JP2007505587A - 高周波及びマイクロ波範囲用のスイッチ可能な多帯域アンテナ - Google Patents
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Abstract
各個々の周波数帯域内の性能の顕著な制約なしに比較的多数の周波数帯域で動作可能な、高周波及びマイクロ波範囲のためのスイッチ可能な多帯域アンテナが記載されている。これは本質的にスイッチ可能な入力構造(24)によって達成され、それを用いて、必要とされないアンテナの共振プリント電線路構造(21;22)を、HF又は接地給電線路(242)から隔離し得る。具体的には、1つの実施態様において、多数の共振プリント電線路構造が基板(10)に被覆され、この共振プリント電線路構造は、1つ又はそれ以上のスイッチング装置を用いて、目標とされる方法で、対応するHF又は接地給電線路に接続され或いは隔離される。
Description
本発明は、少なくとも2つの周波数帯域で動作し得る高周波及びマイクロ波範囲用のスイッチ可能な多帯域アンテナに関する。本発明は、そのようなアンテナを含む電気通信機器にも関する。
一般的に、高周波(HF)又はマイクロ波範囲内の電磁波は、具体的には、移動体通信を用いて情報を送信するために用いられる。これらの波を送受信するために、各場合に十分な大きさの帯域幅を備える多数の周波数帯域で動作可能なアンテナの必要性が増大している。
携帯電話規格において、例えば、そのような周波数帯域は、880〜960MHz(GSM900)、1710〜1880MHz(GSM−又はDSC1800)の間、並びに、特に米国では、824〜894MHz(AMPS)及び1850〜1990MHz(D−AMPS、PCS、又は、GSM1900)の間である。その上、これらは、UMTS帯域(1880〜2200MHz)、具体的には、広帯域CDMA(1920〜1989MHz及び2110〜2170MHz)、1880〜1900MHzの周波数帯域内のコードレス電話のためのDECT規格、及び、例えば携帯電話、コンピュータ、電子娯楽装置等のような様々な電子機器の間でデータを交換するために用いられる、2400〜2483.5MHzの周波数帯域内のブルートゥース規格(BT)を含む。
少なくとも遷移時間中、携帯電話が少なくともGSM周波数範囲内及びUMTS周波数範囲内の双方で動作可能である必要もある。
欧州及び米国を頻繁に旅行する利用者が2つの携帯電話を携行しなくてもよいように、1つの要求は、しばしば、携帯電話が2つの欧州(GSM)帯域内及び2つの米国帯域(AMPS及びPCS)内の両方で動作可能なことである。
情報送信の他に、移動体通信機器は、例えば、既知のGPS周波数範囲内の衛星ナビゲーションの目的のための追加的な機能及び用途を有することもあり、この場合にも、アンテナは動作すべきである。
従って、原則的に、この種類の現代的な電気通信機器は、可能な限り多くの前記周波数範囲で動作可能である必要があるので、これらの周波数範囲をカバーする適切な多帯域アンテナが必要とされる。
携帯電話におけるこれら及び他の機能の統合の増進、及び、携帯電話を可能な限り小さくするという同時の要望を伴って、ケーシング内の利用可能な空間がますます少なくなるという問題がさらに生起し、よって、容積及び寸法に関して、アンテナも可能な限り小さくなければならない。
電磁共振を形成するために、アンテナは電磁エネルギーを照射する。これは、アンテナな長さが送信される電磁線の波長と少なくとも同一又は4分の1であることを必要とする。従って、空気を誘電体(εr=1)として用いると、1GHzの周波数は75mmのアンテナ長を必要とする。例えば、所謂「スタブアンテナ」において通常そうであるように、アンテナワイヤを螺旋形態に巻回することによって、この長さを低減し得る。
送信される電磁線の所与の波長でアンテナのサイズを最小限化するために、アンテナの基礎ブロックとして比誘電率εr>1を有する誘電体を用い得る。この結果、誘電体内の電磁線の波長は因子
(外1)
によって短くされる。従って、この因子によって、そのような誘電体を基礎として設計されるアンテナもサイズがより小さい。
(外1)
