JP2013162452A - アンテナ装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】基板面積が小さい実装条件でも、円偏波の電波に対して送受信特性を向上させることができるアンテナ装置及び電子機器を提供すること。
【解決手段】回路基板１０に実装された誘電体チップアンテナ２０と、回路基板に実装されアンテナエレメント３２のアンテナ主部３２ａが回路基板１０の外側に位置したフィルムアンテナ３０とから構成され、誘電体チップアンテナ２０とフィルムアンテナ３０とは、回路基板１０の主面に直交する法線方向の偏波面が互いにほぼ直交するように配置され、円偏波特性を有するように給電点から所定の位相差で誘電体チップアンテナ２０とフィルムアンテナ３０に給電を行うようにした。これにより、回路基板の上に２つのアンテナを設ける場合に比べて、基板面積が小さくて済むことになる。また、小さな基板面積でも、ＧＰＳ等の円偏波の電波に対して優れた送受信特性を有することになる。
【選択図】図１

Description

本発明はアンテナ装置及び電子機器に関するものである。

車載又はポータブルナビゲーションシステムなどで使用されるＧＰＳ（Global Positioning System）のアンテナとしては、通常、パッチアンテナが用いられている。このパッチアンテナは、誘電体上に放射電極が形成された構造を有しており、ＧＮＤ基板の上に設置される。
このパッチアンテナは利得特性が良く、ＧＰＳ等の円偏波の電波を受信するのに適している一方で、アンテナの１辺の長さを、受信周波数において実行誘電率εeで波長短縮された波長の１／２、すなわち、λ／２×１／√εeの長さとしなければならない。そのため、腕時計などに、ＧＰＳ等の円偏波の電波を受信するパッチアンテナを組み込む場合、腕時計の中でパッチアンテナが大きな体積を占め、その分、腕時計のサイズが大きくなってしまうという問題がある。
他方、パッチアンテナよりも形状的に小さいアンテナとして誘電体チップアンテナがある。しかし、誘電体チップアンテナは直線偏波のアンテナであるため、ＧＰＳ等の円偏波の電波を受信した場合、同一条件でも、受信能力が円偏波アンテナの半分となってしまうという問題がある。
これに対し、２つの誘電体チップアンテナで構成されるアンテナ装置がある（例えば、特許文献１）。このアンテナ装置は、２つの誘電体チップアンテナを長手方向同士が互いに直交するように配置し、マイクロストリップ線路で形成された位相器によって、２つの誘電体チップアンテナのアンテナ給電部に入る信号位相を９０°ずらすことで円偏波に対応させた構造となっている。

特開平１１−２３９０２０号公報

ところで、特許文献１に開示されたアンテナ装置では、２つの誘電体チップアンテナを長手方向同士が互いに直交するように配置しなければならず、大きな実装面積が必要となる。
また、２つの誘電体チップアンテナの電流はＬ字状の電流経路で振動するため、円状の電流とはならず、軸比特性の良い円偏波特性のアンテナ装置とすることは困難であった。この理由は、誘電体チップアンテナは、高い誘電率の誘電体を使用するため電気長が短く、位相を９０°ずらして２つの誘電体チップアンテナに給電を行ったとしても、回路基板の面積全体に対して円偏波になるような電流分布とすることができないことによる。
さらに、２つの誘電チップアンテナで円偏波特性を得るためには、２つの誘電体チップアンテナをある程度近傍位置に配置しなければならないが、腕時計等では回路基板が小さいため、設計上の制約が多かった。

本発明は、かかる問題点に鑑みなされたもので、基板面積が小さい実装条件でも、円偏波の電波に対して送受信特性を向上させることができるアンテナ装置及び電子機器を提供することを目的とする。

