JP2009010724A - 複合アンテナエレメント - Google Patents

Abstract

【課題】 パソコン、あるいはＰＤＡ等の情報端末機器等の内に組込まれ、複数の帯域に渡って干渉を生じることなく安定した通信ができ、しかも小型で構造が簡単なアンテナエレメントを提供すること。
【解決手段】 細幅状高周波側放射エレメントおよび細幅状低周波側放射エレメントを含む放射エレメント部が短絡板を介して、矩形状グランド板に並行に配置されたアンテナエレメントを第一要素として、この第一要素に内に形成したオープンスペースに、別の周波数帯域で共振するアンテナエレメントを第二要素として配置する。
【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各種の帯域に対応できる複合アンテナエレメントに関する。さらに詳しくは、本発明は取り分けＷＡＮ帯域と、ＷＡＮ以外の帯域、例えばＷｉ-Ｍaｘ帯域の両帯域での通信感度に優れた複合アンテナエレメント、さらには複合アンテナに関する。

本出願人は先に、多周波化の要求に対応するため、細幅状低周波側放射エレメントの先端部とグランド板との間にオープンスペースを形成したＷＡＮ帯域用のアンテナエレメントおよび該エレメントを適用したアンテナを提案した（特許文献１参照）。

ところが、このＷＡＮ帯域（８２４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚおよび１７１０ＭＨｚ〜２２００ＭＨｚ）に加え、さらに別の周波数帯域、例えば、Ｗｉ-Ｍａｘ（２．３ＧＨｚ〜２．４ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚ、３．３ＧＨｚ〜３．８ＧＨｚ）という新たな周波数帯域への対応が要求されている。このＷｉ-Ｍaｘ帯域は上記のように、国により異なり、しかも３つの帯域に分かれている。したがって、ＷＡＮ帯域に対応する上記提案のアンテナでは、上限が２２００ＭＨｚに設計されているため、Ｗｉ-Ｍaｘ帯域には対応できず、その結果、ＶＳＷＲおよびゲイン不足により通信が不安定になるという問題が生じていた。

この問題に対応するための方策として、共振周波数の異なる複数のアンテナを隣接状態で複合することも考えられる。しかし、この場合はアンテナ間の干渉を避けるため、アンテナ同士を十分に離さなければならない。また、２個のアンテナの隣接配置では、全体としての外形（外郭寸法）は不可避的に増加し、アンテナの小型化に逆行する。

特願２００６−３４０６６２号明細書

したがって、本発明の課題は、パソコン、あるいはＰＤＡ等の情報端末機器等の内に組込まれ、複数の帯域に渡って干渉を生じることなく安定した通信ができ、しかも小型で構造が簡単なアンテナエレメントを提供することにある。さらに、本発明の他の課題は、ＷＡＮ帯域とＷｉ-Ｍaｘ帯域への対応が可能な広帯域・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、上記特許文献１のＷＡＮ帯域用アンテナエレメントにおいて、低周波側放射エレメントの先端部下方に形成されるオープンスペースに、ＷＡＮ帯域とは別の周波数帯域で共振するアンテナエレメントを配置することに着目した結果、本発明に至った。

すなわち、本発明によれば、細幅状高周波側放射エレメントおよび細幅状低周波側放射エレメントを含む放射エレメント部が短絡板を介して、矩形状グランド板に並行に配置されたアンテナエレメントを第一要素のアンテナエレメントとして含む複合アンテエレメントナであって、
該第一要素のアンテナエレメントは、矩形状グランド板の一端で且つ該グランド板の高さ方向に設けた短絡板と、該短絡板の先端から該グランド板の他端の方に向う高周波側放射エレメントと、該高周波側放射エレメントの先端部から折り返して、その先端部が該短絡板を超えて逆方向に延出する低周波側放射エレメントとを含み、これにより、該低周波側放射エレメントの先端部を一辺として該短絡板側にオープンスペースが形成され、
そして、該オープンスペースに、該一要素のアンテナエレメントとは別の周波数帯域で共振するアンテナエレメントを配置したことを特徴とする複合アンテナエレメントが提供される。

