JP2011528519A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、接地面と、給電素子と、給電素子に結合された放射素子であって、接地面と略平行で、かつ給電素子及び短絡素子によって当該接地面から垂直方向に離間された放射素子と、を備える新規のアンテナ装置に関する。アンテナは、スイッチ素子によって接地面と結合された導電性部であって、接地面のサイズを変更するように構成された導電性部をさらに備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、アンテナに関するものであり、特にハイバンド(High Band)への影響なしに、例えばＧＳＭ８５０とＧＳＭ９００とを切り替える、切り替え技術を備える、半平面型逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ：semi-Planar Inverted F-Antenna）に関する。

例えば携帯電話や他の無線電話、無線ネットワーク（ＷｉＬＡＮ）コンポーネント、ＧＰＳ受信機、移動体無線装置、ページャ等の無線通信装置は、複数の無線通信周波数帯において無線信号を送受信するマルチバンドアンテナを使用している。故に、無線デバイスの重要な構成要素の１つはアンテナであり、アンテナは高い信号強度、弱い信号の良好な受信、拡張された（必要に応じて狭められた）帯域、及び小型化という高いパフォーマンスについての要求を満たすべきである。

平面逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）は多くの利点を有する。当該アンテナは、簡単に組み立てられ、単純構造を有し、製造コストもわずかである。今日、ＰＩＦＡは例えば携帯電話等の小型通信デバイスにおいて幅広く使用されている。これは、ＰＩＦＡのサイズが小型であるため、保護されたアンテナを提供するデバイス筐体への実装が容易だからである。ＰＩＦＡは、暴露の点について、例えば一般的なホイップアンテナに対しても更なる利点を提供する。ホイップアンテナが全方向性の放射場を有するのに対し、ＰＩＦＡはユーザに向かう放射場を比較的制限している。ＰＩＦＡは一般的にλ／４共鳴構造であり、導電性の壁、板、あるいは柱を用いて、放射素子を接地面に短絡させることにより実現されている。従って、従前のＰＩＦＡ構造は、接地面に対して平行に配置された導電性の放射素子から構成され、通常は空気である誘電体により接地面と絶縁されている。当該放射素子は、通常は素子の一端に向かって配置される２つのピンに接続され、側面からみたときに逆”Ｆ”字状の外観を与える。第１のピンは接地面に放射素子を電気的に接続し、第２のピンはアンテナ給電装置を導く。ＰＩＦＡの周波数帯域幅、ゲイン、及び共振周波数は、導電性放射素子の高さ、幅、及び奥行きと、放射素子及び接地面に接続された第１のピンとアンテナ給電装置に接続された第２のピンとの距離とに依存する。

図２は、従前のＰＩＦＡ（２００）の構造を示している。従前のＰＩＦＡ（２００）はアンテナの放射素子（２０９）を形成する導電性の板を含む。放射素子（２０９）は基板（２１１）上に形成された接地面（２１０）に対して略平行に配置される。放射素子（２０９）と接地面（２１０）とのを平行に配置することで最適なパフォーマンスを提供するが、他の配置関係としてもよい。放射素子（２０９）は、同調素子または短絡素子（２１２）を介して接地面（２１０）に電気的に接続される。大抵の場合、同調素子または短絡素子（２１２）は、放射素子及び給電素子の一方に配置される。給電素子（２１３）は、接地面（２１０）から電気的に多少絶縁されている。接地面（２１０）上に取り付けられた放射素子（２０９）に対して、給電素子（２１３）を介して電流が供給されると、放射素子（２０９）及び接地面（２１０）は励起され、放射デバイスとして機能する。ＰＩＦＡ（２００）の動作周波数あるいは共振周波数は、放射素子（２０９）の大きさ及び形状の調整、あるいは同調素子（２１２）に対する給電素子（２１３）位置の移動により変更されうる。共振周波数は同調素子（２１２）の高さ及び幅を変更することによっても、若干変更可能である。従って、従前のＰＩＦＡにおいて、動作周波数または共振周波数は、給電素子（２１３）、同調素子（２１２）、あるいは放射素子（２０９）それぞれの、サイズ、形状、あるいは位置により決定される。ＰＩＦＡ（２００）の帯域幅を変更するために、ＰＩＦＡ（２００）の高さを増加させる必要がある。このことは、アンテナ全体のサイズにおける好ましくない増加を導くであろう。

