JP4015024B2 - アンテナ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、実質的に平面のパッチ導体を有するアンテナ装置及びこのような装置を組み込んだ無線通信装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
移動電話機のような無線端末は、一般に、ノーマルモードヘリックス又はメアンダラインアンテナのような外部アンテナと、平面逆F型アンテナ(PIFA)又は同様のアンテナのような内部アンテナとのどちらもを組み込んでいる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
このようなアンテナは、(波長に対して)短く、従って短いアンテナの根本的な制限のために狭帯域である。しかしながら、セル方式の無線通信システムは、通常、10%又はそれ以上の帯域幅の部分を有している。パッチアンテナの帯域幅とその体積との間には直接的な関係があるので、例えばPIFAからこのような帯域幅を実現することは、かなりの体積を要するが、小型の電話機に向かう現在の傾向では、そのような体積は容易に利用可能ではない。また、パッチの高さが増大するにしたがってPIFAは共振時にリアクティブになり、これは、帯域幅を改善するために必要である。
【0004】
他の問題は、デュアルバンドアンテナが必要とされる場合に生じる。この場合、同じ構造体の内部に2つの共振器が必要とされ、これは、各周波数において利用可能なアンテナ領域の一部のみしか有効に用いられないことを意味している。アンテナの帯域幅はそのサイズに関係があるので、2つの帯域における広帯域動作を与えるためには、非常に大きな体積が必要とされる。このようなアンテナの一例は、欧州特許出願EP0,997,974に開示されており、この出願では、2つのPIFAアンテナは、共通ポイントからフィードされ、共通のショートピンを共有している。低周波素子が高周波素子に巻き付けられており、これは、上記高周波素子がアンテナ全体のサイズに比べて小さくなければならない(従って狭帯域でなければならない)ことを意味する。
【0005】
出願人の係属中の公開されていない英国特許出願0101667.4(出願人整理番号PHGB010009)には、従来のPIFAの変形例が開示されており、この変形例では、フィードピンとショートピンとの間においてPIFAにスロットが取り入れられている。このような装置は、かなり改善されたインピーダンス特性を提供したが、一方で、従来のPIFAよりも小さい体積を必要とする。
【0006】
本発明の目的は、改善された平面アンテナ装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の観点によれば、グランド面(104)と、前記グランド面から離れて配されると共に、前記グランド面と同一の広がりを持つ実質的に平面のパッチ導体(102)とを具え、前記平面のパッチ導体にスロット(202)が設けられ、前記スロットが、前記平面のパッチ導体の縁部付近に設けられるとともに前記パッチ導体に非対称的に位置し、前記平面のパッチ導体の第1接続ポイント(106)及び第2接続ポイント(108)がそれぞれ、前記平面のパッチ導体の周辺において前記スロットのそれぞれの側に配置され、前記第1接続ポイント(106)に接続されたRF信号段(302)を更に具えるアンテナ装置において、前記スロット(202)に対して前記第1接続ポイント(106)の反対側の位置で前記平面のパッチ導体の周辺に第3の接続ポイント(402)を設け、少なくとも一つの第1スイッチ手段(304)を前記第2接続ポイント(108)に接続し、少なくとも一つの第2スイッチ手段(404)を前記第3接続ポイント(402)に接続し、これによって、前記アンテナ装置が、前記第1スイッチを開くことによって前記第2接続ポイント(108)を開回路にするとともに前記第2スイッチ手段を閉じて前記第3接続ポイント(402)を接地する第1のモードと、前記第1スイッチ手段(304)を閉じることによって前記第2接続ポイント(108)を接地するとともに前記第2スイッチ手段(404)を開くことによって前記第3接続ポイント(402)を開回路にする第2のモードとで動作することを特徴とするアンテナ装置が提供される。
【0008】
上記各接続ポイントに接続されるインピーダンスを変化させることにより、当該アンテナにフィードされる電流が異なる経路をたどり、これによって異なる動作モードが与えられる。上記モードは、異なる共振周波数及び/又は異なるインピーダンスを含み得る。上記インピーダンスは、短絡回路及び開回路を含んでいてもよく、これはスイッチ又は受動回路により提供され得る。他の接続ポイントが設けられていてもよく、上記無線回路が分散(distributed)ダイプレクサを含んでいてもよい。これらの装置の全ては、全てのモードにおいて上記パッチ導体を完全に使用することにより、同等の体積のPIFAと比べて低減されたアンテナの体積を可能にするという利点を有している。
