JP2009111999A - マルチバンドアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】
一端が給電点と接続し他端が開放端である放射線路を、途中に折り返し部を有するループ状線路となした、マルチバンドアンテナであって、線路の一部が誘電体を介して対向配置された容量結合部を備るようにして、複数の周波数で共振し、広帯域化が可能で、各周波数帯域内において良好な利得と放射特性が得られるマルチバンドアンテナを省スペースで実現しつつ、各周波数帯域毎の周波数調整を容易に行うことが可能なマルチバンドアンテナを提供する。
【解決手段】
一端が給電点と接続し他端が開放端である線路を途中で折り返してループ状線路とし、その一部に誘電体を配置した容量結合部を備え、複数の周波数で共振するマルチバンドアンテナとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に、複数のバンド（送受信帯域）に対応可能なアンテナ装置、及びそれを用いた無線通信機器に関する。

近年、携帯電話等の無線通信機器が急速に普及し、通信に使用する帯域も多岐に亘っている。特に、最近の携帯電話では、デュアルバンド方式、トリプルバンド方式、クワッドバンド方式等と呼ばれるように、複数の送受信帯域を一つの携帯電話等の通信機器に装備する例が多くなっている。
かかる状況下、携帯電話等の内蔵アンテナ回路を構成するアンテナとして、上記のような複数の送受信帯域に対応できるマルチバンドアンテナの開発が急がれている。更に、携帯電話等の無線通信機器の更なる小型化の要請により、アンテナ部品の増加傾向にも拘わらず小型化を実現するだけでなく、より高い性能を持つ必要が生じている。

従来の携帯電話等に用いられた無線通信機器に装備するマルチバンドアンテナは、例えば、共振周波数の異なる複数のチップアンテナを一つの給電点と接続するようにして小型のマルチバンドアンテナを構成することが提案されている（引用文献１）。
しかしながら、上述したマルチバンドアンテナでは、共振周波数に応じて個別にチップアンテナを設ける必要があり、通信機器の小型、軽量化、あるいは多機能化の伸長に伴う更なる小型化の要求に対して、マルチバンドアンテナの小型化が阻害され、これを満足出来ない状況が生じることがあった。

このような小型化の要求に対して、他の例では、ループ状に形成された一つの放射電極を、誘電体や磁性体といった基体に設けて、その開放端を給電部側の電極に所定の間隔を介して対向配置させて結合容量を形成し、前記結合容量を調整することによって、放射電極の基本共振モードの共振周波数を大きく変化させずに、基本共振モードの共振周波数と高次共振モードの共振周波数との間隔を可変制御している（引用文献２）。
特開平０９−１９９９３９号 特開２００２−１５８５２９号

しかしながら、上述したマルチバンドアンテナでは、誘電体や磁性体を利用して、波長短縮効果によって放射電極の小型化を図っているが、放射電極の全体を基体に設けているため、Ｑが１００を超え共振が鋭く、周波数帯域が狭帯域となり、また放射電極は容量性の影響が強く現れ易く、放射電極の長さや幅によって各共振周波数が大きく変動して、設定が難しいという問題がある。更に、基本共振モードの共振周波数の制御については、何等考慮されていなかった。
そこで本発明では、上記のような種々の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、広帯域化が可能で、各周波数帯域内において良好な利得と放射特性が得られるマルチバンドアンテナを省スペースで実現しつつ、各周波数帯域毎の周波数調整を容易に行うことが可能なマルチバンドアンテナを提供することにある。

本発明は、一端が給電点と接続し他端が開放端である放射線路を、途中に折り返し部を有するループ状線路となし、線路の一部が誘電体を介して対向配置された容量結合部を備えた、複数の周波数で共振するマルチバンドアンテナであって、前記ループ状線路の給電点から開放端までの線路長により、第１の共振周波数ｆ１を制御し、給電点から容量結合部までの線路及び、容量結合部から折り返し部までの不連続のループ状線路の一部を用い、その線路長と前記容量結合部の容量により第２の共振周波数ｆ２を制御し、給電点から折り返し部までの連続したループ状線路の一部を用い、その線路長により第３の共振周波数ｆ３を制御し、前記第２の共振周波数ｆ２と前記第３の共振周波数ｆ３は、前記第１の共振周波数ｆ１よりも高次の共振周波数であることを特徴とするマルチバンドアンテナである。

