JP2009212775A

JP2009212775A - アンテナ装置

Info

Publication number: JP2009212775A
Application number: JP2008053242A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Iigusa; 恭一飯草; Shuzo Kato; 修三加藤; Hiroshi Harada; 博司原田
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-09-17

Abstract

【課題】構造が単純でコンパクトに形成でき、整合のとれる周波数帯域を容易に設計できるアンテナ装置を提供する。
【解決手段】誘電体基板１１の一面に共振長の異なる第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆを近接状に配列し、第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆの一方端側を９０゜の角度で屈曲させて接地部１３と導通させることで短絡し、誘電体基板１１の他面には給電端子１４を形成し、給電点１５より給電することで、給電端子１４から誘電体基板１１を介した電磁結合による第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆへの給電が行われ、逆Ｌアンテナである第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆと給電端子１４とで各々逆Ｆアンテナとして機能するアンテナ装置１となり、整合周波数に応じたアンテナ素子の追加・削除によって、所望の整合周波数帯域を容易に設計できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型でコンパクトに形成でき、整合のとれる周波数帯域を容易に設計あるいは電気制御できるアンテナ装置に関する。

従来より、携帯電話などでは、小型でコンパクトに作れる内蔵アンテナとして逆Ｆアンテナが多く使われている。この逆Ｆアンテナは、整合と放射の両方に寄与するアンテナ素子に給電線と短絡線が接続されたもので、アンテナ素子の長さによって共振周波数を適宜に設定できる。しかし、通常の逆Ｆアンテナ単体では、共振帯域が所望の通信サービスに対応した広い周波数帯域をカバーできない場合もある。そこで、接地端子とは別に周波数切替端子を設け、スイッチによって周波数切替端子をグランドに接続もしくは開放することにより、接地電位となる位置を変化させ、アンテナの共振周波数を切り替えることができるようにしたアンテナ装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平１０−６５４３７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された発明では、接地端子と周波数切替端子の位置で切替可能な共振周波数が制限され、必ずしも十分に広い周波数帯域を得られるとは言えない。また、周波数切替のための付随回路等が別途必要になるため、小型化や低廉化の面でも問題がある。

そこで、本発明は、構造が単純でコンパクトに形成でき、しかも複数の周波数帯域をカバーできるアンテナ装置の提供を目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に係るアンテナ装置は、誘電体基板の一面には、共振長の異なる複数のアンテナ素子を近接状に配列し、各アンテナ素子の一方端側を９０゜の角度で屈曲させて、同一面にある接地導体に短絡接地することで逆Ｌアンテナとして機能させ、前記誘電体基板の他面には、前記複数のアンテナ素子の給電部に対向する給電端子を設け、前記給電端子への給電が前記誘電体基板を介した電磁結合による各アンテナ素子への給電となり、この給電端子と各逆Ｌアンテナを合わせて逆Ｆアンテナとして機能させるようにしたことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のアンテナ装置において、前記複数のアンテナ素子の短絡端には、可変デバイスを装荷し、アンテナ素子毎の共振周波数に対する整合特性を変化させるようにしたことを特徴とする。

また、請求項３に係るアンテナ装置は、誘電体基板の一面には、長さの異なる複数のアンテナ素子を近接状に配列し、各アンテナ素子には共通の給電線と短絡線を接続し、該短絡線の短絡端には導電性の容量結合部を形成し、前記誘電体基板の他面には、接地導体部を形成し、前記短絡線の短絡端に形成した容量結合部と前記接地導体部とが誘電体基板を介して相対することで、短絡端側が容量的に結合され、各アンテナ素子と給電線と短絡線を合わせて逆Ｆアンテナとして機能させるようにしたことを特徴とする。

また、請求項４に係るアンテナ装置は、誘電体基板の一面には、長さの異なる複数のアンテナ素子を近接状に配列し、各アンテナ素子には共通の給電線と短絡線を接続し、前記誘電体基板の他面には、接地導体部を形成し、前記短絡線の短絡端と接地導体部とを可変リアクタを介して接続し、各アンテナ素子と給電線と短絡線を合わせて逆Ｆアンテナとして機能させるようにしたことを特徴とする。

