JP2012169896A - マルチバンドアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＴＥを含めた周波数帯に対応可能であり、ＶＳＷＲ帯域において優れ、もって複数の送受信系に対応可能なマルチバンドアンテナを提供する。
【解決手段】 一端側が給電点に接続され他端側が開放端の第１の素子と、一端側が前記給電点と接続し、他端側が開放端であり、前記第１の素子よりも素子長さが短く、かつ前記第１の素子と略同方向に並んで伸びる第２の素子とを備え、第１の端子の開放端に至るまでに前記第１の素子と前記第２の素子との間を接続する接続部を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無線装置に用いられるアンテナ回路に関し、特には複数の互いに異なる周波数帯において利用可能なマルチバンドアンテナに関するものである。

携帯電話等の無線通信装置の急速な普及に応じて通信システムが使用する周波数帯域も多岐に亘るようになり、特に最近では、デュアルバンド方式、トリプルバンド方式、クワッドバンド方式のように複数の送受信帯域に対応した携帯電話が多くなってきた。例えば、ＧＳＭ８５０／９００帯、ＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯、ＵＭＴＳ帯の通信システムに対応した携帯電話では、ＧＳＭ８５０／９００帯が８２４〜９６０ＭＨｚ、ＤＣＳ帯が１７１０〜１８５０ＭＨｚ、ＰＣＳ帯が１８５０〜１９９０ＭＨｚ、及びＵＭＴＳ帯が１９２０〜２１７０ＭＨｚ帯の周波数帯を使用するので、これらの複数の周波数帯域に対応可能なアンテナ（マルチバンドアンテナ）が必要である。

アンテナを構成するアンテナの要素［放射素子、放射電極、放射線路（単に線路とも呼ばれる）］は通常基本周波数での共振（基本モード）と、高次の周波数での共振（高次モード）とを有する。例えば、直列共振で動作するアンテナでは、基本モードは１／４波長であり、高次モードは３／４波長である。また、並列共振であれば、基本モードは１／２波長であり、高次モードは３／２波長である。
一つのアンテナ要素でマルチバンドアンテナを構成する場合、直列共振による基本モードの共振を例えばＧＳＭ８５０／９００帯で得るとすると、ＤＣＳ帯等は高次モードの共振に対応することになる。しかし、ＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯及びＵＭＴＳ帯はＧＳＭ帯の約２〜２．５倍の周波数であり、複数の周波数帯域が１：３の関係にないので、単純には高次モードの共振に対応できない。並列共振による場合もまた高次モードの共振に対応するのは難しい。また高次モードの共振では、ＶＳＷＲ（電圧定在波比）が得られる帯域幅が狭い。

ＧＳＭ８５０／９００帯の周波数帯域幅は１３６ＭＨｚであり、中心周波数は８９２ＭＨｚであるので、比帯域幅は約１５．３％〔１３６ＭＨｚ／８９２ＭＨｚ〕である。またＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯、及びＵＭＴＳ Ｂａｎｄ１帯の周波数帯域幅は４６０ＭＨｚであり、中心周波数は１９４０ＭＨｚであるので、比帯域幅は約２３．７％〔４６０ＭＨｚ／１９４０ＭＨｚ〕である。このような周波数帯では、一つのアンテナ要素による共振によりインピーダンス整合を得るのは難しく、その帯域幅も十分に確保できない。

このような問題に対して、本発明者は特許文献１において図１２に示すマルチバンドアンテナを提案した。このマルチバンドアンテナは、要素Ｅ２、Ｅ３を含み並列共振モードで動作する第１の放射素子と、要素Ｅ１、Ｅ２で構成され直列共振モードで動作する第２の放射素子と、要素Ｅ１、Ｅ３で構成され直列共振モードで動作する第３の放射素子とを備えるものである。なお図中、符号２１１は第２の放射素子に誘起される共振電流を、符号２２２は第３放射素子に誘起される共振電流を、第３の放射素子に誘起される共振電流を示す。

