JP2010526471A - 多重帯域アンテナ及びそれを備える無線通信装置 - Google Patents

Abstract

各々の周波数帯域を独立して調整可能な多重帯域アンテナが開示される。多重帯域アンテナは、ＰＩＦＡ構造を有する第１放射素子とモノポール構造を有する第２放射素子を備える。また、第１放射素子の一方の端部にはキャパシターを介して接地面に接続される第２接地端子が配置される。キャパシタンスの調整によって第１周波数帯域の独立した調整が可能である。第２放射素子はスタブを備えて第２周波数帯域を独立して調整できるようにし、スリットを形成する第１サブ素子と第２サブ素子を備えて第３周波数帯域を独立して調整できるようにする。本発明によれば、多重帯域をもって各々の周波数帯域を容易に調整可能な多重帯域アンテナが提供される。

Description

本発明は多重帯域アンテナに係り、特に、それぞれの周波数帯域を独立して調整可能な多重帯域アンテナに関する。

電磁気波によって情報を送受信する無線通信において、直接的に電磁気波により電流が誘起されるか、または電流によって電磁気波を誘起するアンテナは、アナログ回路の最末端の素子として必須的に備えられなければならない。アンテナの構造としては、ダイポールアンテナ、モノポールアンテナなどが知られているが、携帯向け無線通信機器においては、小型のモノポールアンテナが好まれる。モノポールアンテナは、接地面の鏡効果によって共振波長（一般的に、目的周波数帯域の中心周波数に対する波長）の１／４の長さを有するように設計されるため、使用信号の波長が長くなるにつれて（すなわち、周波数が低くなるにつれて）その大きさが増大する。

最近には、端末に内蔵可能な小型のアンテナが汎用されており、モノポールアンテナの変形とも言える逆Ｌ型アンテナ（Ｉｎｖｅｒｔｅｄ Ｌ−ｔｙｐｅ Ａｎｔｅｎｎａ；ＩＬＡ)、逆Ｆ型アンテナ（Ｉｎｖｅｒｔｅｄ Ｆ−ｔｙｐｅ Ａｎｔｅｎｎａ；ＩＦＡ)、平板逆Ｆ型アンテナ（Ｐｌａｎａｒ Ｉｎｖｅｒｔｅｄ Ｆ−ｔｙｐｅ Ａｎｔｅｎｎａ；ＰＩＦＡ) などが広く採用されている。これらのアンテナは、基本的にはモノポールアンテナの構成を有するため、同様に共振周波数の１／４の長さを有する。

一方、ＵＨＦ（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯域とは、３００〜３０００ＭＨｚの周波数帯域を意味し、一般的にＦＭラジオ放送やテレビ放送に使われてきた。最近には、移動放送サービス、特に、ＤＶＢ−Ｈ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｉｄｅｏ Ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ−Ｈａｎｄｈｅｌｄ）サービスがＵＨＦ帯域である４７０〜８６２ＭＨｚ帯域を使用するように指定されて、ＵＨＦ帯域の信号を受信するための端末及びそこに使われるアンテナに関する研究が盛んになされている。

端末はＤＶＢ−Ｈサービスだけを提供するのではなく、ＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ)、ＤＣＳ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｓｙｓｔｅｍ）などのセルラーサービスを一緒に提供するように構成されるのが一般的である。代表的に、９００ＭＨｚ帯域を使用するＧＳＭ９００と１．８ＧＨｚ帯域を使用するＤＳＣ１８００サービスがＤＶＢ−Ｈサービスと一緒に提供可能である。これらのサービスは、使用周波数帯域が異なるため、そのためのアンテナも異なる共振周波数を有さなければならず、それぞれのサービスに対して別途のアンテナを使用することが一般的である。しかしながら、この場合には、アンテナの製造コストが増大し、しかも、アンテナが占める空間が増大して端末の小型化を妨げてしまう。

