JP5002598B2 - マルチバンドアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、一般に無線通信アンテナに関し、特に、無線通信装置のマルチバンドアンテナに関する。

無線通信装置は、通常、アドバンスド移動電話システム（ＡＭＰＳ）、パーソナル移動通信サービス（ＰＣＳ）、パーソナルデジタルセルラ（ＰＤＣ）、汎ヨーロッパデジタル移動通信システム（ＧＳＭ）、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）など、複数の無線通信周波数帯で無線信号を送受信するためにマルチバンドアンテナを使用する。板状逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）は小型でありマルチバンド性能を有するため、無線通信装置に一般に使用される代表的マルチバンドアンテナである。通常、ＰＩＦＡは、アンテナ接地面から離間して配置された放射素子を具備する。放射素子と接地面との間隔がマルチバンドアンテナに関連するインピーダンス整合に影響を与えるため、ＰＩＦＡは、通常、アンテナの所望の周波数範囲に対してインピーダンス整合を最適化する付加的なインピーダンス整合回路を含む。しかし、マルチバンドＰＩＦＡが対応する周波数範囲は広いため、インピーダンス整合が真に最適になるのは周波数帯の一部に限られる。そのため、アンテナは少なくとも１つの他の周波数帯に対しては最適のインピーダンス整合を有さない。

アンテナ性能を改善するためにインピーダンス整合を修正する非励振素子が知られている。しかし、非励振素子は無線通信周波数帯のうち１つの周波数帯ではアンテナ性能を改善できるが、通常、その他の無線通信周波数帯においてはアンテナの性能に悪影響を及ぼす。

本発明によるマルチバンドアンテナは、アンテナ給電素子及びアンテナ接地素子によりアンテナ接地面から垂直方向に離間して配置された放射素子を具備する。更に、マルチバンドアンテナは、放射素子に動作自在に接続され給電素子と接地素子との間に挿入される非励振素子を具備する。マルチバンドアンテナが第１の周波数帯で動作する場合、選択回路は、給電素子を接地素子と容量結合するために非励振素子を接地面に接続する。この容量結合はマルチバンドアンテナのインピーダンス整合を改善し、それによって第１の周波数帯におけるマルチバンドアンテナの性能を改善する。マルチバンドアンテナが第２の周波数帯で動作する場合には、選択回路は、容量結合を無効にするために非励振素子を接地面から遮断する（接続を断つ）。容量結合を選択的に適用することにより、非励振素子は、アンテナが第１の周波数帯で動作する場合にのみインピーダンス整合を変化させ、従って、アンテナが第２の周波数帯で動作する場合にはインピーダンス整合に悪影響を及ぼさない。

本発明によれば、選択回路は、マルチバンドアンテナの動作周波数に基づいて、非励振素子を接地面に接続し且つ非励振素子を接地面から遮断するスイッチを具備してもよい。別の実施形態によれば、選択回路はフィルタを具備してもよい。フィルタは、第１の周波数帯の周波数に応答して低いインピーダンスを有し、第２の周波数帯の周波数に応答して高いインピーダンスを有する。

図１は、無線通信装置１０の一例を示すブロック図である。無線通信装置１０は制御装置（コントローラ）２０、記憶装置（メモリ）３０、ユーザインタフェース４０、送受信機５０及びマルチバンドアンテナ１００を具備する。コントローラ２０は、メモリ３０に格納されたプログラム及びユーザインタフェース４０を介してユーザにより提供される命令に応答して、無線通信装置１０の動作を制御する。送受信機５０は、アンテナ１００を使用して無線通信装置１０を無線通信網とインタフェースする。送受信機５０は符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）、汎ヨーロッパデジタル移動通信システム（ＧＳＭ）、全地球測位システム（ＧＰＳ）、パーソナルデジタルセルラ（ＰＤＣ）、アドバンスド移動電話システム（ＡＭＰＳ）、パーソナル移動通信サービス（ＰＣＳ）、広帯域ＣＤＭＡ（ＷＣＤＭＡ）など、任意の無線通信規格のうちの１つ以上に従って動作してもよいことが理解されるであろう。

