(57)【要約】【課題】コンパクトで広帯域のアンテナ素子のインピーダンスバンド幅を大幅に改善するアンテナ装置を提供すること。【解決手段】５０Ωのポートに対し、放射抵抗をブロードバンドマッチングするよう、デュアルのダブル同調インピーダンスマッチングネットワークを使用する積重ねディスクローディングアンテナ（８０）である。２つのアンテナ素子（３１、６４）を積重ね構造で使用する結果、双方のアンテナ素子のバンド幅のレンジを効果的に組み合わせたアンテナが得られ、アンテナ構造への重量を増す外部同調が不要となっている。このスタックアンテナシステムは、ＨＦバンド及びＵＨＦバンドで運用される通信システム内で使用できる。【選択図】図６
2012529830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接地平面と、同軸給電部と、第１アンテナ素子とを備えるアンテナ装置であって、前記第１アンテナ素子は、頂部負荷構造体と、少なくとも一部が前記接地平面から所定の距離に位置する細長いＴＥＭ伝送線路と、前記同軸給電部から延び、前記ＴＥＭ伝送線路に電気的に接続された導電性コアとを含むアンテナ装置。
【請求項２】
前記ＴＥＭ伝送線路は、同軸ケーブルを含む、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記ＴＥＭ伝送線路は、平衡伝送線路を含む、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記ＴＥＭ伝送線路の少なくとも端部部分は、ジグザグ状となっている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記ＴＥＭ伝送線路は、抵抗型負荷を介して前記接地平面に接続されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記頂部負荷構造体は、プレートである、請求項１〜５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記頂部負荷プレートは、複数の別々の部分に更に分割されている、請求項６に記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記アンテナ装置は、前記第１アンテナ素子に対して積重ね関係に配置された第２アンテナ素子を更に含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記第２アンテナ素子は、超広帯域のレスポンスが可能である、請求項８に記載のアンテナ装置。
【請求項１０】
前記第２アンテナ素子は、第１誘電材料により、前記ＴＥＭ伝送線路から絶縁された円筒形導電性ケースと、
前記円筒形導電性ケース内に含まれる第２誘電材料とを備え、
前記導電性コアは、前記ＴＥＭ伝送線路を越え、前記第１誘電材料を通過し、前記第２誘電材料まで延びており、前記円筒形導電性ケースに電気的に接続されており、前記導電性コアから電気的に絶縁されている頂部負荷構造体とを更に備え、
前記第２アンテナ素子は、短絡された同軸セクションとして構成されている、請求項９に記載のアンテナ装置。
【請求項１１】
誘電材料に覆われている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項１２】
前記アンテナ装置は、このアンテナ装置に対して放射状に配置された複数のフィンを更に含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項１３】
前記フィンは、高インピーダンス表面を含む、請求項１２に記載のアンテナ装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の複数のアンテナ装置を含むアンテナアレイ。
【請求項１５】
前記複数のアンテナ装置は、複数の高さのアンテナ素子を含む、請求項１４に記載のアンテナアレイ。
【請求項１６】
前記アンテナ装置は、直線状の配置に配列されている、請求項１４又は１５に記載のアンテナアレイ。
【請求項１７】
前記アンテナ装置は、リング形状の配置に配列されている、請求項１４又は１５に記載のアンテナアレイ。
