JP5093230B2 - アンテナおよび無線通信機 - Google Patents

Description

この発明は、移動体通信機等の無線通信機に用いられるアンテナおよびそれを備えた無線通信機に関するものである。

携帯電話システムの端末装置（携帯電話）等の無線通信機において複数の周波数帯で用いるアンテナとして特許文献１，特許文献２が開示されている。
図１は特許文献１に示されているアンテナの構成を示す図である。図１において地板８に対して並べて配置されているアンテナ１３は、第１の周波数に共振する第１のアンテナ素子１１と第２の周波数に共振する第２のアンテナ素子１２とを備えている。第１のアンテナ素子１１は、地板８上に配置された第１の給電点１４に接続され、その第１の給電点１４に第１の整合回路１６の一端が接続され、前記第１の整合回路１６の他端が接続点１８に接続されている。

また、第２のアンテナ素子１２は、地板８上に配置された第２の給電点１５に接続され、その第２の給電点１５に第２の整合回路１７の一端が接続され、前記第２の整合回路１７の他端は、前記第１のアンテナ素子１１の場合と同じく接続点１８に接続されている。接続点１８は、伝送線路６を介して無線回路７へと接続され、それらで無線装置１９が構成されている。

第１の整合回路１６はインダクタ２０で構成されている。また、第２の整合回路１７はコンデンサ２２とインダクタ２１とで構成されている。

図２は特許文献２に示されているアンテナの構成を示す斜視図である。このアンテナは２つの単アンテナ３２，３３をアンテナ基板３１の上面に平行且つ近接配置したものである。単アンテナ３２，３３は誘電体基体３４，３５を用いてその一方の主面（表面）にストリップ状の放射電極３６，３７が形成され、基体３４，３５の他方の主面（裏面）には給電電極３９（単アンテナ３２にも同様の給電電極が形成されている。）の周囲を除き全面にグランド電極が形成されている。さらに、基体３４，３５の長手方向に延びる側面には側面グランド電極４２（単アンテナ３３にも同様の側面グランド電極が設けられている。）が設けられていて、単アンテナ３２，３３は側面グランド電極を設けた側面を向かい合わせて配置されている。前記給電電極は放射電極３６，３７との間の静電容量を介して放射電極３６，３７と結合されている。
特開２００５−２４４５５３号公報 特開２００２−２５２５１５号公報

ところが図１のように直接給電型の非グランド実装アンテナを２つ用いてそれぞれ給電を行うようにした構造では、２つの非グランド実装アンテナ同士の干渉の問題があって、単に個別の直接給電型の非グランド実装アンテナの特性を合成したような特性が得られないという問題があった。

また、図２に示したように、隣接する単アンテナ間の干渉を防止するために側面グランド電極を設けると、アンテナのＱ値が高くなって狭帯域特性になってしまう。

そこで、この発明の目的は、複数のアンテナ部同士の干渉を抑え、複数の周波数帯でそれぞれ単アンテナとしての必要な特性を確保し且つ小型化したアンテナおよびそれを備えた無線通信機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）所定の形状を有する誘電体の表面または内部に第１種・第２種の少なくとも２種の放射電極を備え、第１種の放射電極は一方端を開放端とし、他方端に給電端子を備えるモノポール型アンテナであり、第２種の放射電極は一方端に容量結合の給電電極を備え他方端にグランド接続端子を備える容量給電アンテナであり、前記第１種の放射電極の前記開放端と前記第２種の放射電極の給電電極とが前記誘電体の長手方向の対極方向に位置している、ことを特徴としている。

一般に複数の給電系統がある別システムのアンテナ部を近接配置する場合にアイソレーションが大きな問題となり、このアイソレーションを良好にする手段の１つに、アンテナ部間距離を離すことが有効である。しかし、アンテナが占有する物理的体積が大きくなるという問題、または同一体積内でアンテナ部間距離を離した場合に各アンテナ部の物理的体積が減少することによりアンテナ効率が低下するという問題がある。

これに対して上記構成によれば、第１種の放射電極はモノポール型アンテナを構成し、第２種の放射電極は容量給電アンテナを構成するので、第２種の放射電極によって構成される容量給電アンテナは、アンテナＱ値が高いことにより、アイソレーションを確保することができるという効果を奏する。

また第１種の放射電極の一方端（開放端）と第２種の放射電極の給電電極（開放端）とが誘電体の長手方向の対極方向に位置しているので、すなわち開放端同士が最も離れるので２つのアンテナ部間のアイソレーションが確保できる。さらに、モノポール系のアンテナでは、給電点を端に配置した方が放射効率が良好になる傾向があるが、その分、給電線が長くなって損失が増大してしまう。

