JP4191677B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、実質的に平面のパッチ導体を備えているアンテナ装置、および、このような装置を組み込んでいる無線通信機器に関する。

ワイヤレス端末機器（たとえば、携帯電話ハンドセット）には、通常、外部アンテナ（たとえば、ノーマルモードヘリカルアンテナまたはミアンダーラインアンテナ）か、内部アンテナ（たとえば、平面逆F型アンテナ（PIFA）またはこれと同様のアンテナ）のいずれかが、組み込まれている。

このようなアンテナは、（波長に対して相対的に）小さく、したがって、アンテナが基本的に小さいことによる制限のために、狭帯域である。しかしながら、セル方式の無線電話通信システムは、通常、10%以上のフラクショナルな帯域幅を有する。パッチ・アンテナの帯域幅とその体積との間には、直接的な関係が存在するので、たとえば、PIFAによりこのような帯域幅を達成するには、多くの体積が必要となる。しかしながら、ハンドセットが小さくなりつつある最近の傾向から、このような体積を得ることは容易ではない。さらに、PIFAは、パッチ高さを増加させる（これは、帯域幅を改良するために必要である）につれて、共振時にリアクティブになる。

更なる問題は、デュアルバンド・アンテナが必要とされるときに生じる。この場合、同じ構造体の内部で2つの共振器が必要となるが、これは、利用可能なアンテナ領域の一部のみしか、各々の周波数で、効果的に用いられないことを意味する。アンテナの帯域幅は、アンテナのサイズに関係があるので、2つのバンドの広帯域動作を実現するためには、より多くの体積が、必要とされる。このようなアンテナの例は、特許文献１に開示されている。そこには、2つのPIFAアンテナが、共通ポイントから供給されていて、かつ、共通の短絡ピンを共有している。低周波素子は、高周波素子に巻き付けられている。したがって、これは、高周波素子が、アンテナ全体のサイズに対して相対的に小さくなければならない（したがって、狭帯域でなければならない）ことを意味する。

本出願人の係属中の特許文献２（本出願の優先日に未公開である）には、スロットが、PIFAの供給ピンと短絡ピンとの間に導入されている、従来のPIFAの変形例が開示されている。このような装置は、従来のPIFAよりも体積が小さくて済む一方で、実質的にインピーダンス特性が改良されたアンテナを提供した。

本出願人の係属中の特許文献３（本発明の優先日に未公開である）には、デュアルバンド、および、マルチバンドの使用を可能にする、特許文献２についての改良が開示されている。供給ピンおよび短絡ピンに種々のインピーダンスを接続することによって、各々が識別可能なモードに関する種々の電流経路が、アンテナに生成される。この開示された装置によって、アンテナ構造全体を、全ての帯域において用いることが可能となり、この結果、必要な体積が従来のマルチバンドPIFAよりも小さくて済むことになった。

本発明の目的は、改良された平面アンテナ装置を提供することである。

欧州特許出願EP 0997974号明細書 国際特許出願WO 02/60005号パンフレット 国際特許出願WO 02/71535号パンフレット

本発明の第1の態様によれば、
無線回路に接続するための第1および第2の接続ポイントと、前記第1および第2の接続ポイント間に組み込まれているスロットとを有する実質的に平面のパッチ導体と、
グランド平面とを備えるアンテナ構造であって、
前記アンテナ構造は、前記第2の接続ポイントが前記グランド平面に接続される場合に第1の動作周波数を有する第1のモードで動作し、かつ、前記第2の接続ポイントが開放回路となる場合に第2の動作周波数を有する第2のモードで動作し、
かつ、
ゼロと無限インピーダンスとの間の範囲の値を有する可変インピーダンスが前記第2の接続ポイントとグランドとの間に接続されることによって、前記第1の動作周波数と第2の動作周波数との間の、前記アンテナ構造の動作周波数を提供するアンテナ装置が供給される。

