JP2009206847A - 携帯端末用アンテナ - Google Patents

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Abstract

【課題】広帯域でありながら小型化が可能であり、且つ、素子間相互結合を調整してアンテナの特性劣化を改善可能な携帯端末用アンテナを提供する。
【解決手段】携帯端末に内蔵する携帯端末用アンテナは、導体からなるグラウンド板1と、グラウンド板の上で対称に配置される一対のL字型折り返しモノポールアンテナ素子2と、ブリッジ部3とからなる。L字型折り返しモノポールアンテナ素子2は、グラウンド板1に対して平行にL字型に形成される折り返しストリップからなるL字型放射ストリップ部21と、L字型放射ストリップ部21の一端に接続されグラウンド板1から直角に立ち上がる給電ストリップ部22と、L字型放射ストリップ部21の他端に接続されグラウンド板1から直角に立ち上がる短絡ストリップ部23とを有する。ブリッジ部3は、各L字型放射ストリップ部21の給電ストリップ部22が接続される側にそれぞれ接続される。
【選択図】図1

Description

本発明は携帯端末用アンテナに関し、特に、複数のアンテナ素子の素子間相互結合を抑制した携帯端末用アンテナに関する。
近年、携帯端末用アンテナは、携帯端末の小型化に伴い、アンテナの省スペース化、即ち、小型化、内蔵化、薄型化等が進められている。また、携帯端末、特に携帯電話では、国際ローミングにおける複数バンド対応やGPS、Bluetooth、Wireless LAN、携帯電話・移動体端末向けの1セグメント部分受信サービス等への対応等、多様なアプリケーションへの応用が求められている。さらに、通信品質の向上や高速移動通信に向けた高技能化の要求も高まっている。このような背景から、近来では携帯端末に複数のアンテナ素子を組み合わせたアンテナ装置の研究開発が行われている。
複数のアンテナ素子を携帯端末に装荷する場合、互いにアンテナ素子同士が影響を及ぼし合い、アンテナの特性劣化が生じ得る。これは、アンテナ素子間で素子間相互結合が生じることが主な原因である。したがって、素子間相互結合を抑制することで、アンテナの特性劣化は解決可能である。アンテナの素子間相互結合を軽減するには、例えばアンテナ素子の間隔を大きくすることが考えられるが、携帯端末のような限られた空間内では、アンテナ素子を近接して配置する必要がある。このような背景から、アンテナの素子間相互結合を低減する手法が種々考えられている。
例えば、特許文献1には、逆Fアンテナとマイクロストリップアンテナを近接して配置し、それぞれ放射電極を90度で交差するように配置させて素子間相互結合を低減する手法が開示されている。また、特許文献2には、アンテナ素子間に誘電体セパレータを設けることで素子間相互結合を低減する手法が開示されている。その他、パッチアンテナ素子間にスロットを設けたものや金属壁を設けたもの、電磁バンドギャップを設けたもの等も存在する。
さらに、非特許文献1には、2つの平面逆Fアンテナ素子の各給電点又は短絡点の間を吊り線(サスペンデッドライン)により短絡し、素子間相互結合を軽減する手法が開示されている。
一方、非特許文献2には、L字型折り返しモノポールアンテナ素子を複数配置したものが開示されている。L字型折り返しモノポールアンテナ素子は、給電ストリップからグラウンド板に対して平行に延び、折り返されて元に戻ってきて短絡ストリップに接続される放射ストリップが、グラウンド板の板面から見てL字型に形成されたものである。非特許文献2では、このようなL字型折り返しモノポールアンテナ素子を対称に配置したものを検討し、逆Fアンテナ素子等に比べて小型化が可能であり且つ帯域幅の面でも有利なアンテナを実現できるとしている。
