JP2004520773A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

アンテナ装置（３００）は、アンテナ（３０４）を取り付けた接地導体（１０２）を有する。このアンテナは、アンテナ装置（３００）の動作周波数における波長と比較して小さく、アンテナ（３０４）の寸法は、アンテナ（３０４）と接地導体（１０２）との組み合わせられたインピーダンスが従来型の整合回路を介して駆動するのに適するように選択される。この条件は、本装置の帯域幅が、整合回路の帯域幅ではなく、アンテナ及び接地導体の帯域幅によって決定されるときに満たされる。１つの実施例において、前記アンテナは高さより著しく幅の広い三角形の導電素子であり、前記高さは適度な抵抗を与えるのに十分であり、前記幅は、リアクタンスを適度にマッチングすることができるレベルまで低減するのに十分である。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば移動電話ハンドセット等の無線端末に用いられるアンテナ装置、及び、このような装置を組み込んだ無線通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動電話ハンドセット等の無線端末は、通常、ノーマルモードヘリカルアンテナ若しくはメアンダラインアンテナ等の外部アンテナ又は板状逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）等の内部アンテナを組み込んでいる。
【０００３】
このようなアンテナは、移動電話ハンドセットに対しては大きいが、波長に対しては小さく、従って、小さいアンテナの根本的な限界のために、狭帯域であり比較的損失が大きい。しかし、セル方式無線通信システムは、一般的に１０％以上という部分的な帯域幅を有する。例えばＰＩＦＡからこのような帯域幅を達成するには、パッチアンテナの帯域幅とその体積との間には直接の関係があるため、相当な体積を必要とするが、現在の小さいハンドセットへの傾向から、このような体積は容易に利用することができるものではない。それゆえに、上記の制限のため、現代の無線端末の小さいアンテナから効果的な広帯域放射を達成することは可能であると考えられていない。
【０００４】
無線端末用の既知のアンテナ装置についての他の問題は、それらが一般的に不均衡であるということであり、従って、強く端末のケースに結合されているということである。その結果、かなりの量の放射線が、アンテナよりもむしろ端末自身から放射することになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、無線端末用の改良されたアンテナ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によると、接地導体に対して駆動するようにされたアンテナ素子を有するアンテナ装置であって、前記アンテナ素子は当該アンテナ装置の動作周波数における波長と比較して小さく、前記アンテナ素子の大きさは、整合回路を介して駆動されるときに、当該アンテナ装置の帯域幅が前記アンテナ素子及び前記接地導体によって決定されるように構成される、アンテナ装置が提供される。
【０００７】
アンテナ素子と接地導体との組合せのインピーダンスがトランシーバに適度によくマッチしているときは、帯域幅は、整合回路ではなくアンテナ及び接地導体によって決定される。不整合があまりに大きな場合、帯域幅は整合回路によって決定され、加えて、整合回路の損失は効率的な動作にとって大きすぎるものとなる。
【０００８】
本発明により作製されるアンテナ装置においては、大部分の放射電力は、接地導体（一般的に移動電話ハンドセットケース又はプリント回路基板接地導体）から来る。アンテナ素子の外形の適切な選択は、アンテナ素子が電気的に非常に小さいままで、必要インピーダンスが提供されることを可能にする。
【０００９】
このようなアンテナ装置は特にデュアルバンド動作に適しており、単純なデュアルバンド整合回路を介して駆動される。一つの実施例は、ＧＳＭ及びＤＣＳ１８００システムで使用される周波数での使用に適している。
【００１０】
本発明の１つの実施例において、アンテナ素子は、高さより著しく幅の広い三角形導体を有する。このような素子は、特に、アンテナ素子の幅は特に重要でない一方で、コンパクトなハンドセットの設計を可能にするために高さが一般に最小にされなければならない移動電話ハンドセットの用途に適している。この実施例の一つの例において、アンテナと該アンテナに関連する給電ピンとを合わせた高さはたった１１ｍｍであり、１８００ＭＨｚ（この周波数では１１ｍｍは波長の約０．０７倍である）で、７０％の効率を提供する。
