JP4173630B2 - 非励振素子付二重帯域螺旋アンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、広くは、無線電話器のためのアンテナシステムに関するもので、特に、二重帯域螺旋（ヘリクス）アンテナシステム及び携帯無線電話器と共に使用する方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
無線電話は、よく知られているように、１つ又は２つ以上の他の通信端末に無線通信を提供することができる。そのような無線電話は、様々な応用例があり、セルラー電話、地上移動（例えば、警察や消防署）、人工衛星通信システムなどが含まれる。
【０００３】
本質的に、どの無線電話器も、何かしらの種類のアンテナシステムを使用して、通信信号を送信したり受信したりしている。歴史的に見ると、様々な無線電話器で最も広く使用されてきたのは、単極及び双極アンテナであろう。それは、構成が単純で、広帯域レスポンス、広い放射パタンを備え、そして費用が安いという特徴がある。特に、半波長（λ／２）単極、双極アンテナは、多数の無線電話器において使用され、成功を収めている。しかしながら、以下に述べるように、そのようなアンテナは、無線電話器の種類によっては、具合の悪いことがある。
【０００４】
通信技術が成熟してくると、無線電話器のサイズを非常に小さくすることができるようになり、現在では、多くの無線電話器が移動するユーザーのために設計され、ユーザーは、手の平に入る小型の無線電話器で、ポケットにしまえるようなものを希望する。しかしながら、伝統的な半波長や４分の１波長の単極アンテナは、そのような応用には向いていない。というのは、現代的な手の平に入るトランシーバに対して、アンテナが大きすぎるからである。
【０００５】
螺旋アンテナは、手の平サイズの無線電話器における単極アンテナに関して１つの解法となる。このクラスのアンテナは、導電部材が螺旋状になっているアンテナを指す。導電部材が軸の周りに螺旋状に巻かれているので、４分の１波長又は半波長螺旋アンテナの軸長は、４分の１波長単極アンテナと比較して、かなり小さく、このように、螺旋アンテナは、４分の１波長単極アンテナが使えない場合に、しばしば使用することができる。更に、半波長又は４分の１波長螺旋アンテナは、典型的には、対応の半波長又は４分の１波長単極アンテナより、かなり短くなっても、同じ効果の電気的長さを示すことができる。
【０００６】
無線電話器に適合する螺旋アンテナには、その他にも利点がある。それは、設計の柔軟性である。例えば、螺旋アンテナは、それぞれが異なった放射パタンを提供するいくつかのモードで動作するように設計することもできる。そのようなモードの１つに、「軸モード」動作があり、これを達成するには、螺旋アンテナは、所望の動作周波数に対応する波長より数倍長く設計される。このモードでは、螺旋アンテナは、典型的には、比較的高いゲインの放射パタンを提供し、このパタンが、比較的大きな動作帯域で保持される。しかしながら、軸モードで提供される放射パタンは、指向性が高く、円形に分極されるので、軸モード動作は、移動する無線電話器には適さない。例えば、セルラー電話では、ユーザーが持つ電話器は、基地局アンテナを追跡しない。
【０００７】
螺旋アンテナが動作する第２のモードは、通常モードと呼ばれる。このモードで動作するには、螺旋アンテナは、典型的には、共振長の放射素子を持ち（即ち、アンテナが動作する周波数帯域の中央周波数に対応する波長をλとした場合に、λ/４, λ/２, 3λ/4, λ）、それが小さな直径で小さなピッチ角度で巻かれている。このように通常モードで動作するように設計された螺旋アンテナは小さくて、セルラー電話のような様々な携帯無線電話器にとって適している。通常モードでは、アンテナは典型的には、線形に分極されたドーナツ型放射パタンを提供し、このこともセルラー電話器に適合しているが、この放射は、共振周波数近くの比較的狭い帯域幅しかカバーしない。また、アンテナの固有帯域幅は、螺旋状に巻かれたアンテナの放射素子によって定義される円筒の直径に正比例するため、他の条件が同じであるならば、アンテナの直径が小さくなるほど、動作帯域幅も狭くなる。
【０００８】
螺旋アンテナは、軸モード、通常モード、あるいはその２つの正比例的組み合わせで動作しているとき、伝統的な双極あるいは単極アンテナでは大きすぎる多くのアプリケーションにおいて論理的選択となり、２つ又はそれ以上に広く分かれている周波数帯域で信号を送信及び・又は受信することのできる比較的小さなアンテナを要求する多数の無線電話がある。１例として、二重帯域セルラー電話があり、このセルラー電話は、８５０ＭＨｚと１９２０ＭＨｚというように２つの周波数帯域で動作するセルラー電話である。様々の人工衛星通信システムは、二重帯域能力を要求する他の例を提供し、このシステムは、典型的には、広く分かれた送信と受信の周波数帯域を持つ。しかしながら、残念なことに、前述のように、螺旋アンテナは、このようなアプリケーションには適していない。というのは、この種のアンテナは、通常モードで動作するとき、帯域幅制限により、広い周波数帯域で擬似全方向性放射パタンを提供することができないからである。
【０００９】
螺旋アンテナは前述のような制限があるが、いくつかの二重帯域螺旋アンテナシステムが提案されている。例えば、米国特許４，５５４，５５４号、オルセン（Olesen）他が提案する、各エレメントにＰＩＮダイオードスイッチを備えたクワドリフィラー（quadrifilar）螺旋アンテナは、エレメントの電気的長さを変化させることによって、２つの違った周波数の１方で、選択的にアンテナを共振させる手段を提供する。しかしながら、オレセン他に開示されるアンテナは、軸モードで動作するときの前記問題を解決しないので、全方向性放射パタンを提供せず、通常モードで動作するための対応のアンテナ設計は、手の平サイズの無線電話には、大きすぎる。
