JP4102778B2 - アンテナ構造および通信装置 - Google Patents
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Description
なお、2Gとは、第2世代携帯電話を意味し、デジタル技術を利用したPDC(Personal Digital Cellular)方式またはGSM(Global System for Mobile communication)方式などを採用したものが該当する。ここで、第2世代携帯電話は、800〜900MHz程度の周波数帯域を使用している。
また、3Gとは、第3世代携帯電話を意味し、CDMA(Code Division Multiple Access;符号分割多重接続)などを採用したものが該当する。ここで、第3世代携帯電話の一部の携帯電話は、約1.5GHzの周波数帯域を使用している。
上記特許文献1は、複数の周波数を独立して調整でき、かつアンテナ間での結合損失の少ない無給電アンテナを提案している。即ち、この無給電アンテナは、複数の周波数に対応する内蔵アンテナであり、必要とするスペースが小さくなる。
上記特許文献1は、より詳細には、下記の構成内容を提案している。アンテナを内蔵した無線装置は、前記無線装置の外部に配置された無給電アンテナを介して電波の送受信を行う。なお、無給電アンテナは、第1のアンテナ及び第2のアンテナの2本と、これらを相互に接続する給電線とから成る。
そして、無線装置のアンテナと無給電アンテナの第1のアンテナとは、それぞれループアンテナにより構成されている。これら各アンテナは、互いに強固に容量結合される状態に近接して設けられている。従って、無線装置のアンテナと第1のアンテナとの間では、上記容量結合による電磁誘導作用によって、電波の受け渡しが行われている(特許文献1の段落番号「0044」参照)。
他の従来例では、回路基板、シート、またはシート部材の表裏面の一面に実装された第1のアンテナエレメントと、他面に設けられた第2のアンテナエレメントとを有する(特許文献2参照)。この特許文献2は、小型で広帯域の周波数特性化が容易な、アンテナを提案している。
ここで、本発明は、回路基板の導電パターンをアンテナとして兼用するので、別個のアンテナが不要となり、省スペース化に貢献する。
なお、本発明のアンテナ構造において、複数のアンテナ素子を設け、かつ各アンテナ素子のアンテナ面を所定間隔で面対向させても良い。この場合、一方のアンテナ素子に信号電圧が給電されると、その誘導電流により、他方のアンテナ素子(無給電素子)にも電流が誘起される。そのため、両方のアンテナ素子は、その固有共振周波数にて励振する。
また、本発明に係るアンテナ構造は、図22に示すように、アンテナ素子100のアンテナ面100Aが、回路基板200の平面に対して直交する方向に配置される。この状態において、信号の周波数が変わると、アンテナ素子100と回路基板200との間に生じる電界も変わる。そのため、回路基板200に対するアンテナ素子100の電界ベクトル(図22に示す矢印E1〜E3)の長さは、不均一の状態となる。
なお、図22のアンテナ構造は、一対のアンテナ素子100のアンテナ面100Aを所定間隔で面対向させたものである。
一方、本発明に係るアンテナ構造(たとえば図22に示す構造)において、回路基板200とアンテナ素子100との間で生じる電界ベクトルE1〜E3の長さは、アンテナ素子100が回路基板200から離れるに従って長くなる。
また、電界ベクトル(図22に示す矢印E1)に対応する周波数は、電界ベクトル(図22に示す矢印E2またはE3)に対応する周波数よりも、高い。言い換えれば、電界ベクトルに対応する周波数は、無線信号周波数に対応して変更し、高くまたは低くなる。従って、本発明に係るアンテナ構造においては、図23に示すアンテナ構造と比較して、周波数特性(アンテナ特性)の帯域が広くなる。
本発明によれば、アンテナ素子のアンテナ面を回路基板の平面に対して直交する方向に配置するという単純な構造で、広帯域の通信への対応が可能となる。たとえば、本発明では、単一のアンテナで、第2世代携帯電話における800〜900MHzの周波数帯域および第3世代携帯電話における1.5GHzの周波数帯域の通信にも、それぞれ対応できる。
