JPWO2005069439A1 - Multiband antenna and portable communication device - Google Patents
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Abstract
本発明は、マルチバンド対応が可能な小型のマルチバンドアンテナを提供することを目的とするものである。複数の周波数帯の高周波信号を放射可能なメインエレメント10と、メインエレメント10と異なる周波数に共振可能な1つ以上のサブエレメント20と、サブエレメントの基端部と接地導体とを導通又は非導通にするためのスイッチ機構40とを備えてマルチバンドアンテナを構成する。スイッチ機構40によりサブエレメント20と接地導体とが導通しているときは、サブエレメント20がメインエレメント10に対する無給電誘導素子として作用して当該サブエレメント20の先端部とメインエレメント10の開放端部とが高周波結合した先端短絡アンテナとなり、他方、サブエレメント20と接地導体とが非導通のときは、サブエレメント20がメインエレメント10に対する無給電反射素子として作用する。An object of the present invention is to provide a small multiband antenna capable of multiband compatibility. Main element 10 capable of radiating high-frequency signals in a plurality of frequency bands, one or more sub-elements 20 capable of resonating at a different frequency from main element 10, and a base end portion of the sub-element and a ground conductor are electrically connected or disconnected. And a switch mechanism 40 for making a multiband antenna. When the sub-element 20 and the ground conductor are conducted by the switch mechanism 40, the sub-element 20 acts as a parasitic induction element for the main element 10, and the front end portion of the sub-element 20 and the open end portion of the main element 10 Is a high-frequency coupled short-circuited antenna. On the other hand, when the sub-element 20 and the ground conductor are non-conductive, the sub-element 20 acts as a parasitic reflection element for the main element 10.
Description
本発明は、例えば、音、画像(静止画、動画)、データなどの複数のメディアに対応可能な携帯電話無線機、PDA(Personal Digital Assistance)等の携帯型の通信機器及びそれに内蔵されるマルチバンドアンテナに関する。
発明の背景
携帯電話無線機等に代表される携帯型の通信機器の進歩は目覚ましいものがある。最近は、これらの通信機器においても、単なる通話のみならず、データ通信ないし画像通信を含めたマルチメディア化の傾向がある。このような傾向に呼応して、携帯電話無線機又は移動通信機器のアンテナに対しても、小型で、かつ、複数の周波数帯(バンド)において通信可能なマルチバンドアンテナが要望されている。
従来のこの種のマルチバンドアンテナとしては、例えば、特開平11−136025号公報に記載されたアンテナ装置(従来例1)、特開平10−209733号公報に記載されたアンテナ装置(従来例2)、特開平11−68456号公報に記載されたアンテナ装置(従来例3)、特開2002−335117号公報に記載されたアンテナ装置(従来例4)、特開2003−124730号公報に記載されたアンテナ装置(従来例5)がある。
従来例1に記載されているアンテナ装置は、直方体状の基体の一方主面全面に形成されたグランド電極と、基体の他方主面上で一端が開放端で他端がグランド端(グランド電極に接続)となる放射電極と、放射電極の開放端に第1のギャップを介して近接して形成された給電電極と、放射電極の開放端に第2のギャップを介して近接して形成された1つ以上の制御電極と、制御電極とグランド電極との間を接続/非接続にするためのスイッチとを備え、このスイッチをオン−オフして全体の静電容量の大きさを変化させることにより、放射電極の共振周波数を切り換えて使用できるようにしたものである。
従来例2に記載されているアンテナ装置は、従来例1のようなグランド電極、放射電極、給電電極のほか、放射電極と連続して一体に形成された1つ以上の補助放射電極と、この補助放射電極とグランド電極との間を高周波的な接続/非接続にするためのスイッチを備え、このスイッチをオン−オフして放射電極のグランド部分のインダクタンス成分を変化させることにより、放射電極の共振周波数を切り換えて使用できるようにしたものである。
従来例3に記載されているアンテナ装置は、直方体状の基体の表面に、従来例1のようなグランド電極、放射電極、給電電極を備えたものにおいて、基体の表面上に、周波数切換手段(半導体スイッチ)を設け、この周波数切換手段を動作させてインダクタンス成分又は静電容量成分を変化させることにより、放射電極の共振周波数を切り換えるようにしたものである。
従来例4に記載されているアンテナ装置は、接地導体部を有する実装基板上に直方体状の基体を実装し、この基体の表面に、一端が開放端で他端がグランド端となる放射電極とアンテナ側制御用電極(従来例1の制御電極に相当)とを設けるとともに、実装基板上に、グランドから浮いた状態の基板側制御用電極と、この基板側制御用電極を接地導体部に高周波的に接続するための共振周波数調整手段(インダクタンス成分と静電容量成分の少なくとも一方をもつ半田ブリッジ、ストリップ等)とを設け、この共振周波数調整手段のインピーダンスを変えることにより、放射電極の共振周波数を可変にしたものである。
従来例5に記載されているアンテナ装置は、それぞれ、その一端が開放端で、二分岐された一方の他端がグランド端、他方の他端が給電端となる2種類のアンテナエレメント(上述の放射電極に相当)と、各々のアンテナエレメントと実装基板の接地導体部とを導通/非導通にするための2種類のスイッチとを備え、これらのスイッチの一方と他方とを相互排反的にオン−オフにすることにより、装置全体の共振周波数を切り換えるようにしたものである。
上記の各従来例のアンテナ装置のほか、放射電極であるアンテナエレメントを複数回折り曲げ、この折り曲げたアンテナエレメントの長さ及び間隔を調整することによって、複数の共振周波数を持たせた折り返し式のアンテナ等も存在する。
近年の移動通信機器に搭載されるマルチバンドアンテナには、AMPS(Advanced Mobil Phone System)(824MHz〜894MHz)、GSM(Global System for Mobile Communications)900(880MHz〜960MHz)、GSM1800(1710MHz〜1880MHz)、DCS(Digital Cellular System)(1710MHz〜1850MHz)、PCS(Personal Communications System1900(1850MHz〜1990MHz)、UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)(1920MHz〜2170MHz)のような複数のバンドを複合的に使用できるものが望まれている。
従来例1〜従来例4のアンテナ装置は、それぞれ、表面実装型アンテナを主たる構成要素として含むため、非常に小型であり、携帯電話無線機、あるいは、移動通信機器に内蔵する場合に好都合となる。しかし、このようなアンテナ装置では、サイズが固定の放射電極のインダクタンス成分、静電容量成分を変えることによって共振周波数を切り換える構成のため、上記のバンドの数が2〜4程度までは容易に対応が可能であるが、バンド数がそれ以上になると、共振周波数の調整が非常に困難になるという問題がある。また、バンド数の増加に伴うアンテナ利得の低下、共振周波数の帯域幅の狭帯域化も問題となる。
従来例5のアンテナ装置では、バンド数の増加には対応が可能であるが、2種類のアンテナエレメントを実質的に同一平面に配する必要があるなどの制約があり、さらに、各アンテナエレメントが特殊かつ複雑な形状になるため、アンテナエレメント用の面積を十分に確保しなければならず、小型化が困難であるという問題があった。
この発明は、このような問題を解決するために、マルチバンド対応が可能な小型の広帯域マルチバンドアンテナ及び通信機器を提供することを、その課題とする。The present invention, for example, a portable communication device such as a mobile phone radio, PDA (Personal Digital Assistance) that can handle a plurality of media such as sound, images (still images, moving images), data, etc. It relates to a band antenna.
BACKGROUND OF THE INVENTION Advances in portable communication devices represented by cellular phone radios and the like are remarkable. Recently, these communication devices have a tendency toward multimedia including not only simple calls but also data communication and image communication. In response to such a trend, there is a demand for a multiband antenna that is small in size and capable of communication in a plurality of frequency bands (bands), even for antennas of mobile phone radios or mobile communication devices.
As this type of conventional multi-band antenna, for example, an antenna device described in JP-A-11-136025 (conventional example 1) and an antenna device described in JP-A-10-209733 (conventional example 2) The antenna device described in JP-A-11-68456 (conventional example 3), the antenna device described in JP-A-2002-335117 (conventional example 4), and described in JP-A-2003-124730 There is an antenna device (conventional example 5).
The antenna device described in Conventional Example 1 includes a ground electrode formed on the entire surface of one main surface of a rectangular parallelepiped base, one end on the other main surface of the base and an open end on the other main surface. A radiation electrode to be connected), a feeding electrode formed close to the open end of the radiation electrode via the first gap, and formed close to the open end of the radiation electrode via the second gap One or more control electrodes and a switch for connecting / disconnecting between the control electrode and the ground electrode are provided, and this switch is turned on and off to change the overall capacitance. Thus, the resonance frequency of the radiation electrode can be switched and used.
The antenna device described in Conventional Example 2 includes, in addition to the ground electrode, the radiating electrode, and the feeding electrode as in Conventional Example 1, one or more auxiliary radiating electrodes formed integrally with the radiating electrode, A switch for connecting / disconnecting the auxiliary radiation electrode and the ground electrode in a high-frequency manner is provided, and by turning this switch on and off to change the inductance component of the ground portion of the radiation electrode, The resonance frequency can be switched and used.