マルチバンドアンテナ１００は、上記の無線通信規格のうちの１つ以上に従って信号を送受信する。例示のため、以下の説明中、アンテナ１００は低周波数無線通信帯及び高周波数無線通信帯に関して説明される。低周波数無線通信帯の例はＡＭＰＳ周波数帯（８５０ＭＨｚ）及び／又はＧＳＭ低周波数帯（９００ＭＨｚ）を含む。高周波数無線通信帯の例はＧＳＭ高周波数帯（１，８００ＭＨｚ）及び／又はＰＣＳ周波数帯（１，９００ＭＨｚ）を含む。しかし、アンテナ１００は、それらの周波数帯に加えて又はそれらの周波数帯の代わりに別の無線通信周波数帯に対応するように設計されてもよいことが理解されるであろう。

図２及び図３は、本発明の一実施形態によるマルチバンドアンテナ１００を示す。本例のマルチバンドアンテナ１００は板状逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）から構成される。しかし、本発明は、本出願と同時に出願された同時係属出願「Multi-band Bent Monopole Antenna」（代理人処理番号２００２−１９９）に記載されるような湾曲モノポールアンテナなど、他の種類のアンテナにも適用される。この出願は参考として本明細書中に取入れられているものとする。

アンテナ１００は、ＲＦ給電素子１１６及び接地素子１１８によりプリント回路基板（ＰＣＢ）１３０の接地面１３２から垂直方向に離間して配置された放射素子１１０を具備する。給電素子１１６は放射素子１１０をＲＦ源１１７に電気的に接続する。一実施形態によれば、給電素子１１６及び接地素子１１８は、放射素子１１０をＰＣＢ１３０から約７ｍｍの距離に位置決めされている。放射素子１１０は、給電素子１１６を介してＲＦ源１１７により供給される無線通信信号を低周波数無線通信帯及び高周波数無線通信帯などの１つ以上の周波数帯で送信する。更に、放射素子１１０は１つ以上の周波数帯で送信される無線通信信号を受信し、受信した信号を、給電素子１１６を介して送受信機５０に供給する。

本発明の一実施形態によれば、放射素子１１０は低周波数放射素子１１２及び高周波数放射素子１１４を具備する。放射素子１１０は周知の任意の構成を有してもよい。放射素子１１０の一例は、接地素子１１８から約１７ｍｍ外れた位置にある長さ２９ｍｍ且つ幅３ｍｍの高周波数放射素子１１４と、長さ約３５ｍｍ且つ幅１１ｍｍの低周波数放射素子１１２とを有する。図２に示されるように、低周波数放射素子１１２はＰＣＢ１３０の一部分と少なくとも部分的に重なり合うが、高周波数放射素子１１４は一般にＰＣＢの縁部を越えて延出する。

放射素子１１０と接地面１３２との間の垂直方向離間距離及びＲＦ給電素子１１６と接地素子１１８との間の水平方向離間距離は、アンテナ１００のインピーダンス整合に影響を及ぼす。従って、本発明の選択的インピーダンス整合を助長するために、マルチバンドアンテナ１００は、放射素子１１０に接続された非励振素子１２０と、非励振素子１２０を接地面１３２に選択的に接続する選択回路１４０とを含んでもよい。非励振素子１２０は給電素子１１６と接地素子１１８との間に挿入され、一般に給電素子１１６及び接地素子１１８と同一の平面に配置される。給電素子１１６及び接地素子１１８に対する非励振素子１２０の向き及び配置場所の関係により、選択回路１４０が非励振素子１２０を接地面１３２に接続した場合に給電素子１１６、接地素子１１８及び非励振素子１２０の間に電磁相互作用が起こる。この電磁相互作用の結果、非励振素子１２０は給電素子１１６を接地素子１１８に容量結合する。この容量結合は放射素子１１０と接地面１３２との間で給電点を有効に移動し、それによってアンテナ１００の総合インピーダンス整合が変化する。非励振素子１２０は１つの周波数帯、すなわち低周波数帯でアンテナ１００のインピーダンス整合を改善するように設計されてもよいが、非励振素子１２０の構造は、一般に、別の周波数帯、すなわち高周波数帯におけるアンテナのインピーダンス整合に悪影響を与える。アンテナ１００が高周波数帯で動作する場合に非励振素子１２０を接地面１３２から遮断することにより、選択回路１４０は容量結合を排除して、高周波数帯における通常のアンテナ動作を可能にする。言い換えれば、選択回路１４０は、給電素子１１６と接地素子１１８との容量結合を選択的に制御することにより、アンテナ１００のインピーダンス整合を選択的に制御する。