図１６に一般的な逆Ｆアンテナの模式図を示す。線路を基本波（第１の共振周波数ｆ１）のλ／４（λ；波長）で共振させると、給電点では電流が最大となり、開放端で電流は零となる。電圧は開放端で最大となる。給電点でのインピーダンス整合を考慮すれば、前記線路は基本波の第３次高調波で共振させることが出来るので、単純には周波数比が１（基本波）対３のマルチバンドアンテナが得られる。
しかしながら、現在使用されている無線通信機器の周波数帯域は、代表的携帯電話の周波数帯域を例に取れば、ＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）は凡そ９００ＭＨｚであり、ＤＣＳ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｓｙｓｔｅｍ）１８００やＰＣＳ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ
Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｅｒｖｉｃｅ）１９００は１．８〜１．９ＧＨｚの周波数帯域であり、周波数比で凡そ１対２の関係にある。
このためマルチバンドアンテナでは、基本波の共振周波数を第１の共振周波数ｆ１とすると、この約２倍の周波数を含む帯域内で第２の共振させることが必要となる。

本発明に到るまでのマルチバンドアンテナを図１７に示す。線路を途中で折返してループ状線路とすることで、線路間に生じる寄生容量による弱い結合を利用し、図１８に示すように３次高調波の周波数を低下させている。しかしながら、それだけでは周波数を低下が不十分であった。
そこで本発明のマルチバンドアンテナでは、ループ状線路の一部に誘電体を配置して他の部位よりも誘電率を高めた容量結合部を設けて、基本波の約２倍の周波数（第２の共振周波数ｆ２）で共振させ、共振周波数の周波数比が凡そ１（基本波）対２のマルチバンドアンテナとしている。

前記容量結合部は３次高調波の電流値が零であり、電圧が最大となる部位からループ状線路の開放端に到る間に設けるのが好ましい。容量結合部に設けられる容量は高周波的に短絡となる。本発明者等は前記容量結合部を通過する経路において、前記ループ状線路を第３の周波数（第３の共振周波数ｆ３）で共振させ、前記第２の共振周波数ｆ２と前記第３の共振周波数ｆ３とを近接させて、電圧定在波比ＶＳＷＲに優れる周波数帯域を重なるようにして広帯域化したマルチバンドアンテナとすることを着想した。
なお本発明においては、第２の共振周波数ｆ２と第３の共振周波数ｆ３を近接した周波数としているが、離間した周波数としても良いし、略同じ周波数としても良く、対応すべき周波数に応じて適宜設定すれば良い。

前記ループ状線路を、一端が給電点と接続する第１線路と、前記第１線路の他端側と接続する第２線路と、前記第２線路の他端と接続する第３線路とを備えたものとし、前記第１線路と前記第３線路を対向させて容量結合部とするのが好ましい。
前記基板はプリント基板を用いるのが好ましく、ＦＲ４（ガラスエポキシ基板）等を用いることが出来る。また、アルミナ基板等のセラミック基板を用いることも出来る。第１線路や第３の線路は基板上に設けられた線路であり、低抵抗のＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の良導体で印刷やエッチングによって形成するのが好ましい。第２の線路は加工が容易であるが、外力に対して容易に変形しないリン青銅などの板金で形成するのが好ましい。

前記容量結合部は前記基板に設けるのが好ましく、第１線路と第３線路を基板の同一面上に所定の間隔をもって面して配置し、又は第１線路と第３線路を基板の異なる面上に所定の間隔をもって対向して配置して形成することが出来る。
前記第１線路と前記第３線路は帯状の線路として構成されており、その縁部を対向させたり、あるいは基板を挟んで対向させたりすることで結合容量を形成することが出来る。また、第１線路及び／又は第３線路から延びる容量結合用導体部（電極パターン）を設けて、前記容量結合部を形成しても良い。

本発明においては、第２線路に延長導体部を設けて基板に形成された容量形成用電極と接続し、前記容量形成用電極と第３線路を前記基板の同一面上に所定の間隔をもって面して配置し、又は前記容量形成用電極と第３線路を前記基板の異なる面上に所定の間隔をもって対向して配置して、容量結合部を追加形成しても良い。
また基板上に、前記基板と誘電率が異なる誘電体片を配置し、前記誘電体片に容量形成用電極形成して第２線路に延長導体部と接続し、第３線路と対向させて容量結合部を追加形成しても良い。

本発明においては、更にループ状線路の給電点側から分岐する分岐線路を設けて第４の共振周波数ｆ４を制御しても良い。分岐線路を前記ループ状線路の一部と並設して配置しても良い。共振周波数の調整においては、分岐線路とループ状線路とは電磁気的干渉が少ない程、それぞれ独立して調整が可能であるため好ましい。電磁気的な結合が生じる場合には共振周波数の調整は難しくなるが、分岐線路とループ状線路を短くすることも可能となるため、小型化においては好ましい。

