説明

多周波アンテナ

【課題】パソコン、あるいはPDA等の情報端末機器等の内に組込まれる共振周波数等仕様の異なるアンテナを組み合わせた多周波アンテナにおいてWAN帯域、GPS帯域、LTE帯域の広範囲な帯域において、干渉が無く安定した通信が実現でき、しかも小型化に適した多周波用アンテナを提供する。
【解決手段】誘電体基板1の表面1aに3つの周波数に共振する分岐エレメント2a、2bおよび2cを設けるとともに、誘電体基板1の裏面1bに、さらに別の2つの周波数に共振するための無給電エレメント5及び周波数調整部6を設ける。そして、無給電エレメント5と周波数調整部6とは直列接続し周波数調整部6は短絡部3b経由にてグランド板4に接続する。さらに、給電点Pには給電用同軸ケーブルを接続する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、パソコン、PDA(携帯型情報機器)、携帯電話、あるいはVICSなどの情報端末機器等に内蔵させるアンテナを組み合わせた多周波広帯域のアンテナに関する。さらに詳しくは、本発明は取り分け、多周波で干渉が無く安定した通信を可能とするだけでなく小型化を実現した多周波アンテナに関する。
【背景技術】
【0002】
本出願人は、先に、共振周波数等仕様の異なる個別のアンテナを一体化した複合アンテナでの干渉を防止した複合アンテナとして、共振周波数等仕様の異なる個別のアンテナを左右一列の状態に同一平面配置した多周波用アンテナを提案した。(特許文献1参照。)
しかしながら、このアンテナでは個別のアンテナを左右一列の状態に同一平面配置しているので、アンテナ間の干渉を避け、安定して通信を確保するため、各個別アンテナ間の隣接間隔を空ける必要があるので、長さ方向のスペースが必要になり小型化には自ずと限界があった。
さらに、このアンテナでは中間ストリップ加工した同軸ケーブルが複数本必要であり、加工工程が掛かり、配線も複雑になる問題があった。
さらに、近年では従来のWAN(3G)帯域(824MHZ〜960MHZ、1710MHZ〜2170MHZ)並びにGPS帯域に加えてLTE帯域(3.9G)対応の要求を満たすため、アンテナの個数も3個以上と益々増大化する昨今の状況を踏まえると、この方法も最適な方法ではない。
しかも、このLTE帯域は世界共通でなく、LTE LOW BAND1(北米低域:698MHz〜806MHz)、LTE LOW
BAND2(日本:1486MHz〜1511MHz)、LTE HIGH BAND1(北米高域:2.112GHz〜2.155GHz)、LTE HIGH BAND2(欧州:2.5GHz〜2.69GHz)と低域〜高域まで分散し、しかも地域及び国により異なっているため、全世界のLTE帯域に対応可能とすることは容易なことではない。
そのため、1つのアンテナでWAN(3G)帯域、GPS帯域に加えてLTE帯域までの広範囲に対応できる多周波アンテナが切望されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特願2009−162730
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
したがって、本発明の課題は、パソコン、あるいはPDA等の情報端末機器等の内に組込まれる共振周波数等仕様の異なるアンテナを組み合わせた多周波用アンテナにおいてWAN帯域、GPS帯域、LTE帯域の広範囲な帯域において、干渉が無く安定した通信が実現でき、しかも小型化に適した多周波用アンテナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明者等は、誘電体基板の一方の面に配置された周波数調整部と無給電エレメントとが直列接続されたエレメント部と誘電体基板の他方の面に配置された給電エレメント部とを互いに最適配置することにより、より多くの多周波共振が可能であることを見出すに至った。
【0006】
