JP5380569B2 - アンテナ装置とこのアンテナ装置を備えた電子機器 - Google Patents

Description

この発明の実施形態は、アンテナ装置とこのアンテナ装置を備えた電子機器に関する。

パーソナル・コンピュータやテレビジョン端末に、無線ＬＡＮ（Local Area Network）、WiMAX（登録商標）、ＵＷＢ（Ultra Wideband）或いはBluetooth（登録商標）等を利用する無線インタフェースを内蔵させ、この無線インタフェースによりＷｅｂサイト等からコンテンツや各種データをダウンロードできるようにした電子機器が種々開発されている。

ところで、上記無線インタフェースに使用されるアンテナ装置の中に、空間ダイバーシチやＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）を実現するためのアンテナ装置がある。空間ダイバーシチやＭＩＭＯは複数のアンテナを並べて使用する。このため、電子機器内にアンテナ装置を収容する際には、アンテナが１個の場合に比べ広い収容スペースを確保する必要がある。一方、パーソナル・コンピュータやタブレット型端末等の電子機器は、筐体の薄型化や回路部品の高密度実装により筐体内の余剰スペースが限られている。このため、例えばディスプレイを支持する枠型の筐体部分に複数のアンテナを並べて配置した電子機器が提案されている（例えば特許文献１を参照）。

特開２０１０−４５６９８号公報

ところが、特許文献１等に記載された電子機器では、各アンテナと無線回路との間を接続するために同軸ケーブル等の高周波ケーブルが筐体の枠に沿って配置される。このため、例えば２個のアンテナが並べて配置されている場合、このうちの一方のアンテナから引き出される高周波ケーブルを他方のアンテナ上或いはその近傍に配線せざるを得ない場合がある。このような場合、他方のアンテナがその上又は近傍に配線された高周波ケーブルの影響を受け、共振周波数が所望の値からずれてしまったり、また所望のアンテナ効率が得られなくなるおそれがある。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、アンテナと高周波ケーブルの配置スペースが限られている場合でも、アンテナに対する高周波ケーブルの影響を低減して周波数特性及び放射効率の向上を図ったアンテナ装置とこのアンテナ装置を備えた電子機器を提供することにある。

実施形態に係るアンテナ装置は、無線回路ユニットと接地電位を形成する接地パターンとを備える電子機器に設けられるアンテナ装置であって、上記接地パターンの辺に沿って配置される第１のアンテナユニットと、上記接地パターンの辺に沿って上記第１のアンテナユニットと並設される状態で配置される第２のアンテナユニットと、上記第１のアンテナユニットと上記無線回路ユニットとの間を接続する第１の高周波ケーブルと、上記第２のアンテナユニットと上記無線回路ユニットとの間を接続する第２の高周波ケーブルとを具備する。第１のアンテナユニットは、第１及び第２の周波数帯域に対し共振する。第２のアンテナユニットは、上記第２の周波数帯域に対し共振する。上記第１及び第２の高周波ケーブルは、それぞれ上記第１及び第２のアンテナユニットから当該各アンテナユニットの配列方向に互いに平行する状態で引き出され、かつ上記第１の高周波ケーブルは上記第２のアンテナユニット上を避けて上記接地パターン上を通るように配置される。

第１の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図。 図１に示したアンテナ装置の１つの具体例を示す図。 図１に示したアンテナ装置により得られるＶＳＷＲ特性を示す図。 高周波ケーブルをシングルバンドアンテナ上に配置した参考例により得られるＶＳＷＲ特性を示す図。 図１に示したアンテナ装置により得られる放射効率特性を示す図。 高周波ケーブルをシングルバンドアンテナ上に配置した参考例により得られる放射効率特性を示す図。 図２に示したアンテナ装置により得られる結合量の周波数特性を示す図。 図２に示したアンテナ装置により得られる総効率の周波数特性を示す図。 第２の実施形態に係る電子機器の構成を示す斜視図。 図９に示した電子機器により得られる第２のアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示す図。 ＭＩＭＯアンテナの高周波ケーブルを第２のアンテナ装置上に配線した参考例により得られる第２のアンテナのＶＳＷＲ特性を示す図。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成図である。
このアンテナ装置は、第１のアンテナユニットとしてのデュアルバンドアンテナユニット１と、第２のアンテナユニットとしてのシングルバンドアンテナユニット２を、電子機器に設けられる接地パターン（グランドパターンとも言う）３の一辺に沿って並べて配置している。

