JP3684285B2 - 同調型スロットアンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯無線端末機に適用して好適なアンテナに関し、特に同軸共振器を利用したスロットアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯無線端末機は、携帯性向上の観点から小型化、薄型化が進んでおり、同時にそのような端末機に搭載するための小型アンテナが多種類開発されている。その中で、同軸共振器を利用したスロットアンテナは、突起物を持たずに内蔵可能な特長を持っており、特にその中心導体（帯状導体）を共振器外箱（扁平導体箱）と非接触にする構造によって小型化した同軸共振型スロットアンテナが特願平７−２２７９５９願書によって提案されている。その構造の例を図１０に示す。
【０００３】
当該アンテナは、全体として直方体である扁平導体箱１と、当該導体箱の内部空間の共振軸方向に沿い、かつ、扁平導体箱１と絶縁して配設された細長い帯状導体３と、扁平導体箱１の上面に帯状導体３と交差して形成された電波送受用のスロット２とによって構成され、帯状導体３に設定された結合部１０と扁平導体箱１の壁面との間で高周波給電回路７から高周波電力の給電が行なわれる。当該アンテナは、厚さを数ｍｍ以下と極めて薄くすることができ、更に通常の多層基板製造プロセスを用いて作製可能であり、端末の小型化、低コスト化に大きな効果を有している。
【０００４】
当該アンテナは、共振器構造を含むので、その体積とインピーダンス整合帯域は、正比例の関係にある。従って、複数の搬送波周波数を用いて大容量化した広帯域無線通信システムの端末機に適用する場合、アンテナが備えるべきインピーダンス整合周波数帯域が拡大し、アンテナの体積が増大するという問題点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
通常、基地局と端末機の間では、送受信共用で一つの周波数を用いるか、又は送受別で二つの周波数を用いて通話が行なわれるため、そのとき使用する周波数帯域は、システム全体の周波数帯域よりも極めて狭い。従って、通話の度にアンテナのインピーダンス整合中心周波数をその通話の際に用いる周波数に適応的に変化させることが可能であれば、アンテナが備えるべき周波数帯域を減少させることができ、アンテナの体積を小さくすることができる。尤も、アンテナのインピーダンス整合中心周波数を適応的に変化させる技術が特開昭６３−２９４１０７号公報に開示されている。しかし、同公報は、同軸共振器型スロットアンテナの構造には言及していない。
【０００６】
本発明の目的は、アンテナのインピーダンス整合中心周波数を変化させることが可能な新規の同軸共振型スロットアンテナを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の前記課題は、帯状導体の高周波電力が供給される結合部から遠い方の端を含むその近傍の一点（以下「容量接続部」という）と扁平導体箱の壁面との間に可変容量素子を接続することによって効果的に解決することができる。このような手段を採用すれば、可変容量素子の容量値を変えることによってアンテナのインピーダンス整合中心周波数、即ち、共振周波数を変えることが可能となるからである。
【０００８】
前記願書に記載されているように、同軸共振型スロットアンテナの共振周波数は、ほぼ帯状導体の長さ（凡そ共振波長／４）によって決まる。一方、帯状導体の先端に集中定数負荷を装加することにより、等価的に帯状導体の長さを電気的に変化させる技術が従来から良く知られている（例えば昭和５５年１０月オーム社発行電子通信学会編「アンテナ工学ハンドブック」第４３頁参照）。帯状導体の長さが見掛け上変化するのは、給電線として電位を有する帯状導体の先端から接地電位へ伸びる電気力線の密度が帯状導体の先端部に接続された集中定数負荷により変化するためである。本発明においては、集中定数負荷として、可変容量素子を用いる。可変容量素子は、その容量値が直流電圧を印加することによって変化する素子であることが望ましい。そのような素子として、例えば可変容量ダイオードを用いることができる。
