JPWO2016076120A1 - アンテナ装置および通信装置 - Google Patents

Abstract

共通の給電点に接続された、ハイバンド用アンテナ素子およびローバンド用アンテナ素子を備え、１つの給電点で給電するアンテナ装置において、ローバンド用アンテナ素子のハイバンドでの不要共振による影響を抑制する。共通の給電点（ＦＰ）に接続された、ハイバンド用アンテナ素子（１１）およびローバンド用アンテナ素子（１２）と、ローバンド用アンテナ素子（１２）と給電点（ＦＰ）との間に接続されたアンテナ短縮用インダクタ（１４）と、アンテナ短縮用インダクタ（１４）に並列接続されたキャパシタ（１５）と、を備える。

Description

本発明は、ハイバンド用アンテナ素子とローバンド用アンテナ素子とが１つの給電点で接続された、マルチバンドに対応するアンテナ装置、およびそれを備える通信装置に関する。

従来、アンテナの広帯域化の一つの技術として、アンテナの素子長をインダクタで短縮させる方法がある。例えば、特許文献１には、アンテナ素子にタップ付インダクタを接続し、スイッチでタップを選択できるように構成し、タップの選択によりアンテナ素子の短縮率を切り替えることでアンテナの共振周波数を可変させることが示されている。

また、アンテナのマルチバンド化の一つの技術として、複数の帯域に対応したアンテナを共通の給電点で給電する方法がある。例えば特許文献２には、単一の給電点を有し、二つの帯域で動作可能ないわゆる二分岐構成のデュアルバンドアンテナが示されている。この特許文献２のアンテナ装置は、高周波帯域用のアンテナ素子の給電点部側の端部から開放端部までの間にインピーダンス整合部が挿入接続されている。

特開２００１−３４４５７４号公報 特開２０１０−１０９６０号公報

近年、携帯電話の周波数がますます広帯域化していく中、端末側のアンテナについては特に低域側（以下、「ローバンド」）の広帯域化を要求されている。しかし、携帯電話端末に搭載されるアンテナの設置スペースは非常に限られており、低域側のアンテナは小型化しつつ広帯域化する必要がある。また、高域側（以下、「ハイバンド」）にも対応しなければならないので、通常はローバンド用アンテナ素子とハイバンド用アンテナ素子とを繋いで1feedで給電するのが一般的である。

特許文献１に示されているアンテナ装置においては、インダクタンスの値をスイッチなどで切替えることで、アンテナ素子の短縮率を切替えることができる。しかし、この構成をローバンド用のアンテナ素子に適用し、ハイバンド用のアンテナ素子をローバンド用アンテナ素子に接続して1feedで給電するように構成すると、ハイバンドの周波数でローバンド用のアンテナ素子が３／４波長共振で励振（以下、「３／４λ共振」）する場合がある。このローバンド用アンテナ素子の３／４λ共振により、ローバンド用アンテナ素子で損失が生じるので、ハイバンドのアンテナ効率が悪化してしまう。

特許文献２に示されているアンテナ装置においては、ハイバンド用のアンテナ素子とローバンド用のアンテナ素子とを共通の給電点に接続し、ハイバンド用のアンテナ素子に、ＬＣ共振回路を挿入している。このＬＣ共振回路は、ハイバンドで容量性となり、ハイバンド用アンテナ素子はハイバンドで共振する。上記ＬＣ共振回路は、ローバンドで誘導性となり、ハイバンド用アンテナ素子はローバンドで共振する。すなわち、ハイバンド用アンテナ素子をハイバンド・ローバンドの両方で共振させることでローバンドの広帯域化を実現しようとするものである。ところが、この構成でも、ハイバンドでローバンド用アンテナ素子が３／４λ共振で励振されてしまい、ハイバンドでの効率の悪化を防ぐことはできない。

本発明の目的は、共通の給電点に接続された、ハイバンド用アンテナ素子およびローバンド用アンテナ素子を備え、１つの給電点で給電するアンテナ装置において、ローバンド用アンテナ素子のハイバンドでの不要共振による影響を抑制したアンテナ装置を提供することにある。さらには、そのアンテナ装置を備える通信装置を提供することにある。

（１）本発明のアンテナ装置は、
共通の給電点に接続された、ハイバンド用アンテナ素子およびローバンド用アンテナ素子と、
前記ローバンド用アンテナ素子と前記給電点との間に接続されたアンテナ素子短縮用のインダクタ（以下、「アンテナ短縮用インダクタ」）と、
前記アンテナ短縮用インダクタに並列接続されたキャパシタと、
を備えたことを特徴とする。

