JP2009253872A - 広帯域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部に組込むアンテナにおいて、通信感度に優れ、しかも小型で構造がシンプルな広帯域エレメント、さらには該エレメントを使用した広帯域アンテナを提供する。
【解決手段】
細幅状放射電極エレメント本体（１）の一方の端部を短絡部（２）によりグランド板（３）と電気的に接続したアンテナエレメントに、以下の要件を付与する。
ａ．細幅状放射電極エレメント本体（１）の他方の端部内側面には該グランド板（３）に対向する矩形状部（１ａ）が付設され、これにより、該矩形状部（１ａ）と該グランド板（３）との間に両端が開放されたスリット（４）が形成されていること；
ｂ．細幅状放射電極エレメント本体（１）の外側面に、帯域補正のための延出部（１ｂ）が付設されていること；および
ｃ．該スリット（４）の長手方向に面した矩形状部縁部のほぼ中心に単一の給電点（Ｐ１）が設けられていること。
【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（財団法人道路交通情報通信システムセンターの登録商標）などの情報端末機器等に内蔵させる広帯域のアンテナエレメントに関する。さらに詳しくは、本発明は取り分け広帯域での通信感度に優れた小型アンテナエレメントに関する。

近年では、無線ＬＡＮあるいはＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（米国Bluetooth SIG
Inc.の登録商標）搭載のパソコン、ＰＤＡ等においては、広帯域化とともに小型化の要求がますます強くなっている。特に周波数帯域については、Ｗｉ−Ｍａｘが２．３ＧＨｚ〜２．４ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚ、３．３ＧＨｚ〜３．８ＧＨｚの帯域、そして無線ＬＡＮが２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚ、４．９ＧＨｚ〜５．８７５ＧＨｚの帯域に亘っていることから、広帯域への対応が必要となっている。

本出願人はこれに対応するため、細幅状放射電極エレメント本体の一方の端部を短絡部によりグランド板と電気的に接続し、併せて、該エレメント本体の他方の端部内側面には、グランド板と対峙する円弧状放射電極エレメントを、そして外側面にはインピーダンス調整用の突起部を付設した広帯域アンテナを提案した（特許文献１参照。）。ところが、この円弧状放射電極エレメントでは、グランド板との距離を漸増させることで広帯域特性を確保しているため、より広帯域を実現するには該円弧状放射電極エレメントを大型化せざるを得なくなることが判明した。

特開２００７−２０２０８５号公報

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、その際、情報端末機器の影響を受けることなく安定した通信ができ、しかも小型で構造がシンプルな広帯域アンテナエレメント、さらには該エレメントを採用した広帯域アンテナを提供することにある。

本発明者等は、細幅状放射電極エレメント本体の一方の端部が短絡部によりグランド板と電気的に接続されたアンテナエレメントにおいて、該エレメント本体に特殊な形状変更を加えることにより、広帯域エレメント、さらには該エレメントを採用した広帯域アンテナを実現するに至った。

すなわち、本発明によれば、第一に、該細幅状放射電極エレメント本体の他方の端部側面に、該グランド板に対向する矩形状部を付設し、該矩形状部とグランド板との間に両端が開放されたスリットを形成する。第二に、該細幅状放射電極エレメント本体の外側面には、リアクタンス成分を増加させ、帯域調整に寄与する延出部を設ける。第三に、該スリットの長手方向に面した矩形状部縁部のほぼ中心に位置する箇所に単一の給電点を設ける。そのうえで、該矩形状部縁部の長手方向に沿ってほぼ中心に位置する箇所に、給電用同軸ケーブルの内部導体を、そして、該給電点と対峙するグランド板縁部には該給電用同軸ケーブルの外部導体を接続する。

本発明によれば、細幅状放射電極エレメント本体の一方の端部が短絡部によりグランド板と電気的に接続されたアンテナエレメントに、さらに共振機能と帯域調整機能を付与したうえで、給電箇所を特定することにより、小型で且つＷｉ−Ｍａｘ、無線ＬＡＮの全ての帯域をカバーできるアンテナエレメントへの対応を実現したものである。これを、従来と比較した場合、帯域幅が大幅に拡大されるという格別顕著な効果が奏される。さらに、アンテナエレメント自体の幅、高さとも従来と遜色なく、しかも、従来の円弧状放射電極エレメントよりも構成が簡略化されている。この結果、本発明の広帯域アンテナエレメントはパソコン等の情報端末機器内蔵用として極めて有用である。

