JP2009538037A - アンテナ・デバイスおよびそのようなアンテナ・デバイスを備える携帯型無線通信デバイス - Google Patents

Abstract

携帯型無線通信デバイス用の４帯域アンテナ・デバイス（１０）は、異なる長さの２つの放射要素（１２、１４）および異なる長さの２つの共通導体（１８、２０）を備える。共通導体の１つは、アンテナ・デバイスの全電気長を調整するために、無線周波信号に対して入れたり離したり選択的に接続されることがあり、これによって、アンテナ・デバイスを４つの異なる周波数帯域で動作可能にする。

Description

本発明は、全体的にアンテナ・デバイスに関し、より詳細には、移動電話などの携帯型無線通信デバイスで使用するための制御可能な内蔵多帯域アンテナ・デバイスに関する。本発明は、また、そのようなアンテナ・デバイスを備える携帯型無線通信デバイスに関する。

内蔵アンテナは、相当長い間、携帯型無線通信デバイスで使用されている。内蔵アンテナを使用することに関係したいくつかの有利点があり、その有利点は、内蔵アンテナが小型軽量であることだと言われることがあり、移動電話などのサイズおよび重量が重要な用途に対して内蔵アンテナを適するようにしている。携帯型無線通信デバイスでしばしば使用される内蔵アンテナの型は、モノポール・アンテナである。

しかし、モノポール・アンテナは、本質的に１つの周波数帯域で共振する。多帯域動作が必要とされる場合には、アンテナは２以上の離れた周波数帯域で動作するように構成され、異なる共振周波数を有する２つのモノポール・アンテナが設けられることがある。典型的な２帯域電話では、低い方の周波数帯域は９００ＭＨｚ、いわゆるＧＳＭ９００帯域を中心とし、一方で、高い方の周波数帯域は、１８００または１９００ＭＨｚ、すなわちＤＣＳおよびＰＣＳ帯域をそれぞれ中心としている。アンテナ・デバイスの高い方の周波数帯域が十分に広くされて、１８００と１９００ＭＨｚ帯域の両方を含む場合には、３つの異なる標準帯域で動作する電話が得られる。しかし、機能に対する今日の強い要求のために、４またはさらにもっと多くの異なる周波数帯域でも動作するアンテナ・デバイスが求められている。アンテナ・デバイスのコストおよびサイズに関する制限のために、この４帯域動作は実現するのが困難である。

したがって、従来技術のアンテナ・デバイスの問題は、小さなサイズと体積および広い周波数帯域を持った、優れた性能を維持する多帯域アンテナを実現することである。

本発明の目的は、周波数特性が４つの比較的広い周波数帯域を備え、一方でアンテナ・デバイスの全体的なサイズが小さな、先に言及された種類のアンテナ・デバイスを提供することである。

他の目的は、従来技術のデバイスよりも優れた多帯域性能を有するアンテナ・デバイスを提供することである。
本発明は、４つの異なる共振周波数を実現するように異なる長さの２つのブランチとブランチの電気長を調整するスイッチ装置とを備えたアンテナを配列することによって、いくつかの周波数帯域がアンテナ・デバイスに実現されることがあるという認識に基づいている。

本発明の第１の態様に従って、請求項１で定義されるようなアンテナ・デバイスが提供される。
本発明の第２の態様に従って、請求項１０で定義されるような携帯型無線通信デバイスが提供される。

さらに好ましい実施形態が、従属請求項で定義される。
本発明は、スイッチを設けることによって従来技術のデバイスの問題が回避された、または少なくとも軽減されたアンテナ・デバイスおよび携帯型無線通信デバイスを提供する。したがって、少なくとも４つの異なる周波数帯域で動作することができる小型低コストの多帯域アンテナ・デバイスが提供される。

好ましくは、スイッチはＰＩＮダイオードであり、電気制御ＲＦスイッチとして動作するとき優れた特性を有している。
本発明は、今、添付の図面を参照して、例として説明される。