上記構成により、インダクタとキャパシタとの並列回路はハイバンドにおいて容量性になり、ローバンド用アンテナ素子の３／４波長共振の周波数は、ハイバンドの帯域よりも高くできる。そのため、ローバンド用アンテナ素子はハイバンドでは３／４波長共振せず、損失が減少し、ハイバンドでの効率悪化を防ぐことができる。また、ハイバンドの帯域内でローバンド用アンテナ素子が３／４λ共振する場合でも、ハイバンドの電流は、アンテナ短縮用インダクタだけでなく、キャパシタを通過するので、アンテナ短縮用インダクタに生じる損失は低減される。

（２）面状に広がるグランド導体を備え、前記ハイバンド用アンテナ素子および前記ローバンド用アンテナ素子は前記グランド導体の縁に近接する非グランド領域に形成されていることが好ましい。この構造のアンテナ装置では、グランド導体に不要な共振電流が流れることによるハイバンドのアンテナ効率の低下が顕著になるが、上記（１）記載の構造によれば、グランド導体が近接していても上記損失低減効果が高まる。またグランド導体に流れる必要な電流により、グランド導体が放射素子の一部として作用し、アンテナ効率が高まる。

（３）前記アンテナ短縮用インダクタは、直列に接続された複数のインダクタで構成され、前記複数のインダクタへの電流経路を切り替えるスイッチを備えることが好ましい。このことにより、上記インダクタのインダクタンスを切り替えて、ローバンド用アンテナ素子の短縮率を切り替えることで、ローバンドでの共振周波数を広範囲に亘ってカバーできる。

（４）上記（３）において、前記キャパシタの少なくとも一部は前記スイッチに構成されることが好ましい。このことにより、スイッチ以外に付加するキャパシタを省略でき、実装面積を削減でき、小型化が図れる。

（５）上記（３）（４）において、前記複数のインダクタはミアンダ状に配置されることが好ましい。これにより、キャパシタを接続する経路長が短くなり、キャパシタの自己共振周波数が高くなる。そのことで効率改善効果を上げることができる。

（６）上記（３）（４）において、前記複数のインダクタはヘリカル状に配置されることが好ましい。これにより、キャパシタを接続する経路長が短くなり、キャパシタの自己共振周波数が高くなることで効率改善効果を上げることができる。

（７）本発明の通信装置は、上記（１）から（６）のいずれかに記載のアンテナ装置と、このアンテナ装置に接続される通信回路とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ローバンド用アンテナ素子による、ハイバンドでの不要共振が抑制され、損失が減少しハイバンドでのアンテナ効率の悪化を防ぐことができる。

図１は第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１の回路図である。 図２はアンテナ装置１０１の斜視図である。 図３は、プリント配線板９上の導体パターンとチップアンテナ２１との接続部の構造を示す部分斜視図である。 図４（Ａ）は本実施形態のアンテナ装置の電流強度の分布を示す図であり、図４（Ｂ）は比較例のアンテナ装置の電流強度の分布を示す図である。 図５は、本実施形態のアンテナ装置１０１と比較例のアンテナ装置についての、アンテナ効率の特性図である。 図６は第２の実施形態に係るアンテナ装置１０２の回路図である。 図７（Ａ）（Ｂ）は第３の実施形態に係るアンテナ装置のローバンド用アンテナ素子と給電点との間に接続される、アンテナ短縮用インダクタ１４およびキャパシタ１５の接続構造を示す図である。 図８は、プリント配線板９に対するキャパシタおよび４つのインダクタの実装構造の例を示す四面図である。 図９は第４の実施形態に係るアンテナ装置１０４の回路図である。 図１０は第５の実施形態に係る通信装置２０５のブロック図である。 図１１は、ローバンド用アンテナ素子１２が３／４λ共振している状態での、ハイバンド用アンテナ素子１１とローバンド用アンテナ素子１２に流れる電流の分布を示す参考図である。

《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１の回路図である。図２はアンテナ装置１０１の斜視図である。アンテナ装置１０１は、ハイバンド用のアンテナ素子１１とローバンド用のアンテナ素子１２を備える。ハイバンド用アンテナ素子１１およびローバンド用アンテナ素子１２は共通の給電点ＦＰに接続される。ローバンド用アンテナ素子１２と給電点ＦＰとの間にはアンテナ短縮用インダクタ１４が接続されている。また、アンテナ短縮用インダクタ１４にキャパシタ１５が並列接続されている。

