JP4671122B2

JP4671122B2 - 複数周波数共用アンテナ

Info

Publication number: JP4671122B2
Application number: JP2005360520A
Authority: JP
Inventors: 晶夫倉本; 宏行遊佐
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2025-12-14
Also published as: JP2007166297A

Description

本発明は、ノートパソコンやＰＤＡ、その他携帯端末など比較的小型の情報通信機器に、無線ＬＡＮなどの用途を目的として内蔵されるアンテナで、小型かつ複数の周波数帯域を共用で使用できるアンテナに関する。例えば、無線ＬＡＮでは、２．４ＧＨｚ帯、５．２ＧＨｚ帯、５．８ＧＨｚ帯で使用が可能なアンテナである。

まず、アンテナの基本構成を説明する。図１１（ａ）は、ダイポール・アンテナを示し、アンテナ・エレメント（素子）の基本となる。（ｂ）は、ダイポールの片側を大地に埋め込んで鏡像にしたモノポール・アンテナを示す。（ｃ）は、逆Ｆアンテナを示し、モノポールを折り曲げた構造のアンテナである。

図１２は、従来の逆Ｆアンテナの構成を示す。このアンテナは、金属線または板金による逆Ｌ形状エレメント５０の片側をグランド板２０に接続し、そのエレメント５０の中間部分に、同軸ケーブル１０により給電する構造のアンテナである。同軸ケーブル１０の同軸中心導体１１を、エレメント５０の適切なインピーダンスとなる点に接続し、同軸外部導体をグランド板２０に接続して給電する。

この逆Ｆアンテナは、複数の帯域で使用することができないという欠点がある。また、逆Ｆアンテナでは、エレメント５０として、金属線を用いたものより、板金を用いたものの方が、帯域が広いが、複数の帯域を確保することはできないという欠点がある。

１つのアンテナで、２つの周波数帯域を共用しようとする場合、２つエレメントを用意して、どちらか一方に給電して、空間的に、２つのアンテナを結合させて、２共振特性を得る構成がある。この構成例として、図１３に示すアンテナ・エレメントの組み合わせが考えられる。

図１３に示す構成１〜構成３について、まず、どちらのエレメントに給電するかについて説明する。２つのエレメントに給電するのは、共用アンテナとしてメリットがないからである。結論からすると、この場合、波長の短いエレメントに給電する。すなわち、波長の長い（例えば、２．４ＧＨｚ）周波数と波長の短い（５．２ＧＨｚ）周波数を共用する場合は、波長の短い（この場合５．２ＧＨｚ）エレメントに給電して、空間的に電磁界結合させ、近傍に２．４ＧＨｚのエレメントを給電する構成とする。

その理由は、図１４に示すように、波長の長い（２．４ＧＨｚ）エレメントに給電すると、そのエレメント自身に、波長の短い（５．２ＧＨｚ）周波数も高調波共振してしまい、近傍にある波長の短い（５．２ＧＨｚ）エレメントに結合しにくくなる。波長の長い（２．４ＧＨｚ）エレメントに、波長の短い（５．２ＧＨｚ）周波数が高調波共振すると、インピーダンスがうまく整合しなかったり、帯域が狭くなるというデメリットがある。これは電流分布が異なるからである。

したがって、構成１〜構成３はいずれも、波長の短い（５．２ＧＨｚ）エレメントに給電することになる。

次に、構成１の問題点について説明する。構成１の問題点は、インピーダンス整合がうまくとれない点である。図１５に示すように給電する場合、５．２ＧＨｚのエレメントには、２．４ＧＨｚのエレメントが空間的に電磁結合しているので、５．２ＧＨｚのインピーダンスは非常に小さく観える。よって、５．２ＧＨｚのエレメントの先端に近い部分で給電して、５．２ＧＨｚのインピーダンスを整合する。しかし、２．４ＧＨｚの波にとっては、空間結合した２．４ＧＨｚのエレメントしか共振するものがないため、５．２ＧＨｚの給電点では入力インピーダンスが高くなりすぎてしまう。

