JP2006217631A - 二重帯域用の平面アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】携帯用端末器内蔵可能であり、かつ更なる小型化が可能な平面アンテナを提供する。
【解決手段】本発明による平面アンテナでは、誘導放射部２と第１接続部４とが「Γ」字形状を成し、寄生放射部３と第２接続部５とが「Γ」の鏡像形状を成す。誘導放射部２は寄生放射部３より接地面の境界に近い。接地面から見て、誘導放射部２の一部が寄生放射部３と重なっている。誘導放射部２が単独で共振するとき、その共振周波数が高い。一方、誘導放射部２と寄生放射部３とが結合して共振するとき、その共振周波数は低い。こうして、本発明による平面アンテナは二つの動作周波数帯域を持つ。
【選択図】図３

Description

本発明は、携帯用端末器に搭載されるアンテナに関し、特に、携帯用端末器に内蔵される平面アンテナに関する。

携帯用端末器とは、携帯電話機やＰＤＡなどのように、外部との間での無線によるデータ送受信機能を持ち、かつ持ち運びのできる装置のことをいう。携帯用端末器に搭載されるアンテナには外部アンテナと内蔵アンテナとがある。外部アンテナは、携帯用端末器の筐体の外側に設置されたアンテナであって、モノポールアンテナやヘリカルアンテナなどを含む。モノポールアンテナは導体の棒を含み、その棒の長さで動作周波数帯域が決定される。ヘリカルアンテナは、導体板とコイルとの組み合わせを含む。ヘリカルアンテナは一般に、モノポールアンテナより短く構成できる。外部アンテナは一般に、携帯用端末機の外側に突き出ているので、携帯用端末機の更なる小型化を阻み、筐体のデザインの自由度を制限する。更に、外部アンテナは外部からの衝撃によって損傷を受けやすい。従って、近年の携帯用端末機（特に携帯電話機）では、内蔵アンテナの搭載が主流になりつつある。

従来の内蔵アンテナとしては、例えば逆Ｆアンテナ（ＩＦＡ；inverted F antenna）が知られている（図１、２参照）。逆Ｆアンテナは一般に立体形状であり、接地部100、放射部102、接続部104、及び給電部106を含む。放射部102は、接地部100の上側に配置されている。接続部104は放射部102の端に位置し、接地部100と放射部102との間を接続する。給電部106は外部（例えば通信回路）から供給される電流を放射部102に伝達する。逆Ｆアンテナでは、接続部104の位置が固定されている場合は一般に、インピーダンスマッチングが給電部106の位置と接続部104の長さとの調節により実現される。動作周波数が2.4GHzに設定される場合、逆Ｆアンテナのサイズは縦aと横bとが共に30mm程度であり、厚さdが6mm程度である。このように逆Ｆアンテナは外部アンテナより小型であるので、携帯用端末機の更なる小型化を阻まない。更に、逆Ｆアンテナは携帯用端末器に内蔵されるので、筐体のデザインの自由度を制限しないだけでなく、外部からの衝撃に強い。その他に、逆Ｆアンテナは外部アンテナに比べて生産が容易である。
米国特許公報第6,593,887号明細書 米国特許公報第6,593,888号明細書 米国特許公報第6,008,764号明細書 米国特許公報第6,326,789号明細書 米国特許公報第6,326,927号明細書 J.Y.Jan, L.C.Tseng, "Small planar monopole antenna with a shorted parasitic inverted−L wire for wireless communications in the 2.4−, 5.2−, and 5.8−GHz bands", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.52, 2004年7月, pp.1903−1905 R.L.Li, G.DeJean, M.M.Tentzeris, J.Laskar, "Development and analysis of a folded shorted−patch antenna with reduced size", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.52, 2004年2月, pp.555−562 A.A.Kishk, K.F.Lee, W.C.Mok, K.M.Luk, "A wide−band small size microstrip antenna proximately coupled to a hook shape probe", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.52, 2004年1月, pp.59−65 K.D.Katsibas, C.A.Balanis, P.A.Tirkas, G.R.Birtcher, "Folded loop antenna for mobile hand−held units", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.46, 1998年2月, pp.260−266 S.H.David, I.D.Robertson, "A Survey of broadband microstrip patch antennas", Microwave Journal, 1996年9月, pp.60−84

