(57)【要約】  アンテナ構造および無線通信用のアンテナ構造の製造方法を開示する。アンテナの放射エレメントは、物理サイズを低減しリターンロスやゲインなどのアンテナ性能特性を向上すべく自己相似的な構造的特徴を呈する。アンテナのエネルギーロスをさらに低減するとともにゲインをさらに向上するために、アンテナの放射エレメントと同じ平面および誘電体基板の同じ表面にメタマテリアル共振体が配置されている。放射エレメントと同じ平面および誘電体基板の同じ表面にメタマテリアル共振体を配置することでアンテナ構造の全体的な厚みが最小化される。【選択図】図６
2013532436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一または複数の周波数帯域の電磁信号を送受信するためのアンテナであって、
第１の側、前記第１の側に対向する第２の側、前記第１の側と前記第２の側との間に延びる第３の側および第４の側を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の表面に配置され、いくつかの自己相似の構造的特徴を有する少なくとも一つの放射エレメントと、
前記少なくとも一つの放射エレメントに接続され、前記少なくとも一つの放射エレメントと前記第１の側との間に延びる少なくとも一つのフィードラインと、
前記誘導体基板の同じ表面に配置され、前記少なくとも一つの放射エレメントの周辺に配置された少なくとも一つのメタマテリアル共振体とを備えている
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項２】
請求項１に記載のアンテナにおいて、
前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体が、前記誘電体基板の前記第１の側、前記第２の側、前記第３の側、および前記第４の側の少なくとも一つに配置されている
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項３】
請求項１に記載のアンテナにおいて、
前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体が、前記誘電体基板の前記第３の側および前記第４の側の少なくとも一つに配置されている
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項４】
請求項１に記載のアンテナにおいて、
前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体が、隣接するものどうしが垂直に配置された複数のメタマテリアル共振体を有する
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項５】
請求項４に記載のアンテナにおいて、
前記複数のメタマテリアル共振体が、前記誘電体基板の前記第１の側、前記第２の側、前記第３の側、および前記第４の側の少なくとも一つに配置されている
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項６】
請求項１に記載のアンテナにおいて、
前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体が、前記少なくとも一つの放射エレメントと同じ平面に配置されている
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項７】
請求項１に記載のアンテナにおいて、
前記少なくとも一つの放射エレメントの前記いくつかの自己相似の構造的特徴が、複数のフラクタルエレメントを有する
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項８】
請求項１に記載のアンテナにおいて、
前記少なくとも一つの放射エレメントが、略平面である
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項９】
請求項１に記載のアンテナにおいて、
前記少なくとも一つの放射エレメントが、略平面の誘電体基板上に形成されている
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項１０】
請求項７に記載のアンテナにおいて、
前記複数のフラクタルエレメントが、略三角形状、略四角形状、および略五角形状のいずれか一つの特徴を有する
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項１１】
請求項１に記載のアンテナにおいて、
前記少なくとも一つの放射エレメントが、Ｃｕ、Ａｕ、およびＩＴＯの少なくとも一つを有する
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項１２】
請求項７に記載のアンテナにおいて、
前記複数のフラクタルエレメントが、コッホパターン、ブラックマン・コッホパターン、ロータスポッドパターン、シェルピンスキーパターン、亀甲パターン、および多角形パターンの少なくとも一つを有する
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項１３】
請求項７に記載のアンテナにおいて、
前記複数のフラクタルエレメントが、少なくとも２の反復因数で生成されている
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項１４】
請求項１に記載のアンテナにおいて、
前記少なくとも一つの放射エレメントが、いくつかのボイドを有する
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項１５】
請求項１４に記載のアンテナにおいて、
前記いくつかのボイドが、前記少なくとも一つの放射エレメント上に対称的に配置されている
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項１６】
請求項１に記載のアンテナにおいて、
前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体が、分割リング共振器を有する
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項１７】
請求項１に記載のアンテナにおいて、
前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体の共振周波数の許容誤差が、当該アンテナの動作周波数の±０．５〜５％である
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項１８】