第１の放射素子による並列共振の第１の周波数は、第２の放射素子による直列共振の第２の周波数よりも相対的に高周波数に設定されおり、第３の放射素子による直列共振の第３の周波数は前記第１の周波数よりも相対的に高周波数に設定される。
第１の周波数をアンテナの動作周波数帯域内とし、第２、第３の周波数を帯域外に設定することで、直列共振モードの共振と並列共振モードの共振との間に遷移的に生じるＶＳＷＲ劣化のピーク周波数を所望の周波数帯域外（低周波側）とし、更に第２の周波数を、アンテナの動作周波数の下限近傍に設定する。主共振として並列共振を用いることで、基本モードでのインピーダンス整合可能な周波数を広帯域とするとともに、利得の低下も防いでいる。また更に要素を加えることで、ＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯及びＵＭＴＳ帯の高周波帯にも対応可能としている。

特開２０１０−２８８１７５号

最近ではマルチバンドアンテナが対応すべき周波数帯はＬＴＥ帯にも広がっている。例えば、ＬＴＥ Ｂａｎｄ１３帯は７４６〜７８７ＭＨｚ、ＬＴＥ Ｂａｎｄ１４帯は７５８〜７９８ＭＨｚ、ＬＴＥ Ｂａｎｄ７帯は２５００〜２６９０ＭＨｚ帯の周波数帯を使用する。なおＬＴＥ、ＧＳＭは商標あるいは登録商標である。

マルチバンドアンテナに要求される対応周波数帯域は広がる一方である。特許文献１のマルチバンドアンテナは広帯域の周波数に対応可能なものであるものの、ＬＴＥを含めた基本モードの周波数帯に対応するには、並列共振モードでの主共振ではＶＳＲＷ帯域が十分でないと言う問題がある。
また主共振である第１の放射素子による基本モードでの並列共振の周波数は、第２の放射素子と第３の放射素子を構成する要素の長さ等によって調整される。当然に要素の長さを変えれば、２つの直列共振の周波数も変化する。
例えば、第２の放射素子による直列共振を利用し、ＬＴＥ周波数帯域内の第２の周波数に共振を設けることも可能であるが、調整が難しいとともに、主共振や高次モードにおいて所望のＶＳＷＲが得られる周波数帯域が狭くなる問題がある。この為、従来のマルチバンドアンテナでは、ＬＴＥを含めた周波数帯に対応させることは困難であった。
そこで本発明では、ＬＴＥを含めた周波数帯に対応可能であり、ＶＳＷＲ帯域において優れ、もって複数の送受信系に対応可能なマルチバンドアンテナを提供することを目的とする。

本発明は、複数の送受信系に対応するマルチバンドアンテナであって、一端側が給電点に接続され他端側が開放端の第１の素子と、一端側が前記給電点と接続し、他端側が開放端であり、前記第１の素子よりも素子長さが短く、かつ前記第１の素子と略同方向に並んで伸びる第２の素子と、一端側が前記給電点と接続し、他端側が開放端であり、前記第２の素子よりも素子長さが短く、かつ少なくとも一部が前記第２の素子と略同方向に並んで伸びる第３の素子と、前記給電点側に前記第１〜第３の素子を直接又はインピーダンス素子を介し接地する短絡線路を備え、第１の端子の開放端に至るまでに前記第１の素子と前記第２の素子との間を接続する接続部を有することを特徴とするマルチバンドアンテナである。

本発明によれば、ＧＳＭ８５０／９００帯やＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯及びＵＭＴＳ帯の高周波帯はもとより、ＬＴＥを含めた周波数帯においてＶＳＷＲ帯域特性に優れ、もって複数の送受信系に対応可能なマルチバンドアンテナを容易に提供することが出来る。

本発明のマルチバンドアンテナの一構成例を説明する為の図である。 本発明のマルチバンドアンテナの第１〜第４の周波数における動作を説明する為の図である。 本発明のマルチバンドアンテナの第５の周波数における動作を説明する為の図である。 本発明のマルチバンドアンテナの第６〜第９の周波数における動作を説明する為の図である。 本発明のマルチバンドアンテナの第１０の周波数における動作を説明する為の図である。 本発明のマルチバンドアンテナの第１１の周波数における動作を説明する為の図である。 本発明のマルチバンドアンテナの他の構成例を説明する為の図である。 本発明のマルチバンドアンテナの金属板による構成例を示す外観斜視図である。 本発明のマルチバンドアンテナの金属板による他の構成例を示す外観斜視図である。 本発明のマルチバンドアンテナのＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。 本発明の他のマルチバンドアンテナのＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。 従来のマルチバンドアンテナの構成を説明する為の図である。

