JP2011023853A - アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ効率が高く、二つの放射素子間のアイソレーションの高いアンテナを得る。
【解決手段】誘電体基体２０の下面に第１の給電端子電極ＦＰ１、第２の給電端子電極ＦＰ２、及び接地端子電極ＧＰがそれぞれ形成されている。誘電体基体２０の他の面には、接地端子電極ＧＰから延びる導体パターンＲ１１、導体パターンＲ１１から連続する導体パターンＲ１２、導体パターンＲ１２から連続する導体パターンＲ１３が形成されている。これらの導体パターンＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３によって第１の放射素子が構成されている。また、第２の給電端子電極ＦＰ２から延びる導体パターンＲ２１、導体パターンＲ２１から連続する導体パターンＲ２２、導体パターンＲ２２から連続し、接地端子電極ＧＰに繋がる導体パターンＲ２３が形成されている。これらの導体パターンＲ２１，Ｒ２２，Ｒ２３によって第２の放射素子が構成されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、基体に少なくとも二つの放射素子を備えたマルチバンドアンテナに関し、例えば移動体無線通信端末の筐体内に配置されるアンテナに関するものである。

携帯電話端末のような移動体無線通信端末に用いられるアンテナとして、特許文献１〜４が開示されている。
特許文献１のアンテナは、２給電マルチバンドアンテナである。図１は特許文献１のアンテナ装置の構成を示す図である。第１アンテナ素子１１は、基板１に設けられた第１給電点１３で給電されると共に、第１短絡点１４で基板１の接地回路に短絡されることにより接地される。第２アンテナ素子１２は、基板１に設けられた第２給電点１５で給電されると共に、第２短絡点１６で基板１の接地回路に短絡されることにより接地される。第１短絡点１４と第２短絡点１６は、第１給電点１３と第２給電点１５の間に挟まれた位置に設けられる。

第１のアンテナ素子（放射素子）１１はλ／４モード、第２のアンテナ素子（放射素子）１２はλ／２モードで動作する。λ／２モードの放射素子は、途中で折り返された形状であり、給電点の近傍に接地点が配置されている。

特許文献２，特許文献３のアンテナは、２給電マルチバンドアンテナであり、接地点は２つの放射素子で共通である。給電方法はいずれも容量給電である。

特許文献４のアンテナは、１給電シングルバンドアンテナであり、接地点は給電点付近に配置されている。給電方法は直接給電である。

特開２００９−３３７４２号公報 特表２００７−５２４３１０号公報 特開２００６−６７２５９号公報 特開平９−１５３７３４号公報

特許文献１には、二つの放射素子の接地点を二つの放射素子の給電点の間に配置することによりアイソレーションが改善されることを述べられているが、回路基板に搭載（実装）する際に、端子電極の数が合計４（給電点二つ、接地点二つ）となって、コストアップおよび信頼性低下の要因になる。また、特許文献１ではアンテナ効率に関して言及されていないが、一般的にλ／２モードの電極パターンを折り返し構造にして、接地点を給電点近傍に置くと、ループ径が小さくなるため、放射抵抗が小さくなってアンテナ効率が劣化する。

特許文献２，特許文献３では、構造上２つの放射素子がλ／４モードで動作するようにみえる。また、λ／２モードの動作に関する記述はなく、λ／２モードと組み合わせることによる効果も示されていない。

また、特許文献２，特許文献３に示されているアンテナの構造で、給電方法を特許文献４のように直接給電に変更すると、二つの放射素子間のアイソレーションが充分に確保できないことが予想される。

