(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電端子（１０）及び基準電位端子（１５）を含んだ放射要素（５）を備えたアンテナ装置（１）において、
前記放射要素（５）は第１動作周波数範囲、及び第１動作周波数範囲とは異なる第２動作周波数範囲で共振し、かつ給電端子（１０）を介して選択的に信号が、第１動作周波数範囲または第２動作周波数範囲で供給されており、
第２動作周波数範囲は、第１動作周波数範囲の周波数の約半分の大きさの周波数を含んでおり、
前記基準電位端子（１５）は第１インピーダンス（２０、３５、４０）を介して、基準電位面（３０）の基準電位（２５）に接続されており、
第１インピーダンス（２０、３５、４０）は第１動作周波数範囲では高抵抗であり、第２動作周波数範囲では低抵抗であり、
第２インピーダンス（６０）が設けられており、第２インピーダンスは給電端子（１０）とアンテナ回路網（７５）とに接続されており、該第２インピーダンスは、アンテナ回路網（７５）の出力抵抗が両方の動作周波数範囲において給電端子（１０）におけるアンテナ装置（１）のそれぞれの入力抵抗にマッチングするように、アンテナ回路網（７５）の出力抵抗を変換し、
第２インピーダンス（６０）は線路として構成されており、該線路の長さは第２動作周波数範囲の動作波長の約４分の１に相当する、ことを特徴とするアンテナ装置（１）。
【請求項２】
第１インピーダンスは線路（２０）として構成されており、該線路（２０）の長さは第２動作周波数範囲の動作波長の約４分の１に相当し、線路（２０）は無負荷動作をする、請求項１記載のアンテナ装置（１）。
【請求項３】
第１インピーダンスは共振回路（３５）として構成されており、該共振回路の共振周波数はほぼ第２動作周波数範囲内にあり、第１動作周波数範囲の周波数に対しては高抵抗であることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置（１）。
【請求項４】
第１インピーダンスは半導体素子（４０）として構成されている、請求項１記載のアンテナ装置（１）。
【請求項５】
前記半導体素子（４０）はＰＩＮダイオードとして構成されている、請求項４記載のアンテナ装置（１）。
【請求項６】
放射要素（５）に第１動作周波数範囲内の周波数を有する信号が供給される場合、半導体素子（４０）は阻止状態に切り換えられ、
放射要素（５）に第２動作周波数範囲内の周波数を有する信号が供給される場合、半導体素子（４０）は導通状態に切り換えられる請求項４記載のアンテナ装置（１）。
【請求項７】
放射要素（５）は曲げられていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項記載のアンテナ装置（１）。
【請求項８】
アンテナ装置（１）は誘電率が１より格段に大きい材料（６５）に埋め込まれていることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項記載のアンテナ装置（１）。
【請求項９】
放射要素（５）、給電端子（１０）、及び基準電位端子（１５）は逆Ｆ形アンテナを形成することを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項記載のアンテナ装置（１）
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項記載のアンテナ装置（１）を備えた無線機（７０）、とりわけ移動電話またはコードレス電話。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
従来の技術
本発明は、独立請求項１の上位概念記載のアンテナ装置及び請求項１４の上位概念記載の無線機に関する。
【０００２】
