(57)【要約】広帯域無線通信に適用したテーパ状導体ストリップを提供するシステムおよび方法が開示される。実施形態は、その面に沿って湾曲し、それによって開口テーパを提供する導体ストリップを提供する。開口テーパを提供するように構成された導体ストリップを、平面の接地面の上に配置して、広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ素子を形成することができる。実施形態はさらに、その１つまたは複数の縁部に沿って湾曲し、それによってインピーダンス・テーパを提供する導体ストリップを提供する。インピーダンス・テーパの寸法は、自身から形成されるアンテナ素子に対して所望の特徴的インピーダンスを提供するように選択することが好ましい。実施形態はさらに、追加のモードを生成する短絡ピンまたは短絡板の形状を含んでよい。
2006519547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナ素子であって、
テーパ状になり、それによって開口テーパを画定する面を有する導体ストリップと、
前記面の少なくとも一部に平行に配置された接地面とを備え、信号フィード・ギャップが、前記面の前記少なくとも一部で前記導体ストリップと前記接地面との間に残るアンテナ素子。
【請求項２】
前記開口テーパを、所望の動作周波数帯域を提供するようなサイズおよび形状にする、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項３】
前記所望の動作周波数帯域が広帯域周波数帯域である、請求項２に記載のアンテナ素子。
【請求項４】
前記所望の動作帯域が、約１．７ＧＨｚから約１４ＧＨｚの周波数範囲を備える、請求項２に記載のアンテナ素子。
【請求項５】
前記導体ストリップの前記開口テーパが、円の曲線の一部を備える、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項６】
前記アンテナ素子から放射された信号に関する波面伝播ベクトル角度が、前記接地面の表面から約４５°である、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項７】
前記導体ストリップの前記開口テーパが、卵形曲線の一部を備える、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項８】
前記卵形曲線の楕円が、前記接地面の表面に平行に配置される、請求項７に記載のアンテナ素子。
【請求項９】
前記アンテナ素子から放射された信号に関する波面伝播ベクトル角度が、前記接地面の表面から４５°未満である、請求項８に記載のアンテナ素子。
【請求項１０】
前記卵形曲線の楕円が、前記接地面の表面に対して直角に配置される、請求項７に記載のアンテナ素子。
【請求項１１】
前記アンテナ素子から放射された信号に関する波面伝播ベクトル角度が、前記接地面の表面から４５°より大きい、請求項１０に記載のアンテナ素子。
【請求項１２】
前記導体ストリップがさらに、テーパ状の前記面の少なくとも１つの縁部を有し、それによってインピーダンス・テーパを画定する、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項１３】
前記インピーダンス・テーパを、所望の動作周波数帯域にわたってほぼ一定のインピーダンスを提供するようなサイズおよび形状にする、請求項１２に記載のアンテナ素子。
【請求項１４】
前記インピーダンス・テーパが前記導体ストリップの幅を減少させ、前記面の前記少なくとも一部で最小の大きさにする、請求項１２に記載のアンテナ素子。
【請求項１５】
前記インピーダンス・テーパが、自身とインタフェースをとる信号フィード機構に対して約５０オームのインピーダンスを提供する、請求項１２に記載のアンテナ素子。
【請求項１６】
さらに、前記接地面を、前記面の前記少なくとも一部に対して遠位側にある前記導体ストリップの端部に電気的に結合する短絡ピンを備える、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項１７】
前記短絡ピンが、所望の動作帯域の低い方の周波数に対して周波数終了を提供する、請求項１６に記載のアンテナ素子。
【請求項１８】
前記短絡ピンが、前記アンテナ素子に対して短絡ループ動作モードを提供する、請求項１６に記載のアンテナ素子。
【請求項１９】
前記短絡ループ動作モードが、前記アンテナ素子の所望の動作帯域の最低共振周波数より低い共振周波数を提供する、請求項１８に記載のアンテナ素子。
【請求項２０】
前記所望の動作帯域が約１４：１の帯域を備える、請求項１９に記載のアンテナ素子。
【請求項２１】
前記短絡ピンが、前記導体ストリップの幅に対応する幅を有する短絡板を備える、請求項１６に記載のアンテナ素子。
【請求項２２】
前記短絡ピンが、前記導体ストリップの幅より小さい幅を有する短絡ストリップを備える、請求項１６に記載のアンテナ素子。
【請求項２３】
前記短絡ピンが信号遅延機構を備える、請求項１６に記載のアンテナ素子。
【請求項２４】
前記信号遅延機構が蛇行部を備える、請求項２３に記載のアンテナ素子。
【請求項２５】
さらに、前記短絡ピンを選択的に実装するように動作可能である短絡ピン選択回路を備える、請求項１６に記載のアンテナ素子。
【請求項２６】
前記信号ピン選択回路が、
前記短絡ピンの信号路に配置された少なくとも１つのＰＩＮダイオードを備える、請求項２５に記載のアンテナ素子。
【請求項２７】
さらに、前記信号フィード・ギャップに配置された誘電材料を備える、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項２８】
前記開口テーパに関連する開口Ａが、所望の動作帯域の最低周波数の１／４波長より小さく、したがってＡ＜λ０／４であり、ここでλ０は所望の動作帯域の最低共振周波数の自由空間波長である、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項２９】
前記開口Ａが約０．１４λ０である、請求項２８に記載のアンテナ素子。
【請求項３０】
