JP2007533193A - 2つのmemsスイッチ切替pifaを有する平面アンテナアセンブリ - Google Patents

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Abstract

平面アンテナ組立品は通信装置のプリント回路基板(PP)に同程度に対称になるように搭載され、MEMS切り替え回路により同時に制御される2つの平面逆Fアンテナ(A1,A2)を備える。それぞれの平面逆Fアンテナ(A1,A2)はプリント回路基板PP表面上に取り付けられたグラウンド層に面しそれに平行な第1の平面上に位置する放射素子(RE1,RE2)と、放射素子(RE1,RE2)からプリント回路基板PPへほぼ直角にのびるフィードタブ(FT1,FT2)及び少なくとも1つの短絡タブ(ST1,ST2)と、を有する。さらにそれぞれの放射素子(RE1,RE2)は任意の設計及び寸法のスロット(SO1,SO2)を有する。

Description

発明の詳細な説明
[発明の属する技術分野]
本発明は、平面アンテナ又はその改良物に関し、特に、それに限るわけではないが、携帯電話に用いられるアンテナに関する。このような電話はGSM及びDCS1800標準規格に従って動作する。
PIFA(平面逆Fアンテナ)は、頭部で失われる送信されたエネルギーが少ないことを意味する低SAR(比吸収率)であり、小型で電話機筐体内のスペースをより効率的に使用して電話機回路上に組み込めるため携帯電話に広く用いられている。このようなアンテナは通常、電話機のプラスチックカバーの裏側(または内部カバー上)に取り付けられる。
[発明の背景]
図1に示すように典型的なデュアルバンドPIFAは、グラウンドプレーンを含む電話機プリント回路基板(PCB)PPにフィードタブ(又はピン)FT及び短絡タブ(又はピン)STを介して接続され、放射素子REを備える。放射素子REはまたほぼU型のスロットSOを含む。このようなアンテナは特に特許文献US2001/0035843に記載されている。
このようなデュアルバンドPIFAのSARは図2に示すように、切断平面ファントム材料層PML及びスキン層SLを用いてシミュレートすることができる。平面ファントム材料層PMLは、ファントム材料層とプリント回路基板との間隔が一定に保たれるため、曲がった代替物より比較シミュレーションにさらに適しているとみなされている。GSMとDCS規格の両方での比誘電率、ファントムPML及びスキン層SLの導電率の例を以下の表1に与える。
Figure 2007533193
ファントム材料層の切断表面での反射を最小にするために、これらの表面はインピーダンス境界と定義され、用いられる誘電体の特性インピーダンスを有する。損失性誘電体の特性インピーダンスは以下の関係により与えられる。
Figure 2007533193
ここでμは媒体の透磁率、εは媒体の誘電率、σはバルク伝導度、ωは角周波数(すなわち=周波数の2π倍)である。
この関係を用いて、GSMとDCS規格の両方でのファントム層PML及びスキン層SLの特性インピーダンスが以下の表2に与えられる。
Figure 2007533193
GSM(a)バンドとDCS(b)バンドでのシミュレートしたSARの例を図3に示す。SARはW/kgでスケッチされ、1Wに規格化された許容電力に対応する。
小さいデュアルバンドPIFAアンテナはダイバーシティ動作が必要とされるという問題が知られている。このようなアンテナは狭周波数帯であり、広帯域アンテナ(SARは局所量である)と比較して高いSARを示す。
離れた周波数帯域を切り替える小さいアンテナはMEMSスイッチ(“マイクロメカトロニカルシステムスイッチ”)を用いて実現できる。シングルMEMS切り替えアンテナの一例を図4に示す。図4内に現れる数字はミリメートル単位である。このようなアンテナは以下の表3に示されるような切り替えロジックを用いて低周波と高周波を切り替えることができる。
Figure 2007533193
