JP2007311944A - スロットアンテナ，高周波モジュール及び無線通信機 - Google Patents

Abstract

【課題】スロット線路への給電構造を簡単にして、歩留まりの向上と製品コストの低減化とを図ったスロットアンテナ，高周波モジュール及び無線通信機を提供する。
【解決手段】スロットアンテナ１は、誘電体基板２と接地電極３，４と給電線路６が接続された給電電極５とスロット線路７とを備える。接地電極３は切り欠き部３０を中央部に有し、切り欠き部３０は給電電極５を中央部に有する。給電電極５には、コプレーナ線路としての給電線路６が接続されている。スロット線路７は、接地電極３と給電電極５とで画成されたコの字状の溝であり、開口７１，７２を切り欠き部３０の開口３０ａ側に向けている。スロット線路７の経路長を、使用周波数帯の電力給電時において、開口７１，７２で生じる電界の位相が互いに逆向きになるように設定する。好ましくは、使用周波数における波長の２分の１の長さに設定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、誘電体基板上の電極に形成したスロット線路を励振させて電波の送受信を行うスロットアンテナ，高周波モジュール及び無線通信機に関するものである。

従来、この種のスロットアンテナとしては、誘電体基板の表面に設けた電極に細長いスロット線路を有するものや一端を電極から開口させたノッチ状のスロット線路を有するものがある。そして、単方向指向性を有し広帯域な周波特性を示すスロットアンテナとして、ノッチ状のスロット線路の開口部をテーパ状に広げて、開口部から電波の放射を行うように構成されたテーパスロットアンテナが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０５−２４３８３８号公報

しかし、上記した従来のスロットアンテナでは、給電構造に問題がある。
すなわち、上記したスロットアンテナでは、マイクロストリップ線路を誘電体基板の裏面に設け、このマイクロストリップ線路に給電することで、誘電体基板表面のスロット線路を励振する構造になっている。したがって、マイクロストリップ線路からスロット線路に給電するためには、マイクロストリップ−スロットの変換回路が必要になり、アンテナの回路全体が複雑化してしまう。このため、かかる回路の複雑化が、歩留まりの低下やアンテナ製品のコストアップに繋がるおそれがある。

この発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、スロット線路への給電構造を簡単にして、歩留まりの向上と製品コストの低減化とを図ったスロットアンテナ，高周波モジュール及び無線通信機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、誘電体基板と、この誘電体基板の表面に設けられ且つ一方端が開口した切り欠き部を有する接地電極と、この接地電極の切り欠き部内に配設され且つ給電線路が接続された給電電極と、この給電電極の外周縁と接地電極の内周縁とで画成され且つ両端の開口を切り欠き部の開口側にそれぞれ向けたスロット線路とを備えるスロットアンテナであって、使用周波数帯の電力を給電電極に給電した際に、一方の開口で生じる電界の位相と他方の開口で生じる電界の位相とが逆相になるように、スロット線路の長さを設定した構成とする。
かかる構成により、使用周波数帯の電力を給電線路を通じて誘電体基板表面の給電電極に給電すると、スロット線路が励振される。そして、スロット線路の一方の開口で生じる電界の位相と他方の開口で生じる電界の位相とが逆相になり、これら両端の開口で生じる電界が同方向を向く。この結果、これらの電界が重畳された電界が接地電極の切り欠き部の開口から放射される。

請求項２の発明は、請求項１に記載のスロットアンテナにおいて、スロット線路の長さを、使用周波数における波長の２分の１の長さに設定した構成とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のスロットアンテナにおいて、給電線路は、給電電極の縁部であってスロット線路の一方の開口に近い縁部から延出し、当該スロット線路を幅方向に横切って接地電極を横断するコプレーナ線路である、
かかる構成により、電力を、コプレーナ線路である給電線路を通じて、誘電体基板の表面側から給電電極に給電することができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のスロットアンテナにおいて、給電電極を、切り欠き部の開口側から奥部側に向かう方向に分割することにより、スロット線路の経路を増やした構成とする。
かかる構成により、スロット線路の経路の増加に対応した共振周波数の増加が可能となり、この結果、アンテナの広帯域化を図ることができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のスロットアンテナにおいて、少なくともスロット線路を覆うように誘電体ブロックを誘電体基板上に載置した構成とする。
かかる構成により、アンテナの誘電率を高めることができ、この結果、アンテナ長を実質的に長くすることができる。

請求項６の発明に係る高周波モジュールは、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のスロットアンテナを備えた構成とする。

