JP4968598B2 - アンテナ装置及びこれを用いた通信機器 - Google Patents
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Description
一方、携帯電話のシステムには、例えば主に欧州で盛んなEGSM(Extended Global System for Mobile Communications)方式およびDCS(Digital Cellular System)方式、米国で盛んなPCS(Personal Communication Service)方式、日本で採用されているPDC(Personal Digital Cellular )方式などの時分割マルチプルアクセス(TDMA)を用いた様々なシステムがある。昨今の携帯電話の急激な普及に伴い、特に先進国の主要な大都市部においては各システムに割り当てられた周波数帯域ではシステム利用者を賄いきれず、接続が困難であったり、通話途中で接続が切断するなどの問題が生じている。そこで、利用者が複数のシステムを利用できるようにして、実質的に利用可能な周波数の増加を図り、さらにサービス区域の拡充や各システムの通信インフラを有効活用することが提唱されている。その為、1個のアンテナで2つ以上の周波数帯を共用するマルチバンド(multi−band)のニーズが増大している。例えば、携帯電話の多機能化のニーズに伴い、通話向けシステムであるセルラ(Cellular:国によって異なるが例えば送信周波数:824〜849 MHz、受信周波数:869〜894 MHz)と、位置検出の機能を果すGPS(Global Positioning System:中心周波数1575MHz帯)のデュアルバンド(dual−band)、また、あるいはEGSM(送信周波数:880〜915MHz、受信周波数:925〜960MHz)と、DCS(送信周波数:1710〜1785MHz、受信周波数:1805〜1880MHz)及びPCS(送信周波数:1850〜1910MHz、受信周波数:1930〜1990MHz)の各システムを取り扱うトリプルバンドに対応できるようなマルチバンド対応の小型アンテナ装置が望まれている。
また、従来のアンテナ基体に複数の放射電極を形成してマルチバンド化する場合、放射電極間に生じる静電容量のため、アイソレーションを保つことには困難が生じる。具体的には、放射電極間の静電容量が増加するほど、互いの高周波電流が多く反対方向に流れる結果、電磁波の放射を互いに弱め合うことになり、利得(感度)が低下するという問題がある。マルチバンド対応のアンテナ装置にあっては、複数の周波数帯域においてそれぞれが広帯域かつ高利得であるのが望ましいが、特許文献1及び特許文献2ではそのような検討はされていない。
また、最近では、健康面から携帯電話等から放射された電磁波が人体(頭部)に与える影響の軽減化が重要になってきており、電磁波の比吸収率SAR(Specific Absorption Rate)が低いアンテナ装置が望まれている。
また、第1の放射電極の長手方向と、前記第3の放射電極を実質的に平行に配置することが好ましい。
上記アンテナ装置は、前記第1の放射電極の自己インダクタンスと、前記第1の放射電極と実装基板のグランド電極との間の静電容量と、前記第1の放射電極と実装基盤の裏面に形成された放射電極との間の静電容量とで構成されるLC共振回路により第1の共振モードを得ることができ、かつ、前記実装基盤の裏面に形成された放射電極の自己インダクタンスと、前記実装基盤の裏面に形成された放射電極とグランド電極との間の静電容量と、前記第1の放射電極と前記実装基盤の裏面に形成された放射電極との間の静電容量と、さらに前記実装基盤の裏面に形成された放射電極の開放端と給電電極との間の静電容量とで構成されるLC共振回路により、第2の共振モードを得ることができる。
また、前記第1の放射電極はヘリカル構造またはミアンダ構造であることが好ましい。
また、前記チップアンテナ搭載面のチップアンテナと対向面に形成されている第3の放射電極との接続をスルーホールで行うことが望ましい。
前記第3の放射電極は、その開放端が前記第1の給電電極に近づくように形成することで2共振モードを得やすい。
また、アンテナ基体に第1、2の放射電極を並べて設けると共に実装基板に第3の放射電極を設ければ、これにより広帯域化と小型化が図られる。このとき基体に設けた個々の放射電極間に適宜の間隔を保って配置することによりアイソレーションのとれたマルチバンド対応のアンテナ装置となる。
