JP2010130099A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で良好な電気性能を有する端末用の内蔵アンテナ装置を提供する。
【解決手段】携帯端末機用内蔵アンテナ装置１０は、給電点を備えた地板３０と、地板３０の一端に隣接して配置されたアンテナ部とを有する。アンテナ部は、一端を給電点に接続され他端をヘリカル形状に形成された逆Ｌ形状のアンテナ素子２０と、磁性体片４０と、誘電体片５０とを備える。磁性体片４０はアンテナ素子の電流分布が高い箇所に装荷され、誘電体片５０はアンテナ素子の電流分布が低い箇所に装荷される。このような構成を有することにより、小型化と良好な電気性能とを両立させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明はアンテナ装置に係り、より詳細には移動体通信における無線機器用のシングルバンドの内蔵アンテナ装置に関する。

従来、携帯端末機に搭載されるアンテナは、携帯端末機の外部に実装するもの（第１のタイプ）、携帯端末機内部のプリント基板（ＰＷＢ）上に実装するもの（第２のタイプ）、携帯端末機内部のＰＷＢ長手方向の端面上部に実装するもの（第３のタイプ）の三種に大別されてきた。

このうち、第１のタイプのアンテナとしては、例えば特許文献１に記載のデュアルバンドアンテナが挙げられる。端末機の外部に実装される第１のタイプのアンテナには、高性能な電気特性を有し、且つ電気特性の調整が容易であるというメリットがある。また、第２のタイプのアンテナとしては、例えば特許文献２に記載のマルチバンド対応アンテナ装置が挙げられる。第２のタイプのアンテナは、端末機に内蔵することが可能である点で有利である。そして、第３のタイプのアンテナは、第２のタイプのアンテナよりもさらに小型化することができるという利点を持つ。

図２（ａ）〜（ｅ）は第１〜第３のタイプのアンテナをごく簡略化して例示したものであり、（ａ）および（ｂ）が第１のタイプ、（ｃ）が第２のタイプ、（ｄ）および（ｅ）が第３のタイプを表している。
特開２００４−５６５５９号公報 特開２００８−１１８２７３号公報

これらの三種のアンテナは、前述のようなメリットを有する一方、次のような問題も持っている。
第１のタイプのアンテナの場合、端末機の外部に大きな実装体積を必要とする。したがって、端末機の小型化傾向が進む近年では、デザイン上の制約により使用が困難となっている。また、第２のタイプのアンテナの場合には、ＰＷＢ上にアンテナを実装しているため、アンテナサイズが大型化してしまうという問題があり、小型アンテナを実現させる場合には問題が発生する。小型アンテナを実現できないことから、やはり使用が困難である。そして、第３のタイプのアンテナは、小型化した際に発生する低インピーダンス化や容量性結合の増加によって電気性能が劣化してしまうという欠点を有している。

本発明はこれらの課題に鑑み、小型で良好な電気性能を実現することのできる携帯端末機用内蔵アンテナ装置を提供しようとするものである。

本発明の携帯端末機用内蔵アンテナ装置は、給電点を備えた地板と、地板の端部に隣接して配置されたアンテナ部とを有し、アンテナ部は、一端を給電点に接続され他端をヘリカル形状に形成された逆Ｌ形状のアンテナ素子と、磁性体片と、誘電体片とを備え、磁性体片はアンテナ素子の電流分布が高い箇所に装荷され、誘電体片はアンテナ素子の電流分布が低い箇所に装荷される。このような構成を有することにより、本発明のアンテナ装置は、小型化と良好な電気性能とを両立させることができる。

このアンテナ装置において、アンテナ素子は他端を誘電体片の表面上に巻回してヘリカル形状を形成する。また、このアンテナ装置において、アンテナ素子の逆Ｌ形状の長辺が地板の端部と平行し、この長辺と地板の端部との間の距離を可変することにより、インピーダンスを調整することができる。これにより、本発明のアンテナ装置は所望の特性を得ることができる。

