JP5924808B2 - アンテナ及び無線装置 - Google Patents

Description

本発明はアンテナ及び無線装置に係わり、特に、アンテナ素子と、アンテナ素子と対向する辺を有するグランド面と、前記辺と前記アンテナ素子との間に配置される無給電アンテナ素子とを有するアンテナ及び無線装置に関する。

二共振を得るために、アンテナ素子を２本配置する方法がある。通常は図１に示す形状となる。図１において、グランド面１４に給電部１１を介して、アンテナ素子１２、１３が接続されている。１本のアンテナの場合に比べアンテナ部分の体積が２倍の体積を必要とし、装置が巨大化してしまう課題がある。図１のアンテナのインピーダンスを図２に示す。周波数ｆａと周波数ｆｂの２つの共振周波数があることがわかる。

別の方法としてアンテナ素子途中に共振回路またはトラップ回路と呼ばれる回路を配置して二共振を得る方法もある。通常は図３に示す形状となる。この例ではアンテナ素子２２、２３の途中に定数素子２１を配置する必要があり、アンテナをモジュールとして基板と別に作成する場合、コストが高くなる課題があった。図３のアンテナのインピーダンスを図４に示す。周波数ｆｃと周波数ｆｄの２つの共振周波数があることがわかる。

本願発明に係わるアンテナに関連する技術として、特許文献１には、グランドに接続された２つのリアクタンス素子が線路切替スイッチを介して地線に接続されるアンテナを有する携帯無線機の記載がある。また、特許文献２には、ダイポールアンテナと、無給電素子とが平衡不均衡変換回路を介して地板に接続されるアンテナの記載がある。また特許文献３には、放射電極自身のインダクタンス分と開口端および接地電極間の静電容量とによって、共振回路が形成されることの記載がある。また特許文献４には導体１３の途中の折り返し部分に共振周波数調整用パターンとしての短絡導体線又は切断導体線を備えていることの記載がある。また特許文献５には、共振周波数を調整するためのスリットに回路配線を配置することの記載がある。また特許文献６には、モノポールアンテナが周波数ｆ１において単独で動作し、誘電体基板への漏洩電流の抑圧を行い、モノポールアンテナと無給電素子とがアンテナ装置として動作すること、そしてモノポールアンテナ、並列回路およびアンテナ素子は周波数ｆ２で共振し、周波数ｆ２においてアンテナ装置として動作することの記載がある。また特許文献７には、放射平板素子をプリント基板の地板と平行に配置し、放射平板素子の１つの端部に地板５に接続された接地点を配置し、他の端部に給電系に接続された給電点を配置して、接地点と地板との間に共振回路を接続する。

特開２０１１−１２００７１号公報（図１） 特開２００４−１４７３５１号公報（図６６） 特開２００３−１９８２３９号公報（段落０００３） 特開２００２−３３００１８号公報（段落００２４） ＷＯ２００９−１２８４３７（段落００６６） 特開２００６−０６７２３４号公報 特開２００１−２５１１２８号公報

携帯端末などの無線装置のアンテナは装置に内蔵されることが一般化され、装置自体も小型化することが求められているため、アンテナ領域を狭くすることが必要となっている。また、多用な無線機能に対応するため、アンテナは複数の無線周波数帯に対応することが必要となってきている。当然アンテナ制作のコスト低減も必要である。

本発明の目的は、アンテナの本数を増やすことなく、コストを増やすことなく、二共振を実現し、複数の無線周波数帯に対応することにある。

本発明に係わる第１のアンテナは、アンテナ素子と、該アンテナ素子と対向する辺を有するグランド面と、前記辺と前記アンテナ素子との間に配置された前記無給電アンテナ素子とを有し、前記無給電アンテナ素子の一方の端部は前記辺に接続され、前記無給電アンテナ素子の他方の端部は共振回路を介して前記グランド面に接続されたアンテナである。

