダイポールアンテナの動作原理の概略図である。

以下では、本発明の実施形態における添付の図面を参照して、本発明の実施形態における技術的解法を明確に、且つ完全に説明する。説明される実施形態は、本発明の全ての実施形態ではなく単にその一部である。創造的活動なく本発明の実施形態に基づいて当業者によって得られる全ての他の実施形態は、本発明の保護範囲に含まれる。

本発明は、基地局などのようなワイヤレス通信システムに応用されることのできる電磁ダイポールアンテナを考案している。アンテナのサイズは６５ｍｍ×６５ｍｍ×２３ｍｍまで減少されることができ、及びアンテナは１．８ＧＨｚ、２．１ＧＨｚ、及び２．４ＧＨｚのような多重バンドを包含することができる。

図２は、本発明の実施形態による電磁ダイポールアンテナの物理的な概略図である。図２に示されているように、本発明の実施形態による電磁ダイポールアンテナは放射ユニット２１０及び金属グラウンド２２０を含む。アンテナ放射ユニット２１０は、垂直電気ダイポール群２３０及び水平磁気ダイポール群２４０を含む。垂直電気ダイポール群２３０及び水平磁気ダイポール群２４０は電磁結合構造２５０を形成する。

金属グラウンド２２０は、平面四角形構造であり、及びサイズは１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×１ｍｍであり得る。

図３は本発明の実施形態による垂直電気ダイポールの概略図である。４つの垂直電気ダイポールにより形成された垂直電気ダイポール群が図３に示されている。各垂直電気ダイポールはＴ字形状構造３３０であり、及びＴ字形状構造３３０は、頂部に積載された水平チップ導体構造３３１及び水平チップ導体構造３３１に電気的に接続された金属ロッド状構造３３２により形成されている。実施形態において、金属ロッド状構造３３２は、１．２９ｍｍの半径及び１７．６ｍｍの高さであり得る。水平チップ導体構造３３１は、５．３ｍｍの半径及び０．５ｍｍの厚さを有する円盤であり得る。

図４は、本発明の実施形態による、上部金属伝導バンドが除去された水平磁気ダイポールの概略構造図である。図４に示されたように、水平磁気ダイポールは、水平の閉じた平面金属リング構造である。図は、水平磁気ダイポールの八角形の金属リング４４１及び下部金属伝導バンド４４２だけを示している。下部金属伝導バンド４４２は十字形状である。金属リング４４１は外形が２７．４ｍｍであり、幅が３．６４ｍｍである。

図５は、本発明の実施形態による一つの水平磁気ダイポール上にある上部金属伝導バンドの概略図である。図５に示されているように、水平磁気ダイポール上の上部金属伝導バンド５４３は同様に十字形状の伝導バンドである。ビア５４４は、上部金属伝導バンド５４３の末尾に配置されており、上部金属伝導バンド５４３はビア５４４を通して金属リング４４１に電気的に接続されている。図２を参照すると、２．５５の誘電率を有する誘電材料が、金属伝導バンドの二つの層の間に満たされている。

実施形態による電磁ダイポールアンテナの定在波比：Ｓ１１パラメータ曲線が図６に示されている。図６は、本発明の実施形態による電磁ダイポールアンテナの定在波比曲線であり、パラメータは、１．８ＧＨｚ、２．１ＧＨｚ、及び２．４ＧＨｚのようなコア周波数では−１０ｄＢ未満である。パラメータは、マクロセル基地局アンテナの要求を満たすように、フィードネットワークを通して−１４未満に調整されることができる。

図７、図８、及び図９は、本発明の実施形態による、それぞれ１．８ＧＨｚ、２．１ＧＨｚ、及び２．４ＧＨｚでの電磁ダイポールアンテナのゲイン放射パターンであり、図７は、本発明の実施形態による１．８ＧＨｚでの電磁ダイポールアンテナのゲイン放射パターンであり、図８は、本発明の実施形態による２．１ＧＨｚでの電磁ダイポールアンテナのゲイン放射パターンであり、図９は、本発明の実施形態による２．４ＧＨｚでの電磁ダイポールアンテナのゲイン放射パターンである。

図１０は、電磁ダイポールアンテナの動作原理の概略図である。図１０は、本発明の別の実施形態による電磁ダイポールアンテナの動作原理の概略図である。垂直電気ダイポール群１０３０は、ｎ_１のＴ字形状構造を主に含む。特定の実装において、垂直電気ダイポールの数ｎ１は適切に調節され得る。金属ロッド状構造及び水平チップ導体構造の形状は適切に調節され得る。

