(57)【要約】  移動電話機や他のこのような通信装置に適したアンテナ（１０）は電磁放射パターンを送受信する伝送エレメント（２１）を有する。伝送エレメント（２１）は誘電材料の層（２５）上に支持され、送受信される放射パターンの方位を電子的に維持されるように制御する。伝送エレメント（２１）は少なくとも１つのループを含み、しばしばスパイラル構成である。エレメント（２１）を短絡または開路できるマイクロ電気機械スイッチまたはＰＩＮダイオードの形状のスイッチ（２３，２４）により放射パターンの方位を変えることができる。誘電材料（２５）の比誘電率は変えられ、やはり方位に影響を及ぼす。
2007517444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信装置内で使用するアンテナ（１０）であって、
前記アンテナ（１０）は伝送エレメント（２１）を有し、前記伝送エレメント（２１）は放射パターンを送受信するようにされており、
前記伝送エレメント（２１）は誘電材料の誘電体層（２５）上に支持され、
送信されるまたは受信することができる放射パターンの方位は電子的に制御されるアンテナ（１０）。
【請求項２】
請求項１に記載のアンテナであって、前記伝送エレメントは少なくとも１つのループを含むアンテナ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のアンテナであって、前記伝送エレメントはスパイラル構成を有するアンテナ。
【請求項４】
請求項３に記載のアンテナであって、前記伝送エレメントは矩形スパイラル構成を有するアンテナ。
【請求項５】
請求項３に記載のアンテナであって、前記スパイラルは円形、三角形、台形構成であるアンテナ。
【請求項６】
前記いずれかの項に記載のアンテナであって、誘電体層（２５）は２−１０の比誘電率を有するアンテナ。
【請求項７】
請求項６に記載のアンテナであって、前記比誘電率の値は３．４−３．９であるアンテナ。
【請求項８】
前記いずれかの項に記載のアンテナであって、誘電体層（２５）の厚さは２０ｍｍ未満であるアンテナ。
【請求項９】
請求項８に記載のアンテナであって、誘電体層（２５）の厚さは１０−１４ｍｍであるアンテナ。
【請求項１０】
前記いずれかの項に記載のアンテナであって、前記アンテナは前記エレメント（２１）を短絡または開路させてアンテナの放射パターンの方位を変える１つ以上の低損失無線周波数スイッチ（２３）を含むアンテナ（１０）。
【請求項１１】
請求項１０に記載のアンテナであって、各スイッチはマイクロ電気機械スイッチまたはＰＩＮダイオードであるアンテナ。
【請求項１２】
前記いずれかの項に記載のアンテナであって、前記誘電体層は比誘電率の異なる誘電材料の２つ以上の層を含むアンテナ。
【請求項１３】
前記いずれかの項に記載のアンテナであって、前記各誘電材料はそれ自体が導電層上に支持されるアンテナ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のアンテナであって、前記各導電層はそれ自体が絶縁媒体により裏打ちされるアンテナ。
【請求項１５】
前記いずれかの項に記載のアンテナであって、前記誘電材料の比誘電率は変化できるアンテナ。
【請求項１６】
前記いずれかの項に記載のアンテナであって、前記誘電材料の両端間に直流電圧が印加されて前記材料の比誘電率を変えるアンテナ。
【請求項１７】
請求項１６に記載のアンテナであって、印加電圧は５−５０Ｖであるアンテナ。
【請求項１８】
請求項１７に記載のアンテナであって、印加電圧は５−２０Ｖであるアンテナ。
【請求項１９】
前記いずれかの項に記載のアンテナであって、液晶が誘電材料内に埋め込まれるアンテナ。
【請求項２０】
少なくとも１つのループを有する伝送エレメントを有するアンテナを含む通信装置であって、前記装置はさらに伝送エレメント内に遮断を生じる１つ以上のスイッチを含むアンテナ。
【請求項２１】
請求項２０に記載のアンテナであって、前記伝送エレメントはスパイラル構成を有するアンテナ。
【請求項２２】
添付図を参照して実質的にここに記述されたアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は信号への同期能力が改善されたアンテナに関する。このアンテナは移動電話機または任意のワイヤレス装置の一部として使用するのに特に適している。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
