JP4649634B2 - マルチバンドモノポールアンテナ - Google Patents

Description

この発明は、携帯電話などの小型無線装置で、複数のバンドの電波を送受信するためのマルチバンドモノポールアンテナに関している。

携帯電話には、携帯に便利なサイズに上限があるにもかかわらず、ＧＰＳ受信器、テレビ受像機、カメラ等の機能が追加され、また液晶画面が大型化されるなど、多様化や小形化が求められ、また搭載されるアンテナも、より一層の小型化、省スペース化が求められている。さらに、ヨーロッパ・アジア・アメリカ等の各地で使用できるマルチバンド対応の携帯電話が求められているため、アンテナ内蔵式の携帯電話を実現できるマルチバンドアンテナの実現が待たれている。

マルチバンドアンテナとしては、例えば、ＵＷＢ帯で使われるＯＦＤＭ方式通信用の連続した複数バンドに渡る周波数帯用のものと、上記した複数国で使用できる携帯電話の様に、離間した複数の周波数帯で使用できるものとがある。本発明は、後者に係わるものであり、例えば次のようなマルチバンドアンテナが開示されている。

特許文献１に逆Ｆ型の小型のマルチバンドアンテナが開示されている。また、特許文献２に複数の小形のチップアンテナで構成したマルチバンドアンテナが開示されている。また、特許文献３に、並列にガルバーニ電気接続した少なくとも２つの放射子、及び接地面を有するキャリヤーを備えるマルチバンドアンテナが開示されている。また、特許文献４に、マルチバンドに対応した平板状アンテナが開示されている。

特許文献１逆Ｆ型の小型のマルチバンドアンテナでは、垂直偏波、水平偏波の両方の偏波が放射されるため、電波エネルギーの利用効率が悪い。また、特許文献２に開示された複数の小形のチップアンテナで構成したアンテナでは、構成部品数が増えてしまうという欠点がある。また、特許文献３のアンテナでは、サイズが大きくなり、携帯電話で使用する場合には邪魔になる。また、特許文献４のアンテナは、使用する波長の概略１／４のサイズとなり、８００ＭＨｚ帯で使用する場合は、携帯電話には使用しづらい長さになる。これは、本発明に比較的近い形状をもっているが、放射部分が接地導体に対して横方向になっており、接地導体に対して水平偏波となる。一方、本発明の場合は、後述するように垂直偏波成分が優勢であるので、この点においても相異するものである。

また、従来のアンテナ整合は、特許文献５に記載されている様に、給電回路側への集中定数素子のとりつけ、あるいは給電回路側へ分布定数線路パターンの配置、またはアンテナ素子中にコイルやコンデンサといった集中定数をとりつけることで行われている。しかし、集中定数素子を別途とりつけての調整はコストと時間がかかり、また、回路側へ分布定数パターンを組む場合もその都度の調整に時間を要する。

また、アンテナの低姿勢化について、非特許文献１に記載されている様に、逆Ｆ型アンテナでは、板状逆Ｆ型アンテナと呼ばれる構造にしてインピーダンス整合のためにアンテナ素子面積を増大させるといった方法がとられているが、低姿勢化とトレードオフに面積の増大といった問題が発生する。

特開２００４−１７２９１２号公報 特開平９−１９９９３９号公報 特開２００４−１９４３３１号公報 特開２００５−９４０７８号公報 特開２００３−２４９８１０号公報

「新アンテナ工学」；新井宏之，総合電子出版社，ｐ１０９

携帯電話などの移動体通信端末に搭載される内蔵マルチバンドアンテナで、理想的なモノポールアンテナの特性を維持しつつ低姿勢化を行うことができ、複数の周波数帯の調整を容易に行えるアンテナを実現する。

