JP4146085B2 - 可撓性ダイバーシチアンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は一般にアンテナ、特に通信装置に使用されるアンテナに関するものである。
【０００２】
（発明の背景）
無線電話機など、パーソナル通信機のアンテナは、使用中の他のユーザの近傍、あるいはユーザが無線機を使用しながら移動する時に適切に機能しないことがある。近くに障害物がある場合、あるいはユーザが移動しながら無線電話機を使用する場合に、マルチパスフェージングして知られる信号品質劣化や信号強度が生じることがある。信号受信を改良するために、従来からダイバーシチアンテナは無線電話機の主アンテナと連携して働くように設計されている。
【０００３】
普及している携帯用無線電話機の多くが小型化されている。実際に、昨今のモデルの多くは長さが、わずか１１〜１２センチまで小型化されている。不都合なことに、無線電話機サイズが小さくなるにしたがって電話機内部スペースも狭くなる。無線機サイズの小型化に伴って内部スペースが減少すると、既存タイプのダイバーシチアンテナが無線電話機動作に要する帯域幅および利得条件を満たすことが困難になる。
【０００４】
ダイバーシチアンテナの１つのタイプに平板逆Ｆアンテナ（ｐｌａｎｅｒ ｉｎｖｅｒｔｅｄ Ｆ ａｎｔｅｎｎａ：ＰＩＦＡ）と呼ばれるものがある。ＰＩＦＡの名前はその形状がアルファベットの「Ｆ」に似ていることに由来しており、典型的には、様々な剛性材料層を結合することにより、導電路を備えた放射素子が形成される。通常、ＰＩＦＡの各層および素子はプラスチック成型体または薄板支持構造に直接取り付けられる。ＰＩＦＡは剛性が高いため、無線電話機の狭いスペース中に収容される最終形状に折り曲げるのはかなり難しい。また、ＰＩＦＡを搭載した装置に衝撃が加わると、ＰＩＦＡは損傷を受けやすい。衝撃によってＰＩＦＡの層が破損して、それが動作不良または故障の原因となることがある。
【０００５】
ＰＩＦＡの構造は一般に非平面的であるため、その製造にはスタンピング、曲げ加工、エッチングなど、様々な工程が必要であろう。その結果、製造およびアセンブリは比較的コストの高いバッチ処理で行われるのが普通である。更に、無線電話機の内部でＲＦ回路とＰＩＦＡを接続するために通常は同軸ケーブルなどのシールド給電部が利用される。無線電話機の組み立て工程では、シールド給電部によるＲＦ回路とＰＩＦＡの接続は一般に手作業で行われ、これも無線電話機製造コストの増加につながる。
【０００６】
（発明の概要）
本発明の目的は、無線電話機などの小型通信装置の内部スペースに容易に収容することができるＰＩＦＡを提供することである。
【０００７】
本発明の別の目的は、無線電話機内での使用に十分な利得および帯域幅をもつ小型ＰＩＦＡを提供することである。
【０００８】
本発明の目的はまた、ＰＩＦＡを使用する装置に衝撃が加わっても比較的損傷を受け難いＰＩＦＡを提供することである。
【０００９】
本発明の目的は更に、無線電話機のアセンブリを簡素化して、無線電話機製造コストを削減することである。
【００１０】
本発明の上記目的およびその他の目的は無線電話機などの小型通信装置での使用に適する利得および帯域幅をもつ可撓性ダイバーシチアンテナによって達成される。第１の可撓性誘電体層で覆われ、シリコーンなどの可撓性材料で形成されたコアに導電体が埋め込まれる。第１の誘電体層はアンテナの一端で、銅またはニッケル織布などの導電体で覆われる。ＰＩＦＡで一般に利用される剛性金属素子と異なり、導電体は可撓性をもつ。
【００１１】
導電体は第２の可撓性誘電体層で覆われることが好ましい。導電体で覆われるアンテナ部分は同調素子として機能し、導電体で覆われないアンテナ部分は放射素子として機能する。コア内部の導電体は放射素子と同調素子の間で蛇行して延在することが好ましい。
【００１２】
可撓性給電部はアンテナと一体的であり、可撓性コアから外に伸びる。給電部は可撓性コアに埋め込まれた導電体と電気的に接続される。給電部は可撓性材料層、望ましくは可撓性コアと同じ材料で覆われる。この可撓性材料は誘電体層で覆われる。この誘電体層は、給電部をシールドする導電体層で覆われる。この導電体層は別の誘電体層で覆うことができる。