【0009】
本発明の第2の観点によれば、本発明によるアンテナ装置を含む無線通信装置が提供される。
【0010】
本発明は、PIFAのパッチ導体のポイントに接続されるインピーダンスが変化することを可能にすることによって、全ての帯域においてパッチ領域を完全に使用するデュアルバンドアンテナ及びマルチバンドアンテナが可能になるという従来の技術では与えられていない認識に基づいている。
【0011】
【発明の実施の形態】
添付の図面を参照して、本発明の実施の形態が例として説明される。
【0012】
各図面において、対応する特徴を示すために同一の参照符号が用いられている。
【0013】
図1に、電話機に搭載されたPIFAの斜視図が示されている。このPIFAは、電話機の一部を形成するグランド面104と平行に支持された矩形のパッチ導体102を有している。上記アンテナは、フィードピン106を介してフィードされ、ショートピン108によりグランド面104に接続される。
【0014】
PIFAの典型的な実施の形態では、パッチ導体102は20×10mmの寸法を有しており、40×100×1mmの寸法であるグランド面104の8mm上側に位置している。フィードピン106は、パッチ導体102及びグランド面104の両方の角部に位置しており、ショートピン108は、フィードピン106から3mm離れている。
【0015】
PIFAのインピーダンスが誘導性であることはよく知られている。これに関する1つの説明は、フィードピン106及びショートピン108の電流を差動モード(等しくかつ反対方向、非放射)の電流とコモンモード(同じ方向、放射)の電流との合計とみなすことにより与えられる。上記差動モードの電流に関して、フィードピン106及びショートピン108は、波長に対して非常に短い長さ(図1に示した実施の形態では、2GHzで8mm又は0.05λ)のために容量性リアクタンスを有する短絡回路の伝送ラインを形成する。
【0016】
図2は、出願人の係属中の公開されていない英国特許出願GB0101667.4(出願人整理番号PHGB010009)に開示されている、標準的なPIFAの変形例の斜視図であり、この変形例では、フィードピン106とショートピン108との間においてパッチ導体102にスロット202が設けられている。上記スロットの存在は、フィードピン106及びショートピン108によって形成される短絡回路の伝送ラインの長さを増大させることにより、当該アンテナ装置の差動モードのインピーダンスに影響を及ぼし、これは、上記アンテナのインピーダンスの容量性成分が大きく低減されることを可能にする。これは、スロット202がフィードピン106及びショートピン108により形成される短絡回路の伝送ラインの長さを大きく増大させ、これにより上記伝送ラインのインピーダンスがより小さな容量性になることを可能にするからである。従って、この装置は、差動スロット(Differentially Slotted)PIFA(DS−PIFA)として知られている。
【0017】
上記参照特許出願では、上記スロットの存在がインピーダンスの変化を与えることも示されている。これは、上記DS−PIFAが、非常に短く、多量に(heavily)トップロードされる折り返し(folded)モノポールと同様であると見なされ得るからである。上記インピーダンスの変化は、スロット202がパッチ導体102において中心的に位置する場合、約4倍である。パッチ導体102上のスロット202の非対称の構成は、上記インピーダンスの変化を調節するために用いられることが可能であり、当該アンテナの抵抗性インピーダンスが50Ωの回路により良好に整合するように調節されることを可能にする。
【0018】
本発明の第1の実施の形態では、ショートピン108はグランド面104に直接接続されていない。代わりに、アンテナへの入力信号はピン106,108のいずれか一方に、他方のピンが開回路の状態又はグランド面104に直接接続された状態で、フィードされ得る。以下、上記ピンを第1のピン106及び第2のピン108と呼ぶこととする。上述したように、パッチ導体102は、20×10mmの寸法を有しており、グランド面104の8mm上側に位置している。スロット202の幅は1mmであり、2つのピン106,108の中央で始まり、パッチ導体102の縁部から0.5mm離れて該縁部と平行に延在する。
【0019】
