JP3982689B2 - 無線通信機能を含む装置 - Google Patents

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Description

本発明は、第一側部と、これと反対側の第二側部とを有し、かつアース導体が設けられているキャリアを有する、無線通信機能を有する装置であって、この第一側部に、第一側部と、これと反対側の第二側部とを有する基板と、この基板の第一側部に存在しかつ入力インピーダンスを有するアンテナとを有するアンテナデバイスが存在し、更に、当該入力インピーダンスを調整するための手段を有する装置、に関する。
本発明は、アンテナデバイスにも関する。
本発明は、更に、第一側部と、これと反対側の第二側部とを有し、かつアース導体が設けられているキャリア、にも関する。
本発明は、アース導体を有するキャリアと、基板とアンテナとを有するアンテナデバイスとを有する無線通信機能を有する装置、のアンテナの調整方法であって、入力インピーダンスを測定するステップと、この入力インピーダンスを適合化するステップと、を有する方法、にも関する。
このような装置、このようなアンテナデバイス、およびこのような方法は、国際特許公開公報WO-A 00/03453から公知である。この公知のアンテナは、PIFAタイプであり、かつ本質的に金属片から成る。この公知のアンテナデバイスの金属片には、アース端子と入力端子とが設けられている。当該端子の間には、マッチングブリッジが存在する。アンテナの調整は、アンテナに関連する入力インピーダンスを測定または推定し、かつ次に、マッチングブリッジの長さ調節によって入力インピーダンスをマッチングさせることによって、行われる。アンテナの調整は、各特定の適用例(すなわち、それ独自の設計を有する各装置）ごとに必要である。
この公知のアンテナデバイスの欠点は、各適用例に合わせて修正しなければならないことである。このことによって、標準化されているアンテナデバイスの使用が不可能になってしまう。
従って、本発明の第一の目的は、アンテナデバイスを著しく変更しなくてもアンテナを調整することが出来る、冒頭の段落に記載した種類の装置を提供することである。
本発明の第二の目的は、著しい変更を更に行わなくても、様々な用途に使用することが出来る、冒頭の段落に説明した種類のアンテナデバイスを提供することである。
本発明の第三の目的は、本発明の装置に使用可能なキャリアを提供することである。
本発明の第四の目的は、アンテナデバイスを著しく変更しなくてもアンテナを調整することが出来る、冒頭の段落に説明した種類の方法を提供することである。
国際特許公開公報WO-A 00/03453 イギリス特許第GB0013156.5号
第一の目的は、リアクタンス素子とスイッチとを有し、かつアンテナとアース導体との間に接続されている第一と第二のマッチングブリッジを当該手段が有することによって、達成することが出来る。本発明の場合、スイッチの少なくとも1つをオンまたはオフにすることによって、入力インピーダンスが調節される。このスイッチが各マッチングブリッジに含まれているため、入力インピーダンスのマッチングは、アナログ動作からデジタル動作に変換される。マッチングブリッジの数を相対的に少なくすることが出来るにもかかわらず、調整結果は十分に良好である。更に、スイッチを各マッチングブリッジに含めることによって、スイッチをリアクタンス素子とは異なる場所に設けることが可能になる。具体的には、このスイッチは、アンテナデバイスをキャリア（例えば、プリント回路基板）に配置した後でも、十分にアクセス可能な場所に設けることが出来る。このような場所として、例えば、プリント回路基板の外面とアンテナデバイスの外面が挙げられる。
リアクタンス素子がキャパシタの場合、マッチングブリッジは並列接続される。キャパシタを有するマッチングブリッジは、アンテナの任意の箇所に取り付けることが出来るが、これをアンテナの一方の端に取り付けることに対し、アンテナの他方の端には、アンテナをアースに接続するアース端子が存在することが好ましい。アンテナがパッチタイプまたはPIFAタイプの場合、キャパシタは、相対的に高い誘電率を有する誘電物質を有することが好ましい。誘電定数が真空に対して約80で、かつ温度安定性が良好なキャパシタが市販されている。リアクタンス素子がインダクタの場合、これらを直列接続させる一方、マッチングブリッジのスイッチは並列接続させることが好ましい。
