JP5003729B2 - アンテナ及び無線通信装置 - Google Patents

Description

この発明は、携帯電話端末等の無線通信装置に用いられるアンテナ及びそれを備えた無線通信装置に関するものである。

携帯無線機が小型化するにつれて、その受信アンテナの搭載スペースが縮小されつつある。限られた搭載スペースを有効活用しながら、アンテナ特性を向上させようとするアンテナが特許文献１に開示されている。

ここで特許文献１に示されているアンテナの構成を、図１を基に説明する。図１の例では、誘電体５１に電極パターン５２が形成されたアンテナ素子に、導電性の板状補助エレメント５３が取り付けられている。給電点５５は電極パターン５２に接続されている。

特開２００１−３３９２２６号公報

特許文献１に示されているアンテナによれば、誘電体素子を用いることで得られる波長短縮の効果と、接続した導電性の板状補助エレメント５３の効果とによって、アンテナの共振周波数が下がり、限られた搭載スペースを有効活用しながら、アンテナ特性を向上させることができる。

しかし、特許文献１のアンテナでは、誘電体アンテナだけでは所望の周波数で動作させることができず、導電性の板状補助エレメントは必須である。また、特許文献１のアンテナが所望の基本波と高調波でマルチバンド動作する場合にも、前記板状補助エレメントがなければ周波数が変化してしまい、動作できない。すなわち、予め板状補助エレメントの存在を前提として設計を行う必要がある。

そこで、この発明の目的は、上述の問題を解消して、アンテナ特性が高く、周波数調整が容易で、設計上の自由度が高いアンテナ及びそれを備えた無線通信装置を提供することにある。

前記課題を解決するためにこの発明は次のように構成する。
（１）この発明のアンテナは、誘電体基体に給電放射電極が形成されたアンテナ素子と、端部にグランド電極が形成されていない非グランド領域が配された基板と、を備え、前記基板の前記非グランド領域に前記アンテナ素子が配設されてなるアンテナであって、
前記給電放射電極は、給電端子から一旦離れ再度前記給電端子に近接する位置まで前記誘電体基体の表面に沿ってヘリカル状またはループ状に展開する形状を成し、
前記誘電体基体の前記給電放射電極の給電端に給電端子を備え、
前記給電放射電極は、略１／４波長の基本波で共振し、且つ略３／４波長の高調波で共振し、
前記誘電体基体の、前記給電放射電極に分布する前記高調波の電圧強度の分布のほぼ節となる位置に第１の外部端子を備え、
前記第１の外部端子が接続される第１の外部端子接続電極を前記基板に備え、
前記グランド電極から離れる方向へ、前記第１の外部端子接続電極から延びる第１の拡張素子が設けられたことを特徴とする。

（２）また、例えば、前記誘電体基体に前記給電放射電極以外に無給電放射電極が形成され、
前記無給電放射電極は、接地端子から一旦離れ再度前記接地端子に近接する位置まで前記誘電体基体表面に沿ってヘリカル状またはループ状に展開する形状を成し、
前記誘電体基体の前記無給電放射電極の接地端に接地端子を備え、
前記無給電放射電極は、略１／４波長の基本波で共振し、且つ略３／４波長の高調波で共振し、
前記誘電体基体の、前記無給電放射電極に分布する前記高調波の電圧強度の分布のほぼ節となる位置に第２の外部端子を備え、
前記第２の外部端子が接続される第２の外部端子接続電極を前記基板に備え、
前記グランド電極から離れる方向へ、前記第２の外部端子接続電極から延びる第２の拡張素子が設けられる。

（３）例えば、前記給電端子が接続される給電端子接続電極と、前記接地端子が接続される接地端子接続電極とが前記基板にそれぞれ形成され、
前記第１の外部端子接続電極と前記給電端子接続電極との間にインダクタンス素子が接続される。

（４）また、例えば、前記給電端子が接続される給電端子接続電極と、前記接地端子が接続される接地端子接続電極とが前記基板にそれぞれ形成され、
前記第１の外部端子接続電極と前記給電端子接続電極との間、前記第２の外部端子接続電極と前記接地端子接続電極との間、の一方または両方にインダクタンス素子が接続される。

