JP4661816B2

JP4661816B2 - アンテナおよび無線通信機

Info

Publication number: JP4661816B2
Application number: JP2007090916A
Authority: JP
Inventors: 恒秋山
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008252506A

Description

この発明は、移動体通信機等の無線通信機に用いられるアンテナおよびそれを備えた無線通信機に関するものである。

携帯電話システムの端末装置（携帯電話）等の無線通信機において複数の周波数帯で用いるアンテナとして特許文献１が開示されている。

図１は特許文献１に示されている表面実装型アンテナの構成を示す図である。この表面実装型アンテナ１は、誘電体基体２に放射電極３ａ，３ｂおよび無給電放射電極１２が形成されている。この無給電放射電極１２は誘電体基体２の上面２ｅに、側面２ｄ側から側面２ｂ側へ向かう方向にミアンダ状に形成されている。また、誘電体基体２の底面２ｆから側面２ｄにかけて導入パターン１２ａが形成されていて、上記ミアンダ状の無給電放射電極１２の一端側が導入パターン１２ａに導通接続され、他端側は開放端となっている。このように放射電極３ａ，３ｂに加えて、この放射電極に結合する無給電放射電極１２を隣接配置することによって複共振化している。この複共振によって帯域幅が拡大できる。

また複数の周波数帯域を利用するマルチバンドアンテナを構成するために、共振周波数の異なる２つのアンテナを配置する際、その２つのアンテナ間の結合によるアンテナ効率の劣化を防止するために第１・第２のアンテナ間に金属板を設けて両アンテナ間の結合を低減させたものが特許文献２に示されている。
特開２００１−６８９１７号公報特開平９−９３０３１号公報

ところが特許文献１に示されている構成では、図１に示したように無給電放射電極１２を付加した分全体のアンテナサイズが大きくなってしまう。また、マルチバンドに対応するために複数のアンテナを配置する場合に、アンテナサイズが大きくなることによって他のアンテナとのアンテナ間干渉が増大して特性が劣化するという問題が生じる。

また、特許文献２の構成では、アンテナに金属を近づけることになるので一般的にアンテナ特性が劣化する。また金属板を配置するための構造が複雑であり部品点数も増大するのでコストが嵩むという問題がある。

そこで、この発明の目的は、アンテナ特性を劣化させることなく全体に小型・低コストな複数周波数帯域に対応するアンテナおよびそれを備えた無線通信機を提供することにある。

前記課題を解決するためにこの発明は次のように構成する。
（１）誘電体（誘電性基体や誘電性基板）に、それぞれ給電部から給電される放射電極を含む第１・第２のアンテナ部を備え、前記第１・第２のアンテナ部はそれぞれ１次と２次の共振モードを有し、前記第１のアンテナ部の２次共振モードと前記第２のアンテナ部の２次共振モードとを結合させて、前記第１・第２のアンテナ部の２次共振モードを複共振化させたことを特徴としている。

（２）前記第１・第２のアンテナ部の放射電極の少なくとも一部は実装基板（アンテナ以外の回路形成用基板）に形成してもよい。

（３）前記第１・第２のアンテナ部のうち一方のアンテナ部は基体に前記放射電極を形成してなる表面実装型アンテナ素子とし、他方のアンテナ部は前記表面実装型アンテナ素子を実装する実装基板に前記放射電極を形成してなるアンテナ素子としてもよい。

（４）また、この発明の無線通信機は前記いずれかの構成のアンテナを備えて給電部に対して給電を行う無線通信回路を備えることによって構成する。

この発明によれば次のような効果を奏する。
（１）第１のアンテナ部の２次共振モードと第２のアンテナ部の２次共振モードとが結合して第２のアンテナの２次共振モードを複共振化するので、その周波数帯を拡張することができる。しかも特許文献１のような無給電放射電極を付加する必要がないのでアンテナサイズを小型化できる。

特許文献１の構造でマルチバンドに対応するためには、それぞれ給電電極と無給電電極とを備える第１・第２のアンテナ部を設け、第２のアンテナ部の給電電極と無給電電極との結合および第２のアンテナ部の給電電極または無給電電極と第１のアンテナ部の給電電極との結合の両方を制御する必要があり、それらは独立に制御することができないため設計上の難易度が上がる。また、量産時の特性ばらつきも大きくなるという問題がある。これに対して、この発明によれば第１のアンテナ部の周波数特性はその１次共振モードで定まり、第２のアンテナ部の周波数特性はその１次および２次の共振モードで定まり、さらに第１のアンテナ部の２次共振モードと第２のアンテナ部の２次共振モードとが結合して第２のアンテナ部の２次共振モードが複共振化されるので所望の周波数特性を容易に得ることができる。