そこで、この発明の目的は、アンテナ効率が高く、二つの放射素子間のアイソレーションの高いアンテナを提供することにある。

前記の課題を解決するための、この発明のアンテナは次のように構成する。
（１）基体に第１の放射素子及び第２の放射素子を備えたアンテナであって、
第１の放射素子は、第１の端部が開放され、第２の端部が接地点に接続され、第１の通信周波数帯のほぼ１／４波長モードで共振し、
第１の放射素子の第１の端部と第２の端部との間の所定位置と第１の給電点との間を接続する給電ラインを備え、
第２の放射素子は、第１の端部が第２の給電点であり、第２の端部が前記接地点に接続され、第２の通信周波数帯のほぼ１／２波長モードで共振し、
前記接地点から第２の給電点までの距離は、前記接地点から第１の給電点までの距離より遠い。

この構造により、第１・第２の放射素子の接地点が共有化されるので、端子電極の数を減らすことができ、コストダウンにつながる。

第２の放射素子を先端短絡素子としてλ／２モードで使用し、接地点を第２の給電点から遠く離すことにより、ループ径が大きくなって放射抵抗が大きくなるのでアンテナ効率が向上する。

（２）第１の放射素子の共振周波数ｆ１及び第２の放射素子の共振周波数ｆ２は、
０．３７ ＜ ｆ１／ｆ２ ＜ ０．９６ の関係を満足するものとする。

上記範囲内では、第１・第２のそれぞれの放射素子が共振しているときに互いに相手側の放射素子は励振されにくい状態となるため、アイソレーション特性が向上する。

この発明によれば、実装先である回路基板上の電極と導通させるべき端子電極の数が少ないので低コスト化が図れる。また、第２の放射素子のループ径が大きくなって放射抵抗が大きくなるのでアンテナ効率が向上する。さらに、二つの放射素子間のアイソレーションが確保できる。

特許文献１のアンテナ装置の構成を示す図である。 図２（Ａ）及び図２（Ｂ）はアンテナ１０１の斜視図である。 図３（Ａ）及び図３（Ｂ）はアンテナ１０１の等価回路図である。 図４（Ａ）はアンテナ１０１の第１の放射素子の共振時の電界強度分布図、図４（Ｂ）はアンテナ１０１の第２の放射素子の共振時の電界強度分布図である。 アイソレーション特性の実測結果を示す図である。 第１の通信周波数帯の中心周波数ｆ１と第２の通信周波数帯の中心周波数ｆ２の比（ｆ１／ｆ２）を変化させた場合のアイソレーション特性を示す図である。 図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、第２の実施形態に係るアンテナ１０２の斜視図である。

《第１の実施形態》
第１の実施形態に係るアンテナ１０１について、図２〜図６を参照して説明する。
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）はいずれもアンテナ１０１の斜視図である。図２（Ａ）は、アンテナ１０１が実装された回路基板３０の一つの角部を斜め前方から見た斜視図である。図２（Ｂ）は、前記回路基板３０の角部を回路基板３０の斜め後方から見た斜視図である。

アンテナ１０１は、直方体形状の誘電体基体（誘電体ブロック）２０と、その外面に形成された、所定パターンの導体で構成されている。すなわち、誘電体基体２０の下面（回路基板３０に対する実装面）に第１の給電端子電極ＦＰ１、第２の給電端子電極ＦＰ２、及び接地端子電極ＧＰがそれぞれ形成されている。第１の給電端子電極ＦＰ１は「第１の給電点」、第２の給電端子電極ＦＰ２は「第２の給電点」、接地端子電極ＧＰは「接地点」にそれぞれ対応する。

誘電体基体２０の手前の面に、接地端子電極ＧＰから延びる導体パターンＲ１１が形成されている。誘電体基体２０の上面には、導体パターンＲ１１から連続する導体パターンＲ１２が形成されている。誘電体基体２０の後方の面には、導体パターンＲ１２から連続する導体パターンＲ１３が形成されている。これらの導体パターンＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３によって第１の放射素子が構成されている。

