JP2005535239A - デュアルバンドアンテナシステム - Google Patents

Abstract

２つの周波数バンド上にて信号を送受信する本アンテナシステムは、小さく、非常に効率的であり、２つの周波数バンド上の信号間の高いデカップリングを維持しつつ、２つの周波数バンド上にて信号を同時に送信及び受信することができる。２以上のマイクロストリップアンテナ（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ）が、１つの誘電体基板（２）上に配置され、接地面（３）を備え、それら自身のフィード接続（６）を備え、相互カップリングを最小にするように配置される。

Description

本発明は、無線接続のための電気通信装置、特に、２つの周波数バンド上の信号を送受信するためのアンテナシステムに関する。

携帯電話システムの大量の普及に続き、いくつかのバンド内で動作できる内部回路及びアンテナを有する端末、例えば、９００ＭＨｚと１８００ＭＨｚバンドをそれぞれ用いることにより２つのＧＳＭ規格（ＧＳＭ９００とＧＳＭ１８００）をサポートできる端末がここ数年開発されてきた。

これらの端末（電話に加えて、ラップトップコンピューター、車載トランシーバーなどを含む）では、非常に効率的で電磁場が小さいときでさえ接続を提供し、かつ携帯性を損ねるほど扱いにくくないアンテナが要求される。

加えて、現在標準的なＧＳＭシステムによりサポートされているものよりも大量のデータを送信及び／又は受信する必要性が、ますます切実なものとなっている。この必要性は、２つの周波数バンド、例えば２つのＧＳＭバンド上にて、又は同じ周波数バンド内の異なるチャンネル上にて、同時に受信及び送信することができる端末を設計することにより満たすことができる。

この目的を達するには、特徴として最小サイズ、最大効率、及び同時に送受信するため最大のバンドデカップリングを保証しつつ、同じバンド内又は異なるバンド上で動作する可能性をもったアンテナシステムが使用されなければならない。

今日知られている様々なアンテナの種類には、マイクロストリップアンテナもあるが、このアンテナは非常に薄く、２つの周波数バンド上にて動作する。デュアルバンドアンテナの例は、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．“Ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ”，１９９８年５月，Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．４，ｐｐ．５９６-５９８，“Ａ Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＩＦＡ Ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ Ｄｕａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ９００／１８００?ＭＨｚ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ”に記載されている。この論文には、アンテナの開放端に対応して容量性負荷が配置されたＰＩＦＡ（Ｐｌａｎａｒ Ｉｎｖｅｒｔｅｄ Ｆ Ａｎｔｅｎｎａ）が記載され、これは接地面に平行な金属面からなる。このようにして、その共振長さがλ／４〜λ／８だけ短縮される。また、フィード（ｆｅｅｄ）は容量性である。というのは、アンテナは、接地面とアンテナ自体の間に配置された補助リードを介して給電されるからである。この容量性負荷は、アンテナのサイズを小さくするが、同時にバンドの幅も小さくするので、２つのバンド両方におけるデュアルチャンネル伝送を複雑にする。

別の種類のデュアルバンドアンテナが、ＩＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９６年３月，Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．７，“Ｄｕａｌ?ｂａｎｄ ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ ｈａｎｄ?ｈｅｌｄ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｔｅｌｅｐｈｏｎｅｓ”に記載されている。この論文に記載されているアンテナは、２つの分離した放射要素、すなわち１８００ＭＨｚバンド用の長方形要素と９００ＭＨｚバンド用のＬ形要素とからなる。これら２つの要素に対して、２つの分離した同軸フィードが設けられる。この配置により、構造の２つの共振周波数の独立性は増すが、同時にアンテナフィードのレイアウトがさらに複雑になる。これら２つの要素は、同軸フィードの近くに配置された金属ピンを介してグランドに接続される。この構成では、２つのフィード間のデカップリングは小さい。

複数のアンテナを用いた無線電気通信装置としては、国際特許出願ＷＯ０１０４９９４に記載された装置が挙げられる。この装置が用いるアンテナシステムでは、一方のアンテナがＧＰＳ（グローバル・ポジショニング・システム）信号を受信するのに用いられ、もう一方のアンテナが、無線電話信号を送受信するのに用いられ、場合によってはより低い周波数にて動作する第3のアンテナが、他の２つのアンテナの間に配置され、これもシールド機能を果たす。この場合には、総てのアンテナが互いに異なるので、異なる性質のサービスが提供される異なるバンド上においてのみ同時に動作することができる。
国際特許出願ＷＯ０１０４９９４ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．"Ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ"，１９９８年５月，Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．４，ｐｐ．５９６−５９８，"Ａ Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＩＦＡ Ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ Ｄｕａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ９００／１８００?ＭＨｚ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ" ＩＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９６年３月，Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．７，"Ｄｕａｌ?ｂａｎｄ ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ ｈａｎｄ?ｈｅｌｄ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｔｅｌｅｐｈｏｎｅｓ"

