JPWO2020241631A1 - アンテナユニット、及び通信機器 - Google Patents

Abstract

それぞれ無線信号を送信又は受信する第１アンテナ部（１０）、及び第２アンテナ部（２０）と、第１アンテナ部（１０）及び第２アンテナ部（２０）のそれぞれと電気的に接続され、第１アンテナ部（１０）と第２アンテナ部（２０）に挟まれた部分を含むグラウンド部（３０）と、を含み、グラウンド部（３０）の第１アンテナ部（１０）と第２アンテナ部（２０）の間の位置に、所与の周波数で共振する貫通孔が設けられているアンテナユニットである。

Description

本発明は、無線通信用のアンテナを複数備えるアンテナユニット、及び当該アンテナユニットを備える通信機器に関する。

無線通信を行う通信機器の中には、複数の規格に対応したり通信品質を向上させたりする目的で、複数のアンテナを備えるものがある。例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）規格に対応するアンテナ、及び無線ＬＡＮ規格に対応するアンテナの双方を備えた通信機器が知られている。また、ＭＩＭＯ技術では、一つの無線通信接続のために複数のアンテナが用いられる。

上記従来例の通信機器において、複数のアンテナが互いに重複する周波数帯の電波を送受信する場合、アンテナ間で相互干渉が生じて、通信性能を劣化させてしまうことがある。このような干渉を防いでアンテナ間のアイソレーションを向上させるためには、アンテナ間の物理的な距離を離すことが考えられる。しかしながら、アンテナ間の物理的な距離を離すと、通信機器のサイズを大型化する必要が生じたり、構造上の制約になったりする。特に、ノイズ対策の観点から各アンテナを他の電子部品（コネクタ等）と離れた場所に配置したい場合などにおいて、各アンテナを他の電子部品と離れた位置に配置しつつ、アンテナ同士の距離も離して配置することは困難なことがある。

本発明は上記実情を考慮してなされたものであって、その目的の一つは、比較的省スペースでアンテナ間の干渉を抑えることのできるアンテナユニット、及び通信機器を提供することにある。

本発明の一態様に係るアンテナユニットは、それぞれ無線信号を送信又は受信する第１アンテナ部、及び第２アンテナ部と、前記第１アンテナ部及び前記第２アンテナ部のそれぞれと電気的に接続され、前記第１アンテナ部と前記第２アンテナ部に挟まれた部分を含むグラウンド部と、を含み、前記グラウンド部の前記第１アンテナ部と前記第２アンテナ部の間の位置に、所与の周波数で共振する貫通孔が設けられていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る通信機器は、それぞれ無線信号を送信又は受信する第１アンテナ部、及び第２アンテナ部と、前記第１アンテナ部及び前記第２アンテナ部のそれぞれと電気的に接続され、前記第１アンテナ部と前記第２アンテナ部に挟まれた部分を含むグラウンド部と、を含むアンテナユニットを備え、前記グラウンド部の前記第１アンテナ部と前記第２アンテナ部の間の位置に、所与の周波数で共振する貫通孔が設けられており、前記第１アンテナ部、及び前記第２アンテナ部を介して他の通信機器との間で無線通信を行うことを特徴とする。

本発明の実施の形態に係るアンテナユニットの形状を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係るアンテナユニットの共振の様子を示す図である。 本発明の実施の形態に係るアンテナユニットの共振の様子を示す図である。 本発明の実施の形態に係るアンテナユニットにおけるアンテナ間のアイソレーション性能を示す図である。 本発明の第１の変形例に係るアンテナユニットの形状を示す斜視図である。 本発明の第２の変形例に係るアンテナユニットの形状を示す斜視図である。 本発明の第３の変形例に係るアンテナユニットの形状を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るアンテナユニット１の形状を示す平面図である。アンテナユニット１は、本発明の一実施形態に係る通信機器の内部に配置される。この通信機器は、例えばパーソナルコンピュータや据え置き型ゲーム機、携帯型ゲーム機、スマートフォン、タブレットなど、無線通信を行う各種の機器であってよい。

アンテナユニット１は、全体として１個の導電体によって構成されている。より具体的に、アンテナユニット１は、１枚の板状の金属部材を加工して形成されている。アンテナユニット１は、第１アンテナ部１０、第２アンテナ部２０、及びグラウンド部３０を含んでいる。以下では、第１アンテナ部１０、第２アンテナ部２０、及びグラウンド部３０それぞれの平面視における形状、及び位置関係、並びに各部の機能について説明する。

