JP2012105134A

JP2012105134A - 無線装置及びアンテナ装置

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Publication number: JP2012105134A
Application number: JP2010252779A
Authority: JP
Inventors: Koji Soegawa; 公司添川
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2030-11-11
Also published as: US9054426B2; JP5644397B2; US20120119963A1

Abstract

【課題】省スペースで優れた特性をもつアンテナを提供する。
【解決手段】無線装置１は、スリット１２を有する基板１１と、整合回路を介しスリット１２の開放端を跨ぐように基板１１に取り付けられ、一端側から給電されるアンテナエレメント１６と、をそなえるアンテナ装置１０と、アンテナ装置１０が取り付けられる筐体３０とを有する。
【選択図】図１

Description

本件は、無線装置及び同無線装置に用いられるアンテナ装置に関する。

近年、携帯電話機などの移動無線端末は多機能化が進んでいる。このため、移動無線端末には、セルラアンテナの他に、ワンセグ，ＧＰＳ（Global Positioning System），Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標），無線ＬＡＮ（Local Area Network），ＦＭ（Frequency Modulation）トランスミッタなどの用途に用いられるアンテナも搭載されている。
従来、移動無線端末に搭載されるアンテナには、モノポールアンテナが用いられている。このモノポールアンテナにおいては、ＧＮＤ（グラウンド）として機能する基板もアンテナの一部であり、アンテナエレメントが小さくても基板の大きさで利得を稼ぐことができる。このため、モノポールアンテナは、移動無線端末のような小型の装置に適している。

モノポールアンテナの良好な特性を確保するためには、アンテナエレメントを基板からなるべく離すことが望ましい。このため、モノポールアンテナを搭載する領域には、筐体のコーナー部が適している。
しかしながら、上述したように、移動無線端末に数多くのアンテナを搭載する場合、全てのアンテナを筐体のコーナー部に搭載することは困難である。

また、次世代通信方式であるＬＴＥ（Long Term Evolution）ではＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）技術が採用されることから、さらに受信専用のサブアンテナを搭載する必要があり、アンテナを設置するための領域不足が深刻化している。
このような設置領域不足の問題を解決する技術として、モノポールアンテナと設置領域が競合しないアンテナが提案されており、その一つとして、基板にスリット（切り込み）を設けてアンテナとして動作させるノッチアンテナが知られている。

例えば、基板に０．２λの長さのスリットを有するノッチアンテナの共振長を適宜変更する手段が提案されている。また、基板に０．２５λの長さのスリットを有するノッチアンテナの特性を広帯域化させる方法が提案されている。なお、λは使用波長である。
ここで、例えば、０．２λは、２ＧＨｚ帯で約３０ｍｍ、２．４ＧＨｚ帯で約２５ｍｍであるのに対し、携帯電話機の基板の大きさは９０ｍｍ×４５ｍｍ程度である。このため、携帯電話機にノッチアンテナを搭載することは一見すると容易であるように思われる。

特開２００４−０３２３０３号公報特開２００４−０５６４２１号公報

しかしながら、ノッチアンテナを正常に動作させるためには、スリット上に配線パターンやシールド板金を重ねてはならない等、配線の引き回しや部品の実装に大きな制約を受けてしまう。
従って、これだけの長さのスリットを有するノッチアンテナを、携帯電話機などの移動無線端末に実際に搭載することは困難である。

そこで、本件は、省スペースで優れた特性をもつアンテナを提供することを目的の１つとする。
なお、前記目的に限らず、後述する実施形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的の一つとして位置付けることができる。

（１）このため、本件の無線装置は、スリットを有する基板と、整合回路を介し前記スリットの開放端を跨ぐように前記基板に取り付けられ、一端側から給電されるアンテナエレメントと、をそなえるアンテナ装置と、前記アンテナ装置が取り付けられる筐体とを有するものである。
（２）また、本件のアンテナ装置は、スリットを有する基板と、整合回路を介し前記スリットの開放端を跨ぐように前記基板に取り付けられ、一端側から給電されるアンテナエレメントと、を有するものである。

