JP2005525036A - アンテナ装置およびアンテナ装置を含むモジュール - Google Patents

Abstract

アンテナ装置は二つのスロット（３０４ａ，３０４ｂ）を組み込む接地導体（３０２）を含み、二つのスロットは、接地導体が二つの実質的に独立したアンテナとして機能し得るように、小さい電気的分離およびトランシーバを各スロットに結合する手段（３０８ａ，３０８ｂ）を有する。このような装置は、従来のアンテナ装置よりも非常に小さい容積から効率的なダイバーシティ性能を得ることを可能にする。一実施形態では、接地導体、スロットおよびトランシーバは、アンテナ面積の大半を提供するさらなる接地導体へ接続するため適合したモジュール（２０６）に一体化される。さらなる接地導体は、典型的に印刷回路基板接地面または携帯電話ハンドセットである。マッチングおよび広帯域化回路をこのモジュールに組み込むと都合がよい。モジュールとさらなる接地導体との間の接続領域を変えることにより、スロットの共振周波数を変更することが可能である。

Description

本発明は、接地導体とこの接地導体にトランシーバを接続する手段とを備えたアンテナ装置に係わり、さらにトランシーバとこのアンテナ装置を含む無線モジュールに関する。

移動電話ハンドセットのようなワイヤレス端末は、典型的に、ノーマルモードヘリカルアンテナ若しくはミアンダーラインアンテナのような外部アンテナ、或いは、板状逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）などのような内蔵アンテナを組み込む。

このようなアンテナは（波長に対して）小型であるので、小型アンテナの根本的な限界のため狭帯域である。しかし、セルラ無線通信システムは、典型的に、１０％以上のフラクショナル帯域幅を有する。ＰＩＦＡからこのような帯域幅を得るため、例えば、かなりの容積が必要であり、パッチアンテナの帯域幅とその容積との間には直接的な関係があるが、このような容積は小型ハンドセットを指向する現在の傾向では容易に利用できない。したがって、上記の限界のため、現在のワイヤレス端末における小型アンテナから効率的な広帯域放射を達成することは実現不可能である。

ワイヤレス端末用の従来のアンテナ装置に関するさらなる問題は、従来のアンテナ装置が不平衡であるため、端末ケースに強く結合することである。その結果として、かなりの量の放射線がアンテナではなく端末自体から放出される。アンテナフィードが端末ケースに直結され、この状況をうまく利用するワイヤレス端末は、本出願人による国際特許出願の国際公開公報第０２／１３３０６号に開示されている。適切なマッチング回路を介して供給されるとき、端末ケース、または、別の接地導体は、効率的な広帯域放射器として機能する。アンテナフィードがスロットを介して端末ケースに結合されるこの装置の変形は、係属中の国際特許出願の国際公開公報第０２／９５８６９号（本願の優先日の時点では未公開）に開示されている。

多数のアプリケーションにおいて、ワイヤレス端末は、アンテナダイバーシティ技術を利用できるようにするため二つ以上の独立したアンテナを備えていることが望ましい。しかし、従来のアンテナダイバーシティ装置は、典型的に、アンテナが無相関信号を供給するために十分な電気的分離を有するように、かなりの容積を占める。

本発明の目的は、ワイヤレス端末用の小型アンテナダイバーシティ装置を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、小さい電気的分離を有する２つのスロットと各スロットにトランシーバを結合する手段とを備えた接地導体を備え、これにより、接地導体を二つの実質的に独立したアンテナとして機能させるアンテナ装置が提供される。

この装置のダイバーシティ性能は、スロットが実質的に直交するように配置することによって最適化される（すなわち、スロットが一つの開放端を有する場合に、各スロットのそれぞれの開放端からの（スロットに沿って測定した）距離が類似している部分は実質的に直交することを意味する）。ダイバーシティ性能は、また、容量性負荷をスロットに加え、トランシーバと各スロットとの間に異なる位相シフトを与えることによって最適化される。小さい電気的分離は、典型的に、この装置の動作周波数で半波長よりも小さい。

本発明の第２の態様によれば、小さい電気的分離を有する二つのスロットを組み込む接地導体と、トランシーバと、トランシーバを各スロットに結合する手段と、接地導体をさらなる接地導体に結合する手段と、を備え、これにより、接地導体とさらなる接地導体を組み合わせ、二つの実質的に独立したアンテナとして機能させる無線モジュールが提供される。

