JP2013207598A - アンテナ構造体及び通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筐体アンテナによりアンテナアレイを形成する。
【解決手段】アンテナ構造体は、１つの回路基板５に分割して形成される複数の第１接地導体膜１１ａ及び１２ａと、他の回路基板６に形成される第２接地導体膜３１と、複数の第１接地導体膜１１ａ及び１２ａを１つずつ給電部７に接続する複数の第１給電線２１ａ及び２２ａと、第２接地導体膜３１を給電部７に接続する第２給電線３２と、複数の第１接地導体膜１１ａ及び１２ａ間を接続するチョークコイル１４を備える。
【選択図】図４

Description

本明細書で論じられる実施態様は、アンテナの構造に関する。

携帯端末に内蔵されるアンテナに関する従来技術として、アンテナと第一及び第二の筐体と、これら第一及び第二の筐体にそれぞれ収容された第一及び第二の回路部を含む携帯端末が知られている。この携帯端末は、第一の回路部と第二の回路部とをダイポールアンテナの一対の放射素子として動作させる。

また複数のアンテナ素子を組み合わせて電波の送受信を行う折り畳み式携帯無線機が知られている。この折り畳み式携帯無線機には、アンテナ素子である複数の板状導体の１つが上ケース内の表示部の裏面に配置され、他の板状導体が表示部の裏面から隔てて上ケースの裏面の反対面に配置される。

特開２００４−１７２９１９号公報 特開２００５−３４７８５５号公報

近年の携帯端末には、送受信用のアンテナアレイを備えるものがある。このようなアンテナアレイを使用する無線通信技術の一つに、例えば携帯電話の通信規格であるLTE (Long Term Evolution)で採用されるMIMO(Multiple Input Multiple Output)がある。従来技術のようにアンテナアレイとなる複数の導体部品を同じ筐体内に近接して内蔵すると、アンテナ間干渉により放射効率の低下や相関係数の増大などの性能劣化を招く。

開示の装置及び方法は、筐体アンテナによりアンテナアレイを形成することを目的とする。

装置の一観点によれば、１つの回路基板に分割して形成される複数の第１接地導体膜と、他の回路基板に形成される第２接地導体膜を備えるアンテナ構造体が与えられる。アンテナ構造体は、複数の第１接地導体膜を１つずつ給電部に接続する複数の第１給電線と、第２接地導体膜を給電部に接続する第２給電線と、複数の第１接地導体膜間を接続するチョークコイルを備える。

装置の他の一観点によれば、第１回路基板と、通信回路を備える第２回路基板を備える通信装置が与えられる。通信装置は、第１回路基板に、分割して形成される複数の第１接地導体膜と、第２回路基板に形成される第２接地導体膜と、複数の第１接地導体膜に１つずつ接続され通信回路が送受信する無線周波数信号を伝送する複数の第１給電線を備える。通信装置は、第２接地導体膜に接続され通信回路が送受信する無線周波数信号を伝送する第２給電線と、複数の第１接地導体膜間を接続するチョークコイルを備える。

本件開示の装置又は方法によれば、筐体アンテナによりアンテナアレイを形成することが可能となる。

携帯電話の一例の透視斜視図である。 （Ａ）は第１基板の一例の模式図であり、（Ｂ）は第２基板の一例の模式図である。 フレキシブル配線板の一例の模式図である。 アンテナアレイの第１例の説明図である。 電磁界シミュレーションの対象の電界の方向の説明図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図４に示すアンテナアレイの放射特性のシミュレーション結果の第１例及び第２例を示す。 図４に示すアンテナアレイの放射特性のシミュレーション結果の第３例を示す。 アンテナアレイの第２例の説明図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図８に示すアンテナアレイの放射特性のシミュレーション結果の第１例及び第２例を示す。 図８に示すアンテナアレイの放射特性のシミュレーション結果の第３例を示す。

＜１．第１実施例＞
＜１．１．携帯端末の構成＞
以下、添付する図面を参照して好ましい実施例について説明する。本明細書に記載される通信装置は、通信のためのアンテナアレイを備える装置であればどのような装置であってもよい。本明細書に記載される通信装置は、例えば、携帯電話や、携帯情報端末、携帯音楽プレイヤー、ゲーム装置、携帯パーソナルコンピュータ、携帯テレビ、携帯ナビゲーション装置などであってよい。以下では、固定筐体と可動筐体とを折りたたむことができる折り畳み式の携帯電話の例示により通信装置の説明を行う。