【０００９】
前記容量接続部の上方の扁平導体箱上面に小穴をあけ、短い線導体の一方の端を容量接続部に接続し、他方の端を小穴から出せば、他方の端は、容量接続部と同電位になる。また、扁平導体箱の壁面はどこも接地電位である。従って、可変容量素子の帯状導体への接続は、例えば、同素子を小穴から出した線導体の他方の端と小穴近くの壁面との間に接続することによって実現することができる。
【００１０】
このようなアンテナを無線通信システムの端末機に用いることにより、通話の都度設定される無線周波数にアンテナの共振周波数を同調させることが可能となる。この場合、アンテナの周波数帯域は、通話に必要とする帯域があればよいので、無線通信システムが有する周波数帯域全体に比べて極めて狭いものとなる。従って、当該周波数帯域全体をカバーするアンテナに比べてその体積を小さくすることができ、それによって端末機へのアンテナ内蔵が容易となる。なお、前記では可変容量素子を接続するための線導体を扁平導体箱上面に引き出したが、これに限らず、線導体を扁平導体箱の底面又は側面に引き出すことが云うまでもなく可能であり、同様の効果を得ることができる。
【００１１】
帯状導体の結合部と容量接続部とは直流では同電位になるので、可変容量素子に印加する直流電圧の供給部位を結合部と一致させることが可能である。この場合、結合部に直流電圧を重畳した高周波電力が供給されるが、そのような直流電圧の重畳は、例えば、高周波給電回路の出力端子が直流で開放状態であるときに高周波電流の流出を阻止する素子を介して電圧可変の直流電源（以下「可変直流電源」という）の出力端子を結合部に接続することによって達成される。
【００１２】
次に、本発明のアンテナは、小型にすることができるので高周波回路基板に搭載し、関連する配線や素子及び回路と一体化することができる。これらの相互間を極めて接近して配置することが可能となり、ＧＨz帯で用いるのに好ましい同軸共振型スロットアンテナを実現することができる。
【００１３】
また、本発明のアンテナは、多層回路基板を用いて構成することができ、製造が容易な実用性の高いアンテナを得ることできる。その場合にも関連する配線や素子及び回路との一体化が可能であり、前記と同様、ＧＨz帯で用いるのに好ましい同軸共振型スロットアンテナを実現することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る同軸共振型スロットアンテナの実施の形態を図面に示した幾つかの実施例を参照して更に詳細に説明する。なお、図１〜図１０における同一の記号は、同一物又は類似物を表示するものとする。
【００１５】
【実施例】
＜実施例１＞
扁平導体箱の上面に可変容量素子を配置し、結合部を箱の外部に引出すための島状導体を同箱低面に設けた同軸共振型スロットアンテナを図１に示す。図１ａは、その斜視図、図１ｂはＡ−Ａ線断面図、図１ｃはＢ−Ｂ線断面図である。図１において、６は可変容量素子、１１は、帯状導体３上に設けた容量接続部、４は、容量接続部１１の真上の扁平導体箱１上面にスロット部位を避けて形成した島状導体、５は、容量接続部１１と島状導体４とを電気的に結ぶためのスルーホール、１４は、結合部１０の真下の扁平導体箱１の底面に形成した島状導体、１３は、結合部１０と島状導体１４を電気的に結ぶためのスルーホール、８は、高周波電流の流出を阻止するための低域通過型フィルタ、９は、可変直流電源を示す。可変容量素子６として、印加直流電圧によって容量が変化する可変容量ダイオードを採用した。なお、導体箱１内部は、帯状導体３を固定するための絶縁物で充填されているが、絶縁物の図示を省略した。
【００１６】
島状導体４，１４は、いずれも導体箱１の壁面にあけた小穴の中に同壁面に接触しないように形成されている。可変容量素子６は、島状導体４とその近傍の導体箱１壁面の一点との間に接続されている。結合部１０の引出し先が島状導体１４であり、島状導体１４に高周波給電回路７の出力端子と、低域通過型フィルタ８の一方の端子が接続され、同フィルタの他方の端子に可変直流電源９が接続されている。給電回路７には、同出力端子に容量素子が接続され、高周波電力が同容量素子を介して出力端子から出力されるものを用いた。従って、出力端子は、直流で開放状態にある。可変容量素子６への直流電圧の印加は、低域通過型フィルタ８を介して可変直流電源９から島状導体１４に直流電圧を供給することによって行なわれる。
