JP3335633B2 - ワイヤレス通信装置用のアンテナ構成 - Google Patents

ワイヤレス通信装置用のアンテナ構成

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、一般に、アンテナ構成に関し、さらに詳し
くは、ワイヤレス通信装置用のアンテナ構成に関する。
発明の背景 多くの形態のワイヤレス通信システムの普及が進んで
いる。この意味での「ワイヤレス通信装置」とは、セル
ラ電話や、パチオ電話（patio telephone）や、さまざ
まな形態のコードレス電話や、パーソナル通信装置など
を包括する。ワイヤレス通信装置は、ユーザによって容
易に携帯可能なことによって特徴づけられる。
一般に、ワイヤレス通信装置は、ワイヤレス通信を行
うためのアンテナ構成を含む。アンテナ構成は、ワイヤ
レス通信装置の回路と協調して、ワイヤレス通信装置の
送信，受信または送受信機能を提供する。望ましいアン
テナ構成は、小型で、信頼性が高く、製造しやすい。ワ
イヤレス通信装置は携帯可能なので、望ましいアンテナ
構成は、収納（stowed）位置と非収容（unstowed）位置
との間、例えば、後退（retracted）位置と伸張（exten
ded）位置との間で一般に移動可能である。
アンテナ構成の設計者は、アンテナ構成の所望の性能
を達成しつつ、アンテナ構成の寸法，信頼性および製造
しやすさの最適化を試みる。技術の進歩によりワイヤレ
ス通信装置の小型化が進んでいるので、これらの小型の
装置のアンテナ構成も小型にして、アンテナ構成の収容
可能な特徴や所望の性能を維持しなければならない。第
１図ないし第３図は、従来技術によるアンテナ構成の寸
法および性能の両方の最適化を図るワイヤレス通信装置
の第1,第２および第３アンテナ構成を示す。
第１図は、従来技術によるワイヤレス通信装置100の
第１アンテナ構成を示す。第１図のアンテナ構成102の
詳細な説明は、米国特許第4,121,218号にある。第１図
のアンテナ構成102は、一般に、ヘリカル・アンテナ104
と伸張可能な半波アンテナ106とを含む。ヘリカル・ア
ンテナは、ワイヤレス通信装置100の回路108に結合され
る。伸張可能な半波アンテナ106は、伸張位置のときに
ヘリカル・アンテナ104に容量結合され、後退位置（点
線によって図示）のときに実質的にヘリカル・アンテナ
104から分離されるように適応される。このアンテナ構
成102の利点として、ヘリカル・アンテナ104と伸張可能
な半波アンテナ106との間のコンタクトレス結合と、伸
張可能な半波アンテナ106の電流最大値が伸張可能な半
波アンテナ106が伸張されたときに生じる高さ112によっ
て表されるアンテナ構成の性能とがある。しかし、この
アンテナ構成102の欠点は、その物理的全長110が長すぎ
て、今日の小型ワイヤレス通信装置の必要性を満たさな
いことである。
第２図は、従来技術による通信装置200の第２アンテ
ナ構成202を示す。第２のアンテナ構成202の詳細な説明
は、米国特許第4,868,576号にある。アンテナ構成202
は、回路208に結合されたヘリカル・アンテナ204と、伸
張可能な半波ヘリカル・アンテナ206とを含む。第１図
のアンテナ構成102に比べてアンテナ構成202の利点は、
高さ210がアンテナ構成102の高さ110よりも低いことで
ある。しかし、アンテナ構成202の欠点は、伸張可能な
半波アンテナ206が伸張されたときに伸張可能な半波ア
ンテナ206の電流最大値が生じる高さ212は、第１図にお
いて電流最大値が生じる高さ112よりも低いことであ
る。従って、アンテナ構成202の性能は、短いアンテナ
で犠牲にされる。
第３図は、従来技術によるワイヤレス通信装置300の
第３アンテナ構成302を示す。アンテナ構成302は、一般
に、第１直線部304と、この第１直線部304から電気的に
分離された第２ヘリカル部306とを含む。直線部および
ヘリカル部306はそれぞれ1/4波長の電気的な波長を有す
る。直線部304は、アンテナ構成が伸張されたときにコ
ネクタ312と接続するための端子310を含む。同様に、ヘ
リカル部306は、アンテナ構成が後退されたときにコネ
クタ312と接続するための端子314を含む。回路308は、
コネクタ312を介してアンテナ構成302に結合される。ア
ンテナ構成302の利点は、その高さ316が第１図または第
２図に示す高さよりもさらに低減されることである。し
かし、アンテナ構成302の欠点は、アンテナ構成302が伸
張されたときに電流最大値が生じる高さが第１図または
