JP2008205604A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】専用のアンテナ素子を用いず、アンテナとしての放射パターン形状を可変でき、かつ小型化可能なアンテナ装置を得る。
【解決手段】無線端末の電気電子回路が搭載された回路基板のグランドである地導体と、回路基板の端部に設置され、一端が地導体の一端と接続された高周波電源部と、回路基板の高周波電源部とは反対側の端部に設置され、一端が地導体の他端と接続された可変容量リアクタンス素子と、高周波電源部の他端と一端が接続された第１の接触端子と、可変容量リアクタンス素子の他端と一端が接続された第２の接触端子と、第１および第２の接触端子の他端が接続された誘電体または金属のグランド構造物とによる電流ルートを形成して地導体を放射素子とするループアンテナを構成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、無線端末にダイバーシチ機能を与えるアンテナに関し、特に小型化に適したアンテナ装置に関するものである。

移動体通信では、フェージングによる通信品質劣化を低減する方法として、無線端末に物理的に２つ以上のアンテナ素子を設置してダイバーシチを行う方式が広く用いられている。この方法の場合、２つ以上のアンテナ素子を設置するため、アンテナ素子の設置容積が大きく、小型の無線端末への適用には向いていなかった。そのため、無線端末の回路を構成する基板を主地導体と副地導体の２つに分け、主地導体から1つのアンテナ素子に給電し、主地導体と副地導体間を負荷を介して電気的に接続し、負荷のインピーダンス値を適切に切替え、主地導体上と副地導体上に誘起される電流の位相差を変化させることによって、放射パターンダイバーシチを行うようにするという技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。しかし、この技術は、使用電波の波長に比べて無視できない大きさの複数の地導体を備えるので、ますます小型化が進む携帯電話機には適用が困難となる場合がある。この問題を解決するために、単数のアンテナ素子を用い、かつ１つの地導体を用いて放射パターン形状を可変可能にすることでダイバーシチを実施できるようにする技術が提案されている（例えば特許文献２参照）。この特許文献２に記載された技術では、携帯無線端末を想定した回路基板の電源部に単数のアンテナ素子を接続し、このアンテナ素子の一部をリアクタンス素子を介して回路基板と再び接続し、リアクタンス素子のリアクタンス値を調整することで、放射パターンを可変にするというものである。

特開２００３−３３２９３１号公報 特開２００５−２１７６２３号公報

以上のように構成され特許文献２に記載の技術の場合、単数のアンテナ素子で放射パターン形状の可変は行えるが、専用のアンテナ素子が無いと動作しない構成である。そのため、専用のアンテナ素子を使用する構成自体が無線端末の小型化の妨げとなっていた。また、一般にアンテナの帯域特性はその面積に依存するが、従来のように小型化を図った場合、専用のアンテナ素子は接続される回路基板よりも小さい場合が多いので、アンテナ素子の面積は減少する傾向になり、保有帯域を大きくとれないという問題がある。

この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、専用のアンテナ素子を用いず、アンテナとしての放射パターン形状を可変でき、かつ小型化可能なアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るアンテナ装置は、無線端末の電気電子回路が搭載された回路基板のグランドである地導体と、回路基板の端部に設置され、一端が地導体の一端と接続された高周波電源部と、回路基板の高周波電源部とは反対側の端部に設置され、一端が地導体の他端と接続された可変容量リアクタンス素子と、高周波電源部の他端と一端が接続された第１の接触端子と、可変容量リアクタンス素子の他端と一端が接続された第２の接触端子と、第１および第２の接触端子の他端が接続された誘電体または金属のグランド構造物とを備え、高周波電源部、第１の接触端子、グランド構造物、第２の接触端子、可変容量リアクタンス素子および地導体による電流ルートを形成して地導体を放射素子とするループアンテナを構成するものである。

