JP4295435B2 - プリントツインスパイラルデュアルバンドアンテナ - Google Patents
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Description
【０００１】
（背景技術）
本発明は全体として無線通信システムに関し、特に可搬端末に組み込み可能な内蔵アンテナであって、可搬端末に異なる周波数帯の中での通信を可能とするアンテナに関する。
【０００２】
セルラ電話産業は、商業的な活動において、米国のみならず世界中で驚異的に発展してきた。主要な大都市圏における成長は予想を遥かに超え、システム容量を急速に追い越している。この傾向が続けば、この産業の成長の影響がまもなく最小のマーケットにすら達するであろう。これら増加する容量に合致するとともに、価格上昇を回避しつつ高品質なサービスを維持するための革新的な解決策が求められている。
【０００３】
世界中における、無線通信システムの進歩の重要なステップの１つは、アナログ伝送からディジタル伝送への変化である。同等に重要なのは、次世代技術に適用するための効率的なディジタル伝送方式、例えば時分割多元アクセス（ＴＤＭＡ）や符号分割多元アクセス（ＣＤＭＡ）の選択である。さらに、快適に持ち運びでき、自宅、オフィス、市街地、自動車等において発呼及び被呼するために用いられる、低コストのポケットサイズコードレス電話を用いた個人通信網（Personal Communication Networks:ＰＣＮ）の第１世代は、次世代ディジタルセルラシステムのインフラストラクチャを用いるセルラキャリアによって提供されるものと広く信じられている。
【０００４】
装置互換性の受け入れ可能なレベルを提供するため、規格が世界のいろいろな地域において作られてきている。例えば、ＡＭＰＳ(Advanced Mobile Phone System)、ＮＭＴ(Nordic Mobile Telephone)及びＥＴＡＣＳといったアナログ規格及び、（例えば、EIA/TIA-IS-54-B及びIS-136に規定されるような）Ｄ−ＡＭＰＳ及びＧＳＭ（ＥＴＳＩに採択されたGlobal System for Mobile Communications）といったディジタル規格が無線通信システムの設計基準を標準化するために公開されてきている。一旦作成されると、これらの規格が付加システムの仕様の明示に同一又は類似の形式で再利用される傾向にある。例えば、オリジナルのＧＳＭシステムに加え、いずれもＧＳＭに基づいたＤＣＳ１８００（ＥＴＳＩによって規定）及びＰＣＳ１９００（Ｊ−ＳＴＤ−００７においてＪＴＣが規定）が存在する。
【０００５】
しかしながら、セルラ通信サービスにおける最近の変革は移動通信、例えばパーソナル通信サービス（Personal Communication Services：ＰＣＳ）を取り扱うために用いられる追加周波数帯の採用である。米国を例に取ると、８００ＭＨｚ帯における通信の搬送及び制御用にセルラハイパーバンド(Cellular hyperband)が２つの周波数帯（一般にＡ周波数帯及びＢ周波数帯と呼ばれる）に割り当てられている。一方、ＰＣＳハイパーバンドは米国において１９００ＭＨｚ帯の６つの異なる周波数帯（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ及びＦ）を含むように規定されている。従って、従って、米国のすべての所定サービスエリアにおける通信サービスに８つの周波数帯が現在使用可能である。ＰＣＳハイパーバンドに対するいくつかの規格が承認されてきている（例えば、ＰＣＳ１９００（Ｊ−ＳＴＤ−００７））一方、他の規格がセルラハイパーバンドについて承認されてきている（例えばＤ−ＡＭＰＳ（ＩＳ−１３６））。
【０００６】
セルラ及びＰＣＳハイパーバンドに規定される個々の周波数帯は複数のトラフィックチャネル及び少なくとも１つのアクセス又は制御チャネルに割り当てられている。制御チャネルは移動局へ伝送される、もしくは移動局から受信する情報によって移動局の動作を制御又は管理するために用いられる。そのような情報は入呼(incoming call)信号、出呼(outgoing call)信号、呼び出し信号、呼び出し応答信号、位置登録信号、音声チャネル割り当て、メンテナンス指示、ハンドオフ及び、移動局が１つのセルの無線サービスエリアを外れ、他のセルの無線サービスエリアへ移動する際のセル選択又は再選択指示を含んでよい。制御及び音声チャネルはアナログ変調もしくはディジタル変調のいずれを用いて動作してもよい。
【０００７】
トラフィックチャネル及び制御チャネルを通じてダウンリンクで基地局が伝送する信号は、少なくとも１つのアンテナを有する移動もしくは可搬端末によって受信される。歴史的に、可搬端末は複数の異なる形式のアンテナを空中インタフェースを介した信号の受信及び送信に用いてきた。例えば、導体表面に垂直に実装されたモノポールアンテナは良好な放射特性、望ましい駆動点インピーダンス及び比較的単純な構成を実現することがわかっている。モノポールアンテナは様々な物理形状で作成することが可能である。例えば、ロッドもしくはホイップアンテナは可搬端末とともによく用いられる。アンテナ長を最小化すべき高周波用途についての別の選択肢はヘリカルアンテナである。
【０００８】
上述のように、広範囲に異なる周波数帯、例えば９００ＭＨｚ帯に属する周波数帯及び１８００ＭＨｚ帯に属する周波数帯で動作可能な可搬端末を提供することがほどなく商業的に見て好ましくなる。従って、近い将来、両方の周波数帯において十分なゲイン及び帯域幅を実現するアンテナを可搬端末に用いる必要がある。そのようなデュアルバンドアンテナを作成するいくつかの試みがなされている。
