JP2006319767A - 平面アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 プリント基板上にパターン形成する平面アンテナを小型化すると共に複数の周波数で使用できるようにすることを目的とする。
【解決手段】 プリント基板１０に接地導体部１１及び給電点１４を設け、この接地導体部１１の端辺と略並行に第１の開放線路１２を設けると共にこの給電点１４をこの第１の開放線路１２に接続する給電線路１３を設け、この第１の開放線路１２とこの接地導体部１１との間にこの給電線路１３から分岐し、この接地導体部１１に接続する短絡線路１５を設けると共にこの給電線路１３のこの第１の開放線路１２の反対方向に第２の開放線路１６を設けたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無線ＬＡＮ（Local Area Network）を始めとする無線通信の無線通信端末に適用して好適な小型の平面アンテナに関する。

近年、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）だけでなく、家庭内のさまざまな電化製品へ無線通信機能を搭載し、小規模な無線ネットワークを構築することで各機器間の情報通信を行う動きが活発化している。

このような機器では、必要に応じて、さまざまな無線方式や周波数帯が利用されており、最近では、特に同一の機器で複数の周波数の電波を送受信可能として高機能化を図った機器の需要が増えている。特に、監督官庁の免許が不要であることから、２.４ＧＨｚや５ＧＨｚ帯を利用した無線通信システムを利用することが多い。

無線ＬＡＮを始めとする無線通信では、アンテナを介して情報伝送が行われる。従って無線通信機能を有する機器には、無線通信に使用する周波数に応じてアンテナを搭載する必要がある。
ところで、近年の需要者による製品の選択基準は、そのデザインに重点が置かれるようになってきている。例えば家庭内の美観を損ねない形状のものが望まれ、アンテナ等の突起物等を有しない形状であることが求められている。

斯かる観点より機器の筐体内にアンテナを内蔵することが考えられ、この筐体内にアンテナを内蔵する場合新たに専用のスペースを確保することが必要である。更に製品の小型化や軽量化が伴う場合、当然のことながらアンテナ自身の小体積化や軽量化も必要となる。

しかし、アンテナを機器の筐体に内蔵し、且つ性能を確保するためには、それなりの接地スペースが必要である。更に一般にアンテナは、使用波長λに応じた電気長（例えばλ/４）を必要とし、アンテナ自体を小型化することは容易ではない。

そこで、最近では、小型のセラミック誘電体アンテナが多用されている。このセラミック誘電体アンテナは、誘電体の表面又は内部に電極パターンを形成したアンテナであり、その誘電率に応じた波長短縮効果が得られる。また、電極パターンをメアンダ状(蛇行パターン)にすることにより、当該アンテナの実装面積に比べて長い電気長を確保することができる。

しかし、このセラミック誘電体アンテナを機器の筐体内部の基板へ実装した場合、筐体に用いている材料や金属等の影響により、インピーダンスの不整合とうアンテナの諸特性に著しい変化が生じる場合がある。更に、一般に高誘電率を有する材料は高価であるため、機器のコストアップにつながる不都合がある。

これに対して、プリント基板上に銅箔パターンによってアンテナを形成した場合、本来アンテナが設置されるべきプリント基板上に直接アンテナを形成できるため、コスト的には非常に安価となる。

このプリント基板上に銅箔パターンで形成するアンテナとしては、ダイポール型アンテナ、モノポール型アンテナ等さまざまな形状のアンテナが考えられるが、その中でもＩＦＡ（Inversed-F Antenna：逆Ｆ型アンテナ）が帯域が広く、機器の筐体等による特性の変化に強いと考えられ多用されている。

この逆Ｆ型アンテナ（ＩＦＡ）の一般的な構成を図９に示す。この逆Ｆ型アンテナは、基本的にはモノポール型アンテナをＬ字状に折り曲げものと考えられ、プリント基板１上に銅箔パターンにより接地導体部２を設け、この接地導体部２の端辺と略並行にアンテナ素子を構成する銅箔パターンにより開放線路３を設ける。

この開放線路３の一端を開放端３ａとし、この開放線路３の他端を銅箔パターンによる短絡線路４を介して、接地導体部２に接続し、この短絡線路４と接地導体部２との接続点を接地点４ａとする。

