JP4196847B2 - 外部アンテナ及び通信機器 - Google Patents

Description

本発明は、携帯電話機などの移動体無線通信端末、または業務用のＭＨｚ帯の移動体無線通信端末の外部アンテナ及びこれを備えた通信機器に関する。

現在、ＭＨｚ帯の移動体無線通信端末では、外部に取り付けられた外部アンテナとして、アンテナ動作波長の１／４の長さを有するモノポールアンテナが主に用いられている（例えば、非特許文献１、２参照）。
このようなＭＨｚ帯の移動体無線通信端末には、図８（ａ）に示すように、カールコードとなっているマイクケーブルが接続されているものがある。この無線通信端末１００は、外部のモノポールアンテナ１０１と、図示しない高周波回路を含む通信制御回路を内蔵する無線通信端末本体１０２と、無線通信端末本体１０２の端面である一面１０２Ａに設けられてモノポールアンテナ１０１を取り付けるアンテナ設置コネクタ１０３と、マイクコネクタ１０４と、マイクコネクタ１０４にマイクケーブル１０５を介して取り付けられるマイク１０６とを備えている。
また、この無線通信端末本体１０２の上面には、表示部１０７と、スピーカ１０８と、各種ファンクションキーなどで構成される操作部１０９とが設けられている。
ここで、アンテナ動作周波数が例えば４００ＭＨｚであったとき、モノポールアンテナ１０１の長さは、１８８ｍｍとなる。
築地武彦著、「電波・アンテナ工学」、総合電子出版、２００２年３月、ｐ．１３１〜１３３ 藤本京平著、「図解 移動通信用アンテナシステム」、総合電子出版、１９９６年１０月、ｐ．９９〜１０４

しかしながら、上記従来の外部アンテナにおいて、アンテナ動作周波数が４００ＭＨｚのときに、外部アンテナであるモノポールアンテナ１０１の長さが１８８ｍｍとなり、非常に長い金属製の外部アンテナが取り付けられることになる。これにより、図８（ｂ）に示すようにマイクケーブル１０５がモノポールアンテナ１０１に絡まり、アンテナ特性が劣化するという問題がある。また、外部アンテナが長いことにより、この外部アンテナと無線機器本体との接続部分に機械的な負荷がかかり、落下時に破損し易いという問題がある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたもので、低背化が可能である外部アンテナ及びこれを備えた通信機器を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の外部アンテナは、基板と、該基板上の一部に設けられたグラウンド接続導体と、前記基板上に設けられて誘電体または磁性体あるいはその両方を兼ね備えた複合材料からなる素体の長手方向に形成された線状の導体パターンによって構成され、アンテナ動作周波数で自己共振しないローディング部と、前記導体パターンの一端と前記グラウンド接続導体との間に接続されたインダクタ部と、前記導体パターンの一端と前記インダクタ部との接続点に給電する給電部とを備え、前記ローディング部の基端部から先端部が、前記グラウンド接続導体から離間する方向に配置されていることを特徴とする。

この発明にかかる外部アンテナによれば、ローディング部とインダクタ部とを組み合わせることによって、アンテナエレメントの物理長においてアンテナ動作波長の１／４より短くても、電気長においてアンテナ動作波長の１／４とすることができる。したがって、外部アンテナの物理長が大幅に短縮化し、低背化することができる。

また、本発明の外部アンテナは、前記接続点と前記給電部との間にインピーダンス調整部が接続されていることが好ましい。
この発明にかかる外部アンテナによれば、インピーダンス調整部によって給電部におけるインピーダンスを整合させることができる。したがって、外部アンテナが接続される高周波回路との間のインピーダンスを整合させる整合回路を別途設けることなく、効率的に信号伝達を行うことができる。

また、本発明の外部アンテナは、前記ローディング部が、集中定数素子を備えていることが好ましい。
この発明にかかる外部アンテナによれば、ローディング部に形成された集中定数素子によって、ローディング部の導体パターンの長さを変更することなく電気長を調整して、容易に共振周波数を設定できる。また、給電点における外部アンテナのインピーダンスを整合させることができる。

また、本発明の外部アンテナは、前記導体パターンが、前記素体の長手方向に巻回された螺旋形状であることが好ましい。
この発明にかかる外部アンテナによれば、導体パターンを螺旋形状とすることで、導体パターン長を長くすることができ、外部アンテナの利得を増大させることができる。

