JP2006014265A - 広帯域エレメント、および該エレメントを含む広帯域アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 パソコン、あるいはＰＤＡ等の情報端末機器等の内部に組込むアンテナにおいて、通信感度に優れ、しかも小型で構造がシンプルな広帯域エレメント、さらには該エレメントを使用した広帯域アンテナを提供する。
【解決手段】
細幅状導体（２）により開放端がない複数個のスリット（３）を形成し、該細幅状導体部分に単一の給電点（Ｓ１）を設ける。給電点（Ｓ１）には同軸ケーブル（５）の内部導体（５ａ）を接続し、グランド板（４）上のアースポイント（Ｓ２）には該同軸ケーブル（５）の外部導体（５ｂ）を接続する。その際、広帯域エレメント（１）とグランド板（４）とは電気的に非接続状態とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、パソコン、ＰＤＡ（携帯型情報機器）、携帯電話、あるいはＶＩＣＳなどの情報端末機器等に内蔵させる広帯域の放射電極エレメント（以下、“エレメント”と称する。）、及び該エレメントを含む広帯域アンテナに関するものである。更に詳しくは、本発明は取り分け広帯域での通信感度に優れた小型アンテナに関するものである。

近年、無線ＬＡＮあるいはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（近距離無線データ通信システム）搭載のＰＤＡ等においては、アンテナの多周波化とともに小型化の要求がますます強くなってきている。
多周波化の一例として、複数の閉ループ素子（エレメント）からなるアンテナが提案されている。（特許文献１）
しかしながら、この提案のアンテナは帯域が広い反面、放射器、導波器、及び連結部で構成されているためエレメント形状が複雑であるばかりでなく、製造工数が掛かるという問題がある。更に、寸法的にも小型化が実現できないという限界もかかえている。

特許第３３２３４４２号

したがって、本発明の課題は、パソコン、あるいはＰＤＡ等の情報端末機器等の内に組込まれ、その際、通信感度に優れ、しかも小型で構造がシンプルな広帯域エレメント、更には該エレメントを使用した広帯域アンテナを提供することにある。

本発明者等は、細幅状導体によって取り囲まれ、開放端のないスリット（以下、“閉スリット“と称する）の複数個と、放射電極としての細幅状導体とを組み合わせることを想起し、さらに検討した結果、所望のエレメントを実現するに至った。
そして、アンテナとしての更なる小型化を図るため、グランド板を該エレメントから電気的に分離しつつも、該細幅状導体部分に単一の高周波同軸ケーブルの内部導体を、同時に、グランド板には該ケーブルの外部導体を接続することに着目した。

本発明によれば、細幅状導体を放射電極とし同時に、該導体により取り囲んで形成した複数個の閉スリットをスリットアンテナエレメントとしたエレメント構成を採ることにより、小型且つ広帯域アンテナへの対応を実現したものである。これを、従来と比較した場合、帯域幅が大幅に拡大されるという格別顕著な効果が奏される。更に、エレメントの幅、高さとも小さくなり且つ、グランド板も該エレメントに直接付随しないので、エレメント自体が可及的に小型化され、取付けスペースの大幅な削減につながるという効果も同時に奏される。更に、立体状エレメントに構成した場合には、インピーダンス調整が容易になるという付加的効果も期待できる。
又、グランド板をエレメントから分離・別体とすることは、各種の配設方法を可能にするもので、取付け自由度も増加する。この結果、本発明のエレメントはパソコン等の情報端末機器内蔵用アンテナとして極めて有用である。

以下、本発明を、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る広帯域エレメントの一例を示す平面図である。
図２は、図１のエレメントを含むアンテナの一例を示す斜視図である。
図３は、図２のアンテナの周波数特性（ＶＳＷＲ特性）を示す図（グラフ）である。
図４は、本発明に係る広帯域エレメントの他の態様を示す平面図である。
図５は、図４の広帯域アンテナの周波数特性（ＶＳＷＲ特性）を示す図である。
図６は、本発明に係る広帯域エレメントの更に他の態様を示す平面図である。
図７は、本発明に係る広帯域エレメントの更に別の態様を示す平面図である。
図８は、本発明に係る広帯域エレメントの更に別の態様を示す斜視図である。

