JP2008017450A - マイクロチューニングとマクロチューニングとの両方が可能なアンテナ。 - Google Patents

Abstract

【課題】二つの周波数帯域間での選択（マクロチューニング）と、各周波数帯域内でのチャネルのチューニング（マイクロチューニング）とがいずれも良好に実現可能である、かつ更なる小型化が可能な無線端末機用のアンテナを提供する。
【解決手段】本発明によるアンテナでは、放射体が二つの領域を含み、それらの領域の間をスイッチング素子が導通し、又は遮断する。それにより、放電体の実際の動作部分の長さが二段階に変化する。スイッチング素子とグラウンドとの間では電圧調節素子が放射体に連結されている。電圧調節素子は外部から印加される電圧に応じ、放電体に対する印加電圧を調節する。それにより、放電体の動作周波数が更に微調整される。
【選択図】図1

Description

本発明は無線端末機用のアンテナに関する。

近年の無線通信技術の発達により、パソコンやノートＰＣなどを初め、携帯電話やＰＤＡなどのモバイル端末機を、無線端末機として無線ネットワークに手軽に接続することができるようになった。その接続を支援する技術がＷＬＡＮである。

IEEE802委員会で定められたＷＬＡＮの標準規格には主にIEEE802.11bとIEEE802.11aとがある。IEEE802.11bではＩＳＭ（Industrial, Scientific ＆ Medical）バンド2.4GHzが利用され、IEEE802.11aではＵＮＩＩ（Unlicensed National Information Infrastructure）バンド5GHzが利用される。より詳細には、IEEE802.11bでは、2.4GHzから2.4835GHzまでの83.5MHzの帯域幅の利用が許容されている。一方、IEEE802.11aでは、5.15GHzから5.35GHzまでの帯域と、5.725GHzから5.825GHzまでの帯域との、合わせて300MHzの帯域幅の利用が許容されている。
米国特許出願公開第20050174294号明細書 米国特許第6,198,438号明細書 米国特許第6,567,046号明細書

ＷＬＡＮでは標準規格ごとに異なる周波数帯域が利用される。従って、ＷＬＡＮの周波数帯域は一般に、地域ごとに異なる。更に、同じ地域でも、採用される標準規格が変更されることがある。それ故、ＷＬＡＮに接続可能な無線端末機は様々な標準規格に対応可能であることが望ましい。そのためには、IEEE802.11bとIEEE802.11aとの各標準規格で利用される周波数帯域のいずれでも動作可能なアンテナが必要である。

そのようなアンテナとしては例えば、2.4GHz〜5GHzのかなり広い周波数帯域で動作可能なアンテナが知られている。しかし、従来のそのようなアンテナでは、使っていない帯域からの雑音や、使っていない帯域と使っている帯域との間の干渉を抑えることが困難である。
一方、例えば2.4〜2.5GHzで動作するアンテナと、4.9〜5.9GHzで動作するアンテナとを組み合わせる技術が開発されている。しかし、その技術ではまだ、アンテナ全体を十分に小型化できていない。また、各周波数帯域におけるチャネルのチューニング（マイクロチューニング）についてもまだ、考慮できていない。

本発明の目的は、大きく離れた二つの周波数帯域間での選択（マクロチューニング）だけではなく、各周波数帯域内でのチャネルのチューニング（マイクロチューニング）がいずれも良好に実現可能であり、かつ更なる小型化が可能な無線端末機用のアンテナ、を提供することにある。

本発明によるアンテナは、放射体、グラウンド、スイッチング素子、及び、電圧調節素子を有する。
放射体は二つの領域を含み、電磁波を放射し、又は受信する。放射体の一方の領域は好ましくは、ジグザグに折れ曲がった蛇行ライン部を含む。グラウンドは放射体に連結されている。スイッチング素子は、放射体の二つの領域の間を導通させ、又は遮断する。スイッチング素子は好ましくはＰＩＮダイオードを含む。スイッチング素子のオン期間では放射体の二つの領域の間が導通するので、放射体の動作周波数帯域はスイッチング素子のオン期間ではオフ期間より低い。こうして、スイッチング素子のオンオフにより、二つの周波数帯域間でのマクロチューニングが実現する。