特開平11−312923号公報 特表2006−517073号公報 アリュー・ジャロ(Aliou Diallo)、セロ・ラクシー(Cyril Luxey)ら、「Study and Reduction of the Mutual Coupling Between Two Mobile Phone PIFAs Operating in the DCS1800 and UMTS Bands」、IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 54, NO. 11、2006年11月11日、p.3063−3074 金ヨウ浩、森下久、小柳芳雄著「携帯端末用L 字型折り返しモノポールアンテナの基礎検討」電子情報通信学会総合大会、2007年03月07日、p.128
しかしながら、従来技術のうち、逆Fアンテナ素子を用いたものについては、帯域が狭く、また素子間相互結合も十分に抑制できるものではなかった。また、パッチアンテナにスロットや金属壁等を設けたものについては、パッチアンテナの特性上、単一方向への指向性アンテナのみに適用可能なものであった。さらに、このようなものでは、セパレータやスロット、電磁バンドギャップを設けるための空間が必要となり、グラウンド板上に電子回路等を配置するスペースが少なくなってしまっていた。また、アンテナ装置の高さが増すという問題もあった。
さらに、非特許文献1に開示の吊り線によりアンテナ素子間を短絡したものについては、逆Fアンテナ素子を用いたものであるため帯域が狭いアンテナであった。さらに、素子間相互結合を調整しつつ反射係数(インピーダンス特性)を調整できるような構造では無く、またこのような検討もなされていなかった。
また、非特許文献2に開示のL字型折り返しモノポールアンテナ素子については、複数素子を配置した場合の素子間相互結合についての検討がなされておらず、アンテナの特性劣化が問題となり得るものであった。
本発明は、斯かる実情に鑑み、広帯域でありながら小型化が可能であり、且つ、複数素子を配置した場合の素子間相互結合を調整してアンテナの特性劣化を改善可能な携帯端末用アンテナを提供しようとするものである。
上述した本発明の目的を達成するために、本発明による携帯端末用アンテナは、導体からなるグラウンド板と、グラウンド板の上で対称に配置される一対のL字型折り返しモノポールアンテナ素子であって、該一対のL字型折り返しモノポールアンテナ素子のそれぞれは、グラウンド板に対して平行にL字型に形成される折り返しストリップからなるL字型放射ストリップ部と、該L字型放射ストリップ部の一端に接続されグラウンド板から直角に立ち上がる給電ストリップ部と、L字型放射ストリップ部の他端に接続されグラウンド板から直角に立ち上がる短絡ストリップ部とを有する、一対のL字型折り返しモノポールアンテナ素子と、各L字型放射ストリップ部の給電ストリップ部が接続される側にそれぞれ接続されるブリッジ部と、を具備するものである。
ここで、一対の短絡ストリップ部は、一対の給電ストリップ部の間に配置されれば良い。
また、各L字型放射ストリップ部の給電ストリップ部が接続される端部からブリッジ部が接続される位置までの距離により素子間相互結合が調整されても良い。
また、各L字型折り返しモノポールアンテナ素子の給電ストリップ部と短絡ストリップ部の間隔によりインピーダンス特性が調整されても良い。
また、L字型放射ストリップ部の長さによりアンテナの共振周波数が調整されても良い。
さらに、一対のL字型折り返しモノポールアンテナ素子は、それぞれの周波数帯域が異なるものであっても良い。
本発明の携帯端末用アンテナは、L字型折り返しモノポールアンテナ素子を採用したことで広帯域でありながら小型化が可能であり、且つ、ブリッジ部により放射ストリップ部間を短絡することにより、素子間相互結合を低減可能であるという利点がある。
以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。図1は、本発明の携帯端末用アンテナの構成を説明するための概略斜視図である。図示の通り、本発明の携帯端末用アンテナは、グラウンド板1と一対のL字型折り返しモノポールアンテナ素子2と、ブリッジ部3とから主に構成されるものである。
グラウンド板1は、携帯端末の基板に相当する導体から構成されるものである。なお、図示例ではグラウンド板1はある程度大型のものを示したが、本発明はこれに限定されず、アンテナ素子が載る程度の大きさのグラウンド板であっても良い。