図１は、携帯電話の一例の透視斜視図である。携帯電話１は、可動筐体２及び固定筐体３に分割されている２つの筐体を有する開閉式の構造を有する。可動筐体２及び固定筐体３は、ヒンジ機構４により枢動可能に接続されている。可動筐体２及び固定筐体３の内部には、それぞれ電気回路が搭載された第１基板５と第２基板６が格納されている。

第２基板６には、携帯電話１にて送受信する無線周波数信号を処理するための送受信回路７を備える。第１基板５上の電気回路と第２基板６と電気回路とは、フレキシブル基板で形成された接続モジュールであるフレキシブル配線板８によって電気的に接続される。他の実施例では、送受信回路７が第１基板５側に設けられてもよい。

図２の（Ａ）は、第１基板５の一例の模式図である。第１基板５は多層回路基板であり、複数の配線層１０ａ、１０ｂ…１０ｃを有する。図２の（Ａ）では３層の配線層が表されているが、第１基板５の配線層の数は２でもよく４以上であってもよい。これらの配線層１０ａ、１０ｂ…１０ｃのうちのいずれかであるグランド面１０ａのパターンは、グランドとして使用される導体膜のグランドパターン１１ａ及び１２ａのみを含む。以下の説明でグランドを「ＧＮＤ」と表記することがある。

ＧＮＤ面１０ａのＧＮＤパターン１１ａ及び１２ａは、パターン間を隔てるＧＮＤ抜きライン１３によって分離されており、ＧＮＤパターン１１ａ及び１２ａの間は無線周波数信号の通過を抑制するためのチョークコイルによって接続されている。第１基板５のうち、電気回路の信号線が形成される配線層１０ｃにもＧＮＤパターン１１ｃ及び１２ｃが形成され、ＧＮＤパターン１１ｃ及び１２ｃ以外の領域１５に信号線の配線パターンが形成される。

配線層１０ｃに形成されるＧＮＤパターン１１ｃ及び１２ｃもそれぞれ分離されている。そして、配線層１０ｃの一方のＧＮＤパターン１１ｃがＧＮＤ面１０ａの一方のＧＮＤパターン１１ａにビア等で接続され、配線層１０ｃの他方のＧＮＤパターン１２ｃがＧＮＤ面１０ａの他方のＧＮＤパターン１２ａにビア等で接続される。本実施例では、各層の分離されたこれらＧＮＤパターンがＧＮＤ面１０ａのＧＮＤパターン１１ａ及び１２ａにおいてチョークコイルで接続されるが、他の実施例では他の配線層１０ｃのＧＮＤパターン１１ｃ及び１２ｃをチョークコイルで接続してもよい。

図２の（Ｂ）は、第２基板６の一例の模式図である。同様に第２基板６も多層回路基板であり、複数の配線層１６ａ、１６ｂ…のうち何れかであるグランド面１０ａのパターンは、ＧＮＤパターンとして使用される導体膜のＧＮＤパターン３１のみを含む。なお、図２の（Ｂ）では２層の配線層が表されているが、第２基板６の配線層の数は３以上であってもよい。

図３は、フレキシブル配線板８の一例の模式図である。フレキシブル配線板８は、信号線２０ａと、第１基板５上の電気回路の信号接点を信号線２０ａに接続するための信号接点２０ｂと、第２基板６上の電気回路の信号接点を信号線２０ａに接続するための信号接点２０ｃを備える。

また、フレキシブル配線板８は、送受信回路７とＧＮＤパターン１１ａとの間及び送受信回路７とＧＮＤパターン１２ａとの間で、送受信回路７が入出力する無線周波数信号をそれぞれ伝送する給電線２１ａ及び給電線２２ａを備える。フレキシブル配線板８は、整合回路を介して給電線２１ａとＧＮＤパターン１１ａを接続するための接点２１ｂと、無線周波数信号を運ぶ第２基板６上の配線パターンを給電線２１ａに接続するための接点２１ｃを備える。フレキシブル配線板８は、整合回路を介して給電線２２ａとＧＮＤパターン１２ａを接続するための接点２２ｂと、無線周波数信号を運ぶ第２基板６上の配線パターンを給電線２２ａに接続するための接点２２ｃを備える。