【００１０】
同様に、米国特許４，４９４，１２２号、ガレイ（Garay）他が議論しているアンテナシステムは、１つの周波数で共振する上部放射素子及びタンク回路と、第２の周波数で共振する螺旋素子及び関連スリーブとを備える。この装置は、従来のスリーブ付双極よりは短いが、それでも比較的に大きく、各共振周波数の周囲のアンテナの使用可能帯域幅は、非常に小さく、このアンテナシステムは、セルラー電話器のような多くの二重帯域アプリケーションに適してはいない。
【００１１】
米国特許４，４４２，４３８号、サイウイーク（Siwiak）他で議論されているアンテナシステムは、２つの４分の１波長螺旋（ヘリカル）アンテナ素子と、線形導電部材を備え、線形導電部材は、２つの異なった周波数で共振するとされている。しかしながら、サイウイーク他に開示されているアンテナは、広く離れた周波数では共振しない（開示されている共振周波数は、８２７ＭＨｚと８５０ＭＨｚである）。というのは、アンテナの設計は、アンテナのレスポンスを広げて、単一の帯域幅の動作をカバーして、２つの広く離れた周波数帯域における動作を提供すべく対立するようになされている。
国際特許出願ＷＯ９７/１１５０７号は、共通基盤上でインターリーブされた２つのクワドリフィラー（quadrifilar）螺旋アンテナを備えた二重帯域オクタフィラー（octafilar）螺旋アンテナを開示している。開示されている実施の形態の１つにおいて、クワドリフィラー螺旋アンテナの１つは、受動的に駆動される。しかしながら、ＷＯ９７/１１５０７号に開示されているアンテナは、通常モードに対して、ラジアルモードで動作し、２つのクワドリフィラー螺旋アンテナを必要とし、全部で８個の螺旋素子を必要とする。
欧州特許０，６３５，８９８号が開示する螺旋アンテナは、通常モードで動作し、所望の動作周波数範囲の上限付近の範囲で４分の１波長ラジエターとして動作すべく同調された付加的部材を備え、螺旋アンテナは、所望の動作周波数範囲の低い方の部分の周波数に同調され、アンテナの帯域幅を増大させる。しかしながら、そこに開示されたアンテナは、前述の問題を解決しない。なぜなら、それは、広く離れた周波数帯域で共振しないので、二重帯域アンテナとしての使用に適さないからである。
【００１２】
最後に、日本国特許５−１３６６２３号と、米国特許出願番号０８−７２５５０７号においては、付加的螺旋アンテナシステムが開示されている。そこでは、導電チューブと、可変ピッチ巻き線を使用した二重帯域動作が開示されている。しかしながら、これらのアプローチで使用される二重帯域動作を提供する機構は、つまり、隣接する巻き線の間の結合（カプリング）は、典型的には、周波数帯域の高い方における動作帯域幅が狭くし、設計の柔軟性も限定する。また、日本国特許５−１３６６２３号も、周波数帯域の高い方において効果が削減された開口（aperture）を備えている。
【００１３】
このように、二重帯域無線電話に要求されるもの、そのような無線電話に対する現在のアンテナシステムを考えると、小型の全方向性無線電話アンテナシステムで、２つの広く離れた周波数帯域で動作することのできるものが必要である。
【００１４】
（発明の要約）
現在の無線電話と関連した上記限定を考えると、本発明の目的は、現代的な手の平にはいるセルラー電話器に使用できるほど十分に小さい二重帯域無線電話用のアンテナシステムを提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、両方の帯域で動作するための、あるいはトランシーバとのインターフェースのための余分な回路を必要としない無線電話用の二重帯域アンテナシステムを提供することである。
【００１６】
また、本発明の目的は、２つ以上の異なった周波数で共振することのできるアンテナシステムを提供することである。
【００１７】
本発明のその他の目的、特徴、利点は、以下の詳細な説明、請求の範囲に、添付図面を見ることによって明らかとなるであろう。
【００１８】
本発明のこれらの目的を提供する螺旋（ヘリクス）アンテナシステムは、螺旋アンテナと螺旋アンテナに隣接する１つ以上の非励振素子を備えて、螺旋アンテナは、少なくとも２つの離れた周波数帯域において共振する。非励振素子を有利に配置し、螺旋の選択された巻き線だけを非励振素子と結合させることによって、良好なインピーダンスマッチング（matching）を示し、製造コストも比較的安価な小型の高性能二重帯域アンテナシステムを提供することができる。
【００１９】
本発明の好ましい実施の形態において、２つの広く離れた周波数帯域において信号を送受信するアンテナシステムであって、螺旋アンテナと螺旋アンテナに隣接する非励振素子を備えるアンテナシステムが提供される。本発明のこの実施の形態において、非励振素子の配置は、周波数帯域の高い方における無線周波数エネルギーが前記アンテナシステムに入ってきた場合、前記螺旋アンテナ及び前記非励振素子が容量結合し、一方、周波数帯域の低い方における無線周波数エネルギーが前記アンテナシステムに入ってきた場合、前記螺旋アンテナは実質的に前記非励振素子から隔離されるように、なされていている。また、アンテナシステムの有効開口は、前記周波数帯域の両方において、実質的に同じである。
【００２０】
本発明の他の実施の形態において、螺旋アンテナは通常モードで動作するように構成することができ、アンテナ給電から見たアンテナのインピーダンスは、およそ５０オームでよい。また、アンテナシステムは、螺旋アンテナと非励振素子の間の非隣接巻き線においてのみエネルギーが結合されるように設計してよい。更に、アンテナシステムは、螺旋アンテナを非励振素子から物理的に隔離するために誘電体を備えてもよい。
