JP5325035B2

JP5325035B2 - 複合アンテナ

Info

Publication number: JP5325035B2
Application number: JP2009162730A
Authority: JP
Inventors: 拓也山下; 祐高村
Original assignee: Nissei Electric Co Ltd
Current assignee: Nissei Electric Co Ltd
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-07-09
Also published as: JP2011019111A

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複数のアンテナを組み合わせた多周波広帯域の複合アンテナに関する。さらに詳しくは、本発明は取り分け小型で干渉が無く安定した通信を可能とする複合アンテナに関する。

本出願人は、先に、共振周波数等仕様の異なる個別のアンテナを一体化した複合アンテナでの干渉を防止した複合アンテナとして、各個別のアンテナエレメントの短絡板を対向（向合わせ）配置した複合アンテナを提案した（特許文献１参照。）。

ところが、この方法は２個のアンテナでは容易に実現できるものの、３個以上の個別アンテナの場合には各個別アンテナの短絡板を立体配置（３次元）するしか方法が無く、この場合には、どうしても大きなスペースを要し、ＰＣ等への組み込みアンテナでは左右の限られた同一平面的なスペースしか許容されないので、文献１の方法では、このような用途には適用できないと言う問題が生じていた。

一方、共振周波数等仕様の異なる個別のアンテナを左右一列の状態に同一平面配置する場合にはアンテナ間の干渉を避け、安定して通信を確保するため、各個別アンテナ間の隣接間隔を１５ｍｍ以上に維持する必要があるので、小型化には自ずと限界があった。
さらに、多周波化対応の要求を満たすため、アンテナの個数も３個以上と益々増大化する昨今の状況を踏まえると、いずれの方法も最適な方法ではない。

特開２００８−３１２１６８号公報

したがって、本発明の課題は、パソコン、あるいはＰＤＡ等の情報端末機器等の内に組込まれる共振周波数等仕様の異なる個別の複数のアンテナを組み合わせた複合アンテナにおいて、干渉が無く安定した通信が実現でき、しかも小型化に適した複合アンテナを提供することにある。

本発明者等は、干渉が起きる要因として各アンテナのグランド板に流れる高周波電流による各アンテナのグランド板間での電位差が起因していることに着目し、各アンテナ間での相互干渉が生じないようなグランド（アース）処理方法を見出すに至った。

すなわち、本発明によれば、放射エレメントが短絡板を介してグランド板と電気的に接続されるとともに、給電用同軸ケーブルにより給電されているアンテナであって、以下のａ〜ｃの要件を具備することを特徴とする複合アンテナが提供される。
ａ．該放射エレメントとして、互いに長さの異なる少なくとも３個以上のアンテナが列状
に配置されていること；
ｂ．各放射エレメントはそれぞれの短絡板を介して各グランド板に接続されていること；
ｃ．該給電用同軸ケーブルの少なくとも１つにおいて、その外部導体が給電対象の放射エレメントに対応する（短絡板を介して接続される）グランド板に接続されるとともに、給電対象以外の放射エレメントに対応するグランド板にも接続され、該外部導体を介して接続されたグランド板は同電位となっていること。

本発明によれば、以下の顕著な効果が期待できる。
（１）アンテナ同士が近接配置されているにも拘らず、干渉が生じないので、安定した送受信が実現される。
（２）該近接配置により、アンテナエレメント、ひいてはアンテナの小型化・省スペース化が実現される。
（３）従来の複合アンテナで給電用同軸ケーブルを中間ストリップ加工したものに置き換えはんだ付けするだけなのでその製造工程が簡略化される。

本発明に係る複合アンテナの例を示す斜視図である。図１のアンテナのエレメント部を示す正面図である。図３（ａ）はグランド板を共通グランド（一括グランド）とした、本発明に係る複合アンテナエレメントの参考例を示す斜視図であり、図３（ｂ）は本発明に係る複合アンテナエレメントの実施例の１つを示す斜視図であり、グランド板の一部を筐体グランドとした態様を示している。図１の複合アンテナのＶＳＷＲ特性を示す図で、図４（ａ）はＬＡＮ帯域でのＶＳＷＲ特性図、図４（ｂ）はＷｉ−Ｍａｘ帯域でのＶＳＷＲ特性図である。