The antenna device described in the conventional example 3 includes a ground electrode, a radiation electrode, and a feeding electrode as in the conventional example 1 on the surface of a rectangular parallelepiped base, and the frequency switching means ( A semiconductor switch) is provided, and this frequency switching means is operated to change the inductance component or the capacitance component, thereby switching the resonance frequency of the radiation electrode.
In the antenna device described in Conventional Example 4, a rectangular parallelepiped base is mounted on a mounting substrate having a ground conductor portion, and a radiation electrode having one end as an open end and the other end as a ground end is mounted on the surface of the base. An antenna-side control electrode (corresponding to the control electrode of Conventional Example 1) is provided, and the substrate-side control electrode floating from the ground is mounted on the mounting substrate, and the substrate-side control electrode is used as a ground conductor portion. Resonance frequency adjusting means (solder bridge, strip, etc. having at least one of an inductance component and a capacitance component) is provided, and the impedance of the resonance frequency adjusting means is changed to change the resonance frequency of the radiation electrode. Is made variable.
Each of the antenna devices described in Conventional Example 5 has two types of antenna elements (the above-described ones), one end of which is an open end, the other end of the two branches is a ground end, and the other end is a feeding end. Equivalent to the radiation electrode) and two types of switches for making each antenna element and the ground conductor portion of the mounting board conductive / non-conductive, and one of these switches and the other are mutually mutually exclusive By switching on and off, the resonance frequency of the entire apparatus is switched.
In addition to the antenna devices of the respective conventional examples described above, a folded antenna having a plurality of resonance frequencies by bending a plurality of antenna elements as radiation electrodes and adjusting the length and interval of the folded antenna elements. Etc. exist.
Multiband antennas installed in recent mobile communication devices include AMPS (Advanced Mobile Phone System) (824 MHz to 894 MHz), GSM (Global System for Mobile Communications) 900 (880 MHz to 960 MHz), GSM 1800 (1710 MHz to 1810 MHz). DCS (Digital Cellular System) (1710 MHz to 1850 MHz), PCS (Personal Communications System 1900 (1850 MHz to 1990 MHz), UMTS (Universal Mobile Telecommunications System Bands 170 to 20 MHz) (19 MHz to 20 MHz) It can be used in a composite manner has been desired.
Since the antenna devices of Conventional Examples 1 to 4 each include a surface mount antenna as a main component, they are extremely small and convenient when incorporated in a mobile phone radio or a mobile communication device. . However, in such an antenna device, since the resonance frequency is switched by changing the inductance component and capacitance component of the radiation electrode having a fixed size, the above-described number of bands can be easily handled up to about 2 to 4. However, when the number of bands is more than that, there is a problem that adjustment of the resonance frequency becomes very difficult. In addition, a decrease in antenna gain accompanying an increase in the number of bands and a narrowing of the resonance frequency bandwidth are also problematic.
In the antenna device of Conventional Example 5, it is possible to cope with an increase in the number of bands, but there are restrictions such as the need to arrange two types of antenna elements on substantially the same plane, and each antenna element has Since it has a special and complicated shape, a sufficient area for the antenna element has to be secured, and there is a problem that miniaturization is difficult.
In order to solve such a problem, an object of the present invention is to provide a small-sized wideband multiband antenna and communication device that can support multiband.
本発明が提供するマルチバンドアンテナは、開放端部と給電端部とを有し、前記給電端部に給電された複数の周波数帯の高周波信号を放射可能なメインエレメントと;その先端部が前記メインエレメントの開放端部と所定間隔だけ離して配設され、前記メインエレメントと異なる周波数に共振可能な1つ以上のサブエレメントと;前記サブエレメントの基端部と所定部位に配された接地導体とを導通又は非導通にするためのスイッチ機構とを有しており;前記スイッチ機構により前記基端部と前記接地導体とが導通している第1状態のときに前記前記サブエレメントが前記メインエレメントに対する無給電誘導素子として作用して当該サブエレメントの先端部と前記メインエレメントの開放端部とが高周波結合した先端短絡アンテナとなり、他方、前記スイッチ機構により前記基端部と前記接地導体とが非導通となる第2状態のときに前記サブエレメントが前記メインエレメントに対する無給電反射素子として作用するものである。
このように、メインエレメントと異なる周波数に共振可能なサブエレメントを、無給電誘導素子と無給電反射素子とに切り換え可能にすることで、エレメント数を増加させることなく、より多くの共振周波数をもつことができ、小型でありながら、広帯域に対応可能なマルチバンドアンテナを実現することができる。
前記スイッチ機構は、具体的には、サブエレメントの基端部と接地導体との間に挿入接続され、外部より入力される制御信号の信号レベルによってスイッチング動作を行う半導体スイッチング素子を、前記導通又は非導通を切り換えるための構成要素として含んで構成される。このように半導体スイッチング素子によってスイッチ機構を構成することで、第1状態と第2状態とを容易に切り換えることができる。
好ましくは、前記メインエレメントの電気的面積が、すべての前記サブエレメントの電気的面積の和に対して略3〜略18倍の値とする。これにより、マルチバンドアンテナの電気的面積がメインエレメントの電気的面積と実質的に同じになり、サブエレメントを設けることによる放射特性に与える影響を緩和することができる。
前記メインエレメントは、例えば、逆L状、逆F状、メアンダ状又は板状の導電性薄板で成形されており、前記サブエレメントは、例えば、前記メインエレメントに対して所定の位置関係をもつように成形されたストリップ状の導電性部材で成形される。
複数の周波数を矛盾なく放射可能にする観点からは、その一端部が前記接地導体に接続され、その他端部が前記メインエレメントに対して略平行の自由端となるインピーダンス調整用エレメントをさらに備えるようにするのが好ましい。
通信機器への実装をより容易にする観点からは、通信機器に装着可能な基体を備えてマルチバンドアンテナを構成することが好ましい。この基体の一部には、前記接地導体、所定の高周波信号の送受信を行う高周波送受信回路と接続するための給電用端子、及び、外部から入力されるスイッチ機構の制御のための制御信号が入力される制御端子が形成されており、前記メインエレメント及び前記サブエレメントは、前記接地導体に対して所定の位置関係を維持して前記基体に取り付けられており、前記メインエレメントの給電端部は前記給電用端子に接続されており、前記半導体スイッチング素子には、前記制御端子を通じて入力される前記制御信号が供給されるように構成される。
複数の周波数を使用するときの便宜を考慮して、前記給電端部と前記給電用端子との間に、誘導性素子と容量性素子との組合せからなるインピーダンス整合回路が介在するように構成してもよい。同様に、前記スイッチ機構が半導体スイッチング素子であるときに、その半導体スイッチング素子と前記制御端子との間に、前記制御端子を高周波的に遮断し、かつ直流的には導通させるためのインピーダンス調整回路が介在するように構成してもよい。
上記のように、基体を設ける場合において、前記基体には、それぞれ他方のものと対向する一対の主面部、一対の側端部及び一対の短端部を有する誘電体から成るエレメント取付基体が固定されるようにする。前記メインエレメント及び前記サブエレメントは、前記エレメント取付基体に、その形状に沿って取り付けられる。
この場合、前記メインエレメント及び前記サブエレメントは、それぞれ、前記エレメント取付基体の一つの主面部に形成されており、かつ、当該主面部が前記接地導体の表面部と同一平面上に存するようにする。あるいは、前記メインエレメント及び前記サブエレメントが、それぞれ、前記エレメント取付基体の一方の側端部に沿って前記接地導体と略垂直の方向に延び、さらに当該エレメント取付基体の一つの主面部を経由して他方の側端部に至り、当該側端部において前記メインエレメントの開放端部と前記サブエレメントの先端部とが所定の間隔で対向している構造にする。あるいは、前記メインエレメント及び前記サブエレメントが、それぞれ、前記エレメント取付基体の一方の側端部に沿って前記接地導体と略垂直の方向に延び、さらに当該エレメント取付基体の一つの主面部上で前記接地導体と略水平の方向に曲折し、当該主面部上で、前記メインエレメントの開放端部と前記サブエレメントの先端部とが所定の間隔で対向している構造にする。
本発明のマルチバンドアンテナにおいて、前記メインエレメントと前記サブエレメントとがそれぞれ一つであり、第1設定周波数の波長がλf1、第2設定周波数の波長がλf2、第3設定周波数の波長がλf3、第4設定周波数の波長がλf4、第5設定周波数の波長がλf5、である場合、前記メインエレメントのエレメント長は、略λf2/4かつ略3λf5/4であり、前記サブエレメントのエレメント長は、略nλf3/2であり、前記第1状態のときの前記先端短絡アンテナのエレメント長が略λf1/2かつ略λf4とする。
前記第1使用周波数帯が及び前記第2使用周波数帯は、実質的には824MHz〜894MHz又は880MHz〜960MHzであり、前記第3使用周波数帯、前記第4使用周波数帯及び前記第5使用周波数帯が、実質的に1710MHz〜1880MHz、1850MHz〜1990MHz及び1920MHz〜2170MHzである。
一般的には、エレメント長については、マルチバンドアンテナの共振周波数が、使用周波数帯域内に実質的に入るように設計することが、実用上は重要なので、メインエレメントのエレメント長は、例えば、使用周波数帯域内に設定した設定周波数の波長をλとすると、略(2n+1)λ/4(但し、nは0,1,2,・・・)又は略nλ/2(但し、nは1,2,・・・)、サブエレメントのエレメント長は、略nλ/2(但し、nは1,2,・・・)、メインエレメントとサブエレメントとで先端短絡アンテナとして動作するときの合計のエレメント長は、略nλ/2(但し、nは1,2,・・・)となるように設計する。この関係は、一つのメインエレメントに対してサブエレメントが複数の場合も同様の関係となる。
本発明の通信機器は、上述したマルチバンドアンテナを筐体内に収容してなり、使用周波数帯の切換を前記制御信号の信号レベルの切換によって行うように構成されている、携帯型の通信機器である。
本発明によれば、高感度で小型、マルチバンド化に対応したアンテナを備えた携帯電話無線機等の携帯型の通信機器を提供できるため、これらの機器の用途を大幅に拡張することができる。The multiband antenna provided by the present invention has a main element having an open end and a feed end, and capable of radiating high-frequency signals in a plurality of frequency bands fed to the feed end; One or more sub-elements disposed at a predetermined distance from the open end of the main element and capable of resonating at a frequency different from that of the main element; a grounding conductor disposed at a base end of the sub-element and a predetermined part A switch mechanism for conducting or non-conducting between the base element and the grounding conductor when the switch mechanism is in a first state in which the sub-element is in the main state. It acts as a parasitic induction element for the element and becomes a tip short-circuited antenna in which the tip of the sub-element and the open end of the main element are coupled at high frequency, Write, in which the sub-elements when the second state by the switching mechanism and the proximal end and the ground conductor becomes non-conductive to act as a passive reflection element for the main element.
