JPH10209738A

JPH10209738A - 逆ｅ型アンテナ

Info

Publication number: JPH10209738A
Application number: JP9354570A
Authority: JP
Inventors: Martin Stevens Smith; スティーヴンズスミスマーティン; Ian Paul Llewellyn; ポールルエルンイアン
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1996-12-31
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 1998-08-07
Also published as: EP0851533A1; US6025805A; GB9627091D0; CA2225082A1; CA2225082C

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は無線通信用アンテナに関し、双帯域
移動通信受話器に適した小型アンテナを提供することを
目的とする。【解決手段】放射素子と接地平面とを備える逆Ｅ型ア
ンテナが開示される。アンテナは、移動通信受話器に設
置するのに適する。特に、２又は３以上のアンテナが接
近して設置される双モード受話器に好適である。アンテ
ナ素子を折り返すことによりアンテナが動作波長に対し
て小型化されることで、アンテナを小さな無線通信受話
器内でできるだけ離間して設置できるので、アンテナ結
合の問題は簡単に解決される。移動通信構成を動作させ
る方法も開示される。本構成は、マイクロフォンと、音
声スピーカーと、トランシーバーと、逆Ｅ型アンテナと
を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はアンテナに係り、特
に、無線通信アンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】多くの移動型通信装置において、回路寸
法が小さくなり、そして、対応するプラスティックハウ
ジング等の寸法が小さくなるのに伴って、移動無線受話
器の寸法も小型化している。無線通信装置のなかで小型
化が容易でない要素はアンテナである。典型的には、ア
ンテナは少なくとも１軸に沿って半波長又は４分の１波
長の長さを有しており、この長さを減少させるのは容易
ではない。しかしながら、小型化が図られた幾つかの変
形アンテナが製造されている。

【０００３】かかる小型アンテナの一型式として、図１
に示す逆Ｌ型アンテナ（ＩＬＡ）がある。ＩＬＡアンテ
ナは、鉛直素子である短いモノポールと、モノポールの
端部に接続されたワイヤ水平素子とにより構成されてい
る。鉛直素子の高さは一般には波長の分数に拘束され
る。水平素子は必ずしも非常に短いわけではなく、全長
（水平成分と鉛直成分）は、通常、約４分の１波長であ
る。これは、ＧＳＭ受話器等の用途においてアンテナは
依然として長いことを意味する。アンテナは、長いほど
その効率が向上するので、長いほうが望ましい。

【０００４】ＩＬＡは、基本的には、モノポールの端部
に長い水平ワイヤを備える短いモノポールアンテナであ
るため、本来的にそのインピーダンスは低い。入力イン
ピーダンスは、短いモノポールアンテナの入力インピー
ダンスに、接地平面近くに設置された水平ワイヤのリア
クタンスを加えた値にほぼ等しい。ＩＬＡの簡単で典型
的な変形は、図２に示す逆Ｆ型アンテナ（ＩＦＡ）であ
る。小さな逆Ｌ型素子がＩＬＡの鉛直素子の端部に接続
され、接地平面に対向する文字Ｆのような外観となって
いる。この変形により、アンテナと負荷との間に付加的
な回路を用いることなく、ＩＦＡの入力インピーダンス
を負荷インピーダンスに整合させることが可能となる。

【０００５】細いワイヤよりなるＩＬＡ／ＩＦＡの欠点
の１つは、帯域幅が典型的には中心周波数の１パーセン
ト以下と狭いことである。帯域幅を拡げるため、ワイヤ
素子をプレートに置き換えることにより、又は、アンテ
ナが取り付けられた接地平面の寸法を減少させるといっ
た変更を加えることができる。携帯機器に関する逆Ｌ型
アンテナ（ＩＬＡ）の用途の１つは、アンテナ素子を矩
形導体箱の頂面に設置することである。導体箱が波長と
比較して小さな場合、放射電流は導体箱の表面を流れて
無視できないため、導体箱はアンテナ系に含められるべ
きである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】過去１０年間、セルラ
ー式移動電話及びコードレス電話製品の双方にわたる無
線通信産業の標準が世界的に拡大した。その結果、多数
の周波数帯域が、種々の国における種々のシステムに対
して、また、無線通信のあらゆる可能性に及んで製造さ
れるべき種々の受話器ユニットの要求に対して用いられ
るようになった。逆Ｌ／Ｆ型アンテナは多くの用途に適
しているが、受話器のように小さな装置に便利に設置す
るには大き過ぎる。