以下、本発明の複合アンテナの態様について、３個の個別アンテナを設けた例に基づき添付図面を参照しながら説明する。

図１および図２において、（１）、（２）、（３）は共振周波数等仕様の異なる３個の独立した個別のアンテナで、互いに長さの異なる放射電極エレメント（１ａ）、（２ａ）、（３ａ）とから構成されており、これらエレメントは、図では、同一線上に並置されている。なお、以下の説明においては、“放射電極エレメント“は、単に”エレメント“と略記する。（１ｂ）、（２ｂ）、（３ｂ）はそれぞれに、エレメント（１ａ）、（２ａ）、（３ａ）に付設され、これらエレメントを其々のグランド板（１ｃ）、（２ｃ）、（３ｃ）に接続する短絡板である。これらの短絡板（１ｂ）、（２ｂ）、（３ｂ）は、各グランド板（１ｃ）、（２ｃ）、（３ｃ）の略中央から垂直方向に同一長さで延出している。ここで、各グランド板（１ｃ）、（２ｃ）、（３ｃ）は接続部（１ｄ）、（２ｄ）を介して接続されている。これらエレメントは、グランド板（１ｃ）、（２ｃ）、（３ｃ）に平行しながら、互いに同方向に延出している。
さらに、（Ｐ１ａ）、（Ｐ２ａ）、（Ｐ３ａ）は各エレメント（１ａ）、（２ａ）、（３ａ）それぞれに設けた給電点、（Ｐ１ｂ）、（Ｐ２ｂ）、（Ｐ３ｂ）はそれぞれに、給電点（Ｐ１ａ）、（Ｐ２ａ）、（Ｐ３ａ）に対応して、其々のグランド板（１ｃ）、（２ｃ）、（３ｃ）に設けたアースポイントである。（４ａ）、（４ｂ）、（４ｃ）は給電用同軸ケーブルで、（４ａ１）、（４ｂ１）、（４ｃ１）はそれぞれに、給電用同軸ケーブル（４ａ）、（４ｂ）、（４ｃ）の内部導体、（４ａ２）、（４ｂ２）、（４ｃ２）はそれぞれに、給電用同軸ケーブル（４ａ）、（４ｂ）、（４ｃ）の外部導体である。この場合、内部導体（４ａ１）、（４ｂ１）、（４ｃ１）はそれぞれに、給電点（Ｐ１ａ）、（Ｐ２ａ）、（Ｐ３ａ）に接続され、同様に、外部導体（４ａ２）、（４ｂ２）、（４ｃ２）もそれぞれに、アースポイント（Ｐ１ｂ）、（Ｐ２ｂ）、（Ｐ３ｂ）に接続されている。

さらに、給電用同軸ケーブル（４ａ）及び（４ｂ）は外部導体が露出するよう中間部にストリップ加工が施された中間ストリップ加工同軸ケーブルを使用している。給電用同軸ケーブル（４ａ）、（４ｂ）についてはともに中間部１箇所のシースが剥離、その外部導体（４ａ２−１）、（４ａ２−２）がそれぞれ、グランド板（２ｃ）、（３ｃ）上に位置するアースポイント（Ｐ２ｂ）近傍および（Ｐ３ｂ）近傍のＱ１及びＱ２にはんだ接続されている。

図１のアンテナを、後揚の実施例に示す材質と寸法で作成し、その実験結果であるアンテナのＶＳＷＲ特性を示したのが図４である。この図４から、本発明の広帯域アンテナエレメントを使用したアンテナにあっては、それぞれのアンテナが図４（ａ）で示すＬＡＮ帯域と図４（ｂ）で示すＷｉ-Ｍax帯域の両帯域及びでのＶＳＷＲ特性を良好に維持しながらＬＡＮ帯域とＷｉ-Ｍax帯域の３帯域に亘って干渉することなく安定した送受信が実現されていることが判る。

