JP2005312062A - 小型アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 携帯端末に用いるのに適したアンテナであって、サイズが非常に小さく且つ携帯電話の様々な周波数帯域で使用可能な小型アンテナを提供する。
【解決手段】 本発明の小型アンテナ１０は、携帯電話周波数帯域での動作に適しており、導電面を形成し且つ電気的な接続領域２０を含む放射素子１２と、接続領域３６を含む小型の導電性釣合い錘１４と、放射要素１２の接続領域２０と釣合い錘１４の接続領域３６とに接続されるアンテナケーブルを含む給電ラインと、を含む。小型アンテナ１０は、放射要素１２が、共にアンテナケーブルに接続される２つのブランチ１６，１８を有し且つ第１及び第２の放射部２２，２６を画定するような、オープン・ループ形状を有し、第１及び第２の放射部２２，２６のそれぞれが、少なくとも１つの携帯電話周波数で共鳴を起こす。
【選択図】 図１

Description

本発明は、信号を送受信する単極型の小型アンテナに関する。本発明は、特に様々な周波数帯域で動作する携帯端末に用いるのに適した小型アンテナに関するが、これに限定されるものではない。

本発明は、より詳細には、導電面を形成し且つ電気的な接続領域を含む放射素子と、接続領域を含む小型の導電性釣合い錘と、上記放射要素の接続領域と上記釣合い錘の接続領域とに接続されるアンテナケーブルを含む給電ラインと、を有する単極型の小型アンテナに関する。

今日アンテナの規格は、少なくとも以下に述べる２つの条件を満足しなければならない。第１に、アンテナはネットワークで使用可能な様々な周波数帯域で動作可能でなければならない。第２に、アンテナのサイズは端末よりはるかに小さくなければならない。

実施可能性の範囲内において、コスト面で不利益が生じたりアンテナの性能に不備が生じたりしないよう上記条件を満たさなければならないことは明白である。

携帯端末のアンテナをプリント回路状とすることは公知である。

しかしながらそのようなアンテナのほとんどは、非常にサイズが大きいだけでなく、アンテナの接地面が携帯端末の接地面に依存し、アンテナの通過帯域が非常に狭い。

本発明の目的は、携帯端末に用いるのに適したアンテナであって、サイズが非常に小さく且つ携帯電話の様々な周波数帯域で使用可能な小型アンテナを提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

上記目的は、放射要素が、共にアンテナケーブルに接続される２つのブランチを有し且つ第１及び第２の放射部を画定するような、オープン・ループ形状を有し、第１及び第２の放射部のそれぞれが、少なくとも１つの携帯電話周波数で共鳴を起こし、且つ、主方向に沿って延在しており、第１の放射部の主方向及び第２の放射部の主方向が、第１及び第２の放射部が連結動作及び寄生動作を行うように、実質的に平行であることにより、達成される。

第１及び第２の放射部及び釣合い錘は一般的に、金属板状で、誘電性を有する支持部に固定されている。剛体又は可撓体である誘電性の基板に金属コーティングを施すことにより、アンテナを形成することができる。

小型アンテナは、上記第１及び第２放射部の主方向と平行に延在するのが好ましい。

小型アンテナは、携帯電話に主に適用される周波数、特にＧＳＭ８５０／９００、ＤＣＳ１８００、ＰＣＳ１９００、及びＵＭＴＳ２１００で動作するよう設計されるのが好ましい。

特にアンテナの通過帯域を広くするという目的において、第１及び第２の放射部が連結動作又は寄生動作を行うよう互いに近接して配置されることが理解されよう。

上記オープン・ループ形状は、略閉鎖したループ状であって、ループの全長に比べてはるかに短い長さの開放部を有することが好ましい。

上記オープン・ループ形状は、開放部を１つのみ有することが好ましいが、複数の開放部を有してもよい。

上記放射要素及び釣合い錘における接続領域はそれぞれ単一であることが好ましいが、これに限定されるものではない。

第１の放射部は、実質的に平らな導電面であって、第１の放射部の主方向と実質的に直交する方向に延在する同一パターンを隣接配置することにより形成された部分を有することが好ましい。

