JP2006319754A

JP2006319754A - アンテナ

Info

Publication number: JP2006319754A
Application number: JP2005141222A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Ogawara; 一彦大河原; Hiroyuki Okabe; 浩行岡部
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2006-11-24

Abstract

【課題】簡便な構造で小型化が可能であり、且つ、良好な特性が得られる広帯域アンテナを提供する。
【解決手段】主放射電極２と、この主放射電極２とギャップ４を介して容量接続された給電電極３を備えている。主放射電極２は、この主放射電極２に沿って配設された地導体５と第１短絡部６により一部短絡されてループ状の電流経路Ｌを形成しており、且つ、主放射電極２と地導体５の距離は下限動作周波数の波長の最大４０分の１以下に設定されている
【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信機器に用いて好適な超広帯域（ＵＷＢ）アンテナに関するものである。

従来、小型の広帯域アンテナとしてモノポール型を改良したアンテナや複共振型アンテナ等が知られており、例えば、特許文献１が開示されている。

一般的に、モノポール型アンテナの場合、電極（通常、円形または半円形）のサイズは、予め設定された無線通信周波数帯域の下限周波数の１／４波長程度が必要であるとされている。従って、広帯域化のためにアンテナ（電極）の動作周波数帯域を低周波側に広げる場合は、電極のサイズを大きくする必要があるが、これでは通信機器の小型化に支障を来すことになる。換言すれば、小型化のために電極のサイズを小さくすると、低周波数帯域の特性が悪化してしまうことになる。
そこで、従来では、電極に誘電体を装荷することにより波長短縮効果を生じさせたり、或いは、モノポールアンテナの電極形状を工夫することでアンテナの小型化や広帯域化を実現していた。
特開２００４−３２８７０３号公報

しかしながら、近年、モバイル機器においても無線機能を搭載する要望が増しており、よって、広帯域アンテナには、更なる小型化と高性能化が求められるようになってきた。

本発明は、このような要望に鑑み成されたもので、簡便な構造で小型化でき、且つ、良好な特性が得られる広帯域アンテナを提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、主放射電極と、この主放射電極とギャップを介して容量接続された給電電極を備え、前記主放射電極は、この主放射電極に沿って配設された地導体と短絡部により一部短絡されてループ状の電流経路を形成しており、且つ、前記主放射電極と前記地導体の距離が下限動作周波数の波長の最大４０分の１以下に設定されていることを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のアンテナにおいて、前記給電電極は、前記主放射電極における主な電流経路と平行する第１突起状電極を備えることを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載のアンテナにおいて、前記主放射電極は、前記地導体と対向する第２突起状電極を備えることを特徴としている。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項３に記載のアンテナにおいて、前記第２突起状電極と前記短絡部を接続するバイパス路を形成したことを特徴としている。

また、請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載のアンテナにおいて、前記主放射電極は、前記短絡部を越え前記地導体に沿って延伸されていることを特徴としている。

また、請求項６に記載の本発明は、請求項５に記載のアンテナにおいて、前記主放射電極の延伸部が、別の短絡部により前記地導体に一部短絡されていることを特徴としている。

また、請求項７に記載の本発明は、請求項１から請求項６までの何れかに記載のアンテナにおいて、前記主放射電極の開放端側を前記給電電極の先端側を覆うように一部延長したことを特徴としている。

また、請求項８に記載の本発明は、請求項１から請求項６までの何れかに記載のアンテナにおいて、前記主放射電極と前記給電電極とのギャップを給電電極の先端方向に漸増したことを特徴としている。

また、請求項９に記載の本発明は、請求項１から請求項８までの何れかに記載のアンテナにおいて、前記主放射電極或いは前記地導体は、前記主放射電極における主な電流経路と非平行の第３突起状電極を備えることを特徴としている。

また、請求項１０に記載の本発明は、請求項９に記載のアンテナにおいて、前記第３突起状電極の少なくとも一部を集中定数回路で構成したことを特徴としている。

本発明によれば、ループ状の電極構造と、主放射電極と適切な距離をおいた地導体の配設により、主放射電極と地導体との間に適切な電磁結合を生じさせる構成としたので、小型化、広帯域化を実現した高性能のアンテナを提供することができる。