本発明のマルチバンドアンテナの基本構造を、図１を用いて説明する。
このマルチバンドアンテナ１は、第１の素子ｅｌ１と第２の素子ｅｌ２と第３の素子ｅｌ３とを備え、各素子は共通の給電回路２００からの給電により励振され、複数の共振を生じることで、複数の送受信系に対応可能なものである。

本実施例において、第１の素子ｅｌ１は要素ａ、ｄ、ｅ、ｆからなり、第２の素子ｅｌ２は要素ｂ、ｅ、ｆからなり、第３の素子ｅｌ３は要素ｃ、ｇ、ｆからなる。また短絡線路は要素ｈとなる。短絡線路はインピーダンス素子を介して接地しても良い。
要素ａは要素ｂと比べて僅かに長くなるように設定される。要素ａと要素ｂとの長さの差は実質的に第１の素子ｅｌ１と第２の素子ｅｌ２との長さの差となる。
そして、第１の端子ｅｌ１の開放端に至るまでに前記第１の素子ｅｌ１と前記第２の素子ｅｌ２との間を接続する接続部Ｓｂを有する。前記接続部Ｓｂとの接続点によって、要素ａは要素ａ１、ａ２に、要素ｂは要素ｂ１、ｂ２に分けられる。
各素子の主要部は、理想的にはグランド面ＧＮＤと略平行に配置され、それぞれ同じ方向に向って伸びる様に構成される。

第１の素子ｅｌ１は第２の素子ｅｌ２と近接して配置されており、要素ａ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈによって第１の周波数ｆ１で並列共振する第１の放射素子を構成する。その合計長さは、実質的に第１の周波数ｆ１の波長λ１の略１／４となっている。
要素ｂ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈによって第２の周波数ｆ２で並列共振する第２の放射素子を構成する。その合計長さは、実質的に第２の周波数ｆ２の波長λ２の略１／４となっている。
要素ａ２、ｉ、ｂ１、ｅ、ｆ、ｇ、ｈによって第３の周波数ｆ３で並列共振する第３の放射素子を構成する。その合計長さは、実質的に第３の周波数ｆ３の波長λ３の略１／４となっている。
要素ｂ２、ｉ、ａ１、ｅ、ｆ、ｇ、ｈによって第４の周波数ｆ４で並列共振する第４の放射素子を構成する。その合計長さは、実質的に第４の周波数ｆ４の波長λ４の略１／４となっている。

図２に示す様に、第１の放射素子には共振電流ｅ１が誘起され、第２の放射素子には共振電流ｅ２が誘起され、第３の放射素子には共振電流ｅ３が誘起され、第４の放射素子には共振電流ｅ４が誘起される。これ等の放射素子による共振周波数は近接しており、ＶＳＷＲの周波数特性では、あたかも一つの共振の様に見える。複数の共振が異なる周波数に生じているため、ＶＳＷＲの周波数特性は広帯域化する。ここで現れるＶＳＷＲのピークをピークａとする。
理想状態では第３の素子ｅｌ３側は高インピーダンスであり、給電側からは見えないので点線で示している。

図３は第５の周波数ｆ５での共振状態を示す図である。周波数ｆ５は前記第１の周波数ｆ１の２倍を超える周波数に設定される。第３の素子ｅｌ３は第５の放射素子として機能し、構成要素ｃ、ｆ、ｇ、ｈに共振電流ｅ５が誘起される。第３の素子ｅｌ３は第５の周波数ｆ５で共振する波長λ５の略１／４の長さに形成されており、開放端側で電流が最小となるような直列共振モードの電流分布となる。この共振でのＶＳＷＲのピークをピークｂとする。
理想状態では第１の素子ｅｌ１、第２の素子ｅｌ２は高インピーダンスであり、給電側からは見えないので点線で示している。第５の周波数ｆ５が、第１の素子ｅｌ１や第２の素子ｅｌ２が共振し得る高次の共振周波数と近い周波数であれば、各素子にも高次直列共振の共振電流が誘起される場合があるが、主共振による電流よりも小さい。

