JP2011041318A - 周波数に依存しない放射特性を有した広帯域マルチダイポールアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム幅が一定であり、指向性が一定であり、交差分極が小さいアンテナを提供すること。
【解決手段】複数の電気的ダイポール（１）を具備していて電磁波を送受信し得るものとされたアンテナであって、複数のダイポールが、互いに逆向きに延在したダイポールからなる複数のペアとして配置され、各ペアをなす２つのダイポールが、ほぼ同じ振幅およびほぼ同じ位相でもって、放射または受領を行い、複数のダイポールペアの少なくともいくつかが、互いに異なる特性を有し、好ましくは、互いに異なる寸法あるいは互いに異なる配向性を有し、複数のダイポールペアが、各ダイポールペアの幾何学的中心どうしがほぼ一致しているようにして、配置されている。
【選択図】図１４

Description

本発明は、広帯域のマルチダイポールアンテナに関するものであり、特に、入力側反射係数が小さく、かつ、交差分極が小さく、かつ、回転対称なビーム特性を有し、かつ、一定のビーム幅を有し、かつ、複数オクターブというバンド幅にわたって位相中心位置を有しているような、アンテナに関するものである。

反射器アンテナは、多くの応用を有しており、例えば、無線に関連したポイント対ポイントのまたはポイント対マルチポイントのシステムや、レーダーや、電波望遠鏡、といったような応用を有している。現代の反射器アンテナは、多くの場合、様々なタイプの波状ホーンアンテナによって供給されている。そのようなアンテナは、他に供給されているアンテナと比較して、幅広い周波数帯域にわたって小さな交差分極を示しつつ、回転対称な放射パターンを提供し得るという利点を有している。また、寸法を適切に選択すれば、周波数に依存しないようなビーム幅を得ることができる。それでも、バンド幅が、通常、約１オクターブに制限されてしまっている。さらに、波状ホーンアンテナは、製造コストが大きい。特に、低周波数の場合には、物理的なサイズおよび重量が大きくなることにより、製造コストが大きい。

いくつかの反射器アンテナは、大量生産される。特に、例えば衛星テレビの受信という応用や移動通信ネットワーク内のベースステーション間の通信リンクという応用といったように、大きさが小さく、直径で約１メートル以内といったような場合には、大量生産される。電波天文学という分野においてさえ、例えばアレン望遠鏡アレイ（ＡＴＡ）や平方キロメートルアレイ（ＳＫＡ）といったように、電波望遠鏡として、複数の安価な大量生産アンテナから構成されたものが、提案されている。ＡＴＡは、大量生産された大きな反射器アンテナという点において、既に実用化の途中にあり、また、ＳＫＡに関しても、同様の現実的な提案が存在する。バンド幅に関する要求は、複数のオクターブをカバーするＡＴＡとＳＫＡとの双方において、驚くべきことである。いくつかの提案された将来的な移動通信システムおよび無線通信システムにおいても、また、大きなバンド幅を有したアンテナに関する要求が存在する。そのようなシステムは、多くの場合、超ワイドバンド（ＵＷＢ）システムと称され、また、ＵＷＢアンテナを使用した広帯域アンテナ技術と称される。上記の結果として、将来的には、新たなタイプの広帯域アンテナが要望されており、特に、効率的な方法で反射器を供給するために使用し得るような特別のアンテナが要望されている。

米国特許第３，６９６，４３７号明細書 米国特許第６，３６２，７６９号明細書 米国特許第６，３６２，７９６号明細書 米国特許第５，２７４，３９０号明細書

Greg Engargiola 氏による"Non-planar log-periodic antennafeed for integration with a cryogenic microwave amplifier"と題する Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society international symposium, page 140-143, 2002

最近、波状ホーンと比較してずっと広帯域でありかつより軽量でありかつ安価に製造し得るような、反射器のための広帯域給電手法が開発された。それらは、４つの対数周期アンテナをピラミッド形状に配置することにより、得られている。これに関しては、非特許文献１を参照されたい。ビーム幅は一定であり、入力ポートでの反射係数は、複数オクターブというバンド幅にわたって小さなものである。しかしながら、この種の公知の対数周期アンテナにおいては、位相中心が、周波数につれて移動する。これは、ほとんどの周波数において焦点がずれることにより、指向性が低減するという問題点を引き起こす。さらに、公知の対数周期的なピラミッド給電手法は、いささか複雑な機械的手法である。

したがって、本発明の目的は、従来技術において公知のアンテナに関する上記様々な欠点を軽減し得るような、アンテナを提供することである。特に、本発明によるアンテナは、比較的小さなアンテナであり、かつ、単純なアンテナであるとともに、以下の様々な特徴点のうちの少なくとも１つを好ましくはすべてを有している。すなわち、ビーム幅が一定であること、指向性が一定であること、交差分極が小さいこと、クロスポーラーサイドローブが小さいこと、入力側の反射係数が小さいこと、および、いくつかのオクターブという非常に大きな周波数バンドにわたって位相中心位置が一定であること。典型的な数値に関しては、指向性が、８〜１２ｄＢｉであり、クロスポーラーサイドローブが、−１２ｄＢ未満であり、アンテナポートのところにおける反射係数が、−６ｄＢ未満である。同時に、アンテナは、好ましくは、安価に製造されるとともに、軽量なものである。これら目的は、特許請求の範囲によって規定されたような、本発明によるアンテナによって達成される。

アンテナを使用することにより、非常に効率的な方法で、単一反射のまたは２重反射のまたはマルチ反射のアンテナに対して給電を行うことができる。しかしながら、本発明は、この応用に限定されるものではない。本発明は、小さくかつ軽量の広帯域アンテナが必要な場合には常に使用することができる。特に、本発明は、ビーム幅と、指向性と、分極と、位相中心と、あるいはこれら特性の任意の組合せとが、周波数に依存しないべきであるという要求が存在する場合に、使用することができる。

