JP5698145B2 - ブロードバンド・アンテナのための二重偏波放射素子 - Google Patents

Description

本発明は、特にセルラー方式無線通信ネットワークの基地局において使用されうる放射素子を備える任意のブロードバンド・アンテナに関する。本発明はさらに、それらの素子を製造する方法に及ぶ。

二重偏波放射素子は、２つの放射ダイポールで構成され、各ダイポールは２つの共直線導体撚り線により形成される。各撚り線の長さは、動作波長の４分の１とほぼ等しい。ダイポールは、給電を受けられるように、および反射器（グランド・プレーン）の上に配置されるように構造体に取り付けられる。そうすることで、ダイポールの背面放射を反射することによって、形成されるアセンブリの放射図の指向性を詳細化することができるようになる。スペース内のダイポールの方向に応じて、ダイポールは、たとえば、水平偏波チャネルと垂直偏波チャネルの２つの偏波チャネル、または垂直と比較して＋／−４５°指向させた２つの偏波チャネルに沿って電磁波を放射または受信することができる。

偏波が直交である２つの別個の周波数帯域内で動作する２バンドのアンテナを構築するため、通常２つの構成が採用される。

第１の方法は、コーリニア（または同心）と呼ばれ、単一周波数で動作する２つの交差するダイポールによって形成される放射素子の周囲に、単一周波数帯域で動作する、直角位相パターンに配置された４つのダイポールにより形成される同心円状に配置される放射素子の配置構造で構成される。配置構造は、単一シャーシ内の反射器の上に配置される。

第２の方法は、「並列（ｓｉｄｅ ｂｙ ｓｉｄｅ）」として知られ、第１の周波数帯域で動作する２つの直交するように交差させたダイポールにより形成される放射素子の第１の配置構造、および第２の周波数帯域で動作する２つの直交するように交差させたダイポールにより形成される放射素子の第２の配置構造で構成される。２つの列は平行であり、より高い周波数帯域の半波長と少なくとも等しい距離をおいて配置される。

そのような２バンドまたはマルチバンド・アンテナの性能を向上させるため、各々一連の放射素子の周波数帯域を増大させて、同時に放射素子の列の間の結合を減少させることが必要である。帯域間の減結合は、放射素子を隔てている距離、および放射素子の相互に対する相対的方向によって異なる。同じシャーシ内に配置された素子の２つの列の間の減結合を向上させるため、たとえば、以下の事項が提案されている。
− ２バンドの同心素子の使用
− いわゆる「並列」構成において、放射素子の２つの垂直配置構造を隔てる素子間の距離を増大させること

また、フラクタル・パターンを呈する導電材料の層が蒸着された、放射素子の大きさを縮小するために高誘電率を持つ誘電体マウントを備える放射マルチバンド・アンテナ素子を有することも提案されている。

さらに、ブロードバンド・アンテナの周波数帯域を増大させるため、放射素子を重畳すること、または慎重に配置された無給電素子を追加することのような解決策が提案された。また、素子に給電するためのシステムを改良するか、または放射素子自体の幾何学的形状を変更することもできる（スパイラル、対数周期、ボウタイなど）。

たとえば、米国特許第６０２８５６３号では、反射器に置かれている足部に配置された、「クロス・ボウタイ」として知られる２つの交差するダイポールで形成される二重偏波放射素子を説明している。各ダイポールは、概ね三角形の形状の、陰極または陽極のいずれかである放射アームを備える。放射素子は、アンテナを形成するように一列に並べられてもよい。

米国特許第６０２８５６３号

本発明の目的は、小型化された非同心の放射素子を提案することであり、放射素子のより優れた減結合により高められる所望の性能を提案することである。

本発明のさらなる目的は、広周波数帯域で動作する非同心の放射素子を提案することであり、周波数帯域を拡大することにより高められる所望の性能を提案することである。

本発明のさらなる目的は、そのような素子を備えるブロードバンド・アンテナを提案することである。

本発明の対象は、直線二重偏波を生成し、各々２つのアームを備える、２つの対称に給電された半波長ダイポールである第１の面に配置された足部支持の第１および第２のコンポーネントを備えるブロードバンド・アンテナの放射素子であって、放射素子が第１の面の上に配置された第２の面内に配置されたダイポールまたはパッチから選択された少なくとも１つの第３のコンポーネントをさらに備えることを特徴とし、各々のコンポーネントは体積フラクタル・パターンから成ることを特徴とする、ブロードバンド・アンテナの放射素子である。