本発明によれば、広帯域化が可能で、各周波数帯域内において良好なＶＳＷＲ特性が得られるマルチバンドアンテナを省スペースで実現しつつ、各周波数帯域毎の周波数調整を容易に行うことが可能なマルチバンドアンテナを提供することが出来る。

本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
まず、本発明のマルチバンドアンテナの基本的特徴について説明する。図１は、本発明のマルチバンドアンテナの基本構成を説明するための図である。本発明のマルチバンドアンテナ１は、図１に示すように、放射電路であるループ状線路１０の一端側の端部に給電点が設けられ、高周波回路２０と接続すると共に、他端側が開放端３５となっている。
ループ状線路１０は折返し部４０を備え、給電点から折返し部４０間の線路において、少なくとも一部が、折返し部４０から開放端までの線路と並設される。更に本実施例では、放射線路の開放端３５と、給電点側から折返し部４０までの線路との間で容量を形成した容量結合部３５を設けている。そして給電点から高周波回路２０との間に、整合回路２００としてシャントインダクタを接続している。

図２にマルチバンドアンテナの等価回路を示す。ここでは線路間や、線路とグランドとの間に生じる寄生容量については省略している。図中、インダクタＬ１〜Ｌ３はループ状線路１０で形成されるインダクタンス成分を、コンデンサＣｇは容量結合部３５で形成されるキャパシタンス成分を表している。
なお、インダクタＬ１〜Ｌ３はループ状線路の部分で形成される等価インダクタンスであって、インダクタＬ１は容量結合部３５から折返し部４０までの間に形成されるインダクタンスである。インダクタＬ２は折返し部４０から開放端３５までの間に形成されるインダクタンスである。インダクタＬ３は給電点から折返し部４０までの間に形成されるインダクタンスである。

本発明のマルチバンドアンテナは、第１〜第３の周波数で共振するように構成されている。図３（ａ）〜図３（ｃ）は第１〜第３の共振を説明するための図である。
基本波は第１の共振周波数ｆ１で共振するように構成され、波長λの略１／４λとなる電気長を有する線路により形成され、
インダクタＬ１〜Ｌ３の直列回路で構成される。第２の共振は、インダクタＬ２、Ｌ３とコンデンサＣｇとの直列共振回路により、第３の共振は、インダクタＬ１、Ｌ３の直列共振回路により生じる。なお図示しない寄生容量はインダクタと並列に接続し、あるいはグランドとの間に接続される。

図４のマルチバンドアンテナの周波数特性図に示すように、ループ状線路１０の全体の線路長を長くすると、第１の周波数帯での共振周波数ｆ１、第２の周波数帯での共振周波数ｆ２、第３の周波数帯での共振周波数ｆ３（図中共振周波数ｆ３を省略している）は低周波側に移動し、短くすると低周波側に移動する。
容量結合部３５に形成される結合容量によって、ループ状線路の全体の線路長を一定とした場合に、第２の共振周波数ｆ２を制御することが出来る。図５に示したマルチバンドアンテナの周波数特性図に示すように、第２の共振周波数ｆ２と第３の共振周波数ｆ３とを近接させて、電圧定在波比に優れる周波数帯域を広帯域化することが可能となる。

図６は本発明に係るマルチバンドアンテナの斜視図である。図中、基板裏側の構造が明確となるように基板４５を透過して示している。基板にはグランドパターンが設けられていない非グランド領域が形成されており、グランド領域から前記非グランド領域へ延びる線路１０ａ（第１線路）の端部に半田接続され、基板４５に立設して板金で構成されたループ状の線路１０ｂ（第２線路）が配置されている。線路１０ｂは途中で線路１０ａの端部側に折返され、基板に設けられた切欠き部を通じて基板裏面に到り、主面側の導体と並んで端部側へ水平に延び、その端部は基板４５の裏面に形成された線路１０ｃ（第３線路）と接続する。前記線路１０ｃは基板４５を介して線路１０ａと対向して配置されてコンデンサＣｇを形成する。線路１０ａの端部側を容量結合部３０として構成している。
線路１０ｂを基板に立設してグランド領域との距離を離すことで、その影響を減じることが出来る。また、このようなマルチバンドアンテナではＱを１００以下となり、帯域を広げることが出来る。マルチバンドアンテナのＱを小さくしすぎると、アンテナとしての機能が劣化するため、使用周波数帯において、好ましくは１０〜９０程度とする。より好ましくは１５から５０である。