また特許文献２のように結合を低減するための金属板を設ける必要がないので特性劣化が生じることなく低コスト化できる。

またアンテナサイズが小さくなるため筐体に対するレイアウトおよび回路配置が容易となる。

またアンテナを配置するスペースが同一であるとすると、特許文献１，２の構成よりもアンテナの電極サイズを大きくすることができるため良好なアンテナ特性が得られる。

また第１のアンテナ部では使用しない２次モードを利用するので、第１のアンテナ部の特性を変化させることなく、第２のアンテナ部の２次共振モードの複共振の状態（周波数、マッチング、帯域）を変化させることができる。

（２）第１・第２のアンテナ部の放射電極の少なくとも一部を実装基板に形成することによって、設計上の自由度が高まる。

（３）第１・第２のアンテナ部のうち一方を表面実装型アンテナ素子とし、他方のアンテナ部をその表面実装型アンテナを実装する実装基板に構成することによって、たとえば実装基板に対する表面実装型アンテナ素子の配置位置関係によって複数通りのアンテナ特性を設定することもでき設計上の自由度が高まる。

《第１の実施形態》
図２は第１の実施形態に係るアンテナの斜視図である。また図３はその六面図である。

図２・図３に示すように、直方体形状の誘電体基体２１の上面に、一部に間隙Ｇ１を有する並列共振放射電極２３および同様に一部に間隙Ｇ２を有する並列共振放射電極２７を形成している。またさらにミアンダ状電極２６を、一端が並列共振放射電極２７につながるように形成している。

誘電体基体２１の上面から図における手前の側面を経由して下面の一部にまで、並列共振放射電極２３に対して給電する給電線路２２、およびミアンダ状電極２６に給電する給電線路２５をそれぞれ形成している。また、誘電体基体２１の他の側面から下面にかけて回り込む実装用電極２８，２９を形成している。

実装基板には給電手段３１，３２を設けていて、アンテナ１００を実装基板に実装した状態で、給電手段３１，３２は給電線路２２，２５を介して並列共振放射電極２３およびミアンダ状電極２６にそれぞれ給電する。

この２つの並列共振放射電極２３，２７の間隔Ｄは０．３〜１０ｍｍの範囲に定める。並列共振放射電極２３による第１のアンテナ部ＡＮＴ１はＧＰＳの１５７５ＭＨｚ用のアンテナとして用い、並列共振放射電極２７およびミアンダ状電極２６による第２のアンテナ部ＡＮＴ２はＣＤＭＡ８００の８４３〜８９０ＭＨｚおよびＣＤＭＡ２０００の２１１０〜２１３０ＭＨｚ用のアンテナとして作用する。すなわち第１のアンテナ部ＡＮＴ１はその１次共振モードを利用し、第２のアンテナ部ＡＮＴ２は並列共振放射電極２７による１次共振モードと２次共振モードを利用する。

図２において、並列共振放射電極２７の間隙Ｇ２には容量が生じ、並列共振放射電極２７の給電点Ｙから上記容量の一方端までの経路Ｚ１と他方端までの経路Ｚ２とを考えたとき、経路Ｚ１部分の１次共振モードがＣＤＭＡ８００の周波数帯域の特性に寄与し、経路Ｚ２部分の２次共振モードがＣＤＭＡ２０００の周波数帯域の特性に寄与する。また、ミアンダ状電極２６のインダクタンス性およびキャパシタンス性によって第２のアンテナ部ＡＮＴ２の周波数特性および給電手段３２とのインピーダンス整合に寄与する。さらには、ミアンダ状電極２６の給電点と給電手段３２とのインピーダンス整合回路のインダクタンス成分なども周波数特性に寄与する。そのため、並列共振放射電極２７の大きさ、間隙Ｇ２の位置・間隙寸法、ミアンダ状電極２６のパターン、整合回路によって、並列共振放射電極２７による１次共振モードと２次共振モードの周波数をそれぞれ所定周波数に設定する。

