JP4549600B2 - 二帯域伝送システムおよびそのためのアンテナ - Google Patents
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Description
本発明は、一般に無線伝送システム、特に移動体電話に関し、より詳細には、そのようなシステムに含まれるマイクロストリップアンテナに関する。
【0002】
この種のアンテナは、通常、金属層をエッチングすることによって形成されるパッチを含んでいる。当業者は、この種のアンテナを「マイクロストリップパッチアンテナ」と呼んでいる。
【0003】
マイクロストリップ技術は、信号伝送線、および、信号伝送線と放射波間の結合をもたらすアンテナを製造するために使用されるプレーナ技術である。プレーナ技術は、薄い誘電体基板の上面に形成された導電性パッチおよび/またはストリップを使用している。導電層は、誘電体基板の底面上に延在し、伝送線またはアンテナの接地平面を構成している。通常、上記種類のパッチは、上記種類のストリップより幅が広く、かつ、その形状および寸法が、アンテナの重要な特性を決定している。誘電体基板は、通常、厚さが一定の長方形の平らなシートであり、同様に、パッチも長方形であるが、これは必ずしも必須ではない。特に、当業者は、基板の厚さを変えることにより、上記種類のアンテナの帯域幅を広げることができ、また、パッチを様々な形状、例えば円形にすることができることを知っている。電界線は、ストリップまたはパッチと接地平面間の基板を通って延在する。
【0004】
上記技術は、同様に薄い基板の上に導電性部材を使用している他の様々な技術とは異なっており、特に、共面(コプレーナ)線路技術とは異なっている。共面線路技術においては、基板上面に電界が確立され、かつ、中央導電ストリップと、2本のスロットで該ストリップから分離され、該ストリップに対してそれぞれ反対側の2つの導電領域との間に対称に電界が確立される。ループスロットアンテナの場合、連続する導電領域がパッチを囲い、パッチは、スロットによって導電領域から分離されている。
【0005】
通常、上記技術を用いて構成されるアンテナは、必ずしもそうとは限らないが、共振構造を構成し、それにより定在波が、空中に放射された電波との結合をもたらしている。
【0006】
マイクロストリップ技術を用いて、様々な種類の共振構造を実施することができ、また、様々な共振モードを用いることができる。共振モードについては、以下、簡単に「共振」と呼ぶものとする。広義にはこのような共振の各々を、共通経路を逆方向に伝播する、2つの進行波の重畳によって形成される定在波として記述することができる。上記2つの進行波は、同一の進行電磁波が、経路の2つの端部の各々で交互に反射されることによって生じる。この種の記述のコンテキストにおいては、電磁波は、接地平面、基板、およびパッチからなる電磁線路内を伝播するものとみなし、かつ、その電磁線路は、幅ゼロの線形経路を画定しているとみなすものとする。実際には上記種類の電磁波は、アンテナによって提供されるセクション全体を横切って広がる波面を有しており、このことは、上記記述が、現実の状況を、時には極端に簡略化していることを意味している。線形とみなすことができる限り、経路は直線状あるいは曲線状であってもよい。以下、経路を「共振経路」と呼ぶ。共振周波数は、上述の進行波が、その経路に沿って進行するのに要する時間に反比例している。
【0007】
第1の種類の共振は、「半波長」共振と称されることができる種類の共振であり、通常、共振経路の長さが、実質的に波長の1/2、すなわち上記進行波の波長の半分に等しい。この場合、アンテナは「半波」アンテナと呼ばれる。通常、この種の共振は、上記種類の経路の2つの端部の各々における、電流ノードの存在によって画定することができ、したがって上記経路の長さを、前記半波長に、1以外の整数を掛け合わせた長さにすることができる。通常、この整数は奇数である。放射波との結合は、経路の2つの端部の少なくともどちらか一端で生じ、経路の両端部は、基板内における電界の振幅が最大である領域に存在している。
【0008】
同じ技術を用いて得られる第2の種類の共振は、「四分の一波長」共振と称されることができる。この共振は、第1に、共振経路の長さが、通常、実質的に波長の1/4、すなわち上で規定した波長の1/4に等しい点において、前記半波長共振と異なっている。そのため、共振構造は、経路の一端に短絡回路を持たなければならない。「短絡回路」という表現は、接地平面とパッチとの間の接続を意味している。短絡回路のインピーダンスは、共振を強制することができるよう、十分に小さいものでなければならない。通常、この種の共振は、パッチのエッジの近傍に設けられる上記種類の短絡回路によって固定される電界ノードの存在によって、および、共振経路の他の一端における電流ノードによって画定することができる。したがって、共振経路の長さを、前記四分の一波長に加算された、整数倍の半波長に等しくすることができる。空中に放射された電波との結合は、基板を通過する電界の振幅が十分に大きい領域において、パッチのエッジで生じる。
【0009】
その他の種類の多少複雑な共振を、上記種類のアンテナ内に確立することができる。この種類の各共振は、アンテナおよびその直ぐ近傍を含む空間領域での、振動する電界および磁界の分布によって特性付けられる。この種類の共振は、特にパッチの構成、特に、スロット、恐らく放射スロットを組み込むことができるパッチの構成によって決まる。また、可能性として、短絡回路の存在とその位置、および、短絡回路が不完全な短絡回路、すなわち、ほぼ完全に近いものであったとしても、インピーダンスがゼロの完全な短絡回路の等価として扱うことができない場合における、これらの短絡回路を表す電気モデルによって決まる。
【0010】
アンテナ内に不完全短絡回路が存在すると、仮想ノードと称されることができる共振特徴が生じる可能性がある。仮想ノードは、以下に示す条件の幾つかが同時に満たされた場合に生じる。上記アンテナが、「第1のアンテナ」と呼ばれる場合の条件は、
第1のアンテナ内における電磁界の分布が、第2のアンテナのパッチの同一領域内に誘導することができる分布と、実質的に同一である。
