JP2013207438A

JP2013207438A - マルチバンドアンテナ装置の設計方法

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Publication number: JP2013207438A
Application number: JP2012072694A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Ishizuka; 健一石塚; Koji Shiraki; 浩司白木; Hiroshi Nishida; 浩西田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-10-07
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: JP5590060B2; CN103367876B; CN103367876A

Abstract

【課題】所望の特性を有するマルチバンドアンテナ装置を短時間で設計できるマルチバンドアンテナ装置の設計方法を提供する。
【解決手段】第１ステップでは、グランド導体９に対するローバンド用放射素子１１およびハイバンド用放射素子１２の配置を決定するとともに、放射素子分岐回路を含めた各部の電気長を決定する。第２ステップでは、分岐点ＢＰとローバンド用放射素子１１との間の第１電気長、分岐点ＢＰとハイバンド用放射素子１２との間の第２電気長、分岐点ＢＰと給電点ＦＰとの間の第３電気長をそれぞれ定めて、ローバンドの共振周波数、ハイバンドの共振周波数および反共振周波数を決定する。第３ステップでは、給電回路３２と給電点ＦＰとの間に装荷するVSWR改善用インピーダンス変換素子３１を定める。
【選択図】図２

Description

本発明は、マルチバンドのアンテナ装置を設計する方法に関し、特に、携帯電話端末などの小型の通信端末機器に搭載されるマルチバンドアンテナ装置の設計方法に関する。

近年、携帯電話端末等の小型の通信端末機器において、複数の周波数帯に対応するために、例えば特許文献１，２に示されているようにマルチバンドアンテナが用いられている。

特許文献１には、共通の給電部に接続されたローバンド用の放射素子およびハイバンド用の放射素子を備え、それらの放射素子の開放端同士が近接したマルチバンドアンテナ装置が示されている。図７は特許文献１に示されているマルチバンドアンテナ装置の展開図である。この例では、給電点１から分岐点までの給電部、線路３，４，５によるローバンド用放射素子、および線路６，７によるハイバンド用放射素子を備えている。

特許文献２には、放射電極が周波数可変回路を介して給電電極に接続されてなる第１アンテナ部と、周波数可変回路の途中に接続された先端開放の追加放射電極と給電電極とで構成された第２アンテナ部を備えたマルチバンドアンテナ装置が示されている。

特開２００７−１３５９６号公報特許第４５０８１９０号公報

特許文献１，２に示されているようなマルチバンドアンテナ装置も含め、マルチバンドアンテナ装置を設計する際、一般的に次のアンテナ設計要素について所定の特性を満足させる必要がある。

(a)ローバンドの放射効率
(b)ハイバンドの放射効率
(c)反共振周波数
(d)ローバンドの共振周波数
(e)ハイバンドの共振周波数
ここで、「ローバンドの放射効率」とはλ／４の基本モードで励振している放射モードでの効率、「ハイバンドの放射効率」とは３λ／４の高調波モードで励振している放射モードでの効率である。「反共振周波数」とは放射素子長がλ／２となる周波数のことであり、給電点からみるとオープンとなり、電力効率が最低となる周波数のことである。

アンテナ効率＝放射効率×電力効率の関係にあり、上記(a)(b)(c) は放射効率に関係し、(c)(d)(e) は電力効率に関係する。

従来、放射素子を途中で分岐させて、一方をローバンド用の放射素子、他方をハイバンド用の放射素子にそれぞれ割り当て、それぞれの共振周波数は放射素子の長さおよび二つの放射素子間の間隙により前記特性を調整していた。

しかし、従来の設計手法では、放射効率と電力効率とは独立で制御できず、両者はトレードオフの関係となっている。そのため、放射効率の高い放射素子の形状と電力効率が高い放射素子の形状とは異なるため、何度もトレードオフする必要があった。

例えば、次のような手順で設計が行われていた。

（１）ローバンド用放射素子の開放端とハイバンド用放射素子の開放端との間に間隙を設けるとともに、ローバンド用の放射素子の開放端およびハイバンド用の放射素子の開放端がグランド導体から最も離れた位置になるように、この二つの放射素子のパターンを決定する。

