JP2009272988A

JP2009272988A - アンテナ

Info

Publication number: JP2009272988A
Application number: JP2008123153A
Authority: JP
Inventors: David Delaune; ダビッドドゥローン; Yasushi Kan; 寧官
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2028-05-09
Also published as: JP5008602B2

Abstract

【課題】本発明は、多周波化及び小型化を可能とするアンテナの提供を目的とする。
【解決手段】上記目的を達成するため、本発明は、アンテナの放射導体を２つのアームで構成し、これらから発生する２共振を利用することで多周波化及び小型化を図っている。具体的には、本発明に係るアンテナは、グランド板４と、グランド板４の外縁に接続され、高周波電力が給電される給電アーム５と、グランド板４と給電アーム５を接続する短絡部３と、グランド板４と同一面上で折り曲げられてアーム状に形成され、給電アーム５からの給電をアームの一端から受ける第１の放射素子１と、給電アーム５に対して第１の放射素子１の一端と対向する側に設けられ、グランド板４と同一面上で折り曲げられてアーム状に形成され、給電アーム５からの給電をアームの一端から受ける第２の放射素子２と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、多周波小型アンテナに係り、特に、折り曲げ構造を利用した平面モノポール対アンテナに関する。

種々の方式の携帯端末用アンテナが提案されている。従来、平面逆Ｆアンテナ（例えば、非特許文献１及び２参照。）、ループアンテナ（例えば、非特許文献３参照。）、パッチアンテナ（例えば、非特許文献４参照。）、モノポールアンテナとパッチアンテナを組み合わせたアンテナ（例えば、非特許文献５参照。）及び短絡したモノポールアンテナが採用されている。

移動端末システムが使用する周波数帯は、一般に複数の周波数帯とされている。例えば、日本におけるＰＤＣ（ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＣｅｌｌｕｌａｒ）方式では、８１０ＭＨｚ以上９５６ＭＨｚ以下の８００ＭＨｚ帯と、１４２９ＭＨｚ以上１５０１ＭＨｚ以下の１．４ＧＨｚ帯を使用している。また、米国におけるディジタルセルラーシステムでは、ＡＭＰＳ（ＡｄｖａｎｃｅｄＭｏｂｉｌｅＰｈｏｎｅＳｅｒｖｉｃｅ）として８２４ＭＨｚ以上８９４ＭＨｚ以下の９００ＭＨｚ帯が、ＰＣＳ（ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｅｒｖｉｃｅｓ）方式として１８５０ＭＨｚ以上１９９０ＭＨｚの１．８ＧＨｚ帯が少なくとも使用されている。その他、ＵＭＴＳ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＭｏｂｉｌｅＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＳｙｓｔｅｍ）方式として１９２０ＭＨｚ以上２１７０ＭＨｚ以下の２．０ＧＨｚ帯が、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ方式として２４００ＭＨｚ以上２５００ＭＨｚ以下の２．４ＧＨｚ帯が使用されている。このように、加入者の増加に伴う利用周波数の不足によって、複数の周波数帯域を使用せざるを得ない状況にある。
Ｋ．−Ｌ．Ｗｏｎｇ，Ｊ．−Ｈ．Ｃｈｏｕ，Ｓ．−Ｗ．Ｓｕ，ａｎｄＣ．−Ｍ．Ｓｕ，‘‘ＩｓｏｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＧＳＭ／ＤＣＳａｎｄＷＬＡＮａｎｔｅｎｎａｓｉｎａＰＤＡｐｈｏｎｅ，’’ＭｉｃｒｏｗａｖｅａｎｄＯｐｔｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．４５，ｎｏ．４，ｐｐ．３４７−３５２，Ｍａｙ２００５Ｋ．−Ｌ．Ｗｏｎｇ，Ｊ．−Ｈ．Ｃｈｏｕ，Ｃ．−Ｌ．Ｔａｎｇ，ａｎｄＳ．−Ｈ．Ｙｅｈ，‘‘ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄｉｎｔｅｒｎａｌＧＳＭ／ＤＣＳａｎｄＷＬＡＮａｎｎｔｅｎａｓｗｉｔｈｏｐｔｉｍｉｚｅｄｉｓｏｌａｔｉｏｎｆｏｒａＰＤＡｐｈｏｎｅ，’’ＭｉｃｒｏｗａｖｅａｎｄＯｐｔｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．４６，ｎｏ．４，ｐｐ．３２３−３２６，Ａｕｇ．２００５Ｃ．−Ｈ．Ｈａｏ，Ｋ．−Ｌ．Ｗｏｎｇ，ａｎｄＦ．−Ｓ．Ｃｈａｎｇ，‘‘ＩｎｔｅｒｎａｌＧＳＭ／ＤＣＳｄｕａｌ−ｂａｎｄｏｐｅｎ−ｌｏｏｐａｎｔｅｎｎａｆｏｒｌａｐｔｏｐａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，’’ＭｉｃｒｏｗａｖｅａｎｄＯｐｔｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．４９，ｎｏ．３，ｐｐ．６８０−６８４，Ｍａｒ．２００７Ｋ．−Ｌ．Ｗｏｎｇ，Ｙ．−Ｌ．Ｌｉｎ，ａｎｄＢ．Ｃｈｅｎ，‘‘Ｉｎｔｅｒｎａｌｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａｗｉｔｈａｔｈｉｎａｉｒ−ｌａｙｅｒｓｕｂｓｔｒａｔｅｆｏｒＧＳＭ／ＤＣＳｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｎａＰＤＡｐｈｏｎｅ，’’ＩＥＥＥＴｒａｎａｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＡｎｔｅｎｎａｓＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ｖｏｌ．５５，ｎｏ．４，ｐｐ．１１６５−１１７２，Ａｐｒ．２００７Ｇ．−Ｙ．Ｃｈｅｎ，Ｊ．−Ｓ．Ｓｕｎ，Ｋ．−Ｌ．Ｗｕ，Ｃ．−Ｈ．Ｌｉｎ，Ｋ．−Ｋ．Ｔｉｏｎｇ，Ｙ．−Ｄ．Ｃｈｅｎ，‘‘ＣｅｌｌｕｌａｒａｎｔｅｎａｄｅｓｉｇｎｆｏｒＰＤＡｐｈｏｎｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，’’ｉｎＰｒｏｃ．ＩＥＥＥＡｎｔｔｅｎａｓＰｒｏｐａｇ．Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．，Ｈａｗａｉｉ，ＵＳＡ，２００７，ｐｐ．２６３４−２６３７