【００２１】
本発明の螺旋アンテナは、周波数帯域の低い法で非励振素子とは独立に共振するように設計されてよい。また、非励振素子は、螺旋アンテナの外側に螺旋アンテナの少なくとも２つの巻き線に隣接して配置してよい。また、アンテナシステムは、送信器と、受信器と、ユーザーインターフェースと、アンテナ給電システムを有する無線電話器と組み合わせて実現してもよい。
【００２２】
本発明の他の実施の形態において、非励振素子は、螺旋アンテナの内側の対角線上に配置される。この実施の形態においては、非励振素子は、螺旋アンテナの少なくとも２つの巻き線に近接して配置することができる。更に別の実施の形態において、非励振素子は、螺旋アンテナの外側に隣接して配置することができる。
【００２３】
本発明の更に別の実施の形態において、第２の非励振素子を螺旋アンテナに隣接して備えることができる。その際、第２の非励振素子の配置は、広く離れた周波数帯域の低い方より高い第３周波数帯域における無線周波数エネルギーがアンテナシステムに入ってくると、螺旋アンテナと前記第２の非励振素子が容量結合し、一方、前記広く離れた周波数帯域の低い方における無線周波数エネルギーが前記アンテナシステムに入ってくると、前記螺旋アンテナは、前記第２の非励振素子から実質的に隔離されるように、なされている。
【００２４】
本発明の好ましい実施の形態において、アンテナシステムは、周波数帯域８２４から８９４ＭＨｚと、１８５０から１９９０ＭＨｚの電気信号の送受信を行う。本発明のこの実施の形態において、螺旋アンテナの直径は、約６−１０ミリメートルで、螺旋アンテナの軸長は約２０−２５ミリメートルで、非励振素子の長さは約１０−１４ミリメートルである。
【００２５】
このように、本発明のアンテナシステムは、比較的小型の、擬似全方向アンテナで、２つ以上の広く離れた周波数帯域で動作することができる。この動作は、能動的切り替えあるいはユーザー入力を必要としないという意味で受動的に達成される。また、これらのアンテナは、インピーダンスマッチングを必要とせずに、且つ、動作周波数の各々で動作するアンテナの開口全体を有効に使用するように設計することができ、従って、アンテナによって送信される及び・又は受信される信号エネルギーの量を最大限にすることができる。更に、本発明のアンテナシステムは、非隣接巻き線だけが結合できるように設計することができ、アンテナが動作する周波数帯域のすべてにおいてアンテナシステムの動作帯域幅を最大限にすることができる。
【００２６】
（発明の詳細な説明）
以下、本発明について、添付図面を参照しながら詳細に述べる。、添付図面には、本発明の好ましい実施の形態が示されている。しかしながら、本発明は、その他の異なった実施の形態も可能であり、ここに述べる実施の形態に限定されるべきものではなく、むしろ、これらの実施の形態は、開示を完全なものにするためのものであり、当業者にとって、発明の範囲をわかりやすくするためのものである。また、当業者にとっては明らかなように、本発明は、様々な応用が可能であり、以下に例として述べるものに限定されるべきものではない。同じ参照番号は、同じ構成要素を示す。
【００２７】
図１は、本発明に基づくアンテナシステム２０を備えた無線電話器の１つの実施の形態を示す。無線電話器１０は、例えば、人工衛星通信端末、携帯セルラー電話、あるいは市民バンドトランシーバなど、双方向無線音声通信端末であればどんなものであってもよい。
【００２８】
図１に示されたように、無線電話器１０は、典型的には、送信器１２と、受信器１４と、ユーザーインターフェース１６とを備える。当業者には、よく知られれているように、送信器１２は、無線電話器１０によって送信されるべき情報を無線通信用の電磁信号に変換し、受信器１４は、無線電話器１０によって受信された電磁信号を復調して、信号に含まれる情報を、ユーザーに理解できるフォーマットでユーザーインターフェースに提供する。当業者には、様々な送信器１２、受信器１４、ユーザーインターフェース（例えば、マイクロフォン、キーパッド、回転式ダイヤル）が手に持つ無線電話器に適したものとして知られており、それらは、無線電話器１０に導入することができる。
【００２９】
図２は、本発明のアンテナシステム２０の好ましい実施の形態を示す。図２に示されるように、アンテナシステム２０は、アンテナ給電構造２２、放射素子３０、非励振素子４０とを備える。また、アンテナシステム２０は、更に、好ましい実施の形態においては、先端に蓋のついたプラスチックチューブとしてのレードームを備えることができる。
【００３０】
放射素子３０は、好ましくは、銅のような電導性材料から成る連続的ワイヤあるいはストリップから成る。図２に示されたように、このワイヤあるいはストリップは、螺旋状に巻かれている。図２に示された実施の形態において、放射素子３０の原点は、電気的にアンテナ給電構造２２に接続され、末端３４は解放されている。しかしながら、当業者であればわかるように、放射素子３０は、必ずしも原点３２に給電される必要はなく、末端３４から給電されてもかまわない。
【００３１】
図２に示されたように、アンテナシステム２０の螺旋アンテナは、放射素子３０によって規定される円筒形の直径に対応する直径（Ｄ）と、その円筒形の高さに対応する軸長（Ｈ）を持つ。アンテナは、更に、放射素子の長さ（Ｌ）と、ピッチ角度によって定義され、ピッチ角度は、軸長の単位長さ当たりヘリクス（螺旋）が回転する回数の関数である。図２に示されたアンテナシステム２０の実施の形態において、放射素子３０は、小さなピッチ角度の小さな直径で、巻かれており、通常モードで動作するように設計されている。
【００３２】
