JP4096304B2

JP4096304B2 - 表面実装型アンテナ装置及びそれを搭載した通信機器

Info

Publication number: JP4096304B2
Application number: JP2003015008A
Authority: JP
Inventors: 博志青山; 保規高木
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2003-01-23
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2023-01-23
Also published as: JP2004228986A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピーカ、バイブレータ、小型ＣＣＤカメラなどの金属機能部品が金属筐体に収納されるか、非金属筐体であってもコイルなどから電磁界を発生して動作する金属機能部品の近くに配設される表面実装型アンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話や簡易型携帯電話，モバイル用の情報通信端末装置などに用いられるアンテナ素子は、ロッドアンテナから携帯電話内に収容する表面実装型アンテナに代わりつつある。デザイン重視の観点からも、高性能を保ちつつ薄型、小型化しなければならないからである。
本発明者らによる表面実装型アンテナに関する多くの出願が公開されている。大別して、背面に給電点を有する放射電極を基板の主面に形成し、他の主面に接地電極を設けるパッチアンテナ（例えば特許文献１）、螺旋状に巻回された放射電極を具備するヘリカルアンテナ（例えば特許文献２）、平面電極パターンを具備するチップアンテナ（例えば特許文献３）、の３タイプである。
【０００３】
特許文献２記載のパッチアンテナは、図７に示すように、給電点１３を有する放射電極１１を誘電体基板の一方の主面に形成し、他の主面に接地電極１４を設けたパッチアンテナであって、スルーホール導体１５を給電点１３に接続する。さらに、スルーホール導体１５と導通するパターン導体１６を接地電極１４の主面に設け、誘電体基板の外部から給電するものである。
【０００４】
特許文献１記載のヘリカルアンテナは、図８に示すように、螺旋状の第１の放射電極１１１と、給電電極１２から第１の放射電極１１１に信号を伝達する第２の放射電極１１２を絶縁基板の外表面に配設する。さらに、第１の放射電極１１１は給電電極１２から所要の長さをもって離隔される。また、第１の放射電極１１１と第２の放射電極１１２は静電結合できる構成をとっている。
【０００５】
特許文献３記載のチップアンテナは、図９に示すように、誘電体よりなる直方体状の基体の上面（Ｃ面）及び隣り合う側面（Ｄ面）に基体の一方端から長手方向の他方端に向かって幅を狭めながら延びる放射電極１１１を形成し、この放射電極１１の先端側の幅の狭い領域にミアンダ状の放射電極１１２を設け、放射電極１１１の幅の広い側は基体の端面（Ｅ面）に設けた接地電極１４と接続し、基体の側面（Ｂ面）には放射電極１１１に非接触で励振する給電電極１２を形成した表面実装型アンテナである。
チップアンテナについて、本発明者らは更に改良を重ね、図１０や図１１に一例を示すように高性能の表面実装型アンテナを出願中である（特願２００２−１７３８１０号）。なお、図１０では、放射電極１１と、放射電極１１の一端に接続された接地電極１４と、側面に放射電極１１と所定間隔を介して形成された給電電極１２を有し、放射電極１１の他端は開放端となっている。図１１のチップアンテナは上記の構成を組み合わせたような構造となっている。
【０００６】
これらの表面実装型アンテナ装置は、携帯電話等の主アンテナとしてだけではなく、最近では無線ＬＡＮ用やＧＰＳ (ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ)用のチップアンテナとしての用途も多く、携帯電話等のごく限られた小空間内に搭載する必要がある。
この場合、狭小な空間に通話用アンテナとＧＰＳ情報受信アンテナを組み込んだものとなる。表面実装型アンテナ装置で通話するときに使用する電波の周波数帯と、ＧＰＳ電波の周波数帯（８００〜９００ＧＨｚ帯、１７００〜１９００ＭＨｚ帯）とが異なるためである。
【０００７】
