JP2000508498A - 携帯用無線機器の小型アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 相対的に高い利得を有し、両方向無線呼出受信器のような携帯用無線機器との結合が容易な小型軽量のアンテナを提供する。本発明のアンテナは、装荷モノポールラジエータとグラウンドラジエータとを有する。装荷モノポールラジエータは、水平方向に所定の長さを有する第１コンダクタと、垂直方向に形成される曲折状の第２コンダクタと、をプリント回路基板上に有する。グラウンドラジエータは、プリント回路基板の下部に、前記第２コンダクタを中心に対称的に互いに接続して設けられる第１及び第２グラウンドを有する。

Description

【発明の詳細な説明】 携帯用無線機器の小型アンテナ発明の背景 １．発明の属する技術分野 本発明は、携帯用無線機器のアンテナに関し、特に、曲折状(meander line sh ape)のラジエータを有する携帯用無線機器の小型アンテナに関する。 ２．従来の技術 最近の携帯用無線機器の小型及び軽量化の趨勢と相俟って、小型アンテナ技術 も大きく発展してきている。このような小型アンテナは、使用者が簡便に携帯及 び使用でき、さらに高利得及び無志向のアンテナ特性を有しなければならない。 また、端末機が身体の近くに置かれている場合、アンテナ特性に及ぼす身体の影 響、即ち入力インピーダンス及び利得の変化を最低限に抑える必要がある。 このような課題に対する一解決案が、１９８７年１０月１３日付にて特許され たOgawa等による米国特許番号第４７００１９４号に提示されている。アンテナ 電流がグラウンド回路(ground circuit)及び端末機ケース上に流れると前記端末 機ケースに人の体を接近させた場合アンテナに流れる電流が変化し、アンテナの 入力インピーダンス及び利得がさらに変化するため、前記特許では、従来のスリ ーブアンテナ技術で用いた四分の一波長トラップ(quarter−wave trap)又は平衡 不平衡変成器(balance to unbalance transformer：Balun)を使用せずに、前記 アンテナ電流がグラウンドとケース上に流れないように前記アンテナと同軸線及 び電気回路のグラウンド回路との間に良好な電気的アイソレーションを提供して いる。 図１は、前記米国特許番号第４７００１９４号に開示されているＱＭＳＡ(Qua rter-Wavelength Microstrip Antenna)の構成図である。図１において、前記ア ンテナは、誘電体６１を中央にして一面にはラジエーションエレメント(radiati on element)を、他面にはグラウンドエレメントを有する。そして、第１給電ラ ジエーションエレメント６２(第１給電手段)は、伝送線の信号線と電気的に接続 し、第２給電ラジエーションエレメント６３？は、伝送線のグラウンド線とグラ ウン ドエレメントを電気的に接続するためにグラウンドエレメント上に構成する。こ の時、前記第２給電ラジエーションエレメントは、グラウンドエレメント上に発 生する電圧定在波(voltage standing wave)の電圧が最小となる地点に位置させ る。ところで、通常のマイクロストリップアンテナにおいて、グラウンド面(gro und plane)が使用周波数の波長に比べて相対的に小さい場合、前記グラウンド面 はもはやグラウンドとして動作せず、グラウンド面上の電圧定在波、即ち電圧分 布の正弦波形態に変化が生じ、これにより同軸線路の外部導体上には寄生電流が 発生することになる。図１のアンテナでは、従来のスリーブアンテナ構造で使用 した四分の一波長を一切用いず、グラウンドエレメント上に発生する電圧定在波 の電圧の最小地点である第２給電点において前記グラウンドエレメントに伝送線 の外部導体を接続することによって伝送線路上に流れる寄生電流を減少及び除去 する。この結果、アンテナに人体や電気回路が接近する場合のアンテナの特性変 化を減少できる。 図２及び図４は、従来技術による前記ＱＭＳＡの長さＬ及びＧｚに対する利得 特性の変化を各々示すものであり、図３は、従来技術によるＱＭＳＡの幅Ｗに対 する利得特性の変化を示すものである。 しかし、前述した従来のＱＭＳＡは、プリント回路基板(以下、ＰＣＢ)の厚さ によってアンテナの効率特性が大きく変化するという問題がある。