JPWO2011142135A1 - アンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末 - Google Patents

Abstract

携帯無線端末内に同一周波数帯域で動作する２つのアンテナ素子を配置する構成において、互いのアンテナ素子上で打ち消し合うことで放射に寄与しない電流量を低減することで、低結合で高利得の性能を実現する、アンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末を提供するものである。接続回路１０８は、第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７との間の第一の周波数帯域における相互結合をキャンセルするように調節し、アンテナ素子間の結合劣化を軽減する。同時に、第一アンテナ素子の短辺の長さ１１０、第二アンテナ素子の短辺の長さ１０９を所定の異なる長さに設定することで、放射に寄与しない電流量が軽減する。この構成により、携帯無線端末において、同一周波数で動作する低結合で高効率のMIMO用アレーアンテナを実現することができる。

Description

本発明はアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末に係り、特に、携帯端末用アレーアンテナに関する技術であって、２つの素子が共に高いアンテナ効率を有するように、素子間の結合劣化を軽減するものである。

携帯電話などの携帯無線端末は、電話機能や電子メール機能、インターネット等へのアクセス機能だけに留まらず、近距離無線通信機能、無線ＬＡＮ機能、ＧＰＳ機能、ＴＶ視聴機能、ＩＣカード決済機能など、ますます多機能化が進んでいる。加えて、セルラー通信においては、高速かつ大容量の無線通信システムを実現する技術として、送信側、受信側に複数のアンテナを用いて通信を行う空間多重伝送（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉ-Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ-Ｏｕｔｐｕｔ）の搭載が予定されている。これは、複数の送信アンテナから時空間符号化した同じ信号を同帯域で送信することで空間多重を行い、複数の受信アンテナで受信して信号を分離することにより情報を抽出する。これにより、転送速度を向上させ、かつ大容量通信が可能となる。このような多機能化に伴って、携帯無線端末に搭載されるアンテナの数は増加傾向にあり、複数のアンテナ素子間の結合に伴うアンテナ性能の劣化、特にアンテナ効率の低下が深刻な課題となっている。

一方、携帯無線端末では、デザイン性及び携帯性の観点からさらなる小型化、高集積化が望まれる中、装置の小型化を図りつつ、良好なアンテナ特性を維持するためには、アンテナ素子の配置及びアンテナ素子同士の結合に対して、高いアンテナ効率を維持する種々の工夫が必要となる。また、給電経路やアンテナ素子数をできる限り少なくし、結合劣化対策を施し、高いアンテナ効率を維持した高性能のアンテナシステムが求められる。

このようなアンテナ素子間の結合の問題に対応する従来の携帯無線機としては、例えば特許文献１及び非特許文献１に開示されているように、アレーアンテナ素子の給電部間を接続するように接続回路を挿入し、各アンテナの給電点間の位相をキャンセルさせることで、各アンテナの給電点間を低結合化し、高いアンテナ効率を実現する構成が知られている。

また、特許文献２に開示されているように、各アンテナ素子の先端部に配置された負荷パターンの形状を変化させることで、アンテナ素子が近接した場合においても、良好なインピーダンス整合が得られるアンテナ素子形状を提供している。

米国特許出願公開第２００８／０２５８９９１号 日本国特開２００３−０２３３１７号公報

"Decoupling and descattering networks for antennas", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.24 Issue6 Nov. 1976

非特許文献１及び特許文献１記載の従来構成では、例えば、特許文献１の第６Ａ図に示すように、アレーアンテナ素子の給電部間を接続するように接続回路を挿入することで、各アンテナの給電点間を低結合化することが可能であり、ある給電点から給電した電力は、他の給電点に入力され、その特性インピーダンスによる抵抗成分で消費される電力が減少するため、アンテナ効率は向上する。しかし、接続回路を挿入することで他の給電点での特性インピーダンスによる電力消費が低減し、素子上に滞在する電流が長時間存在することになり、素子間を行き来する電力、つまり一種の共振現象が両素子間で発生し、その電力の行き来で生じる導体損失によるアンテナ効率の減少が生じてしまう。つまり、接続回路を挿入することによる低結合化対策では、給電されない側の給電部の特性インピーダンスによる抵抗成分で消費される電力を減少させ、アンテナ効率はある程度向上させることができるが、弊害として素子間を行き来する電力による導体損失が増加し、アンテナ効率が必ずしも最大とならない、という課題があった。

また、特許文献２に開示されているように、各アンテナ素子の先端部に配置された負荷パターンの形状を変化させることで、アンテナ素子が近接した場合においても、良好なインピーダンス整合が得られるアンテナ素子形状を提供しているが、アンテナ素子間の結合の改善に関する手段は開示されておらず、素子のインピーダンス整合がとれることで、必ずしも素子間結合劣化が改善できるわけではない、という課題があった。

