JP2006528853A - 「逆ｌ型」平面アンテナにおける同調の改善 - Google Patents

Abstract

接地面（１６）およびｒｆシールド（１８）内の電子コンポーネントを有する印刷回路ボード（ＰＣＢ）（１２）を含むハウジング（４０）を備える携帯無線電話機などの通信装置。例えば逆Ｌ型平面アンテナ（ＰＩＬＡ）などの平面アンテナ（１０）は、接地面から離隔して装着され、例えば空気などの誘電体（１４）が、ＰＣＢと平面アンテナの間のスペースに存在する。給電部（３６）は、平面アンテナ（１０）をｒｆコンポーネントに結合する。この給電部は、アンテナを受動的に同調させるための、並列Ｌ−Ｃ共振器回路コンポーネント（４２）、伝送線路、または他の任意の概ね受動型の回路網を有する。デュアル・バンド・アンテナの場合、これらのコンポーネントは、より低い周波数は誘導的に同調され、より高い周波数は容量的に同調されるように選択される。離散型または分散型としてよいこれらのコンポーネントは、ＰＣＢ上、あるいはこの装置の通常の操作において使用者による同調ずれの影響を受けない平面アンテナ構造の一部の上に装着される。

Description

本発明は、平面アンテナにおける、または平面アンテナに関する改善に関し、詳細には、携帯電話機で使用するデュアル・バンド・アンテナに関するものであるが、これらに限定されるものではない。このような電話機は、ＧＳＭ／ＤＣＳ １８００規格に準拠して動作することがある。

ＰＩＦＡ（逆Ｆ型平面アンテナ）は、送信エネルギーの頭部への損失が小さいことを意味する低ＳＡＲ（特異吸着比）を示し、また、コンパクトなことから、電話機回路の上方に装着することができ、それによって電話機ハウジング内のスペースがより有効に使用されるため、携帯電話機で広く使用されている。

添付の図面の図１に、ＰＩＦＡ １０の模式的な斜視図を示す。ＰＩＦＡ １０は、図の例では空気である誘電体１４によって印刷回路ボード（ＰＣＢ）１２から分離している。（ｒｆカンとも呼ばれる）ｒｆシールド１８内の電子コンポーネントは一般に、ＰＣＢ １０の両面に装着され、導電接地面１６は、これらのコンポーネントを取り囲み、ＰＣＢ １２の残りの区域を覆う。

ＰＩＦＡ １０は、スロット２０を有するパッチを含む。スロット２０の一端２２は閉じており、スロット２０の他端２４は、パッチの上側縁部に対して開いている。このスロット自体は、互いに直交して延びる４つの相互接続された直線部分２５、２６、２７、および２８を含む。スロット２０は、このパッチを、中央区域３０と、中央区域３０を取り囲む全体的にＵ形の区域３２とに分割する。これらの区域はともに共通のベース区域３４から延びる。給電タブ３６は、一端で、ベース区域３４のコーナに接続され、他端で、ＰＣＢ １２に装着された（図示しない）コンポーネントに接続される。短絡タブ３８は、一端で、ベース区域３４のコーナおよびスロット２０の開いた端部に接続され、他端で、接地面１６に弾性的に接触する。

図１に示すものなどの構造の従来方式の考えは、デュアル・バンド動作は、低周波用および高周波用の共振器、すなわち、中央区域３０によって形成される要素およびＵ形区域３２によって形成される要素をそれぞれ同じ構造内に組み込むことによって実現されるというものである。スロット２０は、これらの共振器を分離するのと同時に、共通の給電ポイント３６を可能にすると考えられる。

携帯電話機のハウジング内にＰＩＦＡを装着し、外カバーのすぐ下に配置することの考えられる欠点は、これらが、電話機を握る人による同調ずれの影響を極めて受けやすいことである。