以下、図１〜図１０に基づいて本発明の実施形態を説明する。尚、以下に示す特性（ＶＳＲＷ特性）は、各々のアンテナ構造によるシミュレーション結果である。

図１は本発明に係るアンテナの第１実施形態を示している。
図１に示すように、本実施形態のアンテナ１は、主放射電極２と、この主放射電極２にギャップ４を介して容量接続された給電電極３を備える。この給電電極３の引出し方向は、後述するループ状電流経路Ｌの長辺側である。

係る電極構造では、主放射電極２の辺縁に沿ってほぼ平行に地導体５（グランド部）が配設されており、この主放射電極２が開放端２ａ（ギャップ４側）の対向側辺縁において第１短絡部６により上記地導体５と短絡されることにより、給電電極３〜主放射電極２〜地導体５による、ギャップ４を介した細長いループ状の電流経路Ｌを形成しており、且つ、このループ状電流経路Ｌの短辺側に当たる主放射電極２の辺縁と地導体５の距離Ｓ（隙間寸法Ｓ）は、最大でも、当アンテナ１における下限動作周波数の波長（λ）の１／４０以下に設定されている。
尚、主放射電極２は、幅広の板状としても、幅狭の線状としても良いが、板状とした方が広帯域化に有利であることから、以下の説明図では主放射電極２を全て板状としている。

また、上記主放射電極２に沿う地導体５は、図１（ａ）のようなＬ字形や主放射電極２を開放端２ａ側より挟み込むようなコの字形（図示せず）、或いは、図１（ｂ）のような直線状としても良い。但し、図１（ｃ）の特性図に示すように、地導体５をＬ字形、或いはコの字状に配設した方が、地導体５を直線状に配設した場合に比べて低周波数帯の特性改善に効果が得られる。何れの場合も、地導体５が主放射電極２の全体を囲むことなく配設されることが重要である。

次ぎに、図２は主放射電極２と地導体５の隙間寸法Ｓと特性との相関関係を示し、図２（ａ）は隙間寸法Ｓ＝λ／１００とした場合、図２（ｂ）はＳ＝λ／５０とした場合、図２（ｃ）はＳ＝λ／３０とした場合である。

図１に示す細長いループ状の電流経路Ｌを有する電極構造によれば、隙間寸法Ｓをλ／３０に設定した場合に対し、Ｓ＝λ／５０、Ｓ＝λ／１００と隙間寸法Ｓを小さくすることにより、主放射電極２と地導体５との間にアンテナ電流に応じた適切な電磁結合を生じさせることができ、その結果、３〜５ＧＨｚの低周波数帯から８ＧＨｚ以上の高周波数帯、すなわち、当アンテナ１の動作周波数帯域のほぼ全域に亘ってインピーダンス変化の少ない安定した特性が得られるようになり、これにより、アンテナ１の広帯域化、小型化を実現可能としている。
本発明では、この隙間寸法Ｓを最大λ／４０以下としたが、より好ましくは、λ／５０以下に設定すると良い。

また、上述のように、当実施形態の電極構造では、主放射電極２と給電電極３とをギャップ４を介して容量接続しているが、図３（ａ）に示すように、主放射電極２と給電電極３を直接接続した場合は、図３（ｂ）に示すように、特性は、低周波数帯側と高周波数帯側において悪化し、有効動作帯域が極端に狭められてしまう。
また、補足的な説明をすれば、図４（ａ）に示すように、給電電極３の引き出しをループ状状電流経路Ｌの短辺側とした電極構造では、図４（ｂ）に示すように、８ＧＨｚ以下の中・低周波数帯側において、引き出し方向をループの長辺側とした図１（ａ）の電極構造に比べて特性が著しく悪化しており、よって、上述の図３の場合と同様に広帯域化は望めない。

以下、本発明の拡張例して、アンテナ１の他の実施形態を説明する。

図５は、本発明に係るアンテナの第２実施形態を示している。
図５（ａ）に示すように、本実施形態のアンテナ１は、図１（ａ）の電極構造において、給電電極３の途上に第１突起状電極７を突設した構造と成されている。この第１突起状電極７は、主放射電極２における主な電流経路Ｌと平行する方向、すなわち、給電電極３より主放射電極２の開放端２ａ側に向けて形成されている。
この第１突起状電極７により、地導体５と各電極２、３の間により適切な電磁結合を生じさせることができ、放射図５（ｂ）に示すように、図１（ａ）の電極構造に比べて動作周波数帯のほぼ全域において特性が改善され、小型化、広帯域化が図れるようになる。
尚、この第１突起状電極７は、図５（ａ）のように片側にだけでなく、図示しないが給電電極３の両側に突設しても良い。