第２図に示す電流最大値の高さよりもはるかに低い（装
置のハウジングの下に示される）ことである。
よって、さらに小型化され、しかも所望の性能を達成
し、許容可能な信頼性および製造しやすさを維持するワ
イヤレス通信装置のアンテナ構成が必要とされる。
図面の簡単な説明 第１図は、従来技術によるワイヤレス通信装置の第１
アンテナ構成を示す。
第２図は、従来技術によるワイヤレス通信装置の第２
アンテナ構成を示す。
第３図は、従来技術によるワイヤレス通信装置の第３
アンテナ構成を示す。
第４図は、本発明により、アンテナ構成の一部がワイ
ヤレス通信装置から伸張された、ワイヤレス通信装置の
アンテナ構成を示す。
第５図は、本発明により、アンテナ構成の一部がワイ
ヤレス通信装置内に収容された、ワイヤレス通信装置の
アンテナ構成を示す。
第６図は、本発明による第５図および第６図のアンテ
ナ構成の概略図を示す。
好適な実施例の詳細な説明 第４図は、本発明により、アンテナ構成402の可動要
素406がワイヤレス通信装置400から伸張された、ワイヤ
レス通信装置400のアンテナ構成402を示す。ワイヤレス
通信装置400は、一般に、アンテナ構成402と、このアン
テナ構成402に結合された回路408とを含む。アンテナ構
成402は、一般に、第１要素404と第２要素406とを含
む。
第１要素404は、ワイヤレス通信装置の回路408に結合
される。第２要素406は、第１要素404に対して第１位置
（第４図に図示）と第２位置（第５図に図示）との間で
移動可能である。アンテナ構成402の性能は、第２要素4
06が第１位置または第２位置のいずれかにあるときのア
ンテナ構成402の性能に比べて、第２要素406が第１位置
と第２位置との間にあるときのほうが実質的に低い。第
２要素406は、第１位置および第２位置の両方におい
て、第１要素から物理的に離間され、かつ実質的に電気
結合される。
第２要素は第１位置および第２位置の両方において第
１要素から物理的に離間されかつ実質的に電気結合され
るので、本発明のアンテナ構成は、第１図ないし第３図
に示すような従来技術によって達成できなかった方法で
寸法および性能の両方の最適化を行う。このような最適
化の詳細な説明を以下で行う。
本発明の好適な実施例により、第２要素406は第２要
素406の縦軸410に沿って移動可能である。第２要素406
の軸移動は、通信装置400内に第２要素406を簡単に収容
するために有利である。ただし、本発明の同じ利点を維
持しつつ、回転軸または横軸などの他の軸で移動する他
のアンテナ構成も実施できる。
本発明の好適な実施例では、第２要素406は第１位置
（第４図を参照）においてワイヤレス通信装置400から
実質的に伸張され、第２位置（第５図参照）においてワ
イヤレス通信装置400内に実質的に収容される。あるい
は、第２要素406は、ワイヤレス通信装置400外に収容し
てもよい。さらに、第２要素406自体は、伸縮自在部材
（telescoping member）でもよく、本発明の範囲内であ
る。
本発明の好適な実施例において、第２要素406は、直
線形状を有する第１部分412と、ヘリカル形状を有する
第２部分414とからなり、ここで第１部分412は第２部分
414に電気結合される。好適な実施例では、第１部分412
と第２部分414との間の結合は、１つの細線から第１部
分412と第２部分414とを形成することにより行われる直
接接続である。しかし、第１部分412および第２部分414
は２つの独立した細線から構成され、その後はんだや溶
接継手などによって電気的かつ機械的に接続してもよ
い。
第４図に示すような本発明のアンテナ構成402は、本
発明のアンテナ構成402の可動部は直線形状およびヘリ
カル形状の両方を含むという点で、第３図に示すような
従来のアンテナ構成302と類似している。本発明と従来
技術との間の相違点は、本発明では、直線形状を有する
第１部分412はヘリカル形状を有する第２部分414に電気
結合されるが、従来技術では、直線形状を有する部分30
4はヘリカル形状を有する第２部分306から電気的に分離
されるということである。本発明において、直線形状を
有する第１部分406とヘリカル形状を有する第２部分414
とを電気結合することの利点について以下でさらに説明
する。
また、第２要素406の直線形状を有する第１部分412
は、ヘリカル形状を有する第２部分414の螺旋径（helic
al diameter）よりも小さい螺旋径のヘリカル形状を有
してもよい。ヘリカル形状を有する第１部分412は、第