刊行物"IEEE Transaction on antennas and propagation, VOL. 45, No. 10, Oktober 1997"より、デュアル・フリークエンシー・プレーナー逆Ｆ形アンテナ（Dual-Frequency Planar Inverted-F Antenna）は公知である。このアンテナは、放射要素、複数の基準電位端子、及び給電端子を含んでおり、放射要素は約1.8GHzである第１動作周波数範囲、及び第１動作周波数範囲とは異なる動作周波数範囲で約0.9GHzである第２動作周波数範囲において共振する。放射要素には給電端子を介して選択的に信号が、第１動作周波数範囲または第２動作周波数範囲において供給される。
【０００３】
発明の利点
独立請求項１の特徴部記載の構成を有する本発明によるアンテナ装置は、基準電位端子が第１インピーダンスを介して基準電位面の基準電位に接続されており、第１インピーダンスが第１動作周波数範囲では高抵抗、第２動作周波数範囲では低抵抗であるという利点を有する。基準電位端子を周波数選択的に接続することによって、放射要素ないしアンテナ装置が、第１動作周波数範囲においても第２動作周波数範囲においても共振し、良好に放射するようになる。放射要素には事前処理、例えば２つの放射性の部分素子を構成するためのＬ形の切り込みが必要ではないため、アンテナ装置作製の労力と、その労力と結びついたコストを低く抑えることができる。
【０００４】
従属請求項記載の手段によって、独立請求項１記載のアンテナ装置の有利な実施形態と改善が可能である。
【０００５】
とりわけ有利なのは、第１インピーダンスが線路として構成されていることであり、その第１インピーダンスの長さは、線路のインピーダンスが第２動作周波数範囲において小さく、第１動作周波数範囲において大きくなるよう選択されており、第２動作周波数範囲は第１動作周波数範囲の約半分の周波数を含む。これは、アンテナ装置の基準電位端子の周波数選択的な接続のとりわけ簡単な実現例である。
【０００６】
とりわけ有利なのは、線路の長さが第２動作周波数範囲の動作波長の約４分の１に相当していて、線路が無負荷で動作する場合である。このように、第２動作周波数範囲に対応した線路は短絡を、第１動作周波範囲に対応した線路は基準電位端子と基準電位の間の無負荷動作を形成する。したがって、必要とされる低抵抗ないし高抵抗の第１インピーダンスが、とりわけ簡単にかつ省スペースで得られる。
【０００７】
同じ利点は、共振回路を第１インピーダンスに対して使用することにより得られる。この共振回路の共振周波数はほぼ第２動作周波数範囲にあり、ゆえに第２周波数範囲ではとりわけ低抵抗のインピーダンスとなり、第１動作周波数範囲の周波数に対しては高抵抗をとなる。
【０００８】
さらに有利には、第１インピーダンスが半導体素子として、有利にはＰＩＮダイオードとして構成される。このようにすれば、第１インピーダンスは選択された両方の動作周波数範囲の周波数に依存せず、アンテナは両方の動作周波数の間で電子的に切り換えることができる。
【０００９】
さらに有利には、放射要素の長さ、アンテナ装置の給電端子と基準電位端子の高さ、及び給電端子と基準電位端子との間の間隔が次のように選択されている。すなわち、給電端子におけるアンテナ装置の入力インピーダンスが両方の動作周波数範囲でほぼ同じであるように選択されている。このようにして、アンテナ装置の入力インピーダンスが、アンテナ装置を両方の動作周波数範囲に対して相応に幾何学的配置構成することによって、インピーダンス変換なしで、無線信号の送受信のためのアンテナ網に簡単に接続される。これにより構成素子、スペース、及びコストが節約される。
【００１０】
さらに有利には、アンテナ網の出力インピーダンスを変換させる第２インピーダンスが設けられており、出力インピーダンスは給電端子におけるアンテナ装置の入力インピーダンスに両方の動作周波数範囲でマッチングしている。このようにして、アンテナ網の出力インピーダンスと、給電端子におけるアンテナ装置の入力インピーダンスとの間のインピーダンスマッチングが、アンテナ装置の幾何学的構造に依存せずに実現される。したがって、アンテナ装置の幾何学的寸法が規定されず、このアンテナ装置は空間的な条件または制限されたスペースにも適合することができる。