アンテナの所望の放射特性を構築し得る基本的構成要素は、平行ダイポールからなる対であり、好ましくは、波長の０．５倍だけ互いに離間されているとともに、グラウンド平面上において波長の０．１５倍だけ上方に配置されている。このことは、例えば、
Christiansen 氏および Hogbom 氏による ケンブリッジ大学出版局（１９８５年）における電波望遠鏡という文献によって、回転対称な放射パターンをもたらすものとして公知である。そのようなダイポールペアは、また、グラウンド平面内に位相中心を有することが公知である。しかしながら、バンド幅は、単一のダイポールのバンド幅の１０〜２０％に制限されている。

本発明における広帯域的な振舞いは、それらの幾何学的中心を一致させるようにして、様々なサイズのそのようなダイポールペアを複数配置することにより、得られる。これは、最低周波数で動作するダイポールペアが、最も外側に配置されること、および、少しだけ大きな周波数で動作するダイポールペアが、より内側に配置されること、および、最も大きな周波数で動作するダイポールペアが、最も内側に配置されること、を意味する。加えて、同じ幾何学的中心を備えかつ直交して配置された同様の一組をなすダイポールペアを設けることができ、これにより、２重線形分極あるいは円形分極を形成することができる。

本発明は、さらに、１つまたは複数の給電ポイントからダイポールペアに対して適切に給電するに際して有利な解決手法を提供する。これは、本発明に基づいて、特許請求の範囲を参照することによりまた添付図面を参照することにより、様々な方法で行うことができる。また、２つの基本的な給電技術が、以下の２つの段落において記述される。しかしながら、本発明は、それら技術に制限されるものではない。

ワイヤという用語は、以下の説明において使用される。この用語は、文字通りに解釈されるべきではなく、本発明においては、導電性チューブ、および、導電性ストリップをも、意味している。

ダイポールに対して給電を行う標準的な方法は、ダイポールの中心の近傍において、２つのワイヤからなる給電ラインを給電ギャップに対して連結することである。この方法により、互いに隣り合ったかつ互いに平行とされたいくつかのダイポールを、非常に短い給電ラインを使用して、互いに連結することができる。このような給電は、米国特許第３，６９６，４３７号明細書により公知である。この文献の記載内容は、参考のため、その全体がここに組み込まれる。この給電においては、給電ラインをなす２つのワイヤは、意図したように機能し得るためには、互いに隣り合ったかつ互いに平行な２つのダイポールの間にわたって互いに交差しなければならない。これは、第１ダイポールの右側のアームに対して連結された右側ワイヤが、第２ダイポールの左側アームに対して連結されなければならないこと、および、その後、第３ダイポールの右側アームに対して連結されなければならないこと、等を意味している。同じことは、第１ダイポールの左側のアームに対して連結されたワイヤに関しても、当てはまる。２つのワイヤは、そのため、互いに接触することなく、互いに交差しなければならない。このことは、アンテナを機械的に高精度で実現することを、困難なものとし面倒なものとする。特に、高周波数においては、寸法が小さいことのために、困難である。また、ダイポールおよびワイヤが、好ましくは、薄い誘電体基板の一方の面上における金属パターンとして形成される場合には、困難である。以下の２つの段落において説明するように、本発明に記述された２つの給電技術のうちの３つは、交差ラインというこの欠点を受けることがない。本発明の一部をなす残りの給電技術は、交差ワイヤを備えているものの、新しい方法でそれらに関連した問題点を解決する。

本発明によるダイポールは、折曲ダイポールとして形成することができる。つまり、各ダイポールは、２つの外側端部のところにおいて互いに連結された２つの平行ワイヤとして、形成することができる。そのような折曲ダイポールは、一方のワイヤの中央のところにおける給電ギャップのところにおいて見たときには、通常の単一ワイヤアームと比較して、２つのワイヤからなる給電ラインの入力インピーダンスに対して、より近い入力インピーダンスを有している。数値解析により、本発明においては、第２ワイヤの中央においてもギャップを形成することにより、そのような平行な折曲ダイポールどうしを互いに連結し、さらに、このギャップから次なるダイポールの給電ギャップにまで２つのワイヤラインを連接することが有利であることが、示された。そのため、近隣のダイポールおよびそれらの給電ラインは、２つの反対向きに延在する曲がりくねった形状のワイヤを形成する。この給電方法は、２つのワイヤからなる内側部分と単一ワイヤからなる外側部分とから各ダイポールアームを形成するとともに、２つワイヤラインから単一ワイヤラインへの移行場所を調節することにより、入力部分における反射を調整し得るという、追加的な可能性をもたらす。折曲ダイポール給電については、図９および図１０に関連して後述する。図９および図１０においては、アンテナの入力側給電ポート６は、最小のダイポールの中央に配置されている。

また、グラウンド平面とラインとの間の波を支持している単一ワイヤラインからダイポールに対して給電することも、可能である。これは、より短い高周波用ダイポールが、より長い低周波用ダイポールのための給電ラインとして機能するようにして、近隣のダイポールの端点どうしを互いに連結することにより、行うことができる。これにより、近隣のダイポールおよびそれらの給電ラインは、単一の曲がりくねった形状のラインを形成する。これについては、図８に関連して後述する。図８においては、アンテナの入力側給電ポイントは、中央に配置されている。

給電ラインの交差するワイヤは、また、薄い誘電体シートの両面上に給電ラインの２つのワイヤを配置するとともに誘電体シートの両面にわたって交互に第２ダイポールアームを配置することにより、これにより、同じダイポールの２つのアームが誘電体シートの両面上に位置するようにすることによっても、回避することができる。これについては、図１５に関連して後述する。同様の給電技術は、例えば米国特許第６，３６２，７６９号明細書により、公知である。この文献の記載内容は、参考のため、その全体がここに組み込まれる。しかしながら、本発明の他の部分との組合せに関しては、公知ではない。

上述したように、本発明は、上述したようなまた図８、図９および図１５において図示したような３つの給電技術に制限されるものではない。本発明に包含される他の技術に関しては、例えば、図１６、図１７、図１８および図１９に関連して説明する。それらは、すべて、交差ワイヤを備えている。しかしながら、交差ワイヤは、高精度でもって大量生産を行うのに適したような十分に制御された態様でもって、交差を行う。