通信陸上回線に物理的に接続されないハンドヘルド通信装置に対する市場の成長は近年一貫して大きくなってきている。特に、移動電話機は今や音声通信だけでなく動画のリアルタイム伝送も実質的に行うことができる。
【０００３】
装置と陸上回線との間に物理的接続がないため、通信や情報は電磁放射信号により伝送される。前記情報を伝送する手段は通常、装置に取り付けられたアンテナである。情報を伝送する手段に対して、装置からアンテナを介して低電力信号が放出される。この信号はそれを転送するタワーにより受信される。タワーは信号の電力を増加して長距離にわたり伝送されるようにすることができる。第２の装置による信号の受信は、タワーから伝送された信号が移動装置のアンテナにより受信されて電磁放射により運ばれた情報が出力の形式、たとえば、音、テキスト、画像、等へ変換される点で本質的に前記したプロセスの逆である。
【０００４】
通信される情報のタイプがなんであれ、装置が送受信タワーとコンタクトし続けられるようにする問題が残る。その重要な側面は移動装置により送信された信号がタワーにより受信できるようにその方位を保証することである。移動装置から送信された信号がタワーの方向でなければ、送信信号のパワーに無関係に、信号はタワーにより受信されない。
【０００５】
この制限を克服するための一つの試みとして、複数のアンテナとアンテナ間の切替えを行う一つのプロセッサを有し接続が失われないことを確実にする装置が作り出されている。この方法の欠点は複数のアンテナを含むことにより装置の複雑さおよびその製作コストが増すことである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記した欠点を克服する単一アンテナを提供し改善された装置を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（発明の概要）
本発明の第１の側面に従って、通信装置内で使用されるアンテナが提供され、アンテナは送受信エレメントを有し、エレメントは放射パターンを送受信するようにされており、エレメントは誘電材料層上に支持され、エレメントにより送信されるまたは受信することができる放射パターンの方位は電子的に制御される。
【０００８】
アンテナは従来のアンテナよりも単純で低廉に製作される。したがって、マルチエレメント・アンテナシステムの場合にアンテナエレメントを動作および非動作させるための複雑な電子回路（移相器と関連コントロール等）を含む必要性がなくなる。
【０００９】
好ましくは、送受信エレメントは少なくとも１つのループを含んでいる。スパイラル構成を有するエレメントが特に好ましく、矩形スパイラルが特別に好ましい。あるいは、スパイラルは円形、三角形、台形構成を有することができる。
【００１０】
それから層が形成される誘電材料は２−１０の比誘電率を有するのが好都合である。典型的に、その値は３．４−３．９である。好ましくは、誘電材料層の厚さは２０ｍｍ未満であり、１０−１４ｍｍが特に好ましい。誘電材料層は比誘電率の異なる２つの誘電材料層を含んでいる。
【００１１】
誘電材料層自体は導電層上に支持され、導電層自体は絶縁媒体により裏打ちされるのが好都合である。
【００１２】
少なくとも１つの低損失無線周波数（ＲＦ）スイッチ（たとえば、マイクロ電気機械スイッチ（ＭＥＭ）またはＰＩＮダイオード）を使用すると、エレメントの短絡または開路により伝送エレメント上を進行する信号内に移相が導入される。これにはアンテナの放射パターンを変える効果がある。したがって、放射パターンは多数のスイッチを使用して適応性を示すことができる。
【００１３】
一方または両方の誘電材料層の比誘電率は可変とするのが有利である。比誘電率の変動は誘電材料の比誘電率に変化を生じる直流電圧を印加して行うことができる。スパイラルアームに沿って案内される波長は比誘電率値によって決まるため、比誘電率の変更により放出ビームの角度が変化する。好ましくは、印加電圧は５−５０Ｖであり５−２０Ｖが特に好ましい。誘電材料内に液晶が埋め込まれる。したがって、印加電圧の大きさの変動により放射の放出ビーム角度に変化が生じ、移動部を使用したり回路を断続的に遮断および形成したりすることなく非常に迅速なスイッチングが行われる。したがって、通信装置は受信機とコンタクトし続けたい方向に容易に送信することができる。
