JP5105208B2 - アンテナ装置及び無線通信機 - Google Patents
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Description
このようなアンテナ装置は、給電部に接続された給電導体板を有する小さな放射電極板を接地導体面に対してほぼ平行に配置して、装置の小型化と低背化とを図っている。そして、1対の短絡導体板をこの放射電極板の外縁から延出して接地導体面に接続することで、一方の短絡導体に基づく共振モードと、他方の短絡導体に基づく共振モードとを得ることで、アンテナ装置の2共振化を図っている。
すなわち、上記従来のアンテナ装置を小型にすると、2つの共振周波数の中間の周波数において、そのVSWR(Voltage Standing Wave Ratio:電圧定在波比)が非常に高くなってしまう傾向があった。これに対処するために、小さなチップ状のインダクタ部品やコンデンサ部品で整合回路を構成して、2つの共振周波数の中間の周波数におけるVSWRを低下させることにより、共振周波数のVSWRに近づけることが考えられる。しかしながら、チップ部品のインダクタやコンデンサは自己共振周波数を有し、しかも、自己共振周波数が低い。このため、共振周波数が3GHz以上というUWB(Ultra Wide Band)の高周波を使用するアンテナ装置では、チップ部品によって所望の整合回路を構成することができない。
かかる構成により、アンテナ動作時には、アンテナ本体と基板の接地導体面とに電流が流れ、電流が流れたアンテナ本体や接地導体面が励振して、2つの共振周波数で共振する。
このとき、アンテナ本体が小型であると、アンテナ装置全体に対してマッチングがとれず、2つの共振周波数の中間の周波数において、そのVSWRが非常に高くなってしまうおそれがある。これに対してチップ状のインダクタ部品やコンデンサ部品で整合回路を構成することにより、マッチングを採ることも考えることができるが、チップ部品には、自己共振周波数が存在し、しかも、その自己共振周波数が低い。このため、アンテナ装置がUWBの高周波を使用する場合には、所望のマッチングをとる整合回路を構成することができない。
しかし、この発明のアンテナ装置では、スリットを、動作時に流れる接地導体面上のアンテナ本体の短絡電極を通じて基板上に誘起される電流の密度が最も高い部位又はその近傍に電流の方向と直交するように配設しているので、電流の流れに大きな影響を与えることができる。そして、スリットの容量性調整用スリット部が、対向する接地導体面の内縁間にキャパシタンスを生じさせ、誘導性調整用スリット部が、電流を接地導体面の内縁に沿って迂回させて、インダクタンスを生じさせるので、自己共振周波数による制約を受けることなく、これら容量性調整用スリット部や誘導性調整用スリット部の長さや幅などを変えることで、スリットのインピーダンスを変えることができる。したがって、UWBの高周波を使用する場合においても、スリットのインピーダンスを適宜調整して、2つの共振周波数の間の周波数のVSWRを、2つの共振周波数のVSWRに近づけるように、アンテナ装置全体に対するマッチングをとることができる。
かかる構成により、スリットの短縮化が可能となる。
かかる構成により、容量性調整用スリット部を形成する接地導体面の内縁の両方の形状が湾曲し、これら湾曲した内縁同士が対向した櫛歯状になるので、対向する接地導体面内縁距離が長くなり、その分、容量性調整用スリット部のキャパシタンスを増加させることができると共にその短縮化も図ることができる。
かかる構成により、誘導性調整用スリット部を形成する接地導体面の内縁の一方の形状が湾曲(凹凸)しているので、接地導体面内面に沿って流れる電流の経路が長くなり、その分、誘導性調整用スリット部のインダクタンスを増加させることができると共にその短縮化も図ることができる。
特に、請求項6の発明によれば、スリットの短縮化が可能となる。
また、請求項7の発明によれば、容量性調整用スリット部のキャパシタンスを増加させることができると共にその短縮化も図ることができる。
また、請求項8の発明によれば、誘導性調整用スリット部のインダクタンスを増加させることができると共にその短縮化も図ることができる。
