マルチバンドアンテナ
【課題】 複数の送受信系に対応するマルチバンドアンテナであって、第１共振として第１の素子と第２の素子との要素により構成する両端開放の第１の放射電極が第１の周波数ｆ１で並列共振し、第２共振として第２の素子が第２の放射電極として第２の周波数ｆ２で直列共振し、第３共振として第３の周波数ｆ３で第３の素子が第３の放射電極として直列共振し、第４共振として第１の放射電極が第４の周波数ｆ４で並列共振し、第５共振として第２の放射電極が第５の周波数ｆ５で直列共振し、第１の周波数ｆ１〜第５の周波数ｆ５が、ｆ１＜ｆ２＜２×ｆ１＜ｆ３＜ｆ４＜ｆ５の関係にあることとした。
【解決手段】 ＬＴＥを含めた周波数帯に対応可能であり、ＶＳＷＲ帯域において優れ、もって複数の送受信系に対応可能なマルチバンドアンテナを提供する。
【解決手段】 ＬＴＥを含めた周波数帯に対応可能であり、ＶＳＷＲ帯域において優れ、もって複数の送受信系に対応可能なマルチバンドアンテナを提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線装置に用いられるアンテナ回路に関し、特には複数の互いに異なる周波数帯において利用可能なマルチバンドアンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話等の無線通信装置の急速な普及に応じて通信システムが使用する周波数帯域も多岐に亘るようになり、特に最近では、デュアルバンド方式、トリプルバンド方式、クワッドバンド方式のように複数の送受信帯域に対応した携帯電話が多くなってきた。例えば、ＧＳＭ８５０／９００帯、ＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯、ＵＭＴＳ帯の通信システムに対応した携帯電話では、ＧＳＭ８５０／９００帯が８２４〜９６０ＭＨｚ、ＤＣＳ帯が１７１０〜１８５０ＭＨｚ、ＰＣＳ帯が１８５０〜１９９０ＭＨｚ、及びＵＭＴＳ帯が１９２０〜２１７０ＭＨｚ帯の周波数帯を使用するので、これらの複数の周波数帯域に対応可能なアンテナ（マルチバンドアンテナ）が必要である。
【０００３】
アンテナを構成するアンテナの要素［放射素子、放射電極、放射線路（単に線路とも呼ばれる）］は通常基本周波数での共振（基本モード）と、高次の周波数での共振（高次モード）とを有する。例えば、直列共振で動作するアンテナでは、基本モードは１／４波長であり、高次モードは３／４波長である。また、並列共振であれば、基本モードは１／２波長であり、高次モードは３／２波長である。
一つのアンテナ要素でマルチバンドアンテナを構成する場合、直列共振による基本モードの共振を例えばＧＳＭ８５０／９００帯で得るとすると、ＤＣＳ帯等は高次モードの共振に対応することになる。しかし、ＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯及びＵＭＴＳ帯はＧＳＭ帯の約２〜２．５倍の周波数であり、複数の周波数帯域が１：３の関係にないので、単純には高次モードの共振に対応できない。並列共振による場合もまた高次モードの共振に対応するのは難しい。また高次モードの共振では、ＶＳＷＲ（電圧定在波比）が得られる帯域幅が狭い。
【０００４】
ＧＳＭ８５０／９００帯の周波数帯域幅は１３６ＭＨｚであり、中心周波数は８９２ＭＨｚであるので、比帯域幅は約１５．３％〔１３６ＭＨｚ／８９２ＭＨｚ〕である。またＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯、及びＵＭＴＳ Ｂａｎｄ１帯の周波数帯域幅は４６０ＭＨｚであり、中心周波数は１９４０ＭＨｚであるので、比帯域幅は約２３．７％〔４６０ＭＨｚ／１９４０ＭＨｚ〕である。このような周波数帯では、一つのアンテナ要素による共振によりインピーダンス整合を得るのは難しく、その帯域幅も十分に確保できない。
【０００５】
このような問題に対して、本発明者は特許文献１において図１３に示すマルチバンドアンテナを提案した。このマルチバンドアンテナは、要素Ｅ２、Ｅ３を含み並列共振モードで動作する第１の放射素子と、要素Ｅ１、Ｅ２で構成され直列共振モードで動作する第２の放射素子と、要素Ｅ１、Ｅ３で構成され直列共振モードで動作する第３の放射素子とを備えるものである。なお図中、符号２１１は第２の放射素子に誘起される共振電流を、符号２２２は第３放射素子に誘起される共振電流を、第３の放射素子に誘起される共振電流を示す。
【０００６】
第１の放射素子による並列共振の第１の周波数は、第２の放射素子による直列共振の第２の周波数よりも相対的に高周波数に設定されおり、第３の放射素子による直列共振の第３の周波数は前記第１の周波数よりも相対的に高周波数に設定される。
第１の周波数をアンテナの動作周波数帯域内とし、第２、第３の周波数を帯域外に設定することで、直列共振モードの共振と並列共振モードの共振との間に遷移的に生じるＶＳＷＲ劣化のピーク周波数を所望の周波数帯域外（低周波側）とし、更に第２の周波数を、アンテナの動作周波数の下限近傍に設定する。主共振として並列共振を用いることで、基本モードでのインピーダンス整合可能な周波数を広帯域とするとともに、利得の低下も防いでいる。また更に要素を加えることで、ＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯及びＵＭＴＳ帯の高周波帯にも対応可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２８８１７５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
