JP2013258649A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】給電点間のアイソレーションが向上したアンテナ装置の実現する。
【解決手段】アンテナ装置は、グランド領域２０１を有する基板１０１と、第１の導体１、第２の導体２および第３の導体３とを有し、前記第２の導体２は、一端が第１の給電点１１を介して前記グランド領域２０１へと接続され、他端が前記第１の導体１へと接続され、前記第３の導体３は任意の位置に第２の給電点１２を直列に含み、少なくとも一部が前記第１の導体１と対向し、両端が前記グランド領域２０１へ接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明はアンテナ装置に関する。

近年、携帯電話やＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄａｔａ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）等の無線通信装置に搭載されるアンテナ装置は、搭載される通信システムの増加に伴いその数が増加している。そのため、一つのアンテナ素子で複数の通信システムに対応したりする等の進化を遂げている。また、近年の無線装置はＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）又はＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）等の複数の通信システムに同時に対応することも必要とされる。こういった要求を満たすアンテナ装置として例えば、特許文献１のアンテナ装置が開示されている。

国際出願公開ＷＯ２００７／０５５２３２号公報

上記のように無線通信装置が複数の通信システムを有する場合、各通信システムに対応するアンテナ装置間は電気信号の相互干渉が無いことが必要である。

特に、周波数帯が同一又は周波数帯が近接した通信システムに対応した複数のアンテナ装置を同一の無線通信装置に搭載すると、一方の通信システムのアンテナ装置から放射された電波は他方の通信システムのアンテナ装置により受信されることがある。その結果、空間への電波の放射が減少することに加え、他方の通信システムを妨害するおそれもあった。そこで、各アンテナ装置の電気信号が互いに干渉しないように、それぞれのアンテナ装置、より具体的にはそれぞれ複数の給電点の間でアイソレーションが得られ、相関値が低いことが必要である。

特許文献１では、単一の放射導体に対して複数の給電点を設け、複数の給電点の間でアイソレーションを向上させたアンテナ装置が開示されている。しかしながら、複数の給電点は互いに導体で直結され、少なからず給電点の間で信号の漏れがあり十分なアイソレーションが得られないという問題があった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、給電点間のアイソレーションが確保されたアンテナ装置の実現を目的とする。

上述した課題を解決し目的を達成するために本発明のアンテナ装置は、グランド領域を有する基板と、第１、第２および第３の導体とを有し、前記第２の導体は、一端が第１の給電点を介して前記グランド領域へと接続され、他端が前記第１の導体へと接続され、前記第３の導体は任意の位置に第２の給電点を直列に含み、少なくとも一部が前記第１の導体と対向し、両端が前記グランド領域へ接続されていることを特徴とする。

このように構成することで、前記第１の給電点と前記第１の導体とは前記第２の導体により接続され、前記第２の給電点と前記第１の導体とは導体により接続されることなく、第１の導体と第３の導体とが対向する箇所にて磁界結合により非接触の状態で給電が行われる。そのため第１給電点と第２の給電点の間には導体を経由した信号の伝達経路が存在しないため、導体を経由した電気信号の相互干渉が小さくなる。

さらに第１の給電点は第１の導体、第２の導体を放射導体とするモノポールアンテナに対する給電点として動作し、第２の給電点は第１の導体を放射導体とするダイポールアンテナに対する給電点として動作するため、共振の向きが異なることから、グランド領域を経由した電気信号の相互干渉も抑えられ、２つの給電点の間でアイソレーションが向上する。

なお上記の、「第３の導体は任意の位置に第２の給電点を直列に含み」とは第３の導体が端部を含む任意の点で分断され第２の給電点により接続された状態を示しており、第２の給電点は第３の導体の中央部に存在しても良いし、第３の導体の一方の端部とグランド領域との間に存在しても良い。

更に本発明は、前記第１の導体及び前記グランド領域が、前記基板の主面に垂直に定めた仮想平面に対しそれぞれ面対称となる形状を有し、前記第１の導体と前記第２の導体との接続点は、前記仮想平面上に位置している。