本発明の主要理念は、フラクタル・パターンの複雑さはスケールの変化によって変わらないので、アンテナの大きさを縮小するために、放射素子のダイポールの幾何学的形状を設計する際にフラクタル・パターンの自己相似特性を使用することである。フラクタル理論の一般的概念は、アンテナの放射素子の構造を設計する際に自己相似性の原理を使用することにより、アンテナの放射素子、特にダイポールの任意の形状（三角形、正方形など）に適用されてもよい。反復アルゴリズムは、フラクタル・オブジェクトを、物理オブジェクトの形態で構築されうるデジタル・イメージの形態で生成する。現状において、半波長ダイポールの少なくとも１つの表面上に、機械加工、フライス加工などによって自己相似性の原理を適用することにより、所定の反復パターン（「ループ・ジェネレータ」）が再現される。

ダイポールの帯域幅を向上させる１つの方法は、３次元のフラクタル構造を使用することである。放射素子の帯域幅を向上させるもう１つの方法は、同じ大きさまたは異なる大きさのダイポールおよび場合によってはパッチを垂直にスタックすることである。したがって、放射素子内でこれらの２つの方法を組み合わせることは、広周波数帯域で動作するスモール・フォーム・ファクタを有する放射素子をもたらす。

ダイポールのアームは、アルミニウム、真鍮、「ザマック」（亜鉛ベースの合金）、または金属被覆ポリマーから成ることが好ましい。ダイポールのアームは、フライス加工されることが好ましい。

本発明の第１の実施形態において、重畳された第１および第２の面内に配置された第１、第２、および第３のコンポーネントが相互接続される。

第２の実施形態において、第１の面に配置された第１および第２のコンポーネントは、重畳されている第２の面に配置された第３のコンポーネントと相互接続されない。

一変形例では、放射素子は、第１および第２の面に重畳された第３の面内に配置されたダイポールまたはパッチから選択された少なくとも１つの追加のコンポーネントをさらに備える。１つの実施形態において、追加のコンポーネントは、第１および第２の面のダイポールと相互接続されない。

別の変形例では、重畳面内に配置されたダイポールは、反射器から遠くなるとそれに応じて減少する表面積を有する。

フラクタル放射素子を設計するために使用される２つの主要な基本技術は以下のとおりである。
（ａ） ダイポールのさまざまな部分が異なるスケールで相互に類似しているので、幾何学的自己相似性の原理により、複数の周波数帯域内の同一動作が可能になる。
（ｂ） ダイポールの複雑さを増大させること、すなわち反復パターンを使用してダイポールのプロファイルを改造することは、放射素子の大きさを縮小させるために使用されてもよい。

改造されたプロファイルと自己相似性の組み合わせは、優れたブロードバンド性能を持つアンテナをもたらす。２つの技法のいずれかが単独で使用されてもよいか、またはその両方の技術が同時に使用されてもよいことが理解されよう。フラクタル放射素子を設計するための技法は、相互接続されているかどうかに関わりなく、重畳されたダイポールに適用される。

本発明のさらなる対象は、反射器上に一列に並べられた放射素子を備えるブロードバンド・アンテナであって、直線二重偏波を生成し、いずれも２つのアームを備える、２つの対称に給電された半波長ダイポールである第１の面内に配置された足部支持の第１および第２のコンポーネントを各々備え、各放射素子は第１の面の上に配置された第２の面内に配置されたダイポールまたはパッチから選択された少なくとも１つの第３のコンポーネントをさらに備え、各々のコンポーネントは体積フラクタル・パターンから成るブロードバンド・アンテナである。

本発明の第２の実施形態において、第１の面内に配置されたダイポールは、反射器面から４分の１波長離れて配置され、質量面としての役割を果たす。

本発明のさらなる対象は、直線二重偏波を生成し、いずれも２つのアームを備える、２つの対称に給電された半波長ダイポールである第１の面内に配置された足部支持の第１および第２のコンポーネントを備える放射素子を製造するための方法であって、この方法は、体積フラクタル・パターンを達成するために各々のコンポーネントをフライス加工するステップまたは機械加工するステップを備える。

