JP7120327B2

JP7120327B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP7120327B2
Application number: JP2020559641A
Authority: JP
Inventors: 良章平岡; 雄一郎鈴木; 敬義伊藤; 富広大室; 徹小曽根; 仁佐藤
Original assignee: Sony Corp; Sony Group Corp
Current assignee: Sony Corp; Sony Group Corp
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2022-08-17
Anticipated expiration: 2038-12-13
Also published as: EP3883058A1; US20220029284A1; US11881619B2; CN113169449B; CN113169449A; WO2020121482A1; JPWO2020121482A1; EP3883058A4

Description

本開示は、アンテナ装置に関する。

従来、例えば下記の特許文献１には、一定の方向への指向性を有するアンテナ装置を用いた携帯端末において、その姿勢によらず目的の方向へ指向性を向けることができるようにした技術が記載されている。

特開２０１２－１３４９５０号公報

近時においては、既存の４Ｇで使われてきた携帯端末の周波数帯域に加えて、新たに５Ｇの周波数帯域を使用することで、高速で大容量のデータを送ることが想定されている。

ここで、４Ｇ対応の携帯端末に５Ｇのアンテナ装置を搭載しようとすると、４Ｇのアンテナ装置によって５Ｇのアンテナ装置の放射波が筐体内で反射してしまう問題がある。特に、４Ｇのアンテナを構成する金属部材が携帯端末の外周を囲むように設けられている場合、金属部材の内側に５Ｇのアンテナ装置が配置されるため、４Ｇのアンテナ装置によって５Ｇのアンテナ装置の放射波が筐体内で反射してしまう。一方、４Ｇのアンテナの外側に５Ｇのアンテナを設けると、端末が大型化し、また、４Ｇのアンテナの特性が劣化する問題がある。

そこで、異なる周波数に対応する複数のアンテナを搭載する場合に、放射波が筐体内部で反射しないようにすることが求められていた。

本開示によれば、第１の周波数で動作する第１のアンテナと、前記第１のアンテナよりも筐体の外側に設けられ、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数で動作し、前記第１のアンテナの放射方向に開孔が設けられた第２のアンテナと、を備える、アンテナ装置が提供される。

以上説明したように本開示によれば、異なる周波数に対応する複数のアンテナを搭載する場合に、放射波が筐体内部で反射しないようにすることができる。
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。

携帯端末を裏面から見た状態を示す模式図である。外部金属で放射波が反射する様子を示す模式図である。図１中の左側面に示した一点鎖線Ｉ－Ｉ’に沿った断面を示す模式図である。図３Ａ中の矢印Ａ１方向から開孔を見た状態を示す模式図である。外装金属における開孔の構成を示す斜視図である。アンテナの別の構成を示す模式図である。アンテナの別の構成を示す模式図である。外装金属における開孔の構成を示す斜視図である。パッチアンテナの構成を説明するための模式図である。パッチアンテナの構成を説明するための模式図である。パッチアンテナの構成を説明するための模式図である。アンテナの構成を示す平面図である。パッチアンテナのサイズを示す模式図である。図９に示す一点鎖線ＩＩ－ＩＩ’に沿った位置の断面を示す模式図である。パッチアンテナと無給電素子との距離Ｄをパラメータとした時のシミュレーション結果を示す特性図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．アンテナ装置の概要
２．アンテナ装置の構成
３．無給電素子を備えたアンテナ装置の構成
４．パッチアンテナの構成
５．パッチアンテナと無給電素子との間の間隔
６．アンテナ装置の用途

