JP2006129092A - ダイポールアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型軽量で、インピーダンス調整がし易く、しかも組込み時の干渉が少なくて安定した送受信が可能なダイポールアンテナを提供すること。
【解決手段】 絶縁性基板（１）の表面（１ａ）に導電部材からなる給電部（２ｃ）、（２ｄ）と該基板端部に向かって互いに逆方向に形成される導電部材からなる２つのエレメント（２ａ）、（２ｂ）を設け、該給電部（２ｃ）の端部に設けた給電点（Ｓ１）に高周波同軸ケーブル（３）の内部導体（３ａ）が接続され、該給電部（２ｄ）の端部に設けた給電点（Ｓ２）に同軸ケーブル（３）の外部導体（３ｃ）を接続する。一方、絶縁性基板（１）の裏面（１ｂ）で、エレメント（２ａ）、（２ｂ）に重ならない位置に導電部材からなる無給電エレメント（４）を設ける。
【選択図】 図１

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に内蔵させるダイポールアンテナに関し、取り分け小型軽量で、しかもインピーダンス調整が容易で干渉が少なく安定した送受信が可能なダイポールアンテナに関する。

従来のダイポールアンテナとしては、プリント基板の表裏両面に放射電極部を形成し、該放射電極部の前方に無給電エレメント（非励振素子）を設けたもの（例えば、特許文献１参照。）、更には、プリント基板の一方の面に２個の放射電極部を形成し、これら放射電極部の前方に２分割された無給電エレメントを配し且つ基板の他方の面に該分割間隙を結ぶ金属片を設けることにより、インピーダンス調整を容易にしたものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
ところが、前者のアンテナでは、構造的には割と簡単であるものの、該放射電極部の前方に無給電エレメントを設けているので、この分寸法が大きくなってしまうという欠点がある。又、このアンテナでは、インピーダンス特性を改善し所望の送受信感度を実現させるためには、無給電エレメントの寸法、形状、及び放射電極部との距離等、配慮すべき要因が多々あり、従って設計の自由度が少ないばかりかインピーダンス調整が厄介である。更に、無給電エレメントが放射電極の前方で基板の端部に近い位置に配置されているため、装置に組込んだ際、装置内の金属部品との干渉がおき易く、安定した送受信が得られ難いという問題もある。
一方、後者のアンテナでは、無給電エレメントを２分割し、更に、基板裏面に金属板を追加し、結合容量の影響を低減させてインピーダンス調整を容易にする構成としているため、構造的に複雑化してしまい、寸法も大きくなってしまう欠点がある。又、前者のアンテナ同様、装置に組込んだ際の装置金属部との干渉の問題は依然として解消されない。

特公昭５７−２３４５１ 特許第２５０６７２７号

したがって、本発明の課題は、小型・軽量で、インピーダンス調整がし易く、しかも装置へ組込んだ際の干渉が少なく、もって安定した送受信を可能にしたダイポールアンテナを提供することにある。

本発明者等は、基板の表裏両面のスペースを考慮しながら、しかも、無給電エレメントと２つの放射電極部との相対的な配置関係に着目した結果、本発明のダイポールアンテナを実現するに至った。

本発明アンテナにあっては、以下のような顕著な作用・効果が奏される。
ａ．絶縁性基板両面のスペースを十分に活用した配置としたので、小型・軽量である。
ｂ．無給電エレメントの一部は給電部の給電点直下に配設されているので、結合容量の影響が少なくインピーダンス調整が容易である。
ｃ．反射電極及び無給電エレメントが絶縁性基板端部に配設されていないので、装置への組込時に干渉を生じなく、安定した送受信が可能になる。