【００１１】
本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様により作製されるアンテナ装置を含む無線通信装置が提供される。
【００１２】
本発明は、従来技術に存在しない、アンテナ及び無線ハンドセットは非対称に給電されたアンテナを対で形成するものであると考えることができるという認識と、アンテナのための適切な外形の選択は適当なインピーダンス整合が達成されることを可能にするという他の認識とに基づく。
【００１３】
ここで、本発明の実施例が、添付の図面を参照して例示により説明される。図面において、対応する機能を示すのに同じ参照番号が用いられた。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、長さＬのモノポールアンテナ１０４が取り付けられる長方形の接地導体１０２を有する従来の無線端末１００の簡略化された実施例の平面図である。接地導体１０２は、一般的に、ＥＭＣ（電磁環境適合性）目的のために無線端末１００の本体に設けられるプリント回路基板（ＰＣＢ）接地面又は金属被覆を有する。
【００１５】
無線端末１０２（例えば移動電話ハンドセット）のアンテナ１０４及び接地導体は、非対称放射する構造を対で形成する。このように、両者ともこれら端末で見られるインピーダンスに寄与する。典型的なハンドセットは、ＧＳＭ（移動通信用グロ―バルシステム）において使用される周波数では半波の長さに近く、ＤＣＳ１８００において使用される周波数では全波の長さに近い。これらの周波数で、この構造のハンドセット側は、高インピーダンス、特に高抵抗を示す。その大きさのために、この構造のハンドセット側も、低いＱ（典型的には１又は２のオーダー）を有する。
【００１６】
典型的なアンテナ１０４は、（明らかに、ＧＳＭの場合により小さいが）ＧＳＭ及びＤＣＳの両方において波長より非常に小さい。従って、この構造のアンテナ側は、低抵抗及び大きな容量性リアクタンスを示す（これはＧＳＭの場合特にそうである）。小さいアンテナが、長さが半波又は全波に近いハンドセットと共同で用いられるときに、抵抗への寄与を決定するのはハンドセットである。このため大部分の放射電力は（低Ｑの）ハンドセットから放射し、このことが、小さいアンテナを有する移動電話が予想外に高い帯域幅を達成することができる理由を説明する。アンテナがリアクタンスに最も大きく寄与する。アンテナは抵抗の絶対値も決定するが、ピークの周波数位置は決定しない。これは、ハンドセットの半波（又はその倍数）共振によって決定される。
【００１７】
これらの事象は図２において示され、この図は、８００〜３０００ＭＨｚの周波数ｆにおける１００ｘ４０ｘ１ｍｍの接地導体１０２（ハンドセットケース又はＰＣＢ接地面を表す）の上部の中心に取り付けられる幅１ｍｍのモノポールアンテナ１０４における抵抗（Ｒ）及びリアクタンス（Ｘ）の曲線を示す。１１〜２１ｍｍまで変動する種々の長さＬのアンテナ１０４に対して曲線が示される。
【００１８】
抵抗ピークが約１．２及び２．４ＧＨｚで発生することが図２から分かる。これらのピークは、それぞれ、長さ約８０〜１６０ｍｍの範囲のハンドセットにおけるＧＳＭ９００及びＤＣＳ１８００バンドに近い、ハンドセットの半波及び全波共振周波数に対応する。アンテナ１０４の長さＬを変化させることによって、抵抗及びリアクタンスの数値の両方が変化することができる（両方とも、アンテナ長と共に増加する）。しかし、アンテナ１０４がハンドセット１０２と比較して短い限り、長さＬは抵抗又はリアクタンスの曲線の形状に影響を及ぼさない。アンテナ１０４の外形は、主にリアクタンスＸに影響を与える。抵抗Ｒは、アンテナ外形の弱い関数に過ぎないが、前述のとおり、アンテナの長さの強い関数である。
【００１９】
本発明は、その駆動回路のインピーダンス（典型的には５０Ω）にマッチングしていない小さいアンテナを有する無線端末を提供することによって、アンテナ動作に対するこの洞察を利用する。アンテナの外形及び高さは、適度に低いリアクタンスを提供するのにちょうど十分であるように構成される。アンテナはまた、ハンドセット抵抗が５０Ω（又は比較的容易に５０Ωとマッチングさせることができる水準の抵抗）に接近するのに十分に大きい。
【００２０】
図３は、本発明の第１の実施例の平面図である。本実施例は、図１と同様に、１００ｘ４０ｘ１ｍｍの接地導体１０２を有し、該接地導体には三角アンテナ３０４が取り付けられる。アンテナ３０４は、接地導体１０２の上部から２ｍｍの場所に取り付けられ、長さ２ｍｍの給電ピン３０６を介して給電される、高さ９ｍｍ、幅３０ｍｍの三角形の導電素子である。ここで、アンテナ３０４は、適当な抵抗を与えるのにちょうど十分な長さであり、リアクタンスを適度にマッチングすることができるレベルに低減するのにちょうど十分な幅である。
