JP2005094743A

JP2005094743A - アンテナ装置及びこれを用いた通信機器

Info

Publication number: JP2005094743A
Application number: JP2004227576A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Aoyama; 博志青山; Yasunori Takagi; 保規高木
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】帯域幅が広く且つ平均利得も高いアンテナ装置及びこれを用いた通信機器の提供を目的とする。
【解決手段】基体に形成された放射電極１２を有するチップアンテナ１０と、前記放射電極１２に接続された板状の金属放射導体５０と、前記チップアンテナ１０と放射導体５０を搭載する実装基板２０とを具備し、前記放射導体５０の一端を前記チップアンテナ１０で支え、他端を静電容量素子、インダクタンス素子、或いは共振素子等のチップ素子６０で支え、放射導体５０の下と実装基板のグランド部２１との間に空間部２５を設けたアンテナ装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話や無線ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）などに用いられ、特にデュアルバンド、トリプルバンド等のマルチバンドに対応できる帯域幅の広いアンテナ装置に関する。

携帯電話やパソコンなどの通信機器、電子機器に対する小型化の要請から、使用されるアンテナ装置も小型化する必要がある。そこで、誘電体や磁性体などの基体の表面或いは内部に、給電用電極、放射電極を設けたチップアンテナが使われるようになってきた。
一方、携帯電話のシステムには、例えば主に欧州で盛んなEGSM(Extended Global System for Mobile Communications)方式およびDCS(Digital Cellular System)方式、米国で盛んなPCS(Personal Communication Service)方式、日本で採用されているPDC(Personal Digital Cellular )方式などの時分割マルチプルアクセス（ＴＤＭＡ）を用いた様々なシステムがある。昨今の携帯電話の急激な普及に伴い、特に先進国の主要な大都市部においては各システムに割り当てられた周波数帯域ではシステム利用者を賄いきれず、接続が困難であったり、通話途中で接続が切断するなどの問題が生じている。そこで、利用者が複数のシステムを利用できるようにして、実質的に利用可能な周波数の増加を図り、さらにサービス区域の拡充や各システムの通信インフラを有効活用することが提唱されている。その為、１個のアンテナで２つ以上の周波数帯を共用するマルチバンド（ｍｕｌｔｉ−ｂａｎｄ）のニーズが増大している。例えば、携帯電話の多機能化のニーズに伴い、通話向けシステムであるセルラ（Ｃｅｌｌｕｌａｒ：国によって異なるが例えば送信周波数：824〜849 MHz、受信周波数：869〜894 MHz）と、位置検出の機能を果すＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓ：中心周波数１５７５ＭＨｚ帯）のデュアルバンド（ｄｕａｌ−ｂａｎｄ）、また、あるいはＥＧＳＭ(送信周波数：880〜915MHz、受信周波数：925〜960MHz)と、ＤＣＳ（送信周波数：1710〜1785MHz、受信周波数：1805〜1880MHz）及びＰＣＳ（送信周波数：1850〜1910MHz、受信周波数：1930〜1990MHz）の各システムを取り扱うトリプルバンドに対応できるようなマルチバンド対応の小型アンテナ装置の実現が望まれている。

従来、図６に示すような、２つの放射電極を備えて２つの共振周波数に対応するチップアンテナを並設したデュアルバンドのアンテナ装置が提案された（例えば、特許文献１参照）。図６において、アンテナ装置９０は、基板９１と、基板９１の一方主面９２ａに搭載された２つのチップアンテナ９３ａ、９３ｂで構成される。基板９１の一方主面９２ａには給電線９４と接地電極９５が形成されている。接地電極９５と２つのチップアンテナ９３ａ、９３ｂとは近接して配置される。給電線９４の一端は２つに分けられ、それぞれ２つのチップアンテナ９３ａ、９３ｂの給電用電極９６ａ、９６ｂに接続され、他端は高周波信号源（図示せず）に接続されている。チップアンテナ９３ａ、９３ｂの基体上に形成された放射電極の他端は開放端となり、各々、第１放射電極９７ａ、第２放射電極９７ｂを構成してアンテナ装置となしている。