選択回路１４０は、非励振素子１２０と接地面１３２との接続を選択的に制御することにより容量結合を選択的に制御する。選択回路１４０は、アンテナ１００が低周波数帯などの１つの周波数帯で動作する場合に非励振素子１２０と接地面１３２との間に低インピーダンス接続を発生し且つアンテナ１００が高周波数帯などの別の周波数帯で動作する場合に非励振素子１２０と接地面１３２との間に高インピーダンス接続を発生する任意の手段を使用して、非励振素子１２０と接地面１３２との接続を制御してもよい。一実施形態においては、選択回路１４０は、コントローラ２０により制御されるスイッチ１４０を具備してもよい。スイッチ１４０が閉成（オン）されると、非励振素子１２０と接地面１３２との間に短絡（低インピーダンス接続）が発生し、スイッチ１４０が開成（オフ）されると、非励振回路１２０と接地面１３２との間に開回路（高インピーダンス接続）が形成される。

別の実施形態によれば、選択回路１４０はフィルタ１４０から構成されてもよい。低周波数で低いインピーダンスを有し且つ高周波数で高いインピーダンスを有するようにフィルタ１４０を設計することにより、フィルタ１４０は、アンテナ１００が低周波数帯で動作する場合にのみ非励振素子１２０を接地面１３２に選択的に接続する。一実施形態によれば、フィルタ１４０は非励振素子１２０と直列のインダクタを具備してもよく、そのインダクタンスは５ｎＨ〜１５ｎＨの範囲であり、約１０ｎＨであるのが好ましい。

図４は、アンテナ１００の反射係数と周波数との関係を示し、図５は、正規化負荷インピーダンスに対する反射係数をスミスチャートの形で示す。図示される反射情報はZealand IE3Dなどの電磁シミュレータにより生成されたものであり、シミュレーション用の選択回路１４０は１０ｎＨのフィルタ１４０から構成される。図４及び図５のデータはシミュレーション時のデータを表すため、グラフに示される反射情報はアンテナの理想反射係数を表し、誘電／導体損を考慮に入れていない。しかしながら、この反射情報はアンテナの相対インピーダンス整合に対する容量結合の効果を正確に表す。

図４の曲線６０は、非励振素子１２０が接地面１３２に接続されない場合の周波数に関するアンテナ１００の反射係数を表し、図５の曲線６２は、正規化負荷インピーダンス（５０Ω）に関する同一の反射係数を示す。図４の曲線７０は、非励振素子１２０が接地面１３２に接続されている場合の周波数に関する反射係数を示し、曲線７２は、正規化負荷インピーダンスに関する同一の反射係数を示す。最後に、図４の曲線８０は、選択回路１４０が低周波数で非励振素子１２０を接地面１３２に接続するが高周波数では非励振素子１２０を接地面１３２から遮断する場合の周波数に関する反射係数を示す。図５の曲線８２は、正規化負荷インピーダンスに関する同一の反射係数を示す。

