JP2007524310A

JP2007524310A - アンテナ

Info

Publication number: JP2007524310A
Application number: JP2006553742A
Authority: JP
Inventors: アヒムヒルゲルス
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2007-08-23
Also published as: US7463196B2; US20070279285A1; WO2005083835A2; CN101015089A; EP1719207A2; WO2005083835A3

Abstract

本発明は、ＧＳＭ及びＤＣＳ周波数範囲において好適に動作するためのデュアルバンドアンテナに関する。このデュアルバンドアンテナは、同時にダイプレクサの機能を有する。これにより、１つ少ない構成要素で、無線通信装置を製作することが可能となり、重量及び製作コストが減る。

Description

本発明は、アンテナ及びアンテナモジュールに関し、特に、それぞれ無線通信装置、特に移動電話機のようなハンドヘルド型通信装置用のものに関する。

移動体電気通信においては、マイクロ波領域における電磁波が情報を伝送するために用いられている。したがって、その電気通信装置の基本的部分は、電磁波の受信及び送信を可能とするアンテナである。

第２世代のセルラーシステムは、ＧＳＭ（Global System for Mobile）及びＤＣＳ（Digital Communication System）と呼ばれる異なる２つの周波数帯域において動作する。ヨーロッパでは、８８０ＭＨｚから９６０ＭＨｚに位置づけられる周波数帯域ＧＳＭ９００、１７１０ＭＨｚから１８８０ＭＨｚに位置づけられる周波数帯域ＧＳＭ１８００（ＤＣＳ）が用いられている。これに加えて、合衆国で主に用いられる、８２４ＭＨｚから８９４ＭＨｚのＧＳＭ８５０周波数帯域と、１８５０ＭＨｚから１９９０ＭＨｚのＧＳＭ１９００（ＰＣＳ）周波数帯域がある。

２つ以上の周波数帯域で動作する無線通信装置、例えばＧＳＭ及びＤＣＳ／ＰＣＳ周波数帯域で動作するものは、高周波フロントエンドの信号をＧＳＭパス及びＤＣＳ／ＰＣＳパスに分離するための１つ以上のフィルタを必要とする。この目的のため、ダイプレクサ（又は送信サブバンドと受信サブバンドとを分離するアンテナ共用器）のような能動若しくは受動型の電子回路又は複合フィルタユニットを用いることができる。こうしたフィルタは、アンテナに接続され、１つの周波数帯域から別の周波数帯域へ切り換える機能を有する。

無線通信装置の小型化に向かう益々の傾向を満足するため、かかるフィルタをより小さく作ることができるように当該フィルタを改善し簡素化するための努力がなされている。例えば、欧州特許出願に係る文献のＥＰ１１１９０６９Ａ２は、周波数シフトの程度の柔軟性が高くサイズの小さいダイプレクサを開示している。

したがって本発明の目的は、無線デュアルバンド及びマルチバンド通信装置を簡素化することである。

本発明の上記目的は、独立請求項の特徴を設けることにより達成される。従属請求項による特徴を設けることによって、本発明による好適な実施例が達成される。なお、請求項における参照符号は本発明の範囲を限定するものと解釈してはならない。

本発明によれば、上述した問題は、無線通信装置のためのアンテナであって、ａ）表面に設けられた金属製共振構造体の２つの対を持つ誘電基板と、ｂ）供給ラインに接続される第１の共振構造体と、グランドへの接続部を有する第２の共振構造体とを有する共振構造体の対と、を有し、前記第１及び第２の共振構造体は、互いに電気的に絶縁され、互いに近くに配置されている、アンテナによって解決する。

基板の表面に設けられる第１の対の金属製共振構造体は、第１の周波数帯域に対応する第１の共振周波数を有する。したがって、第２の対の金属製共振構造体は、第２の周波数帯域における第２の共振周波数を有する。このように説明されるアンテナは、デュアルバンド動作を可能とする。当業者ならば、これを、当該基板の表面に印刷された共振構造体の３つ、４つ、５つなどの対に起因する３つ、４つ、５つなどの周波数帯域における共振周波数のアンテナに一般化させることができることを容易に導き出すこととなる。

誘電性の基板の材料は、最大アンテナ拡張が特に小さいことを保証する誘電率ε_ｒの大きな値を有する。この点につき、セラミック、プラスチック又は化合物材料がこの基板には好適である。特に２から１００の間、好ましくは４から２５の範囲の誘電率ε_ｒを有するものがよい。

共振構造体は、高導電性であり、金属製とすることができ、好ましくは純銀からなるものがよい。これらはまた、金又は他の高い導電性を持つ金属又は合金によっても実現可能である。これらは互いに交差せず、もって互いに電気的に絶縁される。