そして、請求項9の発明の無線通信機によれば、機器の小型化が可能となり、しかも、UWB帯域においても良好なVSWR特性を示す複共振の通信を行うことができる。
(実施例1)
図1に示すように、この無線通信機は、携帯電話であり、この発明の第1実施例であるアンテナ装置1を筐体100内に内蔵している。無線通信機は、この他に、キーボード,マイク,スピーカ,液晶パネル,及び制御部等の各種電子回路を備えているが、これらは周知の機構であるので、これらの機構の記載や図面での表示は省略し、アンテナ装置1及びこれに関連する機構についてのみ説明する。
具体的には、放射電極部31は、図2に示すように、誘電体基体30の正方形状の上面全面に形成された放射電極板33と、放射電極板33の外縁から延出された短絡電極34,35を有している。
すなわち、放射電極板33が基板2の接地導体面21に対してほぼ平行になるように配置され、給電電極部32が放射電極板33の外縁33aから接地導体面21側に延出されている。また、給電電極部32の延出位置とは反対側に位置する放射電極板33の先端は、外縁33bから接地導体面21側に向かって伸張され、その伸張部36の先端が、開放端36aとなっている。これにより、放射電極板33の開放端36aと接地導体面21との間に容量Cが形成されることとなる。
また、1対の短絡電極34,35は、放射電極板33の両外縁33c,33dからそれぞれ延出されて、接地導体面21に接続されている。これにより、1対の短絡電極34,35は、給電電極部32の延出位置から放射電極板33の外周縁方向に沿って互いに反対側にある外縁33c,33d上であって且つ互いに対向する位置に、短絡した状態で位置することとなる。
一方、給電電極部32は、放射電極部31から延出し、接地導体面21,22とは非接続状態で、送受信部等の給電部110に図示しない配線を通じて接続されている。そして、この給電部110が接地導体面21又は接地導体面22に接地されている。
図3は、アンテナ装置の2共振化を説明するためにアンテナ本体3を展開して示す概略平面図であり、図4は、2共振化状態を示すVSWR特性図である。
図3に示すように、給電部110からアンテナ本体3の給電電極部32に給電された電流は、低い周波数の場合には、実線Aで示すように、放射電極板33の隅を通って、短絡電極34(35)に至り、接地導体面21に流出する。
また、高い周波数の場合には、破線Bで示すように、放射電極板33を真っ直ぐ通って容量Cを越え、接地導体面21に流出する。
つまり、このアンテナ装置1は、低い共振周波数f1で、モノポールアンテナ又はループアンテナとして機能し、高い共振周波数f2では、パッチアンテナとして機能する。この結果、図4に示すように、VSWR値が「1」に近い2つの共振周波数f1,f2を得ることができ、この無線通信機を用いて2バンド通信が可能となる。
図5は、スリット4を示す部分拡大平面図である。
スリット4は、図4に示した2つの共振周波数f1,f2の間の周波数のVSWR値を、2つの共振周波数f1,f2のVSWR値v1,v2に近づけるように、アンテナ装置全体に対するマッチングをとるためのスリットであり、図5に示すように、接地導体面21に切り欠かれた容量性調整用スリット部5と誘導性調整用スリット部6とで構成されている。
そして、スリット4全体の長さLを、図4に示した2つの共振周波数f1,f2の間の周波数のうちVSWR値が最も高い周波数fcにおける波長の8分の1に設定した。
図6は、アンテナ装置の作用及び効果を説明するための部分拡大平面図であり、図7は、アンテナ装置の作用及び効果を説明するためのVSWR特性図である。
図3に示したように、アンテナ装置1を動作させると、低い周波数の場合には、給電部110からアンテナ本体3の給電電極部32に給電された電流は、放射電極板33の隅を通って、短絡電極34(35)に至り、接地導体面21に流出する。そして、低い共振周波数f1において、アンテナ本体3の放射電極板33と短絡電極34,35と接地導体面21とが励振して、モノポールアンテナ又はループアンテナとして機能する。また、高い周波数の場合には、給電部110からの電流が放射電極板33を真っ直ぐ通って容量Cを越え、接地導体面21に流出する。そして、高い共振周波数f2において、アンテナ本体3の放射電極板33と接地導体面21とが励振して、パッチアンテナとして機能する。この結果、図7に示すように、VSWR値が「1」に近いv1,v2である2つの共振周波数f1,f2を得る。
