(57)【要約】本発明は、ＧＳＭ及びＵＭＴＳ周波数帯域の両方に運用すべく設計した２つのアンテナを有する携帯型通信デバイスに用いるアンテナモジュールに関する。  特に小型のデバイスを実現するためには、異なる周波数帯域で動作する誘電体ブロックアンテナ（ＤＢＡ）を用いることが提案されている。このタイプのアンテナは、表面上にプリントした第１と第２の金属の共振構造体を有する誘電体基板を備えており、ＥＰ１２８９０５３から既知である。  ２つのアンテナを用いることにより、アンテナ（ＤＢＡ）を用いる場合に比べ、全容積が減り、従って、質量が低減する。同時に、放射性能が改善される。さらに、各アンテナの相対位置はほぼ独立しているため、設計の自由度が向上する。  さらに、本発明は、無線周波発生器の信号を電力制御ユニットを介して両方のアンテナに同時に伝送する、２つのアンテナを有する電気通信デバイスの動作方法に関する。この提案はエネルギーを倹約し、ユーザーが吸収する放射量を最小限に抑える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
携帯型の通信デバイスに用いるアンテナモジュールであって、
‐プリント回路基板と、
‐第１の周波数範囲内の共振周波数を有する第１のアンテナと、
‐第２の周波数範囲内の共振周波数を有する第２のアンテナと、
を有し、各アンテナは第１及び第２の金属の共振構造体を表面にプリントした誘電体基板を有し、第１の共振構造体を給電線路に接続し、かつ、近接する第１の共振構造体から電気的に絶縁させた第２の共振構造体は、それを接地するためにプリント回路基板に接続したことを特徴とするアンテナモジュール。
【請求項２】
前記アンテナをこれらアンテナのカバーに固定することを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。  
【請求項３】
前記基板を平坦で、ほぼ長方形の基板とすることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
【請求項４】
前記アンテナが前記プリント回路基板に対して垂直に整列されることを特徴とする請求項３に記載のアンテナモジュール。
【請求項５】
前記アンテナが前記プリント回路基板の頂部及び／又は側面に位置することを特徴とする請求項４に記載のアンテナモジュール。
【請求項６】
前記第１の共振周波数が実質的に８２４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚの周波数範囲内にある
ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
【請求項７】
前記第１のアンテナの第２高調波が実質的に１７１０ＭＨｚ〜２２００ＭＨｚの周波数範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
【請求項８】
前記第２の共振周波数が実質的に１８８０ＭＨｚ〜２２００ＭＨｚの周波数範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
【請求項９】
前記プリント回路基板が無線周波発生器を備え、該無線周波発生器の信号が電力制御ユニットを介して前記アンテナに向けられることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
【請求項１０】
前記アンテナの少なくとも１つの給電線路が位相調整器を含むことを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
【請求項１１】
前記プリント回路基板が、前記アンテナで受信した信号の強度を比較することができるユニットを備えることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
【請求項１２】
２つのアンテナを有する電気通信デバイスを作動させる方法であって、
無線周波発生器の信号は電力制御ユニットを介して同時に両方のアンテナに転送される
ことを特徴とする電気通信デバイスの動作方法。
