(57)【要約】アンテナ装置が、グランド面（１０４）と実質的に平行に支持されるパッチ導体（１０２）と、該パッチ導体に接続されるフィード導体（１０６）とを有している。このような装置は、従来の平面逆Ｆ型アンテナ（ＰＩＦＡ）と似ているが、既知のＰＩＦＡにおけるパッチ導体とグランド面との間に接続される追加のグランド導体が欠如している。このグランド導体の除去は、外部の回路によってマッチングが行われることを可能にし、それによってより良好なマッチングが実現されることを可能にし、従来のＰＩＦＡアンテナと同様の性能が低減された体積から実現されることも可能にする。これら利点は、とりわけデュアルバンド（又はマルチバンド）の動作について明らかであり、かかる動作では、デュアルバンドマッチング回路の使用によって、非常に小さく且つより簡略なアンテナの使用が可能にされる。
2004519915.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
グランド面と実質的に平行に支持される実質的に平面のパッチ導体と、該パッチ導体に接続されるフィード導体とを有するアンテナ装置であって、
前記パッチ導体が、当該アンテナ装置の動作周波数において前記グランド面から電気的に絶縁され、
前記フィード導体が、複数の別個の周波数において当該アンテナにマッチングを与えるマッチングネットワークに結合されるアンテナ装置。
【請求項２】
前記グランド面が、前記パッチ導体から離れて配されるとともに、前記パッチ導体と同一の広がりをもつことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記マッチングネットワークが、複数のマッチング回路に結合される複数の入力部と、前記複数のマッチング回路のうち１つを選択するスイッチング手段とを有し、前記スイッチング手段の出力部が、前記フィード導体に結合されることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記スイッチング手段が、ＭＥＭＳスイッチを有することを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のアンテナ装置を含む無線通信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、実質的に平面のパッチ導体を有するアンテナ装置及びこのような装置を組み込んだ無線通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動電話機のような無線端末は、一般に、ノーマルモードヘリックス又はメアンダラインアンテナのような外部アンテナと、平面逆Ｆ型アンテナ（ＰＩＦＡ）又は同様のアンテナのような内部アンテナとのどちらも組み込んでいる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなアンテナは、（波長に対して）短く、従って短いアンテナの根本的な制限のために狭帯域である。しかしながら、セル方式の無線通信システムは、通常、１０％又はそれ以上の帯域幅の部分（フラクショナル）を有している。パッチアンテナの帯域幅とその体積との間には直接的な関係があるので、例えばＰＩＦＡからこのような帯域幅を実現することには、かなりの体積を要するが、小型の電話機に向かう現在の傾向では、そのような体積は容易に利用可能ではない。また、パッチの高さが増大するのにしたがってＰＩＦＡは共振時にリアクティブになり、このことは、帯域幅を改善するのに必要である。
【０００４】
デュアルバンド用途の使用を目的としているＰＩＦＡは、通常、共通のフィードポイントをもつ２つの共振器を有している。このようなアンテナの一例は、欧州特許出願ＥＰ０，９９７，９７４に開示されており、この出願では、２つのＰＩＦＡアンテナは、共通ポイントからフィードされ、共通のショートピンを共用している。しかしながら、複数の共振器の使用は、アンテナの体積をさらに増大させる。
【０００５】
本発明の目的は、既知のＰＩＦＡよりも実質的により小さな体積を要する一方で、同様のデュアルバンド又はマルチバンド性能を供給する平面アンテナ装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、グランド面と実質的に平行に支持される実質的に平面のパッチ導体と、このパッチ導体に接続されるフィード導体とを有するアンテナ装置であって、前記パッチ導体が、当該アンテナ装置の動作周波数において前記グランド面から電気的に絶縁され、前記フィード導体が、複数の別個の周波数において当該アンテナにマッチング（整合）を与えるマッチングネットワークに結合されるアンテナ装置が提供される。
【０００７】