【０００７】更に、同じ受話器を異なる無線システムに
用いることができ、また、それらの間で切り替え可能で
あることが望ましい。この場合、受話器の電子回路の複
雑さが増すのに加えて、アンテナは種々の周波数及び帯
域幅の要求を満足して作動するように構成されなければ
ならない。双帯域受話器用アンテナの開発に対して幾つ
かの代替策が可能である。１つのアンテナを伴う双帯域
マッチング回路は過度に複雑であり、その性能は限られ
ている。かかる双帯域受話器は、各周波数帯域に対して
１つずつ、２つのアンテナを用いることが好ましい。し
かしながら、隣接するアンテナ間の結合が生ずる。この
ため、アンテナは互いに十分に離間されなければなら
ず、従って、小型化されなければならない。

【０００８】パーソナル通信サービス（ＰＣＳ）用アン
テナは、基準吸収率（specific absorption rate; ＳＡ
Ｒ）に対する現行の及び提案中の法律／基準を満足しな
ければならないことにも留意されるべきである。本発明
の目的は、逆Ｆ型アンテナが有するパッケージ化におけ
る問題を解決又は軽減することにある。

【０００９】本発明の更なる目的は、パッケージ化通信
受話器に組み込まれる小型アンテナを提供することにあ
る。本発明の更にもう一つの目的は、双モード受話器に
おいて少なくとも１つの動作周波数帯域で動作可能な小
型アンテナを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の側面によ
れば、放射素子と接地平面とを備える逆Ｅ型アンテナで
あって、Ｅ型の第１のアームは中央アームに向けて折り
返され、Ｅ型の中央アームは接地され、Ｅ型の第３のア
ームは無線周波供給部に接続されたアンテナが提供され
る。

【００１１】放射素子は接地平面から不均等な距離だけ
離間されてもよい。接地平面は対応するハウジングに関
して正角であってよい。接地平面は二次元平面より構成
されてもよい。放射素子は、成形金属板又は誘電体に印
刷されたトラックより構成されてもよい。微小ストリッ
プ製作技術は広く用いられ、ＦＲ４等の基板を用いて廉
価に実現することができる。あるいは、放射素子は剛性
金属ワイヤより構成されてもよい。放射素子構成の他の
型式も可能である。

【００１２】本アンテナは移動通信受話器に設置される
のに適している。本アンテナは、特に、２又は３以上の
アンテナが接近して設置される双モード受話器に好適で
ある。本アンテナは、アンテナ素子を折り返すことによ
り、動作波長と比較して小型化されているので、アンテ
ナ結合等の問題が簡単に解決される。寸法が小さいため
に、無線通信受話器の狭い領域内で可能な限り離間して
設置することができるからである。

【００１３】本発明の更なる側面によれば、マイクロフ
ォンと、音声スピーカーと、トランシーバーと、アンテ
ナとを備え、アンテナは放射素子と接地平面とよりなる
逆Ｅ型であり、Ｅ型の第１のアームは中間アームに向け
て折り返され、中間アームは接地され、Ｅ型の第３のア
ームは無線周波供給部に接続された移動通信構成を動作
させる方法であって、受信モードにおいて；無線周波数
信号を前記アンテナで受け、該無線周波数信号を該アン
テナからトランシーバへ送ってこの信号を音声変調電気
信号に変換し、該音声変調信号を音声スピーカーにより
音声信号に変換し、送信モードにおいて；音声スピーカ
により音声周波数信号を受けてこの信号を音声変調電気
信号に変換し、該音声変調信号をトランシーバへ送って
この信号を無線周波数信号に変換し、該無線周波数信号
をアンテナへ送ってこの信号をアンテナにより放射す
る、各段階を備える方法が提供される。

【００１４】

【発明の実施の形態】図３を参照するに、湾曲外形を有
するプリント基板のエッジに沿ったアンテナが示されて
いる。２つの特徴が特に注目されるべきである：アンテ
ナは従来のＦ型アンテナの如く接地平面に平行ではない
こと；及び、アンテナが折り返され、構造の全長が減少
されていることである。図４は、中心周波数９１６ＭＨ
ｚの９００ＭＨｚ帯で動作可能な第１実施例の寸法を示
す。本実施例において、同調を補助するため、接地突起
を０．５ｍｍの銅ワイヤより構成した。ただし、接地突
起に代えてトラックを用いてもよい。本構成の利点は、
アンテナを、移動通信受話器に用いられる基板の形状に
適合するように製作できることである。

