JP2014075650A - 複合アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】小型でありながらＶＳＷＲ特性が広帯域であり、複数の通信システムに対応可能で、インピーダンス整合、共振周波数の調整が可能なアンテナ及び携帯無線装置を提供する。
【解決手段】一端側が給電点Ｓに接続され他端側が開放端の第１アンテナエレメントＢと、前記第１アンテナエレメントＢと所定の間隔をもって近接して対向配置され、一端側が前記給電点Ｓに接続され他端側が開放端であって、長さが前記第１アンテナエレメントＢよりも長い第２アンテナエレメントＡとを備えた複合アンテナであって、前記第１アンテナエレメントＢに流れる共振電流による直列共振モードと、前記第１アンテナエレメントＢと前記第２アンテナエレメントＡに流れる共振電流による並列共振モードで動作するが、前記第２アンテナエレメントＡは直列共振モードで動作せず、前記直列共振モードによる第１共振の周波数は前記第２共振の周波数よりも高周波である。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信装置に用いられるアンテナに関し、特には複数の周波数帯で利用可能なマルチバンド対応の複合アンテナに関するものである。

携帯電話等の無線通信装置の急速な普及に応じて、複数の通信システムが使用され、利用する周波数帯域も多岐に亘るようになった。最近の携帯電話は国際ローミングに対応して国内外の通信システムに対応した複数の送受信帯域を利用可能としている。この様な場合、利用される通信システムの高周波回路毎にアンテナを用いることは、整合回路等のアンテナの周辺回路を含めて部品点数の増加を招き、無線通信装置が高価になるとともに、体積及び重量がともに増加してしまい、携帯用としては不適なものとなる。そこで、複数の通信システムに共通の給電点に接続可能であって、複数の通信システム（マルチバンド）に対応する小型のアンテナが検討されてきた。

無線通信装置に利用される通信システムは様々なので、ここではＬＴＥ帯、ＧＳＭ８５０／９００帯、ＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯、ＵＭＴＳ帯に対応した携帯電話を例にとり説明する、ＬＴＥ、ＧＳＭは商標あるいは登録商標である。各通信システムのアップリンク／ダウンリンク周波数帯は、７０４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚの低周波数帯と１７１０ＭＨｚ〜２１７０ＭＨｚの高周波数帯とに大別される。ＬＴＥ Ｂａｎｄ１７帯、ＧＳＭ８５０／９００帯を含む低周波数帯においては、その中心周波数（下限周波数と上限周波数の中間）は８３２ＭＨｚで、帯域幅は２５６ＭＨｚであり、比帯域幅は約３０．８％［２５６ＭＨｚ／８３２ＭＨｚ］となる。ＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯、ＵＭＴＳ Ｂａｎｄ１帯を含む高周波数帯において、その中心周波数は１９４０ＭＨｚで、帯域幅は４６０Ｈｚであり、比帯域幅は約２３．７％〔４６０ＭＨｚ／１９４０ＭＨｚ〕となる。周波数の関係を見れば、高周波数帯の通信システムは低周波数帯の通信システムの約２〜２．５倍となっている。周波数順に、ＬＴＥ Ｂａｎｄ１７帯で７０４〜７４６ＭＨｚ、ＧＳＭ８５０／９００帯で８２４〜９６０ＭＨｚ、ＤＣＳ帯で１７１０〜１８８０ＭＨｚ、ＰＣＳ帯で１８５０〜１９９０ＭＨｚ、及びＵＭＴＳ帯では１９２０〜２１７０ＭＨｚ帯の周波数帯であって、通信システムによっては周波数帯が一部重複する場合もある。

一般に、アンテナを構成するアンテナエレメント［放射素子、放射電極、放射線路とも呼ばれる］には、基本波モードの共振において基本周波数での共振電流と、高次波モードの共振として高次周波数での共振電流が生じる。前記共振周波数は実質的にアンテナエレメントの長さによって決まり、古典的なアンテナとして知られるモノポールアンテナは直列共振モードで動作し、基本波モードでは原理的には１／４波長で共振し、高次波モードでは基本モードの３倍、即ち３／４波長、で共振する。また、並列共振モードで動作するダイポールアンテナであれば、基本モードは１／２波長で共振し、高次モードは３／２波長で共振する。

この様なアンテナを複数の通信システムに対応させようとすると、基本波モードの共振を低周波数帯に設定すれば、高周波数帯は高次波モードの共振で対応することとなる。しかしながら、低周波数帯と高周波数帯との共振周波数は１：３の関係に無いので、単純にはマルチバンド化することは出来ない。また、アンテナ特性の一つであるＶＳＷＲ（電圧定在波比）について、低周波数帯、あるいは高周波数帯をカバーするには周波数特性が狭いといった問題もあった。

この様な問題に対して、特許文献１には、複数のアンテナエレメントを用いてＶＳＷＲ周波数特性を広帯域化する複合アンテナが開示されている。図１０にその構成を示す。なお図中には特許文献１に示されていない電流分布Ｉ１〜Ｉ３を記す。これは後述する複合アンテナの動作を説明する為に付与した符号である。

この複合アンテナは、グランド面ＧＮＤに立設された要素２００（以下、共通要素と呼ぶ場合がある）と、異なる長さで構成され前記要素２００の一端側と接続された要素２０１，２０２（以下、水平要素と呼ぶ場合がある）を含み、共通要素２００は要素２０４（以下、接地要素と呼ぶ場合がある）によって接地される。

