WO2005109569A1 - マルチバンドアンテナ、回路基板および通信装置 - Google Patents

マルチバンドアンテナ、回路基板および通信装置 Download PDF

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PCT/JP2005/008830
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Kenichi Mitsugi
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Yokowo Co., Ltd.
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    • H01Q9/0442Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular tuning means

Definitions

  • Multi-band antennas circuit boards and communication devices
  • the present invention relates to a portable communication device such as a mobile phone wireless device, a PDA (Personal Digital Assistance), and a built-in device capable of handling a plurality of media such as sound, images (still images, moving images), and data. Akira multi-band antenna.
  • Conventional multiband antennas of this type include, for example, an antenna device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-136025 (conventional example 1) and an antenna device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-209733 (conventional example 2). ), The antenna device described in JP-A-11-168456 (conventional example 3), the antenna device described in JP-A-2002-335117 (conventional example 4), and the antenna device described in JP-A-2003-124730. Antenna device (conventional example 5).
  • the antenna device described in Conventional Example 1 has a daland electrode formed on the entire surface of one main surface of a rectangular parallelepiped base, an open end on the other main surface of the base, and a daland end on the other end. Connection), a feed electrode formed close to the open end of the radiating electrode via the first gap, and formed close to the open end of the radiating electrode via the second gap. And one or more control electrodes, and a switch for connecting / disconnecting between the control electrode and the ground electrode. The switch is turned on / off to change the magnitude of the entire capacitance.
  • the resonance frequency of the radiation electrode It can be used by switching.
  • the antenna device described in Conventional Example 2 includes a ground electrode, a radiation electrode, a feed electrode as in Conventional Example 1, one or more auxiliary radiation electrodes formed continuously and integrally with the radiation electrode, A switch is provided to connect the auxiliary radiation electrode and the ground electrode in a high-frequency manner and to make the connection Z-non-connected.By turning this switch on and off to change the inductance component of the radiant part of the radiation electrode, The resonance frequency of the radiation electrode can be switched and used.
  • the antenna device described in Conventional Example 3 is provided with a ground electrode, a radiation electrode, and a feed electrode as in Conventional Example 1 on the surface of a rectangular parallelepiped base, and the frequency switching means is provided on the surface of the base. (Semiconductor switch) is provided, and the resonance frequency of the radiation electrode is switched by operating the frequency switching means to change the inductance component or the capacitance component.
  • a rectangular parallelepiped base is mounted on a mounting board having a ground conductor, and a radiation electrode having one end open and the other end ground is provided on the surface of the base.
  • An antenna-side control electrode (corresponding to the control electrode of Conventional Example 1) is provided, and the board-side control electrode floating above the ground and the board-side control electrode are connected to a ground conductor on the mounting board.
  • Frequency adjustment means (solder bridge, strip, etc. having at least one of an inductance component and a capacitance component) for high-frequency connection, and by changing the impedance of the resonance frequency adjustment means, radiation can be achieved.
  • the electrode has a variable resonance frequency.
  • the antenna device described in Conventional Example 5 has two types of antenna elements, one end of which is an open end, the other end of the bifurcated one is a ground end, and the other end is a feed end (see above). And two types of switches for making each antenna element and the ground conductor of the mounting board conductive and non-conductive. One of these switches and the other are mutually excluded. Conversely, by turning it on and off, the resonance frequency of the entire device is switched.
  • a multi-band antenna mounted on recent mobile communication devices includes A M P S
  • GSM Advanced Mobile Phone System
  • GSM Global System for Mobile Coiiimunicat ions
  • 900 880 MHz to 960 MHz
  • G SMI 800 (1710 MHz to l 880 MHz
  • DCS Digital Cellular System
  • PCS Personal Communications System 1900 (1850 MHz to l 990 MHz)
  • UMTS Universal Mobile Telecommunications System (1920 MHz to 2170 MHz)
  • That can use multiple bands in combination is desired.
  • the antenna devices of Conventional Examples 1 to 4 each include a surface-mount antenna as a main component, and are therefore extremely small, and are not suitable for use in mobile phone radios or mobile communication devices. It will be convenient. However, in such an antenna device, the band switching mechanism becomes complicated when the number of bands is increased. In addition, a large reactance is added to the radiation electrode, so that the antenna gain decreases. In addition, narrowing the resonance frequency becomes a problem.
  • the antenna device of the conventional example 5 can cope with the increase in the number of bands, but has limitations such as the necessity of arranging two types of antenna elements on substantially the same plane. Since the element has a special and complicated shape, a sufficient area for the antenna element must be secured, and there is a problem that miniaturization is difficult.
  • the present invention provides a small and wide band multi-band antenna capable of supporting multi-bands and avoiding the complexity of a switching mechanism, a communication device having the multi-band antenna, and a communication device having the multi-band antenna. It is an object of the present invention to provide a circuit board that is a component of a communication device. Disclosure of the invention
  • a multi-band antenna includes a main element capable of radiating high-frequency signals in a plurality of frequency bands, and a predetermined interval between the main element and a portion of the main element where the strength of an electric field at the time of power supply becomes relatively large.
  • the switch mechanism is, for example, a semiconductor switch for switching connection between one end of the first sub-element and the second sub-element and a plurality of types of electric circuit elements formed in advance by a control signal input from the outside. including. As a result, a plurality of resonance frequencies can be switched from outside at any time.
  • the semiconductor switch is configured such that when the first level control signal is input, the first sub-element and the second sub-element each have one end electrically open so that no power is supplied to the main element.
  • An electrical short-circuit that acts as a reflective element and that is high-frequency coupled to the main element by grounding the one end directly or through a predetermined resonance circuit when a control signal of a second level different from the first level is input.
  • the semiconductor switch may connect the first sub-element and the second sub-element to one end via a first resonance circuit to ground the first sub-element and the second sub-element at the time of inputting the first level control signal, so that the high frequency is applied to the main element.
  • the first sub-element acts as a reactance adjusting element for giving a reactance corresponding to a coupling capacitance to the main antenna by capacitively coupling to the main element, and
  • the element acts as a parasitic inductive element that excites a high-frequency signal to the main element by inductive coupling with the main element.
  • the first sub-element is shaped to a size that offsets a coupling capacitance value between the second sub-element and the main element.
  • the electrical length of the main element is a set frequency selected from the plurality of frequency bands.
  • the main element is an inverted L-shaped, inverted F-shaped or rectangular conductive thin plate
  • the second sub-element is a meandering or rectangular conductive thin plate.
  • the base should be provided with a size that can be mounted or built into the communication device.
  • the base is provided with a ground conductor and a dielectric element mounting base.
  • the element mounting base includes a main element mounting layer that maintains a predetermined distance from the ground conductor, a dielectric layer having a predetermined thickness, and a sub element mounting layer, which are laminated in this order.
  • the main element is attached to the layer, and the first sub-element and the second sub-element are attached to the sub-element attachment layer in parallel at a predetermined interval.
  • the main element is formed as a surface mount or a conductive pattern on one of a front surface portion and a back surface portion of a circuit board incorporated in the communication device.
  • the circuit board of the present invention is a circuit board made of a dielectric for mounting components of the communication device, which is built in the communication device, and is electrically affected between the front surface portion and the back surface portion thereof.
  • An antenna area, and a main element is formed as a surface mount or a conductive pattern on one of the front surface part and the back surface part of the antenna area, and the other of the front surface part and the back surface part of the antenna area is formed on the other surface part.
  • the communication device includes the above-described multi-band antenna housed in a housing, and controls the switch mechanism included in the multi-band antenna with a control signal, thereby setting a frequency selected from a plurality of frequency bands.
  • It is configured to radiate from an antenna.
  • a multi-band antenna that can be small and multi-band, and is suitable for being mounted on or built in a communication device.
  • a multi-band antenna By attaching or incorporating such a multi-band antenna, the use of a portable radio and a mobile radio, which are examples of a communication device, can be greatly expanded. As a result, diversification of mobile phones and mobile terminals can be achieved.
  • FIG. 1 is a basic configuration diagram of the multiband antenna of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship between the main element, the first sub-element, and the second sub-element in the first state.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between the main element, the first sub-element, and the second sub-element in the first state.
  • FIG. 4 is a frequency-VSWR characteristic diagram of the multiband antenna in the first state and the second state.
  • Fig. 5 is a diagram showing an example of the configuration of a trap circuit connected to the second sub-element.
  • Fig. 5 (a) shows a parallel resonant circuit of an inductive element and a capacitive element
  • Fig. 5 (b) shows a series resonant circuit
  • Fig. 5 (c) shows an example of a series-parallel resonant circuit.
  • FIGS. 6 (a) to 6 (c) are explanatory diagrams showing a state in which a multiband antenna is mounted on a mobile radio telephone.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a first application example of the switch mechanism.
  • FIG. 8 is a V S WR-frequency characteristic diagram in the switch mechanism of FIG.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a second applied example of the switch mechanism.
  • FIG. 10 is a V S WR-frequency characteristic diagram of the switch mechanism of FIG.
  • FIG. 11 is an external perspective view (main part) of a base on which a multi-band antenna is mounted on a communication device.
  • FIG. 12 is a side view of the substrate in FIG. 11 as viewed from the direction of the arrow.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining the structure and size of the mounting base for the antenna element.
  • FIG. 13 (a) is a plan view
  • FIG. 13 (b) is a side view thereof.
  • FIG. 14 (a) is a front view of the element mounting cover 70
  • FIG. 14 (b) is a side view thereof.
  • Fig. 15 (a) is a chart showing the relationship between the settable bands and the set frequency (resonance frequency) at that time, and Fig. 15 (b) shows the voltage value of the control signal CONT when selecting a desired band. It is a chart.
  • FIG. 16 is a configuration diagram of the multi-band antenna according to the embodiment of the present invention.
  • FIGS. 17 (a) and 17 (b) are VSWR-frequency characteristic diagrams when the control signal is switched between 0 [V] and 3 [V].
  • FIGS. 18 (a) and 18 (b) are gain characteristic diagrams when the control signal is switched between 0 [V] and 3 [V].
  • Fig. 19 (a) is a front view of the antenna area of a circuit board having a multi-band antenna function
  • Fig. 19 (b) is its rear view
  • Fig. 19 (c) shows the relationship between the front and back of the antenna area.
  • FIG. 1 shows a basic configuration diagram of the multiband antenna of the present invention.
  • the multi-band antenna of the present invention is mounted on a mobile communication device such as a mobile phone wireless device and a PDA that can handle a plurality of media such as sound, images (still images, moving images), and data.
  • the multi-band antenna of the present invention has a main element 10 that can radiate a high-frequency signal supplied from a power supply terminal 18.
  • the main element 10 is formed of, for example, a conductive thin plate formed of a copper material.
  • One of the front surface portion and the rear surface portion of the main element 10, for example, the front surface portion is a radiation surface portion that can radiate signals of a plurality of frequencies.
  • a first sub-element 11 is provided in the vicinity of the outer peripheral end of the radiating surface where the electric field intensity at the time of power supply becomes the largest.
