(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板をエッチング処理して形成され外周Ｐがｋλｓである閉じた形状のスロットで形成された少なくとも１つの共振器から成る多帯域平面アンテナであって、前記λｓは前記スロットにおける導波長であり、前記ｋは正の整数であり、前記スロットは、多帯域中の最低帯域の共振周波数の基本モードで動作することが可能であり、前記基本モードよりも高次の高次モードで動作するように給電線によって給電され、前記給電線の位置は、前記スロットの前記外周における複数の短絡ゾーンを決定し、前記短絡ゾーンの数は前記基本モード又は高次モードに応じて異なり、
前記スロットは、選択された帯域をカバーするように、前記基本又は高次モードに応じた前記スロットの前記短絡ゾーン内に位置する突出部を有する、多帯域平面アンテナ。
【請求項２】
選択されたモードの共振周波数は前記突出部の表面領域を調整することによって調節される、請求項１に記載の多帯域平面アンテナ。
【請求項３】
前記突出部は多角形状又は円柱形状をなし、前記スロットの内側面、外側面又は両面に設けられている、請求項１に記載の多帯域平面アンテナ。
【請求項４】
前記スロットが、環状スロット又は多角形状スロットである、請求項１乃至３に記載の多帯域平面アンテナ。
【請求項５】
前記給電線は、マイクロストリップ技術又は同一平面技術で形成されたものであり、前記給電線及びスロットの移行部から延出した位置における短絡により終端している、請求項１乃至４に記載の多帯域平面アンテナ。
【請求項６】
前記短絡は前記給電線及びスロットの前記移行部からλｍ／１６の距離に設けられており、λｍは給電線における導波長である、請求項５に記載の多帯域平面アンテナ。
【請求項７】
前記給電線は同軸ケーブルを含み、該同軸ケーブルの中心芯は前記スロットの内側に接続され、前記同軸ケーブルのアースは前記スロットの外側に接続されている、請求項１乃至４に記載の多帯域平面アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多帯域平面アンテナに関し、より詳細には、別々の周波数帯域で動作する無線ネットワークに適した多帯域平面アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
無線ネットワークの配備の枠組内において、これらのネットワークに対する多様な周波数の割当方法の故に、アンテナの構造は特別な問題に直面している。よって、IEEE802.11b及びIEEE802.11a規格に従った家庭用無線ネットワークの場合、2.4GHzの周波数帯及び5GHz近傍の２つの別個の周波数帯がこれらの規格に従った無線ネットワークの配備のために割り当てられてきた。従って、この場合、カバーされるべきスペクトルは３つの別個のサブ帯域から成る。同様な現象はGSM,GPRS,UMTSアンテナ等のような２つの別個の周波数帯域で動作しなければならないアンテナに関しても生じる。
【０００３】
さらに、幾つかの規格が無線ネットワーク用に現存し、これらのネットワークで現在用いられている製品はこれらの規格の１つ又は他のものに従っている。従って、別個の周数帯域で動作可能なアンテナが必要である。
【０００４】
この種の問題を是正するための最も明白な解決策は、要求される周波数帯域の全てを一回で同時にカバーする広帯域アンテナを使用することである。しかしながら、広帯域アンテナの使用はそのような範囲のためには望ましくないことは明らかである。特に、この場合、カバーされる帯域は必要とされる帯域に比べ非常に大きい。よって、アンテナによってカバーされる帯域及び特にその適用のために割り当てられていない帯域で動作する妨害器(jammer)の存在の故に、広帯域アンテナの使用は受信器の性能の低下を助長する。さらに、帯域外送信電力マスクに対応するために、送信器レベルでのより厳しいフィルタリング制約が要求される。このため、アンテナ及びアンテナを動作する装置の構造が高コストになる。
【０００５】
他の解決策は、低周波数帯域で動作するが、１つ又は他の帯域に切り替えるための周波数可変能力を有するアンテナを用いることである。この場合、共振アンテナの動作周波数を調節するための１又は複数の活性化素子が必要である。しかしながら、そのような構造はより複雑であり、それ故に、より費用がかかる。さらに、この種のアンテナは離間して隔てられた複数の周波数帯域をカバーすることができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は広帯域アンテナを使用せずに複数規格を確実にカバーすることができる消極的な解決方法を提供することを提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、多帯域中の最低帯域の共振周波数の基本モードで動作するような大きさで基板上に形成された閉塞形状を有する素子で形成された少なくとも１つの共振器から成る多帯域平面アンテナに関し、共振器は、高次のモードで動作するよう、給電線によって給電される。共振器は、本発明に従って、選択された帯域をカバーするよう、多モードの共振周波数を調節する要素を含む。