【００１１】
さらに有利には、第２インピーダンスが線路として構成されており、その線路の長さが第２動作周波範囲の動作波長の４分の１に相当しており、第２動作周波数範囲が第１の動作周波範囲の周波数のほぼ半分の大きさの周波数を含む。このようにして、第２インピーダンスがとりわけ簡単に、かつ低コストで実現される。
【００１２】
さらに有利には、放射要素は曲げられている。したがって、アンテナの作用を減少させることなしに、アンテナ装置を小型化することができ、スペースも節約される。
【００１３】
さらに有利には、このアンテナ装置は、誘電率が格段に１より大きい材料に埋め込まれている。したがって同様に、アンテナの作用を実質的に減少させることなしに、アンテナの縮小化、それに伴うスペースの節約が達成される。
【００１４】
とりわけ有利であるのは、従属請求項１４記載の無線機において本発明のアンテナ装置を使用することである。このような無線機は、簡単で、労力がかからず、またコストとスペースが節約され、しかも２つの異なる動作周波数範囲で駆動が可能であり、両方の動作周波数範囲でアンテナの作用を減少させることがない。
【００１５】
図面
本発明の実施例が図に示されており、以下に詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明のアンテナ装置を備えた無線機の第１の実施例、
図２は、本発明のアンテナ装置を備えた無線機の第２の実施例、
図３は、本発明のアンテナ装置を備えた無線機の第３の実施例、
図４は、曲げられた放射要素、
図５は、無線機の操作のフローチャートを示している。
【００１７】
実施例の説明
図１で７０は無線機を示し、この無線機は例えば移動電話またはコードレス電話、携帯型無線機、事業用無線機等として構成することができる。無線機７０は、基準電位２５を備えた基準電位面３０を有する導体基板を含む。ここで基準電位面３０は、部分的にまたは図１のように完全に、導体基板上に引き延ばすことができる。無線機１はさらに、放射要素５を備えたアンテナ装置１を有しており、このアンテナ装置１は放射要素５に対して垂直に、それぞれほぼ同じ長さの給電端子１０と基準電位端子１５を有する。ここで、基準電位端子１５は放射要素５の一方の端部に配置されており、他方の端部には何もない。給電端子１０は放射要素５の中央に基準電位端子１５と並んで配置されている。給電端子１０は、放射要素５の中央と基準電位端子１５との間に配置することも可能である。アンテナ装置１は例えば約１.８〜１.９ＧＨｚである第１動作周波数範囲、及び第１動作周波数範囲とは異なる、例えば０.９〜１.０ＧＨｚである第２動作周波数範囲で共振し、給電端子１０を介して選択的に信号が第１動作周波数範囲または第２動作周波数範囲で供給される。放射要素５、給電端子１０，及び基準電位端子１５から構成されたアンテナ８０はＦ形に構成されており、２つのクロスバーは給電端子１０ないし基準電位端子１５として用いられ、アンテナ８０はアンテナ網７５ないし基準電位２５と接続されている。このようにアンテナ８０の幾何学的形態はＦを逆さまにした形となっている。したがって、２つのクロスバーはアンテナ８０の構成部分である。アンテナ８０はしたがって、逆Ｆ形アンテナと呼ばれ、２つの異なる動作周波数範囲で動作可能なことから、デュアル・フリークエンシー逆Ｆ形アンテナ（ＤＦ−ＩＦＡ）と呼ばれている。アンテナ８０はアンテナのカウンタポイズを形成する基準電位面３０を介して配置されている。
【００１８】
