JP4709898B2 - インピーダンス整合及びユーザ干渉低減化を図るrf通信装置用の平面アンテナアセンブリ - Google Patents

インピーダンス整合及びユーザ干渉低減化を図るrf通信装置用の平面アンテナアセンブリ Download PDF

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Description

本発明は、無線周波数(RF)通信装置の領域に関し、特にRF通信装置に備えられる平面アンテナアに関する。
尚、“通信装置”は、モバイル(又はセルラ)及び/又はWLAN及び/又は測位ネットワークと単一又はマルチ規格の無線通信を確立するように適合させた、モバイル又は非モバイルの如何なる装置をも意味するものとし、とりわけ携帯電話(例えば、GSM/GPRS、UMTS又はWiMax携帯電話)、携帯情報端末(PDA)、ラップトップ、基地局(例えば、ノードB又はBTS)、衛星測位デバイス(例えば、GPS1)、又は、より包括的にRF通信モジュールを意味する。
RF通信装置又はモジュールの小型化の故に、アンテナアセンブリのために専用化する配置は、益々制限されるようになる。このため、平面アンテナ(アセンブリ)を使用することが提案されており、例えば、PIFA(板状逆Fアンテナ)タイプがある。
通常、このような平面アンテナアセンブリは、i)プリント回路基板の表面上に規定される接地面及び給電回路と、ii) 給電回路及び接地面のそれぞれに結合した給電タブ及び短絡タブと、iii) スロット(開放端及び閉鎖端を有する。)が接地面に対して平行な面で規定される、給電タブ及び短絡タブに接続した放射素子とを備える。このような平面アンテナアセンブリの一例は、特に、特許文献EP1502322号に開示されている。
この種類のアンテナアセンブリは、その限られた嵩高性の故のみならず、スイッチング回路に接続されるときに、マルチ周波数の使用(及びマルチ規格の使用)を可能とするので有利である。 残念ながら、この種類のアンテナアセンブリでは、入力インピーダンスが動作周波数で変化する。従って、広い周波数範囲又は多数の周波数帯域にわたって、アンテナアセンブリをRF通信装置又はモジュールの一般的に用いられる50オームのインピーダンスに整合させることが困難になる。更に、携帯電話などの装置では、スロットは、ユーザの手が当該装置と干渉する領域の前後のカバー(ケーシングを規定している。)に対して平行な面に位置付けられるため、無線性能の離調及び劣化を生じさせる。
そこで、本発明の目的は、上述の状況を改善することにある。
このため、無線通信モジュール(又は装置)用の平面アンテナアセンブリを提供し、平面アンテナアセンブリは、
プリント回路基板の表面上に規定される接地面及び給電回路と、
前記給電回路及び前記接地面のそれぞれに結合した給電タブ及び第1の短絡タブと、
スロット(開放端及び閉鎖端を有する)を規定する、前記給電タブ及び前記第1の短絡タブに接続した放射素子とを備える。
この平面アンテナアセンブリにおいて、前記放射素子は、
スロットを規定する、前記接地面に対して略垂直な第1の面に位置付けられる第1の部分を備え、前記給電タブ及び前記第1の短絡タブが、互いに平行且つ近接に位置するとともに、所定の入力インピーダンスを規定するために、前記スロットの開放端から所定の距離で離れて位置した所定位置で前記第1の部分に接続されており、且つ、
前記接地面に対向し、且つ略平行な第2の面に位置付けられた、前記第1の部分に対して略垂直に延在する第2の部分を備えることを特徴とする。
換言すれば、本発明は、ユーザがRF通信装置の上カバー部分を指で触わるのはまれであるので、ユーザ干渉を被りそうにない、前後のカバーに対して略垂直な面にスロットを位置付けることを提案するものである。この新たなスロット位置は、給電タブをスロットの開放端から離して配置することが可能であり、それに応じて特に高周波で入力インピーダンスを低くする入力電流を増大させることができる。
本発明による平面アンテナアセンブリは、個別に又は組み合わせが考えられる、以下の追加の特徴的要素を特に有することができる。
