JP5582158B2

JP5582158B2 - マルチバンドアンテナ装置

Info

Publication number: JP5582158B2
Application number: JP2012072693A
Authority: JP
Inventors: 健一石塚; 浩司白木; 浩西田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: CN202997046U; JP2013207437A

Description

本発明は、マルチバンドのアンテナ装置に関し、特に、携帯電話端末などの小型の通信端末機器に搭載されるマルチバンドアンテナ装置に関する。

近年、携帯電話端末等の小型の通信端末機器において、複数の周波数帯に対応するために、例えば特許文献１，２に示されているようにマルチバンドアンテナが用いられている。

特許文献１には、共通の給電部に接続されたローバンド用の放射素子およびハイバンド用の放射素子を備え、それらの放射素子の開放端同士が近接したマルチバンドアンテナ装置が示されている。図９は特許文献１に示されているマルチバンドアンテナ装置の展開図である。この例では、給電点１から分岐点までの給電部、線路３，４，５によるローバンド用放射素子、および線路６，７によるハイバンド用放射素子を備えている。

特許文献２には、放射電極が周波数可変回路を介して給電電極に接続されてなる第１アンテナ部と、周波数可変回路の途中に接続された先端開放の追加放射電極と給電電極とで構成された第２アンテナ部を備えたマルチバンドアンテナ装置が示されている。

特開２００７−１３５９６号公報特許第４５０８１９０号公報

特許文献１，２に示されているようなマルチバンドアンテナ装置も含め、アンテナ装置を設計する際、通常はアンテナの周囲の状況は機種毎に異なるので、そのインピーダンスを調整するのは容易ではない。マルチバンドアンテナであれば、なおさらである。

放射素子を途中で分岐させて、一方をローバンド用の放射素子、他方をハイバンド用の放射素子にそれぞれ割り当て、それぞれの共振周波数を調整するためには、例えば図１０に示すようなアンテナ装置が有効である。図１０において、放射素子分岐回路３０の分岐点ＢＰからローバンド用放射素子１１の第２端１１２までの第１電気長Ｐ１、分岐点ＢＰからハイバンド用放射素子１２の第２端１２２までの第２電気長Ｐ２、および分岐点ＢＰから給電点ＦＰまでの第３電気長Ｐ３が定められている。

図１０において、第１電気長Ｐ１および第３電気長Ｐ３によりローバンドの中心周波数ｆ_Ｌ（例えば９００ＭＨｚ）で１／４波長共振する。また、第２電気長Ｐ２および第３電気長Ｐ３によりハイバンドの中心周波数ｆ_H （例えば１８００ＭＨｚ）で１／４波長共振する。

放射素子１１，１２にリアクタンス素子Ｘ１、リアクタンス素子Ｘ２、リアクタンス素子Ｘ３を接続して、これらのリアクタンス素子によってローバンドおよびハイバンドの共振周波数を調整すると、それらのリアクタンス素子での損失がアンテナ特性に大きく影響する。特に、小型アンテナの場合、ローバンドの共振周波数を調整するために装荷するリアクタンス素子Ｘ１，Ｘ３の値はともに大きなインダクタとなる場合が多く、アンテナ特性の劣化が懸念される。

本発明は上述の事情に鑑みなされたものであり、その目的は、アンテナ特性を劣化させることなく容易にインピーダンス整合させることのできるマルチバンドアンテナ装置を提供することにある。

本発明は、第１端が放射素子分岐回路に接続され第２端が開放されたローバンド用放射素子と、第１端が前記放射素子分岐回路に接続され第２端が開放されたハイバンド用放射素子と、前記ローバンド用放射素子および前記ハイバンド用放射素子とともに共振動作するグランド導体とを備えたマルチバンドアンテナ装置において、
前記放射素子分岐回路は、前記放射素子分岐回路が有する分岐点と前記ローバンド用放射素子との間に設けられるローバンド用装荷リアクタンス素子、および前記分岐点と給電点との間に設けられる分岐元装荷リアクタンス素子を有し、
少なくとも前記ローバンド用装荷リアクタンス素子および前記分岐元装荷リアクタンス素子は、それぞれコイルパターンで構成されたインダクタであって、前記給電点と前記ローバンド用放射素子との間のインダクタンスが増大する方向に、前記ローバンド用装荷リアクタンス素子と前記分岐元装荷リアクタンス素子とはトランス結合している、ことを特徴としている。

前記給電回路と前記給電点との間にはVSWR（Voltage Standing Wave Ratio：電圧定在波比）改善用インピーダンス変換素子が装荷されていることが好ましい。

