JP2004056665A

JP2004056665A - Antenna and mobile communication machine including the same

Info

Publication number: JP2004056665A
Application number: JP2002214314A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Imaizumi; 今泉　達也
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2004-02-19

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an antenna which effectively suppresses lowering of radiation efficiency and reduction of band width without providing a matching circuit the adjustment of which is difficult in a prevailing tendency of ground plate reduction. <P>SOLUTION: The antenna is constituted of: a power feeding element 5 which feeds a high frequency current; and a looped non-feeding element 7 which does not feed the high frequency current. By providing the non-feeding element 7, the electric volume of the antenna becomes larger in comparison with the case the non-feeding element 7 is not provided. The radiation efficiency of the antenna is enhanced and the band width of the antenna is broadened for the increase of the electric volume. That is, the lowering of radiation efficiency and the reduction of band width are effectively suppressed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話機や携帯無線通信機等に代表される移動体通信機が内臓するアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年における移動体通信機の普及とともに、携帯や移動のとき便利なように、その小型軽量化が望まれている。そのような移動体通信機が内蔵する電子部品群のうち、半導体集積回路等の小型化は急速に進んでいる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アンテナを共振させるためには、その共振周波数に応じた大きさのグランド（接地板）が必要となるが、上述したような移動体通信機の小型化が加速する中では十分な大きさを確保することが難しい。グランドの大きさが十分でないと給電点インピーダンスの不整合が生じるので、整合回路を付加することが必要条件となる。ところが、整合回路の調整は必ずしも容易なものではないので調整がうまくいかない場合があり、その場合に輻射効率の低下や帯域幅の減少という不都合を生じさせかねない。整合回路の付加はリスクを伴うもの、といえる。この実情を改善しようとしてなされたのが、本発明である。すなわち、グランド縮小の流れの中で、調整の難しい整合回路を設けることなく、輻射効率低下と帯域幅減少とを効率的に抑制可能なアンテナ及びそのアンテナを内蔵する移動体通信機を提供することが本発明の目的である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高周波電流を給電する給電素子の他に、それを給電しないループ状の無給電素子を備えることにより、上述の課題解決を図った。その詳しい内容については、項を改めて説明する。なお、何れかの請求項に係る発明の説明にあたって行う用語の定義等は、その性質上可能な範囲において他の請求項に係る発明にも適用があるものとする。
【０００５】
（請求項１に記載された発明の特徴）
請求項１に記載された発明に係るアンテナは、高周波電流が給電される給電素子と、当該給電素子と所定間隔を介して配されたループ状の無給電素子と、を含むことを特徴とする。ループ状の無給電素子は、閉鎖型のループ状と開放型のループ状の双方を含む。請求項１のアンテナは、高周波電流を給電する給電素子に加え、これと電磁界結合して共振周波数に共振するループ状の無給電素子を備えているので、前者のみの場合に比べてアンテナの電気的体積が大きい。電気的体積が大きくなった分、アンテナの輻射効率が高まり、帯域幅が広くなる。すなわち、輻射効率低下と帯域幅減少を有効に抑制する。
【０００６】
（請求項２に記載された発明の特徴）
請求項２に記載された発明に係るアンテナは、請求項１のアンテナであって、前記無給電素子が、迂回部を含むことを特徴とする。迂回路部の形状や個数に制限はない。迂回部の存在により、それが不存在の場合に比べて無給電素子が長くなる。長くなる分、同じ使用周波数に共振させる場合にアンテナ占有面積が小さくて済む。
【０００７】
（請求項３に記載された発明の特徴）
請求項３に記載された発明に係るアンテナは、請求項１又は２に記載されたアンテナであって、前記給電素子と前記無給電素子とが、単一基板（同一基板）に設けられていることを特徴とする。基板の材質に制限はないが、一般には、単層又は積層のプリント配線板やセラミック板が用いられる。単一基板の同一面上に両者が設けられている場合や、一方は面上で他方は積層内部に設けられている場合も、給電素子と無給電素子の双方が単一基板に設けられている場合に含まれる。両素子が単一基板に設けられているので、一旦決定した両素子の相対関係が保持され、これにより相対関係のズレによる輻射効率低下や帯域幅減少が抑制される。
【０００８】
（請求項４に記載された発明の特徴）
請求項４に記載された発明に係るアンテナは、請求項３のアンテナであって、前記給電素子が前記基板の一方の面側に、前記無給電素子が当該基板の他方の面側に、それぞれ設けられていることを特徴とする。すなわち、給電素子に対して無給電素子は基板厚み方向に所定間隔を介して配される。基板厚みを調整することにより、給電素子と無給電素子との間隔を設定可能になる。
【０００９】
（請求項５に記載された発明の特徴）
請求項５に記載されたアンテナは請求項１乃至４の何れかのアンテナであって、前記給電素子が、誘電体により構成された誘電体基体に設けられていることを特徴とする。給電素子は、誘電体基体に導電性ペーストを塗布する等の方法により形成するのが一般的である。空気中に比べて比誘電率の高い誘電体基体に設けることにより無給電素子の短縮効果が生じ、短縮した分、アンテナ自体が小型化する。
【００１０】
（請求項６に記載された発明の特徴）
請求項６に記載された発明に係るアンテナは、請求項３乃至５の何れかのアンテナであって、前記無給電素子が、前記基板にパターン形成されてなることを特徴とする。給電素子も併せてパターン形成されてなるものであってもよい。パターン形成されることにより、少なくとも無給電素子の形状の選択範囲が比較的容易になる。このため、複雑な素子形状であっても、その形成が容易である。
【００１１】
（請求項７に記載された発明の特徴）
請求項７に記載した発明に係るアンテナは、請求項１乃至６のアンテナであって、前記無給電素子に囲まれた領域内に、前記給電素子に接続された送受信モジュールが配されていることを特徴とする。すなわち、ループ状の無給電素子の中庭部分に送受信モジュールが配されている。これにより、送受信モジュールのために特別なスペースを確保する必要がなくなり、その分、アンテナ自体を小型化することができる。
【００１２】
（請求項８に記載された発明の特徴）
請求項８に記載された発明に係るアンテナは、請求項１乃至７の何れかに記載されたアンテナであって、前記無給電素子の周囲長が、使用波長λ又は当該使用波長λの２分の１とほぼ等しい長さに形成されていることを特徴とする。「ほぼ等しい」とは、閉鎖型ループか開放型ループかの違い、無給電素子の幅や給電素子との電磁界結合の度合い等の要因により、多少の長短が生じるので、長短が生じた場合と、長短が生じず完全に同一の場合の双方を含む。さらに、正又は負のリアクタンスを装荷して、電気的に使用波長λ又はその２分の１とほぼ等しく形成した場合も含む。
【００１３】
（請求項９に記載された発明の特徴）
請求項９に記載された発明に係るアンテナは、請求項１乃至８の何れかのアンテナであって、前記給電素子及び前記無給電素子が、多周波（多バンド）で動作可能に構成されていることを特徴とする。多周波とは、たとえば、２つの周波で動作可能とする場合に、広帯域化する場合とデュアルバンド化する場合の双方を含む。すなわち、第１周波と第２周波との異なりを、両者の中心周波数が僅かにずれる程度に設定すれば、前者と後者とを合わせて広帯域化することができる。また、動作周波を十分に異ならせて第１周波と第２周波とを独立させると、デュアルバンド化が可能となる。
【００１４】
（請求項１０に記載された発明の特徴）
請求項１０に記載された発明に係る移動体通信機は、請求項１乃至９の何れかのアンテナを備えていることを特徴とする。これらのアンテナは、上述してきたように、輻射効率が高いし帯域幅が広いので、それを備える移動体通信機を用いれば効率のよい通信が実現する。
【００１５】
（請求項１１に記載された発明の特徴）
請求項１１に記載された発明に係る移動体通信機は、請求項１０の移動体通信機であって、当該移動体通信機がパーソナルコンピューター及び／又はマウスであることを特徴とする。移動体通信機をパーソナルコンピューターとマウスに限るものではなく、携帯電話機その他の移動体通信機をも含む趣旨である。パーソナルコンピューターとマウスの少なくとも一方、好ましくは双方に、請求項１乃至８のアンテナを内蔵させれば、その輻射効率の高さと帯域幅の広さによる効率的なワイヤレス（無線）マウスシステムが構築できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１乃至３を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施形態に係るアンテナを搭載した通信基板の斜視図である。図２は、図１に示す通信基板の平面図（ａ）、側面図（ｂ）及び底面図（ｃ）である。図３は、チップアンテナの斜視図である。図４は、図３に示すチップアンテナ（給電素子）の分解斜視図である。図５は、給電素子と無給電素子の相対関係を示す平面図である。図６及び７は、アンテナの帯域特性を示す図表である。図８及び９は、無給電素子の変形例を示す底面図である。図１０は、図５に示す給電素子と無給電素子の変形例を示す平面図である。図１１及び１２は、アンテナを搭載した移動体通信機の正面図及び斜視図である。
【００１７】
（通信基板の概略構造）
図１及び２において、符号１０１が示すのは通信基板１０１である。通信基板１０１は、プリント配線板１０３と、その実装面１０３ａ上に設けた送受信モジュール１０５及び後述するアンテナチップ３と、その取付面１０３ｂ上に設けたコネクタ１０７とを備えている。プリント配線板１０３は、合成樹脂やセラミック等を素材とする矩形の基板である。単層体でも積層体でも構わないが、本実施形態では説明を簡単にするために、特に断らない限りプリント配線板１０３は単層体であることを前提として説明する。実装面１０３ａ上には、アンテナチップ３と送受信モジュール１０５とを電気的に接続するためのパターン（図示を省略）を形成してあり、後述する無給電素子を形成するために十分なスペースを形成してある。送受信モジュール１０５は取付面１０３ｂ上のコネクタ１０７を介して移動体通信機（図示を省略）と電気的に接続可能に構成してある。送受信モジュール１０５は、アンテナチップ３を介して電波を送受信するためのモジュールである。