前記信号フィード・ギャップに関連する長さＬが、所望の動作帯域の最低周波数の１／４波長より小さく、したがってＷ＜λ０／４であり、ここでλ０は所望の動作帯域の最低共振周波数の自由空間波長である、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項３１】
前記幅Ｗが約０．１９λ０である、請求項３０に記載のアンテナ素子。
【請求項３２】
アンテナ素子であって、
テーパ状になった面を有し、それによって開口テーパを画定する導体ストリップを備え、前記開口テーパを、所望の動作周波数帯域を提供するようなサイズおよび形状にし、前記導体ストリップがさらに、前記テーパ状の面の少なくとも１つの縁部を有し、それによってインピーダンス・テーパを画定し、前記インピーダンス・テーパを、所望の動作周波数帯域にわたってほぼ一定のインピーダンスを提供するようなサイズおよび形状にするアンテナ素子。
【請求項３３】
前記所望の動作周波数帯域が広帯域周波数帯域である、請求項３２に記載のアンテナ素子。
【請求項３４】
前記所望の動作帯域が約１４：１の帯域を備える、請求項３２に記載のアンテナ素子。
【請求項３５】
前記開口テーパに関連する開口Ａが、所望の動作帯域の最低周波数の１／４波長より小さく、したがってＡ＜λ０／４であり、ここでλ０は所望の動作帯域の最低共振周波数の自由空間波長である、請求項３２に記載のアンテナ素子。
【請求項３６】
前記開口Ａが約０．１４λ０である、請求項３５に記載のアンテナ素子。
【請求項３７】
前記導体ストリップの前記開口テーパが円の曲線の一部を備える、請求項３２に記載のアンテナ素子。
【請求項３８】
前記導体ストリップの前記開口テーパが卵形曲線の一部を備える、請求項３２に記載のアンテナ素子。
【請求項３９】
前記インピーダンス・テーパが前記導体ストリップの幅を減少させて、信号フィード機構とインタフェースをとる前記導体ストリップの部分で最小に大きさにする、請求項３２に記載のアンテナ素子。
【請求項４０】
前記インピーダンス・テーパが、自身とインタフェースをとる信号フィード機構に対して約５０オームのインピーダンスを提供する、請求項３２に記載のアンテナ素子。
【請求項４１】
さらに、前記導体ストリップの前記面の少なくとも一部に平行に配置された接地面を備え、信号フィード・ギャップが、前記面の前記少なくとも一部で前記導体ストリップと前記接地面との間に残る、請求項３２に記載のアンテナ素子。
【請求項４２】
前記信号フィード・ギャップに関連する長さＬが、前記所望の動作帯域の最低周波数の１／４波長より小さく、したがってＷ＜λ０／４であり、ここでλ０は所望の動作帯域の最低共振周波数の自由空間波長である、請求項４１に記載のアンテナ素子。
【請求項４３】
前記幅Ｗが約０．１９λ０である、請求項４２に記載のアンテナ素子。
【請求項４４】
さらに、前記接地面を、前記面の前記少なくとも一部に対して遠位側の前記導体ストリップの端部に電気的に結合する短絡ピンを備える、請求項４１に記載のアンテナ素子。
【請求項４５】
前記短絡ピンが、所望の動作帯域の低い方の周波数に対して周波数終了を提供する、請求項４４に記載のアンテナ素子。
【請求項４６】
前記短絡ピンが、前記アンテナ素子に対して短絡ループの動作モードを提供する、請求項４４に記載のアンテナ素子。
【請求項４７】
前記短絡ループの動作モードが、前記アンテナ素子の前記所望の動作帯域の最低共振周波数より低い共振周波数を提供する、請求項４６に記載のアンテナ素子。
【請求項４８】
前記短絡ピンが、前記導体ストリップの幅に対応する幅を有する短絡板を備える、請求項４４に記載のアンテナ素子。
【請求項４９】
前記短絡ピンが、前記導体ストリップの幅より小さい幅を有する短絡ストリップを備える、請求項４４に記載のアンテナ素子。
【請求項５０】
前記短絡ピンが信号遅延機構を備える、請求項４４に記載のアンテナ素子。
【請求項５１】
さらに、前記短絡ピンを選択的に実装するように動作可能な短絡ピン選択回路を備える、請求項４４に記載のアンテナ素子。
【請求項５２】
さらに、前記信号フィード・ギャップ内に配置された誘電材料を備える、請求項４１に記載のアンテナ素子。
【請求項５３】
広帯域アンテナを提供する方法であって、
開口テーパを画定するために導体ストリップの面をテーパ状にすることと、
前記導体ストリップを接地面に並列に配置することとを含み、前記導体ストリップの前記テーパ面の少なくとも一部が前記接地面に平行であり、信号フィード・ギャップが、前記テーパ面の前記少なくとも一部と前記接地面との間に残る方法。
【請求項５４】
さらに、所望の動作周波数帯域を提供するように、前記開口テーパのサイズを決定することを含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記所望の動作周波数帯域が広帯域周波数帯域である、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記所望の動作帯域が約１４：１の帯域を備える、請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
前記導体ストリップの前記面の前記テーパ化が、
前記導体ストリップの前記面に円の曲線を設けることを含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項５８】
前記導体ストリップの前記面の前記テーパ化が、
前記導体ストリップの前記面に卵形の曲線を設けることを含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項５９】
さらに、インピーダンス・テーパを画定するために、前記導体ストリップの前記テーパ面の少なくとも１つの縁部をテーパ状にすることを含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項６０】
さらに、所望の動作周波数帯域にわたってほぼ一定のインピーダンスを提供するように、前記インピーダンス・テーパのサイズを決定することを含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記テーパ面の前記少なくとも１つの縁部のテーパ化が、
