(57)【要約】  無線周波数電磁エネルギーを送信および受信するために、マルチバンドまたはワイドバンドで使用されるモノポール型アンテナ（１０）。給電点（１２）は、エネルギーをアンテナ内に提供し、あるいは、エネルギーをアンテナから受け取る。励振放射セクション（１６）は、第１の頂部負荷素子（２２）と、給電点を直線的に第１の頂部負荷素子に電気的に接続する給電導体（２０）とを含み、さらに、励振放射セクションは、接地表面（１４）に電気的に接続されない。寄生放射セクション（１８）は、第２の頂部負荷素子（２６）と、第２の頂部負荷素子を直線的に接地表面に電気的に接続するブリッジ導体（２４）とを含む。エネルギーが、給電点に提供され、かつ励振放射セクションに導かれると、その励振放射セクションは、第１の共振モードを発生させ、エネルギーの少なくともいくらかを寄生放射セクション内に結合し、その寄生放射セクションを励振し、それによって第２の共振モードを発生させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線周波数電磁エネルギーを送信および受信するために、マルチバンドまたはワイドバンドで使用されるモノポール型アンテナであって、
前記エネルギーを前記アンテナ内に受け取るための、あるいは、前記エネルギーを前記アンテナから提供するための給電点と、
第１の頂部負荷素子と、前記給電点を直線的に前記第１の頂部負荷素子に電気的に接続する給電導体とを含み、接地表面に電気的に接続されない励振放射セクションと、
第２の頂部負荷素子と、前記第２の頂部負荷素子を直線的に前記接地表面に電気的に接続するブリッジ導体とを含む、寄生放射セクションと、
を備え、
前記エネルギーが、前記給電点に提供されて前記励振放射セクションに導かれた場合に、前記励振放射セクションが第１の共振モードを発生させ、前記エネルギーの少なくともいくらかを前記寄生放射セクション内に結合し、かつ前記寄生放射セクションを励振し、それによって第２の共振モードを発生させる、モノポール型アンテナ。
【請求項２】
前記接地表面をさらに備え、前記２つの頂部負荷素子が前記接地表面に向かい合った、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記頂部負荷素子および前記接地表面が、それらの間にアンテナ容積を形成し、前記アンテナ容積が、空気以外の誘電材料を少なくとも部分的に充填される、請求項２に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記２つの頂部負荷素子が同一平面上に存在する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記頂部負荷素子の少なくとも１つが、前記アンテナの帯域幅を広げるための、または前記アンテナの動作周波数を変更するための改造部分を含む、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項６】
前記励振放射セクションおよび前記寄生放射セクションが、リターンロスに対する−１０ｄＢしきい値基準を満たす少なくとも２つの別個の周波数バンドを前記アンテナが有するような寸法を有し、それによって、前記アンテナをマルチバンドで使用するのに適したものにする、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項７】
前記励振放射セクションおよび前記寄生放射セクションが、リターンロスに対する−１０ｄＢしきい値基準を満たす少なくとも３ＧＨｚの周波数帯域幅を前記アンテナが有するような寸法を有し、それによって、前記アンテナをワイドバンドで使用するのに適したものにする、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項８】
無線周波数電磁エネルギーを送信および受信するために、マルチバンドまたはワイドバンドで使用されるモノポール型アンテナであって、
前記エネルギーを前記アンテナ内に受け取るための、あるいは、前記エネルギーを前記アンテナから提供するための給電点手段と、
第１の共振モードを発生させるための第１の頂部負荷手段と、前記給電点手段を直線的に前記第１の頂部負荷手段に電気的に接続するための給電導体手段とを含み、接地手段に電気的に接続されない、励振放射手段と、
