WO2011007577A1

WO2011007577A1 - アンテナ装置

Info

Publication number: WO2011007577A1
Application number: PCT/JP2010/004614
Authority: WO
Inventors: 小川賢二
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2009-07-16
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2011-01-20
Also published as: JP2011041261A; CN102473999A; US20120112972A1

Abstract

　ＭＩＭＯアンテナにおいて、アンテナ利得の向上と低相関化を図るアンテナ装置を提供する。第１筐体（１０１）と第２筐体（１０２）とを備え、第１筐体（１０１）と第２筐体（１０２）とを回動自在に接続したヒンジ部（２０２）によって構成される折り畳み式携帯端末において、第１筐体（１０１）には第１給電部（１０７）が設けられ、第２筐体（１０２）には第２給電部（１０８）が設けられる。ヒンジ部（２０２）近傍の第１筐体（１０１）内に設けられ、一端が開放されたアンテナエレメント（２０１）の他端から第１給電部（１０７）と第２給電部（１０８）とがそれぞれ給電する。

Description

アンテナ装置

　本発明は、アンテナ装置に関する。

　近年、携帯無線端末においては、各種アプリケーションの高度化に伴い、高機能化が要求されている。また、３Ｇ－ＬＴＥシステムなどでは、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）アンテナが必要とされており、ＭＩＭＯアンテナの各アンテナにおける放射指向性の相関特性を低く抑えることが求められている。

　特許文献１には、図１に示すようなアンテナ装置が記載されている。このアンテナ装置は、アンテナ素子と、複数の供給デバイスを介してアンテナ素子の接続点にそれぞれ接続され、電磁気的な発振に関して相互に絶縁された少なくとも２つの導波組立体（グランド）とを有する。導波組立体のそれぞれは、供給デバイスに結合される導体部分からなり、また、導波組立体は供給デバイスを介して電磁気的発振を吸収又は放射するよう設計されている。また、導体部分はアンテナ素子が動作するのと同じような方法で電磁気的発振を吸収又は放射するよう設計されている。

特開平１０－７９６１７号公報

　しかしながら、上述した特許文献１に開示のアンテナ装置では、２つの導波組立体を携帯電話等の携帯無線端末に実装させることは、構成上不可能である。また、２つの導波組立体を同じ筐体に配置することは、導波組立体同士の干渉が生じ、アンテナ利得が劣化し、低相関化が困難になる。

　本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ＭＩＭＯアンテナにおいて、アンテナ利得の向上と低相関化を図るアンテナ装置を提供することを目的とする。

　本発明のアンテナ装置は、第１筐体と第２筐体とを備え、前記第１筐体と前記第２筐体とを回動自在に接続したヒンジ部によって構成される折り畳み式携帯端末に搭載されるアンテナ装置であって、前記第１筐体に内蔵された第１グランド板と、前記第２筐体に内蔵された第２グランド板と、前記ヒンジ部近傍に設けられ、所望の周波数に共振し、一端が開放されたアンテナエレメントと、前記第１グランド板に接続され、前記アンテナエレメントの他端から給電する第１給電部と、前記第２グランド板に接続され、前記アンテナエレメントの他端から給電する第２給電部と、を具備する構成を採る。

　本発明によれば、ＭＩＭＯアンテナにおいて、アンテナ利得の向上と低相関化を図ることができる。

特許文献１に記載のアンテナ装置を示す図本発明の実施の形態１に係る携帯端末の構成を示す図３次元座標系を設けた様子を示す図ＶＳＷＲの周波数特性を示す図ＸＺ平面の放射指向性（水平偏波成分）を示す図水平偏波位相特性を示す図本発明の実施の形態２に係る携帯端末の構成を示す図本発明の実施の形態２に係る携帯端末の他の構成を示す図本発明の実施の形態３に係る携帯端末の構成を示す図図２に示した構成（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１）におけるアンテナ電流の経路を示す図図９に示した構成（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２）におけるアンテナ電流の経路を示す図ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１と、ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２におけるＳパラメータ（S-parameter）の測定結果を示す図本発明の実施の形態３に係る携帯端末の他の構成を示す図図１３に示した構成（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ３）におけるアンテナ電流の経路を示す図ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１～３におけるＳパラメータ（S-parameter）の測定結果を示す図同軸ケーブルを用いない場合の携帯端末の構成を示す図第１グランド板と第２グランド板とが異なるサイズの携帯端末の構成を示す図

