(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
接地平面；および、
少なくとも１つのアセンブリ；
を具備する広帯域アンテナであって、前記少なくとも１つのアセンブリは：
前記接地平面まで垂直に構成された、特定の厚さの絶縁材料層；
前記絶縁材料層の一表面に構成された凸形状の第１の金属部材；
前記第１の金属部材を構成した前記絶縁材料層の一表面と反対の表面に、互いに向き合わないように構成した、凸形状の第２の金属部材；
前記２つの金属部材の一方に付随する給電線であって、前記アンテナの中心対称軸に最も近い前記金属部材の端から前記接地平面に向かって伸びた給電線；
を有することを特徴とし、
前記給電線は、前記接地平面に平行な、前記金属部材から伸びる第１のセクションと、前記第１のセクションに接続され、前記第１のセクションから前記接地平面に向かって前記接地平面まで垂直に伸びる第２のセクションとを有し、
前記第２のセクションは、第１のエリアと第２のエリアとを有し、前記第２のエリアは、容量機能を確保するために、前記第１のエリアより幅が広いことを特徴とする、アンテナ。
【請求項２】
第１のアセンブリと第２のアセンブリを有し、前記第１と第２のアセンブリの各々に関連する絶縁材料層は互いに垂直である、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記給電線は、前記給電線が付随する金属部材と同じ材料でできている、請求項１または請求項２に記載されたアンテナ。
【請求項４】
前記金属部材の形状は、
長方形、または
前記接地平面に接続された基底部においては狭く、前記接地平面の上端部においては広がったフィン形状である、請求項１乃至請求項３の中のいずれか一項に記載されたアンテナ。
【請求項５】
前記絶縁材料層は空気により形成される層、または基板より形成される層である、請求項１乃至４の中のいずれか一項に記載されたアンテナ。
【請求項６】
前記給電線は、前記アンテナに給電する手段を構成する加電圧プローブに接続されている、請求項１乃至請求項５の中のいずれか一項に記載されたアンテナ。
【請求項７】
少なくとも１つのアンテナであって、請求項１乃至請求項６の中のいずれか一項に記載されたアンテナを有する、無線通信ネットワークの基地局。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイドバンドアンテナに関し、より具体的には、無線通信ネットワークの基地局に取り付けるワイドバンドアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
アンテナは無線通信ネットワークに不可欠なエレメントである。
【０００３】
特に帯域幅と放射純度がよく、製造が複雑でないアンテナが求められている。
【０００４】
グラウンド平面に面して取り付けられ、波長の１／４の距離で反射器の役割を果たすダイポールタイプのアンテナソリューションが従来から知られている。
【０００５】
このダイポールは、全長が波長の半分であり、２つの同一線上のストランドよりなり、バランを介してエネルギーを供給される。両ストランドは、反射面に対して平行に配置される。
【０００６】
しかし、このアンテナには、所望の周波数帯域で性能をよくする調節をする自由度が多くなく、製造が複雑である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、調整の点で複数の自由度を有し、簡単かつ低コストで製造できるワイドバンドアンテナを提案する。
【０００８】
第１の態様によると、本発明は、ワイドバンドアンテナであって、グランド平面と、少なくとも１つのアセンブリであって、前記グラウンド平面まで垂直に構成された、ある厚さの絶縁材料レイヤと、前記レイヤの一表面に構成された凸形状の第１のメタルエレメントと、前記第１のメタルエレメントが構成された面に対向する前記レイヤの面に、互いに向き合わないように構成された第２のメタルエレメントと、前記２つのメタルエレメントの一方に付随する、前記アンテナの中心対称軸に最も近い前記メタルエレメントの端から前記グラウンド平面に向かって伸びた給電線と、を有する少なくとも１つのアセンブリと、を有するアンテナに関する。
【０００９】
前記アンテナは、さらに次の特徴を有してもよい：
