JP6775161B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウェアラブル機器等に搭載可能な小型のアンテナ装置に関する。

近年、スマートフォンを代表としたスマートデバイスが急速に普及している。更なる発展として、デバイスを小型化、ウェアラブル化したウェアラブル機器が注目されている。既に、近距離無線通信機能を搭載し、スマートフォンと連携して使用する腕時計型機器やセルラー通信機能が搭載された端末などが商品化されている。

このようなウェアラブル機器の実用化において、アンテナの小型化は必須である。しかしながら、アンテナの性能はアンテナとして動作する体積に比例するため、アンテナ全体のサイズが小さくなるとアンテナの性能は劣化してしまう。

また、スマートフォンなどの携帯電話機に搭載するセルラー通信は、マルチバンドに対応していることが多い。アンテナ装置をマルチバンド化する場合、給電系を不平衡型にしたアンテナ構成に設計することが一般的である。給電系を不平衡型にすることでアンテナ電流を回路基板のグラウンド（ＧＮＤ）にも分布させて、アンテナとして動作する体積を確保して広帯域化と高利得化を図っている。

しかしながら、小型のウェアラブル機器が有するアンテナをマルチバンド化する場合、アンテナ全体のサイズが小さくなることにより、上記の構成を用いても、アンテナの性能が劣化してしまう。

このような小型のアンテナ装置における課題に対して、特許文献１では、給電系を不平衡型にしたアンテナ構成にＧＮＤ拡張部を追加し、回路基板のＧＮＤとＧＮＤ拡張部とを複数の周波数帯における周波数の約４分の１波長に比例する長さに設計することにより、アンテナとして動作する体積を大きく見せて、広帯域化と高利得化を実現するアンテナが開示されている。

特表２０１３−５３９３２２号公報

一般に、給電系を不平衡型にしたアンテナ構成の場合、アンテナ電流が回路基板のＧＮＤにも強く流れてしまうため、回路基板のＧＮＤの電流分布密度が高くなる。つまり、機器が小型であるほど内蔵される回路基板も小型になるため、電流分布密度が高くなり、結果として、ＳＡＲ（Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ａｂｓｏｐｔｉｏｎ Ｒａｔｅ）値が高くなる。

しかしながら、特許文献１に開示されるアンテナは、機器自体のサイズが小さいにもかかわらず、ＳＡＲ値を考慮した設計になっていない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、給電系を不平衡型にした小型なアンテナ構成において、アンテナの性能を保ちつつ、ＳＡＲ特性を考慮したアンテナ装置を提供する。

本発明のアンテナ装置は、地導体と、前記地導体に接続される地導体延長部と、前記地導体に接続され、第１の周波数帯と第１の周波数帯より高い第２の周波数帯との両方の周波数帯で動作するアンテナ素子と、を具備するアンテナ装置であって、前記地導体と前記地導体延長部は、前記第１の周波数帯の４分の１波長の自然数倍の長さ以外で、かつ、前記第１の周波数帯と前記第２の周波数帯との間の中央範囲に含まれる周波数の４分の１波長の長さを有する。

本発明によれば、給電系を不平衡型にした小型なアンテナ構成において、アンテナの性能を保ちつつ、ＳＡＲ特性を考慮したアンテナ装置を提供することができる。

本発明の実施形態１に係るアンテナ装置の構成の一例を示す図 本発明の実施形態１における地導体延長部の長辺の長さとＳＡＲ値との関係の一例を示すグラフ 本発明の実施形態２における腕時計型端末一例を示す図 図３に示す腕時計型端末を腕に装着した状態を示す図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する各実施形態は一例であり、本発明はこれらの実施形態により限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るアンテナ装置１００の構成の一例を示す図である。図１に示すアンテナ装置１００は、回路基板１０１、地導体１０２、地導体延長部１０３、アンテナ素子１０４、給電部１０５、整合回路部１０６、無線部１０７、接続部１０８を有する。アンテナ素子１０４は、第１アンテナ素子１０４−１および第２アンテナ素子１０４−２を有する。