複数の周波数帯域を受信又は送信する近距離無線データ通信システム搭載ＰＤＡなどの携帯端末においては、アンテナの多周波化とともに小型化の要求がますます強くなっている。しかし、従来のアンテナでは、携帯端末筐体内部の体積を奪い、携帯端末の小型化にそぐわない。このため、上記の複数の周波数帯域に対応しきれていない問題があった。

このような要求を満たすアンテナとして４分の１波長アンテナが有力である。しかし、逆Ｆ平面アンテナを使う場合、アンテナをサポートするための基板の重量やサイズ、グランドに対する位置、また価格の上昇が普及へ向けての問題となる。

また、ループアンテナ、パッチアンテナ、モノポールアンテナ及びモノポールアンテナとパッチアンテナの組み合わせのいずれを利用する場合も、アンテナのサイズが大きく、携帯端末に内蔵することは困難であった。

そこで、本発明は、多周波化及び小型化を可能とするアンテナの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、モノポール対アンテナの放射導体を２つのアームで構成し、これらから発生する２共振を利用することで多周波化及び小型化を図っている。

具体的には、本発明に係るアンテナは、グランド板と、前記グランド板の外縁に接続され、高周波電力が給電される給電アームと、前記グランド板と前記給電アームを接続する短絡部と、前記グランド板と同一面上で折り曲げられてアーム状に形成され、前記給電アームからの給電をアームの一端から受ける第１の放射素子と、前記給電アームに対して前記第１の放射素子の一端と対向する側に、前記グランド板と同一面上で折り曲げられてアーム状に形成され、前記給電アームからの給電をアームの一端から受ける第２の放射素子と、を備えることを特徴とする。

第１の放射素子及び第２の放射素子を備えるので、２共振を発生させることができる。これにより、低周波側の高次モードと高周波側の基本モードの間隔を調整するとともに高周波側の帯域幅を広げ、多周波化に対応することができる。また、第１の放射素子及び第２の放射素子が平面アンテナを形成しているので、携帯端末への内蔵が容易になる。さらに、短絡部を設けているので、アンテナの高さを低くすることができる。

本発明に係るアンテナでは、前記第２の放射素子の他端は、前記グランド板との近接地点で折り曲げられ、当該折り曲げられた先端が前記グランド板の外縁と略平行に配置されていることが好ましい。
第２の放射素子とグランド板が近接していることで、第２の放射素子に流れる電流を強めることができ、高周波側の周波数とともに整合を調整することができる。

本発明に係るアンテナでは、前記第２の放射素子の基本共振周波数が、前記第１の放射素子の３倍共振周波数と略同一であることが好ましい。
本発明により、第１の放射素子の３倍共振周波数を低周波側に移動させることができる。