また、図２に示されるように、放射素子３０は、電導性ワイヤ又はストリップを、螺旋状に、同軸支持チューブ３８の長さに沿って巻くことによって導入することができる。しかしながら、当業者には明らかなように、同軸支持チューブ３８は、なくてもかまわない。なぜなら、アンテナは、螺旋状の自己支持型電導性ワイヤ又はストリップ３０として導入できるからである。放射素子３０が電導性材料から成るストリップとして導入される場合、好ましくは、比較的幅の広いもの（１５００−１６６０ＭＨｚ周波数範囲で動作すべく設計されたアンテナでは、３−５ミリメートルの程度）が使用され、損失を減らし、放射素子３０に関連したインダクタンスを最小にすることによって、アンテナ２０のインピーダンスを、送信器１２と受信器１４のインピーダンスに合わせる。
【００３３】
また、これも当業者には明らかなように、放射素子３０は、同軸長さ全体で一定の直径を持つ真性螺旋である必要はない。反対に、本発明の範囲に入る別の実施の形態では、軸の周りにコイル又はコイル部分を作るが、一方の端から他方の端に至るまでに直径が変化する螺旋状放射素子３０を備える。このように、アンテナシステム２０の好ましい実施の形態が備える放射素子３０は、円筒形エンベロープを定義する一方で、アンテナシステム２０は、円錐状エンベロープ又は、その他の回転体の表面を定義することも可能でである。
【００３４】
アンテナシステム２０の螺旋アンテナによって提供される放射パタンは、第一に、螺旋の直径（Ｄ）、ピッチ角度、素子長さ（Ｌ）の関数である。本発明の好ましい実施の形態においては、放射素子３０の電気的長さは、（アンテナが動作する周波数帯域の低い方の中央周波数に対応する波長をλとした場合）、λ/４，λ/２，３λ/４, λである。というのは、このようなアンテナは、動作周波数帯域の低い方で共振して動作するからである。しかしながら、本開示についての当業者にとっては明らかとなるように、アンテナシステム２０の螺旋部分は、アンテナが動作する周波数帯域の低い方で固有共振すべく設計される必要はない。というのは、多数の非励振素子を使用することによって、多数の共振ポイントを作り、放射素子３０が動作帯域の１つで共振する必要をなくすことができる。更に、ここで述べられているように、４分の１波長の倍数に対して、長さλ/４の放射素子を使用して動作させるのが好ましい。なぜなら、この長さ（典型的には、５０オーム程度）の放射素子のインピーダンスは、ソース送信ライン１８のインピーダンスに、より適合する可能性がある。
【００３５】
更に、当業者には明らかになるように、放射素子３０の物理的な長さは、レードーム効果によって短くなる可能性がある。というのは、レードームは、伝播速度を変化させて、長さが自由空間におけるよりも短くなるようにする傾向があるからである。このような効果は、小型化を目指す場合には、有利であり、本発明のアンテナシステム２０は、物理的長さが４分の１波長の倍数でない物理的長さを持つ放射素子３０によって、共振又はその近辺で動作させることができる。また、実際の、あるいは電気的（レードーム効果が適用される）長さが、λ/４，λ/２，３λ/４, λである素子を備えた螺旋アンテナは、共振で動作することが知られているが、そのような共振動作あるいは共振近辺動作は、付加的適合手段を使用することによって、他の長さの放射素子３０によっても得ることができ、それにより、ソースとロードとの間に良好な送信を提供する。従って、本発明は、４分の１波長の倍数である放射素子長さの螺旋アンテナに限定されるものではない。
【００３６】
また、図２に示されているように、アンテナシステム２０は、非励振素子４０を備える。これは、放射素子３０に隣接した位置にあるが、放射素子３０と、直接的な電気的接触はしていない。非励振素子４０は、放射素子３０の近傍に配置された電導性材料であれば、何でもよい。本発明の好ましい実施の形態において、非励振素子４０は、非共振電導性ワイヤまたはストリップから成り、その端部４２，４４は、螺旋の巻き線の近傍にある。図２に示された本発明の実施の形態において、非励振素子４０は、放射素子３０の巻き線によって規定される円筒形の外にあって、円筒形に平行に配置され、端部４４は、放射素子３０の末端の最後の１巻きに隣接し、端部４２は、放射素子３０の原点端部の最後の１巻きに隣接している。
【００３７】
また、図２に示されたように、非励振素子４０は、好ましくは、テフロン、ポリカーボネイト、ポリウレタンなどのような誘電材料４６によって隔離され、誘電材料４６は、非励振素子４０が放射素子３０と電気的に直接接触するのを防止し、非励振素子４０と放射素子３０との間に最適な空間を保持する助けとなる。好ましい実施の形態において、非励振素子４０は、プラスチックのケース内に成形された電導性ワイヤ又はストリップとして導入される。当業者であればわかるように、誘電材料バッファ４６は、なくてもよい。
【００３８】
アンテナシステム２０は、次のように動作する。無線電話器１０が動作する周波数帯域の低い方における電磁信号が、アンテナシステム２０に入ってくると、放射素子３０が共振モードで動作し（放射素子３０が、低い方の周波数帯域にある信号に対する共振長さである場合）、この周波数帯域での通信を提供する。また、非励振素子４０の端部４２，４４と、放射素子３０との間の距離を注意深く選択することによって、アンテナシステム２０は、次のように設計することができる。即ち、これらの低い周波数において、放射素子３０に入ってくる信号は、そのまま非励振素子４０に結合されることなく、代わりに、大部分、又は好ましくは完全に、放射素子３０に残る。しかしながら、動作の高い方の帯域では、放射素子３０と非励振素子４０との間の容量結合がかなり増加し、エネルギーが、螺旋の巻き線の１つ以上をバイパスする経路に沿って、放射素子３０から非励振素子４０に結合され、次に放射素子３０に戻る。このように、アンテナシステム２０に入ってくる高い方の周波数におけるエネルギーの一部は、容量結合効果によって、短くなった電気的経路を取り、アンテナシステム２０にとって第２の効果的共振周波数を提供する。