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、実施の形態において、同一機能を有する構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

　（実施の形態１）
　図２は、本発明の実施の形態１に係る携帯端末の構成を示す図である。この図に示す携帯端末は折り畳み形状を有し、第１筐体１０１と第２筐体１０２とがヒンジ部２０２によって回動自在に接続されている。

　第１筐体１０１には、第１グランド板１０３が内蔵され、また、第２筐体１０２には、第２グランド板１０４が内蔵されており、第１グランド板１０３と第２グランド板１０４とはデータ通信用ライン１１２によって接続されている。

　第１グランド板１０３は、無線回路１０５と、この無線回路１０５に接続された信号処理部１０６とを備えている。また、第１のグランド板１０３において、無線回路部１０５に接続され、送受信機能を有する第１給電部１０７が配置されている。

　第２のグランド板１０４において、同軸ケーブル１０９を介して無線回路１０５に接続され、送受信機能を有する第２給電部１０８が配置されている。

　第１給電部１０７には、第１ストリップ素子１１０の一端が接続され、第１ストリップ素子１１０の他端が、第１筐体内１０１のヒンジ部２０２近傍に設けられたアンテナエレメント２０１に接続されている。また、第２給電部１０８には、第２ストリップ素子１１１の一端が接続され、第２ストリップ素子１１１の他端がアンテナエレメント２０１に接続されている。

　アンテナエレメント２０１は、一端に第１ストリップ素子１１０と第２ストリップ素子１１１とが接続されており、他端が開放されている。

　なお、具体的なサイズとしては、例えば、第１グランド板１０３及び第２グランド板１０４の幅４５ｍｍ、長さ１００ｍｍ、アンテナエレメント２０１の長さ２５ｍｍ、また、給電点間のストリップ素子の長さ３０ｍｍなどとする。

　このようなサイズを有するアンテナの電磁界シミュレーションを行った結果を図３～５に示す。図３は、３次元座標系を設けた様子を示す。図３に示すように、携帯端末の横方向をＸ軸、長さ方向をＹ軸、幅方向をＺ軸とする。また、ＸＺ平面に対してなす角をφ、ＹＺ平面に対してなす角をθとする。

　図４は、ＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。図４において、太い実線は第１給電部１０７が励振したときのＶＳＷＲの周波数特性を示し、点線は第２給電部１０８が励振したときのＶＳＷＲの周波数特性を示す。この図から分かるように、太い実線と点線とが重なっており、双方の給電部から励振した場合でも同じ２ＧＨｚを中心とした共振が得られる。

　図３におけるＸＺ平面の携帯端末の放射指向性（放射指向性）の水平偏波成分を図５に示す。図５（ａ）は、第１給電部１０７が励振したときの放射指向性を示し、図５（ｂ）は、第２給電部１０８が励振したときの放射指向性を示す。これらの図から分かるように、放射指向性は対称となり、放射指向性の相関特性を低く抑えることができる。

　また、図６は、位相特性を示す図である。図６は、図３におけるＸＺ平面の位相を示す。図６において、太い実線は第１給電部１０７が励振したときの水平偏波の位相を示し、点線は第２給電部１０８が励振したときの水平偏波の位相を示す。この図から分かるように、位相特性も給電部間でθ＝１８０°を境に対称な特性を有しており、位相特性の相関特性も低く抑えることができる。この理由として、アンテナの不平衡動作により、各給電部が配置されているグランド板に流れる電流が支配的になるためと考えられる。

　また、上述したようなサイズにおいて、以下の式（１）に示されるピアソンの積率相関を用いて得られた相関係数（Correlation Coefficient: CC）は、水平偏波成分で０．３と低い結果が得られた。すなわち、各給電部から放射されるアンテナ指向性の低相関化を実現することができる。