誘電体基体２０の手前の面には、第１の給電端子電極ＦＰ１から延び、導体パターンＲ１１の一部に繋がる給電ラインＦ１が形成されている。

誘電体基体２０の手前の面には、第２の給電端子電極ＦＰ２から延びる導体パターンＲ２１が形成されている。誘電体基体２０の上面には、導体パターンＲ２１から連続する導体パターンＲ２２が形成されている。誘電体基体２０の手前の面には、導体パターンＲ２２から連続し、接地端子電極ＧＰに繋がる導体パターンＲ２３が形成されている。これらの導体パターンＲ２１，Ｒ２２，Ｒ２３によって第２の放射素子が構成されている。
アンテナ１０１は回路基板３０のグランド電極形成領域の上面に実装される。

図３（Ａ），図３（Ｂ）は、前記アンテナ１０１の等価回路図である。図３（Ａ）中の各符号は、図２（Ａ），図２（Ｂ）に示した各符号に対応している。
第１の給電端子電極ＦＰ１には第１の通信周波数帯を扱う第１の給電回路ＦＣ１が接続される。第２の給電端子電極ＦＰ２には第２の通信周波数帯を扱う第２の給電回路ＦＣ２が接続される。そして、接地端子電極ＧＰには回路基板３０のグランドが接続される。

第１の給電回路ＦＣ１からの給電電圧は給電ラインＦ１を介して前記第１の放射素子の所定位置に印加される。

導体パターンＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３による第１の放射素子の第１の端部が開放され、第２の端部が接地された構造となって、第１の放射素子は第１の通信周波数帯のほぼ１／４波長モードで共振する。

また、導体パターンＲ２１，Ｒ２２，Ｒ２３による第２の放射素子の第１の端部は第２の給電端子電極ＦＰ２を介して整合回路ＭＣ及び第２の給電回路ＦＣ２に接続される。第２の放射素子の第２の端部は接地端子電極ＧＰを介して接地される。そのため、第２の放射素子は第２の通信周波数帯のほぼ１／２波長モードで共振する。
前記整合回路ＭＣは、導体パターンＲ２１，Ｒ２２，Ｒ２３による第２の放射素子と第２の給電回路ＦＣ２とのインピーダンス整合をとる。

以上に示した構成によれば、第１・第２の放射素子の接地端子電極ＧＰが共有化されているので、端子電極の数が少なくて済む。そのため、コストダウンが図れ、耐腐食性などの信頼性の向上も期待できる。

図３（Ｂ）は、前記アンテナ１０１の別の等価回路図である。図３（Ｂ）において符号ＧＮＤは回路基板上のグランド電極である。導体パターンＲ２１，Ｒ２２，Ｒ２３による第２の放射素子は回路基板のグランド電極上に配置されるため、図３（Ｂ）において破線で示すように、回路基板３０のグランド電極ＧＮＤを鏡面とする地板影像（イメージ）が生じる。図中の矢印は或る半サイクルでの電流の方向を示している。

このように回路基板３０のグランド電極ＧＮＤを鏡面とする地板影像（イメージ）が生じることによって、ループ面積の大きな１波長放射素子として作用する。
導体パターンＲ２１，Ｒ２２，Ｒ２３による第２の放射素子は、折り返し構造にはなっていない。そして、接地端子電極ＧＰから第２の給電端子電極ＦＰ２までの距離は、前記接地端子電極ＧＰから第１の給電端子電極ＦＰ１までの距離より長くなるように配置されている。したがって、限られた大きさの誘電体基体２０を用いても、前記ループ面積の大きな第２の放射素子を構成できる。そのため第２の放射素子の放射抵抗が大きくなって高いアンテナ効率が得られる。

一般的に、λ／２モードで動作するループアンテナでは、以下の式で表されるようにループ面積が大きくなるほど放射抵抗は大きくなる。

ここで、放射素子の形状を円形のループとし、ループの外形半径をＲ、導体幅をｒ、ループに流れる電流をＩとすると、磁気モーメントｍは
ｍ＝ＩπＲ²
で表される。

空間の特性インピーダンスをＺｏ（１２０π［Ω］）、波数をｋｏ（ｋｏ＝２π／λ［ｒａｄ／ｍ］）、波長をλで表すと、放射抵抗Ｒｒは、
Ｒｒ＝（Ｚｏｋｏ⁴／６π）（ｍ／２Ｉ）²
＝（Ｚｏｋｏ⁴／２４）πＲ⁴
の関係が成り立つ。

