(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
グランド面（１０４）と、前記グランド面から離れて配されると共に、前記グランド面と同一の広がりを持つ実質的に平面のパッチ導体（１０２）とを具え、前記平面のパッチ導体にスロット（２０２）が設けられ、前記スロットが、前記平面のパッチ導体の縁部付近に設けられるとともに前記パッチ導体に非対称的に位置し、前記平面のパッチ導体の第１接続ポイント（１０６）及び第２接続ポイント（１０８）がそれぞれ、前記平面のパッチ導体の周辺において前記スロットのそれぞれの側に配置され、前記第１接続ポイント（１０６）に接続されたＲＦ信号段（３０２）を更に具えるアンテナ装置において、前記スロット（２０２）に対して前記第１接続ポイント（１０６）の反対側の位置で前記平面のパッチ導体の周辺に第３の接続ポイント（４０２）を設け、少なくとも一つの第１スイッチ手段（３０４）を前記第２接続ポイント（１０８）に接続し、少なくとも一つの第２スイッチ手段（４０４）を前記第３接続ポイント（４０２）に接続し、これによって、前記アンテナ装置が、前記第１スイッチを開くことによって前記第２接続ポイント（１０８）を開回路にするとともに前記第２スイッチ手段を閉じて前記第３接続ポイント（４０２）を接地する第１のモードと、前記第１スイッチ手段（３０４）を閉じることによって前記第２接続ポイント（１０８）を接地するとともに前記第２スイッチ手段（４０４）を開くことによって前記第３接続ポイント（４０２）を開回路にする第２のモードとで動作することを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記平面のパッチ導体が、非対称に位置したスロット（２０２）によって切り離された小区分と大区分とを具え、前記第１接続ポイント（１０６）及び前記第３接続ポイント（４０２）が前記小区分に位置し、前記第２接続ポイント（１０８）が前記大区分に位置することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
非対称に位置する他のスロット（５０２）を前記平面のパッチ導体（１０２）に設け、前記他のスロット（５０２）が、前記平面のパッチ導体の縁部付近に設けられ、前記第１接続ポイント（１０６）及び前記第３接続ポイント（４０２）がそれぞれ、前記他のスロットのそれぞれの側に配置されたことを特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ装置。
【請求項４】
請求項１ないし３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を組み込んでいる。
【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にしたがってＰＩＦＡは共振時にリアクティブになり、これは、帯域幅を改善するために必要である。
【０００４】
他の問題は、デュアルバンドアンテナが必要とされる場合に生じる。この場合、同じ構造体の内部に２つの共振器が必要とされ、これは、各周波数において利用可能なアンテナ領域の一部のみしか有効に用いられないことを意味している。アンテナの帯域幅はそのサイズに関係があるので、２つの帯域における広帯域動作を与えるためには、非常に大きな体積が必要とされる。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有している。低周波素子が高周波素子に巻き付けられており、これは、上記高周波素子がアンテナ全体のサイズに比べて小さくなければならない（従って狭帯域でなければならない）ことを意味する。
【０００５】
出願人の係属中の公開されていない英国特許出願0101667.4（出願人整理番号PHGB010009）には、従来のＰＩＦＡの変形例が開示されており、この変形例では、フィードピンとショートピンとの間においてＰＩＦＡにスロットが取り入れられている。このような装置は、かなり改善されたインピーダンス特性を提供したが、一方で、従来のＰＩＦＡよりも小さい体積を必要とする。
【０００６】