【0011】
第2のアンテナが、上記領域内において第1のアンテナと同一である。ただし、上記領域内において、第2のアンテナが該短絡回路を持たない場合を除く。
【0012】
第2のアンテナのパッチが、第2のアンテナの主領域を構成している上述の領域上のみならず、相補関係にある領域上にも延在する。
【0013】
第2のアンテナの主領域内における該電磁界の分布に、相補関係にある領域内の電界ノードまたは磁界ノードが伴っている。
【0014】
第1のアンテナ内に生じる共振について記述する場合、第2のアンテナ内に生じるノードが、同様に、第1のアンテナが共振するためのノードを構成するとみなすことができる。このノードは、アンテナのパッチの外部領域にあり、したがってその領域では、ノードの存在を直接決定することができる電界または磁界が生じないため、第1のアンテナのようなアンテナに対して、以下、この種のノードを「仮想」ノードと呼ぶ。
【0015】
これらの「仮想ノード」は、従来、共振を記述する場合に、この「仮想ノード」という用語で考慮されてはいないが、「仮想ノード」は、同一パッチの物理的すなわち幾何学的な長さと、いわゆる電気的な長さとの間に時おり引かれる区別の中に、暗に含まれている。上で参照した2つのアンテナの場合、および第1のアンテナのパッチに関しては、物理的すなわち幾何学的長さは、パッチの長さであり、その同一パッチの電気的長さは、実際には、第2のアンテナの物理的すなわち幾何学的長さであると言える。
【0016】
特定のアンテナ構成に対して、複数の共振を発生させることができる。複数の共振により、共振周波数の各々でアンテナを使用することができる。
【0017】
通常、アンテナは、アンテナ外部の接続線路を含み、線路をアンテナの共振構造に結合するための、アンテナ内に統合された結合システムで終端している接続システムを介して、送信機などの信号プロセッサに結合されている。アンテナの共振は、上記接続システムの性質および位置によっても左右される。伝送アンテナの場合、接続システムは、アンテナの給電線と呼ばれることもある。
【0018】
本発明は、移動体電話、移動体電話のための送受信基地局、自動車および航空機、あるいは機上ミサイルなどの様々な種類のシステムに関している。移動体電話の場合、マイクロストリップアンテナの底部接地平面層の連続性により、システムのユーザの身体によって妨害される放射を、容易に制限することができる。自動車の場合、および、とりわけ、外部表面が金属表面で、かつ、空力抵抗が極めて小さい曲線輪郭を有する航空機あるいはミサイルの場合、その輪郭にアンテナを適合させ、好ましくない余計な空力抵抗を生じないようにすることができる。
【0019】
本発明は、より詳細には、マイクロストリップアンテナが以下に列挙する特質を備えなければならない状況に関している。
【0020】
二周波数アンテナ、すなわち、広いスペクトル間隔で分離された2つの周波数の放射波を効率良く送信し、および/または、受信することができなければならないアンテナであること。
【0021】
伝送システムの全動作周波数に対して、好ましくない、やっかいな定在波比を線路に引き起こすことなく、単一接続線路による信号プロセッサへの接続が可能であること。
【0022】
上記の特質を達成するために、周波数マルチプレクサあるいは周波数デマルチプレクサの使用を必要としてはならない。
【0023】
当技術分野において、上記3つの特質を備えた多くのマイクロストリップアンテナが製造され、あるいは提案されている。それらは、複数の共振周波数を得るために使用している手段において、互いに異なっている。3種類のマイクロストリップアンテナについて、以下に考察する。
【0024】
従来技術による第1のマイクロストリップアンテナが、米国特許第4,766,400号(Gegan)に記載されている。そのアンテナのパッチ10の形状は、概して長方形であり、アンテナによる、パッチの長さに沿って、かつ、パッチの幅を横切って共振経路が確立される2つの半波長共振を可能にしている。また、上記アンテナは、全体がパッチの内側にあるU字形湾曲スロットを有している。該スロットは放射スロットであり、別の経路に追加共振モードを作り出している。スロットはさらに、その形状および寸法を適切に選択することにより、共振モードの周波数を必要な値に同調し、それにより、同一周波数および交差直線偏波を有する、2つのモードを関連付けることによって円偏波電波を伝送する機能をもたらしている。結合システムは、マイクロストリップ線路の形を取っているが、その線路は、マイクロストリップがパッチ平面内にあり、かつ、その平面内の2つのノッチ間を通っている共面、と言うこともできる。上記結合システムは、線路の様々な入力インピーダンスに、動作周波数として使用されている様々な共振周波数でシステムを整合させるためのインピーダンス整合手段を含んでいる。
【0025】
従来技術による上記第1のアンテナには、特に、以下に示す欠点が有る。
【0026】
インピーダンス整合手段を備える必要があり、アンテナを複雑にしている。
【0027】
共振周波数を必要な値に正確に調整することが困難である。
【0028】
従来技術による第2のアンテナは、ただ1つの共振経路しか使用しない点において、上記第1のアンテナと異なっている。第2のアンテナについては、米国特許第4,771,291号(LOら)に記載されている。このアンテナのパッチは、局在短絡回路、および、パッチ内部の直線線路セグメントに沿って延在したスロットを含んでいる。該スロットおよび短絡回路は、前記経路を共有し、かつ、番号(0、1)および(0、3)で表される、2つの互いに異なるモードを有する2つの共振に対応する2つの周波数間の差を小さくしている。すなわち、共通経路が、該モードに応じて、1つの半波長または3つの半波長で占められている。したがって、上記2つの周波数の比率を、3から1.8に小さくすることができる。局在短絡回路は、基板を貫通している導体で形成されている。
【0029】
この従来技術による第2のアンテナには、特に、局在短絡回路を中に含むことによって製造が複雑化されている欠点がある。
【0030】