本発明に係るアンテナ装置は、
２つのアンテナを備えるアンテナ装置であって、
前記２つのアンテナのうちの一方のアンテナは、誘電体チップアンテナであって回路基板に実装され、
前記２つのアンテナのうちの他方のアンテナは、逆Ｆアンテナを構成するフィルムアンテナであって前記回路基板に実装されアンテナエレメントのアンテナ主部が回路基板の外側に位置し、
前記２つのアンテナは、前記回路基板の主面に直交する法線方向の偏波面が互いにほぼ直交するように配置され、
前記２つのアンテナには、円偏波特性を有するように給電点から所定の位相差で給電が行われることを特徴とする。
また、本発明に係る電子機器は、このアンテナ装置を電子機器本体に備えることを特徴とする。

本発明によれば、1つの誘電体チップアンテナだけを回路基板の上に設ければ足り、フィルムアンテナにおけるアンテナエレメントのアンテナ主部が回路基板の外側に位置しているため、回路基板の上に２つのアンテナを設ける場合に比べて、基板面積が小さくて済むことになる。
また、誘電体チップアンテナとフィルムアンテナとは、回路基板の主面に直交する法線方向の偏波面が互いにほぼ直交するように配置され、円偏波特性となるように所定の位相差をもって給電されているので、小さな基板面積でも、ＧＰＳ等の円偏波の電波に対して優れた送受信特性を有することになる。

本発明に係るアンテナ装置の実施形態の要部を示した斜視図である。 図１のアンテナ装置の平面図である。 図１のアンテナ装置におけるフィルムアンテナの実装方法を示す図であり、（Ａ）はフィルムアンテナを折り曲げる前の状態を示した斜視図、（Ｂ）はフィルムアンテナを１回折り曲げた状態を示した斜視図である。 実施形態のアンテナ装置の変形例を示す斜視図である。 本発明に係るアンテナ装置を適用した腕時計を示した斜視図である。 図５の腕時計に適用したアンテナ装置の要部を示した斜視図である。 図５の腕時計のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図である。 図５の腕時計の場合の誘電体チップアンテナとフィルムアンテナの設置条件を説明するための図である。

（第１実施形態）
図１は、本発明に係るアンテナ装置の実施形態を示した斜視図であり、図２は、アンテナ装置の平面図である。
この実施形態のアンテナ装置１００は、２つのアンテナを有しており、このうち１つのアンテナは、回路基板１０の上に設置された誘電体チップアンテナ２０であり、他の１つのアンテナは、回路基板１０の外側位置に設置されたフィルムアンテナ３０である。後者のフィルムアンテナ３０は逆Ｆアンテナとして構成されている。

この誘電体チップアンテナ２０の長手方向とフィルムアンテナ３０の長手方向とは、直交状態で、回路基板１０の主面に直交する法線方向の偏波面が互いにほぼ直交するように設定されている。

そして、回路基板１０の上に設置される給電点１１にはＴ分岐された伝送線路１２が接続され、このＴ分岐された一方の分岐部を構成する伝送線路１２ａは誘電体チップアンテナ２０の給電部２１ａに接続され、他方の分岐部を構成する伝送線路１２ｂは端子Ｔ１を介してフィルムアンテナ３０の給電部３２ｃに接続されている。
なお、図２において符号４０は整合回路を示している。

この場合、給電点１１から給電部２１ａに至る伝送線路長と、給電点１１から給電部３２ｃに至る伝送線路長とが互いに異なるように設定されている。そして、アンテナ装置１００を円偏波のアンテナとして機能させるために、給電部１１から給電部２１ａへの給電と、給電部１１から給電部３２ｃへの給電との間に、位相差を生じさせている。
通常、アンテナ装置１００を円偏波のアンテナとして機能させるためには、給電部３１ｃの信号位相が給電部２１ａの信号位相に対して９０°遅れた関係となるように、伝送線路長が設定される（右偏波特性の場合）。
ただし、実際上は、回路基板１０の上の電流分布は、回路基板１０の形状やアンテナの配置によって変化する。したがって、円偏波特性を得るためには９０°の位相差が適切とは限らない。そこで、このような場合には、円偏波特性を得るのに最も適切な位相差となるように、伝送線路の長さを調整することが必要である。
なお、位相差の調整については、伝送線路長の調整に代えて、位相器を用いて調整することも可能である。