  • the main element 10 and the first sub-element 11 are capacitively coupled.
  • the tip is a free end on the radiation surface of the main element 10.
  • the other end of the first sub-element 11, that is, the base end extends from one end of the main element 10 and is electrically connected to one end of the switch mechanism 14.
  • the area of the main surface of the first sub-element 11 is determined by the magnitude of the coupling capacitance to be adjusted.
  • the area of the main surface of the first sub-element 11 is important, and its shape and length in the longitudinal direction are not so important. If it is necessary to secure a larger area for the main surface, it may be formed in a meander shape (zigzag shape) instead of a long strip shape as shown in the figure.
  • the second sub-element 12 is provided at a substantially central portion of the radiation surface of the main element 10, that is, at a portion where the electric field strength at the time of power supply becomes relatively small.
  • the main surface of the second sub-element 12 faces the radiation surface of the main element 10 in parallel at a predetermined distance d2.
  • inductive coupling magnetic field coupling
  • the second sub-element 12 is inductively coupled, so the length in the longitudinal direction is important.
  • the tip of the second sub-element 12 is a free end on the radiation surface of the main element 10.
  • the other end of the second sub-element 12, that is, the base end extends from the end of the main element 10 and is electrically connected to one end of the trap circuit 13.
  • the distance between the base end of the first sub-element 11 and the base end of the second sub-element 12 is such that practical use can avoid "wraparound" of the operating frequency. These sizes will be described later.
  • the other end of the trap circuit 13 is electrically connected to one end of the switch mechanism 14.
  • This trap circuit 13 is composed of an inductive element and a capacitive element, and reduces the degree of high-frequency coupling to the main element 10 by the second sub-element 12. Things.
  • the other end of the switch mechanism 14 is electrically connected to a ground terminal, that is, a terminal that is at a ground potential during power supply.
  • the switch mechanism 14 opens and closes based on an external control signal CNT.
  • the base end of the first sub-element 11 and the other end of the trap circuit 13 are set to the open state without any electrical connection, while at the time of the "close” operation, they are set to the ground potential state.
  • the open state is referred to as a first state
  • the ground potential state is referred to as a second state.
  • FIG. 1 shows an example in which the first sub-element 11 and the second sub-element 12 are both provided above the radiation surface of the main element 10
  • the first sub-element 11 and the second One or both of the two sub-elements 12 may be provided on the back side of the main element 10.
  • the multiband antenna configured as described above operates as follows.
  • the first sub-element 11 and the second sub-element 12 are parasitic reflection elements having almost no electrical influence on the main element 10. There is no influence of the trap circuit 13.
  • FIG. 2 shows this state by a broken line.
  • the main element 10 converts the high frequency signal supplied from the power supply terminal 18 into the second resonance frequency ⁇ ⁇ ⁇ Operates as an “open-ended antenna” that resonates at 2.
  • both the first sub-element 11 and the second sub-element 12 are parasitic elements. Therefore, the main element 10 operates as an “antenna with a parasitic element”.
  • FIG. 3 shows this state with a solid line.
  • the main element 10 is capacitively coupled to the first sub-element 11 and the second sub-element 12 and a reactance corresponding to the strength of the capacitive coupling (this strength is referred to as “coupling capacitance value”). Is added.
  • the coupling capacitance value between the main antenna 10 and the first sub-element 11 is: Coupling capacitance value C between main antenna 10 and second sub-element 12. Occurs. Due to these coupling capacitance values C i, (, the resonance frequency of the main element 10 is different from the resonance frequency of the main element 10 itself (the second resonance frequency f 2). Become.
  • the amount of change in the resonance frequency of the main element 10 depends on the value of the added reactance, in particular, the coupling capacitance value C 0 , added by the first sub-element 11 and the second sub-element 12. I do. As the coupling capacitance value increases, the resonance frequency of the main element 10 shifts to a lower direction.
  • the coupling capacitance value C Q due to the capacitive coupling between the first sub-element 11 and the second sub-element 12, has a low impedance at a high frequency above a certain frequency, and the respective sub-elements 11, 1 2 Acts as an electrical short-circuit point of the main element 10. Therefore, the multi-band antenna also operates as a short-circuited antenna that resonates at the fourth resonance frequency f4.
  • the second sub-element 12 acts as a parasitic inductive element, and the third resonance frequency f 3 of the second sub-element 12 is excited in the main element 10.
  • the trapping circuit 13 whose electric constant is determined so as to have a frequency corresponding to the second resonance frequency ⁇ 2 of the main element 10 of the second sub-element 12 has a second sub-element 1 The effect of 2 on the second resonance frequency f 2 can be reduced.
  • the relationship between the first resonance frequency f1, f3, and f4 with respect to the second resonance frequency f2 is indicated by a broken line in the frequency-VSWR characteristic diagram of FIG.
  • the main element 10 may have any shape as long as it has a structure capable of emitting high-frequency signals of a plurality of frequencies.
  • it in addition to a rectangular thin plate, it can be formed into an inverted L shape, an inverted F shape, a meander shape, or other shapes well known as antenna elements for a high frequency band.
  • the resonance frequency (second resonance frequency f 2) of the main element 10 is designed to substantially fall within the used frequency band.
  • the first sub-element 11 acts as a parasitic reflection element in the first state, an electrical short-circuit element and a parasitic element in the second state, and in particular, acts as a reactance adjusting element for the main element 10.
  • the first sub-element 11 is arranged at a portion where the electric field of the main element 10 is concentrated so that the electric field is optimally coupled.
  • the area of the surface is also important. This is because the coupling capacitance value is determined by the distance d l and the area described above.
  • the order of designing 3_ is as follows. First, the above distance d1 is set from the height of the antenna housing that can be accommodated in the housing of the communication device to be used and the space between the elements determined by the required antenna performance. Next, the area of the main surface of the first sub-element 11 is adjusted so that a required coupling capacitance value is obtained.
  • the second sub-element 12 acts as a parasitic reflection element in the first state and as a parasitic inductive element and an electrical short-circuit element in the second state. That is, when the coupling capacitance value due to the capacitive coupling of the first sub-element 11 is smaller than the coupling capacitance value C Q due to the capacitive coupling of the second sub-element 12, the coupling capacitance value C.
  • the second sub-element 12 is used to reduce the addition of reactance to the main element 10 (reducing capacitive coupling) and to minimize the electric field concentration of the main element 10 in order to enable optimal inductive coupling. It is located near the center of 0. However, the reduction of reactance addition (reduction of capacitive coupling) to the main element 10 may be insufficient, so that the trap circuit 13 whose electric constant is determined so that the impedance becomes high at the frequency used. Insert into the second sub-element 12. The trap circuit 13 is set to approximately the second resonance frequency f 2 of the main element 10. As a result, in the first state and the second state, the substantially (2) The impedance becomes high at the resonance frequency f 2 and becomes a parasitic reflection element at the second resonance frequency ⁇ 2. Therefore, the capacitive coupling C between the second sub-element 12 and the main element 10. Can reduce the effect on the second resonance frequency ⁇ ⁇ ⁇ 2.
  • the trap circuit 13 includes an inductive element and a capacitive element as main components, and includes a parallel resonance circuit of these elements as shown in FIG. 5A, a series resonance circuit as shown in FIG. c) It is composed of any one of the series-parallel resonance circuits as shown in c).
  • the parallel resonance circuit shown in Fig. 5 (a) has a high impedance at the time of resonance, and is suitable for applications that do not pass a certain frequency.
  • the series resonant circuit shown in Fig. 5 (b) has a low impedance at resonance, and is suitable for use in passing a certain frequency.
  • the series-parallel resonant circuit shown in Fig. 5 (c) is suitable for applications that do not allow certain frequencies to pass but allow the other two frequencies to pass.
  • the design order when the second sub-element 12 has a desired structure is as follows. First, the above distance d2 is determined from the height of the antenna housing that can be accommodated in the housing of the communication device to be used and the space between the elements determined by the required antenna performance. Next, the element width of the second sub-element 12 is set based on the resonance frequency bandwidth and the VSWR of the antenna excited in the main element 10 so as to optimize the inductive coupling. At this time, the coupling capacitance value C due to capacitive coupling. However, the value is generally set so as to reduce the influence on the first resonance frequency ⁇ 1 and the second resonance frequency ⁇ 2.
  • the resonance frequency (third resonance frequency f 3) of the second sub-element 12 is set to substantially fall within the used frequency band.
  • the sub-elements 11 and 12 are set so that they are not connected to each other and do not affect the performance. Further, the air gap or the dielectric may be interposed between the main element 10 and the sub-elements 11 and 12. By increasing the dielectric constant, a large capacitance can be obtained in a small area.
  • the switch mechanism 14 conducts or connects the ground conductor disposed at a predetermined portion of the communication device to the base end of the first sub-element 11 and the second sub-element 12 by the control signal CONT input to the control terminal. Switch to non-conduction.
  • semiconductor switches such as general-purpose Schottky diodes, etc., depending on the application, PIN diodes when emphasizing isolation, FET switches and IC switches when emphasizing low current operation, When a strong electric field and low distortion are important, a MEMS switch can be used.
  • SPDT Single Pole Double Throw
  • SP3T Single Pole 3 Throw
  • SP4T Single Pole 4 Throw
  • the multi-band antenna of the present invention is mounted or built in various communication devices. If the communication device is, for example, a mobile phone radio, the multi-band antenna of the present invention may be mounted at the locations shown in FIGS. Fig. 6 (a) shows an example in which a ground conductor is mounted on the back side of the operation unit of a mobile phone radio, and a multiband antenna 1a is mounted on the end of the operation unit. Fig. 6 (b) shows an example in which a ground conductor is attached to the back side of the display unit of the mobile phone radio, and a multiband antenna 1b is attached to the tip of the display unit. Fig.
  • FIG. 6 (c) shows an example in which a ground conductor is attached to the back of the operation unit, and a multi-band antenna 1c is attached to the end of the back. It may be configured to be housed (built-in) inside the housing.
  • the communication device is provided with a control device that switches the used frequency band by switching the signal level of the control signal CONT described above.
  • the multi-band antenna can be appropriately replaced and used according to the required performance.
  • a mechanism for detachably mounting the multi-band antenna is provided at each of the above-described portions of the communication device, and a mounting mechanism compatible with the above-described mechanism is formed in the multi-band antenna.
  • the first sub-element 11 and the second sub-element 2 are connected to one end of the switch mechanism 14, and the ground terminal is connected to the other end, respectively.
  • “Open” Multi-band antenna Although the example in which the multiband antenna is set to the second state by setting the antenna to the first state and performing the “closed” operation has been described, the present invention is not limited to such an example, and various antenna states may be used. Can be formed. In the following description, an application example of an electronic circuit connected to the switch mechanism 14 will be described.
  • FIG. 7 shows a first application example.
  • the switch mechanism 14 for example, an SPDT (Single Pole Double Throw) switch element is used.
  • the first terminal 14 1 has a reactance element (inductive element or capacitive element) 14 2 and a trap circuit 14 3
  • the second terminal 144 is connected directly to the ground conductor so that these two paths can be selected by the control signal CONT.