本発明は、ＭＩＭＯ等への対応を目的とした平行に配置された略長方形の２素子のアンテナがアレー状に搭載される携帯端末において、上記課題を解決するために、アンテナ素子間で素子の短辺の長さを異ならせる、つまり素子の幅を所定の比となるように構成する。

上記状態において、さらに給電部間の低結合対策を行なった場合、給電する給電部と反対の給電部での電力損失が低減し、なおかつ、素子間で行き来する電力による損失を低減させることが可能であり、アンテナ効率をより向上させることができる。このため、任意の周波数において従来よりも高いアンテナ効率を実現できるアレーアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末を提供するものである。

本発明のアンテナ装置は、回路基板と、導電性の金属で構成された略長方形の第一アンテナ素子と、導電性の金属で構成された略長方形の第二アンテナ素子と、前記第一アンテナ素子と前記第二アンテナ素子とを電気的に接続する接続回路と、を具備し、前記第一アンテナ素子及び第二アンテナ素子は、互いに平行で、前記回路基板の端部に配置される第一給電部及び第二給電部に電気的に接続され、前記第一アンテナ素子の短辺の長さ、および前記第二アンテナ素子の短辺の長さは、前記第一アンテナ素子及び第二アンテナ素子の素子間で電力に共振現象が生じない程度の差を有する。

この構成により、前記第一給電部と第二給電部間が低結合化し、互いの給電部に流れ込む損失電力が軽減されるとともに、前記第一アンテナ素子と第二アンテナ素子間に発生する電力の共振現象により、素子間で行き来する電力による導体損失をも同時に低減することが可能であり任意の周波数において従来よりも高いアンテナ効率を実現できるアレーアンテナを実現することができる。

本発明のアンテナ装置は、筐体と、前記筐体に設けられグランドパターンを有する回路基板と、導電性の金属で構成された略長方形の第一アンテナ素子と、導電性の金属で構成された略長方形の第二アンテナ素子と、前記第一アンテナ素子と前記第二アンテナ素子とを電気的に接続する接続回路と、を具備し、前記第一アンテナ素子及び第二アンテナ素子は、前記回路基板上のグランドパターンと所定の間隔を隔てて互いに近接して略平行に配置されるとともに、前記回路基板の端部に配置される第一給電部及び第二給電部に電気的に接続され、前記第一アンテナ素子の短辺の長さ、および前記第二アンテナ素子の短辺の長さは、（｜前記第一アンテナ素子の短辺の長さ−前記第二アンテナ素子の短辺の長さ｜）÷（前記第一アンテナ素子の短辺の長さ＋前記第二アンテナ素子の短辺の長さ）が略０．１以下、かつ、０より大きい、を満たし前記接続回路は、第一の周波数帯域における前記第一アンテナ素子と第二アンテナ素子との間の相互結合をキャンセルするように調節されている。

この構成により、前記第一給電部と第二給電部間が低結合化し、互いの給電部に流れ込む損失電力が軽減されるとともに、前記第一アンテナ素子と第二アンテナ素子間に発生する電力の共振現象による導体損失をも同時に低減することが可能であり、任意の周波数において従来よりも高いアンテナ効率を実現できるアレーアンテナを実現することができる。

また、本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末は、第一の周波数帯域において、前記第一アンテナ素子及び第二アンテナ素子の最も近接する各辺の距離が０．５波長以下とする。

この構成により、アンテナが極めて近接した状態でも低導体損失で、高いアンテナ効率を実現でき、小型のアレーアンテナが構成可能である。

また、本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末は、前記第一アンテナ素子、および前記第二アンテナ素子の長辺の長さが、第一の周波数帯域において、０．５波長以下である。

この構成により、アンテナ素子が短くても低導体損失で、高いアンテナ効率を実現でき、小型のアレーアンテナが構成可能である。

また、本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末は、前記第一アンテナ素子が、第一インピーダンス整合回路を介して前記第一給電部と電気的に接続されるとともに、前記第二アンテナ素子が、第二インピーダンス整合回路を介して前記第二給電部と電気的に接続される。

この構成により、所望の周波数帯域において、低結合化と合わせてアンテナのインピーダンスを整合させることができるため、より低結合で、低導体損失で、高いアンテナ効率をもつアンテナ特性を実現できる。

また、本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末は、前記第一アンテナ素子及び前記第二アンテナ素子が、前記回路基板側で前記回路基板の主面に略直交して配置されるとともに、前記筐体の内壁に沿って折り曲げられて、前記筐体内に配置される。