以下、本発明のダイポールアンテナを、プリント基板を使用した平面アンテナの場合について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明のダイポールアンテナの一例を示す斜視図である。
図２は、図１のアンテナの平面図である。
図１〜図２において、（１）は平板状絶縁性基板（以下、“基板”と略記する）、（１ａ）及び（１ｂ）は夫々に該基板（１）の表面及び裏面である。
この基板（１）の表面（１ａ）において、（２ａ）及び（２ｂ）は夫々に放射電極部を構成する細幅状エレメント部（以下、“エレメント部”と略記する）、（２ｃ）はエレメント（２ａ）に接続する給電部、（Ｓ１）は給電部（２ｃ）の端部に位置する給電点、（２ｄ）はエレメント（２ｂ）に接続する給電部、（Ｓ２）は給電部（２ｄ）の端部に位置する給電点、（３）はエレメント部（２ａ）及び（２ｂ）に給電するための同軸ケーブル、（３ａ）、（３ｂ）、（３ｃ）及び（３ｄ）は夫々に該ケーブル（３）の内部導体、絶縁体、外部導体及びシース、（Ｌ１）及び（Ｌ２）は夫々にエレメント（２ａ）及びエレメント（２ｂ）の長さ（Ｌ２＞Ｌ１）、（Ｌ３）はエレメント（２ａ）及び（２ｂ）の夫々の幅、（Ｌ４）及び（Ｌ５）は夫々に給電部（２ｃ）及び（２ｄ）の長さ、（Ｌ６）は給電部（２ｃ）及び（２ｄ）の夫々の幅である。尚、給電点（Ｓ１）には同軸ケーブル（３）の内部導体（３ａ）が接続され、又、給電点（Ｓ２）には該同軸ケーブル（３）の外部導体（３ｃ）が接続される。
他方、基板（１）の裏面（１ｂ）において、（４）は無給電エレメントである。この無給電エレメント（４）の一部は給電点（Ｓ１）の直下に配設され且つ全体としては、エレメント（２ａ）と（２ｂ）との間に配設される。又、（Ｌ７）及び（Ｌ８）は夫々に無給電エレメント（３）の長さ及び幅を示す。
更に、（５）は基板（１）の端部に穿けられた丸孔で、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に内蔵させる際のアンテナ取付孔である。
本発明において特徴的なのは、２個の放射電極、即ち、エレメント（２ａ）及び（２ｂ）を基板表面（１ａ）に配置し他方、無給電エレメント（４）の一部を給電点（Ｓ１）の直下に）に配設しながらも、無給電エレメント（４）全体としてはエレメント（２ａ）及び（２ｂ）の間に配設したことにある。
こうすることにより、基板のスペースの有効活用が可能となるので、アンテナ基板が大幅に小型化される。更に、エレメント（２ａ）と（２ｂ）、無給電エレメント（４）、及び給電点（Ｓ１）と（Ｓ２）との間で相対的位置を最適化することによりインピーダンス調整が容易になるとともに、干渉が生じ難く安定した送受信が可能となる。
更に、この点について述べる。
本発明では、先ず、スペースを有効活用し、形状を小型化するため、エレメント（２ａ）及び（２ｂ）は、基板（１）の長手方向に沿い且つ給電部（２ｃ）、（２ｄ）から、基板（１）の長手方向において、互いに逆方向に指向するよう配設される。一方、基板裏面（１ｂ）では、電磁的な干渉を避けるため、無給電エレメント（４）がエレメント（２ａ）と（２ｂ）との間に配設される。こうすることにより、エレメント（２ａ）及び（２ｂ）にて第一の周波数に共振するダイポールアンテナを構成するとともに、エレメント（２ａ）及び（２ｂ）のうち、エレメント長の短い方のエレメントと無給電エレメント（４）とで第二の周波数に共振するダイポールアンテナが構成される。
更に、アンテナ装着時に導電性部材との接近による干渉を避けるため、エレメント（２ａ）と（２ｂ）、無給電エレメント（４）、及び給電部（２ｃ）と（２ｄ）の夫々の端部を基板（１）の端部に近い位置に配置しないことが肝要である。これらは、基板（１）の端部から０．８ｍｍ以上内側に位置することが好ましい。
ここで、無給電エレメント（４）の形状については特に制約は無いものの、スペースを有効に利用できる形状である方形が望ましい。寸法は誘起される電磁界、スペース等を考慮し、長さ（Ｌ７）を７ｍｍ〜１３ｍｍ、そして、幅（Ｌ８）を１ｍｍ〜５ｍｍに調整するのが好ましい。
次に、放射電極であるエレメント（２ａ）、（２ｂ）の形状についても特に制約は無いものの、スペースを有効に利用できる形状である方形が好ましい。その際、エレメント（２ａ）の長さ（Ｌ１）は１２ｍｍ〜１８ｍｍ、エレメント（２ｂ）の長さ（Ｌ２）は１７ｍｍ〜２１ｍｍにあればよい（Ｌ２＞Ｌ１）。又、これらエレメントの幅は略同一である方が好ましく、幅（Ｌ３）は誘起される電磁界、スペースを考慮し、１ｍｍ〜７ｍｍにあればよい。
以上の構成において、エレメント（２ａ）と（２ｂ）とを第一の周波数に共振させるために、エレメント（２ｂ）の長さ（Ｌ２）は第一の波長の長さに調整される。他方、エレメント（２ａ）と無給電エレメント（４）とを第二の周波数に共振させるために、無給電エレメント（４）の長さ（Ｌ７）を第二の波長の長さに調整し、尚且つ、エレメント（２ａ）の長さ（Ｌ１）をエレメント（２ａ）と（２ｂ）のほぼ中間の長さに調整する。
これにより、エレメント（２ａ）と（２ｂ）が第一のダイポールアンテナのエレメントとして機能し、尚且つ、エレメント（２ａ）と無給電エレメント（４）とが第二のダイポールアンテナのエレメントとして機能する。第二の周波数を５ＧＨｚ帯とした場合には、無給電エレメント（４）の長さ（Ｌ７）は７ｍｍ〜１３ｍｍであることが好ましい。
尚、給電部（２ｃ）及び（２ｄ）の寸法は前述したように干渉を避けるためエレメント（２ａ）、（２ｂ）と無給電エレメント（４）とが重複しない位置が確保されていれば特別の制約は無いが、長さ（Ｌ４）及び（Ｌ５）は２ｍｍ〜１５ｍｍ、幅（Ｌ６）は１ｍｍ〜４ｍｍの範囲であることが好ましい。
このようなダイポールアンテナを、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。

