(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
携帯式無線通信装置（３０）であって、
無線トランシーバと、
一体化されたイヤホーン（３２）と、
トランシーバへ接続されていてイヤホーンの近傍に配置されているアンテナ（１０）と、を有し、前記イヤホーンが、使用するときに利用者の耳へ押し当てられる装置の内側表面（３０Ｉ）から音響エネルギを発し、
前記アンテナが、５以上の比誘電率を有する固体材料からなり、中心軸を有する電気絶縁性コア（１２）と、一対のアンテナ素子（１０Ａ、１０Ｂ）を有するアンテナ素子構造とを有し、前記アンテナ素子がコアの外側表面上又は外側表面に隣接して対向する形にて、前記中心軸方向にともに延びて配置され前記コアの周囲で半ターンを形成し一体に連結されていて導電性ループを形成しており、それぞれのアンテナ素子がアンテナの中心軸（１２Ａ）の方向に離間された位置の間に延びて、これによってアンテナ素子構造が、前記中心軸を横断する方向にゼロ点を有するような放射パターンを有しており、
前記中心軸が概ね前記装置の内側表面（３０Ｉ）に対して平行であり、かつ、前記ゼロ点が装置の前記内側表面（３０Ｉ）に対して概ね直角であって装置から利用者の頭部への方向の放射のレベルが低減されるように、前記アンテナ（１０）が装置（３０）内に取り付けられている無線通信装置。
【請求項２】
前記アンテナコア（１２）が、コアの外側表面によって形成される容積の大部分を占めており、前記アンテナ素子（１０Ａ、１０Ｂ）が、各々の第１の端部において相互に接続されてコアのまわりに前記導電性ループを形成し、アンテナ素子の第２の端部が一対の給電接続部を構成している請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記離間された各位置において前記アンテナ素子の各端部（１０ＡＥ，１０ＢＥ，１０ＡＦ，１０ＢＦ）がコアの中心軸を含む一つの平面内（２４）にほぼ位置している請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記コア（１２）が円筒形状であり、前記アンテナ素子（１０Ａ、１０Ｂ）が等しい長さを有していて螺旋形状を有し、各々が各端部（１０ＡＥ，１０ＢＥ，１０ＡＦ，１０ＢＦ）の間でコア（１２）のまわりに半ターンを形成している請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記アンテナ素子構造が、離間された位置の一方において前記アンテナ素子（１０Ａ、１０Ｂ）の端部（１０ＡＦ、１０ＢＦ）を連結する連結導体（２０）を更に含み、前記連結導体が円筒を囲んで絶縁トラップを形成する導電性スリーブ（２０）により形成され、前記アンテナ素子（１０Ａ、１０Ｂ）の他方の端部が前記コア（１２）を貫通する軸方向フィーダ構造（１６−１８）に連結されている請求項３記載の装置。
【請求項６】
前記アンテナ素子がループの一部を形成しており、このループが一対の側部（１０Ａ，１０Ｂ）と、この側部の各々の間を延びるクロス（ｃｒｏｓｓ）部分（１０ＡＲ，１０ＢＲ，２０Ｕ）とを有し、側部の端部（１０ＡＥ，１０ＢＥ，１０ＡＦ，１０ＢＦ）が仮想的な長方形の角を形成しており、クロス部分の一方が給電接続部を含み、前記側部（１０Ａ，１０Ｂ）が、その端部の間を、長方形が形成する平面の両側で延びていて、前記側部（１０Ａ，１０Ｂ）の各々の各インクリメント（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ）が、対応する相補的なインクリメントを他方の側部に有し、これら相補的なインクリメントの対が、長方形の中心軸の両側で中心軸から等しい距離だけ離間されている請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記長方形が前記装置の内側表面（３０Ｉ）に対して概ね平行となるように前記アンテナ（１０）が装置（３０）内に取り付けられている請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記アンテナ（１０）が前記給電接続部において平衡した給電が行われ、前記ループが装置の動作周波数において３６０°の電気長を有する請求項２から５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