【００１３】
所定のインピーダンスをもつ可撓性ダイバーシチアンテナを製作する方法は、エラストマ（可撓性）・コアに埋め込まれた導電体と、エラストマ・コアを覆う第１の誘電体層と、導電体で覆われた第１の誘電体層の一部分と、導電体を覆う第２の誘電体層とを有する平板アンテナ素子を形成するステップと、無線電話等の電子装置への組み込み形状に平板アンテナ素子を折りたたむステップとを含む。コアの周囲の各材料層上に積層されるエラストマ・コアおよび材料は、電子装置への組み込み形状に平板アンテナ素子を折りたたむ前に硬化処理される。硬化処理中に、第２の誘電体層に表面構造を形成することができる。
【００１４】
本発明によるダイバーシチアンテナは平板構成で製作することが可能であり、自動化大量生産に適している。また、材料の選択と各材料層の厚さ制御によって、インピーダンス特性のばらつきが減る（リピータブルな特性が得られる）。可撓性の誘電体、導電体を利用することで、無線電話機組み立て工程において狭いスペースに収まるように、アンテナ形状を様々に変えることが可能になる。
【００１５】
周知のダイバーシチアンテナとは対照的に、本発明は与えられたサイズと位置の無線電話機動作に十分な利得および帯域幅を達成することができる。この発明を利用すれば、アンテナ設計者は、従来のダイバーシチアンテナよりも設計上で高度な柔軟性が得られる。更に、インピーダンス制御のストリップライン（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｓｔｒｉｐｌｉｎｅ）伝送媒体をアンテナの各セクションに形成するために、導電体を選択的に付加することができる。
【００１６】
一般に、従来のＰＩＦＡにおける比較的堅いアンテナアセンブリは、通信装置の狭いスペースに容易に収まるように折りたたむことができない。それとは対照的に、本発明によるダイバーシチアンテナの構成は可撓性を備えており、既存の無線電話機や他の通信装置の限られた狭いスペースにアンテナを合わせることができる。また、本発明の構成では、その可撓性により、外部衝撃力に起因する損傷の危険を減少させることができる。更に、本発明は一体構造の可撓性信号給電部を内蔵しているため、装置内の信号回路にアンテナを接続するために新たに同軸ケーブルを設ける必要がない。したがって、無線電話機などの通信装置の組み立てコストを削減することができる。
【００１７】
（発明の詳細説明）
発明の好ましい実施例を示した付図にしたがって、以下に本発明の詳細を説明する。しかし、この発明は多くの異なる形態で実施可能であり、ここに開示される実施例に制限されるものではなく、むしろ、これら実施例は、説明をより完全にすると共に、発明の範囲を完全に当業者に伝達することを意図する。なお、同一参照符号は同一部材を示すものとする。
【００１８】
当業者には周知のとおり、アンテナは、電気信号を送信、受信するための装置である。送信アンテナは通常、電磁場を放射するためにアパチャまたは反射面を誘導または照明する給電アセンブリを有する。そして受信アンテナは通常、入射電磁場を集電部（ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｆｅｅｄ）上に収束して入射電磁場に比例する電子信号を生成するためにアパチャまたは反射面を有する。アンテナ放射電力またはアンテナ受信電力はそのアパチャ面積に依存し、利得として表される。アンテナの放射パターンは極座標でプロットされることが多い。電圧定在波比（ＶＳＷＲ）はアンテナ給電点と給電線あるいは伝送線とのインピーダンス整合に関連する。ＲＦエネルギーを最小損失で放射するか、受信ＲＦエネルギーを最小損失で受信機に伝達するために、アンテナのインピーダンスは、伝送線あるいはフィーダーのインピーダンスと整合する必要がある。
【００１９】