図4に示されるようなシングルMEMS切り替えアンテナに基づくシミュレーションは図5に示されるような結果を与える。より正確には、低周波モード(左部分)と高周波モード(右部分)両方のS11要素が図5にスケッチされている(100Ωで規格化され、マーカm1は927MHz、m2は983MHz、m3は1637MHz、m4は1903MHzである)。
これらの結果はデュアルバンド動作ができることを示す。しかし低周波帯(左部分)のバンド幅は高周波帯(右部分)よりも極めて小さい。また、アンテナインピーダンスが不都合なことに高く、バンド幅ロス又は高周波帯と低周波帯の中心周波数比の減少なしに低くすることが出来ない。
さらに、シングルMEMS切り替えアンテナは従来のデュアルバンドPIFAアンテナに比べてより高周波帯に大きなSARを有するという問題がある。これは(図6に示される)シングルMEMS切り替えアンテナSARと(図3に示される)デュアルバンドPIFAアンテナSARとの比較からみてとれる。図6では、図3と同様に、GSM(a)バンドとDCS(b)バンドにてW/kgでスケッチされ、1Wに規格化された許容電力に対応する。
従って、本発明の目的は、状況を改善することであり、より正確にはダイバーシティ受信を実現可能なままでMEMS切り替えPIFAアンテナのバンド幅及び/又はSARを改善することである。
この目的のために、プリント回路基板に同程度に対称になるように搭載され、MEMS切り替え回路により同時に制御される2つの平面逆Fアンテナを備え、それぞれの平面逆Fアンテナは前記プリント回路基板表面上に取り付けられたグラウンド層に面しそれに平行な第1の平面上に位置する放射素子と、前記放射素子から前記プリント回路基板へほぼ直角にのびるフィードタブ及び少なくとも1つの短絡タブと、を有し、それぞれの放射素子は任意の設計及び寸法のスロットを含むことを特徴とする板上アンテナ組立品を提供する。
本発明によるアンテナ組立品は追加の特徴を別々に又は組み合わせて含んでも良く、特に、各放射素子は略長方形でも良く、2つのPIFAアンテナは同一でも良く、各スロットはU字型でも良く、差動スロットを決定するため各スロットは対応するフィードタブと短絡タブの間で始まっても良い。
また本発明は上記したようなアンテナ組立品を少なくとも1つ有する通信装置(例えば携帯電話機)や無線周波数(RF)モジュールを提供する。
本発明の他の特徴及び効果は以下の明細書及び添付した図面をみることで明らかになるであろう。
添付した図面は発明を達成するために役立つだけでなく、必要ならば、発明の定義に貢献できる。
[好適な実施例の説明]
本発明は、通常はより大きい1つのアンテナにより占有されている携帯電話機内のスペースに2つの小さいMEMS切り替えPIFAアンテナを実装することを提案する。このようなデュアルMEMS切り替えPIFAアンテナは図7に示される。
より正確には、このデュアルアンテナは第1のPIFAアンテナA1と第2のPIFAアンテナA2を有する。
第1のPIFAアンテナA1は、略長方形をなしており、プリント回路基板(PCB)PPの表面に実装されるグラウンドプレーンに面し、それと平行な第1の平面に位置する放射素子RE1を有する。また、第1のPIFAアンテナA1はフィードタブFT1と、この例では、互いに平行な2つの短絡タブST1を有する。フィードタブFT1と短絡タブST1は放射素子RE1からプリント回路基板PPへほぼ直角に延び、3つの接続点がそれぞれ(3)、(1)及び(2)と定義される。また、放射素子RE1は任意の設計、任意の寸法のスロットSO1を有する。図示された例ではスロットSO1はU字型であり、差動スロットを決めるためにフィードタブFT1と短絡タブST1との間で始まる。
図示された例では第2のPIFAアンテナA2は第1のPIFAアンテナA1と同一である。これらのPIFAアンテナA1及びA2はプリント回路基板PPに同じレベルで対称的に実装される。第2のPIFAアンテナA2は、略長方形をなしており、プリント回路基板(PCB)PPの表面に実装されるグラウンド層に面し、それと平行な第1の平面に位置する放射素子RE2を有する。また、第2のPIFAアンテナA2はフィードタブFT2と、この例では、互いに平行な2つの短絡タブST2を有する。フィードタブFT2と短絡タブST2は放射素子RE2からプリント回路基板PPへほぼ直角に延び、3つの接続点がそれぞれ(5)、(4)及び(6)と定義される。また、放射素子RE2は任意の設計、任意の寸法のスロットSO2を有する。図示された例ではスロットSO2はU字型であり、差動スロットを決めるためにフィードタブFT2と短絡タブST2との間で始まる。
