JP4998571B2 - アンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末 - Google Patents

Description

本発明は携帯端末用アレーアンテナに関する技術であって、２つの素子で高効率化を実現するものである。

携帯電話などの携帯無線端末は、電話機能や電子メール機能、インターネット等へのアクセス機能だけに留まらず、近距離無線通信機能、無線ＬＡＮ機能、ＧＰＳ機能、ＴＶ視聴機能、ＩＣカード決済機能など、ますます多機能化が進んでいる。加えて、セルラー通信においては、高速かつ大容量の無線通信システムを実現する技術として、送信側，受信側に複数のアンテナを用いて通信を行う空間多重伝送（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉ-Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ-Ｏｕｔｐｕｔ）の搭載が予定されている。これは、複数の送信アンテナから時空間符号化した同じ信号を同帯域で送信することで空間多重を行い、複数の受信アンテナで受信して信号を分離することにより情報を抽出する。これにより、転送速度を向上させ、かつ大容量通信が可能となる。このような多機能化に伴って、携帯無線端末に搭載されるアンテナの数は増加傾向にあり、複数のアンテナ素子間の結合に伴うアンテナ性能の劣化が深刻な課題となっている。
一方、携帯無線端末では、デザイン性及び携帯性の観点からさらなる小型化、高集積化が望まれる中、装置の小型化を図りつつ、良好なアンテナ特性を維持するためには、アンテナ素子の配置及びアンテナ素子同士の結合に対して種々の工夫が必要となる。また、給電経路やアンテナ素子数をできる限り少なくし、結合劣化対策を施した高性能なアンテナシステムが求められる。
このようなアンテナ素子間の結合の問題に対応する従来の携帯無線機としては、例えば特許文献１及び非特許文献１に開示されているように、アレーアンテナ素子の給電部間を接続するように接続回路を挿入し、アンテナ間の相互結合インピーダンスをキャンセルすることで、アンテナ間の低相関を実現する構成が知られている。

米国特許出願公開第２００８／０２５８９９１号明細書（例えば第６Ａ図）

" Decoupling and descattering networks for antennas", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.24 Issue6 Nov. 1976

しかしながら、特許文献１及び非特許文献１記載の従来構成では、互いのアンテナ素子が近接する辺に接続される接続素子６０６は、素子間の結合位相の逆位相となる電流分布を互いに近接する辺に多く作り出すように動作する。そのため、アンテナ素子の互いに近接する辺に多く分布する電流が打ち消し合うことで、効率が低下するという課題があった。

本発明は、ＭＩＭＯ等への対応を目的とした２素子のアンテナがアレー状に搭載される携帯端末において、同一周波数において従来よりも高効率を実現できるアレーアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末を提供することを目的とする。

本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末は、筐体と、前記筐体に設けられグランドパターンを有する回路基板と、導電性の金属で構成された板状の第一アンテナ素子と、
導電性の金属で構成された板状の第二アンテナ素子と、
前記第一アンテナ素子と前記第二アンテナ素子を接続する接続回路と、
を具備し、
前記第一アンテナ素子及び第二アンテナ素子は、前記回路基板上のグランドパターンと所定の間隔を隔てて互いに近接して略平行に配置されるとともに、前記回路基板に配置される第一給電部及び第二給電部に電気的に接続され、
前記接続回路が、前記第一アンテナ素子と第二アンテナ素子の近接する辺と対向する遠隔部の辺に電気的に接続される。
この構成により、互いのアンテナ素子上で打ち消し合う電流量を低減することができるために、同一周波数において従来よりも高効率を実現できるアレーアンテナを実現することができる。
また、本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末は、前記第一アンテナ素子が、第一インピーダンス整合回路を介して前記第一給電部と電気的に接続されるとともに、前記第二アンテナ素子が、第二インピーダンス整合回路を介して前記第二給電部と電気的に接続される。
この構成により、所望の周波数帯域において、より高効率でより低結合なアンテナ特性を実現できる。
また、本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末は、前記第一アンテナ素子の前記第二アンテナ素子に対向する辺の反対側の辺と前記第二アンテナ素子の前記第一アンテナ素子に対向する辺の反対側の辺との間の距離が０．０２波長以下で構成される。
この構成により、任意の周波数において従来よりも高効率を実現できるアレーアンテナを実現することができる。
また、本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末は、前記第一アンテナ素子及び前記第二アンテナ素子が、前記回路基板側で略直交して配置されるとともに、前記筐体の内壁に沿って折り曲げられて、前記筐体内に配置される。

