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技術 アンテナ装置

出願人 ソニーモバイルコミュニケーションズ株式会社
発明者 東海林英明
出願日 2003年6月25日 (17年6ヶ月経過) 出願番号 2003-180588
公開日 2005年1月20日 (15年11ヶ月経過) 公開番号 2005-020228
状態 未査定
技術分野 アンテナの支持 線状基本アンテナ
主要キーワード 自己インピーダンス 対数周期アンテナ メアンダ型 試作機 容量装荷型 誘電体装荷 メアンダ ヘリカル型
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2005年1月20日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

携帯端末への搭載などに適した、比較的簡単な構成で比帯域幅の大きい広帯域特性を有するアンテナ装置を提供する。

解決手段

一端を給電点に接続され約λ/4で共振する第1のアンテナエレメント11の開放端部に、容量結合によって励振される約λ’/2の第2のアンテナエレメント12を少なくとも1つ直列に配置する。好ましくは、さらに第2のアンテナエレメント12の他端に、一端が容量結合され約λ”/2で共振する第3のアンテナエレメント13を備える。各アンテナエレメントの電気長はλ>λ’>λ”となるように調整されている。

概要

背景

従来の線状アンテナ広帯域化手法として、電気長λ/4で励振されるアンテナエレメント開放端部に電気長λ/2のアンテナエレメントを近接させ、両アンテナエレメント容量結合させることによって広帯域化を図る手法が知られている。例えば、特許文献1に開示された「移動通信機用格納型アンテナ装置」では、1.9GHz帯において携帯端末用アンテナとして適用した例が示され、VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)の値が3以下で比帯域幅約37%の広帯域特性を実現している。

概要

携帯端末への搭載などに適した、比較的簡単な構成で比帯域幅の大きい広帯域特性を有するアンテナ装置を提供する。一端を給電点に接続され約λ/4で共振する第1のアンテナエレメント11の開放端部に、容量結合によって励振される約λ’/2の第2のアンテナエレメント12を少なくとも1つ直列に配置する。好ましくは、さらに第2のアンテナエレメント12の他端に、一端が容量結合され約λ”/2で共振する第3のアンテナエレメント13を備える。各アンテナエレメントの電気長はλ>λ’>λ”となるように調整されている。

目的

本発明はこのような背景においてなされたものであり、その目的は、携帯端末への搭載などに適した、比較的簡単な構成で比帯域幅の大きい広帯域特性を有するアンテナ装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

一端を給電点に接続され約λ/4で共振する第1のアンテナエレメント開放端部に、容量結合によって励振される約λ’/2の第2のアンテナエレメントを少なくとも1つ直列に配置するとともに、各アンテナエレメントの電気長はλ>λ’となるように調整されていることを特徴とするアンテナ装置

請求項2

一端を給電点に接続され約λ/4で共振する第1のアンテナエレメントと、この第1のアンテナエレメントの開放端部に一端が容量結合され、約λ’/2で共振する第2のアンテナエレメントと、この第2のアンテナエレメントの他端に、一端が容量結合され約λ”/2で共振する第3のアンテナエレメントとを備え、各アンテナエレメントの電気長はλ>λ’>λ”となるように調整されていることを特徴とするアンテナ装置。

請求項3

前記第1のアンテナエレメントは、容量装荷型の形状を有することを特徴とする請求項1または2記載のアンテナ装置。

請求項4

前記第1のアンテナエレメントは、メアンダヘリカルジグザグのいずれかの形状を有することにより低インピーダンスとなるように調整されていることを特徴とする請求項3記載のアンテナ装置。

請求項5

前記第1のアンテナエレメントは、誘電体装荷されることにより低インピーダンスとなるように調整されていることを特徴とする請求項3記載のアンテナ装置。

請求項6

アンテナエレメント間チップ部品を接続することにより、各アンテナエレメント間の容量結合を実現したことを特徴とする請求項1または2記載のアンテナ装置。

請求項7

各アンテナエレメントの端部をほぼ平行にオーバーラップさせることにより、各アンテナエレメント間の容量結合を実現したことを特徴とする請求項1または2記載のアンテナ装置。

