JP2007159083A

JP2007159083A - アンテナ整合回路

Info

Publication number: JP2007159083A
Application number: JP2006116875A
Authority: JP
Inventors: Mitsuya Okazaki; 三也岡崎
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2007-06-21
Also published as: WO2007055175A1

Abstract

【課題】薄型の電子機器に収納することができる小型アンテナに適したアンテナ整合回路を提供すること。
【解決手段】アンテナ整合回路６は、アンテナ素子１と直列に接続された第１可変容量素子７と、アンテナ素子１と並列に接続された第２可変容量素子８、アンテナ素子１と直列に接続された第１インダクタ９と、アンテナ素子１と並列に接続された第２インダクタ１０とを有する。アンテナ素子１は、直列抵抗２と直列容量素子３とを含む。また、伝送線路４は負荷抵抗５を含む。
【選択図】図６

Description

本発明はアンテナ整合回路に関し、特に小型アンテナに適するアンテナ整合回路に関する。

広帯域、小型であって、屋根の棟内に配置するのが容易なアンテナ素子として、特開平１１−３５５０３１号公報に開示されているアンテナ素子がある。このアンテナ素子１は、略ホーン形状に構成されている。このアンテナ素子は、その中心軸線がほぼ垂直に、かつホーンの頂点が接地板側に位置するように配置されている。また、アンテナ素子の底面の周縁部には、所定間隔をおいて容量体が配置されている。この容量体の一端は、接地板に結合されている。
特開平１１−３５５０３１号公報

上記のようなアンテナ素子は、立体形状であるので、ノートブック型のパーソナルコンピュータのような薄型の電子機器に収納することができない。また、アンテナ素子のサイズも電波波長の約６分の１と比較的大きいので、前記薄型の電子機器に搭載すると、電子機器に対してアンテナ素子の占める割合が大きくなり、デザイン的に不釣合いである。したがって、近年、薄型の電子機器に収納することができる小型アンテナへの要望が高まっている。

上記のような薄型の電子機器に収納することができる小型アンテナを実現する場合、従来のような略ホーン形状のアンテナを用いることができず、小型アンテナは、そのアンテナ素子に適したアンテナ整合回路を設けることが必要となる。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、薄型の電子機器に収納することができる小型アンテナに適したアンテナ整合回路を提供することを目的とする。

本発明のアンテナ整合回路は、アンテナ素子と伝送線路との間に介在させたアンテナ整合回路であって、前記アンテナ整合回路は、前記アンテナ素子と直列に接続された第１可変容量素子と、前記アンテナ素子及び前記第１可変容量素子に対して並列に接続された第２可変容量素子と、前記アンテナ素子、前記第１可変容量素子及び前記第２可変容量素子に対して直列又は並列に接続されたインダクタと、を具備することを特徴とする。

この構成によれば、第１可変容量素子によりアンテナ整合回路のＱ値を略一定に保ち、インダクタにより伝送線路の負荷抵抗と整合をとる。これにより、アンテナ素子と伝送線路との間のインピーダンス整合をとることができる。また、第２可変容量素子を可変にすることにより、同調周波数を変えることができる。したがって、薄型の電子機器に収納することができる小型アンテナを用いても、広い周波数範囲においてインピーダンス整合をとることができる。

本発明のアンテナ整合回路においては、前記インダクタは、前記アンテナ素子、前記第１可変容量素子及び前記第２可変容量素子に対して直列に接続された第１インダクタと、前記アンテナ素子、前記第１可変容量素子及び前記第２可変容量素子に対して並列に接続された第２インダクタとで構成されることが好ましい。

本発明のアンテナ整合回路においては、前記第１及び第２可変容量素子がほぼ同じ特性を有することが好ましい。この構成によれば、同種の可変容量素子を用いることができるので、部品種類を増加させることがない。

本発明のアンテナ整合回路においては、前記アンテナ素子はアンテナ給電点において等価である直列容量素子を含み、前記直列容量素子と前記第１可変容量素子とが直列接続されており、前記直列容量素子と前記第２可変容量素子とが並列接続されていることが好ましい。

