JP2012227742A - アンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末 - Google Patents

Abstract

【課題】携帯無線端末内に、同一周波数帯だけでなく異なる周波数帯も含めて動作する複数のアンテナ素子を近接して配置する構成において、広帯域に高いアイソレーションを実現し、低結合で高利得な性能を実現する。
【解決手段】第一接続回路１０８は、第一の周波数帯域における第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７との間の相互結合インピーダンスをキャンセルするように調節され、アンテナ素子間の結合劣化を軽減する。また、第二の周波数帯に対応した第二周波数帯用遮断回路１１１を第一アンテナ素子１０６と第一給電部１０４の間に配置する。この構成により、携帯無線端末において、同一周波数帯では低結合化して高いアイソレーションを確保するとともに、異なる周波数帯では遮断回路を用いることでアンテナの動作体積を拡大し、高利得な性能を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は携帯無線端末用アンテナに関する技術であって、２つの素子間で広帯域に高いアイソレーションを実現するものである。

携帯電話などの携帯無線端末は、電話機能や電子メール機能、インターネット等へのアクセス機能だけに留まらず、近距離無線通信機能、無線ＬＡＮ機能、ＧＰＳ機能、ＴＶ視聴機能、ＩＣカード決済機能など、ますます多機能化が進んでいる。このような多機能化に伴って、携帯無線端末に搭載されるアンテナの数は増加傾向にあり、複数のアンテナ素子間の結合に伴うアンテナ性能の劣化が、深刻な課題となっている。

一方、携帯無線端末では、デザイン性及び携帯性の観点からさらなる小型化、高集積化が望まれる中、装置の小型化を図りつつ、良好なアンテナ特性を維持するためには、アンテナ素子の配置及びアンテナ素子同士の結合に対して種々の工夫が必要となる。また、給電経路やアンテナ素子数をできる限り少なくし、結合劣化対策を施した高性能なアンテナシステムが求められる。

このようなアンテナ素子間の結合の問題に対応する従来の携帯無線機としては、例えば特許文献１及び非特許文献１に開示されているように、アレーアンテナ素子の給電部間を接続するように接続回路を挿入し、アンテナ間の相互結合インピーダンスをキャンセルすることで、アンテナ間の低相関を実現する構成が知られている。

米国特許出願公開第２００８／０２５８９９１号明細書（例えば第６Ａ図）

" Decoupling and descattering networks for antennas", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.24 Issue6 Nov. 1976

しかしながら、特許文献１及び非特許文献１記載の従来構成は、同一周波数帯で動作することが前提であり、異なる周波数帯で動作する場合に関しては言及されていない。このため、同一周波数帯だけでなく、異なる周波数帯も含めて動作する複数のアンテナ素子を近接して配置する場合、異なる周波数帯は結合劣化が生じるという課題があった。

本発明は、同一周波数を含む、複数の周波数帯で動作する２素子以上のアンテナが搭載される携帯無線端末において、上記課題を解決するために、同一周波数帯では低結合化して高いアイソレーションを確保するとともに、異なる周波数帯では遮断回路を用いることでアンテナの動作体積を拡大し、高利得な性能を実現できるアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末を提供することを目的とする。

本発明のアンテナ装置は、筐体と、前記筐体に設けられたグランドパターンを有する回路基板と、導電性の金属で構成された第一の周波数帯域で動作する第一アンテナ素子と、導電性の金属で構成された第一及び第二の周波数帯域で動作する第二アンテナ素子と、前記第一アンテナ素子と前記第二アンテナ素子の一部を電気的に接続する第一接続回路と、前記回路基板に配置された第一無線回路部と、前記第一無線回路に電気的に接続された第一給電部と、前記回路基板に配置された第二無線回路部と、前記第二無線回路に電気的に接続された第二給電部と、前期第二の周波数帯域を電気的に遮断する第二周波数帯用遮断回路とを具備し、前記第一アンテナ素子及び前記第二アンテナ素子は、前記回路基板上のグランドパターンと、所定の間隔を隔てて互いに近接して配置されるとともに、前記第一アンテナ素子は、前記第二周波数帯用遮断回路を介して前記第一給電部に電気的に接続され、前記第二アンテナ素子は、前記第二給電部に電気的に接続され、前記第一接続回路は、前記第一の周波数帯域における前記第一アンテナ素子と前記第二アンテナ素子との間の相互結合インピーダンスをキャンセルする。

この構成により、第一の周波数帯域は低結合回路により前記第一アンテナ素子と前記第二アンテナ素子との間に発生する逆位相の電流を低下させることで高効率のアンテナを得ることができる。また、第二の周波数帯域では第二周波数帯用遮断回路により第一給電部で消費される電力を抑えることができるとともに、アンテナの動作体積の拡大により高効率のアンテナを得ることができる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記第一アンテナ素子が、第一インピーダンス整合回路を介して前記第一給電部と電気的に接続される、もしくは、前記第二アンテナ素子が、第二インピーダンス整合回路を介して前記第二給電部と電気的に接続される。
この構成により、所望の周波数帯域において、より低結合なアンテナ特性を実現できる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記第１アンテナ素子又は前記第二アンテナ素子のいずれか、または両方の、一部もしくは全てが、プリント基板上の銅箔パターンで構成される。

この構成により、高精度にアンテナ素子を配置することができ、量産性の良いアンテナを実現できる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記第一のアンテナ素子は前記第一の周波数帯域よりも高い第三の周波数帯域及び前記第一の周波数帯域で動作し、前記第二のアンテナ素子は前記第一の周波数帯域よりも低い第二の周波数帯域及び前記第一の周波数帯域で動作し、前期第三の周波数帯域を電気的に遮断する第三周波数帯用遮断回路が、前記第二アンテナ素子と前記第二給電部の間で電気的に接続される。

