JP2009501468A - ダイバーシチ次数２のアンテナシステム及び該アンテナシステムを備えた無線通信装置用のカード - Google Patents

Abstract

【課題】無線通信用の電子カードに容易に一体化することができかつ優れた非相関性を有するダイバーシチ次数２の非常に小型のアンテナシステムを提供する。
【解決手段】メタライゼーション面（２）を備えた同一の基板（１）上に、各々がメタライゼーション面側にプリントされた逆Ｆアンテナで構成された第１及び第２の放射要素（３，４）を備えたダイバーシチ次数２のアンテナシステムである。第１及び第２の放射要素は、基板の外周近傍に互いに垂直に位置しており、接地部（３２，４２）を構成するそれらの先端によって互いに接続されている。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、次数２のダイバーシチアンテナシステムに関する。また、本発明は、このようなアンテナシステムを備えた無線通信用のカードに関する。

特に室内の無線通信領域においては、マルチパス現象が生じる。この現象は、受信信号の品質について大きな不利益をもたらす可能性がある。実際に、信号減衰や干渉現象を発生させる。

受信信号のこのような変動に関する問題を解決するために、ダイバーシチ技術が一般に用いられる。ＷＩＦＩ（ワイファイ、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｆｅｄｉｌｉｔｙ）無線通信装置で広く用いられている１つの解決法は、２つのアンテナを設け、最良のものを選択するようにこれらアンテナの一方又は他方に切り替えするものである。正しいダイバーシチを行うために、両方のアンテナが全く相関していない必要がある。従って、これらアンテナは、互いに充分に離れていねばならない。

このため、ＷＩＦＩ装置において最も一般的に用いられアンテナシステムは、ダイポール型の２つの外部アンテナで構成されている。この方法は、アンテナがフレキシブルな同軸ケーブルによって無線カードに接続されているため、より一体化し易いという利点を有する。しかしながら、この方法はコストが比較的高い。さらに、アンテナが外部構造であるため、壊れやすく、容易に破壊や損傷される可能性がある。

このような問題を解決するため、アンテナを無線カード内に一体化することが試みられてきており、種々の技術が提案されている。２００３年１１月１３日に公開された特許文献１には、周辺に２つのＰＩＦＡアンテナ（板状逆Ｆアンテナ、Ｐｌａｎｅｒ Ｉｎｖｅｒｔｅｄ−Ｆ−Ａｎｔｅｎａ）を備えた電子カードが記載されている。この場合、２つのＰＩＦＡアンテナの各々は、放射板と、一方が接地面を他方が給電線を構成する２つの垂直タブとから構成されている。従ってこのアンテナは無視できない厚さを有している。さらに、アンテナ間の非相関性を良好にするため、両アンテナは互いに離れている。このため、特許文献１に記載されているシステムは、扱いにくく、カードに３Ｄ（３次元）金属部品を接着する必要がある。さらに、２００３年１２月４日に公開された特許文献２には、移動電話ディスプレイの無線周波数選別用箔内に実現された逆Ｆアンテナによって構成される２周波帯アンテナが記載されている。この場合も、先のケースと同様に、アンテナ間の非相関性を良好にするため、２つのアンテナは互いに離れている。

米国特許公開公報第２００３／０２１０１９１号 米国特許公開公報第２００３／０２２８２３号

従って本発明の目的は、無線通信用の電子カードに容易に一体化することができかつ優れた非相関性を有するダイバーシチ次数２の非常に小型のアンテナシステムを提供することにある。

本発明によれば、同一の基板上に、基板の外周近傍の２つの隣り合う辺部に位置する第１及び第２の放射要素を備えたダイバーシチ次数２のアンテナシステムが提供される。基板がメタライゼーション面を備えており、第１及び第２の放射要素の各々が、基板のメタライゼーション面側にプリントされた逆Ｆアンテナで構成されており、第１及び第２の放射要素が、２つの隣り合う辺部によって形成されるコーナーにおいて基板上に位置していると共にメタライゼーション面に接続されたそれらの先端において互いに接続されている。これにより、本発明のアンテナシステムは、矢尻の形状を有している。

２つのアンテナが近接しているにもかかわらず、非常に小型のアンテナシステムを提供できるこの解決法は、両方のアンテナ間に良好な非相関性を有している。得られる非相関性特性は、従来技術の文献に記載されているように非相関性を得るために２つの放射要素間の距離を離すか又は接地要素を追加する傾向にある当業者の思想とはかけ離れたものである。

