JP2013255198A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 薄型化が可能であると共に、細長いアンテナ占有領域であっても指向性を制御可能で、周辺部品の影響も低減可能なアンテナ装置を提供すること。
【解決手段】 絶縁性の基板本体２と、基板本体に金属箔でパターン形成されたグランド面ＧＮＤと、グランド面が形成されていない領域として基板本体上に基板本体の一辺に接して設けられ該一辺に沿って帯状に延在したアンテナ占有領域ＡＯＡと、アンテナ占有領域内に金属箔でパターン形成された開放型アンテナエレメント３とを備え、開放型アンテナエレメントが、アンテナ占有領域の端部側のグランド面近傍に配された基端側に給電点ＦＰが設けられると共にアンテナ占有領域の略全長にわたって延在し、基端側にインピーダンスを高める第１受動素子Ｐ１が接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ占有領域が細長い場合でも、薄型で指向性制御が可能なアンテナ装置に関する。

近年、携帯電話機や無線通信機能内蔵のノート型パーソナルコンピュータだけでなく車載用など様々な分野で無線通信機器が使用されるようになり、その薄型化や小型化が要望されている。また、人体に近接させた際でも、安定したアンテナ特性が得られることが要望されている。これらの要望に伴って、搭載されるアンテナ装置の形成領域や配置が制限されるようになり、必要とされる方向への指向性を得ることが難しい場合が多くなっている。

従来、指向性の制御や人体によるアンテナ特性の変化低減を目的とした技術として、例えば、特許文献１には、複数の給電ポートを設けて給電位置を切り替えることで、アンテナに割り当てられる程度のスペースで、指向特性の切り替えができるアンテナ装置が提案されている。
また、特許文献２には、無線機地板に近接して設置した長方形の１波長ループアンテナエレメントを備えたアンテナ装置が提案されている。さらに、特許文献３には、地板上に設けられた複数の線状素子と板状素子とから構成されたアンテナ装置が提案されている。

特開２０１１−５５４２８号公報 特開２００２−４３８２６号公報 特開２００３−８７０４３号公報

しかしながら、上記従来の技術においても、以下の課題が残されている。
上述したように特許文献１には、複数の給電端を設けて給電位置を切り替えることで、アンテナに割り当てられる程度のアンテナスペースで指向性を切り替えることができるアンテナ装置が提案されている。この本構成の場合、給電点を複数設けるため、各給電端子間の干渉を考慮して設計する必要があり、限られたアンテナスペース内では干渉が抑えられず、所望の指向性を得ることは困難であると共に、小型化や薄型化が困難である。また、複数の可変リアクタンス部や可変マッチング回路を設けており、回路構成が複雑となってしまうため、アンテナスペース周辺の設計条件にも影響し、薄型化等が困難である。特に、細長い場合等の限られたアンテナスペースに対して、指向性をコントロールすることが難しいという不都合があった。
また、特許文献２には、無線機地板に近接して設置した長方形状の１波長ループアンテナエレメントを備えたアンテナ装置が提案されている。この構成の場合、ループアンテナエレメントの両端を給電部に向かって折り曲げることで、折返し最先端部の電流がゼロとなる電流分布を構成しているが、短辺対長辺の比が重要となると共に、アンテナ設計条件等に対して位相回路が必要となり、アンテナ設計条件の自由度が低下すると共に、所望の指向性等のアンテナ性能を得ることは困難である。また、ループアンテナ上に電流分布が集中し、無線機地板上に流れる電流分布を減らしているため、アンテナ部近傍に対する周辺部品や人体の影響を著しく受けてしまい、薄型化等が困難である。特に、細長い場合等の限られたアンテナ占有領域に対して、指向性をコントロールすることが難しいという不都合があった。
さらに、特許文献３には、地板上に設けられた複数の線状素子と板状素子とが構成されたアンテナ装置が提案されている。特に一般的な、所望の共振周波数に対する波長の４分の１の長さが必要ないわゆる逆Ｆ型のアンテナや逆Ｌ型のモノポールアンテナにおいては、グランド面を利用したアンテナであるため、地板（グランド面）に高周波電流が流れやすくなり、アンテナ設計や周辺部品等の筐体設計等、設計の自由度が低下すると共に、小型化や所望の指向性（アンテナ特性）の実現は困難となる。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、薄型化が可能であると共に、細長いアンテナ占有領域であっても指向性を制御可能で、周辺部品の影響も低減可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係るアンテナ装置は、絶縁性の基板本体と、該基板本体に金属箔でパターン形成されたグランド面と、該グランド面が形成されていない領域として前記基板本体上に該基板本体の一辺に接して設けられ該一辺に沿って帯状に延在したアンテナ占有領域と、該アンテナ占有領域内に金属箔でパターン形成された開放型アンテナエレメントとを備え、該開放型アンテナエレメントが、前記アンテナ占有領域の端部側の前記グランド面近傍に配された基端側に給電点が設けられると共に前記アンテナ占有領域の略全長にわたって延在し、基端側にインピーダンスを高める第１受動素子が接続されていることを特徴とする。