本発明の１つの利点は、放射素子を製造するコストの削減を可能にし、しかもそれらのＲＦ性能を高めてそれらの大きさを縮小することである。

本発明のその他の特徴および利点は、非限定的であって純粋に例示の目的で示される以下の実施形態および添付の図面の説明を読めば明らかとなろう。

「カントール・スロット・ボウタイ（Ｃａｎｔｏｒ Ｓｌｏｔ Ｂｏｗ Ｔｉｅ）」パターンに基づいて構築されたダイポールを支持する交差および二重偏波放射素子の第１の面を示す概略上面図である。 コッホ（Ｋｏｃｈ）・パターンに基づいて構築されたダイポールを支持する交差および二重偏波放射素子の第１の面を示す概略上面図である。 ミンコフスキー（Ｍｉｎｋｏｗｓｋｉ）・パターンに基づいて構築されたダイポールを支持する交差および二重偏波放射素子の第１の面を示す概略上面図である。 シェルピンスキー・カーペット（Ｓｉｅｒｐｉｎｓｋｉ ｃａｒｐｅｔ）・パターンに基づいて構築された相互接続されたダイポールを備える２つの重畳された面を支持する、本発明の１つの実施形態による交差および二重偏波放射素子を示す透視図である。 シェルピンスキー・カーペット・パターンに基づいて構築された相互接続されたダイポールを備える３つの重畳された面を支持する、本発明の１つの実施形態による交差および二重偏波放射素子を示す透視図である。 シェルピンスキー・カーペット・パターンに基づいて構築されたダイポールを備える３つの重畳された面を支持し、そのうちの１つは導波器である、本発明の１つの実施形態による交差および二重偏波放射素子を示す透視図である。 シェルピンスキー・カーペット・パターンに基づいて構築された縮小サイズの相互接続されたダイポールを備える３つの重畳された面を支持する、本発明の１つの実施形態による交差および二重偏波放射素子を示す透視図である。 シェルピンスキー・カーペット・パターンに基づいて構築された非相互接続のダイポールを備える３つの重畳された面を支持する、本発明の１つの実施形態による交差および二重偏波放射素子を示す透視図である。

図１は、「ボウタイ」タイプの放射素子２０の第１の面の概略的な例を示す。放射素子２０は、それぞれのアーム２１ａ、２１ｂ、および２２ａ、２２ｂが三角形の形状である２つのダイポール２１および２２を備える。自己相似性の原理が放射素子２０に適用されており、「カントール・スロット・ボウタイ」放射素子の交差および二重偏波をもたらす。２つのダイポール２１および２２には、各々給電部２３および２４が装備される。

使用される１つの技法は、ダイポールの大きさを縮小して、しかも特に帯域幅に関してそのダイポールのＲＦ性能を向上させる、反復パターン（「ループ・ジェネレータ」）の採用によって特徴付けられる。使用されている２つのよく知られている反復パターンは、コッホ・フラクタルおよびミンコフスキー・フラクタルである。結果として得られる２つのダイポールはそれぞれ、図２および図３に示される。

図２に示される放射素子３０の第１の面は、２つのダイポール３１および３２を備える。２つのダイポール３１および３２には、各々給電部３３および３４が装備される。ダイポール３１、３２はそれぞれ、形状がコッホ・フラクタルの反復によって得られる第１のアーム３１ａ、３２ａ、および第２のアーム３１ｂ、３２ｂを備える。

図３に示される放射素子４０の第１の面は、２つのダイポール４１および４２を備える。２つのダイポール４１および４２には、各々給電部４３および４４が装備される。ダイポール４１、４２はそれぞれ、形状がミンコフスキー・フラクタルの反復によって得られる第１のアーム４１ａ、４２ａ、および第２のアーム４１ｂ、４２ｂを備える。

ダイポールの帯域幅を向上させる１つの方法は、３次元のフラクタル構造を使用することである。放射素子の帯域幅を向上させるもう１つの方法は、同じ大きさまたは異なる大きさのダイポールを垂直にスタックすることである。