一または複数の周波数帯域の電磁信号を送受信するためのアンテナの製造方法であって、
前記アンテナは、第１の側、前記第１の側に対向する第２の側、前記第１の側と前記第２の側との間に延びる第３の側および第４の側を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の表面に配置され、いくつかの自己相似の構造的特徴を有する少なくとも一つの放射エレメントと、
前記少なくとも一つの放射エレメントに接続され、前記少なくとも一つの放射エレメントと前記第１の側との間に延びる少なくとも一つのフィードラインと、
前記誘導体基板の同じ表面に配置され、前記少なくとも一つの放射エレメントの周辺に配置された少なくとも一つのメタマテリアル共振体とを備えおり、
当該製造方法は、
所望の周波数で動作するように前記少なくとも一つの放射エレメントを拡大縮小するステップと、
前記少なくとも一つの放射エレメントの形状および幾何学的配置に依存する、前記少なくとも一つの放射エレメントの電界および磁界の方向を決定するステップと、
前記誘電体基板上に前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置するためのいくつかの位置を決定するステップとを備えている
ことを特徴とするアンテナの製造方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載のアンテナの製造方法において、
前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置するためのいくつかの位置が、前記誘電体基板の前記第１の側、前記第２の側、前記第３の側、および前記第４の側の少なくとも一つにある
ことを特徴とするアンテナの製造方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載のアンテナの製造方法において、
前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置するためのいくつかの位置が、前記誘電体基板の前記第３の側および前記第４の側の少なくとも一つにある
ことを特徴とするアンテナの製造方法。
【請求項２１】
請求項１８に記載のアンテナの製造方法において、
当該アンテナのいくつかの仕様を作成するステップ、および
前記少なくとも放射エレメントの形状を反復的に決定するステップの少なくとも一つを備えている
ことを特徴とするアンテナの製造方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載のアンテナの製造方法において、
所望の周波数で動作するように前記少なくとも一つの放射エレメントを拡大縮小するステップ、
前記少なくとも一つの放射エレメントの電界および磁界の方向を決定するステップ、
前記誘電体基板上に前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置するためのいくつかの位置を決定するステップ、
当該アンテナのいくつかの仕様を作成するステップ、および
前記少なくとも放射エレメントの形状を反復的に決定するステップの少なくとも一つを、少なくとも１回実行する
ことを特徴とするアンテナの製造方法。
【請求項２３】
請求項２１に記載のアンテナの製造方法において、
前記少なくとも一つの放射エレメントを拡大縮小するステップ、
前記少なくとも一つの放射エレメントの電界および磁界の方向を決定するステップ、
前記誘電体基板上に前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置するためのいくつかの位置を決定するステップ、
当該アンテナのいくつかの仕様を作成するステップ、および
前記少なくとも放射エレメントの形状を反復的に決定するステップを、少なくとも１回実行する
ことを特徴とするアンテナの製造方法。
【請求項２４】
請求項１８に記載のアンテナの製造方法において、
所望の周波数で動作するように前記少なくとも一つの放射エレメントを拡大縮小するステップ、
前記少なくとも一つの放射エレメントの電界および磁界の方向を決定するステップ、および
前記誘電体基板上に前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置するためのいくつかの位置を決定するステップを、それぞれ、少なくとも１回実行する
ことを特徴とするアンテナの製造方法。
【請求項２５】
請求項１８に記載のアンテナの製造方法において、
前記誘電体基板の表面に前記少なくとも一つの放射エレメントを配置するステップと、
前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体を、前記少なくとも一つの放射エレメントと同じ平面および前記誘電体基板の同じ表面に配置するステップとを備えている
ことを特徴とするアンテナの製造方法。
【請求項２６】
請求項１８に記載のアンテナの製造方法において、
前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体が、隣接するものどうしが垂直に配置された複数のメタマテリアル共振体からなる
ことを特徴とするアンテナの製造方法。
【請求項２７】
請求項１８に記載のアンテナの製造方法において、
前記ステップの少なくとも一つを、コンピュータソフトウェアによって実行する
ことを特徴とするアンテナの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、フラクタルエレメントおよびメタマテリアルを備えたアンテナデザインに関する。特に、本開示の局面は、自己相似の構造的特徴を呈する放射エレメントおよび当該放射エレメントの周辺に配置されたいくつかのメタマテリアル共振体を備えたアンテナデザインであって、当該放射エレメントおよび当該いくつかのメタマテリアル共振体が平面誘電体基板に対して共通の平面を共有するアンテナデザインに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日の技術的進歩により無線通信に対する要求が増しつつある。無線通信によって導体や電線なしでさまざまな距離で情報が伝送されるが、この情報伝送は電磁エネルギーを用いて実現される。アンテナは、無線通信ネットワークにおいて無線通信を容易にするのに必要不可欠な構成要素である。アンテナは、携帯電話機、携帯情報端末、ポータブルテレビ機器などの多くの無線機器に接続される。
【０００３】
