JP5435338B2

JP5435338B2 - マルチバンドアンテナ

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Publication number: JP5435338B2
Application number: JP2009141923A
Authority: JP
Inventors: 辰朗綾香; 薫山根
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2009-06-15
Filing date: 2009-06-15
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2029-06-15
Also published as: JP2010288175A

Description

本発明は、無線装置に用いられるアンテナ回路に関し、特には複数の互いに異なる周波数帯において利用可能なマルチバンドアンテナに関するものである。

近年、携帯電話等の無線装置が急速に普及し、通信に使用する帯域も多岐に亘っている。特に、最近の携帯電話では、デュアルバンド方式、トリプルバンド方式、クワッドバンド方式等と呼ばれるように、複数の送受信帯域を一つの通信機器に装備する例が多くなっている。
クワッドバンド方式の携帯電話で使用する通信システムの周波数帯域は、例えばＧＳＭ８５０／９００帯（８２４〜９６０ＭＨｚ）、ＤＣＳ帯（１７１０〜１８５０ＭＨｚ）、ＰＣＳ帯（１８５０〜１９９０ＭＨｚ）、ＵＭＴＳ帯（１９２０〜２１７０ＭＨｚ）であって、連続する３つの周波数帯であるＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯、ＵＭＴＳ帯は、ＧＳＭ帯の略２〜２．５倍の周波数である。

かかる状況下、携帯電話等の無線装置に内蔵されるアンテナ回路を構成するアンテナとして、複数の送受信帯域に対応できるマルチバンドアンテナが要求されている。
通常アンテナを構成する放射素子（放射電極とも呼ばれる）は、基本となる周波数で共振するとともに、更に高次の周波数でも共振する。例えば１／４波長での共振を基本モードとすれば、高次モードでは３／４波長での共振となる。このような複数の共振を上手く利用することで、ＧＳＭ帯とＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯、ＵＭＴＳ帯に対応したマルチバンドアンテナとすることが行われている。
ここで、最も低周波で共振する周波数（主共振点と呼ぶ場合がある）を含み、高周波回路と整合可能、即ち電圧定在波比ＶＳＷＲが所定の数値以下となる周波数帯を基本周波数帯とし、それよりも高次の共振を生じる周波数（高次共振点と呼ぶ場合がある）を含む周波数帯を高次周波数帯とする。

最近のマルチバンドアンテナは、先に例示した通信システムをカバーすることが求められるが、基本周波数帯でカバーする周波数帯域幅はＧＳＭ８５０／９００帯で１３６ＭＨｚ、比帯域幅は約１５．３％〔１３６ＭＨｚ／８９２ＭＨｚ〕であり、高次周波数帯でカバーする周波数帯域幅はＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯、ＵＭＴＳ帯で４６０ＭＨｚであり、比帯域幅は約２３．７％〔４６０ＭＨｚ／１９４０ＭＨｚ〕であって、帯域幅が広い。従って、一つの放射素子による共振だけでは十分な帯域幅が確保出来ず、使用が困難である場合があった。

このような帯域幅が得られない問題に対して、特許文献１には、共振周波数が僅かに異なる逆Ｆ型アンテナと逆Ｌ型アンテナで構成し、共通の給電回路２０３から直接給電することで、広周波数帯域で動作可能なアンテナとすること、更にアンテナを基本周波数帯用と高次周波数帯用との２層構造とし、計４つの放射素子により基本周波数帯と高次周波数帯において広帯域で動作可能なマルチバンドアンテナとすることが開示されている。

特許文献１に開示されたマルチバンドアンテナの基本的な構成を図３に示す。このようなマルチバンドアンテナでは、近接配置された２つの放射素子２１１，２２２を、それぞれ僅かに異なる共振周波数ｆ１ｒｅｓ，ｆ２ｒｅｓで動作させる。そのＶＳＷＲ特性は図５に示す様に、２つの共振を重ね合わせた双峰特性を示し、広周波数帯域で低ＶＳＷＲとなるが、それぞれの放射素子が独立して共振するため、共振周波数ｆ１ｒｅｓ，ｆ２ｒｅｓ間でＶＳＷＲ特性が劣化する領域が発現する（図５中のＶＳＷＲ波形が重なるＡ点）。なお図中、ｆ１ｍａｘ，ｆ１ｍｉｎは、第１の送受信系の送受信周波数帯域での、上限周波数と下限周波数を示し、ｆ２ｍａｘ，ｆ２ｍｉｎは、第２の送受信系の送受信周波数帯域での、上限周波数と下限周波数を示す。ここで、第１の送受信系の送受信周波数帯域は第２の送受信系の送受信周波数帯域よりも、相対的に高周波としている。
ＶＳＷＲ波形が重なるＡ点の周波数ｆＡではＶＳＷＲ特性が劣化するものの、その程度は電力反射に著しく影響を与える程では無いので、一見、アンテナ特性に影響しないと思われるが、Ａ点及びその前後の周波数において放射利得が低下する問題があった。

このような広帯域化における放射利得の低下に対して、特許文献２では、使用する周波数帯外にＡ点を移動させることを提案している。
特許文献２のアンテナの構成を図２に示す。二つの放射素子２１１，２２２は、一端が共通の給電回路２０３に接続され他端が開放端となり、回路基板２０２に形成されたグランド面ＧＮＤと平行に同方向に伸長された長さの異なる導体パターンで形成され、それぞれ直列共振モードで動作する２つの逆Ｌアンテナとして構成されている。
そして、一方の放射素子を所望の周波数帯内の周波数で共振させ、他方の放射素子を所望の周波数帯域外の低い周波数帯で、且つ各放射素子の共振周波数の間にある放射利得の劣化ピーク部分が、所望周波数帯外よりも低い周波数帯となるように設定する。この様な構成により、特許文献１のマルチバンドアンテナよりも低ＶＳＷＲとなる周波数帯は狭まるが、所望周波数帯での放射利得は改善される。また一つの放射素子で構成する場合と比較すれば、低ＶＳＷＲ周波数帯、放射利得が向上する。