In this way, the sub-element that can resonate at a frequency different from that of the main element can be switched between the parasitic induction element and the parasitic reflection element, so that the resonance frequency can be increased without increasing the number of elements. Therefore, it is possible to realize a multiband antenna that is small and can handle a wide band.
Specifically, the switch mechanism is inserted and connected between the base end portion of the sub-element and the ground conductor, and the semiconductor switching element that performs a switching operation according to the signal level of a control signal input from the outside is connected to the conduction or It is comprised including as a component for switching non-conduction. By configuring the switch mechanism with the semiconductor switching element in this way, it is possible to easily switch between the first state and the second state.
Preferably, the electrical area of the main element is set to a value of about 3 to about 18 times the sum of the electrical areas of all the sub-elements. Thereby, the electrical area of the multi-band antenna becomes substantially the same as the electrical area of the main element, and the influence on the radiation characteristics due to the provision of the sub-element can be mitigated.
The main element is formed of a conductive thin plate having, for example, an inverted L shape, an inverted F shape, a meander shape, or a plate shape, and the sub element has a predetermined positional relationship with respect to the main element, for example. It is formed with a strip-shaped conductive member formed in the above.
From the viewpoint of enabling a plurality of frequencies to be radiated without contradiction, an impedance adjusting element is further provided with one end connected to the ground conductor and the other end being a free end substantially parallel to the main element. Is preferable.
From the viewpoint of facilitating mounting on a communication device, it is preferable to configure the multiband antenna by including a base body that can be mounted on the communication device. A part of the base body receives the ground conductor, a power supply terminal for connection with a high-frequency transmission / reception circuit for transmitting / receiving a predetermined high-frequency signal, and a control signal for controlling a switch mechanism input from the outside. The main element and the sub-element are attached to the base body while maintaining a predetermined positional relationship with respect to the ground conductor, and the feeding end of the main element is The semiconductor switching element is connected to a power supply terminal, and is configured to be supplied with the control signal input through the control terminal.
In consideration of convenience when using a plurality of frequencies, an impedance matching circuit composed of a combination of an inductive element and a capacitive element is interposed between the feeding end and the feeding terminal. May be. Similarly, when the switch mechanism is a semiconductor switching element, an impedance adjustment circuit is provided between the semiconductor switching element and the control terminal to cut off the control terminal at a high frequency and to conduct the current in a direct current manner. You may comprise so that.
As described above, in the case where a base is provided, an element mounting base made of a dielectric having a pair of main surface portions, a pair of side end portions and a pair of short end portions respectively facing the other is fixed to the base body. To be. The main element and the sub-element are attached to the element attachment base along the shape thereof.
In this case, the main element and the sub-element are each formed on one main surface portion of the element mounting base, and the main surface portion is on the same plane as the surface portion of the ground conductor. . Alternatively, each of the main element and the sub-element extends in a direction substantially perpendicular to the ground conductor along one side end of the element mounting base, and further passes through one main surface of the element mounting base. The other side end portion is formed, and the open end portion of the main element and the tip end portion of the sub element are opposed to each other at a predetermined interval at the side end portion. Alternatively, the main element and the sub-element each extend in a direction substantially perpendicular to the ground conductor along one side end portion of the element mounting base, and further on the one main surface portion of the element mounting base. The main conductor is bent in a substantially horizontal direction with respect to the ground conductor so that the open end of the main element and the tip of the sub-element face each other at a predetermined interval on the main surface.
In the multiband antenna of the present invention, each of the main element and the sub-element is one, the wavelength of the first setting frequency is λ f1 , the wavelength of the second setting frequency is λ f2 , and the wavelength of the third setting frequency is When λ f3 , the wavelength of the fourth set frequency is λ f4 , and the wavelength of the fifth set frequency is λ f5 , the element length of the main element is approximately λ f2 / 4 and approximately 3λ f5 / 4, The element length of the sub-element is approximately nλ f3 / 2, and the element length of the short-circuited tip antenna in the first state is approximately λ f1 / 2 and approximately λ f4 .
The first use frequency band and the second use frequency band are substantially 824 MHz to 894 MHz or 880 MHz to 960 MHz, and the third use frequency band, the fourth use frequency band, and the fifth use frequency band. Are substantially 1710 MHz to 1880 MHz, 1850 MHz to 1990 MHz, and 1920 MHz to 2170 MHz.
In general, it is practically important to design the element length so that the resonance frequency of the multiband antenna falls within the frequency band used, so the element length of the main element is used, for example, When the wavelength of the set frequency set in the frequency band is λ, it is approximately (2n + 1) λ / 4 (where n is 0, 1, 2,...) Or approximately nλ / 2 (where n is 1, 2). ,..., The element length of the sub-element is approximately nλ / 2 (where n is 1, 2,...), The total element length when the main element and the sub-element operate as a short-circuited antenna. Is designed to be approximately nλ / 2 (where n is 1, 2,...). This relationship is the same when there are a plurality of sub-elements for one main element.
A communication device according to the present invention is a portable communication device that is configured to house the above-described multiband antenna in a housing and is configured to perform switching of a used frequency band by switching of the signal level of the control signal. is there.
According to the present invention, since it is possible to provide portable communication devices such as mobile phone radios equipped with antennas that are highly sensitive, small, and capable of multiband, the applications of these devices can be greatly expanded. .
図1は、本発明のマルチバンドアンテナの構成図である。
図2(a)は第1状態時、メインエレメントとサブエレメントとの協働により先端短絡アンテナとして動作するときの原理説明図であり、図2(b)は第2状態時、サブアンテナが無給電反射素子として動作するときの原理説明図である。
図3は、図1に示したマルチバンドアンテナのVSWR−周波数特性図である。
図4(a)〜(c)は、各エレメントの形状のバリエーションを示した図である。
図5(a)は、コプレーナ構造の放射パターンであり、図5(b)は、オーバーレイ構造の放射パターンを示した図である。
図6は、平面コプレーナ構造のマルチバンドアンテナの実装状態説明図である。
図7は、立体コプレーナ構造のマルチバンドアンテナの実装状態説明図である。
図8は、平面オーバーレイ構造のマルチバンドアンテナの実装状態説明図である。
図9は、立体オーバーレイ構造のマルチバンドアンテナの実装状態説明図である。
図10(a)〜(c)は、マルチバンドアンテナを携帯無線電話機に搭載した状態を示すための説明図である。
図11は、サブエレメントを複数設けたマルチバンドアンテナの構成図である。
図12は、図11のマルチバンドアンテナのVSWR−周波数特性図である。
図13(a)は、スイッチ機構と接地導体との間に容量性素子を挿入した状態を示した図であり、図13(b)は、誘導性素子を挿入した状態を示した図である。
図14は、図13の場合のVSWR−周波数特性図である。
図15(a)は、携帯電話無線機用の基体の正面図であり、図15(b)はその側面図である。
図16は、本発明の実施例によるマルチバンドアンテナの構成図である。
図17(a)は、設定バンド、設定周波数、及びエレメント長の関係を示した図表であり、図17(b)は制御信号の電圧値と設定バンドの関係を示した図表である。
図18(a)は、AMPS、GSM900におけるVSWR特性であり、図18(b)はGSM1800、DC、PCS1900、UMTSにおけるVSWR特性である。
図19(a)は、AMPS、GSM900における利得特性であり、図19(b)はGSM1800、DCS、PCS1900、UMTSにおける利得特性である。
図20は、AMPS及びGSM1800のときの対接地導体間隔とアンテナ利得との関係図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a multiband antenna according to the present invention.