現在、世界の異なる地域において、様々な周波数帯域幅が使用されている。ＧＳＭ（Global System for Mobile communication）ネットワークは、４つの異なる周波数領域で動作している。大抵のＧＳＭネットワークは、９００ＭＨｚあるいは１８００ＭＨｚにおいて動作している。しかしながら、南北アメリカのいくつかの国（カナダ及び米国を含む）は、９００ＭＨｚ及び１８００ＭＨｚ周波数帯は既に割り当てられているため、８５０ＭＨｚ及び１９００ＭＨｚを使用している。

しかしながら、ＰＩＦＡは移動通信端末内の空間により制限されるため、結果としてアンテナ周波数特性は制限される。従って、通常ＰＩＦＡは、必要な複数の周波数帯域の１つの周波数を最大化するように設計される。

故に、本発明の目的は、移動通信端末において、高い信号強度、弱い信号の良好な受信、及び小型化についてのパフォーマンスを妥協することなく、複数の周波数環境における様々な周波数の特性を満たしうるＰＩＦＡデバイス、及び当該ＰＩＦＡデバイスの制御方法を提供することである。

様々な送信周波数、例えばＧＳＭ８５０及び９００（−６ｄＢ Ｓ１１における帯域幅）の両方をカバーするために、ローバンドの共振は、アンテナの接地クリアランス領域においてａ×ｂの大きさを有するマイクロストリップを用いて、アンテナから見た接地面の長さを変更することにより、異なる周波数間、例えばＧＳＭ８５０と９００との間で切り替え可能である。この切り替えは、ハイバンドに影響しない。

本発明の目的は、接地面と、給電素子と、給電素子に接続された放射素子であって、接地面と略平行をなし、給電素子及び短絡素子により当該接地面から垂直に配置された放射素子と、を備えるアンテナを用いることにより達成される。アンテナは、スイッチ素子を介して接地面と結合された導電性部であって、接地面のサイズを変更するように構成された導電性部をさらに備える。好ましくは、導電性部はマイクロストリップである。一実施形態によれば、導電性部は、接地クリアランス領域に配置される。導電性部は、アンテナの共振周波数を変更するように構成される。一実施形態において、導電性部は、接地面に接続された場合に、アンテナの共振周波数を低い周波数にシフトする。

また、発明はアンテナを備える無線通信装置に関し、当該アンテナは、接地面と、給電素子と、給電素子に結合された放射素子であって、接地面と略平行をなし、給電素子及び短絡素子により当該接地面から垂直に配置された放射素子と、を備える。アンテナは、スイッチ素子を介して接地面に結合された導電性部であって、接地面のサイズを変更するように構成された導電性部をさらに備える。

また、発明は無線通信装置内のアンテナを制御する方法に関し、当該アンテナは、接地面と、給電素子と、給電素子に結合された放射素子であって、接地面と略平行をなし、給電素子、短絡素子、及びスイッチ素子を介して接地面に結合された導電性部であって、接地面のサイズを変更するように構成された導電性部により、当該接地面から垂直に配置された放射素子と、を備え、方法は、接地面の共振周波数を変更するために、スイッチ素子を介して導電性部を接地面に結合させることにより、アンテナの動作周波数を変更する工程を備える。

本明細書に組み込まれ、かつ本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を図示すると共に、図面の説明とともに本発明を説明する。

本発明に係る無線通信デバイスのブロック図を示している 従前のＰＩＦＡの構造を示している 発明に係るＰＩＦＡを示している 発明に係る無線通信デバイスのブロック図を示している ユーザあるいはＢＳより現在位置情報を受信し、当該位置情報に基づいて周波数帯域を変更する動作のフローチャートを示している 発明に係る、周波数についてのアンテナの反射率を示している 発明に係る、ＰＣＢの部品及び非励振素子を通る断面を示している

以下の詳細な説明に記載されるアンテナ構造は、「平面」アンテナである。「平面」アンテナは、概して平面に沿った状態である幅のある形状を有する。即ち、アンテナは３次元形状を有しうるが、１つの次元は他の２つの次元よりも少ないオーダーを有する。

図１は、例示的な無線通信デバイス（１０）のブロック図を示している。無線通信デバイス（１０）は、制御器（１０１）、メモリ（１０２）、ユーザインタフェース（１０３）、送受信機（１０４）、キー入力ユニット（１０５）、表示ユニット（１０６）、及びマルチバンドアンテナ（１００）を、筐体（１１）内に備える。送受信機（１０４）は、アンテナ（１００）を用いて、無線通信デバイス（１０）を無線ネットワークに接続する。送受信機（１０４）は、本技術分野に属する当業者に既知の１以上の任意の既知の無線通信標準に従って信号を送受信しうる。制御器（１０１）は、メモリ（１０２）に格納されたプログラム、及びインタフェース（１０３）を介してユーザによりなされた指示に応じて、無線通信デバイス（１０）の動作を制御する。