以下、本発明を、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る広帯域アンテナエレメントの一様態を示す斜視図である。
図２は、本発明に係る広帯域アンテナエレメントを採用したアンテナの例を示す斜視図である。
図３は、図１のアンテナの周波数特性（ＶＳＷＲ特性）を示す図（グラフ）で、図３（ａ）は、Ｗｉ−Ｍａｘの帯域での周波数特性を、そして、図３（ｂ）は、無線ＬＡＮ帯域での周波数特性を示す。
図４は、本発明に係る広帯域アンテナエレメントの他の態様を示す斜視図である。
図５は、本発明に係る広帯域アンテナエレメントのさらに他の態様を示す斜視図である。

先ず、本発明の基本的概念について、図１〜図３を参照しながら述べる。これらの図には、細幅状放射電極エレメント本体（以下、“エレメント本体”と略記する。）の他方の端部内側面にグランド板と対向する矩形状部（矩形状片）を付設して、該矩形状部とグランド板との間にスリットを形成し、さらに、エレメント本体の外側面（図では、該矩形状部と対峙するエレメント本体の端部外側面）に帯域調整手段としての延出部（延出片）を付設した広帯域アンテナエレメントが示されている。ここで、（１）はエレメント本体、（１ａ）はエレメント本体（１）に付設された矩形状部、（１ｂ）はエレメント本体（１）に付設された帯域調整のための延出部、（２）は短絡部、（３）はグランド板である。ここで、矩形状部（１ａ）とグランド板（３）との間には、両端が開放された直線状のスリット（４）が形成される。さらに、（Ｐ１）は、給電用同軸ケーブルの内部導体が接続される給電点、（Ｐ２）は給電用同軸ケーブルの外部導体が接続されるアースポイントとなる。その際、給電点（Ｐ１）は矩形状部（１ａ）の長手方向に沿ってほぼ中心に位置する箇所に設け、短絡部（２）は、エレメント本体（１）の一方の端部とグランド板（３）とを電気的に接続している。

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

上記の図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周波数特性（ＶＳＷＲ特性）を示したのが図３である。ここで、図３（ａ）は、２ＧＨｚ〜４ＧＨｚでの周波数特性（ＶＳＷＲ特性）、図３（ｂ）は、５ＧＨｚ〜６ＧＨｚでの周波数特性（ＶＳＷＲ特性）を示す。この図３から、本発明の広帯域アンテナエレメントを使用したアンテナにあっては、ＶＳＷＲ特性を良好に維持しながら、２．３ＧＨｚ〜２．４ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚ、３．３ＧＨｚ〜３．８ＧＨｚというＷｉ−Ｍａｘの帯域、そして、２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚ、４．９ＧＨｚ〜５．８７５ＧＨｚという無線ＬＡＮの帯域に亘る広帯域化が実現されている。

以上に述べた態様で特徴的なことは、エレメント本体（１）の一方の端部とグランド板（３）とを短絡部（２）を介して接続したうえで、グランド板（３）と対峙するエレメント本体（１）の端部内側面には矩形状部（１ａ）、エレメント本体（１）の外側面には帯域調整のための延出部（１ｂ）を付設、矩形状部（１ａ）とグランド板（３）との間にはスリット（４）を設け、矩形状部（１ａ）の長手方向に沿ってほぼ中心の位置に給電点（Ｐ１）が置かれたことにある。これにより、図３に示すように、２ＧＨｚ〜４ＧＨｚ、５ＧＨｚ〜６ＧＨｚというＷｉ−Ｍａｘ、４．９ＧＨｚ〜５．８７５ＧＨｚという無線ＬＡＮの帯域に亘っての広帯域化が実現できる。

この点について再度、図１〜図３を参照しながら、さらに詳細に述べる。

先ず、エレメント本体（１）の一方の端部とグランド板（３）とを短絡部（２）を介して接続したことで、アンテナとしてパソコン等の情報端末機器等の内に組込んだ際にも、情報端末機器の金属筐体部の影響を受けることがなく、したがって、通信が基本的に安定化する。

この状態で、矩形状部（１ａ）の給電点（Ｐ１）から高周波電流が、エレメント本体（１）の各種経路を辿って流れ、これとともに、基本波のみでなく、倍周波等の高調波を含めた高周波電磁界が発生して多くの共振点が生じさせることができる。特に、矩形状部（１ａ）における共振については給電点（Ｐ１）の位置が重要になる。つまり、この給電点を、矩形状部（１ａ）のほぼ中心に位置する箇所に設けることで、矩形状部上では高周波電流が左右に均等に分散し、より安定した特性を得ることができる。