第１アンテナ部１０、及び第２アンテナ部２０は、それぞれ独立に、無線信号（電磁波）を送信及び／又は受信する。本実施形態に係る通信機器は、この第１アンテナ部１０、及び第２アンテナ部２０を利用して他の通信機器との間で無線通信を行う。以下では、第１アンテナ部１０、及び第２アンテナ部２０のそれぞれが送受信の対象とする無線信号の周波数帯を、目的周波数帯という。第１アンテナ部１０の目的周波数帯と、第２アンテナ部２０の目的周波数帯とは、その少なくとも一部が重複するものとする。例えば第１アンテナ部１０及び第２アンテナ部２０の一方は、ＩＥＥＥ８０２．１１規格に基づく無線ＬＡＮ通信に使用するものであって、他方はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ通信に用いられるものであってもよい。あるいは第１アンテナ部１０及び第２アンテナ部２０は、ＭＩＭＯなどの技術に基づいて、いずれも無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈなどの同じ規格での通信に用いられるものであってもよい。本実施形態では、第１アンテナ部１０と第２アンテナ部２０の目的周波数帯は略一致し、２．４ＧＨｚ近傍の周波数帯であるものとする。

第１アンテナ部１０は、全体として略Ｆ字形状を有しており、逆Ｆアンテナとして機能する。第１アンテナ部１０の形状及び大きさは、第１アンテナ部１０の目的周波数帯の周波数で共振が発生するように決定されている。以下では、この第１アンテナ部１０で発生する共振を、第１共振という。

具体的に、第１アンテナ部１０は、本体部１１と、給電部１２と、短絡部１３と、を含んで構成されている。本体部１１は、上下方向に延伸する形状を有し、その基端が短絡部１３の先端と接続され、先端は開放端となっている。給電部１２は、左右方向に延伸する形状を有し、その基端に第１アンテナ部１０の給電点Ｐ１が配置されている。給電部１２の先端は、本体部１１の先端と基端の間のうち、基端に近い側の位置で本体部１１に接続されている。短絡部１３は、給電部１２と平行になるように左右方向に延伸する形状を有し、その基端がグラウンド部３０の上端に接続され、先端は本体部１１の基端に接続されている。

第２アンテナ部２０は、図１に示されるように、アンテナユニット１の左右方向の中心線を対称軸として、第１アンテナ部１０と線対称になるように配置されている。すなわち、第２アンテナ部２０は第１アンテナ部１０と略同形であって、第１アンテナ部１０を左右反転させた向きで配置されている。そして、第１アンテナ部１０と第２アンテナ部２０は、アンテナユニット１の左右方向に沿って互いに対向するように並んで配置されており、アンテナユニット１の左右方向の中心線から互いに略等距離の位置に配置されている。さらに、第２アンテナ部２０の給電点Ｐ２も、図１に示されるように、アンテナユニット１の左右方向の中心線を対称軸として、第１アンテナ部１０の給電点Ｐ１と線対称になる位置に配置されている。これにより第２アンテナ部２０は、第１アンテナ部１０と略一致する目的周波数帯で共振する。以下では、この第２アンテナ部２０で発生する共振を、第２共振という。

具体的に、第２アンテナ部２０は、本体部２１と、給電部２２と、短絡部２３と、を含んで構成されている。本体部２１は、上下方向に延伸する形状を有し、その基端が短絡部２３の先端と接続され、先端は開放端となっている。給電部２２は、左右方向に延伸する形状を有し、その基端に第２アンテナ部２０の給電点Ｐ２が配置されている。給電部２２の先端は、本体部２１の先端と基端の間のうち、基端に近い側の位置で本体部２１に接続されている。短絡部２３は、給電部２２と平行になるように左右方向に延伸する形状を有し、その基端がグラウンド部３０の上端に接続され、先端は本体部２１の基端に接続されている。

以上説明したように、第２アンテナ部２０は、第１アンテナ部１０と線対称になるように配置されている。これにより、第１アンテナ部１０と第２アンテナ部２０の指向性もおおよそ左右対称になる。これにより、目的周波数帯において第１アンテナ部１０と第２アンテナ部２０との間の相関係数を低く抑えることができる。