【請求項１３】
前記アンテナが受信した信号の強度を比較し、かつ、前記電力制御ユニットが前記信号の強度に応じて前記２つのアンテナの間に無線周波電力を分配することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
信号強度が高い方のアンテナを放射の放出用に選択することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記アンテナの少なくとも一方が受信した信号の位相を能動的に制御することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のアンテナモジュールの動作用に用いる請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話や、データ通信カード、例えばラップトップ型のもので用いるメモリカードなどのような携帯式電気通信デバイスに用いるアンテナモジュールに関し、特にセルラー方式の第２及び第３世代の双方に属する用途に好適なアンテナモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
移動体通信では、情報の伝送にマイクロ波領域の電磁波を用いている。従って電気通信デバイスにとって不可欠な部品はアンテナであり、このアンテナが電磁波の送受信を可能にする。
【０００３】
第２世代のセルラー方式（ＧＳＭ）は、２つの異なる周波数帯域で動作する。欧州では、周波数帯域が８８０〜９６０ＭＨｚに位置するＧＳＭ９００、及び１７１０〜１８８０ＭＨｚに位置するＧＳＭ１８００が用いられている。さらに、周波数帯域が８２４〜８９４ＭＨｚのＧＳＭ８５０、及び周波数帯域が１８５０〜１９９０ＭＨｚのＧＳＭ１９００が主に米国で用いられている。第３世代のセルラー方式（ＵＭＴＳ）は１８８０〜２２００ＭＨｚの周波数帯域内で動作する。
【０００４】
２０１０年まで第２世代と第３世代のデバイスが共存するため、現在のアンテナシステムは前記ＧＳＭ及びＵＭＴＳの周波数帯域の両方にて使用できなくてはならない。一般的に、電気通信デバイスが小型化に向かう傾向にあること、及び流行の電気通信デバイスを設計する際にアンテナの寸法が障害になってはならないことを考えると、上述した課題を達成することは難しい。
【０００５】
一般的に、アンテナの全長は対応する波長の少なくとも４分の１にしなければならない。誘電体媒質として誘電率εｒが大体１である空気では、共振周波数が２ＧＨｚの場合、アンテナの長さは少なくとも３．７５ｃｍとしなければならない。周知のスタブアンテナは、円筒体の周囲にアンテナワイヤを巻きつけてこの長さを低減している。しかしながら、これらの外付けアンテナはややかさばり、デバイスの外側から見えてしまうため、現代のデザインには受け入れられ難い。
【０００６】
平面逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）もまた周知のアンテナである。これらのアンテナは、接地用金属被覆（grounded metallization）の上に配置しなければならないため、内蔵アンテナとして特に好適である。この種のアンテナの帯域幅はその高さ、或いはむしろ上述した金属被覆とその金属の放射素子との距離にかなり依存する。例えば、欧州のＧＳＭ１８００帯域、米国のＧＳＭ１９００帯域、及びＵＭＴＳ帯域で使用するような、マルチバンドの電気通信デバイスでは、アンテナの高さが受容できなくなるような帯域を必要とする。そのようなアンテナの全容積は現在のアンテナの容積よりもかなり大きく、すなわち３５×２０×７ｍｍ３よりも大きくなる。言い換えれば、電気通信デバイスがかさばり過ぎてしまい、設計者が美的なデバイスを作る障害となる。
【０００７】
ＥＰ１２９６４１０は２つの平面逆Ｆアンテナを有するアンテナシステムを開示している。一方のアンテナはＧＳＭ帯域で動作し、他方はＵＭＴＳ帯域で動作する。第２のアンテナが電磁波を送信又は受信している間、第１のアンテナの給電端を接地するようにスイッチが設計されている。従って、一方のアンテナのみが同時に動作し得るだけである。上述した事柄からして、このアンテナシステム全体の寸法は、携帯型通信デバイスの現代的デザインには大きすぎる。