アンソフト社から入手可能な3次元高周波電磁界シミュレータ(HFSS)を用い、(整合させていない)この実施の形態のリターンロスS11のシミュレーションが、相当数のフィーディング装置に対して行われた。いずれの場合も、結果は、800〜3000MHzの周波数fに対するS11の大きさのグラフ及び同一の周波数範囲にわたる装置のシミュレーションされたインピーダンスを表すスミスチャートとして示されている。
【0020】
本実施の形態の第1の装置では、第1のピン106がフィードされる一方で、第2のピン108はグランド面104に対して短絡されており、このシミュレーションの結果は図3及び図4に示されている。第2の装置では、第2のピン108がフィードされる一方で、第1のピン106はグランド面104に対して短絡されており、このシミュレーションの結果は図5及び図6に示されている。これらの装置の両方において、アンテナは、英国特許出願GB0101667.4に開示されている形態と同様にDS−PIFAとして作用し、高周波において共振する。与えられるインピーダンスは、スロット202のどちらの側がフィードされるかに依存する。第1のピン106がフィードされる場合、コモンモードの変化の割合は小さく、低インピーダンスが与えられる一方で、第2のピン108がフィードされる場合、コモンモードの変化の割合は大きく、高インピーダンスが与えられる。これは、図4及び図6の各スミスチャートを比較することから明らかに分かる。
【0021】
第1及び第2の装置が用いられ得る1つの形態は、出願人の係属中の公開されていない英国特許出願GB0025709.7(出願人整理番号PHGB000145)に開示されており、この出願においては、トランシーバが、第1のピン106に結合された送信機及び第2のピンに結合された受信機(又は第2のピン108に結合された送信機及び第1のピン106に結合された受信機)を有している。このような実施の形態は、トランシーバが受信しているときに第1のピン106をグランド面104に結合し、トランシーバが送信しているときに第2のピン108をグランド面104に結合する回路を用いる時分割無線システムに使用され得る。スロット202の好適なポジショニングにより、上記受信機は低インピーダンスによりフィードされることが可能であり、一方で、上記送信機は高インピーダンスをフィード可能であり、これはトランシーバの動作を改善する。
【0022】
他の実施の形態は、出願人の係属中の公開されていない英国特許出願GB0030741.3(出願人整理番号PHGB000176)に開示されているような追加の特徴、例えば、アンテナ構造へのディスクリート部品の付加を含むことに基づいている。
【0023】
本発明の第3の装置では、第1のピン106がフィードされ、第2のピン108が開回路とされ、シミュレーションの結果が図7及び図8に示されている。本発明の第4の装置は、第2のピン108がフィードされ、第1のピン106が開回路とされ、シミュレーションの結果が図9及び図10に示されている。
【0024】
出願人の係属中の公開されていない英国特許出願GB0105441.0(出願人整理番号PHGB010033)には、平面逆L型アンテナ(PILA)は外部整合回路と共に、低減されたアンテナの体積から、デュアルバンドPIFA又はマルチバンドPIFAと同等の性能を提供できることが示されている。これは、通常のPIFAのショートピンが整合機能を果たすが、この整合は1つの周波数においてのみ効果的であり、他の周波数における整合を犠牲にしているからである。
【0025】
上記第3及び第4の装置は、上記開回路ピンがほとんど影響を及ぼさないので、メアンダPILAとして動作する。上記第3の装置では、第1のピン106がフィードされ、パッチ導体102の狭い部分(スロット202の上部及び右側)がその小さい領域のためにほとんど影響を及ぼさないので、共振周波数が増大される。上記第4の装置では、パッチ導体102の上記狭い部分がより広い部分に電流を運び、従って、メアンダ(ライン)の長さ全体が共振するために、共振周波数が低減される。
【0026】
上述したシミュレーションは、DS−PIFAモード及びメアンダPILAモードの両モードにおいて平面アンテナを動作することが可能であることを示している。以下の実施の形態の幾つかにおけるように、メアンダPILAに代えて、メアンダPIFAも使用され得る。デュアルバンドGSM/DCSアンテナとして用いるのに全て好適である本発明の各実施の形態の範囲が、その実際の用途を説明するために与えられる。
【0027】
図11は、本発明の第2の実施の形態の平面図である。両方の帯域において、RF信号ソース302が第1のピン106を介してパッチ導体102にフィードされる。第2のピン108はスイッチ304に接続されている。低周波(GSM)モードでは、スイッチ304が開放され、アンテナはメアンダPILAとして動作する。高周波(DCS)モードでは、スイッチ304が閉じられ、第2のピン108をグランド面104に接続すると共に、アンテナはDS−PIFAとして動作する。どちらのモードにおいても、(欧州特許出願EP0,997,974に開示されているようなデュアルバンドPIFAとは異なり)上記アンテナ構造の全てが用いられ、従って増大された帯域幅が生成され得る。これは、特に、高周波帯域に関して有利であり、より高周波において及びより広い帯域幅にわたって動作する必要があるUMTSアンテナに関して更に一層有利である。
