JP2008529329A - ２モジュール集積アンテナおよび無線 - Google Patents

Abstract

モジュラー無線アンテナデバイスは第１および第２の分離可能なモジュールを備え、該第１のモジュールは該デバイスのすべての無線および無線周波数フロントエンドコンポーネントを含有し、該第２のモジュールは該デバイスのアンテナコンポーネントのみを含有し、該第１および第２のモジュールは、相互に物理的かつ電気的相互接続をするための手段を具備している。

Description

本発明は、２モジュール集積アンテナおよび無線（radio）に関する。これはすべてのタイプのアンテナに適用し、ＰＩＦＡ（planer inverted-F antenna）（平面逆Ｆアンテナ）、モノポール、ダイポール、誘電体アンテナなどに制限されない。これは種々の用途に適用するが、特に携帯電話機、携帯情報端末（ＰＤＡ：personal digital assistant）およびラップトップコンピュータに関し、これらに限られるわけではない。

現在の小型通信デバイスの内部アンテナの設計は、困難な問題として周知である。

第１に、特に、二つ折り設計、バーフォン（bar phone）、フリップフォン、スライダーおよびスウィングフォン設計がすべて共通である携帯電話機について多数の異なるタイプのプラットフォームがある。例えば、２対のセグメントフォン間の接続は、アンテナ性能に対して大きく影響する可能性がある。

第２に、現在の通信デバイスは小型化しつつあり、同時にアンテナはより多くの帯域をカバーするように求められている。

第３に、他の無線および他のアンテナは、ＧＰＳ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ディジタルメディアブロードキャスティングなどの用途に対して存在することがあり、これはカップリングおよび共サイト（co-sited）送信機の問題をもたらす恐れがある。

最後に、ダイバーシティやＭＩＭＯ（multiple input, multiple output）（多入力、多出力）用途の単一ユニットにおける複数の無線アンテナに対するセルの増加がある。

これらの要因は、アンテナの複雑さを増大させることにつながるが、その一方において、アンテナがより安価になり、また携帯電話機に占める容積がより少なくなることを商業的圧力は要求している。材料コストは既に最小限にまで削減され、コンポーネントのさらなるスケール集積が、さらなるコスト削減をもたらす方法と思われる。これらの問題すべてに対処する一方法は、アンテナおよびＲＦ（無線周波数）フロントエンドを単一ユニットとして考えることによって無線アンテナユニットを作成することである。このような無線アンテナユニットは、バランスＲＦおよびアンテナ構造、５０オーム以外のインピーダンスなどの異なる無線アーキテクチャを開発することができる。

本出願人は従って、アンテナだけではなく、電気信号を電波にまたはこの反対に変換するプロセス全体に関心を持つようになった。最終的な目的は、セルラー無線やＷＬＡＮ用途向けのアンテナおよびすべての無線コンポーネントを内蔵する単一モジュールを設計することである。従来のセルラーまたはＷＬＡＮ無線トランシーバーからアンテナを駆動するために、第三者メーカーの個別ＩＣ（集積回路）を内蔵する必要がある場合がある。このような個別コンポーネントの一例は、バランスダイポール状アンテナが、電源増幅器（ＰＡ）などのシングルエンドアンバランスソースから駆動される場合に必要とされるチップバランである。

これらのＩＣの機能性の一部が最終的にアンテナに直接内蔵されるということが、本出願人によって想定されている。例えばデュプレクサおよびフィルタは、モジュールに集積される個別のコンポーネントではなく、多層アンテナ構造の下部層の一部として製作されることがある。代替的アプローチは、必要なバランスおよびフィルタ出力が生成されるように、ＰＡおよび他の無線コンポーネントを適合させることである。特定用途アンテナと、特別適合無線コンポーネントとを含有する最終的（ultimate）な無線モジュールは、ディジタル入力／出力を具備するデバイスを効果的に有し、かつ他のすべてもモジュールによって考慮されるため、携帯電話メーカーが無線エキスパートである必要を除去する。