これに対して上記構成によれば、第２種の放射電極によって構成されるアンテナ（容量給電アンテナ）の給電点を手前に配置し、グランドへの接点を実装基板の端に配置することにより、給電線が短くなって給電線による損失が低減できる。また、異なる通信システム用の２種類のアンテナを一体化でき、２種類のアンテナ間相互の位置精度が向上し、安定した特性が得られる。さらに組み立て・実装コストが削減できる。

（２）前記第１種の放射電極の開放端と前記第２種の放射電極の給電電極は異なった平面上に位置するように構成してもよい。これにより、第１種・第２種の放射電極の電界最大点間距離が長くなって両者間のアイソレーションがより高められる。

（３）前記誘電体は、その誘電体の長手方向に対して垂直面での断面が略Ｌ字形状または略Ｌ字形状部分をなすように構成してもよい。

これにより多様な携帯電話などの無線通信機の形状に対応が可能となる、という効果を奏する。

（４）前記第１種の放射電極は整合用のグランド接続電極（接地導体）を備え、そのグランド接続電極の端部を第２種の放射電極のグランド接続端子に接続してもよい。

これにより整合用のグランド接続電極を接地するための特別なグランド電極が不要となって全体に小型化できる。また実装先への実装構造も簡単となる。

（５）前記第１種の放射電極は給電端子を共用する長さの異なる２つの放射電極から構成してもよい。

この構造により、２つの周波数帯で用いるアンテナとして作用し、第２種の放射電極と合わせて３つの周波数帯域で用いるアンテナとして作用する。

（６）前記誘電体は、組み込み先の無線通信機の筐体または筐体内の構造体の一部をなすように構成してもよい。

これにより第１種・第２種の放射電極によるアンテナが占有する物理的体積を大きく確保するとともに部品点数の削減も図ることができ、全体に小型且つ高利得なアンテナを備えた無線通信機が構成できる。

（７）また、この発明の無線通信機は前記いずれかの構成のアンテナを備えて給電端子および容量結合の給電電極を介して給電を行う無線通信回路を備えることによって構成する。

（８）また前記容量結合の給電電極に対する給電部に整合回路を設けて、第２種の放射電極によるアンテナを第１種の放射電極によるアンテナより狭帯域な無線通信システムに割り当てるようにしてもよい。

これにより第２種の放射電極によるアンテナを狭帯域且つ高利得なシステムに用いることができ、全体のパフォーマンスを高めることができる。

この発明によれば第１種・第２種の少なくとも２種の放射電極をアイソレーションした状態で且つ小型化でき、基板に対するアンテナの実装位置精度が高まる。そのため、複数の周波数帯でそれぞれ単アンテナとしての必要な特性を確保し且つ小型化したアンテナおよびそれを備えた無線通信機が得られる。

特許文献１に示されているアンテナの構成を示す図である。 特許文献２に示されているアンテナの構成を示す図である。 第１の実施形態に係るアンテナの斜視図および断面図である。 同アンテナの導体部分および電極部分の形状を示す図である。 同アンテナを無線通信機に組み込んだ状態での実装基板との関係を示す図である。 同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斜視図である。

符号の説明

５０−第１種の放射電極
５１−第１の放射電極
５２−第２の放射電極
５３−給電端子
５４−整合用グランド接続導体
６１−第２種の放射電極
６２−給電電極
６３−グランド接続端子
７０−誘電体
８１，８２−給電手段
９０−実装基板
９１−基板側給電端子
９２−基板側給電電極
９３−基板側グランド端子
１０１，１０２−アンテナ
ＡＮＴ１−第１のアンテナ部
ＡＮＴ２−第２のアンテナ部
Ａ１，Ａ２−開放端
Ｃｆ−給電容量

《第１の実施形態》
図３（Ａ）は第１の実施形態に係るアンテナの斜視図、図３（Ｂ）は中央部の横断面図である。図４はその導体および電極部分のみを表した図である。
図３においてアンテナ１０１は所定形状の誘電体７０に所定パターンの導体および電極を形成してなる。誘電体７０はこのアンテナ１０１を設ける無線通信機の筐体内の構造体の一部をなす。そのため全体の形状が無線通信機の筐体の一部に組み込まれるように適合している。

このアンテナ１０１は図４に示した所定形状の導体および電極に対して高誘電率の樹脂材料（誘電体セラミック粉末を混合した樹脂）をインサートモールド成型したものである。このアンテナ１０１は第１種の放射電極を備えた第１のアンテナ部ＡＮＴ１と第２種の放射電極を備えた第２のアンテナ部ＡＮＴ２を一体化したものである。

