JP2002518921A - 螺旋アンテナ - Google Patents

螺旋アンテナ

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Abstract

(57)【要約】 円筒形セラミックコア（１２）の表面にメッキされた複数の放射エレメント（１０Ａ、１０Ｂ）およびループエレメント（２０）とを備える誘電負荷アンテナは、動作周波数帯域を定義するために、共に結合される平衡モードの共振および単一終端モードの共振を有する。２つの共振モードは、放射エレメントにおける異なる各無線周波数電流パターンに関連し、給電点においてアンテナによって表される負荷の入力リアクタンス成分は、対応する入力リアクタンス成分が有限であり、実質的にゼロではない場合のみ、動作周波数帯域内において実質的にゼロである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、２００ＭＨｚよりも高い周波数で動作するアンテナおよびこのアン
テナを備える無線通信ユニットに関する。
【０００２】 携帯式またはコードレスの電話送受器のアンテナに必要な条件は、主に、コン
パクトさと全方向性である。８００ＭＨｚから２ＧＨｚの範囲の周波数内で動作
する送受器の場合、アンテナは通常、伸張時の長さが波長の１／４にほぼ等しい
伸張可能なロッドあるいは数回巻きの螺旋ワイヤである。アンテナは通常、一部
が送受器ユニット内に搭載され、イヤフォンに隣接したユニットの端部から一部
が突出している。個人用の電話のために設計されたような小型アンテナの欠点は
、一般に動作が要求される周波数帯域での利得が低いことである。また、共振が
小さなアンテナは一般により低い周波数で動作するよう設計されたより大きな同
等物（counterparts）よりも狭い部分帯域幅（fractional bandwidth）を有する
ことが知られている。別の欠点は、小型になるほど強度の近距離場電磁放射、す
なわちこのようなアンテナが信号伝送のために頭部付近で使用される場合に、健
康に害を及ぼすと認識されている放射を発生する傾向が高くなることである。比
吸収率（ＳＡＲ）と通常呼ばれているパラメータを生成するために、この作用の
測定が行われる。
【０００３】 螺旋放射軸を垂直に向けた場合に方位角がナルである放射パターンを示すツイ
ストループアンテナを開示する、本出願人による同時係属中の英国特許出願第２
３０９５９２号において後者の欠点はある程度検討されている。アンテナを携帯
電話のハウジングに適宜搭載すると、このナルをユーザの頭部の方向に向けるこ
とができ、その方向における放射が低減される。
【０００４】 本発明の目的は、改良された帯域幅を良好なＳＡＲ性能と組み合わせた小型ア
ンテナを提供することである。
【０００５】 本発明の第１の態様によれば、２００ＭＨｚよりも高い周波数で動作するアン
テナは、５よりも大きい比誘電率を有する中実材料で形成された絶縁性コアであ
りその外表面が大部分中実材料で占められた容積を形成する絶縁性コアと、伝送
線の長さを有するフィーダ構造と、第１の位置において前記伝送線に接続される
複数の放射エレメントおよび前記フィーダ構造に沿って前記第１の位置から離れ
た第２の位置においてその放射エレメントを前記伝送線に個々に接続するリンク
エレメントを含み、上記コアの外表面上あるいはそれに隣接して配置される導電
性構造とを有し、アンテナが少なくとも２つの異なる共振モードを有し、これら
が結合されることにより前記伝送線から送受信される信号のための動作周波数帯
域をともに形成するよう構成され、異なる共振モードは、前記導電性構造におけ
るそれぞれ異なる無線周波数（ｒｆ）電流パターンに関連し、それぞれのパター
ンは前記放射エレメントを含むように上記コア及び上記伝導性構造が形成されて
いる。
【０００６】 本アンテナは、（ａ）第１の共振モードが前記帯域内の第１の周波数において
発生し、また、上記アンテナエレメントを含みかつアンテナエレメントが上記第
１の位置で上記伝送線に接続される場所において始端および終端するｒｆ電流ル
ープに連接（associate）し、上記リンクエレメントが上記第１の周波数におい
て高インピーダンス阻止エレメントとして機能し、かつ（ｂ）第２の共振モード
が上記帯域内の第２の周波数において発生し、また、上記アンテナエレメントの
第１の位置における伝送線との接続部位から、アンテナエレメントおよびリンク
エレメントを介し、上記第２の位置における前記フィーダ構造との接続部まで延
びるｒｆ電流ループに連接するように構成してもよい。
【０００７】 本アンテナは、アンテナによって表される負荷の入力リアクタンス成分が対応
する入力抵抗成分が有限であり実質的にゼロではない場合のみ、動作周波数帯域
内で実質的にゼロであるようにさらに構成してもよい。
【０００８】 動作帯域内のアンテナによって提示される負荷インピーダンスを表す対応する
スミスチャート（Smith chart）は、通常、ループした自己交差軌跡（self-inte
rsecting locus）の形態である。
【０００９】 好適な実施形態では、アンテナの単一動作帯域内に２つの共振モードがあり、
第１の共振は平衡モードであり、第２の共振は単一終端モード（single-ended m
ode）である。アンテナエレメント、バラン回路トラップ（balun trap）の形態
であるリンクエレメント、および伝送線はすべて、双方の共振モードにおいて導
電エレメントとして機能する。この好適な実施形態において、コアは、対称をな
す中心軸（central axis of symmetry）を有する円筒形であり、アンテナエレメ
ントは、伝送線の端部とトラップエレメントの間に延び、軸方向に同じだけ延び