以下において、本発明に従ったアンテナ・デバイスの好ましい実施形態についての詳細な説明が与えられる。本発明の完全な理解を可能にするために、説明し限定しない目的のこの説明では、特定のハードウェア、用途、技術、その他などの特定の詳細が明らかにされる。しかし、当業者には明らかになることであるが、本発明は、これらの特定の詳細から逸脱した他の実施形態で利用されることがある。他の例では、よく知られた方法、装置および回路についての詳細な説明は、不必要な詳細で本発明の説明を曖昧にしないために省略される。

図１は、移動電話などの携帯型無線通信デバイス１の概略を示す。アンテナ・デバイス１０は、プリント回路基板（ＰＣＢ）２に近接して通信デバイスの上部に配列され、ＲＦ供給デバイスおよび接地デバイス（図示されない）に接続されている。

図２に、従来のように可撓性膜などの導電材料から作られた第１の細長いモノポール放射要素１２を備えるアンテナ・デバイス１０が示されている。第２の細長いモノポール放射要素１４が、第１の放射要素と並列に設けられている。

第１および第２の放射要素１２、１４は、接合点１６で第１の共通の細長い導体１８に接続されている。第１の共通導体は、今度は、図１に示された携帯型無線通信デバイス１の中のＲＦ回路などの無線周波信号ＲＦの供給源に接続されている。

第１の共通導体１８および第１の放射要素１２は、直列に接続され、ＧＳＭ８５０帯域などの第１の低い方の周波数帯域ＬＢ１で共振するように互いに構成されている。対応して、第１の共通導体１８および第２の放射要素１４は、ＧＳＭ１８００帯域などの第１の高い方の周波数帯域ＨＢ１で共振するように互いに構成されている。

したがって、２つのブランチ１２、１４と共通導体１８の組合せは、２帯域アンテナ・デバイスとして動作する。
第２の共通導体２０が、第１の共通導体と並列に接続され、第２の共通導体は第１の共通導体よりも電気的に短い。スイッチ要素２２が、好ましくは共通接合点１６の近くで、この第２の共通導体と直列に設けられている。このスイッチ要素は、好ましくはＰＩＮダイオードであり、すなわち、ｐ層とｎ層の間に誘電体障壁として働く低濃度ドープ真性層を有するシリコン接合ダイオードである。理想的には、ＰＩＮダイオード・スイッチは、開モードでは無限大の分離を有する開回路として、また、閉モードでは抵抗損失のない短絡回路として特徴付けられ、ＰＩＮダイオードを電子スイッチとして適したものにしている。実際には、ＰＩＮダイオード・スイッチは、理想的でない。開モードでは、ＰＩＮダイオード・スイッチは容量特性（０．１〜０．４ｐＦ）を有し、これが有限の分離（１ＧＨｚで１５〜２５ｄＢ）をもたらし、また、閉モードでは、このスイッチは、抵抗損失（０．０５〜０．２ｄＢ）をもたらす抵抗特性（０．５〜３オーム）を有している。

また、高域通過フィルタ２４が、この第２の共通導体と直列に設けられ、この高域通過フィルタ２４の機能は以下で説明される。最後に、第２の共通導体２０は、全ての無線周波信号を阻止するように構成された低域通過フィルタ２６を介して接地に接続されている。低域通過フィルタ２６は、アンテナ・デバイス自体かＰＣＢ２に配列された電子回路かのどちらに配列されてもよい。

最後に、ＰＩＮダイオード２２の動作を制御するための、図にＶ_{ｓｗｉｔｃｈ}と示されたＤＣ制御入力が、アンテナ・デバイスのＲＦ特性に影響を及ぼさないようにフィルタ・ブロック２８を介してＲＦ入力に接続されている。このことは、フィルタ・ブロック１６のフィルタ特性が全ての無線周波信号を阻止するように設計されていることを意味する。好ましい実施形態では、フィルタ・ブロック２８は、低域通過フィルタを備える。

