JP3753436B2 - マルチバンドのプリント形モノポール・アンテナ - Google Patents

Description

発明の背景
1. 発明の分野
本発明は、電磁信号を放射するモノポール・アンテナに関し、特に、プリント回路ボードの一方の面上に形成した少なくとも１つの放射素子であって第１の周波数バンド内で１次共振をもつような電気的長さを有する放射素子と、そしてプリント回路ボードの反対側の面上に形成した無給電素子であって、放射素子の２次またはより高次のモードの共振応答を第２の周波数バンド内に同調させるように設計した無給電素子と、を備えたプリント形モノポール・アンテナ（printed monopole antenna）に関するものである。
2. 従来の技術の説明
導電面に垂直に装着したモノポール・アンテナは、良好な放射特性、望ましい駆動点インピーダンス、並びに比較的簡単な構成を備えたアンテナを提供するということが判っている。その結果、モノポール・アンテナは、ポータブル無線、セルラホン、並びにその他のパーソナルな通信システムに利用されてきている。しかし、今日まで、このようなモノポール・アンテナは、一般的には、単一の周波数とこれに関連した帯域幅で動作するワイヤ設計のもの（例えば、Eberhardt外に対する米国特許第5,231,412号のヘリカル構成）に限られている。
サイズ要求を最小限にしまたマルチバンド動作を可能にするため、ある種の通信用途で使用するためのマイクロストリップ・アンテナおよびラミナ（lamina）アンテナが開発されている。詳細には、Kaloiへの米国特許第4,356,492号が開示したマイクロストリップ・アンテナ・システムは、別個のマイクロストリップ放射素子を備え、これらは、単一の共通入力点から給電される一方で、互いに異なりしかも広く離れた周波数で動作する。しかし、これら放射素子は、互いに直接接続されており、したがって誘電体基板のそれら放射素子とは反対側の面を完全に覆うグランドプレーンを必要とする。明らかに、この設計は、モノポール・アンテナ用途に対しては実際的ではなく、また確かに完全に異なった方法で機能するものである。同様に、Garay外への米国特許第5,075,691号および第4,800,392号に開示されたラミナ・アンテナは、マルチバンド動作を提供するためには、放射素子間の直接接続とグランドプレーンの双方を必要としている。
さらに、Shoemakerへの米国特許第5,363,114号が開示しているプレーナで蛇行（serpentine）のアンテナは、概してフラットで非導電性のキャリア層と、このキャリア層の表面に固着した概して蛇行パターンに配列した概してフラットな放射器とを含んでいる。このアンテナの１つの形態は、波状（sinuous）のパターンをもっていて放射器セクションが平行で互いに離間した関係になっており、これにより２周波数バンドの動作を提供するようになっている。しかし、判るように、共振が起きるそれら２つの周波数には、各放射器セクションの長さと、第１と第２の端部間の全体の長さとが関係している。この配置は、その意図した目的には適しているが、これも同様に、モノポール・アンテナまたはダイポール・アンテナの態様で動作する能力はもっていない。
したがって、２以上の周波数バンド内で動作可能であるだけでなく、マイクロストリップ・アンテナおよびラミナ・アンテナの関連する制限を回避できるモノポール・アンテナを開発することが望ましい。さらに、２以上の周波数バンドで動作ししかも単一の放射素子しか必要としないような構成のプリント形モノポール・アンテナを開発することも望ましい。
以上に鑑み、本発明の主たる目的は、２以上の周波数バンド内で動作可能なモノポール・アンテナを提供することである。
本発明の別の目的は、非常に厳しい許容差で構成することができるモノポール・アンテナを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、２以上の周波数バンド内で動作可能なプリント形モノポール・アンテナを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、マイクロストリップ・アンテナおよびラミナ・アンテナに見られるグランドプレーンに対する要求を排除したモノポール・アンテナを提供することである。
本発明の別の目的は、マルチバンド・アンテナの放射素子間の直接的な電気接続を除去することである。
本発明のさらに別の目的は、単一の放射素子しか必要としない２以上の周波数バンドで動作可能なプリント形モノポール・アンテナを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、放射素子の２次共振を第２の指定した周波数バンド内に同調させるプリント形モノポール・アンテナを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、種々の動作周波数バンドに対し容易に構成することができるプリント形モノポール・アンテナを提供することである。
本発明のこれらの目的並びにその他の特徴については、以下の図面と共に下記の説明を参照することによりより一層容易に明らかとなる。
発明の摘要