【０００８】
好適な実施態様によれば、多モードの共振周波数を調節する要素は、選択動作モードにおいて、共振器の短絡ゾーンに位置する突出部から成る。この場合、選択モードの共振周波数は突出部の表面領域を調整することによって調節される。
【０００９】
モードの共振周波数と突出部の表面領域との間の関係は次の通りであるのが好ましい。
【００１０】
【数１】
0004719481.tif 000002
ここで、ｉはモード、ｋは交代がなされる突出部、ｓｋは関連付けられた突出部の表面領域、（ａｉｋ，ｂｉｋ）は各モード及び各構成のために得られる曲線の係数である。
【００１１】
突出部は多角形状又は円柱形状であり、共振器の内側面、外側面又は両面に設けられているのが好ましい。
【００１２】
さらに、前記共振器は、プリント基板上にエッチング処理された環状スロット又は多角形状スロットのような閉塞形状のスロットから成る。
【００１３】
他の実施態様によれば、共振器は基板上に形成されたマイクロストリップ技術の環(annulus)から成る。
【００１４】
本発明の他の特徴によれば、給電線はマイクロストリップ技術又は同一平面技術で形成されており、給電線／共振器の移行部の後の短絡で終端している。
【００１５】
短絡は移行部からλm/16の距離に設けられるのが好ましく、ここで、λmは給電線における導波長である。
【００１６】
本発明の他の特徴によれば、給電線は同軸ケーブルを含み、同軸ケーブルの中心芯が共振器の内内側に接続され、同軸ケーブルのアースが共振器の外側に接続されている。
【００１７】
本発明の他の特徴及び利点は多様な実施態様に関する以下の記述を読むことで明白であり、添付の図面を参照して記述される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、2.4GHz及び5GHz規格、すなわち、Hyperlan2及びIEEE802.11a規格のために割り当てられた周波数帯域を確実にカバー可能な環状スロット型のアンテナを参照して記述される。本発明が他の種類の規格及びマイクロストリップ技術のようなスロット技術以外の技術で作成されたアンテナの使用に適用可能であることは当業者にとって明らかである。
【００１９】
マイクロストリップ技術の給電線によって給電される環状スロットから成る多帯域平面アンテナの構成及び動作方法が、給電線／スロット移行に従って、図１乃至３を参照して第一に記述される。
【００２０】
図１に図式的に表わされるように、アンテナは両面が金属化された基板をエッチング処理することで形成されたスロット１から成る。図示の実施態様において、スロット１は平均半径Rmoy及び幅Ｗｓの円形を形成する。エッチングが施される面と反対側の基板面には、マイクロストリップ線から成る給電線２が設けられている。この給電線は電磁結合によってスロット１に動力を給電する。給電線は、給電線／スロット移行部から長さLm’越えて延出する。Lm’は次のように選択されるのが好ましい。すなわち、Lm’=λm/16、ここで、λmはマイクロストリップ線下の波長である。さらに、給電線２は短絡を形成するビア(via)で終端する。
【００２１】
既知の方法で、スロット１の外周は次のように選択される。すなわち、P=kλs、ここで、λsはスロット内の導波長、kは正の整数である。この種の構造の場合、周波数の機能としての整合S11を表わす図２の曲線に示されるように、アンテナは基本モードのみならず全ての高次モードで共振する。この曲線は次の特性を示す環状スロットアンテナ上で実行されたシミュレーションの結果である。すなわち、Rmoy=15  mm,  Ws=0.4mm,  Wm=0.47mm(給電線の幅),  Lm=8.5mm(給電線の長さ),  Lm’=2mm(移行部及びビア間の距離)である。環状スロット型のアンテナを作成するために用いられる基板はRogers  4003であり、相対誘電率はεr=3.38、損失タンジェントはtanδ=0.0022及び厚さはh=0.81mmである。
【００２２】
この場合、次の周波数での動作が得られる。
【００２３】
【数２】
0004719481.tif 000003
【００２４】
図３に表わされているのは、周波数f0(基本モード)、f1(第一高次モード)及びf2(第二高次モード)のための図１のスロット内のフィールドの分配である。
【００２５】
図３ａ、３ｂ及び３ｃが吟味されるとき、基本モードのために２つの短絡ゾーン及び２の開回路ゾーンがあることが理解されよう。第一高次モードのために４つの短絡ゾーン及び４つの開回路ゾーンがあり、第二高次モードのために６つの短絡ゾーン及び６つの開回路ゾーンがあることがあることが理解されよう。