請求項１に係るアンテナ装置によれば、電磁結合により給電端子から各アンテナ素子へ共通に給電する構造を採用することで、各アンテナ素子に必要となる給電線が他のアンテナ素子と交差することなく、複数の共振長の逆Ｆアンテナを近接状に配列したと同様な構造のアンテナ装置を実現でき、配列した各アンテナ素子の共振長に応じて、複数の周波数帯域をカバーできる。

また、請求項２に係るアンテナ装置によれば、複数のアンテナ素子の短絡端には、可変デバイスを装荷し、アンテナ素子毎の共振周波数に対する整合特性を変化させるようにしたので、可変デバイスの調整によって、各アンテナ素子を追加あるいは削除するのにほぼ等しい効果を得ることができ、アンテナ装置として対応する周波数帯域を容易に変更可能となる。

また、請求項３に係るアンテナ装置によれば、短絡線の短絡端側が接地導体部と容量的に結合される構造を採用することで、各アンテナ素子と給電線と短絡線を合わせて逆Ｆアンテナとして機能させ、アンテナ素子の長さに応じて、適切なリアクタンス値で結合することが可能となり、アンテナ装置としての広帯域化を期せる。

また、請求項４に係るアンテナ装置によれば、短絡線の短絡端と接地導体部とを可変リアクタを介して接続する構造を採用することで、各アンテナ素子と給電線と短絡線を合わせて逆Ｆアンテナとして機能させるようにし、アンテナ素子の長さに応じて、可変リアクタの電気制御による適切なリアクタンス値で結合することが可能となり、アンテナ装置としての広帯域化を期せる。

次に、添付図面に基づいて、本発明に係るアンテナ装置の実施形態につき説明する。

図１は、第１実施形態に係るアンテナ装置１の概略構成を示し、図１（ａ）はアンテナ装置１の平面図、図１（ｂ）はアンテナ装置１の側面図、図１（ｃ）はアンテナ装置１の底面図である。

アンテナ装置１は、プリント基板等の誘電体基板１１の一面（図１（ａ）にて示す面）に導電性プリント配線を形成することで、共振長の異なる複数のアンテナ素子として第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆを近接状に配列し、第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆの一方端側を９０゜の角度で屈曲させて、同一面にある接地導体たる接地部１３と導通させることで短絡し、誘電体基板１１の他面（図１（ｃ）にて示す面）にはマイクロストリップ線路構造の給電端子１４を形成し、給電点１５より給電する。

上記のように構成したアンテナ装置１においては、第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆは各々逆Ｌアンテナとして機能し、また、給電端子１４の給電部１４ａが誘電体基板１１を介して第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆの給電部位に対向するので、給電点１５から給電端子１４への給電が、誘電体基板１１を介した電磁結合による第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆへの給電となるので、この給電端子１４と第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆよりなる逆Ｌアンテナを合わせて逆Ｆアンテナとして機能するのである。なお、給電端子１４は接地部１３（反対側の面に形成した接地導体）と重なる部分において、マイクロストリップラインとして機能する。

すなわち、本実施形態に係るアンテナ装置１においては、電磁結合により給電端子１４から逆Ｌアンテナ（第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆ）へ共通に給電する構造を採用することで、第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆに必要となる給電線が他のアンテナ素子と交差することなく、複数の共振長の逆Ｆアンテナを近接状に配列したと同様な構造を実現でき、配列した第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆの共振長に応じて、複数の周波数帯域をカバーできる。すなわち、整合周波数に応じた逆Ｌアンテナ用のアンテナ素子の追加・削除によって、所望の整合周波数帯域を容易に設計できる可能性を有する。

なお、第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆの接地部１３に平行な部分に流れる電流に対して、接地部１３に反対向きに流れるイメージ電流により素子間結合が低減されるため、第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆの配列間隔を狭くできるので、対応可能な周波数帯域を広げるべく配列するアンテナ素子の数を増やしても、十分に小型化が可能である。

