JP2005519558A - マルチバンドマイクロ波アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型であって空間節約構造であるにもかかわらず、前述の種類のできるだけ多くの周波数帯域で動作しうる冒頭に述べた型のアンテナを提供する。
【解決手段】 マルチバンドマイクロ波アンテナ（１）が記述される。このアンテナはとくにプリント基板（ＰＣＢ）上に表面実装（ＳＭＤ）することが意図されており、少なくとも第１および第２金属化構造部（１１，１２）を有する基板（１０）を備え、第１金属化構造部（１１）は共振器領域を形成する少なくとも１つの金属領域（１１１）を持ち、第２金属化構造部（１２）は少なくとも１つの共振プリント導体構造部（１２１）を持っている。これにより、ＰＩＦＡ（平板逆Ｆアンテナ）の利点となる特性と、ＰＷＡ（プリントワイヤアンテナ）の利点となる特性とを併せ持つアンテナを構成することができる。

Description

本発明は、とくにプリント基板（ＰＣＢ）上の表面実装部品（ＳＭＤ）として意図された、基板および少なくとも２つの金属化構造部（metallization structures）を有するマルチバンドマイクロ波アンテナに関する。本発明はまたこの種のプリント基板および上記マイクロ波アンテナを備えたマルチバンド通信装置に関する。

移動通信においては、情報伝送のためにマイクロ波領域の電磁波が用いられている。これの例は、８９０ないし９６０ＭＨｚ（ＧＳＭ９００）、１７１０ないし１８８０ＭＨｚ（ＧＳＭ１８００またはＤＣＳ１８００）、および１８５０ないし１９９０ＭＨｚ（ＧＳＭ１９００またはＰＣＳ）の周波数範囲、さらにはＵＭＴＳ帯域（１８８５ないし２２００ＭＨｚ）の携帯電話規格、１８８０ないし１９００ＭＨｚの周波数範囲のコードレス電話用ＤＥＣＴ規格、並びに２４００ないし２４８０Ｈｚの周波数範囲のブルートゥース（Bluetooth）規格である。ブルートゥース規格の目的は、たとえばコンピュータや家庭用電化製品等のような種々の電子装置の間でデータ交換を可能にすることである。情報伝送と同様に良く知られたＧＰＳ周波数範囲における衛星ナビゲーションの目的用のような移動通信装置に組み込まれる付加機能やアプリケーションが存在することもある。

この種の最近の通信装置は上述の周波数範囲の中のできるだけ多くの周波数範囲で動作しうるように意図されており、これは、それらの周波数範囲をカバーする対応するマルチバンドアンテナが要求されるということを意味する。

送信または受信のためにアンテナは特定の周波数において電磁共振を起こすように調整されなければならない。与えられた波長のもとでアンテナの大きさを極小化するために、基本構成要素として一般に誘電率ε_ｒ＞１を有する誘電体が用いられる。これは放射波長が誘電体内で４／（ε_ｒ）^１／２に従って短縮されるという結果を招く。

したがって、この種の誘電体に基づいて設計されたアンテナの大きさは同じ割合で小さくなる。

このようにして、この種のアンテナは誘電体材料からなるブロック（基板）を備えている。この基板の表面には１つまたは複数の所望の動作周波数帯域によって決定される１つまたはそれ以上の共振金属化構造部が用いられる。共振周波数の値はプリント金属化構造部の大きさおよび配置に依存し、また基板の誘電率の値に依存する。個々の共振周波数の値は誘電率の値が大きくなるにつれて小さくなる。

たとえば欧州特許第１０２４５５２号明細書から、単一または複数存在する異なる型の複数のアンテナの組み合わせで作られた通信端末装置用のマルチバンドアンテナが知られている。これらのアンテナは、給電が１点でのみ行われるという方式で一体的に結合される。しかしその場合、分離独立型の複数のアンテナが互いに近接して配置されるため、このアンテナに要求される空間が比較的大きくなるという欠点がある。

したがって本発明の目的は、小型であって空間節約構造であるにもかかわらず、前述の種類のできるだけ多くの周波数帯域で動作しうる冒頭に述べた型のアンテナを提供することである。

他の目的は、個々の動作周波数帯域内の共振周波数が互いに独立に大きく同調しうるマルチバンドマイクロ波アンテナを提供することである。

さらなる目的は、反射パラメータに従う特性曲線に関してとくに有利なアンテナ特性を得ることの可能な、この種のマルチバンドマイクロ波アンテナ用のプリント基板を提供することである。

