JP4880439B2

JP4880439B2 - アンテナエレメント

Info

Publication number: JP4880439B2
Application number: JP2006344890A
Authority: JP
Inventors: 拓也山下; 伊藤　　達彦
Original assignee: Nissei Electric Co Ltd
Current assignee: Nissei Electric Co Ltd
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: JP2008160319A

Description

本発明は、パソコン、ＰＤＡ（携帯型情報機器）、携帯電話、あるいはＶＩＣＳなどの情報端末機器等に内蔵させる多周波用小型アンテナエレメントに関する。

近年の無線ＬＡＮあるいはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（近距離無線データ通信システム）搭載のＰＤＡ等においては、アンテナの多周波化とともに小型化の要求がますます強くなってきている。その中でも最近は、特に携帯電話等で使用されているＷＡＮ帯域（８２４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚ及び１７１０ＭＨｚ〜２２００ＭＨｚ）での要求が高まってきている。

ところで、ＷＡＮ帯域では、低域周波数帯域での使用周波数が低いため、不可避的に低周波側放射エレメントが長くなる。このため、該低周波側放射エレメントを更に外方に折り返した構造として、エレメント長を確保する提案もなされている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この折返し構造にすると、アンテナ形状・寸法が大きくなる傾向があり、機器によっては組み込めなくなるという問題が生じる。又、このアンテナにおいては、更にＤＶＢＨ・ＧＰＳ帯域（中心周波数１．６ＧＨｚ（１５７５ＭＨｚ〜２１７０Ｍｚの帯域）までをカバーするような認識はなされていない。

特開２００６−３１１１５３号

したがって、本発明の課題は、ＷＡＮ帯域に加えてＤＶＢＨ・ＧＰＳ帯域においても通信感度に優れ、しかも構造がシンプルで小型化にも適した多周波用アンテナエレメントを提供することにある。

本発明者等は、共に細幅状の高周波側放射エレメントと低周波側放射エレメントとを含み、後者の先端部とグランド板との間にオープンスペースが形成されるアンテナエレメントをベースに鋭意検討した。その結果、該高周波側放射エレメントの側面から、更に第三の放射エレメントを該オープンスペースに延出させることにより、上記課題を解決するに至った。

本発明のアンテナエレメントでは、低周波側放射エレメントの先端部と第三の放射エレメントとグランド板の３者間の相互作用によりＷＡＮ帯域のみでなく別の放射エレメントによりＤＶＢＨ・ＧＰＳ帯域でも安定した共振が得られ、もって両帯域での通信感度が向上する。

以下に、３周波対応のアンテナエレメントについて、添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の３周波用アンテナエレメントの一例を示す正面図である。
図２は、本発明の３周波用アンテナエレメントの好ましい例を示す正面図である。
図３は、図２のアンテナエレメントに給電用同軸ケーブルを取り付けた際のアンテナの斜視図である。
図４は、図３のアンテナの周波数特性（ＶＳＷＲ）を示す図（グラフ）である。

図１において、放射エレメント部は、細幅状の高周波側放射エレメント（１）（以下、“高周波エレメント”と略記する。）、細幅状の低周波側放射エレメント（２）（以下、“低周波エレメント”と略記する。）、および高周波エレメント（１）の側面から延出し且つ低周波エレメント（２）と並行関係にある第三の放射エレメント（５）とからなる。この第三の放射エレメント（５）は、図１ではＬ字形で示され、その際、Ｌ字形の短辺が高周波エレメント（１）の側面から起立状態で延出し、その長辺は低周波エレメント（２）と並行に配置されている。本例では、該長辺の長さは、高周波エレメント（１）の長さと低周波エレメント（２）の長さの中間にあり、したがって、この第三の放射エレメント（５）は中間周波数用エレメント（以下、中間周波数用エレメント（５）と記述する。）として機能する。（３）は、高周波エレメント（１）と矩形状グランド板（４）とを電気的に接続する短絡部である。この高周波エレメント（１）は短絡部（３）を介して矩形状グランド板（４）と並行に形成され、更に、該高周波エレメント（１）の終端部（Ｂ１）から接続部（Ａ）を経て低周波エレメント（２）が折り返す形で、矩形状グランド板（４）と並行に形成されている。このとき、低周波エレメント（２）の先端部は、高周波エレメント（１）の始端部（Ｂ２）を超えて逆方向に指向している。このときの先端部は（２ａ）で示される。更に、（Ｌ）は、該始端部（Ｂ２）を超えている先端部（２ａ）の長さである。

更に、（Ｗ）は矩形状グランド板（４）の幅、（Ｈ）は高さである。又、（Ｓ１）は、高周波エレメント部（１）に給電するための給電用同軸ケーブル（６）の内部導体を接続する給電点で、高周波エレメント（１）の中程に位置している。他方、（Ｓ２）は、該給電用同軸ケーブル（６）の外部導体を接続するアースポイントで、矩形状グランド板（４）の上縁部で且つ給電点（Ｓ１）に対峙した位置にある。