【００１７】
可変容量素子６は、帯状導体３の結合部１０から遠い方の端近くの容量接続部１１と接地（導体箱１の壁面）との間に容量を付加する役割を果たすため、容量接続部１１での電気力線の密度が、可変容量素子６を接続しない場合と比べて増加し、この電気力線密度の増加を補償するように容量接続部１１近辺の帯状導体３上に誘起する電流密度が増加する。結果として、あたかも帯状導体３の長さが変化したようになり、共振周波数、即ちインピーダンス整合中心周波数が変化する。
【００１８】
可変容量素子６の容量値は、印加直流電圧の値によって変化させることができるので、結局、可変直流電源９の電圧値を変えることによって共振周波数を変化させることができる。従って、通話の度に設定される無線周波数に応じて可変直流電源９の電圧値を変化させることにより、無線周波数を共振周波数に一致させることができる。それによってアンテナの周波数帯域を通話に必要な帯域に制限することができ、アンテナの体積を小さくすることができる。なお、可変直流電源９は、電圧制御回路（図示せず）の制御を受けて電圧を変える。電圧制御回路は、無線周波数に対応した電圧値を指示する制御信号を生成し、可変直流電源９は、同制御信号に従って所定の直流電圧を発生する。可変直流電源９は、制御信号を入力するための制御端子（図示せず）を有している。
【００１９】
本構造は、従来技術の同軸共振型スロットアンテナと同様に扁平な薄板平面構造とすることが可能であり、携帯無線端末機等の高周波回路基板に搭載することによって外部突起を持たない内蔵アンテナの形態とすることができる。
【００２０】
＜実施例２＞
実施例１における扁平導体箱の内部に誘電体材料を充填した一実施例を図２に示す。同図において、１２は誘電体材料である。可変容量素子６を接続した場合でも、それがない場合（前記願書参照）と同様に、導体箱１の内部の電磁界が誘電体材料の比誘電率の平方根に逆比例して短縮されるので、誘電体材料がない同じ共振周波数のアンテナ（実施例１）に比べてアンテナ寸法を短縮することができる。
【００２１】
＜実施例３＞
結合部の外部への引出しを扁平導体箱の側面から行なったアンテナの一実施例を図３に示す。図３において、１５は、扁平導体箱１の側面に形成した半円状の端面スルーホールを示す。同スルーホールは、側面にあけた細長い孔の中に側面の導体面とは接触しないように形成され、結合部１０が扁平導体箱１の長手方向に沿って端面スルーホール１５と電気的に結合している。端面スルーホール１５に高周波給電回路７の出力端子と低域通過フィルタ８の一方の端子が接続され、同フィルタの他方の端子に可変直流電源９が接続されている。
【００２２】
本実施例によれば、端面スルーホール１５が結合部の引出し先となると共に、同スルーホールの下部が扁平導体箱１の底面（接地電位）と同一面となる。従って、本アンテナを回路基板に実装することが容易となる。即ち、配線導体と接地導体面とが形成されている回路基板を用意し、底面を下にしてアンテナを同基板に載せると、底面に接地導体面を接触させると同時にそのまま端面スルーホール１５に配線導体を接触させることができる。従って、通常の自動実装が可能となる。以上により、本実施例のアンテナは、実施例１の効果に併せ、適用する端末機の製造コストを低減する効果を有する。
【００２３】
＜実施例４＞
実施例１における低域通過フィルタをインダクタに変更した実施例を図４に示す。同図において、１６はインダクタを示す。通常の高周波給電回路は、５０オーム整合を前提にして設計されているので、本アンテナを現行の無線通信システムで採用されている数ＧＨzの周波数帯域で用いる場合、インダクタ１６のインダクタンスを３０ｎＨ程度に選べば、そのインピーダンスは２００オーム以上となり、インダクタ１６を介し可変直流電源９に流出する高周波電流は、実用上問題ない程度となる。数ＧＨz帯で３０ｎＨ程度のインダクタンスは、チップ部品によって容易に製作可能であり、高価な低域通過型フィルタを安価なインダクタで代替することができる。本実施例のアンテナは、図１の実施例の効果に併せ、適用する端末の製造コストを低減する効果を有する。