この発明によれば、回路基板そのものをアンテナ素子（放射素子）として構成できるため、専用のアンテナ素子が不要となり、従来と比べて、アンテナ装置の小型化を図ることができる。また、専用のアンテナ素子が不要でありながら放射パターン形状を可変できるため、ダイバーシチにも対応可能である。さらに、回路基板のグランドである地導体がそのままアンテナ素子を兼ねるようにしたので、従来のように無線端末の小型化のために回路基板より小さい専用のアンテナ素子を使用した場合に比べてアンテナ素子の面積を大きくとることができるので、広帯域な特性が得られ、劣化の少ない通信品質を得ることが可能になる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の基本構造を一部透過的に示す図で、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図である。
アンテナ装置は、地導体１、接触端子２，３、高周波電源部４、可変容量リアクタンス素子５、グランド構造物６、誘電体カバー７を備えている。
地導体１は、無線端末に使用する回路基板１０の一方の面（図では下面）に形成されたグランドに相当する金属箔である。高周波電源部４は、回路基板１０の他方の面（図では上面）の端部に搭載され、その一端が地導体１の一端とスルーホール等で接続されている。可変容量リアクタンス素子５は、回路基板１０の他方の面で、高周波電源部４とは反対側の端部に搭載され、地導体１の他端と接続されている。なお、この発明が移動体通信対応の端末等に適用される場合、地導体１を含む回路基板１０の他方の面には、高周波電源部４と可変容量リアクタンス素子５の他に、図示されていないディスプレイ、スピーカ、操作用ボタン、バッテリー、外来ノイズ低減のためのシールドケース等の各種部品が搭載されるものとする。また、回路基板１０の高周波電源部４が搭載された付近には、電波に変換するためにアンテナで最大電力を消費できるように、アンテナの入力インピーダンスと給電系のインピーダンスとの整合回路が構成されているものとする。なお、この整合回路には、チップキャパシタやチップインダクタが用いられるが、回路基板上にエッチング等で形成した金属箔パターンのショートスタブ、オープンスタブなどが代用されてもよい。

接触端子（第１の接触端子）２は、一端が回路基板１０上の高周波電源部４の他端と接続され、他端が誘電体または金属のグランド構造物６と電気的に接続されている。もう一方の接触端子（第２の接触端子）３は、一端が回路基板１０上の可変容量リアクタンス素子５の他端と接続され、他端がグランド構造物６と電気的に接続されている。接触端子２，３は、板状、線状、バネ、釘や針、導電性シールなどの形態を持つ金属部材で構成されるが、高周波電源部４と可変容量リアクタンス素子５をそれぞれグランド構造物６に電気的に接続できるのであれば金属と誘電体部材を併用した構造としてもよい。また、グランド構造物６との電気的接続を安定化させるために導電性の接着剤等を塗布するようにしてもよい。さらに、接触端子２，３と高周波電源部４、可変容量リアクタンス素子５の接続は、回路基板１０の上面の銅箔パターンを介して行ってもよく、その場合、接続のために半田を使用するのが一般的であるが、接触端子２，３と前記金属箔パターンをネジ等で共締めすることで接続してもよい。

可変容量リアクタンス素子５は、そのリアクタンス値を可変または切り替えができるものであり、例えばバリキャップダイオード、ＰＩＮダイオード等が用いられる。このリアクタンス値を可変または切り替えるために、可変容量リアクタンス素子５にバイアス電圧を印加するバイアス回路とバイアス電圧を制御するための制御回路が回路基板１０に設けられている。バイアス回路には、一般的に高周波電流の流入を抑制するために、インダクタまたは高抵抗が用いられる。また、制御回路には、バイアス電圧を可変または切り替えるために可変抵抗、スイッチなどが用いられる。
グランド構造物６は、金属または誘電体であるが、一定の高周波電流を流せるものであればよい。そのため、金属としては、例えば板金や線材、車体、コンテナ等が適用され、誘電体の場合は、例えば樹脂、セラミック、コンクリート、人体等が適用される。
地導体１、高周波電源部４、可変容量リアクタンス素子等を搭載する回路基板１０は、一般的には誘電体カバー７で覆われている。ただし、接触端子２，３はその他端側が誘電体カバー７の外側に引き出されているため、誘電体カバー７は接触端子２，３とグランド構造物６の電気的接続を妨げない構造を有している。

