JP2006512003A - 携帯型無線機器用小体積アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】携帯機器用の非常に小さい体積で広帯域アンテナを付与する。
【課題手段】携帯機器用の極小体積広帯域アンテナであって、内部空間を囲む非閉曲面状の第１の略幾何学面に位置すると共に、機器の送受信モジュールの独立アースに接続可能な第１の導電面と、第１の幾何学面と略一致する第２の略幾何学面に配置されると共に、内部空間に位置し、アンテナ給電導体に接続可能な放射体を形成する第２の導電面とを備え、アンテナは前記機器の構成要素とは半独立している。

Description

本発明は、小体積アンテナに関するものであり、特に携帯型無線電話で使用されるアンテナに関するものであるが、これに限定するものでない。

携帯型無線電話においては、無線電話筐体の外側に通常装着される螺旋形のアンテナを利用することが知られている。この種のアンテナは比較的小型であるが、無線電話筐体の内部に配置される接地平面との関係で筐体の外側に置かれている。

近年の無線電話の製造においては、アンテナを筐体の内部に配置するため外部のアンテナを排除する傾向にある。また無線電話のサイズを小さくし、あるいは少なくとも多数の部品を統合して所定の外形寸法の無線電話内に収納する傾向にある。

したがって、比較的小さなサイズの内部アンテナを利用可能な無線電話を設計することが望ましい。

第１の条件を具備するため、ＰｉＦａ型や類似のアンテナを有する無線電話にパッチ型アンテナを利用することが提案されている。このようなパッチ型アンテナは本質的に接地平面と放射板で構成され、放射板は一般に接地平面と略平行な放射素子である。また必須ではないが一般に５０Ωのアンテナ給電装置と共に、放射素子と接地平面との間に短絡回路接続部を備える。アンテナ給電装置は一般に、マイクロストリップ線路の形状か、又は同軸コネクタの形状か、あるいは５０Ωに近い特性インピーダンスを有する平行接点コネクタの形状に構成される。

無線電話に使用される周波数帯、特に中心周波数が約９２０ＭＨｚの移動通信（ＧＳＭ）用の一般システムに対応する周波数帯においては、放射素子と接地平面の間の最短距離は、少なくとも放射素子と接地平面間の誘電体が空気の場合は、７ｍｍから１０ｍｍである。約７ｍｍから１０ｍｍの厚さは、無線電話を作成するには厚すぎると考えられる。残念ながら、例えば５ｍｍ未満に薄くするためにＰｉＦａ型アンテナの厚さを薄くしようとすると、アンテナの通過帯域が大幅に低下するので、無線電話は実際上使用不能であることが判明している。このように従来のパッチ型アンテナは、上記第２の条件を充分に満足していない。

本発明の目的は、特に移動無線電話の使用に好適であると共に、小体積で薄いアンテナを提供することにある。

好ましくは、アンテナは少なくとも２つの周波数帯で使用できる構造であることが望ましい。

この目的を達成するため、本発明は、以下の特徴を備える携帯型機器用の小体積アンテナを提供する。すなわち、
内部空間を囲む非閉曲面状の第１の幾何学面に位置すると共に、機器の送受信モジュールの独立アースに接続可能な第１の導電面と、
第１の幾何学面と略一致する第２の幾何学面に配置されると共に、内部空間に位置し、アンテナ給電導体に接続可能な放射体を形成する第２の導電面と、
を備え、アンテナは携帯型機器の構成要素と半独立していることを特徴とするアンテナである。

アンテナは上述の通り略同一の幾何学面に配置された２つの導電面で構成されるため、アンテナの厚さを非常に薄くすることが可能であり、導体面を切り出す金属板の厚さ、又はメタライズされる可撓性又は非可撓性絶縁基板の厚さとできる。これは、部分的にアンテナの厚さを厚くする接続方式である。

さらに、アンテナの放射体を構成する第２のメタライズで、ＧＳＭ８５０（米国）、ＧＭＳ９００（欧州）、及びＤＣＳ１８００（欧州）、ＰＣＳ１９００（米国）の両方の周波数帯でアンテナを動作できる形状とすることができる。

