JP2014171087A - 広帯域アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】多数のバンドに良好な特性で同時に対応できる携帯機器用の広帯域アンテナを提供する。
【解決手段】広帯域アンテナが、アンテナの外周の一部に設けられた第１アンテナエレメント（４）と、第１アンテナエレメントの一端とスリット部（１４）を挟んで対向した一端を有する第２アンテナエレメント（５）と、スリット部に給電するための給電線路（１３）と、を有し、給電線路が第１アンテナエレメントから一定間隔で並行して設けられる。
【選択図】図６

Description

本発明は携帯端末等に内蔵される広帯域アンテナに関する。

近年、携帯電話だけでなくスマートフォンの普及に伴い、データのダウンロード量が大幅に増加している。そのトラフィックの増加に対応するために、複数の周波数帯にトラフィックを分散させる技術や、ＬＴＥ（Long Term Evolution）などの新たな通信規格が採用されており、使用周波数の広帯域化は益々進んでいる。さらに、使用周波数帯は国によって異なるため、海外での使用を考えると、携帯端末は非常に多くの周波数帯に対応する必要がある。このような使用周波数の多様化に対応するために、アンテナを広帯域化あるいはマルチバンド化するアンテナ構成が種々提案されている。

たとえば、特許文献１には異なる周波数帯で動作する逆Ｆアンテナと平行２線式アンテナを形成したマルチバンドアンテナが、特許文献２にはループアンテナにスタブを付加してマルチバンド化したアンテナ装置が、特許文献３には逆Ｆ型アンテナに３つのアンテナエレメントを実装してマルチバンド化したアンテナ装置が、それぞれ開示されている。

特開２００９−２７８３７６号公報 特開２００６−２０３５４４号公報 特開２００７−１２３９８２号公報

しかしながら、現在、世界各国で使用されている周波数帯は、欧州などの２５００〜２６９０ＭＨｚを含めると、７０４〜９６０ＭＨｚ、１４４８〜１５１１ＭＨｚ、１７１０〜２１７０ＭＨｚ、２５００〜２６９０ＭＨｚである。上記特許文献に記載された構成では、これら全ての周波数帯に良好な特性で対応できる携帯機器への内蔵に適したアンテナを実現することはできない。

そこで、本発明の目的は多数のバンドに良好な特性で同時に対応できる携帯機器用の広帯域アンテナを提供することにある。

本発明による広帯域アンテナは、複数のアンテナエレメントからなる広帯域アンテナであって、アンテナの外周の一部に設けられた第１アンテナエレメントと、前記第１アンテナエレメントの一端とスリット部を挟んで対向した一端を有する第２アンテナエレメントと、前記スリット部に給電するための給電線路と、を有し、前記給電線路が前記第１アンテナエレメントから一定間隔で並行して設けられたことを特徴とする。

本発明によれば、給電線路が第１アンテナエレメントから一定間隔で並行して設けられることで、インピーダンス調整機能を備え、アンテナ特性を左右する給電点の位置を最適化し、広い帯域で整合損失を低減することができる。これにより、多数のバンドに良好な特性で同時に対応できる携帯機器用の広帯域アンテナを容易に製造することができる。