単一のアンテナを用いて全てのサービスを提供するために、２つ以上の帯域を有する多重帯域アンテナを使用することができる。しかしながら、上述したように、互いに全く異なる中心周波数を有する１つ以上の帯域を有する多重帯域アンテナは、その実現が極めて困難である。ＧＳＭ９００とＤＳＣ１８００のように逓倍関係（ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎ）の中心周波数を有するサービスに対しては単一の放射素子を用いて多重帯域アンテナを比較的に容易に実現することができるものの、ＧＳＭ９００とＤＶＢ−Ｈ、またはＤＣＳ１８００とＤＶＢ−Ｈのようにその中心周波数が逓倍関係におらず、しかも、互いに離れている場合には、これらをいずれもカバーするアンテナを実現することは特に困難である。

また、実際に多重帯域アンテナを実現する場合であっても、アンテナがそれぞれの帯域に対して独立して動作するのではなく、ある帯域における動作特性の変化が他の帯域における動作特性に影響する。このため、アンテナの微調整が困難になり、アンテナを電磁気的設置環境が異なる種々の端末に適切に設置することが極めて困難になる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、異なる２つ以上のサービスを提供可能に２つ以上の周波数帯域を有する多重帯域アンテナを提供するところにある。

また、本発明の他の目的は、２つ以上の周波数帯域を互いに独立して調整可能であることから、微調整し易く、しかも、種々の端末に設置し易い多重帯域アンテナを提供するところにある。

上記の目的を達成するために、本発明の一形態によれば、第１周波数帯域をカバーするための第１放射素子であって、給電素子に接続される給電端子、及び接地面に接続される第１接地端子および第２接地端子を有する第１放射素子と、第２周波数帯域をカバーするための第２放射素子であって、一方の端が給電素子に接続されて実質的にモノポールアンテナとして動作する第２放射素子と、を備え、第１放射素子の第２接地端子はキャパシターを介して接地面に接続される、多重帯域アンテナが提供される。

第１接地端子および第２接地端子は、第１放射素子の両端部に形成されていてもよい。また、キャパシターは可変キャパシターであってもよい。

好ましくは、第１放射素子は、接地面に実質的に平行に配置される水平放射素子、及び接地面に実質的に垂直に配置される垂直放射素子を備える。

また、第２放射素子は、一方の端が給電素子に接続される第１サブ素子、第１サブ素子の他方の端に接続された連結部、及び連結部と接続され、第１サブ素子と離れて実質的に平行に延びる第２サブ素子を備えることが好ましい。第２放射素子は、連結部の一方に接続されたスタブをさらに備えていてもよい。

一方、接地面は、第１放射素子及び第２放射素子の配置領域には形成されないことが好ましい。

第１周波数帯域は、ＤＶＢ−Ｈサービスに使われる周波数帯域であってもよく、第２周波数帯域は、ＧＳＭ９００サービスに使われる周波数帯域であってもよい。

また、第２放射素子は、第２周波数帯域の逓倍周波数帯域である第３周波数帯域をさらにカバーすることができ、第３周波数帯域は、ＤＣＳ（Digital Celluar System）１８００サービスに使われる周波数帯域であってもよい。

一方、アンテナは、第１放射素子及び第２放射素子を支持する誘電体をさらに備え、第１放射素子と第２放射素子は誘電体の異なる面に配置されることが好ましい。

本発明の他の形態によれば、多重帯域アンテナを備える無線通信装置が提供される。

本発明によれば、異なる２つ以上のサービスを提供可能に２つ以上の周波数帯域を有する多重帯域アンテナが提供される。

また、本発明によれば、２つ以上の周波数帯域を互いに独立して調整可能であるので、微調整し易く、しかも、種々の端末に設置し易い多重帯域アンテナが提供される。

本発明の一実施形態による多重帯域アンテナを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による多重帯域アンテナの第２放射素子を示す平面図である。 本発明の一実施形態の多重帯域アンテナにおけるキャパシタンス変化による反射損失変化を示すグラフである。 本発明の一実施形態の多重帯域アンテナにおけるスタブ長の変化による反射損失変化を示すグラフである。 本発明の一実施形態の多重帯域アンテナにおけるスリット長の変化による反射損失変化を示すグラフである。