各対の共振構造体は、第１の共振構造体及び第２の共振構造体を有する。

第１の共振構造体は、好ましくは細片状導電体の形態で誘電性基板に巻かれた長手構造体とするのがよい。一方の端部は、供給ポイントとして機能し、これにより供給ライン例えば５０Ωの供給ラインを介してラジオ周波数（ＲＦ）発生器に接続される。他方の端部は、開放されたままとされる。

第２の共振構造体も、好ましくは細片状導電体の形態で誘電性基板に巻かれた長手構造体とするのがよい。一方の端部は、グランドに接続され他方の端部は開放されたままとされる。第２の共振構造体は、第１の共振構造体と電気的に絶縁され、第１の共振構造体に隣接して配される。

２つの共振構造体の接近は、それらの間の容量結合をもたらす。基板の高い誘電率は、かなり強力な結合をもたらす。容量結合は、第２の共振構造体における共振をシミュレートする。第２の共振構造体が長手構造体である場合、その長さ（及び基板の誘電率ε_ｒ）は、共振周波数の値を決める。実際には、この値は、第２の共振構造体の長さを変えることにより調整される。

共振周波数の厳密な値は、第１の共振構造体と第２の共振構造体との間の距離によって調整可能である。距離が長いと、低い値に向かって共振周波数をシフトする弱い結合を招く。さらに、抵抗器、誘導性抵抗器若しくはキャパシタ又はこれら素子の組み合わせのような１つ以上の受動型構成要素に第１及び／又は第２の共振構造体を接続することができる。これによっても、当該構成要素及び実現の態様に応じて、共振周波数の厳密な値がシフトされるか又はその帯域幅が拡大されるか、或いは当該共振周波数のシフト及び帯域幅の拡大の双方が行われる。

上述したように、当該アンテナは、少なくとも２つの対の共振構造体を有し、当該アンテナは、少なくとも２つの共振周波数を有し、少なくとも２つの周波数帯域において動作することを可能とする。上記段落から、２つの共振周波数が概して互いに異なることが明らかとなる。

本発明の特徴をもたらす実験によって、先ほど説明したデュアルバンドアンテナがフィルタの付加的機能を有することが示されている。かかるアンテナは、当該アンテナの異なる周波数帯域に対応するパスに受信信号を通すことができる。

もしも、例えば、アンテナが当該アンテナの第１の共振周波数に対応する第１の周波数帯域における周波数を有する電磁波を受信した場合、第１の周波数範囲に対応する供給ラインにおける出力は、高レベルとなる。一方、第２の周波数範囲に対応する供給ラインにおける出力は低レベルとなる。この状況は、アンテナが当該アンテナの第２の共振周波数に対応する第２の周波数帯域における周波数を有する電磁波を受信する場合と丁度逆である。

本発明は、アンテナと（周波数）フィルタ又はダイプレクサとを同時に兼ねる単一の構成要素に関することが分かる。これにより、１つの構成要素が少なくて済むので、無線電気通信装置の構成が簡素化される。さらに、ダイプレクサアンテナは、１つの構成要素を少なくして実装することで済むので、より小さい電気通信装置を安価にし軽量にすることができる。アンテナは、慣例的な表面実装技術により実装可能であり、これにより、ＳＭＤ互換性のあるものとされるので、当該電気通信装置を製造する処理を変える必要がない。アンテナは、電気通信装置の印刷回路基板に平行又は垂直に位置合わせされることが可能である。

本発明の範囲内で用いられるアンテナは、改変型の誘電性ブロックアンテナ（ＤＢＡ）である。さらに、このタイプのアンテナの詳細、特に共振構造体の幾何学的形状及び材料や、当該共振構造体を製造する方法及び基板として用いることのできる材料は、欧州特許出願に係る文献のＥＰ１２８９０５３Ａ２に開示されており、本明細書は明示的に参照するものである。

一般に、各第２の共振構造体は、それ自身のグランドへの接続部を有する。但し、少なくとも２つのこのような共振構造体は、グランドへの接続部を共有することができる。この実現は、グランドへの単一の接続部を有するアンテナにより行うことができ、その場合当該単一の接続部が第２の共振構造体に分岐する。これにより、１ポート少なくて済み、アンテナを簡素化するという効果を奏する。

最も簡単な例では、第１及び第２の共振構造体が長手状のものとされる。共振構造体の各対が概ね同じである場合、また２つ以上の共振構造体が同様に受動素子に接続される場合、第２の共振構造体の全長は、どの共振を活性化するかを決める。