本発明によれば、以下の顕著な効果が奏される。
（１）第一要素のアンテナエレメントに元々内包されているオープンスペースに第二要素のアンテナエレメントを配置する、いわゆる近接配置にも拘らず、ＷＡＮ帯域に加えて別の周波数帯域での安定した送受信が可能となる。
（２）上記オープンスペースの有効活用により、アンテナエレメント、ひいてはアンテナの小型化が実現される。

以下、本発明を、ＷＡＮ帯域とＷｉ-Ｍaｘ帯域の両帯域に対応した複合アンテナエレメントの態様について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る複合アンテナエレメントの一例を示す平面図である。
図２は、図１の複合アンテナエレメントを適用した複合アンテナの一例を示す斜視図である。
図３は、図２の複合アンテナのＶＳＷＲ特性を示す図（グラフ）で、図３（ａ）はＷＡＮ帯域でのＶＳＷＲ特性図、図３（ｂ）はＷｉ−Ｍａｘ帯域でのＶＳＷＲ特性図である。

図１において、第一要素のアンテナエレメント（ＷＡＮ帯域用）に形成されたオープンスペースに第二要素のアンテンエレメント（Ｗｉ-Ｍaｘ帯域用）が配置されている。このとき、両者は共に同一平面上に配設され、省スペース化に適した平面状複合アンテナエレメントとなる。

まず、第一要素のアンテナエレメントについて述べる。放射エレメント部は、細幅状高周波側放射エレメント（１）（以下、“高周波エレメント”と略記する。）と細幅状低周波側放射エレメント（２）（以下、“低周波エレメント”と略記する。）とからなる、いわゆるデュアルタイプとして図示されている。（３）は、高周波エレメント（１）とグランド板（４）とを電気的に接続する短絡部で、グランド板（４）の一端（図に向かって右端）でグランド板（４）の高さ方向に設けてある。高周波エレメント（１）はこの短絡板（３）の先端からグランド板（４）と並行に配置され、その終端部はグランド板（４）の他端（図に向かって左端）の方に向かっている。さらに、該エレメント（１）の終端部からは低周波エレメント（２）が折り返す形で、矩形状グランド板（４）と並行に配置されている。このとき、低周波エレメント（２）の先端部（２ａ）は、短絡板（３）を超えて逆方向に指向している。

以上のような配置においては、低周波エレメント（２）の先端部（２ａ）を一辺として短絡板（３）側に矩形状オープンスペース（Ｆ）が形成される。このオープンスペース（Ｆ）は、図では梨地部で表示され、元々、他の部材が介在しない領域である。

さらに、（Ｐ１）は給電点、すなわち高周波エレメント（１）に給電するための同軸ケーブルの内部導体用接続点である。この給電点（Ｐ１）は高周波エレメント（１）の中程に設けられる。他方、（Ｐ２）はアースポイント、すなわち該ケーブルの外部導体用接続点である。このアースポイント（Ｐ２）はグランド板（４）の上縁部で且つ給電点（Ｐ１）に対峙した位置に設けられる。

本発明の基本的概念は、上記のオープンスペース（Ｆ）を有効活用し、このスペースにＷＡＮ帯域以外の周波数帯域、例えばＷｉ-Ｍaｘ帯域用アンテナエレメントを第二要素のアンテナエレメントとして配置することにある。この意味では、図１は、第一要素に形成されていた矩形状オープンスペース（Ｆ）に第二要素を配置した際の状況を示すことになる。

