JP2010130100A - Multiband antenna apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はマルチバンドアンテナ装置に係り、より詳細には、電気特性の調整が容易で、搭載体積が小さく、高い電気性能を実現できる端末用内蔵マルチバンドアンテナ装置に関する。 The present invention relates to a multiband antenna device, and more particularly to a built-in multiband antenna device for a terminal that can easily adjust electrical characteristics, has a small mounting volume, and can realize high electrical performance.
近年、システムの多機能化や国際ローミングの必要性の増加に伴って、移動体端末機は表1に示すような複数のセルラシステムやその他の無線システム(GPS、Bluetooth(登録商標)、RFID等)に対応することが必要になってきている。 In recent years, with the increase in the number of functions and the need for international roaming, mobile terminals have a plurality of cellular systems as shown in Table 1 and other wireless systems (GPS, Bluetooth (registered trademark), RFID, etc.) ) Is becoming necessary.
このような状況に鑑み、複数のシステムに対応可能なアンテナ装置の開発が進められている。こうしたアンテナ装置は、次の2種に大別される。 In view of such a situation, development of an antenna device that can be applied to a plurality of systems is underway. Such antenna devices are roughly classified into the following two types.
第1のタイプは、複数のアンテナ素子を分岐させたり、容量結合させたり、地板へ短絡させたりして、マルチ共振モードが発生するよう工夫されたアンテナである。このタイプのアンテナの一例として、特許文献1に記載の複数周波数帯用アンテナが挙げられる。特許文献1に記載のアンテナは、第1および第2のアンテナエレメントを同じ給電点に接続して構成されており、相互干渉を生じずに各々が独立して異なる周波数帯で動作するものである。
The first type is an antenna devised to generate a multi-resonance mode by branching, capacitively coupling, or short-circuiting a plurality of antenna elements. As an example of this type of antenna, there is a multi-frequency band antenna described in
第2のタイプは、給電部分付近でスイッチを用いた制御回路を設計したり、給電部の回路やアンテナエレメント中間にバリキャップダイオードやPINダイオードなどのアクティブ素子を付随させることにより、端末側からの電圧制御によって共振周波数を可変させ、広帯域な性能を得ることのできるチューナブルアンテナである。このタイプのアンテナとして、例えば特許文献2に記載のアンテナ装置や特許文献3に記載のアンテナ構造がある。これらはいずれも回路素子を使用することによりマルチバンドを実現している。
前述した従来の2つのタイプのマルチバンドアンテナ装置によれば、端末機を複数のシステムに対応させることが可能である。しかしながら、第1のタイプ、すなわち複数のアンテナ素子から形成されるアンテナ装置は、一定の設置空間を必要とするものであり、携帯利便性やデザインの点から、小型化傾向にある端末機の内部に設置することが往々にして困難である。 According to the above-described conventional two types of multiband antenna devices, it is possible to make a terminal compatible with a plurality of systems. However, the antenna device formed of the first type, that is, a plurality of antenna elements, requires a certain installation space. From the viewpoint of portability and design, the interior of a terminal that tends to be miniaturized. It is often difficult to install.
また、回路側からの電圧制御により共振周波数を可変させて広帯域化を実現する第2のタイプのアンテナについても、挿入損失の発生により低効率になるという問題がある。このタイプのアンテナの場合、さらに、多くの共振周波数を可変させるためにアンテナと制御回路の設計難易度が高くなってしまう上、多くの回路素子を必要とするため部品数が増加し、ひいては製造工程およびコストの増大を招く。
このような事情から、電気特性の調整が容易で、しかも搭載体積が小さく、高い性能を実現することのできる端末用内蔵マルチバンドアンテナ装置が求められている。
In addition, the second type antenna that realizes a wide band by varying the resonance frequency by voltage control from the circuit side also has a problem of low efficiency due to occurrence of insertion loss. In the case of this type of antenna, the design difficulty of the antenna and the control circuit becomes high in order to make many resonance frequencies variable, and the number of parts increases because many circuit elements are required. Increase in process and cost.