【００２４】
なお、可変容量素子６に可変容量ダイオードを用いているので、素子６に流れる直流電流は、逆バイアスの漏れ電流による極めて微小な電流であり、従って低域通過フィルタを抵抗に変更することも可能である。抵抗値を上記と同様に２００オーム以上とすることにより、高周波電流の流出を実用上問題ない程度とすることができる。
【００２５】
＜実施例５＞
高周波回路基板に実装し、低域通過型フィルタ、可変直流電源及び高周波給電回路と一体化したアンテナの一実施例を図５に示す。同図において、２１は、高周波回路基板、２２は、端面スルーホール１５に接続した給電用の配線導体、２３は、配線導体２２からの分岐配線導体、２４は基板２１の接地導体面を示す。可変容量素子６としてバラクタダイオードチップを用い、同チップを島状導体４と導体箱１上面に形成した小さい突起導体に挟んで実装した。
【００２６】
アンテナは、扁平導体箱１の底面が導体面２４と接触し、端面スルーホール１５が配線導体２２の一方の端部に接触するように実装されている。高周波給電回路７は、回路基板２１上に実装され、配線導体２２の他方の端部に給電回路７の出力端子が接続され、同回路の接地端子が導体面２４の一点に接続されている。低域通過フィルタ８及び同フィルタに接続した可変直流電源９も回路基板２１上に実装され、配線導体２３の一方の端部に低域通過フィルタ８の一方の端子が接続され、直流電源９の接地端子が導体面２４の一点に接続されている。
【００２７】
本実施例のアンテナは、実施例３と同様、通常の自動実装が可能となるため、適用する端末機の製造コストを低減する効果を有する。
【００２８】
＜実施例６＞
多層回路基板を用いて構成したアンテナの一実施例を図６に示す。多層回路基板は、誘電体材料による３枚の基板からなり、上から１，２枚目基板の表面をそれぞれ１，２層とし、３枚目基板の表面及び裏面をそれぞれ３，４層とした。図６ａは、アンテナの構造を各層に分けて示した分解図、図６ｂ，６ｃは、３枚の基板を接着して完成させたアンテナ（図示せず）のそれぞれＡ−Ａ線断面図、Ｂ−Ｂ線断面図である。
【００２９】
図６において、３１，３２，３３，３４は、順に第１，２，３，４層を示し、４１，４２，４３は、それぞれ第１，２，３枚目の基板の誘電体材料を示す。また、４０，４４，４６は、第１層３１に形成したそれぞれ高周波電力給電用の配線導体、可変直流電源９へ制御信号を供給するための制御用配線導体、導体面、４５は、第３層３３に形成した内層導体面、４７は、第４層３４に形成した導体面、３９は、帯状導体３の結合部と配線導体４０を電気的に接続するための引出用のスルーホール、３５は、導体面４６、４５を電気的に接続するための複数の側壁スルーホールを示す。
【００３０】
スロット２は、導体面４６の一部を削って形成され、帯状導体３は、第２層に形成した導体面を所定の形状に加工して形成されたものである。また、島状導体４は、スロット２とは重ならない導体面４６の部分にあけた小穴の中に同導体面とは接触しないように形成されている。可変容量素子（バラクタダイオードチップ）６は、島状導体４とその近傍の導体面４６上の一点の間に実装されている。スルーホール５，３９は、共に第１，２層間に形成され、側壁スルーホール３５は、基板４１，４２を相互に接着した後で第１，３層間に形成される。
【００３１】
配線導体４０とスルーホール３９の接続点の近くで、スロット２から隔てられた部分にチップ化した低域通過フィルタ８とＩＣ化した可変直流電源９とが実装されている。配線導体４０の上記接続点から分岐した配線導体にフィルタ８の一方の端子が、フィルタ８の他方の端子に電源９の出力端子が、電源９の制御端子に制御用配線導体４４がそれぞれ接続されている。
【００３２】
複数の側壁スルーホール３５と導体面４５，４６とで扁平導体箱１（箱としての図示を省略した）が形成されるように、スルーホール３５は、スロット２、島状導体４、可変容量素子６を包含して方形状に配置され、その間隔がアンテナの共振波長の１／１００をやや満たない値に設定される（通常、１／１００以下に選ばれる）。ただし、帯状導体３は、スルーホール３５の成す配列をやや越えて形成されるので、スルーホール３５の間隔はこの部分で帯状導体３と接触しない程度に広げられている。導体面４６、導体面４５、複数のスルーホール３５がそれぞれ扁平導体箱１の上面、底面、側面となる。
