JP2008512948A - 隠蔽式平板状アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】サイズを低減させかつインピーダンス整合を最適化させた効率のよい隠蔽式アンテナを提供する。
【解決手段】本発明は、サイズを低減させかつある波長レンジにわたって自由空間に対するインピーダンス整合を最適化させた無線周波数（ＲＦ）アンテナに関するものである。本発明はさらに、アンテナ・サイズを低減させること並びにアンテナにより送受信されるある波長レンジにわたる電磁波に対して透明な物体の後ろまたは内部にアンテナを隠蔽することによってアンテナを隠すため方法に関するものである。
【選択図】図１

Description

本発明はＲＦアンテナの分野にあり、より具体的にはサイズを低減したＲＦアンテナに関する。本発明はさらに、この種のアンテナを隠蔽するための方法に関する。

無線周波数（ＲＦ）通信テクノロジーはより一層広く普及しつつある。可搬式ワイヤレス電話や広く利用可能な衛星支援通信などの発達は多くの用途を刺激しつつある。成果の１つはＲＦアンテナの普及である。ＲＦ送受信の物理要件では多くの場合、人間の尺度の基準からしてＲＦアンテナをかなり大きくする必要があり、送受信される波長に匹敵する大きさである場合が多い。したがってこの種のアンテナは極めて目立つものであると共に、邪魔であると考えられることもある。このことが、この種のアンテナを隠蔽するすなわち外観を擬装するための方法の探求に対して動機付けを与えている。アンテナの隠蔽に対する別の動機付けは破壊行為からの保護である。さらに別の動機付けは隠した監視システムの全体的なセキュリティの改善である。

アンテナを隠して見えなくさせる一方法は、別の物体の後ろや内部にアンテナを隠すことである。この物体自体はそれ自身の役割を有する場合や、単にアンテナを隠すように（恐らく、通常の物体に似せさせながら）設計されることがある。例えば、Ｆｏｒｂｅｓらに対する米国特許第５，３４９，３６２号は、屋根上のベントパイプ内に隠したアンテナについて開示している。Ｋｅｌｌｙらの国際公開ＷＯ第０１／３５１１６ Ａ１号は、移動車両に取り付けたマーカー灯ハウジングの内部に隠したアンテナについて開示している。Ｇｉｅｔｅｍａらに対する米国特許第６，２２２，５０３号は別の通常の物体のように見せかけたものによって隠されたアンテナに関するものである。アンテナを隠すための物体が中実またはこれに類するものである場合、この物体はアンテナにより送受信される電磁波に対してほとんど透明な材料から製作しなければならない。

アンテナの隠蔽をさらに助けるためには、アンテナ・サイズを低減することができる。しかしこれは直接的ではない。上で言及したように、驚異的な方策は存在しないため、ＲＦエネルギーの損失を最小限にしてＲＦアンテナを効率よく動作させようとすると、ＲＦアンテナは取り扱うように設計された波長の寸法に匹敵するような寸法にする必要がある。物理学上要求されると共に無線周波数の技術分野でよく知られている関連する別の点は、効率よい動作のためにはアンテナの「特性インピーダンス」（単に「インピーダンス」とも云う）をそのアンテナが放出する先の媒質あるいはアンテナが受信する元の媒質（多くの場合、空中すなわち「自由空間」）のインピーダンスと「整合」させる必要があることである。アンテナのインピーダンスは、そのサイズ、形状、材料、ＲＦ発生器または受信器に対する接続方法を含め多くの材料や幾何学的因子によって影響を受ける。

アンテナの動作波長が長くなると、必要となるアンテナのサイズが大きくなり、これによってアンテナを隠すことがさらに困難となることがある。この問題の例示となる一例は、物資の運送に使用される商用トラクター・トレーラーなどの移動車両上に装着して使用される衛星アンテナである。これらのアンテナは、トラックやその荷物の位置特定若しくはその状態の監視に使用される信号を送受信するために使用されることがある。こうしたアンテナを破壊行為から保護し、その位置特定／監視システムの全体的な完全性及びセキュリティを維持するためには、アンテナを隠蔽することが極めて望ましい。こうしたアンテナのうちの幾つかは、約１０メートルと約１メートルの間の波長にそれぞれ対応する約３０ＭＨｚと約３００ＭＨｚの間の周波数であると当技術分野で一般に定義されるＶｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（極めて高い周波数）のレンジすなわちＶＨＦレンジのＲＦスペクトルで動作する。対応するサイズをもつアンテナをトラックに取り付けて隠蔽することは容易ではない。したがって、隠蔽すなわち外観の擬装が可能でありながらその設計波長レンジ内において依然として効率よく動作できる小型サイズのアンテナに対する要求が存在する。

