JP5122621B2 - 多周波アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、パソコン、ＰＤＡ（携帯型情報機器）、携帯電話、あるいはＶＩＣＳなどの情報端末機器等に内蔵させるアンテナを組み合わせた多周波広帯域のアンテナに関する。さらに詳しくは、本発明は取り分け、多周波で干渉が無く安定した通信を可能とするだけでなく小型化を実現した多周波アンテナに関する。

本出願人は、先に、共振周波数等仕様の異なる個別のアンテナを一体化した複合アンテナでの干渉を防止した複合アンテナとして、共振周波数等仕様の異なる個別のアンテナを左右一列の状態に同一平面配置した多周波用アンテナを提案した。（特許文献１参照。）
しかしながら、このアンテナでは個別のアンテナを左右一列の状態に同一平面配置しているので、アンテナ間の干渉を避け、安定して通信を確保するため、各個別アンテナ間の隣接間隔を空ける必要があるので、長さ方向のスペースが必要になり小型化には自ずと限界があった。
さらに、このアンテナでは中間ストリップ加工した同軸ケーブルが複数本必要であり、加工工程が掛かり、配線も複雑になる問題があった。
さらに、近年では従来のＷＡＮ（３Ｇ）帯域（824MHZ〜960MHZ、1710MHZ〜2170MHZ）並びにＧＰＳ帯域に加えてＬＴＥ帯域（３．９Ｇ）対応の要求を満たすため、アンテナの個数も３個以上と益々増大化する昨今の状況を踏まえると、この方法も最適な方法ではない。
しかも、このＬＴＥ帯域は世界共通でなく、LTE LOW BAND１（北米低域：６９８ＭＨｚ〜８０６ＭＨｚ）、LTE LOW
BAND２（日本：１４８６ＭＨｚ〜１５１１ＭＨｚ）、LTE HIGH BAND１（北米高域：２．１１２ＧＨｚ〜２．１５５ＧＨｚ）、LTE HIGH BAND2(欧州：２．５ＧＨｚ〜２．６９ＧＨｚ)と低域〜高域まで分散し、しかも地域及び国により異なっているため、全世界のＬＴＥ帯域に対応可能とすることは容易なことではない。
そのため、１つのアンテナでＷＡＮ（３Ｇ）帯域、ＧＰＳ帯域に加えてＬＴＥ帯域までの広範囲に対応できる多周波アンテナが切望されている。

特願２００９−１６２７３０

したがって、本発明の課題は、パソコン、あるいはＰＤＡ等の情報端末機器等の内に組込まれる共振周波数等仕様の異なるアンテナを組み合わせた多周波用アンテナにおいてＷＡＮ帯域、ＧＰＳ帯域、ＬＴＥ帯域の広範囲な帯域において、干渉が無く安定した通信が実現でき、しかも小型化に適した多周波用アンテナを提供することにある。

本発明者等は、誘電体基板の一方の面に配置された周波数調整部と無給電エレメントとが直列接続されたエレメント部と誘電体基板の他方の面に配置された給電エレメント部とを互いに最適配置することにより、より多くの多周波共振が可能であることを見出すに至った。

すなわち、本発明によれば、以下の構成の少なくとも４周波の多周波に対応できる多周波アンテナが提供される。
ａ．該誘電体基板の一方の面に配置するエレメントが複数種類の周波数に共振するため複数のエレメントに分岐されるとともに、１つの給電点に接続されていること；
ｂ．該誘電体基板の他方の面には、さらに別の２つの周波数に共振するための周波数調整部及び無給電エレメントが配置されていること；
ｃ．該周波数調整部及び該無給電エレメントが短絡部経由にてグランド板に接続されていること；
ｄ．該周波数調整部が該無給電エレメントと該短絡部との間で直列接続されていること；
ｅ．該短絡部および該給電点が該誘電体基板の切欠部あるいは欠落部に位置していること；