（２）給電点から放射素子の分岐点までの長さC、ローバンド用放射素子の長さA、ハイバンド用放射素子の長さBおよび二つの放射素子の開放端間の間隙Gapを定める。

（３）ローバンドの周波数（ローバンドでリターンロスが最も小さくなる周波数）が所定値となるように、長さA、長さCおよび間隙Gapを調整する。

（４）ハイバンドの周波数（ハイバンドでリターンロスが最も小さくなる周波数）が所定値となるように、長さB、長さC、間隙Gapを調整する。

（５）反共振点の周波数が所定値となるように、長さA、長さB、間隙Gapを調整する。

（６）ローバンドの放射効率が最大になるように、長さA、間隙Gapを調整する。

（７）ハイバンドの放射効率が最大になるように、長さB、間隙Gapを調整する。

（８）上記（３）〜（７）の各特性値をチェックし、一つでも外れていれば、（３）へ戻り、調整作業を繰り返す。

図９は上記各寸法の調整による各特性の変化量との関係を示す図である。このように、寸法A,B,C,GAPのいずれについても、その調整によって、上記５つの特性のうち複数の特性が連動して変化する。そのため、調整すべき所定の特性を他の特性から独立に調整することができず、設計に非常な時間が掛かる。

本発明は上述の事情に鑑みなされたものであり、その目的は、所望の特性を有するマルチバンドアンテナ装置を短時間で設計できるようにしたマルチバンドアンテナ装置の設計方法を提供することにある。

本発明は、第１端が放射素子分岐回路に接続され第２端が開放されたローバンド用放射素子と、第１端が前記放射素子分岐回路に接続され第２端が開放されたハイバンド用放射素子と、前記ローバンド用放射素子および前記ハイバンド用放射素子とともに共振動作するグランド導体とを備えたマルチバンドアンテナ装置の設計方法であって、
前記ローバンド用放射素子の第１端を前記グランド導体に近い側、第２端を前記グランド導体より遠い側に配置するようにし、前記ハイバンド用放射素子の第１端を前記グランド導体に近い側、第２端を前記グランド導体より遠い側に配置するようにして、前記ローバンド用放射素子および前記ハイバンド用放射素子の形状を設定するとともに、前記放射素子分岐回路の給電点から前記ローバンド用放射素子の第２端までの第１電気長、前記給電点から前記ハイバンド用放射素子の第２端までの第２電気長、ならびに、前記放射素子分岐回路が有する分岐点から前記給電点までの第３電気長を決定する第１ステップと、
前記第１電気長および前記第３電気長によりローバンドの共振周波数が所定値になり、前記第２電気長および前記第３電気長によりハイバンドの共振周波数が所定値になり、前記第１電気長および前記第２電気長により反共振周波数が所定値になるように、前記第１電気長、前記第２電気長および前記第３電気長を決定する第２ステップと、
給電回路と前記給電点との間に装荷されるVSWR（Voltage Standing Wave Ratio：電圧定在波比）改善用インピーダンス変換素子の素子値を、前記ローバンドの共振周波数および前記ハイバンドの共振周波数におけるVSWRが所定値を満足するように決定する第３ステップと、
を有することを特徴としている。

前記第３ステップの後に、アンテナの共振周波数が所定値でなければ、前記第１電気長、前記第２電気長および前記第３電気長を微調整して前記第２ステップへ戻る反復ステップを有することが好ましい。

また、前記ローバンド用放射素子の第２端と前記ハイバンド用放射素子の第２端とは、容量を介して互いに結合されていて、前記第２ステップにて、前記容量を加味して第１電気長、第２電気長および第３電気長を決定することが好ましい。

本発明によれば、所望の特性を有するマルチバンドアンテナ装置を短時間で設計できる。また、より最適化されたマルチバンドアンテナ装置が得られる。

図１（Ａ）は本発明の実施形態に係るマルチバンドアンテナ装置１００の斜視図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）からの視点を基準として後方から見たマルチバンドアンテナ装置１００の斜視図である。図２はマルチバンドアンテナ装置１００の平面図である。図３はマルチバンドアンテナ装置１００の電流経路および電気長について示す図である。図４はマルチバンドアンテナ装置１００の共振周波数および反共振周波数について示す図である。図５は、図１、図２に示したマルチバンドアンテナ装置１００の設計手順を示す図である。図６（Ａ）は実施形態のマルチバンドアンテナ装置１００および比較例のマルチバンドアンテナ装置のリターンロス特性（ＳパラメータのＳ１１）を示す図である。図６（Ｂ）は実施形態のマルチバンドアンテナ装置１００および比較例のマルチバンドアンテナ装置のアンテナ効率を示す図である。図７は特許文献１に示されているマルチバンドアンテナ装置の展開図である。図８は比較例としての、従来の設計方法で設計した、マルチバンドアンテナ装置１００Ｐの斜視図である。図９は各寸法の調整による各特性の変化量との関係を示す図である。