ＲＦアンテナのサイズを低減するための一方法は、アンテナを誘電材料層を伴う面構成で製作することであり、こうしたアンテナはパッチ（ｐａｔｃｈ）アンテナまたは平板状アンテナと呼ばれることが多い。この誘電材料は１．０を超える誘電率ε_ｒを有することがある（ここでε_ｒは、ε_０で表現されることが多い自由空間の誘電率に対する当該材料の誘電率εの比である）。当該材料内を伝播する電磁波の波長は自由空間の場合の値から１／√ε_ｒの比率だけ短くなっている。この現象を利用すると、アンテナの面を規定する２つの寸法方向の両方について平板状アンテナのサイズを本質的に同じ比率だけ低減することができる。しかし、アンテナの効率を維持するためには、インピーダンス整合の最適化のための追加的な措置を講じなければならない。

上で引用したＮａｌｂａｎｄｉａｎに対する米国特許第６，６７７，９０１号は、サイズを低減しインピーダンス整合させた平板状アンテナについて開示しているが、該特許はインピーダンス整合を達成するために比較的狭い等級の誘電材料（すなわち約１：１と約１：３の間の誘電率対透磁率比を有する誘電材料）に限定される。上で引用したＦｏｒｂｅｓらに対する米国特許第５，３４９，３６２号、及びＨｅｌｍｓらに対する米国特許第５，７５７，３２４号は、本質的に１次元的（すなわち、平板状ではなく本質的に直線状）であると共に本質的に当該の１つの寸法方向だけでサイズを低減した隠蔽式アンテナについて開示している。より長い波長で動作する移動式アンテナなどの幾つかの用途では、こうした直線状アンテナは、１つの次元方向でサイズを低減してはいるものの、隠蔽が容易でないことがある。いずれも上で引用した国際公開ＷＯ第０１／３５１１６ Ａ１号及び米国特許第６，２２２，５０３号は、隠蔽に向けた一手段としてアンテナのサイズ低減に対処していない。さらに、後者の参考文献は主に固定の基地局にあるアンテナ列を扱ったものである。
米国特許第５，３４９，３６２号 国際公開ＷＯ第０１／３５１１６ Ａ１号 米国特許第６，２２２，５０３号 米国特許第６，６７７，９０１号 米国特許第５，７５７，３２４号

したがって、サイズを低減させかつその動作波長レンジ全体にわたって自由空間に対するインピーダンス整合を最適化させたある種の効率のよい隠蔽式アンテナであって、比較的広い範囲の材料を使用することによって製作するのが比較的容易である隠蔽式アンテナに対する要求が存在する。

本発明は、少なくとも１つの接地面と、少なくとも１つの能動素子と、少なくとも１つの誘電材料層と、を備えた隠蔽式無線周波数（ＲＦ）アンテナに関するものである。本発明はさらに、アンテナ・サイズを低減させること並びにアンテナにより送受信されるある波長レンジにわたる電磁波に対して透明な物体の後ろまたは内部にアンテナを隠蔽することによってアンテナを隠すことに関するものである。

このアンテナは全体的に面構成を有する。その全体の直線的寸法は、同じ波長レンジで動作する他のアンテナと比較して大幅に低減されている。このことは、その一部として、１．０を超える誘電率ε_ｒ（上で説明）を有すると共に１：１を超える誘電率対透磁率比を有する誘電材料を使用することによって達成される。後者の比はε_ｒ／μ_ｒで定義される（ここで、ε_ｒは上で定義したものでありまたμ_ｒはμ_０で表現することが多い自由空間の透磁率に対する当該材料の透磁率μの比である）。

同時に、その動作波長範囲にわたるアンテナの自由空間に対するインピーダンス整合は、形状細部、同軸フィードケーブルの取り付け位置、ケーブルの終端（ケーブルを能動送信／受信素子と電気的に接続させた点における終端を含む）などの変数を慎重に選択することによって最適化される。インピーダンス整合は、これらなどの変数を変更し電圧定在波比（ＶＳＷＲ）を計測することによって達成される。