既知の動作モードの間の周波数で、アンテナ装置が効率的に動作することを可能にすることによって、コンパクトで帯域幅が広いアンテナが、提供される。この装置は、たとえば、第1のモードでは差動スロット付きPIFAとして動作し、かつ、第2のモードでは平面逆Lアンテナ（PILA）として動作することができる。可変インピーダンスは、インダクタとしてもよい。更なる動作モードを可能とするために、接続ポイントを付加しても良い。

本発明の第2の態様によれば、本発明によって製造されるアンテナ装置を含む無線通信機器が提供される。

以下、本発明の実施例について、一例として、添付の図面を参照して、説明する。

各図において、同じ参照番号が、対応する特徴を示すために用いられる。

図1には、ハンドセットに載置されているPIFAの斜視図が示されている。このPIFAは、ハンドセットの一部を形成するグランド平面104に平行に支持されている矩形のパッチ導体102を備える。このアンテナは、第1のピン（供給ピン）106を介して供給され、かつ、第2のピン（短絡ピン）108によって、グランド平面104に接続されている。

PIFAについての典型的な例示の実施例では、パッチ導体102は、寸法が20mm×10mmであり、かつ、寸法が40mm×100mm×1mmのグランド平面104に対して8mm上側に設置されている。供給ピン106は、パッチ導体102とグランド平面104との双方の角に設置されていて、かつ、短絡ピン108は、供給ピン106から3mm離れている。

PIFAのインピーダンスがインダクティブであることは、周知である。これに関する一つの説明は、供給ピン106と短絡ピン108の電流を、バランスモード（等しくかつ反対方向、非放射）電流と放射モード（等しい方向）電流との合計と考えることによって与えられる。バランスモード電流の場合、供給ピン106と短絡ピン108は、波長に対し長さが非常に短い（図1に示されている実施例では、8mm、つまり、2GHzの周波数で、0.05λの波長）ために、誘導性（inductive）リアクタンスを有する短絡回路伝送線を形成する。

図2は、本出願人の係属中の国際特許出願WO 02/60005号パンフレットに開示されている、標準的なPIFAの変形例の斜視図である。ここでは、スロット202が、平面パッチ導体102の供給ピン106と短絡ピン108との間に設けられている。スロット202の存在は、供給ピン106と短絡ピン108とで形成されている短絡回路の伝送線の長さを増加させるので、アンテナ装置のバランスモードのインピーダンスに影響を及ぼす。これにより、アンテナのインピーダンスの誘導性成分を、非常に減少させることができる。その理由は、スロット202が、供給ピン106と短絡ピン108とで形成されている短絡回路の伝送線の長さを大きく増加させ、これにより、伝送線のインピーダンスの誘導性をより小さくすることが可能になるからである。それ故、この装置は、差動スロット付きPIFA（DS-PIFA）として知られている。

スロット202の存在がインピーダンス変換を提供することは、WO 02/60005においても同様に示されていた。その理由は、DS-PIFAを、非常に短い、極度の頂部装荷折り返しモノポールと同様であると考えることが出来るからである。スロット202がパッチ導体102の中央に設置される場合には、インピーダンス変換は、約4倍になる。パッチ導体102にスロット202を非対称に配置することにより、このインピーダンス変換を調整し、アンテナの抵抗性インピーダンスを、いかなる所望の回路インピーダンス（たとえば、50Ω）にも、より良くマッチングするように調整することが可能になる。

本出願人の係属中の国際特許出願WO 02/71535号パンフレット（特許文献３）には、短絡ピン108を開放回路とすることにより、図2に示されているアンテナから、どのようにして第2の動作可能な帯域を得ることができるかについて開示されている。このモードでは、このアンテナは、本出願人の係属中の国際特許出願WO02/71541号パンフレットに開示されているように、ミアンダー平面逆L型アンテナ（meandered Planar Inverted-L Antenna：PILA）として機能する。従来のPILAにおける短絡ピンはマッチング機能を果たすが、このマッチは、一の周波数でしか有効でなく、他の周波数でのマッチは犠牲になるということを認識することによって、PILAの動作を、最も良く理解することができる。それゆえ、PILAの場合、短絡ピンは、省略されるか、開放回路のままとされる。