このようなアンテナ装置は、パッチ導体とグランド面との間に接続されるグランド導体が無いという点において従来のＰＩＦＡとは異なる。このグランド導体を除去するとともに、外部回路とデュアルバンド（又はマルチバンド）マッチングを行うことによって、より良好なマッチングが周波数の広い範囲にわたって実現されることができ、従来のＰＩＦＡアンテナと同様の性能を、低減された体積から且つより簡略なアンテナで実現することが可能になる。
【０００８】
本発明の第２の態様によれば、本発明によって作られたアンテナ装置を含む無線通信装置が提供される。
【０００９】
本発明は、ＰＩＦＡからグランドピンを除去するとともに、別個のマルチバンドマッチングネットワークを活用することによって、大きく低減されたアンテナの体積が可能になるという従来技術では与えられていない認識に基づいている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、添付図面を参照して、例として以下に記述されるであろう。
【００１１】
各図面において、同じ参照符号が対応する特徴を示すために用いられている。
【００１２】
図１に、電話機に搭載された平面逆Ｌ型アンテナ（ＰＩＬＡ）の斜視図が示されている。このＰＩＬＡは、電話機の一部を形成するグランド面１０４と平行に支持された矩形のパッチ導体１０２を有している。上記アンテナは、フィードピン１０６を介してフィードされる。このようなアンテナは、パッチ導体１０２をグランド面１０４に接続する追加のショートピンが無いという点において、ＰＩＦＡとは異なっている。
【００１３】
ＰＩＦＡにおいては、ショートピンがマッチング機能を果たすけれども、このマッチングはある１つの周波数においてのみ効果的であり、他の周波数におけるマッチングが犠牲にされている。出願人の係属中の未公開の英国特許出願ＧＢ０１０１６６７．４（出願人整理番号ＰＨＧＢ０１０００９）は、どのようにして従来のＰＩＦＡのショートピン及びフィードピンが、（各々のピンに反対向きの電流が流れる）差動モードにおいて短絡回路の伝送ラインを形成しているのかを示している。この伝送ラインは、マッチング機能（分流リアクタンス）を果たす。コモンモードでは、高い方へのインピーダンスの変化も行なわれる。しかしながら、生成されたマッチングはデュアルバンド（又はマルチバンド）用途に最適ではなく、一般的に、ディスクリート部品を用いれば、より良好なマッチングが生成されることができる。
【００１４】
ＧＳＭ及びＤＣＳ周波数帯域において使用するためのＰＩＬＡの実施の形態では、パッチ導体１０２は２０×１０ｍｍの寸法を有しており、４０×１００×１ｍｍの寸法であるグランド面１０４の８ｍｍ上側に位置している。フィードピン１０６は、パッチ導体１０２及びグランド面１０４の両方の角部に位置している。
【００１５】
Ａｎｓｏｆｔ 社から入手可能な３次元高周波電磁界シミュレータ（ＨＦＳＳ）を用いて、（マッチングさせていない）この実施の形態のリターンロスＳ１１のシミュレーションが行なわれ、８００ＭＨｚと３０００ＭＨｚとの間の周波数ｆに関して図２に示されている結果を得た。同じ周波数範囲にわたって、この実施の形態のシミュレーションされたインピーダンスを図示するスミスチャートが、図３に示されている。レスポンスは、低周波数において容量的であり、高周波数において誘導的である。抵抗は、全周波数帯域にわたって、１０Ωと３００Ωとの間においてのみ変化し、このことは、グランド面１０４の影響に依るところが大きい。
【００１６】
このインピーダンス特性により、フィードピン１０６とグランド面１０４との間に接続された分流ＬＣ共振回路を用いて広帯域にマッチングを与えることが簡単になる。双方が一定の５０のＱ値を持つものとして見なされる、１ｎＨのインダクタンス及び８ｐＦのキャパシタンスを用いて、上記共振回路を介してフィードされる、図１に示されたＰＩＬＡのシミュレーションが行なわれた。双方の場合において８００ＭＨｚと３０００ＭＨｚとの間の周波数ｆに関して、リターンロスＳ１１の結果が図４に示されるとともに、図５にスミスチャートが示されている。ＬＣ共振回路が、上記アンテナの帯域幅を大幅に改善した広帯域／デュアルバンドのレスポンスを供給することは明らかである。
【００１７】
しかしながら、単純な分流ＬＣマッチングは明らかに最善策ではなく、以下の方策を含む範囲によって更に改善されることが可能である。
・  パッチ導体１０２又はグランド面１０４の寸法（ディメンジョン）を変更する方策。
・  直列ＬＣ共振器を加える方策。
・  通常のＬ型，Π型又はＴ型のマッチング回路をさらに加える方策。
当業者であれば、これら方策の全ての使用に通じているであろう。
【００１８】