無線電話機は一般に、内蔵プリント板上に形成された信号処理回路と連携動作するトランシーバーと電気的に接続される主アンテナを使用する。アンテナとトランシーバーの間の電力伝達を最大にするために、トランシーバーとアンテナは両者のインピーダンスが実質的に整合、すなわち電気的に同調されるように相互結合されることが好ましく、それにより、不要なアンテナインピーダンス成分が排除または補償されて、回路給電部のインピーダンス値を５０オーム（または所要値）にすることができる。
【００２０】
当業者には周知のように、ダイバーシチアンテナは、信号強度変動による呼の喪失を防止するために無線電話機の主アンテナと一緒に使用することができる。信号強度は、セルラ電話網内でユーザがセル間を移動している時や、ビルの谷間を歩行中、静止障害物による妨害等が原因で変動する。ダイバーシチアンテナは、空間ダイバーシチ、パターンダイバーシチ、帯域幅ダイバーシチ、利得ダイバーシチ等に起因してメインアンテナが検出できない信号を検出するように設計される。
【００２１】
当該分野で周知のダイバーシチアンテナの一種、平板逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）が図１に示される。図示されたＰＩＦＡ１０は地板１４から間隔を置いて保持される放射素子１２を有する。ＲＦ接続活線（ｈｏｔ ＲＦ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）１７は下方に位置する回路から地板１４を経て１８における放射素子１２まで延在する。利得および帯域幅に影響を及ぼすパラメータ、すなわち、放射素子１２の長さＬ、放射素子１２と地板１４の間隔Ｈ、ＲＦ接続活線と接地間の距離Ｄを調整することによって、ＰＩＦＡは所望周波数に同調する。当業者に周知の他のパラメータを調節してＰＩＦＡを同調することも可能であるが、ここでは言及しない。
【００２２】
図２は、本発明の好ましい実施例による平板ダイバーシチアンテナ２０を示す。アンテナ２０は図示されるように「Ｆ」形状であり、同調部２２と、それに隣接する放射部２４を備えている。アンテナ２０は図２に示されるような平板構造に製作されることが好ましい。通信装置に組み込む前に、この可撓性アンテナは、装置の内部スペースに合わせて折りたたまれる。
【００２３】
図３は放射素子２４の下側でアンテナ２０の同調部２２を折りたたんだ状態を示しており、アンテナは特定の通信装置への組み込みに適した構成になっている。図３にはまた、シールドされた可撓性給電部２８も示されており、これは放射素子２４に対して実質的に直角になり、通信装置の内部信号回路との接続に適した向きに配置される。本発明による可撓性ダイバーシチアンテナは、無線電話機などの装置の多様な内部空間での設置を容易にするため必要に応じて様々な形状に製作することができる。
【００２４】
図２を参照すると、同調素子２２と放射素子２４の間に連続導電体２６が延在し、この導電体は送受信電気信号のアンテナ素子として機能する。図の実施例では、導電体２６は同調素子端部２２ａから反対側の放射素子端部２４ａまで蛇行状態で延在する。
【００２５】
図示されるように、アンテナ２０の放射素子２４には、ＲＦまたはマイクロ波信号用の可撓性シールド給電部２８が一体的に接続される。シールド信号給電部２８は、以下に詳しく述べるとおり、放射素子２２と同様の構造をもつ。導電体３０は可撓性信号給電部２８に収容され、その両端部は３０ａ、３０ｂである。図示されるように、導電体３０の端部３０ａは位置２９において放射素子２４の導電体２６と電気的に接続される。もう一方の端部３０ｂについては、従来からの接続手法、例えば、はんだ付け、置換（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）コネクタ、導電性エラストマ、金属圧着等を用いて回路基板に接続されるような構成が好ましい。
【００２６】
可撓性給電部２８は、無線電話機や他の電子装置への組み込みを容易にするために様々な向きに構成することができる。一般に、従来のダイバーシチアンテナでは、無線電話機の主回路基板から引き出されるシールド給電部が必要である。この目的で、同軸ケーブルが使用されることが多い。しかし、同軸ケーブルは比較的コストが高く、組み立てに手作業を必要とする。本発明では、シールド給電部２８がアンテナ２０の一体形成部分となっているので有利である。
