JP4132669B2 - 無給電放射素子を有するデュアル・バンド・ダイバーシチ・アンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は一般的にアンテナに関し、より詳細には通信装置内で使用するダイバーシチ・アンテナに関する。
【０００２】
（発明の背景）
無線電話などのパーソナル通信装置用のアンテナは、使用者の近くで動作しているとき、または装置の動作中に使用者が移動しているときに適正に機能しない可能性がある。無線電話の動作中に物体に近かったり、または使用者が移動したりすると、信号品質の劣化、またはマルチパス・フェージングとして知られる信号強度の変動が生じる可能性がある。ダイバーシチ・アンテナは、無線電話の主アンテナに関連して機能して信号受信を改善するように設計されている。
【０００３】
一般に普及している携帯用無線電話の多くは小型化されている。事実、現在のモデルの多くは長さが１１〜１２センチメートルでしかない。残念ながら、無線電話が小型化するにつれ、その内部空間も狭くなる。内部空間が狭くなるとアンテナの大きさも小さくなるため、既存のダイバーシチ・アンテナでは無線電話の動作に必要な帯域幅および利得の要件を達成することが難しくなる。
【０００４】
さらに、ダイバーシチ・アンテナは複数の周波数帯で共振可能であることが望ましい。例えば日本のＰＤＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｅｌｌｕａｒ）システムは、２つの「受信」周波数帯および２つの「送信」周波数帯を利用する。したがって、日本のＰＤＣシステムで使用する無線電話のダイバーシチ・アンテナは、２つの受信周波数帯のそれぞれで共振可能であることが好ましい。無線電話の小型化によって課せられた寸法制限のため、複数の周波数帯で十分な利得を有するダイバーシチ・アンテナを提供する能力は、残念ながら、現在のところ限定されている。
【０００５】
（発明の概要）
したがって、本発明の目的は、無線電話などのパーソナル通信装置で使用するダイバーシチ・アンテナであって、複数の周波数帯で十分な利得で共振することができるダイバーシチ・アンテナを提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、複数の周波数帯で十分な利得で共振することができ、小型無線電話の狭い内部空間に設置することができる小型のダイバーシチ・アンテナを提供することにある。
【０００７】
本発明のこれらおよびその他の目的は、誘電体基板の両面に固定され、給電なしに結合されて隣接する２つの周波数帯で共同で共振する２つの放射素子を有する無線電話などの通信装置用の平面プレーナ・ダイバーシチ・アンテナによって提供される。「給電」放射素子と呼ばれる１つの放射素子は、ＲＦ給電点および接地点をその上に有する蛇行した導電経路を有する。「無給電」放射素子と呼ばれる第２の放射素子は、蛇行した導電経路をその上に有する。無給電放射素子は、「給電」放射素子と接地面の両方から空間的に離してこれらと概して平行に保持される。
【０００８】
本発明に基づく平面ダイバーシチ・アンテナを無線電話の内部で使用するときには、ＲＦ回路の上に横たわる遮蔽缶に接地面の役目をさせることができる。この平面アンテナ素子は、無給電放射素子が遮蔽缶の外面から空間的に離れてこれと平行に位置するように無線電話のハウジング内に固定される。遮蔽缶の外面の開口は、ホット給電素子がＲＦ回路から遮蔽缶の開口を通して延び、給電放射素子の導電経路上の給電点に電気的に接続するのを可能にする。接地給電素子は、給電放射素子の導電経路上の接地ポストを接地された遮蔽缶に電気的に接続する。
【０００９】