前記ローバンド用放射素子および前記ハイバンド用放射素子は、第１端が前記グランド導体に近い側、第２端が前記グランド導体より遠い側に配置され、且つ、前記ローバンド用放射素子の第２端と前記ハイバンド用放射素子の第２端とは、容量を介して互いに結合する構成であることが好ましい。

本発明によれば、アンテナ特性を劣化させることなく容易にインピーダンス整合させることのできるマルチバンドアンテナ装置が得られる。

図１（Ａ）は本発明の第１の実施形態に係るマルチバンドアンテナ装置１０１の斜視図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）からの視点を基準として後方から見たマルチバンドアンテナ装置１０１の斜視図である。図２はマルチバンドアンテナ装置１０１の平面図である。図３はマルチバンドアンテナ装置１０１の放射素子分岐回路３０に構成されるトランス、電流経路および電気長について示す図である。図４はマルチバンドアンテナ装置１０１の共振周波数および***振周波数について示す図である。図５は、図３に示したマルチバンドアンテナ装置１０１の等価回路図である。図６（Ａ）は第２の実施形態に係るマルチバンドアンテナ装置１０２の回路図、図６（Ｂ）は第２の実施形態に係るマルチバンドアンテナ装置１０２の等価回路図である。図７は第３の実施形態に係るマルチバンドアンテナ装置のVSWR改善用インピーダンス変換素子の構成図である。図８は第３の実施形態に係るマルチバンドアンテナ装置の別のVSWR改善用インピーダンス変換素子の構成図である。特許文献１に示されているマルチバンドアンテナ装置の展開図である。放射素子分岐回路を備えたアンテナ装置の構成を示す図である。

《第１の実施形態》
図１（Ａ）は本発明の第１の実施形態に係るマルチバンドアンテナ装置１０１の斜視図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）からの視点を基準として後方から見たマルチバンドアンテナ装置１０１の斜視図である。また図２はマルチバンドアンテナ装置１０１の平面図である。

このマルチバンドアンテナ装置１０１は、プリント配線板６０と、このプリント配線板６０の非グランド領域に実装されたチップアンテナ５０を備えている。チップアンテナ５０は、誘電体素体１０、この誘電体素体１０の表面に形成されたローバンド用放射素子１１およびハイバンド用放射素子１２を備えている。プリント配線板６０は、基材８、この基材８に形成されたグランド導体９および基材８に実装された複数のチップ部品を備えている。

図２に表れているように、このマルチバンドアンテナ装置１０１は、ローバンド用装荷リアクタンス素子（以下、「第１リアクタンス素子」）Ｘ１、第２リアクタンス素子Ｘ２および分岐元装荷リアクタンス素子（以下、「第３リアクタンス素子」）Ｘ３を含む放射素子分岐回路３０、給電回路３２、および給電回路３２と第３リアクタンス素子Ｘ３との間に装荷されたVSWR改善用インピーダンス変換素子３１を備えている。例えば第１リアクタンス素子Ｘ１、第２リアクタンス素子Ｘ２、第３リアクタンス素子Ｘ３、はいずれも誘導性リアクタンス素子（インダクタ）である。VSWR改善用インピーダンス変換素子３１の具体例は後の実施の形態で示す。

ローバンド用放射素子１１は、その第１端１１１が放射素子分岐回路３０に接続されていて、第２端１１２が開放されている。また、ハイバンド用放射素子１２は、その第１端１２１が放射素子分岐回路３０に接続されていて、第２端１２２が開放されている。

ローバンド用放射素子１１は、その第１端１１１をグランド導体９に近い側、第２端１１２をグランド導体より遠い側にして配置されている。また、ハイバンド用放射素子１２は、その第１端１２１をグランド導体９に近い側、第２端１２２をグランド導体９より遠い側にして配置されている。このため、ローバンド用放射素子１１およびハイバンド用放射素子１２とグランド導体９との間に生じる、放射に寄与しない浮遊容量は小さく、放射効率は高い。

グランド導体９はローバンド用放射素子１１およびハイバンド用放射素子１２とともに共振動作する。すなわちローバンドおよびハイバンドの放射に寄与する。

図３はマルチバンドアンテナ装置１０１の放射素子分岐回路３０に構成されるトランス、電流経路および電気長について示す図である。また、図４はマルチバンドアンテナ装置１０１の共振周波数および***振周波数について示す図である。

図３において、第１リアクタンス素子Ｘ１および第３リアクタンス素子Ｘ３はそれぞれコイルパターンで構成されたインダクタであって、電磁界結合（主に磁界結合）することでトランスＴを構成している。