−  第１のアセンブリと第２のアセンブリを有し、各アセンブリに関連する絶縁材料レイヤは互いに垂直である、
−  前記給電線は、前記グラウンド平面に平行な、前記メタルエレメントから伸びる第１のセクションと、前記第１のセクションに接続され、前記第１のセクションから前記グラウンド平面に向かって前記グラウンド平面まで垂直に伸びる第２のセクションとを有する、
−  前記第２のセクションは、第１のエリアと、容量機能を確保するため、前記第１のエリアより幅が広い第２のエリアとを有する、
−  前記給電線は、それが付随するメタルエレメントと同じ材料でできている、
−  前記メタルエレメントの形状は、長方形、または前記グラウンド平面に接続された基底部では狭く、前記グラウンド平面の上の端では広がったフィン形状である、
−  前記絶縁材料レイヤは空気である、またはサブストレートよりなる、
−  前記給電線は、前記アンテナに給電する手段を構成する加電圧プローブに接続されている。
【００１０】
第２の態様によると、本発明は、少なくとも１つの、本発明の第１の態様によるワイドバンドアンテナを有する基地局に関する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明の特徴と優位性は、以下の説明からさらに明らかになるであろう。以下の説明は全くの例であり限定ではなく、添付した図面を参照して読むものである。
【図１】本発明によるアンテナの第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明によるアンテナの第２の実施形態を示す図である。
【図３】本発明によるアンテナの第３の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態によるアンテナの、カーテシアン座標系およびスミスチャートにおける順応レベル（adaptation levels）を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態によるアンテナの２GHｚ、２．５GHｚ、及び３ＧＨｚの周波数における、Ｅ平面におけるｃｏ分極（実線）とｃｒｏｓｓ分極（破線）を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態によるアンテナの２ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ、及び３ＧＨｚの周波数における、Ｈ平面におけるｃｏ分極（実線）とｃｒｏｓｓ分極（破線）を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態によるアンテナの２ＧＨｚ−３ＧＨｚにおけるゲインを示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態による、ネスト化された２つのアンテナのうち第１のアンテナの、カーテシアン座標系およびスミスチャートにおける順応レベル（adaptation levels）を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態による、ネスト化された２つのアンテナのうちの第１のアンテナの２ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ、及び３ＧＨｚの周波数における、Ｅ平面におけるｃｏ分極（実線）とｃｒｏｓｓ分極（破線）を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態による、ネスト化された２つのアンテナのうちの第１のアンテナの２ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ、及び３ＧＨｚの周波数における、Ｈ平面におけるｃｏ分極（実線）とｃｒｏｓｓ分極（破線）を示す図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態による、ネスト化された２つのアンテナのうち第１のアンテナのゲインを示す図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態による、ネスト化された２つのアンテナのうち第２のアンテナの、カーテシアン座標系およびスミスチャートにおける順応レベルを示す図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