本発明の１つの側面にしたがい、第１の面と第２の面とを有するプリント回路ボードを備えたプリント形モノポール・アンテナを開示する。前記プリント回路ボードの１つの面上には、導電性トレースの形態のモノポール放射素子を形成し、前記導電性トレースは、第１の指定した周波数バンド内で１次共振が生起する電気的長さをもたせる。前記プリント回路ボードの反対の面上には、非共振の寄生素子を形成し、この無給電素子は、第２の指定した周波数バンド内の２次共振に前記導電性トレースを同調させるように設計する。前記モノポール放射素子と前記無給電素子との間には、直接の電気的接続は存在しないが、それら素子間のカップリングは、前記放射素子の２次共振が第２周波数バンド内で生起するようにする。この第２周波数バンドは、第１指定周波数バンド内の前記１次共振周波数の整数倍のものを含まない。追加の動作周波数バンドを発生するためには、前記プリント形モノポール・アンテナには、前記プリント回路ボードの前記無給電素子とは反対の側において形成する２以上の放射素子を含ませるようにできる。
【図面の簡単な説明】
本明細書は、本発明を特定して指摘しかつ明確に保護を請求する請求の範囲で結ぶが、この請求の範囲は、添付の図面を伴った以下の説明からより一層よく理解されるものと信ずる。
図１は、本発明によるマルチバンド・プリント形モノポール・アンテナの概略の左側面図である。
図２は、図１のマルチバンド・プリント形モノポール・アンテナの概略の右側面図である。
図３は、図１および図２に示したマルチバンド・プリント形モノポール・アンテナについて、このアンテナをオーバーモールド（overmold）した後にトランシーバに装着したときの略図である。
図４は、図１のマルチバンド・プリント形モノポール・アンテナの概略の右側面図であるが、これでは、その上に形成した無給電素子の代替実施例を備えている。
図５は、マルチバンド・プリント形モノポール・アンテナの代替実施例の概略の左側面図であり、このアンテナは、その上に形成した多数の放射素子を含んでいる。
発明の詳細な説明
次に図面を詳細に参照するが、これら図面においては、図を通して、同一の番号で同一の要素を示している。図１−図３は、無線トランシーバ、セルラホン、および多数の動作周波数バンドをもつその他のパーソナルな通信機器で利用できるタイプのプリント形モノポール・アンテナ１０を示している。図１および図２から判るように、プリント形モノポール・アンテナ１０は、プリント回路ボード１２を含み、これは、好ましくは、プレーナ構成でありまた第１の面１４（図１参照）と第２の面１６（図２参照）とを有している。気がつくように、プリント形モノポール・アンテナ１０は、モノポールの放射素子を、プリント回路ボード１２の第１の面１４上に形成した第１の導電性トレース１８の形態で備えている。加えて、プリント回路ボード１２の第２の面１６上には、非共振性の無給電素子を形成してある。
より詳細には、判るように、第１導電性トレース１８は、給電端部２２から反対側の開放端部２４までの物理的長さ１１をもっている。第１導電性トレース１８は、その電気的長さが物理的長さ１１に実質上等価な直線状の構成をもつようにしたり、あるいは、その電気的長さが物理的長さ１１よりも大きい（図１に示すような）非直線状構成とすることもできる。この非直線状タイプの導電性トレースは、本願と同時に出願した米国特許出願第08/459,959号である、“電気的長さがその物理的長さよりも大きいアンテナ”と題する特許出願において詳細に説明してあり、そしてこの特許出願もまた本発明の譲受人が所有しており、そしてこの言及によりここに含めるものとする。いずれの場合においても、理解されるように、第１導電性トレース１８の電気的長さは、第１の指定した周波数バンド内で１次共振を有することになる。最適には、第１導電性トレース１８は、第１指定周波数バンド内の周波数に対して１／４波長または１／２波長に実質上等しい電気的長さを有することになる。
図２に示した無給電素子２０は、プリント回路ボードの第２の面１６の指定した領域を覆うことにより、第２の指定した周波数バンド内で２次共振をもつように第１導電性トレース１８を同調させるようにする。したがって、理解されるように、プリント回路ボードの第２の面１６に沿った無給電素子２０の配置は、無給電素子の全体のサイズと同様に、第１導電性トレース１８の２次共振に対する所望の周波数バンドを実現するようにするため、変更することができる。しかし、無給電素子２０は、プリント回路ボード１２の開放端部においてかあるいはそれに隣接して位置決めすることにより、最大の効果をもつことが判った。
さらに、無給電素子２０は、好ましくは導電性材料から作るが、寄生素子は、それ自体は共振せず、その理由は、プリント形モノポール・アンテナ１０の動作周波数に対応する波長よりもサイズが実質上小さいからである（好ましくは、その波長の１０％未満）。したがって、無給電素子２０の物理的長さ１２は、第１導電性トレース１８の物理的長さ１１のほぼ１０％以下とする。この結果、無給電素子２０の物理的長さ１２は、第１導電性トレース１８の電気的長さのほぼ１０％未満となる。
図２から判るように、無給電素子２０は、プリント回路ボードの第２の面１６を、第１のポイント２６から第２のポイント２８まで実質上覆っている。しかし、無給電素子はプリント回路ボード第２の面１６上において第１導電性トレース１８の第１の縁部のまわりに配置することが必要なだけであるため、図４に示す設計例においては、無給電素子２０は、プリント回路ボード第２の面１６を第１のポイント２６から第２のポイント２８まで部分的にしか覆っていない。プリント回路ボード第２の面１６上に無給電素子２０を配置すると、これは、第１導電性トレース１８が２次共振をもつ周波数バンドに影響を与える。このようにして、その２次共振は、１次共振周波数の整数倍のものを含まない第２周波数バンド内で生起するように同調させることができる。これは、第１導電性トレース１８と寄生素子２０との間に直接の電気的接続がない場合においても生ずる。