本発明の目的は、改善された平面アンテナ装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の観点によれば、グランド面（１０４）と、前記グランド面から離れて配されると共に、前記グランド面と同一の広がりを持つ実質的に平面のパッチ導体（１０２）とを具え、前記平面のパッチ導体にスロット（２０２）が設けられ、前記スロットが、前記平面のパッチ導体の縁部付近に設けられるとともに前記パッチ導体に非対称的に位置し、前記平面のパッチ導体の第１接続ポイント（１０６）及び第２接続ポイント（１０８）がそれぞれ、前記平面のパッチ導体の周辺において前記スロットのそれぞれの側に配置され、前記第１接続ポイント（１０６）に接続されたＲＦ信号段（３０２）を更に具えるアンテナ装置において、前記スロット（２０２）に対して前記第１接続ポイント（１０６）の反対側の位置で前記平面のパッチ導体の周辺に第３の接続ポイント（４０２）を設け、少なくとも一つの第１スイッチ手段（３０４）を前記第２接続ポイント（１０８）に接続し、少なくとも一つの第２スイッチ手段（４０４）を前記第３接続ポイント（４０２）に接続し、これによって、前記アンテナ装置が、前記第１スイッチを開くことによって前記第２接続ポイント（１０８）を開回路にするとともに前記第２スイッチ手段を閉じて前記第３接続ポイント（４０２）を接地する第１のモードと、前記第１スイッチ手段（３０４）を閉じることによって前記第２接続ポイント（１０８）を接地するとともに前記第２スイッチ手段（４０４）を開くことによって前記第３接続ポイント（４０２）を開回路にする第２のモードとで動作することを特徴とするアンテナ装置が提供される。
【０００８】
上記各接続ポイントに接続されるインピーダンスを変化させることにより、当該アンテナにフィードされる電流が異なる経路をたどり、これによって異なる動作モードが与えられる。上記モードは、異なる共振周波数及び／又は異なるインピーダンスを含み得る。上記インピーダンスは、短絡回路及び開回路を含んでいてもよく、これはスイッチ又は受動回路により提供され得る。他の接続ポイントが設けられていてもよく、上記無線回路が分散（distributed）ダイプレクサを含んでいてもよい。これらの装置の全ては、全てのモードにおいて上記パッチ導体を完全に使用することにより、同等の体積のＰＩＦＡと比べて低減されたアンテナの体積を可能にするという利点を有している。
【０００９】
本発明の第２の観点によれば、本発明によるアンテナ装置を含む無線通信装置が提供される。
【００１０】
本発明は、ＰＩＦＡのパッチ導体のポイントに接続されるインピーダンスが変化することを可能にすることによって、全ての帯域においてパッチ領域を完全に使用するデュアルバンドアンテナ及びマルチバンドアンテナが可能になるという従来の技術では与えられていない認識に基づいている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
添付の図面を参照して、本発明の実施の形態が例として説明される。
【００１２】
各図面において、対応する特徴を示すために同一の参照符号が用いられている。
【００１３】
図１に、電話機に搭載されたＰＩＦＡの斜視図が示されている。このＰＩＦＡ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、ショートピン１０８によりグランド面１０４に接続される。
【００１４】
ＰＩＦＡの典型的な実施の形態では、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おり、ショートピン１０８は、フィードピン１０６から３ｍｍ離れている。
【００１５】
ＰＩＦＡのインピーダンスが誘導性であることはよく知られている。これに関する１つの説明は、フィードピン１０６及びショートピン１０８の電流を差動モード（等しくかつ反対方向、非放射）の電流とコモンモード（同じ方向、放射）の電流との合計とみなすことにより与えられる。上記差動モードの電流に関して、フィードピン１０６及びショートピン１０８は、波長に対して非常に短い長さ（図１に示した実施の形態では、２ＧＨｚで８ｍｍ又は０．０５λ）のために容量性リアクタンスを有する短絡回路の伝送ラインを形成する。
【００１６】
図２は、出願人の係属中の公開されていない英国特許出願GB0101667.4（出願人整理番号PHGB010009）に開示されている、標準的なＰＩＦＡの変形例の斜視図であり、この変形例では、フィードピン１０６とショートピン１０８との間においてパッチ導体１０２にスロット２０２が設けられている。上記スロットの存在は、フィードピン１０６及びショートピン１０８によって形成される短絡回路の伝送ラインの長さを増大させることにより、当該アンテナ装置の差動モードのインピーダンスに影響を及ぼし、これは、上記アンテナのインピーダンスの容量性成分が大きく低減されることを可能にする。これは、スロット２０２がフィードピン１０６及びショートピン１０８により形成される短絡回路の伝送ラインの長さを大きく増大させ、これにより上記伝送ラインのインピーダンスがより小さな容量性になることを可能にするからである。従って、この装置は、差動スロット（Differentially Slotted）ＰＩＦＡ（ＤＳ−ＰＩＦＡ）として知られている。