本発明に係わる第２のアンテナは、アンテナ素子と、該アンテナ素子と対向する辺を有するグランド面と、前記辺と前記アンテナ素子との間に配置された前記無給電アンテナ素子とを有し、前記無給電アンテナ素子の一方の端部は前記辺に接続され、前記無給電アンテナ素子と前記辺とが、前記無給電アンテナ素子の他方の端部と前記一方の端部との間の範囲で前記共振回路を介して接続されたアンテナである。

本発明においては、以下に記載するような効果がある。
（１）1つのアンテナで希望する2つ共振を得ることができる。そして、目的の2つの周波数においてリターンロスが改善し、放射効率が改善する。
（２）また、アンテナを2つ必要としないので装置の小型化が可能となる。
（３）アンテナエレメントに定数を配置する必要が無いので、コストを安くできる。

アンテナ素子を２本配置したアンテナの構成を示す図である。 図１のアンテナのインピーダンスを示す図である。 エレメント途中に共振回路またはトラップ回路と呼ばれる回路を配置した構成を示す図である。 図３のアンテナのインピーダンスを示す図である。 本発明に係わるアンテナの第１の実施形態の構成を示す構成図である。 共振回路とそのスミスチャートを示す図である。 図５のアンテナのインピーダンスを示す図である。 共振回路が周波数f1においてスルー（エレメントによる短絡状態）となったときの等価状態を示す構成図である。 図８の構成におけるインピーダンスを示す図である。 図５の構成での、周波数f1における電流分布を示す図である。 図８の構成での、周波数f1における電流分布を示す図である。 図５の共振回路が周波数f2においてオープンとなったときの等価状態を示す図である。 図１２の構成におけるインピーダンスを示す図である。 図５の構成での、周波数f2における電流分布を示す図である。 図１２の構成での、周波数f2における電流分布を示す図である。 各アンテナの放射効率特性について比較したグラフである。 本発明に係わるアンテナの第２の実施形態の構成を示す構成図である。 共振回路とそのスミスチャートを示す図である。 図１７のアンテナのインピーダンスを示す図である。 共振回路が周波数f3においてスルー（エレメントによる短絡状態）となったときの等価状態を示す構成図である。 図２０の構成におけるインピーダンスを示す図である。 図１７の構成での、周波数f3における電流分布を示す図である。 図２０の構成での、周波数f3における電流分布を示す図である。 図１７の共振回路が周波数f2においてオープンとなったときの等価状態を示す図である。 各アンテナの放射効率特性について比較したグラフである。 本発明に係わるアンテナの参考例の構成を示す構成図である。 共振回路とそのスミスチャートを示す図である。 図２６のアンテナのインピーダンスを示す図である。 図２６の共振回路が周波数f5においてスルー（エレメントによる短絡状態）となったときの等価状態を示す構成図である。 図２９の構成におけるインピーダンスを示す図である。 図２６の構成での、周波数f4における電流分布を示す図である。 図２９の構成での、周波数f4における電流分布を示す図である。 図２６の共振回路が周波数f5においてオープンとなったときの等価状態を示す図である。 図３３の構成におけるインピーダンスを示す図である。 図２６の構成での、周波数f5における電流分布を示す図である。 図３３の構成での、周波数f5における電流分布を示す図である。 各アンテナの放射効率特性について比較したグラフである。 本発明に係わるアンテナの参考例の構成の変形例を示す構成図である。

以下、本発明に係わる実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図５は本発明に係わるアンテナの第１の実施形態の構成を示す構成図である。

図５のように、グランド面３５のアンテナ素子３４と対向する辺における、アンテナ素子３４の接続端と逆側のグランド端から、無給電アンテナ素子３３を形成し、無給電アンテナ素子３３の先端とアンテナ素子側のグランドとを共振回路３１でつなぐ構成となっている。無給電アンテナ素子３３は前記辺とアンテナ素子３４との間に配置される。３２は給電部を示す。