第２の共振モードを発生させるための第２の頂部負荷手段と、前記第２の頂部負荷手段を直線的に前記接地手段に電気的に接続するためのブリッジ導電手段とを含む、寄生放射手段と、
を備え、
前記エネルギーが、前記給電点手段に提供されて前記励振放射手段に導かれた場合に、前記第１の共振モードを発生させ、エネルギーの少なくともいくらかを前記寄生放射手段内に結合し、かつ前記寄生放射手段を励振し、それによって前記第２の共振モードを発生させる、モノポール型アンテナ。
【請求項９】
前記接地手段をさらに備え、前記２つの頂部負荷手段が前記接地手段に向かい合った、請求項８に記載のアンテナ。
【請求項１０】
前記頂部負荷手段および前記接地手段が、それらの間にアンテナ容積を形成し、前記アンテナ容積が、空気以外の誘電材料を少なくとも部分的に充填される、請求項９に記載のアンテナ。
【請求項１１】
前記頂部負荷手段が同一平面上に存在する、請求項８に記載のアンテナ。
【請求項１２】
前記２つの頂部負荷手段の少なくとも１つが、前記アンテナの帯域幅を広げるための、または前記アンテナの動作周波数を変更するための改造手段を含む、請求項８に記載のアンテナ。
【請求項１３】
前記励振放射手段および前記寄生放射手段が、リターンロスに対する−１０ｄＢしきい値基準を満たす少なくとも２つの別個の周波数バンドをアンテナが有するような寸法を有し、それによって、前記アンテナをマルチバンドで使用するのに適したものにする、請求項８に記載のアンテナ。
【請求項１４】
前記励振放射手段および前記寄生放射手段が、リターンロスに対する−１０ｄＢしきい値基準を満たす少なくとも３ＧＨｚの周波数帯域幅をアンテナが有するような寸法を有し、それによって、アンテナをワイドバンドで使用するのに適したものにする、請求項８に記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には電波アンテナに関し、より詳細には、アンテナに装荷するための自由端に集中リアクタンスを備えた電波アンテナに関する。本発明は、特に小さな無線通信装置に使用されることが期待される。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ページャー（pager）、携帯電話、および、ＷＬＡＮアクセスポイントのような無線通信機器に使用されるアンテナは、サイズが小さく、重量が軽く、物理的な体積が小さく、そして製造するのに安価でなければならない。したがって多くの場合、埋め込み型かまたは内蔵型のアンテナが望ましく、あるいは、それどころか、要求されてさえいる。また、無線サービスと通信する装置は、様々な地理的バンド割当方式、様々な無線プロバイダー、様々な無線サービス、または様々な無線通信プロトコルのために、多くの場合、様々な周波数バンドで動作しなければならない。したがって、そのような装置は、複数の周波数バンドに対応する１つのアンテナかまたは複数のアンテナを必要とする。単一アンテナは、サイズ、外観、およびコストという明白な理由から、好ましいものである。現在、単一アンテナを利用する１つの例は、ハイエンドＷＬＡＮアクセスポイントによるマルチバンド送受信であり、これらのアクセスポイントは、８０２．１１  ａ／ｂ／ｇプロトコルのすべてに適合しなければならない。
【０００３】
これまでに、外部マルチバンドアンテナのためのいくつかの設計が存在しているが、多くの場合、内部にまたは外側装置ハウジング上に収容することのできるコンパクトなマルチバンドアンテナが、強く望まれる。残念ながら、既存の内部アンテナは、きわめて小さいものではないか、あるいは、性能品質を犠牲にしてより小さいサイズを実現するかのいずれかである。また、あるアンテナ設計は、今日、一般的に高価な大きな誘電率を備えた材料を使用することによって、大きなコストと引き換えにサイズを減少させている。このために使用される１つの技術は、アンテナを小型化するために、例えばミアンダライン状の遅波構造を使用することである。残念ながら、これは、発生する電磁エネルギー損失を増大させる。これは、多くの用途において非効率的であり、また、バッテリー容量が懸念される用途においては、多くの場合、重大な欠点でもある。
【０００４】