最近ではマルチバンドアンテナが対応すべき周波数帯はＬＴＥ帯にも広がっている。例えば、ＬＴＥ Ｂａｎｄ１７帯は７０４〜７４６ＭＨｚ、ＬＴＥ Ｂａｎｄ７帯は２５００〜２６９０ＭＨｚ帯の周波数帯を使用する。なおＬＴＥ、ＧＳＭは商標あるいは登録商標である。
【０００９】
マルチバンドアンテナに要求される対応周波数帯域は広がる一方である。特許文献１のマルチバンドアンテナは広帯域の周波数に対応可能なものであるものの、ＬＴＥを含めた基本モードの周波数帯に対応するには、並列共振モードでの主共振ではＶＳＲＷ帯域が十分でないと言う問題がある。
また主共振である第１の放射素子による基本モードでの並列共振の周波数は、第２の放射素子と第３の放射素子を構成する要素の長さ等によって調整される。当然に要素の長さを変えれば、２つの直列共振の周波数も変化する。
例えば、第２の放射素子による直列共振を利用し、ＬＴＥ周波数帯域内の第２の周波数に共振を設けることも可能であるが、調整が難しいとともに、主共振や高次モードにおいて所望のＶＳＷＲが得られる周波数帯域が狭くなる問題がある。この為、従来のマルチバンドアンテナでは、ＬＴＥを含めた周波数帯に対応させることは困難であった。
そこで本発明では、ＬＴＥを含めた周波数帯に対応可能であり、ＶＳＷＲ帯域において優れ、もって複数の送受信系に対応可能なマルチバンドアンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、複数の送受信系に対応するマルチバンドアンテナであって、一端側が給電点に接続され他端側が開放端の第１の素子と、一端側が前記給電点と接続し、他端側が開放端であり、前記第１の素子よりも素子長さが短く、かつ前記第１の素子と略同方向に並んで伸びる第２の素子と、一端側が前記給電点と接続し、他端側が開放端であり、前記第２の素子よりも素子長さが短く、かつ少なくとも一部が前記第２の素子と略同方向に並んで伸びる第３の素子と、前記給電点側に前記第１〜第３の素子を直接又はインピーダンス素子を介し接地する短絡線路を備え、前記マルチバンドアンテナは、第１共振として前記第１の素子と前記第２の素子との要素により構成される両端開放の第１の放射電極が第１の周波数ｆ１で並列共振し、第２共振として前記第２の素子が第２の放射電極として第２の周波数ｆ２で直列共振し、第３共振として第３の周波数ｆ３で前記第３の素子が第３の放射電極として直列共振し、第４共振として前記第１の放射電極が第４の周波数ｆ４で並列共振し、第５共振として前記第２の放射電極が第５の周波数ｆ５で直列共振し、前記第１の周波数ｆ１〜前記第５の周波数ｆ５は、ｆ１＜ｆ２＜２×ｆ１＜ｆ３＜ｆ４＜ｆ５の関係にあることを特徴とするマルチバンドアンテナである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＧＳＭ８５０／９００帯やＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯及びＵＭＴＳ帯の高周波帯はもとより、ＬＴＥを含めた周波数帯においてＶＳＷＲ帯域特性に優れ、もって複数の送受信系に対応可能なマルチバンドアンテナを容易に提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のマルチバンドアンテナの一構成例を説明する為の図である。
【図２】本発明のマルチバンドアンテナの第１の周波数における動作を説明する為の図である。
【図３】本発明のマルチバンドアンテナの第２の周波数における動作を説明する為の図である。
【図４】本発明のマルチバンドアンテナの第３の周波数における動作を説明する為の図である。
【図５】本発明のマルチバンドアンテナの第４の周波数における動作を説明する為の図である。
【図６】本発明のマルチバンドアンテナの第５の周波数における動作を説明する為の図である。
【図７】本発明のマルチバンドアンテナの他の構成例を説明する為の図である。
【図８】本発明のマルチバンドアンテナの金属板による構成例を示す外観斜視図である。
【図９】本発明のマルチバンドアンテナのＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。
【図１０】本発明のマルチバンドアンテナの１００ＭＨｚ〜１７００ＭＨｚの間のインピーダンス特性を示すスミスチャートである。
【図１１】本発明のマルチバンドアンテナの１７００ＭＨｚ〜２５００ＭＨｚの間のインピーダンス特性を示すスミスチャートである。
【図１２】本発明のマルチバンドアンテナの２５００ＭＨｚ〜３３００ＭＨｚの間のインピーダンス特性を示すスミスチャートである。
【図１３】従来のマルチバンドアンテナの構成を説明する為の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明のマルチバンドアンテナの基本構造を、図１を用いて説明する。
このマルチバンドアンテナ１は、第１の素子ｅｌ１と第２の素子ｅｌ２と第３の素子ｅｌ３とを備え、各素子は共通の給電回路２００からの給電により励振され、少なくとも第１〜第５の共振を生じて、複数の送受信系に対応可能なものである。なお、各共振の周波数は、第１〜第５の順に高周波数となる。
【００１４】
給電回路２００に長さの異なる２つの素子が接続する場合、それぞれの長さに応じた周波数において直列共振するとともに、２周波数間の周波数において並列共振が発生することが知られ、マルチバンドアンテナの動作においては、直列共振モードの他に並列共振モードの共振電流が発生する。