第１のアンテナ部ＡＮＴ１には、一方端Ａ１，Ａ２がそれぞれ開放されて他方端に給電端子５３を備えた２つの放射電極５１，５２を設けている。給電端子５３には実装基板側に設けた接続用のバネ端子が当接して実装基板上の給電手段から第１のアンテナ部ＡＮＴ１へ給電される。２つの放射電極５１，５２はそれぞれモノポール型のアンテナとして作用し、給電端子５３は、この２つの放射電極５１，５２の共用給電端子として作用する。

第２のアンテナ部ＡＮＴ２には、一方端に容量結合の給電電極６２を備え、他方端にグランド接続端子６３を備えた第２種の放射電極６１を設けている。この第２種の放射電極６１は給電電極６２から誘電体７０の手前の側面から上面にかけて延びる放射電極部分６１ａ、誘電体７０の上面で所定領域に広がる面状の放射電極部分６１ｂ、およびそこから誘電体７０の手前の端面を経由してグランド接続端子６３へ繋がる放射電極部分６１ｃからなる。このように第２種の放射電極の一部を面状に広がるように形成することによってアンテナ体積を確保してアンテナ効率を向上させている。また、給電電極６２と第１種の放射電極の開放端（Ａ１，Ａ２）とは同一平面上に無い。

上記給電電極６２は実装基板上に設けた容量給電用の電極との間で容量を形成し、実装基板上に設けた給電手段によって容量給電される。またグランド接続端子６３は実装基板上に設けたグランド接続用のバネ端子に当接してグランドに接続される。また第２種の放射電極６１に対向する実装基板の裏面側にはグランド電極を形成していて、この第２のアンテナ部ＡＮＴ２はグランド実装型容量給電アンテナとして作用する。

このように第１種の放射電極の開放端（Ａ１，Ａ２）と第２種の放射電極の給電電極６２とが誘電体７０の長手方向の対極方向に位置しているので、すなわち２つのアンテナの電界最大点が構造上採り得る最大距離だけ離れているので、さらには第１種の放射電極の開放端（Ａ１，Ａ２）と給電電極６２とは同一平面にないので、電界による相互干渉が緩和でき、第１のアンテナ部ＡＮＴ１と第２のアンテナ部ＡＮＴ２との間に充分なアイソレーションが得られる。そのため、第１のアンテナ部ＡＮＴ１単体の特性と第２のアンテナ部ＡＮＴ２単体の特性を共に確保できる。

また、このように独立して給電される２つのアンテナが近接配置していながらも２つの放射電極間に特許文献２のようなグランド電極が存在しない。そのためアンテナのＱ値が高くなって狭帯域特性になるという問題も生じない。

このようにアイソレーションが確保できて且つ放射電極間の物理的距離を大幅にとる必要がないためアンテナ全体の小型化が図れる。

また、入力系統が異なる２つ以上の放射電極を一体化したので、それぞれの位置ばらつきが１つのアンテナとして吸収されるため、実装基板に実装する際の位置精度が向上する。

また、第２のアンテナ部ＡＮＴ２の給電端子６２を実装基板の内側に配置したので、給電端子６２を実装基板の端部に配置した場合に比べて給電線を短くすることが可能となる。その結果、給電線を引き回すことによる給電線での損失が低減できる。

さらに、図３（Ｂ）に示したように、誘電体７０は、その誘電体７０の長手方向に対して垂直面での断面が略Ｌ字形状または略Ｌ字形状部分をなすように構成しているので、第１種の放射電極５０および第２種の放射電極６１を形成する基材部分を有効に確保するとともに、多様な携帯電話などの無線通信機の形状に対応が可能となる。すなわち、誘電体７０を中実構造にしたものに比べて機器に対する実装構造上のおよび設計上の自由度が高い。また、実装基板上のグランド電極と第１種の放射電極５０および第２種の放射電極６１との間が低誘電率となるので、実装基板から電気的に独立した構造となり、設計が容易となる。

図５は無線通信機を構成した際のアンテナ部分の構成を示す図であり、図３・図４に示したアンテナ１０１を実装基板９０へ実装した状態を示している。
実装基板９０には基板側給電端子９１、基板側給電電極９２、および基板側グランド端子９３をそれぞれ形成している。アンテナ１０１の前記給電端子５３は基板側給電端子９１に、グランド接続端子６３は基板側グランド端子９３にそれぞれバネ端子を介して直接接続する。また、給電電極６２は誘電体７０の内部に埋設していて、基板側給電電極９２に対して所定距離を隔てて対向する。これにより容量給電する。

実装基板９０の第１のアンテナ部ＡＮＴ１が対向する位置にはグランド電極を形成していないが、第２のアンテナ部ＡＮＴ２が対向する位置の裏面にはグランド電極を形成している。したがって第１のアンテナ部ＡＮＴ１は非グランド実装アンテナ、第２のアンテナ部ＡＮＴ２はグランド実装アンテナとして作用する。

