JP2004282250A - アンテナ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単にインピーダンスマッチングを実施可能とし、機器側の設計変更等に柔軟に対応可能とする。
【解決手段】ベースとなる基板にアンテナパターンが形成されてなるアンテナ素子において、基板上にアンテナパターンのインピーダンスマッチングを行うマッチング素子を実装する。アンテナ素子の作製に際しては、理論式に基づいてアンテナパターンを設計した後、マッチング素子を含めたアンテナ素子全体のインピーダンスをコンピュータシミュレーションする。設計工程において設計されたアンテナパターンとマッチング素子用のランド部とをプリント回路形成工程により同時に形成し、マッチング素子を実装する。マッチング素子の特性を合わせ込むことにより、インピーダンスマッチングを取る。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上にアンテナパターンを形成したチップ状のアンテナ素子及びその製造方法に関するものであり、特に、インピーダンスマッチング技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば携帯電話等の移動体通信機や、いわゆるＩＥＥＥ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）８０２．１１規格の無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等、各種無線技術の開発が進められている。そして、これに伴い、無線通信を行うためのアンテナ素子に関する技術も開発されている。
【０００３】
アンテナ素子は、無線通信を行うために必然的に設けられる部材であり、例えば円柱状の誘電体に放射電極や表面電極等を形成したものが知られている。この種のアンテナ素子は、通信機本体の外部に設置されて用いられるのが一般的である。
【０００４】
しかしながら、外部に配設して用いるタイプのアンテナ素子では、小型化の妨げとなること、高い機械的強度が要求されること、部品点数の増加を招くこと等が問題になる。そこで、これに替わるアンテナ素子として、例えば機器本体内に設けられたプリント配線基板等に表面実装し得るチップ状のアンテナ素子（いわゆるチップアンテナ）が提案されている。
【０００５】
ところで、この種のチップアンテナでは、実装される機器の構成や取り付け位置等に応じてインピーダンスの整合（インピーダンスマッチング）を行う必要がある。チップアンテナでは、グランドの形状、機器の筐体の形状等、周囲の状況が変わるたびにインピーダンスマッチングの必要があり、インピーダンスマッチングを行わないと所望の特性を得ることができない。
【０００６】
チップアンテナのインピーダンスを整合する手法としては、基本的にはアンテナパターンの設計変更、例えばアンテナパターンの長さや幅の変更が挙げられるが、アンテナパターンの設計変更には多大な労力を要し、特に実装対象となる機器が多種多様に亘るような場合、その都度アンテナパターンの設計変更を行うことは現実的ではない。
【０００７】
そこで、アンテナパターンの基本設計はそのままに、インピーダンスマッチングを行う試みがなされている（例えば、特許文献１等を参照）。この特許文献１記載の技術では、インピーダンスの整合を行うためのインピーダンス調整導体を設け、これを変更することでインピーダンスの調整を行っている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２７１１２９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１記載の技術のようにインピーダンス調整導体によってインピーダンスマッチングを行う方法では、結局のところパターンの設計変更による対応ということになり、アンテナパターンの設計変更の場合と同様、インピーダンス調整導体の設計変更に多大な労力を要することになり、また、多種多様な機器側の設計変更等に対して柔軟な対応は難しい。
【００１０】