このデュアルアンテナは少なくとも5つのモードで動作でき、低周波数で(Rxを)受信する第1のモード(受信モード)、高周波数で(Rxを)受信する第2のモード(受信モード)、高周波数で(Tx)を送信する第3のモード(送信モード)、低周波数で(Txを)送信する第4のモード、(Rxの)受信及び(Txの)送信を行う第5の(UMTS)モード、である。
本発明によるデュアルアンテナの切り替えに適合するMEMS切り替え回路の限定されない実施例を図8に示す。図8では“Antenna(6Port)”と参照が付けられている素子は放射素子RE1及びRE2のフィードタブFT1及びFT2と短絡タブST1及びST2とに接続される6つの接続点(1)、(2)、(3)、(4)、(5)及び(6)を定めるコネクタである。
本発明によるデュアルアンテナは以下の表4で与えられるMEMS切り替えロジック命令により切り替えられる。
Figure 2007533193
スイッチS10a及びS11aは図8に示される切り替え回路の例においては現れるが、テーブル4では省略される。これらのスイッチは(TX)送信モード及び(RX)受信モードを同時に機能させるUMTSを可能にするためにのみ必須である。しかしUMTSTXフィルタはUMTSTX帯域には短絡回路、他のすべての周波数には開回路としてシミュレートされる。そのためスイッチS10a及びS11aの機能性はスイッチS10及びS11の機能性とそれぞれ等しい。
テーブル4に示されるそれぞれのモードの詳細は以下に与えられる。すべての要素は無損失であるとする。
送信モード(Tx)のシミュレートされたS11要素は図9に示され、SARは図10に示される。
より正確には、(50Ωで規格化された)低周波モード(左部分)と高周波モード(右部分)両方でのS11要素が図9にスケッチされている。S11曲線から共振周波数がGSM(低周波)にとって少し高いことが分かる。しかし、(例えば図5に示される)シングルアンテナでのS11要素との比較から、デュアル給電は低周波帯域を大きく増すことが明らかである。DCS、PCS及びUMTS送信帯域はすべて高周波送信モードにおいて調和する。
図10では、図3及び図6のように、GSM(a)バンドとDCS(b)バンドにてW/kgでSARがスケッチされ、1Wに規格化された許容電力に対応する。
図3(a)及び図6(a)と図10(a)との比較からわかるように、GSM送信モード(Tx)ではデュアル給電はSARにほとんど影響がない。アンテナ近傍の磁場があるレベルより下がると、SARピークはPCB共振の現行最大値付近に現れ、GSM(低周波)でのすべてのPIFA設定に対して現れる。これはバンド幅に不利な影響なしに低減できない。しかし高周波では、デュアルフィーディングはSARに有意な効果を有する。(図3(a)に示す)従来のPIFAとの比較から、(図10(a)に示す)本発明によるデュアルアンテナのSARは約50%低減されることが見てとれる。
受信モードでのシミュレートされたS(S11及びS21)要素を図11に示す。より正確には図11では、(50Ωで規格化された)低周波モード(GSM)及び高周波モード(DCS/PCS/UMTS)両方に対するS11及びS21要素がスケッチされている。
優れた性能が得られることがわかる。DCS/PCS及びUMTSの高周波受信範囲は1805−2170MHz帯域が要求されるのに対し、GSMでは925−960MHz帯域が要求されるのみである。これは容易に得られる。
受信モードでは両方のアンテナが同時に受信できる(S22=S11)。アンテナの相関はダイバーシティ性能を決定する。一般の伝搬環境を表す広範囲のデータを用いると、相関係数はGSMでは0.25−0.85、DCS/PCS/UMTSでは0−0.6の範囲であることがわかる。優れたダイバーシティ性能のためには0.7より小さい相関係数が求められる。事実上すべてのケースでこれは達成される。