図１は本発明の第１実施例の前提となる広帯域アンテナの構造を示す平面図である。 図２は図１に示す広帯域アンテナのアンテナリターンロスの周波数特性を示すグラフである。 図３は図１に示す広帯域アンテナの放射効率の周波数特性を示すグラフである。 図４は図２の周波数帯を変更した場合のアンテナリターンロスの周波数特性を示すグラフである。 図５は図２の周波数帯を変更した場合のアンテナ放射効率の周波数特性を示すグラフである。 図６は本発明の第１実施例による広帯域アンテナの構造を示す平面図である。 図７は第１実施例による広帯域アンテナのアンテナリターンロスの周波数特性を示すグラフである。 図８は第１実施例による広帯域アンテナの放射効率の周波数特性を示すグラフである。 図９は第１実施例の広帯域特性を説明するためのアンテナモデル（１）を示す平面図である。 図１０はアンテナモデル（１）のリターンロスの周波数特性を示すグラフである。 図１１は第１実施例の広帯域特性を説明するためのアンテナモデル（２）を示す平面図である。 図１２はアンテナモデル（２）のリターンロスの周波数特性を示すグラフである。 図１３はマイクロストリップラインの一例を示す断面図である。 図１４は図１３に示すマイクロストリップラインのインピーダンス特性を示すスミスチャートである。 図１５はフレキシブル基板を用いたマイクロストリップラインの断面図である。 図１６は図１５に示すマイクロストリップラインのインピーダンス特性を示すスミスチャートである。 図１７はコプレーナ線路の第１例を示す断面図である。 図１８は図１７に示すコプレーナ線路のインピーダンス特性を示すスミスチャートである。 図１９はコプレーナ線路の第２例を示す断面図である。 図２０は図１９に示すコプレーナ線路のインピーダンス特性を示すスミスチャートである。 図２１は第１実施例の広帯域特性を説明するためのアンテナモデル（３）を示す平面図である。 図２２はアンテナモデル（３）のリターンロスの周波数特性を示すグラフである。 図２３は図２１に示すアンテナモデル（３）のインピーダンス特性を説明するための模式図である。 図２４は図１１に示すアンテナモデル（２）のインピーダンス特性を説明するための模式図である。 図２５は図２４に示す矢印からのインピーダンス特性を示すスミスチャートである。 図２６は図２６に示すインピーダンス特性のうち１７１０ＭＨｚより高い周波数のインピーダンスを示すスミスチャートである。 図２７はコプレーナ線路の第３例を示す断面図である。 図２８は図２７に示すコプレーナ線路のインピーダンス特性を示すスミスチャートである。 図２９は本発明の第２実施例を説明するための比較例として一般的なループ型アンテナの構造を示す平面図である。 図３０は図２９に示す一般的なループ型アンテナの斜視図である。 図３１は図２９に示す一般的なループ型アンテナのリターンロスの周波数特性を示すグラフである。 図３２は本発明の第２実施例による広帯域アンテナの構造を示す平面図である。 図３３は図３２に示す広帯域アンテナの斜視図である。 図３４は図３２に示す広帯域アンテナのリターンロスの周波数特性を示すグラフである。 図３５は図３２に示す広帯域アンテナの放射効率の周波数特性を示すグラフである。 図３６は本発明の第３実施例を説明するための比較例として一般的な逆Ｌアンテナの構造を示す平面図である。 図３７は図３６に示す一般的な逆Ｌアンテナのリターンロスの周波数特性を示すグラフである。 図３８は本発明の第３実施例による広帯域アンテナの構造を示す平面図である。 図３９は図３８に示す広帯域アンテナのリターンロスの周波数特性を示すグラフである。 図４０は図３８に示す広帯域アンテナの放射効率の周波数特性を示すグラフである。

本発明の実施形態によれば、アンテナ外周のアンテナエレメントから一定間隔で並行して設けられた給電線路がインピーダンス調整機能を備え、アンテナ特性を左右する給電点の位置を最適化し、広い帯域で整合損失を低減することができる。これにより、同時に多数のバンドに良好な特性で対応することが可能となる。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

１．第１実施例
以下、本発明の第１実施例を説明する前に、本出願人が出願したマルチバンドアンテナ（特願２０１１−２５４７５４号）について簡単に説明する。

１．１）先願のマルチバンドアンテナの構成例
図１に示すように、先願のマルチバンドアンテナは、アンテナ１６と基板１７とから成り、アンテナ１６はアンテナエレメント１８，１９，２０とチップ部品２１、２２、２３、２４とで構成され、給電部２５から給電される。

このアンテナは複数の周波数で共振することが可能であるが、ここでは主に日本と米国の周波数帯が考慮されている。具体的には、図２のリターンロスで示すように、７０４〜９６０ＭＨｚ、１４４８〜１５１１ＭＨｚ、１８５０〜２１７０ＭＨｚの周波数帯で良好な特性が得られるように構成されている。

良好な特性であることの判断基準としては、リターンロスで−５ｄＢ以下とした。これは、アンテナ設計において一般的であり、妥当な数値である。又、アンテナ特性は、放射効率でも表現される。放射効率が良好な特性であることの判断基準としては、−４ｄＢ以上とした。これも、アンテナ設計において一般的であり、妥当な数値である。放射効率も図３に示す通り、前述の周波数帯域において良好な特性を示すことがわかる。