本発明によれば、ＧＳＭ８５０／９５０（８２４〜９６０ＭＨｚ）の周波数帯域を満足する良好な性能を持った小型で低姿勢の携帯端末機用内蔵アンテナを実現することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示すのは、本発明によるアンテナ装置の一実施形態である。図１（ａ）はアンテナ装置の全体を、（ｂ）はアンテナ部を拡大した様子を示している。図示するように、アンテナ装置１０においては、前述した問題を解決しつつ小型化を実現するために、逆Ｌ形状のアンテナ素子２０の先端部を平面ヘリカル形状とするとともに、アンテナ素子２０を磁性体片４０および誘電体片５０の表面上に形成し、地板３０の相対的に短い端部の一方側に給電点を設けて実装している。ここで、磁性体片４０はアンテナ素子２０の根元すなわち給電点近傍に配置され、誘電体片５０はアンテナ素子２０の先端部に位置する。

図１の実施形態において、地板３０は１００ｍｍ×４５ｍｍの大きさを有する。これは、一般的な携帯端末のＰＷＢの大きさを想定したものである。また、アンテナ素子２０と、磁性体片４０と、誘電体片５０とを有するアンテナ部（以下、必要に応じてアンテナ素子２０と、磁性体片４０と、誘電体片５０とをまとめて「アンテナ部」と称する）の実装サイズは地板３０の端部から１０ｍｍである。これにより、アンテナ部と地板３０とを携帯端末機に内蔵したときの端末機の大型化を回避できる。アンテナ素子２０の幅は、例えば１ｍｍとする。

地板３０とアンテナ素子２０の長い直線部との間の距離Ｗはアンテナインピーダンス調整に関与するもので、任意に設計できる。また、アンテナ素子２０の先端部のヘリカル形状の巻きの間隔および巻き数は共振周波数に関与するもので、任意に設計可能である。磁性体片４０としてはフェライトを、誘電体片５０としてはセラミックを用いることができる。この磁性体片４０および誘電体片５０については後述する。

このような構成を有するアンテナ装置１０の設計にあたり、まず、従来のアンテナの第３のタイプとして前述したアンテナについて、電気性能のＶＳＷＲおよびインピーダンスを調べた。すなわち、１００ｍｍ×４５ｍｍの大きさを有する地板３０の相対的に短い端部の一方側に、図３に示すように逆Ｌ型の平面アンテナ２０４を実装した場合と、図５に示すように逆Ｆ型の平面アンテナ２０５を実装した場合とで、ＶＳＷＲおよびインピーダンスのシミュレーションを行った。図３および図５において、（ａ）は全体を、（ｂ）はアンテナ部を拡大した様子を示している。

ここで、アンテナ素子２０４および２０５は１０ｍｍ×４５ｍｍ×２ｍｍの大きさを有する誘電体樹脂ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）の表面上に、先端部を折り返してパターン形成している。ＡＢＳの材料特性はεｒ＝３．５とする。

図４に示すのは、図３の逆Ｌ平面アンテナ２０４についてのシミュレーション結果である。この結果から、小型化および低姿勢化したアンテナでは放射抵抗の低下によりインピーダンスが低下し、ＶＳＷＲ値が悪化することがわかる。設計した周波数帯域においてＶＳＷＲの値は５．５を下回る程度で、これよりも良好な値は得られていない。

図６に示すのは、図５の逆Ｆ平面アンテナについてのシミュレーション結果である。この結果からは、中心周波数近辺では良好なＶＳＷＲ値が得られてはいるものの、狭帯域であることがわかる。一般に、逆Ｆアンテナは逆Ｌアンテナと比較して狭帯域ではあるが、このシミュレーション結果の場合、形状の小型化によりＱ値が上昇するため、さらに狭帯域となっている。
このように、従来の逆Ｌアンテナおよび逆Ｆアンテナを用いてアンテナ装置の小型化を実現しようとする場合、電気性能の劣化という課題が残る。