しかし、特許文献１のアンテナ装置では、長方体状のチップアンテナを２個用いている。小型化するために、チップアンテナ９３ｂを基板９１の他方主面９２ｂに搭載することも提案されているが、その場合、実装基板の厚みも加わって薄型化のニーズには合わない。また、このとき接地電極９５とチップアンテナ９３ａとの対向する面積の増加によりこれらの静電容量が大きくなることから帯域幅は減少方向となる。以上のことより、特許文献１では小型化・省スペース化と広帯域化の両立ができていなかった。

他方、特許文献２では、基体に形成された放射電極と、放射電極の一端が接続される給電用電極と、放射電極の他端が接続される端子電極とを備えたチップアンテナと、このチップアンテナを搭載し、その表面上に形成された線状の放射導体を備えた実装基板とからなるアンテナ装置が開示されている。このアンテナ装置によればチップアンテナの放射電極と実装基板の放射導体とを接続するため、導体の実効長を長くすることができ、その結果アンテナ装置の放射電界が強くなり高利得及び広帯域幅が実現できるとある。

さらに、特許文献３に開示されたアンテナ装置では、実装基板上に搭載したチップアンテナとこれに隣接する高周波回路との間のグランド部に切り欠き状のスリットを設けることが提案されている。このアンテナ装置の場合、切り欠きスリットによりチップアンテナから高周波回路側に流れる高周波電流の流れを抑制し、その結果放射特性を改善することができるとある。

特開平１１−４１１７号公報特開平１１−３３０８３０号公報特開２００１−２７４７１９号公報

従来のアンテナ装置においては、小型化・省スペース化と広帯域化の両立ができないという問題があった。その点で特許文献２では広帯域化の提案がなされ、特許文献３では高利得化の提案がなされている。しかしながら、さらなる広帯域化やマルチバンド化に対応できるものが求められている。従来アンテナ基体に複数の放射電極を形成してマルチバンド化しようとする場合、各放射電極間に生じる静電容量のため、アイソレーションを保つことが困難になると言う問題があった。具体的には、放射電極間の静電容量が増加するほど、互いの高周波電流が反対方向に流れる結果、電磁波の放射を互いに弱め合うことになり、結果、利得（感度）が低下するという問題があった。
また、最近では健康面から、携帯電話等から入放射される電磁波が人体（頭部）に与える影響の軽減が重要視されてきており、電磁波吸収率（ＳＡＲ：ＳｐｅｃｉｆｉｃＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＲａｔｅ）を低減するアンテナ装置が望まれている。

そこで、本発明は、複数の周波数帯域においてもアイソレーション確保によって利得の低下を防ぐと共に、各周波数帯において帯域幅が広く且つ平均利得も高いマルチバンド対応のアンテナ装置及びこれを用いた通信機器の提供を目的とする。

本発明は、基体と、該基体に形成された放射電極と給電用電極とを有するチップアンテナと、前記放射電極の開放端に接続又は非接続にされ、基体から延出した放射導体と、前記チップアンテナと放射導体を搭載する実装基板とを有し、少なくとも前記放射導体と前記実装基板のグランド部との間に空間部を設けたアンテナ装置である。
従来のアンテナ装置では、第２の放射電極を実装基板上に導体パターンで構成したものであり平面的なものであった。本発明では第２の放射電極をチップアンテナに設けた放射電極から連続して放射導体を延出するようになしたもので、よって実装基板の上に空間部分を形成し立体的に構成したものである。ここで放射導体としたのは箔状また板状の金属導体で形成することが望ましいためである。そして、前記放射導体の一端を前記チップアンテナで支え、他端を静電容量素子、インダクタンス素子、或いは共振素子等のチップ素子で支えることにより、当該放射導体の下に前記空間部を設けた構成とすることが望ましい。また、チップアンテナとチップ素子の間に他のチップアンテナを挿入し帯域幅を広げてマルチモードにし易い構造とすることも出来る。
そして、本発明は、上記した何れかのアンテナ装置を搭載したことを特徴とする携帯電話等の通信機器である。

本発明に係るアンテナ装置は、放射導体を実装基板のグランド部との間に空間を介して設けたことにより両者間の容量結合量が小さくなる。これによりＱ値が小さくなると共に、アイソレーションが保たれ共振電流の損失も小さくなる。その結果、帯域幅が広く利得の高いアンテナ装置となる。さらに、放射導体の他端を容量素子等により支えると小型化と周波数調整が同時にできる。
また、本発明に係るアンテナ装置は、放射導体をアンテナ基体やチップ素子で支えて配置していることにより実装基板からの距離を離すことができている。これにより、液晶ディスプレイや頭部からの距離が遠くなりノイズや人体頭部に与える電界の集中が緩和される。この結果、携帯電話から人体頭部に放射される電磁波の吸収が軽減されＳＡＲ値を小さくできる。