Under such circumstances, there is a need for a built-in multiband antenna device for a terminal that can easily adjust electrical characteristics, has a small mounting volume, and can realize high performance.
前述の課題を解決するため本発明が提供するのは、携帯端末機用内蔵マルチバンドアンテナ装置であって、給電点を備えた地板と、地板の端部に隣接して配置されたアンテナ部とを有し、アンテナ部は、誘電体樹脂片と、一端を給電点に接続され他端をヘリカル形状に形成された逆L形状の第1アンテナ素子と、無給電の寄生素子であって一端を短絡され第1アンテナ素子と容量結合された第2アンテナ素子と、磁性体片と、誘電体片とを備え、第1アンテナ素子および第2アンテナ素子は誘電体樹脂片の表面上に形成され、磁性体片は第1アンテナ素子の電流分布が高い箇所に装荷され、誘電体片は第1アンテナ素子の電流分布が低い箇所に装荷される。このような構成を有することにより、本発明のマルチバンドアンテナ装置は、前掲の表1に記載された周波数帯域に対応し広帯域な電気性能を実現することができる。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a built-in multiband antenna device for a portable terminal, which includes a ground plane provided with a feeding point, and an antenna portion disposed adjacent to an end of the ground plane. The antenna unit includes a dielectric resin piece, a first antenna element having an inverted L shape in which one end is connected to a feeding point and the other end is formed in a helical shape, and a parasitic element that is parasitic and has one end A second antenna element that is short-circuited and capacitively coupled to the first antenna element; a magnetic piece; and a dielectric piece; the first antenna element and the second antenna element are formed on the surface of the dielectric resin piece; The magnetic piece is loaded at a location where the current distribution of the first antenna element is high, and the dielectric piece is loaded at a location where the current distribution of the first antenna element is low. By having such a configuration, the multiband antenna device of the present invention can realize a wide band electrical performance corresponding to the frequency bands described in Table 1 above.
また、本発明のマルチバンドアンテナ装置において、第1アンテナ素子は他端を誘電体片の表面上に巻回してヘリカル形状を形成する。このような構成を有することにより、本発明のマルチバンドアンテナ装置は、小型化と良好な電気性能とを両立させることができる。 In the multiband antenna device of the present invention, the other end of the first antenna element is wound on the surface of the dielectric piece to form a helical shape. By having such a configuration, the multiband antenna device of the present invention can achieve both miniaturization and good electrical performance.
本発明がさらに提供するのは、携帯端末機用内蔵マルチバンドアンテナ装置であって、給電点を備えた地板と、地板の端部に隣接して配置されたアンテナ部とを有し、アンテナ部は、プリント基板片と、第1アンテナ素子と、第1アンテナ素子と容量結合された第2アンテナ素子とを含み、第1アンテナ素子は、一端を給電点に接続されプリント基板片上に形成された第1アンテナラインの他端と、一端を第1誘電体片の表面上に巻回された第1導電ラインの他端とを接合して逆L形状に形成され、第2アンテナ素子は、一端を短絡されプリント基板上に形成された第2アンテナラインの他端と、第2誘電体片の表面上に形成された第2導電ラインの一端とを接合して形成され、第1アンテナラインの給電点の近傍には磁性体片が装荷される。このような構成を有することにより、本発明のマルチバンドアンテナ装置は、製造工程の容易化および製造コストの低減に貢献することができる。 The present invention further provides a built-in multiband antenna device for a portable terminal, comprising: a ground plane provided with a feeding point; and an antenna section arranged adjacent to an end of the ground plane, Includes a printed circuit board piece, a first antenna element, and a second antenna element capacitively coupled to the first antenna element. The first antenna element is formed on the printed circuit board piece with one end connected to a feeding point. The other end of the first antenna line and one end of the first conductive line wound on the surface of the first dielectric piece are joined to each other to form an inverted L shape. Is formed by joining the other end of the second antenna line formed on the printed circuit board and the one end of the second conductive line formed on the surface of the second dielectric piece. Magnetic piece is loaded near the feeding pointBy having such a configuration, the multiband antenna device of the present invention can contribute to facilitating the manufacturing process and reducing the manufacturing cost.