本発明に係るアンテナ構造においては、アンテナ素子と回路基板とを直交する方向に配置したので、通信装置の筐体内におけるアンテナ素子用の有効な空間を、広く取ることが容易となる。すなわち、本発明に係るアンテナ構造によれば、空間の利用効率が高まるので、アンテナの設置スペースを小さくしても、効率性の高いアンテナ構造を実現することができる。
また、本発明の通信装置によれば、本発明に係るアンテナ構造の場合と同様に、空間の利用効率が高まるので、アンテナの設置スペースを小さくしても、効率性の高い通信装置を実現することができる。
(構成の基本)
本実施形態によるアンテナは、小型の無線装置に内蔵するタイプである。このアンテナは、複数のアンテナ素子および導電パターンを有する平面状の回路基板によって構成されている。複数のアンテナ素子の内の1つのアンテナ素子には、信号電圧が給電される(図3および図4参照)。また、アンテナ素子の表面は、アンテナ面となる。なお、本実施形態に係るアンテナ素子は、単一であっても良い。
(第1の実施例の構成)
図1〜図11に、本発明における第1の実施例を示す。図1〜図4は、第1実施例のアンテナの構成例を示している。なお、図5〜図11は、第1実施例の変形例または応用例を示している。
給電端子11は、その付勢力により、回路基板20の図示しない無線回路の接続部21(図4参照)に接続される。そのため、給電端子11には、無線回路から信号電力(送信信号)が供給され、または回路基板20とアンテナ素子1との電界結合によって発生した電波の周波数の信号が無線回路へ供給される。なお、本実施形態では、給電端子11をバネ形状でかつV字状に折曲げているので、給電端子11が回路基板20の接続部21に確実に接続する。
そして、アンテナ素子1、2は、図3および図4に示すように、通信装置の筐体30の長手方向側の端部30Aに内蔵される。内蔵の形態は、例えば、アンテナ素子1、2のアンテナ面1A、2Aが、前記端部30Aの平面状の壁面30Bおよび回路基板20の長手方向側の端部20Aと平行になるように配置される。すなわち、アンテナ素子2は、アンテナ素子2のアンテナ面2Aが、前記壁面30Bに面対向するように配置されている。さらに、アンテナ素子1は、回路基板20の端部20Aから所定間隔L1をもって配置されている。上記所定間隔L1は、実験結果などから、たとえば1〜10mmの範囲が好適である。
アンテナ素子1、2の形状は、取り扱う所望の周波数たとえば800〜900MHzまたは1.5GHzなどによって決定される。そして、アンテナ素子1、2は、アンテナ素子1、2間における容量結合を強くするため、アンテナ面1Aおよび2Aの表面すなわち面積が多く重なるように配置される。
また、2つのアンテナ素子1、2同士は、図2に示すように、平行に所定間隔L2をもって配置される。上記所定間隔L2は、実験結果などから、たとえば1〜5mmの範囲が好適である。
なお、アンテナ素子1、2は、図示しない支持手段たとえば支持ブロックによって筐体30内に位置決めされている。また、本実施例において、アンテナ素子と回路基板の長手方向側の端部との間隔、各アンテナ素子の間隔、およびアンテナ素子の形状などは、取り扱う周波数によって決定する。
本実施例では、複数の電子部品が実装された回路基板20を、アンテナの構成要素として兼用するものである。平面状(板状)の回路基板20は、グランド層および電源層などの導電パターンを含む積層構造となっており、この導電パターンがアンテナとして機能する。
回路基板20は、図4に示すように、回路基板20の平面形状が、筐体30の平面形状に対応するように構成されている。そして、回路基板20は、図3に示すように、回路基板20の平面が、筐体30の短手方向側の壁面30Dに面対向すると共に、近接するように配置される。なお、回路基板20は、図示しない固定手段を介して、筐体30内に位置決めされる。
(第1実施例の作用)
第1のアンテナ素子1に無線回路から信号電圧が給電されると、その誘導電流により、第2のアンテナ素子(無給電素子)2にも電流が誘起される。そのため、両方のアンテナ素子1、2は、その固有共振周波数にて励振される。
一方、本実施例では、上述したように、アンテナ素子1、2のアンテナ面1A、2Aが回路基板20の平面に対して90度の向きにあるので、図22に示すように、アンテナ素子と回路基板との電流および電界の向きが相違する。そのため、回路基板に対するアンテナ素子の電界ベクトル(図22に示す矢印E1〜E3)の長さは、不均一の状態となる。