によって短くされる。従って、この因子によって、そのような誘電体を基礎として設計されるアンテナもサイズがより小さい。
この種類のアンテナは誘電体材料から成る基板を有し、その表面には、所望の動作周波数帯域(複数帯域を含む)に依存して、1つ又はそれ以上の共振金属化構造が被覆されている。共振周波数の値は、プリント金属化構造の寸法及び基板の比誘電率の値に依存する。金属化構造の長さが増大すると、また、比誘電率の値が増大すると、個々の共振周波数の値は減少する。そのようなアンテナは「プリントワイヤアンテナ」(PWA)又は「誘電体ブロックアンテナ」(DBA)とも呼ばれる。
これらのアンテナの1つの特有な利点は、表面実装(SMD技法)によって、換言すれば、フラットソルダリング及び接触によって、好ましくは他の構成部材と共に、電磁力を供給するために追加的な取付素子(ピン)が必要とされることなく、これらをプリント回路板(PCB)に直接被覆し得ることである。
しかしながら、特に、もしそのようなアンテナが多数の周波数帯域内で動作するべきであるならば、金属化構造の寸法は問題であり困難であり得る。金属化構造が相互に影響を与えるので、アンテナを所要周波数帯域の1つに最善に適合することは、他の周波数帯域内でアンテナ力が損なわれることを意味するからである。
国際公開第WO01/29927A1号からスイッチ可能なアンテナが既知であり、そこでは、互いに離間する少なくとも2つの接点が導体構造上に設けられ、接点を介して、導体構造を高周波給電(又は接地接続)に選択的に接続し得る。2つの接点間をスイッチングすることによって、導体構造の有効長が変更され、よって、共振周波数も変更されるので、接点間の適切な距離を前提として、少なくとも2つの隣接周波数帯域でアンテナを動作し得る。この場合には、パッチ構造として、或いは、蛇行状に走るプリント電線路として、導体構造を設計可能であり、プリント電線路はプリント電線路支持体の背面に配置されたバー形状部分構造を備える。
同様に移動体電気通信機器で用いられる他の種類のアンテナは平面反転Fアンテナ(PIFA)であり、そこでは、金属化構造が接地金属化の上に配置され、該アンテナは容積共振器として動作する。例えば公開公報第WO01/91234A1号、第WO01/91235A1号、及び、第WO01/91236A1号から、金属化区域と接続又は隔離することによって、これらのアンテナの場合にも多帯域能力を生成することは既知ではあるが、これらのアンテナの欠点は、それらが、誘電体材料の使用によってさえ、限定的程度にのみ低減可能な、比較的大量の空間を必要とすることである。
従って、1つ又はそれ以上のプリント電線路から比較的簡単な方法で構成されると同時に、上記種類の多数の周波数帯域内で動作可能であり、且つ、少なくとも相当程度に相互に独立し且つフィードバックなしに同調し最善化し得る、上記種類のスイッチ可能なアンテナを提供することが本発明の目的である。
さらに、可能な限り小さなサイズ、よって、比較的小型の移動体電気通信機器内に空間節約的に収容し得る、上記種類のスイッチ可能なアンテナを提供することが本発明の目的である。
この目的は、高周波又はマイクロ波範囲のためのスイッチ可能な多帯域アンテナによって、請求項1に記載されるように達成され、当該多帯域アンテナは、基板に被覆される少なくとも1つの共振プリント電線路構造と、スイッチ可能な入力構造と、基板の支持体上に配置された少なくとも1つの電線路区域とを有し、入力構造は、入力構造のスイッチングによる、少なくとも1つの電線路区域の相互接続又は橋架によって、少なくとも1つの高周波電線路又は少なくとも1つの接地電線路を、共振プリント電線路構造に接続するために設けられる。
この目的は、さらに、高周波及びマイクロ波範囲のためのスイッチ可能な多帯域アンテナによって、請求項2に記載されるように達成され、当該多帯域アンテナは、基板に被覆される少なくとも1つの共振プリント電線路構造と、高周波電線路又は接地電線路を、少なくとも1つの共振プリント電線路構造に選択的に接続するための、スイッチ可能な入力構造とを有する。
これらの解決策の1つの特有な利点は、DBAアンテナの上記有利な特性が、特にそれらの簡単な製造及びプリント回路板上への取付に関して、保持されることである。スイッチ可能な入力構造を基板の支持体上に製造し得るので、比較的低い費用で、且つ、全く変更なし或いは少しだけの変更で、既存のアンテナも上記種類のスイッチ可能なアンテナとなるよう改良し得る。