図１（Ａ）は本発明の実施形態に係るマルチバンドアンテナ装置１００の斜視図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）からの視点を基準として後方から見たマルチバンドアンテナ装置１００の斜視図である。また図２はマルチバンドアンテナ装置１００の平面図である。

このマルチバンドアンテナ装置１００は、プリント配線板６０と、このプリント配線板６０の非グランド領域に実装されたチップアンテナ５０を備えている。チップアンテナ５０は誘電体素体１０、この誘電体素体１０の表面に形成されたローバンド用放射素子１１およびハイバンド用放射素子１２を備えている。プリント配線板６０は、基材８、この基材８に形成されたグランド導体９および基材８に実装された複数のチップ部品を備えている。

図２に表れているように、このマルチバンドアンテナ装置１００は、第１リアクタンス素子Ｘ１、第２リアクタンス素子Ｘ２および第３リアクタンス素子Ｘ３を含む放射素子分岐回路３０、給電回路３２、および給電回路３２と第３リアクタンス素子Ｘ３との間に装荷されたVSWR改善用インピーダンス変換素子３１を備えている。例えば第１リアクタンス素子Ｘ１、第２リアクタンス素子Ｘ２、第３リアクタンス素子Ｘ３、はいずれも誘導性リアクタンス素子（インダクタ）である。VSWR改善用インピーダンス変換素子３１は例えば給電方向にシリーズに接続されたインダクタと給電点ＦＰとグランドとの間にシャントに接続されたインダクタとで構成されるか、または給電点ＦＰとグランドとの間にシャントに接続されたインダクタで構成される。

ローバンド用放射素子１１は、その第１端１１１が放射素子分岐回路３０に接続されていて、第２端１１２が開放されている。また、ハイバンド用放射素子１２は、その第１端１２１が放射素子分岐回路３０に接続されていて、第２端１２２が開放されている。

ローバンド用放射素子１１は、その第１端１１１をグランド導体９に近い側、第２端１１２をグランド導体より遠い側にして配置されている。また、ハイバンド用放射素子１２は、その第１端１２１をグランド導体９に近い側、第２端１２２をグランド導体９より遠い側にして配置されている。

グランド導体９はローバンド用放射素子１１およびハイバンド用放射素子１２とともに共振動作する。すなわちローバンドおよびハイバンドの放射に寄与する。

図３はマルチバンドアンテナ装置１００の電流経路および電気長について示す図である。また、図４はマルチバンドアンテナ装置１００の共振周波数および反共振周波数について示す図である。

図３において、放射素子分岐回路３０の分岐点ＢＰからローバンド用放射素子１１の第２端１１２までの第１電気長Ｐ１、分岐点ＢＰからハイバンド用放射素子１２の第２端１２２までの第２電気長Ｐ２、ならびに、分岐点ＢＰから給電点ＦＰまでの第３電気長Ｐ３が定められている。

図３において、第１電気長Ｐ１および第３電気長Ｐ３によりローバンドの中心周波数ｆ_Ｌ（例えば９００ＭＨｚ）で１／４波長共振する。また、第２電気長Ｐ２および第３電気長Ｐ３によりハイバンドの中心周波数ｆ_H （例えば１８００ＭＨｚ）で１／４波長共振する。

図３において、第１電気長Ｐ１および第２電気長Ｐ２により反共振周波数ｆａ（例えば１３００ＭＨｚ）が決定される。すなわち、図３において電気長Ｐ４により、反共振周波数ｆａで１／２波長共振する。

なお、図３において、第２電気長Ｐ２および第１電気長Ｐ１による電気長Ｐ５によりローバンドの中心周波数ｆ_Ｌで３／４波長共振する。

図５は、図１、図２に示したマルチバンドアンテナ装置１００の設計手順を示す図である。マルチバンドアンテナ装置１００は次の手順で設計される。

〈第１ステップ〉
チップアンテナの実装スペース、グランド導体からの距離、開放端（第２端）の位置等を考慮しつつ、ローバンド用放射素子１１の第１端１１１をグランド導体９に近い側、第２端１１２をグランド導体９より遠い側にし、ハイバンド用放射素子１２の第１端１２１をグランド導体９に近い側、第２端１２２をグランド導体９より遠い側にして、ローバンド用放射素子１１およびハイバンド用放射素子１２の形状を設定する。また、放射素子分岐回路３０の給電点ＦＰからローバンド用放射素子１１の第２端１１２までの第１電気長Ｐ１、給電点ＦＰからハイバンド用放射素子１２の第２端１２２までの第２電気長Ｐ２、ならびに、放射素子分岐回路３０が有する分岐点ＢＰから給電点ＦＰまでの第３電気長Ｐ３を決定する。