このようにして、高周波エレメント（１）と低周波エレメント（２）と中間周波数用エレメント（５）は、矩形状グランド板（４）の幅（Ｗ）方向に並行で且つ該幅（Ｗ）内に配置されている。

本発明に特徴的なことは、低周波エレメント（２）の先端部（２ａ）の長さ（Ｌ）を、矩形状グランド板（４）の幅（Ｗ）の３分の１以上としたうえで、高周波エレメント（１）の側面から中間周波数用エレメント（５）を、始端部（Ｂ２）を超えている先端部の長さが低周波エレメント（２）の先端部（２ａ）の長さ（Ｌ）より短くなるように、前記したオープンスペースに延出させた点にある。このオープンスペースとは、中間周波数用エレメント（５）が存在しないと仮定したときに、低周波エレメント（２）の先端部（２ａ）とこれに対峙する矩形状グランド板（４）とで形成されるスペ−スのことである。

本発明では、中間周波数用エレメント（５）によりＤＶＢＨ・ＧＰＳ帯域での周波数特性を向上させるとともに、先端部（２ａ）と中間周波数用エレメント（５）と矩形状グランド板（４）間の三位一体的相乗作用により通信感度を向上させている。即ち、中間周波数用エレメント（５）経由にて、先端部（２ａ）と矩形状グランド板（４）との間の容量性結合（Ｃ結合）並びに、中間周波数用エレメント（５）と矩形状グランド板（４）との間の容量性結合（Ｃ結合）の容量結合（Ｃ結合）の相互作用により、ＷＡＮ帯域のみならずＤＶＢＨ・ＧＰＳ帯域での通信感度が向上する。さらに詳しくは、共振の等価回路では、先端部（２ａ）の幅方向での誘導性結合（Ｌ結合）、先端部（２ａ）と中間周波数用エレメント（５）との間でのＬＣ共振結合、中間周波数用エレメント（５）の幅方向での誘導性結合（Ｌ結合）、及び先端部（２ａ）と矩形状グランド板（４）との間での容量性結合（Ｃ結合）からなるＬＣ共振結合からなる相乗作用が生じる。その結果、低周波域のみならず中間周波数帯域であるＤＶＢＨ・ＧＰＳ帯域での共振帯域幅も広がってくる。

ここで、先端部（２ａ）の長さ（Ｌ）が、矩形状グランド板（４）の幅の３分の１未満では、容量性結合（Ｃ結合）が十分でなく、アンテナ特性の改善が望めない。又、該値が３分の２を超えると、アンテナの幅方向の寸法が大きくなるので、好ましくない。なお、矩形状グランド板（４）は、図１に示す幅（Ｗ）を超えて幅広にしてもよいが、この場合でも、先端部（２ａ）の長さ（Ｌ）は、該幅（Ｗ）を基準として３分の１〜３分の２に設定される。

具体的に述べると、ＷＡＮ帯域の低域周波数帯域として０．９ＧＨｚが確保できるよう、低周波エレメント（２）の共振周波数（０．９ＧＨｚ）に応じて先端部（２ａ）の長さ（Ｌ）並びに中間周波数用エレメント（５）との間隔を調整して低周波側の共振周波数を設定する。このときの間隔は、干渉と容量結合の効果を考慮し、２ｍｍ〜８ｍｍであることが好ましい。又、中間周波数用エレメント（５）の長さはＤＶＢＨ・ＧＰＳ帯域の中心周波数（１．６Ｇｚ）に共振する波長の略４分の１波長に設定する。更に、中間周波数用エレメント（５）と矩形状グランド板（４）との間隔は、干渉と容量結合の効果を考慮し、２ｍｍ〜８ｍｍであることが好ましい。中間周波数用エレメント（５）の幅は、０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度にあればよい。

図２には、図１の矩形状グランド板（４）を更に発展させた形状が示されている。この例では、矩形状グランド板（４）から延出したＬ字形の細幅状サブグランド（４ａ）が短絡部（３）に接続されている。このとき、該細幅状サブグランド（４ａ）の長辺部は、高周波エレメント（１）と同じ長さで且つ並行関係にあり、従って、両者の間でスリット（Ｃ）が形成されている。そして、該長辺部の中程に、アースポイント（Ｓ２）が設けられる。このスリット（Ｃ）は、高周波エレメント（１）のスリット共振を惹起する。図３には、このようなアンテナエレメントに給電用同軸ケーブル（６）を接続して得たアンテナが示されている。アンテナ自体は、その取付け空間の状況に応じて立体アンテナあるいは平面アンテナとして適用される。