【００２１】
図４は、８００〜３０００ＭＨｚの周波数ｆにおける、図３のアンテナ構成に対する抵抗（Ｒ）及びリアクタンス（Ｘ）の曲線を示す。電気抵抗ピークの周波数が図２の周波数から変化していないことは明らかに見て取れる。即ち、これら周波数は接地導体１０２に依存している。しかし、アンテナ３０４の幅及び裾広がりの性質から、抵抗及びリアクタンスは可能なマッチングを行うのに十分高い。アンテナ３０４の長さを半分にする影響は幅の３０倍の増加により補償されるため、図２に示すように、この抵抗は長さ１７ｍｍのモノポールアンテナ１０４の抵抗と類似している。増加された幅はモノポールアンテナ１０４と比較してアンテナ３０４のリアクタンスを大いに低減し、マッチングを実現することを著しく容易にする。
【００２２】
アンテナ３０４は、デュアルバンド整合回路を介して給電されてもよい。ＧＳＭ及びＤＣＳ１８００アプリケーションのための適切な回路の例は、図５に示される。ここで、使用される部品は、以下の値を有する：Ｃ１は１ｐＦ、Ｌ１は１４ｎＨ、Ｃ２は３ｐＦ、そして、Ｌ２は７ｎＨである。使用中に、整合回路は接続Ｐ１及びＰ２にわたる５０Ω電源から給電される。Ｐ３は給電点３０６に接続しており、Ｐ４は接地面１０２に接続している。
【００２３】
図５に示されるこのようなデュアルバンド整合回路を介して給電される、図３に示されるアンテナ３０４及び接地面１０２の組合せのシミュレーションが実行された。反射減衰量Ｓ１１に対する結果を図６に示し、スミスチャートを図７に示す。いずれの場合においても８００〜３０００ＭＨｚにおける周波数ｆについてである。２つの共振は、８０ＭＨｚの６ｄＢの帯域幅については９３０ＭＨｚ、１７５ＭＨＺの６ｄＢの帯域幅については１８０５ＭＨｚ、に中心合わせされる。
【００２４】
デュアルバンド動作が容易に達成されることが分かる。このシミュレーションにおいて使用されるインダクタ及びキャパシタは、安価な小型化されたＳＭＤ部品について適当である５０のＱ係数を有するとみなされた。得られる効率は、ＧＳＭについては約５５％で、ＤＣＳについては７０％である。これは、従来のアンテナと同じオーダーである。この効率は、より高いＱ係数を有する部品を使用して改善させることができる。図４から、ハンドセット寸法がＧＳＭ及びＤＣＳでの動作については最適でないことも明らかである。ハンドセット寸法が最適化される場合、より小さいアンテナ又はより広帯域のマッチングを実現することができる。
【００２５】
図７のスミスチャートを観察することにより、この構成も共振（ゼロリアクタンス）が各バンドに対して二回達成されるという役立つ特性を有していることが示される。いずれの場合においても、より高い周波数共鳴は、より高い抵抗を有する。受信バンドは通常周波数デュプレクスシステムにおいてより高い周波数であるため、これは便利である。一般に、受信器は高インピーダンス装置であり伝送器は低インピーダンス装置であるので、伝送器とアンテナ３０４との間の低インピーダンス経路及びアンテナ３０４と受信器との間の高インピーダンス経路を維持することによって効率を向上することができる。従来は、必要に応じて５０Ωシステムインピーダンスがマッチングにおいて用いられる。このマッチングは、損失が大きく、伝送器及び受信器で見られる帯域幅を低減する可能性がある。
【００２６】
図３の図示した実施例に対応する試験体が、上で提示されるシミュレーション結果の実際的なアプリケーションを検査するために作製された。試験体は、上で識別されたものと値が同様の「既製品の」部品を使用して、図５に示される形状の整合回路を介して駆動された。この実施例の反射減衰量Ｓ１１の測定は、８００〜２０００ＭＨｚの周波数ｆについて図８に示される。同じ周波数範囲におけるこの実施例のインピーダンスを示すスミスチャートが図９に示される。
【００２７】
実験結果は、デュアルバンド動作がシミュレーションによって予測される態様で得られることができることを確認する。シミュレーションと測定値との間の共振周波数の差は、実験整合回路の標準部品値の使用及びシミュレーションにおいて考慮されなかった回路寄生の存在の組合せによって生じる。これらの因子のいずれも実用的なアンテナ装置の実施に対する障壁にはならない。
【００２８】
図１０は、本発明の第２の実施例の平面図である。本実施例は、図１と同様に、１００ｘ４０ｘ１ｍｍの接地導体１０２を有し、該接地導体にはＴ字形アンテナ４０４が取り付けられる。アンテナ４０４の高さ及び幅は、図３の三角アンテナ３０４と類似しており、従って、類似した利点を提供すると共に低減された量の導体を使用する。
【００２９】