しかしながら、欧州などの２５００〜２６９０ＭＨｚの周波数帯を含めると、全ての周波数帯に良好な特性で対応できるとは限らない。たとえば、図４は図２の周波数帯を前述の帯域に変更したものであるが、図４を見ると、１７１０ＭＨｚ付近と２５００〜２６９０ＭＨｚのリターンロスが−５ｄＢ以上と悪く、充分な特性が得られないことが分かる。図５に示す放射効率でも、１７１０ＭＨｚ，２５００ＭＨｚ，２６９０ＭＨｚの放射効率が−４ｄＢを下回っている。

１．２）広帯域アンテナ
本発明の第１実施例による広帯域アンテナは、次に述べるように、図１に示すマルチバンドアンテナにインピーダンス調整機能を備えた給電線路を組み合わせることで、マルチバンドアンテナを更に広帯域化させ、多バンド対応を可能とするものである。

図６に示すように、本実施例による広帯域アンテナは、アンテナ１と、アンテナ１を配置するための基板素材（ＦＲ４）２と、基板導体部分（ＧＮＤ）３とから成り、ここではスマートフォンを想定したモデルを一例として図示している。アンテナ１は、アンテナエレメント４，５，６，７と、チップ部品９，１０，１１，１２と、アンテナエレメント４とアンテナエレメント５との間のスリット１４へ給電するための給電線路１３とから構成され、給電は給電部１５から行われる。なお、アンテナエレメント４，５，６，７とチップ部品９，１０，１１，１２による構成は、図１に示すアンテナ１６と同様である。

本実施例の特徴は、アンテナエレメント上に設けられたスリット部１４への給電がアンテナエレメント４と一定間隔で並行に配置された給電線路１３を介して行われる構成にある。外周のアンテナエレメント４と給電線路１３との間隔は、所望の周波数に依存して設定すればよい。例えば、約１５００〜３０００ＭＨｚ付近での広帯域化を狙う場合には、間隔を１〜２ｍｍ程度に設定することが適当であり、本実施例では１５００〜２７００ＭＨｚでの広帯域化を狙うために間隔を１．５ｍｍに設定している。

同様に、スリット部１４の位置に関しても、外周のアンテナエレメント（アンテナエレメント４およびアンテナエレメント５の外周部）上で、所望の周波数に合わせて設定することが可能である。図６の構成例では、スリット部１４は、外周のアンテナエレメント上で紙面に対して左右方向の適当な位置に設定すれば良い。

１．３）効果
図７に示すように、本実施例による広帯域アンテナは、世界各国の使用周波数である７０４〜９６０ＭＨｚ、１４４８〜１５１１ＭＨｚ、１７１０〜２１７０ＭＨｚ、２５００〜２６９０ＭＨｚのすべての帯域において、リターンロスが−５ｄＢ以下であり、非常に広帯域に良好な特性が得られる。同様に、図８の放射効率においても、すべての使用周波数帯で−４ｄＢ以上の良好な効率が得られる。

２．インピーダンス調整を兼ねた給電線路１３
以下、上述した第１実施例の給電線路１３により広帯域特性が得られる理由を図９〜図２８を参照しながら順を追って説明する。

２．１）アンテナモデル（１）
まず、図９に示すアンテナモデル（１）を考える。このモデル（１）は、アンテナ２６とアンテナ２６を配置するための基板素材（ＦＲ４）２７と基板導体部分（ＧＮＤ）２８から成り、アンテナ２６は、アンテナエレメント２９，３０，３１，３２とチップ部品３３，３４，３５，３６で構成され、給電部３７から給電される。これは、図１に示すアンテナ１６の形状を変更したものであり、基本構成は同じである。

ただし、図１０のリターンロスに示すように、１７１０〜２１７０ＭＨｚの間の共振は１７１０ＭＨｚ（Ｍａｒｋｅｒ７）寄りに合わせるように調整されている。その為、約１８００ＭＨｚ以上の周波数帯においては、リターンロスが劣化し所望の特性が得られていない。