つぎに、上記の矩形状オープンスペース（Ｆ）に配置される第二要素のアンテナエレメントの一例について述べる。この第二要素のアンテナエレメントは、エレメント（１）、（２）とは別の周波数帯域で共振する細幅状放射エレメント（以下、“別周波エレメント”と略記する）、短絡板およびグランド板を含んでいる。ここに、（６）は別周波エレメント、（６ａ）は別周波エレメント（６）に付設された円弧状張り出し部、（７）は、別周波エレメント（６）とグランド板（８）とを接続する短絡板である。さらに、（Ｐ３）は円弧状張り出し部（６ａ）に設けた給電点、すなわち給電用同軸ケーブルの内部導体用接続電点、そして、（Ｐ４）はグランド板（８）に付設されたアースポイント、すなわち給電用同軸ケーブルの外部導体用接続点である。なお、円弧状張り出し部（６ａ）は、必要に応じて、グランド板と対峙して設けられる。この円弧状張り出し部（６ａ）には、長さが短いにも係わらず広帯域での共振を可能とするという利点がある。

このような第二要素のアンテナエレメントにあって、短絡板（７）はグランド板（８）の一端（図に向かって左端）で且つグランド板（８）の高さ方向に設けられている。この短絡板（７）の先端から別周波エレメント（６）がグランド板（８）と平行に且つグランド板（８）の他端（図に向かって右端）の方に伸びている。このとき、短絡板（７）は、短絡板（３）と平行状態で尚且つ対向（ないし対面）配置されている。

以上に述べた複合アンテナエレメントでは、第一要素のアンテナエレメントのオープンスペース（Ｆ）に第二要素のアンテナエレメントが配置されているので、アンテナの小型化に適している。第一要素と第二要素のアンテナエレメント間の干渉を可及的に回避するには、前者の短絡板（３）と後者の短絡板（７）とを平行状態で対向させることである。このときの対向距離（Ｌ１）は、１ｍｍ以上に設定すればよいが、特に１ｍｍ〜５ｍｍとするのが好ましい。さらに、第一要素のアンテナエレメントの低周波エレメント（２）の先端部（２ａ）と第二要素のアンテナエレメントの別周波エレメント（６）とのエレメント間距離（Ｌ２）も干渉に関与してくるので、この距離（Ｌ２）を２ｍｍ〜５ｍｍとするのが好ましい。

上述のように、第一要素のアンテナエレメントの短絡板（３）と第二要素のアンテナエレメントの短絡板（７）とを平行状態で対向させる際には、各短絡板に接続するグランド板と放射エレメントを含む対向面は、図１にも示すように、平坦面に形成するのが加工上は有利である。つまり、短絡板（３）と高周波側エレメント（１）とグランド板（４）とで形成される対向面をいわゆる“面一”とし、同時に、短絡板（７）と別周波エレメント（６）とグランド板（８）と形成される対向面も面一にするのが有利である。

しかしながら、本発明においては、短絡板（３）と（７）との対向距離（Ｌ1）が１ｍｍ〜５ｍｍの範囲に調整されるときは、必ずしも“面一”である必要はない。非面一の例としては、例えば、グランド板（４）、（８）のいずれか、あるいは両方が前方へ少々突き出た状態、両者が一つに統合されて共有グランド板とされた状態、さらには、グランド板（４）、（８）のいずれか、あるいは両方が前方へ後方に引っ込んだ状態がある。

短絡板（３）は短絡板（７）と同じ長さであってもよいし、異なっていてもよい。後者の場合は、短い方の短絡板を、長い方の短絡板の領域内で対向させればよい。換言すれば、短絡板（３）と短絡板（７）の一部同士が重複した形の対向・配置はあまり推奨されない。

図２には、上記のアンテナエレメントを適用したアンテナが示されている。該図において、（１）、（２）、（２ａ）、（３）、（４）、（６）、（Ｐ１）〜（Ｐ４）の符号は図１の場合と同じである。一方、（５）、（９）は給電用同軸ケーブル、（５ａ）および（９ａ）はそれぞれに給電用同軸ケーブル（５）および（９）の内部導体、（５ｂ）および（９ｂ）はそれぞれに給電用同軸ケーブル（５）および（９）の外部導体である。この場合、内部導体（５ａ）および（９ａ）はそれぞれに、給電点（Ｐ１）および（Ｐ２）に、また、外部導体（５ｂ）および（９ｂ）はそれぞれに、アースポイント（Ｐ３）および（Ｐ４）に接続されている。

