JP2005110144A - マッチング回路及びアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 市販のマッチング素子を用いた場合であっても、極めて容易且つ高精度にインピーダンス及び共振周波数の微調整を行う。
【解決手段】 アンテナ装置は、電波を放射するアンテナ素子１０と、インピーダンスマッチングを行うために、アンテナ素子１０におけるアンテナ給電端１１と当該アンテナ素子１０に対して供給する電力の供給源としての電源３０との間に設けられるマッチング回路２０とを備える。マッチング回路２０は、電源３０に接続された所定の導体からなる給電線２１_１，２１_２と、所定の導体からなるグラウンド２２_１，２２_２とを有し、これら給電線２１_１，２１_２及びグラウンド２２_１，２２_２から構成される伝送路上に、給電線２１_１，２１_２に対して少なくとも並列方向にマッチング素子の実装位置を選択的に変更可能とする複数のランド対２３を設けている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インピーダンスマッチングを行うためのマッチング回路、及びこのマッチング回路を備えたアンテナ装置に関する。

近年、例えば、携帯電話機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）といったように、各種無線通信技術の開発が著しく進められているが、これにともない、無線通信を行うために必然的に設けられる部材であるアンテナ素子に関する技術も各種開発されている。

アンテナ素子としては、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、機器本体の外部に設置されて用いられるのが一般的である。ただし、外部に配設して用いるタイプのアンテナ素子においては、機器の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、及び部品点数の増加を招来する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、機器本体の内部に設けられたプリント配線基板に表面実装し得るチップ状のアンテナ素子が提案されている。このチップ状のアンテナ素子としては、例えば放射電極としての導体を逆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といったように、様々なものが提案されている。このようなチップ状のアンテナ素子においては、基材にセラミック等の高誘電率材料を用いて形成されるものが代表的である。しかしながら、この種のアンテナ素子においては、高誘電体材料自体が高価であることに加えて、その加工が煩雑であるという欠点があり、生産性の低下や製造コストの増大を招来するという問題がある。

そこで、近年では、フォトエッチング技術の向上にともない、このような不都合を解消することを目的として、両面に銅箔を有するプリント配線基板を基材として用い、これにフォトエッチング技術を利用してアンテナ導体を形成したいわゆるプリントアンテナも提案されている。

ところで、上述した各種アンテナ素子においては、実装される機器の構成や取り付け位置等に応じて、共振周波数が微動することから、これを是正するために、インピーダンスマッチングを行う必要がある。このとき、アンテナ素子においては、周囲に存在するグラウンドの形状や機器の筐体の形状といった、周囲の状況が変化するのに応じてインピーダンスマッチングを行う必要があり、これを行わない場合には、所望の特性を得ることができない。

アンテナ素子に対するインピーダンスマッチングの手法としては、例えばアンテナパターンの長さや幅を変更するといったように、基本的には、アンテナパターンの設計変更によるものが挙げられる。しかしながら、かかるアンテナパターンの設計変更は、一般に多大の労力を要し、特に実装対象となる機器が多種多様にわたるような場合に、その都度アンテナパターンの設計変更を行うことは極めて非現実的である。

そこで、インピーダンスマッチングの手法としては、例えば、チップ状のインダクタやコンデンサ等のマッチング素子を、給電線に対して直列及び／又は並列に実装し、給電点からみて、アンテナ及びマッチング素子を含めた負荷のインピーダンスが５０Ωといった基準値になるように、インダクタンスやキャパシタンスといった実装するマッチング素子の定数を選定することが行われている。また、インピーダンスマッチングの手法としては、特許文献１に記載された技術も提案されている。

特開２００１−３３２９２４号公報

具体的には、この特許文献１には、誘電体基板上に連続した導体パターンで形成され、整合回路を介して給電部に接続された放射導体を有するアンテナ装置が開示されている。特に、このアンテナ装置は、導体パターン上の任意の２点間を相互接続するべく設けられた一対又は複数対のチップ部品実装用の部品取付部を有するものである。これにより、このアンテナ装置においては、部品取付部に実装するジャンパ抵抗の実装位置に応じて、放射導体の電気長を可変とすることができることから、放射パターンの変更をともなうことなく容易且つ迅速に共振周波数の調整を行うことができるとしている。