すなわち、本発明によれば、以下の構成の少なくとも4周波の多周波に対応できる多周波アンテナが提供される。
a.該誘電体基板の一方の面に配置するエレメントが複数種類の周波数に共振するため複数のエレメントに分岐されるとともに、1つの給電点に接続されていること;
b.該誘電体基板の他方の面には、さらに別の2つの周波数に共振するための周波数調整部及び無給電エレメントが配置されていること;
c.該周波数調整部及び該無給電エレメントが短絡部経由にてグランド板に接続されていること;
d.該周波数調整部が該無給電エレメントと該短絡部との間で直列接続されていること;
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、以下の顕著な効果が期待できる。
(1)無給電エレメントと周波数調整部の併用により、アンテナ同士が近接配置されているにも拘らず、干渉が生ずることなく、多くの周波数での共振が得られるので、WAN帯域及びGPS帯域のみならずLTE帯域まで安定した送受信が実現される。
(2)該近接配置並びにエレメントの立体構造配置により、アンテナエレメント、ひいてはアンテナの小型化・省スペース化が実現される。
(3)中間ストリップ加工した同軸ケーブルが不要で、しかも一本で済むので省スペースとなるとともに、その製造工程が簡略化される。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明に係る図1の多周波数用アンテナの例を示す斜視図である。
【図2】図1のアンテナのエレメント部を示す4面図であり、図2(a)は裏面図図2(b)は上面図、図2(c)は正面図、図2(d)は側面図である。
【図3】図1の多周波数アンテナのVSWR特性を示す図で、図3(a)はLTE LOW BAND(698MHz〜806MHz)でのVSWR特性図、図3(b)で示すLTE HIGHBAND1(1486MHz〜1511MHz、2.112GHz〜2.155GHz)でのVSWR特性図である。図3(c)はLTE HIGH BAND2(2.5GHz〜2.69GHz)図3(c)帯域でのVSWR特性図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明のアンテナの態様について、WAN帯域、GPS帯域、LTE帯域の3帯域で5つの共振周波数に共振する多周波数アンテナを設けた例につき、新たな帯域であるLTE帯域への対応を主に添付図面を参照しながら説明する。
【0010】
図1および図2において、(1)は誘電体基板であって(1a)は基板の一方の面(ここでは表面とする)、(1b)は基板の他方の面(裏面とする)、(1c)は基板の長手方向の縁部、(1d)は基板の長手方向の側面、(2a)、(2b)、(2c)は、誘電体基板(1)の表面(1a)に配置された、共振周波数等仕様の異なる3個の互いに長さの異なる(給電)エレメント、(3a)は短絡部であり、(4)はグランド板、(5)は誘電体基板(1)の裏面(1b)に配置された無給電エレメント、(6)は無給電エレメント(5)ともう1つの短絡部(3b)に接続された周波数調整部、(7)は給電用同軸ケーブル、さらに(P)は給電点、(S)はエレメント(2a)、(2b)間に設けられたスリットである。
ここで、図1及び図2に示すように、3つのエレメント(2a)、(2b)、(2c)のうち、2つのエレメント(2a)、(2b)が互いに平行に誘電体基板(1)の長手方向の第1の方向(図では左方向)に指向するとともに、もう1つのエレメント(2c)が第1のエレメントとは反対方向(右方向)に指向している。そして、これら3つのエレメント(2a)〜(2c)は、1つの共通の給電点(P)に接続されている。しかも、各々のエレメント(2a)、(2b)、(2c)は誘電体基板の長手方向の縁部(1a1)あるいは側面(1c)に沿ってL字状に折り曲げられた立体構造となっている。
また、無給電エレメント(5)と周波数調整部(6)は直列接続されるとともに、ともに短絡部(3b)経由にてグランド板(4)に接続されている。