＜１．２．アンテナアレイの構成＞
次に、ＧＮＤパターン１１ａ、１２ａ及び３１により形成されるアンテナアレイの構成について説明する。図４は、アンテナアレイ３０の第１例の説明図である。第２基板６上の送受信回路７の無線回路に接続された給電線３２は、第２基板６のＧＮＤパターン３１に接続される。一方で、送受信回路７の無線回路に接続された給電線２１ａ及び２２ａは、ヒンジ機構４内を通り、整合回路３３ａ及び３３ｂを介してＧＮＤパターン１１ａ及び１２ａに接続される。

ＧＮＤパターン１１ａ及び１２ａを接続するチョークコイル１４は、分離されたＧＮＤパターン１１ａ及び１２ａを直流的に同電位にする一方で、ＧＮＤパターン１１ａと１２ａとの間の無線周波数信号の通過を抑制する。チョークコイル１４のインダクタンス値は、アンテナアレイ３０にて送受信する無線信号の搬送周波数に基づいて、チョークコイル１４のインピーダンスの抵抗成分が、十分に大きくなるように選択される。例えば、チョークコイル１４のインピーダンスの抵抗成分は、アンテナ入力の特性インピーダンスに比べて十分に大きくなるように選択される。例えばチョークコイル１４のインピーダンスの抵抗成分は、特性インピーダンスに比べて１０倍以上であってよい。

例えば、インダクタンスのインピーダンスの抵抗成分の値が、特性インピーダンスである５０Ωに比べて１０倍以上となるようなコイルをチョークコイルとして使用する。例えば搬送周波数が８８０ＭＨｚである場合に１００ｎＨのコイルを使用すれば、インピーダンスの抵抗成分の値は６４９Ωとなり、５０Ωの十倍より大きくなる。

このような構成によって、第１基板５の２つのＧＮＤパターン１１ａ及び１２ａと、第２基板６の１つのＧＮＤパターン３１によって、２個の筐体アンテナを形成することができる。かつ、チョークコイル１４でＧＮＤパターン１１ａ及び１２ａを接続して第１基板５の接地電位を基板全面で直流的に一致させることにより、第１基板５上で直流電力で動作する機能素子の誤動作を防ぐことができる。

＜１．３．実施例の効果＞
続いて、具体的なモデルを用いて、本明細書に記載のアンテナアレイの電磁界シミュレーション結果を示す。シミュレーションで使用するアンテナアレイの寸法を以下に示す。
第１基板５及び第２基板６の基板長Ｌ＝８８ｍｍ
第１基板５及び第２基板６の基板幅Ｗ＝４４ｍｍ
ヒンジ機構４による第１基板５及び第２基板６の離間幅ＨＧ＝１０ｍｍ
ＧＮＤ抜きライン１３の幅ＬＷ＝可変（１ｍｍ、４ｍｍ、１２ｍｍ）
整合回路３３ａ及び３３ｂである整合用コンデンサの容量＝０．５ｐＦ
チョークコイルのインダクタンス値＝１００ｎＨ
測定周波数＝８８０ＭＨｚ

以下、ＧＮＤパターン１１ａ及び３１によって形成されるアンテナをＡＮＴ１と表記し、ＧＮＤパターン１２ａ及び３１によって形成されるアンテナをＡＮＴ２と表記する。なお、シミュレーションでは、本明細書に記載のアンテナ使用による条件の相違が放射パターンに現れる筐体２及び３の正面から見た場合の垂直偏波成分のみを検討する。すなわち、図５のように筐体２及び３の上下方向をＺ軸、前後方向をＹ軸、残りをＸ軸とする座標系を想定し、ＸＺ平面内の回転方向をθ方向としＸＹ平面内の回転方向をφ方向とする場合に、φ＝０°であるＸＺ平面のθ方向について電界パターンを検討する。