給電放射素子および無給電放射素子は、異なる電気的および物理的長さを有する蛇行した導電経路を有することができる。したがって給電放射素子および無給電放射素子はデュアル・バンド共振において共同して放射する。隣接する周波数帯は例えば、０．８１０〜０．８２８ＧＨｚ帯と０．８７０〜０．８８５ＧＨｚ帯などである。
【００１０】
本発明に基づくダイバーシチ・アンテナは、それらの構成が、現在の無線電話およびその他の通信装置の小スペース制約条件に対して適合することを可能にすると同時に、十分な利得および帯域幅特性を提供するため有利である。本発明の諸態様を組み込んだダイバーシチ・アンテナのデュアル・バンド機能は、無線電話通信の送受信に複数の周波数帯を利用する日本などの国々において特に有利である。本発明は、デュアル・バンド無線電話用のダイバーシチ・アンテナとして適当である。
【００１１】
（発明の詳細な説明）
本発明の好ましい実施形態を示した添付図面を参照して、以下に、本発明をより詳細に説明する。しかしながら、本発明は、異なる多くの形態で具体化することが可能であり、本発明を、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと解釈してはならない。これらの実施形態はむしろ、本開示が完全なものとなり、本発明の範囲が当業者に完全に伝達されるよう提供するものである。全体を通して同じ番号は同じ部品を指す。
【００１２】
当業者には周知のとおり、アンテナは電気信号を送信および／または受信するための装置である。送信アンテナは一般に、電磁界を放射するために開口または反射面を誘導または照射する給電アセンブリを含む。受信アンテナは一般に、入射放射界を捕集給電に集中させる開口または面を含み、入射放射に比例した電子信号を生成する。アンテナから放射される、またはアンテナによって受信される電力の量はその開口の面積によって決まり、利得として記述される。アンテナの放射パターンはしばしば、極座標を使用して作図される。電圧定在波比（ＶＳＷＲ）は、アンテナの給電点と給電線または伝送線とのインピーダンス整合に関係する。ＲＦエネルギーを最小の損失で放射する、または受信したＲＦエネルギーを最小の損失で受信器に渡すためには、アンテナのインピーダンスが伝送線または給電線のインピーダンスと整合していなければならない。
【００１３】
無線電話は一般に、トランシーバに電気的に接続された主アンテナを使用し、このアンテナは、内部に置かれたプリント回路板上に配置された信号処理回路と動作可能に組み合わされている。アンテナとトランシーバの間の電力転送を最大にするため、トランシーバとアンテナは、それぞれのインピーダンスが実質的に「整合」されて、すなわちアンテナの望ましくないインピーダンス成分が除去されるか、または補償されるように電気的にチューニングされて、回路給電のところに５０オームの（または所望の）インピーダンス値を提供するように相互接続されることが好ましい。
【００１４】
当業者には周知のとおり、ダイバーシチ・アンテナを無線電話内の主アンテナとともに利用して、信号強度の変動に起因する通話の中断を妨ぐことができる。信号強度は、使用者のセルラ電話網のセル間移動、建物の間の歩行、および静止した物体からの干渉などの結果として変動する。ダイバーシチ・アンテナは、主アンテナが拾うことができない信号を空間、パターン、および帯域または利得ダイバーシチを通して拾うように設計される。ダイバーシチ・アンテナを利用して、マルチパスによる位相相殺に起因する信号強度の突然の大きな減衰または損失を含む可能性があるレイリー・フェージングを相殺することもできる。
【００１５】
