JP4051346B2 - 直流誘導ショートパッチアンテナ - Google Patents

Description

（関連出願）
本出願は、米国仮出願シリアルＮｏ．６０／３５４００３（出願日２００２年１月２３日）に基づき優先権主張を行っている。本出願は、発明の名称が「小型化されたＰＩＦＡ（MINIATURIZED REVERSE-FED PLANAR INVERTED-F ANTENNA）」であり、グレッグ、エス、メンドリアとジョン、ダットンとウィリアム、イー、マッケンジー３世らによる、米国仮出願シリアルＮｏ．６０／３５２１１３（出願日２００２年１月２３日）と米国仮出願シリアルＮｏ．６０／３５４６９７（出願日２００２年２月４日）に関連するものである。そして、これらの出願は、それらの全部を参照することにより、ここにこれによって組み入れられている。

本出願は、発明の名称が、「低周波数強化周波数選択面の技術と応用（LOW FREQUENCY ENHANCED FREQUENCY SELECTIVE SURFACE TECHNOLOGY AND APPLICATIONS）」であり、ウィリアム、イー、マッケンジー３世と、グレッグ、エス、メンドリアと、ロドルフォ、イー、ディアズによる、米国仮出願シリアルＮｏ．６０／３１０６５５（出願日２００１年８月６日）に関連するものである。そして、この出願は、それを全部参照することにより、ここに組み入れられている。

本発明は、一般にアンテナに関するものである。特に、本発明は、板状逆Ｆアンテナ（reverse-fed planar inverted F-type antenna : ＰＩＦＡ）に関するものである。

あらゆる世代の通信装置も、前の世代より物理的に小さくなるよう設計されている。寸法が小さいことは、物理的寸法と重量を減少させ、使用者の利便性を向上するため好ましいことである。

多くの通信装置は、民生用に設計され、製造されている。これらには、コードレス電話機やハンディータイプのラジオや個人用携帯型情報端末やラップトップコンピュータのような無線機器が含まれている。すべての民生品と同様に、これらの無線機器も低コストに製造及び使用ができるよう設計されなければならない。

コードレス電話機や個人用携帯型情報端末やラップトップコンピュータのような無線機器の製造者は、コスト低減圧力や極限の寸法が与えられた製品内に、ほとんど余地を有さない。それらすべての機器は無線通信のためのアンテナを必要とする。それらの機器は、様々な周波数帯で操作するため、複数のアンテナをしばしば必要とする。アンテナを、パッケージやケースに組み込むことが、デザイン的にも、耐久性からも、寸法の面からも好ましい。

一般的に、そのような無線機器には、非常に小さいパッケージの中に回路配線が、かなりの量詰め込まれている。回路は、論理回路基板やＲＦ回路基板を含むであろう。プリント回路基板は、アンテナへの高周波（radio frequency ： ＲＦ）のグランドと考えることができる。そして、それは、回路を収納するケースにぴったりと収容されている。

このように、ぴったりと収納されたアンテナは、グランド面の極めて近くに位置することができるため、周波数同調ずれや周波数帯幅の減少及び効率の低下のような、不利な効果を起こすことなしに、効率よく使用をすることができるものである。アンテナのソリューションは、民生品に使用するために、経済性に優れるべきでもある。

小さな輪郭を有する様々なアンテナが開発されてきた。これらは、板状逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）と、ショートパッチのタイプと、蛇行ラインを含む様々な派生物を含むものである。しかしながら、現在のところ、それらのアンテナで、現在の設計目標を満たすものはない。その目標とは、効率的で、コンパクトで、グランド面から最大λ／６０の高さの低い姿勢のアンテナを指定するものである。ここで、λは、対象となる周波数である。グランド面から最大２〜３ｍｍの最大高さを有し、それゆえ、コンパクトな体積で最良の性能が要求される機器にとてもふさわしく、また、ブルートゥースＳＩＧ（Bluetooth Special Interest Group）により発行されるブルートゥース規格（Bluetooth Standard）や、電気電子学会（ＩＥＥＥ）により発行されるＩＥＥＥ規格８０２．１１ｂに従って動作するという、２．４ＧＨｚアンテナ特有の要求がある。

ブルートゥース規格の機器は、２．４ＧＨｚ（λ＝１２５ｍｍ）で動作する。存在するショートパッチアンテナは、一般に、λ／８〜λ／４の長さを有する。そのような用途に有用なアンテナは、λ／１０程度の長さを有する必要がある。市販の２．４ＧＨｚアンテナの１つに、スカイクロス社から購入が可能であるスカイクロス社モデル２２２−０４６３がある。このアンテナの体積は３３００ｍｍ^３である。これらの用途に有用なアンテナの体積は、３００ｍｍ^３以下であることが望ましい。