省スペースで優れた特性をもつアンテナを提供することが可能となる。

一実施形態に係るアンテナ装置及び同アンテナ装置を有する無線装置の構成の一例を示す図である。一実施形態に係るアンテナ装置の構成を説明すべく要部を拡大して示す図である。図１に示すアンテナ装置の詳細を示す図である。図１に示すアンテナ装置の動作原理を説明するための図である。図１に示すアンテナ装置の動作原理を説明するための図である。図１に示すアンテナ装置のＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。第１変形例に係るアンテナ装置の構成を示す図である図７に示すアンテナ装置のＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。第２変形例に係るアンテナ装置の構成を示す図である図９に示すアンテナ装置のＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。第３変形例に係るアンテナ装置の構成を示す図である図１１に示すアンテナ装置のＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。第４変形例に係るアンテナ装置の構成を示す図である図１３に示すアンテナ装置のＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。

以下、図面を参照して本件の実施の形態を説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも例示に過ぎず、以下に示す各実施形態及び変形例で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、各実施形態及び変形例を、本件の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できることはいうまでもない。
〔１〕一実施形態
図１〜図３を参照しながら、一実施形態に係るアンテナ装置１０の構成について説明する。図１はアンテナ装置１０の構成の一例を示す図、図２はアンテナ装置１０の構成を説明すべく要部を拡大して示す図、図３はアンテナ装置１０の詳細を示す図である。

なお、本例において、アンテナ装置１０はＭＩＭＯシステムの２ＧＨｚ受信帯用（２１１０ＭＨｚ〜２１７０ＭＨｚ）にチューニングされているものとする。また、本例のアンテナ装置１０あるいは後述するアンテナ装置１０Ａ〜１０Ｄは、図１に示すように、携帯電話機などの移動無線端末（無線装置）１におけるアンテナ装置として用いられる。
この移動無線端末１は、アンテナ装置１０（１０Ａ〜１０Ｄ）と、アンテナ装置１０（１０Ａ〜１０Ｄ）が取り付けられる筐体３０とを有している。アンテナ装置１０（１０Ａ〜１０Ｄ）は、後述するように、基板１１を用いて構成される。この基板１１上には、アンテナ装置１０（１０Ａ〜１０Ｄ）を用いて無線通信処理を行なう無線回路２０がそなえられている。

図１及び図３に示すアンテナ装置１０は、例示的に、スリット１２を形成された矩形状の基板１１と、給電部１４と、給電線１５と、アンテナエレメント１６と、キャパシタ１７と、インダクタ１８とをそなえる。
スリット１２は、基板１１の一辺（短辺）の中央部分において、その一辺に直交する方向に切り込まれて直線状に形成される。本例において、このスリット１２の切り込み長さ（開放端１３から基板１１内への侵入距離）ｄは１０ｍｍ（約０．０７λ）であり、ノッチアンテナにおいて必要とされるスリットの長さと比較すると極めて短くなっている。また、スリット１２の幅は１ｍｍとしている。

本例において、このスリット１２は、図２に示すように、スリット１２が形成された基板１１の一辺の略半分の長さｌａと、スリット１２の内周長の半分の長さｌｂ（ただし、ｌｂ＝ｌｘ＋ｌｙ）との合計値ｌが、およそλ／４つまり使用波長λの略４分の１になるように形成される。具体的に、図１及び図３に示すアンテナ装置１０においては、ｌ＝２１．５ｍｍ（＝ｌａ）＋１０ｍｍ（＝ｌｘ）＋０．５ｍｍ（＝ｌｙ）＝３２ｍｍであるのに対し、２１４０ＭＨｚにおける波長λの４分の１の長さがおよそ３５ｍｍであることから、両者がほぼ等しいことがわかる。

なお、ｌｘはスリット１２の切り込み長さ（侵入距離ｄ）であり、ｌｙはスリット１２の幅の半分の長さである。また、アンテナ装置１０において、長さｌａは、基板１１の一辺の半分の長さよりもスリット１２の幅の半分の長さｌｙだけ短くなっており、厳密に基板１１の一辺の半分の長さではない。つまり、長さｌａは、上述したように、スリット１２を形成された基板１１の一辺の略半分の長さになっている。

ここで、図１に示すアンテナ装置１０の構成を、図３を用いて詳細に説明する。
アンテナエレメント１６は、整合回路を介してスリットの開放端１３を跨ぐように基板１１に配置され取り付けられる。本例では、整合回路の一例として、キャパシタ１７及びインダクタ１８を用いる。ここで、スリット１２で分断された基板１１の一方の側（給電部１４を配置される側；図３中上側）を領域Ａ、逆側を領域Ｂとする。