要素２００、２０１による第１アンテナエレメントで逆Ｆ型アンテナを構成し、要素２００，２０２による第２アンテナエレメントで逆Ｌ型アンテナを構成し、各アンテナは共通の給電点Ｓを介して給電回路２０３と接続し、給電回路２０３からの給電により励振される。逆Ｆ型アンテナや逆Ｌ型アンテナは、周知の如く、モノポールアンテナを変形して低背化したものであって、どちらも直列共振モードで動作する。

長さを異ならせてアンテナエレメントを構成することで、例えば逆Ｆ型アンテナをＧＳＭ帯（低周波数帯）に対応させ、逆Ｌ型アンテナをＤＣＳ帯（高周波数帯）に対応させ、低周波数帯と高周波数帯の通信システムに対応可能な複合アンテナとしている。

また、各アンテナの共振周波数が僅かに異なる様に、例えば逆Ｆ型アンテナを周波数ｆ１で共振させ、逆Ｌ型アンテナを周波数ｆ２で共振させることで、ＶＳＷＲ周波数特性を広帯域化することも記載されている。この構成によれば、図１１に示す様に、そのＶＳＷＲ周波数特性は２つの共振が重なり合う双峰特性を呈し、もって単峰特性よりも広い周波数帯域で低ＶＳＷＲとなる。なお、図中、符号αで示す様に、共振周波数ｆ１，ｆ２の間にＶＳＷＲ波形が重ってＶＳＷＲ特性が劣化する周波数帯が生じる。以下、その周波数帯を劣化ピーク部と呼ぶ。劣化ピーク部における見掛けのＶＳＷＲは、共振周波数ｆ１，ｆ２が離れると大きくなり、近づけば小さくなる。

特許文献２では、この様な複合アンテナにおいてＶＳＷＲが小さい場合であっても、放射効率が著しく劣化してしまい実用に適さないことを指摘している。放射効率の劣化の原因は明確にされていないが、劣化ピーク部が直接関係することを示している。

図１２は特許文献２で例示された複合アンテナである。この複合アンテナは、基本的な構成を特許文献１で示した複合アンテナと同じくし、給電点ｓを介して給電回路２０３に接続された共通要素１３０から分岐し、開放端が同じ方向に向かう並設された水平要素１１０，１２０による２つの逆Ｌ型アンテナで構成されている。
図１３のＶＳＷＲ周波数特性に示す様に、複数のアンテナを近接した共振周波数で動作させるが、一方の逆Ｌ型アンテナを所望の周波数帯内の周波数で共振させ、他方の逆Ｌ型アンテナの共振を前記周波数帯外とし、且つ劣化ピーク部を前記周波数帯外とすることで、所望の周波数帯域内での放射効率の劣化を防ぐとともに、ＶＳＷＲ特性を広帯域化している。

前記複合アンテナは何れも複数のアンテナを直列共振モードで動作させるものだが、特許文献３には、直列共振モードと並列共振モードの両モードを利用して、複数の通信システムに対応した複合アンテナが開示されている。この複合アンテナの構成を図１４に示す。
この複合アンテナは、要素Ａ（Ａ１、Ａ２）、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆを含み、要素の組み合わせで複数のアンテナエレメントを構成する点で、引用文献１や引用文献２に記載された複合アンテナと同じであるが、直列共振モードの他に並列共振モードを利用する点で異なっている。

要素Ｂ、Ｅによる第１アンテナエレメントは第１周波数の１／２波長で並列共振し、要素Ａ、Ｂ、Ｃによる第２アンテナエレメントは第２周波数の１／４波長で直列共振する。要素Ｂ、Ｃ、Ｄによる第３アンテナエレメントは第３周波数の１／２波長で並列共振し、要素Ａ、Ｄによる第４アンテナエレメントは第４周波数の１／４波長で直列共振する。要素Ａ２、Ｄ、Ｆによる第５アンテナエレメントは第５周波数の１／２波長で並列共振し、要素Ａ１、Ｆは第６周波数の１／４波長で直列共振する。周波数の高低関係は、第１周波数＜第２周波数＜第３周波数＜第４周波数＜第５周波数＜第６周波数の関係にあるように構成されている。

特開２００３−１２４７４２号 特開２００９−４８４７号 特開２００５−２５２４８０号

本発明者等は、複数の通信システムに適用可能なアンテナを開発するにあたり、図１０に示した複合アンテナをモデルにして、その動作と問題点を検討した。以下、複合アンテナを送信用アンテナとして説明するが、アンテナには可逆性があるので、送信を受信、給電を受電等とし適宜読み替えることが出来る。

特許用文献１や特許文献２には直接の記載はないが、特許文献３に記載されるように、長さの異なるアンテナエレメントを用いた構成された複合アンテナは、原理的に一方の直列共振から他方の直列共振への遷移周波数に並列共振を生じることが知られている。
直列共振モードで動作する場合には、アンテナエレメントにはディファレンシャルモード電流が誘起し、並列共振モードの場合にはコモンモード電流が誘起される。各要素に分布する共振電流は、異なる３周波数において、単純化すればＩ１、Ｉ２、Ｉ３として示した矢印で示すように、３通りのアンテナエレメントに分布する。

給電回路２０３に接続された共通要素２００と、これに繋がる水平要素２０１で構成された第１アンテナエレメントは、共振周波数ｆ１の１／４波長の長さに形成されている。直列共振モードで動作し、発生する共振電流は、開放端側で電流が最小となる電流分布Ｉ１となる。
給電回路２０３に接続された共通要素２００と、これに繋がる水平要素２０２で構成された第２アンテナエレメントは、共振周波数ｆ２の１／４波長の長さに形成されている。直列共振モードで動作し、発生する共振電流は開放端側で電流が最小となる電流分布Ｉ２となる。
共通要素２００、水平要素２０１、２０２により構成された第３アンテナエレメントは並列共振モードで動作し、周波数ｆ１と周波数ｆ２の間の周波数ｆ３で共振する。発生する共振電流は、開放両端側で電流が最小となるような電流分布Ｉ３となる。

