JP2010245894A - アンテナ及び無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な容量値の容量を有する整合回路を備えた、アンテナ性能の高いアンテナ及びそれを備えた無線通信装置を構成する。
【解決手段】アンテナ１０１は、給電放射電極と給電部との間に接続される、ＬＣ共振回路から構成される整合回路を備えている。アンテナ素子３１は、非グランド領域ＵＡ内でグランド領域ＧＡから極力離れた位置に表面実装により配設される。基板３２の非グランド領域ＵＡには、給電端電極５４、接地端電極５５、及びパターンキャパシタ５３等が形成されている。パターンキャパシタ５３の近傍には、パターンキャパシタ５３と直列接続されるチップキャパシタＣＣｆが実装されている。基板３２の非グランド領域ＵＡの下面には給電側インダクタ電極５１が形成されていて、パターンキャパシタ５３、チップキャパシタＣＣｆ及び給電側インダクタ電極５１によってＬＣ並列共振回路による整合回路が構成されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、携帯電話端末等の無線通信装置に用いられるアンテナ及びそれを備えた無線通信装置に関するものである。

単一のアンテナ素子を用いてローバンド・ハイバンドの二つの周波数帯域に対応させるアンテナとして、リアクタンスを切り替えられるようにした整合回路部をアンテナ素子の根元に設け、そのリアクタンスによってアンテナの共振周波数を切り替えるようにしたものがある。
例えば特許文献１には、基板の導体パターンによりＬ性またはＣ性リアクタンス素子として作用するＬＣ共振回路を整合回路に構成している。図１（Ａ）は特許文献１に示されているアンテナの斜視図、図１（Ｂ）はその要部の拡大平面図、（Ｃ）はその等価回路図である。パッチであるアンテナ導体層２の給電用導体６の先端が望む部分の銅箔を円形に切除し、その切除部５の内部に渦巻状導体部２１と櫛歯状導体部２２とが形成されている。渦巻状導体部２１は、一端が給電用導体６に接続され、この給電用導体６を中心とした渦巻状に形成されている。櫛歯状導体２２は、渦巻状導体２１の他端部の外周面とアンテナ導体層２の切除部５の周部とに歯部を突設して形成されていている。図１（Ｃ）において、Ｌ１，Ｌ２はパッチとしてのアンテナ導体層２のインダクタンス成分、Ｃ１はアンテナ導体層２とのキャパシタンス成分、Ｌ３は渦巻状導体部２２のインダクタンス成分、Ｃ２は櫛歯状導体部２３のキャパシタンス成分、Ｌ４は給電用導体６のインダクタンス成分である。アンテナ本体の等価回路はＣ１と（Ｌ１＋Ｌ２）とからなる並列共振回路であり、整合回路はＣ２と（Ｌ３＋Ｌ４）とからなる直列ＬＣ共振回路である。

特開平５−３４７５１０号公報

特許文献１に示されているＬＣ共振回路はＬＣ直列共振回路であるので、容量部に必要な容量値が高い。ところが、そのＬＣ共振回路は基板の導体パターンによって形成されるものであるので、容量部は基板の面に２次元配置される。そのため、容量部の容量値を高くするためには、基材の誘電率が高い基板を用いるか、インターディジタル部を微細に形成する必要がある。しかし現実には正確で且つ必要な高い容量値を確保するのが難しい。

また、特許文献１に示されているＬＣ共振回路による整合回路は、その容量部に電流や電界が集中しやすいので放射抵抗が小さく、アンテナ性能が悪化するという問題もある。

そこで、この発明の目的は、正確な容量値の容量を有する整合回路を備えた、アンテナ性能の高いアンテナ及びそれを備えた無線通信装置を提供することにある。

前記課題を解決するためにこの発明のアンテナは、誘電体基体に給電放射電極及び無給電放射電極が形成されたアンテナ素子と、端部にグランド電極が形成されていない非グランド領域が配された基板と、前記給電放射電極と給電部との間に接続される、ＬＣ共振回路から構成される整合回路と、を備え、前記基板の前記非グランド領域に前記アンテナ素子が配設されてなるアンテナであって、
前記整合回路のインダクタは前記非グランド領域に導体パターンによって構成され、前記整合回路のキャパシタは、前記非グランド領域に導体パターンによって構成されたパターンキャパシタと、チップキャパシタとの直列回路で構成されている。

前記パターンキャパシタの導体パターンは、例えば前記基板の厚みを利用して壁面に導体膜が形成された孔または溝のパターンであり、インターディジタル形状に配置されている。
前記整合回路は例えばＬＣ並列共振回路である。
また、この発明の無線通信装置は、この発明において特有な構成を持つアンテナが筐体内に設けられて構成されていることを特徴とする。

この発明によれば、整合回路の容量部に所定の正確な容量値の容量を構成できる。また、アンテナの放射抵抗が大きくなり、アンテナの放射効率が向上する。そのため、アンテナ性能の高いアンテナ及び無線通信装置を構成できる。