【０００８】
ＥＰ１２８９０５３は、金属のストリップ導体をプリントしたセラミック基板を有するＳＭＤアンテナを開示している。このプリント配線アンテナはデュアルバンドアンテナとして設計されている。すなわち、このストリップ導体の幅及び長さは、基本モード及び第２高調波の両方を同時に励振できるように設計されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、特に小型で、かつ流行の携帯型通信デバイスのデザインに障害とならないアンテナモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、独立請求項の特徴事項によって解決される。従属請求項の特徴事項によって本発明のさらなる実施態様を記述する。請求項の参照符号は、本発明の範囲を制限するものではないと解釈されたい。
【００１１】
本発明によれば、携帯型の通信デバイスにおいて用いるアンテナモジュールであって、プリント回路基板と、第１の周波数範囲内に共振周波数を有する第１のアンテナと、第２の周波数範囲内に共振周波数を有する第２のアンテナと、を有し、各アンテナは第１及び第２の金属の共振構造体をそれ自身の表面にプリントした誘電体基板を有し、第１の共振構造体を給電線路に接続し、かつ、近接する第１の共振構造体から電気的に絶縁させた第２の共振構造体は、それを接地するためにプリント回路基板に接続したアンテナモジュールによって上述した課題を解決する。
【００１２】
さらに前記課題は、２つのアンテナを有する電気通信デバイスであって、無線周波発生器の信号を電力制御ユニットを介して、前記２つのアンテナに同時に伝送する電気通信デバイスの動作方法で解決される。
【００１３】
前記２つのアンテナは同じタイプのものとする。これらは両方とも誘電率εｒが大きい誘電体基板を有する。このことは、下記の基本モードｆ０（第１高調波）の式から導出できるように、最大アンテナ長ｌａを特に小さくする。
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ここで、ｃは光速である。この観点から、基板としては２〜１００までの範囲の、好適には４〜２５までの範囲の誘電率εｒを有するセラミック材料が好適である。
【００１４】
前記基板は、その表面上にプリントされた２つの共振構造体を有する。これらの構造体は導電性の高い、できれば金属製で、かつ好ましくは純銀製とする。
【００１５】
第１の共振構造体は、好ましくはストリップ導体の形態で、誘電体基板の周囲に巻き付けた細長構造とする。共振構造体の一端は給電点として作用し、従って給電線路を介して無線周波（ＲＦ）発生器に接続されている。この第１の共振構造体の全長がその基本周波数ｆ０を決定する。
【００１６】
第２の共振構造体もまた、好ましくはストリップ導体の形態で、前記誘電体基板の周囲に巻き付けられた細長構造とする。その一端はアプリケーション、すなわちプリント回路基板の接地パターン接続されている。第２の共振構造体は近接する第１の共振構造体から電気的に絶縁されている。
【００１７】
２つの共振構造体が近接すると、これらの間が容量性結合することになる。基板の誘電率が高いため、これら共振構造体が同じ周波数帯域で動作すると、これら共振構造体間の結合が非常に大きくなる。この容量性結合はアンテナを他の周波数、すなわち第２高調波ｆ１に励振する。ｆ１の正確な値は２つの共振構造体間の距離で調節できる。距離を広げれば結合が弱まり、第１高調波が高域方向に移動する。
【００１８】
本発明の範囲内で用いるアンテナは、誘電体ブロックアンテナ（ＤＢＡ）と称される。この種類のアンテナの詳細、特に幾何学的形状及び共振構造の材質、共振構造の製造方法、及び基板として用いることのできるその材料は、ＥＰ１２８９０５３に開示されている。
【００１９】