前記導体ストリップの前記テーパ面の少なくとも２つの対向する縁部をテーパ状にすることを含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６２】
前記インピーダンス・テーパが、自身とインタフェースをとる信号フィード機構に対して約５０オームのインピーダンスを提供する、請求項５９に記載の方法。
【請求項６３】
さらに、短絡ピンを使用して、前記接地面を前記面の前記少なくとも一部に対して遠位側にある前記導体ストリップの端部に電気的に結合することを含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項６４】
前記短絡ピンが、所望の動作帯域の低い方の周波数に対して周波数終了を提供する、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
前記短絡ピンが、前記方法に対して短絡ループの動作モードを提供する、請求項６３に記載の方法。
【請求項６６】
前記短絡ループの動作モードが、前記広帯域アンテナの広帯域動作帯域の最低共振周波数より低い共振周波数を提供する、請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記広帯域動作帯域が約１４：１の帯域を備える、請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
さらに、信号遅延機構を使用して、前記接地面と、前記面の前記少なくとも一部に対して遠位側にある前記導体ストリップの端部との間の信号伝播を遅延させることを含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項６９】
前記信号遅延機構が蛇行部を備える、請求項６８に記載の方法。
【請求項７０】
さらに、短絡ピン選択回路を使用して前記短絡ピンを動的に実装することを含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項７１】
さらに、誘電材料を前記信号フィード・ギャップに配置することを含む、請求項５３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概ね無線通信に、特に広帯域信号通信を提供するテーパ状ストリップ・アンテナ素子（ｔａｐｅｒｅｄ  ｓｔｒｉｐ  ａｎｔｅｎｎａ  ｅｌｅｍｅｎｔ）の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
信号の無線通信は、通常、１つまたは複数の搬送波信号を使用する周波数スペクトルの画定された帯域の使用を伴う。多くの無線通信システムが使用する周波数帯域は比較的狭く、そのためにシステムの比較的狭い周波数帯域内で信号を受信および／または送信する特定の周波数で共振するように、アンテナを調整することができる。
【０００３】
レーダを含む軍事および宇宙用途など、特定の使用法のために様々な広帯域アンテナの構成がこれまでに開発されている。例えば、テーパ状スロット、ホーン、渦巻き、円錐、対数周期（ｌｏｇ  ｐｅｒｉｏｄｉｃ）および平面円形（ｐｌａｎａｒ  ｃｉｒｃｕｌａｒ）モノポール・アンテナが、広帯域通信に使用されてきた。
【０００４】
テーパ状スロット・アンテナ（ｔａｐｅｒｅｄ  ｓｌｏｔ  ａｎｔｅｎｎａ）は、１９７４年に初めて導入され、その後の１９７９年に指数形テーパ形状（ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ  ｔａｐｅｒ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）を使用するように改良され、より良い広帯域インピーダンス整合を与えた。テーパ状スロット・アンテナの指数形テーパ形状は、一般的にビバルディ・アンテナ（Ｖｉｖａｌｄｉ  ａｅｒｉａｌ）と呼ばれ、図１Ａから図１Ｃに図示されている。これらのアンテナ形状は、広帯域特性を提供し、指向性放射線パターンがある高い利得を与える。
【０００５】
図１Ａから図１Ｃで見られるように、テーパ状スロット・アンテナ（ｔａｐｅｒｅｄ  ｓｌｏｔ  ａｎｔｅｎｎａ）の物理的構造は、「ブレード」様であり、陰極（図１Ａの要素１０１として図示）と陽極（図１Ａの要素１０２として図示）導体が、その間にテーパ状スロットを有する平面内に配置される。テーパ状スロットは導波管として作用し、効率的放射線の場を設定する。信号の入力／出力部がテーパ状スロットの端部（図１ＢでＲと指定）に設けられ、アンテナ開口（図１ＢでＡと指定）がスロットのテーパによって画定される。
【０００６】
図１Ａから図１Ｃで見られるように、テーパ状スロット・アンテナは２つの領域を含む。設定領域とフレア領域である。アンテナの設計は通常、指向性を与えるために長い設定領域を必要とし、その結果、一般的に軸方向に比較的長いテーパ状スロット・アンテナになる。したがって、アンテナの長さ（図１ＢでＬと指定）は通常、２λ０＜Ｌ＜１２λ０の範囲になり、ここでλ０は、アンテナの最低共振周波数の自由空間波長である。このような比較的長いアンテナ形状は、非常にクリーンな極性を提供する際に有用なことがある。しかし、このような長いアンテナ形状のために必要な空間のために、アンテナ特性が配置の影響を受けやすくなり、したがって様々な移動通信または他のシステムでの用途が制限される。
【０００７】
開口の幅（Ａ）が最低共振周波数を決定する（つまり、Ａ≧λ０／２で、ここでλ０は最低共振周波数の自由空間波長である）。しかし、周波数の終端が低くなると、往々にして問題がある。特に、上記で示したように、開口はアンテナの最低共振周波数の半波長であり、この周波数では、電流が適切に終了しないので、アンテナがよく整合しない。以上から理解できるように。テーパ状スロット・アンテナは、アンテナのフレア開口が最大になる比較的低い動作周波数では、整合特性が不良である。
【０００８】