【００１５】図５は、図４に示すアンテナの反射減衰量
を示す。また、図６は、同じアンテナの方位及び高度送
受信範囲を示す。種々の高度角で多数の測定を行い、全
電力を積分することにより、放射効率は約５０％である
と評価された。パターン形状及びエネルギー分布は特に
均一というわけではないが、放射散乱により不均一性が
埋められるので、このことは重要ではない。アンテナの
反射減衰量１０ｄＢの帯域幅は約３０ＭＨｚであり、こ
の帯域幅はアンテナの設計及び限られた空間により制限
されることに留意されるべきである。しかしながら、こ
の値はほとんどの用途に適している。

【００１６】受話器内に設置されたアンテナの性能を劣
化させる要因は、アンテナが回路及びそのシールド要素
に接近していることである。かかるシールドはインピー
ダンスが未知の伝送線のように作用し、アンテナ性能に
影響を与えるだけでなく、アンテナと接地されたシール
ドケースとの間の距離が変化しただけでアンテナの同調
がずれることになる。

【００１７】アンテナをケースからできるだけ離して保
持し、また、ケースの構成を、アンテナを接地平面に対
して正確な位置に保持する隔離碍子を含むように変更す
ることにより、かかる問題を解決することができる。実
験中、接地平面の寸法、及びアンテナの位置を変化させ
た。これは、プリント基板整合をも変化させることを意
味する。しかし、プリント基板上の直列整合コンデンサ
を変化させることにより、また、アンテナ長を変化させ
ることにより再び整合させることができた。

【００１８】２つの異なる周波数帯域で動作するアンテ
ナ系、例えば、一方が９００ＭＨｚ帯で共振し、他方が
１９００ＭＨｚ帯（ＰＣＳ）で共振するアンテナ系に
は、受話器の意図的な設計を反映して種々の制約が存在
する。簡単にいえば、この制約とは、内部印刷アンテナ
が貴重な基板空間を必要とすること；例えば受話器内部
の空間が小さいからといって外部アンテナの長さを増加
してはならないこと；電気的インターフェース及びアン
テナ系の損失排除の双方の観点より、１９００ＭＨｚポ
ートと９００ＭＨｚポートの間の結合できる限り小さく
維持されるべきであること；ＰＣＳアンテナの性能は単
帯域受話器の性能と同等でなければならないことであ
る。特に、この帯域で必要とされる帯域幅は大きい。し
かしながら、製品の範囲はそれほど広くないので、僅か
に効率が低い９００ＭＨｚ用アンテナを用いることが可
能である。ＰＣＳに対する利得及び帯域幅の要求が大き
くなることは、外部アンテナは、９００ＭＨｚコードレ
スモードで用いられるより小さな内部アンテナを伴うよ
り高い周波数のアンテナでなければならないことを意味
する。

【００１９】更に、全ての双帯域受話器アンテナ設計に
対して本質的に３つのアプローチが存在する。すなわ
ち、i)２つのポートを単一の外部アンテナに接続する離
散部品を含む整合回路網の使用、ii) ２つの周波数で共
振する２つの部位を有する単一の外部アンテナの使用、
及び、iii)２つの使用周波数に対して内部アンテナ及び
外部アンテナの２つのアンテナの使用である。

【００２０】第１のアプローチは、高周波が回路網の誤
ったアームに流れるのを防止するフィルター回路網と共
に、２つの周波数を単一のアンテナに整合させるため２
つの整合回路網を使用することを必要とする。これらフ
ィルターの設計は、整合回路網の後の、５２Ωではなく
アンテナの複雑なインピーダンスである線路インピーダ
ンスのため複雑になる。