  • the route from the first terminal 14 1 to the ground conductor via the reactance element 144 and the trap circuit 144 is called ⁇ A route '', and the route from the second terminal 144 directly to the ground conductor is called ⁇ B route ''. I do.
  • the electric constant of the trap circuit 144 is set to approximately the second resonance frequency ⁇ 2 of the main element 10 or approximately the third resonance frequency f3 of the second sub-element 12 and the high impedance is set in each set frequency band. By making a dance, the influence of each frequency band can be reduced when selecting a route.
  • the switch mechanism 14 selects the path B according to the control signal CONT, the operation is the same as the above-described second state. That is, the main element 10 and the first sub-element 11 are capacitively coupled, and the first sub-element 11 adds a reactance (capacitive coupling value) to the main element 10. Therefore, the second resonance frequency ⁇ 2 of the main element 10 changes to the first resonance frequency f1. At this time, at the same time, the main element 10 is electrically short-circuited through the coupling point due to the capacitive coupling, and resonates at the fourth resonance frequency f4 that makes this short-circuit point a peripheral length.
  • the second sub-element 12 acts as a parasitic induction element, and the third resonance frequency ⁇ 3 of the second sub-element 12 is excited by the main element 10.
  • the solid line in the VSWR-frequency characteristic diagram in FIG. 8 shows the relationship between the resonance frequency and VSWR in this state.
  • the trap circuit 144 causes the high frequency at approximately the second resonance frequency f 2 of the main element 10. It becomes impedance, and each of the sub-elements 11 and 12 becomes a parasitic reflection element at the second resonance frequency f2. Accordingly, the influence of the sub-elements 11 and 12 on the second resonance frequency ⁇ 2 is reduced, and the main element 10 operates at the second resonance frequency f2. Further, the second sub-element 12 acts as a parasitic induction element, and the third resonance frequency ⁇ 3 of the second sub-element 12 is excited by the main element 10.
  • the broken line in the V S WR-frequency characteristic diagram in FIG. 8 indicates the relationship between the resonance frequency and V S WR in this state.
  • the selection setting of each resonance frequency can be changed, and each resonance frequency can be varied by inserting a reactance element, and delicate setting can be performed.
  • FIG. 9 shows a second application example.
  • the second terminal 144 in the first application example is also connected in series with a reactance element (inductive element or capacitive element) 144 and a trap circuit 144 similar to those in the first application example.
  • the circuit is input connected.
  • the path from the first terminal 14 1 to the ground conductor via the reactance element 14 4 and the trap circuit 14 3 is called “C path (same as the A path)”, and the second terminal 14 4 to the reactance element 14 5
  • the path leading to the ground conductor via the trap circuit 146 is referred to as “D path”.
  • the electric constant of the trap circuit 144 is set to approximately the third resonance frequency f3 of the second sub-element 12.
  • the electric constant of the trap circuit 146 is set to approximately the second resonance frequency ⁇ 2 of the main element 10.
  • the switch mechanism 14 selects the D path by the control signal CONT, the main element 10 and the first sub-element 11 are capacitively coupled, and a reactance is added to the main element 10 by the first sub-element 11. You. Therefore, the second resonance frequency 'f2 of the main element 10 is changed to the first resonance frequency f1. At this time, the impedance becomes high at approximately the third resonance frequency f3 by the trap circuit 144, and the sub-elements 11 and 12 become parasitic reflection elements at the third resonance frequency f3. Therefore, the third resonance frequency ⁇ 3 is not excited by the main element 10.
  • the main element 10 is electrically short-circuited via the coupling point due to the capacitive coupling, and resonates at the fourth resonance frequency f4 which makes the short-circuit point a peripheral length.
  • the solid line in the VS WR-frequency characteristic diagram in FIG. 10 indicates the relationship between the resonance frequency and V SW R in this state.
  • the switch mechanism 14 selects the C path by the control signal CONT, the impedance becomes high at approximately the second resonance frequency f2 of the main element 10 by the trap circuit 146, and the second resonance frequency ⁇ 2
  • the sub-elements 11 and 12 become parasitic reflection elements.
  • the influence of the sub-elements 11 and 12 on the second resonance frequency ⁇ 2 is reduced, and the main element 10 operates at the second resonance frequency f2.
  • the second sub-element 12 acts as a parasitic induction element, and the third resonance frequency ⁇ 3 of the second sub-element 12 is excited by the main element 10.
  • the broken line in the V SWR-frequency characteristic diagram in FIG. 10 indicates the relationship between the resonance frequency and V SWR in this state.
  • each resonance frequency can be changed, and each resonance frequency can be varied by inserting a reactance element, and delicate setting can be performed.
  • FIG. 11 is an external perspective view (main part) of a base on which a multi-band antenna is mounted on a communication device.
  • FIG. 12 is a side view of the base in FIG. In these figures, the same reference numerals are used for the same or the same elements as those described above for convenience.
  • the multi-band antenna according to this example has a dielectric substrate provided at the tip of a ground conductor 50 to which the ground terminal of the switch mechanism 14 is connected, for example, a substrate 60 made of epoxy glass material (FR-4).
  • a substrate 60 made of epoxy glass material (FR-4) for example, an inverted F-shaped main antenna 10 is placed, and an element mounting cover 70 made of an epoxy glass material (FR-4) having a predetermined thickness is laminated thereon, and the element mounting cover 70 is placed on the element mounting cover 70.
  • the first sub-element 11 and the second sub-element 12 are placed, the base end of the first sub-element 11 is directly arranged, and the second sub-element 12 is arranged.
  • Each is connected to the peripheral circuit 20 through a line 121, the main element 10 is connected to a power supply terminal 18 via a power supply line 181, and a predetermined portion is connected to a ground terminal 19 via a ground line 191. You. When a rectangular thin plate is used as the main element 10, grounding is not required.
  • the peripheral circuit 20 is a circuit in which the above-described trap circuit 13 (143, 146) and the switch mechanism 14 are mixedly mounted.
  • a control signal CONT for selectively switching the first state and the second state, the A path and the B path, and the C path and the D path from the control circuit of the communication device, respectively. Is entered.
  • This control signal CONT is, for example, a voltage of 0 to 3 [V] when the switching element constituting the switch mechanism 14 is a PIN diode, and the current consumption is 3.0 [mA].
  • FIGS. 13A and 13B are diagrams for explaining the structure and size of the mounting base, where FIG. 13A is a plan view and FIG. 13B is a side view thereof.
  • FIG. 14 (a) is a front view of the element mounting force bar 70, and FIG. 14 (b) is a side view thereof.
  • the width a1 of the ground conductor is, for example, 40 mm
  • the height a3 is, for example, 100 mm
  • the thickness a4 is, for example, 1.0 [mm].
  • the width a2 of the mounting base placed on this ground conductor is, for example, 38 [mm]
  • the height a6 is, for example, 18 [mm]
  • the thickness a5 is, for example, 7.0 [mm].
  • the width A of the element mounting cover is a2 above, and the height E is a6 above.
  • the thickness H in FIG. 14B that is, the dimension corresponding to the distances d l and d 2 is, for example, 0.5 [mm].
  • the thickness H is not always required to be constant, and the thickness may vary depending on the mounting position of each of the sub-elements 11 and 12.
  • the length G of the first sub-element 11 on the element mounting cover is, for example, 3 ⁇ 0 [mm] and the length B of the second sub-element 12 is, eg, 30.0 [mm].
  • the length C to one end of the sub-element 12 is, for example, 8. 0 [mm]
  • the length D from the end of the main element 10 to the other end of the second sub-element 12 is, for example, 12.0 [mm].
  • the bands that can be set in this embodiment and the set frequencies (resonance frequencies) at that time are as shown in FIG.
  • the PCS 1900 (1850 MHz to 1990 MHz) band with the resonance frequency f3 the above-described fourth resonance frequency ⁇ 4. .
  • the voltage value of the control signal CONT when selecting a desired band is as shown in FIG. 15 (b). That is, for example, when the AMPS band or the PCS 1900 band is used in the configuration as shown in FIG. 9, the control signal CONT is set to 0 [V], and as shown in FIG. A high-frequency signal having the fourth resonance frequency f 4 is radiated from the radiation surface of the main element 10. On the other hand, when the GSM900) band or GSM1800 band is used, the control signal CONT is set to 3 [V], and the second resonance frequency ⁇ 2 or the third resonance frequency: f3 is transmitted from the radiation surface of the main element 10 to the high frequency signal. Radiate.
  • FIG. 16 shows a configuration diagram of an antenna embodiment of the present invention.
  • the main element 10 in this example is an inverted F-shaped copper thin plate element, and is connected to the power supply terminal 18 and the ground terminal 19.
  • Resonant frequency set in the main element 10 (set frequency) is f 2
  • the electrical length, and the wavelength of the set frequency and lambda I2 is Ryakue f2 Z8.
  • the resonance frequency (set frequency) set in the second sub-element 12 is: f 3, and the electrical length is approximately A f3 Z2 when the wavelength of the set frequency is ⁇ 3 .
  • a coupling capacitance value C generated by capacitive coupling between the second sub-element 12 and the main element 10. Is 3.5 [pF].
  • Trap circuit connected to the second sub-element 12 is a parallel circuit of an inductive element L 2 and the capacitive element C 2, reactance of the inductive element L 2 is 15 [nH], the capacitive element (: The reactance of the first sub-element 11 to the main element 10 is 2.5 [pF].
  • JP2005 / 008830 is a parallel circuit of an inductive element L 2 and the capacitive element C 2, reactance of the inductive element L 2 is 15 [nH], the capacitive element (: The reactance of the first sub-element 11 to the main element 10 is 2.5 [pF].
  • the switch mechanism 14 the one shown in FIG. 7 is employed. That is, an SPDT semiconductor IC switch is used as a switch element, and an inductive element L is used as a reactance element for adjusting the resonance frequency.A parallel circuit of an inductive element L 3 and a capacitive element C 3 is used as a trap circuit. Have been. Riakutansu inductive element L is 1. 5 [nH], the reactance of the inductive element L 3 is 15 [nH], the reactance of the capacitive element C 3 is 2 [pF ".
  • the VSWR-frequency characteristics when the control signal is switched between 0 [V] and 3 [V] are as shown in Figs. 17 (a) and (b).
  • Figure 17 (a) shows the VSWR-frequency characteristics in the AMPS and GSM 1900 bands
  • Fig. 17 (b) shows the VSWR-frequency characteristics in the GSM900 and GSM1800 bands.
  • the gain characteristics when the control signal is switched between 0 [V] and 3 [V] are as shown in FIG.
  • Fig. 18 (a) shows the gain characteristics in the AMPS band and GSM1900 band
  • Fig. 18 (b) shows the gain characteristics in the GSM900 band and GSM1800 band.