図１（Ａ）は特許文献１示されているアンテナの斜視図、図１（Ｂ）はその要部の拡大平面図、（Ｃ）はその当回路図である。 図２（Ａ）は、携帯電話端末等の無線通信装置の筐体内に組み込まれるアンテナ１０１の構成を示す部分斜視図である。図２（Ｂ）は図２（Ａ）と同じ箇所を下方から見上げた斜視図である。 図３（Ａ）は基板３２の上面の非グランド領域ＵＡ部分の平面図、図３（Ｂ）は基板３２の下面の非グランド領域ＵＡに形成されている導体パターン等の平面図である。 アンテナ１０１の基板３２の非グランド領域の構成を示す部分斜視図である。 前記アンテナ１０１の回路図である。 アンテナ１０１のリターンロス特性を、従来構造のアンテナと比較して表す図である。

この発明の実施形態に係るアンテナ及びそれを備えた無線通信装置の構成について、各図を参照して説明する。
図２（Ａ）は、携帯電話端末等の無線通信装置の筐体内に組み込まれるアンテナの構成を示す部分斜視図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）と同じ箇所を下方から見上げた斜視図である。

アンテナ１０１は誘電体基体４０に対して所定の電極を形成してなるアンテナ素子３１と、基材５０に対して所定の電極を形成してなる基板３２とで構成されている。
基板３２には、基材５０に対してグランド電極５８を形成したグランド領域ＧＡと、基板３２の一辺付近に広がる非グランド領域ＵＡとを備えている。アンテナ素子３１は、非グランド領域ＵＡ内でグランド領域ＧＡから極力離れた位置に表面実装により配設される。基板３２には、アンテナ素子３１に対する給電回路を含む高周波回路が構成されている。
このアンテナ１０１は携帯電話端末の筐体内に組み込まれる。

全体がほぼ直方体形状の誘電体基体４０に対して給電放射電極４１及び無給電放射電極４２等が形成されることによって前記アンテナ素子３１は構成されている。

基板３２の非グランド領域ＵＡには、給電端電極５４、接地端電極５５、及びパターンキャパシタ５３等が形成されている。このパターンキャパシタ５３の近傍にはチップキャパシタ（チップコンデンサ）ＣＣｆが実装されている。
図２（Ｂ）に表れているように、基板３２の非グランド領域ＵＡの下面には給電側インダクタ電極５１及び無給電側インダクタ電極５２がそれぞれ形成されている。

図３（Ａ）は、前記基板３２の上面の非グランド領域ＵＡのうち、給電側の平面図、図３（Ｂ）は基板３２の下面の非グランド領域ＵＡに形成されている導体パターン等の平面図である。但し、図３（Ｂ）は基板３２の上面から透視した図として表している。

パターンキャパシタ５３はインターディジタル形状の電極によって構成されている。このパターンキャパシタ５３の第１の電極は基板３２の上面の電極を介してアンテナ素子接続電極５６に導通している。またパターンキャパシタ５３の第２の電極と導体スルーホールＰＴＨ２との間にチップキャパシタＣＣｆが実装されている。

図３（Ｂ）に示すように、基板３２の下面には給電側インダクタ電極５１が形成されていて、その第１の端部が導体スルーホールＰＴＨ１を介して前記パターンキャパシタ５３の第２の電極の端部に導通している。また、給電側インダクタ電極５１の第２の端部は導体スルーホールＰＴＨ２を介して前記パターンキャパシタ５３の第１の電極に導通している。

前記基板３２の上面の非グランド領域ＵＡのうち、無給電側の構成は、図３（Ａ），図３（Ｂ）に示した給電側のパターンキャパシタ５３が存在しない（直結された）ものである。すなわち、給電側との差異を明確にするために、構成上パターンキャパシタを外したが、もちろん、無給電側を給電側と同構造にすることが望ましい。

図４は前記基板３２の非グランド領域の構成を示す部分斜視図である。パターンキャパシタ５３は、この図４に示すように、基板３２に設けたインターディジタル形状に配置された貫通溝の壁面に導体膜が形成されることによって、第１・第２の電極が厚み方向に延びるインターディジタル構造を成している。そのため、インターディジタル形状の第１・第２の電極同士の対向面積が広くなり、基板平面上の限られた面積内に大きな容量を形成することができる。

図５は前記アンテナ１０１の回路図である。この図５の右側が給電側、左側が無給電側である。給電側のパターンキャパシタ５３とチップキャパシタＣＣｆとが直列接続され、このパターンキャパシタ５３とチップキャパシタＣＣｆとの直列回路に対して給電側インダクタ電極５１が並列に接続されている。すなわち、パターンキャパシタ５３、チップキャパシタＣＣｆ及び給電側インダクタ電極５１によってＬＣ並列共振回路が構成される。このＬＣ並列共振回路の容量部はパターンキャパシタ５３とチップキャパシタＣＣｆとの直列合成容量である。そして、このＬＣ並列共振回路の第１の端部に給電放射電極４１の一方の端部が接続されている。ＬＣ並列共振回路の第２の端部とグランドとの間には給電回路ＦＣが接続される。