また、本発明の外部アンテナは、前記導体パターンが、前記素体の表面に形成されたミアンダ形状であることが好ましい。
この発明にかかる外部アンテナによれば、導体パターンをミアンダ形状とすることで、上述と同様に導体パターン長を長くすることができ、外部アンテナの利得を増大させることができる。また、導体パターンが、素体の表面に形成されることで導体パターンの形成が容易となる。

また、本発明の外部アンテナは、前記ローディング素子を複数直列に接続していることが好ましい。
この発明にかかる外部アンテナによれば、ローディング素子を複数直列に接続することで、上述と同様に導体パターン長を長くすることができ、外部アンテナの利得を増大させることができる。
また、本発明の外部アンテナは、前記ローディング素子が、前記基板の両面それぞれに少なくとも１つずつ設けられていることが好ましい。

また、本発明の外部アンテナは、前記基板の周囲に該基板を保護するアンテナカバーを備えていることが好ましい。
この発明にかかる外部アンテナによれば、外部アンテナに衝撃を加えた際、基板がアンテナカバーで保護されるので、基板上に配置されたローディング部やインダクタ部などの破損を抑制することができる。

また、本発明の通信機器は、上記外部アンテナを備えることを特徴とする。
この発明にかかる通信機器によれば、低背化された上記外部アンテナを備えていることで、例えばマイクケーブルなどのケーブル類が外部アンテナに絡まることを回避することができる。これにより、アンテナ特性が劣化することを抑制する。また、外部アンテナの設置部分にかかる機械的負荷を低減し、例えば落下時に外部アンテナが破損することを抑制する。

本発明の外部アンテナによれば、ローディング部とインダクタ部とを組み合わせることによって、アンテナエレメントの物理長がアンテナ動作波長の１／４より短くても、電気長としてアンテナ動作波長の１／４にすることができる。これにより、物理長として大幅な短縮化を図れ、外部アンテナが低背化する。
また、本発明の通信機器によれば、低背化された外部アンテナを備えることにより、例えばマイクケーブルなど通信機器に配置されたケーブル類がこの外部アンテナに絡まることを回避できる。これにより、外部アンテナのアンテナ特性が劣化することを抑制できる。そして、外部アンテナの配置箇所にかかる機械的負荷を軽減し、落下時にアンテナが破損することを抑制する。

以下、本発明にかかる外部アンテナの第１の実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。
本実施形態による外部アンテナ１は、例えば図１に示すような無線通信端末２に用いられる外部アンテナである。
この無線通信端末２は、平面視でほぼ矩形状に形成されて高周波回路を含む通信制御回路を内蔵する無線通信端末本体３と、無線通信端末本体３の端面である一面３Ａに設けられたアンテナ設置コネクタ５を介して外部アンテナ１が設けられている。また、この一面３Ａには、マイクコネクタ６が設けられており、マイクケーブル７を介してマイク８が接続されている。
また、無線通信端末本体３の上面には、表示部１０と、スピーカ１１と、各種ファンクションキーなどで構成される操作部１２とが設けられている。
アンテナ設置コネクタ５は、後述するコネクタ部２８のコネクタ５１と螺合する、例えばＳＭＡコネクタの雄側のコネクタで構成されており、通信制御回路に接続されている。

外部アンテナ１は、図２（ａ）に示すように、ＰＣＢ樹脂などの絶縁性材料からなる基板２１と、基板２１の表面に形成された矩形状のグラウンド接続導体２２と、基板２１の表面上に基端部から先端部がグラウンド接続導体２２から離間するような方向に配置されたローディング部２３と、ローディング部２３の基端と基板２１上に形成されたグラウンド接続導体２２とを接続するインダクタ部２４と、ローディング部２３とインダクタ部２４との接続点Ｐに給電する給電部２５と、接続点Ｐと給電部２５とを接続する給電導体２６とで構成されるアンテナ本体２７を有している。また、この外部アンテナ１は、無線通信端末本体３のアンテナ設置コネクタ５と螺合するコネクタ２８と、コネクタ２８と共にアンテナ本体２７を保護するアンテナカバー２９とを備えている。