こうすることで前記第１の導体と前記グランド領域は前記仮想平面に対し面対称な形状となり、第２の給電点より励振され第１の導体に発生する定在波は仮想平面を中心に対称に分布し、第１の導体と仮想平面との交点の近傍は電位変化の生じない仮想接地に近い状態となる。そのため前記第１の導体と前記第２の導体との接続点を前記仮想平面上に設けることで、第２の給電点より磁界結合を経由して第１の給電点に流れ込む信号成分を減少させる。そのため給電点間のアイソレーションがより向上する。

このとき、前記第１の給電点を前記仮想平面と前記グランド領域との交線上に配置し、前記第２の導体を仮想平面上に構成することで、電気的な対称性がさらに向上し、より給電点間のアイソレーションが向上する。

なお、第１の導体と第２の導体との接続点に電界定在波分布の節が形成されることが重要であり、たとえ第１の導体及び／又はグランド領域の形状が前記仮想平面に対して正確に対称でなくても前記接続点に電界定在波分布の節が形成されるように、電気的な対称性が保たれていれば、同等の効果を得られる。

更に本発明は、前記第３の導体の両端部が前記仮想平面を挟むように位置している。

前記第１の給電点より入力された電流信号は前記第２の導体を経由し前記第１の導体へと伝達される。伝達された電流信号は第１の導体と前記第２の導体の接続点を基点として逆向きに流れるため、第１の導体の近傍には第２の導体との接続点を基点として逆向きの磁界が発生する。前記第３の導体の両端部を前記仮想平面を挟む位置に設けることで、逆向きに発生した磁界の両方と結合し、打ち消しあう。そのため、第１の給電点より磁界結合を経由して第２の給電点に流れ込む信号成分が減少し、給電点間のアイソレーションがより一層向上する。

更に本発明は、前記第３の導体が前記仮想平面に対し略面対称な形状を有している。

こうすることで前記第１の導体と前記第３の導体とが対向し、磁界結合が生じる領域が前記仮想平面に対して対称に形成されるため、逆向きに発生した双方の磁界とそれぞれ均等に結合し、大部分が打ち消しあう。そのため前記第１の給電点より磁界結合を経由して前記第２の給電点に流れ込む信号成分がさらに減少し、さらに給電点間のアイソレーションが向上する。

このとき、第３の導体の電気長は給電点に入力する信号周波数の波長λよりも十分短いとなお望ましい。そうすることで第３の導体に発生する電流分布がほぼ一様となるため、前記仮想平面をはさむ両側における磁界結合の対称性が更に向上し、より確実にアイソレーションが向上する。そのため少なくとも、第３の導体の電気長は位相の反転しない１／４λ以下の長さとなるように構成することが望ましい。

更に本発明は、前記第２の給電点が前記仮想平面上に位置している。

このように構成することで、給電点を含むアンテナ構造全体が前記仮想平面に対し対称構造となり、前記と同様の理由により、第１の給電点より磁界結合を経由して第２の給電点に流れ込む信号成分がほぼ完全に打ち消しあい、給電点間のアイソレーションが更に向上する。

更に本発明は、前記グランド領域が前記仮想平面との交線を跨ぐように切欠き部を有し、前記第３の導体が前記切欠き部を跨ぐように位置している。

この様に構成することで、前記第３の導体の近傍に発生する磁束がグランド領域によって妨げられる影響が低減され、前記第１の導体と前記第３の導体との磁界結合が更に強くなる。また、切欠き部の深さを調整することで、結合の強さを調整でき、前記第２の給電点での周波数帯域幅の調整が可能となる。更に切欠き部を設けることで、グランド領域も放射導体と同様に強く励振され、第２の給電点から入力した際のアンテナ放射効率が改善する効果がある。

なお、切欠き部は磁束を妨げないように形成されていればグランド領域の縁端部に形成されても良いし、グランド領域の内部に形成されても良い。

更に本発明は、前記第１乃至第３の導体の少なくとも何れかの一部が、誘電体または／及び磁性体からなる基体の表面または／及び内部に形成されている。

この様に構成することにより第１の導体の設置位置を基板から離間させて構成することが容易になるほか、両先端部を折り返して長い導体を設置することも容易になり、低い周波数への対応、アンテナ放射効率の改善、小型化への対応が可能となる。

