JP6490080B2

JP6490080B2 - 可変インピーダンス素子の弱結合によりアンテナを調整する技術

Info

Publication number: JP6490080B2
Application number: JP2016543962A
Authority: JP
Inventors: ロベルト・ガッディ; ポール・アンソニー・トーナッタ; ラマダン・エイ・アルハラビ
Original assignee: Cavendish Kinetics Inc
Current assignee: Cavendish Kinetics Inc
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2019-03-27
Anticipated expiration: 2034-09-17
Also published as: US20160218431A1; EP3050156A1; CN105556745A; US9812780B2; EP3050156B1; JP2016536934A; WO2015042092A1

Description

本発明の実施形態は、一般に、１００ＭＨｚから５ＧＨｚまでの範囲の高周波無線周波数帯域で動作する、モバイル機器に適した小型のアンテナに関する。

１００ＭＨｚから５ＧＨｚまでのスペクトラムにおいて無線通信を必要とする縮小サイズのポータブル装置（デバイス）は適切なアンテナの設計に関連する問題に直面している。このようなスペクトルで動作するアンテナが小さな物理量となる必要があるときに、基本的かつ実用的な制限がある。その結果、放射電力が不十分なレベルとなり、受信感度が低くなる。これらの両方の問題はアンテナ放射効率が低すぎることに関連する。

従来技術にかかる設計技術の状態は、特定の広帯域のアンテナ設計又は多重共振アンテナ設計を使用したときの問題を軽減することができる。これらの技術は、特定の装置（デバイス）に関連した特定の設計上の問題のいくつかを解決することができるが、小さなアンテナ容積の制限の範囲内で放射電力に関連する仕様を満たすことができる、一般的に採用可能なアンテナ設計技術を提供する場合には不十分である。

そのため、アンテナの他のバンドに影響を与えないで可変インピーダンス素子に接続された電磁的に結合された無給電素子によって、マルチバンドアンテナの特定のバンドのアンテナの共振周波数を調整する技術が技術的に必要である。

本発明は、一般的に、１００ＭＨｚから５ＧＨｚまでの範囲における高周波無線周波数帯域で動作する、モバイル機器に適した小型アンテナに関する。前記アンテナは、例えば微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ＤＶＣなどのデジタル可変キャパシタ（ＤＶＣ）に結合することができる。前記アンテナは一般に、切り替え式のインダクタバンク及び／又はキャパシタバンクなどの可変インピーダンス素子に結合することができる。前記アンテナは、例えば携帯電話機、スマートフォンなどのモバイル装置（デバイス）の内部に配置されたプリント回路基板に結合することができる。

一実施形態では、アンテナ構造は、プリント回路基板に結合されたアンテナ導体と、プリント回路基板に結合されたカップリングキャパシタ板とを備える。別の実施形態において、モバイル装置（デバイス）は、アンテナ構造を備える。

別の実施形態において、アンテナ構造は、プリント回路基板に結合されたアンテナ導体と、プリント回路基板に結合された無給電素子とを備える。別の実施形態において、モバイル装置（デバイス）は、アンテナ構造を備える。

本発明の前記特徴を詳細に理解することができる方法で、上述で簡単に要約された本発明のより具体的な説明は、実施形態を参照することにより得ることができ、その一部は添付の図面に示される。しかしながら、なお、添付図面は本発明の典型的な実施形態のみを示し、従って、その範囲を限定するものと考えるべきではなく、本発明のための他の等しく有効な実施形態を認めることができる。

一実施形態にかかるアンテナを備える携帯電話機の等角概略図である。アンテナ構造の概略図である。一実施形態にかかるアンテナ構造の概略図である。一実施形態にかかるプリント回路基板に接続されたアンテナ構造の概略図である。一実施形態にかかるＤＶＣの概略図である。一実施形態にかかるＭＥＭＳデバイスの概略図である。一実施形態にかかるデュアルバンドアンテナの概略図である。別の実施形態にかかるプリント回路基板に接続されたアンテナ構造の概略図である。別の実施形態にかかるプリント回路基板に接続されたアンテナ構造の概略図である。

理解を容易にするために、同一の参照番号が使用され、可能な場合、図面に共通する同一の要素を指定することが意図される。一実施形態に開示された各要素は、有益に、特定の列挙なしに他の実施形態で利用することができる。