このアンテナ装置では、開放型アンテナエレメントが、アンテナ占有領域の端部側のグランド面近傍に配された基端側に給電点が設けられると共にアンテナ占有領域の略全長にわたって延在し、基端側にインピーダンスを高める第１受動素子が接続されているので、第１受動素子により基端側を高インピーダンスにしてグランド面に流れる高周波電流を抑制し、第１受動素子から開放型アンテナエレメントの先端までの長さにより、指向性を制御することができる。したがって、別途、アンテナエレメント部材を基板本体に立設する必要が無いため薄型化が可能であると共に、帯状に延在した細長いアンテナ占有領域であっても指向性や放射効率等のアンテナ性能を向上させることができる。

第２の発明に係るアンテナ装置は、第１の発明において、前記開放型アンテナエレメントの途中又は先端に誘電体アンテナのアンテナ素子が接続されていることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、開放型アンテナエレメントの途中又は先端に誘電体アンテナのアンテナ素子が接続されているので、開放型アンテナエレメントの長さを短縮して全体をさらに小型化することができる。

第３の発明に係るアンテナ装置は、第１又は第２の発明において、前記グランド面と前記開放型アンテナエレメントとの間に金属箔でパターン形成され該開放型アンテナエレメントの基端側に沿って延在した調整用エレメントを備え、該調整用エレメントの途中と前記開放型アンテナエレメントの前記第１受動素子よりも基端側とを接続する第２受動素子と、前記調整用エレメントの先端と前記開放型アンテナエレメントの前記第１受動素子より先端側とを接続する第３受動素子との少なくとも一方を備えていることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、調整用エレメントの途中と開放型アンテナエレメントの第１受動素子よりも基端側とを接続する第２受動素子と、調整用エレメントの先端と開放型アンテナエレメントの第１受動素子より先端側とを接続する第３受動素子との少なくとも一方を備えているので、第２受動素子及び第３受動素子の設定によりフレキシブルに共振周波数調整及びインピーダンス調整を行うことができる。

第４の発明に係るアンテナ装置は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記開放型アンテナエレメントの前記第１受動素子と先端との間に第４受動素子が接続されていることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、開放型アンテナエレメントの第１受動素子と先端との間に第４受動素子が接続されているので、第４受動素子の設定により全体の電気長を調整可能であると共に共振周波数の調整が可能である。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明のアンテナ装置によれば、開放型アンテナエレメントが、アンテナ占有領域の端部側のグランド面近傍に配された基端側に給電点が設けられると共にアンテナ占有領域の略全長にわたって延在し、基端側にインピーダンスを高める第１受動素子が接続されているので、薄型化が可能であると共に、細長いアンテナ占有領域であっても指向性や放射効率等のアンテナ性能を向上させることができる。

本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を示す平面図である。 本実施形態において、アンテナ装置を示す裏面図である。 本実施形態において、アンテナ装置を示す要部を拡大した平面図である。 本実施形態において、アンテナ装置を示す配線図である。 本実施形態において、アンテナ素子を示す斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、正面図（ｃ）、底面図（ｄ）及び背面図（ｅ）である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例において、ＶＳＷＲ特性を示すグラフである。 本発明の実施例において、開放型アンテナエレメントの長さｄ１が３６．５に設定されたときの放射パターンを示すグラフである。 本発明の実施例において、開放型アンテナエレメントの長さｄ１が１６．５ｍｍ（ａ）と２６．５ｍｍ（ｂ）とに設定されたときの放射パターンを示すグラフである。