グラウンド部３０は、第１アンテナ部１０及び第２アンテナ部２０の双方と一体に形成されることによって各アンテナに電気的に接続されており、各アンテナのグラウンドとして機能する。グラウンド部３０は、全体として上下方向に延伸する形状を有し、その上端が第１アンテナ部１０の短絡部１３、及び第２アンテナ部２０の短絡部２３と接続されている。

より具体的に、グラウンド部３０は、第１アンテナ部１０と第２アンテナ部２０に挟まれた中間部分３１と、アンテナユニット１の下辺に沿った外縁部分３２と、を含んで構成されている。なお、グラウンド部３０はアンテナユニット１の左右方向の中心線に対して左右対称な形状を有している。そのため、アンテナユニット１全体がその中心線に対して左右対称になっている。

グラウンド部３０の略中央には、平板状のアンテナユニット１を貫通する貫通孔であるスロット３３が形成されている。スロット３３は、第１アンテナ部１０と第２アンテナ部２０の間の位置に配置されている。特に本実施形態では、スロット３３は、アンテナユニット１の左右方向（第１アンテナ部１０と第２アンテナ部２０が並ぶ方向）の中心線に沿って、全体として上下方向（すなわち、第１アンテナ部１０と第２アンテナ部２０が並ぶ方向と交差する方向）に延伸する形状を有している。さらに、スロット３３は、スロット３３から給電点Ｐ１までの距離と給電点Ｐ２までの距離とが互いに等しくなるように配置されている。また、スロット３３は、平面視において、第１アンテナ部１０の給電点Ｐ１と第２アンテナ部２０の給電点Ｐ２を結ぶ直線の一部分と重なる位置に形成されている。

スロット３３は、上下方向に延伸する略矩形形状の延伸部分３３ａと、延伸部分３３ａの一端に連結し、延伸部分３３ａより広い幅を有する幅広部分３３ｂと、を含んで構成されている。これにより、スロット３３は全体として逆Ｔ字形状を有している。なお、スロット３３もアンテナユニット１の左右方向の中心線に沿って左右対称になっている。

中空のスロット３３が存在することによって、第１アンテナ部１０、及び第２アンテナ部２０だけでなく、グラウンド部３０内にもこのスロット３３に沿って共振が発生する。以下、グラウンド部３０内のスロット３３に沿って発生する共振を、スロット共振という。スロット共振の周波数帯は、スロット３３の外周の長さに応じて決定される。本実施形態では、このスロット共振の周波数帯が、第１アンテナ部１０及び第２アンテナ部２０それぞれの目的周波数帯と少なくとも一部重複するように、スロット３３の大きさ及び形状が決定されている。すなわち、第１共振、第２共振、及びスロット共振は、互いに重複する周波数帯で発生することになる。以下では、この３個の共振に共通する周波数帯を、共振周波数帯という。

スロット３３の外周は、少なくとも共振周波数帯に対応する電磁波の波長の１／２に相当する長さ以上の長さを有する必要がある。この外周の長さを確保するために、スロット３３の一端に幅広部分３３ｂが形成されている。なお、第１アンテナ部１０及び第２アンテナ部２０との干渉を避けるために、上下方向に延伸するスロット３３の両端のうち、給電点Ｐ１及びＰ２から遠い側の一端に幅広部分３３ｂが形成されている。

さらに、この共振周波数帯におけるスロット共振は、第１共振に対して９０°ずれた位相で発生する。そのため、第１共振とスロット共振は、振動の節と腹が互いに入れ替わるような関係となる。このような関係によりスロット共振は、第１共振による第２アンテナ部２０への影響を打ち消す逆共振として作用することになる。

図２Ａ及び図２Ｂは、この第１共振とスロット共振の関係を示す図であって、第１アンテナ部１０の給電点Ｐ１に信号を入力した場合に生じる電流分布のシミュレーション結果を示している。図２Ａは第１共振によって生じる電流分布を示しており、図２Ｂは図２Ａに対して位相９０°ずれたタイミングの電流分布を示している。これらの図に示されるように、第１アンテナ部１０に第１共振による電流が生じているタイミングではスロット３３周辺に大きな電流が生じておらず、逆にスロット３３にスロット共振による電流が生じているタイミングでは第１アンテナ部１０に大きな電流が生じていない。