直列共振モードでアンテナを動作させる場合、各要素で構成されるアンテナエレメントからだけではなくグランド面からも放射する様に設計される。例えば携帯電話では、筐体の金属部分からの放射を利用して、見かけ上のアンテナ体積を増して放射効率を向上する。一方、並列共振モードではアンテナエレメントに共振電流が流れるが、給電点やグランド面にはほとんど電流が流れない為、ＶＳＷＲ周波数特性が狭帯域と成りやすいことが知られている。

直列共振モードの場合には各アンテナエレメントにはディファレンシャルモード電流が誘起し、並列共振モードの場合にはコモンモード電流が誘起されるが、実際それらは周波数に応じて明確に分離されるわけでは無く単純でない。特に、２つの直列共振モードの共振周波数が近接する場合には、共振モードが移り変わる遷移周波数帯では、両モードの異なる位相の電流が複雑に混在し、互いに強め、あるいは弱め合う。この為、特許文献１の複合アンテナでは直列共振モードから並列共振モードへ遷移する周波数帯でＶＳＷＲがそれほど大きくない場合であっても放射効率が低下すると推察した。

この様な推察に基けば、例え特許文献２の様に劣化ピーク部αを使用周波数帯域外とし、低ＶＳＷＲとなる周波数帯域を広帯域化しても、程度の差こそあれ、放射利得が劣化する領域が残ってしまうと考えられる。劣化ピーク部αを所定の周波数帯から除くには、２つの直列共振モードの共振周波数を大きく離間させることが必要であって、その場合にはＶＳＷＲ特性の広帯域化は望めない。

特許文献３においても、２つの直列共振モードの共振周波数が近接する場合には、同様の理由で、直列共振モードから並列共振モードへ遷移する周波数帯では放射効率が低下すると考えられ、直列共振と並列共振を近接する周波数で設定することは困難であり、共振周波数の設定の自由度は制限されたものとなる。

またいずれの複合アンテナも、直列共振モードを利用するアンテナエレメントを同じ方向に伸長させるものであるため、基本モードにおけるアンテナエレメント間でのアイソレーションが得られ難く、更に、グランド面に流れる鏡像電流が同位相となる為に、一方のアンテナエレメントについて長さ他の設計変更を行うと、他方のアンテナエレメントのインピーダンスに影響して整合を乱し、かつ共振周波数も変動するためアンテナ設計を困難とする問題も残されていた。

本発明は、このような実情に鑑みて提案するものであり、小型でありながらＶＳＷＲ特性が広帯域であり、複数の通信システムに対応可能で、インピーダンス整合、共振周波数の調整が可能なアンテナ及び携帯無線装置を提供することを目的とする。

本発明は、長さが異なる線状のアンテナエレメントを備え、基本波モードの共振として、一つの直列共振モードと一つの並列共振モードで利用可能な複合アンテナであって、対をなす第１アンテナエレメントと第２アンテナエレメントを有し、各アンテナエレメントは、その始端側が共通の給電点と接続し終端側が互いに開放されており、始端側から終端側に向って間隔をもって並んで延長して電界結合させ、直列共振モードで動作しない一方のアンテナエレメントを並列共振モードの共振周波数調整手段としたことを特徴とする複合アンテナである。

複数のアンテナエレメントを近接して対向させて電界結合させると、複合アンテナの基本モードでの共振は、各アンテナエレメントによる二つの直列共振モードの内の一方のディファレンシャル電流が弱まり、一つの直列共振モードの共振と一つの並列共振モードの共振となる。本発明においては、直列共振モードで動作しない一方のアンテナエレメントを並列共振モードの共振周波数調整手段とすることで、直列共振モードの共振へ影響を与えずに並列共振モードの共振周波数を調整することが出来る。

本発明においては、対をなすアンテナエレメントの終端側にエレメント間隔が狭められた対向部を設けて、始端側と終端側とでエレメント間に生じる電界結合を異ならせるのが好ましい。終端側の結合を強めることで、対をなすアンテナエレメントの内、長さが相対的に短い第１アンテナエレメントによる直列共振モードと、第１及び第２アンテナエレメントによる並列共振モードで動作する。この場合の共振周波数は、並列共振モードの共振が直列共振モードの共振よりも低周波数側に現れる。そして、相対的に短い方のアンテナエレメントを、直列共振モードの共振周波数調整手段とすることが出来る。

本発明の複合アンテナによれば、近接する周波数に同じ共振モードの共振が立たない為、アンテナエレメント間でのアイソレーションを考慮する必要が無く、また給電回路とのインピーダンス整合や共振周波数の設定も容易となる。

また本発明は、一端側が給電点に接続され他端側が開放端の第１アンテナエレメントと、前記第１アンテナエレメントと所定の間隔をもって近接して対向配置され、一端側が前記給電点に接続され他端側が開放端であって、長さが前記第１アンテナエレメントよりも長い第２アンテナエレメントとを備えた複合アンテナであって、前記第１アンテナエレメントに流れる共振電流による直列共振モードと、前記第１アンテナエレメントと前記第２アンテナエレメントに流れる共振電流による並列共振モードで動作するが、前記第２アンテナエレメントは直列共振モードで動作せず、前記直列共振モードによる第１共振の周波数は前記並列共振モードによる第２共振の周波数よりも高周波であることを特徴とする複合アンテナである。

本発明においては、前記第１アンテナエレメントと前記第２アンテナエレメントの開放端側を給電点側に向って折り返して構成しても良い。この様な構成によれば、携帯電話等の筐体内といった限られた空間にも収めることが容易となる。