本発明において、高周波エレメント（１）及び低周波エレメント（２）の長さは、採択しようとする波長の概ね１／４の長さに設定するか、この１／４の長さを基準として、部材間の相互作用を考慮しながら実験的に設定すればよい。他方、その幅は０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲から、厚さは０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲から適宜採択する。このとき、抵抗分となる接続部（Ａ）を幅広にすると、電界強度が強くなり、通信感度は更に向上する。具体的には、その幅を４ｍｍ以上で尚且つ高周波エレメント（１）の幅より広くなるように設定すればよい。

以上に述べたアンテナエレメントは、洋白（白銅）、銅、鉄、更には黄銅等の金属一枚板を打ち抜いて得られる。あるいは、平板状絶縁性基板上に銅箔のような金属薄膜を貼り付けた状態で、該金属膜をエッチングしても得ることができる。又、矩形状グランド板（４）については、安定したアンテナ動作を得るためには、その必要最低面積（ｍｍ２）がλ／４＊λ／４（λ＝低周波側）以上を満足することが好ましい。したがって、より安定したアンテナ動作を望む場合には、スペースの許す限り、その面積を大きくすればよい。

給電用同軸ケーブル（６）としては、周知のフッ素樹脂被覆等の高周波同軸ケーブルが採用される。この給電用同軸ケーブル（６）の内部導体の終端は、高周波エレメント（１）にある給電点（Ｓ１）に接続し、外部導体は給電点（Ｓ１）に対峙する矩形状グランド板（４）または細幅状サブグランド（４ａ）上に設けたアースポイント（Ｓ２）に接続される。給電用同軸ケーブル（６）を給電点（Ｓ１）及びアースポイント（Ｓ２）に接続するには、ハンダ付あるいは超音波接続等を利用すればよい。

以下に、図２〜図３に示した３周波対応のアンテナエレメントを、ＷＡＮ帯域（９００ＭＨｚ／１８００ＭＨｚ）及びＤＶＢＨ・ＧＰＳ帯域（１６００ＭＨｚ）を採用する携帯電話内蔵用として、適用する例について示す。

１. 図２のアンテナエレメントの作成：
厚さが０．４ｍｍの洋白の一枚板を打ち抜いて、９００ＭＨｚ及び１８００ＭＨｚ及び１６００ＭＨｚの波長に対応する一体物を作成した。その際の各部材の寸法は、以下のとおりである。
・高周波エレメント（１）：長さ４０ｍｍ、幅１．４ｍｍ。
・低周波エレメント（２）：長さ８０ｍｍ、幅３mm。
・中間周波数用エレメント（５）：長さ４５ｍｍ、幅１．４ｍｍ。Ｌ字形の短辺部は高周波エレメント（１）の終端（Ｂ１）から２５ｍｍの側面から延出。
・中間周波数用エレメント（５）と低周波エレメント（２）との間隔：２ｍｍ。
・矩形状グランド板（４）：幅（Ｈ）８０ｍｍ、高さ（Ｗ）８０ｍｍ。
・細幅状サブグランド（４ａ）：長辺部長さ４０ｍｍ、短辺部長さ１ｍｍ（＝矩形状グランド板（４）と細幅状サブグランド（４ａ）との間隔）、幅が１．４ｍｍ。
・短絡部（３）：高さ１．３ｍｍ（＝高周波エレメント（１）と細幅状サブグランド（４ａ）の長辺部との間隔）、幅３ｍｍ。
・接続部（Ａ）：高さ４．４ｍｍ（＝高周波エレメント（１）と低周波エレメント（２）との間隔）、幅３ｍｍ。
・低周波エレメント（２）の先端部（ａ）の長さ（Ｌ）：４０ｍｍ（＝矩形状グランド板（４）の幅（Ｗ）の２分の１。）。
・先端部（２ａ）と矩形状グランド板（４）の距離（Ｌ１）：９．５ｍｍ。
・給電点（Ｓ１）の位置：高周波エレメント（１）の略中央。
・アースポイント（Ｓ２）の位置：細幅状サブグランド（４ａ）上の略中央で、給電点（Ｓ１）に対峙した位置。

２．図３のアンテナの完成
給電用同軸ケーブル（６）として、外径１．１３ｍｍ、内部導体径０．２４ｍｍのフッ素樹脂（ＰＦＡ）被覆の高周波同軸ケーブルを用意し、その先端部で内部導体及び外部導体を露出させた。内部導体の終端部を給電点（Ｓ１）に、そして該外部導体をアースポイント（Ｓ２）にそれぞれハンダにより接続することにより、図３に示す形状のアンテナを得た。