請求項７の発明に係る無線通信機は、請求項６に記載の高周波モジュールを備えた構成とする。

以上詳しく説明したように、請求項１ないし請求項５の発明によれば、スロット線路の両開口で生じた電界がそれぞれ重畳された電界を、接地電極の切り欠き部の開口から放射することができるので、当該開口方向に指向性を持つ広帯域のスロットアンテナを提供することができるという優れた効果がある。また、電力を給電線路を通じて誘電体基板表面の給電電極に直接給電することができる構造であるので、上記した従来の技術で必要となるマイクロストリップ−スロットの変換回路等の複雑な回路を必要とせず、アンテナの回路全体が簡略化される。この結果、歩留まりの向上とアンテナ製品のコストダウンとを図ることができるという効果がある。
特に、請求項３の発明に係るスロットアンテナによれば、給電線路を誘電体基板の表面側にコプレーナ線路として構成したので、給電線路の構造をさらに簡略化することができると共に、給電線路を容易に形成することができる。
また、請求項４の発明に係るスロットアンテナによれば、使用周波数のさらなる広帯域化を図ることができる。
さらに、請求項５の発明に係るスロットアンテナによれば、アンテナ長を実質的に長くすることができ、この結果、スロットアンテナ自体の小型化を図ることができる。

また、請求項６及び請求項７の発明によれば、歩留まりが高くかつ製品コストの低減化を図ることができる高周波モジュール及び無線通信機を提供することができる。

以下、この発明の最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、この発明の第１実施例に係るスロットアンテナを示す斜視図であり、図２は、図１の矢視Ａ−Ａ断面図であり、図３は、スロットアンテナの平面図である。

図１及び図２に示すように、この実施例のスロットアンテナ１は、誘電体基板２と、接地電極３，４と、給電線路６が接続された給電電極５と、スロット線路７とを備えている。

誘電体基板２は、例えば比誘電率が４．５の矩形板体であり、その表面２ａに、接地電極３と給電電極５とが形成されている。

接地電極３及び給電電極５は、銀や銅等を誘電体基板２の表面２ａにパターン印刷したり又はフォトリソグラフィ等することで、形成したもので、この接地電極３は、中央部に切り欠き部３０を有している。
切り欠き部３０は、その左方端に開口３０ａを有した矩形状の基板露出部であり、給電電極５がその中央部に配設されている。
また、接地電極４は、接地電極３や給電電極５と同様に、パターン印刷又はフォトリソグラフィ等によって、誘電体基板２の裏面２ｂ全体に形成された板体である。

給電電極５は、切り欠き部３０とほぼ相似形を成す矩形状板体であり、その外周縁５ａと接地電極３の内周縁３ａとによって、スロット線路７が画成されている。そして、直状の給電線路６がこの給電電極５に接続されている。

給電線路６は、コプレーナ線路である。具体的には、図３に示すように、給電線路６は、スロット線路７の一方の開口７１に近い縁部５ｂから延出している。そして、給電電極５は、スロット線路７を幅方向に横切り、等幅で平行な溝６１，６２を通じて接地電極３を横断している。すなわち、給電電極５は、平行な溝６１，６２を介して接地電極３に挟まれたコプレーナ線路を成す。

スロット線路７は、図３に示すように、接地電極３と給電電極５とで画成されたコの字状の溝であり、その開口７１，７２を切り欠き部３０の開口３０ａ側に向けている。
ところで、ある周波数の電力を給電線路６を通じて給電電極５に給電すると、磁流Ｉmがスロット線路７内を流れ、給電電極５から接地電極３に至る電界が磁流Ｉmと垂直な面内に生じる。これにより、電界Ｅ１，Ｅ２がスロット線路７の開口７１，７２にそれぞれ誘起されるが、ある周波数における電界Ｅ１，Ｅ２の振幅や位相は、スロット線路７の経路長によって変化する。したがって、スロット線路７の経路長によっては、実線で示す電界Ｅ１，Ｅ２のように、位相が同相になり、即ち電界Ｅ１，Ｅ２のベクトルの向きが逆方向になり、互いに打ち消し合って、電波の放射がほとんど成されない状態が生じる。そこで、この実施例では、使用周波数帯の電力給電時において、実線で示す電界Ｅ１と破線で示す電界Ｅ２のように、電界Ｅ１，Ｅ２の位相が互いに逆向き、即ち電界Ｅ１，Ｅ２のベクトルの向きが同方向となるように、スロット線路７の経路長を設定した。これにより、同方向の電界Ｅ１，Ｅ２が互いに重畳して、その重畳電波が開口３０ａから放射される。具体的には、給電電極５の横幅をｄ１、縦幅をｄ２とすると、スロット線路７の経路長である２×ｄ１＋ｄ２を使用周波数における波長の２分の１の長さに設定した。

