JP2003535542A - 二重バンドパッチアンテナ - Google Patents

二重バンドパッチアンテナ

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Abstract

(57)【要約】 二重バンドパッチアンテナ（７００）は、従来のパッチ導体（１０６）を有し、パッチ導体と大地導体（１０２）との間に接続される共振回路（７０２，７０４）を有する。共振回路（７０２．７０４）は、その共振周波数付近でアンテナ（７００）の挙動を変更し、それにより両方のバンドが同時に使用できる二重バンドを提供する。二重バンドアンテナの全放射バンド幅は、共振回路を有さない同様のアンテナの全放射バンド幅よりも著しく大きい。更なる共振回路が多帯域アンテナを提供するために使用され得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 技術分野 本発明は、二重バンド動作が可能な無線通信装置用のパッチアンテナに関わる
。本願では、二重バンドアンテナといった用語は、２つ（以上）の別々の周波数
バンドで十分に機能するが、バンド間の未使用のスペクトルでは機能しないアン
テナに関わる。
【０００２】 背景技術 パッチアンテナは、時として長方形又は円形の形状を有する略平面な導体を有
する。このようなアンテナは、アンテナ上の点と大地導体上の点との間の電圧差
を印加することで給電される。大地導体は、しばしば平面であり、アンテナに対
して略平行であり、このような組み合わせはしばしば平面逆Ｆアンテナ（Planar
Inverted‐F Antenna（PIFA））と呼ばれる。コードレス又はセルラ電話ハン
ドセットで使用されるとき、大地導体は一般的にハンドセット本体によって設け
られる。パッチアンテナの共振周波数は、給電点の場所を変更することによって
、及び、導体の間に余分の短絡回路を追加することによって変更され得る。
【０００３】 コードレス又はセルラ電話ハンドセットにおいてパッチアンテナを使用するこ
とに関して幾つかの利点、特に形状が小型であり且つ放射パターンが良いといっ
た利点がある。しかしながら、パッチアンテナのバンド幅は、制限されており、
アンテナのバンド幅とアンテナが占める体積との間には直接的な関係がある。
【０００４】 セルラ無線通信システムは、比較的大きいアンテナ体積を要求する１０％の部
分バンド幅を典型的に有する。多くのこのようなシステムは、送信用と受信用と
いったスペクトル全体の２つの別々の部分が使用される周波数分割デュプレック
スである。幾つかの場合では、送信バンドと受信バンドとの間には相当な部分の
未使用のスペクトルがある。例えば、ＵＭＴＳ（ユニバーサル移動通信システム
）に関して、アップリンク及びダウンリンク周波数は夫々１９００‐２０２５Ｍ
Ｈｚ及び２１１０‐２１７０ＭＨｚである（衛星成分を無視する）。これは、２
０３５ＭＨｚを中心として１３．３％の全部分バンド幅を表示し、そのうちアッ
プリンク部分バンド幅は１９６２．５ＭＨｚを中心として６．４％であり、ダウ
ンリンク部分バンド幅は２１４０ＭＨｚを中心として２．８％である。従って、
全バンド幅の約３０％が未使用である。従って、二重共振を有するアンテナが設
計され得る場合、全バンド幅要件は減少され、より小さいアンテナが使用され得
る。
【０００５】 ＵＳ−Ａ−４３６７４７４及びＵＳ−Ａ−７７７４９０で開示される一つの公
知の解決策は、ダイオードを用いて切り換えることで位置が変えられる導体の間
に短絡回路を設けることであり、それにより、アンテナの動作周波数を切り換え
ることが可能となる。しかしながら、ダイオードは、非線形装置であり、従って
相互変調生成物を生成する場合がある。更に、ＵＭＴＳのようなシステムは、同
時送信及び受信が必要であり、従って、このような切り換えは許容できない。
【０００６】 発明の開示 本発明は、切り換えること無く二重バンド動作を有するパッチアンテナを提供
することを目的とする。
【０００７】 本発明の第１の面によると、略平坦なパッチ導体を有する、無線通信装置用の
二重バンドパッチアンテナが設けられ、共振回路は、パッチ導体上の点と大地導
体上の点との間に接続されている。
【０００８】 本発明の第２の面によると、本発明に従って形成されるアンテナを含む無線通
信装置が設けられる。
【０００９】 本発明は、パッチ導体上の点と大地導体上の点とを接続することによってパッ
チアンテナの挙動が、切り換える必要を有すること無く二重バンド動作を提供す
るために変更され得るといった、従来技術には無い認識に基づく。このような配
置は、受動であり、同時送信及び／又は受信を両方の周波数バンドで可能にする
といった利点を有する。