好ましい実施例の場合、第一と第二のマッチングブリッジのリアクタンス素子は、キャパシタであり、かつこれらのマッチングブリッジは、並列接続される。これには、相対的に広い範囲に渡って入力インピーダンスが調整可能になるという利点がある。例えば、第一、第二、および第三のマッチングブリッジが存在し、かつ、(好ましくは）リアクタンス素子が各々異なる値を有する場合、入力インピーダンスを8つの異なる値に調節することが可能になる。
更に好ましい実施例の場合、共振回路は、アンテナとアース導体との間に接続される。共振回路が存在することによって、バンド幅が広くなることが観察されている。このことの利点は、調整の必要性が少なくなることである。他の利点は、広いバンド幅とマッチングブリッジとが一体となって存在することによって、このマッチングブリッジを微調整するために使用することが可能になり、これに応じてリアクタンス素子を選択することが可能になることである。更なる利点は、共振回路が接続されていることによってアンテナの作用が変わるため、スイッチングを必要とせずに二重バンド動作が可能になることである。このような例は、先行公開されていない特許出願（イギリス特許第GB0013156.5号(PHGB000065)）により知られている。
マッチングブリッジをキャリアに存在させ、ここからマッチングブリッジをアンテナ上の1箇所に接続させることが出来る。これに代えて、マッチングブリッジをアンテナデバイスに存在させ、かつプリント回路ボードへの単一接続を介して、アース導体に接続させることも可能である。更に、アース導体の拡張部を、アンテナデバイス内（例えば、基板内）に存在させることも可能である。しかしながら、第一マッチングブリッジの一部を形成する第一モジュールコンタクトパッドと、第二マッチングブリッジの一部を形成する第二のモジュールコンタクトパッドとが、基板の第二側部に存在し、かつ、第一マッチングブリッジの一部分を形成する第一のボードコンタクトパッドと、第二マッチングブリッジの一部分を形成する第二ボードコンタクトパッドとが、キャリアの第一側部に存在することが好ましい。この実施例の場合、キャリアにおけるアース導体への接続部は、個別化されている。この実施例の利点は、標準化されているアンテナデバイスを多くの用途に使用することが出来ることである。更なる製造ステップを用いずに、ボードコンタクトパッドと補足的なモジュールコンタクトパッドとが接続されるように、当該コンタクトパッドを、ボールグリッドアレイまたはランドグリッドアレイの一部にすることが好ましい。
マッチングブリッジを、少なくとも一回は遮断または接続することが出来るいかなる素子を、スイッチとして使用することが出来る。マイクロ電気機械スイッチ、アクチュエータ、およびトランジスタのような、電気的に駆動するスイッチが使用可能である。これらのスイッチは、例えば、無線波受信状態に反応して遠隔制御を行うように実施することも出来る。この実施例の場合、スイッチの遠隔制御部分は容易にアクセスすることが出来るが、実際のスイッチング部分は、アンテナデバイスの内側または外側の任意の箇所に設けることが出来る。このスイッチは、更に、トラック（例えば、その導電率を、レーザー放射によって変化させることが出来るトラック）として実施することも出来る。このトラックには、アルミニウム-ゲルマニウム物質のような、アモルファス状態と結晶状態とを有する物質を含めることが出来る。
有利な実施例の場合、このスイッチは、機械的、光学的、または、（ヒューズとして）電気的に切断可能な導電トラックを本質的に有する。このようなスイッチは、キャリア外面の導電トラックのパターンに集積化することが出来る。スイッチとして作用するこの導電トラックの寸法は、遮断の用途と方法とに依存するであろう。別の実施例の場合、スイッチは、キャリアの一対の素子パッドから成る。最小抵抗を有するSMD素子を当該素子パッド上に配置することによって、マッチングブリッジは、プリント回路ボードに電気的に接続される。請求項９に記載の装置は、このような一回しかスイッチングすることが出来ないスイッチによって、可能になる。