特開２００３−１２４７４２号特開２００９−４８４７号

特許文献１や引用文献２のような、複数の放射素子を有するマルチバンドアンテナを単純化したモデルを図１に示す。このマルチバンドアンテナは、グランド面ＧＮＤに立設された共通導体Ｅ１と、前記共通導体Ｅ１の一端側と接続された水平導体Ｅ２，Ｅ３を含んで構成され、丁度、開放端側が逆方向に伸長する２つの逆Ｌアンテナを組み合わせたＴ型モノポール構造と等価である。
共通導体Ｅ１の他端側は給電端となり給電回路２０３と接続される。そして水平導体Ｅ２，Ｅ３は異なる長さで構成されており、共通導体Ｅ１と接続してそれぞれ１／４波長の長さの放射素子となり、周波数ｆ１ｒｅｓ，ｆ２ｒｅｓで共振して直列共振モードで動作する。

図１〜図３で示した構成のマルチバンドアンテナ２０１は共に、共通の給電回路２０３からの給電により励振される。給電回路２０３に複数の長さの異なる放射素子を接続する場合、２つの直列共振の間に原理的に並列共振が発生する。この為、マルチバンドアンテナには、高周波信号の異なる周波数帯において、直列共振モードの他に並列共振モードの共振電流が発生する。この並列共振モードについて特許文献１には記載ないが、特許文献２には、二つのアンテナにおける電流の向きが揃わなくなった場合にアンテナ特性が劣化するとして、並列共振モードについて示唆されている。

これ等のマルチバンドアンテナにおいて、放射素子に分布する共振電流は、異なる周波数において、単純には各図のＩ１、Ｉ２、Ｉ３として示した矢印で示すように、３通りの経路で分布することとなる。
第１経路Ｉ１は、給電回路２０３に接続された共通導体Ｅ１と、これに繋がる水平導体Ｅ２で構成される放射素子による経路であって、所定の波長（周波数ｆ１ｒｅｓ）で共振する長さに形成されており、開放端側で電流が最小となるような直列共振モードの電流分布となる。
第２経路Ｉ２は、給電回路２０３に接続された共通導体Ｅ１と、これに繋がる水平導体Ｅ３で構成される放射素子による経路であって、所定の波長（周波数ｆ２ｒｅｓ）で共振する長さに形成されており、開放端側で電流が最小となるような直列共振モードの電流分布となる。
第３経路Ｉ３は水平導体Ｅ２，Ｅ３による経路であって、異なる波長（周波数ｆ１ｒｅｓ、ｆ２ｒｅｓとの間のｆ３ｒｅｓ）で共振し、両開放端側で電流が最小となるような並列共振モードの電流分布となる。

一般に直列共振モードでの動作するアンテナでは、放射素子からだけではなくグランド面からも放射する様に設計される。例えば携帯電話では、筐体の金属部分からの放射を利用して、見かけ上のアンテナ体積を増して放射効率を向上している。
一方並列共振モードでは、放射素子２１１（Ｅ１，Ｅ２）の一端と放射素子２２２（Ｅ１，Ｅ３）の一端間の導体パターンを放射素子２３３（Ｅ２，Ｅ３）として利用する。この動作モードでは、給電点やグランド面にはほとんど電流が流れない為、十分な大きさの放射素子を確保出来ない場合に、放射効率・利得が低下してしまう問題がある。従って小型のアンテナでは専ら放射効率に優れる直列共振モードが用いられ、放射素子のみで共振する並列共振モードはあまり用いられていなかった。

また、一方の直列共振から他方の直列共振への遷移周波数に生じる並列共振の周波数ｆｒｅｓ３を、スミスチャートのリアクタンスの変化により特定し、ＶＳＷＲ特性と比較すると、２つの直列共振ｆｒｅｓ１，ｆｒｅｓ２によるＶＳＷＲ波形が重なるＡ点の周波数ｆＡとよく一致する。
従ってＶＳＷＲ波形が重なるＡ点での放射利得の劣化は、反共振（並列共振モード）に強く影響されていると推察される。

上記の様に従来のマルチバンドアンテナでは、直列共振モードから並列共振モードへ遷移する周波数帯では放射効率が低下する場合がある。従ってＶＳＷＲ波形の重なり部（並列共振）を移動し、所望周波数帯外よりも低い周波数帯となる周波数で共振するように設定し、放射効率の良い直列共振モードだけを利用するようにして、目的の周波数帯域での放射利得の低下を改善するのは有効な方法であると言えるが、それでもなお幾つかの課題が残される。

第１の問題は、共振の主モードを直列共振とするため、回路基板に配置された状態と筐体内に配置された状態ではアンテナの放射特性が変化する点である。
逆Ｌアンテナや逆Ｆアンテナは、１／４波長のアンテナとして構成される。このアンテナは周知のように、給電により励振される放射素子に流れる電流と、グランド面に写像される放射素子イメージによる鏡像電流とによって所定のアンテナ特性を持つようにしたものであって、等価的に２倍の実効長（１／２波長）によるアンテナ特性を得ることができるものである。従ってグランド面の影響を受け易いとも言える。
放射特性の変動を抑えるには、アンテナが配置される筐体構造を考慮した設計が必要であるが、通常、アンテナ設計と筐体設計とは別々に行われるため最適設計は困難である。また筐体設計は特に意匠性を重視し、アンテナへの影響等は考慮され難いため、回路基板に配置された状態で優れた放射特性が得られても、筐体内に配置された状態の無線装置では、所望の特性が得られない問題があった。