態による、ネスト化された２つのアンテナのうちの第２のアンテナの２ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ、及び３ＧＨｚの周波数における、Ｅ平面におけるｃｏ分極（実線）とｃｒｏｓｓ分極（破線）を示す図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態による、ネスト化された２つのアンテナのうちの第２のアンテナの２ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ、及び３ＧＨｚの周波数における、Ｈ平面におけるｃｏ分極（実線）とｃｒｏｓｓ分極（破線）を示す図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態による、ネスト化された２つのアンテナのうち第２のアンテナのゲインを示す図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態による、ネスト化された２つのアンテナの間の絶縁レベルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
アンテナの構成
図１は、ワイドバンドアンテナを示し、グラウンド平面ＰＭと少なくとも２つのメタルエレメント１１、１２を有する。メタルエレメント１１、１２はそのベースにおいてグラウンド平面に接続され、グラウンド平面まで垂直に伸びている。
メタルエレメントは、数マイクロメートル、または（事前にメタライズしたサブストレートにエッチングしたエレメントの場合）数十マイクロメートル、または（カットアウトメタルパターンタイプの技術でエレメントを作成する場合）数百マイクロメートルのオーダーの薄さである。
【００１３】
アンテナはさらに給電線２１を有する。この給電線は、好ましくは、既知の種類の５０Ωマイクロストリップ線であり、２つのメタルエレメントの一方をこの給電線の基準グラウンド平面として用いるものである。
【００１４】
アンテナは中心対称軸Δを有する。
【００１５】
メタルエレメントは離間しており、その間の空間は中央カップリングスロットを構成する（スロットはアンテナの中心対称軸にある）。
【００１６】
このアンテナでは、メタルエレメントと給電線で構成されるアセンブリＥ１を定義する。
【００１７】
このアセンブリＥ１は、グラウンド平面（ＰＭ）に対して垂直に構成された絶縁材料レイヤを有する。
【００１８】
各メタルエレメントは絶縁材料レイヤの表面に配置される。特に、メタルエレメントは互いに向き合わないように配置される。
【００１９】
絶縁レイヤの厚さは数百マイクロメートルないし数ミリメートルのオーダーである。
【００２０】
給電線はその給電端において加電圧プローブ３１に接続されている。加電圧プローブ３１は、この目的のために穿孔されたグラウンド平面を通っている。このプローブは好ましくは５０Ωの同軸プローブであり、その外側導体３２はグラウンド平面に接続されている。
【００２１】
給電線は、メタルエレメント１１から延びる、グラウンド平面に平行な第１セクション２１′と、第１セクション２１′に接続され第１セクション２１′からグラウンド平面に向かって垂直に伸びる第２セクション２１′′とから構成される。
この給電線はさらに、容量整合効果を確保するため、第２セクション２１′′に、第１セクション２１′と第２セクション２１′′より幅が広いエリア２１′′′を有する。このエリア２１′′′は、好ましくは、５０Ω加電圧プローブとの接続点に近いところに配置される。
【００２２】
メタルエレメントは給電線とともに絶縁サブストレート上に印刷してもよい。
【００２３】
サブストレートはもちろんグラウンド平面に垂直であり、ここまで説明してきた絶縁材料レイヤの役割を果たす。
【００２４】
この場合、メタルエレメント１１と給電線とにより構成されるアセンブリは、サブストレートの表面上に印刷され、他方の表面上に印刷されたメタルエレメント１２が給電線のグラウンド平面として機能するようになっている。
【００２５】
第１の実施形態
アンテナの第１の実施形態を（すでに説明した）図１に示した。
【００２６】
この実施形態では、メタルエレメント１１、１２は四角形である。
【００２７】
第２の実施形態
アンテナの第２の実施形態を図２に示した。