ところで、アンテナの小型化に際しては、形状の工夫のみならず、材料装荷による波長短縮効果を効率良く得ることも必要となる。前述の逆Ｌアンテナでは、地板を利用したアンテナの電気長Ｌを約λ／４で設計しているが、磁性体および誘電体の装荷による比透磁率（μｒ）および比誘電率（εｒ）の波長短縮効果を考慮してアンテナを構成する場合には、アンテナ素子の長さＬの関係式は次のように表すことができる。

Ｌ＝（λ／４）／√（εｒ・μｒ）

比誘電率（εｒ）および比透磁率（μｒ）の値を大きくすると、得られる波長短縮効果は大きくなる。一方で、先に述べたように、小型化には電気性能の劣化という問題が伴う。そこで、磁性体片および誘電体片の適切な材料装荷について調べるため、図７および図９に示すように、逆Ｌアンテナのアンテナ素子２０４の先端部分または給電点近傍の根元部分に磁性体片４０または誘電体片５０を配置して、ＶＳＷＲとインピーダンスのシミュレーションを行った。

なお、図７および図９において、（ａ）は全体を、（ｂ）は（ａ）において破線で囲んだアンテナ部を拡大した様子を示している。また、このシミュレーションにおいて、磁性体片４０および誘電体片５０はいずれも１５ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍ（０．３ｃｃ）の大きさを有するものとし、材料定数は次の通りとした。
・比透磁率μｒ＝１で固定し、比誘電率εｒを１〜８０で可変
・比誘電率εｒ＝１で固定し、比透磁率μｒを１〜８０で可変

図８は、図７に示すようにアンテナ素子２０４の先端部分に磁性体片４０または誘電体片５０を配置した場合のシミュレーション結果である。図８によれば、比透磁率をμｒ＝１で固定して比誘電率εｒを可変させると、比誘電率εｒを高くするほど波形が低い周波数に大きく変化している。すなわち、εｒによる波長短縮効果が多く得られていることがわかる。

一方、図１０は、図９に示すようにアンテナ素子２０４の根元部分に磁性体片４０または誘電体片５０を配置した場合のシミュレーション結果である。図１０によれば、比誘電率をεｒ＝１で固定して比透磁率μｒを可変させると、比透磁率μｒを高くすることによって波形が低い周波数へ変化している。すなわち、μｒによる波長短縮効果が多く得られていることがわかる。変化率は低いが、インピーダンスの低下現象が発生しにくく、ＶＳＷＲ値や帯域幅にもほとんど変化が見られない。

この動作原理を調べるため、同じ逆Ｌアンテナについてアンテナ素子表面の電流分布のシミュレーション解析を行った。結果を図１１に示す。図１１において、濃い部分は電流分布が低いことを、薄い部分は電流分布が高いことを示している。つまり、アンテナ素子２０４ａの先端部分では電流分布が低く、給電部近傍の根元部分では電流分布が高いことが確認できる。図８および１０に示したシミュレーション結果に鑑みると、電流分布が低い（すなわち電界が高い）箇所では誘電体の装荷が有効であり、電流分布が高い箇所では磁性体の装荷が有効であるといえる。

次に、図１２に示すように、図１１の逆Ｌアンテナを変形したアンテナ素子２０４ｂについても同様のシミュレーション解析を行った。逆Ｌアンテナを小型化および薄型化するために、アンテナ素子２０４ｂは先端部を平面ヘリカル形状とし、先端にインダクタンス成分を付加している。アンテナ素子２０４ｂについてもやはり先端部分では電流分布が低く、給電部近傍の根元部分では電流分布が高い。

以上の点に基づき、図１に示す本発明のアンテナ装置１０は、アンテナ素子２０の先端部分をセラミック片５０の表面上に形成した平面ヘリカル形状とし、給電点近傍の根元部分をフェライト片４０の表面上に形成して構成されている。