以下、添付図面に基づき、本発明の具体的な実施形態を説明する。しかしながら、これは単なる例示に過ぎず、本発明はこれに制限されない。

図１は、本発明の一実施形態による多重帯域アンテナを示す斜視図である。この実施形態によるアンテナは、第１周波数帯域をカバーするための第１放射素子１００及び第２周波数帯域をカバーするための第２放射素子２００を備え、これらは接地面３００の一方の側面に配置されて給電される。

一方、図示はしないが、アンテナは、放射素子１００、２００を支持し、アンテナを設置し易くするための誘電体をさらに備えていてもよい。この場合、第１放射素子１００及び第２放射素子２００は、誘電体の異なる面に、好ましくは、それぞれ上面と底面に配置可能である。

接地面３００は端末内部の接地面であって、基板内に組み込まれていてもよく、別設されてもよい。接地面３００は、放射素子１００、２００による放射を妨げないように第１及び第２放射素子１００、２００の配置位置には形成されない。

放射素子１００、２００は、金属をプレス加工するか、または誘電体の上に導電性材料をめっき、蒸着、印刷して形成することができる。また、これらは、レーザ直接構造形成法（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｒｅｃｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ；ＬＤＳ）として知られている高分子物質の金属化技術によって形成されることも可能である。放射素子１００、２００は、これらの他にも種々の方式により製造可能であり、本発明は、放射素子１００、２００の具体的な製造方式に制限されるものではない。

第１放射素子１００は、基本的にＰＩＦＡ型のアンテナであって、一方の端に給電端子１１０と第１接地端子１２０を有する。第１接地端子１２０は、接地面３００に接続されてアンテナを接地させる。一方、給電端子１１０は、端末内部の給電素子（図示せず）に接続可能である。給電端子１１０と第１接地端子１２０は、接地面３００を有する平面に垂直に配置され、水平放射素子１３０が接地面３００を有する平面に実質的に平行に並ぶように配置されて給電端子１１０及び第１接地端子１２０に接続される。また、放射面積を広げるために、水平放射素子１３０の側面には垂直放射素子１４０が延設される。この実施形態において、与えられたアンテナ形成空間内において最大の放射面積を実現するために水平放射素子１３０と垂直放射素子１４０が接続されているが、具体的な要求事項に応じて、垂直放射素子１４０が形成されない場合もあれば、放射素子がさらに形成される場合もある。

水平放射素子１３０の他方の端、すなわち、第１接地端子１２０の接続部の反対側には第２接地端子１５０が接続され、第２接地端子１５０は、キャパシター４００を介して接地面３００に接続される。キャパシター４００はアンテナにキャパシタンスを提供し、これは、第１放射素子１００の第１周波数帯域における共振特性に影響を与える。このため、キャパシター４００のキャパシタンスを調整することによりアンテナの共振特性を調整することが可能である。好ましくは、キャパシター４００として可変キャパシター、例えば、バラクタダイオードを用いてアンテナ特性を調整し易くする。

第２放射素子２００は、折り畳まれたモノポール型のアンテナであって、一方の端において給電が行われ、他方の端は開状態で形成される。具体的に、第２放射素子２００は、端末の給電素子（図示せず）に接続された第１素子２１０と、第１サブ素子２１０と連結部２４０を介して接続された第２サブ素子２２０と、を備える。第１サブ素子２１０は、第１放射素子１００の給電端子１１０に接続されて延びてもよい。

図２を参照すると、第１サブ素子２１０と第２サブ素子２２０は互いに実質的に平行に延びてこれらの間にスリットを形成する。このスリットによる電磁気的カップリングによってアンテナの共振周波数、帯域幅などが変わるため、スリットの長さＬ_slitを調整することにより（すなわち、連結部２４０のサイズを調整することにより）、アンテナを微調整することができる。また、連結部２４０の一方にはスタブ２３０が延設される。スタブ２３０は、第２放射素子２００の電気的長さに変化を与えることによりアンテナの共振特性に影響を与え、その大きさＬ_stubを調整してやはりアンテナの微調整を行うことができる。スリット及びスタブによるアンテナに微調整については、後述する。