また、図１に示すアンテナ装置１００は、第１筐体１１１、第２筐体１１２、第３筐体１１３から構成される。３つの筐体は、それぞれ、略長方形の形状である。第１筐体１１１の略平行に対向する１対の辺のうち、一方の辺に第２筐体１１２が配置され、他方の辺に第３筐体１１３が配置される。

第１筐体１１１は、例えば、ＡＢＳなどの樹脂材料で形成される。第２筐体１１２および第３筐体１１３は、例えば、ゴムまたはプラスチックなどの樹脂材料で形成される。

図１に示すように、回路基板１０１は、第１筐体１１１に配設される。回路基板１０１は、携帯用端末装置の各種機能を実現する回路部品が実装されたプリント基板である。また、回路基板１０１は、例えば、誘電体によって形成され、略直方体形状を有する。

図１に示すように、回路基板１０１の上には、地導体１０２が配設される。地導体１０２は、無線部１０７等のグラウンド電位となる。また、地導体１０２は、例えば、縦方向の１辺の長さ（Ｌ１）が２０ｍｍ、横方向の１辺の長さ（Ｌ２）が２０ｍｍ程度の略正方形の形状を有し、銅箔などの導電性材料のグラウンドパターンで形成される。ここで、略正方形の形状とは、一部に切り欠け部があり、切り欠け部の１辺の長さが、正方形の１辺の長さの２０％以下である。

なお、Ｌ１とＬ２は、同一であるとしたが、本発明はこれに限定されない。地導体１０２は、略長方形の形状を有し、Ｌ１とＬ２が異なっていてもよい。ここで、略長方形の形状とは、一部に切り欠け部があり、切り欠け部の１辺の長さが、長方形の長辺の長さの２０％以下である。

地導体延長部１０３は、第２筐体１１２に配設される。地導体延長部１０３は、接続部１０８を介して地導体１０２に接地される。地導体延長部１０３は、銅箔などの導電性材料によって形成される。図１に示すように、地導体延長部１０３は、例えば、図１の縦方向に延びる長辺Ｈ１の長さ（Ｌ３）が３０ｍｍ、図１の横方向に延びる短辺Ｈ２の長さ（Ｌ４）が２０ｍｍの略三角形状を有する。ここで、略三角形状とは、図１において、短辺Ｈ２から延びる２つの辺の間隔が、短辺Ｈ２から離れるに従って小さくなる形状である。なお、地導体１０２と地導体延長部１０３の設計方法については後述する。

接続部１０８は、地導体１０２と地導体延長部１０３との間に設けられる。接続部１０８は、地導体延長部１０３の頂点に設けられる。そして、地導体延長部１０３の短辺Ｈ２は、接続部１０８が設けられた頂点と反対側に位置するように配置される。

無線部１０７は、地導体１０２の上に配設され、接地される。無線部１０７は、複数の周波数帯に対応する通信機能を有し、整合回路部１０６に接続される。なお、以下では、複数の周波数帯は、第１の周波数帯と第２の周波数帯の２つの周波数帯であるとし、第２の周波数帯は、第１の周波数帯と異なり、第１の周波数帯より高い周波数帯であるとして説明する。例えば、第１の周波数帯は、８００ＭＨｚ帯であり、第２の周波数帯は、２ＧＨｚである。

図１に示すように、整合回路部１０６は、回路基板１０１上に配設され、地導体１０２に接地される。また、整合回路部１０６は、無線部１０７に接続され、給電部１０５を介してアンテナ素子１０４に接続される。整合回路部１０６は、アンテナ素子１０４のインピーダンスを無線部１０７の回路インピーダンスに整合を取る機能を有する。なお、整合を取る無線部１０７の回路インピーダンスは、一般的には５０Ω程度である。