小さな体積に加えて、ポータブル機器は、一般に出来るだけ軽量に設計されている。市販の表面装着可能な２．４ＧＨｚアンテナは、一般に５ｇ以上である。スカイクロス社のモデル２２２−０４６３は、８．９ｇの重量である。これらの用途に有用なアンテナの重量は、１ｇ以下であることが望ましい。

他のすべての機器と同様に、コストは、低減されることが望ましい。小型のパッチアンテナの公開された実施形態では、複数の金属層と複数のビアを用いて、蛇行ラインのような、緩慢な波線構造を作り出している。一例が、米国特許第５、７９０、０８０号に示されている。しかしながら、それらの用途に有用なアンテナは、組立コストを削減するために、パッチを構成するためのただ１層の金属層を用いるのみであり、そしてビアを用いていない。

設計者も、組立コストを減少するために、すべての部品が表面に実装できることを望んでいる。しかし、彼らはまた、使用可能な容積内で収まるような、低いプロファイルの部品も必要としている。この問題は、グランド面が一般的に望まれている表面実装アンテナの下に使用されている場合に悪化する。

好結果のアンテナは、グランド面に表面実装される予想を示して設計されることを必要とする。一般的な低姿勢２．４ＧＨｚアンテナは、スカイクロス社のモデル２２２−０４６３であり、その高さは３．５６ｍｍである。より低い高さのアンテナが望まれている。

（発明の概要）
はじめに、本実施形態は、直流（ＤＣ）誘導ショートパッチアンテナを提供するものである。他の実施形態において、放射素子と、グランド面と、フィードと、フィードと放射素子の間に位置し、グランド面への高周波（radio frequency : ＲＦ）ショートとを含む直流誘導（ＤＣＬ）周波数選択面（ＦＳＳ）を含むアンテナを提供するものである。

さらに、他の実施形態は、１対の連結した給電ラインを含む等価回路によりモデル化されるアンテナを提供する。そして、その連結ラインの各々は、偶数モード及び奇数モード固有インピーダンスと、偶数モード及び奇数モード実効誘電率により定められる。

さらに、他の実施形態は、グランド面と、グランド面上に配置される発泡基板と、発泡基板上に配置されるポリイミド層とを含むアンテナを提供する。

アンテナは、さらに、キャパシタンスとインダクタンスを定めるポリイミド層上に配置され、対象となる１以上の周波数の共振を起こす金属層を含む。

好ましい実施形態についての上述の説明は概説にすぎない。本節での内容は、本発明の範囲を定める請求の範囲を限定するものではない。

（発明の詳細な説明）
図面を参照して説明する。図１は、直流誘導周波数選択面（direct current inductive frequency selective surface : ＤＣＬＦＳＳ）構造の等価回路を示す図である。

直流誘導（ＤＣＬ）周波数選択面（ＦＳＳ）は、導体が周期的に形成された表面である。そして、それは図１（ａ）に示すような、インダクタ−の格子又はグリッド１００を形成している。図示した例は、直角に交差するワイヤの同一面上のグリッドである。グリッド１００の各々のワイヤは、固有のインダクタンスを有するインダクタ１０２としてモデル化できる。さらに、モデルが好適なサイズを有する必要な大きさにするため、ユニットセル１０４が定義される。

より詳細なモデル１０６が、図１（ｂ）に示されている。モデル１０６において、キャパシタ１０８がインダクタ１０２に並列に付加され、ＤＣＬＦＳＳの実際の実施形態における条件をモデル化している。通常は、ワイヤ間には寄生キャパシタンスが少量存在している。そしてそれは、インダクタンスをショートする働きをする。

さらにまた、ユニットセル１１２は、ＤＣＬ全体への各々のワイヤの分配をモデル化している。ＤＣＬＦＳＳは、ユニプレーンコンパクトフォトニックバンドギャップ（uniplanar compact photonic bandgap : ＵＣ−ＰＢＧ）構造の例と同様に、この意図された等価回路を用いて設計することが可能である。例として、フェイ、ラン、ヤン、とクァン、ピン、マとヨン、クァンとタツオ、イトウの「ユニプレーンコンパクトフォトニックバンドギャップ構造とそのマイクロ波回路への応用（Uniplanar Compact Photonic Bandgap Structure and Its Application for Microwave Circuits）」（ＩＥＥＥトランザクション、マイクロ波理論と技術、Ｖｏｌ４７、Ｎｏ．８、１９９９年８月、１５０９〜１５１４頁）を参照のこと。背景となる追加情報例としては、仮出願番号６０／３１０６５５（出願日２００１年８月６日）、ウィリアム、イー、マッケンジー３世とグレッグ、エス、メンドリアとロドルフォ、イー、ディアズによる「低周波数が強化された周波数選択面技術と応用（LOW FREQUENCY ENHANCED FREQUENCY SELECTIVE SURFACE TECHNOLOGY AND APPLICATIONS）」がある。そして、この出願は、それを全部参照することにより、ここに組み入れられている。

