JPWO2011102143A1 - アンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末 - Google Patents

Abstract

本発明の課題は、携帯無線端末内に同一周波数帯域で動作する２つのアンテナ素子及び無線回路を配置する構成において、給電部の数を増加させることなく２つ以上の周波数帯域のいずれも低結合で高利得な性能を実現する、アンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末を提供することである。第一接続回路（１０８）は、第一の周波数帯域における第一アンテナ素子（１０６）と第二アンテナ素子（１０７）との間の相互結合インピーダンスをキャンセルするように調節し、アンテナ素子間の結合劣化を軽減する。第二接続回路（１１１）は、第二の周波数帯域における第一無給電素子（１０９）と第二無給電素子（１１０）との間の相互結合インピーダンスをキャンセルするように調節し、無給電素子間の結合劣化を軽減する。この構成により、携帯無線端末において、２周波数で動作する低結合なアンテナを実現することができる。

Description

本発明は携帯端末用アレーアンテナに関する技術であって、無給電素子を用いてマルチバンド化を実現するものである。

携帯電話などの携帯無線端末は、電話機能や電子メール機能、インターネット等へのアクセス機能だけに留まらず、近距離無線通信機能、無線ＬＡＮ機能、ＧＰＳ機能、ＴＶ視聴機能、ＩＣカード決済機能など、ますます多機能化が進んでいる。加えて、セルラー通信においては、高速かつ大容量の無線通信システムを実現する技術として、送信側，受信側に複数のアンテナを用いて通信を行う空間多重伝送（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉ-Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ-Ｏｕｔｐｕｔ）の搭載が予定されている。これは、複数の送信アンテナから時空間符号化した同じ信号を同帯域で送信することで空間多重を行い、複数の受信アンテナで受信して信号を分離することにより情報を抽出する。これにより、転送速度を向上させ、かつ大容量通信が可能となる。このような多機能化に伴って、携帯無線端末に搭載されるアンテナの数は増加傾向にあり、複数のアンテナ素子間の結合に伴うアンテナ性能の劣化が深刻な課題となっている。

一方で、携帯電話ユーザー数の飛躍的な増加に伴い、通信に使用される周波数不足が問題となっており、現在の通信用セルラーアンテナは、４バンド（８００ＭＨｚ帯、１．５ＧＨｚ帯、１．７ＧＨｚ帯、２ＧＨｚ帯）への対応が必要となっている。これら複数の周波数帯においてＭＩＭＯなどの複数アンテナの無線システムに対応するためには、一般に周波数毎に複数のアンテナ素子を配置するとともに、給電経路をアンテナ素子毎に設け、スイッチでこれらを切り替えるような複雑な構成が必要となる。しかし、小型な無線端末では回路規模が大きくなるとともに、複数のアンテナ素子間で相互に複雑な結合が生じ、性能の確保が困難であるという課題がある。

携帯無線端末では、デザイン性及び携帯性の観点からさらなる小型化、高集積化が望まれる中、装置の小型化を図りつつ、良好なアンテナ特性を維持するためには、アンテナ素子の配置及びアンテナ素子同士の結合に対して種々の工夫が必要となる。また、給電経路やアンテナ素子数をできる限り少なくし、結合劣化対策を施した高性能なマルチバンドアレーアンテナシステムが求められる。

このようなアンテナ素子間の結合の問題に対応する従来の携帯無線機としては、例えば特許文献１及び非特許文献１に開示されているように、アレーアンテナ素子の給電部間を接続するように接続回路を挿入し、アンテナ間の相互結合インピーダンスをキャンセルすることで、アンテナ間の低相関を実現する構成が知られている。

また、マルチバンド化に対応する手段として、特許文献２に記載されているように、アンテナに地線素子を近接配置して、多共振する構成が知られている。

また、地線を用いた低結合化手段として、特許文献３に記載されているように、アンテナ間に地線素子を配置して、低結合化する構成が知られている。

米国特許出願公開第２００８／０２５８９９１号明細書（例えば第６Ａ図） 日本国特開２００８−２７８２１９号公報（第１図） 米国特許出願公開第２００９／０１７４６１１号明細書（第９図）

"Decoupling and descattering networks for antennas", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.24 Issue6 Nov. 1976

しかしながら、図１３に示す特許文献１及び非特許文献１記載の従来構成では、接続素子６０６は素子間の結合位相の逆位相となる電流分布を作り出すように動作する為、本質的に狭帯域であるという課題があった。このため、現在の通信用セルラーアンテナシステムで必要とするマルチバンドに対応するには、複数のアンテナ素子や接続素子を周波数毎に設けて、それぞれに給電する必要があり、構成が複雑となってしまう。

また、特許文献２及び特許文献３記載の従来構成では、マルチバンドに対応するために無給電素子を導入して複共振化を図る構成が示されているが、低結合を実現しながらもマルチバンド化する方法についての開示は無く、ＭＩＭＯ等の同一周波数でのアレーアンテナには対応できない。

本発明は、ＭＩＭＯ等への対応を目的とした２素子以上のアンテナがアレー状に搭載される携帯端末において、上記課題を解決するために、各々のアンテナ素子に近接して筐体ＧＮＤに接続される無給電素子を配置し、さらにアンテナ素子同士だけでなく無給電素子同士を接続回路で接続する構成とする。これにより、アンテナ素子側の周波数帯域と、無給電素子側の周波数帯域は、独立して低結合に調整することができるために、任意の２周波数において低結合を実現できるアレーアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末を提供するものである。