そして、並列共振放射電極２３の２次共振モードと並列共振放射電極２７の２次共振モードとが結合して第２のアンテナ部ＡＮＴ２の（並列共振放射電極２７による）２次共振の複共振化を図り、その周波数帯を拡張するようにしている。

次に、この第１の実施形態に係るアンテナと、特許文献１に示されている構造のアンテナとの比較結果を示す。

図４は、特許文献１の構造で図２に示したアンテナと同一周波数帯で用いられるように設計したアンテナの斜視図である。ここでアンテナ１１１は誘電体基体の上面に並列共振放射電極２３を備え、誘電体基体の側面に給電手段３１からの給電を行う給電線路２２を形成したＧＰＳ用のアンテナである。

アンテナ１１２は、誘電体基体の上面にミアンダ状放射電極３ａ，３ｂおよびミアンダ状無給電電極１２を形成し、側面に給電手段３２からの給電を行う給電線路５およびミアンダ状無給電電極１２の端部を接地するグランド接続導体１２ａを形成している。

ここでミアンダ状放射電極３ａおよび３ｂは、ＣＤＭＡ８００／２０００用アンテナとして作用する。そしてミアンダ状無給電電極１２はＣＤＭＡ２０００用アンテナの帯域を拡張するためのものである。

図５（Ａ）は、図２に示したこの発明の第１の実施形態に係るアンテナ１００のリターンロスの周波数特性、図５（Ｂ）は図４に示した比較例としてのアンテナのリターンロスの周波数特性である。また、図６は使用する３つの周波数帯でのアンテナ効率の比較結果である。

図５においてＲ１１で示す特性は図２に示した第１のアンテナ部ＡＮＴ１の１次共振モードによる特性、Ｒ１２はその２次共振モードによる特性である。またＲ２１は図２に示した第２のアンテナ部ＡＮＴ２の１次共振モードによる特性、Ｒ２２は第２のアンテナ部ＡＮＴ２の２次共振モードと第１のアンテナ部ＡＮＴ１の２次共振モードとが結合して得られる複共振化による特性である。このように複共振化によって破線で囲むように２つの共振が生じている。

一方、図５（Ｂ）においてＲ１１′で示す特性は図４に示したアンテナ１１１の１次共振モードによる特性、Ｒ１２′はその２次共振モードによる特性である。またＲ２１′は図４に示したアンテナ１１２のミアンダ状放射電極３ｂによる特性、Ｒ２２′は図４に示したアンテナ１１２のミアンダ状放射電極３ａとミアンダ状無給電電極１２との複共振化による特性である。

図６（Ａ）は前記ＣＤＭＡ８００用アンテナの周波数帯における前記２つのアンテナのアンテナ効率、図６（Ｂ）は前記ＧＰＳ用アンテナの周波数帯における前記２つのアンテナのアンテナ効率、図６（Ｃ）は前記ＣＤＭＡ２０００用アンテナの周波数帯における前記２つのアンテナのアンテナ効率である。

図５・図６から明らかなように、図４に示した特許文献１に示されている構成によれば、利用する３つの周波数帯のいずれについてもリターンロスが大きく、アンテナ効率が低下し、特に帯域幅を広げようとするとＣＤＭＡ２０００用の周波数帯でのリターンロスが大きくなってアンテナ効率が低下してしまう。これに対し本願発明によれば第１のアンテナ部ＡＮＴ１の２次共振モードの共振が有効に利用されて複共振化した周波数帯の帯域幅を拡張しつつ高いアンテナ効率を維持することができる。

《第２の実施形態》
図７は第２の実施形態に係るアンテナの斜視図、図８はその六面図である。
この例では基板４１に並列共振放射電極２３，２７およびミアンダ状電極２６を形成している。また並列共振放射電極２３の所定位置で開放した部分にチップアンテナ５１を実装している。同様に並列共振放射電極２７の所定位置で開放した部分にチップアンテナ５２を実装している。これのチップアンテナ５１，５２はそれぞれ誘電体基体に所定のギャップを隔てて対向する２つの放射電極を形成したものであり、並列共振放射電極２３，２７とともにインダクタ部およびキャパシタ部を構成する。

このように基板４１に放射電極を形成した場合も同様に、さらにチップアンテナを実装した場合でも同様に、２つの並列共振放射電極を所定間隔で配置することによって第１のアンテナ部ＡＮＴ１の２次共振モードと第２のアンテナ部ＡＮＴ２の２次共振モードとを結合させ、複共振化できる。