また、開放線路３の他端即ち開放線路３と短絡線路４の接続点を銅箔パターンによる給電線路５を介して給電点５ａに接続し、この給電点５ａから接地点４ａまでの線路の距離を調整し、５０Ωに整合するようにしている。

また、特許文献１には、給電線路と、短絡線路と、第１の開放線路とで形成した逆Ｆ型アンテナに第２の開放線路を接続してマルチバンドアンテナとするようにしたものが記載されている。
特開２００４−１７２９１２号公報

この逆Ｆ型アンテナは、良好な特性が得られるものの、給電線路５に対し、開放線路３と短絡線路４とは、互いに反対方向にあり、使用周波数の波長λに対して開放線路３の長さと短絡線路４の長さとを加算した長さが略λ/４としなければならず、アンテナの小型化に不向きな構成である。

更に、複数の周波数の無線通信の利用を可能とするためには、機器内に夫々の周波数に対応した逆Ｆ型アンテナを複数個設ける必要があり、機器の小型化が困難である不都合がある。

また、特許文献１に記載の逆Ｆ型アンテナを用いたマルチバンドアンテナも、給電線路に対し第１の開放線路と短絡線路とは互いに反対方向にあり、使用周波数の波長λに対して第１の開放線路の長さと短絡線路の長さとを加算した長さが略λ/４としなければならず、アンテナの小型化に不向きな構成である。

本発明は、斯かる点に鑑み、プリント基板上にパターン形成する平面アンテナを小型化すると共に複数の周波数で使用できるようにすることを目的とする。

本発明平面アンテナは、プリント基板に接地導体部及び給電点を設け、この接地導体部の端辺と略並行に第１の開放線路を設けると共にこの給電点をこの第１の開放線路に接続する給電線路を設け、この第１の開放線路とこの接地導体部との間にこの給電線路から分岐し、この接地導体部に接続する短絡線路を設けると共にこの給電線路のこの第１の開放線路の反対方向に第２の開放線路を設けたものである。

本発明によれば、第１の開放線路と接地導体部との間に、給電線路から分岐し、接地導体部に接続する短絡線路を設けたので、逆Ｆ型アンテナの変形であり、良好な特性が得られると共にアンテナの長さを小さくできる。

また、本発明によれば、給電線路の第１の開放線路の反対方向に第２の開放線路を設けたので、複数の周波数に使用できる。

以下図１を参照して、本発明平面アンテナを実施するための最良の形態の例につき説明する。
図１Ａ及びＢにおいて、１０はプリント基板を示し、本例による平面アンテナは、他の周辺回路パターン等が形成されるプリント基板１０の端部において形成する。

図１Ａ及びＢにおいて、１１は所定範囲に亘って、このプリント基板１０の表面上に形成された金属箔例えば銅箔パターンより成る接地導体部を示し、この接地導体部１１の端辺１１ａと略並行に第１のアンテナ素子を構成する金属箔例えば銅箔パターンより成る第１の開放線路１２を設ける。

この第１の開放線路１２の一端を金属箔例えば銅箔パターンより成る給電線路１３を介して給電点１４に接続する。この第１の開放線路１２の他端を何れにも接続しない開放端１２ａとし、この第１の開放線路を給電点１４より不平衡型のアンテナとして励振する如くする。

この第１の開放線路１２の長さは使用周波数例えば２．４ＧＨｚの周波数の電波を放射する所定長さとし、本例においては、この第１の開放線路１２をメアンダ状(蛇行パターン)に屈曲し、この所定長さの第１の開放線路１２を給電線路１３と直行する方向に伸延するのを抑制する。

本例においては、金属箔例えば銅箔パターンより成る短絡線路１５を給電線路１３より分岐して設けると共に接地導体部１１とこの第１の開放線路１２との間をこの第１の開放線路１２の開放端１２ａ方向に伸延し、端部を接地導体部１１に接続し、接地点１５ａとする。

この短絡線路１５は、その長さによりこの平面アンテナの特性インピーダンスを決定し、この平面アンテナに接続される回路のインピーダンス５０Ωにマッチングするよう調整される。本例においては、給電線路１３と直行する方向へサイズが伸延するのを抑制する目的で、この短絡線路１５をメアンダ状に屈曲する。

また、本例においては、給電線路１３の第１の開放線路１２とは反対側に第２のアンテナ素子を構成する金属箔例えば銅箔パターンより成る第２の開放線路１６を設ける。この第２の開放線路１６の一端を何れにも接続しない開放端１６ａとし、この第２の開放線路１６の他端を給電線路１３に対し、第１の開放線路１２の反対側に接続する。