第１導電性トレース１８と共に無給電素子２０を用いることにより、プリント形モノポール・アンテナ１０は、上記の第１と第２の周波数バンド内で動作することができる。好ましくは、第１周波数バンドは、およそ８００ＭＨｚからおよそ１０００ＭＨｚとし、第２周波数バンドは、およそ１８００ＭＨｚからおよそ２０００ＭＨｚとする。その他の周波数バンドについても、第２周波数バンドに用いることにより、プリント形モノポール・アンテナ１０が、約１５００ＭＨｚと約１６００ＭＨｚとの間、または約２４００ＭＨｚと２５００ＭＨｚとの間のような衛星と通信できるようにすることができる。このマルチバンド周波数動作をより一層うまく実現するには、理解されるように、第１導電性トレース１８が、好ましくは、第１周波数バンド内の中心周波数の１／４波長または１／２波長のいずれかに実質上等しい電気的長さをもつようにする。
また、プリント形モノポール・アンテナ１０は、好ましくは、同軸コネクタの形態のような給電ポート３０を備え、これは、信号給電部分３２と、グランド部分３４とを含んでいる。図１から最も良く分かるように、給電ポート３０の信号給電部分３２は、同軸コネクタの中心導体のような第１導電性トレース１８にのみ結合している。
プリント形モノポール・アンテナ１０の構成に関しては、プリント回路ボード１２は、ポリアミド、ポリエステル等のフレキシブルな誘電体材料で作のが好ましい。また、第１導電性トレース１８、寄生素子２０、およびプリント回路ボード１２は、低損失の誘電体材料でオーバーモールドするのが好ましく、これについては、本願と同時に出願した米国特許出願第08/460,578号である、“プリント形アンテナを製造する方法”と題する特許出願において、さらに詳細に説明してあり、そしてこの特許出願もまた本発明の譲受人が所有し、そしてこの言及によりここに含めるものとする。これに関係して、プリント形モノポール・アンテナ１０は、図３において、その最終的な形態で無線トランシーバ４０に取り付けた状態で概略図示している。
図５には、プリント形モノポール・アンテナ１０の代替的構成を示しており、これにおいては、第２導電性トレース３６を、プリント回路ボード第１の面１４上において、第１導電性トレースに隣接して形成している。第１と第２の導電性トレース１８および３６はそれぞれ、好ましくは、互いに実質上平行に配向させかつ互いに実質上等しい物理的長さをもたせている。理解されるように、無給電素子２０は、第１導電性トレース１８だけでなく第２導電性トレース３６に対しても２次共振が生起する周波数バンドに影響を与えるのに利用できる。さらに、上記で示したように、無給電素子２０と第１および第２の導電性トレース１８および３６との間には、直接の電気的接続は存在しない。同様に、第１導電性トレース１８と第２導電性トレースとの間にも、直接の電気的接続は存在しない。
理解されるように、第１および第２の導電性トレース１８および３６は、互いに異なった物理的長さをもつようにしてそれらの共振周波数バンドをより良好に区別するようにできるが、その主な規準は、それらが互いに異なった電気的長さをもつことである。そうすれば、判るように、第１と第２の導電性トレース１８および３６の少なくとも一方がその電気的長さよりも短い物理的長さをもつことになる。もちろん、図５に示すように、第１と第２の導電性トレース１８および３６の少なくとも一方がその物理的長さに実質上等しい電気的長さをもつようにできる。
以上、本発明の好ましい実施例について図示し説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱せずに、このマルチバンド・プリント形モノポール・アンテナについて、適当な変更により更なる適合を行うことができる。

Claims (34)

1. プリント形モノポール・アンテナであって、
   （ａ） 第１面と第２面とを有するプリント回路ボードと、
   （ｂ） 前記プリント回路ボードの第１面上に形成した導電性トレースから成るモノポール放射素子であって、前記導電性トレースは、第１の指定した周波数バンド内で１次共振を有するような電気的長さをもつ、前記のモノポール放射素子と、および
   （ｃ） 前記プリント回路ボードの第２面上に形成した非共振の無給電素子であって、前記導電性トレースの電気的長さの約１０パーセント以下の物理的長さを有し、第２の指定した周波数バンド内で２次共振をもつよう前記導電性トレースを同調させるため、指定した領域を覆う、前記の無給電素子と、
   から成るプリント形モノポール・アンテナ。
2. 請求項１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記導電性トレースは、給電端部からこれとは反対の端部までの物理的長さを有すること、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
3. 請求項２記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記導電性トレースの前記物理的長さは、前記導電性トレースの前記電気的長さと実質上等しいこと、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
4. 請求項２記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記導電性トレースの前記物理的長さは、前記導電性トレースの前記電気的長さよりも短いこと、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
5. 請求項１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記第１指定周波数バンドは、約８００ＭＨｚから約１０００ＭＨｚであること、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