すなわち、このアンテナ装置は、波長の１／４の長さで共振が生じることに鑑み、放射導体の電気長を制御することにより、共振周波数の微調整を行うことはできないものの、その周波帯を可変とすることができるものである。

ところで、マッチング素子として用いる市販のインダクタやコンデンサは、そのインダクタンスやキャパシタンスのラインアップが限られている。例えば、チップインダクタとしては、インダクタンスが２．４ｎＨである素子と２．７ｎＨである素子は存在するものの、その間の定数の素子は存在しない。

そのため、インピーダンスマッチングを行うにあたっては、これら存在しない定数のマッチング素子を必要とすることを把握している場合であっても、存在する定数のマッチング素子を用いざるを得なかった。したがって、アンテナ素子においては、このような状況でインピーダンスマッチングを行っても、必要な周波数で電圧定在波比（Voltage Standing Wave Ratio；ＶＳＷＲ）が思うように低くならないという事態を招来している。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、市販のマッチング素子を用いた場合であっても、極めて容易且つ高精度にインピーダンス及び共振周波数の微調整を行うことができるマッチング回路、及びこのマッチング回路を備えたアンテナ装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成する本発明にかかるマッチング回路は、インピーダンスマッチングを行うために、電波を放射するアンテナ素子におけるアンテナ給電端と当該アンテナ素子に対して供給する電力の供給源としての電源との間に設けられるマッチング回路であって、上記電源に接続された所定の導体からなる給電線と、所定の導体からなるグラウンドとを備え、上記給電線及びグラウンドから構成される伝送路上に、上記給電線に対して少なくとも並列方向にマッチング素子の実装位置を選択的に変更可能とする複数のランド対を設けていることを特徴としている。

このような本発明にかかるマッチング回路は、マッチング素子の実装位置を選択的に変更可能とし、アンテナ素子から、少なくとも並列のマッチング素子までの距離を変化させることにより、インダクタンス成分の微調整を図ることができる。

ここで、上記給電線及び上記グラウンドは、所定の導体の表面にレジスト箔が塗布されたものであり、上記ランド対は、上記レジスト箔を除去することによって形成することができる。これにより、本発明にかかるマッチング回路は、極めて容易に製造することができ、製造コストも削減することができる。

また、本発明にかかるマッチング回路においては、上記伝送路上に、上記給電線に対して線幅方向にマッチング素子の実装位置を選択的に変更可能とする複数のランド対を設けることもできる。

これにより、本発明にかかるマッチング回路は、特に給電線の線幅が広い場合には、これを効率的に利用し、インダクタンス成分の微調整を図ることができる。

なお、上記マッチング素子としては、チップ状のインダクタ及び／又はチップ状のコンデンサといった市販のものを用いることができる。

また、上記アンテナ素子としては、プリント配線基板に表面実装し得るチップ状のものを用いるのが、小型化を図る観点から望ましく、特に、基材としてのプリント配線基板にアンテナ導体をパターニング形成したプリントアンテナを用いることにより、小型化、薄型化、製造の効率化、及び製造コストの削減を図ることができる。

また、上述した目的を達成する本発明にかかるアンテナ装置は、電波を放射するアンテナ素子と、インピーダンスマッチングを行うために、上記アンテナ素子におけるアンテナ給電端と当該アンテナ素子に対して供給する電力の供給源としての電源との間に設けられるマッチング回路とを備え、上記マッチング回路は、上記電源に接続された所定の導体からなる給電線と、所定の導体からなるグラウンドとを有し、上記給電線及びグラウンドから構成される伝送路上に、上記給電線に対して少なくとも並列方向にマッチング素子の実装位置を選択的に変更可能とする複数のランド対を設けていることを特徴としている。

このような本発明にかかるアンテナ装置は、マッチング回路におけるマッチング素子の実装位置を選択的に変更可能とし、アンテナ素子から、当該マッチング回路に実装される少なくとも並列のマッチング素子までの距離を変化させることにより、インダクタンス成分の微調整を図ることができる。

本発明は、インダクタンス成分の微調整を図ることができることから、市販のマッチング素子を用いた場合であっても、極めて容易且つ高精度にインピーダンス及び共振周波数の微調整を行うことができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