図３において、放射素子分岐回路３０の分岐点ＢＰからローバンド用放射素子１１の第２端１１２までの第１電気長（ローバンド共振経路の電気長）Ｐ１、分岐点ＢＰからハイバンド用放射素子１２の第２端１２２までの第２電気長（ハイバンド共振経路の電気長）Ｐ２、ならびに、分岐点ＢＰから給電点ＦＰまでの第３電気長Ｐ３が定められている。

第１電気長Ｐ１および第３電気長Ｐ３によりローバンドの中心周波数ｆ_Ｌ（例えば９００ＭＨｚ）で１／４波長共振する。また、第２電気長Ｐ２および第３電気長Ｐ３によりハイバンドの中心周波数ｆ_H （例えば１８００ＭＨｚ）で１／４波長共振する。

第１電気長Ｐ１および第２電気長Ｐ２により***振周波数ｆａ（例えば１３００ＭＨｚ）が決定される。すなわち、図３において電気長Ｐ４により、***振周波数ｆａで１／２波長共振する。

なお、図３において、第２電気長Ｐ２および第１電気長Ｐ１による電気長によりローバンドの中心周波数ｆ_Ｌで３／４波長共振する。

図５は、図３に示したマルチバンドアンテナ装置１０１の等価回路図である。図５において、トランスＴは図３に示したトランスＴをＴ型等価回路で表したものである。また、図３のVSWR改善用インピーダンス変換素子３１および給電回路３２による回路を図５では５０Ωの終端抵抗３３で表している。

図５から明らかなように、ローバンドの共振経路に装荷されるリアクタンスは(L1+L3+2M) 、ハイバンドの共振経路に装荷されるリアクタンスは(L2+L3) である。

ローバンドにおいては、電磁界結合によって生じた相互インダクタンスMの２倍の大きさだけ、インダクタンスが増加する。これにより、所期のインダクタンスL1，L3を構成するコイルの物理的サイズを小さくすることが可能となり、その結果、第１リアクタンス素子Ｘ１および第３リアクタンス素子Ｘ３による損失を低減できる。

前記相互インダクタンスMは、第１リアクタンス素子Ｘ１および第３リアクタンス素子Ｘ３の結合係数をｋで表すと、M = √(L1*L3) である。そのため、第１リアクタンス素子Ｘ１を構成するコイルおよび第３リアクタンス素子Ｘ３を構成するコイルは強く電磁界結合することが好ましい。

また、ハイバンドの共振経路においては、発生する相互インダクタンスMは相殺されるので、第１リアクタンス素子Ｘ１と第３リアクタンス素子Ｘ３との結合による影響を抑えることができる。ハイバンドはローバンドに比べて周波数が高いため、大きなインダクタンスは必要ないことが多いので、この相互インダクタンスMの相殺は好都合である。

《第２の実施形態》
図６（Ａ）は第２の実施形態に係るマルチバンドアンテナ装置１０２の回路図、図６（Ｂ）は、このマルチバンドアンテナ装置１０２の等価回路図である。第１の実施形態で図３・図５に示した等価回路と異なり、第３リアクタンス素子Ｘ３の給電回路側に第４リアクタンス素子Ｘ４を接続している。また、第１リアクタンス素子Ｘ１とローバンド用放射素子１１との間に第５リアクタンス素子Ｘ５を接続している。

第４リアクタンス素子Ｘ４および第５リアクタンス素子Ｘ５は、第１リアクタンス素子Ｘ１、第２リアクタンス素子Ｘ２および第３リアクタンス素子Ｘ３と結合させない微調整用インダクタンス成分であり、外部装荷インダクタンスとして作用する。第５リアクタンス素子Ｘ５はローバンド用放射素子１１の装荷インダクタンスとして作用する。

《第３の実施形態》
第３の実施形態では、VSWR改善用インピーダンス変換素子の具体例を示す。

図７の例では、キャパシタＣ６およびインダクタＬ６によるＬＣ並列回路でVSWR改善用インピーダンス変換素子３１が構成されている。このＬＣ並列回路は、ローバンドで誘導性、ハイバンドで容量性となって、いずれのバンドでも給電回路３２から放射素子側を見たインピーダンスが整合するように、キャパシタＣ６のキャパシタンスおよびインダクタＬ６のインダクタンスが定められている。

図８の例では、インダクタＬ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂを備えている。図８において、ポート＃１は給電回路３２に接続され、ポート＃２は放射素子分岐回路３０に接続される。

図８に示すように、ポート＃１から図中矢印ａ方向に電流が供給されたとき、導体パターンＬ１ａに図中矢印ｂ方向に電流が流れるとともに、導体パターンＬ１ｂには図中矢印ｃ方向に電流が流れる。そして、これらの電流により、図中矢印Ａで示される磁束（閉磁路を通る磁束）が形成される。

