JP6030434B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、携帯無線機用のアンテナ装置に関し、特に多周波数に対応したアンテナ装置に関する。

携帯無線機用のアンテナ装置には、ダイポールアンテナや折返ダイポールアンテナ等が用いられる。折返ダイポールアンテナの構成を図１１に示し、ダイポールアンテナの構成を図１２に示す。

折返ダイポールアンテナは、給電部１００の右側（左側）に第１素子１０１、左側（右側）に第２素子１０２が配置され、第１素子１０１と第２素子１０２とに平行に折返素子１０５が配置されている。そして、折返素子１０５の両端には、第１折返部１０３及び第２折返部１０４が設けられて、第１素子１０１と第２素子１０２とが折返素子１０５と接続されている。

折返ダイポールアンテナの動作周波数は、第１折返部１０３と第２折返部１０４との長さによって決まる。具体的には、第１折返部１０３と第２折返部１０４との間の長さが、半波長になる周波数で動作する。

一方、ダイポールアンテナは、図１２に示すように、図１１に示す折返ダイポールアンテナから折返素子１０５、第１折返部１０３、第２折返部１０４を省いた最も基本的な構造である。

図１３は、折返ダイポールアンテナの特性を示す図で、図１３（ａ）はインピーダンス特性、図１３（ｂ）はリターンロスを示す図である。

また、図１４は図１２のダイポールアンテナの特性を示す図で、図１４（ａ）はインピーダンス特性、図１４（ｂ）はリターンロスを示す図である。

これらはスミスチャートを用いて周波数に対するインピーダンスの軌跡を示した図で、スミスチャートの中心を通る水平線とインピーダンスの軌跡の交点がアンテナの動作周波数で、この交点が右に位置するほどインピーダンスが高いことを示している。インピーダンスは、スミスチャートの中心を通る水平線上の数値×５０（Ω）で表される。つまり、スミスチャートの中心を通る水平線とインピーダンスの軌跡の交点の数値が５．６の場合、インピーダンスは５．６×５０＝２８０Ωとなる。

リターンロスは、インピーダンスと全く同じ測定により得られ、単に表示方法（図表）が異なるだけである。インピーダンスが５０Ωに近ければ近い程、小さな値になるように作られた図表で、図表の谷の部分の周波数においてインピーダンスが５０Ωに近くアンテナの特性及び回路が良くなる事を示す。この谷の部分はアンテナの共振点と呼ばれる。すなわち谷の部分がアンテナとして動作している周波数を示していることになる。

さて、図１３（ａ）の折返ダイポールアンテナと図１４（ａ）のダイポールアンテナとにおける動作周波数のインピーダンスを比較すると、折返ダイポールアンテナは約２８０Ω、ダイポールアンテナのインピーダンスは約７５Ωであることが分かる。また、折返ダイポールアンテナのインピーダンスは、ダイポールアンテナの４倍近いインピーダンスであることが分かる。

この時、図１３（ｂ）及び図１４（ｂ）から折返ダイポールアンテナとダイポールアンテナの動作周波数に差がないことも分かる。

ところで、今日の携帯無線機器における小型化は著しく、周辺回路の金属部品等がアンテナに近接配置されるようになっている。このため、図１２のダイポールアンテナ、モノポールアンテナ（図示しない）、逆Ｆアンテナ等の内蔵型アンテナ（図示しない）では、金属部品等との接近により、インピーダンスが低下して、アンテナ性能が劣化する場合がある。

しかし、折返ダイポールアンテナは、前述の通りダイポールアンテナと比較して高いインピーダンス特性を持っているため、一般的に金属部品等の近くに配置されても、高い性能を維持できることが知られている。

ところで、今日の携帯無線機器においては、複数の周波数帯を使用して通信することが一般的であり、さらに携帯無線機器の著しい小型化により、金属部品等が近接配置されても高性能を維持し、かつ、多周波数で動作するアンテナが求められている。

そこで、特開２００５−２０３８７８号公報及び特許３８０５７７２号公報に示されるように、複数の周波数で動作する折返アンテナを１つの給電部から分岐配置させる技術が提案されている。

また、特開２００８−２０５６８０号公報においては、折返モノポールアンテナに共振回路を追加することで多周波数化する技術が提案されている。

特開２００５−２０３８７８号公報 特許３８０５７７２号公報 特開２００８−２０５６８０号公報

しかしながら、特開２００５−２０３８７８号公報及び特許３８０５７７２号公報に開示された技術においては、１つの給電点に複数のアンテナ素子が接続されるため周波数調整手段が複雑化するという問題点がある。

また、特開２００８−２０５６８０号公報に開示された技術においては、モノポールアンテナは部品等を表面実装する基板等のグランド板も放射素子として使用するため人体の接近による性能劣化が大きく、基板上の部品等が発するノイズの影響を受けやすいという問題点がある。