本発明の１つの態様によれば、逆Ｆアンテナが、メタライゼーション面でエッチング形成されている。

本発明の他の態様によれば、多層基板の場合、逆Ｆアンテナが、基板の少なくとも２つのメタライゼーション面でエッチング形成されており、エッチングによって形成された複数のストランドがビア又はメタライズされた孔によって接続されている。

さらに、逆Ｆアンテナが、基板の一方の辺に平行な導電性ストランドを備えており、導電性ストランドが基板のメタライゼーション面に接続された１つの先端部分によって延長されており、アンテナが導電性ストリップに垂直なインピーダンス整合された給電線に接続されている。

好ましくは、導電性ストランドの共振周波数が以下の式、
Ｄ１＋Ｈ ＝ ｃ／（４Ｆ_ｒｅｓ√（ε_ｅｆｆ））
（ただし、ｃは真空中における光の速度、ε_ｅｆｆは伝搬環境における実効透磁率、Ｆ_ｒｅｓは共振周波数、Ｄ１は前記導電性ストランドの自由端及び前記給電線との接続点間における該導電性ストランドの長さ、Ｈは前記導電性ストランド及び前記基板の前記メタライゼーション面間の高さ）で与えられる。

２つの放射要素の導電性ストランドの長さが互いに同一であるか又は互いに異なることも好ましい。

本発明の他の特徴点によれば、２つの放射要素間の非相関性を改善するために、メタライゼーション面に接続されたそれらの先端部において、スロットが形成されている。このスロットの長さは、スロットの共振周波数が少なくとも１つのアンテナの共振周波数に整合するように選択され得る。これにより、得られるアンテナの動作周波数帯を広げることができる。

本発明によれば、さらに、上述したダイバーシチ次数２のアンテナシステムを備えた無線通信装置用の電子カードが提供される。

本発明の他の特徴及び効果は、添付図面を参照して説明される種々の実施態様に関する以下の記載から明らかとなるであろう。

図の説明を簡単にするため、同一の要素は同一の参照番号を有している。

まず、本発明によるダイバーシチ次数２のアンテナシステムの一実施形態について、図１ａ〜４を参照して説明する。

図１ａに示すように、メタライゼーション面２を形成する導電層を少なくともその上面に備えた基板１上に、２つの逆Ｆアンテナ３及び４が形成されている。これらアンテナ３及び４は、アンテナ３及び４が互いに垂直となりそれらの先端で接続されて接地部を構成するように、基板１の外周に沿って接地面（メタライゼーション面）２をエッチングすることによって形成される。この形態において、アンテナシステムは、矢尻の形状を有している。

より特定的には、図１ａに明確に示されているように、全長Ｌを有しておりかつ基板１の１つの端縁に沿って位置しているアンテナ３は、長さＤ１の第１の部分３０及び長さＤ２の第２の部分３１を有する導電性ストランド（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｔｒａｎｄ）を備えている。第２の部分３１は、接地面２に接続されている接地部を構成する部分３２によって延長されている。２つの部分３０及び３１は、導電性ストランドに垂直な給電線３３によって給電されている。この給電線３３は、ポート３４で終端しており、５０Ωに整合するインピーダンスとなっている。同様に、逆アンテナ４は、接地部４２を構成する部分と、この部分４２によって延長された第２の部分４１と、この第２の部分４１によって延長された第１の部分４０とを有する導電性ストランドを備えている。この部分４２は、基板の外側コーナーにおいてアンテナ３の接地部を構成する部分３２に接続されている。部分４０及び４１は、ポート４４に接続されており５０Ωに整合するインピーダンスの給電線によって給電されている。

本発明によれば、アンテナ３及び４の共振周波数は、下式から得られる、
Ｄ１＋Ｈ ＝ ｃ／（４Ｆ_ｒｅｓ√（ε_ｅｆｆ））
ここで、Ｄ１は導電性ストランドの部分３０又は４０の長さであり、Ｈは接地面２と導電性ストランドとの間の高さ又は寸法であり、ｃは真空中における光の速度であり、ε_ｅｆｆは伝搬環境における実効透磁率であり、Ｆ_ｒｅｓは導電性ストランドの共振周波数である。

この場合、部分３１又は４１の寸法は、導電性ストランドの共振部分３０又は４０の入力インピーダンスで動作するように選択される。従って、一定周波数において、即ちＨ及びＤ１の組について、Ｄ２を増大（減少）させることは、共振ストランドの入力インピーダンスを低減（増大）させる効果を有する。接地部３２及び４２を構成する部分は、接地面に接続されている。これらの部分は長さＤ３を有しており、この長さはアンテナシステムを電子カードに一体化するための自由度を提供する。もちろん、電流の流れないこの部分は、カードとの一体化を可能にしかつ全体の機械的耐性を与えるための取り付けピン又は金属による他の要素を支持することができる。