【請求項１８】
前記複数のアンテナ装置は、電磁バンドギャップ表面を提供するように二次元の散乱アレイ表面内でアースされている、請求項１４又は１５に記載のアンテナアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置に関し、詳細には、コンパクトなアンテナに関し、より詳細には、広帯域用に使用するのに適したコンパクトなアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンパクトであるが、広いバンド幅又は多数の周波数で作動できる効率的なアンテナを開発することに大きな関心がある。特に次のような電気的かつ物理的特性を有するアンテナが求められている。すなわちコンパクトで、軽量で、頑丈で、低コストで、広帯域の周波数レスポンスの特性を有するアンテナが求められている。
【０００３】
超広帯域（ウルトラワイドバンド）のレスポンスを提供するために、更に周波数レスポンスを拡張する能力が特に望ましい。
【０００４】
超広帯域（ultra-wideband：ＵＷＢ）とは、周波数の極めて広いレンジにわたって大量のデータをユーザーが送信できるようにする無線ラジオ技術である。超広帯域システムには、多くの分野、例えば高速で短距離の無線通信；レーダー及び地球測位システム；撮像；及び医療システムに用途がある。
【０００５】
少なくとも２０ＭＨｚ〜６ＧＨｚの周波数レンジをカバーするバンド幅は、より高い周波数の無線ローカルエリアネットワーク（Wireless Local Area Network：ＷＬＡＮ）及び将来の３Ｇ／４Ｇ（３〜５ＧＨｚ）のスペクトラムまで運用を拡張しながら、従来のＨＦ及びＵＨＦバンドのカバーも可能にする。しかしながら、妥当な放射効率であって、広帯域にわたって作動する電気的に小型のアンテナを実現することには課題があり、特性の異なる組み合わせを最適にしなければならない種々の解決方法がこれまで提案されている。多数の異なるアンテナをひとまとめにすることにより、例えばワイヤーアンテナ、ディスクコーンアンテナ及びボウタイ（蝶ネクタイ）アンテナを組み合わせることによってワイドなバンド幅を達成できるが、これにはコストがかかり、かつ嵩張る給電ネットワークが必要となる。これとは異なり、接地平面より高い、異なる高さのいくつかのモノポールアンテナも使用されているが、この解決案は瞬間的な能力を提供できず、かわりにこのモノポールアンテナは、データを送受信するときにはステップ状の時間シーケンスで作動する。
【０００６】
検出及び測定システムのような特定の用途では、低反射減衰量及び全方向放射パターンのような別の条件が必要となる。これら用途では、特にモノポールアンテナ及びダイポールアンテナに焦点を合わせなければならず、本発明はモノポールアンテナの開発にある。
【０００７】
従来のモノポールアンテナの性能は、「頂部負荷（top-loading）」によって改善できることが知られている。この用語は、アンテナ素子の自由端に容量を追加することを意味し、通常、ディスク又は「トップハット（tophat）」を追加することによって達成される。追加される容量の効果は、垂直電流モーメントを増し、よってアンテナの放射効率を増し、給電点の電圧を低下させる給電点のリアクタンスを減少させ、かつバンド幅能力を増加させるような結果を生じさせるＱファクターを低下させることである。広帯域用にかなり使用されてきたそのような頂部負荷アンテナは、ゴウボー（Goubau）アンテナ（米国特許第3,967,276号）である。このゴウボーアンテナは、オクターブに近いバンド幅を呈する２本の励振素子及び２本の非励振素子を有する低プロフィール（≒０.１５λ）の頂部負荷多素子モノポールアンテナである。ゴウボーアンテナは、モノポールキャップ又はテーブルトップを複数のセクションに分割することにより、アンテナの回路トポロジー内により大きい容量及び直列誘導ループを導入し、この結果、ダブル同調された「共振タンク（resonate tank）」回路を形成している。このようにすることにより、ゴウボーアンテナはアンテナの放射抵抗を維持又は強化しながら、アンテナの物理的高さを低くできる。