JP2012070083A - アンテナを備える基板及び無線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 異なる基板形状や異なる筐体内で使用する場合においても、周波数特性の変化が少なく調整が容易なアンテナを備える基板及びその基板を有する無線装置を提供すること。
【解決手段】 矩形状の誘電体基板２と、誘電体基板２上に形成され、その内層に接地導体パターンを有する矩形状のグランド領域部３と、誘電体基板２上に形成され、グランド領域部３の１辺と境界を接し、導体パターンからなるアンテナ４が形成された矩形状のアンテナ領域部５とを備え、アンテナ領域部５の境界はグランド領域部３と接する１辺を除いた３辺が誘電体基板２の表面から裏面に貫通するコの字状に形成されたスリット状の空隙７に接し、誘電体基板２のグランド領域部３および空隙７の外側は、導体が存在しない誘電体部分６となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は無線通信装置等に使用される誘電体基板上に、導体パターンにより形成されたアンテナを備える基板及びそれを用いた無線装置に関する。

携帯電話等の小型無線通信端末にアンテナを用いる場合に、例えば特許文献１に記載されているような、基板上の導体パターンにより形成されたパターンアンテナを使用することは、低コスト化を図る上で有利である。さらに、パターンアンテナを一度設計してしまえば、同様の周波数帯で無線通信を行うために異なる基板を設計する際も、そのアンテナのパターンを流用できるというメリットがある。

特開２００３−２９８４５３号公報

しかし、パターンアンテナを他の無線装置に流用する場合、従来は次のような問題があった。すなわち、パターンアンテナでは、そのアンテナに隣接する誘電体の誘電率や形状によりアンテナの周波数特性が大きく変化するため、パターンアンテナの設計を流用するにあたり、流用先の基板サイズ等が異なるとそのままでは使用できないという問題である。例えば流用先の基板サイズが大きい場合、パターンアンテナの周囲の金属配線等がない誘電体からなる基板部分を流用先の基板サイズに合わせてそのまま大きくすると周波数特性が変化してしまうので、その特性の調整に手間がかかってしまう。また、アンテナの設計を再調整しなければならなくなる等の負担がかかってしまう。また、パターンアンテナを形成した基板を筐体内に実装する場合、パターンアンテナと筐体との相対位置の変化によっても周波数特性が変化してしまう可能性がある。

本発明は上記の従来技術における問題点を解消すべくなされたものであり、本発明の課題は、異なる基板形状や異なる筐体内で使用する場合においても、周波数特性の変化が少なく調整が容易なアンテナを備える基板及びその基板を有する無線装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明のアンテナを備える基板は、誘電体基板と、前記誘電体基板上に形成された接地導体パターンを有するグランド領域部と、前記誘電体基板上に形成された導体パターンからなるアンテナを有するアンテナ領域部とを備え、前記アンテナ領域部の境界の一部は前記グランド領域部の境界と接し、前記アンテナ領域部の境界の他の部分の９０％以上は前記誘電体基板の表面から裏面に貫通するスリット状の空隙に接していることを特徴とする。

ここで、前記スリット状の空隙は、前記アンテナ領域部の境界に沿って、コの字状またはＣの字状に形成されていてもよい。

また、前記誘電体基板、前記グランド領域部、及び前記アンテナ領域部は、それぞれ矩形形状を有し、前記アンテナ領域部の境界の一辺は前記グランド領域部の境界の一辺と接していてもよい。

また、前記スリット状の空隙の幅は、前記アンテナから発信または受信する電磁波の波長の８０分の１より大きいことが望ましい。

また、前記スリット状の空隙は前記スリット状の空隙を介して対峙する前記アンテナ領域部と前記誘電体基板との間を接続する梁部によって複数個に分断されていてもよく、この場合、前記梁部によって分断された前記スリット状の空隙の互いの間隔は、前記アンテナから発信または受信する電磁波の波長の１００分の１より小さいことが望ましい。