次ぎに、図６は本発明の第３実施形態を示している。
図６（ａ）に示すように、第３実施形態のアンテナ１は、図１（ａ）の電極構造において、主放射電極２が地導体５と直接対向するような第２突起状電極８を突設した電極構造と成されている。この第２突起状電極８は、地導体５と対向するループ状電流経路Ｌの長辺側の途上において形成されており、これにより、主放射電極２と地導体５との電磁結合を調整し、図６（ｃ）に示すように、図１（ａ）の電極構造の場合に対し、特に、８ＧＨｚ以上の高周波数帯域の特性を改善するのに優れた効果を発揮している。

また、当電極構造に加え、図６（ｂ）に示すように、主放射電極２の第２突起状電極８と第１短絡部６をバイパス路１３により接続すると、主放射電極２と地導体５間の電磁結合や電流経路が調整され、特に、３〜８ＧＨｚの低〜中波数帯域の特性を更に改善することができる。

次ぎに、図７は本発明の第４実施形態を示している。
図７（ａ）に示すように、第４実施形態のアンテナ１は、図１（ａ）の電極構造において、主放射電極２の端部が第１短絡部６を越えて延伸突出された構造と成されている。これにより、主放射電極２と地導体５との電磁結合が調整され、図７（ｃ）に示すように、図１（ａ）の電極構造に比べて動作周波数帯のほぼ全域において特性が改善され、小型化、広帯域化が図れるようになる。

また、当電極構造に加え、図７（ｂ）に示すように、主放射電極２の延伸部１０の端辺を新たな第２短絡部１１により地導体５に短絡することにより、特性は更に改善され、広帯域化はより一層促進される。

次ぎに、図８は本発明の第５実施形態を示している。
図８（ｂ）に示すアンテナ１は、主放射電極２に上述の第２突起状電極８、第１短絡部６、第２短絡部１１を付加した図８（ａ）の構造のアンテナ１において、主放射電極２の開放端２ａであって、地導体５と非対向側を途上より電流経路Ｌと反対方向に延長した構造と成されている。図８（ｂ）では、この延長部１２は給電電極３の先端３ａの上部を覆うように先細りの形状にて延設されている。これにより、各電極２、３間の電磁結合の度合いが変化し、図８（ｃ）に示すように、図８（ａ）の電極構造に比べて、動作周波数帯域の低周波数帯域側を拡張することができ、広帯域化が図れる。

次ぎに、図９は本発明の第６実施形態を示している。本実施形態は、上述の図８（ａ）の電極構造において、主放射電極２と給電電極３とのギャップ４を給電電極３の先端３ａ方向に漸増した構造と成されている。

図９（ａ）は、主放射電極２の開放端２ａを給電電極３より遠ざかる円弧状に形成した構造であり、図９（ｂ）は、同じく開放端２ａを給電電極３より遠ざかる斜線状に形成した構造である。このように構成することにより、各電極２、３間の電磁結合の度合いが変化し、図９（ｃ）に示すように、上述の第５実施形態の場合と異なり、図８（ａ）の電極構造に比べて特に高周波数帯の特性が改善される。係る構造は、低周波数帯域の特性に余裕がある場合に有効である。

次ぎに、図１０は本発明の第７実施形態を示している。
当実施形態のアンテナ１は、主放射電極２に上述の第２突起状電極８、第１短絡部６、延長部１２を付加した図１０（ａ）の構造のアンテナ１において、主放射電極２に主放射電極２における主な電流経路と非平行の第３突起状電極９を突設した電極構造と成されている。