本発明においては、基本的な構成要素として、ダイポールペアを利用する。これは、２つのそのようなダイポールが、一方が除去される場合には他方も同様に除去されるようにして、例えばそれらを同じ薄い誘電体基板に配置することによって、それらを１つのユニットへと互いに機械的に連結されることを、必ずしも意味していない。それとは逆に、電流源から放射パターンを構築する場合には、つまり、所望の回転対称な放射パターンが得られるよう、同じ周波数を放射する２つの等価なダイポールであるとともに波長の０．５倍だけ互いに離間した２つの等価なダイポールを必要とした場合には、ダイポールペアは、基本的な電磁気的構成要素にすぎない。実際、幾何学的中心の一方の側におけるダイポールは、通常、給電ラインによって機械的に連結される。その結果、ペアをなすダイポールのうちの一方を除去することは、すべてのペアをなすダイポールのうちの１つを同時に除去することを意味する。連結されたダイポールは、また、例えば誘電体基板といったような同じ支持材料上に配置することができる。

本明細書においては、ダイポールは、通常は、直線状のものであるとともに、波長の長さの半分という長さを有したものと、見なされる。しかしながら、ダイポールは、考慮しているダイポールペアからの放射周波数において、放射パターンが回転対称なビームを形成する限りにおいては、Ｖ字形状のものやあるいはわずかに湾曲したものやあるいは曲がりくねったものとすることができる。

米国特許第６，３６２，７９６号明細書には、本発明に類似したような、ジグザグ形状のダイポールを備えたアンテナが開示されている。しかしながら、このアンテナは、グラウンド平面よりも上方には配置されていない。したがって、このようなアンテナを使用した場合には、大きな指向性でもって１つの方向へとビームを放射することができない。また、この特許文献に示されている給電は、本発明において特定されているタイプのものではない。ダイポールは、図７および図８のようには、折り曲げられていない。また、ダイポールは、図６のように端点どうしが連結されたものでもない。さらに、４つのダイポールチェインの給電ポイントは、最小ダイポールの中央ではなく、外側の最大ダイポールのところとされている。

ダイポールおよび給電ラインは、ワイヤやチューブやあるいは薄い金属ストリップとして、実現することができる。また、それらは、誘電体基板上の金属層をエッチングすることによって形成することができる。また、それらは、１つまたは複数の薄い誘電体層の両面上に配置することができる。例えば、一方の面上にダイポールを配置しかつ他方の面上に給電ラインを配置することができる、あるいは、一方の面上にダイポールの一部と給電ラインとを配置しかつ他方の面上に残部を配置することができる。

様々な給電ラインは、同じダイポールペアをなす２つのダイポール上における放射電流が、同じ位相かつ同じ振幅かつ同じ向きでもって励起されるようにして、適正に励起されなければならない。

米国特許第５，２７４，３９０号明細書には、グラウンド平面の上方に配置されたような、対数周期的なアンテナを備えたフェーズドアンテナアレイが開示されている。しかしながら、上記説明から明らかなように、本発明は、フェーズドアレイアンテナではなく、それどころか、本発明においては、各ダイポールチェインは、各ダイポールペアをなすダイポールが同じ位相で放射するようにして、励起される。

本発明の応用は、広帯域のマルチダイポールアンテナであって、従来技術とは異なり、入力側反射係数が小さくかつ交差分極が小さくかつ回転対称なビーム特性を有しかつほぼ一定の指向性を有しかつ一定のビーム幅を有しかつ複数オクターブというバンド幅にわたって位相中心位置を有しているといったような利点を有したアンテナである。さらに、ダイポールは、１つまたは複数の中央に位置した給電ポイントから給電される。さらに、ダイポールは、対数周期的な寸法を備えているという利点を有している。

アンテナは、よりコンパクトなものであり、軽量なものであり、他の手法と比較して製造コストがより安価なものである。このアンテナは、単一反射のまたは２重反射のまたは多重反射のアンテナに関する給電に、非常に適している。

中央に位置した給電領域は、バランまたは１８０°ハイブリッドを備えることができる。バランまたは１８０°ハイブリッドは、同軸ラインから、互いに逆向きに延在するダイポールチェインに対して給電を行う互いに逆向きに延在する２つのワイヤラインに対しての、移行をもたらす。バランは、能動的なものとすることができる。能動的とは、受信回路または送信回路と組み合わされていることを意味している。２重分極アンテナの場合には、中央領域に、２つのそのようなバランあるいは１８０°ハイブリッドを設ける必要がある。バランあるいは１８０°ハイブリッドは、また、グラウンド平面の背面側に配置することができる。