以下に詳細に説明するように、本アンテナは、例えば約２５％の非常に広い帯域を提供し、無線電話機器の構成要素及び部品と半独立させたことを特徴とする。なお「半独立」とは、アンテナの動作がアンテナを装着した機器の他の部品又は要素によって影響を受けないことを意味するものとして使用する。アンテナは、例えばバッテリ等、大量の電波放射や放射源がアンテナの近傍にあることによってのみ妨害される。またアンテナのアースは、機器のアースと独立した送受信モジュールのアースから直接電力を供給する必要がある。

アンテナは、アンテナを装着する機器の内部に搭載することが好ましい。ただ、単一の略幾何学面上にほぼ配置されるアンテナの形状によれば、特に機器が無線電話の場合は、機器用のクリップ・アタッチメントを構成する外部の機械的部材にアンテナを装着することも好ましい。

また本発明は、当初平面状である可撓性絶縁支持体上に適当な形状のメタライズを行うことでアンテナを製造することを可能とする。その後アンテナを、それ自体が平面状でない機械的部材や部品に固定でき、可撓性絶縁支持体は、機械的部材や部品の特定の形状に応じた形状となり、アンテナは湾曲した幾何学面の形状となる。

さらに、以下のような種々のアンテナ給電手段が利用できる。
ａ）非対称
同軸接続（コネクタ、ケーブル）
ｂ）対称
平行線（コネクタ）

放射素子及び導電板は同一面上にあるので、周波数調整用の能動部品又は受動部品を容易に統合できる。

本発明の他の特徴及び利点は、本発明の種々の実施形態に関する以下の説明から一層明らかとなる。ただし、以下の例は本発明を限定するものでない。以下の詳細説明は、添付した図面を参照しながら行う。

まず図１Ａ、及び図１Ｂを参照して、本発明に係るアンテナの第１の実施形態を以下説明する。アンテナは、ほぼ平面状の第１の導電面１０で構成される。導電面は導電性ストリップ１２で構成され、その中線１４は開口部１６を除きほぼ矩形状であり、その幅ｅはほぼ一定である。矩形の長さはＬで表され、その幅はｌ（エル）で表される。導電性ストリップ１２は内部空間１８を形成している。

アンテナは内部空間１８の内部で、ほぼ平面状で第１の導電面１０とほぼ同一平面に配置される第２の導電面２０を含んでいる。

第２の導電面２０は、接続領域２２、及びアンテナの放射素子２４を形成する部分で構成される。本実施形態においては、放射素子２４は、接続領域２２と接続される第１の分岐２６、及び短い方の第２の分岐２８により構成されている。

なお「略平面」とは、導電面が平面状であることを意味するものとして使用され、導電面の製造に使用される技術に関連した意味における真の平面との乖離は無視する。同様に「２つの導電面は略同一平面上に配置される」とは、これら２つの導電面の平面が一致していることを意味しており、導電面の製造に使用される技術における不完全性は無視するものとする。

本実施形態において、導電面１０、２０は、絶縁支持体３０上に形成されたメタライズの各領域によって構成されている。絶縁支持体３０は適切な種類のもので構成でき、例えばエポキシで作製でき、又は可撓性絶縁基板を含むタイプで構成することもできる。

上述の通り、絶縁支持体が可撓性である場合、絶縁支持体上に形成されるアンテナを、可撓性支持体がアンテナの形状に沿う状態で、それ自体平面でない支持体に装着することができる。

これは広義において、表面自体が湾曲した略同一の幾何学面上に配置される２つの導電面でアンテナが構成されているからである。

第２の導電面２０の接続領域２２は、アンテナ導電面用の接続点３２を構成し、第１の導電面１０は、独立アースを有する送受信モジュールとの接続に適したアース接続を構成する追加のメタライズ３４を含んでいる。

またアンテナは、コネクタ３８を備えることができる。コネクタ３８は、放射素子２４をアンテナ導体に接続すると共に、アンテナを装着する機器の送受信モジュールの独立アースにアース接点３４を接続する。コネクタ３８は、同軸コネクタとしてもよい。接続点３２、３４は、同軸ケーブル３８の中心導体及び外部導体に接続するため、一般に５０Ωに近いインピーダンスとなるように配置する必要がある。またコネクタは、２つの平行な接点を有する２チャンネル・コネクタとすることもできる。２つの接点間の距離は、一般に５０Ωに近い特性入力インピーダンスとなるよう適切に選択される。