【００１５】
一般に直列共振モードでの動作するアンテナでは、放射素子からだけではなくグランド面からも放射する様に設計される。例えば携帯電話では、筐体の金属部分からの放射を利用して、見かけ上のアンテナ体積を増して放射効率を向上している。
一方並列共振モードでは、給電点やグランド面にはほとんど電流が流れない為、十分な大きさの放射素子を確保出来ない場合に、放射効率・利得が低下してしまう問題がある。従って小型のアンテナでは専ら放射効率に優れる直列共振モードが用いられ、放射素子のみで共振する並列共振モードはあまり用いられていなかった。
【００１６】
しかしながら本発明者等が鋭意研究する中で、長さの異なる素子を近接して配置すると、一方の素子には直列共振に基づく共振電流が誘起されず、相対的に低周波数側の直列共振が発現しなくなることを知見した。そして、この様な状態においては、容易に直列共振の周波数と並列共振の周波数を調整することが可能であるとともに、素子間に形成される寄生容量によって共振に必要な要素の長さを短く出来ることが判明した。
【００１７】
係る知見に基づけば、十分な大きさの放射素子を確保出来ない場合に、その構成要素の実長が短くても、見かけの長さが長く見積もられて、もって並列共振モードでの動作による利得劣化の問題を改善することが出来る。
【００１８】
本実施例において、第１の素子ｅｌ１は要素ａ、ｄ、ｅ、ｆからなり、第２の素子ｅｌ２は要素ｂ、ｅ、ｆからなり、第３の素子ｅｌ３は要素ｃ、ｇ、ｆからなる。また短絡線路は要素ｈとなる。短絡線路はインピーダンス素子を介して接地しても良い。
要素ａは要素ｂと比べて僅かに長くなるように設定される。要素ａと要素ｂとの長さの差は実質的に第１の素子ｅｌ１と第２の素子ｅｌ２との長さの差となる。各素子の主要部は、理想的にはグランド面ＧＮＤと略平行に配置され、それぞれ同じ方向に向って伸びる様に構成される。
【００１９】
第１の素子ｅｌ１は第２の素子ｅｌ２と近接して配置されており、要素ａ、ｂ、ｄによって第１の周波数ｆ１で並列共振する第１の放射素子を構成する。その合計長さは、実質的に第１の周波数ｆ１の波長λ１の略１／２となっており、図２に示す様に、第１の放射素子を構成する要素ａ、ｂ、ｄには共振電流Ｉｐ１が誘起される。理想状態では第３の素子ｅｌ３側は高インピーダンスであり、給電側からは見えないので点線で示している。
【００２０】
並列共振する時の電流分布Ｉｐ１は、その両端で０（零）となり、中央部で最大となる。従って第１の放射素子の中央部では、実質的に電圧が０（零）となり、インピーダンスはショート状態となる。接地される短絡線路を構成する要素ｈは、給電時に電圧が０（零）となる部位の近傍に接続する。
【００２１】
図３は第２の周波数ｆ２での共振状態を示す図である。第２の素子ｅｌ２は第２の放射素子として機能し、構成要素ｂ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈには共振電流Ｉｓ１が誘起される。第２の素子ｅｌ２は第２の周波数ｆ２で共振する波長λ２の略１／４の長さに形成されており、開放端側で電流が最小となるような直列共振モードの電流分布となる。理想状態では第１の素子ｅｌ１、第３の素子ｅｌ３は高インピーダンスであり、給電側からは見えないので点線で示しているが、第３の素子ｅｌ３は第２の素子ｅｌ２と結合し、直列共振の共振電流が誘起される場合がある。その場合の電流は主共振による電流よりも小さい。
また、短絡線路の位置を調整することで、第２の放射素子のインピーダンスを調整することが出来る。
【００２２】
図４は第３の周波数ｆ３での共振状態を示す図である。周波数ｆ３は前記第１の周波数ｆ１の２倍を超える周波数に設定される。第３の素子ｅｌ３は第３の放射素子として機能し、構成要素ｃ、ｆ、ｇ、ｈに共振電流Ｉｓ２が誘起される。第３の素子ｅｌ３は第３の周波数ｆ３で共振する波長λ３の略１／４の長さに形成されており、開放端側で電流が最小となるような直列共振モードの電流分布となる。
理想状態では第１の素子ｅｌ１、第２の素子ｅｌ２は高インピーダンスであり、給電側からは見えないので点線で示している。第３の周波数ｆ３が、第１の素子ｅｌ１や第２の素子ｅｌ２が共振し得る高次の共振周波数と近い周波数であれば、各素子にも高次直列共振の共振電流が誘起される場合があるが、主共振による電流よりも小さい。
【００２３】
図５は第４の周波数ｆ４での共振状態を示す図である。第１の放射素子には高次並列共振モードの共振電流Ｉｐ２が誘起される。
理想状態では第３の素子ｅｌ３は高インピーダンスであり、給電側からは見えないので点線で示している。第３の素子ｅｌ３が第２の素子ｅｌ２と結合する場合には、直列共振の共振電流が誘起される場合があるが、主共振による電流よりも小さい。
【００２４】
図６は第５の周波数ｆ５での共振状態を示す図である。第２の放射素子に高次直列共振モードの共振電流Ｉｓ３が誘起される。
理想状態では第１の素子ｅｌ１、第３の素子ｅｌ３は高インピーダンスであり、給電側からは見えないので点線で示すが、第１の放射素子による高次並列共振や第３の放射素子の直列共振による共振電流が誘起される場合もある。その場合の共振電流は主共振による電流よりも小さい。
【００２５】
各素子の間隔は所望のアンテナ特性を発揮する様に適宜調整され得るが、隣り合う素子の間隔とアンテナ特性とは凡そ以下の傾向を示す。