さらに、給電用同軸ケーブル(7)の内部導体(7a)は給電点(P)に接続されている。一方、給電用同軸ケーブル(7)の外部導体(7b)はグランド板(4)の所定の位置(図示せず)に半田接続されている。
【0011】
以上に述べた態様で特徴的なことは、誘電体基板(1)の表面(1a)に3つの給電エレメント(2a)、(2b)、(2c)を配置するとともに、誘電体基板(1)の裏面(1b)には無給電エレメント(5)と周波数調整部(6)とが直列接続されたエレメント部を配置し、基板表面の3つの給電エレメント(2a)、(2b)、(2c)と無給電エレメント(5)と周波数調整部(6)直列接続されたエレメント部とを以下で詳述する最適な配置とすることにより、干渉が生ずることなく、WAN帯域及びGPS帯域のみならずLTE帯域までの広帯域に渡って安定した送受信が実現されることにある。
さらに、特徴的なことは、誘電体基板(1)の表面(1a)において、3つの給電エレメント(2a)、(2b)、(2c)を近接配置するとともに立体構造としたことや、基板(1)の裏面(1b)を巧みに利用して、無給電エレメント(5)と周波数調整部(6)を配置したことにより、アンテナの小型化・省スペース化が実現されることにある。
【0012】
本発明のアンテナエレメント配置においては、無給電エレメント(5)と第1のエレメント(2a)あるいは(2b)とは互いに平行に離間距離2mm〜6mmで配置されていることが好ましく、3mm〜4mmの範囲がさらに好ましい。
また、周波数調整部(6)と第1のエレメントとは反対方向に指向するもう1つのエレメント(2c)とが互いに平行に離間距離2mm〜6mmで配置されていることが好ましく3mm〜4mmの範囲がさらに好ましい。
さらに、基板表面の給電エレメントと無給電エレメント(5)と周波数調整部(6)とが直列接続されたエレメント間の最短距離は2mm〜6mmであることが望ましい。
ここで、距離の下限値は干渉の懸念なく安定して送受信できる距離であり、上限値は無給電エレメントへの電界の発生あるいは電磁結合に支障が無く、しかも基板厚さ方向のスペース効率上から決定される。
ここで、広帯域化のためには、第1の方向(左方向)に指向する2つのエレメント(2a)と(2b)間にスリット(S)が設けられていることが望ましく、スリット幅は0.5mm〜4mmであることが好ましい。
【0013】
本発明において、エレメント(2a)、(2b)、(2c)は、共振周波数に応じてその長さが設定され、ここでは、エレメント(2a)がLTE LOW BAND1をエレメント(2b)がLTE JP兼用GPS、エレメント(2c)がLTE HIGH BAND1を受け持っているのでエレメント(2a)のエレメント長さが最長となっている。又、エレメント(2a)、(2b)、(2c)の幅については、特段の制約はなく通常0.5〜5mmの範囲にあればよい。
次に基板(1)の裏面(1b)に配置された、無給電エレメント(5)と周波数調整部(6)について説明する。
先ず、無給電エレメント(5)には給電点(P)から供給された高周波の電界が電磁誘導により誘起され、LTE LOW BAND2にて共振している。
周波数調整部(6)はLTE HIGH BAND2の共振周波数を調整するためのものである。
ここで、周波数調整部(6)の幅は0.5mm〜10mmの範囲であることが好ましい。
【0014】
次に、その余の構成につき説明する。
短絡部(3)については、アンテナの小型化の観点から、10mm以下の高さと0.5mm〜5mmの範囲の幅であればよい。
また、高さ方向のスペース削減のためには、図に示すように蛇行(メアンダー)エレメント状に配置することが好ましい。
同様に、グランド板(4)についても、スペース削減のため、空きスペースを活用したり、立体構造化することが望ましい。
また、グランド板(4)の寸法については、安定したアンテナ動作を得るためには、その必要最低面積(mm2)はλ/4*λ/4(λは波長)以上が必要になる。したがって、より安定したアンテナ動作を望む場合には、スペースの許す限り、その面積を大きくすることが好ましい。