この実施の形態は、例えば、携帯電話機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）といった、少なくとも通信機能を有する機器内部に搭載される所定のアンテナ素子に対して、インピーダンスマッチングを行うためのマッチング回路を接続したアンテナ装置である。このアンテナ装置は、マッチング回路として、マッチング素子を実装するための複数のランド対を設けたものを用いることにより、市販のマッチング素子を用いた場合であっても、極めて容易且つ高精度にインピーダンス及び共振周波数の微調整を行うことができるものである。

アンテナ装置は、図１に示すように、電波を放射するアンテナ素子１０と、インピーダンスマッチングを行うためにアンテナ素子１０に対して電気的に接続されるマッチング回路２０とから構成される。

アンテナ素子１０は、電波を放射する部材であればいかなるものであっても適用することができ、例えば、ロッドアンテナ等であっても適用することができるが、アンテナ装置全体の小型化を図る観点からは、プリント配線基板に表面実装し得るチップ状のものが望ましく、ミアンダ、ループ、ヘリカル、逆Ｆ等の基板アンテナ、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適用することができる。

特に、チップ状のアンテナ素子１０としては、小型化、薄型化、製造の効率化、及び製造コストの削減を図る観点から、例えば両面に銅箔を有するプリント配線基板を基材とし、この基材にアンテナ導体をパターニング形成したいわゆるプリントアンテナを用いるのが望ましい。

プリントアンテナは、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、その種類を問わずいずれを用いても構成することができる。具体的には、プリントアンテナは、米国電気製造業者協会（National Electrical Manufacturers Association；ＮＥＭＡ）による記号ＸＸＰ，ＸＰＣ等として規定されている紙フェノール基板、同記号ＦＲ−２として規定されている紙ポリエステル基板、同記号ＦＲ−３として規定されている紙エポキシ基板、同記号ＣＥＭ−１として規定されているガラス紙コンポジットエポキシ基板、同記号ＣＨＥ−３として規定されているガラス不織紙コンポジットエポキシ基板、同記号Ｇ−１０として規定されているガラス布エポキシ基板、同記号ＦＲ−４として規定されているガラス布エポキシ基板といった両面に銅箔を有するいわゆるリジッド基板を用いて構成される。なお、これらのうち、吸湿性や寸法変化が少なく、自己消炎性を有するガラス布エポキシ基板（ＦＲ−４）が最も好適である。

アンテナ素子１０としてかかるプリントアンテナを適用する場合には、当該アンテナ素子１０は、特に図示しないが、基材上に積層された銅箔をフォトリソ技術によってパターンニング（エッチング）することによって所定のアンテナパターンを形成することによって製造される。アンテナパターンとしては、上述したように、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字状に形成することによって逆Ｆ型アンテナを構成することができ、導体をコイル状に形成することによってヘリカルアンテナを構成することができ、導体を蛇行状に形成することによってミアンダアンテナを構成することができ、導体を直線状に形成することによって線状アンテナを構成することができる。

このようなアンテナ素子１０は、アンテナ給電端１１を介して、マッチング回路２０と電気的に接続することにより、インピーダンスマッチングが図られる。

マッチング回路２０は、インピーダンスマッチングを行うために、アンテナ素子１０に対して電気的に接続される部材であり、当該アンテナ素子１０におけるアンテナ給電端１１と当該アンテナ素子１０に対して供給する電力の供給源としての電源３０との間に設けられる。なお、マッチング回路２０は、アンテナ素子１０とは異なり、放射する機能を有するものではない。例えば、マッチング回路２０は、いわゆるコプレナ線路を用いて構成した場合には、電源３０に接続された所定の導体からなる給電線２１_１，２１_２と、これら給電線２１_１，２１_２と同一平面内に形成された所定の導体からなるグラウンド２２_１，２２_２とから構成される。

給電線２１_１，２１_２は、所定の導体の表面にレジスト箔が塗布されたものであり、電源３０とアンテナ素子１０におけるアンテナ給電端１１とを接続することにより、電源３０によって発生される電力をアンテナ素子１０に対して給電する。また、グラウンド２２_１，２２_２は、給電線２１_１，２１_２と同様に、所定の導体の表面にレジスト箔が塗布されたものであり、アンテナ素子１０における図示しないアンテナグラウンド端に接続される。マッチング回路２０においては、これら給電線２１_１，２１_２及びグラウンド２２_１，２２_２の組み合わせによって伝送路を構成する。