上記パターンは実質的にＶ形状であって、第１の放射部がその主方向に沿ってジグザグに形成されていることが好ましい。

第１の放射部は少なくとも４つの同一のパターンを有することが好ましい。

第１の放射部の伸ばした状態での長さは、携帯電話周波数の最低値と実質的に等しい中心周波数を有する電波の波長の４分の１に実質的に比例することが好ましい。

上記携帯電話周波数の最低値は、ＧＳＭ周波数の９００メガヘルツ（ＭＨｚ）と実質的に等しいことが好ましい。

第１の放射部の伸ばした状態での長さが当該第１の放射部を直線状にした場合の長さに実質的に対応するということは、明白である。

第１の放射部の伸ばした状態での長さは、第１の放射部を構成している各パターンの伸ばした状態での長さを足した合計に実質的に対応することが好ましい。

第２の放射部は、当該第２の放射部の主方向に沿って延在する実質的に直線状の導体であることが好ましい。

第２の放射部は実質的に矩形状であることが好ましい。或いは、第２の放射部は、第２の放射部の主方向に沿って延在する複数の直線状部材で形成されてもよい。

第２の放射部の長さは、携帯電話周波数の最高値と実質的に等しい中心周波数を有する電波の波長の４分の１に実質的に比例することが好ましい。

上記携帯電話周波数の最高値は、ＵＭＴＳ周波数の２１００ＭＨｚと実質的に等しいことが好ましい。

上記第２の放射部の長さがその直線状の導体の長さと実質的に等しいということが理解されよう。

釣合い錘は、第１の放射部の主方向に平行な対称軸を有すると共に、第１のアーム及び第２のアームを呈するＵ形状部を少なくとも１つ含んでおり、第１のアームが釣合い錘の接続領域に接続されていることが好ましい。

Ｕ形状部の全長が当該Ｕ形状部を直線状に伸ばした長さよりはるかに短いことが理解されよう。

Ｕ形状部の第１及び第２のアームは、釣合い錘の対称軸と実質的に平行な方向に延在する直線状のアームであることが好ましい。

Ｕ形状部が第１の放射部の主方向に延在することにより、第１の放射部の主方向から見た釣合い錘の長さが当該釣合い錘を伸ばした場合の長さの略半分になることが理解されよう。

この結果、釣合い錘がより小型になる。

釣合い錘は、第２のアームが互いに対向するよう配置された、２つのＵ形状部を有することが好ましい。

上記２つのＵ形状部は釣合い錘の対称軸に関して対称であり、これらＵ形状部の第２のアームが互いに平行に近接配置されていることが好ましい。

釣合い錘は、当該釣合い錘の対称軸と平行な方向に延在し且つその端部が釣合い錘の接続領域に接続された、導電性を有する直線部を少なくとも１つさらに含むことが好ましい。

直線部は、Ｕ形状部の第１及び第２のアームと平行であることが好ましい。

直線部は、実質的にＵ形状部の第１アームと第２のアームとの間に延在していることが好ましい。

このような特別な配置により、アンテナ全体のさらなる小型化が実現されるだけでなく、アンテナの性能も向上することが理解されよう。

「近接」とは、２つの部分の距離が最高周波数の波長に比べてはるかに短いことを意味する。

Ｕ形状部の第１及び第２のアームの長さと直線部の長さとが実質的に等しいことが好ましい。

つまり、Ｕ形状部の伸ばした状態での長さが直線部の長さの２倍に等しいということである。

本発明に関するその他の特徴及び効果は、添付図面を参照しつつ以下に説明する様々な実施形態によってより明確となるであろう。なお、本発明の形態は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１を参照しつつ、本発明の第１の実施形態に係る小型アンテナ１０について説明する。