グランド面の影響を受け易いことから、筐体構造を考慮してアンテナ設計を行い、筐体の金属部分からの放射を利用して見かけ上のアンテナ体積を増して放射効率を向上しても、近接する人体の影響を強く受けて、アンテナの実行的な放射効率等が大きく損なわれる場合もあった。

また図１で示した様に、放射素子２１１と放射素子２２２とが逆方向に伸長する構造では、放射素子２１１、放射素子２２２の水平導体Ｅ２，Ｅ３には逆相の電流が流れる。このため水平導体部での放射が減じられて、実効的な放射はグランド面ＧＮＤに立設され給電回路と接続された共通導体Ｅ１で得られる放射が主となる。
従って優れた放射効率・利得を得ようとすれば、グランド面に立設される共通導体Ｅ１の長さを長くしなければ成らない。しかしながら、特に携帯電話等の小型移動体通信機器においては、アンテナを配置する空間は筐体によって制約されている為、前記導体部の長さを十分に得ることは実際困難であり、結果、放射効率・利得が得られないといった問題があった。これが第２の問題である。

また従来技術のように、同じモードで共振する２つの放射素子を同じ方向に伸長させると、放射素子間でのアイソレーションが得られ難いという第３の問題がある。この構成ではグランド面に流れる鏡像電流が同相となる為に、一方の放射素子について長さ他の設計変更を行うと、他方の放射素子のインピーダンスに影響して整合を乱し、この点でもアンテナ設計を困難とする要因となっていた。

そしてどちらの構成の場合も、グランド面近くに放射素子２１１、放射素子２２２の水平導体部を配置すると、十分な放射特性が得られないばかりか、ＶＳＷＲ特性が狭帯域化する第４の問題もあった。

またマルチバンド化の為に、基本周波数帯、高次周波数帯のそれぞれに放射素子が必要であり、マルチバンドアンテナの小型化を阻害する第５の問題もあった。

そこで本発明では、複数の放射素子を備えた小型のマルチバンドアンテナにおいて、ＶＳＷＲ特性が広周波数帯域で、かつ帯域内での放射利得に優れ、更にインピーダンス整合が容易で、放射特性が筐体や人体の影響を受け難いものとし、更にそれを用いた無線装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、周波数帯域の一部が重なる少なくとも２つの送受信系に対応するマルチバンドアンテナであって、給電回路に接続する共通導体に繋がる長さの異なる２つの放射素子を含み、並列共振モードで動作する第１放射素子と、前記第１放射素子の一部で構成され直列共振モードで動作する第２放射素子を備え、前記２つの送受信系において、第１送受信系の周波数帯域ｆ１ｂの中心周波数が、第２送受信系の周波数帯域ｆ２ｂの中心周波数よりも相対的に高周波であり、前記第１放射素子は第１送受信系の周波数帯域ｆ１ｂにおける上限周波数ｆ１ｂｍａｘから第２送受信系の周波数帯域ｆ２ｂにおける下限周波数ｆ２ｂｍｉｎの間で並列共振し、前記第２放射素子は、第１送受信系の周波数帯域ｆ１ｂ及び第２送受信系の周波数帯域ｆ２ｂの帯域外であって、第２送受信系の周波数帯域における下限周波数ｆ２ｂｍｉｎよりも低周波数で直列共振するとともに、第１放射素子の共振周波数ｆ１ｒと、第２放射素子の共振周波数ｆ２ｒとの間にあるＶＳＷＲのピーク周波数が前記下限周波数ｆ２ｂｍｉｎよりも低周波であって、前記ＶＳＷＲのピーク周波数におけるＶＳＷＲ値が３以下であることを特徴とするマルチバンドアンテナである。

本発明では、並列共振モードで動作する第１放射素子を両端開放のＴ型アンテナ構造とし、直列共振モードで動作する第２放射素子を前記第１放射素子の一部で構成された逆Ｌアンテナ構造とするのが好ましい。
第１放射素子は、グランド面ＧＮＤに立設された共通導体Ｅ１に接続された水平導体Ｅ２，Ｅ３で構成される。水平導体Ｅ２，Ｅ３は異なる長さに形成され、その合計長は、前記第１放射素子では、第１送受信系の周波数帯域ｆ１ｂにおける上限周波数ｆ１ｂｍａｘから第２送受信系の周波数帯域ｆ２ｂにおける下限周波数ｆ２ｂｍｉｎの間（基本周波数帯域）で共振する長さである。好ましくは、第１放射素子によるＶＳＷＲが最も小さくなる周波数を周波数ｆ１ｂｍａｘから周波数ｆ２ｂｍｉｎの略中間周波数とする長さとする。

第２放射素子は共通導体Ｅ１と接続された水平導体Ｅ２、又は共通導体Ｅ１と接続された水平導体Ｅ３によって逆Ｌアンテナ構造に構成される。共通導体Ｅ１と水平導体Ｅ２との合計長や、共通導体Ｅ１と水平導体Ｅ３との合計長は、基本周波数帯域よりも低周波数、又は高周波で共振するとともに、第１放射素子の共振周波数ｆ１ｒと、第２放射素子の共振周波数ｆ２ｒとの間にあるＶＳＷＲのピーク周波数が基本周波数帯域外にある長さに設定される。