【００１８】
（アンテナの構造）
図１乃至５に基づいて、アンテナの構造について説明する。アンテナ１は、アンテナチップ３に形成された給電素子５と、プリント配線板１０３の取付面１０３ｂ上に形成された無給電素子７と、を備えている。図３及び４に示すように、アンテナチップ３は、誘電体セラミック材料からなる絶縁性の上層基板９ａと下層基板９ｂとを積層した誘電体基体９を備えている。上層基板９ａと下層基板９ｂとは、平面視したときに同じ大きさの長方形（矩形）に形成してあるため、両者を積層してなる誘電体基体９は直方体形状になる。下層基板９ｂの上面（上層基板９ａと対向する面）の前面は、アンテナを形成するためのアンテナ形成面９ｃを形成している。下層基板３ｂが長方形であることから、アンテナ形成面９ｃも長方形（矩形）になる。誘電体基体９を誘電体セラミック材料により構成したのは、同材料の比誘電率が比較的高いことを利用して、その高い分を利用して給電素子５の長さを短縮するためである。誘電体基体９を積層体により構成したのは、下層基板９ｂ上に形成する給電素子５等を、上層基板９ａにより被覆することが、その給電素子５等を保護する上で好ましいからである。誘電体基体９は２層構造としたが、上層基板３を省略して単層構造としてもよい。また、他の層基板をさらに積層して３層又は４層以上の構造としてもよい。誘電体基体９を直方体形状に形成したのは、いわゆるダイサーカットやワイヤーカット等による多数個取りをし易くするためであって、これら以外の形状に形成できることはいうまでもない。
【００１９】
（給電素子の構成）
図３乃至５に示すように、アンテナ形成面９ｃ上には、このアンテナ形成面９ｃの外周に沿って延びる線状の給電素子５を形成してある。給電素子５の形成は、導電ペーストを塗布することにより形成する方法が便利であり、その際の形成ズレを吸収するためのマージンを外周との間に残しておくことが好ましい。給電素子５の基端５ａは、誘電体基体９の端面に形成した給電端子１１に接続してある。基端５ａ近傍の分岐点５ｂから分岐する線状導体１３は、グランド端子１５を介してグランドＧに接続してある。給電点である基端５ａにおけるインピーダンス整合を行うためである。給電端子１１及びグランド端子１５の形成は、誘電体基体９の端面に導電性ペーストを塗布することにより行うのが一般的である。
【００２０】
給電素子５は、第１周波数（第１周波数帯）である２．４ＧＨｚ帯に共振可能な長さ（１／４波長）に形成してあり、開放端１７の位置を図３の左右方向ずらすことにより、つまり、給電素子５の全長を加減することにより共振周波数の調整を行うようになっている。２．４ＧＨｚ帯より高い周波数に共振させる場合は給電素子５の実効長を短くする方向に、逆に第１周波数より低い周波数帯に共振させる場合は同じく実効長を長くする方向に移動させればよい。第１周波数として２．４ＧＨｚ帯を設定したのは、現在において同周波数が無線ＬＡＮ等に使用されているからであり、必要に応じて他の周波数（たとえば、２．０ＧＨｚ，５．０ＧＨｚ）を設定することを妨げるものではない。なお、図２において、無給電素子７の周囲長に対する給電素子５の長さが短いのは、後者を比誘電率が高い誘電体基体９（図３、４参照）に設けたため、その高い比誘電率により給電素子５が短縮されるためである。
【００２１】
（無給電素子の構造）
図２及び５を参照しながら、無給電素子の構造について説明する。無給電素子７は、プリント配線板１０３の取付面１０３ｂの外周にほぼ沿って周回する閉鎖型の矩形ループ状に形成してある。その形成は、取付面１０３ｂをエッチング処理することにより行うのが一般的である。導電ペーストの塗布により行うこともできる。プリント配線板１０３が多層基板である場合には、中間層の表面に無給電素子７を形成してもよい。無給電素子７の周囲長は、給電素子５の使用波長λとほぼ等しい長さに設定してある。この周囲長は、使用波長λと完全に等しい場合もあり得るが、一般には、無給電素子７の幅や給電素子５との位置関係、さらには両者間の電磁界結合の度合い等により多少の長短が生じる。電磁界結合の度合いは、両者間に介在する物質の比誘電率等により定まる。このため、アンテナ１を製作するに当たっては、比誘電率自体を変えることは難しいので、無給電素子７の幅寸法や給電素子５との間隔を適切な値に調整することのほうが便利である。本実施形態では、誘電体基体９の厚みやプリント配線板１０３の厚みを加減して図４に示す間隔Ｄを調整している。間隔Ｄが大きくなればそれだけ給電素子５と無給電素子７間の結合度合い弱くなり、逆に小さくなれば強くなる。無給電素子７は、高周波電流を直接給電する素子ではないため、給電点インピーダンスを考慮する必要がない。したがって、無給電素子７を設けるに当たって、特別な整合回路は不要である。整合回路が不要であるため、これを設けたとしたら生じるであろう整合失敗による輻射効率低下や帯域幅減少ということがない。なお、無給電素子７の周囲長は、その使用波長λの２分の１とほぼ等しい長さとすることも可能である。使用波長λとほぼ等しい場合と同様に、その２分の１とほぼ等しい場合にも使用周波数に共振させることができるからである。
【００２２】
無給電素子７を矩形ループ状に形成したのは、そのように形成することにより、矩形の取付面１０３ｂを有効活用するためである。すなわち、取付面１０３ｂを備えるプリント配線板１０３は、移動体通信機内に設置されるものであるが、その移動体通信機の小型化の要請からプリント配線板１０３を設置するスペースにも限りがある。そこで、必要最小限の占有面積（占有体積）を有効活用するためには矩形（方形）が最も好ましいと考えられるからである。設置スペースに余裕がある場合、矩形以外の形状を選択すべき特段の事情がある場合等においては、矩形以外の形状、たとえば、円形や三角形の他に、そのスペース形状に合わせた形状のループ形成も可能である。
【００２３】
アンテナ１を、たとえば、２．４Ｇ帯で使用する場合、無給電素子７の周囲長は１λで１２ｃｍ前後、１／２λで６ｃｍ前後となる。この場合において、プリント配線板１０３の取付面１０３ｂが、たとえば、その取付先が十分なスペースを持っていないため１２ｃｍ前後の周囲長を確保できない場合には、たとえば次に述べる方法により足りない分の長さを補充する。第１に、必要周囲長より短い周囲長の無給電素子に正のリアクタンスを装荷させ、これにより実質的に１２ｃｍ（１λ）前後の周囲長を形成する方法がある。第２に、図８に示す無給電素子７´のように、その途中に、１又は２以上の迂回部７´ａを設け、この迂回により周囲長を延ばす方法もある。さらに、図９に示す無給電素子７´´のように、先端開放型のループ状に形成することもできる。無給電素子７´´の周囲長は、これを使用波長λとほぼ等しい長さとしてもよいし、また、使用波長λの２分の１とほぼ等しい長さとしてもよい。
【００２４】
（実験結果１）
図６を参照しながら、無給電素子の有無による帯域幅変化の実験結果について説明する。実験に用いた無給電素子ありのアンテナは、図２に示すアンテナ１（無給電素子７の周囲長：ほぼ１λ）そのものであり、無給電素子なしのアンテナは同アンテナから無給電素子を取り除いて給電素子だけで構成したアンテナである。図７に示す図表の縦軸はＶＳＷＲを、同じく横軸は周波数を、それぞれ示している。さらに周波数は、１．９５ＧＨｚから２．９５ＧＨｚまでを一目盛１００ＭＨｚで示している。ここで、ＶＳＷＲ２以下の帯域を比較する。破線で示す無給電素子なしのアンテナの場合は、２．３５ＧＨｚ付近をピークとしてほぼ２．３０〜２．４０ＧＨｚという約０．１ＧＨｚ（１００Ｍｚ）の範囲でＶＳＷＲ２以下を得た。他方、実線で示す無給電素子ありのアンテナの場合は、２．２５ＧＨｚ付近をピークとしてほぼ２．２０〜２．４０ＧＨｚという約０．２ＧＨｚ（２００ＭＨｚ）の範囲でＶＳＷＲ２以下を得た。この結果から理解されるように、無給電素子がない場合に比べてある場合のＶＳＷＲ２以下の帯域は、ほぼ２倍となり、使用可能帯域の広がりが確認できた。これは、無給電素子７を設けたほうが、これを設けないよりアンテナ１の電気的体積が大きくなるので、その分、輻射効率をよくし広帯域化に貢献したものと思われる。
【００２５】
（実験結果２）
図７を参照しながら、無給電素子の長さによる帯域幅変化の実験結果について説明する。実験に用いたアンテナは、図２に示すアンテナ１であり、この実験では無給電素子７の周囲長を変化させている。すなわち、この実験では、給電素子５はそのままで、無給電素子７の周囲長を使用波長λとほぼ等しくした場合と、使用波長λの２分の１とほぼ等しくした場合と、の帯域幅の変化を観察した。図８に示す図表の縦軸はＶＳＷＲを、同じく横軸は周波数を、それぞれ示している。
さらに周波数は、１．００ＧＨｚから３．００ＧＨｚまでを一目盛２００ＭＨｚで示している。ここで、ＶＳＷＲ２以下の帯域を比較する。破線で示す１λ無給電素子は、１．７ＧＨｚ付近と２．４０ＧＨｚ付近の２箇所でＶＳＷＲ２以下を示しており、デュアルバンドアンテナとして機能させ得ることがわかる。また、実線で示す１／２λ無給電素子の場合は、ほぼ２．００〜２．４０ＧＨｚという約０．４ＧＨｚ（４００Ｍｚ）の広範囲でＶＳＷＲ２以下を得た。
【００２６】
（本実施形態の変形例）
図１０を用いて本実施形態の変形例について説明する。図２乃至４に示す本実施形態と本変形例が異なるのは、広帯域化を図る手段として、給電素子及び無給電素子の双方に副素子を設けた点である。以下の説明は、異なる点についてだけ行い、異ならない点については説明を省略する。なお、本実施形態と本変形例とにおいて共通する部材については、本実施形態で使用した部材名と同じ部材名を用いてある。
【００２７】
すなわち、図１０に示すアンテナ２１は、誘電体を基体とするアンテナチップ２３には、給電素子２５（本実施形態の給電素子５に該当）とともに副給電素子２６を設けてある。副給電素子２６は、給電素子２５の途中にある分岐点２５ａから分岐して、給電素子２５の共振周波数より僅かに高い周波数に共振するように形成してある。この結果、給電素子２５単独の周波数帯域に副給電素子２６の周波数帯域が重なり、前者単独の場合に比べて広帯域化する。他方、プリント配線板１０３の表面には、無給電素子２７（本実施形態の無給電素子７，７´，７´´に該当）を形成してある。さらに、プリント配線板１０３は多層構造となっており、それを構成する中間層の上面には、破線で示す副無給電素子２８を形成してある。無給電素子２７の周囲長は給電素子２５の使用波長とほぼ等しい長さに、副無給電素子２８の周囲長は副給電素子２６の使用波長とほぼ等しい長さに、それぞれ形成してある。その理由は、本実施形態の無給電素子７の説明にある通りである。副給電素子２６及び副無給電素子２８を兼ね備えるアンテナ２１は、これらの副素子の働きにより本実施形態のアンテナ１に比べ、より広帯域化が実現する。
【００２８】
（アンテナの使用例）
図１１及び１２を参照しながら、アンテナの使用例について説明する。図１１において符合５１が示すのは、移動体通信機の一例である小型コンピュータである。小型コンピュータ５１は、その本体５３に対して開閉する表示部５５を備えている。表示部５５は、その上部にアンテナ１を内蔵しており、このアンテナ１を介して他の通信機と無線通信できるように構成してある。ここで、他の通信機として、たとえば、通信機能を搭載した他のコンピュータ（図示せず）や、次に述べる通信機能付きマウスがある。前者の例は、無線ＬＡＮ（ＬＯＣＡＬ　ＡＲＥＡ　ＮＥＴＷＯＲＫ）等として活用可能である。後者の例は、無線マウスシステムの構築を可能とする。また、移動体無線通信機の他の例として、携帯電話機やＰＤＡ（ＰＥＲＳＯＮＡＬ　ＤＩＧＩＴＡＬ　ＡＩＤ）、アマチュア用・業務用無線機がある。
【００２９】