２要素406の高さをさらに低減するという利点を提供す
る。しかし、螺旋コイルは、直線形状に比べて、永久的
な機械的変形に対する形状の記憶性が低いので、第２要
素406の機械的な信頼性が犠牲にされる。
本発明の好適な実施例において、第２要素406が第１
位置（第４図参照）に移動されるとき、直線形状を有す
る第１部分412は第１要素404に結合され、第２要素406
が第２位置（第５図参照）に移動されるとき、ヘリカル
形状を有する第２部分414は第１要素404に結合される。
本発明の好適な実施例では、アンテナ構成402は、あ
る周波数帯域において動作する。第１部分412および第
２部分414はともに、その周波数帯域における少なくと
も１つの周波数で1/2波長の整数倍によって定められる
有効電気的長さからなる。第４図に示すように、第２要
素406は1/2波長の電気的長さを有し、直線形状を有する
第１部分412は1/4波長の電気的長さを有し、ヘリカル形
状を有する第２部分の電気的長さも1/4波長である。
好適な実施例では、最大電流が生じる高さ417は第１
部分412と第２部分414の接合部にある。このように第２
要素406を形成することにより、アンテナ高さ416は低く
なり、しかも第２要素406の上部付近で最大電流高さ417
となる。本発明は、従来技術の第１図に示すような同じ
高さ112で本発明において最大電流が生じる高さ417を与
え、しかも従来技術における伸張可能な要素106の高さ1
10に比較して、本発明において伸張可能な要素406の高
さ416を実質的に低減する。第４図に示す本発明を第２
図および第３図における従来技術と比較すると、本発明
の第２要素406の構造は同じまたは低い高さ416を提供
し、しかも電流最大値が生じる点においてより大きな高
さ417を達成する。
本発明の好適な実施例において、第１要素404はヘリ
カル要素を有する。第１要素404は、回路408のインピー
ダンスを第２要素406の駆動点インピーダンスに変換し
てインピーダンス整合を行うインピーダンス変換器を一
般に表す。第１要素404は、従来技術の第１図および第
２図に示すのと同様なコネクタレス相互結合を提供する
が、第３図に示すコネクタ構成とは異なる。本発明のコ
ンタクトレス・コネクタレス構成は、コンタクトの汚損
および摩損の問題が解消されるという点で第３図に示す
従来技術のコネクタ・システムに比較して改善されてい
る。
本発明の好適な実施例において、第１要素404は、実
質的にある周波数帯域付近の少なくとも１つの周波数で
1/4波長の奇数倍によって定められる電気的な長さから
なる。特に、この電気的な長さは1/4波長である。
第５図は、本発明により、アンテナ構成402の部分406
がワイヤレス通信装置400内に収容された、ワイヤレス
通信装置400のアンテナ構成402を示す。
本発明の好適な実施例では、第１要素404は、形成方
向501に対して第１方向（螺旋上の矢印405によって表さ
れる）で巻かれ、第２要素406の第２部分414のヘリカル
形状は、形成方向501に対して第１方向とは反対方向の
第２方向（螺旋上で矢印415によって表される）で巻か
れる。ヘリカル形状は、第１要素404と第２要素406の第
２部分414との間の結合を低減するため、反対方向に巻
かれる。本発明のアンテナ構成402の物理的な寸法を考
慮して、所望のインピーダンス整合を達成するために、
低い結合が必要となる。しかし、他のアンテナ構成は、
他の寸法条件を考慮して同じ方向に巻かれたヘリカル形
状を利用してもよく、本発明の範囲内である。
このような第１要素404と第２要素406の第１部分412
または第２部分414との間の結合エネルギは、相互結合
として知られる。相互容量結合（mutual capacitive co
upling）については、本明細書に参考として含まれる米
国特許第4,121,218号において説明されている。相互結
合は、容量結合および誘導結合の双方を含む。ヘリカル
形状が同じ方向に巻かれると、容量結合は誘導結合に追
加され、容量結合または誘導結合のいずれかよりも大き
い全相互結合を生成する。ヘリカル形状が反対方向に巻
かれると、誘導結合は容量結合から差し引かれ、容量結
合よりも小さく、従って、ヘリカル形状が同じ方向に巻
かれたときの全相互結合よりも小さい全相互結合を生成
する。
第２要素406の第２部分414は第２位置において第１要
素404に実質的に電気結合されるので、第２部分414およ
び第１要素404は、第２要素406が第２位置のときに、ア
ンテナ構成402の放射部を形成する。このような構造の
