JP2004522380A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

アンテナ装置は、接地面（１０４）と実質的に平行に支えられるパッチ導体（１０２）、第１の箇所において該パッチ導体に接続される給電ピン（１０６）、及び該パッチ導体上の第２の箇所と該接地面との間に接続される接地ピン（１０８）を有する。前記給電ピンと前記接地ピンとは、リンク導体（５１０）によって接続され、これらのピンの間に結合される分路キャパシタンス手段を持つ。前記キャパシタンス手段の適当な値、並びに前記リンク導体の位置及び寸法が、前記アンテナに対する良好なマッチングが達成されることを可能にする。前記リンク導体は、前記パッチ導体に直接的に接続されても良く、前記リンク導体の上下両方に前記給電ピンと前記接地ピンとの間の間隙があっても良い。異なる断面積を持つ前記給電ピン及び前記接地ピンによって、並びに／又は前記パッチ導体中にスロットを設けることによってインピーダンス変換がなされ得る。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、実質的に平面のパッチ導体（ｐａｔｃｈ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を有するアンテナ装置、及びこのような装置を組み込む無線通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動体電話の送受話器などの無線端末は、典型的には、ノーマルモードのへリックスアンテナ若しくはメアンダラインアンテナなどの外部アンテナ、又は板状逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）若しくは類似のものなどの内部アンテナのいずれかを組み込む。
【０００３】
このようなアンテナは、（波長に対して）小さく、それ故、小さいアンテナの根本的な限界（ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｌｉｍｉｔｓ）のために狭帯域である。しかしながら、セルラー式無線通信システムは、典型的には１０％以上の部分帯域幅（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）を持つ。ＰＩＦＡでこのような帯域幅を達成するためには、例えば、かなりの体積を必要とし、パッチアンテナの帯域幅と体積との間には直接的な関係があるが、このような体積は、小さい送受話器に向かう現在の傾向により容易には利用できない。更に、ＰＩＦＡは、帯域幅を改善するのに必要であるパッチの高さの増大につれて共振においてリアクティブになる。
【０００４】
国際特許出願第ＷＯ０１／３７３６９号は、寸法がアンテナに適当なインピーダンスマッチングをするよう選ばれる導電性マッチング素子で給電ピンと短絡ピン（ｓｈｏｒｔｉｎｇ ｐｉｎ）とを連結することによってマッチングが達成されるＰＩＦＡを開示している。このようなアンテナは本質的に狭帯域である。
【０００５】
欧州特許出願第ＥＰ０，８６７，９６７号は、アンテナをマッチングさせるのをより容易にする目的で、給電ピンが該給電ピンの長さを増大させるために曲折され、それによって、該給電ピンのインダクタンスを増大させるＰＩＦＡを開示している。広帯域マッチングは、このようなアンテナで達成するのは困難であり、小さいマッチングキャパシタンスを必要とする。
【０００６】
本願出願人の同時係属の未公開の国際特許出願第ＰＣＴ／ＩＢ０２／０００５１号（出願人参照番号：ＰＨＧＢ０１０００９）は、ＰＩＦＡにおいて給電ピンと短絡ピンとの間にスロットが設けられる従来のＰＩＦＡの変形例を開示している。このような装置は、実質的に改善されたインピーダンス特性を持つ一方で、従来のＰＩＦＡより必要とする体積が小さいアンテナを供給した。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、改善された平面のアンテナ装置を供給することにある。
【０００８】