図４は第６の周波数ｆ６〜第９の周波数ｆ９での共振状態を示す図である。第１の放射素子〜第２の放射素子には、第１〜第４の放射素子による高次直列共振モードの共振電流ｅ６〜ｅ７が誘起される。これ等の放射素子による共振周波数もまた近接しており、ＶＳＷＲの周波数特性では、あたかも一つの共振の様に見える。複数の共振が異なる周波数に生じているため、ＶＳＷＲの周波数特性は広帯域化する。ここで現れるＶＳＷＲのピークをピークｃとする。
理想状態では第３の素子ｅｌ３は高インピーダンスであり、給電側からは見えないので点線で示している。第３の素子ｅｌ３が第２の素子ｅｌ２と結合する場合には、直列共振の共振電流が誘起される場合があるが、主共振による電流よりも小さい。

図５は第１０の周波数ｆ１０での共振状態を示す図である。第２の放射素子に高次直列共振モードの共振電流ｅ１０が誘起される。
理想状態では第１の素子ｅｌ１、第３の素子ｅｌ３は高インピーダンスであり、給電側からは見えないので点線で示すが、第１の放射素子による高次直列共振や第３の放射素子の直列共振による共振電流が誘起される場合もある。その場合の共振電流は主共振による電流よりも小さい。この共振でのＶＳＷＲのピークをピークｄとする。

図６は第１１の周波数ｆ１１での共振状態を示す図である。第１の素子と第２の素子の構成要素ａ２、ｂ２、ｂ１、ｅ、ｆによって第１１の周波数ｆ１１で並列共振する第６の放射素子を構成する。その合計長さは、実質的に第１１の周波数ｆ１１の波長λ１１の略１／２となっている。この共振でのＶＳＷＲのピークをピークｅとする。
理想状態では第１の素子ｅｌ１の一部と、第３の素子ｅｌ３は高インピーダンスであり、給電側からは見えないので点線で示すが、第１の放射素子による高次直列共振や第３の放射素子の直列共振による共振電流が誘起される場合もある。その場合の共振電流は主共振による電流よりも小さい。

なお本実施態様では、第１の素子ｅｌ１、第２の素子ｅｌ２は直線状であり、同方向に伸長するが、曲線や蛇行させて構成することが出来る。また屈曲させて、先端側を同じ方向に伸長する様に折り返しても良い。更に折り返された第２の素子ｅｌ２の先端側を第３の素子ｅｌ３と結合可能なように対向させても良い。
このような構成によれば、マルチバンドアンテナを小型に構成することが出来る。また、第２の素子ｅｌ２と第３の素子ｅｌ３の経路での共振を利用して、広帯域のマルチバンドアンテナとすることが出来る。

各素子を構成する要素は、ＦＲ４（ガラスエポキシ樹脂基板）などのプリント基板に、エッチングなどの公知の手法によって低抵抗のＣｕ薄板で形成する場合や、アルミナや他の誘電体セラミクス材料から成るセラミック基板に、印刷やエッチングなどの公知の手法によってＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の良導体で形成することも出来る。また、Ｃｕやリン青銅からなる導体薄板で構成しても良い。
加工は容易だが外力に対して容易に変形し難いリン青銅などの合金で要素を形成すれば、支持体に依らず自由な形状に形成することが可能となり好ましい。
またプリント基板やセラミック素体に形成した要素を、グランド面を有する他のプリント基板に実装して構成しても良いし、導体薄板と組み合わせて構成しても良い。

以下本発明に係るマルチバンドアンテナの実施例について説明する。
図７はマルチバンドアンテナの構成例を説明する為の図である。また、図８及び図９の斜視図に金属板による構成例を示す。このマルチバンドアンテナはポリカーボネート樹脂により支持されるが、図面上では省略している。外形寸法は幅を１０ｍｍ、長さを４６．５ｍｍ、高さを６．５ｍｍとしている。

