JP2007208848A - アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化並びに周波数帯域の広帯域化を実現することができるとともに、アンテナ特性に優れたアンテナを提供する。
【解決手段】アンテナ１は、誘電体層１１２と、誘電体層１１２上の第１の励振層１２と、第１の励振層１２上の誘電体層１１３〜１１６と、第１の励振層１２上に誘電体層１１３〜１１６を介して対向配置された第２の励振層１７と、第１の励振層１２の一端及び第２の励振層１７の一端に接続された給電線１４とを備える。給電線１４は第１のシールド層１２Ｓと第２のシールド層１７Ｓとの間に挟まれている。更に、アンテナ１は第１の励振層１２の他端と第２の励振層１７の他端との間を接続するビア配線（１３Ｓ及び１６Ｓ）を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナに関し、特に小型化並びに広帯域化に好適なアンテナに関するものである。

平面アンテナとして、誘電体上において２本のアンテナエレメントとなる導体を直線状に配置したダイポールアンテナが良く知られている。ダイポールアンテナは、アンテナエレメントの延在方向に対して直交する方向にドーナツ状の利得を有している。

ダイポールアンテナの小型化の手法にはモノポールアンテナ化や逆Ｆ型アンテナ化が一般的である。モノポールアンテナは、ダイポールアンテナの２本のアンテナエレメントのうちその一方をグランドに落として鏡像とし、他方のアンテナエレメントとグランドとの間において給電を行うアンテナである。逆Ｆ型アンテナは、モノポールアンテナの他方のアンテナエレメントをアルファベットの文字「Ｆ」を逆向きにした形状とし、この他方のアンテナエレメントを給電点の近傍においてグランドに落としたアンテナである。

これらのアンテナにおいては、アンテナエレメントの長さが使用周波数の波長の２分の１又は４分の１のときに共振し、大きな電流が流れ、効率良く電波を放射することができる。ところが、これらのアンテナが使用可能な周波数帯域は狭い。

周波数帯域の広帯域化には、例えばボータイアンテナのように、アンテナエレメントの形状（励振パターンの形状）を工夫することが有効である。給電点から離れる方向に向かって末広がりを持つ形状にアンテナエレメントを製作することによって、周波数帯域の広帯域化を実現することができる。アンテナエレメントを無限長に伸ばせば周波数帯域の広帯域化は可能であるが、アンテナ自体が大型化されるという不具合が生じる。

下記特許文献１には、アンテナエレメントとして使用される平面エレメントに切欠きを設けたアンテナ及びアンテナ用誘電体基板が開示されている。このアンテナ及びアンテナ用誘電体基板においては、平面エレメントの形状を半円にしているので、広帯域化を実現することができるとともに、平面エレメントの一部に切欠きを設けているので、平面エレメントの実際の面積を減らして小型化を実現することができる特徴がある。
特開２００４−３２８６９３号公報

ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話等の無線通信を使用する電子機器においては、近年の小型化の要求に加え、複数の無線システムに共存することができること、ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ：ultra wide band）例えば３ＧＨｚ−５ＧＨｚの広帯域の周波数帯域に適用することができることが要求されている。しかしながら、アンテナの周波数帯域の広帯域化は、前述のようにアンテナエレメントの面積を増大しなくてはならないので、アンテナの小型化に対して相反する。上記特許文献１に開示されたアンテナ及びアンテナ用誘電体基板においても、広帯域化には単純に平面エレメント（アンテナエレメント）の面積を増大する必要があり、平面エレメントの全体の輪郭としては大型になり、ノート型パーソナルコンピュータ等の電子機器への適用が難しい。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は小型化並びに周波数帯域の広帯域化を実現することができるとともに、アンテナ特性に優れたアンテナを提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、アンテナにおいて、第１の誘電体層と、第１の誘電体層上の第１の励振層と、第１の励振層上の第２の誘電体層と、第１の励振層上に第２の誘電体層を介して対向配置された第２の励振層と、第１の励振層の一端及び第２の励振層の一端に設けられ、第１の励振層と第２の励振層との間を電気的に接続する給電端子部と、給電端子部に一端が接続された給電線と、給電線の他端と第１の誘電体層との間に配設され、定電位に設定される第１のシールド層と、給電線の他端と第２の誘電体層との間に配設され、定電位に設定される第２のシールド層とを備えている。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、アンテナにおいて、第１の誘電体層と、第１の誘電体層上の第１の励振層と、第１の励振層上の第２の誘電体層と、第１の励振層上に第２の誘電体層を介して対向配置された第２の励振層と、第１の励振層の一端及び第２の励振層の一端に設けられ、第１の励振層と第２の励振層との間を電気的に接続する給電端子部と、給電端子部に一端が接続された給電線と、給電線の他端と第１の誘電体層との間に配設され、定電位に設定される第１のシールド層と、給電線の他端と第２の誘電体層との間に配設され、定電位に設定される第２のシールド層と、第１の励振層の他端辺縁部と前記第２の励振層の他端辺縁部との間を接続するビア配線とを備えている。