ＨＦＳＳ（高周波３次元電磁界シミュレータ）−Ａｎｓｏｆｔ（アンソフト）ブランドとして知られている、有限要素法に基づく市販の電磁界シミュレータを用いて、３Ｄ（３次元）シミュレーションを行った。このシミュレーションは、総厚が１．６ｍｍ、誘電率ε_ｒが４．４のＦＲ−４多層基板を用いて行った。図１ｂに示すように、基板の積層構造は、２５４μｍ厚のプリプレグとして知られている材料による２つの外側層と、８８９μｍ厚の１つのＦＲ−４内側層とを備えたＦＲ−４基板から構成されている。これら３つの基板層間の接触面は、３５μｍ厚の銅による２つの内側層によって構成されている。２つの外側導電層又はメタライゼーション面は、１７．５μｍ厚の銅によって形成されている。

給電線は、信号用に基板１の上部層上で、接地用に接地面２上で規定されている。シミュレーションのために、矢尻は、基板の全厚上にメタライズされており、これは接地面についても同様である。

図１に示した逆Ｆアンテナシステムは、以下の寸法を有している、
Ｄ１＝１４．４ｍｍ
Ｄ２＝１２ｍｍ
Ｄ３＝１８ｍｍ
Ｈ＝６ｍｍ
Ｗ＝２ｍｍ
Ｌ＝４５．５ｍｍ。

この種のアンテナシステムは、２．４ＧＨｚから２．５ＧＨｚの周波数帯で動作する。

本実施形態においては、両方の逆Ｆアンテナが同一である。しかしながら、本発明の趣旨を逸脱することなく、互いに異なる周波数帯で動作するように、両アンテナ３及び４が互いに異なる長さを有していても良いことは明らかである。

図２のインピーダンス及びアイソレーション特性Ｓ１１、Ｓ２２及びＳ２１は、シミュレーションの結果を示している。図２の特性Ｓ１１及びＳ２２は、関係する全周波数帯幅、即ち２．４〜２．５ＧＨｚ、に渡って、２つのポート３２及び４２のインピーダンスマッチング特性が−１５ｄＢより大きい（負に大きい）ことを示している。さらに、アイソレーション特性Ｓ２１が−１４ｄＢであることを示している。

図３及び４に示すように、即ち、アンテナ３の放射については図３に、アンテナ４の放射については図４にそれぞれ示すように、２つの放射パターンは、φ＝−４５°の方向に対応しているパターンの矢尻方向で規定される対称軸に関して良好な非相関性を示している。

このように、ダイバーシチ次数２の非常に小型のアンテナ構造を有し、２つのアンテナが互いに非常に接近しておりかつプリント技術を用いて形成されることにより、２つのアンテナ間の良好な非相関性が得られることが当業者であれば明らかである。

次に、図５及び６を参照して、本発明によるアンテナシステムの他の実施形態について説明する。

この実施形態においては、接地面２を備えた基板１のメタライゼーションをエッチングすることにより、２つの逆Ｆアンテナ３′及び４′が構成されている。寸法をさらに低減させるため、図５に示すアンテナシステムは、長さＤ３が減少せしめられた接地部３２′又は４２′を形成する部分をアンテナ３′及び４′の各々が有している。このタイプの構造について、長さＤ３を１０ｍｍとして、前述したようにシミュレーションした。

図６の特性がシミュレーションの結果を示している。この場合、インピーダンスマッチング特性Ｓ１１及びＳ２２は、２．４〜２．５ＧＨｚの周波数帯で、インピーダンスマッチングが−１５ｄＢより大きい（負に大きい）ことを示している。さらに、アイソレーション特性Ｓ２１が−１２ｄＢに上昇している。また、長さＤ３が短いことから接地帰路点がより接近している。

次に、図７〜１０を参照して、本発明によるアンテナシステムのさらに他の実施形態について説明する。この実施形態では、逆Ｆアンテナ３及び４は、図１のアンテナと同一である。しかしながら、図７に示すように、基板１全体の上に設けられた接地面２′の一部のみがくり抜かれている。このタイプのアンテナシステムについて、前述した装置を用いてシミュレーションした。

図７の実施形態においてシミュレートしたアンテナシステムは、以下の寸法を有している、
Ｄ１＝１２．４ｍｍ
Ｄ２＝１２ｍｍ
Ｄ３＝１８ｍｍ
Ｈ＝６ｍｍ
Ｗ＝２ｍｍ
Ｌ＝４３．５ｍｍ。

