JP2008131523A - アンテナエレメント - Google Patents

Abstract

【課題】 導電性筐体をアース板として利用しながら、小型でしかもＷＡＮ帯域の通信特性（感度）に優れたアンテナエレメントを提供することにある。
【解決手段】外部グランド部に接続される外部グランド接続用細幅状導体（１）、該外部グランド接続用細幅状導体（１）からともに延出する細幅状放射エレメント（２）と細幅状無給電エレメント（３）から構成するアンテナエレメントであり、細幅状放射エレメント（２）は、該外部グランド接続用細幅状導体（１）の長手方向に並行に折り返し形状を呈しながら配設し、細幅状無給電エレメント（３）は該細幅状放射エレメント（２）の外側に在り、その主要部分は該外部グランド接続用細幅状導体（１）の長手方向に並行に配設し、更に折り返し状の細幅状放射エレメント（２）は、細幅状無給電エレメント（３）と該外部グランド接続用細幅状導体（１）とで形成される空間に内包させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パソコン、ＰＤＡ（携帯型情報機器）、携帯電話、あるいはＶＩＣＳなどの情報端末機器等に内蔵させる小型アンテナエレメントに関する。さらに詳しくは、本発明は、導電性筐体をアース板として利用するのに有用な小型アンテナエレメントに関する。

近年の無線ＬＡＮあるいはＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（近距離無線データ通信システム）搭載のＰＤＡ等においては、アンテナの多周波化および小型化とともに、広帯域化の要求がますます強くなってきている。

これまで、上記の要求に対しては、平面アンテナ、あるいは逆Ｆアンテナにより代表される立体アンテナで対応されてきた。しかし、これらアンテナの殆どは、放射エレメントとアース板とが一体的に打抜かれた、いわゆる一体型である。したがって、これらアンテナをＰＣ内の狭い空間で否応なしに導電性筐体に接近して配置した場合、該アース板と該導電性筐体とが干渉し合って送受信動作が不安定になる。また、このアース板はアンテナ設置スペースの大部分を占めるので、アンテナの設置箇所にも制約が出てしまう。

したがって、本発明の課題は、導電性筐体をアース板として利用しながらも、ＷＡＮ帯域の通信特性（感度）に優れた小型アンテナエレメントを提供することにある。

本発明者等は、折り返し構造とした細幅状放射エレメントを、細幅状無給電エレメントと筐体などの外部グランド部に接続される細幅状導体とで形成される空間に内包させることにより、所望の通信特性を呈する小型アンテナエレメントを実現するに至った。

本発明によれば、外部グランド部に接続される細幅状導体、該細幅状導体からともに延出する細幅状放射エレメントと細幅状無給電エレメントとを含み、その際、以下のａ〜ｃの要件を具備することを特徴とするアンテナエレメントが提供される。
ａ．該細幅状放射エレメントは、該細幅状導体の長手方向に平行に配設されながら、折り返し形状を呈していること、
ｂ．該細幅状無給電エレメントは該折り返し状の細幅状放射エレメントの外側に在り、その主要部分は該細幅状導体の長手方向に並行に配設されていること、そして、
ｃ．該折り返し状の細幅状放射エレメントは、該細幅状無給電エレメントと該細幅状導体とで形成される空間に内包されていること。

本発明のアンテナエレメントによれば、以下の顕著な効果が得られる。
（１）折り返し構造の細幅状放射エレメントを採用するので、アンテナエレメントの縦横のサイズがバランスするので、より小型化されて筐体内のアンテナ設置箇所の自由度が増加する。
（２）グランド板として、面積の大きい導電性筐体部を利用するので、安定したアース効果が得られる。
（３）無給電エレメントとこれに隣接する放射エレメント間のギャップを調整することで、ＶＳＷＲ調整が容易になる。

以下、本発明のアンテナエレメントについて、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、２周波用の平面アンテナエレメントの一例を示す正面図である。
図２は、図１のアンテナエレメントに給電用同軸ケーブルを接続した際の斜視図である。
図３〜６は、本発明のアンテナエレメントの変型態様を示す正面図である。
図７は、図１〜図２に示したアンテナエレメントをＰＣの導電性（金属）筐体に接続して得られた内蔵型アンテナについて、その周波数特性（ＶＳＷＲ）を示す図（グラフ）である。

