JP5308009B2 - 無線通信アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は無線通信アンテナ装置に係り、より詳細には水平面に指向性のピークを有する携帯端末用の小型アンテナ装置に関する。

携帯電話等の端末に適用されるアンテナとして、種々の形状・機能を有するものが開発されている。こうしたアンテナは、例えば携帯端末の筐体の端部等に配置されている。
周知のように、現在使用されている携帯端末の周波数は２ＧＨｚ程度である。この周波数では、波長に対して端末が大きくないため、携帯端末の上端または下端にアンテナを設置した場合、垂直面の指向性の変形が少なく、水平面にピークを持つことが可能である。

こうした事情から、現行の携帯端末のアンテナは、そのほとんどが端末の上端部または下端部に設置されており、アンテナをその他の箇所に設けることについてはあまり検討されていない。そのような上端部または下端部ではない箇所に設置されているアンテナとしては、例えば特許文献１に記載のものがある。

特許文献１に記載のスロットアンテナは、端末の中ほどにスロットを設けて取り付けられているものであり、通常のλ／２スロットアンテナの半分を回路基板側面に設置し、対称構造であることを利用してλ／４スロットアンテナとして動作させている。このような構造を有することにより、特許文献１に記載のスロットアンテナは、小型化と、製造工程の容易化およびコスト低減を実現している。
国際公開ＷＯ２００６／０４０６０９号公報

ところで、いわゆる第４世代移動通信（「ＩＭＴ−Ａｄｖａｎｃｅｄ」等と称される）においては、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）方式の導入により、３．８ＧＨｚ程度の周波数を使用することが構想されている。この周波数では、現行の携帯端末と異なり、携帯端末の回路基板の影響による垂直面の指向性の変形が大きくなる。したがって、端末の上端部にアンテナを設置すれば指向性のピークは下向きに、端末の下端部にアンテナを設置すれば指向性のピークは上向きになり、受信ＳＮＲの低下が発生する。

このような事態を回避するために、携帯端末の中ほどの位置にアンテナを設置することが考えられる。しかしながら、この位置に設置する場合、パッチアンテナでは単指向性となってしまう。また、特許文献１に記載のようなスロットアンテナでは、水平面の無指向性を実現可能ではあるものの、大型化してしまうため携帯端末には不適当である。
そこで、本発明は、ＭＩＭＯアンテナに利用可能な携帯端末用の小型の無線通信アンテナ装置を提供することを目的とする。

前述の目的を達成するため、本発明による無線通信アンテナ装置は、相対的に長い辺の中央付近にコ字状の開口でなる切欠部が少なくとも１以上形成された矩形の誘電体基板と、切欠部の開口近傍に辺に沿うように取り付けられ、当該切欠部の開口よりも短い長さのアンテナ素子と、アンテナ素子の一端と切欠部の開口近傍との接点に設けられ、当該アンテナ素子に給電するための給電点とを備え、アンテナ素子の他端と誘電体基板との間に間隙が設けられる。

この無線通信アンテナ装置において、間隙は、アンテナ素子の他端と誘電体基板との間に誘電体切片が介在されることにより誘電体基板に対して垂直方向に設けられる。
この無線通信アンテナ装置において、アンテナ素子は誘電体切片の表面上に折り曲げて形成されてもよい。

また、これらの無線通信アンテナ装置において、誘電体基板の上には金属板が装着され、切欠部は金属板のみを切欠いて形成されてもよい。切欠部の各辺の長さとアンテナ素子の長さとの和はλ／２であってもよい。

本発明によれば、水平面上に指向性のピークを有し、かつ携帯端末への適用に好適な小型のアンテナ装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を説明する。
図１に示すのは、本発明の第一の実施例によるアンテナ装置である。図示するように、アンテナ装置１００は基板１０を備え、基板１０の相対的に長い一辺の中央にはコの字型の切欠部３０が設けられる。切欠部３０には、基板１０の辺に沿ってアンテナ部２０が取り付けられている。

アンテナ装置１００の構成を図２に概略的に示す。このアンテナ装置１００においては、図２（ａ）に示すように基板１０に切欠部３０を形成したあと、図２（ｂ）に示すようにアンテナ素子２１を切欠部３０の開口部に取り付ける。ここで、アンテナ素子２１の一端には給電点２２が設けられる。また、アンテナ素子２１の長さは切欠部３０の開口部よりも短いものとし、これによって図２（ｃ）に示すように、アンテナ素子２１と基板１０との間には間隙２３が設けられる。

間隙２３により容量が付加されるので、アンテナ装置１００においては、アンテナ素子２１の短縮化および入力インピーダンスの調整が可能となる。なお、図２（ｃ）に示す矢印は給電された電流を表している。