FIG. 2A is a diagram for explaining the principle when operating as a short-circuited tip antenna in the first state by cooperation of the main element and the sub-element, and FIG. 2B is a diagram showing no sub-antenna in the second state. It is principle explanatory drawing when it operate | moves as a feeding reflective element.
FIG. 3 is a VSWR-frequency characteristic diagram of the multiband antenna shown in FIG.
4A to 4C are diagrams showing variations in the shape of each element.
FIG. 5A shows a radiation pattern of the coplanar structure, and FIG. 5B shows a radiation pattern of the overlay structure.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a mounting state of a multiband antenna having a planar coplanar structure.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a mounting state of a multiband antenna having a three-dimensional coplanar structure.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a mounting state of a multiband antenna having a planar overlay structure.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a mounting state of a multiband antenna having a three-dimensional overlay structure.
FIGS. 10A to 10C are explanatory diagrams for illustrating a state in which the multiband antenna is mounted on the mobile radio telephone.
FIG. 11 is a configuration diagram of a multiband antenna provided with a plurality of sub-elements.
FIG. 12 is a VSWR-frequency characteristic diagram of the multiband antenna of FIG.
FIG. 13A is a diagram showing a state where a capacitive element is inserted between the switch mechanism and the ground conductor, and FIG. 13B is a diagram showing a state where an inductive element is inserted. .
FIG. 14 is a VSWR-frequency characteristic diagram in the case of FIG.
FIG. 15A is a front view of a base for a mobile phone radio, and FIG. 15B is a side view thereof.
FIG. 16 is a configuration diagram of a multiband antenna according to an embodiment of the present invention.
FIG. 17A is a chart showing the relationship between the set band, the set frequency, and the element length, and FIG. 17B is a chart showing the relationship between the voltage value of the control signal and the set band.
18A shows VSWR characteristics in AMPS and GSM900, and FIG. 18B shows VSWR characteristics in GSM1800, DC, PCS1900, and UMTS.
19A shows gain characteristics in AMPS and GSM900, and FIG. 19B shows gain characteristics in GSM1800, DCS, PCS1900, and UMTS.
FIG. 20 is a relationship diagram between the ground conductor spacing and the antenna gain in the case of AMPS and GSM1800.
図1を参照して、本発明のマルチバンドアンテナの基本的な構成例を説明する。
本発明のマルチバンドアンテナは、図1に示されるように、メインエレメント10とサブエレメント20とのセットを含んで構成される。メインエレメント10は、例えば逆L状に成形された導電性薄板から成り、その電気的面積は、マルチバンドアンテナとしての全体の電気的面積を実質的にカバーする面積になるように成形されている。
このメインエレメント10の両端部のうち、一方端は開放端部11、他方端は給電端部12である。給電端部12には、図示しない高周波送受信回路が接続される給電用端子30が設けられている。送信時には、高周波送受信回路からこの給電用端子30に所定電力値の高周波信号が供給され、マルチバンドアンテナが送信用アンテナとして動作できるようになる。
サブエレメント20は、電気的面積がメインエレメント10の電気的面積よりも十分に小さくなるように、例えば棒状あるいはストリップ状の導電性部材から成る。導電性部材の略中央部は、例えばメアンダ状に成形されている。サブエレメント20の先端部21は、メインエレメント10の開放端部11と間隔d1だけ離して配設されている。
サブエレメント20の略中央部は、メインエレメント10の給電端部に近い部分に対して間隔d2でほぼ対向している。
なお、以後の説明において、サブエレメント20の先端部21という場合、図1に示されているような最先端断面部のほか、最先端から一定長の側面部も含むものとする(これについては、後述する)。また、間隔d1は、固定的に設計してもよいが、アンテナ製造後に任意に調整できるようにしてもよい。後者の場合は、例えば、メインエレメント10の開放端部11とサブエレメント20の先端部21の一方又は双方を変位させるか、あるいは、サブエレメント20の先端部21付近の長さをカットすることによって、それを実現する。間隔d2についても同様である。
サブエレメント20の基端部22には、スイッチ機構40が設けられている。
スイッチ機構40は、制御端子41に入力される制御信号により、所定部位に配されている接地導体50とサブエレメント20の基端部22との導通/非導通を切り換えるものである。スイッチ機構40には、その入出力間をメカニカルに導通(オン)/非導通(オフ)にするスイッチのほか、制御信号の信号レベルに応じて入出力間を実質的に導通(オン)/非導通(オフ)にする半導体スイッチング素子を用いることができる。
半導体スイッチング素子としては、例えば、汎用のショットキーダイオードを用いることができるが、アイソレーションを重視する場合はPINダイオード、低電流動作を重視する場合はFETスイッチ又はICスイッチ、強電界・低ひずみを重視する場合はMEMSスイッチ(Micro Electro Mechanical Systems:微細な電気回路と機械的構造を一体化したもの)を用いることができる。制御信号は、図示しないインターフェース装置から制御端子41を通じて入力される本発明の通信機器のバンド選択のための電圧信号であり、例えば、0〜3Vの電圧信号を用いることができる。
スイッチ機構40により基端部22と接地導体50とが導通している状態を「第1状態」、両者が非導通の状態を「第2状態」とする。
第1状態のときは、サブエレメント20の基端部22が接地されるので、サブエレメント20がメインエレメント10に対する無給電誘導素子として作用し、当該サブエレメント20とメインエレメント10とが高周波結合して、先端短絡(ループ)アンテナとして動作する。つまり、本例では、図2(a)に示されるように、サブエレメント20の共振がメインエレメント10に誘導されてメインエレメント10の全体とサブエレメント20の全体とが誘導結合(磁界結合)するとともに、メインエレメント10の開放端部11とサブエレメント20の先端部21とが容量結合(電界結合)した一つのループアンテナとして動作する。このように、第1状態のときには、メインエレメント10とサブエレメント20とが2種類の結合状態をとるように動作するため、複数の共振周波数を持つことができる。
他方、第2状態のときは、サブエレメント20の基端部22が開放されるので、図2(b)に示されるように、サブエレメント20がメインエレメント10に対して電気的影響を与えない極小の無給電反射素子として作用する。
<各エレメントのサイズ、配置等>
ここで、メインエレメント10とサブエレメント20のサイズ(エレメント長、電気的面積等)、配置(間隔d1,d2、メインエレメント10の水平部と接地導体との間隔(対接地導体間隔)等)の好ましい例について説明する。
エレメント長については、マルチバンドアンテナとしての共振周波数が、すべて使用周波数帯域内に実質的に入るように設計することが、実用上は重要である。
そのため、図1に例示した構成によるメインエレメント10のエレメント長は、例えば、使用周波数帯域内に任意に設定した第2設定周波数f2の波長をλf2、第5設定周波数の波長をλf5とすると、略(2n+1)λf2,f5/4(但し、nは0,1,2,・・・)となるように設計するのが好ましい。「n」の値は、サブエレメント20の数及び設定周波数の数に応じて異なる。例えば、サブエレメント20の数が図1のように一つで、設定周波数を第1〜第5設定周波数とする場合、第2設定周波数f2ではλf2/4で、第5設定周波数では略3λf5/4となる。
サブエレメント20のエレメント長は、例えば、使用周波数帯域内に設定した第3設定周波数f3の波長をλf3とすると、略nλf3/2(但し、nは0,1,2,・・・)となるように設計するのが好ましい。
また、第1状態のとき、つまり、メインエレメント10とサブエレメント20とで先端短絡アンテナとして動作するときの合計のエレメント長(間隔d1を含む)は、例えば、使用周波数帯域内に設定した第1設定周波数f1の波長をλf1、第4設定周波数f4の波長をλf4とすると、略nλf1,f4/2(但し、nは1,2,・・・)となるように設計するのが好ましい。すなわち、第1設定周波数のときは略λ/2で、第4設定周波数のときは略λf4となる。
この場合、f1及びf4は、メインエレメント10とサブエレメント20の容量結合による共振周波数、f3は上述した2つのエレメント間の誘導結合による共振周波数であり、f2及びf5は、サブエレメント20が無給電反射素子として作用するときのメインエレメント10の共振周波数である。
「略」は、アンテナのVSWRを向上させるために、多少の微調整が入ることを意味している。例えば、第1状態のときのマルチバンドアンテナの共振周波数は、間隔d1を広くするほど高く、間隔d1を狭くするほど低くなるように変化する。また、第1状態のときのメインエレメント10とサブエレメント20との誘導結合による共振周波数の帯域幅は、間隔d2を狭くするほど広く、広くするほど狭くなる。さらに、サブエレメント20の基端部22が開放のときと短絡のときとでアンテナインピーダンスも変化する。そのため、給電時(アンテナ共振時)のVSWRの値を計測しながら、その値が最適になるように、各エレメント長ないしその配置(間隔d1,d2)を調整する結果、上述した各エレメント長も、実際には、多少変化することになる。