た（co-extensive）複数の導体である。これらのアンテナエレメントは、唯一の
放射エレメントであり、アンテナはいずれのモードでも実質的に放射エレメント
として機能する他のエレメントを有さない。効果として（Effectively）、アン
テナは一組のモードと共に作用し、共振の２つの異なる構造的モードをもたらす
導一組の電性エレメントを有する単一構造を備える。
【００１０】 このようなアンテナは、大型アンテナ構造または複数の個々に提供されるアン
テナ構造を使用せずに改良された動作帯域幅を提供することが理解できる。各モ
ードに関連する周波数応答は、動作帯域幅を形成するために、周波数領域におい
て共に結合される。
【００１１】 ２つのモードが要求される帯域、例えば、携帯式電話についてのＤＣＳ―１８
００帯域である１７１０ＭＨｚから１８８０ＭＨｚ、または携帯式電話の欧州Ｇ
ＳＭ帯域である８９０ＭＨｚから９６５ＭＨｚ内で発生するように、エレメント
の寸法を定める（dimensioning）ことで、これら帯域のいずれか一方の全体をア
ンテナの帯域幅に収めることができ、一方の共振モードに関連するエネルギ貯蔵
が、他方の共振モードにおけるエネルギ貯蔵と共有されるように２つの共振モー
ドが結合され２つの共振ピーク間に頂上が平坦（flat-topped）あるいは鞍部が
ゼロではない周波数応答を形成する。通常、共振モードは、動作帯域の中心周波
数の少なくとも３％の部分帯域幅にわたって３ｄＢ制限内に周波数応答を維持す
るアンテナの利得特性を達成するために、結合するよう構成される。
【００１２】 本発明による好適なアンテナにおいて、放射エレメントはアンテナエレメント
の他の端部が伝送線の遠位端において給電接続を構成する状態でコアの周囲に導
電材料の経路を形成するように、リンクエレメントによって各端部において相互
に接続される一対の細長アンテナエレメントを有する。アンテナエレメントは、
同じく延ばすことができ、各エレメントはコアの円筒形外表面上の軸方向に離間
した部位の間に延びている。エレメントは、離間した各位置において、エレメン
トの各離間した部分が実質的に直径方向において対向して配置しうるようにコア
上に付着または接着（bonded）した金属化トラックでもよい。離間した部分はす
べて実質的にコアの中心軸を含む単一平面にあり、離間した位置の１つにおける
部分はリンクエレメントによって共に接続されてループを形成し、離間した位置
における他の部分は、コアの終端面（end-face）上にほぼ半径方向に延びている
交差エレメント（cross element）によって、ループへの給電接続のために連結
される。アンテナエレメントは、長さが等しくかつそれぞれ離間した位置間でコ
アを半周する螺旋形状であることが好ましい。給電接続は、コアを通って軸上に
延びた伝送線を形成する同軸フィーダに接続しうる。コアの外端面は金属化され
、その結果得られる導電層は、リンクエレメントの一部を形成する。
【００１３】 コアのこの他端面に伝送線が現れる場所において、同軸アウター（outer)（ス
クリーン）が導電層に電気接続され、線がアンテナのための端部を形成する。帯
域幅と上記参照した負荷パラメータを決定するために挿入損および反射係数を測
定することができる部位はこの端部である。
【００１４】 アンテナはまた、非常にコンパクトであり、例えば、１７１０ＭＨｚから１８
８０ＭＨｚのＤＣＳ１８００帯域で動作するアンテナは通常、比誘電率が約３６
．５以上であるコア材料を用いた、軸長が１２．１ｍｍで直径が１０ｍｍである
円筒形コアを有する。
【００１５】 本発明の第２の態様によれば、無線送信器と、使用時にはユーザの耳に押し当
てられる、ユニットの内面から音響エネルギを配向する一体型イヤフォンと、送
信器に接続される上記アンテナとを備え、アンテナは中心軸を有し、伝送線上の
前記第１および第２の位置は、該軸に沿って間隔をあけられており、アンテナは
、動作周波数帯域の少なくとも一部にわたって、軸に対して垂直に、コアを通過
する平面において、ナル（null）を除き実質的に全方向性である放射パターンを
有すると共に、このアンテナは、ナルをユニットの内面に対してほぼ垂直に向け
た状態で、アンテナの軸がユニットの前記内面に対して平行になり、ユニットの
使用時には、ユーザの頭部に向けられるよう搭載される、ハンドヘルド式無線通
信ユニットを提供する。
【００１６】 方向に関して、アンテナのコアが、端部がコアの中心軸を含む平面上にある一
対の同じく延ばせるアンテナエレメントを備える円筒形の形態（ドラム形状また
はロッド形状でありうる）である場合、該平面は、ユニットの内面と平行である
ことが好ましい。アンテナに、金属化した管状であるトラップエレメントまたは
バラン回路を設けることで、アンテナのループに実質的に平衡した状態で給電す
ることが可能になるだけでなく、通信ユニットによって表される比較的小さな面
量（ground mass）の機能が低減される。さらに、例えばはんだ付けまたはクラ
ンピングによって、アンテナを固定搭載するために有用な表面が提供される。
【００１７】 物理的安定性および電気的安定性のために、コアの材料は、セラミック、例え
ばチタン酸ジルコニウムベースの材料、チタン酸マグネシウムカルシウム、タン
タル酸バリウムジルコニウム、チタン酸バリウムネオジム、またはこれらの組み
合わせ等のマイクロ波磁性材料であることが有利である。好ましい比誘電率（ε r ）は、１０以上（upward)、さらに言えば２０、３６以上であり、バリウムチタ
ン酸塩材料を使用した場合には、８０という数字が達成可能である。かかる材料
は、アンテナのＱが、鉄損よりもアンテナエレメントの電気抵抗によって支配さ
れる程度まで無視できる誘電損を有する。
【００１８】 好適なアンテナにおいて、アンテナエレメントは遠位端から給電され、コアは