以下、本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。

本実施形態におけるアンテナ装置１は、図１から図４に示すように、四角形状とされた絶縁性の基板本体２と、該基板本体２に銅箔等の金属箔でパターン形成されたグランド面ＧＮＤと、該グランド面ＧＮＤが形成されていない領域として基板本体２上に該基板本体２の一辺に接して設けられ該一辺に沿って帯状に延在したアンテナ占有領域ＡＯＡと、該アンテナ占有領域ＡＯＡ内に銅箔等の金属箔でパターン形成され先端に誘電体アンテナのアンテナ素子ＡＴが接続された開放型アンテナエレメント３とを備えている。

該開放型アンテナエレメント３は、アンテナ占有領域ＡＯＡの端部側のグランド面ＧＮＤ近傍に配された基端側に給電点ＦＰが設けられると共にアンテナ占有領域ＡＯＡの略全長にわたって延在し、基端側にインピーダンスを高める第１受動素子Ｐ１が接続されている。

また、このアンテナ装置１は、グランド面ＧＮＤと開放型アンテナエレメント３との間に銅箔等の金属箔でパターン形成され該開放型アンテナエレメント３の基端側に沿って延在した調整用エレメント４を備えている。
さらに、アンテナ装置１は、調整用エレメント４の途中と開放型アンテナエレメント３の第１受動素子Ｐ１よりも基端側とを接続する第２受動素子Ｐ２と、調整用エレメント４の先端と開放型アンテナエレメント３の第１受動素子Ｐ１より先端側とを接続する第３受動素子Ｐ３との少なくとも一方を備えている。

また、開放型アンテナエレメント３の第１受動素子Ｐ１と先端（アンテナ素子ＡＴ）との間に第４受動素子Ｐ４が接続されている。
なお、開放型アンテナエレメント３の電気長は１／２λ（λ：波長）以上に設定されるが、第４受動素子Ｐ４は、開放型アンテナエレメント３の中心にある必要は無く、開放型アンテナエレメント３のパターン幅、グランド面ＧＮＤとの距離を踏まえて位置を設定して全体の電気長が調整される。

上記基板本体２は、一般的なプリント基板であって、本実施形態では、長方形状のガラスエポキシ樹脂等からなるプリント基板の本体を採用している。
上記アンテナ占有領域ＡＯＡは、基板本体２の１つの角部に先端を配して設けられている。
上記グランド面ＧＮＤは、基板本体２の表面だけでなく裏面にも形成され、表面のアンテナ占有領域ＡＯＡの直下のみ空けてパターン形成されている。
なお、グランド面ＧＮＤには、ＲＦ回路部品実装領域を設けることができ、複数の部品が実装可能である。

上記給電点ＦＰには、例えば高周波回路に接続された同軸ケーブル（図示略）の芯線が接続され、該同軸ケーブルのグランド線は、近傍のグランド面ＧＮＤに接続される。
なお、上記開放型アンテナエレメント３の部分のうち給電点ＦＰから第１受動素子Ｐ１までの間は給電ラインとして機能しており、任意の長さに設定しても構わない。

この開放型アンテナエレメント３のうち第１受動素子Ｐ１からアンテナ素子ＡＴの先端までの長さｄ１（以下、単に開放エレメント長ｄ１と称す）は、長いほど開放型アンテナエレメント３の先端方向への指向性が強くなり、短いほど開放型アンテナエレメント３の基端方向への指向性が強くなる。すなわち、開放型アンテナエレメント３の延在方向に直交する方向をＸ方向とし、該延在方向をＹ方向とし、基板本体２の表面に直交する方向をＺ方向としたとき、開放エレメント長ｄ１が長いほど、ＸＹ面の９０°方向への指向性が強くなり、開放エレメント長ｄ１が短いほど、ＸＹ面の２７０°方向への指向性が強くなる。

