JP3808890B2 - アンテナ装置及びこれを用いた無線機 - Google Patents

Description

本発明は、主として携帯用の無線機に内蔵されるアンテナ装置及びこれを用いた無線機に関する。

携帯電話機、ＰＨＳ端末および小形無線基地局のような携帯無線機では、無線機とアンテナが一体化されている場合が多い。携帯電話機、ＰＨＳ端末のアンテナでは落下時の破壊を防ぐために、また無線基地局の場合には風雨などによる破壊などに耐性を持たせるために、アンテナを携帯無線機に内蔵することが求められている。

従来、携帯無線機の内蔵アンテナとしては、逆Ｆ型アンテナが多く用いられている。図１１に、従来の逆Ｆ型アンテナを用いた携帯無線機の構成を示す。無線機回路１０２を内蔵したシールドを兼ねる金属筐体１０１上に、逆Ｆ型アンテナ１０３が配置されている。この例に見られるように、逆Ｆ型アンテナ１０３は低姿勢で小形であり、筐体１０１に近接して配置されているにもかかわらず、良好な放射特性が得られるという利点を有する。

一般に、内蔵アンテナには小型化、薄型化が求められているために、アンテナ自体の性能は劣化する傾向がある。図１１のように逆Ｆ型アンテナ１０３を用いると、金属筐体１０１をアンテナの一部として利用することで、この性能劣化を補うことができ、アンテナ性能を向上させることができる。

このように逆Ｆ型アンテナ１０３はアンテナとしての性能は良好であるが、反面で無線機回路１０２の無線回路部や信号処理回路から漏洩してきた高周波ノイズを拾い易いという欠点を持っている。実際、図１１に示したような構成で金属筐体１０１によって無線回路や信号処理回路を完全にシールドすることは困難であり、漏洩してきたノイズが筐体１０１上に存在してしまう。しかも、図１１では金属筐体１０１をアンテナの一部として利用しているために、この漏洩ノイズは逆Ｆ型アンテナ１０３で直接受信されることになり、通信品質を大きく劣化させてしまうという問題がある。特に、信号処理回路の処理速度が高速化され、無線通信周波数と漏洩ノイズの周波数の差が小さくなってきている現在、信号処理回路からの漏洩ノイズによる通信品質の劣化は非常に深刻な問題となっている。

こうした漏洩ノイズの影響を削減するため、図１２に示すようにダイポールアンテナ１０４を携帯無線機に用いる試みもなされている。既に知られているように、ダイポールアンテナはグランドを必要としないアンテナなので、図１２のようにダイポールアンテナ１０４は直接グランドである金属筐体１０１に接続される必要はない。このため、金属筐体１０１上に漏洩ノイズが存在しても、それが直接的にダイポールアンテナ１０４に流れ込まないようにすることができる。

しかしながら、ダイポールアンテナでも携帯無線機の内蔵アンテナとして実用化する際には問題が生じる。ダイポールアンテナを携帯無線機に内蔵すると、アンテナは金属筐体に近接して配置されることとなり、アンテナ性能が劣化するという問題である。一般的に、ダイポールアンテナは周りに何も存在しない自由空間に配置されたときに最も良好な性能を発揮するアンテナであり、近傍に金属筐体があるとアンテナ性能は劣化する。これは金属筐体にダイポールアンテナが近接することにより、アンテナの放射電力が低下する、いわゆる不整合損が原因である。

図１３は、発明者らによるダイポールアンテナの不整合損の計算結果を示している。横軸がアンテナの置かれた状態、縦軸が不整合損である。不整合損は、給電線とアンテナのインピーダンスとの整合がとれていないときに生じる損失であり、この整合がとれていないと、アンテナからの放射電力が減少し、通信品質の劣化を招く。図１３では、金属筐体がなくダイポールアンテナが自由空間に存在する場合と、ダイポールアンテナの近傍に金属筐体がある場合の結果を示している。ダイポールアンテナが自由空間に存在する場合には、不整合損は０．２ｄＢ程度と小さく、非常に良好な特性であるが、金属筐体がダイポールアンテナの近傍にあるときには、不整合損は８．５ｄＢ程度と増大し、特性が大幅に劣化していることが明確に分かる。

このようなダイポールアンテナの入力特性を改善する方法は、既に考案されており、Ｔ整合アンテナとして知られている（「アンテナ工学ハンドブック」、電子情報通信学会編、ＰＰ．１１４−１１５、昭和５５）。図１４にＴ整合アンテナを示す。Ｔ整合アンテナは、ダイポールアンテナ１１０に二つの１／４波長エレメント１１１，１１２間を短絡する短絡エレメント１１３を付加したアンテナである。短絡エレメント１１３がアンテナインピーダンスの整合用素子として働くことにより、図１５に示すようにダイポールアンテナ１１０を金属筐体１０１に近接して配置した場合でも、良好なアンテナ特性が得られる。

図１３の右側に、金属筐体近傍にこのようなＴ整合を行ったダイポールアンテナを配置した場合の不整合損を示す。アンテナ近傍に金属筐体があるにもかかわらず、不整合損は０．５ｄＢ程度と小さく、良好な特性となっている。

これまでの検討は、アンテナと無線機回路を接続する給電線を考えない場合のＴ整合を行ったダイポールアンテナの特性であるが、実際には給電線の存在を考慮しなければならない。給電線が存在すると、無線機回路からの漏洩ノイズが給電線に伝わって最終的にアンテナまで伝達し、通信品質を損なうことがある。これを防止する方法として、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）とディスプレイをつなぐフェライトコアなどがある。しかし、フェライトコアは比較的容積が大きいために、内蔵型アンテナの給電線に用いるには適さない。