本発明によれば、以下の顕著な効果が期待できる。
（１）無給電エレメントと周波数調整部の併用により、アンテナ同士が近接配置されているにも拘らず、干渉が生ずることなく、多くの周波数での共振が得られるので、ＷＡＮ帯域及びＧＰＳ帯域のみならずＬＴＥ帯域まで安定した送受信が実現される。
（２）該近接配置並びにエレメントの立体構造配置により、アンテナエレメント、ひいてはアンテナの小型化・省スペース化が実現される。
（３）中間ストリップ加工した同軸ケーブルが不要で、しかも一本で済むので省スペースとなるとともに、その製造工程が簡略化される。

本発明に係る図１の多周波数用アンテナの例を示す斜視図である。 図１のアンテナのエレメント部を示す４面図であり、図２（ａ）は裏面図図２（ｂ）は上面図、図２（ｃ）は正面図、図２（ｄ）は側面図である。 図１の多周波数アンテナのＶＳＷＲ特性を示す図で、図３（ａ）はLTE LOW BAND（６９８ＭＨｚ〜８０６ＭＨｚ）でのＶＳＷＲ特性図、図３(ｂ)で示すLTE HIGHBAND1(１４８６ＭＨｚ〜１５１１ＭＨｚ、２．１１２ＧＨｚ〜２．１５５ＧＨｚ)でのＶＳＷＲ特性図である。図３(ｃ)はLTE HIGH BAND2(２．５ＧＨｚ〜２．６９ＧＨｚ)図３（ｃ）帯域でのＶＳＷＲ特性図である。

以下、本発明のアンテナの態様について、ＷＡＮ帯域、ＧＰＳ帯域、ＬＴＥ帯域の３帯域で５つの共振周波数に共振する多周波数アンテナを設けた例につき、新たな帯域であるＬＴＥ帯域への対応を主に添付図面を参照しながら説明する。

図１および図２において、（１）は誘電体基板であって（１ａ）は基板の一方の面（ここでは表面とする）、（１ｂ）は基板の他方の面（裏面とする）、（１ｃ）は基板の長手方向の縁部、（１ｄ）は基板の長手方向の側面、（２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）は、誘電体基板（１）の表面（１ａ）に配置された、共振周波数等仕様の異なる３個の互いに長さの異なる（給電）エレメント、（３ａ）は短絡部であり、（４）はグランド板、（５）は誘電体基板（１）の裏面（１ｂ）に配置された無給電エレメント、（６）は無給電エレメント（５）ともう1つの短絡部（３ｂ）に接続された周波数調整部、（７）は給電用同軸ケーブル、さらに（Ｐ）は給電点、（Ｓ）はエレメント（２ａ）、（２ｂ）間に設けられたスリットである。
ここで、図１及び図２に示すように、３つのエレメント（２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）のうち、２つのエレメント（２ａ）、（２ｂ）が互いに平行に誘電体基板（１）の長手方向の第１の方向（図では左方向）に指向するとともに、もう１つのエレメント（２ｃ）が第１のエレメントとは反対方向（右方向）に指向している。そして、これら３つのエレメント（２ａ）〜（２ｃ）は、１つの共通の給電点（Ｐ）に接続されている。しかも、各々のエレメント（２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）は誘電体基板の長手方向の縁部（１ａ1）あるいは側面（１ｃ）に沿ってＬ字状に折り曲げられた立体構造となっている。
また、無給電エレメント（５）と周波数調整部（６）は直列接続されるとともに、ともに短絡部（３ｂ）経由にてグランド板（４）に接続されている。
さらに、給電用同軸ケーブル（７）の内部導体（７ａ）は給電点（Ｐ）に接続されている。一方、給電用同軸ケーブル（７）の外部導体（７ｂ）はグランド板（４）の所定の位置（図示せず）に半田接続されている。