そこで本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、簡単にインピーダンスマッチングを行うことができ、機器側の設計変更等に柔軟に対応し得るアンテナ素子を提供することを目的とし、さらにはその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明のアンテナ素子は、ベースとなる基板にアンテナパターンが形成されてなるアンテナ素子において、前記基板上にアンテナパターンのインピーダンスマッチングを行うマッチング素子が実装されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のアンテナ素子の製造方法は、理論式に基づいてアンテナパターンを設計した後、マッチング素子を含めたアンテナ素子全体のインピーダンスをシミュレーションする設計工程と、前記設計工程において設計されたアンテナパターンとマッチング素子用のランド部とをプリント回路形成工程により同時に形成するパターニング工程と、前記ランド部に前記シミュレーション結果に応じた特性を有するマッチング素子を実装する素子実装工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
本発明のアンテナ素子では、パターンの設計変更によりインピーダンスマッチングを行うのではなく、アンテナパターンはそのままに、マッチング素子によりインピーダンスマッチングを行う。したがって、パターンの設計変更に伴う多大な労力は不要である。また、特性の異なるマッチング素子を複数用意しておけば、例えばこれらの組み合わせにより機器側の多様な設計変更に応じて柔軟にインピーダンスマッチングを行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用したアンテナ素子及びその製造方法について、図面を参照して説明する。
【００１５】
本発明は、チップアンテナ全般に適用可能であり、したがって、対象となるアンテナ素子としては、ミアンダ、ループ、ヘリカル、逆Ｆ等のアンテナパターンを有する基板アンテナ、フィルムアンテナ、セラミックアンテナ、樹脂モールドアンテナ等を挙げることができる。
【００１６】
図１は、本発明を基板にプリント基板を用いたチップ状のアンテナ素子（いわゆる基板アンテナ）に適用した例を示すものである。このチップ状のアンテナ素子１では、ベース基材となる基板２上にアンテナパターン３が導体パターンとしてパターニング形成されている。
【００１７】
上記基板２には、プリント配線基板の基材として一般に用いられるものであれば、いずれも使用可能である。具体的には、紙フェノール基板（ＸＸＰ、ＸＰＣ等）、紙ポリエステル基板（ＦＲ−２）、紙エポキシ基板（ＦＲ−３）、ガラス紙コンポジットエポキシ基板（ＣＥＭ−１）、ガラス不織紙コンポジットエポキシ基板（ＣＨＥ−３）、ガラス布エポキシ基板（Ｇ−１０）、ガラス布エポキシ基板（ＦＲ−４）等を挙げることができる。なお、括弧内の記号は、米国電気製造業者協会（ＮＥＭＡ）記号である。これらの中で、吸湿性や寸法変化が少なく、自己消炎性を持つガラス布エポキシ基板（ＦＲ−４）等が好適である。
【００１８】
上記アンテナパターン３は、例えば上記基板２上に積層された銅箔をフォトリソ技術によってパターニング（エッチング）することにより形成することができ、他の電極パターン等と同時に形成することができる。アンテナパターン３の種類としては、先にも述べたように任意の形状のものを採用することができ、例えば導体を逆Ｆ字状に形成したいわゆる逆Ｆ型アンテナや、導体をコイル状に形成したいわゆるヘリカルアンテナ、ミアンダ状アンテナ、線状アンテナ等を挙げることができる。ここでは、蛇行状ラインとしたミアンダ状のアンテナパターンとしている。
【００１９】
上述のように、例えば両面に銅箔を有するプリント配線基板を用いてチップ状のアンテナ素子１を形成することによって、アンテナ素子の小型化、薄型化が容易になり、また製造コストの削減にも繋がる。
【００２０】
この種のアンテナ素子は、様々な機器内に実装され、また実装場所も設計変更等に伴って種々変更になる。このため、周囲の状況に応じてアンテナ素子１のインピーダンスマッチングを行う必要がある。そこで、本例のアンテナ素子１では、図中右端側の領域をマッチング素子実装領域とし、ここにアンテナパターン３の形成と同時にマッチング素子用のランド部を形成し、本例では３つのマッチング素子４，５，６を実装するようにしている。
【００２１】
本例のアンテナ素子１では、アンテナパターン３の右端の端子部７が給電端であり、ここに電源８が接続される。一方、アンテナパターン３は、外部からの高周波信号を受信する。すなわち、アンテナパターン３は、高周波信号源となる。したがって、本例のアンテナ素子１では、給電端と高周波信号源の間にマッチング素子４，５，６が置かれることになる。
【００２２】
