JP2013058934A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の周波数帯に対応可能なアンテナ装置において、周辺環境による影響を抑制する。
【解決手段】放射電極１０４は横長形状（ｙ軸方向）に形成され、長軸中央部に給電点１１０を設置される。放射電極１０４の給電点１１０と給電源の間にはトラップ回路が設置される。また、給電点１１０と給電源の間には位相調整回路も設置される。放射電極１０４は上面放射電極１０６と側面放射電極１０８を含み、側面放射電極１０８に給電点１１０が設置される。側面放射電極１０８は、上面から給電点１１０へ収束する形状を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に、複数の共振周波数を有するアンテナ装置に関する。

携帯電話などの小型無線端末に内蔵されるチップ型のアンテナ素子は、ブロック型の誘電体の表面に放射電極をプリントすることにより形成される。放射電極に交流電流を供給すると、放射電極から電波が発生する。

多くの携帯端末は、グローバル対応となっており、各国、各キャリアで異なる周波数帯に対応する必要がある。携帯端末の小型化の要請に応えつつ、複数の周波数帯に対応するためには、単一のアンテナ素子で複数の周波数帯の電波を発生させることが望ましい。

特開２００２−３６８５２６号公報 特開２００４−２２８９１８号公報

小型無線端末は、逆Ｆアンテナやモノポールアンテナを搭載することが多い。特許文献１は逆Ｆアンテナ、特許文献２は折り返しモノポールアンテナを例示する。これらのタイプのアンテナでは、放射電極の長さ、分岐やその折り曲げ方によりインピーダンスを整合させることが多い。しかし、折り返し構造を有する放射電極は電波干渉を生じやすいため、帯域が狭くなりやすい。また、折り返し部分に手が触れるとインピーダンスの整合が崩れてしまう。逆Ｆアンテナのような折り返し構造を有するアンテナは、使用環境によっては通信品質が劣化しやすいという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑みて完成された発明であり、その主たる目的は、複数の周波数帯に対応可能なアンテナ装置において、使用環境の影響を抑制することにある。

本発明に係るアンテナ装置は、横長形状に形成され、長軸中央部に給電点を設置される放射電極と、放射電極の給電点と給電源の間に設置されるトラップ回路と、放射電極の給電点と給電源の間に設置される位相調整回路と、を備える。

トラップ回路を設置した上で放射電極の中央部から給電することにより、短い電気長と大きな放電面積を両立させやすくなる。

放射電極は上面部と側面部を含み、側面部に給電点が設置されてもよい。放射電極の側面部は、上面から給電点へ収束する形状を有してもよい。

位相調整回路は、ＬＣ回路として、給電ラインに対して並列接続されてもよい。また、トラップ回路は、ＬＣ回路として、給電ラインに対して直列接続されてもよい。

トラップ回路の共振周波数は、放射電極の共振周波数と等しくなるように設定されてもよい。放射電極の給電点と給電源の間に、更に、フィルタ回路を備えてもよい。

放射電極は、導体が並行する部分を含まないように形成されてもよい。放射電極は、誘電体上に設置されてもよいし、アンテナ装置を収める筐体の内側に貼付されてもよい。

アンテナ装置は、更に、前記トラップ回路を介して給電点と接続される無線給電回路を備えてもよい。

アンテナ装置の斜視図である。 アンテナ装置の回路図である。 入力電力の周波数と出力電力の大きさの関係を模式的に示すグラフである。 側面放射電極の構造の第１例を示す。 側面放射電極の構造の第２例を示す。 一般的な折り返し型アンテナにおいて通信品質が劣化する状況を説明するための模式図である。 非接触時における分岐放射型と逆Ｆ放射型のＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）特性を示す。 接触時における分岐放射型と逆Ｆ放射型のＶＳＷＲ特性を示す。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。各実施形態においては、携帯電話に内蔵されるアンテナ素子を題材として説明する。アンテナ素子を内蔵する携帯電話としてアンテナ装置が形成される。

図１は、アンテナ装置１００の斜視図である。本実施形態におけるアンテナ装置１００は、携帯電話のプリント基板上に形成される。直方体形状の携帯電話の長軸方向にｘ軸、短軸方向にｙ軸、厚み方向にｚ軸を設定する。以下の図においても同様である。

携帯電話端部のプリント基板上には、誘電体１０２が設置される。誘電体１０２は、ＰＣ(Polycarbonate)／ＡＢＳ樹脂により形成される。誘電体１０２の表面に放射電極１０４がプリントされる。放射電極１０４はｙ軸方向に延びる横長形状を有する。放射電極１０４は、上面放射電極１０６と側面放射電極１０８を含む。側面放射電極１０８の最下端に給電点１１０が設定され、この給電点１１０から放射電極１０４に交流電流が供給され、放射電極１０４から電波が発生する。側面放射電極１０８の形状の詳細については、図４、図５に関連して後に詳述する。