従属項3乃至5及び9は、請求項1で請求されるような解決策の有利な成果を包含し、請求項2で請求されるような解決策の有利な成果は従属項6乃至9で特定されている。
請求項3及び4並びに請求項6及び8で請求されるような実施態様を用いて、多帯域アンテナの特に空間節約的な全体的設計が可能である。
請求項5は、好ましくは携帯電話規格の周波数範囲内での動作に適したスイッチ可能な二重帯域アンテナを包含する。
請求項7に請求されるような実施態様は、アンテナを費用効率良く且つ本質的に1回の製造工程で製造し得る。
最後に、請求項9に請求されるような実施態様は、アンテナの入力構造の好適な設計を包含し、それによって、確実に干渉なくアンテナをスイッチし得る。
図面に示される実施態様の例を参照して本発明を以下にさらに記載するが、本発明はそれらに限定されない。
図1及び2は、本発明に従った(DBA又はPWA)アンテナの第一実施態様を示す斜視図であり、プリント回路板(PCB)1の正面に取り付けられている。その背面には、接地金属化1aがある。
アンテナは本質的に平行六面体形状のブロック形態の基板10を有し、その長さ又は幅はその高さよりも3〜40倍大きい。従って、以下の記載において、基板10の(大きい)上面を基板の主上面と呼び、反対面を基板の主下面と呼び、且つ、それらに直交する面を基板の側面と呼ぶ。
平行六面体形状の基板10の代わりに、用途及び利用可能空間に依存して、円形、三角形、又は、多角形の円筒形状も選択し得る。さらに、基板10は、例えば、材料、よって、重量に関する節約を行うために、空洞又は凹部も包含し得る。
例えば、基板10はセラミック材料及び/又は1つ又はそれ以上の高周波に適したプラスチックで構成され、或いは、セラミック粉末を重合体マトリックス中に埋め込むことによって形成され得る。純重合体基板も用い得る。材料は可能な限り低い損失を示し、且つ、高周波特性(NPO又は所謂SL材料)の低い温度依存性を有するべきである。
アンテナのサイズを減少するために、基板10はεr>1の誘電性数及び/又はμr>1の透磁性数を有するのが好ましい。しかしながら、高い又は増大する誘電性数及び/又は透磁性数を備える基板の場合、達成可能な帯域幅は減少することに留意すべきである。
図1に示されるアンテナにおいて、基板10は約17mmの長さ、約11mmの幅、及び、約2mmの高さを有する。
基板10は、本質的にその主上面に、例えば、銀、銅、金、アルミニウム、又は、超伝導体のような高導電性材料から成る共振プリント電線路構造11を有する。プリント電線路構造11を基板10に組み込んでもよい。
図示の実施態様において、アンテナが2つの共振周波数を構築するよう(二重帯域アンテナ)、プリント電線路構造11のコース、長さ、及び、幅は、それ自体は既知の方法によって例として選択されている。
プリント電線路構造11は、スイッチ可能な入力構造12を介して、HF電線路13(普通は50オーム電線路)に接続され、送受信されるべき電磁エネルギーのためにプリント印刷基板1の正面上を走る。
スイッチ可能な入力構造12は、基板10の主下面上の金属化形態の給電地点121を含み、プリント回路板上へのアンテナの取付中に、それは例えばソルダリングによってHF電線路13に接続される。
給電地点121で、基板10の1つの側部に沿って延び、基板10の主下面上の金属化の形態の第一電線路区域122が開始する。第一線路区域122の端部に、第一電線路区域122と第二電線路区域124との間の接続を生成する第一ブッシュ123があり、第二電線路区域はプリント回路板1の背面上に被覆された金属化(メタライゼーション)によって形成されている。
第二電線路区域124は第一電線路区域122と本質的に平行に走り、第二電線路区域124をスイッチパッド126に接続する第二ブッシュ125で終了する。スイッチパッド126は金属化の形態でプリント回路板1の正面に被覆される。
プリント回路板1上へのアンテナの取付中に、基板10の主下面上に位置する、共振プリント電線路構造11の第一区域111の始点を、このスイッチパッド126に接触させる。