このようなフェライトコアを用いずに、無線機回路からの漏洩ノイズがアンテナに伝達しないようにする方法として、図１５に示すように金属筐体１０１の近傍にＴ整合を行ったダイポールアンテナ１１０を配置し、給電線１１４を金属筐体１０１の一部より引き出して金属筐体１０１に対し電気的に非接触で平行になるようにする方法が考えられる。

このような構成とした上で、給電線１１４の長さを４分の１波長とすると、図１５の破線に示されるように金属筐体１０１上に発生する給電線のイメージにより短絡平行２線が構成される。長さが４分の１波長の短絡平行２線を給電点から見たインピーダンスは非常に高いので、もし給電線上（特に、同軸型給電線の外部導体上）に漏洩ノイズの電流が流れたとしても、この高いインピーダンスの部分で漏洩ノイズ電流が遮断され、アンテナまでは伝達しないことになる。

この方法は給電線の長さに４分の１波長という制約を設けるものであるが、一般に給電線の長さは常に自由度が保証されているとは限らない。実際、携帯無線機の無線機回路には無線回路部以外にも、信号処理回路、情報処理回路、電源回路や外部とのインタフェース部などがあり、これら全体の最適なレイアウトを考慮すると、必ずしも給電線の長さを最適化することはできない。

発明者らは、アンテナと無線機回路を結ぶ給電線の長さが変わった場合のノイズに対する特性劣化を評価するために、アンテナの給電点に給電を行って送信状態としたときに、アンテナから給電線に漏洩する電流の大きさを計算した。これは、受信状態において金属筐体から給電線上に漏洩したノイズがアンテナに流れ込むかどうかの評価と等価となる。

送信時にアンテナから給電線に漏洩する電流が少ないということは、アンテナの給電点と給電線の各点の電磁界的な結合が小さいということである。これは受信時に給電線上に漏洩ノイズ電流が分布しても、給電点での電流に与える影響は小さいということを示す。

図１６は、横軸に給電線の長さ、縦軸に給電線上の電流の最大値をアンテナ上の電流の最大値で規格化した値をそれぞれ示している。給電線の長さが４分の１波長のときには、給電線上の最大電流は最小となっている。給電線の長さが４分の１波長から外れると、給電線上の電流は最大で１０ｄＢも増大する。この結果からも明らかなように、給電線の長さによって漏洩ノイズの影響に大きな差が生じる。

一方、携帯無線機などではアンテナの指向性を水平面内で無指向性にすることが望まれるが、その場合には給電線の影響がますます顕著となる。図１７は、水平面内指向性を狙ったダイポールアンテナの例であり、無線機回路１３２を内蔵した金属筐体１３１の上表面に近接して設けられた線状エレメント１３６と、螺旋状エレメント１３７と、半波長エレメント１３８および同軸型給電線１３３によりアンテナが構成される。

同軸型給電線１３３はアンテナと無線機回路１３４を接続するためのもので、外導体１３４の一端は線状エレメント１３６の一端である第１の給電点に接続され、中心導体１３５の一端は螺旋状エレメント１３７の一端である第２の給電点に接続される。半波長エレメント１３８は、螺旋状エレメント１３７の他端に接続される。

この図１７のアンテナでは、半波長エレメント１３８が主たる放射源となることによって、水平面内において垂直偏波で無指向性の放射パターンを実現することが期待される。この場合、螺旋状エレメント１３７は半波長エレメント１３８に比べて放射量は小さく、単なる整合回路として働く。このアンテナのＺＸ、ＺＹ、ＹＸ各面内の放射パターンを計算で求めた結果を図１８（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。この結果から分かるように、放射パターンは水平面内で無指向性を実現しているが、２ｄＢ以上のリップルが生じている。

携帯無線機のための通信方式として、近い将来の実用化が予定されているＷ−ＣＤＭＡ（広帯域符号分割多元接続）方式では、高速のデータ通信を実現するために、端末である無線機のアンテナに水平面内無指向性が求められており、しかもなるべく指向性パターンのリップルを抑えることが要求されている。このようなＷ−ＣＤＭＡ端末では、図１８に示すようなリップルの発生は許容限度を超えることがあり、さらにリップルを低減させることが必要となる。

ここで、このようなリップルの発生原因を簡単に説明すると、このリップルは同軸型給電線１３３の外導体１３４の表面に漏洩した不要電流からの放射により発生するものと考えられる。図１８（ａ）（ｂ）（ｃ）から明らかなように、ＺＸ面、ＺＹ面、ＹＸ面の各放射パターンにおいて交差偏波である水平偏波が生じているが、これは水平面に平行な同軸型給電線１３３の外導体１３４からの放射である。また、図１８（ｂ）のＺＹ面の放射パターンは左右非対称となっているが、これも同軸型給電線１３の外導体１３４からの放射により半波長エレメント１３８の放射パターンが歪んだことが原因と考えられる。

上述の方法では、金属筐体の近傍に位置するダイポールアンテナを例にとって給電線の影響について説明を行った。以下では、金属筐体上に配置されたモノポールアンテナを例にとり、筐体の影響について説明する。

ヘリカルアンテナは、モノポールアンテナの線状素子をコイル状にして小型化したものであり、ＰＨＳ端末などのアンテナとして用いられている。図３０は、このヘリカルアンテナを採用した無線機モデルの放射パターンを示す図であり、（ａ）は地面に対して垂直な面（ＸＺ面）の放射パターン、（ｂ）は地面に対して水平な面（ＸＹ面）の放射パターンをそれぞれ示している。また、図３０（ｃ）は無線機モデルを示している。