デュアルバンドアンテナユニット１は、例えば図２に示すように、第１のアンテナエレメント１１と、第２のアンテナエレメント１２と、第１給電端子１３と、接地端子１４を有する。第１のアンテナエレメント１１は、Ｌ型をなす線状素子からなり、その基端部は上記第１給電端子１３に接続され、先端部は開放されている。第２のアンテナエレメント１２も、Ｌ型をなす線状素子からなり、その基端部は上記接地端子１４に接続され、先端部は開放されている。すなわち、第１のアンテナエレメント１１はモノポール素子として、一方第２のアンテナエレメント１２は無給電素子としてそれぞれ機能する。

また、第２のアンテナエレメント１２はその中間部から先端部にかけての部位が、上記第１のアンテナエレメント１１に対し平行する状態でかつ間隔Ｗで近接配置されており、これにより第２のアンテナエレメント１２は第１のアンテナエレメント１１に対し容量結合する。また、第１及び第２のアンテナエレメント１１，１２は、異なる第１及び第２の周波数帯域ｆ１，ｆ２、例えば２．５GHz帯と５GH帯に対し共振するようにエレメント長が設定される。

シングルバンドアンテナユニット２は、第３のアンテナエレメント２１と、第２給電端子２２を有する。第３のアンテナエレメント２１は、Ｌ型をなす線状素子からなり、その基端部は上記第２給電端子２２に接続され、先端部は開放されている。この第３のアンテナエレメント２１は、上記第２の周波数帯域ｆ２（５GH帯）に対し共振するようにエレメント長が設定される。

上記デュアルバンドアンテナユニット１及びシングルバンドアンテナユニット２は、第２の周波数帯域（５GHz帯）に対しＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）アンテナとして機能する。

ところで、シングルバンドアンテナユニット２は、グランドパターン３に接する辺の位置が、デュアルバンドアンテナユニット１がグランドパターン３に接する辺の位置より図中上方側に後退するように形成されている。なお、デュアルバンドアンテナユニット１についても、その第１給電端子１３の位置によっては、図２に例示するようグランドパターン３に接する辺の位置を一部後退させるように形成してもよい。

上記デュアルバンドアンテナユニット１と図示しない無線回路との間を接続する第１の高周波ケーブル（ＲＦケーブル）４は、その一端が上記第１給電端子１３に接続され、上記シングルバンドアンテナユニット２が後退してグランドパターン３となっている領域を通って引き出される。すなわち、第１のＲＦケーブル４は、上記シングルバンドアンテナユニット２上を避けてグランドパターン３上に配置される。

一方、シングルバンドアンテナユニット２と図示しない無線回路との間を接続する第２の高周波ケーブル（ＲＦケーブル）５は、その一端が上記第２給電端子２２に接続され、上記第１のＲＦケーブル４と同一方向にかつ平行に引き出される。

このような構成であるから、第１のＲＦケーブル４はシングルバンドアンテナユニット２上を避けて、上記シングルバンドアンテナユニット２の後退により形成された領域上を、つまりグランドパターン３上を通って引き出される。このため、シングルバンドアンテナユニット２に対する第１のＲＦケーブル４の影響を抑制することができ、これにより不要共振の発生及び共振周波数のずれは抑制される。

図３は、デュアルバンドアンテナユニット１及びシングルバンドアンテナユニット２の電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数特性の一例を示すもので、図中Ｖ１がデュアルバンドアンテナユニット１のＶＳＷＲ特性を、また図中Ｖ２がシングルバンドアンテナユニット２のＶＳＷＲ特性をそれぞれ示している。同図に示すように、不要共振の発生は抑制される。