そこで、本発明の主目的は、複数の周波数に対応できると共に、人体の接近による性能劣化を抑制し、基板上の部品等が発するノイズの影響を受け難いアンテナ装置を提供することである。

上記課題を解決するため、折返ダイポールアンテナに係る発明は、給電部と、給電部に接続された第１素子と、給電部に接続された第２素子と、第１素子の端点に接続された第１折返部と、第２素子の所定位置を第２折返部接続点として、当該第２折返部接続点に接続された第２折返部と、第１折返部と第２折返部との端点を連結するように接続された折返素子と、第２素子の開放端と第２折返部接続点との間の所定位置を第２共振回路接続点として、当該第２共振回路接続点に設けられた第２共振回路と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数の周波数に対応できると共に、人体の接近による性能劣化を抑制し、基板上の部品等が発するノイズの影響を受け難いアンテナ装置を提供することが可能になる。

本実施形態にかかるアンテナ装置の構成図である。 第１共振回路と第２共振回路との回路や特性を示した図で、（ａ）は回路であり、（ｂ）はインピーダンス特性を示すスミスチャートである。 アンテナ装置の等価回路で、（ａ）は第１周波数に対するアンテナ装置の等価回路、（ｂ）は第２周波数及び第３周波数に対するアンテナ装置の等価回路である。 第２周波数及び第３周波数に対するアンテナ装置の動作を示した模式図で、（ａ）は第２周波数、（ｂ）は第３周波数に対する動作を示す図である アンテナ装置の特性を示した図で、（ａ）は、インピーダンス特性を示すスミスチャート、（ｂ）はリターンロス特性を示している。 第２折返部及び第２共振回路の位置を変える場合の説明図である。 アンテナ装置の特性を示し、（ａ）はインピーダンス特性を示すスミスチャート、（ｂ）はリターンロス特性を示す図である。 第１共振回路を折返素子の途中に設けた場合のアンテナ装置の構成図である。 第１共振回路を折返素子の途中に設けたアンテナ装置のアンテナ特性を示し、（ａ）はインピーダンス特性を示し、（ｂ）はリターンロス特性を示す図である。 第２の実施形態にかかるアンテナ装置の構成図である。 関連技術の説明に適用される折返ダイポールアンテナの構成図である。 関連技術の説明に適用されるダイポールアンテナの構成図である。 関連技術の説明に適用される折返ダイポールアンテナの特性を示す図で、（ａ）はインピーダンス特性、（ｂ）はリターンロスを示す図である。 関連技術の説明に適用されるダイポールアンテナの特性を示す図で、（ａ）はインピーダンス特性、（ｂ）はリターンロスを示す図である。

本発明の実施形態を説明する。図１は本実施形態にかかるアンテナ装置２Ａの構成図である。このアンテナ装置２Ａは、折返ダイポールアンテナであり、給電部１０の右側に第１素子１１、左側に第２素子１２が配置されている。また、第１素子１１の中間位置には第１共振回路１６ａが設けられ、第２素子１２の中間位置には第２共振回路１６ｂが設けられている。

以下、給電部１０と第１共振回路１６ａとの間の第１素子を第１素子１１ａ、第１共振回路１６ａの右側の第１素子を第１素子１１ｂと記載する。同様に、給電部１０と第２共振回路１６ｂとの間の第２素子を第２素子１２ａ、第２共振回路１６ｂの左側の第２素子を第２素子１２ｂと記載する。また、第２折返部１４が接続される第２素子１２ｂの位置を第２折返部接続点、第２共振回路１６ｂが接続される第２素子１２ｂの位置を第２共振回路接続点と記載する。

そして、第１素子１１ｂには第１折返部１３が接続され、給電部１０の近傍位置に第２折返部１４が接続されて、第１折返部１３と第２折返部１４とは折返素子１５により接続されている。

図２は、第１共振回路１６ａと第２共振回路１６ｂとの回路や特性を示した図で、図２（ａ）は回路であり、図２（ｂ）はインピーダンス特性を示すスミスチャートである。以下、第１共振回路及び第２共振回路を、共振回路１６と適宜記載することがある。

共振回路１６は、図２（ａ）に示すように、インダクタＬ１とキャパシタＣ１とを並列接続し、この接続点にキャパシタＣ２が直列接続されている。そして、インダクタＬ１とキャパシタＣ１とにより並列共振回路が構成され、この並列共振回路（正確には、並列共振回路の合成インダクタ）とキャパシタＣ２とにより直列共振回路が構成される。