本発明に係るＰＩＦＡの構造は、アンテナサイズまたは他の周波数帯域の動作を妥協せずに、所望の共振動作周波数あるいは要求された共振周波数にアンテナを同調させることを可能にする。

説明のために、以下、例えば、ＧＳＭのローバンドにおける８５０ＭＨｚと９００ＭＨｚ間の切り替え、及びＧＳＭのハイバンドにおける１８００ＭＨｚと１９００ＭＨｚ間の切り替えが生じるローバンド及びハイバンドに関してアンテナ（１００）を詳述する。しかしながら、アンテナ（１００）は、追加の、あるいは代替的な無線通信周波数帯域をカバーするように構成されうることが理解されよう。

図３は、本発明に係るＰＩＦＡを示している。ＰＩＦＡ（３００）は、基板（３１１）上に形成された接地面（３１０）を含む。本実施形態では、接地面（３１０）は基板（３１１）上に直接組み込まれているように示されている（即ち、プリント回路基板（ＰＣＢ：printed circuit board））。また、当該基板（３１１）は、デバイスの他の電子構成部品を有していてもよい。このことは、アンテナがＰＣＢの比較的近くに実装されうるという利点をもたらし、故に無線デバイス内の体積を抑えることができる。ＰＩＦＡは、具体的にはローバンド放射素子及びハイバンド放射素子のそれぞれで構成されている、放射素子（３０９）をさらに備える。放射素子（３０９）は、いかなる既知の構成や形態であってよく、帯域幅、動作周波数、放射パターン等を最適化するため、様々なサイズを有する。放射素子（３０９）は、同調素子あるいは短絡素子（３１２）を介して接地面（３１０）に電気的に接続される。給電素子（３１３）は、無線あるいは他のＲＦ送信機、受信機、あるいは送信機（不図示）から放射素子（３０９）に対して、信号源を接続する。給電素子（３１３）は、そこから接地されないように、接地面（３１０）から多少電気的に絶縁されることが好ましい。

例えばＧＳＭ８５０及びＧＳＭ９００（−６ｄＢ Ｓ１１における帯域幅）の両方をカバーするように、接地面のサイズ、好ましくはアンテナから見た接地面（３１０）の長さを、アンテナ接地クリアランスに配置され、スイッチ素子３０７を用いて接地面に接続される、特定の大きさ（ａ×ｂ）を有するマイクロストリップ（３１６）を用いて変更することにより、ローバンドの共振周波数をこれらの２つの帯域幅の間で切り替える。

狭帯域のワイドビームアンテナであってよい、発明に係るマイクロストリップアンテナは、接地面を形成する基板に接着された連続する金属層とともに、絶縁された誘電体の基板に接着された金属配線にアンテナ素子パターンをエッチングすることにより作られる。一般的なマイクロストリップアンテナの放射素子の形状は正方形、矩形、円形、及び楕円形であるが、あらゆる連続的な形状が可能である。最も一般的に採用されているマイクロストリップアンテナは、矩形パッチである。矩形パッチアンテナは矩形マイクロストリップ伝送ラインの約１／２波長部分である。アンテナ基板が空気の場合、矩形パッチアンテナは、自由空間波の約１／２波長である。アンテナは基板としての誘電体を有しているため、回路の比誘電率が増加するにつれて、アンテナの長さは短くなる。

給電素子（３１３）及び短絡素子（３１２）対する、マイクロストリップ（３１６）の相対的な方向及び位置により、アンテナスイッチ素子（３０７）がマイクロストリップ（３１６）を接地面（３１０）に接続した際に、給電素子（３１３）、短絡素子（３１２）、及びマイクロストリップ（３１６）間の電磁相互作用が発生する。当該電磁相互作用は、給電素子（３１３）の短絡素子（３１２）への容量結合をマイクロストリップ（３１６）に引き起こさせる。実際には、当該カップリングは、給電点を放射素子（３０９）と接地面（３１０）との間で移動することにより、アンテナ（３００）の全体の電磁インピーダンスを変更する。マイクロストリップ（３１６）は、ローバンドの第１の周波数帯域（例えば８５０ＭＨｚ）において、アンテナ（３００）のインピーダンスを改善するように構成されるが、ハイバンドにおけるアンテナのインピーダンスに影響を与えないであろう。従って、アンテナが第２の周波数帯域（例えば９００ＭＨｚ）での動作を要求された場合、接地面（３１０）からマイクロストリップ（３１６）を切断することにより、アンテナスイッチ素子（３０７）は、マイクロストリップ（３１６）及び接地面（３１０）間の電磁結合を選択的に解除し、第２の周波数帯における通常のアンテナとして動作することを可能にする。この場合も、ハイバンドへの影響を与えない。

