JP4107325B2 - アンテナ素子および携帯電話機 - Google Patents

Description

この発明は、複数の周波数帯に利用する携帯電話機のアンテナ素子に関するものである。

従来の携帯電話機のアンテナについては、モノポールアンテナおよびヘリカルアンテナ等が用いられている。また、この構成の中で、アンテナ素子同士を直接接触させて導通させる構成として、特開平１１−２６１３１８号公報がある。
近年、携帯電話はＰＤＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｅｌｌｕｌａｒ）方式からＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式へ移行するにあたり、ＰＤＣとＣＤＭＡの双方を使用できるデュアルモードの携帯電話機の開発が進められている。これらの方式は、送受信するために使用する電波の周波数帯域が異なっているが、ある周波数帯域で情報通信を行う場合には、当該周波数帯域でインピーダンス整合がとれていることが必要であり、一般に使用周波数帯域でのＶＳＷＲ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ：電圧定在波比）が少なくとも３以下になることを目安として設計を行うため、それぞれの使用周波数帯域でＶＳＷＲが３以下になるよう設計する必要がある。しかしながら、従来の整合回路を有するアンテナでは、複数の機能を有する携帯情報端末として用いるためにはＶＳＷＲが３以下の領域が狭く、調整が困難であった。
また、従来の携帯電話機のアンテナ構成では、２つ以上の離れた周波数帯域を使用する際には、それぞれの周波数に対応したアンテナ素子を設け、それぞれのアンテナ素子に対し、給電を行うためのピンやバネ、整合回路、アンテナ切り替え用のスイッチが必要である。
しかし、近年の携帯電話機についてはエンドユーザーが薄型かつ小型な携帯電話機を好む傾向にあり、周波数帯域が複数になると、実装面積が増大して薄型化・小型化に逆行するため、商品競争力が低下するといった問題がある。
また、それぞれのアンテナ素子に整合回路を設ける構成は、整合回路に用いられるコイルおよびコンデンサではロスが生じて、電気信号の伝達効率が低下するという問題があった。

本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、複数のアンテナに対する給電点を板状アンテナの一点とし、当該板状アンテナの端部に複数のポールアンテナを設けることで、できる限り電気信号の伝達による効率低下・アンテナの実装面積を抑え、複数の周波数帯域においてＶＳＷＲが３以下を実現できるアンテナを得ることを目的とする。
本発明に係るアンテナ素子は、所定の電気的長さを有する板状の金属であって、給電点を介してグランド基板と接続される板状アンテナと、前記給電点に対して当該板状アンテナと直列に接続される前記板状アンテナの電気的長さと異なる電気的長さを有するモノポールアンテナと、前記給電点に対して前記板状アンテナと直列に接続されるとともに、前記モノポールアンテナと並列に接続される前記板状アンテナおよび前記モノポールアンテナそれぞれの電気的長さと異なるとともに、互いに異なる電気的長さを有する複数の線状アンテナと、を有するものである。

