(57)【要約】  無線通信装置用のパッチアンテナ（１００）が小型化されている。本パッチアンテナは、基本周波数ｆ０及び基本周波数の第１の高調波ｆ１で動作可能であり、両周波数で実質的に同じ位置にピーク利得方向をもつ。パッチアンテナ（１００）は、略長方形の形状をした導電性接地面（１０２）から形成される。導電性接地面部材（１０２）に設けられた第１の開口（１０８）は、ボウタイ形状を規定する。付加的な細長開口（１１８、１２０）がリアクタンス装荷のために設けられる。細長開口（１１８、１２０）は、第１の開口（１０８）周辺における導電性接地面部材（１０２）内の表面電流の位相整合を妨げる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性接地面部材と、
前記導電性接地面部材に設けられた第１の開口であって、第１のテーパ部及び第２のテーパ部を含み、前記第１及び第２のテーパ部のそれぞれが、前記第１の開口の中心軸へ向かう方向に沿って互いに近づく対向テーパ縁と、前記対向テーパ縁を前記中心軸から遠い端で接続する横縁とを有することによりボウタイ形状を規定する第１の開口と、
前記導電性接地面に形成された少なくとも１つの第２の細長開口であって、前記第２の細長開口の長手縁が、前記横縁に隣接して位置し、前記導電性接地面の一部によって規定される隙間だけ前記横縁から離れている第２の細長開口と、
を有することを特徴とする無線通信装置用パッチアンテナ。
【請求項２】
前記導電性接地面部材は略長方形の形状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。
【請求項３】
前記長方形の形状の少なくとも１つの寸法は、前記アンテナの共振周波数特性を生じさせるように選択され、前記共振周波数を生じさせるための前記少なくとも１つの寸法は、前記第２の細長開口の存在により、前記第２の細長開口が無い場合と比べて縮小されていることを特徴とする請求項２に記載のパッチアンテナ。
【請求項４】
前記第２の細長開口は略長方形の形状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。
【請求項５】
前記第２の細長開口の前記長手縁は前記第１の開口の前記横縁に揃えて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項６】
前記導電性接地面部材は実質的に平面の誘電体素子の第１の側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項７】
第２の導電性接地面部材が、前記実質的に平面の誘電体素子における前記第１の側の反対側である第２の側に配置されることを特徴とする請求項６に記載のパッチアンテナ。
【請求項８】
前記第１の開口は、前記第１及び第２のテーパ部の間に設けられた幅狭部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項９】
前記幅狭部は、前記パッチアンテナのＲＦ給電点を規定する対向チャネル縁を有することを特徴とする請求項８に記載のパッチアンテナ。
【請求項１０】
基本周波数帯域において第１の電気的な共振周波数特性を有し、前記基本周波数帯域の第１の高調波において第２の電気的な共振周波数特性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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概略的にはスロットアンテナに関し、より詳細にはテーパスロットパッチアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
パッチアンテナは、その小型な平面構造のため非常に普及している。マイクロストリップパッチアンテナは、その最も単純な形式では、誘電体基板の片側の放射パッチで構成され、誘電体基板は他方の側に接地面を有する。多くのパッチアンテナ設計は、帯域幅が比較的狭いにもかかわらず、多くの応用例によく適している。パッチアンテナには、その全帯域幅を増やすための種々の変更が行われている。そのような広帯域アンテナ設計の一つがボウタイ（蝶ネクタイ）アンテナであり、ボウタイアンテナは、２つの三角形のパッチで構成され、それらパッチはその表面上の一組のマイクロストリップ線を介して、あるいは異なる導体層から発する線によって給電される。