図３０（ａ）に示されるように、垂直面の放射パターンは水平方向に対して−４５°方向と＋３０°方向にピークを持ったパターンとなっている。従って、図３０（ｂ）の水平面の放射パターンは無指向性に近い形状をしているものの、レベルが低いために、良好な通信を行うには適さないものとなっている。このような放射パターンとなる理由は、携帯無線機においてはアンテナからの放射のみならず、金属筐体に漏洩した高周波電流からも放射が起きているためである。

そして、金属筐体が半波長よりも長い場合、アンテナ上の高周波電流と金属筐体上の高周波電流の位相差が反転してしまい、水平面内における各々の放射は打ち消し合うことになる。このように金属筐体からの放射によってアンテナの放射特性は変化し、特に水平面内のレベルは低いものになってしまうのである。

このような劣化を抑制し、水平面内の利得を改善する方法としては、既に説明したダイポールアンテナを用いる方法があるが、その他の方法としてアンテナからの放射を増加させる方法も知られている。

ヘリカルアンテナは、約１／４波長の長さの線状素子を螺旋状に巻いているために、実際の長手方向の寸法は１／１０波長程度となっていて、放射量は非常に少ない。従って、アンテナ自体の放射よりも無線機の金属筐体からの放射が優勢となり、既に説明した金属筐体による放射特性の劣化が増大してしまうことになる。

そこで、ヘリカルアンテナの先端に半波長の線状のエレメントを接続し、アンテナからの放射を増加させる方法が提案されている。こうすると、アンテナの全長はヘリカルアンテナの長さと半波長エレメントの長さの和となって実質的に長くなるので、アンテナからの放射量は増加する。また、ヘリカルアンテナに半波長のエレメントを接続することから、整合はヘリカルアンテナのみの場合と同様の良好な状態となる。

図３１は、このようにヘリカルアンテナの先端に半波長エレメントを接続した場合の放射パターンを示している。図３０と同様に、図３１（ａ）は地面に対して垂直な面（ＸＺ面）の放射パターン、（ｂ）は地面に対して水平な面（ＸＹ面）の放射パターンをそれぞれ示し、（ｃ）は無線機モデルを示している。図３１（ａ）の水平面の放射パターンから明らかなように、水平面の放射量は増加しているのに対して、図３１（ｂ）の垂直面の放射パターンでは、水平面に対して＋３０°方向と−５０°方向に大きな放射が生じている。

すなわち、この方法では水平面における放射量を増加させることはできるが、水平方向以外の方向に最大の放射を行っているため、良好な通信を行う上で最適なアンテナとはいえない。このような放射パターンとなる原因は、ヘリカルアンテナと半波長エレメントが互いの放射を劣化させることにある。つまり、ヘリカルアンテナと半波長エレメント上の高周波電流の位相が反転しており、水平方向においてヘリカルアンテナからの放射と半波長エレメントからの放射が打ち消し合うからである。

上述したように、携帯無線機と一体化しさらに内蔵化を図ったアンテナでは、無線機回路からの漏洩ノイズを受信しないようにアンテナを構成することが困難であり、またＴ整合を施したダイポールアンテナを用い、給電線の長さを最適化することで漏洩ノイズの受信量を少なくすることは可能であるが、給電線の長さの自由度が小さくなり、給電線の長さに関する自由度を維持しつつアンテナ特性と漏洩ノイズの影響に対する抑圧特性を両立して良好な通信品質を確保することが困難であるという問題点があった。

さらに、水平面内の放射パターンを無指向性とするためにダイポールアンテナの一方のエレメントを螺旋状エレメントとしたダイポールアンテナでは、給電線からの不要放射によってアンテナの放射パターンにリップルや歪みが生じ、通信品質を劣化させるという問題点があった。

また、小型化されたモノポールアンテナであるヘリカルアンテナを無線機の金属筐体に一体化したアンテナにおいて、水平面内の利得を向上させるために半波長エレメントをヘリカルアンテナの先端に取り付ける方法では、ヘリカルアンテナと半波長エレメント上の電流位相が異なることから、水平面内の利得の上昇が制限されてしまうという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を解決し、無線機とアンテナを一体化した構成において、無線機回路からの漏洩ノイズや給電線からの不要放射の影響を低減して良好な通信品質が得られるアンテナ装置及びこれを用いた無線機を提供することを目的とする。

さらに、本発明は無線機とアンテナを一体化した構成において、水平面内の利得を増大させて良好な通信品質が得られるアンテナ装置及びこれを用いた無線機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係るアンテナ装置は、無線機回路を内蔵した金属筐体の表面に近接して同一線上に設けられた第１、第２の１／４波長エレメントからなり、第１、第２の１／４波長エレメントの互いに対向する端部を第１、第２の給電点とするダイポールアンテナと、第１、第２の１／４波長エレメント間を短絡する短絡エレメントと、第１、第２の給電点と無線機回路とを接続する同軸型給電線とからなる。そして、同軸型給電線は、第１、第２の給電点から第１、第２の１／４波長エレメントの一部および短絡エレメントをそれぞれ介して該同軸型給電線に流れ込む電流がほぼ逆相となるように接続並びに配置される。

より具体的には、同軸型給電線は第１の給電点に一端が接続された外導体および第２の給電点に一端が接続された中心導体からなり、第１の１／４波長エレメントおよび短絡エレメントの一部に沿って配置されると共に、短絡エレメントのダイポールアンテナの長手方向中間位置より引き出される。そして、外導体は第１の１／４波長エレメントおよび短絡エレメントの一部に電気的に接続される。