当技術分野で周知のダイバーシチ・アンテナの１つが平面逆Ｆ形アンテナ（ＰＩＦＡ）であり、これを図１に示す。図示のＰＩＦＡ１０は、接地面１４から空間的に離して保持された放射素子１２を含む。この放射素子はさらに、１６で示すように接地面１４に接地される。ホット（ｈｏｔ）ＲＦ接続１７が、下にある回路（図示せず）から接地面１４を貫いて放射素子１２の１８まで延びる。ＰＩＦＡは、利得および帯域幅に影響を及ぼす諸パラメータを調整することによって、すなわち放射素子１２の長さＬ、放射素子１２と接地面１４の間の間隔Ｈ、および接地と熱ＲＦ接続の間の距離Ｄを変更することによって、所望の周波数にチューニングされる。接地面の大きさも重要な調整パラメータである。当業者に周知のその他のパラメータを調整してＰＩＦＡをチューニングすることもできるが、それらについてこれ以上論じることはしない。
【００１６】
次に図２Ａから図２Ｃを参照して、本発明の好ましい実施形態に基づくデュアル・バンド・ダイバーシチ・アンテナ２０を示す。アンテナ２０は、互いに反対側にある第１および第２の面２２ａおよび２２ｂを有するファイバーグラス回路板などの誘電体基板２２を含む。基板として使用するのに特に好ましい材料は、回路板分野の熟練者には周知のＦＲ４ボードである。しかし、さまざまな誘電材料を基板２２に利用することができる。図示の実施形態については、誘電体基板２２の比誘電率が４．４〜４．８であることが好ましい。しかし、異なる比誘電率を有する誘電体基板を本発明の趣旨および意図から逸脱することなく利用することができることを理解されたい。
【００１７】
本発明に基づくダイバーシチ・アンテナは、レイリー・フェージング（見通し線および１つの主反射）およびライス・フェージング（複数の反射）の両方に対処するのに特によく適している。本発明は、ダイバーシチ・アンテナを超小型の移動無線電話の内部に置くことを可能にし、主アンテナが非常に大きな減衰領域に入ったときに役立つ。
【００１８】
誘電体基板２２の寸法は、ダイバーシチ・アンテナ２０が組み込まれる無線電話装置またはその他の通信装置の空間制限に応じて変更することができる。一般に誘電体基板２２の厚さＴは１．０〜１．５ミリメートル（ｍｍ）、幅Ｗは１１〜２２ｍｍ、長さＬは２１〜２３ｍｍである。
【００１９】
銅またはその他の導電材料の層が、基板の第１および第２の面２２ａおよび２２ｂに固定されており、これらをそれぞれ２４ａ，２４ｂで示す。好ましい導電材料は銅テープである。これは、アンテナのチューニング時にこれらの一部を容易に取り除くことができるためである。それぞれの基板面２２ａ，２２ｂ上の導電層２４ａ，２４ｂの厚さは一般に、０．５オンス（ｏｚ）（約１４グラム）〜１．０ｏｚ（約２８グラム）銅である。
【００２０】
導電層２４ａには、図２Ｂに示すように接地ポスト２７およびホットＲＦ給電点２８が電気的に接続される。接地ポスト２７およびホットＲＦ給電点２８の第１の基板面導電層２４ａ上の位置は、所望の入力インピーダンスに基づいて選択する。同軸コネクタ２９が、図２Ｃに示すように第２の基板面導電層２４ｂを貫いて延びる。ただし、同軸コネクタ２９は第２の基板面導電層２４ｂに電気的に接続されていない。接地ポスト２７およびホットＲＦ給電点２８は、後述するように同軸コネクタ２９を介して、下にある無線電話内の回路（図示せず）に電気的に接続される。
【００２１】
第２の基板面２２ｂに固定された導電層２４ｂは、アンテナ２０のその他の部分に電気的に接続されていない無給電導電層である。当業者には周知のとおり、無給電電磁素子は近距離場電流に結合され、近距離場電流を「給電オフ」する（すなわち導電面上を流れる電流が、電流が導電面の近くに誘導する電磁場群の１つの「場」の中に存在する）。無給電アンテナは、ＲＦ源によって直接に駆動されるのではなく、他の源によって放射されたエネルギーによって励振されるアンテナである。無給電素子の存在によって近くのアンテナの共振特性が変化する可能性があり、アンテナが２つ以上の帯域で共振することが可能となる。
【００２２】