アンテナエレメント１６の一端は、インダクタ１８を介して領域Ａの基板１１に接続され、また、アンテナエレメント１６の他端は、キャパシタ１７を介して領域Ｂの基板１１に接続される。なお、インダクタ１８は、インピーダンス調整用であり、共振周波数には直接関係しない。また、本例では、キャパシタ１７のキャパシタンスは０．５ｐＦ、インダクタ１８のインダクタンスは１．５ｎＨとするが、あくまで一例であり、本件はこれらの値に限定されるものではない。

さらに、アンテナエレメント１６の一端は、領域Ａに設けられた給電線１５を介して給電部１４によって給電される。
ここで、図４及び図５を用いて、本アンテナの動作原理について説明する。
図４及び図５は、シミュレーションによって得られた、図１に示すアンテナ装置１０の基板１１における電流分布を示す。なお、電流分布の観測周波数は２１４０ＭＨｚである。

まず、アンテナ装置１０は、スリット１２の内周の長さによって変化するインダクタンスとキャパシタ１７のキャパシタンスとにより共振する。この共振はループアンテナ型の共振であり、図４で示すように、スリット１２の周囲の基板１１上には渦電流が発生する（図４の符号１９で示す矢印参照）。
さらに、この渦電流は、図５で示すように、基板１１の領域Ａ及び領域Ｂのそれぞれにほぼ同じ向きの電流を誘起する（図５の符号２０で示す矢印参照）。

ここで、上述したように、基板１１の一辺の略半分の長さと、スリット１２の内周長の半分の長さとを合計するとおよそλ／４であることから、領域Ａ及び領域Ｂにおける基板１１は、それぞれλ／４の長さを有するアンテナ素子となる。このため、スリット１２が形成された基板１１の一辺は、全体としてλ／２の長さを有するダイポールアンテナのように動作する。

ここで、図６に、シミュレーションによって得られた、図１で示すアンテナ装置１０のＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）特性を示す。
この図６から、図１で示すアンテナ装置１０は、目的周波数（２１１０ＭＨｚ〜２１７０ＭＨｚ）においてＶＳＷＲが３以下であり、良好な特性を示していることが分かる。
上述したように、一実施形態のアンテナ装置１０によると、スリット１２を形成された基板１１の一辺がアンテナ素子として機能するので、一般的なノッチアンテナのスリットに比べて極めて短いスリットによって、極めて優れた特性を得ることができる。

また、アンテナエレメント１６を基板１１の一辺の中央部分に配置するので、モノポールアンテナと設置領域が競合しない。
さらに、スリット１２の長さつまり開放端１３から基板１１内への侵入距離ｄがノッチアンテナと比較して極めて短く、基板１１上における配線の引き回しや部品の実装などの制約をほとんど受けない。

〔２〕第１変形例
図７は、本件のアンテナ装置の第１変形例の構成を示す図である。なお、図７中、既述の符号を付した各構成については、前述の各構成と同様の機能を具備するので、その詳細な説明は省略する。この図７に示すように、第１変形例のアンテナ装置１０Ａでは、図１で示した直線状のスリット１２に代えて、所定の位置で図中上方に折り曲げたＬ字形のスリット１２Ａが形成されている。なお、本例におけるスリット１２Ａの内周長の半分の長さは１０．５ｍｍであり、上述した一実施形態におけるスリット１２の内周長の半分の長さｌｂと等しい。

図８は、シミュレーションによって得られた、図７で示すアンテナ装置１０ＡのＶＳＷＲ特性を示している。
この図８から、図７に示すＬ字形のスリット１２Ａを用いた場合でも、アンテナ装置１０Ａは、目的周波数（２１１０ＭＨｚ〜２１７０ＭＨｚ）においてＶＳＷＲが３以下であり、良好な特性を示していることが分かる。