したがって、構成１では、５．２ＧＨｚと２．４ＧＨｚで両方の周波数のインピーダンス整合をとることが困難になる。

構成１の問題点を解決するために、構成２が考えられる。構成２では、図１６に示すように、構成１の問題を解決するために、５．２ＧＨｚのエレメント位置をシフトして、２．４ＧＨｚのエレメントでも理想的なインピーダンスとなるような給電位置に変更したものである。

これら構成１ないし構成２を示す例として、第１アンテナ素子が逆Ｆ型であって、第２アンテナ素子が逆Ｌ型である周波数共用アンテナがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１２９０６２号公報

しかしながら、構成２では、線状エレメントに流れる電流のみなら問題ないが、逆Ｆアンテナのように、グランドに鏡像電流が流れるアンテナではうまくいかない。図１６に示すように、グランド側には、鏡像電流が流れるが、このとき、両方のエレメントのグランド設置位置が、わずかな距離はなれているために、２．４ＧＨｚの鏡像電流がスムーズに流れないという問題が生じる。

したがって、構成２でも、２．４ＧＨｚでインピーダンス整合がうまくとれないという問題が生じる。

そこで本発明は、ほぼ線状に近い逆Ｆアンテナを特殊な配置により組み合わせることにより、複数の周波数帯域で使用できるコンパクトな複数周波数共用アンテナを提供することを目的とする。

上述の構成１、構成２の問題点を解決するため、本発明では構成３を考えた。構成３では、図１７のように、構成１の問題を解決するために、５．２ＧＨｚのエレメント位置をシフトして、２．４ＧＨｚのエレメントでも理想的なインピーダンスとなるような位置に変更し、かつ、構成２の問題を解決するために、２つのエレメントのグランド接地点を遠ざけている。

構成３においても、５．２ＧＨｚエレメントのグランド接地点は、２．４ＧＨｚの鏡像電流に妨害を与えるが、構成２とくらべて、以下のメリットがある。

１）５．２ＧＨｚのグランド接地点が、構成２の場合より離れている。鏡像電流が、グランドに放射状に流れるため、距離が少しでも離れたほうが、インピーダンスを乱す要因を緩和するために、効果が高い。

２）５．２ＧＨｚのエレメントが構成２と反対向きのため、２．４ＧＨｚの鏡像電流に対する振舞いが逆位相になり、大きなインピーダンスの劣化がない。

すなわち、本発明のアンテナは、個々の帯域において、逆Ｌ字状のエレメントを１つまたは２つ組にして対向配置し、それぞれの異なる帯域のエレメント組を、反対方向になるように、適当な距離を隔てて配置し、片方の帯域に給電する構成とした。

以上の構成によって、複数の帯域を確保し、個々の帯域を広帯域化し、コンパクトで安価なアンテナとすることができる。

本発明によれば、複数の周波数帯域で使用可能な小型のアンテナを構成できる。

次に、本発明の最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施例の構造図を示す。金属導体よりなるグランド２０の両端に、エレメント１〜３が、グランド２０に対してほぼ直角に接続されている。エレメント１〜３は、逆Ｌ状の形状である。エレメント２と３は、近接して配置される。エレメント１と、エレメント２及び３は、グランド２０を挟んで反対側に対向配置され、かつ、逆Ｌ字の方向が逆方向に配置される。

本アンテナは、エレメント１〜３の長さに対応した３つの帯域（バンド）で使用することができる。例えば、２．４ＧＨｚ帯、５．２ＧＨｚ帯、５．８ＧＨｚ帯の３つのバンドで使用する場合を考えてみる。この場合、エレメント１の長さは、中間の周波数帯域である、５．２ＧＨｚ帯の使用波長の約１／４波長とする。エレメント２の長さは、一番低い、２．４ＧＨｚ帯の使用波長の約１／４波長とする。エレメント３の長さは、一番高い、５．８ＧＨｚ帯の使用波長の約１／４波長とする。

また、グランド２０の幅、すなわち逆方向に配置されたエレメント組間の距離は、中間の周波数帯域（この場合、５．２ＧＨｚ帯：波長５８ｍｍ）の１／５０〜１／２０波長程度が用いられる。低い周波数帯域（２．４ＧＨｚ帯：波長１２５ｍｍ）に対しては、１／１００波長〜１／５０波長程度、高い周波数帯域（５．８ＧＨｚ帯：波長５２ｍｍ）に対しては、１／４０波長〜１／３０波長程度である。