本発明のアンテナ装置は、筐体と、前記筐体に設けられグランドパターンを有する回路基板と、導電性の金属で構成された第一アンテナ素子と、導電性の金属で構成された第二アンテナ素子と、導電性の金属で構成された第一無給電素子と、導電性の金属で構成された第二無給電素子と、前記第一アンテナ素子と前記第二アンテナ素子とを電気的に接続する第一接続回路と、前記第一無給電素子と前記第二無給電素子とを電気的に接続する第二接続回路とを具備し、前記第一アンテナ素子及び第二アンテナ素子は、前記回路基板上のグランドパターンと所定の間隔を隔てて互いに近接して配置されるとともに、前記回路基板の端部に配置される第一給電部及び第二給電部に電気的に接続され、前記第一無給電素子は前記第一アンテナ素子に略並行に近接して配置され、前記第二無給電素子は前記第二アンテナ素子に略並行に近接して配置されるとともに、いずれも前記回路基板上のグランドパターンと電気的に接続され、前記第一接続回路は、第一の周波数帯域における前記第一アンテナ素子と第二アンテナ素子との間の相互結合インピーダンスをキャンセルするように調節され、前記第二接続回路は、第二の周波数帯域における前記第一無給電素子と第二無給電素子との間の相互結合インピーダンスをキャンセルするように調節されるようにした。

この構成により、任意の２周波数において低結合化を実現できるアレーアンテナを実現することができる。

また、本発明のアンテナ装置及は、前記第一アンテナ素子が、第一リアクタンス調整回路を介して前記第一給電部と電気的に接続されるとともに、前記第二アンテナ素子が、第二リアクタンス調整回路を介して前記第二給電部と電気的に接続される。

この構成により、第一の周波数帯域において、より高効率でより低結合なアンテナ特性を実現できる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記第一無給電素子が、第三リアクタンス調整回路を介して前記回路基板上のグランドパターンと電気的に接続されるとともに、前記第二無給電素子が、第四リアクタンス調整回路を介して前記回路基板上のグランドパターンと電気的に接続される。

この構成により、第二の周波数帯域において、より高効率でより低結合なアンテナ特性を実現できる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記第一アンテナ素子又は前記第二アンテナ素子又は前記第一無給電素子又は前記第二無給電素子のいずれかまたは全てが、プリント基板上の銅箔パターンで構成される。

この構成により、高精度にアンテナ素子及び無給電素子を配置することができ、量産性の良いアレーアンテナを実現できる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記第一アンテナ素子及び前記第二アンテナ素子及び前記第一無給電素子及び前記第二無給電素子が、前記回路基板側で略直交して配置されるとともに、前記筐体の内壁に沿って折り曲げられて、前記筐体内に配置される。

この構成により、装置の小型化を図りつつ、低結合なアンテナ特性を実現できる。

また、本発明のアンテナ装置を携帯無線端末に搭載する構成とした。

この構成により、携帯無線端末のアンテナ特性を向上させることができ、小型化を図ることができる。

また、本発明のアンテナ装置をＭＩＭＯ対応携帯無線端末に搭載する構成とした。

この構成により、ＭＩＭＯ対応可能な携帯無線端末のアンテナ特性を向上させることができ、小型化を図ることができる。

本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末によれば、任意の２周波数で動作する低結合なＭＩＭＯ用アレーアンテナを実現することができる。

本発明の実施の形態１における携帯無線端末の構成図 （ａ）本発明の実施の形態１における第一接続回路又は第二接続回路の具体構成の一例（コンデンサ）を示す図、（ｂ）本発明の実施の形態１における第一接続回路又は第二接続回路の具体構成の一例（インダクタ）を示す図、（ｃ）本発明の実施の形態１における第一接続回路又は第二接続回路の具体構成の一例（並列共振回路）を示す図、（ｄ）本発明の実施の形態１における第一接続回路又は第二接続回路の具体構成の一例（直列共振回路）を示す図、（ｅ）本発明の実施の形態１における第一接続回路又は第二接続回路の具体構成の一例（メアンダパターン）を示す図 本発明の実施の形態２における携帯無線端末の構成図 （ａ）本発明の実施の形態２における第一リアクタンス調整回路又は第二リアクタンス調整回路の具体構成の一例を示す図、（ｂ）本発明の実施の形態２における第一リアクタンス調整回路又は第二リアクタンス調整回路の具体構成の一例を示す図 （ａ）本発明の実施の形態２における第三リアクタンス調整回路又は第四リアクタンス調整回路の具体構成の一例を示す図、（ｂ）本発明の実施の形態２における第三リアクタンス調整回路又は第四リアクタンス調整回路の具体構成の一例を示す図 （ａ）本発明の実施の形態２における携帯無線端末の特性解析モデルを示す図、（ｂ）本発明の実施の形態２における携帯無線端末の特性解析モデルの回路構成を示す図 （ａ）本発明の実施の形態２における携帯無線端末の電流分布（２．５ＧＨｚ）図、（ｂ）本発明の実施の形態２における携帯無線端末の電流分布（１．５ＧＨｚ）図 （ａ）本発明の実施の形態２における携帯無線端末のＳパラメータ（Ｓ１１）特性図、（ｂ）本発明の実施の形態２における携帯無線端末のＳパラメータ（Ｓ２１）特性図 （ａ）本発明の実施の形態２における携帯無線端末の放射指向性（２．５ＧＨｚ）図、（ｂ）本発明の実施の形態２における携帯無線端末の放射指向性（１．５ＧＨｚ）図 本発明の実施の形態３における携帯無線端末の構成図 本発明の実施の形態４における携帯無線端末の構成図 本発明の実施の形態５における携帯無線端末の構成図 従来の低結合アレーアンテナの構成図