装置が８００ＭＨｚ〜９００ＭＨｚの範囲、若しくは１８００ＭＨｚ〜２０００ＭＨｚの範囲の動作周波数を有する請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
この発明は200ＭＨｚ以上の周波数で動作するアンテナ及びこのアンテナを含む無線通信装置に関する。
携帯電話（セルラ電話）あるいはコードレス電話の送受話器のアンテナに対する要件は、主としてそれがコンパクトで無指向性であることである。800ＭＨｚから2ＧＨｚの周波数範囲で動作する送受話器では、一般に、アンテナは伸ばしたときに大体１／４波長に等しくなるような長さの伸長式ロッドか、あるいは数ターンの螺旋ワイヤから成っている。アンテナは、通常、一部が送受話器ユニットの中に収容されており、イヤーホンに隣接するところで一部がユニット端部から突き出している。無線電話の送受話器に関する一つの障害は、アンテナに近いところで発生する強い電磁波に利用者の頭部が長時間にわたってさらされたときの健康に対する危害である。一般に放射パワーの90%が、頭部、なかでも特に血液の多い耳や唇などの部分によって吸収される。頭部による電磁波の吸収によって、放射の効率も低下する。その結果、最も近い基地局に対する送受話器及び利用者の向きによって、送受話器の動作範囲が狭くなる。
セルラ電話で使用されている周波数範囲（800ＭＨｚから2ＧＨｚ）で動作する他のアンテナとしては、いわゆる逆Ｆ形アンテナ（Inverted-F antenna）がある。これは、一方が他方の上方に離間して配置されている二つの共振パッチを有している。しかし、このアンテナは物理的に大きい。
同時係属の米国特許出願第08/351,631号には、小型衛星ナビゲーションアンテナが開示されている。このアンテナは、比誘電率が36であるような材料から形成されたセラミックロッドの外側表面上に設けられた四つの螺旋状導電性トラックからなる素子を有している。この螺旋素子は、主として円偏波した信号を受信する配置になっている。
この発明の目的の一つは、利用者の頭部の中への放射が小さくなるような改善された無線電話の送受話器アンテナを提供することである。
この発明の第１の実施の形態（aspect）においては、200ＭＨｚ以上の周波数で動作するアンテナは、５以上の比誘電率（εｒ）を有する材料から形成された電気絶縁性コアと、このコアの外側表面上か、あるいは外側表面に隣接して配置されたアンテナ素子構造を有している。コア材料は、コアの外側表面によって形成される容積の大部分を占めている。アンテナ素子構造は、コア外側表面上か、あるいは外側表面に隣接して対向する形に配置されている一対の細長いアンテナ素子からなっている。このアンテナ素子は、各端部において互いに連結されていて、コアのまわりに導電性材料から成る経路を形成している。アンテナ素子の他端は、給電接続部を構成している。この発明による好ましいアンテナでは、コアは中心軸を有する円筒であり、アンテナ素子は同じ空間的広がりを有し、各素子は、コアの外側円筒表面の上の軸方向に離間された位置の間を延びている。素子は、コアの上に蒸着あるいは接合された金属トラック（track）であり、素子の離間された各部分が、離間された各位置においてほぼ直径の両端に配置されていることが好ましい。離間された部分は、すべて、コアの中心軸を含む一つの平面内にほぼ位置している。離間された位置の一方における部分は、連結（link）導体によって一体に連結されていてループを形成している。離間された位置の他方における部分は、コア端面の上を一般に半径方向に延びるクロス素子によって、ループに対する給電接続部へ連結されている。給電接続部は、同軸フィーダ構造へ接続されている。アンテナの放射パターンは、平面の各サイドにおいて直角方向にゼロ点を有している。二つのゼロ点を除けば、放射パターンは無指向性である。