図２に示すのは、第２実施形態に係るアンテナ装置２であるが、上述した第１実施形態に係るアンテナ装置１と共通の構造には同一符号を付して説明を省略する。

このアンテナ装置２においては、第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆを接地部１３と接続する短絡ポートに可変デバイス２１を設け、第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆ毎の共振周波数に対する整合特性を変化させるようにした。可変デバイス２１は、第１〜第６可変リアクタ２１ａ〜２１ｆを第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆに各々対応させて設けたもので、第１〜第６可変リアクタ２１ａ〜２１ｆのリアクタンスを調整することにより、第１〜第６アンテナ素子１２ａ〜１２ｆを取り除いたのとほぼ同じ効果を得ることができる。

斯く構成したアンテナ装置２は、所望周波数に対応する逆Ｌアンテナを追加あるいは削除するのに等価な効果を得ることにより，広帯域化あるいは整合周波数の調整を電気制御で行うことができる。例えば、第６アンテナ素子１２ｆに対応する周波数だけで整合させる場合には、第１〜第５可変リアクタ２１ａ〜２１ｅの各リアクタンスを調整することで、第１〜第５アンテナ素子１２ａ〜１２ｅを電気的に取り除けば良く、装荷した可変デバイス２１の制御により、アンテナ装置２における周波数の整合特性を選択的に変えることができ、実用的価値の高いものとなる。すなわち、幾つかの周波数の整合の調整を独立に電気制御できるという特徴を有する。これによって、例えば、２つの周波数バンドのサービスを同時に使うことができる。

次に、図３〜図８に基づいて、上述した第１実施形態および第２実施形態の実施例を説明する。図３は、実施するアンテナ装置の設計寸法等を示す。これは、地上デジタル受信用アンテナを目標に、ＵＨＦ帯域（４７０ＭＨｚ−７７０ＭＨｚ）で整合する設計を行ったものである。この帯域内で整合がとれるように２５本の逆Ｆアンテナを並べる。小型化のために、ライン幅、ライン間隔はともに０．１ｍｍと高密にし、また、逆Ｆアンテナは折り曲げている。低い周波数ほど波長が長くなることに対応して、結合する逆Ｆアンテナの共振長に応じて電磁結合用プローブの太さを変化させている。

上記構成のアンテナ装置について、ＩＥ３Ｄの有限地板モデルを用いて解析を行った。素子単体のみの場合の整合特性と、２５本の素子全部が揃っている場合の、整合特性を図４に示す。図４中、細破線は各素子単体の特性を、太実線は素子２５本全体の特性を表す。このように、アンテナ素子の集合化によって、素子単体の整合周波数を全て含む帯域で良好な整合特性を得られることが分かる。また、素子単体より整合特性が良くなっており、比帯域約５０％の広帯域でリターンロス約１０ｄＢ以上の整合が得られている。以上の結果により、配列した逆Ｌアンテナ素子に電磁界結合による給電を行うことで広帯域化、周波数設計が基本的に可能であることが分かる。

各アンテナ素子の屈曲部における電流の様子を図５に示す。図５においては、濃い部分ほど電流が強いことを表す。図５（ａ）は４７０ＭＨｚ、図５（ｂ）は６２０ＭＨｚ、図５（ｃ）は７７０ＭＨｚの場合であり、周波数によって、電流の強く流れる素子（それぞれ黒矢印で示す）が変わっている。すなわち、各周波数に整合する素子に強い電流が流れることが分かる。

また、各周波数における放射電力の三次元指向性を図６に示す。図６（ａ）は４７０ＭＨｚ、図６（ｂ）は６２０ＭＨｚ、図６（ｃ）は７７０ＭＨｚの場合であり、ほぼ基板内にダイポールを設置したようなブロードな指向性を示し、周波数によってダイポールの向きが基板面内を少し回転するような変化を示すことが分かる。

次に、２５本の素子のうち長い方から９，１０，１１番目の素子の短絡端に、１２５ｎＨのインダクタを接続した場合の特性を図７に太実線で示す。２５本全てを短絡したときの特性（図７中、細破線で示す）と比べ、これら９〜１１番目の素子にほぼ対応する周波数の整合が劣化していることが分かる。また、インダクタを装荷した素子に対応する周波数だけ特性が変化して、他の周波数帯の整合特性にはほとんど影響を与えないことが分かる。すなわち、各アンテナ素子の短絡端にインダクタを接続するか短絡させるかで、各素子に対応した周波数の独立制御が基本的に可能であることが分かる。なお、インダクタを装荷する代わりに開放にしてもほとんど同じ効果が得られた。