この構成により、端末内の少ない占有体積でもアンテナ素子を配置することができ、小型のアレーアンテナを実現できる。

また、本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末は、前記第一アンテナ素子又は前記第二アンテナ素子のいずれか、または全てが、プリント基板上の銅箔パターンで構成される。

この構成により、高精度にアンテナ素子を配置することができ、量産性の良いアレーアンテナを実現できる。

また、本発明のアンテナ装置をＭＩＭＯ対応携帯無線端末に搭載する構成とした。

この構成により、ＭＩＭＯ対応可能な携帯無線端末のアンテナ特性を向上させることができ、小型化を図ることができる。

本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末によれば、同一の周波数で動作する低結合、低導体損失、高アンテナ効率のＭＩＭＯ用アレーアンテナを実現することが可能である。

本発明の実施の形態１における携帯無線端末の構成図 （ａ）第一アンテナ素子の短辺の長さ１１０、第二アンテナ素子の短辺の長さ１０９が等しい場合における給電部間の電力移動の概念図、（ｂ）接続回路１０８なしの場合における給電部間の電力移動の概念図 （ａ）本発明の実施の形態１における接続回路の具体構成の一例（コンデンサ）を示す図、（ｂ）本発明の実施の形態１における接続回路の具体構成の一例（インダクタ）を示す図、（ｃ）本発明の実施の形態１における接続回路の具体構成の一例（並列共振回路）を示す図、（ｄ）本発明の実施の形態１における接続回路の具体構成の一例（直列共振回路）を示す図、（ｅ）本発明の実施の形態１における接続回路の具体構成の一例（メアンダパターン）を示す図 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態１における携帯無線端末の特性解析モデルを示す図 （ａ）本発明の実施の形態１における携帯無線端末のＳパラメータ（Ｓ１１）特性図、（ｂ）本発明の実施の形態１における携帯無線端末のＳパラメータ（Ｓ２２）特性図、（ｃ）本発明の実施の形態１における携帯無線端末のＳパラメータ（Ｓ２１）特性図 （ａ）本発明の実施の形態１にて、短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の和が４ｍｍの条件における、素子幅の差とアンテナ効率の関係グラフを示す図、（ｂ）本発明の実施の形態１にて、短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の和が８ｍｍの条件における、素子幅の差変化とアンテナ効率の関係グラフを示す図 本発明の実施の形態１にて、短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の和が４ｍｍの条件における、第一給電部における電力の収束時間を示すグラフを示す図 （ａ）本発明の実施の形態１にて、短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の和が４ｍｍの条件における、素子幅の差÷素子幅の合計とアンテナ効率の関係グラフを示す図、（ｂ）本発明の実施の形態１にて、短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の和が８ｍｍの条件における、素子幅の差÷素子幅の合計とアンテナ効率の関係グラフを示す図 （ａ）および（ｂ）は、接続回路を使用しない場合の携帯無線端末の特性解析モデルを示す図 接続回路を使用しない場合にて、短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の和が４ｍｍの条件における、素子幅の差とアンテナ効率の関係グラフを示す図 本発明の実施の形態２における携帯無線端末の構成図 本発明の実施の形態３における携帯無線端末の構成図 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態４における携帯無線端末の構成図 従来の低結合アレーアンテナの構成図

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における携帯無線端末の構成図である。

図１に示すように、携帯無線端末１００の内部に配置された回路基板１０１には第一無線回路部１０２が構成されており、第一給電部１０４を通じて、導電性の金属で構成された略長方形の第一アンテナ素子１０６に高周波信号が供給されている。さらに、回路基板１０１には第二無線回路部１０３が構成されており、第二給電部１０５を通じて、導電性の金属で構成された略長方形の第二アンテナ素子１０７に高周波信号が供給されている。

第一無線回路部１０２及び第二無線回路部１０３は共に、第一の周波数で動作する無線システムで使用される。

図１では、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７はいずれも携帯端末内部に配置されるため小型であり、第一の周波数帯域の波長にとって０．５波長以下の長辺の長さである。また、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７は限られた端末内部に内蔵させる必要性から、前記第一アンテナ素子及び第二アンテナ素子は略平行に近接配置されるとともに、両アンテナ素子の最も近接する辺同士の最短距離が０．５波長以下としている。

第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７は平行部分が０．５波長以下の距離で略平行に配置されているため、アンテナ素子間に相互結合が生じ、片方のアンテナ素子に流れた高周波電流が、もう片方のアンテナ素子に誘導電流として流れる。このため、給電された電流のうち、他方の給電点に流れ込んだ誘導電流は、その特性インピーダンスによる抵抗成分で消費され、損失電力となるため、結果としてアンテナ全体としてのアンテナ効率が低下してしまう。そこで、接続回路１０８を第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７の端部付近を接続するように挿入し、第一の周波数帯域における第一給電部と第二給電部との間の相互結合を-５ｄＢ以下になるよう調節し、結合を低減させることで、アンテナ効率を改善する手段を用いている。