以上に述べた態様で特徴的なことは、誘電体基板（１）の表面（１ａ）に３つの給電エレメント（２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）を配置するとともに、誘電体基板（１）の裏面（１ｂ）には無給電エレメント（５）と周波数調整部（６）とが直列接続されたエレメント部を配置し、基板表面の３つの給電エレメント（２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）と無給電エレメント（５）と周波数調整部（６）直列接続されたエレメント部とを以下で詳述する最適な配置とすることにより、干渉が生ずることなく、ＷＡＮ帯域及びＧＰＳ帯域のみならずＬＴＥ帯域までの広帯域に渡って安定した送受信が実現されることにある。
さらに、特徴的なことは、誘電体基板（１）の表面（１ａ）において、３つの給電エレメント（２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）を近接配置するとともに立体構造としたことや、基板（１）の裏面（１ｂ）を巧みに利用して、無給電エレメント（５）と周波数調整部（６）を配置したことにより、アンテナの小型化・省スペース化が実現されることにある。

本発明のアンテナエレメント配置においては、無給電エレメント（５）と第１のエレメント（２ａ）あるいは（２ｂ）とは互いに平行に離間距離２ｍｍ〜６ｍｍで配置されていることが好ましく、３ｍｍ〜４ｍｍの範囲がさらに好ましい。
また、周波数調整部（６）と第１のエレメントとは反対方向に指向するもう１つのエレメント（２ｃ）とが互いに平行に離間距離２ｍｍ〜６ｍｍで配置されていることが好ましく３ｍｍ〜４ｍｍの範囲がさらに好ましい。
さらに、基板表面の給電エレメントと無給電エレメント（５）と周波数調整部（６）とが直列接続されたエレメント間の最短距離は２ｍｍ〜６ｍｍであることが望ましい。
ここで、距離の下限値は干渉の懸念なく安定して送受信できる距離であり、上限値は無給電エレメントへの電界の発生あるいは電磁結合に支障が無く、しかも基板厚さ方向のスペース効率上から決定される。
ここで、広帯域化のためには、第１の方向（左方向）に指向する２つのエレメント（２ａ）と（２ｂ）間にスリット（Ｓ）が設けられていることが望ましく、スリット幅は０．５ｍｍ〜４ｍｍであることが好ましい。

本発明において、エレメント（２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）は、共振周波数に応じてその長さが設定され、ここでは、エレメント（２ａ）がLTE LOW BAND1をエレメント（２ｂ）がLTE ＪＰ兼用GPS、エレメント（２ｃ）がLTE HIGH BAND1を受け持っているのでエレメント（２ａ）のエレメント長さが最長となっている。又、エレメント（２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）の幅については、特段の制約はなく通常０．５〜５ｍｍの範囲にあればよい。
次に基板（１）の裏面（１ｂ）に配置された、無給電エレメント（５）と周波数調整部（６）について説明する。
先ず、無給電エレメント（５）には給電点（Ｐ）から供給された高周波の電界が電磁誘導により誘起され、LTE LOW BAND2にて共振している。
周波数調整部（６）はLTE HIGH BAND2の共振周波数を調整するためのものである。
ここで、周波数調整部（６）の幅は０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であることが好ましい。

次に、その余の構成につき説明する。
短絡部（３）については、アンテナの小型化の観点から、１０ｍｍ以下の高さと０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲の幅であればよい。
また、高さ方向のスペース削減のためには、図に示すように蛇行（メアンダー）エレメント状に配置することが好ましい。
同様に、グランド板（４）についても、スペース削減のため、空きスペースを活用したり、立体構造化することが望ましい。
また、グランド板（４）の寸法については、安定したアンテナ動作を得るためには、その必要最低面積（ｍｍ２）はλ／４＊λ／４（λは波長）以上が必要になる。したがって、より安定したアンテナ動作を望む場合には、スペースの許す限り、その面積を大きくすることが好ましい。

さらに本発明において、短絡部（３）および給電点（Ｐ）は給電ケーブルの取付やケーブル這回しの煩わしさを解消するため誘電体基板（１）が存在しない部分即ち、基板切欠部あるいは欠落部に配置される。
また、グランド板（４）についても誘電体基板（１）外に短絡部（３）と接続した状態でできるだけスペースが許される限りできるだけ誘電体基板内に配置、残りの部分を基板外に配置しスペース削減に努めるのが好ましい。