次に、１０番目の素子以外に１２５ｎＨのインダクタを与えた場合の特性を図８に太実線で示す。１０番目の素子のみを設けた場合の特性（図８中、細実線で示す）と比較して、１０番目の素子に対応する周波数だけで整合がとれていることが分かる。また、１２５ｎＨを装荷する代わりに開放した場合の特性（図８中、太破線で示す）から、１２５ｎＨのインダクタを装荷した場合のような整合がとれないことが分かる。すなわち、整合させない周波数の素子を開放するよりも１２５ｎＨのインダクタを装荷したほうが、装荷素子の電気的影響を小さくできることが分かる。

以上のことから、アンテナ素子を物理的に取り除かなくても、短絡側に可変デバイスを設けてリアクタンス値制御を電気的に行えば、各アンテナ素子の整合特性を独立に制御可能であることが分かる。また、スイッチによる短絡・開放の制御よりも、可変リアクタンによる制御が有効であることが分かる。

さらに、各アンテナ素子は電気的に独立に配置されるので、ＤＣ電圧の制御も独立に行うことができる。可変リアクタ装荷位置も接地導体との接点なので、ＤＣ電圧制御配線も短くかつ容易である。さらに、給電部に電磁結合を用いているので、整合している素子以外の可変リアクタに大きなＲＦ電流が流れないので、高調波の発生が素子数分大きくなるという問題も回避できていると考えられる。

図９は、第３実施形態に係るアンテナ装置３の概略構成を示し、図９（ａ）はアンテナ装置３の平面図、図９（ｂ）はアンテナ装置３の側面図、図９（ｃ）はアンテナ装置３の底面図である。

アンテナ装置３は、プリント基板等の誘電体基板３１の一面（図９（ａ）にて示す面）に導電性プリント配線を形成することで、長さの異なる複数のアンテナ素子として第１〜第６アンテナ素子３２ａ〜３２ｆを近接状に配列し、第１〜第６アンテナ素子３２ａ〜３２ｆには共通の給電線３３と短絡線３４を接続し、この短絡線３４の短絡端には導電性の容量結合部３５を形成し、給電線３３に給電点３６より給電する。誘電体基板３１の他面（図９（ｃ）にて示す面）には、接地導体部３７を形成し、短絡線３４の短絡端に形成した容量結合部３５と接地導体部３７とが誘電体基板３１を介して相対することで、第１〜第６アンテナ素子３２ａ〜３６ｆの短絡端側が容量的に結合され、各アンテナ素子３２ａ〜３２ｆと給電線３３と短絡線４３を合わせて逆Ｆアンテナとして機能させるようにした。なお、給電線３３は接地導体３７（反対側の面に形成した接地導体）と重なる部分において、マイクロストリップラインとして機能する。

斯く構成したアンテナ装置３は、整合をとるために短絡線３４の短絡端側に適切となるリアクタンス値が負であり、その絶対値は高周波数ほど小さくなることを見出したが、このような特性は容量結合部３５が接地導体部３７と容量的に結合される構造を採用することで、実現可能であるので、広帯域化を期せるのである。例えば、ＵＨＦ帯のアンテナ装置とする場合、誘電体の比誘電率を２．１７、厚さを０．８ｍｍとしたとき、容量結合部３５を約７．５ｍｍ四方の大きさとすることで、良い整合特性を得ることができる。

図１０に示すのは、第４実施形態に係るアンテナ装置４であるが、上述した第３実施形態に係るアンテナ装置３と共通の構造には同一符号を付して説明を省略する。

このアンテナ装置４においては、短絡線３４の短絡端側に可変リアクタ４１を装荷し、スルーホール４２を介して接地導体部３７と接続することで、各アンテナ素子３２ａ〜３２ｆと給電線３３と短絡線４３を合わせて逆Ｆアンテナとして機能させる。すなわち、本実施形態に係るアンテナ装置４においては、容量接合部３５を可変リアクタ４１に置き換えた構造とすることで、リアクタンス値の電気的制御による整合周波数帯域の調整が可能となる。