図１において、（１）は、金属筐体部のような外部グランド部に接続される細幅状導体（以下、“外部グランド接続用細幅状導体“と称する。）で、直線部（１ａ）と、螺子取付孔（１ｂ）を穿けた取付片（１ｃ）とからなる。（２）は、細幅状導体（１）から延出した、折り返し構造の細幅状放射エレメントで、延出開始部（２ａ）と第１直線部（２ｂ）と第２直線部（２ｃ）と第１折返部（２ｄ）とからなる。この場合、延出開始部（２ａ）は、実質的に放射には寄与せず、放射エレメント（２）と細幅状導体（１）との間で短絡板として機能する。（３）は、細幅状導体（１）から延出した細幅状無給電エレメントで、延出開始部（３ａ）と、該エレメントの主要部分である第１直線部（３ｂ）とからなる。

さらに、（Ｌ）は第２直線部（２ｃ）と第１直線部（３ｂ）との間隔、（Ｓ１）は第１直線部（２ｂ）に設けた、同軸ケーブルの内部導体接続点、そして、（Ｓ２）は、外部グランドに接続される細幅状導体（１）の直線部（1ａ）に設けた、同軸ケーブルの外部導体接続点である。この内部導体接続点（Ｓ１）は第１直線部（２ｂ）のインピーダンス整合点に位置し他方、外部導体接続点（Ｓ２）は直線部（１ａ）に、内部導体接続点（Ｓ１）と対峙するように設けられる。

図２には、上記の内部導体接続点（Ｓ１）に同軸ケーブル（４）の内部導体が、そして、外部導体接続点（Ｓ２）に該ケーブルの外部導体が接続した例が示されている。

このような配置において、直線部（１ａ）、第１直線部（２ｂ）、第２直線部（２ｃ）および細幅状無給電エレメントの第１直線部（３ｂ）は、互いに並行に配置されている。同様に、延出開始部（２ａ）、第１折返部（２ｄ）および延出開始部（３ａ）も、互いに並行に配置されている。この並行配置においては、アンテナエレメントとしての細幅状放射エレメント（２）と細幅状無給電エレメント（３）間での共振が生じて共振帯域幅が拡大される。

さらに、特徴的なことは、細幅状放射エレメント（２）として、折り返し構造のエレメントが採用され、その際、該エレメントは外部グランド接続用細幅状導体（１）と細幅状無給電エレメント（３）の空間に内包されていることである。

これら“折り返し構造”および“内包”の意義について述べる。前者により、アンテナエレメントのコンパクト化が図れる。これまで使用されてきた単周波用放射エレメントは、一直線状の細幅状導体である。図示していないが、このときの長さを（Ｌｔ）とし、この一直線状細幅状導体を、図１または図２のアンテナエレメントに組み込んだ場合を想定する。このときのアンテナエレメントは、横幅方向に上記（Ｌｔ）の長さを含みながら伸びるので、横幅は極度に長くなる。これにともなって、高さはその分低くなり、縦横のバランスに欠けた不都合な形状である。これに対して、本発明では、この長さが（Ｌｔ）の一直線状細幅状導体を折り返してコンパクトな構造とすることで、アンテナエレメントの縦横のサイズをバランスさせる。この場合、第１直線部（２ｂ）、第２直線部（２ｃ）、および第１折返部（２ｄ）との合計長さが、（Ｌｔ）に相当する。

後者の“内包“の効果は、本発明のアンテナエレメントが取付片（１ｃ）を介して外部グランドに接続されたときに発現する。つまり、細幅状放射エレメント（２）は外部グランドから遠ざけられ、したがって、干渉が防止されるので、ＷＡＮ帯域での通信感度が向上する。

上述した点につき、再度、図１および図２を参照しながら詳細に説明する。これら図において、細幅状放射エレメント（１）は高周波用であり他方、細幅状無給電エレメント（３）については、その共振周波数を高周波用の細幅状放射エレメント（２）の共振周波数より低く設定して低周波用とするので、アンテナとしての帯域幅が広がる。具体的には、帯域幅として８２４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚおよび１７１０ＭＨｚ〜２２００ＭＨｚが確保できるように、高周波用の細幅状放射エレメント（２）の共振周波数に応じて細幅状無給電エレメント（３）の全長を調整して最小共振周波数を設定すればよい。この場合、高周波用の細幅状放射エレメント（２）の全長は採択する周波数のおよそλ／２に、他方細幅状無給電エレメント（３）の全長は採択する周波数のおよそλ／４に相当する。ただ、折り返し構造の細幅状放射エレメントにあっては、折り返し構造による損失（ロス）等が容量結合の寄与分を上回り他方、細幅状無給電エレメントにあっては、逆に容量結合が優勢的に生じることが実験的に確認されている。このことから現実には、前者の長さは理論値よりもやや長めに設定し、逆に後者の長さは理論値よりも短めに設定される。