従って第２の放射素子は折り返し構造をとらず、接地点の位置を給電点から遠く離してループ面積を大きく稼ぐほど、第２の放射素子の放射抵抗が大きくなって高いアンテナ効率が得られる。

図４（Ａ）は前記アンテナ１０１の第１の放射素子の共振時の電界強度分布図、図４（Ｂ）は前記アンテナ１０１の第２の放射素子の共振時の電界強度分布図である。図４（Ｃ）は前記アンテナ１０１の第１の放射素子の共振時の電流強度分布図、図４（Ｄ）は前記アンテナ１０１の第２の放射素子の共振時の電流強度分布図である。いずれも、図２（Ａ）に示した向きと等しい向きの斜視図である。

ここで、第１の通信周波数帯の中心周波数ｆ１は３６００ＭＨｚ、第２の通信周波数帯の中心周波数ｆ２は５５００ＭＨｚ、（ｆ１／ｆ２＝０．６５）とし、電磁界シミュレーションにより求めた。

図４（Ａ）及び図４（Ｃ）に表れているように、第１の放射素子の共振時には第２の放射素子上の電磁界強度は小さい、すなわち第２の放射素子が励振されにくい状態にあることが分かる。同様に、図４（Ｂ）及び図４（Ｄ）に表れているように、第２の放射素子の共振時には第１の放射素子上の電磁界強度は小さい、すなわち、第１の放射素子が励振されにくい状態にあることが分かる。このことから、第１の放射素子と第２の放射素子とのアイソレーションが高いことが分かる。

第１の通信周波数帯の中心周波数ｆ１と、第２の通信周波数帯の中心周波数ｆ２との関係が、
０．３７ ＜ ｆ１／ｆ２ ＜ ０．９６
の範囲では、第２の放射素子の例えば５ＧＨｚの共振時に、第１の放射素子は前記周波数ｆ２における１／４波長以上３／４波長以下の先端開放線路となっている。

先端開放の放射素子は、１／２波長に対して、開放端の逆側である接続点はハイインピーダンスに見えるため、第１の通信周波数帯の中心周波数ｆ１と第２の通信周波数帯の中心周波数ｆ２との関係を前記の範囲にすることによって、第１の放射素子は前記周波数ｆ２で励振されにくい状態となる。

また、第１の放射素子の例えば２．５ＧＨｚの共振時に、第２の放射素子は前記周波数ｆ１における１／２波長以下の両端短絡線路となっている。

先端ショートの放射素子は、１／４波長に対して、ショート端の逆側である接続点はハイインピーダンスに見えるため、第１の通信周波数帯の中心周波数ｆ１と第２の通信周波数帯の中心周波数ｆ２との関係を前記の範囲にすることによって、第２の放射素子は前記周波数ｆ１で励振されにくい状態となる。
したがって、第１の通信周波数帯の中心周波数ｆ１と第２の通信周波数帯の中心周波数ｆ２との関係を前記の範囲にすることによって、第１の放射素子と第２の放射素子とのアイソレーションを高くできる。

図５は前記アイソレーション特性の実測結果を示す図である。図５において、曲線Ｓ１１（Ｒ１）は第１の放射素子のリターンロス、曲線Ｓ２２（Ｒ２）は第２の放射素子のリターンロス、曲線Ｓ２１（Ｒ１ｔｏＲ２）は第１の放射素子と第２の放射素子との間の透過量である。