このマルチバンドアンテナは、接続点（給電点）Ａを介して給電回路２００と接続する第１の素子ｅｌ１と、第２の素子ｅｌ２と、第３の素子ｅｌ３とを有し、プリント回路基板（図示せず）の一面側に立設されたリン青銅からなる厚み０．１ｍｍの導体薄板で構成されている。
プリント回路基板は銅張両面導体基板（ガラスエポキシ基板）であるが、マルチバンドアンテナと重なる部位には、その両面にグランドパターンは形成されていない。

給電点Ａに対して、第１の素子ｅｌ１と第２の素子ｅｌ２とが同じ方向に伸び、複数箇所で折り曲げられた後、端部は給電点Ａ側に向う。その長さは、第１の素子ｅｌ１を８１．５ｍｍ、第２の素子ｅｌ２を７７．５ｍｍとした。本実施例においては端部側に近接部が設けられ素子間の間隔は０．５ｍｍとなっている。また他の部位では１．５ｍｍの間隔をもって形成している。第１の素子ｅｌ１と第２の素子ｅｌ２は途中で接続されており、接続部Ｓｂは、図８のマルチバンドアンテナでは、第１の素子ｅｌ１の給電点Ａから約５１ｍｍ位置と、第２の素子ｅｌ２の給電点Ａから約４０ｍｍ位置とを接続している。他の実施態様である図９に示すマルチバンドアンテナでは、第１の素子ｅｌ１の給電点Ａから約６９ｍｍ位置と、第２の素子ｅｌ２の給電点Ａから約５８ｍｍ位置とを接続している。

第１の素子ｅｌ１と第２の素子ｅｌ２の端部側に向かって第３の素子ｅｌ３が形成される。その長さを３０．５ｍｍとした。端部は第２の素子ｅｌ２に３方囲まれた領域にあり、隣り合う第２の素子ｅｌ２との間隔を、第２の素子ｅｌ２の端部側で１．９ｍｍ、給電点に近い側で２．０ｍｍとした。

この様な構成により、ＶＳＷＲのピークａをＬＴＥ Ｂａｎｄ１３，１４、ＧＳＭ８５０／９００帯に、ピークｂをＤＣＳ／ＰＣＳ帯に、ピークｃをＵＭＴＳ帯に、ピークｄをＬＴＥ Ｂａｎｄ７帯に有するマルチバンドアンテナとした。

得られたマルチバンドアンテナを５０Ωの同軸ケーブルを介してネットワークアナライザに接続し、ＶＳＷＲ特性を測定した。図１０及び図１１に６００ＭＨｚ〜３０００ＭＨｚにおけるＶＳＷＲ特性を示す。接続部ｂの位置によって、第６の放射素子によるＶＳＷＲのピークｅの位置が変化した。

本発明のマルチバンドアンテナによれば、各共振が各送受信系の帯域内において発現し、かつ所定のＶＳＷＲ値となる周波数帯域が広帯域であって、各送受信系の帯域をカバーする。さらに、第１の素子ｅｌ１と第２の素子ｅｌ２を繋ぐ接続部ｂの位置の調整によって、任意の周波数において共振を生じさせることができる。この為、更にマルチバンドアンテナが対応可能な送受信系を増やすことも可能である。

１ マルチバンドアンテナ
２００ 給電回路
ｅｌ１ 第１の素子
ｅｌ２ 第２の素子
ｅｌ３ 第３の素子

Claims (1)

1. 複数の送受信系に対応するマルチバンドアンテナであって、
   一端側が給電点に接続され他端側が開放端の第１の素子と、一端側が前記給電点と接続し、他端側が開放端であり、前記第１の素子よりも素子長さが短く、かつ前記第１の素子と略同方向に並んで伸びる第２の素子と、一端側が前記給電点と接続し、他端側が開放端であり、前記第２の素子よりも素子長さが短く、かつ少なくとも一部が前記第２の素子と略同方向に並んで伸びる第３の素子と、前記給電点側に前記第１〜第３の素子を直接又はインピーダンス素子を介し接地する短絡線路を備え、
   第１の端子の開放端に至るまでに前記第１の素子と前記第２の素子との間を接続する接続部を有することを特徴とするマルチバンドアンテナ。

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