テーパ状スロット・アンテナのインピーダンスは、大きい周波数範囲にわたって一定ではない。したがって、最適化したテーパはスロット内で開始する電流ベクトルに対して「自己相似」様状態を呈する。非対称の電流の結果生じる不均衡は、特定周波数の電波も低下させ、それによって広帯域の性能および放射線の効率を低下させる。したがって、テーパ状スロット・アンテナは、放射線のパターンが制御されるのを保証するために、均衡したフィード・システムを使用する。例えば、陰極および陽極のフィードは通常、双極子と同等の開口放射線に合わせて実装され、したがって均衡したフィード機構が必要である。
【０００９】
さらに均衡した場を提供しようと、対蹠的ビバルディ・アンテナ形状が開発されてきた。図１Ｃは対蹠的ビバルディ・アンテナ形状を示す。均衡した場に関しては改良しているが、このようなアンテナ形状にはなお、上記で検討したビバルディ・アンテナ形状に伴う他の欠点がある。
【００１０】
平面円形モノポールアンテナは、全方向通信を提供するモノポール子としてディスク形プレートを備える。平面円形モノポールアンテナの例が図２に図示され、ここではディスク形プレート２０１が接地面２０２に対して直角に配置される。このようなアンテナの使用は、通常、屋内の使用に制限される。
【００１１】
平面円形モノポールアンテナ（ｐｌａｎａｒ  ｃｉｒｃｕｌａｒ  ｍｏｎｏｐｏｌｅ  ａｎｔｅｎｎａ）の設計は、通常、非常に広帯域の通信を提供する。しかし、より高い動作帯域では、放射線は実質的に多ソースの寄与を経験し始める。したがって、平面円形モノポールアンテナに伴い放射線パターンは、これらの周波数で劣化を開始する。したがって、このようなアンテナの動作周波数は、劣化している放射線パターンによって、ほぼアンテナの設計意図である最低周波数より高い１組の波長に効果的に制限される。
【００１２】
平面円形モノポールアンテナの設計によると、ディスクの高さは通常、アンテナの設計意図である最低周波数の１／４波長に対応するようにサイズ決定される。したがって、平面円形モノポールアンテナのサイズは、通常は比較的大きい。さらに、この最低周波数で、インピーダンスは電流終了のためによく整合しない。
【００１３】
Ｇｌａｂｅその他に発行され、その開示が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５，７４８，１５２号で詳細に示された広帯域平行板アンテナは、自身上に導電性の板を有する基質材料上にスロット・アンテナ素子を提供する。図３で示すように、スロット３１０は２つのフレア状スロット区間３１１および３１２を備え、これは陰極３０１および陽極３０２の両方でフレアの後部へと延在する。これらのスロットは吸収性材料で充填され、主に全体的な開口の寸法を最小限に抑え、さらに電流終端を向上させる。このアンテナは、追加の製造費およびアンテナ・サイズの拡大を必要とする比較的複雑なアンテナ形状になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
広帯域無線通信に適応した短絡テーパ状導体ストリップを提供するシステムおよび方法にある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
好ましい実施形態によると、導体ストリップはその面に沿って湾曲し、それによってテーパ（本明細書では開口テーパと呼ぶ）を提供して、その特徴は広帯域無線通信に合わせて選択される。導体ストリップが陽極として作用し、接地面が対応する陰極として代わりになるように、開口テーパを提供するように構成された導体ストリップを、プレーナ接地面に配置し、本発明の好ましい実施形態による広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ素子を形成する。本発明の実施形態は、導体ストリップと接地面との間のギャップで、ギャップが最小である位置に配置することが好ましい信号フィード機構によって開始する電流が、広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ素子の開口へと伝播し、自動拡張性の状態を維持し、広帯域の挙動を保証する。
【００１６】
好ましい実施形態の導体ストリップは、その１つまたは複数の縁部に沿って湾曲し、それによってテーパ（本明細書ではインピーダンス・テーパと呼ぶ）を提供して、その特徴は広帯域通信に合わせて選択される。１つの実施形態のインピーダンス・テーパは、前述した開口テーパを有する面に沿って導体ストリップの縁部をテーパ状にし、したがって信号フィード機構に最も近い位置に比較的細い導体ストリップ部分が残り、前述した開口テーパを有する面を横断するにつれて徐々に広がる。インピーダンス・テーパの寸法は、そこから形成されるアンテナ素子に関して所望の特徴的インピーダンスを提供するように選択することが好ましい。例えば、インピーダンス・テーパは、広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ素子が従来の５０Ωのポートと整合しながら、指向性の放射線パターンを送出することを保証するように選択する。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態の広帯域挙動は、非平衡のフィード形状で達成することを理解されたい。したがって、本発明の実施形態によると広帯域バランは必要なく、それによってアンテナ形状を、ビバルディ・テーパ状スロット・アンテナなどの様々な先行技術の形状と比較して、サイズを大幅に縮小することができる。
【００１８】
本発明の実施形態は、追加のモードを生成する短絡ピンまたは短絡板の形状を含む。このような短絡ピンを使用すると、本発明の広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ素子の最低共振周波数が、開口のサイズによって制限されない。したがって、このような実施形態を使用して、アンテナ形状のさらなるサイズ減少を容易にすることができる。例えば、短絡ピンを実現する本発明の実施形態は、約０．１４λ０のサイズにした広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ素子を提供し、ここでλ０は低い方の共振周波数の波長である。
【００１９】