反射曲線７０及び７２により示されるように、給電素子１１６を接地素子１１８に容量結合するために非励振素子１２０を使用することにより、アンテナ１００が低周波数帯で動作する場合のインピーダンス整合は改善されるが、アンテナ１００が高周波数帯で動作する場合のインピーダンス整合は劣化する。しかし、非励振素子１２０が低周波数動作中に選択的に接続され高周波数動作中には遮断される場合には、曲線８０及び８２により示されるように、非励振素子１２０は低周波数帯ではインピーダンス整合を改善し、高周波数帯ではインピーダンス整合をほぼ維持する。

先に説明したように、図４及び図５は、選択回路１４０として１０ｎＨフィルタが使用される場合のアンテナ１００の性能を示す。図面はスイッチを使用する実現例に関するシミュレーションデータを含まないが、選択回路１４０がスイッチ１４０から構成される場合、その結果得られる曲線は低周波数動作の場合は曲線７０及び７２に従い、高周波数動作の場合は、得られる曲線は曲線６０及び６２に従うことが当業者には理解されるであろう。

以上説明した実施形態は、高周波数におけるアンテナ１００のインピーダンス整合に悪影響を及ぼすことなく低周波数におけるアンテナ１００のインピーダンス整合を改善する。しかし、本発明はこれに限定されないことが理解されるであろう。例えば、非励振素子１２０は、アンテナ１００が高周波数帯で動作する場合にアンテナ１００のインピーダンス整合を改善するように設計されてもよい。この実施形態においては、選択回路１４０は、アンテナ１００が高周波数帯で動作する場合に非励振素子１２０を接地面１３２に接続し、アンテナ１００が低周波数帯で動作する場合には非励振素子１２０を接地面１３２から遮断するように設計され且つ／又は制御される。

更に、図６に示されるように、アンテナ１００はローバンド非励振素子１２０及びハイバンド非励振素子１２２を更に含んでもよいことが理解されるであろう。本実施形態によれば、アンテナ１００が低周波数帯で動作する場合、選択回路１４０はローバンド非励振素子１２０を接地面１３２に接続し、選択回路１４２はハイバンド非励振素子１２２を接地面１３２から遮断する。これにより、低周波数帯動作中のアンテナ１００のインピーダンス整合が改善される。アンテナ１００が高周波数帯で動作する場合には、選択回路１４２はハイバンド非励振素子１２２を接地面１３２に接続し、選択回路１４０はローバンド非励振素子１２０を接地面１３２から遮断する。これにより、高周波数帯動作中のアンテナ１００のインピーダンス整合が改善される。

更に、図６はアンテナ１００の別個の接地素子１１８を示すが、図示されるアンテナ１００は接地素子１１８を除外してもよいことが当業者には理解されるであろう。本実施形態においては、接地面１３２に接続された非励振素子１２０、１２２が接地素子として動作する。例えば、アンテナ１００が低周波数帯で動作する場合、選択回路１４０はローバンド非励振素子１２０を接地面１３２に接続し、選択回路１４２はハイバンド非励振素子１２２を接地面１３２から遮断する。この場合、ローバンド非励振素子１２０はアンテナ１００に対して接地素子として動作する。アンテナが高周波数帯で動作する場合、選択回路１４２はハイバンド非励振素子１２２を接地面１３２に接続し、選択回路１４０はローバンド非励振素子１２０を接地面１３２から遮断する。この場合には、ハイバンド非励振素子１２２がアンテナ１００に対して接地素子として動作する。

本発明の非励振素子１２０は、小型マルチバンドアンテナ１００の他の周波数帯に関連するインピーダンス整合に悪影響を及ぼすことなく、アンテナの少なくとも１つの周波数帯に関連するインピーダンス整合を選択的に改善する。従って、本発明の非励振素子１２０は、無線通信装置１０で使用されるマルチバンドアンテナ１００の性能を改善する。