プリント回路基板はアンテナを接地する作用をし、これは電力供給器、ポケットベル、無線周波発生器、受信機及び同様なデバイスのための、付加的な電子部品を備える。前記アンテナに面した箇所にはほとんど、もしくは全く金属被覆を有していない。換言するに、誘電体ブロックアンテナは接地用金属被覆の上には直接位置付けられない。アンテナと接地用金属被覆との間の最小距離は、少なくとも２ｍｍで、アンテナと平行な接地用金属被覆の領域に依存する。
【００２０】
アンテナの基板はほぼ平坦で、かつほぼ長方形のものとすることができる。この幾何形状では、アンテナの位置をプリント回路基板（ＰＣＢ）に対して平行にも垂直にもすることができる。平行（垂直）配置は、ＰＣＢの最大領域がアンテナの最大領域に対して平行（垂直）になる構成を言うと理解されたい。
【００２１】
水平配置を選択する場合には、リフローはんだ付け処理によりアンテナを直接プリント回路基板上に実装することができる。これは、アンテナをアプリケーション内に組み込む安価な方法である。
【００２２】
アンテナをプリント回路基板の表面に対して垂直に並べた場合、アンテナはこの表面の狭い領域しか覆わない。これは、ＰＣＢ上に他の電子部品を配置する余地があり、及び／又はＰＣＢの寸法を削減できることを意味する。アンテナはプリント回路基板の上面及び／又は側面に配置するのが好適で、スナップ装着によってアプリケーションのカバーに装備することができる。アンテナをはめ込むカバーのくぼみに、特に好適には、ばね素子を実装する。アンテナの導電性共振構造体は、ばね接触子よって接触させることができる。
【００２３】
第１のアンテナは基本周波数（第１高調波）ｆ０１を有し、本明細書においては第１共振周波数と呼ぶこととする。ｆ０１は実質的に、ＧＳＭ８５０及びＧＳＭ９００の周波数帯域である、８２４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚの周波数帯域内の周波数とするのが好適である。さらに、第１のアンテナは、この周波数の約２倍で、ＧＳＭ１８００及びＧＳＭ１９００の周波数帯域である、第２の高調波ｆ１１を有する。
【００２４】
第１のアンテナは基本周波数ｆ０２を有し、本明細書においては、第２共振周波数と呼ぶこととする。ｆ０２は実質的に、ＵＭＴＳ周波数帯域を含む、１８８０ＭＨｚ〜２２００ＭＨｚの周波数帯域にある周波数とするのが好適である。
【００２５】
第１のアンテナは、１７１０ＭＨｚ〜２２００ＭＨｚの周波数帯域に実質的にある第２高調波を有するのが好適である。これは、その第１及び第２の共振構造体の長さをそれ相当に選ぶことにより、また、その第１及び第２の共振構造体間の距離を調節することにより達成できる。
【００２６】
アンテナは互いに個別に用いることができる。この場合、第１又は第２のアンテナの両方ではなく、どちらかにＲＦ発生器の電力を伝送する。従って、電力制御ユニットでどちらのアンテナを用いるかを決定する必要がある。
【００２７】
例えば電話といった電気通信デバイスをセルラー方式（ＧＳＭ、ＵＭＴＳ）で用いる場合には、ネットワークプロバイダーがどちらのアンテナを用いるべきか決定する。プロバイダーがＧＳＭ８５０／９００若しくはＧＳＭ１８００を用いる場合は、第１のアンテナを用いるべきである。プロバイダーがＵＭＴＳを用いる場合は、第２のアンテナを用いるべきである。さらに、ＧＳＭ１９００の周波数帯域には、両方のアンテナを用いることができる重複した部分がある。
【００２８】
現状の技術によれば、基地局は規則的にマイクロ秒の時間スケールで、電気通信デバイスに信号を送信する。基地局はこの信号で、基地局が受信する電気通信デバイスの信号強度を理解する。この情報は通常デバイスが使用して、その放射電力を、それなりに節約するように選定する。
【００２９】
そして、選択した周波数範囲において、基地局の制御信号を制御ユニットにより用いて、どちらのアンテナがより良好に受信しているかを判定することができる。この制御ユニットは所定のアルゴリズムに従って２つのアンテナを切替ることができ、かつ、基本信号を評価して、どの程度の信号の強さがより良好であるかを知ることができる。これに対応して、より良好な受信にあるアンテナを、放射を出すために用いる。この動作モードは、デバイスの出力電力を最小化して電力を節約するため、ユーザーが吸収する放射量を低減できる。