図１２における符合６１は、通信機機能付きマウスを示している。マウス６１は、その内部にアンテナ１´を内蔵しており、このアンテナ１´は給電素子（アンテナチップ）６３とともに、無給電素子６５を備えている。無給電素子６５は、給電素子６３に対して所定間隔を介して併設しており、両者の電磁界結合は、この所定間隔の加減により調整可能に構成してある。本変形例における無給電素子６５は、円形ループ状に構成してある。これは、マウスボール６７を囲むように無給電素子６５を設置することによりマウス６１の内部空間の有効利用を図るためである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明に係るアンテナによれば、整合回路を設けることなく、輻射効率低下と帯域幅減少とを効率的に抑制可能である。さらに、そのようなアンテナを内蔵する移動体通信機によれば、アンテナが持つ高い輻射効率と広い帯域幅とにより、効率のよい通信が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るアンテナを搭載した通信基板の斜視図である。
【図２】図１に示す通信基板の平面図（ａ）、側面図（ｂ）及び底面図（ｃ）である。
【図３】チップアンテナ（給電素子）の斜視図である。
【図４】図３に示すチップアンテナの分解斜視図である。
【図５】給電素子と無給電素子の相対関係を示す平面図である。
【図６】アンテナの帯域特性を示す図表である。
【図７】アンテナの帯域特性を示す図表である。
【図８】無給電素子の変形例を示す底面図である。
【図９】無給電素子の変形例を示す底面図である。
【図１０】図５に示す給電素子と無給電素子の変形例を示す平面図である。
【図１１】アンテナを搭載した移動体通信機の正面図である。
【図１２】アンテナを搭載した移動体通信機の斜視図である。
【符号の説明】
１，２１　　　　　アンテナ
３，２３　　　　　アンテナチップ
５，２５　　　　　給電素子
７，２７　　　　　無給電素子
９　　　　　　　　誘電体基体
１１　　　　　　　　給電端子
１３　　　　　　　　線状導体
１５　　　　　　　　グランド端子
１７　　　　　　　　開放端
２６　　　　　　　　副給電素子
２８　　　　　　　　副無給電素子
１０１　　　　　　　　通信基板
１０３　　　　　　　　プリント配線板
１０５　　　　　　　　送受信モジュール
１０７　　　　　　　　コネクタ
Ｇ　　　　　　　　グランド[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an antenna in which a mobile communication device represented by a mobile phone, a portable wireless communication device, or the like is built.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art With the spread of mobile communication devices in recent years, there has been a demand for a reduction in size and weight so as to be convenient when carrying or moving. Among electronic component groups built into such mobile communication devices, miniaturization of semiconductor integrated circuits and the like is rapidly progressing.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to resonate the antenna, a ground (ground plate) having a size corresponding to the resonance frequency is required. It is difficult to secure. If the size of the ground is not sufficient, the impedance of the feed point impedance will be mismatched, so that the addition of a matching circuit is a necessary condition. However, the adjustment of the matching circuit is not always easy, so that the adjustment may not be performed well. In this case, the radiation efficiency may be reduced and the bandwidth may be reduced. It can be said that adding a matching circuit involves risks. The present invention has been made to improve this situation. That is, to provide an antenna capable of efficiently suppressing radiation efficiency reduction and bandwidth reduction without providing a matching circuit that is difficult to adjust in the flow of ground reduction, and a mobile communication device incorporating the antenna. Is the object of the present invention.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has solved the above-described problem by providing a loop-shaped parasitic element that does not supply the power in addition to the power supply element that supplies the high-frequency current. The details are explained in the section again. It should be noted that the definition of terms used in the description of the invention according to any one of the claims applies to the invention according to the other claims within the scope of its nature.
[0005]
(Characteristics of the invention described in claim 1)
The antenna according to the first aspect of the present invention includes a feed element to which a high-frequency current is fed, and a loop-shaped parasitic element disposed at a predetermined interval from the feed element. . The loop-shaped parasitic element includes both a closed loop and an open loop. The antenna according to claim 1 includes, in addition to a feed element that feeds a high-frequency current, a loop-shaped parasitic element that electromagnetically couples with the feed element and resonates at a resonance frequency. Large electrical volume. The larger the electrical volume, the higher the radiation efficiency of the antenna and the wider the bandwidth. That is, a reduction in radiation efficiency and a decrease in bandwidth are effectively suppressed.
[0006]
(Characteristics of the invention described in claim 2)
An antenna according to a second aspect of the present invention is the antenna according to the first aspect, wherein the parasitic element includes a detour. There are no restrictions on the shape or number of detours. Due to the presence of the detour, the parasitic element is longer than in the absence thereof. The longer the antenna becomes, the smaller the area occupied by the antenna when resonating at the same use frequency.
[0007]
(Characteristics of the invention described in claim 3)
An antenna according to a third aspect of the present invention is the antenna according to the first or second aspect, wherein the feed element and the parasitic element are provided on a single substrate (the same substrate). It is characterized by the following. Although the material of the substrate is not limited, a single-layer or laminated printed wiring board or ceramic plate is generally used. Even when both are provided on the same surface of a single substrate, or when one is provided on the surface and the other is provided inside the stack, both the feed element and the parasitic element are provided on the single substrate. If included. Since the two elements are provided on a single substrate, the once determined relative relationship between the two elements is maintained, thereby suppressing a reduction in radiation efficiency and a decrease in bandwidth due to a deviation in the relative relationship.