この構成により、高精度にアンテナ素子を配置することができ、量産性の良いアレーアンテナを実現できる。
また、本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末は、前記第一アンテナ素子又は前記第二アンテナ素子のいずれか、または全てが、プリント基板上の銅箔パターンで構成される。
この構成により、高精度にアンテナ素子を配置することができ、量産性の良いアレーアンテナを実現できる。
また、本発明のアンテナ装置を携帯無線端末に搭載する。
この構成により、携帯無線端末のアンテナ特性を向上させることができ、小型化を図ることができる。
また、本発明のアンテナ装置をＭＩＭＯ対応携帯無線端末に搭載する。
この構成により、ＭＩＭＯ対応可能な携帯無線端末のアンテナ特性を向上させることができ、小型化を図ることができる。

本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末によれば、同一周波数で動作する高効率かつ低結合なアレーアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末を実現することができる。

本発明の実施の形態１における携帯無線端末の構成図 本発明の実施の形態１における接続回路の具体構成を示す図 本発明の実施の形態１における携帯無線端末の特性解析モデルを示す図 本発明の実施の形態１における携帯無線端末のＳパラメータ特性図 本発明の実施の形態１を含む解析条件１から４の条件図 本発明の実施の形態１を含む解析条件１から４の自由空間効率図 本発明の実施の形態２における携帯無線端末の構成図 本発明の実施の形態３における携帯無線端末の構成図 本発明の実施の形態４における携帯無線端末の構成図 従来の低結合アレーアンテナの構成図

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における携帯無線端末の構成図である。図１（ａ）は正面から見た構成図であり、図１（ｂ）は背面から見た構成図である。

図１に示すように、携帯無線端末１００の内部に配置され、回路及びＧＮＤ部１０２が配置された両面基板１０１には、第一無線回路部１０３が構成されており、第一給電部１０５を通じて、板状の第一アンテナ素子１０７に高周波信号が供給されている。さらに、両面基板１０１には第二無線回路部１０４が構成されており、第二給電部１０６を通じて、板状の第二アンテナ素子１０８に高周波信号が供給されている。第一無線回路部１０３及び第二無線回路部１０４は共に無線システムで使用する、第一の周波数で動作する。

第一アンテナ素子１０７及び第二アンテナ素子１０８はいずれも携帯端末内部に配置されるため小型であり、第一の周波数帯域の波長にとって０．５波長以下の長さであるとともに、折り曲げ構造等を用いてさらなる小型化を図っても良い。さらに、第一アンテナ素子１０７及び第二アンテナ素子１０８は限られた端末内部に内蔵させる必要性から、０．１波長以下の距離で略平行に近接配置される。図１では第一アンテナ素子１０７及び第二アンテナ素子１０８は同一平面に構成されている。このため、アンテナ素子間に相互結合インピーダンスが生じ、片方のアンテナ素子に流れた高周波電流が、もう片方のアンテナ素子に誘導電流として流れてしまうことで、結果としてアンテナの放射性能に劣化が生じてしまう。

そこで、迂回接続回路１０９を第一アンテナ素子１０７及び第二アンテナ素子１０８の給電部付近を接続するように挿入し、アンテナ間の第一の周波数帯域の相互結合インピーダンスをキャンセルすることで、アンテナ素子間の結合劣化を改善する手段を用いている。ここで、迂回接続回路１０９は、アンテナ素子同士が近接する辺と対向する遠隔部の辺を接続するように構成される。すなわち、両面基板１０１の背面に構成された接続パターン１１０を第一アンテナ素子１０７側スルーホール１１２ａ及び第一アンテナ素子１０７側回路１１１ａを介して第二アンテナ素子とは反対側から第一アンテナ素子１０７に接続し、第二アンテナ素子１０８側スルーホール１１２ｂ及び第二アンテナ素子１０８側回路１１１ｂを介して第一アンテナ素子とは反対側から第二アンテナ素子１０８に接続することで構成する。迂回接続回路１０９が無い場合には、アンテナ素子同士が近接する部分に多くの高周波電流が流れ、結合劣化が残るが、迂回接続回路１０９を配置することで、高周波電流が素子同士の遠隔部の辺を多く流れるようになるため、結合劣化がより改善される。