　なお、各給電部からのアンテナ複素指向性をｘ＝｛ｘ_ｉ｝，ｙ＝｛ｙ_ｉ｝，（ｉ＝１，２，…，ｎ）と表し、ｘ￣はｘ＝｛ｘ_ｉ｝の平均値を、ｙ￣はｙ＝｛ｙ_ｉ｝の平均値を表す。

　このように実施の形態１によれば、折り畳み式携帯端末において、第１筐体には第１給電部を設け、第２筐体には第２給電部を設け、第１筐体と第２筐体とを回動自在に接続するヒンジ部近傍にアンテナエレメントを配し、第１給電部と第２給電部とがそれぞれアンテナエレメントの一端に接続することにより、１つのアンテナエレメントに複数のアンテナ効果を実現させることができ、また、アンテナ利得を向上させることができると共に、アンテナ指向性の低相関化を実現することができる。

　（実施の形態２）
　図７は、本発明の実施の形態２に係る携帯端末の構成を示す図である。図７が図２と異なる点は、筐体状態センサ１１４及び切替回路１１５を追加した点である。

　筐体状態センサ１１４は、折り畳み式携帯端末が開状態にあるか閉状態にあるかを検知し、検知結果を信号処理部１０６及び無線回路１０５を介して切替回路１１５に通知する。

　切替回路１１５は、筐体状態センサ１１４から出力された検知結果に応じて、無線回路１０５と第２給電部１０８とを接続するか否か、すなわち、第２給電部のオンオフを切り替える。具体的には、筐体状態センサ１１４から出力された検知結果が携帯端末の開状態を示す場合には、切替回路１１５は無線回路１０５と第２給電部１０８とを接続し、検知結果が携帯端末の閉状態を示す場合には、切替回路１１５は無線回路１０５と第２給電部１０８との接続を遮断する。

　携帯端末が閉状態で第１給電部１０７と第２給電部１０８とから給電を続けると、第１グランド板１０３と第２グランド板１０４との位置関係により、アンテナ利得が劣化するが、無線回路１０５と第２給電部１０８との接続を遮断し、第２給電部１０８からの給電を停止することにより、アンテナの利得劣化を防ぐことができる。

　このように実施の形態２によれば、携帯端末が閉状態となった場合には、切替回路は無線回路と第２給電部との接続を遮断し、第２給電部からの給電を停止することにより、アンテナの利得劣化を防ぐことができる。

　なお、本実施の形態では、筐体状態センサ１１４が携帯端末の開閉状態を検知した結果に基づいて、切替回路１１５を制御する場合について説明したが、図８に示すように、筐体状態センサ１１４に加えて、信号処理部１０６が受信電力検出回路を備え、受信電力検出回路が検出した受信電力が所定値以下になった場合に切替回路１１５が無線回路１０５と第２給電部１０８との接続を遮断するようにしてもよい。

　（実施の形態３）
　図９は、本発明の実施の形態３に係る携帯端末の構成を示す図である。図９が図２と異なる点は、アンテナエレメント２０１をアンテナエレメント３０１に変更した点である。ただし、図９は携帯端末のヒンジ部２０２近傍のみを示す。

　アンテナエレメント３０１は、λ／４の長さを有し、グランド板（第１グランド板１０３又は第２グランド板１０４）の面に対して垂直に配置され、一端が第１ストリップ素子１１０と第２ストリップ素子１１１とに接続されており、他端が開放されている。

　このように配置されたアンテナエレメント３０１は、所望の周波数においてオープンスタブとして機能する。これにより、所望の周波数において、第１給電部１０７及び第２給電部１０８の間のアイソレーション性能を確保することができる。

