(57)【要約】  高い帯域幅とマルチパス放射に対する低い感度を同時に有するマイクロパッチ・アンテナ・システムは、接地面上の空洞内に放射要素を配置することによって達成される。帯域幅およびマルチパス放射に対する感度は、空洞の底部の上で、かつ、接地面の上部の上で、放射要素の高さを変えることによって変わってもよい。アンテナ・システムの電磁的特性および物理的特性は、さらに、空洞の底部と放射要素との間に誘電性固体または波遅延化構造を導入することによって制御されてもよい。高い帯域幅とマルチパス放射に対する低い感度を同時に有する２周波帯マイクロパッチ・アンテナ・システムは、第２の放射要素を、第１の放射要素の上部に積層することによって、同様に構成されてもよい。
2011519242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムであって、
平坦表面ならびに空洞壁および空洞底部を有する空洞を備える接地面と、
前記空洞内に横方向に配置され、かつ、前記空洞壁および前記空洞底部から離間する放射要素とを備える広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項２】
広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムにおいて、
接地面であって、
第１の横方向寸法を有する第１の表面、および
空洞であって、
第２の横方向寸法を有する第２の表面、および
第１の高さを有する側壁表面を備える、空洞を備える、接地面と、
第３の横方向寸法を有する放射要素であって、
前記空洞内で横方向に配置され、
前記第１の表面から第２の高さを有し、
前記第２の表面から第３の高さを有する、放射要素とを備える広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項３】
前記第１の横方向寸法は、ほぼ（１〜１．５）λであり、λは、前記広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムの自由空間波長である請求項２に記載の広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項４】
前記第２の高さは、０．０５λより大きくなく、λは、前記広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムの自由空間波長である請求項２に記載の広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項５】
前記第２の横方向寸法は、アルゴリズム
【数１】
2011519242.tif 000039
に従って指定され、
式中、
Ｄは前記第２の横方向寸法であり、
ｌｐは前記第３の横方向寸法であり、
Ｃはユーザ定義値であり、
λは前記広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムの自由空間波長である請求項２に記載の広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項６】
前記ユーザ定義値Ｃはほぼ０．１〜０．２の範囲にある請求項５に記載の広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項７】
前記第２の高さはゼロである請求項２に記載の広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項８】
前記空洞は、誘電性固体で充填される請求項２に記載の広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項９】
前記第２の表面と前記放射要素との間の空間は、誘電性固体で充填される請求項２に記載の広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項１０】
波遅延化構造は、前記放射要素および前記第２の表面のうちの少なくとも一方の上に位置する請求項２に記載の広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項１１】
前記波遅延化構造は、リブおよびピンのうちの少なくとも一方を備える請求項１０に記載の広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項１２】
波遅延化構造は、前記放射要素および前記第２の表面のうちの少なくとも一方の周縁に沿って位置する請求項２に記載の広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項１３】
前記波遅延化構造は、拡張した連続構造および一連の局在化構造のうちの少なくとも一方を備える請求項１２に記載の広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項１４】
前記放射要素は、直線偏光モードで動作するように構成される請求項２に記載の広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項１５】
前記放射要素は、円偏光モードで動作するように構成される請求項２に記載の広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項１６】
第１の周波帯および前記第１の周波帯より高い第２の周波帯で動作する２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムにおいて、
接地面であって、
第１の横方向寸法を有する第１の表面、および
空洞であって、
第２の横方向寸法を有する第２の表面、および