アンテナは、無線通信分野の電磁信号を放射および／または受信するのに用いられる。本来、アンテナは、電磁スペクトルの無線周波数の電磁波を電流に変換する変換器である。そこで、アンテナをデザインする際に、アンテナゲイン、指向性、効率などのパラメータが考慮される。アンテナは、単一周波数帯または多重周波数帯で動作可能である。前者は一般にシングルバンドアンテナとして知られており、後者はマルチバンドアンテナとよく呼ばれる。今日、マルチバンドアンテナはシングルバンドアンテナと比較してより広く用いられるが、そのサイズおよび複雑な回路のため高コスト化しつつある。近年、通信機器およびその他の個人電子機器の小型化のトレンドと相俟ってアンテナの小型化のニーズも高まりつつある。
【０００４】
マイクロストリップパッチアンテナ、または単にパッチアンテナは、アンテナ素子パターンを絶縁誘電体基板に接合された金属パッチにエッチングして製造されたナローバンド、ワイドビームのアンテナである。誘電体基板の反対側に接合された連続メタル層は接地層を形成している。パッチアンテナの利用は、軽量、低プロファイル、低製造コスト、適合性、再現性、信頼性などの際だった物理特性を主たる要因として、ますます注目を浴びつつある。また、パッチアンテナは製造が容易で、半導体素子および無線技術機器との一体化が容易である。パッチアンテナは、四角形、三角形、円形、楕円形などのさまざまな形状で利用することができる。
【０００５】
近年、パッチアンテナの欠点が表面化しつつある。マイクロ波帯域にデザインされた従来のパッチアンテナのサイズは概して大きく、それゆえそのようなアンテナを送受信機および中継器システムに取り付けると悪影響がある。また、そのようなアンテナは、狭帯域幅、低ゲイン、および弱い放射パターンの観点から限界がある。アンテナサイズを全体的に小さくするとゲインが低減し、また、表面派励振を引き起こしかねない基板特性によってもゲイン低減が起こり得る。それゆえ、最近の研究努力がマイクロストリップアンテナのデザインに向けられ、放射特性の向上およびそれと同時に小型化が進展しつつある。
【０００６】
一般に、アンテナの面積と波長の間には、アンテナサイズがλ／４（λは動作波長である）よりも小さければ放射耐性、ゲイン、および帯域幅が減少するためアンテナが有効でなくなるといった重要な関係があり、それゆえアンテナサイズは大きくしなければならない。サイズおよび放射特性の問題を回避するために用いられる一つの有効な手段は、フラクタル放射パッチまたはフラクタルパッチアンテナを利用することである。フラクタルパッチアンテナとは、フラクタルまたは自己相似デザインを利用して、一定の全表面積または体積内で電磁信号を送受信可能な材料の長さを最大化または外周を増大させるアンテナである。このように、フラクタルパッチアンテナは、長大アンテナに匹敵する放射パターンおよび入力インピーダンスを達成することができ、さらにその形状における多くの曲線によりサイズ制約を克服することができる。自己相似デザインは、マイクロストリップから出発して反復を繰り返すことで生成される。しかし、これらフラクタルパッチアンテナには磁気／電気の不均衡から生じるエネルギーロスに起因して一つの欠点が生じている。
【０００７】
図１は、分割リング共振器を有するアンテナ基板を示す。磁気／電気の不均衡によるエネルギーロスを低下させる問題を回避するために、分割リング共振器の形で磁気共鳴体がアンテナ基板の周辺に配置されていた。分割リング共振器はアンテナパッチに垂直に配置された。この配置は（ほとんどの場合または典型的に）電界および磁界の方向に従ってデザインされる。そのようなデザインの欠点の一つは、分割リング共振器のためアンテナ基板の厚みが増すということである。
【発明の概要】
【０００８】
本開示の一局面に従うと、一または複数の周波数帯域の電磁信号を送受信するためのアンテナが開示される。当該アンテナは、第１の側、前記第１の側に対向する第２の側、前記第１の側と前記第２の側との間に延びる第３の側および第４の側を有する誘電体基板を備えている。また、当該アンテナは、前記誘電体基板の表面に配置された少なくとも一つの放射エレメントを備えている。前記少なくとも一つの放射エレメントは、いくつかの自己相似の構造的特徴を有する。前記少なくとも一つの放射エレメントが、いくつかのボイドを有していてもよい。前記少なくとも一つの放射エレメントの前記いくつかのボイドが、前記少なくとも一つの放射エレメント上に対称的に配置されていてもよい。前記少なくとも一つの放射エレメントには少なくとも一つのフィードラインが接続されている。前記少なくとも一つのフィードラインは、前記少なくとも一つの放射エレメントと前記第１の側との間に延びている。
【０００９】
さらに、少なくとも一つのメタマテリアル共振体が、前記少なくとも一つの放射エレメントと同じ平面および前記誘電体基板の同じ表面に配置されている。前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体は、前記少なくとも一つの放射エレメントの周辺に配置されている。前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置するためのいくつかの位置が、前記誘電体基板の前記第１の側、前記第２の側、前記第３の側、および前記第４の側の少なくとも一つにあってもよい。例えば、ある実施形態では、前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置するためのいくつかの位置が、前記誘電体基板の前記第３の側および前記第４の側の少なくとも一つにあり得る。ある実施形態では、前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体が、隣接するものどうしが垂直に配置または積層された複数のメタマテリアル共振体を有し得る。
【００１０】
本開示の別の局面に従うと、一または複数の周波数帯域の電磁信号を送受信するためのアンテナの製造方法が開示される。当該アンテナは、第１の側、前記第１の側に対向する第２の側、前記第１の側と前記第２の側との間に延びる第３の側および第４の側を有する誘電体基板を備えている。また、当該アンテナは、前記誘電体基板の表面に配置された少なくとも一つの放射エレメントを備えている。前記少なくとも一つの放射エレメントは、いくつかの自己相似の構造的特徴を有する。前記少なくとも一つの放射エレメントには少なくとも一つのフィードラインが接続されている。前記少なくとも一つのフィードラインは、前記少なくとも一つの放射エレメントと前記第１の側との間に延びている。さらに、少なくとも一つのメタマテリアル共振体が前記少なくとも一つの放射エレメントと同じ平面および前記誘電体基板の同じ表面に配置されている。前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体は、前記少なくとも一つの放射エレメントの周辺に配置されている。当該方法は、所望の周波数で動作するように前記少なくとも一つの放射エレメントを拡大縮小するステップと、前記少なくとも一つの放射エレメントの形状および幾何学的配置に依存する、前記少なくとも一つの放射エレメントの電界および磁界の方向を決定するステップと、前記誘電体基板上に前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置するためのいくつかの位置を決定するステップとを備えている。