本発明のアンテナ整合回路においては、前記第１及び第２可変容量素子は、一つの素子に形成されていることが好ましい。この構成によれば、アンテナ整合回路の小型化を図ることができると共に生産性を向上することができる。

本発明のアンテナ整合回路は、アンテナ素子と伝送線路との間に介在させたアンテナ整合回路であって、前記アンテナ整合回路は、前記アンテナ素子と並列に接続された第１同調インダクタ、前記アンテナ素子と直列に接続された第１可変容量素子及び前記アンテナ素子と並列に接続された結合素子で構成された第１共振回路と、前記伝送線路と直列に接続された第２可変容量素子及び第２同調インダクタ、並びに前記伝送線路と並列に接続された前記結合素子で構成された第２共振回路と、が前記結合素子で疎結合されてなることを特徴とする。この構成によれば、一定の通過帯域幅を有する広帯域同調アンテナを実現できる。

本発明のアンテナ整合回路においては、前記第２可変容量素子と並列に接続された第１固定容量素子と、前記第２可変容量素子と直列に接続された第２固定容量素子とを有することが好ましい。この構成によれば、必要な通過帯域幅を保ったまま、中心周波数だけを可変することができる。

本発明のアンテナ整合回路においては、前記第２共振回路において、前記伝送線路と並列に接続された負荷整合インダクタを有することが好ましい。

本発明のアンテナ整合回路においては、前記アンテナ素子は、最低周波数信号の波長の１／４よりも短い高さを有する先端開放型のアンテナ素子であることが好ましい。

本発明によれば、アンテナ素子と伝送線路との間に介在させたアンテナ整合回路であって、前記アンテナ整合回路は、前記アンテナ素子と直列に接続された第１可変容量素子と、前記アンテナ素子及び前記第１可変容量素子に対して並列に接続された第２可変容量素子と、前記アンテナ素子、前記第１可変容量素子及び前記第２可変容量素子に対して直列又は並列に接続されたインダクタと、を具備するので、薄型の電子機器に収納することができる小型アンテナに適したアンテナ整合回路を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
本発明者は、薄型の電子機器に収納することができる小型アンテナに適したアンテナ整合回路を実現するにあたり、次のような考察を行った。

薄型の電子機器に収納することができる小型アンテナとして、図１に示すような小型アンテナ（微小三角アンテナ）が考えられる。この先端開放型の小型アンテナは、接地板１０２上に略三角形状のアンテナ素子１０１が設けられており、接地板１０２とアンテナ素子１０１の先端部との間に給電点１０３が設けられている。

このアンテナ素子１０１の高さを、例えば４７０ＭＨｚの波長である６４ｃｍの約１／１８とすると（図１における矢印高さ）、その給電点１０３のインピーダンスは、図２に示すように、放射抵抗が極めて小さく、かつ、容量性負荷の特性となる。図２において、ｒａは直列抵抗を示し、ｘａはリアクタンスを示す。

この給電点１０３のインピーダンスの５０Ω伝送線路に対する反射は、図３に示すよう、ほとんど全反射の状態となる。このままでは、上記負荷との間で極めて大きな不整合を生じ、伝送線路に電力を供給することができない。

このような大きな不整合を解決する手段として、パイ型（π型）整合回路がある。図４に示すように、π型整合回路１１６は、アンテナ素子１１１と伝送線路１１４との間に設けられている。π型整合回路１１６は、アンテナ素子１１１と直列に接続されたインダクタ１１７と、アンテナ素子１１１と並列に接続された入力側及び出力側可変容量素子１１８，１１９とを含む。アンテナ素子１１１は、直列抵抗１１２と直列容量素子１１３とを含む。また、伝送線路１１４は負荷抵抗１１５を含む。

