JP5398138B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明はアンテナ装置に係り、より詳細には携帯電話に用いられる小型のマルチバンドアンテナ装置に関する。

移動体通信の分野においては、携帯電話の周波数枯渇の問題や通信の高速化に対処するため、アンテナのマルチバンド化が推進されている。また、ＷＬＡＮ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＷＭＡＮ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＷＰＡＮ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の無線通信システムの複合化も進行中である。

このような状況の中、従来のマルチバンドアンテナ装置は、異なる周波数の各々に対応した長さを有する複数のアンテナエレメントを、各アンテナエレメントに直接給電したり、無給電素子を利用したり、これらの手法を混合したりすることによって複合化して構成されてきた。

図１４に示すのは、携帯電話で利用されている（または将来利用される）無線通信システムの一覧であり、複数種類のネットワークが挙げられている。ここで、各システムの周波数範囲を参照すると、近接した周波数帯域は１つのアンテナエレメントで実現可能であるものと考えられる。そこで、例えば図１５に示すようなアンテナ装置が開発されている。

図１５のアンテナ１０４は、ＧＳＭ１９００とＵＭＴＳとに対応する第１の枝と、ＧＳＭ１８００とＧＳＭ１９００とＵＭＴＳとに対応する第２の枝と、ＧＳＭ９００とＧＳＭ１８００とに対応する第３の枝との３つのエレメントから構成されている。このように、あるアンテナエレメントの途中から枝分かれした枝を１つのアンテナエレメントとして数える場合、図１４の表に示される近接した周波数帯域をそれぞれ１つのエレメントで実現すれば、ＧＳＭ系（ＧＳＭ８５０、ＧＳＭ９００、ＧＳＭ１８００、ＧＳＭ１９００）の４つの周波数帯域およびＵＭＴＳの周波数帯域およびＵＭＴＳの周波数帯域に対応したアンテナは、２〜３つ程度のアンテナエレメントで実現することが可能である。

しかしながら、例えば追加的にＭｏｂｉｌｅ−Ｗｉｍａｘ等の周波数帯域にも対応したアンテナとするためには、アンテナエレメント数を増加させなければならない。各アンテナエレメント間では相互干渉が発生するため、アンテナエレメント数の増加はアンテナ装置の設計の難易度を飛躍的に高めてしまう結果となる。

一方、アンテナ装置を多帯域に対応させるには、アンテナエレメントの枝数を増やす手法のほかに、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）アンテナを用いることが考えられる。代表的な小型ＵＷＢアンテナとしては、図１６（ａ）および（ｂ）に示すようなディスクモノポールアンテナがある。ディスクモノポールアンテナは、１６（ｂ）の概略側面図に示すように、円板１０を地板３０に対して垂直に配置して構成される。

このとき、ディスクモノポールアンテナのＶＳＷＲ特性は、円板の直径Ｄがほぼλ／４と同一となる周波数よりも高い周波数帯域において２よりも小さくなる。したがって、例えば円板の直径Ｄが２５ｍｍである場合には、３ＧＨｚ〜２０ＧＨｚ以上の帯域において２よりも小さいＶＳＷＲ特性が得られることになる。

しかし、こうしたディスクモノポールアンテナを単純に大型化してＧＳＭ８５０（８２４〜８９４ＭＨｚ）から使用できるマルチバンド携帯電話用アンテナを構成すると、円板の直径Ｄは９０ｍｍ程度となってしまい、携帯電話に搭載するには不適切な大きさである。

ディスクモノポールアンテナの小型化に関しては、例えば特許文献１にも記載されているところであるが、出願人は独自に、アンテナエレメントの形状や地板への配置方法、誘電体等の材質を工夫することによりアンテナを小型化し、λ／１０〜λ／１２程度の大きさで使用することのできる小型ＵＷＢアンテナを開発している。しかし、この技術を用いてＧＳＭ８５０（８２４〜８９４ＭＨｚ）から使用できるマルチバンド携帯電話用アンテナを構成した場合であっても、アンテナは高さ３０ｍｍ以上となり、やはり携帯電話への搭載に適した大きさであるとはいえない。
特開２００４−３２８０６２号公報