、近接すなわちコアの搭載端部から延び、放射エレメントがコアの円筒形外表面
上のアンテナエレメントをそれぞれフィーダ構造の内部および外部導体に連結す
る遠位端において開放された同軸フィーダ構造を内包する中央通路を備える。そ
して、リンク導体は環状であってもよく、コアの近接部分の外表面上の円筒形管
によって構成されることが有利である。
【００１９】 本発明の第３の態様によれば、無線送信器とその送信器に連結された上記アン
テナとを備え、前記送信器はアンテナの前記動作周波数帯域内で異なるが互いに
隣接する送信帯域部分と受信帯域部分とを有する、ハンドヘルド式無線通信ユニ
ットが提供される。
【００２０】 次に、本発明について、図面を参照しながら例として説明する。
【００２１】 図１を参照して、本発明によるアンテナ１０は、２つの長さ方向に延びた放射
アンテナエレメント１０Ａ、１０Ｂが、セラミックコア１２の円筒形外表面上に
金属導体トラックとして形成された、アンテナエレメント構造を有する。この場
合、「放射エレメント」（radiating element）とは、アンテナが伝送に使用さ
れる場合に、エネルギを空間に放射するエレメントを意味する。このようなエレ
メントは、信号の受信に用いられる場合には、空間から逆にエネルギを受信する
。コア１２は、内部金属ライニング１６を備える軸方向通路１４を有し、通路は
、軸方向内部フィーダ導体１８を収容する。この場合、内部導体１８およびライ
ニングは、コアの遠位端面１２Ｄ上の給電位置において、給電線をアンテナエレ
メント１０Ａ、１０Ｂに連結する伝送線フィーダ構造を形成する。アンテナエレ
メント構造はまた、対応する半径方向アンテナエレメント１０ＡＲ、１０ＢＲも
備え、これらは長手方向に延出するエレメント１０Ａ、１０Ｂそれぞれの直径方
向に対向する端部１０ＡＥ、１０ＢＥをフィーダ構造に接続する、遠位端面１２
Ｄ上の金属トラックとして形成される。アンテナエレメントの他端部もまた、直
径方向において対向し、コア１２の近接端部分を取り巻くメッキした管状の、環
状共通仮想接地導体２０によってリンクされる。同様に、この管２０は、コア１
２の近接端面（proximal end face）１２Ｄ上をメッキすることで、軸方向通路
１４のライニング１６に接続される。
【００２２】 この好適な実施形態において、導電性管２０はアンテナコア１２の基部を覆い
、フィーダ構造１６、１８、および管１２と軸方向通路１４の金属ライニング１
６との間の空間全体を埋めるコア１２の材料を取り巻く。アンテナを通る任意の
所望の横断面において、アンテナエレメント１０Ａ、１０Ｂは、実質的に直径方
向において対向しており、これらが管の縁部に出会うところの、アンテナエレメ
ント分岐の近接端１０ＡＦ、１０ＢＦもまた、実質的に直径方向において対向す
る。長手方向に延出するエレメントは、長さが等しく、それぞれコア１２の軸周
りに半周する単純な螺旋の形態である。
【００２３】 金属管２０は、コア１２の近接端面１２Ｐのメッキ２２によってライニング１
６に接続される円筒を形成し、管２０とメッキ２２の組み合わせがバラン回路回
路を形成することで、所定の第１の周波数において、または所定の第１の周波数
付近で、フィーダ構造１６、１８によって形成される伝送線における信号が、ア
ンテナの近接端における単一状態と、管２０の上縁部２０Ｕの平面における軸方
向位置での平衡状態との間で変換される。この作用を達成するために、管２０の
軸方向長さは、誘電率が比較的高いコア材料が管で覆われた下に存在する場合、
バラン回路（balun）が所定周波数において約λ／４の電気長を有するような長
さである。アンテナのコア材料が前記の効果を有するため、内部導体１８を取り
巻く環状空間（annular space）は、比較的誘電率が低い絶縁性誘電材料１７で
埋められ、管２０の遠位フィーダ構造は短い電気長を有する。その結果、フィー
ダ構造１６、１８の遠位端における信号は少なくとも近似的に平衡され、アンテ
ナは所定の周波数におけるいわゆる平衡モードの共振で動作すると考えられる。
【００２４】 管２０のさらなる効果は、所定の第１の周波数の領域における信号に関し、管
２０の縁部２０Ｕが、フィーダ構造の外部導体によって表されるグランドから有
効に絶縁されることである。これは、アンテナエレメント１０Ａ、１０Ｂ間を流
れる電流が縁部２０Ｕに閉じこめられ（confined）、アンテナエレメントで形成
されるループが絶縁されることを意味する。管はこのように絶縁トラップとして
の役割を果たす。
【００２５】 アンテナエレメント１０Ａ、１０Ｂは、それぞれ、各半径方向エレメントによ
ってフィーダ構造の内部導体１８および外部ライニング１６に連結される。螺旋
エレメント、半径方向エレメント１０Ａ、１０Ｂおよび管２０は共に、コア１２
の外表面上に導電性ループを形成し、このループはコアを通って近接端から延び
、アンテナエレメント１０Ａと１０Ｂの間にあるフィーダ構造によってコアの遠
位端において給電されることがわかる。アンテナは、結局、端送りバイファイラ
（end-fed bifilar)螺旋構造を有する。
【００２６】 アンテナエレメント１０ＡＥ、１０ＡＦ、１０ＢＥ、１０ＢＦの４つの端部は
すべて、コア１２の軸１２Ａを含む共通平面にあることが理解されよう。共通平
面は、図１において鎖線で示されている。アンテナエレメント構造への給電接続
もまた、共通平面２４にある。アンテナエレメント構造は、平衡モードの共振で
は、平面２４に垂直な方向２８からアンテナに入射する電波によりこの構造のエ
レメントセグメントに誘導される電流の積分（integral)が、給電位置、すなわ
ちフィーダ構造１６、１８がアンテナエレメント構造に接続される場所において
、合計ゼロになるように構成される。実際には、２つのエレメント１０Ａ、１０