【００２６】
本発明は、従って、選択されたモードに対応する環状スロットの短絡ゾーンに突出する突出部を加えることによって、他とは独立して、それらのモードの各々の共振周波数を調節することにある。このようにして、多様な周波数帯域が最低規格の複数の共振周波数に概ね位置することを条件として、モードが選択された規格の共振周波数に実質的に位置するよう、各モードのために共振周波数を調節することが可能である。
【００２７】
スロットに突出部が加えられたときに、環状スロットの初めの３つの動作モードの共振周波数がどのように変化するかを、図４乃至９を参照して以下に記述する。
【００２８】
図４に表わされているのは、マイクロストリップ技術の給電線１１によって給電される環状スロット１０である。この環状スロット型アンテナは図１のそれと同様であり、特に給電に関してはそうである。図４の実施態様において、２つの突出部１２ａ，１２ｂが基本モードｆ０のための短絡回路ゾーンに位置する。各突出部は、この場合、Wn  ｘ  Ln寸法の長方形によって構成され、表面領域S0を示す。突出部はスロットの内側面上で印刷基板をエッチング処理することで形成される。
【００２９】
図５に表わされているのは、図４の突出部の場合において、基本モードf0の共振周波数、第一高次モードの共振周波数f1及び第二高次モードの共振周波数f3が、突出部S0の表面領域の変移の機能として変化する状態である。平均半径Rmoy=15  mm及び  幅Ws=0.4mmを示す環状スロットから成るアンテナの場合に得られた数値であり、スロットは幅Wm=0.47mm、長さLm=8.5mm及び長さLm’=2mmを有する給電線１１によって給電されている。
【００３０】
図５に表わされている曲線は次の方程式を満足するアフィン直線タイプの曲線である。
【００３１】
【数３】
0004719481.tif 000004
ここで、ｉ∈ｔｏ（０；１；２）であり、ｋ∈ｔｏ（０；１；２）のモードを示し、関連する突出部の表面領域であるｓｋ及び対（ａｉｋ、ｂｉｋ）が曲線の係数を示して交代がなされる突出部を示す。
【００３２】
図６及び７に表わされているように、同一の研究が、図１に関連して記述されたものと同一の方法でマイクロストリップ線１１によって給電される環状スロット１０の場合において実行された。このスロットは４つの突出部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを備える。これらの突出部はスロットの内側面に形成され、第一高次モードｆ１のための短絡ゾーンに位置する。各突出部は表面領域Ｓ１を有する。この場合、突出部の表面領域Ｓ１の機能としての多様な基本モード、すなわち、基本モードｆ０、第一高次モードｆ１及び第二高次モードｆ２の共振周波数が図７に示されている。
【００３３】
同一の方法で、図８及び９に表わされるように、マイクロストリップ技術の給電線１１によって給電される、６つの突起１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆを有する環状スロットに関して研究が実行された。これらの突出部はスロットの内側面に形成され、第二高次モードｆ２に対応する短絡ゾーンに位置する。
【００３４】
この場合、図９は６つの突出部の構成に対応する摂動の表面領域Ｓ２の機能としての多様な基本モード、すなわち、基本モードｆ０、第一高次モードｆ１及び第二基本モードｆ２の共振周波数を表わしている。
【００３５】
各モード及び各構成のための曲線の係数（ａｉｋ、ｂｉｋ）が下記のテーブル１に示されている。
【００３６】
【表１】
0004719481.tif 000005
【００３７】
上記の要素に基づき、例えば、２．４ＧＨｚの帯域でのIEEE802.11ｂ及び５．６ＧＨｚの帯域でのIEEE802.11aにおける動作のためにｆ０＝２．４ＧＨｚ、ｆ１＝５．２５ＧＨｚ及び２ｆ＝５．８ＧＨｚのように、動作周波数が３つのモードで知られていると仮定すると、上記の係数の全てを１つのグループ化し、３つの未知数の３つの方程式の線形系を得ることが可能であり、ここで未知数は突起部Ｓ０、Ｓ１及びＳ２である。
【００３８】
最後に、次のような等式を各モード（ｉ＝０、１及び２）のために書くことができる。
【００３９】
【数４】
0004719481.tif 000006
【００４０】
同一の表式を３回加えることによって、次のような表式が各モード（ｉ＝０、１及び２）のために得られる。
【００４１】
【数５】
0004719481.tif 000007
これは簡単に次のマトリックス形式に書き換えることができる。
【００４２】
【数６】
0004719481.tif 000008
【００４３】
【数７】
0004719481.tif 000009
【００４４】