【０００９】
例えば、フィリップスらによる米国特許第４，５７１，５９５号は鋸歯状導体素子を有するデュアルバンドアンテナを説明する。そのデュアルバンドアンテナは２つの近接した周波数帯（例えば中心が９１５ＭＨｚ及び９６０ＭＨｚ）のいずれにも同調可能である。しかし、このアンテナ設計は移動電話のシャシーと物理的に近すぎるために比較的効率が悪い。
【００１０】
日本特許第６−３７５３１号は内部無給電メタルロッドを含むヘリカルアンテナ(helix)を開示する。この特許において、アンテナはメタルロッドの位置を調整することによって２つの共振周波数に同調可能である。残念ながら、この設計の帯域幅はセルラ通信に用いるには狭すぎる。
【００１１】
プリントモノポールアンテナの近傍に無給電ストリップを付加することによって重共振(dual resonance)を達成したデュアルバンドのプリントモノポールアンテナが知られている。そのようなアンテナはセルラ通信に十分な帯域幅を有しているが、無給電ストリップの付加が必要である。スウェーデンのモテコ社(Moteco AB)はコイルマッチング成分を調整（９００ＭＨｚに対しては１／４λ、１８００ＭＨｚに対しては１／２λ）することによって、重共振が達成されるコイルマッチングデュアルバンドホイップアンテナ及びコイルアンテナを設計した。このアンテナは比較的良好な帯域幅及び放射性能と、約４０ｍｍの長さを有する。比較的小さなサイズの不均一な(non-uniform)ヘリカルデュアルバンドアンテナは同一出願人による継続中の特許出願第０８／７２５，５０７号、「複数周波数帯用不均一ヘリカルアンテナ(Multiple Band Non-Uniform Helical Antennas)」に開示される。
【００１２】
移動電話機のような無線通信装置のためのアンテナは、やがて電話機のシャシーに直接装着されるだろう。しかし、携帯端末のサイズ及び重さが引き続き減少するにつれ、上述のアンテナはそのサイズによって利点が小さくなる。さらに、これら将来のコンパクトな携帯端末の機能が増加するにつれ、複数の周波数帯に共振可能な内蔵小型アンテナの必要性が生じる。
【００１３】
移動電話機に現在使用されている通常の内蔵アンテナはマイクロストリップアンテナ及びプレーナ逆Ｆ型アンテナを含む。マイクロストリップアンテナはサイズが小さく、軽量である。プレーナ逆Ｆ型アンテナ（ＰＩＦＡ）は、１９９４年２月、英国ロンドンにおけるパーソナル通信システム用マイクロ波フィルタ及びアンテナに関するＩＥＥ非公式会議(IEE Colloqium on Microwave Filters and Antennas for Personal Communication Systems, pp. 3/1-3/6, Feb. 1994, London, UK) における、K.Qassimによる「可搬型ハンドセットのための逆Ｆ型アンテナ(Inverted-F Antenna for Potable Handsets)」の3/1から3/6ページ、また、より最近ではLai等によって公開（ＷＯ９６／２７２１９）された蛇行逆Ｆ型アンテナ(meandering inverted-F antenna)に記載されるように、すでに携帯電話機ハンドセットに実装されている。このアンテナは従来のＰＩＦＡアンテナの約４０％のサイズを有する。
【００１４】
図１Ａ及び１Ｂは従来のプレーナパッチアンテナ(planar patch antenna)とLai等によって開示される蛇行逆Ｆ型アンテナとの比較を示す。図１Ａの従来のプレーナパッチアンテナはサイズ及び長さが、アンテナが共振すべき周波数の例えば１／４波長に等しい。従来のプレーナパッチアンテナはさらに幅Ｗを有する。図１Ｂに示す蛇行逆Ｆ型アンテナもまた共振周波数の１／４波長に等しい長さと幅Ｗを有する。しかしながら、蛇行逆Ｆ型アンテナは従来のプレーナパッチアンテナのサイズの約４０％にサイズが減少されている。サイズのこの減少はアンテナの蛇行形状に起因する。
【００１５】
しかしながら、移動電話機がどんどん小型になるにつれて、従来のプレーナパッチアンテナ及びＰＩＦＡアンテナのいずれもが依然として将来の小型電話機シャシーには大きすぎるようになる。さらに、これらの内蔵アンテナは２つの周波数帯に同調できない。このような性能はセルラワイヤレスローカルエリアネットワーク、ＧＰＳ及びダイバーシチのために複数のアンテナを必要とする次世代電話のためには必須であろう。
【００１６】
（発明の概要）
本発明は将来のコンパクトな移動端末での使用に適した、小型の内蔵デュアルバンドアンテナを提供することによって、本技術分野における上述の欠点を解決する。実施例によって、長さの異なる２つのスパイラル形状の導体アームを含み、異なる周波数帯に同調可能な内蔵アンテナが提供される。スパイラルアームは基板を介して移動端末の印刷回路基盤に装着される。アンテナのマッチングは給電ピント設置ポストの間に配置されたマッチングブリッジによって行われる。マッチングブリッジの長さを調整することによって、アンテナのマッチングは変更可能である。別の実施例において、アンテナの帯域幅を拡大するため、負荷抵抗がマッチングブリッジに接続される。本発明のアンテナは双スパイラル設計(twin-spiral design)であり、非常に小型（動作周波数における波長の１／１０以下であり、従来のＰＩＦＡアンテナの２０−３０％）で、デュアルバンドかつ表面実装可能である。
【００１７】
（詳細な説明）