この第２の開放線路１６の開放端１６ａ側をこの給電線路１３と平行になるように接地導体部１１の方向に折り曲げ、この第２の開放線路１６が給電線路１３と直行する方向に伸延するのを抑制する。この第２の開放線路１６の長さは使用周波数例えば５．２ＧＨｚの周波数の電波を放射する所定長とする。

本例は、上述の如く、第１の開放線路１２と接地導体部１１との間に、給電線路１３から分岐し、接地導体部１１に接続する短絡線路１５を設けたので、逆Ｆ型アンテナの変形であり、良好な特性が得られると共にアンテナの長さを小さくできる。

また、本例によれば、給電線路１３の第１開放線路１２の反対方向に第２の開放線路１６を設けたので、複数の周波数に使用できる。

次に、本発明平面アンテナの具体例として、２．４ＧＨｚ帯と５．２ＧＨｚ帯との２つの周波数で使用することを前提とし、異なる周波数を同時に放射可能なことを明示して説明する。以下では説明の便宜上、２．４ＧＨｚをｆ１、５．２ＧＨｚをｆ２とする。

図２は図１例の平面アンテナのリターンロス（Return Loss）を示したものである。この例では、プリント基板１０の非誘電率を４．４とし、図１Ａのプリント基板１０の高さＨを３５ｍｍ、幅Ｗを３０ｍｍとし、アンテナ部の高さｈを７ｍｍ、幅ｗを１３ｍｍとする。

更に、本例の平面アンテナの寸法をλ１をｆ１の自由空間中の波長、λ２をｆ２の自由空間中の波長したとき、給電線路１３の長さと第１の開放線路１２の長さとの加算値を略０．３５λ１とし、給電線路１３の長さと第２の開放線路１６の長さとの加算値を０．２λ２とする。

図２より明らかなように、本例平面アンテナは、ｆ１とｆ２との２つの周波数で共振し、
リターンロス≦-１０[ｄＢ]
の周波数を帯域幅とすると、ｆ１に対する非帯域幅は略７％、ｆ２に対する非帯域幅は略８％となる。通常、無線ＬＡＮを始めとする無線システムで使用される周波数帯域幅は数％であるから、本例平面アンテナは実使用上問題ない帯域幅を有する。

図３は、図１に示す本例平面アンテナにおいて、短絡線路１５の長さを変化させた場合のリターンロスを示したものである。図３中、ａ及びｂは夫々短絡線路１５の長さを０．０６λ１及び０．０８λ１とした場合の特性を示したものである。この図３より、短絡線路１５の電気長により、本例平面アンテナの特性インピーダンスが変化し、適宜調整することで良好なリターンロスの値が得られることがわかる。

この平面アンテナの特性インピーダンスは接地導体部１１の大きさや筐体の影響により変化するため、この短絡線路１５の長さは一意に定まるものではない。

この場合、図４に示す如く、短絡線路１５の途中にチップ素子１７を介在させることで、この短絡線路１５の電気長を実効的に調整することで対処できる。

その一例として、チップ素子１７をインダクタ素子とし、定数の値を１．５ｎＨと２．５ｎＨとした場合のリターンロスが図５に示す如くであった。この図５より明らかなように、短絡線路１５の途中に集中定数を備えるチップ素子１７を介在させることによって等価的に電気長を稼ぐことができ、本例の場合、このチップ素子１７を１．５ｎＨとすることで、容易に良好に整合を取ることができた。

従って、接地導体部１１の大きさや筐体の影響により本例の平面アンテナの特性インピーダンスが変化しても、アンテナパターンを変更することなく、チップ素子１７を設けることにより容易に補正することができる。

また、図６は、図１に示す本例平面アンテナの電流分布を示したものであり、図６Ａはｆ１の電流分布、図６Ｂはｆ２の電流分布を示す。図６においては、電流分布の強弱は濃淡で表しており、濃くなるにつれて電流分布が強いことを示している。

この図６Ａより、ｆ１の電流は第１の開放線路１２上に強く分布しており、第１の開放線路１２がｆ１での主放射導体であることがわかる。更に図６Ｂより、ｆ２の電流は、第２の開放線路１６上に強く分布しており、第２の開放線路１６がｆ２での主放射導体であることがわかる。この図６Ｂより、ｆ２の第２高調波等が第１の開放線路１２より放射していることがわかる。