後述するように、第１および第２の基板面２２ａ，２２ｂとその上のそれぞれの導電層２４ａ，２４ｂはそれぞれ、３０ａおよび３０ｂで示す放射素子として機能する。放射素子３０ａを「給電」放射素子と呼び、放射素子３０ｂを「無給電」放射素子と呼ぶ。後述するように、給電および無給電放射素子３０ａ，３０ｂによって、少なくとも２つの周波数帯で共振するようにアンテナ２０をチューニングすることができる。
【００２３】
図２Ｂおよび図２Ｃを参照すると、それぞれの導電層２４ａ，２４ｂの部分２６ａ，２６ｂがそれぞれ除去され、３２ａおよび３２ｂで示すＲＦエネルギーを放射するための蛇行導電パターンが形成されている。当業者には周知のとおり、それぞれの蛇行導電パターン３２ａ，３２ｂの長さはチューニング・パラメータである。給電放射素子３０ａおよび無給電放射素子３０ｂによって、アンテナ２０は少なくとも２つの周波数帯で共振することができる。無給電放射素子３０ｂは、給電放射素子３０ａから生成された磁界によって励振される。給電放射素子３０ａおよび無給電放射素子３０ｂは、２つの異なる共振周波数を生じるように構成されることが好ましい。したがってアンテナの帯域幅を、放射素子を１つだけ有するアンテナに比べて増大させることができる。
【００２４】
次に図３を参照すると、本発明に基づくデュアル・バンド・ダイバーシチ・アンテナによって達成可能な例示的な共振曲線４０が示されている。ＶＳＷＲは「Ｙ」軸に沿ってプロットされており、４２で示されている。周波数は「Ｘ」軸に沿ってプロットされており、４４で示されている。図示の共振曲線４０によって示されているように、給電放射素子３０ａおよび無給電放射素子３０ｂは、間隔を置いて近くに位置する２つの受信帯域（バンド１）および（バンド２）で共振するように構成される。バンド１は周波数ｆ₁から周波数ｆ₂までにわたり、バンド２は周波数ｆ₃から周波数ｆ₄までにわたる。バンド１とバンド２は間隔を置いて近くに位置し、インピーダンス整合を容易にするためにＶＳＷＲがそれぞれ２：１未満である。共振曲線４０は、アンテナと受信回路の間の整合によって損失が０．５ｄＢ以下となるところ（周波数）を示す。表示のデュアル・バンド・ダイバーシチ・アンテナは、２つの周波数帯で利得が１／４−１／４波リトラクタブル・アンテナに近づくように作られる。当業者には分かることだが、共振曲線４０は、アンテナ２０を「チューニング」することによって調整可能である。チューニングには、後に説明するようなデュアル・バンド・ダイバーシチ・アンテナのさまざまなパラメータの調整および選択が含まれる。
【００２５】
次に図４を参照すると、本発明に基づくデュアル・バンド・ダイバーシチ・アンテナ２０が、無線電話などの通信装置の上部および下部ハウジング部分６０ａ，６０ｂ内に設置された構成で示されている。当業者なら分かることだが、ハウジング部分６０ａ，６０ｂは回路板５４およびダイバーシチ・アンテナ２０を取り囲むように構成される。アンテナ２０は、遮蔽缶５２の上にこれと空間的に離して保持される。遮蔽缶５２は回路板５４の上に横たわり、回路板に固定されたさまざまな超小型電子構成部品（図示せず）に対して電磁干渉（ＥＭＩ）遮蔽を提供する。遮蔽缶５２は、アンテナ２０の接地面の動きをする平らな外面５３を有する。
【００２６】
図示の実施形態では、同軸コネクタ２９は、ホット給電素子３３が遮蔽缶５４から遮蔽缶の開口３１を通って延び、給電点２８と電気的に接続するための経路を提供する。図示の同軸コネクタ２９はさらに、接地給電素子３５が接地ポスト２７を接地された遮蔽缶５２に電気的に接続するための経路を提供する。当業者には周知のとおりホット給電素子３３は、ホットＲＦ給電点２８を下にある回路板５４上の受信器の入出力（図示せず）に、好ましくはＲＦスイッチ（受信のみ）（図示せず）を介して電気的に接続する。ＲＦスイッチは、主アンテナとダイバーシチ・アンテナを受信器に対して切り換える。
