JP2010124200A - 半波長ダイポールアンテナおよびそれを実装した通信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 小形の携帯端末や、センサーノードなどに内蔵でき、薄くて小形のパターンアンテナで構成される、ＮＵＬＬ方向のない完全無指向性の半波長ダイポールアンテナおよびそれを実装した通信モジュールを提供すること。
【解決手段】 Ｕ字型形状またはコの字型形状を有し、中央部分の導体幅と、側辺部分の導体幅が異なるような半波長ダイポールアンテナ１０とし、マイクロストリップ給電線路６ａにより給電する。マイクロストリップ給電線路６ａは、アンテナに近づくにつれて幅が徐々に狭くなるグランドを有する。また、整合用の配線パターンを有し、さらに配線パターンはビア９を有する。通信モジュールには、半波長ダイポールアンテナ１０が実装され、ＵＳＢ接続端子を有し、通信モジュール基板１は、ＵＳＢ接続端子の対称軸に対して、非対称であるようにしている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、センサーノード、無線ＬＡＮなどで使用される半波長ダイポールアンテナおよびそれを実装した通信モジュールに関する。

ユビキタス社会の進展により、無線ＬＡＮ、ブルートゥース（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ：近接したデバイス間を２．４ＧＨｚの周波数帯を用いて電波での情報のやりとりを行う無線通信規格およびその技術であり、ＩＥＥＥ規格はＩＥＥＥ ８０２．１５．１）など小形のアンテナを有する電子機器が普及してきている。これらの小型アンテナは電子機器に内蔵される場合が多く、現在多くのパソコンに内蔵されている。

一方、外付けの通信用モジュールも普及してきており、ＵＳＢ接続端子によりパソコンなどに接続される。これらの外付けの通信用モジュールは、小形のアンテナが内蔵されている。

これらのアンテナには、モノポールアンテナが多く使用されているが、アンテナの軸方向のアンテナ性能が著しく劣化し、ほとんど通信ができないＮＵＬＬ方向を有している。そのため、複数のアンテナを用いたダイバーシティが一般には使用されている。例えば偏波ダイバーシティは、２本のアンテナを直交させて、一方のＮＵＬＬ方向を他方の指向性でカバーするものである。しかし、複数のアンテナを持つのは回路的に複雑になり、コストも高くなる。

ＮＵＬＬ方向を１本のアンテナで消去する技術としては、例えば特許文献１に開示される技術がある。

特許文献１には、水平偏波の水平面内の指向性をほぼ無指向性とすることが可能な半波長ダイポールアンテナを提供するための技術が開示されており、その解決手段は、半波長ダイポールアンテナの放射素子である各線状導電体を、各線状導電体の給電点と反対側の端部が接触することなく、互いに対向、あるいは一部重なって互いに対峙するようにそれぞれ湾曲するとともに、前記各線状導電体の給電点と反対側の端部と、前記湾曲された各線状導電体により囲まれる領域の中心点との成す角度（θ）が４５°以内であるようにするものである。

特開平１１−６８４４６号公報

ＵＳＢ接続端子などで外付けの通信モジュールを接続して通信する場合、アンテナは外付けの通信モジュールに内蔵されているが、指向性の問題から、アンテナを通信モジュールの回路基板面から垂直に立てて使用する場合が多い。その場合、アンテナに機械的な稼動部が必要になり、コスト高、故障の原因になる。また、アンテナを含めた通信モジュールの厚みも厚くなる。

一方、回路基板パターンもしくはチップアンテナを回路基板上に実装した場合には、指向性に問題が生じる。一般にモノポールアンテナを使用すると、アンテナから基板グランドに向かう直線の向きが指向性のＮＵＬＬ方向になり、そのため、通信モジュールの回路基板と同じ平面にＮＵＬＬ方向ができ、距離が近いにもかかわらず、通信ができない方向ができる。

一方、金属上実装可能な板状逆Ｆアンテナでは、厚みが厚くなる上、半波長パッチアンテナではアンテナサイズが大きくなるという問題がある。また、前述のように、複数のアンテナを使用したダイバーシティは、回路が複雑になり、コストもかかる。