２つの周波数バンド上にて信号を送受信するための本発明のアンテナシステムは、上記欠点を克服し、上記技術的な問題を解決する。すなわち、本アンテナシステムは、同じサービスの１つ又は２つの周波数バンド上にて様々な信号を、これら２つの間の高度のデカップリングを維持しつつ、同時に送信及び受信することができ、特徴として、小さいサイズ及び高い効率を有する。

特に、本発明は、請求項１の前段部分に記載されたような２つの周波数バンド上にて信号を送受信するためのアンテナシステムに関する。

本発明の別の目的は、請求項１１の前段部分に記載のような多チャンネル携帯送受信装置である。

図面の簡単な説明
以下、本発明の別の特徴につき、単に例として好ましい実施態様の以下の説明及び添付図面を参照して説明する。
- 図１はアンテナの斜視図である。
- 図２はアンテナの断面図である。
- 図３はアンテナシステムの斜視図である。
- 図4は、単一のアンテナ入力ポート上での反射率パターンを周波数に対して示したデカルト図表である。
- 図５は、種々のアンテナ間でのデカップリングパターンを周波数に対して示したデカルト図表である。
- 図６は、周波数が０．９２ＧＨｚでのアンテナの放射線図である。
- 図７は、周波数が１．８０ＧＨｚでのアンテナの放射線図である。

本発明によるアンテナシステムは、小さな容器に入れるのに適したコンパクトな１つの誘電体基板上に配置されたマイクロストリップアンテナからなる装置である。以下の例では４つのアンテナがあるが、本システムは、相互の影響を非常に小さく維持する良好な相互デカップリングゆえに、任意の数（奇数又は偶数、最小数は２から）のアンテナを備え得る。

各アンテナは同軸フィードを有し、この同軸フィードは、異なるトランシーバー又は２以上のアンテナのコンバイナに接続でき、システム内の他のアンテナとのカップリングを最小にするように配置される。

最小の厚さを保証するため、各アンテナは、マイクロストリップにより作られる。これはプレーナー技術であり、誘電体基板の一方の側に被着した導電性金属からなるストリップ又はリードを利用する伝送線路又はアンテナを製造するのに用いられる。もう一方の側には金属物質からなる層が配置され、伝送線路又はアンテナをグランドに接続する。ストリップの形状と大きさが、マイクロストリップアンテナの挙動と性能を特徴付ける。

一般に、この基板は、厚みが一定の誘電体ストリップからなる。特に、アンテナの特性（放射線図、バンド、反射率など）は、基板の幾何学的又は電気的な特徴により変わる。

周知のように、マイクロストリップアンテナは一般に共振する。様々な種類の共振構造は、利用される共振モードにより区別できる。

最も一般的な種類は、λ／２と称される（ここでλは波長である）。というのは、アンテナの長さがλ／２に等しいからであり、ここでλは、放射が起こる共振周波数に関係している。

第２の種類の共振構造は、４分の１波（ｑｕａｒｔｅｒ−ｗａｖｅ）と称される。アンテナのうちの１つの長さがλ／４に等しいからであり、ここでλは共振周波数に関係している。この共振モードは、グランドへのλ／４短絡の存在下にて生じる。アンテナには様々な共振モードが存在し得るので、これらのモードに対応するいくつかの周波数にて該アンテナを使用できる。

このシステムに用いられる４つのアンテナは、ここに記載された方法により動作するＰＩＦＡ型である。これらは、コンパクト性の観点から有効な解決策を与え、２つの周波数バンド、例えば２つのＧＳＭバンド上にて動作できる。

図１に示されたような単一のＰＩＦＡアンテナは、金属ストリップから形成された２つの放射要素から構成される。この放射要素の一方は、長方形であり、参照番号８により示され、もう一方は、Ｌ形であり、参照番号９により示される。これら２つのストリップは、誘電体基板２上に配置され、ギャップ１０により分離され、フィード領域７にて接続されている。

連続的なストリップ３が、接地面機能を有する誘電体基板の反対側に配置される。基板の縁にてアンテナの短い端部に配置された２つの短絡４及び５が、放射要素を接地面に接続する。これらは、２つのλ／４共振モードを生じさせることにより、２つのバンド上での動作を可能にする。第１の共振モードは、ストリップ９により発生され、第２の共振モードは、より小さいストリップ８により発生される。