この構成により、第一の周波数帯域は低結合回路により前記第一アンテナ素子と前記第二アンテナ素子との間に発生する逆位相の電流を低下させることで高効率のアンテナを得ることができる。また、第二の周波数帯域では第二周波数帯用遮断回路により第一給電部で消費される電力を抑えることができるとともに、アンテナの動作体積の拡大により高効率のアンテナを得ることができる。また、第三の周波数帯域では第三周波数帯用遮断回路により第二給電部で消費される電力を抑えることができるとともに、アンテナの動作体積の拡大により高効率のアンテナを得ることができる。

また、本発明のアンテナ装置を携帯無線端末に搭載する。

この構成により、携帯無線端末のアンテナ特性を向上させることができ、小型化を図ることができる。

本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末によれば、同一周波数帯では低結合化して高いアイソレーションを確保するとともに、異なる周波数帯では遮断回路を用いることでアンテナの動作体積を拡大し、高利得な性能を実現するアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末を実現することができる。

本発明の実施の形態１における携帯無線端末の構成図 本発明の実施の形態１における接続回路の具体構成を示す図 本発明の実施の形態１における解析条件（１〜４）を示す図 本発明の実施の形態１における携帯無線端末の条件１の特性解析モデルを示す図 本発明の実施の形態１における携帯無線端末の条件２、３の特性解析モデルを示す図 本発明の実施の形態１における携帯無線端末の条件４の特性解析モデルを示す図 本発明の実施の形態１の解析条件（１〜４）における携帯無線端末の周波数特性を示す特性図 本発明の実施の形態１の解析条件（１〜４）における携帯無線端末の自由空間効率を示す特性図 本発明の実施の形態２における携帯無線端末の構成図 本発明の実施の形態３における携帯無線端末の構成図 本発明の実施の形態３における解析条件（１〜３）を示す図 本発明の実施の形態３における携帯無線端末の条件１の特性解析モデルを示す図 本発明の実施の形態３における携帯無線端末の条件２、３の特性解析モデルを示す図 本発明の実施の形態３の解析条件（１〜３）における携帯無線端末の周波数特性を示す特性図 本発明の実施の形態３の解析条件（１〜３）における携帯無線端末の自由空間効率を示す特性図 本発明の実施の形態３における携帯無線端末の各周波数帯での動作概略図 本発明の実施の形態４における携帯無線端末の構成図 本発明の実施の形態５における携帯無線端末の構成図

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における携帯無線端末の構成図である。図１に示すように、携帯無線端末１００の内部に配置された回路基板１０１には第一無線回路部１０２が構成されており、第一給電部１０４を通じて、導電性の金属で構成された第一アンテナ素子１０６に高周波信号が供給されている。ここで、第一アンテナ素子１０６は第一の周波数帯域で動作するような電気的な長さ、例えば第一の周波数帯域の中心周波数にて４分の１波長の長さとする。さらに、回路基板１０１には第二無線回路部１０３が構成されており、第二給電部１０５を通じて、導電性の金属で構成された第二アンテナ素子１０７に高周波信号が供給されている。ここで、第二アンテナ素子１０７は第一の周波数帯域及び第二の周波数帯域の両方で動作するような電気的な長さ、例えば第一の周波数帯域と第二の周波数帯域の間の中心周波数で４分の１波長の長さとする。

第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７は、各々単体で配置した状態では、対応した周波数帯で所望の性能を得ることができる。しかしながら、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７を、携帯無線端末１００の幅方向中央部で第一の周波数帯域の中心周波数に対して０．０２波長以下の距離で略平行に配置すると、アンテナ素子間に相互結合インピーダンスが生じ、片方のアンテナ素子に流れた高周波電流が、もう片方のアンテナ素子に誘導電流として流れてしまうことで、結果として共に動作する第一の周波数帯域においてはアンテナの放射性能に劣化が生じてしまう。

そこで、第一接続回路１０８を第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７の素子間を接続し、アンテナ間の第一の周波数帯域の相互結合インピーダンスをキャンセルすることで、第一の周波数帯域におけるアンテナ素子間の結合劣化を軽減している。

なお、このままでは第二給電部から供給された第二の周波数帯域における高周波電流は、第一接続回路１０８を通じて第一給電部に流れ込んで、第一無線回路の抵抗成分によって損失されてしまうという課題がある。そこで、本発明では、第一アンテナ素子１０６と第一給電部１０４の間に、第二の周波数帯域に対応した第二周波数帯用遮断回路１１１を接続している。これにより、第二給電部から供給された第二の周波数帯域における高周波電流は、第一接続回路１０８を通じて第一給電部に流れ込むことなく、結合劣化を軽減することができる。

また、本構成では、第二給電部から供給された第二の周波数帯域における高周波電流は、第二周波数帯用遮断回路１１１を配置することで、第二アンテナ素子１０７のみならず、第一アンテナ素子１０６にも効果的に流れることになる。このことにより、アンテナの動作体積を拡大でき、第二の周波数帯域における放射効率を向上することができる。

さらに、第一アンテナ素子１０６は第二周波数帯用遮断回路１１１と第一給電部１０４の間に接続された第一インピーダンス整合回路１０９を介すとともに、第二アンテナ素子１０７は第二インピーダンス整合回路１１０を介して第二給電部１０５に接続される。第一インピーダンス整合回路１０９及び第二インピーダンス整合回路１１０を配置することで、第一アンテナ素子１０６のインピーダンス整合と第二アンテナ素子１０７のインピーダンス整合と、アンテナ素子間の相互結合インピーダンスをキャンセルするための調整をより細かく行うことができ、より結合劣化を軽減する効果が高まる。