このゴウボーアンテナは、単一給電又は平衡給電を使用し、２：１のバンド幅（４５０ＭＨｚ〜８５０ＭＨｚ）にわたってＶＳＷＲ≦１.５：１の性能を提供している。フォルツ（Foltz）（フォールデッドディスクローディングモノポール（Folded, Disk-Loaded Monopoles）のための閉形集中素子モデル（Closed-Form Lumped Element Models）ＩＥＥＥ２０２）は、広帯域のロンビック給電（rhombic feed）を使用することにより、ゴウボーアンテナに対してインピーダンスのバンド幅を広くした。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、コンパクトで広帯域のアンテナ素子のインピーダンスバンド幅を大幅に改善するアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
したがって、本発明は、接地平面と、同軸給電部と、第１アンテナ素子とを備えるアンテナ装置であって、前記第１アンテナ素子は、頂部負荷構造体と、少なくとも一部が前記接地平面から所定の距離に位置する細長いＴＥＭ伝送線路と、前記同軸給電部から延び、前記ＴＥＭ伝送線路に電気的に接続された導電性コアとを含むアンテナ装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１０】
伝送線路の一部が接地平面から所定の距離にあるＴＥＭ伝送線路接続部に対して同軸を採用すると、マッチングバンド幅を広くすることができる。その理由は、この接続部は、本来的には広帯域から広帯域への接続部であり、インピーダンスマッチングを助けるのに距離を調節できるからである。「同軸」なる用語は、無線周波数伝送線路として効率的に機能するような精密な導線の寸法及び間隔を有するように製造された、シールドされた電気ケーブルを意味するのに使用している。この同軸は、ＴＥＭ波を伝搬させることができ、基本的には１８ＧＨｚまでのＲＦバンド幅をこのケーブルに沿って伝搬することが可能である。ＴＥＭ伝送線路は、同軸、平衡伝送線路、又は例えば当技術分野で知られているＴＥＭ又は準ＴＥＭ伝搬デバイスのような他のラインを含むようになっている。相対的な寸法は、急激に変化することによって大きな反射が生じ、送信パワーの質が低下する。この理由から、好ましい実施形態では、同軸と同軸との電気接続部を使用している。
【００１１】
長さを維持しながらＴＥＭ伝送線路が占める面積を縮小するために、アンテナが占める物理的面積を広くすることなく、種々の手段、例えばジグザグ状又はスパイラル状にすることによって少なくとも伝送線路の端部部分を延長できる。伝送線路の端部又は当業者が選択する別のポイントを抵抗性負荷に接続できる。この抵抗性負荷は、同軸ライン及び接地平面を横断するように接続される。同軸給電とのインピーダンスマッチングを可能にするために、抵抗デバイスの値を変えることができる。
【００１２】
アンテナ素子を頂部負荷すると、物理的構造の高さを低くできるようにアンテナの容量効果が増大する。この頂部負荷構造は、形状及び構造を変えることができ、金属性材料から製造できる。好ましい実施形態は、大きい「トップハット」のディスク構造を使用する。このディスクは、各セクション間にスペースを有するゴウボー頂部負荷アンテナと同じように、多数の別々のセクションに更に分割することも可能であり、よってアンテナ装置の容量を更に改善し、よってアンテナの物理的高さを更に下げることができる。
【００１３】
第１のアンテナ素子に対し、積重ね関係に配置された第２のアンテナ素子を導入すると、双方のアンテナ素子の組み合わされた利点が提供される。この第２のアンテナ素子は、第１アンテナ装置の内部又は外部に積み重ねることができる。積重ね構造内で双方のアンテナ素子を使用する結果、双方のアンテナ素子のバンド幅レンジを効果的に組み合わせたアンテナが得られ、更にアンテナ構造にかかる重量を増加させてしまうような外部同調が不要となる。第２アンテナ素子は、同軸給電部から、その接続部を超え、ＴＥＭ伝送線路までの導電性コアの延長部を含むことができる。しかしながら、第２アンテナ素子として、ＵＷＢアンテナ素子を使用することにより、ＵＷＢマッチングした周波数レスポンスを提供できる。