[0008]
(Characteristics of the invention described in claim 4)
An antenna according to the invention described in claim 4 is the antenna according to claim 3, wherein the feeding element is provided on one surface side of the substrate, and the parasitic element is provided on the other surface side of the substrate. It is characterized by being provided. That is, the parasitic element is arranged at a predetermined interval in the thickness direction of the substrate with respect to the feed element. By adjusting the substrate thickness, it is possible to set the distance between the feeding element and the parasitic element.
[0009]
(Characteristics of the invention described in claim 5)
An antenna according to a fifth aspect is the antenna according to any one of the first to fourth aspects, wherein the feed element is provided on a dielectric base made of a dielectric. The power supply element is generally formed by a method such as applying a conductive paste to a dielectric substrate. When the antenna is provided on a dielectric substrate having a higher relative dielectric constant than in air, the effect of shortening the parasitic element is generated, and the antenna itself is reduced in size by the shortened effect.
[0010]
(Characteristics of the invention described in claim 6)
An antenna according to a sixth aspect of the present invention is the antenna according to any one of the third to fifth aspects, wherein the parasitic element is formed in a pattern on the substrate. The power supply element may also be formed by pattern formation. By pattern formation, at least the selection range of the shape of the parasitic element becomes relatively easy. Therefore, it is easy to form a complicated element shape.
[0011]
(Characteristics of the invention described in claim 7)
An antenna according to a seventh aspect of the present invention is the antenna according to any one of the first to sixth aspects, wherein a transmitting / receiving module connected to the feed element is disposed in a region surrounded by the parasitic element. It is characterized. That is, the transmission / reception module is disposed in the courtyard portion of the parasitic element having the loop shape. Accordingly, it is not necessary to secure a special space for the transmission / reception module, and the antenna itself can be reduced in size accordingly.
[0012]
(Characteristics of the invention described in claim 8)
An antenna according to an eighth aspect of the present invention is the antenna according to any one of the first to seventh aspects, wherein a peripheral length of the parasitic element is a working wavelength λ or a half of the working wavelength λ. It is characterized in that it is formed to have a length substantially equal to 1. The term "almost equal" means that the length is slightly longer or shorter due to factors such as the difference between the closed loop and the open loop, the width of the parasitic element, the degree of electromagnetic field coupling with the feed element, and the like. And the case where they are completely the same without length. Further, this also includes a case in which a positive or negative reactance is loaded so as to be electrically formed substantially equal to the used wavelength λ or half thereof.
[0013]
(Characteristics of the invention described in claim 9)
An antenna according to a ninth aspect of the present invention is the antenna according to any one of the first to eighth aspects, wherein the feeding element and the parasitic element are configured to be operable at multiple frequencies (multibands). It is characterized by having. The multi-frequency includes, for example, both the case where the operation is performed at two frequencies and the case where the band is widened and the case where the operation is performed with the dual band. That is, if the difference between the first frequency and the second frequency is set to such an extent that the center frequencies of the two are slightly shifted, the former and the latter can be broadened together. Further, when the operating frequencies are sufficiently different from each other to make the first frequency and the second frequency independent, a dual band can be realized.
[0014]
(Characteristics of the invention described in claim 10)
A mobile communication device according to a tenth aspect of the present invention includes the antenna according to any one of the first to ninth aspects. As described above, these antennas have a high radiation efficiency and a wide bandwidth, so that efficient communication can be realized by using a mobile communication device including the antenna.
[0015]
(Characteristics of the invention described in claim 11)
The mobile communication device according to the invention described in claim 11 is the mobile communication device according to claim 10, wherein the mobile communication device is a personal computer and / or a mouse. The mobile communication device is not limited to a personal computer and a mouse, but includes mobile phones and other mobile communication devices. If at least one, and preferably both, of the personal computer and the mouse incorporate the antennas of claims 1 to 8, an efficient wireless (wireless) mouse system can be constructed due to its high radiation efficiency and wide bandwidth. .