本発明による無線装置は、上記のいずれかのアンテナを備える基板を有することを特徴とする。

上記のように、本発明のアンテナを備える基板は、アンテナ領域部のグランド領域部と接していない側の誘電体基板を構成する誘電体物質との間にスリット状の空隙、すなわち空気層を形成することにより、アンテナ領域部の周辺に異なる誘電体が存在することによる周波数特性の変化を抑えることができる。これによって、アンテナの設計に関係する範囲を、ほぼアンテナ領域部のみに簡略化できるため、アンテナ設計の負担を軽減できる。また、アンテナ領域部の周辺の誘電体物質との間に空気層があることにより、筐体など誘電体基板を介してアンテナ特性に影響を与える物体をアンテナから遠ざける効果を生じることで、アンテナの周波数特性の変化を抑えることができる。

また、上記のアンテナを備える基板において、空隙の幅、すなわち空気層の厚さを、使用周波数の電磁波の波長の８０分の１より大きくすることにより、アンテナ領域部のみを考慮して設計したアンテナ形状から導き出される周波数特性が、アンテナ領域部の周辺に誘電体物質が存在することによって変化する量を２％以下に抑えることが可能となる。

また、上記のアンテナを備える基板において、アンテナ領域部の境界のグランド領域部と接していない部分を空隙によってすべて誘電体基板と完全に分断せずに、一部を使用周波数の電磁波の波長の１００分の１より小さい幅の梁として残すことで、スリット状の空隙によるアンテナの周波数特性の変化を抑制する効果を実現しながら、スリット状の空隙を入れた基板の強度を一定以上に保つことが可能となる。

以上のように、本発明により、異なる基板形状や異なる筐体内で使用する場合においても、周波数特性の変化が少なく調整が容易なアンテナを備える基板及びその基板を有する無線装置が得られる。

本発明によるアンテナを備える基板の第１の実施の形態における模式的な平面図。 本発明によるアンテナを備える基板の第２の実施の形態における模式的な平面図。 本発明による第１の実施の形態に対応する実施例および比較例のアンテナのＳ１１特性のシミュレーション結果を示す図。 空隙の幅が２ｍｍの実施例２のアンテナの共振時の指向性を示す図。 空隙がない比較例２のアンテナの共振時の指向性を示す図。 誘電体部分がない比較例１のアンテナの共振時の指向性を示す図。 実施例との比較に用いた従来のアンテナを備える基板の比較例の模式的な平面図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明によるアンテナを備える基板の第１の実施の形態における模式的な平面図である。図１に示すように、本実施例のアンテナを備える基板１は、矩形状の誘電体基板２と、誘電体基板２上に形成され、その内層に接地導体パターンを有する矩形状のグランド領域部３と、誘電体基板２上に形成され、グランド領域部３の１辺と境界を接し、導体パターンからなるアンテナ４が形成された矩形状のアンテナ領域部５とを備えている。アンテナ領域部５の境界はグランド領域部３と接する１辺を除いた３辺が誘電体基板２の表面から裏面に貫通するコの字状に形成されたスリット状の空隙７に接している。即ち、アンテナ領域部５の境界の一部はグランド領域部３の境界と接し、アンテナ領域部の境界の他の部分の９０％以上はスリット状の空隙７に接している。誘電体基板２のグランド領域部３および空隙７の外側は、導体が存在しない誘電体部分６となっている。コ字状に形成されたスリット状の空隙はＣ字状でもよい。

アンテナ４は、逆Ｆの字状に曲げられた１／４波長モノポールアンテナであり、グランド領域部３の接地導体パターンとの間に給電点８、および整合素子９を備える。グランド領域部３の表層には回路部品を配置し電子回路を構成することができる。この電子回路からマイクロストリップ線路を介した給電によって給電点８に給電を行うが、これらの電子回路やマイクロストリップ線路は図示していない。

図２は、本発明によるアンテナを備える基板の第２の実施の形態における模式的な平面図である。本実施の形態のアンテナを備える基板１１は、図１に示した第１の実施の形態と同様な、それぞれ矩形状の、誘電体基板２と、グランド領域部３と、アンテナ領域部５とを備えている。また、アンテナ４、給電点８、および整合素子９等も図１と同様である。アンテナ領域部５の境界はグランド領域部３と接する１辺を除いた３辺が誘電体基板２の表面から裏面に貫通するコの字状に形成されたスリット状の空隙１７に接している。誘電体基板２のグランド領域部３および空隙１７の外側は、導体が存在しない誘電体部分６となっている。