図２のアンテナを、後揚の実施例に示す材質と寸法で作成し、その実験結果であるアンテナのＶＳＷＲ特性を示したのが図３である。この図３から分かるように、本発明のアンテナエレメントを適用した複合アンテナにあっては、ＶＳＷＲ特性を良好に維持しながら、２ＧＨｚ〜６ＧＨｚに亘る広帯域化が実現されている。

本発明においては、エレメント（１）および（２）はそれぞれに、低域（８２４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚ）および高域（１７１０ＭＨｚ〜２２００ＭＨｚ）に共振する長さに設定すればよい。一方、別周波エレメント（６）は、その長さが２０〜４０ｍｍ、巾が１〜５ｍｍの範囲にあればよい。また、円弧状張り出し部（６ａ）の円弧高さは、別周波エレメント（６）の長さを基準として１０〜５０％、特に２０〜３０％の範囲にあればよい。

短絡板（３）、（７）の高さについては、特に制約は無いが、アンテナ小型化の点から１０ｍｍ以下とすることが好ましく、幅は０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲にあればよい。

また、本発明では、アンテナ小型化も重要なポイントである。この点からは、複合アンテナエレメントに関して、グランド板を除くエレメント部分の総面積が１０００ｍｍ２以下であるのが好ましい。

グランド板（４）、（８）については、安定したアンテナ動作を得るためには、その必要最低面積（ｍｍ２）はλ／４＊λ／４（λは波長）以上が必要になる。したがって、より安定したアンテナ動作を望む場合には、スペースの許す限り、その面積を大きくすることが好ましい。

以上に述べたアンテナエレメントの材質としては、洋白（白銅）、銅、鉄、または黄銅等の導電性の金属が好ましく採用される。このアンテナエレメントの作成にあたっては、前記金属の一枚板を放電加工により打ち抜いて、高周波エレメント（１）からグランド板（４）に亘る全要素の一体打ち抜き体としてもよい。同様に、別周波エレメント（６）からグランド板（８）に亘る全要素の一体打ち抜き体としてもよい。あるいは、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アンテナエレメント形状を得るのも有用である。

このようなアンテナエレメントへの給電にあたっては、前述のように、給電用同軸ケーブル（５）および給電用同軸ケーブル（９）をそれぞれに、第一要素および第二要素のアンテナエレメントに接続すればよい。この接続手段としては、ハンダ付あるいは超音波接続等がある。給電用同軸ケーブルとしては、周知のフッ素樹脂被覆等の高周波同軸ケーブルが好ましく採用される。

以上の図1〜図３で述べた平面状複合アンテナエレメントは、その設置空間に応じた形状に対応して、その一部を９０度に折り曲げる等、種々変形されて供されることは言うまでもない。

また、第一要素のアンテナエレメントのオープンスペースに第二要素のアンテナエレメントを配置する態様は略二つある。ひとつは、これまでに述べてきたように、第一要素のアンテナエレメントのオープンスペースに別体の第二要素のアンテナエレメントを配置する態様である。この態様では、２つのアンテナエレメントが完全に分離しているので、周波数変更やインピーダンス変更等の仕様変更に容易に対応できる利点がある。他のひとつは、図１〜図２のグランド板（４）、（８）を統合して、共通（共有）グランド板とする態様である。この態様では、アンテナエレメント全体を一つの型で成型できるので、型代が安くなり、またアンテナの組み立て工数が削減化できる利点がある。