サイズ低減したアンテナは、アンテナの動作波長に対して透明あるいはほとんど透明な物体の後ろまたは内部にアンテナを隠すことによって擬装することができる。本発明の趣旨を限定するものと見なすべきでない一実施形態では、この物体はよく見掛ける別の物体のもつ形状とすることができる。後者の一例としては、ルーバーベント、ノーズレール、バンパー、ボディパッチ、コーナープロテクタ、コーナーベント、あるいはマーカー灯など移動車両の不可分の一部であると通常見なされる物体がある。別の実施形態では、そのアンテナは輸送コンテナの一部に似せた物体の後ろまたは内部に隠すことが可能である。こうしたアンテナを用いると、一例としてそのコンテナの位置、内容物及びセキュリティ状態に関する情報を遠隔の箇所まで伝達することが可能である。

以下に示したのは本発明による隠蔽式アンテナの具体的な実施形態に関する詳細な説明であり、限定と見なすべきものではない。

図１はサイズを低減したアンテナの一実施形態の前面図である。単一の能動素子１０が導電性材料の層から作成されており、凸型多角形の形状を有している（多角形の内部で計測したときにその角度のすべてが１８０度未満である場合（かつその場合にのみ）その多角形を凸型であるという）。この能動素子１０は誘電層１５と一体化されている。この誘電層１５の反対側には別の導電材料層から作成した接地面２０がある。この能動素子１０には同軸ケーブル２５の中心導体の端部が接続されており、該端部により素子へのＲＦエネルギーの伝達及び素子からのＲＦエネルギーの伝達を行っている。ケーブル導体２５は小さい穴２７の中に下側から入っていると共に、能動素子１０に対してはんだ付けされている。能動素子１０上のケーブル端部２５の位置は、ＲＦエネルギー発生源に対する、自由空間に対する、あるいはこれら両者に対するアンテナのインピーダンス整合が最適化されるように選択される。別法として、これらケーブル端部２５と能動素子１０の間にインダクタやコンデンサなどの追加的な回路素子を配置させ、インピーダンス整合をさらに向上させることが可能である。

誘電層１５は１．０を超える実効比誘電率ε_ｒ、並びに１：１を超える誘電率対透磁率比ε_ｒ／μ_ｒを有する。上で説明したように、ε_ｒの値が大きいほどアンテナ・サイズをより大幅に低減させることができる。この用途に有用な材料の種類の１つは、いわゆる強誘電性材料であり、これらのうちのあるものは１００以上の高いε_ｒを有する。この種類には、二酸化チタン、酸化チタン、チタニア、チタン酸バリウム及びルチル（ただし、これらに限らない）が含まれる。

図２は、図１と同じ番号を付与して接地面２０をより明瞭に示している同じ実施形態の背面像である。

図３は、図１及び２に示したアンテナと同じ実施形態のアンテナに関する断面図を表しており、図１及び２と同じ番号を付与して表している。この図は、アンテナへのＲＦエネルギー伝達あるいはアンテナからのＲＦエネルギー伝達に使用されるフィード回路の一部分の一実施形態を表している。同軸ケーブルの外側導体３０は接地面２０に接続されており、一方同じケーブルの内側導体２５は能動素子１０に接続されている。上で説明したように、これらの接続の位置はアンテナのその環境に対する最適化インピーダンス整合が達成されるように選択される。この具体的な実施形態では、素子間に電磁波エネルギーの開口カップリング（ａｐｅｒｔｕｒｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）は存在しない。

図４はアンテナを隠すために使用できる物体４０の一実施形態を表している。この物体は、商用トレーラー上のベント開口部を覆うために通常使用される格子（ｇｒｉｌｌ）の形状をしている。物体４０はアンテナの動作波長に対して透明な材料から製作される。こうした材料のうちの幾つかは「レドーム（ｒａｄｏｍｅ）」材料と呼ばれることがあり、当技術分野において周知である。

図５は、サイズ低減され隠された実装アンテナの一実施形態を表している。この実施形態では、平板状アンテナ５０が移動車両５５に取り付けられており、衛星６５を介して遠隔の箇所とで車両やその内容物に関する情報を交換するために使用される。アンテナ５０は車両の不可分の一部であるベントカバーの形状をした物体４０の後ろに隠されている。さらに、車両５５の別の部分には本物のベントカバー７０も図示している。これら両物体は普通の観察者には同じに見えるため、かつこうしたベントカバーは通常ベントカバーに見えかつ理解されるため、観察者がこれらのうちの一方の後ろにアンテナが隠されていると推察する可能性は低い。

上に記載した説明及び実施形態は例示であり、本発明の趣旨を限定するために取り上げたものでないことを理解すべきである。本発明の精神及び趣旨を逸脱しない代替形態、修正形態及び変形形態は、当業者には明らかであろう。本発明の趣旨は添付の特許請求の範囲によって規定されるべきである。