【０００３】
印刷スロットアンテナは、接地された基板の接地面にスロットを備える。スロットの形状は、一般的なマイクロストリップパッチアンテナによくある多くの設計の形状と適合するように選択され得る。例えば、従来のスロットアンテナ設計としては、長方形スロット、環状スロット及びテーパスロットなどがある。スロットアンテナは、通常は２方向の放射体であり、スロットが形成されている表面の両側に電磁気エネルギーを放射する。単一方向への放射は、一般に、スロットの片側に反射板を用いることによって実現される。マイクロストリップスロットアンテナは、通常のパッチアンテナと比べて幾分広い帯域幅を提供できる場合があるという点で有利である。
【０００４】
また、テーパスロットアンテナも当技術分野で知られている。例えば、ビショップらに対する米国特許第６，４２９，８１９号は、デュアルバンドのボウタイ形状スロットアンテナを開示している。また、ボウタイアンテナは、２００３年３月のIEEE Transactions on Antennas and Propagation第５１巻、第３号、４８３ページのZhi Ning Chen及びMichael Yan Wah Chiaによる中央給電型マイクロストリップパッチアンテナ（Center-Fed Microstrip Patch Antenna）と題する記事でも論じられている。ボウタイ形状スロットアンテナは、一般に、三角形形状をした２つのスロット素子で構成され、それらスロット素子は三角形の頂点で近づいて狭い隙間を形成している。ボウタイ形状スロットは、導電性パッチ表面にエッチングで形成される。ボウタイの両片の集束領域の中間点で隙間を渡るように取り付けられた単一のアンテナ給電により、２つの帯域の給電が行われる。代替となる給電も当技術分野で知られている。このようなアンテナの低帯域の動作周波数は、スロットがエッチングされている導電性表面の寸法によって規定される。高帯域の動作周波数は、主としてボウタイスロットの大きさで決まる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ボウタイスロットアンテナは比較的小型ではあるが、より小さなパッケージで多帯域の性能を発揮する装置への要求は引き続き存在する。さらに、この種のアンテナにて多くの周波数帯域で高い利得を得ると共に２つの異なる周波数帯域で同様の放射パターンを提供する必要性も引き続き存在する。これらの特性のすべてを非常に小型のパッケージで提供することは挑戦を要する課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、無線通信装置用のパッチアンテナに関するものである。本アンテナは、基本周波数及び基本周波数の第１の高調波で動作可能であり、基本周波数及び基本周波数の第１の高調波で実質的に同じ位置にピーク利得方向をもつ。また、本パッチアンテナは、基本周波数及び基本周波数の第１の高調波で同じ偏波を有することもできる。
【０００７】
本パッチアンテナは、導電性接地面部材から形成される。導電性接地面部材は略長方形の形状を有することができる。導電性接地面部材に設けられた第１の開口は、第１のテーパ部及び第２のテーパ部を含むことができる。第１及び第２のテーパ部のそれぞれは、開口の中心軸へ向かう方向に沿って概ね互いに近づく対向テーパ縁を有する。対向テーパ縁は、対向テーパ縁の中心軸から遠い端で横縁により接続される。また、第１の開口は、第１及び第２のテーパ部の間に設けられた幅狭部をさらに含むことができる。幅狭部は、パッチアンテナのＲＦ給電点を規定する対向チャネル縁を有することもできる。全体として第１の開口はボウタイ（蝶ネクタイ）形状を規定する。
【０００８】