好ましい実施例の場合、マッチングブリッジのスイッチは、キャリアの第一側部に存在し、かつ、アンテナデバイスのプリント回路ボードへの正射影とスイッチとの間の重複部分が皆無になるように配置される。キャリアは、例えば、プリント回路ボードだが、多層セラミック基板のような、他のいかなるタイプの基板にすることも出来る。この実施例の第一の利点は、その大半部分に十分アクセスすることが出来る表面を、キャリアが有していることである。本発明の装置の製造業者は、プリント回路ボードを変更することによって、アンテナの入力インピーダンスを調節することが出来る。第二の利点は、アンテナ設計者が、マッチングブリッジを、アンテナの金属帯とアンテナの端子位置とを変えることに次ぐ、優れたアンテナを提供するための更なる手段として、使用することが出来ることである。
他の実施例の場合、マッチングブリッジのスイッチは、キャリアの第二側部に存在し、かつバイアは、スイッチと各マッチングブリッジ内のボードコンタクトパッドとの間に存在する。スイッチがキャリアの第二側部に存在するため、キャリアの表面を非常に効率的に使用したり、または小型化することが可能になる。この実施例の場合、スイッチは、アンテナを調整するための唯一の手段、またはこれに代わる追加的な手段として、使用することが出来る。この実施例の場合、アース導体が、キャリアの第二側部にも存在することが好ましい。
更なる実施例の場合、リアクタンス素子は、アンテナデバイス内に存在する。この実施例の利点は、キャリアの製造業者、特にプリント回路ボードの製造業者が、インピーダンスのマッチングを理解する必要がなく、リアクタンス素子とこれらのインピーダンスとが、アンテナの設計段階で選択されることである。これらのリアクタンス素子は、個別の素子として実施したり、またはこれに代えて、受動素子のアレイ、または基板（例えば、低温共焼成セラミックまたはLTCC基板）に集積化することが出来る。
更なる実施例の場合、リアクタンス素子は、受動素子のアレイに集積化される。リアクタンス素子を集積化することによって、組立コストが減り、かつ削減される。これに代えて、個別の素子をアレイに置換することによって、リアクタンス素子の数を増やすことが可能になるため、アンテナの調整を向上させることが出来る。更に、アレイ内のリアクタンス素子は、容易に相互接続することが出来るため、複数のリアクタンス素子を有するマッチングブリッジがオプションで可能になる。アレイの利点は、リアクタンス素子を基板内に集積化することと比較した場合、高誘電率の誘電物質をキャパシタに使用することが出来、かつこれらの素子が非常に高精度になることである。
有利な実施例の場合、アンテナデバイスは、集積回路と幾つかの受動素子とを有する。このようなアンテナデバイスの例として、ブルーツース（商標）規格による通信に適した無線モジュールがある。存在する受動素子には、例えば、平衡不平衡変成器、バンドパスフィルタ、VCO共鳴器がある。集積回路は、例えば、送受信装置として実行される。この実施例のアンテナデバイスは、受動素子を既に有しているため、マッチングブリッジのリアクタンス素子を導入しても、更なる処理ステップがデバイスの製造に生じることはない。このことによって、更に、幾つかの別個のリアクタンス素子を受動ネットワークに集積化することが、十分可能になる。更に、当該アンテナデバイスは、真のプラグ＆プレイデバイスと見なすことが出来るので、遠隔移動電話、ラップトップコンピュータ、個人用携帯情報デバイス、および他の消費者向け電子デバイスのような様々な装置に適している。
第二の目的は、請求項1〜8の何れかに記載の装置における使用に適したアンテナデバイスにより実現される。
集積回路と幾つかの受動素子とを有する複雑なアンテナデバイスにとって特に有利な点は、標準化された方法による製造が可能であり、かつ、アンテナの調整に必要ないかなる変更も、アンテナデバイスの外側で実施することが出来ることである。
第三の目的は、第一側部と、これと反対側の第二側部とを有し、かつアース導体が設けられており、この第一側部に第一と第二のボードコンタクトパッドが存在し、これらの第一と第二コンタクトパッドが、各々、第一スイッチと第二スイッチを介してアース導体に接続されている、請求項2〜8の何れかに記載の装置における使用に適したキャリア、で実現される。