第１の素子ｅｌ１と第２の素子ｅｌ２との間隔を近づけ結合を強めると、第１の周波数におけるＶＳＷＲの帯域が狭くなり、第２の周波数ｆ２のＶＳＷＲの帯域が広がる。また、第５共振が低周波側に移動する。
第２の素子ｅｌ２と第３の素子ｅｌ３との間隔を近づけ結合を強めると、第３共振が低周波側に移動し、第２の周波数ｆ２における利得が低下する。
【００２６】
なお本実施態様では、第１の素子ｅｌ１、第２の素子ｅｌ２は直線状であり、同方向に伸長するが、曲線や蛇行させて構成することが出来る。また屈曲させて、先端側を同じ方向に伸長する様に折り返しても良い。更に折り返された第２の素子ｅｌ２の先端側を第３の素子ｅｌ３と結合可能なように対向させても良い。
このような構成によれば、マルチバンドアンテナを小型に構成することが出来る。また、第２の素子ｅｌ２と第３の素子ｅｌ３の経路での共振を利用して、広帯域のマルチバンドアンテナとすることが出来る。
【００２７】
各素子を構成する要素は、ＦＲ４（ガラスエポキシ樹脂基板）などのプリント基板に、エッチングなどの公知の手法によって低抵抗のＣｕ薄板で形成する場合や、アルミナや他の誘電体セラミクス材料から成るセラミック基板に、印刷やエッチングなどの公知の手法によってＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の良導体で形成することも出来る。また、Ｃｕやリン青銅からなる導体薄板で構成しても良い。
加工は容易だが外力に対して容易に変形し難いリン青銅などの合金で要素を形成すれば、支持体に依らず自由な形状に形成することが可能となり好ましい。
またプリント基板やセラミック素体に形成した要素を、グランド面を有する他のプリント基板に実装して構成しても良いし、導体薄板と組み合わせて構成しても良い。
【実施例】
【００２８】
以下本発明に係るマルチバンドアンテナの実施例について説明する。
図７はマルチバンドアンテナの構成例を説明する為の図である。また、図８の斜視図に金属板による構成例を示す。このマルチバンドアンテナはポリカーボネート樹脂により支持されるが、図面上では省略している。外形寸法は幅を１０ｍｍ、長さを４６．５ｍｍ、高さを６．５ｍｍとしている。
【００２９】
このマルチバンドアンテナは、接続点（給電点）Ａを介して給電回路２００と接続する第１の素子ｅｌ１と、第２の素子ｅｌ２と、第３の素子ｅｌ３とを有し、プリント回路基板（図示せず）の一面側に立設されたリン青銅からなる厚み０．１ｍｍの導体薄板で構成されている。
プリント回路基板は銅張両面導体基板（ガラスエポキシ基板）であるが、マルチバンドアンテナと重なる部位には、その両面にグランドパターンは形成されていない。
【００３０】
給電点Ａに対して、第１の素子ｅｌ１と第２の素子ｅｌ２とが同じ方向に伸び、複数箇所で折り曲げられた後、端部は給電点Ａ側に向う。その長さは、第１の素子ｅｌ１を８１．５ｍｍ、第２の素子ｅｌ２を７７．５ｍｍとした。本実施例においては端部側に近接部が設けられ素子間の間隔は０．５ｍｍとなっている。また他の部位では１．５ｍｍの間隔をもって形成している。
【００３１】
第１の素子ｅｌ１と第２の素子ｅｌ２の端部側に向かって第３の素子ｅｌ３が形成される。その長さを３０．５ｍｍとした。端部は第２の素子ｅｌ２に３方囲まれた領域にあり、隣り合う第２の素子ｅｌ２との間隔を、第２の素子ｅｌ２の端部側で１．９ｍｍ、給電点に近い側で２．０ｍｍとした。
【００３２】
この様な構成により、第１共振をＬＴＥ Ｂａｎｄ１７帯に、第２共振をＧＳＭ８５０／９００帯に、第３共振をＤＣＳ／ＰＣＳ帯に、第４共振をＵＭＴＳ帯に、第５共振をＬＴＥ Ｂａｎｄ７帯に有するマルチバンドアンテナとした。
【００３３】
得られたマルチバンドアンテナを５０Ωの同軸ケーブルを介してネットワークアナライザに接続し、ＶＳＷＲ特性を測定した。
図９に１００ＭＨｚ〜３３００ＭＨｚにおけるＶＳＷＲ特性を示す。ＶＳＷＲ特性図中において、点線はＶＳＷＲ値が４であることを示している。また、各周波数におけるインピーダンス特性として図１０に１００ＭＨｚ〜１７００ＭＨｚにおけるスミスチャートを、図１１に１７００ＭＨｚ〜２５００ＭＨｚにおけるスミスチャートを、図１２に２５００ＭＨｚ〜３３００ＭＨｚにおけるスミスチャートを示す。
【００３４】
本発明のマルチバンドアンテナによれば、各共振が各送受信系の帯域内において発現し、かつＶＳＷＲ値が４以下である周波数帯域は、各送受信系の帯域をカバーする。
【符号の説明】
【００３５】
１ マルチバンドアンテナ
２００ 給電回路
ｅｌ１ 第１の素子
ｅｌ２ 第２の素子
ｅｌ３ 第３の素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線装置に用いられるアンテナ回路に関し、特には複数の互いに異なる周波数帯において利用可能なマルチバンドアンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話等の無線通信装置の急速な普及に応じて通信システムが使用する周波数帯域も多岐に亘るようになり、特に最近では、デュアルバンド方式、トリプルバンド方式、クワッドバンド方式のように複数の送受信帯域に対応した携帯電話が多くなってきた。例えば、ＧＳＭ８５０／９００帯、ＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯、ＵＭＴＳ帯の通信システムに対応した携帯電話では、ＧＳＭ８５０／９００帯が８２４〜９６０ＭＨｚ、ＤＣＳ帯が１７１０〜１８５０ＭＨｚ、ＰＣＳ帯が１８５０〜１９９０ＭＨｚ、及びＵＭＴＳ帯が１９２０〜２１７０ＭＨｚ帯の周波数帯を使用するので、これらの複数の周波数帯域に対応可能なアンテナ（マルチバンドアンテナ）が必要である。