〈第２ステップ〉
分岐点ＢＰとローバンド用放射素子１１との間に第１リアクタンス素子Ｘ１、分岐点ＢＰとハイバンド用放射素子１２との間に第２リアクタンス素子Ｘ２、分岐点ＢＰと給電点ＦＰとの間に第３リアクタンス素子Ｘ３をそれぞれ装荷して、第１電気長Ｐ１（第１リアクタンス素子を含む電気長）および第３電気長Ｐ３（第３リアクタンス素子を含む電気長）によりローバンドの共振周波数ｆ_L を決定し、第２電気長Ｐ２（第２リアクタンス素子を含む電気長）および第３電気長Ｐ３によりハイバンドの共振周波数ｆ_H を決定し、第１電気長Ｐ１および第２電気長Ｐ２により反共振周波数ｆａを決定する。換言すると、第１電気長Ｐ１および第３電気長Ｐ３によりローバンドの共振周波数ｆ_L が所定値になり、第２電気長Ｐ２および第３電気長Ｐ３によりハイバンドの共振周波数ｆ_H が所定値になるようにし、且つローバンドのリターンロスの値（深さ）とハイバンドのリターンロスの値（深さ）がほぼ等しくなるように、第１リアクタンス素子Ｘ１、第２リアクタンス素子Ｘ２および第３リアクタンス素子Ｘ３のそれぞれの素子値を決定する。

なお、図１に示したように、ローバンド用放射素子１１の第２端１１２とハイバンド用放射素子１２の第２端１２２とは、近接して対向しているので、ローバンド用放射素子１１およびハイバンド用放射素子１２は容量を介して互いに結合されている。このような構造の場合、前記容量を加味して第１リアクタンス素子Ｘ１、第２リアクタンス素子Ｘ２および第３リアクタンス素子Ｘ３のそれぞれの素子値を決定する。

〈第３ステップ〉
給電回路３２と給電点ＦＰ（第３リアクタンス素子Ｘ３）との間に、VSWR改善用インピーダンス変換素子３１を装荷して、ローバンドの共振周波数ｆ_L およびハイバンドの共振周波数ｆ_H におけるVSWRを改善する。換言すると、所定のVSWRを満足するようなVSWR改善用インピーダンス変換素子３１の素子値を決定する。

〈第４ステップ〉
アンテナの共振周波数が所定値でなければ、第１リアクタンス素子Ｘ１、第２リアクタンス素子Ｘ２および第３リアクタンス素子Ｘ３の素子値を微調整して第２ステップへ戻る。

次に、本発明の設計方法によるマルチバンドアンテナ装置１００の特性と比較例としてのマルチバンドアンテナ装置の特性について示す。

図８は比較例としての、従来の設計方法で設計した、マルチバンドアンテナ装置１００Ｐの斜視図である。このマルチバンドアンテナ装置１００Ｐは、プリント配線板６０と、このプリント配線板６０の非グランド領域に実装されたチップアンテナ５０Ｐを備えている。チップアンテナ５０Ｐは誘電体素体１０とこの誘電体素体１０の表面に形成されたローバンド用放射素子１１およびハイバンド用放射素子１２を備えている。プリント配線板６０は基材８と、この基材８に形成されたグランド導体９を備えている。このマルチバンドアンテナ装置１００Ｐにおいて、ローバンド用放射素子１１は、誘導性のリアクタンスが足りないため、線幅を細くして周波数を合わせている。後に示すように、このことによりアンテナの面積が下がり、放射効率は低い。また、ハイバンド用放射素子１２は、共振周波数を合わせる都合上、開放端の位置を最も効率が高まると考えられる位置（最適位置）に配置することが不可能であった。図１に示した本発明のマルチバンドアンテナ装置１００においては、ローバンド用放射素子１１の開放端とハイバンド用放射素子１２の開放端とが対向するように配置できた。また、ローバンド用放射素子１１の開放端とハイバンド用放射素子１２の開放端との間隙は、周波数調整の都合で、１ｍｍと短くなり、放射効率は低い。本発明のマルチバンドアンテナ装置１００においては、ローバンド用放射素子１１の開放端とハイバンド用放射素子１２の開放端との間隙は２ｍｍとなった。