冒頭の段落に述べられている種類の方法（これによって、アンテナデバイスを著しく変更しなくてもアンテナの調整が可能になる）を提供するという、本発明の第四の目的は、各々がリアクタンス素子とスイッチとを有する、第一と第二のマッチングブリッジが、アンテナ上の少なくとも1箇所とアース導体上の少なくとも１箇所との間に存在し、かつ、アンテナの入力インピーダンスが、当該スイッチの少なくとも1つのスイッチをオンまたはオフにすることによって適合化されることによって、実現される。
本発明の装置、アンテナデバイス、および方法のこれらの態様と他の態様は、図を参照して更に解明されるであろう。
図1は、本発明の装置100の第一実施例を示す。装置10は、第一側部28と第二側部29とを有するプリント回路ボード20を有する。プリント回路ボード20は、その第二側部29にアース導体21を有する。プリント回路ボード20の第一側部28には、アンテナデバイス10が設けられている。このアンテナデバイス10は、第一側部8と、これと反対側の第二側部9とを有する基板1を有する。基板1の第一側部8上には、パッチアンテナ2と、集積回路11と、リアクタンス素子3, 4とが設けられている。この実施例の場合、パッチアンテナ2はU形をしており、かつ、基板1の2つの反対の側部の表面91、92に接続されている。これに代えて、パッチアンテナ2が、基板1の一方の側部の表面にしか接続されていない箇所に、構造体を使用することも出来る。アンテナデバイス10は、図2に示すように、更なる素子を有することが好ましい。アンテナ2は、リアクタンス素子3, 4を介して、アース導体21に接続することが出来る。この目的のために、リアクタンス素子3, 4の各々から、プリント回路ボード20の第二側部29に存在する幾つかのスイッチ25, 26への導電接続部が存在する。これらの各接続部は、アンテナデバイス10の基板1を貫くバイア5と、モジュールコンタクトパッド7, 47と、ボードコンタクトパッド22, 46と、プリント回路ボード20を貫くバイア23とを有する。
図2は、本発明の装置100の第一実施例によるアンテナデバイス10のブロック図である。このアンテナデバイスは、6つの入力端子19が設けられている集積回路11を有する。この集積回路は、送受信装置として機能する。集積回路11には、VCOタンク16と、PLLループフィルタ17と、供給デカップリングユニット18とが結合されている。この送受信装置は、アンテナ2に信号を伝送し、かつ、このアンテナ2から信号を受信することが出来る。TX/RXスイッチ14は、受信機能から送信機能に、かつ送信機能から受信機能に変化させるために設けられている。このTX/RXスイッチ14は、RXバランフィルタ12を介して、信号を集積回路11に導く。集積回路11から伝送された信号は、TXバランフィルタ13と、TX/RXスイッチ14と、バンドパスフィルタ15とを介して、アンテナ2に到達する。この目的のため、アンテナ2には入力端子31が設けられている。このアンテナには、更に、アース端子32とマッチングブリッジ端子33とが設けられている。この例の場合、4つのマッチングブリッジ34, 35, 36, 37が設けられており、これらの各々には、キャパシタ3（すなわち、3a, 3b, 3c, 3dの各々）と、スイッチ25（すなわち、25a, 25b, 25c, 25dの各々）とが含まれている。このスイッチ25は、アンテナデバイス10の外側に配置されている。これらのマッチングブリッジ34, 35, 36, 37は、マッチングブリッジ端子33に接続されている。アース端子32は、更にアース導体に接続されている。キャパシタ52とインダクタ53とを含む共振回路51が、アース端子32とアース導体21との間の当該接続部に並列に存在する。