回路基板パターンアンテナの一本のアンテナで、通信モジュールの平面と同じ面上にＮＵＬＬ方向がないアンテナができれば、コストも安くまた厚さも薄く、非常にメリットがあるが、未だ実現できていない。

特許文献１には、ＮＵＬＬ方向を消去する一技術が開示されているが、この技術は、給電構造に触れておらず、実際にマイクロストリップ線路で給電しようとすると、給電線路からの漏れ電磁界によって、無指向性が崩れるという問題がある。また、略ループ状として、アンテナ両端部を近接させることを前提としているため、内蔵アンテナのように、全体をコンパクトにしようとすると、アンテナ性能が劣化する。

このような問題点に鑑みて本発明の目的は、小形の携帯端末や、センサーノードなどに内蔵でき、薄くて小形のパターンアンテナで構成される、ＮＵＬＬ方向のない完全無指向性の半波長ダイポールアンテナおよびそれを実装した通信モジュールを提供することにある。

本発明よれば、上記の課題を解決するために、Ｕ字型形状を有する半波長ダイポールアンテナとすることにより、無指向性を実現することができる。Ｕ字型形状でなく、コの字型形状であっても良い。

本発明においては、半波長ダイポールアンテナのＵ字型またはコの字型形状の中央部分の導体幅と、側辺部分の導体幅が異なるようにすることが望ましい。

さらに、半波長ダイポールアンテナを回路基板上の導体パターンによって形成し、マイクロストリップ線路により給電することが望ましい。

マイクロストリップ線路からなる給電部は、アンテナに近づくにつれて幅が徐々に狭くなるグランドを有し、給電部からの漏れ電磁波を抑制しつつ、アンテナにグランドの影響が生じないようにできる。

また、半波長ダイポールアンテナは、整合用の配線パターンを有し、さらに配線パターンはビアを有しており、ビアを有する整合回路パターンにより、指向性に影響を与えるアンテナと同一平面上の回路電流を抑制し、整合回路からの漏れ電磁界による指向性の崩れを抑制することができる。

本発明の半波長ダイポールアンテナは、略円形状のループ形状ではなく、両端部が完全に開いたＵ字型形状またはコの字型形状であり、アンテナの中心とアンテナ両端のなす角は４５度以内には限定されず、むしろ４５度以上の角度を有するようにしている。

アンテナ全体をコンパクトにして、かつアンテナ性能を劣化させないためには、両端部をできるだけ開いたＵ字型形状またはコの字型形状が望ましい。

本発明の通信モジュールには、上述の半波長ダイポールアンテナが実装されている。

さらに、通信モジュールは、ＵＳＢ接続端子を有している。

また、本発明の通信モジュールの回路基板は、ＵＳＢ接続端子の対称軸に対して、非対称であるようにしている。

本発明のＵ字型形状の半波長ダイポールアンテナは、直交する２方向の電流成分を持つ。すなわちアンテナ中央部の給電部、Ｕ字の中央部の底辺方向の第１のアンテナ電流と、Ｕ字の両側辺に沿った第２のアンテナ電流である。Ｕ字は、コの字であっても同様である。

Ｕ字型形状の中央部の底辺方向の第１のアンテナ電流による放射電磁波は、底辺に沿った方向にＮＵＬＬ方向を有し、底辺に直交する方向は無指向の指向性を持つ。一方、Ｕ字の両側辺に沿った第２のアンテナ電流は、互いに逆方向に流れるため、Ｕ字の両側辺が近いと電磁波の漏れは少ないが、離れるに従って、両側辺の電流からの漏れ電磁波が増大する。この漏れ電磁波は、Ｕ字の側辺に沿った方向にＮＵＬＬ方向を持ち、側辺に直行する方向に、無指向である。

そのため、Ｕ字型形状の半波長ダイポールアンテナでは、２つの直交するアンテナの指向性が合成された指向性を有し、一方のＮＵＬＬ方向が他方の無指向性の放射で打ち消され、結果として、ＮＵＬＬ方向のない完全無指向性のアンテナとすることができる。