このように構成されたアンテナ装置では、二つの給電点からダイポールアンテナの二つの１／４波長エレメントにそれぞれ流れる電流が短絡エレメントとの接続点から１／４波長エレメントと短絡エレメントにそれぞれ分岐し、短絡エレメントヘ流れ込む電流は同軸型給電線が引き出される位置で合成され、同軸型給電線の外導体に漏洩電流として流れ込む。ここで、二つの１／４波長エレメントを経由して短絡エレメントにそれぞれ流れ込む電流の位相はほぼ逆位相となるので、同軸型給電線の外導体上の漏洩電流はほぼ０となる。これによって無線機回路からの漏洩ノイズの影響が飛躍的に改善され、従来に比較して良好な通信品質が実現されることになる。

本発明に係る他のアンテナ装置は、無線機回路を内蔵した金属筐体の表面に近接して設けられ、一端を第１の給電点とする線状エレメントと、この線状エレメントの第１の給電点近傍の一端を第２の給電点とする螺旋状エレメントと、この螺旋状エレメントの他端に接続された半波長エレメントと、金属筐体の表面に近接して線状エレメントと平行に設けられ、第１、第２の給電点と無線機回路とを接続する給電線とからなる。そして、螺旋状エレメントは給電線の上方において該給電線とほぼ平行な状態で螺旋を描くように配置される。

給電線としては、例えば第１の給電点に一端が接続された外導体および第２の給電点に一端が接続された中心導体からなる同軸型給電線が用いられる。螺旋状エレメントは、この同軸型給電線の上方において該同軸型給電線とほぼ平行な状態で螺旋を描くように配置されることにより、外導体の表面を流れる電流とほぼ逆相の電流が流れる。すなわち、螺旋状エレメントは、外導体の表面を流れる電流による不要放射を打ち消す放射界を形成するように配置される。

このアンテナ装置では、螺旋状エレメントが給電点の近傍において給電線に対し給電線とほぼ平行な状態で近接しており、給電線上の電流による不要放射が螺旋状エレメントを流れる電流によって打ち消されることにより、水平面内放射パターンのリップルが低減され、良好な水平面内無指向性が得られる。

本発明に係るさらに別のアンテナ装置は、無線機回路を内蔵した金属筐体の近傍に設けられた半波長の長さを有する直線状アンテナと、この直線状アンテナの基端に一端が接続される１／４波長の長さを有する整合用エレメントと、整合用エレメントの他端と無線機回路とを接続する給電線路とからなる。そして、整合用エレメントの一端は金属筐体の上端よりも下側の位置で直線状アンテナの基端に接続され、他端が金属筐体の上端において給電線路と接続される。

このアンテナ装置では、半波長の長さの直線状アンテナ上の電流位相と１／４波長の長さの整合用エレメント上の電流位相は逆相であるが、給電点である整合用エレメントの他端から見て、直線状アンテナは上向き、整合用エレメントは下向きである。従って、直線状アンテナと整合用エレメントからそれぞれ放射される電磁界は同相となり、水平面における放射レベル、すなわち利得が増大する。

さらに、本発明によると上述したアンテナ装置と無線機回路および金属筐体からなる無線機が提供される。

本発明によれば、Ｔ整合を施したダイポールアンテナを用いたアンテナ装置において、同軸型給電線をダイポールアンテナの給電点からダイポールアンテナの１／４波長エレメントの一方と短絡エレメントに沿って配置し、短絡エレメントの中央から引き出すように構成することにより、漏洩ノイズの影響が従来例に比べて３０ｄＢ以上改善され、良好な通信品質を実現することができる。

また、本発明によれば螺旋状エレメントをダイポールアンテナの一方のエレメントとしたアンテナ装置において、螺旋状エレメントを給電点の近傍において給電線とほぼ平行な状態で近接させ、給電線上の電流による不要放射を螺旋状エレメントを流れる電流によって打ち消すことにより、水平面内放射パターンのリップルを低減させ、良好な水平面内無指向性を実現することができる。

さらに、本発明によると１／４波長の長さの整合用エレメントを金属筐体の上端において給電線路と接続し、金属筐体の上端よりも下側の位置で半波長の長さの直線状アンテナと接続することにより、従来に比べて水平面内の放射量、すなわち利得を格段に増大させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施形態）
まず、図１〜図４を用いて本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態のアンテナ装置を含む携帯無線機の概略構成を示す斜視図である。筐体１１はシールド部材を兼ねる金属筐体であり、無線機回路１２を内蔵している。無線機回路１２は、無線回路部、信号処理回路部、情報処理部、電源回路部及び外部とのインタフェース部などを含んでいるのとする。

図２（ａ）（ｂ）は、アンテナ装置の詳細な構成を示す平面図およびＡ−Ａ′線に沿う断面図である。図２（ａ）に示すように、金属筐体１１の一つの端面に近接してアンテナ基板１３が配置され、このアンテナ基板１３上にダイポールアンテナ１４と短絡エレメント１５および同軸型給電線１６が形成されている。

ダイポールアンテナ１４は、同一線上に設けられた１／４波長の長さを持つ二つの直線上エレメント（１／４波長エレメント）２１，２２からなり、これらの１／４波長エレメント２１，２２の互いに対向する端部が給電点２３，２４となっている。短絡エレメント１５は、１／４波長エレメント２１，２２間を適当な位置で短絡するように形成され、これによりダイポールアンテナ１４に対してＴ整合が施されている。