この実施形態では、自己の頂部負荷構造の高周波スペクトラムを効率的に励振させるのに、第２アンテナ素子を使用しながら低周波ラジエータ（頂部負荷構造）を効率的に励振するのに伝送線路を使用している。このようにアンテナを励振すると、３.５：１（約５ｄＢ）のインピーダンスマッチＶＳＷＲにて、７０倍、例えば７０:１（１００ＭＨｚから７ＧＨｚ）のバンド幅を達成できる。適当な第２アンテナの一例では、開口接続されたアンテナ素子のコアとして、同軸給電部からＴＥＭ伝送線路（同軸）を通って延びる導電性コアを使用する。導電性コアを囲む円筒形導電性ケース及び短絡同軸セクションとして構成されている導電性コアを囲む頂部負荷ディスクを使用して、第２アンテナ素子の容量性能を増大させることができる。更に円筒形導電性ケースと第１アンテナ素子との間に配置された第１誘電材料、更に円筒形導電性ケース内に配置された第２誘電材料を使用することによって、容量効果が更に増大し、第１アンテナ素子のＱファクターが改善され、その結果、バンド幅能力が高まる。
【００１４】
最も簡単な形態のアンテナ構造では、使用する第１及び第２誘電材料を空気にすることができる。ある材料の誘電率は、その透磁率によって決まる。どの材料を選択するかは、容量効果をより大きくするのか、より小さくするのかということに関連している。第２誘電材料の透磁率は、第２アンテナ素子の性能を高め、よってアンテナ装置の性能を高める。第２アンテナ素子の特定の実施形態は、第１誘電材料として空気を使用し、第２誘電材料としてポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene：ＰＴＦＥ）を使用している。当業者であれば、誘電材料の他の組み合わせも使用できることが理解できよう。
【００１５】
円筒形導電性ケースとＴＥＭ伝送線路との間にギャップを確保し、更に第１誘電材料として空気を使用することにより、第２アンテナ素子の容量効果を高め、よってバンド幅の能力を高めることが可能となる。さらに、頂部負荷構造体と導電性コアの端部との間のギャップ、更に円筒形導電性ケースとＴＥＭ伝送線路との間のギャップも調節することにより、第２アンテナ素子を微同調することが可能となり、理想的なインピーダンスマッチングバンド幅を得ることを保証できる。第２アンテナ素子は、係続中の英国特許出願第GB       に、より完全に記載されているので、この英国特許出願の内容を参考例（代理人の内部レファレンス番号はＰ１５２０である）として援用する。
【００１６】
さらに、アンテナ装置を誘電材料内に入れると、Ｑファクターを更に低下させることができ、よってバンド幅の利得が得られる。また、固体誘電体を使用すると、構造体を支持でき、頑丈さを高めることができる。
【００１７】
アンテナ装置は、更に空間偏波フィルタとして働く複数の放射フィンを含むことができる。これらフィンは、高インピーダンス表面として働くよう、高速又は低速表面波構造体を含んでもよい。これらフィンを使用することによって、アンテナを固体の誘電材料に入れる必要性が少なくなる。更にこれらフィンは、空間偏波フィルタとして働き、信号のアイソレーション及び指向性を助ける。アレイ、特に、かかるアンテナ装置のリング形状のアレイを設けることにより、方向を探索する能力を提供できる。
【００１８】
あらかじめ選択された異なる高さの複数のアンテナ装置を設けることにより、アンテナ設計者は、ステップ状シーケンスに作動した場合のバンド幅能力を増大できる。
【００１９】
複数のアンテナ装置を金属基板上にアースすることにより、広帯域の電磁バンドギャップ（ＥＢＧ）表面を組み立てることができる。この用途では、アンテナ装置は、適当なサブ波長λ／１０〜λ／２０の寸法にスケーリングされ、二次元散乱表面に配置され、入射電磁界を散乱させる。かかる電磁バンドギャップ表面は、既知のＥＢＧ表面と比較して、強化されたバンド幅を示す。更に、三次元ラティスを形成するよう、多数の二次元表面を積み重ねてもよく、各表面は、電磁バンドギャップが同一とならないように、かつ重なるように配置されるので、ＥＢＧの作動周波数レンジを拡張できる。
【００２０】