【００１１】
前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置するためのいくつかの位置が、前記誘電体基板の前記第１の側、前記第２の側、前記第３の側、および前記第４の側の少なくとも一つにあってもよい。例えば、ある実施形態では、前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置するためのいくつかの位置が、前記誘電体基板の前記第３の側および前記第４の側の少なくとも一つにあり得る。
【００１２】
当該方法は、当該アンテナのいくつかの仕様を作成するステップ、および前記少なくとも放射エレメントの形状を反復的に決定するステップの少なくとも一つをさらに備えていてもよい。
【００１３】
当該方法は、前記誘電体基板の表面に前記少なくとも一つの放射エレメントを配置するステップと、前記少なくとも一つの放射エレメントと同じ平面および前記誘電体基板の同じ表面に前記少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置するステップとをさらに備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、分割リング共振器を有するアンテナ基板を示す図である。
【図２】図２ａおよび２ｂは、それぞれ、本開示の特定の実施形態に係るアンテナの構造の平面図および側面図である。
【図３】図３ａおよび３ｂは、それぞれ、本開示の一実施形態に係るアンテナの構造の平面図および側面図である。
【図４】図４は、本開示の一実施形態に係るアンテナを備えた携帯受信機を持つ通信システムを示すブロック図である。
【図５】図５ａおよび５ｂは、本開示のある実施形態に係るアンテナの平面図および側面図である。
【図６】図６は、本開示のいくつかの代表的な実施形態に係るアンテナを示す図である。
【図７】図７は、本開示の別のいくつかの代表的な実施形態に係るアンテナを示す図である。
【図８】図８は、本開示のある実施形態に係るメタマテリアル共振体の代表的な実施形態を示す図である。
【図９】図９は、本開示のある実施形態に係るさまざまな方向のいくつかの分割リング共振器（ＳＲＲ）を示す図である。
【図１０】図１０は、本開示のある実施形態に係る少なくとも一つの放射エレメントを示す図である。
【図１１】図１１は、本開示のある実施形態に係るいくつかのボイドを有する放射エレメントを示す図である。
【図１２】図１２は、本開示の代表的な実施形態に係るアンテナの製造方法を示すフロー図である。
【図１３】図１３ａおよび１３ｂは、それぞれ、本開示の一実施形態に係る少なくとも一つの放射エレメントによって生成される電界および磁界のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本開示の実施形態は、一または複数の周波数帯域の電磁信号を送受信するためのアンテナおよび／またはアンテナの製造方法に関する。
【００１６】
特に、本開示は、少なくとも一つの放射エレメントおよび当該放射エレメントの周辺またはその近傍に配置された少なくとも一つのメタマテリアル共振体を有するアンテナに関する。さまざまな実施形態において、メタマテリアル共振体および放射エレメントは同じ平面を共有しており、したがって、少なくとも一つのメタマテリアル共振体の少なくとも一つの表面または部分は放射エレメントと同じ平面を共有する。ある実施形態では、少なくとも一つのメタマテリアル共振体が、隣接するものどうしが垂直に積層された複数のメタマテリアル共振体を有する。
【００１７】
このようなアンテナの開発方法も開示される。少なくとも一つのメタマテリアル共振体を有するアンテナは少ないロスで動作する。少なくとも一つの放射エレメントと同じ平面および少なくとも一つの放射エレメントの周辺に少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置することで、アンテナの厚みを極薄にしつつ、磁気／電気の不均衡から生じるエネルギーロスが最小化される。
【００１８】
例えば、本開示では約２．４ＧＨｚおよび５ＧＨｚの無線周波数帯で動作するアンテナについて説明する。しかし、このような周波数帯域に係る無線アプリケーションと類似の動作能力が要求されるほかのアプリケーションから本開示のさまざまな実施形態が排除されるわけではない。当然のことながら、本開示に係るアンテナはさまざまな周波数帯域または複数の周波数帯域内で動作可能である。
【００１９】
以下の説明および関連する図面において、同様の要素には同様の符号を付して参照する。
【００２０】
例えば、図２ａおよび２ｂは、それぞれ、本開示の特定の実施形態に係るアンテナ１００の構造の平面図および側面図である。図２ａおよび２ｂを参照しながら本開示の特定の実施形態に係る空間的配置について説明する。この実施形態において、アンテナ１００は誘電体基板１０２を有しており、誘電体基板１０２は、第１の側１０４、第１の側１０４に対向して配置された第２の側１０６、および第１の側１０４と第２の側１０６との間に延びる第３の側１０８および第４の側１１０を有する。少なくとも一つのフィードライン１１２が第１の側１０４と少なくとも一つの放射エレメント１１４との間に延びている。図２ｂから、アンテナ１００は、上部側１１６と、上部側１１６に対向する底部側１１８とを有する。放射エレメント１１４は上部側１１６に配置され、接地面層１２０が底部側１１８上に配置されている。便宜上、少なくとも一つの放射エレメント１１４が配置された誘電体基板の表面は、これ以降、上部側１１６として参照する。
【００２１】