本発明によれば、少数のアンテナ素子で回路素子を用いることなく小型のマルチバンドアンテナ装置を実現することができる。このマルチバンドアンテナ装置は、GSM850/900、DCS/PCSおよびUMTSのすべてのセルラ周波数帯域を確保することができ、VSWRと放射効率がともに広帯域で高性能である。したがって、複数のシステムに対応可能な小型の携帯端末機の実現に寄与することができる。 According to the present invention, a small multiband antenna device can be realized without using circuit elements with a small number of antenna elements. This multiband antenna device can secure all cellular frequency bands of GSM850 / 900, DCS / PCS and UMTS, and both VSWR and radiation efficiency are wideband and high performance. Therefore, it is possible to contribute to the realization of a small portable terminal that can support a plurality of systems.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
図1に示すのは、本発明によるマルチバンドアンテナ装置の第一の実施形態である。図1(a)はアンテナ装置110の表側を、(b)はアンテナ装置110の裏側を表している。図示するように、アンテナ装置110は、逆L形状の第1アンテナ素子210と、第2アンテナ素子220と、誘電体樹脂片60と、磁性体片40と、誘電体片50とを有するアンテナ部と、地板30とを備えて構成されており、アンテナ部は地板30の相対的に短い端部の一方に隣接して配置される。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a first embodiment of a multiband antenna device according to the present invention. 1A shows the front side of the
図2および3には、アンテナ部のみを拡大して示す。第1アンテナ素子210の一端は給電点に接続され、他端はヘリカル形状に形成される。一方、第2アンテナ素子220の一端は短絡される。第2アンテナ素子220は無給電の寄生素子(パラサイトエレメント)であり、図2に示すL1およびL2の箇所で第1アンテナ素子210と第2アンテナ素子220とが互いに容量結合される。
2 and 3 show only the antenna portion in an enlarged manner. One end of the
アンテナ部の全体としての大きさは、図2の符号L×W×Hが例えば10mm×45mm×2mm(0.9cc)である。また、地板30は例えば100mm×45mmの大きさを有するものとする。磁性体片40としてはフェライトを、誘電体片50としてはセラミックを用いることができる。誘電体樹脂片60には、ABS(アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン)を使用することができる。
As for the overall size of the antenna unit, the symbol L × W × H in FIG. 2 is, for example, 10 mm × 45 mm × 2 mm (0.9 cc). Moreover, the
第1アンテナ素子210の先端部分は、誘電体片50の表面上に巻回されてヘリカル形状を形成する。ヘリカル形状の巻きの間隔および巻き数は、0.8GHzの共振周波数に関与し任意に設計する。また、給電点近傍の第1アンテナ素子210の根元部分には、磁性体片40が装荷される。
The tip portion of the
このアンテナ装置110において、フェライト片40としては、大きさが5mm×6mm×2mm(0.06cc)、材料特性がεr=13 tanδ=0.01、μr=3 tanδ=0.05のものを使用している。また、セラミック片50としては、大きさが10mm×5mm×2mm(0.1cc)、材料特性がεr=60 tanδ=0.06のものを使用している。しかしながら、これらの材料特性や寸法は、作製されるアンテナの使用周波数や帯域に合わせて任意に設計することができる。
In this