このようなマッチング回路２０においては、チップ状のインダクタやコンデンサ等のマッチング素子が給電線２１_１，２１_２に対して直列及び／又は並列に実装される。なお、マッチング素子を給電線２１_１，２１_２に対して直列に実装するとは、本来であれば１本の導体からなる給電線が２つの給電線２１_１，２１_２に分断されており、この分断された位置でマッチング素子を実装することを意味している。これにより、アンテナ装置においては、インピーダンスマッチングを行うことが可能となる。

さて、ここで、マッチング回路２０における給電線２１_１，２１_２そのものがインダクタンス成分を有することに着目する。この事実に着目すると、アンテナ装置においては、アンテナ素子１０から、マッチング回路２０に実装される少なくとも並列のマッチング素子までの距離を変化させることにより、インダクタンス成分の微調整を図ることができるといえる。

これを実現するために、マッチング回路２０においては、給電線２１_１，２１_２及びグラウンド２２_１，２２_２の表面に塗布されているレジスト箔を除去することにより、伝送路上に、マッチング素子を実装するための複数のランド対２３を形成する。なお、同図においては、給電線２１_１に対して並列に５個のランド対を設けるとともに、給電線２１_２に対して並列に５個のランド対を設け、さらに、これら給電線２１_１，２１_２を電気的に接続すべく直列に１個のランド対を設けている様子を示している。

そして、マッチング回路２０においては、アンテナ給電端１１からみて、アンテナ素子１０及びマッチング素子を含めた負荷のインピーダンスが所定の基準値になるように、これら複数のランド対２３のうち、同図中斜線部で示すように、任意の位置にマッチング素子が実装される。

すなわち、マッチング回路２０においては、給電線２１_１，２１_２に対して直列及び／又は並列にマッチング素子を実装する際に、アンテナ素子１０から少なくとも並列のマッチング素子までの距離を変化させることにより、インダクタンス成分の微調整を図り、インピーダンス及び共振周波数の微調整を行うことができる。

このように、アンテナ装置においては、アンテナ素子１０と電源３０との間に設けられるマッチング回路２０における伝送路上に、マッチング素子の実装位置を選択可能とする複数のランド対２３を設け、マッチング素子の実装位置を選択することにより、インピーダンス及び共振周波数を微調整することができる。なお、アンテナ装置においては、マッチング回路２０における伝送路上にランド対２３を設けることから、放射パターンに何ら影響を与えることはない。

実際に、本願出願人は、このようなマッチング回路２０の有意性の検証を目的とした実験を行っている。

まず、帯域周波数（横軸）に対する電圧定在波比（Voltage Standing Wave Ratio；ＶＳＷＲ）（縦軸）の関係として、図２(ａ)に示すような特性が得られた場合に、同図中マーカ"２"で表される２．４４２ＧＨｚの周波数でインピーダンスが５０Ωとなるように調整し、ＶＳＷＲを低くすることを考える。なお、図２(ｂ)に、この場合におけるスミスチャートを示している。すなわち、同図中マーカ"２"で表される２．４４２ＧＨｚの周波数においては、インピーダンスが５０Ωとなるように調整するということは、当該マーカ"２"を５０Ωを示す実線部分に重畳させることと等価である。

このような状況において、通常市販されているマッチング素子を、決められた位置にそのまま実装した場合には、スミスチャートの回転角度が所望とするよりも小さいか又は大きくなり、同図中マーカ"２"で表される２．４４２ＧＨｚの周波数が、５０Ωを示す実線部分に重畳させることはできない。

これに対して、マッチング回路２０における所定位置のランド対２３に対してマッチング素子を実装した場合には、図３(ａ)に示すように、同図中マーカ"２"で表される２．４４２ＧＨｚの周波数において、ＶＳＷＲが略最小値となるような特性が得られることが確認され、共振周波数について最適な微調整を行うことができることが確認された。また、これをスミスチャートで表すと、図３(ｂ)に示すような特性が得られた。このスミスチャートからも、２．４４２ＧＨｚの周波数を示す同図中マーカ"２"が５０Ωを示す実線部分にほぼ重畳させることができ、最適なインピーダンスマッチングを図ることができることが確認された。