また、表面実装型アンテナ装置にはスピーカやバイブレータ、最近では小型ＣＣＤカメラ等のように電磁界を発生する機器で金属ケースに収納されたものが搭載されることが多い。この場合、アンテナと金属ケースなどとの距離を離して金属機能部品が配されるのを禁じた領域を設けた発明がある（例えば、特許文献４参照）。
しかし、設計寸法の制約上、スピーカやバイブレータの近くにアンテナを配設せざるを得ないことも多い。従って、アンテナの周辺に金属機能部品が配設されるのを禁止するわけにはいかない場合が多く、このような場合、通話用アンテナとＧＰＳ情報受信アンテナとの相互干渉、スピーカやバイブレータや小型ＣＣＤカメラとアンテナとの相互干渉を防止する手段として、電波吸収体を配設して不要電波を吸収する発明がなされている（例えば、特許文献５参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−３３２５２１号公報
【特許文献２】
特開２００２−１１１３６７号公報
【特許文献３】
特開２００２−３６８５２８号公報
【特許文献４】
特開２００２−１６４１８号公報
【特許文献５】
特開２００１−２６８１９０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
電波吸収体でスピーカやバイブレータや小型ＣＣＤカメラとアンテナとの相互干渉を防止する場合、下記の問題の少なくとも１つ以上が生じる。
（１）ＧＰＳ情報受信アンテナとスピーカやバイブレータや小型ＣＣＤカメラとの相互干渉を防止できたとしても、電波吸収体が通話用アンテナの機能を妨害して、通話不良となる。
（２）電波吸収体を配設する適切な場所が無いことが多い。
（３）電波吸収体を配設する適切な場所があったとしても、材料費や配設の手間によりコスト高となる。
【００１０】
そこで本発明は、狭小な内部空間で通話性能をそのまま確保しつつ、スピーカやバイブレータや小型ＣＣＤカメラとアンテナとの相互干渉を防止した表面実装型アンテナ装置と、それを搭載することにより低コストで高性能な通信機器の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１手段は、金属機能部品（６０，７０）と、当該金属機能部品の電源部（４０）と、前記金属機能部品（６０，７０）と前記電源部（４０）との間に設けたフィルタ回路（２１，２２）と、前記金属機能部品（６０，７０）の電源部（４０）側端子と前記電源部（４０）とを前記フィルタ回路（２１，２２）を介して接続する線路（８１，８２，８３，８４）と、前記金属機能部品（６０，７０）の近くに配設される表面実装型アンテナ素子（１０）とを有し、前記金属機能部品（６０，７０）の電源部（４０）側端子と前記電源部（４０）とを前記フィルタ回路（２１，２２）を介して接続する線路（８１，８２，８３，８４）は、前記表面実装型アンテナ素子（１０）に接続する線路（８５）とは異なる線路となし、前記フィルタ回路（２１，２２）によって前記アンテナ素子（１０）の送受信周波数帯域の信号を遮断することを特徴とする通信機器（９０）である。
【００１２】
本発明の第２手段は、金属機能部品（６０，７０）が、スピーカ（６０）、バイブレータ（７０）、小型ＣＣＤカメラ（図示せず）のうち少なくとも１つである第１手段記載の通信機器である。
【００１３】
本発明の第３手段は、第１手段または第２手段記載の表面実装型アンテナ装置を搭載した通信機器である。
【００１４】
本発明によると、電波吸収体を配設した従来の表面実装型アンテナ装置とは違って、ＧＰＳ情報受信アンテナとスピーカやバイブレータなどの相互干渉を防止し、且つ通話用アンテナの機能を妨害することも無い。あるいは、電波吸収体のように配設場所の制約を受けない。または、材料費や配設の手間は無く、コスト高にならない効果がある。また、その効果は、本発明の表面実装型アンテナ装置を搭載した通信機器にも及ぶ。
【００１５】