【００１７】
上記参照特許出願では、上記スロットの存在がインピーダンスの変化を与えることも示されている。これは、上記ＤＳ−ＰＩＦＡが、非常に短く、多量に（heavily）トップロードされる折り返し（folded）モノポールと同様であると見なされ得るからである。上記インピーダンスの変化は、スロット２０２がパッチ導体１０２において中心的に位置する場合、約４倍である。パッチ導体１０２上のスロット２０２の非対称の構成は、上記インピーダンスの変化を調節するために用いられることが可能であり、当該アンテナの抵抗性インピーダンスが５０Ωの回路により良好に整合するように調節されることを可能にする。
【００１８】
本発明の第１の実施の形態では、ショートピン１０８はグランド面１０４に直接接続されていない。代わりに、アンテナへの入力信号はピン１０６，１０８のいずれか一方に、他方のピンが開回路の状態又はグランド面１０４に直接接続された状態で、フィードされ得る。以下、上記ピンを第１のピン１０６及び第２のピン１０８と呼ぶこととする。上述したように、パッチ導体１０２は、２０×１０ｍｍの寸法を有しており、グランド面１０４の８ｍｍ上側に位置している。スロット２０２の幅は１ｍｍであり、２つのピン１０６，１０８の中央で始まり、パッチ導体１０２の縁部から０．５ｍｍ離れて該縁部と平行に延在する。
【００１９】
アンソフト社から入手可能な３次元高周波電磁界シミュレータ（ＨＦＳＳ）を用い、（整合させていない）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、相当数のフィーディング装置に対して行われた。いずれの場合も、結果は、８００〜３０００ＭＨｚの周波数ｆに対するＳ１１の大きさのグラフ及び同一の周波数範囲にわたる装置のシミュレーションされたインピーダンスを表すスミスチャートとして示されている。
【００２０】
本実施の形態の第１の装置では、第１のピン１０６がフィードされる一方で、第２のピン１０８はグランド面１０４に対して短絡されており、このシミュレーションの結果は図３及び図４に示されている。第２の装置では、第２のピン１０８がフィードされる一方で、第１のピン１０６はグランド面１０４に対して短絡されており、このシミュレーションの結果は図５及び図６に示されている。これらの装置の両方において、アンテナは、英国特許出願GB0101667.4に開示されている形態と同様にＤＳ−ＰＩＦＡとして作用し、高周波において共振する。与えられるインピーダンスは、スロット２０２のどちらの側がフィードされるかに依存する。第１のピン１０６がフィードされる場合、コモンモードの変化の割合は小さく、低インピーダンスが与えられる一方で、第２のピン１０８がフィードされる場合、コモンモードの変化の割合は大きく、高インピーダンスが与えられる。これは、図４及び図６の各スミスチャートを比較することから明らかに分かる。
【００２１】
第１及び第２の装置が用いられ得る１つの形態は、出願人の係属中の公開されていない英国特許出願GB0025709.7（出願人整理番号PHGB000145）に開示されており、この出願においては、トランシーバが、第１のピン１０６に結合された送信機及び第２のピンに結合された受信機（又は第２のピン１０８に結合された送信機及び第１のピン１０６に結合された受信機）を有している。このような実施の形態は、トランシーバが受信しているときに第１のピン１０６をグランド面１０４に結合し、トランシーバが送信しているときに第２のピン１０８をグランド面１０４に結合する回路を用いる時分割無線システムに使用され得る。スロット２０２の好適なポジショニングにより、上記受信機は低インピーダンスによりフィードされることが可能であり、一方で、上記送信機は高インピーダンスをフィード可能であり、これはトランシーバの動作を改善する。
【００２２】
他の実施の形態は、出願人の係属中の公開されていない英国特許出願GB0030741.3（出願人整理番号PHGB000176）に開示されているような追加の特徴、例えば、アンテナ構造へのディスクリート部品の付加を含むことに基づいている。
【００２３】