ストランドの先端と接地面２′との間の距離ｅは、７ｍｍである。

図８のインピーダンスマッチング特性Ｓ１１及びＳ２２並びにアイソレーション特性Ｓ２１に示すように、インピーダンスマッチングは２．５ＧＨｚ付近の周波数帯において非常に良好なままであるが、Ｓ２１で表すアイソレーション特性は−１２ｄＢである。

図１の実施形態の場合と同様に、図９及び１０のパターンが示すように、即ち、アンテナ３の放射については図９に、アンテナ４の放射については図１０にそれぞれ示すように、パターンのダイバーシチは保たれている。

次に、図１１〜１５を参照して、本発明によるアンテナシステムのまたさらに他の実施形態について説明する。この実施形態においては、接地面２を備えた基板１上に、図１の実施形態の場合と同様に、２つの逆Ｆアンテナが構成されている。

しかしながら、逆Ｆアンテナ３及び４間の非相関性を改善するために、接地部３２及び４２を構成する部分で接地面がエッチングされている。このエッチング処理は、図１１に示すように、スロット６を形成する。このエッチング処理は、２つの逆Ｆアンテナ３及び４間のアイソレーションを増大させることができる。

図１１に示す構造について、前述した装置を用いてシミュレーションした。この場合、シミュレーションには、以下の寸法が用いられる、
Ｄ１＝１５．４ｍｍ
Ｄ２＝１２ｍｍ
Ｄ３＝１８ｍｍ
Ｈ＝６ｍｍ
Ｗ＝２ｍｍ
Ｌ＝４６ｍｍ。

スロット６は、２ｍｍの幅及び２３ｍｍの長さを有している。接地面に形成されるこのスロットは、図１１に示すように、パターンの対称性を維持するべく、アンテナシステム構造の対称軸上に配置された矩形スロットである。

図１１のアンテナシステムにおけるインピーダンスマッチング特性Ｓ１１及びＳ２２並びにアイソレーション特性Ｓ２１を表す図１２から、２つのポート間のアイソレーションが−２２ｄＢまで向上していること表されている。２．５ＧＨｚ付近の全周波数帯におけるインピーダンスマッチングも表されている。

従って、スロット６が存在することは、図１３及び１４に示すように、即ち、アンテナ３の放射については図１３に、アンテナ４の放射については図１４にそれぞれ示すように、アンテナ３及び４の放射間の非相関性を高めることができる。

スロット６の共振周波数をアンテナ３及び４の共振周波数に近づけるように、このスロット６の寸法を調整することが可能である。これにより、図１５に示すように、アンテナの動作周波数帯を広げられる。スロットの存在しない構造に対して、このアンテナシステムは、インピーダンスマッチングの第２のピーク（Ｓ１１＜−１０ｄＢ）が、スロットの共振周波数に対応する２．１ＧＨｚ近辺で観察される。この第２のピークは、２ＧＨｚから２．５ＧＨｚに渡って全構造のインピーダンスマッチングに貢献する。即ち、スロットの存在しない場合に１６％の周波数帯幅であるのに対し、２２％の周波数帯幅となっている。

図１６には本発明によるアンテナシステムのさらに他の実施形態が示されている。この実施形態では、少なくとも１つの上部導電層と１つの下部導電層とを備える基板１上に、基板の一方の面側のストランド３Ａ及び他方の面側のストランド３Ｂをエッチングすることによって、さらにアンテナ４についても同様にエッチングすることによって、２つの逆Ｆアンテナがエッチング形成されている。これらのストランド３Ａ及び３Ｂ又はストランド４Ａ及び４Ｂは、図１６に示すように、ビア又はメタライズされた孔３Ｃによって接続されている。この実施形態の効果は、ストランドの周波数帯を広げられることにある。図１６は、２つの金属層上にエッチング形成された逆Ｆアンテナを示している。しかしながら、本発明は、メタライズされた孔によって接続された数個の層上にエッチング形成されたアンテナに対しても適用することができる。

当業者が上述した複数の実施形態を種々の方法で修正できることは明らかである。本発明によれば、非常に厳しいコスト上の制約及びＷＩＦＩ装置のような無線通信装置のマザーボードに極めて容易に一体化することと両立しつつ、ダイバーシチ次数２の放射を一体化したアンテナの解決法を提供することができる。上述したアンテナシステムの一体化は、全無線通信装置について可能である。アンテナとのアクセスは、５０Ωに整合したインピーダンスで行われ、ＳＰＤＴ（単極双投、Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｒｔ Ｄｏｕｂｌｅ Ｔｈｒｏｗ）又はＤＰＤＴ（双極双投、Ｄｏｕｂｌｅ Ｐｏｒｔ Ｄｏｕｂｌｅ Ｔｈｒｏｗ）スイッチへ直接的に一体化することができる。また、システムの寸法は既に存在しているカードに使用することが非常に容易である。