　ここで、図２に示した構成（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１）におけるアンテナ電流の経路を図１０に示す。図１０（ａ）は、ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１において、第１給電部１０７励振時のアンテナ電流の経路を示す。このとき、アンテナエレメント２０１のみならず、第１ストリップ素子１１０へのアンテナ電流の漏れが生じる。また、図１０（ｂ）は、ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１において、第２給電部１０８励振時のアンテナ電流の経路を示す。図１０（ｂ）に示すように、このとき、アンテナエレメント２０１のみならず、第２ストリップ素子１１１へのアンテナ電流の漏れが生じる。

　これに対して、図９に示した構成（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２）におけるアンテナ電流の経路を図１１に示す。図１１（ａ）は、ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２において、第１給電部１０７励振時のアンテナ電流の経路を示す。このとき、アンテナエレメント３０１にアンテナ電流が流れ、かつ第１ストリップ素子１１０へのアンテナ電流の漏れがほとんど生じない。また、図１１（ｂ）は、ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２において、第２給電部１０８励振時のアンテナ電流の経路を示す。図１１（ｂ）に示すように、このとき、アンテナエレメント３０１にアンテナ電流が流れ、第２ストリップ素子１１１へのアンテナ電流の漏れがほとんど生じない。これは、アンテナエレメント３０１の先端でアンテナ電流が０となり、反射電流が発生しないためである。

　次に、所望の周波数を２ＧＨｚとし、ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１と、ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２におけるＳパラメータ（S-parameter）の測定結果を図１２に示す。ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１では、Ｓ１１が２ＧＨｚにおいて－１０ｄＢを下回って共振しているが、給電部間のアイソレーション特性（Ｓ２１）が２ＧＨｚにおいて－１０ｄＢを下回らず、所望の周波数で両立しないことが確認できる。また、ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２では、共振周波数の比帯域がｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１よりも改善し、かつ、給電部間のアイソレーション特性（Ｓ２１）が－１０ｄＢを下回って、所望の周波数で両立することが確認できる。

　このように、所望の周波数において、第１給電部１０７及び第２給電部１０８の間のアイソレーション性能を確保することができるため、第１給電部１０７及び第２給電部１０８の間の電気的な干渉が抑制され、第１給電部１０７及び第２給電部１０８それぞれの励振時における放射利得特性を改善することができる。さらに、第１給電部１０７及び第２給電部１０８にそれぞれ接続された無線回路性能についても、互いの送信電流の漏れを抑制することができる。

　このように実施の形態３によれば、λ／４の長さを有し、グランド板の面に対して垂直に配置され、一端に第１ストリップ素子と第２ストリップ素子とが接続され、他端が開放されたアンテナエレメントを設けることにより、所望の周波数において、第１給電部及び第２給電部の間のアイソレーション性能を確保することができるため、第１給電部及び第２給電部の間の電気的な干渉が抑制され、第１給電部及び第２給電部それぞれの励振時における放射利得特性を改善することができる。

　なお、図１３に示すように、アンテナエレメントをグランド板（第１グランド板１０３又は第２グランド板１０４）の長辺に対して垂直、かつ、グランド板と同一面において第１筐体１０１（又は第２筐体１０２）から突出するように（図３に示した座標軸における＋Ｘ方向）配置し、一端を第１ストリップ素子１１０と第２ストリップ素子１１１とに接続し、他端を開放してもよい。

　図１３に示した構成（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ３）におけるアンテナ電流の経路を図１４に示す。図１４（ａ）は、ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ３において、第１給電部１０７励振時のアンテナ電流の経路を示す。このとき、アンテナエレメントにアンテナ電流が流れ、第１ストリップ素子１１０にはアンテナ電流が流ない。また、図１４（ｂ）は、ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ３において、第２給電部１０８励振時のアンテナ電流の経路を示す。図１４（ｂ）に示すように、このとき、アンテナエレメントにアンテナ電流が流れ、第２ストリップ素子１１１にはアンテナ電流が流れない。

　このように図１３に示す配置でも、アンテナエレメントは、所望の周波数においてオープンスタブとして機能する。これにより、所望の周波数において、第１給電部１０７及び第２給電部１０８の間のアイソレーション性能を確保することができる。