以上は、以下にある本発明の詳細な説明をさらによく理解できるために、本発明の特徴および技術的利点をかなり広義に概略している。本発明の追加の特徴および利点は以降で説明され、これが本発明の請求の範囲の手段を形成する。開示された概念および特定の実施形態は、本発明の同じ目的を実行するために他の構造を改造または設計するための基礎として容易に使用できることが、当業者には理解されるはずである。このような同等の構造は、添付の請求の範囲で述べる本発明の精神および範囲から逸脱しないことも、当業者には認識されるはずである。本発明を特徴付けると考えられる新規の特徴は、その構成と動作方法との両方に関して、さらなる目的および利点とともに、以下の説明を添付図面との組み合わせで考察するとさらによく理解される。しかし、各図は、例示および説明の目的で提供され、本発明の限界の定義とは意図されていないことが明示的に理解される。
【００２０】
本発明をさらに完全に理解するために、次に以下の説明を添付図面との組み合わせで参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図４Ａから図４Ｄを注目すると、広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ４００の好ましい実施形態が様々な図で図示されている。特に、図４Ａは広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ４００の上面図を呈し、図４Ｂは広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ４００の側面図を呈し、図４Ｃは広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ４００の前面図を呈し、図４Ｄは広帯域テーパ状ストリップ・アンテナの背面図を呈する。図５Ａおよび図５Ｂは、広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ４００の様々な等角図を提供し、図４Ａから図４Ｄで示した実施形態の形状の理解をさらに補助する。
【００２２】
図示の実施形態の広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ４００は導体ストリップ４１０を備え、これは接地面４２０上に配置されて、信号フィード機構４０１を有し、これは図では導体ストリップ４１０と接地面４２０との間のギャップで、ギャップが最小である位置に配置され、したがって導体ストリップ４１０が陽極として作用し、接地面４２０が対応する陰極として代わりになる。信号フィード機構４０１は、広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ４００へ／からの信号とインタフェースをとる任意の数の機構を備えてよい。例えば、信号フィード機構４０１は送信線の終端していない端部を備えてよく、これは導体ストリップ４０１と接地面４２０との間のギャップに配置され、そこから電気的に絶縁される。あるいは、信号フィード機構４０１は導波管、マイクロストリップ線、または他の適切な信号変換器を備えてよい。
【００２３】
図４Ａから図４Ｄの実施形態には、短絡ピンまたは板４１４も図示され、これは信号フィード機構４０１から遠位側にある導体ストリップ４１０の端部を接地面４２０に結合する。好ましい実施形態の短絡板４１４を使用して、追加モード、短絡ループ・モードを生成し、これによって最低共振周波数が開口サイズによって制限されない広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ素子構成を提供する。
【００２４】
図で見られるように、図示の実施形態の導体ストリップ４１０は、自身に関連する複数のテーパ・パラメータ（ｔａｐｅｒｉｎｇ  ｐａｒａｍｅｔｅｒ）を有し、信号フィード機構４０１への自己相似特徴を効果的に呈する。特に、導体ストリップ４１０はテーパ４１３を含み、これは本明細書では開口テーパとも呼ばれ、その湾曲面を提供する。また、導体ストリップ４１０はテーパ４１１および４１２も含み、これは本明細書ではインピーダンス・テーパとも呼ばれ、その湾曲した縁部を提供する。これらのテーパ・パラメータは、広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ１００の全体的性能に影響を及ぼし、したがってそれに応じて選択される。概して、テーパ４１３（開口テーパ）［ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｔａｐｅｒ］は、広帯域効果を保証する波開始特徴（ｗａｖｅ  ｌａｕｎｃｈｉｎｇ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ）に合わせて最適化される。テーパ４１１および４１２（インピーダンス・テーパ）は、帯域を通して一定のインピーダンスを保証する。
【００２５】
広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ４００の他のパラメータは、アンテナの全体的性能に影響を及ぼすために使用してもよい。例えば、広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ４００の長さパラメータ（図４ＢでＬとして図示）は、分極の純度に影響するように調節することができる。追加的または代替的に、例えば誘電体を電流路に導入して、伝播を減速し、したがって有効開口サイズ（図４ＢでＡとして図示）を低下可能にするなどによって、誘電パラメータ（図示せず）を調節することができる。例えば、広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ４００の全体的サイズは、１つの実施形態では、誘電材料を導体ストリップ４１０と接地面４２０の間のギャップに、信号フィード機構４０１のすぐ前の区域からアンテナ開口に向かって配置することによって低下する。このような誘電体を使用して、ビーム集束も達成することができる。
【００２６】