利点は、第２要素406が第２位置のときにアンテナ構成4
02の性能を犠牲にせずに、第１要素404の高さ503は第１
図および第２図に示す従来技術に比べて低減されること
である。第１要素404の低い高さ503は、小型ワイヤレス
通信装置の美観の上で重要である。
適切な性能を提供するため、アンテナは第１部分およ
び第２部分の両方において同様な入力インピーダンスを
与える。これは、直線部分412および螺旋部分414の寸法
を適切に選択することによって達成される。
本発明の好適な実施例において、第１部分412は伝送
線505の第１コンポーネントを形成し、第２部分404は第
２要素が第２位置のときアンテナ構成402の放射要素を
形成する。伝送線505の第２コンポーネントは、導電部
分507および誘電部分509を含む。誘電部分509は、伝送
線505の第１コンポーネント412と導電部分507との間に
設けられる。好適な実施例では、伝送線505は同軸伝送
線として形成されるが、ストリップライン，マイクロス
トリップ，平衡伝送線などの他の伝送線構造も本発明に
より実施できる。好適な実施例では、導電部分507は金
属チューブであるが、導電部分507はワイヤレス通信装
置400のハウジング内の導電面でもよい。
伝送線505は、誘電部分509の電気特性、例えば誘電率
（permitivity）と、導電部分507の電気的長さとに少な
くとも部分的に関連した電気的長さを有する。これらの
特性は、寸法条件に基づいてアンテナ構成402の所望の
インピーダンス整合を達成するために調整できる。
本発明の好適な実施例により、伝送線505はリアクタ
ンス性端子（reactive termination）からなる。好適な
実施例では、リアクタンス性端子は開回路であるが、本
発明により短絡回路または集中素子（lumped element）
も実施できる。導電チューブ507に対する直線部分412と
螺旋部分414との間の接合部分におけるインピーダンス
は、電流最大値が生じるように低くされる。リアクタン
ス性端子の複数の形状や、直線部分412およびチューブ5
07の長さにより、この条件は達成される。412,507,509
の最終的な形状は、第１位置および第２位置の両方にお
ける許容パラメータから選択される。
第６図は、本発明による第５図および第６図のアンテ
ナ構成402の概略図を示す。第１要素404の概略的表現お
よび第２要素406の概略的表現は、当技術分野で周知な
ようにこれらの要素におけるインダクタンス，容量およ
び抵抗を表す。コンデンサ601は、全相互結合に対する
容量結合寄与を表す。各要素間の参照番号603によって
表される双方向矢印は、アンテナ構成の全相互結合の誘
導結合寄与を表す。点線605,607は、第１要素404と第２
要素406との間の磁気結合の相を表す。容量結合は、第
１位置における螺旋404,414の未接続端部間で発生し、
第２位置における螺旋404のオープン端部と直線部分412
のオープン端部との間で発生する。容量結合は、動作中
にこれらの位置で存在する高電圧によって最大にされ
る。誘導結合は、第２位置における螺旋404,414の接続
端部間で発生する。誘導結合は、動作中にこれらの位置
で存在する高電流によって最大にされる。
本発明は、150〜900MHzの範囲で、好適な実施例では9
00MHzで動作するアンテナ構成で主に用いられる。以下
の説明は、本発明によるアンテナ構成402の一例として
の詳細な説明である。好適な実施例は、直径7.0mm,長さ
9.0mm,巻数４の螺旋404を有する。螺旋414は、長さが3
3.3mm,直径が4.6mm,巻数が10.75である。直線部分は、
長さが64mmである。チューブにおける誘電体は、誘電率
が2.1のテフロンである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アンダーソン，エリック・アルビド アメリカ合衆国イリノイ州60030グレイ スレイク、リーワード・コート1482 (72)発明者 フィリップス，ジェームス アメリカ合衆国イリノイ州60102レイ ク・イン・ザ・ヒルズ、レイク・ドライ ブ19 (72)発明者 キム，ジン アメリカ合衆国イリノイ州60646シカゴ、 ノース・セントラル・アベニュー5615 (56)参考文献 特開 