なお、図１の構成では第一アンテナ素子１０６、第二アンテナ素子１０７を導電性の金属部品として説明しているが、一部もしくは全てをプリント基板上に構成した銅箔のパターンで構成しても同様な効果が得られる。

図２は、本発明の実施の形態１における第一接続回路の具体構成を示す図である。図２に示すように、第一接続回路１０８には（ａ）コンデンサ、（ｂ）インダクタ、（ｃ）並列共振回路、（ｄ）直列共振回路、（ｅ）メアンダパターンでの構成が可能である。さらにこれ以外の構成でも、フィルタや、パターンで構成したコンデンサなど、等価回路がコンデンサやインダクタの組合せで表現できる構成であって、相互結合インピーダンスを調整できるものであればいずれの構成でも良い。さらにこれらを複数組み合わせた構成であっても良い。

なお、図１の構成では、２つのアンテナ素子の間に相互結合が生じるが、インピーダンス整合回路を配置することで、これらの相互結合インピーダンスを総合的に調整することが可能となる。結果的に、第一の周波数帯域及び第二の周波数帯域において、第一給電部１０４と第二給電部１０５の間の通過特性であるＳ１２及びＳ２１を低く抑えることができ、結合劣化を軽減できる。

続いて、図１の具体的な構成について、性能を解析した事例を示す。以降では、第一の周波数帯域を１．５ＧＨｚ帯、第二の周波数帯域を８００ＭＨｚ帯、第三の周波数帯域を２．４ＧＨｚ帯とする。

図３は、本発明の実施の形態１における携帯無線端末の特性解析条件を示した表である。１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ａは１．５ＧＨｚ帯に対応することとし、８００ＭＨｚ帯用遮断回路１１１ａおよび２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１１ｂで構成する。条件１から条件４は、１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ａ及び８００ＭＨｚ帯用遮断回路１１１ａ、２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１１ｂの有無により条件が異なる。

図４は、本発明の実施の形態１における携帯無線端末の特性解析モデルを示す図である。図４（ａ）に示すように、回路基板１０１は、ガラスエポキシ樹脂製のプリント基板で構成されるが、ここでは長さ１３０ｍｍ、幅５７ｍｍの銅箔にて構成されていることとしてモデル化し、解析を行う。回路基板１０１では、第一給電部１０４及び第二給電部１０５を通じて、導電性の銅板で構成された第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７に高周波信号が供給されている。

第一給電部１０４からは、１．５ＧＨｚ帯および２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１１ｂに対応した２．４ＧＨｚ帯を含む０．６ＧＨｚから３ＧＨｚの高周波信号が供給され、第二給電部１０５においても、１．５ＧＨｚ帯および８００ＭＨｚ帯用遮断回路１１１ａに対応した８００ＭＨｚ帯を含む０．６ＧＨｚから３ＧＨｚの高周波信号が供給される。前記解析周波数において、Ｓパラメータである通過特性Ｓ２１、及び反射特性Ｓ１１、Ｓ２２、及び放射効率の解析を行う。

第一アンテナ素子１０６は、長さ２３ｍｍ、幅２ｍｍの導体板で構成される。一方、第二アンテナ素子１０７は、長さ２８ｍｍ、幅２ｍｍの導体板で構成される。

第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７は、回路基板１０１の端部に配置されている。第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７が最も近接する略平行部分の間隔は２ｍｍであり、１．５ＧＨｚに対して０．０１波長と極めて近接した間隔で配置されている。第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７が電気的に近接した距離で略平行に配置されるため、アンテナ素子間の相互結合が生じ、各アンテナ素子に流れた高周波電流が、もう片方のアンテナ素子に誘導電流として流れてしまうことで、結果として共に動作する第一の周波数帯域においてはアンテナの放射性能に劣化が生じてしまう。そこで、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７の端部にそれぞれを接続する１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ａを挿入し、１．５ＧＨｚ帯におけるアンテナ間の相互結合インピーダンスをキャンセルすることで、１．５ＧＨｚ帯におけるアンテナ素子間の結合劣化を軽減する。

また、８００ＭＨｚ帯用遮断回路１１１ａを、第一アンテナ素子１０６と第一給電部１０４の間に配置することで、８００ＭＨｚ帯における高周波電流は、１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ａを通じて第一給電部１０４に流れ込むことを抑制され、第一給電部１０４と第二給電部１０５の間における結合劣化を軽減できる。また、第二アンテナ素子１０７のみならず、第一アンテナ素子１０６にも効果的に８００ＭＨｚ帯における高周波電流を流すことで、アンテナの動作体積を拡大でき、８００ＭＨｚ帯における放射効率の向上を実現できる。一方、２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１１ｂを、第二アンテナ素子１０７と第二給電部１０５の間に配置することで、２．４ＧＨｚ帯における高周波電流は、１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ａを通じて第二給電部１０５に流れ込むことを抑制され、第一給電部１０４と第二給電部１０５の間における結合劣化を軽減できる。また、第一アンテナ素子１０６のみならず、第二アンテナ素子１０７にも効果的に２．４ＧＨｚ帯における高周波電流を流すことで、アンテナの動作体積を拡大でき、２．４ＧＨｚ帯における放射効率の向上を実現できる。