（５）例えば、前記第１の拡張素子は筐体の内部に設けられ、
前記第１の拡張素子と前記第１の外部端子接続電極との間が柔軟性又は弾力性を有する接続部材を介して導通する。

（６）また、例えば、前記第１の拡張素子又は前記第２の拡張素子の少なくとも一方は筐体の内部に設けられ、
前記第１の拡張素子と前記第１の外部端子接続電極との間が、又は前記第２の拡張素子と前記第２の外部端子接続電極との間が柔軟性部材又は弾性部材を介して導通する。

（７）この発明の無線通信装置は、この発明において特有な構成を持つアンテナが筐体内に設けられて構成されていることを特徴とする。

この発明によれば、給電放射電極と無給電放射電極の一方又は両方の基本波の電界を分散できるため、アンテナ性能が向上する。
また、高調波の電圧強度分布の節に拡張素子を接続しているため、高調波（ハイバンド）の周波数を変動させることなく、基本波（ローバンド）の周波数を独立して設定できるので、周波数調整が容易となる。

さらに、アンテナの形状の設計を完了（フィックス）した後でも、拡張素子の有無の選択ができるので、設計上の自由度が向上する。

特許文献１に開示されているアンテナの構成を示す図である。 携帯電話端末等の無線通信装置の筐体内に組み込まれるアンテナの構成を示す部分分解斜視図である。 図２に示したアンテナ素子１の六面図である。 図２・図３に示したアンテナ１０１を備えた携帯電話端末の主要部の断面図である。 図２〜図４に示したアンテナ１０１の等価回路図である。 図６（Ａ）は前記基本波用放射電極による基本波の電圧強度及び電流強度の分布、図６（Ｂ）は前記高調波用放射電極による高調波の電圧強度及び電流強度の分布をそれぞれ表す図である。 第１の実施形態に係るアンテナ１０１の反射特性を示す図である。 図８（Ａ）は、ローバンドでの拡張素子の有無によるアンテナ効率の違いについて示す図、図８（Ｂ）は、ハイバンドでの拡張素子の有無によるアンテナ効率の違いについて示す図である。 第２の実施形態に係るアンテナに用いる基板２に形成されている各種電極のパターンを示す上面図である。 第２の実施形態に係るアンテナの等価回路図である。 第２の実施形態に係るアンテナの反射特性を示す図である。 第３の実施形態に係るアンテナに用いる基板２に形成されている各種電極のパターンを示す上面図である。

《第１の実施形態》
第１の実施形態に係るアンテナ及びそれを備えた無線通信装置の構成について、図２〜図８を参照して説明する。
図２は携帯電話端末等の無線通信装置の筐体内に組み込まれるアンテナの構成を示す部分分解斜視図である。アンテナ１０１は無線通信装置の筐体の形状に沿った形状の誘電体基体１０に対して所定の電極が形成されてなるアンテナ素子１と、基材２０に対して所定の電極が形成されてなる基板２とで構成されている。

基板２には、基材２０に対してグランド電極２３が形成されたグランド領域ＧＡと、基板２の一辺付近に広がる、グランド電極２３が形成されていない非グランド領域ＵＡとを備えている。アンテナ素子１は、非グランド領域ＵＡ内でグランド領域ＧＡから極力離れた位置に表面実装により配設する。
このアンテナ１０１を折り畳みタイプの携帯電話端末に組み込む場合、ヒンジ部またはボトム部（マイク部）に近接する位置に配置する。

図３は、図２に示したアンテナ素子１の六面図である。図３において（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は下面図、（Ｄ）は背面図、（Ｅ）は左側面図、（Ｆ）は右側面図である。

誘電体基体１０及びそれに形成する電極パターンは図中一点鎖線で示す線を中心として左右対称形をなしている。この例では単一の誘電体基体１０を用いて、一点鎖線より左側は給電側のアンテナ素子、右側は無給電側のアンテナ素子として構成されている。

先ず、給電側について説明する。
誘電体基体１０の底面には第１の外部端子１１ｉ、給電端子１１ａ、電極１１ｂ，１１ｄが形成されている。誘電体基体１０の正面には電極１１ｃ，１１ｅ，１１ｇ，１１ｊ，１１ｋが形成されている。また、正面から底面にかけて外部端子導出部１１ｈが形成されている。
誘電体基体１０の上面には電極１１ｆが形成されている。