また、第一アンテナ素子の短辺の長さ１１０、第二アンテナ素子の短辺の長さ１０９は、異なる長さに設定することで、さらなる結合劣化の改善を行っている。

図２に（ａ）第一アンテナ素子の短辺の長さ１１０、第二アンテナ素子の短辺の長さ１０９が等しい場合における給電部間の電力移動の概念図、（ｂ）接続回路１０８なしの場合における給電部間の電力移動の概念図をそれぞれ示す。図２（ａ）は接続回路１０８を使用することで相互結合を-５ｄＢ以下になるよう調節されている状態であり、図２（ｂ）は図２（ａ）より結合量が多い状態である。

この場合、図２（ａ）で結合は減少するものの、給電部の特性インピーダンスの抵抗分による電力消費が減少するため、第一アンテナ素子１０６および第二アンテナ素子１０７上に電力が蓄積され、素子上に流れる電流が長時間存在することになり、素子間を行き来する電力、つまり一種の共振現象が両素子間で発生し、その電力の行き来で生じる導体損失が生じてしまう。

図２（ｂ）は、結合が高いため、給電部の特性インピーダンスの抵抗分による電力消費が大きく、素子上に滞在する電力は少なく、滞在時間も短い一方で、給電されない側の給電部による損失電力が多く、アンテナ全体の放射効率は大幅に低下する。

そこで、第一アンテナ素子の短辺の長さ１１０と第二アンテナ素子の短辺の長さ１０９を、所定の異なる長さに設定することで、第一アンテナ素子１０６および第二アンテナ素子１０７上に蓄積される電力を軽減する。同一形状の素子を近接させた場合には、片側の素子の電流がもう片方の素子に誘導されやすいが、素子の幅が若干異なることで、誘導電流が減少し、結果として素子間に蓄積される電力が軽減されることがこの理由である。こうすることで、素子間を行き来する電流が減少しこの箇所で発生する導体損失が減少するため、両素子から電力がより短い時間で空間に放射され、アンテナ効率の向上に繋がる。

さらに、第一アンテナ素子１０６は第一インピーダンス整合回路１１１を介して第一給電部１０４に接続されるとともに、第二アンテナ素子１０７は第二インピーダンス整合回路１１２を介して第一給電部１０５に接続される。第一インピーダンス整合回路１１１及び第二インピーダンス整合回路１１２を配置することで、第一アンテナ素子１０６のインピーダンス整合と第二アンテナ素子１０７のインピーダンス整合と、アンテナ素子間の相互結合インピーダンスの調整をより細かく行うことができ、より効率の高いアンテナが実現できる。

また結合を低減させることで、インピーダンス整合回路１１１及び第二インピーダンス整合回路１１２の独立性が向上する。つまりインピーダンス整合回路１１１と第二インピーダンス整合回路１１２を個別に設計することが可能であり、整合回路の調整が容易である。例えばインピーダンス整合回路１１１の整合回路構成、定数を変更しても、第二インピーダンス整合回路１１２の最適な整合回路構成、定数に変化は生じないため、インピーダンス整合回路１１１を変更しても、第二インピーダンス整合回路１１２を再度変更する必要は生じない。

なお、図１の構成では第一アンテナ素子１０６、第二アンテナ素子１０７を略長方形の導電性の金属部品として説明しているが、プリント基板上に構成した銅箔のパターンで構成しても同様な効果が得られる。

図３は、本発明の実施の形態１における接続回路の具体構成を示す図である。図３に示すように、接続回路には（ａ）コンデンサ、（ｂ）インダクタ、（ｃ）並列共振回路、（ｄ）直列共振回路、（ｅ）メアンダパターンでの構成が可能である。さらにこれ以外の構成でも、フィルタや、パターンで構成したコンデンサなど、等価回路がコンデンサやインダクタの組合せで表現できる構成であって、相互結合インピーダンスを調整できるものであればいずれの構成でも良い。さらにこれらを複数組み合わせた構成であっても良い。