次に動作について説明する。
上述したように、回路基板上に搭載された高周波電源部４と可変容量リアクタンス素子５は、それぞれ地導体１０と電気的に接続されると共に、接触端子２，３を介してグランド構造物６と電気的に接続されている。そのため、高周波電源部４、接触端子２、グランド構造物６、接触端子３、可変容量リアクタンス素子５および地導体１からなる電流ルートが形成され、地導体１を放射素子とするループアンテナが構成される。すなわち、この電流ルートは専用のアンテナ素子を必要としないことを表す。
可変容量リアクタンス素子５のリアクタンス値を可変または切り替えて放射に寄与する電流の分布を変えることにより、放射パターンの形状を可変することができる。また、このリアクタンス値の可変または切り替えにより、異なる複数の放射特性を与えることができる。そのため、アンテナ素子として機能する地導体１は単数でありながらダイバーシティアンテナとして動作することができる。

アンテナ素子の帯域特性はその面積に依存するが、一般に専用のアンテナ素子は接続される回路基板よりも小さいものを使用することが多いので、保有帯域を十分大きく取れない。これに対し、この実施の形態１のアンテナ素子を兼ねる地導体１は、回路基板１０のグランドを用いているため、面積を大きくとることができるので、専用のアンテナ素子を用いた場合と比較して広帯域な特性を得ることが可能となる。
また、アンテナは空間に向けて電波を放射するため、使用状況、設置場所によってはその放射特性が変化し、最適な通信を妨げられることがあるが、この実施の形態１のアンテナ装置の場合、放射特性を可変容量リアクタンス素子５のリアクタンス値を可変することで簡単に変えることができるので、あらゆる使用状況、設置場所に対応して最適な放射特性を得ることが可能である。さらに、アンテナを構成する地導体１の貼付先であるグランド構造物６を金属に限らず誘電体としてもよいので、その点でも幅広い使用状況に対応できるようになる。

次に、図１に示したアンテナ装置のシミュレーション結果に関して述べる。
地導体１の寸法を２０ｍｍ×７５ｍｍ、誘電体を使用したグランド構造物６の寸法を３５ｍｍ×５０ｍｍ×３００ｍｍとし、その誘電体には人体の腕部を模擬する誘電率、導電率を与えた。地導体１とグランド構造物６との間隔は１０ｍｍとした。シミュレーション周波数は、ＲＦ−ＩＤ（Radio Frequency Identification）システムで用いられている９５３ＭＨｚとした。ここで、可変容量リアクタンス素子５の値は９５３ＭＨｚにおけるＳＨＯＲＴ（短絡）〜ＯＰＥＮ（開放）の間を容量性、誘導性ともに切り替えるため、０Ω、±ｊ２５Ω、±ｊ５０Ω、±ｊ１００Ω、∞Ωと任意に与えた。
図２は可変容量リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させた際の放射パターン相関係数のシミュレーション結果を示す。相関係数の基準はリアクタンス０Ω時である。図２よりリアクタンスの変化に伴い放射パターン相関係数が変化していることが確認できる。リアクタンスｊ５０Ωでは相関係数が最も低い。すなわち、放射パターンが大きく異なっていることを示している。図３はリアクタンス０Ω時とｊ５０Ω時の放射パターンのシミュレーション結果を示す。図３から、Ｅφ成分の放射パターン形状の差異、ならびにリアクタンスの変化に伴い偏波特性も異なることが確認される。これにより、この発明のアンテナ装置は偏波ダイバーシティアンテナとしての機能も併せ持つことがわかる。

上記シミュレーションのように、地導体１の長手方向の長さを所望の通信周波数の１／４波長の整数倍またはその程度の値（これらの値を１／４波長の整数倍の実質的な値として説明する。）にすると、放射素子として動作する地導体１上の放射に寄与する電流の分布が最適なものとなるため、より良い放射効率を得ることができる。また、高周波回路では特性インピーダンスを５０Ω付近に調整することが多いが、地導体１の長手方向の長さを実質的に所望の通信周波数の１／４波長とすることで、５０Ω付近への整合が図りやすくなる利点もある。これは整合を図ることによるアンテナ特性の狭帯域化を抑制することにもつながる。

また、地導体１の長手方向の長さを実質的に所望の通信周波数の１／４波長の整数倍とすることが寸法制約的に困難な場合がある。そのような場合には、地導体１に図４に示すような銅箔のスロット状切欠き部１１を設けるか、あるいは図５に示すような銅箔のスリット状切欠き部１２ａ〜１２ｃを設けることで、地導体１上の放射に寄与する電流を迂回させ、地導体１の電気的長が所望の通信周波数の１／４波長程度となるように調節すればよい。このように、切欠き部１１，１２ａ〜１２ｃを設けることにより、地導体１の電気長を長くとることで、良好な放射効率を得ることが可能になる。なお、銅箔の切欠き部の形状、個数、設置場所は、図４および図５の例に限定されるものではなく、地導体１の電気長が実質的に所望の通信周波数の１／４波長に調整できるものであればばよい。