グランド面３５と無給電アンテナ素子３３は無線装置の回路基板のパターンとして形成することができる。例えば、スマートホーンを含む携帯電話の回路基板の一部にグランド面と無給電アンテナ素子とを形成することができる。しかし、このような形態に限定されず、例えば、金属板をパターン化してグランド面と無給電アンテナ素子とを形成することもできる。アンテナ素子は回路基板に設けてもよく、回路基板とは別に設けてもよい。これらの点については後述する第２の実施形態でも同様であり、グランド面とアンテナ素子については第３の実施形態でも同様である。無線装置の構成例としては例えば、特許文献１の図１及び特許文献２の図５１に開示された構成がある。

アンテナの形状は、図５では棒状となっているが、アンテナの形状は任意に決められ、例えばＬ字状、Ｔ字状であってもよい。給電部の配置も図５の位置に限定されるものではなく、任意に決めることができる。

アンテナ素子３４上には定数素子などは配置されていない。そのときの共振回路３１は、希望する二共振のうち低い方の周波数（以後、周波数ｆ１と記す）においてスルー、高い方の周波数（以後、周波数ｆ２と記す）においてオープンとなる定数で作成する。図６に共振回路とそのスミスチャートを示す。

また、図５のアンテナのインピーダンスを図７に示す。図７でわかるように周波数ｆ１と周波数ｆ２の２つの共振周波数である二共振を得ることが可能となる。

次に、なぜ図５のアンテナが周波数ｆ１と周波数ｆ２の二共振を得ることができるのか以下に説明する。周波数ｆ１におけるアンテナの状態と周波数ｆ２におけるアンテナの状態をそれぞれ個別に説明する。共振回路３１がオープンの場合は開放状態で、スルーの場合はエレメントによる短絡状態で等価状態に置き換えて考えることができる。

図５の共振回路が周波数ｆ１においてスルー（エレメントによる短絡状態）となったときの等価状態を図８に示す。図８のように、グランド面４５のアンテナ素子４３と対向する辺における、アンテナ素子４３の接続端と逆側のグランド端から、無給電アンテナ素子４１を形成し、無給電アンテナ素子４１の先端とアンテナ素子側のグランドとをつなぐ構成となっている。４２は給電部を示す。一般的な逆Ｌアンテナとして動作し、このときのインピーダンスは図９に示すように共振周波数は周波数ｆ１となる。

図５の周波数ｆ１における電流分布を図１０に示す。図中の矢印の方向が電流の方向を示しており、矢印の大きさと濃淡が電流の大きさを示している。図８の周波数ｆ１における電流分布を図１１に示す。

図１０では図１１と同様に周波数ｆ１における電流は共振回路を通って無給電アンテナ素子の外側を流れており、図１０の電流分布と図１１の電流分布は一致する。これら電流分布からも図８が図５の周波数ｆ１における等価状態であることが確認できる。

次に図５の共振回路が周波数ｆ２においてオープンとなったときの等価状態を図１２に示す。図１２のように、グランド面５４のアンテナ素子５３と対向する辺における、アンテナ素子５３の接続端と逆側のグランド端から、無給電アンテナ素子５２を形成し、無給電アンテナ素子５２の先端とアンテナ素子側のグランドとの間に空隙が設けられた構成となっている。５１は給電部を示す。このときのインピーダンスを図１３に示す。共振周波数は周波数ｆ２となる。図５の周波数ｆ２における電流分布を図１４に示す。図１２の電流分布を図１５に示す。図１４では図１５と同様に周波数ｆ２における電流は共振回路でオープンとなるので、無給電アンテナ素子先端には流れず、グランド中央へ流れる。グランド中心で電流が０となり、無給電アンテナ素子側へ逆位相の電流が流れる。図１４の電流分布と図１５の電流分布は一致する。これら電流分布からも図１２が図５の周波数ｆ２における等価状態であることが確認できる。

このように周波数ｆ１においては図８、周波数ｆ２においては図１２として動作するため図５では周波数ｆ１と周波数ｆ２の２つの共振を得ることができる。

各アンテナの放射効率特性について比較したグラフを図１６に示す。図５では周波数ｆ１と周波数ｆ２で高い効率を得ていることがわかる。図８と図１２では共振周波数では無い周波数で図５に比べ効率が悪い。
（第２の実施形態）
図１７は本発明に係わるアンテナの第２の実施形態の構成を示す構成図である。