本発明において、外部グランド接続用細幅状導体（１）および細幅状放射エレメント（２）の各幅は０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲から適宜採択する。基本的には、これら部材の各幅は全長を通して同一でよいが、必要に応じて一部を異なるようにしてもよい。例えば、細幅状放射エレメント（２）において、第１屈曲部（２ｄ）の幅を他の部分（延出開始部（２ａ）、第１直線部（２ｂ）および第２直線部（２ｃ））の幅より広くすると、細幅状無給電エレメント（３）に電荷が誘起され易くなる。また、それらの厚さについては格段の制約はないが、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度で十分である。さらに、外部グランド接続用細幅状導体（１）、これに並行状態で隣接する第１直線部（２ｂ）との間隔（延出開始部（２ａ）の高さ）、および第１直線部（２ｂ）と第２直線部（２ｃ）との間隔（第１折返部（２ｄ）の高さ）は、安定した動作を確保するため、それぞれに０．１ｍｍ以上、特に０．５〜２ｍｍの範囲にあるのが好ましい。

また、アンテナの帯域幅拡大効果は、細幅状無給電エレメント（３）の第１直線部（３ｂ）と、これに並行状態で隣接する、細幅状放射エレメントの第２直線部（２ｃ）との間隔（Ｌ）を調整することで得られる。この間隔（Ｌ２）は０．５ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲で調整するのが好ましい。この間隔（Ｌ）が広すぎると、第１直線部（１ａ）部に給電された電磁界により、細幅状無給電エレメント（３）に誘起される電磁界が弱くなり、帯域拡大効果が低下する。反対に、この間隔（Ｌ）が狭すぎると、相互干渉等の不安定要因が生じる。また、細幅状無給電エレメント（３）の幅は、誘起される電磁界の強度とアンテナエレメントの小型化を考慮し、０．５ｍｍ〜５．０ｍｍであるのが好ましい。また、それらの厚さについては格段の制約はないが、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度で十分である。

アンテナエレメントは、洋白（白銅）、銅、鉄、黄銅等の金属板の一体打抜きで得るのが有利である。別の態様として、平板状絶縁性基板上に銅箔のような金属薄膜を貼り付けた状態で、該金属膜をエッチングして所望の形状を得るのも有用である。これらの一体打抜きやエッチング手段は、各部材内（外部グランド接続用細幅状導体（１）、細幅状放射エレメント（２）または細幅状無給電エレメント（３））で幅を異ならせる場合にも便利である。

給電用同軸ケーブル（４）としては、周知のフッ素樹脂被覆等の高周波同軸ケーブルが採用される。このケーブル（４）の内部導体の終端は、内部導体接続点（Ｓ１）に接続し、外部導体の終端は外部導体接続点（Ｓ２）に、ハンダ付あるいは超音波接続等を利用して接続される。

以上に述べたアンテナエレメントの形状は、機能向上の面から種々の変型される。これらの変型態様について、図３〜図６に基づいて説明する。

図３は、図１の細幅状無給電エレメント（３）の幅方向の面を細幅状放射エレメント（２）の側面に直交させた状態（（θ）＝９０度）の態様を示している。この態様では、アンテナエレメント全体の見かけ幅は増すものの高さが低くなるので、高さ方向のスペースに余裕がない場合に有効である。

図４は、図１の細幅状放射エレメント（２）の第２直線部（２ｃ）の先端から、さらに折り返す第３直線部（２ｆ）を設けた態様を示している。このとき、第３直線部（２ｆ）は、第２直線部（２ｃ）の先端に設けた第２折返部（２ｅ）を介して逆方向に指向する。この態様では、細幅状放射エレメント（２）の折り返し回数は増えるが、その分だけ該エレメントの幅が狭まるので、幅方向のスペースに余裕がない場合に有効である。また、追加された第３直線部（２ｆ）も共振するので、より低周波帯域が拡がる。その結果、ＬＡＮ帯域より周波数帯域が低いＷＡＮ帯域等の低周波用用途に特に有効である。

図５は、図１の細幅状無給電エレメント（３）の第１直線部（３ｂ）の終端から、さらに折り返す第２直線部（３ｃ）を設けた態様を示している。このとき、第２直線部（３ｃ）は、第１直線部（３ｂ）の先端に設けた第２折返部（３ｄ）を介して逆方向に指向する。この態様も、図４の場合と同様に、共振帯域をより広げるのに有効である。