代数学理論が示すところは、方程式の数が未知数の数と等しい場合にのみ（これは本件において当て嵌る：３つの未知数に３つの方程式がある）、かつ、マトリックスＡの行列式は非ゼロである場合にのみ（テーブル１で表わされている数値も当て嵌る）、このようなシステムが唯一の解を有するということである。
【００４５】
上記説明の通り、従って、所望の共振周波数を得るために、図４、６及び８の多様な構造を組み合わせることによって共振周波数を調節することが可能である。
【００４６】
IEEE802.11a及びIEEE802.11b規格のための有効な動作が可能とされた、本発明に従った環状スロット型のアンテナの特別の実施態様を図１０、１１、１２及び１３を参照して以下に記述する。
【００４７】
図１０は図１において表わされているものと同様の構造の給電線２１によって給電される環状スロット２０を表わしている。この環状スロットは、相対誘電率εr=3.38、損失タンジェントtanδ=0.0022及び厚さh=0.81mmのRogers  4003基板をエッチング処理することによって得られる。エッチング処理されたスロット２０は平均半径Rmoy=15  mm、  幅Ws=0.4mmを示す。スロットが施される面と反対の基板面には、幅Wm=0.47mm、大きさ  Lm=8.5mm及び移行部及びビア２４間の距離Lm’=2mm＝λm/16＝２mmを示すマイクロストリップ技術の給電線２１が形成されている。
【００４８】
図１０に表わされているように、スロット２０は基本モードｆ０のための短絡ゾーンにおいて２つの突出部２２ａ、２２ｂをその内側面に備える。これらの突出部２２ａ及び２２ｂは長方形状であり、長さＬｎ０＝６．５mm及び幅Ｗｎ０＝３mmを示す。さらに、第二高次モードｆ２のための短絡ゾーンに４つの突出部が形成されている。これらの突出部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは長方形状であり、長さＬｎ２＝３．４mm及び幅Ｗｎ２＝１．６mmを示す。
【００４９】
この環状スロット型アンテナはＺｅｌａｎｄ社のＩＥ３Ｄシミュレーションソフトウェアを用いてシミュレーションされている。シミュレーションは周波数の機能としての整合曲線として起こり、図１１に表わされている。この整合曲線は関連規格の共振周波数に極めて近い２．４ＧＨｚ、５．２ＧＨｚ及び５．８ＧＨｚの周波数で３つの整合ピークが存在することを示す。
【００５０】
図１１において表わされている整合曲線は図１２に表わされている構造の有効性曲線によって確証されている。
【００５１】
図１２は２つの有効性曲線を示す。すなわち、アンテナの有効性及び放射の有効性であり、これらの２つの曲線は３つの整合ピークの周波数で３つのピークを示す。
【００５２】
さらに、図１３ａ、１３ｂ及び１３ｃには、図１０の構造の多様な放射パターンが表わされており、図１３ａには２．６ＧＨｚ、図１３ｂには５．２ＧＨｚ及び図１３ｃには５．９ＧＨｚにおける放射パターンが表わされている。パターンの形状の相違は励起モード、すなわち、基本モード、第一高次モード及び第二高次モードの相違に起因する。しかしながら、放射形状は準全方向性のままである。
【００５３】
図１４ａ、１４ｂ及び１４ｃに表わされているのは突出部の多様な形状である。図１４ａ、１４ｂ及び１４ｃは２つの突出部の場合に対応しており、図１４ａでは長方形状、図１４ｂでは半円形状、図１４ｃでは三角形状である。本発明の場合、突出部の形状よりもその表面領域が周波数の調節のために重要である。
【００５４】
図１５ａ及び１５ｂに表わされているのは、環状スロットの外形に対する突出部の突出部の位置の多様な可能性である。図１５ａは環状スロット３１の外側面に配置された２つの突出部３０ａ、３０ｂを表わしているのに対し、図１５ｂは環状スロット４１の両側に位置する長方形状の２つの突出部４０ａ、４０ｂを表わしている。
【００５５】
図１６に表わされているのは、本発明に従ったアンテナの他の実施態様である。この場合、アンテナは第一環状スロット５０を含み、第一環状スロットは基本モードに対応する短絡ゾーンに位置する内側面に２つの突出部５１ａ、５１ｂを備える。さらに、第一環状スロットと同心円の第二環状スロット６０が、第二高次モードに対応する短絡ゾーンに位置する外側面に４つの突出部６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄを備える。図１６の実施態様において、突出部６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄは半円形状又は半円柱形状である。
【００５６】
他の実施態様と同様に、２つの環状スロット５０及び６０はこの場合マイクロストリップ技術で形成された給電線７０によって給電される。給電線をそのように形成することによって、動作帯域を拡げることが可能である。
【００５７】