図１７に示すように、グランド面６５のアンテナ素子６３と対向する辺における、アンテナ素子６３の接続端と逆側のグランド端から無給電アンテナ素子６２を形成し、無給電アンテナ素子の中間位置より図中右側の位置とグランド面６５との間に共振回路６４が設けられた構成となっている。６１は給電部を示す。

本実施形態と第１の実施形態との差異は、グランドと無給電アンテナ素子先端の間に配置していた共振回路を、無給電アンテナ素子の中間位置より図中右側の位置とグランドの間に位置変更した点にある。なお、図１７に示した共振回路の位置は例示であって、特に図１７に示した位置に配置する必要はなく、図１８の周波数ｆ２よりさらに高い周波数（以後周波数ｆ３と記す）の設定値により、無給電アンテナ素子の先端部と、無給電アンテナ素子のグランド面との接続位置との間の範囲で共振回路６４を配置してよい。

共振回路６４は周波数ｆ２でオープンとなり、周波数ｆ２よりさらに高い周波数ｆ３でスルーとなる定数で作成する。図１８に共振回路とそのスミスチャートを示す。図１７のインピーダンスを図１９に示す。図１９から、周波数ｆ２と周波数ｆ３の二共振を得られることがわかる。

次に、なぜ図１７のアンテナが周波数ｆ２と周波数ｆ３の二共振を得ることができるのか以下に説明する。周波数ｆ２におけるアンテナの状態と周波数ｆ３におけるアンテナの状態をそれぞれ個別に説明する。共振回路６４がオープンの場合は開放状態で、スルーの場合はエレメントによる短絡状態で等価状態に置き換えて考えることができる。

図１７の共振回路が周波数ｆ３においてスルー（エレメントによる短絡状態）となったときの等価状態を図２０に示す。図２０のように、グランド面７５のアンテナ素子７３と対向する辺における、アンテナ素子７３の接続端と逆側のグランド端から無給電アンテナ素子７２を形成し、無給電アンテナ素子の中間位置より図中右側の位置とグランド面７５との間にグランドから短絡するエレメント７４を形成し、無給電アンテナ素子の長さが短くなる構成となっている。７１は給電部を示す。このときのインピーダンスを図２１に示す。共振周波数は周波数ｆ２よりも高い周波数ｆ３となることがわかる。

図１７の周波数ｆ３における電流分布を図２２に示す。図２０の周波数ｆ３における電流分布を図２３に示す。図２２では図２３と同様に周波数ｆ３における電流は共振回路を通ってグランドから無給電アンテナ素子の中腹へ流れ、無給電アンテナ素子先端まで流れている。図２２の電流分布と図２３の電流分布は一致する。これら電流分布からも図２０が図１７の周波数ｆ３における等価状態であることが確認できる。

次に図１７の共振回路が周波数ｆ２においてオープンとなったときの等価状態は前出と同様図１２である。アンテナ素子と逆側のグランドから無給電アンテナ素子が形成される。このときのインピーダンスを図１３に示す。共振周波数は周波数ｆ２となる。図１７の周波数ｆ２における電流分布を図２４に示す。図１２の周波数ｆ２における電流分布を図１５に示す。図２４では図１５と同様に周波数ｆ２における電流は共振回路でオープンとなるので、無給電アンテナ素子中腹では短絡されず、無給電アンテナ素子根元まで流れる。図２４の電流分布と図１５の電流分布は一致する。これら電流分布からも図１２が図１７の周波数ｆ３における等価状態であることが確認できる。
このように周波数ｆ３においては図２０、周波数ｆ２においては図１２として動作するため周波数ｆ３と周波数ｆ２の２つの共振を得ることができる。

各アンテナの放射効率特性について比較したグラフを図２５に示す。図１７では周波数ｆ２と周波数ｆ３で高い効率を得ていることがわかる。
（参考例）
図２６は本発明に係わるアンテナの参考例の構成を示す構成図である。

