JP2010154220A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】歪みを発生し難い、小型で安価なアンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ装置１０は、高周波信号源１１と、高周波信号源１１からの高周波信号に共振するアンテナ素子１３と、高周波信号源１１が搭載されるメイン基板１５と、記メイン基板１５とは分離して配置されるサブモジュール用のサブ基板１７と、メイン基板１５とサブ基板１７との間に配置され、高周波信号源１１による高周波信号の供給時にメイン基板１５とサブ基板１７との間のグランドプレーンに流れる高周波電流の流通を許容または遮断するスイッチ１９と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、共振周波数を変更可能なアンテナ装置に関する。

近年、無線機能を搭載した装置、例えば、携帯端末等の多機能化、マルチバンド・マルチモード化が進んでいる。マルチバンド・マルチモード化のために、携帯端末に搭載されるアンテナ装置には、複数の周波数帯域をカバーすることが要求されている。

一方で、多機能化により携帯端末に搭載されるモジュールも増加しており、携帯端末の小型化の要求から、アンテナ装置には、一層の小型化が望まれている。アンテナ装置の大きさと周波数帯域幅、放射効率とは、二律背反の関係にあり、アンテナ装置を単純に小型化すると、必要な周波数帯域幅、放射効率が確保できなくなるという問題がある。この問題を解決するものとして、チューナブルアンテナが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

チューナブルアンテナは、アンテナ素子にスイッチングダイオード、バリキャップダイオードまたは可変コンデンサ、ＲＦ ＭＥＭＳデバイスなどを組み合わせて、アンテナ装置のインピーダンスやアンテナエレメントの長さを変化させることによって、送受信できる共振周波数を変更できる。
特開２００６−６０３８４号公報

携帯電話にチューナブルアンテナを適用する場合、次のような課題がある。

（１）歪みを発生しないこと。ダイオード等の半導体デバイスは、入力電力が大きくなる程入出力特性に歪みが発生する非線形領域がある。携帯端末の通話の際には、例えば、１Ｗという高電力が入力される。この高電力でも、歪みを発生し難いデバイスを選択して適用する必要がある。ＲＦ ＭＥＭＳデバイスは半導体では無いので線形性は確保されるが、一方、大電力に対応するには大型化が必要であり、同時に制御信号に大きな電圧を必要とする等、考慮すべき課題も多い。

（２）スイッチのオンオフ切り換え等のために付加される回路が大きな実装面積を必要としないこと。付加回路の実装面積が大きいと、小型化の要求に反してしまう。

（３）安価であること。

しかし、大電力で歪みを発生しないデバイスを配置し、小型で安価なアンテナ装置という要求を達成することは困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、歪みを発生し難い、小型で安価なアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明のアンテナ装置は、高周波信号源と、アンテナ素子と、メイン基板と、サブモジュール用のサブ基板と、スイッチとを有する。アンテナ素子は、前記高周波信号源からの高周波信号に共振する。メイン基板は、前記高周波信号源が搭載される。サブモジュール用のサブ基板は、前記メイン基板とは分離して配置される。スイッチは、前記メイン基板と前記サブ基板との間に配置され、前記高周波信号源による高周波信号の供給時に前記メイン基板と前記サブ基板との間のグランドプレーンに流れる高周波電流の流通を許容または遮断する。

本発明によれば、小型化が要求されるサブモジュール用のサブ基板を用いて、メイン基板の実装面積を拡げることなく、チューナブル機能を持たせることが可能な、歪みを発生し難い、小型で安価なアンテナ装置を実現できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１はアンテナ装置の概略構成を示す図、図２はサブモジュールとアンテナ素子の配置例を示す図である。

図１に示すように、アンテナ装置１０は、高周波信号源１１、アンテナ素子１３、メイン基板１５、サブ基板１７、スイッチ１９を有する。

高周波信号源１１は、アンテナ素子１３に接続されており、１Ｗ以上の高周波信号を発生する。アンテナ素子１３は、高周波信号源１１からの高周波信号に共振する。アンテナ素子１３は、共振周波数によって送受信できる周波数が決まる。

メイン基板１５は、例えば、携帯電話、ＰＤＡ、ＰＨＳ、ノートパソコン等の携帯端末の各機能用モジュールが搭載される回路基板である。搭載される機能用モジュールは、端末の目的によって適宜変更されるので、ここで詳細な説明は省略する。ただし、メイン基板１５は高周波信号源１１を搭載する。メイン基板１５は、高周波信号源１１にグラウンドプレーンとして接続される。

