JP2013187614A

JP2013187614A - アンテナ

Info

Publication number: JP2013187614A
Application number: JP2012049164A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Kawada; 章弘川田
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2013-09-19

Abstract

【課題】小型且つ高帯域、高効率なアンテナを提供する。
【解決手段】長さの４分の１以上の最大幅を有するボウタイエレメント、または、最細部と最太部との比が４以上であるボウタイエレメントと、ボウタイエレメントと反対方向に形成された水平部および水平部から垂直に形成された垂直部を有するＬ型エレメントと、Ｌ型エレメントの水平部および垂直部に沿い電流の向きが水平部および垂直部の電流の向きと同じであるマッチング線路と、を誘電体基板上に形成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、プリント基板などの誘電体基板上に形成されるアンテナに関する。

スマートフォンなどの携帯電子機器は、高集積化、小型化が進行しており、内蔵されるアンテナにも小型化が望まれている。また、通信が高速化しているため、アンテナの広帯域化も望まれている。また、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）に対応するには、水平偏波、垂直偏波の両偏波に対応することが望ましい。

特開平０７−２１２１２５号公報

特開２００４−２０１２７８号公報

特開２００５−０８６５３６号公報

特開２０１１−０３５５１９号公報

従来より、例えば特許文献１〜４に示すように種々のアンテナ構造が提案されているが、小型化と広帯域化および水平／垂直の両偏波放射とは相反する要求であり、これらを両立させるのは困難である。また、小型化した場合、アンテナエレメントの電流による電磁界が他の線路（たとえばマッチング線路）の電流による電磁界によって相殺されてしまい、放射効率が低下してしまう場合もあった。

この発明は、小型且つ高帯域、高効率なアンテナを提供することを目的とする。

本発明の第１の側面で実現されるアンテナは、誘電体基板上に構成されたアンテナであって、長さの４分の１以上の最大幅を有する、または、最細部と最太部との比が４以上であるボウタイエレメントと、該ボウタイエレメントと反対方向に形成された水平部および該水平部から略垂直に形成された垂直部を有するＬ型エレメントと、前記ボウタイエレメントおよびＬ型エレメントと同じ給電線路から給電されるマッチング線路であって、前記Ｌ型エレメントの前記水平部および前記垂直部に沿った線路である並走線路を有し、該並走線路の電流の向きが前記水平部および前記垂直部の電流の向きと同じであるマッチング線路と、を備えたことを特徴とする。

本発明の第２の側面によって実現されるアンテナは、誘電体基板上に構成されたアンテナであって、長さの４分の１以上の最大幅を有する、または、最細部と最太部との比が４以上であるアンテナエレメントと、該アンテナエレメントと同じ給電線路から給電されるマッチング線路であって、前記アンテナエレメントに沿った線路である並走線路を有し、該並走線路の電流の向きが前記アンテナエレメントの電流の向きと同じであるマッチング線路と、を備えたことを特徴とする。

本発明の第３の側面によって実現されるアンテナは、誘電体基板上に構成されたアンテナであって、長さの４分の１以上の最大幅を有する、または、最細部と最太部との比が４以上であるエレメント本体と、該エレメント本体から略垂直に突出した垂直部と、を有するアンテナエレメントと、該アンテナエレメントと同じ給電線路から給電されるマッチング線路であって、前記エレメント本体および前記垂直部に沿った線路である並走線路を有し、該並走線路の電流の向きが前記エレメント本体および前記垂直部の電流の向きと同じであるマッチング線路と、を備えたことを特徴とする。