２．２）アンテナモデル（２）
次に、図１１に示すアンテナモデル（２）を考える。図９のモデル（１）と同様に、モデル（２）は、アンテナ３８とアンテナ３８を配置するための基板素材（ＦＲ４）３９と基板導体部分（ＧＮＤ）４０から成り、アンテナ３８は、アンテナエレメント４１，４２，４３，４４，４５とチップ部品４６，４７，４８，４９で構成され、給電部５０から給電される。図１１のモデル（２）は、図９のモデル（１）に比べて、給電部５０を装置の下端であるアンテナエレメント上に配置した点が異なる。

図１２に示すように、図１１のモデル（２）では、２１７０〜２６９０ＭＨｚのリターンロスが、モデル（１）と比較して改善していることが分かる。これは、給電点を装置端に移動したことによる広帯域化の効果である。

ここで、実際の端末での配線を考えると、アンテナの給電点は無線回路と接続する必要があるので、アンテナエレメントの途中にある給電点に無線回路からの給電線路を接続しなければならない。そこで、次に、マイクロストリップラインによる接続を考える。

図１３はマイクロストリップラインの断面構成を示し、図１４はそのインピーダンス特性を示す。図１３に示すように、１．０ｍｍの導体幅を持つＧＮＤパターン５３と０．２ｍｍの導体幅を持つ信号ライン５２とは厚さ０．６ｍｍの基板素材（ＦＲ４）５１の表裏に配置されている構成を考える。図１４に示すように、このインピーダンス特性は５０Ωである。

ところが、基板に例えばフレキシブル基板などを使用した場合には、図１５に示すように、厚さが０．２ｍｍ程度の基板素材５４の表裏に１．０ｍｍの導体幅を持つＧＮＤパターン５６と０．２ｍｍの導体幅を持つ信号ライン５５とが配置される構成となる。この場合、インピーダンス特性は、図１６に示すように５０Ωから大きくずれてしまう。

そこで、図１７に示すコプレーナ線路による構成を考える。すなわち、コプレーナ線路では、厚みが０．６ｍｍ程度の基板素材（ＦＲ４）５７の表層に、１．０ｍｍの導体幅を持つＧＮＤパターン５９と０．２ｍｍの導体幅を持つ信号ライン５８とが０．５ｍｍの間隔で配置された構成を有する。この時のインピーダンス特性は、図１８に示すように５０Ωである。

このようなコプレーナ線路を用いた場合、図１９のように厚みが０．２ｍｍ程度の基板素材６０の表層に１．０ｍｍの導体幅を持つＧＮＤパターン６２と０．２ｍｍの導体幅を持つ信号ライン６１が０．５ｍｍの間隔で配置される構成においても、図２０の様に５０Ωのインピーダンスを保つことが出来る。

２．３）アンテナモデル（３）
そこで、図２１に示すようにコプレーナ線路による給電方法を用いたモデル（３）を考える。図２１において、モデル（３）は、アンテナ６３とアンテナ６３を配置するための基板素材（ＦＲ４）６４と基板導体部分（ＧＮＤ）６５から成り、アンテナ６３は、アンテナエレメント６６，６７，６８，６９，７０とチップ部品７１，７２，７３，７４で構成され、給電線路７５を介して給電部７６から給電される。

図２２に図２１のモデル（３）のリターンロスを示す。図２２から分かるように、２１７０〜２６９０ＭＨｚのリターンロスは図１２と同様に改善効果が得られている。

ここで、図２１のモデル（３）において、図２３の矢印で示す切り口から観測したインピーダンスを考える。このインピーダンスは、図１１のモデル（２）において図２４の矢印で示す切り口から観測したインピーダンスと等価であり、そのインピーダンス特性を図２５に示す。そのインピーダンス特性のうち１７１０ＭＨｚより高い周波数だけを表示したものが図２６である。図２６に示すように、１７１０ＭＨｚより高い周波数のインピーダンスは２００Ω前後の高い値となっている。

しかしながら、通常の携帯機器のアンテナ設計においてはインピーダンスは５０Ωで設計される。そこで、次に、給電線路のインピーダンスを高くして整合損失を低減する手段について説明する。

図２７に示すように、厚みが０．６ｍｍ程度の基板素材（ＦＲ４）７７の表層に１．０ｍｍの導体幅を持つＧＮＤパターン７９と０．２ｍｍの導体幅を持つ信号ライン７８が１．５ｍｍの間隔で配置したコプレーナ線路を考える。