給電点１１０と給電源１１６（後述）は給電ライン１１２を介して接続される。給電ライン１１２上には回路１１４が設けられる。回路１１４は、後述の位相調整回路１１８、トラップ回路１２０およびフィルタ回路１２２を一体として含む。

図２は、アンテナ装置１００の回路図である。給電源１１６は、フィルタ回路１２２、トラップ回路１２０および位相調整回路１１８を経由して放射電極１０４と接続される。位相調整回路１１８は、インダクタＬ１とキャパシタＣ１の並列回路であり、インピーダンス整合のために設置される。位相調整回路１１８は、給電ライン１１２に対して並列に接続される。トラップ回路１２０は、インダクタＬ２とキャパシタＣ２の並列回路であり、複共振化のために設置される。トラップ回路１２０の機能の詳細については、図３に関連して後に詳述する。フィルタ回路１２２は、インダクタＬ３とキャパシタＣ３を含む。フィルタ回路１２２は、アンテナ装置１００の帯域を拡大するために挿入される既知構成の回路である。トラップ回路１２０等を介して給電点１１０と接続される給電源１１６は、一種の無線給電回路であり、通信制御部、メモリ、入出力インタフェース等と接続される。これらの回路ブロックは、プリント基板の主回路領域に設置される。

図３は、入力電力の周波数と出力電力の大きさの関係を模式的に示すグラフである。横軸は給電源１１６から放射電極１０４に入力される交流電力の周波数、縦軸は放射電極１０４から電波として出力される交流電力の大きさを示す。非トラップ特性１２４はトラップ回路１２０がないときの出力特性を示し、トラップ特性１２６はトラップ回路１２０があるときの出力特性を示す。

放射電極１０４の共振周波数をｆｒ０とする。したがって、非トラップ特性１２４においては共振周波数ｆｒ０にて交流電力を供給するとき、放射電極１０４から放射される出力電力も最大になる。

トラップ回路１２０の共振周波数がｆｒ０となるように、インダクタＬ２とキャパシタＣ２を設定する。このような共振周波数ｆｒ０のトラップ回路１２０を設置すると、周波数ｆｒ０にて供給される交流電力（入力電力）はトラップ回路１２０によって全反射されるため、出力電力は最低となる。この結果、アンテナ装置１００は、周波数ｆｒ１、ｆｒ２の２点にて最大出力となる（ｆｒ１＜ｆｒ０＜ｆｒ２）。トラップ回路１２０により、アンテナ装置１００を複共振化できる。

図４は、側面放射電極１０８の構造の第１例を示す。第１例における側面放射電極１０８は、部分的な楕円形状として、上面から給電点１１０に収束する形状を有する。給電点１１０から側面放射電極１０８を通過して放射電極１０４の開放端に至る経路１３０は、給電点１１０から放射電極１０４に電力を供給する場合の経路１２８よりも短くなる。いいかえれば、楕円形状の側面放射電極１０８により、給電点１１０から開放端までの電気長を短くできる。このように、上面から給電点１１０に収束する形状として側面放射電極１０８を形成することにより、電力供給経路の電気長を適切に設定しやすくなる。

図５は、側面放射電極１０８の構造の第２例を示す。第２例における側面放射電極１０８は、三角形状として、やはり上面から給電点１１０に収束する形状を有している。この場合にも、給電点１１０から開放端までの電気長の長さを経路１２８よりも短く調整できる。側面放射電極１０８の形状は楕円や三角等に限定されるものではなく、上面から給電点１１０に収束する形状であれば任意である。

図６は、一般的な折り返し型アンテナ１３２において通信品質が劣化する状況を説明するための模式図である。アンテナ１３２は、放射電極の一部が折り返す形状を有している。いいかえれば、放射電極となる２本の導体が並行する部分を含んでいる。この並行部分に指１３４などの外部物体が添えられると、アンテナ１３２のインピーダンスが大きく変化する。これは、並行する放射電極が指１３４により実質的にショートされてしまうためである。このような使用環境を起因とするインピーダンスの不整合が生じると、通信品質が大きく劣化してしまう可能性がある。

本実施形態におけるアンテナ装置１００の場合、折り返し構造を含まないため、具体的には、２本の導体が並行する部分を含まないシンプルな構造であるため、指１３４などの外部物体による影響を受けにくい。具体的な実験結果については、図８に関連して詳述する。