このマルチバンドアンテナ装置110の開発にあたり、発明者はまず、磁性体片と誘電体片とを効果的に装荷したシングルバンドアンテナ装置の開発を行った。図4(a)および(b)に示すのはこのシングルバンドアンテナ装置10である。アンテナ装置10は、アンテナ素子20と、磁性体片40と、誘電体片50とを有するアンテナ部を地板30の相対的に短い端部の一方に隣接して配置することにより構成されている。図4(b)のアンテナ部拡大図に示すように、アンテナ素子20の給電点近傍の根元部分には磁性体片40が装荷され、先端部分は誘電体片50に巻回されてヘリカル形状を形成する。
In developing the
このアンテナ部における電流分布を表すのが図5であり、濃い部分は電流分布が低いことを、薄い部分は電流分布が高いことを示している。アンテナ素子20の先端部分では電流分布が低く、根元部分では電流分布が高いことが確認できる。磁性体および誘電体の波長短縮効果を考慮すると、電流分布が低い箇所では誘電体の装荷が有効であり、電流分布が高い箇所では磁性体の装荷が有効であることから、磁性体片40および誘電体片50は、それぞれアンテナ素子の根元部分および先端部分に装荷される。
FIG. 5 shows the current distribution in the antenna portion. The dark portion indicates that the current distribution is low, and the thin portion indicates that the current distribution is high. It can be confirmed that the current distribution is low at the tip portion of the
図6は、このシングルバンドのアンテナ装置10で得られたVSWR性能を、逆Lアンテナおよび逆FアンテナのVSWR性能とあわせて示したものである。図6によれば、アンテナ装置10では逆Lアンテナと比較してVSWR値が3程度改善していることがわかる。また、VSWR値が3よりも小さくなる周波数比帯域幅についても、逆Fアンテナと比較して15%程度の改善が見られる。
FIG. 6 shows the VSWR performance obtained with the single-
本発明のマルチバンドアンテナ装置110は、このようなシングルバンドアンテナ装置10を踏まえて開発されたものである。すなわち、シングルバンドアンテナ装置10の場合に準じて適切な位置に磁性体片40および誘電体片50を装荷し、効率のよい設計とすることで、アンテナ装置の小型化によるQ値の上昇や低インピーダンス化を防ぐとともに、素子間や地板30との間での容量性結合の増加を防ぐことができる。
The
ここで、図7(a)に示すのはマルチバンドアンテナ装置110のVSWR特性であるが、シングルバンドのアンテナ装置10の0.8GHz帯におけるVSWR特性を維持したまま、新たに2GHz帯の共振特性を得られている。2GHz帯については、無給電素子である第2アンテナ素子220を第1アンテナ素子210に近接させて配置し、容量性結合させることによって共振特性を得ている。図示するように、アンテナ装置110では、GSM850/900で使用する0.824〜0.96GHzの周波数帯域と、DCS/PCSおよびUMTSで使用する1.71〜2.17GHzの周波数帯域とにおいて、3よりも小さいVSWRを満足することができる。
Here, FIG. 7A shows the VSWR characteristics of the
図7(b)には、アンテナ装置110の放射効率を、標準ダイポールアンテナの放射効率を100として相対比で示す。図示するように、0.8GHz帯では6ポイント、2GHz帯では10ポイントを等間隔で測定した結果、測定した全帯域で45%以上の値が得られた。これは、体積が非常に小さな端末内蔵用の小型アンテナであることを考慮すると、良好な性能であるといえる。
FIG. 7B shows the radiation efficiency of the
次に、本発明によるマルチバンドアンテナ装置の第二の実施形態を説明する。
前述したように、第一の実施形態のアンテナ装置110では良好な性能が得られており、携帯端末機用内蔵アンテナ装置として好適に使用することができる。しかしながら、アンテナ装置110は、ABS樹脂、フェライト材およびセラミック材を使用した材料複合型のアンテナであり、製品化に際しては製造方法や製造コストの面で課題が残る。
第二の実施形態によるマルチバンドアンテナ装置は、この課題を解決可能とするものであり、図8に示すような構造を有する。図8(a)にはマルチバンドアンテナ装置120の全体図を、(b)および(c)にはアンテナ部の拡大図を示す。
Next, a second embodiment of the multiband antenna device according to the present invention will be described.