上記π型整合回路１１６を用いて、４７０ＭＨｚから７７０ＭＨｚにおいて、図２に示す給電点インピーダンスを５０Ωに整合させると、必要となる入力容量と出力容量は図５に示すようになる。図５において、入力容量Ｃ１は、上記π型整合回路１１６における入力側可変容量素子１１８の入力容量であり、出力容量Ｃ２は、上記π型整合回路１１６における出力側可変容量素子１１９の出力容量である。図５から分かるように、入力容量Ｃ１及び出力容量Ｃ２の容量特性は大きく異なる。すなわち、上記π型整合回路１１６を用いて、４７０ＭＨｚから７７０ＭＨｚにおいて給電点インピーダンスを５０Ωに整合させると、容量特性が異なる２つの可変容量素子が必要となり、部品点数が多くなる。さらに、２つの可変容量素子を同期して可変する必要があるので、複雑な制御が必要になる。

本発明者は上記の点に着目し、ほぼ同じ特性を有する可変容量素子を用いて、しかも可変容量素子の一つを調整することで、広帯域の信号に対してインピーダンス整合を行うことができるアンテナ整合回路を達成するに至った。

図６は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ整合回路を含むアンテナ装置を示す図であり、図７は、図６に示すアンテナ整合回路の等価回路図である。図６に示すアンテナ装置は、アンテナ素子１と、伝送線路４と、アンテナ素子１と伝送線路４との間に設けられたアンテナ整合回路６とから主に構成されている。アンテナ素子１は、最低周波数信号の波長の１／４よりも短い高さを有することが好ましい。

アンテナ整合回路６は、アンテナ素子１と直列に接続された第１可変容量素子７と、アンテナ素子１と並列に接続された第２可変容量素子８、アンテナ素子１と直列に接続された第１インダクタ９と、アンテナ素子１と並列に接続された第２インダクタ１０とを有する。アンテナ素子１は、直列抵抗２と直列容量素子３とを含む。また、伝送線路４は負荷抵抗５を含む。また、アンテナ素子１の直列容量素子３と第１可変容量素子７とが直列接続されており、直列容量素子３と第２可変容量素子８とが並列接続されている。言い換えると、アンテナ整合回路６においては、アンテナ素子１の直列容量素子３と第１可変容量素子７とが直列接続されており、第１インダクタ９と第２インダクタ１０とが直列接続されており、これらの両者が並列に接続されている。このように、本アンテナ整合回路にアンテナ素子が接続されることにより、広帯域同調アンテナを構成することができる。

第１可変容量素子７と第２可変容量素子とはほぼ同じ特性を有する。第１可変容量素子７は、図７に示すように、等価容量１１と等価損失抵抗１２で表され、第２可変容量素子８は、図７に示すように、等価容量１３と等価損失抵抗１４で表される。また、第１インダクタ９は、図７に示すように、等価インダクタンス１５と等価損失抵抗１６で表され、第２インダクタ１０は、図７に示すように、等価インダクタンス１７と等価損失抵抗１８で表される。

第１可変容量素子７は、周波数に拘らずアンテナ整合回路６のＱ値を略一定にすると共に、第２可変容量素子８による共振周波数の可変範囲を拡張する。第２可変容量素子８は、アンテナ整合回路６の共振周波数を可変する。第１インダクタ９は、容量性リアクタンスを打ち消すと共に、第２インダクタ１０とのタップダウン効果により伝送線路４の負荷抵抗５と整合をとる。

このような構成のアンテナ整合回路においては、第１可変容量素子７によりアンテナ整合回路６のＱ値を略一定に保ち、第１インダクタ９及び第２インダクタ１０により伝送線路４の負荷抵抗５と整合をとる。これにより、アンテナ素子１と伝送線路４との間のインピーダンス整合をとることができる。また、第２可変容量素子８を可変にすることにより、同調周波数を変えることができる。同調周波数を変えても、前述と同様にしてアンテナ素子１と伝送線路４との間のインピーダンス整合をとることができる。この構成においては、アンテナ素子１と同調素子である第２可変容量素子８との間に第１可変容量素子７が介在しているので、アンテナ素子との結合を疎結合にすることができる。これにより、負荷変動がアンテナ整合回路に影響を与えることを抑制することができる。その結果、第２可変容量素子の同調範囲を拡張させることができる。