以上説明したように、本発明の実施の形態として示したアンテナ装置においては、アンテナ素子１０に対して電気的に接続するマッチング回路２０における伝送路上に、給電線２１_１，２１_２に対して少なくとも並列方向にマッチング素子の実装位置を選択的に変更可能とする複数のランド対２３を設けることにより、インダクタンス成分の微調整を図ることができる。したがって、アンテナ装置においては、市販のマッチング素子を用いた場合であっても、極めて容易且つ高精度にインピーダンス及び共振周波数の微調整を行うことができる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施の形態では、給電線２１_１，２１_２に対して並列に複数のランド対を設け、アンテナ素子１０から少なくとも並列のマッチング素子までの距離を変化させることに主眼をおいた説明を行ったが、本発明は、特に給電線の線幅が広い場合には、給電線２１_１，２１_２に対して線幅方向にマッチング素子の実装位置を選択的に変更可能とする複数のランド対を設けることによっても、インピーダンス及び共振周波数の微調整を行うことができる。

また、上述した実施の形態では、マッチング回路２０として、コプレナ線路を用いて構成したものについて説明したが、本発明は、いかなる伝送路を用いてマッチング回路を構成した場合であっても、適用することができることは勿論である。

このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の実施の形態として示すアンテナ装置の構成を説明する平面図である。 同アンテナ装置におけるマッチング回路の有意性の検証を目的とした実験の結果を説明する図であって、インピーダンスマッチングが図られていない状態における帯域周波数に対するＶＳＷＲの関係を説明する図である。 図２(ａ)に対応するスミスチャートである。 同アンテナ装置におけるマッチング回路の有意性の検証を目的とした実験の結果を説明する図であって、インピーダンスマッチングを図った状態における帯域周波数に対するＶＳＷＲの関係を説明する図である。 図３(ａ)に対応するスミスチャートである。

符号の説明

１０ アンテナ素子
１１ アンテナ給電端
２０ マッチング回路
２１_１，２１_２ 給電線
２２_１，２２_２ グラウンド
２３ ランド対
３０ 電源

Claims (7)

1. インピーダンスマッチングを行うために、電波を放射するアンテナ素子におけるアンテナ給電端と当該アンテナ素子に対して供給する電力の供給源としての電源との間に設けられるマッチング回路であって、
   上記電源に接続された所定の導体からなる給電線と、
   所定の導体からなるグラウンドとを備え、
   上記給電線及びグラウンドから構成される伝送路上に、上記給電線に対して少なくとも並列方向にマッチング素子の実装位置を選択的に変更可能とする複数のランド対を設けていること
   を特徴とするマッチング回路。
2. 上記給電線及び上記グラウンドは、所定の導体の表面にレジスト箔が塗布されたものであり、
   上記ランド対は、上記レジスト箔を除去することによって形成されたものであること
   を特徴とする請求項１記載のマッチング回路。
3. 上記伝送路上に、上記給電線に対して線幅方向にマッチング素子の実装位置を選択的に変更可能とする複数のランド対を設けていること
   を特徴とする請求項１記載のマッチング回路。
4. 上記マッチング素子は、チップ状のインダクタ及び／又はチップ状のコンデンサであること
   を特徴とする請求項１記載のマッチング回路。
5. 上記アンテナ素子は、プリント配線基板に表面実装し得るチップ状のものであること
   を特徴とする請求項１記載のマッチング回路。
6. 上記アンテナ素子は、基材としてのプリント配線基板にアンテナ導体をパターニング形成したプリントアンテナであること
   を特徴とする請求項５記載のマッチング回路。
7. 電波を放射するアンテナ素子と、
   インピーダンスマッチングを行うために、上記アンテナ素子におけるアンテナ給電端と当該アンテナ素子に対して供給する電力の供給源としての電源との間に設けられるマッチング回路とを備え、
   上記マッチング回路は、
   上記電源に接続された所定の導体からなる給電線と、
   所定の導体からなるグラウンドとを有し、
   上記給電線及びグラウンドから構成される伝送路上に、上記給電線に対して少なくとも並列方向にマッチング素子の実装位置を選択的に変更可能とする複数のランド対を設けていること
   を特徴とするアンテナ装置。