サイズ低減したアンテナの一実施形態の前面（能動素子のある面）の図である。 図１に表したのと同じ実施形態の背面（接地面を表した側）の図である。 図１に示した切断線に沿って切り取った当該実施形態の断面図である。 アンテナを隠すために使用できる物体の一実施形態の図である。 移動車両上にサイズ低減して隠したアンテナを配置させた一実施形態の図である。

符号の説明

１０ 能動素子
１５ 誘電層
２０ 接地面
２５ 同軸ケーブル
２７ 穴
３０ 外側導体
４０ 物体
５０ 平板状アンテナ
５５ 移動車両
６５ 衛星
７０ ベントカバー

Claims (42)

1. サイズを低減させかつある波長レンジにわたって自由空間に対するインピーダンス整合を最適化させた平板状無線周波数（ＲＦ）アンテナであって、
   少なくとも１つの接地面と、
   少なくとも１つの能動素子と、
   １．０を超える誘電率及び１：１を超える誘電率対透磁率比を有する誘電材料からなる少なくとも１つの層と、
   を備えたアンテナを備える隠蔽式アンテナ。
2. 前記波長レンジの電磁波に対して透明な物体であって、前記平板状ＲＦアンテナは該物体の後ろまたは内部に該アンテナを配置させることによって隠蔽されている物体をさらに備える請求項１に記載の隠蔽式アンテナ。
3. 前記物体は移動車両の不可分の一部である、請求項２に記載の隠蔽式アンテナ。
4. 前記物体は輸送コンテナの不可分の一部である、請求項２に記載の隠蔽式アンテナ。
5. 前記物体は、ルーバーベント、ノーズレール、バンパー、ボディパッチ、コーナープロテクタ、コーナーベント、あるいはマーカー灯の形状を有する、請求項２に記載の隠蔽式アンテナ。
6. 前記波長レンジはＶＨＦレンジである、請求項１に記載の隠蔽式アンテナ。
7. 前記誘電材料は強誘電性材料である、請求項１に記載の隠蔽式アンテナ。
8. 前記誘電材料は、チタニア、酸化チタン、二酸化チタン、チタン酸バリウム及びルチルからなる群より選択される、請求項１に記載の隠蔽式アンテナ。
9. 前記誘電材料は約２を超える誘電率及び約２：１を超える誘電率対透磁率比を有する、請求項１に記載の隠蔽式アンテナ。
10. 前記最適化インピーダンス整合を達成させるような方式でその端部が前記少なくとも１つの能動素子と電気的に接続されかつ該素子上に位置決めされた少なくとも１つの導電性ケーブルを備えたフィード回路をさらに備える請求項１に記載の隠蔽式アンテナ。
11. 開口カップリングがない請求項１に記載の隠蔽式アンテナ。
12. サイズを低減させかつある波長レンジにわたって自由空間に対するインピーダンス整合を最適化させた平板状無線周波数（ＲＦ）アンテナであって、
    接地面の役割をする第１の導電層と、
    該第１の導電層の反対側にある能動素子の役割をする第２の導電層と、
    該第１の導電層と該第２の導電層の間に配置させた１．０を超える誘電率及び１：１を超える誘電率対透磁率比を有する誘電材料からなる層と、
    を備えたアンテナを備える隠蔽式アンテナ。
13. 前記波長レンジの電磁波に対して透明な物体であって、前記平板状ＲＦアンテナは該物体の後ろまたは内部に該アンテナを配置させることによって隠蔽されている物体をさらに備える請求項１２に記載の隠蔽式アンテナ。
14. 前記物体は移動車両の不可分の一部である、請求項１３に記載の隠蔽式アンテナ。
15. 前記物体は輸送コンテナの不可分の一部である、請求項１３に記載の隠蔽式アンテナ。
16. 前記物体は、ルーバーベント、ノーズレール、バンパー、ボディパッチ、コーナープロテクタ、コーナーベント、あるいはマーカー灯の形状を有する、請求項１３に記載の隠蔽式アンテナ。
17. 前記波長レンジはＶＨＦレンジである、請求項１２に記載の隠蔽式アンテナ。
18. 前記誘電材料は強誘電性材料である、請求項１２に記載の隠蔽式アンテナ。
19. 前記誘電材料は、チタニア、酸化チタン、二酸化チタン、チタン酸バリウム及びルチルからなる群より選択される、請求項１２に記載の隠蔽式アンテナ。
20. 前記誘電材料は約２を超える誘電率及び約２：１を超える誘電率対透磁率比を有する、請求項１２に記載の隠蔽式アンテナ。