基準電位端子１５は、第１線路２０として構成されている第１インピーダンスを介し、基準電位面３０の基準電位２５に接続されている。第１線路２０の長さは、第１線路２０のインピーダンスが第２動作周波数範囲では低抵抗であり、第１動作周波数範囲では高抵抗であるるように選択されており、第２動作周波数範囲は第１動作周波数範囲の周波数のほぼ半分の大きさの周波数を含む。第１線路２０が無負荷動作をする場合、この第１線路２０の長さは第２動作周波数範囲の動作波長の約４分の１に相当する。それによって、第２動作周波数範囲の周波数に対し、基準電位端子１５は基準電位２５に非常に低抵抗で接続される。これに反して、第１動作周波数範囲の周波数に対しては、基準電位端子１５は基準電位２５に非常に高抵抗で接続される。というのは、第１周波数範囲の周波数に対しては第１線路２０の長さがこれに所属する動作波長の約半分に相当しているからである。ここで、周波数に所属の波長は、周波数の逆数と光速とを掛けることによって得られる。前記の第１線路２０による基準電位端子１５の周波数選択的な接続によって、アンテナ８０は第１動作周波数範囲においても第２動作周波数範囲においても共振し、良好な放射特性を示す。
【００１９】
第１線路２０は例えばストリップ線路、マイクロストリップ線路、または同軸線路として構成されており、その内部線は基準電位端子１５に、外部線は基準電位２５に接続されている。
【００２０】
給電端子１０は、第２線路６０として構成されている第２インピーダンスを介してアンテナ網７５に接続されており、そのアンテナ網７５に制御部８５が接続されている。制御部８５はさらに、操作素子９５を有する入力ユニット９０に接続されている。第２線路６０は同様に、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、または同軸線路として構成することが可能であり、その内部線は一方では給電端子１０に、他方ではアンテナ網７５に接続されており、その外部線は基準電位２５に接続されている。第２線路６０はアンテナ網７５の出力インピーダンスを変換し、それにより、出力インピーダンスは両方の動作周波数範囲で、給電端子１０におけるアンテナ装置１のそれぞれの入力インピーダンスにマッチングする。給電端子１０におけるアンテナ装置１の入力インピーダンスは、使用する動作周波数とアンテナ８０の幾何学的構成に依存する。第２線路６０の長さは同様に、第２動作周波数範囲の動作波長の約４分の１に相当する。アンテナ網７５の出力インピーダンスが５０Ωであり、給電端子１０におけるアンテナ装置１の入力インピーダンスが第２動作周波数範囲で３０Ωである場合、第２動作周波数範囲での第２線路６０の波動インピーダンスの値、√（３０×５０）Ωに対して、アンテナ網７５の出力インピーダンスが、第２動作周波数範囲での給電端子１０におけるアンテナ装置１の入力インピーダンスにマッチングする。第１動作周波数範囲では、給電端子１０におけるアンテナ装置１の入力インピーダンスは、これに対し５０Ωとなる。第２線路６０の長さは、第１動作周波数範囲では第１動作周波数範囲の動作波長の半分に相当するので、第１動作周波数範囲では５０Ωであるアンテナ網７５の出力インピーダンスは、第２線路６０によって自らコピーされ、したがって第１動作周波数範囲では同様に、給電端子１０におけるアンテナ装置１の入力インピーダンスにマッチングする。
【００２１】
アンテナ８０の幾何学的寸法は、給電端子１０におけるアンテナ装置１の入力インピーダンスが第１動作周波数範囲では５０Ω、第２動作周波数範囲では３０Ωとなるように選択するべきである。
【００２２】
図２に示す別の実施例では第１線路２０は共振回路３５に置換されており、この共振回路の共振周波数はほぼ第２動作周波数範囲にあり、これにより、この共振回路は第２動作周波数範囲で、基準電位端子１５を低抵抗で基準電位２５に接続する。それに対し第１動作周波数範囲の周波数に対しては、共振回路３５は基準電位端子１５を高抵抗で基準電位２５に接続する。そのような共振回路３５による基準電位端子１５の周波数選択的な接続によって同様に、放射要素５ないしアンテナ８０は第１動作周波数範囲においても第２動作周波数範囲においても共振し、良好な放射特性を示すようになる。図１の実施例と異なり、図２の実施例ではアンテナ網７５が、アンテナ８０の給電端子１０に直接接続されている。