この時のインピーダンス特性は、図２８に示すように高い周波数ほどインピーダンスが高くなる特性を示す。特に１７１０〜２６９０ＭＨｚにおいては、図２８に破線で示したように８８〜１８７Ω程度の高いインピーダンスとなる。

そこで、このようなインピーダンス特性を有する線路を本実施例の給電線路１３として用いることにより、図６に示す広帯域アンテナを得ることができる。すなわち、インピーダンス調整機能を備えた給電線路１３をアンテナに内蔵することで、図７のリターンロス特性および図８の放射効率特性に示すように、１７１０ＭＨｚ以上の周波数帯において、非常に広帯域で良好な特性を得る事が出来る。

上記第１実施例では、図１に示すようなマルチバンドアンテナに上記給電線路１３を組み合わせたが、他のアンテナと組み合わせることも可能である。例えば、アンテナが共用化されることが多い、ＧＰＳ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標、以下同様。）あるいは無線ＬＡＮのアンテナについて説明する。

３．第２実施例
３．１）ループアンテナ
本発明の第２実施例を説明する前に、一般的なループアンテナについて簡単に説明する。

図２９はアンテナ８０と基板８１で構成された一般的なループアンテナの一例である。アンテナ８０は、アンテナエレメント８２とアンテナエレメント８３がチップインダクタ８４で接続され、アンテナエレメント８３の一端８５は基板８１にＧＮＤ接地され、アンテナエレメント８２の一端８６から給電される構造を有する。ここでは、ループアンテナが立体的な構成を有するものとし、その斜視図を図３０に示す。

図３１は図２９に示すループアンテナのリターンロス特性を示す。ＧＰＳ用として１５７５．４２ＭＨｚに共振させたものであり、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈや無線ＬＡＮの周波数である２４００〜２４８０ＭＨｚでは所望の特性が得られないことが分かる。

３．２）広帯域ループアンテナ
図３２および図３３は、本発明の第２実施例による広帯域ループアンテナの構成を示す。基本構成は図２９と同様であり、アンテナ８７と基板８８で構成される。アンテナエレメント８９とアンテナエレメント９０はチップインダクタ９１で接続され、アンテナエレメントの一箇所９２で基板８８にＧＮＤ接地されている。本実施例によれば、図２９のループアンテナに給電線路９３が付加され、給電部９４から給電される。

給電線路９３は、外周のエレメントと一定の間隔で並行に配置される。外周のエレメントと給電線路９３の間隔は１ＧＨｚ〜３ＧＨｚ程度の周波数のアンテナにおいては、１ｍｍ〜２ｍｍが適当である。本実施例では１．５ｍｍとしたが、所望の特性に合わせて微調整が可能である。また、給電線路長の調整でも周波数特性を調整することが可能である。

図３４に示すように、本実施例におけるアンテナ特性は、ＧＰＳ周波数の１５７５．４２ＭＨｚだけでなく、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈや無線ＬＡＮの周波数である２４００〜２４８０ＭＨｚまで非常に広帯域な特性が得られている事が分かる。また、図３５に放射効率も記載したが、非常に広範囲において良好な特性が得られている事が分かる。このような広帯域特性が得られる理由は、既に述べたように、エレメントと一定の間隔に配置された給電線路９３による給電点の移動効果と、インピーダンス調整効果によるものである。

４．第３実施例
４．１）逆Ｌアンテナ
本発明の第３実施例を説明する前に、一般的な逆Ｌアンテナについて簡単に説明する。

図３６は、一般的な逆Ｌアンテナであり、アンテナ９５と基板素材（ＦＲ４）９６と基板（導体部分）９７から構成される。アンテナ９５は、Ｌ字型のアンテナエレメント９８で構成され、給電部９９から給電される。

この逆Ｌアンテナは、図３７のリターンロスに示すように、１．５ＧＨｚ帯に調整されている。よって、１７１０〜２１７０ＭＨｚの２ＧＨｚ帯、及び、２５００〜２６９０ＭＨｚの２．６ＧＨｚ帯においては所望の特性が得られない。