次に、この実施例のスロットアンテナが示す作用及び効果について説明する。
図４は、電界発生状態を示す平面図であり、図５は、電波の放射原理を示す模式図である。
図４において、使用周波数帯の電力を給電線路６を通じて給電電極５に給電すると、スロット線路７を励振させる磁流Ｉm（図３参照）がスロット線路７を流れる。このとき、給電線路６がコプレーナ線路であるので、給電線路６とスロット線路７との整合性が高い。このため、電力が給電電極５に効率よく給電され、大きな磁流Ｉmがスロット線路７内に発生する。
かかる磁流Ｉmにより、多数の矢印で示すように、給電電極５から接地電極３に至る電界がスロット線路７内に生じ、位相が互いに逆向きの電界Ｅ１，Ｅ２が、スロット線路７の開口７１，７２にそれぞれ発生する。これらの電界Ｅ１，Ｅ２は、周波数の１／２周期で開口３０ａ側に押し出されていき、同方向の電界Ｅ１，Ｅ２が互いに重畳した電界Ｅが生成される。
すなわち、電気力線を用いて説明すると、スロットアンテナ１の共振状態のある時点で、図５（ａ）に示すように、スロット線路７の開口７１，７２や切り欠き部３０の開口３０ａに、上向きの電気力線Ｆが生じる。そして、使用周波数の１／２周期後には、給電電力の極性が逆向きになり、そのタイミングで、図５（ｂ）に示すように、下向きの電気力線−Ｆが開口７１，７２や開口３０ａに生じ、この電気力線−Ｆが前の電気力線Ｆを閉じた状態になる。そして、これと同時に、後段の電気力線−Ｆ（図５（ｂ）の右側の−Ｆ）が形成されるため、この後段の電気力線−Ｆと前段の電気力線−Ｆとが反発し合い、前段の電気力線−Ｆがその前の上向きの電気力線Ｆと共に開口３０ａから押し出される。そして、１／２周期毎には、図５（ｃ）に示すように、後段の電気力線−Ｆを閉じる電気力線Ｆが、開口７１，７２や開口３０ａに生じると共に、図示しない後段の電気力線Ｆが前段の電気力線Ｆを押し出す。つまり、隣り合う同極性の電気力線が互いに反発し合って、後段の電気力線が前段の電気力線を前に押し出すように機能する。この結果、電波の電界成分が開口３０ａから左方向に放射されることとなる。
したがって、この実施例のスロットアンテナ１は、図５（ｃ）の中心線Ｈに垂直な面をＥ面とし且つ中心線Ｈ上の面をＨ面とする単方向指向性のアンテナとして機能する。

発明者等は、かかる点を確認すべく、次のようなシミュレーションを行った。
図６は、シミュレーションで得た定在波比と周波数との関係を示す線図である。
このシミュレーションでは、図３に示す切り欠き部３０の横幅Ｗ１を１６ｍｍ、縦幅Ｗ２を８ｍｍに設定すると共に、給電電極５の横幅ｄ１を８．２ｍｍ、縦幅ｄ２を６ｍｍに設定して、スロット線路７の幅ｄを１ｍｍに設定した。すなわち、線幅１ｍｍで経路長２２．４ｍｍのスロット線路７を形成して、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）の帯域３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚの範囲の電力を給電線路６を通じて給電電極５に供給し、各周波数でどのような定在波比を有するかを計算した。
すると、図６の曲線Ｓで示すように、この実施例のスロットアンテナ１では、ローバンドに当たる３．１ＧＨｚ〜４．８ＧＨｚの周波数帯で、定在波比が２．０未満になり、利得性が高く広帯域のアンテナとして機能することが確認された。

このように、この実施例のスロットアンテナ１によれば、図１に示すように、切り欠き部３０の開口３０ａ方向に指向性を持つ広帯域のアンテナを実現することができる。また、電力を給電線路６を通じて給電電極５に直接給電することができるので、余分な変換回路等を必要とせず、その分、アンテナの回路全体を簡略化することができる。さらに、給電線路６をコプレーナ線路として、誘電体基板２の表面２ａに形成しているので、印刷パターン工法やフォトリソグラフィ工法を用いることで、給電線路６を接地電極３や給電電極５と共に容易に形成することができる。