即ち、アンテ ナの利得がＰＣＢの厚さに大きく影響し、高い利得を得るためにＰＣＢを厚く形 成すると重量及び大きさが増加して携帯するのが不便になり、逆に、ＰＣＢを薄 く形成すると携帯に便利であるが、アンテナの利得が減少してしまう。発明の概容 従って本発明の目的は、相対的に高い利得を有し、簡便に携帯及び使用可能な 小型且つ軽量の携帯用無線機器のアンテナを提供することにある。この時、前記 アンテナに人の体が接近する場合、アンテナの特性変化を最小化するのが好まし い。 本発明による携帯用無線機器の小型アンテナは、装荷モノポールラジエータ(l oaded monopole radiator)とグラウンドラジエータとを有する。前記装荷モノポ ールラジエータは、水平方向に所定の長さを有する第１コンダクタと、垂直方向 に設けられる曲折状の第２コンダクタと、をプリント回路基板上に有する。前記 グラウンドラジエータは、プリント回路基板の下部に、前記第２コンダクタを中 心に対称的に互いに接続して設けられる第１及び第２グラウンドを有する。図面の簡単な説明 図１は、従来のＱＭＳＡの構成図。 図２は、図１のＱＭＳＡの全体長さに対する利得特性の変化を示す図。 図３は、図１のＱＭＳＡの幅に対する利得特性の変化を示す図。 図４は、従来のＱＭＳＡの非金属化(un-metallized)長さＧｚに対する利得特 性の変化を示す図。 図５は、本発明のモノポールアンテナの一例を示す構成図。 図６は、図５のアンテナの具体的な回路構成図。 図７は、装荷モノポールと等価的モノポールの電流分布を示す図。 図８は、ダイポールアンテナの長さに対する利得変化を示すグラフ。 図９は、ダイポールアンテナの厚さに対する利得変化を示すグラフ。発明の実施の形態 以下、本発明に従う好適な実施形態を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。 なお、図面中、同一な構成要素及び部分には、可能な限り同一な符号及び番号を 使用するものとする。 また、以下の説明では、回路の構成素子などを具体的に示しているが、本発明 がこれに限定されるものでないことは、当技術分野で通常の知識を有する者には 明らかである。そして、関連する周知技術については適宜説明を省略するものと する。 図５は、本発明によるモノポールアンテナの構成の一例を示す図である。同図 は、両方向無線呼出受信器(two-way pager)１０と結合された場合を示している が、本発明は、他の機器への適用も可能である。図５を参照すると、アンテナシ ステム２０は、装荷モノポール(loaded monopole)形態のコンダクタラジエータ １２、 曲折状のグラウンドラジエータ１３、及び高周波電力増幅器の実装されたＰＣＢ １１に前記コンダクタラジエータ１２とグラウンドラジエータ１３を接続する同 軸線２７で構成される。前記コンダクタラジエータ１２とグラウンドラジエータ １３は、ＰＣＢ２１の一面に構成されてフリップ形アンテナケース２８に実装さ れる。このアンテナケース２８は、アンテナシステム２０とともに両方向無線呼 出受信器１０のハウジングに対して摺動する。即ち、無線呼出受信器のハウジン グがＸ軸方向に向いている時、前記アンテナシステム２０はＺ軸−Ｙ軸間を動く 。前記アンテナシステム２０は、作動時にはほぼ垂直(即ち、Ｚ軸方向)に位置す る。 図６は、前記図５のアンテナの具体的な回路構成を示す図であって、アンテナ システム２０のＰＣＢをより詳細に示すものである。前記装荷モノポール形態の コンダクタラジエータ１２は、曲折状の垂直コンダクタ２２と水平コンダクタ２ ３とで構成される。前記垂直コンダクタ２２の上端は、水平コンダクタ２３によ ってローディングされる。前記垂直コンダクタ２２の電気的長さは、波長の０. ４９倍であり、水平コンダクタ２３の電気的長さは、波長の０.３倍とする。こ れは、等価的垂直モノポールアンテナ中最大の利得を持つアンテナの長さが波長 の０.６２５倍であるという事実に基づいて設計したものである。また、本アン テナシステム２０は、最大の利得を得るために曲折形状、ローディング手段、及 び前記の長さを適用するので、特に矩形又は正方形のフリップ型ケース２８に適 している。グラウンドラジエータ１３は、前記水平コンダクタ２３と同じ方向で 、アンテナシステム２０のＰＣＢ２１の下部に位置する。この時、前記グラウン ドラジエータ１３は、前記垂直コンダクタ２２について対称に配置され、給電点 のグラウンド地点２６で同軸線２７のグラウンドと連結された第１及び第２グラ ウンドラジエータ２４，２５に分けられる。