本発明の主要な構成要素となる基板（１）、エレメント（２ａ）、（２ｂ）、給電部（２ｃ）、（２ｄ）、同軸ケーブル（３）及び無給電エレメント（４）の詳細について述べる。
基板（１）は、ベークライト、ガラスエポキシ、又はポリイミド等の絶縁性に優れた素材で構成される。その中でも、誘電率、強度、価格等を考慮すると、ガラスエポキシが特に好ましい。この基板（１）の厚みは、強度を考慮し０．６ｍｍ〜１ｍｍの範囲とすればよい。
エレメント（２ａ）と（２ｂ）、給電部（２ｃ）と（２ｄ）、及び無給電エレメント（４）は、白銅（洋白）、銅、又は銅等の導電性に優れた金属で構成され、その厚みは、０．０１ｍｍ〜０．０４ｍｍの範囲で適宜設定すればよい。
同軸ケーブル（３）については、斯界で常用されているものから適宜選定すればよい。一例を挙げると、内部導体（３ａ）の外径が０．３ｍｍ〜２ｍｍの銀ないし錫メッキ軟銅線を内部導体（３ａ）とし、この内部導体（３ａ）をフッ素樹脂で取り囲んで絶縁体（３ｂ）を形成し、この絶縁体（３ｂ）の周りに上述した軟銅線の編組を外部導体（３ｃ）として形成し、更に外部導体（３ｃ）をフッ素樹脂、ポリエチレン樹脂、又は塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）等で被覆してシース（３ｄ）とする。ここで、フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）および四フッ化エチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）等が採用される。このような同軸ケーブル（３）の端部での内部導体（３ａ）の露出長さは０．１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲で適宜設定すればよい。