このように、マルチバンドアンテナ装置における小型化の必要性が高まっている。また、そのようなアンテナ装置は、従来見られたような通信バンド数とほぼ同一数のアンテナエレメントで構成されるマルチバンドアンテナよりも構造が簡単で、設計および製造が容易であることが望ましい。
そこで、本発明はこれらの問題点に鑑み、広帯域において良好なアンテナ特性を得ることが可能な小型で簡易な構造を有するマルチバンドアンテナ装置を提供することを目的とする。

この目的を達するため、本発明によるマルチバンドアンテナ装置は、給電点および短絡点を備えた基板と、給電点に接続されたＵＷＢアンテナと、短絡点に接続された短絡端と短絡端の他端である開放端とを有する無給電素子とを備え、ＵＷＢアンテナと無給電素子とは、無給電素子の短絡端よりも開放端に近い領域において近接部を有し、無給電素子は、近接部におけるＵＷＢアンテナとの電磁結合により動作する。
このマルチバンドアンテナ装置においては、同一の電気長を有する複数の無給電素子が備えられていてもよい。また、このマルチバンドアンテナ装置においては、異なる電気長を有する複数の無給電素子が備えられていてもよい。

本発明によるマルチバンドアンテナ装置は、従来のマルチバンドアンテナ装置と比較して少ないエレメント数を擁する小型で簡単な構成を有する。したがって、設計および製造を容易化することが可能であり、携帯電話等に好適に搭載することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施例によるマルチバンドアンテナ装置の構成を示す概略図である。図示するように、アンテナ装置１００は、地板３０上に設置されたＵＷＢアンテナ１０と逆Ｌアンテナ２０とからなる。このうち、ＵＷＢアンテナ１０は給電点に接続された給電素子であり、逆Ｌアンテナ２０は無給電素子である。

周知のとおり、ＵＷＢアンテナおよび逆Ｌアンテナは、本来図２（ａ）および（ｂ）に示すようにそれぞれ単体で用いられる。図２（ａ）のＵＷＢアンテナ１０がＤＣＳ（１８００ＭＨｚ帯）以上の周波数に対応し、図２（ｂ）の逆Ｌアンテナ２１がＧＳＭ８５０およびＧＳＭ９００（８２４〜８９４ＭＨｚ、８９０〜９６０ＭＨｚ）の周波数に対応するものであるとすると、各々が単体で用いられたときのＶＳＷＲ特性は図２（ｃ）に示すようになる。ここで、ＵＷＢアンテナのＶＳＷＲ特性は実線で、逆ＬアンテナのＶＳＷＲ特性は破線で表すものとする。

このようなＵＷＢアンテナ１０と逆Ｌアンテナ２１とを組み合わせてアンテナ装置１００として動作させるとき、一方を給電素子とし他方を無給電素子とする構成は２通り考えられる。第１の構成は、図３（ａ）に示すようにＵＷＢアンテナ１０には給電し逆Ｌアンテナ２０には無給電とするアンテナ装置１００である。これは図１において本発明の構成として示したものと同一である。また、第２の構成は、ＵＷＢアンテナ１２には無給電とし逆Ｌアンテナ２１には給電するアンテナ装置１０１である。図３（ｃ）には、アンテナ装置１００および１０１のＶＳＷＲ特性を実線および破線で示す。なお、図中の（Ｆ）はＦｅｅｄすなわち給電されることを、（Ｐ）はＰａｒａｓｉｔｉｃすなわち無給電であることを示している。

一般に、給電素子と無給電素子とからアンテナ装置を構成する場合、そのアンテナ装置の主たる特性は給電素子により決定され、無給電素子はその特性に変化をもたらす役割を担う。したがって、図３（ｃ）において、ＵＷＢアンテナを給電素子とする第１の構成で得られるＶＳＷＲ特性は、大部分が図２（ｃ）に示したＵＷＢアンテナのＶＳＷＲ特性に類似している。また、ＵＷＢアンテナでは低いＶＳＷＲ特性が得られなかった低帯域については、図２（ｃ）に示した逆ＬアンテナのＶＳＷＲ特性が反映されている。これによって、第１の構成によるアンテナ装置１００は、広帯域にわたり２よりも低いＶＳＷＲ特性を示す。