本発明に係るアンテナでは、前記給電アームの両端は、それぞれ、前記グランド板及び前記第２の放射素子と接続され、前記第１の放射素子は、前記第２の放射素子よりも前記グランド板側に近い位置で前記給電アームと接続されていることが好ましい。
給電アームの先端に第２の放射素子が接続されていることで、アンテナを小さくすることができる。

本発明に係るアンテナでは、前記給電アームが前記短絡部と接続されている前記グランド板からの距離は、前記給電アームが前記第１の放射素子及び前記第２の放射素子と接続されている前記グランド板からの距離よりも短いことが好ましい。
短絡部の接続位置を変更することで、入力インピーダンスを調整することができる。

本発明によれば、多周波化及び小型化を可能とするアンテナを提供することができる。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
図１は、本実施形態に係るアンテナの概略構成図である。本実施形態に係るアンテナは、第１の放射素子１と、第２の放射素子２と、短絡部３と、平板状のグランド板４と、給電アーム５と、を備える。

グランド板４、第１の放射素子１及び第２の放射素子２は同一平面上に配置されており、アンテナ全体が平面構造を有している。アンテナを構成する材料は、コストが安いフレキシブルプリント基板７（ＦＰＣ）が好ましい。この場合、フレキシブルプリント基板７上にアンテナが形成される。フレキシブルプリント基板７にてアンテナを構成することで、アンテナが曲げやすく、簡単に携帯端末に搭載することができる。

給電アーム５は、グランド板４の外縁に接続され、高周波電力が給電点６から給電される。給電点６が、給電アーム５を通して第１の放射素子１及び第２の放射素子２を励起する。給電アーム５は、第１の放射素子１及び第２の放射素子２と接続され、第１の放射素子１及び第２の放射素子２に給電する。また、短絡部３は、グランド板４及び給電アーム５と接触し、グランド板４と給電アーム５を接続している。

ここで、給電アーム５が短絡部３と接続されているグランド板４からの距離は、給電アーム５が第１の放射素子１及び第２の放射素子２と接続されているグランド板４からの距離と異なることが好ましい。一般的な折り曲げたアンテナの場合放射抵抗の減衰及びアンテナのインピーダンスのリアクタンス成分の増加のため、整合をとることが困難である。そこで、放射抵抗の増加及びリアクタンス成分をキャンセルするために、給電点６の近くに短絡部３を接続する。例えば、給電アーム５上であり、かつ、アーム１ａ及びアーム２ａよりも給電点６寄りの位置にアーム３ｂを接続する。短絡部３は、アンテナの長さが波長の１／４程度であれば、給電点６のところに誘導の成分を与えて、誘導の成分が給電点６での容量成分を相殺する。このため、アンテナの高さを低くすることができる。

また、給電アーム５の両端は、それぞれ、給電点６及び第２の放射素子２と接続されていることが好ましい。例えば、給電アーム５の端部に第２の放射素子２が接続され、給電アーム５の給電点６から第２の放射素子２との接続点までの間に第１の放射素子１が接続される。また、給電アーム５に第１の放射素子１が接続され、第２の放射素子２は、第１の放射素子１に接続される。このような配置とすることで、後述する図３における第２の放射素子２のアーム２ｂを短くすることができる。

第２の放射素子２の基本共振周波数は、第１の放射素子１の３倍共振周波数と略同一である。第２の放射素子２と第１の放射素子１を組み合わせることで、第１の放射素子１の３倍共振周波数を低周波側に移動させることができる。また、高周波側の周波数帯域を広げることができる。第１の放射素子１は、アーム状であり、給電アーム５からの給電を一端から受ける。第２の放射素子２は、アーム状であり、給電アーム５からの給電をアームの一端から受ける。

第１の放射素子１は、折り曲げられ、３つのアーム１ａ、１ｂ、１ｃで構成されている。アーム１ａ、１ｂ、１ｃは、第１の放射素子１の一端から、アーム１ａ、１ｂ、１ｃの順に配置されている。第２の放射素子２は、折り曲げられ、４つのアーム２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄで構成されている。第１の放射素子１及び第２の放射素子２が折り曲げられていることで、高周波側の周波数帯との間隔を調整することができる。４つのアーム２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、第２の放射素子２の一端から、アーム２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの順に配置されている。

アーム１ａとアーム２ｂは、給電アーム５に対して逆方向に設けられている。アーム１ａとアーム１ｃは、対向するように折り曲げられている。アーム１ｃの一部は、アーム２ｂと平行に伸びている。アーム２ａとアーム２ｃは、対向するように折り曲げられている。アーム２ｂとアーム２ｄは、対向するように折り曲げられている。アーム２ｄは、グランド板４の外縁に沿って伸びるように曲げられている。