次に、誘電体チップアンテナ２０及びフィルムアンテナ３０について説明する。
誘電体チップアンテナ２０は、逆Ｆアンテナとなる導体パターンをヘリカル状に誘電体の表面に形成したものである。なお、導体パターンをヘリカルアンテナ状に形成するタイプであってもよい。

一方、フィルムアンテナ３０は上述のように逆Ｆアンテナとして構成されている。このフィルムアンテナ３０は、フィルム３１と、フィルム３１の上に貼り付けられた銅箔等の平面状の導体からなるアンテナエレメント３２とから構成されている。

このうちフィルム３１は、ＦＰＣ（Flexible Print Circuit）のフィルムであり、ポリイミド等の絶縁体により構成されている。このフィルム３１は、フィルムアンテナ３０の実装時には、図１に示すように折り曲げられる。
このフィルム３１を折り曲げ前の状態（展開状態）で見ると、図２に示すように、このフィルム３１は、長尺のフィルム主体３１ａと、このフィルム主体３１ａの一端部で当該フィルム主体３１ａに対して直交する一方向に延在する短尺のフィルム延出部３１ｂを備え、フィルム３１の主面に直交する方向から見た場合、全体として、Ｌ字状を成している。
また、このフィルム３１は、展開状態で且つフィルム３１の主面に直交する方向から見た場合、フィルム主体３１ａが回路基板１０の一辺に平行に延在し、フィルム延出部３１ｂがフィルム主体３１ａの一端部から回路基板１０に向けて延在した形となっている。

一方、フィルム３１の上のアンテナエレメント３２は、長尺のアンテナ主体３２ａと、このアンテナム主体３２ａの一端部で当該アンテナ主体３２ａに対して直交する一方向に延在する短尺の短絡部３２ｂ及び給電部３２ｃを有している。短絡部３２ｂと給電部３２ｃとの間には所定の間隔が設けられている。
このうち、アンテナ主体３２ａは、長手方向が互いに合致するように、フィルム３１のフィルム主体３１ａに形成されている。その結果、このアンテナ主体３１ａは回路基板１０の一辺に平行に延在している。また、短絡部３２ｂ及び給電部３２ｃは、フィルム３１のフィルム主体３１ａ及びフィルム延出部３１ｂに亘って形成されている。
そして、短絡部３２ｂは端子Ｔ２を介して回路基板１０のＧＮＤ層に接続され、また、給電部３２ｃは端子Ｔ１を介して回路基板１０の伝送線路１２ｂに接続されている。

次に、アンテナエレメント３２のサイズについて説明する。
受信する電波の波長をλとし、フィルム３１の誘電率をεeとすれば、アンテナの波長λgは、λg＝λ／√（εe）のように波長短縮される。
そして、波長短縮された波長λgに対して、フィルムアンテナ３０のアンテナエレメント（放射素子）３２の長さ（短絡部３１ｂを含めた長さ）はλg／４の関係に立つ。
そこで、実施形態のアンテナ装置１００では、上記関係を満たすように、フィルム３１の誘電率及びフィルムアンテナ３０の放射素子の長さが決められている。
一方、アンテナエレメント３２の短絡部３２ｂ及び給電部３２ｃの位置及び長さは、アンテナの入力インピーダンスが約５０Ωとなるように調整されている。

次に、本実施形態のアンテナ装置１００のフィルムアンテナ３０の実装方法について説明する。
このフィルムアンテナ３０は、例えば折り曲げ前の状態で、回路基板１０に取り付けられる。
具体的には、折り曲げ前のフィルムアンテナ３０を用意する（アンテナ準備工程）。
そして、図３（Ａ）に示すように、フィルムアンテナ３０の短絡部３２ｂを端子Ｔ２を介して回路基板１０のＧＮＤ層に接続すると共に、給電部３２ｃを端子Ｔ１を介して回路基板１０の伝送線路１２ｂに接続して、フィルムアンテナ３０を回路基板１０に取り付ける（アンテナ取り付け工程）。
次に、図３（Ｂ）に示すように、このフィルムアンテナ３０を、短絡部３２ｂ及び給電部３２ｃの途中で、フィルム主体３１ａの主面が回路基板１０の主面とほぼ直角となるように折り曲げる（アンテナ折り曲げ工程）。
なお、ここではフィルムアンテナ３０はアンテナ接続工程後に折り曲げられたが、アンテナ接続工程前に折り曲げてもよい。
また、フィルムアンテナ３０を折り曲げる場合、回路基板１０のＧＮＤ層等の導体との間に、ある程度のクリアランスを設けて、アンテナ特性への悪影響を防止することが好ましい。