Ｂは、平面の片側に等しく配置され、かつ等しい重量を有し、平面についてベク
トル的に対称である。各エレメント１０Ａ、１０Ｂは、複数の増分で構成されて
いるとみなすことができ、増分のそれぞれ１つは、中心軸１２Ａから等距離にお
けるエレメント１０Ａ、１０Ｂの他方の対応する相補的（complimentary）増分
に直径方向に対向する。
【００２７】 平衡モードの共振を示すのと同様に、上記アンテナはまた、一般に異なる周波
数において単一終端モードの共振を示すことが理解される。２つのモードの各周
波数を互いに近づけて配置することで、モードを結合することができ、それによ
って、個々の共振のいずれかに対応する帯域幅よりも広い帯域幅にわたって放射
するアンテナがもたらされる。
【００２８】 アンテナエレメント構造および平衡モードの共振および単一終端モードの共振
における特性動作を示す等価回路図が、図２および図３にそれぞれ示される。
【００２９】 図２に示すように、平衡モードの共振におけるアンテナの動作を考慮する場合
、２つのアンテナエレメント１０Ａ、１０Ｂは、少なくともおよそλ／２（また
は（２ｎ＋１）λ／２）（但し、λは平衡モードで動作中のアンテナの中心波長
であり、かつｎ＝０、１、２、３、．．．）である電気長の伝送線部によって表
すことができる。管２０およびコアのメッキされた端面２２は、所定の軸長を有
する管２０内に比較的高い比誘電率のコア材料があるため、同様の伝送線部で表
すことができる。これは、エレメント１０Ａ、１０Ｂと、λ／４のフィーダ構造
との間の電気長を有する。軸方向通路の内部金属ライニング１６および内部フィ
ーダ構造は、同様に、フィーダ誘電材料１７の短縮作用の結果、λ／４の電気長
を有する伝送線部で表される。
【００３０】 単一終端モードの共振に関連する周波数での動作時、管２０およびメッキされ
た端面２２、アンテナエレメント１０Ａ、１０Ｂ、およびフィーダ構造１６、１
８は、図３に示すように、それぞれの電気長Ｉ1、Ｉ2、およびＩ3で表すことが
できる。単一終端モードでの動作時に、組み合わされた電気的経路長（Ｉ1＋Ｉ2 ＋Ｉ3）、すなわち、軸方向通路の内部金属ライニング１６、アンテナエレメン
ト１０Ｂ、および管２０とコアのメッキされた端面２２との組み合わせを含む導
体経路の電気長は、およそλ（またはｎλ、但し、ｎ＝１、２、３、．．．）に
等しく、管２０とコアのメッキされた端面２２との組み合わせの電気長Ｉ1は、
およそλ／４（またはｎλ、但し、ｎ＝１、２、３、．．．）に等しい。ここで
、λは、単一終端モードの共振に関連する中心波長である。
【００３１】 図２を参照して、アンテナが平衡モードの動作に関連する周波数で動作してい
るとき、管２０の絶縁効果により、電流が主に管の縁部２０Ｕに閉じこめられ、
このポイントは、電流が最大になる場所を表す。管の縁部２０Ｕから近接端面２
２におけるフィーダ構造までのバラン回路の長さを９０度に構成することで、バ
ラン回路は電流／電圧変換器として作用するため、管側を見たインピーダンスＺ L は図２に示すように、フィーダ構造の遠位端におけるインピーダンスのように
、無限になる傾向がある。その結果、電流は内部導体１８から、第１のエレメン
ト１０Ａを通り、縁部２０Ｕを廻って第２のエレメント１０Ｂに、第２のエレメ
ント１０Ｂを通ってフィーダ構造の外部導体１６に流れ、このループを巡る経路
長の総計は、３６０度になる。このように、所望のいずれの時間ポイントにおい
ても、アンテナエレメント１０Ａ、１０Ｂの直径方向に対向する部分における電
流Ｉ1、Ｉ2の振幅は、等しくかつ反対であるため、フィーダ構造の遠位端、すな
わちフィーダ構造がアンテナエレメント構造に接続される場所においては合わせ
てゼロになる。絶縁を考慮する場合（すなわち、他のモードと結合しない場合）
、平衡モードの共振は、コア１２の対称な中心軸１２Ａに対して横向きのダイポ
ールの形態の電界を生成する。
【００３２】 異なる共振モードに起因する、電導性構造における異なる電流パターンの存在
、特に、放射エレメントにおける異なる電流経路は、実際に、対になったｒｆ電
圧プローブを放射エレメント上の間隔をあけた位置上、好ましくは縁部２０Ｕの
上部で近い距離にある放射エレメント１０Ａおよび１０Ｂ上等、最大電流（curr
ent maxima）に隣接して放射エレメントに適用することで、観察することができ
る。例えば、１０Ａにおけるｒｆ電流を測定するには、プローブをエレメント１
０Ａの縁部２０Ｕとの接合点１０ＡＦであって、かつ、当該部位からエレメント
１０Ａに沿った短距離の部位に適用する。プローブ間で観察される電圧降下は、
電流を表す。
【００３３】 エレメント１０Ａおよび１０Ｂにおける電流の大きさおよび相対位相の図は、
図６Ａおよび図６Ｂそれぞれに示される。図６Ａにおいて、２つのネットワーク
アナライザ軌跡が図示され、１つは、ある周波数範囲にわたるエレメント１０Ａ
における電圧降下のためのものであり、１つは、ある周波数範囲にわたるエレメ
ント１０Ｂにおける電圧降下のためのものである。各トレースにおいて、２つの
ピークが見られる。これらは、平衡モードおよび単一終端モードのそれぞれに関
連する共振周波数ｆ1およびｆ2に対応する。
【００３４】 図６Ｂを参照すると、ｆ1において、２つのトレースは、２つの電流間での位
相差が１８０度であることを示すが、ｆ2では、図２および図３を参照して上述
した、２つのモードにおける電流Ｉ1およびＩ2の極性から予期されるように、電
流の位相が一致していることがわかる。
【００３５】 図３を参照して、単一終端共振モードに関連する周波数において、管２０は有
意な絶縁作用を持たず、管側を見たインピーダンスＺLは、ゼロになる傾向があ
る。したがって、エレメント１０Ａ、１０Ｂを通る電流Ｉ1、Ｉ2は、管２０の縁