一方、第２放射素子２００は、逓倍周波数の共振を通じて第３周波数帯域をカバーすることができる。例えば、第２周波数帯域が９００ＭＨｚ帯域であるＧＳＭ９００帯域の場合、第３周波数帯域はその逓倍周波数帯域である１．８ＧＨｚ帯域のＤＳＣ１８００帯域であってもよい。第２放射素子２００に比べて相対的に電気的長さが長い第１放射素子１００がカバーする第１周波数帯域は、第２周波数帯域よりも低い周波数帯域、例えば、ＵＨＦ−ＩＶ／Ｖ帯域であるＤＶＢ−Ｈ帯域であってもよい。このため、この実施形態により、３つのサービスをいずれも提供可能な多重帯域アンテナが提供される。

また、この実施形態のアンテナによれば、それぞれの周波数帯域の調整が独立してなされる。

上述したように、第１周波数帯域の調整は、キャパシター４００の調整により行われる。キャパシター４００の調整は、第１放射素子１００の電磁気的特性にのみ影響を与えるだけであり、キャパシター４００と未接続の第２放射素子２００の電気的特性には影響を与えない。このため、キャパシター４００の調整による第１周波数帯域の変化によって第２及び第３周波数帯域は影響を受けない。

第２周波数帯域の調整は、スタブ２３０の長さＬ_stub（図２）の調整により行われる。第２放射素子２００は、第２周波数帯域に対しては１／４λアンテナとして動作するため、スタブ２３０の長さＬ_stubを調整してアンテナの電気的長さを微調整すれば、第２周波数帯域におけるアンテナ特性が微調整可能である。このような第２放射素子２００の電気的長さの変化は、第１放射素子１００の電気的長さに影響を及ぼさないだけではなく、第１放射素子１００はキャパシター４００により大きな容量成分を有するため、第２放射素子２００の変化にもその電気的特性が変化されない。また、第２放射素子２００は、第３周波数帯域に対しては３／４λアンテナとして動作するため、微細な電気的長さの変化の第３周波数帯域に対する影響は、第２周波数帯域に対する影響に比べて極めて微々である（理想的には、第２周波数帯域に対する影響の１／３である）。このため、第２周波数帯域が他の周波数帯域に影響することなく容易に調整可能である。

最後に、第３周波数帯域の調整はスリット長さＬ_slit（図２）の調整により行われる。スリットは、第１サブ素子２１０と第２サブ素子２２０との離隔空間により形成されるため、その大きさを調整することによりサブ素子２１０、２２０間の電磁気的結合度を調整することができる。このような電磁気的結合は、高周波において一層多きな影響を表わすため、スリット長Ｌ_slitによる電磁気的結合の調整は第３周波数帯域に主として影響を与え、第２周波数帯域に対しては大きく影響しない。また、上述したように、第２放射素子２００の電磁気的特性変化は、第１放射素子１００によるアンテナ特性には影響しないため、スリット長Ｌ_slitの調整は第３周波数帯域にしか影響できない。このため、第３周波数帯域もまた他の周波数帯域に影響を与えることなく容易に調整可能である。

このような、第１から第３周波数帯域の調整効果を実際のアンテナを実現して実験した。実現されたアンテナにおいて、第１周波数はＤＶＢ−Ｈ帯域、第２周波数はＧＳＭ９００帯域、第３周波数はＤＳＣ１８００帯域になるように設定した。

図３は、本発明の一実施形態の多重帯域アンテナにおけるキャパシタンス変化による反射損失変化を示すグラフである。同図に示すように、キャパシターを２ｐＦ〜４ｐＦに変化させることにより容量成分が増大される結果、ＤＶＢ−Ｈ帯域である約５００ＭＨｚ付近においてアンテナの共振周波数が変化された。しかしながら、ＧＳＭ９００帯域である約９００ＭＨｚ付近及びＤＳＣ１８００帯域である１．８ＧＨｚ付近においては共振周波数がほとんど変化しなかった。これより、キャパシタンス調整により第１周波数帯域を独立して調整可能であることを確認した。

