JP4215363B2

JP4215363B2 - アンテナ装置

Info

Publication number: JP4215363B2
Application number: JP33775799A
Authority: JP
Inventors: 芳雄小柳; 久森下; 京平藤本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-11-29
Filing date: 1999-11-29
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2019-11-29
Also published as: CN1157823C; JP2001156517A; GB2357376B; CN1299158A; GB2357376A; US6459412B1; GB0028994D0

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として小形携帯無線機で使用されるアンテナ装置に関し、特に、人体に近接して使用する場合でも良好な放射特性が得られるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話等の移動無線機に対する需要が急激に高まっており、小型軽量で薄い無線機が求められている。
【０００３】
従来の携帯電話用のアンテナとしては、固定式ヘリカルアンテナ、板状逆ｆアンテナ等が一般的であり、小型無線機に使用する場合に邪魔にならない小型で携帯性のよいアンテナ系が実現されている。
【０００４】
図５は、従来の携帯電話用アンテナとして広く使用されている固定式ヘリカルアンテナの外観図であり、携帯電話本体11上に固定式ヘリカルアンテナエレメント10を配置することで、小型軽量なアンテナ系を実現している。
【０００５】
ただ、図５の固定式ヘリカルアンテナでは、所望の特性を得るために無線機本体から突出したような構造になるため、鞄やポケットに入れて携帯する場合に突出部分が邪魔になると共に、落下した時などに折れやすいと云う問題を抱えている。そのため、特開平８−３１６７２５号公報には、図６に示すように、携帯電話本体の中に内蔵可能なヘリカルアンテナが提案されている。このアンテナ90は、ヘリカルアンテナエレメント94が誘導体91により一体化されている。アンテナを携帯電話本体に内蔵することで、携帯電話本体からアンテナエレメントが飛び出ない携帯電話のデザインが可能になる。
【０００６】
図５や図６のようなヘリカルアンテナは、一般的に、ループアンテナとダイポールアンテナとが直列接続されたアンテナと考えることができる。ループアンテナは、ループ面のループ中心にループ面と垂直に置かれた磁流素子と等価な磁流型アンテナであり、また、ダイポールアンテナは電流型アンテナであり、ヘリカルアンテナは、これらを合成したアンテナと等価であると考えられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図５の固定式ヘリカルアンテナの場合も、図６の内蔵式型ヘリカルアンテナの場合も、同軸線路などの不平衡系の給電線で給電されているため、図８に示すように、アンテナ素子だけでなく無線機地板上にも多くのアース電流が流れてしまい、結果として電流型アンテナとして動作しているのが通常である。そのため、無線機を人体に近接させて使用するときには、手や頭部の影響を受けて利得が大きく劣化してしまうという問題がある。
【０００８】
また、図７は従来の固定式ヘリカルアンテナの放射指向性を表した特性図であるが、アンテナ上だけではなく無線機地板上にも大きな電流が流れた結果、θ成分、即ち、電流成分が支配的になっており、磁流型アンテナとしての動作が殆どされなくなってしまう欠点があり、結果として、人が手に持って無線機を傾けて使用している状態では、基地局からの到来波の偏波と無線機アンテナの偏波とが一致せずに受信性能が大きく低下してしまうという不具合が有った。
【０００９】
本発明は、こうした従来の問題点を解決するものであり、無線機を人体に近接させて使用するときでも利得の低下が少なく、また、無線機を傾けて使用しても到来波を効率良く受信できる小型・高利得なアンテナ装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のアンテナ装置は、携帯無線機本体内に内蔵されるアンテナ装置であって、平衡給電線に接続する１対のヘリカルアンテナエレメントと、前記ヘリカルアンテナエレメント上のいずれかの部分に接続する調整回路とを具備し、前記ヘリカルアンテナエレメントは、無線機地板に平行するアンテナ軸を持ち、波長に比べて十分小さい間隔で前記無線機地板に近接して設置されており、磁流型アンテナ及び電流型アンテナの両方の動作を行い、前記調整回路は、磁流型アンテナの成分と電流型アンテナの成分の比率を調整することを特徴とする。
【００１１】
そのため、一対のヘリカルアンテナエレメントに平衡給電を行うことで、無線機地板上に流れる電流成分を減らすことができ、人が無線機を手で持った時の影響を抑えることができる。
【００１２】
また、電流型アンテナと磁流型アンテナの両方のアンテナ放射特性を持つことができ、無線機を傾けて使用するときの受信性能が向上する。