多数の既存の携帯電話機、ＰＤＡ、ラップトップコンピュータアンテナは、ＰＩＦＡおよびモノポールなどのアンバランス設計である。これらは小型であり、ＰＣＢ（プリント回路基板）やＰＷＢ（プリント書込み基板）をアンテナの一部として有効利用するが、これらは、各ＰＣＢ／ＰＷＢが異なる形状およびサイズであるため製品ごとにかなりのカスタマイズを必要とする。これらをカスタマイズするコストは極めて高価であるため、アンテナのカスタマイズは、デバイスのコストのかなりの部分を占める高価なプロセスであり、また集積無線アンテナモジュールの使用を妨げる。

集積アンテナの進展は、ＰＣＢやＰＷＢを利用しないため、それほどカスタマイズを必要としないバランスアンテナの導入によってなされる。残念ながら、バランスアンテナはしばしば、このアンバランスのアンテナ対の２倍のサイズであり、また、これらは幅広いＰＣＢやＰＷＢを放射構造の一部として使用していないため帯域幅がより狭い。さらなる複雑事項は、多数のタイプのバランスアンテナ（ダイポール、スパイラル対など）が、接地層に電気的に近接して配置される場合に自己誘導画像電流（self-induced image current）によって悪影響を受けるという点である。現在の携帯電話機、ＰＤＡおよびラップトップコンピュータは完全な接地層を有し、アンテナは、接地層の上にフリー空間波長の５０分の１未満に配置される。この問題を回避するために、本出願人は、携帯電話機などで使用可能な程度に小型であり、かつフル実装ＰＣＢ接地層の上部で作動する多数の新たなタイプのバランスアンテナを開発した。これらの発明は別の特許出願（ＵＫ特許出願第０５０１９３８．５号）の主題である。

モジュール概念は、バランス（ダイポール状）アンテナとアンバランス（モノポール状）設計の両方に適用するが、これらは接地層の固有の独立性を有しているため、本発明は特にバランス設計に関している。さらに、バランス設計は概してカスタマイズコストを削減し、無線アンテナモジュールを商業的に実行可能なものとする。バランス設計はまた、多数の異なるタイプの携帯電話機、ラップトップなどにおいて同一モジュールとして実現されてもよい。

本発明の第１の態様に従って、第１および第２の分離可能モジュールを備えるモジュラー無線アンテナデバイスが提供される。第１のモジュールは、アンテナデバイスのすべての無線および無線周波数フロントエンドコンポーネントを含み、上記第２のモジュールはアンテナデバイスのアンテナコンポーネントのみを含み、第１および第２のモジュールは、相互に物理的かつ電気的接続をするための手段を具備している。

アンテナデバイスは、組み立てられる場合に、ＰＣＢやＰＷＢに搭載されてから、通信デバイスにインストールされてもよい。概して、第１のモジュールはＰＣＢやＰＷＢに直接搭載されることになるのに対して、第２のモジュールは、ＰＣＢやＰＷＢからそれた第１のモジュールの表面に搭載される。言い換えると、最下基板としてＰＣＢやＰＷＢを見ると、第１のモジュールはＰＣＢやＰＷＢの上部に直接搭載されてもよく、第２のモジュールは第１のモジュールの上部に搭載されてもよい。

一部の実施形態では、さらなるアンテナコンポーネント（例えば、低帯域アンバランスモノポールアンテナ）は第１および第２のモジュールから離れて配置されてもよいが、第１のモジュールに電気的に接続されてもよい。

一部の実施形態では、第２のモジュールは、上記デバイスがこの上に搭載される場合に、少なくとも、ＰＣＢやＰＷＢによって定義された平面において第１のモジュールよりも大きくてもよい。このことは、アンテナを含有する第２のモジュールは、フロントエンドコンポーネントを含有する第１のモジュールよりも大きい可能性があるため、極めて大きなフットプリントや過大な配置場所（real-estate）をＰＣＢやＰＷＢ上に占めることなく依然として良好な性能を有しているという点で好都合である。