上記各端子及び電極は次のように連続している。給電端子１１ａ→電極１１ｂ→電極１１ｃ→１１ｄ→１１ｅ→１１ｆ→１１ｇ→１１ｊ→１１ｋ。外部端子導出部１１ｈは底面の第１の外部端子１１ｉに導通している。電極１１ｋは電極１１ｊに連続して形成する。このようにしてヘリカル状またはループ状の給電放射電極が構成されている。

無給電側については次のとおりである。
誘電体基体１０の底面には第２の外部端子１２ｉ、接地端子１２ａ、電極１２ｂ，１２ｄが形成されている。誘電体基体１０の正面には電極１２ｃ，１２ｅ，１２ｇ，１２ｊ，１２ｋが形成されている。また、正面から底面にかけて外部端子導出部１２ｈが形成されている。
誘電体基体１０の上面には電極１２ｆが形成されている。

上記各端子及び電極は次のように連続している。接地端子１２ａ→電極１２ｂ→電極１２ｃ→１２ｄ→１２ｅ→１２ｆ→１２ｇ→１２ｊ→１２ｋ。外部端子導出部１２ｈは底面の第２の外部端子１２ｉに導通している。電極１２ｋは電極１２ｊに連続して形成されている。このようにしてヘリカル状またはループ状の無給電放射電極が構成されている。

図４は、図２・図３に示したアンテナ１０１を備えた携帯電話端末の主要部の断面図である。
アンテナ素子１が実装された基板２は、携帯電話端末の下部筐体３１及び上部筐体３２で構成される空間内に収納される。基板２には携帯電話端末として作用するための高周波回路及びベースバンド回路が構成されている。

基板２の上面には、アンテナ素子１の第１の外部端子が接続される第１の外部端子接続電極、及びアンテナ素子１の第２の外部端子が接続される第２の外部端子接続電極がそれぞれ形成されている。

基板２の下面には、第１の外部端子接続電極に導通する接続部材、及び第２の外部端子接続電極に導通する接続部材が配置されている。図４に表れている接続部材３５は第２の外部端子接続電極に導通する。
下部筐体３１の内面には、給電側の拡張素子と無給電側の拡張素子とがメッキなどによって形成されている。これらの拡張素子は基板２に形成されているグランド電極から遠ざかる方向に延びている。

図４に表れている無給電側の拡張素子３６は接続部材３５及び基板の導電性スルーホールを介して前記第２の外部端子接続電極と接続される。給電側の拡張素子についても同様に、接続部材及び導電性スルーホールを介して前記第１の外部端子接続電極と接続される。
前記接続部材３３，３５は柔軟性または弾性を有する部材、例えば金綿（カナワタ）等のガスケットである。

図５は、図２〜図４に示したアンテナ１０１の等価回路図である。
先ず、給電側については次のとおりである。
給電端子１１ａから電極１１ｂ〜１１ｇ，１１ｊを経由して電極１１ｋまでのループによって、略１／４波長で共振する基本波用放射電極、及び、略３／４波長で共振する高調波用放射電極を構成している。

第１の外部端子１１ｉは基板２の上面の第１の外部端子接続電極２１ｉと導通する。第１の外部端子接続電極２１ｉが接続部材３３を介して拡張素子３４と導通する。

無給電側についても同様に、無給電端子１２ａから電極１２ｂ〜１２ｇ，１２ｊを経由して電極１２ｋまでのループによって、略１／４波長で共振する基本波用無給電放射電極、及び、略３／４波長で共振する高調波用無給電放射電極を構成している。