最後に、スイッチ可能な入力構造12はスイッチング装置(図示せず)も含む。スイッチング装置は、閉鎖状態において、スイッチパッド126を給電地点121(又はHF電線路)に接続し、開放状態において、2つを互いに隔離する。
スイッチング装置が開放のとき(第一スイッチ位置)、給電地点121は、第一電線路区域122、第一ブッシュ123、第二電線路区域124、及び、スイッチパッド126で終了する第二ブッシュ125を介して、共振プリント電線路構造11に接続される。
スイッチング装置が閉鎖されているとき(第二スイッチ位置)、スイッチパッド126に接触する第一区域111と、基板10の側面上の第二区域112と、基板10の主上面に被覆された第三区域113とから成る共振プリント電線路構造11は、給電地点121又はHF電線路13に直接接続される。
このようにして、スイッチング装置を開閉することによって、共振プリント電線路構造11の有効長を変更することが可能である。第一電線路区域122及び第二電線路区域124の長さ並びに第一ブッシュ123の位置付けによる簡単な方法で、この変更の程度を決定し得る。
このスイッチング装置をSMD構成部材としてプリント印刷基板上に取り付け得る。それは従来的な高周波半導体スイッチ、例えば、MacomからのGaAs SPSTスイッチ(動作範囲は約0〜2.5GHzの間)、及び、MEMS(MicroElectronMechanical Switch)であり得る。スイッチング装置がPINダイオードを含むことも可能である。
図3は、図1及び2に示されるアンテナに関して、2つのスイッチ位置で得られる周波数[MHz]の関数としての反射パラメータS11[dB]のプロファイルを示している。2つの共振周波数範囲内のシフトが明らかに見られ、その範囲は、閉鎖スイッチ位置において、GSM900及びGSM1900/PCS帯域にあり、スイッチが開放のときに、AMPS及びGSM/DCS1800帯域にある。適切な場合には、これらの共振周波数のより高い高調波を用い得る。
本発明の第二実施態様が図4及び図5の2つの斜視図に示されている。同一又は類似の部材は図1及び2と同一の参照符号を備えている。従って、これらが再び記載される必要ななく、それ故、本質的に相違のみを議論する。
この実施態様において、基板10はセラミック材料から成り、約17mmの長さ、約11mmの幅、及び、約2mmの高さを有する。それはプリント回路板1の正面に被覆され、その背面には、再び接地金属化1aがある。
第一実施態様と比較すると、第二実施態様では、スイッチ可能な入力構造12は、アンテナのための第一給電地点1211及び第二給電地点1212を有する。第一給電地点1211は、第一ブッシュ123を介して、プリント回路板1の背面上を走る電線路区域124に接続されている。この電線路区域124の端部に、第二給電地点1212への接続を生成する第二ブッシュ125がある。アンテナの取付中に、第二給電地点1212は、主下面上に位置する、共振プリント電線路構造11の第一区域111の一端に接続される。
2つの給電地点1211,1212に対応して、第一HF電線路131及び第二HF電線路132がプリント回路板1の正面上に配置されている。これらの2つの電線路は、例えば、上記スイッチング装置の1つ(図示せず)又は適切なスイッチを用いて、第一給電地点1211及び第二給電地点1212のそれぞれに選択的に接続されている。
図4は第一スイッチ位置を示しており、そこでは、そのようなスイッチング装置が第一HF電線路131を第一給電地点1211に接続し、且つ、第二HF電線路132を第二給電地点1212から隔離している。図5は第二の反対のスイッチ位置を示しており、そこでは、第二HF電線路132は第二給電地点1212に接続され、且つ、第一HF電線路131は第一給電地点1211から隔離されている。
スイッチ位置を選択することによって、今度は、共振プリント電線路構造11の有効長を変更し得る。2つの給電位置1211,1212の相互の距離によってこの変更の程度を決定し得る。
図6は、図4及び図5に示されるアンテナのために、2つのスイッチ位置で得られる周波数[MHz]の関数としての反射パラメータS11[dB]のプロファイルを示している。このグラフにおいても、2つの共振周波数範囲内のシフトを明らかに見ることができ、その範囲は、図4に示されるスイッチ位置の場合には、AMPS及びGSM/DCS1800帯域にあり、図5に示されるスイッチ位置の場合には、GSM900及びGSM1900/PCS帯域にある。