直列共振回路の共振周波数を第１周波数と記載し、並列共振回路の共振周波数を第２周波数、第３周波数と記載する。このとき、第１〜第３周波数は、異なる周波数とする。

共振回路（ＬＣ共振回路）の共振周波数ｆは、ｆ＝１／（２π（Ｌ×Ｃ）１／２）で与えられる。そして、並列共振回路では、この共振周波数でインピーダンスが∞Ω（無限大）となる。これに対し、直列共振回路では、この共振周波数でインピーダンスが０Ω（無限小）となる。従って、第１共振回路１６ａと第２共振回路１６ｂとは、第２周波数と第３周波数とに対して開放（インピーダンスが∞Ω）特性を示し、第１周波数に対しては短絡（インピーダンスが０Ω）特性を示すようになる。図２（ｂ）のスミスチャートから共振回路は、第２周波数、第３周波数に対して開放特性となり、第１周波数に対して短絡特性を示すことが確認できる。

以上のことを等価回路で表した図が図３である。図３（ａ）は、第１周波数に対するアンテナ装置２Ａの等価回路であり、図３（ｂ）は第２周波数及び第３周波数に対するアンテナ装置２Ａの等価回路である。

図３（ａ）から分るように、アンテナ装置２Ａは第１周波数に対して折返ダイポールアンテナと同様に振舞い、そのインピーダンスは約２８０Ωとなる。一方、第２周波数及び第３周波数に対して、アンテナ装置２Ａは以下のように振舞う。図４は、第２周波数及び第３周波数に対するアンテナ装置２Ａの動作を示した模式図で、図４（ａ）は第２周波数、図４（ｂ）は第３周波数に対する動作を示している。

第２周波数に対して、アンテナ装置２Ａは、図４（ａ）に示すように折返素子１５のみが動作するアンテナとして振舞う。図４（ａ）における、点線矢印Ｐ１で示した領域が第２周波数に対して動作している領域である。

また、第３周波数に対して、アンテナ装置２Ａは、図４（ｂ）に示すように、給電部１０、第２折返部１４、折返素子１５、第１折返部１３、第１素子１１ｂで構成されるアンテナ素子と、第１素子１１ａで構成されるアンテナ素子とで動作するアンテナとして振舞う。図４（ｂ）における点線矢印Ｐ２で示した領域が第３周波数で動作する領域である。

図５は、このようなアンテナ装置２Ａの特性を示した図で、図５（ａ）は、インピーダンス特性を示すスミスチャート、図５（ｂ）はリターンロス特性を示している。図５（ａ）から第１周波数に対するインピーダンスが約２８０Ωであることが分かる。また、図５（ｂ）からリターンロスの谷の部分が３ヶ所あることが分る。このことは、アンテナ装置２Ａは、第１周波数、第２周波数、第３周波数の全てに対して動作することを示している。

さて、図１に示すアンテナ装置２Ａおける第２折返部１４及び第２共振回路１６ｂの接続位置（第２折返部接続点及び第２共振回路接続点）について説明する。図６は、第２折返部１４及び第２共振回路１６ｂの位置を給電部１０から遠ざける方向に移動した場合のアンテナ装置を示している。図６において矢印Ｋは第２折返部１４及び第２共振回路１６ｂの移動方向を示している。また、図７は、かかるアンテナ装置の特性を示している。図７（ａ）は、インピーダンス特性を示すスミスチャートであり、図７（ｂ）はリターンロス特性を示している。

図７（ａ）から第１周波数に対するインピーダンスは、約２８０Ωであることが分かる。また、図７（ｂ）と図５（ｂ）とを比較すると、リターンロスは第１周波数に対して殆ど変化しないが、第２周波数と第３周波数とに対して小さくなっていることが分かる。

このことから、図６に示すように、第２折返部接続点及び第２共振回路接続点の位置によって、第２周波数及び第３周波数が調整可能であることが分かる。従って、第２折返部接続点及び第２共振回路接続点の位置は、第２周波数及び第３周波数に応じて設定される。即ち、所望する第２周波数及び第３周波数に応じた位置を所定位置として、第２折返部接続点及び第２共振回路接続点を設定する。

また、上記説明では、第１共振回路１６ａは第１素子１１の途中に設けた。これに対し、図８は折返素子１５の途中に設けた場合を示している。そして、図９は、この場合のアンテナ特性を示し、図９（ａ）はインピーダンス特性を示し、図９（ｂ）はリターンロス特性を示している。

図９（ａ）から、第１周波数に対してインピーダンスは約２８０Ωを維持していることが分かる。また、図９（ｂ）と図５（ｂ）を比較すると、第１周波数、第２周波数には変化がなく、第３周波数のみが低くなっていることが分かる。このことから、図８に示すように第１共振回路１６ａの挿入位置によって第３周波数を調整できることが分かる。