図３ａおよび３ｂは、それぞれ、本開示の一実施形態に係るアンテナ１００の構造の平面図および側面図である。アンテナ１００は、誘電体基板１０２の上部側１１６の表面に配置された少なくとも一つの放射エレメント１１４を有する。少なくとも一つの放射エレメント１１４は、信号の送受信ができるように構成され、後述するようにいくつかの自己相似の構造的特徴１２２を呈する。図３ｂに示すように、少なくとも一つの放射エレメント１１４は、誘電体基板１０２の上部側１１６の表面に平行かつ隆起しており（例えば、遥かに超えて広がる）、接地面層１２０に電気的に接続されている。少なくとも一つのフィードライン１１２が、少なくとも一つの放射エレメント１１４への／からの信号を増強し伝送する少なくとも一つの放射エレメント１１４に接続可能になっている。少なくとも一つのフィードライン１１２は、少なくとも一つの放射エレメント１１４と第１の側１０４との間に延びている。少なくとも一つのフィードライン１１２は、コネクタ１２４に電気的に接続可能になっていてもよい。少なくとも一つの放射エレメント１１４は略平面であり、誘電体基板１０２の略平面上に形成されている。少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６が、少なくとも一つの放射エレメント１１４の周辺、かつ、少なくとも一つの放射エレメント１１４と同じ誘電体基板１０２の上部側１１６の表面に配置されている。少なくとも一つの放射エレメント１１４および少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６は、同じまたは共通の面を共有または当該面上に共存する。図３ａおよび３ｂからわかるように、少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６は、少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６が誘電体基板１０２の上部側１１６に面するように誘電体基板１０２上に配置されている。
【００２２】
図４は、本開示の一実施形態に係るアンテナ１００を備えた携帯受信機２０２を持つ通信システム２００を示すブロック図である。フィードライン１１２は、少なくとも一つの放射エレメント１１４への／からの信号を増強し伝送する少なくとも一つの放射エレメント１１４に接続されている。フィードライン１１２は、コネクタ１２４に電気的に接続されている。一方、コネクタ１２４は、携帯受信機２０２に接続されている。基地局２５０は、第１の通信パス３００を介して放射エレメント１１４を通じてアンテナ１００と通信するアンテナシステム２６０を有しており、これにより放射エレメント１１４は第１のいくつかの信号３１０を受信可能になっている。また、アンテナ１００から基地局２５０へ第２のいくつかの信号３３０が送信可能なように第２の通信パス３２０が確立される。信号の送受信時の電磁波の相互作用により、アンテナ１００のゲインが低減する。少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６は、電磁波の相互作用を低減するように、誘電体基板１０２の上部側１１６の表面、かつ、少なくとも一つの放射エレメント１１４と同じ平面に配置されている。少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６の平面は少なくとも一つの放射エレメント１１４と同じ誘電体基板１０２の表面に配置されているため、アンテナ１００はコンパクトな構造にしてある。メタマテリアル共振体１２６の共振周波数は、アンテナ１００の動作周波数と同時に動作するようにデザイン可能である。
【００２３】
少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６を少なくとも一つの放射エレメント１１４と同じ平面に配置することで、透磁率の値を高めることができるとともにアンテナ１００のゲインを増大することができる。なお、透磁率は磁気エネルギーに正比例し、少なくとも一つの放射エレメント１１４の周辺に少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６を配置することで、磁気／電気の不均衡から生じるアンテナ１００のエネルギーロスが最小化される。後述するように、少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６の配置方法は、少なくとも一つの放射エレメント１１４の電界および磁界の設定に依存する。
【００２４】
図５ａおよび５ｂは、本開示のある実施形態に係るアンテナ１００の平面図および側面図である。図５ａに示すように、少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６が、少なくとも一つの放射エレメント１１４の周辺、かつ、放射エレメント１１４と同じ誘電体基板１０２の表面に配置されている。ある実施形態では、少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６は、隣接するものどうしが垂直に積層された複数のメタマテリアル共振体を有しており、少なくとも一つのメタマテリアル共振体積層１２８を形成し得る。
【００２５】
図６は、本開示のいくつかの代表的な実施形態を示す。ある実施形態では、少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６が、誘電体基板１０２の第１の側１０４、第２の側１０６、第３の側１０８、および第４の側１１０の少なくとも一つに配置されている。別のある実施形態では、少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６が、誘電体基板１０２の第３の側１０８および第４の側１１０の少なくとも一つに配置されている。第３の側１０８および第４の側１１０の少なくとも一つにある少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６に加えて、誘電体基板１０２の第１の側１０４および第２の側の少なくとも一つに少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６があってもよい。少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６が少なくとも一つのメタマテリアル共振体積層１２８であってもよい。少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６または少なくとも一つのメタマテリアル共振体積層１２８は、少なくとも一つの放射エレメント１１４と同じ平面を共有する、または、少なくとも一つの放射エレメント１１４と同じ平面に配置されている。
【００２６】
図７は、本開示の別のいくつかの代表的な実施形態を示す。図７に示したように、少なくとも一つのメタマテリアル共振体積層１２８が、誘電体基板１０２の第１の側１０４、第２の側１０６、第３の側１０８、および第４の側１１０の少なくとも一つに配置されている。少なくとも一つのメタマテリアル共振体積層１２８は、少なくとも一つの放射エレメント１１４の周辺に配置されている。少なくとも一つのメタマテリアル共振体積層１２８および少なくとも一つの放射エレメント１１４は、誘電体基板１０２の同じ表面に配置されている。少なくとも一つのメタマテリアル共振体積層１２８は、少なくとも一つの放射エレメント１１４と同じ平面を共有する、または、少なくとも一つの放射エレメント１１４と同じ平面に配置されている。