携帯用端末器に対しては更なる小型／軽量化が要求されている。それに伴い、内蔵アンテナの更なる小型化が望まれている。しかし、従来の内蔵アンテナでは更なる小型化が困難である。例えば従来の逆Ｆアンテナでは、放射部と接地部との間隙やそれぞれのサイズでインピーダンスマッチングが決まるので、更なる小型／軽量化が阻まれる。その他に、接地部と給電部との構造の製造工程を更に簡単化することが困難である。

携帯用端末機に対しては更に、多重帯域（マルチバンド）での無線通信（例えば、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ802.11a／b／g））への対応が望まれている。それに伴い、携帯用端末機に搭載可能な多重帯域アンテナの更なる小型化が望まれている。特に、ＩＥＥＥ802.11a／b／gの二種類の標準動作周波数2.4GHzと5GHzとの両方で動作可能な二重帯域アンテナに対し、更なる小型／軽量化が望まれている。しかし、従来の逆Ｆアンテナではその実現が困難である。

本発明の目的は、携帯用端末器に内蔵可能であり、かつ更なる小型化が可能な平面アンテナの提供にある。

本発明による平面アンテナは、
接地面、
その接地面から離れていて、外部から電流の供給を受ける給電部、
その給電部に接続された端部、を含み、接地面から第１距離だけ離れている誘導放射部、
開放端を含み、接地面から第２距離だけ離れている寄生放射部、
誘導放射部と接地面との間を接続する第１接続部、及び、
寄生放射部と接地面との間を接続する第２接続部、を有する。特に、誘導放射部と第１接続部とが両者間の接続点近傍では「Γ」字（又はその鏡像）形状であり、寄生放射部と第２接続部とが両者間の接続点近傍では「Γ」の鏡像形状（又は「Γ」字形状）である。

好ましくは、誘導放射部と寄生放射部とが２つの異なる共振周波数帯域を持つ。更に好ましくは、その２つの共振周波数帯域のうち、高周波帯域では誘導放射部が単独で共振し、低周波帯域では誘導放射部と寄生放射部とが結合して共振する。そのとき、好ましくは、高周波帯域が5.4GHzを含み、低周波帯域が2.4GHzを含む。

好ましくは、第１距離が第２距離より小さく、接地面から見て、誘導放射部が寄生放射部と重なっている。そのとき、更に好ましくは、第１距離が3mmであり、又は、第２距離が5mmである。その上、第１接続部と第２接続部との間の距離が24mmであり、誘導放射部の長さが18mmであり、寄生放射部の長さが19mmである。

その他に、誘導放射部と寄生放射部とがいずれもループ形状であっても良い。そのとき、好ましくは、第１距離と第２距離とが等しく、接地面から見て、誘導放射部と寄生放射部とが離れている。更に好ましくは、誘導放射部の長さが7mmであり、寄生放射部の長さが8mmである。その上、第１距離の最大値が4mmであり、最小値が1.5mmである。

本発明による上記の平面アンテナは、誘導放射部に加えて寄生放射部を有する。特にそれらが同じ平面上に配置され得るので、従来の逆Ｆアンテナの立体構造に比べて小さい体積であるにも関わらず、二重帯域での使用が可能である。更に、（通信回路を実装している）外部のプリント回路基板（ＰＣＢ）に給電部が、接続部を通すことなく直接接続されるので、製造工程が更に簡単化される。

以下、添付の図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳述する。

本発明の実施例１による平面（２次元）アンテナは、接地面1、誘導放射部2、寄生放射部3、第１接続部4、第２接続部5、及び給電部6を有する（図３参照）。これらは同じ基板の表面に形成されている。従って、従来の立体（３次元）構造の逆Ｆアンテナとは異なり、更なる小型化が容易である。