ここで本発明に係るアンテナ装置のアンテナ特性に及ぼす作用効果について説明する。
まず、広帯域化を図るためには、チップアンテナ及び放射導体と実装基板のグランド部との距離を離すことが重要である。本発明では放射電極と放射導体のそれぞれと電極間の容量成分とで構成されるＬＣ共振回路のうち、放射電極及び放射導体と実装基板のグランド電極との間で形成される静電容量、特に放射導体とグランド電極との間で形成される静電容量がＱ値を支配していると考え、両者間に誘電率及び透磁率が１の空間を設けることにより支配的な結合量を減少させＱ値を小さくしたものである。また、放射導体の開放端とグランド部との間には容量素子などを介在させるので開放端との間に容量を装荷したことになり放射導体等の小型化や周波数整合を図ることが出来る。以上により、小型化を図りつつ帯域幅が広く且つ平均利得も高いアンテナ装置とすることが出来る。

次に、本発明に係るアンテナ装置は、２つ以上の共振モードでお互いに離れている複数の帯域をカバーするマルチバンド化にも適している。マルチバンドに用いる場合には、実装基板に搭載したチップアンテナと、放射導体を組み合わせることで実施できる。例えば、チップアンテナに形成した放射電極の形状、長さ等を調節して第１の周波数帯域において共振するようになし、箔または板状等の金属導体で形成した放射導体の形状、長さ等を調節して第２の周波数帯域において共振するようになしデュアルバンド対応とすることができる。或いは前記チップアンテナの他に第２、第３等複数のチップアンテナ素子を設けることによりトリプルバンド等のマルチバンド化することができる。しかし、放射電極と放射導体の配置によっては複数の周波数帯域間でのアイソレーションがとれず、このため放射電極と放射導体の静電結合の増大によりアンテナからの電磁波の放射が妨げられる結果、利得が低下することがある。そこで、この点については放射導体とグランドとの間に空間を設けることが有効であり、これによってアイソレーションを確保できるようになした。

以下、本発明を実施例により説明するが、これらの実施例により本発明が限定されるものではない。
図１（ａ）と（ｂ）はそれぞれ見る方向を変えたアンテナ装置の斜視図を、また図２（ａ）、（ｂ）はそれぞれ見る方向を変えたチップアンテナ１０の斜視図を示している。この図１のアンテナ装置は、板状の金属導体５０の一端がチップアンテナ１０で支えられ、他端がチップ素子６０（容量素子）で支えられたブリッジ構造に構成されている。チップアンテナ１０の側面には給電用電極１３が形成され、これは供給電源に６２に接続されている。上面に形成された放射電極１２の一端には、実装基板２０のグランド部２１に接続する接地用電極１６が設けられ、他端側は図１（ｂ）に示すように開放端１７まで延長した放射電極として形成されている。アンテナ基体１１の上面には金属箔板でなる放射導体５０を載置し放射電極１２と接続し、放射導体５０の開放端５１ａ側にはグランド部２１との間で支柱の役目をなす容量素子６０を設け、これに設けた装荷用電極６１と接続している。よって実装基板２０に配置されたグランド部２１と前記放射導体５０との間に空間部２５を形成し、これにより、放射導体の電気長を短縮できるため、アンテナ装置全体の小型化を図ることが可能となる。チップ素子としては他にインダクタンス素子、容量素子とインダクタンス素子との複合素子あるいは共振素子を用いても前述のアンテナ小型化の効果が得られる。また、放射電極１２は、下記に例を示すが例えば基体の上面から側面に渡ってミアンダ状に設けて帯域幅を広げる方策を図っても良い。グランド部２１はアンテナ装置を配置した部分には必要ではないが、全面に設ければ空間部２５の空間スペースに他の電子部品を配置するなど有効利用できる可能性がある。
放射導体５０と実装基板のグランド部２１との間に空間部２５を設けたので、これらの間の静電容量を低減することができ、低Ｑ値による広帯域化を図ると共に、利得の増加に寄与することができる。また、表面に電極を形成した誘電体チップ素子を金属導体の両端にそれぞれ接続し、一方のチップアンテナ側から給電し、他方のチップ素子側を開放端とすることにより、アンテナ開放端と基板のグランド部との静電容量のため、アンテナの小型化と軽量化を実現できる。さらに、給電側のアンテナ基体表面の給電用電極１３を接地電極１６に門状に連接させ一端を接地するように形成したことにより、５０Ωのインピーダンス整合の調節が容易に出来て、外付けのインピーダンス整合回路を不要にできる。アンテナ周辺部の回路を簡素化し無線機器の信頼性が向上した。