上記発明において、ボウタイ構造のエレメントの長辺に、切れ込み（スリット）を設けてもよい。

この発明によれば、プリント基板上に形成されるパターンアンテナ等において、小型化、および、高帯域化、高効率化を実現することが可能になる。

この発明の実施形態であるパターンアンテナの構成図パターンアンテナにおける電流の方向を示す図パターンアンテナを２．４５ＧＨｚ帯に適用した実施例である２．４５ＧＨｚ帯用パターンアンテナの各部の寸法を示す図２．４５ＧＨｚ帯用パターンアンテナのパターンアンテナのボウタイ部およびＬ型エレメント部の周波数特性を示す図２．４５ＧＨｚ帯用パターンアンテナのパターンアンテナの周波数マッチング特性を示す図２．４５ＧＨｚ帯用パターンアンテナのパターンアンテナの放射効率を示す図２．４５ＧＨｚ帯用パターンアンテナのパターンアンテナの水平・垂直の放射特性を示す図この発明の他の実施形態であるパターンアンテナの構成図この発明のさらに他の実施形態であるパターンアンテナの構成図

図面を参照してこの発明の実施形態であるパターンアンテナについて説明する。図１はこの発明の実施形態であるパターンアンテナ１の平面構造を示す図である。また図２はパターンアンテナ１の給電された電流の流れを示す図である。このパターンアンテナ１は、誘電体基板１００上に貼付された銅箔をエッチング等でパターン形成することによって作成されたものである。以下の説明では、図面における方向（上下左右）をそのままパターンアンテナ１の方向として用いる。また、パターンアンテナ１の指向特性を表すための座標軸を図２に示す矢印のように設定する。すなわち、図の右から左方向にＸ軸、図の表面から裏面方向にＺ軸を設定する。

誘電体基板１００の表面にグラウンドパターン１０１が形成され、その上辺から給電線路１１が取り出される。すなわち、グラウンドパターン１０１と給電線路１１の接続点が給電点１０である。給電線路１１は、給電点１０から途中の屈曲点１１Ａまで上行したのち左行し、その後さらに屈曲点１１Ｂで屈曲して上端１１Ｃまで上行する形状に形成されている。屈曲点１１Ａでマッチング線路１４が右方向に分岐して形成されている。屈曲点１１Ｂから上端１１Ｃまでの上行部でボウタイエレメント１２が左方向に分岐して形成されている。また、上端１１Ｃから右方向にＬ型エレメント部１３が右方向に形成されている。

ボウタイエレメント１２は、エレメントの幅（上下の長さ）が、給電線路１１との接続点１２Ａで最も細く、左端の先端１２Ｂへ行くほどエレメント幅が広くなるボウタイ状の形状をなしている。エレメントの最大幅は、エレメント長の１／４以上であることが好ましい。また、最も細い接続点１２Ａ付近で給電ストリップ線路１１の幅と略同じ幅、最も太い先端１２Ｂ付近で給電線路１１の約４倍の幅になっている。したがって、ボウタイエレメント１２は、給電側端部から先端に向けて約４倍に拡幅している。エレメントの上辺および下辺には、交互にスリット２０が形成されている。スリット２０は、ボウタイエレメント１２の電気長を長くして共振周波数を低くするための形状である。

また、Ｌ型エレメント１３は、給電線路１１の上端１１Ｃから右向きに形成されている水平部３１および水平部３１の右端の屈曲部１３Ａから下向きに形成されている垂直部３２を有する略Ｌ字形状に形成されている。エレメント幅は、給電線路１１と同じか若干太い程度にされている。

マッチング線路１４は、給電線路１１の屈曲部１１Ａから右に延びる横行線路４１を有し、この横行線路４１から下方向に右行、左行、を繰り返す千鳥（ＺＩＧＺＡＧ）形状に形成されている。マッチング線路１４の右側に縦に形成されている３つの線路を下行線路４２と呼ぶ。

図２において、Ｌ型エレメント１３の水平部３１の電流の向きと、マッチング線路１４の横行線路４１の電流の向きが揃っているため、電磁界成分が相殺されることなく高効率に放射される。水平部３１および横行線路４１はグラウンドパターン１０１に対して水平であるため、水平偏波成分の電磁界放射を生じる。

また、Ｌ型エレメント１３の垂直部３２の電流の向きと、マッチング線路１４の下行線路４２の電流の向きが揃っているため、電磁界成分が相殺されることなく高効率に放射される。垂直部３２および下行線路４２はグラウンドパターン１０１に対して垂直であるため、垂直偏波成分の電磁界放射を生じる。