このアンテナデバイスは、2.5 GHzの標準周波数を有するブルーツース用途に適合化されており、かつ次のように機能する。パッチアンテナ2は、長さが10 mmであり、1 nH/mmのインダクタンスを有する。パッチアンテナ2は、更に、0.1 pFのキャパシタンス値を有する。マッチングブリッジ34〜37のスイッチ25が1つも閉じられていない場合、得られる周波数は5.0 GHzである。キャパシタ3a, 3b, 3c, 3dによって生じるキャパシタンス値は、0.1, 0.3, 1.0, 2.5 pFである。0.1 pFのキャパシタンスを追加してスイッチをオンにすると周波数は3.5 GHzになり、0.3 pFのキャパシタンスを追加すると周波数は2.5 GHzになり、1.3 pFを追加すると周波数は1.3 GHzになり、かつ3.8 pFを追加すると周波数は0.8 GHzになる。このようにして、周波数を0.8 GHz〜5 GHzの間で調節することが可能になる。これに代えて、実際の周波数が2.5 GHzから外れることが調整の前に判明した場合、周波数を2.5 GHzに調整することが出来る。周波数を下方に調整するためには、スイッチをオンにしなければならず、周波数を上方に調整するためには、スイッチをオフにしなければならない。従って、0.3 pFという中間のキャパシタンスを持つキャパシタを有する1つのマッチングブリッジがアース導体21に接続されるように、1つのスイッチをオンにした状態で起動することが好ましい。例えば、0.3 pFのキャパシタを有するマッチングブリッジ35のスイッチ25bをオンにすることが出来る。スイッチがオンになっているキャパシタを適切に組合せて選択することによって、説明した周波数の間にある他の周波数を実現することが出来る。周波数スペクトルは、共振回路51によって広げることが出来る。キャパシタ3は、キャパシタンスの温度依存度は-30〜+30 ppm/゜Cの範囲であるとするNP0標準に準拠していることが好ましい。
図3は、プリント回路ボード20の底面図である。この底面図には、アース導体21とスイッチ25a, 25b, 25c, 25dとが設けられているプリント回路ボードの第二側部29が示されている。これらに対応するマッチングブリッジ34, 35, 36, 37の何れかを遮断するためには、スイッチを、レーザーによって切断または破壊しなければならない。
図4は、本発明の装置100の第二実施例の断面図である。この装置100は、第一側部28と第二側部29とを有するプリント回路ボード20を有する。このプリント回路ボード20は、アース導体21がその間に設けられている2つの絶縁層41, 42を有する。プリント回路ボードの第一側部には、ボードコンタクトパッド22, 46と、相互接続部43と、バイアパッド44と、スイッチ25, 26, 27（これらの内、図4にはスイッチ25と27しか示されていない）とを有する、導電トラックのパターンが設けられている。スイッチ25, 26, 27は、接続部を設けるためにゼロ抵抗または低抵抗を有するSMD素子をその上に配置することが出来る、一対のパッドとして例示されている。アンテナデバイス50は、プリント回路ボード20の第一側部28に設けられる。アンテナデバイス50は、第一側部8と第二側部9とを有する基板1を有する。第二側部には、アース端末32と、マッチングブリッジ端子33と、入力端子31（図示されていない）とを有するパッチアンテナ2が設けられている。この基板は、更に、リアクタンス素子3と4（図示されていない）と、マッチングブリッジ端子33からリアクタンス素子3に至る相互接続部6とを含む。バイア5は、基板1内に存在する。
図5は、本発明の装置100の第二実施例の平面図である。パッチアンテナ2は、一方の端に、マッチングブリッジ37, 38が接続されているアース端子32を有し、かつ、他方の端に、マッチングブリッジ34, 35, 36, 39を有するマッチングブリッジ端子33を有する螺旋形をしている。入力端子3も設けられており、これを介して、アンテナ2は受信／伝送回路と通信する。リアクタンス素子3, 4は、アンテナデバイス50の基板1上に存在する。スイッチ25, 26, 27は、プリント回路ボード20の第一側部28に存在する。スイッチ25, 26, 27は、接続部を設けるためにゼロ抵抗または低抵抗を有するSMD素子をその上に設けることが出来る一対のパッド、として実施されている。
図6は、本発明の装置110の平面図である。この装置110は、アンテナ2をマッチングブリッジ34〜39によって調整した後、プリント回路ボード20を再設計することによって、得られる。アンテナデバイス50には、この再設計による変更は行われていない。これには、アンテナデバイス50を、標準化されている設計に従って製造することが出来るという利点がある。本発明のこの装置の場合、マッチングブリッジ34〜39は、もはやスイッチを含んでいない。この代わりに、（マッチングブリッジ34, 36, 38のような）一部のマッチングブリッジがアース導体21に接続されているが、他のマッチングブリッジは接続されていない。