続いて、図１の具体的な構成について、アンテナ特性を解析した事例を示す。

図４は、本発明の実施の形態１における携帯無線端末の特性解析モデルを示す図である。図４（ａ）に示すように、回路基板１０１は、ガラスエポキシ（ガラエポ）製のプリント基板で構成されるが、ここでは長さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍの銅箔にて構成されていることとしてモデル化し、解析を行う。回路基板１０１には、第一給電部１０４及び第二給電部１０５を通じて、導電性の銅箔パターンである第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７に高周波信号が供給されている。第一給電部１０４及び第二給電部１０５からは、第一の周波数帯域である２ＧＨｚを含む、１ＧＨｚから３ＧＨｚの高周波信号が供給され、Ｓパラメータである通過特性ＳパラメータＳ２１及び反射特性ＳパラメータＳ１１、ＳパラメータＳ２２、及びアンテナ効率の解析を行う。

第一アンテナ素子１０６は長さ２４ｍｍ、一方、第二アンテナ素子１０７は長さ２４ｍｍ、となるよう設定する。

第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７は、グランドパターンから２ｍｍ離れて平行に配置されている。給電部からの接続線２ｍｍを含めたアンテナの長さ２６ｍｍは、２ＧＨｚの波長である１５０ｍｍにとって、０．１７３波長の長さに相当する。第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７の略平行部分の内側同士の最も両アンテナ素子の各辺が近接する最短距離は６ｍｍであり、２ＧＨｚに対して０．０４波長と極めて近接した間隔で配置されている。

第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７が電気的に近接した距離で略平行に配置されるため、アンテナ素子間に相互結合が生じ、片方のアンテナ素子に流れた高周波電流が、もう片方のアンテナ素子に誘導電流として流れ、給電部間の結合が増加してしまい、給電と反対側の給電点に到達した電力は、その特性インピーダンスによる抵抗成分で消費されるため、結果としてアンテナ効率が低下してしまう。そこで図４（ｂ）に示す接続回路１０８により、第一の周波数帯域における第一給電部と第二給電部との間の相互結合を-５ｄＢ以下になるよう調節し、結合を低減させ、アンテナ効率を改善している。

また、第一アンテナ素子１０６の短辺の長さ１１０と第二アンテナ素子１０７の短辺の長さ１０９の合計は８ｍｍとするとともに、第一アンテナ素子の短辺の長さ１１０、第二アンテナ素子の短辺の長さ１０９は、それぞれ所定の異なる長さに設定する。例えば、図４の構成では第一アンテナ素子の短辺の長さ１１０は１．８５ｍｍ、第二アンテナ素子の短辺の長さ１０９は２．１５ｍｍであり、その差は０．３ｍｍとしている。本構成により、第一アンテナ素子および第二アンテナ素子上に電力が蓄積されず、第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７の両素子から電力がより早い時間で空間に放射され、近接して配置したアンテナ素子間を行き来する電力が減少し、この箇所で発生する導体損失が減少した結果、アンテナ全体の放射効率が向上する。

図４（ｂ）に示すように、接続回路１０８は略６ｍｍの接続線路で構成され、３．０ｐＦのコンデンサと２．６ｎＨのインダクタが中央に直列に配置されている。さらに、第一インピーダンス整合回路１１１は第一給電部１０４側に１．８ｐＦを配置するとともに、回路基板のグランドパターンに対して５．１ｎＨで接地されている。第二インピーダンス整合回路１１２は第二給電部１０５側に１．１ｐＦを配置するとともに、回路基板のグランドパターンに対して４．３ｎＨで接地されている。第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７が非対称であることから、第一インピーダンス整合回路１１１と第二インピーダンス整合回路１１２も一般に非対称の定数となる。

なお、第一インピーダンス整合回路１１１及び第二インピーダンス整合回路１１２を各アンテナ素子の根元に配置することで、第一アンテナ素子１０６のインピーダンス整合と第二アンテナ素子１０７のインピーダンス整合と、アンテナ素子間の相互結合インピーダンスの調整をより細かく行うことができ、より結合劣化を軽減する効果を高めている。

また、結合を低減させることで、インピーダンス整合回路１１１及び第二インピーダンス整合回路１１２の独立性が向上し、つまりインピーダンス整合回路１１１と第二インピーダンス整合回路１１２を個別に設計することが可能であり、整合回路の調整が容易である。例えばインピーダンス整合回路１１１の整合回路構成、定数を変更しても、第二インピーダンス整合回路１１２の最適な整合回路構成、定数に変化は生じないため、インピーダンス整合回路１１１を変更しても、第二インピーダンス整合回路１１２を変更する必要は生じない。

図５は、図４の解析モデルを用いて解析した、本発明の実施の形態１におけるＳパラメータ特性図である。図５（ａ）は、第一給電部１０４から見たＳ１１波形、図５（ｂ）は第二給電部１０５からみたＳ２２波形を示している。また、図５（ｃ）は、第一給電部１０４から第二給電部１０５へ向かう通過特性であるＳ２１波形であり、いずれも横軸は１ＧＨｚから３ＧＨｚまでの周波数特性で示している。