同軸型給電線１６は、ダイポールアンテナ１４の二つの給電点２３，２４と無線機回路１２の無線回路部とを接続するものであり、外導体２５と中心導体２６からなる。外導体２５の一端は１／４波長エレメント２１の給電点２３に接続され、中心導体２６の一端は外導体２５の一端より露出され、１／４波長エレメント２２の給電点２４に接続されている。

ここで、同軸型給電線１６は１／４波長エレメント２１の一部（給電点２３から短絡エレメント１５の一端側までの間の領域）と短絡エレメント１５の一部に沿って配置され、短絡エレメント１５の中央部（短絡エレメント１５のダイポールアンテナ１４の長手方向中間位置）より引き出されている。また、外導体２５は給電点２３を起点とし、１／４波長エレメント２１および短絡エレメント１５に電気的に接続されている。中心導体２６は、外導体２５から露出している部分以外は外導体２５と同じ経路を辿る。

短絡エレメント１５の中央部より引き出された同軸型給電線１６は、アンテナ基板１３上を図２（ａ）で右端部に向かって延在され、同軸コネクタ１７を介して無線機１２に至る同軸型給電線１８に接続される。

図２（ａ）のＡ−Ａ′線に沿う断面図を図２（ｂ）に示したように、この例ではダイポールアンテナ１４、短絡エレメント１５および同軸型給電線１６は多層印刷技術により形成される。

すなわち、アンテナ基板１３上に、まず第１層導体としてダイポールアンテナ１４（１／４波長エレメント２１，２２）および短絡エレメント１５が形成され、その上に第２層導体として同軸型給電線１６の外導体２５の下部導体２５−１が形成される。下部導体２５−１の上に下部絶縁層２７−１を介して中心導体２６が形成され、その上に上部絶縁層２７−２が形成される。絶縁層２７−１，２７−２は、同軸型給電線１６の外導体２５（２５−１，２５−２）と中心導体２６間を絶縁するためのものであり、下部導体２５−１より狭い幅で形成されている。そして、上部絶縁層２７の上に第３層導体として外導体２５の上部導体２５−２が形成され、その幅方向両側で下部導体２５−１と電気的に接続される。

本実施形態によると、ダイポールアンテナ１４の入力特性を良好に維持しながら、このダイポールアンテナ１４が漏洩ノイズを受信しないようにすることができる。以下、このアンテナ装置の特性結果について述べ、次に特性が改善される原理について述べる。

発明者らは、本実施形態に従って構成した無線機用アンテナモデルを用いて、不整合損の計算を行った。同軸型給電線１６の長さは１２分の１波長、４分の１波長、２分の１波長の３種類を選んでいる。この結果、不整合損はいずれの場合も高々０．５ｄＢであり、給電線１６の長さに依存せずに、非常に良好な入力特性となっていることが分かる。

図３は、この無線機用アンテナモデルを用いて、同軸型給電線１６に漏洩したノイズに対するダイポールアンテナ１４の性能を評価した結果を示している。同軸型給電線１６の長さは、１２分の１波長、４分の１波長、２分の１波長の３種類を選んでいる。先に示した図１６と同様に、給電点２３，２４に給電を行って送信状態にしたときに、ダイポールアンテナ１４から同軸型給電線１６に漏洩する電流を計算して評価を行った。

図３から明らかなように、図１４、図１５に示した従来のＴ整合を施したダイポールアンテナと同様に、同軸型給電線１６の長さに依存して漏洩量に変化はあるものの、同軸型給電線１６の長さが１２分の１波長、４分の１波長、２分の１波長のいずれの場合においても、従来の比較して３０ｄＢ以上小さな電流しか漏洩しないことが分かる。

以下、本実施形態の構成よりアンテナの特性が改善される原理について簡単に説明する。
まず、始めにアンテナの入力特性が良好である理由について述べる。ダイポールアンテナにＴ整合を施すとアンテナの入力特性が改善されることは、既に述べた通りである。本実施形態においても、ダイポールアンテナ１４の二つの１／４波長エレメント２１，２２間を短絡する短絡エレメント１５を用いており、これがＴ整合の効果でアンテナの入力特性を改善していることとなる。

次に、図４を用いて給電線上に漏洩したノイズに対して特性が良好になる理由について述べる。
ここでは、図３および図１６で評価した方法と同じように、ダイポールアンテナ１４を送信状態として説明する。図４に示すように、給電点２３，２４からダイポールアンテナ１４の１／４波長エレメント２１，２２に電流Ｉ１，Ｉ２がそれぞれ流れる。これらの電流Ｉ１，Ｉ２は、短絡エレメント１５との接続点において１／４波長エレメント２１，２２と短絡エレメント１５に分岐する。１／４波長エレメント２１，２２に流れ込む電流をＩ１ａ，Ｉ２ａ、短絡エレメント１５に流れこむ電流をＩ１ｓ，Ｉ２ｓと記している。１／４波長エレメント２１，２２に流れ込む電流Ｉ１ａ，Ｉ２ａは、放射波源として空間へ放射される。

一方、短絡エレメント１５ヘ流れ込む電流Ｉ１ｓ，Ｉ２ｓは、同軸型給電線１６が引き出される位置で合成され、Ｉｌｉｎｅ＝Ｉ１ｓ＋Ｉ２ｓなるダイポールアンテナ１４からの漏洩電流として同軸型給電線１６の外導体２５に流れ込む。