以上のように、この実施の形態１では、高周波電源部４、第１の接触端子２、グランド構造物６、第２の接触端子３、可変容量リアクタンス素子５および地導体１による電流ルートを形成して地導体１を放射素子とするループアンテナを構成している。したがって、この実施の形態１によれば、回路基板そのものをアンテナ素子（放射素子）として構成できるため、専用のアンテナ素子が不要となり、従来と比べて、アンテナ装置の小型化を図ることができる。また、専用のアンテナ素子が不要でありながら放射パターン形状を可変できるため、ダイバーシチにも対応可能である。さらに、回路基板のグランドである地導体がそのままアンテナ素子となるようにしたので、従来のように無線端末の小型化のために回路基板より小さい専用のアンテナ素子を使用した場合に比べてアンテナ素子の面積を大きくとることができるので、広帯域な特性が得られ、劣化の少ない通信品質とすることが可能になる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２によるアンテナ装置の基本構造を一部透過的に示す図で、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は正面図ある。図において、実施の形態１の図１と異なる点は、両接触端子２，３が一体化された一つの接触端子２１としている点である。接触端子２１は、その両端が高周波電源部４と可変容量リアクタンス素子５にそれぞれ接続され、誘電体カバー７の外側に位置する部分２１ａがグランド構造物６と接触し、グランド構造物６上を沿う金属帯状体２１ａを有している。
ここでは、実施の形態１の接触端子２，３を金属帯状体２１ａで結合して一体化（一つの金属部材の成形品とする意味を含む）した一つの接触端子２１としているため、誘電正接の高いグランド構造物６にアンテナを貼付しても、電流は抵抗の低い金属帯状体２１ａ側に多く流れるため、損失の増加を抑制し、放射効率低下を抑える効果がある。また、実施の形態１と異なり、接触端子２１とグランド構造物６の接する面の面積が増加するため、より相互の導通が確保されやすくなる利点がある。

この実施の形態２のアンテナ装置を例えば自動車の車体に貼付する場合（車体がグランド構造物６となる）、車体には塗装が施されているため、接触端子２１はグランド構造物６に直接導通しない。しかしながら、接触端子２１は実施の形態１と比較して面積が拡大し、グランド構造物６と接触端子の金属帯状体２１ａの間のキャパシタンスが増大するので、高周波において電流は流れやすくなり、接触端子２１がグランド構造物６と直接導通できない場合でもループアンテナの動作が保たれる。

実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３によるアンテナ装置の基本構造を一部透過的に示す図で、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は正面図ある。図において、実施の形態１の図１と異なる点は、アクティブ整合回路８が高周波電源部４と接触端子２の間の回路基板上に装荷された点である。
アクティブ整合回路８は、可変容量リアクタンス素子５のリアクタンス値を変化させた際に、連動して整合回路の定数値を変化させるものである。これにより、放射特性の変化に伴い反射特性の変化分を補償する。

アクティブ整合回路８は、可変容量リアクタンス素子５と同様に、バリキャップダイオードやＰＩＮダイオード等を用いて構成される。バリキャップダイオードを使用した場合は、バリキャップダイオードの静電容量の変化を利用して整合定数値を連続的に変化させる。また、ＰＩＮダイオードあるいはＳＰＤＴスイッチを使用した場合は、備え付けの複数のリアクタンス素子に対する電気接続を選択して、整合定数値の切り替えを行う。アクティブ整合回路８のリアクタンス値を可変または切り替えるためには、バリキャップダイオードやＰＩＮダイオードにバイアス電圧を印加するバイアス回路とバイアス電圧を制御するための制御回路が回路基板１０に設けられている。
この実施の形態３によれば、高周波電源部４と接触端子２間に、可変容量リアクタンス素子５のリアクタンス値に応じて容量を可変するアクティブ整合回路８を接続してループアンテナに加えたので、放射特性の変化に伴い反射特性の変化分を補償して、さらに良い通信品質を保つことができる。なお、アクティブ整合回路８を実施の形態２に適用した場合にも同様な効果が得られる。