  • the first sub-element 11 is caused to act as a parasitic reflection element, a reactance adjustment element, and an electrical short-circuit element
  • the sub-element 12 can function as a parasitic inductive element, a parasitic reflective element, or an electric short-circuit element capable of resonating at a frequency different from that of the main element 10, more sub-elements can be used without increasing the number of elements. It is possible to easily realize a multi-band antenna that has a resonance frequency and is compact, but can support a wide band.
  • the multi-band antenna is implemented mainly as an antenna component to be incorporated in a communication device or the like, but is not directly used as an antenna component but directly on a circuit board configuring the communication device or the like. It can also be implemented as a conductive pattern and a conductive pattern to be formed. That is, as shown in FIG. 19 (a), the surface portion of the antenna area of the circuit board 80 is covered with, for example, a conductive plating, and the covered portion is used as a main element 10 while the other is shown in FIG. 19 (b). As shown in Fig.
  • a substantially rectangular conductive pattern is formed near the end of the back surface of the antenna area of the circuit board 80, and a long thin plate-shaped conductive pattern is formed by etching or the like near the center.
  • the former functions as the first sub-element 11, and the latter functions as the second sub-element 12.
  • FIG. 19 (c) is a cross-sectional view for clarifying the relationship between the front and back portions of the antenna region portion of the circuit board 80.
  • the “antenna area” refers to an area of the circuit board 80 made of a dielectric where no metal layer exists between the front surface and the back surface.
  • the thickness of the circuit board 80 is the distances d l and d 2 described above.
  • the thickness of the circuit board 80 can be made substantially equal to the height of the multiband antenna. Therefore, there is an advantage that the communication device can be made thinner as compared with the case where the mounting base 60 and the element mounting cover 70 are provided.
  • the main element 10 In the case of a circuit board composed of a multi-layer board, some of these layers are metal layers, and the surface between the surface and the back is shielded, this metal layer is cut out to form an antenna. An area may be added or an antenna area may be separately added. There is a metal layer, but the metal layer is partial. For example, by forming the main element 10 into, for example, an inverted F type or an inverted L type, the main element 10 and the first sub element 11 and In the case of a multilayer substrate that does not significantly affect the coupling relationship with the second sub-element 12, the antenna may be used as it is as an antenna area.

Abstract

 マルチバンド対応が可能な小型のマルチバンドアンテナを提供する。複数の周波数帯の高周波信号を放射可能なメインエレメント10において給電時の電界の強さが相対的に大きくなる部位に第1サブエレメント11を配置し、メインエレメント10において給電時の電界の強さが相対的に小さくなる部位に第2サブエレメント12を配置する。そして、スイッチ機構14に第1レベルの制御信号を入力して第1サブエレメント11および第2サブエレメント12をその一端部を電気的に開放状態とすることにより無給電反射素子として作用させ、他方、第2レベルの制御信号を入力してその一端部を直接又は所定の共振回路を介して接地することによりメインエレメント10に高周波結合する電気的短絡素子として作用させ、これにより、メインエレメント10から放射される高周波信号を複数の周波数帯のいずれかに切り替える。

Description

マルチバンドアンテナ、 回路基板および通信装置 技術分野
本発明は、 例えば、 音、 画像 (静止画、 動画)、 データなどの複数のメディアに 対応可能な携帯電話無線機、 PDA (Personal Digital Assistance) 等の携帯型 の通信装置及びそれに内蔵されるマ明ルチバンドアンテナに関する。
細 1
発明の背景 書
携帯電話無線機等に代表される携帯型の通信装置の進歩は目覚ましいものがあ る。 最近は、 これらの通信装置においても、 単なる通話のみならず、 デ一夕通信 ないし画像通信を含めたマルチメディァ化の傾向がある。 このような傾向に呼応 して、 携帯電話無線機又は移動通信装置のアンテナに対しても、 小型で、 かつ、 複数の周波数帯 (バンド) において通信可能なマルチバンドアンテナが要望され ている。
従来のこの種のマルチバンドアンテナとしては、 例えば、 特開平 11— 136 025号公報に記載されたアンテナ装置(従来例 1)、特開平 10— 209733 号公報に記載されたアンテナ装置(従来例 2)、特開平 11一 68456号公報に 記載されたアンテナ装置(従来例 3)、特開 2002— 335117号公報に記載 されたアンテナ装置(従来例 4)、特開 2003— 124730号公報に記載され たアンテナ装置 (従来例 5) がある。
従来例 1に記載されているアンテナ装置は、 直方体状の基体の一方主面全面に 形成されたダランド電極と、 基体の他方主面上で一端が開放端で他端がダランド 端 (グランド電極に接続) となる放射電極と、 放射電極の開放端に第 1のギヤッ プを介して近接して形成された給電電極と、 放射電極の開放端に第 2のギャップ を介して近接して形成された 1つ以上の制御電極と、 制御電極とグランド電極と の間を接続/非接続にするためのスィツチとを備え、 このスィツチをオン一オフ して全体の静電容量の大きさを変化させることにより、 放射電極の共振周波数を 切り替えて使用できるようにしたものである。
従来例 2に記載されているアンテナ装置は、 従来例 1のようなグランド電極、 放射電極、 給電電極のほか、 放射電極と連続して一体に形成された 1つ以上の補 助放射電極と、 この補助放射電極とグランド電極との間を高周波的に接続 Z非接 続にするためのスィッチを備え、 このスィッチをオン一オフして放射電極のダラ ンド部分のインダクタンス成分を変化させることにより、 放射電極の共振周波数 を切り替えて使用できるようにしたものである。
従来例 3に記載されているアンテナ装置は、 直方体状の基体の表面に、 従来例 1のようなグランド電極、 放射電極、 給電電極を備えたものにおいて、 基体の表 面上に、 周波数切替手段 (半導体スィッチ) を設け、 この周波数切替手段を動作 させてィンダク夕ンス成分又は静電容量成分を変化させることにより、 放射電極 の共振周波数を切り替えるようにしたものである。
従来例 4に記載されているアンテナ装置は、 接地導体部を有する実装基板上に 直方体状の基体を実装し、 この基体の表面に、 一端が開放端で他端がグランド端 となる放射電極とアンテナ側制御用電極 (従来例 1の制御電極に相当) とを設け るとともに、 実装基板上に、 グランドから浮いた状態の基板側制御用電極と、 こ の基板側制御用電極を接地導体部に高周波的に接続するための共振周波数調整手 段 (インダクタンス成分と静電容量成分の少なくとも一方をもつ半田プリッジ、 ストリップ等) とを設け、 この共振周波数調整手段のインピーダンスを変えるこ とにより、 放射電極の共振周波数を可変にしたものである。
従来例 5に記載されているアンテナ装置は、 それぞれ、 その一端が開放端で、 二分岐された一方の他端がグランド端、 他方の他端が給電端となる 2種類のアン テナエレメント (上述の放射電極に相当) と、 各々のアンテナエレメントと実装 基板の接地導体部とを導通 Z非導通にするための 2種類のスィッチとを備え、 こ れらのスィッチの一方と他方とを相互排反的にオン一オフにすることにより、 装 置全体の共振周波数を切り替えるようにしたものである。
近年の移動通信装置に搭載されるマルチバンドアンテナには、 A M P S
(Advanced Mobi l Phone Sys tem) ( 8 2 4 MH z〜8 9 4 MH z )、 G S M (Gl obal Sys tem for Mobi le Coiiimunicat ions) 9 0 0 ( 8 8 0 MH z〜 9 6 0 MH z )、 G SMI 800 (1710MHz〜l 880MHz)、 DCS (Digital Cellular System) ( 1710 MH z〜 1850 MH z )、 PCS (Personal Communications System 1900 (1850MHz〜l 990 MHz), UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) (1920MHz〜2170MHz) のような複数 のバンドを複合的に使用できるものが望まれている。
従来例 1〜従来例 4のアンテナ装置は、 それぞれ、 表面実装型アンテナを主た る構成要素として含むため、 非常に小型であり、 携帯電話無線機、 あるいは、 移 動通信装置に内蔵する場合に好都合となる。しかし、 このようなアンテナ装置は、 バンド数を多くすると、 バンド切替機構が複雑になる。 また、 放射電極に大きな リアクタンスが付加されるので、 アンテナの利得が低下する。 さらに、 共振周波 数の狭帯域化が問題となる。
従来例 5のアンテナ装置では、 バンド数の増加には対応が可能であるが、 2種 類のアンテナエレメントを実質的に同一平面に配する必要があるなどの制約があ り、 さらに、 各アンテナエレメントが特殊かつ複雑な形状になるため、 アンテナ エレメント用の面積を十分に確保しなければならず、 小型化が困難であるという 問題があった。
この発明は、 このような問題を解決するために、 マルチバンド対応が可能で、 切替機構の複雑さも回避することができる小型且つ広帯域のマルチバンドアンテ ナ、 このマルチバンドアンテナを有する通信装置およびこの通信装置の部品とな る回路基板を提供することを、 その課題とする。 発明の開示
本発明のマルチバンドアンテナは、 複数の周波数帯の高周波信号を放射可能な メインエレメントと、 前記メインエレメントにおいて給電時の電界の強さが相対 的に大きくなる部位に当該メインエレメントと所定の間隔で設けられた第 1サブ エレメントと、 前記メインエレメントにおいて給電時.の電界の強さが相対的に小 さくなる部位に当該メインエレメン卜および前記第 1サブエレメントと所定の間 隔で設けられた第 2サブエレメントと、 前記メインエレメントに対する前記第 1 サブエレメントおよび前記第 2サブエレメントの電気的な作用を変化させること により、 前記メインエレメントから放射される高周波信号を前記複数の周波数帯 のいずれかに切り替えるスィッチ機構とを備えてなる。
このようなマルチバンドアンテナにより、 エレメント構造を何ら変えることな く、 共振周波数を変化させて複数の共振周波数を得ることができる。
前記スィッチ機構は、 例えば、 前記第 1サブエレメントおよび前記第 2サブェ レメントの一端部と、 予め形成された複数種類の電気回路要素とを外部より入力 された制御信号により切替接続するための半導体スィッチを含む。 これにより、 複数の共振周波数を外部から随時切り替えることができるようになる。
この半導体スィッチは、 例えば、 第 1レベルの制御信号の入力時に前記第 1サ ブエレメントおよび前記第 2サブエレメントを、 それぞれその一端部を電気的に 開放状態とすることにより前記メインエレメントに対する無給電反射素子として 作用させ、 他方、 前記第 1レベルと異なる第 2レベルの制御信号の入力時に前記 一端部を直接又は所定の共振回路を介して接地することにより前記メインエレメ ントに高周波結合する電気的短絡素子として作用させる。 あるいは、 半導体スィ ツチは、 第 1レベルの制御信号の入力時に前記第 1サブエレメントおよび前記第 2サブエレメントを、 それぞれその一端部を第 1共振回路を介して接地すること により前記メインエレメントに高周波結合する第 1電気的短絡素子として作用さ せ、 他方、 前記第 1レベルと異なる第 2レベルの制御信号の入力時に前記一端部 を前記第 1共振回路と電気定数が異なる第 2共振回路を介して接地することによ り前記メインエレメントに高周波結合する第 2電気的短絡素子として作用させる。 本発明のある実施の態様では、 前記第 1サブエレメントは、 前記メインエレ メントに容量結合することにより結合容量分のリアクタンスを当該メインアンテ ナに付与するリァクタンス調整用素子として作用し、前記第 2サブエレメントは、 前記メインエレメントと誘導結合することにより前記メインエレメントに高周波 信号を励起させる無給電誘導素子として作用する。 前記第 1サブエレメントは、 前記第 2サブエレメントと前記メインエレメントとの間の結合容量値を相殺する サイズに成形される。
本発明のマルチバンドアンテナにおける具体的な態様としては、 前記メインェ レメントの電気的な長さは、 前記複数の周波数帯の中から選定された設定周波数 の略 η λ Ζ 8 (η = 1, 2 , ·'·) であり、 前記第 2サブエレメントの電気的な長 さは、 設定周波数の略 (2 η + 1 ) λ / 4 (η = 0 , 1 , 2 , ···) 又は略 η λ Ζ 2 (η = 1 , 2 , .··) である。 また、 前記メインエレメントが逆 L状、 逆 F状又 は矩形状の導電薄板であり、 前記第 2サブエレメン卜がメァンダ状又は矩形状の 導電薄板である。
通信装置への実装を容易にする観点からは、 通信装置に装着又は内蔵が可能な サイズの基体を備えるようにする。 この基体には、 接地導体と誘電体製のエレメ ント取付基体とが設けられている。 前記エレメント取付基体には、 前記接地導体 に対して所定の間隔を維持するメインエレメント取付層と、 所定厚みの誘電体層 と、 サブエレメント取付層とがこの順に積層されており、 前記メインエレメント 取付層には前記メインエレメントが取り付けられており、 前記サブエレメント取 付層には、 前記第 1サブエレメントと前記第 2サブエレメントとが所定の間隔で 平行に取り付けられている。
通信装置への実装を、 より容易にする観点からは、 通信装置に内蔵される回路 基板の表面部と裏面部の一方の面部に、 前記メインエレメントが表装または導電 パターンとして形成されており、 前記回路基板の他方の面部のうち前記メインェ レメントの電気的影響を受ける部位に、 前記第 1サブェレメントおよび前記第 2 サブエレメントが導電パターンとして形成されているマルチバンドアンテナとす る。
本発明の回路基板は、 通信装置に内蔵され、 前記通信装置の構成部品を実装す るための誘電体製の回路基板であって、 その表面部と裏面部との間で電気的影響 を受けるアンテナ領域を有しており、 前記アンテナ領域の表面部と裏面部の一方 の面部に、 メインエレメントが表装または導電パターンとして形成されており、 前記アンテナ領域の表面部と裏面部の他方の面部に、 第 1サブエレメントおよび 第 2サブエレメントが導電パターンとして形成されている、 マルチバンドアンテ ナの機能を有する回路基板である。 .