第２の外部端子１２ｉは基板２の上面の第２の外部端子接続電極２２ｉと導通する。第２の外部端子接続電極２２ｉが接続部材３５を介して拡張素子３６と導通する。

図６（Ａ）は前記基本波用放射電極による基本波の電圧強度及び電流強度の分布、図６（Ｂ）は前記高調波用放射電極による高調波の電圧強度及び電流強度の分布をそれぞれ表している。図６（Ａ）・図６（Ｂ）において実線は電圧強度、破線は電流強度をそれぞれ表す。図５を参照すれば明らかなように、基本波用放射電極は１／４波長で共振し、図中αで示す位置は、無給電放射電極に分布する高調波の電圧強度の分布がほぼ節（電流がほぼ極大）となる位置である。この位置が図５に示した第１の外部端子１１ｉ及び第２の外部端子１２ｉに相当する。

前記接続部材３３を介して前記拡張素子３４が接続される第１の外部端子接続電極２１ｉに前記外部端子１１ｉが接続される。同様に、前記接続部材３５を介して前記拡張素子３６が接続される第２の外部端子接続電極２２ｉに前記外部端子１２ｉが接続される。したがって、拡張素子３４は給電放射電極に分布する高調波の電圧強度の分布がほぼ節となる位置から延びることになり、拡張素子３６は無給電放射電極に分布する高調波の電圧強度の分布がほぼ節となる位置から延びることになる。

この構造により、給電放射電極の基本波の電界が拡張素子３４で分散され、無給電放射電極の基本波の電界が拡張素子３６で分散されるため、アンテナ性能が向上する。高調波に関しては、電圧の節から拡張素子が延びる関係となるので、高調波には影響を与えない。このように、高調波（ハイバンド）の周波数を固定したまま、基本波（ローバンド）の
周波数を独立して行えるので、周波数調整が容易となる。

図７は第１の実施形態に係るアンテナ１０１の反射特性を示す図である。図７において低域側に現れているＲＬｆで示すリターンロスの小さな特性は基本波モードの共振によるもの、高域側に現れているＲＬｈで示すリターンロスの小さな特性は高調波モードの共振によるものである。いずれも給電放射電極及び無給電放射電極によって複共振が生じている。

拡張素子３４，３６を設けた場合の反射特性ＲＬ１と、設けない場合の反射特性ＲＬ０とを対比すると、基本波モード（ローバンド）のリターンロスがより小さくなっていることが分かる。これは拡張素子の付加によりアンテナ体積が大きくなったことと、電界分布が分散したことによるものである。

図８（Ａ）は、ローバンドでの拡張素子の有無によるアンテナ効率の違いについて示す図である。また、図８（Ｂ）は、ハイバンドでの拡張素子の有無によるアンテナ効率の違いについて示す図である。

前述のとおり、拡張素子は、高調波（ハイバンド）の特性に殆ど影響を与えることなく基本波（ローバンド）に対して作用する。そのため、図８（Ａ）・図８（Ｂ）に表れているように、ローバンドのアンテナ効率を効果的に向上させることができる。

《第２の実施形態》
第２の実施形態に係るアンテナに用いる基板は第１の実施形態で図２に示した基板２と同じものである。アンテナ素子の構成についても、第１の実施形態で図２・図３に示したアンテナ素子１と同様である。

図９は、第２の実施形態に係るアンテナに用いる基板２に形成されている各種電極のパターンを示す上面図である。
給電側の構成は次のとおりである。
基板２の非グランド領域の上面には、第１の外部端子接続電極２１ｉ、給電端子接続電極２１ａ、電極２１ｂ，２１ｄが形成されている。また、給電端子接続電極２１ａから延びる電極２１ｍ、この電極２１ｍの端部から飛び石状パターンの電極２１ｎ，２１ｐがそれぞれ形成されている。

第１の外部端子接続電極２１ｉには、図３に示した第１の外部端子１１ｉが接続される。また給電端子接続電極２１ａにはアンテナ素子１の給電端子１１ａが接続される。同様に、基板上の電極２１ｂ，２１ｄにはアンテナ素子１の電極１１ｂ，１１ｄがそれぞれ接続される。

上記給電端子接続電極２１ａから延びる電極２１ｍとグランド電極２３との間には給電回路（送受信回路）が接続される。また、飛び石状パターンの電極２１ｎ，２１ｐとグランド電極２３との間、及び電極２１ｍとの間には、整合回路用のチップコンデンサまたはチップインダクタが搭載される。