このグラウンドラジエータ１３の効 率性を高めるために、前記第１及び第２グラウンドラジエータ２４，２５の電気 的長さを４分の一波長にするのが好ましい。本発明の望ましい実施例で使用する アンテナシステム２０のＰＣＢ２１は、材質がＦＲ−４、厚さが０.２５mmであ る。前記ＰＣＢ２１は、ポリカーボネートよりなるフリップ型アンテナケース２ ８に収められる構造であり、キャパシタ３４とインダクタ３５は、前記アンテナ システム２０のインピーダンス整合のために用いる。 このような構成を有する本例のアンテナの具体的な動作特性は次のようである 。アンテナ効率は、アンテナの放射効率によって決定され、この放射効率は次の 数式１で示される。 ここでηは放射効率、Rγは放射抵抗(Ω)、RLは損失(loss)抵抗(Ω)を示す。 前記数式１で、放射抵抗Rγはラジエータの長さが縮まるにつれて減少する。 アンテナ効率と関連する放射効率を高めるために、高い放射抵抗Ｒγを有する ラジエータの長さを増加させ、損失抵抗ＲＬの低い低損失コンダクタを用いるべ きである。従って、本実施例では、波長によるラジエータの長さを増加させて放 射効率を高めると共に、アンテナラジエータの物理的長さを縮めるためにコンダ クタに曲折を加える方法を採択しており、その結果としてラジエータの物理的長 さを増やすことなくアンテナ利得が高められる。 Ｋ.ハルチェンコ(K.Harchenko)の‘曲折状のアンテナコンダクタ’(Radio，No 8，1979，P21)での指摘によれば、アンテナの曲折率が高いほどアンテナの通過 帯域が狭まる。従って、本実施例では、図６に示すように、ラジエータ２２上に ローディングされた水平ラジエータ２３を用いることによって、アンテナの帯域 幅を過度に狭めず、電気的等価長さを要求されるサイズにまで増加させられるよ うにした。この結果、ラジエータの物理的長さが増加されたのと同様な効果が得 られ、アンテナ利得の向上が図られる。 図７は、装荷モノポールと等価的モノポールの電流分布を示すグラフであり、 ７ａは装荷モノポールラジエータとその電流分布を示し、７ｂは等価的モノポー ルアンテナの電流分布を示す。アンテナの垂直コンダクタについてより良好な電 流分布を確保するのが望ましい。従って、数式２に示すように、アンテナは水平 コンダクタ(装荷ラジエータ)を使用することにより、Δlvほど増加したのと同様 のリンクマナーで動作する。 ここでΔlvは、等価的垂直コンダクタ長さの増加分を示す。 装荷モノポールアンテナの場合、垂直コンダクタ２２の終端部分‘Ａ’(図７ 参照)での電流値が‘０’とならない限り、その値はモノポールアンテナの水平 コンダクタ２３のリアクティブインピーダンスによって定められる。Ａ地点での 装荷ラジエータの入力リアクティブインピーダンスが、等価的モノポールのＢ地 点での入力リアクティブインピーダンスと同様な場合に限って、前記アンテナの 垂直コンダクタがΔｌほど増加されるという結果が得られる。 この状態で、Ａ，Ｂ地点での装荷ラジエータの入力リアクティブインピーダン スＸＡ，ＸＢは各々次の数式３，４で示される。 lHは、装荷モノポールの水平コンダクタのアーム(arm)の長さ(即ち、水平コン ダクタ２３の全体水平長さの略半分)、Z0Hは、装荷モノポールの水平コンダクタ の固有インピーダンス(intrinsic impedance)を示す。 ZOVは、装荷モノポールの垂直コンダクタの固有インピーダンスを示す。 また、前記両入力リアクティブインピーダンスＸＡ、ＸＢが同一であれば、次 の数式５のようにΔlvが得られる。 従って、lveqvはlvとΔlvの和となる(lveqv＝lv＋Δlv)。即ち、モノポールア ンテナの物理的長さがΔlvほど延長されたかのように動作することが判る。また 、一般のモノポールアンテナでは、メッキされた端末機ケース又は実装されたＰ ＣＢのグラウンドがそのグラウンドの役割を果たしてきたため、グラウンドがグ ラウンドラジエータとして動作はするが、使用者が端末機を手に取ると、放射効 率性はやはり減少する。このような現象は、K.Fujimoto，J.R James．‘Mobile Antenna Systems Handbook’，Artech House，Boston-London，1994.p217-243に 詳細に記載されている。 