従来技術による第3の二周波数アンテナは、四分の一波長共振を使用している点において、上記2種類のアンテナと異なっている。二周波数アンテナについては、IEEE ANTENNAS AND PROPAGATION SOCIETY INTERNATIONAL SYMPOSIUM DIGEST, NEWPORT BEACH(1995年6月18日〜23日、2,124〜2,027ページ)に掲載されている、Boag等による論文「Dual Band Cavity-Backed Quarter-wave Patch Antenna」に記載されている。第1の共振周波数は、アンテナの基板およびパッチの寸法と特性によって画定される。整合システムを使用することにより、実質的に同じタイプの共振が、同一共振経路上に、第2の周波数で得られる。
【0031】
この従来技術による第3のアンテナには、特に、次のような欠点がある。
【0032】
ある種のアプリケーションに対して、2つの共振周波数の差が小さ過ぎる。
【0033】
整合システムを使用する必要があり、アンテナを複雑にしている。
【0034】
アンテナ結合システムを同軸線の形で使用する必要があり、アンテナを複雑にしている。
【0035】
本発明は、特に、以下の目的を有している。
【0036】
二周波数アンテナの実施を簡単にすること。
【0037】
伝送システムの2つの動作帯域の中心周波数の比率の従来より自由な選択を可能にし、さらに詳細には、そのアンテナの2つの所要の共振周波数の比率が、約1.25から約5、特に、2に近くなるように、伝送システムにアンテナを提供すること。
【0038】
アンテナに、2つの共振周波数の各々を中心とする帯域幅を付与すること。漏話することなく、2つの帯域の各々に置かれるシステムの送信周波数および受信周波数を可能にするため、上記帯域幅は、十分な幅を有している。
【0039】
2つの共振周波数の簡単、かつ、正確な調整を可能にすること。
【0040】
インピーダンスを2つの共振周波数の各々に対して容易に整合させることができる、単一結合システムの使用を可能にすること。
【0041】
アンテナの寸法を限定すること。
【0042】
以上の目的を念頭におき、本発明は、特に、
それぞれの所定の中心周波数を中心とする2つの動作帯域の各々における、電気信号を送信および/または受信するために、該2つの帯域において同調するように構成された信号プロセッサと、
マイクロストリップアンテナと、
前記電気信号を放射波に結合するために、信号プロセッサをアンテナに接続する電気導体を含むアンテナ接続システムとを含む、二帯域伝送システムであって、上記アンテナは、
導電性接地平面と、
周辺部を有する導電性パッチと、
前記周辺部に形成された短絡回路と、
前記周辺部の開口部からなる起点を有し、前記起点から前記パッチに入り込む分離スロットとを含み、
前記短絡回路および前記分離スロットにより、前記アンテナ中に2つの共振を確立することが可能になり、前記2つの共振の一方が、前記短絡回路によって固定される少なくとも1つの仮想電界ノードを有する四分の一波長タイプの共振であり、実質的に前記2つの中心周波数の一方に等しい一次周波数を有する一次共振を構成し、前記2つの共振の他方が、実質的に前記2つの中心周波数の他方に等しい二次周波数を有する二次共振を構成し、
前記接続システムの電気導体は、前記接地平面、および前記パッチの一部である主アンテナ結合導体を含み、それにより前記アンテナを、前記2つの中心周波数の各々の付近で前記信号プロセッサに結合することができ、
前記伝送システムは、分離スロットの後端部が前記周辺部から十分に小さい距離に位置するまで、前記分離スロットが前記パッチ中に延在し、前記主アンテナ結合導体と前記短絡回路を含む本体と、前記短絡回路のない、前記本体によってのみ前記接続システムに電気接続される尾部と、前記後端部と前記周辺部との間の前記パッチの一領域からなる通路とに、前記分離スロットが前記パッチを部分的に分割することを特徴とする、二帯域伝送システムを提供する。
【0043】
上記分離スロットのパッチ周辺部からの距離は、スロットの起点の近傍を除くスロットの全長にわたって、あるいは、その長さの少なくとも大部分にわたって、かつ、両側において、上記スロットの後端部から上記周辺部までの距離よりも長いことが好ましい。
【0044】
分離スロットの起点は、いずれも前記短絡回路から延在するそれぞれの共振経路に前記2つの共振を与えるために、前記短絡回路の近傍にあることが好ましい。前記2つの経路の一方が、前記本体中にのみ延在し、他方の経路が、前記本体中および前記尾部中に延在することが好ましい。
【0045】
本発明の様々な態様については、以下の説明および添付の概略図面により、より深く理解されるであろう。2つの構成要素が、複数の図の中で同一参照符号および/または文字で表されている場合、それらの構成要素は、本発明の2つの実施形態において同一機能を有するか、あるいは同一構成要素である。
【0046】
図1〜図3に示すように、また、当技術分野で知られているように、本発明によるアンテナの共振構造は、以下の構成要素を含んでいる。
【0047】
アンテナに対して画定された水平方向DLおよびDTに延在する、相互に反対側である2つの主表面を有し、該アンテナの面積によって決めることができる誘電体基板2。該基板は、既に説明したように、様々な形を取ることができる。その2つの主表面は、それぞれ底面S1および上面S2を構成している。
【0048】
例えば、底面全体にわたって延在し、アンテナの接地平面4を構成する底部導電層。
【0049】
接地平面4の上方に、上面の一領域にわたって延在し、パッチ6を構成する上部導電層。通常、パッチは、それぞれ水平2方向に、一定の長さおよび一定の幅で延在し、縦方向DLおよび横方向DTを構成している。その周辺部は、対の形で実質的に上記2つの方向に延在した4つのエッジからなっているとみなすことができる。通常、「長さ」および「幅」という用語は、長方形対象物の互いに直角の2つの寸法に適用され、長さは幅より大きいことを指すが、パッチ6が、本発明の範囲を逸脱することなく、長方形の形状から大きく逸脱することができることを理解しなければならない。通常、これらのエッジの1つが横方向DTに延在し、2つのセグメント10および11を含む後部エッジを構成している。前部エッジ12は後部エッジの反対側にある。2つの側部エッジ14および16が、後部エッジを前部エッジに結合している。