本発明においては、更にアンテナエレメントを増やして構成するのが好ましい。追加される第３アンテナエレメントは、第１及び第２アンテナエレメントと同様に一端側が給電点に接続され他端側が開放端となり、かつ長さを短く構成して直列共振モードで動作させるが、第３アンテナエレメントによる第３共振の周波数は、前記第２共振の周波数の２倍よりも高い周波数に設定される。

本発明によれば、小型でありながらＶＳＷＲ特性が広帯域であり、複数の通信システムに対応可能で、インピーダンス整合、共振周波数の調整が可能な複合アンテナ及び携帯無線装置を提供することを目的とする。本発明の複合アンテナを用いた無線装置は、小型であるとともに、複数の通信システムが利用可能とする。

本発明の一実施例に係る複合アンテナを説明する為の図である。 本発明の一実施例に係る複合アンテナのＶＳＷＲ周波数特性を示す図である。 本発明の他の実施例に係る複合アンテナを説明する為の図である。 本発明の一実施例に係る複合アンテナのＶＳＷＲ周波数特性を示す図である。 本発明の他の実施例に係る複合アンテナを説明する為の図である。 本発明の一実施例に係る複合アンテナのＶＳＷＲ周波数特性を示す図である。 本発明の基となった複合アンテナを説明する為の図である。 本発明の基となった複合アンテナのＶＳＷＲ周波数特性を説明する為の図である。 本発明の基となった複合アンテナのＶＳＷＲ周波数特性を説明する為の図である。 従来の複合アンテナを説明する為の図である。 従来の複合アンテナのＶＳＷＲ周波数特性を示す図である。 従来の他の複合アンテナを説明する為の図である。 従来の他の複合アンテナのＶＳＷＲ周波数特性を示す図である。 従来の他の複合アンテナを説明する為の図である。

本発明の複合アンテナについて説明する前に、その基礎となった複合アンテナについて図７を用いて説明する。この図は、複合アンテナの電磁界シミュレーションモデルを表す図である。縦Ｌｍｍ×横Ｗｍｍ×厚みＴｍｍの矩形の基板の上側辺に沿ってアンテナが構成されるものであって、アンテナエレメントが設けられる部分以外はグランド面ＧＮＤが形成されている。グランド面ＧＮＤと略平行に、かつ同方向に間隔Ｇをもって延びる水平要素ａと要素ｂ（ｂ１，ｂ２）と、給電回路２０３と接続する共通要素ｃ（ｃ１，ｃ２）と要素ｂを接地する要素ｄを備える。

縦１１００ｍｍ×横６００ｍｍ×厚み０．６ｍｍの誘電体基板をベースにし、図面において上側辺側のグランド面が形成されない領域を備え、前記領域の一方の主面側にアンテナを配置するモデルである。基板３００は比誘電率εｒ＝４．５、誘電損失（誘電正接）ｔａｎδ＝０．００５の樹脂材を用いている。また、各要素は幅１ｍｍ×厚み０．１５ｍｍで銅のストリップ線路の一体物としている。図中、アルファベット小文字符号で示した各要素の長さはその中心線に基づく。なお、間隔Ｇは要素の幅を含まない。ここで示した複合アンテナは要素ａ，ｃ１，ｃ２で構成されるアンテナエレメントＡと、要素ｂ１、ｂ２、ｃ２で構成されるアンテナエレメントＢと、要素ａ，ｃ１，ｂ１，ｂ２で構成されるアンテナエレメントＣとでなる、３つのアンテナを組み合わせた構成となっている。なお、Ｌ１＝８３ｍｍ、Ｌ２＝８７ｍｍ、Ｗ＝１．５ｍｍである。

（検討１）
この様な条件に基づくシミュレーションによる検証条件を表１に、結果を表２及び表３に纏める。また、図８には条件２におけるＶＳＷＲ周波数特性を示す。本検討では、グランド面ＧＮＤに近い側のアンテナエレメントＢを短く、遠い側のアンテナエレメントＡを長く構成している。

表２に基本波モードにおける共振周波数と共振モードを示す。共振周波数はＶＳＷＲ周波数特性が底値を示すピーク周波数とし、周波数帯域は共振周波数を含むＶＳＷＲ≦３の帯域を示し、ＶＳＷＲ が３を超える場合には符号＊で示している。また表３には高次波モードにおける共振周波数と共振モードを示す。

共振モードは、各アンテナエレメントに誘起された電流の分布とその強度、及びバランスに基づいて決定している。例えば、直列共振とは一方のアンテナエレメントに優勢的に共振電流が流れる場合とし、並列共振とは両方のアンテナエレメントに均等な電流強度の共振電流が流れる場合とした。なお、電流分布では両方のアンテナエレメントに共振電流が流れるが、電流強度に明確な差が生じる場合がある。この様な状態を並列共振と直列共振が混在する状態（共振混在状態）として、直列＞並列として表中に示す。

本発明者等の電磁界シミュレーションを用いた検討結果によれば、基本波モードにおいて、アンテナエレメントＡの直列共振が現れるが、アンテナエレメントＡよりも短いアンテナエレメントＢには直列共振に基づく共振電流が誘起され難くなって高周波数側の直列共振が発現せず、結果、基本波モードの共振は、低周波側の直列共振（ｆ１）と、前記直列共振よりも高周波側のアンテナエレメントＣによる並列共振（ｆ２）のみとなった（条件１，２）。また、ＶＳＷＲ周波数特性は、並列共振モードよりも直列共振モードによる共振が広帯域であり、高周波ｆ２側の共振の帯域が狭くなるに従い、直列共振モードによる共振は広帯域となった。