本発明において、ハイバンドは概ね１．５ＧＨｚ以上の周波数帯域、ローバンドは概ね１ＧＨｚ以下の周波数帯域である。

なお、ここでアンテナ短縮用インダクタは、アンテナ素子の物理的な長さを変えることなく、アンテナの素子長を変化させる機能を有する。

具体的な構造例は図２に示すとおりである。この例では、直方体形状の誘電体基材１０の表面に導体パターン１１ａ，１１ｂ，１１ｃと導体パターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃとが形成されている。そして、誘電体基材１０と導体パターン１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１２ａ，１２ｂ，１２ｃとでチップアンテナ２１が構成されている。

上記導体パターン１１ａ，１１ｂ，１１ｃと誘電体基材１０とでハイバンド用アンテナ素子が構成され、導体パターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃと誘電体基材１０とでローバンド用アンテナ素子が構成される。

プリント配線板９にはグランド導体１３が形成されている。このプリント配線板９のグランド導体非形成領域（非グランド領域）Ａにチップアンテナ２１が搭載されている。

導体パターン１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは誘電体基材１０の上面に形成されていて、導体パターン１１ｃ，１２ｃは誘電体基材１０の側面に形成されている。チップアンテナ２１がプリント配線板９に搭載された状態で、プリント配線板９に形成されている導体パターンが導体パターン１１ｃ，１２ｃに接続される。

図３は、プリント配線板９上の導体パターンとチップアンテナ２１との接続部の構造を示す部分斜視図である。但し、視点は図２とは異なる。プリント配線板９には導体パターン１１ｄ，１１ｅ，１２ｄ，１２ｅが形成されている。導体パターン１１ｄにチップアンテナの導体パターン１１ｃの端部が接続される。また、導体パターン１２ｄにチップアンテナの導体パターン１２ｃの端部が接続される。

導体パターン１２ｄと導体パターン１２ｅとの間にアンテナ短縮用インダクタ１４およびキャパシタ１５がそれぞれ実装されている。すなわち、アンテナ短縮用インダクタ１４およびキャパシタ１５の並列回路が導体パターン１２ｄと導体パターン１２ｅとの間に直列接続されている。

導体パターン１１ｅと導体パターン１２ｅは給電点ＦＰで共通接続されている。給電点ＦＰとグランド導体１３との間に給電回路（図１中の２０参照）が接続される。図３においては給電回路の図示は省略している。なお、給電点ＦＰとグランド導体１３との間にインピーダンス整合用のチップインダクタ１６が実装されている。

本実施形態のアンテナ装置１０１では、インダクタ１４とキャパシタ１５との並列回路は、ハイバンドにおいて容量性になり、ローバンド用アンテナ素子１２の３／４λ共振の周波数は、ハイバンドの帯域よりも高くできる。そのため、ローバンド用アンテナ素子１２はハイバンドでは３／４λ共振しない。その結果、ハイバンドでの損失が減少し、ハイバンドでの効率悪化を防ぐことができる。

次に、本実施形態のアンテナ装置の特性と比較例のアンテナ装置の特性について示す。図４（Ａ）は本実施形態のアンテナ装置の電流強度の分布を示す図であり、図４（Ｂ）は比較例のアンテナ装置の電流強度の分布を示す図である。いずれも、ハイバンド（2.14GHz）でのシミュレーション結果である。シミュレーションモデルは、図２において各部の寸法を次のとおりに定めたものである。

W：70mm
L：120mm
D：10mm
H：7mm
比較例のアンテナ装置は、キャパシタ１５を備えない点で本実施形態のアンテナ装置と異なる。

図４（Ｂ）に表れているように、比較例のアンテナ装置では、ローバンド用アンテナ素子１２に３／４λ共振が励振される。このローバンド用アンテナ素子１２の３／４λ共振により、グランド導体１３に放射電極に対して逆相の電流が流れ（電流が漏れ）る（図中Ｘで示す部分）。このため、グランド導体１３に流れる電流が作る電磁界とアンテナ素子１２に流れる電流が作る電磁界とで、電磁界が相殺される。したがって、ハイバンドでのアンテナ効率は低い。これに対し、図４（Ａ）に表れているように、本実施形態のアンテナ装置では、ローバンド用アンテナ素子１２が３／４λ共振しない。そのため、グランド導体１３に放射電極に対して逆相の電流が流れ（電流が漏れ）ることはなく、ハイバンドの効率低下が抑制される。また、グランド導体に流れる放射電極に対して逆相でない電流により、グランド導体が放射素子の一部として作用し、アンテナ効率が高まる。