これに対し、逆Ｌアンテナを給電素子とする第２の構成で得られるＶＳＷＲ特性は、大部分が図２（ｃ）に示した逆ＬアンテナのＶＳＷＲ特性と同様であり、非常に狭い帯域でしか低い値が得られない。
よって、本発明の目的に適っているのは、逆Ｌアンテナを給電素子とするアンテナ装置１０２ではなく、より広帯域にわたって良好なＶＳＷＲ特性を得ることのできる、ＵＷＢアンテナを給電素子とし逆Ｌアンテナを無給電素子とするアンテナ装置１００となる。

ここで、ＵＷＢアンテナと逆Ｌアンテナとからアンテナ装置を構成するにあたり、両素子の配置には工夫が求められる。すなわち、本発明のアンテナ装置は、給電素子であるＵＷＢアンテナの特性にあまり影響を与えることなく無給電素子である逆Ｌアンテナの特性を付加しようとするものであるが、そのようなアンテナ装置とするためには、給電素子の給電部と無給電素子の短絡部との距離を、無給電素子の動作が確保できる範囲で遠くすることが必要となる。

アンテナ装置１００においては、給電素子１０を無給電素子２０に対する給電プローブとし、無給電素子２０は給電素子１０による電磁結合で動作する。電磁結合の箇所は、給電素子１０と無給電素子２０とが近接する領域、すなわち無給電素子２０の開放端に近い図４（ａ）のＡ部または無給電素子２０の短絡端に近いＢ部の２箇所に大別できる。このうち、開放端に近いＡ部は無給電素子の基底共振（λ／４）に対する結合が支配的であり、短絡端に近いＢ部は高次共振に対する結合が支配的であるので、Ａ部で結合することが好適である。

図４（ｂ）はＢ部における給電素子１０と無給電素子２０との間の距離ｄを０．５ｍｍ〜２２．５ｍｍの間で変化させた場合のＶＳＷＲ特性の計算結果の一例を示す。同図からは、距離ｄを２２．５ｍｍにしたときに、最も良好なＶＳＷＲ特性が得られることがわかる。換言すれば、距離ｄを増加させてＢ部の結合量を減少させると、給電素子であるＵＷＢアンテナが本来の広帯域特性を確保しやすくなっていることがわかる。
なお、ある程度給電素子すなわちＵＷＢアンテナの特性を犠牲にしても小型化することが望ましい場合には、ＵＷＢアンテナと逆Ｌアンテナとをより接近させて配置してもよい。

次に、このアンテナ装置１００の小型化について検討する。
既に述べたように、アンテナ装置１００は給電素子１０と無給電素子２０とから構成される。再び図１を参照すると、アンテナ装置１００の高さｈは、ＧＳＭ８５０およびＧＳＭ９００を無給電素子２０が担当し、ＧＳＭ１８００から上の周波数をＵＷＢアンテナが担当するように構成すると、４４ｍｍ程度（λ（１．７１ＧＨｚ）／４）となる。これは、携帯電話に搭載するには大きすぎる。

そこで、例えばアンテナエレメント形状の３次元化、アンテナ搭載位置の最適化など、一般的に行われているアンテナ装置の小型化の手法を用いることにより、アンテナ装置１００を小型化することができる。

このうち、形状の３次元化については、例えばアンテナの厚さを増加させることによってアンテナ長を短縮することができる。また、アンテナ搭載位置の最適化に関しては、地板が励振されやすい場所にアンテナを搭載することが考えられる。この点について、携帯電話等の有限地板にアンテナ装置１００を搭載する場合を想定して説明する。