本発明の実施形態は、一例として、添付図面を参照して説明される。

図面中、同じ参照番号は対応した特徴部を示すため使用される。

本出願人の国際特許出願の国際公開公報第０２／１３３０６号は、ワイヤレス端末のケース、または、端末の一部を形成する別の接地導体が適切なマッチング回路によって給電され、効率的な広帯域放射器として機能するアンテナ装置を開示する。

要約すると、国際公開公報第０２／１３３０６号には、アンテナとワイヤレス端末（例えば、携帯電話ハンドセット）との組み合わせは非対称ダイポールとして見なし得ることが記載されている。図１は、アンテナが給電ポイントにあるワイヤレスハンドセットにおいて、送信モードで、トランシーバから見たときのこのようなインピーダンスのモデルを表す。非対称ダイポールの第１のアーム１０２はアンテナのインピーダンスを表し、第２のアーム１０４はハンドセットのインピーダンスを表し、両方のアームはソース１０６によって駆動される。同図に示されるように、このような装置のインピーダンスは、仮想接地面１０８に対して別々に駆動された各アーム１０２、１０４のインピーダンスの合計と実質的に等価である。このモデルは、ソース１０６がトランシーバのインピーダンスを表すインピーダンスによって置換されたとき、受信に関しても同様に有効である。

国際公開公報第０２／１３３０６号には、また、アンテナインピーダンスがアンテナフィードをハンドセットに結合する物理的に小さいコンデンサによって置換できることが記載されている。一実施形態では、このコンデンサは、１０×４０×１００ｍｍの寸法を有するハンドセット上にある２×１０×１０ｍｍの寸法を有する平行板コンデンサである。ハンドセットを注意深く設計することにより、得られる帯域幅は、従来のアンテナとハンドセットの組み合わせによる帯域幅よりも非常に広くなる。その理由は、ハンドセットが低Ｑ放射素子として機能し（シミュレーションでは、典型的なＱは約１であることが示されている）、これに対し、従来のアンテナは、典型的に、約５０のＱを有するからである。

トランシーバを接地面に結合するために平行板コンデンサを使用することに関する問題点は、そのために（ＰＩＦＡのために必要な容積よりも遙かに少ないとしても）かなりの容積を必要とすることである。ワイヤレス端末のより小型化へ向かう現在の傾向の一環として、（携帯電話機またはブルートゥース端末のような）装置のために必要なＲＦ回路を含むロープロファイル型モジュールが開発されている。このようなモジュールは、典型的に、金属容器に入れることによってシールドされるが、このようなシールドが常に必要というわけではない。上記の寸法を有するコンデンサ板を追加することにより、このようなモジュールによって占有される容積は、その高さを２倍にすることによって、２倍よりも大きくすることが可能であるが、これは望ましくない。

この問題点は、本出願人の係属中の国際特許出願の国際公開公報第０２／９５８６９号に開示されているように、トランシーバから接地面へ接地面内のスロットを経由してＲＦ電力を供給することによって解決された。この装置は、接地導体に搭載されたＲＦモジュールの平面図である図２、および、スロット付き接地面を備えたＲＦモジュールの平面図である図３を参照して説明される。ＲＦモジュール２０６は、矩形状のカットアウト部２０４（破線で示される）を具備した矩形状接地面２０２を有する印刷回路基板（ＰＣＢ）に搭載される。モジュール２０６は、また、カットアウト部２０４よりも僅かに大きい寸法を有する接地面３０２を備え、二つの接地面２０２、３０２を電気的に接続できる。モジュールの接地面３０２は、モジュール２０６の動作周波数で約４分の１波長であるスロット３０４を組み込む。このモジュールは、ＲＦ回路（詳細に図示されず）と、ＲＦ回路から離れているスロット３０４の側面への接続部３０８と、を含む。

トランスミッタとして動作中に、ＲＦ回路３０６からの電力は、スロットを越えて接地面３０２、２０２へ供給される。レシーバとして動作中に、接地面３０２、２０２によって受信されたＲＦ信号は、スロット３０４を用いて取り出され、ＲＦ回路３０６に供給される。このような給電装置は国際公開公報第０２／１３３０６号に記載された容量カップリングのような広い帯域幅を実現しないが、それにもかかわらず、この装置は従来のアンテナよりも広い帯域幅を提供し、容積と帯域幅との間のトレードオフは多数のアプリケーションに対し適切であろう。