しかし、この実施例のアンテナ装置1では、図5に示したように、スリット4を、基板2の長手方向に対して垂直で、しかも、放射電極部31の短絡電極34の近傍に、開放端36aの縁と平行になるように配設して、スリット4を電流の密度が最も高い部位又はその近傍に電流の方向と直交するように位置させている。
これにより、図6に示すように、アンテナ本体3の短絡電極34,35から接地導体面21に流出した電流Iや放射電極板33の開放端36aから接地導体面21に流出した電流Iがスリット4に垂直に向かって流れ、容量性調整用スリット部5の内縁5a,5bや誘導性調整用スリット部6の内縁6a,6b,6cに沿って流れる。つまり、アンテナ本体3から接地導体面21に流出した電流Iはスリット4の誘導性調整用スリット部6を迂回して接地導体面21の外縁21a側に向かう。
また、アンテナ本体3の動作時に容量性調整用スリット部5が、対向する接地導体面21の内縁5a,5b間にキャパシタンスを生じさせることとなる。
つまり、スリット4の容量性調整用スリット部5と誘導性調整用スリット部6とが、電流Iの流路上に介在することで、電流Iの流れに大きな影響を与え、アンテナ装置1全体のインピーダンスを変化させることとなる。したがって、容量性調整用スリット部5と誘導性調整用スリット部6の長さを適宜設定し、スリット4のインピーダンスを調整することで、2つの共振周波数f1,f2の中間の周波数fcにおけるVSWR値vcを下げることが可能となる。
この実施例では、スリット4全体の長さLを、周波数fcおける波長の8分の1に設定したので、図7の破線で示すように、周波数fcにおけるVSWR値vcをvc′まで下げ、2つの共振周波数f1,f2のVSWR値v1,v2に近づけることができる。
図8は、アンテナ本体3やスリット4等の寸法を説明するための平面図であり、図9は、実験結果を示すVSWR特性図である。
図8に示すように、この実験では、幅45mmで長さ100mmの基板2を用い、サイズa×bが20mm×20mmで高さ6.5mmであって、誘電体基体30の比誘電率が6.45のアンテナ本体3を基板2の角部に実装した。
かかる状態で、まず、スリット4を設けずに、3GHz〜5GHz迄の電流をアンテナ本体3に給電して、各周波数でのVSWR値を測定したところ、図9の実線S1で示すように、このアンテナ装置は、共振周波数f1,f2がそれぞれ3.45GHz,4.6GHzで共振し、共振周波数f1,f2のVSWR値がそれぞれ「2.8」,「1.6」であり、共振周波数f1,f2のVSWR値の間に大きな差が生じた。しかも、共振周波数f1,f2間の最大周波数fcのVSWR値が「4.9」であり、非常に高い。
かかるスリット4′をアンテナ本体3の放射電極板33の開放端36aより0.5mm前方(図8の距離dに対応する)に配置した状態で、上記と同様に、3GHz〜5GHz迄の電流をアンテナ本体3に給電して、各周波数でのVSWR値を測定した。
すると、図9の二点鎖線S2で示すように、共振周波数f1,f2のVSWR値がそれぞれ「2.2」,「2.0」であり、共振周波数f1,f2のVSWR値の差が小さくなった。そして、共振周波数f1,f2間の最大周波数fcのVSWR値が「3.6」であり、スリット4′を設けていない場合に比べて、最大周波数fcのVSWR値がかなり低下した。しかしながら、最大周波数fcのVSWR値は十分低いものではなかった。
かかるスリット4を放射電極板33の開放端36aより0.5mm前方(図8の距離d)に配置した状態で、上記と同様に、3GHz〜5GHz迄の電流をアンテナ本体3に給電して、各周波数でのVSWR値を測定した。
すると、図9の破線S3で示すように、共振周波数f1,f2のVSWR値がそれぞれ「2.1」,「2.4」となり、共振周波数f1,f2間の最大周波数fcのVSWR値も「3.0」となった。すなわち、スリット4′を設けた場合に比べて、最大周波数fcのVSWR値が大きく低下した。
