WO2014034587A1

WO2014034587A1 - アンテナ装置および通信端末装置

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Publication number: WO2014034587A1
Application number: PCT/JP2013/072673
Authority: WO
Inventors: 石塚　健一; 西田　浩
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2014-03-06
Also published as: US9153865B2; JP5505581B1; CN104025379B; CN104025379A; DE202013012361U1; EP2741366A1; DE202013012360U1; JPWO2014034587A1; EP2741366A4; US20140218246A1

Abstract

　周波数特性のコントロールが容易なマルチバンド対応のアンテナ装置を提供すること。　一端を給電端とし、他端を接地端とするループ状放射素子１１と、給電端に装荷された第１インダクタンス素子Ｌ１、および、接地端に装荷され、第１インダクタンス素子Ｌ１に磁界結合した第２インダクタンス素子Ｌ２を含んで構成される整合回路と、を有するアンテナ装置であって、ループ状放射素子１１は、偶モードおよび奇モードを含む複数の共振モードで共振するように構成されており、第１インダクタンス素子Ｌ１と第２インダクタンス素子Ｌ２とは、偶モードおよび奇モードの一方に対して磁界を強め合い、他方に対して磁界を弱め合うように巻回・接続されている、ことを特徴とするアンテナ装置。

Description

アンテナ装置および通信端末装置

　本発明は、複数の周波数帯の無線信号を送受可能なアンテナ装置、ならびに、このアンテナ装置を用いた通信端末装置に関する。

　携帯電話をはじめとする通信端末装置においては、たとえば特許文献１に記載されているようなループアンテナが利用されることがある。このループアンテナは、一端を給電端とし、他端を接地端とし、全長が１波長のループ状導体にて構成されている。このループアンテナは、人体に近接して使用した状態でも利得の低下が少なく、優れた放射特性を有する。

特開２００２－４３８２６号公報

　ところで、近年、通信端末装置には複数の周波数帯への対応が求められており、たとえばＧＳＭ（登録商標；Global　System for Mobile communication）８５０、ＧＳＭ９００、ＧＳＭ１８００、ＧＳＭ１９００およびＵＭＴＳ（Universal Mobile Telecommunications System）のペンタバンド対応の通信端末装置では、８２４－９６０ＭＨｚ（Low Band帯）、１７１０－２１７０ＭＨｚ（High Band帯）の広い帯域への対応が求められている。

　こうした広帯域に対応するためのループアンテナでは、図１（Ａ）に示すように、３つの共振（共振１、共振２および共振３）を利用して、複数の周波数帯をカバーしている。すなわち、共振１でLow Band帯の通過帯域を構成しており、共振２および共振３でHigh Band帯の帯域を構成している。

　図１（Ｂ）に示すように、共振１は奇モードの基本波による共振であって、ループアンテナ１０１の中間点を電界最大点としたモノポール型の電流分布を持つ共振モードである。共振２は偶モードの共振であって、ループアンテナ１０１上に２つの電界最大点を有したダイポール型の電流分布を有した共振モードである。共振３は奇モードの高調波による共振であって、ループアンテナ１０１上に３つの電界最大点を持ち、図のような電流分布を有した共振モードである。ここで、「奇モード」は、給電端から放射素子への電流の向きと接地端から放射素子への電流の向きとが揃っている状態のモードであり、「偶モード」は、給電端から放射素子への電流の向きと接地端から放射素子への電流の向きとが逆向きになっている状態のモードである。

　各共振の共振周波数は、ループアンテナ１０１のサイズによって決定することができるが、整合回路でコントロールする場合は、図１（Ｃ）に示すように、アンテナの給電端および接地端にそれぞれインダクタンス素子Ｌ１およびインダクタンス素子Ｌ２を装荷する、といった構成が考えられる。

　しかし、このようにインダクタンス素子を装荷して周波数を調整する場合、各共振周波数の変化量は周波数が高いほど大きくなってしまう。つまり、単純にインダクタンス素子を装荷するといった手法では、共振モード毎に共振周波数を独立してコントロールすることは困難である。

　本発明は上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の共振モードを有したアンテナ素子において、各共振モードの共振周波数を独立してコントロールすることができる、周波数特性に優れたマルチバンド対応可能なアンテナ装置を提供すること、ならびに、このアンテナ装置を用いた通信端末装置を提供することにある。