この発明によって、離間した周波数帯のどの周波数帯でも、切換え無しで送受信を行なうことのできる垂直偏波放射特性をもった小型のマルチバンドアンテナを実現できる。

マルチバンドモノポールアンテナとして、その構成を、次のようにする。
使用する電波の波長の０．０１から０．１３倍長さのモノポール放射素子部と、前記モノポール放射素子部の接地導体側に設けられた給電点と、前記モノポール放射素子部の接地導体側と反対側またはその先端に設けられた複数の整合線路とを備え、 前記のそれぞれの整合線路は、使用する電波の波長の０．１０から０．２５倍の長さであり、上記のモノポール放射素子と比べて同じまたは高い単位長あたりの抵抗値を有し、前記モノポール放射素子部の長手方向と直交する方向の長手方向を備え、前記モノポール放射素子部側の反対端は開放端とする。

また、上記のいずれかの整合線路は、使用する電波の波長の０．０５から０．２０倍の長さを有する第１の整合線路部分と、第１の整合線路部分に直列に接続され、第１の整合線路部分に比べて単位長あたりの抵抗値が同じかまたは高く、使用する電波の周波数の０．０５から０．１５倍の長さを有する第２の整合線路部分と、第１の整合線路部分と第２の整合線路部分とを連結する第３の整合線路部分とで構成する。

また、上記の整合線路は、使用する電波の波長の０．０５から０．２０倍の長さを有する第１の整合線路部分と、第１の整合線路部分から枝分かれし、第１の整合線路部分に比べて単位長あたりの抵抗値が同じかまたは高く、使用する電波の周波数の０．０５から０．１５倍の長さを有する第２の整合線路部分と、第１の整合線路部分と第２の整合線路部分とを連結する第３の整合線路部分とで構成する。ただし，各放射素子及び整合線路の長さは，その周囲に配置される誘電体物質の誘電率に応じて変える。

また、上記のモノポール放射素子部と整合線路とを、同一平面上、あるいは平面を折り曲げた同一面上に設ける。

また、上記のモノポール放射素子部と整合線路とを、プリント基板を用いて形成する。

特に、例えば、モノポール放射素子部の長さは、３から１５ｍｍの範囲にあり、前記放射素子に接続され全長が６０から８０ｍｍの範囲にある整合線路と、前記放射素子に接続され全長が１０から２５ｍｍの範囲にある整合線路とを備え、８００ＭＨｚから１０００ＭＨｚのいずれかの信号と１．９から２．２ＧＨｚのいずれかの信号を給電するものである。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

先ず本発明の実施例を図１によって説明する。本発明のマルチバンドモノポールアンテナは、接地導体または回路側基板とモノポール放射素子（アンテナ）部との間に高周波電力を給電する。モノポール放射素子部の先端には、モノポール放射素子部よりも細い複数の整合線路を接続している。この整合線路は、カバーしようとする周波数帯域の数だけ設ける。この整合線路は、後述するように、電波を放射するが、モノポール放射素子部で電流が大きく、その放射が優勢である。

モノポール放射素子部の長さは用いる波長の１％〜１３％にわたり、また、整合線路の長さは、用いる波長の１０〜２５％にわたり、調整することができる。

例えば、図２に示すマルチバンドモノポールアンテナの場合には、図３に示す放射特性を示す。モノポール放射素子部を垂直にした場合に、点線は水平偏波を、実線は垂直偏波を示す。図３（ａ）、（ｂ）では、垂直偏波が優勢である。これは、主にモノポール放射素子部からの放射である。また、８８０ＭＨｚと１５８０ＭＨｚの両方で良好な放射特性を持つことが分かる。また、この周波数帯での電圧定在波比（ＳＷＲ）を図４に示す。ＳＷＲは、８８０、１５８０ＭＨｚでは、それぞれ、２．６１と１．７である。

また、図３（ｃ）、（ｄ）でも、垂直偏波が優勢である。また、純粋なモノポールアンテナのように、放射特性にくびれが無いのは、図２の整合線路が折り曲げられているからであり、各部分４あるいは６からの放射によって、上記のくびれが埋められているためである。また、図３（ｅ）、（ｆ）に関しても、垂直偏波が優勢である。