電圧調節素子は、スイッチング素子とグラウンドとの間で放射体に連結されている。電圧調節素子は、外部から印加される電圧に応じてインピーダンスを変化させる。それにより、放射体の動作周波数の微調整、すなわちマイクロチューニングが実現する。電圧調節素子は好ましくは、バラクタダイオードを含む。その場合、更に好ましくは、バラクタダイオードに対して逆電圧を印加する逆電圧調節部、を上記のアンテナが更に有する。その逆電圧の高さに応じて放射体の動作周波数が調節される。特に、逆電圧が高いほど放射体の動作周波数が高い。

本発明によるアンテナは上記の通り、マクロチューニングとマイクロチューニングとの両方を良好に実現可能である。また、放射体の一つの領域をジグザグに蛇行させることができるので、アンテナ全体が画期的に縮小可能である。更に、アンテナをパッチ型に構成できるので、回路基板へのアンテナの取り付け作業が更に簡単化される。

以下、添付の図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳述する。
図1、2、3はそれぞれ、本発明の実施形態による無線端末機用アンテナの斜視図、正面図、及び背面図である。それらの図面に示されているように、このアンテナ1は、放射体10、グラウンド50、ＰＩＮダイオード20、バラクタダイオード25、スイッチング制御部30、及び逆電圧調節部35を含む。

グラウンド50は回路基板2の一面に設置されている。グラウンド50の一端からは突出部51が回路基板2の表面に沿って突出している（図3参照）。突出部51は第１ビアホール61を介して放射体10に電気的に連結されている。

放射体10は回路基板2の他面に形成されたパッチアンテナである。放射体10は、フィーディング部11と蛇行ライン部15との二つの領域を含む。フィーディング部11は直線の帯状である。フィーディング部11の長さは好ましくは、グラウンド50の長さとほぼ同一である。フィーディング部11は更に、回路基板2を隔ててグラウンド50と対向するように配置されている。蛇行ライン部15はフィーディング部11の端部から延びている。蛇行ライン部15はジグザグに複数回折れ曲がっている。フィーディング部11に連結された蛇行ライン部15の端部は第１ビアホール61を介してグラウンド50に電気的に連結されている。

アンテナ1では上記の通り、放射体10の一部15が蛇行している。それにより、アンテナ1の全体を画期的に縮小できる。例えば、従来のアンテナのサイズが数十〜数百mmであるのに対し、アンテナ1のサイズは10.3mm×8mmに抑えることができる。また、アンテナ1の放射体10はパッチ型であるので、回路基板2への取り付けが簡単である。

ＰＩＮダイオード20は、蛇行ライン部15の一部に取り付けられている。ＰＩＮダイオード20はその両端に接続された蛇行ライン部15の間を導通させ、又は遮断する。ここで、ＰＩＮダイオード20は、所定の閾値を超える順電圧が印加される時にターンオンする。好ましくは、ＰＩＮダイオード20に対して5V以上の順電圧が印加されるとき、ＰＩＮダイオード20の（直流電流に対する）抵抗が1Ωになり、すなわちＰＩＮダイオード20がターンオンする。一方、それ以外のときはＰＩＮダイオード20の（直流電流に対する）抵抗が10KΩになり、すなわちＰＩＮダイオード20がターンオフする。また、ＰＩＮダイオード20の閾値電圧値を5Vに設定する場合、その電圧値は無線端末機全般で一般的に使われる電圧値であるので、ＰＩＮダイオード20に対する印加電圧のためだけに特別な電圧源が設置される必要はない。こうして、アンテナ1の製造コストを低く維持し、かつ回路構成を簡単なものに維持したまま、ＰＩＮダイオード20を有効に利用することができる。

スイッチング制御部30は好ましくは、グラウンド50が配置された回路基板2の表面に形成され、第２ビアホール62を介してＰＩＮダイオード20の一端に連結されている（図1、3参照）。スイッチング制御部30は好ましくはＲＬＣ回路を含み、ＰＩＮダイオード20に対して5Vの順電圧を印加する。

ＰＩＮダイオード20のオン期間では、ＰＩＮダイオード20を通して蛇行ライン部15の全体がフィーディング部11に連結され、フィーディング部11と蛇行ライン部15との全体が放射体として機能する。好ましくは、放射体10の全長が56.5mmである。その場合、図4Aに示されているように、アンテナ1は2.4GHzの周波数帯域に共振点を有する。更に、その共振点の近傍では、アンテナ1の帯域幅が−10dBで150MHzである。この帯域幅は従来のアンテナの帯域幅80MHzより広い。このように、アンテナ1は従来のアンテナより、2.4GHzの周波数帯域での性能が高い。

