JP6527865B2 - 無線周波数信号を送受信するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的にアンテナの分野に係り、特に、“コードレス”又は“ワイヤレス”との同じ意味を持つものとして広く一般に用いられている表現で呼ばれるネットワークがカバーする地域において自由に通信することができるように、現状では最大１０ギガヘルツ（ＧＨｚ＝１０^９ヘルツ）程度の周波数範囲の信号を典型的には送受信するあらゆる種類の小型及び携帯型電子デバイスが用いる小型アンテナに関する。

いわゆる“ワイヤレス”通信システムは、増え続ける利用人口によって益々日常的にほぼ絶え間なく使用されていて、全てのシステムは、それらを規制する標準規格技術によって定められた周波数帯の信号を受信するため、また、より頻繁に送信するためのアンテナを有する。その技術は、主に携帯電話、特に、ＧＳＭ（登録商標）（Ｇｌｏｂａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，グローバル・システム・フォー・モバイル・コミュニケーションズ）と呼ばれる世界的な地域カバー率を有する規格に基づいた携帯電話に関する。

高感度受信アンテナを要する広く用いられている他の通信システムは、ＧＰＳ（ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ,グローバル・ポジショニング・システム）である。このシステムは、人工衛星ネットワークからの信号をデコードすることによって、非常に正確な受信機の地理的位置を、事実上、地球のどこにおいても得ることを可能にする。ＧＰＳ受信機は、携帯電話に多く見られ、また、ＰＤＡ（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ａｓｓｉｓｔａｎｔ，パーソナル・デジタル・アシスタント）の機能と、インターネットの世界的ネットワークへの接続機能とを全て有するあらゆる種類のいわゆる“スマートフォン”にも見られる。

ワイヤレスネットワークは、代わりに、限られた地域のみをカバーすること、更には、端末間の最大１０メートル程度の通信を可能にする“Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）”のように非常に限られた地域のみのカバーすることも想定され得る。より広範に用いられている他の通信規格は、“Ｗｉ‐Ｆｉ”と呼ばれるものであり、建物、政府の敷地、会社の敷地、カフェの敷地等の公衆が頻繁に訪れる限られた地域内にワイヤレス・ローカル・ネットワーク又はＬＡＮ（ｌｏｃａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ，ローカル・エリア・ネットワーク）を形成することができる。

小さくなり続ける、特に厚さが非常に薄くなる筐体によって課される寸法制限に適合することが必要な小型化にもかかわらず、上記デバイスのアンテナは、動作周波数全体にわたる最大効率を維持しなければならない。その効率はアンテナに固有の損失に依存し、その損失は、伝搬媒体と電子制御回路との間でのアンテナの挙動を評価することができるＳ（散乱パラメータ）と呼ばれるパラメータを用いて一般的に測定される。一般的に、パラメータＳは、当該技術分野において高周波（マイクロ波）又は無線周波数と呼ばれることが多い上記周波数範囲において動作するリニアパッシブ又はアクティブ回路の挙動を測定及び評価するのに用いられるものとされてきた。パラメータＳは、利得、損失、制御回路とアンテナとの間に観測されるインピーダンス不整合に起因する電圧定在波比等の回路の電気特性を推定することを可能にする。アンテナの整合性は、特に、アンテナの反射損失を表すパラメータＳ１１（デシベル（ｄＢ）単位で表される）によって定められる。Ｓ１１の値が低いほど、整合性が良くなり、アンテナの全体的な効率が良くなる。

パラメータＳ１１は、周波数に依存し、アンテナの帯域幅を定めることができ、つまり、Ｓ１１が所定の閾値未満（典型的には−６ｄＢのレベルに定められる）である周波数帯を定める。この条件下では、制御電子回路によって伝えられたパワーの四分の一が反射によって失われて、四分の三がアンテナによって有用に放射される。

アンテナの帯域幅はより広くも狭くもなり、その中心周波数のパーセンテージで表されることが多い。帯域幅が数パーセントであるアンテナは、狭動作帯を有するものとされる。このタイプのアンテナは特定の応用に適している。例えば、ＧＰＳ受信機については、帯域幅が２％程度であるアンテナで十分である。

帯域幅が１５％以上であるアンテナは、広動作帯を有するものとされる。帯域幅が２０％以上であるアンテナは、超広帯域幅を有する。このタイプのアンテナは、ＵＷＢ（ｕｌｔｒａ‐ｗｉｄｅ ｂａｎｄ，超広帯域）と言われる。

超広帯域アンテナの使用は、多数の利点を提供する可能性がある。単一の広帯域アンテナが、複数の無線周波数規格を同時にカバーすることができる。これは、スマートフォン等のマルチサービスワイヤレスデバイスに組み込む必要があるアンテナの数を減らし、コスト面での利点を提供するだけでなく、同一のスマートフォンの異なるアンテナ同士の間に生じ得る寄生結合等の解決が難しい技術的問題を解決することを可能にする。