サブ基板１７は、メイン基板１５とは高周波信号的に分離して配置される基板である。サブ基板１７には、メイン基板１５とは別の機能用のサブモジュール１７０が搭載されている。サブモジュール１７０は、無線通信周波数と比較して非常に低い動作周波数、信号周波数のモジュールである。たとえば、サブモジュール１７０は、カメラ機能のためのカメラモジュール、スピーカ機能のためのスピーカモジュール、マイク機能のためのマイクモジュール、ダイヤル機能のためのダイヤルモジュール、キーパッド機能のためのキーパッドモジュール、トラックボール機能のためのトラックボールモジュールである。以下では、サブモジュール１７０は、カメラモジュール１７０である場合を例示的に説明する。カメラモジュール１７０は、例えば、図２に示すように、メイン基板１５に形成された切り欠き部分において、メイン基板１５とは段差が設けられたサブ基板１７上に搭載される。これによって、端末パッケージを小型化できる。

スイッチ１９は、メイン基板１５とサブ基板１７との間に配置される。スイッチ１９は、高周波信号源１１からアンテナ素子１３への高周波信号の供給時に、メイン基板１５とサブ基板１７との間のグランドプレーンに流れる高周波電流の流通を許容または遮断する。スイッチ１９がＯＮの場合、メイン基板１５とサブ基板１７との間の電流の流通が許容され、スイッチ１９がＯＦＦの場合、メイン基板１５とサブ基板１７との間の電流の流通が遮断される。スイッチ１９は、たとえば、電界効果ダイオード等のスイッチング素子や、ＭＥＭＳスイッチ等の高周波スイッチである。スイッチ１９の開閉は、通信周波数を切り換えるための図示しないフロントエンド回路に含まれるスイッチと連動して駆動されても良いし、ＣＰＵにより制御されてもよい。本実施形態では、スイッチ１９は、第１スイッチ１９１〜第４スイッチ１９４の４個のスイッチが配置されている。

次に、スイッチ１９の開閉の組み合わせによる、アンテナ装置１０への作用について説明する。

図３はスイッチ開閉の組み合わせごとのアンテナ素子の共振周波数と定在波比（ＶＳＷＲ）との関係を示す図、図４はスイッチ開閉の組み合わせごとの共振周波数の計算結果を示す図である。

図３および図４では、スイッチ１９のオンの時を“１”、オフの時を“０”と表記し、４個のスイッチ１９を、第１〜第４スイッチ１９１〜１９４の順番に、４ビットで表現している。たとえば、第１スイッチ１９１がオン、第２スイッチ１９２がオフ、第３スイッチ１９３がオン、第４スイッチ１９４がオフの状態を、“１０１０”と表現する。スイッチ１９は４個なので、２×２×２×２＝１６通りの組み合わせがある。

図３に示すように、定在波比が最小のときの共振周波数で比較すると、組み合わせは、４つの共振周波数のグループに区分できることがわかる。図４に示すグループＡ〜Ｄである。グループＡは、状態が“１０００”で、定在波比が最小時の共振周波数が０．７９４ＧＨｚである。グループＢは、状態が“００１０”、“１０１０”で、定在波比が最小時の共振周波数が０．８１２ＧＨｚである。グループＣは、状態が“００００”、“０００１”、“０１００”、“１０１１”、“０１０１”、“００１１”、“１００１”で、定在波比が最小時の共振周波数が約０．８４６ＧＨｚである。グループＤは、状態が“１１００”、“０１１０”、“０１１１”、“１１１０”、“１１０１”、“１１１１”で、定在波比が最小時の共振周波数が約０．８６６ＧＨｚである。

以上のように、スイッチ１９のオンオフの組み合わせによって、大別した４種類の共振周波数を達成できる。このように、スイッチ１９の組み合わせを変えることによって、アンテナ装置１０の共振周波数が変化するのは、次の原理による。スイッチ１９のオンオフの組み合わせを変えることによって、グランドプレーンに流れる高周波電流がメイン基板１５からサブ基板１７に流れたり、サブ基板１７からメイン基板１５に戻ったり、サブ基板１７を迂回したりして、電流が流れる経路の長さが変わる。電流が流れる経路の長さが変わると、ダイポールアンテナのうちアンテナ素子１３とは対極側の長さが変わってダイポールアンテナ自体の共振周波数が変わるのと同様の原理で、アンテナ装置１０の共振周波数も変わる。

図４に示す例では、たとえば、“１０００”、“００１０”、“００００”、“１１００”の４つの状態があれば、４種類の共振周波数を実現できる。同じグループの状態同士は、共振周波数の微調整に使用してもよい。

また、４個もスイッチを使用したくないには、図５〜図７に示すように、スイッチ１９の数やオンオフの組み合わせ状態を適宜変更できる。

図５は１個のスイッチを用いた場合の共振周波数を示す図、図６は２個のスイッチを用いた場合の共振周波数を示す図、図７は３個のスイッチを用いた場合の共振周波数を示す図である。