給電タブの所定位置は、開放端及び閉鎖端から略等しい距離で位置付けることができること。
平面アンテナアセンブリは、スロットの開放端の位置で、補助タブを介して第1の部分に接続され、且つ少なくとも2つの異なる動作周波数帯域における無線通信をそれぞれ可能とする少なくとも2つの状態のうち所定の1つの状態に置くように構成した、プリント回路基板上に設けられるスイッチング回路を備えることができること。
スイッチング回路は、MEMS(“微小電気機械システム(Micro ElectroMechanical Systems)”)デバイスを備えることができること。
平面アンテナアセンブリは、補助タブに対して平行な第2の短絡タブであって、放射素子の第1の部分に接続され、且つスロットの開放端の位置で接地面に接続される第2の短絡タブを備えることができること。
給電回路は、MEMSデバイスを備えることができること。
スロットは、矩形形状とすることができこと。
平面アンテナアセンブリは、板状逆アンテナアセンブリを規定するものとできること。
また、本発明は、上述のような特徴的要素を取り入れた平面アンテナアセンブリを備えるRF無線モジュールを提供する。このようなRF無線モジュールは、RF無線装置に具備させることができる。
本発明は、更に上述のような特徴的要素を取り入れた平面アンテナアセンブリを備えるRF無線装置を提供する。
本発明の他の特徴と利点は、以下の詳細な説明と図面によって明らかになる。
図面は、本発明を完全に説明するのに役立つだけでなく、必要であれば、その定義にも寄与するものとできる。
まず、本発明による平面アンテナアセンブリAAの一実施例について簡潔に説明するために、図1を参照する。
以下の説明では、平面アンテナアセンブリAAは、例えばマルチ標準(AMPS/GSM、DCS、PCS、及びUMTS)の携帯電話などのRF通信装置用を意図したものであると考えてよい。 しかしながら、本発明は、この種類のRF通信装置又はモジュールに限定されないことに留意することが重要である。
実際に、本発明は、モバイル(又はセルラ)及び/又はWLAN及び/又は測位ネットワークと単一又はマルチ規格の無線通信を確立するように適合させた、モバイル又は非モバイルの如何なるRF通信装置にも適用することができる。そして、 RF通信装置は、携帯情報端末(PDA)、ラップトップ、基地局(例えば、ノードB又はBTS)、又は衛星測位デバイス(例えば、GPS1)とすることもできる。更に、本発明は、上述のマルチ規格の組み合わせに限定されない。 本発明は、如何なるマルチ規格の組み合わせにも適用することができ、特にGSM/GPRS、及び/又はUMTS/TD−SCDMA、及び/又はWiMax、及び/又はWLAN(例えば、802.1la/b/g/n)、及び/又は放送(例えば、DVB−H及びDAB)、及び/又は測位(例えば、GPS)の組み合わせに適用することができる。
図1に示すように、平面アンテナアセンブリAAは、プリント回路基板PCB上に設けられており、より正確にはプリント回路基板PCBの表面上に設けられる。平面アンテナアセンブリAAは、接地面GP及び少なくとも給電回路FCを備える(図2を参照して後述する。)。
平面アンテナアセンブリAAは、給電回路FCに結合される給電タブ(又はピン)FT、及び接地面GPに結合される第1の短絡タブST1を備える。
図示する例では、第1の短絡タブST1は、切り換え式の短絡タブである。そして、第1の短絡タブST1は、給電回路FCを介して接地面GPに結合される。
給電タブFT及び第1のショートタブST1は、互いに平行、且つ近接しており、接地面GP(又は、プリント回路基板PCB)に対して略垂直な第1の面に位置付けられている。図1でベクトルX、Y、及びZによって規定された枠体に従って、第1の面は、ベクトルXとYで確立される面に平行であり、接地面GPは、ベクトルXとZで確立される面に対して平行な面に位置付けられている。
平面アンテナアセンブリAAは、更に、中間において略垂直な第1の部分P1及び第2の部分P2を有する放射素子REを備える。より正確には、第1の部分P1は、第1の面に位置付けられるが、第2の部分P2は、第1の部分P1に対して略垂直に、且つ接地面GP(又は、プリント回路基板PCB)に所定の距離で略平行な第2の面に位置している。