ＰＩＮダイオード20のオフ期間では、ＰＩＮダイオード20により蛇行ライン部15の一部がフィーディング部11から切断される。従って、フィーディング部11と、その端部からＰＩＮダイオード20の手前までの蛇行ライン部15の一部とだけが方斜体として機能する。好ましくは、放射体10のそれらの部分の長さが14.65mmである。その場合、図4Bに示されているように、アンテナ1は5.3GHzの周波数帯域に共振点を有する。更に、その共振点の近傍では、アンテナ1の帯域幅が−10dBで400MHzである。

このように、ＰＩＮダイオード20のオンオフに応じて放射体10の実際の動作部分の長さが変わる。それにより、アンテナ1の共振点が2.4GHzと5.3GHzとの間で切り換えられる。こうして、アンテナ1はＰＩＮダイオード20のオンオフにより、IEEE802.11bの周波数帯域である2.4GHzと、IEEE802.11aの周波数帯域である5.3GHzとの間で動作周波数を大きく変更可能である。すなわち、アンテナ1はマクロチューニングを良好に実現可能である。

尚、前述の実施形態では、ＷＬＡＮの代表的な二つの標準規格で利用される周波数帯域に適した動作周波数が得られるように、放射体10の長さが設計されている。しかし、放射体10の長さをその他の値に変更することで、アンテナ1の動作周波数帯域を自由に変更可能である。

バラクタダイオード25は、フィーディング部11とＰＩＮダイオード20との間を連結する蛇行ライン部15の部分に取り付けられている。バラクタダイオード25はその両端間に対して印加される逆電圧の高さに応じてキャパシタンスを次のように変化させる。逆電圧が印加されていないとき、バラクタダイオード25の内部では空乏領域が最小であるので、バラクタダイオード25のキャパシタンスが最大である。一方、逆電圧が高いほど空乏領域が拡大するので、キャパシタンスが減少する。

逆電圧調節部35は好ましくは、グラウンド50が配置された回路基板2の表面に形成され、第３ビアホール63を介してバラクタダイオード25の一端に連結されている（図1、3参照）。逆電圧調節部35は好ましくは、図6Aに示されているＲＬＣ回路を含み、バラクタダイオード25に対して逆電圧を印加する。逆電圧調節部35は特に、逆電圧を0V〜3Vの範囲で連続的に変更可能である。

バラクタダイオード25のキャパシタの増大に伴い、アンテナ1の共振点が上昇する。従って、バラクタダイオード25に対して印加される逆電圧が高いほど、アンテナ1の共振点が高い。こうして、逆電圧調節部35からバラクタダイオード25に対して印加される逆電圧を調節することにより、チャネルの変更、すなわちマイクロチューニングが実現可能である。

図5Aは、2.4GHzの周波数帯域について、バラクタダイオード25のキャパシタンスとアンテナ1の反射係数S₁₁の周波数特性との間の関係を示すグラフである。ＰＩＮダイオード20のオン期間では、フィーディング部11と蛇行ライン部15との全体が機能することで、2.4GHzの周波数帯域に放電体10の共振点が発生する。そのとき、バラクタダイオード25に対して印加される逆電圧を調節すると、その共振点が移動する。図5Aに実線で示されているように、バラクタダイオード25に対して2Vの逆電圧を印加したときには、2.4GHzに共振点が形成され、反射係数S₁₁が最小値−21dBを示す。一方、図5Aに破線で示されているように、バラクタダイオード25に対して3Vの逆電圧を印加したときには、2.48GHzに共振点が形成され、反射係数S₁₁が最小値−20dBを示す。更に、図5Aには示されていないが、バラクタダイオード25に対する逆電圧が2V〜3Vの間で変化するのに合わせ、共振点が2.4GHz〜2.48GHzの間で変化する。すなわち、逆電圧を2V〜3Vの間で変化させることにより、2.4GHz〜2.48GHzの間でのマイクロチューニングを実現できる。