マッチング素子４，５，６は、アンテナ素子１のインピーダンスマッチングを行い得るものであれば如何なるものであってもよいが、通常は、チップコンデンサやチップインダクタが用いられる。図２は、マッチング素子４，６にチップインダクタを用い、マッチング素子５にチップコンデンサを用いた場合のインピーダンスマッチング回路の構成を示す回路図である。チップインダクタであるマッチング素子４はアンテナパターン３に接続され、マッチング素子６は、マザー基板実装時に給電端である端子部７を介して電源８に接続される。チップコンデンサであるマッチング素子５は、一方の端子がマッチング素子４とマッチング素子６の間に接続される。他方の端子は、マザー基板実装時に接地される。
【００２３】
上記回路構成のインピーダンスマッチング回路において、チップコンデンサであるマッチング素子５の容量値や、チップインダクタであるマッチング素子４，６のインダクタンス値を選定することで、アンテナ素子１のインピーダンスマッチングが図られ、例えば給電端への入力インピーダンスとして一般的な約５０Ωに調整することができる。
【００２４】
なお、上記インピーダンスマッチング回路の構成としては、図２に示すものに限らず、種々の変更が可能であり、またマッチング素子の数も３つに限らるものではない。例えば、図２に示すインピーダンスマッチング回路において、マッチング素子６は、場合によっては省略することが可能である。
【００２５】
本例のアンテナ素子１において、上述のインピーダンスマッチングは、コンピュータによるシミュレーション結果に基づいて行うことが効率的である。すなわち、アンテナ素子１を構成する基板２やアンテナパターン３，マッチング素子のランド部、マッチング素子の特性等を含めてインピーダンスマッチングをシミュレーションする。このシミュレーション結果に基づいてアンテナパターン３を設計し、マッチング素子を実装する。このようにして作製したアンテナ素子１についてインピーダンスを測定し、定格値から相違してズレが生じている場合には、実装するマッチング素子の特性を変更して実装し直し、インピーダンスを合わせ込む。
【００２６】
上述のように、本例のアンテナ素子では、アンテナパターン３のパターン変更や、その他パターンのパターン変更は必要なく、マッチング素子の選定だけでインピーダンスマッチングを図ることができる。したがって、多大な労力を要するパターンの設計変更が不要となり、簡単にインピーダンスマッチングを実施することが可能である。
【００２７】
ところで、マッチング素子を用いてインピーダンスマッチングを行う場合、本例のようにアンテナ素子１の基板２上にこれらマッチング素子を実装する他、アンテナ素子１が実装されるマザー基板にアンテナ素子１に近接してマッチング素子を実装することも考えられる。この場合にも実装するマッチング素子を選択することでインピーダンスを合わせ込むことが可能である。
【００２８】
しかしながら、マザー基板にマッチング素子を実装する場合には、機器のマザー基板の基板設計に変更を強いることになり、機器側に大きな制約を与えることになる。また、マッチング素子の実装スペースも、アンテナ素子と接続される端子部が必要であること、マッチング素子のアンテナ素子とが衝突するのを避けるためにある程度の距離を持たせる必要があること等から、実装面積の拡大に繋がる虞れがある。さらに、アンテナ素子とマザー基板の両者を考慮してマッチングを行う必要があり、個々に設計しても必ずしもインピーダンスマッチングが取れるとは限らない。
【００２９】
これに対して、本発明のようにアンテナ素子１の基板２上にマッチング素子を取り込むことで、設計段階でマッチングを考慮したコンピュータシミュレーションが効率良く行うことができ、また実装面積を削減することができる。したがって、本発明は、マザー基板にマッチング素子を実装する場合に比べて遙かに有利であると言える。
【００３０】
次に、本発明を適用したアンテナ素子の他の例について説明する。本例は、アンテナ素子の基板にマッチング素子実装領域を設けず、アンテナパターン内に直接マッチング素子を実装するようにした例である。先の例では、マッチング素子４，５，６を実装するためのマッチング素子実装領域を基板１上に設けており、僅かではあるがアンテナ素子１の基板サイズを拡大している。本例では、このようなマッチング素子実装領域は不要であり、アンテナ素子のサイズを拡大する必要は全くない。
【００３１】
図３に、本例のアンテナ素子１１を示す。このアンテナ素子１１も、先の例と同様、ベース基材となる基板１２上に導体パターンであるアンテナパターン１３がパターニング形成されている。本例のアンテナ素子１１では、アンテナパターン１３はミアンダ状ではなく、２本の折り返しパターン１４，１５を有する線状アンテナとして形成されている。これら２本の折り返しパターン１４，１５の中央に直線パターン１６が設けられている。