このように、本発明の第一及び第二実施態様は、欧州及び米国の両方で使用されるべき携帯電話における使用に特に適している。入力構造をスイッチするために用いられる対応する制御信号を携帯ラジオシステムから導出し得る。
図7は、本発明に従ったアンテナの第三実施態様を示している。
アンテナは、再度、好ましくは上記種類のセラミック基板10を有し、約20mmの長さ、約12mmの幅、及び、約2mmの高さを有する。
基板10は、その主下面上に、第一共振プリント電線路構造21及び第二共振プリント電線路構造22を有する。プリント電線路構造21,22は1つの主面上にだけ位置するので、1つの製造工程でアンテナを費用効率良く製造することが可能であり、且つ、動力損失なしに約2mm未満の高さに低減することが可能である。基板10はプリント回路板1の正面上に取り付けられ、プリント回路板はその背面上に接地金属化1aを有する。
プリント回路板の正面上には、給電線路23bとして基板10下方に延びるHF電線路23aがあり、よって、電磁エネルギーをアンテナに容量的に結合したり離脱し得る。
スイッチ可能な入力構造24を介して、2つの共振プリント電線路構造21,22を、プリント回路板1の背面上の接地金属化1aに接続し得る。
この入力構造24は図8に詳細に示されている。それはプリント回路板1を通じて第一ブッシュ241を含み、このブッシュは、プリント回路板1の背面上の接地金属化1aを、プリント回路板1の正面上の接地電線路242に接続する。この接地電線路242は、基板10下方に延び、接地電線路をプリント回路板1の背面上に被覆された第一スイッチパッド244に接続する第二ブッシュ243で終了する。
第二ブッシュ245が、第一共振プリント電線路構造21の一端を、プリント回路板1の背面上の第二スイッチパッド246に接続する。最後に、第二共振プリント電線路構造22をプリント回路板1の背面上の第三スイッチパッド248に接続する第三ブッシュ247が設けられている。3つのスイッチパッド244,246,248は約1×1×1mmの高さを有し、且つ、銅から成るのが好ましい。
アンテナが動作されるべき所望の共振周波数帯域の数及び位置に依存して、より多くの共振プリント電線路構造さえもが基板10に被覆され、それらの両端によって、ブッシュを介して、プリント回路板1の背面上の対応するスイッチパッドに接続される。
入力構造24は1つ又はそれ以上のスイッチング装置(図示せず)をさらに含み、それによって、第一スイッチパッド244を第二スイッチパッド246及び/又は第三スイッチパッド248に接続し得る。スイッチング装置(複数を含む)は上記のように設計されるのが好ましく、第一共振プリント電線路構造21又は第二共振プリント電線路構造22のいずれか、或いは可能であれば、両方の共振プリント電線路構造さえも接地金属化に接続し或いは離脱し得るよう、所望の動作周波数範囲に依存して相互に独立して、スイッチング装置をスイッチし得る。
これはより多数の周波数帯域が1つのアンテナでカバーされることを可能にするという事実とは別に、他のプリント電線路構造が接地金属化1aから隔離されていることを条件として、関連スイッチング装置の開放によって、関連スイッチング装置の閉鎖によって活性化されるプリント電線路構造が、その性能に関して、他のプリント電線路構造によって左右されず或いは不利に影響されない、という利点も有する。さらに、提供されている共振周波数範囲に関して、プリント電線路構造21,22を互いに独立して寸法取りし且つ最善化し得る。この結果、2つ又はそれ以上の共振プリント電線路構造を含む既知のこの種のアンテナに比べ、より大きな範囲のアンテナの使用が得られる。
図9は、スイッチング装置の第一スイッチ位置を概略的に示す平面図であり、そこでは、接地電線路242は、第一スイッチパッド244及び第二スイッチパッド246を介して、第一共振プリント電線路構造21に接続されている。