アンテナを電話の送受話器の中に取り付けることによって、利用者の頭部の中へ結合する放射強度はかなり低減される。対象とする周波数（800から900ＭＨｚ及び1800から2000ＭＨｚ）においては、アンテナを特にコンパクトな構成にすることができる。例えば、1880〜1900ＭＨｚの周波数範囲で動作するＤＥＣＴ（Digital European Cordless Telephone）は、εｒ＝36の比誘電率を有する誘電体材料を用いると、一般に20.2mmの長さと５mmの直径を有している。
従って、この発明の第２の実施の形態においては、無線トランシーバと、一体化されたイヤホーンと、トランシーバへ連結されていてイヤホーンのところに配置されているアンテナとを有する携帯式（handheld）無線通信装置が提供されている。イヤホーンは、使用するときに利用者の耳へ押し当てられる装置の内側表面から音響エネルギを発する。アンテナは、５以上の比誘電率（εｒ）を有する電気絶縁性コアと、一対のアンテナ素子を含むアンテナ素子構造を有している。アンテナ素子はコアの外側表面上か、あるいは外側表面に隣接して対向する形に同じ空間的広がりで配置されており、一体に連結されていてループを形成している。従って、アンテナ素子構造はアンテナ素子を横断する方向にゼロ点を有するような放射パターンを有している。アンテナは、ゼロ点が装置の内側表面に対してほぼ直角の方向を向き、利用者の頭部方向へのトランシーバの放射レベルが低減されるように、装置内に取り付けられている。アンテナのコアがドラム形状あるいはロッド形状のような円筒形状を有しており、同じ空間的広がりを有する一対のアンテナ素子を有し、そのアンテナ素子の端部がコアの中心軸を含む平面内に位置するときには、この平面は装置の内側表面と平行であることが好ましい。アンテナが金属スリーブ形状のトラップ又はバランを備えていると、アンテナループにほぼ平衡した状態で給電できるだけでなく、装置の比較的小さなグランドマスの影響（受信阻害）が低減され、例えばハンダ付けあるいはクランプによってアンテナを固定するための表面積が提供されることになる。
物理的及び電気的安定性の理由から、コアの材料はセラミックであり、例えば、チタン酸ジルコニウムをベースとした材料（zirconium-titanate-baed material）やチタン酸マグネシウムカルシウム（magnesium calcium titanate）、タンタル酸バリウムジルコニウム（barium zirconium tantalate）、チタン酸バリウムネオジミウム（barium neodymium titanate）、あるいはそれらの組み合わせなどのマイクロ波セラミック材料である。好ましい比誘電率（εｒ）は10以上であり、実際には20であり、チタン酸ジルコニウムをベースとした材料を用いたときには36という値が可能である。こうした材料は誘電体損が無視できる程度であり、アンテナのＱは、コアの損失よりも、アンテナ素子の電気抵抗によって支配される。
この発明の特に好ましい実施の形態は、固体（solid）材料から成る円筒形状のコアを有していて、コアは少なくともその外径と同じだけの軸方向長さを有し、固体材料の直径方向の寸法は外径の少なくとも50%である。従って、コアは、最大でもコアの全体直径の半分に等しいような直径の比較的細い軸方向通路を有するチューブの形をしている。
アンテナ素子が螺旋形状であり、各素子がコアのまわりで半ターンを形成していることが好ましいが、素子を中心軸と平行に配置し、螺旋形状の素子を有する上述したアンテナの場合のようにゼロ点が軸を横断するような放射パターンになるように素子を形成することも可能である。