【００２７】
図４は、図２におけるアンテナ２０の放射素子２４を線４−４に沿った横断面で示している。導電体２６は可撓性コア３４の中に埋め込まれている。可撓性コアはシリコーンなどのエラストマで形成されることが好ましい。また、可撓性コアは比誘電率が約１．８〜２．２の誘電体で形成されることが好ましい。第１の可撓性誘電体層３２は図示されるようにエラストマ（可撓性）・コア３４を覆っている。第１の誘電体層は、比誘電率が約１．８〜２．２であることが好ましい。第１の誘電体層は、非金属製の織物または編み物で形成することができる。１２０℃までの処理温度に耐えられるポリエステルまたは液晶高分子（ＬＣＰ）布は、第１の誘電体層３２として使用される代表的な誘電体である。
【００２８】
図５は、図２におけるアンテナ２０の同調素子２４を線５−５に沿った横断面で示している。第１の誘電体層３２は可撓性導電体層３６で覆われている。導電体３６は金属化織布が好ましい。強度と耐熱性が高い金属化織布が好ましい。代表的な金属化織布としては、銅被覆の上に表面ニッケル層を施したポリエステルまたは液晶高分子（ＬＣＰ）織布、金属繊維または金属フェルト構造からなるニッケル銅織布、繊維またはフェルト構造からなる炭素繊維織布などがあるが、これらに制限されるものではない。代替的に、第１の誘電体層３２の表面を部分的に導体で金属化することも可能である。
【００２９】
金属化織布３６はシリコーンなどのエラストマからなる第１の誘電体層３２に積層されることが好ましい。金属化織布の空孔がシリコーンで満たされることにより、曲げ特性が向上する。当業者には周知のとおり、シリコーンは広い温度範囲、特に低温において高い伸張率と安定した可撓性を示す。そして、図示されるように導電体３６を第２の可撓性誘電体層３８で覆うことも可能である。第２の誘電体層３８はフィルム状非金属化高分子、あるいは、織物または編み物構造の布状非金属化高分子で形成することができる。第２の誘電体層３８用として代表的な誘電体は、１２０℃までの処理温度に耐えられるポリエステルまたは液晶高分子（ＬＣＰ）製のポリエーテルイミド（ＰＥＩ）のフィルムあるいは布である。
【００３０】
制御された導電体特性インピーダンスを得るために、アンテナ２０の製作過程において第１、第２の誘電体層３２、３８の厚さを変えることができる。ＲＦ伝送線の特性インピーダンス（Ｚ０）は、伝送線を構成する部材のジオメトリ（導体幅や誘電体の厚さ）と比誘電率から算出される。ジオメトリがストリップラインからマイクロストリップ伝送線に変わると、所要インピーダンスが得られるように各層の厚さが調整される。また、アンテナ２０の可撓性や、アンテナの比誘電率を調整するために、第１、第２の誘電体層３２、３８の両方に比較的硬い誘電体を付加することも可能である。十分な強度、柔軟性が必要なところには、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）フィルムを使用することができる。当業者には周知のとおり、ＰＥＩは比誘電率がシリコーンエラストマに非常に近く、また、シリコーンおよび様々な外側コーティング材料との接着性がよい。第１、第２の誘電体層３２、３８の接着には感熱接着フィルムを使用することができる。ＴＦＥ誘電体には弗化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）接着フィルム、そして、ＰＥＩ誘電体にはシリコーンフィルムを使用することが好ましい。
【００３１】
アンテナ２０は、コア３４に使用されるシリコーンあるいは他のエラストマを硬化して、コアを覆う各材料層を積層するために硬化処理することができる。硬化処理は一般に、使用される接着材のメーカの薦める方法に従って行われる。例えば、ＦＥＰフィルムは２３５℃以上で接着、熱硬化シリコーンエラストマ接着剤は１２０℃以上で接着、また、感圧硬化シリコーンエラストマ接着剤は９０℃以上の温度で加速接着が得られる。薄手のシート材料の粘着剤接着には通常、硬い当て板を用いて加圧される。当て板と接着対象との間には柔軟なエラストマ・パッドを挟むことがある。エラストマ・パッドの柔軟性によって空孔のない接着界面が得られる。エラストマ・パッドの表面形状あるいは生地は、アンテナ組み立て最終工程で折り畳み線あるいは折り曲げ点線を形成するのに利用される。