当該分岐点から当該開放端までの測定される第２の共振構造体の長さは、異なることが好ましい。この場合、当該長さは、上述したような共振周波数を決定する。一例として、当該長さは、より短い構造がＤＣＳレンジにおける共振を呈し、より長い構造がＧＳＭレンジにおける共振を呈するように選定可能である。

第２の共振構造体がグランドに対する種々の接続部を有する場合、第２の共振構造体のうちの少なくとも１つは１つ以上の受動型構成要素に接続される可能性がある。この態様において、個々の共振周波数を調整することができ、他の共振周波数又は他の帯域幅に影響を与えることなく帯域幅を広くすることができる。

上述したように、基板における共振構造体の第１の対は、第１の共振周波数を呈する。第１の共振周波数は、実質的に、ＧＳＭ８５０及びＧＳＭ９００の周波数帯域である８２４ＭＨｚから９６０ＭＨｚの周波数レンジにあるのが好ましい。

基板における共振構造体の第２の対は、第２の共振周波数を呈する。第２の共振周波数は、実質的に、ＰＣＳ／ＰＣＳの周波数帯域である１７１０ＭＨｚから１９９０ＭＨｚの周波数レンジにあるのが好ましい。

以下では、本発明のこれらの態様及びその他の態様を次に説明する実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は、２０．６の誘電率ε_ｒを有するＮＰ０材料により作られたセラミック基板１を有する本発明によるアンテナの第１実施例を示している。この基板は、１７×１１×２ｍｍ^３の体積を有する直角平行六面体の形状を有する。

基板１は、その表面４に金属製の共振構造体２，３の２つの対を有する。金属性共振構造体２，３の各々は、基板上の銀の層からなる。金属製共振構造体２，３の２つの対は、印刷処理により基板１に付着されている。しかし、他の処理も適用可能であり、例えば、スパッタリング処理又は電気化学処理、その他既知の処理がある。

このアンテナは、電気通信装置の印刷回路基板（図示せず）に対して平行又は垂直に位置合わせされることができる。垂直の場合、表面４に垂直な直線は、印刷回路基板に平行である。

第１の対の共振構造体２は、５０Ω供給ライン２Ｃに接続される第１の共振構造体２Ａを有する。この第１の共振構造体２Ａは、給電共振器（feeding resonator）とも呼ばれ、グランド５に接続されている対応の第２の共振構造体２Ｂを有する。共振構造の第２の対３は、５０Ω供給ライン３Ｃに接続される第１の共振構造体３Ａを有する。この第２共振構造体２Ｂは、給電共振器（feeding resonator）とも呼ばれ、グランド５に接続されている対応の第２の共振構造体３Ｂを有する。

第２の共振構造体２Ｂ及び３Ｂは、グランド５への単一の接続部を有し、分岐点Ｐにおけるこれら２つの構造体の分岐を特徴としている。第２の共振構造体２Ｂ及び３Ｂの長さは、分岐点Ｐから対応の開放端部まで測定される。これらの長さは、概して９００ＭＨｚの共振周波数が第２の共振構造体２Ｂにおいて、ＧＳＭ９００周波数帯域で活性化されるようなものである。概して１８００ＭＨｚ（ＤＣＳ）の共振周波数は、第２の共振構造体３Ｂにおいて、したがってＤＣＳ周波数帯域において活性化される。

供給ライン２Ｃ及び３Ｃは、各々５０Ωのインピーダンスを有するように選定される。このインピーダンスが所望の値に一致するように、第１の共振構造体３Ａの開放端部と対応の第２の共振構造体３Ｂの開放端部との間の距離ｓ１は、それ相応に変えることが可能となっている。ｓ１の距離が小さいと、対応の供給ライン３Ｃのインピーダンスが小さくなる。したがって、ｓ２の距離が小さいと、供給ライン２Ｃのインピーダンスが小さくなる。この十分に一致したインピーダンスにより、供給ライン２Ｃ及び３Ｃは電気通信装置の回路に直接接続可能である。

図２は、周波数ｆの関数として図１のアンテナの拡散パラメータｓ_ｘｘのプロットを示している。この図において、破線曲線ｓ１１は、ＧＳＭ周波数レンジにおいて動作する第１の対の共振構造体２の拡散パラメータを示す。点線の曲線ｓ２２は、ＤＣＳ周波数レンジで動作する第２の対の共振構造体３の拡散パラメータを示す。実線の曲線ｓ１２（＝ｓ２１）は、共振構造体２，３の一方の対の共振構造体２，３の他方の対に対する送信及びこれの逆の送信を示している。