第１の高さを有する側壁表面を備える、空洞を備える接地面と、
第３の横方向寸法を有する第１の放射要素であって、
前記第１の周波帯で動作するように構成され、
前記空洞内で横方向に配置され、
前記第１の表面から第２の高さを有し、
前記第２の表面から第３の高さを有する、第１の放射要素と、
第４の横方向寸法を有する第２の放射要素であって、
前記第２の周波帯で動作するように構成され、
前記空洞内で横方向に配置され、
前記第１の放射要素から第４の高さを有し、
前記第１の表面から第５の高さを有する、第２の放射要素とを備える２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項１７】
前記第１の横方向寸法は、ほぼ（１〜１．５）λであり、λは、前記第２の周波帯における放射の自由空間波長である請求項１６に記載の２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項１８】
前記第５の高さは、０．０５λより大きくなく、λは、前記第２の周波帯における放射の自由空間波長である請求項１６に記載の２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項１９】
前記第２の横方向寸法は、アルゴリズム
【数２】
2011519242.tif 000040
に従って決定され、
式中、
Ｄは前記第２の横方向寸法であり、
ｌｐは前記第４の横方向寸法であり、
Ｃはユーザ定義値であり、
λは前記第２の周波帯における放射の自由空間波長である請求項１６に記載の２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項２０】
前記ユーザ定義値Ｃはほぼ０．１〜０．２の範囲にある請求項１９に記載の２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項２１】
前記空洞は、誘電性固体で充填される請求項１６に記載の２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項２２】
前記第２の表面と前記第１の放射要素との間の空間は、誘電性固体で充填される請求項１６に記載の２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項２３】
波遅延化構造は、前記第１の放射要素および前記第２の表面のうちの少なくとも一方の上に位置する請求項１６に記載の２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項２４】
前記波遅延化構造は、リブおよびピンのうちの少なくとも一方を備える請求項２３に記載の２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項２５】
波遅延化構造は、前記第１の放射要素および前記第２の表面のうちの少なくとも一方の周縁に沿って位置する請求項１６に記載の２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項２６】
前記波遅延化構造は、拡張した連続構造および一連の局在化構造のうちの少なくとも一方を備える請求項２５に記載の２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項２７】
前記第１の放射要素と前記第２の放射要素との間の空間は、誘電性固体で充填される請求項１６に記載の２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項２８】
波遅延化構造は、前記第１の放射要素および前記第２の放射要素のうちの少なくとも一方の上に位置する請求項１６に記載の２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項２９】
前記波遅延化構造は、リブおよびピンのうちの少なくとも一方を備える請求項２８に記載の２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項３０】
波遅延化構造は、前記第１の放射要素および前記第２の放射要素のうちの少なくとも一方の周縁に沿って位置する請求項１６に記載の２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項３１】
前記波遅延化構造は、拡張した連続構造および一連の局在化構造のうちの少なくとも一方を備える請求項３０に記載の２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項３２】
前記第１の放射要素および前記第２の放射要素は、直線偏光モードで動作するように構成される請求項１６に記載の２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【請求項３３】
前記第１の放射要素および前記第２の放射要素は、円偏光モードで動作するように構成される請求項１６に記載の２周波帯広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、アンテナに関し、より詳細には、マルチパス受信に対する感度を低減した広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロパッチ・アンテナ（micropatch antenna）（ＭＰＡ）は、全地球測位システム（global navigation satellite system）（ＧＮＳＳ）受信機内に広く配備されている。他のアンテナ設計と比べて、ＭＰＡは、小型でかつ軽量であり、低コストで大量に製造される可能性がある。従来のＭＰＡの基本要素は、平坦放射要素（パッチ）および誘電性媒体によって分離された平坦接地面である。ＭＰＡの共振サイズは、放射要素と接地面との間の誘電性媒体内を伝播する放射波長の関数である。共振サイズは、波長のほぼ半分である。共振サイズは、誘電性媒体の誘電率を増加させることによって、または、波遅延化構造を導入することによって減少する可能性がある。共振サイズを減少させることはまた、より広いアンテナ・パターンをもたらし、それは、一部の用途にとって有利である。
