JP4237487B2 - 二重バンドパッチアンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、二重バンド動作が可能な無線通信装置用のパッチアンテナに関わる。本願では、二重バンドアンテナといった用語は、２つ（以上）の別々の周波数バンドで十分に機能するが、バンド間の未使用のスペクトルでは機能しないアンテナに関わる。
【０００２】
背景技術
パッチアンテナは、時として長方形又は円形の形状を有する略平面な導体を有する。このようなアンテナは、アンテナ上の点と大地導体上の点との間の電圧差を印加することで給電される。大地導体は、しばしば平面であり、アンテナに対して略平行であり、このような組み合わせはしばしば平面逆Ｆアンテナ（Planar Inverted‐F Antenna（PIFA））と呼ばれる。コードレス又はセルラ電話ハンドセットで使用されるとき、大地導体は一般的にハンドセット本体によって設けられる。パッチアンテナの共振周波数は、給電点の場所を変更することによって、及び、導体の間に余分の短絡回路を追加することによって変更され得る。
【０００３】
コードレス又はセルラ電話ハンドセットにおいてパッチアンテナを使用することに関して幾つかの利点、特に形状が小型であり且つ放射パターンが良いといった利点がある。しかしながら、パッチアンテナのバンド幅は、制限されており、アンテナのバンド幅とアンテナが占める体積との間には直接的な関係がある。
【０００４】
セルラ無線通信システムは、比較的大きいアンテナ体積を要求する１０％の部分バンド幅を典型的に有する。多くのこのようなシステムは、送信用と受信用といったスペクトル全体の２つの別々の部分が使用される周波数分割デュプレックスである。幾つかの場合では、送信バンドと受信バンドとの間には相当な部分の未使用のスペクトルがある。例えば、ＵＭＴＳ（ユニバーサル移動通信システム）に関して、アップリンク及びダウンリンク周波数は夫々１９００‐２０２５ＭＨｚ及び２１１０‐２１７０ＭＨｚである（衛星成分を無視する）。これは、２０３５ＭＨｚを中心として１３．３％の全部分バンド幅を表示し、そのうちアップリンク部分バンド幅は１９６２．５ＭＨｚを中心として６．４％であり、ダウンリンク部分バンド幅は２１４０ＭＨｚを中心として２．８％である。従って、全バンド幅の約３０％が未使用である。従って、二重共振を有するアンテナが設計され得る場合、全バンド幅要件は減少され、より小さいアンテナが使用され得る。
【０００５】
ＵＳ−Ａ−４３６７４７４及びＵＳ−Ａ−７７７４９０で開示される一つの公知の解決策は、ダイオードを用いて切り換えることで位置が変えられる導体の間に短絡回路を設けることであり、それにより、アンテナの動作周波数を切り換えることが可能となる。しかしながら、ダイオードは、非線形装置であり、従って相互変調生成物を生成する場合がある。更に、ＵＭＴＳのようなシステムは、同時送信及び受信が必要であり、従って、このような切り換えは許容できない。
【０００６】
発明の開示
本発明は、切り換えること無く二重バンド動作を有するパッチアンテナを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の第１の面によると、略平坦なパッチ導体を有する、無線通信装置用の二重バンドパッチアンテナが設けられ、共振回路は、パッチ導体上の点と大地導体上の点との間に接続されている。
【０００８】
本発明の第２の面によると、本発明に従って形成されるアンテナを含む無線通信装置が設けられる。
【０００９】
本発明は、パッチ導体上の点と大地導体上の点とを接続することによってパッチアンテナの挙動が、切り換える必要を有すること無く二重バンド動作を提供するために変更され得るといった、従来技術には無い認識に基づく。このような配置は、受動であり、同時送信及び／又は受信を両方の周波数バンドで可能にするといった利点を有する。
【００１０】
本発明によるパッチアンテナは、幅広い用途特に、同時二重バンド動作が要求される用途に好適である。このような用途の例としてＵＭＴＳ及びＧＳＭ（汎欧州ディジタル移動電話方式）セルラ電話ハンドセット、及び、ＨＩＰＥＲＬＡＮ／２（High Performance Radio Local Area Network type ２）無線ローカル・エリア・ネットワークにおける使用がある。
【００１１】
本発明によるパッチアンテナの予想外の利点として、２つ（以上）の共振の組み合わされたバンド幅が共振回路を有さない未変更のパッチアンテナのバンド幅よりも著しく大きい点がある。この利点により、典型的な無線適用における使用の適切さを大きく高める。