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view of a communication board on which the antenna according to the present embodiment is mounted. FIG. 2 is a plan view (a), a side view (b), and a bottom view (c) of the communication board shown in FIG. FIG. 3 is a perspective view of the chip antenna. FIG. 4 is an exploded perspective view of the chip antenna (feeding element) shown in FIG. FIG. 5 is a plan view showing the relative relationship between the feeding element and the parasitic element. 6 and 7 are tables showing band characteristics of the antenna. 8 and 9 are bottom views showing modified examples of the parasitic element. FIG. 10 is a plan view showing a modified example of the feed element and the parasitic element shown in FIG. 11 and 12 are a front view and a perspective view of a mobile communication device equipped with an antenna.
[0017]
(Schematic structure of communication board)
1 and 2, reference numeral 101 denotes a communication board 101. The communication board 101 includes a printed wiring board 103, a transmitting / receiving module 105 provided on a mounting surface 103a thereof, an antenna chip 3 described later, and a connector 107 provided on the mounting surface 103b. The printed wiring board 103 is a rectangular substrate made of a synthetic resin, ceramic, or the like. The printed wiring board 103 may be a single-layer body or a laminated body. However, in the present embodiment, for simplicity of description, unless otherwise specified, the printed wiring board 103 is described on the assumption that the printed wiring board 103 is a single-layer body. A pattern (not shown) for electrically connecting the antenna chip 3 and the transmission / reception module 105 is formed on the mounting surface 103a, and a sufficient space for forming a parasitic element described later is formed. I have. The transmission / reception module 105 is configured to be electrically connectable to a mobile communication device (not shown) via a connector 107 on the mounting surface 103b. The transmission / reception module 105 is a module for transmitting / receiving a radio wave via the antenna chip 3.
[0018]
(Antenna structure)
The structure of the antenna will be described with reference to FIGS. The antenna 1 includes a feed element 5 formed on the antenna chip 3 and a parasitic element 7 formed on the mounting surface 103b of the printed wiring board 103. As shown in FIGS. 3 and 4, the antenna chip 3 includes a dielectric substrate 9 in which an insulating upper substrate 9a and a lower substrate 9b made of a dielectric ceramic material are laminated. Since the upper substrate 9a and the lower substrate 9b are formed in a rectangle (rectangle) of the same size when viewed in a plan view, the dielectric substrate 9 formed by laminating the two has a rectangular parallelepiped shape. The front surface of the upper surface of the lower substrate 9b (the surface facing the upper substrate 9a) forms an antenna forming surface 9c for forming an antenna. Since the lower substrate 3b is rectangular, the antenna forming surface 9c is also rectangular (rectangular). The reason why the dielectric substrate 9 is made of a dielectric ceramic material is to make use of the fact that the relative permittivity of the material is relatively high and to shorten the length of the feed element 5 by using the high dielectric constant. . The reason why the dielectric substrate 9 is formed of a laminate is that it is preferable to cover the power supply element 5 and the like formed on the lower substrate 9b with the upper substrate 9a in order to protect the power supply element 5 and the like. Although the dielectric substrate 9 has a two-layer structure, the upper substrate 3 may be omitted to have a single-layer structure. Further, another layer substrate may be further laminated to form a structure of three or four or more layers. The reason why the dielectric substrate 9 is formed in the shape of a rectangular parallelepiped is to make it easy to take a large number of pieces by so-called dicer cutting or wire cutting, and it is needless to say that the dielectric substrate 9 can be formed in other shapes.
[0019]
(Configuration of feeding element)
As shown in FIGS. 3 to 5, on the antenna forming surface 9c, a linear feed element 5 extending along the outer periphery of the antenna forming surface 9c is formed. It is convenient to form the power supply element 5 by applying a conductive paste, and it is preferable to leave a margin between the outer circumference and a margin for absorbing the formation deviation at that time. The base end 5 a of the power supply element 5 is connected to a power supply terminal 11 formed on an end surface of the dielectric substrate 9. The linear conductor 13 branched from the branch point 5b near the base end 5a is connected to the ground G via the ground terminal 15. This is for performing impedance matching at the base end 5a which is a feeding point. The power supply terminal 11 and the ground terminal 15 are generally formed by applying a conductive paste to the end surface of the dielectric substrate 9.
[0020]