図示の実施形態のテーパ４１３は、形態４１５で画定されるように、ほぼ円の半径の一部である。例えば、形態４１５はガラス、プラスチック、ポリマ樹脂、または当技術分野で知られている他の成形可能な材料で構成されるような非導電性で好ましくは無線周波数（ＲＦ）透過性のシリンダを備えることができ、その周囲に導体ストリップ４１０が形成される。したがって、図示の実施形態の導体ストリップ４１０は、形態４１５の表面部分に対応するテーパ４１３を獲得する。形態４１５の半径、したがってテーパ４１３に関連するテーパ・パラメータは、所望の最低共振周波数を提供する十分なサイズの開口（図４ＢでＡとして図示）を提供しながら、分極などの所望の動作特徴を提供するのに十分なサイズの許容可能な全体的サイズおよび／または長さ（図４ＢでＬとして図示）を有するアンテナ素子を提供するように選択することが好ましい。
【００２７】
図示の実施形態は、ほぼ丸い開口テーパ・パラメータを有するように図示されているが、本発明によると、開口テーパの他の形状を使用してもよいことを理解されたい。例えば、テーパ４１３は、接地面４２０に対して長手方向に平行に配置された楕円形などの楕円形の輪郭を辿り、分極の純度上昇のように長さパラメータＬの向上を提供する。さらに、開口テーパの形状は、本発明の実施形態により、広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ指向性を支配するように選択することができる。例えば、図示の実施形態は円形の実施形態である結果、図４Ｂで示した接地面の表面に対して約４５°のベクトルに沿って波面が伝播する。（例えば図４Ｂの輪郭の接地面４２０に対して長手方向に平行に配置された楕円を使用して）導体ストリップ４１０の輪郭がさらに扁平になるテーパ特徴を選択すると、波面が、図４Ｂで示した接地面の表面に対して４５°未満のベクトルに沿って伝播する（ベクトルがさらにＸ軸寄りになる）。あるいは、（例えば、図４Ｂの輪郭の接地面４２０に対して長手方向に直交して配置した楕円を使用して）導体ストリップ４１０の輪郭がさらに直立することになるテーパ特徴を選択すると、波面が、図４Ｂで示した接地面の表面に対して４５°を超えるベクトルに沿って伝播する（ベクトルがさらにＺ軸寄りになる）。
【００２８】
広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ４００の開口サイズは、本発明の実施形態による動作帯域の低い方の共振周波数に比例するが、前述した誘電パラメータなどの広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ４００の特定のパラメータを選択するか、短絡ピンを使用すると、開口を１／４波長より非常に小さくするのを促進する（つまり、Ａ＜λ０／４で、ここでλ０は最低共振周波数の自由空間波長である）。例えば、図４Ａから図４Ｄで示すように、約０．１４λ０の開口（図４ＢのＡ）および約０．１９λ０の長さ（図４ＢのＬ）を有する寸法（Ｄ）の比率でサイズを決定したプロトタイプの広帯域テーパ状ストリップ・アンテナを、最低共振周波数λ０で満足できる動作を提供するように試験した。
【００２９】
図示の実施形態のテーパ４１１および４１２はほぼ、テーパ４１３によって湾曲した導体ストリップ４１０の面の縁部に沿って切り取った円の半径の一部である。テーパ４１１および４１２の曲率は、典型的な送信線のインピーダンスに整合し、動作帯域を通して比較的良好なインピーダンスの整合を提供するために、フィード機構４０１にて５０Ωなどの所望のインピーダンスを呈するように選択されることが好ましい。特に、テーパ４１１および４１２は、周波数から比較的独立したインピーダンスを生成するように選択することが好ましい。したがって、テーパ４１１および４１２は、導体ストリップ４１０の幅を比較的狭くし、テーパ４１３が開口の曲線を完成する時、またはその前に所望の全幅に到達することが好ましい。
【００３０】
図６を注目すると、上述したプロトタイプの広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ形状で測定した入力反射減衰量のグラフが図示されている。グラフから容易に理解できるように、プロトタイプのアンテナは超広帯域の動作を提供し、約１．７ＧＨｚから約１４ＧＨｚの動作帯域を有する。さらに、約１ＧＨｚで追加の共振が生成される。したがって、プロトタイプの広帯域テーパ状ストリップ・アンテナは、ＧＳＭなどの９００ＭＨｚで動作するセルラ・サービス、さらに１．７ＧＨｚより上で動作可能な無線システムでの使用に適切である。言い換えると、本発明の実施形態の広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ形状は、同じ最低動作帯域で動作可能な標準的モノポール子のそれの約半分のサイズで、約１４：１の全体的帯域幅を提供する。
【００３１】
本発明の実施形態により提供される超広帯域の動作により、本明細書で述べるような広帯域テーパ状ストリップ・アンテナは、例えば９００ＭＨｚ、１．８ＧＨｚ、１．９ＧＨｚ、２．４ＧＨｚおよび５ＧＨｚで動作可能なシステムのような、ほぼ任意または全ての現代的な無線通信システムに関して使用することができる。同様に、本発明の広帯域テーパ状ストリップ・アンテナは、ＵＷＢディジタルと無線の通信に関して使用することができる。
【００３２】
図７Ａから図７Ｃは、プロトタイプのアンテナの動作帯域内にある特定の周波数で測定した放射線パターンを示す。特に、図７Ａは、９００ＭＨｚでのプロトタイプの広帯域テーパ状ストリップ・アンテナの遠距離放射線パターンを示し、図７Ｂは、２．４５ＧＨｚでのプロトタイプの広帯域テーパ状ストリップ・アンテナの遠距離放射線パターンを示し、図７Ｃは、５．２ＧＨｚでのプロトタイプの広帯域テーパ状ストリップ・アンテナの遠距離放射線パターンを示す。図７Ａの放射線パターンは、９００ＭＨｚでの短絡ループ・モードに伴うほぼ全方向の放射線パターンを示す。図７Ｂおよび図７Ｃのそれぞれ２．４５ＧＨｚおよび５．２ＧＨｚの放射線パターンは、約４５°から５０°でＸＺ面に向かう放射線パターンを示す。
【００３３】