技術分野

0001

本発明は広帯域特性を要求されるアンテナ装置に関するものである。

0002

従来の線状アンテナ広帯域化手法として、電気長λ/4で励振されるアンテナエレメント開放端部に電気長λ/2のアンテナエレメントを近接させ、両アンテナエレメント容量結合させることによって広帯域化を図る手法が知られている。例えば、特許文献1に開示された「移動通信機用格納型アンテナ装置」では、1.9GHz帯において携帯端末用アンテナとして適用した例が示され、VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)の値が3以下で比帯域幅約37%の広帯域特性を実現している。

背景技術

0003

【特許文献1】
特開平7−94923号公報
非特許文献1】
アンテナエ学ハンドブック電子通信情報学会 平6オーム社 P121

0004

しかし、上記特許文献1のような方式では、1GHz以下の低い周波数帯域ではその構成上広帯域化を実現できない。このため、例えば、中心周波数620MHz、比帯域幅約48%のような低い周波数帯でかつ広帯域特性が要求される地上波デジタル放送用のアンテナには、前記手法を用いての広帯域化は十分ではなくなることが予測される。

0005

比帯域幅50%以上の広帯域特性をもつアンテナとしては対数周期アンテナが知られている(非特許文献1参照)。しかし、一般に移動体通信で使用される400〜2000MHzの周波数では波長が長いため、その特殊な形状にも起因して、アンテナのサイズが大きくなる。このため、対数周期アンテナは、移動体通信の端末などへの適用では持ち運びに困難であることが問題になる。

発明が解決しようとする課題

0006

本発明はこのような背景においてなされたものであり、その目的は、携帯端末への搭載などに適した、比較的簡単な構成で比帯域幅の大きい広帯域特性を有するアンテナ装置を提供することにある。

0007

本発明によるアンテナ装置は、一端を給電点に接続され約λ/4で共振する第1のアンテナエレメントの開放端部に、容量結合によって励振される約λ’/2の第2のアンテナエレメントを少なくとも1つ直列に配置するとともに、各アンテナエレメントの電気長はλ>λ’となるように調整されていることを特徴とする。

0008

第1のアンテナエレメントは容量結合により第2のアンテナエレメントを励振する。さらに第2のアンテナエレメントの他端に、一端が容量結合され約λ”/2で共振する第3のアンテナエレメントとを備えてもよい。

0009

各アンテナエレメントの電気長はλ>λ’>λ”となるように調整されている。これによって各アンテナエレメントで共振周波数がずれ、その結果、広帯域インピーダンス特性が得られる。

0010

前記第1のアンテナエレメントは、容量装荷型の形状としてもよい。これにより、第1のアンテナエレメントのインピーダンス特性が低下し、携帯端末のような地導体の大きさが十分でない場合にも、整合回路を付加する必要なく、インピーダンス整合が図れる。

0011

第1のアンテナエレメントを容量装荷型とするためには、例えば、メアンダヘリカルジグザグのいずれかの形状とするか、または、誘電体装荷する。

課題を解決するための手段

0012

アンテナエレメント間の容量結合は、各アンテナエレメント間のチップ部品で構成することができる。あるいは、各アンテナエレメントの端部をほぼ平行にオーバーラップさせることによっても、各アンテナエレメント間の容量結合を実現できる。

0013

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

0014

まず、図1に本発明によるアンテナ装置の第1の実施の形態の概略構成を示す。このアンテナ装置は、地導体15と、この地導体15の一端部に位置する給電点14に一端が接続された約λ/4の電気長をもつ第1のアンテナエレメント11と、約λ’/2の電気長をもつ第2のアンテナエレメント12と、同じくλ”/2の電気長をもつ第3のアンテナエレメント13とを備えて構成される。図示のようにアンテナエレメント11,12,13は直列接続されている。第2のアンテナエレメント12は、電気長約λ/4で励振される第1のアンテナエレメント11の開放端部に所定の容量16をもって電磁結合するよう配置される。第3のアンテナエレメント13は、第2のアンテナエレメント12の逆側の端部に所定の容量17をもって電磁結合するよう配置される。各アンテナエレメントは、導電性の線状の部材からなり、たとえば可撓性を有するワイヤ等により構成できる。地導体15は、たとえば、携帯端末の基盤グランド層シールドボックスなどである。