好ましいアンテナにおいては、アンテナ素子は末端から給電される。コアは同軸フィーダ構造を収容する中央通路を有する。中央通路はコアの基端部あるいは取り付け端部から延びていて、末端において開口しており、そこで半径方向の素子がコアの外側円筒表面上のアンテナ素子を、フィーダ構造の内側導体及び外側導体へそれぞれ連結している。連結導体は環状でもよく、コアの基端部の外側表面上において円筒スリーブによって構成されていることが好ましい。
螺旋形状素子を使用するとコア中心軸に平行なアンテナ素子に比べてハンド幅が増大するため、アンテナ素子構造の選択がアンテナのバンド幅に影響する。
この発明の実施形態が、次の図面に基づいて説明される。
図１は、この発明によるアンテナの斜視図である。
図２は、図１のアンテナの放射パターンを示す図である。
図３は、この発明によるアンテナを用いた電話送受話器の斜視図である。
図４は、この発明によるアンテナの第２の実施の形態の斜視図である。
以下、添付図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。図１を参照するとわかるように、この発明のアンテナ１０は、長手方向に延びる二つのアンテナ素子１０Ａ、１０Ｂを備えたアンテナ素子構造を有している。アンテナ素子１０Ａ，１０Ｂは、セラミックのコア１２の外側円筒表面上に金属導体トラックとして形成されている。コア１２は内側にライニング１６を備えた軸方向の通路１４を有しており、通路には軸方向に内側導体１８が収容されている。この場合の内側導体１８とライニング１６は、コアの末端の端面１２Ｄにおける給電位置で給電線をアンテナ素子１０Ａ、１０Ｂへ連結するためのフィーダ構造を形成している。アンテナ素子構造はまた、対応する半径方向のアンテナ素子１０ＡＲ、１０ＢＲも有している。アンテナ素子１０ＡＲ、１０ＢＲも末端の端面１２Ｄの上に金属トラックとして形成されており、直径の両端に位置する、長手方向に延びるアンテナ素子１０Ａ、１０Ｂ（原文は１０Ｄ）の端部１０ＡＥ、１０ＢＥをフィーダ構造へ連結している。アンテナ素子１０Ａ、１０Ｂの他方の端部１０ＡＦ、１０ＢＦも直径の両端に配置されており、コア１２の基端部を取り囲むメッキされたスリーブ２０の形をした環状のコモン仮想接地導体によって連結されている。このスリーブ２０は、コア１２の基端部の端面１２Ｐ上のメッキ部分２２によって軸方向の通路１４のライニング１６へ接続されている。
この実施の形態においては、導電性スリーブ２０はアンテナのコア１２の基端部を覆っていてフィーダ構造１６、１８を取り囲んでおり、コア１２の材料がスリーブ２０と軸方向の通路１４の金属製ライニング１６との間のスペース全体に充填されている。スリーブ２０はコア１２の基端部の端面１２Ｐ上のメッキ部分２２によってライニング１６へ接続された円筒を形成している。スリーブ２０とメッキ部分２２が組み合わさってバランを形成しており、フィーダ構造１６、１８によって形成される伝送線路中の信号は、アンテナの基端部における非平衡状態と、スリーブ２０のほぼ上端２０Ｕに位置する平面内の軸方向位置における平衡状態との間で変換が行われる。この変換を行うために、スリーブ２０の軸方向の長さは、比較的大きな比誘電率を有するコア材料が下側に存在する状態でバランがアンテナ動作周波数において約λ／４の電気長を有するように決められる。アンテナのコア材料は短縮効果を有しているため、内側導体１８を取り囲む環状スペースには比較的小さな誘電率を有する誘電体材料１７が充填され、スリーブ２０末端のフィーダ構造は短い電気長を有する。この結果、フィーダ構造１６、１８の末端における信号は少なくとも大体は平衡している。
スリーブ２０の別の効果は、アンテナの動作周波数領域における信号に対して、スリーブ２０の上端２０Ｕがフィーダ構造の外側導体を構成するライニング１６によって表される（represented）グランド（ground）から効果的に絶縁されることである。このことは、アンテナ素子１０Ａ、１０Ｂの間を循環する電流が上端２０Ｕに制限され、アンテナ素子構造によって形成されるループが絶縁されることを意味している。従って、スリーブ２０は絶縁トラップとして動作する。