上記目的は請求項１に記載の構成により、少なくとも第１金属化構造部および第２金属化構造部を有する基板を備え、第１金属化構造部は共振器領域を形成する少なくとも１つの金属領域を持ち、第２金属化構造部は少なくとも１つの共振プリント導体構造を持つ、マルチバンドマイクロ波アンテナによって達成される。

このようなやり方で目的を達成することの特別な利点は、ＰＩＦＡ（平板逆Ｆアンテナ）型のアンテナの主たる実際的な利点がこの方法によるＰＷＡ（プリントワイヤアンテナ）型のアンテナの実際的な利点と組み合わされ、複数の共振周波数が互いに大幅に独立して調整できる小サイズのマルチバンドアンテナが構成されうることである。

従属請求項は本発明のさらなる有利な実施態様に関するものである。

請求項２によって得られる実施態様は、小型構造および軽量化のための特に重要な構成をなすものである。

請求項４によって得られる実施態様によれば、共振周波数の数をさらに増加することが可能であり、請求項５，６および９による実施態様によれば、実現される異なる複数の共振周波数について、大幅に独立した同調が可能である。

本発明のこれらおよびその他の特徴（アスペクト）は以下に説明する実施例から明らかになり、またそれを参照して明らかにされる。

図１および２は本発明によるアンテナの第１実施例を示すものである。このアンテナは基準電位にある金属化された（metalized）底板２の上に配置された３帯域（トリプル帯域）アンテナ１として構成されている。

このアンテナはほぼ平行６面体形状のブロックの形をした基板１０を備えており、その長さまたは幅は高さ（厚さ）の３ないし４０倍ほど大きい。したがって図に示す基板１０の上面（大きい面）を、この明細書においては、基板の上主面と称し、反対側の面を下主面と称し、それに対して直角な方向に向いた面を側面と称することにする。

しかしながら、基板１０としては平行６面体のほかに他の幾何学形状のもの、たとえば円筒状のものを選択することもできる。基板１０には適当な金属化構造部が設けられる。

基板１０はポリマー基材（マトリクス）の中にセラミック粉末を埋め込むことによって作られ、それは誘電率ε_ｒ＞１および／または相対透磁率μ_ｒ＞１を持っている。

図１に示されているアンテナ１の場合、基板１０は長さが約３５ｍｍ、幅が約２０ｍｍ、厚さが約１ｍｍである。底板２の大きさは約９０ｍｍ×３５ｍｍである。

基板１０は２つの主面上にそれぞれ第１および第２の金属化構造部１１，１２を形成している。図示の場合、第１金属化構造部１１は上主面上に位置していて、その上主面をカバーし、第１共振周波数（基本モード）のための共振領域を形成する金属領域１１１（ハッチングによって示されている）を備えている。

この金属領域１１１の上面は開放しており、基板１０の一方の長い側面から始まり基板１０の短い側面に近い第１領域Ａ（図２）に向かって延びるスロット構造部１１２が形成されている。金属領域１１１はこのようにして分割すなわちセグメント化されている。その結果、基本モードにおけると同様に金属領域１１１の一部が高周波数において共振を励起され、少なくとも第２共振周波数が得られる。

スロット構造部１１２の形状、長さ、および幅は、金属領域１１１のセグメント化が所望の第２共振周波数を作り出すように選択される。２つの共振は、たとえば、それぞれＧＳＭ９００帯域およびＤＣＳ１８００帯域、またはＧＳＭ９００帯域およびＰＣＳ１９００帯域、またはＧＳＭ９００帯域およびＵＭＴＳ帯域をカバーする。その場合、図示の実施例においては、第１共振周波数はＧＳＭ９００帯域内にあり、第２共振周波数はＵＭＴＳ帯域内にある。しかしながら、スロット構造部１１２に対してわずかな修正を加えることによって他の周波数帯域をカバーすることもできる。

スロット構造部１１２は基本モードすなわち第１共振周波数を低くする効果をも持っており、したがってアンテナ１を効果的により小型にすることができる。これは恐らく帯域幅のわずかな狭小化を伴うが、それは一般的に受け入れられることである。

アンテナへの給電（または受信した電磁エネルギーの取り出し）はフィードピン１１３を介して行われる。フィードピン１１３は金属化された底板２に形成された穴または切り込みを通して延び、基板１０のコーナー部の金属領域１１１に導電接続されている。しかしながら、給電または取り出しは容量結合によって行うこともできる。