以下に、本発明の具体例を２周波対応のダイポールアンテナのケースについて示す。
（Ａ）エレメント（２ａ）と（２ｂ）、給電部（２ｃ）と（２ｄ）、及び給電点（Ｓ１）と（Ｓ２）の作成
縦７ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのガラスエポキシからなる平板状絶縁性基材（１）の両面に厚みが０．２ｍｍの銅箔を予め貼り付けたアンテナ用部材を用意した。
この部材の一方の面（基板表面（１ａ））で銅箔部分をエッチングして、高周波用（５．６ＧＨｚ帯）の波長に対応する幅（Ｌ３）が５．５ｍｍ、長さ（Ｌ１）が１４ｍｍの銅箔からなる第１エレメント（２ａ）、及び低周波用（２．４ＧＨｚ帯）の波長に対応する幅（Ｌ３）が５．５ｍｍ、長さ（Ｌ２）が１９ｍｍの銅箔からなる第２エレメント（２ｂ）を基板（１）の長手方向に形成した。この場合、両エレメントは１２ｍｍの間隔をおいて設けた。
同様にして、基板表面（１ａ）で銅箔部分をエッチングして、給電部（２ｃ）、（２ｄ）を形成した。給電部（２ｃ）は幅（Ｌ６）を１ｍｍ、長さ（Ｌ４）を３ｍｍとし、又、給電部（２ｄ）は幅（Ｌ６）を２ｍｍ、長さ（Ｌ５）を６ｍｍとした。
尚、給電部（２ｃ）の開放端側の端部には給電点（Ｓ１）を、同様に給電部（２ｄ）の開放端側の端部には給電点（Ｓ２）を形成した。
（Ｂ）無給電エレメント（４）の作成
基板裏面（１ｂ）で銅箔部分をエッチングして長さ（Ｌ７）１０ｍｍ、幅 （Ｌ８）３．５ｍｍの無給電エレメント（４）を形成した。この際、無給電エレメント（４）の配置位置は、基板裏面（１ｂ）の略中央で、エレメント（２ａ）と（２ｂ）の間で且つ給電点（Ｓ１）の下面に、無給電エレメント（４）の一部（３ｍｍ程度）が重なる配置とした。
又、上記（Ａ）、（Ｂ）項で作成した、エレメント（２ａ）と（２ｂ）、給電部（２ｃ）と（２ｄ）、及び無給電エレメント（４）は、夫々に基板（１）端部から１ｍｍ内側に配置し、組み込み時に干渉を生じない配置とした。
（Ｃ）同軸ケーブル本体（３）の準備
長さが１ｍ、外径が２．５ｍｍのケーブルを準備した。各部材の詳細は以下のとおりである。
・ 内部導体（３ａ）：外径が０．６ｍｍの銀めっき軟銅線。
・
絶縁体（３ｂ）：肉厚が１．５７ｍｍのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）溶融押出し被覆層
・
外部導体（３ｃ）：外径が０．０８ｍｍのスズメッキ軟銅線を編組してなる、厚さが０．２３ｍｍの金属編組層。
・ シース（３ｄ）：肉厚が０．１５ｍｍの四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン（ＦＥＰ）溶融押出し被覆層。
この同軸ケーブル（３）の端面から該本体に向かって、該ケーブルの長手方向とほぼ直交する面に沿ってシース（３ｄ）と外部導体（３ｃ）を剥離・除去し、絶縁体（３ｂ）を４ｍｍに亘って露出させ、更に絶縁体（３ｂ）を剥離除去し、内部導体（３ａ）を１．５ｍｍに亘って露出させた。
（Ｄ）平板状アンテナの完成
上記、（Ｃ）項で作成した、同軸ケーブル（３）の内部導体（３ａ）の終端部を給電点（Ｓ１）に、そして該外部導体（３ｂ）を（Ｓ２）にそれぞれハンダにより接続することにより、長さ６０ｍｍ、幅７ｍｍ、重量１ｇの小型・軽量のパソコン内蔵用ダイポールアンテナを得た。
（Ｅ）ダイポールアンテナの周波数特性（ＶＳＷＲ）試験
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、本発明のダイポールアンテナにあっては、２つの共振点２．５ＧＨｚでの周波数特性（ＶＳＷＲ）が２ｄｂ以下の帯域幅が５００ＭＨｚ、５．６ＧＨｚでの帯域幅が１３００ＭＨｚと上記２箇所の共振点近傍において十分な帯域幅が確保されていることが分かる。
（Ｆ）インピーダンス調整及びパソコンへの実装試験
特性インピーダンス５０Ωへのインピーダンス調整が容易に出来た。
更に、上記のアンテナをパソコンへ組み込んだ実装試験を行ったが、パソコン側の金属部品との干渉も無く、安定した送受信が実現出来た。
以上、本発明をパソコンに内蔵するアンテナの例で説明したが、本発明の思想の範囲内であれば、種々更および応用が可能であることは言うまでもない。