無線アンテナデバイスを２つのモジュラー部分で設計することによって、この無線アンテナデバイスを作成、製造およびテストする作業はかなり簡素化される。第１の実施形態において、下部モジュールはすべての無線およびＲＦフロントエンドコンポーネント（電力増幅器、ＲＦスイッチ、フィルタ、ダイプレクサ、デュプレクサなど）を内蔵しているのに対して、上部モジュールはすべてのアンテナ構造を含有している。上部モジュールは下部モジュールよりも面積が大きくてもよいが（以下の図を参照）、このように持ち上げることによって、過大なＰＣＢ配置場所（real-estate）を占めることなく良好な性能を有することができる。

本発明の第２の態様に従って、第１および第２の分離可能なモジュールを備えるモジュラー無線アンテナデバイスが提供される。第１のモジュールは、アンテナデバイスのすべての無線および無線周波数フロントエンドコンポーネントと第１のアンテナコンポーネントとを含有し、第２のモジュールは、アンテナデバイスの少なくとも第２のアンテナコンポーネントを含有し、第１および第２のモジュールは、相互に物理的かつ電気的相互接続をするための手段を具備している。

第１の態様の実施形態と関連した上記特徴はまた第２の態様の実施形態に適用する。

さらに、第１のアンテナコンポーネントは好都合なことに低帯域アンテナであり、第２のアンテナコンポーネントは好都合なことに高帯域アンテナである。この文脈での「低帯域」および「高帯域」は相互に関連性のある用語であること、つまり、第１のアンテナコンポーネントは好都合なことに、第２のアンテナコンポーネントが動作するように構成されている周波数帯域よりも低い周波数帯域で動作するように構成されていることが理解される。第１の低帯域アンテナ（例えば、８００／９００ＭＨｚ）は、概してアンバランスでなければならないため、これは特にセルラー無線携帯電話機を対象としているが、これはその波長がかなり長くて、アンテナデバイスが搭載されるＰＣＢやＰＷＢの全体が動作時に一次ラジエータとして必要とされるからである。

第１のアンテナコンポーネント自体（つまり、ＰＣＢやＰＷＢの接地層なし）は概して、Ｃｈｕ−Ｈａｒｒｉｎｇｔｏｎ制限内である［Ｌ．Ｊ．Ｃｈｕ，「Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｏｍｎｉ−Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ａｎｔｅｎｎａｓ」，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．１９，ｐｐ．１１６３−１１７５，１９４８］、［Ｒ．Ｃ．Ｈａｎｓｅｎ，「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ」，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ，Ｖｏｌ．６９，Ｎｏ．２，ｐｐ．１７０−１８２，１９８１］。Ｃｈｕ−Ｈａｒｒｉｎｇｔｏｎ制限内のアンテナは、不十分なラジエータであるか、帯域幅が十分でないか、あるいはこの両方である。このような制限は、高帯域（例えば、１８００／１９００ＭＨｚ）には適用せず、ここではバランスアンテナが上記理由ゆえに利点がある。従って要件は、一方の帯域ではバランスであり、別の帯域ではアンバランスであるアンテナに対するものである。

一例示的実施形態において、第１のモジュールは、フロントエンドコンポーネントと共に単純な低帯域アンバランスＰＩＦＡを含むのに対して、第２のモジュールはより複雑な高帯域バランス（場合によってはデュアルまたは多重帯域）アンテナ構造を含有している。このようなアンバランスアンテナは、動作中にこれを効果的に駆動するために接地層近くにある必要があるため、低帯域アンバランスアンテナはＰＣＢやＰＷＢ上の接地層に近接した該第１のモジュールにあることが好都合である。