本発明の目的は、使用者によるアンテナの同調ずれの問題を軽減することである。

本発明の第１態様によれば、接地面と、この接地面に接するｒｆ回路と、を含む印刷回路ボード（ＰＣＢ）と、パッチ・アンテナと、接地面から離隔するようにパッチ・アンテナを装着する手段と、パッチ・アンテナをｒｆ回路に結合する給電部とを備える平面アンテナ・アセンブリが提供される。この給電部は、比較的低い周波数を誘導的に同調させ、比較的高い周波数を容量的に同調させることによってアンテナを受動的に同調させるコンポーネントを含む。

本発明の第２態様によれば、接地面と、この接地面に接するｒｆ回路と、を有する印刷回路ボード（ＰＣＢ）と、接地面から離隔した平面アンテナと、ＰＣＢと平面アンテナの間の誘電体と、平面アンテナをｒｆ回路に結合する給電部とを含むハウジングを備える通信装置が提供される。この給電部は、比較的低い周波数を誘導的に同調させ、比較的高い周波数を容量的に同調させることによってアンテナを受動的に同調させるコンポーネントを有する。

本発明の第３態様によれば、接地面と、この接地面に接するｒｆ回路と、を含む印刷回路ボード（ＰＣＢ）と、接地面から離隔した平面アンテナと、ＰＣＢと平面アンテナの間のスペース内の誘電体と、平面アンテナをｒｆ回路に結合する給電部とを備えるｒｆモジュールが提供される。この給電部は、比較的低い周波数を誘導的に同調させ、比較的高い周波数を容量的に同調させることによってアンテナを受動的に同調させるコンポーネントを含む。

本発明は、スロット型ＰＩＦＡのデュアル・バンド動作の代替的な考えに基づいている。この代替的な考えは、図１に示すタイプのＰＩＦＡが、２つの必要とされる周波数間で単一の共振点を有するというものである。デュアル・バンド挙動は、アンテナの共振周波数に近くで、ほぼ（アンテナのサイズに応じて）１／４波長伝送線路として働くスロットを受動的に同調させることによって実現される。この代替的な考えでは、このスロットの代わりに、１つ（または複数）の離散型または分散型のコンポーネント、例えば、並列型同調Ｌ−Ｃ回路、伝送線路、またはフィルタなどの他の任意の概ね受動型の回路網を使用し得ることが示される。これらのコンポーネントを、携帯電話機を握る使用者による同調ずれの影響を受けないアンテナ構造の一部の上に配置する。

次に、添付の図面を参照して、例として本発明を説明する。
図面では、同じ参照数字を用いて対応する形状を示す。

図１は、本明細書のプリアンブルで説明したので、ここでは繰り返さない。
図２および図３に、ハウジング４０を備える携帯無線電話機などの携帯通信装置を示す。ハウジング４０は、給電タブ３６によって、ＰＣＢ １２に装着された（図示しない）ｒｆ回路に結合されたＰＩＦＡ １０を含む。短絡タブ３８は、ＰＣＢ １２上の接地面１６に弾性的に接触する。短絡タブ３８は、インピーダンス変換を実施する。アンテナまたはアンテナを担持する基板の裏面に装着された並列ＬＣ回路４２は、給電タブ３６と平面アンテナに接する給電スルー・ピン４６との間で直接に接続される。実際には、給電スルー・ピン４６は、アンテナ１０の動作に影響を及ぼさないように、給電ピン３６に近づけることになる。この回路のインダクタ５０およびコンデンサ４８の値は、アンテナが受動的に同調するように選択する。例えば、ＧＳＭ／ＤＣＳ周波数用のデュアル・バンド・アンテナの場合、より低いＧＳＭ周波数は誘導的に同調され、より高いＤＣＳ周波数は容量的に同調される。インダクタ５０およびコンデンサ４８は、離散型または分散型のコンポーネントとしてよい。

図４に、図２および図３に示す実施形態の第１変形形態を示す。第１変形形態では、アンテナ１０はＰＩＦＡであり、並列ＬＣ回路４２は、アンテナ１０と離れたＰＣＢ １２の表面に装着され、ｒｆ遮断回路５２と給電タブ３６の間で接続される。インピーダンス変換機能がｒｆ回路ブロック５２内のインピーダンス変換回路に置換されるため、この実施形態では、短絡タブ３８は必要とされない。