【０００３】
ＭＰＡのサイズはまた、他の設計考慮事項によって決定される。従来のＭＰＡでは、接地面のサイズは、通常、λ以上である。ここで、λは、対象とする放射の自由空間波長である。大きな接地面が、アンテナの下の大地から反射される信号を減少させるために使用される。さらに、あるＭＰＡでは、帯域幅は、接地面の上の放射要素の高さと共に増加する。１２％以上の帯域幅を達成するために、高さは、ほぼ（０．０１〜０．１５）λである。ここで、帯域幅は、λに相当する中心周波数のパーセンテージとして指定される。しかし、アンテナの全体のサイズを増加させることに加えて、必要とされる高さは、後方半球における増加した放射パターンおよびマルチパス受信に対する高い感度ももたらす。マルチパス受信に対する高い感度は、接地面の長さが１〜１．５波長程度になると、はなはだしくなる。
【０００４】
図１は、マルチパス受信に対する感度を低減するための従来技術の１つのマイクロパッチ・アンテナ設計を示す。マイクロパッチ・アンテナは、誘電性基板１１０上に形成されたマイクロストリップ・アンテナである。誘電性基板１１０の上部には、パッチ・アンテナ要素１０４が配置される。誘電性基板１１０の下には、接地面１０２が配置され、接地面１０２は、エッジ接地要素１０８を含む。同軸給電点１０６は、パッチ・アンテナ要素１０４に接続する。短いマーカ（図示せず）が、パッチ・アンテナ要素１０４を接地面１０２に接続する。
【０００５】
エッジ接地要素１０８は、誘電性基板１１０のエッジの近くで垂直リムを形成し、誘電性基板１１０の上部表面を越えて突出する。一実施形態では、エッジ接地要素１０８の部品は、誘電性基板１１０のエッジの近くに位置する導電性貫通穴を含む。穴の間の間隔は、波長よりずっと小さい、規定された値である。おそらく、エッジ接地要素１０８の設計は、水平より下から伝播するマルチパス放射のかなりのフィルタリングをもたらす。しかし、この従来技術のマイクロパッチ・アンテナ設計は、主要な欠点にさらされる。すなわち、マルチパス反射に対する感度の減少は、１〜１．５波長程度の接地面の長さを有する広帯域放射体の場合に不十分である。より高い帯域幅が、接地面１０２の上でパッチ・アンテナ要素１０４の高さを増加させることによって達成され、マルチパス反射に対する高い感度をもたらす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公報第２００７／０２０５９４５号
【特許文献２】欧州特許明細書ＥＰ  １  ６８４  ３８１
【特許文献３】米国特許出願第１２／２７５，７６１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
必要とされるものは、サイズが小さく、帯域幅が広く、マルチパス受信に対する感度が低い広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態では、広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムは、第１の表面および空洞を備える接地面を有する。空洞は、第２の表面および側壁表面を備える。放射要素は、空洞内に横方向に配置され、かつ、第１の表面からのある高さおよび第２の表面からのある高さを有する。第１の表面からの高さおよび第２の表面からの高さを変えることによって、高い帯域幅とマルチパス放射に対する低い感度が、同時に達成されてもよい。有利な実施形態では、第２の表面からの高さは、０．０５λより大きくなく、ここで、λは自由空間波長である。本発明の別の実施形態では、高い帯域幅とマルチパス放射に対する低い感度を同時に有する２周波帯マイクロパッチ・アンテナ・システムは、第２の放射要素を第１の放射要素の上部に積層することによって達成される。
【０００９】
本発明のこれらの、また、他の利点は、以下の詳細な説明および添付図面を参照することによって当業者に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】マイクロパッチ・アンテナの従来技術の設計を示す図である。
【図２】マイクロパッチ・アンテナの略図である。
【図３】２周波帯マイクロパッチ・アンテナの略図である。
【図４】ダウン／アップ比のための参照デカルト座標系を示す図である。
【図５Ａ】マイクロパッチ・アンテナ用の数学モデルの略図である。
【図５Ｂ】マイクロパッチ・アンテナ用の数学モデルの略図である。
【図６】角度の関数としての放射パターンのプロットである。
【図７】角度の関数としてのダウン／アップ比のプロットである。
【図８】接地面長さの関数としてのダウン／アップ比Ｄ／Ｕ（９０）のプロットである。
【図９】平坦接地面対空洞接地面についての、角度の関数としての放射パターンを比較するプロットである。
【図１０】平坦接地面対空洞接地面についての、角度の関数としてのダウン／アップ比を比較するプロットである。
【図１１Ａ】広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム用の参照デカルト座標系を示す図である。
【図１１Ｂ】本発明の実施形態による広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムの略図である。
【図１１Ｃ】本発明の実施形態による広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムの略図である。