0015

ここで、第1のアンテナエレメント11の給電部より観測した、第2のアンテナエレメント12の共振周波数は第1のアンテナエレメント11よりも高くなるようにその電気長を調整するものとする(すなわち、λ>λ’>λ”)。同じく、第1のアンテナエレメント11の給電部より観測した第3のアンテナエレメント13の共振周波数は第2のアンテナエレメント12よりも高くなるようにその電気長を調整するものとする。すなわち、もっとも低い共振周波数を第1のアンテナエレメント11で、ついで次に高い共振周波数を第2のアンテナエレメント12で、さらに高い共振周波数を第3のアンテナエレメント13で構成する。

0016

この調整により、最も低い周波数では、共振している第1のアンテナエレメント11の自己インピーダンスが大きくなり、第2,第3のアンテナエレメント12,13は電気長が順次短くなっているために徐々に自己インピーダンスが小さくなっていく。この配置によって、インピーダンス特性における互いのアンテナエレメント同士の干渉が少なくなることにより広帯域なインピーダンス特性を実現できる。

0017

一般にアンテナと高周波回路の接続に使用される特性インピーダンスは50Ωである。第1の実施の形態における第1のアンテナエレメント11は約λ/4の電気長をもち、地導体15の大きさにもよるが多くの電流が地導体15上に流れる。このため地導体15の大きさによりアンテナのインピーダンス特性も大きく変化する。携帯端末のような地導体の大きさが十分でない場合には、ダイポールアンテナの構成に近くなるため、一般に共振周波数でのインピーダンスは50Ωより高くなる。

0018

また、第1のアンテナエレメント11は高インピーダンスとなる約λ’/2の電気長を持つ第2のアンテナエレメント12および約λ”/2の電気長を持つ第3のアンテナエレメント13と結合するため、アンテナ給電点14からみたアンテナ全体のインピーダンス特性はさらに高くなる。改善のため整合回路を付加してインピーダンス整合を図ることも可能であるが、整合回路により損失が発生する。さらに、所定の周波数におけるエレメント間の干渉の大きさが変化し、広帯域化に支障が生じるおそれがある。

0019

そこでこのような問題に対処するための本発明の第2の実施の形態の概略構成を図2に示す。この構成は、基本的には図1に示した第1の実施の形態と同様であり、図1に示したものと同様の構成要素には同じ参照符号を付してある。第2の実施の形態が、構造上、第1の実施の形態と異なる点は、第1のアンテナエレメント11に代えて、別の構成の第1のアンテナエレメント21を用いたことにある。これは、第1の実施の形態と基本的には同じ構成において簡単な構成変更で広帯域特性を得るために特性インピーダンスの大きさを調整する手法である。そのために、第1のアンテナエレメントとしていわゆる容量装荷型の形状のアンテナエレメント21を用いる。容量装荷型のアンテナエレメント21としては、それぞれ図2(a)〜(d)に示すように、ヘリカル型11a、メアンダ型11b、ジグザク型11c、および誘電体装荷型11dが挙げられる。誘電体装荷型11dのアンテナエレメントは、導線25の周囲に所定の材料の誘電体26を装荷している。この誘電体26は、例えばテフロン登録商標)などの樹脂セラミックなどであり、第2および第3のアンテナエレメントまたは全アンテナエレメントを被覆する絶縁材料とは、形状、サイズまたは材質の少なくとも一つにおいて異なり、第1のアンテナエレメントに有意な容量装荷の効果をもたらすものである。これにより、第1のアンテナエレメントを低インピーダンス特性に調整することができる。その結果として、第2のアンテナエレメントおよび第3のアンテナエレメントを組み合わせた場合、50Ω系への整合が容易に実現できる。

0020

次に、図3に第1の実施の形態の具体的な構成例を示す。この構成は、基本的には図1に示した第1の実施の形態と同様であり、図1に示したものと同様の構成要素には同じ参照符号を付してある。図3の構成は、第1の実施の形態における容量16,17の具体的な実現方法として、チップ部品(キャパシタ)18を用いたものである。これにより、簡単な構成で各エレメント間の容量結合の大きさを調整できる。チップ部品の具体的な容量は、実験等により適宜決定することができる。この手法により、チップ部品の値を大きさを変えるだけで容量を変化させることができるため、量産時などに各アンテナエレメントの電気長を調整しなくても最適化が図れる。なお、図3の構成は、図2に示した第2の実施の形態においても採用可能である。