本発明のアンテナ装置では、放射電極を実装基板側にも設けているので人体頭部に近接される電界分布の集中が緩和される。この結果、SAR値の小さい携帯電話等の通信機を提供できる。
一方、逆Fタイプのモノポールアンテナは、他端が開放端18である第2の放射電極16と、第2の放射電極16の一端が接続された給電電極17とを有している。給電電極17には接続用の電極42を介して第2の給電電源52が接続される。ここでは第2の放射電極16の開放端18側の非グランド部22aにはグランド部21aに接続されたグランド電極43を有している。
Wa>(3×108)/fh×√Er/100
例えば、北米の携帯電話で使われる最も高い周波数帯fh=1.9[GHz]、チップアンテナ基体のEr=8とし、これらを上式に代入すると、Wa>4.5[mm]が得られる。ここでは実施例として、アイソレーション確保部10の長さWaを5mmに設定している。
ここで、デュアルバンドの共振モードについては、第1の放射電極の自己インダクタンスと、第1の放射電極と実装基板のグランド電極との間の静電容量と第1の放射電極と第3の放射電極との間の静電容量とで構成されるLC共振回路により、第1の共振モードが得られ、一方、第3の放射電極の自己インダクタンスと、第3の放射電極とグランド電極との間の静電容量と、第1の放射電極と第3の放射電極との間の静電容量と、さらに第3の放射電極の開放端と給電電極との間の静電容量とで構成されるLC共振回路により、第2の共振モードが得られる。第3の放射電極の開放端を給電電極側に近づけると、2つの共振モードが確実に得られるので好ましい。このとき、2共振モード間でのアイソレーションをとるために、第3の放射電極は実装基板の裏面に設ける方が良い。何故ならば第3の放射電極を裏面に形成した場合、導体パターンは基板を介して放射電極として機能するので、基板の厚さだけ第1の放射電極と第3の放射電極との幾何学的距離が大きくなり、両者間の静電容量が減少する。その分両者間の結合が弱まるのでアイソレーションを確保でき、同時に帯域幅も広がる。例えば、約3mmの厚さのチップアンテナを約0.6mmの厚さの基板(比誘電率εr=5の銅張積層基板)に実装すると、静電容量を形成する電極間の間隔は3.6mmになる。その結果、第3の放射電極と第1の放射電極との結合は弱まり、さらに広帯域化がなされる。
また、デュアルバンドの送信信号、とりわけGPS帯に近いPCSや、セルラから発せられる高調波の送信信号の一部がGPS側に漏れるアイソレーション障害を起こすことがある。マルチバンドを有するアンテナにおいて、アイソレーションの向上のためにより高い共振周波数を対象とするのが一般であるが、前記GPSアンテナのように受信専用の周波数帯域に合わせアイソレーションを改善する場合もある。このときアイソレーション特性を十分得るためには上記したように第1の放射電極と第2の放射電極間の間隔を所定量確保することがまず必要である。さらにここで電源を2つに分けて干渉を避けると言う回避手段も有効であり、この場合は2電源方式が好ましい。
また、場合によっては、第1、第2の放射電極の一端とそれぞれの給電用電極との間を非接続に形成して容量結合を図ることも出来る。この場合の意図は、給電電極と放射電極に直列接続した静電容量により、給電側で広帯域のインピーダンス整合を図るためである。これによって、アンテナ給電側では外付けの整合回路が不要となることから、アンテナ周辺回路の簡素や電力損失の低減が図れるため、アンテナ回路全体の効率向上を実現できる。
また、チップアンテナとグランド部の間の実装基板に溝穴を設けると、チップアンテナとグランド部との結合、及び第3の放射電極とグランド部との結合が弱くなり、帯域幅を広くする効果がある。
基体11が磁性体からなる場合、インダクタンスが大きいため、さらにチップアンテナ1を小型化できるとともに、アンテナのQ値が低下し、広帯域化できる。
基体11が誘電体と磁性体の混合物からなる場合、波長短縮効果によるアンテナの小型化と、アンテナのQ値の低下による広帯域化が可能である。
この実施例では、基体11の寸法は、例えば幅3mm、長さ30mm、厚さ3mmである。同じ特性を有する携帯電話用アンテナを、従来技術である板金状アンテナを実現するために必要な寸法は幅12mm、長さ34mm、厚さ8mm程度となり、本発明のアンテナによる小形化を実現できた。
チップアンテナ10のインピ−ダンス整合は、給電線とチップアンテナ1の間に整合回路(図示せず)を挿入することにより調整できる。また第3の放射電極3の導体パターンの幅及び長さ、第2の放射電極3と実装基板20との距離(基板厚さ)の調整等により、インピーダンス整合をとることもできる。