第１図は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ素子の平面図である。
第２図は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ素子の斜視図である。
第３図は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ素子の特性を表すスミスチャートである。
第４図は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ素子の特性を表すＶＳＷＲ図である。
第５図は、板状アンテナのみの特性を表すスミスチャートである。
第６図は、モノポールアンテナのみの特性を表すスミスチャートである。
第７図は、従来のアンテナ素子の構成を示す図である。
第８図は、従来のアンテナ素子の特性を表すスミスチャートである。
第９図は、従来のアンテナ素子の特性を表すＶＳＷＲ図である。
第１０図は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ素子の別の構成を表す平面図である。
第１１図は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ素子の平面図である。
第１２図は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ素子の斜視図である。
第１３図は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ素子の特性を表すスミスチャートである。
第１４図は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ素子の特性を表すＶＳＷＲ図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について説明する。本発明は、板状アンテナの一点を給電点とし、当該板状アンテナに複数の異なる電子長を持ったポールアンテナ、線状アンテナを給電点に対して直列に接続することで、できる限り電気信号の伝達による効率低下・アンテナの実装面積を抑え、複数の周波数帯域においてＶＳＷＲが３以下を実現するものである。
第１図は本発明の実施の形態１に係るアンテナ素子の平面図であり、第２図は斜視図である。各図において、１１は、所定の絶縁基仮の上に金属層（例えば銅）を堆積して形成されるグランド基板である。１３は２ＧＨｚ帯において電気的長さ約λ_２／８（λ_２は２ＧＨｚの電波の波長、λ_２＝１５ｃｍ）の第１アンテナ部分としての板状アンテナである。ここで板状アンテナの縦横の長さをそれぞれＷ_１、Ｗ_２とする。ここで、電気的長さλ_２／８（＝１．８７５ｃｍ）＝Ｗ_１＋Ｗ_２となるように調整する。また、この板状アンテナ１３の辺上の一点１２に給電を行う（以下、給電点と呼ぶ）。また、板状アンテナ１３は給電点１２においてグランド基板１１にも接続されている。この給電を行った板状アンテナ１３には、給電点１２とは別の端部において８００ＭＨｚ帯において電気的長さ約λ_８００／４（＝９．３７５ｃｍ）＝Ｗ_１＋Ｗ_２＋Ａ（Ａはモノポールアンテナの長さ）となるように調整されたモノポールアンテナ１４ａが接続される。同様に、板状アンテナ１３に接続された１．５ＧＨｚ帯において電気的長さ約λ_１．５／４（＝５ｃｍ）＝Ｗ_１＋Ｗ_２＋Ｂ_１＋Ｂ_２（Ｂ_１、Ｂ_２はそれぞれ線状アンテナ１５の縦横の長さ）となるよう調整した線状アンテナ１５と、２ＧＨｚ帯において電気的長さ約λ_２／４＝Ｗ_１＋Ｗ_２＋Ｃ_１＋Ｃ_２（Ｃ_１、Ｃ_２はそれぞれ線状アンテナ１６の縦横の長さ）となるよう調整した線状アンテナ１６を給電点１２に対して直列接続となるよう板状アンテナ１３と接続する。板状アンテナ１３、モノポールアンテナ１４ａ、線状アンテナ１５、１６の材質は例えば銅などの導体を用いる。
第３図は第１図に示した構成のアンテナの特性をあらわすスミスチャートであり、第４図はＶＳＷＲである。各アンテナのサイズは、
板状アンテナ１３ Ｗ_１：１０ｍｍ Ｗ_２：５ｍｍ、
モノポールアンテナ１４ａ Ａ：７８ｍｍ、
第１の線状アンテナ１５ Ｂ_１：４ｍｍ Ｂ_２：２６ｍｍ、
第２の線状アンテナ１６ Ｃ_１：２ｍｍ Ｃ_２：２１ｍｍ、
とした。
第３，４図について説明する前に、比較として板状アンテナ素子、および、モノポールアンテナ素子のアンテナ特性について説明する。第５図は板状アンテナのみの場合の特性を示すスミスチャートである。第５図に示したように、板状アンテナ１３については、一般的なインピーダンスの基準となる５０Ωの点を中心に半円を描くような特性が得られる。共振点付近の周波数よりも高周波においては、点Ｈで示すようにインピーダンスの虚数部が正の値となり、これに対して、共振点付近の周波数よりも低周波においては、点Ｌで示すように、インピーダンスの虚数部が負の値となる。
また、第６図はモノポールアンテナのみの場合の特性を示すスミスチャートである。第６図に示すように、モノポールアンテナ１４ａでは、共振点付近の周波数よりも高い周波数においては、点Ｈで示すようにインピーダンスの虚数部が負の値となる。これに対して点Ｌで示すように共振点付近の周波数よりも低い周波数においては、インピーダンスの虚数部が正の値となる。
それに対して、第３図のスミスチャートにおいて示したように、本発明の実施の形態１においては板状アンテナ１３のみの場合の第５図、モノポールアンテナのみの場合の第６図と比べてインピーダンスの軌跡が中心点５０Ω付近に近づく部分が増え、各アンテナの相互作用によってインピーダンス整合が取れていることがわかる。
また、第４図に示したＶＳＷＲの周波数特性のように、ＶＳＷＲが３以下となる領域が８００ＭＨｚ付近および１．５〜２．５ＧＨｚにかけて広がっており、従来と比べ広帯域性能、複数共振性能が得られることがわかる。第３図および第４図中の点１〜７の周波数は、それぞれ点１が８００ＭＨｚ、点２が１５００ＭＨｚ、点３が２０００ＭＨｚ、点４が６９６．５ＭＨｚ、点５が９６２ＭＨｚ、点６が１３５６ＭＨｚ、点７が２７８５ＭＨｚである。
特定周波数におけるインピーダンスおよびＶＳＷＲについて表１に示す。