As described above, the
The multiband antenna device according to the second embodiment can solve this problem and has a structure as shown in FIG. FIG. 8A is an overall view of the
アンテナ装置120においては、地板30の相対的に短い端部の一方に隣接して、プリント基板(PWB)材であるFR−4材(ガラスエポキシ基板)の切片が配置される。このFR−4材の材料表面には、第1アンテナライン210aおよび第2アンテナライン220aが銅箔パターンで形成される。また、セラミック材片50の表面上にはヘリカル形状の第1導電ライン210bが形成され、別のセラミック材片70の表面上には第2導電ライン220bが形成される。
In
地板30は例えば100mm×50mmの大きさを有し、FR−4材に前述の各部品を表面実装して構成されるアンテナ部の実装サイズは、例えば10mm×5mm×2mmとする(FR−4材部分の体積を加味しない)。また、セラミック片50は例えば大きさが5mm×13mm×2mm(0.13cc)、材料定数がεr=60 tanδ=0.06であり、セラミック片70は例えば大きさが1.5mm×16mm×2mm(0.05cc)、材料定数がεr=60 tanδ=0.06であり、フェライト片40は例えば大きさが5mm×5mm×1mm(0.025cc)、材料定数がεr=13 tanδ=0.01、μr=60 tanδ=0.05である。
The
セラミック片50および70は、第1導電ライン210bおよび第2導電ライン220bがそれぞれ第1アンテナライン210aおよび第2アンテナライン210bへ導通可能となるよう、FR−4材60に表面実装される。そして、第1アンテナライン210aの給電付近にはフェライト片40が実装される。各部品の実装位置は、図8(b)において破線で囲んだ部分である。
The
FR−4材60にセラミック片50を実装すると、第1アンテナライン210aおよび第1導電ライン210bにより、アンテナ装置110の第1アンテナ素子210に対応するアンテナ素子が形成される。また、セラミック片70を実装すると、第2アンテナライン220aおよび第2導電ライン220bにより、アンテナ装置110の第2アンテナ素子220に対応するアンテナ素子が形成される。第2アンテナライン220aおよび第2導電ライン220bからなるアンテナ素子は、アンテナ装置110の場合と同様に無給電素子であり、第1アンテナライン210aおよび第1導電ライン210bからなるアンテナ素子と容量性結合される。
When the
このように、導電ラインを表面に形成したセラミック部品50および70やフェライト部品40をチップ化し、マウント技術を用いてFR−4材に表面実装することができるので、第二の実施形態のマルチバンドアンテナ装置120は生産性が良く、コストの面においても大きなメリットをもたらすことができる。
As described above, the
図9(a)に示すのはマルチバンドアンテナ装置120のVSWR特性、(b)に示すのは相対放射効率(標準ダイポールアンテナを100とする)である。図示するように、第一の実施形態によるアンテナ装置110と同様、アンテナ装置120においてもGSM850/900で使用する0.824〜0.96GHzの周波数帯域と、DCS/PCSおよびUMTSで使用する1.71〜2.17GHzの周波数帯域とにおいて、3よりも小さいVSWRを満足している。また、放射効率については、0.8GHz帯では50%以上、2GHz帯では40%以上を実現しており、小型アンテナとして良好な性能を提供できる。
FIG. 9A shows the VSWR characteristics of the
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、端末機内蔵アンテナの特性は地板の大きさや携帯端末内部の部品配置などの諸条件により変化するものであり、材料定数は任意に変更し設計することが可能である。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the characteristics of the terminal built-in antenna change depending on various conditions such as the size of the ground plane and the arrangement of components inside the portable terminal, and the material constant is arbitrarily changed and designed. Is possible.