【００３０】
前述した制御ユニットで２つのアンテナの信号レベルを比較することによっても、使用するアンテナを制御することができる。この場合、基地局ではなく、この制御ユニットが信号強度を決定する。この場合には、大きい信号レベルを有するアンテナを、放射を出すために用いる。この構成において、アンテナモジュールは、（偏波）ダイバーシチアンテナモジュールとして動作することができる。この場合も、電力消費量及び放射吸収量が低減する。
【００３１】
別の例として、両方のアンテナが共振する周波数範囲内にて、２つのアンテナを同時に用いることができる。この場合、プリント回路基板は高周波発生器を備え、その信号は電力制御ユニットを介してアンテナに向けられる。
【００３２】
好適には、アンテナの少なくとも１つの給電線が位相調整器を備えるようにする。この場合、２つのアンテナの信号の位相位置を制御することができる。この位相位置は、デバイスの３次元放射パターンに大きく左右するため、送信の方向付けが可能となる。電力消費量及びユーザーに吸収されるエネルギー量は、一度に１つのアンテナしか用いない動作モードと比較して、さらに低減させることができる。
【００３３】
この点に関し、２つのアンテナが互いに垂直であるアンテナの構成では、２つのアンテナが互いに平行である構成よりも、より柔軟に、かつより効率的に放射パターンを制御することができる。従って、垂直構成の方が平行構成のものよりも有利である。
【００３４】
さらに、ＧＳＭ及びＵＭＴＳアンテナを分離して、それらのアンテナを１つのアンテナモジュールに一体化することによって、設計の自由度を増やすことができる。容積の総和は、両システムを一体化する１つのアンテナの容積よりも遥かに小さくなり、かつ、両方のアンテナは、別々に広い領域に配置することができる。さらに言えば、容積がより少なければアンテナを製造するのに必要な材料がより少なくて済み、よって電気通信デバイスの重量が低減する。後者の観点は特に、ユーザーが容易にポケットに入れておけるため、携帯型デバイスにとって適している。
【００３５】
本発明のこれらの、及び他の要点を、以下説明する実施例を参照にして明らかにし、かつ明確にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
図１は、１００×４０×１ｍｍ３の大きさで、接地用金属被覆（図示せず）を施したプリント回路基板を備える、アンテナモジュールの第１実施例を示す。基板１は主に、マイクロストリップの単一の層を有する誘電率εｒ＝２０の誘電体基板から成る。
【００３７】
このプリント回路基板１は基板の左側にＵＭＴＳ周波数帯域用の第１のアンテナ２を有する。この第１のアンテナは１１×１１×１ｍｍ３の大きさを有し、５０Ωの給電線路４でＲＦ発生器（図示せず）に接続されている。第２のアンテナ３は２４×１１×１ｍｍ３の大きさで、基板１の右上縁部に位置している。アンテナ３は５０Ωの給電線路４でＲＦ発生器に接続されている。前記基板の、これらのアンテナと面する箇所には金属被覆が施されていない。両方のアンテナとも、前述した誘電体ブロックアンテナである。
【００３８】
図２は誘電体ブロックアンテナ（ＤＢＡ）の主要部の概略図である。このＤＢＡは平坦で、ほぼ長方形である。セラミック基板５の表面に第１の共振構造体６及び第２の共振構造体７がある。第１の共振構造体６の端部は５０Ωの給電線路４に接続されている。第２の共振構造体７の終端８は接地される。この共振構造体６、７は、基板５上にプリントし導電性の高い銀の金属被覆から成る。
【００３９】
図３は、両方のアンテナを同時に用いることのできる構成のアンテナモジュールを示す。プリント回路基板１は、その表面に対して垂直に並べたアンテナ２、３を有する。電力制御ユニット１０は給電線路４、４´を介してアンテナ２、３に無線周波発生器９の信号を誘導する。この方法で、全ＲＦ電力がこの２つのアンテナ間に分配される。アンテナ２、３が受信する個々の信号の位相は、位相調整器１１、１１´で能動的に制御される。