要素間の間隔Ｇが広くなるほどに、基本波モードおける高周波ｆ２側の並列共振は、そのＶＳＷＲ周波数特性の帯域が大きく減少して、両方のアンテナエレメントに共振電流が流れるが、アンテナエレメントＢ側の電流強度が強まる不安定な電流分布となった（条件３）。

高次波モードにおいては、低周波側の直列共振（ｆ３）と、前記直列共振よりも高周波側のアンテナエレメントＣによる並列共振（ｆ４）が生じた（条件１，３）。条件１ではＶＳＷＲが３以下の周波数帯が３．０６ＧＨｚ〜３．５６ＧＨｚであるので、表３中のｆ３周波数帯域、ｆ４周波数帯域は、前記周波数帯に現れる劣化ピーク部を基準として２周波数帯に分けて示した。

この様な複合アンテナの共振状態は、従来知られている様な直列共振−並列共振−直列共振の順で生じる共振モードとは異なる。要素相互の結合の度合いや、共振周波数が近接することが影響していると考えられる。
また、ＶＳＷＲ周波数特性の帯域幅を考慮すれば、この様な複合アンテナをそのまま利用するのは難しい。更に共振混在状態（条件３）でアンテナエレメントＢの電流分布が強く現れる場合は、直列共振モードを利用する２つのアンテナエレメントを同じ方向に伸長させる場合と同様に、一方のアンテナエレメントについて長さ他の設計変更を行うと、他方のアンテナエレメントのインピーダンスに影響して整合が乱れた。

（検討２）
本検討では、グランド面ＧＮＤに近い側のアンテナエレメントＢを長く、遠い側のアンテナエレメントＡを短く構成した。シミュレーションによる検証条件を表３に、結果を表４に纏める。また、図９には条件６におけるＶ．Ｓ．Ｗ．Ｒ特性を示す。
複合アンテナのシミュレーションの条件を表す図である。

本構成の複合アンテナも検討１の複合アンテナと同様な共振モードが現れ、アンテナエレメントＢの直列共振が現れるが、アンテナエレメントＢよりも短いアンテナエレメントＡには直列共振に基づく共振電流が誘起され難くなって高周波数側の直列共振が発現せず、基本モードの共振は、アンテナエレメントＢによる低周波側の直列共振モードと、アンテナエレメントＣによる前記直列共振モードよりも高い共振周波数の並列共振モードの２モードとなった。ＶＳＷＲ周波数特性も同様に、並列共振モードによる共振よりも直列共振モードによる共振が広帯域となったが、直列共振モードによる共振は検討１よりも狭帯域であり、並列共振モードによる共振は検討１よりも広帯域であった。また、要素の間隔Ｇが狭まるに従って、直列共振の帯域が狭まり、直列共振の帯域は広がった。また高次波モードにおける共振も前記条件１と同様な、アンテナエレメントＢによる直列共振とアンテナエレメントＣによる並列共振が生じ、ＶＳＷＲが３以下の周波数帯は４５０ＭＨｚ〜５３０ＭＨｚであった。

基本波モードにおける共振周波数ｆ１，ｆ２は、アンテナエレメントＡ及びアンテナエレメントＢの長さによって設定されるが、一方のアンテナエレメントで直列共振モードでの共振が生じないことから、アンテナエレメントの長さ調整を他方のアンテナエレメントの影響を考慮する必要が無く行え、容易に低周波側の共振周波数ｆ１を決定することが出来る。直列共振モードでの共振周波数を変更する場合には、共振電流が誘起されるアンテナエレメントの長さを変えれば良い。また、並列共振モードでの共振周波数を変更する場合には、直列共振モードで共振電流が誘起されないアンテナエレメントの長さを変えれば良く、共振周波数を独立して容易に調整することが出来る。基本波モードの共振周波数の変更が行われると、それに応じて高次波モードにおける共振周波数ｆ３，ｆ４も増減し変化する。

本検討において得られた複合アンテナは、基本波モード、高次波モードにおけるＶＳＷＲ周波数特性が広く実用的である。しかしながら、低周波側のＬＴＥ Ｂａｎｄ１７帯を直列共振モードで、周波数帯が高周波側のＧＳＭ８５０／９００帯を並列共振モードで対応可能か検討すると、ＬＴＥ Ｂａｎｄ１７帯は、その周波数帯域が４２ＭＨｚと狭く、ＶＳＷＲ周波数特性が広帯域の直列共振モードの周波数帯域を利用すれば十分に対応することが出来るが、ＧＳＭ８５０／９００帯は周波数帯域が１３６ＭＨｚであり、並列共振モードで得られるＶＳＷＲ周波数特性の帯域が狭く、ＶＳＷＲを３以下として見ると、その周波数帯はＧＳＭ８５０／９００帯の周波数帯域を満足できない。

要素の間隔Ｇを狭めるほどに、並列共振モードによるＶＳＷＲ周波数特性が狭帯域となり、他方、直列共振モードによるＶＳＷＲ周波数特性が広帯域となる関係にあるので、要素間の間隔Ｇを狭めて、並列共振モードのＶＳＷＲ周波数特性の広帯域化を図ることは可能であるけれども、直列共振モードによるＶＳＷＲ周波数特性の狭まりに対して、並列共振モードによるＶＳＷＲ周波数特性の広がりは小さい。
また条件８のＶＳＷＲ周波数特性であれば、ＬＴＥ Ｂａｎｄ１７帯及びＧＳＭ８５０／９００帯の帯域幅（２５６ＭＨｚ）を満足することは可能であるが、実際に無線通信装置に搭載される場合を想定すれば、他の構成部品との干渉による寄生リアクタンスの影響等により共振周波数が変動する場合があり、外乱による共振周波数の変動を含めて、直列共振モードでカバーする周波数帯域は十分とは言えない。そもそも間隔Ｇを広めるほどアンテナの小型化を阻害してしまい、小型の無線通信装置に用いるには不適となる。