なお、第４図より比帯域幅を求めると、比帯域幅は８００ＭＨｚ帯で３２％で，１．５ＧＨｚ〜２．０ＧＨｚ帯に対して６９％であった。ここで本明細書中、「比帯域幅」とは、ＶＳＷＲが３以下の領域についての比帯域幅をいい、ＶＳＷＲ≦３となる周波数の最大値をｆ_１、ＶＳＷＲ≦３となる周波数の最小値をｆ_２として、中心周波数ｆ_０を
ｆ_０＝（ｆ_１＋ｆ_２）／２
から求め、この中心周波数から
比帯域幅＝（ｆ_１−ｆ_２）／ｆ_０
として求める。
比較として従来のアンテナ素子の比帯域幅について示す。第７図は従来のアンテナ素子の回路図である。第７図において、当該アンテナ素子は、モノポールアンテナ１４ｃ、コイル１７、スタブ１８およびコンデンサ１９を用いて構成されている。コイル１７は６．８ｎＨのインダクタンスを有する。コンデンサ１９は４ｐＦの容量を有する。モノポールアンテナ１４ｃは、長さ５５ｍｍ（電気的長さ３λ／８）である。このような整合回路を有するアンテナ素子に対し、周波数１．５ＧＨｚから２．５ＧＨｚの電波を給電点１２から入力し、アンテナ素子のインピーダンス、スミスチャートおよびＶＳＷＲを調べた。特定の点についてインピーダンスとＶＳＷＲを表２に示す。

また、第８図は従来のアンテナ素子の特性を表すスミスチャート、第９図はＶＳＷＲ図である。第８図に示したスミスチャートより、従来のアンテナ素子では、周波数が高い領域と低い領域で反射係数が大きくなっていることが分かる。これに対して、点２０１〜点２０４で示すように、周波数１．９ＧＨｚ以上２．２ＧＨｚ以下の範囲では、反射係数が小さくなっていることが分かる。
また、第９図より、ＶＳＷＲが３以下の領域は、周波数が１．７８ＧＨｚ以上２．２２ＧＨｚ以下の領域である。さらに、係る場合の比帯域幅は約２２％であった。
従って、従来のアンテナ素子と比べて、本発明の実施の形態１に係るアンテナ素子は２ＧＨｚ帯における広帯域化（比帯域幅６９％）が達成されるとともに、８００ＭＨｚにおいても広帯域化（比帯域幅３２％）が達成されていることが分かる。
本発明の実施の形態１のように板状アンテナの一点を給電点とし、当該板状アンテナに所定の電気的長さを持ったモノポールアンテナや線状アンテナを複数接続することで広帯域性能、複数共振性能が得られる機構については、理論的にはまだ解明されていないが、実験的事実であり、再現性も確認できている。
なお、給電点の位置については板状アンテナの外周の１点であればどこでも特性に大きな影響は与えない。また、モノポールアンテナ１４ａおよび線状アンテナ１５、１６の位置については第１図では省スペースの目的から同じ端部に接続したが、異なる端部に配置する構成としても特性上は問題ない。例えば、モノポールアンテナ１４ａの代わりに第１０図に示すように携帯電話本体の側面となる部分から線状アンテナ１５ａを突出するように板状アンテナ１３に接続する構成としてもよい。また、モノポールアンテナ１４ａおよび線状アンテナ１５、１６はそれぞれ異なる周波数を受信するためのものであるが、当該各アンテナ同士はできるだけ離した方が互いに干渉が少ない。さらにアンテナはグランド基板１１からできるだけ離した方が経験上よい特性が得られる。グランド基板１１は中抜きの外周部だけでもよい。
以上のように、本発明の実施の形態１では、板状アンテナの一点を給電点として、当該板状アンテナにそれぞれ所定の電気的長さを持ったモノポールアンテナおよび線状アンテナを給電点に対して直列に接続することで各アンテナの給電点を一つとし、これにより広帯域性能、複数共振性能を持ったアンテナ素子を得るものである。
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。第１１図は本発明の実施の形態２に係るアンテナ素子の構成を表す平面図である。また、第１２図は同斜視図である。第１１図、第１２図に示したように、上記実施の形態１と異なる点はモノポールアンテナの代わりにヘリカルアンテナ１４ｂを備える点である。その他の板状アンテナ１３、線状アンテナ１５、１６については上記実施の形態１と同じである。
ヘリカルアンテナ１４ｂは、自身の電気的長さと板状アンテナ１３の電気的長さとの和が８００ＭＨｚ帯において電気的長さ約λ_８００／４となるものである。このように構成されたアンテナ素子は第１図で示すアンテナ素子と同様の効果を奏する。
第１３図は本実施の形態２に係るアンテナ素子のアンテナ特性を表すスミスチャート、第１４図はＶＳＷＲ図である。第１３図に示すように、板状アンテナ１３、ヘリカルアンテナ１４ｂ、線状アンテナ１５、１６の各アンテナの相互作用によってインピーダンスの軌跡が中心点５０Ω付近に集まっており、広い帯域でインピーダンス整合が取れていることがわかる。
なお、上記実施の形態１と同様に、係るアンテナ間の相互作用についての詳細は理論的に解明されていないものの、実験による再現性は確認されている。
なお、給電点の位置については板状アンテナの外周の１点であればどこでも特性の大きな影響は与えない。また、ヘリカルアンテナ１４ｂおよび線状アンテナ１５、１６の位置については第８図では省スペースの目的から同じ端部に接続したが、異なる端部に配置する構成としても特性上は問題ない。また、ヘリカルアンテナ１４ｂおよび線状アンテナ１５、１６はそれぞれ異なる周波数を受信するためのものであるが、当該各アンテナ同士はできるだけ離した方が互いに干渉が少ない。さらにアンテナはグランド基板１１からできるだけ離した方が経験上よい特性が得られる。グランド基板１１は中抜きの外周部フレームだけでもよい。
特定周波数におけるインピーダンスおよびＶＳＷＲについて表３に示す。