【００３９】
上記容量結合効果は、キャパシタのリアクタンス等式を参照することによって、よく理解することができる。リアクタンス等式は、次のとおりである。
【数１】
Ｘ_c ＝ １/ｊ2πｆC
式中、ｆは、動作周波数であり、Ｃは、容量である。この等式に示されるように、キャパシタのリアクタンス（この場合は、非励振素子４０）は、周波数が大きくなるほど、小さくなり、このように、高い周波数においては、非励振素子４０への容量結合は、実質的に増加する。従って、アンテナシステム２０は、非励振素子４０が、低い方の周波数では、放射素子３０から実質的に隔離されるが、高い方の周波数範囲では、放射素子３０と容量結合するように、設計することができる。
【００４０】
当業者にはわかるように、高い方の周波数帯域にある信号について生じる容量結合の量は、第一に、非励振素子４０と放射素子３０の巻き線との間の距離に依存する。本発明の好ましい実施の形態において、この距離は、放射素子３０に入ってくる高い方の周波数帯域におけるエネルギーの全部ではなく一部が、非励振素子４０に容量的に結合されるように選択される。このように、本実施の形態においては、非励振素子４０は、真性な電気的短絡としては動作せず、「分配的インピーダンス」を生成することによって、非励振素子４０によって橋渡しされる巻き線に対して、放射素子３０と非励振素子４０との間で、エネルギーが分けられる。このようにして、アンテナシステム２０を備えた構造全体が放射するのは、低い周波数帯域と高い周波数帯域の両方で動作するときであり、アンテナシステム２０の有効開口は、低い周波数帯域でも高い周波数帯域でも実質的に同じである。これにより、アンテナシステム２０は、前記周波数帯域の高い方で動作しているときに、受信信号を最大にすることができるという利点がある。というのは、アンテナのすべての巻き線が、その周波数帯域での電気信号の送信及び受信に使用されるからである。
【００４１】
また、前述のように、本発明の好ましい実施の形態において、放射素子３０は、固有インピーダンスが５０オーム程度に設計された４分の１波長螺旋であるから、無線電話器１０において、送信器１２と受信器１４とをアンテナシステム２０に接続するのに一般に使用される５０オーム同軸接続１８に元来適合する。更に、本発明の教示に基づけば、非励振素子４０の末端４２及び４４と、放射素子３０の個々の巻き線との間の距離は、アンテナシステム２０の性能を最大にすべく調節することができる。即ち、アンテナが共振する周波数、動作周波数帯域のそれぞれで達成される電圧定在波比、アンテナ給電システム２２から見たアンテナシステム２０のインピーダンスを考慮して調節する。
【００４２】
このように、図２に示されたアンテナシステムは、比較的小型であり、擬似全方向アンテナであり、２つ以上の広く離れた周波数帯域で動作することができる（「広く離れた」という用語は、低い方の周波数帯域の中央周波数の少なくとも３０％離れている周波数帯域を指す）。また、このアンテナは、インピーダンス合わせ（マッチング）を必要としないという利点があり、アンテナ全体が両方の周波数帯域で放射するので、その有効開口は、動作周波数とは無関係に、実質的に同じであり、このようにして、アンテナは、アンテナにより送信され且つ/又は受信される信号エネルギーの量を最大限にする。
【００４３】
図３は、本発明のアンテナシステムの別の実施の形態を示す。この実施の形態において、非励振素子４０は、放射素子３０によって形成される螺旋（ヘリクス）の内部に配置され、螺旋の左上から右下まで斜めに延びる。この実施の形態において、非励振素子４０は、螺旋の少なくとも２つの点（放射素子３０の末端の最後の巻き線の左側と、放射素子３０の原点に隣接する巻き線の右側）で、螺旋の近傍に位置して、このようにして、非励振素子４０は、螺旋の非隣接巻き線の間に結合（カプリング）を提供する。
【００４４】
当業者にとっては、本発明から明らかなように、非隣接巻き線の間の結合は、設計における柔軟性を大いに増す。というのは、これにより、放射構造全体を最大限に使うことができるようになるからである。このように、本発明のアンテナ設計は、このようにして得られる柔軟性を利用して、アンテナシステム２０のインピーダンスを、アンテナ給電ネットワーク２２におけるインピーダンスに合わせることができ、アンテナが動作するすべての周波数帯域におけるアンテナシステムの動作帯域幅を最大限にすることができる。また、本発明の教示によれば、非励振素子４０は、螺旋の巻き線の２つ以下と近接するように配置させることができる。このような配置は、アンテナシステムの製造を単純にするので有利である。
【００４５】
図４は、本発明のアンテナシステムの他の実施の形態を示す。この実施の形態において、非励振素子４０は、非線形であり、放射素子３０によって形成される螺旋の外に位置し、螺旋の主軸に対して平行になっている。非線形な設計であるために、非励振素子４０は、螺旋上のいくつかの巻き線の近くにあり、他の巻き線からは、より離れている。
【００４６】