【図１１Ｄ】本発明の実施形態による広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムの略図である。
【図１１Ｅ】本発明の実施形態による広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムの略図である。
【図１２】本発明の実施形態による２周波帯マイクロパッチ・アンテナ・システムの略図である。
【図１３】本発明の実施形態による波遅延化構造を有する２周波帯マイクロパッチ・アンテナ・システムの略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図２は、従来のマイクロパッチ・アンテナの基本断面図を示す。平坦放射要素（パッチ）２０２は、誘電性媒体２１２によって平坦接地面２０４から分離される。誘電性媒体２１２は、たとえば、空気ギャップまたは固体誘電性基板であってよい。誘電性媒体２１２が空気ギャップである場合、放射要素２０２および接地面２０４は、セラミック柱（図示せず）などのスタンドオフによって一緒に保持されてもよい。接地面２０４の長さはＬである。接地面２０４の上の放射要素２０２の高さはＨである。誘電性媒体２１２が空気である場合、高さＨは、放射要素２０２と接地面２０４との間の空気ギャップ間隔に等しい。誘電性媒体２１２が固体誘電性基板である場合、高さＨは、固体誘電性基板の厚さに等しい。
【００１２】
信号は、無線周波数（ＲＦ）伝送ラインを介してマイクロパッチ・アンテナへ／から伝送される。図２に示す実施例では、信号は、同軸ケーブルを介して放射要素２０２に供給される。外側導体２０６は、接地面２０４に電気接続され、中心導体２０８は、放射要素２０２に電気接続される。電磁信号は、中心導体２０８を介して放射要素２０２に供給される。電流が、放射要素２０２と接地面２０４の両方に誘導される。
【００１３】
マイクロパッチ・アンテナの共振サイズは、放射要素２０２と接地面２０４との間の誘電性媒体２１２内で伝播される放射の波長によって決定される。共振サイズは、誘電性媒体２１２内の波長のほぼ半分に等しい。誘電性媒体２１２内の波長を減少させるために、誘電性媒体２１２の誘電率が増加されてもよく、または、波遅延化構造が、放射要素２０２と接地面２０４との間に導入されてもよい。これらの手段によって、アンテナ・パターンが幅広化される可能性があり、また、共振サイズが減少する可能性がある。
【００１４】
図３は、２つの周波帯で動作する２周波帯積層型マイクロパッチ・アンテナの断面図である。低周波帯についての構成は、図２に示す構成と同じである。放射要素３０２は、たとえば空気または固体であってよい誘電性媒体３１２によって接地面３０４から分離される。信号は、ＲＦ伝送ラインを介してマイクロパッチ・アンテナへ／から伝送される。図３に示す実施例では、信号は、同軸ケーブルを介して放射要素３０２に供給される。外側導体３０６は、接地面３０４に電気接続され、中心導体３０８は、放射要素３０２に電気接続される。
【００１５】
高周波帯の場合、放射要素３２２は、たとえば空気または固体であってよい誘電性媒体３３２によって放射要素３０２から分離される。放射要素３２２は、放射要素３２２用の接地面として役立つ放射要素３０２に電気接続される導電性プローブ３２８によって給電される。先に論じたように、放射要素３０２および接地面３０４は、スタンドオフ（セラミック柱など）によって一緒に保持され、同様に、放射要素３２２および放射要素３０２は、スタンドオフによって一緒に保持されてもよい。図３に示すように、接地面３０４の長さはＬであり、接地面３０４の上の放射要素３０２の高さはＨ１であり、放射要素３０２の上の放射要素３２２の高さはＨ２であり、接地面３０４の上の放射要素３２２の総合高さはＨ＝Ｈ１＋Ｈ２である。
【００１６】
図４は、ｘ軸４０１、ｙ軸４０３、およびｚ軸４０５によって指定されるデカルト座標系に関して、単周波帯マイクロパッチ・アンテナの幾何学的向きを示す。＋ｙ方向は、図の平面の中を指す。戸外環境では、＋ｚ（アップ）方向（天頂）は、空の方を指し、−ｚ（ダウン）方向は、地球の方を指す。本明細書では、用語、地球は、陸地環境と水環境の両方を含む。（接地面を参照して使用される）「電気的（electrical）」グラウンドとの混乱を回避するために、（陸地を参照して使用される）「地理的（geographical）」グラウンドは、本明細書では使用されない。図４では、マイクロパッチ・アンテナ４０２は、放射要素４０４および接地面４０６を含む。この実施例では、接地面４０６は、放射要素４０４より大きい。図を簡単にするために、同軸ケーブル給電線、誘電性媒体、およびスタンドオフなどの他のコンポーネントは示されない。
【００１７】
図４では、電磁波が、ｘ軸４０１に関して入射角度θでマイクロパッチ・アンテナ４０２に入射するレイとして表される。水平はθ＝０°に相当し、天頂はθ＝９０°に相当する。レイ４３１などの、広々とした空から入射するレイは、入射角度の正の値を有する。レイ４４１などの、地球から反射されるレイは、入射角度の負の値を有する。本明細書では、入射角度の正の値を有する空間領域は、ダイレクト信号領域と呼ばれ、前方半球とも呼ばれる。本明細書では、入射角度の負の値を有する空間領域は、マルチパス信号領域と呼ばれ、後方半球とも呼ばれる。
【００１８】
反射信号を軽減するためのアンテナの能力を数値的に特徴付けるために、以下の比
【数１】
2011519242.tif 000003
が一般に使用される。パラメータＤ／Ｕ（θ）（ダウン／アップ比）は、ミラー角度で、後方半球におけるアンテナ・パターン・レベルＦ（−θ）と前方半球におけるアンテナ・パターン・レベルＦ（θ）の比に等しい。ここで、Ｆは、電圧レベルを表す。
【００１９】