マイクロストリップのサイズ（即ち、長さ及び幅）が十分でない場合、マイクロストリップをＰＣＢの裏面に、あるいは適切な方向に延ばすことが可能である。このことは図７に示されており、３１６’及び３１６’’は、ＰＣＢ３１１の端部及び裏面のそれぞれに亘る非励振素子３１６の延長部分を意味している。非励振素子３１６”は、ビアホールを通じて延長されてもよい。追加のスイッチが、いくつかのマイクロストリップを接続するように構成され、マイクロストリップの全体サイズを変更するようにしてもよい。

アンテナスイッチ素子（３０７）は、マイクロストリップ（３１６）と接地面（３１０）との間の接続を選択的に制御することにより、電磁結合を選択的に制御する。当該接続は、アンテナがローバンドの２つの周波数間で切り替えることを要求された場合に、インピーダンス接続を引き起こす、あらゆる手段を用いて制御されてもよい。アンテナスイッチ素子（３０７）は、制御器（３０１）により制御されてもよい。スイッチ（３０７）の閉鎖は、インピーダンス接続を引き起こす。スイッチ素子は、いかなる機械的素子、あるいはＭＯＳやＣＭＯＳトランジスタ等のような電気素子であってよい。

図４は、本発明の実施形態に基づく、無線通信端末（４０）の構造を図示したブロック図である。図４を参照すると、無線通信端末（４０）は、メモリ（４０２）、キー入力ユニット（４０５）、表示ユニット（４０６）、送受信機（４０４）、ＰＩＦＡ（４００）、アンテナスイッチ素子（４０７）、及び制御器（４０１）を備える。制御器（４０１）は、音声信号、及び通話プロトコル、データ通信、あるいは無線インターネットアクセスに係るデータを処理する。さらに、制御器（４０１）は、キー入力ユニット（４０５）からキー入力を受信し、当該キー入力に応じた画像情報を生成及び提供するように表示ユニット（４０６）を制御する。制御器（４０１）はユーザあるいはＢＳから現在位置情報を受信する。受信された位置情報を介して、制御器（４０１）はメモリ（４０２）内に含まれる地域周波数メモリ（４０８）から、現在位置に割り当てられた周波数帯域を特定する。制御器（４０１）は、周波数帯域の変更が要求されたかを判断する。周波数帯域の変更が要求された場合、制御器（４０１）は、マイクロストリップ（４１６）の接地面（４１０）への接続、あるいは接地面（４１０）からの切断を選択的に行うように、アンテナスイッチ素子（４０７）を制御する。

図５は、ユーザあるいはＢＳからの現在位置情報を受信し、当該位置情報に基づいて周波数帯域を変更する例示的な動作を示したフローチャートである。図４の構造を参照すると、移動通信端末（４０）の制御器（４０１）は、位置情報がユーザから既に入力されているかを判断するステップ（５００）に移る。位置情報がユーザから既に入力されている場合、制御器はステップ（５０３）に移る。ステップ（５０３）で、制御器（４０１）は、ユーザにより入力された位置情報に対応する地域の周波数帯域の情報を、メモリ（４０２）の地域周波数メモリ（４０８）から読み出し、周波数帯域の変更が必要であるかを判断する。

位置情報が存在しない場合、制御器（４０１）は、ローミングサービスが起動されているかを判断するステップ（５０１）に移る。ローミングサービスが起動されていない場合、制御器（０１）は、現在位置に係る周波数帯域の変更が必要でないと判断する。

しかしながら、ステップ（５０１）の判断の結果、ローミングサービスが既に起動されている場合、制御器（４０１）は現在のローミングサービスが起動されているセルのＢＳから、現在の地域の位置情報を受信するステップ（５０２）に移る。そして制御器（４０１）は、アンテナスイッチ素子（４０７）を制御し、位置している地域の周波数帯域に従って、マイクロストリップ（４１６）の接地面（４１０）への接続、あるいはマイクロストリップ（４１６）の接地面（４１０）からの切断を選択的に行うステップ（５０４）に移る。