上述した問題に取り組むために、アンテナを改善するための様々な試みがなされてきた。今日、よく知られている１つのアプローチは、パッチ型アンテナを使用することである。
【０００５】
典型的なパッチアンテナは、接地平面の上方に取り付けられた矩形金属膜である。しかしながら、パッチアンテナは、長さがほぼ半波長でなければならず、これは、ほとんどの端末にとって利用するのに適さない。サイズを減少させるための１つの普及している方法は、大きな誘電率を備えた誘電体を使用することである。これは、重量および損失を増大させ、アンテナ帯域幅を減少させる。サイズを減少させる別の方法は、特別に接地することを含むことである。これを実施することによって、容量性平面アンテナに付加されたインダクタンスは、アンテナ共振周波数をより低い周波数へシフトする。板状逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）として知られているように、この種のアンテナの設計は、通常、ある種のスロットを含み、それによって、アンテナの電気的な長さを増加させる。しかしながら、標準的な短いパッチアンテナに共通する大きな特徴は、グランドに平行な金属構造体は、主たる放射構造体であり、給電回路および短絡回路ではないことである。モノポールの場合、その逆である。モノポールアンテナが、何らかの頂部負荷素子を使用するとしても、リアクタンス素子は存在するが、主たる放射構造体は存在しない。
【０００６】
デュアルバンドおよびワイドバンドに関するいくつかの例の説明が、ＧＵＯらによる「Ａ  Ｑｕａｒｔｅｒ−Ｗａｖｅ  Ｕ−Ｓｈａｐｅｄ  Ｐａｔｃｈ  Ａｎｔｅｎｎａ  Ｗｉｔｈ  Ｔｗｏ  Ｕｎｅｑｕａｌ  Ａｒｍｓ  Ｆｏｒ  Ｗｉｄｅｂａｎｄ  Ａｎｄ  Ｄｕａｌ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ」ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  Ｏｎ  Ａｎｔｅｎｎａｓ  Ａｎｄ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．５０，Ｎｏ８，Ａｕｇｕｓｔ２００２になされている。アンテナ形状のために、また、パッチ型アンテナであるために、これは、適切な性能および帯域幅を有していない。
【０００７】
Ｆａｎｇらによる米国特許第６，７８８，２５７号は、ＰＩＦＡ−パッチ型アンテナの変形を教示しており、励振素子は、短絡ピンを備えた接地平面に電気的に接続され、寄生短絡放射パッチを励振し、エネルギーの結合によって、別の共振モードを発生させる。しかしながら、これの性能は、多くの用途にとって不十分なものである。
【０００８】
Ｉｇｕｃｈｉらによる国際公開特許出願第ＷＯ２００４／１０９８５７号は、直接給電放射素子と短絡放射素子との寄生結合に基づいたＰＩＦＡ型構造を教示しているが、適切な性能に必要な適切な帯域幅をいまだに提供できないものである。
【０００９】
Ｈａｒａｎｏによる米国公開特許出願第ＵＳ２００４／０２２７６７５号およびＮｉｓｈｉｋａｗａらによる米国特許第４，９０７，００６号は、寄生結合を使用している。しかしながら、非最適形状のために、全アンテナサイズが大きい。Ａｎｄｅｒｓｓｏｎによる国際公開特許出願第ＷＯ０３／０７７３６０号は、さらに別の変形を教示しており、これは、接地平面の一方の側面上に完全に存在していないので、大きなＳＡＲ問題を有する。
【００１０】
Ａｎｎａｍａａらによる米国公開特許出願第ＵＳ２００１／００４８３９１号は、例えば、同じ絶縁板上に配置された導電性ストリップを介して寄生的に給電されるＰＩＦＡ型構造の変形を教示している。したがって、アンテナ構造全体の給電導体は、給電素子とガルバニック接触した状態にある。しかしながらこの技術は、これのパッチ型性質のために、帯域幅問題をいまだに克服できないものである。共振周波数を下げるために、これはスロットまたは螺旋状構造を付加し、電流が流れる有効経路を増加させる。
【００１１】
当然ながら、その他の種類のアンテナ構造が実現可能である。例えば、Ｙｕａｎｚｈｕによる米国公開特許出願第ＵＳ２００４／０１５０５６７号は、接地導体プレートに対して垂直に設けられた誘電体基板の表面に提供されたミアンダ部分および容量性導体部分を用いたアンテナを教示している。しかしながら、上述したように、このアプローチは、狭帯域幅および大きな損失のために、望まれるほど効果的なものではない。