また、左側に形成されているボウタイエレメント１２の電流の向きと、グラウンドパターン１０１の上辺の電流の向きは逆であるが、距離が離れているため大きな影響を受けず、ボウタイエレメント１２からも水平偏波の電磁界放射が生じる。

このように、マッチング線路の電流の流れをエレメントの電流の流れに沿わせることで放射を良好にし、且つ、水平部、垂直部の両方を設けることで両偏波に対応できる。

図３は、図１、図２に示したパターンアンテナ１を２．４５ＧＨｚ帯に適用した場合の各部の寸法図である。なお、回路基板は、ガラスエポキシＦＲ４（εｒ＝４）の１ｍｍ厚のものを用いる。なお、同図において、寸法線のみで寸法を記載していないマッチング線路１４は、線路幅、線路間隔ともに０．４ｍｍである。ただし、これら数値は一例であり、使用周波数や寸法上の要求などに合わせて適宜変更可能である。

このような寸法とすることにより、ボウタイエレメント１２およびＬ型エレメント１３は、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すような周波数特性を持つ。

図４（Ａ）は、ボウタイエレメント１２およびマッチング線路１４のみの構造の場合の給電点１０における｜Ｓ１１｜特性を示す図である。この図に示すように、ボウタイエレメント１２は、２．６ＧＨｚ付近に緩やかな共振点を有し、これよりも高い周波数に対して広帯域な共振特性を有している。この特性は、ボウタイエレメント１２のボウタイ構造およびスリット２０によるものと考えられる。

また、図４（Ｂ）は、Ｌ型エレメント１３およびマッチング線路１４のみの構造の場合の給電点１０における｜Ｓ１１｜特性を示す図である。この図に示すように、Ｌ型エレメント１３は、３．３ＧＨｚ付近にやや急峻な共振点を有しているが、それよりも低い周波数側に共振域を有している。

そして、図５は、パターンアンテナ１の給電点１０における｜Ｓ１１｜特性を示す図である。ボウタイエレメント１２とＬ型エレメント１３とを組み合わせたことにより、パターンアンテナ１は、共振特性全体が若干低い周波数側にシフトし、主としてボウタイエレメント１２の特性による２．４１ＧＨｚ付近の共振点と、主としてＬ型エレメント１３の特性による２．６５ＧＨｚ付近の共振点を有する特性を有している。そして、２．３５ＧＨｚ付近から２．７ＧＨｚ付近までの広い範囲で特性が−１０ｄＢ以下の値となっており、目的の２．４５ＧＨｚ帯を含む広い帯域のマッチング特性を有していることが判る。

図６は、パターンアンテナ１の放射効率を示す図である。２．４５ＧＨｚ以上の帯域において放射効率が７０％以上であり、目的の２．４５ＧＨｚ帯を含む広い周波数帯で効率よく電磁界が放射されていることが判る。

また、図７は、図２に示したＺ−Ｘ平面における２．４５ＧＨｚの指向特性を示す図である。同図において５０が垂直偏波成分のゲイン曲線、５１が水平偏波成分のゲイン曲線である。ゲイン値は、アイソトロピックアンテナを基準とする値（ｄＢｉ）で示している。垂直偏波成分の平均ゲインは−４．１ｄＢｉであり、水平偏波成分の平均ゲインは−８．０ｄＢｉである。どちらの偏波成分もピークゲインは−５ｄＢｉ以上であり、水平、垂直の両偏波成分を良好に放射していることが判る。

上記実施形態において、ボウタイエレメント１２およびＬ型エレメント１３の形状および共振特性は上記のものに限定されない。ただし、上述したように、ボウタイエレメント１２は、その最大幅が長さの４分の１以上の最大幅であることが好ましい。または、ボウタイエレメント１２は、最細部と最太部との比が４以上であることが好ましい。なお、ボウタイエレメント１２のスリット２０は必須ではない。