図２は本発明のマルチプルバンドアンテナを実装可能な無線通信装置２００を示す。通信装置２００はそれぞれユーザの口及び耳の位置のほぼ近くに配置されたマイク開口部２２０及びスピーカ開口部２３０を有するシャシー２１０を含む。キーパッド２４０は、例えばダイヤルされるべき電話番号を入力することによって、ユーザに通信装置とのインタラクションを可能とする。通信装置２００はまた、詳細は以下に説明する内蔵アンテナアセンブリ２５０を含む。
【００１８】
図３は本発明の実施例による内蔵アンテナアセンブリを示す。本発明による内蔵アンテナアセンブリは、それぞれインナースパイラル(inner-spiral)形状に形成された２つの導体アーム３０５及び３１０を有する。２つの導体アーム３０５及び３１０は印刷回路基板（ＰＣＢ）３１５に誘電体基板３２０を介して取り付けられ、連結接続点(joint connect point)で給電ピン３２５に接続される。スパイラル導体アームはＰＣＢ３１５上に配置され、導体アームとＰＣＢ３１５の間にスロットを形成する。当業者はスパイラルスロットが本発明のアンテナシステムの主放射器（又はセンサ）を形成することを理解するであろう。
【００１９】
図３及び、図４により明確に示した上面図から明らかなように、導体アーム３０５及び３１０はスパイラルの外周端(end of the outer turn)で給電ピン３２５によって給電される。当業者は導体アームにおける電流が給電点から導体アームの他端へ流れるにつれて減衰することを理解するであろう。結果として、アンテナは導体アームの外縁(outer edge)に電流の大部分が分布する際、より高い放射効率を有する。
【００２０】
内蔵アンテナはさらに給電ピン３２５及び接地ポスト３３５の間に配置されたマッチングブリッジ３３０を含む。マッチングブリッジ３３０はアンテナを調整するとともに、給電ピン３２５と接地ポスト３３５の間に小型ループアンテナを形成する。アンテナの調整は、アンテナによってその入力端子において見えるインピーダンス（入力インピーダンス）が純粋な抵抗に見えるように、すなわち、測定可能なリアクタンス成分が無くなるようにマッチングすることである。本発明のアンテナシステムの調整はアンテナに関する入力インピーダンスを測定又は推定し、適切なインピーダンスマッチング回路（すなわち、マッチングブリッジ）を与えることによって行われる。本発明によるアンテナのマッチングは、マッチングブリッジ３３０の長さを変えることによって調整することができる。これは単純に接地ポスト３３５の位置を変更することで達成される。マッチングブリッジの長さは一般に０．０１λから０．１λのオーダである。
【００２１】
図３及び図４から明らかなように、アンテナシステムの２つの導体アーム３０５及び３１０は異なる長さを有する。これによって、以下により詳細に説明するように、アンテナシステムは複数の周波数帯で動作可能になる。導体アームの長さを制御することによって、アンテナは異なる周波数に同調することが可能になる。マルチプルバンドアンテナの第１のアーム３０５は、第１の低い周波数帯における周波数に共振するような長さ（一般にそのアームが同調する周波数帯の波長の１／４）と構成を有する。また、第２のアーム３１０は第２の高い周波数帯における周波数に共振するような長さと構成を有する。２つのアームは任意の周波数において共振するようにすることが可能である。
【００２２】
例えば、第１の周波数帯はＧＳＭ帯、第２の周波数帯はＤＣＳ帯とすることができる。そのような場合、第１のアームはＧＳＭ信号（９００ＭＨｚ）の約１／４波長、第２のアームはＤＣＳ信号（１８００ＭＨｚ）の約１／４波長である。これはアンテナに２つの共振(dual resonance)をするよう容易に調整可能とする。本実施例は第１及び第２の周波数帯がそれぞれＧＳＭ帯及びＤＣＳ帯である場合を説明するが、本発明の精神及び範囲を外れることなく周波数帯の他の組み合わせを実施可能であることを当業者は理解するであろう。例えば、他に可能な低い周波数帯及び高い周波数帯の組み合わせはＧＳＭ＋ＰＣＳ、ＧＳＭ＋ＷＣＤＭＡ、ＤＣＳ＋ＷＣＤＭＡ、ＧＳＭ＋ＧＰＳ、ＧＳＭ＋ＩＳＭ、又は低い周波数帯と高い周波数帯の他のいかなる組み合わせをも含みうる。
【００２３】
マルチプルバンドアンテナはプリントされた金属ストリップ、ワイヤストラクチャ又はプラスチックフレーム上へのエッチングとして製造することが可能である。導体アームはインナースパイラル形状に形成されたものとして図示されているが、蛇行形状やアウタースパイラル(outer-spiral)形状といった他の形状を替わりに選択可能であることを当業者は理解するであろう。しかし、インナースパイラル形状はアンテナ全体のサイズを削減する（従来のプレーナパッチアンテナの約２０％のサイズ）だけでなく、上述のように高い効率を実現する。
【００２４】
本発明による内蔵マルチプルバンドアンテナの共振周波数及び周波数帯は誘電体基板の面積及び厚さ、選択された誘電体材料の種類（すなわち、誘電率）、スパイラル長及びスパイラルの膨張率(rate of expansion)に依存する。誘電体基板の面積又は厚さ、もしくはスパイラルの密度(tightness)の増加、あるいは誘電率の減少が帯域幅の拡大を達成可能であることを当業者は理解するであろう。
【００２５】
図３から明らかなように、本発明の内蔵マルチプルバンドアンテナは良好な放射効率及び帯域幅が得られるＰＣＢの端部に実装可能である。さらに、内蔵マルチプルバンドアンテナが小型であるため、実装のためのＰＣＢスペースが最小化される。
【００２６】
本発明によるアンテナアセンブリは磁気アンテナとして働く。その結果、スパイラルの膨張率（すなわち、スパイラルの密度）が適切に選択された場合、スパイラル金属ストリップは（図１Ａ及び図１Ｂに関して上述した従来のアンテナが直線偏波を生成するのとは対照的に）ほぼ円偏波を生成する。これは移動無線通信のようなマルチパス環境や、通常円偏波された信号を用いる衛星（例えばＧＰＳ）通信において有利であろう。さらに、磁気アンテナのため、人体による干渉がより小さい。