上記にて説明したエレメントの材質としては、洋白（白銅）、銅、鉄、または黄銅等の導電性の金属が好ましく採用される。このエレメントの作成にあたっては、前記金属の一枚板を放電加工により打ち抜いて、エレメント本体からグランド板に亘る全要素の一体打ち抜き体としてもよい。この場合、エレメントは誘電体基板（１）に接着あるいは、基板にエレメントを固定するために複数の突起部を設け、エレメントの孔部にはめ込んだから突起をかしめたり、あるいは熱融着する等して誘電体基板（１）上に固定することが望ましい。あるいは、平板状絶縁性基板上に銅箔のような金属薄膜を貼り付けた状態で、該金属膜をエッチングして所望のアンテナエレメント形状を得るのも有用である。
次に誘電体基板（１）の材質としては、ガラスエポキシ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリイミド樹脂等の波長短縮化効果がある、より高誘電樹脂を使用することが好ましい。

このようなアンテナエレメントへの給電にあたっては、給電用同軸ケーブル（７）の内部導体（７ａ）を給電点（Ｐ）に接続し、他方、該ケーブルの外部導体（７ｂ）をグランド板上の所定のアースポイント（図示せず）に接続すればよい。このような接続の手段としては、ハンダ付あるいは超音波接続等がある。給電用同軸ケーブルとしては、周知のフッ素樹脂被覆等の高周波同軸ケーブルが好ましく採用される。

図１、図２のアンテナを、後揚の実施例に示す材質と寸法で作成し、その実験結果であるアンテナのＶＳＷＲ特性を示したのが図３である。この図３から、本発明の広帯域アンテナエレメントを使用したアンテナにあっては、それぞれのアンテナが図３（ａ）〜図３（ｃ）で示すように、LTE LOW BAND、２つのLTE HIGH BANDの各帯域に亘って干渉することなく安定した送受信が実現されていることが判る。

以上、上記の説明では、エレメント（２ａ）がLTE LOW BAND1、エレメント（２ｂ）がLTE JP兼用GPS、エレメント（２ｃ）がLTE HIGH BAND1無給電エレメント（５）がLTE LOW BAND2にて共振させ、周波数調整部（６）はLTE HIGH BAND2の共振周波数を調整するものとして説明したが、本願発明は、これに限定されることなく、エレメント（２ａ）をLTE HIGH BAND1、エレメント（２ｂ）をLTE LOW BAND2、エレメント（２ｃ）をLTE JP兼用GPS帯域で共振させたり、あるいは、無給電エレメント（５）をLTE HIGH BAND1にて共振させる等各種の態様が可能であることは言うまでもない。
さらに、LTE帯域で適合不要な帯域がある場合、例えば、LTE JP兼用GPS帯域が不要である場合には、図１及び図２で示す誘電体基板表面に配置されたエレメント（２ｂ）を削除すればよい。そして、この場合には４周波に対応する多周波アンテナとなる。
一方、逆に、６周波に、５周波から、さらに対応周波数を増やしたい場合には誘電体基板表面に配置する分岐エレメント数を３分岐から4分岐に増やすことにより６周波に対応できるようになる。