元の図２を参照して、単周波帯マイクロパッチ・アンテナの帯域幅は、接地面２０４の上の放射要素２０２の高さＨの関数である。帯域幅は、Ｈの増加と共に増加する。１２％程度の帯域幅の場合、高さＨはほぼ（０．１０〜０．１５）λである。本明細書で、帯域幅は、λに相当する中心周波数のパーセンテージとして指定される。ここで、λは、アンテナによって放射される放射の自由空間波長である。本明細書の用語を簡単にするために、アンテナによって放射される放射の自由空間波長は、アンテナの自由空間波長と呼ばれ、（アンテナが、アンテナ・システムの一部であると考えられる場合）アンテナ・システムの自由空間波長とも呼ばれる。しかし、高さＨが増加するにつれて、マイクロパッチ・アンテナは、マルチパス受信に対する感度が高くなる。接地面２０４の長さＬが、（１．０〜１．５）λの範囲にある場合、閾値Ｈ'（Ｈ'≒０．０５λ）より大きな高さＨは、後方半球におけるアンテナ・パターンの望ましくない増加ならびに前方半球における弱化するパターンをもたらす。Ｄ／Ｕ（θ＝９０°）比は、Ｌが１．５λに近づくにつれ、また、閾値Ｈ'が減少するにつれて低下する。ＧＰＳ用途の場合、θ＝９０°に近い角度について、所望のダウン／アップ比特性を提供することが重要である。マルチパス受信の影響を低減するために、大きなサイズＬの平坦接地面が使用される。接地面の上の放射要素の高さＨの増加は、アンテナ帯域幅を拡張すると共に、多周波積層構造を形成するために必要であることが多い。同様な幾何学的考慮事項は、図３に示す２周波帯マイクロパッチ・アンテナに当てはまる。
【００２０】
マイクロパッチ・アンテナの方向別応答特性は、以下の数学的モデルによって解析されてもよい。第１近似として、放射場が、放射要素および接地面のエッジによって形成される溝によって生成すると考えられるほどに、放射要素の共振サイズが十分に小さい。この近似は、たとえば、誘電性基板が高い誘電率を有するか、または、誘電性基板が、高い遅延係数（slowness factor）を有する人工誘電性構造から作製される、広指向性アンテナの場合に当てはまる。波遅延化構造はまた、誘電性材料が空気であるときに使用されてもよい（以下のさらなる説明を参照）。
【００２１】
図５Ａでは、参照デカルト座標系は、ｘ軸５０１、ｙ軸５０３、およびｚ軸５０５によって指定される。＋ｙ方向は、図の平面の中を指す。角度θは、ｘ軸５０１から測定される。２次元近似では、アンテナ・パターンは、電流
【数２】
2011519242.tif 000004
５０６が流れる、長さＬを有する接地面５０２の上の高さＨに位置するフィラメント状磁気電流
【数３】
2011519242.tif 000005
５０４の形態のモデルによって推定されうる。
【数４】
2011519242.tif 000006
ベクトルは、ｙ軸５０３に沿って指し、
【数５】
2011519242.tif 000007
ベクトルは、ｘ軸５０１に沿って指す。
【００２２】
物理光学に基づく解析から、システムの電場は、
【数６】
2011519242.tif 000008
として表現されてもよい。
式中、
【数７】
2011519242.tif 000009
は、角度θにおける電場であり、
【数８】
2011519242.tif 000010
は、自由空間内のフィラメント状磁気電流
【数９】
2011519242.tif 000011
の電場であり、
【数１０】
2011519242.tif 000012
は、接地面の影響を記述する電流
【数１１】
2011519242.tif 000013
の電場であり、
【数１２】
2011519242.tif 000014
は、点ｘにおけるフィラメント状電気ソースの電場である。
【００２３】
電流
【数１３】
2011519242.tif 000015
は、無限接地面においてソース
【数１４】
2011519242.tif 000016
によって誘導される電流
【数１５】
2011519242.tif 000017
に等しいと仮定される。
式中、
【数１６】
2011519242.tif 000018
は、第２種のゼロ次ハンケル関数であり、
Ｗ＝１２０πは、自由空間の波抵抗であり、
Ｕは、フィラメント状磁気電流によって記述される溝の電圧であり、
【数１７】
2011519242.tif 000019
は、波数であり、
ｘは、観測点の座標であり、
【数１８】
2011519242.tif 000020
は、ｘ軸に沿う単位ベクトル
【数１９】
2011519242.tif 000021
である。そして、このシステムについてのアンテナ・パターンは、
【数２０】
2011519242.tif 000022
として表現される。
【００２４】
アップ（＋ｚ）方向への効率的な放射の場合（図５Ｂ参照）、ソース
【数２１】
2011519242.tif 000023
および各電流要素
【数２２】
2011519242.tif 000024
によって形成される電場は、位相が加算されるべきである。
【数２３】
2011519242.tif 000025
５０７および
【数２４】
2011519242.tif 000026
５０９は、ｘ＝０，ｚ＝Ｈ、およびｘ＝ｘ、ｚ＝０における局所垂直（アップ）ベクトルをそれぞれ示す。
【数２５】
2011519242.tif 000027
の場合、誘導される電流の位相は、
【数２６】
2011519242.tif 000028
として変わる。（ここで、ハンケル関数
【数２７】
2011519242.tif 000029
についての漸近的挙動が使用された）。そして、ｊｍの場と、原点からのその距離が
【数２８】
2011519242.tif 000030
である電流要素ｊｅ（ｘ）の場との位相差は、
【数２９】
2011519242.tif 000031