【0015】
さらに、短絡部(3)および給電部(5)は給電ケーブルの取付やケーブル這回しの煩わしさを解消するため誘電体基板(1)が存在しない部分即ち、基板切欠部あるいは欠落部に配置されてもよい。
また、グランド板(4)についても誘電体基板(1)外に短絡部(3)と接続した状態でできるだけスペースが許される限りできるだけ誘電体基板内に配置、残りの部分を基板外に配置しスペース削減に努めるのが好ましい。
【0016】
上記にて説明したエレメントの材質としては、洋白(白銅)、銅、鉄、または黄銅等の導電性の金属が好ましく採用される。このエレメントの作成にあたっては、前記金属の一枚板を放電加工により打ち抜いて、エレメント本体からグランド板に亘る全要素の一体打ち抜き体としてもよい。この場合、エレメントは誘電体基板(1)に接着あるいは、基板にエレメントを固定するために複数の突起部を設け、エレメントの孔部にはめ込んだから突起をかしめたり、あるいは熱融着する等して誘電体基板(1)上に固定することが望ましい。あるいは、平板状絶縁性基板上に銅箔のような金属薄膜を貼り付けた状態で、該金属膜をエッチングして所望のアンテナエレメント形状を得るのも有用である。
次に誘電体基板(1)の材質としては、ガラスエポキシ樹脂、ABS樹脂、ポリイミド樹脂等の波長短縮化効果がある、より高誘電樹脂を使用することが好ましい。
【0017】
このようなアンテナエレメントへの給電にあたっては、給電用同軸ケーブル(7)の内部導体(7a)を給電点(P)に接続し、他方、該ケーブルの外部導体(7b)をグランド板上の所定のアースポイント(図示せず)に接続すればよい。このような接続の手段としては、ハンダ付あるいは超音波接続等がある。給電用同軸ケーブルとしては、周知のフッ素樹脂被覆等の高周波同軸ケーブルが好ましく採用される。
【0018】
図1、図2のアンテナを、後揚の実施例に示す材質と寸法で作成し、その実験結果であるアンテナのVSWR特性を示したのが図3である。この図3から、本発明の広帯域アンテナエレメントを使用したアンテナにあっては、それぞれのアンテナが図3(a)〜図3(c)で示すように、LTE LOW BAND、2つのLTE HIGH BANDの各帯域に亘って干渉することなく安定した送受信が実現されていることが判る。
【0019】
以上、上記の説明では、エレメント(2a)がLTE LOW BAND1、エレメント(2b)がLTE JP兼用GPS、エレメント(2c)がLTE HIGH BAND1無給電エレメント(5)がLTE LOW BAND2にて共振させ、周波数調整部(6)はLTE HIGH BAND2の共振周波数を調整するものとして説明したが、本願発明は、これに限定されることなく、エレメント(2a)をLTE HIGH BAND1、エレメント(2b)をLTE LOW BAND2、エレメント(2c)をLTE JP兼用GPS帯域で共振させたり、あるいは、無給電エレメント(5)をLTE HIGH BAND1にて共振させる等各種の態様が可能であることは言うまでもない。
さらに、LTE帯域で適合不要な帯域がある場合、例えば、LTE JP兼用GPS帯域が不要である場合には、図1及び図2で示す誘電体基板表面に配置されたエレメント(2b)を削除すればよい。そして、この場合には4周波に対応する多周波アンテナとなる。
一方、逆に、6周波に、5周波から、さらに対応周波数を増やしたい場合には誘電体基板表面に配置する分岐エレメント数を3分岐から4分岐に増やすことにより6周波に対応できるようになる。
【実施例】
【0020】
以下に、図1及び図2で示したWAN帯域、GPS帯域、LTE帯域の3帯域、5つの共振周波数に共振する広帯域を実現する情報端末機器内蔵用アンテナの具体例を示す。
まず、エレメントを配置するため、横94mm、幅12mm厚さ2.5mmのABS樹脂からなる誘電体基板(1)を準備する。