小型アンテナ１０は、ＧＳＭ８５０／９００ＭＨｚ、ＤＣＳ１８００ＭＨｚ、ＰＣＳ１９００ＭＨｚ、及びＵＭＴＳ２１００ＭＨｚ、等の携帯電話周波数で動作するよう設計されるのが好ましい。

アンテナの動作を説明するにあたって、携帯電話周波数の最低値及び最高値を以下のように定義する。

本実施形態において携帯電話周波数の最低値は略８５０ＭＨｚ、最高値は略２１００ＭＨｚとする。

これら２つの携帯電話周波数は、アンテナの構成及び動作を説明するために用いられるものであり、アンテナの動作限界を示すものではない。アンテナは上述の最高値より高い周波数において使用可能であり、特にＵＭＴＳ周波数２１００ＭＨｚで使用可能である。

小型アンテナ１０は、図１に示すように、絶縁体（図示せず）上に形成された電気プリント回路を有する。絶縁体は一般に「誘電体」と称され、例えばＦＲ４エポキシガラスからなるものであってよい。

小型アンテナ１０は、第１の導電面を形成する放射要素１２、及び、第２の導電面（接地面とも称する）を形成するを釣合い錘１４有する。

第１及び第２の導電面は、実質的に平らで、且つ、銅からなることが好ましい。

図１に示すように、小型アンテナ１０は実質的に一方向に延在している。

放射要素１２の構成について、以下に詳細に説明する。

図１に示すように、放射要素１２は、小型アンテナ１０の延在方向に実質的に平行な主方向に沿って延在し且つ導電性を有する第１及び第２のブランチ１６，１８から構成された、実質的にオープン・ループ形状を有する。

図１に示すように、第１及び第２のブランチ１６，１８は、一端において電気的な接続領域２０を介して互いに電気的に接続されている。

以下の説明において、接続領域２０を「放射要素１２の接続領域」と称する。

放射要素１２の第１のブランチ１６は、ジグザグ状の（即ち、実質的にＶ形状のパターンを各端部において互いに連結させて隣接配置した）第１の放射部２２を有する。

図１に示すように、Ｖ形状のパターンは、放射要素１２の長手方向と実質的に直交する方向に向いている。

ジグザグ状の第１の放射部２２はＶ形状のパターンを４つ含み、末端にあるＶ形状パターンの端部が第１のブランチ１６の端部２４と接続する接続領域２０から離れていることが好ましい。

第１のブランチ１６は、好ましくはＧＳＭ周波数帯域（８５０ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚ）にある周波数で放射可能な、第１の放射部を形成している。

ジグザグ状の第１の放射部２２は、中心周波数がＧＳＭ周波数帯域の８５０ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚ（好ましくは略９００ＭＨｚ）と実質的に等しい電波の波長の略４分の１の長さを有する。

放射要素１２の第２のブランチ１８は、実質的に矩形状で且つ小型アンテナ１０の長手方向に沿って延在した、導電性を有する第２の放射部２６を含む。

第２の放射部２６の長さは、中心周波数が上記最高周波数１７００ＭＨｚ〜２１００ＭＨｚ（好ましくは略１９００ＭＨｚ）である電波の波長の４分の１に実質的に比例することが好ましい。

アンテナの性能を向上させるという目的において、後に詳述するように、ジグザグ状である第１の放射部２２を伸ばした長さが矩形状である第２の放射部２６の長さの２倍と実質的に等しいことが好ましい。

上述したように、また、図１に示すように、放射要素１２はオープン・ループ形状を有する。つまり、ブランチ１６，１８における両者が互いに接続された部分から離れた端部間に、隙間を形成する開放部２８が存在する。

開放部２８は、第１のブランチ１６の端部２４と矩形状の第２の放射部２６との間に位置することが好ましい。

端部２４はＬ形状であって、その少なくとも１つの脚部２４’は第２の放射部２６の幅と実質的に等しい幅を有する矩形状である。

端部２４を伸ばした長さは、ジグザグ状の第１の放射部２２を伸ばした長さより短いことが好ましい。

図１からわかるように、矩形状の脚部２４’は第２の放射部２６と一直線上に並んでいる。

開放部２８の幅（即ち、２つのブランチ１６，１８の端部間の距離）は、第２の放射部２６の幅と実質的に等しいことが好ましく、いずれの場合においても最高周波数の波長の１０分の１よりはるかに短い。