ちなみに、第１のＲＦケーブル４をシングルバンドアンテナユニット２上に配線した場合には、例えば図４に示すようにシングルバンドアンテナユニット２のＶＳＷＲに第１のＲＦケーブル４の影響による不要共振Ｅ並びに周波数ずれＤが見られ、これにより所望のアンテナ特性を得ることができない。

また第１の実施形態では、第１及び第２の周波数帯域ｆ１，ｆ２をそれぞれ２．５GHz帯、５GH帯に設定している。すなわち、第１及び第２の周波数帯ｆ１，ｆ２の関係をｆ１＜ｆ２に設定している。このようにすると、低い共振周波数帯域ｆ１付近の効率を改善することが可能となる。図５は、実施形態の構成における、不整合損失を考慮しない場合の放射効率の解析結果の一例を示すものである。これに対し、図６は第１のＲＦケーブル４を図１において第２のＲＦケーブル５に対し反対の方向に引き出した場合の放射効率の周波数特性を示したものである。この図５と図６の特性の対比から明らかなように、第１の実施形態によれば低い周波数帯域（この例では３GHz付近）の放射効率が図示する如くＰup＝１０％向上していることが分かる。

さらに第１の実施形態では、図２に示したようにデュアルバンドアンテナユニット１を、モノポール素子からなる第１のアンテナエレメント１１と、無給電素子からなる第２のアンテナエレメント１２とにより構成し、かつ第２のアンテナエレメント１２を第１のアンテナエレメント１１に対し容量結合させるように配置している。このように構成すると、第２のアンテナエレメント１２がスタブとして機能し、これにより高い共振周波数帯域ｆ２（５GHz帯）におけるデュアルバンドアンテナユニット１とシングルバンドアンテナユニット２との間の結合を抑圧することができる。すなわち、デュアルバンドアンテナユニット１とシングルバンドアンテナユニット２との間のアイソレーション特性を改善することができる。

図７は、結合量の周波数特性を電磁界解析ツールを用いて理論解析した結果を示すものである。同図に示すように、第２のアンテナエレメント１２を設けた場合の結合量Ｃ１は、第２のアンテナエレメント１２を設けない場合の結合量Ｃ０に比べ、高い共振周波数帯域ｆ２（５GHz）付近において図中Ｃupに示す分だけ低減することができる。

さらに第１の実施形態では、第２のアンテナエレメント１２を設けたことにより、この第２のアンテナエレメント１２が第１給電端子１３において２．５GHz帯で動作するデュアルバンドアンテナとして動作することになり、この結果低い共振周波数帯域ｆ１＝２．５GHz帯における総効率を改善することが可能となる。

図８は、総効率の周波数特性を電磁界解析ツールを用いて理論解析した結果を示すものである。同図に示すように、第２のアンテナエレメント１２を設けた場合の総効率Ｄ１は、第２のアンテナエレメント１２を設けない場合の総効率Ｄ０に比べ、低い周波数帯域ｆ１（この例では３GHz）付近で大幅に改善することができる。

［第２の実施形態］
図９は、第２の実施形態に係るアンテナ装置を備えた電子機器の構成を示す斜視図である。この電子機器はノート型パーソナル・コンピュータからなる。なお、電子機器は、ノート型のパーソナル・コンピュータの他に、ポータブル型のテレビジョン放送受信端末、ナビゲーション端末や携帯電話機、スマートホン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）又はタブレット型端末等の携帯型端末であってもよい。

ノート型パーソナル・コンピュータの下部筐体５１の内部には、第１および第２の無線回路３０，４０が配置されている。一方、上部筐体５２はディスプレイを支持するために枠型をなし、この枠型をなす上部筐体５２の上辺部５３にＭＩＭＯアンテナ装置１０及び第２のアンテナ装置２０が並べて配置されている。このとき、ＭＩＭＯアンテナ装置１０及び第２のアンテナ装置２０の配置関係は、ＭＩＭＯアンテナ装置１０を上部筐体５２の上辺部５３の端部に近い位置とし、第２のアンテナ装置２０を上部筐体５２の上辺部５３の中央寄りとする。