本発明の本質的特徴から逸脱せずに、本明細書中に特定して記載される方法以外の方法で本発明が実施されてもよいことは言うまでもない。上記の実施形態はあらゆる面において単なる例示であって限定するものではないと考えられるべきであり、添付の請求の範囲及びその均等の範囲内に入る全ての変更は本発明に包含されることが意図されている。

図１は、本発明による無線通信装置を示すブロック図である。 図２は、本発明の一実施形態によるアンテナの一例を示す図である。 図３は、図２に示す例のアンテナを示すブロック図である。 図４は、図２及び図３のアンテナに関して反射と周波数との理想的な関係を示すグラフである。 図５は、図２及び図３のアンテナに関する理想的なスミスチャートである。 図６は、本発明の別の実施形態によるアンテナの一例を示すブロック図である。

Claims (13)

1. アンテナ接地面と、前記アンテナ接地面に対して垂直方向に離間して配置された放射素子と、前記放射素子の第１の位置に接続され、かつ、前記アンテナ接地面の第２の位置に接続されたアンテナ接地素子と、前記放射素子の第３の位置に接続され、かつ、前記アンテナ接地面の第４の位置に接続されたアンテナ給電素子を含むマルチバンドアンテナの性能を改善する方法であって、
   前記放射素子の前記第１及び第３の位置の間に接続される非励振素子を挿入するステップと、
   前記アンテナ接地面の前記第２及び第４の位置の間に接続され、かつ、前記非励振素子に接続されるフィルタを配置するステップと、
   を含み、
   前記フィルタは、第１の周波数帯の周波数に対しては低インピーダンスとなり、第２の周波数帯の周波数に対しては高インピーダンスとなるフィルタであり、
   前記マルチバンドアンテナが前記第１の周波数帯で動作するときは、前記フィルタが、前記非励振素子と前記アンテナ接地面とを電気的に接続することで、前記アンテナ接地素子と前記アンテナ給電素子を容量結合し、
   前記マルチバンドアンテナが前記第２の周波数帯で動作するときは、前記フィルタが、前記アンテナ接地素子と前記アンテナ給電素子の容量結合を解除することを特徴とする方法。
2. 前記第１の周波数帯と前記第２の周波数帯の一方は低周波数無線通信バンドであり、前記第１の周波数帯と前記第２の周波数帯の他方は高周波数無線通信バンドであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記マルチバンドアンテナが前記第２の周波数帯で動作するときは、前記アンテナ接地素子と前記アンテナ給電素子とを容量結合するために、第２の非励振素子を使用するステップと、
   前記マルチバンドアンテナが前記第１の周波数帯で動作するときは、前記第２の非励振素子による容量結合を解除するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記マルチバンドアンテナが前記第２の周波数帯で動作するときは、前記アンテナ接地素子と前記アンテナ給電素子とを容量結合するために、第２の非励振素子を使用するステップは、
   前記マルチバンドアンテナが前記第２の周波数帯で動作するときは、前記第２の非励振素子を前記アンテナ接地素子として使用するステップと、
   前記マルチバンドアンテナが第１の周波数帯で動作するときは、第１の前記非励振素子を前記アンテナ接地素子として使用するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 無線通信装置におけるマルチバンドアンテナであって、
   アンテナ接地面と、
   前記アンテナ接地面に対して垂直方向に離間して配置された放射素子と、
   前記放射素子の第１の位置に接続され、かつ、前記アンテナ接地面の第２の位置に接続されたアンテナ接地素子と、
   前記放射素子の第３の位置に接続され、かつ、前記アンテナ接地面の第４の位置に接続されたアンテナ給電素子と、
   前記放射素子の前記第１及び第３の位置の間に接続された非励振素子と、
   フィルタを含み、前記アンテナ接地面の前記第２及び第４の位置の間に接続され、かつ、前記非励振素子に接続された選択回路と、
   を備えており、
   前記フィルタは、