このアンテナの給電は、同軸ケーブル１０、１本によって給電され、給電場所は、中間の周波数帯であるエレメント１の水平部分の適切な場所に、同軸中心導体１１を接続し、そのほぼ下のグランド２０に、同軸外部導体１２をハンダ付け１３等の方法により接続する。

電気的には、エレメント１〜３は近接しているため、電磁界結合して、複数の帯域で共振する。例えば、エレメント１には、２．４ＧＨｚ帯と、５．２ＧＨｚ帯と、５．８ＧＨｚ帯の高周波信号が給電される。この場合、２．４ＧＨｚ帯の信号は、近接しているエレメント２と結合して、２．４ＧＨｚ帯で共振する。同様に、５．８ＧＨｚ帯の信号は、近接しているエレメント３と結合して、５．８ＧＨｚ帯で共振する。５．２ＧＨｚの信号は、もともとエレメント１が５．２ＧＨｚの共振波長なので、エレメント１で共振する。

以上の構成で、２．４ＧＨｚ帯、５．２ＧＨｚ帯、５．８ＧＨｚ帯で使用可能なノートパソコン用のアンテナとすることができる。エレメント１と、エレメント２および３を近接し、かつ逆向きに配置することにより、複数の周波数で使用可能で、かつ個々の帯域が広帯域になる。さらに、本アンテナは、非常にコンパクトである。

図２は、本発明の第２の実施例の構造図を示す。図１の構造に、エレメント４が加わることにより、さらに多周波の共振が可能になる。

図３は、本発明の第３の実施例の構造図を示す。図２の構造の対向するエレメント組の上側のエレメントの一部を、下側に折り曲げたエレメント５，６に置き換えたものである。エレメント５、エレメント６は、先端部をグランド板２０に近接させることで、インピーダンス調整を行うことができる。なお、本実施例の構造を、図１の構造に適応することもできる。

図４は、本発明の第４の実施例の構造図を示す。図２の構造の対向するエレメント組の上側のエレメントを、水平に折り曲げたエレメント７，８に置き換えたものである。エレメント７、エレメント８の面積の広い部分をグランド板２０に向け、容量を持たせることにより、インピーダンス調整を行うことができる。なお、本実施例の構造を、図１の構造に適応することもできる。

図５は、本発明の第５の実施例の構造図を示す。図２の構造の対向するエレメント組の上側のエレメント２，４の途中にＳ字状の屈曲部を設けたエレメント３０，３１に置き換えたものである。エレメント３０、エレメント３１は、対向するエレメントとの距離を調整することにより、インピーダンス調整を行うことができる。なお、本実施例の構造を、図１の構造に適応することもできる。

図６は、本発明の第６の実施例の構造図を示す。図２の構造の対向するエレメント組の上側のエレメントの２、４の水平部分の反対側に突起を設けたエレメント３２，３３に置き換えたものである。エレメント３２、エレメント３３は、突起部分の長さによって、インピーダンス調整を行うことができる。なお、本実施例の構造を、図１の構造に適応することもできる。

図７は、本発明の第７の実施例の構造図を示す。図２の構造のグランド板２０の中央からＴ字状の金属をくりぬいて立てたエレメント３４が設けられ、エレメント３４の水平部分に給電したものである。この構造では、給電したエレメント３４が、それ以外のエレメント１〜４に対して、ほぼ均等の位置関係が保てるため、使用するいくつかの周波数帯が比較的に近い場合、インピーダンス整合がとりやすい。なお、本実施例の構造を、図１の構造に適応することもできる。

図８は、エレメント構造の他の例を示す。図１のエレメント１〜３は、平板構造になっているが、この構造では、振動や衝撃に十分な強度が得られない場合がある。このような場合は、図８の（ａ）または（ｂ）のような構造とすることで、より強度が得られる。（ａ）は、断面形状を台形状に、（ｂ）は断面を「く」の字状に加工したものである。