本発明によれば、小型化並びに周波数帯域の広帯域化を実現することができ、アンテナ特性を向上することができるアンテナを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態は、アンテナエレメントとなる励振層を基板の厚さ方向にデュアル化したアンテナを説明するものである。

［アンテナの構造］
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ１は、誘電体層（第１の誘電体層）１１２と、誘電体層１１２上の第１の励振層（第１のアンテナエレメント）１２と、第１の励振層１２上の誘電体層（第２の誘電体層）１１３〜１１６と、第１の励振層１２上に誘電体層１１３〜１１６を介して対向配置された第２の励振層（第２のアンテナエレメント）１７と、第１の励振層１２の一端及び第２の励振層１７の一端に設けられ第１の励振層１２と第２の励振層１７との間を電気的に接続するビア配線（給電端子部）１３及び１６とを備える。アンテナ１においては、ベースとなる基板上に第１の励振層１２及び第２の励振層１７を含む複数層の誘電体層１１１〜１１７を有する誘電体基板１０が使用されている。

図１中、誘電体基板１０上の右側にアンテナ１が配設され、誘電体基板１０の左側にはロジック部２０が配設されている。ロジック部２０には、その構造を詳細に示していないが、アンテナ１に給電線１４を通して接続されるスイッチ、フィルタ、無線回路等が実装される領域である。

図２に示すように、誘電体基板１０のベースとなる基板には例えばエポキシ樹脂基板が使用され、この基板上には複数層の誘電体層１１１〜１１７と複数層の配線（ここでは、符号１２、１４、１７の一部の配線層を示している。）とがそれぞれ交互に積層され、誘電体基板１０が多層配線基板として構築されている。誘電体層１１１〜１１７には例えばシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜等の単層薄膜、その他、それらを積層した複合薄膜を使用することができる。配線には例えば銅薄膜若しくは銅合金薄膜の単層薄膜、又はこれらの単層薄膜に金薄膜、ニッケル薄膜等の薄膜をめっきした薄膜を使用することができる。

アンテナ１の第１の励振層１２は誘電体基板１０の誘電体層１１２上に配設されている。この第１の励振層１２はロジック部２０において配設される配線と同一層において同一材料により構成されている。つまり、第１の実施の形態において、第１の励振層１２は例えば銅薄膜により形成されている。更に、第１の実施の形態において、第１の励振層１２は、例えば３ＧＨｚ−５ＧＨｚの範囲内のＵＷＢに対応することができるように、周縁において給電線１４に接続しその接続部分から遠ざかるに従い広がる平面形状具体的には楕円形状により構成されている。また、第１の励振層１２の平面形状には三角形状や円形状を採用することができる。

第２の励振層１７は、第１の励振層１２の配設位置と同一位置において、誘電体基板１０の誘電体層１１６上に配設されている。第１の励振層１２と同様に、第２の励振層１７は、ロジック部２０において配設される他の配線と同一層において同一材料により構成され、更に同一平面形状により構成されている。つまり、第２の励振層１７は誘電体基板１０を真上から見て第１の励振層１２に重複して配設され、アンテナ１は誘電体基板１０の厚さ方向において励振層（アンテナエレメント）がデュアル化されている。第２の励振層１７上には最終パッシベーション膜として使用される誘電体層１１７が配設されている。

給電線１４は、第１の励振層１２及び第２の励振層１７とロジック部２０との間において、誘電体基板１０の誘電体層１１４上に配設されている。給電線１４は、ロジック部２０に配設される配線と同一層において同一材料により構成されており、例えば銅薄膜により形成されている。給電線１４の一端は、第１の励振層１２に第１のビア配線１３を通して接続されるとともに第２の励振層１７に第２のビア配線１６を通して接続されている。この接続部分が給電端子部になる。給電線１４の他端はロジック部２０に向かって延在しかつロジック部２０に接続されている。