水平磁気ダイポール群１０４０は、金属リング及び金属伝導バンドを含んでもよく、金属伝導バンドは十字形状である。金属リングは金属の層により形成されてもよく、及び同様に金属の多層により形成されてもよく、及び誘電体充填材料が金属の層の間に満たされてもよい。一つの金属伝導バンドは金属の一層だけを含んでもよく、同様に金属の二層を含んでもよく、または金属の多層さえも含んでもよく、及び誘電体充填材料が導電バンドの金属の層の間に満たされてもよい。金属伝導バンド及び金属リングはビアを通して電気的に接続されている。

水平磁気ダイポール群は多数の水平の閉じた平面金属リング構造で形成され得る。

垂直電気ダイポールと水平磁気ダイポールの間の電磁結合は誘電体を通して実施されている。金属グラウンドは平面構造であってもよく、同様に非平面構造であってもよい。

アンテナの作動過程は次の通りである：ｐ１の励起源が、金属グラウンド１０２０及びＴ字形状構造上に積載されることによって電気ダイポール上に電磁励起を実行し、Ｔ字形状構造の水平チップ導体構造は誘電体を通して、水平磁気ダイポールとの電磁結合を実行し、及び上記二つの連合作用の下、電磁ダイポールの電磁エネルギー放射が実行される。

当業者は、ここで説明された構造が単に例示的なものであることを理解できる。上記に記載された内容の他に、構造は特定の応用の必要性に応じて適切に変更することができる。当業者は各々の特定の応用に対して異なる構造を用いることができ、しかし実施は本発明の範囲を超えると考慮されるべきでない。

本発明のいくつかの実施形態が示され及び説明されたが、当業者であれば、本発明の原理及び精神から逸脱することなく、これらの実施形態に様々な修正をなし得ると理解すべきであり、全てのそのような修正は本発明の範囲内にある。

１０１ 金属グラウンド
１０２ 電気ダイポール
１０３ 磁気ダイポール
１０４ インターフェース
２１０ 放射ユニット
２２０ 金属グラウンド
２３０ 垂直電気ダイポール群
２４０ 水平磁気ダイポール群
２５０ 電磁結合構造
３３０ Ｔ字形状構造
３３１ 水平チップ導体構造
３３２ 金属ロッド状構造
４４１ 金属リング
４４２ 下部金属伝導バンド
５４３ 上部金属伝導バンド
５４４ ビア
１０２０ 金属グラウンド
１０３０ 垂直電気ダイポール群
１０４０ 水平磁気ダイポール群

Claims (10)

1. アンテナ放射ユニット及び金属グラウンドを備えた電磁ダイポールアンテナであって、
   前記アンテナ放射ユニットは、垂直電気ダイポール及び水平磁気ダイポールを備えており、
   前記垂直電気ダイポール及び前記水平磁気ダイポールは電磁結合構造を共同して形成している、アンテナ。
2. 前記垂直電気ダイポールはいくつかの垂直電気ダイポールを備えており、各垂直電気ダイポールはＴ字形状構造で形成されている、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記Ｔ字形状構造は水平チップ導体構造及び金属ロッド状構造により形成されており、前記水平チップ導体構造は頂部に積載されており、前記金属ロッド状構造は前記水平チップ導体構造に垂直に、電気的に接続されている、請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記水平磁気ダイポールは、水平の閉じた平面金属リング構造、及び前記水平の閉じた平面金属リング構造に接続された金属伝導バンドを備えている、請求項１に記載のアンテナ。
5. 電磁結合が、誘電体を通して前記垂直電気ダイポールと前記水平磁気ダイポールとの間で実行される、請求項１に記載のアンテナ。
6. 前記金属グラウンドは、平面構造または非平面構造である、請求項１に記載のアンテナ。
7. 多数の垂直電気ダイポールは垂直電気ダイポール群を共同して形成している、請求項１に記載のアンテナ。
8. １つ以上の水平磁気ダイポールが水平磁気ダイポール群を形成している、請求項１または７に記載のアンテナ。
9. 前記水平の閉じた平面金属リング構造は、頂部層に配置された金属リングバンド及び底部層に配置された金属リングを備えており、前記金属リングバンドは、八角形の外縁及び円形の内縁を有しており、前記金属リングは、十字形状の伝導バンドに内部で接続された八角形のリングである、請求項４に記載のアンテナ。
10. 前記頂部層の前記金属リングバンドは、四つの結合導体を用いて前記底部層の前記金属リングに電気的に接続されており、前記金属リングは十字形状の伝導バンドに内部で接続されている、請求項９に記載のアンテナ。

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