それゆえに、デュアル・モード動作は、スイッチを介して第2のピン108をグランドに接続することによって、可能になる。このスイッチが閉じると、アンテナは、DS-PIFAとして機能し、かつ、このスイッチが開くと、アンテナは、ミアンダーPILAとして機能する。上述の典型的な大きさのPIFAを有するアンテナの性能を決定するために、シミュレーションを実行した。スロット202は、1mm幅で、2本のピン106、108の間の中心から始まり、それからパッチ導体102のエッジに対して平行に、そのエッジから0.5mmのところで続いている。図3および図4は、それぞれ、DS-PIFAモードおよびPILAモードのリターン・ロスS₁₁に対するシミュレートされた結果を示している。代替の動作モードは、第1および第2のピン106、108の役割を入れ替えることによって提供される。すなわち、DS-PIFAモードでは、周波数応答は、類似しているが、アンテナのインピーダンスは、非常に増加するが、PILAモードでは、スロット202の右上のパッチ導体102までの区間の全長が動作中であるので、共振周波数は、約1150MHzまで減少する。

本発明は、限られた数の離散的な帯域よりもむしろ、広い帯域幅で動作することができるアンテナに対する要求に対処する。図5には、本発明の実施例の平面図が示されている。パッチ導体102は、寸法が23mm×11mmであり、かつ、グランド平面104の8mm上に設置されている。スロット202は、幅が1mmであり、パッチ導体102の上端および右端および底端に対して、平行に、かつ、これらから1mmのところを走り、かつ、パッチ導体102の左端から4.5mmのところで終わる。RF信号源502は、第1のピン106を介してパッチ導体102に供給される。第2のピン108は、第1および第2のスイッチ504、506に接続されていて、かつ、第3のピン508は、第3のスイッチ510に提供、接続されている。アンテナの基本の動作は、GSM、DCS、および、PCS（パーソナル通信サービス方式）の周波数帯域における動作用の、3モードを備える。UMTS（ユニヴァーサル移動電話システム）をカバーするための第4のモードも、容易に追加することが出来る。

約900MHzという第1の低周波数（GSM）モードでは、第1のスイッチ504を開き、第3のスイッチ510を閉じ、第3のピン508をグランド平面104に接続する。そして、アンテナを、ミアンダーPIFAとして動作させる。第1および第3のピン106、508の間に接続されているキャパシタ512は、ミアンダーPIFAのバランスモードのインダクタンスを無視し、かつ、一定の広帯域を提供する。

約1900MHzという第2の高い周波数（PCS）モードでは、第3のスイッチ510を開き、一方、第1および第2のスイッチ504、506を閉じ、第2のピン108をグランド平面104に接続する。そして、アンテナは、DS-PIFAとして動作する。約1800MHzという第3の（DCS）モードでは、第2のスイッチ506を開き、その結果、インダクタ514を第2のピン108の負荷とする。これにより、共振周波数を低減させるという効果が得られる。シャントインダクタ516は、スロット202の長さによって生じる、DCSモードおよびPCSモードにおけるアンテナの容量性（capacitive）インピーダンスを、相殺するために設けられている。その影響は、GSMモードにおいては、シャントキャパシタ512によって対処される。このことは、DCSモードおよびPCSモードの回路においては起こり得ない。

インダクタ514の値を変えることによって、アンテナを、幅の広い周波数範囲に渡ってチューニングすることができる。インダクタ514の値が小さいときには、第2のピン108は、ほぼグランドされ、かつ、アンテナは、DS-PIFAとして機能する。インダクタ514の値が高いときには、第2のピン108は、ほぼ開放回路となり、かつ、アンテナは、ミアンダーPILAとして機能する。図6は、第2および第3のスイッチ506、510が開放回路で、かつ、インダクタ514の値を0nHから64nHまで変えた場合の、シミュレートされたリターン・ロスS₁₁のグラフである。図6では、最も高い周波共振を有する応答は、0nHの値のインダクタ514に対応し、次に高い周波共振を有する応答は、1nHの値のインダクタ514に対応し、その後に続く各カーブは、最大64nHまでインダクタ514の値を、逐次、倍々にした場合に対応する。この応答は、（GSMモードの有効なミアンダーのために必要な、スロット位置による高放射モードのインピーダンス変換を示す）200Ωのシステムで、シミュレートされている。