アンテナ・デバイスの境界は図に１点鎖線で示されるように設けられることが好ましい。このことは、フィルタ・ブロック２８がＰＣＢ２に配列された電子回路の中に配列されること、およびアンテナ・デバイスに供給される信号が、以下で説明されるように、動作モードに依存してＤＣバイアスされたまたはＤＣバイアスされないＲＦ信号であることを意味する。

アンテナは、好ましくは、５０オームに設計される。
アンテナ・デバイスの切り換えは、次のように機能する。通信デバイスのＲＦ供給源および他の電子回路は、１．５ボルトなどの与えられた電圧で動作する。基準は、電圧レベルがＰＩＮダイオードの両端間に必要な電圧降下、すなわち約１ボルトを生じさせるだけ十分に高いことである。このことは、制御電圧Ｖ_{ｓｗｉｔｃｈ}が、１．５および０ボルトなどの２つの電圧「ハイ」と「ロー」の間でそれぞれ切り換えられることを意味する。Ｖ_{ｓｗｉｔｃｈ}がハイのとき、ＤＣ制御入力から低域通過フィルタ２８を通り、第１の共通導体１８を経由し、ＰＩＮダイオード２２および第２の共通導体２０の部分を通り、最後に、低域通過フィルタ２６を通って接地に流れるＤＣ電流がある。このＤＣ電流は、ＰＩＮダイオード２２の両端間の電圧降下および約５〜１５ｍＡのそこを通過する対応する電流を生じる。この電圧降下は、ダイオードを導電性にし、ＲＦ信号に対して第２の共通導体２０を実効的に導電性にする。制御電圧Ｖ_{ｓｗｉｔｃｈ}が「ロー」の状態で、ＰＩＮダイオード２２を導電性にするのに不十分な電圧降下がＰＩＮダイオード２２の両端間にあり、すなわち、ＰＩＮダイオード２２は「開」いており、第２の共通導体２０のどんなＲＦ信号でも実効的に阻止する。

スイッチが閉じた状態で、第１の共通導体１８よりも短い第２の共通導体２０の電気長が、アンテナ・デバイスの全電気長を決定する。したがって、直列に接続された第２の共通導体２０および第１の放射要素１２は、ＧＳＭ９００帯域などの第２の低い方の周波数帯域ＬＢ２で共振するように互いに構成されている。対応して、第１の共通導体１６および第２の放射要素１４は、ＧＳＭ１９００帯域などの第２の高い方の周波数帯域ＨＢ２で共振するように互いに構成されている。

まとめると、２つの細長い放射要素１２、１４および２つの共通導体１８、２０のサイズおよび構成は、スイッチが開いた状態で８５０および１８００ＭＨｚ帯域およびスイッチが閉じた状態で９００および１９００ＭＨｚ帯域などの所望の共振周波数を得るように選ばれる。

実効放射要素の寸法のこの変化は、アンテナ・デバイスの共振周波数を調整する。このことは図３で理解され、図３では、点線の曲線は、スイッチが開いた状態、すなわちＶ_{ｓｗｉｔｃｈ}がハイの状態での動作モードに対応し、実線の曲線は、スイッチが閉じた状態、すなわちＶ_{ｓｗｉｔｃｈ}がハイの状態での動作モードに対応する。このことは、上述の８５０／９００／１８００／１９００ＭＨｚ帯域などの４つの異なる周波数帯域で動作することができるアンテナ・デバイスが得られることを意味する。

図３に示された共振周波数の調整は、いわゆる折畳み電話で有利に使用されることがある。この種の通信デバイスでは、内蔵アンテナ要素の共振周波数は、電話の位置が折畳みモードから開きモードに変えられたとき、周波数が低い方へ動く傾向がある。本発明のアンテナ・デバイスでは、電話が開かれたとき、共振周波数の動きは、スイッチ２２を閉じることによって打ち消されることがある。したがって、電話が折り畳まれた状態で、制御電圧Ｖ_{ｓｗｉｔｃｈ２}はローであり、電話が開かれた状態で、制御電圧はハイである。そして、アンテナ・デバイスは、通信デバイスの動作モード（折畳み／開き）に関係なく基本的に一定の共振周波数を有する２帯域アンテナとして動作する。