ローバンド用アンテナ素子１２の３／４λ共振による損失増加は次に述べる作用によっても生じる。図１１は、ローバンド用アンテナ素子１２が３／４λ共振している状態での、ハイバンド用アンテナ素子１１とローバンド用アンテナ素子１２に流れる電流の分布を示す図である。図１１中の破線は電流強度を示す。この図１１から明らかなように、ローバンド用アンテナ素子１２の３／４λ共振電流の電流強度の強い位置にアンテナ短縮用インダクタ１４が位置するため、すなわちアンテナ短縮用インダクタ１４に大きな電流が流れるため、アンテナ短縮用インダクタ１４で大きな損失が生じる。

図５は、本実施形態のアンテナ装置１０１と比較例のアンテナ装置についての、アンテナ効率の特性図である。比較例では2.14GHzでアンテナ効率は明らかに低下している。これは、上述のグランド導体１３に不要な共振電流が流れることと、ローバンド用アンテナ素子１２に生じる３／４λ共振電流がアンテナ短縮用インダクタ１４に流れることに起因している。

本実施形態によれば、上述のグランド導体１３に不要な共振電流が流れず、また、アンテナ短縮用インダクタ１４には電流集中がないので、ハイバンドにおいて高いアンテナ効率が得られる。

《第２の実施形態》
図６は第２の実施形態に係るアンテナ装置１０２の回路図である。本実施形態では、アンテナ短縮用インダクタ１４は、直列に接続された複数のインダクタ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄで構成される。そして、複数のインダクタ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄへの電流経路を切り替えるスイッチＳＷを備える。その他の構成は第１の実施形態で示したとおりである。

図６に示すスイッチＳＷを切り替えることにより、アンテナ短縮用インダクタ１４のインダクタンスを変更できる。したがって、スイッチＳＷの切り替えにより、ローバンド用アンテナ素子の短縮効果を制御できる。このことにより、ローバンド用アンテナ素子１２の共振周波数を切り替えて、ローバンドでの広帯域化が図れる。

《第３の実施形態》
図７（Ａ）（Ｂ）は第３の実施形態に係るアンテナ装置のローバンド用アンテナ素子と給電点との間に接続される、アンテナ短縮用インダクタ１４およびキャパシタ１５の接続構造を示す図である。いずれも、４つのインダクタ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの直列接続回路でアンテナ短縮用インダクタ１４を構成している。このアンテナ短縮用インダクタ１４およびキャパシタ１５の接続構造は第２の実施形態で示したアンテナ装置に適用される。

図７（Ｂ）に示す例では、４つのインダクタ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは、ミアンダ状に配置されている。これにより、キャパシタ１５を接続する経路長が短くなり、キャパシタ１５を接続するための経路のインダクタンスが低減される。その結果、キャパシタと上記経路とによる自己共振周波数が高くなる。そのことで、インダクタ１４とキャパシタ１５との並列回路が容量性を示す周波数帯域が広くなって、より広帯域で効率改善効果が得られる。

図８は、プリント配線板９に対するキャパシタおよび４つのインダクタの実装構造の例を示す四面図である。プリント配線板９の構成は、第１の実施形態で図２に示したとおりである。

図８に示す例では、インダクタ１４ａ−１４ｂ間、インダクタ１４ｃ−１４ｄ間はそれぞれプリント配線板９に形成されたビア導体で接続されていて、インダクタ１４ｂ−１４ｃ間はプリント配線板９の裏面の導体パターンで接続されている。このようにして、４つのインダクタ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは、ヘリカル状に配置されている。これにより、アンテナ短縮用インダクタに対するキャパシタ１５の接続経路長が短くなるだけでなく、４つのインダクタ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの接続経路長も短くなる。これにより、アンテナ短縮用インダクタ（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ）とキャパシタ１５との並列回路が容量性を示す周波数帯域が広くなって、より広帯域で効率改善効果が得られる。

《第４の実施形態》
図９は第４の実施形態に係るアンテナ装置１０４の回路図である。本実施形態では、アンテナ短縮用インダクタ１４は、直列に接続された複数のインダクタ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄで構成される。そして、複数のインダクタ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄへの電流経路を切り替えるスイッチＳＷを備える。第２の実施形態と異なり、本実施形態では、スイッチＳＷに生じるキャパシタンスを、アンテナ短縮用インダクタ１４に並列接続するキャパシタとして利用する。すなわち、キャパシタはスイッチＳＷの一部で構成される。その他の構成は第２の実施形態で示したとおりである。

スイッチＳＷはFETスイッチＩＣであり、端子Ｅｏと端子Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ，Ｅｎのいずれかとが選択的に導通する。非選択状態の端子と端子Ｅｏとの間に容量が生じる。例えば端子Ｅａが選択されているとき、キャパシタ１５ｂ，１５ｃが生じる。また、例えば端子Ｅｎが選択されているとき、キャパシタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃが生じる。