更に、増え続ける大量のデータをダウンロード及び送信すること、特にビデオ信号を送信することを可能にするのに必要されるアプリケーションの開発が、より広い帯域幅を提供する通信規格を標準化団体に策定させてきた。例えば、２００２年には、３．１から１０．６ＧＨｚの範囲のいわゆるＵＷＢ規格の周波数帯が、Ｗｉ‐Ｆｉタイプの短距離通信用に割り当てられた（それぞれ５２８ＭＨｚの幅を有する１４の周波数帯を代表する６のグループとして）。ＵＷＢベースの通信アプリケーションの出現は特筆すべきものであり、容易に産業化され、安価で、容易に集積される超広帯域アンテナの解決策の必要性を強調している。

しかしながら、広帯域小型アンテナの実現は、かなりの理論的及び技術的問題に直面している。特に、送信される波長に関して小型アンテナを得ることは、その帯域幅を劇的に減らすというその目的に逆行することのみによって可能であることはよく知られている。

"Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｄｕａｌ‐ＰＩＦＡ Ａｎｔｅｎｎａ ｔｏ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｂａｎｄ Ｇｒｏｕｐ １ ＵＷＢ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｉｎ Ｍｏｂｉｌｅ Ｈａｎｄｓｅｔ"、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮ ＯＮ ＡＮＴＥＮＮＡ ＡＮＤ ＰＲＯＰＯＧＡＴＩＯＮ、ＶＯＬ．５９、ＮＯ．１、２０１１年１月 "Ｂａｎｄ‐Ｎｏｔｃｈｅｄ Ｕｌｔｒａｗｉｄｅ Ｂａｎｄ Ｐｌａｎａｒ Ｉｎｖｅｒｔｅｄ‐Ｆ Ａｎｔｅｎｎａ"、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ、Ｖｏｌｕｍｅ ２０１２、Ａｒｔｉｃｌｅ ＩＤ ５１３８２９

従って、本発明の一課題は、同一の筐体内において実装されるアンテナのサイズを減らす一方で、制御回路がその動作に十分な広帯域幅を維持することができるようにすることによって、この問題の解決策を提供することである。

本発明の他の課題、特徴及び利点は、以下の説明及び添付図面から明らかとなる。他の利点も含まれ得ることは理解されたい。

本発明は、少なくとも広帯域アンテナ及び基板を備えた、無線周波数信号を送受信するための装置に関し、アンテナは、少なくとも一つの第一の放射面を備え且つ接地面の上に重ねられていて、接地面は基板の第一の面の上に位置し、少なくとも一つの給電サイドタン及び少なくとも一つの側壁が少なくとも第一の放射面に接続される。アンテナは、第一の放射面と結合することによって励起されるように構成された少なくとも一つの第二の放射面を備え、側壁は、基板の第一の面の反対側の基板の第二の面の上に位置する結合トレースに接続され、側壁及び結合トレースは、少なくとも第一の放射面、場合によっては第二の放射面と接地面との間の容量結合部として機能するように構成される。

また、本発明は、少なくとも広帯域アンテナ及び基板を備えた、無線周波数信号を送受信するための装置を製造するための方法にも関し、アンテナは少なくとも一つの第一の放射面を備え且つ接地面の上に重ねられ、接地面は基板の第一の面の上に位置し、本方法は、アンテナを形成するステップと、基板の上にアンテナを取り付けるステップとを備える。アンテナを形成するステップは、有利には、第一の放射面と結合することによって励起されるように構成された少なくとも一つの第二の放射面をアンテナが備えるように行われる。アンテナを取り付けるステップは、基板の第一の面の反対側の基板の第二の面の上に位置する結合トレースに側壁が接続されるように行われて、側壁及び結合トレースが少なくとも第一の放射面と接地面との間の容量結合部として機能するように構成される。

本発明のアンテナは、接地面の上方において動作するように設計され、アンテナを用いるアプリケーションカード上の配置の高い自由度を設計者に与え、追加の制約を課さない。主な問題は、接地面の近接性がアンテナを共振させて不十分なものにすることであるが、この問題は、本願の構造によって解決される。更に、使用物質、製造及び組み立てを含むアンテナの実施コストが、使用される無線周波数モジュールの全体的なコストと比較して低くなる。