本発明は、一般的に、１００ＭＨｚから５ＧＨｚまでの範囲における高周波無線周波数帯域で動作するモバイル機器に適した小型アンテナに関する。アンテナは、例えばＭＥＭＳＤＶＣなどのＤＶＣに結合される。アンテナは一般に、切り替え式のインダクタバンク及び／又はキャパシタバンクなどの可変インピーダンス素子に結合することができ、アンテナは、例えば携帯電話機、スマートフォンなどモバイル装置（デバイス）の内部に配置されたプリント回路基板に結合することができる。

図１の携帯電話機の図示のごとく、携帯無線周波数装置に統合又は集積化することが適当である小型アンテナは典型的には、上面又はモバイル装置（デバイス）の背面に搭載される。装置（デバイス）は、アンテナの能動カウンタポールとして機能する。このような小さなアンテナは一般的に、例えば（平面）逆Ｆアンテナ（Ｐ）ＩＦＡなどの形式を用いて単純なモノポールアンテナを変形例として設計される。そのようなアンテナのパターンは、その放射特性を維持しつつ、装置（デバイス）の機械的な制約に適合させるために変形することができる。それにもかかわらず、アンテナ設計の本質は常に、図２に示すように説明することができる。

以下の説明において、用語「接地」又は「接地された接続」又は「接地面」が採用される。例えば携帯電話機やスマートフォン、タブレットなどのバッテリ駆動機器の場合において、「接地」の定義は、装置（デバイス）の本体（シャーシ）に接続される電池（「マイナス」極）の電位を基準とする。

アンテナ導体パターン２００は、放射電磁波電力（パワー）を導く不平衡電流を生成する能力がある。電力は、ＰＩＦＡ実装の場合には、接地された接続２０４のすぐ近くにあるのが典型的である、給電線２０２を介してアンテナに供給される。例えば逆Ｌ（ＩＬＡ）又はモノポールなどの代替アンテナの種類は接地された接続を有しているが、ここで説明する一般的な方法は、それにもかかわらず適用可能である。

適切に導体パターン２００を成形することによって、所望の周波数帯域は、アンテナ共振によって覆うことができ、従って、電磁波電力は、それらの周波数において放射される。このことは、この段階ではアンテナの放射効率が主要な関心事であるために、発生器の特定のインピーダンスとは無関係である、アンテナへの入力電力に対する放射電力の比として次式により定義される。

全体の効率はリターンロスを含み、アンテナの給電点における放射効率η_ｒａｄと散乱パラメータＳ_１１に関連付けることができる。

整合回路網は、一般に、アンテナの固有の放射特性に影響を与えることなく。全体の効率を最適化するために給電点に追加することができる。本明細書で説明した実施形態は、与えられた帯域幅にわたって共振を調整しながら、アンテナの放射効率を最大にするので、共振時のアンテナインピーダンスは、一般性を失うことなく、ソースインピーダンス（典型的には５０オーム）に近いと想定される。

図３は、キャパシタ３０２を使用して、可変インピーダンス３００をアンテナ導体パターンに結合することによって、アンテナの共振周波数を調整する方法を示す。

本発明の特定の一実施形態において、カップリングキャパシタ３０２は、アンテナ導体パターン２００を実装するために使用したのと同じ手段によって実現することができる。アンテナ導体パターンと導体板４００と平行に追加することによって行うことができるが、図４に示すように、厚さ４０２のスペーサ材料層を使用して間隔をあけられる。

この特定の実施例では、アンテナパターンは、典型的には、プリント回路基板（ＰＣＢ）の接地面４０４のエッジ（端部）からぶら下がるように形成される。伝送線路４０６は、発生器をアンテナの給電線２０２に接続する。可変インピーダンス素子３００はＰＣＢの表面に実装され、アンテナパターンに給電線２０２及び接地２０４を接続するために使用したのと同じ手段４０８によってカップリングキャパシタ板４００に接続される。

特定の実施例において、図４の接続ブリッジ２０２、２０４及び４０８は、Ｃクリップ（スプリング）又はミニチュアポゴピンコネクタであり、それらはＰＣＢ上に表面実装され、アンテナ＋ＰＣＢシステムと機械的に組み立てられるので、アンテナ本体の露出導体の特定の領域への電気的コンタクトを生成する。