ここで、整合線路は、放射に寄与することが少ないので、図５のように、整合線路先端部５を細くしてもよい。このように細くする目的は、多くの場合、小型化である。また、整合線路先端部５は、より高抵抗の線路で置き換えてもよい。この際の目的は、高抵抗であるが機械的強度の大きい材料を用いることである。この場合の、モノポール放射素子部の長さは用いる波長の１％〜１３％、また、整合線路の長さは、用いる波長の１０％〜２５％にわたり、調整することができる。

また、配置的な必要に応じて、図６に示すような、枝分かれした整合線路部とすることも可能である。

図７は、８００／９００Ｍ帯と２ＧＨｚ帯とのデュアルバンド用で、通常の携帯電話とＩＭＴ２０００方式の携帯電話とに用いる場合を想定したものである。このマルチバンドモノポールアンテナの特徴は、８００／９００Ｍ帯のアンテナを内蔵させながら、旧来の携帯電話方式と、現在主流の第３世代携帯電話方式での利用を１つのアンテナで利用可能にすることである。

図８は、８００／９００Ｍ帯と１．５ＧＨｚ帯とのデュアルバンド用で、携帯電話やＧＰＳ受信機用のマルチバンドモノポールアンテナである。この場合の様に、先端に平板を設けて、整合線路部の長さを短縮することもできる。このマルチバンドモノポールアンテナの特徴は、８００／９００Ｍ帯のアンテナを内蔵させながら、携帯電話による音声通話と、ＧＰＳによる位置情報通信を１つのアンテナで利用可能にすることである。図８では、モノポール放射素子部の長さは、１３ｍｍであるが、これを８００ＭＨｚから１０００ＭＨｚ帯と１．９から２．２ＧＨｚ帯で利用する場合は、３から１５ｍｍの範囲で調整することができる。また、この場合、長い方の整合線路の長さは６０から８０ｍｍの範囲で調整すればよく、短い方の整合線路の長さは１０から２５ｍｍの範囲で調整すればよい。この調整に当たっては、９００ＭＨｚと２．０５ＧＨｚで反射波定在波比が最適になるように調整することが望ましい。

図９は、８００／９００Ｍ帯と１．８ＧＨｚ帯とのデュアルバンド用で、複数国で採用されているデジタルの世界標準携帯電話（ＧＳＭ携帯電話）に用いるものである。このマルチバンドモノポールアンテナの特徴は、８００／９００Ｍ帯のアンテナを内蔵させながら、ＧＳＭ携帯電話に利用される２バンドの利用を１つのアンテナで利用可能にすることである。

図１０は、１．５Ｇ帯と、２．４ＧＨｚ帯とのデュアルバンド用で、ＧＰＳや無線ＬＡＮに用いるものである。このマルチバンドモノポールアンテナの特徴は、ＰＤＡ、ノートパソコン等情報通信端末においてＧＰＳによる位置情報通信と、無線ＬＡＮによるネットワーク通信を１つのアンテナで利用可能にすることである。

また、図１１は、８００ＭＨｚ帯、１．８ＧＨｚ帯、および２．４ＧＨｚ帯の３バンド用のマルチバンドモノポールアンテナで、デジタルの世界標準携帯電話、無線ＬＡＮに用いるものである。このマルチバンドモノポールアンテナの特徴は、８００／９００Ｍ帯のアンテナを内蔵させながら、ＧＳＭ携帯電話に利用される２バンドと、無線ＬＡＮの利用を１つのアンテナで利用可能にすることである。

上記では、離間した周波数帯域について説明したが、連続する周波数帯域をカバーして、結果として広い帯域で用いることができるアンテナを、本発明に倣って製造することは容易である。