図５（ａ）〜（ｃ）に示すのは、１００ｍｍ×５０ｍｍの大きさを有する地板３０に直径２０ｍｍの円板エレメントを備えたＵＷＢアンテナ１０を配置した場合の配置位置およびＶＳＷＲ特性である。ここで、地板３０の相対的に短い一辺にＵＷＢアンテナ１０を配置する際、図５（ａ）のように端部に配置した場合と、図５（ｂ）のように中央に配置した場合とでは、異なるＶＳＷＲ特性が得られる。図５（ｃ）には端部配置および中央配置の各々のＶＳＷＲ特性を示してあり、地板３０の一辺の中央よりも端部にＵＷＢアンテナ１０を配置したほうが、より低い周波数帯域からＶＳＷＲの値が低くなることがわかる。

一方、同じく１００ｍｍ×５０ｍｍの大きさを有する地板３０の２０ｍｍ×２ｍｍの大きさを有するモノポールアンテナ２２を配置した場合にも、モノポールアンテナ２２の配置位置によってＶＳＷＲ特性が変化する。図６（ａ）のように地板３０の相対的に短い一辺の端部に配置したときと、図６（ｂ）のように中央に配置したときとでは、図６（ｃ）に示すように異なるＶＳＷＲ特性が得られる。すなわち、ＵＷＢアンテナ１０と同様、端部に配置したときのほうが、より低い周波数帯域からＶＳＷＲの値が低くなる。本発明のアンテナ装置１００で用いられる逆Ｌアンテナ２０はモノポールアンテナの一種であるから、同様の結果が得られるものと考えることができる。

このように、給電素子であるＵＷＢアンテナ１０および給電点と、無給電素子２０および短絡点とは、いずれも地板の端部付近に配置することにより、アンテナ装置の高性能化あるいは小型化に寄与することができる。したがって、図７（ａ）に示すような配置となるのが好適である。また、地板の幅が広いために給電点および短絡点を地板の両端に同時に配置するとアンテナ装置１００の構成が困難になるような場合には、給電素子であるＵＷＢアンテナ１０が担当する高周波帯と無給電素子２０が担当する低周波帯とのうちいずれの性能、小型化を優先するかによって配置を変更することができる。例えば、高周波帯を優先する場合には図７（ｂ）に示す位置に、低周波帯を優先する場合には図７（ｃ）に示す位置に、アンテナ装置１００を配置すればよい。

ところで、本発明のアンテナ装置の実施にあたって、給電素子であるＵＷＢアンテナは、以上に述べてきたような円板形状に限られず、モノポール型のＵＷＢアンテナであれば、楕円、半円、多角形など他の形状であっても同様の効果を得ることができる。そこで、以上に述べたようなアンテナ搭載位置の工夫とあわせ、本発明の別の実施例として、例えば図８および図１０に示すようなアンテナ装置を作製することもできる。

図８（ａ）および（ｂ）に示すアンテナ装置１００ａは、８０ｍｍ×４５ｍｍの地板３０の端部に設置され、給電素子１０と無給電素子２０とから構成されている。図８（ｂ）の展開図に示すように、給電素子１０は地板３０との接点に給電点を有し、無給電素子２０は地板３０との接点に短絡点を有する。無給電素子２０は、給電素子１０と近接する円Ｃで囲まれた箇所において給電素子１０と電磁結合する。また、この箇所において給電素子１０と無給電素子２０との間の距離を調整することにより、電磁結合を最適化することができる。

図９にはこのアンテナ装置１００ａのＶＳＷＲ特性を示す。ＶＳＷＲ＜３を実用的な値と考えると、広帯域にわたって概ね良好な特性が得られている。
同様に、図１０（ａ）および（ｂ）に示すアンテナ装置１００ｂも、８０ｍｍ×４５ｍｍの地板３０の端部に設置され、給電素子１０と無給電素子２０とから構成されている。図１０（ｂ）の展開図には、給電素子１０が地板３０との接点に給電点を有し、無給電素子２０が地板３０との接点に短絡点を有することが示されている。無給電素子２０は、給電素子１０と近接する円Ｄで囲まれた箇所において給電素子１０と電磁結合し、給電素子１０と無給電素子２０との間の距離を調整することにより最適化が可能である。