図６の（Ａ）、図６の（Ｂ）及び図７は、ＧＮＤ抜きライン１３の幅ＬＷをそれぞれ１ｍｍ、４ｍｍ及び１２ｍｍとした場合のアンテナアレイ３０の放射パターンを示す。破線１０１及び一点鎖線１０２はそれぞれアンテナＡＮＴ１及びＡＮＴ２の放射パターンを示す。これらの図に示す通り、アンテナＡＮＴ１及びＡＮＴ２の放射パターンは左右対称となり、ＧＮＤ抜きライン１３の幅ＬＷが太くなるにつれ両者のヌル方向を結ぶ角度１０３が広がることが判る。これによりヌル点での利得の低下を相互にカバーしていることがわかる。

ＧＮＤ抜きライン１３の幅ＬＷをそれぞれ１ｍｍ、４ｍｍ及び１２ｍｍとした場合の放射効率η及び相関係数は以下の通りである。
幅ＬＷ＝１ｍｍの場合に、放射効率η＝−４．０ｄＢ、相関係数ρ＝０．６０
幅ＬＷ＝４ｍｍの場合に、放射効率η＝−３．５ｄＢ、相関係数ρ＝０．４６
幅ＬＷ＝１２ｍｍの場合に、放射効率η＝−３．０ｄＢ、相関係数ρ＝０．３１

ここで、このとき放射効率ηは下記の式から算出される。
η＝Ｐｒ／Ｐｉｎ＝Ｐａｎｔ／Ｐｄｉｐ
Ｐｒは全放射電力であり、Ｐｉｎは入力電力である。また、Ｐａｎｔ及びＰｄｉｐは次式により算出される、被測定アンテナ及び半波長ダイポールアンテナの放射電力である。

また、相関係数ρは下記の式から算出される。

ＧＮＤ抜きライン１３の幅ＬＷが太くなるにつれ放射効率η及び相関係数ρが改善されることが判る。現実的な太さである幅ＬＷ＝４ｍｍの場合に放射効率ηが−３．５ｄＢ、相関係数ρが０．５以下となり、良好な特性が得られる。

以上のとおり、本実施例によれば良好な特性を持つアンテナアレイを形成できることがシミュレーションから判明した。

＜２．第２実施例＞
続いてアンテナアレイの他の実施例について説明する。図８は、アンテナアレイ３０の第２例の説明図である。本実施例の第１基板５のＧＮＤ面１０ａのＧＮＤパターンは、第１基板５の長手方向に延びる２本のＧＮＤ抜きライン１３によって３つのパターン１１ａ、１２ａ及び１７に分離される。ＧＮＤパターン１１ａと１７、及びＧＮＤパターン１７と１２ａは、長手方向中央でチョークコイル３４ａ及び３４ｂで接続される。給電線２１ａ及び２２ａは、短手方向に並ぶ両端のＧＮＤパターン１１ａ及び１２ａに整合回路３３ａ及び３３ｂを介して接続される。すなわち、アンテナ素子となるＧＮＤパターン１１ａ及び１２ａの間に、給電線に接続されず高周波的に浮いたＧＮＤパターン１７が配置される。

第１実施例と同様に、具体的なモデルを用いて、本明細書に記載のアンテナアレイの電磁界シミュレーション結果を示す。シミュレーションで使用するアンテナアレイの寸法を以下に示す。
第１基板５及び第２基板６の基板長Ｌ＝８８ｍｍ
第１基板５及び第２基板６の基板幅Ｗ＝４４ｍｍ
ＧＮＤパターン１１ａ及び１２ａの幅Ｗ２＝８ｍｍ
ヒンジ機構４による第１基板５及び第２基板６の離間幅ＨＧ＝１０ｍｍ
ＧＮＤ抜きライン１３の幅ＬＷ＝可変（１ｍｍ、４ｍｍ、１２ｍｍ）
整合回路３３ａ及び３３ｂである整合用コンデンサの容量＝０．５ｐＦ
チョークコイルのインダクタンス値＝１００ｎＨ
測定周波数＝８８０ＭＨｚ