　すなわち、本発明のアンテナ装置は、一端を給電端とする第１導体および一端を接地端とする第２導体を含んで構成される放射素子と、前記第１導体の前記給電端に装荷された第１インダクタンス素子、および、前記第２導体の前記接地端に装荷され、前記第１インダクタンス素子に磁界結合した第２インダクタンス素子を含んで構成される整合回路と、を有するアンテナ装置であって、前記放射素子は、偶モードおよび奇モードを含む複数の共振モードで共振するように構成されており、前記第１インダクタンス素子と前記第２インダクタンス素子とは、前記偶モードおよび前記奇モードの一方に対して磁界を強め合い、他方に対して磁界を弱め合うように巻回・接続されている、ことを特徴とするアンテナ装置にかかるものである。

　また、本発明の通信端末装置は、給電素子と、一端を給電端とする第１導体および一端を接地端とする第２導体を含んで構成される放射素子と、前記第１導体の前記給電端に装荷された第１インダクタンス素子、および、前記第２導体の前記接地端に装荷され、前記第１インダクタンス素子に磁界結合した第２インダクタンス素子を含んで構成される整合回路と、を有する通信端末装置であって、前記放射素子は、偶モードおよび奇モードを含む複数の共振モードで共振するように構成されており、前記第１インダクタンス素子と前記第２インダクタンス素子とは、前記偶モードおよび前記奇モードの一方に対して磁界を強め合い、他方に対して磁界を弱め合うように巻回・接続されている、ことを特徴とする通信端末装置にかかるものである。

　本発明によれば、放射素子における複数の共振モードの共振周波数を独立してコントロールすることができるため、周波数特性に優れたマルチバンド対応可能なアンテナ装置を実現できる。また、このアンテナ装置を用いて周波数特性に優れたマルチバンド対応可能な通信端末装置を実現できる。

ループアンテナの周波数特性を示すグラフ（Ａ）、各共振モードの動作原理を説明するための概略図（Ｂ）、ループアンテナにインダクタンス素子を装荷したアンテナ装置の等価回路図（Ｃ）である。第１実施形態のアンテナ装置の等価回路図である。第１実施形態のアンテナ装置における整合回路素子の分解図である。第１実施形態の通信端末装置の概略平面図（Ａ）、概略断面図（Ｂ）である。第１実施形態のアンテナ装置の動作原理を説明するための概略図である。第１実施形態のアンテナ装置の周波数特性を示すグラフである。第２実施形態のアンテナ装置の等価回路図である。第２実施形態のアンテナ装置の動作原理を説明するための概略図である。第２実施形態のアンテナ装置の周波数特性を示すグラフである。第３実施形態のアンテナ装置の等価回路図である。

　以下、本発明のアンテナ装置および通信端末装置を、第１実施形態～第３実施形態に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
　本実施形態のアンテナ装置は、８２４－９６０ＭＨｚ（Low Band帯）および１７１０－２１７０ＭＨｚ（High Band帯）を通過帯域としたアンテナ装置であり、ＧＳＭ８５０、ＧＳＭ９００、ＧＳＭ１８００、ＧＳＭ１９００およびＵＭＴＳのペンタバンドに対応したアンテナ装置である。

　このアンテナ装置は、図２に示すように、電気長が１波長のループ状放射素子１１を放射素子として利用したアンテナ装置である。ループ状放射素子１１の一端（端子Ｐ２）は、給電素子に接続される給電端であり、他端（端子Ｐ３）は、グランドに接続される接地端である。このループ状放射素子１１は、一端を給電端とする第１導体と一端を接地端とする第２導体との他端同士を接続した形状をなしており、折り返しダイポールアンテナと見ることもできる。このループ状放射素子１１は、詳しくは後述するが、複数の共振モードを有する。

　ループ状放射素子１１の給電端には第１インダクタンス素子Ｌ１が装荷されており、接地端には第２インダクタンス素子Ｌ２が装荷されている。すなわち、第１インダクタンス素子の一端（端子Ｐ１）には給電素子が接続されており、他端（端子Ｐ２）にはループ状放射素子１１の一端（給電端）が接続されている。第２インダクタンス素子の一端（端子Ｐ４）にはグランドが接続されており、他端（端子Ｐ３）にはループ状放射素子１１の他端（接地端）が接続されている。第１インダクタンス素子Ｌ１と第２インダクタンス素子Ｌ２とは、互いに磁界を介して結合（加極性結合）しており、第１インダクタンス素子Ｌ１と第２インダクタンス素子Ｌ２とで整合回路（整合回路素子１２）が構成されている。