上記ＰＩＬＡ構造は、デュアルバンドマッチング回路を介してフィードされるように変更することもできる。ＧＳＭ及びＤＣＳ−１８００の用途に適した回路の例が図６に示されており、この図６において使用されている部品は以下の値を有する。すなわち、Ｃ１が１．２ｐＦ、Ｌ１が６．５ｎＨ、Ｃ２が３ｐＦ、Ｌ２が６．９ｎＨである。使用に際して、上記マッチング回路は、接続部Ｐ１及びＰ２の両端の５０Ωソースからフィードされ、Ｐ３はフィードピン１０６に接続され、Ｐ４はグランド面１０４に接続されている。
【００１９】
図６に示されているこのようなデュアルバンドマッチング回路を介してフィードされる、図１に示されているＰＩＬＡのシミュレーションが行なわれた。双方の場合において８００ＭＨｚと３０００ＭＨｚとの間の周波数ｆに関して、リターンロスＳ１１の結果が図７に示され、スミスチャートが図８に示されている。２つの共振の中心は、１２０ＭＨｚの３ｄＢ帯域幅に関して９２０ＭＨｚと、３５０ＭＨｚの３ｄＢ帯域幅に関して１８１０ＭＨｚとである。この性能は、従来のデュアルバンドＰＩＦＡ構造の性能に近い。しかしながら、このような従来のデュアルバンドＰＩＦＡは、通常、３０×３０×８ｍｍの寸法を有し、７２００ｍｍ３の体積を生成する。この体積は、図１のＰＩＬＡの体積１６００ｍｍ３の４倍以上になる。
【００２０】
それぞれのマッチング回路の部品が５０のＱ値を持つものとして見なされるアンテナの効率は、ＧＳＭについて４０％、ＤＣＳについて７０％である。ここでもまた、上記効率は、従来のＰＩＦＡ設計の一般的な効率に近い。リターンロス及び効率がさらに最適化されうることは明らかであろう。
【００２１】
他の実施の形態は、本発明によって作られたアンテナ装置の広い適用可能性を実証している。図１に示されているものと同じ寸法を有するＰＩＬＡは、図９に示されている切り換え式の５つの帯域のマッチング回路を介して駆動される。このようなマルチプレクサ回路は、出願人の係属中の未公開の国際特許出願ＰＣＴ／ＥＰ０１／０６７６０（出願人整理番号ＰＨＧＢ００００８３）に開示されている回路に基づいている。この回路は、ＲＦ信号をフィードピン１０６に結合する出力部９０２と、入力ソースを選択する５方向のスイッチ９０４とを有している。ここには次の６つの入力部があり、すなわち、ＵＭＴＳ受信部９０６及びＵＭＴＳ送信部９０８と、ＤＣＳ受信部９１０及びＤＣＳ送信部９１２と、ＧＳＭ受信部９１４及びＧＳＭ送信部９１６とである。
【００２２】
ＵＭＴＳ信号は、（周波数分割デュプレックス動作を可能にするために）ダイプレクサ９１８と、１．５ｐＦのキャパシタＣ１を有するマッチングネットワークとを介してフィードされる。前記マッチングネットワークのその他の部分（アーム）における部品の値は、Ｃ２が１．４ｐＦ、Ｌ１が０．７５ｎＨ、Ｌ２が１０ｎＨ、Ｌ３が１４ｎＨ、Ｌ４が１３ｎＨ、Ｌ５が１０ｎＨ、Ｃ３が０．７５ｐＦである。ＵＭＴＳのマッチングは５０Ωシステム用に設計された一方で、ＧＳＭ及びＤＣＳ伝送は１０Ω用に、ＧＳＭ及びＤＣＳ受信は２５０Ω用に設計された。このことは、このようなマルチプレクサ装置の特有の利点、すなわち、各々の帯域について周波数とインピーダンス特性との双方の個別のマッチングが可能になり、大いに最適化された性能を可能にするという利点を実証する。
【００２３】
図９の５つの帯域のマッチング回路を介してフィードされる図１のＰＩＬＡのシミュレーションが行なわれた。これらに関して、スイッチ９０４は、５つのレジスタとして、すなわち（５０Ωシステムの０．２ｄＢに相当する）選択されたブランチに対する２．２５Ωレジスタと、（５０Ωシステムの３０ｄＢに相当する）他のブランチに対する５０ｋΩレジスタとしてシミュレーションされた。この品質のスイッチは、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）により簡略に実現されるべきである。
【００２４】
８００ＭＨｚと３０００ＭＨｚとの間の周波数ｆに関するリターンロスＳ１１のシミュレーションされた結果が、ＵＭＴＳブランチ（分岐）に関して図１０に示されるとともに、同じ周波数範囲にわたるインピーダンスのスミスチャートが図１１に示され、ＧＳＭ伝送ブランチに関する結果が図１２に示されるとともに、そのスミスチャートが図１３に示されている。全てのブランチに関する結果は、以下の表１により要約されている。
【００２５】
【表１】
2004519915.tif 000003
【００２６】
この表において、帯域幅は、特定の周波数帯域にわたるＳ１１の最大値（の負性）を示している。各帯域幅はすべてが全く受け入れ可能であり、効率も同様である。絶縁値は、マルチプレクサネットワークが、スイッチ９０４により与えられる絶縁を超える追加の絶縁を与えることを示しており、このことは多くの実施の形態において有用になり得る。