《第３の実施形態》
図９は第３の実施形態に係るアンテナの斜視図である。この例では、第１のアンテナ部ＡＮＴ１を基板４１に構成し、第２のアンテナ部ＡＮＴ２を誘電体基体２１に構成している。すなわち基板４１の上面には並列共振放射電極２３を形成するとともにチップアンテナ５１を実装している。また第２のアンテナ部ＡＮＴ２は誘電体基体２１の上面に並列共振放射電極２７およびミアンダ状電極２６を形成している。その他の構成は第１の実施形態の場合と同様である。

このように第１のアンテナ部ＡＮＴ１と第２のアンテナ部ＡＮＴ２とを異なる基材に形成しても、両者間の間隙を所定に定めることによって第１のアンテナ部ＡＮＴ１の２次共振モードと第２のアンテナ部ＡＮＴ２の２次共振モードとを結合させて複共振化できる。

また、図９に示した例では基板４１を第２のアンテナ部ＡＮＴ２とは分離して表したが、実装基板に並列共振放射電極２３を形成し、その実装基板に第２のアンテナ部ＡＮＴ２を表面実装するようにしてもよい。もちろん図９に示した２つアンテナ部ＡＮＴ１，ＡＮＴ２をそれぞれ実装基板上に表面実装するようにしてもよい。

《第４の実施形態》
携帯電話等の無線通信機は、第１〜第３の実施形態で示したアンテナを用いて次のように構成する。
たとえば図２に示したアンテナ１００を用いる場合、その給電手段３１，３２を含む無線通信回路を実装基板上に設け、その実装基板の端部に非グランド領域を設けるとともに、その非グランド領域にアンテナ１００を表面実装する。これによりＧＰＳ受信機を内蔵するＣＤＭＡ８００／２０００両対応の携帯電話を構成することができる。

図７に示したアンテナ１０２を用いる場合は、このアンテナ１０２を実装基板の非グランド領域に表面実装するか、実装基板上にアンテナ１０２の各パターンを形成し、チップアンテナ５１，５２を表面実装する。

図９に示したアンテナ１０３を用いる場合は、このアンテナ１０３を実装基板の非グランド領域に表面実装するか、実装基板上に第１のアンテナ部ＡＮＴ１のパターンを形成し、チップアンテナ５１と第２のアンテナ部ＡＮＴ２を表面実装する。その際、実装基板に対するアンテナ部ＡＮＴ２の配置位置関係によって、並列共振放射電極２３−２７間の間隔を定めてアンテナ特性を設定するようにしてもよい。

特許文献１に示されているアンテナの構成を示す図である。第１の実施形態に係るアンテナの構成を示す斜視図である。同アンテナの六面図である。従来技術による比較例としてのアンテナの構成を示す斜視図である。第１の実施形態に係るアンテナと比較例としてのアンテナとのリターンロスの周波数特性を示す図である。その使用する３つの周波数帯でのアンテナ効率を示す図である。第２の実施形態に係るアンテナの斜視図である。同アンテナの六面図である。第３の実施形態に係るアンテナの斜視図である。

符号の説明

２１−基体
２２，２５−給電線路
２３，２７−並列共振放射電極
２６−ミアンダ状電極
２８，２９−実装用電極
３１，３２−給電手段
４１−基板
５１，５２−チップアンテナ
１００，１０３−アンテナ
Ｇ１，Ｇ２−間隙

Claims

誘電体に、それぞれ給電部から給電される放射電極を含む第１・第２のアンテナ部を備え、
前記第１・第２のアンテナ部はそれぞれ１次と２次の共振モードを有し、
前記第１のアンテナ部の２次共振モードと前記第２のアンテナ部の２次共振モードとを結合させて、前記第１・第２のアンテナ部の２次共振モードを複共振化させたことを特徴とするアンテナ。
前記第１・第２のアンテナ部の放射電極の少なくとも一部を実装基板に形成した請求項１に記載のアンテナ。
前記第１・第２のアンテナ部のうち一方のアンテナ部は基体に前記放射電極を形成してなる表面実装型アンテナ素子であり、他方のアンテナ部は前記表面実装型アンテナ素子を実装する実装基板に前記放射電極を形成してなるアンテナ素子である請求項１に記載のアンテナ。
請求項１〜３のうちいずれかに記載のアンテナを備え、前記給電部に対して給電を行う無線通信回路を備えてなる無線通信機。