本発明によれば、給電点間のアイソレーションが向上したアンテナ装置を実現できる。

図１は、実施形態１に係るアンテナ装置を示す斜視図である。 図２は、実施形態１に係るアンテナ装置の給電部分詳細を示す斜視図である。 図３は、実施形態１に係るアンテナ装置を示す上面図である。 図４は、実施形態２に係るアンテナ装置を示す斜視図である。 図５は、実施形態３に係るアンテナ装置を示す斜視図である。 図６は、実施形態３に係るアンテナ装置の底面側から見た給電部詳細を示す斜視図である。 図７は、実施形態３に係るアンテナ装置を示す上面図である。 図８は、実施形態４に係るアンテナ装置の底面側から見た給電部分詳細を示す斜視図である。 図９は実施形態４に係るアンテナ装置のシミュレーション結果である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

また、以下の本発明の説明について、給電点は便宜上回路基板の辺上または基板から離間した位置に有るかの如く述べているが、実際には回路基板上の無線回路より給電され、前記辺上まで何らかの手段により伝送されていることは言うまでもない。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るアンテナ装置を示す斜視図である。図２は、実施形態１に係るアンテナ装置の給電部詳細を示す斜視図である。図３は、実施形態１に係るアンテナ装置を示す上面図である。基板１０１の外形寸法は６０ｍｍ×５０ｍｍであり、厚みは１ｍｍである。図１、２、３に示すようにグランド領域２０１を有する基板と、第１の導体１、第２の導体２、及び第３の導体３とを有し、前記第２の導体２は、一端が第１の給電点１１を介して前記グランド領域２０１へと接続され、他端が前記第１の導体１へと接続され、前記第３の導体３は任意の位置に第２の給電点１２を直列に含み、少なくとも一部が前記第１の導体１と対向し、両端が前記グランド領域２０１へ接続されている。

このように構成することで、前記第１の給電点１１と前記第１の導体１とは前記第２の導体２により接続され、前記第２の給電点１２と前記第１の導体１とは導体により接続されることなく、第１の導体と第３の導体とが対向する箇所にて磁界結合により非接触の状態で給電が行われる。そのため第１の給電点１１と第２の給電点１２との間には導体を経由した信号の伝達経路は存在しないため信号の相互干渉が抑えられる。

さらに第１の給電点１１は第１の導体１、第２の導体２を放射導体とするモノポールアンテナに対する給電点として動作し、第２の給電点１２は第１の導体１を放射導体とするダイポールアンテナに対する給電点として動作するため、それぞれの給電点より励振した際の共振の向きが異なるためグランド領域２０１を経由した信号の相互干渉も抑えられる。これらの効果により給電点間の相互干渉が抑制されアイソレーションが向上する。

更に本実施形態では図１、２、３に示すように前記第１の導体１及び前記グランド領域２０１は、前記基板１０１の主面に垂直に定めた仮想平面１０に対しそれぞれ面対称となる形状を有し、前記第１の導体１と前記第２の導体２との接続点は、前記仮想平面１０上に位置している。

このように構成することで前記第１の導体１は前記仮想平面１０に対し対称な形状となり、第２の給電点１２より励振され第１の導体１に発生する定在波は仮想平面１０を中心に対称に分布し、第１の導体１と仮想平面１０との交点の近傍は電位変化の生じない仮想接地に近い状態となる。そのため、前記第１の導体１と前記第２の導体２との接続点を前記仮想平面１０と前記第１の導体１との交点に設けることで、第２の給電点１２より磁界結合を経由して第１の給電点１１に流れ込む信号成分を減少させる。そのためアイソレーションが一層向上する。

更に本実施形態では、前記第２の給電点１２は前記グランド領域２０１と前記仮想平面１０との交線上に位置し、前記第２の導体２は前記仮想平面１０上に位置している。このように構成することで、第２の給電点１２より励振され第１の導体１に発生する定在波の分布に対し前記第２の導体２が与える影響が低減され、より確実にアイソレーションを向上させることができる。