図１（ａ）と図１（ｂ）は、ＬとＣの値が平面の両方向で均一である場合の等方性表面である。そしてそれは、そのような表面は、水平及び垂直方向に極性を有する電界の両方に対して同じ周波数応答を示すということを意味する。

水平方向の回路が無い場合には、周波数応答は、垂直電界極性に対してのみ維持され、ＦＳＳは異方性になるといわれる。しかしながら、より複雑なタイプの異方性が図１（ｃ）に示されている。ここでは、ユニットセル１１６の蛇行ライン１１４が形成されている。

ところで、グランド面が、この有限の蛇行ライン１１４の近くに位置する場合には、構造は、正常に入力された場合にデュアルバンドアンテナとなる連結ラインと関連づけられた、偶数と奇数のモードを支持するだろう。現在開示された実施形態においては、ＤＣＬ回路の１回転の蛇行ラインが用いられている。

本実施形態は、小型化されたデュアルバンドパッチアンテナに関するものである。第１実施形態において、アンテナは、いくつかの特徴的な装備により定義される。例として、第１実施形態では、パッチを形成するために、ただ１つの金属層が用いられている。好ましい実施形態は、２つのとても接近した連結ラインを伴う、１回転の蛇行ラインである。

給電ポストとグランドポストは、従来のショートしたパッチの設計を留めているため、給電ポストは、パッチの角に位置している。パッチを形成する金属の単一層は、並列にインダクタとキャパシタを組み込んでおり、無限の周期構造として接続された場合には、直流誘導周波数選択表面として振る舞う。

第１実施形態のアンテナの周囲における配線パターンは、ＤＣＬＦＳＳユニットセル内の内側の配線パターンの幅の少なくとも２倍の幅を有する。これは、放射効率を著しく増加させることが明らかにされている。

図２は、ＤＣＬＦＳＳショートパッチアンテナ２００の第１実施形態の写真を示す図である。アンテナ２００は、グランド面２０２と、誘電層２０４と、ポリイミド層２０６と金属被膜２０８とを含む。好適な製造方法であれば、どのような方法もアンテナ２００の製造に用いて良い。寸法も、物理的要求や性能に応じて、図２に示すものから変化してもよい。

例として、アンテナ２００は、一般的には、長方形の形状を有する。この長方形は、性能要求により従う特定の実装において要求されるであろう形状係数やアスペクト比が変化してもよい。

図２に示されるアンテナ２００は、１ｍｍの厚さのポリイミド層２０６上に、図２に示すパターンの金属被膜（metallization）２０８をプリントし、ポリイミド層２０６を２．０ｍｍの厚さの発泡形成誘電層２０４を接着することにより製造される。

アンテナ２００全体では、８．６ｍｍ×１２．５ｍｍ×２．２ｍｍの外形を占める。ポリイミドは、安価な圧力感応型接着剤を用いて発泡樹脂に接着することができる。その後、アンテナ２００は、一般的なサイズが４５ｍｍ×４５ｍｍのＦＲ４グランド面２０２の角に取り付けられる。

図３は、図２のアンテナ２００の正面図である。図３は、アンテナ２００に用いられるＤＣＬショートパッチパターンを示す図である。図３において、緑色領域３０２は導体であり、黄色領域３０４は、ポリイミドのようなフレキシブル基板である。

ショートパッチアンテナ又は板状逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）として動作するために、金属被膜２０８は、放射素子３０６を形成する。放射素子３０６は、放射部３０８と給電端３１０とグランド点３１２を有する。アンテナ２００は、給電ピン３１４とＲＦショートピン３１６を含む。

図示された実施形態において、ＲＦショートピン３１６は、給電ピン３１４とグランド点３１２との間に位置する。これは、アンテナ２００の逆給電コンセプト（reverse-feeding）である。これは、グレッグ、エス、メンドリアとジョン、ダットンとウィリアム、イー、マッケンジー３世とにより同じ日に出願された仮特許出願である「小型化されたＰＩＦＡ（MINIATURIZED REVERSE-FED PLANAR INVERTED-F ANTENNA）」の中で、より詳細に述べられている。そして、この出願は、それを全部参照することにより、ここに組み入れられている。