図22に示すアンテナ構造において、回路基板200とアンテナ素子100との間で生じる電界ベクトルE1〜E3の長さは、アンテナ素子100が回路基板200から離れるに従って長くなる。
また、電界ベクトル(図22に示す矢印E1)に対応する周波数は、電界ベクトル(図22に示す矢印E2またはE3)に対応する周波数よりも、高い。すなわち、上記アンテナ構造においては、図23に示すアンテナ構造と比較して、周波数特性(アンテナ特性)の帯域が広くなる。従って、本実施例においては、アンテナ素子のアンテナ面を回路基板の平面に対して直交する方向に配置するという単純な構造で、広帯域の通信への対応が可能となる。
なお、一般の携帯用の通信装置は、ユーザが操作時に持ち易いように、縦長(直方体)となっている。そのため、図4に示すアンテナ構造では、回路基板20に対するアンテナ素子1の電界ベクトルの最大の長さが、回路基板20の長手方向の他方の端部20B付近までの長さとなる。すなわち、アンテナ素子1、2を回路基板20の長手方向の端部20A側に設ける場合には、アンテナ素子1、2を回路基板20の短手方向の端部側に設ける場合に比べ、周波数特性の帯域が広くなる。
(第1実施例の効果)
本実施例では、2つのアンテナ素子1、2を平行に近接して配置したので、2つのアンテナ素子1、2における容量結合が強くなる。そのため、本実施例では、信号電圧が給電された第1のアンテナ素子1の電流を、無給電素子である第2のアンテナ素子2へ誘導電流として、効率良く伝えることができる。また、本実施例では、2つのアンテナ素子1、2を平行に近接する構成としたので、アンテナの設置スペースを小さくできる。
そのため、本実施例においては、アンテナ素子1、2と回路基板20との平面同士を直交方向になるように配置したので、筐体30内におけるアンテナ素子用の有効な空間を、広く取ることが容易となる。従って、本実施例によれば、空間の利用効率が高まるので、アンテナの設置スペースを小さくしても、効率性の高いアンテナ構造および通信装置を実現することができる。
なお、アンテナユニット4を筐体30の端部30A側に配置する場合には、アンテナユニット4が邪魔にならず、スペースを有効利用できる。また、回路基板20の平面を筐体30の厚み方向側の壁面30Dに近接するように配置させ、かつアンテナユニット4を筐体30の端部30A側に配置する場合も、スペースを有効利用できる。
図5に示すように、筐体30の端部30Aは、筐体30の外側へ湾曲するような曲線形状となっている。即ち、携帯電話などの小型の通信装置の中には、その筐体30の端部30Aが、曲線形状となっているものがある。なお、図6(2)は、図6(1)に示すアンテナ構造の短手方向の側面を示し、図6(3)は、図6(1)に示すアンテナ構造の底面を示す。
また、図9(1)〜図9(3)に示す変形例は、アンテナ素子1、2が樹脂3で固定されたアンテナユニット4を、筐体30の端部30Aに沿った曲線形状としたものである。そして、上記アンテナ素子1、2は筐体30の端部30A側に内蔵され、アンテナ素子1、2のアンテナ面1A、2Aが端部30Aの壁面30Bに沿うように近接して配置されている。なお、筐体30の壁面30Bに凹凸がある場合には、アンテナ素子1、2を、壁面30Bの凹凸に沿うように形状しても良い。
ところで、アンテナ素子1のアンテナ面1Aと回路基板20の端部20Aとを所定距離以上に近接させると、その放射インピーダンス(すなわち結合損失)が増大するので、周知の通り、アンテナ素子1および回路基板20の間で成させる電波の送受信効率が低下する。
一方、図9に示す変形例では、アンテナ素子1のアンテナ面1Aと回路基板20の端部20Aとの距離において、アンテナ素子1および2の長手方向の中央部における距離L3(図9および図10参照)が、アンテナ素子1および2の長手方向の両端部における距離L1(図11参照)よりも長い。
図9に示す変形例においては、アンテナ素子1のアンテナ面1Aと回路基板20の端部20Aとの距離L3を、上記所定距離以上に長く設定できるので、周波数特性が良好となる。即ち、図9に示す変形例によれば、筐体30の端部30Aを、アンテナスペースとして有効利用できる。