【００１２】
発明を実施するモード
本発明の実施例をここで添付の図面を参照して例によって説明する。
【００１３】
図中、同様の参照番号は対応する特徴を示すために使用される。
【００１４】
図１は、四分の一波長パッチアンテナ１００を示し、部分Ａは断面図、部分Ｂは平面図を示す。アンテナは、平坦な長方形の大地導体１０２と、導電スペーサ１０４と、大地導体１０２に対して略平行に支持される長方形のパッチ導体１０６とを有する。アンテナは、同軸ケーブルを介して給電され、この同軸ケーブルの外側導体１０８は大地導体１０２に接続され、内側導体１１０はパッチ導体１０６に接続されている。
【００１５】
大地導体１０２は、４０ｍｍの幅、４７ｍの長さ、及び、５ｍｍの厚さを有する。パッチ導体は、３０ｍｍの幅、４１．６ｍｍの長さ、及び、１ｍｍの厚さを有する。スペーサ１０４は、５ｍｍの長さ及び４ｍｍの厚さを有し、従って導体１０２と１０６との間には４ｍｍのスペーシングが設けられる。ケーブル１１０は、長手軸方向の対称軸の点において、スペーサ１０４に取り付けられる導体１０６のエッジから１０．８ｍｍの場所でパッチ導体１０６に接続されている。
【００１６】
図２に示す送信線路モデルは、アンテナ１００の挙動をモデリングするために使用される。３０．８ｍｍの長さ及び３０ｍｍの幅を有する第１の送信線路セクションＴＬ_１は、開端（図１の部分Ａ及びＢの右側）と同軸ケーブルの内側導体１００の接続部との間の導体１０２及び１０６の部分をモデリングする。５．８ｍｍの長さ及び３０ｍｍの幅を有する第２の送信線路セクションＴＬ_２は、内側導体１１０の接続部とスペーサ１０４（導体１０２と１０６との間の短絡回路として機能する）のエッジとの間の導体１０２と１０６との間の部分をモデリングする。
【００１７】
容量Ｃ_１は、開端側の送信線路のエッジ容量を表示し０．４９５ｐＦ（ピコファラド）の値を有し、抵抗Ｒ_１はエッジの放射抵抗を表示し１０００Ω（オーム）の値を有し、両方の値は経験的に決定される。ポートＰは、同軸ケーブル１０８、１１０がアンテナに接続する点を表わし、ケーブル１０８、１１０のインピーダンスに等しい５０Ω負荷がポートＰをシミュレーションで終了するために使用される。
【００１８】
図３は、１５００乃至２０００ＭＨｚの周波数ｆに対するアンテナ１００の反射減衰量Ｓ_１１の測定された及びシミュレートされた結果を比較する。測定された結果は実線で表示され、（図１に示す回路を用いて）シミュレートされた結果は破線で表示される。測定結果とシミュレーション結果は、特に、回路モデルの簡単な性質を考慮して、非常に良く一致していることが分かる。７ｄＢの反射減衰量（放射される入射電力の約９０％に対応する）における部分バンド幅は４．３％である。
【００１９】
図２の回路の変更態様は図４に示され、図４では、第２の送信線路セクションＴＬ_２が２つのセクションＴＬ_２ａ及びＴＬ_２ｂに分割されており、共振回路はこれら２つの回路の分岐点から大地に接続されている。共振回路は、インダクタンスＬ_２及び容量Ｃ_２を有し、共振周波数、
【００２０】
【数１】

においてインピーダンスはゼロである。
【００２１】
この共振周波数付近ではパッチの挙動は変更され、他の周波数ではパッチの挙動は実質的に影響を与えられない。
【００２２】
ＵＭＴＳ送信バンドと受信バンドとの間の部分的分離に対応する８．７％の部分周波数スペーシングで二重共振が実現されるまで、共振回路の構成要素の値及びその場所を変化させることで、シミュレーションが実施される。結果となる構成要素の値は、送信線路セクションＴＬ_２ａ及びＴＬ_２ｂが夫々４．１ｍｍ及び４．７ｍｍの長さを有して、Ｌ_２が１．９５ｎＨの値を有しＣ_２が３．７ｐＨの値を有する。
【００２３】
図５は、１５００乃至２０００ＭＨｚの間の周波数ｆに対する反射減衰量Ｓ_１１の結果を示す。ここでは、１７１８ＭＨｚと１８７４ＭＨｚにおいて２つの共振がある。これらのうち低い方は、共振回路の影響によって減少される元の共振周波数に対応し、高い方は１８７３ＭＨｚの共振回路の共振周波数に近い周波数における新しい放射バンドに対応する。７ｄＢの反射減衰量のバンド幅は、２．２％及び１．３％であり、全放射バンド幅は３．５％となる。これは、共振回路の追加の蓄積エネルギーにより予想され得るように未変更のパッチに対してバンド幅を僅かに減少させることを表わす。
【００２４】