【００２１】本願出願人の同時係属出願（出願番号未
定）に記載される如き双共振アンテナもまた無線移動通
信受話器での使用に適している。上記出願に記載された
アンテナは、帯域間の周波数分離が適当である場合に有
用であるが、常にそのような場合であるとは限らない。
本願出願人は、９００ＭＨｚ用共線的（co-linear ）ヘ
リカルアンテナと、その螺旋の中心に設けられた１９０
０ＭＨｚ用直線ワイヤモノポールとよりなるアンテナ構
成が可能であるかについて試験を行ったが、２つのアン
テナが接近していることに起因して、２つの周波数での
反射減衰量、及び、１９００ＭＨｚでの２つのポート間
の結合は特に厳しい（−４ｄＢ）。従って、このアプロ
ーチを好都合に採用することはできない。

【００２２】１９００ＭＨｚで動作可能なモノポールを
用いつつ本発明に従って製作されたアンテナ構成は、良
好な性能を示すことがわかった。９００ＭＨｚで動作可
能なＥ型アンテナを用いる無線受話器において、モノポ
ール１９００ＭＨｚ用アンテナが、対応する回路基板の
コンデンサの容量及びアンテナの長さを変化させること
により同調された。最良の整合は２．２ｐＦのコンデン
サ、及び図７に示す長さのアンテナにより得られた。図
７は、プラスティック製外部ケースの内側のアンテナワ
イヤの長さを示している。アンテナとの信頼性の高いバ
ネ接触が保証されなければならない。本構成の反射損失
量は図８に示されている。

【００２３】図９は、本アンテナの中心周波数での方位
及び高度パターンを示す。また、図１０は、中心周波数
及び周波数帯域の両端周波数における方位についての総
電力（すなわち、水平方向と鉛直方向の和）を示す。ア
ンテナ利得は周波数に対して非常に僅かしか変化しない
ことがわかる。このことは、アンテナが良好に整合され
ていることを示す。データ全体から、アンテナは中心周
波数において７０％の効率を有することがわかった。

【００２４】外部ＰＣＳアンテナは、ケースに嵌入され
るために比較的長く、また、ある距離にわたって接地平
面に追従するため、特徴に乏しい伝送線路として動作す
る。それにもかかわらず、ＰＣＳ基板上の整合コンデン
サの容量を変化させると共にアンテナ長を切り詰めるこ
とにより、アンテナを十分に大きな帯域に同調させ得る
ことがわかった。このように同調されたアンテナは高い
放射効率（７０％）を有している。両アンテナの性能に
加えて、アンテナ間に有意な結合が存在しないことが重
要である。図１１は、かかる結合の度合いを示す。使用
される両周波数帯域において結合レベルは極めて低く、
最悪でもＰＣＳ帯域の上端における約−１７ｄＢであ
る。

【００２５】受話器内部に配置されるべきアンテナに対
して利用可能な空間が限られていることから、プリント
基板の湾曲外側エッジに沿ったアンテナ構成が開発され
た。この構成は、本用途において適切な帯域及び利得を
有していることが示された。空間が限られていること
で、他の構成部品をアンテナの近傍に設置することにな
った。特に、ＬＥＤ表示器は、プリント基板上の、基板
の裏面にあるアンテナの直ぐ裏側に設けられた。高周波
短絡の問題を解決するため、ローパスフィルター素子が
ＬＥＤの給電トラックに設置され、これにより、この点
において高周波信号がアースに短絡されることが防止さ
れた。

【００２６】基準吸収率値ＳＡＲの評価は、頭又は胴体
の組織へ吸収される電力を測定することにより行われ
た。ＳＡＲは、高周波電磁エネルギーが生物体の単位質
量に付与される時間速度として定義され、次式で与えら
れる。ＳＡＲ＝σ｜Ｅ｜²／２ρ ここで、σは伝導率であり、Ｅは電界のピーク値であ
り、ρは密度である。

【００２７】ＳＡＲレベルが低ければ、その製品は、健
康への危険が小さく、かつ、より効率的な放射器であ
る。ＸＦＤＴＤとして知られるソフトウェアパッケージ
を用いてＳＡＲが計算された。アンテナは、定常状態の
サイン波源によりｚ（鉛直）方向に給電された。その結
果得られた定常状態は以下のように記録された。

【００２８】給電点インピーダンス：２５．１９−ｊ・１４．３０入力電力：０．０１５Ｗ放射電力：９．４７×１０^-3Ｗ効率：６３％ＸＦＤＴＤにより与えられるＳＡＲのピーク値は、平面
ｚ＝７８において、５．１４×１０^-1Ｗ／ｋｇであるこ
とがわかった。このデータ、及び、ｚ＝７７及びｚ＝７
９のデータを用いて、１グラムにわたって平均された１
セルの平均は０．１１５５／ｋｇであることがわかっ
た。正規の入力電力１Ｗ及びデューティ比１／８に補正
されると、ＳＡＲは次式で表される。