線状導体パターンは印刷により形成するのが望ましいが、線の幅及び長さには制限はない。また導体パターンは線状に限られず、アンテナ装置の要求特性に応じて四角形、台形、三角形等の種々の形状とすることができる。導体パターンは板金やフレキシブル基板等で形成しても良い。板金を用いる場合、銅張り基板のエッチング工程を省略できる。フレキシブル基板を用いる場合、実装設計の自由度が高い。
アンテナ測定用の実装基板の一端に設けた給電端子とネットワークアナライザの入力端子とを同軸ケーブル(特性インピーダンス50Ω)を介して接続し、前記給電端子においてネットワークアナライザ側から見たアンテナの散乱パラメータ(Scattering Parameter)を測定し、VSWRを算出した。
図4は周波数とVSWR(電圧定在波比)との関係を、横軸に周波数、縦軸にVSWRで示している。点線は求められる帯域幅を表しており、VSWR=3において帯域幅を満足していれば良い。図4の結果をみるとセルラ帯域で若干劣るものの、PCS帯域、GPS帯域では十分満足しており、実質的に問題のないアンテナ特性といえる。
図5はアイソレーションの測定結果を示す。ネットワークアナライザを用いて2つのアンテナの給電電極にポート1とポート2を接続し、S21特性を測定してものである。セルラ帯域でのアイソレーションは良好であり、GPS帯域、PCS帯域でもアイソレーション10dBを満足している。そして無線装置に実装した状態で通信試験を行った結果、実用上問題ないことを確認した。
また、携帯電話から放射される電磁波(高周波の電界強度)から人体頭部が近接した状態では一部の電磁波が人体に吸収される。この人体での吸収された電磁波の影響により、頭部方向の空間に放射される電磁波が弱められることから、この方向で利得の低下が起こるといった問題がある。さらに人体の電磁波吸収により、最近では健康への悪影響が懸念されており、比吸収率(SAR)の法的規制が行われている。人体の電磁波吸収効果による利得低下を抑止すると共にSAR値の低減を図るためには、チップアンテナで発生する電界を人体頭部から出来る限り離すことが最も効果的な手段であり、これにはチップアンテナを人体頭部と反対面に実装することが好ましい。
Claims (7)
- グランド部及び非グランド部を有する実装基板と、
基体と、前記基体に形成された第1の放射電極と、前記第1の放射電極の一端に接続又は非接続にされた第1の給電電極を有するチップアンテナと、
前記実装基板の非グランド部に導体パターンで形成され、かつ、前記実装基板のチップアンテナ搭載面の裏面に形成された少なくとも1つの放射電極とを有し、
前記実装基盤の裏面に形成された放射電極は、一端が前記第1の放射電極に電気的に接続され、他端が開放端であることを特徴とするアンテナ装置(但し、前記放射電極及び/またはチップアンテナと前記グランド部との間に溝穴からなる空間部分が設けられている場合を除く)。 - 前記実装基盤の裏面に形成された放射電極の開放端を前記給電電極に近づけた位置に配置することを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
- 前記第1の放射電極の長手方向と、前記実装基盤の裏面に形成された放射電極を実質的に平行に配置したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のアンテナ装置。
- 前記第1の放射電極の自己インダクタンスと、前記第1の放射電極と実装基板のグランド電極との間の静電容量と、前記第1の放射電極と実装基盤の裏面に形成された放射電極との間の静電容量とで構成されるLC共振回路により第1の共振モードを得ることができ、
かつ、前記実装基盤の裏面に形成された放射電極の自己インダクタンスと、前記実装基盤の裏面に形成された放射電極とグランド電極との間の静電容量と、前記第1の放射電極と前記実装基盤の裏面に形成された放射電極との間の静電容量と、さらに前記実装基盤の裏面に形成された放射電極の開放端と給電電極との間の静電容量とで構成されるLC共振回路により、第2の共振モードを得ることができる請求項1乃至請求項3に記載のアンテナ装置。 - 前記第1の放射電極はヘリカル構造またはミアンダ構造であることを特徴とする請求項1乃至請求項4に記載のアンテナ装置。
- 前記第1の放射電極と、前記実装基盤の裏面に形成された放射電極を実装基盤に設けたスルーホールで接続することを特徴とする請求項1乃至請求項5に記載のアンテナ装置。
- 請求項1〜6の何れかに記載のアンテナ装置を搭載したことを特徴とする通信機器。
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