（検討３）
そこで本発明者らは、２つの共振モードを利用した複合アンテナについて更に検討を進め、低周波数帯域を相対的に狭い並列共振モードで対応し、高周波数帯域が相対的に広い直列共振モードで対応な複合アンテナについて鋭意研究を重ねた。
その結果、アンテナエレメントの同方向に延びる要素の間隔を、給電回路側で広くして結合を相対的に始端（給電回路）側で疎とし、終端（開放端）側で狭くして開放端側で密とすることで、低周波数側の直列共振が消えるが高周波数側の直列共振が現れて、結果、基本波モードの共振は、直列共振モードと、前記直列共振モードよりも低い共振周波数帯に現れる並列共振モードの２モードとなることを見出した。

図１は、本発明の一実施態様の複合アンテナのシミュレーションの条件を表す図である。検討１、２での複合アンテナとの相違は、アンテナエレメントの一部をクランク状に屈曲させて、アンテナエレメントの間隔を、給電側の間隔Ｇ２と開放端側の間隔Ｇ１とで異ならせて、Ｇ２＜Ｇ１とする点である。

シミュレーションによる検証条件を表６に、結果を表７、８に纏める。また、図２には条件９におけるＶＳＷＲ周波数特性を示す。

表７に基本波モードにおける共振周波数と共振モードを示す。共振周波数はＶＳＷＲ周波数特性が底値を示すピーク周波数とし、周波数帯域は共振周波数を含むＶＳＷＲ≦３の帯域を示す。また表８には高次波モードにおける共振周波数と共振モードを示す。なお表８中のｆ３周波数帯域、ｆ４周波数帯域も検討１と同じく、前記周波数帯に現れる劣化ピーク部を基準として２周波数帯に分けて示した。

電磁界シミュレーションを用いた検討結果によれば、基本波モードにおいて、アンテナエレメントＡの直列共振に基づく共振電流が誘起され難くなり、他方、アンテナエレメントＡよりも短いアンテナエレメントＢには直列共振に基づく共振電流が誘起される点が検討１，２と異なる。
共振周波数ｆ１，ｆ２は、アンテナエレメントＡ及びアンテナエレメントＢの長さによって設定することが出来、相対的に長いアンテナエレメントＡで直列共振モードでの共振が生じないことから、その長さによって容易に低周波側の並列共振モードの共振周波数ｆ１を決定することが出来る。直列共振モードでの共振周波数を変更する場合には、共振電流が誘起されるアンテナエレメントＢの長さを変えれば良い。

条件９と条件１１とでは、アンテナエレメントの開放端側で近接して対向する部分が異なり、条件９であれば間隔Ｇ２＝０．５ｍｍで対向する長さは１０ｍｍ、条件１１であれば３０ｍｍとなっている。対向する長さが長ければ、並列共振のＶＳＷＲ周波数特性の帯域が広がり、直列共振のＶＳＷＲ周波数特性は狭くなった。また、並列共振の周波数帯域が広がりに比較し、直列共振の周波数帯域の狭まりが著しい傾向であった。
また条件９と条件１０とでは、アンテナエレメントの間隔Ｇ２が異なる。間隔Ｇ２が狭くなると並列共振モードの共振周波数が低下し、またＶＳＷＲ周波数帯域が狭帯域と成るが、他方、直列共振モードの共振周波数も低下するが、ＶＳＷＲ周波数帯域は広がった。

本検討において得られた複合アンテナのＶＳＷＲ周波数特性は、並列共振モードによるＶＳＷＲ周波数特性が狭帯域となり、他方、直列共振モードによるＶＳＷＲ周波数特性が広帯域となる関係にあるが、条件９の周波数帯域であれば、低周波側のＬＴＥ Ｂａｎｄ１７帯を並列共振モードで、周波数帯が高周波側のＧＳＭ８５０／９００帯を直列共振モードで十分に対応可能であった。

高次波モードにおいても基本波モードでの共振と同様に、アンテナエレメントＣによる並列共振が低周波側に生じ、高周波側にはアンテナエレメントＢによる直列共振が生じるが、アンテナエレメントの結合を部分的に異ならせ、開放端側で密結合させる場合には、エレメント間の間隔Ｇの多少や、近接対向させるエレメントの長さ等の条件によって、高次モードで生じる共振のモードが異なる場合があった。例えば、条件１０においては基本波モードでの共振と異なり、アンテナエレメントＡによる低周波側の直列共振（ｆ３）と、前記直列共振よりも高周波側のアンテナエレメントＣによる並列共振（ｆ４）が生じた。また、アンテナエレメントＡによる低周波側の直列共振（ｆ３）と、前記直列共振よりも高周波側のアンテナエレメントＢによる直列共振（ｆ４）が生じる場合もあった。この様に、高次波モードの共振は様々であるものの、ＶＳＲＷ周波数帯域は３００ＭＨｚを超えて比較的広帯域な共振が得られ、また、放射効率が著しく劣化してしまう様なことも無かった。

（検討４）
図３は本発明の他のアンテナのシミュレーションの条件を表す図である。図１で示したアンテナとの相違は、実長の長い方のアンテナエレメントを、相対的に実長が短いアンテナエレメントよりも、グランド面ＧＮＤに近づけて配置する点である。この様な条件に基づくシミュレーションによる検証条件を表９に、結果を表１０に纏める。また、図４には条件１１におけるＶ．Ｓ．Ｗ．Ｒ特性を示す。