また、本発明の教示によれば、アンテナシステム２０は、複数の非励振素子を備えて、３つ以上の離れた周波数帯域で動作させることもできる。図５は、アンテナシステム２０のそのような実施の形態を示し、これは、３つの広く離れた周波数帯域で動作するように設計されている。図５に示されたように、アンテナシステム２０は、放射素子３０によって形成される螺旋の主軸に平行で、螺旋の外に配置された第１の非励振素子５０と、螺旋の反対側に同様に配置された、より短い第２の非励振素子５２とを備える。この実施の形態において、アンテナが動作する３つの周波数帯域のうち最高の周波数帯域で放射素子３０に入ってくる無線周波数エネルギーは、第１の非励振素子５０と第２の非励振素子５２と容量結合されたり離れたりすることによって、エネルギーは、放射素子３０と、第１の非励振素子５０と第２の非励振素子５２との間で分割され、その際、放射素子３０と、第１の非励振素子５０と第２の非励振素子５２とが容量結合されると、アンテナシステム２０が動作する最高の周波数帯域で共振するように分割される。同様に、アンテナが動作する３つの周波数帯域のうち真中の帯域にある無線周波数エネルギーが放射素子３０に入ってくると、そのエネルギーは、第１の非励振素子５０と第２の非励振素子５２との少なくとも一方と容量結合したり離れたりすることによって、エネルギーは、放射素子３０と、第１の非励振素子５０と第２の非励振素子５２との少なくとも一方により分割され、その際、放射素子３０と、第１の非励振素子５０と第２の非励振素子５２との少なくとも一方とが容量結合すると、アンテナが動作する３つの周波数帯域のうちの真中の周波数帯域で共振するように分割される。しかしながら、アンテナの動作する周波数帯域の最低の周波数帯域の無線周波数エネルギーが放射素子３０に入ってきても、そのようなエネルギーは、第１の非励振素子５０と第２の非励振素子５２のどちらとも、すぐには容量結合せず、実質的に、それらから隔離されている。しかしながら、放射素子３０は、３つの周波数帯域のうち最低のもので共振するように設計されているので、放射素子３０は、それだけで、アンテナが動作する周波数帯域の最低のものにおいて、送信及び/又は受信を行う。
【００４７】
前述のように、アンテナシステム２０の好ましい実施の形態において、アンテナのインピーダンスは、アンテナ給電回路２２から見て約５０オームである。そのようなインピーダンスを得るには、放射素子３０を４分の１波長螺旋とし、非励振素子４０の位置と長さをうまく選択すればよい。本発明の好ましい実施の形態において、アンテナシステム２０は、同軸接続１８を介して送信器１２と受信器１４とに接続されており、同軸接続１８は、典型的には、５０オーム程度のインピーダンスを出す。このように、本実施の形態において、インピーダンスを合わせるネットワークなしに、最大の電力移送を達成することができる。なぜなら、アンテナシステム２０のインピーダンスは、ソース送信ライン１８のインピーダンスと合わせてあるからである。しかしながら、当業者には明らかなように、インピーダンスを合わせるネットワークは、アンテナのインピーダンスを変形してソース送信ラインのインピーダンスに合わせる技術において公知である。従って、本発明により設計されるアンテナは、５０オーム程度のインピーダンスを持つように設計される必要はない。ただしこの範囲のインピーダンスを持つアンテナは、インピーダンスを合わせるネットワークと関連した付加的ハードウェアを必要としないという利点がある。
【００４８】
本発明の教示によればわかるように、非励振素子は、螺旋アンテナに隣接した様々の位置に、様々の向きで配置することができる。しかしながら、最良の位置と向きは、アンテナシステムに指定される寸法や性能によって大きく変化する。従って、本発明のアンテナシステムは、非励振素子の配置について柔軟性があり、設計者には、許容できるＶＳＷＲと帯域幅性能を提供し、２つ以上の周波数帯域で共振し、ユーザーに適したサイズと体積（volume）を提供するアンテナを設計するに当たり、いくつかの自由度が与えられる。この設計の柔軟性は、非常に重要である。なぜなら、アンテナのサイズと体積は、美観とユーザーが要望する小型の無線電話器にとって、非常に限定されるからである。
【００４９】
本発明の別の側面において、アンテナシステム２０の製造方法が開示される。本発明のこの側面によると、２つの離れた周波数帯域で通信するためのアンテナシステム２０は、放射素子３０と、放射素子３０に隣接する非励振素子４０を提供することによって提供される。非励振素子４０の配置は、周波数帯域の高い方で無線周波数エネルギーがアンテナシステム２０に入ってきたときに、放射素子３０と非励振素子４０が容量結合され、周波数帯域の低い方で無線周波数エネルギーがアンテナシステム２０に入ってきたときに、放射素子３０が実質的に非励振素子４０から隔離されるように、なされる。当業者にとっては、本発明の開示から明らかなように、放射素子の直径は、好ましい実施の形態において、アンテナシステム２０に許容される体積内に適合する最大の直径を持つ螺旋アンテナとして選択される。
【００５０】
本発明の１つの実施の形態において、非励振素子の最良の配置を決定するには、無線周波数エネルギーをアンテナシステム２０に提供し、いろいろなサイズの非励振素子４０をいろいろな位置で、放射素子３０に隣接したいろいろな向きに置いて、ネットワーク分析器を使用して、アンテナ２０の出力を測定することによって、決めることができる。この方法によって、非励振素子４０のサイズ、位置、向きを選択するのに、指定されたサイズ、必要なＶＳＷＲ、及び周波数レスポンスに合うアンテナシステムを提供すべく、選択する。本発明の好ましい実施の形態において、非励振素子４０の位置は、アンテナシステム２０の有効開口が、それが動作する周波数の両方において実質的に同じであるように配置する。
【００５１】
（実施例１）