図９の（Ａ）、図９の（Ｂ）及び図１０は、ＧＮＤ抜きライン１３の幅ＬＷをそれぞれ１ｍｍ、４ｍｍ及び１２ｍｍとした場合のアンテナアレイ３０の放射パターンを示す。破線１０１及び一点鎖線１０２はそれぞれアンテナＡＮＴ１及びＡＮＴ２の放射パターンを示す。これらの図に示す通り、アンテナＡＮＴ１及びＡＮＴ２の放射パターンは左右対称となり、ＧＮＤ抜きライン１３の幅ＬＷが太くなるにつれ両者のヌル方向を結ぶ角度１０３が広がることが判る。これによりヌル点での利得の低下を相互にカバーしていることがわかる。

ＧＮＤ抜きライン１３の幅ＬＷをそれぞれ１ｍｍ、４ｍｍ及び１２ｍｍとした場合の放射効率η及び相関係数は以下の通りである。
幅ＬＷ＝１ｍｍの場合に、放射効率η＝−４．７ｄＢ、相関係数ρ＝０．４６
幅ＬＷ＝４ｍｍの場合に、放射効率η＝−３．１ｄＢ、相関係数ρ＝０．４１
幅ＬＷ＝１２ｍｍの場合に、放射効率η＝−３．８ｄＢ、相関係数ρ＝０．３４

ＧＮＤ抜きライン１３の幅ＬＷが太くなるにつれ放射効率η及び相関係数ρが改善されることが判る。第１実施例と比較すると、幅ＬＷ＝１ｍｍ及び４ｍｍの場合に放射効率ηが若干減少するが相関係数が改善される。すなわち、第２実施例によれば−５ｄＢ程度の放射効率が許容できれば、ＧＮＤパターンの面積を増やすためにＧＮＤ抜きライン１３ののべ幅を４ｍｍから１×２＝２ｍｍへ減らしても、０．５以下の相関係数を実現することができることが判る。このとおり、第２実施例でも、良好な特性を持つアンテナアレイを形成できることがシミュレーションから判明した。

１ 携帯電話
２ 可動筐体
３ 固定筐体
５ 第１基板
６ 第２基板
７ 送受信回路
８ フレキシブル配線板
１１ａ、１２ａ、３１ ＧＮＤパターン
１４ チョークコイル
３２、２１ａ、２２ａ 給電線
３３ａ、３３ｂ 整合回路

Claims (5)

1. １つの回路基板に分割して形成される複数の第１接地導体膜と、
   前記１つの回路基板以外の他の回路基板に形成される第２接地導体膜と、
   前記複数の第１接地導体膜を１つずつ給電部に接続する複数の第１給電線と
   前記第２接地導体膜を前記給電部に接続する第２給電線と、
   前記複数の第１接地導体膜間を接続するチョークコイルと、
   を備えるアンテナ構造体。
2. 前記第１接地導体膜は少なくとも３つに分割され、前記第１給電線に接続されないいずれかの前記第１接地導体膜が、前記第１給電線に接続される他の前記第１接地導体膜の間に配置されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ構造体。
3. 前記第１接地導体膜が形成される回路基板は、前記第１接地導体膜が形成される層と他の配線層を備える多層回路基板であり、
   前記他の配線層には前記複数の第１接地導体膜に接続される接地パターンが形成され、
   前記接地パターンは、接続される第１接地導体膜毎に分割して形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ構造体。
4. 第１回路基板と、
   通信回路を備える第２回路基板と、
   前記第１回路基板に分割して形成される複数の第１接地導体膜と、
   前記第２回路基板に形成される第２接地導体膜と、
   前記複数の第１接地導体膜に１つずつ接続され前記通信回路が送受信する無線周波数信号を伝送する複数の第１給電線と
   前記第２接地導体膜に接続され前記通信回路が送受信する無線周波数信号を伝送する第２給電線と、
   前記複数の第１接地導体膜間を接続するチョークコイルと、
   を備える通信装置。
5. 前記第１回路基板を収容する第１筐体と、
   前記第２回路基板を収容する第２筐体と、
   前記第１筐体及び前記第２筐体を、前記第１筐体に対する前記第２筐体の枢動により折りたたみ開閉可能に接続するヒンジ機構と、
   前記第１給電線を含むフレキシブル配線板と、
   を備える請求項４に記載の通信装置。

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