【００３３】
以上の構造によって、導体箱１、フィルタ８、電源９、ダイオード６を一体化した同軸共振型スロットアンテナが多層基板中に形成される。本実施例のアンテナは、通常の多層基板製造プロセスを用いて製作することができるので、部品点数及び製造工数を削減することができ、従って、本アンテナを適用する携帯無線端末機の製造コストを低減することができる。
【００３４】
＜実施例７＞
実施例６の帯状導体３の配置を変更し、これを第３層に形成した実施例を図７に示す。第２層には導体面が形成されず、第４層に扁平導体箱の底面となる導体面４５が形成され、複数の側壁スルーホール３５が、誘電体材料４１，４２，４３を貫いて形成されている。
【００３５】
本実施例によれば、複数の側壁スルーホール３５、第１層の導体面４６及び第４層の導体面４５によって形成される共振器箱の体積が、図６に示した実施例と比べて大きくなるので、共振周波数を中心にしたアンテナのインピーダンス整合帯域を増加させることができる。従って、本実施例のアンテナは、携帯無線端末機のアンテナ系構造設計に対して余裕度を増加させる効果がある。
【００３６】
なお、第２層と第３層を上下逆にし、導体面がない層を第３層とすることが可能であり、同様の効果を得ることができる。
【００３７】
＜実施例８＞
実施例６の配線導体４０，４４の配置を第４層に移し、フィルタ８、電源９を第４層に実装した実施例を図８に示す。帯状導体３は、複数の側壁スルーホール３５によって形成される方形の内側に置かれ、帯状導体３の結合部を配線導体４０につなげるための引出用のスルーホール５１が第２層と第４層の間に形成されている。導体面４５には、スルーホール５１を導体面４５と電気的に絶縁して通過させるための通過孔５２があけられている。導体面４７は、配線導体４０，４４と接触しないように縮小して形成されている。
【００３８】
本実施例によれば、第４層に形成される配線導体４０やフィルタ８等のアンテナ給電系に対し、第１層に形成されるスロット２からの放射電磁波による干渉を抑制することができるので、本実施例のアンテナは、これを適用した携帯無線端末機の受信感度を向上させる効果がある。
【００３９】
＜実施例９＞
実施例８の低域通過型フィルタを高周波チョークコイル（インダクタ）に変更した実施例を図９に示す。高周波チョークコイル５３は、配線導体をジグザグ状に繰返し折曲げて形成したパターンによって実現される。
【００４０】
本実施例によれば、フィルタが配線導体に置き代わることによって高周波部品が削減されるので、部品点数削減及び製造工数削減による低コスト化が実現される。本実施例のアンテナは、これを適用する携帯無線端末機の製造コストを低減する効果がある。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、可変容量素子を帯状導体に付加することによってインピーダンス整合中心周波数（共振周波数）を変化させることが可能なアンテナを実現することができる。このアンテナを携帯無線端末機に適用すれば、通話の都度設定される無線周波数にアンテナの共振周波数を追従させること可能となり、従ってアンテナがカバーすべき周波数帯域を減少させることができ、それにより、アンテナの体積を小さくすることできる。携帯無線端末機は、本アンテナを適用することにより、突起部が解消して携帯性が向上すると共に、体積を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る同調型スロットアンテナの第１の実施例を説明するための斜視図及び断面図。
【図２】本発明の第２の実施例を示す説明するための斜視図及び断面図。
【図３】本発明の第３の実施例を示す説明するための斜視図及び断面図。
【図４】本発明の第４の実施例を示す説明するための斜視図及び断面図。
【図５】本発明の第５の実施例を示す説明するための斜視図及び断面図。
【図６】本発明の第６の実施例を示す説明するための斜視図及び断面図。