さらに、第一インピーダンス整合回路１０９を第一給電部１０４と８００ＭＨｚ帯用遮断回路１１１ａの間に配置し、第二インピーダンス整合回路１１０を第二給電部１０５と２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１１ｂの間に配置することで、第一アンテナ素子１０６のインピーダンス整合と第二アンテナ素子１０７のインピーダンス整合と、アンテナ素子間の相互結合インピーダンスをキャンセルするための調整をより細かく行うことができ、より結合劣化を軽減する効果を高めている。

図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す領域Ｘ及び領域Ｙに配置される、図３の条件１に対応した回路構成を示している。図３の条件１より、図４（ｂ）に示す領域Ｙには１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ａは配置しない。一方、領域Ｘに示すように、第一インピーダンス整合回路１０９は第一給電部１０４側から第一アンテナ素子１０６に対して１．２ｎＨを直列接続となるように配置するとともに、第一給電部１０４と１．２ｎＨの間に回路基板のグランドパターンに対して６．２ｎＨを、第一アンテナ素子１０６と１．２ｎＨの間に回路基板のグランドパターンに対して０．７ｐＦを配置し、接地されている。

第二インピーダンス整合回路１１０は、第二給電部１０５側から第二アンテナ素子１０７に対して１．５ｐＦ、３．３ｎＨの順に直列接続となるように配置するとともに、第二アンテナ素子１０７と３．３ｎＨの間に回路基板のグランドパターンに対して１２ｎＨを配置し、接地されている。以上が、条件１における回路構成である。

図４（ｃ）は、図４（ａ）に示す領域Ｘ及び領域Ｙに配置される、図３の条件２に対応した回路構成を示している。図３の条件２より、図４（ｃ）に示す領域Ｙには１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ａとして、１５ｎＨのインダクタが配置されている。一方、領域Ｘに示すように、第一インピーダンス整合回路１０９は第一給電部１０４側から第一アンテナ素子１０６に対して０．８ｐＦ、５．６ｎＨの順に直列接続となるように配置するとともに、０．８ｐＦと５．６ｎＨの間に回路基板のグランドパターンに対して０．８ｐＦと４．３ｎＨを配置し、それぞれ接地されている。

第二インピーダンス整合回路１１０は、第二給電部１０５側から第二アンテナ素子１０７に対して１．６ｐＦ、８．２ｎＨの順に直列接続となるように配置するとともに、１．６ｐＦと８．２ｎＨの間に回路基板のグランドパターンに対して２２ｎＨを配置し、接地されている。以上が、条件２における回路構成である。

図４（ｄ）は、図４（ａ）に示す領域Ｘ及び領域Ｙに配置される、図３の条件３に対応した回路構成を示している。図３の条件３より、図４（ｄ）に示す領域Ｙには１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ａとして、１５ｎＨのインダクタが配置されている。一方、領域Ｘに示すように、第一インピーダンス整合回路１０９は第一給電部１０４側から第一アンテナ素子１０６に対して０．８ｐＦ、５．６ｎＨの順に直列接続となるように配置されるとともに、５．６ｎＨと第一アンテナ素子１０６の間には８００ＭＨｚ帯用遮断回路１１１ａに対応した４．０ｐＦと５．８ｎＨで構成される並列共振回路が配置される。

さらに、０．８ｐＦと５．６ｎＨの間に回路基板のグランドパターンに対して０．８ｐＦと４．３ｎＨを配置し、それぞれ接地されている。第二インピーダンス整合回路１１０は、第二給電部１０５側から第二アンテナ素子１０７に対して２．０ｐＦ、６．２ｎＨの順に直列接続となるように配置するとともに、２．０ｐＦと６．２ｎＨの間に回路基板のグランドパターンに対して１５ｎＨを配置し、接地されている。以上が、条件３における回路構成である。

図４（ｅ）は、図４（ａ）に示す領域Ｘ及び領域Ｙに配置される、図３の条件４に対応した回路構成を示している。図３の条件４より、図４（ｅ）に示す領域Ｙには１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ａとして、１５ｎＨのインダクタが配置されている。一方、領域Ｘに示すように、第一インピーダンス整合回路１０９は第一給電部１０４側から第一アンテナ素子１０６に対して０．８ｐＦ、５．６ｎＨの順に直列接続となるように配置するとともに、０．８ｐＦと５．６ｎＨの間に回路基板のグランドパターンに対して０．８ｐＦと４．３ｎＨを配置し、それぞれ接地されている。

第二インピーダンス整合回路１１０は、第二給電部１０５側から第二アンテナ素子１０７に対して２．０ｐＦが直列接続となるように配置されるとともに、２．０ｐＦと第二アンテナ素子１０７の間には２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１１ｂに対応した１．２ｐＦと２．４ｎＨで構成される並列共振回路が配置される。第二給電部１０５と２．０ｐＦの間に３．９ｎＨと１．８ｐＦを、２．０ｐＦと２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１１ｂの間に１２ｎＨを回路基板のグランドパターンに対して配置し、それぞれ接地されている。以上が、条件４における回路構成である。

図５は、図４の解析モデルを用いて解析した、本発明の実施の形態１における特性図である。図５（ａ）は第二給電部１０５から見たＳ１１波形、図５（ｂ）は第一給電部１０４から見たＳ２２波形、図５（ｃ）は、第二給電部１０５から第一給電部１０４へ向かう通過特性であるＳ２１波形を示したものであり、いずれも横軸は０．６ＧＨｚから３ＧＨｚまでの周波数特性を示している。図５（ｄ）は、第二アンテナ素子１０７の自由空間効率を、図５（ｅ）は第一アンテナ素子１０６の自由空間効率を示している。