なお引用文献２のように、二つの水平導体をグランド面と平行で同方向に伸長し、かつ近接して配置される場合には、放射素子の相互干渉によって、第２放射素子の直列共振モードによる共振が一つしか見えなくなる場合がある。
この場合には、第２放射素子を基本周波数帯域よりも低周波数で共振させ、ＶＳＷＲが劣化するピーク周波数を基本周波数帯域外で下限周波数ｆ２ｍｉｎよりも低周波側とするのが好ましい。

また図２に示したマルチバンドアンテナの様に、第１放射素子の水平導体に接地導体ＧＥを接続して構成しても良い。この様な構成は、丁度、直列共振モードで動作する逆Ｆアンテナと直列共振モードで動作する逆Ｌアンテナを組み合わせた構造と等価であり、インピーダンスの調整が容易となる。
この場合も、水平導体Ｅ２，Ｅ３による第１放射素子を並列モードで動作させ、共通導体Ｅ１と接続された水平導体Ｅ２、又は共通導体Ｅ１と接続された水平導体Ｅ３によって構成された第２放射素子を、基本周波数帯域よりも低周波数、又は高周波で共振させるとともに、第１放射素子の共振周波数ｆ１ｒと、第２放射素子の共振周波数ｆ２ｒとの間にあるＶＳＷＲのピーク周波数を基本周波数帯域外にあるように構成する。従って、一見構成が同じ引用文献１のアンテナとは動作や特性が異なるものとなる。

２つの水平導体Ｅ２，Ｅ３の構成は、開放端側を図１で示したマルチバンドアンテナの様に異なる方向へ伸長させても良いし、図２で示したマルチバンドアンテナの様に途中で折り返して同方向に伸長させても良い。グランド面と略平行に、水平導体を同じ方向に伸長すれば、放射素子の伸長方向の長さを減じることが出来る。

各導体は樹脂基板の面上に形成された電極パターンや前記樹脂基板に立設された帯状電極で構成される。

また水平導体Ｅ２，Ｅ３の少なくとも一方の導体に折り返し部を形成すれば、高次共振の周波数を低減することが出来るので、基本周波数帯域（第１送受信系の周波数帯域ｆ１ｂ及び第２送受信系の周波数帯域ｆ２ｂ）よりも相対的に高周波である高次周波数帯域（第３の周波数帯域ｆ３ｂ）において動作させることが出来、これにより少なくとも３つの送受信系に対応したマルチバンドアンテナとすることが出来る。高次共振の周波数は折り返しにより対向する導体間やグランド面との間に生じる静電容量により調整することも出来る。
水平導体Ｅ２，Ｅ３のそれぞれに折り返し部を形成すれば、第３の周波数帯域ｆ３ｂ、第４の周波数帯域ｆ４ｂにおいて動作させることが出来、これにより少なくとも４つの送受信系に対応したマルチバンドアンテナとすることが出来る。従って基本周波数帯域、高次周波数帯に対応した放射素子をそれぞれに準備する必要が無く、マルチバンドアンテナを小型に構成することが出来る。

そして前記マルチバンドアンテナを用いて無線通信装置とすれば、無線通信装置の小型化・高性能化に寄与することが出来る。無線通信装置にはマルチバンドアンテナと接続される給電回路や、給電回路を制御する制御回路を含む。

本発明によれば、小型のマルチバンドアンテナにおいて、ＶＳＷＲ特性が広周波数帯域で、かつ帯域内での放射効率・利得に優れ、更にインピーダンス整合が容易で、放射特性が筐体や人体の影響を受け難いものとし、更にそれを用いた無線装置を提供することができる。
また、本発明のマルチバンドアンテナは広帯域で、かつ帯域内での効率・利得に優れるので、これを用いた無線装置は、バッテリーの消費が低減されて、通信時間を長く、また通信エリアの拡大等の通話品質を向上することが出来る。

マルチバンドアンテナの一構成例を説明する為の図である。マルチバンドアンテナの他の構成例を説明する為の図である。マルチバンドアンテナの他の構成例を説明する為の図である。マルチバンドアンテナの他の構成例を説明する為の図である。従来のマルチバンドアンテナのＶＳＷＲ特性図である。本発明の一実施例に係るマルチバンドアンテナのＶＳＷＲ特性を示す図である。本発明の一実施例に係るマルチバンドアンテナの構成を説明する為の斜視図である。本発明の一実施例に係るマルチバンドアンテナの構成を説明する為の正面図である。本発明の一実施例に係るマルチバンドアンテナの構成を説明する為の裏面図である。本発明の一実施例に係るマルチバンドアンテナの構成を説明する為の展開図である。本発明の一実施例に係るマルチバンドアンテナの基本周波数帯での構成を説明する為の展開図である。本発明の一実施例に係るマルチバンドアンテナの高次周波数帯での構成を説明する為の展開図である。参考例のマルチバンドアンテナのＶＳＷＲ特性を示す図である。本発明の一実施例に係るマルチバンドアンテナの他のＶＳＷＲ特性を示す図である。比較例に係るマルチバンドアンテナのＶＳＷＲ特性を示す図である。本発明の実施例と比較例に係るマルチバンドアンテナの平均アンテナ利得特性を示す図である。