図６は、図１の細幅状放射エレメント（２）の第２直線部（２ｃ）の始端から、逆方向に指向する延出部（２ｇ）を追加した態様を示している。この態様は、延出部（２ｇ）のサイズに応じて誘導成分および容量成分を微調整できるので、インピーダンス調整が容易になる。

以上に述べた各種態様は、それ単独にのみならず、使用・用途に応じて組み合わせた態様でもよいことは勿論である。また、外部グランド接続用細幅状導体については、直線部（１ａ）と、該直線部の両端から起立する取付片（１ｃ）とで形成される凹状構造を示した。このときの取付片（１ｃ）は、細幅状放射エレメント（２）の外側縁および細幅状無給電エレメント（３）の外側縁に設けられているので遮蔽部材としても機能する。すなわち、取付片（１ｃ）は、細幅状放射エレメント（２）の各側縁部に到来するアンテナ設置機器からの不要電波やノイズを遮断・吸収する。その結果、細幅状放射エレメント（２）への不要電波やノイズが阻止されるので、電磁的干渉の懸念なく安定した送受信が確保される。しかしながら、そこまでの機能が要求されない場合は、取付片（１ｃ）を割愛し、直線部（１ａ）の両端に取付螺子孔（１ｂ）を穿けたものでも十分である。

以下に、図１〜図２に示した２周波対応のエレメントを使用したアンテナをパソコン内蔵用として適用する例について示す。

アンテナエレメントの作成：
先ず、厚さが０．４ｍｍの洋白板を一体打抜きして、アンテナエレメントを得た。ここで、外部グランド接続用細幅状導体（１）は、直線部（１ａ）の幅は１．５ｍｍ、長さ６８．３ｍｍ、螺子取付孔（１ｂ）を穿けた取付片（1ｃ）の高さは９．８ｍｍとし、幅は５ｍｍとした。

細幅状放射エレメント（２）としては、高さ（長さ）が１．５ｍｍの延出開始部（２ａ）を除いて、全長８９．３ｍｍ、幅１．５ｍｍの細幅状導体を用いた。このときの第１直線部（２ｂ）の長さを４７．８ｍｍ、第２直線部（２ｃ）の長さを４０ｍｍ、そして、第１折返部（２ｄ）の長さを１．５ｍｍとした。このとき、延出開始部（２ａ）は、図１に向かって左側の取付片（１ｃ）から３ｍｍの間隔を空けて設けた。この細幅状放射エレメントは、およそ１．８ＧＨｚの周波数に対応する。

さらに、細幅状無給電エレメント（３）としては、全長６１．４ｍｍ、幅が２．３ｍｍの細幅状導体を用いた。このときの延出開始部（３ａ）の高さを７．９ｍｍ、第１直線部（３ｂ）の長さを５３．５ｍｍとした。このとき、延出開始部（３ａ）は、図１に向かって右側の取付片（１ｃ）から３ｍｍの間隔を空けて設けた。この細幅状無給電エレメントは、およそ０．９ＧＨｚの周波数に対応する。ここで、０．９ＧＨｚでのλ／４に対応する理論長は、８３ｍｍであるが、本発明の細幅状無給電エレメントでは約２５％の波長短縮効果（８３ｍｍに対し、６１．４ｍｍ）が得られる。

このアンテナエレメントにおいて、細幅状放射エレメント（２）の第２直線部（２ｃ）と細幅状無給電エレメント（３）の第１直線部（３ｂ）との間隔（Ｌ）は１．９ｍｍとした。さらに、細幅状放射エレメント（２）において、第１直線部（２ｂ）と第２直線部（２ｃ）との間隔は、第１折返部（２ｄ）の長さと同じ１．５ｍｍであり、また、外部グランド接続用細幅状導体（１）の直線部（１ａ）と細幅状放射エレメント（２）の第１直線部（２ｂ）との間隔は、延出開始部（２ａ）の高さと同じ１．５ｍｍである。

さらに、内部導体接続点（Ｓ１）は、図１に向かって、細幅状放射エレメント（２）の第１直線部（２ｂ）の左端から１５ｍｍで幅方向の中央位置に他方、外部導体接続点（Ｓ２）の位置は、図１に向かって、外部グランド接続用細幅状導体（１）の直線部（１ａ）の左端から２３ｍｍで幅方向の中央位置とした。