本実施例では、端末機が身体に触れる時、モノポールアンテナの放射性に及ぼ す身体の影響を最小化するために、第１、第２グラウンドラジエータ２４，２５ を用いてアンテナ電流を両方向無線呼出受信器１０のグラウンドから隔離する。 また、使用者が端末機を用いる時、第１、第２グラウンドラジエータ２４，２５ が使用者の体からできる限り遠く離れるように、前記第１、第２グラウンドラジ エータ２４，２５を両方向無線呼出受信器１０の上面に実装されたアンテナのＰ ＣＢ２１上に構成する。 前記第１、第２グラウンドラジエータ２４，２５からの放射は、信号電圧の法 則に従って変化する。この変化する信号電圧により、同軸線２７の表面(グラウ ンド)に沿って流れる寄生電流が発生し、これによりアンテナの方向パターン(di rection pattern)、入力インピーダンス、利得などのアンテナ特性が変わってし まう。このような特性変化を防止するために、本実施例では第１、第２グラウン ドラジエータ２４，２５を、アンテナのＰＣＢ２１上にアンテナのＺ軸を中心に 対称的に配置し、各々の電気的長さＬ＝(２ｎ−１)／λ(ここで、ｎは正の定数) に設計する。言い換えれば、第１、第２グラウンドラジエータ２４，２５の各電 気的長さを四分の一波長の奇数倍に設計する。第１，２グラウンドラジエータ２ ４， ２５の長さが同一であれば、グラウンドラジエータ２６の表面から両方向無線呼 出受信器１０のグラウンドに流れる寄生電流が最小化され、その結果、前記両方 向無線呼出受信器１０のグラウンドが人の体に触れてもアンテナ特性変化及び放 射効率性の低下などが殆ど起こらない。 ＱＭＳＡの利得特性は、図２〜図４に示すように、アンテナの長さＬ，Ｇｚ及 び幅Ｗによって変わり、後述の図８に示すダイポールアンテナの利得特性に比べ 劣っている。 これをより明確に確認するために、本実施例で使用したアンテナ仕様(Ｌ＝４ ７.3mm、ε_γ＝４.５、ｆ＝９１６MHz)を従来のアンテナに適用し、本発明によ るアンテナと従来の技術によるアンテナの利得を比較する。その比較結果は次の ようである。 図１において、ｂがλs／４、Ｌが４７.３mm、ε_γが４.５、ｆが９１６MHz、 ｄが１.２mmと仮定すれば、λs、ｂ、Ｇｚは各々次の数式６〜８で示される。 図２及び図４を参照すれば、Ｌ＝４７.３mm、Ｇｚ＝８.７である場合、各利得 は約−１２.５dBd(−１０.３５dBi)であった。一方、本実施例で使用するアンテ ナは、その電気的長さが０.６２５λであり、その時の利得は、図８に示すよう に約３dBd(５.１５dBi)であった。従って従来の技術は、本実施例と相対的に比 較し てその利得が１５dB程度低いことが判る。(図８及び図９は、ダイポールアンテ ナのグラフであるが、モノポールアンテナの利得が本質的に等価的ダイポールア ンテナの利得と同一であるので、図８及び図９も本発明によるモノポールアンテ ナの利得を示すものである。) そして、従来技術においては他に、ＰＣＢの厚さｄによってＱＭＳＡのアンテ ナ効率特性ηが大きく変化するという問題点がある。前記と同様に、本実施例で 使用したアンテナ仕様(Ｌ＝４７.３mm、ε_γ＝４.５、ｆ＝９１６MHz、ｄ＝０. ２５mm)を従来技術のアンテナに適用した時の、厚さの変化による利得(図９参照 )は次のようになる。前記アンテナ仕様における利得は約−１２.５dBdの特性を 得た。この時、厚さｄは１.２mであり、図９に示すように、アンテナ効率は次の 数式９の要素によって定められる。 前記図９を参照すれば、F＝d／λo＝0.003664の時、アンテナ効率は略５０％ であり、ＰＣＢの厚さｄが0.25mmであれは、Ｆが0.000736となってアンテナ効率 が略４.５％に低下する。 従って、ｄが１.２mmの時、ηは約(≒)５０％であり、ｄが０.２５mmの時、前 記ηは約４.５％である。即ち、厚いＰＣＢ(ｄ＝１.２mm)の方が薄いＰＣＢ(ｄ ＝０.２５mm)に比べて約１１倍の高い利得値を有する。この結果に基づいて利得 を換算すれば、次の数式１０で示される。 つまり、前記数式１０から、ｄが１.２mmの時に比べて約１０dB程度利得が減 少 することが判る。また、この利得は前述したダイポールアンテナの利得に比べて 略２５dB減少することがわかる。 本発明のアンテナシステムは、薄いＰＣＢ上に具現可能であるため、端末機( 例えば、無線呼出受信器)の上面にも簡単に実装でき、従って、簡便に携帯及び 使用できる。