本発明に係るアンテナは、複数の共振の結合によって可能とされるアンテナの広帯域動作を実現する。

本発明の目的、課題、特徴及び利点は、以下説明の添付図面に実証される本発明の実施形態の詳細な説明においてより具体的になる。

図１ａ、１ｂ、１ｃは、小型アンテナの従来の組み込みを示す。 アンテナが制御無線周波数チップの上に配置されている本発明の目的を示す。 無線周波数チップを備える多層基板の上に置かれる本発明に係るアンテナの一例を示す。 基板及びＲＦチップの例を示す。 折り畳み後にアンテナを得るために金属片に施される切断を示す。 アンテナを取り付ける前に、基板上に存在する部品にオーバーモールディング６１０を設ける、可能な実施形態を示す。 部品を覆った後に想定されるアンテナの取り付けを示す。 アンテナの第一の放射面を示す。 図９ａ、９ｂは、第一の放射面の動作を示す。 アンテナと基板の接地面との間に設けられる容量結合を示す。 図１１ａ、１１ｂは、容量結合部を備えたアンテナの動作を示す。 第二の共振器、つまり第二の放射面を追加したアンテナを示す。 図１３ａ、１３ｂは、アンテナの動作に対する第二の放射面の影響を示す。 アンテナの調整可能なパラメータを示す。 図１５ａ、１５ｂは、７から９ＧＨｚの範囲の周波数帯をカバーするようにパラメータが調整された本発明に係るアンテナの動作を示す。 図１６ａ、１６ｂは、図１５ａ、１５ｂに対応するアンテナの利得及び効率を与える。 図１７ａ、１７ｂは、図１５ａ、１５ｂに対応するアンテナの放射の図を示す。 矩形ではない表面で形成された本発明に係るアンテナの例である。

添付図面は例として与えられるものであって、本発明を限定するものではない。

本発明の詳細な実施形態の説明を始める前に、組み合わせて又は代替的に使用可能な任意の特徴を以下に与えておく：
‐ 結合トレース４１６は、値がεＳ／ｅである結合キャパシタを形成するように構成され、ここで、εは基板４１０を構成する誘電体の誘電率、Ｓは結合トレース４１６の表面積、ｅは基板４１０の第二の面の上に位置する結合トレース４１６と、基板４１０の第一の面の上に位置する接地面との間の厚さである。
‐ アンテナ３１０は、第一の放射面３１８の長さ寸法８２０の方向に沿った少なくとも一つの第一の共振と、第一の放射面３１８の幅寸法８１０の方向に沿った少なくとも一つの第二の共振とを発生させるように構成される。
‐ 側壁３１６は、基板４１０の厚さの方向に平行な平面内に存在し且つ第一の放射面３１８の幅寸法８１０の方向に沿った少なくとも一つの第一の部分を備える。
‐ 側壁３１６は、基板４１０の厚さの方向に平行な平面内に存在し且つ第一の放射面３１８の長さ寸法８２０の方向に沿った少なくとも一つの第二の分を備える。
‐ 側壁３１６の第一の部分及び第二の部分は、電気的に接触して結合トレース４１６の上に取り付けられる。
‐ アンテナ３１０は、第一の放射面３１８と結合することによって励起されるように構成された少なくとも一つの第二の放射面３１２を備える。
‐ アンテナ３１０は、第二の放射面３１２の長さ寸法１２１０の方向に沿って第三の共振を発生させるように構成される。
‐ 第一の放射面３１８は、第二の放射面３１２の長さ寸法１２１０よりも長い長さ寸法８２０を有する。
‐ 第一の放射面３１８及び第二の放射面３１２は矩形又は多角形である。
‐ 少なくとも第一の放射面３１８はＬ字型を形成し、Ｌ字の第一の辺は第一の放射面３１８の長さ８２０の方向に沿って延伸し、Ｌ字の第二の辺は第一の放射面３１８の幅８１０の方向に沿って延伸する。
‐ 第二の放射面３１２は、より小さな寸法の第一の放射面３１８の相似形である。
‐ 給電サイドタン３１４は、基板４１０の第二の面の上に位置する給電トレース４１４と接触するように構成される。
‐ アンテナ３１０は、少なくとも第一の放射面３１８と基板４１０の第二の面との間に少なくとも一つのチップ４１２を収容するためのキャビティを形成する。
‐ 給電トレース４１４はチップ４１２の接続部４１３に接続される。
‐ 本方法が備えるアンテナ３１０を形成するステップは、金属板を切断するステップと、これに続いて、金属板を折り曲げるステップとを備える。
‐ 本方法は、アンテナを取り付けるステップの終わりに、少なくともアンテナ３１０を覆うように構成されたオーバーモールディング６１０を設けるステップを備える。
‐ 本方法は、アンテナ３１０を取り付けるステップの前に、基板４１０の第二の面の上に存在する少なくとも一つのチップ４１２にオーバーモールディング６１０を設けるステップを備える。
‐ 本方法は、オーバーモールディング６１０を設けるステップの終わりに、金属層を堆積させるステップと、これに続いて、金属層をエッチングしてアンテナ３１０を形成するステップとを備える。

筐体アンテナ又はＡＩＰ（ａｎｔｅｎｎａ‐ｉｎ‐ｐａｃｋａｇｅ，アンテナ・イン・パッケージ）のコンセプトは、無線周波数信号を送受信するための無線周波数チップ、アンテナ、アンテナ整合ネットワーク、他の無線周波数部品という部品を組み込むことができる全ての解決策を含む。アンテナを同一の電子モジュール内に集積する典型的な例が図１ａ、１ｂ、１ｃに示されている。