曲線Ｓ１１（Ｒ１）及びＳ２２（Ｒ２）の縦軸は一目盛り５ｄＢ、曲線Ｓ２１（Ｒ１ｔｏＲ２）の縦軸は一目盛り１０ｄＢである。横軸は周波数２ＧＨｚから６ＧＨｚまでの周波数範囲について表している。
このように、第１の放射素子と第２の放射素子とのアイソレーションは１５ｄＢ以上確保される。この値はマルチバンドアンテナの特性として充分である。

図６は、前記周波数ｆ１とｆ２の比（ｆ１／ｆ２）を変化させた場合のアイソレーション特性を示す図である。菱形は低い側の共振周波数ｆ１でのアイソレーション、四角は高い側の共振周波数ｆ２でのアイソレーションである。

一般的に、アイソレーションは最低１０ｄＢ以上確保することが望ましい。図６から０．３７ ＜ ｆ１／ｆ２ ＜ ０．９６の範囲にあるとき、１０ｄＢ以上のアイソレーションが確保されていることがわかる。

《第２の実施形態》
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、第２の実施形態に係るアンテナ１０２の斜視図である。図７（Ａ）は、アンテナ１０２が実装された回路基板３０の一つの角部を前方から見た斜視図である。図７（Ｂ）は、前記回路基板３０の角部を回路基板３０の後方から見た斜視図である。

アンテナ１０２は、直方体形状の誘電体基体（誘電体ブロック）２０と、その外面に形成された、所定パターンの導体で構成されている。第１の実施形態で図２（Ａ），図２（Ｂ）に示したアンテナと異なるのは、第１の放射素子用の導体パターンである。

誘電体基体２０の手前の面に、接地端子電極ＧＰから延びる導体パターンＲ１１が形成されている。誘電体基体２０の上面には、導体パターンＲ１１から連続する導体パターンＲ１２が形成されている。誘電体基体２０の後方の面には、導体パターンＲ１２から連続する導体パターンＲ１３が形成されている。誘電体基体２０の上面には導体パターンＲ１３から連続するクランク形状の導体パターンＲ１４が形成されている。誘電体基体２０の後方の面には、導体パターンＲ１４から連続する導体パターンＲ１５が形成されている。これらの導体パターンＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４，Ｒ１５によって第１の放射素子が構成されている。その他の構成は図２に示したアンテナ１０１と同様である。

このように第２の実施形態では、第１の放射素子用の導体パターンの一部にクランク状に迂回する導体パターンＲ１４を設けている。このクランク状の導体パターンは、第１の放射素子の共振周波数を所定の周波数にするために設けられている。

Ｆ１…給電ライン
ＦＣ１…第１の給電回路
ＦＣ２…第２の給電回路
ＦＰ１…第１の給電端子電極
ＦＰ２…第２の給電端子電極
ＧＮＤ…グランド電極
ＧＰ…接地端子電極
ＭＣ…整合回路
Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４，Ｒ１５…第１の放射素子用導体パターン
Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３…第２の放射素子用導体パターン
２０…誘電体基体
３０…回路基板
１０１…アンテナ
１０２…アンテナ

Claims (2)

1. 基体に第１の放射素子及び第２の放射素子を備えたアンテナであって、
   第１の放射素子は、第１の端部が開放され、第２の端部が接地点に接続され、第１の通信周波数帯においてほぼ１／４波長モードで共振し、
   第１の放射素子の第１の端部と第２の端部との間の所定位置と第１の給電点との間を接続する給電ラインを備え、
   第２の放射素子は、第１の端部が第２の給電点であり、第２の端部が前記接地点に接続され、第２の通信周波数帯においてほぼ１／２波長モードで共振し、
   前記接地点から第２の給電点までの距離が、前記接地点から第１の給電点までの距離より遠い、アンテナ。
2. 第１の放射素子の共振周波数ｆ１及び第２の放射素子の共振周波数ｆ２は、
   ０．３７ ＜ ｆ１／ｆ２ ＜ ０．９６ の関係を満足する、請求項１に記載のアンテナ。