メインエレメント10とサブエレメント20の電気的面積の比率もまた、アンテナ共振時のVSWRの値が最適になるように設計する。そのためには、サブエレメント20を設けることによってマルチバンドアンテナ全体で使用可能な周波数帯域を狭くすることなく、かつ放射特性等に大きな影響を与えないように成形する必要がある。発明者らの実験によれば、メインエレメント10に対するサブエレメント20の面積比率が、ほぼ、略3:1から略18:1の範囲内に収めることで、実用上支障のない放射特性等が得られることが確認されている。この範囲内であれば、マルチバンドアンテナの電気的面積が、ほぼメインエレメント10の電気的面積となるため、サブエレメント20の数を複数に増やしても、共振周波数の狭帯域を最小限にすることができるのである。また、サブエレメント20の電気的面積が小さいことから、マルチバンドアンテナとしての全体のサイズも小型にすることができる。
間隔d1は誘導結合、間隔d2は容量結合の強度を定める。そのため、使用する周波数を含むバンドでのVSWRを見ながら決定していく必要がある。対接地導体間隔は、それを狭くしていくと、放射特性が低下するためにアンテナ利得が下がる。そこで、性能上、問題のない値となる間隔を決定していく必要がある。
<VSWR特性>
図3は、図1に例示された構成のマルチバンドアンテナによるVSWRと設定周波数との関係を示している。図3に示されるように、この例のマルチバンドアンテナでは、エレメント長に応じて、少なくとも5つの共振周波数を持つことができるし、共振周波数の調整も、スイッチ機構40への制御信号の入力だけで行うことができる。このように、本発明によれば、マルチバンドに対応する小型かつ広帯域で共振周波数の調整が容易なマルチバンドアンテナを得ることができる。
<エレメント形状の他の例>
メインエレメント10とサブエレメント20の各々の形状は、必ずしも、図1に示した例に限定されず、用途に応じて、種々の形状のものを用いることができる。
例えば、図4(a)の例では、サブエレメント20は図1に示したものと同じであるが、逆F状の導電性薄板からなるメインエレメント10aを採用し、このメインエレメント10aのうち、開放端部以外の二つの端部の一つを給電端部、他の一つを接地端部としている。メインエレメント10aをこのような形状にすると、電気的面積及び特性を確保しつつマルチバンドアンテナのサイズを図1に示したものよりもさらに小型にすることができる。
図4(b)の例では、サブエレメント20は図1に示したものと同じであるが、メアンダ状の導電性薄板から成るメインエレメント10bを採用している。メアンダ状にするとエレメント長を短くすることができるので、マルチバンドアンテナのサイズの小型化に寄与することができる。
図4(c)の例では、メアンダ成形がなされていないサブエレメント20aと矩形状の導電性薄板からなるメインエレメント10cとを採用している。このような形状にすることで、成形のコストがかからない分安価にすることができ、また、放射効率の高いマルチバンドアンテナを容易に実現することができる。
<アンテナ取付構造と放射パターン>
本発明のマルチバンドアンテナは、用途に応じて、コプレーナ(Coplanar)構造とオーバーレイ(Overlay)構造のいずれの構造をも採用することができる。
図5(a)はコプレーナ構造を採用する場合の基本的なアンテナ取付構造と、そのときの高周波信号の放射パターンを示している。コプレーナ構造では、接地導体Eに対してマルチバンドアンテナ1が略平行に設けられるので、放射パターンは、マルチバンドアンテナ1の表方向の第1覆域パターン(FRONT)P11と裏方向の第2覆域パターン(BACK)P12とが、ほぼ対称的となる。
これに対して、オーバーレイ構造では、図5(b)に示されるようにマルチバンドアンテナ1が接地導体Eに積層されたものとなるため、放射パターンは、接地導体Eに遮られる分、上記の第1覆域パターンP11に対して第2覆域パターンP12が、相対的に縮小されたものとなる。
<マルチバンドアンテナの実装例>
次に、本発明のマルチバンドアンテナの実装例を具体的に説明する。
本発明のマルチバンドアンテナには、コプレーナ構造/オーバーレイ構造とも、平面構成のものと、立体構成のものとがある。以下、これらの具体例を説明する。
[平面コプレーナ構造]
平面コプレーナ構造のマルチバンドアンテナは、例えば、図6に示すように、誘電体基体K1の全面又は表裏面部の一方の主表面を導体で覆うことにより構成された接地導体E1と、例えばFR−4誘電体からなるエレメント取付基体D1とを同じ平面上で接合して構成される。1枚の誘電体基体の一部のみを導体で覆って接地導体E1とし、残部をエレメント取付基体D1とすることもできる。
エレメント取付基体D1の主表面には、逆L型のメインエレメント101及びメアンダ成形されたサブエレメント201がそれぞれ蒸着あるいは接着等によって固定されている。メインエレメント101の開放端部とサブエレメント201の先端部とは一定間隔(d1)離して対向している。エレメント取付基体D1の主表面のうち、メインエレメント101の給電端付近には、その給電端部に接続された給電用端子301が設けられており、さらに、サブエレメント202の基端部付近に、スイッチ機構401と制御端子411とが設けられている。スイッチ機構401は、サブエレメント202の基端部と接地導体E1とを結ぶ導電性部材の間に介在しており、スイッチ機構401がオンのときには、サブエレメント201と接地導体E1とが導通するようになっている。図示しない高周波送受信回路側のコネクタが給電用端子301に結合され、また、図示しない通信機器の制御装置側のコネクタが制御端子411に結合されることにより、マルチバンドアンテナとして動作可能な状態となる。
[立体コプレーナ構造]
立体コプレーナ構造のマルチバンドアンテナは、例えば、図7に示すように、誘電体基体K2の一部を導体で覆うことにより構成された接地導体E2と、誘電体基体K2のうち、導体が形成されていない部位に、例えばFR−4誘電体からなるエレメント取付基体D2を積層して構成される。エレメント取付基体D2は、例えば、面積の広い表裏一対の主表面部、一対の側端部、一対の端部を有する直方体状に成形されたものである。なお、このエレメント取付基体D2の形状は、マルチバンドアンテナが搭載される通信機器の筐体形状に応じて任意に変形することができる。
逆L状のメインエレメント102及びメアンダ状のサブエレメント202は、それぞれ、エレメント取付基体D2の接地導体E2に隣接する側の側端部から表側の主表面部を介して他方の側端部に延在している。メインエレメント102の開放端部とサブエレメント202の先端部とは一定間隔(d1)離して対向している。サブエレメント202の基端部は、スイッチ機構402及び取付金具422を介して接地導体E2と導通している。メインエレメント102の給電端部と導通する給電用端子302及びスイッチ機構402に制御信号を供給するための制御端子412は、誘電体基体K2の所定部位に設けられている。図示しない高周波送受信回路側のコネクタが給電用端子302に結合され、また、図示しない通信機器の制御装置側のコネクタが制御端子412に結合されることにより、マルチバンドアンテナとして動作可能な状態となる。
[平面オーバレイ構造]
平面オーバーレイ構造のマルチバンドアンテナとしては、例えば、図8に示すような公知の板状逆F型アンテナ(PIFA:Planar Inverted F Antenna)をメインエレメント103として用いることができる。
すなわち、例えば、誘電体基体K3の全体を覆うことにより構成された接地導体E3の所定部位に、逆F型に成形されたメインエレメント103を、その給電端部が給電用端子303から垂直方向に延びるように設ける。また、メアンダ状のサブエレメント203の先端部を逆F型のメインエレメント103の開放端部と所定間隔離して配するとともにその基端部寄りを、スイッチ機構403を介して接地導体E3に対して垂直方向に延びるように設ける。逆F型のメインエレメント103の他の接地端部103aは接地導体E3に接合させる。制御端子413は、接地導体E3の所定部位に設けられる。
図示しない通信機器の高周波送受信回路側のコネクタが給電用端子303に結合され、また、図示しない制御装置側のコネクタが制御端子413に結合されることにより、マルチバンドアンテナとして動作可能な状態となる。
[立体オーバーレイ構造]
立体オーバーレイ構造のマルチバンドアンテナは、例えば、図9に示すように、誘電体基体K4の主表面部の全面を導体で覆うことにより構成された接地導体E4上に、例えばFR−4誘電体からなるエレメント取付基体D4を積層して構成される。エレメント取付基体D4は、例えば、面積の広い表裏一対の主表面部、一対の側端部、一対の端部を有する直方体状に成形されたものである。
逆L状のメインエレメント104及びメアンダ状のサブエレメント204は、それぞれ、エレメント取付基体D4の接地導体E4に隣接する側の側端部から表側の主表面部にかけて延在している。メインエレメント104の開放端部とサブエレメント204の先端部とは一定間隔(d1)離して対向している。サブエレメント204の基端部は、スイッチ機構404及び取付金具424を介して接地導体E4と導通している。メインエレメント104の給電端部と導通する給電用端子304及びスイッチ機構404に制御信号を供給するための制御端子414は、誘電体基体K4の所定部位に設けられている。
図示しない高周波送受信回路側のコネクタが給電用端子304に結合され、また、図示しない通信機器の制御装置側のコネクタが制御端子414に結合されることにより、マルチバンドアンテナとして動作可能な状態となる。
なお、接地導体E1〜E4の大きさ、及び、接地導体E1〜E4と各メインエレメント101〜104との距離、間隔が大きくなるほどアンテナインピーダンスが低下して放射効率が低くくなり、帯域幅も狭くなる傾向がある。そのため、本例では、使用する周波数帯域において十分な性能が確保されるように、接地導体E1〜E4の面積並びにメインエレメント101〜104に対する接地導体E1〜E4の距離、間隔を設定している。
<マルチバンドアンテナが搭載される通信機器>
本発明のマルチバンドアンテナは、音、画像(静止画、動画)、データなどの複数のメディアに対応可能な携帯電話無線機、PDA等の移動可能な携帯型の通信機器に搭載されて使用されるのに適している。例えば、携帯電話無線機に搭載する場合は、図10に斜線で示したように、マルチバンドアンテナを取り付けて使用することが可能である。図10(a)は、携帯電話無線機の操作部の背面側に接地導体、操作部の端部にマルチバンドアンテナ1aを取り付けた例である。また、図10(b)は、携帯電話無線機の表示部の背面側に接地導体、表示部の先端部にマルチバンドアンテナ1bを取り付けた例である。図10(c)は操作部の背面側に接地導体、背面端部にマルチバンドアンテナ1cを取り付けた例である。筐体内部に収容(内蔵)する構成であってもよい。
通信機器には、使用周波数帯の切換を行うため、上述したとおり所要の信号レベルを有する制御信号を発生させる制御装置が設けられている。
なお、マルチバンドアンテナは、求められる性能に応じて、適宜、交換して使用することも可能である。この場合は、通信機器の上記の部位に、それぞれ、マルチバンドアンテナを離脱自在に装着するための機構を設けるとともに、メインエレメントおよびサブエレメントの一方又は両方の側では、上記機構に適合する装着機構を形成するようにする。
<マルチバンドアンテナの他の実施形態>
次に、本発明のマルチバンドアンテナの他の実施形態を説明する。
図11は、図1に示したマルチバンドアンテナの変形例として、サブエレメントを複数使用したときの構成図である。このような形態のマルチバンドアンテナは、1つのメインエレメント(例えば逆L型エレメント)10と、それぞれ、先端部がメインエレメント10の開放端部と間隔d1で対向する2つのサブエレメント20a,20bとを備えて構成される。これらのサブエレメント20a,20bの電気的面積の和は、メインエレメント10の電気的面積に対して実質的に無視できる面積とすることは、上述したとおりである。
メインエレメント10の給電端部には給電用端子30が設けられる。サブエレメント20aの基端部と接地導体50との間には、制御端子41aに供給される制御信号によって導通/非導通が切り換えられるスイッチ機構40aが設けられる。サブエレメント20bも同様に、その基端部と接地導体50との間に、制御端子41bに供給される制御信号によって導通/非導通が切り換えられるスイッチ機構40bが設けられる。
図11に示した構成のマルチバンドアンテナにおいて、各エレメント長の関係は、図1に示したものとほぼ同じとなる。
すなわち、メインエレメント10のみで略(2n+1)λf3,f8/4(但し、n=0,1,2,・・・)、メインエレメント10とサブエレメント20aとで先端短絡アンテナとして動作するときで略nλf1,f5/2(但し、n=1,2,・・・)、メインエレメント10とサブエレメント20bとで先端短絡アンテナとして動作するときで略nλf2,f7/2(但し、n=1,2,・・・)、サブエレメント20aのみで略nλf4/2(但し、n=1,2,・・・)、サブエレメント20bのみで略nλf6/2(但し、n=1,2,・・・)となる。