L字型折り返しモノポールアンテナ素子2は、例えば複数バンドやMIMO(Multiple Input Multiple Output)等の複数チャンネルを実現するために複数設けられるものである。図示のように、本発明の携帯端末用アンテナでは、一対のL字型折り返しモノポールアンテナ素子2が、グラウンド板1の上で対称に配置されている。L字型折り返しモノポールアンテナ素子2は、L字型放射ストリップ部21と給電ストリップ部22と短絡ストリップ部23とからなる。L字型放射ストリップ部21は、グラウンド板1に対して平行にL字型に形成される折り返しストリップからなる。より具体的には、L字型放射ストリップ部21は、グラウンド板に対して平行に延び、折り返されて平行に元に戻ってくる放射ストリップが、グラウンド板1の板面から見てL字型に形成されたものである。即ち、グラウンド板に対して平行に延びたストリップがグラウンド板に平行なまま90度折り曲げられさらに延び、折り曲げられたストリップに重なるように180度上側に折り返されて元に戻る構造を有している。なお、図示例のL字型放射ストリップ部21は、グラウンド板1の角部に沿って配置されている。L字型放射ストリップ部21の寸法の一例を挙げると、ストリップの線幅が5mm、90度折り曲げられるところまでの長さが14mm、90度折り曲げられてから180度折り返されるところまでの長さが13mmである。また、180度折り返されるところの厚み(上側ストリップと下側ストリップの間隔)は0.5mmである。なお、各寸法はターゲット周波数等によっても変わるものであるため、挙げられた寸法に限定されるものではなく、あくまでもこれらの寸法は参考のために挙げたものである。
また、図示例のものでは、一対のL字型折り返しモノポールアンテナ素子2は同一形状のものをグラウンド板の上で対称に配置し、同一周波数帯域の複数チャンネルを実現する携帯端末用アンテナを示した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、異なる形状の一対のL字型折り返しモノポールアンテナ素子をグラウンド板の上で略対称に配置し、異なる周波数帯域の複数バンドを実現する携帯端末用アンテナであっても良い。なお、この場合、各L字型放射ストリップ部の長さをそれぞれ変えることで異なる周波数帯域となる。そして、このようなL字型放射ストリップ部に接続される給電ストリップ部及び短絡ストリップ部がグラウンド板の上で対称となるように配置することで、一対のL字型折り返しモノポールアンテナ素子がグラウンド板の上で略対称に配置されることとなる。
そして、L字型放射ストリップ部21のストリップ両端には、給電ストリップ部22と短絡ストリップ部23とが接続されている。給電ストリップ部22と短絡ストリップ部23は、それぞれグラウンド板1から略直角に立ち上がるものであり、L字型放射ストリップ部21の端部にそれぞれ接続されている。
なお、これらL字型放射ストリップ部21、給電ストリップ部22、短絡ストリップ部23は、電気的に導通していれば良いため、1つのストリップ線を折り曲げて一体的に形成されても良い。また、例えば両面基板等により、スルーホールを用いて折り返しストリップとし、L字型放射ストリップ部をパターンニングにより形成しても良い。
そして、本発明の携帯端末用アンテナでは、一対のL字型折り返しモノポールアンテナ素子2が、グラウンド板1の上で対称に配置されている。なお、図示例ではグラウンド板1の長手方向に、線対称となるように配置されている。より具体的には、グラウンド板1の両角に沿ってそれぞれのL字型折り返しモノポールアンテナ素子2が配置されている。なお、図示例では、一対の給電ストリップ部22が外側に配置された構造を示した。即ち、一対の給電ストリップ部22の間に一対の短絡ストリップ部23が配置されている。より具体的には、L字型放射ストリップ部21の下側のストリップ端に給電ストリップ部22が接続され、上側のストリップ端に短絡ストリップ部23が接続されている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、一対の給電ストリップ部22が内側に配置された構造、即ち、一対の短絡ストリップ部23の間に一対の給電ストリップ部22が配置された構造であっても良い。なお、両構造を比べた場合、外側に給電ストリップ部22を配置したものの方が、素子間相互結合が全体的に低い特性が得られるためより好ましい。