部２０Ｕにおいて共に合計され、管を通りフィーダ構造の外部導体への組み合わ
された電流Ｉ3を生成する。管２０は、グランド、例えば、モバイル通信ユニッ
ト上に接続することができ、そのため、合計された電流は管２０を通ってグラン
ド面に流れることができる。
【００３６】 絶縁を考慮する場合、単一終端モードの共振は、コアの対称な中心軸にほぼ平
行に向いたダイポールの形態で電界を生成する。
【００３７】 一般的な場合、単一終端モードは、平衡モードとは異なる周波数に関連し、ア
ンテナ利得特性において、独自の共振ピークを生成する。この一般的な場合の個
々の共振ピークは、図４Ａに示される。共振ピーク４０は、単一終端モードの共
振に関連するアンテナの周波数応答を示し、共振ピーク４２は、平衡モードの共
振に関連した周波数応答を示す。
【００３８】 ここで、アンテナ１０の寸法が、平衡モードおよび単一終端モードの動作に関
連する個々の周波数応答が共に変化し、エネルギがそれらの間で共有され周波数
領域において結合してアンテナが有意な広い全体的な動作帯域幅を有するように
構成されたとする。アンテナ１０の動作帯域幅は、複数の独立な密に配置された
共振周波数応答を示すことによって決まるわけではないことが理解される。２つ
の共振モードは結合して、包絡線が両方の動作モードに起因するアンテナにおけ
るエネルギ貯蔵を示す、特定のアンテナ利得による結合された推移領域（transi
tion region）を有する反射減衰特性（return loss characteristics）を発生さ
せる。２つの動作モードのこの周波数領域結合は、図４Ｂに明白に示される。各
モードに対応する共振ピーク間に、浅い「鞍部」（"saddle"）領域４４が存在す
る。
【００３９】 なお、アンテナの共振モードは、異なるタイプであることに留意されたい。換
言すれば、動作帯域幅は、単に、複数の同じタイプの共振モード（例えば、複数
の平衡共振モード）が連結されるように隣接した周波数に配置するだけでは形成
されない。ここで、この好ましい場合では、平衡共振モードおよび単一終端共振
モードといった異なるモードは、ｒｆ電流がアンテナの導体構造の部分にわたっ
て流れる異なる導体経路全体によって特徴付けられる。しかし、各電流パターン
は、ここでは螺旋エレメント１０Ａ、１０Ｂの双方である共通の放射エレメント
を利用する。
【００４０】 好ましくは、アンテナの寸法は、アンテナが、少なくとも０．０３（３％）の
使用可能な部分帯域幅を示すよう構成される。部分帯域幅は、帯域の中心周波数
ｆcに対する動作帯域Ｂの幅の比として定義され、帯域内のアンテナの反射減衰
量は、帯域外の平均反射減衰量の少なくとも３ｄＢ以下である。反射減衰量は、
２０ｌｏｇ10（Ｖr／Ｖi）として定義される（但し、ＶrおよびＶiは、フィーダ
構造の給電端において、反射されたｒｆ電圧の大きさと入射したｒｆ電圧の大き
さである）。
【００４１】 アンテナの利得について、アンテナの端部（termination）または単一ポート
（single port）において反射されたエネルギに関する反射減衰量に、関連する
ばらつき（variation）があることが理解できる。反射減衰量が周波数に伴って
変化する際に、アンテナによって表される負荷のリアクタンスおよび抵抗、ひい
てはインピーダンス整合をもたらす能力に関連する変化がある。アンテナ１０は
、正規化された反射係数図（スミスチャートとしばしば呼ばれる）に複素負荷イ
ンピーダンス（complex load impedance）がプロットされた場合に明白であるよ
うに、帯域幅にわたって整合可能である。スミスチャートは、極性インピーダン
ス軌跡（polar impedance locus）で示すように、アンテナが整合可能なインピ
ーダンスの範囲の図的表現を提供する。好ましいアンテナのスミスチャート表現
は、図５に示され、抵抗成分は、チャートの右端において無限になる傾向がある
。
【００４２】 動作の所定の帯域にわたって結合した共振モードを有する本アンテナについて
の軌跡５０は、チャートの中心を囲む内部ループ５０ａ（５０Ωのソースインピ
ーダンスに対応する）を有し、図５における軌跡部分５０ａで示されるように、
軌跡はその経路に沿って一度自己交差する。この公差領域および内部ループは、
アンテナの動作帯域幅内で発生する、図４Ｂの浅い「鞍部」領域４４で示される
反射減衰量に対応する。このように、アンテナによって表される負荷の入力リア
クタンス成分（Ｘ）（線４８は、定リアクタンスの円である）は、対応する入力
抵抗（円４６で示される）がゼロでも無限でもない場合に、動作周波数帯域内で
ゼロに近づくだけである。
【００４３】 平衡共振モードのみについてアンテナの放射パターンを考慮することで、半周
する螺旋エレメント１０Ａ、１０Ｂを備えるアンテナエレメント構造は、単純な
平面ループと同様に動作（perform）し、放射パターンにおいて、軸１２Ａを横
切り、かつ平面２４に垂直な方向にある複数のナルを有する。アンテナの動作帯
域は、複数の結合された共振によって定義されるため、上記放射パターンおよび
、単一終端モードに関連するほぼ環状（troidal）の放射パターン（ナルが軸１
２Ａに平行な方向にある）は、これら２つのパターンが混成（hybrid）された全
体的な放射パターンを生成する。このように、混成パターンは、アンテナ構造を
形成する材料の寸法および物理的特徴に依存する。
【００４４】 混成放射パターンに関連する、アンテナの周囲の近距離場領域におけるリアク
タンスフィールドは、良好なＳＡＲ性能を達成することができる。
【００４５】 アンテナは、特に、２００ＭＨｚよりも高い周波数での用途を有する。放射パ
ターンは、アンテナが、図７に示される携帯式（cellular）またはコードレスの