誘導放射部2は、好ましくは接地面1の境界Pに対して平行なストリップであり、接地面1の境界Pから第１距離d'だけ離れている（図３参照）。誘導放射部2の一端は開放され、他端は第１接続部4に接続されている。誘導放射部2の中間部分には給電部6が設けられている。給電部6は外部のＰＣＢ（通信回路を実装している）に、接地面1を通さずに直接接続されている。好ましくは、給電部6が共平面導波路（ＣＰＷ：Coplanar Waveguide）を用いてＰＣＢの信号入力端子と接地面1とに直結される。その構造は平面的であり、特に例えば外付けケーブルのような立体構造が不要であるので、簡単である。第１接続部4は、好ましくは接地面1の境界Pに対して垂直なストリップであり、その長さが第１距離d'と等しい。第１接続部4は誘導放射部2の他端を接地面1に接続している。誘導放射部2と第１接続部4との全体は「Γ」字形状である（両者間の接続点Aが屈曲点に相当する）。誘導放射部2は所定の高周波帯域で共振する。その高周波帯域は誘導放射部2の長さb'＋c'で調節される。ここで、誘導放射部2が短いほど、その高周波帯域は高い。好ましくは、その高周波帯域が5GHzを含む。

寄生放射部3は、好ましくは接地面1の境界Pに対して平行なストリップであり、接地面1の境界Pから第２距離e'だけ離れている（図３参照）。寄生放射部3の一端は第２接続部5に接続され、他端は開放されている。第２接続部5は、好ましくは接地面1の境界Pに対して垂直なストリップであり、その長さが第２距離e'と等しい。第２接続部5は寄生放射部3の一端を接地面1に接続している。寄生放射部3と第２接続部5との全体は「Γ」の鏡像形状である（両者間の接続点Bが屈曲点に相当する）。更に、第２距離e'は第１距離d'より大きい：e'＞d'。その上、接地面1から見て（すなわち、接地面1の境界Pに対して垂直な方向で）寄生放射部3は誘導放射部2と長さc'だけ重なっている。その構造により、寄生放射部3は誘導放射部2と電磁気的に結合して共振する。そのとき、寄生放射部3と誘導放射部2との間の結合により、アンテナの実質的な長さa'＋b'が誘導放射部2の長さb'＋c'と寄生放射部3の長さa'とのいずれよりも増大する。その結果、共振周波数帯域が、誘導放射部2単独での共振周波数帯域（好ましくは、5GHz近傍）より低い。その低周波帯域は、寄生放射部3の長さa'、及び誘導放射部2と寄生放射部3との間の重なり部分の長さc'で調節され、好ましくは2.4GHzを含む。

表１は、本発明の実施例１による平面アンテナの各部分の長さの一例を示す。ここで、誘導放射部2、寄生放射部3、第１接続部4、及び第２接続部5に含まれている各ストリップの厚さは約0.8mmである。更に、表１に記載されているサイズでは、誘導放射部2単独の共振による高周波帯域が5.4GHzを中心とし、誘導放射部2と寄生放射部3との間の共振による低周波帯域が2.4GHzを中心とする。

表１に記載されている例では、本発明の実施例１による平面アンテナのサイズが24mm×5mm×0.8mmであり、従来の逆Ｆアンテナ（例えば図２参照）の典型的なサイズ（動作周波数が2.4GHzである場合、15mm×15mm×6mm）より極めて小さい。このように、本発明の実施例１による平面アンテナは、動作周波数帯域が低周波帯域（表１に示されている例では中心値：2.4GHz）と高周波帯域（表１に示されている例では中心値：5.4GHz）との二つに多重化されているにも関わらず、従来の逆Ｆアンテナより著しく小型化に有利である。

図４は、給電部6から誘導放射部2に対して電流が上記の高周波帯域に属する周波数で供給される時に生じる表面電流分布を示す。図５は、給電部6から誘導放射部2に対して電流が上記の低周波帯域に属する周波数で供給される時に生じる表面電流分布を示す。図４、５とも、表面電流の向きが三角形の記号で示され、表面電流の大きい部分ほど三角形の色が濃く描かれている。図４に示されているように、給電部6から誘導放射部2に対して供給される電流の周波数が上記の高周波帯域（5GHzを含む）に属する場合、表面電流が誘導放射部2と接地面1の境界Pとの間の狭い範囲で循環している（図４に示されている領域R参照）。特に、接地面1の境界Pに沿って第２接続部5と給電部6との間を流れる表面電流がほとんどない（図４に示されている領域RA参照）。従って、高周波帯域では、誘導放射部2が単独で共振していることが分かる。一方、図５に示されているように、給電部6から誘導放射部2に対して供給される電流の周波数が上記の低周波帯域（2.4GHzを含む）に属する場合、接地面1の境界Pに沿って第２接続部5と給電部6との間を流れる表面電流が比較的大きい（図５に示されている領域RA参照）。すなわち、表面電流が誘導放射部2と寄生放射部3との全体を循環している。従って、低周波帯域では、寄生放射部3が誘導放射部2と結合して共振していることが分かる。