図１１は、本発明の第３の実施例の平面図である。本実施例は、１つの角が切り欠かれた１００ｘ４０ｘ１ｍｍ接地導体５０２を有する。長方形のアンテナ５０４は切り欠き部分に取り付けられ、給電ピン４０６を介して給電される。
【００３０】
当業者にとっては種々の他の実施例も明らかである。例えば、従来用いられるよりも非常に短い長さを有するヘリカル又はメアンダライン素子が、上記したアンテナ３０４，４０４，５０４の代わりに設けられることも可能である。
【００３１】
本開示を読むことにより、他の変形例が、当業者にとって明らかになるであろう。このような変形例は、アンテナ装置及びその構成要素の、既知の、設計、製造及び使用に関する他の特徴と関連していてよく、これらの特徴は、ここで説明された特徴に代わって、又は追加して、使用することができる。
【００３２】
本発明や請求項において、要素の前に付した「１つの（ａ又はａｎ）」という単語は、その要素が複数あることを排除するものではない。 更に、「有する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という単語は、記載された以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、直方導体に取り付けられるアンテナの平面図である。
【図２】図２は、図１のアンテナの種々の長さＬにおけるシミュレーションした抵抗Ｒ及びリアクタンスＸのグラフである。
【図３】図３は、直方導体に取り付けられる三角形のアンテナ素子の平面図である。
【図４】図４は、図３のアンテナのシミュレーションした抵抗Ｒ及びリアクタンスＸのグラフである。
【図５】図５は、図３のアンテナ用のデュアルバンド整合回路の回路図である。
【図６】図６は、図５の整合回路を介して駆動される図３のアンテナについての、周波数ｆ（単位：ＭＨｚ）に対するシミュレーションした反射減衰量Ｓ１１（単位：ｄＢ）のグラフである。
【図７】図７は、８００〜３０００ＭＨｚの周波数範囲における、図５の整合回路を介して駆動される図３のアンテナのシミュレーションしたインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図８】図８は、図５の整合回路を介して駆動される図３のアンテナについての、周波数ｆ（単位：ＭＨｚ）に対する測定された反射減衰量Ｓ１１（単位：ｄＢ）のグラフである。
【図９】図９は、８００〜２０００ＭＨｚの周波数範囲における、図５の整合回路を介して駆動される図３のアンテナの測定したインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図１０】図１０は、直方導体に取り付けられるＴ字状のアンテナ素子の平面図である。
【図１１】図１１は、切り欠きを有する直方導体に取り付けられる長方形のアンテナ素子の平面図である。

Claims (9)

1. 接地導体に対して駆動するようにされたアンテナ素子を有するアンテナ装置であって、前記アンテナ素子は当該アンテナ装置の動作周波数における波長と比較して小さく、前記アンテナ素子の大きさは、整合回路を介して駆動されるときの当該アンテナ装置の帯域幅が前記アンテナ素子及び前記接地導体によって決定されるように構成される、アンテナ装置。
2. 前記アンテナ装置のインピーダンスが５０オームソースによって駆動されるのに適していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記アンテナ素子が、高さより著しく広い幅を有する三角形の導体を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記アンテナ素子が、高さより著しく広い幅を有するＴ字形の導体を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
5. 前記アンテナ素子が、波長より実質的に小さい電気的長さを有するヘリカル素子を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
6. デュアルバンド整合回路を更に有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の装置。
7. 前記デュアルバンド整合回路のより高い動作周波数が前記デュアルバンド整合回路のより低い動作周波数のほぼ２倍であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記より高い動作周波数がＤＣＳ１８００システムに適しており、前記より低い動作周波数がＧＳＭシステムに適していることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載のアンテナ装置を含む無線通信装置。