本発明のダイポールアンテナは、小型・軽量の為、パソコン、ＰＤＡ、携帯電話等設置スペースが狭い機器に組込むことが可能である。更に、十分な帯域幅が確保できているので、安定した送受信が可能となる。

本発明のダイポールアンテナの一例を示す斜視図である。 図１のアンテナの平面図である。 本発明のダイポールアンテナの周波数特性（ＶＳＷＲ特性）を示すグラフである。

符号の説明

１ 平板状絶縁性基板
１ａ 平板状絶縁性基板の表面
１ｂ 平板状絶縁性基板の裏面
２ａ、２ｂ エレメント（放射電極）
２ｃ、２ｄ 給電部
３ 同軸ケーブル
３ａ 内部導体
３ｂ 絶縁体
３ｃ 外部導体
３ｄ シース
４ 無給電エレメント
５ アンテナ取付孔
Ｌ１ エレメント（２ａ）の長さ
Ｌ２ エレメント（２ｂ）の長さ、
Ｌ３ エレメント（２ａ）及びエレメント（２ｂ）の夫々の幅
Ｌ４ 給電部（２ｃ）の長さ、
Ｌ５ 給電部（２ｄ）の長さ
Ｌ６ 給電部（２ｃ）及び（２ｄ）の夫々の幅
Ｌ７ 無給電エレメント（４）の長さ
Ｌ８ 無給電エレメント（４）の幅
Ｓ１、Ｓ２ 給電点

Claims (9)

1. 絶縁性基板の表面に、同軸ケーブルの内部導体及び外部導体が夫々に接続される２個の給電部と該給電部の夫々に接続され且つ互いに逆方向に延びる２個の放射電極部とを有し、他方、該基板の裏面には無給電エレメントが設けられたダイポールアンテナにおいて、該無給電エレメントの一部は該給電部の給電点直下に配設され且つ全体としては該放射電極部の間に配設されていることを特徴とするダイポールアンテナ。
2. 該２個の放射電極部にて第一の周波数に共振するダイポールアンテナを構成するとともに、該２箇の放射電極部の一方と該無給電エレメントとで第二の周波数に共振するダイポールアンテナを構成する請求項１に記載のダイポールアンテナ。
3. 該無給電エレメントの形状が略方形である請求項１又は２に記載のダイポールアンテナ。
4. 該無給電エレメントの長さが７ｍｍ〜１３ｍｍで幅が１ｍｍ〜５ｍｍである請求項３に記載のダイポールアンテナ。
5. 該放射電極部の形状が略方形である請求項１〜４のいずれかに記載のダイポールアンテナ。
6. 該放射電極部の長さが１２ｍｍ〜２１ｍｍで幅が１ｍｍ〜７ｍｍである請求項５に記載のダイポールアンテナ。
7. 該給電部の形状が略方形である請求項１〜６のいずれかに記載のダイポールアンテナ。
8. 該給電部の長さが２ｍｍ〜１５ｍｍで幅が１ｍｍ〜４ｍｍである請求項７に記載のダイポールアンテナ。
9. 該放射電極部、無給電エレメント及び給電部が該基板の端部から０．８ｍｍ以上内側に位置する請求項１〜８のいずれかに記載のダイポールアンテナ。
   
   

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