JP2011049732A - 小型ヘリカルチップアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】１セグ携帯電話用アンテナ、車載ＴＶ用アンテナとして従来のセラミックチップアンテナに比べ高利得、高性能であり、しかも携帯電話に内蔵可能な超小型アンテナが望まれる。
【解決手段】複数のヘリカルアンテナを逆Ｌ字型アンテナ構造にて鯉のぼり状に接続することで、外付けロッドアンテナと同等の日本の１セグ、フルセグ対応の高利得で広帯域な特性を実現できる。また箱型パッケージに内蔵することで、従来のチップアンテナと同等の小型化と使い勝手の良さを実現できる。このため、１セグ携帯電話やフルセグ用車載アンテナの小型化と高感度化に貢献できる。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は小型ヘリカルチップアンテナに係り、特に広帯域で高感度な小型ヘリカルチップアンテナに関する。

日本における１セグＴＶ内蔵型携帯電話は携帯電話市場の６０％以上を占めており、１セグＴＶ受信機能は日本の携帯電話の重要な機能となっている。一方、１セグ信号は地域により放送電波の信号強度が異なり、現在の１セグ用携帯電話受信機では室内または信号強度の弱い地域では受信不可となる場合がある。当初は小型の１セグ用内蔵アンテナを使い、デザインを重視するために外部アンテナを持たない携帯電話が主流であった。しかし、最近になり受信感度不良の顧客クレームに対応するため、新機種から外付けロッドアンテナを備えることで、アンテナ感度を改善するようになった。現在１セグ携帯電話の５０%は外付けロッドアンテナを使用している。

またフルセグ対応の車載用ＴＶにおいても、特に車内に設ける小型の外付けアンテナの感度が不充分な場合があって、より感度の良好な小型の外付けアンテナの必要性が高くなってきている。
ロッドアンテナと比較し大幅に小型なアンテナの一例として、特許文献１が開示する内蔵型チップアンテナがある。これは図１に示すように、直方体の高誘電体セラミック１の表面にストリップライン２でミアンダ状のアンテナを形成したものである。高誘電率のセラミック１の表面を使うことでアンテナ長を短くし、小型化を図っている。

特開２００２−３３５１１５号公報

前記した外付けロッドアンテナはデザイン的に自由度が少なく、魅力的なデザインを作りにくい。また、ロッドアンテナを引き出した状態で衝撃を与えるとアンテナ折れ等の別な問題が発生する。アンテナ折れを少なくするため、現在採用されているロッドアンテナは特殊な曲げ強度に強い素材を用いており、価格が高いという問題がある。

一方前記したセラミックチップアンテナは、一般に帯域幅が狭く、ピークロスも大きい。セラミックの表面に薄膜ストリップラインを形成することにより、ストリップラインのＱが低くなるためである。帯域幅の狭い、各種無線通信用には本構造のアンテナでも採用可能だが、特に１セグ地上波デジタル用受信アンテナとしては、中心周波数ｆｏ＝６２０ＭＨｚ、帯域幅ＢＷ＝３００ＭＨｚ（比帯域＝４９％）において−８ｄＢｉ以上（ｄＢｉは完全無指向性アンテナに対する動作利得の比を表す）の利得を必要としている。しかし、本構造のアンテナでは広い帯域に渡り−８ｄＢｉ以上のアンテナ利得を得ることは困難であった。

受信感度がロッドアンテナと同等で、装置に内蔵できるよう小型で、また低価格なチップアンテナおよび車載アンテナを実現できれば、感度、価格、デザインの各面からメリットが大きい。
本発明の目的は前記した課題に鑑み、広帯域で高感度な小型ヘリカルチップアンテナを提供することにある。

前記目的を達成するため本発明は、テレビジョン放送信号を受信するためのチップアンテナであって、導線を螺旋状に券線したヘリカルアンテナ部と、該ヘリカルアンテナ部を内蔵するパッケージ部と、前記ヘリカルアンテナ部で受信した前記テレビジョン放送信号を出力するための出力端子を有することを特徴としている。

また本発明は、テレビジョン放送信号を受信するためのチップアンテナであって、導線を螺旋状に券線した複数の螺旋状券線を並列接続したヘリカルアンテナ部と、該ヘリカルアンテナ部を内蔵するパッケージ部と、前記ヘリカルアンテナ部で受信した前記テレビジョン放送信号を出力するための出力端子を有することを特徴としている。