このようにして製作されるアンテナは、以下図４に基づき詳述するように、非常に小さい体積となる。アンテナの長さＬ、及び幅ｌ（エル）は、それぞれ約２８ｍｍから３３ｍｍ、及び７ｍｍから１３ｍｍとできる。その厚さは、絶縁支持体３０の厚さであり、約０．１ｍｍとできる。アンテナの厚さは、厚さ方向のアンテナの全体の寸法を規定するコネクタ３８及び／又は受動部品及び／又は能動部品の厚さとなる。

第１の導電面１０の形状は、この導電面を放射素子２４に適合させる必要があるため、導電面が開放された内部空間１８を実際に形成している限りは、異なる形状とできることに留意すべきである。

図２Ｄ及び図２Ｅは、他に採用し得る第１の導電面１２の形状を２つ示している。

図２Ｄにおいて、第１の導電面１２ａは、他の辺より幅が広い１つの短辺１３を有している。さらに、第２の短辺１３’に形成された開口部１６’は、中央部分に位置しない。

図２Ｅにおいて、第１の導電面１２ｂは、不規則な６辺形状としている。この形状は、放射体を構成する第２の導電面を第１の導電面１２ｂ自体で囲みつつ、アンテナのサイズを周囲に適合させることができる。

２つの導電面を備える特定の形状を形成するために、導電面を絶縁支持体３０上で処理されるメタライズ領域で構成する代わりに、仮に金属板を切断し、その後適当な方法でエッチングして導電面１０、２０を形成しても、これも本発明の範疇を逸脱するものでないことは言うまでもない。金属板の厚さは、約０．２ｍｍから０．３ｍｍの範囲にできる。この場合、当然のことながら、相互に関係した２つの導電面を保持するため、絶縁材料の機械的な支持部材を設ける必要がある。

一方図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃは、第１の導電面の他の実施形態を示す。第２の導電面は、２つ以上の放射素子を形成するような形状で、２つ以上の異なる周波数帯に対応するサイズとすることもできる。

このような状態では、開放された矩形を形成する導電性ストリップ形状の第１の導電面を、双方の放射素子に同調させることができない。

少なくとも１つの導電性延長部を、図１Ａ及び図２に示す導電性ストリップ１２に付加加することにより、この導電性延長部がフィルタやトラップを構成して、これにより使用される周波数帯の半独立性を改善できることが判明した。

図２Ａは、象徴的に表した２つの放射素子２０’を含む開放型導電性ストリップ１２を示している。また第１の導電面は、導電性ストリップ１２の閉じた短辺７２の中間点Ａに接続された導電性延長部７０を備えている。コンパクトにするために、延長部７０は導電性ストリップ１２の長辺の一方に沿って配置されている。

また図２Ｂに示す実施形態において、導電性延長部分７４は、導電性ストリップ１２の開放端７６に接続された端部７４ａを有する。

さらに図２ｃに示す実施形態において、第１の導電面は導電性ストリップ１２に加え、さらに２つの導電性延長部７８、８０を備える。これらの延長部の第１の端部７８ａ、８０ａは、それぞれ導電性ストリップ１２の開放端７６、７６’に接続されている。

図３は、アンテナの実施形態を能動部品と共に示す。

図３から、導電性ストリップ１２及びこれの開口部１６により構成される第１のメタライズが、メタライズのアース接点領域３４ａと共に確認できる。

また本実施形態においては、アンテナの接点領域３２ａを含む接続領域２５と接続された２つの放射素子２１、２３で第２の導電面２０が構成されていることが分かる。またこの図は、内部導体９０ａ及びシールド９０ｂを有するアンテナ・ケーブル９０を示している。

本実施形態において、導電性ストリップ１２及び放射素子２３は、それぞれ対応するメタライズと直列に接続したバラクタＶ１、Ｖ２で構成される能動部品を備える。バラクタに供給される電気エネルギーは、可変式直流（ＤＣ）電源９２に電力を供給するアンテナ・ケーブルのシールド９０ｂにより供給される。電源９２の中間点９２ｃは、ケーブルのシールドに接続され、電源の出力端子９２ａ、９２ｂは、バラクタＶ１、Ｖ２へ電力を送る役目をしている。接点領域３２ａは、開口部１６を貫通し、結合コンデンサＣを経由して、接点領域３２ａに接続されたメタライズ９４によりケーブルの内部導体９０ａに接続されている。