検討４の場合も検討３と同様に、基本波モードにおいて長さの短いアンテナエレメントに直列共振に基づく共振電流が誘起され、他方、相対的に高周波数側の直列共振が現れず、その結果、並列共振、直列共振の周波数順で共振が生じた。また検討４のＶＳＷＲ周波数特性は、検討３の場合と比較して広帯域であり、条件１２，１３の共振モードでは、周波数帯が低周波側のＬＴＥ Ｂａｎｄ１７帯を並列共振モードで、周波数帯が高周波側のＧＳＭ８５０／９００帯を直列共振モードで対応することが十分に可能となる。また、高次波モードでの共振は、条件にもよるが、専ら基本波モードでの共振と同様に、アンテナエレメントＣによる並列共振が低周波側に生じ、高周波側にはアンテナエレメントＢによる直列共振が生じ、ＶＳＷＲ周波数帯域は４００ＭＨｚを超えて広帯域であった。

以下本発明に係る複合アンテナについて詳細に説明する。図５は複合アンテナの構成例を説明する為の図である。この複合アンテナ１はＬＴＥ Ｂａｎｄ１７帯、ＧＳＭ８５０／９００帯、ＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯、ＵＭＴＳ帯、ＬＴＥ Ｂａｎｄ７帯に対応した携帯電話用の複合アンテナとして構成されている。ＬＴＥ Ｂａｎｄ７帯のアップリンク／ダウンリンク周波数帯は２５００ＭＨｚ〜２６９０ＭＨｚである。

この複合アンテナは、外形寸法が、幅Ｗａ１０ｍｍ、長さＷｂ４６．５ｍｍ、高さＷｃ６．５ｍｍであり、ポリカーボネート樹脂により支持されたリン青銅からなる厚み０．１ｍｍの導体薄板で構成されている。図中、ポリカーボネート樹脂による構成部分の外形を破線で示し、かつ複合アンテナの実装状態が理解しやすい様に透過して示す。

銅張両面導体基板（ガラスエポキシ基板）でなるプリント回路基板１に立設され、接続点（給電点）を介して３つのアンテナエレメントｅｌ１、ｅｌ２、ｅｌ３が給電回路と接続する。アンテナエレメントｅｌ１、ｅｌ２、ｅｌ３の一端は開放端となっている。プリント回路基板６００は、複合アンテナ１と重なる部位にはグランドパターンは形成されていない。以下説明においてその構造を明確にするように、複合アンテナが実装されるプリント回路基板６００を基準に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を取る。

アンテナエレメントは単一の導体からなり屈曲して構成されている。プリント回路基板６００からＺ方向に立ち上がる要素５０１は、複合アンテナの第一長手側面に設けられ、一端側が給電回路と接続する給電点Ｓと接続する。立ち上がった側の端は、プリント回路基板６００に対して水平部分となる複合アンテナの上面に位置し、Ｙ軸方向に延びる要素５０２と繋がる。更に要素５０２は上面にあって屈曲し、Ｘ軸方向にプリント回路基板６００のグランド面と平行に延びる要素５０３と繋がって、アンテナエレメントｅｌ３を構成する。

複合アンテナの上面にある要素５０２から、Ｘ軸方向であって前記要素５０３とは逆方向に延びる要素５１０が分岐する。前記要素５１０は複合アンテナの第一短手側面に至り、立ち下がってＺ方向に延び要素５３１と繋がる。更に要素５３１は前記第一短手側面において下面近傍に至って屈曲し、Ｙ軸方向であって給電点Ｓから遠ざかって、前記第一長手側面と対向する第二長手側面に向って延びる要素５３２と繋がる。前記要素５３２は、前記第二長手側面の下端であって、前記第一短手側面側から前記第一短手側面と対向する第二短手側面側に至る間にＸ方向に延びる要素５３３と繋がる。前記要素５３３の端部側は前記第二長手側面において屈曲し、立ち上がってＺ方向に延びる要素５３４と繋がる。前記要素５３４は上面に至り、前記上面にてＹ方向であってグランド面に向って延びる要素５３５と繋がる。前記要素５３５は更に上面にあって屈曲し、Ｘ軸方向にプリント回路基板６００のグランド面と平行に延びて給電点Ｓに近づく要素５３６と繋がって、アンテナエレメントｅｌ２を構成する。

複合アンテナの上面にある要素５１０からＹ軸方向に第二長手側面に向って分岐する要素５０５は、前記第二長手側面において立ち下がってＺ方向に延び要素５２１と繋がる。更に要素５２１は前記第二長手側面において要素５３３の近傍に至って屈曲し、前記第一短手側面側から第二短手側面側に至る間でアンテナエレメントｅｌ２を構成する前記要素５３３と平行に間隔をもってＸ方向に延びる要素５２２と繋がる。前記要素５２２の端部側は前記第二長手側面において屈曲し、立ち上がってＺ方向に前記要素５３４と平行に間隔をもって近接し、立ち上がってＺ方向に延びる要素５２３と繋がる。前記要素５２３は上面に至り、前記上面にてＹ方向であってグランド面に向って延びる要素５２４と繋がる。前記要素５２４は更に上面にあって屈曲し、Ｘ軸方向にプリント回路基板６００のグランド面と平行に延びて給電点Ｓに近づく要素５２５と繋がって、アンテナエレメントｅｌ１を構成する。

複合アンテナの上面にある要素５１０からＹ軸方向に第一長手側面に向って分岐する要素５０６は、前記第一長手側面において立ち下がってＺ方向に延び、プリント回路基板６００のグランドパターンＧＮＤと接続する要素５４０と繋がる。この様な構成によって、逆Ｆアンテナ構造、逆Ｌアンテナ構造のアンテナを複合した。