ＡＩＰ解決策の主な利点は、外部アンテナと比較して表面を顕著に節約することに加えて、無線周波数チップとそのアンテナとの間の整合が専門スタッフによるモジュールの設計中において一度で実現されるという点である。図１ａに示されるように、無線周波数チップ１１５を支持する印刷回路１１０又はＰＣＢ（ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ，プリント回路板）上にアンテナ１１１が形成されている従来の解決策では、性能は、集積段階中に無線周波数の専門スタッフの介在を含んで適用されるＰＣＢの特徴に直接依存する。実際、この段階中に同時に想定されることは、コネクタ１１９を介して外界に向けて無線周波数チップ及びその配線１１７を従来通りに配置することだけではなくて、超高周波数の送受信ではより問題になることとして、アンテナが全ての必要な効率を有する無線周波数信号を放射及び受信することができるようにする、アンテナ及びその整合部１１３の配線である。

図１ｂは、無線周波数集積の解決策を容易にするようにアンテナ自体を個別部品１２１の上に配置する場合を示す。これは、典型的には、セラミックモジュール自体をＰＣＢ上にはんだ付けすることを含む。アンテナ１２１と無線周波数信号１１５との間の整合部１１３を設けるため、専門スタッフの介在が必要とされる。

図１ｃは、従来の最も一般的な解決策を示し、無線周波数チップ及びアンテナが重ならない個々の表面１３１，１３３を占有する。これは、ＰＣＢを構成する基板１３４を広げることによって為される。実際、アンテナ１１１の良好な放射は、シールドを形成し得る金属表面が全く存在しないことを課す。これは、特に、電子部品、特に無線周波数チップ１１５を受けるＰＣＢの領域１３１に常に存在する接地面に当てはまる。

アンテナ１１１を受けるために基板１３４を広げる解決策では、モジュール１１０の総表面が、モジュール１１０が占有する表面によって増えることに留意されたい。しかしながら、その利点は、オーバーモールディングと呼ばれる層１３２の被覆後におけるモジュールの厚さ１３５が、市場競争力があるように極めて薄いタブレットタイプの製品を重視する通信装置の製造業者によって課される厚さ制限に容易に対応可能なままとなり得る点である。

しかしながら、マイクロエレクトロニクス産業で製造される全ての部品に当てはまる、部品のサイズを小さくし続けなければならないという数十年間にわたって続く傾向のため、少なくとも一つのアンテナ１１１と少なくとも一つの無線周波数チップ１１５を重ねて、アンテナの送受信の効率を維持しながら、水平方向の寸法を追加的に減少させることを考慮しなければならなくなっている。これが図２に示されて、図２は、無線周波数チップ１１５が接地面を備えているにもかかわらず、無線周波数チップ１１５の上にアンテナ１１１を配置することが望まれる目的物を示す。このアプローチでは、アセンブリ２２０の厚さが、アンテナ１１１が基板１３４の延長部に配置されている図１ｃに示される場合よりも実質的に厚くなってはならないという追加的な制限が課される。これは、無線周波数チップ１１５を、厚さが薄いタブレットタイプの通信デバイスに常に集積可能であるということである。

接地面の上に配置可能なＵＷＢアンテナは専門誌に記載されているが、未だ十分なものではない。例えば、非特許文献１が挙げられる。非特許文献１には、近傍に位置する他の部品の存在によって性能が顕著に影響を受けないアンテナが記載されているが、そのアンテナの寸法は本発明の目的に対応可能なものではない。特に、その厚さは６ミリメートル（ｍｍ）であって厚過ぎ、一方、本発明に係る通信モジュール２１０の基板１３４と、アンテナ１１１のオーバーモールディング領域１３２と、無線周波数部品２３０のオーバーモールディング領域とを含む全体２２０の所望の厚さは、有利にはミリメートルのオーダーであって、２ミリメートルを超えないことが望ましい。

非特許文献２に記載されているＵＷＢアンテナにも同じことが当てはまる。そのアンテナの厚さも、本発明の目的に合致するには厚過ぎる（４．５ｍｍ）。

以下の図面に記載されているアンテナは、本発明の目的に合致し、寸法、特に厚さを減少させながら、ＵＷＢ規格の全周波数範囲において信号を送受信することができる。

図３に示されるように、本発明に係るアンテナ３１０は、そのアンテナと相互作用する多層基板４１０の上に存在するものとされる。

そのような基板４１０の一例が図４に示されていて、典型的には少なくとも無線周波数チップ４１２を支持し、その無線周波数チップ４１２から、送信信号がアンテナ３１０を介して放射される。アンテナの他の明らかな機能は、無線周波数チップ４１２によって増幅される他のアンテナによる送信信号を収集して、それを受信システムが利用するようにすることである。一般的に、基板４１０は一つよりも多い部品を支持することに留意されたい。無線周波数チップ４１２に加えて、一般的には、基板４１０は、図１ａから１ｃにおいて述べたような無線周波数整合部品（図４に示さず）も備える。図４の例では、無線周波数チップ４１２と基板４１０との間の配線４１３は、金ワイヤの使用に基づいた“ワイヤボンディング”と呼ばれる非常に一般的なマイクロエレクトロニクスの手法によって設けられる。この場合、典型的には、無線周波数チップ４１２は、ボンディングや、はんだ付けによって基板４１０に取り付けられる。本発明の実施に不都合の無い、当業者に周知の他の配線及び組み立て方法も使用可能である。