２つの第１の放射素子１及び第２の放射素子２を利用することで、２共振を発生することが可能である。第１の放射素子１を用いて、低周波側の基本モードと高次モードを制御し、第２の放射素子２を利用することで高周波側の基本モードを調整することができる。また、第１の放射素子１及び第２の放射素子２の折り曲げた部分の位置で、それぞれの基本モードと高次モードの間隔を調整することができ、共振周波数の間隔を制御することが可能である。２つのアームを利用することで、低周波側の高次モードと高周波側の基本モードを足すことが可能であり、高周波側の帯域幅を広げることができる。

第２の放射素子２の他端のアーム２ｄは、グランド板４との近接地点で折り曲げられ、当該折り曲げられた先端がグランド板４の外縁と略平行に配置されている。このように、第２の放射素子２の他端のアーム２ｄは、グランド板４との近接地点に配置されることが好ましい。アーム２ｄの長さ（図３に示す符号Ｌ_２ｄ）が長ければ長いほど、グランド板４との結合のため抵抗が上がり、容量特性が強く出る。例えば、抵抗が２００Ω程度まで上がり、容量特性が７０Ω程度となる。このとき、アンテナインピーダンスが５０Ωまでになるようアーム２ｄの長さＬ_２ｄを調整する。第２の放射素子２の場合、突出したアーム２ｄを設けることで、第２の放射素子２に流れる電流を強めることができ、高周波側の周波数の調整とともに整合を調整することができる。

短絡部３は、折り曲げられ、２つのアーム３ａ、３ｂで構成されている。２つのアーム３ａ、３ｂは、短絡部３の一端から、アーム３ａ、３ｂの順に配置されている。アーム３ａがグランド板４と接続され、アーム３ｂが給電アーム５と接続されている。アーム３ａは、アーム２ｃと平行に伸びている。アーム３ｂは、アーム２ｂと対向している。アーム３ｂのグランド板４からの距離を調整することで、インピーダンスを調整することができる。例えば、アーム３ａの長さ（図３に示す符号Ｌ_３ａ）を短くすれば、インピーダンスを下げることができる。

実施形態に係るアンテナの評価を行った。図２は、本実施例に係るアンテナの形状及び設計パラメータを示す鳥瞰図である。図３は、本実施例に係るアンテナの形状及び設計パラメータを示す上面図である。図４は、設計パラメータの詳細値を示す。図５は、実施例に係るアンテナの電圧定在波比特性を示す。第１の放射素子と第２の放射素子の共振によって、第１の放射素子の３倍共振周波数が低周波側にシフトし、破線で表している目的としている周波数帯のＧＳＭ、ＤＣＳ、ＰＣＳ帯に２共振が発生していることがわかる。また、ＶＳＷＲ（ＶｏｌｔａｇｅＳｔａｎｄｉｎｇＷａｖｅＲａｔｉｏ）＜３．５を基準と仮定すると、９００ＭＨｚ帯（９３０ＭＨｚ中心）とＤＣＳ、ＰＣＳのバンド（ここでは１８３０ＭＨｚ中心）の帯域幅が９６．１ＭＨｚと３０７．２ＭＨｚであった。

詳細には、ＶＳＷＲ＜２．５を基準とすると、帯域幅は、８９７．１ＭＨｚ以上９５７．７ＭＨｚ以下の６０．３ＭＨｚと、１７３７．５ＭＨｚ以上１９３０．０ＭＨｚ以下の１９２．５ＭＨｚとなった。
ＶＳＷＲ＜２．８を基準とすると、帯域幅は、８９０．９ＭＨｚ以上９６３．６ＭＨｚ以下の７２．７ＭＨｚと、１７２１．８ＭＨｚ以上１９５０．０ＭＨｚ以下の２２８．２ＭＨｚとなった。
ＶＳＷＲ＜３．０を基準とすると、帯域幅は、８８７．０ＭＨｚ以上９６７．０ＭＨｚ以下の８０．０ＭＨｚと、１７１２．１ＭＨｚ以上１９６３．３ＭＨｚ以下の２５１．２ＭＨｚとなった。
ＶＳＷＲ＜３．５を基準とすると、帯域幅は、８７８．３ＭＨｚ以上９７４．４ＭＨｚ以下の９６．１ＭＨｚと、１６９０．３ＭＨｚ以上１９９７．２ＭＨｚ以下の３０７．２ＭＨｚとなった。