0021

次に、図4に第1の実施の形態の他の具体的な構成例を示す。この構成も、基本的には図1に示した第1の実施の形態と同様であり、図1に示したものと同様の構成要素には同じ参照符号を付してある。図4の構成は、第1の実施の形態における容量16,17の具体的な実現方法として、アンテナ部分40,41を拡大して示すように、各アンテナエレメントの端部をほぼ平行にオーバーラップさせた構造を採用したものである。これは、各アンテナエレメントの端部のオーバーラップの長さおよび間隔によって容量19の大きさを調整している。この手法により、容量19の大きさの調整範囲広がり、適用できる周波数の範囲を広げることができる。オーバーラップしたアンテナエレメント端部の間は空間であってもよいが、その間に誘電体を装荷して容量結合の値を調整するようにしてもよい。この図4の構成は、図2に示した第2の実施の形態においても採用可能である。

0022

なお、実際のアンテナ装置の形態としては、アンテナエレメント11,12,13は絶縁材料(たとえば合成樹脂や繊維等)で被覆され、すべてのアンテナエレメントが一体化される。携帯端末用のアンテナ装置は、具体的な形態としては、ひも状のストラップとして構成することもできる。ひも状のストラップの形状は線状、ループ状を問わない。

0023

本発明の実施の形態による試作機の特性を実験によって確認した例を図5および図6に示す。この試作機は図2(d)の誘電体装荷の構成を採用したものである。他の構成においても同様な結果が期待される。

0024

図5は、横軸を周波数(400MHz〜800MHz)、縦軸をVSWRとし、周波数に応じたVSWRの値をプロットしたグラフである。図6は、周波数(400MHz〜800MHz)に応じたアンテナ装置のインピーダンス特性をプロットしたスミスチャート(円の中心点は50Ω)である。これらのグラフから、VSWRの値が3以下の周波数範囲は430=770MHz、中心周波数600MHzなので、比帯域幅50%以上(具体的には56.7%=(770−430)/600)のインピーダンス特性を確保できていることが確認できる。図5のグラフでは3つの極小点が観測される。これらの3つの周波数は3つのアンテナエレメントのλ、λ’、λ”に起因して生じたものと考えられる。

発明を実施するための最良の形態

0025

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、種々の変形、変更が可能である。例えば、以上の説明では、直列接続されるアンテナエレメント数が3つの場合についてのみ示したが、原理的に、2つまたは4つ以上であってもよい。2つの場合には3つの場合に比べて広帯域化の効果は低減するが、なお従来技術に比べて有意な効果を奏する。アンテナエレメントは線状の部材で構成したが、必ずしも線状に限定されるものではない。

0026

本発明によれば、比較的簡単な構成で比帯域幅の大きい(例えば50%以上の)広帯域特性を有するアンテナ装置が得られる。このアンテナ装置は、特に地上波デジタル放送用アンテナに利用して好適である。

発明の効果

0027

第1のアンテナエレメントに容量装荷型のアンテナエレメントを用いることにより、地導体の大きさが十分でない携帯端末等において整合回路を用いることなくインピーダンス整合を図ることができる。

図面の簡単な説明

0028

直列接続したアンテナエレメントは、例えば携帯端末のストラップとして利用すれば、端末に外付けされても邪魔にならず、携帯端末等への搭載に適する。

図1
本発明によるアンテナ装置の第1の実施の形態の概略構成を示す図である。
図2
本発明によるアンテナ装置の第2の実施の形態の概略構成を示す図である。
図3
本発明による実施の形態の具体的な構成例を示す図である。
図4
本発明による実施の形態の他の具体的な構成例を示す図である。
図5
実験によって確認された本発明の実施の形態による試作機の特性を示す周波数対VSWRのグラフである。
図6
実験によって確認された本発明の実施の形態による試作機の特性を示すスミスチャートである。
【符号の説明】
11…第1のアンテナエレメント、12…第2のアンテナエレメント、13…第3のアンテナエレメント、14…給電点、15…地導体、18…チップ部品、21…容量装荷型のアンテナエレメント、40,41…アンテナ部分

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