本発明のマルチバンドアンテナの基本構造は従来と同じであるが、ここでは図４に示すＴ型構造のアンテナに接地導体を設けた構造を基本構成とするマルチバンドアンテナを例に採り説明する。
このマルチバンドアンテナは、共通導体Ｅ１と、これに一端が接続し他端が開放端となりグランド面ＧＮＤと略平行に配置された平行導体Ｅ２，Ｅ３と、平行導体Ｅ３とグランド面との間に接続される接地導体ＧＥを備える。
平行導体Ｅ２，Ｅ３はそれぞれグランド面ＧＮＤと略平行に、かつ逆方向に延び、それらの長さの和は実質的に基本周波数帯域内で並列共振する共振周波数ｆ１ｒの波長λ１の略１／２となっており、並列共振モードで動作する第１放射素子２３３を構成している。第１放射素子２３３が並列共振する時の電流分布は、その両端で０（零）となり、中央部で最大となる。従って第１放射素子２３３の中央部では、実質的に電圧が０（零）となり、インピーダンスはショート状態となる。従って接地される接地導体ＧＥは、給電時に電圧が０（零）となる部位の近傍に接続するのが好ましい。また、接地導体ＧＥと平行導体Ｅ２との接続点の位置を調整することで、第１放射素子２３３のインピーダンスを調整することが出来る。

共通導体Ｅ１と平行導体Ｅ２、共通導体Ｅ１と平行導体Ｅ３は、直列共振モードで動作する第２放射素子２１１、第３放射素子２２２として機能する。共通導体Ｅ１と平行導体Ｅ２との長さの和は、基本周波数帯域外で直列共振する共振周波数ｆ２ｒの波長λ２の略１／４となっている。また共通導体Ｅ１と平行導体Ｅ３との長さの和は、基本周波数帯域外で直列共振する共振周波数ｆ３ｒの波長λ３の略１／４となっている。
図６は本発明のマルチバンドアンテナのＶＳＷＲ特性を示す図である。共振周波数ｆ２ｒと共振周波数ｆ３ｒとは相対的にどちらが高周波側であっても良いが、その周波数は基本周波数帯域ｆ１ｂの帯域外であって、必ず一方が基本周波数帯域ｆ２ｂにおける下限周波数ｆ２ｍｉｎよりも低周波であり、他方が上限周波数ｆ１ｍａｘよりも高周波であるように設定する。なお直列共振モードの共振周波数が一つしか現われない場合には、基本周波数帯域ｆ２ｂにおける下限周波数ｆ２ｍｉｎよりも低周波となるようにする。
図６においては共振周波数ｆ２ｒを、第２の送受信系の周波数帯域ｆ２ｂにおける下限周波数ｆ２ｍｉｎよりも低周波とし、そして、直列共振周波数と並列共振周波数との間の周波数帯に現れるＶＳＷＲが劣化する点Ａもまた、下限周波数ｆ２ｍｉｎよりも低周波としている。共振周波数ｆ３ｒは、第１の送受信系の周波数帯域ｆ１ｂにおける上限周波数ｆ１ｍａｘよりも高周波としているが、図示は省略している。

なお本実施態様では平行導体Ｅ２，Ｅ３が逆方向に延びる構成であるが、例えば、平行導体Ｅ２を平行導体Ｅ３と同じ方向に伸長する様に折り返しても良いし、平行導体Ｅ３を平行導体Ｅ２と同じ方向に伸長する様に折り返しても良い。更に逆方向に折り返して平行導体Ｅ２，Ｅ３とが互いに異なる方向に伸長する様に、多重に折り返すように構成しても良い。このような構成によれば、マルチバンドアンテナを小型に構成することが出来るとともに、高次共振の周波数を調整して、少なくとも３つの送受信系に対応したマルチバンドアンテナとすることが出来る。
また平行導体Ｅ２，Ｅ３を近接させて配置し、相互干渉を生じさせることにより、高周波電流を第２放射素子２１１、第３放射電極２２２のいずれか一方に集中させ、直列共振モードによる共振を一つしか見えなくしても良い。この場合の直列共振は、第２アンテナを基本周波数帯域よりも低周波数で共振させ、ＶＳＷＲが劣化するピーク周波数を基本周波数帯域外の低周波側とするのが好ましい。

従来技術ではマルチバンドアンテナに生じる並列共振を不要モードとしているが、本発明では並列共振モードをアンテナの主動作モードとし、直列共振モードの共振周波数を基本周波数帯域外となる様にするとともに、直列共振モードの共振と並列共振モードの共振との間に遷移的に生じるＶＳＷＲ劣化ピークの周波数ｆＡを基本周波数帯域外となる様にしている。
直列共振モードで動作する放射素子で生じる共振は、並列共振モードで動作する第１放射素子２３３で生じる共振よりも鋭い共振特性を示すため、基本周波数帯の下限周波数ｆ２ｂｍｉｎ、あるいは上限周波数ｆ１ｂｍａｘの近傍となるように共振周波数を設定しても、ＶＳＷＲ劣化ピークの周波数ｆＡを基本周波数帯域ｆ１ｂ外とすることが出来る。

並列共振モードを動作の主モードとするので、各放射素子の水平導体を地板に近接させても、電気的特性が減じられる程度は直列共振モードよりも軽微である。このため給電回路に接続された共通導体Ｅ１を短く形成して、低背のマルチバンドアンテナとすることが出来る。

またグランド面ＧＮＤが近接すると、基本周波数帯域外に設定される直列共振モードでの放射は、主動作モードである並列共振モードと比べて減じられるとともに、ＶＳＷＲも大きくなるので、第２放射素子２１１、第３放射素子２２２による基本周波数帯域外における無用な高周波信号の入放射を防ぐことが出来る。またグランド面ＧＮＤと近接させて直列共振モードでの動作周波数帯を狭帯域とすることで、並列共振モードでの動作周波数帯はいっそう広帯域化することが出来る。