本発明の第１の特徴によれば、実質的に平面のパッチ導体を有するアンテナ装置であって、給電ピンが第１の箇所で前記パッチ導体に接続され、接地ピン（ｇｒｏｕｎｄ ｐｉｎ）が前記パッチ導体上の第２の箇所と接地面（ｇｒｏｕｎｄ ｐｌａｎｅ）との間に接続され、前記装置が、前記給電ピンと前記接地ピンとを接続するリンク導体（ｌｉｎｋｉｎｇ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、及び該給電ピンと該接地ピンとの間に結合される分路キャパシタンス手段（ｓｈｕｎｔ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｍｅａｎｓ）を更に有し、前記リンク導体の位置及び寸法、並びに前記キャパシタンス手段の値が、前記アンテナに対する良好なマッチングが達成されることを可能にするよう選択されるアンテナ装置が供給される。
【０００９】
リンク導体の存在は、給電ピン及び接地ピンによって形成される短絡伝送線路（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ）の長さ、従って、該短絡伝送線路のインダクタンスを低減させるよう作用し、分路キャパシタンスの値を増大させることを可能にし、これは改善された広帯域を供給する。前記リンク導体はまたパッチ導体に接続されても良く、又は前記リンク導体の上下両方にこれらのピンの間の間隙があっても良い。マッチングインダクタンスがアンテナ構造の一部として設けられるよう構成することにより、該インダクタンスは、付加的なコストなしに回路による解決法（ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）によってもたらされるものより高いＱを持つ。
【００１０】
給電ピンと接地ピンとは、インピーダンス変換をするために異なる断面積を持ち得る。他の例においては、又は更に、前記給電ピン及び前記接地ピンの一方又は両方が、インピーダンス変換をするために複数の導体で形成され得る。前記インピーダンス変換はまた、国際特許出願第ＰＣＴ／ＩＢ０２／０００５１号において開示されているような前記給電ピンと前記接地ピンとの間のパッチ導体中のスロットによってもなされ得る。
【００１１】
本発明の第２の特徴によれば、本発明に従って作成されるアンテナを含む無線通信装置が供給される。
【００１２】
添付図面を参照し、一例として、本発明の実施例を以下に記載する。
【００１３】
図面において、同じ参照符号は、対応する特徴を示すために用いられている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
送受話器上に取り付けられるＰＩＦＡの透視図が図１に示されている。ＰＩＦＡは、送受話器の一部を形成する接地面１０４と平行に支えられる長方形のパッチ導体１０２を有する。アンテナは、給電ピン１０６を介して給電され、（接地ピンとしても知られる）短絡ピン１０８によって接地面１０４に接続される。給電ピンと接地ピンとは、構成の便利のために典型的には平行であるが、このことは、アンテナの機能のためには必須ではない。
【００１５】
ＰＩＦＡの典型的な実施例において、パッチ導体１０２は、寸法２０×１０ｍｍを持ち、大きさが４０×１００×１ｍｍである接地面１０４より８ｍｍ上に配置される。給電ピン１０６は、パッチ導体１０２と接地面１０４との両方の隅に配置され、短絡ピン１０８は、給電ピン１０６から３ｍｍだけ離される。これらのピン１０６及び１０８の各々は、１ｍｍの幅を備える平面である。
【００１６】
ＰＩＦＡのインピーダンスが誘電性であることは良く知られている。このことの１つの説明は、給電ピン１０６及び短絡ピン１０８上の電流を差動モード（等量且つ逆方向の、無放射の）電流とコモンモード（同方向の、放射の）電流との合計とみなすことにより与えられる。差動モード電流に対して、給電ピン１０６及び短絡ピン１０８は、短絡伝送線路を形成し、この短絡伝送線路は、波長に対して非常に短い長さ（図１において示されている実施例においては８ｍｍ、即ち２ＧＨｚにおける０．５λ）のために誘電性リアクタンスを持つ。この誘電性リアクタンスは、アンテナ給電にわたって分路インダクタンスのように作用する。アンテナ１０２にマッチングさせるために、分路キャパシタンスが、アンテナの共振周波数において前記インダクタンスと共振することによって該インダクタンスを無視する（ｔｕｎｅ ｏｕｔ）ために給電ピン１０６と短絡ピン１０８との間に設けられる必要がある。これは、分路コンデンサによって設けられ得るが、既知のＰＩＦＡにおいては、前記キャパシタンスは、典型的には、アンテナの形状寸法を変更することによって設けられる。例えば、これは、パッチ導体１０２を給電ピン１０６に近い接地面１０４の方へ拡大して接地に対して幾らかの付加的なキャパシタンスを設けることによってなされ得る。