第１のビア配線１３は第１の励振層１２と給電線１４との間に配設された誘電体層１１３及び１１４に形成されたビア内部に配設されている。第２のビア配線１６は給電線１４と第２の励振層１７との間に配設された誘電体層１１５及び１１６に形成されたビア内部に配設されている。第１のビア配線１３、第２のビア配線１６はいずれも例えば銅めっき層により形成されている。

給電線１４の下層には第１のシールド層１２Ｓが配設され、上層には第２のシールド層１７Ｓが配設されている。第１のシールド層１２Ｓ及び第２のシールド層１７Ｓは、給電線１４をその上下において挟み込むようになっている。第１のシールド層１２Ｓは、誘電体層１１２上に配設され、第１の励振層１２と同一層において同一材料により構成されている。第１のシールド層１２Ｓには定電位例えばグランド電位が供給されるようになっている。第２のシールド層１７Ｓは、誘電体層１１６上に配設され、第２の励振層１７と同一層において同一材料により構成されている。第２のシールド層１７Ｓには第１のシールド層１２Ｓに供給される電位と同一電位が供給されるようになっている。

［アンテナ特性］
前述の第１の実施の形態に係る、励振層をデュアル化したアンテナ１の特性を図３に示し、単層の励振層を有するアンテナの特性を比較例として図４に示す。図３及び図４において、横軸は周波数（ＧＨｚ）を示し、縦軸は反射損（ｄＢ）を示す。

比較例に係るアンテナは、図４に示すように、２．５ＧＨｚ〜８．５ＧＨｚの使用周波数帯域中、３．０ＧＨｚ付近の周波数において約−１６ｄＢの低い反射損を有し、６．０ＧＨｚ付近の周波数において約−１７ｄＢの低い反射損を有しているものの、４．５ＧＨｚ付近の周波数において約−１２．５ｄＢの高い反射損を有し、７ＧＨｚ付近の周波数において約−１１ｄＢの高い反射損を有している。ここで、目安となる電圧定在波比（ＶＳＷＲ：voltage standing wave ratio）は−１０ｄＢに設定してある。

これに対して、第１の実施の形態に係るアンテナ１は、図３に示すように、使用周波数帯域の全域において、比較例に係るアンテナの反射損に比べて低い反射損を有している。すなわち、アンテナ１は、３．０ＧＨｚ付近の周波数において約−１９ｄＢ〜−２０ｄＢの低い反射損を有し、６．０ＧＨｚ付近の周波数において約−３５ｄＢの最も低い反射損を有している。更に、４．５ＧＨｚ付近の周波数においては約−１５ｄＢ〜−１６ｄＢの低い反射損を有し、７ＧＨｚ付近の周波数において約−１６ｄＢ〜−１７ｄＢの低い反射損を有している。

［アンテナの特徴］
このように構成される第１の実施の形態に係るアンテナ１においては、第１の励振層１２と第２の励振層１７とを誘電体基板１０において積層してデュアル化するとともに、給電線１４の接続部分から見て第１の励振層１２及び第２の励振層１７の平面形状を広がるように構成したことにより、小型化を実現しつつ、周波数帯域の広帯域化を実現することができる。

更に、アンテナ１においては、図３に示すように、第１の励振層１２及び第２の励振層１７をデュアル化することにより、使用周波数帯域における反射損を全体的に減少することができるので、アンテナ特性を向上することができる。このアンテナ特性を向上することができる結果、アンテナ１の受信感度を向上することができ、例えばロジック部２０に配設されるアンプの出力を下げることができるので、より一層、アンテナ１の小型化を実現することができる。

更に、アンテナ１においては、第１のシールド層１２Ｓと第２のシールド層１７Ｓとの間に給電線１４を挟み込むように配設したことにより、給電線１４からその外部に漏れる電磁波を第１のシールド層１２Ｓ及び第２のシールド層１７Ｓによって遮蔽することができ、給電線１４から漏れる電磁波に起因するアンテナ放射パターンへの悪影響を防止することができる。

更に、アンテナ１においては、第１の励振層１２及び第２の励振層１７を誘電体層１１１〜１１７内部に配設することにより、誘電体層１１１〜１１７の誘電率が空気に比べて高く、波長短縮効果によって周波数を高めることができるので、第１の励振層１２及び第２の励振層１７の平面形状を減少することができ、小型化を実現することができる。