図９は、本発明のアンテナの取り付け方法を示す。本アンテナは、ノートパソコンの筐体や、デイスプレイの端、情報端末の内部への内蔵を想定しており、（ａ）〜（ｄ）のような取り付け方法が考えられる。
（ａ）では、グランド板２０上に穴４０を設けて、ビス等で筐体に止める。
（ｂ）〜（ｄ）では、グランド板２０のフランジ４１〜４３により、所望の方向に、穴４０で筐体にビス止めする。
（ａ）〜（ｄ）において、グランド板２０の取り付け場所は、可能な範囲で、広いグランド電位の導体上に取り付けるのが望ましい。

図１０は、給電の他の構造例を示す。図１のエレメント１への給電は、エレメント１の水平部分に、同軸ケーブルの中心導体をハンダ付けしただけであるので、位置が決めにくいなどの欠点がある。

図１０（ａ）は、給電のための同軸外部導体側をしっかり固定するために、グランド板２０にフランジ５０を設けたものである。

（ｂ）は、同軸外部導体側をさらにしっかりかしめて固定するために、グランド板２０にフランジ５１を設けたものである。この場合、ハンダ付けを省略することも可能である。

（ｃ）は、同軸中心導体側も位置ずれがないようにしっかり固定するために、エレメント１にフランジ５２を設けたものである。

本発明は、ノートパソコンやＰＤＡ、その他携帯端末など比較的小型の情報通信機器に内蔵する無線ＬＡＮなどの用途を目的として内蔵されるアンテナや携帯電話用アンテナに利用できる。

本発明の第１の実施例の構造図である。第２の実施例の構造図である。第３の実施例の構造図である。第４の実施例の構造図である。第５の実施例の構造図である。第６の実施例の構造図である。第７の実施例の構造図である。本発明のアンテナの取り付け方法を示す図である。エレメント構造の他の例を示す図である。給電の他の構造を示す図である。アンテナの基本構成の説明図である。従来の逆Ｆアンテナの構成図である。アンテナ・エレメントの組み合わせを示す図である。波長の長いエレメントに給電する場合の説明図である。構成１の問題点を説明する図である。構成２の問題点を説明する図である。構成３の特徴を説明する図である。

符号の説明

１〜８エレメント
１０同軸ケーブル
１１同軸中心導体
１２同軸外部導体
１３ハンダ付け
２０グランド

Claims

複数の周波数帯域の各々に対応した逆Ｌ字状のエレメントを１つまたは２つグランド上に配置したエレメント組を複数備え、
それぞれの異なる周波数帯域のエレメント組が、使用する周波数帯域に応じた所定の距離を隔ててグラウンド上に対向され、かつ逆Ｌ字方向が反対方向になるように配置され、１つのエレメントに給電されることを特徴とする複数周波数共用アンテナ。
前記所定の距離が、使用する周波数帯域の一番長い波長の１／１００波長〜１／５０波長であることを特徴とする請求項１に記載の複数周波数共用アンテナ。
対向するエレメント組の上側のエレメントの一部を、下側に折り曲げ、エレメントの先端部をグランド板に近接させることで、インピーダンス調整を行うことを特徴とする請求項１に記載の複数周波数共用アンテナ。
対向するエレメント組の上側のエレメントを、水平に折り曲げ、エレメントの面積の広い部分をグランド板に向け、容量を持たせることにより、インピーダンス調整を行うことを特徴とする請求項１に記載の複数周波数共用アンテナ。
対向するエレメント組の上側のエレメントの途中にＳ字状の屈曲部を設け、対向するエレメントとの距離を調整することにより、インピーダンス調整を行うことを特徴とする請求項１に記載の複数周波数共用アンテナ。
対向するエレメント組の上側のエレメントの水平部分の反対側に突起を設け、この突起部分の長さによって、エレメントのインピーダンス調整を行うことを特徴とする請求項１に記載の複数周波数共用アンテナ。
グランド板の中央にＴ字状のエレメントを設け、このエレメントの水平部分に給電することを特徴とする請求項１に記載の複数周波数共用アンテナ。
各エレメントの断面形状を、台形状または「く」の字状としたことを特徴とする請求項１に記載の複数周波数共用アンテナ。
グランド板またはそのフランジに穴を設けて、ビスで筐体に止める構造を有することを特徴とする請求項１に記載の複数周波数共用アンテナ。
給電のための同軸ケーブルを固定するためのフランジをグランド板またはエレメントに設けたことを特徴とする請求項１に記載の複数周波数共用アンテナ。