図３に示された共振周波数の調整は、また、２帯域バー電話で有利に使用されることがある。移動通信に使用される周波数帯域では、送信（ＴＸ）および受信（ＲＸ）周波数は、ほぼ４５〜９０ＭＨｚだけ離れている。周波数調整を使用することで、ＴＸおよびＲＸ周波数を含んだより広い周波数帯域の代わりに周波数をＴＸおよびＲＸ周波数に調整することによって、ほぼ最適な効率が得られることがある。

図４に、本発明に従ったアンテナ・デバイスの第２の実施形態が示されている。これは、大抵の態様において、図２を参照して説明されたものと全く同じである。しかし、高域通過フィルタ２４と第１の共通導体１８の間の、第１のスイッチ要素２２が設けられている場所と反対側の第２の共通導体の端部に、追加のＰＩＮダイオードの形の第２のスイッチ要素３０が設けられている。このことは、スイッチが開いた状態で動作するとき、第２の共通導体２０の減結合を改善する。

図５に、本発明に従ったアンテナ・デバイスの第３の実施形態が示されている。これは、大抵の態様において、図２を参照して説明されたものと全く同じである。しかし、第１の共通導体１８の近くに導電性の細長い寄生要素３２が設けられている。この寄生要素は、１つの端が接地されており、約２．４ＧＨｚまたは約３ＧＨｚ（ＷＣＤＭＡ）で動作するＢｌｕｅｔｏｏｔｈ周波数帯域などの、アンテナ・デバイスの第５の周波数帯域を可能にする。

図６に、本発明に従ったアンテナ・デバイスの第４の実施形態が示されている。これは、異なる長さの２つの並列導体を入れたり離したり切り換えることによって放射要素の長さを調整するという上記の一般的な概念を使用し、この場合にはいわゆる平面逆Ｆ型アンテナ（ＰＩＦＡ）に適用される。ＰＩＦＡは、スロットによって第１のブランチ１１２と第２のブランチ１１４に分割されたほぼ平面の伝導板を備える。上述の第１の放射要素１２に機能的に対応する第１のブランチ１１２は、上述の第２の放射要素１１４に機能的に対応する第２のブランチ１１４よりも長い。伝導板と接地の間に接地接続１１６が設けられている。

モノポール・アンテナに適用される切り換えの概念は、このＰＩＦＡに対しても同じであり、これによって、アンテナ・デバイスを４つの異なる周波数帯域で動作可能なように作る。

本発明に従ったアンテナ・デバイスの好ましい実施形態が説明された。しかし、これらの実施形態は添付の特許請求の範囲内で変えられることがあることは、理解されるであろう。したがって、ＰＩＮダイオードは、スイッチ要素として説明された。ＧａＡｓスイッチ、最も好都合には単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチ、またはトランジスタ・スイッチなどのスイッチ要素の他の種類も同様に使用されることがあることは理解されるであろう。

ＰＩＦＡは図６に示されたが、発明の概念がいわゆる逆Ｆ型アンテナ（ＩＦＡ）にも応用可能であることは理解されるであろう。

本発明に従ったアンテナ・デバイスを備える携帯型無線通信デバイスを示す全体図。 本発明に従ったアンテナ・デバイスの第１の実施形態を示す模式図。 図２に示されたアンテナの動作モードを示す周波数図。 本発明に従ったアンテナ・デバイスの第２の実施形態を示す模式図。 寄生要素を含んだ本発明に従ったアンテナ・デバイスの第３の実施形態を示す模式図。 ＰＩＦＡを備えた本発明に従ったアンテナ・デバイスの第４の実施形態を示す模式図。

Claims (10)