図６（Ａ）は本発明の実施形態のマルチバンドアンテナ装置１００および比較例のマルチバンドアンテナ装置のリターンロス特性（ＳパラメータのＳ１１）を示す図である。また、図６（Ｂ）は実施形態のマルチバンドアンテナ装置１００および比較例のマルチバンドアンテナ装置のアンテナ効率を示す図である。比較例としてのマルチバンドアンテナ装置は図８に示した構造のアンテナである。いずれもローバンドをGSM（登録商標）900、ハイバンドをGSM（登録商標）1800の周波数として、高周波３次元電磁界シミュレータHFSSでシミュレーションした結果である。これらの図において、αはマルチバンドアンテナ装置１００の特性、βは比較例のマルチバンドアンテナ装置の特性である。

図６（Ａ）に表れているように、本発明によれば、ローバンド、ハイバンド共に低反射特性が得られている。また、図６（Ｂ）に表れているように、本発明によれば、ローバンド、ハイバンド共に高効率特性が得られている。この例では、アンテナ効率は０．５ｄＢ程度改善することが確認できた。また、アンテナ形状および周波数を決定するまでの時間に関して、本発明の設計方法は従来の設計方法に対して１／５程度の時間で設計することが可能であった。

本発明のマルチバンドアンテナ装置の設計方法は、所定のパラメータを入力して、プログラムの実行により設計値を出力することが可能である。このプログラムは図５に示した各ステップを順に実行するものであり、入力パラメータは、ローバンドおよびハイバンドそれぞれの放射効率、所望の帯域幅および電力損失である。

ＢＰ…分岐点
ＦＰ…給電点
Ｐ１…第１電気長
Ｐ２…第２電気長
Ｐ３…第３電気長
Ｘ１…第１リアクタンス素子
Ｘ２…第２リアクタンス素子
Ｘ３…第３リアクタンス素子
８…基材
９…グランド導体
１０…誘電体素体
１１…ローバンド用放射素子
１２…ハイバンド用放射素子
３０…放射素子分岐回路
３１…VSWR改善用インピーダンス変換素子
３２…給電回路
５０，５０Ｐ…チップアンテナ
６０…プリント配線板
１００，１００Ｐ…マルチバンドアンテナ装置
１１１…ローバンド用放射素子の第１端
１１２…ローバンド用放射素子の第２端
１２１…ハイバンド用放射素子の第１端
１２２…ハイバンド用放射素子の第２端

Claims

第１端が放射素子分岐回路に接続され第２端が開放されたローバンド用放射素子と、第１端が前記放射素子分岐回路に接続され第２端が開放されたハイバンド用放射素子と、前記ローバンド用放射素子および前記ハイバンド用放射素子とともに共振動作するグランド導体とを備えたマルチバンドアンテナ装置の設計方法であって、
前記ローバンド用放射素子の第１端を前記グランド導体に近い側、第２端を前記グランド導体より遠い側に配置するようにし、前記ハイバンド用放射素子の第１端を前記グランド導体に近い側、第２端を前記グランド導体より遠い側に配置するようにして、前記ローバンド用放射素子および前記ハイバンド用放射素子の形状を設定するとともに、前記放射素子分岐回路の給電点から前記ローバンド用放射素子の第２端までの第１電気長、前記給電点から前記ハイバンド用放射素子の第２端までの第２電気長、ならびに、前記放射素子分岐回路が有する分岐点から前記給電点までの第３電気長を決定する第１ステップと、
前記第１電気長および前記第３電気長によりローバンドの共振周波数が所定値になり、前記第２電気長および前記第３電気長によりハイバンドの共振周波数が所定値になり、前記第１電気長および前記第２電気長により反共振周波数が所定値になるように、前記第１電気長、前記第２電気長および前記第３電気長を決定する第２ステップと、
給電回路と前記給電点との間に装荷される電圧定在波比改善用インピーダンス変換素子の素子値を、前記ローバンドの共振周波数および前記ハイバンドの共振周波数における電圧定在波比が所定値を満足するように決定する第３ステップと、
を有することを特徴とする、マルチバンドアンテナ装置の設計方法。
前記第３ステップの後に、アンテナの共振周波数が所定値でなければ、前記第１電気長、前記第２電気長および前記第３電気長を微調整して前記第２ステップへ戻る反復ステップを有する請求項１に記載のマルチバンドアンテナ装置の設計方法。
前記ローバンド用放射素子の第２端と前記ハイバンド用放射素子の第２端とは、容量を介して互いに結合されていて、
前記第２ステップにて、前記容量を加味して第１電気長、第２電気長および第３電気長を決定する、請求項１または２に記載のマルチバンドアンテナ装置の設計方法。