スロット３０４は、例示されているように、ＲＦ回路３０６の周りで折り曲げてもよい。スロットは、その共振周波数が主として４分の１波長のスロット共振によって決まり、一方、その帯域幅がスロット３０４と接地面３０２、２０２との組み合わせによって決まるように設計可能である。スロット３０４をモジュール２０６に一体化することにより、モジュールの接地面３０２とＰＣＢ接地面２０２との間の接続部を変えることによってスロットの共振周波数をチューニングできる。図示されているＰＣＢ接地面２０２のカットアウト部２０４は、矩形状であり、モジュール２０６と同様のサイズがあるが、これは必須要件ではない。唯一の要件は、スロット３０４の直下のＰＣＢ上にメタライゼーションが存在しないような（そして、実際には、カットアウト部２０４は少なくとも製造公差およびアライメント誤差と同程度にスロット３０４よりも大きく、その結果として、実効的なスロット寸法が、カットアウト部２０４の寸法によってではなく、モジュール２０６内のスロット３０４の寸法によって決められるような）カットアウト部２０４を設けることである。図示されているように、モジュール２０６の位置をＰＣＢのエッジに限定することは、モジュールがＰＣＢ上の残りの回路からかなり離れ、しかも依然としてモジュールへの接続部を簡単に製作することができるので都合がよい。

図４は、全体的な寸法が約１５×１３ｍｍであるＲＦモジュール２０６の製品の実施形態の平面図である。この実施形態はフィリップスセミコンダクターズ製であり、品番はＢＧＢ１００Ａであり、用途はブルートゥースアプリケーションである。Ｌ字型の接地導体３０２はＬ字型のスロット３０４を組み込む。スロットは、接続点４０２、３０８に接続された１．５ｎＨのインダクタと、接続点４０４、４０６に接続された３ｐＦの直列コンデンサと、を介して給電される。１．３ｎＨの直列インダクタと１．８ｐＦのシャントコンデンサを備えたさらなるマッチング回路が直列コンデンサと５０Ωのフィードとの間に接続される。図示されない別のＲＦ回路３０６が破線で囲まれた領域に収容される。この回路は複数の接地接続部を含むので、ＰＣＢに搭載されたとき、この破線で囲まれた領域の実質的に全体は接地導体であると見なすことが可能である。

本実施形態において、ＰＣＢ接地面は寸法が半波長に近く、優れた帯域幅が得られる。図５は、１５００から３５００ＭＨｚの周波数のそれぞれの場合に測定された図４のモジュールのリターンロスＳ_１１のグラフである。モジュール２０６は１００×４０ｍｍの寸法を有するＰＣＢの長辺に通じるスロット３０４が搭載され、このモジュールはＰＣＢの短辺から２５ｍｍの位置に置かれる。１９００から２９００ＭＨｚまでの１ＧＨｚより広い帯域幅に亘って、効率は８０％よりも高く、リターンロスは１０ｄＢよりも大きい。リンク試験の測定結果は、１０ｍを上回る距離で適切な性能を実証したので、ブルートゥース仕様の必要条件を満たしている。

本発明は、二つの独立した動作モードを設け、その結果として、接地面２０２、３０２が二つの独立したアンテナであるかのように機能することを可能にすることによって上記の装置に改良を加える。従来のアンテナダイバーシティ装置の場合、ダイバーシティ装置を設置するためには、一波長のうちのかなりの割合の長さで分離された二つのアンテナが必要であるため、上記されたような小型モジュール２０６に設置できなかった。しかし、本発明によって製作されたモジュールにおいて、ダイバーシティ装置はこのような小さい領域内で実現可能である。

図６は、本発明によって製作されたモジュール２０６の第１の実施形態の平面図であり、このモジュールは、接地面３０２と、第１および第２のスロット３０４ａ、３０４ｂを備えている。スロット３０４ａ、３０４ｂは、同一の電界／電流点で、すなわち、それぞれのスロットの開放端から測定した長さ方向の対応点で、互いに実質的に直交するように構成される。これは、最大の逆向き電流が現れるスロット３０４ａ、３０４ｂの短絡端で最も重要である。この直交性の結果として、各スロットは、ＰＣＢ接地面２０２上に異なる電流分布を設定し、異なる放射および偏波パターンを生じ、したがって、マルチパスコンポーネントの独立した受信が得られる。したがって、各スロットによって送信または受信された信号は実質的に無相関である。