以下に、図１〜図２において、２ＧＨｚ〜６ＧＨｚの広帯域を呈する情報端末機器内蔵用複合アンテナの具体例を示す。

まず、第一要素のアンテナエレメントとして、縦２７．１ｍｍ、横７７．５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの洋白からなる長方形の平板を放電加工機にて加工して、図１に示す第一要素のアンテナエレメント（ＷＡＮ帯域用）を得た。このとき、矩形状グランド板（４）は縦１５ｍｍで横４５ｍｍ、短絡板（３）は高さ５．４ｍｍで幅は２ｍｍ、高周波放射エレメント（１）は長さ４５ｍｍで幅１．４ｍｍ、低周波放射エレメント（２）は長さ７７．５ｍｍで幅３ｍｍ、先端部（２ａ）の長さは３２．５ｍｍ、そして、両エレメントのエレメント間距離は２．３ｍｍとした。この結果、低周波放射エレメント（２）の先端部（２ａ）を一辺とし、短絡板（３）の右方に、縦２４．１ｍｍ、横３２．５ｍｍのオープンスペースＦ（梨地部分）が形成された。

高周波エレメント（１）の中点を給電点（Ｐ１）とし、この給電点（Ｐ１）に対向するグランド板（４）の上端部から１ｍｍ内側の位置にアースポイント（Ｐ２）を設定した。このようにして、グランド板（４）を除くエレメント高さが１２．１ｍｍ、幅が７７．５ｍｍのＷＡＮ帯域用アンテナエレメントが完成した。

つぎに、上記の第一要素のアンテナエレメントオープンスペース（Ｆ）に配置する第二要素のアンテナエレメント（Ｗｉ-Ｍaｘ帯域用）を得た。その際、縦２１．８ｍｍ、横３１．５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの洋白からなる長方形の平板を放電加工機にて加工して、図１に示す形状とした。このとき、グランド板（８）は高さ１５ｍｍで幅３１．５ｍｍ、短絡板（７）は高さ６ｍｍで幅４ｍｍ、そして、別周波エレメント（６）は長さ３１．５ｍｍで幅は２ｍｍとした。さらに、別周波エレメント（６）の下方側面、すなわちグランド板（８）に対向する側面に付設する円弧状張り出し部（６ａ）の円弧高さは５ｍｍとした。

また、円弧状張り出し部（６ａ）の最下辺の中央部端面から１ｍｍ内側の位置を給電点（Ｐ３）とし、給電点（Ｐ３）に対向するグランド板（８）の上端部から１ｍｍ内側の位置にアースポイント（Ｐ４）を設定した。

さらに、第一要素のアンテナエレメントのオープンスペース（Ｆ）に第二要素のアンテナエレメントを配置する際には（図1）、短絡部（３）とＷｉ-Ｍaｘ帯域アンテナの短絡部（７）間の対向間隔（Ｌ１）を１ｍｍとして、両者を互いに平行状態で対面（対向）配置させた。また、低周波エレメント（２）の先端部（２ａ）と別周波エレメント（６）のエレメント間距離は２．３ｍｍで、高周波エレメント（１）と低周波（２）とのエレメント間距離に等しい距離とした。このようにして、最大高さが２１．８ｍｍ、最大幅が３１．５ｍｍの第二要素のＷｉ-Ｍaｘ帯域用アンテナエレメントが完成した。

ついで、上記のアンテナエレメントを情報端末機器に内蔵させた。その際、アンテナとして機能させるため、外径０．９３ｍｍ、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給電用同軸ケーブル（５）、（９）を用い、前者の内部導体（５ａ）および（５ｂ）をそれぞれに、給電点（Ｐ１）およびアースポイント（Ｐ２）に、そして、後者の内部導体（９ａ）および外部導体（９ｂ）をそれぞれに、給電点（Ｐ３）およびアースポイント（Ｐ４）にハンダにより接続した。このようにして、最大高さが２７．１ｍｍで最大幅が７７．５ｍｍの省スペース向きの複合アンテナを得た。

この複合アンテナのＶＳＷＲについて試験したところ、図３に示す周波数特性が得られた。この図からも明らかなように、本実施例に示すアンテナにあっては、図３（ａ）で示すＷＡＮ帯域と図３（ｂ）で示すＷｉ-Ｍaｘ帯域の両帯域に亘って干渉を生ずることなく、共振しており、十分な帯域幅が確保されていることが分かる。