【００１３】
また、小形で薄形のアンテナ系を実現できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態のアンテナ装置は、図１に示すように、一対のヘリカルアンテナエレメント102、103を備えており、このヘリカルアンテナエレメント102、103は、無線機地板201に設置された無線回路202と、バラン101を介して接続し、バラン101とヘリカルアンテナエレメント102、103との間は平衡給電線104で接続されている。なお、バラン101は、無線回路202が不平衡系の給電線に接続している場合に、不平衡系と平衡系104とを仲介するために置かれており、無線回路104の出力が元々平衡系で構成されている場合には、バラン101を経由しないで、無線回路104とヘリカルアンテナエレメント102、103とを給電線202で直接接続することができる。
【００１５】
対を成す第１のヘリカルアンテナエレメント102と第２のヘリカルアンテナエレメント103とは、同じ向きに巻かれており、アンテナ軸方向は無線機地板201に平行し、波長に比べて十分小さい間隔で無線機地板201に近接して設置されている。
【００１６】
このアンテナ装置は、無線機に内蔵して使用される。
【００１７】
このように、１対のヘリカルアンテナエレメント102、103に平衡給電することにより、無線機地板201を流れるアース電流を低減することができる。また、アンテナを無線機地板201に近接させることで、グランド面に形成されるイメージを利用した放射指向性や偏波の調整が可能になる。また、アンテナを無線機地板201に近接させることで無線機を薄型形状に成形できると共に、無線機のプリント基板上にアンテナを実装することも可能になる。
【００１８】
図２は、第１の実施形態のアンテナ装置の放射指向性を示す特性図である。このヘリカルエレメントは、直径Ｄ＝０．０４２λ、間隔（ピッチ）Ｐ＝０．０１０５λ、全長Ｌ＝０．０５６λであり、線材には０．００５λの銅線を使用している。ヘリカルエレメントは、０．７４λ＊０．２２５λの銅板上に銅板に平行に固定されており、銅板とヘリカルエレメント中心との距離は０．０５１λである。
【００１９】
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の放射指向性パターンにおいて、実線は電界のθ成分（Ｅθ）、点線は電界のφ成分（Ｅφ）を表している。図２（ａ）及び（ｃ）から明らかなように、図２に示す座標系において、−Ｘ軸方向に電界のθ成分が放射されており、通話状態で人体と反対方向に電磁波が放射される指向性パターンを示している。そのため、人体による電磁波の吸収が低減できる。
【００２０】
一方、図７に示す従来のヘリカルアンテナの放射指向性特性では、いずれの方向でもθ成分が支配的であり、傾けた時に基地局の偏波と合わなくなってしまうのに比べ、図２（ｂ）では、φ成分が可成り大きく、Ｙ−Ｚ面で６０度傾けて使用する通話状態時では、このφ成分が垂直偏波に近くなるため、基地局からの到来波の主偏波である垂直偏波を受信し易くなる。そのため、実電波環境での受信性能が向上する。
【００２１】
このアンテナ装置では、磁流型アンテナと電流型アンテナのいずれの特質をも兼ね合わせた動作をしているために、電界のθ成分とφ成分の両方が発生しており、図２（ａ）、（ｃ）ではθ成分が磁流型アンテナによる放射、図２（ｂ）ではφ成分が電流型アンテナによる放射となっている。
【００２２】
また、ヘリカルエレメントの直径Ｄ、間隔Ｐ、全長Ｌ、銅板との距離のパラメータを変えることで磁流型アンテナ成分と電流型アンテナ成分の比率を調整することも可能であり、この実施形態の構成により磁流型アンテナと電流型アンテナのいずれでも動作するアンテナ装置を実現している。
【００２３】
図３は、第１の実施形態のアンテナ装置の電流分布図である。図３では無線機地板及びアンテナエレメントをワイヤーで近似し、アンテナに給電した時にワイヤー上に流れる電流の絶対値分布を３次元的に表現している。
【００２４】
ヘリカルアンテナエレメント102、103に平衡給電を行っているため、ヘリカルアンテナエレメント上の電流が支配的であり、無線機地板上には大きな電流が流れていないことが分かる。しかしながら、アンテナエレメント近傍の無線機地板上には多少の電流が流れるために、この電流とアンテナエレメント上の電流の合成としての放射指向性パターンが図２のように得られている。
【００２５】
また、この電流分布の様子は、図８に示した従来の固定式ヘリカルアンテナの電流分布と比較しても、無線機地板上に流れる電流が非常に少なく、人が手に持った時の影響が少ない様子が分かる。図８のように無線機地板上の電流が多いと、地板もアンテナの一部として動作してしまうため、人が手に持った時に電流分布が大きく変化し、アンテナインピーダンスの変化や放射効率の低下を招いてしまうが、図３のように無線機地板上の電流を少なくすることで、こうした人体の影響を低減することができる。
【００２６】
このように、この内蔵型のアンテナ装置では、一対のヘリカルアンテナエレメントを用いて平衡系のアンテナを実現しているため、無線機地板上に流れる電流成分が僅かであり、無線機を人体に近接させて使用した状態でも利得の低下が少ない。