第１スイッチ１９１だけをメイン基板１５とサブ基板１７との間に配置し、第２スイッチ１９２〜第４スイッチ１９４を省略する場合、オンオフされるのは、第１スイッチ１９１だけである。したがって、図５に示すように、状態“１０００”と“００００”を達成でき、結果として、上記グループＡとグループＣの２種類の共振周波数を達成できる。

また、第１スイッチ１９１を排除してその場所を短絡（終始ＯＮ状態）し、第４スイッチ１９４を省略（終始ＯＦＦ状態）して、第２および第３スイッチ１９２、１９３をメイン基板１５とサブ基板１７との間に配置する。この場合、スイッチとしてオンオフされるのは、第２および第３スイッチ１９２、１９３である。したがって、図６に示すように、状態“１０００”、“１０１０”、“１１００”、“１１１０”を達成でき、結果として、上記グループＡ、グループＢ、グループＤの３種類の共振周波数を達成できる。状態“１１００”、“１１１０”は同じグループＤを達成するので、微調整用として使用しても、一方だけを使用してもよい。

第１〜第３スイッチ１９１〜１９３をメイン基板１５とサブ基板１７との間に配置し、第４スイッチ１９４を省略（終始ＯＦＦ状態）した場合を考える。図７に示すように、状態“１０００”、“１０１０”、“００１０”、“００００”、“０１００”、 “１１００”、“０１１０”、“１１１０”を達成できる。結果として、上記グループＡ〜Ｄの全てを達成できる。グループＢに属する状態“１０１０”、“００１０”、グループＣに属する状態“００００”、“０１００”は、微調整用として使用しても、一方だけを使用してもよい。グレープＤに属する状態 “１１００”、“０１１０”、“１１１０”についても、微調整用として使用しても、いずれか一つだけを使用してもよい。

上記構成を有するアンテナ装置１０によれば、次のような効果が得られる。

本実施形態では、サブ基板１７を利用して、高周波信号の供給時に発生するグランドプレーンに流れる高周波電流をサブ基板１７に流したり、流さなかったりすることによって、電流の流路を変更できる。つまり、高周波信号源１１に対してアンテナ素子１３とは反対電極のメイン基板１５およびサブ基板１７に電流が流れる流路の長さを変更できる。これによって、アンテナ装置１０の共振周波数を容易に変更できる。特に、上述のように、スイッチ１９のオンオフの組み合わせを変更することによって、多種類の共振周波数を容易に達成できる。

メイン基板１５およびサブ基板１７はアンテナ素子１３に比して面積が大きく、流れる電流密度は微小となるので、スイッチ１９には高電力が供給されない。したがって、スイッチ１９の入出力に歪みが発生せず、結果として、安定した通信が可能となる。また、低容量のスイッチを採用することができるので、採用するスイッチの選択範囲が広がり設計自由度が大きくなる。ＲＦ ＭＥＭＳスイッチの場合には、スイッチの小型化や駆動電圧の低電圧化が可能になり、携帯端末への搭載が容易になる。

機能の追加により必要なサブモジュール１７０用のサブ基板１７を利用し、スイッチ１９しか追加の構成がないので、大きな実装面積を必要としない。スイッチ１９の追加だけなので、何も追加されないアンテナ素子１３は安価に構成でき、結果として安価にアンテナ装置１０を構成できる。

さらに、サブ基板１７に搭載されるサブモジュール１７０は、低周波の電力で駆動するモジュールであるので、高周波の電力がサブ基板１７を通っても、サブモジュール１７０の機能に影響を与えない。また、スイッチ１９は、高周波スイッチなので、サブモジュール１７０からの影響を受けない。

（変更例１）
上記実施形態とは異なる個数で異なる場所にスイッチ１９を配置したり、サブ基板１７を配置するレイアウトを変更したりできる。これらを変更することによって、電流の経路を変更でき、様々な種類の共振周波数を達成できる。

図８は、スイッチとサブ基板の配置の変更例を示す図である。

図１とは異なり、図８の（Ａ）に示すように、サブ基板１７をメイン基板１５から飛び出して、アンテナ素子１３側に配置してもよい。この場合、たとえば、図示するように、メイン基板１５とサブ基板１７との間に第１〜４スイッチ１９１〜１９４を配置する。または、図８の（Ｂ）に示すように、サブ基板１７をメイン基板１５の角に配置し、スイッチ１９の数を３個としてもよい。

上記の例とは異なる個数のスイッチ１９を配置することもできる。たとえば、５個以上のスイッチ１９を配置してもよい。

（変更例２）
図９は、サブ基板を囲うように板金を取り付けた様子を示す側面図である。

上記実施形態では、サブ基板１７自体を操作しないようにしている。サブ基板１７を使用できない場合には、図９に示すように、たとえば、サブ基板１７の底面近傍に板金等の導体を取り付けてもよい。この場合、スイッチ１９は、サブ基板１７近傍の板金１７２と、メイン基板１５との間に配置される。板金１７２に、ミアンダ形状を採用することによって、アンテナ装置１０の共振周波数を低域側に調整したり、周波数調整範囲を拡張できる。板金１７２の形状を適宜変更して、共振周波数特性を調整できる。