携帯電話内蔵の小型アンテナにトラップ回路１２０を設置しない場合、アンテナ（放射電極）の長さを確保する必要がある。このため、放射電極の構造として折り返し構造を採用せざるを得ないことが多い。トラップ回路１２０を設置すればアンテナの長さを短くできるが、放射電極１０４が短くなりすぎると出力電力が小さくなってしまう。本実施形態における放射電極１０４は、給電点１１０から２つの開放端に向かって電流が流れる二股型構造を有する。給電点１１０から開放端までの距離（電気長）が短くとも、放射電極１０４の面積を大きく確保できる構造となっている。したがって、指１３４などによる外乱に強く、かつ、充分な出力を確保しやすいというメリットがある。

図７は、非接触時における分岐放射型１３６と逆Ｆ放射型１３８のＶＳＷＲ特性を示す。分岐放射型１３６は、本実施形態におけるアンテナ装置１００のＶＳＷＲ特性を示す。逆Ｆ放射型１３８は、本実施形態におけるアンテナ装置１００と同サイズにて作成した逆ＦアンテナのＶＳＷＲ特性を示す。図７に示すように、分岐放射型１３６の方が逆Ｆ放射型１３８よりも帯域が広くなっている。これは、主としてフィルタ回路１２２の有無に起因する。

図８は、接触時における分岐放射型１３６と逆Ｆ放射型１３８のＶＳＷＲ特性を示す。具体的には、図８は、Index SAR社のハンド・ファントムIXB-052Rにより携帯電話を把持した状態におけるＶＳＷＲ特性を示す。ハンド・ファントムは、人間の手を模した模型である。図７（非接触時）とくらべて、分岐放射型１３６と逆Ｆ放射型１３８の双方の特性が変化している。しかし、ＶＳＷＲが３以下となる帯域（高効率帯域）について図７と図８を比較してみると、分岐放射型１３６の方が逆Ｆ放射型１３８よりも高効率帯域のずれが小さいことがわかる。たとえば、逆Ｆ放射型１３８の場合、特に低周波数帯において、接触・非接触によって高効率帯域が大きく変化しているが、分岐放射型１３６における変化は比較的小さい。

以上、本実施形態におけるアンテナ装置１００は、指１３４の位置のような使用環境の変化に影響を受けにくい構成となっている。また、回路で共振周波数を制御するため、放射電極の再調整回数を減らすことができる。本実施形態において放射電極１０４は誘電体上に形成されるとして説明したが、放射電極１０４は携帯電話の筐体の裏面などにプリントされてもよい。この場合には、放射電極１０４が大きくても、携帯電話における回路設計領域を大きく確保できるというメリットがある。

また、放射電極１０４の中央部の給電点１１０から、放射電極１０４に給電することにより、放射電極１０４には２方向に電流が流れている。このような構成には、放射電極１０４の大きさを確保し、出力電力を大きくしやすいというメリットがある。なお、中央部とは、かならずしも、放射電極１０４の長軸（ｙ軸）中点に給電点１１０が設置されるという意味ではない。２つの開放端の中間に給電点１１０が設置されればよい。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

１００ アンテナ装置、１０２ 誘電体、１０４ 放射電極、１０６ 上面放射電極、１０８ 側面放射電極、１１０ 給電点、１１２ 給電ライン、１１４ 回路、１１６ 給電源、１１８ 位相調整回路、１２０ トラップ回路、１２２ フィルタ回路、１２４ 非トラップ特性、１２６ トラップ特性、１２８、１３０ 経路、１３２ アンテナ、１３４ 指、１３６ 分岐放射型、１３８ 逆Ｆ放射型。

Claims (11)

1. 横長形状に形成され、長軸中央部に給電点を設置される放射電極と、
   前記放射電極の前記給電点と給電源の間に設置されるトラップ回路と、
   前記放射電極の前記給電点と前記給電源の間に設置される位相調整回路と、を備えることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記放射電極は上面部と側面部を含み、前記側面部に前記給電点が設置されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記放射電極の前記側面部は、上面から前記給電点へ収束する形状を有することを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記位相調整回路は、ＬＣ回路であって、給電ラインに対して並列接続されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアンテナ装置。
5. 前記トラップ回路は、ＬＣ回路であって、給電ラインに対して直列接続されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のアンテナ装置。
6. 前記トラップ回路の共振周波数は、前記放射電極の共振周波数と等しいことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のアンテナ装置。
7. 前記放射電極の前記給電点と前記給電源の間に、更に、フィルタ回路を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のアンテナ装置。
8. 前記放射電極は、導体が並行する部分を含まないように形成されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のアンテナ装置。
9. 前記放射電極は、誘電体上に設置されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のアンテナ装置。
10. 前記放射電極は、筐体の内側に貼付されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のアンテナ装置。
11. 更に、前記トラップ回路を介して前記給電点と接続される無線給電回路を備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のアンテナ装置。

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