本発明の一実施形態に基づき、ダイポールペアを示す平面図であり、このダイポールペアは、本発明における基本的構成要素として機能する。 本発明の一実施形態に基づき、複数の給電ギャップを有したダイポールペアを示す平面図であり、このダイポールペアは、本発明における基本的構成要素として機能する。 本発明の一実施形態に基づき、複数の給電ギャップを有したいわゆる折曲ダイポールとして実現されたダイポールペアを示す平面図であり、このダイポールペアは、本発明における基本的構成要素として機能する。 本発明の一実施形態に基づき、複数の給電ギャップを有したいわゆる折曲ダイポールとして実現されたダイポールペアを示す平面図であり、このダイポールペアは、本発明における基本的構成要素として機能する。 本発明の一実施形態に基づき、線形的分極を形成し得るよう構成された複数のダイポールペアを示す平面図である。 本発明の一実施形態に基づき、線形的分極を形成し得るよう構成されかつグラウンド平面よりも上方に配置された複数のダイポールペアを示す断面図である。 本発明の一実施形態に基づき、二重線形的な分極または円形分極を形成し得るよう構成された複数のダイポールペアを示す平面図である。 本発明の一実施形態に基づき、ダイポールの端部どうしの間に給電用連結部が設けられた複数のダイポールペアのうちの、左側部分を示す平面図である。 本発明の一実施形態に基づき、ダイポールの給電ギャップどうしの間に給電ラインが設けられかつ折曲ダイポールとして実現された複数のダイポールペアのうちの、左側部分を示す平面図である。 本発明の一実施形態に基づき、ダイポールの給電ギャップどうしの間に給電ラインが設けられかつ折曲ダイポールとして実現された複数のダイポールペアのうちの、左側部分を示す平面図である。 本発明の基本的構成要素をなすダイポールペアの代替可能な実施形態を示す図である。 本発明の基本的構成要素をなすダイポールペアの代替可能な実施形態を示す図である。 本発明によるアンテナのある実施形態を示す斜視図であって、単一の分極を有している。 本発明によるアンテナの他の実施形態を示す斜視図であって、２つの分極を有している。 さらなる給電ライン構成を有した本発明によるアンテナのさらなる実施形態のうちの、左側部分を示す図であって、本発明による線形分極アンテナの半分だけを、あるいは、本発明による円形分極アンテナの４分の１だけを、示している。 さらなる給電ライン構成を有した本発明によるアンテナのさらなる実施形態のうちの、左側部分を示す図であって、本発明による線形分極アンテナの半分だけを、あるいは、本発明による円形分極アンテナの４分の１だけを、示している。 さらなる給電ライン構成を有した本発明によるアンテナのさらなる実施形態のうちの、左側部分を示す図であって、本発明による線形分極アンテナの半分だけを、あるいは、本発明による円形分極アンテナの４分の１だけを、示している。 さらなる給電ライン構成を有した本発明によるアンテナのさらなる実施形態のうちの、左側部分を示す図であって、本発明による線形分極アンテナの半分だけを、あるいは、本発明による円形分極アンテナの４分の１だけを、示している。 さらなる給電ライン構成を有した本発明によるアンテナのさらなる実施形態のうちの、左側部分を示す図であって、本発明による線形分極アンテナの半分だけを、あるいは、本発明による円形分極アンテナの４分の１だけを、示している。 さらなる給電ライン構成を有した本発明によるアンテナのさらなる実施形態のうちの、左側部分を示す図であって、本発明による線形分極アンテナの半分だけを、あるいは、本発明による円形分極アンテナの４分の１だけを、示している。 さらなる給電ライン構成を有した本発明によるアンテナのさらなる実施形態のうちの、左側部分を示す図であって、本発明による線形分極アンテナの半分だけを、あるいは、本発明による円形分極アンテナの４分の１だけを、示している。

以下、本発明につき、好ましい実施形態を参照して、より詳細に説明する。しかしながら、特定の実施形態における様々な特徴点が、特に断らない限り、様々な実施形態の間にわたって互換的であることは、理解されるであろう。さらに、すべての実施形態は、放射パターンが回転対称であるようにして、かつ、交差分極が小さいものであるようにして、かつ、大きなバンド幅にわたって周波数に依存しないビーム幅を有したものであるようにして、マルチダイポールアンテナの放射ダイポール部材を配置することに関するものである。

図１におけるダイポールペアは、本発明の基本的構成要素をなすものである。２つのダイポール１が、それぞれ波長の約０．５倍という長さのものであり、かつ、波長の約０．５倍という間隔で互いに配置され、かつ、グラウンド平面から波長の約０．２倍という距離だけ上方に配置されているものとすれば、２つのダイポール上の電流が同じ向きおよび同じ振幅および同じ位相のものである場合には、このダイポールペアユニットの放射パターンは、回転対称性を有するものとなり、かつ、交差分極の小さいなものとなる。グラウンド平面上における高さは、波長の０倍〜０．３倍という範囲内で選択することができる。これに対し、長さおよび間隔は、典型的には、波長の＋／−０．２倍の範囲内のものとしなければならない。

ダイポールアンテナは、好ましくは、図２に示すように、中央に給電ギャップ２を備えている。これにより、２つのダイポールアーム３が形成される。ダイポールは、また、図３および図４に示すように、折曲ダイポールとして実現することもできる。図３における各折曲ダイポールは、１回は左へと曲げられその後右へと曲げられるといったようにして２度にわたって折り曲げられた単一ワイヤとして実現されている。その結果、左側の折曲は、左側のダイポールアーム３を形成し、右側の折曲は、右側のダイポールアーム３を形成している。図４における折曲ダイポールは、完全に分離されたアームを有しており、それらアームどうしの間には、一切のワイヤ連結部分を有していない。その結果、２つの給電ギャップ２を有しているように見える。図１、図２、図３および図４におけるダイポール構成における給電に関しては、図８、図９、図１０、図１５、図１６、図１７、図１８および図１９に関して後述する。

いくつかのダイポールペア１は、図５に示すようにして構成することができる。これにより、広帯域の線形的分極放射を形成することができる。ダイポールに対する給電は、後述するように、様々な方法で行うことができる。要点は、各ダイポールペアをなす双方のダイポール上における電流が同じ方向と同じ振幅と同じ位相とを有しているようにして、給電がなされなければならないということである。

本発明によるダイポール１は、好ましくは、図６に示すように、グラウンド平面４よりも上方に配置される。しかしながら、いくつかの応用においては、これは、必須ではない。グラウンド平面は、図面上においては、フラットな平面として図示されているけれども、場合によっては、グラウンド平面は、わずかに円錐形状をなすものや、ピラミッド形状をなすものや、２重に湾曲したものや、平面以外の他の任意の形状のもの、とすることができ、その方が望ましいこともあり得る。

本発明によるアンテナは、また、２重の線形分極あるいは円形分極を形成するものとして、使用することができる。そのような場合には、複数のダイポールペアが、図７に示すようにして配置されなければならない。各ダイポールペアに対して、同じ寸法を有しておりかつ直交配置されたダイポールペアが存在する。ダイポールに対する給電は、幾何形状の各４分の１に関して、図６に示す線形分極構成の２分の１に等しいものとされる。

図５、図６および図７におけるダイポールは、給電ギャップを有していないものとして図示されている。しかしながら、これらダイポールは、同様にして、給電ギャップを有することができる。また、それらダイポールは、給電ラインも支持材料も有していないものとして図示されている。実際には、これらダイポールは、例えば、図８、図９、図１０、図１１、図１２、図１３、図１４、図１５、図１６、図１７、図１８あるいは図１９に示すように、給電ラインを有している。また、実際には、多くの場合において、ダイポールとグラウンド平面との間には、例えば誘電性基板や発泡体材料といったような支持材料が存在している。支持材料は、また、上面上にダイポールを配置し得るような１つまたは複数の薄い誘電体シートという形態をとることができる。