1. 少なくとも４つの異なる周波数帯域で動作可能な携帯型無線通信デバイス用のアンテナ・デバイスであって、
   第１の導電性放射要素（１２、１１２）と、
   第２の導電性放射要素（１４、１１４）と、
   該第１および第２の放射要素を接続する接合（１６）と、
   該接合点とＲＦ信号の供給源との間に配列された第１の導体（１８）とを備えたアンテナ・デバイスにおいて、
   該接合点とＲＦ信号の該供給源との間に配列され、該第１の導体（１８）の電気長よりも短い電気長を有する第２の導体（２０）と、
   該第２の導体と直列に設けられたスイッチ要素（２２）であって、該スイッチを流れる電流によって制御することができる制御可能なスイッチ要素（２２）と、
   該第２の導体と直列に設けられた、該少なくとも４つの異なる周波数帯域よりも低い周波数を有する信号を阻止するように構成された第１のフィルタ・ブロック（２４）とを備えることを特徴とするアンテナ・デバイス。
2. 前記第２の導体と接地との間に配置された第２のフィルタ・ブロック（２６）を備え、該第２のフィルタが前記少なくとも４つの異なる周波数帯域の信号を阻止するように構成されている、請求項１に記載のアンテナ・デバイス。
3. 前記第１の導体と制御電圧入力（Ｖ_{ｓｗｉｔｃｈ}）との間に配置された第３のフィルタ・ブロック（２８）を含む、請求項１に記載のアンテナ・デバイス。
4. 前記制御可能なスイッチ要素（３０、１３０）が、ＰＩＮダイオードを含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ・デバイス。
5. 前記制御可能なスイッチ要素（３０、１３０）が、ＧａＡｓスイッチを含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ・デバイス。
6. 前記第１および第２の放射要素（１２、１４）が、細長いモノポール放射要素である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアンテナ・デバイス。
7. 前記第１および第２の放射要素（１１２、１１４）が、逆Ｆ型アンテナの一部分である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアンテナ・デバイス。
8. 前記第１のフィルタ・ブロック（２４）と前記第１の導体（１８）との間の、前記制御可能なスイッチ要素（２２）が設けられた場所と反対側の前記第２の導体の端部に設けられたさらなる制御可能なスイッチ要素（３０）を備える、請求項１乃至７のいずれかに記載のアンテナ・デバイス。
9. 前記第１の導体（１８）の近くに設けられた導電性の細長い寄生要素（３２）を備える、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のアンテナ・デバイス。
10. 少なくとも４つの異なる周波数帯域で動作可能なアンテナ・デバイスを備える携帯型無線通信デバイスであって、該アンテナ・デバイスが、
    第１の導電性放射要素（１２、１１２）と、
    第２の導電性放射要素（１４、１１４）と、
    該第１および第２の放射要素を接続する接合（１６）と、
    該接合点とＲＦ信号の供給源の間に配列された第１の導体（１８）と、を備えたアンテナ・デバイスにおいて、
    該接合点とＲＦ信号の該供給源の間に配置され、該第１の導体（１８）の電気長よりも短い電気長を有する第２の導体（２０）と、
    該第２の導体と直列に設けられた制御可能なスイッチ要素（２２）であって、該スイッチ（２２）を流れる電流によって制御することができる制御可能なスイッチ要素（２２）と、
    該第２の導体と直列に設けられ、該少なくとも４つの異なる周波数帯域よりも低い周波数を有する信号を阻止するように構成された第１のフィルタ・ブロック（２４）と、
    前記第２の導体と接地の間に配列された第２のフィルタ・ブロック（２６）であって、前記第１のフィルタが該少なくとも４つの異なる周波数帯域の信号を阻止するように構成されている第２のフィルタ・ブロックと、
    前記第１の導体と制御電圧入力（Ｖ_{ｓｗｉｔｃｈ}）の間に配列された第３のフィルタ・ブロック（２８）とを備えることを特徴とするアンテナ・デバイス。

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