上記で検討したように、図４Ａから図４Ｄで示した実施形態の広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ形状は、２つの異なる放射線モードを含む。一方は連続波放射線であり、他方は短絡ループ・モード放射線である。これも上記で検討したように、短絡ループ・モードは、他の面では実際的なものより低い周波数で共振する広帯域テーパ状ストリップ・アンテナを提供するのに有利である。したがって、短絡板４１４が図示の実施形態に含まれる。しかし、本発明により使用される短絡ピンは、図４Ａから図４Ｄの実施形態で示したものとは異なる形状を備えてよいことを理解されたい。例えば、本発明の短絡ピンは、生成された追加の共振を最適化するような構成にすることができる。
【００３４】
短絡ピン形状の様々な形状が図８Ａおよび図８Ｂに図示され、図４Ｄの背面図に対応する広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ４００の背面図を提供する。図８Ａの実施形態では、短絡板４１４が短絡ストリップ８４１および８４２で置換されている。短絡ストリップ８４１および８４２は、短絡板４１４とほぼ同じ動作を提供するが、ただし誘導特徴を誘発し、共振周波数を多少低下させることは提供しないことを理解されたい。しかし、図８Ａの広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ形状は、図４Ａから図４Ｄのそれより材料の使用量が少ない実施形態を提供し、それによってより軽量で、恐らくより低価格の形状を提供する。図８Ｂの実施形態では、短絡板４１４が短絡ストリップ８４３および８４４に置換されている。短絡ストリップ８４３および８４４は、自身内に「蛇行」を含み、それによって短絡ループ・モードの電流路の長さを延長し、低い方の帯域の共振周波数を減少させることを理解されたい。
【００３５】
本発明の実施形態は、例えば比較的低い周波数帯域の動作が望ましくない場合など、短絡ピンまたは板を省略することができる。追加的または代替的に、本発明の実施形態は、例えば適切なＰＩＮダイオードに制御バイアスを提供することによって短絡ピンを選択するために、ＰＩＮダイオードを自身内に挿入することなどによって、１つまたは複数の選択可能な短絡ピンを提供する。
【００３６】
本発明の広帯域テーパ状ストリップ・アンテナの実施形態は、短絡ループ・モードに関して上記で検討したものに対する追加的または代替的な改造を含んでよい。例えば、導体ストリップ４１０の面を改造して、超広帯域の性能の代わりに多帯域アンテナを生成することができる。図９を注目すると、これは図４Ｃの前面図に対応する広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ４００の前面図を提供し、多帯域動作を提供するために導体ストリップ４１０の面にスロット９１０を含む実施形態が図示されている。スロット９１０は、他の方法では広帯域テーパ状ストリップ・アンテナ４００が反応する周波数帯域の部分を遮断し、それによってより上および下の動作帯域を提供するサイズおよび形状にすることが好ましい。特に、信号フィード機構４０１に対するスロット９１０の位置によって、より高い周波数共振が決定され、スロット９１０によって遮断された帯域（スロット９１０のサイズに比例）およびアンテナの最低共振周波数によって、より低い周波数共振が決定される。
【００３７】
好ましい実施形態を信号の放射に関して述べてきたが、本発明の広帯域テーパ状ストリップ・アンテナは、送信器、受信器および／または送受信器に関しても有用であることを理解されたい。したがって、本明細書で信号の送信または放射に対する言及は、逆のことも含むものとする。
【００３８】
本発明およびその利点を詳細に述べてきたが、添付請求の範囲で定義される通りの本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その様々な変更、置換および変形が可能であることを理解されたい。さらに、本発明の適用の範囲は、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、物質組成、手段、方法およびステップの特定の実施形態に制限されないものとする。本発明の開示から当業者には容易に理解されるように、現在存在するか、後に開発され、本明細書で述べた対応する実施形態とほぼ同じ機能を実行するか、ほぼ同じ結果を達成するプロセス、機械、製造、物質組成、手段、方法、またはステップも、本発明により使用することができる。したがって、添付請求の範囲は、このようなプロセス、機械、製造、物質組成、手段、方法またはステップをその範囲内に含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１Ａから図１Ｃは、先行技術のビバルディ・アンテナ形状を示す図である。
【図２】先行技術の平面円形モノポールアンテナ形状を示す図である。
【図３】先行技術の広帯域平行板アンテナ形状を示す図である。
【図４】図４Ａから図４Ｄは、本発明の実施形態による広帯域テーパ状ストリップ・アンテナの様々な図を示す図である。
【図５】図５Ａおよび図５Ｂは、図４Ａから図４Ｄの広帯域テーパ状ストリップ・アンテナの等角図である。
【図６】本発明の広帯域テーパ状ストリップ・アンテナの実施形態の測定した入力反射減衰量のグラフである。
【図７】図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは、本発明の広帯域テーパ状ストリップ・アンテナの実施形態の様々な周波数の放射線パターンを示す図である。
【図８】図８Ａおよび図８Ｂは、本発明の広帯域テーパ状ストリップ・アンテナの実施形態に有用な短絡ピンの代替実施形態を示す図である。
【図９】本発明の広帯域テーパ状ストリップ・アンテナの実施形態に有用な導電性ストリップの代替実施形態を示す図である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成17年8月30日(2005.8.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナ素子であって、
テーパ状になり、それによって開口テーパを画定する面を有する導体ストリップと、
前記面の少なくとも一部に平行に配置された接地面とを備え、信号フィード・ギャップが、前記面の前記少なくとも一部で前記導体ストリップと前記接地面との間に残るアンテナ素子。