今後、携帯端末機器はグローバル端末化が求められ、GSM/DCS/PCS/UMTS(IMT2000)のセルラ周波数帯域で性能を満足するマルチバンドが要求される。また、RF−ID、GPS、Bluetooth(登録商標)、TV−FM受信用等も含め、複数の無線システムが増加し多機能化する傾向にある。本発明によるアンテナ装置を用いることによって、1つのアンテナ装置で複数のセルラ周波数帯域を満足する小型アンテナを実現することができる。 In the future, mobile terminal devices will be required to be global terminals, and a multiband satisfying performance in the cellular frequency band of GSM / DCS / PCS / UMTS (IMT2000) will be required. In addition, a plurality of wireless systems, including those for RF-ID, GPS, Bluetooth (registered trademark), TV-FM reception, etc., tend to increase and become multifunctional. By using the antenna device according to the present invention, a small antenna satisfying a plurality of cellular frequency bands can be realized with one antenna device.
110 アンテナ装置
210 第1アンテナ素子
220 第2アンテナ素子
30 地板
40 磁性体片
50 誘電体片
60 誘電体樹脂片
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記アンテナ部は、
誘電体樹脂片と、
一端を前記給電点に接続され他端をヘリカル形状に形成された逆L形状の第1アンテナ素子と、
無給電の寄生素子であって、一端を短絡され前記第1アンテナ素子と容量結合された第2アンテナ素子と、
磁性体片と、
誘電体片と、を備え、
前記第1アンテナ素子および前記第2アンテナ素子は前記誘電体樹脂片の表面上に形成され、
前記磁性体片は前記第1アンテナ素子の電流分布が高い箇所に装荷され、
前記誘電体片は前記第1アンテナ素子の電流分布が低い箇所に装荷されることを特徴とする携帯端末機用内蔵マルチバンドアンテナ装置。 A ground plane provided with a feeding point, and an antenna portion disposed adjacent to an end of the ground plane,
The antenna unit is
A dielectric resin piece;
An inverted L-shaped first antenna element having one end connected to the feeding point and the other end formed in a helical shape;
A parasitic element that is parasitic, and is short-circuited at one end and capacitively coupled to the first antenna element;
A magnetic piece,
A dielectric piece;
The first antenna element and the second antenna element are formed on a surface of the dielectric resin piece,
The magnetic piece is loaded at a location where the current distribution of the first antenna element is high,
The built-in multiband antenna device for a portable terminal, wherein the dielectric piece is loaded at a location where the current distribution of the first antenna element is low.
前記第1アンテナ素子は前記他端を前記誘電体片の表面上に巻回して前記ヘリカル形状を形成することを特徴とするマルチバンドアンテナ装置。 The multiband antenna device according to claim 1,
The multi-band antenna device according to claim 1, wherein the first antenna element has the other end wound on the surface of the dielectric piece to form the helical shape.
前記アンテナ部は、プリント基板片と、第1アンテナ素子と、前記第1アンテナ素子と容量結合された第2アンテナ素子とを含み、
前記第1アンテナ素子は、一端を前記給電点に接続され前記プリント基板片上に形成された第1アンテナラインの他端と、一端を第1誘電体片の表面上に巻回された第1導電ラインの他端とを接合して逆L形状に形成され、
前記第2アンテナ素子は、一端を短絡され前記プリント基板片上に形成された第2アンテナラインの他端と、第2誘電体片の表面上に形成された第2導電ラインの一端とを接合して形成され、
前記第1アンテナラインの前記給電点の近傍には磁性体片が装荷されることを特徴とする携帯端末機用内蔵マルチバンドアンテナ装置。 A ground plane provided with a feeding point, and an antenna portion disposed adjacent to an end of the ground plane,
The antenna unit includes a printed board piece, a first antenna element, and a second antenna element capacitively coupled to the first antenna element,
The first antenna element has one end connected to the feed point and the other end of the first antenna line formed on the printed board piece, and the first conductive element having one end wound on the surface of the first dielectric piece. Joined to the other end of the line, formed in an inverted L shape,
The second antenna element has one end short-circuited to join the other end of the second antenna line formed on the printed board piece and one end of the second conductive line formed on the surface of the second dielectric piece. Formed,
A built-in multiband antenna device for a portable terminal, wherein a magnetic piece is loaded in the vicinity of the feeding point of the first antenna line.
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