その他の特徴として、第２の放射部２６が第１の放射部２２におけるＶ形状パターンの脚部の端部に比較的近接していることが挙げられる（この特徴による効果については後に詳述する）。より詳細には、第２の放射部２６と第１の放射部２２におけるＶ形状パターンの脚部の端部との距離は、最高周波数の波長の１０分の１よりはるかに短い。

図３に示すように、放射要素１２の接続領域２０は、給電ライン３２に接続するためのコネクタ３１の中心導体３０に、電気的に接続されていることが好ましい。

給電ライン３２は、５０オーム（Ω）のインピーダンスを有する同軸ケーブルであることが好ましい。

給電ライン３２はまた、コネクタ３１の周辺導体２９に電気的に接続可能なシールド３４を有する。周辺導体２９は、釣合い錘１４の接続領域３６とは電気的に接続されているが、放射要素１２の接続領域２０とは電気的に絶縁されている。

再び図１を参照し、釣合い錘１４についてより詳細に説明する。

釣合い錘１４は、小型アンテナ１０の長手方向と平行な対称軸を有する。

より詳細には、上記対称軸は、釣合い錘１４における接続領域３６の略中心を通る。

図１に示すように、釣合い錘１４は２つのＵ形状部３８，３８’及び２つの直線部４０，４０’を含む。２つのＵ形状部３８，３８’及び２つの直線部４０，４０’はそれぞれ互いに対称に配置されている。以下、対称に配置された一方のＵ形状部３８及び直線部４０のみについて述べる。

Ｕ形状部３８は第１のアーム４２及び第２のアーム４４を有する。第１のアーム４２はその端部において釣合い錘１４の接続領域３６と電気的に接続されている。

Ｕ形状部３８の第１及び第２のアーム４２，４４は、互いに平行であり、それぞれ小型アンテナ１０の長手方向に沿って延在している。

Ｕ形状部３８は、第２のアーム４４が第１のアーム４２と釣合い錘１４の対称軸との間に位置するように、配置されている。

直線部４０は、実質的に矩形状であって、その一端において釣合い錘１４の接続領域３６と電気的に接続されると共に、小型アンテナ１０の長手方向に沿って延在している。

直線部４０の他端はＵ形状部３８の第１のアーム４２と第２のアーム４４との間に延在しており、第１及び第２のアーム４２，４４が直線部４０の側面の実質的に全長に亘って近接しつつ延在している。

また、Ｕ形状部が対称であることにより、一方のＵ形状部３８における第２のアーム４４が他方のＵ形状部３８’における上記第２のアーム４４に対応するアームに対向していることが理解されよう。

これら対向する２つのアーム間の距離は、ミリメートル次数である最高周波数の波長の２０分の１よりもはるかに小さいことが好ましい。

また、釣合い錘１４のＵ形状部３８の伸ばした状態での長さは、ジグザグ状である第１の放射部２２の伸ばした状態での長さと実質的に等しいか、或いはこれより若干長いことが好ましい。

同様に、釣合い錘１４の直線部４０の長さは、放射要素１２における第２の放射部２６の長さと実質的に等しいか、或いはこれより若干長いことが好ましい。

小型アンテナ１０の動作原則について、図４、図５、及び図６を参照しつつ、以下に説明する。

ＧＳＭの中心周波数である９００ＭＨｚと実質的に等しい周波数（即ち、最低周波数に近い周波数）において、波長の４分の１と実質的に等しい長さを有する放射部が共鳴を起こす。つまり、このとき共鳴を起こすのは放射要素１２の第１ブランチ１６におけるジグザグ状の第１の放射部２２である。したがって電流の分布４６は、特にジグザグ状の第１の放射部２２及び接続領域２０に集中している。