The feeding element 5 is formed to have a length (1/4 wavelength) capable of resonating in the 2.4 GHz band that is the first frequency (first frequency band), and shifts the position of the open end 17 in the left-right direction in FIG. In other words, the resonance frequency is adjusted by adjusting the total length of the feed element 5. When resonating to a frequency higher than the 2.4 GHz band, the effective length of the feed element 5 should be moved in the direction of shortening the effective length. Conversely, when resonating to a frequency band lower than the first frequency, the effective length should be moved in the same direction. Good. The 2.4 GHz band is set as the first frequency because the same frequency is currently used for a wireless LAN or the like, and another frequency (for example, 2.0 GHz, 5.0 GHz) is used as necessary. It does not prevent setting. In FIG. 2, the reason why the length of the feed element 5 is shorter than the circumference of the parasitic element 7 is that the latter is provided on the dielectric substrate 9 having a high relative dielectric constant (see FIGS. 3 and 4). This is because the feed element 5 is shortened by the dielectric constant.
[0021]
(Structure of parasitic element)
The structure of the parasitic element will be described with reference to FIGS. The parasitic element 7 is formed in a closed rectangular loop shape that circulates substantially along the outer periphery of the mounting surface 103b of the printed wiring board 103. The formation is generally performed by etching the mounting surface 103b. It can also be performed by applying a conductive paste. When the printed wiring board 103 is a multilayer board, the parasitic element 7 may be formed on the surface of the intermediate layer. The circumference of the parasitic element 7 is set to a length substantially equal to the working wavelength λ of the feed element 5. This peripheral length may be completely equal to the used wavelength λ. However, in general, the perimeter may be slightly larger depending on the width of the parasitic element 7, the positional relationship with the feed element 5, and the degree of electromagnetic field coupling between them. Pros and cons occur. The degree of electromagnetic field coupling is determined by the relative dielectric constant of a substance interposed between the two. For this reason, it is difficult to change the relative dielectric constant itself when manufacturing the antenna 1, and it is more convenient to adjust the width dimension of the parasitic element 7 and the interval with the feed element 5 to appropriate values. In the present embodiment, the distance D shown in FIG. 4 is adjusted by adjusting the thickness of the dielectric substrate 9 and the thickness of the printed wiring board 103. As the distance D increases, the degree of coupling between the feed element 5 and the parasitic element 7 decreases, and conversely, as the distance D decreases, the strength increases. Since the parasitic element 7 is not an element that directly supplies a high-frequency current, there is no need to consider the feed point impedance. Therefore, no special matching circuit is required for providing the parasitic element 7. Since no matching circuit is required, there is no reduction in radiation efficiency or bandwidth due to matching failure that would occur if such a circuit were provided. Note that the peripheral length of the parasitic element 7 can be set to be substantially equal to one half of the working wavelength λ. This is because, similarly to the case where the wavelength is substantially equal to the use wavelength λ, the resonance can be performed at the use frequency when the value is substantially equal to one half thereof.
[0022]
The reason why the parasitic element 7 is formed in the shape of a rectangular loop is to effectively utilize the rectangular mounting surface 103b by forming it in such a manner. That is, the printed wiring board 103 having the mounting surface 103b is installed in the mobile communication device, but the space for installing the printed wiring board 103 is limited due to the demand for miniaturization of the mobile communication device. . Therefore, in order to effectively use the minimum occupied area (occupied volume), a rectangle (square) is considered to be most preferable. If there is ample space for installation, or if there are special circumstances in which a shape other than a rectangle should be selected, a loop other than a rectangle, such as a circle or a triangle, may be formed in accordance with the space shape. Is also possible.
[0023]
When the antenna 1 is used in the 2.4 G band, for example, the circumference of the parasitic element 7 is about 12 cm at 1λ and about 6 cm at 1 / 2λ. In this case, when the mounting surface 103b of the printed wiring board 103 cannot secure a peripheral length of about 12 cm, for example, because the mounting destination does not have a sufficient space, the following method is not sufficient. Refill the length. First, there is a method in which a parasitic element having a peripheral length shorter than the required peripheral length is loaded with a positive reactance, thereby forming a peripheral length substantially around 12 cm (1λ). Secondly, as in the parasitic element 7 'shown in FIG. 8, there is a method in which one or two or more detours 7'a are provided in the middle and the perimeter is extended by this detour. Further, like a parasitic element 7 ″ shown in FIG. 9, it may be formed in a loop shape with an open end. The peripheral length of the parasitic element 7 ″ may be approximately equal to the used wavelength λ, or may be approximately equal to half the used wavelength λ.