可変インダクタ514は、多数の方法で実施することができる。一つの方法は、個々にスイッチすることができ、かつ組み合わせによりある範囲の値を提供することが出来るある範囲のインダクタ514を、提供することである。他の方法は、その周波数が、そのキャパシタとインダクタ514との並列接続の反共振周波数（反共振周波数は、インダクタ514によってチューニングされる）より低い場合に、インダクタ514と並列の連続可変キャパシタを提供することである。このようなキャパシタは、たとえば、（低電力レベルの）バラクタ、または、MEMS（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）デバイスとすることができる。可変インダクタのスイッチングと、第1、第2および第3のスイッチ504、506、510とのスイッチングについては、オン抵抗が低く、かつ、オフ抵抗が高い、MEMSスイッチが、特に、適切である。

アンテナがほとんどオクターブの帯域幅以上でチューニングすることができるということが、明らかに理解できる。しかしながら、スロット202の位置が、ミアンダーPILAモードでのインピーダンス変換を提供しないと言う理由により、ミアンダーPILAモードの共振時の抵抗は、DS-PIFAモードのそれよりも、はるかに低い。それゆえに、共振周波数が減少するにつれて、マッチは悪化する。これにもかかわらず、約200MHz〜300MHzの範囲に渡ってチューニングすることは、マッチをひどく劣化させることなく、可能である。これは、UMTS周波数帯域、PCS周波数帯域、およびDCS周波数帯域をカバーするには十分である。

このマッチは、高周波の場合よりも低周波で、より大きいインピーダンス上方変換を提供するマッチング回路を用いて、大幅に改善することができる。この単純な例は、シャントインダクタが後に続く、アンテナに接続されている直列キャパシタである。2pFのキャパシタンスと25nHのインダクタンスを用いることによって、シミュレートされた結果は、図7に示されるものに変更されている。ここで、マッチは、調整可能な周波数範囲全域で、より良好に保持されている。より高いインピーダンスも、第3のスイッチ510を閉じることによっても達成することができる。しかも、このことは、周波数応答にほとんど影響を及ぼさないであろう。しかしながら、その後、アンテナは、インダクタ514の値が高い場合には、ミアンダーPILAというよりはむしろミアンダーPIFAとして機能するであろう。

GSMモードの図5の基本的なアンテナに戻ると、図8は、それのシミュレートされたリターン・ロスを示すスミスチャートである。マーカーs1は、880MHzの周波数に対応し、かつ、マーカーs2は、960MHzの周波数に対応する。スイッチは、オン状態で0.5Ωの直列抵抗となり、かつ、オフ状態で0.02pFの直列リアクタンスとなる、MEMSスイッチとしてシミュレートされている。-5dBの帯域では、リターン・ロスは、特に良いわけではないけれども、送受信帯域を許容可能なレベルと個々にマッチすることができる場合には、本質的なロスなしに、スイッチを通過させることは、充分で可能である。

図9には、GSMモードでのアンテナの効率Eが示されている。ここでは、ミスマッチ・ロスは、破線で示され、回路ロスは、一点鎖線で示され、これらが組み合わされたロスは、実線で示されている。これらの結果は、Qが200であるキャパシタ512に基づいている。この値は、高いが実現可能である。キャパシタが、アンテナのインダクタンスと並列共振回路を形成するので、高品質のキャパシタが、必要とされる。総合効率がリターン・ロスによって制御され、他方、回路ロスが25%未満であることは明らかである。

キャパシタ512からの容量性のチューニングと組み合わせたアンテナのインダクティブ特性は、結果的に、優れたフィルタとして機能するアンテナとなる。図10は、30dB以上の第2高調波を拒否し、かつ、約20dBの第3高調波も拒否することを実証しているアンテナの減衰A（dB）を示す。この減衰は、本出願人の係属中の未公開の国際特許出願IB
02/02575（出願人のリファレンスナンバーPHGB 010120）に開示されているように、第1および第3のピン106、508を連結するコンダクタを追加することによって、更に改良することができる。