(第2の実施例)
図12〜図14には、本発明における第2の実施例が示される。第2実施例の給電端子12は、スプリングコネクタ12Aを給電端子12の一部として利用したものである。そして、アンテナ素子1は、スプリングコネクタ12Aを介して、回路基板20(図5参照)の無線回路と接続する。なお、その他の構成および作用効果は、図5に示す実施例と同様であるので、詳細は省略する。
(第3の実施例)
図15には、本発明における第3の実施例が示される。第3実施例では、供給手段の一部を構成する給電端子13が、アンテナ素子1に設けられている。この給電端子13は、平板状となっている。一方、回路基板20には、板状の給電コネクタ14が配置されている。給電コネクタ14はバネ形状となっており、給電コネクタ14の先端がV字状に折曲げられている。
そして、第3実施例では、接続部21の一部を構成する(即ち、接続部21から導出された)給電端子13が、給電コネクタ14に接続するように構成している。給電端子13は、その付勢力により、給電端子13に接続する。すなわち、アンテナ素子1は、給電端子13および給電コネクタ14(接続部21)を介して、回路基板20の図示しない無線回路と接続する。なお、その他の構成および作用効果は、図5に示す実施例と同様であるので、詳細は省略する。
(第4の実施例)
図16(1)〜図16(3)、図17および図18には、本発明における第4の実施例が示される。第4実施例では、第1実施例における2つのアンテナ素子1、2のどちらか一方、もしくは両方が屈曲形状になっている。たとえば、アンテナ素子2は、図16(3)に示すように、アンテナ素子2の平面パターンが、ミアンダ状になっている。
第4実施例では、アンテナ素子2をミアンダ状に屈曲させることにより、所望の周波数に設定できる。たとえば、アンテナ素子2を図16(3)に示すようにミアンダ状に屈曲させると、アンテナ素子2が図1(3)の場合に比べて、アンテナ素子2の実長が長くなる(波長が長くなる)ので、周波数を低くできる。
なお、他の変形例として、アンテナ素子を、立体的に屈曲させても良い。また、その他の構成および作用効果は、図5に示す実施例と同様であるので、詳細は省略する。
(第5の実施例)
図19には、本発明における第5の実施例が示される。第5実施例では、樹脂3で固定された2つのアンテナ素子1および2を含むアンテナユニット4を、貼付手段である両面テープ15によって筐体30の端部30Aの壁面30Bに貼り付ける構造例である。
第5実施例では、アンテナユニット4を筐体30の端部30Aに装着するのに、両面テープ15で貼り付ける構成となっているので、アンテナユニット4の装着が容易である。なお、その他の構成および作用効果は、図5に示す実施例と同様であるので、詳細は省略する。
(第6の実施例)
図20には、本発明における第6の実施例が示される。第6実施例は、樹脂3で固定された2つのアンテナ素子1および2を含むアンテナユニット4を、クッション16によって筐体30の端部30Aに固定する例である。第6実施例では、アンテナユニット4の一方の側面と当接する突部30Cが、端部30Aに形成されている。
なお、アンテナユニット4またはクッション16を、筐体30に接着剤などの貼付手段で接着させても良い。また、その他の構成および作用効果は、図5に示す実施例と同様であるので、詳細は省略する。
アンテナ素子41または42は、その形状または大きさ等が相違しており、任意の共振周波数となるように設定される。この場合でも、給電端子である供給手段は、単一のアンテナ素子1にのみ接続する。
また、本発明では、上記各実施例を任意に組み合わせることができ、その組み合わせに応じた特有の作用効果を奏する。組み合わせのパターンとしては、例えば、筐体30の壁面30Bの曲面に対応した形状のアンテナユニット4の実施例(図9に示す実施例)、およびアンテナ素子1の平面パターンをミアンダ状に屈曲させた例(第4実施例に対応する例)などである。この場合、筐体30の壁面30Bに対向するアンテナ素子2を、図1(3)に示すように、矩形の板状のアンテナ素子2となっている。なお、組み合わせるパターンは、例えば2つの実施例または2つ以上の実施例を組み合わせるパターンを含む。