図２に明瞭に示されているように、同軸線６のフィードが、等しい特性インピーダンス、例えば５０Ωを有する４つのアンテナの各々に対して用いられる。同軸線の外部シールドが、接地面３に接続され、内部コアが、ポイント７にてアンテナに接続される。

上述したように、本システムは、適切な放射特性、特に、
- 要求されるバンド（すなわち、ＧＳＭ９００及び１８００バンドの場合、８９０〜９６０及び１７１０〜１８８０ＭＨｚの範囲）内で最良の放射効率を得ることができるフィードポートＳ_１１での反射率の周波数挙動、
- システムを形成する４つのＰＩＦＡアンテナ間での十分なデカップリング
を示さなければならない。

これらの特性は、各アンテナの物理的な寸法、誘電体層の厚さ、接地面の寸法、及びアンテナの寸法と配置を最適化することにより得られる。

後に与えられる寸法は、周波数９００ＭＨｚ（ＧＳＭ９００バンドの中間バンド周波数）での波長λ_０により表される。アンテナの動作バンドは、λ_０を変えることにより変化する。よって、システムの寸法は、λ_０／λ_１≒２とし、ここで、λ_１は、上側の共振周波数での波長である。本システムは、後に示す量につき±５%の公差にて製造できる。

図３に示されるように、ＧＳＭ９００及び１８００バンドのアンテナシステムは、以下の部分の存在を必要とする。
- 形状が長方形で相対的な誘電率が２．３３で厚さｈ＝１．６ｍｍである電気的基板２。基板の寸法は、Ｗ＝０．２１λ_０及びＬ＝０．４２λ_０である。
- アンテナのグランドを形成すべく表面全体に延びた基板の下側の導電性の銅層３。１０μｍを超える任意の厚さが可能であり、例えば、通常市販されているサイズの一つは、１７μｍ又は３５μｍである。
- 基板の上側の頂点に配置され、かつ基板の対称軸を鏡映するように配置された４つのアンテナ１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及び１Ｄ。この構成により、下側のバンド上で動作する放射要素が、上側のバンド上で動作する要素間でのシールド効果を有し、よって、デカップリングを改善する。しかしながら、この対称条件は、特にアンテナ数がより多い（例えば６）の場合には、対称軸の一つについてのみ考慮し得る。図１では、各アンテナの寸法は、Ｌ１＝０．１４４λ_０、Ｗ１＝０．０７９２λ_０、Ｌ２＝０．０９１２λ_０、Ｗ２＝０．０４０８λ_０及びＧ＝０．００２４λ_０である。図３に示されるアンテナ間の距離は、Ｄ１＝０．０２７６λ_０及びＤ２＝０．１３２λ_０であり、±１０%までの公差を有する。
- 厚さＳ＝０．００９６λ_０の２つの短絡４、５（図２）。

上述したように、各アンテナは、同軸線６により給電され、この同軸線６の内部コアは、寸法Ｃ１＝０．０１４４λ_０（図１）及びＣ２＝０．０２６４λ_０により定められる位置に接続される（図２）。

図４は、反射率パターン、すなわち、周波数に対する、４つのアンテナのうちの一つの入力ポートでの反射信号の振幅と信号の振幅との比Ｓ_１１（単位はｄＢ）を示す。２つの周波数バンドに対応する最小値は、同時の送信と受信を可能にするほど広い。

図５は、本装置を形成する様々な放射要素間のデカップリングパターンを示す。ｄＢで表されたパラメータＳ_２１は、アンテナ１Ｂにより受信された信号の振幅、及び給電されるアンテナ１Ａに送られる信号の振幅を示す。

同様に、パラメータＳ_３１はアンテナ１Ｃに関係し、Ｓ_４１はアンテナ１Ｄに関係し、この場合、アンテナ１Ａは常に給電されている。

この結果は、本システムにおける様々なアンテナ間のデカップリングが当該バンド全体に渡って-２０ｄＢより良いことを示す。

最後に、図６は、周波数が９２０ＭＨｚでのアンテナの一つの放射線図を示し、図７は、周波数が１８００ＭＨｚでの放射線図を示す。これらの周波数は、２つのＧＳＭバンドの中間バンド周波数に対応する。

上述したアンテナシステムは、複数のトランシーバーが異なる周波数バンド上及び／又は同じ周波数バンド内の異なるチャンネル上にて動作する多チャンネル送受信装置において、有利に使用できる。平面状でサイズが全体的に非常に小さい本アンテナシステムにより、携帯送受信装置が非常にコンパクトかつオペレータが容易に携帯できるものになる。