6. 請求項１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記第２指定周波数バンドは、約１８００ＭＨｚから約２０００ＭＨｚであること、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
7. 請求項１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記導電性トレースの前記電気的長さは、前記第１指定周波数バンド内の周波数の１／４波長に実質上等しいこと、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
8. 請求項１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記導電性トレースの前記電気的長さは、前記第１指定周波数バンド内の周波数の１／２波長に実質上等しいこと、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
9. 請求項１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記モノポール放射素子と前記無給電素子との間には、直接の電気的接続は存在しないこと、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
10. 請求項２記載のプリント形モノポール・アンテナであって、さらに、信号給電部分とグランド部分とを含む給電ポートを含み、前記信号給電部分は、前記導電性トレースにのみ結合していること、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
11. 請求項１０記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記給電ポートは、同軸コネクタから成ること、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
12. 請求項１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記プリント回路ボードは、フレキシブルな誘電体材料から作ること、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
13. 請求項１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記プリント回路ボード、前記導電性トレース、および前記無給電素子をオーバーモールドすること、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
14. 請求項１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記無給電素子は、導電性材料から作ること、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
15. 請求項２記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記無給電素子は、前記プリント回路ボード上において、前記導電性トレースの給電端部とは反対の端部に配置したこと、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
16. 請求項１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記無給電素子は、前記プリント回路ボードの端部を、第１ポイントから第２ポイントまで実質上覆っていること、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
17. 請求項１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記無給電素子は、前記プリント回路ボードの第２面を、第１ポイントから第２ポイントまで部分的に覆っていること、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
18. 請求項１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記第２指定周波数バンドは、前記第１指定周波数バンド内の前記１次共振周波数の整数倍のものを含まないこと、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
19. 請求項１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記無給電素子は、非共振素子となるサイズとしたこと、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
20. プリント形モノポール・アンテナであって、
    （ａ） 第１面と第２面とを有する実質上プレーナであるプリント回路ボードと、
    （ｂ） 前記プリント回路ボードの第１面上に形成した導電性トレースから成るモノポール放射素子であって、前記導電性トレースは、指定した周波数バンド内で１次共振を提供するようなサイズの電気的長さをもつ、前記のモノポール放射素子と、および
    （ｃ） 前記プリント回路ボードの第２面上に形成した非共振の無給電素子であって、前記導電性トレースの電気的長さの約１０パーセント以下の物理的長さを有し、前記第１指定周波数バンド内の周波数の整数倍のものを含まない第２指定周波数に対し前記導電性トレースの２次またはそれより高次のモードの共振応答を同調させるように、配置し構成した、前記の無給電素子と、