【００１２】
さらに別の種類のアンテナ構造が、Ｉｓｈｉｈａｒａらによる米国公開特許出願第ＵＳ２００４／００６１６５２号に説明されている。これは、発明の名称が「Ｔｏｐ−Ｌｏａｄｉｎｇ  Ｍｏｎｏｐｏｌｅ  Ａｎｔｅｎｎａ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ｗｉｔｈ  Ｓｈｏｒｔ−Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  Ｂｅｔｗｅｅｎ  Ｔｏｐ−Ｌｏａｄｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｎｄ  Ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ  Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ」であり、モノポール型アンテナは狭帯域の周波数でのみ効果的に動作できるという一般的な考えを否定しているように思える。以下の説明からわかるように、このことは、Ｉｓｈｉｈａｒａの発明を本発明に特に関連づける。しかしながら、これの非最適形状およびこれの主たる寄生頂部負荷素子の構造のために、本明細書で説明されているように適切な帯域幅が得られず、多くの場合、個別リアクタンス素子を使用することを必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、本発明の目的は、マルチバンドまたはワイドバンドで使用するのに特に適したアンテナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
手短に言えば、本発明の好ましい一実施形態は、無線周波数電磁エネルギーを送信および受信するためにマルチバンドまたはワイドバンドで使用される、モノポール型アンテナである。給電点はエネルギーをアンテナ内に提供し、あるいは、エネルギーをアンテナから受け取る。励振放射セクションは、第１の頂部負荷素子と、給電点を直線的に第１の頂部負荷素子に電気的に接続する給電導体とを含み、さらに励振放射セクションは、接地表面に電気的に接続されない。寄生放射セクションは、第２の頂部負荷素子と、第２の頂部負荷素子を直線的に接地表面に電気的に接続するブリッジ導体とを含む。エネルギーが、給電点に提供されて励振放射セクションに導かれると、その励振放射セクションは第１の共振モードを発生させ、エネルギーの少なくともいくらかを寄生放射セクション内に結合し、その寄生放射セクションを励振し、それによって第２の共振モードを発生させる。
【００１５】
本発明の利点は、それが複数の動作バンドまたは広い動作バンドを無線通信装置に提供することである。
【００１６】
本発明のさらなる利点は、それが空間が限られた用途、または、コンパクトなことまたはできるだけ目立たないことが要求される用途に使用するのに適していることである。
【００１７】
本発明のもう１つの利点は、一般的に入手できる材料および一般的に利用できる製造技術を用いて、それを経済的に製造できることである。
【００１８】
また、本発明の別の利点は、本発明のアンテナ容積は単なる空気かまたは誘電材料を柔軟に含んでもよいことであり、これは、アンテナサイズをさらに減少させるのを可能にする。
【００１９】
本発明のこれらのおよびその他の目的および利点が、当業者には、本明細書において説明されかつ図面に図示される、現時点で知られている本発明を実施する最良の態様および好ましい実施形態の産業上の利用可能性の説明から、明らかとなる。
【００２０】
本発明の目的および利点が、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明から明白なものとなる。
【００２１】
様々な図面において、同じ符号は、類似するかまたは同じ構成要素またはステップを指示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の好ましい実施形態は、マルチバンドアンテナである。本明細書において様々な図面に示されるように、特に図１ａ〜図１ｄに示されるように、本発明の好ましい実施形態は、いくつかの図面を通して符号１０によって示される。