本発明に係るアンテナ整合回路は、アンテナ素子１及び第１可変容量素子７に対して第２可変容量素子８が並列に接続された構造を特徴としている。したがって、図６及び図７に示す構成は一例であり、アンテナ素子１及び第１可変容量素子７に対して第２可変容量素子８が並列に接続されていれば他の構造であっても良い。例えば、インダクタについては、調整のために設けているので、個数や接続状態に制限はない。具体的には、伝送回路の負荷抵抗により、インダクタは一つでも良く、二つ以上であっても良い。また、インダクタの接続状態についても、図８（ａ）に示すように、前記構造（アンテナ素子１、第１可変容量素子７及び第２可変容量素子８の構造）と第１インダクタ９とが並列に接続され、さらにそれと第２インダクタ１０とが直列に接続されても良く、図８（ｂ）に示すように、前記構造と第２インダクタ１０とが直列に接続され、さらにそれと第１インダクタ９とが並列に接続されても良い。なお、第１インダクタ９と第２インダクタ１０とは入れ替わっていても良い。

図９は、図７に示す等価回路における等価容量１１，１３の電圧対容量特性を示す図である。図９から分かるように、電圧が増加するにしたがって容量が減少している。図１０は、図７に示す等価回路における等価損失抵抗１２，１４の電圧対抵抗特性を示す図である。また、図１０から分かるように、電圧が増加するにしたがって抵抗が減少している。図１１は、図６に示す回路における第１及び第２インダクタ９，１０のＱ値を１００とし、図９及び図１０の特性を有する可変容量素子を用いた場合の整合特性（ＳＷＲ(Standing Wave Ratio)）を示す図である。なお、アンテナ素子は、最低周波数信号の波長の１／４よりも短い高さを有するものとしている。図１１から分かるように、周波数が４７０ＭＨｚから７７０ＭＨｚにわたってＳＷＲが１．５以下であり、アンテナの整合状態が良好である。

このように、本実施の形態１に係るアンテナ整合回路は、薄型の電子機器に収納することができる小型アンテナを用いても、広い周波数範囲においてインピーダンス整合をとることができる。また、このアンテナ整合回路によれば、同種の可変容量素子を用いることができるので、部品種類を増加させることがない。

本発明のアンテナ整合回路に用いる可変容量素子は、ほぼ同じ容量特性のものを用いることができるので、図１２（ａ）に示すような、端子ｂが共通で可変容量素子ａ，ｃで構成されたペア素子（ツインバラクタ）を使用することができる。このペア素子は、図１２（ｂ）に示すような一つの素子として製造することができる。このように一つの素子に２つの可変容量素子を形成することにより、アンテナ整合回路の小型化を図ることができると共に生産性を向上することができる。この場合、図１２（ｃ）に示すように、ウエハ上に複数形成することが可能である。このようにして製造することにより、特性のバラツキを抑えることが可能となる。

（実施の形態２）
上記実施の形態１に係るアンテナ整合回路について、周波数毎の整合特性（ＳＷＲ）を調べた。その結果を図１３（ａ）〜（ｄ）に示す。図１３（ａ）は、周波数４７０ＭＨｚでの整合特性であり、図１３（ｂ）は、周波数５７０ＭＨｚでの整合特性であり、図１３（ｃ）は、周波数６７０ＭＨｚでの整合特性であり、図１３（ｄ）は、周波数７７０ＭＨｚでの整合特性である。図１３から分かるように、周波数が低域になるにしたがって整合できる帯域幅が狭くなっている。

携帯電話でワンセグ地上デジタル放送を受信する際に使用するアンテナであれば、図１３に示す特性でも十分である。しかしながら、さらに高度なサービスを受けるためのアンテナの場合には、通過帯域幅を図１３に示す幅よりも広げる必要がある。また、通過帯域幅を広げる場合においては、テレビジョン周波数の上側で使用されている携帯電話の干渉を避けるために、高域周波数（具体的には７７０ＭＨｚ）での帯域幅が必要以上に広がらないようにすることが必要である。すなわち、必要な通過帯域幅を保ったまま、中心周波数だけを可変できるアンテナ整合回路が必要となる。そこで、本実施の形態においては、必要な通過帯域幅を保ったまま、中心周波数だけを可変できるアンテナ整合回路を提供する。