【0028】
図12は、本発明の第3の実施の形態の平面図である。両方の帯域において、RF信号ソース302が第1のピン106を介してパッチ導体102にフィードされる。第2のピン108はスイッチ304に接続されており、第3のピン402が設けられ、第2のスイッチ404に接続されている。低周波(GSM)のモードでは、スイッチ304が開放され、第2のスイッチ404が閉じられ、第3のピン402をグランド面104に接続すると共に、アンテナはメアンダPIFAとして動作する。高周波(DCS)モードでは、スイッチ303,404が逆にされ、第2のピン108をグランド面104に接続すると共に、アンテナはDS−PIFAとして動作する。
【0029】
図13は、本発明の第4の実施の形態の平面図である。これは、上記第3の実施の形態と同様であるが、パッチ導体102の縁部付近に他のスロット502が追加されている。各モードに関するスイッチの設定は、上記第3の実施の形態に関してと同じである。他のスロット502の存在は、その結果として起こる整合の改善により、低周波モードがDS−PIFAとして動作することを可能にする。上記高周波モードは、他のスロット502の位置がパッチ導体102の外周に近いために、他のスロット502により大きく影響を及ぼされない。
【0030】
スイッチが用いられる上述した実施の形態の全てにおいて、他の手段により同一の効果が得られる。例えば、同調回路のような受動等価物(equivalent)が用いられ得る。また、フィードされないピンの幾つか又は全ては、閉回路又は開回路の巡回(circuit)に代えて、リアクティブ的にロードされ得る。
【0031】
図14は、本発明の第5の実施の形態の平面図であり、これは、2つのアンテナフィード部の間にダイプレクサを配することにより、スイッチング素子を必要としない。低周波(GSM)モードでは、GSM信号ソース602がローパスフィルタ604を通過し、第1のピン106を介してパッチ導体102にフィードされる。高周波(DCS)モードでは、DCS信号ソース606がハイパスフィルタ608を通過し、第2のピン108を介して上記パッチ導体にフィードされる。グランドピン610も設けられており、このグランドピン610はパッチ導体102とグランド面104とを接続する。動作の際、低周波モードでは、ハイパスフィルタ608がGSM信号に高インピーダンスを与え、アンテナはメアンダPIFAとして動作する。高周波モードでは、ローハイパスフィルタ604がGCS信号に高インピーダンスを与え、アンテナはDS−PIFAとして動作する。この実施の形態は、当該アンテナがGSMポートとDCSポートとの間の追加の分離部を提供するという追加の利点を有する。
【0032】
図15は、本発明の第6の実施の形態の平面図である。これは、上記第5の実施の形態と同様であるが、パッチ導体102の縁部付近に他のスロット502が追加されている。これは、上記低周波モードをDS−PIFAとして動作するように変更し、改善されたインピーダンス特性を提供する。
【0033】
本明細書の開示を読むことから、当業者であれば他の変形が明らかであろう。このような変形は、アンテナ装置のデザイン、製造及び使用並びにその部品において既に知られている他の特徴や、本明細書において既に述べた特徴に代えて、又はそれに加えて用いられ得る特徴を含んでいてもよい。
【0034】
本明細書及び特許請求の範囲において、構成要素の前に付された「a」及び「an」は、複数のそのような構成要素の存在を排除するものではない。また、「有する(comprising)」は、列挙されている構成要素又はステップ以外の他の構成要素又はステップの存在を排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 電話機に搭載されたPIFAの斜視図である。
【図2】 電話機に搭載されたスロット平面アンテナの斜視図である。
【図3】 図2のアンテナの周波数f(MHz)に対するシミュレーションされたリターンロスS11(dB)のグラフであり、当該アンテナは、第1のピンがフィードされ、第2のピンが接地されている。
【図4】 800〜3000MHzの周波数範囲にわたる、図2のアンテナのシミュレーションされたインピーダンスを示すスミスチャートであり、当該アンテナは、第1のピンがフィードされ、第2のピンが接地されている。