得られたアンテナの帯域幅をしたところ、図４に示すように、ＶＳＷＲが２以下の帯域が、ＷＡＮ帯域の低周波側の８２４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚで約３００ＭＨｚ、高周波側の１７１０ＭＨｚ〜２２００ＭＨｚで７００ＭＨｚと十分に確保されており、十分な通信特性が得られた。更に、ＤＶＢＨ・ＧＰＳ帯域（１６００ＭＨｚ）帯域でのＶＳＷＲも２以下の帯域が５００ＭＨｚと十分に確保されていた。

比較例

上記の実施例で、中間周波数用エレメント（５）を省略する以外は、同様の実験を繰り返した。このときは、ＶＳＷＲが２以下の帯域が、ＷＡＮ帯域の低周波側の８２４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚでは確保されたものの、ＤＶＢＨ・ＧＰＳ帯域（１６００ＭＨｚ）帯域でのＶＳＷＲが２以下の帯域が僅かに５０ＭＨｚしか得られなかった。

本発明のアンテナは、ＷＡＮ帯域及びＤＶＢＨ・ＧＰＳ帯域（１６００ＭＨｚ）帯域のみならず、ＬＡＮ帯域（２．５ＧＨｚ／５ＧＨｚ）に対しても適用でき、したがって、携帯電話の他に、ＰＤＡ、或いはＶＩＣＳ等の各種情報端末機器のみならず通信機能を有した情報家電、更には自動車関連機器へも同様に利用できる。

本発明の３周波用アンテナエレメントの一例を示す正面図。本発明の３周波用アンテナエレメントの好ましい例を示す正面図。図２のアンテナエレメントに給電用同軸ケーブルを取り付けた際のアンテナの斜視図。図３のアンテナの周波数特性（ＶＳＷＲ）を示す図（グラフ）

符号の説明

１細幅状の高周波側放射エレメント
２細幅状の低周波側放射エレメント
２ａ細幅状の低周波側放射エレメント（２）の先端部
３短絡部
４矩形状グランド板
４ａ細幅状サブグランド
５中間周波数用の細幅状放射エレメント（第三の放射エレメント）
６給電用同軸ケーブル
Ａ接続部
Ｂ１細幅状の高周波側放射エレメント（１）の終端部
Ｂ２細幅状の高周波側放射エレメント（１）の始端部
Ｌ先端部（２ａ）の長さ
Ｗ矩形状グランド板（４）の幅
Ｓ１給電点
Ｓ２アースポイント

Claims

細幅状の高周波側放射エレメント及び細幅状の低周波側放射エレメントを含む放射エレメント部が短絡部を介して、矩形状グランド板の幅内で該幅方向に並行に配置されたアンテナエレメントであって、
該放射エレメント部は、該短絡部に接続された高周波側放射エレメント、該高周波側放射エレメントの先端部から折り返し状に延出し、その先端部が該高周波側放射エレメントの始端部を超えて逆方向に指向するような低周波側放射エレメント、および該高周波側放射エレメントの側面から該高周波側放射エレメントと該低周波側放射エレメントによって内包された空間に延出した後、Ｌ字形に曲がって該低周波側放射エレメントと同方向に指向した並行関係となる第三の細幅状放射エレメントを含み、
その際、該高周波側放射エレメントの始端部を超えて指向する低周波側放射エレメントの先端部の長さが該矩形状グランド板の幅の３分の１以上３分の２以下であり、且つ該高周波側放射エレメントの始端部を超えて指向する該第三の細幅状放射エレメントの先端部の長さが、該低周波側放射エレメントの先端部の長さより短く、該低周波側放射エレメントの先端部と、該第三の細幅状放射エレメントの先端部がそれぞれ、対峙する該矩形状グランド板との間で容量性結合を生じ、さらに該低周波側放射エレメントと該第三の細幅状放射エレメントとの間でもＬＣ共振結合が生じることを特徴とするアンテナエレメント。
該第三の細幅状放射エレメントが中間周波数用エレメントである請求項１に記載のアンテナエレメント。
該先端部と該矩形状グランド板との間隔が３ｍｍ〜１２ｍｍである請求項１または２に記載のアンテナエレメント。
該矩形状グランド板から延出したＬ字形の細幅状サブグランドの終端に短絡部を接続してなり、該細幅状サブグランドと該高周波側放射エレメントの間にスリットが形成されるよう、該細幅状サブグランドの一辺が該高周波側放射エレメントに並行に配置された、請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナエレメント。
給電用同軸ケーブルの内部導体を該高周波側放射エレメントに接続し他方、該給電用同軸ケーブルの外部導体を該矩形状グランド板に接続してなる請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ。
給電用同軸ケーブルの内部導体を該高周波側放射エレメントに接続し他方、該給電用同軸ケーブルの外部導体を該細幅状サブグランドに接続してなる請求項４に記載のアンテナ。