マルチバンド動作、ダイバーシティ及び改善されたデュアル平面逆Fアンテナ(PIFAs)からのSARを達成する手段が上記されている。本発明によるデュアルPIFAアンテナは携帯電話機の内部に実装できる。GSMとDCS/PCS/UMTS両方の切り替え動作を行うことができる。また、プリント回路基板のシールド効果による低SARを有する。送信モードにて両方のアンテナに同時にフィードすることによりSAR及びバンド幅は改善される。受信モードにおいてダイバーシティ受信を行うことができる。
本発明は上述の一例に過ぎない平面アンテナ組立品(デュアルPIFAアンテナ)及び通信装置(携帯電話機)の実施例に限定されず、以下の請求の範囲の目的内において当業者により考えられるすべての代替実施例が含まれる。
この明細書及び請求の範囲において要素の前の語句“a”や“an”はこの要素の複数の存在を除外するものではない。さらに語句“comprising”は挙げられている以外の要素及びステップの存在を除外するものではない。
従来のデュアルバンドPIFAの概略図である。 切断平面ファントム材料層及びスキン層を用いたデュアルバンドPIFAのシミュレーションの概略図である。 GSMバンド(a)及びDCSバンド(b)における従来のデュアルバンドPIFAでのシミュレートしたSAR線の概略図である。 MEMS切り替え回路の一例を有するシングルMEMS切り替えPIFAアンテナの概略図である。 低周波モード(左部分)及び高周波モード(右部分)両方でのシングルMEMS切り替えPIFAアンテナのS11要素を示す図である。 GSMバンド(a)及びDCSバンド(b)におけるシングルMEMS切り替えPIFAアンテナでのシミュレートしたSAR線の図である。 本発明によるデュアルMEMS切り替えPIFAアンテナの一例の概略図である。 図7に示されるデュアルMEMS切り替えPIFAアンテナ用のMEMS切り替え回路の実施例の概略図である。 低周波モード(左部分)及び高周波モード(右部分)両方での図7に示されるデュアルMEMS切り替えPIFAアンテナのS11要素を示す図である。 GSMバンド(a)及びDCSバンド(b)における図7に示されるデュアルMEMS切り替えPIFAアンテナでのシミュレートしたSAR線の図である。 低周波受信モード及び高周波受信モード両方での図7に示されるデュアルMEMS切り替えPIFAアンテナのS11及びS21要素を示す図である。

Claims (8)

  1. プリント回路基板に同程度に対称になるように搭載され、MEMS切り替え回路により同時に制御される2つの平面逆Fアンテナを備え、それぞれの平面逆Fアンテナは前記プリント回路基板表面上に取り付けられたグラウンド層に面しそれに平行な第1の平面上に位置する放射素子と、前記放射素子から前記プリント回路基板へほぼ直角にのびるフィードタブ及び少なくとも1つの短絡タブと、を有し、それぞれの放射素子は任意の設計及び寸法のスロットを含むことを特徴とする平面アンテナ組立品。
  2. 前記放射素子は略長方形であることを特徴とする請求項1に記載の平面アンテナ組立品。
  3. 前記2つの平面逆Fアンテナは同一であることを特徴とする請求項1又は2に記載の平面アンテナ組立品。
  4. 各スロットはU字型をなすことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の平面アンテナ組立品。
  5. 差動スロットを決定するため各スロットは対応するフィードタブと短絡タブの間で始まることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の平面アンテナ組立品。
  6. 少なくとも1つの請求項1乃至5のいずれかによる平面アンテナ組立品を有することを特徴とする通信装置。
  7. 携帯電話機を構成することを特徴とする請求項6記載の通信装置。
  8. 少なくとも1つの請求項1乃至5のいずれかによる平面アンテナ組立品を有することを特徴とするRFモジュール。
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