【００１４】
本発明の第２の側面に従って、通信装置が提供され、それは少なくとも１つのループを有する伝送エレメントを含み、装置はさらに伝送エレメントに遮断を生じる１つ以上のスイッチを含んでいる。好ましくは、伝送エレメントはスパイラル構成を有する。
【実施例】
【００１５】
（発明の詳細な説明）
次に、通信装置のアンテナエレメントの２つの実施例を参考として示す添付図を参照して本発明を説明する。下記の例は本発明の一実施例である。もちろん、発明概念を逸脱せずに本発明を内蔵するいくつかの方法があることが理解される。
【００１６】
図１において、アンテナ１０は電磁放射ビームの形の信号を放出する。ビームはデコード装置が音、テキストまたは視覚画像を再生するための十分な情報を運ぶことができる。ビーム１１Ａ，Ｂ，Ｃは互いに異なる角度だけ傾斜している。ビームの角度は可変であり、ビーム１１Ａ，Ｂ，Ｃは単なる例にすぎない。この特徴によりエレメントがタワーに送信するまたはそこからメッセージを受信する可能性が最大とされる。
【００１７】
使用されるビームの角度決定において、処理および信号強度検出器１２が強度をモニタする。異なるビーム１１を使用して送信する必要があることが決定すると、検出器１２はビーム１１の方向を制御する回路１３へ信号を送る。
【００１８】
そのように要求されると、回路１３はビーム１１の角度を切替えて最強信号の方向へ向けるようにする。このようにして、送信タワーとのコンタクトが維持され強いままとされる。
【００１９】
図１のビームパターンを放出するのに適したアンテナの実施例が図２Ａに示されている。図２Ａにおいて、アンテナ２０はシングルアーム、矩形スパイラル形状の銅製の伝送エレメント２１を有する。伝送エレメント２１は幅がおよそ１．４ｍｍでありおよそ２９０ｍｍの全長を有する。伝送エレメント２１用サポート２５はおよそ３．７の比誘電率を有する誘電材料Ｒｏｇｅｒ  Ｒｏ−４３５０Ｂで作られている。よい信号を作り出すためにアンテナの厚さはおよそ１２ｍｍである。便宜上、誘電材料は一辺の長さがおよそ５１．３ｍｍの正方形に形成される。
【００２０】
誘電材料自体は導電板により裏打ちされ、たとえば、装置内へのアンテナの内蔵し易さを改善するのに有用であれば、導電板自体はさらに電気絶縁材料により形成された層で裏打ちすることができる。
【００２１】
伝送エレメント２１の機能の一つは、電流で励起された後すぐに、情報を運ぶ電磁放射ビームを放出することである。ポイント２２はアンテナ１０の給電点である。ＲＦスイッチ２３の短絡およびスイッチ２４の開路はアンテナアーム上を進行する信号内に移相を導入するのに使用される。移相はアンテナから放射されるビームの角度に動きをもたらす。多数のスイッチの使用により、放射ビームの角度の任意所望の変動を達成することができる。このようにして、アンテナ放射パターンの全体が適応性を示すようにする。
【００２２】
それからサポート２５が作られる誘電材料の比誘電率は典型的に２−１０の比誘電率を有するようにされる。３．４−３．９の範囲の比誘電率は効率的で効果的なアンテナを与えることが判っている。したがって、従来技術で既知のいくつかの材料は使用に適していることを示唆する。
【００２３】
作り出されたアンテナ２０の厚さは動作周波数、使用した誘電材料、給電点のインピーダンスおよびアンテナが内蔵されるユニットのディメンジョン等のいくつかの要因によって決まる。たとえば、比誘電率のより高い材料をサポートに使用すればより薄いアンテナを使用することができる。本発明で考えられるアンテナの厚さは２０ｍｍ未満である。より典型的には、アンテナの厚さは１０−１４ｍｍとすることができる。
【００２４】
少なくとも１つの実質的に３６０°の回転を構造内に保持しながら、伝送エレメントに対して異なる形状が可能である。矩形スパイラルの使用により信号の数値解析が容易になるが、円形スパイラル、台形または三角形伝送エレメントも使用できる。
【００２５】