本発明の通信装置は、上述したマルチバンドアンテナを筐体内に収納してなり、 このマルチバンドアンテナが備える前記スィツチ機構を制御信号で制御すること により、 複数の周波数帯の中から選定した設定周波数の高周波信号を前記メイン 0
6
アンテナから放射させるように構成されているものである。
本発明によれば、 小型、 マルチバンドに対応ができて、 通信装置への装着ない し内蔵にも適したマルチバンドアンテナを実現することができる。 このようなマ ルチバンドァンテナを装着ないし内蔵することにより、 通信装置の一例である携 帯無線機及び移動無線機の用途を大幅に拡張することができる。その結果、携帯、 移動端末などの多様化を図ることができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明のマルチバンドアンテナの基本的な構成図である。
図 2は、 第 1状態のときのメインエレメント、 第 1サブエレメントおよび第 2 サブエレメントの関係を示す図である。
図 3は、 第 1状態のときのメインエレメント、 第 1サブエレメントおよび第 2 サブエレメントの関係を示す図である。
図 4は、 第 1状態および第 2状態におけるマルチバンドアンテナの周波数一 V S WR特性図である。
図 5は、 第 2サブエレメントに接続されるトラップ回路の構成例を示した図で あり、 図 5 ( a ) は誘導性素子および容量性素子の並列共振回路、 図 5 ( b) は 直列共振回路、 図 5 ( c ) は直並列共振回路の例を示す。
図 6 ( a ) 〜図 6 ( c ) は、 マルチバンドアンテナを携帯無線電話機に搭載し た状態を示すための説明図である。
図 7は、 スィッチ機構の第 1応用例を示す図である。
図 8は、 図 7のスィッチ機構における V S WR—周波数特性図である。
図 9は、 スィッチ機構の第 2応用例を示す図である。
図 1 0は、 図 9のスィッチ機構における V S WR—周波数特性図である。
図 1 1は、マルチバンドアンテナを通信装置に取り付ける基体の外観斜視図 (主 要部) である。
図 1 2は、 図 1 1において基体を矢印方向から見た側面図である。
図 1 3は、 アンテナエレメントの取付基体の構造及びサイズを説明するための 図で、 図 1 3 ( a ) は平面図、 図 1 3 ( b ) はその側面図である。 図 14 (a) は、 エレメント取付カバー 70の正面図であり、 図 14 (b) は その側面図である。
図 15 (a) は設定可能なバンドおよびそのときの設定周波数 (共振周波数) の関係を示す図表、 図 15 (b) は所望のパンドを選択するときの制御信号 CO NTの電圧値を示した図表である。
図 16は、 本発明の実施例によるマルチパンドアンテナの構成図である。 図 17 (a)、 図 17 (b) は、 制御信号を 0 [V]と 3 [V] に切り替えた場合 の VSWR—周波数特性図である。
図 18 (a)、 図 18 (b) は、 制御信号を 0 [V]と 3 [V] に切り替えた場合 の利得特性図である。
図 19 (a) はマルチバンドアンテナ機能を有する回路基板のアンテナ領域部 分の正面図、 図 19 (b) はその背面図、 図 19 (c) はアンテナ領域部分の表 裏面部の関係を明らかにするための断面図である。 発明を実施するための最良の形態
[アンテナの基本構成]
本発明のマルチバンドアンテナの基本的な構成図を図 1に示す。 本発明のマル チバンドアンテナは、 音、画像(静止画、 動画)、 データなどの複数のメディアに 対応可能な携帯電話無線機、 P D A等の移動可能な携帯型の通信装置に搭載され る。
図 1に示されるように、 本発明のマルチバンドアンテナは、 給電端子 18から 供給された高周波信号を放射可能なメインエレメント 10を有する。 メインエレ メント 10は、 例えば銅材を成形した導電性薄板で形成される。 メインエレメン ト 10の表面部及び裏面部の一方、 例えば表面部は、 複数の周波数の信号を放射 することができる放射面部である。
メインエレメント 10において、 給電時の電界強度が最も大きくなる放射面部 の外周端部付近には第 1サブエレメント 11が設けられている。
第 1サブエレメント 11の主面部、 すなわち表面積が相対的に大きい面部とメ インエレメント 10の放射面部とは、 所定の間隔 d 1で対向しており、 これによ り、 給電時に、 メインエレメント 1 0と第 1サブエレメント 1 1とが容量結合す るようになっている。 図示のような長尺帯状に成形した第 1サブエレメント 1 1 の場合、 その先端部は、 メインエレメント 1 0の放射面部上で、 自由端になって いる。 また、 第 1サブエレメント 1 1の他方の端部、 すなわち基端部は、 メイン エレメント 1 0の一端部より延びて、スィッチ機構 1 4の一方端と導通している。 第 1サブエレメント 1 1の主面部の面積は、 調整しょうとする結合容量の大き さで決まる。 面積が大きくなるほど、 結合容量は大きくなる。 このように、 第 1 サブエレメント 1 1は、 その主面部の面積が重要であり、 その形状、 長尺方向の 長さは、 さほど重要ではない。 主面部の面積をより大きく確保する必要がある場 合は、 図示のような長尺帯状のものに代えて、 例えばメアンダ状 (ジグザグ状) に成形すればよい。
メインエレメント 1 0の放射面のほぼ中央部、 つまり給電時の電界強度が相対 的に小さくなる部位には、 第 2サブエレメント 1 2が設けられている。 図示のよ うにメインアンテナ 1 0が長尺薄板状に成形されている場合、 第 2サブエレメン ト 1 2の主面部は、 メインエレメント 1 0の放射面と所定の間隔 d 2で平行に対 向しており、 これにより、 給電時に、 メインエレメント 1 0と第 2サブエレメン ト 1 1との間で誘導結合 (磁界結合) するようになつている。 第 1サブエレメン ト 1 1と異なり、 第 2サブエレメント 1 2は誘導結合なので、 長尺方向の長さが 重要となる。
第 2サブエレメント 1 2の先端部は、 メインエレメント 1 0の放射面上で、 自 由端になっている。 第 2サブエレメント 1 2の他方の端部、 すなわち基端部は、 メインエレメント 1 0の端部より延びて、 トラップ回路 1 3の一方端と導通して いる。 第 1サブエレメント 1 1の基端部と第 2サブエレメント 1 2の基端部との 間隔は、 使用周波数の 「まわり込み」 を実用上回避できる間隔とする。 これらの サイズ等については、 後述する。
トラップ回路 1 3の他方端は、 スィツチ機構 1 4の一方端と電気的に接続され ている。
このトラップ回路 1 3は誘導性素子および容量性素子から成るもので、 第 2サ ブエレメント 1 2によるメインエレメント 1 0への高周波結合の度合いを緩和す るものである。
スィッチ機構 1 4の他方端は、 接地端子、 すなわち給電時に接地電位となる端 子に、 電気的に接続されている。 このスィッチ機構 1 4は、 外部からの制御信号 C O NTに基づいて開閉動作を行う。 「開」動作時には、第 1サブエレメント 1 1 の基端部およびトラップ回路 1 3の他方端が何らの電気的接続のない開放状態に し、他方、 「閉」動作時には接地電位状態にする。説明の便宜上、 開放状態を第 1 状態、 接地電位状態を第 2状態と称する。
なお、 図 1では、 第 1サブエレメント 1 1および第 2サブエレメント 1 2は、 いずれもメインエレメント 1 0の放射面部の上方に設けた例を示しているが、 第 1サブエレメント 1 1および第 2サブエレメント 1 2の一方、あるいは、両方は、 メインエレメント 1 0の裏面部側に設けてあってもよい。
<マルチバンドアンテナの動作 >
以上のように構成されるマルチバンドアンテナは、 以下のように動作する。
[第 1状態]
第 1状態のとき、 第 1サブエレメント 1 1および第 2サブエレメント 1 2は、 メインェレメント 1 0に対する電気的影響が殆どない無給電反射素子となる。 ト ラップ回路 1 3の影響もない。 図 2は、 この状態を破線で示している。 このとき、 メインエレメント 1 0は、 図 4の周波数一 V SWR特性図において実線で示され るように、 給電端子 1 8から供給された高周波信号を、 自己に設定されている第 2共振周波数 ί 2で共振する 「先端開放アンテナ」 として動作する。
[第 2状態]
第 2状態のとき、 第 1サブエレメント 1 1および第 2サブエレメント 1 2は、 いずれも無給電素子となる。従って、 メインエレメント 1 0は、 「無給電素子付き アンテナ」 として動作する。 図 3は、 この状態を実線で示している。 このとき、 メインエレメント 1 0は、 第 1サブエレメント 1 1および第 2サブエレメント 1 2と容量結合し、 その容量結合の強さ (この強さを 「結合容量値」 という) に応 じたリアクタンスが付加される。 メインアンテナ 1 0と第 1サブエレメント 1 1 との結合容量値は である。 メインアンテナ 1 0と第 2サブエレメント 1 2と の間にも結合容量値 C。が生じる。 これらの結合容量値 C i, ( 。の影響で、 メインエレメント 1 0の共振周波数は、 メインエレメント 1 0自体の共振周波数 (第 2共振周波数 f 2 ) とは異なる第 1 共振周波数: f 1となる。
メインエレメント 1 0における共振周波数の変化量は、 付加されたリアク夕ン スの値、 特に、 第 1サブエレメント 1 1および第 2サブエレメント 1 2により付 加される結合容量値 C 0, に依存する。 結合容量値が大きくなるにつれて、 メ インエレメント 1 0における共振周波数は低くなる方向に変ィ匕する。