【００２８】
この実施形態では、メタルエレメントはグラウンド平面から広がっている。
【００２９】
広がりは直線的であり、好ましくは、アンテナの中心対称軸Δに近い端では垂直である。
【００３０】
メタルエレメントは一般的な台形形状であり、それぞれフィンを構成している。
かかるメタルエレメントのジオメトリには非常に多くの可能性がある。
【００３１】
一般的に、これらのエレメントは、ベースから先端まで、広がった凸形状表面パターンを有する。
【００３２】
第３の実施形態
第３の実施形態を図３に示した。
【００３３】
この実施形態では、アンテナは４つのメタルエレメントを有し、このアンテナはバイポーラタイプのアンテナである。
【００３４】
これは、第１のアセンブリＥ１と第２のアセンブリＥ２とを有し、それぞれメタルエレメントとそれに付随する給電線とにより構成されている。
【００３５】
第１のアセンブリＥ１は第１の絶縁材料レイヤＰに対応し、第２のアセンブリＥ２は第２の絶縁材料レイヤＰ′に対応する。
【００３６】
絶縁材料レイヤＰ、Ｐ′は互いに垂直であり、各レイヤのメタルエレメント１１、１２、１３、１４は同一である。
【００３７】
絶縁材料レイヤは同じ材料でできている。
【００３８】
換言すると、この実施形態では、メタルエレメントは、互いに接触せずに、中心カップリングスロットで垂直にネスト化されている。
【００３９】
この実施形態は、前述の第２の実施形態のアンテナを２つネスト化したものと見なせる。
【００４０】
ネスト化したメタルエレメントは同じものであり、給電線と同一平面上にあるメタルエレメントの給電線との接続点の位置と容量整合ラインエリアの位置と大きさとが異なる。
【００４１】
エレメントの接続点に関連する高さが異なるため、両方のアンテナを互いに電気的に接触させることなく、組み合わせることができる。外部回路に関して、各アンテナは、例えば、外部の５０Ωの同軸ケーブルにより、給電線の下端において加電圧される。このため、この構成を２つの垂直に交わった線形分極として動作させられる。
【００４２】
性能
第１のプロトタイプ
第２の実施形態のアンテナを作成し、実験で調べた。
【００４３】
このアンテナは２．５ＧＨｚを中心とする周波数帯域で動作する。
【００４４】
両メタルエレメントと、容量整合ラインセクションを有する５０Ω加電圧線とは、誘電率εｒ＝２．５５で厚みｈ＝８００マイクロメートルで、絶縁サブストレート上に印刷される。
【００４５】
このサブストレートは下の正方形のグラウンド平面に垂直に配置されている。グラウンド平面には、アンテナに外部から給電するために５０Ω同軸ケーブルを通せるよう、ドリルで穴を開けている。
【００４６】
図４ａと図４ｂは、カーテシアン座標系とスミスチャートに整合レベル（adaptation levels）を示したものである。留意点として、この整合は、２ＧＨｚから３ＧＨｚ以上の範囲の広い範囲の周波数でー１０ｄＢより低くなっており、これは４０％より広い相対帯域幅に対応する。
【００４７】
放射特性については、図５ａ、図５ｂ、図５ｃがそれぞれ２ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ、３ＧＨｚの周波数におけるＥ平面（すなわち、アンテナのサブストレートを含みグラウンド平面に垂直な平面）におけるｃｏ分極（実線）とｃｒｏｓｓ分極（破線）を示す図である。これらのグラフから放射性能対周波数特性がよく、特にアンテナの主放射軸（すなわち、０°方向）においてｃｒｏｓｓ分極レベルが非常に低いことが分かる。２ＧＨｚから３ＧＨｚの全帯域にわたり、主軸におけるｃｒｏｓｓ分極レベルがｃｏ分極レベルより２５ｄＢ以上低い。ｃｒｏｓｓ分極値は、Ｅ平面において比較的大きな開口角にわたり低いままである。
【００４８】
前掲の図と同様に、図６ａ、図６ｂ、図６ｃはアンテナのＨ平面（すなわち、アンテナのサブストレートとグラウンド平面とに垂直な平面）におけるｃｏ分極（実線）とｃｒｏｓｓ分極（破線）を示す放射図である。この場合、ｃｒｏｓｓ分極レベルはＥ平面で得られた結果と同じである。
【００４９】
図７は、２ＧＨｚないし３ＧＨｚ帯域で得られるゲインを示す。このゲインは２．２ＧＨｚの周波数において６．６ｄＢの最大値を示す。
【００５０】
第２のプロトタイプ
図３に示した、２つのアンテナを垂直にクロスさせた構成に基づくバイポーラタイプのソリューションも作成し、実験で調べた（第３の実施形態を参照）。