例えば、図示するように、第1の部分P1及び第2の部分P2の双方は、矩形形状を有するが、これは義務づけるものではない。
スロットSOは、放射素子REの第1の部分P1に規定されている。例えば、図示するように、このスロットは、矩形形状を有するが、これは義務づけるものではない。
図示する例では、スロットSOは、放射素子の第1の部分P1の4つのサブ部分で境界を付けられている。より正確には、スロットSOの2つの最長の側部は、ベクトルXに平行な“線状の”第1のサブ部分SP1及び第2のサブ部分SP2によって境界を付けられており、第1のサブ部分SP1は、給電タブFT及び第1の短絡タブST1に接続されており、第2のサブ部分SP2は、放射素子の第2の部分P2によって垂直に延在している。スロットSOの2つの最短の側部は、“線状の”第1のサブ部分SP1と第2のサブ部分SP2との間を垂直に接続する“垂直の”第3のサブ部分SP3、及び、“線状の”第2のサブ部分SP2からプリント回路基板PCBに向かって垂直に延在する“線状の”第4のサブ部分SP4によって、境界を付けられている。
“線状の”第2のサブ部分SP2は、“線状の”第1のサブ部分SP1より長く、スロットSOは、“線状の”第4のサブ部分SP4の位置で開放端OEを有している。“垂直の”第3のサブ部分SP3は、“線状の”第1のサブ部分SP1と第2のサブ部分SP2と間を接続し、スロットSOは、開放端OEに対向する閉鎖端CEを有している(“垂直の”第3のサブ部分SP3の位置で)。
第1の部分P1における第1〜第4のサブ部分のそれぞれのサイズ及び形状は、動作周波数帯域に依存する。
このような構成で、スロットSOは、第1の面(XY)に位置付けられている。そして、平面アンテナアセンブリAAを携帯電話(即ち、装置)のケーシングの内部に設けるときに、プリント回路基板PCB及び放射素子の第2の部分P2は、前後のケーシング用カバー間に、前後のカバーに対して略平行に挟まれる。一方、スロットSO(放射素子の第1の部分P1で規定されている。)は、上カバー部分(一般に、上カバー部分は前後のケーシングカバーに略垂直である。)に対して略平行な面に位置付けられている。従って、ユーザが携帯電話(又はRF通信装置)の上カバーケーシング部分を指で触わるのはまれであるので、スロットSOは、ユーザ干渉を被りそうにない。
図1に示す平面アンテナアセンブリAAは、変更されたPIFA(板状逆Fアンテナ)である。しかしながら、本発明は、他の種類の板状、又は“モノポール状”のアンテナにも適用することができる。
接地面GP(又は、プリント回路基板PCB)に対して垂直な位置のスロット位置は、給電タブFTを開放端OEから離して配置することが可能である。当業者に知られているように、入力電流は、スロットSOの閉鎖端CE付近で最大となる。従って、給電タブFTを更にスロットの開放端OEから離すように移動させるほど、入力電流は増大し、入力インピーダンスは低下する(特に、高い動作周波数で)。
それ故、給電タブFTを放射素子の第1の部分P1の第1の部分サブSP1に接続する位置を選出することによって、平面アンテナアセンブリAAの入力インピーダンスを規定することができる。従って、平面アンテナアセンブリAAを携帯電話(又は、任意の他のRF通信装置又はモジュール)において一般的に用いられる50オームのインピーダンスに整合させることが可能となる。これは、携帯電話のマルチ規格をより簡単に適応的に使用するのを可能にする。
例えば、図1に示すように、スロットSOの開放端OE及び閉鎖端から距離が略等しい程度(即ち、位置)で、給電タブFTを放射素子の第1の部分P1における第1の部分サブSP1に接続することができる。
図1に示す例では、平面アンテナアセンブリAAは、再構成可能とするために、且つマルチ規格の使用を可能とするために、スイッチング回路SCを備える。このスイッチング回路SCは、補助タブ(又は、ピン)ATを介して、第2のサブ部分SP2側とは反対の第4のサブ部分SP4の先端に接続する。
