JP2000513194A - 移動通信用のデュアルバンドアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 同軸線に接続される所定長さの第１部分と、第１部分から延長される所定長さの第２部分とからなる棒状の放射要素を含む移動通信用のデュアルバンドアンテナを提供する。このデュアルバンドアンテナにおいて、前記同軸線はグラウンドに接続され、第１キャパシタンス負荷は前記放射要素の第１部分に接続される。また、チョークは、前記放射要素の第２部分を取り囲み、前記第２部分の一端に連結される短絡部分と前記第２部分の他端で開放される部分を有する。第２キャパシタンス負荷は、前記チョークの短絡部分に連結される。従って、デュアルバンドの高い動作周波数では前記チョークの入力インピーダンスが高くなるため、前記放射要素の第１部分(下部)だけが放射要素として動作し、デュアルバンドの低い動作周波数では前記チョークの入力インピーダンスが低くなるため、アンテナの全体長さから放射が起こる。

Description

【発明の詳細な説明】 移動通信用のデュアルバンドアンテナ 技術分野 本発明は、アンテナに関し、特に、移動通信用のデュアルバンドアンテナに関 する。 背景技術 移動通信においてアンテナの果たす主な役割は、送信電力の節約と有効利用に ある。移動通信の急速な発達に伴って、既存のシステムに容量飽和現象が起こり 、これを解決するために新たな周波数の新規システムが開発されることになった 。従って、移動通信装備の設計に際して既存システムと新規システムとの連動関 係を考慮しなければならない。 例えば、韓国では従来の符号分割多元接続(Code Division Multiple Access： ＣＤＭＡ)方式と新規のＰＣＳ(Personal Communication System)方式との連動を 、アメリカでは従来のＡＭＰＳ(Advanced Mobile Phone Service)方式とＵＳ(Un ited States)ＰＣＳ方式との連動を、ヨーロッパでは従来のＧＳＭ(Gro pe Spec ial eNobile)方式とＤＣＳ(Digital Communication System)１８００方式との連 動を各々必要としており、このような連動方式をデュアルバンド方式と言う。言 い換えれば、‘デュアルハンド方式’とは、前述したように周波数帯域の相異な るシステムの通信を可能にする方式を言う。従って、前記デュアルバンド方式で 動作できる通信装備の製造が要求されるようになった。 しかし、これまではデュアルバンドシステムに使用される端末機用の小型アン テナを二つの帯域に対して各々使用してきたために、製造費の上昇を招いてきた 。また、二つのアンテナを使用したために、端末機の小型化に支障を与え、使用 者にも使用上の不便さを招いた。そこで、二つの帯域に兼用できるデュアルバン ドアンテナが開発された。 米国特許番号第４,５０９,０５６号には同調スリーブチョークを用いる多重周 波数アンテナ(Multi-Frequency Antenna Employing Tuned Sleeve Chokes)が開 示されている。図１に前記特許に開示された型のアンテナを示す。このアンテナ は、動作周波数間の周波数比が１.２５又はそれ以上のシステムで有効に動作す る。図１に示すように、同軸線(coaxial feed line)２に連結される内部導体１ ０とスリーブチョーク１２ｉは放射要素(radiating element)として動作する。 前記スリーブチョーク１２ｉのフィードポイント側は短絡(short)されており、 その反対側は開放(open)されている。前記内部導体１０とスリーブチョーク１２ ｉの長さは望む周波数で最大の効率が得られるよう設計される。 前記チョーク１２ｉは、一定の寸法を有する誘電体物質１６ｉで部分的に埋め られて１／４波長伝送ライン(quarter wave length transmission line)を形成 し、最大周波数の時前記チョークの開放端でのシエル１４ｉと延長部１０間のカ ップリングを防止する。また、相対的に低い動作周波数で前記チョーク１２ｉは 絶縁要素として効果的に動作できず、グラウンド(ground plane)から導体の端ま での全体長さ(Ｐ)は低い共振周波数(resonant frequency)でモノポールアンテナ として動作する。 