また、 第 1サブエレメント 1 1および第 2サブエレメント 1 2の容量結合によ る結合容量値 C Q, は、 ある周波数以上において高周波的に低インピ一ダンス となり、 各サブエレメント 1 1 , 1 2がメインエレメント 1 0の電気的短絡点と して作用する。 そのため、 マルチバンドアンテナは、 第 4共振周波数 f 4で共振 する先端短絡アンテナとしても動作する。
さらに、 第 2サブエレメント 1 2が無給電誘導素子として作用し、 第 2サブェ レメント 1 2の第 3共振周波数 f 3がメインエレメント 1 0に励振される。 この とき、 第 2サブエレメント 1 2が有するメインエレメント 1 0の略第 2共振周波 数 ί 2に対応した周波数になるようにその電気定数が定められたトラップ回路 1 3により、 第 2サブエレメント 1 2による第 2共振周波数 f 2への影響を小さく することができる。
第 2共振周波数 f 2に対する第 1共振周波数 f 1, f 3 , f 4の関係は、 図 4 の周波数一 V SWR特性図において、 破線で示されている。
[エレメントの形状 ·構造等]
メインエレメント 1 0は、 複数の周波数の高周波信号を放射できる構造であれ ば、 その形状は任意であってよい。 例えば、 矩形状薄板のほか、 高周波帯のアン テナ用エレメントとしてよく知られた逆 L状、 逆 F状、 メアンダ状その他の形状 にすることができる。
メインエレメント 1 0の共振周波数 (第 2共振周波数 f 2 ) は、 使用周波数帯 域内に実質的に入るように設計される。 使用周波数帯域内に任意に設定した設定 周波数となるようにするには、 使用周波数帯の波長を λとすると、 メインエレメ ント 1 0の電気的な長さを略 η λ Ζ 8 (η = 1, 2, '··) にすればよい。 第 1サブエレメント 1 1は、 第 1状態のときは無給電反射素子、 第 2状態のと きは電気的短絡素子および無給電素子、 特に、 メインエレメント 1 0に対するリ ァクタンス調整素子として作用する。 第 2状態のときは上記のように作用するこ とから、 所望の共振周波数にするために比較的大きい結合容量値 を必要とす る場合がある。 また、 第 2サブエレメント 1 2とメインエレメント 1 0との間の 結合容量値 C。を相殺するサイズに成形されている。
このために、 第 1サブエレメント 1 1は、 電界が最適に結合するようにメイン エレメント 1 0の電界が集中する部位に配置されるが、 上記の間隔 d 1と第 1サ ブエレメント 1 1の表面部の面積も重要となる。 結合容量値 は、 間隔 d lと 上記の面積から決まるためである。
共振周波数が使用周波数帯において設定した周波数になるように結合容量値 C
3_を設計する順序は、 次のとおりとなる。 まず、 使用する通信装置の筐体内に収 納できるアンテナ筐体の高さと、 要求されるアンテナ性能から決まるエレメント 間の間隔とから上記の間隔 d 1を設定する。 次に、 必要な結合容量値 が得ら れるように、 第 1サブエレメント 1 1の主面部の面積を調整する。
第 2サブエレメント 1 2は、 第 1状態のときは無給電反射素子、 第 2状態のと きは無給電誘導素子および電気的短絡素子として作用する。 すなわち、 第 1サブ エレメント 1 1の容量結合による結合容量値 が、 第 2サブエレメント 1 2の 容量結合による結合容量値 C Qよりも小さい場合、 結合容量値 C。が相対的に大き くなる第 2サブエレメント 1 2がメインエレメント 1 0の電気的短絡点して作用 する。
この第 2サブエレメント 1 2は、 メインエレメント 1 0へのリアクタンス付加 の低減 (容量結合低減) と、 最適に誘導結合を可能にするために、 メインエレメ ント 1 0の電界の集中が小さいメインエレメント 1 0の中央部付近に配置される。 しかし、 メインエレメント 1 0へのリアクタンス付加の低減 (容量結合低減) が 不十分な場合があるため、 使用する周波数で高インピーダンスになるように、 そ の電気定数が定められたトラップ回路 1 3を第 2サブエレメント 1 2に挿入する。 トラップ回路 1 3は、 メインエレメント 1 0の略第 2共振周波数 f 2に設定され る。 これにより、 第 1状態および第 2状態のとき、 メインエレメント 1 0の略第 2共振周波数 f 2で高インピーダンスとなり、 第 2共振周波数 ί 2で無給電反射 素子となる。 よって、 第 2サブエレメント 12とメインエレメント 10との容量 結合 C。による第 2共振周波数 ί 2への影響を小さくすることができる。
トラップ回路 13は、 誘導性素子および容量性素子を主要部品として含み、 図 5 (a) のようなこれらの素子の並列共振回路、 図 5 (b) のような直列共振回 路、 図 5 (c) のような直並列共振回路のいずれかにより構成される。
図 5 (a) のような並列共振回路は、 共振時に高インピーダンスとなるため、 ある周波数を通過させないという用途に適している。 図 5 (b) のような直列共 振回路は、 共振時に低インピーダンスとなるため、 ある周波数だけ通過させると いう用途に適している。 図 5 (c) のような直並列共振回路は、 ある周波数は通 過させないが、 他の 2つの周波数を通過させるという用途に適している。
第 2サブエレメント 12を所望の構造にするときの設計順序は、 次のとおりで ある。 まず、 まず、 使用する通信装置の筐体内に収納できるアンテナ筐体の高さ と、 要求されるアンテナ性能から決まるエレメント間の間隔とから上記の間隔 d 2を決める。 次に、 メインエレメント 10に励振されるアンテナの共振周波数帯 域幅及び VSWRから、 最適に誘導結合するように第 2サブエレメント 12のェ レメント幅を設定する。 このとき、 容量結合による結合容量値 C。が、 概ね、 第 1共振周波数 ί 1および第 2共振周波数 ί 2への影響を小さくするような値とす る。
第 2サブエレメント 12の共振周波数 (第 3共振周波数 f 3) は、 使用周波数 帯域内に実質的に入るように設定される。 使用周波数帯域内に実質的に入る周波 数となるようにするには、 第 2サブエレメント 12の長さを略 (2η+1) λ/ 4 (η = 0, 1, 2, ··-) 又は、 略 ηλΖ2 (η=1, 2, "·) になるようにす ればよい。
各サブエレメント 11, 12は、 互いに結合せず、 性能に影響を与えないよう な間隔に設定される。 また、 メインエレメント 10と各サブエレメント 11, 1 2間は空気層あるいは誘電体を挟む構成にすることもできる。誘電率を上げれば、 小さい面積で大きい容量を得ることができる。
[スィッチ機構の説明] スィッチ機構 14は、 制御端子に入力される制御信号 CONTにより、 通信装 置の所定部位に配置されている接地導体と第 1サブエレメント 11および第 2サ ブエレメント 12の基端部とを導通又は非導通に切り替える。 メカニカルなもの のほか、 半導体スィッチたとえば、 汎用のショットキーダイオードの他、 用途に 応じて、 アイソレーション重視する場合には P INダイオード、 低電流動作重視 する場合には FETスィッチ, I Cスィッチ、 また、 強電界, 低ひずみ重視する 場合には M E M Sスィッチなど用いることができる。
S PDT (Single Pole Double Throw),. S P 3 T (Single Pole 3 Throw), S P4T (Single Pole 4 Throw) 等の複数経路を選択できるように構成することも できる。
<マルチバンドアンテナが搭載される通信装置〉
本発明のマルチバンドアンテナは、 種々の通信装置に搭載ないし内蔵される。 通信装置が例えば携帯電話無線機の場合、 図 6 (a) 〜 (c) に示す箇所に本発 明のマルチバンドアンテナの搭載が考えられる。 図 6 (a) は、 携帯電話無線機 の操作部の背面側に接地導体、 操作部の端部にマルチバンドアンテナ 1 aを取り 付けた例である。 また、 図 6 (b) は、 携帯電話無線機の表示部の背面側に接地 導体、 表示部の先端部にマルチバンドアンテナ 1 bを取り付けた例である。 図 6 (c) は操作部の背面側に接地導体、 背面端部にマルチパンドアンテナ 1 cを取 り付けた例である。 筐体内部に収容 (内蔵) する構成であってもよい。 通信装置 には、 使用周波数帯の切替を上述した制御信号 CONTの信号レベルの切替によ つて行う制御装置を設ける。
なお、 マルチバンドアンテナは、 求められる性能に応じて、 適宜、 交換して使 用することも可能である。 この場合は、 通信装置の上記の部位に、 それぞれ、 マ ルチパンドアンテナを離脱自在に装着するための機構を設け、 マルチバンドアン テナでは、 上記機構に適合する装着機構を形成するようにする。
<応用例 >
上述した例では、 スィッチ機構 14の一方端には第 1サブエレメント 11およ び第 2サブエレメント 2 (トラップ回路 13)、他方端には接地端子がそれぞれ接 続されており、 スィッチ機構 14を 「開」 動作させることでマルチバンドアンテ ナを第 1状態にし、 「閉」動作させることでマルチバンドアンテナを第 2状態にす る塲合の例を示したが、 本発明は、 このような例に限定されず、 様々なアンテナ 状態を形成することができる。 以下の説明では、 スィッチ機構 1 4に接続する電 子回路の応用例を示す。
図 7は、 第 1応用例を示す。 スィッチ機構 1 4としては、 例えば、 S P D T (Single Pole Double Throw) スィッチ素子を用いる。 そして、 それぞれ接地導 体に接続されるスィッチ機構 1 4の 2つの被選択端子のうち、 第 1端子 1 4 1に リアクタンス素子 (誘導性素子又は容量性素子) 1 4 2とトラップ回路 1 4 3の 直列回路を挿入接続し、 第 2端子 1 4 4は、 接地導体に直接接続して、 これらの 2つの経路を制御信号 C ONTにより選択できるようにする。