【００２７】
誘電体基板１０２上に配置すべきメタマテリアル共振体１２６の量は、少なくとも一つの放射エレメント１１４の電界および磁界の特性によって決めることができる。少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６は、電界および磁界の特性に基づいて配置することができる。後述するように、少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６はさまざまな方向に配向することでさまざまな電磁特性を示し、その方向によって少なくとも一つの放射エレメント１１４との電磁的な相互作用が影響を受け得る。
【００２８】
図８は、本開示のある実施形態に係るメタマテリアル共振体１２６の代表的な実施形態またはメタマテリアル共振体積層１２８の部分を示す。少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６および／または少なくとも一つのメタマテリアル共振体積層１２８は、分割リング共振器（ＳＲＲ）であり得る。図８に示したように、メタマテリアル共振体１２６は、複数の有ギャップ側１３４を有する。少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６または少なくとも一つのメタマテリアル共振体積層１２８の共振周波数は、少なくとも一つの放射エレメント１１４の動作周波数と同時に動作するようにデザイン可能である。本開示のある実施形態では、少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６および／または少なくとも一つのメタマテリアル共振体積層１２８の共振周波数の許容誤差は、アンテナ１００の動作周波数の±０．５〜５％であり得る。
【００２９】
分割リング共振器は、磁気共鳴を起こして透磁率の負の実部の直前に大きな正のピークを生じさせることができる。共振前に生じるこの高い正値は、磁気／電気の不均衡から生じるエネルギーロスを安定化しようとする。これは概して共振体の共振時に価値がある。
【００３０】
図９は、本開示のある実施形態に係るさまざまな方向のいくつかの分割リング共振器（ＳＲＲ）を示す。励起波（ｋ）、電界（Ｅ）、および磁界（Ｈ）の方向により磁気共鳴の発生が左右される。図９に示したように、分割リング共振器の４つの異なる方向は、励起波ｋ、電界Ｅ、および磁界Ｈの方向によって分類される。図９ａおよび９ｂに示したように、外部磁界Ｈが構造平面に垂直なときにのみ電磁波によって電磁共鳴が励起される。図９ｃの分割リング共振器では、磁界Ｈが構造平面に垂直でないため、磁界Ｈから何も励起されない。それゆえ、図９ｃの方向は、アンテナ１００のゲインを増大させるには不適当であろう。図９ｄでは、磁界Ｅが分割リング共振器の有ギャップ側１３４に平行、かつ、励起波ｋの方向が分割リング共振器の平面に垂直であるため、同じ共振でも電気共振が生じる。したがって、共振ディップを得るための分割リング共振器の配向として３通りの可能な方法（図９ａ、９ｂ、および９ｃ）がある。
【００３１】
アンテナ１００の放射および透磁率に有害な影響がおよぶことを避けるために、少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６または少なくとも一つのメタマテリアル共振体積層１２８は、隣り合うほかのメタマテリアル共振体１２６またはメタマテリアル共振体積層１２８または少なくとも一つの放射エレメント１１４に接触すべきでない。一般に、互いに隣り合うメタマテリアル共振体１２６またはメタマテリアル共振体積層１２８は、少なくともおよそλ／２００（λはアンテナ１００の動作波長である）の空隙を有するべきである。また好ましくは、メタマテリアル共振体１２６またはメタマテリアル共振体積層１２８は、少なくとも一つの放射エレメント１１４からおよそλ／２００離隔すべきである。
【００３２】
図１０は、本開示のある実施形態に係る少なくとも一つの放射エレメント１１４を示す。少なくとも一つの放射エレメント１１４は、導電性であり、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、またはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）から作ることができる。フラクタル幾何学の観点から、少なくとも一つの放射エレメント１１４は、デザインまたはモチーフの反復により得られるいくつかの自己相似の構造的特徴１２２を有する。デザインまたはモチーフは、回転、移動、および／または拡大縮小によって反復される。ある実施形態では、回転、移動、および拡大縮小を任意に組み合わせていくつかの自己相似の構造的特徴１２２を得ることができる。いくつかの自己相似の構造的特徴１２２は複数のフラクタルエレメント１３０として周知である。複数のフラクタルエレメント１３０は、三角形、四角形、または五角形の少なくとも一つの形状をとり得る。複数のフラクタルエレメント１３０は、次の反復Ｎ＋１のｘ軸およびｙ軸の座標を有し、当該座標はｘＮ＋１＝ｆ（ｘＮ，ｙＮ）およびｙＮ＋１＝ｇ（ｘＮ，ｙＮ）で定義される。ただし、ｘＮ，ｙＮは一つ前の繰り返しの座標であり、ｆ（ｘ，ｙ）およびｇ（ｘ，ｙ）はフラクタルのモチーフおよび振る舞いを定義する関数である。コッホパターン、ブラックマン・コッホパターン、ロータスポッドパターン、シェルピンスキーパターン、亀甲パターン、および多角形パターンが、本開示の複数のフラクタルエレメント１３０に適用可能な自己相似パターンである。なお、フラクタルエレメント１３０の自己相似パターンを変形して所望の動作周波数または動作周波数帯域を得ることができる。
【００３３】
本開示のある実施形態によると、複数のフラクタルエレメント１３０は、三角形、四角形、および五角形などのさまざまな形状の反復因数２または３で生成される。好ましくは、本開示のほとんどの実施形態では、二つの反復回数のみ、すなわち、１番目および２番目が採用される。フラクタル幾何学の分野において、反復因数および反復回数は、フラクタル生成の構成側および反復処理の実施数を表す。放射エレメント１１４の平均的な電気的長さの伸長により反復回数および反復因数が増加するにつれ、放射エレメント１１４の共振周波数は低下する。
【００３４】