f1、f2、f5、f7が容量結合による共振周波数、f4、f6が誘導結合による共振周波数、f3、f8は、サブエレメント20a,20bが無給電反射素子として作用するときの設定周波数である。
このように構成されるマルチバンドアンテナのVSWR−設定周波数特性は、制御端子41a,41bに入力する制御信号の信号レベルを調整することで、図12のように、f1〜f8の8つの共振周波数を持つものとなり、更なるマルチバントに対応することができる。
[各種調整回路]
例えば、図1に示した構成のマルチバンドアンテナにおいて、スイッチ機構40と接地導体50との間に、容量性素子又は誘導性素子を挿入して、共振周波数を変化させることができる。例えば、図13(a)は容量性素子61を挿入した例、同(b)は誘導性素子を挿入した例である。サブエレメント20のエレメント長が、図13(a)の場合は見かけ上短縮され、同(b)の場合は見かけ上延長されるため、アンテナの共振周波数は、図14のように変化する。このようにして、共振周波数の微調を行うことができる。
また、このほかに、メインエレメント10の給電端部と給電用端子30との間に、誘導性素子と容量性素子との並列回路又は直並列回路からなるインピーダンス整合回路を挿入したり、制御端子41からスイッチ機構40に直接制御信号を供給するのではなく電流調整用の抵抗器を介在させたり、使用周波数帯に対して高インピーダンスになるような誘導性素子を介してスイッチ機構40に制御信号を供給するようにしてもよい。
また、インピーダンス調整用に、メインエレメント10とある間隔をおいてほぼ平行で、その一端が接地導体50にほぼ垂直に接合された調整用エレメントを備えるようにしてもよい。A basic configuration example of the multiband antenna of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the multiband antenna of the present invention includes a set of a
Of the both ends of the
The sub-element 20 is made of, for example, a bar-shaped or strip-shaped conductive member so that the electrical area is sufficiently smaller than the electrical area of the
The substantially center portion of the sub-element 20 is substantially opposed to the portion of the
In the following description, the
A
The
As a semiconductor switching element, for example, a general-purpose Schottky diode can be used, but a PIN diode is used when isolation is important, an FET switch or an IC switch when low current operation is important, and a strong electric field / low distortion is used. When importance is attached, a MEMS switch (Micro Electro Mechanical Systems: a combination of a fine electric circuit and a mechanical structure) can be used. The control signal is a voltage signal for band selection of the communication device of the present invention input from an interface device (not shown) through the
A state where the
In the first state, since the
On the other hand, in the second state, since the
<Size and arrangement of each element>
Here, the size of the
Regarding the element length, it is practically important to design so that the resonance frequencies of the multiband antenna are all substantially within the use frequency band.
Therefore, the element length of the
The element length of the sub-element 20 is, for example, approximately nλ f3 / 2 (where n is 0, 1, 2,...), Where λ f3 is the wavelength of the third set frequency f3 set within the use frequency band. It is preferable to design so that
Further, in the first state, that is, when the
In this case, f 1 and f 4 are resonance frequencies due to capacitive coupling between the
“Abbreviated” means that some fine adjustment is made in order to improve the VSWR of the antenna. For example, the resonance frequency of the multiband antenna in the first state changes so as to increase as the interval d1 increases and decrease as the interval d1 decreases. Further, the bandwidth of the resonance frequency due to the inductive coupling between the
The ratio of the electrical area of the
The interval d1 determines the strength of inductive coupling, and the interval d2 determines the strength of capacitive coupling. Therefore, it is necessary to make a decision while looking at the VSWR in the band including the frequency to be used. As the distance between the ground conductors is reduced, the radiation characteristics are lowered, and the antenna gain is lowered. Therefore, it is necessary to determine an interval at which there is no problem in terms of performance.
<VSWR characteristics>
FIG. 3 shows the relationship between the VSWR and the set frequency by the multiband antenna having the configuration illustrated in FIG. As shown in FIG. 3, the multiband antenna of this example can have at least five resonance frequencies according to the element length, and the resonance frequency can be adjusted only by inputting a control signal to the
<Other examples of element shape>
The shape of each of the
For example, in the example of FIG. 4A, the sub-element 20 is the same as that shown in FIG. 1, but a
In the example of FIG. 4B, the sub-element 20 is the same as that shown in FIG. 1, but the
In the example of FIG. 4C, a sub-element 20a that has not been subjected to meander molding and a
<Antenna mounting structure and radiation pattern>
The multiband antenna of the present invention can adopt either a coplanar structure or an overlay structure depending on the application.
FIG. 5A shows a basic antenna mounting structure when a coplanar structure is employed, and a radiation pattern of a high-frequency signal at that time. In the coplanar structure, since the
On the other hand, in the overlay structure, as shown in FIG. 5B, the
<Multiband antenna mounting example>
Next, a mounting example of the multiband antenna of the present invention will be specifically described.
The multiband antenna of the present invention includes a planar configuration and a three-dimensional configuration for both the coplanar structure / overlay structure. Specific examples of these will be described below.
[Planar coplanar structure]
For example, as shown in FIG. 6, the multi-band antenna having a planar coplanar structure includes a ground conductor E1 formed by covering the entire surface of the dielectric substrate K1 or one main surface of the front and back surfaces with a conductor, for example, FR-4. The element mounting base D1 made of a dielectric is joined on the same plane. It is also possible to cover only a part of one dielectric base with a conductor to be the ground conductor E1, and the rest to be the element mounting base D1.