【００２７】
図５は本発明の第２の実施例による内蔵スパイラルアンテナを示す。当業者は接地面上のプリントアンテナが上述した従来のモノポール又はダイポールアンテナよりも狭い帯域幅を有することを理解するであろう。このようなプリントアンテナの帯域幅はいくらかの損失をシステムに導入することによって拡大することができる。これは常により低いＱ値を示す損失によってより広い帯域幅が得られるという事実から明らかである。以下の式はＱ値と達成可能な帯域幅の関係を示している。
【００２８】
Ｑ＝ｆ０／ＢＷ
【００２９】
ここで、ｆ０は中心周波数、ＢＷは帯域幅である。
本発明の典型的な実施例によれば、システムに損失を導入するため、負荷抵抗５６０がマッチングブリッジ３３０に直列接続される。替わりに、抵抗５６０を接地ポスト３３５に並列接続しても同様の結果が得られる。本発明の抵抗はチップ抵抗でもフィルム抵抗であってもよい。抵抗はアンテナの放射電力に損失を導入し、結果として広い帯域幅が得られる。
【００３０】
抵抗値は個々の設計要求を満たすように選択することができる。高効率が必要とされる場合（すなわち、損失が小さく維持されるべき場合）では、小さな抵抗値が使用されるべきである。しかし、広い帯域幅が重要な場合は、より大きな抵抗値を使用すべきである。
【００３１】
本発明の効果を説明するため、図６及び図７に典型的なデュアルバンドアンテナのシミュレーション結果を示す。いずれの場合もアンテナは誘電体基板を介して印刷回路基板上に実装されている。結果が図６に示される第１のシミュレーションにおいて、デュアルバンドのツインスパイラルアンテナは０．１波長の長さ、０．０５波長の幅及び０．０４波長の高さを有する。アンテナのアームはＧＰＳ及びＩＳＭ周波数帯に共振するようになされている。アンテナの帯域幅は２．５：１未満のＶＳＷＲ（電圧定在波比）に対してＧＰＳ帯で６．８％（約１０７ＭＨｚ）、ＩＳＭ帯で４．５％（約１１０ＭＨｚ）である。図６は第１のシミュレーションにおける本発明のアンテナのＶＳＷＲ性能を示す。図６から明らかなように、ＧＰＳは狭帯域を必要とするため、シミュレーションで用いたものより小さなアンテナでもよい。
【００３２】
第２のシミュレーションにおいて、アンテナの導体アームはＧＳＭ及びＤＣＳ周波数帯に共振するようになされている。デュアルバンドのツインスパイラルアンテナは０．１波長の長さ、０．０７波長の幅及び０．０４波長の高さを有する。このシミュレーションにおいて、アンテナの帯域幅を拡大するため、１オームのチップ抵抗がマッチングブリッジに取り付けられている。帯域幅は２．５：１未満のＶＳＷＲ（電圧定在波比）に対してＧＰＳ帯で８．７％（約８０ＭＨｚ）、ＤＣＳ帯で８．８％（約１６０ＭＨｚ）である。図７は第２のシミュレーションにおける本発明のアンテナのＶＳＷＲ性能を示す。
【００３３】
本発明の原理、好適な実施例及び動作モードについて説明してきた。しかし、本発明は上述した特定の実施例に限定して解釈されるべきではない。例えば、本発明によるアンテナを主に放射器として説明してきたが、当業者は本発明のプリントツインスパイラルデュアルバンドアンテナがまた特定の周波数における情報を受信するためのセンサとしても利用可能であることを理解するであろう。従って、上述の実施例は限定的ではなく例示であると解釈するべきであり、以下の請求範囲に規定される本発明の範囲を離れることなく、本技術分野における技術者によってこれら実施例の様々なバリエーションを構成しうることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 従来のプレーナパッチアンテナを示す図である。
【図１Ｂ】 従来の蛇行逆Ｆ型アンテナを示す図である。
【図２】 本発明のアンテナを実装可能な無線通信装置を示す図である。
【図３】 本発明の第１実施例による内蔵マルチプルバンドスパイラルアンテナを示す図である。
【図４】 本発明の内蔵マルチプルバンドスパイラルアンテナの上面図である。
【図５】 本発明の第２実施例による内蔵マルチプルバンドスパイラルアンテナを示す図である。
【図６】 本発明のＧＰＳ／ＩＳＭリンクデュアルバンドアンテナのシミュレーション結果を示す図である。
【図７】 本発明のＧＭＳ／ＤＣＳデュアルバンドアンテナのシミュレーション結果を示す図である。
（背景技術）
本発明は全体として無線通信システムに関し、特に可搬端末に組み込み可能な内蔵アンテナであって、可搬端末に異なる周波数帯の中での通信を可能とするアンテナに関する。
【０００２】
セルラ電話産業は、商業的な活動において、米国のみならず世界中で驚異的に発展してきた。主要な大都市圏における成長は予想を遥かに超え、システム容量を急速に追い越している。この傾向が続けば、この産業の成長の影響がまもなく最小のマーケットにすら達するであろう。これら増加する容量に合致するとともに、価格上昇を回避しつつ高品質なサービスを維持するための革新的な解決策が求められている。
【０００３】
世界中における、無線通信システムの進歩の重要なステップの１つは、アナログ伝送からディジタル伝送への変化である。同等に重要なのは、次世代技術に適用するための効率的なディジタル伝送方式、例えば時分割多元アクセス（ＴＤＭＡ）や符号分割多元アクセス（ＣＤＭＡ）の選択である。さらに、快適に持ち運びでき、自宅、オフィス、市街地、自動車等において発呼及び被呼するために用いられる、低コストのポケットサイズコードレス電話を用いた個人通信網（Personal Communication Networks:ＰＣＮ）の第１世代は、次世代ディジタルセルラシステムのインフラストラクチャを用いるセルラキャリアによって提供されるものと広く信じられている。