各アンテナエレメントｅｌ１、ｅｌ２は同じ方向に伸び、複数箇所で折り曲げられた後、端部は給電点側に向う。その長さは、アンテナエレメントｅｌ１が７７．５ｍｍ、アンテナエレメントｅｌ２が８１．５ｍｍである。アンテナエレメントｅｌ１を構成する要素５２４，５２５はアンテナエレメントｅｌ２を構成する要素５３５，５３６と平行に間隔をもって近接し、もって、アンテナエレメントｅｌ１とアンテナエレメントｅｌ２は、第二長手側面と上面で近接して電界結合し、給電点側のアンテナエレメントｅｌ１の要素５２１、５２２とアンテナエレメントｅｌ２の要素５３１、５３２，５３３とは異なる側面に遠ざけて設けられており、当該部位での電界結合が弱められている。本実施例においてはアンテナエレメントが近接する開放端部側の間隔を０．５ｍｍとし、他の部位では１．５ｍｍ以上の間隔とした。

アンテナエレメントｅｌ３は、アンテナエレメントｅｌ１とアンテナエレメントｅｌ２の開放端部側に向かって延長して形成される。その長さを３０．５ｍｍである。その開放端部はアンテナエレメントｅｌ１に３方囲まれた領域にあり、隣り合うアンテナエレメントｅｌ１の干渉を減じるように１．９ｍｍ以上の間隔をもって対向している。

得られた複合アンテナについて電流分布を確認したところ、基本波モードの共振として、アンテナエレメントｅｌ１とアンテナエレメントｅｌ２の並列共振による第１共振がＬＴＥ Ｂａｎｄ１７帯に、アンテナエレメントｅｌ１の直列共振による第２共振がＧＳＭ８５０／９００帯に、アンテナエレメントｅｌ３の直列共振による第３共振がＬＴＥ Ｂａｎｄ７帯に有り、高次波モードの共振として、アンテナエレメントｅｌ１とアンテナエレメントｅｌ２の並列共振による第４共振をＤＣＳ／ＰＣＳ帯に、アンテナエレメントｅｌ１の直列共振による第５共振をＵＭＴＳ帯に得た。

複合アンテナを５０オームの同軸ケーブルを介してネットワークアナライザに接続し、ＶＳＷＲ特性を測定した。図６に６００ＭＨｚ〜２．２００ＭＨｚにおけるＶＳＷＲ周波数特性を示す。本発明の複合アンテナによれば、各共振が各送受信系の帯域内において発現し、かつＶＳＷＲ値が３以下である周波数帯域は、各送受信系の帯域をカバーするのが分かる。

１ 複合アンテナ
５０１，５０２，５０３，５０４，５０４，５０６，５２１，５２２，５２３，５２４，５２５，５３１，５３２，５３３，５３４，５３５，５３６，５４０ 要素
２０３ 給電回路
３００、６００ 基板、プリント回路基板
ｅｌ１、ｅｌ２、ｅｌ３ アンテナエレメント
Ｓ 給電点

Claims (7)

1. 長さが異なる線状のアンテナエレメントを備え、基本波モードの共振として、一つの直列共振モードと一つの並列共振モードで利用可能な複合アンテナであって、
   電界結合する第１アンテナエレメントと第２アンテナエレメントを有し、各アンテナエレメントは、その始端側が共通の給電点と接続し終端側が互いに開放されており、始端側から終端側に向って間隔をもって並んで延長し、
   直列共振モードで動作しない一方のアンテナエレメントを並列共振モードの共振周波数調整手段としたことを特徴とする複合アンテナ。
2. 請求項１に記載の複合アンテナであって、
   対をなす第１アンテナエレメントと第２アンテナエレメントの終端側にエレメント間隔が狭められた対向部を設けたことを特徴とする複合アンテナ。
3. 請求項２に記載の複合アンテナであって、
   並列共振モードの共振周波数が、直列共振モードの共振周波数よりも低いことを特徴とする複合アンテナ。
4. 請求項２又は３に記載の複合アンテナであって、
   対をなす第１アンテナエレメントと第２アンテナエレメントの内の、相対的に短い方のアンテナエレメントが直列共振モードで動作し、それを直列共振モードの共振周波数調整手段としたことを特徴とする複合アンテナ。
5. 一端側が給電点に接続され他端側が開放端の第１アンテナエレメントと、前記第１アンテナエレメントと所定の間隔をもって近接して対向配置され、一端側が前記給電点に接続され他端側が開放端であって、長さが前記第１アンテナエレメントよりも長い第２アンテナエレメントとを備えた複合アンテナであって、
   前記第１アンテナエレメントに流れる共振電流による直列共振モードと、前記第１アンテナエレメントと前記第２アンテナエレメントに流れる共振電流による並列共振モードで動作するが、前記第２アンテナエレメントは直列共振モードで動作せず、
   前記直列共振モードによる第１共振の周波数は前記並列共振モードによる第２共振の周波数よりも高周波であることを特徴とする複合アンテナ。
6. 請求子１乃至５のいずれかに記載の複合アンテナであって、
   前記アンテナエレメントの開放端側が給電点側に向って折り返されたことを特徴とする複合アンテナ。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の複合アンテナであって、
   対をなす第１アンテナエレメント及び第２アンテナエレメントよりも長さが短く、一端側が前記給電点に接続され他端側が開放端の第３アンテナエレメントを備え、その共振周波数は前記直列共振モードの共振周波数の２倍よりも高い周波数であることを特徴とする複合アンテナ。
   
   
   

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