更に平行導体Ｅ２，Ｅ３を折り返して構成することで、少なくとも３つの送受信系に対応したマルチバンドアンテナとすることが出来る。

共通導体Ｅ１、平行導体Ｅ２，Ｅ３、接地導体ＧＥは、ＦＲ４（ガラスエポキシ樹脂基板）などのプリント基板に、エッチングなどの公知の手法によって、低抵抗のＣｕ薄板で形成したり、アルミナや他の誘電体セラミクス材料から成るセラミック基板に、印刷やエッチングなどの公知の手法によって低抵抗のＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の良導体で形成しても良いし、Ｃｕやリン青銅からなる導体薄板で構成しても良い。加工は容易だが外力に対して容易に変形し難いリン青銅などの合金で放射電極を形成すれば、支持体に依らず自由な形状に放射電極を形成することが可能となり好ましい。
またプリント基板やセラミック素体に形成した放射電極を、グランド面を有する他のプリント基板に実装して構成しても良いし、導体薄板と組み合わせて構成しても良い。

以下本発明に係るマルチバンドアンテナについて詳細に説明する。図７はマルチバンドアンテナの斜視図であり、図８はマルチバンドアンテナをＤＡ方向から見た平面図であり、図９はマルチバンドアンテナをＤＢ方向から見た平面図である。なお図９においては、プリント回路基板１００ａを省略している。
本発明の実施形態のマルチバンドアンテナは、給電回路２０３と給電線路ｋｌを介して接続しグランド面ＧＮＤから立設された共通導体Ｅ１（導体素子ｅ４ａ，ｅ４ｂ）と、前記グランド面ＧＮＤと略並行に形成された第１平行導体Ｅ２（導体素子ｅ２，ｅ３ａ，ｅ３ｂ，ｅ３ｃ，ｅ３ｄ，ｅ３ｅ）と、第２平行導体Ｅ３（導体素子ｅ１ａ，ｅ１ｂ，ｅ１ｃ，ｅ１ｄ，ｅ１ｅ，ｅ１ｆ，ｅ１ｇ，ｅ１ｈ，ｅ１ｉ，ｅ１ｊ）と、第３平行導体Ｅ４（導体素子ｅ６ａ，ｅ６ｂ）と、接地導体ＧＥ（導体素子ｅ５ａ，ｅ５ｂ）を有している。

マルチバンドアンテナは、プリント回路基板１００ａの一面側に配置された、他のプリント回路基板１００ｂに設けられた導体素子により構成されている。プリント回路基板１００ａにはグランド面ＧＮＤとなるグランドパターンと給電線路ｋｌが設けられている。なおプリント回路基板１００ａは銅張両面導体基板（ガラスエポキシ基板）であるが、プリント回路基板１００ｂと重なる部位には、その両面にグランドパターンは形成されていない。

プリント回路基板１００ａと所定の距離を持って略平行に配置されるプリント回路基板１００ｂには、共通導体Ｅ１と、第１平行導体Ｅ２（導体素子ｅ２，ｅ３ａ，ｅ３ｂ，ｅ３ｃ，ｅ３ｄ，ｅ３ｅ）と、第２平行導体Ｅ３（導体素子ｅ１ａ，ｅ１ｂ，ｅ１ｃ，ｅ１ｄ，ｅ１ｅ，ｅ１ｆ，ｅ１ｇ，ｅ１ｈ，ｅ１ｉ，ｅ１ｊ）と、第３平行導体Ｅ４（導体素子ｅ６ａ，ｅ６ｂ）と、第１平行導体Ｅ３に接続された接地導体ＧＥ（導体素子ｅ５ａ，ｅ５ｂ）が形成されている。

共通導体Ｅ１となる導体素子ｅ４ａの一端部に接続し、その延長する方向と直交し、図７で左方向に導体素子ｅ１ａが、右方向に導体素子ｅ２が右方向に延長する。導体素子ｅ２の端部は、同方向に伸長する導体素子ｅ３ａと接続し、導体素子ｅ２，ｅ３ａの間には、導体素子ｅ４ａと平行に延長する接地導体ＧＥを構成する接地導体ｅ５ａが接続されている。導体素子ｅ４ａ，ｅ５ａはそれぞれ導体素子ｅ４ｂ，ｅ５ｂを介して、プリント回路基板１００ａに形成された給電線路ｋｌとグランド面ＧＮＤとに接続されている。

導体素子ｅ１ａの端部には、その延長する方向と直交して、図７で右方向に導体素子ｅ１ｂが、左方向に導体素子ｅ６ａが延長するように接続する。導体素子ｅ６ａの端部は、一端が自由端となり、導体素子ｅ１ａと略平行に伸びる導体素子ｅ６ｂと接続する。導体素子ｅ１ｂの端部は、プリント回路基板１００ｂの辺部まで及び、側面に形成された導体素子ｅ１ｃを介して、裏面に形成された導体素子ｅ１ｄと接続する。
プリント回路基板１００ｂの裏面側には、コの字状の導体薄板からなる一体の帯状導体（図８、図９でハッチングした部分）が立設されている。本実施例では、帯状導体に厚さ０．２ｍｍ、幅１ｍｍの薄板状のＣｕ板金を用いた。帯状導体は、導体素子ｅ１ｄとはんだ等のろう材で接続され、プリント基板１００ａ側に伸びる導体素子ｅ１ｅと、導体素子ｅ１ｅの端部と接続し、二つのプリント回路基板１００ａ，１００ｂ間に延びる導体素子ｅ１ｆと、導体素子ｅ１ｆの端部と接続し、プリント回路基板１００ｂの裏面に形成された導体素子ｅ１ｈとろう材で接続される導体素子ｅ１ｇとで構成される。導体素子ｅ１ｆは導体素子ｅ１ａ，ｅ２，ｅ３ａの合計長さよりも、長く形成されている。
導体素子ｅ１ｈは、側面に形成された導体素子ｅ１ｉを介して、表面に形成され一端が自由端の導体素子ｅ１ｊと接続する。