上記アンテナ素子ＡＴは、所望の共振周波数に自己共振しないローディング素子であって、例えば図５に示すように、セラミックス等の誘電体２１の表面にＡｇ等の導体パターン２２が形成されたチップアンテナである。このアンテナ素子ＡＴは、開放型アンテナエレメント３の延在方向に沿って設置されている。なお、アンテナ素子ＡＴの先端部は、基板本体１に銅箔等の金属箔でパターン形成されたランド部３ａに接着、接続されている。

次に、本実施形態のアンテナ装置１における高周波電流の流れについてシミュレーションにより解析した結果を説明する。この解析結果では、開放型アンテナエレメント３の中間部（第４受動素子Ｐ４の周辺）を中心に、アンテナ素子ＡＴ側及び給電点ＦＰ側の両方向に電界が集中した分布が得られていることがわかった。すなわち、アンテナ占有領域ＡＯＡ内で電界が集中しており、グランド面ＧＮＤ側への高周波電流の流れが抑制されていた。

このように本実施形態のアンテナ装置１では、開放型アンテナエレメント３が、アンテナ占有領域ＡＯＡの端部側のグランド面ＧＮＤ近傍に配された基端側に給電点ＦＰが設けられると共にアンテナ占有領域ＡＯＡの略全長にわたって延在し、基端側にインピーダンスを高める第１受動素子Ｐ１が接続されているので、第１受動素子Ｐ１により基端側を高インピーダンスにしてグランド面ＧＮＤに流れる高周波電流を抑制し、第１受動素子Ｐ１から開放型アンテナエレメント３の先端までの長さにより、指向性を制御することができる。したがって、別途、アンテナエレメント部材を基板本体に立設する必要が無いため薄型化が可能であると共に、帯状に延在した細長いアンテナ占有領域ＡＯＡであっても、指向性、放射効率等のアンテナ性能を向上させることができる。

また、開放型アンテナエレメント３の先端に誘電体アンテナのアンテナ素子ＡＴが接続されているので、開放型アンテナエレメント３の長さを短縮して全体をさらに小型化することができる。なお、開放型アンテナエレメント３の途中にアンテナ素子ＡＴを接続しても構わない。すなわち、小型化、高性能化の両立を目的とする場合、本実施形態のように先端にアンテナ素子ＡＴを実装し、開放端部分のインピーダンスを高めるように実装することが望ましい。また、小型化、高性能化と共に周辺部品の影響を低減したい場合には、中間にアンテナ素子ＡＴを実装し、中間部分のインピーダンスを高めて高利得化すると共に、アンテナ素子無しの状態に比べ、開放端部分のインピーダンスを高めることが望ましい。これらの効果により、アンテナ占有領域ＡＯＡ内での電界を更に集中させ、グランド面ＧＮＤ側への高周波電流の流れを抑制することができる。

また、調整用エレメント４の途中と開放型アンテナエレメント３の第１受動素子Ｐ１よりも基端側とを接続する第２受動素子Ｐ２と、調整用エレメント４の先端と開放型アンテナエレメント３の第１受動素子Ｐ１より先端側とを接続する第３受動素子Ｐ３とを備えているので、第２受動素子Ｐ２及び第３受動素子Ｐ３の設定によりフレキシブルに共振周波数調整及びインピーダンス調整を行うことができる。
さらに、開放型アンテナエレメント３の第１受動素子Ｐ１と先端との間に第４受動素子Ｐ４が接続されているので、第４受動素子Ｐ４の設定により全体の電気長を調整可能であると共に共振周波数の調整が可能である。

次に、上記実施形態のアンテナ装置に基づいて作製した実施例において、ＶＳＷＲ特性及び放射パターンについて測定した結果を、図６及び図７を参照して説明する。

なお、この実施例のアンテナ装置は、基板本体サイズが１１０×７０ｍｍであり、アンテナ占有領域サイズが４０×６ｍｍである。また、開放エレメント長ｄ１が、３６．５ｍｍである。
また、各受動素子として、第１受動素子Ｐ１は１９ｎＨのインダクタ、第２受動素子Ｐ２は未実装、第３受動素子Ｐ３は０．２ｐＦのコンデンサ、第４受動素子Ｐ４は１．０ｎＨのインダクタである。