【０００４】
装置互換性の受け入れ可能なレベルを提供するため、規格が世界のいろいろな地域において作られてきている。例えば、ＡＭＰＳ(Advanced Mobile Phone System)、ＮＭＴ(Nordic Mobile Telephone)及びＥＴＡＣＳといったアナログ規格及び、（例えば、EIA/TIA-IS-54-B及びIS-136に規定されるような）Ｄ−ＡＭＰＳ及びＧＳＭ（ＥＴＳＩに採択されたGlobal System for Mobile Communications）といったディジタル規格が無線通信システムの設計基準を標準化するために公開されてきている。一旦作成されると、これらの規格が付加システムの仕様の明示に同一又は類似の形式で再利用される傾向にある。例えば、オリジナルのＧＳＭシステムに加え、いずれもＧＳＭに基づいたＤＣＳ１８００（ＥＴＳＩによって規定）及びＰＣＳ１９００（Ｊ−ＳＴＤ−００７においてＪＴＣが規定）が存在する。
【０００５】
しかしながら、セルラ通信サービスにおける最近の変革は移動通信、例えばパーソナル通信サービス（Personal Communication Services：ＰＣＳ）を取り扱うために用いられる追加周波数帯の採用である。米国を例に取ると、８００ＭＨｚ帯における通信の搬送及び制御用にセルラハイパーバンド(Cellular hyperband)が２つの周波数帯（一般にＡ周波数帯及びＢ周波数帯と呼ばれる）に割り当てられている。一方、ＰＣＳハイパーバンドは米国において１９００ＭＨｚ帯の６つの異なる周波数帯（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ及びＦ）を含むように規定されている。従って、従って、米国のすべての所定サービスエリアにおける通信サービスに８つの周波数帯が現在使用可能である。ＰＣＳハイパーバンドに対するいくつかの規格が承認されてきている（例えば、ＰＣＳ１９００（Ｊ−ＳＴＤ−００７））一方、他の規格がセルラハイパーバンドについて承認されてきている（例えばＤ−ＡＭＰＳ（ＩＳ−１３６））。
【０００６】
セルラ及びＰＣＳハイパーバンドに規定される個々の周波数帯は複数のトラフィックチャネル及び少なくとも１つのアクセス又は制御チャネルに割り当てられている。制御チャネルは移動局へ伝送される、もしくは移動局から受信する情報によって移動局の動作を制御又は管理するために用いられる。そのような情報は入呼(incoming call)信号、出呼(outgoing call)信号、呼び出し信号、呼び出し応答信号、位置登録信号、音声チャネル割り当て、メンテナンス指示、ハンドオフ及び、移動局が１つのセルの無線サービスエリアを外れ、他のセルの無線サービスエリアへ移動する際のセル選択又は再選択指示を含んでよい。制御及び音声チャネルはアナログ変調もしくはディジタル変調のいずれを用いて動作してもよい。
【０００７】
トラフィックチャネル及び制御チャネルを通じてダウンリンクで基地局が伝送する信号は、少なくとも１つのアンテナを有する移動もしくは可搬端末によって受信される。歴史的に、可搬端末は複数の異なる形式のアンテナを空中インタフェースを介した信号の受信及び送信に用いてきた。例えば、導体表面に垂直に実装されたモノポールアンテナは良好な放射特性、望ましい駆動点インピーダンス及び比較的単純な構成を実現することがわかっている。モノポールアンテナは様々な物理形状で作成することが可能である。例えば、ロッドもしくはホイップアンテナは可搬端末とともによく用いられる。アンテナ長を最小化すべき高周波用途についての別の選択肢はヘリカルアンテナである。
【０００８】
上述のように、広範囲に異なる周波数帯、例えば９００ＭＨｚ帯に属する周波数帯及び１８００ＭＨｚ帯に属する周波数帯で動作可能な可搬端末を提供することがほどなく商業的に見て好ましくなる。従って、近い将来、両方の周波数帯において十分なゲイン及び帯域幅を実現するアンテナを可搬端末に用いる必要がある。そのようなデュアルバンドアンテナを作成するいくつかの試みがなされている。
【０００９】
例えば、フィリップスらによる米国特許第４，５７１，５９５号は鋸歯状導体素子を有するデュアルバンドアンテナを説明する。そのデュアルバンドアンテナは２つの近接した周波数帯（例えば中心が９１５ＭＨｚ及び９６０ＭＨｚ）のいずれにも同調可能である。しかし、このアンテナ設計は移動電話のシャシーと物理的に近すぎるために比較的効率が悪い。
【００１０】
日本特許第６−３７５３１号は内部無給電メタルロッドを含むヘリカルアンテナ(helix)を開示する。この特許において、アンテナはメタルロッドの位置を調整することによって２つの共振周波数に同調可能である。残念ながら、この設計の帯域幅はセルラ通信に用いるには狭すぎる。
【００１１】
プリントモノポールアンテナの近傍に無給電ストリップを付加することによって重共振(dual resonance)を達成したデュアルバンドのプリントモノポールアンテナが知られている。そのようなアンテナはセルラ通信に十分な帯域幅を有しているが、無給電ストリップの付加が必要である。スウェーデンのモテコ社(Moteco AB)はコイルマッチング成分を調整（９００ＭＨｚに対しては１／４λ、１８００ＭＨｚに対しては１／２λ）することによって、重共振が達成されるコイルマッチングデュアルバンドホイップアンテナ及びコイルアンテナを設計した。このアンテナは比較的良好な帯域幅及び放射性能と、約４０ｍｍの長さを有する。比較的小さなサイズの不均一な(non-uniform)ヘリカルデュアルバンドアンテナは同一出願人による継続中の特許出願第０８／７２５，５０７号、「複数周波数帯用不均一ヘリカルアンテナ(Multiple Band Non-Uniform Helical Antennas)」に開示される。