図３に示されるアンテナ３１０は、以下の素子を備える：
‐ 少なくとも一つの第一の放射面３１８（“パッチ”と呼ばれる）。この用語は、図３の例のように金属構造体の典型的に平坦な切断面を称するものとして当該分野において一般的に使用されている。
‐ アンテナによって捕捉される無線周波数信号を受信する機能も果たすアンテナ３１０の給電サイドタン（舌状部）３１４。この給電サイドタン３１４は、基板４１０の第二の面上に位置する給電トレース４１４と接触するように構成される。特に有利には、給電トレース４１４はチップ４１２の接続部４１３に接続される。
‐ 第一の放射面３１８に接続され、結合トレース４１６を介してアンテナ３１０、特に第一の放射面３１８と図４に示される接地面との間の容量結合部として機能するＬ字型の側壁３１６。側壁３１６は、基板４１０の厚さの方向に平行な面内にあり、第一の放射面３１８の幅寸法８１０の方向に沿った少なくとも一つの第一の部分を備える。また、側壁３１６は、基板４１０の厚さの方向に平行な面内にあり、第一の放射面３１８の長さ寸法８２０の方向に沿った少なくとも一つの第二の部分を備える。側壁３１６の第一の部分及び第二の部分は、電気的に接触し、はんだ付けによって結合トレース４１６に取り付けられる。

典型的には、アンテナ３１０は金属板（例えば、銅金属片）から形成可能であり、その金属板には、図５に示されるような適切な形状５１０を得るように切断が行われる。次に、曲げツールを用いて、図３に示されるような所望の三次元構造を得る。薄い金属部の切断及び折り曲げは、例えば、集積回路キャリアを製造するためや、遮蔽用筐体を実現するためにエレクトロニクス産業において広く用いられている。これらの方法は安価で大量生産に対応可能である。組み立て中における機械的安定性のため、追加のレッグ（図示せず）を切断中に得ることができる。これらのレッグは、基板４１０のどの金属層に接続も結合もされず、アンテナ３１０の動作を乱さない。その役割は、組み立て中におけるアンテナの機械的支持を保証することに限られる。

マイクロエレクトロニクス産業において一般的に実施されている上述の実施形態の他の多数の手段も、本発明に係るアンテナを得るのに用いることができる。これは特に、化学エッチングや、プラスチック筐体の金属化に基づいた当業者に周知の方法に関する。

図６は、アンテナ３１０の取り付けの最後に設けられる、基板４１０の第二の面上に存在している部品及び接続手段を保護するためのオーバーモールディング６１０の可能な実施形態を示す。基板４１０の第二の面上に存在する部品（特に、少なくともアンテナ３１０及び少なくとも一つの無線周波数チップ４１２の部品）の被覆又はオーバーモールディングは、製品を被覆するのに一般的に行われる工程であって、被覆される部品の時間経過に対する安全性及び安定性を保証する。

図７は、場合によっては被覆後の、アンテナの性能を保証するアンテナ３１０の取り付けを示す。部品のオーバーモールディングは任意であるが、システムの電気的性能に影響を与えない有用な工程である。アンテナ３１０は、任意で、基板４１０の上に取り付けられた部品と、配線４１３との保護の役割を単独で担い得る。有利には、オーバーモールディングが、機械的剛性と、耐微粒子保護とをもたらす。特に有利には、アンテナ３１０は接地面の上方に位置する。好ましくは、アンテナ３１０は、少なくとも第一の放射面３１８と接地面との間に少なくとも一つのチップ４１２を収容することができるキャビティを形成する。アンテナ３１０を取り付けるステップは、側壁３１６が結合トレース４１６に接続されるように行われる。

図示されていない他の可能な実施形態は、オーバーモールディング６１０上に直接アンテナ３１０をエッチングすることを含む。この場合、オーバーモールディング６１０は必ず存在する。オーバーモールディングを形成した後に、金属層で覆い（堆積、スプレー）、例えば化学的にエッチングして、例えば、金属片から得られるアンテナ３１０の多様な素子を形成する。

図８以降はアンテナ３１０の動作を示す。本発明の係るアンテナの原理は、有利には、十分に結合させて、複数の共振を発生させて、それら共振の近接性を広帯域アンテナ３１０を得るのに用いることができるようにすることを含む。以下、アンテナの設計ステップを説明する。