図３は本発明の他のアンテナ装置の実施例を示し（ａ）と（ｂ）はそれぞれ見る方向を変えた斜視図である。この例はチップアンテナ１０とチップ素子６０及び金属導体５０の構成は図１の実施例と同様であるが、金属導体５０のほぼ中央部に第２のチップアンテナ３０を設けた構成である。第２のチップアンテナ３０は、基体の上面から一端が開放端３７となる放射電極３２を有しており、金属導体５０と基体上面で接続されている。従って、放射電極１２と金属導体５０の共振の他に放射電極３２との共振が加わるので帯域幅が広がりトリプルバンド等に対応できる程のアンテナ装置となる。このように放射電極の構造を変更する以外にチップアンテナ素子自体を増やして広帯域化に対応することが出来る。

チップアンテナ１０や３０の他の例を図４に示す。図４（ａ）はヘリカルタイプのモノポールアンテナを用いており、基体１１と、基体１１に形成され一端が開放（開放端１５）となった放射電極１２と、放射電極１２の他端が接続された給電用電極１３とを有している。放射電極１２の開放端に放射導体が接続される。この場合、放射電極１２の開放端１５と放射導体５０とは半田付けなどで接続しても良いし、また容量結合的に非接続としても良い。非接続とすることにより容量を増やし放射電極長さを短く出来る。
ヘリカルタイプのモノポールアンテナの代わりに例えば図４（ｂ）のようなL字状、コ字状、クランク状や図４（ｃ）のようなミアンダ状が用いられる。さらに（ｂ）と（ｃ）を組み合わせた形状も可能である。また台形状、階段状、曲線状等の構造を用いることもできる。ヘリカルやミアンダ構造にした場合、放射電極の長さを大きくすることができ、共振周波数の低い周波数まで対応できる。さらに実装基板側に延長して第２の放射電極を組み合わせることによりさらに低い周波数まで対応できる。この場合、線状の電極の幅、長さを調整することにより共振周波数を容易に調整できる。

チップアンテナ１０、３０等の基体１１、３１に用いる材質としては、誘電体、磁性体、またはそれらの混合物などが使える。
例えばチップアンテナ１０の基体１１に用いる材質として誘電体を用いる場合には、波長短縮効果によりチップアンテナ１０を小型化できる。比誘電率εｒ＝８のアルミナ系誘電体を用いることができるが、それに限定されるものではない。主成分がＡｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｉの酸化物で構成され、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、ＴｉをそれぞれＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＳｒＯ、ＴｉＯ_２に換算し、合計１００質量％としたとき、Ａｌ₂Ｏ₃換算で１０〜６０質量％、ＳｉＯ₂換算で２５〜６０質量％、ＳｒＯ換算で７．５〜５０質量％、ＴｉＯ_２換算で、２０質量％以下のＡｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｉを含有し、前記合計１００質量％に対し副成分として、Ｂｉ_２Ｏ_３換算で０．１〜１０質量％のＢｉを含有し、さらにＮａ_２Ｏ換算で０．１〜５質量％のＮａ、Ｋ_２Ｏ換算で０．１〜５質量％のＫ、ＣｏＯ換算で０．１〜５質量％のＣｏのうち少なくとも１種以上を含有しているものなどが使える。
また、チップアンテナ１０、３０等の材質として磁性体を用いる場合には、インダクタンスを大きくできるため、更に小型化できるとともに、さらにアンテナのＱ値は低下し広帯域化できる。
チップアンテナ１０、３０等の材質として誘電体と磁性体の混合物を用いる場合には、波長短縮効果によるアンテナの小型化と、アンテナのＱ値を低下できることによる広帯域化が可能である。尚、この実施例の基体１１、３１の寸法は、幅４ｍｍ、長さ１０ｍｍ、厚さ３ｍｍである。