スイッチング機能を提供するために、迅速スイッチングができてロバストであるスイッチが必要である。実際上、このようなスイッチはマイクロ電気機械スイッチ（ＭＥＭＳ）、ピンダイオードまたは任意の無線周波数（ＲＦ）スイッチにより提供される。使用時に、アンテナの特定ディメンジョンに適するように特殊タイプのスイッチが選択される。
【００２６】
放出ビームの角度の小さな変化を実施できれば有用であることが判っている。図２Ａに示す一実施例では、これは伝送エレメントのスパイラルアーム内で回路のいくつかの遮断を導入して達成されている。このような遮断はスイッチにより提供される。図示されているように、回路はスイッチの動作および非動作により一連の有限ステップ内で短くしたり長くしたりすることができる。どのスイッチが開閉するかを制御することにより、ビーム放射の角度は必要な時に必要なように変えられる。アンテナアーム内に内蔵されるスイッチの数を増加すると、アンテナの異なる有効長間のステップの長さが減少することが判る。したがって、多数のスイッチにより放射が放出される角度を滑らかに変化させることができる。
【００２７】
送信ビーム内に導入される変化の例が図３Ａ，３Ｂに与えられており、矢印は最大放出放射の方向を示す。図３Ｂでは放出放射は優勢的に軸方向であり、スパイラルの軸ベクトルに沿って指向される。スイッチの応用において、ベクトルはその方向が前記軸ベクトルと一直線とならないように回転される。
【００２８】
スイッチングアンテナを前記したように使用して、順方向電力の反射電力に対する比の尺度である電圧定在波比（ＶＳＷＲ）は通常２よりも下に留まることが判っており、信号の送信に必要な電力はスイッチングにより大きく影響されないことを示す。ＶＳＷＲ値が２を超える限定された数のスイッチ構成に対しては、信号安定性を保証するために信号に追加電力を流すことができる。さまざまな構成に対する利得は比較的一定で７．５ｄＢ±１．５ｄＢである。
【００２９】
図４は１，２，３および４に示す一連の開路スイッチを有するアンテナ４０を示す。スイッチはおよそ１ｍｍ幅でありそれらの動作はアンテナアーム４１の有効長を短くまたは長くするように働く。
【００３０】
スイッチの作用効果が図５−９に示されている。例示された開示と同様に、４個のスイッチがあり、その各々がオンまたはオフ位置をとることができ、本質的に１６の異なる組合せすなわちスイッチング構成があり、したがって、１６のアンテナ有効長が可能である。１６のスイッチング構成が図５のテーブルに示されている。図６は図５に与えられたさまざまなスイッチ構成により得られたθｍａｘおよびφｍａｘ値を示す。最大変動はφｍａｘ内に見られ、θｍａｘは変動が比較的小さい。第２セットの線は理論的予測φｍａｘおよびθｍａｘから得られる結果を示し、理論と実験の間に比較的良い相関があることが判る。
【００３１】
図７はさまざまなスイッチ構成に対する利得（ｄＢ）を示す。ＶＳＷＲは図８に与えられ大部分のスイッチ構成に対して、ＶＳＷＲは２未満であることを示す。最後に、それぞれスイッチ構成４および１３に対する最大ビーム方向の放射パターンが図９に示されている。
【００３２】
図１０−１４は短絡スイッチ動作モードに対する結果を示す。スイッチ構成は図５に示すものである。
【００３３】
アンテナのもう１つの実施例では、伝送エレメントから導電板へサポートの両端間に直流電圧を印加して放出ビームの方向が変えられる。典型的な印加電圧は５−５０Ｖであり５−２０Ｖの範囲が好ましい。電圧の印加によりサポート材料の比誘電率が変化し、それにより放出ビームの角度が変わる。この実施例の一側面において、液晶が基板材料自体内に埋め込まれる。次に、液晶両端間の電圧の変動により比誘電率が変化する。
【００３４】
このような装置の例が図１５に示されている。アンテナ１５０は伝送エレメント１５１を有しそれは、前と同様に、矩形シングルアームスパイラルの形状である。エレメント１５１が置かれる誘電基板はそれぞれ異なる比誘電率εｓおよびεｒの２つの層１５２Ａ，１５２Ｂを含んでいる。典型的に、層１５２Ａは合成強誘電材料により形成される。したがって、アンテナ両端間に電圧Ｖを印加すると層１５２Ａ上の材料の比誘電率εｓが変化する。結合された誘電体層の正味の比誘電率εｎｅｔはεｓおよびεｒの関数である。したがって、εｓを変えるとεｎｅｔが変化しエレメント１５１内の有効導波長λｇが変えられ放射がアンテナから放出される角度が変えられる。