図８は、図６におけるアンテナの左半分をなすダイポールを、本発明に基づき、両端部間において、導電性ジョイント５によって連結する手法を示している。この実施形態においては、ダイポールとジョイントとは、同じ材料から実現することができる。この場合、給電ポイント６からすべてのダイポールにわたって、ワイヤとグラウンド平面との間の給電電圧を供給することができる。

図９においては、ダイポールは、図４に示すような種類の、いわゆる折曲ダイポールとして実現されている。すなわち、各ダイポールは、それらの両端が連結された２つの平行ワイヤから形成されている。折曲ダイポールに対しては、これらのワイヤのそれぞれにおいて給電ギャップ２に対して連結された２つのワイヤラインによって、給電を行うことができる。本発明においては、図４に示すように、各ダイポールの第２ワイヤ内にギャップが設けられている。その場所において、新たな２つのワイヤライン７が連結され、次なる隣り合ったダイポールの給電ギャップに対する給電が継続している。これにより、給電ポイント６から延在するような互いに対向した２つの曲がりくねったラインが成形されており、伝搬波によってすべてのダイポールを励起している。

図１０は、折曲ダイポールに関してのさらなる実現を示している。しかしながら、ダイポールアームを形成している２つのワイヤラインは、端部のところにおいて短絡されており、これにより、放射ダイポール長さが、折り曲げられた２つのワイヤ部材の長さと比較して、より長いものとされている。

図１３および図１４は、アンテナの２つの実施形態を、斜視図で示している。図１３においては、複数のダイポールが、グラウンドプレート上に配置された２つのアンテナプレート上に設けられている。アンテナプレートは、互いに対して傾斜して配置されている。これにより、アンテナプレート上における基本的アンテナ素子どうしが、互いに対向している。図１３におけるアンテナは、単一分極のアンテナである。図１４のアンテナは、図１３のアンテナに似ている。しかしながら、図１４におけるアンテナは、２つのアンテナプレートではなく、４つのアンテナプレートを備えており、これらアンテナプレートは、互いに傾斜して配置されている。これにより、アンテナプレートじょうにおける複数の基本的アンテナ素子は、互いに対向したペアを形成している。図１４のアンテナは、２重に分極するアンテナである。

図１３および図１４における実施形態は、それぞれ、互いに対向した４つのアンテナプレートを示している。しかしながら、本発明は、このような構成に限定されるものではない。特に、エッチングやミリングや他の手法を使用して複数のダイポールが上面上に配置されているそのようなアンテナプレートは、同じ平面内において互いに並置することができる。あるいは、それらアンテナプレートは、２つのプレートでも４つのプレートでもなく、すべてのダイポールを含有した１つの平面からなるアンテナプレートとすることができる。

図６〜図１０においては、本発明によるアンテナは、互いに異なる７つの寸法のダイポールを利用している。この数は、任意に選択することができる。つまり、アンテナは、７つよりも少ない数とし得るような、あるいは、７つよりも多いものとし得るような、あるいは、７つよりもずっと多いものとし得るような、様々な寸法を有した任意数のダイポールペアから構成することができる。また、互いに隣り合ったダイポールどうしの間の間隔は、任意に選択することができる。そのような間隔は、構成の最適化の結果に応じて、より小さなものとも、また、より大きなものとも、することができる。

図面は、様々なダイポールペアの寸法がほぼ対数周期的に変わるように見えるような、マルチダイポールアンテナを示している。これは、すべてのダイポールペアの寸法が、それぞれの１つ内側に位置したダイポールペアの寸法に対して、一定の係数でもって関係づけられたものとされていることを、意味している。これは、各ダイポールペアが、いくつかの最低周波数における動作に関して大きな寸法を有しているかどうかに無関係に、また、いくつかの最大周波数における動作に関して小さな寸法を有しているかどうかに無関係に、同じに見えるような環境をもたらすことを目的として、行われている。このような対数周期的なスケーリングは、必須ではない。しかしながら、このような対数周期的なスケーリングは、最良のかつ最高の連続的な広帯域性能をもたらすものと予想される。特に、寸法をこのように対数周期的に選択することは、広帯域性能ではなくマルチバンドが要望されている場合には、必要ではない。

本発明においては、アンテナの４分の１の領域内においてさえ複数の給電ポイントを有したアンテナを提供することができる。この場合、４分の１つの領域という用語は、図８、図９、図１０あるいは図１１に示すような幾何形状を意味している。そのような４分の１領域は、図３に示すような線形分極アンテナの全体の半分に相当し、また、図７に示すような２重線形分極アンテナまたは円形分極アンテナの全体の４分の１に相当する。４分の１領域がいくつかの給電ポイントを有している場合、それは、様々なサイズとされた複数の４分の１領域が互いに並置して配置されていることを意味する。これにより、それら４分の１領域が、新たな完全なかつより多くの広帯域アンテナを形成することができる。しかしながら、バンド幅は、個別の給電ポイントどうしの間において、分割されている。

上述したように、ダイポールに対する給電は、様々な方法で行うことができる。さらに他の有利な給電システムについて、以下において、より詳細に説明する。このような給電システムは、また、先の実施形態においても使用することができ、その場合、上述した給電システムを完全にまたは部分的に代替することができる。

以下の給電システムは、薄い誘電体シート上においてエッチングまたはミリングによって形成された複数のストリップを有してなるダイポールに関して、特に有利である。ダイポールの各ペアに対して、互いに異なる２つの給電ワイヤラインを使用して給電を行うことが好ましい。その場合、互いに異なる２つの給電ワイヤラインの双方は、最も内側に位置したダイポールどうし間の中央に位置した共通ポートを、起点とするものとされる。そのような給電システムに関する実施形態が、図１５〜図１９に図示されている。

図１５ａおよび図１５ｂに示す実施形態においては、ダイポール１５１は、薄い基板１５２の両面上において、ストリップとして形成されている。図１５ａは、アンテナを斜視図で図示しており、図１５ｂは、同じアンテナを平面図で図示している。各ダイポールにおいて、一方のアームが、基板の一方の面上に配置されており、他方のアームが、反対側の面上に配置されている。さらに、隣り合っているダイポールのアームどうしは、基板の両面上へと交互に配置されている。図において、実線は、基板の上面上に形成された導体部材を示しており、破線は、基板の背面上に形成された導体部材を示している。