前記内部導体１０とスリーブチョーク１２ｉ間のカップリングは前記チョーク １２ｉの開放靖で起こる。即ち、ｌ＝λ／４の時、前記チョークはハイインピー ダンスとして作用して前記内部導体１０とチヨーク１２ｉ間のカップリングを最 小化し、λ／４≠１の時は前記チョークがローインピーダンスとして動作して前 記導体１０とチョーク１２ｉ間のカップリングを増大させる。前記チョーク１２ ｉの電気的長さは誘電体物質１６ｉの誘電率を可変させることによって調節でき る。前記内部及び外部導体１０，１４ｉよりなる構造は同軸線伝送ラインとして 見なすことができ、その特性インピーダンスは次の数式１で示される。 （数式１） ここで、前記ξ_rは誘電率、Ｄは外部導体の直径、ｄは内部導体の直径てある 。内部及び外部導体１０，１４ｉ間の入力インピーダンスは次の数式２で示され る。 （数式２） ここで、γ＝α＋ｊβであり、αは減衰係数(attenuation factor)であり、β は伝搬(propagation)定数であり、γは伝送ラインの長さであり、Ｚ_Lは負荷イン ピーダンスである。図１のアンテナにおいて、外部導体１４ｉがグラウンド２０ と構造的に隣接しているため、アンテナの効率を低下させる寄生キャパシタンス (parasitic capacitance)が発生する。従って、アンテナの効率を増加させるた めには寄生キャパシタンスを減らす必要があり、図１の構造では外部導体１４ｉ の直径を減らすべきである。前記数式１によれば、外部導体１４ｉの直径を減ら すことはチョーク１２ｉの特性インピーダンスを減らすことにつながる。このよ うに減少されたチョーク１２ｉの特性インピーダンスはカップリングの量を変化 させてアンテナの性能を劣化させる結果を招く。従って、カップリングの量に影 響を与えず、チョーク１２ｉの特性インピーダンスを外部導体１４ｉの直径を減 らす以前と同様にするためには、内部導体１０の直径を減らすしかない。しかし 、内部導体１０の直径を縮めるとアンテナの帯域幅が縮められてしまう。従って 、このように製作されたアンテナはシステムで要求する周波数帯域を十分にカバ ーできなくなる。 また、カップリングの量を調節するために誘電体物質を使用するので、適切な カップリングのためには誘電率と誘電体物質の寸法が正しく選択されるべきであ る。 発明の概要 従って、本発明の目的は、グラウンドと外部導体間の寄生キャパシタンスを最 小化して性能を向上させ、帯域幅を広めたデュアルバンドアンテナを提供するこ とにある。 本発明の他の目的は、構成が簡単で、性能の高い小型のデュアルバンドアンテ ナを提供することにある。 本発明のさらに他の目的は、安価で、使用の便利なデュアルバンドアンテナを 提供することにある。 このような目的を達成するために、同軸線に接続される所定長さの第１部分と 、第１部分から延長される所定長さの第２部分とからなる棒状の放射要素を含む 移動通信用のデュアルバンドアンテナを提供する。このデュアルバンドアンテナ において、前記同軸線はグラウンドに接続され、第１キャパシタンス負荷は前記 放射要素の第１部分に接続される。また、チョークは、前記放射要素の第２部分 を取り囲み、前記第２部分の一端(distal end)に連結される短絡部分と前記第２ 部分の他端(proximal end)で開放される部分を有する。第２キャパシタンス負荷 は、前記チョークの短絡部分に連結される。従って、デュアルバンドの高い動作 周波数では前記チョークの入力インピーダンスが高くなるため、前記放射要素の 第１部分(下部)だけが放射要素として動作し、デュアルバンドの低い動作周波数 では前記チョークの入力インピーダンスが低くなるため、アンテナの全体長さか ら放射が起こる。 図面の簡潔な説明 図１は、従来の同調スリーブチョークを用いる多重周波数アンテナの一実施形 態であって、二重周波数帯域で動作するモノポールアンテナの断面図である。 図２は、本発明の実施形態によるデュアルバンドアンテナの断面図である。 図３Ａは、図１のアンテナの等価回路を示す図であり、図３Ｂは、図２のアン テナの等価回路を示す図である。 発明の詳細な説明 以下、本発明に従う好適な実施形態を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。 