として近似されうる。（Ｅ４）から、高さＨが増加するにつれて、磁気電流場と電流要素場との位相差が増加することが明らかである。したがって、得られる和は、最適でなく、比Ｄ／Ｕが、θ＝９０°で悪化する（増加する）。
【００２５】
ｘが
【数３０】
2011519242.tif 000032
から
【数３１】
2011519242.tif 000033
まで変わるにつれて、結果として、（Ｅ４）から、ある長さＬから始まって、
【数３２】
2011519242.tif 000034
によって生成される電場と反対の電場を生成する可能性がある電流
【数３３】
2011519242.tif 000035
のある値が存在することになる。これらの値で、前方半球におけるアンテナ・パターンは弱化し、ダウン／アップ比のさらなる低下が起こることになる。小さなＨで、
【数３４】
2011519242.tif 000036
から始まるこれらの値が起こり、高さＨが増加するにつれて、対心的（antipodal）電流エリアが、短い長さの接地面で起こる。
【００２６】
図６は、Ｌ／λ＝１．２の場合の、放射パターンのプロットを示す。０〜０．２の範囲のＨ／λの値について角度θの関数としての放射パターン［ｄＢ（電力）］のプロットが示される。前方半球内でθ＝９０°についてパターン最小が起こる。図７は、ダウン／アップ比の対応するプロットを示す。Ｄ／Ｕ比は、θが９０°に近づくにつれて増加する。図８は、異なる高さＨについて、接地面長さＬの関数としてのＤ／Ｕ（９０）比（θ＝９０°）のプロットを示す。ＬおよびＨの値は、λの単位に正規化される。Ｄ／Ｕ（９０）比の許容可能な値は、用途に依存し、また、ユーザ指定値である。ＧＰＳなどの一部の用途では、Ｄ／Ｕ（９０）比を−１５ｄＢより大きく維持することが望ましい。これらの用途の場合、プロットから見てわかるように、Ｈは、０．０５λより大きくあるべきでない。
【００２７】
図１１Ａは、本発明の実施形態による広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムの以下の例証で使用される参照デカルト座標系を示す。斜視図で示す参照デカルト座標系は、ｘ軸１１０１、ｙ軸１１０３、およびｚ軸１１０５で指定される。以下に示す図１１Ｂ〜１１Ｅ、１２、および１３では、「ビューＡ」は、＋ｙ方向に沿うビューであり、「ビューＢ」は、−ｚ方向に沿うビューである。
【００２８】
図１１Ｂは、マルチパス受信に対する感度を低減する、本発明の実施形態による広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システム（ビューＡ）を示す。広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムは、空洞１１０８を有するアンテナ・ブロック１１１２を備える。本明細書では、アンテナ・ブロックは、ケースとも呼ばれる。図２に示す従来のマイクロパッチ・アンテナと比較すると、接地面１１０４は、もはや平坦ではなく、上部表面１１０４−Ｔ、側壁表面１１０４−Ｓ、および底部表面１１０４−Ｂを有する。空洞１１０８は、側壁表面１１０４−Ｓと底部表面１１０４−Ｂで境界付けられた空間を指す。側壁表面１１０４−Ｓは、必ずしも垂直でないことに留意されたい。傾斜は、用途に依存し、また、ユーザ規定される。本明細書では、側壁表面は、空洞壁とも呼ばれる。本明細書では、底部表面１１０４−Ｂは、空洞底部とも呼ばれる。空洞１１０８の高さ（深さとも呼ばれる）はｈである。
【００２９】
長さｌｐを有する放射要素１１０２Ａは、空洞１１０８内で横方向に配置される（以下の説明を参照）。底部表面１１０４−Ｂの上の放射要素１１０２Ａの高さはＨである。上部表面１１０４−Ｔの上の放射要素１１０２Ａの高さはＨ１である。本発明の実施形態では、高さＨ１は、０．０５λを超えない。この設計の場合、周波数特性は、一般に、高さＨによって決定される。アンテナ・パターンは、高さＨ１および接地面の長さＬによって決定される。
【００３０】
図１１Ｃは、図１１ＢのビューＡに相当する１つの広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムのビューＢを示す。上部表面は１１０４−Ｔ−１で指定され、側壁表面は１１０４−Ｓ−１で指定され、底部表面は１１０４−Ｂ−１で指定される。図１１Ｃでは、接地面１１０４の上部表面１１０４−Ｔ−１は、長さＬを有する長方形幾何形状を有する。一般に、上部表面１１０４−Ｔ−１は、特定の用途についてユーザ指定される２次元幾何形状を有してもよい。たとえば、幾何形状は、正方形、長方形、多角形、円、または楕円であってよい。一般に、長さＬは、上部表面１１０４−Ｔ−１の横方向寸法を特徴付ける値を表す。横方向位置および横方向寸法は、ｘ−ｙ平面に関して指定される。
【００３１】
図１１Ｃでは、底部表面１１０４−Ｂ−１は、長さＤを有する長方形幾何形状を有する。一般に、底部表面１１０４−Ｂ−１は、特定の用途についてユーザ指定される２次元幾何形状を有してもよい。たとえば、幾何形状は、正方形、長方形、多角形、円、または楕円であってよい。一般に、長さＤは、底部表面１１０４−Ｂ−１の横方向寸法を特徴付ける値を表す。
【００３２】
図１１Ｃでは、放射要素１１０２Ａ−１は、長さｌｐを有する長方形幾何形状を有する。一般に、放射要素１１０２Ａ−１は、特定の用途についてユーザ指定される２次元幾何形状を有してもよい。たとえば、幾何形状は、正方形、長方形、多角形、円、または楕円であってよい。一般に、長さｌｐは、放射要素１１０２Ａ−１の横方向寸法を特徴付ける値を表す。放射要素１１０２Ａ−１と側壁表面は１１０４−Ｓ−１との間の横方向配置は、特定の用途についてユーザ指定される。
【００３３】