ここで、フェライト片４０としては、大きさが８ｍｍ×５ｍｍ×２ｍｍ（０．０８ｃｃ）、１ＧＨｚにおける材料特性がεｒ＝１３ ｔａｎδ＝０．０１、μｒ＝３ ｔａｎδ＝０．０５であるものを使用している。また、セラミック片５０としては、大きさが５ｍｍ×１２ｍｍ×２ｍｍ（０．１２ｃｃ）であり、１ＧＨｚにおける材料特性がεｒ＝６０ ｔａｎδ＝０．０６であるものを使用している。しかしながら、これらの材料特性や寸法は、作製されるアンテナの使用周波数や帯域に合わせて任意に設計することができる。

図１３は、このアンテナ装置１０で得られたＶＳＷＲ性能を、図４および図６において示した逆Ｌアンテナおよび逆ＦアンテナのＶＳＷＲ性能と合わせて示したものである。図１３によれば、本発明のアンテナの場合、逆Ｌアンテナと比較してＶＳＷＲ値が３程度改善していることがわかる。また、ＶＳＷＲ値が３よりも小さくなる周波数比帯域幅についても、逆Ｆアンテナと比較して１５％程度の改善が見られている。

以上、本発明の一実施形態を説明した。なお、材料特性については、携帯端末に用いられるアンテナを想定し、８００ＭＨｚのとき最適の値を示しているが、これは例示に過ぎず、本発明は他にも様々に実施することが可能である。

（ａ）は本発明によるアンテナ装置の全体図、（ｂ）はアンテナ部拡大図。 （ａ）〜（ｅ）は従来のアンテナを説明する図。 （ａ）は電気性能のシミュレーションに用いた逆Ｌアンテナの全体図、（ｂ）はアンテナ部拡大図。 図３の逆Ｌアンテナのシミュレーション結果を示す図。 （ａ）は電気性能のシミュレーションに用いた逆Ｆアンテナの全体図、（ｂ）はアンテナ部拡大図。 図５の逆Ｆアンテナのシミュレーション結果を示す図。 （ａ）は磁性体片／誘電体片をアンテナ素子の先端部分に装荷させた場合の電気性能のシミュレーションに用いた逆Ｌアンテナの全体図、（ｂ）はアンテナ部拡大図。 図７の逆Ｌアンテナのシミュレーション結果を示す図。 （ａ）は磁性体片／誘電体片をアンテナ素子の根元部分に装荷させた場合の電気性能のシミュレーションに用いた逆Ｌアンテナの全体図、（ｂ）はアンテナ部拡大図。 図９の逆Ｌアンテナのシミュレーション結果を示す図。 逆Ｌアンテナのアンテナ素子における電流分布を示す図。 本発明のアンテナ装置のアンテナ素子における電流分布を示す図。 本発明のアンテナ装置の電気性能を示す図。

符号の説明

１０ アンテナ装置
２０ アンテナ素子
３０ 地板
４０ 磁性体片
５０ 誘電体片

Claims (3)

1. 給電点を備えた地板と、前記地板の端部に隣接して配置されたアンテナ部とを有し、
   前記アンテナ部は、一端を前記給電点に接続され他端をヘリカル形状に形成された逆Ｌ形状のアンテナ素子と、磁性体片と、誘電体片とを備え、
   前記磁性体片は前記アンテナ素子の電流分布が高い箇所に装荷され、
   前記誘電体片は前記アンテナ素子の電流分布が低い箇所に装荷されることを特徴とする携帯端末機用内蔵アンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記アンテナ素子は前記他端を前記誘電体片の表面上に巻回して前記ヘリカル形状を形成することを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
   前記アンテナ素子の前記逆Ｌ形状の長辺が前記地板の端部と平行し、前記長辺と前記地板の端部との間の距離を可変することにより、インピーダンスを調整することを特徴とするアンテナ装置。

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