【0050】
パッチ6を、パッチの後部エッジのセグメント10から接地平面4に電気的に接続する短絡回路。本発明の第1および第2の実施形態においては、基板2のエッジ表面上に延在する導電層Sによって、短絡回路が形成されている。該エッジ表面は、通常、平らであり、短絡回路平面を構成している。第3の実施形態では、短絡回路は、接地平面4とパッチ6との間に並列に接続された3個のディスクリート部品R、LおよびDによって構成されている。各実施形態において、短絡回路は、アンテナの少なくとも1つの共振に、セグメント10の近傍に少なくとも1つの仮想電界ノードを有することを強制し、四分の一波長タイプの共振になることを強制している。この共振およびその周波数を、以下、「一次共振」および「一次周波数」と呼ぶものとする。前記後部エッジ、前部エッジ、および側部エッジ、ならびに、縦方向および横方向は、この種の電界ノードを有するアンテナ中に共振を強制するために、短絡回路が十分に大きい、すなわち、特にそのインピーダンスが十分に小さい限り、この種の短絡回路の位置によって画定される。
【0051】
アンテナはさらに結合システムを含んでおり、該結合システムは、基板の上面S2上の結合ストリップC1からなる主導体を含んでいる。このストリップは、結合ポイント18でパッチ6に接続されている。結合ポイント18は、例えば、前縁14上に設けることができる。後部エッジ10からこの結合ポイントまでの距離が、接続寸法を構成している。上記結合システムはさらに、層4からなる導電性接地平面を含んでいる。導電性接地平面は、アンテナの共振構造を信号プロセッサTに接続する接続システムの一部であり、例えば、そのアンテナが伝送アンテナである場合、そのプロセッサからアンテナの1つまたは複数の共振が励振される。上記システムの他に、通常、接続システムは、アンテナ外部の接続線路を含んでいる。この接続線路には、同軸、マイクロストリップ、あるいは、特に共面タイプの線路を使用することができる。図1においては、上記接続線路は、接地平面4およびストリップC1を、信号プロセッサTの2つの端子にそれぞれ接続している、2本の導線C2およびC3の記号で示されているが、実際にはこの接続線路は、マイクロストリップまたは同軸線の形を取ることが好ましいことを理解しなければならない。
【0052】
信号プロセッサTは、少なくとも必要とするアンテナ共振周波数に近い、すなわち、これらの共振周波数を中心とする帯域内にある、所定の動作周波数で動作するように構成されている。信号プロセッサは、複合システムにすることが可能であり、各動作周波数に永続的に同調された部品を持たせることができる。あるいは、様々な動作周波数に同調させることができる部品を持たせることもできる。前記一次共振周波数は、このような必要な共振周波数の1つを構成している。
【0053】
本発明によれば、分離スロット17は、パッチの後部エッジ10および11からスロットの後端15まで、側部エッジ14および16、および前部エッジ12から離れて延在する。したがって本体31は、尾部接続通路32によって尾部33に接続されている。この通路は、前縁14と後端15の間に、DTの方向に長さW2を有し、かつ、DLの方向に幅L2を有している。本体は、DTの方向に幅W1を有している。スロット17は、後部エッジを、本体31の一部であり、かつ、短絡回路Sを含む本体ベース10と、尾部33の一部であり、かつ、横方向DTに幅W4を有する尾部ベース11に分割している。尾部のチップ13は、尾部を通路32上に結合する領域からなっている。尾部の長さは、ベース11からチップまで、DLの方向に延在する。尾部の幅は、尾部の長さの各ポイントにおいて画定され、DTの方向に延在する。
【0054】
図1に示す本発明の第1の実施形態のコンテキストにおいては、パッチの本体、通路および尾部の幅は一様であり、このように一様に形成されたパッチを有するアンテナは、通常、一次周波数と二次周波数との比を2:1近くにすることができる、移動体電話技術において要求される要求事項を満足することができる。
【0055】
しかし、第1の実施形態より第2の実施形態の方が好ましいようである。第2の実施形態では、尾部33のベース11の幅W4は、そのチップ13の幅W2よりも広くなっている。尾部の幅は、チップの幅とベースの幅との間の複数の中間値を経ながら、チップからベースにかけて広がっていることが好ましい。尾部幅のこの増加が連続的であり、尾部の形状が例えば台形で、その大小の底辺のそれぞれが尾部のベースであり、チップであることがさらに好ましい。
【0056】
尾部33の長さL3が、本体31の長さL1の50%〜100%であることがさらに好ましく、また、一次周波数F1に対する二次周波数F2の比F2/F1が、1.9〜2.1であることが好ましい。
【0057】
尾部33のベース11の幅W4は、本体31の幅W1の50%〜150%であることがさらに好ましいが、通路32および尾部のチップ13が、尾部のための接続システムを構成しているとみなし、かつ、より狭い幅の組合せが有効な尾部接続幅を構成すると仮定すると、その有効幅W3は、ベースの幅W4の10%〜70%であることが好ましい。
【0058】
本発明の第2および第3の実施形態では、基板2は、少なくともその領域の一部に、接地平面4を支える底部誘電体層21、および、パッチ6を支える上部誘電体層22をそれぞれ構成する、互いに異なる2つの重ね合わされた層を含むことが好ましい。上部誘電体層は、底部誘電体層より誘電率が高く、かつ、厚さが薄い方が有利であり、また、上記2つの層が、基板の領域全体にわたって延在することが有利である。上記2つの層の差により、長距離放射効率が向上し、また、共振周波数の調整が容易になっている。
【0059】