以下、実施例を示しながら本発明に係る表面実装型アンテナ装置及びそれを用いた通信機器について例示する。図１は、本発明に係る表面実装型アンテナ装置を用いた携帯電話である通信機器９０の部分模式図である。スピーカ６０やバイブレータ７０などの金属機能部品の近くに配設される表面実装型のアンテナ素子１０と、金属機能部品の電源部４０側端子に表面実装型アンテナ素子１０に接続する線路８５とは異なる線路で接続したアンテナ素子１０の送受信周波数帯域の信号を遮断するフィルタ回路２１，２２とでなる。図１ではアンテナ素子１０とフィルタ回路２１，２２とは別体に設けた例を示すが、一体に設けてモジュールにすることもできる。アンテナ素子とフィルタを一体化したモジュールや、フィルタと金属機能部品を一体化したモジュールを構築することもできる。通信機器９０の通信と制御を司る通信・制御部５０には、電源部４０が線路８６，８７で接続され、アンテナ素子１０の送受信周波数帯域の信号を遮断するフィルタ回路２１，２２を介して接続する線路８１，８２，８３，８４を経てスピーカ６０やバイブレータ７０に駆動電流を供給する。また、アンテナ素子１０が線路８５を介して接続される。図１に示す実施形態では、プリント基板３０の上に通信・制御部５０や電源部４０のＩＣが配設され、線路８３〜８７はプリント配線されている。フィルタ回路２１，２２は、後述するようにＬＣフィルタで構成される。プリント基板３０は、切欠きを設けてスピーカ６０やバイブレータ７０を別体に配設している。そして、スピーカ６０やバイブレータ７０とアンテナ素子１０の送受信周波数帯域の信号を遮断するフィルタ回路２１，２２との接続は、リード線（線路）８１，８２による。このように別体に配設することにより低背化できる。更に通信機器９０の厚み（Ｚ方向の寸法）を減らす工夫として、アンテナ素子１０はプリント基板３０の裏面に配設している。
【００１６】
図２は、アンテナ素子１０の一例を示す。幅Ｗ：３ｍｍ，長さＬ：１０ｍｍ，高さＨ：３ｍｍで、放射電極の幅ｗ：１ｍｍ、ピッチｐ：１ｍｍである。また誘電率εは８である。
アンテナ素子１０の基体は、通常、セラミックスからなり、セラミックスのブロックから直方体状のチップを複数個切り出し、所定の寸法に研削加工する。次いでこのチップを複数個並べて治具の中に設置し、多数チップの一表面毎にＡｇ電極をスクリーン印刷して形成する。各表面に電極を形成した後、８５０℃で焼成している。
この例では、アンテナ素子１０はプリント基板３０の裏面に配設されている。プリント基板３０の厚み方向、すなわちＺ方向の実装高さを低減できる効果がある。
【００１７】
図３は、金属機能部品であるスピーカ６０及び／またはバイブレータ７０の電源側端子にノッチフィルタを挿入した回路図を示す。
図４は、図３に示した１．５７５ＧＨｚを中心としたノッチフィルタのコンデンサＣを０．５ｐＦ、インダクタＬを１８ｎＨとした場合の周波数特性をスペクトラムアナライザで測定した結果を示す。ＶＳＷＲの測定は、給電端子にネットワークアナライザを接続し、端子側からみたインピーダンスを測定した。
図４（Ａ）はＳ_１１パラメータを示すスミスチャート、図４（Ｂ）はＳ_２１パラメータ（電圧定在波比ＶＳＷＲ）の周波数特性である。電圧定在波比（ＶＳＷＲ）３の時の帯域幅を示す。なお、Ｓ_１１パラメータとは入力反射係数、Ｓ_２１パラメータとは通過係数のことである。
図４（Ａ）において、マーカー１は１４．５５５−ｊ２０９．２９（Ω）で１．５７５ＧＨｚ、マーカー２は２．７２２７−ｊ７８．６４５（Ω）で１．５１４ＧＨｚである。図４（Ｂ）において、マーカー１の中心周波数は１．５７５ＧＨｚ、マーカー２周波数は１．５１４ＧＨｚ、周波数スパンは０．４ＧＨｚである。
このような１．５７５ＧＨｚを中心とした周波数特性のフィルタを用いることにより、アンテナの共振周波数１．５７５ＧＨｚの共振電流が金属機能部品に流れるのを防止できる。
【００１８】
図５に、本発明に係る表面実装型アンテナ装置の平均利得の周波数特性を示す。測定器はネットワークアナライザである。利得の測定に際しては、電波無響暗室内で送信用アンテナとして用いた被試験アンテナからの放射電力を受信用基準アンテナで受信し、この受信電力と送信用アンテナとして基準アンテナを用いた場合の受信電力に対する比として評価した。単位ｄＢｉｃは、円偏波をすべての方向に一様に電力を放射する仮想的なアンテナに対する利得の表示を示すデシベル値である。実線は本発明、破線は比較例を示す。曲線Ａは金属機能部品としてスピーカ６０のみを搭載してアンテナの送受信周波数帯域の信号を遮断するフィルタ回路２１を設けた場合、曲線Ｂはスピーカ６０とバイブレータ７０を搭載してアンテナの送受信周波数帯域の信号を遮断するフィルタ回路２１，２２を設けた場合である。比較例は、フィルタ回路２１，２２のいずれも使用しない場合で、曲線Ｃはスピーカ６０とバイブレータ７０を搭載しない場合である。図５から、本発明に係る表面実装型アンテナ装置においてアンテナの送受信周波数帯域の信号を遮断するフィルタ回路２１，２２を設けた効果が分かる。比較例の曲線Ｃに比べて、本発明によってフィルタを入れた曲線Ｂは、平均利得で１ｄＢ以上の改善が見られる。