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における携帯無線端末の構成図である。

図１に示すように、携帯無線端末１００の内部に配置された回路基板１０１には第一無線回路部１０２が構成されており、第一給電部１０４を通じて、導電性の金属で構成された第一アンテナ素子１０６に高周波信号が供給されている。さらに、回路基板１０１には第二無線回路部１０３が構成されており、第二給電部１０５を通じて、導電性の金属で構成された第二アンテナ素子１０７に高周波信号が供給されている。

第一無線回路部１０２及び第二無線回路部１０３は共にマルチバンド無線システムで使用する、同一又は隣接する第一の周波数帯域で動作するとともに、同一又は隣接する第二の周波数帯域でも動作する。

第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７はいずれも携帯端末内部に配置されるため小型であり、第一の周波数帯域の波長にとって０．５波以下の長さであるとともに、折り曲げ構造等を用いてさらなる小型化を図っても良い。さらに、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７は限られた端末内部に内蔵させる必要性から、０．５波長以下の距離で略平行に近接配置される。このため、アンテナ素子間に相互結合インピーダンスが生じ、片方のアンテナ素子に流れた高周波電流が、もう片方のアンテナ素子に誘導電流として流れてしまうことで、結果としてアンテナの放射性能に劣化が生じてしまう。

そこで、第一接続回路１０８を第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７の給電部付近を接続するように挿入し、アンテナ間の第一の周波数帯域の相互結合インピーダンスをキャンセルすることで、アンテナ素子間の結合劣化を改善する手段を用いている。

さらに、図１に示す構成では、第一アンテナ素子１０６に近接して導電性の金属で構成された第一無給電素子１０９を配置するとともに、第二アンテナ素子１０７に近接して導電性の金属で構成された第二無給電素子１１０を配置する。アンテナ素子と無給電素子の距離は、第二の周波数帯域にとって０．２５λ以下に近接させている。第一無給電素子１０９及び第二無給電素子１１０は、第二の周波数帯域の波長にとって略０．２５半波の長さであるとともに、回路基板１０１のグランドパターンに接地されている。略０．２５半波の長さの無給電素子がグランドパターンに接地されることで、グランドパターンを経由してアンテナ素子から高周波電流が無給電素子に誘起され、第二の周波数帯域の放射素子として機能する。すなわち、第一無給電素子１０９は第二の周波数帯域の放射素子として機能する。同じく、第二無給電素子１１０は第二アンテナ素子１０７と略平行に配置することで相互結合が生じ、第二の周波数帯域の放射素子として機能する。ここで、第一無給電素子１０９に誘起される第二の周波数帯域の高周波信号と、第二無給電素子１１０に誘起される第二の周波数帯域の高周波信号は何れも同一又は近接する周波数帯域であるため、結合劣化が生じてアンテナの放射特性が劣化してしまう。

そこで図１に示す構成では、第一無給電素子１０９と第二無給電素子１１０を第二接続回路１１１で接続し、無給電素子間の相互結合インピーダンスをキャンセルすることで、無給電素子間の結合劣化を改善する。第二接続回路１１１は回路基板１０１のグランドパターンと所定の距離を開けて配置されることで、グランドパターンと異なる電位の高周波電流が生じることが可能となる。

なお、図１の構成では第一アンテナ素子１０６、第二アンテナ素子１０７、第一無給電素子１０９、第二無給電素子１１０を導電性の金属部品として説明しているが、プリント基板上に構成した銅箔のパターンで構成しても同様な効果が得られる。

また、図１の構成では各アンテナ素子に対して１つずつの無給電素子を配置しているが、２つずつ以上の無給電素子を配置してそれぞれを接続回路で接続することで、３つ以上の周波数帯域に対応する構成としても良い。

図２（ａ）〜図２（ｅ）は、本発明の実施の形態１における第一接続回路又は第二接続回路の具体構成を示す図である。

図２（ａ）〜図２（ｅ）に示すように、第一接続回路及び第二接続回路には（ａ）コンデンサ、（ｂ）インダクタ、（ｃ）並列共振回路、（ｄ）直列共振回路、（ｅ）メアンダパターンでの構成が可能である。さらにこれ以外の構成でも、フィルタや、パターンで構成したコンデンサなど、等価回路がコンデンサやインダクタの組合せで表現できる構成であって、相互結合インピーダンスを調整できるものであればいずれの構成でも良い。さらにこれらを複数組み合わせた構成であっても良い。