（変更例３）
上記実施形態では、サブ基板１７には、一つのサブモジュール１７０（カメラモジュール１７０）だけが搭載されている例を示していた。しかし、サブ基板１７には、複数のサブモジュール１７０を搭載してもよい。たとえば、カメラモジュール１７０と同じ位置にマイクモジュールやスピーカモジュールを配置してもよい。ただし、サブ基板１７に混載できるのは、無線通信周波数と比較して低い動作周波数、信号周波数のデバイスモジュールだけである。

無線通信周波数に近い、あるいは同じ動作周波数のデバイスをサブ基板１７に搭載してしまうと、サブ基板１７に流れる電流によって、誤動作が生じる虞があるからである。

（変更例４）
図１０は、複数のアンテナ装置１０を搭載した携帯端末の概略図である。

上記実施形態では、アンテナ装置１０を一つだけ搭載する携帯端末を示していた。しかし、複数のアンテナ装置を搭載してもよい。たとえば、複数のアンテナ装置を組み合わせてデータ送受信の容量を拡大する無線通信技術（ＭＩＭＯ）を採用する場合である。この場合、図１０に示すように、２組のアンテナ装置１０を携帯端末の両側に配置できる。両側の各アンテナ装置１０では、それぞれ、サブモジュール１７４用のサブ基板１７とメイン基板１５との間にスイッチ１９が配置される。ここで、サブモジュール１７４は、異なる機能のモジュールデバイスであってもよいし、同じ機能のモジュールデバイスであってもよい。同じ機能のサブモジュール１７４としては、たとえば、カメラデバイスがある。３次元画像のために２つのカメラが必要なステレオカメラモジュール１７４を搭載する場合、それぞれのカメラを搭載するサブ基板１７をアンテナ装置１０に適用できる。このように、必要なサブ基板１７を利用するので、小型化を達成できる。

（変更例５）
図１１は、複数のサブ基板を利用するアンテナ装置を示す概略図である。

上記実施形態では、１つのアンテナ装置１０に１つのサブ基板１７を利用する場合について説明している。しかし、これに限定されない。図１１に示すように、複数のサブ基板１７を設けてもよい。

図１１に示すアンテナ装置１０によれば、スイッチ１９の配置レイアウトの自由度が向上する。したがって、メイン基板１５およびサブ基板１７に流れる電流経路も多様に変更でき、他種類の共振周波数を達成できる。

アンテナ装置の概略構成を示す図である。 サブモジュールとアンテナ素子の配置例を示す図である。 スイッチ開閉の組み合わせごとのアンテナ素子の共振周波数と定在波比との関係を示す図である。 スイッチ開閉の組み合わせごとの共振周波数の計算結果を示す図である。 １個のスイッチを用いた場合の共振周波数を示す図である。 ２個のスイッチを用いた場合の共振周波数を示す図である。 ３個のスイッチを用いた場合の共振周波数を示す図である。 スイッチとサブ基板の配置の変更例を示す図である。 サブ基板近傍に板金を取り付けた様子を示す側面図である。 複数のアンテナ装置１０を搭載した携帯端末の概略図である。 複数のサブ基板を利用するアンテナ装置を示す概略図である。

符号の説明

１０ アンテナ装置、
１１ 高周波信号源、
１３ アンテナ素子、
１５ メイン基板、
１７ サブ基板、
１９ スイッチ、
１７０、１７４ サブモジュール、
１７２ 板金、
１９１〜１９４ スイッチ。

Claims (5)

1. 高周波信号源と、
   前記高周波信号源からの高周波信号に共振するアンテナ素子と、
   前記高周波信号源が搭載されるメイン基板と、
   前記メイン基板とは分離して配置されるサブモジュール用のサブ基板と、
   前記メイン基板と前記サブ基板との間に配置され、前記高周波信号源による高周波信号の供給時に前記メイン基板と前記サブ基板との間のグランドプレーンに流れる高周波電流の流通を許容または遮断するスイッチと、
   を有するアンテナ装置。
2. 前記スイッチは、複数配置されており、
   前記スイッチによる電流の流通の許容または遮断の組み合わせを変更することによって、多段階に装置全体の共振周波数を変更する請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記サブモジュールは、複数配置されており、前記サブモジュール間にも前記スイッチが配置される請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記サブ基板に搭載されるサブモジュールは、低周波信号を伝達する低周波デバイスである請求項１〜３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
5. 前記メイン基板および前記サブ基板は、携帯端末の本体に搭載される請求項１〜４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。

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