【００３２】
第２の誘電体層３８は、曲げ応力をアンテナ２０の全断面で均等に分散させるような表面構造をもつ。この表面構造は硬化過程で使用される圧力パッドを介して形成することができる。硬化処理中に圧力をかけることにより、導電体３６の繊維間の空間をシリコーンで確実に満たすことができる。
【００３３】
図６は、図２におけるアンテナ２０の放射部分２４と同調部２２の境界領域を線６−６に沿った横断面で示している。図の実施例では、第２の誘電体層３８は導電体３６の端部を超えたところで終わっている。しかし、第２の誘電体層３８は第１の誘電体層３２上を更に遠くまで延在させることも可能である。第１の誘電体層３２上で第２の誘電体層３８を延長すれば、境界領域の厚さが更に均等化され（接着処理が容易になる）、また、境界領域の強度が増す（最終組み立て段階で曲げ工程が容易になる）。給電部２８と放射素子２４の境界領域でも、同様に構成することができる。
【００３４】
比較的硬い外側材料層（図示せず）を利用して、環境面でアンテナ２０に好適な外表面を形成することができる。外表面材料としては、限定的ではないが、ＦＥＰを含めて様々な材料が利用可能である。外側層の材料は摩耗や磨耗の要因を回避するものが好ましい。
【００３５】
本発明による可撓性ダイバーシチアンテナの製作過程が図７Ａ、図７Ｂに示される。平板アンテナが形成され（ブロック１００）、電子装置に組み込むために折りたたまれる（ブロック２００）。平板アンテナの製作過程において、エラストマ・コアに導電体が、好ましくは蛇行状態で、埋め込まれる（ブロック１０２）。つぎに、エラストマ・コアは第１の誘電体層で覆われる（ブロック１０４）。アンテナを所定のインピーダンスに合わせるために、第１の誘電体層は少なくとも部分的に導電体で覆われる（ブロック１０６）。アンテナと一体的にシールド給電部が形成され、そこから外側に引き伸ばされる（ブロック１０８）。エラストマ・コアと、コアに誘電体層および導電体層を接着するための材料は、特に限定しないが、当業者に周知の硬化処理、例えば、自然硬化、熱硬化、赤外線硬化、マイクロ波硬化等によって硬化される（ブロック１１０）。硬化処理中に、誘電体の第２層に表面構造が形成される（ブロック１１２）。
【００３６】
以上は本発明を説明するための記述であって、発明を制限するものではない。本発明に関するいくつかの代表的な実施例を記述してきたが、当業者には明らかなように、本発明の新規な教示および利点から実質的に逸脱しない範囲でこれら実施例に様々な変更が可能である。したがって、それらすべての変更は、請求の範囲に規定される本発明の範囲に包含されるものとする。請求の範囲のミーンズ・プラス・ファンクション項は記載された機能を実行する機構と、機構的等価物および等価的機構物を包含するものとする。したがって、以上は本発明を説明するための記述であって、開示された実施例に発明を限定するものではなく、開示実施例への変更およびその他の実施例も、請求の範囲に包含されるものとする。本発明は請求の範囲で規定され、請求の範囲の同等物は請求の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 無線電話機に使用される典型的なＰＩＦＡを示す図。
【図２】 本発明による可撓性ＰＩＦＡの平面図。
【図３】 図２のＰＩＦＡの透視図であって、折りたたみ構成の同調部を示す図。
【図４】 図２の線４−４におけるＰＩＦＡの断面図。
【図５】 図２の線５−５におけるＰＩＦＡの断面図。
【図６】 図２の線６−６におけるＰＩＦＡの断面図。
【図７Ａ】 本発明による可撓性ダイバーシチアンテナの製作法を示す概略図。
【図７Ｂ】 本発明による可撓性ダイバーシチアンテナの製作法を示す概略図。

Claims (26)