このように本実施の形態１によれば、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７を動作させて使用する第一の周波数帯域と、第一無給電素子１０９及び第二無給電素子１１０を動作させて使用する第二の周波数帯域の何れの帯域においても結合劣化を改善でき、低結合で高利得な内蔵型アレーアンテナを構成できる。本方式によれば、２つ以上の周波数帯域で動作するＭＩＭＯ用アレーアンテナを実現できる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における携帯無線端末の構成図である。

図３において、図１と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。

図３に示すように、第一アンテナ素子１０６は第一リアクタンス調整回路２０１を介して第一給電部１０４に接続されるとともに、第二アンテナ素子１０７は第二リアクタンス調整回路２０２を介して第二給電部１０５に接続される。

さらに、第一無給電子１０９は第三リアクタンス調整回路２０３を介して回路基板１０１のグランドパターンに接地されるとともに、第二無給電素子１１０は第四リアクタンス調整回路２０４を介して回路基板１０１のグランドパターンに接地続される。

第一リアクタンス調整回路２０１及び第二リアクタンス調整回路２０２を配置することで、第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７の間の第一の周波数帯域における相互結合インピーダンスの調整をより細かく行うことができ、より結合劣化を軽減する効果が高まる。

さらに、第三リアクタンス調整回路２０３及び第四リアクタンス調整回路２０４を配置することで、第一無給電素子１０９と第二無給電素子１１０の間の第二の周波数帯域における相互結合インピーダンスの調整をより細かく行うことができ、より結合劣化を軽減する効果が高まる。

なお、図１あるいは図３の構成では、２つのアンテナ素子と２つの無給電素子の合計４つの素子の間に各種の相互結合が生じるが、リアクタンス調整回路を配置することで、これらの相互結合インピーダンスを総合的に調整することが可能となる。結果的に、第一の周波数帯域及び第二の周波数帯域のいずれの周波数帯域においても、第一給電部１０４と第二給電部１０５の間の通過特性であるＳ１２及びＳ２１を低く抑えることができ、結合劣化を改善できる。

なお、図３の構成では計４つのリアクタンス調整回路を配置しているが、アンテナ素子側のみ、あるいは無給電素素子側のみリアクタンス調整回路を配置する構成とし、接続回路の調整によって相互結合インピーダンスを調整する構成であっても良い。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、本発明の実施の形態２における第一リアクタンス調整回路２０１又は第二リアクタンス調整回路２０２の具体構成を示す図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）では、第一アンテナ素子１０６側の第一リアクタンス調整回路２０１として説明しているが、第二アンテナ素子１０７側の第二リアクタンス調整回路２０２も同様な構成として説明可能であるため、ここでは省略する。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、リアクタンス調整回路内には複数のコンデンサあるいはインダクタでの構成が可能であり、アンテナ素子側、給電部側それぞれにコンデンサあるいはインダクタを配置する構成が可能である。

図４（ａ）では、第一アンテナ素子１０６側にインダクタ１１２、第一給電部１０４側にインダクタ１１３を配置し、第一接続回路１０８との接続部にコンデンサ１１４の方端を接続し他端を回路基板１０１のグランドパターンに対して接地している。コンデンサ１１４のグランドパターンとの接地場所は、第一給電部１０４に近い場所が望ましい。また、インダクタ１１２を装荷することは第一アンテナ素子１０６の長さを長くすることと電気的に等しいため、図４（ｂ）のようにアンテナ素子側のインダクタを削除し、同様な機能をアンテナ素子の長さの調整によって実現する構成も可能である。

図４（ｂ）では、第一給電部１０４側にコンデンサ１１５を配置し、第一接続回路１０８との接続部にインダクタ１１６の方端を接続し他端を回路基板のグランドパターンに対して接地している。なお、インダクタ１１３とコンデンサ１１４、あるいはコンデンサ１１５とインダクタ１１６は、いずれも第一アンテナ素子１０６のインピーダンス整合回路としての機能を持たせることも可能であり、第一の周波数帯域における第一給電部１０４と第二給電部１０５の間の通過特性であるＳ１２及びＳ２１を低く抑えるとともに、第一給電部１０４側から第一アンテナ素子１０６側を見たインピーダンスであるＳ１１を低く抑えることができる。

図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明の実施の形態２における第三リアクタンス調整回路２０３又は第四リアクタンス調整回路２０４の具体構成を示す図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）では、第一無給電素子１０９側の第三リアクタンス調整回路２０３として説明しているが、第二無給電素子１１０側の第四リアクタンス調整回路２０４も同様な構成として説明可能であるため、ここでは省略する。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、リアクタンス調整回路内には複数のコンデンサあるいはインダクタでの構成が可能であり、アンテナ素子側、接地部側それぞれにコンデンサあるいはインダクタを配置する構成が可能である。

図５（ａ）では、第一無給電素子１０９側にインダクタ１１７を配置し、第二接続回路１１１との接続部にインダクタ１１８及びコンデンサ１１９の方端を接続し他端を回路基板１０１のグランドパターンに対して接地している。インダクタ１１８及びコンデンサ１１９のグランドパターンとの接地場所は、第一給電部１０４に近い場所が望ましい。また、インダクタ１１７は第一無給電素子１０９の長さを長くすることと電気的に等しいため、図５（ｂ）のように無給電素子側のインダクタを削除し、同様な機能を無給電素子の長さの調整によって実現可能である。