なお、一対のL字型折り返しモノポールアンテナ素子間の間隔を狭めるほど、素子間相互結合が高くなってくるが、本発明の携帯端末用アンテナでは、1mm程度接近させたとしても素子間相互結合は実用上問題ないレベルに抑えられている。したがって、複数のアンテナ素子を近接させて配置可能であるため、より小さい領域内に収めることが可能である。
また、本発明の携帯端末用アンテナでは、給電ストリップ部22と短絡ストリップ部23の間隔によって、アンテナ特性を調整することが可能である。給電ストリップ部22と短絡ストリップ部23の間隔を大きくしていくと、共振周波数が高くなると共に、アンテナの整合が取れてくる。なお、特性の詳細については後述する。
さて、本発明の携帯端末用アンテナは、上述のように構成された一対のL字型放射ストリップ部21の、給電ストリップ部22が接続される側にそれぞれ接続されるブリッジ部3を有している。ブリッジ部3は、各L字型放射ストリップ部21を短絡するものである。より具体的には、ブリッジ部3は、両端がL字型放射ストリップ部21に接続されているが、その接続位置は、給電ストリップ部22が接続される側のストリップに存在している。本発明の携帯端末用アンテナは、この接続位置によって素子間相互結合の大きさを調整可能である。なお、ブリッジ部3は、一例を挙げると0.5mmのストリップラインで構成されている。しかしながら、ブリッジ部は挙げられた寸法に限定されるものではなく、あくまでもこの寸法は参考のために挙げたものである。
以下、本発明の携帯端末用アンテナ特性の調整手法について説明する。図2は、本発明の携帯端末用アンテナの寸法の一例と各パラメータを説明するための概略斜視図である。図中、図1と同一の符号を付した部分は概ね同一物を表わしているため、重複説明は省略する。グラウンド板1を120mm×45mmとし、L字型折り返しモノポールアンテナ素子2を図示のような寸法とした。このような構成をベースに、パラメータg、パラメータd、パラメータLの3つのパラメータを調整した。なお、図示の通り、パラメータgとは、給電ストリップ部22と短絡ストリップ部23の間隔である。また、パラメータdとは、給電ストリップ部22からブリッジ部が接続される位置までの距離である。そして、パラメータLとは、L字型放射ストリップ部21のL字型に折り曲げた部分の長さである。また、以下の説明では、2GHz帯で動作するアンテナとなるようにターゲット周波数を調整した。なお、解析にはモーメント法を基本とした電磁界シミュレータIE3D(Zeland社製)を用いた。
図3は、本発明の携帯端末用アンテナにおいて、パラメータgを、1mm、3mm、5mm、7mmと変えたときのSパラメータ特性図である。なお、図中、実線がアンテナ反射係数であるS11パラメータ、破線が素子間相互結合であるS21パラメータをそれぞれ表している。図示の通り、パラメータgを大きくしていくと共振周波数が高くなるのと同時に、アンテナの整合が取れてくることが分かる。即ち、パラメータgにより、アンテナ整合(インピーダンス特性)を調整することが可能である。
次に、図4は、本発明の携帯端末用アンテナにおいて、パラメータdを、0mm、2mm、4mm、6mmと変えたときのSパラメータ特性図である。なお、図中、実線がアンテナ反射係数であるS11パラメータ、破線が素子間相互結合であるS21パラメータをそれぞれ表している。また、図4はパラメータgは5mmとした場合のグラフである。図示の通り、パラメータdを大きくしていくと、アンテナの共振周波数と素子間相互結合が最も小さくなる周波数が近づいていくことが分かる。即ち、パラメータdにより、アンテナの共振周波数と、素子間相互結合が最も小さくなる周波数とを近づけるように調整することが可能である。