本発明によれば、広帯域で高感度な小型チップアンテナを提供することできる。地デジ放送対応携帯電話に内蔵し、また、車載用ＴＶのアンテナとして使用することで、これらの装置に顧客指向のデザインができるという効果がある。

従来の小型チップアンテナの概観図。 本発明の一実施例で使用するヘリカルアンテナの基本構造図。 本発明の一実施例における箱型パッケージ内蔵アンテナの正面図。 図３Ａの箱型パッケージの底面図。 図３Ａの箱型パッケージの側面図。 本発明の一実施例における基本逆L字型ヘリカルアンテナと測定系を示す図。 図４の測定系による基本逆L字型ヘリカルアンテナの利得測定結果を示す図。 本発明の一実施例における５本逆L字型ヘリカルアンテナと測定系を示す図。 本発明の一実施例におけるアンテナの本数と帯域幅の関係を示す図。 本発明の一実施例におけるグランドパターンを示す図。

以下、本発明の実施形態につき図面を用いて説明する。まずヘリカルアンテナについて述べる。
図２は本発明の一実施例で使用するヘリカルアンテナ４の基本構造図である。導体を螺旋状に巻くことにより、図中の矢印３で示したような各方向からの電波を受信する。図中の５は券線の一端を表し、送信する信号の入力端子、ないし受信した電波の出力端子となる。巻線の残る一端については入出力端子５との相対的な位置を特に規定しないが、図で示すように螺旋状の券線を挟んだ反対側でオープンの状態にしておくと良い。ヘリカルアンテナは空芯であるためにＱを高くとり易いため、一般に前記したセラミックチップアンテナよりもピークロスが少ない特徴がある。

図３Ａは本発明の一実施例における箱型パッケージに搭載したヘリカルアンテナの正面図である。本実施例では、まず前記ヘリカルアンテナ４を非導電性の箱型パッケージ６に入れ、回路基板への取付けを容易にし、また取付け作業中や取付け後における形状の変形を防止している。このため取付ける際は前記セラミックチップアンテナと同様な扱いができ、また前記ロッドアンテナのように装置の外部に突出することもない。もちろん箱型パッケージに限ることなく、レジンモールドにより変形を防止しても良い。箱型に限ることなく、蒲鉾型であっても良く、要は取付けを容易にし形状の変形を防げるものであれば、どのような方法でも良い。

図３Ａは箱型パッケージ６を正面から透視した図であり、アンテナ端子７を有するアンテナ基板６１を備えている。前記ヘリカルアンテナ４の入出力端子５はアンテナ端子７に接続される。図３Ｂは、図３Ａの裏側から見た底面図を示している。アンテナ端子７のほかにグランド端子１０を有している。図３Ｃは図３Ａの右側から透視した側面図である。なお箱型パッケージ６を、これを搭載する回路基板（図示せず）に取付ける際には、該回路基板とアンテナ基板６１が接する方向で取付けられる。アンテナ基板６１は、たとえば０．５ｍｍ程度の厚さのガラエポ基板などを使用すると良い。箱型パッケージ６はアンテナ基板６１に対して、たとえば化学系の接着剤で接着すると良い。アンテナ端子７は、たとえばヘリカルアンテナ４の一端が貫通するスルーホールを介して、図３Ａに示す正面側と図３Ｂに示す底面側が一体となるようにすると良い。

ヘリカルアンテナ４の特性は、周辺に配置される回路基板の特にグランドパターンの影響を受け易い。このため小型パッケージ６に収めた場合でも、これを取付ける回路基板とヘリカルアンテナ４の距離が所定量だけ離れることが望ましい。このため図３Ｃに示すようにヘリカルアンテナ４のアンテナ端子７に接続する側の直線部分を折り曲げることにより、ヘリカルアンテナ４と回路基板の導体部分との間が所定の距離だけ離れるようにしている。以下では、この形状のものを逆Ｌ字型ヘリカルアンテナと称する。

次に以上述べたヘリカルアンテナ４の特性について説明する。図４は、本発明の一実施例における基本逆L字型ヘリカルアンテナとその測定系を示す。
外部条件を一定にするため金属板８を設けている。これは例えば１０ｃｍ角の正方形の板であり、電気的にはグランド電位とする。またヘリカルアンテナ４は前記したように対接地容量が大きいと特性が変化し、例えば利得が低下するため、図示するように金属板８から２．０ｃｍほど離している。これは前記した直線部分をL型に折り曲げることによる。折り曲げ部までの直線部分を含むアンテナ部の長さは３．０ｃｍである。この条件のもとで受信電波３に対する利得の周波数特性を、ネットワークアナライザ９で測定することにより性能評価を行う。