４．２）広帯域逆Ｌアンテナ
図３８に示すように、本発明の第３実施例による逆Ｌアンテナは、図３６のアンテナと同様にアンテナ１００と基板素材（ＦＲ４）１０１と基板（導体部分）１０２とで構成されるが、さらにアンテナ１００には給電線路１０５が設けられ、給電線路１０５を介して給電部１０６がアンテナエレメント１０３と１０４へ給電する構成を有する。

給電線路１０５は外周のアンテナエレメント１０４と一定の間隔で並行に配置され、間隔および給電線路長の調整により、周波数特性の調整が可能である。本実施例では１．５ＧＨｚ帯〜２．６ＧＨｚ帯に調整するため間隔は１．５ｍｍとした。

図３９に本実施例による逆Ｌアンテナのリターンロスを示す。図３９から分かるように、本実施例により、１．５ＧＨｚ帯〜２．６ＧＨｚ帯までの非常に広帯域な特性を得ることが出来る。また図４０に示す放射効率においても、非常に広帯域に良好な特性が得られている事が分かる。

５．効果
上述した第１〜第３実施例で説明したように、本発明による広帯域アンテナは、１つのアンテナで世界各国の携帯端末で使用される周波数に対応することが可能となり、携帯端末内に複数のアンテナを装備する必要がない。また、インピーダンス調整機能を備えた給電線路はアンテナ内に配置できるために、アンテナサイズを大きくすることなく広帯域化を実現出来る。したがって、本発明により携帯端末の小型化が実現でき、携帯端末のコストも低減できる。

本発明は携帯電話やスマートフォンなどの携帯機器のアンテナに適用可能である。

１ アンテナ
２ 基板
３ 基板導体部分（ＧＮＤ）
４，５，６，７ アンテナエレメント
９，１０，１１，１２ チップ部品
１３ 給電線路

本発明による広帯域アンテナは、所定のアンテナ形成面に形成され複数のアンテナエレメントからなる広帯域アンテナであって、前記アンテナ形成面の外周の一部に設けられたＬ字状の第１アンテナエレメントと、前記アンテナ形成面の前記外周の他の一部に設けられ、前記第１アンテナエレメントの一端とスリット部を挟んで対向した一端を有するアンテナエレメントを含む第２アンテナエレメントと、前記アンテナ形成面の前記外周より内側に設けられ、前記スリット部に給電するための給電線路と、を有し、前記給電線路が前記第１アンテナエレメントから一定間隔で並行して設けられ、前記給電線路と前記第１アンテナエレメントとの間隔により周波数特性が調整されることを特徴とする。

Claims (8)

1. 複数のアンテナエレメントからなる広帯域アンテナであって、
   アンテナの外周の一部に設けられた第１アンテナエレメントと、
   前記第１アンテナエレメントの一端とスリット部を挟んで対向した一端を有する第２アンテナエレメントと、
   前記スリット部に給電するための給電線路と、
   を有し、前記給電線路が前記第１アンテナエレメントから一定間隔で並行して設けられたことを特徴とする広帯域アンテナ。
2. 前記給電線路と前記第１アンテナエレメントとの間隔により周波数特性が調整されることを特徴とする請求項１に記載の広帯域アンテナ。
3. 前記スリット部の前記アンテナ外周のアンテナエレメント上の位置により周波数特性が調整されることを特徴とする請求項１または２に記載の広帯域アンテナ。
4. 前記給電線路はインピーダンス調整機能を有することを特徴とする請求項１−３のいずれか１項に記載の広帯域アンテナ。
5. 前記給電線路のインピーダンス調整機能は、当該アンテナがカバーする周波数帯において整合損失を低減する機能であることを特徴とする請求項４に記載の広帯域アンテナ。
6. 前記第１および第２アンテナエレメントを含む複数のアンテナエレメントと前記給電線路とは同一基板上に形成されたことを特徴とする請求項１−５のいずれか１項に記載の広帯域アンテナ。
7. 前記第１および第２アンテナエレメントを含む複数のアンテナエレメントが逆Ｌアンテナを構成することを特徴とする請求項６に記載の広帯域アンテナ。
8. 前記第１および第２アンテナエレメントを含む複数のアンテナエレメントがループアンテナを構成することを特徴とする請求項１−５のいずれか１項に記載の広帯域アンテナ。
   

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