図５（ａ）に示すように、条件１から条件４において８００ＭＨｚ帯及び１．７ＧＨｚから２．１ＧＨｚにおけるＳ１１はほぼ−５ｄＢ以下の低い値となっており、この周波数帯域でインピーダンス整合がとれている様子が分かる。

一方、図５（ｂ）に示すように、条件１から条件４において１．５ＧＨｚ帯及び２．４ＧＨｚ帯におけるＳ２２はほぼ−５ｄＢ以下の低い値となっており、この周波数帯域でインピーダンス整合がとれている様子がわかる。また、図５（ｃ）に示すように、条件１を除く全ての条件で、ほぼ全帯域にわたって通過特性であるＳ２１が−１０ｄＢ以下の低い値となっており、高いアイソレーションが確保され、結合劣化が軽減されている様子が分かる。

また、図５（ｄ）に示すように、第二アンテナ素子１０７の自由空間効率は、条件２から条件４で条件１よりも高いアンテナ効率が得られていることが分かる。１．５ＧＨｚ帯は、Ｓ２１が−１０ｄＢ程度であるため、結合劣化を大きく軽減できていることが分かる。また、８００ＭＨｚ帯用遮断回路１１１ａを配置した条件３では８００ＭＨｚ帯の自由空間効率が改善していることが分かる。

同様に、図５（ｅ）に示すように、第一アンテナ素子１０６の自由空間効率は、条件２から条件４で条件１よりも高いアンテナ効率が得られていることが分かる。１．５ＧＨｚ帯は、Ｓ２１が−１０ｄＢ程度であるため、結合劣化を大きく軽減できていることが分かる。また、２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１１ｂを配置した条件４では２．４ＧＨｚ帯の自由空間効率が改善していることが分かる。

このように、本実施の形態1によれば、第一の周波数帯域で動作する第一アンテナ素子１０６と、第一の周波数帯域及び第二の周波数帯域で動作する第二アンテナ素子１０７において、第一の周波数帯域では低結合化して高いアイソレーションを確保するとともに、第二の周波数帯域では遮断回路を用いることでアンテナの動作体積を拡大し、高利得な性能を実現することができる内蔵型アンテナを構成できる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における携帯無線端末の構成図である。図６において、図１と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。

図６では、第一給電部１０４と第二給電部１０５の距離を、携帯無線端末１００の長手方向に対して離して配置するとともに、第二アンテナ素子１０７を幅方向で第一アンテナ素子１０６とは反対方向に略直角に折り曲げて構成し、第一接続回路１０８を第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７の略平行部分のいずれかに配置することを示す。

このように構成することで、設計自由度が向上し、第一の周波数帯域では低結合化して高いアイソレーションを確保するとともに、第二の周波数帯域では遮断回路を用いることでアンテナの動作体積を拡大し、高利得な性能を実現することができる。なお、接続回路は複数であってもよく、配置位置についても図示した位置に限るものではない。

（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における携帯無線端末の構成図である。図７において、図１と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。

図７では、第一アンテナ素子１０６の動作周波数を第一の周波数帯域と第一の周波数帯域よりも高い第三の周波数帯域とする。また、第二アンテナ素子１０７の動作周波数を第一の周波数帯域と第一の周波数帯域よりも低い第二の周波数帯域とし、第二アンテナ素子１０７と第二インピーダンス整合回路１１０の間に第三周波数帯用遮断回路１１２を配置する。

このように構成することで、第一の周波数帯域では低結合化して高いアイソレーションを確保するとともに、第二の周波数帯域及び第三の周波数帯域では遮断回路を用いることでアンテナの動作体積を拡大し、高利得な性能を実現することができる。なお、第一アンテナ素子１０６は帯域を広げる目的で素子の幅を太く構成しているが、この形状に限るものではない。

続いて、図７の具体的な構成について、性能を解析した事例を示す。
以降では、第一の周波数帯域を１．５ＧＨｚ帯、第二の周波数帯域を８００ＭＨｚ帯、第三の周波数帯域を２．４ＧＨｚ帯とする。

図８は、本発明の実施の形態３における携帯無線端末の特性解析条件を示した表である。１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ｂは１．５ＧＨｚ帯に対応することとし、８００ＭＨｚ帯用遮断回路１１１ａおよび２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１２ａで構成する。条件１から条件３は、１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ｂ及び８００ＭＨｚ帯用遮断回路１１１ａ、２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１２ａの有無により条件が異なる。

図９は、本発明の実施の形態３における携帯無線端末の特性解析モデルを示す図である。図９（ａ）に示すように、回路基板１０１は、ガラスエポキシ樹脂製のプリント基板で構成されるが、ここでは長さ１２１ｍｍ、幅５７ｍｍの銅箔にて構成されていることとしてモデル化し、解析を行う。回路基板１０１では、第一給電部１０４及び第二給電部１０５を通じて、導電性の銅板で構成された第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７に高周波信号が供給されている。

第一給電部１０４からは、１．５ＧＨｚ帯および２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１２ａに対応した２．４ＧＨｚ帯を含む０．６ＧＨｚから３ＧＨｚの高周波信号が供給され、第二給電部１０５においても、１．５ＧＨｚ帯および８００ＭＨｚ帯用遮断回路１１１ａに対応した８００ＭＨｚ帯を含む０．６ＧＨｚから３ＧＨｚの高周波信号が供給される。前記解析周波数において、Ｓパラメータである通過特性Ｓ２１及び反射特性Ｓ１１、Ｓ２２、及び放射効率の解析を行う。