次に、このアンテナ装置１００の電流分布のシミュレーション結果について説明する。
ここでは、給電部３２ｃの信号位相を給電部２１ａの信号位相に対して０°、４５°、９０°のように段階的に遅らせてシミュレーションを行った。
これによって次のようなシミュレーション結果が得られた。
入力する交流電流（１．５７５４２ＧＨｚ）の位相差を０°とした場合には、誘電体チップアンテナ２０の電流密度が高く、フィルムアンテナ３０の電流密度が低くなった。また、入力する交流電流の位相差を４５°にした場合には、電流密度が高い部分が誘電体チップアンテナ２０からフィルムアンテナ３０寄りに移行した。さらに、位相差を９０°にした場合には、フィルムアンテナ３０の電流密度が高く、誘電体チップアンテナ２０の電流密度が低くなった。
このことから、電流密度が高い部分は、左回りに回転し、アンテナ特性として右偏波特性を有していることが確認された。

以上の説明からも明らかなように、このアンテナ装置１００によれば、次のような効果が得られる。
このアンテナ装置１００によれば、回路基板１０には誘電体チップアンテナ２０を１つ設け、回路基板１０の外側位置にフィルムアンテナ３０を設けている。このように、1つの誘電体チップアンテナ２０だけを回路基板１０の上に設ければ足りるため、回路基板１０に２つのアンテナを設ける場合に比べて、基板面積が小さくて済むことになる。
また、誘電体チップアンテナ２０とフィルムアンテナ３０とは、回路基板１０の主面に直交する法線方向の偏波面が互いにほぼ直交するように配置され、円偏波特性となるように所定の位相差をもって給電されているので、小さな基板面積でも、ＧＰＳ等の円偏波の電波に対して優れた送受信特性を有することになる。
また、アンテナ主部３２ａの主面が回路基板１０の主面に対してほぼ垂直となるように配置されているので、回路基板１０の主面に沿った方向の実装面積を小さくすることができる。

図４は、アンテナ装置１００の変形例を示している。この変形例では、フィルムアンテナ３０が回路基板１０の対向する一辺よりも長い場合、回路基板１０の側面に沿って湾曲させている。このようにすれば、回路基板１０の周囲に近接して、電子機器の機器本体の壁がある場合でも対応できる。

図５は、このアンテナ装置１００を適用した腕時計を示し、図６はそのアンテナ装置１００の要部を示し、図７は図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面を示している。
この適用例は、アンテナ装置１００を腕時計２００に搭載したものである。
この腕時計２００では、回路基板１０が平面視でほぼ円形を有しており、この回路基板１０に誘電体チップアンテナ２０、フィルムアンテナ３０及びその他のアンテナ要素が設けられている。この回路基板１０は、樹脂製の時計ケース２０２内に配置される時計モジュール２０３に組み込まれている。
ここで、誘電体チップアンテナ２０は、指針式時計の１２時方向に設置されている。一方、フィルムアンテナ３０は、フィルム３１のフィルム主体３１ａが回路基板１０の主面と直交するように、フィルム３１の短絡部３２ｂ及び給電部３２ｃの途中で時計ガラス２０４の方向に折り曲げられ、回路基板１０の外周のうち腕時計２００の操作ボタン２０１とは反対となる外周に沿わせるように弧状に湾曲されている。そして、このフィルムアンテナ３０は、時計モジュール２０３とモジュール押さえ２０５との隙間に時計ケース２０２に沿わせるように配置されている。
なお、この場合に所望の円偏波特性とするために、図８に示すように、回路基板１０の中心と、誘電体チップアンテナ２０の面のうちで回路基板１０の中心側を向く面の両端とを結ぶ２つの線によって区分される領域Ａ１と、回路基板１０の中心と、フィルムアンテナ３０の長尺方向の両端とを結ぶ２つの線によって区分される領域Ａ２とが重ならず、その間に所定の隙間Ｇが形成されるようにしておくことが必要である。