【０００３】
アンテナを構成するアンテナの要素［放射素子、放射電極、放射線路（単に線路とも呼ばれる）］は通常基本周波数での共振（基本モード）と、高次の周波数での共振（高次モード）とを有する。例えば、直列共振で動作するアンテナでは、基本モードは１／４波長であり、高次モードは３／４波長である。また、並列共振であれば、基本モードは１／２波長であり、高次モードは３／２波長である。
一つのアンテナ要素でマルチバンドアンテナを構成する場合、直列共振による基本モードの共振を例えばＧＳＭ８５０／９００帯で得るとすると、ＤＣＳ帯等は高次モードの共振に対応することになる。しかし、ＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯及びＵＭＴＳ帯はＧＳＭ帯の約２〜２．５倍の周波数であり、複数の周波数帯域が１：３の関係にないので、単純には高次モードの共振に対応できない。並列共振による場合もまた高次モードの共振に対応するのは難しい。また高次モードの共振では、ＶＳＷＲ（電圧定在波比）が得られる帯域幅が狭い。
【０００４】
ＧＳＭ８５０／９００帯の周波数帯域幅は１３６ＭＨｚであり、中心周波数は８９２ＭＨｚであるので、比帯域幅は約１５．３％〔１３６ＭＨｚ／８９２ＭＨｚ〕である。またＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯、及びＵＭＴＳ Ｂａｎｄ１帯の周波数帯域幅は４６０ＭＨｚであり、中心周波数は１９４０ＭＨｚであるので、比帯域幅は約２３．７％〔４６０ＭＨｚ／１９４０ＭＨｚ〕である。このような周波数帯では、一つのアンテナ要素による共振によりインピーダンス整合を得るのは難しく、その帯域幅も十分に確保できない。
【０００５】
このような問題に対して、本発明者は特許文献１において図１３に示すマルチバンドアンテナを提案した。このマルチバンドアンテナは、要素Ｅ２、Ｅ３を含み並列共振モードで動作する第１の放射素子と、要素Ｅ１、Ｅ２で構成され直列共振モードで動作する第２の放射素子と、要素Ｅ１、Ｅ３で構成され直列共振モードで動作する第３の放射素子とを備えるものである。なお図中、符号２１１は第２の放射素子に誘起される共振電流を、符号２２２は第３放射素子に誘起される共振電流を、第３の放射素子に誘起される共振電流を示す。
【０００６】
第１の放射素子による並列共振の第１の周波数は、第２の放射素子による直列共振の第２の周波数よりも相対的に高周波数に設定されおり、第３の放射素子による直列共振の第３の周波数は前記第１の周波数よりも相対的に高周波数に設定される。
第１の周波数をアンテナの動作周波数帯域内とし、第２、第３の周波数を帯域外に設定することで、直列共振モードの共振と並列共振モードの共振との間に遷移的に生じるＶＳＷＲ劣化のピーク周波数を所望の周波数帯域外（低周波側）とし、更に第２の周波数を、アンテナの動作周波数の下限近傍に設定する。主共振として並列共振を用いることで、基本モードでのインピーダンス整合可能な周波数を広帯域とするとともに、利得の低下も防いでいる。また更に要素を加えることで、ＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯及びＵＭＴＳ帯の高周波帯にも対応可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２８８１７５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
最近ではマルチバンドアンテナが対応すべき周波数帯はＬＴＥ帯にも広がっている。例えば、ＬＴＥ Ｂａｎｄ１７帯は７０４〜７４６ＭＨｚ、ＬＴＥ Ｂａｎｄ７帯は２５００〜２６９０ＭＨｚ帯の周波数帯を使用する。なおＬＴＥ、ＧＳＭは商標あるいは登録商標である。
【０００９】
マルチバンドアンテナに要求される対応周波数帯域は広がる一方である。特許文献１のマルチバンドアンテナは広帯域の周波数に対応可能なものであるものの、ＬＴＥを含めた基本モードの周波数帯に対応するには、並列共振モードでの主共振ではＶＳＲＷ帯域が十分でないと言う問題がある。
また主共振である第１の放射素子による基本モードでの並列共振の周波数は、第２の放射素子と第３の放射素子を構成する要素の長さ等によって調整される。当然に要素の長さを変えれば、２つの直列共振の周波数も変化する。
例えば、第２の放射素子による直列共振を利用し、ＬＴＥ周波数帯域内の第２の周波数に共振を設けることも可能であるが、調整が難しいとともに、主共振や高次モードにおいて所望のＶＳＷＲが得られる周波数帯域が狭くなる問題がある。この為、従来のマルチバンドアンテナでは、ＬＴＥを含めた周波数帯に対応させることは困難であった。