図６の曲線（１）及び（２）は、マイクロストリップ（４１６）が接地面（４１０）に接続されていない場合の、周波数に対するアンテナ（４０２）の反射率を示している。曲線は、９００ＭＨｚ（１）及び１９００ＭＨｚ（２）の周波数において共振している。曲線（３）及び（４）は、マイクロストリップ（４０９）が接地面（４１０）に接続されている場合の、周波数に対する反射率を示している。ここで、曲線は、８５０ＭＨｚ（３）及び１８００ＭＨｚ（４）の周波数において共振を示している。本例で用いられたマイクロストリップ（４１６）のサイズは４×７ｍｍである。反射曲線（１）及び（３）により示されているように、マイクロストリップ（４１６）を接地面（４１０）に容量結合するためにマイクロストリップ（４１６）を用いることは、約９００ＭＨｚから約８５０ＭＨｚへの、ローバンドにおける（矢印で示された）４０ＭＨｚの周波数シフトを生じさせる。ハイバンドにおける曲線は、事実上影響を受けていない。

「備える」という文言は、列挙された以外の他の要素あるいはステップの存在を排除するものでなく、要素に先立った「ある」や「１つの」という文言は、複数の当該要素の存在を排除するものではないことは留意されるべきである。さらに、いかなる参照符号も特許請求の範囲を限定するものではないこと、発明がその少なくとも一部をハードウェア及びソフトウェアの両方によって実施されうること、また、複数の「手段」、「ユニット」、あるいは「デバイス」は同一のハードウェアにより表されうるものであることは留意されるべきである。

上述した実施形態は、例示としてのみ提供されたものであり、本発明を限定するものであってはならない。以下に請求される本発明の範囲に含まれる他の解決方法、使用、目的、及び機能は、本技術分野に属する当業者にとって明らかである。

本発明は、アンテナに関するものであり、特に高帯域周波数への影響なしに、例えばＧＳＭ８５０とＧＳＭ９００とを切り替える、切り替え技術を備える、平面型逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ：Planar Inverted F-Antenna）に関する。

Claims (7)

1. 接地面（３１０）と、
   給電素子（３１３）と、
   前記給電素子（３１３）に結合された放射素子（３０９）であって、前記接地面（３１０）と略平行で、かつ前記給電素子及び短絡素子によって前記接地面（３１０）から垂直方向に離間された放射素子（３０９）と、を備えるアンテナ（３００、４００）であって、
   スイッチ素子（３０７、４０７）によって前記接地面（３１０）と結合された導電性部（３１６、４１６）であって、前記接地面のサイズを変更するように構成された導電性部をさらに備えることを特徴とするアンテナ。
2. 前記導電性部は、マイクロストリップであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記導電性部は、接地クリアランス領域に配置されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記導電性部は、前記アンテナの共振周波数を変更するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
5. 前記導電性部は、前記接地面に接続された場合に、前記アンテナの共振周波数を低い周波数にシフトするように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
6. アンテナ（３００、４００）を備える無線通信装置（４００）であって、
   前記アンテナは、
   接地面（３１０）と、
   給電素子（３１３）と、
   前記給電素子に結合された放射素子（３０９）であって、前記接地面と略平行で、かつ前記給電素子及び短絡素子によって前記接地面（３１０）から垂直方向に離間された放射素子と、を備え、
   前記アンテナ（３００、４００）は、スイッチ素子（３０７、４０７）によって前記接地面に結合された導電性部（３１６、４１６）であって、前記接地面のサイズを変更するように構成された導電性部をさらに備えることを特徴とする無線通信装置。
7. 無線通信装置内のアンテナを制御する方法であって、
   前記アンテナは、
   接地面と、
   給電素子と、
   前記給電素子に結合された放射素子であって、前記接地面と略平行で、かつ前記給電素子、短絡素子、及びスイッチ素子によって前記接地面に結合された導電性部であって、前記接地面のサイズを変更するように構成された導電性部によって、前記接地面から垂直方向に離間された放射素子と、
   を備え、
   前記方法は、
   前記接地面の共振周波数を変更するために、前記スイッチ素子によって前記導電性部を前記接地面に結合させることにより、前記アンテナの動作周波数を変更する工程を備えることを特徴とする方法。

Images