以上で説明した様に、第１周波数で動作する折返ダイポールアンテナにおいて、第１共振回路１６ａ及び第２共振回路１６ｂを挿入することで、第１周波数において折返ダイポールアンテナの特徴である高いインピーダンスを維持したまま、第１周波数より高い第２周波数及び第３周波数においてアンテナとして動作する多周波数対応のアンテナを実現することが可能となる。

また、第２折返部１４、第１共振回路１６ａ、第２共振回路１６ｂの位置によって第２周波数や第３周波数を調整できるようになる。

従って、第１周波数に対しては、周辺回路の金属部品等が近接した装置（例えば、携帯端末）であっても、アンテナ特性の劣化が抑制できるようになる。

さらに、第１周波数、第２周波数、第３周波数では基板等のグランド板を必要としないため、人体の影響を受けにくい構成となる。

従って、周辺回路の金属部品等が近接配置による特性劣化、周波数調整回路の複雑化、人体の影響による特性劣化、基板上の部品等が発するノイズの影響による特性劣化といった問題点が改善可能となる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。第１実施形態においては基板等のグランド板は必要とされないアンテナ装置に関していた。これに対し、本実施形態はグランド板を含むアンテナ装置に関する。図１０は、本実施形態にかかるアンテナ装置２Ｂの構成図である。

このアンテナ装置２Ｂは、給電部１０がグランド板２３に搭載され、このグランド板２３の端子（図示せず）に第２素子１２ｂが接地線２２を介して接地されている。また、第１素子１１ｂは、給電線２１を介してグランド板２３の端子（図示せず）に接続されている。

このとき、給電線２１と接地線２２とは、所定の距離を保って、上下に重ねて設けられ、又は左右に平行に配置されている。給電線２１と接地線２２とがマイクロストリップラインやコプレーナ線路等の給電線路を構成して第１素子１１ｂや第２素子１２ｂに給電することで、図１に示したアンテナ装置２Ａと同様に第１周波数、第２周波数、第３周波数に対して共振動作する。従って、給電線２１と接地線２２とをプリント基板上の配線とすることが可能になり、安価に、周辺回路の金属部品等が近接した位置に配置されても、特性劣化、周波数調整回路の複雑化、人体の影響による特性劣化、基板上の部品等が発するノイズの影響による特性劣化等を改善することができる。

２Ａ，２Ｂ アンテナ装置
１０ 給電部
１１（１１ａ，１１ｂ） 第１素子
１２（１２ａ，１２ｂ） 第２素子
１３ 第１折返部
１４ 第２折返部
１５ 折返素子
１６ａ 第１共振回路
１６ｂ 第２共振回路
１６ 共振回路
２１ 給電線
２２ 接地線
２３ グランド板

Claims (7)

1. 折返ダイポールアンテナであって、
   給電部と、
   前記給電部に接続された第１素子と、
   前記給電部に接続された第２素子と、
   前記第１素子の端点に接続された第１折返部と、
   前記第２素子の所定位置を第２折返部接続点として、当該第２折返部接続点に接続された第２折返部と、
   前記第１折返部と前記第２折返部との端点を連結するように接続された折返素子と、
   前記第２素子の開放端と前記第２折返部接続点との間の所定位置を第２共振回路接続点として、当該第２共振回路接続点に設けられた第２共振回路と、
   を備えることを特徴とする折返ダイポールアンテナ。
2. 請求項１に記載の折返ダイポールアンテナであって、
   前記第１素子の中間に設けられた第１共振回路を備えることを特徴とする折返ダイポールアンテナ。
3. 請求項１に記載の折返ダイポールアンテナであって、
   前記折返素子の中間に設けられた第１共振回路を備えることを特徴とする折返ダイポールアンテナ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の折返ダイポールアンテナであって、
   前記第２折返部接続点及び前記第２共振回路接続点は、アンテナの共振周波数に応じて設定されていることを特徴とする折返ダイポールアンテナ。
5. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載の折返ダイポールアンテナであって、
   前記第１共振回路及び前記第２共振回路の少なくとも一方が、
   インダクタとキャパシタとを並列に接続して形成された並列共振回路と、
   前記並列共振回路とキャパシタとを直列に接続して形成された直列共振回路と、
   を含むことを特徴とする折返ダイポールアンテナ。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の折返ダイポールアンテナであって、
   前記給電部を搭載するグランド板と、
   前記給電部と前記第１素子とを接続する給電線と、
   前記給電部と前記第２素子とを接続する接地線と、
   を備えることを特徴とする折返ダイポールアンテナ。
7. 請求項６に記載の折返ダイポールアンテナであって、
   前記給電線と前記接地線とが、所定の距離を保って、上下に重ねて設けられ、又は、左右に平行に配置されていることを特徴とする折返ダイポールアンテナ。

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