以上に述べた態様で特徴的なことは、各グランド板（１ｃ）、（２ｃ）、（３ｃ）の少なくとも一部同志が給電用同軸ケーブル（４ａ）及び（４ｂ）の外部導体（４ａ２−１）、（４ａ２−２）により接続されていることにある。
こうすることにより、各アンテナ（１）、（２）、（３）のグランド板（１ｃ）、（２ｃ）、（３ｃ）のアース電位並びに３本の給電用同軸ケーブル（４ａ）、（４ｂ）、（４ｃ）の外部導体（４ａ２）、（４ｂ２）、（４ｃ２）が同電位となるので電位差に起因するノイズの発生が防止でき、これにともないエレメント（１ａ）、（２ａ）、（３ａ）が近接配置されても干渉の懸念なく安定した通信が実現される。

本発明のアンテナエレメント配置においては、各アンテナ間の間隔は５ｍｍ以上であれば干渉の懸念なく、その結果、複合アンテナとしての小型化が実現される。但し各アンテナ間の間隔が大き過ぎるとアンテナ形状のスペース効率が低下するので、望ましい各アンテナ間の間隔は、３ｍｍ〜８ｍｍの範囲であることが望ましい。

本発明において、エレメント（１ａ）、（２ａ）、（３ａ）は、共振周波数に応じてその長さが設定され、共振周波数が２ＧＨｚ〜６ＧＨｚであれば通常２０〜４０ｍｍに設定される。又、エレメント（１ａ）、（２ａ）、（３ａ）の巾については、特段の制約はなく通常１〜５ｍｍの範囲にあればよい。

短絡板（１ｂ）、（２ｂ）、（３ｂ）については、アンテナの小型化の観点から、１０ｍｍ以下の高さと０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲の幅であればよい。
なお、接続板（１ｄ）及び（２ｄ）はグランド板（１ｃ）、（２ｃ）、（３ｃ）を互いに接続するためのものであり、特段の形状である必要はなく、平板状、アングル状等各種形態が選択可能である。又、接続板（１ｄ）及び（２ｄ）の幅は必要な強度が確保できていれば良く、通常１ｍｍ〜３ｍｍの範囲とすればよい。

本発明ではアンテナ形状の小型化も重要ポイントであるので、短絡板（１ｂ）、（２ｂ）、（３ｂ）を含めてエレメント（１ａ）、（２ａ）、（３ａ）の合計面積が５００ｍｍ２以下にあるのが好ましい。一方、グランド板（１ｃ）、（２ｃ）、（３ｃ）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）はλ／４＊λ／４（λは波長）以上が必要になる。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ることが好ましい。

以上に述べたアンテナエレメントの材質としては、洋白（白銅）、銅、鉄、または黄銅等の導電性の金属が好ましく採用される。このアンテナエレメントの作成にあたっては、前記金属の一枚板を放電加工により打ち抜いて、エレメント本体からグランド板に亘る全要素の一体打ち抜き体としてもよい。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所望のアンテナエレメント形状を得るのも有用である。

このようなアンテナエレメントへの給電にあたっては、給電用同軸ケーブル（４ａ）、（４ｂ）、（４ｃ）の内部導体（４ａ１）、（４ｂ１）、（４ｃ１）をそれぞれに、給電点（Ｐ１ｂ）、（Ｐ２ｂ）、（Ｐ３ｂ）に、他方、該ケーブルの外部導体（４ａ２）、（４ｂ２）、（４ｃ２）をそれぞれに、アースポイント（Ｐ１ｂ）、（Ｐ２ｂ）、（Ｐ３ｂ）に接続すればよい。このような接続の手段としては、ハンダ付あるいは超音波接続等がある。給電用同軸ケーブルとしては、周知のフッ素樹脂被覆等の高周波同軸ケーブルが好ましく採用される。