給電部１０５は、アンテナ素子１０４と整合回路部１０６の間に設けられる。給電部１０５は、アンテナ素子１０４への給電を行う機能を有する。

アンテナ素子１０４は、給電部１０５を介して整合回路部１０６に接続される。アンテナ素子１０４は、給電部１０５から開放端側へ、第１アンテナ素子１０４−１と第２アンテナ素子１０４−２に分岐する、１給電２分岐型形状を有する。また、図１に示すように、第１アンテナ素子１０４−１および第２アンテナ素子１０４−２は、長辺の長さ（Ｌ５）が３５ｍｍ、短辺の長さ（Ｌ６）が２０ｍｍ程度の略長方形の寸法内に形成され、第３筐体１１３に実装される。

第１アンテナ素子１０４−１は、第１の周波数帯に対応し、第２アンテナ素子１０４−２は、第２の周波数帯に対応する。図１に示す構成では、第１アンテナ素子１０４−１は、ミアンダ素子であり、第２アンテナ素子１０４−２は、逆Ｌ字型素子である。

なお、図１に示す構成において、アンテナ素子１０４は、ミアンダ素子や逆Ｌ字型素子のモノポール構成としたが、第１の周波数帯と第２の周波数帯で動作する形状と構成であればよい。

ここで、本実施形態１における地導体１０２および地導体延長部１０３の設計について説明する。図１に示す構成において、地導体１０２と地導体延長部１０３のサイズは、地導体延長部１０３の長さを変化させたときに変化するＳＡＲ（Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｒａｔｅ）値を考慮して設計される。具体的には、図２を用いて説明する。

図２は、本発明の実施形態１における地導体延長部１０３の長辺の長さとＳＡＲ値との関係の一例を示すグラフである。図２において、横軸は、地導体延長部１０３の長辺Ｈ１の長さ（Ｌ３）を示し、縦軸は、ＳＡＲ値の相対値を示す。

また、図２に示すグラフには、一例として２本のグラフがある。実線のグラフは、図１に示すアンテナ構成にて地導体延長部１０３の長さを変化させて、１９５０ＭＨｚの周波数を使用した場合のＳＡＲ値の特性を示す。点線のグラフは、図１に示すアンテナ構成にて地導体延長部１０３の長さを変化させて、１８８０ＭＨｚの周波数を使用した場合のＳＡＲ値の特性を示す。

なお、一例として示す１９５０ＭＨｚの周波数と１８８０ＭＨｚの周波数は、２ＧＨｚ帯において送信する際に用いられる周波数である。本実施形態１では、これらの周波数におけるＳＡＲ値の特性を地導体延長部１０３の長さの設計における１つの指針として考える。

図２に示す特性は、地導体延長部１０３の長辺Ｈ１の長さ（Ｌ３）が０ｍｍ、つまり、地導体延長部１０３が無い構成で１９５０ＭＨｚの周波数を使用した場合のＳＡＲ特性を「１」として正規化している。

まず、１９５０ＭＨｚの周波数を使用した場合のＳＡＲ特性について説明する。Ｌ３が０ｍｍから４５ｍｍまで変化する場合、Ｌ３＝０ｍｍからＬ３＝３０ｍｍまでの間ではＬ３が大きくなると共に、ＳＡＲ値は小さくなる。そして、ＳＡＲ値は、Ｌ３＝３０ｍｍで最小値をとる。そして、Ｌ３＝３０ｍｍからＬ３＝４５ｍｍまでの間ではＬ３が大きくなると共に、ＳＡＲ値も大きくなる。つまり、ＳＡＲ値は、Ｌ３の変化に対して、極値を有する。

また、図２に示すように、１８８０ＭＨｚの周波数を使用した場合のＳＡＲ特性も、１９５０ＭＨｚの周波数を使用した場合と同様に、極値をもつことになる。

図２に示すように、１９５０ＭＨｚの周波数と１８８０ＭＨｚの周波数を使用する場合に、両方の周波数においてＳＡＲ値がバランスよく小さくなるのは、１９５０ＭＨｚの周波数グラフと１８８０ＭＨｚの周波数のグラフが交わる点、つまり、Ｌ３＝３２ｍｍである。