先ず、本発明の基本的概念について、図１〜図３を参照しながら述べる。
図１には、３個の閉スリットを設けて、２．５ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚの範囲で広帯域化を実現した“目”の字状の平板エレメントが示されている。その際、（１）はエレメント、（２）は細幅状導体、（３）は細幅状導体（２）によって取り囲まれた閉スリット、（Ｌ１）はエレメント（１）の長手方向の長さ、（Ｌ２）はエレメント（１）の幅方向の長さ、（Ｌ３）は閉スリット（３）の長さ、（Ｌ４）は閉スリット（３）の幅、（Ｌ５）は細幅状導体（２）の幅、そして、（Ｓ１）は、高周波同軸ケーブルの内部導体が接続される給電点である。
図２には、上記の平板エレメントを含むアンテナが示されている。該図において、（１）、（２）、（３）及び（Ｓ１）の符号は図１の場合と同じである。他方、（４）は、エレメント（１）とは電気的に非接続状態にあるグランド板、（５）は給電用同軸ケーブル、（５ａ）は給電用同軸ケーブル（５）の内部導体、（５ｂ）は給電用同軸ケーブル（５）の外部導体、そして、（Ｓ２）はアースポイントである。
図２のアンテナを、後揚の実施例に示す材質と寸法で作成し、その実験結果であるアンテナの周波数特性（ＶＳＷＲ特性）を示したのが図３である。

上記の態様で特徴的なことは、グランド板（４）と電気的に非接続状態の細幅状導体（２）を利用して３個の閉スリット（３）を形成したこと、及び、給電点（Ｓ１）を細幅状導体（２）に設けたことにある。こうすることにより、図３に示すように、ＶＳＷＲが２以下の範囲が２．５ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚという、これまでにない超広帯域に渡っての広帯域化が実現できる。
この点について再度、図１〜図３を参照しながら、更に詳細に説明する。
先ず、図１及び図２に示すように、細幅状導体（２）に設けられた給電点（Ｓ１）からの高周波電流は左右に分散するだけでなく、細幅状導体（２）のエレメント長が異なる各種経路を辿って流れ、これとともに、基本波のみでなく、倍周波等の高調波を含めた高周波電磁界が発生して多くの共振点が生じる。このとき、細幅状導体（２）は２．５ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚの範囲に多くの共振点を有する、モノポールアンテナエレメントとして機能することになる。同時に、夫々の閉スリット（３）は細幅状導体（２）と同様、２．５ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚの範囲に多くの共振点を有する、スリットアンテナエレメントとして機能する。
細幅状導体（２）及び夫々の閉スリット（３）を上記の周波数で共振させるためには、エレメント（１）の長手方向の長さ（Ｌ１）、エレメント（１）の幅方向の長さ（Ｌ２）、閉スリット（３）の長さ（Ｌ３）、閉スリット（３）の幅（Ｌ４）、及び細幅状導体（２）の幅（Ｌ５）を夫々に適宜な値に調整すればよい。図１〜図２の例で言えば、２．５ＧＨｚが下限であるので、給電点から最長パスが４分の１波長以上になるよう設定すればよい。その際、夫々の閉スリット（３）の幅（Ｌ４）はスリットアンテナエレメントとして安定に機能させるため、０．１ｍｍ〜４ｍｍであることが好ましく、特に０．５ｍｍ〜１．５ｍｍが好ましい範囲である。同時に、細幅状導体（２）の幅（Ｌ５）はリターンロスあるいはＶＳＷＲ等アンテナ特性を考慮して１ｍｍ〜５ｍｍの範囲から適宜採択する。
細幅状導体（２）の材質としては、洋白（白銅）、銅、鉄、あるいは黄銅等の導電性の金属が望ましい。その中でも洋白（白銅）が強度、加工性、耐腐食性に優れているので、特に好ましい。又、厚さについては格段の制約はなく、強度を考慮した適切な厚さとすればよい。
本発明において、給電点（Ｓ１）の位置は重要である。図２のアンテナにおいては、グランド板（４）に最も近い側の該細幅状導体部分に給電点（Ｓ１）を設けている。この理由は、広帯域化を実現するため、できるだけ多くのエレメント長が異なる経路を設けて、多くの共振点を生じさせるためである。その際、給電点（Ｓ１）の位置がエレメント（１）のほぼ中央に位置していると、高周波電流が細幅状導体部分上で均等に分散するので、より安定化する。