他の実施形態では、低帯域アンテナはいずれかのモジュールにあるか、携帯電話や他の通信デバイス上のどこかに別個に配置されてもよい。

さらなる実施形態において、両アンテナはアンバランスであり、かつアンテナデバイスの同一または別個のモジュールに配置されてもよく、あるいは同様に両方ともバランスであってもよい（後者は特に、Ｃｈｕ−Ｈａｒｒｉｎｇｔｏｎ制限が一般的に問題を呈していないＷＬＡＮ用途を対象としているがこれに制限されない）。

さらなる実施形態において、電磁シールドは、電磁スクリーニング問題と、無線モジュール周辺の個別の導電性スクリーニングフィールドの必要性とを削減するために、モジュールの一体化部分として該第１のモジュールの内部または外部に形成されてもよい。これは、アンテナコンポーネントが第１のモジュールに配置されていない場合にも適用可能である。

物理的構造に関して、第１のモジュールはプラスチック構造体、ＬＴＣＣ（低温共焼成セラミック）構造などのセラミック構造体、ＰＣＢ構造、またはプラスチックキャリアに固定されたフレックス回路であってもよい。

第２のモジュールはまた、これらの方法のうちのいずれかで作られてもよいが、第１および第２のモジュールが同一構造を有するという要件はなく、またこれらの構造および材料が異なることは好都合である場合もある。

一例として、第１モジュールは、メイン（例えば、携帯電話機）ＰＣＢまたはＰＷＢにリフローされたＰＣＢまたはＰＷＢ子（ｄａｕｇｈｔｅｒ）基板であってもよく、また第２のモジュールは、金属プラスチック構造、またはプラスチックキャリアに固定されたフレックス回路であってもよい。第２モジュールは、スナップフィッティング、熱ステーキング、干渉フィット、半田付け、ガラスフリット、接着としての金属化、他の糊付けプロセスを含む、あるいは拡散や溶融プロセスなどを含む多数の技術によって該第１のモジュールに取り付けられてもよい。この取り付けプロセスのリストはすべてではない。

一般的に、第１および第２のモジュールが、互いに相補的な物理的かつ電気的接続や取り付け手段、例えば相互接続や取り付けに適合された第１および第２の外部ケーシングを有することが特に好ましい。

以下のことが想定されている。
本発明の実施形態は、
１．携帯電話機、ＰＤＡおよびラップトップコンピュータなどのデバイスの設計コスト全体を引き下げる。
２．携帯電話機およびラップトップの開発時間をスピードアップさせることによって、商品化までの時間を短縮する。
３．他のコンポーネントに同一空間を共有させることによって、アンテナが占めるＰＣＢの面積を効果的に縮小する。
４．低いシャーシ電流と、ユーザーによるアンテナローディングの削減とによって高帯域における効率を改良する。
５．電力増幅器、フロントエンドモジュールおよびアンテナ間の損失を削減することによって効率を改良する。損失削減は、コンポーネントの良好な整合と近接した物理的配置との両方によって生じる可能性がある。
６．完全な無線ＥＭシールドが低モジュール内に形成されることによって、電磁スクリーニングの問題と、無線モジュール周辺の別個の導電性スクリーニングシールドの必要性とを削減する。
７．特に適合された無線フロントエンドコンポーネントの使用によって、アンテナ設計で使用可能な複雑さを増大させる。これは、性能を改良するために使用可能である。
８．（例えば、５０オーム以外のインピーダンスを使用して）アンテナおよび無線性能を１対として最適化する。
集積アンテナモジュールに対する２モジュールアプローチの利点は、以下のように要約可能である。