第一アンテナ素子１０６は、第一給電部１０４側から長さ１０ｍｍまでは幅１．４ｍｍとし、長さ１０ｍｍ以上２１ｍｍ以下は幅４ｍｍの導体板で構成される。一方、第二アンテナ素子１０７は、第一アンテナ素子１０６と略平行に構成された長さ１３ｍｍ、幅２ｍｍの導体板と、第一アンテナ素子１０６の長手方向先端部分から幅方向で第一アンテナ素子１０６と反対方向に略直角に長さ１４ｍｍ、幅２ｍｍの導体板で構成される。

第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７は、回路基板１０１の端部に配置されており、第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７が最も近接する略平行部分の間隔は１ｍｍであり、２．４ＧＨｚに対して０．０１波長以下と極めて近接した間隔で配置されている。第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７が電気的に近接した距離で略平行に配置されるため、アンテナ素子間の相互結合が生じ、各アンテナ素子に流れた高周波電流が、もう片方のアンテナ素子に誘導電流として流れてしまうことで、結果として共に動作する第一の周波数帯域においてはアンテナの放射性能に劣化が生じてしまう。

そこで、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７の端部にそれぞれを接続する１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ｂを挿入し、１．５ＧＨｚ帯におけるアンテナ間の相互結合インピーダンスをキャンセルすることで、１．５ＧＨｚ帯におけるアンテナ素子間の結合劣化を軽減する。

また、８００ＭＨｚ帯用遮断回路１１１ａを、第一アンテナ素子１０６と第一給電部１０４の間に配置することで、８００ＭＨｚ帯における高周波電流は、１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ｂを通じて第一給電部１０４に流れ込むことを抑制され、第一給電部１０４と第二給電部１０５の間における結合劣化を軽減できる。また、第二アンテナ素子１０７のみならず、第一アンテナ素子１０６にも効果的に８００ＭＨｚ帯における高周波電流を流すことで、アンテナの動作体積を拡大でき、８００ＭＨｚ帯における放射効率の向上を実現できる。

一方、２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１２ａを、第二アンテナ素子１０７と第二給電部１０５の間に配置することで、２．４ＧＨｚ帯における高周波電流は、１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ｂを通じて第二給電部１０５に流れ込むことを抑制され、第一給電部１０４と第二給電部１０５の間における結合劣化を軽減できる。また、第一アンテナ素子１０６のみならず、第二アンテナ素子１０７にも効果的に２．４ＧＨｚ帯における高周波電流を流すことで、アンテナの動作体積を拡大でき、２．４ＧＨｚ帯における放射効率の向上を実現できる。

さらに、第一インピーダンス整合回路１０９を第一給電部１０４と８００ＭＨｚ帯用遮断回路１１１ａの間に配置し、第二インピーダンス整合回路１１０を第二給電部１０５と２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１２ａの間に配置することで、第一アンテナ素子１０６のインピーダンス整合と第二アンテナ素子１０７のインピーダンス整合と、アンテナ素子間の相互結合インピーダンスをキャンセルするための調整をより細かく行うことができ、より結合劣化を軽減する効果を高めている。

図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す領域Ｘ及び領域Ｙ、領域Ｚに配置される、図８の条件１に対応した回路構成を示している。図８の条件１より、図９（ｂ）に示す領域Ｚには、１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ｂは配置しない。領域Ｘは第一インピーダンス整合回路１０９を示し、第一給電部１０４側から第一アンテナ素子１０６に対して１．２ｎＨを直列接続となるように配置するとともに、第一給電部１０４と１．２ｎＨの間に回路基板のグランドパターンに対して６．２ｎＨを、第一アンテナ素子１０６と１．２ｎＨの間に回路基板のグランドパターンに対して１．０ｐＦを配置し、接地されている。

領域Ｙは第二インピーダンス整合回路１１０を示し、第二給電部１０５側から第二アンテナ素子１０７に対して１．５ｐＦ、３．３ｎＨの順に直列接続となるように配置するとともに、第二アンテナ素子１０７と３．３ｎＨの間に回路基板のグランドパターンに対して１２ｎＨを配置し、接地されている。以上が、条件１における回路構成である。

図９（ｃ）は、図９（ａ）に示す領域Ｘ及び領域Ｙ、領域Ｚに配置される、図８の条件２に対応した回路構成を示している。図８の条件２より、図９（ｃ）に示す領域Ｚには１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ｂとして、２０ｎＨのインダクタが配置されている。領域Ｘは第一インピーダンス整合回路１０９を示し、第一給電部１０４側から第一アンテナ素子１０６に対して４．７ｎＨ、６．８ｎＨの順に直列接続となるように配置するとともに、４．７ｎＨと６．８ｎＨの間に回路基板のグランドパターンに対して１．６ｐＦと３．３ｎＨを配置し、それぞれ接地されている。

領域Ｙは第二インピーダンス整合回路１１０を示し、第二給電部１０５側から第二アンテナ素子１０７に対して１．６ｐＦ、１０ｎＨの順に直列接続となるように配置するとともに、１．６ｐＦと１０ｎＨの間に回路基板のグランドパターンに対して２２ｎＨを配置し、接地されている。以上が、条件２における回路構成である。