図２６に示すように、アンテナ素子８４に対向するグランド面の領域に開口部８１，８７を設け、開口部８１、８７のそれぞれにおいて、上部の２つの角からそれぞれ２つの突き出し部が延び、突き出し部間に共振回路８２、８５を配置した構成となっている。８３は給電部を示す。この構造は見方を変えると、グランド面８６がアンテナ素子８４と対向する辺を有し、さらにグランド面８６が、この辺から内部に向かって設けられた第１の開口部、及び第１の開口部から広がり第１の開口部より面積の大きい第２の開口部（開口部８１又は８７）を有し、第１及び第２の開口部を設けることで上記２つの突きだし部を形成し、突き出し部間に共振回路８２、８５を配置すると捉えることができる。

本参考例と第１の実施形態との差異は、グランドと無給電アンテナ素子先端の間に配置していた共振回路を、グランドの開口部８１、８７の角からそれぞれ突き出した突き出し部の間に配置した点にある。図２６では共振回路が２箇所となっている。しかし、必要に応じて、共振回路は１カ所又は３箇所以上設けてもよい。共振回路は周波数ｆ４でオープンとなり、周波数ｆ４より高い周波数（以後周波数ｆ５と記す）でスルーとなる定数で作成する。図２７に共振回路とそのスミスチャートを示す。共振回路Ｃと共振回路Ｄは同じ共振回路を用いている。図２６のインピーダンスを図２８に示す。周波数ｆ４と周波数ｆ５の二共振を得られることがわかる。

次に、なぜ図２６のアンテナが周波数ｆ４と周波数ｆ５の二共振を得ることができるのか以下に説明する。周波数ｆ４におけるアンテナの状態と周波数ｆ５におけるアンテナの状態をそれぞれ個別に説明する。共振回路がオープンの場合は開放状態で、スルーの場合はエレメントによる短絡状態で等価状態に置き換えて考えることができる。

図２６の共振回路が周波数ｆ５においてスルーとなったときの等価状態を図２９に示す。図２９に示すように、アンテナ素子９３に対向するグランド面の領域を開口部９６，９７を設け、開口部９６、９７のそれぞれにおいて、上部の２つの角からそれぞれ突き出し部が延び、突き出し部間にエレメント９１，９５を配置して短絡した構成となっている。９２は給電部を示す。

このときのインピーダンスを図３０に示す。共振周波数は周波数ｆ４となることがわかる。また、リターンロス−１ｄＢの帯域は図３０の場合では２３５ＭＨｚしかないため、図２８のリターンロス−１ｄＢの帯域である４７４ＭＨｚはカバーできず、図２８の代替としては利用できない。

図２６の周波数ｆ４における電流分布を図３１に示す。図２９の周波数ｆ４における電流分布を図３２に示す。図３１では図３２と同様に周波数ｆ４における電流は共振回路を通って直線状にグランド外側を流れ、グランド面の端まで流れている。ミアンダ形状部分には電流がほぼ流れない。図３１の電流分布と図３２の電流分布は一致する。これら電流分布からも図２９が図２６の周波数ｆ４における等価状態であることが確認できる。

次に図２６の共振回路が周波数ｆ５においてオープンとなったときの等価状態を図３３に示す。図３３に示すように、アンテナ素子１０３に対向するグランド面１０４の領域に開口部１０１，１０５を設け、開口部１０１、１０５のそれぞれにおいて、上部の２つの角からそれぞれ突き出し部が延び、突き出し部間に空隙が設けられた構成となっている。１０２は給電部を示す。このときのインピーダンスを図３４に示す。共振周波数は周波数ｆ５となる。また、リターンロス−１ｄＢの帯域は図３４の場合では４００ＭＨｚしかないため、図２８のリターンロス−１ｄＢの帯域である４７４ＭＨｚはカバーできず、図２８の代替としては利用できない。