アンテナはさらに、パッチ6の領域の一部に、上部誘電体層21と底部誘電体層22との間に延在する、導電性インサート23を含むことが好ましい。この部分は、通路32の下方で、かつ、前部エッジ12の近傍に延在することが有利である。上記インサートは、幅L=5mm、長さW5=20mmであり、その長さは、前部エッジ12の中間値に一致する中間の長さである。インサートには、面倒な方法で一次周波数を修正することなく、その位置および寸法を選択することにより、二次周波数を調整することができる利点がある。
【0060】
示されてはいないが変形態様においても、本体31と連続し、かつ、前部エッジ12部分で本体および基板から突出した、銅フィルムからなる舌部を用いることにより、同様の利点を得ることができる。この種の舌部は、パッチ平面から離れて、かつ、基板の垂直平面に向けて、前部エッジ12上で自由に曲げることができる。したがって必要な周波数調整は、その傾きを選択することによって実施される。
【0061】
前記第1および第2の実施形態のコンテキストにおいて、以下、様々な組成および値を例として示す。基板の長さおよび幅は、それぞれ縦方向DLおよび横方向DTに対して示す。アンテナ接地平面は、基板の底面を覆っており、短絡回路Sは、本体31のベースの幅をすべて占有している。
【0062】
以下に示す値は、上記2つの実施形態の各々に対して有効である。
【0063】
一次共振周波数:F1=980MHz
二次共振周波数:F2=1,900MHz
入力インピーダンス:50Ω
導電層の組成:銅
導電層の厚さ:17μm
導体の幅:C1=5mm。
【0064】
以下に示す値は、第1の実施形態に対して有効である。
【0065】
基板の長さ:30mm
基板の幅:20mm
基板の組成:比誘電率εrが5、誘電正接tan δが0.002のPTFEなど、フッ素樹脂をベースとする積層物
基板の厚さ:5mm
パッチの長さ:20mm
パッチの本体幅:13mm
接続寸法:2mm
分離スロットの幅:3mm
分離スロットの長さ:25mm
尾部の幅:4mm
一次周波数および二次周波数を中心とする帯域幅:それぞれその周波数の2.5%および2%、ただし、定在波比3.5以下での測定による。
【0066】
以下に示す値は、本発明の第2の実施形態に対して有効である。
【0067】
基板の長さ:32mm
基板の幅:26mm
基板底部層21の組成:低誘電率のフォーム
基板底部層の厚さ:2mm
基板上部層22の組成:比誘電率εrが5、誘電正接tan δが0.002のPTFEなど、フッ素樹脂をベースとする積層物
基板上部層の厚さ:3mm
パッチの長さ:L1=32mm
パッチの本体幅:W1=12mm
接続寸法:L4=2mm
通路の長さ:W2=4mm
通路の幅:L2=2mm
尾部33:前縁14に平行の軸の周りで対称
尾部33のチップ13の幅:W3=2mm
尾部33のベース11の幅:W4=12mm
尾部33の長さ:L3=30mm
一次周波数および二次周波数を中心とする帯域幅:それぞれその周波数の3.5%および4%、ただし、定在波比3.5以下での測定による。
【0068】
次に、アンテナのこれら2つの実施形態の動作について説明する。
【0069】
一方においては、一次共振および二次共振の各々の定在波間の結合、他方においては、空中に放射される電波間の結合は、主としてパッチ6の一端で生じる。このエッジは、該共振に応じて、一次放射エッジあるいは二次放射エッジと呼ばれる。
【0070】
本発明の第1の実施形態では、前部エッジ12が一次放射エッジであり、セグメント10上に電界ノードを有する、四分の一波長タイプの一次共振に対応している。しかし、通路32および尾部33の存在により、その共振の経路が僅かに延在されていることを示唆する値を、一次周波数が有していることが分かる。仮にパッチの長さが強制されていれば、上述のような共振経路の延在により、スロット17が存在する場合の一次周波数の値を、スロット17が存在しない場合の値より小さくすることができるはずである。一次周波数の値が強制される典型的な状況においては、スロットの存在により、パッチの長さを短くすることができるため、有利であり、かつ、大体において構成目標である。この利点は、アンテナが、アンテナの一次共振のみを使用する単帯域伝送システムに含まれた場合であっても維持されるであろう。
【0071】
第1の実施形態においては、二次放射エッジは、尾部33のベース11からなっている。二次共振の経路が、短絡回路Sから本体31の長さのみならず、通路32および尾部33の長さにわたっていることを示唆し、かつ、その経路の長さが、一方が短絡回路Sによって強制され、他方が尾部33のチップ13に近い、2つの電界ノードを有する四分の三波長に近いものであっても、その共振が実質的に半波長タイプの共振であることを示唆する値を、二次周波数が有していることが分かる。
【0072】
本発明の第2の実施形態では、尾部33のベース11が一次放射エッジであり、短絡回路Sから本体31の長さのみならず、通路32および尾部33の長さにわたる四分の一波長タイプの一次共振経路であることを示唆する値を、一次周波数が有していることが分かる。したがって、一次周波数の値が強制される典型的な状況においては、スロット17の存在により、上記第1の実施形態の場合よりさらにパッチの長さを短くすることができる。
【0073】
第2の実施形態では、前部エッジ12が二次放射エッジになっている。二次共振経路が本体3の長さに延在することを示唆し、かつ、その共振が実質的に四分の一波長タイプの共振であることを示唆する値を、二次周波数が有していることが分かる。
【0074】
図2に示すように、第2の実施形態の場合、本体31は、パッチ6の平面内に突出部34を備え、かつ、前部エッジ12の近傍の前縁14から突出していることが好ましい。本発明のコンテキストにおいては、この種の突出部には、アンテナの共振の帯域幅を広げる利点があることが分かっている。この突出部を長方形の形にすることができ、その場合、長さL6=10mm、幅W6=6mmである。本発明の第4の実施形態におけるこの種の突出部34を、図5に示す。図5においては、突出部は、前縁14の近傍の後部エッジ10から突出している。
【0075】