他の実施形態においては、より普通の給電技術が用いられている。ここでは、フィード３１４は、ＲＦショート３１６と放射部３０８との間に位置する。

図２に示すように、給電ピンは、フレキシブルポリイミド基板上にエッチングにより形成された、プリント金属配線である。しかしながら、金属ピンやポストやストラップやロッドやネジやワイヤやリベット等のような、いかなる同様の長さ幅比の導電構造へも置換可能である。同様なことがＲＦショートピンにもいえる。

図３の実施形態も、交互嵌合部３２０のような交互嵌合部と、蛇行部３２２のような１以上の蛇行部との両方を含む。交互嵌合部において、一端でショートしている金属被膜の複数の指状部は、同様に一端がショートしている他の複数の指状部の近傍に位置している。蛇行部においては、金属被膜の同じラインの複数の転向部が近接して配置されている。交互嵌合部と蛇行部の両方は、ＤＣＬＦＳＳのキャパシタンスとインダクタンスを調整するのに有用である。

図３からわかるように、両方の技術は、所望の性能の目標を得るために、アンテナ２００において、繰り返し用いられている。ユニットセル３２４は、最下部の交互嵌合部と、その上の蛇行部と、さらに蛇行部の上の交互嵌合部とを含む。パッチは、そのようなユニットセル３２４の配列であり、幅方向に２つのユニットセルが並び、高さ方向に３つのユニットセルが並んでいる。

図示した実施形態は、単に典型的なものであるにすぎない。他の形式のユニットセルや構成も選択することができる。他の形式の選択は、有用性や性能や要求コストに依存することとなるであろう。また、設計は、シミュレーションや分析評価により実験的に選択されるであろう。

アンテナ２００の全体に渡って、ライン幅と間隔は、設計規則や性能目標により選択されるだろう。図３の実施形態において、ライン幅と間隔のほとんどは、０．２ｍｍに設定されている。

アンテナ２００の外周の４つの垂直方向の配線と１つの水平方向の配線に沿って、ライン幅は０．４ｍｍに設定されている。ユニットセルの周囲における、より広い０．４ｍｍ幅の配線を用いることは、いくつかの応用例に好ましい。なぜなら、それらは、均一の０．２ｍｍの配線を使用する場合と比較してＤＣＬショートパッチアンテナの放射効率を改善することがわかっているからである。

アンテナ２００の上面の全体の大きさは、８．６ｍｍ×１２．４ｍｍである。

図３に示すＤＣＬショートパッチアンテナのアンテナ効率を改善するために、上部周辺部に沿った配線の幅と同様に、周辺部の配線３０２と３０６の幅を増加させてもよい。そしてそれは、２対のＤＣＬ送電ラインをショートさせるものである。

これらの配線は、アンテナの共振周波数への大きな影響なしに、数ｍｍ（λ／４０）まで増加させることが可能である。また、金属被膜の厚さを増加させることにより、アンテナの効率を改善することも可能である。

図４は、図２と図３のアンテナ２００のリターンロスを示す図である。このアンテナは、２４６０ＭＨｚ付近と５３３０Ｍｈｚ付近との２つの非調波周波数で明らかに共振している。この測定は、４５ｍｍ角のグランド面の角部に搭載されたアンテナ２００を用いてなされたものである。

このように、アンテナ２００は、５．１〜５．３ＧＨｚ付近の８０２．１１無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）周波数帯と同様に、２．４００ＧＨｚから２．４９ＧＨｚまでのブルートゥース周波数帯のアドレスによく適するものである。

製造されたアンテナの試験測定では、４５ｍｍ角のグランド面の角部に装着した場合、好ましい実施形態の放射効率は、低い周波数帯（２４６０ＭＨｚ）において、一般的に７３％であった。

試験測定方法は、8.89cm（3.5インチ）角の導波路の形状のホイラーキャップ試験設備を採用した。19.05cm（7.5インチ）角のグランド面が、ホイラーキャップの底に形成されており、このより大きなグランド面は、ＳＭＡバレルコネクタを介し、４５ｍｍ角グランド面に電気的に接続している。

アンテナ試験室にセットアップされたこの同じアンテナとグランド面の測定は、７２％の最大放射効率を示した。そして、これは０．０３ｄＢ以内と合致するものである。これらの測定された効率は、試験設備の5.08cm（2インチ）同軸ケーブルの０〜０．２ｄＢのラインロスを含むものである。従って、実際のアンテナ効率は、ほぼ７５％である。