【００１７】
図１に示されている複合アンテナ（ｃｏｍｂｉｎｅｄ ａｎｔｅｎｎａ）１０２及び接地面１０４のリターンロス（ｒｅｔｕｒｎ ｌｏｓｓ）Ｓ_１１が、Ａｎｓｏｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能な高周波ストラクチャ・シミュレータ（ＨＦＳＳ）を用いてシミュレートされた。０．４５ｐＦの分路コンデンサでマッチングされる場合の（１２０Ωを基準とする）８００ＭＨｚと３０００ＭＨｚとの間の周波数ｆに対する結果が図２に示されている。同じ周波数範囲にわたってシミュレートされたインピーダンスを図示するスミスチャートが図３に示されている。マッチングコンデンサなしでシミュレートされたインピーダンスを図示する他のスミスチャートが図４に示されており、マッチングさせてないインピーダンスの誘導的な性質を示している。
【００１８】
このアンテナ装置は、略々４４０ＭＨｚの６ｄＢ帯域幅及び略々２００ＭＨｚの１０ｄＢ帯域幅を持つ。伝送線路の分路インダクタンスが低減され、コンデンサの値が増大される場合に、帯域幅は著しく改善され得る。これは、第一次近似（ｆｉｒｓｔ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）として、アンテナが実質的に一定の抵抗を備える直列共振ＬＣＲ回路のように見えるからである。このような回路は、相補形並列（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｐａｒａｌｌｅｌ）ＬＣ回路によって最も良く広帯域化（ｂｒｏａｄｂａｎｄ）される。（短絡伝送線路によって設けられる）並列回路のインダクタンスを低減させ、キャパシタンスを増大させることは、アンテナの応答を補完してより良くし、それ故、帯域幅の改善においてより効果的である応答を供給する。
【００１９】
この目的は、本発明に基づいて、図５中の側面図において示されているように給電装置を変更することにより、達成され得る。この変更においては、給電ピン１０６と短絡ピン１０８とをともにこれらのピンの長さの大部分にわたって接続するリンク導体５１０が設けられる。図５において示されているように、リンク導体は、給電ピン１０６と短絡ピン１０８とをこれらのピンがパッチ導体１０２に接触する箇所から接続し、それ故、パッチ導体１０２にも接続される。しかしながら、この装置は必須ではなく、別の実施例においては、リンク導体５１０の上下両方にこれらのピン１０６及び１０８の間の間隙があり得る。これは、リンク導体が、差動モード電流に対してピン１０６及び１０８の間の経路を設ける一方、コモンモード電流には最小限の影響しか及ぼさないからである。従って、設けるリンク導体５１０は、（給電ピン１０６及び短絡ピン１０８とともに）短絡伝送線路を形成するのに十分な高さを持ち、リンク導体５１０はパッチ導体まで延びている必要はなく、リンク導体５１０はただ単に薄いストラップを有し得る。
【００２０】
例として、リターンロスＳ_１１を決定するためのシミュレーションが行なわれた。このシミュレーションにおいて、導体５１０は、６ｍｍの長さを持ち、給電ピン１０６と短絡ピン１０８とをこれらのピンの長さのうちの２ｍｍについては接続されないままにした。１．７５ｐＦの分路コンデンサでマッチングされる場合の（１２０Ωを基準とする）８００ＭＨｚと３０００ＭＨｚとの間の周波数ｆに対する結果が図６に示されている。同じ周波数範囲にわたってシミュレートされたインピーダンスを図示するスミスチャートが図７に示されている。図１の従来のＰＩＦＡと比較して、６ｄＢ帯域幅は５５０ＭＨｚまで２５％だけ改善される一方で、１０ｄＢ帯域幅は３９０ＭＨｚまでほとんど倍増される。この改善された帯域幅は、図７及び３に示されているスミスチャートを比較することにより明らかに分かり得る。
【００２１】
マッチングコンデンサなしでシミュレートされたインピーダンスを図示する他のスミスチャートが図８において示されており、このスミスチャートは前記コンデンサなしでのマッチングが非常に劣っていることを示している。これは、付加的なマッチングさせる構成要素が用いられない国際特許出願公開第ＷＯ０１／３７３６９号において開示されているアンテナ装置と全く対照的である。このような装置は、分路インダクタンスが与えられる場合に５０Ωに対するマッチングが達成され得るように低いコモンモード抵抗を必要とする。この制約は、アンテナが本質的に狭帯域であることを意味する。