さらに、第一アンテナ素子１０７は第一インピーダンス整合回路１１３を介して第一給電部１０５に接続されるとともに、第二アンテナ素子１０８は第二インピーダンス整合回路１１４を介して第一給電部１０６に接続される。第一インピーダンス整合回路１１３及び第二インピーダンス整合回路１１４を配置することで、第一アンテナ素子１０７のインピーダンス整合と第二アンテナ素子１０８のインピーダンス整合と、アンテナ素子間の相互結合インピーダンスの調整をより細かく行うことができ、より結合劣化を軽減する効果が高まる。

なお、図１の構成では第一アンテナ素子１０７、第二アンテナ素子１０８を導電性の金属部品として説明しているが、プリント基板上に構成した銅箔のパターンで構成しても同様な効果が得られる。

図２は、本発明の実施の形態１における迂回接続回路１０９の具体構成を示す図である。

図２に示すように、迂回接続回路１０９にはａ）コンデンサ、ｂ）インダクタｃ）並列共振回路、ｄ）直列共振回路、ｅ）メアンダパターンでの構成が可能である。さらにこれ以外の構成でも、フィルタや、パターンで構成したコンデンサなど、等価回路がコンデンサやインダクタの組合せで表現できる構成であって、相互結合インピーダンスを調整できるものであればいずれの構成でも良い。さらにこれらを複数組み合わせた構成であっても良い。

なお、図１の構成では、２つのアンテナ素子の間に相互結合が生じるが、前記インピーダンス整合回路を配置することで、これらの相互結合インピーダンスを総合的に調整することが可能となる。結果的に、第一の周波数帯域において、第一給電部１０５と第二給電部１０６の間の通過特性であるＳ１２及びＳ２１を低く抑えることができ、結合劣化を改善できる。

続いて、図１の具体的な構成について、性能を解析した事例を示す。

図３は、本発明の実施の形態１における携帯無線端末の特性解析モデルを示す図である。

図３（ａ）に示すように、両面基板１０１の回路及びＧＮＤ部１０２は、ガラエポ製のプリント基板で構成されるが、ここでは長さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍの銅箔にて構成されていることとしてモデル化し、解析を行う。回路及びＧＮＤ部１０２には、第一給電部１０５及び第二給電部１０６を通じて、導電性の銅箔パターンである第一アンテナ素子１０７及び第二アンテナ素子１０８に高周波信号が供給されている。第一給電部１０５及び第二給電部１０６からは、第一の周波数帯域である２ＧＨｚを含む、１ＧＨｚから３ＧＨｚの高周波信号が供給され、Ｓパラメータである通過特性Ｓ２１及び反射特性Ｓ１１、及び放射効率の解析を行う。

第一アンテナ素子１０７及び第二アンテナ素子１０８は長さ２４ｍｍ、幅２．５ｍｍで構成されている。第一アンテナ素子１０７及び第二アンテナ素子１０８は、グランドパターンから２ｍｍ離れて配置されている。給電部からの接続線２ｍｍを含めたアンテナの長さ２６ｍｍは、２ＧＨｚの波長である１５０ｍｍにとって、０．１７３波長の長さに相当する。第一アンテナ素子１０７と第二アンテナ素子１０８の間隔は４．９ｍｍであり、２ＧＨｚに対して略０．０３波長と極めて近接した間隔で配置されている。第一アンテナ素子１０７と第二アンテナ素子１０８が電気的に近接した距離で略平行に配置されるため、アンテナ素子間の相互結合が生じ、各アンテナ素子に流れた高周波電流が、もう片方のアンテナ素子に誘導電流として流れてしまうことで、結果としてアンテナの放射性能に劣化が生じてしまう。

そこで、第一アンテナ素子１０７及び第二アンテナ素子１０８の下端部に、素子の最近接部に構成される辺と異なる辺に接続する迂回接続回路１０９を挿入し、２ＧＨｚにおけるアンテナ間の相互結合インピーダンスをキャンセルすることで、アンテナ素子間の結合劣化を改善する。さらに、第一インピーダンス整合回路１１３及び第二インピーダンス整合回路１１４を各アンテナ素子の根元に配置することで、第一アンテナ素子１０７のインピーダンス整合と第二アンテナ素子１０８のインピーダンス整合と、アンテナ素子間の相互結合インピーダンスの調整をより細かく行うことができ、より結合劣化を軽減する効果を高めている。また、素子の対向する辺の反対側の辺に接続することで、従来構成で見られたアンテナ素子の最近接部の辺における電流分布を低減し、アンテナ素子の遠隔部の辺に電流を移動させることができるため、結合劣化を改善する。