An inverted L-shaped
[Three-dimensional coplanar structure]
For example, as shown in FIG. 7, the multi-band antenna having a three-dimensional coplanar structure has a ground conductor E2 formed by covering a part of a dielectric base K2 with a conductor and a conductor formed of the dielectric base K2. An element mounting base D2 made of, for example, FR-4 dielectric is laminated on the part that is not. The element mounting base D2 is, for example, formed into a rectangular parallelepiped shape having a pair of front and back main surface portions, a pair of side end portions, and a pair of end portions having a large area. In addition, the shape of this element attachment base | substrate D2 can be arbitrarily changed according to the housing | casing shape of the communication apparatus in which a multiband antenna is mounted.
Each of the inverted L-shaped
[Plane overlay structure]
As a multiband antenna having a planar overlay structure, for example, a known plate-like inverted F antenna (PIFA) as shown in FIG. 8 can be used as the
That is, for example, the
A connector on the high frequency transmission / reception circuit side of a communication device (not shown) is coupled to the
[Three-dimensional overlay structure]
For example, as shown in FIG. 9, a multi-band antenna having a three-dimensional overlay structure is formed of, for example, an FR-4 dielectric on a ground conductor E4 configured by covering the entire main surface of the dielectric substrate K4 with a conductor. The element mounting base D4 is formed by stacking. The element mounting base D4 is formed, for example, in a rectangular parallelepiped shape having a pair of front and back main surface portions, a pair of side end portions, and a pair of end portions having a large area.
Each of the inverted L-shaped
A connector on the high frequency transmission / reception circuit side (not shown) is coupled to the
As the size of the ground conductors E1 to E4 and the distances and distances between the ground conductors E1 to E4 and the
<Communication equipment with multiband antenna>
The multiband antenna of the present invention is used by being mounted on a mobile communication device such as a mobile phone radio or a PDA that can handle a plurality of media such as sound, images (still images, moving images), and data. Suitable for For example, when it is mounted on a mobile phone radio, it can be used with a multiband antenna attached, as shown by hatching in FIG. FIG. 10A shows an example in which a ground conductor is attached to the back side of the operation unit of the mobile phone radio and a
The communication device is provided with a control device that generates a control signal having a required signal level as described above in order to switch the used frequency band.
Note that the multiband antenna can be used by appropriately replacing depending on the required performance. In this case, a mechanism for detachably mounting the multiband antenna is provided at each of the above-described portions of the communication device, and a mounting mechanism that fits the above mechanism is provided on one or both sides of the main element and the sub-element. To form.
<Another embodiment of multiband antenna>
Next, another embodiment of the multiband antenna of the present invention will be described.
FIG. 11 is a configuration diagram when a plurality of sub-elements are used as a modification of the multiband antenna shown in FIG. The multiband antenna having such a configuration includes one main element (for example, an inverted L-shaped element) 10 and two
A
In the multiband antenna having the configuration shown in FIG. 11, the relationship between the element lengths is almost the same as that shown in FIG.
That is, only (2n + 1) λ f3, f8 / 4 (where n = 0, 1, 2,...) With the
f 1 , f 2 , f 5 , f 7 are resonant frequencies due to capacitive coupling, f 4 , f 6 are resonant frequencies due to inductive coupling, and f 3 , f 8 are sub-elements 20 a, 20 b acting as parasitic reflection elements. Is the set frequency.
The VSWR-set frequency characteristics of the multiband antenna configured as described above are obtained by adjusting the signal level of the control signal input to the
[Various adjustment circuits]
For example, in the multiband antenna having the configuration shown in FIG. 1, a resonant element can be changed by inserting a capacitive element or an inductive element between the
In addition to this, an impedance matching circuit composed of a parallel circuit or a series-parallel circuit of an inductive element and a capacitive element is inserted between the power feeding end of the
Further, for impedance adjustment, an adjustment element may be provided which is substantially parallel to the
次に、本発明のマルチバンドアンテナの実施例を説明する。
ここでは、携帯電話無線機への搭載に適した平面コプレーナ構造のマルチバンドアンテナの例を示す。図15は、このマルチバンドアンテナを実装するための基体の構造及びサイズを説明するための図であり、(a)は平面図、(b)は側面図である。
この基体は、縱96mm、横40mm、厚み1.0mmのFR−4誘電体基体のうち、縦80mmの部分を接地導体E0、残部の縦16mmの部分をエレメント取付基体D0として用いている。
エレメント取付基体D0には、図16に示すように、エレメント長が長さA+長さBの逆L型のメインエレメント10、(電気的な)エレメント長が長さC、メアンダサイズが長さDのメアンダ型のサブエレメント20のほか、サブエレメント20の基端部と接地導体50との間にPINダイオードPD1を介在させている。
また、長さEの調整用エレメント80、インピーダンス整合回路が設けられている。調整用エレメント80及びインピーダンス整合回路は、設定周波数及び使用周波数帯の数によりアンテナのインピーダンス整合が必要になることから設けられる。インピーダンス整合回路としては、例えば、図16のように、コイルL2、L3及びコンデンサC1との直並列回路を採用することができる。給電用端子30と給電端部との間には上記コイルL3が介在している。調整用エレメント80は、メインエレメント10と間隔d3をおいて、ほぼ平行で、一端が接地導体E0とほぼ垂直に設けられる。
なお、前述のように、メインエレメント10の開放端部とサブエレメント20の先端部との間隔はd1、サブエレメント20とメインエレメント10の間隔はd2である。
PINダイオードPD1には、コイルL1及び抵抗器R1を介して制御端子43から使用目的に応じた信号レベルの制御信号が入力されるようになっている。抵抗器R1は電流調整用のものであり、コイルL1は、上述したように、制御端子43が、使用周波数帯に対して高インピーダンスになるように、つまり使用周波数帯に対して高周波的に無視できるようにするためのものである。このようにして、制御端子43が存在することの特性に与える影響を抑制している。PINダイオードPD1に供給される制御信号の電圧は0〜3V、消費電流は3.0mAとして、0V(オフ)−3V(オン)と電圧を変化させることで、周波数帯域(バンド)の切替を行うことができる。
この実施例において設定可能なバンドは、AMPS(824MHz〜894MHz)、GSM900(880MHz〜960MHz)、GSM1800(1710MHz〜1880MHz)、DCS(1710MHz〜1850MHz)、PCS1900(1850MHz〜1990MHz)及び、UMTS(1920MHz〜2170MHz)とし、図17(a)に示す設定バンド、設定周波数、エレメント長、及び、図17(b)に示す値の制御信号で切換動作させる。
これらの図表によれば、エレメント長は、例えば、メインエレメント10のエレメント長をGSM900バンド内の設定周波数の略λ/4、及び、UMTSバンド内の設定周波数の略3λ/4とし、サブエレメント20のエレメント長を、GSM1800、及び、DCSバンド内の設定周波数の略λ/2に設定している。
このように構成されるマルチバンドアンテナにおいて、制御信号を0[V]と3[V]に切り換えた場合のVSWR特性は、図18のようになる。図18(a)はAMPS、GSM900におけるVSWR特性、同(b)はGSM1800、DCS、PCS1900、UMTSにおけるVSWR特性である。
また、制御信号を0[V]と3[V]に切り換えた場合の利得特性は、図19のようになる。図19(a)はAMPS、GSM900における利得特性、同(b)はGSM1800、DCS、PCS1900、UMTSにおける利得特性である。
それぞれ、各バンド選択時においても使用に十分可能な値となっている。これらの特性を考慮して、図16に示した各定数は、例えば、以下のようにする。
d1:0.8mm、d2:28mm、d3:1.0mm、P1:1.0mm、A:38.0mm、B:16.0mm、C:14.0mm、D:6.0mm、E:6.0mm、L1:100nH、L2:10nH、L3:6.8nH、C1:0.75pF、R1:1.0kΩ。
また、メインエレメント10の水平部と接地導体との間隔(対接地導体間隔)とアンテナ利得との関係は、図20のようになる。図20は、AMPS及びGSM1800のときの例である。この特性図から、この実施例では、性能上、問題のない値となる間隔12mmに設定した。
このように、本発明の実施形態及びそれを具体化した実施例によれば、メインエレメントと異なる周波数に共振可能なサブエレメントを、無給電誘導素子と無給電反射素子とに切り換え可能になるので、エレメント数を増加させることなく、より多くの共振周波数を持つことができ、小型でありながら、広帯域に対応可能なマルチバンドアンテナを容易に実現することができる。
なお、上記の実施形態及び実施例に示した各エレメントの形状、サイズを表す数値、配置等は例示であって、本発明の範囲をこれらに限定する趣旨でないことは、勿論である。Next, an embodiment of the multiband antenna of the present invention will be described.
Here, an example of a multiband antenna having a planar coplanar structure suitable for mounting on a mobile phone radio is shown. FIGS. 15A and 15B are views for explaining the structure and size of a base for mounting the multiband antenna. FIG. 15A is a plan view and FIG. 15B is a side view.
In this base, among the FR-4 dielectric bases having a diameter of 96 mm, a width of 40 mm, and a thickness of 1.0 mm, the length of 80 mm is used as the ground conductor E0, and the remaining length of 16 mm is used as the element mounting base D0.