【００２７】
アンテナ２０の無給電放射素子３０ｂは、遮蔽缶５２の外面５３から空間的に離れてこれと概して平行に保持される。発泡材料５５または他の類似の非導電材料を、無給電放射素子３０ｂと遮蔽缶５２の外面５３の間に置くことが好ましく、これは振動およびきしみの影響を低減させる手段として機能する。
【００２８】
図示のダイバーシチ・アンテナ２０のチューニング・パラメータには、アンテナ２０の長さＬ、誘電体基板２２の厚さＤ₁、遮蔽缶５２とアンテナ２０の間の距離Ｄ₂、ホットＲＦ給電点２８と接地ポスト２７の間の距離Ｄ₃、および給電放射素子３０ａおよび無給電放射素子３０ｂの蛇行導電パターンの長さが含まれる。ただしこれらに限定されるわけではない。誘電体基板２２および蛇行導電パターンの長さが共振構造を放射するのに必要な「電気的長さ」を定義する。接地面、給電および給電分離は古典的なアンテナのバリエーションである。
【００２９】
以上の記載は本発明を例示したものであり、これが本発明を限定すると解釈してはならない。本発明のいくつかの例示的な実施形態を説明してきたが、本発明の新規な教示および利点から実質的に逸脱することなくこれらの例示的な実施形態に多くの変更が可能であることを、当業者は容易に理解しよう。したがってこのような変更は全て、請求項に定義された本発明の範囲に含まれるものである。請求項において、手段＋機能節（ｍｅａｎｓ−ｐｌｕｓ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｃｌａｕｓｅ）は、記載の機能を実行するものとして本明細書に説明した構造、ならびに構造的等価物および等価構造をカバーすることを意図したものである。したがって以上の記載は本発明を例示したものであり、これが開示の特定の実施形態に限定されると解釈すべきではなく、開示の実施形態ならびに他の実施形態に対する変更は添付の請求項の範囲に含まれるものであることを理解されたい。本発明は前記請求項によって定義され、請求項の等価物もこれに含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 無線電話内で使用される平面逆Ｆ形アンテナを示す図である。
【図２Ａ】 給電放射素子および無給電放射素子を有する本発明に基づくデュアル・バンド・ダイバーシチ・アンテナを示す図である。
【図２Ｂ】 給電放射素子および無給電放射素子を有する本発明に基づくデュアル・バンド・ダイバーシチ・アンテナを示す図である。
【図２Ｃ】 給電放射素子および無給電放射素子を有する本発明に基づくデュアル・バンド・ダイバーシチ・アンテナを示す図である。
【図３】 本発明の諸態様を組み込んだデュアル・バンド・ダイバーシチ・アンテナによって達成可能な例示的な共振曲線である。
【図４】 無線電話の遮蔽缶に固定された本発明に基づくデュアル・バンド・ダイバーシチ・アンテナを示す図である。

Claims (15)

1. 通信装置用のアンテナ組立体であって、
   貫通する開口を有する接地面（５３）と、
   前記接地面（５３）に隣接し、前記接地面（５３）と空間的に離れて平行に位置する平面アンテナ（２０）であって、
   互いに反対側にある第１および第２の面（２２ａ，２２ｂ）を含む誘電体基板（２２）と、
   前記誘電体基板（２２）の第１の面（２２ａ）上に前記接地面（５３）と反対側に面して配置され、ＲＦ給電点（２８）および接地点（２７）を有する第１の蛇行導電経路（２４ａ）を備える第１の放射素子（３０ａ）と、
   前記誘電体基板（２２）の第２の面（２２ｂ）上に前記接地面（５３）に面して配置され、前記第１の放射素子（３０ａ）に給電なしに結合され、第２の蛇行導電経路（２４ｂ）を備える第２の放射素子（３０ｂ）とを備える前記平面アンテナ（２０）と、