本実施例では、導体１０ｂを基板裏面側で折返しているが、主面側で折返し基板に設けたスルーホールを通じて線路１０ｃと接続しても良い。また、主面に線路１０ｃを設けて、その縁部が線路１０ａと面するようにし、主面側で折返した線路１０ｂの端部を接続しても良い。

（実施例１）
本発明に係る実施例について、図面を参照して詳細に説明する。図７は、本発明の一実施例に係るマルチバンドアンテナを説明するための図である。尚、本実施例のマルチバンドアンテナの基本的な構成は図６に示したものと略同じなので、相違点を中心に説明する。
図７に示したマルチバンドアンテナは、非グランド領域へ延びる線路１０ａ（第１線路）の端部に容量結合用導体部１０ｄを設け、前記端部と接続する線路１０ｂ（第２線路）を、基板４５の主面側導体１０ｂ１と裏面側導体１０ｂ２とに分け、これらを基板４５に設けたスルーホールで接続している。線路１０ｂの端部と接続する線路１０ｃ（第３線路）は、前記容量結合用導体部１０ｄと基板４５を介して対向し、容量結合部３０を形成している。線路１０ｃの端部は容量結合部３０から更に延びている。
図８は容量結合部３０を基板の上面側から見た平面図である。容量結合用導体部１０ｄは長さａで形成され、線路１０ｃ（長さｂ）と全面が対向している。
図９は本実施例に係るマルチバンドアンテナの等価回路を示す。線路１０ｃ（第３線路）が容量結合用導体部１０ｄよりも長く形成されており、その分コンデンサＣｇの先にンダクタＬ２−２が接続される。この場合、インダクタＬ２−２、Ｌ３とコンデンサＣｇの直列共振回路による共振が現れるが、延長部が短ければ、その共振点はマルチバンドアンテナが用いられる周波数よりも高周波となる。

図１０は、本発明に係るマルチバンドアンテナのＶＳＷＲの周波数特性図である。図中Ｎｏ．１として示した試料を基準とし、容量結合用導体部１０ｄは長さａを長くして結合を強めた試料をＮｏ．２とし、線路１０ｃの延長部を短くした試料をＮｏ．３としている容量結合部の結合を強めると高周波側のＶＳＷＲ特性が低周波側に移動し、線路１０ｃの延長部を短くすると、高周波側のＶＳＷＲ特性に大きな影響を与えずに、低周波側のＶＳＷＲ特性を制御する事が出来た。なお、ループ状線路１０において、線路１０ｂの長さを変えると低周波側、高周波側の双方のＶＳＷＲ特性が変化した。
本実施例によれば、一つのループ状線路で広帯域なマルチアンテナを得ることが出来た。

（実施例２）
図１１は他の実施例に係るマルチバンドアンテナの側面図である。
図１１に示したマルチバンドアンテナは、非グランド領域へ延びる線路１０ａの端部に線路１０ｂ（第２線路）を接続し、前記線路１０ｂは基板４５の主面側で折返され、基板の裏面に形成された帯状の電極とスルーホールで接続している。前記帯状電極は前記スルーホールとの接続点を挟んで、容量結合用導体部１０ｄと線路１０ｃを構成している。
本実施例においても、一つのループ状線路で広帯域なマルチアンテナを得ることが出来た。

（実施例３）
図１２は他の実施例に係るマルチバンドアンテナの側面図である。
図１２に示したマルチバンドアンテナは、基板４５の主面側に位置する線路１０ｂの途中に延長導体部１６を設けて、前記基板に形成された容量形成用電極１０ｄと接続し、前記容量形成用電極１０ｄと線路１０ｃを対向して配置し、前記容量結合部３０を形成している。本実施例においても、一つのループ状線路で広帯域なマルチアンテナを得ることが出来た。

（実施例４）
図１３は他の実施例に係るマルチバンドアンテナの斜視図であり、図１４はその側面図である。また図１５はマルチバンドアンテナの模式図である。
本実施例に係るマルチアンテナは、ループ状線路１０の給電点側から分岐し、第４の共振周波数ｆ４を制御する分岐線路を備えている。前記分岐線路は前記ループ状線路の線路１０ｂと並設される。本実施例においても、一つのループ状線路で広帯域なマルチアンテナを得ることが出来、更に分岐線路によって第４の共振周波数ｆ４を制御することが出来た。

本発明によれば、広帯域化が可能で、各周波数帯域内において良好な利得と放射特性が得られるマルチバンドアンテナを省スペースで実現しつつ、各周波数帯域毎の周波数調整を容易に行うことが可能なマルチバンドアンテナを提供することが出来る。