短絡エレメント１５に流れ込む電流Ｉ１ｓ，Ｉ２ｓの位相は、ダイポールアンテナ１４に対して短絡エレメント１５がほぼ対称に設けられていれば、すなわち短絡エレメント１５の両端が１／４波長エレメント２１，２２の給電点２３，２４からほぼ等距離の位置に接続されていれば、ほぼ逆位相（Ｉ１ｓ≒−Ｉ２ｓ）となる。実際に、ダイポールアンテナにＴ整合を行うときには、対称になるように短絡エレメントを接続する方法が一般的であり、このＩ１ｓ≒−Ｉ２ｓの関係が得られる。

このように短絡エレメント１５上の電流位相が逆位相（Ｉ１ｓ≒−Ｉ２ｓ）となるので、同軸型給電線１６の外導体２５上の漏洩電流は、Ｉｌｉｎｅ＝Ｉ１ｓ＋Ｉ２ｓ≒Ｉ１ｓ−Ｉ１ｓ＝０となる。

また、このように送信時にダイポールアンテナ１４から同軸型給電線１６の外導体２５上に漏洩する電流が小さいということは、ダイポールアンテナ１４の給電点２３，２４と同軸型給電線１６の各点の電磁界的な結合が小さいということであるり、結果として受信時に同軸型給電線１６の外導体２５上に無線機回路１２からの漏洩ノイズによる電流が分布しても、給電点２３，２４での電流に与える影響は小さいということになる。すなわち、同軸型給電線１６の長さに全く依存しない構成で、給電線１６に漏洩したノイズをダイポールアンテナ１４が受信してしまうことを防止でき、本発明の所期の目的を達成することが可能となる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の要部の平面図である。図２と同一部分に同一符号を付して説明すると、本実施形態では短絡エレメント１５の中央部を分断し、この分断部における短絡エレメント１５の互いに対向する端部を給電点２３，２４としている。短絡エレメント１５がダイポールアンテナ１４の１／４波長エレメント２１，２２間を適当な位置で短絡するように形成されている点は、第１の実施形態と同様である。

同軸型給電線１６は、短絡エレメント１５の二つの給電点２３，２４と無線機回路１２の無線回路部とを接続するものであり、外導体２５の一端は給電点２３に接続され、中心導体２６の一端は外導体２５の一端より露出され、もう一つの給電点２４に接続されている。

ここで、同軸型給電線１６は短絡エレメント１５の一部（給電点２３から１／４波長エレメント２１までの間の領域）と１／４波長エレメント２１の一部に沿って配置され、１／４波長エレメント２１，２２の中間位置より引き出されている。また、外導体２５は給電点２３を起点とし、短絡エレメント１６および１／４波長エレメント２１に電気的に接続されている。中心導体２６は、外導体２５から露出している部分以外は外導体２５と同じ経路を辿る。

１／４波長エレメント２１，２２の中間位置より引き出された同軸型給電線１５は、図示しないアンテナ基板上を端部に向かって延在され、図示しない同軸コネクタを介して無線機に至る別の同軸型給電線に接続される。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果が得られることは明らかである。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置を含む携帯無線機の構成を示す斜視図である。本実施形態におけるアンテナ装置は、螺旋状エレメントを一方のエレメントとするダイポールアンテナを用いて、水平面内の放射パターンを無指向性となるように構成されている。

まず、無線機回路３２を内蔵した金属筐体３１の表面に近接して、外導体３４と中心導体３５からなる同軸型給電線３３および線状エレメント３６が平行に設けられている。線状エレメント３６の一端は第１の給電点であり、同軸型給電線３３の外導体３４の一端に電気的に接続される。同軸型給電線３３の他端は、無線機回路３２に接続される。

螺旋状エレメント３７は、線状エレメント３６の給電点近傍の一端を第２の給電点とし、同軸型給電線３３の中心導体３５に接続される。そして、螺旋状エレメント３７の他端に半波長エレメント３８の一端が接続される。

ここで、螺旋状エレメント３７は同軸型給電線３３の上方において、この給電線３３とほぼ平行な状態で螺旋を描くように配置および構成されている。すなわち、螺旋状エレメント３７は給電点から同軸型給電線３３に対して直角に延び、その後給電線３３と平行となるように折れ曲がりつつ、給電線３３上で螺旋を描いている。これによって、螺旋状エレメント３７には同軸型給電線３３の外導体３４の表面を流れる電流とほぼ逆相の電流が流れ、この電流によって外導体３４上を流れる不要電流を打ち消すようになっている。

図７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、図６のアンテナ装置のＺＸ面、ＺＹ面、ＹＸ面内の放射パターンを計算で求めた結果を示している。この結果から分かるように、放射パターンは図１７に示した従来のアンテナ装置の放射パターン（図１８）に比較して交差偏波成分が減少し、またＺＹ面内での対称性が改善され、結果として水平面（ＹＸ面）内の垂直偏波のリップルが大幅に減少している。

図８は、図６に示した携帯無線機のアンテナ部の平面図であり、同軸型給電線３３および線状エレメント３６と螺旋状エレメント３７とが水平面内でなす角をθとしている。図１７に示した従来のアンテナ装置ではθ＝１８０°であり、これに対して図６ではθ＝０°となっている。

図９は、この角度θの変化に対する水平面内放射パターンのリップルの変化を示したものである。θ＝１８０°の場合に比較して、θ＝°の場合の方が１ｄＢ以上のリップル低減が達成されており、本発明の有効性が明らかである。また、この結果からθ＝０°である必要は必ずしもなく、θ＝９０°以下の範囲であれば概ね良好なリップル低減効果が得られる。