従って、上述した第１変形例によれば、上述したアンテナ装置１０と同様の作用効果が得られるほか、Ｌ字形のスリット１２Ａを用いることで、スリット１２Ａの内周長をスリット１２の内周長と同等に保ったままで開放端１３から基板１１内への侵入距離ｄを短くすることができる。これにより、上述したアンテナ装置１０と同等の良好な特性を得ながら、基板１１上の配線や部品の実装の自由度を向上することができる。具体的に、アンテナ装置１０ではｄ＝１０ｍｍであるのに対し、アンテナ装置１０Ａでは、図７に示すように、ｄ＝７ｍｍとなる。

〔３〕第２変形例
図９は、本件のアンテナ装置の第２変形例の構成を示す図である。なお、図９中、既述の符号を付した各構成については、前述の各構成と同様の機能を具備するので、その詳細な説明は省略する。この図９に示すように、第２変形例のアンテナ装置１０Ｂでは、図１で示した直線状のスリット１２に代えて、所定の位置で図中下方に折り曲げたＬ字形のスリット１２Ｂが形成されている。なお、本例におけるスリット１２Ｂの内周長の半分の長さは１０．５ｍｍであり、上述した一実施形態におけるスリット１２の内周長の半分の長さｌｂと等しい。

図１０は、シミュレーションによって得られた、図９で示すアンテナ装置１０ＢのＶＳＷＲ特性を示す。
この図１０から、図９に示すＬ字形のスリット１２Ｂを用いた場合でも、アンテナ装置１０Ｂは、目的周波数（２１１０ＭＨｚ〜２１７０ＭＨｚ）においてＶＳＷＲが３以下であり、良好な特性を示していることが分かる。

従って、上述した第２変形例によれば、上述したアンテナ装置１０と同様の作用効果が得られるほか、第１変形例と同様、Ｌ字形のスリット１２Ｂを用いることで、スリット１２Ｂの内周長をスリット１２の内周長と同等に保ったままで開放端１３から基板１１内への侵入距離ｄを短くすることができる。これにより、上述したアンテナ装置１０と同等の良好な特性を得ながら、基板１１上の配線や部品の実装の自由度を向上することができる。具体的に、アンテナ装置１０ではｄ＝１０ｍｍであるのに対し、アンテナ装置１０Ｂでは、図９に示すように、ｄ＝７ｍｍとなる。

〔４〕第３変形例
図１１は、本件のアンテナ装置の第３変形例の構成を示す図である。なお、図１１中、既述の符号を付した各構成については、前述の各構成と同様の機能を具備するので、その詳細な説明は省略する。この図１１に示すように、第３変形例のアンテナ装置１０Ｃでは、図１で示した直線状のスリット１２に代えて、Ｔ字形のスリット１２Ｃが形成されている。なお、本例におけるスリット１２Ｃの内周長の半分の長さは１０．７ｍｍであり、上述した一実施形態におけるスリット１２の内周長の半分の長さｌｂとほぼ等しい。

図１２は、シミュレーションによって得られた、図１１で示すアンテナ装置１０ＣのＶＳＷＲ特性を示す。
この図１２から、図１１に示すＴ字形のスリット１２Ｃを用いた場合でも、アンテナ装置１０Ｃは、目的周波数（２１１０ＭＨｚ〜２１７０ＭＨｚ）においてＶＳＷＲが３以下であり、良好な特性を示していることが分かる。

従って、上述した第３変形例によれば、上述したアンテナ装置１０と同様の作用効果が得られるほか、第１変形例及び第２変形例と比較し、スリット１２Ｃの内周長をスリット１２の内周長と同等に保ったままで開放端１３からの侵入距離ｄを更に短くすることができる。これにより、上述したアンテナ装置１０と同等の良好な特性を得ながら、基板１１上の配線や部品の実装の自由度を一層向上することができる。具体的に、アンテナ装置１０ではｄ＝１０ｍｍであるのに対し、アンテナ装置１０Ｃでは、図１１に示すように、ｄ＝６ｍｍとなる。

〔５〕第４変形例
図１３は、本件のアンテナ装置の第４変形例の構成を示す図である。なお、図１３中、既述の符号を付した各構成については、前述の各構成と同様の機能を具備するので、その詳細な説明は省略する。この図１３に示すように、第４変形例のアンテナ装置１０Ｄでは、図１で示した直線状のスリット１２の長さよりも短い直線状のスリット１２Ｄが形成されている。具体的に、アンテナ装置１０では、スリット１２の切り込み長さｌｘ＝ｄ＝１０ｍｍであるのに対し、アンテナ装置１０Ｄでは、スリット１２Ｄの切り込み長さｌｘ＝ｄ＝６ｍｍである。これにより、アンテナ装置１０Ｄの動作周波数を、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈや無線ＬＡＮなどで使用される周波数である２４００ＭＨｚ〜２４８０ＭＨｚにチューニングしている。