このように構成された腕時計２００では、次のような効果が得られる。
すなわち、上記アンテナ装置１００の効果に加えて、フィルムアンテナ３０の折り曲げ方向が時計ガラス４３の方向となっているため、腕時計２００の裏蓋が金属で形成される場合には、フィルムアンテナ３０のアンテナエレメント３２を金属製の裏蓋から遠ざけることができるし、また、人の腕からも遠ざけることができるので、それらに基づくアンテナ特性の低下を防止することができる。
また、フィルムアンテナ３０は、腕時計２００の操作ボタン２０１とは反対となる外周に沿わせて設置されているので、操作ボタン２０１の配置の邪魔となることはなく、しかも、操作ボタン２０１が金属製で形成される場合には、フィルムアンテナ３０のアンテナエレメント３２を金属製の操作ボタン２０１から遠ざけることができる

以下に、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲に記載した発明を付記する。付記に記載した請求項の項番は、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲の通りである。
〔付記〕
＜請求項１＞
２つのアンテナを備えるアンテナ装置であって、
前記２つのアンテナのうちの一方のアンテナは、誘電体チップアンテナであって回路基板に実装され、
前記２つのアンテナのうちの他方のアンテナは、逆Ｆアンテナを構成するフィルムアンテナであって前記回路基板に実装されアンテナエレメントのアンテナ主部が回路基板の外側に位置し、
前記２つのアンテナは、前記回路基板の主面に直交する法線方向の偏波面が互いにほぼ直交するように配置され、
前記２つのアンテナには、円偏波特性を有するように給電点から所定の位相差で給電が行われることを特徴とするアンテナ装置。
＜請求項２＞
前記フィルムアンテナは、前記アンテナエレメントの給電部及び短絡部の箇所で折り曲げられ、前記アンテナ主部の主面が前記回路基板の主面に対してほぼ垂直となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
＜請求項３＞
請求項１又は２に記載のアンテナ装置を電子機器本体に備えることを特徴とする電子機器。
＜請求項４＞
前記電子機器本体の側面の一部には操作ボタンが設けられ、
前記フィルムアンテナは、前記回路基板の側面のうちで前記操作ボタンが設けられていない側面に沿って配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電子機器。

１０ 回路基板
２０ 誘電体チップアンテナ
３０ フィルムアンテナ
３１ フィルム
３２ アンテナエレメント
１００ アンテナ装置
２００ 腕時計

Claims (4)

1. ２つのアンテナを備えるアンテナ装置であって、
   前記２つのアンテナのうちの一方のアンテナは、誘電体チップアンテナであって回路基板に実装され、
   前記２つのアンテナのうちの他方のアンテナは、逆Ｆアンテナを構成するフィルムアンテナであって前記回路基板に実装されアンテナエレメントのアンテナ主部が回路基板の外側に位置し、
   前記２つのアンテナは、前記回路基板の主面に直交する法線方向の偏波面が互いにほぼ直交するように配置され、
   前記２つのアンテナには、円偏波特性を有するように給電点から所定の位相差で給電が行われることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記フィルムアンテナは、前記アンテナエレメントの給電部及び短絡部の箇所で折り曲げられ、前記アンテナ主部の主面が前記回路基板の主面に対してほぼ垂直となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 請求項１又は２に記載のアンテナ装置を電子機器本体に備えることを特徴とする電子機器。
4. 前記電子機器本体の側面の一部には操作ボタンが設けられ、
   前記フィルムアンテナは、前記回路基板の側面のうちで前記操作ボタンが設けられていない側面に沿って配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電子機器。

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