以下に、図１及び図２で示したＷＡＮ帯域、ＧＰＳ帯域、ＬＴＥ帯域の３帯域、５つの共振周波数に共振する広帯域を実現する情報端末機器内蔵用アンテナの具体例を示す。
まず、エレメントを配置するため、横９４ｍｍ、幅１２ｍｍ厚さ２．５ｍｍのＡＢＳ樹脂からなる誘電体基板（１）を準備する。
次に、縦５０ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの洋白からなる長方形の平板を放電加工機にて加工して、図２に示す形状のアンテナエレメントを得た。このときの基板表面（１ａ）に配置するLTE LOW BAND１（LTE帯域低域用エレメント１）となる（２ａ）の長さは６８ｍｍ、LTE JP兼用GPS帯域用エレメントとなる（２ｂ）の長さは３５ｍｍ、そして、３Ｇ HIGH BAND１（LTE帯域高域用エレメント１）となる（２ｃ）の長さは３８ｍｍとした。
次に基板裏面（１ｂ）に配置するLTE LOW BAND２（LTE帯域低域用エレメント２（３Ｇ））となる無給電エレメント（５）長さは５１ｍｍ、LTE HIGH BAND２（LTE帯域高域用エレメント２）の共振周波数を調整する、周波数調整部（６）は長さを１３ｍｍ、幅６．５ｍｍとした。
なお、エレメント（２ａ）と（２ｂ）との間には幅１．２ｍｍのスリットを設けた。
さらに、無給電エレメント（５）と第１のエレメントであるエレメント２とは互いに平行に離間距離３ｍｍで配置し、周波数調整部（６）と第１のエレメントとは反対方向に指向するエレメント（２ｃ）とは互いに平行に離間距離 ３ｍｍで配置するとともに、基板表面の給電エレメントと周波数調整部（６）と無給電エレメント（５）とが直列接続されたエレメント間の最短距離を３ｍｍとした。
また、短絡部（３ａ）はメアンダー状に折返し高さ７ｍｍ、幅２ｍｍとした。また、グランド板（４）は、横幅３０ｍｍ、縦１０ｍｍとした．
さらに、エレメント（２ｃ）から３ｍｍ下側寄りの位置に給電点（Ｐ）を設定した。このようにして、エレメントの高さが１２ｍｍ、最大幅が９４ｍｍ、厚さ２．５ｍｍという小型の多周波アンテナエレメントが完成した。

次に、上記にて準備したＡＢＳ樹脂からなる誘電体基板（１）上に上記のエレメントを固定する。この際、エレメント（２ａ）はエレメントの先端部に近い一部を誘電体（１）の側面誘電体基板（１）上に配置し、残りの部分をＬ字状に直角に曲げて誘電体基板（１）の縁部（１ａ１）上に配置した。
なお、エレメント（２ｂ）及びエレメント（２ｃ）はエレメント全体を誘電体基板（１）の側面（１ｂ）上に配置した。
この際、エレメントの固定方法は、予め誘電体基板（１）上に設けた複数個の突起をエレメントの固定孔部にはめ込み、突起部を半田小手で溶かして熱融着する方法とした。
最後に、アンテナとして機能させるため、外径１．１３ｍｍ、導体径０．２１ｍｍのフッ素樹脂（ＰＦＡ）被覆の高周波同軸ケーブルを給電用同軸ケーブル（７）として用いた。その際、これらケーブルの内部導体（７ａ）を給電点（Ｐ）にハンダ付けした。同様にして、外部導体（７ｂ）をグランド板（４）上にあるアースポイントにハンダ付けした。このようにして、このようにして、高さ１２ｍｍ、幅が９４ｍｍ、厚さ２．５ｍｍという小型の多周波アンテナを得た。

最後に、このアンテナのＶＳＷＲ特性について測定したところ、図３に示す結果が得られた。この図からも明らかなように、本実施例に示すアンテナにあっては、３つのアンテナ、つまりエレメント（２ａ）と（２ｂ）と（２ｃ）及び無給電エレメント（５）とが互いに干渉することなく、それぞれの帯域即ち、図３（ａ）で示すLTE LOW BAND（北米低域：６９８ＭＨｚ〜８０６ＭＨｚ）、図３(ｂ)で示すLTE HIGH BAND1(日本中域：１４８６ＭＨｚ〜１５１１ＭＨｚ
北米高域：２．１１２ＧＨｚ〜２．１５５ＧＨｚ) 、図３(ｃ)で示すLTE HIGH BAND2(欧州高域：２．５ＧＨｚ〜２．６９ＧＨｚ)から明らかなようにLTE帯域（６９８ＭＨｚ〜８０６ＭＨｚ、１４８６ＭＨｚ〜１５１１ＭＨｚ、２．１１２ＧＨｚ〜２．１５５ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ〜２．６９ＧＨｚ）の全帯域に亘って互いに干渉を生じることなく共振しており、それぞれの帯域で十分な帯域幅が確保されていることが分かる。
なお、上記の説明ではＧＰＳ帯域については割愛したが、ＧＰＳ帯域はLTE HIGH BAND1帯域(日本中域：１４８６ＭＨｚ〜１５１１ＭＨｚ)に近いので、LTE HIGH BAND1帯域に適合すれば、自動的にＧＰＳ帯域に対しても適合していることになる。
さらに、ＷＡＮ（３Ｇ）帯域（824MHZ〜960MHZ、1710MHZ〜2170MHZ）に対する適合性についても、図３（ａ）並びに、図３(ｂ)のＶＳＷＲ特性図から適合していることが明らかであることが判る。
以上より、本発明の多周波アンテナでは従来からのＷＡＮ帯域、ＧＰＳ帯域に加えてＬＴＥ帯域の３帯域、５つの共振周波数に共振する広帯域化が実現できていることが分る。