図５に、図２および図３に示す実施形態の第２変形形態を示す。第２変形形態では、ある長さの伝送線路５４が、この実施形態ではＰＩＬＡ（逆Ｌ型平面アンテナ）であるアンテナ１０の裏面に装着される。伝送線路５４を使用して、アンテナを受動的に同調させる。ＰＣＢ １２に伝送線路５４を設けて、ｒｆ回路を給電タブ３６に接続してもよい。実際には、ピン４６は、給電タブ３６に近づけることになる。

図６に、第３変形形態を示す。第３変形形態では、フィルタなどの他の任意の概ね受動型の回路網５６を、ＰＩＬＡ １０の裏面に装着し、それを使用して、アンテナを受動的に同調させる。ＰＣＢ １２に回路網５６を設けて、ｒｆ回路を給電タブ３６に接続してもよい。実際には、ピン４６は、給電タブ３６に近づけることになる。

スロット型ＰＩＦＡのデュアル・バンド動作の代替的な考えの正当性を示すために、添付の図面の図７を参照して、以下に理論的な説明を示す。図７には、負荷を受けた短絡タブ３８を伴うＰＩＦＡ １０およびＰＣＢ １２、ならびにその等価な放射モードＲＡＤおよび平衡モードＢＡＬの表現を示す。

負荷の代わりに、この負荷の両端間の電圧降下と同じ振幅および極性の電圧源を用いることによって、放射モード解析に負荷を組み込むことができる。

入力電流Ｉ_１は、

で与えられる。ただし、αは電流分担係数Ｉ_Ｒ２／Ｉ_Ｒ１であり、放射モード電圧は、

で与えられる。

式（１）の２つの項を用いると、

が得られる。ＶおよびＶ’についてまとめると、

が得られる。

これを簡単にすると、

が得られる。

このように、放射モード電圧と平衡モード電圧の間で、ある関係が確立される。入力電圧Ｖ_１についての関係も導出することができ、

で与えられる。

（６）に（５）を代入し、簡単にすると、

が得られる。

入力電流は、（１）および（５）から得られ、

で与えられる。

これを簡単にすると、

が得られる。

式（７）と（９）の比からインピーダンスが直接得られる。というのは、いずれの式も分母が同じだからである。

Ｚ_Ｌ＝∞とすると、

が得られる。

平衡モードのインピーダンスが変換され（または、電流開始係数が極めて大きい場合には全く変換されずに）、放射モードに直列に加えられる。

この結果を用いて、上部プレート内のスロットの動作、特に、その開口が給電部に隣接し、その近くにあるときのスロットの動作を説明することができる。

例として、図８に示す幾何形状を考える。図に示すアンテナ１０は、３つの給電部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３を有する。給電部Ｆ３およびその関連するピンは、スロット２０の作用を調べるための「ダミー」要素である。最終設計では、これらは取り除かれることになる。この例では、ＰＣＢ １２の寸法は、１００×４０×１ｍｍであり、アンテナ１０の寸法は、３０×２０×８ｍｍである。

図９に、同じ寸法だがスロット２０がないＰＩＬＡの応答を示す。これは、各給電部Ｆ１、Ｆ２、およびＦ３に、同振幅・同位相の信号を印加することによって実現される。Ｓ_１１のグラフは、８００．００ＭＨｚ〜３．０ＧＨｚの周波数帯域を対象とし、マーカＳ１およびＳ２はそれぞれ、ＧＳＭ９００およびＤＣＳ１８００の中心周波数を示す。この応答は、所与の寸法のＰＣＢ上でのＰＩＬＡについて予想されたとおりのものである。

開回路負荷を伴うＰＩＦＡのインピーダンスは、式（１１）で与えられる。これを用いて、アンテナ１０の上部プレート内のスロットの作用をシミュレーションすることができる。