モジュール２０６は、スロット３０４ａ、３０４ｂによって利用されていない領域を占有できるＲＦ回路３０６を含む。動作中に、ＲＦ回路３０６からの電力は、スロットを横切って、ＲＦ回路３０６の大部分から離れているスロット３０４ａ、３０４ｂの側面のそれぞれの接続点３０８ａ、３０８ｂへ供給される。ブルートゥースアプリケーションの場合、モジュール２０６は、図４に示されたサイズよりも小型サイズでもよく、スロット３０４ａ、３０４ｂのそれぞれは、図４の実施形態と同じ長さを有する。スロット３０４ａ、３０４ｂは、原理的に約４分の１波長の長さが必要であるが、モジュール基板が存在することにより、この長さを（２．４ＧＨｚで）おおよそ２０ｍｍまで短縮することが可能である。

別の実施形態が本発明によって製作されたモジュール２０６の第２の実施形態の平面図である図７に示されている。本実施形態において、スロット３０４ａ、３０４ｂは、対応したコンデンサ７０２ａ、７０２ｂによって装荷され、これらのコンデンサは、同じ共振周波数を維持したままでスロットを短絡させることが可能である。これは、スロット３０４ａ、３０４ｂをモジュール２０６の専有面積の範囲内でできるだけ分離することを可能にするが、それでも上記のブルートゥースモジュールの波長の僅かに１０分の１の分離にすぎない。各スロットから送信または受信された信号の間の相互相関は、各スロットからの信号を適切にフェージングすることによってさらに低減することが可能である。要求される位相シフトは、ディスクリートフェーズシフト回路、ハイブリッドカップラ、および、パラサイト負荷切り替え方式を含む様々な技術によって実現できる。

ダイポールアンテナ用の適当なフェージングの選択は、本出願人の国際特許出願の国際公開公報第０１／７１８４３号に開示されている。しかし、そこに記載された技術は、スロットではなくダイポールアンテナに関係し、また、本発明の実施形態では、スロット３０４ａ、３０４ｂは共通接地導体２０２、３０２を共有するので、そのままでは本発明に適用できない。

これらの二つの方法（直交スロットと容量負荷スロット）の組み合わせは、空間、偏波および放射パターン（これらのすべてはこのような小さいスロット分離と相互に関連している）に依存するダイバーシティを生じさせるため使用される。このようにして、ダイバーシティがアンテナ作動型のＲＦモジュールで利用できるような非常に狭い空間で実現可能である。

一部のアプリケーションにおいて、デュアルバンドアンテナがマルチスタンダードワイヤレス通信機器で使用するため必要である。典型的な組み合わせは、ブルートゥースまたは２．４ＧＨｚのＩＥＥＥ ８０２．１１ｂ（ＷｉＦｉ）方式と、５ＧＨｚのＩＥＥＥ ８０２．１１ａ方式の組み合わせである。両方のＩＥＥＥ規格はダイバーシティをサポートする。デュアルバンド性能は、信号点でスロット３０４ａ、３０４ｂを給電し、デュアルバンドマッチング回路を使用することによって達成可能である。しかし、スロットが無線モジュール内に収容されている上述したような実施形態では、二つの異なる点で各スロット３０４ａ、３０４ｂに給電し、多重化（スイッチまたはフィルタ）回路によって隔離することが有利である。高周波数給電点のない電界の近くに低周波数給電点を選択することにより、この隔離をさらに改善することが可能である。例えば、低周波数給電点はスロット３０４ａ、３０４ｂの短絡端の近くに設けられ、高周波数給電点が開放端の近くに設けられる。

図６および７に示された実施形態の接地導体３０２、２０２内の異なる電流フローパターンから得られる偏波ダイバーシティに加えて、さらなる偏波ダイバーシティが従来のＰＩＦＡと共に（上記の）スロット３０４ａ、３０４ｂを使用する実施形態において実現され得る。アンテナは、同じ容積（超小型ＲＦモジュール）内に設置可能であるが、実質的に異なる偏波を有する。その理由は、スロット３０４ａ、３０４ｂがＰＣＢと接触して給電されるのではなく、ＰＣＢに埋め込まれるからである。ＰＩＦＡはＰＣＢの偏波を有するが、スロット３０４ａ、３０４ｂの偏波はＰＣＢ内でのそれらの方向性に依存する。この方向性は直交性を生ずるように配置することが可能であり、これは、ＰＩＦＡまたはスロットに変更を加えることなく少なくとも部分的に実現され得る。二つのアンテナが非常に強く結合する場合、ＰＩＦＡが受信しているときに、スロットの間にスイッチを設けてもよい。