図4に示す、幾つかのアプリケーションに対して好ましい実施形態である、本発明の第3の実施形態に使用されている構成においては、一次周波数における短絡回路のインピーダンスが比較的大きく、したがってその一次共振は、短絡回路のインピーダンスがゼロである場合に、その周波数の付近でアンテナに誘導することができるであろう共振とは実質的に異なっている。同時に、本体31のベース10の近傍に、少なくとも1つの仮想ノードである共振の電界ノードを固定するには、この一次周波数における短絡回路のインピーダンスは比較的小さい。そのため、短絡回路を複雑にする欠点を有してはいるが、場合によっては極めて大きな利点をも有しており、本発明に従って短絡回路のインピーダンスの成分を適切に選択することにより、共振すなわちアンテナの物理的特性に整合させ、アンテナの使用を、短絡回路のインピーダンスがゼロである場合よりさらに良くすることができる。
【0076】
より詳細には、短絡回路のインピーダンスは、誘導成分Lを有していることが好ましい。この種の誘導成分が、ベース10の後部、すなわちパッチ6の外部に、仮想電界ノードを有する四分の一波長タイプの共振を引き起こす。これには、一次共振周波数F1が強制される場合、パッチの長さをさらに短くすることができる利点がある。
【0077】
短絡回路のインピーダンスに、アンテナの帯域幅を広げる利点をもたらす抵抗成分Rを持たせることもできる。短絡回路のインピーダンスに、減結合コンデンサ(図示せず)によって分路されたダイオードDの形で、制御成分を持たせることもできる。この種の成分には、アンテナの共振周波数あるいは帯域幅の制御を可能にする利点がある。以上の各構成は、パッチ6と接地平面4との間に接続される少なくとも1個のディスクリート部品を用いることにより、容易に実現することができる。
【0078】
四分の一波長タイプの共振を強制する短絡回路のインピーダンス成分の選択に関して参照した上記の各利点は、四分の一波長共振のみが使用される場合、および/または、パッチが、上述のスロット17を含んでいないアンテナにおいても得ることができるであろう。
【0079】
本発明の第2および第3の実施形態においては、基板2は、少なくともその領域の一部に、接地平面4を支える底部誘電体層21、および、パッチ6を支える上部誘電体層22をそれぞれ構成する、互いに異なる2つの重ね合わされた層を含むことが好ましい。上部誘電体層は、底部誘電体層より比誘電率が高く、かつ、恐らく厚さが薄い方が有利であり、また、上記2つの層が基板の領域全体にわたって延在することが有利である。この2つの層の差により、長距離放射効率が向上し、また、共振周波数の調整が容易になっている。
【0080】
アンテナは、底部誘電体層21と上部誘電体層22との間のパッチ6の領域の一部に、導電性インサート23を含むことがさらに好ましい。この部分は、通路32の下方で、かつ、前部エッジ12の近傍に延在することが有利である。上記インサートは、幅L=5mm、長さW5=20mmであり、その長さは、前部エッジ12の中間値に一致する中間の長さである。インサートには、面倒な方法で一次周波数を修正することなく、その位置および寸法を選択することにより、二次周波数を調整することができる利点がある。
【0081】
示されてはいない一実施形態においても、本体31と連続し、かつ、前部エッジ12部分で本体および基板から突出した、薄い銅フィルムからなる舌部により、同様の利点を得ることができる。この種の舌部は、前部エッジ部分で自由に曲げることができ、パッチ平面から舌部を引き離すか、あるいは、基板エッジの垂直平面に向けることができる。したがって必要な周波数調整は、その傾きを選択することによって得られる。
【0082】
図5に示すように、本発明によるアンテナの第4の実施形態は、特に、分離スロット17の起点Oおよび短絡回路Sが、後部側面10と尾部側面16の共通ポイントの近くに位置している点で、上記各アンテナと異なっている。分離スロットのエッジは、いずれも短絡回路から延在する2つの共振経路に2つの共振を与えるために、本体31と同じ側では凹面であり、尾部33と同じ側では凸面である。2つの経路の一方は本体中のみに延在し、他方の経路は、本体中および尾部中に延在する。さらに、アンテナ結合ストリップC1および突出部34が、後部エッジ10で結合している。このアンテナには、特に、帯域幅が高い利点がある。
【0083】
上記第4の実施形態のコンテキストにおいて、以下、様々な組成および値を例として示す。図6に示すように、長さおよび幅は、それぞれ縦方向DLおよび横方向DTに対して示されている。横座標「x」および縦座標「y」は、それぞれパッチの周辺部における分離スロットの起点から、上記縦方向および横方向と同一の方向に対して測定したものである。アンテナの接地平面は、基板の底面を覆っている。
【0084】
一次共振周波数:F1=910MHz
二次共振周波数:F2=1,800MHz
一次周波数および二次周波数を中心とする帯域幅:それぞれその周波数の9%および8%、ただし、定在波比3以下での測定による
入力インピーダンス:50Ω
導電層の組成:銅
導電層の厚さ:200μm
基板の組成:比誘電率εrが1、誘電正接tan δが0.0001のフォーム
基板の厚さ:7mm
パッチ6の長さ:W1=24mm
パッチの本体幅:L1=35mm
ストリップC1の幅:1.5mm
短絡回路Sの幅:L4=3.5mm
接続寸法:L5=5mm
分離スロット17の幅:1.5mm
分離スロット17の長さ:50mm
スロット経路に到達する最大横座標「xm」:21mm
スロット端の縦座標「xe」:8mm
スロット端の縦座標「ye」:32mm
突出物34の最大幅:L6=5mm
突出物の最大長さ:W6=10mm。
【0085】
突出物の寸法を調整することにより、アンテナの帯域のスペクトル位置を微調整することができる。
【0086】
この第4の実施形態では、前部エッジ12および尾部エッジ16が、それぞれ一次放射エッジを構成し、短絡回路Sからの四分の一波長タイプの一次共振経路が、通路32までの本体31のみならず、尾部33の長さにわたっていることを示唆する値を、一次周波数が有していることが分かる。この実施形態においては、前縁14、スロット17の後部エッジ、およびパッチの後部エッジ10が、それぞれ二次放射エッジを構成し、二次共振経路が本体31内に含まれていることを示唆し、かつ、その共振が比較的複雑なタイプの共振であることを示唆する値を、二次周波数が有していることが分かる。