図２６の周波数ｆ５における電流分布を図３５に示す。図３３の周波数ｆ５における電流分布を図３６に示す。図３５では図３６と同様に周波数ｆ５における電流は共振回路でオープンとなるので、グランドを直線状には流れず、ミアンダ形状部分を通り、グランド面の端まで流れている。図３５の電流分布と図３４の電流分布は一致する。これら電流分布からも図３３が図２６の周波数ｆ５における等価状態であることが確認できる。
このように周波数ｆ４においては図２９、周波数ｆ５においては図３３として動作するため周波数ｆ４と周波数ｆ５の２つの共振を得ることができる。

各アンテナの放射効率特性について比較したグラフを図３７に示す。図２６では周波数ｆ４と周波数ｆ５で高い効率を得ていることがわかる。
図２６では２つのミアンダ形状部分と２つの共振回路で形成されているが、ミアンダ形状部分と共振回路とがそれぞれＮ個の装置に拡張が可能である。

図３８は本発明に係わるアンテナの参考例の構成の変形例を示す構成図である。図３８に示すように、アンテナ素子１１４に対向するグランド面１１５の領域にスリット１１１を設け（アンテナ素子と対向する辺から内部に向かってスリットを設ける）、そのスリットの入口もしくは途中に（スリット内に）共振回路１１２を配置した構成となっている。１１３は給電部を示す。このような構成も同様の効果がある。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下の構成には限られない。

（付記１）
アンテナ素子と、該アンテナ素子と対向する辺を有するグランド面と、前記辺と前記アンテナ素子との間に配置された無給電アンテナ素子とを有し、
前記無給電アンテナ素子の一方の端部は前記辺に接続され、前記無給電アンテナ素子の他方の端部は共振回路を介して前記グランド面に接続されたアンテナ。

（付記２）
アンテナ素子と、該アンテナ素子と対向する辺を有するグランド面と、前記辺と前記アンテナ素子との間に配置された無給電アンテナ素子とを有し、
前記無給電アンテナ素子の一方の端部は前記辺に接続され、前記無給電アンテナ素子と前記辺とが、前記無給電アンテナ素子の他方の端部と前記一方の端部との間の範囲で共振回路を介して接続されたアンテナ。

（付記３）
付記１又は２に記載のアンテナにおいて、前記アンテナ素子の一方の端部は開放端であり、前記無給電アンテナ素子の前記他方の端部が向く方向は、前記アンテナ素子の前記一方の端部の向く方向とは逆方向であることを特徴とするアンテナ。

（付記４）
付記１から３のいずれかに記載のアンテナを備えた無線装置。

本発明はアンテナ及び無線装置に適用でき、特に無線装置の基板にグランド面を有する無線装置に好適に適用される。

３５、６５、８６ グランド面
３４、６３、８４ アンテナ素子
３３、６２ 無給電アンテナ素子
３１、６４、８２、８５ 共振回路
３２、６１、８３ 給電部
１１４ アンテナ素子
１１５ グランド面
１１１ スリット
１１２ 共振回路
１１３ 給電部

Claims (4)

1. アンテナ素子と、該アンテナ素子と対向する辺を有するグランド面と、前記辺と前記アンテナ素子との間に配置された無給電アンテナ素子とを有し、
   前記無給電アンテナ素子の一方の端部は前記辺に接続され、前記無給電アンテナ素子の他方の端部は共振回路を介して前記グランド面に接続されたアンテナ。
2. アンテナ素子と、該アンテナ素子と対向する辺を有するグランド面と、前記辺と前記アンテナ素子との間に配置された無給電アンテナ素子とを有し、
   前記無給電アンテナ素子の一方の端部は前記辺に接続され、前記無給電アンテナ素子と前記辺とが、前記無給電アンテナ素子の他方の端部と前記一方の端部との間の範囲で共振回路を介して接続されたアンテナ。
3. 請求項１又は２に記載のアンテナにおいて、前記アンテナ素子の一方の端部は開放端であり、前記無給電アンテナ素子の前記他方の端部が向く方向は、前記アンテナ素子の前記一方の端部の向く方向とは逆方向であることを特徴とするアンテナ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナを備えた無線装置。