図５（ａ）に示すように、２ＧＨｚにおけるＳパラメータＳ１１は−１０ｄＢ以下の低い値となっており、この周波数帯域でインピーダンス整合が取れている様子が分かる。また、図５（ｂ）に示すように、２ＧＨｚにおけるＳパラメータＳ２２も同様に、−１０ｄＢ以下の低い値となっており、この周波数帯域でインピーダンス整合が取れている様子が分かる。さらに、図５（ｃ）に示すように、２ＧＨｚにおける通過特性であるＳ２１は−１０ｄＢ以下の低い値となっており、この周波数帯域でアイソレーションが確保され、結合量が軽減されている様子が分かる。このように、２ＧＨｚにおいて、インピーダンス整合及びアイソレーションが確保でき、結果として結合劣化が軽減されるように調整されている様子が分かる。

次に、第一アンテナ素子１０６の短辺の長さ１１０と、第二アンテナ素子１０７の短辺の長さ１０９の合計が４ｍｍ、８ｍｍの２通りで設計した、第一アンテナ素子１０６の短辺の長さ１１０と、第二アンテナ素子１０７の短辺の長さ１０９の組合せにおける、アンテナ効率を示す。

図６（ａ）は、本発明の実施の形態１にて、短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の和が４ｍｍの条件における、第一アンテナ素子１０６の短辺の長さ１１０と第二アンテナ素子１０７の短辺の長さ１０９に対する、アンテナ効率を示す。図６（ｂ）は、本発明の実施の形態１にて、短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の和が８ｍｍの条件における、第一アンテナ素子１０６の短辺の長さ１１０と第二アンテナ素子１０７の短辺の長さ１０９を変化させた場合のアンテナ効率を示す。縦軸は第一給電部１０４、第二給電部１０５それぞれに給電した場合の各アンテナのアンテナ効率の合計を単位［ｄＢ］で表記し、横軸を短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の差を単位［ｍｍ］で表記する。

図６（ａ）、図６（ｂ）より、最大のアンテナ効率が得られる短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の差が存在することが確認できる。

図７は、図６（ａ）で最大のアンテナ効率が得られる短辺の長さ１０９が１．８５ｍｍ、短辺の長さ１０９が２．１５ｍｍの場合と、短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９がそれぞれ２ｍｍの場合の２通りのモデルで、給電部における電力の収束時間を示した解析結果である。縦軸は第一給電部１０５における電力で、最大値を０ｄＢと正規化したもの、横軸は時間経過を示す。図７より、短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９を変えたものの方がより短い時間で電力が収束しており、その分放射電力が多くなっていることが分かる。すなわち、素子の短辺の長さを異なる値に選ぶことでアンテナ効率が向上することが分かる。この理由は、同一形状の素子を近接させた場合には、片側の素子の電流がもう片方の素子に誘導されやすいが、素子の幅が若干異なることで、第一アンテナ素子と第二アンテナ素子上を行き来する誘導電流が減少し、この箇所で発生する導体損失が減少するとともに、結果として素子間に蓄積される電力が軽減されるためである。このことで、アンテナ全体の放射効率が向上する。

図８は、前記図６の縦軸はそのままに、横軸を短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の差を短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の合計で割ったものに変更して表記している。図８（ａ）（ｂ）は図６（ａ）（ｂ）同様、（ａ）は短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の合計が４ｍｍの場合、（ｂ）は短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の合計が８ｍｍの場合である。

図８より、短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の関係において、短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の和が異なっても、短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の差を短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の合計で割った値が０．０７５の時に最もアンテナ効率が高く、０．１以下の場合に高いアンテナ効率を示していることがわかる。

つまり、下記数式１を満たす場合に、高いアンテナ効率を得ることが可能であることが分かる。

０＜｜第一アンテナ素子１０６の短辺の長さ１１０−第二アンテナ素子１０７の短辺の長さ１０９｜÷｜第一アンテナ素子１０６の短辺の長さ１１０＋第二アンテナ素子１０７の短辺の長さ１０９｜≦０．１

さらに図８より、下記数式２を満たす場合に最も高いアンテナ効率を得ることが可能である。

｜第一アンテナ素子１０６の短辺の長さ１１０−第二アンテナ素子１０７の短辺の長さ１０９｜÷｜第一アンテナ素子１０６の短辺の長さ１１０＋第二アンテナ素子１０７の短辺の長さ１０９｜≒０．０７５

このように、本実施の形態１を用いれば、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７を動作させて使用する第一の周波数帯域において、結合劣化と導体損失を同時に改善でき、低結合で高利得の内蔵型アレーアンテナを構成できる。