地導体１０２の縦方向の１辺の長さ（Ｌ１）を２０ｍｍとし、地導体延長部１０３の長辺Ｈ１の長さ（Ｌ３）を３２ｍｍ、短辺Ｈ２の長さ（Ｌ４）を２０ｍｍである略三角形形状にすることにより、地導体１０２及び地導体延長部１０３で得られる共振周波数に相当する電波の波長は、１４００ＭＨｚの周波数の４分の１波長となる。

地導体および地導体延長部の長さとは、地導体および地導体延長部に分布する高周波電流の振幅が最大となる共振周波数に相当する電波の波長の４分の１波長と等しい長さを言う。地導体および地導体延長部の共振周波数は、地導体の形状および寸法、地導体延長部の形状および寸法、並びに、地導体と地導体延長部の周囲に配置される誘電体（ＡＢＳ又はゴムなど）あるいは磁性体などにより決定される。

すなわち、地導体１０２と地導体延長部１０３は、第１の周波数帯である８００ＭＨｚと第２の周波数帯である２ＧＨｚの中央の周波数である１４００ＭＨｚの４分の１波長に設計すればよい。

なお、図２に示すように、Ｌ３がある一定の範囲内である場合に、両方の周波数においてＳＡＲ値が小さくなる。具体的には、第１の周波数帯と第２の周波数帯との間の範囲を３分割して、第１の周波数帯寄りの範囲、中央範囲、および、第２の周波数帯寄りの範囲とした場合、地導体１０２と地導体延長部１０３は、中央範囲に含まれる周波数の４分の１波長の長さになるように設計すればよい。

なお、本実施形態１において、地導体１０２と地導体延長部１０３は、第１の周波数帯と第２の周波数帯の間の中央範囲に含まれる周波数の４分の１波長に設計するとした。より限定的には、地導体１０２と地導体延長部１０３は、第１の周波数帯の４分の１波長の自然数倍の長さ以外で、かつ、第１の周波数帯と第２の周波数帯の間の中央範囲に含まれる周波数の４分の１波長に設計する。

あるいは、地導体１０２と地導体延長部１０３は、前記第１の周波数帯と前記第２の周波数帯との間の中央周波数の４分の１波長の−５％から＋２０％の長さを有するように設計してもよい。

このように設計することにより、第１の周波数帯と第２の周波数帯との両方の帯域において、アンテナ性能を確保しつつ、ＳＡＲ値をバランスよく小さくすることができる。

（実施形態２）
上記実施形態１では、アンテナ装置１００が第１筐体１１１、第２筐体１１２、および、第３筐体１１３の３つの筐体に配設されるとして説明した。本実施形態２では、具体的な筐体として、アンテナ装置１００が腕時計型端末２００に配設される。

本実施形態２における具体的な構成について、図３、４を用いて説明する。図３は、本発明の実施形態２における腕時計型端末２００の一例を示す図である。図４は、図３に示す腕時計型端末２００を腕に装着した状態を示す図である。なお、本実施形態２において、実施形態１と同一の構成要件については同じ参照符号を付し、その説明を省略する。

図３に示すように、腕時計型端末２００は、本体部２０１、第１ベルト部２０２、第２ベルト部２０３を具備する。本体部２０１は、例えば、ＡＢＳなどの樹脂材料で形成される。第１ベルト部２０２および第２ベルト部２０３は、それぞれ、ゴムやプラスチックなどの樹脂材料で形成される。

本体部２０１には、アンテナ装置１００の回路基板１０１が配設される。そして、実施形態１と同様に、回路基板１０１の上には、地導体１０２が配設される。

第１ベルト部２０２には、アンテナ装置１００の地導体延長部１０３が配設される。具体的には、第１ベルト部２０２の内部に銅箔などで形成される地導体延長部１０３が挿入される構成であってもよい。あるいは、第１ベルト部２０２の樹脂材料と地導体延長部１０３が一体となって形成される構成であってもよい。