本発明の特定の実施形態では、可変インピーダンス素子３００は、デジタル可変キャパシタで構成される。Ｃ_ＭＩＮからＣ_ＭＡＸまでの値の範囲にわたって容量を変化させることにより、アンテナの共振周波数はｆ_ＭＩＮからｆ_ＭＡＸまでの範囲にわたって変化する。カップリングキャパシタ板４００の位置及び大きさのアンテナ導体パターン２００の適切な設計は、ｆ_ＭＩＮからｆ_ＭＡＸまでの全帯域幅内で、関心のある必要な通信帯域をカバーすることができる。

図５は一実施形態にかかるＤＶＣ３００の概略図である。ＤＶＣ３００は、キャビティ５００を備える。唯一のキャビティ５００が詳細に示されているが、各キャビティ５００のための静電容量が異なるかもしれないが、各キャビティ５００は同様の構成を有してもよいことが理解されるべきである。

各キャビティは、ＲＦコネクタ／ハンダバンプ５１０に結合されたＲＦ電極５０４を有する。さらに、各キャビティは、一つ以上のプルイン電極５０６及び１つ又は複数の接地電極５０８を有する。スイッチング素子５０２（２個が図示される）は、電極５０４、５０６、５０８の上に配置される。実際には、スイッチング素子５０２は電気的に接地電極５０８に接続される。スイッチング素子５０２は、プルイン電極５０６に印加される電流／電位のために、ＲＦ電極５０８から様々な間隔で移動可能である。

図６は一実施形態にかかるＭＥＭＳデバイス６００の概略図である。ＭＥＭＳデバイスは、電極５０４、５０６、５０８と、スイッチング素子５０２とを備え、スイッチング素子５０２はキャビティ５００に配置され、ＲＦ電極５０４に近い位置（以下、「Ｃ_ＭＡＸの位置」という。）と、隣接するプルアップ電極６０２から離間する位置（以下、「Ｃ_ＭＩＮの位置」という。）との間で移動可能である。キャビティ５００内のスイッチング素子５０２の位置は、特定のキャビティのための容量を決定する。ＤＶＣにＭＥＭＳデバイスを用いることにより、本明細書で説明するようにアンテナを調整することができる。

図７は、一実施形態にかかるデュアルバンドアンテナの概略図である。アンテナは、ハイバンド部が電磁的結合によって給電されるときに、ＲＦソースから直接的に給電されているリーバンド部を有する。アンテナのハイバンド共振周波数は、電磁的に結合される無給電素子７０４に可変インピーダンス７０２を接続することにより、調整することができる。

一実施形態では、可変インピーダンス素子７０２は、ＤＶＣを備える。Ｃ_ＭＩＮからＣ_ＭＡＸまでの値の範囲にわたって容量を変化させることにより、ｆ_ＭＩＮからｆ_ＭＡＸまでの範囲にわたってアンテナのハイバンド共振周波数が変化する。電磁的に結合される無給電素子７０４のアンテナ導体パターン２００の適切な設計、及びアンテナパターン２００の無給電素子７０４の分離は、ローバンドに影響を与えることなく、ｆ_ＭＩＮからｆ_ＭＡＸまでの全体の帯域幅内で関心のある、必要な通信帯域をカバーすることができる。

図８は別の実施形態にかかるプリント回路基板に接続されたアンテナ構造の概略図である。図８に示すように、無給電共振器７０４（すなわち、無給電素子）の接地脚部８０２は、接地面４０４に結合され、無給電共振器７０４はまた接地面４０４にＤＶＣ８０４を介して接続される。

アンテナ導体パターン２００は、関心のある特定の帯域で放射するように設計され、単一又は複数の共振を有することができる。無給電素子７０４は、周波数帯域とは異なる別の周波数帯域で動作するように設計され、ここで、アンテナ導体パターン２００が動作する。無給電素子７０４は、小さい距離ギャップ４０２を介してアンテナ導体パターン２００に接続され、無給電素子７０４は、アンテナ導体パターン２００の給電線（給電点）２０２に出現する共振を生成させ、効果的に完全なアンテナ構造に別の共振を追加することができる。無給電素子７０４は容量的にＤＶＣ８０４により負荷される。無給電素子７０４の共振周波数は、ＤＶＣの負荷を変えることにより変更することができる。静電容量を大きくすると、共振周波数を低下させる。システム全体は、独立した共振器を有するマルチ共振構造を形成する。ＤＶＣ８０４に接続された無給電素子７０４は、周波数可変デバイスであり、他の共振周波数に影響を与えないで、アンテナ共振部の動作の周波数を変化させるために平均値を提供するための手段を提供する。