導体パターンＬ１ａと導体パターンＬ２ａとは互いに巻回軸および導体パターンが重なるように配置されているので、導体パターンＬ１ａに電流ｂが流れて生じる磁界が導体パターンＬ２ａに結合して、導体パターンＬ２ａに誘導電流ｄが逆方向に流れる。同様に、導体パターンＬ１ｂと導体パターンＬ２ｂとは互いに巻回軸および導体パターンが重なるように配置されているので、導体パターンＬ１ｂに電流ｃが流れて生じる磁界が導体パターンＬ２ｂに結合して、導体パターンＬ２ｂに誘導電流ｅが逆方向に流れる。そして、これらの電流により、図中矢印Ｂで示されるように、閉磁路を通る磁束が形成される。

導体パターンＬ１ａ，Ｌ１ｂによる第１インダクタンス素子に生じる磁束Ａの閉磁路と、導体パターンＬ２ａ，Ｌ２ｂによる第２インダクタンス素子に生じる磁束Ｂの閉磁路とは独立しているので、第１インダクタンス素子と第２インダクタンス素子との間には等価的な磁気障壁ＭＷが生じることになる。

また、導体パターンＬ１ａと導体パターンＬ２ａとは電界によっても結合されている。同様に、導体パターンＬ１ｂと導体パターンＬ２ｂとは電界によっても結合されている。図２０中のキャパシタＣａ，Ｃｂは前記電界結合のための結合容量を表象的に表した記号である。

第１インダクタンス素子（Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ）と第２インダクタンス素子（Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ）とは磁界と電界の両方で強く結合する。このように、VSWR改善用インピーダンス変換素子３１をトランス構造にしてもよい。

このようにVSWR改善用インピーダンス変換素子３１を備えることにより、給電回路３１とマルチバンドアンテナ装置とのインピーダンスが整合し、高い電力効率が得られる。

ＢＰ…分岐点
ＦＰ…給電点
Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ…インダクタ
M…相互インダクタンス
Ｐ１…第１電気長
Ｐ２…第２電気長
Ｐ３…第３電気長
Ｔ…トランス
Ｘ１…第１リアクタンス素子（ローバンド用装荷リアクタンス素子）
Ｘ２…第２リアクタンス素子
Ｘ３…第３リアクタンス素子（分岐元装荷リアクタンス素子）
Ｘ４…第４リアクタンス素子
Ｘ５…第５リアクタンス素子
８…基材
９…グランド導体
１０…誘電体素体
１１…ローバンド用放射素子
１２…ハイバンド用放射素子
３０…放射素子分岐回路
３１…VSWR改善用インピーダンス変換素子
３２…給電回路
３３…終端抵抗
５０…チップアンテナ
６０…プリント配線板
１０１，１０２…マルチバンドアンテナ装置
１１１…ローバンド用放射素子の第１端
１１２…ローバンド用放射素子の第２端
１２１…ハイバンド用放射素子の第１端
１２２…ハイバンド用放射素子の第２端

Claims

第１端が放射素子分岐回路に接続され第２端が開放されたローバンド用放射素子と、第１端が前記放射素子分岐回路に接続され第２端が開放されたハイバンド用放射素子と、前記ローバンド用放射素子および前記ハイバンド用放射素子とともに共振動作するグランド導体とを備えたマルチバンドアンテナ装置において、
前記放射素子分岐回路は、前記放射素子分岐回路が有する分岐点と前記ローバンド用放射素子との間に設けられるローバンド用装荷リアクタンス素子、および前記分岐点と給電点との間に設けられる分岐元装荷リアクタンス素子を有し、
少なくとも前記ローバンド用装荷リアクタンス素子および前記分岐元装荷リアクタンス素子は、それぞれコイルパターンで構成されたインダクタであって、前記給電点と前記ローバンド用放射素子との間のインダクタンスが増大する方向に、前記ローバンド用装荷リアクタンス素子と前記分岐元装荷リアクタンス素子とはトランス結合している、ことを特徴とするマルチバンドアンテナ装置。
給電回路と前記給電点との間に電圧定在波比改善用インピーダンス変換素子が装荷されている、請求項１に記載のマルチバンドアンテナ装置。
前記ローバンド用放射素子および前記ハイバンド用放射素子は、第１端が前記グランド導体に近い側、第２端が前記グランド導体より遠い側に配置され、且つ、前記ローバンド用放射素子の第２端と前記ハイバンド用放射素子の第２端とは、容量を介して互いに結合する、請求項１または２に記載のマルチバンドアンテナ装置。