ＤＣＬショートパッチアンテナ２００は、全周波数シミュレーションツールを用いてモデル化される。

図５は、本シミュレーションに用いられたコンピュータモデルを示す図である。図５（ａ）は、シミュレートされたアンテナの等角図である。図５（ｂ）は、シミュレートされたアンテナの正面図である。図５（ｃ）は、シミュレートされたアンテナの断面図である。

本モデルは、図２と図３の実施形態とほぼ同じである。相違点は、アンテナ周囲のライン幅がより小さい０．２ｍｍであることと、ＲＦショートが、給電部から約２倍の距離に位置していることである。

シミュレートされたアンテナは、厚さ０で、１０×１４ｍｍのとても小さなグランド面を有し、給電ポストを形成するワイヤの基礎に位置するシリーズ電圧電源により励起される。この電源も、５０Ωの電源インピーダンスを有する。

図５に、底面積７．８ｍｍ×１２ｍｍ、厚さ１．９５ｍｍであり、εｒ＝１．２である発泡誘電体を含む他のシミュレーション条件が明記されている。ポリイミド層は、底面積７．８ｍｍ×１２ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍであり、εｒ＝３．３である。金属パッチは、厚さ０の銅である。給電部は、半径０．０２ｍｍのワイヤであり、座標ｘ＝７．７ｍｍ、ｙ＝０．１ｍｍに位置する。ＲＦショートは、半径０．０５ｍｍのワイヤであり、座標ｘ＝７．７ｍｍ、ｙ＝４．１ｍｍに位置する。

デュアルバンド操作が、比率２．１３である２．２７ＧＨｚと４．８３ＧＨｚ付近の共振を伴うシミュレーションで明らかにされる。

図６は、低い周波数帯の共振周波数（２．２７ＧＨｚ）における、表面電流を示す図である。瞬間の電流が、ωｔ〜３０°の特定の時間位相の間プロットしたものである。シミュレーションで使用した、シリーズ電圧電源は、位相角０°を有する。

図６の各々の図は、静止画で詳細を明らかにするためのカラースペクトルに対する異なる最大値を示す図である。次のように、図６（ａ）は、６０Ａ／ｍの最大表面電流を示す図である。図６（ｂ）は、３０Ａ／ｍの最大表面電流を示す図である。図６（ｃ）は、１５Ａ／ｍの最大表面電流を示す図である。

図６は、ユニットセルの周辺部における最大電流を示す図である。それゆえ、４つの垂直な配線は、意図的に内部のすべての配線の２倍の幅を有するよう製造されており、それらの配線において電流密度を減少させている。この変化は、中間の５０％の範囲から、低い７０％の範囲へホイラーキャップ試験により測定された放射効率を改善する結果をもたらす。これは、すべてのアンテナにとり、効率の大きな改善であるといえる。

図７は、図５のシミュレートされたアンテナの表面とワイヤの電流を示す他の図である。図７は、ショートポスト、またはショートワイヤにおける合計の電流は、給電ポストにおける電流を大きく超えるものであるということを明らかにした。

これは、グレッグ、エス、メンドリアとジョン、ダットンとウィリアム、イー、マッケンジー３世とにより出願された、さらなる詳細情報を得られるであろう米国仮出願番号６０／３５２１１３（出願日２００２年１月２３日）及び米国仮出願番号６０／３５４６９７（出願日２００２年２月４日）の「小型化されたＰＩＦＡ（MINIATURIZED REVERSE-FED PLANAR INVERTED-F ANTENNA）」の最も重要な部分でもある。

他の結論が、図７のシミュレーション結果から得られる。第１に、相対的に低い電流密度が、ユニットセルの内部に観察された。第２に、図６（ａ）からわかるように、パッチ上の最も高い電流密度は、２対の送電ラインが接合する場所である、上端中心のブリッジ部において観察された。

図８は、ＤＣＬＦＳＳショートパッチアンテナが、基本的に一対の連結された送電ラインとしてモデル化されている等価回路８００を示す図である。

等価回路８００は、第１のセグメント８０４と第２のセグメント８０６を有する第１の送電ライン８０２を含む。同様に、等価回路８００は、第１のセグメント８１０と第２のセグメント８１２を有する第２の送電ライン８０８を含む。給電点８１４は、第１の送電ライン８０２の第１のセグメント８０４の一端に位置する。そして、ＲＦショート８１６は、第２のセグメント８０６から第１のセグメント８０４を区切る回路ノード部に位置する。