次に、この発明の第２実施例について説明する。
図７は、この発明の第２実施例に係るスロットアンテナの平面図であり、図８は、使用周波数帯の広帯域化を示す線図である。
この実施例は、スロット線路７の経路を増加させた点が、上記第１実施例と異なる。
すなわち、図７に示すように、給電電極５を、切り欠き部３０の開口３０ａ側から奥部側に向かう方向（図６の左から右に向かう方向）に分割して、スロット線路７の経路を増やした。
具体的には、給電電極５を給電電極部５１と無給電電極部５２とに分割することにより、開口７１から大外を通って開口７２に至る長い経路７３と開口７１から分割路を通って開口７２に至る短い経路７４とで構成されるスロット線路７を形成した。

かかる構成により、スロット線路７の経路が複数になるので、共振周波数が経路数に対応して増加し、スロットアンテナ１の使用周波数帯域が広くなる。
シミュレーションによると、図８の破線Ｓで示すように、第１実施例のスロットアンテナ１では、定在波比３．０以下において、３．１ＧＨｚ〜６．０ＧＨｚという周波数範囲で使用可能であったが、この実施例では、実線Ｓ１で示すように、３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚという広い周波数範囲で使用可能となり、アンテナの広帯域化が可能となった。
その他の構成、作用及び効果は、上記第１実施例と同様であるので、その記載は省略する。

次に、この発明の第３実施例について説明する。
図９は、この発明の第３実施例に係るスロットアンテナの斜視図であり、図１０は、アンテナ長の短縮化を示す線図である。
この実施例は、誘電体ブロック２０を追加した点が、上記第１実施例と異なる。
具体的には、誘電体ブロック２０は、比誘電率が６．４以上の直方体であり、スロット線路７を覆うように、誘電体基板２上の給電電極５と接地電極３とに渡って載置されている。

かかる構成により、スロット線路７を囲む誘電体の誘電率を高めることができ、この結果、スロットアンテナ１のアンテナ長を実質的に長くすることができる。
シミュレーションによると、図１０の実線Ｓ２で示すように、この実施例の使用周波数帯域の方が、破線Ｓで示す第１実施例の使用周波数帯域よりも下がった。つまり、この実施例によれば、スロットアンテナ１のスロット線路７を長くすることなく、波長の長い電波を送受信することができ、アンテナ自体を小型化することができる。
その他の構成、作用及び効果は、上記第１実施例と同様であるので、その記載は省略する。

次に、この発明の第４実施例について説明する。
図１１は、この発明の第４実施例に係るアレイアンテナを示す斜視図である。
このアレイアンテナは、上記第１実施例のスロットアンテナ１をｎ個並べて構成した。
具体的には、図１１に示すように、ｎ個のスロットアンテナ１（１−１〜１−ｎ）を、開口３０ａを同一方向に向けた状態で、横一列に並べ、スロットアンテナ１−１〜１−ｎの各給電線路６を給電部８に接続した構成になっている。
かかる構成により、同一方向に大きなパワーの電波を放射することができるだけでなく、給電部８からスロットアンテナ１−１〜１−ｎに給電する電力の位相を異ならしめることで、アレイアンテナの指向性を変えることができる。
その他の構成、作用及び効果は、上記第１実施例と同様であるので、その記載は省略する。

次に、この発明の第５実施例について説明する。
図１２は、この発明の第５実施例に係る高周波モジュールの平面図である。
図１２に示すように、この実施例は、上記第１実施例のスロットアンテナ１を備えたアンテナ一体型モジュールである。
具体的には、この高周波モジュール９は、接地電極３と給電電極５と給電線路６とスロット線路７とを誘電体基板２の表面２ａに設けると共に、接地電極４を裏面全面に設けて、スロットアンテナ１を誘電体基板２の上部（図１２の上部）に構成し、図示しない高周波回路部品を表面２ａに実装して、この高周波回路部品を金属ケース９０でシールドした構成になっている。
高周波回路部品は、例えば、ＲＦ回路のアンテナスイッチや送信回路及び受信回路に関する部品であり、アンテナスイッチは、給電電極５の給電線路６に電気的に接続される。