以下、添付図面を参照し、例として本発明について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１ａは、不平衡給電励振をするゴウボーアンテナの図１を示し、図１ｂは、平衡給電励振の変形例を示す。
【図２】図１Ｂに示されたゴウボーアンテナにおける発表された反射減衰量バンド幅レスポンス又はＶＳＷＲを示す。
【図３】本発明に係わるアンテナ装置の横断面図を示す。
【図４】本発明に係わるアンテナ装置の横断面図を示す。
【図５】本発明に係わるアンテナ装置の好ましい実施形態の横断面図を示す。
【図６】第１アンテナ素子に対して平衡ストリップ線路を使用する、本発明に係わるアンテナ装置の横断面図を示す。
【図７】図５のアンテナ装置の好ましい実施形態の測定された反射減衰量及び（ＨＦＳＳｖ１０を使用して）シミュレートされた反射減衰量を示す。
【図８ａ】０.２５ＧＨｚでのシミュレートされたＥθ放射パターンを示す。
【図８ｂ】０.５ＧＨｚでのミュレートされたＥθ放射パターンを示す。
【図８ｃ】１.０ＧＨｚでのシミュレートされたＥθ放射パターンを示す。
【図８ｄ】２.０ＧＨｚでのシミュレートされたＥθ放射パターンを示す。
【図８ｅ】３.０ＧＨｚでのシミュレートされたＥθ放射パターンを示す。
【図８ｆ】４．０ＧＨｚでのシミュレートされたＥθ放射パターンを示す。
【図８ｇ】５．０ＧＨｚでのシミュレートされたＥθ放射パターンを示す。
【図８ｈ】６.０ＧＨｚでのシミュレートされたＥθ放射パターンを示す。
【図９】図５のアンテナ装置の好ましい実施形態のシミュレートされたアンテナ利得を示す。
【図１０ａ】図５のアンテナ装置の好ましい実施形態の物理的表示を示す。
【図１０ｂ】図５のアンテナ装置の好ましい実施形態の回路表示を示す。
【図１１】図５のアンテナ装置の好ましい実施形態の測定された反射減衰量と回路モデルレスポンスとの比較を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１ａは、不平衡の給電励振クロス部を有するゴウボーアンテナの図を示し、図１ｂは、平衡給電励振変形例を示す。頂部負荷ディスクを複数のセクションに分割することによって、ゴウボーアンテナは、アンテナ回路トポロジーにより大きい容量及び直列誘導ループを導入し、その結果、ダブル同調「共振タンク」回路を形成している。このようにすることにより、ゴウボーアンテナは、アンテナの放射抵抗を維持又は強化しながらアンテナの物理的高さを縮小できる。図２は、２：１のバンド幅（４５０ＭＨｚ〜８５０ＭＨｚ）にわたり、ある反射減衰量バンド幅レスポンス、すなわちＶＳＷＲ≦１.５：１を有するゴウボーアンテナの性能を示している。
【００２３】
図３は、本発明に係わるアンテナ装置２０の横断略図を示す。この装置では、同軸給電部２１は、外側ケース２２と内側ワイヤー２３とを含む。外側ケース２２は、接地平面２４に接続されており、外側ケース２６と内側ワイヤー２７とを含む第２同軸２５が設けられている。内側ワイヤー２３は、第２同軸２５の内側ワイヤー２７に電気的に接続（２９及び３０）されている。２つの同軸外側ケース２２と２６とは電気的に接続（２８）されている。接地平面２４の上方にギャップＧ１が生じるように、外側ケース２６が位置している。内側ワイヤー２７には頂部負荷プレート３１が電気的に接続（３２及び３３）されている。接地平面２６には、第２同軸２５が電気的に接続されており、電気的な接続３４及び３５は、抵抗性負荷を介して行うことができる。
【００２４】
図４は、本発明に係わるアンテナ装置４０の横断面略図を示す。この装置では、給電同軸２１は、外側ケース２２と内側ワイヤー２３とを含む。接地平面２４には外側ケース２２が接続されており、外側ケース２６と内側ワイヤー２７とを含む第２同軸２５が設けられている。内側ワイヤー２３は、第２同軸２５の内側ワイヤー２７に電気的に接続（２９及び３０）されており、２つの同軸外側ケース２２と２６とは電気的に接続（２８）されている。接地平面２４よりも上方にギャップＧ１が生じるように、外側ケース２６が位置している。外側ケース２６には、頂部負荷プレート３１が電気的に接続（３２）されており、更に内側ワイヤー２７にも電気的に接続（３４及び３５）されている。第２同軸２５の端部は、ジグザグ状となっており、接地平面２４に電気的に接続（３３及び３３ａ）されている。