電源９２の出力端子９２ａは、チョークＬ２を経てメタライズ９４に接続されている。電源９２の出力端子９２ｂは、チョークＬ１及び導電性延長部９６を経てアース接点領域３４ａに接続されている。メタライズ２３の端部２３ａは、バラクタＶ２に電力を供給するため、チョークＬ３を経由してアース接点領域３４ａに接続されている。メタライズ２１は、バラクタＶ１に電力を供給するため、導電性ストリップＬ４に接続されている。

電源９２により供給される直流電圧を変動させることにより、バラクタＶ１、Ｖ２の端子間のキャパシタンスを変化させる。

これらの能動部品又は受動部品は、バラクタ、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）、インダクタ、コンデンサ、又はこれらの組み合わせとすることができる。これらは、アンテナの形状を変えずにアンテナを別の周波数帯に一致させるため、放射素子又は任意的に第２導電面の電気的長さを長くするのに役立つ。

図３Ａは、受動素子のスイッチングにより、８９０ＭＨｚでの共振から９８４ＭＨｚでの共振へ変える方法、即ち約１００ＭＨｚシフトさせる方法を示す。

次に図４を参照して、アンテナの改良型実施形態について以下に述べる。このアンテナは、この例ではＧＭＳ８５０、ＧＳＭ９００、ＤＣＳ１８００、ＰＣＳ１９００の４つの帯域に対応した２つの周波数範囲で動作可能である。

本実施形態においては、第１の導電面は導電性ストリップ１２’で構成され、導電性ストリップ１２’の中線１４’は開口部１６’を除き矩形状である。導電性ストリップの幅ｅは、略一定であり、この例では１ｍｍである。アース接点３４’及びアンテナ給電接点４２は、例えば金で付加的に表面メタライズされる。これによって、例えばバネ接点が使用できるようになる。

第２の導電面２０’は、導電性ストリップ１２’により形成される内部空間１８’内に全体が配置される。第２の導電面２０’は、アンテナの放射体を構成し、放射体はこの例では、２つの異なる周波数範囲に同調した２つの放射素子を形成している。より具体的には、導電面２０’は、アンテナ接点４２が設けられた接続領域４０を有している。導電面２０’は、より高い周波数帯のＤＣＳ又はＰＣＳ用の第１の放射素子を構成する第１の部分４４を有している。放射素子４４は、ほぼＵ字状の２つの分岐４６、４８を備え、これら分岐の端部の一方が導電部５０によって相互接続されている。分岐４８の端部４８ａは、接続領域４０と接続されている。低い周波数範囲に対応する第２の放射素子５２は、ＧＳＭ８５０又はＧＳＭ９００の周波数帯と同調されている。この部分５２は、その端部５４ａが接続領域４０と接続された第１の直線分岐５４、及び第２の分岐５６で構成される。端部５４ｂ、５６ｂは、導電面部５８によって相互接続されている。導電面部５８はＵ字状で、分岐５４、５６が延びる方向と直交する軸Ｘ−Ｘ’を有する。

導電性ストリップ１２’は、放射素子４４と同調するように形成されている。

第１の導電面が２つの放射素子に対応する両周波数範囲と確実に同調するように、導電性ストリップ１２’は好ましくは、付加的な金属ストリップで構成された延長部分８０と接続される。金属ストリップは、導電性ストリップ１２’の閉じた短辺の中央部８２と電気的に接続された一方の端部８０ａを有する。またメタライズ８０の他方の端部８０ｂは、接続先のない自由端である。

図４の実施形態においては、導電性ストリップ１２’に形成された開口部１６’の長さは、２ｍｍである。一般的にこの開口部は、導電性ストリップ１２’の長さに比較して非常に短くする必要がある。好適には、この開口部の長さは３ｍｍ未満である。

図５は、図４に示すアンテナの動作を示している。この図は、周波数Ｆの関数としてＶＳＷＲを示しており、ＧＳＭ８５０、９００ＭＨｚ、並びにＤＣＳ、及びＰＣＳ帯の通過帯域のサイズを示している。

第１の導電面１２’及び第２の導電面２０’を構成するすべてのメタライズが非常にコンパクトで、長さＬ、及び幅ｌの矩形の大部分を占めることは重要である。アンテナの厚さは、アンテナと接続するコネクタの厚さは無視して、アンテナがその上に形成される絶縁基板３０’の厚さに等しい。