図８に示されるように、第一のステップでは、アンテナ３１０の主放射素子を構成する第一の放射面３１８が、例えば矩形に画定される。図示されるように、第一の放射面３１８は、一側面に位置する給電サイドタン３１４を介して励起される。また、図示されるように、第一の放射面３１８は、Ｌ字型の側壁３１６によって機械的に支持される。標準的な実施形態では、第一の放射面３１８は、側壁３１６を介して、基板４１０の接地面に接続され、その接地面は、基板４１０の第二の面の反対側の基板４１０の第一の面に位置する。一実施形態によると、接地面は、基板４１０が多層である場合の最下層である。この構造は、ＰＩＦＡ（ｐｌａｎａｒ ｉｎｖｅｒｔｅｄ Ｆ ａｎｔｅｎｎａ，板状逆Ｆアンテナ）と呼ばれる広く用いられているタイプのアンテナを構成する。この構造は、図９ａに示される二重共振を発生させることができる。アンテナの周波数に対応する波長は、一般的にλと呼ばれ、最低共振周波数９１０は、第一の放射面３１８の最大寸法、つまり、その長さ８２０の方向に沿って、波長の四分の一（λ／４）に対応する一つの共振モードに基づいている。同様に、最高共振周波数９２０は、アンテナ３１０の幅に対応する。図９ａ及び９ｂに示されるように、二つのモードは適切に結合されない。

以下の例では、アンテナ３１０は、ＵＷＢ規格のグループ６に対応する７〜９ＧＨｚにおいて動作するように最適化される。

図１０、図１１ａ及び１１ｂは、本発明の第二のステップを示し、第二のステップは、二つの共振モードでの間のより良い結合を得るために、第一の放射面３１８の二つの共振を整合させて、近付けることを含む。本発明は、アンテナ３１０の側壁３１６と基板４１０の接地面との間の電気接続を、容量結合１０１０に置換することを含む新たな手法を適用する。従って、この場合、図４に示したように、側壁３１６は、基板４１０の第二の面上に位置する金属結合トレース４１６に接続されるが、基板４１０の第一の面上に位置する接地面には接続されない。この結合トレース４１６は、εＳ／ｅの値の結合キャパシタを形成し、ここで、εは基板４１０を構成する誘電体の誘電率、Ｓは結合トレース４１６の表面積、ｅは基板４１０の第二の面上に位置する結合トレース４１６と基板４１０の第一の面上に位置する接地面との間の厚さである。図１１ａ及び１１ｂに示されるように、二つの共振１１１０及び１１２０は近づいて、より良いインピーダンス整合が観測される。

図１２、図１３a及び１３ｂは、第二の放射面３１２として第二の共振器を取り付ける本発明の第三のステップを示す。第二の放射面３１２は、第一の放射面３１８の隣に取り付けられ、第一の放射面３１８との容量結合によって励起される。好ましくは、第一の放射面３１８及び第二の放射面３１２は、同じ側壁３１６のレベルで接続される。第一の放射面３１８及び第二の放射面３１２は、有利には、三空間方向において互いに振動しない。側壁３１６は、基板４１０の第一の面の反対側の基板４１０の第二の面上に位置する結合トレース４１６に接続され、側壁３１６及び結合トレース４１６は、第一の放射面３１８、第二の放射面３１２と、接地面との間の容量結合として機能するように構成される。

図１３ａ及び１３ｂは、第一の放射面３１８及び第二の放射面３１２を備えるアンテナ３１０の周波数挙動を示す。三つの共振モードが存在するのが見て取れ、これらは、上記第一の放射面３１８の二つの共振に加えて、第二の放射面３１２の共振１３１０に対応する。第三の共振は、追加の共振器、つまり第二の放射面３１２の長さ寸法１２１０の方向に沿ったλ／４のモードに対応する。

図１４は、共振周波数を変化させて、三つのモード間の効率的な結合を得ることを可能にする調整可能なアンテナ３１０のパラメータを示す。特に、広帯域におけるアンテナの動作が、互いに結合された複数の放射面３１２、３１８の存在と、以下のパラメータの調整とによる複数の共振の結合によって可能とされる。
‐ 第一の放射面３１８の長さ（Ｌ１）及び幅（Ｉ１）： ８２０、８１０；
‐ 第二の放射面３１２の長さ（Ｌ２）： １２１０；
‐ 結合キャパシタの値（Ｃ）： １０１０；
‐ 第一の放射面３１８と第二の放射面３１２との間の間隔（ｄ）： １４１０；
‐ 給電サイドタン３１４と側壁３１６との間の距離（Ｄ）： １４２０；
‐ アンテナ３１０の高さ（ｈ）： １４３０；
‐ 使用される物質の誘電率（ε）。