1. 第１の可撓性誘電体層に覆われ、両側に端部を備えた可撓性コアと、
   前記端部の一方において前記第１の可撓性誘電体層を覆う可撓性導電体層と、
   前記可撓性コアに埋め込まれ、前記両端部間に延在する導電体とを有するアンテナ。
2. 前記可撓性導電体層を第２の可撓性誘電体層で覆った請求項１記載のアンテナ。
3. 前記導電体が前記可撓性コア内で蛇行するように構成されている請求項１記載のアンテナ。
4. 前記可撓性コアがシリコーンを含む請求項１記載のアンテナ。
5. 前記可撓性導電体が金属化織布を含む請求項１記載のアンテナ。
6. シリコーンエラストマを用いて前記第１の可撓性誘電体層に前記金属化織布を積層した請求項５記載のアンテナ。
7. 前記第１、第２の可撓性誘電体層の比誘電率を約１．８〜２．２とした請求項２記載のアンテナ。
8. 比誘電率が約１．８〜２．２の材料で前記可撓性コアを形成した請求項１記載のアンテナ。
9. 前記第１、第２の可撓性誘電体層がポリエーテルイミドフィルムを含む請求項２記載のアンテナ。
10. 前記可撓性コアに埋め込まれた前記導電体に電気的に接続され、前記可撓性コアから外側に延在する一体的な可撓性信号給電部を更に有する請求項１記載のアンテナ。
11. 前記信号給電部を覆う可撓性材料層と、
    前記可撓性材料層を覆う第１の可撓性誘電体層と、
    前記第１の可撓性誘電体層を覆う可撓性導電体層と、
    前記可撓性導電体層を覆う第２の可撓性誘電体層と、を更に有する請求項１０記載のアンテナ。
12. 請求項１に記載のアンテナを備える無線電話機であって、
    前記アンテナから外側に延在し、前記導電体を回路基板に電気的に接続する信号給電部を有する無線電話機。
13. 前記可撓性導電体層を第２の誘電体層で覆った請求項１２記載の無線電話機。
14. 前記導電体が前記可撓性コア内で蛇行するように構成されている請求項１２記載の無線電話機。
15. 前記可撓性コアがシリコーンを含む請求項１２記載の無線電話機。
16. 前記可撓性導電体が金属化織布を含む請求項１２記載の無線電話機。
17. シリコーンエラストマを用いて前記第１の可撓性誘電体層に前記金属化織布を積層した請求項１６記載の無線電話機。
18. 前記信号給電部を覆う可撓性材料層と、
    前記可撓性材料層を覆う第１の可撓性誘電体層と、
    前記第１の可撓性誘電体層を覆う可撓性導電体層と、
    前記可撓性導電体層を覆う第２の可撓性誘電体層と、を更に有する請求項１２記載の無線電話機。
19. 所定のインピーダンスをもつ可撓性ダイバーシチアンテナを製造する方法であって、
    可撓性コアに埋め込まれた導電体と、前記可撓性コアを覆う第１の誘電体層と、導電体で覆われた第１の誘電体層の一部分と、前記導電体を覆う第２の誘電体層とを有する平板アンテナを形成するステップと、
    電子装置への組み込み形状に前記平板アンテナを折り曲げるステップとを含む方法。
20. 前記平板アンテナを形成する前記ステップにおいて、
    前記導電体を蛇行状態にして前記可撓性コアに埋め込む請求項１９記載の方法。
21. 前記平板アンテナを形成する前記ステップにおいて、
    前記可撓性コアから外側に延在するシールド信号給電部を一体形成し、該給電部を前記可撓性コアに埋め込まれた導電体に電気的に接続する請求項１９記載の方法。
22. 電子装置への組み込み形状に前記平板アンテナを折り曲げる前記ステップに先立って前記可撓性コアを硬化するステップを、更に請求項１９記載の方法。
23. 前記平板アンテナを形成する前記ステップにおいて、
    シリコーンエラストマで前記可撓性コアを形成する請求項１９記載の方法。
24. 前記導電体を金属化織布とした請求項１９記載の方法。
25. 前記シリコーンエラストマを用いて金属化織布を前記第１の誘電体層に積層する請求項１９記載の方法。
26. 前記可撓性コアを硬化する前記ステップにおいて、
    前記第２の誘電体層に表面構造を形成する請求項２２記載の方法。

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