第１の実施形態において、これらのダイポールは、図４および図５に示されるように、電気的に相互接続されてもよい。

図４に示される実施形態によれば、放射素子５０は、足部５３によって支持される２つの重畳された面５１および５２内に配置されたダイポールを備える。第１の面５１は、交差および二重偏波の配列を得るために、各々半波長が直交に結合される２つのダイポール５４、５５を備える。ダイポール５４、５５はそれぞれ、相互の全長にわたって第１のアーム５４ａ、５５ａ、および第２のアーム５４ｂ、５５ｂを備える。ダイポール５４、５５はそれぞれ、直線偏波を生成するように平衡のとれた給電を提供される。本明細書に示される場合、自己相似性の原理が正方形状の放射素子に適用されており、体積（３次元）シェルピンスキー・カーペットのパターンを持つ交差および二重偏波ダイポールをもたらす。第１の面５１は、交差および二重偏波の配列を得るために、各々半波長が直交に結合される２つのダイポール５６および５７を備える第２の面５２と重なり合っている。ダイポール５６および５７の各アーム５６ａ、５６ｂ、５７ａ、５７ｂもまた、３Ｄシェルピンスキー・カーペット・パターンを呈する。

図５は、共有足部６３によって支持され、３つの重畳された面６０、６１、および６２に配置された相互接続されたダイポールを備える放射素子を示す。面６０は、交差および二重偏波の配列を得るために、各々半波長が直交に結合される２つのダイポール６４、６５を備える。そこに重複する面６１および６２はそれぞれ、同様に２つのダイポール６６、６７、および６８、６９を備える。ダイポール６４および６５の各アーム６４ａ、６４ｂ、６５ａ、６５ｂは、３Ｄシェルピンスキー・カーペット・パターンを呈する。同様に、ダイポール６６および６７の各アーム６６ａ、６６ｂ、６７ａ、６７ｂは、体積シェルピンスキー・カーペット・パターンを呈する。同様に、ダイポール６８および６９の各アーム６８ａ、６８ｂ、６９ａ、６９ｂは、体積シェルピンスキー・カーペット・パターンを呈する。

もう１つの実施形態において、さまざまな重畳された面に配置されたダイポールはまた、図６に示されるように、相互接続されない場合もある。この場合には、相互接続されないダイポールは、「導波器」と呼ばれる。

図６は、共に同じ足部７２によって支持される２つの重畳された面７０および７１に配置された相互接続されたダイポールを示し、各々の面は、交差および二重偏波の配列を得るために、各々半波長が直交に結合される２つのダイポール７３、７４、および７５、７６を備える。面７０および７１に配置されたダイポールと相互接続されない２つの他のダイポール７８および７９は、「導波器」と呼ばれる。２つのダイポール７８および７９は、面７０および７１の上に重畳された面７７に配置されたそれらのアームを有する。各ダイポール７３〜７６、および７８、７９は、体積シェルピンスキー・カーペット・パターンを呈する２つのアームを備える。

図７は、ダイポールが、共有足部８３によって支持され、表面積が縮小された、相互接続される３つの重畳された面８０、８１、および８２を示す。各面のダイポールの共振周波数は若干変動するが、それが周波数帯域を増大させる。面８０は、交差および二重偏波の配列を得るために、各々半波長が直交に結合される２つのダイポール８４、８５を備える。そこに重複する面８１および８２はそれぞれ、同様に２つのダイポール８６、８７、および８８、８９を備える。ダイポール８４〜８９の各アームは、体積シェルピンスキー・カーペット・パターンを呈する。

図８は、足部９２によって支持される面９１を備え、２つのアーム９３ａ、９３ｂ、および９４ａ、９４ｂをそれぞれ有する２つのダイポール９３および９４を備え、各アームは体積シェルピンスキー・カーペット・パターンを呈する放射素子９０を備える代替的な実施形態を示す。面９１は、第３の面９６内に配置されたパッチによって自身が重なり合っている、第２の面９５内に配置されたパッチと重なり合っている。面９５および９６に配置されたパッチは、面９１に配置されたダイポールと相互接続されておらず、「導波器」として知られる。各々の面９５、９６は、正方形であるパッチまたは導波器を備え、半波長とほぼ等しいその大きさは、放射素子の帯域幅を増大させるように、面９１内に配置されたダイポールの大きさと比較して変動される。面９５、９６内に配置されたパッチまたは導波器は、３Ｄシェルピンスキー・カーペット・パターンを呈する。他の実施形態にまさる利点として、この最後の構成のほうが、より設計しやすい。