電話送受器等、ハンドヘルド式通信ユニットにおける使用に特に適する。アンテ
ナの向きに関しては、中心軸１２Ａ（図７参照）および平面２４（図１参照）が
、送受器の内面３０Ｉ（特に、イヤフォン３２の領域における内面３０Ｉ）と平
行になり、かつ内部フィーダ導体１８に接続される放射エレメント１０ＡＲが、
送受器のエッジ３４に向くように、すなわち、内部フィーダ構造１８に接続され
た螺旋エレメント１０Ａが、送受器の内面３０Ｉが向いた方向と同じ方向に向い
たコア表面の一部分上に配置されるようにアンテナが搭載される。軸１２Ａはま
た、図７に示すように、送受器３０の長手方向に延びている。ここでも、アンテ
ナおよび送受器３０の相対的な向きは、図１に示す軸系Ｘ、Ｙ、Ｚを図７に示す
軸系と比較することにより、明らかである。
【００４６】 アンテナのコア１２に好ましい材料は、ジルコニウム−チタン酸塩ベース（zi
rconium-titanate-based）の材料である。この材料は約３６の比誘電率を有し、
その寸法と温度変化に対する電気的安定性で知られている。誘電損は、ごくわず
かである。コアは、押し出し、プレス、または成形で製作しうる。
【００４７】 アンテナエレメント１０Ａ、１０Ｂ、１０ＡＲ、１０ＢＲは、コア１２の外部
円筒表面および遠位端面に接着された金属製導体トラックであり、それぞれ動作
長にわたる厚さの少なくとも４倍の幅である。この実施形態において、アンテナ
エレメントトラックの厚さは、約３０／１０００インチであり、放射損失と発散
損の双方の組み合わせを含むアンテナのループ抵抗は、約３．２Ωである。トラ
ックは、まずコア１２の表面を金属層でメッキしてから、選択的にこの層をエッ
チングして、エッチングプリント回路基板に使用されるものと同様のフォトレジ
スト層に適用されるパターンに従って、コアを露出させることができる。あるい
は、金属材料を、選択的塗布またはプリント技術により、付着させてもよい。す
べての場合において、寸法的に安定したコアの外側上の一体層（integral layer
）としてトラックを形成することで、寸法的に安定したアンテナエレメントを備
えるアンテナになる。
【００４８】 空気の比誘電率よりも実質的に高い比誘電率、例えばεr＝３６を有するコア
材料を用いると、１７１０ＭＨｚから１８８０ＭＨｚの領域におけるＤＣＳ−１
８００帯域用の上記アンテナは、通常、直径が約１０ｍｍであり、かつ軸方向（
すなわち、中心軸１２Ａに平行）での長さが約１２．１ｍｍであるコアを有する
。軸長対コア直径のアスペクト比は、１：１から２：１の範囲内にあることが好
ましい。ＤＣＳ−１８００帯域の場合、バラン回路管の長さは通常、４．２ｍｍ
の領域にあり、管の軸方向延びと、管とアンテナエレメントの組み合わせた軸方
向延びの比は、０．２５：１から０．５：１の範囲である。アンテナエレメント
と管の長さが共に、２つの端面間のコア全長に及ぶ場合、管の軸方向長さは通常
０．２５Ｌと０．５Ｌの間である（但し、Ｌはコアの軸方向長さである）。導体
トラックの幅は、０．７５ｍｍから１．２５ｍｍの領域にあり、典型的な数字は
０．９ｍｍである。
【００４９】 本実施形態の動作帯域幅の「鞍部」領域４４は、帯域幅の一部にわたり利得が
わずかに低減したエリアを表す。このように、この領域は、例えば、携帯式電話
帯域において、送信チャネルと受信チャネル間の保護帯域（guard band）と一致
するよう便利に構成することができる。
【００５０】 アンテナ１０は、小型サイズであることにより、モバイル電話送受器および他
のパーソナル通信装置等のハンドヘルド式装置に特に適したものとなっている。
メッキしたバラン回路管２０および／またはコア１２の近接端面１２Ｐ上のメッ
キした層２２により、プリント回路基板または他の基底構造に特に安定してアン
テナを直接搭載することが可能である。通常、アンテナが端部に搭載される場合
、内部給電導体１８が、下部表面上の導体トラックにはんだ付けするために、基
板中にメッキした穴を直接貫通した状態で、近接端面１２Ｐを、プリント回路基
板の上面上の基底平面にはんだ付けることができる。あるいは、アンテナの遠位
端、支持アンテナエレメント１０Ａ、１０Ｂが、基底平面のエッジを越えて延出
した状態で、軸１２Ａと平行に延出するプリント回路基板の基底平面に管２０を
クランプまたははんだ付けしてもよい。アンテナ１０を全体的に送受器ユニット
内に搭載しても、または図７に示すように部分的に突出させて搭載することも可
能である。本実施形態のアンテナは、１５Ωの特性インピーダンスの整合したケ
ーブルに接続してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるアンテナの斜視図である。
【図２】 平衡モードの共振におけるアンテナを表す等価回路図である。
【図３】 単一終端モードの共振におけるアンテナを表す等価回路図である。
【図４】 図４Ａ。 個々の共振モードに起因する周波数に伴うアンテナ利得の変化を示
す図である。 図４Ｂ。 共振の結合モードを有する図１のアンテナの周波数に伴うアンテナ
利得の変化を示す図である。
【図５】 アンテナのスミスチャート表現である。
【図６】 図６Ａおよび図６Ｂ。 周波数に対する、アンテナの放射エレメントにおける
ｒｆ電流の大きさおよび位相をそれぞれ示すグラフである。
【図７】 本発明によるアンテナを組み込んだ電話送受器の斜視図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｂ 1/38 Ｈ０４Ｂ 1/38 (72)発明者 ニコライディス，ジョージ イギリス ノーサンプトン エヌエヌ２ ６ビーティー セミロング ロード 35 フラット ３ Ｆターム(参考） 5J046 AA04 AA07 AB12 PA06 5J047 AA04 AA07 AB12 FD01 5K011 AA06 BA04 DA25 JA01