前述したように、スロット３３は、第１アンテナ部１０及び第２アンテナ部２０のそれぞれまでの距離が互いに等しくなるように、二つのアンテナのちょうど中間の位置に配置されている。そのためスロット共振は、上述した第１共振と同様に、第２共振に対しても９０°ずれた位相の振動となる。これによりスロット共振は、第２共振による第１アンテナ部１０への影響を打ち消す逆共振としても作用することになる。具体的に、給電点Ｐ２に信号が入力された場合には、図２Ａ及び図２Ｂに示した電流分布を左右反転させたような電流分布が生じることになる。

以上説明したように、スロット３３がスロット共振を発生させることによって、二つのアンテナ部の間の干渉を抑えることができる。図３は、本実施形態に係るアンテナユニット１におけるアンテナ間のアイソレーション性能をシミュレーションによって調査した結果を示すグラフである。グラフの横軸は周波数であって、縦軸はアイソレーションの値を示しており、値が小さいほどアンテナ間のアイソレーション性能が向上していることを示している。この図に示されるように、本実施形態によれば、共振周波数帯（２．４ＧＨｚ近傍の周波数帯）においてアイソレーションが向上していることがわかる。

以上説明した本実施の形態に係るアンテナユニット１によれば、各アンテナ部で生じる共振に対して位相が９０°ずれた共振をスロット３３が発生させることによって、二つのアンテナ部を物理的に離れた位置に配置することなく、二つのアンテナ部の間のアイソレーション性能を向上させることができる。また、本実施の形態に係るアンテナユニット１によれば、第１アンテナ部１０、第２アンテナ部２０、及びグラウンド部３０は一つの導電部材によって一体に形成されているので、構造が複雑にならず、製造コストを抑えることができる。

なお、本発明の実施の形態は以上説明したものに限られない。例えば、以上の説明におけるアンテナユニット１の形状は例示に過ぎず、第１アンテナ部１０と第２アンテナ部２０の間にスロット３３を有するグラウンド部３０が配置されていれば、アンテナユニット１は各種の形状であってよい。

以下、アンテナユニット１のいくつかの変形例について説明する。図４は、第１の変形例に係るアンテナユニット１の形状を示す斜視図である。この図の例では、第１アンテナ部１０、及び第２アンテナ部２０の形状が図１と異なっており、これにより複数の周波数帯で共振するように構成されている。

具体的に本変形例では、第１アンテナ部１０の給電部１２と短絡部１３の間の部分に、メアンダ形状を有するスリット１４が形成されている。このような構造により第１アンテナ部１０は、本体部１１によって第１の目的周波数帯の共振を発生させるとともに、スリット１４に沿って第２の目的周波数帯の共振を発生させる。これにより第１アンテナ部１０は、互いに異なる２つの目的周波数帯で無線信号を送受信する。第２アンテナ部２０についても、第１アンテナ部１０と左右対称な構造を有することにより、本体部２１による第１の目的周波数帯の共振、及びスリット２４による第２の目的周波数帯の共振を発生させる。

本変形例においても、スロット３３がスロット共振を発生させることによって、第１アンテナ部１０と第２アンテナ部２０との間のアイソレーション性能を向上させることができる。ただし、スロット３３はその大きさ及び形状によって決まる共振周波数帯を対象としたスロット共振を発生させることによって、アイソレーション性能を向上させることになる。そのため、スロット３３の大きさ及び形状は、第１の目的周波数帯、及び第２の目的周波数帯のうち、よりアイソレーション性能を向上させたい方の周波数帯に合わせて決定されることが望ましい。

これまでの説明では、アンテナユニット１は平板状の金属部材によって形成されることとし、第１アンテナ部１０、第２アンテナ部２０、及びグラウンド部３０は全て同一平面内に含まれることとした。しかしながら、アンテナユニット１の形状はこのようなものに限られない。図５は、第２の変形例に係るアンテナユニット１の形状を示している。この図の例では、アンテナユニット１は、第１の変形例に係るアンテナユニット１と同じ形状の金属部材が、その左右方向の中心線に沿って内側に折り曲げられた形状を有している。

また、図６は第３の変形例に係るアンテナユニット１の形状を示している。本変形例に係るアンテナユニット１は、第２の変形例と同様に上下方向に延伸する直線に沿って内側に折れ曲がった形状を有している。具体的に、この第３の変形例に係るアンテナユニット１は、第１アンテナ部１０とスロット３３との間の直線、及び第２アンテナ部２０とスロット３３との間の直線の２本の直線に沿って平板状の金属部材が折り曲げられた形状を有している。