図５（ｂ）では、回路基板１０１のグランドパターンに対しての接地をインダクタ１２０のみで調整している。なお、インダクタ１１７とコンデンサ１１９、あるいはインダクタ１２０は、いずれも第一無給電素子１０９の接地点に対するインピーダンス整合回路としての機能を持たせることも可能であり、第二の周波数帯域における第一給電部１０４と第二給電部１０５の間の通過特性であるＳ１２及びＳ２１を低く抑えるとともに、第一給電部１０４側から第一アンテナ素子１０６側を見たインピーダンスであるＳ１１を低く抑えることができる。

続いて、図３のより具体的な構成について、性能を解析した事例を示す。

図６（ａ）は、本発明の実施の形態２における携帯無線端末の特性解析モデルを示す図である。また、図６（ｂ）は、本発明の実施の形態２における携帯無線端末の特性解析モデルの回路構成を示す図である。

図６（ａ）に示すように、回路基板１０１は、ガラエポ製のプリント基板等で構成されるが、ここでは長さ４５ｍｍ、幅２２ｍｍの銅箔にて構成されていることとしてモデル化し、解析を行う。回路基板１０１には、第一給電部１０４及び第二給電部１０５を通じて、導電性の銅箔パターンである第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７に高周波信号が供給されている。さらに、第一アンテナ素子１０６に近接して導電性の銅箔パターンである第一無給電素子１０９を配置するとともに、第二アンテナ素子１０７に近接して導電性の銅箔パターンである第二無給電素子１１０を配置している。

第一給電部１０４からは、第一の周波数帯域である２．５ＧＨｚと、第二の周波数帯域である１．５ＧＨｚを含む、１ＧＨｚから３ＧＨｚの高周波信号が供給され、Ｓパラメータである通過特性Ｓ２１及び反射特性Ｓ１１、及び電流分布、及び放射特性の解析を行う。

第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７はいずれも長さ１９．５ｍｍ、幅１ｍｍであり、グランドパターンから３ｍｍ離れて配置されている。給電部からの接続線３ｍｍを含めたアンテナの長さ２２．５ｍｍは、２．５ＧＨｚの波長である１２０ｍｍにとって、０．１８７波長の長さに相当する。第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７の間隔は８．５ｍｍであり、２．５ＧＨｚの０．０７波長と極めて近接した間隔で略平行に配置されている。第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７が電気的に近接した距離で略平行に配置されるため、アンテナ素子間の相互結合が生じ、各アンテナ素子に流れた高周波電流が、もう片方のアンテナ素子に誘導電流として流れてしまうことで、結果としてアンテナの放射性能に劣化が生じてしまう。

そこで、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７の下端部にそれぞれを接続する第一接続回路１０８を挿入し、２．５ＧＨｚにおけるアンテナ間の相互結合インピーダンスをキャンセルすることで、アンテナ素子間の結合劣化を改善する。

図６（ａ）では、第一接続回路１０８はグランドパターンから２ｍｍ離れて配置されている。さらに、第一リアクタンス調整回路２０１及び第二リアクタンス調整回路２０２を各アンテナ素子の根元に配置することで、第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７の間の相互結合インピーダンスの調整をより細かく行うことができ、より結合劣化を軽減する効果を高めている。

図６（ｂ）に示すように、第一接続回路１０８は８．５ｍｍの接続線路で構成され、０．７ｐＦのコンデンサが中央に配置されている。さらに、第一リアクタンス調整回路２０１は第一アンテナ素子１０６側に５．１ｎＨ、第一給電部側１０４側に７ｎＨを配置するとともに、回路基板のグランドパターンに対して０．６ｐＦで接地されている。第二リアクタンス調整回路２０２は第一リアクタンス調整回路２０１と対称の構成である。

続いて、第二の周波数帯域である１．５ＧＨｚ帯域を動作させるための無給電素子の構成について説明する。

第一無給電素子１０９及び第二無給電素子１１０はいずれも長さ３４．５ｍｍ、幅１ｍｍであり、グランドパターンから３ｍｍ離れて配置されている。グランドパターンからの接続線３ｍｍを含めた無給電素子の長さ３７．５ｍｍは、１．５ＧＨｚの波長である２００ｍｍにとって、０．１８７波長の長さに相当する。第一無給電素子１０９は第一アンテナ素子１０６と２ｍｍの間隔で平行に近接配置されており、第二無給電素子１１０は第二アンテナ素子１０７と２ｍｍの間隔で平行に近接配置されている。グランドパターンに対して１．５ＧＨｚにとっての０．１８７波長の長さの無給電素子が接地されることで、グランドパターンを経由してアンテナ素子から高周波電流が無給電素子に誘起され、１．５ＧＨｚの放射素子として機能する。第一無給電素子１０９は第一アンテナ素子１０６と略平行に配置されることで結合が生じ、１．５ＧＨｚの放射素子として機能する。

同じく、第二無給電素子１１０は第二アンテナ素子１０７と略平行に配置することで結合が生じ、１．５ＧＨｚの放射素子として機能する。ここで、第一無給電素子１０９に誘起される高周波信号と、第二無給電素子１１０に誘起される高周波信号は何れも同じ１．５ＧＨｚ帯であるとともに、その間隔は１２．５ｍｍであり、１．５ＧＨｚの０．０６波長と極めて近接した間隔で配置されているため、結合劣化が生じて放射特性が劣化してしまう。