図１４は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ整合回路を含むアンテナ装置を示す図である。図１４に示すアンテナ整合回路は、アンテナ素子１と並列に接続された第１同調インダクタ２２、アンテナ素子１と直列に接続された可変容量素子２３及びアンテナ素子１と並列に接続された結合インダクタ２４で構成された閉回路である第１共振回路と、伝送線路４と直列に接続された可変容量素子２５及び第２同調インダクタ２８、並びに結合インダクタ２４で構成された閉回路である第２共振回路と、が結合インダクタ２４で疎結合されて構成されている。すなわち、このアンテナ整合回路は、第１共振回路と第２共振回路が結合インダクタ２４で疎結合された複同調回路である。このように、第１共振回路と第２共振回路とを疎結合した複同調回路を構成するので、共振周波数を広い範囲で可変にすることができ、通過帯域幅を広げることができる。なお、第１共振回路は、アンテナ素子１の直列抵抗２及び直列容量素子３と可変容量素子２１を通して結合されている。これにより、一定の通過帯域幅を有する広帯域同調アンテナを構成することができる。また、第２共振回路は、第２同調インダクタ２８及び負荷整合インダクタ２９の接続点に伝送線路４の負荷抵抗５が結合されている。

図１４に示すアンテナ整合回路においては、第１共振回路の可変容量素子２３と第２共振回路の可変容量素子２５とが直列に接続されており、可変容量素子２３，２５と結合インダクタ２４とが並列に接続されている。可変容量素子２３，２５は、共振回路の共振周波数を可変すると同時にアンテナ素子１と第１共振回路と第２共振回路とを結合する機能も有しており、低域周波数では結合を増やして通過帯域幅を確保し、高域周波数では結合を小さくして選択度特性を確保する。その結果、通過周波数が高域周波数であるときに帯域が広がることを防止することができる。

第２共振回路においては、可変容量素子２５と固定容量素子２６とが並列に接続され、可変容量素子２５と固定容量素子２７とが直列に接続されている。このような構成にすることにより、固定容量素子２６，２７が、可変容量素子２５による共振周波数変化に制限を加えることができる。この固定容量素子２６，２７は、第１共振回路の共振周波数変化とトラッキングをとるように設定される。このため、可変容量素子２５の容量が小さくなっても固定容量素子２６で律速されて容量がある値以下になることを防止し、可変容量素子２５の容量が大きくなっても固定容量素子２７で律速されて容量がある値以上になることを防止する。これにより、略一定の通過帯域幅を維持しつつ広帯域に同調周波数を可変できる広帯域同調アンテナを実現することができる。なお、可変容量素子２１，２３，２５が異なる特性を持ち、トラッキング可能な容量特性を有するのであれば、固定容量素子２６，２７を設けなくても良い。

また、第２共振回路において伝送線路４と並列に接続された負荷整合インダクタ２９は、アンテナ素子１の直列容量素子３と伝送線路４の負荷抵抗５との間の整合のために設けているので、直列容量素子３と負荷抵抗５との間のインピーダンス差が小さいときには設けなくても良い。また、本実施の形態においては、第１共振回路と第２共振回路とを疎結合する結合素子として結合インダクタ２４を用いているが、本発明においては、結合素子が結合容量素子であっても良い。

本実施の形態に係るアンテナ整合回路について、周波数毎の整合特性（ＳＷＲ）を調べた。その結果を図１５（ａ）〜（ｄ）に示す。図１５（ａ）は、周波数４７０ＭＨｚでの整合特性であり、図１５（ｂ）は、周波数５７０ＭＨｚでの整合特性であり、図１５（ｃ）は、周波数６７０ＭＨｚでの整合特性であり、図１５（ｄ）は、周波数７７０ＭＨｚでの整合特性である。図１５から分かるように、本実施の形態に係るアンテナ整合回路は、必要な通過帯域幅を保ったまま、中心周波数だけを可変できるものである。