図５は、図４の測定系による基本逆L字型ヘリカルアンテナの利得測定結果を示す。この場合、−８ｄＢｉ帯域幅が中心周波数６２０ＭＨｚに対して２００ＭＨｚ（±１００MHｚ）ほどである。これは前記したセラミックチップアンテナの一般的な値よりは遥かに良好であり、基本的には良好なアンテナである。しかし、１セグ規格の帯域幅ＢＷ＝３００ＭＨｚは満足できていない。

次に帯域幅をいっそう広くするための方法について説明する。図６は、本発明の一実施例における５本逆L字型ヘリカルアンテナとその測定系を示す。
帯域幅を広くするためには、図６に示すように複数本のヘリカルアンテナを鯉のぼり状に設けると良い。この場合、図４で示した逆Ｌ字型ヘリカルアンテナを並列に複数個設けても良いが、１本の直立する導線に対し図２のヘリカルアンテナを直交する方向に取付けることで並列接続しても良い。ここではヘリカルアンテナが５本の例を示しているが、もちろんこれは一例であって限定条件ではない。複数本の各々の線径、巻き径、巻数、ヘリカル部の長さなどのパラメータを微妙に変えると中心周波数が変わるために、全体としての帯域幅を広げることができる。また、これらが全く同じであったとしても、金属板８に対する距離が異なることで対接地容量などが変わるため、中心周波数が互いに異なり同様の効果を得ることができる。ここでは、ヘリカルアンテナの螺旋部分の長さを５．０ｃｍとし、最上部を金属板８から１．５ｃｍ離して、図４と同等な中心周波数ｆ０＝６２０ＭＨｚとしている。なお、各アンテナコイルの線径は０．３ｍｍ程度、コイルの内径は１．６ｍｍ程度、コイルの外径は２．２ｍｍ程度である。

図７は、図６の測定系による逆L字型ヘリカルアンテナの利得測定結果であり、横軸はヘリカルアンテナの本数を、縦軸は帯域幅ＢＷを示す。ここでは全てのヘリカルアンテナの前記パラメータを同じにしている。
図７から明らかなように、本数を増やすとともに帯域幅が広がり、図６のように５本の時は、−８ｄＢｉ帯域幅が３３１ＭＨｚとなり、１セグ規格を満足できる。但し、本数が増えるにつれｆｏが高域にシフトするため、中心周波数を一定にするにはヘリカル部の長さを長くする必要がある。５本立てた場合の長さは前記したとおり５．０ｃｍとなる。これに図示した直線部分を加えると５．５ｃｍ程度であり、先の図４の場合よりは長くなる。

しかし、パッケージングした際のサイズは、次に示すとおり携帯電話への内蔵が充分可能なサイズである。図３Ａ〜図３Ｃのａ、ｂ、ｃの順で０．３×２×６ｃｍ程度とできる。ａ＝０．３ｃｍは、前記コイルの外径２．２ｍｍ、箱型パッケージ６の厚さ０．３ｍｍ（×２）程度から決まる。ｂ＝２ｃｍは、前記コイルの外径２．２ｍｍ（×５）、アンテナ基板６１の厚さ０．５ｍｍ程度、箱型パッケージ６の厚さ０．３ｍｍ程度と各アンテナコイル間のスペースから決まる。ｃ＝６ｃｍは、前記アンテナコイルの長さ５．５ｍｍ、箱型パッケージ６の厚さ０．３ｍｍ（×２）程度から決まる。
以上示したとおり、携帯電話内蔵が可能で、広帯域、高利得の内蔵アンテナを実現できる。