図１７に表わされているのは本発明の他の実施態様である。この概略的な斜視図において、環状スロット８０は同軸ケーブル９０によって給電されている。同軸ケーブルの内部芯線９１が環状スロットの内側の基板に接続され、同軸ケーブルのアース９２が環状スロット８０の外側のメタライゼーションに接続されている。
【００５８】
上記の実施態様は例示に過ぎず、本発明の範囲内で他の実施態様が用いられ得ることが当業者に明らかである。特に、任意数Ｎのモードが用いられる環状スロット型のアンテナ構造のみならず任意数Ｍのサブ帯域をカバーする構造を考えることが可能である。
【００５９】
さらに、本発明の範囲内において、用いられる共振器は金属化された基板にエッチング処理された環状スロットの代わりにマイクロストリップ環型の共振器であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明が適用され得るマイクロストリップ線によって給電される環状スロット型のアンテナを示す概略図である。
【図２】図１のアンテナのための周波数の機能としての整合曲線を示すグラフである。
【図３】基本モード、第一高次モード及び第二高次モードのための図１のアンテナ内のフィールド分布を示す概略図である。
【図４】本発明に従って２つの突出部を備える環状スロットの平面図である。
【図５】図４に従った構造の場合における突出部の表面領域の機能としての基本モードの共振周波数を示す曲線を表わすグラフである。
【図６】本発明に従って４つの突出部を備える環状スロットの平面図である。
【図７】図６に従った構造の場合における突出部の表面領域の機能としての共振周波数を示す曲線を表わすグラフである。
【図８】本発明に従って６つの突出部を備える環状スロットの平面図である。
【図９】図８に従った構造の場合における突出部の表面領域の機能としての共振周波数を示す曲線を表わすグラフである。
【図１０】本発明に従った突出部を備える環状スロットを概略的に示す平面図であり、３つの周波数帯域で動作可能である。
【図１１】図１０に表わされる構造のための周波数の機能としての整合、すなわち、係数Ｓ１１を維持する曲線を示すグラフである。
【図１２】図１０に表わされるアンテナのための周波数の機能としての有効性の比率を示す曲線を表わすグラフである。
【図１３】図１０に従ったアンテナの２．６ＧＨｚ、５．２ＧＨｚ及び５．９ＧＨｚの各々における放射パターンを示す図である。
【図１４】図１４ａ、１４ｂ及び１４ｃは突出部の多様な形状を示す概略図である。
【図１５】図１５ａ、１５ｂは本発明に従って突出部の多様な位置を示す概略図である。
【図１６】本発明の他の実施態様を示す平面図である。
【図１７】本発明の他の実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６１】
１      スロット
２      給電線
１０      環状スロット
１１      給電線
１２ａ、１２ｂ      突出部
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ      突出部
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ      突出部
２０      環状スロット
２１      給電線
２２ａ、２２ｂ      突出部
２３ａ、２３ｂ、１３ｃ、２３ｄ      突出部
２４      ビア
３０ａ、３０ｂ      突出部
４０ａ、４０ｂ      突出部
５０      環状スロット
６０      環状スロット
７０      給電線
８０      環状スロット
９０      同軸ケーブル
９１      芯線
９２      アース
Ｓ０      表面領域
Ｓ１      表面領域
Ｓ２      表面領域
Ｓ１１      整合
【図１】
0004719481.tif 000010
【図２】
0004719481.tif 000011
【図３】
0004719481.tif 000012
【図４】
0004719481.tif 000013
【図５】
0004719481.tif 000014
【図６】
0004719481.tif 000015
【図７】
0004719481.tif 000016
【図８】
0004719481.tif 000017
【図９】
0004719481.tif 000018
【図１０】
0004719481.tif 000019
【図１１】
0004719481.tif 000020
【図１２】
0004719481.tif 000021
【図１３】
0004719481.tif 000022
【図１４】
0004719481.tif 000023
【図１５】
0004719481.tif 000024
【図１６】
0004719481.tif 000025
【図１７】
0004719481.tif 000026