【００２３】
送信および受信に使用することのできるアンテナが説明される場合、当分野において周知のように、符号が構成要素に付けられ、それらの構成要素の役割が送信に関連して説明される。当業者は、それにもかかわらず、受信においても、同じ構成要素が同じ役割をなしてもよいことを容易に理解できるはずである。
【００２４】
図１ａ〜図１ｄは、それぞれ、本発明に基づいて工夫されたアンテナ１０の実施形態の平面図、左側面図、正面図、および斜視図を示す。ここでアンテナ１０は、給電点１２、接地導体または接地表面１４、励振放射セクション１６、および寄生放射セクション１８を含む。
【００２５】
励振放射セクション１６は、給電点１２を第１の頂部負荷素子２２に電気的に接続する給電導体２０を含み、寄生放射セクション１８は、第２の頂部負荷素子２６を接地表面１４に電気的に接続するブリッジ導体２４を含む。頂部負荷素子２２および２６は、接地表面１４と向かい合っており、頂部負荷素子２２および２６と接地表面１４との間には、アンテナ容積２８が、形成される。
【００２６】
送信動作において、エネルギーが、給電点１２に提供され、励振放射セクション１６に導かれ、そこで励振放射セクション１６は、第１の共振モードを発生させる。エネルギーの結合によって、寄生放射セクション１８は、第２の共振モードを励振および発生させる。この結果として、コンパクトで効率的なマルチバンドまたはワイドバンド放射構造が得られる。
【００２７】
本発明者の現時点において好ましい実施形態においては、アンテナ１０を構成するのに、金属（または、金属めっきプラスチック）しか使用されない。これらの材料は、必要であれば、様々な周知の技術を用いて容易に付形することができる。一実施形態においては、アンテナ容積２８は、単純に開放されたままである。しかしながら、第２の実施形態においては、誘電材料が、アンテナ容積２８に部分的にまたは完全に充填され、アンテナ１０のサイズをさらに減少させるのを助ける。
【００２８】
給電点１２は、本質的に従来技術によるものであってもよい。同様に、接地表面１４は、従来技術によるものであってもよい。典型的には、接地表面１４は平面であるが、これは絶対条件ではない。例えば、貯水槽のような大きな円筒形構造が、接地表面１４の役割をなしてもよい。この場合、接地表面１４は、事実上、平面と考えられてもよい。しかしながら、別の例においては、自動車の屋根板のようなでこぼこの表面が、接地表面１４の役割をなしてもよい。この場合における接地表面１４の形状は、最適なものではないかもしれないが、それにもかかわらず、特定の用途にとっては適切なものであるかもしれない。
【００２９】
励振放射セクション１６および寄生放射セクション１８は、パッチ型アンテナにおいていくぶん同じように見える構成要素と混同されてはならない。ここでのアンテナ１０は、モノポール型である。第１の頂部負荷素子２２および第２の頂部負荷素子２６は、本質的にコンデンサーのように振る舞う。その結果として、アンテナ１０は、デュアルバンドおよびワイドバンドの役割を成し遂げることができ、パッチ型アンテナの特定のサイズおよび形状に関する制約から影響を受けることがない。
【００３０】
図２ａ〜図２ｂは、アンテナ１０の別の２つの実施形態の斜視図である。図２ａにおいて、頂部負荷素子２２および２６は、それぞれ、第１の改造構成要素３０および第２の改造構成要素３２を有する。そのような二次的構成要素は、例えば、アンテナ１０の審美的外観を変更するのに使用されてもよい。しかしながら、より典型的には、それらは、アンテナ１０の帯域幅をさらに広げ、あるいはアンテナ１０の動作周波数を変更するのに使用される。この目的のために「スタブ」をアンテナに付加することが、当分野において知られており、例えば、頂部負荷リアクタンス値または共振周波数を微調整するために使用されてもよい。
【００３１】
図２ｂは、給電導体２０の形状が変更されてもよいことを示す。これは、インピーダンス整合を改善するためになされてもよく、また、ブリッジ導体２４の形状は、同様にいくぶん変更されてもよい（図示されない）。
【００３２】
図３ａ〜図３ｌは、アンテナ１０のその他の代わりとなる実施形態における、頂部負荷素子のいくつかのその他の考えられる形状を限定することなく示す、一連の平面図である。
【００３３】