本発明の教示に従って、８２４ＭＨｚから８９４ＭＨｚのＡＭＰＳ周波数帯域と、１８５０ＭＨｚから１９９０ＭＨｚのＰＣＳ周波数帯域で動作するアンテナシステムを製造した。本発明のこの実施の形態において、放射素子３０は、ファイバーグラスのチューブに約６巻きされた銅製のストリップであり、放射素子３０の長さは、約８８ミリメートル（８５０ＭＨｚにおける４分の１波長）であり、軸長は２５ミリメートル程度で、螺旋の直径はおよそ８ミリメータである。この実施の形態において導入した非励振素子４０は、長さ１３ミリメートルの非共振電導性ワイヤであって、放射素子３０によって形成された螺旋の外側に隣接して（約０．２ミリメートル離して）、螺旋の主軸に平行に置かれた。非励振素子４０は、ワイヤの外側を誘電コーティング４６で覆った。本発明の本実施の形態において、非励振素子４０の配置は、一端を、放射素子３０の原点３２から約１．５巻き上のところで、１巻きか２巻きさせ、非励振素子４０の他端を、放射素子３０の原点３２から約４．５巻き上のところで、１巻きか２巻きさせた。本実施の形態において、非励振素子４０を囲む誘電コーティング４６は、放射素子３０の中間巻き線の両方（即ち、非励振素子４０が放射素子３０を取り巻いて巻かれているところの巻き線の間の巻き線）に触れている。
【００５２】
（実施例２）
本発明の教示に従って、第２のアンテナシステム２０を製作した。これも、８２４ＭＨｚから８９４ＭＨｚのＡＭＰＳ周波数帯域と、１８５０ＭＨｚから１９９０ＭＨｚのＰＣＳ周波数帯域で動作すべく設計された。本実施の形態において、放射素子３０は、ファイバーグラスのチューブにおよそ５．５巻きされた銅製のストリップであり、放射素子３０の長さは、およそ８８ミリメートル（８５０ＭＨｚにおける４分の１波長）であり、軸長は２０ミリメートル程度で、螺旋の直径はおよそ７ミリメータである。この実施の形態において導入した非励振素子４０は、長さ１０ミリメートルの非共振電導性ワイヤであって、放射素子３０によって形成された螺旋の外側に隣接して（約０．２ミリメートル離して）、螺旋の主軸に平行に置かれた。非励振素子４０は、ワイヤの外側を誘電コーティング４６で覆った。本発明の本実施の形態において、非励振素子４０の配置は、一端を、放射素子３０の原点３２から約１．５巻き上のところで、１巻きか２巻きさせ、非励振素子４０の他端を、原点３２から約４．５巻き上のところで、１巻きか２巻きさせた。
【００５３】
図６及び図７は、動作周波数帯域の両方におけるアンテナシステム２０のレスポンスを示す。図６に示されたように、アンテナシステム２０は、周波数範囲８２４−８９４ＭＨｚで、２．０未満のＶＳＷＲを提供し、図７は、周波数範囲１８５０−１９９０ＭＨｚで、同様に、２．５未満のＶＳＷＲを示す。このように、このアンテナシステムは、ＡＭＰＳ及びＰＣＳ周波数帯域の両方で、二重帯域動作を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づくアンテナシステムを備えた二重帯域無線電話のブロック図である。
【図２】 本発明のアンテナシステムの好ましい実施の形態を示す。
【図３】 本発明のアンテナシステムの別の実施の形態を示す。
【図４】 本発明のアンテナシステムの別の実施の形態を示す。
【図５】 本発明のアンテナシステムの別の実施の形態を示す。
【図６】 本発明のアンテナシステムの好ましい実施の形態の、低い方（８５０ＭＨｚ）の周波数帯域における動作を示す。
【図７】 本発明のアンテナシステムの好ましい実施の形態の、高い方（１９２０ＭＨｚ）の周波数帯域における動作を示す。

Claims (21)

1. 少なくとも２つ以上の広く離れた周波数帯域で電気信号の送受信を行うアンテナシステム（２０）であって、
   螺旋（ヘリクス）アンテナ（３０）と、
   前記螺旋アンテナ（３０）に隣接する第１非励振素子（４０）と、を備え、
   第１周波数帯域における無線周波数エネルギーが前記アンテナシステム（２０）に入ってきた場合、前記螺旋アンテナ（３０）と前記第１非励振素子（４０）とが容量結合され、前記第１周波数帯域における無線周波数エネルギーの一部が前記第１非励振素子（４０）に分けられることによって前記アンテナシステム（２０）が前記第１周波数帯域で共振し、かつ、前記第１周波数帯域より低い周波数帯域である第２周波数帯域の無線周波数エネルギーが前記アンテナシステム（２０）に入ってきた場合、前記螺旋アンテナ（３０）は実質的に前記第１非励振素子（４０）から絶縁されることによって前記アンテナシステム（２０）が前記第２周波数帯域で共振するように、前記螺旋アンテナ（３０）と距離を有して前記第１非励振素子（４０）が配置されており、
   前記螺旋アンテナ（３０）全体が前記第１周波数帯域および前記第２周波数帯域で放射することを特徴とするアンテナシステム。
2. 請求項１に記載のアンテナシステム（２０）であって、前記第１非励振素子（４０）が、前記螺旋アンテナ（３０）の内部に対角線に沿って配置され、前記螺旋アンテナ（３０）上の２点だけに近接しているアンテナシステム。
3. 請求項１に記載のアンテナシステム（２０）であって、前記第１非励振素子（４０）が、前記螺旋アンテナ（３０）の外部に配置され、前記螺旋アンテナ（３０）の少なくとも２巻き線に隣接しているアンテナシステム。
4. 請求項１，２，３のいずれかに記載のアンテナシステム（２０）であって、前記螺旋アンテナ（３０）と前記第１非励振素子（４０）との間だけで、非隣接巻き線において、エネルギーが結合されるアンテナシステム。
5. 請求項１，２，３のいずれかに記載のアンテナシステム（２０）であって、前記第１非励振素子（４０）の一部が、前記螺旋アンテナ（３０）の少なくとも１つの巻き線に付着され、更に、前記螺旋アンテナ（３０）と前記第１非励振素子（４０）とをそれらが付着されている点において物理的に絶縁する誘電体（４６）を備えるアンテナシステム。
6. 請求項１，２，３のいずれかに記載のアンテナシステム（２０）であって、前記螺旋アンテナ（３０）が、前記第１非励振素子（４０）とは独立に、前記第２周波数帯域で共振するアンテナシステム。
7. 請求項１，２，３のいずれかに記載のアンテナシステム（２０）であって、更に、前記螺旋アンテナ（３０）に隣接する第２非励振素子（５２）を備え、