As shown in FIG. 16, the element mounting base D0 has an inverted L-type
Further, an
As described above, the distance between the open end of the
A control signal having a signal level corresponding to the purpose of use is input to the PIN diode PD1 from the
Bands that can be set in this embodiment are AMPS (824 MHz to 894 MHz), GSM900 (880 MHz to 960 MHz), GSM1800 (1710 MHz to 1880 MHz), DCS (1710 MHz to 1850 MHz), PCS1900 (1850 MHz to 1990 MHz), and UMTS (1920 MHz to 2170 MHz), and the switching operation is performed with the set band, the set frequency, the element length shown in FIG. 17A, and the control signal having the value shown in FIG.
According to these charts, for example, the element length of the
In the multiband antenna configured as described above, the VSWR characteristics when the control signal is switched between 0 [V] and 3 [V] are as shown in FIG. 18A shows VSWR characteristics in AMPS and GSM900, and FIG. 18B shows VSWR characteristics in GSM1800, DCS, PCS1900, and UMTS.
The gain characteristics when the control signal is switched between 0 [V] and 3 [V] are as shown in FIG. 19A shows gain characteristics in AMPS and GSM900, and FIG. 19B shows gain characteristics in GSM1800, DCS, PCS1900, and UMTS.
Each of these values is sufficiently usable even when each band is selected. Considering these characteristics, the constants shown in FIG. 16 are set as follows, for example.
d1: 0.8 mm, d2: 28 mm, d3: 1.0 mm, P1: 1.0 mm, A: 38.0 mm, B: 16.0 mm, C: 14.0 mm, D: 6.0 mm, E: 6. 0 mm, L1: 100 nH, L2: 10 nH, L3: 6.8 nH, C1: 0.75 pF, R1: 1.0 kΩ.
Further, the relationship between the distance between the horizontal portion of the
As described above, according to the embodiment of the present invention and the example that embodies it, the sub-element capable of resonating at a frequency different from that of the main element can be switched between the parasitic induction element and the parasitic reflection element. Without increasing the number of elements, it is possible to have a larger number of resonance frequencies, and it is possible to easily realize a multiband antenna that is small and can support a wide band.
It should be noted that the numerical values and arrangements representing the shapes and sizes of the elements shown in the above-described embodiments and examples are merely examples, and it is needless to say that the scope of the present invention is not limited thereto.
Claims (15)
その先端部が前記メインエレメントの開放端部と所定間隔だけ離して配設され、前記メインエレメントと異なる周波数に共振可能な1つ以上のサブエレメントと;
前記サブエレメントの基端部と所定部位に配された接地導体とを導通又は非導通にするためのスイッチ機構とを有しており;
前記スイッチ機構により前記基端部と前記接地導体とが導通している第1状態のときに前記前記サブエレメントが前記メインエレメントに対する無給電誘導素子として作用して当該サブエレメントの先端部と前記メインエレメントの開放端部とが高周波結合した先端短絡アンテナとなり、他方、前記スイッチ機構により前記基端部と前記接地導体とが非導通となる第2状態のときに前記サブエレメントが前記メインエレメントに対する無給電反射素子として作用する;
マルチバンドアンテナ。A main element having an open end and a feed end and capable of radiating high-frequency signals in a plurality of frequency bands fed to the feed end;
One or more sub-elements, each of which has a tip portion spaced apart from the open end of the main element by a predetermined distance and capable of resonating at a different frequency from the main element;
A switch mechanism for electrically connecting or disconnecting the base end portion of the sub-element and the ground conductor disposed at a predetermined position;
When the switch mechanism is in the first state in which the base end and the ground conductor are in conduction, the sub-element acts as a parasitic induction element for the main element, and the sub-element tip and the main On the other hand, the sub-element is connected to the main element in a second state where the open end of the element is a high-frequency coupled short-circuited antenna and the base end and the ground conductor are non-conductive by the switch mechanism. Acts as a feeding reflective element;
Multiband antenna.
請求の範囲第1項記載のマルチバンドアンテナ。The switch mechanism is inserted and connected between a base end portion of the sub-element and the ground conductor, and switches a semiconductor switching element that performs a switching operation according to a signal level of a control signal input from the outside to the conduction or non-conduction. Including as a component for switching,
The multiband antenna according to claim 1.
請求の範囲第1項記載のマルチバンドアンテナ。The electrical area of the main element is about 3 to about 18 times the sum of the electrical areas of all the sub-elements,
The multiband antenna according to claim 1.
請求の範囲第3項記載のマルチバンドアンテナ。The main element is formed of a conductive thin plate having an inverted L shape, an inverted F shape, a meander shape, or a plate shape, and the sub element is formed so as to have a predetermined positional relationship with the main element. Molded with a strip-shaped conductive member,
The multiband antenna according to claim 3.
請求の範囲第1項記載のマルチバンドアンテナ。An impedance adjusting element having one end connected to the ground conductor and the other end being a free end substantially parallel to the main element;
The multiband antenna according to claim 1.
この基体の一部には、前記接地導体、所定の高周波信号の送受信を行う高周波送受信回路と接続するための給電用端子、及び、前記制御信号が入力される制御端子が形成されており、
前記メインエレメント及び前記サブエレメントは、前記接地導体に対して所定の位置関係を維持して前記基体に取り付けられており、
前記メインエレメントの給電端部は前記給電用端子に接続されており、
前記半導体スイッチング素子には、前記制御端子を通じて入力される前記制御信号が供給されるように構成されている、
請求の範囲第2項記載のマルチバンドアンテナ。It has a base that can be attached to communication equipment,
Part of this base is formed with the ground conductor, a power supply terminal for connection with a high frequency transmission / reception circuit that transmits and receives a predetermined high frequency signal, and a control terminal to which the control signal is input,
The main element and the sub element are attached to the base body while maintaining a predetermined positional relationship with the ground conductor,
The power feeding end of the main element is connected to the power feeding terminal,
The semiconductor switching element is configured to be supplied with the control signal input through the control terminal.
The multiband antenna according to claim 2.
請求の範囲第6項記載のマルチバンドアンテナ。An impedance matching circuit composed of a combination of an inductive element and a capacitive element is interposed between the feeding end and the feeding terminal.
The multiband antenna according to claim 6.
請求の範囲第6項記載のマルチバンドアンテナ。Between the semiconductor switching element and the control terminal, an impedance adjustment circuit for interrupting the control terminal at a high frequency and conducting in a direct current is interposed.
The multiband antenna according to claim 6.
前記メインエレメント及び前記サブエレメントは、前記エレメント取付基体に、その形状に沿って取り付けられている、
請求の範囲第6項記載のマルチバンドアンテナ。An element mounting base made of a dielectric having a pair of main surface portions, a pair of side end portions, and a pair of short end portions facing each other is fixed to the base body,
The main element and the sub-element are attached to the element attachment base along the shape thereof,
The multiband antenna according to claim 6.
請求の範囲9項記載のマルチバンドアンテナ。The main element and the sub-element are each formed on one main surface portion of the element mounting base, and the main surface portion exists on the same plane as the surface portion of the ground conductor.
The multiband antenna according to claim 9.
請求の範囲第9項記載のマルチバンドアンテナ。The main element and the sub-element extend in a direction substantially perpendicular to the ground conductor along the negative side end of the element mounting base, and further pass through one main surface of the element mounting base. To the other side end, the open end of the main element and the tip of the sub-element are opposed at a predetermined interval at the side end,
The multiband antenna according to claim 9.
請求の範囲第9項記載のマルチバンドアンテナ。The main element and the sub-element each extend in a direction substantially perpendicular to the ground conductor along one side end of the element mounting base, and further, the ground conductor on one main surface of the element mounting base And bent in a substantially horizontal direction, and on the main surface portion, the open end portion of the main element and the tip end portion of the sub-element face each other at a predetermined interval.
The multiband antenna according to claim 9.
前記メインエレメントのエレメント長は、略λf2/4かつ略3λf5/4であり、
前記サブエレメントのエレメント長は、略λf3/2であり、
前記第1状態のときの前記先端短絡アンテナのエレメント長が略λf1/2かつ略λf4である、
請求の範囲第1項記載のマルチバンドアンテナ。The main element and the sub-element are each one, the wavelength of the first setting frequency is λ f1 , the wavelength of the second setting frequency is λ f2 , the wavelength of the third setting frequency is λ f3 , and the fourth setting frequency is When the wavelength is λ f4 and the wavelength of the fifth set frequency is λ f5 ,
The element length of the main element is approximately λ f2 / 4 and approximately 3λ f5 / 4,
The element length of the sub-element is approximately λ f3 / 2,
The element length of the short-circuited tip antenna in the first state is approximately λ f1 / 2 and approximately λ f4 .
The multiband antenna according to claim 1.
請求の範囲第13項記載のマルチバンドアンテナ。The first used frequency band and the second used frequency band are substantially 824 MHz to 894 MHz or 880 MHz to 960 MHz, and the third used frequency band, the fourth used frequency band, and the fifth used frequency band are: Substantially 1710 MHz to 1880 MHz, 1850 MHz to 1990 MHz and 1920 MHz to 2170 MHz,
The multiband antenna according to claim 13.
使用周波数帯の切換を前記制御信号の信号レベルの切換によって行うように構成されている、
携帯型の通信機器。The multiband antenna according to any one of claims 1 to 14 is accommodated in a housing,
It is configured to switch the use frequency band by switching the signal level of the control signal.
Portable communication device.
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
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