この実施の形態においては、長手方向に延びるアンテナ素子１０Ａ、１０Ｂは等しい長さを有しており、各々がコア１２の軸１２Ａのまわりに半ターンを形成する単純な螺旋の形を有している。
アンテナ素子１０Ａ、１０Ｂはそれぞれの半径方向のアンテナ素子１０ＡＲ、１０ＢＲによって、フィーダ構造の内側導体１８と外側ライニング１６へそれぞれ接続されている。従って、螺旋状のアンテナ素子１０Ａ、１０Ｂと、半径方向のアンテナ素子１０ＡＲ、１０ＢＲと、スリーブ２０がいっしょになってコア１２の外側表面上に導電性ループを形成している。このループは、コアの中を基端部から延びていてアンテナ素子１０Ａ、１０Ｂの間に位置するフィーダ構造によって、コア末端で給電される。従って、アンテナは端部給電式の二本螺旋構造を有している。
アンテナ素子１０Ａ、１０Ｂの四つの端部１０ＡＥ、１０ＡＦ、１０ＢＥ、１０ＢＦはすべて、コア１２の軸１２Ａを含む共通の平面内に位置することがわかろう。この共通の平面は図１において鎖線２４で表されている。アンテナ素子構造への給電接続部も共通の平面２４内に位置する。アンテナ素子構造は、平面２４に対して直角な方向２８からアンテナへ入射し平面波面を有する波によってこの構造の素子部分に誘起される電流を総和したものが、給電位置、すなわちフィーダ構造１６，１８がアンテナ素子構造へ接続されているところでゼロになるようなものになっている。実際には、二つのアンテナ素子１０Ａ、１０Ｂは平面２４の両側に同じように配置されており、同じように重み付けされて（weighted）いて、平面に関してベクトル的に対称である。各アンテナ素子１０Ａ、１０Ｂは、多数のインクリメント（increment）から構成されているとみなすことができる。各インクリメントは、アンテナ素子１０Ａ、１０Ｂの他方の対応する相補的なインクリメントと、中心軸１２Ａから等しい距離で直径の反対側に配置されている。
半ターンの螺旋からなるアンテナ素子１０Ａ、１０Ｂを有するアンテナ素子構造は、単純な平面ループと同じような機能を有し、軸１２Ａを横断し平面２４と直角な方向に放射パターンのゼロ点を有している。従って、放射パターンは、図２に示されているように、軸１２Ａを横切る垂直及び水平の両方の平面内においておおよそ８の字の形をしている。図１の斜視図に対する放射パターンの方向は、図１及び図２の両方に示されている座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚによって示されている。放射パターンは、アンテナの各サイドに一つずつ、二つのゼロ点あるいはくぼみを有している。このくぼみは図１に示されているライン２８の上に中心を有する。
このアンテナは、200ＭＨｚから5ＧＨｚの間の周波数に特有の応用を有している。この放射パターンは、図３に示されているような携帯電話（セルラ電話）やコードレス電話の送受話器などの携帯式の通信装置で使用するのに特に有用である。放射パターンのゼロ点の一つを利用者の頭部の方向に向けるために、アンテナの中心軸１２Ａ（図３を参照）と平面２４（図１を参照）が送受話器３０の内側表面３０Ｉと平行になるように、特にイヤホーン３２の部分で内側表面３０Ｉと平行になるようにアンテナは取り付けられている。図示のように軸１２Ａは送受話器３０の中でも長手方向に延びている。また、アンテナとその放射パターンと送受話器３０の相対的な方向は、図３に示されている座標系Ｘ、Ｙ、Ｚを図１及び図２の座標系表示と比較することによって明らかである。
アンテナのコア１２に適した材料は、チタン酸ジルコニウムをベースとした材料である。この材料は比誘電率36を有し、温度変化に対して寸法的及び電気的にも安定している。誘電体損は無視できる。コアは押し出しあるいは圧縮成形によって製造される。