【0087】
また、本発明は上述のアンテナを提供する。
【0088】
そのアンテナは、特に、移動体電話システムへの適用が可能である。移動体電話システムは、送受信基地局および移動体端末を含んでおり、900MHzに近い周波数を用いるGSM規格、および/または、1,800MHzに近い周波数を用いるDCS規格の下で実施することができる。この種のシステムでは、送受信基地局または移動端末の各々は、本発明による伝送システムを含むことができる。本発明による伝送システムの使用に適したこの種のシステムにおいては、前記二次周波数の付近の高周波数帯域、および、前記一次周波数の付近の低周波数帯域で、アンテナを動作させることができる。したがって、プロセッサTを、以下に示す4つの互いに異なる動作周波数に同調させることができる。
【0089】
高周波数帯域における高送信周波数
高周波数帯域における高受信周波数
低周波数帯域における低送信周波数
低周波数帯域における低受信周波数。
【0090】
プロセッサは、前記送信周波数の1つ、または前記受信周波数の1つに同調されると、それぞれ信号を送信し、あるいは受信するように構成されている。
【0091】
本発明は、帯域内における送信チャンネルと受信チャンネル間の漏話を防止するためばかりでなく、帯域内におけるチャンネルの位置を複数のオプションから選択できるようにするために、2つの周波数帯域の各々を十分に広くしている。低周波数帯域がGSM規格に対応し、高周波数帯域がDCS規格に対応している。これは、送受信基地局、および/または、2モード端末、すなわち上記規格のいずれかのコンテキストにおいて動作するように構成された端末を実施する経済的な方法である。
【0092】
例えば、高送信周波数および高受信周波数を、それぞれ1,750MHzおよび1,840MHzにすることができ、また、低送信周波数および低受信周波数をそれぞれ890MHzおよび940MHzにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によるアンテナの第1の実施形態のパッチを示す図である。
【図2】 本発明によるアンテナの第2の実施形態のパッチを示す図である。
【図3】 図2に示すパッチを有するアンテナを含む伝送システムの斜視図である。
【図4】 本発明によるアンテナの第3の実施形態の後部の部分図である。
【図5】 本発明によるアンテナの好ましい第4の実施形態のパッチを示す図である。
【図6】 図5に示すパッチの分離スロットを示す図である。
Claims (21)
- それぞれの所定の中心周波数を中心とする2つの動作帯域の各々における電気信号を、送信および/または受信するために、該2つの動作帯域において同調するように構成された信号プロセッサ(T)と、
マイクロストリップアンテナ(1)と、
前記電気信号を放射波に結合するために、該プロセッサを該アンテナに接続する電気導体(C1、C2、C3、C4)を含むアンテナ接続システムとを含む、二帯域伝送システムであって、
前記アンテナが、
導電性接地平面(4)と、
周辺部(10、12、14、16)を有する導電性パッチ(6)と、
前記周辺部に形成された短絡回路(S)と、
前記周辺部の開口部からなる起点(O)を有し、前記起点から前記パッチに入り込む分離スロット(17)とを含み、
前記短絡回路および前記分離スロットにより、前記アンテナに2つの共振を確立することが可能になり、前記2つの共振の一方が、前記短絡回路によって固定される少なくとも1つの仮想電界ノードを有する四分の一波長タイプの共振であり、実質的に前記2つの中心周波数の一方に等しい一次周波数(F1)を有する一次共振を構成し、前記2つの共振の他方が、実質的に前記2つの中心周波数の他方に等しい二次周波数(F2)を有する二次共振を構成し、
該接続システムの前記電気導体は、前記接地平面、および前記パッチの一部である主アンテナ結合導体(C1)を含み、前記アンテナを前記2つの中心周波数の各々の付近で前記信号プロセッサ(T)に結合することができ、
前記伝送システムは、分離スロット(17)の後端部(15)が前記周辺部から十分に小さい距離に位置するまで、前記スロットが前記パッチ中に延在し、前記主アンテナ結合導体と前記短絡回路を含む本体(31)と、前記短絡回路がなく、前記本体によってのみ前記接続システムに電気接続される尾部(33)と、前記後端部と前記周辺部との間の前記パッチの一領域からなる通路(32)とに、前記分離スロットが前記パッチを部分的に分割しており、
前記アンテナが、
前記アンテナの水平方向(DL、DT)に延在し、それぞれ底面(S1)および上面(S2)を構成する、相互に反対側の2つの主表面を有する誘電体基板(2)と、
前記底面にわたって延在し、前記アンテナの前記接地平面(4)を構成する底部導電層と、
前記接地平面の上方に、前記上面の一領域にわたって延在し、前記パッチ(6)を構成する上部導電層と、
前記パッチ(6)を前記パッチの前記周辺部のセグメントから前記接地平面(4)に電気接続する前記短絡回路(S)と、
前記アンテナ接続システムの一部を形成するアンテナ結合システム(C1、4)とを含み、
前記パッチ(6)の形状が概して長方形であり、前記周辺部が、
前記短絡回路(S)を備え、後部エッジ(10、11)を構成する後部エッジと、
前記後部エッジと反対側にある、前部エッジ(12)を構成する前部エッジと、
前記後部エッジを前記前部エッジに結合し、それぞれ前縁(14)および尾部エッジ(16)を構成する2つの側部エッジとを含み、
前記伝送システムにおいて、前記パッチの長さ(L4)が、前記後部エッジと前記前部エッジ(12)との間を縦方向(DL)に延在して、前記水平方向の1つを構成し、前記パッチの幅が、パッチの2つの側部エッジ間を前記水平方向に延在し、横方向(DT)を構成しており、
前記本体(31)が、前記通路(32)の近傍の前記パッチ(6)の平面内に延在する突出部(34)を有することを特徴とする、二帯域伝送システム。 - 前記分離スロット(17)の前記周辺部からの距離が、分離スロットの長さの大部分にわたって、かつ、両側において、前記後端部(15)から前記周辺部までの距離よりも長いことを特徴とする、請求項1に記載の伝送システム。