併せて、この矩形状部（１ａ）とグランド板（３）との間に形成されたスリット（４）は、広範囲の周波数で共振機能を発揮する。このためには、エレメント本体（１）の長さと幅、矩形状部（１ａ）の長さと幅、さらには、スリット（４）の幅を、所望の周波数範囲に応じて適宜調整すればよい。具体的に言えば、エレメント本体（１）の寸法については、縦方向に１ｍｍ〜１０ｍｍ、横方向に２０ｍｍ〜３５ｍｍの範囲にあればよい。Ｗｉ−Ｍａｘにおける帯域の下限が２．３ＧＨｚであるので、給電点からの最長パスが４分の１波長以下になるように設定すればよい。その際、スリット（４）を安定に機能させるためにはそのスリット幅を０．５ｍｍ〜３ｍｍであることが好ましく、特に１ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲で調整するのが好ましい。また、矩形状部（１ａ）の寸法は、縦方向に１ｍｍ〜８ｍｍ、横方向に１０ｍｍ〜２５ｍｍの範囲にあればよい。

帯域調整手段である延出部（１ｂ）は、リアクタンス成分を増大させ、帯域幅を広げるために寄与する。この延出部（１ｂ）の寸法（縦、横）は、増大させるリアクタンス成分に応じて適宜な寸法を選べばよい。一般には、エレメント本体の長さを基準として、縦方向に５％〜６０％、横方向にも２０％〜７０％の範囲にあればよい。

短絡部（２）については、縦方向に５ｍｍ〜１０ｍｍ、横方向に１ｍｍ〜５ｍｍの範囲にあればよい。この短絡部（２）は、エレメント本体（１）とグランド板（３）とを接続する機能を呈する限り、その形状は任意である。また、グランド板（３）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等により打ち抜いて、エレメント本体（１）からグランド板（３）に亘る全要素の一体打ち抜き体としてもよい。また、厚さについては格段の制約はなく、強度を考慮した適切な厚さとすればよい。

このようなアンテナエレメントへの給電にあたっては、給電用同軸ケーブル（５）の内部導体（５ａ）を給電点（Ｐ１）に、他方、該ケーブルの外部導体（５ｂ）をアースポイント（Ｐ２）に接続すればよい。給電用同軸ケーブル（５）を給電点（Ｐ１）およびアースポイント（Ｐ２）に接続するには、ハンダ付あるいは超音波接続等を利用すればよい。給電用同軸ケーブル（５）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。

本発明において、矩形状部は、矩形を基本形として種々変更される。例えば、図４に示すように、矩形状部（１ａ）の下辺部からさらに細幅状矩形部（１ａ−ａ）を突起させてもよい。この態様は、図１の矩形状部（１ａ）に比べて、所望の周波数に応じてスリット幅の調整が容易であり、併せて、インピーダンス調整が容易になる利点がある。この形状を図１に示した矩形状部（１ａ）の右上方部を切り欠いた形状として捉えれば、板金面積の縮小となり、筐体への収容に柔軟性を持たせる利点がある。要は、矩形状部（１ａ）は、グランド板に対向する縁が該グランド板と平行で、該グランド板との間で直線状スリットを形成する限り、縦、横方向に形状は適宜変更してもよい。同様に、延出部（１ｂ）についても、図５に示すように、エレメント本体（１）の一方の端部に付設するか、またはそれらの複数箇所による組合せで付設してもよい。この態様における延出部の寸法においても、前述の通り、増大させるリアクタンス成分に応じて適宜な寸法を選べばよく、エレメント本体の長さを基準として、縦方向に５％〜６０％、横方向に２０％〜７０％の範囲にあればよい。

以上の図1〜２および図４〜５に述べたアンテナエレメントにおいて、エレメント本体（１）からグランド板（３）に亘る全要素が、基本的には同一平面上に配設される。しかしながら、この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、種々変形されて供されることは言うまでもない。例えば、延出部（１ｂ）については、図５に示すように曲げ加工して、立体（三次元）アンテナエレメントにしてもよい。細幅状矩形部（１ａ−ａ）を上部長辺、すなわち図に向かって奥側の長辺に沿って曲げ加工してもよい。これにより、アンテナエレメントの小型化（省スペース化）を図ることができる。要は、アンテナエレメントがパソコン等の情報端末機器の限られた空間に組込まれる際に、該空間の形状に応じて、このアンテナエレメントを曲げ加工すればよい。

以下に、図１の広域化アンテナエレメントに、図２に示すように、給電用同軸ケーブルを接続してなる、２ＧＨｚ〜４ＧＨｚ、５ＧＨｚ〜６ＧＨｚの広帯域を実現する情報端末機器内蔵用アンテナの具体例を示す。