図３に示すのは、図１に示すアンテナ装置１００の一部を拡大した斜視図であり、（ａ）および（ｂ）は同一の部分を異なる角度から見た様子を表している。図示するように、基板１０は金属板１１を誘電体基板１２の表面上に装着して形成されており、この金属板１１の一部を切欠いて切欠部３０が設けられる。また、アンテナ部２０は、誘電体基板１２と同様の誘電体からなる切片２４と、この誘電体切片２４の表面上に金属で形成されたアンテナ素子２１とを有して構成され、切欠部３０上に取り付けられている。

アンテナ素子２１は誘電体切片２４の表面上を延伸し、この素子２１の一端には図示しない給電点が設けられる。また、アンテナ素子２１の他端は誘電体切片２４の上面にあり、誘電体基板１２とアンテナ素子２１との間に誘電体切片２４が介在されることによって間隙２３が設けられている。なお、図３（ａ）および（ｂ）においてはアンテナ素子２１が誘電体切片２４上を誘電体基板１２の表面まで延伸している。したがって、短絡を回避するため、金属板１１の一部にさらに小切欠部３１が設けてある。この部分については、アンテナ素子２１を誘電体基板１２の表面に届かない長さに短縮することにより、小切欠部３１を設けないようにしてもよい。

前述のように、誘電体基板１２とアンテナ素子２１との間に間隙２３を設けることによって容量が付加されるため、アンテナ素子２１の短縮化および入力インピーダンスの調整が可能となる。また、本実施例のような構成とすることにより、誘電体切片２４上でアンテナ素子を折り曲げることができるようになり、切欠部の縮小化およびアンテナの小型化を実現することができる。

この実施例において、各部の寸法は、基板１０（金属板１１および誘電体基板１２）が１００ｍｍ×６０ｍｍ、切欠部３０が７ｍｍ×７ｍｍであり、誘電体切片２３が７ｍｍ×３ｍｍとした。また、誘電体切片２３の厚さは１ｍｍ、アンテナ素子２１の金属帯の幅は１ｍｍ、誘電体切片の誘電率は３．３、シミュレーション周波数は３．７７５ＧＨｚとした。

なお、例えばアンテナ素子２１の金属帯の幅を太くすることにより、アンテナ装置１００を広帯域化することも可能である。アンテナ装置１００は、切欠部の各辺の長さとアンテナ素子の長さとの和が略λ／２で共振し、アンテナとして動作する。
このようなアンテナ装置１００について、図４および５にモノポールアンテナとの比較を示す。図４は電流分布図であり、（ａ）は本発明によるアンテナ装置１００、（ｂ）は一般的なモノポールアンテナを示すものである。また、図５ＡおよびＢはθ成分の指向性を示す図であり、図５Ａはアンテナ装置１００、図５Ｂはモノポールアンテナを表している。

図４（ａ）および（ｂ）において、濃色部分は電流が流れていることを表している。図４（ａ）に示すように、本発明のアンテナ装置１００においてはアンテナ部２０および切欠部３０の周囲にのみ電流が見られるのに対し、図４（ｂ）に示すように、モノポールアンテナにおいては基板の広い範囲に電流が流れており、モノポールアンテナでは指向性の変化が生じていることがわかる。

一方、図５Ａおよび図５Ｂにおいては、濃色部分は指向性が強いことを表している。図５Ａに示すように、本発明のアンテナ装置１００では濃色部分が中央部に水平方向に延びており、指向性のピークが略水平面上に存在していることがわかる。これに対し、図５Ｂに示すように、モノポールアンテナでは濃色部分が中央より下方で水平方向に広がっている。これは、モノポールアンテナの指向性のピークが下向きであることを表している。
このように、本発明によれば、水平面に指向性ピークを有するアンテナ装置を提供することが可能である。

次に、本発明の第二の実施例について説明する。図６に示すのは、本発明の第二の実施例によるアンテナ装置１０１である。アンテナ装置１０１においては、基板１０の相対的に長い二辺の中央付近にそれぞれ２つのコの字型の切欠部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄが設けられ、ここに基板１０の辺に沿って各々アンテナ部２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄが取り付けられている。アンテナ部２０ａ〜２０ｄは、第一の実施例におけるアンテナ部２０と同様に、誘電体切片とアンテナ素子とから構成される。

このアンテナ装置１０１は、高速伝送を行うＭＩＭＯ方式を想定した実施形態であり、複数のアンテナ部２０ａ〜２０ｄを備えることにより周波数利用効率を上げている。各部の寸法は、例えば第一の実施例のアンテナ１００と同一であってもよい。

携帯端末に搭載されたアンテナにおいては一般に、携帯端末がランダムな方向に傾けられて使用されるため、アンテナの指向性が変動し、これに伴って実効利得も変化する。これに対し、本発明のアンテナ装置１０１では、複数の切欠部３０ａ〜３０ｄおよび複数のアンテナ部２０ａ〜２０ｄを有することにより、携帯端末の傾きにかかわらず、従来のアンテナ装置に比べて良好な平均実効利得（ＭＥＧ：Ｍｅａｎ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｇａｉｎ）が得られる。