無給電側の構成は次のとおりである。
基板２の非グランド領域の上面には、第２の外部端子接続電極２２ｉ、接地端子接続電極２２ａ、電極２２ｂ，２２ｄが形成されている。

第２の外部端子接続電極２２ｉには、図３に示した第２の外部端子１２ｉが接続される。また接地端子接続電極２２ａにはアンテナ素子１の接地端子１２ａが接続される。同様に、基板上の電極２２ｂ，２２ｄにはアンテナ素子１の電極１２ｂ，１２ｄがそれぞれ接続される。

第１の実施形態と異なるのは、第１の外部端子接続電極２１ｉと給電端子接続電極２１ａとの間、第２の外部端子接続電極２２ｉと接地端子接続電極２２ａとの間にそれぞれチップインダクタＣＬを搭載していることである。

図１０は、第２の実施形態に係るアンテナの等価回路図である。第１の実施形態で図５に示したアンテナと異なるのは、チップインダクタＣＬを設けたことである。

図１１は、第２の実施形態に係るアンテナの反射特性を示す図である。図１１において低域側に現れているＲＬｆで示すリターンロスの小さな特性は基本波モードの共振によるもの、高域側に現れているＲＬｈで示すリターンロスの小さな特性は高調波モードの共振によるものである。いずれも給電放射電極及び無給電放射電極によって複共振が生じている。

図１０において、基本波モードについては、チップインダクタＣＬが存在しないとすると、給電側の放射電極１１（１１ａ，１１ｂ〜１１ｆ，１１ｇ，１１ｊ）は、給電端から開放端までループを一周して電流が流れる。第１の外部端子接続電極２１ｉと給電端子接続電極２１ａとの間にチップインダクタＣＬを接続すると、上記放射電極１１の途中と給電端との間にチップインダクタを経由するショーカット経路ができることになる。そのため、上記ループを一周する経路と、チップインダクタを経由する経路との二つの電流経路ができ、等価的な放射電極１１の電気長が短くなって、基本波モードの共振周波数が上昇する。図１１にこのことが現れている。

また、上記チップインダクタのインダクタンスが小さくなるほど、上記二つの電流経路のうちチップインダクタを経由する経路を流れる電流量の割合が増して、放射電極の等価的な電気長がより短くなり、基本波モードの共振周波数がより上昇する。

高調波モードについては、基本波モードの共振周波数より周波数が高いため、上記チップインダクタを流れる電流量の割合が小さい。そのため、基本波モードの共振周波数を制御するために用いるチップインダクタのインダクタンス値の範囲では高調波モードの共振周波数は殆ど変化しない。

前記第１・第２の外部端子１１ｉ，１２ｉ、前記第１・第２の外部端子接続電極２１ｉ，２２ｉ、は前記拡張素子を接続するためだけでなく、チップインダクタの接続にも兼ねる。このようにして基本波（ローバンド）の周波数を容易に独立して設定することができる。

《第３の実施形態》
第３の実施形態に係るアンテナに用いる基板は第１の実施形態で図２に示した基板２と同じものである。アンテナ素子の構成についても、第１の実施形態で図２・図３に示したアンテナ素子１と同様である。したがって、アンテナに用いる基板及びアンテナ素子は第１、第２、第３のいずれの実施形態についても同じものである。

第３の実施形態に係るアンテナは、拡張素子を基板の上面から引き出すように構成している。
図１２は、第３の実施形態に係るアンテナに用いる基板２に形成されている各種電極のパターンを示す上面図である。拡張素子３４は第１の外部端子接続電極２１ｉに接続されて、グランド電極２３から遠ざかる方向に第１の外部端子接続電極２１ｉから延びている。同様に、拡張素子３６は第２の外部端子接続電極２２ｉに接続されて、グランド電極２３から遠ざかる方向に第２の外部端子接続電極２２ｉから延びている。これらの拡張素子３４，３６は例えば成形された金属板である。

なお、第１〜第３の実施形態では、給電放射電極と無給電放射電極とを備えた例を示したが、無給電放射電極が無い（したがって無給電側の拡張素子も存在しない。）タイプであっても、本発明は同様に適用できる。