図5Bは、5GHzの周波数帯域について、バラクタダイオード25のキャパシタンスとアンテナ1の反射係数S₁₁の周波数特性との間の関係を示すグラフである。ＰＩＮダイオード20をターンオフさせると、フィーディング部11から蛇行ライン部15の大部分が切断されるので、放電体10の共振点が5GHzの周波数帯域に移動する（マクロチューニング）。そのとき、バラクタダイオード25に対して印加される逆電圧を調節すると、その共振点が更に微妙に移動する。図5Bに実線で示されているように、バラクタダイオード25に対して2Vの逆電圧を印加したときには、5.3GHzに共振点が形成され、反射係数S₁₁が最小値−27dBを示す。一方、図5Bに破線で示されているように、バラクタダイオード25に対して3Vの逆電圧を印加したときには、5.46GHzに共振点が形成され、反射係数S₁₁が最小値−26dBを示す。更に、図5Bには示されていないが、バラクタダイオード25に対する逆電圧が2V〜3Vの間で変化するのに合わせ、共振点が5.3GHz〜5.46GHzの間で変化する。すなわち、逆電圧を2V〜3Vの間で変化させることにより、5.3GHz〜5.46GHzの間でのマイクロチューニングを実現できる。

尚、スイッチング制御部30によるＰＩＮダイオード20に対する順電圧の印加、及び逆電圧調節部35によるバラクタダイオード25に対する逆電圧の印加はいずれも、以下に示すとおり、アンテナ1の動作には影響を与えない。
図6Aには、バラクタダイオード25と逆電圧調節部35との間を連結する第３ビアホール63が、抵抗R1、インダクタL1、及びキャパシタC1の直列回路で表現され、放電体10の全体がバラクタダイオード25と共に、一つの抵抗で表現されている。一方、逆電圧調節部35は、抵抗R2、インダクタL2、及びキャパシタC2から成るＴ型回路で表現され、アンテナ1の入出力端子に接続された外部回路Lが一つの抵抗で表現されている。図6Bには、第３ビアホール63と逆電圧調節部35との間での反射係数S₁₁の周波数特性を示す。図6Aに示されている各回路素子に対し、適切な抵抗値、インダクタンス、及びキャパシタンスが与えられることにより、図6Bに示されているように、第３ビアホール63と逆電圧調節部35との間ではどの周波数でも高いアイソレーションが維持される。特に、反射係数S₁₁が周波数に関わらず、−100dB以下に維持されている。従って、第３ビアホール63を通した逆電圧調節部35による逆電圧の印加は、アンテナ1の動作には影響を与えない。同様な原理により、スイッチング制御部30による順電圧の印加もアンテナ1の動作には影響を与えない。

図7A及び図7Bはそれぞれ、ＰＩＮダイオード20のオン期間にバラクタダイオード25に対し、2V及び3Vの各逆電圧が印加された場合のアンテナ1の放射パターンを示している。図7A、7Bに示されているように、2.4GHzの周波数帯域では、逆電圧の変化、すなわち共振点の微細な変動に関わらず、アンテナ1の放射パターンが全方向的である。更に、逆電圧が2Vであるとき、すなわち、共振点が上記の周波数帯域内での最低値2.4GHzであるときは、アンテナ1のゲインが−0.096dBである。一方、逆電圧が3Vであるとき、すなわち、共振点が上記の周波数帯域内での最高値2.48GHzであるときは、アンテナ1のゲインが−0.194dBである。このように、アンテナ1は2.4GHzの周波数帯域内の全体で全方向性を維持し、そのゲインも十分に高い。従って、アンテナ1は、ＷＬＡＮ用無線アンテナに適している。

以上の説明のとおり、本発明の実施形態によるアンテナ1は、ＰＩＮダイオード20を用いてマクロチューニングを良好に行い、バラクタダイオード25を用いてマイクロチューニングを良好に行う。従って、アンテナ1はIEEE802.11aとIEEE802.11bとの2つの標準規格に対応可能である。それ故、このアンテナ1を採用する無線端末機は利便性が高い。また、規格の変更に伴う機種変更が不要であるので、無線端末機の維持コストが削減される。

上記のアンテナ1では更に、放射体10の一部が蛇行ライン状に形成されている。それにより、従来のアンテナに比べアンテナ全体を画期的に縮小できる。更に、放射体10を回路基板2に取り付けることが容易であるので、製造工程が簡単化される。