好ましい一実施形態によると、第一の放射面３１８は、第二の放射面３１２の長さ１２１０よりも長い長さ寸法８２０を有する。

図１５ａ及び１５ｂは、７から９ＧＨｚの範囲の周波数帯で動作するように上記原理に従って開発されたＵＷＢアンテナで得られた結果を示す。アンテナ３１０をＡＩＰモジュールに組み込むことを可能にするため、モジュールの外部寸法を市場による小型化の目的、特に厚さに対応可能にしたままで、高さ１４３０、長さ８２０、幅８１０等の各パラメータが最大寸法に設定される。

基板４１０に使用される誘電体も、製造コストを可能な限り低く維持するために、標準的な物質の使用に基づく。

上記異なる複数の調整可能なパラメータに対する研究で、７から９ＧＨｚの範囲の周波数帯で動作し、ＡＩＰモジュールに組み込まれるアンテナ３１０を得ることができ、この例では、アンテナの寸法は、一辺７ｍｍの正方形で厚さ１．５ｍｍの底面を有する平行六面体である。検討されている周波数帯の中心周波数、つまり８ＧＨｚを波長に変換すると、真空中で３７．５ｍｍの波長λに対応し、本発明に係るアンテナ３１０の具体的なこの例は、水平寸法（正方形の辺）に対してλ／５、高さに関してλ／２５程度の寸法を有する。

図１５ａ及び１５ｂは、アンテナ３１０の優れた挙動を明らかにしていて、適切に結合された複数の共振が、中心周波数において２５％を表す−６ｄＢで２ＧＨｚ程度の広帯域アンテナ３１０を得ることを可能にしている。この帯域は、ＵＷＢ規格の周波数範囲のグループ６の全てのチャネルをカバーする。

図１６ａ及び１６ｂは、利得及び効率に関してそれぞれ表されたアンテナ３１０の放射性能を示す。これらの結果は、アンテナ３１０が、図面に示されるインピーダンス整合に関して、そのアンテナが設計された全周波数帯において良好に機能するだけではなく、注入パワーのｄＢ単位での利得（図１６ａ）及びパーセンテージ単位での効率によって表される放射パワーの点においても優れた挙動を有することも示している。

図１７ａ及び１７ｂは、携帯電話型の接地面を備えたＰＣＢ１５２０の上に配置されたＡＩＰモジュール１５１０自体に含まれる場合における、二つの直交する方向（φ＝０及びφ＝９０）でのアンテナの計算放射値の図を示す。アンテナ３１０が、予想通りに、ＰＣＢの上半分の空間において均一に放射していることが明らかになっている。

図１８は、本発明に係るアンテナ３１０が、矩形や多角形だけではない第一の放射面３１８及び第二の放射面３１２からも良好に構成可能であることを示す。研究されたもの以外のあらゆる種類の形状が、同じ動作原理及び関連する利点を維持しながら適したものとなり得る。図１８は、研究されたより複雑な形状の例を示し、この形状は、矩形の放射面３１２、３１８に関してもっぱら説明された上記図面のものと同様の優れた結果を与える。この実施形態によると、少なくとも第一の放射面（３１８）が、Ｌ字を形成し、Ｌの第一の辺は第一の放射面（３１８）の長さ（８２０）の方向に沿って延伸し、Ｌの第二の辺は第一の放射面（３１８）の幅（８１０）の方向に沿って延伸する。Ｌの第一の辺及びＬの第二の辺は有利には９０°の角度を成す。屈曲は、Ｌの第一の辺及びＬの第二の辺の交差部に形成される。第二の放射面３１２は、好ましくは、長さ及び幅がより小さい第一の放射面３１８の相似形である。

本発明は、上述の実施形態に限定されず、その精神内のあらゆる実施形態に拡張される。

３１０ アンテナ
３１２ 第二の放射面
３１４ 給電サイドタン
３１６ 側壁
３１８ 第一の放射面
４１０ 基板
４１６ 結合トレース

Claims (18)