　図３に示すように、インダクタンス素子Ｌ１とインダクタンス素子Ｌ２とから構成される整合回路は、複数の基材層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅを積層してなる積層体を素体としたチップ部品（整合回路素子１２）として構成されている。すなわち、各インダクタンス素子Ｌ１、Ｌ２は、基材層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅを積層してなる積層体に一体的に形成されている。積層体の裏面には、８つの端子が形成されており、そのうちの４つの端子Ｐ１～Ｐ４が各インダクタンス素子に接続された入出力端子である。他の４つの端子はＮＣ（ノンコンタクト）端子である。

　この積層体において、端子Ｐ１は、基材層１３ａに設けられたビアホール導体１４、基材層１３ｂに設けられたビアホール導体１４および基材層１３ｃに設けられたビアホール導体１４を介して、基材層１３ｃに設けられた半ターンコイル状の導体パターンの一端に接続されている。この導体パターンの他端は基材層１３ｃに設けられたビアホール導体１４を介して、基材層１３ｂに設けられた半ターンコイル状の導体パターンの一端に接続されており、この導体パターンの他端は基材層１３ｂに設けられたビアホール導体１４を介して、基材層１３ａに設けられた半ターンコイル状の導体パターンの一端に接続されている。この導体パターンの他端は基材層１３ａに設けられたビアホール導体１４を介して、積層体の裏面に設けられた端子Ｐ２に接続されている。これらの導体パターンおよびビアホール導体にて、第１インダクタンス素子Ｌ１が構成されている。

　同様に、端子Ｐ４は、基材層１３ａに設けられたビアホール導体１４、基材層１３ｂに設けられたビアホール導体１４、基材層１３ｃに設けられたビアホール導体１４および基材層１３ｄに設けられたビアホール導体１４を介して、基材層１３ｄに設けられた１ターンコイル状の導体パターンの一端に接続されている。この導体パターンの他端は、基材層１３ｄに設けられたビアホール導体１４を介して、基材層１３ｃに設けられた半ターンコイル状の導体パターンの一端に接続されている。この導体パターンの他端は基材層１３ｃに設けられたビアホール導体１４を介して、基材層１３ｂに設けられた半ターンコイル状の導体パターンの一端に接続されており、この導体パターンの他端は基材層１３ｂに設けられたビアホール導体１４を介して、基材層１３ａに設けられた半ターンコイル状の導体パターンの一端に接続されている。この導体パターンの他端は基材層１３ａに設けられたビアホール導体１４を介して、積層体の裏面に設けられた端子Ｐ３に接続されている。これらの導体パターンおよびビアホール導体１４にて、第２インダクタンス素子Ｌ２が構成されている。

　各基材層１３ａ～１３ｅはＬＴＣＣセラミック層のようなセラミック層であってもよいし、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂のような樹脂層であってもよい。つまり、積層体はセラミック積層体であってもよいし、樹脂積層体であってもよい。各基材層１３ａ～１３ｅに設けられた面内導体や層間接続導体（ビアホール導体）は銀や銅等を主成分とする比抵抗の小さな金属材料で構成されている。

　本実施形態の通信端末装置は、ＧＳＭ８５０、ＧＳＭ９００、ＧＳＭ１８００、ＧＳＭ１９００およびＵＭＴＳのペンタバンドに対応した携帯電話である。

　この通信端末装置２０は、図４に示すように、方形状の外形形状を有した端末筺体２１を備え、この端末筺体２１には第１プリント配線板２２、バッテリーパック２３、第２プリント配線板２４、液晶表示素子（図示省略）等が搭載されている。第１プリント配線板２２や第２プリント配線板２４は、その主面とほぼ同面積のグランド（図示省略）が設けられており、その表面には、表示素子の駆動回路や電源の制御回路、セルラー通信用ＩＣチップ２５等の各種機能回路部品が搭載されている。ループ状放射素子２６は、フレキシブル基材にループパターンを形成したシートを端末筺体２１の端部付近の内壁面に貼り付けることによって構成されている。ループ状放射素子２６の一端は、第１プリント配線板２２に設けられた接触ピン２７を介して、第１プリント配線板２２に搭載された整合回路素子２８に接続されており、ループ状放射素子２６の他端は、同じく第１プリント配線板２２に設けられた接触ピン２７を介して、同じく整合回路素子２８に接続されている。整合回路素子２８の給電側端子（端子Ｐ１）は第１プリント配線板２２に搭載されたセルラー通信用ＩＣチップ２５に接続されており、整合回路素子２８のグランド側端子（端子Ｐ４）は第１プリント配線板２２のグランドに接続されている。