図１１Ｄは、図１１ＢのビューＡに相当する第２の広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムのビューＢを示す。上部表面は１１０４−Ｔ−２で指定され、側壁表面は１１０４−Ｓ−２で指定され、底部表面は１１０４−Ｂ−２で指定される。上部表面１１０４−Ｔ−２は、横方向寸法Ｌを有する長方形幾何形状を有する。底部表面１１０４−Ｂ−２は、横方向寸法（径）Ｄを有する円幾何形状を有する。放射要素１１０２Ａ−２は、横方向寸法（径）ｌｐを有する円幾何形状を有する。放射要素１１０２Ａ−２と側壁表面は１１０４−Ｓ−２との間の横方向配置は、特定の用途についてユーザ指定される。
【００３４】
図１１Ｂに戻って、動作中に、電磁信号は、同軸ケーブルの中心導体１１０６を介して放射要素１１０２Ａに入力され、また、放射要素１１０２Ａと接地面１１０４の両方に電流を誘導させる。分極電流が、誘電性媒体内に誘導される。放射要素、接地面、および誘電性媒体は全て、自由空間内で電磁波を放射する。アンテナ組立体は、マルチパス受信に対する感度を低減するために、接地面１１０４の上部表面１１０４−Ｔの上の放射要素１１０２Ａの低い高さＨ１を維持する。同時に、接地面１１０４の底部表面１１０４−Ｂの上の放射要素１１０２Ａの高さＨは、必要とされる帯域幅を提供するのに十分に高い。測定が示したところによれば、Ｈ１が約０．０５λであるとき、後方半球への放射が低減され、高い帯域幅が同時に実現されるということである。
【００３５】
空洞１１０８は、空気または誘電性固体などの誘電性媒体で充填されてもよい。同様に、底部表面１１０４−Ｂと放射要素１１０２Ａとの間の全空間が、誘電性媒体で充填されてもよい。波遅延化構造（以下のさらなる説明を参照）はまた、底部表面１１０４−Ｂ上に、放射要素１１０２Ａ上に、または、底部表面１１０４−Ｂと放射要素１１０２Ａの両方の上に導入されてもよい。
【００３６】
同様に測定が示したところによれば、空洞１１０８の径Ｄは、アンテナ周波数特性に影響を及ぼすということである。先に論じたように、一般に、Ｄは、空洞１１０８の横方向寸法を指し、必ずしも円の直径を指さない。径Ｄは、安定した帯域幅および最適なダウン／アップ比の要件を均衡させるように選択される。本発明の実施形態では、径Ｄは、アルゴリズム
【数３５】
2011519242.tif 000037
によって決定される。
式中、ｌｐは、放射要素１１０２Ａの長さであり、Ｃは、ほぼ０．１〜０．２の範囲のユーザ規定値である。ここで、
【数３６】
2011519242.tif 000038
であり、式中、εｅｆｆは、誘電性媒体の実効誘電率である。通常、ｌｐ≦０．５λである。実効誘電率は、存在する可能性がある任意の波遅延化構造の電磁特性を考慮することに留意されたい。
【００３７】
図１１Ｅは、放射要素１１０２Ｂが、接地面１１０４の上部表面１１０４−Ｔと同じ高さである、すなわち、Ｈ＝ｈでかつＨ１＝０である本発明の実施形態を示す。本発明の他の実施形態では，放射要素１１０２Ｂは、上部表面１１０４−Ｔより下にあってもよい。これらの事例では、高さＨ１は、負であると考えられてもよい。図１１Ｂおよび図１１Ｅに述べるように、受信機１１１４は、アンテナ・ブロック１１１２に容易に統合されてもよく、それにより、全体の寸法が小さく維持される。受信機１１１４は、たとえば、ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、またはＧａｌｉｌｅｏ受信機などの全地球測位システム（ＧＮＳＳ）受信機である。
【００３８】
図１１Ｂおよび図１１Ｅに示す広帯域マイクロパッチ・アンテナ・システムは、直線偏光放射に適する。本発明の他の実施形態は、円偏光放射にために構成されてもよい。図１１Ｂおよび図１１Ｅでは、放射要素１１０２Ａおよび放射要素１１０２Ｂは、それぞれ、単一中心導体１１０６によって給電される。円偏光放射の場合、空間内で直交配向した２つの直線偏光場を励起する２つの中心導体によって給電されてもよい。
【００３９】
本発明の他の実施形態は、２周波帯積層アンテナ・システムに適合してもよい。図１２に示す実施形態では、基本構成は、図１１Ｂに示す単周波帯アンテナ・システムと同様である。対応するコンポーネントは、同じ参照数字を有する。導電性プローブ１１０６によって給電される放射要素１１０２Ｂは、低周波帯用の放射要素である。導電性プローブ１２０６によって給電される放射要素１２０２は、高周波帯用の放射要素である。底部表面１１０４−Ｂと放射要素１１０２Ｂとの間の空間は、空気または誘電性固体などの誘電性媒体で充填されてもよい。同様に、放射要素１１０２Ｂと放射要素１２０２との間の空間は、誘電性媒体で充填されてもよい。導電性プローブ１２０６は、放射要素１２０２用の接地面としても役立つ放射要素１１０２Ｂに電気接続される。
【００４０】
両方の周波帯において広帯域動作と最適ダウン／アップ比を同時に達成するために、放射要素１１０２Ｂおよび放射要素１２０２は、空洞１１０８内で横方向に配置される。この実施形態では、放射要素１１０２Ｂは、接地面１１０４の上部表面１１０４−Ｔと同じ高さである（図１１Ｅの構成と同様）。他の実施形態では、放射要素１１０２Ｂは、接地面１１０４の上部表面１１０４−Ｔより上に上がる（図１１Ｂの構成と同様）。接地面１１０４の上部表面１１０４−Ｔの上の放射要素１２０２の高さはＨ２である。ここで、Ｈ２≒０．０５λである。先に論じたように、放射要素１１０２Ｂおよび放射要素１２０２はまた、接地面１１０４の上部表面１１０４−Ｔの下にあってもよい。積層アンテナ・システムの総合寸法はコンパクトである。一実施形態では、寸法は、Ｈ２＝１２ｍｍ、ｈ＝２２ｍｍ、Ｄ＝１０５ｍｍ、およびＬ＝２８０ｍｍである。
【００４１】