   前記第２周波数帯域より高い第３周波数帯域における無線周波数エネルギーが前記アンテナシステム（２０）に入ってきた場合、前記螺旋アンテナ（３０）と前記第１非励振素子（４０）及び前記第２非励振素子（５２）とが容量結合され、前記第３周波数帯域における無線周波数エネルギーの一部が前記第１非励振素子（４０）及び前記第２非励振素子（５２）にそれぞれ分けられることによって前記アンテナシステム（２０）が前記第３周波数帯域で共振し、かつ、前記第２周波数帯域における無線周波数エネルギーが前記アンテナシステム（２０）に入ってきた場合、前記螺旋アンテナ（３０）は、前記第２非励振素子（５２）から実質的に絶縁されることによって前記アンテナシステム（２０）が前記第２周波数帯域で共振するように、前記螺旋アンテナ（３０）と距離を有して前記第２非励振素子（５２）が配置されているアンテナシステム。
8. 請求項１に記載のアンテナシステム（２０）であって、
   送信器（１２）と、
   受信器（１４）と、
   ユーザーインターフェース（１６）と、
   アンテナ給電システム（２２）と、
   を有する無線電話器と組み合わせたアンテナシステム。
9. 請求項１に記載のアンテナシステム（２０）であって、前記螺旋アンテナ（３０）が、通常モードで動作するように構成されているアンテナシステム。
10. 請求項１に記載のアンテナシステム（２０）であって、アンテナ給電（２２）から見たインピーダンスが約５０オームであるアンテナシステム。
11. 請求項１に記載のアンテナシステム（２０）であって、アンテナシステム（２０）は、８２４−８９４ＭＨｚ及び１８５０−１９９０ＭＨｚ周波数帯域の電気信号を送受信すべく構成され、前記螺旋アンテナ（３０）は、８２４−８９４ＭＨｚ周波数帯域において共振すべく設計されているアンテナシステム。
12. 請求項１１に記載のアンテナシステム（２０）であって、前記螺旋アンテナ（３０）の直径が、約６−１０ミリメートルであって、前記螺旋アンテナ（３０）の軸長が、約２０−２５ミリメートルであるアンテナシステム。
13. 請求項１１に記載のアンテナシステム（２０）であって、前記第１非励振素子（４０）が前記螺旋アンテナ（３０）の外にあって前記螺旋アンテナ（３０）の少なくとも２つの巻き線に隣接して配置されているアンテナシステム。
14. 請求項１１に記載のアンテナシステム（２０）であって、前記第１非励振素子（４０）が約１０−１４ミリメートルの長さであり、非励振素子（４０）の少なくとも一部が、螺旋アンテナ（３０）から、約０．２ミリメートルのところに配置されているアンテナシステム。
15. 少なくとも２つ以上の離れた周波数帯域で通信を行うアンテナシステム（２０）を製造する方法であって、螺旋アンテナ（３０）を提供するステップと、前記螺旋アンテナ（３０）に隣接する非励振素子（４０）を提供するステップと、を備え、更に、
    第１周波数帯域における無線周波数エネルギーが前記アンテナシステム（２０）に入ってきた場合、前記螺旋アンテナ（３０）と前記非励振素子（４０）とが容量結合され、前記第１周波数帯域における無線周波数エネルギーの一部が前記非励振素子（４０）に分けられることによって前記アンテナシステム（２０）が前記第１周波数帯域で共振し、かつ、前記第１周波数帯域より低い周波数帯域である第２周波数帯域の無線周波数エネルギーが前記アンテナシステム（２０）に入ってきた場合、前記螺旋アンテナ（３０）は実質的に前記非励振素子（４０）から絶縁されることによって前記アンテナシステム（２０）が前記第２周波数帯域で共振するように、前記螺旋アンテナ（３０）と距離を有して前記非励振素子（４０）を配置するステップと、
    前記螺旋アンテナ（３０）全体が前記第１周波数帯域および前記第２周波数帯域で放射するように、前記非励振素子（４０）を配置するステップと
    を備える方法。
16. 請求項１５に記載の方法であって、前記非励振素子（４０）が前記螺旋アンテナ（３０）の内部の対角線上に配置される方法。
17. 請求項１５に記載の方法であって、螺旋アンテナ（３０）が通常モードで動作するように構成される方法。
18. 請求項１５に記載の方法であって、前記螺旋アンテナ（３０）が、前記第２周波数帯域で前記非励振素子（４０）とは独立に共振する方法。
19. 螺旋アンテナ（３０）と、前記螺旋アンテナ（３０）に隣接して配置された非励振素子（４０）とを備えた二重帯域アンテナシステム（２０）を使用する信号受信方法であって、
    前記非励振素子（４０）を螺旋アンテナ（３０）から実質的に絶縁して、前記螺旋アンテナ（３０）の共振周波数に対応する第２周波数帯域において前記螺旋アンテナ（３０）を介して信号を受信するステップと、
    前記螺旋アンテナ（３０）と前記非励振素子（４０）とを容量結合させ、無線周波数エネルギーの一部を前記非励振素子（４０）に分けて、第２周波数帯域より高い第１周波数帯域において、前記螺旋アンテナ（３０）と前記非励振素子（４０）の組み合わせを介して、信号を受信するステップと、
    を備える方法。
20. 請求項１９に記載の方法であって、前記螺旋アンテナ（３０）と前記非励振素子（４０）を容量結合させるステップを実行する際に、前記螺旋アンテナ（３０）と前記非励振素子（４０）との間だけで、非隣接巻き線においてエネルギーが結合される方法。
21. 請求項１９に記載の方法であって、前記アンテナシステム（２０）が、更に、前記螺旋アンテナ（３０）と前記非励振素子（４０）を物理的に絶縁する誘電体（４６）を備え、前記非励振素子（４０）の一部が、前記螺旋アンテナ（３０）の少なくとも１つの巻き線に巻かれている方法。

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