次に、本実施形態の構成により水平面内放射パターンが改善される理由について、図１０を用いて説明する。
図１０（ａ）は、受信時に同軸型給電線３３（外導体３４、中心導体３５）と線状エレメント３６および螺旋状エレメント３７に流れる電流を定性的に示している。まず、同軸型給電線３３の内部では、中心導体３５の表面と外導体３４の内面とがペアになって、高周波電流Ｉ１，Ｉ２がそれぞれ流れている。これらの電流Ｉ１，Ｉ２は、互いに位相が逆である。

中心導体３５の表面を流れる電流Ｉ１は、そのまま螺旋状エレメント３７に電流Ｉ１′として流れる。一方、外導体３４の内面を流れる電流Ｉ２は、線状エレメント３６に電流Ｉ２′として流れるだけでなく、同軸型給電線３３の表面（外導体３４の外面）にも電流Ｉ２″として流れる。この後者の電流Ｉ２″が同軸型給電線３３からの不要放射の原因の一つになると考えられる。

ここで、図６に示した本実施形態の構成に従い、図１０（ｂ）に示すように螺旋状エレメント３７を同軸型給電線３３の上方で螺旋を描くように配置すると、問題となる電流Ｉ２″による不要放射が低減される。すなわち、図１０（ｂ）から明らかなように、この場合に螺旋状エレメント３６を流れる電流Ｉ１′は、同軸型給電線３３の外導体３４の表面を流れる電流Ｉ２″と逆位相となっており、それぞれによる放射界を打ち消し合う。電流Ｉ１′と電流Ｉ２″の組み合わせによる放射界Ａは、Ｉ１′とＩ２″の電流差に比例することになる（Ａ∝Ｉ１′−Ｉ２″）。

これに対し、図１７に示した従来の構成に従い、図１０（ｃ）のように螺旋状エレメント３７を同軸型給電線３３と反対側の位置で螺旋を描くように配置した場合には、電流Ｉ′と電流Ｉ２″は同相となることから、それぞれによる放射界は足し合わせられる。従って、電流Ｉ′と電流Ｉ２″の組み合わせによる放射界Ｂは、Ｉ１′とＩ２″の電流和に比例することになる（Ｂ∝Ｉ１′＋Ｉ２″）。ＡとＢの関係は、明らかにＡ＜Ｂである。

図１０（ｂ）は図９に示した水平面内放射パターンのリップル特性においてθ＝０°の場合に相当し、図１０（ｃ）はθ＝１８０°の場合に相当しており、図１０（ｂ）の方が図１０（ｃ）に対してリップルが抑制されているのは、螺旋状エレメント３７による不要放射打ち消しの効果によるものと推定される。

図９で説明したように、θは０°でなくとも９０°以下であれば有効である。すなわち、螺旋状エレメント３７は図６のように完全に金属筐体３１側に向いている必要は必ずしもなく、図６の状態から螺旋状エレメント３７を少し回転させても構わない。要するに、螺旋状エレメント３７を少なくとも一部が同軸型給電線３３の上に位置するように配置することにより、電流Ｉ′と電流Ｉ２″が多少なりとも打ち消し合う効果が発揮されればよい。

（第４の実施形態）
図２１は、本発明の第４の実施形態に係るアンテナ装置を含む携帯無線機の概略構成を示す斜視図である。本実施形態におけるアンテナ装置では、まず無線機回路４２を内蔵した金属筐体４１の近傍に、半波長の長さの直線状アンテナ（半波長エレメント）４３が図示しないアンテナ支持体により支持されて設けられている。

直線状アンテナ４３の基端には、１／４波長の長さの整合用エレメント４４の一端が接続され、この整合用エレメント４４の他端は給電線路４５を介して無線機回路４２に接続されている。整合用エレメント４４は、これに限られるものではないが、この例では螺旋状に形成され、直線状アンテナ４３は整合用エレメント４４の螺旋の内側を通過するように配置される。

図２２は、整合用エレメント４４及びその付近の拡大図である。この図２２に示されるように、整合用エレメント４４の一端（接続点Ｂ）は、金属筐体４１の上端面よりも下側の位置で直線状アンテナ４３の基端と接続される。言い換えれば、直線状アンテナ４３の基端は金属筐体４１の上端面より下側に位置するように配置されている。一方、整合用エレメント４４の他端は給電点Ａであり、金属筐体４１の上端面で給電線路４５と接続される。

すなわち、給電点Ａから見ると、１／４波長エレメントである整合用エレメント４４は、下向きのエレメントとして形成されることになる。これに対し、半波長エレメントである直線状アンテナ４３は、上向きのエレメントとなっている。このような構成により、本実施形態におけるアンテナ装置は、水平面における放射レベル（放射量）が効果的に増大するという利点を有する。放射量が増大する理由は、次の通りである。

まず、直線状アンテナ４３の長さは半波長であるのに対し、整合用エレメント４４の長さは１／４波長であるから、直線状アンテナ４３上の高周波電流の位相と整合用エレメント４４上の高周波電流の位相は逆相である。一方、アンテナエレメントの機械的な向きについて考えると、上述したように直線状アンテナ４３は上向き、整合用エレメント４４は下向きである。従って、直線状アンテナ４３と整合用エレメント４４から放射される電磁界は同相となるため、放射量は増大するのである。

図２３は、本実施形態に従う無線機モデルを用いて放射パターンを計算した結果であり、（ａ）は地面に対して垂直な面（ＸＺ面）の放射パターン、（ｂ）は地面に対して水平な面（ＸＹ面）の放射パターンをそれぞれ示している。このモデルでは、図２１および図２２に示したように整合用エレメント４４を螺旋状に形成し、直線状アンテナ４３を整合用エレメント４４の螺旋の内側を通して配置する構成とした。