次に、縦50mm、横100mm、厚さ0.2mmの洋白からなる長方形の平板を放電加工機にて加工して、図2に示す形状のアンテナエレメントを得た。このときの基板表面(1a)に配置するLTE LOW BAND1(LTE帯域低域用エレメント1)となる(2a)の長さは68mm、LTE JP兼用GPS帯域用エレメントとなる(2b)の長さは35mm、そして、3G HIGH BAND1(LTE帯域高域用エレメント1)となる(2c)の長さは38mmとした。
次に基板裏面(1b)に配置するLTE LOW BAND2(LTE帯域低域用エレメント2(3G))となる無給電エレメント(5)長さは51mm、LTE HIGH BAND2(LTE帯域高域用エレメント2)の共振周波数を調整する、周波数調整部(6)は長さを13mm、幅6.5mmとした。
なお、エレメント(2a)と(2b)との間には幅1.2mmのスリットを設けた。
さらに、無給電エレメント(5)と第1のエレメントであるエレメント2とは互いに平行に離間距離3mmで配置し、周波数調整部(6)と第1のエレメントとは反対方向に指向するエレメント(2c)とは互いに平行に離間距離 3mmで配置するとともに、基板表面の給電エレメントと周波数調整部(6)と無給電エレメント(5)とが直列接続されたエレメント間の最短距離を3mmとした。
また、短絡部(3a)はメアンダー状に折返し高さ7mm、幅2mmとした。また、グランド板(4)は、横幅30mm、縦10mmとした.
さらに、エレメント(2c)から3mm下側寄りの位置に給電点(P)を設定した。このようにして、エレメントの高さが12mm、最大幅が94mm、厚さ2.5mmという小型の多周波アンテナエレメントが完成した。
【0021】
次に、上記にて準備したABS樹脂からなる誘電体基板(1)上に上記のエレメントを固定する。この際、エレメント(2a)はエレメントの先端部に近い一部を誘電体(1)の側面誘電体基板(1)上に配置し、残りの部分をL字状に直角に曲げて誘電体基板(1)の縁部(1a1)上に配置した。
なお、エレメント(2b)及びエレメント(2c)はエレメント全体を誘電体基板(1)の側面(1b)上に配置した。
この際、エレメントの固定方法は、予め誘電体基板(1)上に設けた複数個の突起をエレメントの固定孔部にはめ込み、突起部を半田小手で溶かして熱融着する方法とした。
最後に、アンテナとして機能させるため、外径1.13mm、導体径0.21mmのフッ素樹脂(PFA)被覆の高周波同軸ケーブルを給電用同軸ケーブル(7)として用いた。その際、これらケーブルの内部導体(7a)を給電点(P)にハンダ付けした。同様にして、外部導体(7b)をグランド板(4)上にあるアースポイントにハンダ付けした。このようにして、このようにして、高さ12mm、幅が94mm、厚さ2.5mmという小型の多周波アンテナを得た。
【0022】
最後に、このアンテナのVSWR特性について測定したところ、図3に示す結果が得られた。この図からも明らかなように、本実施例に示すアンテナにあっては、3つのアンテナ、つまりエレメント(2a)と(2b)と(2c)及び無給電エレメント(5)とが互いに干渉することなく、それぞれの帯域即ち、図3(a)で示すLTE LOW BAND(北米低域:698MHz〜806MHz)、図3(b)で示すLTE HIGH BAND1(日本中域:1486MHz〜1511MHz
北米高域:2.112GHz〜2.155GHz) 、図3(c)で示すLTE HIGH BAND2(欧州高域:2.5GHz〜2.69GHz)から明らかなようにLTE帯域(698MHz〜806MHz、1486MHz〜1511MHz、2.112GHz〜2.155GHz、2.5GHz〜2.69GHz)の全帯域に亘って互いに干渉を生じることなく共振しており、それぞれの帯域で十分な帯域幅が確保されていることが分かる。
なお、上記の説明ではGPS帯域については割愛したが、GPS帯域はLTE HIGH BAND1帯域(日本中域:1486MHz〜1511MHz)に近いので、LTE HIGH BAND1帯域に適合すれば、自動的にGPS帯域に対しても適合していることになる。