本発明の一実施例に係るマルチバンドアンテナの模式図である。 本発明の一実施例に係るマルチバンドアンテナの等価回路図である。 本発明の一実施例に係るマルチバンドアンテナの３つの共振回路の等価回路図である。 本発明の一実施例に係るマルチバンドアンテナのＶＳＷＲの周波数特性図である。 本発明の一実施例に係るマルチバンドアンテナのＶＳＷＲの周波数特性図である。 本発明の他の実施例に係るマルチバンドアンテナの斜視図である。 本発明の他の実施例に係るマルチバンドアンテナの斜視図である。 本発明の他の実施例に係るマルチバンドアンテナの容量結合部の平面拡大図である。 本発明の他の実施例に係るマルチバンドアンテナの等価回路図である。 本発明の他の実施例に係るマルチバンドアンテナのＶＳＷＲの周波数特性図である。 本発明の他の実施例に係るマルチバンドアンテナの側面図である。 本発明の他の実施例に係るマルチバンドアンテナの側面図である。 本発明の他の実施例に係るマルチバンドアンテナの斜視図である。 本発明の他の実施例に係るマルチバンドアンテナの側面図である。 本発明の他の実施例に係るマルチバンドアンテナの模式図である。 従来の逆Ｆアンテナの模式図である。 従来のマルチバンドアンテナの模式図である。 従来のマルチバンドアンテナのＶＳＷＲの周波数特性図である。

符号の説明

１ マルチバンドアンテナ
１０ ループ状線路
２０ 高周波回路
３０ 容量結合部
４５ 基板

Claims (9)

1. 一端が給電点と接続し他端が開放端である放射線路を、途中に折り返し部を有するループ状線路となし、線路の一部が誘電体を介して対向配置された容量結合部を備えた、複数の周波数で共振するマルチバンドアンテナであって、
   前記ループ状線路の給電点から開放端までの線路長により、第１の共振周波数ｆ１を制御し、給電点から容量結合部までの線路及び、容量結合部から折り返し部までの不連続のループ状線路の一部を用い、その線路長と前記容量結合部の容量により第２の共振周波数ｆ２を制御し、
   給電点から折り返し部までの連続したループ状線路の一部を用い、その線路長により第３の共振周波数ｆ３を制御し、
   前記第２の共振周波数ｆ２と前記第３の共振周波数ｆ３は、前記第１の共振周波数ｆ１よりも高次の共振周波数であることを特徴とするマルチバンドアンテナ。
2. 前記第２の共振周波数ｆ２と前記第３の共振周波数ｆ３とを近接させて、電圧定在波比に優れる周波数帯域を広帯域化したことを特徴とする請求項１に記載のマルチバンドアンテナ。
3. 前記ループ状線路が、一端が給電点と接続する第１線路と、前記第１線路の他端側と接続する第２線路と、前記第２線路の他端と接続する第３線路とを備え、前記第１線路と前記第３線路を対向させて容量結合部としたことを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチバンドアンテナ。
4. マルチバンドアンテナを支持する基板を備え、第１線路を前記基板の第１面上に、第３線路を第２面上に形成して互いが面するように配置し、第２線路を前記基板の第１面側と第２面側に立設させたことを特徴とする請求項３に記載のマルチバンドアンテナ。
5. マルチバンドアンテナを支持する基板を備え、第１線路と第３線路とを前記基板の第１面上に形成して、互いの縁部が向かい合うように配置し、第２線路を前記基板に立設させたことを特徴とする請求項３に記載のマルチバンドアンテナ。
6. 前記第１線路に、前記第２線路との接続部から延長した延長導体部を設け、前記延長導体部を前記第３線路と対向させて容量結合用導体部としたことを特徴とする請求項４又は５に記載のマルチバンドアンテナ。
7. 前記ループ状線路が、一端が給電点と接続する第１線路と、前記第１線路の他端側と接続する第２線路と、前記第２線路の他端と接続する第３線路とを備え、
   前記第２線路の途中を基板側に延長した延長導体部を設け、前記基板に形成された容量形成用電極と接続し、前記容量形成用電極と前記第３線路を前記基板の同一面上に所定の間隔をもって縁部が対向するようにして配置し、又は前記容量形成用電極と前記第３線路を前記基板の異なる面上に所定の間隔をもって対向して配置し、前記容量結合部を形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチバンドアンテナ。
8. ループ状線路の給電点側から分岐する分岐線路を設けて第４の共振周波数ｆ４を制御することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のマルチバンドアンテナ。
9. 前記分岐線路を前記ループ状線路と並設することを特徴とする請求項８に記載のマルチバンドアンテナ。

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