１．テスト：ベースユニットは、メイン基板へのリフロー後にテスト可能であり、アンテナはベースユニットへの組み付け前にテスト可能である。
２．開発：放射接続とは反対に導電性接続によってＲＦ回路を開発することはかなり容易であり、これは常に結合器を必要とする。
３．スタッフ：ＲＦエンジニアがベースユニットに対して働くのに対して、アンテナエンジニアは上部ユニットで働く。両者間のインタフェース仕様を一致させることが必要である。
４．タイムスケール：２つのモジュールでの作業は、開発のスピードアップと平行して処理可能である。
５．技術選択：ベースユニットは一技術（例えば、ＬＴＣＣ）によって、上部モジュールは異なる技術（例えば、プラスチック）によって作成可能である。これは、要件がかなり異なるため、両コンポーネントの技術およびコストの利点を最大化する。
６．用途選択：異なるアンテナモジュールは、同一ベースユニットと併用可能であり、逆も同様である。一例によれば、単一のベースユニットが使用されるが、高いアンテナ（例えば、全長７ｍｍ）はクワッドバンド（quadband）性能を得るために携帯電話機で使用され、高くないアンテナ（例えば、５ｍｍ長）はトリバンド（triband）性能が受容可能な場合に使用されてもよい。

本明細書の説明および請求項を通じて、用語「備える（comprise）」および「含有する」と、これらの用語の変形、例えば「備えている（comprising）」および「備える（comprises）」は、「含むが制限されない」ということを意味し、他の部分、添加物、コンポーネント、整数またはステップを排除する意図はない（また排除しない）。

本明細書の説明および請求項を通じて、文脈で必要でない限り単数形は複数形を包含する。特に、不定冠詞が使用される場合、特に文脈で必要のない限り、複数形ならびに単数形を想定していると理解されるべきである。

本発明の特定の態様、実施形態または実施例と関連して説明される特徴、整数、特性、化合物、化学的成分（chemical moieties）または基は、矛盾しない限り、ここに説明された他の態様、実施形態または実施例に適用可能であると理解されるべきである。

本発明の良好な理解のために、また実行される様子を示すために、次に例証として添付の図面を参照する。

図１は、本発明の第１の実施形態を概略的に示している。第１の下部モジュール２および第２の上部モジュール３を備える無線アンテナデバイス１は、導電性接地層（図示せず）を含むＰＣＢ４に搭載される。第１のモジュール２は、すべての無線およびＲＦフロントエンドコンポーネント（電力増幅器、ＲＦスイッチ、フィルタ、ディプレクサ、デュプレクサなど）（図示せず）を内蔵しているのに対して、第２のモジュール３はアンテナコンポーネント（図示せず）を内蔵している。２つのモジュール２および３は、個別ユニットとして製造され、また相補的な物理的かつ電気的接続手段を具備しているため、これらは迅速かつ簡単に嵌合可能である。示されている実施形態において、上部モジュール３は、ＰＣＢ４に平行する面積が下部モジュール２よりも大きい。これによってより大きなアンテナコンポーネントが、追加不動産や、より小さい下部モジュール２によって既に用いられているよりも大きなＰＣＢ４上のフットプリントを用いることなく使用可能になる（従って、性能改良が可能になる）。

図２は、本発明の第２の実施形態を分解して示している。概して２と示される第１の下部モジュールと、概して３と示される第２の上部モジュールとが示されている。

第１のモジュール２は、種々の無線およびＲＦフロントエンドコンポーネント６を担持するＰＣＢ子（daughter）基板５と、ＰＣＢ子基板５の周縁に嵌合するように適合された誘電体ケーシング７と、子基板５の上のケーシング７に嵌合するように適合された低帯域アンバランスＰＩＦＡ８とを備えている。ケーシング７は、親ＰＣＢ４（図２には図示せず）におけるアパーチャにクリップするように適合されたフィート９を含む。ケーシング７はまた、ＰＩＦＡ８をサポートし、かつ子基板５を親ＰＣＢ４上の適所にしっかりと維持する助けとなる内部フランジ１０を含む。

第２のモジュール３は、ＰＩＦＡ８におけるホール１４によって誘電体ケーシング７のフランジ１０の相補的固定ホール１３に接続するように適合されたフィート１２を具備する誘電体ケーシング１１を備えている。最後に、高帯域バランスアンテナ１５はケーシング１１に嵌合される。