図１３に示すように、本例において、このスリット１２Ｄは、スリット１２Ｄを形成された基板１１の一辺の略半分の長さ（２１．５ｍｍ）と、スリット１２Ｄの内周長の半分の長さ（６．５ｍｍ）との合計は２８ｍｍになるよう形成されており、２４４０ＭＨｚにおける波長の４分の１の長さ（およそ３０．７ｍｍ）にほぼ等しい。
図１４は、シミュレーションによって得られた、図１３で示すアンテナ装置１０ＤのＶＳＷＲ特性を示す。

この図１４から、図１３に示すアンテナ装置１０Ｄは、目的周波数（２４００ＭＨｚ〜２４８０ＭＨｚ）においてＶＳＷＲが３以下であり、良好な特性を示していることが分かる。
このように、上述した第４変形例によれば、上述したアンテナ装置１０と同様の作用効果が得られるほか、スリットの内周長を変更することで、アンテナ装置の動作周波数を容易に変更することができる。なお、本例では、スリット長つまりはスリットの内周長を短くすることで、アンテナ装置の動作周波数を高くしたが、逆にスリット長を長くすることで動作周波数を低くすることもできる。

また、上述した第４変形例は、上記の他の変形例と組み合わせて実施することも可能である。つまり、アンテナ装置１０Ｄにおいて、スリット１２Ｄを直線状に代えてＬ字形やＴ字形に形成しても良い。
〔６〕その他
以上、本件の好ましい実施形態について詳述したが、本件は、かかる特定の実施形態に限定されるものではなく、本件の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変形、変更して実施することができる。

例えば、上述した実施形態では、基板に９２ｍｍ×４４ｍｍのサイズのものを用いたが、基板の大きさを変えることで設定周波数を調整することもできる。
また、上述した実施形態では、整合回路であるインダクタ１８として、１．５ｎＨのインダクタを用いたが、これを短絡線によって代用することもできる。さらに、インダクタ１８のインダクタンスを調整することで、ＶＳＷＲ特性の良好な帯域幅を調整することができる。

また、スリットにかかる寸法（切り込み長さ、幅）などは、上述した寸法に限定されるものではない。
さらに、上述した一実施形態及び各変形例では、スリットの形状に矩形状、Ｌ字形及びＴ字形のものを用いたが、例えば、ジグザグ状、曲線状及び円形状など、様々な形状のスリットを用いてもよい。

また、本件のアンテナ装置は、携帯電話機だけでなく、無線を用いて通信を行なう装置全般において広く適用することができる。

１移動無線端末（無線装置）
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄアンテナ装置
１１基板
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄスリット
１３開放端
１４給電部
１５給電線
１６アンテナエレメント
１７キャパシタ（整合回路）
１８インダクタ（整合回路）
２０無線回路
３０筐体

Claims

スリットを有する基板と、整合回路を介し前記スリットの開放端を跨ぐように前記基板に取り付けられ、一端側から給電されるアンテナエレメントと、をそなえるアンテナ装置と、
前記アンテナ装置が取り付けられる筐体と、
を有することを特徴とする、無線装置。
前記スリットは、前記基板の一辺の中央に形成され、
前記スリットの内周長の半分の長さと前記一辺の半分もしくは略半分の長さとの合計値が、使用波長の略４分の１であることを特徴とする、請求項１記載の無線装置。
前記整合回路として、前記アンテナエレメントの前記一端側と前記基板との間に介設されるインダクタと、前記アンテナエレメントの他端側と前記基板との間に介設されるキャパシタと、を有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の無線装置。
前記スリットは、前記基板に、直線状またはＬ字形またはＴ字形のいずれかの形状に形成されることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の無線装置。
スリットを有する基板と、
整合回路を介し前記スリットの開放端を跨ぐように前記基板に取り付けられ、一端側から給電されるアンテナエレメントと、を有することを特徴とする、アンテナ装置。