上記の説明では、ＷＡＮ帯域とＧＰＳ帯域並びにＬＴＥ帯域の３帯域、５周波で説明したが、本発明は、この他の帯域の組み合わせ、ＬＡＮ帯域とＷｉ-Ｍax帯域あるいは、Ｗｉ-Ｍax帯域同志の組み合わせ、あるいは、対応する周波数の数の変更等、種々の変更に対応可能である。

本発明のアンテナは、パソコンをはじめとしてＰＤＡ等の各種情報端末機器の他に、情報家電製品あるいは自動車関連機器へも内蔵できる。

１ 誘電体基板
１ａ 誘電体基板表面
１ａ１ 誘電体基板表面の縁部
１ｂ 誘電体基板裏面
１ｃ 誘電体基板側面
２ａ、２ｂ、２ｃ エレメント（給電エレメント）
３ａ 短絡部（表面）
３ｂ 短絡部（裏面）
４ グランド板
５ 無給電エレメント
６ 周波数調整部
７ 給電用同軸ケーブル
７ａ 給電用同軸ケーブルの内部導体
７ｂ 給電用同軸ケーブルの外部導体
Ｐ 給電点
Ｓ スリット

Claims (5)

1. 誘電体基板の表裏両面にエレメントが配され、少なくとも４周波に共振する多周波アンテナであって、以下のａ〜ｅの要件を具備することを特徴とする多周波アンテナ。
   ａ．該誘電体基板の一方の面に配置するエレメントが複数種類の周波数に共振するため複数のエレメントに分岐されるとともに、１つの給電点に接続されていること；
   ｂ．該誘電体基板の他方の面には、さらに別の２つの周波数に共振するための周波数調整部及び無給電エレメントが配置されていること；
   ｃ．該周波数調整部及び該無給電エレメントが短絡部経由にてグランド板に接続されていること；
   ｄ．該周波数調整部が該無給電エレメントと該短絡部との間で直列接続されていること；
   ｅ．該短絡部および該給電点が該誘電体基板の切欠部あるいは欠落部に位置していること；
2. 該複数のエレメントのうち、少なくとも１つのエレメントが該誘電体基板の長手方向の第
   １の方向に指向するとともに、もう１つのエレメントが第１のエレメントとは反対方向に
   指向するとともに、各々のエレメントが該誘電体基板の長手方向の縁と側面に沿ってＬ字
   状に折り曲げられた立体構造である請求項１に記載の多周波アンテナ。
3. 該無給電エレメントと該第１のエレメントとは互いに平行に離間距離 ２ｍｍ〜６ｍｍで
   配置されている請求項１または２に記載の多周波アンテナ。
4. 該周波数調整部と該第１のエレメントとは反対方向に指向するもう１つのエレメントとが
   互いに平行に離間距離２ｍｍ〜６ｍｍで配置されている請求項１〜３のいずれかに記載の
   多周波アンテナ。
5. 該基板の一方の面に配置するエレメントと該周波数調整部と該無給電エレメントとが直列
   接続されたエレメント間の最短距離が ２ｍｍ〜６ｍｍである請求項１〜４のいずれかに
   記載の多周波アンテナ。