図１１にこのアンテナ装置１００ｂのＶＳＷＲ特性を示してある。同図においては４ＧＨｚ付近の特性が悪化しているが、この帯域を使用しないことを前提とすれば、アンテナ装置１００ｂの機能には何等問題はない。

このように、ＵＷＢアンテナおよび無給電素子の形状を様々に変更することにより、本発明のアンテナ装置は異なるＶＳＷＲ特性を呈する。また、これらのアンテナ装置１００ａおよび１００ｂにおいては、給電素子１０および無給電素子２０を断面が１０ｍｍ四方の角柱４０の表面上にパターン化して形成してもよい。

ここで、角柱４０を誘電体で形成し、これを利用して小型化を図る場合には、誘電体の特性上、一般的に周波数が高くなるに従って緩やかに誘電損失が増加し、放射効率が低下する。一方、角柱４０を磁性体で形成して小型化しようとすると、適用帯域以外では急激な損失の増加が見込まれる。これは、現時点では、高周波広帯域で良好な特性を有する磁性体が存在せず、磁性体が適用周波数に特化して開発・設計されていることに起因する。そのため、現時点では、アンテナ装置全体を磁性体によって小型化するよりも、磁性体適用周波数のみで磁性体の小型化効果を利用する構成とすることが必要である。

本発明のアンテナ装置１００の構成では、無給電素子である逆Ｌアンテナは限定的に低周波領域の放射を担当している。したがって、図１２に端的に示すように、給電素子を配置する部分には誘電体を利用し、無給電素子を配置する部分にのみ磁性体を利用することにより、小型化が可能となると同時にＵＷＢエレメントが担当している高周波広帯域部分の放射効率を低下させることなくアンテナ装置を実現することができる。

以上のような工夫により、アンテナ装置１００の高さｈは１０〜１５ｍｍ程度（λ（１．７１ＧＨｚ）／１２）まで抑えることが可能である。
なお、本発明によるマルチバンドアンテナ装置の実施にあたっては、無給電素子のエレメント数は１つに限定されるものではない。例えば、図１３（ａ）に示すようにほぼ同一の電気長を有する複数の無給電素子を用いることによりアンテナ装置の広帯域化を図り、低い帯域（８２４〜９６０ＭＨｚ、１７１０〜２１７０ＭＨｚ）は無給電素子２０および２３が担当し、高い帯域（２．３ＧＨｚ〜）は給電素子１１が担当するアンテナ装置１０２を実現することが可能である。

あるいは、図１３（ｂ）に示すように異なる電気長を有する複数の無給電素子を用いることによりアンテナ装置のマルチバンド化を図り、低い帯域（８２４〜９６０ＭＨｚ、１７１０〜２１７０ＭＨｚ）を無給電素子２０および２３が、それよりも高い帯域（２３０５から２６９０ＭＨｚ）を無給電素子２４が、高い帯域（３．１ＧＨｚ〜）を給電素子１１が担当するアンテナ装置１０３を実現することも可能である。

以上のような構成とすることにより、本発明によれば、例えばＷＭＡＮの５帯域、ＷＭＡＮの３帯域、ＷＬＡＮの３帯域、ＷＰＡＮの２帯域、およびＩＭＴ−Ａｄｖａｎｃｅｄの帯域のすべてで使用可能なマルチバンドアンテナ装置を提供することができる。また、図１に示した基本構成に基づいて、例えばＵＷＢアンテナの部分を大きくすることによって、Ｊａｐａｎ ＰＤＣやＧＰＳにも対応したアンテナ装置とすることが可能である。

なお、本発明によるマルチバンドアンテナ装置は、必ずしも図１４の表に示した通信方式のすべてに対応する必要はなく、アンテナ装置を搭載した携帯電話が使用される地域など、様々な事情に鑑みて望ましい特性を取捨選択し、より効果的な設計を行うことが可能である。

以上、本発明によるアンテナ装置の実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されることなく、他にも様々に実施することができる。