また、本アンテナは、導電性接地面に形成された少なくとも１つの第２の細長開口も含む。例えば、第２の細長開口は、リアクタンス装荷を提供し、第１の開口周辺における導電性接地面部材内の表面電流による位相整合を妨げる（disrupt the phasing）ために設けられ得る。本発明のある態様によれば、第２の細長開口は略長方形の形状を有することができる。第２の細長開口は長手縁を規定することもできる。長手縁は第１の開口によって形成される横縁の１つに隣接して配置され得る。さらに、第２の細長開口の長手縁は第１の開口の横縁に揃えて配置され得る。いずれの場合にも細長開口は導電性接地面の一部によって規定される隙間だけ第１の開口の横縁から離れていてよい。また、第２の細長開口と同様の第３の細長開口が、両横縁のうちの第２の横縁に沿って別に設けられることもできる。
【０００９】
導電性接地面部材を規定する長方形の形状の１つ以上の寸法が、アンテナの第１の共振周波数特性を生じさせるために選択され得る。第１の共振周波数を生じさせるための寸法は、第２の細長開口の存在により、第２の細長開口が無い場合の同部分の寸法と比べて縮小することができ、有利である。
【００１０】
導電性接地面部材は実質的に平面の誘電体素子の第１の側に配置され得る。さらに、実質的に平面の誘電体素子における第１の側の反対側である第２の側に第２の導電性接地面部材が配置され得る。第２の導電性接地面部材はアンテナの反射器として作用し得る。
【００１１】
本パッチアンテナは、基本周波数帯域において第１の電気的な共振周波数特性を有し、基本周波数帯域の第１の高調波において第２の電気的な共振周波数特性を有することができて有利である。例えば、第１及び第２の電気的な共振周波数特性は入力給電点の反射損失量を含むことができ、その値は約１０ｄＢより大きい。あるいは、又は上記に加えて、第１及び第２の電気的な共振周波数特性はアンテナボアサイト方向に沿ったピークアンテナ利得であり得る。さらに、基本周波数帯域内におけるアンテナの利得は、アンテナボアサイト周りの所定の角度範囲内のアンテナ方位角にて第１の高調波の周波数帯域における第２の利得の約３ｄＢ以内であり得る。また、本アンテナは、基本周波数帯域及び第１の高調波の周波数帯域で同じ偏波を有することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、無線通信装置用のパッチアンテナ１００に関する。本アンテナは、送信及び受信の両方の用途に用いられ得る。図１から図５を参照すると、パッチアンテナ１００が導電性接地面部材１０２から形成されることが分かる。導電性接地面部材１０２は略長方形の形状を有することができる。導電性接地面部材１０２に第１の開口１０８が設けられており、第１の開口１０８は全体としてボウタイ形状を規定している。
【００１３】
第１の開口は、第１のテーパ部１１０及び第２のテーパ部１１２を含むことができる。第１のテーパ部１１０及び第２のテーパ部１１２のそれぞれは対向テーパ縁１２２、１２４、１２６、１２８を有し、対向テーパ縁１２２、１２４及び対向テーパ縁１２６、１２８はそれぞれ中心軸１０１へ向かう方向に沿って概ね互いに近づく。横縁１２３、１２７は、対向テーパ縁１２２、１２４、１２６、１２８を、対向テーパ縁上の中心軸１０１から概ね遠い端の点で接続する。第１の開口１０８は概ね第１及び第２のテーパ部１１０、１１２の間に延びるように設けられた幅狭領域（幅狭部）１１５をさらに含むことができる。幅狭領域１１５は、対向チャネル縁１１４、１１６を有することができ、それらはパッチアンテナのＲＦ給電点を共に規定する。当業者に理解されるように、ボウタイ形状の第１の開口１０８は、長方形スロットアンテナ設計と比べて概して広い帯域幅を提供する。
【００１４】
パッチアンテナ１００は、導電性接地面１０２に形成された第２の細長開口１１８も含むことができる。第３の細長開口１２０も設けられ得る。第２及び第３の細長開口１１８、１２０は、図示のようにそれぞれ略長方形の形状を有することができる。第２及び第３の細長開口は、図示のようにそれぞれ長手縁１３４、１３６を規定することができる。長手縁１３４、１３６は、それぞれ第１の開口１０８によって形成される横縁１２３、１２７の１つに概ね隣接して配置され得る。さらに、長手縁１３４、１３６は、図１及び図２に示すように、横縁１２３、１２７に揃えて配置され得る。いずれの場合にも、細長開口１１８、１２０は、導電性接地面１０２の一部によって規定される隙間１３０、１３２だけ第１の開口の横縁１２３、１２７から離れていてよい。
【００１５】