また、図１において接続回路１０８を使用しない場合、つまり低結合対策を施さない場合でのアレーアンテナ解析モデルを図９に示す。

図９（ｂ）に示すように、第一インピーダンス整合回路１１１は第一給電部１０４側に１．８ｐＦを配置するとともに、回路基板のグランドパターンに対して５．１ｎＨで接地されている。第二インピーダンス整合回路１１２は第二給電部１０５側に１．１ｐＦを配置するとともに、回路基板のグランドパターンに対して４．３ｎＨで接地されている。この整合回路により、ＳパラメータＳ１１とＳ２２は−１０ｄＢ以下を第一の周波数帯域で満たしている。

図１０に、接続回路を使用しない場合にて、第一アンテナ素子の短辺の長さ１１０と第二アンテナ素子短辺の長さ１０９の合計が４ｍｍを維持しつつ、第一アンテナ素子の短辺の長さ１１０と、第二アンテナ素子の短辺の長さ１０９の比を変化させた場合のアンテナ効率を示す。

縦軸を第一給電部１０４、第二給電部１０５それぞれに給電した場合の各アンテナのアンテナ効率の合計を単位［ｄＢ］で表記し、横軸を短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の差を単位［ｍｍ］で表記し、短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の差を短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の合計で割ったものに変更して表記している。図１０は図６（ａ）同様、短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の合計が４ｍｍの場合である。
する。

図８の結果に比べて図１０の結果では２ｄＢ以上の放射効率の低下が確認でき、接続回路を使用しない場合に結合劣化が生じている様子が分かる。さらに、図１０の接続回路を使用しない場合、つまり低結合対策を施さない場合は短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９の差が０の場合、つまりアンテナ素子幅が同じ場合、最大のアンテナ効率が得られることが確認できる。つまり、短辺の長さ１１０と短辺の長さ１０９に所定の差異をもたせてアンテナ効率の向上を行う対策は、低結合対策として接続回路を使用したときに初めて有効である対策であることが確認できる。

なお、前記実施の形態では、筐体を構成する無線通信端末１００内に設けられた回路基板１０１のグランドパターンに対して、第一アンテナ素子および第二アンテナ素子が平行であってかつ、第一アンテナ素子および第二アンテナ素子が互いに平行となるように構成したが、グランドパターンは必ずしも回路基板１０１に設けられていなくてもよく、回路全体としてインピーダンス整合が取れるように構成されていればよい。

（実施の形態２）
図１１は、本発明の実施の形態２における携帯無線端末の構成図である。図１１において、図１と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。

図１１では、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７が、回路基板１０１に対して略直交して伸延された後、携帯無線端末１００の筐体内壁に沿って直角に折り曲げられて配置される。

また、第一アンテナ素子の短辺の長さ１１０と第二アンテナ素子の短辺の長さ１０９は前記式１、及または前記式２で定義した通り、異なる長さとしている。

このように配置することで、アンテナ素子を筐体端部の少ない占有体積で携帯無線端末１００の筐体内に格納することができ、装置の小型化を図りつつ、低結合のアンテナ特性を実現できる。

（実施の形態３）
図１２は、本発明の実施の形態３における携帯無線端末の構成図である。

図１２において、図１と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。

図１２では、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７が、携帯無線端末１００の筐体内壁の異なる面に面するように回路基板１０１の主面１０１Ｓに対して略直交して伸延された後、携帯無線端末１００の筐体内壁に沿って略直角に折り曲げられて配置されている。加えて、第一アンテナ素子１０６の短辺の長さ１１０と第二アンテナ素子１０７の短辺の長さ１０９は前記式１、または前記式２で定義した通り、異なる長さとしている。第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７は、所定の間隔を隔てて互いに平行に配置されている。そして第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７は、第一給電部１０４と第二給電部１０５の近傍で銅箔パターンからなる接続回路１０８で接続されている。

このように配置することで、アンテナ素子を筐体端部の少ない占有体積で携帯無線端末１００の筐体内に格納することができ、装置の小型化を図りつつ、低結合のアンテナ特性を実現できる。

（実施の形態４）
図１３は、本発明の実施の形態４における携帯無線端末の構成図である。

図１３において、図１と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。

図１３（ａ）は折り畳み式の携帯無線端末２００を背面から見た図である。また、図１３（ｂ）は、折り畳み式の携帯無線端末２００の断面図である。図１３では、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７が、回路基板１０１の主面１０１Ｓに対して略直交して伸延された後、折り畳み式の携帯無線端末２００の筐体内壁に沿って直角に折り曲げられて配置され、第二アンテナ素子１０７は先端部分を折り畳み式の携帯無線端末２００の筐体内壁に沿って略直角に折り曲げられて配置される。加えて、第一アンテナ素子１０６の短辺の長さ１１０と第二アンテナ素子１０７の短辺の長さ１０９は、前記式１または前記式２で定義した通り、異なる長さとしている。第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７は、先端部では、筐体１００の直交する２つの面に配置され、所定の間隔を隔てて互いに平行に配置されている。そして第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７は、第一給電部１０４と第二給電部１０５の近傍で銅箔パターンからなる接続回路１０８で接続されている。