図６はこの第１の実施形態に係るアンテナの等価回路図である。このように第１のアンテナ部ＡＮＴ１は第１の放射電極５１および第２の放射電極５２がそれぞれ無線通信回路の給電手段８１から直接給電されるモノポールアンテナとして作用する。また第２のアンテナ部ＡＮＴ２は給電容量Ｃｆを介して無線通信回路の給電手段８２から放射電極６１に対して容量給電される容量給電アンテナとして作用する。

図６において第１の放射電極５１によるアンテナはＣＤＭＡ８００（８４３〜８９０ＭＨｚ）、第２の放射電極５２によるアンテナはＣＤＭＡ２０００（１９２０〜２１３０ＭＨｚ）の無線通信システム用のアンテナとしてそれぞれ用いる。また第２のアンテナ部ＡＮＴ２はＧＰＳ（１５７５ＭＨｚ）の無線通信システム用のアンテナとして用いる。ここで給電容量Ｃｆは給電電極６２に対する給電部の整合回路であり、給電容量Ｃｆのキャパシタンスによって容量給電のインピーダンス整合をとって（アンテナのインダクタンス性を減少し、キャパシタンス性を増加させ）アンテナのＱ値を上げる。これによりアンテナの帯域幅は狭くなるがアンテナ効率が高まる。ＧＰＳのように狭帯域システムではこのことによって高利得なアンテナとして用いることができる。

《第２の実施形態》
図７は第２の実施形態に係るアンテナ１０２の斜視図である。図３に示した第１の実施形態に係るアンテナ１０１と異なるのは、第１のアンテナ部ＡＮＴ１が整合用のグランド接続電極を備えている点である。すなわち図７において第１のアンテナ部ＡＮＴ１の給電端子５３から第１の放射電極５１へ向かう途中と第２アンテナ部ＡＮＴ２のグランド接続端子６３との間に整合用グランド接続導体５４を設けている。この整合用グランド接続導体５４によって、第１の放射電極５１によるインピーダンス整合によりアンテナの所定周波数帯域でのリターンロスが抑えられてアンテナ効率が向上する。しかも、第２のアンテナ部ＡＮＴ２のグランド接続端子６３を兼用しているので、この整合用グランド接続導体５４をグランドに接続するために特別なグランド接続端子が不要である。そのためアンテナ１０１の実装に必要な接点数を減らすことができる。

また整合用グランド接続導体５４による短絡位置を実装基板の端部付近に配置することによって、基板の長さが等価的に長くなり、第１のアンテナ部ＡＮＴ１の放射効率特性が向上する。

なお、以上に示した各実施形態では第１種・第２種の放射電極の一部を誘電体の表面に露出させ、一部を表層付近に埋設するようにしたが、給電端子５３およびグランド接続端子６３を除く全体を誘電体の内部に埋設してもよい。

Claims (8)

1. 所定の形状を有する誘電体の表面または内部に第１種・第２種の少なくとも２種の放射電極を備え、第１種の放射電極は一方端を開放端とし、他方端に給電端子を備えるモノポール型アンテナであり、第２種の放射電極は一方端に容量結合の給電電極を備え他方端にグランド接続端子を備える容量給電アンテナであり、前記第１種の放射電極の前記開放端と前記第２種の放射電極の給電電極とが前記誘電体の長手方向の対極方向に位置している、ことを特徴とするアンテナ。
2. 前記第１種の放射電極の開放端と前記第２種の放射電極の給電電極が異なった平面上に位置している、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記誘電体は、当該誘電体の長手方向に対して垂直面での断面が略Ｌ字形状または略Ｌ字形状部分を備える、請求項１または２に記載のアンテナ。
4. 前記第１種の放射電極は整合用のグランド接続電極を備え、当該グランド接続電極の端部が前記第２種の放射電極のグランド接続端子に接続されている、請求項１、２または３に記載のアンテナ。
5. 前記第１種の放射電極は前記給電端子を共用する、長さの異なる２つの放射電極から成る請求項１〜４のうちいずれかに記載のアンテナ。
6. 前記誘電体は、組み込み先の無線通信機の筐体または筐体内の構造体の一部を成す請求項１〜５のうちいずれかに記載のアンテナ。
7. 請求項１〜６のうちいずれかに記載のアンテナを備え、前記給電端子および前記容量結合の給電電極を介して給電を行う無線通信回路を備えた無線通信機。
8. 前記容量結合の給電電極に対する給電部に整合回路を設けて、前記第２種の放射電極によるアンテナを前記第１種の放射電極によるアンテナより狭帯域な無線通信システムに割り当てた請求項７に記載の無線通信機。

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