図６は、同じ周波数範囲にわたるアンテナのシミュレートされたインピーダンスを示すスミス図表である。更なる適合回路を用いて適合は改善され得、２つの共振の相対的なバンド幅は例えば、共振回路のインダクタンス又は容量を変更することで簡単に交換され得る。
【００２５】
このような設計が実際に如何に上手く動作するかを判断するためにプロトタイプパッチアンテナが構成され、その断面図を図７に示す。変更されたパッチアンテナ７００は、図１に示すパッチアンテナに類似するが、マンドレル７０２と大地導体１０２の穴７０４とを更に有する。マンドレル７０２は、Ｍ２．５のねじ山付きブラスシリンダを有し、このシリンダは、その長さの下の５．５ｍｍに対して１．９ｍｍの径に細くされ、マンドレル７０２のその部分は０．０６５ｍｍの厚さのＰＴＦＥスリーブと嵌合される。パッチ導体の長さは、ＵＭＴＳ周波数バンドにより良く対応するよう３８．６ｍｍに減少される。
【００２６】
マンドレル７０２のねじ山部分は、パッチ導体１０６中のねじ山切削部と協働しマンドレル７０２が上下することを可能にさせる。マンドレル７０２の下部分は、２．０３ｍｍの径を有する穴７０４の中にしっかりと嵌められる。従って、ＰＴＦＥ誘電体を有する容量は、穴７０４の中に延在するマンドレル７０２の部分によって与えられ、インダクタンスは大地とパッチ導体１０２、１０６との間のマンドレルの部分によって与えられる。マンドレルは、導体１０２、１０６の幅に関して中央的に位置し、その中心はスペーサ１０４のエッジから１．７ｍｍの場所に位置する。
【００２７】
マンドレル７０２と穴７０４との間の容量は、穴７０４へのマンドレル７０２の１ｍｍ当たりの貫通に対して約１．８ｐＦであり、貫通は最大で４ｍｍである。導体１０２と１０６との間の４ｍｍの長さのマンドレル７０２の部分は約１．１ｎＨである。
【００２８】
マンドレル７０２が穴７０４の中に完全に延在した場合における１７００乃至２５００ＭＨｚの周波数ｆに対する測定された反射減衰量Ｓ_２２のプロットを図８に示す。二重共振が明らかに実現され、このとき部分周波数スペーシングは約１４％である。共振の７ｄＢの反射減衰量のバンド幅は、夫々５．６％及び１．７％であり、全放射バンド幅は７．３％となり、この値は未変更パッチの全放射バンド幅の略二倍である。この改善は、予想外であり、本発明を二重バンド適用に関して特に有利にさせる。
【００２９】
図９は、同じ周波数範囲に対する測定されたインピーダンスを示すスミス図表である。同図は、アンテナ７００の２つの共振のインピーダンス特性が類似することを示す。従って、バンド幅の適合及び広がりの同時改善が可能となる。
【００３０】
マンドレル７０２を穴７０４の中に部分的に延在させて更なる測定が実施された。穴７０４中のマンドレル７０２の長さが短くなると、共振回路の容量は比例して減少されるが、インダクタンスは略一定のままである。マンドレル７０２が穴７０４から収縮されると第２の共振の共振周波数が増加される一方で、第１の共振の共振周波数は約１９００ＭＨｚで略一定に保たれることが分かった。マンドレル７０２が収縮されると夫々の共振の深さが減少される。従って、８．７％の部分周波数スペーシングを有するＵＭＴＳと使用するに好適なアンテナは、共振回路のインダクタンス又は容量を適当に増加することで得られ得る。
【００３１】
大量生産に好適なパッチアンテナ７００の実施例において、共振回路は、固定値を有する離散的又は印刷構成要素を用いて典型的に実施され、アンテナ自体はエッジ給電されてもよい。これら変更態様は、上記プロトタイプ実施例よりも実質的に簡単に実施することができる。本発明の一体化された実施例が低温同時加熱セラミックＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramic）基板において形成され得、このとき基板の底に大地導体１０２を、且つ、基板の上にパッチ導体１０６を有し、中間層に給電及び適合回路が配置される。
【００３２】
図１０は、本発明に従って形成されるパッチアンテナ７００を組み込んだ移動電話ハンドセット１００の背面図である。アンテナ７００は、ハンドセットケーシングへの金属化から形成され得る。或いは、大地導体１０２としても機能することができ、電話のＲＦ成分を遮蔽する金属エンクロージャに取り付けられ得る。
【００３３】