本発明は上記実施の形態１，２に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態１，２において説明した構成は、これらに限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

小型アンテナを示す図である。図１の小型アンテナの給電点インピーダンスを示す特性図である。図２の反射特性図である。 π型整合回路を示す図である。図４に示すπ型整合回路の可変容量を示す特性図である。本発明の実施の形態１に係るアンテナ整合回路を含むアンテナ装置を示す図である。図６に示すアンテナ整合回路の等価回路図である。（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ整合回路を含むアンテナ装置における接続バリエーションを示す図である。図７に示す等価回路における等価容量の電圧対容量特性を示す図である。図７に示す等価回路における等価損失抵抗の電圧対抵抗特性を示す図である。図６に示す回路における第１及び第２インダクタのＱ値を１００とし、図９及び図１０の特性を有する可変容量素子を用いた場合の整合特性を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、ペア素子構成の可変容量素子を示す図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ整合回路を用いた際のＳＷＲの周波数特性を示す図である。本発明の実施の形態２に係るアンテナ整合回路を含むアンテナ装置を示す図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ整合回路を用いた際のＳＷＲの周波数特性を示す図である。

符号の説明

１アンテナ素子
２直列抵抗
３直列容量素子
４伝送線路
５負荷抵抗
６アンテナ整合回路
７第１可変容量素子
８第２可変容量素子
９第１インダクタ
１０，第２インダクタ
１１，１３等価容量
１２，１４等価損失抵抗
１５，１７等価インダクタンス
１６，１８等価損失抵抗
２１，２３，２５可変容量素子
２２第１同調インダクタ
２４結合インダクタ
２６，２７固定容量素子
２８第２同調インダクタ
２９負荷整合インダクタ

Claims

アンテナ素子と伝送線路との間に介在させたアンテナ整合回路であって、前記アンテナ整合回路は、前記アンテナ素子と直列に接続された第１可変容量素子と、前記アンテナ素子及び前記第１可変容量素子に対して並列に接続された第２可変容量素子と、前記アンテナ素子、前記第１可変容量素子及び前記第２可変容量素子に対して直列又は並列に接続されたインダクタと、を具備することを特徴とするアンテナ整合回路。
前記インダクタは、前記アンテナ素子、前記第１可変容量素子及び前記第２可変容量素子に対して直列に接続された第１インダクタと、前記アンテナ素子、前記第１可変容量素子及び前記第２可変容量素子に対して並列に接続された第２インダクタとで構成されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ整合回路。
前記第１及び第２可変容量素子がほぼ同じ特性を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアンテナ整合回路。
前記アンテナ素子はアンテナ給電点において等価である直列容量素子を含み、前記直列容量素子と前記第１可変容量素子とが直列接続されており、前記直列容量素子と前記第２可変容量素子とが並列接続されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のアンテナ整合回路。
前記第１及び第２可変容量素子は、一つの素子に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のアンテナ整合回路。
アンテナ素子と伝送線路との間に介在させたアンテナ整合回路であって、前記アンテナ整合回路は、前記アンテナ素子と並列に接続された第１同調インダクタ、前記アンテナ素子と直列に接続された第１可変容量素子及び前記アンテナ素子と並列に接続された結合素子で構成された第１共振回路と、前記伝送線路と直列に接続された第２可変容量素子及び第２同調インダクタ、並びに前記伝送線路と並列に接続された前記結合素子で構成された第２共振回路と、が前記結合素子で疎結合されてなることを特徴とするアンテナ整合回路。
前記第２可変容量素子と並列に接続された第１固定容量素子と、前記第２可変容量素子と直列に接続された第２固定容量素子とを有することを特徴とする請求項６記載のアンテナ整合回路。
前記第２共振回路において、前記伝送線路と並列に接続された負荷整合インダクタを有することを特徴とする請求項６又は請求項７記載のアンテナ整合回路。
前記アンテナ素子は、最低周波数信号の波長の１／４よりも短い高さを有する先端開放型のアンテナ素子であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載のアンテナ整合回路。