1. 少なくともアンテナ（３１０）及び基板（４１０）を備えた無線周波数信号を送受信するための装置であって、前記アンテナ（３１０）が少なくとも一つの第一の放射面（３１８）を備え且つ接地面の上に重ねられていて、前記接地面が前記基板（４１０）の第一の面の上に配置されていて、少なくとも一つの給電サイドタン（３１４）及び少なくとも一つの側壁（３１６）が少なくとも前記第一の放射面（３１８）に接続されていて、
   前記アンテナ（３１０）が、前記第一の放射面（３１８）との結合によって励起されるように構成された少なくとも一つの第二の放射面（３１２）を備え、
   前記側壁（３１６）が、前記基板（４１０）の第一の面の反対側の前記基板（４１０）の第二の面の上に配置された結合トレース（４１６）に接続されていて、前記側壁（３１６）及び前記結合トレース（４１６）が、少なくとも前記第一の放射面（３１８）、前記第二の放射面（３１２）と前記接地面との間の容量結合部として機能するように構成されていて、
   前記アンテナ（３１０）が、前記第一の放射面（３１８）の長さ寸法（８２０）の方向に沿った少なくとも一つの第一の共振と、前記第一の放射面（３１８）の幅寸法（８１０）の方向に沿った少なくとも一つの第二の共振とを発生させるように構成されていることを特徴とする装置。
2. 前記結合トレース（４１６）が、εＳ／ｅの値を有する結合キャパシタを形成するように構成されていて、εが前記基板（４１０）を構成する誘電体の誘電率であり、Ｓが前記結合トレース（４１６）の表面積であり、ｅが前記基板（４１０）の第二の面の上に位置する前記結合トレース（４１６）と前記基板（４１０）の第一の面の上に位置する前記接地面との間の厚さである、請求項１に記載の装置。
3. 前記側壁（３１６）が、前記基板（４１０）の厚さの方向に平行な平面内にあり且つ前記第一の放射面（３１８）の幅寸法（８１０）の方向に沿った少なくとも一つの第一の部分を備える、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記側壁（３１６）が、前記基板（４１０）の厚さの方向に平行な平面内にあり且つ前記第一の放射面（３１８）の長さ寸法（８２０）の方向に沿った少なくとも一つの第二の部分を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記側壁（３１６）の第一の部分及び第二の部分が電気的に接触して前記結合トレース（４１６）の上に取り付けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記アンテナ（３１０）が前記第二の放射面（３１２）の長さ寸法（１２１０）の方向に沿って第三の共振を発生させるように構成されている、請求項１に記載の装置。
7. 前記第一の放射面（３１８）が、前記第二の放射面（３１２）の長さ寸法（１２１０）よりも長い長さ寸法（８２０）を有する、請求項６に記載の装置。
8. 前記第一の放射面（３１８）及び前記第二の放射面（３１２）が矩形又は多角形である、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 少なくとも第一の放射面（３１８）がＬ字を形成し、前記Ｌ字の第一の辺が前記第一の放射面（３１８）の長さ（８２０）の方向に沿って延伸し、前記Ｌ字の第二の辺が前記第一の放射面（３１８）の幅（８１０）の方向に沿って延伸している、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記第二の放射面（３１２）が、より小さな寸法を有する前記第一の放射面（３１８）の相似形である、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記給電サイドタン（３１４）が、前記基板（４１０）の第二の面の上に位置する給電トレース（４１４）と接触するように構成されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記アンテナ（３１０）が、少なくとも前記第一の放射面（３１８）と前記基板（４１０）の第二の面との間に少なくとも一つのチップ（４１２）を収容するためのキャビティを形成している、請求項１１に記載の装置。
13. 前記給電トレース（４１４）が前記チップ（４１２）の接続部（４１３）に接続されている、請求項１２に記載の装置。
14. 少なくともアンテナ（３１０）及び基板（４１０）を備えた無線周波数信号を送受信するための装置を製造する方法であって、前記アンテナ（３１０）が少なくとも一つの第一の放射面（３１８）を備え且つ接地面の上に重ねられ、前記接地面が前記基板（４１０）の第一の面の上に位置し、前記方法が、前記アンテナ（３１０）を形成するステップと、前記基板（４１０）の上に前記アンテナ（３１０）を取り付けるステップとを備え、
    前記アンテナ（３１０）を形成するステップが、前記第一の放射面（３１８）と結合することによって励起されるように構成された少なくとも一つの第二の放射面（３１２）を前記アンテナ（３１０）が備えるように行われ、
    前記アンテナ（３１０）を取り付けるステップが、前記基板（４１０）の第一の面の反対側の前記基板（４１０）の第二の面の上に位置する結合トレース（４１６）に側壁（３１６）が接続されるように行われ、前記側壁（３１６）及び前記結合トレース（４１６）が、少なくとも前記第一の放射面（３１８）、前記第二の放射面（３１２）と前記接地面との間の容量結合部として機能するように構成され、
    前記アンテナ（３１０）が、前記第一の放射面（３１８）の長さ寸法（８２０）の方向に沿った少なくとも一つの第一の共振と、前記第一の放射面（３１８）の幅寸法（８１０）の方向に沿った少なくとも一つの第二の共振とを発生させるように構成されることを特徴とする方法。
15. 前記アンテナ（３１０）を形成するステップが、金属板を切断するステップと、前記金属板を折り曲げるステップとを備える、請求項１４に記載の方法。
16. 前記アンテナを取り付けるステップの終わりに、少なくとも前記アンテナ（３１０）を覆うように構成されたオーバーモールディング（６１０）を設けるステップを行う、請求項１４又は１５に記載の方法。
17. 前記アンテナ（３１０）を取り付けるステップの前に、前記基板（４１０）の第二の面の上に存在する少なくとも一つのチップ（４１２）にオーバーモールディング（６１０）を設けるステップを行う、請求項１４又は１５に記載の方法。
18. 前記オーバーモールディング（６１０）を設けるステップの終わりに、金属層を堆積させるステップと、前記金属層をエッチングして前記アンテナ（３１０）を形成するステップとを行う、請求項１７に記載の方法。