[0024]
(Experimental result 1)
With reference to FIG. 6, an experimental result of a bandwidth change depending on the presence or absence of a parasitic element will be described. The antenna with the parasitic element used in the experiment is the antenna 1 itself (peripheral length of the parasitic element 7: approximately 1λ) shown in FIG. 2, and the antenna without the parasitic element is obtained by removing the parasitic element from the antenna. This is an antenna configured only with a feed element. The vertical axis of the chart shown in FIG. 7 indicates VSWR, and the horizontal axis similarly indicates frequency. Further, the frequency is shown from 1.95 GHz to 2.95 GHz on a scale of 100 MHz. Here, the bands below VSWR2 will be compared. In the case of the antenna without the parasitic element shown by the dashed line, VSWR2 or less was obtained in the range of about 2.30 to 2.40 GHz of about 0.1 GHz (100 Mz) with a peak around 2.35 GHz. On the other hand, in the case of the antenna with the parasitic element shown by the solid line, VSWR2 or less was obtained in a range of about 0.220 to 2.40 GHz (about 0.2 GHz (200 MHz)) with a peak around 2.25 GHz. As can be understood from the results, the band below VSWR2 in a certain case is almost doubled in comparison with the case where there is no parasitic element, and it was confirmed that the usable band was widened. This is presumably because the provision of the parasitic element 7 increases the electrical volume of the antenna 1 as compared to the case where the parasitic element 7 is not provided, thereby improving the radiation efficiency and contributing to a wider band.
[0025]
(Experimental result 2)
With reference to FIG. 7, an experimental result of a change in bandwidth according to the length of the parasitic element will be described. The antenna used in the experiment is the antenna 1 shown in FIG. 2, and in this experiment, the perimeter of the parasitic element 7 was changed. That is, in this experiment, the bandwidths of the case where the peripheral length of the parasitic element 7 is substantially equal to the used wavelength λ and the case where the peripheral length of the parasitic element 7 is substantially equal to one half of the used wavelength λ while the feed element 5 is kept as it is are shown. Changes were observed. The vertical axis of the chart shown in FIG. 8 indicates VSWR, and the horizontal axis similarly indicates frequency.
Further, the frequency is shown from 1.00 GHz to 3.00 GHz on a scale of 200 MHz. Here, the bands below VSWR2 will be compared. The 1λ parasitic element indicated by the broken line shows VSWR2 or less at two places around 1.7 GHz and around 2.40 GHz, which indicates that the parasitic element can function as a dual band antenna. In the case of the １／ λ parasitic element shown by the solid line, VSWR2 or less was obtained in a wide range of about 0.4 GHz (400 Mz) of about 2.00 to 2.40 GHz.
[0026]
(Modification of this embodiment)
A modification of the present embodiment will be described with reference to FIG. The present embodiment differs from the present embodiment shown in FIGS. 2 to 4 in that, as means for widening the band, sub-elements are provided in both the feeding element and the parasitic element. The following description will be made only on different points, and the description of the same points will be omitted. In addition, about the member which is common in this embodiment and this modification, the same member name as the member name used in this embodiment is used.
[0027]
That is, the antenna 21 shown in FIG. 10 is provided with a feed element 25 (corresponding to the feed element 5 of the present embodiment) and a sub feed element 26 on an antenna chip 23 having a dielectric as a base. The sub-feeding element 26 is formed so as to branch from a branch point 25 a in the middle of the feeding element 25 and resonate at a frequency slightly higher than the resonance frequency of the feeding element 25. As a result, the frequency band of the sub-feed element 26 overlaps the frequency band of the feed element 25 alone, so that the frequency band is widened as compared with the former case. On the other hand, on the surface of the printed wiring board 103, a parasitic element 27 (corresponding to the parasitic elements 7, 7 ', 7''of the present embodiment) is formed. Further, the printed wiring board 103 has a multilayer structure, and a sub parasitic element 28 indicated by a broken line is formed on an upper surface of an intermediate layer constituting the multilayer structure. The peripheral length of the parasitic element 27 is formed so as to be substantially equal to the working wavelength of the feed element 25, and the peripheral length of the sub parasitic element 28 is formed to be substantially equal to the working wavelength of the sub feed element 26. The reason is as described in the parasitic element 7 of the present embodiment. The antenna 21 having both the sub-feeding element 26 and the sub-parasitic element 28 achieves a wider band than the antenna 1 of the present embodiment due to the function of these sub-elements.