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ２００ＭＨｚよりも高い周波数で動作するアンテナであって
    、 ５よりも大きい比誘電率を有する中実材料で形成された絶縁性コアでありその
    外表面が大部分中実材料で占められた容積を限定する絶縁性コアと、 伝送線の長さを有するフィーダ構造と、 第１の位置において前記伝送線に接続される複数の放射エレメントおよび前記
    フィーダ構造に沿って前記第１の位置から離れた第２の位置においてその放射エ
    レメントを前記伝送線に個々に接続するリンクエレメントを含み、前記コアの外
    表面上あるいはそれに隣接して配置される導電性構造とを有し、 前記コアおよび前記導電性構造は、前記アンテナが少なくとも２つの異なる共
    振モードを有し、これらが結合されることにより前記伝送線から送受信される信
    号のための動作周波数帯域をともに形成するよう構成され、異なる共振モードは
    、前記導電性構造におけるそれぞれ異なる無線周波数（ｒｆ）電流パターンに関
    連し、それぞれのパターンは前記放射エレメントを含むアンテナ。
  2. 【請求項２】 （ａ）第１の共振モードが前記帯域内の第１の周波数におい
    て発生し、また、前記アンテナエレメントを含みかつそのアンテナエレメントが
    前記第１の位置で前記伝送線に接続される場所において始端および終端するｒｆ
    電流ループに連接し、前記リンクエレメントが前記第１の周波数において高イン
    ピーダンス阻止エレメントとして機能し、 （ｂ）第２の共振モードが前記帯域内の第２の周波数において発生し、また、
    前記アンテナエレメントの前記第１の位置における前記伝送線との接続部位から
    、前記アンテナエレメントおよび前記リンクエレメントを介し、前記第２の位置
    における前記フィーダ構造との接続部位まで延びるｒｆ電流ループに関連するよ
    うに構成された請求項１記載のアンテナ。
  3. 【請求項３】 前記アンテナによって表される負荷の入力リアクタンス成分
    が、対応する入力抵抗成分が有限であり実質的にゼロではない場合にのみ、動作
    周波数帯域内において実質的にゼロである請求項１または２記載のアンテナ。
  4. 【請求項４】 前記共振モードは平衡モードと単一終端モード（single-end
    ed mode）とを含む、先行する請求項のいずれかに記載のアンテナ。
  5. 【請求項５】 前記第１の共振モードは前記平衡モードであり、前記第２の
    共振モードは前記単一終端モードである、請求項４記載のアンテナ。
  6. 【請求項６】 前記コアは、中心軸と、末端面および初端面とを有し、前記
    放射エレメントは、軸方向に同じだけ延びている複数の導体を有し、この導体は
    前記コアの一方の端面の領域において前記伝送線に接続されると共に前記リンク
    エレメントとの接続場所まで延びており、前記リンクエレメントは前記コアの他
    方の端面の領域において前記伝送線に直接あるいは間接的に接続される、先行す
    る請求項のいずれかに記載のアンテナ。
  7. 【請求項７】 前記伝送線が前記コアを通って前記一方の端面から他方の端
    面に延びている、請求項６記載のアンテナ。
  8. 【請求項８】 前記コアは円筒形であり、前記リンクエレメントは一方の端
    面から環状管縁部を形成する前記コアの端面の中間位置まで前記コアの前記円筒
    形外面にわたって延出する導電性管を含み、前記アンテナエレメントはそれぞれ
    前記コアの他方の端面上の前記伝送線との接続から前記管の縁部まで延びている
    、一対の直径方向に対向するエレメントを有し、前記コアの長さとその直径の比
    は、１：１から２：１の範囲にある、請求項７記載のアンテナ。
  9. 【請求項９】 前記管の軸方向拡がりは０．２５Ｌから０．５Ｌの範囲であ
    り、Ｌは前記コアの軸方向長さである、請求項８記載のアンテナ。
  10. 【請求項１０】 前記共振モードの結合によって生成される前記動作周波数
    帯域は、少なくとも０．０３ｆcである３ｄＢの帯域幅を有し、ここで、ｆcは帯
    域の中心周波数であり、前記３ｄＢの帯域幅は、上記で定義したように前記アン
    テナの反射減衰量が平均帯域外反射減衰量に対して少なくとも３ｄＢ異なる周波
    数範囲である、先行する請求項のいずれかに記載のアンテナ。
  11. 【請求項１１】 前記第１の共振モードに関連するフィールド成分は、前記
    コアの中心軸を横断する向きの電圧ダイポールであり、かつ前記第２の共振モー
    ドに関連する前記電界成分が前記中心軸に対してほぼ平行な向きの電圧ダイポー
    ルであるように構成される、請求項６乃至９のいずれかに記載のアンテナ。
  12. 【請求項１２】 前記リンクエレメントは、前記モードの一方において、前
    記伝送線と前記第１の位置における前記放射エレメント間の接続場所にほぼ平衡
    した電流を促進するよう配置されたバラントラップ（balun trap）である、先行
    する請求項のいずれかに記載のアンテナ。
  13. 【請求項１３】 前記コアは中心軸を有し、前記放射エレメントは、前記軸
    を中心とし、前記軸の周囲に互いに対向して配置される軸方向に同じだけ延びた
    螺旋導体を含み、前記リンクエレメントは前記コアの周囲および前記軸の周囲に
    延びて、前記伝送線との接続と反対の端部において前記放射エレメントを相互に
    接続しており、前記放射エレメントの電気長およびその放射エレメントと前記伝