本発明のマルチバンドモノポールアンテナを示す図である。 マルチバンドモノポールアンテナの例を示す図である。 図２のマルチバンドモノポールアンテナの放射特性を示す図である。 図２のマルチバンドモノポールアンテナの電圧定在波比を示す図である。 整合線路先端部を細くしたマルチバンドモノポールアンテナの例を示す図である。 枝分かれした整合線路部をもったマルチバンドモノポールアンテナの例を示す図である。 ８００／９００Ｍ帯と２ＧＨｚ帯とのデュアルバンド用のマルチバンドモノポールアンテナを示す図である。 ８００／９００Ｍ帯と１．５ＧＨｚ帯とのデュアルバンド用のマルチバンドモノポールアンテナを示す図である。 ８００／９００Ｍ帯と１．８ＧＨｚ帯とのデュアルバンド用のマルチバンドモノポールアンテナを示す図である。 １．５Ｇ帯と、２．４ＧＨｚ帯とのデュアルバンド用のマルチバンドモノポールアンテナを示す図である。 ８００ＭＨｚ帯、１．８ＧＨｚ帯、および２．４ＧＨｚ帯の３バンド用のマルチバンドモノポールアンテナを示す図である。

符号の説明

１ 給電部
２ モノポール放射素子部
３、４、５、６、７、８、９ 整合線路

Claims (6)

1. 使用する電波の波長の０．０１から０．１３倍の長さのモノポール放射素子部と、
   前記モノポール放射素子部の接地導体側に設けられた給電点と、
   前記モノポール放射素子部の接地導体側と反対側またはその先端に設けられた複数の整合線路とを備え、
   前記のそれぞれの整合線路は、使用する電波の波長の０．１０から０．２５倍の長さであり、上記のモノポール放射素子と比べて同じまたは高い単位長あたりの抵抗値を有し、前記モノポール放射素子部の長手方向と直交する方向の長手方向を備え、前記モノポール放射素子部側の反対端は開放端である、
   ことを特徴とするマルチバンドモノポールアンテナ。
2. 上記のいずれかの整合線路は、
   使用する電波の波長の０．０５から０．２０倍の長さを有する第１の整合線路部分と、
   第１の整合線路部分に直列に接続され、第１の整合線路部分に比べて単位長あたりの抵抗値が同じかまたは高く、使用する電波の周波数の０．０５から０．１５倍の長さを有する第２の整合線路部分と、
   第１の整合線路部分と第２の整合線路部分とを連結する第３の整合線路部分とで構成されることを特徴とする請求項１に記載のマルチバンドモノポールアンテナ。
3. 上記の整合線路は、
   使用する電波の波長の０．０５から０．２０倍の長さを有する第１の整合線路部分と、
   第１の整合線路部分から枝分かれし、第１の整合線路部分に比べて単位長あたりの抵抗値が同じかまたは高く、使用する電波の周波数の０．０５から０．１５倍の長さを有する第２の整合線路部分と、
   第１の整合線路部分と第２の整合線路部分とを連結する第３の整合線路部分とで構成されることを特徴とする請求項１に記載のマルチバンドモノポールアンテナ。
4. 上記のモノポール放射素子部と整合線路とを、同一平面上、あるいは平面を折り曲げた同一面上に設けたことを特徴とする請求項１、２あるいは３に記載のマルチバンドモノポールアンテナ。
5. 上記のモノポール放射素子部と整合線路とを、プリント基板を用いて形成したことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のマルチバンドモノポールアンテナ。
6. モノポール放射素子部の長さは、３から１５ｍｍの範囲にあり、前記放射素子に接続され全長が６０から８０ｍｍの範囲にある整合線路と、前記放射素子に接続され全長が１０から２５ｍｍの範囲にある整合線路とを備え、８００ＭＨｚから１０００ＭＨｚのいずれかの信号と１．９から２．２ＧＨｚのいずれかの信号を給電することを特徴とする請求項１に記載のマルチバンドモノポールアンテナ。

Images