図９は本発明の実施例１による平面アンテナの反射損失の周波数特性を示す。図９に示されているように、本発明の実施例１による平面アンテナでは、2.4GHzと5.4GHzとの２カ所の近傍で反射損失が−10dB以下まで急減している。更に、反射損失が−10dBを下回る範囲の幅が比較的広い。このように、本発明の実施例１による平面アンテナでは実際に、2.4GHz近傍の低周波帯域と5.4GHz近傍の高周波帯域との二つの動作周波数帯域が得られ、更にそれらの動作周波数帯域がいずれも十分な幅を持つ。

図１１は本発明の実施例１による平面アンテナの放射パターンを示す。図１１に示されているように、本発明の実施例１による平面アンテナは、2.4GHz近傍の低周波帯域と5GHz近傍の高周波帯域とのいずれでも、全方位で均一な放射パターンを示す。

本発明の実施例２による平面アンテナは、接地面1、誘導放射部12、寄生放射部13、第１接続部4、第２接続部5、及び給電部16を有する（図６参照）。これらは同じ基板の表面に形成されている。従って、従来の立体（３次元）構造の逆Ｆアンテナとは異なり、更なる小型化が容易である。

誘導放射部12は、好ましくは「コ」の字の鏡像形状のストリップであり、特にその鏡像の横方向が接地面1の境界Pに対して平行である（図６参照）。誘導放射部12は接地面1の境界Pから離れている。両者間の距離（第１距離）は最大値がc"であり、最小値がd"である。誘導放射部12の一端は開放され、他端は第１接続部4に接続されている。その接続点Aの近傍には給電部16が接続されている。給電部16は、好ましくは接地面1の境界Pに対して垂直なストリップであり、外部のＰＣＢ（通信回路を実装している）に、接地面1を通さずに直接接続されている。ここで、給電部16の長さは第１距離の最大値c"より十分に短いので、給電部16は接地面1の境界Pから十分に離れている。好ましくは、給電部16がＣＰＷを用いてＰＣＢの信号入力端子と接地面1とに直結される。その構造は平面的であり、特に例えば外付けケーブルのような立体構造が不要であるので、簡単である。第１接続部4は、好ましくは接地面1の境界Pに対して垂直なストリップであり、その長さが第１距離の最大値c"と等しい。第１接続部4は誘導放射部12の他端を接地面1に接続している。誘導放射部12と第１接続部4とは両者間の接続点Aの近傍では「Γ」の鏡像形状である（両者間の接続点Aが屈曲点に相当する）。誘導放射部12は所定の高周波帯域で共振する。その高周波帯域は誘導放射部12の長さb"で調節される。ここで、誘導放射部12が短いほど、その高周波帯域は高い。好ましくは、その高周波帯域が5GHzを含む。