１．アンテナ装置と周辺の構成
まず、図１を参照して、本開示の一実施形態に係るアンテナ装置１００とその周辺の概略構成について説明する。本実施形態は、４Ｇ（ＬＴＥ）対応のアンテナを備えた携帯端末１０００に５Ｇミリ波通信機能を搭載する場合のアンテナ装置に関する。４Ｇ（ＬＴＥ）では７００ＭＨｚ～３．５ＧＨＺの周波数が用いられるが、５Ｇではミリ波と呼ばれる４Ｇより高い周波数が使用される。５Ｇミリ波の対応周波数は、一例として、２４．２５～２９．５
［ＧＨｚ］, ３７～４０［ＧＨｚ］である。TS38 104
V15.3などに記載された3GPPで規定されている詳細なBandの内訳は、ｎ２５７：２６．５～２９．５
［ＧＨｚ］、ｎ２５８：２４．２５～２７．５［ＧＨｚ］、ｎ２６０：３７～４０［ＧＨｚ］、ｎ２６１：２７．５～２８．３５［ＧＨｚ］、である。また、５Ｇミリ波では、偏波ＭＩＭＯと呼ばれる水平／垂直２偏波アンテナを搭載することで大容量通信を可能とする。

図１は、携帯端末を示す模式図であって、中央には、携帯端末を裏面から見た状態を示す平面図１０００を示している。図１の中央の図では、携帯端末１０００を裏面から見た場合に、外部金属１００と、外部金属１００への給電部１１０と、外部金属１００のアンテナのグランド（ＧＮＤ）１２０を透視して示している。外部金属１００は、携帯端末１０００の周囲を囲むように設けられている。外周金属１００は、４Ｇ端末におけるアンテナ（リングアンテナ）として機能する。

また、図１では、携帯端末１０００の右側面１０１０、左側面１０２０、上面１０３０、下面１０４０をそれぞれ示している。

図１に示すように、携帯端末１０００には、５Ｇミリ波通信のアンテナ２００，２０２，２０４，２０６が設けられている。アンテナ２００，２０２，２０４，２０６は、携帯端末１０００の側面、上面、下面から外に向けて設けられている。アンテナ２００，２０２，２０４，２０６は、いずれもパッチアンテナから構成されている。

図１において、アンテナ２００，２０２，２０４，２０６の外側に外部金属１００が設けられていると、そのままでは外部金属１００で放射波が反射してしまい、アンテナとして機能させることができない。図２は、アンテナ２００，２０２，２０４，２０６からの放射波が外部金属１００で反射する様子を示す模式図である。ミリ波は直進性が高く、反射波は減衰してしまう。このため、携帯端末１０００でこの周波数の信号を使用する場合、筐体の端面の全周方向（６面
３６０度）に対して直接波を送受信可能なアンテナ構成にする。また、偏波ＭＩＭＯを実現するためには、全周方向に対して水平／垂直２偏波のアンテナにする。このため、図１では、携帯端末１０００の側面、上面、下面の４つのアンテナを図示するが、表面、裏面にもアンテナが設けられている。但し、表面、裏面では外部金属１００が放射波を遮ることがないため、表面、裏面では外部金属１００による放射波の反射を考慮する必要はない。

２．アンテナ装置の構成
このため、本実施形態では、アンテナ２００，２０２，２０４，２０６の位置で、外部金属１００に開孔１０２を設けている。図３Ａは、図１中の左側面１０２０に示した一点鎖線Ｉ－Ｉ’に沿った断面を示す模式図である。アンテナ２００，２０２，２０４，２０６は、携帯端末１０００の筐体において、外部金属１００の内側に配置されている。図３Ａに示すように、アンテナ２０４は、ミリ波アンテナモジュール３００上に設けられた、４つのパッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄから構成されている。また、図３Ｂは、図３Ａ中の矢印Ａ１方向から、すなわち携帯端末１０００の外側から開孔１０２を見た状態を示す模式図である。図３Ａ、図３Ｂに示すように、開孔１０２内には樹脂材料１０４が充填されている。

図３Ａに示すように、パッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄの放射方向に開孔１０２を設けたことで、外部金属１００でミリ波が反射してしまうことがなく、ミリ波を携帯端末１０００の外部に放射することができる。これにより、４Ｇのアンテナは外部金属１００を使用し、５Ｇのアンテナはパッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄから構成でき、４Ｇのアンテナと５Ｇのアンテナを共存させることができる。また、４Ｇのアンテナとして、外部電極１００からなるリングアンテナが使用できるため、５Ｇのミリ波アンテナが搭載されていても端末サイズの大型化を抑制でき、アンテナ特性の劣化を抑止できる。なお、開孔１０２に樹脂材料１０４を充填しなくても、アンテナ２０４の機能を発揮することはできるが、塵などの付着防止のため、開孔１０２には樹脂材料１０４を充填することが好適である。