そこで第一無給電素子１０９と第二無給電素子１１０を第二接続回路１１１で接続し、無給電素子間の相互結合インピーダンスをキャンセルすることで、無給電素子間の結合劣化を改善する。

図６（ａ）では、第二接続回路１１１はグランドパターンから２ｍｍ離れて配置されている。第二接続回路１１１をグランドパターンから離して配置することで、第二接続回路１１１にはグランドバターンとは異なる電位の高周波電流が流れ、無給電素子間の結合劣化を改善可能としている。さらに、第三リアクタンス調整回路２０３及び第四リアクタンス調整回路２０４を各無給電素子の根元に配置することで、第一無給電素子１０９と第二無給電素子１１０の間の１．５ＧＨｚにおける相互結合インピーダンスの調整をより細かく行うことができ、より結合劣化を軽減する効果を高めている。

図６（ｂ）に示すように、第二接続回路１１１は１２．５ｍｍの接続線路で構成され、１．５ｐＦのコンデンサが中央に配置されている。さらに、第三リアクタンス調整回路２０３は第一無給電素子１０９側に８．８ｎＨを配置するとともに、回路基板のグランドパターンに対して０．６５ｐＦのコンデンサと４ｎＨのインダクタで接地されている。第四リアクタンス調整回路２０４は第三リアクタンス調整回路２０３と対称の構成である。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、図６（ａ）の解析モデルを用いて解析した、本発明の実施の形態２における電流分布図である。

図７（ａ）は２．５ＧＨｚにて第一アンテナ素子１０６を励振したときの電流分布波形であり、図７（ｂ）は１．５ＧＨｚにて第一アンテナ素子１０６を励振したときの電流分布波形である。第一アンテナ素子１０６は図面に向かって左側の素子である。

図７（ａ）に示すように、２．５ＧＨｚにおける電流分布は、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７に集中しており、破線で示すようにアンテナ素子の先端で最小、給電側の端で最大となっている。これは０．２５波長のモノポールアンテナの電流分布形状である。グランドパターンにもほぼ同等の高周波電流が流れているが、電流を流す素子としての面積が広いため、電流密度としては小さく見えている。

また、第二アンテナ素子１０７に流れる電流は第一アンテナ素子１０６から空間的に結合して誘起される電流と、第一給電部１０４から第一接続回路１０８を経由して与えられる電流のベクトル合成であり、第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７に流れる電流はほぼ同じ振幅であるが、互いに逆位相となっている。第一給電部１０４を励振した場合に、第二給電部１０５付近の電流が少なくなっており、結合劣化が軽減されている様子が分かる。

図７（ｂ）に示すように、１．５ＧＨｚにおける電流分布は、第一無給電素子１０９及び第二無給電素子１１０に集中しており、破線で示すように無給電素子の先端で最小、接地側の端で最大となっている。これは０．２５波長のモノポールアンテナの電流分布形状である。グランドパターンにもほぼ同等の高周波電流が流れているが、電流を流す素子としての面積が広いため、電流密度としては小さく見えている。また、第二無給電素子１１０に流れる電流は、第一アンテナ素子１０６から第一無給電素子１０９を経由して空間的に結合して誘起される電流と、回路基板１０１のグランドパターンから第二接続回路１１１を経由して与えられる電流のベクトル合成であり、第一無給電素子１０９と第二無給電素子１１０に流れる電流はほぼ同じ振幅であるが、互いに逆位相となっている。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は、図６（ａ）の解析モデルを用いて解析した、本発明の実施の形態２におけるＳパラメータ特性図である。図８（ａ）は第一給電部１０４から見たＳ１１波形、図８（ｂ）は第一給電部１０４から第二給電部１０５へ向かう通過特性であるＳ２１波形であり、いずれも横軸は１ＧＨｚから３ＧＨｚまでの周波数特性で示している。なお、図６（ｂ）では左右対称形状であるため、第二給電部１０５から見たＳ２２波形及び、第二給電部１０５から第一給電部１０４へ向かう通過特性であるＳ１２波形が同じ特性になることは周知であるので、ここでは説明を省略する。

図８（ａ）に示すように、１．５ＧＨｚ及び２．５ＧＨｚにおけるＳ１１は−１０ｄＢ以下の低い値となっており、この周波数帯域でインピーダンス整合が取れている様子が分かる。さらに、図８（ｂ）に示すように、１．５ＧＨｚ及び２．５ＧＨｚにおける通過特性であるＳ２１は−１０ｄＢ以下の低い値となっており、この周波数帯域でアイソレーションが確保され、結合劣化が軽減されている様子が分かる。このように、１．５ＧＨｚ及び２．５ＧＨｚの両周波数帯域において、インピーダンス整合及びアイソレーションが確保でき、結合劣化が軽減されている様子が分かる。

図９（ａ）及び図９（ｂ）は、図６（ａ）の解析モデルを用いて解析した、本発明の実施の形態２におけるＸＺ面Ｅθ成分の放射指向性図である。図９（ａ）は２．５ＧＨｚにて第一アンテナ素子１０６を励振したときの放射指向性であり、図９（ｂ）は１．５ＧＨｚにて第一アンテナ素子１０６を励振したときの放射指向性である。第一アンテナ素子１０６は左側の素子であり、第二アンテナ素子１０７は右側の素子である。横軸はダイポールアンテナの指向性利得で規格化したダイポール比の利得ｄＢｄであり、最大で０ｄＢｄ、最小で−４０ｄＢｄで示している。