    から成るプリント形モノポール・アンテナ。
21. プリント形モノポール・アンテナであって、
    （ａ） 第１面と、第２面と、給電端部と、開放端部とを有する実質上プレーナであるプリント回路ボードと、
    （ｂ） 複数のモノポール放射素子であって、各該モノポール放射素子は、前記プリント回路ボードの第１面上に形成した導電性トレースから成り、各導電性トレースは、第１の指示した周波数バンド内で１次共振を有するような指定した電気的長さをもつ、前記の複数のモノポール放射素子と、および
    （ｃ） 前記プリント回路ボードの第２面上に形成した非共振の無給電素子であって、前記導電性トレースの電気的長さの約１０パーセント以下の物理的長さを有し、第２の指示した周波数バンド内で２次共振をもつように前記導電性トレースの各々を同調させるため、指定した領域を覆う、前記の無給電素子と、
    から成るプリント形モノポール・アンテナ。
22. 請求項２１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記導電性トレースは、互いに実質上平行に配向したこと、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
23. 請求項２１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記導電性トレースは、互いに実質上等しい物理的長さをもつこと、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
24. 請求項２１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記導電性トレースの少なくとも１つは、独特の物理的長さをもつこと、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
25. 請求項２１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記複数のモノポール放射素子間には、直接の電気的接続は存在しないこと、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
26. 請求項２１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、さらに、信号給電部分とグランド部分とを含む給電ポートを含み、前記信号給電部分は、前記導電性トレースの内の１つのみに結合していること、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
27. 請求項２１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記導電性トレースの少なくとも１つは、その電気的長さよりも短い物理的長さをもつこと、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
28. 請求項２１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記導電性トレースの少なくとも１つは、その電気的長さと実質上等しい物理的長さをもつこと、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
29. 請求項２１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記導電性トレースと前記無給電素子との間には、直接の電気的接続は存在しないこと、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
30. 請求項２１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記無給電素子は、前記プリント回路ボード上において、前記開放端部に配置したこと、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
31. 請求項２１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記無給電素子は、前記プリント回路ボードの第２端部を、第１ポイントから第２ポイントまで完全に覆っていること、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
32. 請求項２１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記無給電素子は、前記プリント回路ボードの第２端部を、第１ポイントから第２ポイントまで部分的に覆っていること、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
33. 請求項２１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、各前記導電性トレースの前記２次共振は、前記それぞれの１次共振周波数の整数倍でない周波数で生起すること、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。
34. 請求項２１記載のプリント形モノポール・アンテナであって、前記無給電素子は非共振素子となるサイズとしたこと、を特徴とするプリント形モノポール・アンテナ。

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