第２ベルト部２０３には、アンテナ装置１００のアンテナ素子１０４が配設される。具体的には、第２ベルト部２０３の内部に銅箔などで形成されるアンテナ素子１０４が挿入される構成であってもよい。あるいは、第２ベルト部２０３の樹脂材料とアンテナ素子１０４が一体となって形成される構成であってもよい。

以上、本実施形態２では、アンテナ装置１００を腕時計型端末２００のような小型端末に適用することについて説明した。

なお、本実施形態２では、アンテナ装置１００を腕時計型端末に適用する場合について説明したが、例えば、ネックレス型端末、眼鏡型端末などの小型なウェアラブル端末においても同様の効果が得られる。

本発明にかかるアンテナ装置は、ウェアラブル機器等に搭載するのに好適である。

１００ アンテナ装置
１０１ 回路基板
１０２ 地導体
１０３ 地導体延長部
１０４ アンテナ素子
１０４−１ 第１アンテナ素子
１０４−２ 第２アンテナ素子
１０５ 給電部
１０６ 整合回路部
１０７ 無線部
１０８ 接続部
１１１ 第１筐体
１１２ 第２筐体
１１３ 第３筐体
２００ 腕時計型端末
２０１ 本体部
２０２ 第１ベルト部
２０３ 第２ベルト部

Claims (8)

1. 地導体と、
   略三角形の形状を有し、前記略三角形の頂点の１つが前記地導体に接続される地導体延長部と、
   前記地導体に接続され、第１の周波数帯と第１の周波数帯より高い第２の周波数帯との両方の周波数帯で動作するアンテナ素子と、を具備するアンテナ装置であって、
   前記地導体と前記地導体延長部との合計の長さは、前記第１の周波数帯と前記第２の周波数帯との間の中央周波数の４分の１波長の−５％から＋２０％の長さを有し、かつ、
   前記地導体と前記地導体延長部との合計の長さは、前記第１の周波数帯において共振しない長さである、
   アンテナ装置。
2. 前記地導体と前記地導体延長部との合計の長さは、前記中央周波数の４分の１波長の長さを有する、
   請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記地導体は、略長方形の形状であり、
   前記アンテナ装置は、
   前記地導体の第１の辺の端に配置された給電部と、
   前記地導体の前記第１の辺と対向した第２の辺上の前記給電部と近い側の端に配置された接続部と、を更に有し、
   前記地導体は、前記接続部を介して、前記地導体延長部と接続する、
   請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１の周波数帯は、８００ＭＨｚ帯であり、
   前記第２の周波数帯は、２ＧＨｚ帯であり、
   前記中央周波数は、１４００ＭＨｚである、
   請求項１に記載のアンテナ装置。
5. 第１筐体、第２筐体、および、第３筐体の３つの筐体が連なって設けられ、
   前記地導体は、前記第１筐体に収納され、
   前記地導体延長部は、前記第２筐体に収納され、
   前記アンテナ素子は、前記第３筐体に収納される、
   請求項１に記載のアンテナ装置。
6. 前記アンテナ素子は、前記第１の周波数帯で動作する第１アンテナ素子部、および、前記第２の周波数帯で動作する第２アンテナ素子部を有し、
   前記第１アンテナ素子部は、ミアンダ形状の素子であり、
   前記第２アンテナ素子部は、逆Ｌ字型素子である、
   請求項１に記載のアンテナ装置。
7. 腕時計端末の本体部と、
   前記本体部と接続され、且つ、樹脂からなる第１ベルト部と、
   前記第１ベルト部の反対側で前記本体部に接続され、且つ、樹脂からなる第２ベルト部と、
   を更に有し、
   前記第１筐体は、前記本体部であり、
   前記第２筐体は、前記第１ベルト部であり、
   前記第３筐体は、前記第２ベルト部である、
   請求項５に記載のアンテナ装置。
8. 前記第１ベルト部に含まれる前記地導体延長部の前記三角形の一辺が前記第１ベルト部の延長方向に沿って配置される、
   請求項７に記載のアンテナ装置。
   

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