図2に明確に示すように、第3のサブ部分SP3側とは反対の第1のサブ部分SP1の先端は、第2の短絡タブ(又はピン)ST2を介して、(接地面GPの)グランドに接続するのが好適である。
図1に示す平面アンテナアセンブリAAに適合させた、給電回路FC及びスイッチング回路SCの実施例の非限定的な例を図2に示す。
この例では、給電回路FCは、制御モジュールDie1に結合したバイアス回路を備え、制御モジュールDie1及びバイアス回路は、その順で、それぞれ給電タブFT及び短絡タブST1に結合される。
例えば、バイアス回路は、固定キャパシタンスを有する2つのコンデンサCD1及びCB1と抵抗R1とを備える。
制御モジュールDie1は、本質的に1つのコンデンサからなる給電モジュールCDTと、並列に設けられた2つの可変コンデンサCM1a及びCM1bを有するコマンドモジュールCM1とを備える。例えば、2つの可変コンデンサCM1a及びCM1bは、2つのMEMSデバイス装置であり、より正確には、2つのMEMSスイッチである。各MEMSスイッチは、DC電圧VDC1によって低キャパシタンスと高キャパシタンスとの間で切り換えることができるコンデンサである。例えば、低キャパシタンス(即ち、“オフ状態”)は、DCバイアスがないことで生じさせることができ、一方、高キャパシタンス(即ち、“オン状態”)は、給電回路FCのバイアス回路によって生成される、有意に高いDCバイアスVDC1(約40V)で生じさせることができる。例えば、供給電圧VDC1は、物理的に上部のコンデンサプレートを下部のコンデンサプレートに、より近くに動かして、キャパシタンス変化を生じさせる。
この例では、スイッチング回路FCは、補助タブAT及び3つのバイアス回路に結合した制御モジュールDie2を備える。
制御モジュールDie2は、各周波数帯域専用の3つのコマンドモジュールCM2〜CM4を備え、このコマンドモジュールの各々は、2つの可変コンデンサCMia及びCMib(i=1〜4とする)を有する。 図示する例では、コマンドモジュールCM4の構成は、要求されるキャパシタンス範囲が異なっているので、3つのコマンドモジュールCM1、CM2及びCM3の構成と異なるものである。例えば、2つの可変コンデンサCMia及びCMibは、2つのMEMSデバイスであり、より正確には、2つのMEMSスイッチである。各MEMSスイッチは、DC電圧VDCiによって低キャパシタンスと高キャパシタンスとの間で切り換えることができるコンデンサである。例えば、低キャパシタンス(即ち、“オフ状態”)は、DCバイアスがないことで生じさせることができ、一方、高キャパシタンス(即ち、“オン状態”)は、対応するバイアス回路によって生成される、有意に高いDCバイアスVDC1(約40V)で生じさせることができる。例えば、供給電圧VDCiは、物理的に上部のコンデンサプレートを下部のコンデンサプレートに、より近くに動かして、キャパシタンス変化を生じさせる。
例えば、コマンドモジュールCMiのDCバイアスVDCiの生成に専用化した各バイアス回路は、固定キャパシタンスを有するコンデンサCDi、及び低抗体Riを備える。
3つのコマンドモジュールCM2〜CM4は、固定キャパシタンスを有するコンデンサCB2、及びインダクタンスL1を備えるLC回路に接続される。更に、この図示した例では、制御モジュールDie2は、コマンドモジュールCM2の端子を介して補助タブATに結合する。
図示した例では、アンテナモードの切り換えは、値CminとCmaxとの間のMEMSキャパシタンス値を変えることによって行う。MEMSキャパシタンス値の変更の一例を以下の表に示す(キャパシタンス値の単位は、ピコファラド(pf)である)。
Figure 0004709898
この表において、Cmin/Cmaxは、最小キャパシタンス値(低状態にて)と最大キャパシタンス値(高状態にて)との差(pFにて)である。
本発明による平面アンテナアセンブリAAのシミュレーションによる性能は、50オームを基準にして図3〜6のグラフに示されている。