ＭＩＭＯアンテナ装置１０は、例えば無線ＬＡＮ（Local Area Network）用として用いられるもので、前記図１又は図２に記載したアンテナ装置と同一の構成を備える。すなわち、ＭＩＭＯアンテナ装置１０は、デュアルバンドアンテナユニット１とシングルバンドアンテナユニット２を並べて配置し、これらのアンテナユニット１，２から同一方向に互いに平行する状態で第１及び第２のＲＦケーブル４，５を引き出している。またこのとき、シングルバンドアンテナユニット２のグランドパターン３と接する辺の位置を後退させ、この後退により形成された領域に上記第１のＲＦケーブル４を配線するようにしている。上記第１及び第２のＲＦケーブル４，５は、上部筐体５２の側辺部５４に沿って配線された後、上記第１の無線回路３０に接続される。

一方、第２のアンテナ装置２０は、例えば無線ＷＡＮ（Wide Area Network）用として用いられるもので、例えば１本のモノポール型アンテナエレメント又は折り返し型のモノポールアンテナエレメントを備えている。そして、このアンテナエレメントの給電端子から第３のＲＦケーブル６が上記第１及び第２のＲＦケーブル４，５と同一方向にかつ互いに平行する状態に引き出され、この第３のＲＦケーブル６は上部筐体５２の側辺部５４に沿って配線された後、上記第２の無線回路４０に接続されている。

このような構成であるから、ＭＩＭＯアンテナ装置１０を上部筐体５２の上辺部５３の端部に近い位置に配置し、第２のアンテナ装置２０を上部筐体５２の上辺部５３の中央寄りに配置しているため、ＭＩＭＯアンテナ装置１０の第１及び第２のＲＦケーブル４，５を引き出す際に、これらのケーブル４，５を第２のアンテナ装置２０上を通さずに配線することができる。このため、第２のアンテナ装置２０が第１及び第２のＲＦケーブル４，５の影響を受けないようにすることができ、これにより第２のアンテナ装置２０における不要共振の発生を抑制することができる。

図１０は第２の実施形態における第２のアンテナ装置２０のＶＳＷＲ特性の一例を示すもので、低い周波数帯域（８００MHz帯）における不要共振の発生は抑えられることがわかる。ちなみに、図１１は参考例としてＭＩＭＯアンテナ装置１０を上辺部５３の中央寄りに、また第２のアンテナ装置２０を上辺部５３の端部付近にそれぞれ配置し、ＭＩＭＯアンテナ装置１０の第１及び第２のＲＦケーブル４，５を第２のアンテナ装置２０上を通過させるように配線した場合の第２のアンテナ装置２０のＶＳＷＲ特性を示すものである。この特性から明らかなように、低い周波数帯域（８００MHz帯）において第１及び第２のＲＦケーブル４，５の影響による不要共振Ｅが発生する。不要共振Ｅが発生すると、無線ＷＡＮの８００MHz帯において所期の放射特性を満たすことが困難となり、無線通信事業者が定める認証手続きを通過できなくなる可能性がある。

［その他の実施形態］
前記実施形態では無線ＬＡＮの信号を受信する場合を例にとって説明したが、対象システムは、地上ディジタルラジオ放送や、自治体が放送する防災放送等のその他のシステムから送信される信号を受信するものであってもよい。
その他、第１のアンテナ装置及び第２のアンテナ装置を構成するアンテナエレメントの種類や本数、構成、サイズについてはどのように設定してもよく、また電子機器の筐体に対する第１及び第２のアンテナ装置の配置位置、ＲＦケーブルの引き出し方向等についても、種々変形して実施できる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…デュアルバンドアンテナユニット、２…シングルバンドアンテナユニット、３…グランドパターン、４…デュアルバンドアンテナユニットのＲＦケーブル、５…シングルバンドアンテナユニットのＲＦケーブル、６…第２のアンテナ装置２０のＲＦケーブル、１１…第１のアンテナエレメント、１２…第２のアンテナエレメント、１３…第１給電端子、１４…接地端子、２１…第３のアンテナエレメント、１０…ＭＩＭＯアンテナ装置、２０…第２のアンテナ装置、３０…第１の無線回路、４０…第２の無線回路、５０…ノート型パーソナル・コンピュータ、５１…下部筐体、５２…上部筐体、５３…上辺部、５４…側辺部。