【００２５】
図５は、本発明に係わるアンテナ装置６０の好ましい実施形態の横断面略図を示す。この実施形態は、図４に示された実施形態の発展例である。図４の主要部、すなわち内側ワイヤー２３、接地平面２４、頂部負荷プレート３１及び第２同軸２５が示されている。更に内側ワイヤー２３は、接地平面２４よりも上方に延び、外側ケース２６を貫通している。内側ワイヤー２３は、円筒形導電性ケース６１内に同心状に配置された導電性コア２３ａとして働く。この円筒形導電性ケース６１は、短絡された同軸状セクションとして構成されており、頂部負荷ディスク６４に電気的に接続（６２及び６３）されている。誘電材料６５が、円筒形導電性ケース６１の内側容積部内に配置される。この実施形態では、誘電材料６５は、ＰＴＦＥである。頂部負荷ディスク６４と導電性コア２３ａの端部との間には、ギャップＧ２が設けられており、円筒形導電性ケース６１と第２同軸２５との間にはギャップＧ３が設けられており、円筒形導電性ケース６１と第２同軸２５との間には誘電材料６６が設けられている。この実施形態では、誘電材料６６は空気である。
【００２６】
図６は、平衡ストリップ線路８１を使用した図５の変形例である実施形態８０の横断面略図を示す。この実施形態を組み立て、測定した。図５の共通主要部、すなわち内側ワイヤー２３、接地平面２４、頂部負荷プレート３１及び頂部負荷ディスク６４が示されている。平衡ストリップ線路８１は、ＰＣＢの内側ケーシング８２と、銅の外側ケース８３とを含む。平衡ストリップ線路８１は、内側ワイヤー２３に電気的に接続（２９及び３０）されており、接地平面２４及び頂部負荷プレート３１にも電気的に接続されている。実験測定をするために、アンテナ装置に対して次のような諸元を使用した。頂部負荷プレート３１（低周波数）は、接地平面から６.６ｃｍ上方の高さにあり、１９ｃｍのディスク直径を有する。この頂部負荷プレート３１は、ＰＣＢのＦＲ４上でエッチングされている（εr＝４.５及びｔａｎδ＝０.０２＠１ＧＨｚ）。上記すべてのアンテナコンポーネントを製造するのにＦＲ４  ＰＣＢボードを使用する。内側ワイヤー２３は、接地平面から５.９ｍｍの高さまで延び、励振器の端部は、短絡同軸セクションとして構成された頂部負荷の円筒形導電性ケース６１によって囲まれたＰＴＦＥ内に延びている。この励振器は、平衡「共通レール」伝送線路８１にも接続されており、伝送線路８１は、頂部負荷プレート３１に接続する２つの垂直ストリップ線路によって支持されると共に、これらストリップ線路に電気的に接続されている。これらストリップ素子は、５.８×６.４ｍｍ幅であり、元のゴウボーデザインにおける折りたたまれていない円筒形素子のプレーナーシートと見なすことができる。「共通レール」伝送線路８１は、接地平面と開口ストリップ線路との間に支持された準ＥＭ波をトランスポートする。このストリップ線路は、ＦＲ４（厚さＴ＝１.５ｍｍ）から構成され、１６.８ｃｍ長さとなっており、その電気的長さが、基本低周波数λ／４の共振を制御している。より強い機械的な支持をするように頂部負荷プレート３１の周りに対称的に、２本の垂直の非励振誘電ポスト又はストリップ（図示せず）も配置されている。より低いカットオフ周波数のレスポンスに対してギャップＧ１が重要である。ギャップが狭すぎれば、電流を絞り、ギャップが広すぎれば、接地平面には極めてわずかな電流しか流れない。
【００２７】
図７は、７ＧＨｚのバンド幅にわたってシミュレートされたインピーダンスバンド幅と測定されたインピーダンスバンド幅とを示す。２.５ＧＨｚ及び４.８ＧＨｚにおける第２アンテナ素子に起因する高周波の２倍共振と共に、０.７７及び１.３７ＧＨｚにおける第１アンテナ素子に起因する低周波の２倍共振が存在する。シミュレートした結果は、１〜６ＧＨｚで測定された結果と適当に一致しており、１ＧＨｚより低い周波数では、シミュレートされた結果は、０.７７ＧＨｚの共振を検出しない測定結果からずれている。給電ネットワークに減衰が加わることは、放射効率をある程度低下させるが、入力インピーダンスが更に改善される。
【００２８】