第 1端子 1 4 1からリアクタンス素子 1 4 2、 トラップ回路 1 4 3を経て接地 導体に至る経路を「A経路」、第 2端子 1 4 4から直接接地導体に至る経路を「B 経路」 とする。 トラップ回路 1 4 3の電気定数は、 メインエレメント 1 0の略第 2共振周波数 ί 2又は第 2サブエレメント 1 2の略第 3共振周波数 f 3に設定し、 設定した各周波数帯において高インピ一ダンスとなるようにすることで、 経路選 択のときに、 それぞれの周波数帯での影響を少なくすることができる。
制御信号 C ONTによりスィッチ機構 1 4が B経路を選択したときは、 上記の 第 2状態と同様となる。 すなわち、 メインエレメント 1 0と第 1サブエレメント 1 1とが容量結合し、 第 1サブエレメント 1 1によりメインエレメント 1 0にリ ァクタンス (容量結合値) が付加される。 よってメインエレメント 1 0の第 2共 振周波数 ΐ 2は、 第 1共振周波数 f 1に変化する。 このとき、 同時に、 容量結合 によりメインエレメント 1 0が結合点を介して電気的に短絡され、 この短絡点を 周囲長にする第 4共振周波数 f 4で共振する。
また、 第 2サブエレメント 1 2が無給電誘導素子として作用し、 第 2サブエレ メント 1 2の第 3共振周波数 ί 3がメインエレメント 1 0に励振される。 図 8の V S WR—周波数特性図における実線は、 この状態での共振周波数と V SWRと の関係を示している。
他方、 制御信号 C O NTによりスィッチ機構 1 4が Α経路を選択したときは、 トラップ回路 1 4 3により、 メインエレメント 1 0の略第 2共振周波数 f 2で高 インピーダンスとなり、 各サブエレメント 1 1 , 1 2は、 第 2共振周波数 f 2で 無給電反射素子となる。 よって各サブエレメント 1 1, 1 2による第 2共振周波 数 ί 2への影響が小さくなり、 メインエレメント 1 0は、 第 2共振周波数 f 2で 動作する。 また、 第 2サブエレメント 1 2は無給電誘導素子として作用し、 第 2 サブエレメント 1 2の第 3共振周波数 ί 3が、 メインエレメント 1 0に励振され る。
図 8の V S WR—周波数特性図における破線は、 この状態での共振周波数と V S WRとの関係を示している。 このように、 各共振周波数の選択設定を変えるこ とができ、 また、 リアクタンス素子の挿入により各共振周波数を可変し、 繊細な 設定を行なうことができる。
<他の応用例 >
図 9は、 第 2応用例を示す。 ここでは、 第 1応用例における第 2端子 1 4 4に も、 上記の第 1応用例におけるものと同様のリアクタンス素子 (誘導性素子又は 容量性素子) 1 4 5およびトラップ回路 1 4 6の直列回路を揷入接続している。 第 1端子 1 4 1からリアクタンス素子 1 4 2、 トラップ回路 1 4 3を経て接地 導体に至る経路を 「C経路 (A経路と同じ)」、 第 2端子 1 4 4からリアクタンス 素子 1 4 5、 トラップ回路 1 4 6を経て接地導体に至る経路を「D経路」 とする。 トラップ回路 1 4 3の電気定数は、 第 2サブエレメント 1 2の略第 3共振周波数 f 3に設定する。 また、 トラップ回路 1 4 6の電気定数は、 メインエレメント 1 0の略第 2共振周波数 ί 2に設定する。 そして、 設定した各周波数帯において高 インピーダンスとなるようにすることで、 経路選択のときに、 それぞれの周波数 帯での影響を少なくすることができる。
制御信号 C ONTによりスィッチ機構 1 4が D経路を選択したときは、 メイン エレメント 1 0と第 1サブエレメント 1 1が容量結合され、 第 1サブエレメント 1 1によりメインエレメント 1 0にリアクタンスが付加される。 よって、 メイン エレメント 1 0の第 2共振周波数' f 2が 化して第 1共振周波数 f 1となる。 こ のとき、 トラップ回路 1 4 3により、 略第 3共振周波数 f 3で高インピーダンス となり、 第 3共振周波数 f 3で各サブエレメント 1 1 , 1 2が無給電反射素子と なる。 したがって第 3共振周波数 ί 3はメインエレメント 1 0に励振されない。 このとき、 同時に、 容量結合によりメインエレメント 1 0が結合点を介して電気 的に短絡され、 この短絡点を周囲長にする第 4共振周波数 f 4で共振する。 図 1 0の V S WR—周波数特性図における実線は、 この状態での共振周波数と V SW Rとの関係を示している。
他方、 制御信号 C ONTによりスィッチ機構 1 4が C経路を選択したときは、 トラップ回路 1 4 6により、 メインエレメント 1 0の略第 2共振周波数 f 2で高 インピーダンスとなり、 第 2共振周波数 ί 2で各サブエレメント 1 1 , 1 2が無 給電反射素子となる。 各サブエレメント 1 1, 1 2による第 2共振周波数 ί 2へ の影響が小さくなり、 メインエレメント 1 0は第 2共振周波数 f 2で動作する。 また、 第 2サブエレメント 1 2は無給電誘導素子として作用し、 第 2サブエレメ ント 1 2の第 3共振周波数 ί 3がメインエレメント 1 0に励振される。
図 1 0の V S WR—周波数特性図における破線は、 この状態での共振周波数と V SWRとの関係を示している。
このように、 各共振周波数の選択設定を変えることができ、 また、 リアクタン ス素子の揷入により各共振周波数を可変し、 繊細な設定を行なうことができる。
実施例 1
次に、 本発明のマルチバンドアンテナの実施例を具体的に説明する。
ここでは、 通信装置への内蔵に適するように小型化されたマルチバンドアンテ ナの例を示す。 図 1 1は、 マルチバンドアンテナを通信装置に取り付ける基体の 外観斜視図(主要部)、 図 1 2は、 図 1 1において基体を矢印方向から見た側面図 である。 これらの図において、 既述したものと同一ないし同一視される要素につ いては、 便宜上、 同一符号を用いている。
この例によるマルチバンドアンテナは、 スィッチ機構 1 4における接地端子が 接続される接地導体 5 0の先端部分に設けられた誘電体基体、 例えばエポキシガ ラス材 (F R— 4 ) から成る基体 6 0上に、 例えば逆 F状のメインアンテナ 1 0 を載せ、 その上に、 所定厚みのエポキシガラス材 (F R— 4 ) から成るエレメン ト取付カバ一 7 0を積層するとともに、 このエレメント取付カバー 7 0上に、 第 1サブエレメント 1 1および第 2サブエレメント 1 2とを載せ、 第 1サブエレメ ント 1 1については、 その基端部を直接、 第 2サブエレメント 1 2については配 線 121を通じて、 それぞれ、 周辺回路 20に接続し、 メインエレメント 10に ついては、 給電ライン 181を経て給電端子 18に接続し、 所定部位は、 接地ラ イン 191を経て接地端子 19に接続して構成される。 なお、 メインエレメント 10として矩形薄板を用いた場合は、 接地は不要となる。
周辺回路 20は、 上述したトラップ回路 13 (143, 146) およびスイツ チ機構 14を混載した回路である。 この周辺回路 20には、 通信装置の制御回路 から、 上記の第 1状態と第 2状態、 A経路と B経路、 C経路と D経路を、 それぞ れ選択的に切り替えるための制御信号 C O N Tが入力される。 この制御信号 C O NTは、 スィツチ機構 14を構成するスィツチング素子が P I Nダイォードであ る場合、 例えば、 0〜3 [V] の電圧であり、 消費電流は 3. 0 [mA] として、 0 [V] (オフ)、 3 [V] (オン) と電圧を変化させることで、 上記の各状態ない し経路を切り替え、 これによつて、 複数の周波数帯域 (バンド) の切替を可能に している。
次に、 本発明のマルチバンドアンテナを実装するときの取付基体の寸法の一例 を説明する。 図 13は、 取付基体の構造及びサイズを説明するための図であり、 (a) は平面図、 (b) はその側面図である。 図 14 (a) は、 エレメント取付力 バ一 70の正面図、 (b) はその側面図である。
図 13において、 接地導体の幅 a 1は例えば 40mm、 高さ a 3は例えば 10 0mm, 厚み a 4は例えば 1. 0 [mm] である。 この接地導体に載せられる取 付基体の幅 a 2は例えば 38 [mm], 高さ a 6は例えば 18 [mm], 厚み a 5 は例えば 7. 0 [mm] である。
図 14 (a) において、 エレメント取付カバ一の幅 Aは上記の a 2、 高さ Eは 上記の a 6である。 図 14 (b) における厚み H、 すなわち、 上記の間隔 d lお よび d 2に相当する寸法は、 例えば 0. 5 [mm] である。 なお、 この厚み Hは、 必ずしも一定でなくてもよく、 各サブエレメント 11, 12の取付部位に応じて 厚みに変ィ匕があってもよい。
エレメント取付カバ一上の第 1サブエレメント 11の長さ Gは例えば 3 · 0 [m m]第 2サブエレメント 12の長さ Bは例えば 30. 0 [mm], メインエレメン ト 10の端部から第 2サブエレメント 12の一方の端部までの長さ Cは例えば 8. 0 [mm],メインエレメント 10の端部から第 2サブエレメント 12の他方の端 部までの長さ Dは例えば 12. 0 [mm] である。
この実施例において設定可能なバンドおよびそのときの設定周波数 (共振周波 数) は、 図 15 (a) に示すとおりである。
すなわち、 AMPS (824MHz〜894MHz) 帯では上述した第 1共振 周波数 f l、 GSM900 (880MHz〜960MHz) 帯では上述した第 2 共振周波数 i 2、 GSM1800 (1710 ΜΗζ〜 1880 MHz) 帯では上 述した第 3共振周波数 f 3、 PCS 1900 (1850 MHz〜 1990 MHz) 帯では上述した第 4共振周波数 ί 4である。 .