上記実施例は、共振周波数でゼロインピーダンスを有する共振回路を使用したが、他の形態の共振回路も本発明によるアンテナにおいて同様に使用され得る。ここで必要なことは、元の放射モードを実質的に不変にしたままアンテナの余分の放射線モードを生成するために、アンテナの挙動が共振回路の存在によりその共振周波数の領域において変更されることだけである。より多くの共振回路を追加することで、又は、多数の共振周波数を有する共振回路を使用することによって多帯域アンテナも設計することができる。
【００３４】
本開示を読むことで、他の変更態様が当業者に明らかとなる。このような変更態様は、パッチアンテナの設計、製造、及び使用において既知であり、本明細書で説明された特徴の代わりに又は追加的に使用されてもよい特徴を含む。本明細書において、請求項は特定な特徴の組合わせに対して明確に表現されているが、本明細書が開示する範囲は、請求項に記載された本発明に関係してもしなくても、又、本発明が解決する技術的な問題の一部又は全部を解決するかどうかにかかわりなく、ここで明確に又は暗に開示された新規の特徴又はその特徴の新規の組合わせ、又は、これらの特徴の一般化を含むことを理解すべきである。出願人は、本願の遂行中、若しくは、本願から派生した出願の遂行中に、これらの特徴及び／又はこれらの特徴の組合わせについての請求項が作成され得ることに注意されるべきである。
【００３５】
本明細書及び特許請求の範囲において、素子は単数形で表わされているが、同じ素子が複数個存在することを除外するものではない。更に、「有する、含む」などの用語は、記載されていない他の素子及び段階を除外するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 パッチアンテナの断面図（部分Ａ）及び平面図（部分Ｂ）である。
【図２】 図１のパッチアンテナをモデリングする等価回路を示す図である。
【図３】 測定された結果を実線で示し、シミュレートされた結果を破線で示す、図１のパッチアンテナのＭＨｚで表わされる周波数ｆに対するｄＢで表わされる反射減衰量Ｓ_１１を示すグラフである。
【図４】 二重共振パッチアンテナを表示する変更された等価回路を示す図である。
【図５】 図４の変更された等価回路のＭＨｚで表わされる周波数ｆに対するｄＢで表わされるシミュレートされた反射減衰量Ｓ_１１を示すグラフである。
【図６】 周波数範囲１５００乃至２０００ＭＨｚにわたる図４の変更された等価回路のシミュレートされたインピーダンスを示すスミス図表である。
【図７】 二重バンド動作のための変更されたパッチアンテナの断面図である。
【図８】 図７のパッチアンテナのＭＨｚで表わされる周波数ｆに対するｄＢで表わされる測定された反射減衰量Ｓ_１１を示すグラフである。
【図９】 周波数範囲１７００乃至２５００ＭＨｚにわたる図７の変更されたパッチアンテナのシミュレートされたインピーダンスを示すスミス図表である。
【図１０】 図７のパッチアンテナが組み込まれた移動電話ハンドセットの背面図である。

Claims (4)

1. 大地導体と、
   前記大地導体と略平行に位置しかつ前記大地導体と略同一の広がりを持つ平坦なパッチ導体と、
   前記大地導体と前記パッチ導体との重複したエッジ部分の間に位置し、かつ前記大地導体と前記パッチ導体とを電気的に接続する導電スペーサ手段と、
   前記導電スペーサ手段から間隔をおいた場所で前記平坦なパッチ導体に導電的に接続された給電導体と、さらに、
   前記給電導体の前記接続点と前記導電スペーサ手段との間で、前記大地導体上の点と前記平坦なパッチ導体上の点との間に接続された直列ＬＣ共振回路と、
   から成る平面逆Ｆアンテナを有する、無線通信装置用の二重バンドパッチアンテナであって、
   前記直列ＬＣ共振回路が、前記平坦なパッチ導体に一端が取り付けられかつ他端が前記大地導体における穴の中に位置するマンドレルを備え、前記平坦なパッチ導体と前記大地導体との間の空間に位置する前記マンドレルの部分はインダクタンスをなし、前記穴の中に位置するマンドレルの部分は容量をなす、
   ことを特徴とする、無線通信装置用の二重バンドパッチアンテナ。
2. 前記マンドレルの前記一端は、前記平坦なパッチ導体に調節可能に取り付けられている、ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
3. 前記共振回路の前記インピーダンスは、共振周波数で最小になる、ことを特徴とする請求項１乃至２のいずれか一項に記載のアンテナ。
4. ケーシング、ＲＦ構成要素及び請求項１乃至３のいずれか一項に記載の二重バンドパッチアンテナを含む無線通信装置。

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