図11は、PCSモードでの図5のアンテナを考察したときの、そのシミュレートされたリターン・ロスを示すスミスチャートである。マーカーs1は、1850MHzの周波数に対応し、かつ、マーカーs2は、1990MHzの周波数に対応する。ここで、マッチは、200Ωという高いインピーダンスであるにもかかわらず、非常に良い。これは、スロット202の位置によって提供される、多数の放射モードのインピーダンス変換のためである。これは、GSMモードの有効なミアンダーには必要である。しかしながら、高いインピーダンスを、スイッチングに有利に使うことは可能であり、かつ、アンテナの高さを減少させる場合には、インピーダンスを、減少させることが出来る。図12には、PCSモードでのアンテナの効率Eが示されている。ここでは、ミスマッチ・ロスは、破線で示され、回路ロスは、一点連線で示され、これらが組み合わせられたロスは、実線で示される。この回路ロスは、約10%である。

図13は、DCSモードでの図5のアンテナを考察したときの、そのシミュレートされたリターン・ロスを示すスミスチャートである。マーカーs1は、1710MHzの周波数に対応し、かつ、マーカーs2は、1880MHzの周波数に対応する。このモードでは、インダクタ514による第2のピン108の誘導性負荷が、用いられている。マッチおよび帯域幅は、PCSモードの場合のそれらに類似している。図14に示されるアンテナの効率E（各線のタイプは、以前と同じ意味である）も、短絡ピンの誘導性負荷にもかかわらず、PCSモードのそれに類似している。

第3のスイッチ510を閉じたときに、第3のピン508を設けたことと、これに関連する動作モードが、本発明の基本的な特徴ではなく、これが、信号に対するパッチ導体102への第1の接続と、開放回路と短絡回路との間のある範囲の値をとることができる可変インピーダンスを有するパッチ導体102とグランド平面104との間の第2の接続しか、必要としないことは、明らかになるであろう。付加的な接続ポイントおよび／または付加的なスロットを有する広い範囲の別の実施例も、可能である。同様に、本発明は、いかなるスイッチも必要とせずに実施することも可能である。

上記の実施例の更なる変形例では、第3のピン508を誘導性負荷とし、このことにより、約824MHzから894MHzまでのセル方式の伝送をカバーすることを可能にすることが出来る。第2のピン108に接続されている第1のスイッチ504とそれの対応するインダクタ514からなる装置と同様に、第3のピン508に接続されているスイッチとインダクタを更に設けることは、この帯域とGSM帯域をカバーすることを可能にするであろう。

本開示を読み込むことにより、他の変形例は、当業者にとって明らかであろう。このような変形例は、アンテナ装置とそれの構成要素との、設計上、製造上、使用上、既に知られている他の特徴を含み、かつ、既に本願明細書において記載されている特徴に代えて、または、これらに追加して用いることもできる。

本願明細書および特許請求の範囲における素子の前の「a」または「an」という語は、このような素子の複数の存在を除外するものではない。更に、「備える」という語は、ここに記載している以外の他の素子またはステップの存在を除外するものではない。