本発明の第３の装置では、第１のピン１０６がフィードされ、第２のピン１０８が開回路とされ、シミュレーションの結果が図７及び図８に示されている。本発明の第４の装置は、第２のピン１０８がフィードされ、第１のピン１０６が開回路とされ、シミュレーションの結果が図９及び図１０に示されている。
【００２４】
出願人の係属中の公開されていない英国特許出願GB0105441.0（出願人整理番号PHGB010033）には、平面逆Ｌ型アンテナ（ＰＩＬＡ）は外部整合回路と共に、低減されたアンテナの体積から、デュアルバンドＰＩＦＡ又はマルチバンドＰＩＦＡと同等の性能を提供できることが示されている。これは、通常のＰＩＦＡのショートピンが整合機能を果たすが、この整合は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整合を犠牲にしているからである。
【００２５】
上記第３及び第４の装置は、上記開回路ピンがほとんど影響を及ぼさないので、メアンダＰＩＬＡとして動作する。上記第３の装置では、第１のピン１０６がフィードされ、パッチ導体１０２の狭い部分（スロット２０２の上部及び右側）がその小さい領域のためにほとんど影響を及ぼさないので、共振周波数が増大される。上記第４の装置では、パッチ導体１０２の上記狭い部分がより広い部分に電流を運び、従って、メアンダ（ライン）の長さ全体が共振するために、共振周波数が低減される。
【００２６】
上述したシミュレーションは、ＤＳ−ＰＩＦＡモード及びメアンダＰＩＬＡモードの両モードにおいて平面アンテナを動作することが可能であることを示している。以下の実施の形態の幾つかにおけるように、メアンダＰＩＬＡに代えて、メアンダＰＩＦＡも使用され得る。デュアルバンドＧＳＭ／ＤＣＳアンテナとして用いるのに全て好適である本発明の各実施の形態の範囲が、その実際の用途を説明するために与えられる。
【００２７】
図１１は、本発明の第２の実施の形態の平面図である。両方の帯域において、ＲＦ信号ソース３０２が第１のピン１０６を介してパッチ導体１０２にフィードされる。第２のピン１０８はスイッチ３０４に接続されている。低周波（ＧＳＭ）モードでは、スイッチ３０４が開放され、アンテナはメアンダＰＩＬＡとして動作する。高周波（ＤＣＳ）モードでは、スイッチ３０４が閉じられ、第２のピン１０８をグランド面１０４に接続すると共に、アンテナはＤＳ−ＰＩＦＡとして動作する。どちらのモードにおいても、（欧州特許出願EP0,997,974に開示されているようなデュアルバンドＰＩＦＡとは異なり）上記アンテナ構造の全てが用いられ、従って増大された帯域幅が生成され得る。これは、特に、高周波帯域に関して有利であり、より高周波において及びより広い帯域幅にわたって動作する必要があるＵＭＴＳアンテナに関して更に一層有利である。
【００２８】
図１２は、本発明の第３の実施の形態の平面図である。両方の帯域において、ＲＦ信号ソース３０２が第１のピン１０６を介してパッチ導体１０２にフィードされる。第２のピン１０８はスイッチ３０４に接続されており、第３のピン４０２が設けられ、第２のスイッチ４０４に接続されている。低周波（ＧＳＭ）のモードでは、スイッチ３０４が開放され、第２のスイッチ４０４が閉じられ、第３のピン４０２をグランド面１０４に接続すると共に、アンテナはメアンダＰＩＦＡとして動作する。高周波（ＤＣＳ）モードでは、スイッチ３０３，４０４が逆にされ、第２のピン１０８をグランド面１０４に接続すると共に、アンテナはＤＳ−ＰＩＦＡとして動作する。
【００２９】
図１３は、本発明の第４の実施の形態の平面図である。これは、上記第３の実施の形態と同様であるが、パッチ導体１０２の縁部付近に他のスロット５０２が追加されている。各モードに関するスイッチの設定は、上記第３の実施の形態に関してと同じである。他のスロット５０２の存在は、その結果として起こる整合の改善により、低周波モードがＤＳ−ＰＩＦＡとして動作することを可能にする。上記高周波モードは、他のスロット５０２の位置がパッチ導体１０２の外周に近いために、他のスロット５０２により大きく影響を及ぼされない。
【００３０】
スイッチが用いられる上述した実施の形態の全てにおいて、他の手段により同一の効果が得られる。例えば、同調回路のような受動等価物（equivalent）が用いられ得る。また、フィードされないピンの幾つか又は全ては、閉回路又は開回路の巡回（circuit）に代えて、リアクティブ的にロードされ得る。
【００３１】