【００２９】０．１１５５×（１／０．０１５）＝７．７×（１／８）＝０．９６Ｗ／ｋｇこの値に係数０．６を乗ずることにより、最終的なＳＡ
Ｒ値は０．５８Ｗ／ｋｇとなる。この値は、ＩＥＥＥ基
準の１．６Ｗ／ｋｇよりも明らかに低い。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、小さな寸法のアンテナ
が提供されることで、一般的には設計及び構成部品の小
型化の上で非常に有利となり、特に、単一帯域及び双帯
域を含む移動通信受話器において多くの用途が見出すこ
とができる。また、分離して設置され、アンテナ間の相
互作用の可能性が低減された２つのアンテナにより、双
帯域構成をより容易に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】逆Ｌ型アンテナを示す図である。

【図２】逆Ｆ型アンテナを示す図である。

【図３】本発明の第１実施例を示す図である。

【図４】９００ＭＨｚ帯で動作可能な本発明の第２実施
例の寸法を示す図である。

【図５】第２実施例の反射減衰量を示す図である。

【図６】第２実施例の方位及び高度放射パターンを示す
図である。

【図７】（Ａ）は１９９０ＭＨｚ帯アンテナワイヤの側
面図、（Ｂ）は１９９０ＭＨｚ帯アンテナワイヤの平面
図である。

【図８】外部アンテナの反射減衰量を示す図である。

【図９】１９２０ＭＨｚにおける１９００ＭＨｚ帯アン
テナの無響室放射パターンを示す図である。

【図１０】帯域中心及び帯域の両端での総利得を示す図
である。

【図１１】双基板上の９００ＭＨｚアンテナと１９００
ＭＨｚアンテナとの結合量を示す図である。

【符号の説明】

なし

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【手続補正書】

【提出日】平成１０年４月７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８】

【図９】

【図１０】

【図１１】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マーティンスティーヴンズスミスイギリス国，エセックスシーエム１４エックスキュー，チェルムズフォード，チュズルウィット・ドライヴ８ (72)発明者イアンポールルエルンイギリス国，エセックスシーエム20 １ジェイエヌ，ハーロウ，アッパー・パーク４

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放射素子と接地平面とを備える逆Ｅ型ア
ンテナであって、Ｅ型の第１のアームは中央アームに向けて折り返され、Ｅ型の前記中央アームは接地され、Ｅ型の第３のアームは無線周波供給部に接続されたアン
テナ。
【請求項２】前記放射素子は前記接地平面から不均等
な距離だけ離間されている請求項１記載のアンテナ。
【請求項３】前記設接地平面は対応するハウジングに
関して正角である請求項１記載のアンテナ。
【請求項４】前記放射素子は成形金属板よりなる請求
項１記載のアンテナ。
【請求項５】前記放射素子は誘電体上に印刷されたト
ラックよりなる請求項１記載のアンテナ。
【請求項６】前記放射素子は剛性金属ワイヤ構造より
なる請求項１記載のアンテナ。
【請求項７】前記接地平面は二次元平面よりなる請求
項１記載のアンテナ。
【請求項８】マイクロフォンと、音声スピーカーと、
トランシーバーと、アンテナとを備え、該アンテナは放
射素子と接地平面とよりなる逆Ｅ型であり、Ｅ型の第１
のアームは中間アームに向けて折り返され、該中間アー
ムは接地され、Ｅ型の第３のアームは無線周波供給部に
接続された移動通信構成を動作させる方法であって、受信モードにおいて、無線周波数信号を前記アンテナで受け、該無線周波数信
号を該アンテナから前記トランシーバへ送ってこの信号
を音声変調電気信号に変換し、該音声変調信号を前記音
声スピーカーにより音声信号に変換し、送信モードにおいて、前記音声スピーカにより音声周波数信号を受けてこの信
号を音声変調電気信号に変換し、該音声変調信号を前記
トランシーバへ送ってこの信号を無線周波数信号に変換
し、該無線周波数信号を前記アンテナへ送ってこの信号
を該アンテナにより放射する、各段階を備える方法。