所望のバンドを選択するときの制御信号 CONTの電圧値は、 図 15 (b) の ようになる。 すなわち、 例えば図 9のような構成において、 AMPS帯又は PC S 1900帯を使用する場合は、 制御信号 CONTを 0 [V] とし、 図 10に示 されるように、 第 1共振周波数 f 1および第 4共振周波数 f 4の高周波信号をメ インエレメント 10の放射面部から放射させる。 他方、 GSM900) 帯又は G SM1800帯を使用する場合は、 制御信号 CONTを 3 [V] とし、 第 2共振 周波数 ί 2又は第 3共振周波数: f 3の高周波信号をメインエレメント 10の放射 面部から放射させる。
図 16は、 本発明のアンテナ実施例の構成図を示す。
この例におけるメインエレメント 10は、 逆 F状の銅製の薄板エレメントであ り、 給電端子 18と接地端子 19とに接続されている。 メインエレメント 10に 設定されている共振周波数 (設定周波数) は f 2であり、 電気長は、 設定周波数 の波長を λ ί2とすると、 略え f2Z8である。第 2サブエレメント 12に設定され ている共振周波数 (設定周波数) は: f 3であり、 電気長は、 設定周波数の波長を λί3とすると、略 Af3Z2である。第 2サブエレメント 12とメインエレメント 10との容量結合により生じる結合容量値 C。は 3. 5 [pF] である。 第 2サ ブエレメント 12に接続されるトラップ回路は、 誘導性素子 L 2と容量性素子 C 2 との並列回路であり、 誘導性素子 L2のリアクタンスは 15 [nH]、 容量性素子 (: のリアクタンスは 2 [pF] である。 第 1サブエレメント 11によりメイン エレメント 10に付与される容量結合値 は、 2. 5 [pF] である。 JP2005/008830
19
スィッチ機構 14は、 図 7に示したものが採用されている。 すなわち、 スイツ チ素子として、 SPDT半導体 I Cスィッチが使用されており、 共振周波数調整 用のリアクタンス素子として誘導性素子 Lい トラップ回路として誘導性素子 L 3 と容量性素子 C 3との並列回路が使用されている。誘導性素子 L のリァクタンス は 1. 5 [nH]、 誘導性素子 L3のリアクタンスは 15 [nH]、 容量性素子 C3 のリアクタンスは 2 [pF」 である。
このように構成されるマルチバンドアンテナにおいて、 制御信号を 0 [V]と 3 [V] に切り替えた場合の VSWR—周波数特性は、 図 17 (a), (b) のよう になる。 図 17 (a) は AMPS帯、 GSM 1900帯における VSWR—周波 数特性、 同 (b) は GSM900帯, GSM1800帯における VSWR—周波 数特性である。 また、 制御信号を 0 [V]と 3 [V] に切り替えた場合の利得特性 は、 図 18のようになる。 図 18 (a) は AMPS帯、 GSM1900帯におけ る利得特性、 同 (b) は GSM900帯、 GSM1800帯における利得特性で ある。
このように、 本発明の実施形態及びそれを具体化した実施例によれば、 第 1サ ブエレメント 11を、 無給電反射素子、 リアクタンス調整素子および電気的短絡 素子として作用させ、 また、 第 2サブエレメント 12を、 メインエレメント 10 と異なる周波数に共振可能な無給電誘導素子、 無給電反射素子又は電気的短絡素 子として作用させることができるので、 エレメント数を増加させることなく、 よ り多くの共振周波数を持つことができ、 小型でありながら、 広帯域に対応可能な マルチバンドアンテナを容易に実現することができる。
なお、 上記の実施形態及び実施例に示した各エレメントの形状、 サイズを表す 数値、 配置等は例示であって、 本発明の範囲をこれらに限定する趣旨でないこと は、 勿論である。
実施例 2
次に、 本発明の他の実施例を説明する。 上述した例は、 マルチバンドアンテナ を、 主として、 通信装置等に組み込むアンテナ部品として実施する場合の例であ るが、 アンテナ部品としてではなく、 通信装置等を構成している回路基板上に直 接形成される導電メツキおよび導電パターンとして実施することもできる。 すなわち、 図 1 9 ( a ) に示すように、 回路基板 8 0のアンテナ領域の表面部 を、例えば導電メツキにより表装し、 この表装部分をメインエレメント 1 0とし、 他方、 図 1 9 (b ) に示すように、 回路基板 8 0のアンテナ領域の裏面部の端部 付近に略矩形状の導電パターン、 略中央部付近に長尺薄板状の導電パ夕一ンを、 それぞれエッチング等により形成して、 前者を第 1サブエレメント 1 1、 後者を 第 2サブエレメント 1 2として機能させる。
図 1 9 ( c ) は、 この回路基板 8 0のアンテナ領域部分の表裏面部の関係を明 らかにするための断面図である。 「アンテナ領域」は、誘電体から成る回路基板 8 0のうち、 表面部と裏面部との間に金属層が存在しない領域をいう。 この実施例 の場合、 回路基板 8 0の厚みが、 上述した間隔 d l , d 2となる。 このように、 回路基板 8 0上に形成された導電メツキおよび導電パタ一ンであっても、 図 1の 基本構成と同じ関係となり、上述した実施例と同様の効果を奏することができる。 図 1に示したトラップ回路 1 3およびスィッチ機構 1 4は、 回路基板 8 0のアン テナ領域以外の部位に実装すればよい。
この実施例では、 回路基板 8 0の厚みを、 ほぼマルチバンドアンテナの高さに することができる。 そのため、 取付基体 6 0、 エレメント取付カバ一 7 0を設け る場合に比べて、 通信装置を薄くすることができる利点が生じる。
なお、 多層基板で構成され、 これらの層の一部が金属層になっていて、 その表 面部と裏面部との間がシールドされている回路基板の場合は、 この金属層を切り 欠いてアンテナ領域とするか、別途、アンテナ領域を付加するようにすればよい。 金属層が存在するが、 その金属層が部分的であって、 例えば、 メインエレメント 1 0を例えば逆 F型、 逆 L型とすることにより、 メインエレメント 1 0と第 1サ ブエレメント 1 1および第 2サブエレメント 1 2との結合関係に大きな影響を与 えない多層基板の場合は、 そのままアンテナ領域として使用してもよい。

Claims

1 . 複数の周波数帯の高周波信号を放射可能なメインエレメントと、 前記メインエレメントにおいて給電時の電界の強さが相対的に大きくなる部位 に当該メインエレメントと所定の間隔で設けられた第 1サブエレメントと、 前記メインエレメントにおいて給電時の電界の強さが相対的に小さくなる部位 に当該メインエレメントおよび前記第 1サブエレメントと所定の間隔で設けられ 育
た第 2サブエレメントと、
前記メインエレメントに対する前記第 1サブエレメン卜および前記第 2サブェ レメントの電気的な作用を変化させることにより、 前記メインエレメントから放 射される高周波信号を前記複数の周波数帯のいずれかに切り替えるスィッチ機構 囲
とを備えてなる、
マルチバンドアンテナ。
2 . 前記スィッチ機構は、 前記第 1サブエレメントおよび前記第 2サブエレメ ン卜の一端部と、 予め形成された複数種類の電気回路要素とを外部より入力され た制御信号により切替接続するための半導体スィツチを含む、
請求の範囲第 1項記載のマルチバンドアンテナ。
3 · 前記半導体スィツチは、 第 1レベルの制御信号の入力時に前記第 1サブェ レメントおよび前記第 2サブエレメントを、 それぞれその一端部を電気的に開放 状態とすることにより前記メインエレメントに対する無給電反射素子として作用 させ、 他方、 前記第 1レベルと異なる第 2レベルの制御信号の入力時に前記一端 部を直接又は所定の共振回路を介して接地することにより前記メインエレメント に高周波結合する電気的短絡素子として作用させる、
請求の範囲第 2項記載のマルチバンドァンテナ。
4. 前記半導体スィツチは、 第 1レベルの制御信号の入力時に前記第 1サブェ レメントおよび前記第 2サブェレメントを、 それぞれその一端部を第 1共振回路 を介して接地することにより前記メインエレメントに高周波結合する第 1電気的 短絡素子として作用させ、 他方、 前記第 1レベルと異なる第 2レベルの制御信号 の入力時に前記一端部を前記第 1共振回路と電気定数が異なる第 2共振回路を介 して接地することにより前記メインエレメントに高周波結合する第 2電気的短絡 素子として作用させる、
請求の範囲第 2項記載のマルチバンドァンテナ。
5. 前記第 1サブエレメントは、 前記メインエレメントに容量結合することに より結合容量分のリアクタンスを当該メインアンテナに付与するリアクタンス調 整用素子として作用し、 前記第 2サブエレメントは、 前記メインエレメントと誘 導結合することにより前記メインエレメントに高周波信号を励起させる無給電誘 導素子として作用する、
請求の範囲第 3項又は第 4項記載のマルチバンドアンテナ。
6. 前記第 1サブエレメントが、 前記第 2サブエレメントと前記メインエレメ ントとの間の結合容量値を相殺するサイズに成形されている、
請求の範囲第 5項記載のマルチバンドアンテナ。
7. 前記メインエレメントの電気的な長さ力 前記複数の周波数帯の中から選 定された設定周波数の略 ηλΖ 8 (η=1, 2, ···) であり、 前記第 2サブエレ メントの電気的な長さが設定周波数の略 (2 η+ 1) λ/4 (η=0, 1, 2, 。··) 又は略 ηλΖ2 (η=1, 2, '··) である、
請求の範囲第 6項記載のマルチバンドアンテナ。
8. 前記メインエレメント 10力 S逆 L状、逆 F状又は矩形状の導電薄板であり、 前記第 2サブエレメントがメァンダ状又は矩形状の導電薄板である、
請求の範囲第 Ί項記載のマルチパンドァンテナ。
9. 通信装置に装着又は内蔵が可能なサイズの基体を備えており、
この基体には、接地導体と誘電体製のエレメント取付基体とが設けられており、 前記エレメント取付基体には、 前記接地導体に対して所定の間隔を維持するメ インエレメント取付層と、 所定厚みの誘電体層と、 サブエレメント取付層とがこ の順に積層されており、
前記メインエレメント取付層には前記メインエレメントが取り付けられており、 前記サブエレメント取付層には、 前記第 1サブエレメントと前記第 2サブエレ メントとが所定の間隔で平行に取り付けられている、
請求の範囲第 8項記載のマルチバンドアンテナ。
1 0 . 通信装置に内蔵される回路基板の表面部と裏面部の一方の面部に、 前記 メインエレメントが表装または導電パターンとして形成されており、 前記回路基 板の他方の面部のうち前記メインエレメントの電気的影響を受ける部位に、 前記 第 1サブエレメントおよび前記第 2サブエレメントが導電パターンとして形成さ れている、
請求の範囲第 8項記載のマルチバンドアンテナ。
1 1 . 通信装置に内蔵され、 前記通信装置の構成部品を実装するための誘電体 製の回路基板であって、
その表面部と裏面部との間で電気的影響を受けるアンテナ領域を有しており、 前記アンテナ領域の表面部と裏面部の一方の面部に、 請求の範囲第 1 0項に記 載されたメインエレメントが表装または導電パターンとして形成されており、 前記アンテナ領域の表面部と裏面部の他方の面部に、 請求の範囲第 1 0項に記 載された第 1サブェレメントおよび第 2サブェレメントが導電パタ一ンとして形 成されている、
マルチバンドアンテナの機能を有する回路基板。
1 2 . 請求の範囲第 1項〜第 1 0項のいずれかに記載されたマルチバンドアン テナを筐体内に収¾¾してなり、 このマルチバンドアンテナが備える前記スィッチ 機構を制御信号で制御することにより、 複数の周波数帯の中から選定した設定周 波数の高周波信号を前記メインアンテナから放射させるように構成されている、 通信装置。
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