ＵＳＢ接続端子による外付けの通信モジュールに本発明の半波長ダイポールアンテナを実装する際、略ループ構造ではなく、Ｕ字型形状、もしくはコの字型形状のアンテナであることにより、非常にコンパクトにすることができる。また、Ｕ字型形状やコの字型形状は略ループ形状とは異なり、両端が開いている。

また、Ｕ字型形状の側辺を構成するアンテナ導線は、間隔が広いほど、漏れ電磁波が強くなるため、アンテナ中心からアンテナ両端までのなす角度は、４５度よりも大きいほうがよい。

特許文献１では、給電構造に関する記載はない。本発明では、半波長ダイポールアンテナは回路基板パターンで構成し、マイクロストリップ線路で給電している。この場合、マイクロストリップ線路からの漏れ電磁界は、アンテナの無指向性を崩すため、マイクロストリップ給電線路を、グランド側で広く、アンテナ近傍で狭くすることにより、グランドの影響を低減しつつ、給電線路からの漏れ電磁波を抑制している。

特許文献１には、整合回路に関する記載もないが、本発明では、整合回路を有し、さらに回路電流が指向性に影響しないように、ビアを用いて、アンテナ電流と直交する回路電流を造り、アンテナと同一平面上の回路電流を極力抑えるようにできる。

このように、本発明によれば、小形の携帯端末や、センサーノードなどに内蔵でき、薄くて小形のパターンアンテナで構成される、ＮＵＬＬ方向のない完全無指向性の半波長ダイポールアンテナおよびそれを実装した通信モジュールを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施例１）
図１は、実施例１による半波長ダイポールアンテナを実装した外付け通信モジュールの回路基板を示す図である。使用周波数は２．４５ＧＨｚである。通信モジュールの回路基板すなわち通信モジュール基板１の部品実装部分２ａのサイズは１５×４５ｍｍ、アンテナ領域１１のサイズは２０ｍｍ×３７ｍｍである。通信モジュール基板１には、厚み０．８ｍｍのＦＲ４基板を使用している。

電極、部品、半波長ダイポールアンテナ１０は、すべて通信モジュール基板１の表面もしくは内層に配置される。配線パターン、部品、グランドの一部などは、通信モジュール基板１の表面の部品実装部分２ａに実装される。裏面には、基板グランド２ｂがある。

半波長ダイポールアンテナ１０は、通信モジュール基板１の部品実装部分２ａ、基板グランド２ｂ以外の領域、すなわちアンテナ領域１１に、銅箔のパターンで作られている。

本実施例の半波長ダイポールアンテナ１０は、中央部分すなわち、通信モジュール基板１の表面側の中央部分３ａ、通信モジュール基板１の裏面側の中央部分３ｂ、および側辺部分すなわち、側辺部分の一方の側４ａそして側辺部分の他方の側４ｂからなる。

通信モジュール基板１の表面側の中央部分３ａにマイクロストリップ給電線路６ａから給電される。一方、通信モジュール基板１の裏面側の中央部分３ｂは、基板グランド２ｂに電気的に接続されており、かつビア５により、側辺部分の一方の側４ａに電気的に接続されている。

半波長ダイポールアンテナ１０には、図１中の矢印の方向に高周波電流ｉが流れる。そのため、通信モジュール基板１の表面側の中央部分３ａと通信モジュール基板１の裏面側の中央部分３ｂは、水平方向の電流により電波放出し、電流の流れる方向に指向性のＮＵＬＬ方向ができ、電流の流れる方向に垂直な方向に一様に電波放出する。

側辺部分の一方の側４ａと側辺部分の他方の側４ｂには矢印のように、逆方向の電流が流れ、電波放出が抑制されるが両者の間隔が広くなるにつれて、漏れ電磁波が強くなる。すなわち、指向性は電流の流れる方向にＮＵＬＬ方向ができ、電流方向に垂直な方向に、一様に電波放出する。