- 前記分離スロット(17)の前記周辺部からの距離が、前記起点(O)の近傍を除いて、分離スロットの全長にわたって、かつ、両側において、前記後端部(15)から前記周辺部までの距離よりも長いことを特徴とする、請求項1に記載の伝送システム。
- いずれも前記短絡回路から延在するそれぞれの共振経路に前記2つの共振を与えるために、前記分離スロット(17)の前記起点(O)が前記短絡回路(S)の近傍にあり、前記2つの経路の一方が前記本体(31)中にのみ延在し、前記2つの経路の他方が、前記本体中および前記尾部(33)中に延在することを特徴とする、請求項1に記載の伝送システム。
- 前記アンテナ結合システム(C1、4)が、
前記主アンテナ結合導体(C1)を構成するストリップと、
前記接地平面(4)とを含む、マイクロストリップ線路であることを特徴とする、請求項1に記載の伝送システム。 - 前記一次周波数における前記短絡回路(R、L、D)のインピーダンスが比較的大きく、前記一次共振が、前記短絡回路がインピーダンスを持たない場合に、前記周波数の付近で前記アンテナに誘導することができる共振と実質的に異なり、同時に、前記共振の少なくとも仮想電界ノードを前記短絡回路の近傍に固定するために、前記周波数における前記インピーダンスが比較的小さいことを特徴とする、請求項1に記載の伝送システム。
- 前記短絡回路(R、L、D)の前記インピーダンスが、誘導成分(L)を有することを特徴とする、請求項6に記載のシステム。
- 短絡回路の前記インピーダンスが、抵抗成分(R)を有することを特徴とする、請求項6に記載のシステム。
- 短絡回路の前記インピーダンスが、制御成分(D)を有することを特徴とする、請求項6に記載のシステム。
- 前記短絡回路(R、L、D)が、前記アンテナの前記パッチ(6)および前記接地平面(4)との間に接続される、少なくとも1個のディスクリート部品を含むことを特徴とする、請求項6に記載のシステム。
- 前記誘電体基板(2)が、少なくとも誘電体基板の領域の一部に、前記接地平面(4)を支える底部誘電体層(21)、および前記パッチ(6)を支える上部誘電体層(22)をそれぞれ構成する、互いに異なる2つの重ね合わされた層を含むことを特徴とする、請求項1に記載のシステム。
- 前記上部誘電体層(22)の比誘電率が、前記底部層(21)の比誘電率より大きく、かつ、前記2つの層が、前記基板(2)の領域全体にわたって延在することを特徴とする、請求項11に記載のシステム。
- 前記アンテナが、前記底部誘電体層(21)と前記上部誘電体層(22)との間の前記パッチ(6)の領域の一部に延在する導電性インサート(23)を含み、前記領域の一部が少なくとも前記通路(32)の下に延在することを特徴とする、請求項11に記載のシステム。
- 分離スロット(17)の後端(15)が、前記2つの側部エッジおよび前記前部エッジからある距離を置くように、前記分離スロット(17)が前記パッチの前記後部エッジ(10、11)から前記前部エッジ(12)まで延在し、一定の長さおよび一定の幅を有する通路(32)によって前記本体(31)が前記尾部(33)に接続され、前記通路の長さ(W2)は前記横方向(DT)に延在し、前記通路の幅(L2)は、前記前部エッジ(14)と、前記スロット(17)の前記後端部(15)との間を前記縦方向(DL)に延在し、前記スロットは、前記後部エッジを、前記本体の一部を形成し、かつ前記短絡回路(S)を備えた本体ベース(10)と、前記尾部の一部を形成する尾部ベースとに分離し、前記尾部ベースは前記横方向(DT)に幅(W4)を有し、前記尾部のチップ(13)は、前記尾部を前記通路に結合する領域からなり、かつ前記横方向に延在する幅(W3)を有し、前記尾部は、前記尾部ベースから前記チップまで、前記縦方向(DL)に延在する長さ(L3)を有し、前記尾部の幅は、前記長さの各ポイントで画定され、前記横方向(DT)に延在することを特徴とする、請求項1に記載の伝送システム。
- 前記尾部(33)の前記ベース(11)の前記幅(W4)が、前記尾部の前記チップ(13)の前記幅(W2)より広いことを特徴とする、請求項14に記載の伝送システム。
- 前記尾部(33)の前記幅が、前記チップ(13)から前記尾部の前記ベース(11)にかけて、前記チップおよび前記ベースの前記幅(W3、W4)の間の複数の中間値を経ながら広がることを特徴とする、請求項15に記載の伝送システム。
- 前記尾部(33)の前記長さ(L3)が、本体(31)の前記長さ(L1)の50%〜100%であり、かつ、前記一次周波数(F1)に対する前記二次周波数(F2)の比F2/F1が、1.9〜2.1であることを特徴とする、請求項16に記載の伝送システム。
- 前記尾部(33)のベース(11)の前記幅(W4)が、本体(31)の前記幅(W1)の50%〜150%であり、前記通路(32)および前記尾部の前記チップ(13)が、前記尾部の接続システムを構成し、前記接続システムのより狭い方が有効な尾部接続幅(W3)を構成し、有効な尾部接続幅が、前記ベースの前記幅(W4)の10%〜70%であることを特徴とする、請求項16に記載の伝送システム。
- 前記分離スロット(17)のエッジが、前記本体(31)と同じ側では凹面であり、かつ、前記尾部(33)と同じ側では凸面であることを特徴とする、請求項4に記載の伝送システム。
- 前記分離スロット(17)の前記起点および前記短絡回路(S)が、前記後側(10)と前記尾部側(16)の共通ポイントの近傍にあり、前記分離スロット(17)のエッジが、前記本体(31)と同じ側では凹面であり、かつ、前記尾部(33)と同じ側では凸面であり、前記2つの共振を、それぞれ前記短絡回路から延在する2つの共振経路に与え、前記2つの経路の一方が前記本体(31)中のみに延在し、他方の経路が、前記本体中および前記尾部(33)中に延在することを特徴とする、請求項1に記載の伝送システム。
- 請求項1から20のいずれか一項に記載のシステムの前記アンテナの特徴を特徴とするアンテナ。
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