21. 前記最適化インピーダンス整合を達成させるような方式でその端部が前記少なくとも１つの能動素子と電気的に接続されかつ該素子上に位置決めされた少なくとも１つの導電性ケーブルを備えたフィード回路をさらに備える請求項１２に記載の隠蔽式アンテナ。
22. 開口カップリングがない請求項１２に記載の隠蔽式アンテナ。
23. サイズを低減させかつある波長レンジにわたって自由空間に対するインピーダンス整合を最適化させた平板状無線周波数（ＲＦ）アンテナを作成する工程であって、該平板状ＲＦアンテナは、
    少なくとも１つの接地面と、
    少なくとも１つの能動素子と、
    １．０を超える誘電率及び１：１を超える誘電率対透磁率比を有する誘電材料からなる少なくとも１つの層と、
    を備えているアンテナ作成工程と、
    前記波長レンジの電磁波に対して透明な物体の後ろまたは内部に前記平板状アンテナを隠蔽する工程と、
    を含むＲＦアンテナ隠蔽方法。
24. 前記物体は移動車両の不可分の一部である、請求項２３に記載の方法。
25. 前記物体は輸送コンテナの不可分の一部である、請求項２３に記載の方法。
26. 前記物体は、ルーバーベント、ノーズレール、バンパー、ボディパッチ、コーナープロテクタ、コーナーベント、あるいはマーカー灯の形状を有する、請求項２３に記載の方法。
27. 前記波長レンジはＶＨＦレンジである、請求項２３に記載の方法。
28. 前記誘電材料は強誘電性材料である、請求項２３に記載の方法。
29. 前記誘電材料は、チタニア、酸化チタン、二酸化チタン、チタン酸バリウム及びルチルからなる群より選択される、請求項２３に記載の方法。
30. 前記誘電材料は約２を超える誘電率及び約２：１を超える誘電率対透磁率比を有する、請求項２３に記載の方法。
31. 前記平板状ＲＦアンテナはさらに、前記最適化インピーダンス整合を達成させるような方式でその端部が前記少なくとも１つの能動素子と電気的に接続されかつ該素子上に位置決めされた少なくとも１つの導電性ケーブルを備えたフィード回路を備える、請求項２３に記載の方法。
32. 前記平板状ＲＦアンテナは開口カップリングがない、請求項２３に記載の方法。
33. サイズを低減させかつある波長レンジにわたって自由空間に対するインピーダンス整合を最適化させた平板状無線周波数（ＲＦ）アンテナを作成する工程であって、該平板状ＲＦアンテナは、
    接地面の役割をする第１の導電層と、
    該第１の導電層の反対側にある能動素子の役割をする第２の導電層と、
    該第１の導電層と該第２の導電層の間に配置させた１．０を超える誘電率及び１：１を超える誘電率対透磁率比を有する誘電材料からなる層と、
    を備えているアンテナ作成工程と、
    前記波長レンジの電磁波に対して透明な物体の後ろまたは内部に前記平板状アンテナを隠蔽する工程と、
    を含むＲＦアンテナ隠蔽方法。
34. 前記物体は移動車両の不可分の一部である、請求項３３に記載の方法。
35. 前記物体は輸送コンテナの不可分の一部である、請求項３３に記載の方法。
36. 前記物体は、ルーバーベント、ノーズレール、バンパー、ボディパッチ、コーナープロテクタ、コーナーベント、あるいはマーカー灯の形状を有する、請求項３３に記載の方法。
37. 前記波長レンジはＶＨＦレンジである、請求項３３に記載の方法。
38. 前記誘電材料は強誘電性材料である、請求項３３に記載の方法。
39. 前記誘電材料は、チタニア、酸化チタン、二酸化チタン、チタン酸バリウム及びルチルからなる群より選択される、請求項３３に記載の方法。
40. 前記誘電材料は約２を超える誘電率及び約２：１を超える誘電率対透磁率比を有する、請求項３３に記載の方法。
41. 前記平板状ＲＦアンテナはさらに、前記最適化インピーダンス整合を達成させるような方式でその端部が前記少なくとも１つの能動素子と電気的に接続されかつ該素子上に位置決めされた少なくとも１つの導電性ケーブルを備えたフィード回路を備える、請求項３３に記載の方法。
42. 前記平板状ＲＦアンテナは開口カップリングがない、請求項３３に記載の方法。

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