電子接続（図示せず）は、アンテナ８および１５を無線コンポーネント６に接続するために提供される。

図３は、図２の無線アンテナデバイスのＳ₁₁リターンロスプロットを示している。良好な帯域幅は低帯域および高帯域の両方で明らかである。

本発明の第１の実施形態を概略的に示す。 本発明の第２の実施形態の分解図を示す。 図２の実施形態のＳ₁₁リターンロスプロットを示す。

Claims (15)

1. 第１および第２の分離可能なモジュールを備えるモジュラー無線アンテナデバイスであって、前記第１のモジュールは、前記デバイスのすべての無線および無線周波数フロントエンドコンポーネントを含み、前記第２のモジュールは、前記デバイスのアンテナコンポーネントのみを含み、前記第１および第２のモジュールは、相互に物理的かつ電気的に接続をするための手段を具備している、デバイス。
2. 第１および第２の分離可能なモジュールを備えるモジュラー無線アンテナデバイスであって、前記第１のモジュールは、前記デバイスのすべての無線および無線周波数フロントエンドコンポーネントと第１のアンテナコンポーネントとを含み、前記第２のモジュールは、前記デバイスの少なくとも第２のアンテナコンポーネントを含み、前記第１および第２のモジュールは、相互に物理的かつ電気的に接続をするための手段を具備している、デバイス。
3. 前記第２のモジュールが少なくともバランスアンテナコンポーネントを含む、請求項１または２に記載のデバイス。
4. 前記第１のモジュールがアンバランスアンテナコンポーネントを含む、請求項２または請求項２の従属請求項のいずれかに記載のデバイス。
5. 前記第１のアンテナコンポーネントが低帯域アンテナコンポーネントであり、前記第２のアンテナコンポーネントが高帯域アンテナコンポーネントである、請求項２または請求項２の従属請求項のいずれかに記載のデバイス。
6. 前記第１のモジュールの前記フロントエンドコンポーネントは電磁シールドを具備している、先行請求項のいずれかに記載のデバイス。
7. 前記第２のモジュールは前記第１のモジュールよりも広い面積に延びている、先行請求項のいずれかに記載のデバイス。
8. 前記第１および第２のモジュールは各々誘電体ケーシングを具備している、先行請求項のいずれかに記載のデバイス。
9. 前記誘電体ケーシングが相補的相互取り付け手段を含む、請求項８に記載のデバイス。
10. 前記第１のモジュールの前記誘電体ケーシングは、プリント回路基板またはプリント書込み基板に取り付けるための手段を含む、請求項８または９に記載のデバイス。
11. 前記誘電体ケーシングはプラスチックまたはセラミック材料からなる、請求項８〜１０のうちのいずれか一項に記載のデバイス。
12. 前記誘電体ケーシングは、プラスチック構造体、ＬＴＣＣ（低温共焼成セラミック）構造などのセラミック構造体、ＰＣＢ構造、またはプラスチックキャリアに固定されたフレックス回路である、請求項１１に記載のデバイス。
13. 前記第１のモジュールの前記ケーシングが、前記第２のモジュールとは異なる材料を備える、請求項１１または１２に記載のデバイス。
14. 前記第１のモジュールが、前記フロントエンドコンポーネントを担持するプリント回路基板（ＰＣＢ）またはプリント書込み基板（ＰＷＢ）と、前記ＰＣＢまたはＰＷＢの周辺部分を形成する第１の誘電体ケーシングと、前記ＰＣＢまたはＰＷＢから間隔をあけられた前記誘電体ケーシングに搭載された低帯域アンバランスアンテナとを備え、前記第２のモジュールが、前記第１の誘電体ケーシングへの取り付け手段を具備する第２の誘電体ケーシングと、前記第２の誘電体ケーシングに搭載された高帯域バランスアンテナとを備える、請求項２に記載のデバイス。
15. 実質的に添付の図面を参照して説明されたり、これに示されたりしているモジュラー無線アンテナデバイス。

Images