このように配置することで、アンテナ素子を筐体背面の少ない占有体積で折り畳み式の携帯無線端末２００の筐体内に格納することができ、装置の小型化を図りつつ、低結合のアンテナ特性を実現でき、高いアンテナ特性を確保できる効果がある。

なお前記実施の形態では、２つのアンテナ素子が近接して配置された例について説明したが、３つ以上の場合にも同様であり、隣接して配置され給電部近傍で接続された２つのアンテナ素子が異なる幅（短辺）を有するように形成することで、高効率のアレーアンテナを提供することができる。

本出願は、２０１０年０５月１３日出願の日本特許出願（特願２０１０−１１０７４２）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末は、任意の周波数で動作する低結合かつ高効率のアレーアンテナを実現することができるため、ＭＩＭＯ搭載携帯電話などの携帯無線端末に有用である。

１００ 携帯無線端末
１０１ 回路基板
１０２ 第一無線回路部
１０３ 第二無線回路部
１０４ 第一給電部
１０５ 第二給電部
１０６ 第一アンテナ素子
１０７ 第二アンテナ素子
１０８ 接続回路
１０９ 第二アンテナ素子の短辺の長さ
１１０ 第一アンテナ素子の短辺の長さ
１１１ 第一インピーダンス整合回路
１１２ 第二インピーダンス整合回路
２００ 折り畳み式の携帯無線端末

Claims (9)

1. 回路基板と、
   導電性の金属で構成された略長方形の第一アンテナ素子と、
   導電性の金属で構成された略長方形の第二アンテナ素子と、
   前記第一アンテナ素子と前記第二アンテナ素子とを電気的に接続する接続回路と、を具備し、
   前記第一アンテナ素子及び第二アンテナ素子は、互いに平行で前記回路基板の端部に配置される第一給電部及び第二給電部に電気的に接続され、
   前記第一アンテナ素子の短辺の長さ、および前記第二アンテナ素子の短辺の長さは、
   前記第一アンテナ素子及び第二アンテナ素子の素子間で電力に共振現象が生じない程度の差を有するように調整されたアンテナ装置。
2. 前記回路基板はグランドパターンを有し、
   前記第一アンテナ素子及び第二アンテナ素子は、前記回路基板上のグランドパターンと所定の間隔を隔てて互いに近接して略平行に配置され、
   前記第一アンテナ素子の短辺の長さ、および前記第二アンテナ素子の短辺の長さは、（｜前記第一アンテナ素子の短辺の長さ−前記第二アンテナ素子の短辺の長さ｜）÷（前記第一アンテナ素子の短辺の長さ＋前記第二アンテナ素子の短辺の長さ）が略０．１以下、かつ、０より大きい、
   を満たし
   前記接続回路は、第一の周波数帯域における前記第一アンテナ素子と第二アンテナ素子との間の相互結合をキャンセルするように調節された請求項１記載のアンテナ装置。
3. 第一の周波数帯域において、前記第一アンテナ素子及び第二アンテナ素子の最も近接する各辺の距離が０．５波長以下である、請求項２記載のアンテナ装置。
4. 前記第一アンテナ素子および前記第二アンテナ素子の長辺の長さが、第一の周波数帯域において、０．５波長以下である、請求項２記載のアンテナ装置。
5. 前記第一アンテナ素子が、第一インピーダンス整合回路を介して前記第一給電部と電気的に接続されるとともに、前記第二アンテナ素子が、第二インピーダンス整合回路を介して、前記第二給電部と電気的に接続される請求項２記載のアンテナ装置。
6. さらに筐体を備え、
   前記第一アンテナ素子及び前記第二アンテナ素子が、前記回路基板側で前記回路基板の主面に略直交して配置されるとともに、前記筐体の内壁に沿って折り曲げられて、前記筐体内に配置された請求項２記載のアンテナ装置。
7. 前記第一アンテナ素子又は前記第二アンテナ素子のいずれか、または全てが、プリント基板上の銅箔パターンで構成された、請求項２記載のアンテナ装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のアンテナ装置を搭載した携帯無線端末。
9. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のアンテナ装置を搭載したＭＩＭＯ対応携帯無線端末。

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