図3A及び図3Bは、平面アンテナアセンブリAAを周波数範囲824MHz〜960MHzにわたってAMPS及びGSMのモードで使用するときの、平面アンテナアセンブリAAのシミュレーションによる性能を示している。より正確には、図3Aは、シミュレーションによるリターン損失S11(dBにて)を示すスミスチャートであり、一方、図3Bは、周波数(MHzにて)に対するシミュレーションによるリターン損失S11のグラフである。
図4A及び図4Bは、平面アンテナアセンブリAAを周波数範囲1.710GHz〜2.170GHzにわたってDCSモードで使用するときの、平面アンテナアセンブリAAのシミュレーションによる性能を示している。より正確には、図4Aは、シミュレーションによるリターン損失S11(dBにて)を示すスミスチャートであり、一方、図4Bは、周波数(GHzにて)に対するシミュレーションによるリターン損失S11のグラフである。図4Aにおける矢印d1及びd2は、それぞれ 図4Bにおける矢印d1及びd2に対応している。
図5A及び図5Bは、平面アンテナアセンブリAAを周波数範囲1.710GHz〜2.170GHzにわたってPCSモードで使用するときの、平面アンテナアセンブリAAのシミュレーションによる性能を示している。より正確には、図5Aは、シミュレーションによるリターン損失S11(dBにて)を示すスミスチャートであり、一方、図5Bは、周波数(GHzにて)に対するシミュレーションによるリターン損失S11のグラフである。図5Aにおける矢印b1及びb2は、それぞれ 図5Bにおける矢印b1及びb2に対応している。
図6A及び図6Bは、平面アンテナアセンブリAAを周波数範囲1.710GHz〜2.170GHzにわたってUMTSモードで使用するときの、平面アンテナアセンブリAAのシミュレーションによる性能を示している。より正確には、図6Aは、シミュレーションによるリターン損失S11(dBにて)を示すスミスチャートであり、一方、図6Bは、周波数(GHzにて)に対するシミュレーションによるリターン損失S11のグラフである。図6Aにおける矢印c1及びc2は、それぞれ 図6Bにおける矢印c1及びc2に対応している。
これらのシミュレーションによる性能は、5つのセルラ周波数帯域が本発明による単一の平面アンテナアセンブリAAによってカバーすることができることを示しており、この平面アンテナアセンブリAAは、比較可能な従来のデュアル帯域又はトライ帯域のアンテナアセンブリの約半分のサイズである。
本発明は、例を示したのみである上述の平面アンテナアセンブリAA、RF通信装置又はモジュールの実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で当業者によって考えることができる全ての別の実施例を包含する。
本発明による平面アンテナアセンブリの一実施例を模範的に示す斜視図である。 図1に示す平面アンテナアセンブリ用の給電回路及びスイッチング回路の一実施例を詳細に且つ模範的に示す平面図である。 周波数範囲824MHz〜960MHzにわたってのAMPS及びGSMのモードにおける、図1に示す平面アンテナアセンブリ用のシミュレーションによるリターン損失S11(dBにて)を示すスミスチャートである。 AMPS及びGSMのモードにおける、図1に示す平面アンテナアセンブリ用の周波数(MHzにて)に対するシミュレーションによるリターン損失S11のグラフである。 周波数範囲1.710GHz〜2.170GHzにわたってのDCSモードにおける、図1に示す平面アンテナアセンブリ用のシミュレーションによるリターン損失S11(dBにて)を示すスミスチャートである。 DCSモードにおける、図1に示す平面アンテナアセンブリ用の周波数(GHzにて)に対するシミュレーションによるリターン損失S11のグラフである。 周波数範囲1.710GHz〜2.170GHzにわたってのPCSモードにおける、図1に示す平面アンテナアセンブリ用のシミュレーションによるリターン損失S11(dBにて)を示すスミスチャートである。 PCSモードにおける、図1に示す平面アンテナアセンブリ用の周波数(GHzにて)に対するシミュレーションによるリターン損失S11のグラフである。 周波数範囲1.710GHz〜2.170GHzにわたってのUMTSモードにおける、図1に示す平面アンテナアセンブリ用のシミュレーションによるリターン損失S11(dBにて)を示すスミスチャートである。 UMTSモードにおける、図1に示す平面アンテナアセンブリ用の周波数(GHzにて)に対するシミュレーションによるリターン損失S11のグラフである。