【００１９】
表１に本発明（曲線Ａ対応、曲線Ｂ対応）と比較例（曲線Ｃ対応）に対するアンテナの平均利得を、表２に本発明（曲線Ａ対応、曲線Ｂ対応）と比較例（曲線Ｃ対応）に対するアンテナのピーク利得を、ＸＹ平面，ＹＺ平面，ＺＸ平面について示す。単位は、円偏波を全ての方向に一様に電力を放射する仮想的なアンテナに対する利得の表示であるｄＢｉｃである。
本発明によると、平均利得で２ｄＢｉｃ以上、ＹＺ平面でのピーク利得は３ｄＢｉｃ以上も改善されることが分かる。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【表２】

【００２２】
図６は、本発明（曲線Ｂ対応）に係る表面実装型アンテナ装置を携帯電話機に搭載して、ＸＹ面，ＹＺ面，ＺＸ面（図１参照）の輻射パターンを測定した結果である。円線図の軸方向に示した数字は利得（単位はｄＢｉｃ）、円周方向の数字は回転角（単位は度）である。
輻射パターンは、被試験アンテナ素子を回転テーブルに搭載し、回転させながら放射電界の強度を利得の測定と同じ手順で各回転角度における利得を測定した。
図６から、本発明に係る表面実装型アンテナ装置を携帯電話機に搭載すると、ほぼ無指向性の携帯電話機が得られることが分かる。
【００２３】
本発明において、アンテナ素子の基体材料は誘電体に限定されるものではなく、磁性体、樹脂体、またこれらの積層基板としても良い。
また、単純な形状の図２に示すヘリカルアンテナを金属機能部品に近接配置した実施例に用いて本発明を説明したが、本発明は、実施例で具体的に開示したヘリカルアンテナ素子に限定されるものではなく、本発明者らが既に公にしてきたパッチアンテナ（例えば特許文献１）、ヘリカルアンテナ（例えば特許文献２）チップアンテナ（例えば特許文献３）、その他の種々の表面実装型アンテナのいずれにでも実施可能なことは、当業者に自明のことであろう。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、狭小な内部空間で通話性能をそのまま確保しつつ、スピーカやバイブレータや小型ＣＣＤカメラとアンテナとの相互干渉を防止した表面実装型アンテナ装置と、それを搭載することにより低コストで高性能通信機器の提供が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る通信機器の一実施例を示す部分図である。
【図２】本発明に係る通信機器に用いたヘリカルアンテナをプリント板に搭載した部分図である。
【図３】本発明に係る通信機器内の金属機能部品にフィルタを設けた回路図である。
【図４】図４（Ａ）は本発明に用いたノッチフィルタのスミスチャート図、図４（Ｂ）は定在波比Ｓ_２１の周波数特性図を示す。
【図５】本発明に係る表面実装型アンテナ装置の平均利得を比較例と共に示した周波数特性図である。
【図６】本発明に係る通信機器の輻射パターン図である。
【図７】本発明に係る通信機器に用いる一例としての表面実装型アンテナ素子の斜視図である。
【図８】本発明に係る通信機器に用いる別例としての表面実装型アンテナ素子の斜視図である。
【図９】本発明に係る通信機器に用いる別例としての表面実装型アンテナ素子の斜視図である。
【図１０】本発明に係る通信機器に用いる別例としての表面実装型アンテナ素子の斜視図である。
【図１１】本発明に係る通信機器に用いる別例としての表面実装型アンテナ素子の斜視図である。
【符号の説明】
８１，８２：リード線（線路）

Claims

金属機能部品と、当該金属機能部品の電源部と、前記金属機能部品と前記電源部との間に設けたフィルタ回路と、前記金属機能部品の電源部側端子と前記電源部とを前記フィルタ回路を介して接続する線路と、前記金属機能部品の近くに配設される表面実装型アンテナ素子とを有し、前記金属機能部品の電源側端子と前記電源部とを前記フィルタ回路を介して接続する線路は、前記表面実装型アンテナ素子に接続する線路とは異なる線路となし、前記フィルタ回路によって前記アンテナ素子の送受信周波数帯域の信号を遮断することを特徴とする通信機器。
前記金属機能部品が、スピーカ、バイブレータ、小型ＣＣＤカメラのうち少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載の通信機器。