図3の特性図に示されるように、パラメータgを5mmとした場合には、アンテナ整合を調整することが可能であるが、アンテナの共振周波数と素子間相互結合が最も小さくなる周波数が一致していない。しかしながら、図4の特性図に示されるように、パラメータdを、例えば6mmに調整することにより、アンテナの共振周波数と素子間相互結合が最も小さくなる周波数とを略一致させることが可能である。
そして、図5は、本発明の携帯端末用アンテナにおいて、パラメータLを、13mm、16mm、18mmと変えたときのSパラメータ特性図である。なお、図中、実線がアンテナ反射係数であるS11パラメータ、破線が素子間相互結合であるS21パラメータをそれぞれ表している。また、図5はパラメータgは5mmとし、パラメータdは6mmとした場合のグラフである。図示の通り、パラメータLを大きくしていくと、アンテナの共振周波数が下がっていくことが分かる。即ち、パラメータLにより、アンテナの共振周波数をターゲット周波数に調整することが可能である。なお、アンテナの共振周波数の調整は、上述の例ではパラメータLで行っているが、パラメータLを含めて、L字型放射ストリップ部の長さ(全長)により調整すれば良い。
図4の特性図に示されるように、パラメータgを5mmとし、パラメータdを6mmとした場合には、アンテナの共振周波数と素子間相互結合が最も小さくなる周波数を近づけるように調整することが可能であるが、ターゲット周波数である2GHz帯から大きくずれている。しかしながら、図5の特性図に示されるように、パラメータLを、例えば18mmに調整することにより、2GHz帯に共振周波数を合わせることが可能である。
本発明の携帯端末用アンテナでは、このようにパラメータg、パラメータd、パラメータLをそれぞれ調整することにより、所望のターゲット周波数に共振周波数を一致させ、なおかつ素子間相互結合を低減させることが可能となる。なお、図5に示されるように、このときの素子間相互結合は−24dBまで低減できていることが分かる。
ここで、ブリッジ部の有無による特性変化について、図6を用いて説明する。図6は、本発明の携帯端末用アンテナのブリッジ部を装荷した場合としない場合の特性変化を説明するための図であり、図6(a)はSパラメータ特性図であり、図6(b)はインピーダンス特性図である。ここで、図示例の特性図は、パラメータg、パラメータd、パラメータLをそれぞれg=3mm、d=7mm、L=16mmとして設計したアンテナのものである。なお、図中、破線がアンテナ反射係数であるS11パラメータ、実線が素子間相互結合であるS21パラメータをそれぞれ表している。また、黒線がブリッジ部を装荷した場合の特性であり、グレー線がブリッジ部を装荷しなかった場合の特性である。図示の通り、本発明の携帯端末用アンテナでは、このようにブリッジ部を装荷することにより、素子間相互結合であるS21パラメータが、−11dBから−20dBまで大幅に低減していることが分かる。
また、図7は、本発明の携帯端末用アンテナのブリッジ部を装荷した場合としない場合の放射パターン特性図である。図示の通り、各平面の放射特性は、ブリッジ部の有無に関わらず略同様であり、ブリッジ部の装荷による放射特性への影響は略無いことが分かる。
さらに、図8は、本発明の携帯端末用アンテナのブリッジ部を装荷した場合としない場合の素子間相互結合とアンテナ効率の特性図である。図中、横軸はL字型折り返しモノポールアンテナ素子間の距離とし、この距離の変化に対する2.1GHzにおける素子間相互結合とアンテナ効率の特性を表している。なお、アンテナ効率は、放射効率に反射係数と相互結合による効率を乗算することで求めた。そして、破線が素子間相互結合であるS21パラメータ、実線がアンテナ効率をそれぞれ表している。また、黒線がブリッジ部を装荷した場合の特性であり、グレー線がブリッジ部を装荷しなかった場合の特性である。図示の通り、すべての素子間隔において、ブリッジ部を装荷することで素子間相互結合を大幅に低減することが可能であると共に、アンテナ効率を大幅に向上させることが可能であることが分かる。特に、L字型折り返しモノポールアンテナ素子間の間隔が1mmというような非常に近接している場合であっても、−10dB程度というような低結合特性が得られていることが分かる。