この解析は、給電部Ｆ１とＦ２を合わせて接続し、（合わされた）給電部Ｆ１とＦ２および給電部Ｆ３に共通の差動電圧を印加することによって開始する。次いで、式（１１）を用いて、放射モードと平衡モードを加算することによって、給電部Ｆ３が開回路である状態をシミュレーションする。図１０に、すべてのモードについて得られたＳ_１１を示す。放射モードと平衡モードを加算したものについてのＳ_１１は、「ｘ」を用いて示し、ＲＡＤ／ＢＡＬで参照し、平衡モードは、「◆」を用いて示し、ＢＡＬで参照し、放射モードは、「●」を用いて示し、ＲＡＤで参照する。図１０での様々なマーカを以下に示す。

ｒ１ 放射モード、ＧＳＭ中心周波数でのＺ_Ｒ
ｒ２ 放射モード、ＤＣＳ中心周波数でのＺ_Ｒ
ｂ１ 平衡モード、ＧＳＭ中心周波数でのＺ_Ｂ
ｂ２ 平衡モード、ＤＣＳ中心周波数でのＺ_Ｂ
ｒｂ１ ＧＳＭ中心周波数で放射モードと平衡モードを加算したもの（Ｋ_α０の乗算を含む）
ｒｂ２ ＤＣＳ中心周波数で放射モードと平衡モードを加算したもの（Ｋ_α０の乗算を含む）
ＧＳＭおよびＤＣＳの周波数では、放射モードのインピーダンスは、スロットを伴わないＰＩＬＡのものに近く、これらの周波数では、スロットは放射モードにあまり影響を及ぼさないことを示している。ただし、より高い周波数では何らかの影響がある。

平衡モードでは、スロットは単に、リアクタンス、すなわち短絡回路伝送線路として働く。

図１０から、放射モードと平衡モードの加算（直列接続）により、ＧＳＭおよびＤＣＳの周波数でともに共振が得られるように、スロット長さおよび電流分担係数が最適化されていることがわかる。これには、このアンテナが通常よりもわずかに小さいので、長いスロットが必要になる。

図１１に、給電部Ｆ３（図８）およびその関連するピンを取り除いたときの（最終設計ではこれらは取り除かれる）Ｓ_１１を示す。平衡モードの伝送線路の長さはいくらか短くなり、そのため共振周波数が高くなるが、その他の点では、応答は公称上同じであることが観察される。

上記の解析により、デュアル・バンドＰＩＬＡの挙動についての新しい見通しが得られる。このアンテナは、接続された２つの共振器として動作するのではなく、短絡回路伝送線路によって直列に受動的に同調する１つの共振器として動作する。

図２〜図４に示すように、アンテナの動作を根本的に変更することなく、この伝送線路の代わりに並列Ｌ−Ｃ共振器を使用することができる。また、スロットは、例えば、（実際に、非常にしばしば起こるように）使用者がアンテナ１０全体にわたって指を置いたときに、同調ずれの影響を受けやすいので、使用者の相互作用を受けることが少ない、または全く受けない離散回路を使用することが有利である。

図６に示すように、この伝送線路の代わりに、他の任意の概ね受動型の回路網５６を使用することもできる。

本発明は、スロットの代わりに共振器を使用するデュアル・バンド・アンテナ、ならびにスロットの代わりに簡単なインダクタを使用するシングル・バンド・アンテナに適用可能である。

本明細書および特許請求の範囲では、要素の前の「ある」という言葉は、このような要素が複数個存在することを排除するものではない。さらに、「備える」という言葉は、列挙されているもの以外の要素またはステップが存在することを排除するものではない。

この開示を読めば、当業者には他の改変形態が明らかになるであろう。このような改変形態は、平面アンテナおよびその構成要素部品の設計、製作、および使用において既知の、かつ、本明細書ですでに説明した特徴の代わりに、またはそれに加えて利用してよい他の特徴を含むことがある。本出願では、特許請求の範囲は、特徴の特定の組合せになるように示されているが、本出願の開示の範囲は、特許請求の範囲の中で現時点で特許請求される同じ発明に関係するか否かに関わらず、また、本発明により軽減されるのと同じ技術的な問題のいずれか、または全部が軽減されるか否かに関わらず、任意の新規な特徴、あるいは本明細書で暗示的または明示的に開示した特徴の任意の新規な組合せ、あるいはこれらを一般化したものも含むことを理解されたい。本出願人らは、ここに、本出願の審査中に、あるいは、本出願から派生する任意の別の出願の審査中に、このような特徴および／またはこのような特徴の組合せが得られるように新しい特許請求の範囲を考案し得ることを通告する。