【００３２】
ここで、アンテナパターン１３の直線パターン１６は、中途部で分断されており、この分断された部分にマッチング素子を実装するためのランド部１６ａ，１６ｂが形成されている。また、直線パターン１６の分断された一方と折り返しパターン１４の対向部分、及び直線パターン１６の分断された他方と折り返しパターン１４の対向部分に、それぞれランド部１４ａ，１６ｃ及びランド部１４ｂ，１６ｄが形成されている。そして、マッチング素子１７，１８，１９が、前記ランド部１６ａ，１６ｂ間、あるいはランド部１４ａ，１６ｃ間、ランド部１４ｂ，１６ｄ間を接続する形で実装されている。アンテナパターン１３の表面は、通常、絶縁保護膜によって覆われているが、前記ランド部１４ａ，１４ｂ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄにおいては、この絶縁保護膜が一部取り除かれて開口部が形成されており、ここにマッチング素子１７，１８，１９が実装されている。
【００３３】
本例のアンテナ素子１１においても、先の例と同様、マッチング素子の選定だけでインピーダンスマッチングを図ることができ、簡単にインピーダンスマッチングを実施することが可能である。また、本例のアンテナ素子１１では、アンテナパターン１３形成領域中にこれらマッチング素子１７，１８を実装するようにしているので、マッチング素子１７，１８を実装するための特別な実装領域を設ける必要がなく、したがって、アンテナ素子１１、さらにはアンテナ素子１１が実装される機器等を小型化する上で有利である。
【００３４】
なお、本例では、アンテナパターン１３を線状アンテナとしたが、例えばミアンダ状アンテナ等においても、同様の構成を採用することができる。すなわち、ミアンダ状アンテナの場合にも、ミアンダの中途に分断部を設け、ここを繋ぐ形でマッチング素子を実装すればよい。
【００３５】
次に、本発明のアンテナ素子の作製プロセスについて説明する。図４は、アンテナ素子の作製プロセスにおける工程フローを示すものである。本作製プロセスでは、予めコンピュータによるシミュレーション結果に基づいてアンテナパターン等を形成した後、マッチング素子の特性（容量やインダクタンス等）を選定することによりインピーダンスマッチングを行っている。
【００３６】
アンテナ素子を作製するには、先ず、ステップＳ１において、理論式に基づいてアンテナパターンを設計する。設計するアンテナパターンは、ミアンダ状アンテナ、線状アンテナ等、任意である。
【００３７】
次いで、ステップＳ２において、コンピュータによるシミュレーションを行う。このコンピュータシミュレーションに際しては、先に理論式に基づいて設計されるアンテナパターンのデータの他、他の要素、例えば基板材料の誘電率や基板の大きさ、マッチング素子のランド部やマッチング素子自体に関するデータ等を取り込み、これらを含めた領域についてインピーダンスをコンピュータシミュレーションする。
【００３８】
このとき用いるシミュレーションの手法としては、例えば有限要素法、ＦＤＴＤ法、境界要素法、モーメント法、伝送線路法（ＴＬＭ法）等を挙げることができ、これらの中から適宜選定して実施すればよい。これらの中では、３次元解析が可能であること、広い周波数帯域を短時間で解析できること等の理由により、ＴＬＭ法が最適である。
【００３９】
前記コンピュータシミュレーションの後、シミュレーション結果に基づきアンテナパターンやマッチング素子用のランド部を形成する（ステップＳ３）。これらアンテナパターンやマッチング素子用のランド部は、プリント印刷回路形成工程に準じて形成することができ、前記シミュレーション結果に基づいて同時に形成する。
【００４０】
プリント印刷回路形成工程によりアンテナパターンを形成するには、基板の両面に銅箔を貼った両面銅張り基板を用意し、銅箔をパターニングして例えばミアンダ状、あるいは線状等の導体パターンを形成する。銅箔のパターニングは、通常のフォトリソ技術によって行えばよい。すなわち、銅箔上にフォトレジスト層を形成し、これを露光、現像してパターニングすることによりレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとして銅箔をエッチングする。エッチングは、例えばウエットエッチングにより行う。アンテナパターン形成の際に、マッチング素子用のランド部も同時に形成する。
【００４１】