以上、本発明に係るアンテナ装置を幾つかの実施形態に基づき説明したが、本発明は、これらの実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない限りにおいて実現可能な全てのアンテナ装置を権利範囲として包摂するものである。

（ａ）は第１実施形態に係るアンテナ装置の平面図、（ｂ）は第１実施形態に係るアンテナ装置の側面図、（ｃ）は第１実施形態に係るアンテナ装置の底面図である。第２実施形態に係るアンテナ装置の平面図である。実施例におけるアンテナ装置の設計の概略説明図である。実施例におけるアンテナ装置のリターンロス特性図である。（ａ）は４７０ＭＨｚにおけるアンテナ素子の屈曲部の電流特性である。（ｂ）は６２０ＭＨｚにおけるアンテナ素子の屈曲部の電流特性である。（ｃ）は７７０ＭＨｚにおけるアンテナ素子の屈曲部の電流特性である。（ａ）は４７０ＭＨｚにおける放射電力の三次元指向性パターンである。（ｂ）は６２０ＭＨｚにおける放射電力の三次元指向性パターンである。（ｃ）は７７４７０ＭＨｚにおける放射電力の三次元指向性パターンである。アンテナ素子９〜１０の短絡端に１２５ｎＨのインダクタを装荷した場合のリターンロス特性図である。アンテナ素子１０以外の短絡端に１２５ｎＨのインダクタを装荷した場合のリターンロス特性図である。（ａ）は第３実施形態に係るアンテナ装置の平面図、（ｂ）は第３実施形態に係るアンテナ装置の側面図、（ｃ）は第３実施形態に係るアンテナ装置の底面図である。（ａ）は第４実施形態に係るアンテナ装置の平面図、（ｂ）は第４実施形態に係るアンテナ装置の側面図、（ｃ）は第４実施形態に係るアンテナ装置の底面図である。

符号の説明

１アンテナ装置
１１誘電体基板
１２ａ〜１２ｆ第１〜第６アンテナ素子
１３接地部
１４給電端子
１４ａ給電部
１５給電点

Claims

誘電体基板の一面には、共振長の異なる複数のアンテナ素子を近接状に配列し、各アンテナ素子の一方端側を９０゜の角度で屈曲させて、同一面にある接地導体に短絡接地することで逆Ｌアンテナとして機能させ、
前記誘電体基板の他面には、前記複数のアンテナ素子の給電部に対向する給電端子を設け、
前記給電端子への給電が前記誘電体基板を介した電磁結合による各アンテナ素子への給電となり、この給電端子と各逆Ｌアンテナを合わせて逆Ｆアンテナとして機能させるようにしたことを特徴とするアンテナ装置。
前記複数のアンテナ素子の短絡端には、可変デバイスを装荷し、アンテナ素子毎の共振周波数に対する整合特性を変化させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
誘電体基板の一面には、長さの異なる複数のアンテナ素子を近接状に配列し、各アンテナ素子には共通の給電線と短絡線を接続し、該短絡線の短絡端には導電性の容量結合部を形成し、
前記誘電体基板の他面には、接地導体部を形成し、
前記短絡線の短絡端に形成した容量結合部と前記接地導体部とが誘電体基板を介して相対することで、短絡端側が容量的に結合され、各アンテナ素子と給電線と短絡線を合わせて逆Ｆアンテナとして機能させるようにしたことを特徴とするアンテナ装置。
誘電体基板の一面には、長さの異なる複数のアンテナ素子を近接状に配列し、各アンテナ素子には共通の給電線と短絡線を接続し、
前記誘電体基板の他面には、接地導体部を形成し、
前記短絡線の短絡端と接地導体部とを可変リアクタを介して接続し、各アンテナ素子と給電線と短絡線を合わせて逆Ｆアンテナとして機能させるようにしたことを特徴とするアンテナ装置。