   前記接地面（５３）の開口を貫いて延び、前記ＲＦ給電点（２８）に電気的に接続されたホット給電素子（３３）と、
   前記接地面（５３）から延び、前記接地点（２７）に電気的に接続された接地給電素子（３５）であって、前記第２の放射素子（３０ｂ）には電気的に接続されない前記接地給電素子（３５）とを備えること特徴とするアンテナ組立体。
2. 前記第１および第２の蛇行導電経路（２４ａ，２４ｂ）の長さが異なる請求項１に記載のアンテナ組立体。
3. 前記誘電体基板（２２）の比誘電率が４．４〜４．８である請求項１に記載のアンテナ組立体。
4. 前記ホット給電素子（３３）が前記誘電体基板（２２）を貫いて延びる請求項１に記載のアンテナ組立体。
5. 前記接地給電素子（３５）が前記誘電体基板（２２）を貫いて延びる請求項１に記載のアンテナ組立体。
6. 前記第１および第２の放射素子（３０ａ，３０ｂ）が隣接する周波数帯内で共同で共振する請求項１に記載のアンテナ組立体。
7. 前記隣接する周波数帯がそれぞれ０．８１０〜０．８２８ＧＨｚおよび０．８７０〜０．８８５ＧＨｚである請求項６に記載のアンテナ組立体。
8. 無線電話装置であって、
   ハウジング（６０ａ，６０ｂ）と、
   前記ハウジング（６０ａ，６０ｂ）内に配置され、電子構成部品がその上に装着された面を有する回路板（５４）と、
   前記回路板（５４）の面の上に横たわり前記回路板（５４）の一部分に固定され、貫通した開口が形成された平らな外面（５３）を有する遮蔽缶（５２）と、
   前記遮蔽缶（５２）の外面（５３）の上に横たわる平面アンテナ（２０）であって、
   互いの反対側にある第１および第２の面（２２ａ，２２ｂ）を含む誘電体基板（２２）と、
   前記誘電体基板（２２）の第１の面（２２ａ）上に配置され、ＲＦ給電点（２８）および接地点（２７）を有する第１の蛇行導電経路（２４ａ）を備える第１の放射素子（３０ａ）と、
   前記誘電体基板（２２）の第２の面（２２ｂ）上に配置され、前記第１の放射素子（３０ａ）に給電なしに結合され、第２の蛇行導電経路（２４ｂ）を備える第２の放射素子（３０ｂ）とを備え、
   前記第２の放射素子（３０ｂ）が前記遮蔽缶（５２）に近い側にあって、前記遮蔽缶（５２）の外面（５３）から空間的に離れて前記外面（５３）と平行に位置するように、前記ハウジング（６０ａ，６０ｂ）内に固定されている前記平面アンテナ（２０）と、
   前記遮蔽缶（５２）の開口を貫いて前記回路板（５４）から延び、前記ＲＦ給電点（２８）に電気的に接続されたホット給電素子（３３）と、
   前記遮蔽缶（５２）から延び、前記接地点（２７）に電気的に接続された接地給電素子（３５）であって、前記第２の放射素子（３０ｂ）には電気的に接続されない前記接地給電素子（３５）とを備えることを特徴とする無線電話装置。
9. 前記第２の放射素子と前記遮蔽缶の外面の間に配置された振動低減手段をさらに備える請求項８に記載の無線電話装置。
10. 前記第１および第２の蛇行導電経路の長さが異なる請求項８に記載の無線電話装置。
11. 前記誘電体基板の比誘電率が４．４〜４．８である請求項８に記載の無線電話装置。
12. 前記ホット給電素子が前記誘電体基板を貫いて延びる請求項８に記載の無線電話装置。
13. 前記接地給電素子が前記誘電体基板を貫いて延びる請求項８に記載の無線電話装置。
14. 前記第１および第２の放射素子が隣接する周波数帯内で共同で共振する請求項８に記載の無線電話装置。
15. 前記隣接する周波数帯がそれぞれ０．８１０〜０．８２８ＧＨｚおよび０．８７０〜０．８８５ＧＨｚである請求項１４に記載の無線電話装置。

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