アンテナの実施形態を示す平面図である。 図１ＡのＢ−Ｂ線から見たアンテナの垂直断面図である。 第１の導電面の第１の変形例を示す図である。 第１の導電面の第１の変形例を示す図である。 第１の導電面の第１の変形例を示す図である。 第１の導電面の第２の変形例を示す図である。 第１の導電面の第２の変形例を示す図である。 能動部品を含むアンテナの変形例を示す図である。 共振周波数を８９０ＭＨｚから９８４ＭＨｚに変更した場合の周波数の関数として電圧定在波比（ＶＳＷＲ）を示すグラフである。 本発明の好適な実施形態を示す平面図である。 図４のアンテナの８５０ＭＨｚ近辺、及び１９００ＭＨｚ近辺の２つの周波数領域における周波数の関数としてＶＳＷＲを示すグラフである。

Claims (15)

1. 携帯機器用の極小体積広帯域アンテナであって、
   内部空間を囲む非閉曲面状の第１の幾何学面にほぼ位置すると共に、前記機器の送受信モジュールの独立アースに接続可能な第１の導電面と、
   前記第１の幾何学面と略一致する第２の幾何学面に配置されると共に、前記内部空間に位置し、アンテナ給電導体に接続可能な放射体を形成する第２の導電面と、
   を備えてなり、
   さらに前記アンテナが前記機器の構成要素と半独立していることを特徴とするアンテナ。
2. 請求項１に記載のアンテナであって、
   前記第１の導電面は概ね導電性ストリップの形状をしており、前記導電性ストリップの中心線は多辺形であると共に、その端部間に開口部を形成していることを特徴とするアンテナ。
3. 請求項２に記載のアンテナであって、
   前記開口部の長さは３ｍｍ未満であることを特徴とするアンテナ。
4. 請求項２又は３に記載のアンテナであって、
   前記第２の導電面は、前記アンテナの使用周波数帯で共振する長さに構成した少なくとも２つの放射素子を形成することを特徴とするアンテナ。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のアンテナであって、
   前記第２の導電面は、接続領域と、使用周波数帯に対応する複数の放射素子を形成することを特徴とするアンテナ。
6. 請求項４に記載のアンテナであって、
   前記第１の導電面を形成する前記導電性ストリップは、前記放射素子の１つと同調することを特徴とするアンテナ。
7. 請求項６に記載のアンテナであって、
   前記第１の導電面はさらに、前記導電性ストリップに加えて、少なくとも１つの導電性延長部を備えており、前記導電性延長部は前記導電性ストリップと電気的に接続されていることを特徴とするアンテナ。
8. 請求項１から７のいずれかに記載のアンテナであって、
   前記アンテナはさらに、
   前記導電面の少なくとも１つと電気的に接続された、少なくとも１つの能動部品又は受動部品を備えることを特徴とするアンテナ。
9. 請求項８に記載のアンテナであって、
   前記部品は能動部品であり、
   前記能動部品用の直流電力が無線周波数（ＲＦ）同軸給電装置を経由して前記アンテナに供給されることを特徴とするアンテナ。
10. 請求項１から９のいずれかに記載のアンテナであって、
    前記アンテナはさらに、前記導電面の各々と接続された同軸コネクタを備えることを特徴とするアンテナ。
11. 請求項１から９のいずれかに記載のアンテナであって、
    前記アンテナはさらに、２チャンネルのコネクタを含み、各チャンネルは前記２つの導電面の１つと各々接続されていることを特徴とするアンテナ。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載のアンテナであって、
    前記アンテナはさらに剛性又は可撓性の絶縁支持体を備え、前記絶縁支持体はその表面に前記第１及び第２の導電面を形成していることを特徴とするアンテナ。
13. 請求項１から７のいずれかに記載のアンテナであって、
    前記導電面は機械加工した導電金属板で構成されてなることを特徴とするアンテナ。
14. 請求項１から１３のいずれかに記載のアンテナであって、
    前記幾何学面は曲面状であることを特徴とするアンテナ。
15. 請求項１から１３のいずれかに記載のアンテナであって、
    前記幾何学面は平面状であることを特徴とするアンテナ。

Images