２周波帯アンテナ・システムの別の実施形態は図１３に示される。構成は、波遅延化構造が付加されていることを除いて、図１２に示す構成と同様である。波遅延化構造は、底部表面１１０４−Ｂ上に、放射要素１１０２Ｂ上に、また、放射要素１２０２上に、個々にまたはその任意の組合せで構成されてもよい。波遅延化構造は、たとえば、共に参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願公報第２００７／０２０５９４５号および欧州特許明細書ＥＰ  １  ６８４  ３８１に記載されるように、底部表面１１０４−Ｂ、放射要素１１０２Ｂ、および放射要素１２０２の表面上のピンまたはリブのアレイを備えてもよい。波遅延化構造はまた、参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願第１２／２７５，７６１号に記載されるように、底部表面１１０４−Ｂ、放射要素１１０２Ｂ、および放射要素１２０２の周縁に沿って拡張した連続構造または一連の局在化構造を備えてもよい。
【００４２】
図１３に示す実施例では、波遅延化構造１３０２は、底部表面１１０４−Ｂ上に構成され、波遅延化構造１３０４は、放射要素１１０２Ｂの周縁に沿って、かつ、底部表面１１０４−Ｂに向かって下に突出して構成され、波遅延化構造１３０８は、放射要素１１０２Ｂの周縁に沿って、かつ、放射要素１２０２に向かって上に突出して構成される。図１３に示す実施例では、放射要素１２０２上に、または、放射要素１２０２の周縁に沿って構成された波遅延化構造は存在しないが、他の設計では、存在してもよい。
【００４３】
長さＬは、通常、１〜１．５λである。ここで、λは、放射体１２０２によって放出される放射の自由空間波長（高周波帯）である。本明細書では、放射体１２０２によって放出される放射の自由空間波長は、高周波帯の自由空間波長とも呼ばれる。ＧＰＳなどの用途の場合、接地面１１０４の上部表面１１０４−Ｔの上の放射要素１２０２の高さＨ２は、０．０５λより大きくない。接地面１１０４の上部表面１１０４−Ｔの上の放射要素１１０２Ｂの高さＨ１は、適切な低周波帯域幅を提供するように選択される。図１３に示す実施例では、Ｈ１＝０であり、示されない。径Ｄは、先の（Ｅ５）に従って選択されてもよい。２周波帯アンテナの場合、（Ｅ５）のｌｐは、放射要素１２０２の長さを指す。一実施形態では、低周波帯は１１６０〜１３００ＭＨｚであり、高周波帯は１５２５〜１６１０ＭＨｚである。適した寸法は、Ｈ２＝１２ｍｍ、ｈ＝２２ｍｍ、Ｄ＝１０５ｍｍ、Ｌ＝２８０ｍｍ、ｌ１＝７１ｍｍ、およびｌ２＝５４ｍｍである。ここで、ｌ１は放射要素１１０２Ｂの長さであり、ｌ２は放射要素１２０２の長さである。図１２および図１３に示すように、ＧＮＳＳ受信機は、コンパクトな２周波帯統合（overall）アンテナ・システムを提供するために、アンテナ・ブロック１１１２に統合されてもよい。
【００４４】
図９および図１０は、平坦接地面を有する従来の積層アンテナ（図２に示す）についてのアンテナ特性と、空洞を有する接地面用の積層アンテナ（図１２に示す）についてのアンテナ特性との比較を示す。図９は、１５７５ＭＨｚの周波数における測定された放射パターンのプロットを示す（上部放射要素が誘導される）。プロット９０２は、平坦接地面についての結果を示し、プロット９０４は、空洞接地面についての結果を示す。プロット９０２（平坦接地面）では、放射パターンは、θが約６０°を超えるにつれて、前方半球において弱化する。しかし、プロット９０４（空洞接地面）では、放射パターンは、９０°から本質的に平坦のままである。図１０は、測定されたダウン／アップ比のプロットを示す。プロット１００２（平坦接地面）とプロット１００４（空洞接地面）の比較は、空洞接地面について改善された（より低い）ダウン／アップ比を示す。改善は、θが９０°に近づくにつれて特に顕著である。
【００４５】
先の詳細な説明は、制限的ではなく、全ての点において例証的かつ例示的であるものとして理解され、本明細書で開示される本発明の範囲は、詳細な説明によってではなく、むしろ、特許法によって許される全範囲に従って解釈される特許請求の範囲によって決定される。本明細書で示し、述べられる実施形態は、本発明の原理を示すだけであること、および、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、当業者によって種々の変更が実施されてもよいことが理解される。当業者は、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、種々の他の特徴の組合せを実施しうる。
【図１】
2011519242.tif 000041
【図２】
2011519242.tif 000042
【図３】
2011519242.tif 000043
【図４】
2011519242.tif 000044
【図５Ａ】
2011519242.tif 000045
【図５Ｂ】
2011519242.tif 000046
【図６】
2011519242.tif 000047
【図７】
2011519242.tif 000048
【図８】
2011519242.tif 000049
【図９】
2011519242.tif 000050
【図１０】
2011519242.tif 000051
【図１１Ａ】
2011519242.tif 000052
【図１１Ｂ】
2011519242.tif 000053
【図１１Ｃ】
2011519242.tif 000054
【図１１Ｄ】
2011519242.tif 000055
【図１１Ｅ】
2011519242.tif 000056
【図１２】
2011519242.tif 000057
【図１３】
2011519242.tif 000058
【国際調査報告】
2011519242.tif 000059
2011519242.tif 000060
2011519242.tif 000061