図９は別の実施形態にかかるプリント回路基板に接続されたアンテナ構造の概略図である。図９に示すように、キャパシタ板９０２は、無給電共振器が存在するようにプリント回路基板４０４上に印刷される。ＤＶＣの接続点９０６は、キャパシタ板９０２とプリント回路基板４０４との間に存在する。

アンテナ導体パターン２００は、関心のある特定の帯域で放射するように設計され、単一又は複数の共振を有する。無給電放射器、すなわち、キャパシタ板９０２は、アンテナ導体パターン２００、すなわち、主放射器とは異なる別の周波数帯域で動作するように設計される。無給電放射器９０２は、わずかな距離のギャップ９０４を介して主放射器２００に結合され、主放射器２００の給電線（又は給電点）で出現する自身の共振を生成し、効果的に完全なアンテナ構造に別の共振を追加することができる。無給電放射器９０２は、容量的にＤＶＣ９０６により負荷される。無給電共振器９０２の共振周波数は、ＤＶＣ９０６の負荷を変更することによって変更することができる。静電容量を大きくすると、共振周波数を低下させることができる。システム全体は、独立した共振器を有するマルチ共振構造を形成する。ＤＶＣ９０６に接続された共振器９０２は周波数可変であり、他の共振周波数に影響を与えることなく、アンテナ共振部の動作の周波数を変化させる手段を提供することができる。

実施形態の利点は、本明細書に狭帯域アンテナを設計することができることであり、このことは、それらが動作することができる全体の周波数スペクトルが現代の携帯用無線周波数装置（デバイス）のために必要と同じ幅であるように調整することができる。別の利点は、例えばデジタル可変キャパシタなどの単純な可変インピーダンスデバイスによって、本明細書に記載されているカップリング技術はアンテナの共振周波数を調整することができる。従って、単一のコンポーネントは、スペースの制約が原因で小型化に極めて重要なアプリケーションに非常に有利であるように調整する必要がある、本明細書の実施形態はまた、すべての所望の周波数帯域にわたってアンテナ性能を最適化するように設計されたアンテナに大きな柔軟性を提供する互いのアンテナ独立の異なるバンドを調整する能力を与えるという利点を有する。このように、ここで図示され説明された複数の設計は、マルチバンドアンテナ構造において独立であって周波数可変の共振を生成する。

前記の説明は本発明の実施形態に向けられているが、その基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他の及び更なる実施形態を考案することができ、本願の特許請求の範囲は以下の特許請求の範囲によって決定される。