【図5】 図2のアンテナの周波数f(MHz)に対するシミュレーションされたリターンロスS11(dB)のグラフであり、当該アンテナは、第2のピンがフィードされ、第1のピンが接地されている。
【図6】 800〜3000MHzの周波数範囲にわたる、図2のアンテナのシミュレーションされたインピーダンスを示すスミスチャートであり、当該アンテナは、第2のピンがフィードされ、第1のピンが接地されている。
【図7】 図2のアンテナの周波数f(MHz)に対するシミュレーションされたリターンロスS11(dB)のグラフであり、当該アンテナは、第1のピンがフィードされ、第2のピンが開回路である。
【図8】 800〜3000MHzの周波数範囲にわたる、図2のアンテナのシミュレーションされたインピーダンスを示すスミスチャートであり、当該アンテナは、第1のピンがフィードされ、第2のピンが開回路である。
【図9】 図2のアンテナの周波数f(MHz)に対するシミュレーションされたリターンロスS11(dB)のグラフであり、当該アンテナは、第2のピンがフィードされ、第1のピンが開回路である。
【図10】 800〜3000MHzの周波数範囲にわたる、図2のアンテナのシミュレーションされたインピーダンスを示すスミスチャートであり、当該アンテナは、第2のピンがフィードされ、第1のピンが開回路である。
【図11】 本発明の他の実施の形態の平面図である。
【図12】 本発明の更に他の実施の形態の平面図である。
【図13】 本発明の更に他の実施の形態の平面図である。
【図14】 本発明の更に他の実施の形態の平面図である。
【図15】 本発明の更に他の実施の形態の平面図である。
Claims (4)
- グランド面(104)と、前記グランド面から離れて配されると共に、前記グランド面と同一の広がりを持つ実質的に平面のパッチ導体(102)とを具え、前記平面のパッチ導体にスロット(202)が設けられ、前記スロットが、前記平面のパッチ導体の縁部付近に設けられるとともに前記パッチ導体に非対称的に位置し、前記平面のパッチ導体の第1接続ポイント(106)及び第2接続ポイント(108)がそれぞれ、前記平面のパッチ導体の周辺において前記スロットのそれぞれの側に配置され、前記第1接続ポイント(106)に接続されたRF信号段(302)を更に具えるアンテナ装置において、前記スロット(202)に対して前記第1接続ポイント(106)の反対側の位置で前記平面のパッチ導体の周辺に第3の接続ポイント(402)を設け、少なくとも一つの第1スイッチ手段(304)を前記第2接続ポイント(108)に接続し、少なくとも一つの第2スイッチ手段(404)を前記第3接続ポイント(402)に接続し、これによって、前記アンテナ装置が、前記第1スイッチを開くことによって前記第2接続ポイント(108)を開回路にするとともに前記第2スイッチ手段を閉じて前記第3接続ポイント(402)を接地する第1のモードと、前記第1スイッチ手段(304)を閉じることによって前記第2接続ポイント(108)を接地するとともに前記第2スイッチ手段(404)を開くことによって前記第3接続ポイント(402)を開回路にする第2のモードとで動作することを特徴とするアンテナ装置。
- 前記平面のパッチ導体が、非対称に位置したスロット(202)によって切り離された小区分と大区分とを具え、前記第1接続ポイント(106)及び前記第3接続ポイント(402)が前記小区分に位置し、前記第2接続ポイント(108)が前記大区分に位置することを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
- 非対称に位置する他のスロット(502)を前記平面のパッチ導体(102)に設け、前記他のスロット(502)が、前記平面のパッチ導体の縁部付近に設けられ、前記第1接続ポイント(106)及び前記第3接続ポイント(402)がそれぞれ、前記他のスロットのそれぞれの側に配置されたことを特徴とする請求項1又は2記載のアンテナ装置。
- 請求項1ないし3のいずれか1項に記載のアンテナ装置を含む無線通信装置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GBGB0105440.2A GB0105440D0 (en) | 2001-03-06 | 2001-03-06 | Antenna arrangement |
PCT/IB2002/000473 WO2002071535A1 (en) | 2001-03-06 | 2002-02-15 | Antenna arrangement |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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