更に本実施形態では図１、２、３に示すように前記第３の導体の両端部は、前記仮想平面を挟むように位置し、前記仮想平面に対し略面対称な形状を有している。

第１の給電点１１より入力された電流信号は第２の導体２を経由し第１の導体１へと伝達される。伝達された電流信号は第１の導体１と第２の導体２の接続点を基点として第１の導体上を逆向きに流れるため、第１の導体の近傍には第２の導体との接続点を基点として逆向きの磁界が発生する。前記第３の導体３を前記仮想平面１０を挟む両側でグランド領域２０１へ接続し、更に前記第３の導体を前記仮想平面に対し略面対称な形状で構成することで、磁界結合の生じる領域が仮想平面１０を挟み対称となり、逆向きに発生した磁界の両方とそれぞれ均等に結合し、大部分が打ち消しあう。そのため第１の給電点１１より磁界結合を経由して第２の給電点１２に流れ込む信号成分が減少する。そのためアイソレーションがより一層向上する。

また本実施形態では、前記第１の給電点１１、前記第１の導体１、前記第２の導体２を前記基板１０１の一方の主面に構成し、前記第２の給電点１２、前記第３の導体３を他方の主面に構成している。

本実施形態のように基板の異なる２層のパターンを用いて第１、第２、第３の導体を構成すれば、前記導体を構成するための部品を別途用意する必要が無いため、装置の構成の簡素化を図ることも可能となる。

このように、実施形態１のアンテナ装置であれば、第１の給電点１１は第１の導体１及び第２の導体２を放射導体とするモノポールアンテナに対する給電点として動作するため、定在波の向きは給電点が配置されたグランド領域２０１の１辺に対して垂直である。また、第２の給電点１２は第１の導体１を放射導体とするダイポールアンテナに対する給電点として動作するため、定在波の向きは前記１辺に対して平行である。したがって共振の向きは直交するため、相関値が低くなる。

また共振の向きが異なることから２つの給電点間において、グランド領域２０１を経由した信号の干渉が抑えられる。更に第２の給電点１２は、放射導体である第１の導体１に対し離間した状態で給電するため、第１の給電点１１と第２の給電点１２とは直接導体で接続される事はなく、導体を経由した信号の干渉が抑えられる。これらの理由によりアイソレーションが向上したアンテナ装置として使用することができる。

なお、ここで言う「相関値が低い」状態とは、それぞれの給電点から励振した際にそれぞれが異なる偏波面を有している状態を示している。相関値を評価する際には相関係数が用いられ、偏波面が同一であると相関係数は１に近づき、直交していると０に近づく傾向を有する。

（実施形態２）
図４は、実施形態２に係わるアンテナ装置を示す斜視図である。実施形態２は実施形態１に対し、グランド領域２０２は、前記仮想平面１０との交線を跨ぐように切欠き部５を有し、前記第３の導体３は前記切欠き部５を跨ぐように位置している点で異なる。

この様に構成することで、第３の導体３の近傍に発生する磁束がグランド領域２０２によって妨げられる影響が低減し、第１の導体１と第３の導体３との磁界結合が更に強くなる。また、切欠き部５の深さを調整することで、結合の強さを調整でき、第２の給電点１２の周波数帯域幅の調整が可能となる。更に切欠き部５を設けることで、グランド領域２０２も放射導体と同様に強く励振され、アンテナ放射効率が改善する効果がある。

（実施形態３）
図５は、実施形態３に係わるアンテナ装置を示す斜視図である。図６は、実施形態３に係るアンテナ装置の給電部詳細を示す斜視図である。図７は、実施形態３に関わるアンテナ装置を示す上面図である。基板１０３の外形寸法は１１０ｍｍ×６０ｍｍ、厚みは１ｍｍ、基板１０３上に配置された基体１３０の外形寸法は６０ｍｍ×１８．５ｍｍ×５ｍｍである。

実施形態３では、実施形態２に於いては第１の導体１、第２の導体２及び第３の導体３が全て基板１０１上に形成されていたのに対し、第１の導体１、第２の導体２及び第３の導体３のいずれかの一部、または全てが別途用意された誘電体の基体１３０の表面に形成されている点で異なる。

本実施形態では第１の導体１の全てと第２の導体２の一部が基体１３０の表面に形成されている。基体１３０は略直方体で給電部の近くには更に小さな直方体が付加されているが、設計次第でこれはなくても良い。基体１３０は安価で比較的低誘電率のポリカーボネートにより形成され、内部がくり抜かれていることにより更に実質的な誘電率を低下させている。