多チャンネル携帯送受信装置の例は、一人のオペレータ（例えば、スポーツ大会、犯罪、自然事象などの出来事を報道すべく現場で移動するレポーター）により持ち運ばれて操作されることを意図された携帯テレビ撮影ステーションである。

本発明により作られた携帯テレビ撮影ステーションは、以下の要素から構成し得る。
- カメラ。例えば、アナログビデオ信号（例えば、ＰＡＬフォーマット）、又は既にデジタル形式に変換された信号（例えばＤＶ又はＷｅｂｃａｍフォーマット）を発生できる現在製造されている種類のビデオカメラ。
- 例えば、符号化されたビデオ信号を複数のデータフローに分割できるＭＰＥＧ規格を用いて、ビデオカメラからのビデオ信号を符号化及び圧縮する処理装置。
- データフローの遠隔伝送のために例えば公衆電話網（例えばＧＳＭ９００／１８００ネットワーク）に挿入された複数の携帯電話端末。各携帯端末は、少なくとも１つのトランシーバーを備える。
- 上記説明により作られたアンテナシステムからなる平面マルチアンテナ。各アンテナは、対応するトランシーバーに接続される。

もちろん、ここでの説明は単なる例である。特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく変更し得る。

アンテナの斜視図である。 アンテナの断面図である。 アンテナシステムの斜視図である。 単一のアンテナ入力ポート上での反射率パターンを周波数に対して示したデカルト図表である。 種々のアンテナ間でのデカップリングパターンを周波数に対して示したデカルト図表である。 周波数が０．９２ＧＨｚでのアンテナの放射線図である。 周波数が１．８０ＧＨｚでのアンテナの放射線図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ マイクロストリップアンテナ
２ 誘電体基板
３ 接地面
４、５ 短絡
６ フィード接続

Claims (12)

1. ２つの周波数バンド上にて信号を送受信するためのアンテナシステムであって、２以上のマイクロストリップアンテナ（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ）が、接地面（３）を備えた１つの誘電体基板（２）上に配置され、前記アンテナの各々が、下側の周波数バンド（λ_０）及び上側の周波数バンド（λ_１）上にて同時に動作することができ、１つのフィード接続（６）を備え、同じ周波数バンド内で-２０ｄBより良い他のアンテナとのデカップリングを維持して配置されることを特徴とする前記アンテナシステム。
2. アンテナ（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及び１Ｄ）が、誘電体基板（２）の上側に配置され、相互に０．０２７６λ_０（Ｄ１）及び０．１３２λ_０（Ｄ２）だけ距離を置かれ、ただし公差は示した量の±１０％であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
3. アンテナ（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及び１Ｄ）が、長方形の前記基板（２）の対称軸のどちらか一方又は両方を鏡映すべく配置されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
4. 各アンテナ（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及び１Ｄ）が、各周波数バンド用の放射要素と２つの短絡（４、５）とを備えたＰＩＦＡ型であり、これらの短絡（４、５）は、誘電体基板（２）の縁におけるアンテナの短い側に配置され、接地面（３）の放射要素に接続されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
5. 前記誘電体基板（２）が、２．３３に等しい誘電率と、１．６ｍｍに等しい厚さ（Ｈ）とを有し、その大きさ寸法が、０．４２λ_０（Ｌ）対０．２１λ_０（Ｗ）に等しい、ただし示された量について±５％の公差を有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
6. 前記接地面（３）が、基板（２）の下側に配置され、表面全体に上に延び、１０μｍより大きい厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
7. 前記アンテナ（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ）の各々が、０．１４４λ_０（Ｌ１）、０．０７９２λ_０（Ｗ１）、０．０９１２λ_０（Ｌ２）、０．０４０８λ_０（Ｗ２）及び０．００２４λ_０（Ｇ）に等しい寸法、ただし示された量の±５％の公差を有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
8. 前記短絡（４、５）が、０．００９６λ_０（Ｓ）に等しい厚さ、ただし±５％の公差を有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
9. 各アンテナが、位置０．０１４４λ_０（Ｃ１）及び０．０２６４λ_０（Ｃ２）に給電され、ただし公差が示した量の±５％であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
10. 前記上側周波数バンドが、前記下側周波数の波長（λ_０）のほぼ半分である共振周波数での波長（λ_１）を有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
11. - 異なる周波数バンド上及び／又は同じ周波数バンド内の異なるチャンネル上にて動作できる複数のトランシーバー;
    - 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のアンテナシステムを含み、各アンテナが前記送受信装置の対応するトランシーバーに接続されている平面複数アンテナ
    を備えたことを特徴とする多チャンネル携帯送受信装置。
12. 前記トランシーバーがＧＳＭ９００及びＧＳＭ１８００バンドにて動作する請求項１１に記載の装置。