図３（ｂ）に示すように、迂回接続回路１０９は略１ｍｍの幅を持つ接続パターン１１０と直径０．５ｍｍ、長さ１．０ｍｍのスルーホール１１２で構成され、アンテナ素子１０７側に、０．２ｐＦのコンデンサと１．０ｎＨのインダクタが配置されている。さらに、第一インピーダンス整合回路１１３は第一給電部１０５側に１．５ｐＦを配置するとともに、回路基板のグランドパターンに対して２．９ｎＨで接地されている。第二インピーダンス回路１１４も同様に、第二給電部１０６側に１．５ｐＦを配置するとともに、回路基板のグランドパターンに対して２．９ｎＨで接地されている。

図４は、図３の解析モデルを用いて解析した、本発明の実施の形態１におけるＳパラメータ特性図である。図４（ａ）は第一給電部１０５から見たＳ１１波形、図４（ｂ）は第一給電部１０５から第二給電部１０６へ向かう通過特性であるＳ２１波形であり、いずれも横軸は１ＧＨｚから３ＧＨｚまでの周波数特性で示している。なお、図３では解析モデルの形状が左右対称形状であるため、第二給電部１０６から見たＳ２２波形及び、第二給電部１０６から第一給電部１０５へ向かう通過特性であるＳ１２波形が同じ特性になることは周知であるので、ここでは説明を省略する。

図４（ａ）に示すように、２ＧＨｚにおけるＳ１１は−１０ｄＢ以下の低い値となっており、この周波数帯域でインピーダンス整合が取れている様子が分かる。さらに、図４（ｂ）に示すように、２ＧＨｚにおける通過特性であるＳ２１は−１０ｄＢ以下の低い値となっており、この周波数帯域でアイソレーションが確保され、結合劣化が軽減されている様子が分かる。このように、２ＧＨｚにおいて、インピーダンス整合及びアイソレーションが確保でき、結合劣化が軽減されている様子が分かる。

次に、板状の第一アンテナ素子１０７及び板状の第二アンテナ素子１０８の素子幅ａ及び互いのアンテナ素子の素子間隔ｂを変化させた場合のアンテナ特性について示す。

図５は、素子幅ａと素子間隔ｂを変化させた場合の解析条件１から４である。ここで、条件１及び条件３は従来構成を示し、条件２及び条件４は提案構成を示している。なお、図３の構成は解析条件２の解析モデルである。

図６は、シミュレーションにより導出した、図５に示す各条件の自由空間効率を示したものである。接続回路をアンテナ素子の対向する辺の反対側の辺に接続することで、自由空間効率が０．１〜０．３ｄＢ改善していることが分かる。

このように、本実施の形態１によれば、第一アンテナ素子１０７及び第二アンテナ素子１０８を動作させて使用する周波数帯域において結合劣化を改善でき、低結合で高利得な内蔵型アレーアンテナを構成することが可能な端末用アレーアンテナを実現できる。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における携帯無線端末の構成図である。

図７において、図１と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。

図７では、第一アンテナ素子１０７及び第二アンテナ素子１０８が、回路及びＧＮＤ部１０２に対して略直交して伸延された後、携帯無線端末１００の筐体内壁に沿って略直角に折り曲げられて配置される。また、迂回接続回路１０９は、第一アンテナ素子１０７と第二アンテナ素子１０８の対向する辺の反対側の辺に接続するように迂回して配置される。このように配置することで、アンテナ素子を携帯無線端末１００の筐体内に格納することができ、装置の小型化を図りつつ、低結合なアンテナ特性を実現できる。さらに、図８の構成によれば、アンテナ素子の物理的な長さを、携帯無線端末の幅に対して最大限確保することが可能であるため、低い周波数帯域であっても対応することができ、また、高い特性を確保できる効果がある。

（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３における携帯無線端末の構成図である。図８において、図１と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。

図８では、一方の面に第一アンテナ素子１０７及び第二アンテナ素子１０８がプリントされ、もう一方の面に接続パターン１１０をプリントし迂回接続回路１０９を構成した第一プリント基板２００を、携帯無線端末１００の筐体内壁に面するように配置されている。さらに、迂回接続回路の一端は、第一給電部１０５と第二給電部１０６と給電バネ２０１により接続されている。このように配置することで、アンテナ素子を携帯無線端末１００の筐体内に格納することができ、装置の小型化を図りつつ、低結合なアンテナ特性を実現できる。さらに、図８の構成によれば、アンテナ素子の物理的な長さを、携帯無線端末の幅に対して最大限確保することが可能であるため、低い周波数帯域であっても対応することができ、また、高い特性を確保できる効果がある。加えて、高精度にアンテナ素子を配置することができ、量産性の良いアレーアンテナを実現できる。