給電ラインは、２つの個別の導体ストリップから構成されている。すなわち、一方の導体ストリップ１５３は、基板の上面上に配置されており、他方の導体ストリップ１５４は、基板の背面上に配置されている。上面上の給電ストリップは、上面上のダイポールアームに対して連結されている。また、背面上の給電ストリップは、背面上のダイポールアームに対して連結されている。これにより、所望の態様でダイポールを励起することができる。

この実施形態によるアンテナは、好ましくは、例えばプリントカード基板（ＰＣＢ）のエッチングまたはミリングといったような手法によって、実現することができる。

したがって、この実施形態によるアンテナは、基板の両面上に配置されたダイポールアームおよび給電ストリップを備えている。基板は、好ましくは、比較的薄いものとされている。これにより、基板の厚さ方向におけるダイポールアームのこの分離に起因してアンテナ性能が変化してしまうことがないものとされている。

図１６に示す実施形態においては、すべてのダイポール１６１が、基板１６２の同じ面上において、導電ストリップとして配置されている。このことは、製造コストを低減することができて、有利である。給電ラインは、基板の両面上に配置された２種類の導電性ストリップまたは導電性ワイヤから構成されている。

第１ワイヤは、基板の上面上に配置されていて、各ダイポールの１つのアームに対して連結されている。より詳細には、ダイポールの給電ギャップの両側において中央ラインを挟んで、基板の両面上において、複数のダイポールアームに対して１つおきに連結されている。したがって、給電ライン１６３は、好ましくは、ジグザグ形状とされており、好ましくは、ダイポールと同じ手法でもって、支持体をなす誘電体シート上の金属被覆をエッジまたはミリングすることによって、形成される。図１５ａおよび図１５ｂの実施形態の場合と同様に、第２ワイヤは、基板の反対側の背面上に形成されている。しかしながら、図１６の実施形態においては、この第２ワイヤは、基板の上面上に位置したダイポールアームのところにまで基板を貫通して延在する連結ワイヤ１６５を介して、連結されているよって、この第２ワイヤは、第１ワイヤに対して連結されていないダイポールアームに対して、連結されている。したがって、図１５ａおよび図１５ｂの実施形態の場合と同じ手法で、すべての第２ダイポールアームを、給電ラインの反対側のワイヤによって励起することができる。

この実施形態によるアンテナは、好ましくは、この場合にも、例えばプリントカード基板（ＰＣＢ）のエッチングといったような手法によって、実現することができる。背面上のワイヤも、同様に、エッチングによって実現することができる。そして、誘電体シートを介して連結部材１６５をバイアスすることができる。あるいは、背面上のワイヤは、ダイポールアームの連結ポイントに対して半田付けされ得るように曲げられて成形された複数個の薄いワイヤによって、実現することができる。その場合、連結ポイントのところにおいては、基板に穴を形成することもできる。そして、ワイヤ部材の端点が、これら穴内に挿入され、ダイポールアームに対して半田付けされる。その場合、ワイヤ部材は、基板の背面上だけでなく、基板の上面上にも、伝送ラインをなす上ワイヤを構成しているエッチング形成導電性ストリップの上方の十分な距離のところにおいて、配置することができる。

図１７に示す実施形態においては、すべてのダイポールアーム１７１が、基板１７２の同じ面上に、ストリップとして配置されている。任意のダイポールの右側のアームは、導電性ストリップ１７３を介して、次なるダイポールの左側のアームに対して連結されている。これにより、ストリップは、２つの湾曲部分を有しているとともに、給電ギャップを有していないダイポールのように見える。薄い誘電体プレート１７５が、ダイポールの中央かつ上方に配置されている。この薄い誘電体プレート１７５は、任意のダイポールの左側のアームを次なるダイポールの右側のアームに対して連結するための導電性ストリップ１７４を有している。ダイポールアームどうしの連結は、好ましくは、半田付けや同様の方法によって、行われる。この実施形態の出力結果は、図１５および図１６に関して上述した結果と同様である。

図１８に示すような代替可能な実施形態においては、ロッドの回りに螺旋状でもって巻回された２つのワイヤを備えた円柱形誘電体ロッド１６１が図示されている。２つのワイヤは、所望の態様でもってダイポールどうしを連結する給電ラインを形成する。ダイポールアームに対しての意図した連結を達成し得るよう、この場合には、基板には、グルーブまたはチャネル１８２を形成することができる。この実施形態によるアンテナは、好ましくは、この場合にも、例えばプリントカード基板（ＰＣＢ）のエッチングといったような手法によって、実現することができる。

図１９には、他の代替可能な実施形態が図示されている。この実施形態においては１つおきに配置された第２ペアをなすダイポール１９１が、支持体をなす基板１９２の第１面上に形成されており、基板の同じ面上に形成された給電ライン１９３によって給電されている。

他のペアをなすダイポールのアーム１９４が、給電ラインによって給電されているダイポール１９１どうしの間に配置されている。各ダイポール１９４の２つのアーム１９４は、図１９に示すように、基板の下方に配置されたワイヤ１９５によって、互いに連結されている。しかしながら、このワイヤは、また、給電ライン１９３に対して金属接触を形成しない限りにおいては、あるいは、２つのワイヤラインに対して連結されたいかなるダイポール１９１に対しても金属接触を形成しない限りにおいては、基板１９２上に配置することもできる。この実施形態においては、１つおきに配置された第２ダイポール１９４を、給電ライン１９３から直接的に励起される隣りのダイポール１９１に対しての相互的な近隣磁界結合によって、間接的に励起することができる。

図２０に示すような他の代替可能な実施形態においては、他のダイポール２０４を、基板上において、ダイポール２０１と同じ面上に配置することができる。これにより、基板を貫通させる必要はない。この場合、ダイポール２０４は、また、相互結合によって励起することができる。絶縁材料シートを、例えば、給電ライン２０３とダイポール２０４の中央との間に、配置することができる。これにより、交差箇所２０５内における２つの部材間の金属接触を回避することができる。しかしながら、そのような接触を回避するための他の手法を、実施することもできる。ダイポール２０４は、また、ダイポール２０１がなす層の上面上に配置された個別の薄い基板上において、全体的に配置することができる。