図４は、本発明の一実施形態の多重帯域アンテナにおけるスタブ長の変化による反射損失変化を示すグラフである。同図に示すように、スタブの長さを０ｍｍから４ｍｍに変えることにより、第２放射素子の電気的長さが増大して９００ＭＨｚ付近の共振周波数が減少した。しかしながら、５００ＭＨｚ付近及び１．８ＧＨｚ付近の共振周波数は変化がなく、スタブ長の調整によって第２周波数帯域を独立して調整可能であることを確認した。

図５は、本発明の一実施形態の多重帯域アンテナにおけるスリット長の変化による反射損失変化を示すグラフである。同図に示すように、スリットの長さを２６ｍｍから３０ｍｍに変えることにより、第２放射素子における電磁気的結合が増大し、容量成分が増大して、１．８ＧＨｚ付近の共振周波数が減少した。しかしながら、５００ＭＨｚ付近及び９００ＭＨｚ付近の共振周波数は実質的に変化がなかった。これより、スタブ長の調整によって第３周波数帯域が独立して調整可能であることを確認した。

以上、本発明の具体的な実施形態と結び付けて本発明を説明したが、これは単なる例示に過ぎず、本発明はこれに制限されるものではない。当業者は、以上の説明を基に説明された実施形態を容易に変更または変化させることができ、これもまた本発明の範囲に属する。よって、本発明の範囲は上述した実施形態ではなく、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ定められるべきである。

Claims (13)

1. 第１周波数帯域をカバーするための第１放射素子であって、給電素子に接続される給電端子、及び接地面に接続される第１接地端子および第２接地端子を有する、前記第１放射素子と、
   第２周波数帯域をカバーするための第２放射素子であって、一方の端が前記給電素子に接続されて実質的にモノポールアンテナとして動作する、前記第２放射素子と、
   を備え、
   前記第１放射素子の前記第２接地端子はキャパシターを介して前記接地面に接続される、多重帯域アンテナ。
2. 前記第１接地端子および前記第２接地端子は、前記第１放射素子の両端部にそれぞれ形成される、請求項１に記載の多重帯域アンテナ。
3. 前記キャパシターは可変キャパシターである、請求項１に記載の多重帯域アンテナ。
4. 前記第１放射素子は、前記接地面に実質的に平行に配置される水平放射素子と、前記接地面に実質的に垂直に配置される垂直放射素子とを備える、請求項１に記載の多重帯域アンテナ。
5. 前記第２放射素子は、一方の端が前記給電素子に接続される第１サブ素子と、前記第１サブ素子の他方の端に接続された連結部と、前記連結部と接続され、前記第１サブ素子と離れて実質的に平行に延びる第２サブ素子とを備える、請求項１に記載の多重帯域アンテナ。
6. 前記第２放射素子は、前記連結部の一方に接続されたスタブをさらに備える、請求項５に記載の多重帯域アンテナ。
7. 前記接地面は、前記第１放射素子及び前記第２放射素子の配置領域には形成されない、請求項１に記載の多重帯域アンテナ。
8. 前記第１周波数帯域は、ＤＶＢ−Ｈサービスに使われる周波数帯域である、請求項１に記載の多重帯域アンテナ。
9. 前記第２周波数帯域は、ＧＳＭ９００サービスに使われる周波数帯域である、請求項１に記載の多重帯域アンテナ。
10. 前記第２放射素子は、前記第２周波数帯域の逓倍周波数帯域である第３周波数帯域をさらにカバーする、請求項１に記載の多重帯域アンテナ。
11. 前記第３周波数帯域は、ＤＣＳ１８００サービスに使われる周波数帯域である、請求項１０に記載の多重帯域アンテナ。
12. 前記第１放射素子及び前記第２放射素子を支持する誘電体をさらに備え、
    前記第１放射素子と前記第２放射素子は前記誘電体の異なる面にそれぞれ配置される、請求項１に記載の多重帯域アンテナ。
13. 請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載の多重帯域アンテナを備える無線通信装置。

Images