そのため、中央部分と側辺部分それぞれのＮＵＬＬ方向は、それぞれ側辺部分と中央部分の電波放出で埋め合わされる。その結果、ＮＵＬＬ方向のない無指向性の電波放出が得られる。

本実施例の半波長ダイポールアンテナ１０の中央部分は幅広の導体パターンで、側辺部分はやや細めの導体パターンで構成されている。アンテナ性能を向上させるためには、幅広導体パターンが望ましいが、狭いアンテナ実装領域内で、側辺部分の間隔を広くとるため、側辺部分はやや細めの導体パターンとしている。

マイクロストリップ給電線路６ａは、通信モジュール基板１の裏面側に基板グランド２ｂ側のグランド６ｂとアンテナ側のグランド６ｃを有し、基板グランド２ｂ側のグランド６ｂは広く、アンテナ側グランド６ｃは比較的狭くなるように構成されている。マイクロストリップ給電線路６ａのグランドが狭いと、電波源になり、無指向性を壊すことがある。

そのため、マイクロストリップ給電線路６ａのグランドは、できるだけ広く取る必要がある。しかし、グランドそのものは、アンテナ性能を劣化させるため、本実施例では、マイクロストリップ給電線路６ａのグランドを基板グランド２ｂ側で広く、アンテナ側で狭くしている。それにより、マイクロストリップ給電線路６ａからの電波放出が抑制され、無指向性が実現されている。

また、整合用の１ｐｆのチップキャパシタ７を、ビア付きのチップキャパシタ実装部８に実装し、マイクロストリップ給電線路６ａに電気的に接続し、反対側は、ビア９を通って、基板グランド２ｂ側のグランド６ｂに接地されている。整合回路をアンテナのある平面上にできるだけ作らないようにすることで、整合回路電流のアンテナへの影響を低減している。

また、チップキャパシタ７から基板グランド２ｂ側のグランド６ｂにビア９を作らずに、基板の表面側の部品実装部分２ａにあるグランドへの配線パターンを作ると、無指向性が乱れることが、計算上で確認されている。

図２は、実施例１による半波長ダイポールアンテナのリターンロスを示す図であり、−１０ｄＢ帯域幅１００ＭＨｚ以上を達成している。

図３は、実施例１による半波長ダイポールアンテナの、アンテナと同一平面における指向性分布を示す図である。

Ｘ、Ｙ、Ｚは、それぞれ直交する方向であり。Ｘは、アンテナから回路実装部分を向く方向、すなわちＵ字型ダイポールアンテナの側辺にそって、回路側を見た方向である。Ｙは、Ｕ字型ダイポールの中央に沿い、Ｘ軸を右に見ながらＸ軸と直交する方向である。Ｚは、Ｘ−Ｙ面に垂直な方向で、基板表側を向いた方向である。

θは、Ｚ軸からＸ軸もしくはＹ軸方向に向かう角度、φは、Ｘ軸からＹ軸方向に向かう角度である。図３はＸ―Ｙ面、すなわちアンテナ実装面における、実施例１のＵ字型ダイポールアンテナの主偏波の利得分布を示す。数字は絶対利得ｄＢｉを示す。

図３から、実施例１のＵ字型ダイポールアンテナは、Ｘ―Ｙ面、すなわちアンテナ実装面で、ＮＵＬＬ方向がないことがわかる。ほぼ方向によらず一定の利得を有する等方的な指向性になっており、利得の変動は４ｄＢ以内である。以上のような工夫により、利得の落ち込みは約４ｄＢ以内であり、ほぼＮＵＬＬ方向のない無指向性の電波放出特性が得られている。

また、本実施例では、アンテナ性能を向上させるため、側辺部分の一方の側４ａと側辺部分の他方の側４ｂの間隔を広くとっている。アンテナ中心から、両端部のなす角度は、６１度であり、４５度以上ある。