尚、前述の実施形態では、放射体10にＰＩＮダイオード20を一つだけ取り付けている。それにより、放射体10の機能部分の長さが二段階に変更可能であるので、アンテナ1の動作周波数帯域が二種類に変更可能である。その他に、ＰＩＮダイオードを複数個、放射体10に沿って取り付け、個々のＰＩＮダイオードのオンオフにより、放射体10の機能部分の長さを更に多段階に変更可能にしても良い。それにより、アンテナ1を更に多種類の周波数帯域で動作させることができる。

図4〜図5は、上記の実施形態によるアンテナ1に対するシミュレーションの結果から得られている。そのシミュレーションでは特に、動作周波数帯域を2.4GHzと5GHzとの二種類形成するように、放射体10の長さを設計し、かつバラクタダイオード25に対する印加電圧を調節している。従って、放射体10の長さとバラクタダイオード25に対する印加電圧とをそれぞれ変化させれば、アンテナ1の動作周波数帯域を多様に変更できる。

本発明の実施形態による無線端末機用のアンテナの斜視図 図1に示されているアンテナの正面図 図1に示されているアンテナの背面図 図1に示されているアンテナについて、ＰＩＮダイオードのオン期間での反射係数S₁₁の周波数特性を示すグラフ 図1に示されているアンテナについて、ＰＩＮダイオードのオフ期間での反射係数S₁₁の周波数特性を示すグラフ 図1に示されているアンテナについて、2.4GHzの周波数帯域での反射係数S₁₁の周波数特性とバラクタダイオードのキャパシタンスとの間の関係を示すグラフ 図1に示されているアンテナについて、5GHzの周波数帯域での反射係数S₁₁の周波数特性とバラクタダイオードのキャパシタンスとの間の関係を示すグラフである。 図1に示されているアンテナに含まれている、第３ビアホールと逆電圧調節部との等価回路図 図1に示されているアンテナに含まれている、第３ビアホールと逆電圧調節部との間での反射係数S₁₁の周波数特性を示すグラフ ＰＩＮダイオードのオン期間にバラクタダイオードに対して2Vの逆電圧が印加された場合での、図1に示されているアンテナの放射パターン ＰＩＮダイオードのオン期間にバラクタダイオードに対して3Vの逆電圧が印加された場合での、図1に示されているアンテナの放射パターン

符号の説明

1 アンテナ
10 放射体
11 フィーディング部
15 蛇行ライン部
20 ＰＩＮダイオード
25 バラクタダイオード
30 スイッチング制御部
35 逆電圧調節部
50 グラウンド
51 突出部
61 第１ビアホール
62 第２ビアホール
63 第３ビアホール

Claims (10)

1. 二つの領域を含み、電磁波を放射し、又は受信する放射体、
   前記放射体に連結されているグラウンド、
   前記放射体の二つの領域の間を導通させ、又は遮断するスイッチング素子、及び、
   前記スイッチング素子と前記グラウンドとの間で前記放射体に連結され、外部から印加される電圧に応じてインピーダンスを変化させる電圧調節素子、
   を有するアンテナ。
2. 前記放射体の二つの領域の一方が、ジグザグに折れ曲がった蛇行ライン部を含む、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記スイッチング素子がＰＩＮダイオードを含む、請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記スイッチング素子に対して所定の電圧を印加して前記スイッチング素子をターンオンさせるスイッチング制御部、を更に有する、請求項１に記載のアンテナ。
5. 前記放射体の動作周波数帯域が、前記スイッチング素子のオン期間ではオフ期間より低い、請求項１に記載のアンテナ。
6. 前記スイッチング素子が複数個、前記放射体に沿って所定の間隔で設置されている、請求項１に記載のアンテナ。
7. 前記電圧調節素子がバラクタダイオードを含む、請求項１に記載のアンテナ。
8. 前記バラクタダイオードに対して逆電圧を印加する逆電圧調節部、を更に有する、請求項７に記載のアンテナ。
9. 前記逆電圧の高さに応じて前記放射体の動作周波数が調節される、請求項８に記載のアンテナ。
10. 前記逆電圧が高いほど、前記放射体の動作周波数が高い、請求項９に記載のアンテナ。