本発明によるシステムの一実施形態の部分斜視図である。 使用する基板を非常に概略的に示した図である。 図１のシステムにおける種々のインピーダンスマッチング及びアイソレーション特性を示す図である。 図１のシステムにおけるアンテナの一方を励振することによって得られる放射パターンを示す図である。 図１のシステムにおけるアンテナの他方を励振することによって得られる放射パターンを示す図である。 本発明によるシステムの他の実施形態の部分斜視図である。 図５のシステムにおけるインピーダンスマッチング及びアイソレーション特性を示す図である。 本発明によるシステムのさらに他の実施形態の部分斜視図である。 図７のシステムにおけるインピーダンスマッチング及びアイソレーション特性を示す図である。 図７のシステムにおけるアンテナの一方を励振することによって得られる放射パターンを示す図である。 図７のシステムにおけるアンテナの他方を励振することによって得られる放射パターンを示す図である。 本発明によるシステムのまたさらに他の実施形態の部分斜視図である。 図１１のシステムにおける種々のインピーダンスマッチング及びアイソレーション特性を示す図である。 図１１のシステムにおけるアンテナの一方を励振することによって得られる放射パターンを示す図である。 図１１のシステムにおけるアンテナの他方を励振することによって得られる放射パターンを示す図である。 スロット幅を最適化した場合の、図１１の実施形態のアンテナシステムにおけるインピーダンスマッチング及びアイソレーション特性を示す図である。 本発明によるアンテナシステムのさらに他の実施形態の部分斜視図である。

符号の説明

１ 基板
２、２′ 接地面、メタライゼーション面
３、３′、４、４′ 逆Ｆアンテナ
６ スロット
３０、４０ 第１の部分
３１、４１ 第２の部分
３２、３２′、４２、４２′ 接地部
３３、４３ 給電線
３４、４４ ポート
３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ ストランド
３Ｃ ビア又はメタライズされた孔

Claims (10)

1. 同一の基板（１）上に、該基板の外周近傍の２つの隣り合う辺部に位置する第１及び第２の放射要素（３，４）を備えたダイバーシチ次数２のアンテナシステムであって、前記基板（１）がメタライゼーション面（２）を備えており、前記第１及び第２の放射要素の各々が、前記基板の前記メタライゼーション面側にプリントされた逆Ｆアンテナで構成されており、前記第１及び第２の放射要素が、前記２つの隣り合う辺部によって形成されるコーナーにおいて前記基板上に位置していると共に前記メタライゼーション面に接続されたそれらの先端において互いに接続されていることを特徴とするアンテナシステム。
2. 各逆Ｆアンテナが、前記メタライゼーション面でエッチング形成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 各逆Ｆアンテナが、前記基板の少なくとも２つのメタライゼーション面でエッチング形成されており、該エッチングによって形成された複数のストランドがビア又はメタライズされた孔によって接続されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記逆Ｆアンテナ（３，４）が、前記基板の一方の辺に平行な導電性ストランド（３０，３１；４０，４１）を備えており、前記導電性ストランドが前記基板の前記メタライゼーション面に接続された１つの先端部分（３２，４２）によって延長されており、前記アンテナが前記導電性ストリップに垂直なインピーダンス整合された給電線（３３，４３）に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記アンテナが以下の式、
   Ｄ１＋Ｈ ＝ ｃ／（４Ｆ_ｒｅｓ√（ε_ｅｆｆ））
   （ただし、ｃは真空中における光の速度、ε_ｅｆｆは伝搬環境における実効透磁率、Ｆ_ｒｅｓは共振周波数、Ｄ１は前記導電性ストランドの自由端及び前記給電線との接続点間における該導電性ストランドの長さ、Ｈは前記導電性ストランド及び前記基板の前記メタライゼーション面間の高さ）を用いて得られた共振周波数を有することを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 前記２つの放射要素の導電性ストランドの長さが同一であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記２つの放射要素の導電性ストランドの長さが異なることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記２つの放射要素（３，４）の間に、前記メタライゼーション面に接続されたそれらの先端部において、スロット（６）が形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記スロットの長さは、該スロットの共振周波数が少なくとも１つのアンテナ（３又は４）の共振周波数に整合するように選択されていることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載のダイバーシチ次数２のアンテナシステムを備えたことを特徴とする無線通信装置用の電子カード。

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