【００２７】
この実施の形態は、マルチバンドマッチングネットワークと共に非常にコンパクトなＰＩＬＡが、異なる周波数における通信帯域の範囲にわたって非常に良好な性能を供給できるということを実証する。
【００２８】
上記に説明された実施の形態においては、マッチング部品の全てがアンテナの外側にあったけれども、例えば、アンテナを支持する低損失基板によりマッチング機能がアンテナ構造自身上で果たされることも可能である。このことは、例えばより高いＱ値のインダクタの含有を可能にし得る。
【００２９】
本明細書の開示を読むことから、当業者であれば他の変形が明らかであろう。このような変形は、アンテナ装置のデザイン、製造及び使用並びにその部品において既に知られている他の特徴や、本明細書において既に述べた特徴に代えて、又はそれに加えて用いられ得る特徴を含んでいてもよい。
【００３０】
本明細書及び特許請求の範囲において、構成要素の前に付された「ａ」又は「ａｎ」は、複数のそのような構成要素の存在を除外するものではない。また、「有する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、列挙されている構成要素又はステップ以外の他の構成要素又はステップの存在を除外するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】電話機に搭載された平面逆Ｌ型アンテナ（ＰＩＬＡ）の斜視図である。
【図２】マッチングさせていない図１のＰＩＬＡの周波数ｆ（ＭＨｚ）に対するシミュレーションされたリターンロスＳ１１（ｄＢ）のグラフである。
【図３】８００〜３０００ＭＨｚの周波数範囲にわたる、図１のＰＩＬＡのシミュレーションされたインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図４】分流ＬＣ共振回路を介して駆動される図１のＰＩＬＡの周波数ｆ（ＭＨｚ）に対するリターンロスＳ１１（ｄＢ）のグラフである。
【図５】８００〜３０００ＭＨｚの周波数範囲にわたる、分流ＬＣ共振回路を介して駆動される図１のＰＩＬＡのインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図６】デュアルバンドマッチング回路の回路図である。
【図７】図６のマッチング回路を介して駆動される図１のＰＩＬＡの周波数ｆ（ＭＨｚ）に対するシミュレーションされたリターンロスＳ１１（ｄＢ）のグラフである。
【図８】図６のマッチング回路を介して駆動される８００〜３０００ＭＨｚの周波数範囲にわたる、図１のＰＩＬＡのシミュレーションされたインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図９】ＵＭＴＳ，ＤＣＳ−１８００及びＧＳＭに関する５つの帯域のマッチングネットワークの回路図である。
【図１０】図９のＵＭＴＳマッチング回路を介して駆動される図１のＰＩＬＡの周波数ｆ（ＭＨｚ）に対するシミュレーションされたリターンロスＳ１１（ｄＢ）のグラフである。
【図１１】図９のＵＭＴＳマッチング回路を介して駆動される８００〜３０００ＭＨｚの周波数範囲にわたる、図１のＰＩＬＡのシミュレーションされたインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図１２】図９のＧＳＭ Ｔｘマッチング回路を介して駆動される図１のＰＩＬＡの周波数ｆ（ＭＨｚ）に対するシミュレーションされたリターンロスＳ１１（ｄＢ）のグラフである。
【図１３】図９のＧＳＭ Ｔｘマッチング回路を介して駆動される８００〜３０００ＭＨｚの周波数範囲にわたる、図１のＰＩＬＡのシミュレーションされたインピーダンスを示すスミスチャートである。
【国際公開パンフレット】
2004519915.tif 000004
2004519915.tif 000005
2004519915.tif 000006
2004519915.tif 000007
2004519915.tif 000008
2004519915.tif 000009
2004519915.tif 000010
2004519915.tif 000011
2004519915.tif 000012
2004519915.tif 000013
2004519915.tif 000014
2004519915.tif 000015
2004519915.tif 000016
2004519915.tif 000017
2004519915.tif 000018
2004519915.tif 000019
【国際調査報告】
2004519915.tif 000020
2004519915.tif 000021
2004519915.tif 000022