複数のフラクタルエレメント１３０を構成して送信および／または受信のダイポール共振パターンを得ることができる。あるいは、位相配列デザインのようなほかのアンテナデザインを実装することもできる。これらアンテナデザインは、ダイポールデザインとは別に、またはダイポールデザインと組み合わせて実装することができる。
【００３５】
アンテナ１００の周波数帯域を拡張するために、アンテナ１００に導体状の構造を追加することができる。当該導体は導線または電気配線であり得る。
【００３６】
図１１は、本開示のある実施形態に係るいくつかのボイド１３２を有する放射エレメント１１４を示す。いくつかのボイド１３２は、放射エレメント１１４上に対称的に配置され得る。いくつかのボイド１３２は配列の概念に従って生成することができ、通常これによりアンテナ１００の放射特性が向上する。生成されたいくつかのボイド１３２により、放射エレメント１１４は互いに隣接する２以上の放射エレメント１１４があるかのように振る舞う。
【００３７】
本開示のある実施形態では、誘電体基板１０２は、正方形、長方形、または円形の任意の形状であり得る。誘電体基板１０２の誘電率は２〜４０の範囲にあり得る。好ましくは、誘電体基板１０２の誘電率は２〜３の範囲にある。誘電体基板１０２の大きさはアプリケーションに応じて変化し得る。多くのさまざまなタイプの非導電性素材を誘電体基板１０２として用いることができる。当該素材は、シリコンウェーハー、硬質または軟質のプラスチック様素材、紙、エポキシ、ガラス、グラスファイバー、セラミック素材、および電気の流れを妨げ得るほかの素材であり得る。本開示の好ましい実施形態では、誘電体基板１０２は、織りグラスファイバー／ＰＴＦＥの複合材料でできている。
【００３８】
なお、少なくとも一つのフィードライン１１２および接地面層１２０は、Ｃｕ、Ａｕ、およびＩＴＯなどの任意の導電性素材であり得る。コネクタ１２４は、７／１６ＤＩＮコネクタ、ＢＮＣコネクタ、Ｃコネクタ、およびＤｅｚｉｆｉｘコネクタを含み得る。
【００３９】
図１２は、本開示の代表的な実施形態に係るアンテナ１００の製造方法４００を示すフロー図である。当該方法４００に係るステップ４０２、４０４、４０６、４０８、および４１０は、コンピュータまたはプロセッサでプログラム命令列（例えば、ソフトウェア）を実行することで実施することができる。なお、ソフトウェアを用いずに別の方法でこれらステップを実施することも可能である。代表的な実施形態では、ソフトウェアは、ＣＳＴ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｓｔｕｄｉｏ（ダルムシュタット、ドイツ）であり得る。当該方法４００はステップ４０２から開始することができ、ステップ４０２では所望の周波数で動作するようにアンテナ１００のいくつかの仕様が作成される。このステップでは考慮すべきいくつかの要因がある。当該要因には、誘電体基板１０２の素材およびタイプ、少なくとも一つの放射エレメント１１４の素材、アンテナ１００の動作周波数、および複数のフラクタルエレメント１３０として採用すべきいくつかの自己相似パターンが含まれる。ある実施形態では、少なくとも一つのフィードライン１１２の位置も決定される。
【００４０】
ステップ４０２で少なくとも一つの放射エレメント１１４が所望の周波数で動作するようにデザインされた後、次のステップ４０４で、少なくとも一つの放射エレメントの形状が反復的に決定される。少なくとも一つの放射エレメント１１４の形状は、初めは、所望の周波数で動作するマイクロストリップアンテナに類似の四角形に設定される。続いて、周知のフラクタル手法が適用される。フラクタル手法で適用される形状は、略三角形、略四角形、および略五角形を含む。ステップ４０４の反復手法により、放射エレメント１１４のわずかな不均衡に起因して少なくとも一つの放射エレメント１１４の動作周波数が影響を受けかねない。これを修正するために、ステップ４０６で、少なくとも一つの放射エレメントの拡大縮小が行われ、所望の動作周波数で動作するように少なくとも一つの放射エレメント１１４が微調整される。
【００４１】
これに続いて、ステップ４０８で、少なくとも一つの放射エレメント１１４の電界および磁界の方向および強度が決定され得る。本開示のある実施形態では、電界および磁界の方向および強度はソフトウェアでシミュレートされる。電界および磁界の方向および強度は、放射エレメント１１４の形状および幾何学的配置に依存する。本ステップ中に、リターンロス、ＶＳＷＲ帯域幅、およびゲインなどの少なくとも一つの放射エレメント１１４のさまざまなパラメータが決定され得る。ステップ４０８の結果がアンテナ１００の要求を満たしていれば、続くステップ４１０で、少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置するためのいくつかの位置が決定される。
【００４２】
ステップ４０８から得られた少なくとも一つの放射エレメント１１４のシミュレートされた電界および磁界から、ステップ４１０で、少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置するためのいくつかの位置が決定され得る。
【００４３】
本開示のある実施形態では、少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６を配置するためのいくつかの位置が、誘電体基板１０２の第１の側１０４、第２の側１０６、第３の側１０８、および第４の側１１０の少なくとも一つにある。本開示の別のある実施形態では、いくつかの位置が、誘電体基板１０２の第３の側１０８および第４の側１１０の少なくとも一つにある。少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６は、隣接するものどうしが垂直に配置された複数のメタマテリアル共振体を有し、少なくとも一つのメタマテリアル共振体積層１２８を形成し得る。
【００４４】
図１３ａおよび１３ｂは、それぞれ、本開示の一実施形態に係る少なくとも一つの放射エレメント１１４によって生成される電界および磁界のシミュレーション結果を示す。図１３ａからわかるように、矢印で表した電界が、誘電体基板１０２の第１の側、第２の側、第３の側、および第４の側に存在する。図１３ｂに示したように、矢印で表した磁界が、フィードライン１１２の近傍、誘電体基板１０２の第２の側、第３の側、および第４の側に存在する。上述したように、磁気共鳴を起こして透磁率の正のピークを得るために分割リング共振器が配置可能な方向が３つある。これら方向は図９ａ、９ｂ、および９ｃに示した通りである。これら３つの方向は、電界Ｅ、磁界Ｈ、および励起波ｋで並べることができる。図１３ａおよび１３ｂに示したシミュレートされた電界および磁界に基づいて、少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６を配置するためのいくつかの位置は、電界Ｅおよび磁界Ｈの方向に着目して決定することができる。