図１は、給電線路１１の左右両側にボウタイエレメント１２およびＬ型エレメント１３を配したものであったが、ある程度の広帯域および放射効率の向上をめざすのであれば、図８に示すようなパターンアンテナ１１０でも実現が可能である。このパターンアンテナ１１０は、給電線路１１１の上端にボウタイエレメント１１２を設けるとともに、このボウタイエレメント１１２の下方にボウタイエレメント１１２の電流の向きと電流の向きが揃うようにマッチング線路１１４を形成したものである。ボウタイエレメント１１２により広帯域を実現することができ、且つ、マッチング線路１１４の電流の向きをボウタイエレメント１１２の電流の向きに揃えたことにより、高効率の電磁界放射を実現することができる。

またさらに、垂直偏波成分の放射が必要な場合は、図２に示すように、図１の形態のパターンアンテナ１１０に、さらに、垂直エレメント１１３を設ければよい。これにより、垂直偏波の電磁界放射を得ることも可能になる。また、この垂直エレメント１１３の電流の向きもマッチング線路１１４の電流の向きと一致するため、高効率の電磁界放射が可能である。

なお、図８、図９において、ボウタイエレメント１１２に、図１と同じようなスリットを設けてもよい。

また、この実施形態では、基板表面にパターンを形成したパターンアンテナについて説明したが、両面基板上に形成されるマイクロストリップを用いたパッチアンテナに本発明の構造を用いてもよく、チップアンテナに本発明の構造を用いてもよい。また、パターンアンテナの一部線路にチップ部品等のプリント配線パターン以外の部分を含んでいてもよい。また、本実施形態では、パターンアンテナ１を送信用アンテナとして用いる場合、すなわち、電磁界放射させる場合について説明したが、このアンテナは受信用アンテナとしても使用可能である。

１パターンアンテナ
１０給電点
１１給電線路
１２ボウタイエレメント
１３Ｌ型エレメント
１４マッチング線路

Claims

誘電体基板上に構成されたアンテナであって、
長さの４分の１以上の最大幅を有する、または、最細部と最太部との比が４以上であるボウタイエレメントと、
該ボウタイエレメントと反対方向に形成された水平部および該水平部から略垂直に形成された垂直部を有するＬ型エレメントと、
前記ボウタイエレメントおよびＬ型エレメントと同じ給電線路から給電されるマッチング線路であって、前記Ｌ型エレメントの前記水平部および前記垂直部に沿った線路である並走線路を有し、該並走線路の電流の向きが前記水平部および前記垂直部の電流の向きと同じであるマッチング線路と、
を備えたアンテナ。
前記ボウタイエレメントの長辺に、切れ込みであるスリットを設けた請求項１に記載のアンテナ。
誘電体基板上に構成されたアンテナであって、
長さの４分の１以上の最大幅を有する、または、最細部と最太部との比が４以上であるアンテナエレメントと、
該アンテナエレメントと同じ給電線路から給電されるマッチング線路であって、前記アンテナエレメントに沿った線路である並走線路を有し、該並走線路の電流の向きが前記アンテナエレメントの電流の向きと同じであるマッチング線路と、
を備えたアンテナ。
前記アンテナエレメントの長辺に、切れ込みであるスリットを設けた請求項３に記載のアンテナ。
誘電体基板上に構成されたアンテナであって、
長さの４分の１以上の最大幅を有する、または、最細部と最太部との比が４以上であるエレメント本体と、該エレメント本体から略垂直に突出した垂直部と、を有するアンテナエレメントと、
該アンテナエレメントと同じ給電線路から給電されるマッチング線路であって、前記エレメント本体および前記垂直部に沿った線路である並走線路を有し、該並走線路の電流の向きが前記エレメント本体および前記垂直部の電流の向きと同じであるマッチング線路と、
を備えたアンテナ。
前記エレメント本体の長辺に、切れ込みであるスリットを設けた請求項５に記載のアンテナ。