さらに、本ヘリカルアンテナを車載用の１セグないしフルセグＴＶの車内用小型アンテナに適用する場合は、図８に示すようにパッケージ内部のグランドパターンをグランド端子１０のみならず、例えば１０Ａで示す部分まで拡張して形成することにより、インピーダンスを７５Ωもしくは５０Ωに合わせると良い。これにより、このインピーダンスの同軸ケーブルで車内の固定点まで、少ない減衰量で引き回すことができる。なお、図示した１０Ａの部分はグランド端子１０と電気的には共通であるが、表面にレジストが施されている。
また受信した信号をベースバンド信号に復調するための復調用ＩＣ（Integrated Circuit）を箱型パッケージ６に内蔵するようにすれば、高周波受信信号をアンテナモジュール内だけにとどめることができ、いっそうの実装性能の安定化を図ることができる。この場合の復調用ＩＣとは、受信した信号を帯域制限し、ＩＦ（Intermediate Frequency）周波数にダウンコンバートし、このＩＦ信号を復調しＴＳ（Transport Stream）信号を出力するものである。もちろん、帯域制限するフィルタやダウンコンバータが復調用ＩＣとは別のデバイスであれば、これらとともに箱型パッケージ６に内蔵すると良い。またダウンコンバータは受信した信号をＩＦ周波数に変換することなく、ベースバンド帯域にダイレクト変換しても良い。

以上述べたように本発明では、内蔵アンテナでも1セグＴＶ周波数帯４７０〜７７０ＭＨｚ（ｆｏ＝６２０ＭＨｚ、ＢＷ＝３００ＭＨｚ）において−８ｄＢｉ以上の利得の得られるアンテナとして、ヘリカルアンテナ（らせん状アンテナ）および逆L字型アンテナの技術を用い、1セグ用小型、高性能内蔵チップアンテナを考案した。本技術で車載用高感度小型アンテナも実現できる。

なおこれまでの説明した事項は一実施例であって、本発明はこれに限定されるものではない。ヘリカル部の長さなどにつき具体的な数字をあげたが、これは限定条件ではない。また例えば、図３Ａなどに示したヘリカルアンテナや接続端子の配置方法には、様々な変形例が考えられるが、いずれの場合も本発明の範疇にある。

１・・・誘電体チップ、２・・・ミアンダ状ストリップライン、３・・・受信電波、４・・・ヘリカルアンテナ、５・・・入力端子、６・・・箱型パッケージ、７・・・アンテナ端子、８・・・金属板、９・・・ネットワークアナライザ、１０・・・グランド端子。

Claims (8)

1. テレビジョン放送信号を受信するためのチップアンテナであって、
   導線を螺旋状に券線したヘリカルアンテナ部と、
   該ヘリカルアンテナ部を内蔵するパッケージ部と、
   前記ヘリカルアンテナ部で受信した前記テレビジョン放送信号を出力するための出力端子
   を有することを特徴とする小型ヘリカルチップアンテナ。
2. テレビジョン放送信号を受信するためのチップアンテナであって、
   導線を螺旋状に券線した複数の螺旋状券線を並列接続したヘリカルアンテナ部と、
   該ヘリカルアンテナ部を内蔵するパッケージ部と、
   前記ヘリカルアンテナ部で受信した前記テレビジョン放送信号を出力するための出力端子
   を有することを特徴とする小型ヘリカルチップアンテナ。
3. 請求項１または請求項２に記載の小型ヘリカルチップアンテナにおいて、前記パッケージ部に前記ヘリカルアンテナ部のインピーダンス調整のためのグランドパターンを有し、該グランドパターンにより前記インピーダンスを前記出力端子に接続されるケーブルのインピーダンスに整合させることを特徴とする小型ヘリカルチップアンテナ。
4. 請求項１または請求項２に記載の小型ヘリカルチップアンテナにおいて、前記パッケージ部はレジンモールドにより形成されることを特徴とする小型ヘリカルチップアンテナ。
5. 請求項１または２に記載の小型ヘリカルチップアンテナにおいて、前記受信したテレビジョン放送信号を復調する復調回路部を有し、前記出力端子には前記復調回路部における復調後の信号を出力することを特徴とする小型ヘリカルチップアンテナ。
6. 請求項２に記載の小型ヘリカルチップアンテナにおいて、前記複数の螺旋状券線は、前記導線の線径、前記螺旋状券線部分の直径、巻数、長さが略等しいことを特徴とする小型ヘリカルチップアンテナ。
7. 請求項２に記載の小型ヘリカルチップアンテナにおいて、前記複数の螺旋状券線のうち少なくもいずれか二つは、前記導線の線径、前記螺旋状券線部分の直径、巻数、長さのうち、少なくもいずれか一つが互いに異なることを特徴とする小型ヘリカルチップアンテナ。
8. 請求項２に記載の小型ヘリカルチップアンテナにおいて、前記複数の螺旋状券線は、前記出力端子に接続された導線に対し、略直角に接続されたことを特徴とする小型ヘリカルチップアンテナ。

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