図（３ａ）には、本発明の参考例の態様が示されている。図（３ａ）の態様では、３つのグランド板（１ｃ）、（２ｃ）、（３ｃ）を一枚に一体化し、接続板（１ｄ）、（２ｄ）を廃止した態様を示している。この態様ではグランド板面積が増大しより安定した通信が可能となる。但し、材料代が上がることや、スペース上の制約が有る場合には不向きである。
次に図（３ｂ）の態様について説明する。この態様は本発明の実施例の１つであり、一番右側のアンテナ（３）のグランド板（３ｃ）を金属からなる筐体グランド(３ｃ)に置換し、グランド板（１ｃ）、（２ｃ）を接続板（１ｄ）を介して接続したものである。この態様のように、アンテナの近くに筐体グランドがある場合には、これを有効活用し、アンテナ全体の寸法を削減できる。なお、この図では、一番右側のアンテナ（３）のグランド板（３ｃ）を金属製筐体グランドに置換えた態様を示したが、必ずしも、この位置とする必要は無く設置する筐体により、任意の位置で置換えが可能である。また、筐体グランドに置換えるアンテナの個数についても状況に応じて、任意の個数とすることができる。

以下に、２ＧＨｚ〜６ＧＨｚの広帯域を実現する情報端末機器内蔵用アンテナの具体例を示す。
まず、縦３０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの洋白からなる長方形の平板を放電加工機にて加工して、図２に示す形状のアンテナエレメントを得た。このときのＬＡＮ帯域低域用エレメントとなる（１ａ）の長さは２７．８ｍｍ、Ｗｉ-Ｍax帯域用エレメントとる（２ａ）の長さは２１．４９ｍｍ、そして、ＬＡＮ帯域高域用エレメントとなる（３ａ）の長さは１３ｍｍで幅は共に２ｍｍとした。

また、短絡板（１ｂ）、（２ｂ）、（３ｂ）は共に高さ７ｍｍ、幅２ｍｍで、隣合うアンテナの間隔（Ｌ）は５ｍｍとした。また、グランド板（１ｃ）、（２ｃ）、（３ｃ）は、共に縦２３ｍｍ、横２３ｍｍとした。

さらに、最下辺の中央端面から３ｍｍ内側寄りの位置に給電点（Ｐ１ａ）および（Ｐ２ａ）を設定した。また、アースポイント（Ｐ１ｂ）および（Ｐ２ｂ）はそれぞれに、グランド板（１ｃ）、（２ｃ）上で給電点（Ｐ１ａ）および（Ｐ２ａ）に対向するグランド板（１ｃ）、（２ｃ）の上端板から３ｍｍ内側寄りの位置に設定した。このようにして、エレメント板の高さが７ｍｍ、最大幅が２３ｍｍという小型の平面アンテナエレメントが完成した。

ついで、上記のアンテナエレメントを情報端末機器に内蔵させた。その際、アンテナとして機能させるため、外径０．９３ｍｍ、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給電用同軸ケーブル（４ａ）、（４ｂ）および（４ｃ）として用いた。その際、これらケーブルの内部導体（４ａ１）、（４ａ２）および（４ａ３）をそれぞれに、給電点（Ｐ１ａ）、（Ｐ２ａ）および（Ｐ３ａ）にハンダ付けした。同様にして、外部導体（４ａ２）、（４ｂ２）および（４ｃ２）をそれぞれに、アースポイント（Ｐ１ｂ）、（Ｐ２ｂ）および（Ｐ３ｂ）にハンダ付けした。このようにして、このようにして、最大高が１０ｍｍ、最大幅が９０ｍｍという小型の情報端末機器内蔵用複合アンテナを得た。

さいごに、このアンテナのＶＳＷＲ特性について測定したところ、図４に示す結果が得られた。この図からも明らかなように、本実施例に示すアンテナにあっては、３つのアンテナ、つまりエレメント（１ａ）と（２ａ）および（３ａ）とが互いに干渉することなく、それぞれの帯域即ち、図４（ａ）で示すＬＡＮ帯域（低域：２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚ、高域：４．９ＧＨｚ〜５．８７５ＧＨｚ）と図４（ｂ）で示すＷｉ-Ｍax帯域（２．３ＧＨｚ〜２．４ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚ、３．３ＧＨｚ〜３．８ＧＨｚ）の全帯域に亘って互いに干渉を生じることなく共振しており、それぞれの帯域で十分な帯域幅が確保されていることが分かる。