図１は基板１０の一方の長側面にアースピンすなわち短絡ピン１１４をも示している。この短絡ピン１１４は金属化された底板２と金属領域１１１との間の接続を行い、第１共振周波数を低下させるのに用いられる。

第２金属化構造部１２は基板１０の反対側（下）主面上に位置しており、少なくともプリント導体１２２の形をした共振金属プリント導体構造部１２１を備えている。導体１２２は基板１０の短側面に対して平行に延びており、短絡ピン１１４に接続されている。

プリント導体１２２は、図示の場合、ＤＣＳ１８００帯域内にある第３共振周波数を励起するのに用いられる。この第２金属化構造部１２についても、もし複数のプリント導体１２２が存在すれば、わずかな修正を施すことによって複数の周波数帯域がカバーされるようにすることも可能である。基板１０の誘電率に関して、プリント導体１２２の長さｌ_ｒｅｓが所望の共振波長の１／４に対応するように選択されるものとすれば、ｌ_ｒｅｓ＝λ_ｅｆｆ／４＝λ_０／（４（ε_ｅｆｆ）^１／２rms）である。ここで、ε_ｅｆｆは基板の誘電率であり、その平均値は適当な方法で見出されたものである。

プリント導体構造部１２１もまた独立した複数のプリント導体１２２を備えてもよい。プリント導体１２２は金属化された底板２に１つまたはそれ以上の短絡ピン１１４によって接続される。プリント導体１２２の長さおよび短絡ピン１１４の位置は、それぞれの場合において共振が所望の共振波長のほぼ１／４で得られるように選択される。このようにして適当な方法でプリント導体１２２を位置決めすることによって、第１金属化構造部１１の共振周波数が実質的に悪影響を受けないように保証することができる。

図２は図１のアンテナを上方から見た図を示すものである。ここでは金属化された底板２の図示は省略されている。この図において、セグメント化された金属領域１１１およびスロット構造部１１２が上主面上に見える。図にも示されているように、金属プリント導体構造部１２１は下主面上に位置している。最後に、この図はまたフィードピン１１３および短絡ピン１１４の位置をも示している。

本発明によるアンテナの特別な利点は、広い帯域にわたって、互いに大幅に独立に、選択的に複数の共振周波数に同調可能であることである。

図１および２に示されたアンテナの場合、この目的のためにスロット構造部１１２の終端における領域Ａ内の金属領域１１１内に同調スロット１１５，１１６が形成されている。この同調スロット１１５，１１６はスロット構造部１１２にほぼ直角に両側に延びている。適当な長さの同調スロット１１５，１１６を形成することによって、第１共振周波数は、たとえばその目的のために、アンテナ１が固定状態にある時、工業生産プロセスの一部としてレーザビームを用いて長くすることができる。

スロット構造部１１２によって生成されるより高い第２共振周波数の値は図２に示す領域Ｂ内のフィードピン１１３に対して短絡ピン１１４の位置を相対的に変更することによって大幅に調整することができる。

第３共振周波数を調整可能とするために、プリント導体１２２はその終端に図２に示されている領域Ｃ内に同調スロット１２３を持っている。この同調スロット１２３はプリント導体１２２に対して直角に延び、この目的のために、レーザビームによって短くできる。

図３は図１および図２に示されているアンテナに関して実験によって決定されたＳ_１１反射パラメータを周波数の関数として表現した特性曲線を示すものである。約９３０ＭＨｚ、１８００ＭＨｚ、および２１００ＭＨｚに位置する３つの共振周波数を明瞭に認めることができる。

図４は、携帯電話における電池３に隣接する一般的な環境状態にあるアンテナを示すものである。これの意味するところは、アンテナの電気的ニアフィールド環境が、（ユーザーの影響を無視すれば）完全に金属化されていると仮定された携帯電話のプリント基板（金属化された底板２）と、同様に金属化状態にある電池３と、によって決定される、ということである。

図５は４帯域アンテナ１の形をした本発明の第２実施例を示すものである。アンテナ１はここでも金属化された底板２の上に配置されている。アンテナ１というよりは基板１０の大きさ、および底板２の領域は第１実施例の場合と同様である。

アンテナはここでも図面の上方にあるその主面上に、金属領域１１１（ハッチングで示されている）を有する第１金属化構造部１１を持っている。金属領域１１１は上述したようなやり方で共振領域を形成し、スロット構造部１１２によってセグメント化され、フィードピン１１３に接続され、第１共振周波数および第２共振周波数を生成するようにして用いられる。