【００２７】
また、無線機地板上に流れる電流成分が少ないため、一対のヘリカルアンテナエレメントを無線機地板に近接して配置しているにも関わらず、電流型アンテナと磁流型アンテナの両方のアンテナ放射特性を持つことができ、無線機を傾けて使用しても到来波を効率良く受信することが可能になる。
【００２８】
また、アンテナエレメントを無線機地板に近接して配置しているため、無線機地板に形成されるイメージを放射指向性や偏波の調整に利用することが可能になり、通話状態において人体と反対方向に電磁波が放射されるような指向性パターンを取ることによって人体の影響をさらに低減し、また、無線機を傾けた状態で基地局からの到来波の主偏波が受信し易いような指向性パターンを取ることにより、無線機を傾けたときの受信性能をさらに改善することができる。
【００２９】
（第２の実施形態）
第２の実施形態のアンテナ装置は、電流型アンテナと磁流型アンテナとの成分比を可変することができる。
【００３０】
このアンテナ装置は、図４に示すように、第１ヘリカルアンテナエレメント102及び第２ヘリカルアンテナエレメント103の先端に、磁流型アンテナの成分と電流型アンテナの成分との比率を調整する調整回路203を接続している。その他の構成は第１の実施形態と変わりがない。
【００３１】
この調整回路203は、ヘリカルアンテナ102、103に装荷する容量と、容量装荷をオン、オフするダイオードとを具備しており、ヘリカルアンテナの先端部に容量を装荷することでヘリカルアンテナ上及び無線機地板上の電流分布を変化させる。容量が装荷されていない状態では、第１の実施形態のアンテナ装置と同等な動作であるが、容量が装荷されると、ヘリカルアンテナエレメントの実効的な電気長が長くなり、ヘリカルアンテナエレメント上及び無線機地板上の電流分布が変化し、これにより電流型アンテナと磁流型アンテナの成分の比が変わり、結果として放射指向性パターンを変化させることが可能になる。
【００３２】
ここでは、容量装荷をＯＮ／ＯＦＦするためにダイオードを用いているが、高周波スイッチやトランジスタを用いても同様な機能を実現することができる。また、この調整回路では装荷する容量を固定にしているが、この部分に容量値を変化させることが可能なバリキャップダイオード等を用いれば、任意の容量を装荷することが可能になる。
【００３３】
また、調整回路を装荷する部分は、ヘリカルアンテナエレメント102、103上の先端部を含めたいずれの部分に装荷しても同様な効果が得られる。
【００３４】
このように、このアンテナ装置では、調整回路を調整してアンテナ性能を変更することができ、受信環境等に応じて放射指向性パターンを切り替えることが可能になる。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のアンテナ装置は、内蔵された無線機の地板上に流れる電流成分を減らし、無線機を人体に近接して使用する場合の利得の低下を抑えることができる。また、電流型アンテナと磁流型アンテナの両方のアンテナ放射特性を持つことができ、無線機を傾けて使用する場合の受信性能を向上することができる。
【００３６】
また、無線機地板を利用した放射パターンの調整が可能であり、人体の影響を減らし、到来波を効率良く受信できる受信性能を実現することができる。
【００３７】
また、調整回路を有しているため、無線機の使用状態に応じて、電流型アンテナと磁流型アンテナの成分比率を変え、放射指向性パターンを可変することができる。
【００３８】
また、このアンテナ装置を内蔵する無線機の高品位で安定した移動通信を可能にするとともに、無線機の形状の小型・薄形化を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるアンテナ装置の構成図、
【図２】第１の実施形態のアンテナ装置における放射指向性を示す特性図、
【図３】第１の実施形態のアンテナ装置における電流分布図、
【図４】本発明の第２の実施形態におけるアンテナ装置の構成図、
【図５】従来の固定式ヘリカルアンテナを備える無線機の斜視図、
【図６】従来の内蔵型アンテナを示す構成図、
【図７】従来の固定式ヘリカルアンテナの放射指向性を示す特性図、
【図８】従来の固定式ヘリカルアンテナの電流分布図である。
【符号の説明】
11 携帯電話本体
10 固定式ヘリカルアンテナエレメント
90 アンテナ
91 誘導体
94、102、103 ヘリカルアンテナエレメント
101 バラン
104 平衡給電線
201 無線機地板
202 無線回路
203 調整回路

Claims

携帯無線機本体内に内蔵されるアンテナ装置であって、
平衡給電線に接続する１対のヘリカルアンテナエレメントと、
前記ヘリカルアンテナエレメント上のいずれかの部分に接続する調整回路とを具備し、
前記ヘリカルアンテナエレメントは、無線機地板に平行するアンテナ軸を持ち、波長に比べて十分小さい間隔で前記無線機地板に近接して設置されており、磁流型アンテナ及び電流型アンテナの両方の動作を行い、
前記調整回路は、磁流型アンテナの成分と電流型アンテナの成分の比率を調整することを特徴とするアンテナ装置。