　本実施形態のループ状アンテナ素子２６は、共振周波数の低い方から順に第１共振モード（共振１）、第２共振モード（共振２）および第３共振モード（共振３）の３つの共振モードを有している。そして、第１共振モードおよび第３共振モードは奇モードであって、第２共振モードは偶モードである。図５および図６に示すように、共振１は奇モードの基本波による共振であって、ループアンテナの中間点を電界最大点としたモノポール型の電流分布を持つ共振モードである。共振１はLow Band帯に共振周波数を持つ。共振２は偶モードの共振であって、ループアンテナ上に２つの電界最大点を有したダイポール型の電流分布を有した共振モードである。この共振２はHigh Band帯のうち低周波側に共振を持つ。共振３は奇モードの高調波による共振であって、ループアンテナ上に３つの電界最大点を持ち、図のような電流分布を有した共振モードである。この共振３はHigh Band帯のうち高周波側に共振を持つ。

　なお、上記のように、「奇モード（odd mode）」は、給電端から放射素子への電流の向きと接地端から放射素子への電流の向きとが揃っている状態のモードであり、インダクタンス素子Ｌ１およびインダクタンス素子Ｌ２において互いに異なる極性の電圧で伝送されるモードである。「偶モード（even mode）」は、給電端から放射素子への電流の向きと接地端から放射素子への電流の向きとが逆向きになっている状態のモードであり、インダクタンス素子Ｌ１およびインダクタンス素子Ｌ２において互いに同一の極性の電圧で伝送されるモードである。

　本実施形態において、インダクタンス素子Ｌ１とインダクタンス素子Ｌ２とは、奇モードに対して互いに磁界を強め合い、偶モードに対して互いに磁界を弱め合うように巻回・接続されている。したがって、図５に示すように、共振１および共振３に対して、インダクタンス素子Ｌ１とインダクタンス素子Ｌ２とは互いに磁界が強め合うため、大きなＬ値を有するインダクタンス素子として動作する。一方、共振２に対しては、インダクタンス素子Ｌ１とインダクタンス素子Ｌ２とに生じた磁界が弱め合い、より特定的に言うと、各インダクタンス素子に生じた磁界がキャンセルされる。したがって、本実施形態の構成によれば、図６に示すように、共振２の共振周波数を大きくシフトさせることなく、共振１と共振３の共振周波数のみを選択的に低域側にシフトさせることができる（なお、厳密に言うと、共振１の周波数シフト量に比べて共振３の周波数シフト量は大きい）。
＜第２実施形態＞
　本実施形態のアンテナ装置では、基本的には、第１実施形態のアンテナ装置と同様の構成を有しているが、図７に示すように、第１インダクタンス素子Ｌ１と第２インダクタンス素子Ｌ２とは磁界を介して結合（減極性結合）している。具体的に言うと、ループ状放射素子１１の給電端が整合回路素子１２の端子Ｐ２に接続されており、ループ状放射素子１１の接地端は整合回路素子１２の端子Ｐ４に接続されている。つまり、インダクタンス素子Ｌ１とインダクタンス素子Ｌ２とは、奇モードに対して互いに磁界を弱め合い、偶モードに対して互いに磁界を強め合うように巻回・接続されている。したがって、図８に示すように、共振１および共振３に対して、インダクタンス素子Ｌ１とインダクタンス素子Ｌ２は互いに磁界が弱め合い、各インダクタンス素子Ｌ１、Ｌ２に生じた磁界がキャンセルされる。一方、共振２に対しては、インダクタンス素子Ｌ１とインダクタンス素子Ｌ２とに生じた磁界が強め合う。よって、図９に示すように、共振１および共振３の共振周波数を大きくシフトさせることなく、共振２の共振周波数のみを選択的に低域側にシフトさせることができる。
＜第３実施形態＞
　本実施形態のアンテナ装置は、図１０に示すように、放射素子を構成する第１導体の他端と第２導体の他端とはいずれも開放端をなしており、第１導体が給電放射素子（第１放射素子３１）であって、第２導体が無給電放射素子（第２放射素子３２）として構成されている。第１放射素子および第２放射素子からなる放射素子は、偶モードおよび奇モードを含む複数の共振モードで共振する。整合回路を構成する第１インダクタンス素子と第２インダクタンス素子とは、偶モードおよび奇モードの一方に対して磁界を強め合い、他方に対して磁界を弱め合うように巻回・接続されている。
＜他の実施形態＞
　以上、本発明を具体的な実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