本発明によるアンテナに関する上記様々な実施形態は、多くの特徴点を共通して有している。例えば、上記様々な実施形態のすべては、あるいは、少なくとも大部分は、以下のような特徴点を包含している。

−アンテナは、図６および図７から明らかなように、ペアとして配置されたダイポールを備えている。図８、図９、図１０、図１３、図１４、図１５、図１６、図１７、図１８、図１９、図２０は、本発明による線形分極アンテナの半分だけを示している、あるいは、円形分極アンテナの４分の１だけを示している。

−アンテナのダイポールは、グラウンド平面の一方の面上に配置されており、出力放射パターンのメインローブが、グラウンド平面に対して垂直な向きを向いている。

−ダイポール（アンテナ素子）の長さは、中央に位置した給電ポイントから離間するにつれて、給電ラインに沿って、増大する。隣り合うダイポールの長さは、好ましくは、周波数に独立となる係数の分だけ、直前に位置したダイポールの長さとは、相違するものとされている。この係数は、好ましくは、１．１〜１．２という範囲とされる。

−ダイポールどうしの間の間隔も、同様に、中央に位置した給電ポイントから離間するにつれて、給電ラインに沿って、周波数に独立となる一定の係数の分だけ、増大する。この係数は、好ましくは、１．１〜１．２という範囲とされる。

−アンテナの２つの部材（線形分極バージョン）あるいはアンテナの４つの部材（２重分極バージョン）に対して、アンテナ部材どうしの間の中央領域内の共通の１つまたは複数のポイントに対して連結された個別の給電ラインによって、給電される。

−アンテナ素子／ダイポールは、実質的に、直線状導体ワイヤまたはストリップとして形成される。

−アンテナ素子は、例えばＰＣＢといったような誘電性支持基板上に形成され、好ましくは、当該技術分野において公知なように、エッチング技術によって形成される。

−アンテナは、広範囲の様々な出力波長に関して使用し得るとともに、１〜１５ＧＨｚという波長範囲において特に効果的であり、超ワイドバンド範囲（２〜１０ＧＨｚ）において最も効果的である。

本発明のいくつかの特定の実施形態について、上述した。しかしながら、当業者には明らかなように、様々な変形例が可能である。例えば、ダイポールの構成を様々に変更することができ、アンテナ平面の組合せを様々に変更することができ、給電構成を様々に変更することができる、等である。

自明であるようなそのような修正や他の修正は、特許請求の範囲によって規定された本発明の範囲内に包含されるべきものである。上記様々な実施形態が本発明を制限するものではないこと、また、当業者であれば、特許請求の範囲を逸脱することなく、代替可能な実施形態を多様に構成し得ること、を理解されるであろう。

１ ダイポール、ダイポールペア
２ 給電ギャップ
３ ダイポールアーム
４ グラウンド平面
５ 導電性ジョイント
６ 給電ポイント
１５１ ダイポール
１５２ 基板
１５３ 導体ストリップ
１５４ 導体ストリップ
１６１ ダイポール
１６２ 基板
１６３ 給電ライン
１７１ ダイポールアーム
１７２ 基板
１７３ 導電性ストリップ
１９１ ダイポール
１９２ 基板
２０１ ダイポール
２０３ 給電ライン
２０４ ダイポール

Claims (32)