さらに、本発明に係る通信装置は、アンテナを設ける必要のある装置、たとえば携帯電話、無線装置、パーソナル・コンピュータ,PDA(Personal Digital Assistance)などを含む概念である。
1A アンテナ素子のアンテナ面
2 アンテナ素子
2A アンテナ素子のアンテナ面
3 樹脂
4 アンテナユニット
11 給電端子
12 給電端子
12A スプリングコネクタ
13 給電端子
14 給電コネクタ
15 両面テープ
16 クッション
20 回路基板
20A 回路基板の端部
21 接続部
30 筐体
30A 筐体の端部
30B 筐体の端部の壁面
30C 筐体の突部
30D 筐体の厚み方向側の壁面
41 アンテナ素子
42 アンテナ素子
D1 アンテナ素子の短手方向の長さ
L1 回路基板の端部とアンテナ素子のアンテナ面との間隔
L2 アンテナ素子間の間隔
L3 回路基板の端部とアンテナ素子のアンテナ面との中央における間隔
E1 電界ベクトル
E2 電界ベクトル
E3 電界ベクトル
Claims (12)
- 略矩形形状をなすアンテナ面を有する平板状のアンテナ素子と、導電パターンを有する平面状の回路基板とを含み、前記回路基板から給電を受ける第1のアンテナ素子と、前記アンテナ面が、前記第1のアンテナ素子のアンテナ面と所定間隔で面対向に配置する無給電の第2のアンテナ素子を有し、前記第1及び第2のアンテナ素子のアンテナ面は、前記回路基板の平面に対して直交する方向に配置され、前記第1のアンテナ素子は、前記回路基板に近接して配置し、回路基板の導電パターンをアンテナとして兼用することを特徴とするアンテナ構造。
- 前記第2のアンテナ素子を複数設け、かつ前記第2のアンテナ素子の各々のアンテナ面は相互に所定間隔で面対向に配置する請求項1に記載のアンテナ構造。
- 前記第1のアンテナ素子のアンテナ面であって、前記第2のアンテナ素子のアンテナ面と対向する面と反対側のアンテナ面は、前記回路基板の端部から所定間隔をもって前記回路基板の平面に直交して対向配置することを特徴とする請求項1または2に記載のアンテナ構造。
- 前記回路基板は略矩形形状をなし、前記アンテナ素子は、前記回路基板の長手方向側の端部から所定間隔をもって離れた位置に配置することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のアンテナ構造。
- 前記複数のアンテナ素子を、樹脂で固定する請求項1乃至4のいずれか1項に記載のアンテナ構造。
- 前記アンテナ素子を、平面または立体に屈曲形状とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のアンテナ構造。
- 略矩形形状をなすアンテナ面を有する平面状のアンテナ素子と、導電パターンを有する平面状の回路基板とを含む通信装置において、前記回路基板から給電を受ける第1のアンテナ素子と、前記アンテナ面が、前記第1のアンテナ素子のアンテナ面と所定間隔で面対向に配置する無給電の第2のアンテナ素子を有し、前記第1及び第2のアンテナ素子のアンテナ面は、前記回路基板の平面に対して直交する方向に配置され、前記第1のアンテナ素子は、前記回路基板に近接して配置され、回路基板の導電パターンをアンテナとして兼用することを特徴とする通信装置。
- 前記第1のアンテナ素子のアンテナ面であって、前記第2のアンテナ素子のアンテナ面と対向する面と反対側のアンテナ面は、前記回路基板の端部から所定間隔をもって前記回路基板の平面に直交して対向配置することを特徴とする請求項7に記載の通信装置。
- 前記第2のアンテナ素子を複数設け、かつ前記第2のアンテナ素子の各々のアンテナ面は相互に所定間隔で面対向に配置させる請求項7または8に記載の通信装置。
- 前記回路基板は略矩形形状をなし、前記アンテナ素子は、前記回路基板の長手方向側の端部から所定間隔をもって離れた位置に配置することを特徴とする請求項7乃至9のいずれか1項に記載の通信装置。
- 前記アンテナ素子を、平面または立体に屈曲形状とする請求項7乃至10のいずれか1項に記載の通信装置。
- 前記複数のアンテナ素子は樹脂で固定され、当該樹脂で固定されたアンテナ素子を緩衝手段を介して筐体に装着した請求項7乃至9のいずれか1項に記載の通信装置。
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