また、第１〜第３の実施形態では、給電側と無給電側の両方に拡張素子（３４，３６）を設けたが、拡張素子は給電側にのみ、または無給電側にのみに設けてもよい。

１…アンテナ素子
２…基板
１０…誘電体基体
１１ａ…給電端子
１１ｂ〜１１ｋ…電極
１１ｉ…第１の外部端子
１２ｉ…第２の外部端子
１２ａ…接地端子
１２ｂ〜１２ｋ…電極
２０…基材
２１ａ…給電端子接続電極
２１ｂ，２１ｄ…電極
２１ｍ，２１ｎ，２１ｐ…電極
２１ｉ…第１の外部端子接続電極
２２ｉ…第２の外部端子接続電極
２２ａ…接地端子接続電極
２２ｂ，２２ｄ…電極
２２ｎ…電極
２３…グランド電極
３１…下部筐体
３２…上部筐体
３３，３５…接続部材
３４，３６…拡張素子
１０１…アンテナ
ＣＬ…チップインダクタ
ＧＡ…グランド領域
ＵＡ…非グランド領域

Claims (7)

1. 誘電体基体に給電放射電極が形成されたアンテナ素子と、端部にグランド電極が形成されていない非グランド領域が配された基板と、を備え、前記基板の前記非グランド領域に前記アンテナ素子が配設されてなるアンテナであって、
   前記給電放射電極は、給電端子から一旦離れ再度前記給電端子に近接する位置まで前記誘電体基体の表面に沿ってヘリカル状またはループ状に展開する形状を成し、
   前記誘電体基体の前記給電放射電極の給電端に給電端子を備え、
   前記給電放射電極は、略１／４波長の基本波で共振し、且つ略３／４波長の高調波で共振し、
   前記誘電体基体の、前記給電放射電極に分布する前記高調波の電圧強度の分布のほぼ節となる位置に第１の外部端子を備え、
   前記第１の外部端子が接続される第１の外部端子接続電極を前記基板に備え、
   前記グランド電極から離れる方向へ、前記第１の外部端子接続電極から延びる第１の拡張素子が設けられたアンテナ。
2. 前記誘電体基体に前記給電放射電極以外に無給電放射電極が形成され、
   前記無給電放射電極は、接地端子から一旦離れ再度前記接地端子に近接する位置まで前記誘電体基体表面に沿ってヘリカル状またはループ状に展開する形状を成し、
   前記誘電体基体の前記無給電放射電極の接地端に接地端子を備え、
   前記無給電放射電極は、略１／４波長の基本波で共振し、且つ略３／４波長の高調波で共振し、
   前記誘電体基体の、前記無給電放射電極に分布する前記高調波の電圧強度の分布のほぼ節となる位置に第２の外部端子を備え、
   前記第２の外部端子が接続される第２の外部端子接続電極を前記基板に備え、
   前記グランド電極から離れる方向へ、前記第２の外部端子接続電極から延びる第２の拡張素子が設けられた、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記給電端子が接続される給電端子接続電極と、前記接地端子が接続される接地端子接続電極とが前記基板にそれぞれ形成され、
   前記第１の外部端子接続電極と前記給電端子接続電極との間にインダクタンス素子が接続された、請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記給電端子が接続される給電端子接続電極と、前記接地端子が接続される接地端子接続電極とが前記基板にそれぞれ形成され、
   前記第１の外部端子接続電極と前記給電端子接続電極との間、前記第２の外部端子接続電極と前記接地端子接続電極との間、の一方または両方にインダクタンス素子が接続された、請求項２に記載のアンテナ。
5. 前記第１の拡張素子は筐体の内部に設けられ、
   前記第１の拡張素子と前記第１の外部端子接続電極との間が柔軟性又は弾力性を有する接続部材を介して導通する、請求項１または３に記載のアンテナ。
6. 前記第１の拡張素子又は前記第２の拡張素子の少なくとも一方は筐体の内部に設けられ、
   前記第１の拡張素子と前記第１の外部端子接続電極との間が、又は前記第２の拡張素子と前記第２の外部端子接続電極との間が、柔軟性又は弾力性を有する接続部材を介して導通する、請求項２または４に記載のアンテナ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のアンテナを筐体内に設けてなる無線通信装置。

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