図４は、外装金属１００における開孔１０２の構成を示す斜視図である。図３Ａ、図３Ｂに示す例では、図４に示すような長方形の開口部を有する開孔１０２が設けられている。開孔１０２内には樹脂材料１０４が充填される。

３．無給電素子を備えたアンテナ装置の構成
図５Ａ及び図５Ｂは、アンテナ２０４の別の構成を示す模式図である。図５Ａは、図１中の左側面１０２０に示した一点鎖線Ｉ－Ｉ’に沿った断面を示す模式図である。また、図５Ｂは、図５Ａ中の矢印Ａ１方向からアンテナ２０４を見た状態を示す模式図である。

図５Ａ及び図５Ｂに示す例では、パッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄに対応する位置に４つの開孔１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄを設けている。４つの開孔１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄのそれぞれは、樹脂材料１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄによって充填されている。そして、パッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄのそれぞれと対向する位置に無給電素子１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄが設けられている。無給電素子１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄは金属から構成され、樹脂材料１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄにより外部金属１００から絶縁されている。

これにより、パッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄのそれぞれと無給電素子１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄのそれぞれが空間的に結合し、パッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄから放射されたミリ波は無給電素子１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄから携帯端末１０００の外へ放射される。

図６は、外装金属１００における開孔１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄの構成を示す斜視図である。図５Ａ、図５Ｂに示す例では、図６に示すような正方形の開口部を有する開孔１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄが設けられている。開孔１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ内には無給電素子１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄが設けられ、また樹脂材料１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄが充填される。

４．パッチアンテナの構成
図７Ａ～図７Ｃは、パッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄの構成を説明するための模式図である。図７Ａは、パッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄに水平偏波を給電した状態を示す模式図である。また、図７Ｂは、パッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄに垂直偏波を給電した状態を示す模式図である。また、図７Ｃは、パッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄに水平偏波と垂直偏波を給電した状態を示す模式図である。

図７Ｃに示すように、パッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄは、１つ目の給電位置から９０度回転した位置に２つ目の給電が配置されることで、水平／垂直の２偏波構造とされている。これにより、水平／垂直の２偏波信号を送受信するアンテナを構成することができる。このような２給電のパッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄが、ミリ波アンテナモジュール３００上に配置されることで、図８に示すようなアンテナ２０４が構成されている。

５．パッチアンテナと無給電素子との間の間隔
次に、図５Ａ、図５Ｂに示す構成例の場合に、パッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄと無給電素子１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄとの間の間隔について説明する。図９に示す、パッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄのサイズｄ１は、以下の式（１）から求めることができる。式（１）において、ε_ｒは樹脂フレームの比誘電率である。
ｄ１＝λ／２√（ε_ｒ）・・・（１）

図１０は、図９に示す一点鎖線ＩＩ－ＩＩ’に沿った位置の断面を示す模式図であって、パッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄと、パッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄの上に配置される無給電素子１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄとの距離Ｄを示している。

図１１は、ミリ波周波数を２６．５ＧＨｚ～２９．５ＧＨｚ、基板誘電率を３．４、ｄ１を２．５５ｍｍとした条件で、パッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄと無給電素子１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄとの距離Ｄをパラメータとした時のシミュレーション結果を示す特性図である。図１１において、横軸は周波数を示し、縦軸はリターンロス（ＲｅｔｕｒｎＬｏｓｓ）を示している。図１１の縦軸のリターンロスが－１０ｄＢ以下となると、アンテナとして機能させるのに好適である。

図１１において、破線はＤ＝０．１、実線はＤ＝０．２、一点鎖線はＤ＝０．５、二点鎖線はＤ＝０．６の場合のシミュレーション結果をそれぞれ示している。図１１に示すように、Ｄ＝０．６の場合は、リターンロスが－１０ｄＢを超えていることから、アンテナとして機能させるには好適ではない。