ローディング部２３は、ローディング素子３１と、基板２１の表面に形成されてローディング素子３１を基板２１上に配置するためのランド３２Ａ、３２Ｂとを備えている。
ローディング素子３１は、図２（ｂ）に示すように、例えばアルミナなどの誘電体からなる直方体の素体３３と、この素体３３の表面の長手方向に対して螺旋形状に巻回された線状の導体パターン３４によって構成されている。
この導体パターン３４の両端は、ランド３２Ａ、３２Ｂと電気的に接続するように、素体３３の裏面に形成された接続導体３５Ａ、３５Ｂにそれぞれ接続されている。

なお、ローディング部２３は、物理長が外部アンテナ１のアンテナ動作波長の１／４よりも短いので、ローディング部２３の自己共振周波数がアンテナ動作周波数である４００ＭＨｚ帯よりも高周波側となっている。したがって、このローディング部２３は、外部アンテナ１のアンテナ動作周波数を基準として考えた場合において、ローディング部２３が自己共振しているとはいえないため、アンテナ動作周波数で自己共振するヘリカルアンテナとは性質の異なるものとなっている。

インダクタ部２４は、ランド３２Ａとグラウンド接続導体２２とを接続するＬ字パターン４１と、このＬ字パターン４１に形成された分断部（図示略）を接続するチップインダンクタ４２とを備えている。
また、給電導体２６は、ランド３２Ａと、無線通信端末本体３に内蔵された通信制御回路に接続される給電部２５とを接続する直線状のパターンである。そして、この給電導体２６には、外部アンテナ１のインピーダンスを調整するインピーダンス調整部４５によって接続される分断部（図示略）が設けられている。
このインピーダンス調整部４５は、チップコンデンサによって構成され、このキャパシタンスを調整することにより給電部２５におけるインピーダンス整合がとられている。

コネクタ２８は、同軸コネクタであって、コネクタ部５１と、コネクタ部５１の一端側に設けられた上側部材５２と、上側部材５２の外周に配置された筒部材５３とを備えている。
コネクタ部５１は、例えばＳＭＡコネクタの雌側のコネクタであって、中心に中心導体５５が設けられており、この中心導体５５の外周に中心導体５５と同心に設けられた絶縁体５６と、この絶縁体５６の外周に絶縁体５６と同様に中心導体５５と同心に設けられた外部導体５７とを備えている。また、この外部導体５７の周囲には、無線通信端末本体３のアンテナ設置コネクタ５の内面に形成された雌ネジ（図示略）と螺合する雄ネジ５７Ａが形成されている。そして、アンテナ設置コネクタ５とコネクタ部５１とを螺合させることによって、外部アンテナ１を無線通信端末本体３に取り付けることができる構成となっている。このとき、中心導体５５は無線通信制御回路に接続され、外部導体５７は無線通信制御回路のグラウンドに接続される。

上側部材５２は、ほぼ円柱形状を有しており、一端には中心導体５５に接続されている中心導体接続端子６１と、外部導体５７に接続されている外部導体接続端子６２とが設けられている。この中心導体接続端子６１及び外部導体接続端子６２は、それぞれ給電導体２６の給電部２５及びグラウンド接続電極２３と半田などによって接続されている。
筒部材５３は、外周面のほぼ中央にＯリング６３が搭載されるフランジ部６５を有しており、フランジ部６５から上部に向かって、後述するアンテナカバー２９に形成された雌ネジ２９Ａと螺合する雄ネジ５３Ａが形成されている。

アンテナカバー２９は、例えばＡＢＳ樹脂やウレタン樹脂などで形成され、有底円筒形状を有しており、内周面に筒部材５３の雄ネジ５３Ａと螺合する雌ネジ２９Ａが形成されている。アンテナカバー２９と筒部材５３とを螺合させることにより、アンテナ本体２７がアンテナカバー２９及びコネクタ２８に覆われる。

このように構成された外部アンテナ１及びこれを備えた無線通信機器２は、ローディング部２３とインダクタ部２４とを組み合わせることによって、アンテナエレメントの物理長がアンテナ動作波長の１／４より短くても、電気長としてはアンテナ動作波長の１／４となる。したがって、物理長として大幅な短縮化を図ることができる。
これにより、マイクケーブル７が外部アンテナ１に絡まることを回避して、アンテナ特性の劣化を抑制することができると共に、無線通信端末本体３と外部アンテナ１との接続部分にかかる機械的な負荷を低減して、外部アンテナ１を破損しにくくすることができる。