電気的な均衡が公知のように保たれるので、放射要素１２における電流の分布との均衡をとるために釣合い錘１４を形成する接地面にも電流が分布する。

本発明において、釣合い錘１４はコンパクトな接地面として機能する。

釣合い錘１４における電流の分布は、図４に示すように、Ｕ形状部３８，３８’に集中し、直線部４０には実質的に電流が負荷されないことが好ましい。

ＰＣＳ周波数の１９００ＭＨｚと実質的に等しい中心周波数（即ち、最高周波数に近い周波数）において、波長の４分の１と実質的に等しい長さを有する放射部が共鳴を起こす。つまり、このとき共鳴を起こすのは矩形状の第２の放射部２６である。

第２の放射部２６及び第１の放射部２２が近接して配置されていることから、これら２つの放射部において寄生連結現象が生じ、ジグザグ状の第１の放射部２２にも共鳴が起こる。

このとき電流は、釣合い錘１４の各部分のうち、当該周波数帯域における電波の波長の４分の１に近い長さを有する部分に分布する。

つまり、このとき釣合い錘１４における電流の分布は、特に連結領域３６及び直線部４０，４０’に集中する。

典型的な接地面（即ち、非常に大きなサイズの接地面）が理論上存在しないにも関わらず、コンパクトな釣合い錘１４は、小型アンテナ１０が動作する周波数において接地面として機能することが理解されよう。

図６を参照しつつ、第１の実施形態に係る小型アンテナ１０の利得と周波数との関係について説明する。

図６において、横軸は、小型アンテナ１０の給電ライン３２に付与された周波数を示す。ここでは周波数がギガヘルツ単位で表されており、周波数域は０．８ＧＨｚ〜２．３ＧＨｚに亘っている。

縦軸には、小型アンテナ１０の利得がｄＢ単位で示されている。

０．９ＧＨｚに近い周波数においてアンテナ１０の利得が大きく、０〜１ｄＢの範囲にあることがわかるであろう。この０．９ＧＨｚ近くでの周波数帯域４８は、ＧＳＭ８５０／９００ＭＨｚの周波数帯域に実質的に対応する。したがってアンテナ１０は、上記の周波数帯域で使用するのに適している。

また、１７００ＭＨｚ〜２２００ＭＨｚの周波数においてアンテナ１０の利得が大きいことがわかるであろう。この周波数帯域５０は比較的広く、ＤＣＳ１８００、ＰＣＳ１９００、及びＵＭＴＳ２１００の周波数帯域に対応する。したがってアンテナ１０は、上記の周波数帯域で使用するのに適している。

このように周波数帯域の幅が広くなるのは、特に、矩形状の第２の放射部２６とジグザグ状の第１の放射部２２とが近接していることに起因している。

上述した連結動作及び寄生動作は、１９００ＭＨｚ近傍において起こる。これにより、アンテナ１０の通過帯域及びその周波数が広くなるため、アンテナ１０を高周波数（特に、ＵＭＴＳ２１００）で使用することが可能となる。

したがって、本発明に係る小型アンテナは、ＧＳＭ周波数帯域でもＵＭＴＳ周波数帯域でも使用するのに適していることが理解されよう。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る小型アンテナ１００を示す。ここで、放射要素１２０は第１の実施形態と同一であり、釣合い錘１４０は直線部を含まないことを除いて第１の実施形態と同一である。

第１の実施形態と同一の構成要素については、第１の実施形態での参照番号に１００を乗じた番号で示す。

図２に示すように、第２のアーム４４０，４４０’は、互いに近接し、且つ、連結動作及び寄生動作が生じるようそれぞれ第１のアーム４２０，４２０’にも近接するように配置されている。