図２３（ｂ）に示した水平面の放射パターンから明らかなように、放射量は非常に増大しており、水平面で無指向性が実現されていることが分かる。また、図２３（ａ）に示した垂直面の放射パターンから、最大放射方向が水平方向であることも確認できる。

このように本実施形態のアンテナ装置は、水平面において無指向性でかつレベルの非常に高い放射パターンが得られるため、携帯電話機やＰＨＳ端末などの携帯無線端末用のアンテナとして非常に適しており、良好な通信を可能とすることができる。

本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置及び無線機の概略構成を示す斜視図 同実施形態における要部を拡大して示す平面図及びＡ−Ａ′線に沿う断面図 同実施形態における同軸型給電線の長さを変えた場合の給電線上の漏洩ノイズ電流の変化を示す図 同実施形態において同軸型給電線上に漏洩した高周波ノイズを受信しない原理を説明するためのアンテナ部分の各部に流れる電流を示す図 本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の要部の構成を示す平面図 本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置及び無線機の構成を示す斜視図 同実施形態における各面での放射パターンを示す図 同実施形態における要部の平面図 図８における螺旋状エレメントの取り付け角度θと放射パターンのリップルの関係を示す図 同実施形態において放射パターンのリップルが減少する効果を説明するための図 従来の内蔵逆Ｆ型アンテナを用いた携帯無線機の斜視図 従来の内蔵ダイポールアンテナを用いた携帯無線機の斜視図 ダイポールアンテナの種々の状態での不整合損を示す図 Ｔ整合を施したダイポールアンテナの説明図 従来のＴ整合を施したダイポールアンテナを用いた携帯無線機の斜視図 図１５の構成において同軸型給電線の長さを変えた場合の給電線上の漏洩ノイズ電流の変化を示す図 ダイポールアンテナの一方のエレメントに螺旋状エレメントを用いた携帯無線機の斜視図 図１７のアンテナにおける各面での放射パターンを示す図 本発明の第４の実施形態に係るアンテナ装置及び無線機の構成を示す斜視図 同実施形態の要部を拡大して示す斜視図 同実施形態における各面での放射パターンを示す図 従来のヘリカルアンテナの各面での放射パターンを示す図 従来のヘリカルアンテナの先端にダイポールアンテナを取付けたときの各面での放射パターンを示す図

符号の説明

１１…金属筐体、１２…無線機回路、１３…アンテナ基板、１４…ダイポールアンテナ、１５…短絡エレメント、１６…同軸型給電線、１７…同軸コネクタ、１８…同軸型給電線、２１，２２…第１、第２の１／４波長エレメント、２３，２４…第１、第２の給電点、２５…外導体、２６…中心導体、３１…金属筐体、３２…無線機回路、３３…同軸型給電線、３４…外導体、３５…中心導体、３６…線状エレメント、３７…螺旋状エレメント、３８…半波長エレメント、４１…金属筐体、４２…無線機回路、４３…半波長の長さの直線状アンテナ、４４…１／４波長の長さの整合用エレメント、４５…給電線路

Claims (4)

1. 無線機回路を内蔵した筐体の外側表面に近接し平行に設けられ、一端を第１の給電点とする線状エレメントと、
   前記線状エレメントの前記第１の給電点近傍の一端を第２の給電点とする螺旋状エレメントと、
   前記螺旋状エレメントの他端に接続された半波長エレメントと、
   前記筐体の表面に近接して前記線状エレメントと平行に設けられ、前記第１の給電点に一端が接続された外導体および前記第２の給電点に一端が接続された中心導体からなり、前記第１、第２の給電点と前記無線機回路とを接続する同軸型給電線とを具備し、
   前記螺旋状エレメントは、前記給電線の上方に延び、該給電線とほぼ並行な状態で螺旋を描くように配置されることを特徴とするアンテナ装置。
2. 無線機回路を内蔵した筐体の外側表面に近接し平行に設けられ、一端を第１の給電点とする線状エレメントと、
   前記線状エレメントの前記第１の給電点近傍の一端を第２の給電点とする螺旋状エレメントと、
   前記螺旋状エレメントの他端に接続された半波長エレメントと、
   前記筐体の表面に近接して前記線状エレメントと平行に設けられ、前記第１の給電点に一端が接続された外導体および前記第２の給電点に一端が接続された中心導体からなり、前記第１、第２の給電点と前記無線機回路とを接続する同軸型給電線とを具備し、
   前記螺旋状エレメントは、前記同軸型給電線の上方に延び、該同軸型給電線とほぼ並行な状態で螺旋を描くように配置され、前記外導体の表面を流れる電流とほぼ逆相の電流が流れることを特徴とするアンテナ装置。
3. 無線機回路を内蔵した筐体の外側表面に近接し平行に設けられ、一端を第１の給電点とする線状エレメントと、
   前記線状エレメントの前記第１の給電点近傍の一端を第２の給電点とする螺旋状エレメントと、
   前記螺旋状エレメントの他端に接続された半波長エレメントと、
   前記筐体の表面に近接して前記線状エレメントと平行に設けられ、前記第１の給電点に一端が接続された外導体および前記第２の給電点に一端が接続された中心導体からなり、前記第１、第２の給電点と前記無線機回路とを接続する同軸型給電線とを具備し、
   前記螺旋状エレメントは、前記外導体の表面を流れる電流による不要放射を打ち消す放射界を形成するように配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ装置と前記無線機回路および前記筐体からなる無線機。

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