なお、図面中、同一な構成要素及び部分には、可能な限り同一な符号及び番号を 共通使用するものとする。 そして、以下の説明では、具体的な特定事項が示しているが、これに限られる ことなく本発明を実施できることは、当技術分野で通常の知識を有する者には自 明である。また、関連する周知技術については適宜説明を省略するものとする。 まず、図２を参照すれば、本発明のアンテナは、一端が開放された中空の金属 管形態のチョーク３５を備える。また、棒状の放射要素３３は、その上端が前記 チョーク３５の上端(短絡部分)に連結され、チョーク３５内に位置する。チョー ク３５の開放部分はグラウンド２０から距離Ｌ１ほど離隔されており、放射要素 ３３の下端は同軸線２の内部導体８に連結される。キャパシタンス負荷３６は前 記チョーク３５の短絡部分に接続され、他のキャパシタンス負荷３７は前記チョ ーク３５の開放部分から所定長さ離れた下方位置で放射要素３３に接続される。 前記キャパシタンス負荷３６は同軸シリンダ、並列ワイヤ、若しくはワイヤで 構成される。図２の実施形態では前記キャパシタンス負荷３６が前記放射要素３ ３に対して対称的に位置しているが、他の実施形態では非対称的に位置しても良 い。前記のようにキャパシタンス負荷３６，３７を接続する理由は、アンテナの 全体長さを公知の１／４波長モノポールアンテナの物理的長さより短くするため である。 チョーク３５(チョーク３５に挿入された放射要素３３も含む)のインピーダン スが周波数によって変化するため、このような特性は、図２のアンテナが二つの 相異なる周波数帯域で同時に動作できる上で有効に用いられる。例えば、高い周 波数帯域では、高い周波数帯域(１,７１０〜１,９００MHz)の中心周波数で１／ ４波長を有するチョークを設計することによって、放射要素３３の第１部分だけ を動作させる。また、低い周波数帯域では、長さＬ２の全体アンテナが放射要素 として動作する。 高い周波数帯域でチョーク３５の入力端での入力インピーダンスＺ_inは前記数 式２によって決定されるが、負荷インピーダンスＺ_Lは短絡されているため、次 の 数式３で示される。 （数式３） Ｚ_in＝ｊＺ_ctanhγ・１ ここで、減衰係数αを無視すると(即ち、α＝０)、Ｚ_inは次の数式４で示され る。 （数式４） Ｚ_in＝ｊＺ_ctanhβ・１ ここでβは伝搬定数であって、‘２π／λ’である。従って、前記数式４に基 づいてｌ＝‘λ／４’の時の入力インピーダンスＺ_inを求めると、次の数式５の ようになる。 （数式５） Z_in＝jZ_c∞ 前記計算結果のように、高い周波数帯域でチョーク３５の入力インピーダンス はほぼ無限大になり、チョーク３５の開放端の下方の放射要素(第１部分)だけが 動作し、放射要素の残り部分、即ち、前記チョーク３５を通過する部分(第２部 分)は放射要素として動作しない。つまり、高い周波数帯域で、前記図２のアン テナは、(前記長さＬ１が高い周波数帯域における周波数で約λ／４に対応する よう選択されると仮定すれば)長さＬ１の１／４波長モノポールアンテナとして 動作する。一方、デュアルバンドの低い周波数帯域では、前記チョーク３５の入 力インピーダンスが低くなり、前記チョーク３５と放射要素３３が電気的にカッ プリングされるため、前記アンテナが、(長さＬ２が低い周波数帯域における周 波数で約λ／４に対応するよう選択されると仮定すれば)長さＬ２を有する１／ ４波長のモノポールアンテナとして動作する。 実際の周波数に対する図２のアンテナでのチョーク３５の入力インピーダンス の変化量を説明すれば次の通りである。まず、韓国通信(Korea Telecom)ＰＣＳ 周波数帯域での入力インピーダンス変化量は次の数式６で求められる。 （数式６） Fhmin＝1,750MHz→Z_in＝jZ_c*14 Fhmax＝1,870MHz→Z_in＝-jZ_c*14 ここで、FhminとFhmaxは前記帯域での最小及び最大周波数である。 しかし、前記チョーク３５の特性インピーダンスＺ_cは前記数式１で示される ため、前記数式１に実際値を代入して特性インピーダンスを求めると次の数式７ となる。 （数式７） 従って、前記ＰＣＳ帯域の周波数での入力インピーダンスの変化量は次の数式 ８で示される。 （数式８） Fhmin＝1,750MHz→Z_in＝j65.86*14＝j922.06ohm Fhmax＝1,870MHz→Z_in＝-j65.86*14＝-j922.06ohm このように入力インピーダンスＺ_inは高いため、高い周波数帯域ではチョーク ３５が放射要素として動作しない。 次いで、ＣＤＭＡ(８００MHz)周波数帯域でチョーク３５の入力端での入力イ ンピーダンスＺ_inは次の数式９で示される。 （数式９） Flmin＝824MHz→Z_in＝j65.86*0.85＝j55.98ohm Flmax＝894MHz→Z_in＝-j65.86*0.97＝-j64.3ohm ここで、Flmin及びFlmaxは前記帯域での最小及び最大周波数を各々示す。 即ち、低い周波数帯域ではチョーク３５と放射要素３３がカップリングされて 全体長さ‘Ｌ２’が放射要素として動作する。従って、Ｌ２が低い周波数帯域の 周波数で１／４波長に対応するよう選択されると、前記アンテナは１／４波長モ ノポールアンテナとして機能する。 図２に示すように、チョーク３５が同軸線２及びグラウンド２０から一定距離 、即ち高い周波数帯域の中心で約λ／４に対応する距離ほど離隔されているため 、寄生キャパシタンスの影響が減少する。また、図１のアンテナ直径ｄより放射 要素の直径ｄ１を大きく製作することによって、従来技術のアンテナに比べて帯 域幅をさらに広めることができる。 図３Ａ及び図３Ｂは、図１及び図２のアンテナに対する各々の等価回路図であ る。ここで、放射要素３３とチョーク３５間のカップリングはキャパシタとイン ダクタと相関し、これらを挟んで放射要素は第１部分と第２部分とに分けられる 。 本実施形態によるアンテナは、帯域幅が広く、一つのアンテナでＧＳＭ／ＤＥ ＣＴ、ＧＳＭ／ＤＣＳ１８００、ＡＭＰＳ又はＣＤＭＡ(８２４〜８９４MHz)／ ＰＣＳシステムのようなデュアルバンドに適用可能である。また、前記アンテナ は、周波数分離が１／４波長の整数倍にならないデュアルバンドにも適用可能で ある。この場合、前記アンテナは放射要素の第１及び第２部分の長さを適切に選 択することによって容易に製作でき、上、下部のキャパシタンス負荷を用いてチ ューニング(tuning)を容易にし得る。 本発明によれば、簡単な構成を有し、高性能の小型化したアンテナが具現でき る。従って、本発明のアンテナは、製作が容易で、安価であり、使用が便利な長 所を有する。 一方、本発明の詳細な説明では具体的な実施形態にあげて説明してきたが、本 発明の範囲内で多様な変形が可能である。従って、本発明の範囲は説明した実施 形態に限られるべきではなく、後述する特許請求の範囲とそれに均等なものによ って定められるべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アレクサンドレ・ゴウデレフ 大韓民国・キュンキ―ド・442―370・スウ ォン―シティ・パルダル―グ・マエタン― ドン・＃５―1112・サムソン・１―チャ・ エーピーティ (72)発明者 コンスタンティン・クリロフ 大韓民国・キュンキ―ド・442―370・スウ ォン―シティ・パルダル―グ・マエタン― ドン・＃６―801・サムソン・１―チャ・ エーピーティ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 移動通信用のデュアルバンドアンテナにおいて、 同軸線に接続される所定長さの第１部分と、第１部分から延長される所定長さ の第２部分とからなる棒状の放射要素と、 前記同軸線に接続されたグラウンドと、 前記放射要素の第１部分に接続される第１キャパシタンス負荷と、 前記放射要素の第２部分を取り囲み、前記第２部分の一端に連結される短絡部 分と前記第２部分の他端で開放される部分とを有するチョークと、 前記チョークの短絡部分に連結される第２キャパシタンス負荷と、から構成さ れることを特徴とするデュアルバンドアンテナ。 ２． 前記第１及び第２キャパシタンス負荷は、 各々水平面部分と、この水平面の円周上に環状に形成される垂直部分とから構 成されることを特徴とする請求項１記載のデュアルバンドアンテナ。 ３． 前記第１キャパシタンス負荷の前記水平面部分は前記チョークの短絡部 分に環状に連結され、前記第１キャパシタンス負荷の前記環状の垂直部分は前記 放射要素の第１部分に向いて予め設定された距離ほど下方に延長されることを特 徴とする請求項２記載のデュアルバンドアンテナ。 ４． 