【００１０】 本発明によるパッチアンテナは、幅広い用途特に、同時二重バンド動作が要求
される用途に好適である。このような用途の例としてＵＭＴＳ及びＧＳＭ（汎欧
州ディジタル移動電話方式）セルラ電話ハンドセット、及び、ＨＩＰＥＲＬＡＮ
／２（High Performance Radio Local Area Network type ２）無線ロー
カル・エリア・ネットワークにおける使用がある。
【００１１】 本発明によるパッチアンテナの予想外の利点として、２つ（以上）の共振の組
み合わされたバンド幅が共振回路を有さない未変更のパッチアンテナのバンド幅
よりも著しく大きい点がある。この利点により、典型的な無線適用における使用
の適切さを大きく高める。
【００１２】 発明を実施するモード 本発明の実施例をここで添付の図面を参照して例によって説明する。
【００１３】 図中、同様の参照番号は対応する特徴を示すために使用される。
【００１４】 図１は、四分の一波長パッチアンテナ１００を示し、部分Ａは断面図、部分Ｂ
は平面図を示す。アンテナは、平坦な長方形の大地導体１０２と、導電スペーサ
１０４と、大地導体１０２に対して略平行に支持される長方形のパッチ導体１０
６とを有する。アンテナは、同軸ケーブルを介して給電され、この同軸ケーブル
の外側導体１０８は大地導体１０２に接続され、内側導体１１０はパッチ導体１
０６に接続されている。
【００１５】 大地導体１０２は、４０ｍｍの幅、４７ｍの長さ、及び、５ｍｍの厚さを有す
る。パッチ導体は、３０ｍｍの幅、４１．６ｍｍの長さ、及び、１ｍｍの厚さを
有する。スペーサ１０４は、５ｍｍの長さ及び４ｍｍの厚さを有し、従って導体
１０２と１０６との間には４ｍｍのスペーシングが設けられる。ケーブル１１０
は、長手軸方向の対称軸の点において、スペーサ１０４に取り付けられる導体１
０６のエッジから１０．８ｍｍの場所でパッチ導体１０６に接続されている。
【００１６】 図２に示す送信線路モデルは、アンテナ１００の挙動をモデリングするために
使用される。３０．８ｍｍの長さ及び３０ｍｍの幅を有する第１の送信線路セク
ションＴＬ１は、開端（図１の部分Ａ及びＢの右側）と同軸ケーブルの内側導体
１００の接続部との間の導体１０２及び１０６の部分をモデリングする。５．８
ｍｍの長さ及び３０ｍｍの幅を有する第２の送信線路セクションＴＬ２は、内側
導体１１０の接続部とスペーサ１０４（導体１０２と１０６との間の短絡回路と
して機能する）のエッジとの間の導体１０２と１０６との間の部分をモデリング
する。
【００１７】 容量Ｃ１は、開端側の送信線路のエッジ容量を表示し０．４９５ｐＦ（ピコフ
ァラド）の値を有し、抵抗Ｒ１はエッジの放射抵抗を表示し１０００Ω（オーム
）の値を有し、両方の値は経験的に決定される。ポートＰは、同軸ケーブル１０
８、１１０がアンテナに接続する点を表わし、ケーブル１０８、１１０のインピ
ーダンスに等しい５０Ω負荷がポートＰをシミュレーションで終了するために使
用される。
【００１８】 図３は、１５００乃至２０００ＭＨｚの周波数ｆに対するアンテナ１００の反
射減衰量Ｓ１１の測定された及びシミュレートされた結果を比較する。測定され
た結果は実線で表示され、（図１に示す回路を用いて）シミュレートされた結果
は破線で表示される。測定結果とシミュレーション結果は、特に、回路モデルの
簡単な性質を考慮して、非常に良く一致していることが分かる。７ｄＢの反射減
衰量（放射される入射電力の約９０％に対応する）における部分バンド幅は４．
３％である。
【００１９】 図２の回路の変更態様は図４に示され、図４では、第２の送信線路セクション
ＴＬ２が２つのセクションＴＬ２ａ及びＴＬ２ｂに分割されており、共振回路は
これら２つの回路の分岐点から大地に接続されている。共振回路は、インダクタ
ンスＬ２及び容量Ｃ２を有し、共振周波数、
【００２０】
【数１】 においてインピーダンスはゼロである。
【００２１】 この共振周波数付近ではパッチの挙動は変更され、他の周波数ではパッチの挙
動は実質的に影響を与えられない。
【００２２】 ＵＭＴＳ送信バンドと受信バンドとの間の部分的分離に対応する８．７％の部
分周波数スペーシングで二重共振が実現されるまで、共振回路の構成要素の値及
びその場所を変化させることで、シミュレーションが実施される。結果となる構
成要素の値は、送信線路セクションＴＬ２ａ及びＴＬ２ｂが夫々４．１ｍｍ及び
４．７ｍｍの長さを有して、Ｌ２が１．９５ｎＨの値を有しＣ２が３．７ｐＨの
値を有する。
【００２３】 図５は、１５００乃至２０００ＭＨｚの間の周波数ｆに対する反射減衰量Ｓ１ １ の結果を示す。ここでは、１７１８ＭＨｚと１８７４ＭＨｚにおいて２つの共
振がある。これらのうち低い方は、共振回路の影響によって減少される元の共振
周波数に対応し、高い方は１８７３ＭＨｚの共振回路の共振周波数に近い周波数