上記プリント印刷回路形成工程は、集合基板の状態で一括して行う。この集合基板の状態で、引き続きマッチング素子実装工程を行う（ステップＳ４）。マッチング素子実装工程では、先のコンピュータシミュレーション結果に基づいて、所定の特性のマッチング素子を実装する。
【００４２】
マッチング素子実装後、集合基板を個々のアンテナ素子に分割し、機器本体のマザー基板に実装してインピーダンスの測定を行う（ステップＳ５）。前記測定の結果、インピーダンスのマッチングが取れていれば、アンテナ素子の作製は完了である。前記測定の結果、所望のインピーダンスとは相違しズレが生じている場合には、先のステップＳ４に戻り、マッチング素子を実装し直す。このとき、インピーダンスがマッチングするように、各マッチング素子の特性（チップコンデンサの容量やチップインダクタのインダクタンス等）を選定し、インピーダンスの合わせ込みを行う。これを必要に応じて何度か繰り返し、実装される機器に対するインピーダンスマッチングを図る。
【００４３】
図５に、このようなインピーダンスマッチングを図ったアンテナ素子をインピーダンスマッチングの対象となる機器筐体内に入れた場合と、機器筐体の外に置いた場合のＶＳＷＲ特性を示す。５．２ＧＨｚ（５ＧＨｚ帯無線ＬＡＮの中心周波数）において、機器筐体内に入れた場合、ＶＳＷＲが低くなっており、マッチングされている状態であることがわかる。これに対して、機器筐体の外に置いた場合には、ＶＳＷＲが高くなっており、マッチングされていない状態となっている。
【００４４】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明によれば、マッチング素子の実装により簡単にインピーダンスマッチングを行うことができ、機器側の設計変更等に柔軟に対応することが可能である。また、マッチング素子を実装するスペースも僅かなもので済み、アンテナ素子の小型化、ひいてはこれを実装する機器の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したアンテナ素子の一例を示す平面図である。
【図２】マッチング素子によるインピーダンスマッチング回路の回路構成を示す回路図である。
【図３】本発明を適用したアンテナ素子の他の例を示す平面図である。
【図４】アンテナ素子の作製プロセスを示すフロー図である。
【図５】インピーダンスマッチングを図ったアンテナ素子をインピーダンスマッチングの対象となる機器筐体内に入れた場合と、機器筐体の外に置いた場合のＶＳＷＲ特性の相違を示す特性図である。
【符号の説明】
１，１１ アンテナ素子
２，１２ 基板
３，１３ アンテナパターン
４，５，６，１７，１８ マッチング素子

Claims (7)

1. ベースとなる基板にアンテナパターンが形成されてなるアンテナ素子において、
   前記基板上にアンテナパターンのインピーダンスマッチングを行うマッチング素子が実装されていることを特徴とするアンテナ素子。
2. 前記基板上の素子実装領域に前記マッチング素子が実装されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ素子。
3. 前記アンテナパターンが分断されたパターン分断部を有するとともに、このパターン分断部において、分断されたアンテナパターン間を接続する形で前記マッチング素子が実装されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ素子。
4. 前記マッチング素子は、チップコンデンサ及びチップインダクタであることを特徴とする請求項１記載のアンテナ素子。
5. 前記アンテナパターンがミアンダ状アンテナ、または線状アンテナであることを特徴とする請求項１記載のアンテナ素子。
6. 理論式に基づいてアンテナパターンを設計した後、マッチング素子を含めたアンテナ素子全体のインピーダンスをシミュレーションする設計工程と、
   前記設計工程において設計されたアンテナパターンとマッチング素子用のランド部とをプリント回路形成工程により同時に形成するパターニング工程と、
   前記ランド部に前記シミュレーション結果に応じた特性を有するマッチング素子を実装する素子実装工程と、
   を有することを特徴とするアンテナ素子の製造方法。
7. 素子実装工程の後、インピーダンスを実測し、所定のインピーダンス値と相違する場合、前記マッチング素子を実装し直すことを特徴とする請求項６記載のアンテナ素子の製造方法。

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