図９（ａ）に示すように、ＸＺ面Ｅθ成分の指向性パターンはＺ軸を境に左右が非対称形状になっている。特に給電されているアンテナ素子があるθ＝１３５度付近と、グランドパターンからの放射が支配的となるθ＝０度付近にて指向性が高くなっており、対照的にθ＝４５度付近とθ＝１８０度付近で指向性が低くなっている様子が分かる。

図９（ａ）では左側の第一アンテナ素子１０６を励振した場合の放射指向性であるが、右側の第二アンテナ素子１０７を励振した場合には左右鏡像の放射指向性となるため、第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７の指向性パターンが互いに異なる方向に高い利得を持っていることになる。このため、指向性パターンから算出される空間相関係数が０．５以下に低く抑えられ、相互結合によるＭＩＭＯ特性の劣化が軽減される。さらに、指向性利得はほぼ０ｄＢｄに近い値となっており、効率の高いアンテナが実現できている。

図９（ｂ）においても同様な指向性パターンとなっており、１．５ＧＨｚにおいても無給電素子が動作している側のθ＝１３５度付近と、グランドパターンからの放射が支配的となるθ＝０度付近にて指向性が高くなっており、対照的にθ＝４５度付近とθ＝１８０度付近で指向性が低くなっている。

図９（ｂ）では左側の第一無給電素子１０９が動作している場合の放射指向性であるが、右側の第二無給電素子１１０が動作している場合には左右鏡像の放射指向性となるため、第一無給電素子１０９と第二無給電素子１１０の指向性パターンが互いに異なる方向に高い利得を持っていることになる。このため、指向性パターンから算出される空間相関係数が０．５以下に低く抑えられ、相互結合によるＭＩＭＯ特性の劣化が軽減される。さらに、指向性利得は−２ｄＢｄ程度の値となっており、効率の高いアンテナが実現できている。

なお、ここでは示していないが、１．５ＧＨｚ及び２．５ＧＨｚ以外の周波数帯域では、共に８の字の左右対称形状の指向性パターンとなり、空間相関係数が高くなっているため、ＭＩＭＯ用アンテナに使用するには不適切な帯域となっている。

このように本実施の形態２によれば、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７を動作させて使用する第一の周波数帯域と、第一無給電素子１０９及び第二無給電素子１１０を動作させて使用する第二の周波数帯域の何れの帯域においても結合劣化を改善でき、低結合で高利得な内蔵型アレーアンテナを構成できる。本方式によれば、リアクタンス調整回路を調整することで、アンテナ素子の長さの微調整を行わずとも、任意の２つ以上の周波数帯域で動作する端末用アレーアンテナを実現できる。

（実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３における携帯無線端末の構成図である。

図１０において、図３と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。

図３では、第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７の外側に第一無給電素子１０９と第二無給電素子１１０が配置されているが、図１０では第一アンテナ素子１０６と第二アンテナ素子１０７の間に第一無給電素子１０９と第二無給電素子１１０が配置されている。また、図３では、アンテナ素子側で動作させる第一の周波数帯域を高い周波数とし、無給電素子で動作させる第二の周波数帯域を低い周波数としているが、図１０では、アンテナ素子側で動作させる第一の周波数帯域を低い周波数とし、無給電素子で動作させる第二の周波数帯域を高い周波数としている。このため、図１０ではアンテナ素子の方が無給電素子よりも長くなっている。以上の構成の違いを除いては、図１０の構成においても図３の構成とほぼ同一の動作と性能を実現できる。

なお、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、アンテナ素子によって動作する周波数帯域の方が、無給電素子によって動作する周波数帯域よりも高い指向性利得が得られるため、より特性を重視したい周波数帯域を給電素子として用いることで、複数周波数帯域の間での特性バランスを調整することができる。

（実施の形態４）
図１１は、本発明の実施の形態４における携帯無線端末の構成図である。

図１１において、図１あるいは図３と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。

図１１では、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７及び第一無給電素子１０９及び第二無給電素子１１０が、回路基板１０１に対して略直交して伸延された後、携帯無線端末１００の筐体内壁に沿って直角に折り曲げられて、配置されている。また、図１１の構成では、第一アンテナ素子１０６の折り曲げた内側に第一無給電素子１０９を配置し、第二アンテナ素子１０７の折り曲げた内側に第二無給電素子１１０を配置している。

このようにすることで、アンテナ素子同士の間隔と、無給電素子同士の間隔をほぼ等しくしている。また、アンテナ素子及び無給電素子を少ない占有体積で無線端末１００の筐体内に格納でき、装置の小型化を図りつつ、低結合なアンテナ特性を実現できる。さらに、図１１の構成によれば、アンテナ素子あるいは無給電素子の物理的な長さを、携帯無線端末の幅に対して最大限確保することが可能であるため、低い周波数帯域にてより高い特性を確保できる効果がある。