そこで本発明では、ＬＴＥを含めた周波数帯に対応可能であり、ＶＳＷＲ帯域において優れ、もって複数の送受信系に対応可能なマルチバンドアンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、複数の送受信系に対応するマルチバンドアンテナであって、一端側が給電点に接続され他端側が開放端の第１の素子と、一端側が前記給電点と接続し、他端側が開放端であり、前記第１の素子よりも素子長さが短く、かつ前記第１の素子と略同方向に並んで伸びる第２の素子と、一端側が前記給電点と接続し、他端側が開放端であり、前記第２の素子よりも素子長さが短く、かつ少なくとも一部が前記第２の素子と略同方向に並んで伸びる第３の素子と、前記給電点側に前記第１〜第３の素子を直接又はインピーダンス素子を介し接地する短絡線路を備え、前記マルチバンドアンテナは、第１共振として前記第１の素子と前記第２の素子との要素により構成される両端開放の第１の放射電極が第１の周波数ｆ１で並列共振し、第２共振として前記第２の素子が第２の放射電極として第２の周波数ｆ２で直列共振し、第３共振として第３の周波数ｆ３で前記第３の素子が第３の放射電極として直列共振し、第４共振として前記第１の放射電極が第４の周波数ｆ４で並列共振し、第５共振として前記第２の放射電極が第５の周波数ｆ５で直列共振し、前記第１の周波数ｆ１〜前記第５の周波数ｆ５は、ｆ１＜ｆ２＜２×ｆ１＜ｆ３＜ｆ４＜ｆ５の関係にあることを特徴とするマルチバンドアンテナである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＧＳＭ８５０／９００帯やＤＣＳ帯、ＰＣＳ帯及びＵＭＴＳ帯の高周波帯はもとより、ＬＴＥを含めた周波数帯においてＶＳＷＲ帯域特性に優れ、もって複数の送受信系に対応可能なマルチバンドアンテナを容易に提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のマルチバンドアンテナの一構成例を説明する為の図である。
【図２】本発明のマルチバンドアンテナの第１の周波数における動作を説明する為の図である。
【図３】本発明のマルチバンドアンテナの第２の周波数における動作を説明する為の図である。
【図４】本発明のマルチバンドアンテナの第３の周波数における動作を説明する為の図である。
【図５】本発明のマルチバンドアンテナの第４の周波数における動作を説明する為の図である。
【図６】本発明のマルチバンドアンテナの第５の周波数における動作を説明する為の図である。
【図７】本発明のマルチバンドアンテナの他の構成例を説明する為の図である。
【図８】本発明のマルチバンドアンテナの金属板による構成例を示す外観斜視図である。
【図９】本発明のマルチバンドアンテナのＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。
【図１０】本発明のマルチバンドアンテナの１００ＭＨｚ〜１７００ＭＨｚの間のインピーダンス特性を示すスミスチャートである。
【図１１】本発明のマルチバンドアンテナの１７００ＭＨｚ〜２５００ＭＨｚの間のインピーダンス特性を示すスミスチャートである。
【図１２】本発明のマルチバンドアンテナの２５００ＭＨｚ〜３３００ＭＨｚの間のインピーダンス特性を示すスミスチャートである。
【図１３】従来のマルチバンドアンテナの構成を説明する為の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明のマルチバンドアンテナの基本構造を、図１を用いて説明する。
このマルチバンドアンテナ１は、第１の素子ｅｌ１と第２の素子ｅｌ２と第３の素子ｅｌ３とを備え、各素子は共通の給電回路２００からの給電により励振され、少なくとも第１〜第５の共振を生じて、複数の送受信系に対応可能なものである。なお、各共振の周波数は、第１〜第５の順に高周波数となる。
【００１４】
給電回路２００に長さの異なる２つの素子が接続する場合、それぞれの長さに応じた周波数において直列共振するとともに、２周波数間の周波数において並列共振が発生することが知られ、マルチバンドアンテナの動作においては、直列共振モードの他に並列共振モードの共振電流が発生する。
【００１５】
一般に直列共振モードでの動作するアンテナでは、放射素子からだけではなくグランド面からも放射する様に設計される。例えば携帯電話では、筐体の金属部分からの放射を利用して、見かけ上のアンテナ体積を増して放射効率を向上している。
一方並列共振モードでは、給電点やグランド面にはほとんど電流が流れない為、十分な大きさの放射素子を確保出来ない場合に、放射効率・利得が低下してしまう問題がある。従って小型のアンテナでは専ら放射効率に優れる直列共振モードが用いられ、放射素子のみで共振する並列共振モードはあまり用いられていなかった。
【００１６】
しかしながら本発明者等が鋭意研究する中で、長さの異なる素子を近接して配置すると、一方の素子には直列共振に基づく共振電流が誘起されず、相対的に低周波数側の直列共振が発現しなくなることを知見した。そして、この様な状態においては、容易に直列共振の周波数と並列共振の周波数を調整することが可能であるとともに、素子間に形成される寄生容量によって共振に必要な要素の長さを短く出来ることが判明した。
【００１７】
係る知見に基づけば、十分な大きさの放射素子を確保出来ない場合に、その構成要素の実長が短くても、見かけの長さが長く見積もられて、もって並列共振モードでの動作による利得劣化の問題を改善することが出来る。
【００１８】
本実施例において、第１の素子ｅｌ１は要素ａ、ｄ、ｅ、ｆからなり、第２の素子ｅｌ２は要素ｂ、ｅ、ｆからなり、第３の素子ｅｌ３は要素ｃ、ｇ、ｆからなる。また短絡線路は要素ｈとなる。短絡線路はインピーダンス素子を介して接地しても良い。
要素ａは要素ｂと比べて僅かに長くなるように設定される。要素ａと要素ｂとの長さの差は実質的に第１の素子ｅｌ１と第２の素子ｅｌ２との長さの差となる。各素子の主要部は、理想的にはグランド面ＧＮＤと略平行に配置され、それぞれ同じ方向に向って伸びる様に構成される。
【００１９】