「比較例」
一方、上記特許文献１のグランド板（４）の中央で縦方向に２等分して、２つの独立アンテナを得た。ついで、一方のアンテナを上方向に４０ｍｍ平行移動させながら偏らして、短絡板（３ａ）、（３ｂ）同士が単に左右方向に非対象配置された複合アンテナとした。この複合アンテナのＶＳＷＲ特性は、５以上であった。これでは、ＬＡＮ帯域とＷｉ-Ｍax帯
域の両帯域に亘って互いに干渉が生じ、同時にそれぞれの帯域でも十分な帯域幅が確保されていない。

以上は、エレメントからグランド板に亘る全要素が同一平面上に配設されている平面複合アンテナの例であるが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、エレメントを必要に応じて９０度折り曲げる等、本発明の思想の範囲内であれば、種々の変更および応用が可能である。さらに、上記の説明では、ＬＡＮ帯域とＷｉ-Ｍax帯域で説明したが、本発明は、この他の帯域の組み合わせ、あるいは、Ｗｉ-Ｍax帯域同志の組み合わせ等、種々の変更に対応可能である。

本発明のアンテナは、パソコンをはじめとしてＰＤＡ等の各種情報端末機器の他に、情報
家電製品あるいは自動車関連機器へも内蔵できる。

１、２、３個別アンテナ
１ａ、２ａ、３ａ放射エレメント
１ｂ、２ｂ、３ｂ短絡板
１ｃ、２ｃ、３ｃグランド板
１ｄ、２ｄ接続板
４ａ、４ｂ、４ｃ給電用同軸ケーブル
４ａ１、４ｂ１、４ｃ１給電用同軸ケーブルの内部導体
４ａ２、４ｂ２、４ｃ２給電用同軸ケーブルの外部導体
４ａ２−１、４ａ２−２給電用同軸ケーブル４ａ、４ｂの中間露出外部導体部
Ｐ１ａ、Ｐ２ａ、Ｐ３ａ給電点
Ｐ１ｂ、Ｐ２ｂ、Ｐ３ｂアースポイント
Ｑ１、Ｑ２中間露出外部導体部（４ａ２−１）及び（４ａ２−２）
のグランド板接続点

Claims

放射エレメントが短絡板を介してグランド板と電気的に接続されるとともに、給電用同軸
ケーブルにより給電されているアンテナであって、以下のａ〜ｃの要件を具備することを特徴とする複合アンテナ。
ａ．該放射エレメントとして、互いに長さの異なる少なくとも３個以上のアンテナが列状に配置されていること；
ｂ．各放射エレメントはそれぞれの短絡板を介して各グランド板に接続されていること；
ｃ．該給電用同軸ケーブルの少なくとも１つにおいて、その外部導体が給電対象の放射エレメントに対応する（短絡板を介して接続される）グランド板に接続されるとともに、給電対象以外の放射エレメントに対応するグランド板にも接続され、該外部導体を介して接続されたグランド板は同電位となっていること。
該各グランド板の少なくとも一部が接続板を介して接続されている請求項１に記載の複合アンテナ。
該各グランド板の一部が筐体グランドである請求項１または２に記載の複合アンテナ。
外部導体が給電対象以外の放射エレメントに対応するグランド板にも接続される該給電用同軸ケーブルの少なくとも１本が、端末を除く中間部の少なくとも１箇所の外部被覆が剥離され外部導体が露出した中間ストリップ加工が施された同軸ケーブルである請求項１〜３のいずれかに記載の複合アンテナ。
該給電用同軸ケーブルがＬ字アングル状の接続板に沿って配設されている請求項１〜４のいずれかに記載の複合アンテナ。