当該電気通信装置がＧＳＭ周波数レンジで動作するように設けられている場合、ＧＳＭポートは、５０Ω供給ラインに確実に一致するように調整されることになる。この場合、曲線ｓ１１は、９００ＭＨｚ前後で、したがってＧＳＭ９００周波数帯域において−１３ｄＢの共振の顕著な一時的減少を呈する。同時にＤＣＳポートは、曲線ｓ２２が−１．５ｄＢしか示さないので、マッチングが悪くなる。

一方、ＤＣＳ周波数範囲で動作するように設けられている装置の場合、ＤＣＳポートは、５０Ω供給ラインに良好にマッチするように調整されることになる。この場合、曲線ｓ２２は、１７１０ＭＨｚの前後において、したがってＤＣＳ１８００周波数帯域において、−３０ｄＢの非常に深い共振の下降を呈する。同時に、ＧＳＭポートは、曲線ｓ１１がＤＣＳ周波数範囲において何の共振の落ち込みも呈していないので、極端に悪いマッチングとなる。

拡散パラメータｓ１２＝ｓ２１は、第１のポートから第２のポートへ、またこの逆に送信することを示す。これら２つのポートの間の絶縁は、ＧＳＭ周波数範囲において−７．５ｄＢよりも良好となり、またＤＣＳ周波数範囲においてはそれより良くなる（−２２ｄＢ）。

アンテナの全効率は、不完全なマッチングによる損失やアンテナ自体により生じる損失に依存する。両種類の損失が考慮に入れられる場合、全効率は、ＧＳＭ周波数範囲では４０％となり、ＤＣＳ周波数範囲では７２％である。不完全なマッチング（信号の反射）による損失が考慮に入れられると、全効率は、ＧＳＭ周波数範囲において５１．２％、ＤＣＳ周波数範囲では７２％となる。第１の共振構造体２Ａと３Ａとの開放端部間における比較的大なる距離ｄを選定することにより、送信が減少する。

図３は、本発明によるアンテナの第２の実施例を示しており、この実施例は、第１の実施例と非常に似ている。第１の共振構造体２Ｂの幾何学的形状は、ここでは少し異なっている。より重要な、第２の共振構造体２Ｂ及び３Ｂは、グランドへの分離した接続部５及び５´を有する。これによって、１以上の受動型構成要素６，６´を第２の共振構造体２Ｂ，３Ｂに接続することにより、共振周波数の調整及び／又は共振構造体の２つの対の帯域幅の個別の拡大を行うことが可能となる。

なお、本発明による特徴は、移動電話機のような手持ち式の通信装置だけでなく、ラジオ周波数識別（ＲＦＩＤ）の分野におけるいわゆるトランスポンダにも用いることが可能である。

誘電基板を有する本発明のアンテナは、金属製の共振構造体の２つの対を具備することができることに留まらず、金属製の共振構造体の３つ若しくは４つ又はこれを上回る数の対をその表面に具備してもよい。

グランドへの単一の接続部を具備する共振構造体の２つの対を備えた本発明によるアンテナの模式図。図１に示されるアンテナの拡散パラメータｓ_ｘｘのプロットを示す図。２つの対の共振構造体及びグランドへの２つの接続部を備えた本発明によるアンテナの模式図。

Claims

無線通信装置のためのアンテナであって、
ａ）表面に設けられた金属製共振構造体の２つの対を持つ誘電基板と、
ｂ）供給ラインに接続される第１の共振構造体と、グランドへの接続部を有する第２の共振構造体とを有する共振構造体の対と、
を有し、
前記第１及び第２の共振構造体は、互いに電気的に絶縁され、互いに近くに配置されている、
アンテナ。
請求項１に記載のアンテナであって、前記第１及び第２の共振構造体は、長手構造体である、アンテナ。
請求項１に記載のアンテナであって、前記第２の共振構造体に分岐するグランドへの単一の接続部を有するアンテナ。
請求項２に記載のアンテナであって、当該分岐点から測定される前記第２の共振構造体の長さは異なる、アンテナ。
請求項１に記載のアンテナであって、前記第１及び第２の共振構造体のうち少なくとも一方は、１つ以上の受動型構成要素に接続される、アンテナ。
請求項１に記載のアンテナであって、前記共振構造体の第１の対は、略８２４ＭＨｚないし９６０ＭＨｚの周波数範囲における共振周波数を有する、アンテナ。
請求項１に記載のアンテナであって、前記共振構造体の第２の対は、略１７１０ＭＨｚないし１９９０ＭＨｚの周波数範囲における共振周波数を有する、アンテナ。
請求項１に記載のアンテナを有する移動通信装置。
請求項８に記載の移動通信装置であって、ラジオ周波数識別（ＲＦＩＤ）のためのトランスポンダとして構成される移動通信装置。