以上から、スリット4を配設することで、共振周波数f1,f2のVSWR値がほぼ等しく、しかも、最大周波数fcのVSWR値が共振周波数f1,f2のVSWR値に近づいた良好なVSWR特性を得ることができることを確認した。
(実施例2)
図10は、この発明の第2実施例に係るアンテナ装置を示す概略平面図である。
この実施例は、アンテナ本体3を、基板2の角部以外に配設した点が、上記第1実施例と異なる。
具体的には、アンテナ本体3の放射電極板33の開放端36aを基板2の長手方向に向けた状態で、アンテナ本体3を基板2の中央部側に寄った位置に配設した。そして、スリット4を放射電極板33の開放端36aの近傍に配設した。
このスリット4の長さLは、アンテナ本体3の2つの共振周波数の間の周波数であって且つVSWR値が最も高い周波数における波長の4分の1に設定した。
かかる構成により、第1実施例と同様に、2つの共振周波数の間の周波数であって且つVSWR値が最も高い周波数におけるVSWR値を下げ、2つの共振周波数のVSWR値に近づけることができる。
図11は、実験結果を示すVSWR特性図である。
この実験では、幅30mmで長さ60mmの基板2を用い、第1実施例に用いたアンテナ本体と同じアンテナ本体3を基板2の中央部側に寄せて実装した。
かかる状態で、まず、スリット4を設けずに、3GHz〜5GHz迄の電流をアンテナ本体3に給電して、各周波数でのVSWR値を測定したところ、図11の実線S11で示すように、共振周波数f1,f2がそれぞれ3.3GHz,4.7GHzで、共振周波数f1,f2のVSWR値がそれぞれ「3.7」,「1.4」であり、共振周波数f1,f2のVSWR値の間に極端な差が生じた。しかも、共振周波数f1,f2間の最大周波数fcのVSWR値が「6.4」であり、非常に高い。
かかるスリット4を、第1実施例の実験と同様に、放射電極板33の開放端36aより0.5mm前方に配置した状態で、3GHz〜5GHz迄の電流をアンテナ本体3に給電して、各周波数でのVSWR値を測定した。
すると、図11の破線12で示すように、共振周波数f1,f2のVSWR値がそれぞれ「1.8」,「2.2」であり、共振周波数f1,f2のVSWR値の差がほとんどなくなった。そして、共振周波数f1,f2間の最大周波数fcのVSWR値が「3.2」であり、スリット4を設けない場合に比べて、最大周波数fcのVSWR値が大きく低下した。つまり、この第2実施例においても、上記第1実施例と同様に、共振周波数f1,f2のVSWR値がほぼ等しく、しかも、最大周波数fcのVSWR値が共振周波数f1,f2のVSWR値に近づいた良好なVSWR特性を得ることができることを確認した。
その他の構成、作用及び効果は、上記第1実施例と同様であるので、その記載は省略する。
(実施例3)
図12は、この発明の第3実施例に係るアンテナ装置の要部を示す概略平面図である。
この実施例は、スリット4の容量性調整用スリット部5の形状に特徴を持たせた点が、上記実施例と異なる。
具体的には、図12に示すように、スリット4の容量性調整用スリット部5の内縁5a,5bをそれぞれ櫛歯状に形成して、内縁5a,5b同士を所定間隔を持たせて噛み合わせることにより、容量性調整用スリット部5全体をメアンダ形状にした。
その他の構成、作用及び効果は、上記第1及び第2実施例と同様であるので、その記載は省略する。
(実施例4)
図13は、この発明の第4実施例に係るアンテナ装置の要部を示す概略平面図である。
この実施例は、スリット4の誘導性調整用スリット部6の形状に特徴を持たせた点が、上記実施例と異なる。
具体的には、図13に示すように、スリット4の誘導性調整用スリット部6の内縁6cを折り曲げて、誘導性調整用スリット部6全体を鋸歯形状にした。
なお、この実施例において、図14に示すように、容量性調整用スリット部5をメアンダ形状にしても良いことは勿論である。
その他の構成、作用及び効果は、上記第1及び第2実施例と同様であるので、その記載は省略する。
(実施例5)
図15は、この発明の第5実施例に係るアンテナ装置の部分断面図であり、図16は、要部の部分拡大平面図である。
この実施例は、誘電体がスリット4内に配されている点が、上記実施例と異なる。
具体的には、図15に示すように、接地導体面21,22を有する基板2の本体20を、例えば、ガラスエポキシ等の誘電体で形成する。これにより、図16に示すように、接地導体面21の上方から見て、誘電体である本体20がスリット4内に配置された状態になり、スリット4の短縮化が可能となる。