このことにより、スイッチＳＷ以外に付加するキャパシタを省略でき、実装面積を削減でき、小型化が図れる。

なお、スイッチＩＣの内部に容量形成パターンを設けて、上記非選択状態の端子に生じる容量（オフ容量）が積極的に大きくなるように、ＳＷ内部の構造を定めてもよい。

また、アンテナ短縮用インダクタ１４に並列接続するキャパシタの全部ではなく一部をスイッチＳＷに構成してもよい。

なお、キャパシタ１５による、ローバンド用アンテナ素子１２の３／４λ共振の周波数の高域へのシフト量が少ない場合は、ハイバンドの帯域内でローバンド用アンテナ素子１２は３／４λ共振する場合もある。但し、その場合でも、ハイバンドの電流は、アンテナ短縮用インダクタ１４だけでなく、キャパシタを通過するので、アンテナ短縮用インダクタ１４に生じる損失は低減される。そのため、ハイバンドでの損失が減少し、ハイバンドでの効率悪化を防ぐことができる。

《第５の実施形態》
第５の実施形態では、通信装置の例を示す。

図１０は第５の実施形態に係る通信装置２０５のブロック図である。この通信装置２０５は例えば携帯電話端末である。アンテナ装置１０１の構成は第１の実施形態で示したアンテナ装置１０１と同じである。アンテナ装置１０１には分波／切替回路７１が接続されている。ＲＦＩＣ７６と受信フィルタ７２との間にはローノイズアンプ７４が設けられていて、ＲＦＩＣ７６と送信フィルタ７３との間にはパワーアンプ７５が設けられている。ベースバンドＩＣ７７にはＲＦＩＣ７６や表示装置７８が接続されている。分波／切替回路７１、受信フィルタ７２、送信フィルタ７３、ローノイズアンプ７４およびパワーアンプ７５は１つのＲＦフロントエンド回路（１つのモジュール部品）７０として構成されている。上記構成要素は筐体８０内に設けられている。ＲＦフロントエンド回路７０およびＲＦＩＣ７６は本発明に係る「通信回路」の例である。

図１０に示すアンテナ装置１０１に代えて、例えば図６に示したアンテナ装置１０２を設ける場合には、スイッチＳＷの切替をベースバンドＩＣ７７またはＲＦＩＣ７６によって行う。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。例えば、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

ＦＰ…給電点
ＳＷ…スイッチ
９…プリント配線板
１０…誘電体基材
１１…ハイバンド用アンテナ素子
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ…導体パターン
１２…ローバンド用アンテナ素子
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ…導体パターン
１３…グランド導体
１４…アンテナ短縮用インダクタ
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ…インダクタ
１５…キャパシタ
１６…チップインダクタ
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…キャパシタ
２１…チップアンテナ
７０…ＲＦフロントエンド回路
７１…分波／切替回路
７２…受信フィルタ
７３…送信フィルタ
７４…ローノイズアンプ
７５…パワーアンプ
７６…ＲＦＩＣ
７７…ベースバンドＩＣ
７８…表示装置
８０…筐体
１０１，１０２，１０４…アンテナ装置

Claims (7)

1. 共通の給電点に接続された、ハイバンド用アンテナ素子およびローバンド用アンテナ素子と、
   前記ローバンド用アンテナ素子と前記給電点との間に接続されたアンテナ短縮用インダクタと、
   前記アンテナ短縮用インダクタに並列接続されたキャパシタと、
   を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   面状に広がるグランド導体を備え、前記ハイバンド用アンテナ素子および前記ローバンド用アンテナ素子は前記グランド導体の縁に近接する非グランド領域に形成されている、アンテナ装置。
3. 請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
   前記アンテナ短縮用インダクタは、直列に接続された複数のインダクタで構成され、前記複数のインダクタへの電流経路を切り替えるスイッチを備える、アンテナ装置。
4. 請求項３に記載のアンテナ装置において、
   前記キャパシタの少なくとも一部は前記スイッチに構成された、アンテナ装置。
5. 請求項３または４に記載のアンテナ装置において、
   前記複数のインダクタはミアンダ状に配置された、アンテナ装置。
6. 請求項３または４に記載のアンテナ装置において、
   前記複数のインダクタはヘリカル状に配置された、アンテナ装置。
7. アンテナ装置と、前記アンテナ装置に接続される通信回路とを備える通信装置において、
   前記アンテナ装置は請求項１から６のいずれかに記載のアンテナ装置である、通信装置。