スロット型ＰＩＦＡの模式的な斜視図である。 本発明に従って作製された携帯通信装置の斜視図である。 給電部が、直列接続された並列Ｌ−Ｃ回路を含む平面アンテナの裏面の模式的な斜視図である。 並列Ｌ−Ｃ回路が、ｒｆ回路の出力と直列に接続されたＰＣＢおよびＰＩＦＡの模式的な斜視図である。 給電部が伝送線路を含む平面アンテナの裏面の模式的な斜視図である。 給電部が、フィルタの形態の受動型回路網を含む平面アンテナの裏面の模式的な斜視図である。 負荷を受けた短絡ピンを伴うＰＩＦＡおよびＰＣＢ、ならびにその等価な放射モードおよび平衡モードの表現を示す図である。 ３給電部型ＰＩＦＡの模式的な斜視図である。 スロットがなく、等しい給電部を有する図８に示すＰＩＦＡ構成のＳ_１１のグラフである。 それぞれ開いた状態の放射モード、平衡モード、および加算モードでの図８に示すＰＩＦＡ構成のＳ_１１のグラフである。 給電部１と２が同位相であり、給電部３を取り除いた図８に示すＰＩＦＡ構成のＳ_１１のグラフである。

Claims (11)

1. 接地面と、この接地面に接するｒｆ回路と、を含む印刷回路ボード（ＰＣＢ）と、
   パッチ・アンテナと、
   前記接地面から離隔するように前記パッチ・アンテナを装着する手段と、
   前記パッチ・アンテナを前記ｒｆ回路に結合する給電部と、を備える平面アンテナ・アセンブリであって、
   前記給電部は、比較的低い周波数を誘導的に同調させ、比較的高い周波数を容量的に同調させることによって前記アンテナを受動的に同調させるコンポーネントを含む、平面アンテナ・アセンブリ。
2. 前記コンポーネントは、直列接続された並列Ｌ−Ｃ回路網を有することを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ。
3. 接地面と、この接地面に接するｒｆ回路と、を有する印刷回路ボード（ＰＣＢ）と、前記接地面から離隔した平面アンテナと、前記ＰＣＢと前記平面アンテナの間の誘電体と、前記平面アンテナを前記ｒｆ回路に結合する給電部と、を収納するハウジングを備える通信装置であって、
   前記給電部は、比較的低い周波数を誘導的に同調させ、比較的高い周波数を容量的に同調させることによって前記アンテナを受動的に同調させるコンポーネントを有する、通信装置。
4. 前記コンポーネントは、前記平面アンテナによって担持されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記コンポーネントは、前記ＰＣＢ上に装着されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
6. 前記アンテナは、逆Ｌ型平面アンテナ（ＰＩＬＡ）であることを特徴とする、請求項３、４、または５に記載の装置。
7. 前記コンポーネントは、直列接続された並列Ｌ−Ｃ回路網を含むことを特徴とする、請求項３から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記コンポーネントは、伝送線路を含むことを特徴とする、請求項３から６のいずれか一項に記載の装置。
9. 接地面と、この接地面に接するｒｆ回路と、を含む印刷回路ボード（ＰＣＢ）と、前記接地面から離隔した平面アンテナと、前記ＰＣＢと前記平面アンテナの間のスペース内の誘電体と、前記平面アンテナを前記ｒｆ回路に結合する給電部と、を備えるｒｆモジュールであって、
   前記給電部は、比較的低い周波数を誘導的に同調させ、比較的高い周波数を容量的に同調させることによって前記アンテナを受動的に同調させるコンポーネントを含む、ｒｆモジュール。
10. 前記コンポーネントは、前記平面アンテナによって担持されることを特徴とする、請求項９に記載のモジュール。
11. 前記コンポーネントは、直列接続された並列Ｌ−Ｃ回路網を含むことを特徴とする、請求項９または１０に記載のモジュール。

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