【００１２】
移動電話機のような無線通信装置のためのアンテナは、やがて電話機のシャシーに直接装着されるだろう。しかし、携帯端末のサイズ及び重さが引き続き減少するにつれ、上述のアンテナはそのサイズによって利点が小さくなる。さらに、これら将来のコンパクトな携帯端末の機能が増加するにつれ、複数の周波数帯に共振可能な内蔵小型アンテナの必要性が生じる。
【００１３】
移動電話機に現在使用されている通常の内蔵アンテナはマイクロストリップアンテナ及びプレーナ逆Ｆ型アンテナを含む。マイクロストリップアンテナはサイズが小さく、軽量である。プレーナ逆Ｆ型アンテナ（ＰＩＦＡ）は、１９９４年２月、英国ロンドンにおけるパーソナル通信システム用マイクロ波フィルタ及びアンテナに関するＩＥＥ非公式会議(IEE Colloqium on Microwave Filters and Antennas for Personal Communication Systems, pp. 3/1-3/6, Feb. 1994, London, UK) における、K.Qassimによる「可搬型ハンドセットのための逆Ｆ型アンテナ(Inverted-F Antenna for Potable Handsets)」の3/1から3/6ページ、また、より最近ではLai等によって公開（ＷＯ９６／２７２１９）された蛇行逆Ｆ型アンテナ(meandering inverted-F antenna)に記載されるように、すでに携帯電話機ハンドセットに実装されている。このアンテナは従来のＰＩＦＡアンテナの約４０％のサイズを有する。
【００１４】
図１Ａ及び１Ｂは従来のプレーナパッチアンテナ(planar patch antenna)とLai等によって開示される蛇行逆Ｆ型アンテナとの比較を示す。図１Ａの従来のプレーナパッチアンテナはサイズ及び長さが、アンテナが共振すべき周波数の例えば１／４波長に等しい。従来のプレーナパッチアンテナはさらに幅Ｗを有する。図１Ｂに示す蛇行逆Ｆ型アンテナもまた共振周波数の１／４波長に等しい長さと幅Ｗを有する。しかしながら、蛇行逆Ｆ型アンテナは従来のプレーナパッチアンテナのサイズの約４０％にサイズが減少されている。サイズのこの減少はアンテナの蛇行形状に起因する。
【００１５】
しかしながら、移動電話機がどんどん小型になるにつれて、従来のプレーナパッチアンテナ及びＰＩＦＡアンテナのいずれもが依然として将来の小型電話機シャシーには大きすぎるようになる。さらに、これらの内蔵アンテナは２つの周波数帯に同調できない。このような性能はセルラワイヤレスローカルエリアネットワーク、ＧＰＳ及びダイバーシチのために複数のアンテナを必要とする次世代電話のためには必須であろう。
【００１６】
（発明の概要）
本発明は将来のコンパクトな移動端末での使用に適した、小型の内蔵デュアルバンドアンテナを提供することによって、本技術分野における上述の欠点を解決する。実施例によって、長さの異なる２つのスパイラル形状の導体アームを含み、異なる周波数帯に同調可能な内蔵アンテナが提供される。スパイラルアームは基板を介して移動端末の印刷回路基盤に装着される。アンテナのマッチングは給電ピント設置ポストの間に配置されたマッチングブリッジによって行われる。マッチングブリッジの長さを調整することによって、アンテナのマッチングは変更可能である。別の実施例において、アンテナの帯域幅を拡大するため、負荷抵抗がマッチングブリッジに接続される。本発明のアンテナは双スパイラル設計(twin-spiral design)であり、非常に小型（動作周波数における波長の１／１０以下であり、従来のＰＩＦＡアンテナの２０−３０％）で、デュアルバンドかつ表面実装可能である。
【００１７】
（詳細な説明）
図２は本発明のマルチプルバンドアンテナを実装可能な無線通信装置２００を示す。通信装置２００はそれぞれユーザの口及び耳の位置のほぼ近くに配置されたマイク開口部２２０及びスピーカ開口部２３０を有するシャシー２１０を含む。キーパッド２４０は、例えばダイヤルされるべき電話番号を入力することによって、ユーザに通信装置とのインタラクションを可能とする。通信装置２００はまた、詳細は以下に説明する内蔵アンテナアセンブリ２５０を含む。
【００１８】
図３は本発明の実施例による内蔵アンテナアセンブリを示す。本発明による内蔵アンテナアセンブリは、それぞれインナースパイラル(inner-spiral)形状に形成された２つの導体アーム３０５及び３１０を有する。２つの導体アーム３０５及び３１０は印刷回路基板（ＰＣＢ）３１５に誘電体基板３２０を介して取り付けられ、連結接続点(joint connect point)で給電ピン３２５に接続される。スパイラル導体アームはＰＣＢ３１５上に配置され、導体アームとＰＣＢ３１５の間にスロットを形成する。当業者はスパイラルスロットが本発明のアンテナシステムの主放射器（又はセンサ）を形成することを理解するであろう。
【００１９】
図３及び、図４により明確に示した上面図から明らかなように、導体アーム３０５及び３１０はスパイラルの外周端(end of the outer turn)で給電ピン３２５によって給電される。当業者は導体アームにおける電流が給電点から導体アームの他端へ流れるにつれて減衰することを理解するであろう。結果として、アンテナは導体アームの外縁(outer edge)に電流の大部分が分布する際、より高い放射効率を有する。
【００２０】