無給電側のチップキャパシタＣＣｐに対して無給電側インダクタ電極５２が並列に接続されている。このチップキャパシタＣＣｐと無給電側インダクタ電極５２とによってＬＣ並列共振回路が構成される。ここで、パターンキャパシタは省略されている。そして、このＬＣ並列共振回路の第１の端部に無給電放射電極４２の一方の端部が接続されていて、ＬＣ並列共振回路の第２の端部はグランドに接地されている。給電放射電極４１と無給電放射電極４２とは開放端付近同士で容量結合する。

図６はアンテナ１０１のリターンロス特性を、従来構造のアンテナと比較して表す図である。図６において、ＲＬｃはＬＣ並列共振回路の容量部分をチップキャパシタのみで構成した場合の特性、ＲＬｐは本発明の実施形態に係るアンテナ１０１のリターンロス特性である。９００ＭＨｚを中心とするローバンドと１．９ＧＨｚを中心とするハイバンドの２つの帯域にそれぞれ複共振が生じていることが分かる。この複共振は給電放射電極と無給電放射電極によって生じている。またローバンドとハイバンドの２つの帯域は前記ＬＣ並列共振回路の作用による。すなわち、給電放射電極４１及び無給電放射電極４２の共振周波数は９００ＭＨｚと１．９ＧＨｚの中間の周波数であるが、前記ＬＣ並列共振回路の９００ＭＨｚ帯での誘導性リアクタンスによって９００ＭＨｚ帯で利得が生じ、それとともに１．９ＧＨｚ帯での容量性リアクタンスによって１．９ＧＨｚ帯で利得が生じる。

ＬＣ並列共振回路の容量部分をチップキャパシタのみで構成した場合に比べてローバンドでの変化は小さく、ハイバンドでは帯域幅が広がったように見える。これは、ＬＣ並列共振回路の容量部の一部を分布定数回路であるパターンキャパシタ５３に変えたことに伴い、その分布定数回路の容量部がアンテナの放射に寄与しているからであると推測できる。

次に、パターンキャパシタ５３とチップキャパシタＣＣｆの直列回路による容量部のキャパシタンスのばらつきについて説明する。パターンキャパシタ５３のキャパシタンスをＣ２、チップキャパシタＣＣｆのキャパシタンスをＣ３、合成キャパシタンスをＣ１で表すと

したがって、例えば、１ｐＦを必要とするとき１素子では、１±０．２５ｐＦのばらつきがあるとすると、２ｐＦ（±０．２５ｐＦ）を直列に２個つないでも、±０．０８ｐＦ程度のばらつきで収まる。

本発明のアンテナによれば次のような効果を奏する。
（１）パターンキャパシタが分布定数回路を構成するのでアンテナの放射抵抗が増大し、また損失が低下するのでアンテナ効率が向上する。
（２）ＬＣ共振回路の容量部の必要なキャパシタンスを得るために必要なチップキャパシタの部品点数が減るためコストダウンが図れる。
（３）パターンにより形成された固定キャパシタンスのキャパシタと、複数のキャパシタンス値から選択可能なチップキャパシタとの直列回路でＬＣ共振器の容量部を構成するので、所望のキャパシタンスをより細かく選ぶことができ、特性ばらつきが減少する。
（４）整合回路はＬＣ並列共振回路を構成するので、共振点でオープン状態となるため、共振点に近づくにつれて損失が増大するが、容量部を分布定数回路で構成することによって電流集中が緩和されて損失低減効果が高くなる。

ＣＣｆ…チップキャパシタ
ＦＣ…給電回路
ＧＡ…グランド領域
ＰＴＨ１…導体スルーホール
ＰＴＨ２…導体スルーホール
ＵＡ…非グランド領域
３１…アンテナ素子
３２…基板
４０…誘電体基体
４１…給電放射電極
４２…無給電放射電極
５０…基材
５１…給電側インダクタ電極
５２…無給電側インダクタ電極
５３…パターンキャパシタ
５４…給電端電極
５５…接地端電極
５６…アンテナ素子接続電極
５８…グランド電極
１０１…アンテナ

Claims (4)

1. 誘電体基体に給電放射電極及び無給電放射電極が形成されたアンテナ素子と、端部にグランド電極が形成されていない非グランド領域が配された基板と、前記給電放射電極と給電部との間に接続される、ＬＣ共振回路から構成される整合回路と、を備え、前記基板の前記非グランド領域に前記アンテナ素子が配設されてなるアンテナであって、
   前記整合回路のインダクタは前記非グランド領域に導体パターンによって構成され、
   前記整合回路のキャパシタは、前記非グランド領域に導体パターンによって構成されたパターンキャパシタと、チップキャパシタとの直列回路で構成された、アンテナ。
2. 前記パターンキャパシタの導体パターンは、前記基板の厚みを利用して壁面に導体膜が形成された孔または溝のパターンであり、インターディジタル形状に配置された、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記整合回路はＬＣ並列共振回路である、請求項１または２に記載のアンテナ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナを筐体内に設けてなる無線通信装置。