寄生放射部13は、好ましくは「コ」の字形状のストリップであり、特にその「コ」の字の横方向が接地面1の境界Pに対して平行である（図６参照）。寄生放射部13は接地面1の境界Pから離れている。両者間の距離（第２距離）は上記の第１距離と共通の最大値c"と最小値d"とを示す。寄生放射部13の一端は第２接続部5に接続され、他端は開放されている。第２接続部5は、好ましくは接地面1の境界Pに対して垂直なストリップであり、その長さが第２距離の最大値c"と等しい。第２接続部5は寄生放射部13の一端を接地面1に接続している。寄生放射部13と第２接続部5とは両者間の接続点Bの近傍では「Γ」字形状である（両者間の接続点Bが屈曲点に相当する）。更に、誘導放射部12と寄生放射部13とは、接地面1から見て（すなわち接地面1の境界Pに対して平行な方向に）距離e"だけ離れている（図６参照）。ここで、誘導放射部12と寄生放射部13との間隔e"はそれぞれの「コ」の字（又はその鏡像）形状の幅a"、b"に比べて十分に小さい：e"≪a"，b"。更に、第１距離と第２距離とが共通の最大値c"と最小値d"とを示すので、誘導放射部12と寄生放射部13とは接地面1から見てほぼ対称である。その構造により、誘導放射部12と寄生放射部13とは互いに電磁気的に結合して共振する。そのとき、誘導放射部12と寄生放射部13との間の結合により、アンテナの実質的な長さが誘導放射部12と寄生放射部13とのいずれの長さよりも増大する。その結果、共振周波数帯域が、誘導放射部12単独での共振周波数帯域（好ましくは、5GHz近傍）より低い。その低周波帯域は誘導放射部12と寄生放射部13との長さの和で調節され、好ましくは2.4GHzを含む。尚、誘導放射部12と寄生放射部13とはいずれもループ形状（「コ」の字（又はその鏡像）形状）であるので、それら全体の幅（≒a"＋b"）は低周波帯域に属する電磁波の1／4波長より短い。

表２は、本発明の実施例２による平面アンテナの各部分の長さの一例を示す。ここで、誘導放射部12、寄生放射部13、第１接続部14、第２接続部15、及び給電部16に含まれている各ストリップの厚さは約0.8mmである。更に、表２に記載されているサイズでは、誘導放射部12単独の共振による高周波帯域が5.4GHzを中心とし、誘導放射部12と寄生放射部13との間の共振による低周波帯域が2.4GHzを中心とする。

表２に記載している例では、本発明の実施例２による平面アンテナのサイズが15mm×4mm×0.8mmであり、従来の逆Ｆアンテナ（例えば図２参照）の典型的なサイズ（動作周波数が2.4GHzである場合、15mm×15mm×6mm）より極めて小さい。このように、本発明の実施例２による平面アンテナは、動作周波数帯域が低周波帯域（表２に示されている例では中心値：2.4GHz）と高周波帯域（表２に示されている例では中心値：5.4GHz）との二つに多重化されているにも関わらず、従来の逆Ｆアンテナより著しく小型化に有利である。

図７は、給電部16から誘導放射部12に対して電流が上記の高周波帯域に属する周波数で供給される時に生じる表面電流分布を示す。図８は、給電部16から誘導放射部12に対して電流が上記の低周波帯域に属する周波数で供給される時に生じる表面電流分布を示す。図７、８とも、表面電流の向きが三角形の記号で示され、表面電流の大きい部分ほど三角形の色が濃く描かれている。図７に示されているように、給電部16から誘導放射部12に対して供給される電流の周波数が上記の高周波帯域（5GHzを含む）に属する場合、表面電流が誘導放射部12と寄生放射部13とのそれぞれで循環している。特に、接地面1の境界Pに沿って第２接続部5と給電部16との間を流れる表面電流がほとんどない（図７に示されている領域RB参照）。従って、高周波帯域では、誘導放射部12が単独で共振していることが分かる。一方、図８に示されているように、給電部16から誘導放射部12に対して供給される電流の周波数が上記の低周波帯域（2.4GHzを含む）に属する場合、接地面1の境界Pに沿って第２接続部5と給電部16との間を流れる表面電流が比較的大きい（図８に示されている領域RB参照）。すなわち、表面電流が誘導放射部12と寄生放射部13との全体を循環している。従って、低周波帯域では、寄生放射部13が誘導放射部12と結合して共振していることが分かる。

図１０は本発明の実施例２による平面アンテナの反射損失の周波数特性を示している。図１０に示されているように、本発明の実施例２による平面アンテナでは、2.4GHzと5GHzとの2カ所の近傍で反射損失が−10dB以下まで急減している。更に、反射損失が−10dBを下回る範囲の幅が比較的広い。このように、本発明の実施例２による平面アンテナでは実際に、2.4GHz近傍の低周波帯域と5GHz近傍の高周波帯域との二つの動作周波数帯域が得られ、更にそれらの動作周波数帯域がいずれも十分な幅を持つ。