但し、本実施の形態においては、スリット状の空隙１７はアンテナ領域部５と誘電体基板の誘電体部分６との間を接続する３つの梁部１２によって４つに分断されている。また、梁部１２によって分断されたスリット状の空隙１７の互いの間隔、すなわち梁部１２の幅は、アンテナ４の特性に極力影響を与えないように、アンテナから発信または受信する電磁波の波長の１００分の１より小さくしている。例えば、前述の実施例１または２の場合に対応させた時は、その幅を１ｍｍ、すなわち基本波長の１２０分の１とすることができる。コ字状に形成されたスリット状の空隙はＣ字状でもよい。

本実施の形態のアンテナを備える基板１１においては、第１の実施の形態と同様に、誘電体部分６を付加されたことによる周波数特性の変化が小さいアンテナを実現すると同時に、第１の実施の形態と比べてアンテナ領域部と誘電体部分との間の保持が強固となり、基板全体としての強度も確保できる。

次に、第１の実施の形態のアンテナを備える基板の具体的な実施例を設計し、従来の構造体と比較評価を行った結果について説明する。

誘電体基板２としては、厚さ０．８ｍｍ、比誘電率εｒ＝４．２のＦＲ−４基板を使用し、グランド領域部３の接地導体パターン及びアンテナ領域部５のアンテナ４の導体パターンとしては、厚さが３．５μｍの銅箔を使用した。誘電体基板２の寸法は、基板幅をＷ１＝４５ｍｍ、基板長さをＬ１＋Ｌ２＝４５ｍｍとして、グランド領域部３は、基板幅いっぱいに形成し、その長さをＬ１＝３０ｍｍとした。誘電体基板２の誘電体部分６の長さはＬ２＝１５ｍｍとしている。アンテナ領域部５は幅Ｗ２＝２５ｍｍ、長さＬ３＝５ｍｍとし、アンテナ４は導体パターンの幅を１．５ｍｍ、長さを２５ｍｍとし、２．４ＧＨｚ帯のアンテナを構成した。ここでスリット状の空隙７の幅を１ｍｍとしたもの（実施例１とする）、および空隙７の幅を２ｍｍとしたもの（実施例２とする）について評価を行った。

図７は実施例との比較に用いた従来のアンテナを備える基板の比較例の模式的な平面図である。図７に示すように、本比較例（比較例１とする）のアンテナを備える基板１０は、上記の実施例のアンテナを備える基板１において、誘電体基板２の誘電体部分６を取り除いた誘電体基板１３からなる構造となっており、その他のアンテナ領域部５、グランド領域部３、およびアンテナ４などの形状、材質などはすべて実施例と同様である。本比較例においては、アンテナ４の共振周波数は２．４６ＧＨｚとなる。

また、図１のアンテナを備える基板１においてスリット状の空隙７を設けない従来と同様の構造体についても比較例２として評価を行った。

次に、上記の各実施例および比較例のアンテナを備える基板について、有限要素法を用いてシミュレーションを行った結果を説明する。図３は、本発明による第１の実施の形態に対応する実施例および比較例のアンテナのＳ１１特性のシミュレーション結果を示す図であり、入力したエネルギーが反射する割合の周波数特性を示す。反射が１０％となる−１０ｄＢ以下がアンテナとして望ましいため、ここではＳ１１の値が−１０ｄＢ以下となる周波数範囲をそのアンテナの周波数帯域とする。アンテナの近傍では、誘電体による波長圧縮の効果が強いため、アンテナ付近に誘電体が存在するとアンテナの共振周波数は低下する。よって、アンテナの直近に誘電体の領域が空隙を介さないでそのまま存在する比較例２のアンテナの共振周波数は、アンテナ近傍に誘電体部分がない比較例１のアンテナと比較して１１０ＭＨｚほど低下し、アンテナの周波数帯域も同様に低い周波数帯域に移動している。しかし、アンテナの直近に空隙７を入れることで、実施例１および２においては、そのアンテナの共振周波数の比較例１のアンテナの共振周波数と比べた低下量は、空隙７の幅が１ｍｍの実施例１ときは５０ＭＨｚ、空隙７の幅が２ｍｍの実施例２ときは３０ＭＨと、空隙の幅の増加に従って小さくなっていき、周波数帯域の変化も同様に小さくなっている。