【図７】本発明の第７の実施例を示す説明するための斜視図及び断面図。
【図８】本発明の第８の実施例を示す説明するための斜視図及び断面図。
【図９】本発明の第９の実施例を示す説明するための斜視図及び断面図。
【図１０】従来のスロットアンテナを説明するための斜視図。
【符号の説明】
１：扁平導体箱
２：スロット
３：帯状導体
４，１４：島状導体
５，１３，１５，３５，３９，５１：スルーホール
６：可変容量素子
７：高周波給電回路
８：高周波電流の流出を阻止する素子
９：可変直流電源
１０：結合部
１１：容量接続部

Claims (10)

1. 全体として直方体である扁平導体箱と、当該導体箱の内部空間の共振軸方向に沿い、かつ、扁平導体と絶縁して配設された細長い帯状導体と、扁平導体箱の上面に帯状導体と交差して形成された電波送受用のスロットとからなり、当該帯状導体に設定された結合部と扁平導体箱の壁面との間で高周波電力の給電が行われる同軸共振型スロットアンテナにおいて、帯状導体の結合部から遠い方の端を含むその近傍の一点（以下「容量接続部」という）と扁平導体箱の壁面との間に可変容量素子が接続されていることを特徴とする同調型スロットアンテナ。
2. 前記可変容量素子は、当該素子の両端に印加する直流電圧によって容量値が変化するものであることを特徴とする請求項１に記載の同調型スロットアンテナ。
3. 可変容量素子に印加する直流電圧の供給部位が前記結合部と一致していることを特徴とする請求項２に記載の同調型スロットアンテナ。
4. 扁平導体箱上面の導体面にあけた小孔の中に島状導体が形成され、かつ、当該島状導体と前記容量接続部とが線状の導体によって電気的に接続されており、島状導体と当該島状導体の近傍の扁平導体箱壁面の一点との間に可変容量素子が接続されていることを特徴とする請求項３に記載の同調型スロットアンテナ。
5. 高周波電流の流出を阻止する素子の一方の端子が前記結合部に接続され、当該素子の他方の端子が可変容量素子に印加する直流電圧の供給端子であることを特徴とする請求項４に記載の同調型スロットアンテナ。
6. 前記扁平導体箱の内部が誘電体材料で充填されていることを特徴とする請求項５に記載の同調型スロットアンテナ。
7. 回路基板を積層して上から順に第１層、第２層、第３層が形成されている多層回路基板からなり、扁平導体箱の上面が第１層に形成した第１の導体面と当該導体面の一部を削除して形成したスロットとからなり、帯状導体が第２層に形成した第３の導体面からなり、導体箱の底面が第３層に形成した第２の導体面からなり、導体箱の側面が第１層と第３層の間に第２層を貫いて設けた複数の側壁スルーホールからなるアンテナであって、
   前記第１の導体面に島状導体が形成されると共に可変容量素子が実装され、かつ、島状導体と容量接続部を電気的に接続するための線状の導体が第１層と第２層の間に形成した容量接続用のスルーホールからなり、更に、一方の端子を結合部に接続した前記高周波電流流出阻止用の素子の他方の端子に前記直流電圧を生成する電圧可変直流電源が接続され、当該直流電源は、電源電圧を制御する電圧制御回路からの制御信号を受ける制御端子を備えていることを特徴とする請求項６に記載の同調型スロットアンテナ。
8. 第１層を有する回路基板の裏面と第２層との間に別の回路基板が介在し、当該別の基板に前記複数の側壁スルーホールが貫通しており、当該別の基板の上面裏面とも全面が絶縁物で覆われていることを特徴とする請求項７に記載の同調型スロットアンテナ。
9. 前記結合部に高周波電力及び直流電圧の給電を行なうための給電線が接続されており、当該給電線が第２の導体面に形成された小孔を介して引出されていることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の同調型スロットアンテナ。
10. 前記給電線は、第２の導体面にあけた小孔の中に形成された島状導体と、当該島状導体と結合部の間に形成された引出用スルーホールとからなることを特徴とする請求項９に記載の同調型スロットアンテナ。

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