そして、導体パターン３４が、素体３３に巻回された螺旋形状を有することで、パターン長が長くなる。これにより、小型であっても高い利得を有する外部アンテナ１とすることができる。
また、インピーダンス調整部４５によって、給電部２５における外部アンテナ１のインピーダンスを容易に整合させることができる。
さらに、アンテナ本体２７が、アンテナカバー２９によって覆われることで、外部アンテナ１に対して外部から加わった衝撃によるアンテナ本体２７の破損を回避することができる。

なお、本実施形態において、図３に示すように、外部アンテナ７１のローディング部７２が、ランド３２Ａとインダクタ部２４とを接続する接続パターン７３を有し、この接続パターン７３に形成された分断部（図示略）を接続する集中定数素子としてチップインダンクタ７４が配置された構成であってもよい。
この外部アンテナ７１によれば、チップインダンクタ７４によって導体パターン３４の長さを調整することなくアンテナ周波数を設定できる。また、チップインダンクタ７４のインダンクタを適宜設定することにより、給電部２５における外部アンテナ１のインピーダンスを調整することができる。

次に、第２の実施形態について図４を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態において説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第１の実施形態における外部アンテナ１のローディング部２３では１つのローディング素子３１で構成されたが、第２の実施形態における外部アンテナ８１のローディング部８２では２つのローディング素子８３、８４を直列に接続した構成となっている点である。

すなわち、ローディング部８２は、２つのローディング素子８３、８４を備えており、基板２１の一面には、ローディング素子８３、８４を載置するためのランド８５Ａ〜８５Ｃが形成されている。
このローディング素子８３は、素体８６と、素体８６の表面に巻回された導体パターン８７とによって構成されている。そして、この導体パターン８７の両端は、ランド８５Ａ、８５Ｂと電気的に接続するように、素体８６の裏面に形成された接続導体（図示略）にそれぞれ接続されている。
また、ローディング素子８４もローディング素子８３と同様に、素体８８と、導体パターン８９とによって構成されている。そして、導体パターン８９の両端は、ランド８５Ｂ、８５Ｃと電気的に接続するように、素体８７の裏面に形成された接続導体（図示略）にそれぞれ接続されている。

このように構成された外部アンテナ８１は、第１の実施形態における外部アンテナ１と同様の作用、効果を有するが、ローディング部８２が直列に接続した２つのローディング素子８３、８４を有しているので、導体パターン長を長くして外部アンテナ８１の利得を増大させることができる。
なお、本実施形態においても、上述した第１の実施形態と同様に、ローディング部８２がチップインダンクタ７４を備えていてもよい。
また、直列に接続するローディング素子は、２つに限らず、３つ以上であってもよい。

次に、第３の実施形態について図５を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態において説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
第３の実施形態と第２の実施形態との異なる点は、第２の実施形態における外部アンテナ８１のローディング部８２は、２つのローディング素子８３、８４が共に基板２１の一面に配置されたが、第３の実施形態における外部アンテナ９１のローディング部９２が２つのローディング素子８３、８４を基板２１の両面に１つずつ配置して直列に接続した構成となっている点である。

すなわち、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、基板２１の両面には、ローディング素子８３、８４を１つずつ載置するためのランド９３Ａ〜９３Ｄが形成されている。これらランド９３Ａ〜９３Ｄのうち、ランド９３Ｂ及び９３Ｃは、基板２１の両面に対向して形成されており、基板２１に形成されたスルーホール（図示略）を介して電気的に接続されている。
ローディング素子８３はランド９３Ａ、９３Ｂ上に載置され、ローディング素子８４はランド９３Ｃ、９３Ｄ上に載置される。

このように構成された外部アンテナ９１は、第２の実施形態における外部アンテナ８１と同様の作用、効果を有するが、基板２１の両面にローディング素子８３、８４をそれぞれ配置したことにより、第１の実施形態における外部アンテナ１と同等の低背化が可能となる。
なお、本実施形態においても、上述した第１及び第２の実施形態と同様に、ローディング部９２がチップインダンクタ７４を備えていてもよい。
また、上述した第２の実施形態と同様に、直列に接続するローディング素子は、２つに限らず、３つ以上であってもよい。