　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ３におけるＳパラメータ（S-parameter）の測定結果を含めて図１５に示す。図から分かるように、ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ３においても、共振周波数の比帯域がｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１よりも改善し、かつ、給電部間のアイソレーション特性（Ｓ２１）が－１０ｄＢを下回って、所望の周波数で両立することが確認できる。

　なお、上記各実施の形態では、第１筐体内の無線回路１０５と第２給電部とを同軸ケーブルで接続する場合について説明したが、例えば、図１６に示すように、データ通信用ライン１１２を介して信号処理部１０６と接続した無線回路１１３を第２グランド板に設け、無線回路１１３が第２給電部に接続するようにしてもよい。

　また、上記各実施の形態では、第１グランド板１０３と第２グランド板１０４とを同じ大きさであるものとして説明したが、本発明はこれに限らず、第１グランド板１０３が第２グランド板１０４より大きくても小さくてもよい。図１７は、第１グランド板１０３が第２グランド板１０４より大きい場合を示している。

　なお、第１筐体又は第２筐体の一部、または第１筐体又は第２筐体の全体が金属製の場合、金属製の筐体が第１グランド板又は第２グランド板に接続することにより、グランドの大きさを変えるようにしてもよい。

　また、上記各実施の形態では、アンテナエレメント２０１を第１筐体１０１内に設けるものとして説明したが、ヒンジ部２０２近傍であれば、第２筐体１０２内に設けてもよい。

　なお、上述したアンテナエレメント２０１やアンテナエレメント３０１は、携帯端末搭載時において、想定のアンテナエレメントとほぼ同じ長さを有する金属部品（例えば、折り畳み端末のヒンジ金属）などにも応用が可能である。

　２００９年７月１６日出願の特願２００９－１６８１３９及び２０１０年７月７日出願の特願２０１０－１５４８６５の日本出願に含まれる明細書、図面及び要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。

　本発明にかかるアンテナ装置は、折り畳み式携帯電話等の無線通信端末装置等に適用できる。

　１０１　第１筐体
　１０２　第２筐体
　１０３　第１グランド板
　１０４　第２グランド板
　１０５、１１３　無線回路
　１０６　信号処理部
　１０７　第１給電部
　１０８　第２給電部
　１０９　同軸ケーブル
　１１０　第１ストリップ素子
　１１１　第２ストリップ素子
　１１２　データ通信用ライン
　１１４　筐体状態センサ
　１１５　切替回路
　２０１、３０１　アンテナエレメント
　２０２　ヒンジ部

Claims

　第１筐体と第２筐体とを備え、前記第１筐体と前記第２筐体とを回動自在に接続したヒンジ部によって構成される折り畳み式携帯端末に搭載されるアンテナ装置であって、
　前記第１筐体に内蔵された第１グランド板と、
　前記第２筐体に内蔵された第２グランド板と、
　前記ヒンジ部近傍に設けられ、所望の周波数に共振し、一端が開放されたアンテナエレメントと、
　前記第１グランド板に接続され、前記アンテナエレメントの他端から給電する第１給電部と、
　前記第２グランド板に接続され、前記アンテナエレメントの他端から給電する第２給電部と、
　を具備するアンテナ装置。
　前記折り畳み式携帯端末が開状態にあるか閉状態にあるかを検知する筐体状態検知手段と、
　前記筐体状態検知手段の検知結果に応じて、前記第２給電部のオンオフを制御する切替手段と、
　を具備する請求項１に記載のアンテナ装置。
　受信信号の受信電力を検出する受信電力検出手段を具備し、
　前記切替手段は、前記受信電力に応じて、前記第２給電部のオンオフを制御する請求項２に記載のアンテナ装置。
　前記アンテナエレメントは、１／４波長の長さを有し、前記第１グランド板又は前記第２グランド板の面に対して垂直に配置され、一端が開放された請求項１に記載のアンテナ装置。
　前記アンテナエレメントは、１／４波長の長さを有し、前記第１グランド板又は前記第２グランド板の長辺に対して垂直、かつ、グランド板と同一面において前記第１筐体又は前記第２筐体から突出するように配置され、一端が開放された請求項１に記載のアンテナ装置。