図８ａ〜ｈは、０.２５〜６.０ＧＨｚからのシミュレートされたアンテナ放射パターンの選択を示す。電界パターンの形状は、予想されるように、低利得のダイポールに類似している。より高い２.５〜６.０ＧＨｚの周波数では、交差偏波レベルは、共通偏波レベルに対して大きさが同じように見える。第２のアンテナ素子は、頂部負荷プレートに対して追加容量性カップリング機構を設けることにより、アンテナ装置において重要な役割を果たすことに留意すべきである。第２アンテナ素子を含ませることにより、第２アンテナ素子が組み込まれていない第１アンテナ素子と比較して共振バンド幅が広がり、放射抵抗が高くなることを数値実験が示した。交差偏波電界がアンテナの性能に対してクリティカルである場合、第１アンテナ素子に対する限界は、パターンのバンド幅であって、マッチングバンド幅ではない。コンパクトな広帯域アンテナの設計の当業者であれば、マッチングネットワークの組み込みの設計上の新規性及びその結果得られるアンテナの性能について理解できよう。
【００２９】
図９は、図５に示されるようなアンテナ装置のシミュレートされた利得を示す。計算された利得は、±１ｄＢだけ変位する可能性があるが、利得対周波数の一般的な傾向は、正しいものと見なされる。約４００ＭＨｚよりも下では、利得は、負であり、周波数の高まりと共に急速に単調に減少する。１ＧＨｚよりも高い周波数では、利得は３〜５ｄＢｉを中心に振れる。ＨＦＳＳを使って放射効率を計算したが、表示された放射効率≧５０％であった。効率の計算は、悪評どおり困難であり、この結果は概略的であるとしか見なすことができない。したがって、放射効率の測定はホイーラーキャップ技術を使って行なった。この測定は、シールドされ、シールされた金属容器内にアンテナを入れて行う。この場合、容器は遠距離電磁界放射を短絡させるが、近距離電磁界を著しく乱すことはない。円形導波管の短絡セクションとして働くように、「金属キャップ（metal cap）」をアルミから製造した。円筒形の直径は５０ｃｍであり、高さは３０ｃｍであった。これにより、次のように示される主モーダルカットオフ周波数ｆcが得られた。
【数１】
2012529830.tif 000003
【００３０】
低カットオフ周波数しか、４５０ＭＨｚより低い周波数での放射効率の検査を可能にしなかった。
【００３１】
下記の式（２）を使ってアンテナ効率ηを計算でき、ここで、ＲFreeSpaceは、アンテナに金属キャップを載せない状態の入力抵抗であり、ＲCapは、アンテナを覆うように金属キャップを載せた状態での入力抵抗である。
【数２】
2012529830.tif 000004
【００３２】
いくつかの周波数にわたって放射効率を評価した。次の表１は４５０ＭＨｚよりも低い周波数での測定された放射効率を計算するための結果の一部を示す。
【表１】
2012529830.tif 000005
表１−図４ｂ内のアンテナ装置の測定された放射効率
【００３３】
計算された放射効率の結果は、±２％の測定誤差で、３０％よりも良好であった。
【００３４】
図１０ａは、図５に示されたアンテナ装置に対する物理的レイアウトを示し、図１０ｂは、図５に示されたアンテナ装置に対する等価的回路図である。２つの分散素子の間にＲＦ信号を分配する単一の同軸接続を使って頂部負荷プレートに給電される。分散素子は、同軸又はストリップ線路とすることができ、第２アンテナ素子にも給電する。マッチングの原則は、低周波のダブル同調レスポンス（第１アンテナ素子の頂部負荷プレート）と、より高い周波数のダブル同調レスポンス（第２アンテナ素子の頂部負荷ディスク）とをオーバーラップすることであった。この原則を用いることにより、何十倍ものインピーダンスのマッチング及び放射パターンバンド幅が得られた。マッチングネットワークとアンテナとは一体化されている。
【００３５】
回路トポロジーに伝送線路及び第１アンテナ素子を加えながら、大きいディスクに対するリアクティブ素子の初期値に達するように、式（３〜８）を使用した。
【数３】
2012529830.tif 000006
【００３６】
ここで、Ｃａは、簡単なディスクローディングモノポールアンテナの内部容量であり、Ｃｅは、次のように示される。
【数４】
2012529830.tif 000007