[0028]
(Example of antenna use)
An example of using an antenna will be described with reference to FIGS. In FIG. 11, reference numeral 51 denotes a small computer which is an example of a mobile communication device. The small computer 51 includes a display unit 55 that opens and closes with respect to the main body 53. The display unit 55 has a built-in antenna 1 at its upper part, and is configured to be able to wirelessly communicate with another communication device via the antenna 1. Here, as another communication device, for example, there is another computer (not shown) equipped with a communication function, and a mouse with a communication function described below. The former example can be used as a wireless LAN (LOCAL AREA NETWORK) or the like. The latter example allows the construction of a wireless mouse system. Other examples of the mobile radio communication device include a mobile phone, a PDA (PERSONAL DIGITAL AID), and an amateur / business radio device.
[0029]
Reference numeral 61 in FIG. 12 indicates a mouse with a communication device function. The mouse 61 has a built-in antenna 1 ′ therein, and the antenna 1 ′ includes a feeding element (antenna chip) 63 and a parasitic element 65. The parasitic element 65 is provided in parallel with the feed element 63 with a predetermined interval therebetween, and the electromagnetic field coupling between the two can be adjusted by adjusting the predetermined interval. The parasitic element 65 in this modification is configured in a circular loop shape. This is for the purpose of effectively utilizing the internal space of the mouse 61 by installing the parasitic element 65 so as to surround the mouse ball 67.
[0030]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the antenna which concerns on this invention, a radiation efficiency fall and a bandwidth fall can be suppressed efficiently, without providing a matching circuit. Further, according to the mobile communication device incorporating such an antenna, efficient communication is realized by the high radiation efficiency and the wide bandwidth of the antenna.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a communication board on which an antenna according to an embodiment is mounted.
FIG. 2 is a plan view (a), a side view (b), and a bottom view (c) of the communication board shown in FIG.
FIG. 3 is a perspective view of a chip antenna (feeding element).
FIG. 4 is an exploded perspective view of the chip antenna shown in FIG.
FIG. 5 is a plan view showing a relative relationship between a feed element and a parasitic element.
FIG. 6 is a table showing band characteristics of an antenna.
FIG. 7 is a table showing band characteristics of an antenna.
FIG. 8 is a bottom view showing a modification of the parasitic element.
FIG. 9 is a bottom view showing a modification of the parasitic element.
FIG. 10 is a plan view showing a modified example of the feeding element and the parasitic element shown in FIG.
FIG. 11 is a front view of a mobile communication device equipped with an antenna.
FIG. 12 is a perspective view of a mobile communication device equipped with an antenna.
[Explanation of symbols]
1, 21 Antenna 3, 23 Antenna Chip 5, 25 Feed Element 7, 27 Feed Element 9 Dielectric Substrate 11 Feed Terminal 13 Linear Conductor 15 Ground Terminal 17 Open End 26 Sub Feed Element 28 Sub Feed Element 101 Communication Board 103 Printed wiring board 105 Transmission / reception module 107 Connector G Ground

Claims

A feed element to which a high-frequency current is fed,
An antenna comprising: the feed element; and a loop-shaped parasitic element disposed at a predetermined interval.

The antenna according to claim 1, wherein the parasitic element includes a detour.

The antenna according to claim 1, wherein the feed element and the parasitic element are provided on a single substrate.

The antenna according to claim 3, wherein the feed element is provided on one surface side of the substrate, and the parasitic element is provided on the other surface side of the substrate.

The antenna according to any one of claims 1 to 4, wherein the feed element is provided on a dielectric substrate made of a dielectric.

The antenna according to claim 3, wherein the parasitic element is formed in a pattern on the substrate.

The antenna according to claim 1, wherein a transmission / reception module connected to the feed element is arranged in a region surrounded by the parasitic element.

The antenna according to any one of claims 1 to 7, wherein a peripheral length of the parasitic element is formed to have a length substantially equal to a used wavelength λ or a half of the used wavelength λ. .

The antenna according to any one of claims 1 to 8, wherein the feed element and the parasitic element are configured to be operable at multiple frequencies.

A mobile communication device comprising the antenna according to any one of claims 1 to 9.

The mobile communication device according to claim 10, wherein the mobile communication device is a personal computer and / or a mouse.