導電性接地面部材１０２は、実質的に平面の誘電体素子１０４の表面１０６に配置され得る。さらに、第２の導電性接地面部材１３８が、実質的に平面の誘電体素子１０４における第１の側の反対側である第２の表面に配置され得る。第２の導電性接地面部材はアンテナの反射器として作用し得る。
【００１６】
導電性接地面部材１０２は好適な導電性素材で形成され得る。例えば、導電性素材は、銅、真ちゅう、アルミニウム、金又は銀で構成されるグループから選択された金属であってよい。あるいは、導電性接地面は、これらの金属の合金から形成され得る。さらにまた、導電性接地面は、これらの金属の１つ以上に他の金属をめっきしたものから形成され得る。
【００１７】
平面の誘電体素子１０４は、好適な誘電体基板素材で構成され得る。通常この用途に用いられる素材としては、市販の低温同時焼成セラミックス及び高温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ、ＨＴＣＣ）などがある。例えば、デュポン（登録商標）の低温９５１同時焼成グリーンテープ（商標）は、金及び銀と親和性があり、熱膨張係数（ＴＣＥ）に関して許容できる機械的性質を有する。他の製造業者からも、類似製品を入手できる。
【００１８】
ＬＴＣＣ基板システムでは、通常、セラミックスと導体の多数の薄い層が組み合わされる。個々の層は、典型的にはセラミック／ガラスフリットから形成される。セラミック／ガラスフリットは結合剤で結合されてシートへと形成され得るものである。このテープの層に導体がかぶせられて、ここに記載されたようにＲＦアンテナ素子及び接地面１０２、１３８が形成され得る。そして、２層以上の同じ種類のテープが炉で焼成される。
【００１９】
誘電体基板として一般に用いられる他の素材としては、グラスファイバ、ガラス織物及びセラミックスのテフロン（登録商標）ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）複合材がある。このような製品は、さまざまな製造業者から市販されている。例えば、アリゾナ州チャンドラーのロジャースコーポレーションは、商品名ＲＴ／ｄｕｒｏｉｄ、製品番号５８８０、６００２、及び６０１０ＬＭなどとして、そのような製品を提供している。ＬＴＣＣ素材とは異なり、これらの種類の基板は、一般に焼成段階を必要とせずに使用することができる。その代わりに、これらの種類の基板は、典型的には、片側又は両側に導電性金属接地面が形成された硬質基板材の形で提供される。従って、導電性接地面部材に従来のフォトリソグラフィ技術を用いてエッチングを施して、導電性接地面１０２ならびに各種開口１０８、１１８、１２０の外形を形成することができる。
【００２０】
次に、図１及び図２を再び参照して、幅狭領域１１５の両対向縁により規定されるＲＦ給電点についてさらに詳しく論じる。一つの実施の形態では、アンテナ給電接続が、幅狭領域１１５の対向する両側にある。この用途には例えば同軸ケーブル（図示せず）を用いることができる。同軸ケーブルの内部導体がチャネル縁１１４において導電性接地面との電気的接続を形成できる。同軸ケーブルのシールド部がチャネル縁１１６において導電性接地面との電気的接続を形成できる。この目的には従来の半田付け技術を用いることができる。また、当業者に理解されるように他の種類の給電構成も可能である。例えば、結合マイクロストリップ給電又は結合平行導波管（ＣＰＷ）給電もこの用途に用いることができる。さらに、本発明が特定の種類の給電構成に限定されないことは理解されるであろう。
【００２１】
図１から図５に開示されたパッチアンテナ１００は、従来のボウタイ／スロットアンテナ設計と比べて著しく改良されたものである。第２及び第３の開口１１８、１２０により、従来のボウタイアンテナと比べて、さらに２つの追加スリットが規定される。図１から図５に示すように、これらのスリットの長手方向は、対向テーパ縁１２２、１２４、１２６、１２８に対して略横向きに、そして横縁１２３、１２７と略平行に揃って延び得る。第２及び第３の開口１１８、１２０は、アンテナ１００の周辺部に横縁１２３、１２７に沿ってリアクタンス装荷を提供する。また、第２及び第３の開口は、表面電流の位相整合を効果的に妨げる仕組みを提供する。