前記基体１３０の材質はセラミック、樹脂を問わないし、磁性体であってもよい。所望する特性に合わせて実効的な比誘電率或いは比透磁率を適宜設定する。異なる材料特性の部材が組み合わされていても良い。低い誘電率が必要であれば基体内部がくり抜かれていても良いし、また、導体を内部に含む積層体であれば層間に跨るコイル等の長くて複雑なパターンも作りやすい。

この様に基体１３０を用いることにより、先ず第１の導体１をグランド領域２０３から離間して配置することが容易になる。更に第１の導体１を長く、複雑なパターンにすることが容易になる。このため回路基板上に占めるアンテナ装置の領域面積を小さくすることが可能となる。或いはアンテナの特性に於いて同形状で動作周波数を低く、周波数帯域幅を広く、放射効率を改善することが出来る。

また、本実施形態においては第２の給電点１２は一端が第３の導体３の端部に設けられ、他端がグランド領域２０３と直接接続されている。第２の給電点１２をこのように設けることで第１の給電点１１と同様に不平衡入出力として取り扱うことが可能となる。通常の無線回路は不平衡入出力を有するので、こうすることで無線装置の設計や製造が容易になる。

（実施形態４）
図８は、実施形態４に係るアンテナ装置の給電部詳細を示す斜視図である。実施形態３に於いては第２の給電点１２は第３の導体３の端部とグランド領域２０３との間に配置されていたのに対し、本実施形態では前記第２の給電点１２は前記第３の導体３と前記仮想平面１０との交点において第３の導体３に直列に含まれる点で異なる。

このように構成することで、給電点を含むアンテナ構造全体が前記仮想平面１０に対し対称構造となり、上記と同様の理由により、第１の給電点１１より磁界結合を経由して第２の給電点１２に流れ込む信号成分がキャンセルされ、アイソレーション特性の更なる改善がなされる。

実施形態４の構成でシミュレーションを行った結果を図９に示す。図９の電気特性はそれぞれの給電点の直前で５０オームに整合させた状態で得られたシミュレーション結果である。シミュレーションはＡｎｓｙｓ社のＨＦＳＳバージョン１４にて行った。図中の２１は第１の給電点１１から見たリターンロス特性、２２は第２の給電点１２から見たリターンロス特性、２３は第１の給電点１１及び第２の給電点１２の間のアイソレーション特性である。また、シミュレーションによる放射パターンの相関係数の計算値は０．００１２であった。本実施形態の構成とすることでアイソレーションの大幅な向上、十分に低い相関値が得られることが確認された。

以上のように、本発明に関わるアンテナ装置は、複数のアンテナ装置を同一の無線通信装置に搭載する場合に好適である。

１ 第１の導体
２ 第２の導体
３ 第３の導体
５ 切欠き部
１０ 仮想平面
１１ 第１の給電点
１２ 第２の給電点
２１ 第１の給電点から見たリターンロス特性
２２ 第２の給電点から見たリターンロス特性
２３ 第１の給電点と第２の給電点とのアイソレーション特性
１０１、１０２、１０３ 基板
１３０ 基体
２０１、２０２、２０３ グランド領域

Claims (7)

1. グランド領域を有する基板と、第１、第２および第３の導体とを有し、前記第２の導体は、一端が第１の給電点を介して前記グランド領域へと接続され、他端が前記第１の導体へと接続され、前記第３の導体は任意の位置に第２の給電点を直列に含み、少なくとも一部が前記第１の導体と対向し、両端が前記グランド領域へ接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第１の導体及び前記グランド領域は、前記基板の主面に垂直に定めた仮想平面に対しそれぞれ面対称となる形状を有し、前記第１の導体と前記第２の導体との接続点は、前記仮想平面上に位置していることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第３の導体の両端部は、前記仮想平面を挟むように位置していることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第３の導体は前記仮想平面に対し略面対称な形状を有していることを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記第２の給電点は前記仮想平面上に位置していることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記グランド領域は、前記仮想平面との交線を跨ぐように切欠き部を有し、前記第３の導体は前記切欠き部を跨ぐように位置していることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
7. 前記第１乃至第３の導体の少なくとも何れかの一部は、誘電体または／及び磁性体からなる基体の表面または／及び内部に形成されていることを特徴とする請求項２から６のいずれか一項に記載のアンテナ装置。