前記第１及び第２キャパシタンス負荷のうち少なくとも一つは、同軸シ リンダより形成されることを特徴とする請求項１記載のデュアルバンドアンテナ 。 ５． 前記第１キャパシタンス負荷は並列ワイヤより構成されることを特徴と する請求項１記載のデュアルバンドアンテナ。 ６． 前記第２キャパシタンス負荷は並列ワイヤより構成されることを特徴と する請求項１記載のデュアルバンドアンテナ。 ７． 前記第２キャパシタンス負荷は前記チョークの外周表面に接続され、所 定長さほど前記チョークの外部を取り囲むよう構成されることを特徴とする請求 項１記載のデュアルバンドアンテナ。 ８． 前記デュアルバンドの所定の高い周波数帯域では、前記アンテナが前記 放射要素の第１部分の長さを有するアンテナとして動作し、前記デュアルバンド の相対的に低い周波数帯域では前記放射要素の第１及び第２部分を合わせた長さ を有するアンテナとして動作することを特徴とする請求項１記載のデュアルバン ドアンテナ。 ９． 前記低い周波数帯域は約８２４〜９６０MHzの範囲を有し、前記相対的 に高い周波数帯域は１,７００〜１,９９０MHzの範囲を有することを特徴とする 請求項８記載のデュアルバンドアンテナ。 １０． 前記第１部分は前記デュアルバンドの高い周波数帯域の中心周波数で 約１／４波長の長さを有し、前記第１及び第２部分は前記デュアルバンドの低い 周波数帯域の周波数で約１／４波長の結合長さを有することを特徴とする請求項 １記載のデュアルバンドアンテナ。 １１． 移動通信用のデュアルバンドアンテナにおいて、 一端が開放されている中空のパイプ状に形成された金属チョークと、 同軸線の内部導体に連結される第１部分と、前記チョーク内に位置し、前記チ ョークの短絡部分に接続される第２部分とを有する放射要素と、 前記同軸線の外部導体に接続されるグラウンドと、 前記チョークの短絡部分に接続される第１キャパシタンス負荷と、 前記チョークの開放部分から所定距離離れて前記放射要素に接続される第２キ ャパシタンス負荷と、から構成されることを特徴とするデュアルバンドアンテナ 。 １２． 高い周波数帯域で前記チョークの開放部分の下方に該当する前記放射 要素部分だけがアンテナとして動作し、デュアルバンドの相対的に低い周波数帯 域では前記放射要素と前記チョークがカップリングされて前記第１及び第２部分 の長さを合わせた前記アンテナの全体長さから放射が起こることを特徴とする請 求項１１記載のデュアルバンドアンテナ。 １３． 前記低い周波数帯域は約８２４〜９６０MHzの範囲を有し、前記高い 周波数帯域は１,７１０〜１,９９０MHzの範囲を有することを特徴とする請求項 １２記載のデュアルバンドアンテナ。 １４． アンテナが、 一端がフィードラインに接続される放射要素と、 前記放射要素の上部を取り囲み、前記放射要素の他端に電気的に連結される第 １部分と、開放された第２部分とを有する中空のシリンダ状のチョークと、から 構成され、 所定の高い動作周波数帯域で前記チョークが高い入力インピーダンスを示して 前記放射要素の下部だけが放射要素として動作し、所定の低い動作周波数帯域で は前記チョークが低い入力インピーダンスを示して前記放射要素の上部及び下部 の長さを含む前記アンテナの全体長さから放射が起こることを特徴とするアンテ ナ。 １５． 前記チヨークの短絡部分に連結される第１キャパシタンス負荷と、前 記放射要素の下部に連結される第２キャパシタンス負荷と、をさらに含むことを 特徴とする請求項１４記載のアンテナ。 １６． 前記フィードラインは同軸線からなることを特徴とする請求項１５記 載のアンテナ。 １７． 前記同軸線の外部導体に接続されるグラウンドをさらに含むことを特 徴とする請求項１６記載のアンテナ。 １８． 前記放射要素は棒状に形成されることを特徴とする請求項１４記載の アンテナ。 １９． 前記第２キャパシタンス負荷はシリンダ状の外部垂直部分と水平面を 有し、前記垂直部分は前記水平面の円周上に環状に連結され、前記水平面の内部 表面は前記放射要素に接続されることを特徴とする請求項１５記載のアンテナ。 ２０． 前記第１キャパシタンス負荷は、シリンダ状の外部垂直部分と水平面 を有し、前記垂直部分は前記水平面の円周に環状に連結され、前記水平面の内部 表面は前記チョークの短絡部分の外部表面に連結されることを特徴とする請求項 １５記載のアンテナ。