第１の素子ｅｌ１は第２の素子ｅｌ２と近接して配置されており、要素ａ、ｂ、ｄによって第１の周波数ｆ１で並列共振する第１の放射素子を構成する。その合計長さは、実質的に第１の周波数ｆ１の波長λ１の略１／２となっており、図２に示す様に、第１の放射素子を構成する要素ａ、ｂ、ｄには共振電流Ｉｐ１が誘起される。理想状態では第３の素子ｅｌ３側は高インピーダンスであり、給電側からは見えないので点線で示している。
【００２０】
並列共振する時の電流分布Ｉｐ１は、その両端で０（零）となり、中央部で最大となる。従って第１の放射素子の中央部では、実質的に電圧が０（零）となり、インピーダンスはショート状態となる。接地される短絡線路を構成する要素ｈは、給電時に電圧が０（零）となる部位の近傍に接続する。
【００２１】
図３は第２の周波数ｆ２での共振状態を示す図である。第２の素子ｅｌ２は第２の放射素子として機能し、構成要素ｂ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈには共振電流Ｉｓ１が誘起される。第２の素子ｅｌ２は第２の周波数ｆ２で共振する波長λ２の略１／４の長さに形成されており、開放端側で電流が最小となるような直列共振モードの電流分布となる。理想状態では第１の素子ｅｌ１、第３の素子ｅｌ３は高インピーダンスであり、給電側からは見えないので点線で示しているが、第３の素子ｅｌ３は第２の素子ｅｌ２と結合し、直列共振の共振電流が誘起される場合がある。その場合の電流は主共振による電流よりも小さい。
また、短絡線路の位置を調整することで、第２の放射素子のインピーダンスを調整することが出来る。
【００２２】
図４は第３の周波数ｆ３での共振状態を示す図である。周波数ｆ３は前記第１の周波数ｆ１の２倍を超える周波数に設定される。第３の素子ｅｌ３は第３の放射素子として機能し、構成要素ｃ、ｆ、ｇ、ｈに共振電流Ｉｓ２が誘起される。第３の素子ｅｌ３は第３の周波数ｆ３で共振する波長λ３の略１／４の長さに形成されており、開放端側で電流が最小となるような直列共振モードの電流分布となる。
理想状態では第１の素子ｅｌ１、第２の素子ｅｌ２は高インピーダンスであり、給電側からは見えないので点線で示している。第３の周波数ｆ３が、第１の素子ｅｌ１や第２の素子ｅｌ２が共振し得る高次の共振周波数と近い周波数であれば、各素子にも高次直列共振の共振電流が誘起される場合があるが、主共振による電流よりも小さい。
【００２３】
図５は第４の周波数ｆ４での共振状態を示す図である。第１の放射素子には高次並列共振モードの共振電流Ｉｐ２が誘起される。
理想状態では第３の素子ｅｌ３は高インピーダンスであり、給電側からは見えないので点線で示している。第３の素子ｅｌ３が第２の素子ｅｌ２と結合する場合には、直列共振の共振電流が誘起される場合があるが、主共振による電流よりも小さい。
【００２４】
図６は第５の周波数ｆ５での共振状態を示す図である。第２の放射素子に高次直列共振モードの共振電流Ｉｓ３が誘起される。
理想状態では第１の素子ｅｌ１、第３の素子ｅｌ３は高インピーダンスであり、給電側からは見えないので点線で示すが、第１の放射素子による高次並列共振や第３の放射素子の直列共振による共振電流が誘起される場合もある。その場合の共振電流は主共振による電流よりも小さい。
【００２５】
各素子の間隔は所望のアンテナ特性を発揮する様に適宜調整され得るが、隣り合う素子の間隔とアンテナ特性とは凡そ以下の傾向を示す。
第１の素子ｅｌ１と第２の素子ｅｌ２との間隔を近づけ結合を強めると、第１の周波数におけるＶＳＷＲの帯域が狭くなり、第２の周波数ｆ２のＶＳＷＲの帯域が広がる。また、第５共振が低周波側に移動する。
第２の素子ｅｌ２と第３の素子ｅｌ３との間隔を近づけ結合を強めると、第３共振が低周波側に移動し、第２の周波数ｆ２における利得が低下する。
【００２６】
なお本実施態様では、第１の素子ｅｌ１、第２の素子ｅｌ２は直線状であり、同方向に伸長するが、曲線や蛇行させて構成することが出来る。また屈曲させて、先端側を同じ方向に伸長する様に折り返しても良い。更に折り返された第２の素子ｅｌ２の先端側を第３の素子ｅｌ３と結合可能なように対向させても良い。
このような構成によれば、マルチバンドアンテナを小型に構成することが出来る。また、第２の素子ｅｌ２と第３の素子ｅｌ３の経路での共振を利用して、広帯域のマルチバンドアンテナとすることが出来る。
【００２７】
各素子を構成する要素は、ＦＲ４（ガラスエポキシ樹脂基板）などのプリント基板に、エッチングなどの公知の手法によって低抵抗のＣｕ薄板で形成する場合や、アルミナや他の誘電体セラミクス材料から成るセラミック基板に、印刷やエッチングなどの公知の手法によってＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の良導体で形成することも出来る。また、Ｃｕやリン青銅からなる導体薄板で構成しても良い。
加工は容易だが外力に対して容易に変形し難いリン青銅などの合金で要素を形成すれば、支持体に依らず自由な形状に形成することが可能となり好ましい。
またプリント基板やセラミック素体に形成した要素を、グランド面を有する他のプリント基板に実装して構成しても良いし、導体薄板と組み合わせて構成しても良い。
【実施例】
【００２８】
以下本発明に係るマルチバンドアンテナの実施例について説明する。
図７はマルチバンドアンテナの構成例を説明する為の図である。また、図８の斜視図に金属板による構成例を示す。このマルチバンドアンテナはポリカーボネート樹脂により支持されるが、図面上では省略している。外形寸法は幅を１０ｍｍ、長さを４６．５ｍｍ、高さを６．５ｍｍとしている。
【００２９】