図４は、デュアルバンドで使用するのに特に適した本発明によるアンテナ１０の一実施形態のリターンロスを示すグラフである。このグラフは、特に、ここでのアンテナ１０が、リターンロスに対する−１０ｄＢのしきい値基準を満たす２つの十分に広い領域を有することを示している。したがって、ここでのアンテナ１０は、２．４ＧＨｚに中心を有する一方のバンドと、５．４ＧＨｚに中心を有する他方のバンドとを有する。この特定の例は、現在の８０２．１１  ａ／ｂ／ｇプロトコルのすべてを取り扱うのに適している。
【００３４】
図５は、ワイドバンドで使用するのに特に適した本発明によるアンテナ１０の実施形態の性能を示すグラフである。このグラフは、特に、ここでのアンテナ１０が、リターンロスに対する−１０ｄＢのしきい値基準を満たす１つの広い領域を有することを示している。したがって、ここでのアンテナ１０は、２．９ＧＨｚから６．２ＧＨｚまでの範囲を有する１つのきわめて広いバンドを有し、これは、超広帯域の用途に使用されてもよい。
【００３５】
要するに、本発明によるアンテナ１０の実施形態は、マルチバンドかまたはワイドバンドアンテナとして使用するのに十分な帯域幅を提供することができる。それと同時に、これらの実施形態は、簡単、コンパクト、かつ、安価に製造できるものである。このことは、そのような実施形態を、最新の無線通信装置に使用するのにきわめて適したものにし、特に、わずかな空間しか使用できない場所またはできるだけ目立たないことが要求される場所で使用するのに適した、コンパクトな構造にする。
【００３６】
これまでに様々な実施形態が説明されたが、それらは、限定するものではない単なる例として提供されたことを理解すべきである。したがって、本発明の領域および範囲は、上述した例としての実施形態によって限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲およびそれらに等価なものによってのみ定義されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１ａ】本発明によるアンテナの一実施形態の平面図を示す。
【図１ｂ】本発明によるアンテナの一実施形態の左側面図を示す。
【図１ｃ】本発明によるアンテナの一実施形態の正面図を示す。
【図１ｄ】本発明によるアンテナの一実施形態の斜視図を示す。
【図２ａ】アンテナの別の実施形態の斜視図であり、頂部負荷素子が、改造された二次的構成要素を有する。
【図２ｂ】アンテナの別の実施形態の斜視図であり、給電導体の形状が、改造されている。
【図３ａ】アンテナの頂部負荷素子のその他の実施可能な形状を示す平面図である。
【図３ｂ】アンテナの頂部負荷素子のその他の実施可能な形状を示す平面図である。
【図３ｃ】アンテナの頂部負荷素子のその他の実施可能な形状を示す平面図である。
【図３ｄ】アンテナの頂部負荷素子のその他の実施可能な形状を示す平面図である。
【図３ｅ】アンテナの頂部負荷素子のその他の実施可能な形状を示す平面図である。
【図３ｆ】アンテナの頂部負荷素子のその他の実施可能な形状を示す平面図である。
【図３ｇ】アンテナの頂部負荷素子のその他の実施可能な形状を示す平面図である。
【図３ｈ】アンテナの頂部負荷素子のその他の実施可能な形状を示す平面図である。
【図３ｉ】アンテナの頂部負荷素子のその他の実施可能な形状を示す平面図である。
【図３ｊ】アンテナの頂部負荷素子のその他の実施可能な形状を示す平面図である。
【図３ｋ】アンテナの頂部負荷素子のその他の実施可能な形状を示す平面図である。
【図３ｌ】アンテナの頂部負荷素子のその他の実施可能な形状を示す平面図である。
【図４】デュアルバンドで使用するアンテナの実施形態の性能を示すグラフである。
【図５】ワイドバンドで使用するアンテナの実施形態の性能を示すグラフである。
【図１ａ−１ｄ】
2008536403.tif 000003
【図２ａ−２ｂ】
2008536403.tif 000004
【図３ａ−３ｆ】
2008536403.tif 000005
【図３ｇ−３ｌ】
2008536403.tif 000006
【図４】
2008536403.tif 000007
【図５】
2008536403.tif 000008
【国際調査報告】
2008536403.tif 000009
2008536403.tif 000010