図９（ｄ）は、図９（ａ）に示す領域Ｘ及び領域Ｙ、領域Ｚに配置される、図８の条件３に対応した回路構成を示している。図８の条件３より、図９（ｄ）に示す領域Ｚには１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ｂとして、２０ｎＨのインダクタが配置されている。領域Ｘは第一インピーダンス整合回路１０９及び８００ＭＨｚ帯用遮断回路１１１ａを示し、第一給電部１０４側から第一アンテナ素子１０６に対して１．０ｐＦ、７．５ｎＨの順に直列接続となるように配置されるとともに、７．５ｎＨと第一アンテナ素子１０６の間には８００ＭＨｚ帯用遮断回路１１１ａに対応した４．０ｐＦと５．８ｎＨで構成される並列共振回路が配置される。

さらに、１．０ｐＦと７．５ｎＨの間に回路基板のグランドパターンに対して０．９ｐＦと３．０ｎＨを配置し、それぞれ接地されている。領域Ｙは第二インピーダンス整合回路１１０及び２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１２ａを示し、第二給電部１０５側から第二アンテナ素子１０７に対して１．８ｐＦ、１．６ｎＨの順に直列接続となるように配置するとともに、１．６ｎＨと第二アンテナ素子１０７の間には２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１２ａに対応した１．２ｐＦと２．４ｎＨで構成される並列共振回路が配置される。

さらに、１．８ｐＦと１．６ｎＨの間に回路基板のグランドパターンに対して１５ｎＨを配置し、それぞれ接地されている。以上が条件３における回路構成である。

図１０は、図９の解析モデルを用いて解析した、本発明の実施の形態３における特性図である。図１０（ａ）は第二給電部１０５から見たＳ１１波形、図１０（ｂ）は第一給電部１０４から見たＳ２２波形、図１０（ｃ）は、第二給電部１０５から第一給電部１０４へ向かう通過特性であるＳ２１波形を示したものであり、いずれも横軸は０．６ＧＨｚから３ＧＨｚまでの周波数特性を示している。図１０（ｄ）は、第二アンテナ素子１０７の自由空間効率を、図１０（ｅ）は第一アンテナ素子１０６の自由空間効率を示している。

図１０（ａ）に示すように、条件１から条件３において８００ＭＨｚ帯及び１．７ＧＨｚから１．９ＧＨｚにおけるＳ１１はほぼ−５ｄＢ以下の低い値となっており、この周波数帯域でインピーダンス整合がとれている様子が分かる。一方、図１０（ｂ）に示すように、条件１から条件３において１．５ＧＨｚ帯及び２．４ＧＨｚ帯におけるＳ２２はほぼ−５ｄＢ以下の低い値となっており、この周波数帯域でインピーダンス整合がとれている様子がわかる。

また、図１０（ｃ）に示すように、条件１を除く全ての条件で、ほぼ全帯域において通過特性であるＳ２１は−１０ｄＢ以下の低い値となっており、高いアイソレーションが確保され、結合劣化が軽減されている様子が分かる。また、図１０（ｄ）に示すように、第二アンテナ素子１０７の自由空間効率は、条件２及び条件３で、条件１よりも同等以上の高いアンテナ効率が得られていることが分かる。

１．５ＧＨｚ帯は、Ｓ２１が−１０ｄＢ程度であるため、結合劣化を大きく軽減できていることが分かる。また、８００ＭＨｚ帯用遮断回路１１１ａを配置した条件３では８００ＭＨｚ帯の自由空間効率が改善していることが分かる。

同様に、図１０（ｅ）に示すように、第一アンテナ素子１０６の自由空間効率は、条件２及び条件３で、条件１よりも高いアンテナ効率が得られていることが分かる。１．５ＧＨｚ帯は、Ｓ２１が−１０ｄＢ程度であるため、結合劣化を大きく軽減できていることが分かる。

また、２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１２ａを配置した条件３では２．４ＧＨｚ帯の自由空間効率が改善していることが分かる。さらに、条件３では、８００ＭＨｚ帯用遮断回路１１１ａと２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１２ａを同時に配置しており、どちらの周波数帯域においても自由空間効率の改善が確認できる。

このように、本実施の形態３によれば、第一の周波数帯域及び第三の周波数帯域で動作する第一アンテナ素子１０６と、第一の周波数帯域及び第二の周波数帯域で動作する第二アンテナ素子１０７において、第一の周波数帯域では低結合化して高いアイソレーションを確保するとともに、第二の周波数帯域及び第三の周波数帯域では遮断回路を用いることでアンテナの動作体積を拡大し、高利得な性能を実現することができる内蔵型アンテナを構成できる。

図１１は、本発明の実施の形態３における携帯無線端末の各周波数帯での動作概略図である。図１１（ａ）は、第二の周波数帯域に該当する８００ＭＨｚ帯での動作概略図である。第二給電部１０５から第二アンテナ素子１０７に供給される８００ＭＨｚ帯の高周波電流は、１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ｂを通じて第一アンテナ素子１０６にも供給される。

同時に、８００ＭＨｚ帯用遮断回路１１１ａがあることで、第一給電部１０４に流れ込む電流を抑えることができるため、８００ＭＨｚ帯において第一給電部１０４と第二給電部１０５の間で高いアイソレーションを確保しつつ、アンテナの動作体積を拡大して性能を向上できる。

図１１（ｂ）は、第一の周波数帯域に該当する１．５ＧＨｚ帯での動作概略図である。第一給電部１０４から第一アンテナ素子１０６に供給される１．５ＧＨｚ帯の高周波電流と、第二給電部１０５から第二アンテナ素子１０７に供給される１．５ＧＨｚ帯の高周波電流は、第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７の間に配置された１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ｂで、相互結合インピーダンスを調整することで、第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７との間に発生する逆位相の電流を低下させ、結合劣化を抑えることができる。