【００５１】
この構成では、２つのアンテナの一方（以下、「第１アンテナ」と呼ぶ）は、第２の実施形態で説明したものとまったく同じである。他方のアンテナ（「第２アンテナ」と呼ぶ）の前者との相違点は、５０Ωマイクロストリップラインの接続点の位置が高いこと、および容量整合ラインエリアを少し変更したことのみである。
【００５２】
電場の分布について、各アンテナを別々にすれば、２つのネスト化したアンテナのそれぞれについて同じ分布が得られた。
【００５３】
第１アンテナのみに給電した場合について、図８ないし図１１は、カーテシアン座標系における整合（図８ａ）と、スミスチャートにおける整合（図８ｂ）、Ｅ平面におけるｃｏ分極とｃｒｏｓｓ分極（図９ａ、図９ｂ、図９ｃ）と、Ｈ平面におけるｃｏ分極とｃｒｏｓｓ分極（図１０ａ、図１０ｂ、図１０ｃ）と、アンテナのゲイン（図１１）とをそれぞれ示す。
【００５４】
アンテナの電場の分布の場合と同様に、性能は単一アンテナの場合に得られたもの（第１のプロトタイプの性能を参照）とほぼ同じである。
【００５５】
同様に、第２アンテナのみに給電した場合について、図１２ないし図１５は、カーテシアン座標系における整合（図１２ａ）と、スミスチャートにおける整合（図１２ｂ）、Ｅ平面におけるｃｏ分極とｃｒｏｓｓ分極（図１３ａ、図１３ｂ、図１３ｃ）と、Ｈ平面におけるｃｏ分極とｃｒｏｓｓ分極（図１４ａ、図１４ｂ、図１４ｃ）と、アンテナのゲイン（図１５）とをそれぞれ示す。
【００５６】
この第２アンテナは第１アンテナと少し違うが、得られた結果は図８ないし図１１に示したものとほぼ同じである。これから言えることは、どちらの分極であっても電気的特性はほぼ同じであるということである。
【００５７】
最後に、図１６は、２ＧＨｚないし３ＧＨｚの帯域における第１アンテナと第２アンテナ間のカップリングレベルを示す。
【００５８】
図から分かるように、両アンテナ間の絶縁はよく、この周波数帯域全体にわたって、カップリングはー３０ｄＢより低い。
【００５９】
この、２つのアンテナを組み合わせたバイポーラタイプの構成の場合、絶縁レベルが非常に高いことが提案するソリューションの大きな優位性である。
【００６０】
上記のアンテナは、衛星リンクの範囲内で用いても、通信ネットワークの基地局で実施してもよく、１０ＧＨｚないし１５ＧＨｚの周波数帯域で用いてもよい。
【図１】
0005620974.tif 000002
【図２】
0005620974.tif 000003
【図３】
0005620974.tif 000004
【図４ａ】
0005620974.tif 000005
【図４ｂ】
0005620974.tif 000006
【図５ａ】
0005620974.tif 000007
【図５ｂ】
0005620974.tif 000008
【図５ｃ】
0005620974.tif 000009
【図６ａ】
0005620974.tif 000010
【図６ｂ】
0005620974.tif 000011
【図６ｃ】
0005620974.tif 000012
【図７】
0005620974.tif 000013
【図８ａ】
0005620974.tif 000014
【図８ｂ】
0005620974.tif 000015
【図９ａ】
0005620974.tif 000016
【図９ｂ】
0005620974.tif 000017
【図９ｃ】
0005620974.tif 000018
【図１０ａ】
0005620974.tif 000019
【図１０ｂ】
0005620974.tif 000020
【図１０ｃ】
0005620974.tif 000021
【図１１】
0005620974.tif 000022
【図１２ａ】
0005620974.tif 000023
【図１２ｂ】
0005620974.tif 000024
【図１３ａ】
0005620974.tif 000025
【図１３ｂ】
0005620974.tif 000026
【図１３ｃ】
0005620974.tif 000027
【図１４ａ】
0005620974.tif 000028
【図１４ｂ】
0005620974.tif 000029
【図１４ｃ】
0005620974.tif 000030
【図１５】
0005620974.tif 000031
【図１６】
0005620974.tif 000032