連結した送電ラインは、それらの偶数モード固有インピーダンスＺ_ｏｅとそれらの奇数モード固有インピーダンスＺ_ｏｏにより一意に定義される。これは、実効誘電率が、偶数モードε_ｅと奇数モードε_ｏにより定義されるのと同様である。

一体型のパッチと比較して、ここで図示するように、普通の一体化された連結送電ラインを用いるＤＣＬパッチの１つの利益は、ＤＣＬパッチの実効誘電率が、１を超えて増加することである。これは、連結ライン上の偶数及び奇数モードの両方の位相速度を遅くし、よりコンパクトなアンテナの設計を可能とする。これは、いかなる誘電負荷材料のコストや重量を追加することなく、図２の例に示すように、ＤＣ導電性ユニットセルを含む給電ラインをパターン形成することにより、簡単に実現することができる。

測定データと比較するための回路モデルとして、図８の等価回路８００は、次に挙げる値を前提とする様々な回路モデルを用いてモデル化された：Ｚ_ｏｏ＝５０Ω、Ｚ_ｏｅ＝１００Ω、ε_ｅ＝ε_ｏ＝１．５、Ｌｅｎ_１＝４ｍｍ、Ｌｅｎ_２＝８ｍｍ、Ｃ_１＝Ｃ_２＝０．２５ｐＦ、Ｃ_３＝０．４７ｐＦ、Ｌ_１＝Ｌ_２＝０．５ｎＨ、Ｒ_１＝３０００Ω、Ｒ_２＝１５００Ω。

図９に、シミュレーション結果を図示する。図４に関連する上述の測定は、２４６０ＭＨｚと５３３０ＭＨｚを示すのに対して、本モデルは、共振周波数が２４８７ＭＨｚと５２６２ＭＨｚ、比率は２．１２を予測するものである。

図８の提案された回路モデル８００は、モデル化されているより単純なパッチアンテナの過去の経験の上に築かれている。

Ｌ_１とＬ_２は、給電ポストとショートポストの各々の寄生インダクタンスを表す。集中キャパシタンスＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３は、連結ライン８０２と８０８の一端の周辺領域をモデル化する。これらの容量負荷は、放射しやすさ（radiation susceptance）としても知られており、これらの値を予測するための標準式が存在する。

集中抵抗Ｒ_１とＲ_２は、放射ロスまたは放射コンダクタンスをモデル化したものである。 見積もることが最も困難なパラメータは、連結送電ラインパラメータである。しかしながら、実験的手段により、それらを見積もることができる。このようなモデルの長所は、回路モデルのパラメータの検討が、見通しと設計の手引きを提供できることである。

上述から、開示された本実施形態は、サイズと重量とコストと上述した表面実装要求仕様を満足するアンテナを提供する。１つの実施形態のこのアンテナは、２つの共振周波数の下の周波数において、λ／１０のみの最大直線距離を有する。体積は、約０．０００１１λ^３である。これは、現在市販されているグランド面に直接装着するタイプのアンテナより、桁を超えて小さい体積となる。

プリントされた配線を支持するのに用いられる薄いポリイミド以外の、誘電材料の不在により、２．４ＧＨｚアンテナ用の本実施形態のアンテナを０．２５ｇ以下のオーダの重量とすることが可能となる。市販のアンテナより、少なくとも５０倍以上軽くすることができる。

図示した実施形態は、グランド面からの垂直高さで約λ／６０となり、他の実施形態においては、他の高さが可能である。最近の市販の蛇行ライン設計のアンテナですら、高さは最小でλ／３５である。

ハードウェアの実験から、ここで図示されたＤＣＬショートパッチは、グランド面のサイズの変化や誘電体の近接により、容易に同調ずれを起こさないということがわかった。本実施形態のアンテナは、２．４ＧＨｚや５．２ＧＨｚ付近のブルートゥースやＩＥＥＥ規格８０２．１１の周波数のような多周波数帯域に使用可能である十分なＶＳＷＲ帯域幅に共振する。

いくつかの物理的な特徴が、低コストの製造方法を実現するために組み合わされている。第１にとしても小さな設置面積であり、第２に、ただ一層のパッチ金属しか必要とされず、第３に、本設計は、周辺部から給電されグランドされるので給電ピンを必要とせず、第４に、新種の材料が必要とされないことなどが、特徴として挙げられる。

これらの特徴は、無線通信機やＰＤＡや無線ＬＡＮに接続したラップトップコンピュータやパーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）のような無線機器への適用に好適である。本技術は、様々な周波数にスケール変更することが可能である。