ハンドセットに載置されているPIFAの斜視図である。 ハンドセットに載置されているスロット付き平面アンテナの斜視図である。 第1のピンが供給ピンであり、かつ、第2のピンがグランドされている、図2のアンテナについての、周波数f（MHz）に対するリターン・ロスS₁₁（dB）のシミュレートされた結果のグラフである。 第1のピンが供給ピンであり、かつ、第2のピンが開放回路である、図2のアンテナについての、周波数f（MHz）に対するリターン・ロスS₁₁（dB）のシミュレートされた結果のグラフである。 広い周波数の範囲以上でチューニング可能なアンテナ装置の平面図である。 第2のピンから加えるインダクタ負荷の値が0nHから64nHまで変わる、図5のアンテナについての、周波数f（MHz）に対するリターン・ロスS₁₁（dB）のシミュレートされた結果のグラフである。 付加的なマッチングを行い、かつ、第2のピンから加えるインダクタ負荷の値が0nHから64nHまで変わる、図5のアンテナについての、周波数f（MHz）に対するリターン・ロスS₁₁（dB）のシミュレートされた結果のグラフである。 800MHzから3000MHzの周波数範囲以上のGSMモードでの図5のアンテナについての、リターン・ロスS₁₁のシミュレートされた結果を示すスミスチャートである。 GSMモードでの図5のアンテナについての、周波数f（MHz）に対する効率性Eを示すグラフである。 GSMモードでの図5のアンテナについての、周波数f（MHz）に対する減衰A（dB）を示すグラフである。 800MHzから3000MHzの周波数範囲以上のPCSモードでの図5のアンテナについての、リターン・ロスS₁₁のシミュレートされた結果を示すスミスチャートである。 図12は、PCSモードでの図5のアンテナについての、周波数f（MHz）に対する効率性Eを示すグラフである。 800MHzから3000MHzの周波数範囲以上のDCSモードでの図5のアンテナについての、リターン・ロスS₁₁のシミュレートされた結果を示すスミスチャートである。 DCSモードでの図5のアンテナについての、周波数f（MHz）に対する効率性Eを示すグラフである。

符号の説明

102 パッチ導体
104 グランド平面
106 第1のピン（供給ピン）
108 第2のピン（短絡ピン）
202 スロット
502 RF信号源
504 第1のスイッチ
506 第2のスイッチ
508 第3のピン
510 第3のスイッチ
512 キャパシタ
514 インダクタ
516 シャントインダクタ<b>
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Claims (10)

1. 無線回路に接続するための第1および第2の接続ポイントと、前記第1および第2の接続ポイント間に組み込まれているスロットとを有する実質的に平面のパッチ導体と、
   グランド平面とを備えるアンテナ装置であって、
   前記アンテナ装置は、前記第2の接続ポイントが前記グランド平面に接続される場合に、第1の動作周波数を有する第1のモードで動作し、かつ前記第2の接続ポイントが開放回路である場合に、第2の動作周波数を有する第2のモードで動作し、かつ
   ゼロと無限インピーダンスとの間の範囲の値を有する可変インピーダンスが、前記第2の接続ポイントとグランドとの間に接続されていて、これにより、前記第1の動作周波数と第2の動作周波数との間の、アンテナ装置の動作周波数を提供するように、
   前記可変インピーダンスと前記第 2 の接続ポイントとの間に直列に接続される第 1 のスイッチと、
   前記可変インピーダンスに並列に接続される第 2 のスイッチと、
   前記第 1 の接続ポイントとグランドとの間を第 3 のスイッチを経て接続するための容量性素子と、
   前記容量性素子とグランドとの間に直列に接続される前記第 3 のスイッチと、
   を備える、アンテナ装置。
2. 前記グランド平面は、前記パッチ導体から間隔を置かれ、且つ前記グランド平面及び前記パッチ導体の双方が、矩形形状を有する、請求項1に記載のアンテナ装置。
3. 前記スロットは、前記パッチ導体に非対称に配置されることによって、インピーダンス変換を提供する請求項1または2に記載のアンテナ装置。
4. 前記アンテナ装置は、前記第1のモードで差動スロット付きPIFAとして動作し、かつ、前記第2のモードで平面逆Lアンテナとして動作する、請求項1から3のいずれかに記載のアンテナ装置。
5. 前記可変インピーダンスは、可変インダクタを備える、請求項1から4のいずれかに記載のアンテナ装置。
6. 前記可変インダクタは、スイッチング手段を介して接続されている複数の種々のインダクタとして実施される、請求項5に記載のアンテナ装置。
7. 前記スイッチング手段は、MEMSスイッチを備える、請求項6に記載のアンテナ装置。
8. 前記可変インダクタは、インダクタと並列の可変キャパシタとして実施される、請求項5に記載のアンテナ装置。
9. 前記可変キャパシタは、MEMSデバイスを備える、請求項8に記載のアンテナ装置。
10. 請求項1から9のいずれかに記載のアンテナ装置を含む無線通信機器。

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