Claims (10)

1. 無線回路ユニットと、接地電位を形成する接地パターンと、当該接地パターンが形成されていない非接地領域と、当該非接地領域に設けられた第１及び第２の給電点とを備える電子機器に設けられるアンテナ装置であって、
   前記非接地領域において前記接地パターンの辺に沿って配置され、一端部が前記第１の給電点に接続されると共に他端部が開放されて第１及び第２の周波数帯域に対し共振する第１のモノポール素子を有する第１のアンテナユニットと、
   前記非接地領域において前記接地パターンの辺に沿って前記第１のアンテナユニットと並設される状態で配置され、一端部が前記第２の給電点に接続されると共に他端部が開放されて前記第２の周波数帯域に対し共振する第２のモノポール素子を有する第２のアンテナユニットと、
   前記第１の給電点と前記無線回路ユニットとの間を接続する第１の高周波ケーブルと、
   前記第２の給電点と前記無線回路ユニットとの間を接続する第２の高周波ケーブルと
   を具備し、
   前記第１及び第２の高周波ケーブルは、それぞれ前記第１及び第２のアンテナユニットから当該各アンテナユニットの配列方向に互いに平行する状態で引き出され、かつ前記第１の高周波ケーブルは前記第２のアンテナユニット上を避けて前記接地パターン上を通るように配置されるアンテナ装置。
2. 無線回路ユニットと、接地電位を形成する接地パターンとを備える電子機器に設けられるアンテナ装置であって、
   前記接地パターンの辺に沿って配置され、第１及び第２の周波数帯域に対し共振する第１のアンテナユニットと、
   前記接地パターンの辺に沿って前記第１のアンテナユニットと並設される状態で配置され、前記第２の周波数帯域に対し共振する第２のアンテナユニットと、
   前記第１のアンテナユニットと前記無線回路ユニットとの間を接続する第１の高周波ケーブルと、
   前記第２のアンテナユニットと前記無線回路ユニットとの間を接続する第２の高周波ケーブルと
   を具備し、
   前記第１及び第２の高周波ケーブルは、それぞれ前記第１及び第２のアンテナユニットから前記接地パターンの辺に沿って同一方向に互いに平行する状態で揃って引き出され、かつ前記第１の高周波ケーブルは、前記第２のアンテナユニット上を避けて前記接地パターン上を通るように配置されるアンテナ装置。
3. 前記第１及び第２の高周波ケーブルは、それぞれ前記第１及び第２のアンテナユニットから前記接地パターンの辺に沿って同一方向に互いに平行する状態で揃って引き出され、かつ前記第１の高周波ケーブルは、前記第２のアンテナユニット上を避けて前記接地パターン上を通るように配置される請求項１記載のアンテナ装置。
4. 前記電子機器が、無線回路ユニットと、接地電位を形成する接地パターンと、当該接地パターンが形成されていない非接地領域と、当該非接地領域に設けられた第１及び第２の給電点とを備える場合に、
   前記第１のアンテナユニットは、前記非接地領域において前記接地パターンの辺に沿って配置され、一端部が前記第１の給電点に接続されると共に他端部が開放されて第１及び第２の周波数帯域に対し共振する第１のモノポール素子を有し、
   前記第２のアンテナユニットは、前記非接地領域において前記接地パターンの辺に沿って前記第１のアンテナユニットと並設される状態で配置され、一端部が前記第２の給電点に接続されると共に他端部が開放されて前記第２の周波数帯域に対し共振する第２のモノポール素子を有する請求項２記載のアンテナ装置。
5. 前記第１及び第２の周波数帯域は、第１の周波数帯域が第２の周波数帯域より低い値に設定される請求項１又は２記載のアンテナ装置。
6. 前記第２のアンテナユニットの前記接地パターンと接する位置を、前記第１のアンテナユニットの前記接地パターンと接する位置より後退させ、この第２のアンテナユニットを後退させることにより形成される接地パターンの延長領域上に前記第１の高周波ケーブルを配置する請求項１又は２記載のアンテナ装置。