本発明の実施形態によるアンテナは、図４の素子と類似した放射素子を支持する反射器を備える。各放射素子は、足部、第１の面に配置された２つの直交ダイポール、および第２の面に配置された２つの直交ダイポールを備える。４つのダイポールのそれぞれのアームは、３Ｄでシェルピンスキー・カーペット・パターンを再現する。既知のタイプの放射素子もまた、反射器に追加されてもよく、この場合、本発明によるアンテナはマルチバンド・アンテナとして機能し、その１つの帯域は非常に幅広い帯域である。

当然、アンテナは、これまで説明されたすべての実施形態の放射素子およびその変形例を備えることができ、本発明による放射素子は、その形状にかかわらず任意のタイプのアンテナに実装されてもよい。

Claims (7)

1. 直線二重偏波を生成し、いずれも２つのアームと１つの給電部を備える、２つの対称に給電された半波長ダイポールである第１および第２のコンポーネントを支持する、反射器上に配置された足部を備えるブロードバンド・アンテナの放射素子であって、
   前記第１および第２のコンポーネントは第１の面に配置されていること、前記放射素子が前記第１の面の上に当該面と平行に配置された第２の面内に配置されたダイポールまたはパッチから選択された少なくとも１つの第３のコンポーネントをさらに備えること、前記第１および第２のコンポーネントの各々は３次元フラクタル・パターンから成ること、さらに、前記重畳された第１および第２の面内に配置された前記第１、第２および第３のコンポーネントは相互接続されることを特徴とする、ブロードバンド・アンテナの放射素子。
2. 前記ダイポールの前記アームは、アルミニウム、真鍮、ザマック、または金属被覆ポリマーから成ることが好ましい、請求項１に記載の放射素子。
3. 前記第１および第２の面に重畳された第３の面内に配置されたダイポールまたはパッチから選択された少なくとも１つの追加のコンポーネントをさらに備える請求項１または２に記載の放射素子。
4. 重畳面内に配置された前記ダイポールは、前記反射器から遠くなるとそれに応じて減少する表面積を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放射素子。
5. 反射器上に一列に並べられた放射素子を備えるブロードバンド・アンテナであって、各放射素子は、直線二重偏波を生成し、いずれも２つのアームと１つの給電部を備える、２つの対称に給電された半波長ダイポールである第１および第２のコンポーネントを支持する、前記反射器上に配置された足部を備え、前記第１および第２のコンポーネントは第１の面に配置されていること、各放射素子は前記第１の面の上に当該面と平行に配置された第２の面内に配置されたダイポールまたはパッチから選択された少なくとも１つの第３のコンポーネントをさらに備えること、前記第１および第２のコンポーネントの各々は３次元フラクタル・パターンから成ること、さらに、前記重畳された第１および第２の面内に配置された前記第１、第２および第３のコンポーネントは相互接続されることを特徴とするブロードバンド・アンテナ。
6. 前記第１の面内に配置された前記ダイポールは、グランド・プレーンとしての役割を果たす前記反射器面から４分の１波長離れて配置される、請求項５に記載のブロードバンド・アンテナ。
7. 直線二重偏波を生成し、いずれも２つのアームと１つの給電部を備える、２つの対称に給電された半波長ダイポールである第１および第２のコンポーネントを支持する、反射器上に配置された足部を備える放射素子を製造するための方法であって、
   前記第１および第２のコンポーネントは第１の面に配置され、前記放射素子が前記第１の面の上に当該面と平行に配置された第２の面内に配置されたダイポールまたはパッチから選択された少なくとも１つの第３のコンポーネントをさらに備え、前記第１および第２のコンポーネントの各々は３次元フラクタル・パターンから成り、さらに、前記重畳された第１および第２の面内に配置された前記第１、第２および第３のコンポーネントは相互接続され、
   前記方法は、３次元フラクタル・パターンを達成するために各々のコンポーネントをフライス加工するステップまたは機械加工するステップを備えることを特徴とする方法。