更に、本発明において、グランド板（４）をエレメント（１）とは電気的に絶縁・分離して別体化した理由は、以下のとおりである。
通常、エレメントとグランド板とは短絡板（あるいは短絡部）を介して一体的に接続されている。他方、アンテナを設置するパソコン等の機器はマグネシウム等の金属からなる筐体で構成されている。本発明では、この筐体を、エレメントとは電気的に非接続状態のグランド板として利用することで、前記の短絡板及び該短絡板に繋がるグランド板の両方が省略され、アンテナエレメントの大幅な小型化が実現できるからである。
このアンテナへの給電にあたっては、高周波同軸ケーブル等の給電線（５）の内部導体（５ａ）を前述の給電点（Ｓ１）と接続し他方、該ケーブルの外部導体（５ｂ）をグランド板（４）に設けられたアースポイント（Ｓ２）に接続すればよい。高周波同軸ケーブル（５）としては、周知のフッ素樹脂被覆等の高周波同軸ケーブルが採用される。高周波同軸ケーブル（５）を給電点（Ｓ１）およびアースポイント（Ｓ２）に接続するには、ハンダ付あるいは超音波接続等を利用すればよい。
以上の態様は、エレメント（１）とグランド板（４）とを同一平面上で平行に配設した例である。しかしながら、両者は必ずしも平行である必要はなく、互いに所望の角度、例えば９０度回転した位相で配設されてもよい。その他、不平行等のスペースに応じた各種の配設方法が採用される。
本発明のエレメントには種々の態様がある。これらについて、図４、図６、図７及び図８を参照しながら説明する。
図４の態様は、閉スリットを２個設けたもので、図１のものが目の字状であるのに対して、“日”の字状となっている。この場合、図１の平板エレメントに比べて構成が簡略化される。ただ、高周波電流の電流経路が減少し、共振点も減少するので、図５に示すように、周波数特性（ＶＳＷＲ）が２以下の範囲が、３ＧＨｚ〜６ＧＨｚと若干、広帯域化される範囲が狭くなる。
更に、図６には台形形状の平板エレメントが、そして、図７には、図１の日の字状エレメントを横２列に配置した、いわゆる“田”の字形状の平板エレメントが示されている。この他、インピーダンス調整を容易にするため、エレメントの一部から突起状の細幅状導体を形成したり、あるいは給電点付近のエレメントの一部を円弧状にする態様等、各種態様が考えられる。
最後に、図８の態様は上述の平板エレメントの２枚を互いに対向・接続させて立体形状に構成したものである。この構成ではインピーダンス調整がより容易となる。なぜなら、この場合には、２枚の平板状エレメント間の対向距離（Ｌ６）を調整することで、図１〜図７の態様に比べて、インピーダンス調整の自由度が増すからである。
この図８では、２枚の平板エレメントを対向・接続させた態様を示したが、立体形状については、これに限ることなく、３枚以上としたり、あるいは、ブロック状とする等各種の態様がある。