図10は、周波数[MHz]の関数としての反射パラメータS11[dB]のプロファイルの形態の、結果として得られる共振範囲を示している。GSM900周波数帯域内で顕著な共振が明らかに見られる。同時に、この共振の第一高周波は極めて抑制されているので、システムのダイプレクサ上に置かれる要件は、この種の既知のアンテナに比べて比較的低い。何故ならば、この場合、可能な限り適合された第一高周波が多帯域動作のために必要とされるからである。
図11は、スイッチング装置の第二スイッチ位置において、接地電線路242が、第一スイッチパッド244及び第三スイッチパッド248を介して、第二共振プリント電線路構造22に接続されている場合を概略的に示す平面図である。
図12は、周波数[MHz]の関数としての反射パラメータS11[dB]のプロファイルの形態の、結果として得られる共振範囲をもう一度示している。この場合には、GSM900周波数帯域内の共振は最早存在しない。むしろ、約1700MHz〜約2500MHzの間の極めて広帯域な二重共振が展開し、それはDCS、PCS、UMTS、及び、BT周波数帯域内でのアンテナ動作を許容する。
最後に、図13は、スイッチング装置の第三スイッチ位置において、接地電線路242が第一スイッチ及び第二スイッチパッド244,246;244,248を介して第一共振プリント電線路構造21及び第二共振プリント電線路構造22の両方に接続されている場合を概略的に示している。
結果として得られる共振範囲が、周波数[MHz]の関数としての反射パラメータS11[dB]のプロファイルの形態でもう一度示されている。この場合、最低共振周波数は約850MHzであるので、AMPS周波数帯域内でもアンテナを動作し得る。
Claims (10)
- 基板に被覆される少なくとも1つの共振プリント電線路構造と、
スイッチ可能な入力構造と、
前記基板の支持体の上に配置された少なくとも1つの電線路区域とを有し、
前記入力構造は、そのスイッチングによる、少なくとも1つの電線路区域の相互接続又は橋架によって、少なくとも1つの高周波電線路又は少なくとも1つの接地電線路を、前記共振プリント電線路構造に接続するために設けられる、
高周波及びマイクロ波範囲用のスイッチ可能な多帯域アンテナ。 - 基板に被覆される少なくとも1つの共振プリント電線路構造と、
高周波電線路又は接地電線路を、少なくとも1つの共振プリント電線路構造に選択的に接続するための、スイッチ可能な入力構造と、を有する、
高周波及びマイクロ波範囲用のスイッチ可能な多帯域アンテナ。 - 前記支持体はプリント回路板であり、前記電線路区域の少なくとも1つは、前記基板の反対側に位置する前記プリント回路板の背面上に配置されている、請求項1に記載の多帯域アンテナ。
- 前記入力構造は、第一スイッチ位置において、第一電線路区域を介して、前記共振プリント電線路構造に接続され得る給電地点と、前記プリント回路板を通じる第一ブッシュと、第二電線路区域と、前記プリント回路板を通じる第二ブッシュと、第二スイッチ位置で前記共振プリント電線路構造に直接接続され得る、請求項3に記載の多帯域アンテナ。
- 前記入力構造によって前記電線路区域の1つの第一及び第二の端部に選択的に接続され得る、2つの高周波電線路が設けられている、請求項1に記載の多帯域アンテナ。
- 前記基板は前記支持体の一方の面に上に配置され、前記入力構造は前記支持体の他方の面の上に配置されている、請求項2に記載の多帯域アンテナ。
- 前記共振プリント電線路構造は、それがブッシュを介して前記入力構造に接続された状態で、前記支持体に対して位置する前記基板の側面に被覆される、請求項6に記載の多帯域アンテナ。
- 前記入力構造は、各ブッシュに接続され、且つ、前記入力構造のスイッチングによって、高周波電線路又は接地電線路に接続可能な、1つのスイッチパッドを各場合に有する、請求項7に記載の多帯域アンテナ。
- 前記入力構造は、スイッチングの目的のために、半導体スイッチ又は微小電気機械スイッチを有する、請求項1又は2に記載の多帯域アンテナ。
- 支持体と、請求項1又は2に記載のスイッチ可能な多帯域アンテナと、を有する移動体通信機器。
Applications Claiming Priority (2)
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