ここで、放射要素５の長さ４５、給電端子１０と基準電位端子１５の高さ５０、及び給電端子１０と基準電位端子１５との間隔５５は、次のように選択されている。すなわち、給電端子１０におけるアンテナ装置１の入力インピーダンスが、両方の動作周波数範囲でほぼ同じになるよう選択されている。これは、例えば放射要素５の長さ４５を約８０ｍｍに、給電端子１０と基準電位端子１５の高さ５０をそれぞれ約１５ｍｍに、給電端子１０と基準電位端子１５との間隔５５が約１５ｍｍにすることで達成される。これにより、例えば１．８ＧＨｚと１．９ＧＨｚとの間の周波数を有する第１動作周波数範囲においても、０．９ＧＨｚと１ＧＨｚとの間の周波数を有する第２動作周波数範囲においても、給電端子１０におけるアンテナ装置１の入力インピーダンスはそれぞれ５０Ωとなる。１．８ＧＨｚから１．９ＧＨｚの間の第１の動作周波数範囲は、例えばドイツのＥ−ネット（E-Netz）では移動電話に対して、またＤＥＣＴ標準規格（Digital Enhanced Cordless Telecommunications）ではコードレス電話に対して使用されている。０．９ＧＨｚと１ＧＨｚとの間の第２動作周波数範囲は、例えばＧＳＭ標準規格（Global System for Mobile Communications）の移動電話に対して使用されている。両方の動作周波数範囲に対して、給電端子１０におけるアンテナ装置１の入力インピーダンスは、５０Ωであるアンテナ網７５の出力インピーダンスとほぼ同じであり、したがって、アンテナ網７５と給電端子１０との間でのインピーダンス変換は必要ではない。説明した相違点を除いては、図２の実施例の無線機７０は図１の実施例の無線機７０と全く同様に構成されている。
【００２３】
図３の別の実施例では、アンテナ８０に対し図２の実施例と同様の幾何学的寸法が使用されており、したがって、アンテナ網７５と給電端子１０との間では同様に、インピーダンス変換が必要でない。図２の実施例と異なり、図３の実施例では共振回路３５がＰＩＮダイオード４０に置換されており、このＰＩＮダイオード４０のアノードは基準電位端子１５に、カソードは基準電位２５に接続されている。図２の実施形態とのさらなる相違は、図３では、制御部８５がＰＩＮダイオード４０のアノードを制御していること、アンテナ８０が誘電率が格段に１より大きい材料６５に埋め込まれていることである。ＰＩＮダイオード４０の代わりに、別の半導体素子、例えば制御部８５により相応に制御される従来のｐｎダイオードまたはトランジスタを使用することもできる。放射要素５に給電端子１０を介して信号が供給され、その周波数が第１の動作周波数範囲にある場合、ＰＩＮダイオード４０は制御部８５の低いレベルの制御信号によって阻止状態に切り換えられる。これにより、第１の動作周波数範囲では基準電位端子１５が高抵抗で基準電位２５に接続される。放射要素５に給電端子１０を介して信号が供給され、その周波数が第２の周波数範囲にある場合、ＰＩＮダイオード４０は制御部８５の高いレベルの制御信号によって導通状態に切り換えられる。これにより、第２の動作周波数範囲では基準電位端子１５は低抵抗で基準電位２５に接続される。
【００２４】
このようにして、ＰＩＮダイオード４０による基準電位端子１５の周波数選択的な接続が起こり、これにより、アンテナ８０は第１の動作周波数範囲においても、第２の動作周波数範囲においても共振し、良好な放射特性を示すようになる。
【００２５】
格段に１より大きな誘電率を有する材料６５の使用により、アンテナ８０の幾何学的寸法を、アンテナの作用の僅かな減少によって、小型化することが可能である。
【００２６】