例えば、８００ＭＨｚ（携帯電話）や９００ＭＨｚ（ＧＳＭ）や１５００ＭＨｚ（ＧＰＳ）や１８００ＭＨｚ（ＧＳＭ）や１９００ＭＨｚ（ＰＣＳ）や２４００ＭＨｚ（ブルートゥースやＩＥＥＥ規格８０２．１１）や５２００ＭＨｚ（ＩＥＥＥ規格８０２．１１）や、さらに高い周波数などである。

ＤＣＬショートパッチアンテナの他の実施形態が存在する。しかしながら、そのような実施形態の性能は、上述した設計の性能から変化するかもしれない。

図１０は、ＤＣＬショートパッチ１０００の、そのような１つの実施形態である。図１０のショートパッチ１０００の図示した実施形態は、先に述べた実施形態より単純化されている。というのは、パッチ１０００は、基本的に均一のユニットセル１００２により形成されており、連結ラインがないからである。

このＤＣＬパッチ１０００は、従来のＰＩＦＡのように一端１００４でショートしている。ＤＣＬパッチ１０００は、図１０に示すようにパッチ１０００の下方のほぼ中心の給電点１００６で給電される。これも、従来のＰＩＦＡと同様である。従来のＰＩＦＡにおいてと同様に、グランド点１００８は、ほぼパッチ１０００の終端１００４に位置する。

図１１は、ＤＣＬパッチ１１００の１つの実施形態の２つの写真を示す図である。図１１（ａ）は、パッチ１１００の正面側の正面図である。図１１（ｂ）は、パッチ１１００のグランド面側の等角図である。

本実施形態では、正面側１１０８にＤＣＬＦＳＳのための0.2032mm（8ミル）ラインと0.2032mm（8ミル）ギャップを用いる両面0.15748cm（0.062インチ）ＦＲ４上に組立製造されている。ＳＭＡコネクタ１１０２が、ＦＲ４のグランド面側１１０４に、はんだ付けされている。

そして、中心同軸コンダクタ１１０６が、ＦＲ４を介し給電プローブとして伸長し、ＤＣＬＦＳＳを励振させている。給電ピン１１１０とＲＦショートピン１１１２は、はんだ付けされたワイヤである。

図１２は、図１１のＤＣＬパッチ１１００の実施形態のリターンロスを示す図である。デュアルバンド応答が、２．０ＧＨｚと２．８２ＧＨｚ付近の共振周波数を示して認識できる。本例の共振周波数間の比が、１．４１：１のみであることに留意する。

上記２例は、ＤＣＬＦＳＳ材料は、ＤＣＬＦＳＳが異方性であるパッチアンテナとしても用いることが可能であることを示している。言い換えると、ｘとｙ方向のパッチ電流は、異なるシートインピーダンス、又は、異なる等価回路を見せる。パッチ電流は、パッチの表面の金属又は他の導体内の電流である。

本例において、ｘとｙ軸は、直交しており、ＦＳＳ平面内にある。ここで好例が示されているが、異方性ＤＣＬＦＳＳ材料を物理的に実現したものが多く存在する。しかしながら、等方性ＤＣＬＦＳＳを用いてＤＣＬショートパッチアンテナを製造することが可能であり、おそらく望ましい。

図１３は、等方性ＤＣＬショートパッチ１３００の１つの実施形態を示す図である。パッチ１３００において、ユニプレーンコンパクトフォトニックバンドギャップ（uniplanar compact photonic bandgap ： UC-PBG）構造が、パッチに用いられている。このＦＳＳパターンは、交差エルサレム溝アレイとしても知られている。ＵＣ―ＰＢＧ構造のユニットセルは、図１３に明らかにされる。

ＦＳＳとして、パッチ１３００の等価回路は、図１（ｂ）に示される回路により見積もられる。パッチ１３００のユニットセルは、図１（ｂ）の等価回路によりモデル化されるような、インダクタを形成するトレース１３０４とキャパシタを形成するギャップ１３０２とにより分離されている。

このアンテナの例において、ユニットセル間のキャパシタギャップ１３０２は、それらの輪郭をはっきりさせるインダクタトレース又は挿入ギャップ１３０６のように、直交方向の両方向において同じサイズである。この対称性が、等方性ＤＣＬＦＳＳを生み出す。しかしながら、ＬＣ値は、ｘ及びｙ方向の形状を独立して変更することにより、異方性にすることができる。

ＤＣＬショートパッチアンテナを理解するために重要な点は、ＤＣＬＦＳＳのユニットセルは、すべてのアンテナ共振周波数の自由空間波長に対して、とても小さいということである。最初の２つの実施形態の標準的なユニットセルの寸法は、最も低い共振周波数の自由空間波長の２〜４％である。他の寸法も同様に使用できる。