本実施例では、ＵＳＢ接続用の通信モジュールとするため、差込端子側である部品実装部分２ａ側で基板の幅は狭く、アンテナ側では基板の幅は広く取っている。隣接するＵＳＢ接続端子が使用できなくなるのを防止するため、幅広のアンテナ部分は、片側に拡張し、非対称にしているが、必ずしも非対称構造にする必要はなく、対称構造でもよい。なお、本発明の通信モジュールは、図１中には図示されないＵＳＢ接続端子を有する。

また、本実施例ではグランドからアンテナまでの距離は５ｍｍであり、コンパクトにできている。５ｍｍは２．４５ＧＨｚの波長比４％である。この距離があまり短いと、グランドの影響が出て、アンテナ性能（効率、帯域幅）が劣化し、指向性にも影響を与える。２．４５ＧＨｚではグランド・アンテナ間３ｍｍ（波長比２．５％）以下では、アンテナにグランドの影響が出る可能性がある。また、グランド・アンテナ間距離があまり長いと、給電線からの漏れ電磁波による指向性劣化や、サイズが大きくなるといった問題を生じる。

（実施例２）
図４は、実施例２による半波長ダイポールアンテナを実装した通信モジュールの回路基板を示す図である。実施例１では、アンテナの中央で給電したが、実施例２ではグランド中央で給電している。なお、本実施例の通信モジュールは、図４中には図示されないＵＳＢ接続端子を有する。

そのため、半波長ダイポールアンテナ１０は、非対称構造になる。このような場合においても、無指向性が得られる。また、給電部グランド６ｄは、台形形状であり、グランド幅を連続的に変化させている。

実施例２による半波長ダイポールアンテナ１０のリターンロスは、実施例１とほぼ同様であり、−１０ｄＢ帯域幅１００ＭＨｚ以上であった。また、実施例２による半波長ダイポールアンテナ１０の、アンテナと同一平面における主偏波の利得分布も図３に見られるものと同様であった。

実施例１による半波長ダイポールアンテナを実装した外付け通信モジュールの回路基板を示す図。 実施例１による半波長ダイポールアンテナのリターンロスを示す図。 実施例１による半波長ダイポールアンテナの、アンテナと同一平面における指向性分布を示す図。 実施例２による半波長ダイポールアンテナを実装した通信モジュールの回路基板を示す図。

符号の説明

１ 通信モジュール基板
２ａ 部品実装部分
２ｂ 基板グランド
３ａ 通信モジュール基板１の表面側の中央部分
３ｂ 通信モジュール基板１の裏面側の中央部分
４ａ 側辺部分の一方の側
４ｂ 側辺部分の他方の側
５ ビア
６ａ マイクロストリップ給電線路
６ｂ 基板グランド２ｂ側のグランド
６ｃ アンテナ側のグランド
６ｄ 給電部グランド
７ チップキャパシタ
８ ビア付きのチップキャパシタ実装部
９ ビア
１０ 半波長ダイポールアンテナ
１１ アンテナ領域

Claims (8)

1. Ｕ字型形状またはコの字型形状を有することを特徴とする半波長ダイポールアンテナ。
2. 前記Ｕ字型形状またはコの字型形状の中央部分の導体幅と、側辺部分の導体幅が異なることを特徴とする請求項１に記載の半波長ダイポールアンテナ。
3. 回路基板上の導体パターンによって作られ、マイクロストリップ線路で給電されていることを特徴とする請求項１ないし２のいずれか一項に記載の半波長ダイポールアンテナ。
4. 前記マイクロストリップ線路のグランドの幅が、前記半波長ダイポールアンテナに近づくに従って、狭くなることを特徴とする請求項３に記載の半波長ダイポールアンテナ。
5. 整合用の配線パターンを有し、該配線パターンがビアを有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の半波長ダイポールアンテナ。
6. 前記請求１ないし５のいずれか一項に記載の半波長ダイポールアンテナが実装されていることを特徴とする通信モジュール。
7. ＵＳＢ接続端子を有することを特徴とする請求項６に記載の通信モジュール。
8. 回路基板が、前記ＵＳＢ接続端子の対称軸に対して、非対称であることを特徴とする請求項７に記載の通信モジュール。

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