また、図６Ａにおいて、ｆ１の電流は第２の開放線路１６上にはほとんど分布しておらず、この図１例の平面アンテナは、ｆ１とｆ２とで独立に調整可能であることを示唆している。

図７は、図１例の平面アンテナにおいて、第２の開放線路１６の長さを変化させた場合のリターンロスを示したもので、図７中ｃ、ｄ及びｅは給電線路１３の長さと第２の開放線路１６の長さとの加算値が夫々０．１７λ２、０．１８５λ２及び０．２λ２とした場合の特性を表している。

この図７より、第２の開放線路１６の長さを調整することにより、ｆ２に該当する周波数を容易に変化させることができる。また、この図７より明らかなように、第２の開放線路１６の長さを変化させても、ｆ１に該当する周波ほとんど変化しない。

一般に、アンテナにおいて、その特性はアンテナそのものの設計寸法のみで決らず、接地される接地導体部１１のサイズやプリント基板１０の電気特性、更に筐体の材料によっても変化する。従ってアンテナの設置状況によっては、ｆ１及びｆ２は意図した周波数からずれる可能性がある。

然しながら、本例平面アンテナにおいては、上述したように、ｆ１とｆ２とは夫々独立に変化させることができるため、この平面アンテナの実装後の周波数調整が比較的容易に行える利点を有する。

このため、本例平面アンテナにおいて、プリント基板１０上の金属箔例えば銅箔パターン形成した第１及び第２の開放線路１２及び１６を予め長めに設定しておけば、パターンカットで容易に調整できる。

また、図８は、本発明を実施するための最良の形態の他の例の要部を示す。この図８例につき説明するに図１例に対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明は省略する。

図８例は、図１例において、アンテナ部と接地導体部１１がプリント基板１０の同一平面上に構成したものではなく、この接地導体部１１をプリント基板１０の裏面に設けたものである。この場合、この接地導体部１１はアンテナ部配置領域の裏面を避けて設け、アンテナ部に干渉が生じるのを防止する必要がある。また、その際、短絡線路１５はスルーホール１８を介してプリント基板１０の裏面の接地導体部１１に接続する。

斯かる図８例によれば、図１例同様の作用効果が得られると共に平面アンテナの給電点１４にアンテナ部周囲の回路からストリップライン等により直接給電することができる。

尚、本発明は上述例に限ることなく、本発明の要旨を逸脱することなく、その他種々の構成が採り得ることは勿論である。

本発明平面アンテナを実施するための最良の形態の例を示し、Ａは全体の構成図、Ｂは要部の構成図である。 本発明の説明に供する線図である。 本発明の説明に供する線図である。 本発明平面アンテナを実施するための最良の形態の他の例を示す要部の構成図である。 本発明の説明に供する線図である。 図１例の電流分布を示す説明図である。 本発明の説明に供する線図である。 本発明平面アンテナを実施するための最良の形態の他の例を示す要部の構成図である。 従来の逆Ｆ型アンテナの例を示す構成図である。

符号の説明

１０…プリント基板、１１…接地導体部、１２…第１の開放線路、１３…給電線路、１４…給電点、１５…短絡線路、１６…第２の開放線路、１７…チップ素子、１８…スルーホール

Claims (4)

1. プリント基板に接地導体部及び給電点を設け、前記接地導体部の端辺と略並行に第１の開放線路を設けると共に前記給電点を前記第１の開放線路に接続する給電線路を設け、前記第１の開放線路と前記接地導体部との間に前記給電線路から分岐し、前記接地導体部に接続する短絡線路を設けると共に前記給電線路の前記第１の開放線路の反対方向に第２の開放線路を設けたことを特徴とする平面アンテナ。
2. 請求項１記載の平面アンテナにおいて、
   前記第１の開放線路及び前記短絡線路を屈曲したことを特徴とする平面アンテナ。
3. 請求項１又は２記載の平面アンテナにおいて、
   前記第２の開放線路を屈曲したことを特徴とする平面アンテナ。
4. 請求項１記載の平面アンテナにおいて、
   前記短絡線路の途中にチップ素子を介在したことを特徴とする平面アンテナ。