    送線上の前記第２の位置の間に前記リンクエレメントによって形成される前記導
    電性経路の電気長は、前記動作帯域内で前記アンテナが、前記リンクエレメント
    が四分の一波長トラップを形成すると共に、前記螺旋導体の対が、前記リンクエ
    レメントとの接続部に隣接する前記導体に流れる各位相が実質的に反対である電
    流を有する共振ループを形成する第１の共振モードと、前記螺旋導体の対および
    前記リンクエレメントが、前記リンクエレメントとの接続に隣接する前記導体に
    おいて流れる実質的に位相の等しい電流と、前記リンクエレメントを通り前記第
    ２の位置において前記伝送線を流れる前記電流とを組合わせられた共振を形成す
    る第２の共振モードとを示すようになっており、前記２つの共振モードが、各関
    連する共振周波数間で、前記伝送線の端部で測定される前記動作周波数帯域内の
    前記アンテナの反射減衰量が平均帯域外反射減衰量に対して少なくとも３ｄＢ異
    なるように結合される、請求項１記載のアンテナ。
  14. 【請求項１４】 前記動作帯域内の前記アンテナによって提示される負荷イ
    ンピーダンスを表すスミスチャート（Smith Chart）は、ループした自己交差軌
    跡を有する、請求項１３記載のアンテナ。
  15. 【請求項１５】 前記コアは円筒形であり、前記螺旋導体は、長さが等しく
    かつそれぞれ前記軸方向に離間した位置間で前記コアを半周し、前記リンクエレ
    メントは前記コアの円筒形外表面上の導電性管と前記コアのメッキされた端面と
    の組み合わせを含み、前記コアの長さ対その直径の比は１：１から２：１の範囲
    にある、請求項１３または１４記載のアンテナ。
  16. 【請求項１６】 前記伝送線は前記第１と第２の位置間で前記コアを軸方向
    に貫通する、請求項１５記載のアンテナ。
  17. 【請求項１７】 前記放射エレメントは単一直径上にある半径部分によって
    前記第１の位置において前記伝送線に接続される、請求項１３乃至１６のいずれ
    かに記載のアンテナ。
  18. 【請求項１８】 前記伝送線は、同軸構造であり、前記リンクエレメントは
    、前記第２の位置において遮蔽導体と接続される、請求項１７記載のアンテナ。
  19. 【請求項１９】 前記放射エレメントおよび前記リンクエレメントは、一対
    の側部とそれぞれの側部の間に延びた交差部分とを有するループを形成し、前記
    側部の端部は概念的な方形（notional rectangle）の角を形成し、前記交差部分
    の１つは前記放射エレメントと前記伝送線の間の給電接続を含む、先行する請求
    項のいずれかに記載のアンテナ。
  20. 【請求項２０】 前記側部は、端部間で前記方形の平面の両側に延びた、請
    求項１９記載のアンテナ。
  21. 【請求項２１】 前記放射エレメントおよび前記リンクエレメントは共に前
    記共振モードの一方において電気長が３６０度であるループを形成する、請求項
    １記載のアンテナ。
  22. 【請求項２２】 前記ループがツイストされている、請求項２１記載のアン
    テナ。
  23. 【請求項２３】 ハンドヘルド式無線通信ユニットであって、無線送信器と
    、使用時にはユーザの耳に押し当てられ前記ユニットの内面から音響エネルギを
    配向する一体型イヤフォンと、送信器に接続される先行する請求のいずれかに記
    載のアンテナとを備え、このアンテナは、対称な中心軸を有し、伝送線上の前記
    第１および第２の位置がこの軸に沿って離間しており、上記アンテナは動作周波
    数帯域の少なくとも一部にわたって軸に対して垂直にコアを通過する平面におい
    てナル（null）を除き実質的に全方向性である放射パターンを有すると共に、前
    記アンテナは、ナルを前記ユニットの内面に対してほぼ垂直に向けた状態で前記
    アンテナの軸を前記ユニットの前記内面に対して平行にし前記ユニットの使用時
    にはユーザの頭部に向けられるよう搭載される、ハンドヘルド式無線通信ユニッ
    ト。
  24. 【請求項２４】 前記アンテナコアは、円筒形であり、その中心軸は、前記
    イヤフォンの領域において前記内面に実質的に平行であり、前記放射エレメント
    は前記コア上に軸方向に離間した一対の位置間に延び、各位置において互いに対
    して実質的に対向すると共に前記中心軸を含むと共に前記ユニットの内面に対し
    ほぼ平行な平面にある、放射エレメント端部を有する、請求項２３記載の無線通
    信ユニット。
  25. 【請求項２５】 前記アンテナエレメントは螺旋であり、それぞれ前記中心
    軸を中心として半周し、前記リンクエレメントは前記円筒を取り囲み、前記アン
    テナの前記動作周波数帯域において前記共振モードの一方において絶縁トラップ
    を形成する導電性管を含む、請求項２４記載の無線通信ユニット。
  26. 【請求項２６】 無線送信器と、請求項１乃至２２のいずれかに記載の送信
    器及び、さらにアンテナを備えるハンドヘルド式無線通信ユニットであって、前
    記アンテナは、前記送信器に連結され、前記送信器は前記アンテナの前記動作周
    波数帯域内で互いに異なるが隣接した送信帯域部分と受信帯域部分とを有する、
    通信ユニット。
  27. 【請求項２７】 前記送信帯域部および受信帯域部は保護帯域によって分離
    され、前記アンテナ動作周波数帯域の前記中心周波数は前記保護帯域と実質的に
    一致する、請求項２６記載の無線通信ユニット。
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