アンテナの組み立て：
給電用同軸ケーブル（４）として、外径１．１３ｍｍ、内部導体径０．２４ｍｍのフッ素樹脂（ＰＦＡ）被覆の高周波同軸ケーブルを用意し、その先端部で内部導体および外部導体を露出させた。ついで、内部導体の終端部を内部導体接続点（Ｓ１）に、そして該外部導体を外部導体接続点（Ｓ２）にそれぞれハンダにより接続した。

ついで、このアンテナエレメントを、外部グランド接続用細幅状導体（１）の両端にある螺子取付孔（１ｂ）にＭ２の螺子を挿入することにより、ＰＣの金属（マグネシウム）筐体部（面積：７００ｍｍ２（７０×１０））に螺子固定した。このようにして、パソコン内蔵用アンテナを得た。

このアンテナの帯域幅を測定したところ、図７に示すように、ＶＳＷＲが２以下の帯域が１５００ＭＨｚと十分に確保でき、十分な通信特性が得られた。

本発明のアンテナエレメントはコンパクトで、しかも安定した通信特性を具備するので、パソコンの他に、ＰＤＡ、携帯電話、あるいはＶＩＣＳ等、各種情報端末機器のみならず、通信機能を有した情報家電、さらには自動車関連機器へも同様に利用できる。

２周波用のアンテナエレメントの一例を示す正面図。 図１のアンテナエレメントに給電用同軸ケーブルを接続した際の斜視図。 図1〜図２に示したアンテナエレメントの変型例。 図1〜図２に示したアンテナエレメントの他の変型例。 図1〜図２に示したアンテナエレメントのさらに他の変型例。 図1〜図２に示したアンテナエレメントの別の変型例。 図１〜図２に示したアンテナエレメントをＰＣの金属筐体に接続して得られた内蔵型アンテナの周波数特性（ＶＳＷＲ）を示す図（グラフ）。

符号の説明

１ 外部グランド接続用細幅状導体
１ａ 直線部
１ｂ 螺子取付孔
１ｃ 取付片
２ 細幅状放射エレメント
２ａ 延出開始部
２ｂ 第１直線部
２ｃ 第２直線部
２ｄ 第１折返部
３ 細幅状無給電エレメント
３ａ 延出開始部
３ｂ 第１直線部
４ 給電用同軸ケーブル
Ｌ 第２直線部（２ｃ）と第１直線部（３ｂ）との間隔
Ｓ１
同軸ケーブルの内部導体接続点
Ｓ２ 同軸ケーブルの外部導体接続点

Claims (8)

1. 外部グランド部に接続される細幅状導体、該細幅状導体からともに延出する細幅状放射エレメントと細幅状無給電エレメントとを含み、その際、以下のａ〜ｃの要件を具備することを特徴とするアンテナエレメント。
   ａ．該細幅状放射エレメントは、該細幅状導体の長手方向に並行に配設されながら、折り返し形状を呈していること、
   ｂ．該細幅状無給電エレメントは該細幅状放射エレメントの外側に在り、その主要部分は該細幅状導体の長手方向に並行に配設されていること、そして、
   ｃ．該折り返し状の細幅状放射エレメントは、該細幅状無給電エレメントと該細幅状導体とで形成される空間に内包されていること。
2. 該細幅状導体、細幅状放射エレメントおよび細幅状無給電エレメントが、同一平面上に配設されている請求項１に記載のアンテナエレメント。
3. 該細幅状導体および細幅状放射エレメントの各幅が０．５〜５ｍｍである請求項１または２に記載のアンテナエレメント。
4. 該細幅状無給電エレメントの幅が０．５ｍｍ〜５ｍｍである請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナエレメント。
5. 該細幅状無給電エレメントとこの無給電エレメントに並行状態で隣接する、細幅状放射エレメントの直線部との間隔が０．５ｍｍ〜５ｍｍである請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナエレメント。
6. 該細幅状導体に並行状態で隣接する細幅状放射エレメントに給電用同軸ケーブルの内部導体が接続され他方、該細幅状導体に該同軸ケーブルの外部導体が接続されている請求項１〜５のいずれかに記載のアンテナエレメント。
7. 該外部グランド部に接続される細幅状導体の両端から起立する取付片が設けられ、その際、一方の取付片は細幅状放射エレメントの少なくとも一部の外側縁に、そして、他方の取付片は無給電エレメントの少なくとも一部の外側縁に位置している請求項1〜６のいずれかに記載のアンテナエレメント。
8. ８２４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚおよび１７１０ＭＨｚ〜２２００ＭＨｚのＷＡＮ帯域での通信に有用な請求項1〜７のいずれかに記載のアンテナエレメント。
   
   

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