以上、ＷＡＮ帯域とＷｉ-Ｍaｘ帯域の両帯域に対応した２つのアンテナエレメントで構成されたアンテナについて説明したが、これは本発明の一例に過ぎず、本発明の思想の範囲内であれば、ＷＡＮ帯域とＬＡＮ帯域の両帯域に対応した複合アンテナなどへの変更・応用が可能であることは言うまでもない。

本発明の複合アンテナエレメントは、パソコンをはじめとしてＰＤＡ等の各種情報端末機器の他に、情報家電製品あるいは自動車関連機器などにも内蔵できる。

本発明に係る複合アンテナエレメントの一態様を示す平面図である。 図１のエレメントを適用した複合アンテナの例を示す斜視図である。 図２の複合アンテナのＶＳＷＲ特性を示す図で、図３（ａ）はＷＡＮ帯域でのＶＳＷＲ特性図、図３（ｂ）はＷｉ−Ｍａｘ帯域でのＶＳＷＲ特性図である。

符号の説明

１、２ 細幅状放射電極エレメント
６ エレメント（１）、（２）とは別の周波数帯域で共振する細幅状放射エレメント
６ａ 円弧状張り出し部
３、７ 短絡板
４、８ グランド板
５、９ 給電用同軸ケーブル
５ａ、９ａ 同軸ケーブルの内部導体
５ｂ、９ｂ 同軸ケーブルの外部導体
Ｌ１ 短絡板間の対向距離
Ｌ２ エレメント間距離
Ｆ オープンスペース
Ｐ１、Ｐ３
給電点
Ｐ２、Ｐ４
アースポイント

Claims (7)

1. 細幅状高周波側放射エレメントおよび細幅状低周波側放射エレメントを含む放射エレメント部が短絡板を介して、矩形状グランド板に並行に配置されたアンテナエレメントを第一要素のアンテナエレメントとして含む複合アンテナエレメントであって、
   該第一要素のアンテナエレメントは、矩形状グランド板の一端で且つ該グランド板の高さ方向に設けた短絡板と、該短絡板の先端から該グランド板の他端の方に向う高周波側放射エレメントと、該高周波側放射エレメントの先端部から折り返して、その先端部が該短絡板を超えて逆方向に延出する低周波側放射エレメントとを含み、これにより、該低周波側放射エレメントの先端部を一辺として該短絡板側にオープンスペースが形成され、
   そして、該オープンスペースに、該第一要素のアンテナエレメントとは別の周波数帯域で共振するアンテナエレメントを第二要素のアンテナエレメントとして配置したことを特徴とする複合アンテナエレメント。
2. 該第二要素のアンテナエレメントが、矩形状グランド板の一端で且つ該グランド板の高さ方向に設けた短絡板と、該短絡部の先端から該グランド板の他端の方に向う細幅状放射エレメントとを含む請求項１に記載の複合アンテナエレメント。
3. 該第一要素のアンテナエレメントの短絡板と該第二要素のアンテナエレメントの短絡板同士が互いに近接距離にて対向配置されている請求項２に記載の複合アンテナエレメント。
4. 該近接距離が１ｍｍ〜５ｍｍである請求項３に記載の複合アンテナエレメント。
5. 該第一要素の低周波側放射エレメント先端部と該第二要素のアンテナの放射エレメント間距離が２ｍｍ〜５ｍｍである請求項２〜４のいずれかに記載の複合アンテナエレメント。
6. 該第二要素のアンテナエレメントの放射エレメントが、その長手方向で且つ該グランド板に対向している側面に円弧状張り出し部を有する請求項２〜５のいずれかに記載の複合アンテナエレメント。
7. 該第一要素および第二要素のアンテナエレメントが同一平面に配設されている請求項１〜６のいずれかに記載の平面状複合アンテナエレメント。
   
   

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