上記のように、スロット３０４ａ、３０４ｂは、ＲＦモジュール２０６の接地面３０２に組み込んでもよく、ＰＣＢ接地面２０２に組み込んでもよい。後者の場合、ＲＦコンポーネントは、モジュール２０６の形で設けても、モジュール２０６の形で設けなくてもよい。スロット３０４ａ、３０４ｂをモジュール２０６に組み込むことの効果は、給電をより精密に制御可能であると同時に、マッチング、帯域幅の広帯域化、および／または、マルチバンド動作が巧みに制御された方式で実現できることである。放射性能を高めるためＰＣＢ接地面に接続することができる集積化モジュールを製造することは非常に有利であることがわかるであろう。

以上のＲＦモジュール２０６に関する説明は、例えば、ベースバンドおよび装置制御回路のようなＲＦコンポーネント以外の別のコンポーネントをモジュールに収容することを除外するものではない。上記の実施形態において、スロット３０４ａ、３０４ｂは端が開放されている。しかし、平衡のとれた形で給電されるならば、両端が閉じられたスロットも同様に使用可能である。

以上の開示内容を読むことにより、その他の変形が当業者に明白になるであろう。このような変形には、無線通信装置およびその構成部品の設計、製造および利用に関して既に知られている他の特徴が含まれ、それらの特徴は既に説明された特徴に代えて、または、加えて使用される。

本明細書および特許請求の範囲において、要素の前に置かれた冠詞「ａ」または「ａｎ」はこのような要素が複数個存在することを除外するものではない。さらに、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」のような語は列挙された要素またはステップ以外の要素またはステップの存在を除外するものではない。

アンテナとワイヤレス端末の組み合わせを表す非対称ダイポールアンテナのモデルを説明する図である。 接地導体に取り付けられた無線周波数（ＲＦ）モジュールの平面図である。 スロット付きの接地面を備えたＲＦモジュールの平面図である。 ＲＦモジュールの実用的な実施形態の平面図である。 図４に示されたＲＦモジュールに関してＭＨｚ単位の周波数ｆに対してｄＢ単位で測定されたリターンロスＳ_１１を表すグラフである。 二つの実質的に直交するスロットを有する接地面を備えたＲＦモジュールの平面図である。 二つの平行であり、容量的に装荷されたスロットを有する接地面を備えたＲＦモジュールの平面図である。

Claims (10)

1. 小さい電気的分離を有する二つのスロットとトランシーバを各スロットに結合する手段とを組み込んだ接地導体を備え、前記接地導体が二つの実質的に独立したアンテナとして機能できるようにする、アンテナ装置。
2. 前記各スロットの一方の端は開放し、前記各スロットのそれぞれの開放端から同様の距離にある部分は実質的に直交する、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 容量性負荷がスロットに装荷される、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記トランシーバと前記各スロットとの間に異なる位相シフトを与える手段が設けられる、請求項１、２または３に記載のアンテナ装置。
5. 板状逆Ｆアンテナをさらに備え、
   前記接地導体および前記板状アンテナの偏波が著しく異なる、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
6. 小さい電気的分離を有する二つのスロットを組み込む接地導体と、トランシーバと、前記トランシーバを各スロットに結合する手段と、前記接地導体をさらなる接地導体に結合する手段と、を備え、前記接地導体と前記さらなる接地導体の組み合わせが二つの実質的に独立したアンテナとして機能できるようにする、無線モジュール。
7. 前記接地導体と前記さらなる接地導体との間の接続領域を変え、これにより、当該モジュールの動作周波数を変更する手段が設けられる、請求項６に記載のモジュール。
8. 前記トランシーバはデュアルバンドで使用するため適合し、
   前記トランシーバを各スロットに結合する前記手段は、各スロットへの第１および第２の接続部を備え、前記第１の接続部が第１の周波数バンドで使用され、前記第２の接続部が第２の周波数バンドで使用される、
   請求項６または７に記載のモジュール。
9. 前記さらなる接地導体は印刷回路基板接地面である、請求項６に記載の装置。
10. 前記さらなる接地導体はハンドセットケースである、請求項６に記載の装置。

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