【００２２】
ここに記載された構成にはいくつかの利点がある。例えば、第２及び第３の開口１１８、１２０の使用に関連する装荷技術により、長方形の導電性接地面部材１０２の物理的大きさが、同じ周波数で動作する通常の長方形マイクロストリップパッチと比べて縮小する。また、パッチアンテナ１００は、２つの異なる周波数帯域で同時に動作するという点についての解決も提供する。具体的には、本アンテナは、基本周波数ｆ０を中心とする基本周波数帯域と、第１の高調波の周波数ｆ１（ここで、ｆ１＝２ｆ０）付近を中心とする第１の高調波の周波数帯域とにおいて、良好な性能を発揮する。また、本アンテナは、これら２つの異なる周波数帯域において同様の放射パターンを提供し、有利である。特に、両動作周波数帯域ともピーク利得がボアサイトに位置しており、ほぼ同等のピーク値である。例えば、基本周波数帯域内におけるアンテナの利得は、アンテナボアサイト周りの所定の角度範囲内でのアンテナ方位角にて第１の高調波の周波数帯域の第２の利得の約３ｄＢ以内であり得る。また、パッチアンテナ１００は、基本周波数帯域及び第１の高調波の周波数帯域で同じ偏波も得られる。
【００２３】
対向テーパ縁１２２、１２４、１２６、１２８に対して垂直に延びるこの第２及び第３の開口１１８、１２０の追加が、基本周波数における導電性接地面１０２の物理的大きさの縮小という結果をもたらす仕組みになっている。この小型化は、共振寸法Ｌ１における電気的にみた長さの増加によって生じる。また、第２及び第３の開口１１８、１２０は、表面電流を妨げて、第１の高調波の周波数帯域ｆ１における位相整合が、勝手な仰角においてではなくボアサイトに沿って同相で合成されるようにするという利点も有する。この改良により、両周波数帯域のピーク放射がボアサイトに集中する。さらに、第２及び第３の開口により、交差偏波識別度が第１の高調波の周波数ｆ１において約８ｄＢ向上する。
【００２４】
上述のように、パッチアンテナ１００は２つの別の周波数帯域で動作できる。換言すると、これは、パッチアンテナ１００が、基本周波数帯域において第１の電気的な共振周波数特性を有し、第１の高調波の周波数帯域において第２の電気的な共振周波数特性を有することができるということである。例えば、第１及び第２の電気的な共振周波数特性には、入力給電点の反射損失量が含まれ、これら２つの周波数帯域のそれぞれにおいて約１０ｄＢより大きい。
【００２５】
次に、図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照すると、それらの図にはパッチアンテナ１００と従来のボウタイスロットパッチアンテナ６００とが示されている。図６（ａ）において、Ｌ１は、パッチアンテナ１００の共振寸法であり、パッチアンテナ１００の大きさを先行技術と比較するのに有用である。図６（ａ）において、値Ｌ１は、動作周波数ｆ０において約０．２８λである。比較すると、同じ周波数で動作するように設計された図６（ｂ）の従来のボウタイアンテナ６００の寸法Ｌ２は、約０．３２となり、これは１３パーセントほど大きい。同じ周波数で動作する従来の長方形パッチアンテナでは、対応する寸法は約０．４λとなり、これは４３パーセントほど大きい。このように、パッチアンテナ１００が従来のアンテナ設計と比べて著しい小型化をもたらすことが分かる。
【００２６】
図７から図９は、コンピュータモデルで生成した一組のプロット線（曲線）である。図７は、４つのプロット線の組を示しており、それらプロット線には、基本周波数及び第１の高調波の周波数におけるスリット装荷テーパスロットアンテナと従来のボウタイスロットパッチアンテナのピーク利得が含まれる。プロット線７０２は、基本周波数ｆ０における従来のボウタイスロットアンテナの利得特性を示す。プロット線７０４は、同じ基本周波数におけるパッチアンテナ１００の利得特性を示す。２つのアンテナの利得特性はこの周波数においてほとんど同じである、ということが注目されるであろう。
【００２７】
プロット線７０６は、基本周波数ｆ０の第１の高調波ｆ１における従来のボウタイスロットアンテナの利得特性を示す。プロット線７０８は、第１の高調波ｆ１におけるパッチアンテナ１００の利得特性を示す。パッチアンテナ１００はピーク利得で約１．２ｄＢだけ低下を見せており、２つのアンテナの利得特性が類似しているということが注目されるであろう。