【００２２】
リンク導体５１０の長さを増大させ、より高い値のコンデンサ（ｈｉｇｈｅｒ−ｖａｌｕｅｄ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）を用いることによって更により良いパフォーマンスが達成され得ることは明らかである。
【００２３】
アンテナがマッチングされるインピーダンスは、本願出願人の同時係属の未公開の国際特許出願第ＰＣＴ／ＩＢ０２／０００５１号（出願人参照番号：ＰＨＧＢ０１０００９）に記載されているように、給電ピン１０６及び短絡ピン１０８の相対的な厚さを変更することによって変えられ得る。これは、コモンモード電流は給電ピン１０６中の電流と短絡ピン１０８中の電流との合計であり、従って、これらのピンの相対的な厚さ（従って、インピーダンス）を変更することによって、これらのピンの間の電流の割合は変動され得るからである。例えば、短絡ピン１０８の断面積が増大され、短絡ピン１０８のインピーダンスを低減させる場合には、給電ピン１０６におけるコモンモード電流が低減され、アンテナの実効インピーダンスが増大されるであろう。このような作用効果はまた、給電ピン１０６及び短絡ピン１０８の一方若しくは両方を並列に接続された複数の導体と置き換えることによって、又はこれらの方法の組み合わせによっても達成され得る。
【００２４】
インピーダンス変換はまた、国際特許出願第ＰＣＴ／ＩＢ０２／０００５１号において開示されているように給電ピン１０６と短絡ピン１０８との間のパッチ導体１０２中にスロットを設けることによっても構成され得る。パッチ導体中に非対称にスロットを配設することにより、その場合に、パッチ導体１０２は異なる寸法の導体を持つ短絡２導体伝送線路のように見えることから、給電ピン１０６及び短絡ピン１０８によって運ばれる相対的な電流は変動され得る。パッチ導体１０２が電話器ケーシングの内側表面上にプリントされ得る移動体電話の実施例において、このような装置は、（バネ付きの接点（ｓｐｒｕｎｇ ｃｏｎｔａｃｔ）のように設けられ得る）共通の給電ピン１０６及び接地ピン１０８を用いながら、様々なパッチ導体の形状構成によって様々なアンテナインピーダンスが設けられることを可能にするという利点を持つ。
【００２５】
本発明は、単バンドＰＩＦＡ（ｓｉｎｇｌｅ ｂａｎｄ ＰＩＦＡ）に関して記載されているが、デュアルバンド又はマルチバンドの形状構成に容易に適用され得ることは明らかであろう。このような実施例においては、各帯域に対して適当なキャパシタンスが、周波数選択式の受動回路網（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｐａｓｓｉｖｅ ｎｅｔｗｏｒｋ）を介して容易に設けられ得る。所要のキャパシタンスは、１つ以上のデスクリートコンデンサ（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）として設けられる代わりに、既知の技術範囲によって、アンテナ構造の集積部品として設けられ得ることも明らかであろう。
【００２６】
上記でＰＩＦＡに関して詳細に記載されているが、本発明は、より広い適用可能性を持ち、より広い帯域幅及びより良好なフィルタリングを供給するように、アンテナ給電装置が２つの伝送線路を有するとみなされることができ、伝送線路インピーダンスが相補形回路素子と共に用いられ得るように伝送線路の長さが選択されるいかなるモノポールのようなアンテナ装置でも用いられ得る（ＰＩＦＡは大きいトップロード（ｔｏｐ−ｌｏａｄ）を持つ非常に短いモノポールアンテナとみなされ得る）。
【００２７】
上記のＰＩＦＡ装置において、伝送線路は短絡伝送線路であり、回路素子はコンデンサであった。しかしながら、伝送線路が（容量性インピーダンスを備える）開回路であり、相補形回路素子がインダクタである別の装置もあり得る。このような装置は、リンク導体５１０を取り除き、パッチ導体１０２の縁まで延在し、インダクタとマッチングさせるのに適当な容量性インピーダンスを設けるよう選ばれる長さを持つスロットをパッチ導体１０２中に設けることにより図５のＰＩＦＡを変更することによって形成され得る。
【００２８】