導体素子ｅ３ａの端部に接続し、その延長する方向と直交し、図７で右方向に導体素子ｅ３ｂが延長する。導体素子ｅ３ｂはプリント回路基板１００ｂの辺部まで及び、側面に形成された導体素子ｅ３ｃを介して、裏面に形成された導体素子ｅ３ｄと接続する。導体素子ｅ３ｄは、導体素子ｅ１ｃ，ｅ１ｉよりも長く形成されており、帯状導体を潜って延伸し、その端部は図９で左方向に伸長し、端部が自由端の導体素子ｅ３ｅと接続する。帯状導体を除く各導体素子は、エッチング等によって形成されたＣｕ薄板で構成されている。本実施例ではプリント回路基板１００ａ，１００ｂにおける各部のＣｕ薄板の厚みを０．１ｍｍ、幅１ｍｍとした。プリント回路基板１００ａ，１００ｂ間の間隔は５ｍｍである。

図１０はマルチバンドアンテナを平面に展開した図である。また、図１１は図１０のマルチバンドアンテナの基本周波数帯での動作を説明する為の図であり、図１２は図１０のマルチバンドアンテナの高次周波数帯での動作を説明する為の図である。
基本周波数帯での動作は、主として第１放射素子２３３による並列共振モードである。図１１に示す様に、本実施例において第１放射素子２３３は、導体素子ｅ４ａ，ｅ４ｂ及び給電線路ｋｌを含む共通導体Ｅ１と、導体素子ｅ１ａ〜ｅ１ｊで構成される水平導体Ｅ２と、導体素子ｅ２，ｅ３ａ〜ｅ３ｅで構成される水平導体Ｅ３を備えている。水平導体Ｅ２，Ｅ３は幾重にも折り返された構造であるが、基本的な構成はＴ型アンテナと等価である。水平導体Ｅ２と水平導体Ｅ３の合計長は、基本周波数帯域（８２４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚ）内の周波数で並列共振する長さとなっている。

また第２放射素子２１１は、導体素子ｅ４ａ，ｅ４ｂ及び給電線路ｋｌを含む共通導体Ｅ１と、導体素子ｅ１ａ〜ｅ１ｊで構成される水平導体Ｅ２と、導体素子ｅ５ａ，ｅ５ｂからなる接地導体ＧＥと、水平導体Ｅ２と接地導体ＧＥを繋ぐ導体素子ｅ２を備えている。水平導体Ｅ２は幾重にも折り返された構造であるが、基本的な構成は逆Ｆ型アンテナと等価である。水平導体Ｅ２と接地導体ＧＥの合計長は、基本周波数帯域（８２４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚ）外の周波数で直列共振する長さとなっており、本実施例では共振周波数が８２４ＭＨｚよりも低周波数となる様にしている。

水平導体Ｅ２と水平導体Ｅ３とは近接して配置されており、後述する図１３〜１５のＶＳＷＲ特性図では水平導体Ｅ３による共振は確認されず、相互干渉によって直列共振モードによる共振は一つしか見えなかった。

高次周波数帯では、第３放射素子２４４による並列共振モードと、第４放射素子２５５による直列共振モードで動作させる。図１２に示す様に、本実施例において第３放射素子２４４は、導体素子ｅ４ａ，ｅ４ｂ及び給電線路ｋｌを含む共通導体Ｅ１と、導体素子ｅ１ａと、導体素子ｅ６ａ，ｅ６ｂで構成される水平導体Ｅ４と、導体素子ｅ２，ｅ３ａ〜ｅ３ｄで構成される水平導体Ｅ３を備えている。なお水平導体Ｅ３を構成する導体素子ｅ３ｅは高次周波数では見えない。水平導体Ｅ３，Ｅ４は幾重にも折り返された構造であるが、基本的な構成は第１放射素子と同様にＴ型アンテナと等価である。水平導体Ｅ２と水平導体Ｅ３の合計長は、高次周波数帯域（１７１０ＭＨｚ〜２１７０ＭＨｚ）内の周波数で並列共振する長さとなっている。
なお実施例では、プリント回路基板１００ｂにおいて、水平導体Ｅ２の一部（導体素子ｅ１ｈ〜ｅ１ｊ）と水平導体Ｅ３の一部（導体素子ｅ３ｂ〜ｅ３ｄ）を近接して配置することで容量的な結合をより強めている。この様な構成により、第３放射素子２４４の共振周波数を下げることが出来、水平導体Ｅ３，Ｅ４の長さを変える事無く、共振周波数を調整することが出来る。

また第４放射素子２５５は、導体素子ｅ４ａ，ｅ４ｂ及び給電線路ｋｌを含む共通導体Ｅ１と、導体素子ｅ１ａと、導体素子ｅ６ａ，ｅ６ｂで構成される水平導体Ｅ４と、導体素子ｅ５ａ，ｅ５ｂからなる接地導体ＧＥと、水平導体Ｅ２と接地導体ＧＥを繋ぐ導体素子ｅ２を備えている。水平導体Ｅ４は幾重にも折り返された構造であるが、第２放射素子２２２と同様に基本的な構成は逆Ｆ型アンテナと等価である。水平導体Ｅ４と接地導体ＧＥの合計長もまた、基本周波数帯域（１７１０ＭＨｚ〜２１７０ＭＨｚ）内の周波数で直列共振する長さとなっている。

同様の構成で、第２放射素子２１１が基本周波数帯域（８２４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚ）内の周波数で直列共振する比較例のマルチバンドアンテナを作製した。
各導体部の寸法を表１に纏めて示す。なお、導体素子は幅を持って形成される為、長さは導体素子の幅を２等分する線分を基準としている。端部が他の導体素子と連なる場合はそれぞれの２等分線の交点を基準とし、端部が自由端である場合は２等分線の自由端部を長さの基準とする。