   前記マルチバンドアンテナが第１の周波数帯で動作するときは、前記アンテナ接地素子と前記アンテナ給電素子を容量結合するために、前記非励振素子を前記アンテナ接地面へ接続し、
   前記マルチバンドアンテナが第２の周波数帯で動作するときは、前記非励振素子を前記アンテナ接地面から遮断することで、前記アンテナ接地素子と前記アンテナ給電素子の容量結合を解除するように構成されていることを特徴とするマルチバンドアンテナ。
6. 前記フィルタは、前記第１の周波数帯の周波数に対しては低インピーダンスとなり、前記第２の周波数帯の周波数に対しては高インピーダンスとなるように構成されていることを特徴とする請求項５に記載のマルチバンドアンテナ。
7. 前記第１の周波数帯と前記第２の周波数帯の一方は低周波数無線通信バンドであり、前記第１の周波数帯と前記第２の周波数帯の他方は高周波数無線通信バンドであることを特徴とする請求項５に記載のマルチバンドアンテナ。
8. 前記非励振素子は、前記アンテナ接地素子と同一の接地平面に設けられていることを特徴とする請求項５に記載のマルチバンドアンテナ。
9. 前記非励振素子は、前記放射素子に対して垂直となるように設けられていることを特徴とする請求項５に記載のマルチバンドアンテナ。
10. 前記非励振素子は、前記アンテナ接地素子に対して平行となるように設けられていることを特徴とする請求項５に記載のマルチバンドアンテナ。
11. 前記第１の位置と第３の位置の間で前記放射素子に接続された第２の非励振素子と、
    前記第２の位置と第４の位置の間で前記アンテナ接地面に接続され、かつ、前記第２の非励振素子に接続された第２の選択回路と、
    をさらに含み、
    前記第２の選択回路は、前記マルチバンドアンテナが第２の周波数帯で動作するときは、前記アンテナ接地素子と前記アンテナ給電素子を容量結合するために、前記第２の非励振素子を前記アンテナ接地面へ接続し、
    前記マルチバンドアンテナが第１の周波数帯で動作するときは、前記第２の非励振素子を前記アンテナ接地面から遮断することで、前記アンテナ接地素子と前記アンテナ給電素子の容量結合を解除するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載のマルチバンドアンテナ。
12. 前記マルチバンドアンテナが第２の周波数帯で動作するときは、前記第２の非励振素子が前記アンテナ接地素子として動作し、
    前記マルチバンドアンテナが第１の周波数帯で動作するときは、第１の前記非励振素子が前記アンテナ接地素子として動作することを特徴とする請求項１１に記載のマルチバンドアンテナ。
13. 無線通信装置であって、
    無線ネットワークを介して無線信号を送信及び受信するように構成された送受信機と、
    前記送受信機に接続されたマルチバンドアンテナと、
    を含み、
    前記マルチバンドアンテナは、
    アンテナ接地面と、
    前記アンテナ接地面に対して垂直方向に離間して配置された放射素子と、
    前記放射素子の第１の位置に接続され、かつ、前記アンテナ接地面の第２の位置に接続されたアンテナ接地素子と、
    前記放射素子の第３の位置に接続され、かつ、前記アンテナ接地面の第４の位置に接続されたアンテナ給電素子と、
    前記放射素子の前記第１及び第３の位置の間に接続された非励振素子と、
    フィルタを含み、前記アンテナ接地面の前記第２及び第４の位置の間に接続され、かつ、前記非励振素子に接続された選択回路と、
    を備えており、
    前記フィルタは、
    前記マルチバンドアンテナが第１の周波数帯で動作するときは、前記アンテナ接地素子と前記アンテナ給電素子を容量結合するために、前記非励振素子を前記アンテナ接地面へ接続し、
    前記マルチバンドアンテナが第２の周波数帯で動作するときは、前記非励振素子を前記アンテナ接地面から遮断することで、前記アンテナ接地素子と前記アンテナ給電素子の容量結合を解除するように構成されていることを特徴とする無線通信装置。

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