Claims

プリント回路基板に結合された線状アンテナ導体であって、前記プリント回路基板の端部にぶら下がる線状アンテナ導体と、
接地脚部を介してプリント回路基板に接続された無給電素子であって、前記線状アンテナ導体から離間されかつ前記線状アンテナ導体に対して平行である無給電素子と、
前記無給電素子と前記プリント回路基板との間に結合されたデジタル可変キャパシタであって、前記接地脚部から離間されたデジタル可変キャパシタとを備えるアンテナ構造。
前記デジタル可変キャパシタはＭＥＭＳデジタル可変キャパシタである請求項１に記載のアンテナ構造。
前記ＭＥＭＳデジタル可変キャパシタは第１の位置と第２の位置の間で移動可能なスイッチング素子を備える請求項２に記載のアンテナ構造。
前記線状アンテナ導体と前記無給電素子は前記プリント回路基板の接地面に結合される請求項３に記載のアンテナ構造。
前記線状アンテナ導体は伝送線路に接続される請求項４に記載のアンテナ構造。
前記無給電素子と前記プリント回路基板との間に結合されたＭＥＭＳデジタル可変キャパシタをさらに備える請求項１に記載のアンテナ構造。
前記線状アンテナ導体と前記無給電素子は前記プリント回路基板の接地面に結合される請求項１に記載のアンテナ構造。
前記無給電素子はキャパシタ板である請求項１に記載のアンテナ構造。
アンテナ構造を有するモバイル装置であって、
前記アンテナ構造は、
プリント回路基板に結合された線状アンテナ導体であって、前記プリント回路基板の端部にぶら下がる線状アンテナ導体と、
接地脚部を介してプリント回路基板に接続された無給電素子であって、前記線状アンテナ導体から離間されかつ前記線状アンテナ導体に対して平行である無給電素子と、
前記無給電素子と前記プリント回路基板との間に結合されたデジタル可変キャパシタであって、前記接地脚部から離間されたデジタル可変キャパシタとを備えるモバイル装置。
前記デジタル可変キャパシタはＭＥＭＳデジタル可変キャパシタである請求項９に記載のモバイル装置。
前記ＭＥＭＳデジタル可変キャパシタは第１の位置と第２の位置との間で移動可能なスイッチング素子を備える請求項１０に記載のモバイル装置。
前記線状アンテナ導体と前記無給電素子は前記プリント回路基板の接地面に結合される請求項１１に記載のモバイル装置。
前記線状アンテナ導体は伝送線路に接続される請求項１２に記載のモバイル装置。
前記無給電素子と前記プリント回路基板との間に結合されたＭＥＭＳデジタル可変キャパシタをさらに備える請求項９に記載のモバイル装置。
前記モバイル装置は携帯電話機である請求項９に記載のモバイル装置。
前記無給電素子はキャパシタ板である請求項９に記載のモバイル装置。
プリント回路基板に結合された線状アンテナ導体であって、前記プリント回路基板の端部にぶら下がる線状アンテナ導体と、
接地脚部を介してプリント回路基板に接続されたカップリングキャパシタ板であって、前記線状アンテナ導体から離間されかつ前記線状アンテナ導体に対して平行であるカップリングキャパシタ板と、
前記カップリングキャパシタ板と前記プリント回路基板との間に結合されたデジタル可変キャパシタであって、前記接地脚部から離間されたデジタル可変キャパシタとを備えるアンテナ構造。
前記デジタル可変キャパシタはＭＥＭＳデジタル可変キャパシタである請求項１７に記載のアンテナ構造。
前記ＭＥＭＳデジタル可変キャパシタは第１の位置と第２の位置の間で移動可能なスイッチング素子を備える請求項１８に記載のアンテナ構造。
前記線状アンテナ導体は前記プリント回路基板の接地板に接続される請求項１９に記載のアンテナ構造。
前記線状アンテナ導体は伝送線路に接続される請求項２０に記載のアンテナ構造。
前記カップリングキャパシタ板と前記プリント回路基板との間に結合されたＭＥＭＳデジタル可変キャパシタをさらに備える請求項１７に記載のアンテナ構造。
前記線状アンテナ導体と前記カップリングキャパシタ板は前記プリント回路基板の接地面に結合される請求項１７に記載のアンテナ構造。
アンテナ構造を有するモバイル装置であって、
前記アンテナ構造は、
プリント回路基板に結合された線状アンテナ導体であって、前記プリント回路基板の端部にぶら下がる線状アンテナ導体と、
接地脚部を介してプリント回路基板に接続されたカップリングキャパシタ板であって、前記線状アンテナ導体から離間されかつ前記線状アンテナ導体に対して平行であるカップリングキャパシタ板と、
前記カップリングキャパシタ板と前記プリント回路基板との間に結合されたデジタル可変キャパシタであって、前記接地脚部から離間されたデジタル可変キャパシタとを備えるモバイル装置。
前記デジタル可変キャパシタはＭＥＭＳデジタル可変キャパシタである請求項２４に記載のモバイル装置。
前記ＭＥＭＳデジタル可変キャパシタは第１の位置と第２の位置の間で移動可能なスイッチング素子を備える請求項２５に記載のモバイル装置。
前記線状アンテナ導体はプリント回路基板の接地板に接続される請求項２６に記載のモバイル装置。
前記線状アンテナ導体は伝送線路に接続される請求項２７に記載のモバイル装置。
前記カップリングキャパシタ板と前記プリント回路基板との間に結合されたＭＥＭＳデジタル可変キャパシタをさらに備える請求項２４に記載のモバイル装置。
前記モバイル装置は携帯電話機である請求項２４に記載のモバイル装置。