図１４は、本発明の第５の実施の形態の平面図であり、これは、２つのアンテナフィード部の間にダイプレクサを配することにより、スイッチング素子を必要としない。低周波（ＧＳＭ）モードでは、ＧＳＭ信号ソース６０２がローパスフィルタ６０４を通過し、第１のピン１０６を介してパッチ導体１０２にフィードされる。高周波（ＤＣＳ）モードでは、ＤＣＳ信号ソース６０６がハイパスフィルタ６０８を通過し、第２のピン１０８を介して上記パッチ導体にフィードされる。グランドピン６１０も設けられており、このグランドピン６１０はパッチ導体１０２とグランド面１０４とを接続する。動作の際、低周波モードでは、ハイパスフィルタ６０８がＧＳＭ信号に高インピーダンスを与え、アンテナはメアンダＰＩＦＡとして動作する。高周波モードでは、ローハイパスフィルタ６０４がＧＣＳ信号に高インピーダンスを与え、アンテナはＤＳ−ＰＩＦＡとして動作する。この実施の形態は、当該アンテナがＧＳＭポートとＤＣＳポートとの間の追加の分離部を提供するという追加の利点を有する。
【００３２】
図１５は、本発明の第６の実施の形態の平面図である。これは、上記第５の実施の形態と同様であるが、パッチ導体１０２の縁部付近に他のスロット５０２が追加されている。これは、上記低周波モードをＤＳ−ＰＩＦＡとして動作するように変更し、改善されたインピーダンス特性を提供する。
【００３３】
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。
【００３４】
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」及び「ａｎ」は、複数のそのような構成要素の存在を排除するものではない。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排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  電話機に搭載されたＰＩＦＡの斜視図である。
【図２】  電話機に搭載されたスロット平面アンテナの斜視図である。
【図３】  図２のアンテナの周波数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）のグラフであり、当該アンテナは、第１のピンがフィードされ、第２のピンが接地されている。
【図４】  ８００〜３０００ＭＨｚの周波数範囲にわたる、図２のアンテナ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り、当該アンテナは、第１のピンがフィードされ、第２のピンが接地されている。
【図５】  図２のアンテナの周波数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）のグラフであり、当該アンテナは、第２のピンがフィードされ、第１のピンが接地されている。
【図６】  ８００〜３０００ＭＨｚの周波数範囲にわたる、図２のアンテナ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り、当該アンテナは、第２のピンがフィードされ、第１のピンが接地されている。
【図７】  図２のアンテナの周波数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）のグラフであり、当該アンテナは、第１のピンがフィードされ、第２のピンが開回路である。
【図８】  ８００〜３０００ＭＨｚの周波数範囲にわたる、図２のアンテナ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り、当該アンテナは、第１のピンがフィードされ、第２のピンが開回路である。
【図９】  図２のアンテナの周波数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）のグラフであり、当該アンテナは、第２のピンがフィードされ、第１のピンが開回路である。
【図１０】  ８００〜３０００ＭＨｚの周波数範囲にわたる、図２のアンテナ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り、当該アンテナは、第２のピンがフィードされ、第１のピンが開回路である。
【図１１】  本発明の他の実施の形態の平面図である。
【図１２】  本発明の更に他の実施の形態の平面図である。
【図１３】  本発明の更に他の実施の形態の平面図である。
【図１４】  本発明の更に他の実施の形態の平面図である。
【図１５】  本発明の更に他の実施の形態の平面図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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