さらに、WAN(3G)帯域(824MHZ〜960MHZ、1710MHZ〜2170MHZ)に対する適合性についても、図3(a)並びに、図3(b)のVSWR特性図から適合していることが明らかであることが判る。
以上より、本発明の多周波アンテナでは従来からのWAN帯域、GPS帯域に加えてLTE帯域の3帯域、5つの共振周波数に共振する広帯域化が実現できていることが分る。
【0023】
上記の説明では、WAN帯域とGPS帯域並びにLTE帯域の3帯域、5周波で説明したが、本発明は、この他の帯域の組み合わせ、LAN帯域とWi-Max帯域あるいは、Wi-Max帯域同志の組み合わせ、あるいは、対応する周波数の数の変更等、種々の変更に対応可能である。
【産業上の利用可能性】
【0024】
本発明のアンテナは、パソコンをはじめとしてPDA等の各種情報端末機器の他に、情報家電製品あるいは自動車関連機器へも内蔵できる。
【符号の説明】
【0025】
1 誘電体基板
1a 誘電体基板表面
1a1 誘電体基板表面の縁部
1b 誘電体基板裏面
1c 誘電体基板側面
2a、2b、2c エレメント(給電エレメント)
3a 短絡部(表面)
3b 短絡部(裏面)
4 グランド板
5 無給電エレメント
6 周波数調整部
7 給電用同軸ケーブル
7a 給電用同軸ケーブルの内部導体
7b 給電用同軸ケーブルの外部導体
P 給電点
S スリット


【特許請求の範囲】
【請求項1】
誘電体基板の表裏両面にエレメントが配され、少なくとも4周波に共振する多周波アンテナであって、以下のa〜dの要件を具備することを特徴とする多周波アンテナ。
a.該誘電体基板の一方の面に配置するエレメントが複数種類の周波数に共振するため複数のエレメントに分岐されるとともに、1つの給電点に接続されていること;
b.該誘電体基板の他方の面には、さらに別の2つの周波数に共振するための周波数調整部及び無給電エレメントが配置されていること;
c.該周波数調整部及び該無給電エレメントが短絡部経由にてグランド板に接続されていること;
d.該周波数調整部が該無給電エレメントと該短絡部との間で直列接続されていること;
【請求項2】
該複数のエレメントのうち、少なくとも1つのエレメントが該誘電体基板の長手方向の第1の方向に指向するとともに、もう1つのエレメントが第1のエレメントとは反対方向に指向するとともに、各々のエレメントが該誘電体基板の長手方向の縁と側面に沿ってL字状に折り曲げられた立体構造である請求項1に記載の多周波アンテナ。
【請求項3】
該無給電エレメントと該第1のエレメントとは互いに平行に離間距離 2mm〜6mmで配置されている請求項1または2に記載の多周波アンテナ。
【請求項4】
該周波数調整部と該第1のエレメントとは反対方向に指向するもう1つのエレメントとが互いに平行に離間距離2mm〜6mmで配置されている請求項1〜3のいずれかに記載の多周波アンテナ。
【請求項5】
該基板の一方の面に配置するエレメントと該周波数調整部と該無給電エレメントとが直列接続されたエレメント間の最短距離が 2mm〜6mmである請求項1〜4のいずれかに記載の多周波アンテナ。
【請求項6】
該短絡部および該給電部が該誘電体基板の切欠部あるいは欠落部に位置している請求項1〜5のいずれかに記載の多周波アンテナ。






【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2012−64993(P2012−64993A)
【公開日】平成24年3月29日(2012.3.29)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−204994(P2010−204994)
【出願日】平成22年9月14日(2010.9.14)
【公序良俗違反の表示】
(特許庁注:以下のものは登録商標)
1.VICS
【出願人】(000226932)日星電気株式会社 (98)
【Fターム(参考)】