開回路装置はあり得るが、短絡伝送線路を用いる方が、これが相補形回路素子としてコンデンサを用いることを可能にすることから更に好ましい。コンデンサは、一般的に、インダクタ（典型的には約４０）と比べてより高いＱ（移動通信の周波数において典型的には約２００）を持ち、より良い公差（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）も持つ。アンテナ基板上にインダクタンス（ＰＩＦＡの場合の空気）を置くことは、該インダクタンスが高品質であり、高品質のデスクリートコンデンサと共に用いられ得ることを意味する。場合によっては、とりわけ、利用可能な回路技術が乏しい場合には、（例えば開回路伝送線路の場合に）アンテナ基板上に直接的にコンデンサを形成することは有益であり得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】送受話器上に取り付けられるＰＩＦＡの透視図である。
【図２】０．４５ｐＦのコンデンサでマッチングされた図１のアンテナのためのＭＨｚ単位の周波数に対するｄＢ単位のシミュレートされたリターンロスＳ_１１のグラフである。
【図３】８００ＭＨｚ乃至３０００ＭＨｚの周波数範囲にわたって、０．４５ｐＦのコンデンサでマッチングされた図１の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チャートである。
【図４】８００ＭＨｚ乃至３０００ＭＨｚの周波数範囲にわたって、マッチングさせていない図１の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チャートである。
【図５】本発明に従って作成されたアンテナ給電装置の側面図である。
【図６】図５の給電装置を介して給電され、１．７５ｐＦのコンデンサでマッチングされたＰＩＦＡのためのＭＨｚ単位の周波数に対するｄＢ単位のシミュレートされたリターンロスＳ_１１のグラフである。
【図７】８００ＭＨｚ乃至３０００ＭＨｚの周波数範囲にわたって、図５の給電装置を介して給電され、１．７５ｐＦのコンデンサでマッチングされたＰＩＦＡのシミュレートされたインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図８】８００ＭＨｚ乃至３０００ＭＨｚの周波数範囲にわたって、図５の給電装置を介して給電され、マッチングさせていないＰＩＦＡのシミュレートされたインピーダンスを示すスミスチャートである。

Claims (10)

1. 実質的に平面のパッチ導体を有するアンテナ装置であって、給電ピンが第１の箇所で前記パッチ導体に接続され、接地ピンが前記パッチ導体上の第２の箇所と接地面との間に接続され、前記装置が、前記給電ピンと前記接地ピンとを接続するリンク導体、及び該給電ピンと該接地ピンとの間に結合される分路キャパシタンス手段を更に有し、前記リンク導体の位置及び寸法、並びに前記キャパシタンス手段の値が、前記アンテナに対する良好なマッチングが達成されることを可能にするよう選択されるアンテナ装置。
2. 前記接地面が、前記パッチ導体から離間され、該パッチ導体と同一の広がりを持つことを特徴とする請求項１の記載の装置。
3. 前記給電ピンの断面積と前記接地ピンの断面積とが異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記給電ピンが複数の導体を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記接地ピンが複数の導体を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記給電ピンと前記接地ピンとが実質的に平行であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記キャパシタンス手段がデスクリートコンデンサを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記リンク導体の上縁が前記パッチ導体に接続されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記パッチ導体が、前記第１の箇所と前記第２の箇所との間にスロットを組み込むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載のアンテナ装置を含む無線通信装置。