図１２は本発明の実施例２による平面アンテナの放射パターンを示している。図１２に示されているように、本発明の実施例２による平面アンテナは、2,4GHz近傍の低周波帯域と5GHz近傍の高周波帯域とのいずれでも、全方位で均一な放射パターンを示す。

従来の３次元構造の逆Ｆアンテナの断面図 従来の３次元構造の逆Ｆアンテナの斜視図 本発明の実施例１による平面アンテナの構造を示す平面図 本発明の実施例１による平面アンテナについて、給電部から誘導放射部に対して電流が高周波帯域に属する周波数で供給される時に生じる表面電流分布を示す平面図 本発明の実施例１による平面アンテナについて、給電部から誘導放射部に対して電流が低周波帯域に属する周波数で供給される時に生じる表面電流分布を示す平面図 本発明の実施例２による平面アンテナの構造を示す平面図 本発明の実施例２による平面アンテナについて、給電部から誘導放射部に対して電流が高周波帯域に属する周波数で供給される時に生じる表面電流分布を示す平面図 本発明の実施例２による平面アンテナについて、給電部から誘導放射部に対して電流が低周波帯域に属する周波数で供給される時に生じる表面電流分布を示す平面図 本発明の実施例１による平面アンテナの反射損失の周波数特性を示すグラフ 本発明の実施例２による平面アンテナの反射損失の周波数特性を示すグラフ 本発明の実施例１による平面アンテナの放射パターンを示すグラフ 本発明の実施例２による平面アンテナの放射パターンを示すグラフ

符号の説明

1 接地部
2 誘導放射部
3 寄生放射部
4 第１接続部
5 第２接続部
6 給電部

Claims (12)

1. 接地面；
   前記接地面から離れていて、外部から電流の供給を受ける給電部；
   前記給電部に接続された端部、を含み、前記接地面から第１距離だけ離れている誘導放射部；
   開放端を含み、前記接地面から第２距離だけ離れている寄生放射部；
   前記誘導放射部と前記接地面との間を接続する第１接続部；及び、
   前記寄生放射部と前記接地面との間を接続する第２接続部；
   を有する平面アンテナであり、
   前記誘導放射部と前記第１接続部とが両者間の接続点近傍では「Γ」字（又はその鏡像）形状であり、前記寄生放射部と前記第２接続部とが両者間の接続点近傍では「Γ」の鏡像形状（又は「Γ」字形状）である、平面アンテナ。
2. 前記第１距離が前記第２距離より小さく、前記接地面から見て、前記誘導放射部が前記寄生放射部と重なっている、請求項１に記載の平面アンテナ。
3. 前記第１距離が3mmである、請求項２に記載の平面アンテナ。
4. 前記第２距離が5mmである、請求項３に記載の平面アンテナ。
5. 前記第１接続部と前記第２接続部との間の距離が24mmであり、前記誘導放射部の長さが18mmであり、前記寄生放射部の長さが19mmである、請求項４に記載の平面アンテナ。
6. 前記誘導放射部と前記寄生放射部とが２つの異なる共振周波数帯域を持つ、請求項１に記載の平面アンテナ。
7. 前記２つの共振周波数帯域のうち、高周波帯域では前記誘導放射部が単独で共振し、低周波帯域では前記誘導放射部と前記寄生放射部とが結合して共振する、請求項６に記載の平面アンテナ。
8. 前記高周波帯域が5.4GHzを含み、前記低周波帯域が2.4GHzを含む、請求項７に記載の平面アンテナ。
9. 前記誘導放射部と前記寄生放射部とがいずれもループ形状である、請求項１に記載の平面アンテナ。
10. 前記第１距離と前記第２距離とが等しく、前記接地面から見て、前記誘導放射部と前記寄生放射部とが離れている、請求項９に記載の平面アンテナ。
11. 前記誘導放射部の長さが7mmであり、前記寄生放射部の長さが8mmである、請求項１０に記載の平面アンテナ。
12. 前記第１距離の最大値が4mmであり、最小値が1.5mmである、請求項１１に記載の平面アンテナ。

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