このように、本発明の携帯端末用アンテナは、L字型折り返しモノポールアンテナ素子を採用したことで広帯域でありながら小型化が可能であり、且つ、ブリッジ部により放射ストリップ部間を短絡することにより、素子間相互結合を低減可能であるという利点がある。また、ブリッジ部を接続する位置により素子間相互結合を調節することが可能であり、さらに、給電ストリップ部と短絡ストリップ部間の距離やL字型放射ストリップ部の長さにより、所望のアンテナ特性となるように調整することが可能である。
なお、本発明の携帯端末用アンテナは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
図1は、本発明の携帯端末用アンテナの構成を説明するための概略斜視図である。 図2は、本発明の携帯端末用アンテナの寸法の一例と各パラメータを説明するための概略斜視図である。 図3は、本発明の携帯端末用アンテナにおいて、パラメータgを変えたときのSパラメータ特性図である。 図4は、本発明の携帯端末用アンテナにおいて、パラメータdを変えたときのSパラメータ特性図である。 図5は、本発明の携帯端末用アンテナにおいて、パラメータLを変えたときのSパラメータ特性図である。 図6は、本発明の携帯端末用アンテナのブリッジ部を装荷した場合としない場合の特性変化を説明するための図である。 図7は、本発明の携帯端末用アンテナのブリッジ部を装荷した場合としない場合の放射パターン特性図である。 図8は、本発明の携帯端末用アンテナのブリッジ部を装荷した場合としない場合の素子間相互結合とアンテナ効率の特性図である。
符号の説明
1 グラウンド板
2 L字型折り返しモノポールアンテナ素子
3 ブリッジ部
21 L字型放射ストリップ部
22 給電ストリップ部
23 短絡ストリップ部

Claims (6)

  1. 携帯端末に内蔵する携帯端末用アンテナであって、該携帯端末用アンテナは、
    導体からなるグラウンド板と、
    前記グラウンド板の上で略対称に配置される一対のL字型折り返しモノポールアンテナ素子であって、該一対のL字型折り返しモノポールアンテナ素子のそれぞれは、前記グラウンド板に対して平行にL字型に形成される折り返しストリップからなるL字型放射ストリップ部と、該L字型放射ストリップ部の一端に接続され前記グラウンド板から直角に立ち上がる給電ストリップ部と、前記L字型放射ストリップ部の他端に接続され前記グラウンド板から直角に立ち上がる短絡ストリップ部とを有する、一対のL字型折り返しモノポールアンテナ素子と、
    前記各L字型放射ストリップ部の前記給電ストリップ部が接続される側にそれぞれ接続されるブリッジ部と、
    を具備することを特徴とする携帯端末用アンテナ。
  2. 請求項1に記載の携帯端末用アンテナにおいて、一対の前記短絡ストリップ部は、一対の前記給電ストリップ部の間に配置されることを特徴とする携帯端末用アンテナ。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の携帯端末用アンテナにおいて、各前記L字型放射ストリップ部の前記給電ストリップ部が接続される端部から前記ブリッジ部が接続される位置までの距離により素子間相互結合が調整されることを特徴とする携帯端末用アンテナ。
  4. 請求項1乃至請求項3の何れかに記載の携帯端末用アンテナにおいて、各前記L字型折り返しモノポールアンテナ素子の前記給電ストリップ部と前記短絡ストリップ部の間隔によりインピーダンス特性が調整されることを特徴とする携帯端末用アンテナ。
  5. 請求項1乃至請求項4の何れかに記載の携帯端末用アンテナにおいて、各前記L字型放射ストリップ部の長さによりアンテナの共振周波数が調整されることを特徴とする携帯端末用アンテナ。
  6. 請求項1乃至請求項5の何れかに記載の携帯端末用アンテナにおいて、前記一対のL字型折り返しモノポールアンテナ素子は、それぞれの周波数帯域が異なることを特徴とする携帯端末用アンテナ。
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