この点について、本発明のアンテナ装置１０１の効果を図９乃至１１を参照して説明する。ここで、平均実効利得とは、アンテナの傾斜角と、伝搬路の平均交差偏波電力比（ＸＰＲ：Ｃｒｏｓｓ−Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｒａｔｉｏ）と、到来波の分布特性とを考慮して算出されるものであり、“Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｍｅａｎ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｇａｉｎ ｏｆ Ｍｏｂｉｌｅ Ａｎｔｅｎｎａｓ ｉｎ Ｌａｎｄ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒａｄｉｏ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ” Ｔａｇａ （ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｖｏｌ．３９， Ｎｏ．２， Ｍａｙ １９９０， ｐｐ．１１７−１３１）に詳述されている。

図８に示すのは、４つの逆Ｆアンテナ３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄを搭載したアンテナ装置１０２である。このアンテナ装置１０２と、先に構成を説明した本発明によるアンテナ装置１０１との平均実効利得を比較すると、図９乃至図１１に表すような結果が得られた。

図９乃至１１には、本発明によるアンテナ装置１０１と、アンテナ装置１０２とについて、到来波仰角０°、２０°、４０°、到来波仰角標準偏差２０°、平均交差偏波電力に６ｄＢのパラメータに基づいて平均実効利得を計算し、それぞれ４つのアンテナ素子の平均実効利得を平均したものを示す。各図において、縦軸は平均実効利得を、横軸はアンテナの傾斜角を示している。また、図９は到来波仰角０°の場合、図１０は到来波仰角２０°の場合、図１１は到来波仰角４０°の場合をそれぞれ表し、実線が本発明によるアンテナ装置１０１、破線がアンテナ装置１０２について得られた値である。

図９乃至１１を参照すると、本発明のアンテナ装置１０１によれば、逆Ｆアンテナを用いたアンテナ装置１０２に比べ、アンテナ傾斜角０〜６０°の範囲において、どの到来波仰角でも高い平均実効利得が得られることがわかる。また、６０°を超えてもアンテナ装置１０２と大きな差異は有さないことがわかる。

このように、複数のアンテナを基板の中央付近に搭載することにより、端末上方部にアンテナを搭載した時よりも平均実効利得の向上が得られる。したがって、ＭＩＭＯ方式等に好適なアンテナとして使用することが可能である。
以上、本発明の好適な実施例を説明したが、本発明はこれらの実施例に限られることなく、他にも様々な実施形態をとることができる。

本発明の第一の実施例によるアンテナ装置を示す図。 本発明によるアンテナ装置の構造を説明する図。 （ａ）、（ｂ）は本発明によるアンテナ装置の構造を説明する斜視図。 （ａ）は本発明の第一の実施例によるアンテナ装置の電流分布を示す図、（ｂ）はモノポールアンテナ装置の電流分布を示す図。 本発明の第一の実施例によるアンテナ装置のθ成分の指向性を示す図 モノポールアンテナ装置のθ成分の指向性を示す図。 本発明の第二の実施例によるアンテナ装置を示す図。 ４つの逆Ｆアンテナを上部に有して構成されるアンテナ装置を示す図。 本発明の第二の実施例によるアンテナ装置および４つの逆Ｆアンテナを有するアンテナ装置の到来波仰角０°における平均実効利得を比較する図。 本発明の第二の実施例によるアンテナ装置および４つの逆Ｆアンテナを有するアンテナ装置の到来波仰角２０°における平均実効利得を比較する図。 本発明の第二の実施例によるアンテナ装置および４つの逆Ｆアンテナを有するアンテナ装置の到来波仰角４０°における平均実効利得を比較する図。

符号の説明

１００ アンテナ装置
１０ 基板
２０ アンテナ部
３０ 切欠部

Claims (3)

1. 矩形の誘電体基板と、
   前記誘電体基板の上に装着される金属板と、
   前記誘電体基板の相対的に長い辺の中央付近で前記金属板を切欠して形成されたコ字状の開口でなる少なくとも一つの切欠部と、
   前記切欠部の開口近傍に前記辺に沿うように取り付けられ、当該切欠部の開口よりも短い長さのアンテナ素子と、
   前記アンテナ素子の一端と前記切欠部の開口近傍との接点に設けられ、当該アンテナ素子に給電するための給電点と
   を備え、前記アンテナ素子の他端と前記誘電体基板との間に間隙が設けられ、
   前記切欠部の各辺の長さと前記アンテナ素子の長さとの和が共振周波数波長の１／２で共振してアンテナとして動作する
   ことを特徴とする無線通信アンテナ装置。
2. 請求項１に記載の無線通信アンテナ装置において、
   前記間隙は、前記アンテナ素子の他端と前記誘電体基板との間に誘電体切片が介在されることにより前記誘電体基板に対して垂直方向に設けられる
   ことを特徴とする無線通信アンテナ装置。
3. 請求項２に記載の無線通信アンテナ装置において、
   前記アンテナ素子は、前記誘電体切片の表面上に折り曲げて形成されることを特徴とする無線通信アンテナ装置。

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