実施の形態４．
図８は、この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の基本構造を一部透過的に示す図で、図８（ｂ）は一部透過的に示した正面図ある。図において、実施の形態１の図１と異なる点は、高周波電源部４をＲＦ−ＩＤシステムのタグ用のＩＣチップ４ａに置き換えた点である。
ＲＦ−ＩＤシステムでは、周知のように、リーダ／ライタのアンテナから照射された高周波電力をタグアンテナで受信し、直流化した電力によりＩＣチップを起動し、タグ用のＩＣチップに受信情報の書き込みを行い、またタグアンテナからリーダ／ライタへ要求されたデータを送信するようにしている。したがって、タグアンテナそのものは電力源を保持していないので、送信可能範囲が狭い。また、リーダ／ライタ側のアンテナの送信電力も電波法規定のため、大電力を送信できないので通信限界距離は数ｍである。このような場合、通信距離を制限しているのは主に利得や放射パターン形状などのアンテナ性能である。

したがって、タグ用のＩＣチップ４ａを高周波電源部４の代わりに接続し、ループアンテナに誘起された電流により当該ＩＣチップを起動するようにした場合、ＲＦ−ＩＤシステムに向けたタグアンテナとして機能の向上が図れる。すなわち、あらゆる使用状況に応じて放射特性を可変できるため、通信可能距離を向上させることが可能である。また、使用者がタグアンテナを保持して移動する際も、通信可能となるように放射特性の可変または切り替えを行えば、固定放射特性のタグアンテナに比べて通信確率を格段に高めることができる。なお、ＩＣチップ４ａを上記実施の形態２または実施の形態３に適用した場合にもそれぞれ同様な効果が得られる。

この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の基本構造を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係るリアクタンス値対放射パターン相関係数を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係るリアクタンス値の設定例に対する放射パターン特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る地導体の電気長を形成する形状例を示す平面図である。 この発明の実施の形態１に係る地導体の電気長を形成する他の形状例を示す平面図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナ装置の基本構造を示す構成図である。 この発明の実施の形態３によるアンテナ装置の基本構造を示す構成図である。 この発明の実施の形態４によるアンテナ装置の基本構造を示す構成図である。

符号の説明

１ 地導体、２，３，２１ 接触端子、４ 高周波電源部、４ａ ＩＣチップ、５ 可変容量リアクタンス素子、６ グランド構造物、７ 誘電体カバー、８ アクティブ整合回路、１０ 回路基板、１１ スロット状切欠き部、１２ａ〜１２ｃ スリット状切欠き部、２１ａ 金属帯状体。

Claims (6)

1. 無線端末の電気電子回路が搭載された回路基板のグランドである地導体と、
   前記回路基板の端部に設置され、一端が前記地導体の一端と接続された高周波電源部と、
   前記回路基板の高周波電源部とは反対側の端部に設置され、一端が前記地導体の他端と接続された可変容量リアクタンス素子と、
   前記高周波電源部の他端と一端が接続された第１の接触端子と、
   前記可変容量リアクタンス素子の他端と一端が接続された第２の接触端子と、
   前記第１および第２の接触端子の他端が接続された誘電体または金属のグランド構造物とを備え、
   前記高周波電源部、第１の接触端子、グランド構造物、第２の接触端子、可変容量リアクタンス素子および地導体による電流ルートを形成して前記地導体を放射素子とするループアンテナを構成することを特徴とするアンテナ装置。
2. 第１の接触端子と第２の接触端子は、各他端がグランド構造物上を沿う金属帯により結合されて一つの接触端子として一体化されたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 地導体は、実質的に所望の通信周波数の１／４波長の整数倍の電気長を持つようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナ装置。
4. 地導体の電気長は、当該地導体に銅箔切欠き部を設けることにより得るようにしたことを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。
5. 高周波電源部と第１の接触端子の一端間に、可変容量リアクタンス素子のリアクタンス値に応じて容量を可変するアクティブ整合回路を接続してループアンテナに加えたことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のアンテナ装置。
6. 高周波電源部の代わりに、ＲＦ−ＩＤシステムのタグ用のＩＣチップを接続し、ループアンテナに誘起された電流により当該ＩＣチップを起動するようにしたことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載のアンテナ装置。

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