内蔵アンテナはさらに給電ピン３２５及び接地ポスト３３５の間に配置されたマッチングブリッジ３３０を含む。マッチングブリッジ３３０はアンテナを調整するとともに、給電ピン３２５と接地ポスト３３５の間に小型ループアンテナを形成する。アンテナの調整は、アンテナによってその入力端子において見えるインピーダンス（入力インピーダンス）が純粋な抵抗に見えるように、すなわち、測定可能なリアクタンス成分が無くなるようにマッチングすることである。本発明のアンテナシステムの調整はアンテナに関する入力インピーダンスを測定又は推定し、適切なインピーダンスマッチング回路（すなわち、マッチングブリッジ）を与えることによって行われる。本発明によるアンテナのマッチングは、マッチングブリッジ３３０の長さを変えることによって調整することができる。これは単純に接地ポスト３３５の位置を変更することで達成される。マッチングブリッジの長さは一般に０．０１λから０．１λのオーダである。
【００２１】
図３及び図４から明らかなように、アンテナシステムの２つの導体アーム３０５及び３１０は異なる長さを有する。これによって、以下により詳細に説明するように、アンテナシステムは複数の周波数帯で動作可能になる。導体アームの長さを制御することによって、アンテナは異なる周波数に同調することが可能になる。マルチプルバンドアンテナの第１のアーム３０５は、第１の低い周波数帯における周波数に共振するような長さ（一般にそのアームが同調する周波数帯の波長の１／４）と構成を有する。また、第２のアーム３１０は第２の高い周波数帯における周波数に共振するような長さと構成を有する。２つのアームは任意の周波数において共振するようにすることが可能である。
【００２２】
例えば、第１の周波数帯はＧＳＭ帯、第２の周波数帯はＤＣＳ帯とすることができる。そのような場合、第１のアームはＧＳＭ信号（９００ＭＨｚ）の約１／４波長、第２のアームはＤＣＳ信号（１８００ＭＨｚ）の約１／４波長である。これはアンテナに２つの共振(dual resonance)をするよう容易に調整可能とする。本実施例は第１及び第２の周波数帯がそれぞれＧＳＭ帯及びＤＣＳ帯である場合を説明するが、本発明の精神及び範囲を外れることなく周波数帯の他の組み合わせを実施可能であることを当業者は理解するであろう。例えば、他に可能な低い周波数帯及び高い周波数帯の組み合わせはＧＳＭ＋ＰＣＳ、ＧＳＭ＋ＷＣＤＭＡ、ＤＣＳ＋ＷＣＤＭＡ、ＧＳＭ＋ＧＰＳ、ＧＳＭ＋ＩＳＭ、又は低い周波数帯と高い周波数帯の他のいかなる組み合わせをも含みうる。
【００２３】
マルチプルバンドアンテナはプリントされた金属ストリップ、ワイヤストラクチャ又はプラスチックフレーム上へのエッチングとして製造することが可能である。導体アームはインナースパイラル形状に形成されたものとして図示されているが、蛇行形状やアウタースパイラル(outer-spiral)形状といった他の形状を替わりに選択可能であることを当業者は理解するであろう。しかし、インナースパイラル形状はアンテナ全体のサイズを削減する（従来のプレーナパッチアンテナの約２０％のサイズ）だけでなく、上述のように高い効率を実現する。
【００２４】
本発明による内蔵マルチプルバンドアンテナの共振周波数及び周波数帯は誘電体基板の面積及び厚さ、選択された誘電体材料の種類（すなわち、誘電率）、スパイラル長及びスパイラルの膨張率(rate of expansion)に依存する。誘電体基板の面積又は厚さ、もしくはスパイラルの密度(tightness)の増加、あるいは誘電率の減少が帯域幅の拡大を達成可能であることを当業者は理解するであろう。
【００２５】
図３から明らかなように、本発明の内蔵マルチプルバンドアンテナは良好な放射効率及び帯域幅が得られるＰＣＢの端部に実装可能である。さらに、内蔵マルチプルバンドアンテナが小型であるため、実装のためのＰＣＢスペースが最小化される。
【００２６】
本発明によるアンテナアセンブリは磁気アンテナとして働く。その結果、スパイラルの膨張率（すなわち、スパイラルの密度）が適切に選択された場合、スパイラル金属ストリップは（図１Ａ及び図１Ｂに関して上述した従来のアンテナが直線偏波を生成するのとは対照的に）ほぼ円偏波を生成する。これは移動無線通信のようなマルチパス環境や、通常円偏波された信号を用いる衛星（例えばＧＰＳ）通信において有利であろう。さらに、磁気アンテナのため、人体による干渉がより小さい。
【００２７】
図５は本発明の第２の実施例による内蔵スパイラルアンテナを示す。当業者は接地面上のプリントアンテナが上述した従来のモノポール又はダイポールアンテナよりも狭い帯域幅を有することを理解するであろう。このようなプリントアンテナの帯域幅はいくらかの損失をシステムに導入することによって拡大することができる。これは常により低いＱ値を示す損失によってより広い帯域幅が得られるという事実から明らかである。以下の式はＱ値と達成可能な帯域幅の関係を示している。
【００２８】
Ｑ＝ｆ０／ＢＷ
【００２９】
ここで、ｆ０は中心周波数、ＢＷは帯域幅である。
本発明の典型的な実施例によれば、システムに損失を導入するため、負荷抵抗５６０がマッチングブリッジ３３０に直列接続される。替わりに、抵抗５６０を接地ポスト３３５に並列接続しても同様の結果が得られる。本発明の抵抗はチップ抵抗でもフィルム抵抗であってもよい。抵抗はアンテナの放射電力に損失を導入し、結果として広い帯域幅が得られる。
【００３０】
抵抗値は個々の設計要求を満たすように選択することができる。高効率が必要とされる場合（すなわち、損失が小さく維持されるべき場合）では、小さな抵抗値が使用されるべきである。しかし、広い帯域幅が重要な場合は、より大きな抵抗値を使用すべきである。
【００３１】