1. 複数の電気的ダイポールを具備していて電磁波を送受信し得るものとされたアンテナであって、
   前記複数のダイポールが、互いに逆向きに延在したダイポールからなる複数のペアとして配置され、
   各ペアをなす２つのダイポールが、ほぼ同じ振幅およびほぼ同じ位相でもって、放射または受領を行い、
   前記複数のダイポールペアの少なくともいくつかが、互いに異なる特性を有し、好ましくは、互いに異なる寸法あるいは互いに異なる配向性を有し、
   前記複数のダイポールペアが、各ダイポールペアの幾何学的中心どうしがほぼ一致しているようにして、配置されていることを特徴とするアンテナ。
2. 請求項１記載のアンテナにおいて、
   前記すべてのダイポールペアが、一方向に配向しており、これにより、１つの線形分極の波を送受信し得るものとされていることを特徴とするアンテナ。
3. 請求項１記載のアンテナにおいて、
   前記複数のダイポールペアの約半分が、一方向に配向しており、
   前記複数のダイポールペアの残りの約半分が、前記方向に対して直交する方向に配向しており、
   これにより、２重の線形分極または円形分極の波を送受信し得るものとされていることを特徴とするアンテナ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
   前記複数のダイポールが、グラウンド平面として機能する導体ボディの上方に配置されていることを特徴とするアンテナ。
5. 請求項４記載のアンテナにおいて、
   隣り合っているダイポールどうしを連結している金属ラインが、互いに交差していないことを特徴とするアンテナ。
6. 請求項４または５記載のアンテナにおいて、
   前記複数のダイポールよりも下方に配置されかつ前記グラウンド平面として機能する前記導体ボディが、非フラットなものとされていることを特徴とするアンテナ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
   前記ダイポールが、Ｖ字形状とされているまたは湾曲した形状とされていることを特徴とするアンテナ。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
   前記ダイポールが、導体ワイヤ、または、導体チューブ、または、導体ストリップ、から形成されていることを特徴とするアンテナ。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
   前記ダイポールが、誘電体基板上の導体ストリップから形成されていることを特徴とするアンテナ。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
    前記複数のダイポールが、隣り合っているダイポールの端部ポイントどうしを連結することによって励起され、
    これにより、前記複数のダイポールが、１つまたは複数の給電ポイントを起点とした曲がりくねった形状のラインを形成していることを特徴とするアンテナ。
11. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
    少なくとも１つのダイポールが、または、好ましくは複数のダイポールが、または、最も好ましくは実質的にすべてのダイポールが、互いに逆向きに延在した２つの導体アームを備えているとともに、それらアームどうしの間に給電ギャップを備えていることを特徴とするアンテナ。
12. 請求項１１記載のアンテナにおいて、
    各ダイポールアームが、２つ以上の導体ラインを備え、
    これら導体ラインが、１つまたは複数のポイントにおいてまたはアームの延長部分上において、互いに連結されていることを特徴とするアンテナ。
13. 請求項１１または１２記載のアンテナにおいて、
    様々なダイポールペアをなす複数の隣り合うダイポールの前記給電ギャップが、１つまたは複数の給電ポイントを起点とする２つの導体からなる給電ラインによって励起されることを特徴とするアンテナ。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
    各ダイポールが、互いに逆向きに延在する２つのアームから構成され、
    各ダイポールアームが、２つの導体ラインを備え、
    これら２つの導体ラインが、外側端部のところにおいて互いに連結されているとともに、給電ギャップが設けられた内側端部のところにおいては、隣り合っている１つ内側のあるいは隣り合っている１つ外側のダイポールアームに対して連結され、
    これにより、給電ライン付きの一組をなすダイポールが、互いに逆向きに延在する２つの曲がりくねった形状のラインによって、形成されていることを特徴とするアンテナ。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
    各ダイポールペアの寸法が、実質的に以下のようなものとされている、すなわち、
    ダイポールの長さが、波長の０．５倍とされ；
    グラウンドの上方におけるダイポールの高さが、波長の０．０５倍〜０．３０倍とされ；
    ダイポールどうしの間隔が、波長の０．５倍とされ；
    ここで、前記波長が、与えられたダイポールペアが放射パターンの支配的構成要素をなす周波数に対応してものであることを特徴とするアンテナ。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
    様々なダイポールペアの寸法が、対数周期的に変化するものとされ、
    これにより、非常に広帯域の全体にわたって性能を発揮することを特徴とするアンテナ。
17. 請求項１〜１６のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
    放射パターンが、数オクターブとし得るような非常に広い周波数帯域にわたって、ほぼ一定のビーム幅を有していることを特徴とするアンテナ。
18. 請求項１〜１７のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
    前記アンテナを使用することによって、単一反射のまたは２重反射のアンテナシステムが構成されていることを特徴とするアンテナ。
19. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
    少なくとも１つのバランが、ペアをなすダイポールどうしの間の中央領域に、好ましくは最小のダイポールどうしの間の中央領域に、配置されていることを特徴とするアンテナ。
20. 請求項１〜１９のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
    少なくとも１つの１８０°ハイブリッドが、ペアをなすダイポールどうしの間の中央領域に、好ましくは最小のダイポールどうしの間の中央領域に、配置されていることを特徴とするアンテナ。
21. 請求項１９または２０記載のアンテナにおいて、
    前記バランまたは前記１８０°ハイブリッドが、トランジスタ増幅器を備えた能動回路として実現されていることを特徴とするアンテナ。
22. 請求項１９または２０または２１記載のアンテナにおいて、
    前記アンテナが、請求項４〜６のいずれか１項に記載されたものとされている場合に、
    前記バランまたは前記１８０°ハイブリッドが、前記中央領域において、前記グラウンド平面の背面側に配置され、
    伝送ラインが、前記グラウンド平面を貫通して設けられ、連結をもたらしていることを特徴とするアンテナ。
23. 請求項１〜２２のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
    少なくとも１つのダイポールが、互いに逆向きに延在した２つの導体アームを備えているとともに、それらアームどうしの間に給電ギャップを備え、
    前記複数のダイポールペアのうちの隣り合っているダイポールの前記給電ギャップが、１つまたは複数の給電ポイントを起点とする２つの導体からなる給電ラインによって励起され、
    これら２つの導体からなる給電ラインをなす２つの個別の導体が、互いに相違しかつ互いに交差していない少なくとも２つの平面内に配置されていることを特徴とするアンテナ。
24. 請求項２３記載のアンテナにおいて、
    前記２つの導体からなる給電ラインが、第１平面内に位置した第１導体と、少なくとも一部が第２平面内に配置された第２導体と、を備え、
    前記第１平面および前記第２平面が、互いに相違しかつ互いに交差していないことを特徴とするアンテナ。
25. 請求項２４記載のアンテナにおいて、
    前記ダイポールアームの少なくとも一部が、前記第１平面内に配置されていることを特徴とするアンテナ。
26. 請求項２４または２５記載のアンテナにおいて、
    前記ダイポールが、誘電体基板上の導体ストリップから形成され、
    前記第１平面および前記第２平面が、前記基板の相異なる面上に配置されていることを特徴とするアンテナ。
27. 請求項１〜２６のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
    実質的にすべてのダイポールが、基板の一方の面上に配置され、
    ２つの導体からなる給電ラインの第１導体が、前記基板の前記一方の面上に配置され、
    前記２つの導体からなる給電ラインの第２導体が、少なくとも一部が、前記基板の他方の面上に配置され、
    前記第２導体が、前記基板を貫通して前記ダイポールに対して連結されていることを特徴とするアンテナ。
28. 請求項２７記載のアンテナにおいて、
    前記第２導体が、少なくともいくつかのダイポールペアのうちのいくつかダイポールを互いに連結し、
    これにより、前記ダイポールペアが、隣り合っているダイポールに対しての電磁結合によって、励起されるようになっていることを特徴とするアンテナ。
29. 請求項１〜２６のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
    少なくともいくつかのダイポールに関し、好ましくは実質的にすべてのダイポールに関し、
    前記ダイポールの前記アームが、基板の反対側の面上に配置され、
    ２つの導体からなる給電ラインをなす個別の導体が、それぞれの面上に配置され、これにより、各面上に配置された前記ダイポールアームを励起し得るようになっていることを特徴とするアンテナ。
30. 請求項１〜２６のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
    実質的にすべてのダイポールアームが、基板の一方の面上に配置され、
    給電ラインをなす複数の導体が、誘電体ロッド上において互いに平行に巻回され、
    これにより、前記巻回されたラインが、様々なダイポールアームを連結していることを特徴とするアンテナ。
31. 請求項１〜３０のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
    少なくともいくつかのダイポールペアが、個別の給電ラインに対して連結されたダイポールを有していることを特徴とするアンテナ。
32. 請求項１〜３１のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、
    少なくともいくつかの隣り合ったダイポールペアが、個別の給電ラインに対して連結されていることを特徴とするアンテナ。

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