本発明の第１の実施形態に係る小型アンテナの放射要素及び釣合い錘を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る小型アンテナの放射要素及び釣合い錘を示す図である。 放射要素及び釣合い錘の接続領域を示す図である。 ＧＳＭ周波数の略９００ＭＨｚにおける、第１の実施形態の小型アンテナを流れる電流の分布を示す図である。 ＰＣＳ周波数の略１９００ＭＨｚにおける、第１の実施形態の小型アンテナを流れる電流の分布を示す図である。 周波数（ギガヘルツ単位）とアンテナの利得（ｄＢ単位）との関数を示すグラフである。

符号の説明

１０；１００ 小型アンテナ
１２；１２０ 放射要素
１４；１４０ 釣合い錘
１６ 第１のブランチ
１８ 第２のブランチ
２０，３６ 接続領域
２２ 第１の放射部
２６ 第２の放射部
２８ 開放部
３２ 給電ライン
３８，３８’；３８０，３８０’ Ｕ形状部
４０，４０’；４４０，４４０’ 直線部
４２；４２０ 第１のアーム
４４；４４０ 第２のアーム
４８，５０ 周波数帯域

Claims (13)

1. 携帯電話周波数帯域での動作に適しており、
   導電面を形成し且つ電気的な接続領域を含む放射素子と、
   接続領域を含む小型の導電性釣合い錘と、
   前記放射要素の接続領域と前記釣合い錘の接続領域とに接続されるアンテナケーブルを含む給電ラインと、
   を備えた単極型のアンテナであって、
   前記放射要素が、共に前記アンテナケーブルに接続される２つのブランチを有し且つ第１及び第２の放射部を画定するような、オープン・ループ形状を有し、
   前記第１及び第２の放射部のそれぞれが、少なくとも１つの携帯電話周波数で共鳴を起こし、且つ、主方向に沿って延在しており、
   前記第１の放射部の主方向及び前記第２の放射部の主方向が、前記第１及び第２の放射部が連結動作及び寄生動作を行うように、実質的に平行であることを特徴とするアンテナ。
2. 前記第１の放射部は、前記第１の放射部の主方向と実質的に直交する方向に延在する同一パターンを隣接配置することにより形成された部分を有する、実質的に平らな導電面であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記パターンが実質的にＶ形状であることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記第１の放射部が、前記同一のパターンを少なくとも４つ有することを特徴とする請求項２又は３に記載のアンテナ。
5. 前記第１の放射部の伸ばした状態での長さが、携帯電話周波数の最低値と実質的に等しい中心周波数を有する電波の波長の４分の１に実質的に比例することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアンテナ。
6. 前記第２の放射部が、前記第２の放射部の主方向に沿って延在する実質的に直線状の導体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のアンテナ。
7. 前記第２の放射部の長さが、携帯電話周波数の最高値と実質的に等しい中心周波数を有する電波の波長の４分の１に実質的に比例することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のアンテナ。
8. 前記釣合い錘が、前記第１の放射部の主方向に平行な対称軸を有すると共に、第１のアーム及び第２のアームを呈するＵ形状部を少なくとも１つ含んでおり、前記第１のアームが前記釣合い錘の前記接続領域に接続されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のアンテナ。
9. 前記Ｕ形状部の第１及び第２のアームが、前記釣合い錘の対称軸と実質的に平行な方向に延在する直線状のアームであることを特徴とする請求項８に記載のアンテナ。
10. 前記釣合い錘が、前記第２のアームが互いに対向するよう配置された２つの前記Ｕ形状部を有することを特徴とする請求項８又は９に記載のアンテナ。
11. 前記釣合い錘が、前記釣合い錘の対称軸と平行な方向に延在し且つその端部が前記釣合い錘の前記接続領域に接続された、導電性を有する直線部を少なくとも１つ含むことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載のアンテナ。
12. 前記直線部が、実質的に前記Ｕ形状部の第１アームと第２のアームとの間に延在していることを特徴とする請求項１１に記載のアンテナ。
13. 前記Ｕ形状部の第１及び第２のアームの長さと前記直線部の長さとが実質的に等しいことを特徴とする請求項１１又は１２に記載のアンテナ。

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