本発明の効果を説明するため、図６及び図７に典型的なデュアルバンドアンテナのシミュレーション結果を示す。いずれの場合もアンテナは誘電体基板を介して印刷回路基板上に実装されている。結果が図６に示される第１のシミュレーションにおいて、デュアルバンドのツインスパイラルアンテナは０．１波長の長さ、０．０５波長の幅及び０．０４波長の高さを有する。アンテナのアームはＧＰＳ及びＩＳＭ周波数帯に共振するようになされている。アンテナの帯域幅は２．５：１未満のＶＳＷＲ（電圧定在波比）に対してＧＰＳ帯で６．８％（約１０７ＭＨｚ）、ＩＳＭ帯で４．５％（約１１０ＭＨｚ）である。図６は第１のシミュレーションにおける本発明のアンテナのＶＳＷＲ性能を示す。図６から明らかなように、ＧＰＳは狭帯域を必要とするため、シミュレーションで用いたものより小さなアンテナでもよい。
【００３２】
第２のシミュレーションにおいて、アンテナの導体アームはＧＳＭ及びＤＣＳ周波数帯に共振するようになされている。デュアルバンドのツインスパイラルアンテナは０．１波長の長さ、０．０７波長の幅及び０．０４波長の高さを有する。このシミュレーションにおいて、アンテナの帯域幅を拡大するため、１オームのチップ抵抗がマッチングブリッジに取り付けられている。帯域幅は２．５：１未満のＶＳＷＲ（電圧定在波比）に対してＧＰＳ帯で８．７％（約８０ＭＨｚ）、ＤＣＳ帯で８．８％（約１６０ＭＨｚ）である。図７は第２のシミュレーションにおける本発明のアンテナのＶＳＷＲ性能を示す。
【００３３】
本発明の原理、好適な実施例及び動作モードについて説明してきた。しかし、本発明は上述した特定の実施例に限定して解釈されるべきではない。例えば、本発明によるアンテナを主に放射器として説明してきたが、当業者は本発明のプリントツインスパイラルデュアルバンドアンテナがまた特定の周波数における情報を受信するためのセンサとしても利用可能であることを理解するであろう。従って、上述の実施例は限定的ではなく例示であると解釈するべきであり、以下の請求範囲に規定される本発明の範囲を離れることなく、本技術分野における技術者によってこれら実施例の様々なバリエーションを構成しうることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 従来のプレーナパッチアンテナを示す図である。
【図１Ｂ】 従来の蛇行逆Ｆ型アンテナを示す図である。
【図２】 本発明のアンテナを実装可能な無線通信装置を示す図である。
【図３】 本発明の第１実施例による内蔵マルチプルバンドスパイラルアンテナを示す図である。
【図４】 本発明の内蔵マルチプルバンドスパイラルアンテナの上面図である。
【図５】 本発明の第２実施例による内蔵マルチプルバンドスパイラルアンテナを示す図である。
【図６】 本発明のＧＰＳ／ＩＳＭリンクデュアルバンドアンテナのシミュレーション結果を示す図である。
【図７】 本発明のＧＭＳ／ＤＣＳデュアルバンドアンテナのシミュレーション結果を示す図である。
Claims (10)
- 無線通信装置用内蔵マルチプルバンドアンテナであって、
異なる長さを有し、各々が異なる周波数帯にチューニングされた２つのプリントスパイラルアームと、
接地ポストおよび給電点に接続された、前記アンテナの入力インピーダンスをマッチングするためのマッチングブリッジ及び、
前記アンテナの帯域幅を拡大するために前記マッチングブリッジに取り付けされた負荷抵抗を有し、
前記２つのプリントスパイラルアームが、前記給電点に接続されたインナースパイラルアームであり、前記マッチングブリッジが前記２つのプリントスパイラルアームの間に位置することを特徴とするアンテナ。 - 前記アンテナの前記２つのプリントスパイラルアームの第１のアームが低い周波数帯の周波数で共振し、第２のアームが高い周波数帯の周波数で共振することを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
- 前記第１のアームが前記第２のアームよりも長いことを特徴とする請求項２記載のアンテナ。
- 前記アンテナのマッチングが前記マッチングブリッジの長さの変更によって調整されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のアンテナ。
- 前記２つのプリントスパイラルアームが基板を介して前記無線通信装置の印刷回路基板に接続されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のアンテナ。
- 前記アンテナの帯域幅が前記２つのプリントスパイラルアームのサイズ及び、前記基板の厚さ及び誘電率に依存することを特徴とする請求項５記載のアンテナ。
- 前記２つのプリントスパイラルアームにおける電流が前記スパイラルの外終端で供給されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のアンテナ。
- 無線通信システムで用いる通信装置であって、
前記通信装置にユーザからの聴覚情報を受信可能とするマイク開口部と、
前記通信装置にユーザへ聴覚情報を送信可能とするスピーカ開口部と、
キーパッド、及び、
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の内蔵マルチプルバンドアンテナを有することを特徴とする通信装置。 - 前記内蔵マルチプルバンドアンテナが実装される印刷回路基板をさらに有することを特徴とする請求項８記載の通信装置。
- 前記２つのスパイラルアームの長さが、前記アームがチューニングされた前記異なる周波数帯の約１／４波長になるよう選択されることを特徴とする請求項８又は請求項９記載の通信装置。
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