表１は、比較例１のアンテナの共振周波数２．４６ＧＨｚを基準としたときの、他の実施例、比較例のアンテナの共振周波数のずれ量をまとめたものである。ここで、共振周波数２．４６ＧＨｚの電磁波の基本波長は約１２１．９ｍｍとなる。空隙の幅が１ｍｍ、すなわち基本波長の１２０分の１のときの実施例１のアンテナの共振周波数のずれは２％以上となる。なお、図１において、整合素子９等を用い、共振周波数の調整を容易に行えるようするためには共振周波数のずれを２％未満に抑えることが望ましく、このためには、基本波長の８０分の１、すなわち、１．５ｍｍ以上の幅の空隙を設ければよいことがシミュレーションにより判明している。

図４は、空隙の幅が２ｍｍの実施例２のアンテナの共振時の指向性を示す図であり、図５は空隙がない比較例２のアンテナの共振時の指向性を示す図であり、図６は誘電体部分がない比較例１のアンテナの共振時の指向性を示す図である。これらの結果の比較により、空隙や誘電体部分の有無によって共振周波数の変化は生ずるが、その指向性に大きな変化はないことがわかる。すなわち、図１に示した本実施の形態のアンテナを備える基板１は、図７に示した従来のアンテナを備える基板１０と比較すると、アンテナ領域部５の周りに誘電体部分６が付加され、より基板サイズの大きい構造体となりながら、空隙７の挿入によってアンテナの周波数特性の変化を抑えている。

従って、本実施例のアンテナを備える基板によれば、誘電体部分のない小さい基板上に設置する目的で設計されたアンテナを流用し、異なる無線装置の基板サイズの大きな基板上に誘電体部分を付加して形成しても、その周波数帯域の変化が小さく、指向性の変化も小さいため、アンテナの周波数特性の調整の負担を減らすことができる。また、誘電体部分が付加されたことにより、筐体などアンテナの周波数特性に影響を与える物とアンテナとの距離を広げる効果が生ずるため、筐体への実装により周波数特性のばらつきが生ずるのを抑える効果も期待できる。

なお、本発明は上記の実施の形態や実施例に限定されるものではないことはいうまでもなく、本発明のアンテナを備える基板を使用する無線装置の目的や用途、形状などに合わせて設計変更可能である。例えば、誘電体基板、グランド領域部、アンテナ領域部、さらにアンテナなどの形状、大きさ、材質、スリット状の空隙の形状、梁部の形状、数なども変更可能である。また、スリット状の空隙は、その幅や互いの間隔について誘電体基板の寸法や強度といった物理的な制約を受けることは自明であり、それらの制約の範囲内で適宜実施すれば良い。

１、１０、１１ アンテナを備える基板
２、１３ 誘電体基板
３ グランド領域部
４ アンテナ
５ アンテナ領域部
６ 誘電体部分
７、１７ 空隙
８ 給電点
９ 整合素子
１２ 梁部

Claims (7)

1. 誘電体基板と、前記誘電体基板上に形成された接地導体パターンを有するグランド領域部と、前記誘電体基板上に形成された導体パターンからなるアンテナを有するアンテナ領域部とを備え、前記アンテナ領域部の境界の一部は前記グランド領域部の境界と接し、前記アンテナ領域部の境界の他の部分の９０％以上は前記誘電体基板の表面から裏面に貫通するスリット状の空隙に接していることを特徴とするアンテナを備える基板。
2. 前記スリット状の空隙は、前記アンテナ領域部の境界に沿って、コの字状またはＣの字状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナを備える基板。
3. 前記誘電体基板、前記グランド領域部、及び前記アンテナ領域部は、それぞれ矩形形状を有し、前記アンテナ領域部の境界の一辺は前記グランド領域部の境界の一辺と接することを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナを備える基板。
4. 前記スリット状の空隙の幅は、前記アンテナから発信または受信する電磁波の波長の８０分の１より大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアンテナを備える基板。
5. 前記スリット状の空隙は前記スリット状の空隙を介して対峙する前記アンテナ領域部と前記誘電体基板との間を接続する梁部によって複数個に分断されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアンテナを備える基板。
6. 前記梁部によって分断された前記スリット状の空隙の互いの間隔は、前記アンテナから発信または受信する電磁波の波長の１００分の１より小さいことを特徴とする請求項５項に記載のアンテナを備える基板。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のアンテナを備える基板を有することを特徴とする無線装置。

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