【００４５】
好ましくは、少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６を配置するためのいくつかの位置は、少なくとも一つの放射エレメント１１４の電界および磁界の強度が最大である位置に決定される。電界および磁界の強度は、シミュレートデータから観測することができる。しかし、磁気／電気の不均衡から生じるエネルギーロスを補償するベストの位置がいつも存在するわけではない。これは、少なくとも一つの放射エレメント１１４と少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６との間の電磁気結合に起因し得る。なお、電界および磁界の強度が最大の位置は、少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６を配置するための位置を決定するための格好の開始点になり得る。本ステップでは、少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６の方向もまた重要である。当該方向によって、少なくとも一つの放射エレメント１１４のリターンロス、ＶＳＷＲ帯域幅、およびゲインが影響を受け得るからである。リターンロス、ＶＳＷＲ帯域幅、およびゲイン特性に基づく少なくとも一つの放射エレメント１１４の応答に応じて、少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６は複数のメタマテリアル共振体を有することができる。ある実施形態では、複数のメタマテリアル共振体は、隣接するものどうしが垂直に配置され、少なくとも一つのメタマテリアル共振体積層１２８を形成する。ある実施形態では、複数のメタマテリアル共振体が同じ方向に向き得る。別のある実施形態では、複数のメタマテリアル共振体が複数の方向に向き得る。さらに別のある実施形態では、メタマテリアル共振体積層１２８における各メタマテリアル共振体が複数の方向に向き得る。
【００４６】
ステップ４１０で少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置するためのいくつかの位置が決定されたなら、ステップ４１２で、少なくとも一つの放射エレメントが誘電体基板１０２の表面に配置される。ある実施形態では、このステージで少なくとも一つのフィードライン１１２も配置される。続いて、ステップ４１４で、少なくとも一つのメタマテリアル共振体が、少なくとも一つの放射エレメントと同じ平面および誘電体基板の同じ表面に配置される。
【００４７】
代表的な方法によると、当該ステージにおいてリソグラフィー技術が実施される。周知のように、少なくとも一つの放射エレメント１１４の形状および少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６位置および方向がリソグラフィー技術を用いて誘電体基板１０２上にまずプリントされる。本開示のある実施形態では、誘電体基板１０２は導電性の被服表面を有しており、プリントによって不要な導電性表面がエッチングされる。すでに述べたように、配置すべき少なくとも一つのメタマテリアル共振体１２６は複数のメタマテリアル共振体を含むことがあり、ある実施形態では、複数のメタマテリアル共振体のそれぞれが隣接するものどうしが垂直に配置されて少なくとも一つのメタマテリアル共振体積層１２８を形成している。リソグラフィー技術を用いる代わりに、当然のことながら、本開示のさまざまな実施形態に係るアンテナ１００はほかの手法によっても製造することができる。
【００４８】
本開示のある実施形態では、所望の周波数で動作するようにアンテナのいくつかの仕様を作成するステップ４０２、放射エレメントの形状を反復的に決定するステップ４０４、所望の周波数で動作するように少なくとも一つの放射エレメントを拡大縮小するステップ４０６、電界および磁界の方向を決定するステップ４０８、および少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置するためのいくつかの位置を決定するステップ４１０の、少なくとも一つのステップが少なくとも１回実行される。ある実施形態では、各ステップの結果に応じて、すでに実行されたステップが繰り返され得る。例えば、所望の周波数で動作するように少なくとも一つの放射エレメントを拡大縮小するステップ４０６の後に、放射エレメントの形状を反復的に決定するステップ４０４が繰り返され得る。別のある実施形態では、これらステップのすべてが少なくとも１回実行される。さらに別のある実施形態では、所望の周波数で動作するように少なくとも一つの放射エレメントを拡大縮小するステップ４０６、電界および磁界の方向を決定するステップ４０８、および少なくとも一つのメタマテリアル共振体を配置するためのいくつかの位置を決定するステップ４１０が、それぞれ、少なくとも１回実行される。
【００４９】
図１２に示した方法４００は、本開示の代表的な実施形態に従ったものに過ぎない。なお、上述の方法におけるステップの具体的な順序または階層は代表的な手法の一例である。デザインの好ましさの観点から、本開示の範囲から逸脱することなく当該方法におけるステップの具体的な順序または階層を再編成し得ることが理解できるであろう。添付の方法クレームは例示的なさまざまなステップの要素を表すが、当該具体的な順序または階層に限定されることを意図するものではない。例えば、所望の周波数で動作するように少なくとも一つの放射エレメントを拡大縮小するステップ４０６は、少なくとも一つの放射エレメントの電界および磁界の方向を決定するステップ４０８の後に実行可能である。
【００５０】
上記に基づくと、本開示の範囲および精神から逸脱することなくアンテナの外形およびデザインをさまざまに変更し得ることが理解できるであろう。ここで述べた外形、方法、およびデザインは単に例示的な実施形態であって、そのような変形はクレームによって包含されている。
【００５１】
上記のように、少なくとも一つのメタマテリアル共振体を有するアンテナおよび低ロス性能で動作する少なくとも一つのメタマテリアル共振体を有するアンテナの開発方法を開示した。多くの実施形態を開示したが、これら開示について本開示の範囲および精神から逸脱することなく多くの変更および／または修正がなされ得ることは明らかである。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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