【請求項２】
前記開口テーパを、所望の動作周波数帯域を提供するようなサイズおよび形状にし、前記所望の動作周波数帯域が広帯域周波数帯域である、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項３】
前記所望の動作帯域が、約１．７ＧＨｚから約１４ＧＨｚの周波数範囲を備える、請求項２に記載のアンテナ素子。
【請求項４】
前記アンテナ素子から放射された信号に関する波面伝播ベクトル角度が、前記接地面の表面から約４５°である、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項５】
前記導体ストリップがさらに、テーパ状の前記面の少なくとも１つの縁部を有し、それによってインピーダンス・テーパを画定する、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項６】
前記インピーダンス・テーパを、所望の動作周波数帯域にわたってほぼ一定のインピーダンスを提供するようなサイズおよび形状にする、請求項５に記載のアンテナ素子。
【請求項７】
前記インピーダンス・テーパが前記導体ストリップの幅を減少させ、前記面の前記少なくとも一部で最小の大きさにする、請求項５に記載のアンテナ素子。
【請求項８】
さらに、前記接地面を、前記面の前記少なくとも一部に対して遠位側にある前記導体ストリップの端部に電気的に結合する短絡ピンを備える、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項９】
前記短絡ピンが、所望の動作帯域の低い方の周波数に対して周波数終了を提供する、請求項８に記載のアンテナ素子。
【請求項１０】
前記短絡ピンが、前記アンテナ素子に対して短絡ループ動作モードを提供し、前記短絡ループ動作モードが、前記アンテナ素子の所望の動作帯域の最低共振周波数より低い共振周波数を提供する、請求項８に記載のアンテナ素子。
【請求項１１】
前記短絡ピンが信号遅延機構を備える、請求項８に記載のアンテナ素子。
【請求項１２】
さらに、前記短絡ピンを選択的に実装するように動作可能である短絡ピン選択回路を備える、請求項８に記載のアンテナ素子。
【請求項１３】
さらに、前記信号フィード・ギャップに配置された誘電材料を備える、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項１４】
前記開口テーパに関連する開口Ａが、所望の動作帯域の最低周波数の１／４波長より小さく、したがってＡ＜λ０／４であり、ここでλ０は所望の動作帯域の最低共振周波数の自由空間波長である、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項１５】
前記信号フィード・ギャップに関連する長さＬが、所望の動作帯域の最低周波数の１／４波長より小さく、したがってＷ＜λ０／４であり、ここでλ０は所望の動作帯域の最低共振周波数の自由空間波長である、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項１６】
アンテナ素子であって、
テーパ状になった面を有し、それによって開口テーパを画定する導体ストリップを備え、前記開口テーパを、所望の動作周波数帯域を提供するようなサイズおよび形状にし、前記導体ストリップがさらに、前記テーパ状の面の少なくとも１つの縁部を有し、それによってインピーダンス・テーパを画定し、前記インピーダンス・テーパを、所望の動作周波数帯域にわたってほぼ一定のインピーダンスを提供するようなサイズおよび形状にするアンテナ素子。
【請求項１７】
前記開口テーパに関連する開口Ａが、所望の動作帯域の最低周波数の１／４波長より小さく、したがってＡ＜λ０／４であり、ここでλ０は所望の動作帯域の最低共振周波数の自由空間波長である、請求項１６に記載のアンテナ素子。
【請求項１８】
さらに、前記導体ストリップの前記面の少なくとも一部に平行に配置された接地面を備え、信号フィード・ギャップが、前記面の前記少なくとも一部で前記導体ストリップと前記接地面との間に残り、前記信号フィード・ギャップに関する長さＬが、前記所望の動作帯域の最低周波数の１／４波長より短く、したがってＷ＜λ０／４であり、ここでλ０は所望の動作帯域の最低共振周波数の自由空間波長である、請求項１６に記載のアンテナ素子。
【請求項１９】
さらに、前記接地面を、前記面の前記少なくとも一部に対して遠位側にある前記導体ストリップの端部に電気的に結合する短絡ピンを備える、請求項１８に記載のアンテナ素子。
【請求項２０】
広帯域アンテナを提供する方法であって、
開口テーパを画定するために導体ストリップの面をテーパ状にすることと、
前記導体ストリップを接地面に並列に配置することとを含み、前記導体ストリップの前記テーパ面の少なくとも一部が前記接地面に平行であり、信号フィード・ギャップが、前記テーパ面の前記少なくとも一部と前記接地面との間に残る方法。
【請求項２１】
さらに、所望の動作周波数帯域を提供するように前記開口テーパのサイズを決定することを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
さらに、インピーダンス・テーパを画定するために、前記導体ストリップの前記テーパ面の少なくとも１つの縁部をテーパ状にすることと、所望の動作周波数帯域にわたってほぼ一定のインピーダンスを提供するように前記インピーダンス・テーパのサイズを決定することとを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記テーパ面の前記少なくとも１つの縁部のテーパ化が、
前記導体ストリップの前記テーパ面の少なくとも２つの対向する縁部をテーパ状にすることを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
さらに、短絡ピンを使用して、前記接地面を、前記面の前記少なくとも一部の遠位側にある前記導体ストリップの端部に電気的に接続することを含む、請求項２０に記載の方法。
【国際調査報告】
2006519547.tif 000012
2006519547.tif 000013