次に、本発明にかかる外部アンテナを、実施例により具体的に説明する。
実施例１として第１の実施形態における外部アンテナ１を製作し、この外部アンテナ１を無線通信端末本体３に取り付けて無線通信端末２を構成した。この無線通信端末２の周波数４０４〜４６４ＭＨｚにおけるＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio：電圧定在波比）の周波数特性を図６に示す。
図６に示すように、この外部アンテナ１は、共振周波数が４３４ＭＨｚであり、ＶＳＷＲ＝２．５における帯域幅が２３．０２ＭＨｚとなった。
これより、例えば４００ＭＨｚ帯域のような比較的周波数の低い領域であっても、外部アンテナの小型化が可能であることを確認した。

また、比較例として、図８に示すような従来の外部アンテナ１０１を製作し、この外部アンテナ１０１を無線通信端末本体１０２に取り付けて無線通信端末１００を構成した。そして、実施例１の外部アンテナ１と従来の外部アンテナ１０１とのＸＹ面における垂直偏波の放射パターンをそれぞれ図７に示す。
図７に示すように、実施例１の外部アンテナ１は、放射利得の最大値が−０．２２ｄＢｉ、最小値が−１．０５ｄＢｉ、平均値が−０．５３ｄＢｉとなった。また、従来例の外部アンテナ１０１は、放射利得の最大値が−１．０５ｄＢｉ、最小値が−１．７２ｄＢｉ、平均値が−１．３０ｄＢｉとなった。
これより、外部アンテナ１が外部アンテナ１０１より小型であっても、ほぼ同等の放射利得が得られることを確認した。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、素体として誘電体材料であるアルミナを用いたが、磁性体あるいは誘電体及び磁性体を兼ね備えた複合材料を用いてもよい。
また、導体パターンが素体表面に巻回された螺旋形状を有していたが、素体表面に形成されたミアンダ形状を有していてもよく、他の形状であってもよい。
また、インピーダンス調整部として、キャパシタを用いたが、給電部におけるインピーダンスが調整されるものであればよく、インダクタを用いてもよい。

本発明にかかる第１の実施形態における外部アンテナを備えた無線通信機器を示す平面図である。 本発明にかかる第１の実施形態における外部アンテナを示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）はローディング素子を示す斜視図である。 本発明にかかる第１の実施形態以外の、本発明を適応可能な外部アンテナを示す断面図である。 本発明にかかる第２の実施形態における外部アンテナを示す断面図である。 本発明にかかる第３の実施形態における外部アンテナを示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）とは反対側の断面図である。 本発明にかかる実施例における外部アンテナのＶＳＷＲ特性を示すグラフである。 本発明にかかる実施例における外部アンテナの指向性を示すグラフである。 従来の外部アンテナを備えた無線通信機器を示す平面図である。

符号の説明

１、７１、８１、９１ 外部アンテナ
２ 無線通信端末（通信機器）
２１ 基板
２２ グラウンド接続導体（導体膜）
２３、７２、８２、９２ ローディング部
２４ インダクタ部
２９ アンテナカバー
３３、８６、８８ 素体
３４、８７、８９ 導体パターン
４５ インピーダンス調整部
７４ チップインダンクタ（集中定数素子）
Ｐ 接続点

Claims (9)

1. 基板と、
   該基板上の一部に設けられたグラウンド接続導体と、
   前記基板上に設けられて誘電体または磁性体あるいはその両方を兼ね備えた複合材料からなる素体の長手方向に形成された線状の導体パターンによって構成され、アンテナ動作周波数で自己共振しないローディング部と、
   前記導体パターンの一端と前記グラウンド接続導体との間に接続されたインダクタ部と、
   前記導体パターンの一端と前記インダクタ部との接続点に給電する給電部とを備え、
   前記ローディング部の基端部から先端部が、前記グラウンド接続導体から離間する方向に配置されていることを特徴とする外部アンテナ。
2. 前記接続点と前記給電部との間にインピーダンス調整部が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の外部アンテナ。
3. 前記ローディング部が、集中定数素子を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の外部アンテナ。
4. 前記導体パターンが、前記素体の長手方向に巻回された螺旋形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の外部アンテナ。
5. 前記導体パターンが、前記素体の表面に形成されたミアンダ形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の外部アンテナ。
6. 前記ローディング素子を複数直列に接続していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の外部アンテナ。
7. 前記ローディング素子が、前記基板の両面それぞれに少なくとも１つずつ設けられていることを特徴とする請求項６に記載の外部アンテナ。
8. 前記基板の周囲に該基板を保護するアンテナカバーを備えていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の外部アンテナ。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の外部アンテナを備えることを特徴とする通信機器。

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