図１１（ｃ）は、第三の周波数帯域に該当する２．４ＧＨｚ帯での動作概略図である。第一給電部１０４から第一アンテナ素子１０６に供給される。２．４ＧＨｚ帯の高周波電流は、１．５ＧＨｚ帯用接続回路１０８ｂを通じて第二アンテナ素子１０７にも供給される。同時に、２．４ＧＨｚ帯用遮断回路１１２ａがあることで、第二給電部１０５に流れ込む電流を抑えることができるため、２．４ＧＨｚ帯において第一給電部１０４と第二給電部１０５の間で高いアイソレーションを確保しつつ、アンテナの動作体積を拡大して性能を向上できる。

（実施の形態４）
図１２は、本発明の実施の形態４における携帯無線端末の構成図である。図１２において、図７と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。

図１２では、第一の周波数帯域と第一の周波数帯域よりも高い第三の周波数帯域で動作する第一アンテナ素子１０６と第一の周波数帯域と第一の周波数帯域よりも低い第二の周波数帯域で動作する第二アンテナ素子１０７の一部をプリント基板２００に構成することとし、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７の先端部分をプリント基板２００の側面（携帯無線端末１００の長手方向端部側）に配置し、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７の間に第一接続回路１０８を配置する。

このように構成することで、設計自由度が向上し、第一の周波数帯域では低結合化して高いアイソレーションを確保するとともに、第二の周波数帯域及び第三の周波数帯域では遮断回路を用いることでアンテナの動作体積を拡大し、高利得な性能を実現することができる。

（実施の形態５）
図１３は、本発明の実施の形態５における携帯無線端末の構成図である。図１３おいて、図１１と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。

図１３では、第一の周波数帯域と第一の周波数帯域よりも低い第二の周波数帯域で動作する第二アンテナ素子１０７は貫通ビア１０７ａを介して構成され、プリント基板２００の異なる平面に構成される。このように構成することで、第一接続回路１０８をプリント基板２００の表面に配置することができ、設計自由度が向上する。さらに、第一の周波数帯域では低結合化して高いアイソレーションを確保するとともに、第二の周波数帯域及び第三の周波数帯域では遮断回路を用いることでアンテナの動作体積を拡大し、高利得な性能を実現することができる。

本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末は、同一周波数帯では低結合化するとともに、異なる周波数帯では遮断回路を用いることで、広帯域に高いアイソレーションを確保しつつ、アンテナの動作体積を拡大して性能向上できるため、携帯電話などの携帯無線端末に有用である。

１００ 携帯無線端末
１０１ 回路基板
１０２ 第一無線回路部
１０３ 第二無線回路部
１０４ 第一給電部
１０５ 第二給電部
１０６ 第一アンテナ素子
１０７ 第二アンテナ素子
１０７ａ 貫通ビア
１０８ 第一接続回路
１０８ａ、１０８ｂ １．５ＧＨｚ帯用接続回路
１０９ 第一インピーダンス整合回路
１１０ 第二インピーダンス整合回路
１１１ 第二周波数帯用遮断回路
１１１ａ ８００ＭＨｚ帯用遮断回路
１１１ｂ、１１２ａ ２．４ＧＨｚ帯用遮断回路
１１２ 第三周波数帯用遮断回路
２００ プリント基板

Claims (5)

1. 筐体と、
   前記筐体に設けられたグランドパターンを有する回路基板と、
   導電性の金属で構成された第一の周波数帯域で動作する第一アンテナ素子と、
   導電性の金属で構成された第一及び第二の周波数帯域で動作する第二アンテナ素子と、
   前記第一アンテナ素子と前記第二アンテナ素子の一部を電気的に接続する第一接続回路と、
   前記回路基板に配置された第一無線回路部と、
   前記第一無線回路に電気的に接続された第一給電部と、
   前記回路基板に配置された第二無線回路部と、
   前記第二無線回路に電気的に接続された第二給電部と、
   前期第二の周波数帯域を電気的に遮断する第二周波数帯用遮断回路と
   を具備し、
   前記第一アンテナ素子及び前記第二アンテナ素子は、前記回路基板上のグランドパターンと、所定の間隔を隔てて互いに近接して配置されるとともに、
   前記第一アンテナ素子は、前記第二周波数帯用遮断回路を介して前記第一給電部に電気的に接続され、
   前記第二アンテナ素子は、前記第二給電部に電気的に接続され、
   前記第一接続回路が、前記第一の周波数帯域における前記第一アンテナ素子と前記第二アンテナ素子との間の相互結合インピーダンスをキャンセルする、
   ことを特徴とするアンテナ装置
2. 前記第一アンテナ素子が、第一インピーダンス整合回路を介して前記第一給電部と電気的に接続される
   もしくは、
   前記第二アンテナ素子が、第二インピーダンス整合回路を介して前記第二給電部と電気的に接続される
   請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記第一アンテナ素子又は前記第二アンテナ素子のいずれか、または両方の、少なくとも一部が、プリント基板上の銅箔パターンで構成された、
   請求項１記載のアンテナ装置。
4. 前記第一のアンテナ素子は前記第一の周波数帯域よりも高い第三の周波数帯域及び前記第一の周波数帯域で動作し、
   前記第二のアンテナ素子は前記第一の周波数帯域よりも低い第二の周波数帯域及び前記第一の周波数帯域で動作し、
   前期第三の周波数帯域を電気的に遮断する第三周波数帯用遮断回路が、
   前記第二アンテナ素子と前記第二給電部の間で電気的に接続された、
   請求項１記載のアンテナ装置
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のアンテナ装置を搭載した携帯無線端末。

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