この第３突起状電極９は、図１０（ｂ）に示すように、地導体５に接続しても良く、或いは、図１０（ｃ）に示すように地導体５と直接対向しない側の主放射電極２の辺縁に接続しても良い。何れの場合も、この第３突起状電極９の突設方向は、主放射電極２と直交方向、或いは斜め方向とする。
これにより、図１０（ｄ）に示すように、図１０（ａ）の電極構造に比べ、動作周波数をより低周波数帯域側に拡張するように特性を改善できることに加え、高周波数帯域の特性を所定の周波数帯で劣化させることができる。劣化させる周波数帯は、第３突起状電極９の長さや突設位置等により任意に変更可能である。

尚、図示しないが、上述の第３突起状電極９の少なくとも一部をインダクタンスやキャパシタンス素子で構成される集中定数回路に置き換えても良い。

以上のように、本実施形態では、ループ状の電流経路Ｌを有する電極構造と、主放射電極２と適切な距離をおいた地導体５の配設に加え、主放射電極２や給電電極３や地導体５の形状を最適化することにより、小型化、広帯域化は元より、所望の帯域で所望の特性を得ることが可能となる。

以下、図１１〜図１４に、上述したアンテナの電極構造を表面実装用のチップアンテナ２０で構成し、回路基板２１に搭載した実施例を示す。尚、以下の実施例に示すチップアンテナ２０の特性は全て実測値である。

ここで、回路基板２１は、例えば、ガラスエポキシ基板で構成し、この回路基板２１上にチップアンテナ２０を載置する構成とした。チップアンテナ２０は、厚さ１ｍｍで成る薄い直方体状の誘電体基材２２を用い、この誘電体基材２２の表面上に主放射電極２と給電電極３の各電極を、例えば、Ａｇペーストを所定の形状に付着・焼成することにより形成している。地導体５は、例えば、Ｃｕ導体パターンを回路基板２１上に形成し、上記誘電体基材２２の隣接２辺に沿ってＬ字型に配設した。各電極２、３を誘電体基材２２上に形成すると波長短縮効果が得られ、チップアンテナの小型化に有利となる。

先ず、図１１（ａ）は、上述した図９（ａ）の電極構造を用いて構成したサイズ１０×５×１ｍｍのチップアンテナ２０の実施例である。

この第１の実施例では、図１１（ｂ）に示すように、ＶＳＷＲ（電圧定在波比）が２以下の周波数帯域は２．８〜１２ＧＨｚと極めて広く、且つ、３〜７ＧＨｚにおいてＶＳＷＲは１．７以下まで押さえ込まれている。更に、従来、小型化の障害となっていた低周波数帯域側（３ＧＨｚ）のＶＳＷＲは１．２以下と極めて良好である。
因みに、当チップアンテナ２０と同等のアンテナ体積(表面積)を有する従来品の場合、３．１〜１０．６ＧＨｚの周波数帯域内でＶＳＷＲが２を超える周波数帯域が存在し、且つ、３ＧＨｚでのＶＳＷＲも１．５〜２程度であることが知られており、本アンテナの特性に比べて性能が劣っている。

次ぎに、図１２（ａ）は、上述した図８（ｂ）の電極構造を用いて構成したサイズ８×３×１ｍｍのチップアンテナ２０の実施例である。

この第２の実施例では、図１２（ｂ）に示すように、３．１〜１０．６ＧＨｚの広い周波数帯域においてＶＳＷＲを２．２以下にできることが確認された。因みに、本実施例の２倍のアンテナ体積を持つ従来品の場合は、３．１〜１０．６ＧＨｚの周波数帯域でのＶＳＷＲは２．５以下であることが知られている。

次ぎに、図１３（ａ）は、上述した第２の実施例の電極構造に第３突起状電極９を設けたもので、図１３（ｂ）に示すように、３〜４ＧＨｚの周波数帯域の特性を改善しながら５〜６ＧＨｚの周波数帯域の特性を劣化させるように調整することで、サイズ８×３×１ｍｍのチップアンテナ２０で３．１〜４．９ＧＨｚの周波数帯域におけるＶＳＷＲを１．７以下とした第３の実施例である。因みに、同等のアンテナ体積の従来品の場合は、３．１〜４．９ＧＨｚの低周波数帯域でのＶＳＷＲは３以下であることが知られている。