本発明の一実施例によるマルチバンドアンテナ装置の構成を示す概略図。 （ａ）はＵＷＢアンテナの概略図、（ｂ）は逆Ｌアンテナの概略図、（ｃ）は各アンテナのＶＳＷＲ特性を示す図。 （ａ）、（ｂ）はＵＷＢアンテナと逆Ｌアンテナの組み合わせの構成例を示す図、（ｃ）は各構成例のＶＳＷＲ特性を示す図。 （ａ）は本発明の一実施例によるマルチバンドアンテナ装置における結合部を示す図、（ｂ）は給電素子と無給電素子との間の距離に応じたＶＳＷＲ特性の変化を示す図。 （ａ）および（ｂ）はＵＷＢアンテナの配置位置を示す図、（ｃ）は配置位置に応じたＶＳＷＲ特性を示す図。 （ａ）および（ｂ）はモノポールアンテナの配置位置を示す図、（ｃ）は配置位置に応じたＶＳＷＲ特性を示す図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明によるアンテナ装置の配置位置を示す図。 （ａ）は本発明の別の実施例によるマルチバンドアンテナ装置の斜視図、（ｂ）は展開図。 図８に示す実施例によるマルチバンドアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示す図。 （ａ）は本発明のさらに別の実施例によるマルチバンドアンテナ装置の斜視図、（ｂ）は展開図。 図１０に示す実施例によるマルチバンドアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示す図。 本発明のアンテナ装置の小型化における誘電体および磁性体の利用について説明する図。 （ａ）および（ｂ）は本発明のさらに別の実施例によるマルチバンドアンテナ装置の概略図。 代表的な携帯電話搭載無線通信システムを示す図。 従来のマルチバンドアンテナ装置の構成の一例を示す図。 （ａ）および（ｂ）は一般的なディスクモノポールアンテナを示す図。

符号の説明

１００ アンテナ装置
１０ 給電素子
２０ 無給電素子
３０ 地板
ｈ アンテナ高さ

Claims (3)

1. 給電点および短絡点を備えた基板と、
   前記給電点に接続されたＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）アンテナと、
   前記短絡点に接続された短絡端と前記短絡端の他端である開放端とを有する無給電素子と、を備え、
   前記ＵＷＢアンテナと前記無給電素子とは、前記無給電素子の前記短絡端よりも前記開放端に近い領域において近接部を有し、
   前記無給電素子は、前記近接部における前記ＵＷＢアンテナとの電磁結合により動作し、
   前記無給電素子は同じ電気長を有する複数の無給電素子を含み、前記複数の無給電素子が８２４〜９６０ＭＨｚ帯域と１７１０〜２１７０ＭＨｚ帯域とを担い、前記給電素子が２．３ＧＨｚ以上の帯域を担い、
   前記無給電素子が逆Ｌアンテナであり、前記ＵＷＢアンテナの給電点が、前記基板の一端に配置され、前記無給電素子の短絡点が、前記基板の他端に配置されることを特徴とするマルチバンドアンテナ装置。
2. 給電点および短絡点を備えた基板と、
   前記給電点に接続されたＵＷＢアンテナと、
   前記短絡点に接続された短絡端と前記短絡端の他端である開放端とを有する無給電素子と、を備え、
   前記ＵＷＢアンテナと前記無給電素子とは、前記無給電素子の前記短絡端よりも前記開放端に近い領域において近接部を有し、
   前記無給電素子は、前記近接部における前記ＵＷＢアンテナとの電磁結合により動作し、
   前記無給電素子は異なる電気長を有する複数の無給電素子を含み、前記複数の無給電素子が８２４〜９６０ＭＨｚ帯域と１７１０〜２１７０ＭＨｚ帯域と２３０５〜２６９０Ｍｚ帯域とを担い、前記給電素子が３．１ＧＨｚ以上の帯域を担い、
   前記無給電素子が逆Ｌアンテナであり、前記ＵＷＢアンテナの給電点が、前記基板の一端に配置され、前記無給電素子の短絡点が、前記基板の中央部に配置されることを特徴とするマルチバンドアンテナ装置。
3. 前記ＵＷＢアンテナが誘電体で形成され、前記無給電素子が磁性体で形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。

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