図６は、実施例に係るアンテナの整合状態を示す。９３０ＭＨｚと１８３０ＭＨｚの抵抗とリアクタンスが、それぞれ、抵抗Ｒ_{ｉｎ９３０ＭＨｚ}＝５２．０４Ω、抵抗Ｒ_{ｉｎ１８３０ＭＨｚ}＝３２．３６Ω、リアクタンスＸ_{ｉｎ９３０ＭＨｚ}＝２９．９５Ω、リアクタンスＸ_{ｉｎ１８３０ＭＨｚ}＝−９．３５Ωであった。

図７は、実施例に係るアンテナのＧＳＭ帯における放射特性であり、（ａ）はｘｙ平面、（ｂ）はｙｚ平面、（ｃ）はｚｘ平面を示す。ｘｙ平面でのピーク利得、最低利得及び平均利得は、それぞれ、中心周波数を９２０ＭＨｚとして、０．５２ｄＢｉ、−０．１８ｄＢｉ、０．１８ｄＢｉであった。
図８は、実施例に係るアンテナのＤＣＳ帯における放射特性であり、（ａ）はｘｙ平面、（ｂ）はｙｚ平面、（ｃ）はｚｘ平面を示す。ｘｙ平面でのピーク利得、最低利得及び平均利得は、それぞれ、中心周波数を１７９５ＭＨｚとして、−０．２４ｄＢｉ、−９．０２ｄＢｉ、−２．８６ｄＢｉであった。
図９は、実施例に係るアンテナのＰＣＳ帯における放射特性であり、（ａ）はｘｙ平面、（ｂ）はｙｚ平面、（ｃ）はｚｘ平面を示す。ｘｙ平面でのピーク利得、最低利得及び平均利得は、それぞれ、中心周波数を１９２０ＭＨｚとして、−２．４８ｄＢｉ、−９．５２ｄＢｉ、−４．６２ｄＢｉであった。
そして、各周波数帯での放射指向性は、図７、図８、図９に示すように、モノポールの近い特性をもつことがわかる。

本発明は、ノートパソコン、ＰＤＡ（ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔ）端末、携帯電話又はＶＩＣＳなどの情報端末機器に内蔵する多周波小型アンテナに利用することができる。

本実施形態に係るアンテナの概略構成図である。本実施例に係るアンテナの形状及び設計パラメータを示す鳥瞰図である。本実施例に係るアンテナの形状及び設計パラメータを示す上面図である。設計パラメータの詳細値を示す。実施例に係るアンテナの電圧定在波比特性を示す。実施例に係るアンテナの整合状態を示す。実施例に係るアンテナのＧＳＭ帯における放射特性であり、（ａ）はｘｙ平面、（ｂ）はｙｚ平面、（ｃ）はｚｘ平面を示す。実施例に係るアンテナのＤＣＳ帯における放射特性であり、（ａ）はｘｙ平面、（ｂ）はｙｚ平面、（ｃ）はｚｘ平面を示す。実施例に係るアンテナのＰＣＳ帯における放射特性であり、（ａ）はｘｙ平面、（ｂ）はｙｚ平面、（ｃ）はｚｘ平面を示す。

符号の説明

１第１の放射素子
１ａ、１ｂ、１ｃアーム
２第２の放射素子
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄアーム
３短絡部
３ａ、３ｂアーム
４グランド板
５給電アーム
６給電点
７フレキシブルプリント基板

Claims

グランド板と、
前記グランド板の外縁に接続され、高周波電力が給電される給電アームと、
前記グランド板と前記給電アームを接続する短絡部と、
前記グランド板と同一面上で折り曲げられてアーム状に形成され、前記給電アームからの給電をアームの一端から受ける第１の放射素子と、
前記給電アームに対して前記第１の放射素子の一端と対向する側に、前記グランド板と同一面上で折り曲げられてアーム状に形成され、前記給電アームからの給電をアームの一端から受ける第２の放射素子と、を備えることを特徴とするアンテナ。
前記第２の放射素子の他端は、前記グランド板との近接地点で折り曲げられ、当該折り曲げられた先端が前記グランド板の外縁と略平行に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
前記第２の放射素子の基本共振周波数が、前記第１の放射素子の３倍共振周波数と略同一であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ。
前記給電アームの両端は、それぞれ、前記グランド板及び前記第２の放射素子と接続され、
前記第１の放射素子は、前記第２の放射素子よりも前記グランド板側に近い位置で前記給電アームと接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアンテナ。
前記給電アームが前記短絡部と接続されている前記グランド板からの距離は、前記給電アームが前記第１の放射素子及び前記第２の放射素子と接続されている前記グランド板からの距離と異なることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のアンテナ。