このように、アンテナユニット１は必ずしも平面的な形状を有しておらずともよく、第１共振及び第２共振のそれぞれと９０°ずれた位相の共振を発生させるスロット３３がグラウンド部３０内に形成されていれば、アンテナ間のアイソレーションを向上させることができる。

また、以上の説明では、アンテナユニット１を１枚の金属板によって形成することとしたが、アンテナユニット１は銅箔等の金属箔によってプリント基板などの表面に形成されてもよい。この場合、スロット３３内に誘電体が配置されることによって、スロット３３の外周の電気長を物理的な長さより長くすることができる。そのため、共振周波数帯で共振するスロット３３の外周の長さを、その内部が中空の場合と比較して短くすることができる。

また、以上の説明では第１アンテナ部１０、第２アンテナ部２０、及びグラウンド部３０を含むアンテナユニット１の全体を単一の導電部材によって形成することとしたが、複数の導電部材を連結してアンテナユニット１を形成してもよい。また、アンテナユニット１をプリント基板上に形成する場合、互いに電気的に接続される複数のプリント基板層にまたがるように形成させてもよい。また、以上の説明では第１アンテナ部１０と第２アンテナ部２０とは完全に同じ形状を有することとしたが、目的周波数帯に合わせて第１アンテナ部１０と第２アンテナ部２０とは互いに異なる形状を有してもよい。この場合にも、第１アンテナ部１０の給電点Ｐ１と第２アンテナ部２０の給電点Ｐ２の双方から略等距離の位置に、それぞれのアンテナの共振に対して９０°ずれた位相の共振を発生させるスロット３３を設けることによって、二つのアンテナ間のアイソレーション性能を向上させることができる。

１ アンテナユニット、１０ 第１アンテナ部、２０ 第２アンテナ部、１１，２１ 本体部、１２，２２ 給電部、１３，２３ 短絡部、３０ グラウンド部、３１ 中間部分、３２ 外縁部分、３３ スロット、３３ａ 延伸部分、３３ｂ 幅広部分。

Claims (7)

1. それぞれ無線信号を送信又は受信する第１アンテナ部、及び第２アンテナ部と、
   前記第１アンテナ部及び前記第２アンテナ部のそれぞれと電気的に接続され、前記第１アンテナ部と前記第２アンテナ部に挟まれた部分を含むグラウンド部と、
   を含み、
   前記グラウンド部の前記第１アンテナ部と前記第２アンテナ部の間の位置に、所与の周波数で共振する貫通孔が設けられている
   ことを特徴とするアンテナユニット。
2. 請求項１に記載のアンテナユニットにおいて、
   前記貫通孔は、平面視において、前記第１アンテナ部の給電点と前記第２アンテナ部の給電点とを結ぶ直線の一部分と重なる位置に形成されている
   ことを特徴とするアンテナユニット。
3. 請求項１又は２に記載のアンテナユニットにおいて、
   前記貫通孔は、前記第１アンテナ部と前記第２アンテナ部が並ぶ方向と交差する方向に沿って延伸する形状を有する
   ことを特徴とするアンテナユニット。
4. 請求項３に記載のアンテナユニットにおいて、
   前記貫通孔の一端は、他の部分よりも広い幅を有する
   ことを特徴とするアンテナユニット。
5. 請求項４に記載のアンテナユニットにおいて、
   前記貫通孔の両端のうち、前記第１アンテナ部及び前記第２アンテナ部それぞれの給電点から遠い側の一端が、他の部分よりも広い幅を有する
   ことを特徴とするアンテナユニット。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のアンテナユニットにおいて、
   前記第１アンテナ部、前記第２アンテナ部、及び前記グラウンド部は、１枚の板状の導電部材によって形成されている
   ことを特徴とするアンテナユニット。
7. それぞれ無線信号を送信又は受信する第１アンテナ部、及び第２アンテナ部と、
   前記第１アンテナ部及び前記第２アンテナ部のそれぞれと電気的に接続され、前記第１アンテナ部と前記第２アンテナ部に挟まれた部分を含むグラウンド部と、
   を含むアンテナユニットを備え、
   前記グラウンド部の前記第１アンテナ部と前記第２アンテナ部の間の位置に、所与の周波数で共振する貫通孔が設けられており、
   前記第１アンテナ部、及び前記第２アンテナ部を介して他の通信機器との間で無線通信を行う
   ことを特徴とする通信機器。

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