先ず、縦４１ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍ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に示す形状のアンテナエレメントを得た。このとき、エレメント本体（１）の寸法は、縦２ｍｍ、横３０ｍｍとし、該本体の他方の端部でその内側面に縦４ｍｍ、横１５ｍｍの矩形状部（１ａ）を、そして、対峙する外側面に、縦４ｍｍ、横１０ｍｍの延出部（１ｂ）を付設した。このときのスリット（４）の幅は、１ｍｍであった。

更に、エレメント本体（１）の右側端部（一方の端部）とグランド板（３）の上部とを、短絡部（２）にて電気的に接続した。このときの短絡部（２）は縦が５ｍｍ、横が２ｍｍ、そして、グランド板（３）は、縦横ともに３０ｍｍとした。

さらに、矩形状部（１ａ）の最下辺の中央部端面から２ｍｍ内側の位置に給電点（Ｐ１）を設定した。また、アースポイント（Ｐ２）はグランド板（４）上、給電点（Ｐ１）に対向するグランド板（４）の上端部から２ｍｍ内側の位置に設定した。そして、矩形状部（１ａ）の上部長辺にて折り曲げることにより、高さが６ｍｍ、縦が３４ｍｍ、横が３０ｍｍという小型の広帯域アンテナエレメントが完成した。

ついで、上記の広帯域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１．３７ｍｍ、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）として用い、その内部導体（５ａ）および外部導体（５ｂ）を、それぞれに給電点（Ｐ１）およびアースポイント（Ｐ２）にハンダにより接続した。このようにして、情報端末機器内蔵用アンテナを得た。

最後に、このアンテナの周波数特性（ＶＳＷＲ）について試験したところ、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す周波数特性が得られた。これら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、２ＧＨｚ〜４ＧＨｚ、５ＧＨｚ〜６ＧＨｚの広帯域に亘って共振しており、十分な帯域幅が確保されていることが分かる。

以上の例は、本発明の一例に過ぎず、本発明の思想の範囲内であれば、種種の変更および応用が可能であることは言うまでもない。

本発明の広帯域アンテナエレメント、および該エレメントを含む広帯域アンテナは、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へも内蔵できる。

本発明に係る広帯域アンテナエレメントの一様態を示す斜視図。 本発明に係る広帯域アンテナエレメントを採用したアンテナの例を示す斜視図。 図３（ａ）は、Ｗｉ−Ｍａｘ帯域での周波数特性（ＶＳＷＲ特性）を示す図（グラフ）、図３（ｂ）は、無線ＬＡＮ帯域での周波数特性（ＶＳＷＲ特性）を示す図（グラフ）。 本発明に係る広帯域アンテナエレメントの他の態様を示す斜視図。 本発明に係る広帯域アンテナエレメントのさらに他の態様を示す斜視図。

符号の説明

１ 細幅状放射電極エレメント本体
１ａ 矩形状部
１ｂ 延出部
２ 短絡部
３ グランド板
４ 両端が開放された直線状のスリット
５ 給電用同軸ケーブル
５ａ 高周波同軸ケーブルの内部導体
５ｂ 高周波同軸ケーブルの外部導体
Ｐ１
給電点
Ｐ２ アースポイント

Claims (4)

1. 同一平面上で、細幅状放射電極エレメント本体の一方の端部が短絡部によりグランド板と電気的に接続され且つ、以下のａ〜ｃの要件を具備することを特徴とする広帯域アンテナエレメント。
   ａ．該細幅状放射電極エレメント本体の他方の端部内側面には該グランド板に対向する矩形状部が付設され、これにより、該矩形状部と該グランド板との間に両端が開放されたスリットが形成されていること；
   ｂ．該細幅状放射電極エレメント本体の外側面に、帯域補正のための延出部が付設されていること；および
   ｃ．該スリットの長手方向に面した矩形状部縁部のほぼ中心に単一の給電点が設けられていること。
2. 該延出部が、該エレメント部の外側面で該矩形状部に対峙する箇所に付設されている請求項１に記載の広帯域アンテナエレメント。
3. 該延出部が折り曲げられて立体且つ小型化された請求項１または２に記載の広帯域アンテナエレメント。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の広帯域アンテナエレメントの給電点に高周波同軸ケーブルの内部導体が接続され他方、該給電点と対峙するグランド板縁部に該高周波同軸ケーブルの外部導体が接続されていることを特徴とする広帯域アンテナ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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