かかる構成により、アンテナスイッチを通じて、スロットアンテナ１と送信回路とを接続することで、単方向指向性の電波をスロットアンテナ１の開口３０ａから放射することができる。また、アンテナスイッチを通じて、スロットアンテナ１と受信回路とを接続することにより、スロットアンテナ１で受信した電波を受信回路に送り込むことができる。

このように、この実施例によれば、アンテナ装置１を備えているので、歩留まりが高くかつ製品コストの低減化を図ることができる高周波モジュール９を提供することができる。そして、この実施例の高周波モジュール９を無線通信機に設けることで、歩留まりが高くかつ製品コストの低減化を図ることができる無線通信機を提供することもできる。
その他の構成、作用及び効果は、上記第１実施例と同様であるので、その記載は省略する。

なお、この発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内において種々の変形や変更が可能である。
例えば、上記第２実施例では、給電電極５を２つの給電電極部５１と無給電電極部５２とに分割して、経路７３と経路７４とで構成されるスロット線路７を形成したが、これに限定されるものでなく、給電電極５を３つ以上の電極部に分割して、３本以上の経路でスロット線路７を形成するようにしても良い。

また、上記第３実施例では、第１実施例に誘電体ブロック２０を設けたが、第２実施例に誘電体ブロック２０を設けたスロットアンテナも、この発明に範囲に含まれることは勿論である。

また、上記第４実施例及び第５実施例において、上記第１実施例のスロットアンテナ１を適用したアレイアンテナ及び高周波モジュールを例示したが、第２実施例のスロットアンテナを適用したアレイアンテナ及び高周波モジュールもこの発明の範囲に含まれることは勿論である。

この発明の第１実施例に係るスロットアンテナを示す斜視図である。 図１の矢視Ａ−Ａ断面図である。 スロットアンテナの平面図である。 電界発生状態を示す平面図である。 電波の放射原理を示す模式図である。 シミュレーションで得た定在波比と周波数との関係を示す線図である。 この発明の第２実施例に係るスロットアンテナの平面図である。 使用周波数帯の広帯域化を示す線図である。 この発明の第３実施例に係るスロットアンテナの斜視図である。 アンテナ長の短縮化を示す線図である。 この発明の第４実施例に係るアレイアンテナを示す斜視図である。 この発明の第５実施例に係る高周波モジュールの平面図である。

符号の説明

１，１−１〜１−ｎ…スロットアンテナ、 ２…誘電体基板、 ２ａ…表面、 ２ｂ…裏面、 ３，４…接地電極、 ３ａ…内周縁、 ５…給電電極、 ５ａ…外周縁、 ５ｂ…縁部、 ６…給電線路、 ７…スロット線路、 ８…給電部、 ９…高周波モジュール、 ２０…誘電体ブロック、 ３０…切り欠き部、 ３０ａ，７１，７２…開口、 ５１…給電電極部、 ５２…無給電電極部、 ６１，６２…溝、 ７３，７４…経路、 ９０…金属ケース、 Ｅ，Ｅ１，Ｅ２…電界。

Claims (7)

1. 誘電体基板と、この誘電体基板の表面に設けられ且つ一方端が開口した切り欠き部を有する接地電極と、この接地電極の切り欠き部内に配設され且つ給電線路が接続された給電電極と、この給電電極の外周縁と上記接地電極の内周縁とで画成され且つ両端の開口を上記切り欠き部の開口側にそれぞれ向けたスロット線路とを備えるスロットアンテナであって、
   使用周波数帯の電力を上記給電電極に給電した際に、一方の開口で生じる電界の位相と他方の開口で生じる電界の位相とが逆相になるように、上記スロット線路の長さを設定した、
   ことを特徴とするスロットアンテナ。
2. 上記スロット線路の長さを、使用周波数における波長の２分の１の長さに設定した、
   ことを特徴とする請求項１に記載のスロットアンテナ。
3. 上記給電線路は、給電電極の縁部であって上記スロット線路の一方の開口に近い縁部から延出し、当該スロット線路を幅方向に横切って上記接地電極を横断するコプレーナ線路である、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスロットアンテナ。
4. 上記給電電極を、上記切り欠き部の開口側から奥部側に向かう方向に分割することにより、上記スロット線路の経路を増やした、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のスロットアンテナ。
5. 少なくともスロット線路を覆うように誘電体ブロックを上記誘電体基板上に載置した、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のスロットアンテナ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のスロットアンテナを備えた、
   ことを特徴とする高周波モジュール。
7. 請求項６に記載の高周波モジュールを備えた、
   ことを特徴とする無線通信機。

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