また、開放型アンテナエレメントの延在方向（アンテナ占有領域の延在方向）に直交する方向をＸ方向とし、開放型アンテナエレメントの延在方向（アンテナ占有領域の延在方向）に沿った方向をＹ方向とし、基板本体の表面に対する垂直方向をＺ方向とした。この際のＸＹ面に対する垂直偏波及び電力利得を測定した。

図６に示すＶＳＷＲ特性からわかるように、共振周波数２４２０ＭＨｚの良好な特性が得られている。
また、図７に示す放射パターンからわかるように、２７０度方向に比べ、９０度方向（開放型アンテナエレメントの先端側方向）に強い指向性が得られている。なお、図中のＦＢ比は、「９０度方向強度／２７０度方向強度」を示している。

次に、開放エレメント長を変えた際の放射パターンを解析した結果を、図８に示す。
図８の（ａ）は、開放エレメント長ｄ１を１６．５ｍｍとしたものであり、アンテナ占有領域の長さを２０ｍｍとした際の放射パターンである。また、図８の（ｂ）は、開放エレメント長ｄ１を２６．５ｍｍとしたものであり、アンテナ占有領域の長さを３０ｍｍとした際の放射パターンである。

これらの結果、開放エレメント長ｄ１が短い場合、図８の（ａ）に示すように、９０度方向に比べ、２７０度方向に強い指向性を示し、開放エレメント長ｄ１が長い場合、図８の（ｂ）に示すように、９０度方向と２７０度方向とは同等の指向性を示した。このように、開放エレメント長を変えることで、指向性を制御可能である。

なお、本発明は上記実施形態及び上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。

例えば、上記実施形態では、調整エレメント、第２受動素子及び第３受動素子を設けているが、これらは任意に設けることができ、開放型アンテナエレメントだけで十分なアンテナ特性が得られる場合は、設けなくてもよい。

また、上記実施形態では、基板本体の１つの角部に１つのアンテナ占有領域を設けて１つのアンテナを設けているが、基板本体の２つの角部にそれぞれアンテナ占有領域を設けて２つのアンテナを設けても構わない。この場合、２つのアンテナにおいて別々の指向性を得るように設定することが可能である。例えば、一方のアンテナは、９０度方向に指向性を有するように設定し、他方のアンテナは、２７０度方向に指向性を有するように設定してもよい。
さらに、上記実施形態では、基板本体の角部にアンテナ占有領域を設けているが、基板本体の一辺における中央部にアンテナ占有領域を設けても構わない。

１…アンテナ装置、２…基板本体、３…開放型アンテナエレメント、４…調整用エレメント、ＡＴ…アンテナ素子、ＧＮＤ…グランド面、ＦＰ…給電点、Ｐ１…第１受動素子、Ｐ２…第２受動素子、Ｐ３…第３受動素子、Ｐ４…第４受動素子

Claims (4)

1. 絶縁性の基板本体と、
   該基板本体に金属箔でパターン形成されたグランド面と、
   該グランド面が形成されていない領域として前記基板本体上に該基板本体の一辺に接して設けられ該一辺に沿って帯状に延在したアンテナ占有領域と、
   該アンテナ占有領域内に金属箔でパターン形成された開放型アンテナエレメントとを備え、
   該開放型アンテナエレメントが、前記アンテナ占有領域の端部側の前記グランド面近傍に配された基端側に給電点が設けられると共に前記アンテナ占有領域の略全長にわたって延在し、基端側にインピーダンスを高める第１受動素子が接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記開放型アンテナエレメントの途中又は先端に誘電体アンテナのアンテナ素子が接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１又は２に記載のアンテナ装置において、
   前記グランド面と前記開放型アンテナエレメントとの間に金属箔でパターン形成され該開放型アンテナエレメントの基端側に沿って延在した調整用エレメントを備え、
   該調整用エレメントの途中と前記開放型アンテナエレメントの前記第１受動素子よりも基端側とを接続する第２受動素子と、前記調整用エレメントの先端と前記開放型アンテナエレメントの前記第１受動素子より先端側とを接続する第３受動素子との少なくとも一方を備えていることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
   前記開放型アンテナエレメントの前記第１受動素子と先端との間に第４受動素子が接続されていることを特徴とするアンテナ装置。