アンテナ８０のさらなる小型化は、図４の放射要素５の空き端部で、放射要素５を曲げることで得られる。この場合放射要素５の長さは、放射要素５の曲折部分２０５の長さ４５ｂと、放射要素５の非曲折部分２００の長さ４５ａとの合計として算定される。この曲げはほぼ直角を成すように構成されており、曲折部分２０５は任意の方向に向けることができる。とりわけ有利な構成は下向きの曲げによっても得られ、曲折部分２０５は、給電端子１０と基準電位端子１５にほぼ平行に無線機７０の方向に向かって配置される。この曲げはしかし、給電端子１０と基準電位端子１５に直角に設けることもでき、曲折部分２０５と非曲折部分２００は、図４に示すようにほぼ同一平面上にある。
【００２７】
図５は無線機７０の制御部８５の作用動作のフローチャートである。プログラム点１００では制御部８５は、受信アンテナとしても作用するアンテナ８０と給電端子１０を介して、第１動作周波数範囲の周波数を有する受信信号がアンテナ網７５に伝達されたか否かを検査する。伝達された場合、プログラム点１０５に分岐し、そうでなければプログラム点１２０に分岐する。プログラム点１０５では制御部８５はアンテナ網７５に、給電端子１０を介した給電の後、アンテナ８０を介して信号を送信するのに第１動作周波数範囲の周波数を使用するよう促す。図３のアンテナ装置１では、ＰＩＮダイオード４０は制御部８５によって低レベルで制御され、これにより、基準電位端子１５は高抵抗で基準電位２５に接続される。さらに、プログラム点１１０に分岐する。プログラム点１１０で制御部８５は、確立した無線の接続が、例えば入力ユニット９０を介してユーザーによって終了されたか否かを検査する。終了されていれば、プログラム部分を去り、そうでない場合にはプログラム点１１５に分岐する。プログラム点１１５では、待機ループを通過する。さらに、プログラム点１１０にリターン分岐する。プログラム点１２０で制御部８５は、ユーザーが操作素子９５の相応の操作によって接続の確立を第１動作周波数範囲で希望したか否かを検査する。希望した場合には、プログラム点１０５に分岐し、そうでない場合には、プログラム点１２５に分岐する。プログラム点１２５で制御部８５は、アンテナ８０を介してアンテナ網７５で、第２動作周波数範囲の周波数を有する無線信号が受信されたか否かを検査する。そうであれば、プログラム点１３０へ分岐し、そうでなければ、プログラム点１３５へ分岐する。プログラム点１３０で、制御部８５はアンテナ網７５に、アンテナ８０を介して信号を送信するため第２動作周波数範囲の周波数の使用を促す。さらにこの場合図３の実施例では、制御部８５はＰＩＮダイオード４０を高レベルの制御信号で制御し、それにより、ＰＩＮダイオード４０は導通状態に切り換えられ、基準電位端子１５は基準電位２５に低抵抗で接続される。さらに、プログラム点１１０に分岐する。プログラム点１３５で制御部８５は、ユーザーが操作素子９５の相応の操作によって第２動作周波数範囲での接続の確立を希望したか否かを検査する。希望した場合には、プログラム点１３０に分岐し、そうでなければプログラム部分を去る。
【００２８】
アンテナ８０は、２つの異なる動作周波数範囲での動作に適している。アンテナ８０の高さを低く構成することで、アンテナ８０を例えばハンドセット・ケーシング、または扁平な基地局ケーシングに統合する事ができる。したがって、アンテナ装置１は無線機との使用のみに限定されない。
【００２９】
説明した実施例のアンテナ８０のためのカウンターポイズとしての基準電位面３０については、例えば１００〜２００ｍｍの長さが選択される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のアンテナ装置を備えた無線機の第１の実施例を示した図である。
【図２】  本発明のアンテナ装置を備えた無線機の第２の実施例を示した図である。
【図３】  本発明のアンテナ装置を備えた無線機の第３の実施例を示した図である。
【図４】  曲げられた放射要素を示した図である。
【図５】  無線機の操作のフローチャートを示した図である。
【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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