得られた実施例及び比較例のマルチバンドアンテナのＶＳＷＲ特性と平均アンテナ利得特性を評価した。マルチバンドアンテナの性能評価について説明する。電波暗室内にマルチバンドアンテナから３ｍ離れた位置に測定用アンテナを設け、測定用アンテナを５０Ωの同軸ケーブルを介してネットワークアナライザに接続し、アンテナ特性を測定した。具体的にはマルチバンドアンテナが構成されたプリント回路基板において、共通導体が伸長する方向をＸ、それに直角な方向で水平導体が延びる方向をＹ、それらに垂直な方向、すなわちプリント回路基板の面に垂直な方向をＺとし、ＸＹ、ＺＸ、ＺＹ面での平均利得と、ＶＳＷＲを測定した。
図１３は参考例のＶＳＷＲ特性図であり、図１４は本発明の実施例に係るＶＳＷＲ特性図であり、図１５は比較例によるＶＳＷＲ特性図である。また図１６はＶＳＷＲ特性図を示した各実施例と比較例の平均アンテナ利得特性を示す。なおここで平均アンテナ利得特性とは、マルチバンドアンテナの全方位平均アンテナ利得であって、Ｘ，Ｙ，Ｚの全方位で測定して平均したアンテナ利得を言い、単位はｄＢｉで表される。

図１３〜図１５の各ＶＳＷＲ特性図中において、点線はＶＳＷＲ値が３であることを示している。基本周波数帯を含む低周波数側でＶＳＷＲ値が３以下である周波数帯域は、マーカ１，２で示す基本周波数帯域内に、第１放射素子の共振周波数（図示せず）と、第２放射素子の共振周波数ｆ２ｒと、ＶＳＷＲ波形の重なり部Ａが位置するように、第１、第２放射素子の共振周波数を調整した比較例のマルチバンドアンテナが、実施例よりも広くなっている。しかしながら図１６に示した平均アンテナ利得特性では、前記重なり部Ａを含む周波数で、平均アンテナ利得が著しく低下した。また、実施例のＶＳＷＲ特性を見ると、第２放射素子の共振周波数ｆ２ｒがマーカ１で示す基本周波数帯域の下限周波数に近いほど、基本周波数帯域内でのＶＳＷＲ値を小さくすることが出来、また平均アンテナ利得は増加した。

Ｅ１共通導体
Ｅ２，Ｅ３水平導体
ＧＥ接地導体

Claims

周波数帯域の一部が重なる少なくとも２つの送受信系に対応するマルチバンドアンテナであって、
給電回路に接続する共通導体に繋がる長さの異なる２つの放射素子を含み、並列共振モードで動作する第１放射素子と、前記第１放射素子の一部で構成され直列共振モードで動作する第２放射素子を備え、
前記２つの送受信系において、第１送受信系の周波数帯域ｆ１ｂの中心周波数が、第２送受信系の周波数帯域ｆ２ｂの中心周波数よりも相対的に高周波であり、
前記第１放射素子は第１送受信系の周波数帯域ｆ１ｂにおける上限周波数ｆ１ｂｍａｘから第２送受信系の周波数帯域ｆ２ｂにおける下限周波数ｆ２ｂｍｉｎの間で並列共振し、
前記第２放射素子は、第１送受信系の周波数帯域ｆ１ｂ及び第２送受信系の周波数帯域ｆ２ｂの帯域外であって、第２送受信系の周波数帯域における下限周波数ｆ２ｂｍｉｎよりも低周波数で直列共振するとともに、第１放射素子の共振周波数ｆ１ｒと、第２放射素子の共振周波数ｆ２ｒとの間にあるＶＳＷＲのピーク周波数が前記下限周波数ｆ２ｂｍｉｎよりも低周波であって、前記ＶＳＷＲのピーク周波数におけるＶＳＷＲ値が３以下であることを特徴とするマルチバンドアンテナ。
並列共振モードで動作する前記第１放射素子を両端開放のＴ型アンテナ構造とし、直列共振モードで動作する前記第２放射素子を前記第１放射素子の一部で構成された逆Ｌアンテナ構造とすることを特徴とする請求項１に記載のマルチバンドアンテナ。
第１放射素子は、グランド面に立設された共通導体と、前記共通導体に接続され前記グランド面に略平行に設けられた２つの水平導体で構成され、第１水平導体と第２水平導体とは異なる長さに形成され、その合計長は、前記第１放射素子では、第１送受信系の周波数帯域ｆ１ｂにおける上限周波数ｆ１ｂｍａｘから第２送受信系の周波数帯域ｆ２ｂにおける下限周波数ｆ２ｂｍｉｎの間で共振する長さであることを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチバンドアンテナ。
第２放射素子は共通導体と接続された第１水平導体又は第２水平導体によって構成され、共通導体と第１水平導体との合計長や、共通導体と第２水平導体との合計長は、下限周波数ｆ２ｂｍｉｎの低周波数、又は上限周波数ｆ１ｂｍａｘよりも高周波で共振する長さであることを特徴とする請求項３に記載のマルチバンドアンテナ。
第１水平導体と第２水平導体の少なく一方を途中で折り返し、同方向に伸長させたことを特徴とする請求項３又は４に記載のマルチバンドアンテナ。
第２放射素子を折り返し、第１送受信系の周波数帯域ｆ１ｂ及び第２送受信系の周波数帯域ｆ２ｂよりも相対的に高周波である第３の周波数帯域ｆ３ｂの間で共振する第３放射素子を構成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のマルチバンドアンテナ。