以下に、図１に示したエレメントを含む、２．５ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚの広帯域を実現する情報端末機器内蔵用アンテナの具体例を示す。
先ず、縦７ｍｍ、横１２ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの洋白からなる長方形の平板を放電加工機にて加工し、外形寸法が高さ（Ｌ２）が７ｍｍ、幅（Ｌ１）が１２ｍｍの、図１に示すエレメント（１）を得た。その際、３個の閉スリット（３）の夫々の長さ（Ｌ３）は１０ｍｍ、閉スリットの幅（Ｌ４）は１ｍｍ、細幅状導体（２）の幅（Ｌ５）は１ｍｍとした。
更に、給電点（Ｓ１）は、エレメント（１）の最下辺の細幅状導体部分の中央部、すなわち端面から６ｍｍの位置に設けた。
以上により、高さ（Ｌ２）が７ｍｍ、幅（Ｌ１）が１２ｍｍという超小型エレメント（１）が完成した。
次に、上記にて作成したエレメント（１）を情報端末機器に内蔵させ、アンテナとして機能させるため、上記のエレメント（１）の給電点（Ｓ１）に外径０．９３ｍｍ、導体径０．２４ｍｍのフッ素樹脂（ＰＦＡ）高同軸ケーブル（５）の内部導体（５ａ）をハンダにより接続した。一方、グランド板（４）としてはエレメント（１）と同じ材質、厚さとし、縦、横ともに２８ｍｍとし、その上に設けられたアースポイント（Ｓ２）に、該ケーブル（５）の外部導体（５ｂ）を接続して、情報端末機器内蔵用アンテナを得た。
最後に、このアンテナの周波数特性（ＶＳＷＲ）について試験したところ、図３に示す周波数特性が得られた。
この図からも明らかなように、本発明のアンテナにあっては、ＶＳＷＲが２以下の範囲が２．５ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚと、広帯域に渡り共振しており、十分な帯域幅が確保されていることが分かる。
以上の例は、本発明の一例に過ぎず、本発明の思想の範囲内であれば、種種の変更および応用が可能であることは言うまでもない。

本発明の広帯域エレメント、及び該エレメントを含む広帯域アンテナは、パソコンをはじめとしてＰＤＡ等の各種情報端末機器の他に、情報家電製品あるいは自動車関連機器へも内蔵できる。

本発明に係る広帯域エレメントの一態様を示す平面図である。 図１の広帯域エレメントを含む、広帯域アンテナの例を示す斜視図である。 図２の広帯域アンテナの周波数特性（ＶＳＷＲ特性）を示す図である。 本発明に係る広帯域エレメントの他の態様を示す平面図である。 図４の広帯域アンテナの周波数特性（ＶＳＷＲ特性）を示す図である。 本発明に係る広帯域エレメントの更に他の態様を示す平面図である。 本発明に係る広帯域エレメントの更に別の態様を示す平面図である。 本発明に係る広帯域エレメントの更に別の態様を示す斜視図である。

符号の説明

１ エレメント
２ 細幅状導体
３ 閉スリット
４ グランド板
５ 高周波同軸ケーブル
５ａ 高周波同軸ケーブルの内部導体
５ｂ 高周波同軸ケーブルの外部導体
Ｌ１ エレメントの長手方向の長さ
Ｌ２ エレメントの幅方向の長さ
Ｌ３ 閉スリットの長さ
Ｌ４ 閉スリットの幅
Ｌ５ 細幅状導体の幅
Ｌ６ 平板状エレメント間の対向距離
Ｓ１ 給電点
Ｓ２
アースポイント

Claims (9)

1. グランド板と電気的に非接続状態で供され且つ、以下のａ〜ｃの要件を具備することを特徴とする広帯域エレメント。
   ａ．該エレメントは細幅状導体によって取り囲まれたスリットの複数個を有すること；
   ｂ．該スリットには開放端がないこと；そして
   ｃ．該細幅状導体には単一の給電点が設けられていること。
2. 該エレメントとグランド板とが同一平面上に配設され、その際、該給電点が該グランド板に最も近い側の細幅状導体の長手方向に沿ってほぼ中央に位置している請求項１に記載の広帯域エレメント。
3. 該細幅状導体がモノポールアンテナエレメントとして機能し他方、該複数個のスリットがスリットアンテナエレメントとして機能する請求項１又は２に記載の広帯域エレメント。
4. 該スリットの幅が０．１ｍｍ〜４ｍｍである請求項１〜３のいずれかに記載の広帯域エレメント。
5. 該細幅状導体の幅が１〜５ｍｍである請求項１〜４のいずれかに記載の広帯域エレメント。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の広帯域エレメントの２枚を対向・接続してなることを特徴とする立体状広帯域エレメント。
7. 該対向距離が０．５ｍｍ〜１０ｍｍである請求項６に記載の立体状広帯域エレメント。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の広帯域エレメントの給電点に高周波同軸ケーブルの内部導体が接続され他方、該エレメントとは電気的に非接続状態のグランド板に該高周波同軸ケーブルの外部導体が接続されていることを特徴とする広帯域アンテナ。
9. 該グランド板がアンテナ設置機器の金属筐体部である請求項８に記載の広帯域アンテナ。