Claims (13)

  1. i)プリント回路基板の面で規定される接地面及び給電回路と、ii)前記接地面及び前記給電回路にそれぞれ結合される給電タブ及び第1の短絡タブと、iii)前記給電タブ及び前記第1の短絡タブに接続され、開放端及び閉鎖端を有するスロットを規定する放射素子とを備える、無線通信モジュール用の平面アンテナアセンブリにおいて、
    前記放射素子は、
    前記スロットを規定する、前記接地面に対して略垂直な第1の面に位置付けられる第1の部分を備え、前記給電タブ及び前記第1の短絡タブが、互いに平行且つ近接に位置するとともに、所定の入力インピーダンスを規定するために、前記スロットの開放端から所定の距離で離れて位置した所定位置で第1の部分に接続されており、且つ、
    前記接地面に対向し、且つ略平行な第2の面に位置付けられた、前記第1の部分に対して略垂直に延在する第2の部分を備えることを特徴とする、平面アンテナアセンブリ。
  2. 前記所定位置は、前記開放端及び前記閉鎖端から略等しい距離で位置付けられていることを特徴とする、請求項1に記載の平面アンテナアセンブリ。
  3. 前記プリント回路基板上に設けられるスイッチング回路であって、前記スロットの開放端の位置で、補助タブを介して前記第1の部分に接続されるとともに、少なくとも2つの異なる動作周波数帯域における無線通信をそれぞれ可能とする少なくとも2つの異なる状態のうち所定の1つの状態に置くように構成したスイッチング回路を備えることを特徴とする、請求項1又は2に記載の平面アンテナアセンブリ。
  4. 前記スイッチング回路は、MEMSデバイスを備えることを特徴とする、請求項3に記載の平面アンテナアセンブリ。
  5. 前記補助タブに対して平行な第2の短絡タブであって、放射素子の第1の部分に接続され、且つ前記スロットの開放端の位置で前記接地面に接続される第2の短絡タブを備えることを特徴とする、請求項3又は4に記載の平面アンテナアセンブリ。
  6. 前記給電回路は、MEMSデバイスを備えることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の平面アンテナアセンブリ。
  7. 前記スロットは、矩形形状を有することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の平面アンテナアセンブリ。
  8. 当該平面アンテナアセンブリは、板状逆アンテナアセンブリを規定するものであることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の平面アンテナアセンブリ。
  9. 前記放射素子の前記第2の部分は、スロットを有しないように構成されていることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の平面アンテナアセンブリ。
  10. 前記スロットは、前記放射素子の前記第1の部分の3つのサブ部分で境界を付けられており、前記スロットの2つの最長の側部は、線状の前記第1のサブ部分と、線状の前記第2のサブ部分によって境界を付けられており、前記第1のサブ部分は、前記給電タブと前記第1の短絡タブに直接接続されていることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載の平面アンテナアセンブリ。
  11. 請求項1〜10のいずれか一項に記載の平面アンテナアセンブリを備えることを特徴とする、無線通信モジュール。
  12. 請求項11に記載の無線通信モジュールを備えることを特徴とする、無線周波数通信装置。
  13. 請求項1〜10のいずれか一項に記載の平面アンテナアセンブリに接続される無線通信モジュールを備えることを特徴とする、無線周波数通信装置。
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