における新しい放射バンドに対応する。７ｄＢの反射減衰量のバンド幅は、２．
２％及び１．３％であり、全放射バンド幅は３．５％となる。これは、共振回路
の追加の蓄積エネルギーにより予想され得るように未変更のパッチに対してバン
ド幅を僅かに減少させることを表わす。
【００２４】 図６は、同じ周波数範囲にわたるアンテナのシミュレートされたインピーダン
スを示すスミス図表である。更なる適合回路を用いて適合は改善され得、２つの
共振の相対的なバンド幅は例えば、共振回路のインダクタンス又は容量を変更す
ることで簡単に交換され得る。
【００２５】 このような設計が実際に如何に上手く動作するかを判断するためにプロトタイ
プパッチアンテナが構成され、その断面図を図７に示す。変更されたパッチアン
テナ７００は、図１に示すパッチアンテナに類似するが、マンドレル７０２と大
地導体１０２の穴７０４とを更に有する。マンドレル７０２は、Ｍ２．５のねじ
山付きブラスシリンダを有し、このシリンダは、その長さの下の５．５ｍｍに対
して１．９ｍｍの径に細くされ、マンドレル７０２のその部分は０．０６５ｍｍ
の厚さのＰＴＦＥスリーブと嵌合される。パッチ導体の長さは、ＵＭＴＳ周波数
バンドにより良く対応するよう３８．６ｍｍに減少される。
【００２６】 マンドレル７０２のねじ山部分は、パッチ導体１０６中のねじ山切削部と協働
しマンドレル７０２が上下することを可能にさせる。マンドレル７０２の下部分
は、２．０３ｍｍの径を有する穴７０４の中にしっかりと嵌められる。従って、
ＰＴＦＥ誘電体を有する容量は、穴７０４の中に延在するマンドレル７０２の部
分によって与えられ、インダクタンスは大地とパッチ導体１０２、１０６との間
のマンドレルの部分によって与えられる。マンドレルは、導体１０２、１０６の
幅に関して中央的に位置し、その中心はスペーサ１０４のエッジから１．７ｍｍ
の場所に位置する。
【００２７】 マンドレル７０２と穴７０４との間の容量は、穴７０４へのマンドレル７０２
の１ｍｍ当たりの貫通に対して約１．８ｐＦであり、貫通は最大で４ｍｍである
。導体１０２と１０６との間の４ｍｍの長さのマンドレル７０２の部分は約１．
１ｎＨである。
【００２８】 マンドレル７０２が穴７０４の中に完全に延在した場合における１７００乃至
２５００ＭＨｚの周波数ｆに対する測定された反射減衰量Ｓ２２のプロットを図
８に示す。二重共振が明らかに実現され、このとき部分周波数スペーシングは約
１４％である。共振の７ｄＢの反射減衰量のバンド幅は、夫々５．６％及び１．
７％であり、全放射バンド幅は７．３％となり、この値は未変更パッチの全放射
バンド幅の略二倍である。この改善は、予想外であり、本発明を二重バンド適用
に関して特に有利にさせる。
【００２９】 図９は、同じ周波数範囲に対する測定されたインピーダンスを示すスミス図表
である。同図は、アンテナ７００の２つの共振のインピーダンス特性が類似する
ことを示す。従って、バンド幅の適合及び広がりの同時改善が可能となる。
【００３０】 マンドレル７０２を穴７０４の中に部分的に延在させて更なる測定が実施され
た。穴７０４中のマンドレル７０２の長さが短くなると、共振回路の容量は比例
して減少されるが、インダクタンスは略一定のままである。マンドレル７０２が
穴７０４から収縮されると第２の共振の共振周波数が増加される一方で、第１の
共振の共振周波数は約１９００ＭＨｚで略一定に保たれることが分かった。マン
ドレル７０２が収縮されると夫々の共振の深さが減少される。従って、８．７％
の部分周波数スペーシングを有するＵＭＴＳと使用するに好適なアンテナは、共
振回路のインダクタンス又は容量を適当に増加することで得られ得る。
【００３１】 大量生産に好適なパッチアンテナ７００の実施例において、共振回路は、固定
値を有する離散的又は印刷構成要素を用いて典型的に実施され、アンテナ自体は
エッジ給電されてもよい。これら変更態様は、上記プロトタイプ実施例よりも実
質的に簡単に実施することができる。本発明の一体化された実施例が低温同時加
熱セラミックＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramic）基板において
形成され得、このとき基板の底に大地導体１０２を、且つ、基板の上にパッチ導
体１０６を有し、中間層に給電及び適合回路が配置される。
【００３２】 図１０は、本発明に従って形成されるパッチアンテナ７００を組み込んだ移動
電話ハンドセット１００の背面図である。アンテナ７００は、ハンドセットケー
シングへの金属化から形成され得る。或いは、大地導体１０２としても機能する
ことができ、電話のＲＦ成分を遮蔽する金属エンクロージャに取り付けられ得る
。