（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４における携帯無線端末の構成図である。図９において、図１と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。

図９では、一方の面に第一アンテナ素子１０７及び第二アンテナ素子１０８がプリントされ、もう一方の面に接続パターン１１０をプリントし迂回接続回路１０９を構成した第二プリント基板３００を、携帯無線端末１００の筐体内壁と回路及びＧＮＤ部１０２に沿うように配置されている。給電は、第一アンテナ素子１０７及び第二アンテナ素子１０８の端部にあるスルーホール１１２ｃ及びスルーホール１１２ｄを介して行われる。なお、給電は、スルーホールを用いず第二プリント基板３００の外側から板金を回り込むように配置させて行ってもよい。また、図９では第二プリント基板３００が携帯無線端末１００の端部に構成されているが、携帯無線端末の中程に構成してもよい。このように配置することで、アンテナ素子を携帯無線端末１００の筐体内に格納することができ、装置の小型化を図りつつ、低結合なアンテナ特性を実現できる。さらに、図９の構成によれば、アンテナ素子の物理的な長さを、携帯無線端末の幅に対して最大限確保することが可能であるため、低い周波数帯域であっても対応することができ、また、高い特性を確保できる効果がある。加えて、高精度にアンテナ素子を配置することができ、量産性の良いアレーアンテナを実現できる。

本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末は、同一周波数で動作する低結合かつ高効率なアレーアンテナを実現することができるため、携帯電話などの携帯無線端末に有用である。

１００ 携帯無線端末
１０１ 両面基板
１０２ 回路及びＧＮＤ部
１０３ 第一無線回路
１０４ 第二無線回路
１０５ 第一給電部
１０６ 第二給電部
１０７ 第一アンテナ素子
１０８ 第二アンテナ素子
１０９ 迂回接続回路
１１０ 接続パターン
１１１ａ 第一アンテナ素子側回路
１１１ｂ 第二アンテナ素子側回路
１１２ａ 第一アンテナ素子側スルーホール
１１２ｂ 第二アンテナ素子側スルーホール
１１２ｃ 第一アンテナ素子端スルーホール
１１２ｄ 第二アンテナ素子端スルーホール
１１３ 第一インピーダンス整合回路
１１４ 第二インピーダンス整合回路
２００ 第一プリント基板
３００ 第二プリント基板

Claims (7)

1. 筐体と、
   前記筐体に設けられグランドパターンを有する回路基板と、
   前記グランドパターンに対して略平行に配置され、導電性の金属で構成された板状の第一アンテナ素子と、
   前記第一アンテナ素子と近接して略平行に配置され、導電性の金属で構成された板状の第二アンテナ素子と、
   前記第一アンテナ素子と前記第二アンテナ素子とを接続する接続回路と、
   前記回路基板に配置され、前記第一アンテナ素子と電気的に接続される第一給電部と、
   前記回路基板に配置され、前記第二アンテナ素子と電気的に接続される第二給電部と、
   を具備し、
   前記接続回路は、前記第一アンテナ素子の前記第二アンテナ素子に対向する辺の反対側の辺と前記第二アンテナ素子の前記第一アンテナ素子に対向する辺の反対側の辺と電気的に接続されるアンテナ装置。
2. 前記第一アンテナ素子が、第一インピーダンス整合回路を介して前記第一給電部と電気的に接続されるとともに、
   前記第二アンテナ素子が、第二インピーダンス整合回路を介して前記第二給電部と電気的に接続される
   請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記第一アンテナ素子の前記第二アンテナ素子に対向する辺の反対側の辺と前記第二アンテナ素子の前記第一アンテナ素子に対向する辺の反対側の辺との間の距離が０．０２波長以下で構成された、
   請求項１記載のアンテナ装置。
4. 前記第一アンテナ素子及び前記第二アンテナ素子が、前記回路基板に対して略直交して配置されるとともに、前記筐体の内壁に沿って折り曲げられて、前記筐体内に配置された
   請求項１記載のアンテナ装置。
5. 前記第一アンテナ素子又は前記第二アンテナ素子のいずれか、または全てが、プリント基板上の銅箔パターンで構成された、
   請求項１記載のアンテナ装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のアンテナ装置を搭載した携帯無線端末。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のアンテナ装置を搭載したＭＩＭＯ対応携帯無線端末。

Images