【００３５】
図１６は比誘電率の変化が伝送角度に及ぼす影響を示す。図１６において、伝送放射の軸方向および半径方向（スパイラル伝送エレメントに関して）成分は分離され、それぞれ、θｍａｘおよびφｍａｘで示されている。εｎｅｔが変化するとθｍａｘおよびφｍａｘの角度も変化することに注目されたい。例示したεｎｅｔ値にわたって、θｍａｘは１９°の変動を示しφｍａｘは２３７°の変動を示した。これは前記したスイッチング方法に対する３９°および１７４°に匹敵する。したがって、スイッチング方法はθｍａｘにより大きい変動を誘起し比誘電率の変化はφｍａｘにより大きい変動を誘起することができる。スイッチング方法と誘電体方法の組合せを使用して単一装置内でθおよびφの最も広い変動をもたらすことができると考えられる。
【００３６】
もちろん、本発明はここに記述された特定の詳細に限定はされず、それらは例にすぎず、添付特許請求の範囲内でさまざまな修正および変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】移動電話機からの電磁放射の放出を示す図である。
【図２Ａ】アンテナを示す図である。
【図２Ｂ】アンテナを示す図である。
【図３Ａ】図２のアンテナにより放出または受信されるビームを示す図である。
【図３Ｂ】標準アンテナにより放出または受信されるビームを示す図である。
【図４】４つの開路スイッチを有する開路スイッチアンテナアームを示す図である。
【図５】図４のアンテナアームのスイッチング構成を示すテーブルである。
【図６】図５のスイッチング構成に対するθｍａｘおよびφｍａｘを示すｘ−ｙプロットである。
【図７】図５のスイッチング構成に対する利得を示す図である。
【図８】図５のスイッチング構成に対するＶＳＷＲを示す図である。
【図９】図５に示すスイッチ構成４および１３に対する最大ビーム方向に対する放射パターンを示す図である。
【図１０】４つの短絡スイッチを有するアンテナを示す図である。
【図１１】図５の短絡スイッチ構成に対するθｍａｘおよびφｍａｘを示すｘ−ｙプロットである。
【図１２】図５の短絡スイッチ構成に対する利得を示す図である。
【図１３】図５の短絡スイッチ構成に対するＶＳＷＲを示す図である。
【図１４】図５に示す短絡スイッチ構成４および１３に対する最大ビーム方向に対する放射パターンを示す図である。
【図１５】比誘電率の変動する誘電体層を有するアンテナを示す図である。
【図１６】比誘電率に対するθｍａｘおよびφｍａｘのｘ−ｙプロットである。
【図１】
2007517444.tif 000003
【図２Ａ】
2007517444.tif 000004
【図２Ｂ】
2007517444.tif 000005
【図３Ａ】
2007517444.tif 000006
【図３Ｂ】
2007517444.tif 000007
【図４】
2007517444.tif 000008
【図５】
2007517444.tif 000009
【図６】
2007517444.tif 000010
【図７】
2007517444.tif 000011
【図８】
2007517444.tif 000012
【図９（ａ）】
2007517444.tif 000013
【図９（ｂ）】
2007517444.tif 000014
【図９（ｃ）】
2007517444.tif 000015
【図９（ｄ）】
2007517444.tif 000016
【図１０】
2007517444.tif 000017
【図１１】
2007517444.tif 000018
【図１２】
2007517444.tif 000019
【図１３】
2007517444.tif 000020
【図１４（ａ）】
2007517444.tif 000021
【図１４（ｂ）】
2007517444.tif 000022
【図１４（ｃ）】
2007517444.tif 000023
【図１４（ｄ）】
2007517444.tif 000024
【図１５】
2007517444.tif 000025
【図１６】
2007517444.tif 000026
【国際調査報告】
2007517444.tif 000027
2007517444.tif 000028
2007517444.tif 000029