なお、第１の実施の形態に係るアンテナ１は、第１の励振層１２の下層（誘電体基板１０側）及び第２の励振層１７の上層に更なる導体を配設していない。これらの導体は、第１の励振層１２、第２の励振層１７のそれぞれからの電界を消失してしまうので、アンテナ特性の向上に必ずしも寄与しない。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態に係るアンテナ１のデュアル化された第１の励振層１２と第２の励振層１７との間を短絡するビア配線を備えた例を説明するものである。また、第２の実施の形態は、第１の実施の形態に係るアンテナ１の第１の励振層１２及び第２の励振層１７の平面形状を変えた例を説明するものである。

［アンテナの構造］
図５及び図６に示すように、本発明の第２の実施の形態に係るアンテナ１は、第１の実施の形態に係るアンテナ１とほぼ同様のデュアル化された構造を備え、更に第１の励振層１２の他端辺縁部と第２の励振層１７の他端辺縁部との間を接続する（同一電位にする）ビア配線１３Ｓ及び１６Ｓを備えている。

第２の実施の形態において、第１の励振層１２は、例えばＵＷＢに対応することができるように、周縁において給電線１４に接続しその接続部分から遠ざかるに従い広がる平面形状具体的には半楕円形状により構成されている。ここで、「半楕円形状」とは楕円を直線により区切ったような形状を意味し、第１の励振層１２の平面形状は、給電線１４に接続される一端側の周縁に楕円曲線を有し、他端側に直線を有している。第２の実施の形態においては、この直線部分が第１の励振層１２の他端辺縁部に相当する。

第２の励振層１７の平面形状は第１の励振層１２の平面形状と同様に半楕円形状により構成され、第２の励振層１７は第１の励振層１２上に重複して配設されている。なお、第１の励振層１２及び第２の励振層１７の平面形状には三角形状、半円形状を採用することができる。

ビア配線１３Ｓ及び１６Ｓは、図５及び図７に示すように、第１の励振層１２、第２の励振層１７のそれぞれの他端辺縁部の直線に沿って一定間隔において複数配設されている。ビア配線１３Ｓはアンテナ１の製造プロセスにおいて第１の励振層１２と給電線１４との間を接続する第１のビア配線１３を製作する工程と同一工程により製作され、ビア配線１６Ｓは給電線１４と第２の励振層１７との間を接続する第２のビア配線１６を製作する工程と同一工程により製作されている。更に、ビア配線１３Ｓとビア配線１６Ｓとの間は接続されている。

第２の実施の形態に係るアンテナ１にはλ／８間隔において３〜５個のビア配線１３Ｓ及び１６Ｓが配設されている。これは、配設個数が１個に比べて３個の方がアンテナ特性が優れ、３個の配設個数に比べて５個の配設個数の方がアンテナ特性が優れ、配設個数が５個を越えると、アンテナ特性の向上に飽和が現れる、試作結果に基づくものである。ここで、複数のビア配線１３Ｓ及び１６Ｓは、λ／２、λ／４、λ／６、λ／８、λ／１０、…のように、使用周波数帯域の波長に偶数分の１を乗じた間隔において配設することができる。

［アンテナ特性］
前述の第２の実施の形態に係る、励振層をデュアル化しかつ双方の励振層を接続したアンテナ１の特性を図８に示し、単層の励振層を有するアンテナの特性を比較例として図９に示す。図８及び図９において、横軸は周波数（ＧＨｚ）を示し、縦軸は反射損（ｄＢ）を示す。

比較例に係るアンテナは、図９に示すように、使用周波数帯域中、４．０ＧＨｚ付近の周波数において約−１７ｄＢの低い反射損を有し、８．０ＧＨｚ付近の周波数において約−２０ｄＢの低い反射損を有しているものの、５ＧＨｚ〜７ＧＨｚ付近並びに８ＧＨｚを越えた付近の周波数において目安となる電圧定在波比ＶＳＷＲに満たない高い反射損を有している。