7. 前記第１のアンテナユニットは、
   素子の一端部が第１の給電点において前記第１の高周波ケーブルに接続されると共に他端部が開放された第１のアンテナ素子と、
   素子の一端部が前記接地パターンに対し前記第１の給電点と前記第２の給電点との間の位置で接続されると共に他端部が開放され、かつ前記素子が前記第１のアンテナ素子と容量結合する状態に配置された無給電素子と
   を備える請求項１又は２記載のアンテナ装置。
8. 第１の無線回路ユニットと、接地電位を形成する接地パターンと、当該接地パターンが形成されていない非接地領域と、当該非接地領域に設けられた第１及び第２の給電点と、第１のアンテナ装置とを備える電子機器であって、
   前記第１のアンテナ装置は、
   前記非接地領域において前記接地パターンの辺に沿って配置され、一端部が前記非接地領域に設けられた第１の給電点に接続されると共に他端部が開放されて第１及び第２の周波数帯域に対し共振する第１のモノポール素子を有する第１のアンテナユニットと、
   前記非接地領域において前記接地パターンの辺に沿って前記第１のアンテナユニットと並設される状態で配置され、一端部が前記第２の給電点に接続されると共に他端部が開放されて前記第２の周波数帯域に対し共振する第２のモノポール素子を有する第２のアンテナユニットと、
   前記第１の給電点と前記第１の無線回路ユニットとの間を接続する第１の高周波ケーブルと、
   前記第２の給電点と前記第１の無線回路ユニットとの間を接続する第２の高周波ケーブルと
   を備え、
   前記第１及び第２の高周波ケーブルはそれぞれ前記第１及び第２のアンテナユニットから当該各アンテナユニットの配列方向に互いに平行する状態に引き出され、かつ前記第１の高周波ケーブルは前記第２のアンテナユニット上を避けて前記接地パターン上を通るように配置される電子機器。
9. 第１の無線回路ユニットと、接地電位を形成する接地パターンと、第１のアンテナ装置とを備える電子機器に設けられるアンテナ装置であって、
   前記第１のアンテナ装置は、
   前記接地パターンの辺に沿って配置され、第１及び第２の周波数帯域に対し共振する第１のアンテナユニットと、
   前記接地パターンの辺に沿って前記第１のアンテナユニットと並設される状態で配置され、前記第２の周波数帯域に対し共振する第２のアンテナユニットと、
   前記第１のアンテナユニットと前記無線回路ユニットとの間を接続する第１の高周波ケーブルと、
   前記第２のアンテナユニットと前記無線回路ユニットとの間を接続する第２の高周波ケーブルと
   を具備し、
   前記第１及び第２の高周波ケーブルは、それぞれ前記第１及び第２の給電点から前記接地パターンの辺に沿って同一方向に互いに平行する状態で揃って引き出され、かつ前記第１の高周波ケーブルは、前記第２のアンテナユニット上を避けて前記接地パターン上を通るように配置される電子機器。
10. 枠型をなす筐体と、前記第１のアンテナ装置が共振する第１及び第２の周波数帯域より低い第３の周波数帯域に対し共振する第２のアンテナ装置と、第２の無線回路ユニットと、前記第２のアンテナ装置と前記第２の無線回路ユニットとの間を接続する第３の高周波ケーブルとをさらに備え、
    前記第１のアンテナ装置は、前記枠型をなす筐体の第１の辺部においてその端部又はそれに近い位置に配置され、
    前記第２のアンテナ装置は、前記筐体の第１の辺部において前記第１のアンテナ装置の配置位置より中央寄りに配置され、
    前記第１及び第２の高周波ケーブルは、前記第１のアンテナ装置から前記第２のアンテナ装置が配置された方向とは反対の方向に引き出され、
    前記第３の高周波ケーブルは、前記第１のアンテナ装置が配置された方向へ引き出され、
    前記引き出された第１、第２及び第３の高周波ケーブルは、互いに平行する状態で前記筐体の前記第１の辺部に隣接する第２の辺部を通って前記第１及び第２の無線回路ユニットに接続される請求項８又は９記載の電子機器。

Images