また、ＰＣＢ上の垂直ラジエータを曲折状に設計してその物理的長 さを縮め、制限されたアンテナサイズ内で最上の電気的特性が得られる他、前記 垂直ラジエータの上端に別の水平ラジエータを用いて結果的に前記垂直ラジエー タの等価的長さを増やすことによって、アンテナ利得の増加が図れる。また、水 平及び垂直ラジエータとグラウンドラジエータを一枚の薄いＰＣＢ上に具現して いるため、簡単にアンテナが製作できるという利点もある。また、グラウンドラ ジエータの電流が端末機グラウンドに流入するのを防止することによって、例え ば身体接触などに起因する、端末機グラウンドの状態変化によるアンテナ特性変 化を最小化し、安定的且つ優れた特性を有するアンテナが具現できる。 本発明の詳細な説明では、具体的に実施例を上げて説明したが、本発明の範囲 内で様々な変形が可能であり、本発明の範囲は、説明された実施例に限定されず 、特許請求の範囲及び特許請求の範囲と均等なものによって定められるべきであ る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バク サン コン 大韓民国 135―240 ソウル カンナム― グ ゲポ―ドン キョンナムアパート＃２ ―1203

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プリント回路基板上に水平方向に所定長さを有する第１コンダクタと、 この第１コンダクタに対して垂直方向に設けられる曲折状の第２コンダクタと、 からなる装荷モノポールラジエータと、 前記第２コンダクタを中心に、前記プリント回路基板の下部に第１及び第２グ ラウンド部分に分けられて対称的に設けられるグラウンドラジエータと、からな ることを特徴とする携帯用無線機器のアンテナ。 ２．前記装荷モノポールラジエータは、曲折状の垂直コンダクタと、この垂 直コンダクタの上端で左右に延長された水平コンダクタのローディングラインと 、からなる請求項１記載のアンテナ。 ３．前記グラウンドラジエータは、曲折状に形成され、前記装荷モノポール ラジエータの垂直コンダクタを中心に対称的に位置し、左側のグラウンドラジエ ータの右端部と右側のグラウンドラジエータの左端部とが互いに接続され、前記 左右グラウンドラジエータの電気的長さが各々四分の一波長の奇数倍である請求 項１記載のアンテナ。 ４．前記グラウンドラジエータは、曲折状に形成され、前記装荷モノポール ラジエータの垂直コンダクタを中心に対称的に位置し、左側のグラウンドラジエ ータの右端部と右側のグラウンドラジエータの左端部とが互いに接続され、前記 左右グラウンドラジエータの電気的長さが各々四分の一波長の奇数倍である請求 項２記載のアンテナ。 ５．前記プリント回路基板が高周波電力増幅器の実装された無線機器本体の プリント回路基板と同軸線で接続される請求項３記載のアンテナ。 ６．前記同軸線は、その一端の信号線が前記装荷モノポールラジエータの第 ２コンダクタの下部に接続され、グラウンド線は前記左右のグラウンドラジエー タに接続され、他端の信号線は端末機の信号線と接続され、グラウンド線は前記 端末機のグラウンド部分と接続され、前記アンテナと端末機を電気的に相互接続 する請求項５記載のアンテナ。 ７．前記プリント回路基板がフリップ型アンテナケースに実装される請求項 １記載のアンテナ。 ８．前記アンテナケースがポリカーボネートからなる請求項７記載のアンテ ナ。 ９．アンテナが、第１方向に所定の長さを有する第１コンダクタと、前記第 １方向と垂直を為す第２方向に形成された曲折状の第２コンダクタと、をプリン ト回路基板上に有する装荷モノポールラジエータと、 前記第２コンダクタを中心に対称的に互いに連結設置される第１及び第２放射 部分を有するグラウンドラジエータと、からなることを特徴とするアンテナ。 １０．前記第１及び第２放射部分が、前記第１方向と同じ方向に形成される 請求項９記載のアンテナ。 １１．前記第１及び第２放射部分が各々曲折状に形成される請求項９記載の アンテナ。 １２．前記第１及び第２放射部分のうち少なくとも一つが前記第２コンダク タに容量結合される請求項９記載のアンテナ。 １３．前記第１及び第２放射部分のうちいずれか一つだけが前記第２コンダ クタに容量結合される請求項９記載のアンテナ。 １４．前記アンテナの大きさを、小型の携帯用無線機器と結合させて使用す るに適した大きさとする請求項９記載のアンテナ。