第１４図より比帯域幅を求めると、比帯域幅は１．５ＧＨｚ〜２ＧＨｚ帯において５６％であり、従来のアンテナ素子と比べて広帯域化できていることが分かる。また、８００ＭＨｚにおけるＶＳＷＲは３以上となっているが、第１４図で見ると８００ＭＨｚの高周波側近傍でＶＳＷＲ３以下の帯域が発生していることが分かる。
以上のように、本発明の実施の形態２では、一の給電点を介してグランド基板と接続された板状アンテナに、それぞれ所定の電気的長さを持ったヘリカルアンテナおよび線状アンテナ複数を給電点に対して直列に接続することで各アンテナの給電点を一つとし、これにより広帯域性能、複数共振性能を持ったアンテナ素子を得るものである。

本発明に係るアンテナ素子は、携帯電話機等の携帯情報端末、一般無線機、特殊無線機等の分野で利用することができる。

Claims (6)

1. 板状の金属で構成され、一点の給電点を介してグランド基板と接続される板状アンテナと、
   前記給電点に対して前記板状アンテナに直列に接続されるモノポールアンテナと、
   前記給電点に対して前記板状アンテナに直列に接続される第１の線状アンテナとを備え、
   前記板状アンテナの電気的長さと前記モノポールアンテナの電気的長さの和が、第１の周波数帯において約４分の１波長であり、
   前記板状アンテナの電気的長さと前記第１の線状アンテナの電気的長さの和が、第２の周波数帯において約４分の１波長であることを特徴とするアンテナ素子。
2. 前記板状アンテナは方形形状を有し、前記方形の１の頂点付近に給電点を有するとともに、
   前記モノポールアンテナ、前記第１の線状アンテナは、前記頂点と対向する辺上に接続されたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ素子。
3. 請求項１または請求項２記載のアンテナ素子において、モノポールアンテナに代えて、ヘリカルアンテナを設けたことを特徴とするアンテナ素子。
4. 前記第１の周波数帯は８００ＭＨｚ帯であり、
   前記第２の周波数帯は２ＧＨｚ帯であり、
   前記板状アンテナの電気的長さが２ＧＨｚ帯において約８分の１波長であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載のアンテナ素子。
5. 前記給電点に対して前記板状アンテナに直列に接続されるとともに、前記第１の線状アンテナと並列に接続される第２の線状アンテナを備え、
   前記板状アンテナの電気的長さと前記第２の線状アンテナの電気的長さの和が、第３の周波数帯において約４分の１波長であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載のアンテナ素子。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載のアンテナ素子を備えた携帯電話機。

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