【００３７】
Ｃｅは、ディスクローディングモノポールアンテナの外部フリンジ電磁界の容量である。
【数５】
2012529830.tif 000008
【００３８】
ここで、Ｒｒは、小型アンテナの軸方向ワイヤー内の放射抵抗である。
【数６】
2012529830.tif 000009
【００３９】
Ｇは、Ｒｒの周波数依存性を考慮した並列コンダクタンス項である。
【数７】
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【００４０】
ここでＲａは、等価的開口部のローディング抵抗である。
【数８】
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【００４１】
ここで、Ｌａは、適当な周波数の変化を示すための抵抗の両端でのコンダクタンス値である。同軸素子は、分散短絡同軸コンポーネントとしてモデル化された。その理由は、その等価周波数の変化により正確に従うからである。
【００４２】
業務用ソフトウェアであるアンソフト（Ansoft（登録商標））のデザイナー（Designer）（アンソフト社から入手可能）を使って回路をシミュレートした。より大きいディスクに対する物理的寸法と共に、内部容量及び外部容量の式を使ってトップハットの「タンク回路（tank circuit）」のＬＣＲ値を計算した。市販のアンソフト社のソフトウェアデザイナーで完全な回路をモデル化した。図１１は、シミュレーションの１つに対する実験測定の結果を示す。ある値を概算しなければならない場合、両者間の一致は良好であると考えられる。
【００４３】
概略
本発明は、５０Ωのポートに対し、放射抵抗をブロードバンドマッチングするのに、デュアルのダブル同調インピーダンスマッチングネットワークを使用する積重ねたディスクアンテナである。このマッチングは、２つの相互接続されたダブル同調ネットワークによって行われ、一方のネットワークは低周波トランスであり、他方のネットワークは、高周波トランスであり、これらトランスは、周波数バンド幅内でオーバーラップするようになっている。低周波ネットワークは、大きい低周波ディスクまでインピーダンス変換する平衡ストリップ線路（又は同調給電ライン）を使用しており、大きいディスクに寄生カップリングするトップディスクの下方に別の、より高い周波数のディスクが積み重ねられている。このように配置した状態で新しいリアクティブマッチングネットワークは、外部同調を必要とせず、１００ＭＨｚ〜７.０ＧＨｚの７０：１のバンド幅カバー範囲にわたって周波数のインピーダンスバンド幅（３.５：１のＶＳＷＲ）を拡張する。アンテナ放射パターンのバンド幅は、２０：１（１００ＭＨｚ〜２.０ＧＨｚ）であり、ダイポール状であり、水平平面において最大値を有し、≦２０ｄＢの交差偏波レベルを有する。この交差偏波レベルがクリティカルでない場合、７０：１のバンド幅を使用できるが、一部のサイドローブ構造が存在する。放射効率の値は、良好であり、送信用途及び受信用途の双方に対して適す。
【００４４】
現在の設計は、最大バンド幅に対して最適にされているが、より狭いバンド幅にわたってもより良好な質のインピーダンスマッチングが可能であることが認められており、このような特徴は、特にスペクトルの低周波数の端部で重要である。
【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８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図８ｅ】
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【図８ｆ】
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【図８ｇ】
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【図８ｈ】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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