一方、Ｄ＝０．１、Ｄ＝０．２、Ｄ＝０．５の場合は、リターンロスが－１０ｄＢ以下であり、アンテナとして機能させるのに好適である。従って、パッチアンテナ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄと無給電素子１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄとの間の距離Ｄは、０．５ｍｍ以下とすることが好適である。

また、距離Ｄに応じてアンテナの広帯域化を実現することが可能であり、Ｄ＝０．２ｍｍの場合は、リターンロスが－１０ｄＢ以下の周波数帯域Ｆを最も広くすることができる。

６．アンテナ装置の用途
本開示に係るアンテナ装置は、上述したような携帯端末向けの他、ＩｏＴ、車載向け装置など、様々な分野に適用が可能である。

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）第１の周波数で動作する第１のアンテナと、
前記第１のアンテナよりも筐体の外側に設けられ、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数で動作し、前記第１のアンテナの放射方向に開孔が設けられた第２のアンテナと、
を備える、アンテナ装置。
（２）前記第２のアンテナは、前記筐体の外周を囲むように設けられた、前記（１）に記載のアンテナ装置。
（３）前記開孔に樹脂材料が埋め込まれた、前記（１）又は（２）に記載のアンテナ装置。
（４）前記開孔の前記第２のアンテナと対向する位置に無給電素子が設けられた、前記（１）～（３）のいずれかに記載のアンテナ装置。
（５）前記第２のアンテナは、複数のパッチアンテナが配列されて構成され、複数の前記無給電素子が複数の前記パッチアンテナに対応して設けられ、複数の前記無給電素子のそれぞれが複数の前記パッチアンテナのそれぞれと対向する、前記（４）に記載のアンテナ装置。
（６）複数の前記パッチアンテナと複数の前記無給電素子との間の距離が０．５ｍｍ以下である、前記（５）に記載のアンテナ装置。
（７）前記第１の周波数は５Ｇ対応のミリ波周波数であり、前記第２の周波数は４ＧＨｚ以下の周波数である、前記（１）～（６）のいずれかに記載のアンテナ装置。
（８）携帯端末に搭載される、前記（１）～（７）のいずれかに記載のアンテナ装置。
（９）ＩｏＴ端末又は車載端末に搭載される、（１）～（７）のいずれかに記載のアンテナ装置。

１００外装金属
１０２，１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ開孔
１０４，１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄ樹脂材料
１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄ無給電素子
２００，２０２，２０４，２０６アンテナ
２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄパッチアンテナ

Claims

第１の周波数で動作する複数の第１のアンテナと、
前記第１のアンテナよりも筐体の外側に設けられ、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数で動作し、前記第１のアンテナの放射方向に開孔が設けられた第２のアンテナと、
を備えるアンテナ装置であって、
前記第２のアンテナは、
前記筐体の側面外周を囲むように設けられたリング状のアンテナであり、
前記複数の第１のアンテナは、
前記第２のアンテナの側面、上面、下面にそれぞれ設けられた前記開孔にそれぞれ配置され、かつ、前記筐体の表面および裏面にそれぞれ配置される、
アンテナ装置。
前記開孔に樹脂材料が埋め込まれた、請求項１に記載のアンテナ装置。
前記開孔に配置された前記第１のアンテナと対向する位置に無給電素子が設けられた、請求項１に記載のアンテナ装置。
前記第１のアンテナは、複数のパッチアンテナが配列されて構成され、複数の前記無給電素子が前記開孔に配置された複数の前記パッチアンテナに対応して設けられ、複数の前記無給電素子のそれぞれが複数の前記パッチアンテナのそれぞれと対向する、請求項３に記載のアンテナ装置。
複数の前記パッチアンテナと複数の前記無給電素子との間の距離が０．５ｍｍ以下である、請求項４に記載のアンテナ装置。
前記第１の周波数は５Ｇ対応のミリ波周波数であり、前記第２の周波数は４ＧＨｚ以下の周波数である、請求項１に記載のアンテナ装置。
携帯端末に搭載される、請求項１に記載のアンテナ装置。
ＩｏＴ端末又は車載端末に搭載される、請求項１に記載のアンテナ装置。