次に、図５は、アンテナ装置８０を携帯電話ＭＨに実装した一例であり、携帯電話の本体基板（キーボード側）２０の裏側に実装した構造の模式図である。チップアンテナを含むアンテナ装置としては、人体から離れる方向に実装することが好ましいが、液晶ディスプレイの周辺部、スピーカーの周辺部、あるいはマイク付近に実装することも可能である。しかし、実装基板の裏側に配置し、尚且つ空間を介して配置する方が人体頭部からの距離も遠くなるし、また、携帯電話を閉じている場合と開いた場合との両方の場合で、液晶ディスプレイ、スピーカ、マイク等の干渉部品から遠ざかって配置することが出来るのでアンテナ特性に与える影響が少なく望ましい。
また、図５に示したように、携帯電話から放射される電磁波（高周波の電界強度）から人体頭部Ｈが近接した状態では一部の電磁波が人体に吸収される。この人体での吸収された電磁波の影響により、頭部方向の空間に放射される電磁波が弱められることから、この方向で利得の低下が起こるといった問題がある。さらに人体の電磁波吸収により、最近では健康への悪影響が懸念されており、比吸収率（ＳＡＲ）の法的規制が行われている。人体の電磁波吸収効果による利得低下を抑止すると共にＳＡＲ値の低減を図るためには、チップアンテナで発生する電界を人体頭部から出来る限り離すことが最も効果的な手段であり、このため本発明では本体基板に対し、人体頭部と反対面にアンテナ装置を実装し、さらに放射導体はチップアンテナやチップ素子等に支えられた空間部を介してより遠くに配置することができるので好ましい。

本発明に係るアンテナ装置１によると、帯域幅の広いアンテナ装置を得ることができ、シングルバンドのみならず、デュアル、トリプルなどマルチバンド化することができる。例えば、ＧＳＭ（０．９ＧＨｚ）＋GPS＋PCS（１．８ＧＨｚ）＋DCS（１．９ＧＨｚ）、セルラ（０．８ＧＨｚ）＋ＰＣＳ（１．９ＧＨｚ）＋ＧＰＳ（１．５ＧＨｚ）＋．．．の携帯電話や、広帯域ＣＤＭＡ（ＣｏｄｅＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ） (2GHz帯)、８０２．１１ａ（５ＧＨｚ帯）+８０２．１１ｂ（２．４ＧＨｚ）の無線LANなどの通信機器に使用することができる。

本発明に係るアンテナ装置によると、帯域幅の広いものを得ることができる。従って、このアンテナ装置を携帯電話に限らず、携帯端末、パソコン、自動車等の内部に搭載するＧＰＳ機器や無線LAN他、あらゆる無線通信機器への利用が可能である。

本発明に係るアンテナ装置の実施例を示す２方向からの斜視図である。本発明に係るアンテナ装置に用いるチップアンテナの一例を示す斜視図である。本発明に係るアンテナ装置の他の実施例を示す２方向からの斜視図である。本発明に係るアンテナ装置に用いるチップアンテナの他の例を示す斜視図である。本発明に係るアンテナ装置を携帯電話に配置した例を示す模式図である。従来のアンテナ装置の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１０、３０：チップアンテナ
１１、３１：基体
１２、３２：放射電極
１３：給電用電極
１６：接地用電極
１７、３７：開放端
２０：実装基板
２１：実装基板のグランド部
２５：空間部
５０：放射導体（金属箔版）
５１ａ：開放端
６０：チップ素子（非空間部）
６１：装荷用電極
６２：高周波信号源
８０：アンテナ装置

Claims

基体と、該基体に形成された放射電極を有するチップアンテナと、前記放射電極に接続された放射導体と、前記チップアンテナと前記放射導体を搭載する実装基板とを具備し、前記放射導体と前記実装基板のグランド部との間に空間部を設けたことを特徴とするアンテナ装置。
前記放射導体の一端を前記チップアンテナで支え、他端を静電容量素子、インダクタンス素子、或いは共振素子等のチップ素子で支えることにより、当該放射導体の下に前記空間部を設けたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
前記放射導体が板状の金属導体であることを特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ装置。
請求項１〜３の何れかに記載のアンテナ装置を搭載したことを特徴とする通信機器。