更に、図１４（ａ）は、上述した図１０（ｂ）の電極構造を用いて構成したサイズ６×３×１ｍｍのチップアンテナ２０の実施例である。

この第４の実施例では、図１４（ｂ）に示すように、３．１〜４．９ＧＨｚの周波数帯域においてＶＳＷＲを１．９以下にできることが確認された。これは、当チップアンテナよりサイズの大きい７×４×１ｍｍ（ＶＳＷＲが３であることが知られている）の従来品に対し、約３５％の小型化を実現したものである。

本発明に係るアンテナの第１実施形態を示し、（ａ）、（ｂ）はアンテナの電極構造を示す説明図、（ｃ）は特性図。主放射電極と地導体の隙間寸法とアンテナ特性との相対関係を示し、（ａ）〜（ｃ）はアンテナの電極構造を示す説明図、（ｄ）は特性図。図１と異なる電極構造を有するアンテナの例を示し、（ａ）はアンテナの電極構造を示す説明図、（ｂ）特性図。図４と異なる電極構造を有するアンテナの例を示し、（ａ）はアンテナの電極構造を示す説明図、（ｂ）特性図。本発明に係るアンテナの第２実施形態を示し、（ａ）はアンテナの電極構造を示す説明図、（ｂ）は特性図。本発明に係るアンテナの第３実施形態を示し、（ａ）、（ｂ）はアンテナの電極構造を示す説明図、（ｃ）は特性図。本発明に係るアンテナの第４実施形態を示し、（ａ）、（ｂ）はアンテナの電極構造を示す説明図、（ｃ）は特性図。本発明に係るアンテナの第５実施形態を示し、（ａ）、（ｂ）はアンテナの電極構造を示す説明図、（ｃ）は特性図。本発明に係るアンテナの第６実施形態を示し、（ａ）、（ｂ）はアンテナの電極構造を示す説明図、（ｃ）は特性図。本発明に係るアンテナの第７実施形態を示し、（ａ）〜（ｃ）、はアンテナの電極構造を示す説明図、（ｄ）は特性図。本発明が適用されたチップアンテナの第１の実施例を示し、（ａ）はチップアンテナの構造を示す説明図、（ｂ）は特性図。本発明が適用されたチップアンテナの第２の実施例を示し、（ａ）はチップアンテナの構造を示す説明図、（ｂ）は特性図。本発明が適用されたチップアンテナの第３の実施例を示し、（ａ）はチップアンテナの構造を示す説明図、（ｂ）は特性図。本発明が適用されたチップアンテナの第４の実施例を示し、（ａ）はチップアンテナの構造を示す説明図、（ｂ）は特性図。

符号の説明

１アンテナ
２主放射電極
２ａ開放端
３給電電極
３ａ先端側
４ギャップ
５地導体
６短絡部（第１短絡部）
７第１突起状電極
８第２突起状電極
９第３突起状電極
１０延伸部
１１別の短絡部（第２短絡部）
１３バイパス路
Ｌ電流経路

Claims

主放射電極と、この主放射電極とギャップを介して容量接続された給電電極を備え、
前記主放射電極は、この主放射電極に沿って配設された地導体と短絡部により一部短絡されてループ状の電流経路を形成しており、且つ、前記主放射電極と前記地導体の距離が下限動作周波数の波長の最大４０分の１以下に設定されていることを特徴とするアンテナ。
前記給電電極は、前記主放射電極における主な電流経路と平行する第１突起状電極を備えることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
前記主放射電極は、前記地導体と対向する第２突起状電極を備えることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載のアンテナ。
前記第２突起状電極と前記短絡部を接続するバイパス路を形成したことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ。
前記主放射電極は、前記短絡部を越え前記地導体に沿って延伸されていることを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載のアンテナ。
前記主放射電極の延伸部が、別の短絡部により前記地導体に一部短絡されていることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ。
前記主放射電極の開放端側を前記給電電極の先端側を覆うように一部延長したことを特徴とする請求項１から請求項６までの何れかに記載のアンテナ。
前記主放射電極と前記給電電極とのギャップを給電電極の先端方向に漸増したことを特徴とする請求項１から請求項６までの何れかに記載のアンテナ。
前記主放射電極或いは前記地導体は、前記主放射電極における主な電流経路と非平行の第３突起状電極を備えることを特徴とする請求項１から請求項８までの何れかに記載のアンテナ。
前記第３突起状電極の少なくとも一部を集中定数回路で構成したことを特徴とする請求項９に記載のアンテナ。