これに対して、第２の実施の形態に係るアンテナ１は、図８に示すように、使用周波数帯域の全域において、比較例に係るアンテナの反射損に比べて低い反射損を有している。すなわち、アンテナ１は、４．０ＧＨｚ付近、５．５ＧＨｚ付近、７．０ＧＨｚ付近並びに１０ＧＨｚ付近の周波数において約−２０ｄＢを越える低い反射損を有している。特に、４．０ＧＨｚ付近の周波数においては約−３０ｄＢを越える低い反射損を有している。図７に示すように、給電線１４から供給される電流ｉは第１の励振層１２、第２の励振層１７のそれぞれの楕円曲線形状の周縁（エッジ）に沿って流れ、この電流ｉの流れに従い磁界と電界Ｅとが交互に発生し、更に電流ｉは第１の励振層１２と第２の励振層１７との間にビア配線１３Ｓ及び１６Ｓを通して流れるので、実効的な励振層のパターンが大きくなり、周波数の広帯域化を実現することができる。この第１の励振層１２及び第２の励振層１７の辺縁形状に沿って発生する電界Ｅによってアンテナ１において取り扱う電波の周波数帯域を決定することができる。

［アンテナの特徴］
このように構成される第２の実施の形態に係るアンテナ１においては、第１の実施の形態に係るアンテナ１と同様に、小型化を実現しつつ、周波数帯域の広帯域化を実現しつつ、更にはアンテナ特性を向上することができる。

（その他の実施の形態）
本発明は、前述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変形可能である。例えば、前述の実施の形態に係るアンテナ１は基板１０上にロジック部２０とともに実装されているが、本発明はアンテナ１のみ基板１０上に実装されていてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係るアンテナの概略斜視図である。 図１に示すアンテナの要部の断面図である。 第１の実施の形態に係るアンテナの特性図である。 比較例のアンテナの特性図である。 本発明の第２の実施の形態に係るアンテナの概略斜視図である。 図５に示すアンテナの要部の断面図である。 第２の実施の形態に係るアンテナの特性図である。 比較例のアンテナの特性図である。 第２の実施の形態に係るアンテナにおいて電流の流れと電界の発生との関係を示す図である。

符号の説明

１…アンテナ、１０…誘電体基板、１１１〜１１７…誘電体層、１２…第１の励振層、１２Ｓ…第１のシールド層、１３…第１のビア配線、１３Ｓ、１６Ｓ…ビア配線、１４…給電線、１６…第２のビア配線、１７…第２の励振層、１７Ｓ…第２のシールド層、２０…ロジック部。

Claims (5)

1. 第１の誘電体層と、
   前記第１の誘電体層上の第１の励振層と、
   前記第１の励振層上の第２の誘電体層と、
   前記第１の励振層上に前記第２の誘電体層を介して対向配置された第２の励振層と、
   前記第１の励振層の一端及び前記第２の励振層の一端に設けられ、前記第１の励振層と前記第２の励振層との間を電気的に接続する給電端子部と、
   前記給電端子部に一端が接続された給電線と、
   前記給電線の他端と前記第１の誘電体層との間に配設され、定電位に設定される第１のシールド層と、
   前記給電線の他端と前記第２の誘電体層との間に配設され、定電位に設定される第２のシールド層と、
   を備えたことを特徴とするアンテナ。
2. 第１の誘電体層と、
   前記第１の誘電体層上の第１の励振層と、
   前記第１の励振層上の第２の誘電体層と、
   前記第１の励振層上に前記第２の誘電体層を介して対向配置された第２の励振層と、
   前記第１の励振層の一端及び前記第２の励振層の一端に設けられ、前記第１の励振層と前記第２の励振層との間を電気的に接続する給電端子部と、
   前記給電端子部に一端が接続された給電線と、
   前記給電線の他端と前記第１の誘電体層との間に配設され、定電位に設定される第１のシールド層と、
   前記給電線の他端と前記第２の誘電体層との間に配設され、定電位に設定される第２のシールド層と、
   前記第１の励振層の他端辺縁部と前記第２の励振層の他端辺縁部との間を接続するビア配線と、
   を備えたことを特徴とするアンテナ。
3. 前記第１のシールド層は前記第１の励振層と同一層において構成され、前記第２のシールド層は前記第２の励振層と同一層において構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記第１の励振層の平面形状は、前記第１の励振層の一端から他端に向かって広がる三角、半円又は半楕円形状であり、前記第２の励振層の平面形状は前記第１の励振層の平面形状と同一であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のアンテナ。
5. 前記第１の励振層及び前記第２の励振層の他端辺縁部に、使用周波数帯域の波長に偶数分の１を乗じた間隔において、複数のビア配線が配列されていることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。
   
   
   

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