図１３において、「Ａ」と「Ｂ」で表示された点は、各々、給電ポイントとＲＦショートポイントとの位置である。従来の給電ポイントは、Ｂ点である。逆給電ＰＩＦＡは、給電ポイントとしてＡ点を利用している。

図１３の実施形態の変形は、より高性能の、図１４の蛇行ラインＤＣＬショートパッチアンテナ１４００を与える。アンテナ１４００は、単純に切断された選択ｙ方向インダクタトレースにより得られる。例として、トレース１４０２と１４０４は、図１３の実施形態と比較して切断されている。トレース１４０６と１４０８は、そのままであり、蛇行ラインを形成している。ここで、９０°回転する場合には、ＤＣ誘導経路は左右に蛇行しており、そのため、ＤＣＬＦＳＳの等価回路は図１（ｃ）の実施形態と同様にモデル化することができる。

本発明の特徴的な実施形態が示され述べられたが、様々な変更もなされうるものである。それゆえ、請求の範囲は、本発明の真の精神や本発明の範囲内にある、そのような変更や修正に及ぶことを意図するものである。

図１は、直流誘導周波数選択面（ＤＣＬＦＳＳ）の等価回路を示す図である。 図２は、ＤＣＬショートパッチアンテナの１つの実施形態の写真である。 図３は、図２のＤＣＬショートパッチアンテナの平面図である。 図４は、図２と図３のＤＣＬショートパッチアンテナのリターンロスを測定した結果を示す図である。 図５は、ＤＣＬショートパッチアンテナの全電波シミュレーションモデルを示す図である。 図６は、図５のシミュレーションモデルを用いて算出された、シミュレートされた瞬間の電流を示す図である。 図７は、ＤＣＬショートパッチアンテナの全電波シミュレーション結果を示す図である。 図８は、ＤＣＬショートパッチアンテナの分布した等価回路モデルを示す図である。 図９は、図８のモデルの予想されるリターンロスを示す図である。 図１０は、ＤＣＬショートパッチアンテナの第２の実施形態を示す図である。 図１１は、図１０のアンテナの意匠の写真を示す図である。 図１２は、図１０と図１１に述べるＤＣＬショートパッチアンテナのリターンロスを測定した結果を示す図である。 図１３は、等方性のＤＣＬ ＦＳＳを用いたＤＣＬショートパッチを示す図である。 図１４は、蛇行ラインＤＣＬショートパッチアンテナを示す図である。

Claims (10)

1. 放射素子を有する直流誘導周波数選択面（ＤＣＬＦＳＳ）と、
   グランド面と、
   給電部と、
   前記グランド面への高周波（ＲＦ）ショートと、
   を有するパッチアンテナであって、
   前記ＤＣＬＦＳＳは、誘電層の上に配置された金属被膜を有し、
   該金属被膜は前記誘電層により前記グランド面から隔てられており、
   前記金属被膜はパターン化され、前記ＤＣＬＦＳＳのキャパシタンスとインダクタンスを形成する
   ことを特徴とするパッチアンテナ。
2. 前記給電部は、前記パッチアンテナのほぼ角部に位置する
   ことを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
3. 前記給電部は、前記放射素子を形作る送電ラインの一端に位置する
   ことを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
4. 前記ＲＦショートは、前記ＲＦショートから前記パッチアンテナの中心までの距離が、前記給電部から前記パッチアンテナの中心までの距離より小さい位置にある
   ことを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
5. 前記金属被膜はパターン化され、１以上の蛇行部を形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
6. 前記金属被膜は、第１の幅を有する周囲の金属ラインと、
   第２の幅を有し、かつ、少なくとも部分的に前記周囲の金属ラインの内側にある、パターン化された金属ラインと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
7. グランド面と、
   発泡基板と、
   前記発泡基板上に配置されたフレキシブル誘電体層と、
   キャパシタンスとインダクタンスとが形成され、対象となる１以上の周波数で共振を生じる、前記フレキシブル誘電体層上に配置された金属被膜と、
   を有することを特徴とするアンテナ。
8. 前記金属被膜はパターン化され、給電端と放射部とを含む放射素子を形成する
   ことを特徴とする請求項７に記載のアンテナ。
9. 前記放射素子の前記給電端に電気的に接続する給電部と、
   前記給電端と前記放射部との間に位置する前記放射素子のグランド点に、電気的にアースするように配置されたＲＦショート部と、
   をさらに有することを特徴とする請求項８に記載のアンテナ。
10. 前記金属被膜は、１以上の蛇行ラインを有する
    ことを特徴とする請求項７に記載のアンテナ。

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