【００２８】
図８は、基本周波数ｆ０及び第１の高調波の周波数ｆ１におけるパッチアンテナ１００及び従来のボウタイスロットアンテナの交差偏波を比較した一組のプロット線である。プロット線８０２は、基本周波数ｆ０における従来のボウタイスロットアンテナの交差偏波特性を示す。プロット線８０４は、同じ基本周波数ｆ０におけるパッチアンテナ１００の交差偏波特性を示す。プロット線８０６は、第１の高調波の周波数ｆ１における従来のボウタイスロットアンテナの交差偏波特性を示す。プロット線８０８は、第１の高調波の周波数ｆ１におけるパッチアンテナ１００の交差偏波特性を示す。図８に見られるように、パッチアンテナ１００では、ボアサイト及びその周りにおいて基本周波数ｆ０における交差偏波特性の改善が見られる。第１の高調波の周波数ｆ１においては、パッチアンテナ１００の交差偏波レベルが更に改善されている。全体として、プロット線８０８が示すピーク交差偏波は、プロット線８０６が示す従来のボウタイアンテナのピーク交差偏波の値と比べて８ｄＢも低い。
【００２９】
図９は、スリット装荷テーパスロットアンテナ及び従来のボウタイスロットパッチアンテナにおける周波数に対する反射損失を示す一組のプロット線である。従来のボウタイスロットパッチアンテナの反射損失をプロット線９０２で示す。パッチアンテナ１００の反射損失をプロット線９０４で示す。パッチアンテナ１００の反射損失は、基本周波数ｆ０においては、従来のボウタイアンテナと比べてわずかに劣っている。しかし、第１の高調波の周波数ｆ１においては、アンテナ１００の反射損失は若干改善している。
【００３０】
次に、図１０を参照すると、本発明を理解するのに有用なスリット装荷ボウタイスロットアンテナの図が示してある。図１０は、本発明に関連して用いられ得る実現可能なある一組の寸法を示す。図７から図１０に示したプロット線は、図１０に示す寸法と同じ寸法を有するスリット装荷ボウタイスロットアンテナで生成されたものである。以下の寸法は、本装置の共振周波数における波長との比率で表してある。
【００３１】
波長の比率での寸法は以下の通りである。
A = 0.29666λ
B = 0.39425λ
C = 0.18760λ
D = 03201λ
E = 0.01132λ
F = 0.00937λ
【００３２】
当業者は、本明細書で提供された発明が、本発明を限定するものではないことを理解するであろう。また、特定の応用例にとって好適な他の寸法が、実験結果又はコンピュータモデリングに基づいて決定されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明を理解するのに有用なスリット装荷テーパスロットパッチアンテナの斜視図である。
【図２】図２は、本発明を理解するのに有用なスリット装荷テーパスロットパッチアンテナの上面図である。
【図３】図３は、図１のアンテナの側面図である。
【図４】図４は、図１のアンテナを線４−４で切断した断面図である。
【図５】図５は、図１のアンテナを線５−５で切断した断面図である。
【図６】図６は、図１のアンテナ及び従来のボウタイスロットアンテナを特性比較のために並べて示した上面図である。
【図７】図７は、基本周波数及び第１の高調波の周波数におけるスリット装荷テーパスロットアンテナ及び従来のボウタイスロットパッチアンテナのピーク利得を比較する一組のプロット線の図である。
【図８】図８は、基本周波数及び第１の高調波の周波数におけるスリット装荷テーパスロットアンテナ及び従来のボウタイスロットパッチアンテナの交差偏波を比較する一組のプロット線の図である。
【図９】図９は、スリット装荷テーパスロットアンテナ及び従来のボウタイスロットパッチアンテナにおける周波数に対する反射損失を示す一組のプロット線の図である。
【図１０】図１０は、本発明を実装する際に用いられ得る実現可能な寸法の組合せを理解するのに有用な図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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