　たとえば、放射素子（アンテナ素子）は、一端を給電端とする第１導体および一端を接地端とする第２導体を含んでいて、偶モードおよび奇モードを含む複数の共振モードで共振するように構成されていればよい。すなわち、給電放射素子や無給電放射素子の形状は、単純なモノポール型に限定されるわけではなく、折り返し型やＴ分岐型など、各種の形状をとることができる。

　また、放射素子は、フレキシブル基板に形成したパターンに限定されるものではなく、たとえば、誘電体素体にアンテナパターンを形成したチップアンテナを利用してもよいし、プリント配線板や端末筺体に直接描画した導体パターンを利用してもよい。

　また、第１インダクタンス素子や第２インダクタンス素子は、導体パターンをコイル状に巻回してなるコイル状素子に限定されるものではなく、磁界結合を種とする磁気結合素子であればよい。

Ｌ１：第１インダクタンス素子
Ｌ２：第２インダクタンス素子
１１：ループ状放射素子
１２：整合回路素子
１３ａ～１３ｅ：基材層
１４：ビアホール導体
２０：通信端末装置
２１：端末筺体
２２：第１プリント配線板
２３：バッテリーパック
２４：第２プリント配線板
２５：通信用ＩＣチップ
２６：ループ状放射素子
２７：接触ピン
２８：整合回路素子
３１：第１放射素子
３２：第２放射素子

Claims

　一端を給電端とする第１導体および一端を接地端とする第２導体を含んで構成される放射素子と、
　前記第１導体の前記給電端に装荷された第１インダクタンス素子、および、前記第２導体の前記接地端に装荷され、前記第１インダクタンス素子に磁界結合した第２インダクタンス素子を含んで構成される整合回路と、
を有するアンテナ装置であって、
　前記放射素子は、偶モードおよび奇モードを含む複数の共振モードで共振するように構成されており、
　前記第１インダクタンス素子と前記第２インダクタンス素子とは、前記偶モードおよび前記奇モードの一方に対して磁界を強め合い、他方に対して磁界を弱め合うように巻回・接続されている、
ことを特徴とするアンテナ装置。
　前記放射素子は、共振周波数の低い方から順に第１共振モード、第２共振モードおよび第３共振モードを有しており、前記第１共振モードおよび前記第３共振モードが奇モードであって、前記第２共振モードが偶モードである、請求項１に記載のアンテナ装置。
　前記第１導体の他端と前記第２導体の他端とが接続されていて、前記放射素子はループ状放射素子を構成している、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
　前記第１導体の他端と前記第２導体の他端とはいずれも開放端であり、前記第１導体が給電放射素子、前記第２導体が無給電放射素子として構成されている、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
　前記第１インダクタンス素子と前記第２インダクタンス素子とは、複数の基材層を積層してなる積層体に一体的に形成されている、請求項１～４のいずれかに記載のアンテナ装置。
　給電素子と、
　一端を給電端とする第１導体および一端を接地端とする第２導体を含んで構成される放射素子と、
　前記第１導体の前記給電端に装荷された第１インダクタンス素子、および、前記第２導体の前記接地端に装荷され、前記第１インダクタンス素子に磁界結合した第２インダクタンス素子を含んで構成される整合回路と、
を有する通信端末装置であって、
　前記放射素子は、偶モードおよび奇モードを含む複数の共振モードで共振するように構成されており、
　前記第１インダクタンス素子と前記第２インダクタンス素子とは、前記偶モードおよび前記奇モードの一方に対して磁界を強め合い、他方に対して磁界を弱め合うように巻回・接続されている、
ことを特徴とする通信端末装置。