本装置の第一実施例の断面図である。 本装置の第一実施例のブロック図である。 本装置の第一実施例の線図による底面図である。 本装置の第二実施例の断面図である。 本装置の第二実施例の線図による平面図である; 調整と再設計後の本装置の線図による平面図である。
符号の説明
1…基板
2…アンテナ
3…リアクタンス素子
3a…キャパシタ
3b…キャパシタ
3c…キャパシタ
3d…キャパシタ
4…リアクタンス素子
5…バイア
6…相互接続部
7…モジュールコンタクトパッド
8…第一側部
9…第二側部
10…アンテナデバイス
11…集積回路
12…RXバランフィルタ1
13…TXバランフィルタ
14…TX/RXスイッチ
15…バンドパスフィルタ
16…VCOタンク
17…PLLループフィルタ
18…供給デカップリングユニット
19…入力端子
20…プリント回路ボード
21…アース導体
22…ボードコンタクトパッド
23…バイア
25…スイッチ
25a…スイッチ
25b…スイッチ
25c…スイッチ
25d…スイッチ
26a…スイッチ
26b…スイッチ
27…スイッチ
28…第一側部
29…第二側部
31…入力端子
32…アース端子
33…マッチングブリッジ端子
34…マッチングブリッジ
35…マッチングブリッジ
36…マッチングブリッジ
37…マッチングブリッジ
38…マッチングブリッジ
39…マッチングブリッジ
43…相互接続部
44…バイアパッド
46…ボードコンタクトパッド
47…モジュールコンタクトパッド
50…アンテナデバイス
51…共振回路
52…キャパシタ
53…インダクタ
100…装置
110…装置

Claims (6)

  1. 第一側部と、これと反対側の第二側部とを有し、かつアース導体が設けられているプリント回路基板を有し、この第一側部に入力インピーダンスを有するアンテナを有するアンテナデバイスが存在する、無線通信機能を有する装置において、
    前記アンテナデバイスは、
    第一側部と、これと反対側の第二側部とを有する基板と、
    前記基板の前記第一側部に存在する PIFA タイプまたはタッチタイプのアンテナと、
    を有し、
    前記装置は、当該入力インピーダンスを調整するための手段を更に有し、
    当該手段は、前記基板の前記第一側部の前記アンテナデバイスに存在するリアクタンス素子をそれぞれ有する第一及び第二のマッチングブリッジと、前記基板の前記第二側部のモジュールコンタクトパッドと、前記プリント回路基板の前記第一側部のボードコンタクトパッドと、前記プリント回路基板に存在するスイッチとを有し、前記ブリッジのそれぞれは、前記アンテナの箇所と前記アース導体の箇所との間に存在し、
    集積回路及びフィルタが、前記アンテナデバイスの前記基板の前記第一側部に存在し、
    前記マッチングブリッジのうち少なくとも１つが、前記装置の前記プリント回路基板の前記アース導体に接続されていることを特徴とする、装置。
  2. 前記アンテナデバイスは、前記アンテナと前記アース導体との間に共振回路を更に有する、請求項１に記載の装置。
  3. 前記リアクタンス素子は、受動素子のアレイに集積化されている、請求項１に記載の装置。
  4. 前記マッチングブリッジの前記モジュールコンタクトパッドは、ボールグリッドアレイまたはランドグリッドアレイの一部であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  5. 前記集積回路は送受信装置であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  6. 請求項１に記載の装置のアンテナを調整する方法であって、
    前記アンテナの入力インピーダンスを測定するステップと、
    当該スイッチの少なくとも1つのスイッチをオンまたはオフにすることによって、前記アンテナの前記入力インピーダンスを適合化するステップと、
    を有する、方法。
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