【００３３】 上記実施例は、共振周波数でゼロインピーダンスを有する共振回路を使用した
が、他の形態の共振回路も本発明によるアンテナにおいて同様に使用され得る。
ここで必要なことは、元の放射モードを実質的に不変にしたままアンテナの余分
の放射線モードを生成するために、アンテナの挙動が共振回路の存在によりその
共振周波数の領域において変更されることだけである。より多くの共振回路を追
加することで、又は、多数の共振周波数を有する共振回路を使用することによっ
て多帯域アンテナも設計することができる。
【００３４】 本開示を読むことで、他の変更態様が当業者に明らかとなる。このような変更
態様は、パッチアンテナの設計、製造、及び使用において既知であり、本明細書
で説明された特徴の代わりに又は追加的に使用されてもよい特徴を含む。本明細
書において、請求項は特定な特徴の組合わせに対して明確に表現されているが、
本明細書が開示する範囲は、請求項に記載された本発明に関係してもしなくても
、又、本発明が解決する技術的な問題の一部又は全部を解決するかどうかにかか
わりなく、ここで明確に又は暗に開示された新規の特徴又はその特徴の新規の組
合わせ、又は、これらの特徴の一般化を含むことを理解すべきである。出願人は
、本願の遂行中、若しくは、本願から派生した出願の遂行中に、これらの特徴及
び／又はこれらの特徴の組合わせについての請求項が作成され得ることに注意さ
れるべきである。
【００３５】 本明細書及び特許請求の範囲において、素子は単数形で表わされているが、同
じ素子が複数個存在することを除外するものではない。更に、「有する、含む」
などの用語は、記載されていない他の素子及び段階を除外するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 パッチアンテナの断面図（部分Ａ）及び平面図（部分Ｂ）である。
【図２】 図１のパッチアンテナをモデリングする等価回路を示す図である。
【図３】 測定された結果を実線で示し、シミュレートされた結果を破線で示す、図１の
パッチアンテナのＭＨｚで表わされる周波数ｆに対するｄＢで表わされる反射減
衰量Ｓ１１を示すグラフである。
【図４】 二重共振パッチアンテナを表示する変更された等価回路を示す図である。
【図５】 図４の変更された等価回路のＭＨｚで表わされる周波数ｆに対するｄＢで表わ
されるシミュレートされた反射減衰量Ｓ１１を示すグラフである。
【図６】 周波数範囲１５００乃至２０００ＭＨｚにわたる図４の変更された等価回路の
シミュレートされたインピーダンスを示すスミス図表である。
【図７】 二重バンド動作のための変更されたパッチアンテナの断面図である。
【図８】 図７のパッチアンテナのＭＨｚで表わされる周波数ｆに対するｄＢで表わされ
る測定された反射減衰量Ｓ１１を示すグラフである。
【図９】 周波数範囲１７００乃至２５００ＭＨｚにわたる図７の変更されたパッチアン
テナのシミュレートされたインピーダンスを示すスミス図表である。
【図１０】 図７のパッチアンテナが組み込まれた移動電話ハンドセットの背面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5J045 AA03 AA05 DA08 HA06 MA04 NA01 5J047 AA02 AA04 AA07 AB13 FD01

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 略平坦なパッチ導体を有する、無線通信装置用の二重バンド
    パッチアンテナであって、 上記パッチ導体の点と大地導体の点との間に共振回路が接続されるアンテナ。
  2. 【請求項２】 上記大地導体は、上記パッチ導体から離間され、上記パッチ
    導体と同一の広がりをもつことを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
  3. 【請求項３】 少なくとも一つの更なる共振回路が上記パッチ導体と上記大
    地導体との間に接続され、上記アンテナの同時の多帯域動作が可能となる請求項
    １又は２記載のアンテナ。
  4. 【請求項４】 上記共振回路又は各共振回路は受動であることを特徴とする
    請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のアンテナ。
  5. 【請求項５】 上記共振回路又は上記各共振回路の上記インピーダンスは、
    共振周波数で最小にされることを特徴とする請求項４記載のアンテナ。
  6. 【請求項６】 請求項１乃至５のうちいずれか一項記載のパッチアンテナを
    含む無線通信装置。
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