第２金属化構造部１２は、金属プリント導体構造部１２１の形状として、下主面上に位置している。しかし、第１実施例とは対照的に、ここではくし型形状に配置された３つのプリント導体１２２，１２３，１２４を備えている。これらのプリント導体は金属化された底板２に短絡ピン１１４を介して電気的に接続されている。金属プリント導体構造１２１はさらに、くし形状に配置されたプリント導体１２２，１２３，１２４に平行に走り、フィードピン１１３に接続された独立のプリント導体１２５を基板１０の短側面領域に備えている。その長さの関数として３つのプリント導体１２２，１２３，１２４が第３共振周波数を生成する。この第３共振周波数は、たとえばＤＣＳ１８００、またはＰＣＳ１９００、ＵＭＴＳ帯域のいずれかによってカバーされる範囲内に位置する。最後に独立のプリント導体１２５は、たとえばブルートゥース（Bluetooth）によって特定される周波数範囲内の２．４ＧＨｚに位置させられうる第４共振周波数を生成する。

図６はこのアンテナに関して反射パラメータＳ_１１を周波数の関数として数値的にシミュレーションを行って得た特性曲線を示すものである。４つの共振周波数が約約９００ＭＨｚ、１８００ＭＨｚ、２０００ＭＨｚ、および２４００ＭＨｚに位置していることを明瞭に認めることができる。

第１金属化構造部１１の中にさらなるスロット構造部を加えたり第２金属化構造部１２にさらなるプリント導体を加えたりすることによって、本発明によるアンテナによればさらなる周波数帯域がカバーされ、対応するマルチバンドアンテナが生産されうる。

本発明によるアンテナによれば、主として第１金属化構造部１１から得られる公知のＰＩＦＡ（平板逆Ｆアンテナ）の利点と、主として第２金属化構造部１２から得られる公知のＰＷＡ（プリントワイヤアンテナ）の利点とを併せ持つことができる。

本発明の第１実施例によるアンテナの斜視図である。 図１に示すアンテナにおける基板の平面図である。 図１のアンテナの反射パラメータＳ_１１を周波数の関数として示すグラフである。 携帯電話の一般的な環境における図１のアンテナの斜視図である。 本発明の第２実施例によるアンテナの斜視図である。 図２に示すアンテナの反射パラメータＳ_１１を周波数の関数として示すグラフである。

Claims (10)

1. 少なくとも第１金属化構造部（１１）および第２金属化構造部（１２）を有する基板（１０）を備え、前記第１金属化構造部（１１）は共振器領域を形成する少なくとも１つの金属領域（１１１）を持ち、前記第２金属化構造部（１２）は少なくとも１つの共振プリント導体構造部（１２１）を持っている、マルチバンドマイクロ波アンテナ。
2. 前記第１および第２金属化構造部（１１，１２）がほぼ６面体の基板（１０）の互いに反対側の両主面に設けられている、請求項１に記載のマルチバンドマイクロ波アンテナ。
3. 前記基板（１０）が、基準電位にある金属化された底板（２）の上方に配置されている、請求項１に記載のマルチバンドマイクロ波アンテナ。
4. 前記第１金属化構造部（１１）の金属領域（１１１）内に、前記金属領域（１１１）をセグメント化する少なくとも１つのスロット構造部（１１２）が開放状態で形成され、それにより少なくとも２つの共振周波数の励起を可能としている、請求項１に記載のマルチバンドマイクロ波アンテナ。
5. 前記少なくとも１つのスロット構造部（１１２）が少なくとも１つの同調スロット（１１５，１１６）を備えている、請求項４に記載のマルチバンドマイクロ波アンテナ。
6. 少なくとも１つのプリント導体構造部（１２１）が同調スロット（１２３）を備えている、請求項１に記載のマルチバンドマイクロ波アンテナ。
7. 前記第１金属化構造部（１１）および第２金属化構造部（１２）の少なくとも一方に接続されたフィードピン（１１３）を介して給電される、請求項１に記載のマルチバンドマイクロ波アンテナ。
8. 前記第１金属化構造部（１１）および第２金属化構造部（１２）の少なくとも一方が、前記金属化された底板（２）に固定された短絡ピン（１１４）に接続されている、請求項１に記載のマルチバンドマイクロ波アンテナ。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載のマルチバンドマイクロ波アンテナ（１）を備えた、とくに移動通信装置用のプリント基板。
10. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載のマルチバンドマイクロ波アンテナ（１）を備えた通信装置。

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