【００４０】
基板１はさらに、アンテナが受信する信号の強度を比較することができるユニット１２も備えている。最も簡単なケースでは、信号強度が高い方のアンテナのみを放射を出すのに選択する。ユニット１２の情報は電力制御ユニット１０に伝わり、ＲＦ電力を分配するのに用いられる。
【００４１】
図４は、アンテナモジュールの散乱パラメータｓｘｘを周波数ｆの関数としてプロットした図である。この共振スペクトラムにおいて、ｓ１１（実線）はＧＳＭアンテナの散乱パラメータを示し、ｓ２２（点線）はＵＭＴＳアンテナの散乱パラメータを示し、ｓ１２（一点鎖線）はＧＳＭアンテナからＵＭＴＳアンテナへ、およびその逆の透過量を示す。一度に単一のアンテナのみを用いる構成で測定した。受動アンテナは５０Ωの抵抗で終端させた。
【００４２】
図１から分かるように、ｓ１１はＧＳＭ８５０及びＧＳＭ１８００周波数帯域において、２つの顕著な落ち込みを有し、ｓ２２はＵＭＴＳ周波数帯域で共振している。ｓ１２で示した２つのアンテナ間のアイソレーションは、−１１．５ｄＢより良好である。高域の周波数帯域におけるインピーダンス整合は−４ｄＢより良好である。
【００４３】
この２つのアンテナの共振の落ち込みは、ＧＳＭ１９００帯域の周波数範囲で重複している。この周波数帯域では、アンテナをダイバーシチアンテナモジュール、もしくはアンテナアレイとして用いることができる。
【００４４】
１９００ＭＨｚ付近の重複した領域における、２つのアンテナ間の透過量ｓ１２は著しく低くなり、一方のアンテナから他方のアンテナへ転送されるエネルギー量はこく少量である。これは、デバイスの効率が非常に高いことを意味する。
【００４５】
図５は、基本的には同様の共振スペクトラムであって、受動アンテナを開放したままとした点で異なる共振スペクトルを示す。実線はＵＭＴＳアンテナを開放したままの測定結果、点線はＧＳＭアンテナを開放したままの測定結果である。この手法は高域の周波数範囲におけるインピーダンス整合を改善し、−５ｄＢよりも良好になる。
【００４６】
受動アンテナの終端を５０Ωから開放に変えると、高域の周波数範囲（ＤＣＳ／ＰＣＳ／ＵＭＴＳ）における能動アンテナの効率が５〜１０％改善した。この改善の１つの理由は、両方のアンテナ間の相互作用により、この周波数範囲における整合が良くなるからであり、他の理由は、受信エネルギーを熱に変える５０Ωの終端と比較して、受動アンテナの開放端では受信エネルギーを反射するためである。
【００４７】
第２の実施例では、図１のアンテナモジュールを用いるが、より大きなＧＳＭアンテナを基板１の左頂部縁に配置し直す。図６は受動アンテナを５０Ωの抵抗で終端させた場合の散乱パラメータを示す。共振スペクトラムは図４のものと似ている。違いとしては、アイソレーションが劣っており、すなわち、−１１．５ｄＢと比べて−９ｄＢである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】ＧＳＭ及びＵＭＴＳ周波数帯域で使用するアンテナモジュールの、立面（左側）及び平面図（右側）である。
【図２】誘電体ブロックアンテナの概略図である。
【図３】両方のアンテナを同時に用いる際のアンテナモジュールの概略図である。
【図４】ＧＳＭアンテナを表面、ＵＭＴＳアンテナを側面位置に配置したアンテナモジュールであって、受動アンテナを５０Ωの抵抗で終端したアンテナモジュールの散乱パラメータを示すグラフである。
【図５】ＧＳＭアンテナを表面、ＵＭＴＳアンテナを側面位置に配置したアンテナモジュールであって、受動アンテナを開放したアンテナモジュールの散乱パラメータを示すグラフである。
【図６】ＧＳＭアンテナ及びＵＭＴＳアンテナを表面位置に配置したアンテナモジュールであって、受動アンテナを５０Ωの抵抗で終端したアンテナモジュールの散乱パラメータを示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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