アンテナ素子１０Ａ、１０Ｂ、１０ＡＲ、１０ＢＲは、コア１２の外側円筒表面及び末端端面へ接合された金属導体トラックである。各トラックはその動作長にわたってその厚みの少なくとも４倍の幅を有している。トラックは、まずコア１２の表面に金属層をメッキし、次にこの層を選択的にエッチングして、プリント回路基板のエッチングに使用されるものと類似した感光層に付けられたパターンに従って、コア１２を露光して形成される。これとは違って、金属材料を選択性蒸着あるいは印刷技術によって付けてもよい。いずれの場合にも、寸法的に安定したコアの外側に一体化された層としてトラックを形成することによって、寸法的に安定したアンテナ素子を有するアンテナが提供される。
空気よりもかなり大きな比誘電率（例えばεｒ＝36）を有するコア材料においては、1880ＭＨｚ〜1900ＭＨｚの領域におけるＤＥＣＴバンド用の上述したアンテナは約5mmのコア直径を有し、長手方向に延びるアンテナ素子１０Ａ、１０Ｂは約12.7mmの長さ（中心軸１２Ａに平行な）を有する。アンテナ素子１０Ａ、１０Ｂの幅は約0.3mmである。1890ＭＨｚにおいては、バランスリーブ２０の長さは一般に7.5mmか、それ以下である。空気中の動作波長λで表すと、これらの寸法は、アンテナ素子１０Ａ、１０Ｂの長手方向（軸方向）の長さが0.08λ、コア直径が0.0315λ、バランスリーブが0.047λ以下、トラック幅が0.00189λである。アンテナ素子１０Ａ、１０Ｂの正確な寸法は、固有値遅延測定による試行錯誤に基づいて設計段階で決定することができる。
アンテナを製造するときのメッキ素子の寸法調節は、我々の同時係属の米国特許出願第08/351,631号の図３〜図６を参照することによってそこに記載されているようにして行うことができる。この同時係属の特許出願の主題全体が、この明細書において組み込まれている。
このアンテナは小型のものであるため、移動電話の送受話器やその他のパーソナル通信装置などの携帯式装置に特に適している。コア１２の基端端面１２Ｐ上のメッキされたバランスリーブ２０及び／又はメッキ部分２２によって、アンテナは、プリント回路基板や他のグランド（ground）構造へ直接にしっかりと固定され得る。一般に、アンテナをその端部において取り付ける場合には、基端端面１２Ｐをプリント回路基板の上側表面上のグランドプレーン（ground plane）へハンダ付けすることができる。給電用の内側導体１８は、基板内のメッキされた孔を通して、下側表面上の導体トラックへハンダ付けされる。これとは違って、スリーブ２０を軸１２Ａと平行に延びるプリント回路基板のグランドプレーンへクランプするかハンダ付けしてもよい。アンテナ素子１０Ａ、１０Ｂを支えるアンテナの末端はグランドプレーンの端を越えて延びている。アンテナ１０を送受話器ユニットの内部に完全に収容することも、図３に示されているように一部が突き出すように取り付けることも可能である。
この発明の別の実施の形態が図４に示されている。
図４を参照するとわかるように、コア１２の円筒表面の上にメッキされたアンテナ素子１０Ａ、１０Ｂは、この場合には、中心軸１２Ａの両側において中心軸と平行に設けられている。図１の実施の形態におけるように、アンテナ素子１０Ａ、１０Ｂは、各々、フィーダ構造の内側導体１８及び外側導体１６に、コア１２の末端端面１２Ｄ上に設けられた半径方向のアンテナ素子１０ＡＲ、１０ＢＲを介して接続されている。この場合にも、スリーブ２０は絶縁トラップを形成していて、その上端は、一方のフィーダ導体１６から他方のフィーダ導体１８までコアのまわりを延びるループの一部を形成している。他の点では、図４のアンテナは、図１のアンテナと同様である。それは、同様な放射パターンを有し、ゼロ点は、中心軸を横断し、アンテナ素子１０Ａ、１０Ｂ及びフィーダ構造１６，１８を含む平面と直角な方向に位置する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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