また、図17に示すように、基板2の本体20を誘電体で形成せず、誘電体40をスリット4に充填した構成とすることもできる。
その他の構成、作用及び効果は、上記第1ないし第4実施例と同様であるので、その記載は省略する。
例えば、上記実施例では、アンテナ本体として、誘電体基体30と給電電極部32と放射電極板33と短絡電極34,35とを有し、パッチアンテナやモノポールアンテナとして機能するアンテナ本体3を例示したが、アンテナ本体は、表面実装型のものなら任意である。したがって、誘電体基体にループ状の放射電極を形成したアンテナや逆F型アンテナ等を備えたアンテナ装置も、この発明の範囲に含まれる。
Claims (9)
- 接地導体面を有した基板と、この基板の接地導体面の上方に配置された放射電極部及びこの放射電極部から延出して給電部に接続された給電電極部を有して成る表面実装型のアンテナ本体とを備え、異なる2つの共振周波数で共振するアンテナ装置であって、
スリットを、動作時に流れる上記接地導体面上のアンテナ本体の短絡電極を通じて基板上に誘起される電流の密度が最も高い部位又はその近傍にこの電流の方向と直交するように配設し、
このスリットを、接地導体面の外縁で開口する容量性調整用スリット部と、一方端がこの容量性調整用スリット部の上記開口端とは反対の端で連結すると共に他方端が閉じた幅広の誘導性調整用スリット部とで構成した、
ことを特徴とするアンテナ装置。 - 上記アンテナ本体の放射電極部を、上記基板の接地導体面に対してほぼ平行に配置され且つ上記給電電極部が外縁から延出された放射電極板と、この放射電極板の異なる外縁からそれぞれ延出されて上記接地導体面に接続された複数の短絡電極とで構成した、
ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。 - 1対の上記短絡電極は、上記給電電極部の延出位置から上記放射電極板の外周縁方向に沿って互いに反対側であって且つ対向する位置にそれぞれ設けられ、
上記給電電極部の延出位置とは反対側に位置する放射電極板の端部が、開放端である、
ことを特徴とする請求項2に記載のアンテナ装置。 - 上記放射電極板の開放端を基板の長手方向に向けた状態で、上記アンテナ本体を基板の角部に配設し、
上記スリットを上記放射電極板の開放端の近傍に配設し、
このスリットの長さである上記容量性調整用スリット部の開口端から上記誘導性調整用スリット部の上記他方端迄の長さを、上記アンテナ本体の上記2つの共振周波数の間の周波数であって且つ電圧定在波比が最も高い周波数又はその近傍の周波数における波長の8分の1に設定した、
ことを特徴とする請求項2又は請求項3に記載のアンテナ装置。 - 上記放射電極板の開放端を基板の長手方向に向けた状態で、上記アンテナ本体を基板の角部以外の部位に配設し、
上記スリットを上記放射電極板の開放端の近傍に配設し、
このスリットの長さである上記容量性調整用スリット部の開口端から上記誘導性調整用スリット部の上記他方端迄の長さを、上記アンテナ本体の上記2つの共振周波数の間の周波数であって且つ電圧定在波比が最も高い周波数又はその近傍の周波数における波長の4分の1に設定した、
ことを特徴とする請求項2又は請求項3に記載のアンテナ装置。 - 上記スリット内に誘電体を配した、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のアンテナ装置。 - 上記スリットの容量性調整用スリット部の形状をメアンダ形状にした、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれかに記載のアンテナ装置。 - 上記スリットの誘導性調整用スリット部の形状を鋸歯形状にした、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれかに記載のアンテナ装置。 - 請求項1ないし請求項8のいずれかに記載のアンテナ装置を備える、
ことを特徴とする無線通信機。
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