平７−66614（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−22011（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−52450（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−343907（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−14040（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−271701（ＪＰ，Ａ) 特表 平７−508868（ＪＰ，Ａ) 特表 平８−503356（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01Q 1/00 - 1/52 H01Q 5/00 - 11/20 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ワイヤレス通信装置で用いられるように適
    合されたアンテナ装置は、 前記ワイヤレス通信装置の回路に結合されたヘリカル形
    状を有する第１要素、および 前記第１要素に対して、第１位置と第２位置との間で移
    動可能な第２要素であって、前記第２要素が前記第１位
    置へ移動する場合および前記第２要素が前記第２位置へ
    移動する場合、前記第１要素と直接的な接触なしに前記
    第１要素と相互に電気的な結合を形成する第２要素、 から構成されることを特徴とするアンテナ装置。
  2. 【請求項２】前記アンテナ装置は、１の周波数帯域に亘
    って動作し、前記第１要素は前記周波数帯域の実質的に
    近傍にある少なくとも１つの周波数における1/4波長の
    奇数倍で定義される電気長を有することを特徴とする請
    求項１記載のアンテナ装置。
  3. 【請求項３】前記アンテナ装置は、１の周波数帯域に亘
    って動作し、前記第２要素は前記周波数帯域内の少なく
    とも１つの周波数における1/2波長の整数倍で定義され
    る電気長を有することを特徴とする請求項１記載のアン
    テナ装置。
  4. 【請求項４】前記第２要素は、前記第２要素の縦軸に沿
    って移動可能であることを特徴とする請求項１記載のア
    ンテナ装置。
  5. 【請求項５】前記第２要素は、前記第１位置において前
    記ワイヤレス通信装置外へ実質的に延伸され、かつ前記
    第２位置において前記ワイヤレス通信装置内に収納され
    ることを特徴とする請求項４記載のアンテナ装置。
  6. 【請求項６】前記第２要素は、直線形状を有する第１部
    分およびヘリカル形状を有する第２部分から成り、前記
    第１部分は前記第２部分と電気的に結合されることを特
    徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
  7. 【請求項７】前記アンテナ装置は、１の周波数帯域に亘
    って動作し、前記第１および第２部分はともに前記周波
    数帯域内の少なくとも１つの周波数における1/2波長の
    整数倍で定義される電気長を有することを特徴とする請
    求項６記載のアンテナ装置。
  8. 【請求項８】直線形状を有する前記第１部分は前記第２
    要素が前記第１位置へ移動する場合前記第１要素と容量
    的に結合し、ヘリカル形状を有する前記第２部分は前記
    第２要素が前記第２位置へ移動する場合前記第１要素と
    誘導的に結合することを特徴とする請求項６記載のアン
    テナ装置。
  9. 【請求項９】前記第１要素の前記ヘリカル形状は形成方
    向に関し第１方向で巻かれ、前記第２要素の前記第２部
    分の前記ヘリカル形状は前記形成方向に関し前記第１方
    向と反対である第２方向で巻かれることを特徴とする請
    求項６記載のアンテナ装置。
  10. 【請求項１０】前記アンテナ装置は、前記第２要素が前
    記第１位置へ移動する場合前記第２要素に第１出力イン
    ピーダンスを与え、前記第２要素が前記第２位置へ移動
    する場合前記第２要素に第２出力インピーダンスを与え
    る出力インピーダンス整合装置を含み、前記アンテナ装
    置に対する入力インピーダンスは前記第２要素が前記第
    １位置および前記第２位置へ移動する場合、実質的に同
    一である、ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装
    置。
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