このマルチバンドアンテナは、接続点（給電点）Ａを介して給電回路２００と接続する第１の素子ｅｌ１と、第２の素子ｅｌ２と、第３の素子ｅｌ３とを有し、プリント回路基板（図示せず）の一面側に立設されたリン青銅からなる厚み０．１ｍｍの導体薄板で構成されている。
プリント回路基板は銅張両面導体基板（ガラスエポキシ基板）であるが、マルチバンドアンテナと重なる部位には、その両面にグランドパターンは形成されていない。
【００３０】
給電点Ａに対して、第１の素子ｅｌ１と第２の素子ｅｌ２とが同じ方向に伸び、複数箇所で折り曲げられた後、端部は給電点Ａ側に向う。その長さは、第１の素子ｅｌ１を８１．５ｍｍ、第２の素子ｅｌ２を７７．５ｍｍとした。本実施例においては端部側に近接部が設けられ素子間の間隔は０．５ｍｍとなっている。また他の部位では１．５ｍｍの間隔をもって形成している。
【００３１】
第１の素子ｅｌ１と第２の素子ｅｌ２の端部側に向かって第３の素子ｅｌ３が形成される。その長さを３０．５ｍｍとした。端部は第２の素子ｅｌ２に３方囲まれた領域にあり、隣り合う第２の素子ｅｌ２との間隔を、第２の素子ｅｌ２の端部側で１．９ｍｍ、給電点に近い側で２．０ｍｍとした。
【００３２】
この様な構成により、第１共振をＬＴＥ Ｂａｎｄ１７帯に、第２共振をＧＳＭ８５０／９００帯に、第３共振をＤＣＳ／ＰＣＳ帯に、第４共振をＵＭＴＳ帯に、第５共振をＬＴＥ Ｂａｎｄ７帯に有するマルチバンドアンテナとした。
【００３３】
得られたマルチバンドアンテナを５０Ωの同軸ケーブルを介してネットワークアナライザに接続し、ＶＳＷＲ特性を測定した。
図９に１００ＭＨｚ〜３３００ＭＨｚにおけるＶＳＷＲ特性を示す。ＶＳＷＲ特性図中において、点線はＶＳＷＲ値が４であることを示している。また、各周波数におけるインピーダンス特性として図１０に１００ＭＨｚ〜１７００ＭＨｚにおけるスミスチャートを、図１１に１７００ＭＨｚ〜２５００ＭＨｚにおけるスミスチャートを、図１２に２５００ＭＨｚ〜３３００ＭＨｚにおけるスミスチャートを示す。
【００３４】
本発明のマルチバンドアンテナによれば、各共振が各送受信系の帯域内において発現し、かつＶＳＷＲ値が４以下である周波数帯域は、各送受信系の帯域をカバーする。
【符号の説明】
【００３５】
１ マルチバンドアンテナ
２００ 給電回路
ｅｌ１ 第１の素子
ｅｌ２ 第２の素子
ｅｌ３ 第３の素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送受信系に対応するマルチバンドアンテナであって、
一端側が給電点に接続され他端側が開放端の第１の素子と、一端側が前記給電点と接続し、他端側が開放端であり、前記第１の素子よりも素子長さが短く、かつ前記第１の素子と略同方向に並んで伸びる第２の素子と、一端側が前記給電点と接続し、他端側が開放端であり、前記第２の素子よりも素子長さが短く、かつ少なくとも一部が前記第２の素子と略同方向に並んで伸びる第３の素子と、前記給電点側に前記第１〜第３の素子を直接又はインピーダンス素子を介し接地する短絡線路を備え、
前記マルチバンドアンテナは、第１共振として前記第１の素子と前記第２の素子との要素により構成される両端開放の第１の放射電極が第１の周波数ｆ１で並列共振し、第２共振として前記第２の素子が第２の放射電極として第２の周波数ｆ２で直列共振し、第３共振として第３の周波数ｆ３で前記第３の素子が第３の放射電極として直列共振し、第４共振として前記第１の放射電極が第４の周波数ｆ４で並列共振し、第５共振として前記第２の放射電極が第５の周波数ｆ５で直列共振し、
前記第１の周波数ｆ１〜前記第５の周波数ｆ５は、ｆ１＜ｆ２＜２×ｆ１＜ｆ３＜ｆ４＜ｆ５の関係にあることを特徴とするマルチバンドアンテナ。
【請求項１】
複数の送受信系に対応するマルチバンドアンテナであって、
一端側が給電点に接続され他端側が開放端の第１の素子と、一端側が前記給電点と接続し、他端側が開放端であり、前記第１の素子よりも素子長さが短く、かつ前記第１の素子と略同方向に並んで伸びる第２の素子と、一端側が前記給電点と接続し、他端側が開放端であり、前記第２の素子よりも素子長さが短く、かつ少なくとも一部が前記第２の素子と略同方向に並んで伸びる第３の素子と、前記給電点側に前記第１〜第３の素子を直接又はインピーダンス素子を介し接地する短絡線路を備え、
前記マルチバンドアンテナは、第１共振として前記第１の素子と前記第２の素子との要素により構成される両端開放の第１の放射電極が第１の周波数ｆ１で並列共振し、第２共振として前記第２の素子が第２の放射電極として第２の周波数ｆ２で直列共振し、第３共振として第３の周波数ｆ３で前記第３の素子が第３の放射電極として直列共振し、第４共振として前記第１の放射電極が第４の周波数ｆ４で並列共振し、第５共振として前記第２の放射電極が第５の周波数ｆ５で直列共振し、
前記第１の周波数ｆ１〜前記第５の周波数ｆ５は、ｆ１＜ｆ２＜２×ｆ１＜ｆ３＜ｆ４＜ｆ５の関係にあることを特徴とするマルチバンドアンテナ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１６９８０５（Ｐ２０１２−１６９８０５Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８２２７（Ｐ２０１１−２８２２７）
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
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