なお、図１１の構成では、アンテナ素子の折り曲げた内側に無給電素子を配置しているが、無給電素子の折り曲げた内側にアンテナ素子を配置する構成としてもよい。さらに無給運素子の長さを第二の周波数帯域の略０．２５半波の長さとする条件を満たしていれば、無給電素子とアンテナ素子の長さはいずれが長い構成であっても良い。

（実施の形態５）
図１２は、本発明の実施の形態４における携帯無線端末の構成図である。

図１２において、図１あるいは図３と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。

図１２では、第一アンテナ素子１０６及び第二アンテナ素子１０７が回路基板１０１に対して略直交して伸延された後、携帯無線端末１００の筐体内壁に沿って左右に分かれるようにＴ字状に直角に折り曲げられて配置されている。さらに、第一無給電素子１０９及び第二無給電素子１１０も回路基板１０１に対して略直交して伸延された後、携帯無線端末１００の筐体内壁に沿って左右に分かれるようにT字状に直角に折り曲げられて配置されている。

このような構成にすることで、第一アンテナ素子１０６と第一無給電素子１０９は略平行に近接して配置されるとともに、第二アンテナ素子１０７と第二無給電素子１１０も略平行に近接して配置され、各アンテナ素子と各無給電素子との間隔は等しく構成できる。さらに、図１２の構成によれば、アンテナ素子同士、あるいは無給電素子同士が平行に近接して配置される部分を短くできるため、結合軽減効果がある。

従って、アンテナ素子及び無給電素子を少ない占有体積で無線端末１００の筐体内に格納でき、装置の小型化を図りつつ、低結合なアンテナ特性を実現できる。なお、図１２の構成では、無給運素子の長さを第二の周波数帯域の略０．２５半波の長さとする条件を満たしていれば、無給電素子とアンテナ素子の長さはいずれが長い構成であっても良い。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

本出願は、２０１０年２月１９日出願の日本特許出願（特願２０１０−０３４４６３）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明のアンテナ装置及びこれを搭載した携帯無線端末は、任意の２周波数で動作する低結合なアレーアンテナを実現することができるため、携帯電話などの携帯無線端末に有用である。

１００ 携帯無線端末
１０１ 回路基板
１０２ 第一無線回路部
１０３ 第二無線回路部
１０４ 第一給電部
１０５ 第二給電部
１０６ 第一アンテナ素子
１０７ 第二アンテナ素子
１０８ 第一接続回路
１０９ 第一無給電素子
１１０ 第二無給電素子
１１１ 第二接続回路
１１２、１１３、１１６、１１７、１１８、１２０ インダクタ
１１４、１１５、１１９ コンデンサ
２０１ 第一リアクタンス調整回路
２０２ 第二リアクタンス調整回路
２０３ 第三リアクタンス調整回路
２０４ 第四リアクタンス調整回路
６０６ 接続素子

Claims (7)

1. 筐体と、
   前記筐体に設けられグランドパターンを有する回路基板と、
   導電性の金属で構成された第一アンテナ素子と、
   導電性の金属で構成された第二アンテナ素子と、
   導電性の金属で構成された第一無給電素子と、
   導電性の金属で構成された第二無給電素子と、
   前記第一アンテナ素子と前記第二アンテナ素子とを電気的に接続する第一接続回路と、
   前記第一無給電素子と前記第二無給電素子とを電気的に接続する第二接続回路と、
   を具備し、
   前記第一アンテナ素子及び第二アンテナ素子は、前記回路基板上のグランドパターンと所定の間隔を隔てて互いに近接して配置されるとともに、前記回路基板の端部に配置される第一給電部及び第二給電部に電気的に接続され、
   前記第一無給電素子は前記第一アンテナ素子に略並行に近接して配置され、前記第二無給電素子は前記第二アンテナ素子に略並行に近接して配置されるとともに、いずれも前記回路基板上のグランドパターンと電気的に接続され、
   前記第一接続回路は、第一の周波数帯域における前記第一アンテナ素子と第二アンテナ素子との間の相互結合インピーダンスをキャンセルするように調節され、
   前記第二接続回路は、第二の周波数帯域における前記第一無給電素子と第二無給電素子との間の相互結合インピーダンスをキャンセルするように調節される、
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第一アンテナ素子が、第一リアクタンス調整回路を介して前記第一給電部と電気的に接続されるとともに、
   前記第二アンテナ素子が、第二リアクタンス調整回路を介して前記第二給電部と電気的に接続される、
   請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記第一無給電素子が、第三リアクタンス調整回路を介して前記回路基板上のグランドパターンと電気的に接続されるとともに、
   前記第二無給電素子が、第四リアクタンス調整回路を介して前記回路基板上のグランドパターンと電気的に接続される、
   請求項１記載のアンテナ装置。
4. 前記第一アンテナ素子及び前記第二アンテナ素子及び前記第一無給電素子及び前記第二無給電素子が、前記回路基板側で略直交して配置されるとともに、前記筐体の内壁に沿って折り曲げられて、前記筐体内に配置された、
   請求項１記載のアンテナ装置。
5. 前記第一アンテナ素子又は前記第二アンテナ素子又は前記第一無給電素子又は前記第二無給電素子のいずれか、または全てが、プリント基板上の銅箔パターンで構成された、
   請求項１記載のアンテナ装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のアンテナ装置を搭載した携帯無線端末。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のアンテナ装置を搭載したＭＩＭＯ対応携帯無線端末。

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