JP2015207804A - 立体形状アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 パソコンあるいはＰＤＡ等の情報端末機器等の内部に組込むアンテナにおいて、ＷｉＭａｘ帯域に加えて無線ＬＡＮ帯域においても通信感度に優れると共に、アンテナの小型化と強度を両立した、立体アンテナを提供することにある。【解決手段】アンテナエレメントと、グランド板の一部を誘電体基材と誘電体カバーとで挟持する構造を採用し、アンテナエレメントが有する放射素子の一部は、他の放射素子によって形成される平面とは異なる平面上において誘電体基材と誘電体カバーで挟持される。【選択図】 図１

Description

本発明は、パソコン、ＰＤＡ（携帯型情報機器）、携帯電話、あるいはＶＩＣＳ（登録商標）などの情報端末機器等に内蔵させる立体形状アンテナに関する。

近年の無線ＬＡＮ、ＷｉＭＡＸ（登録商標）をはじめとする無線データ通信システムにおいては、アンテナの多周波化の要求がますます強くなってきている。
その中でも最近は、特にＷｉＭａｘ帯域（２．５ＧＨｚ帯域、３．５ＧＨｚ帯域、４．９ＧＨｚ帯域、５．８ＧＨｚ帯域）での要求が高まってきている。
さらに、単一のアンテナで従来の無線ＬＡＮ帯域で使用される２つの帯域（２．４５ＧＨｚ帯域及び５．０ＧＨｚ帯域）とＷｉＭａｘ帯域の３つの帯域に対応できるような広帯域化の要求も強くなってきている。

加えて、情報端末機器の小型化が進む昨今では、機器中におけるアンテナの搭載スペースも小さくなり、従来のアンテナと同等以上の性能を維持しつつ、アンテナをさらに小型化することも要求されている。

単一のアンテナで、無線ＬＡＮ帯域とＷｉＭａｘ帯域に対応できる小型アンテナとしては、本出願人が発明した特許文献１に記載のアンテナなどが知られている。
ところが、特許文献１に記載のアンテナでは、給電部の横幅を幅広とする必要があるため、アンテナの横幅が大きくなってしまい、昨今のさらなる小型化要求に対して、十分に応えられない場合も存在する。

他にアンテナを小型化する方法としては、特許文献２に記載された、アンテナ素子の一部に誘電体を装荷する方法が知られている。特許文献２では、誘電体によるアンテナの下限周波数を下げる効果、いわゆる波長短縮効果を利用して、短いアンテナ素子でも低周波数に対応できるようにし、アンテナの小型化に寄与している。

ところが、アンテナの小型化が進む昨今では、アンテナ素子の小型化に伴ってアンテナ素子の強度も低下し、アンテナの取扱い中に不用意な力が働くと、アンテナの変形・破損が発生する可能性が高い。特に、特許文献２に記載された誘電体の装荷方法では、誘電体の重量によってアンテナ素子への負荷が増大し、より変形・破損しやすいという問題が存在する。

特開２０１０−１８３４７５号公報 特開２０１０−４１０８２号公報

したがって、本発明の課題は、ＷｉＭａｘ帯域に加えて無線ＬＡＮ帯域においても通信感度に優れると共に、アンテナの小型化と強度を両立した、立体形状アンテナを提供することにある。

本発明者は、ＷｉＭＡＸ用、無線ＬＡＮ用アンテナとしての特性を十分満たしつつ、小型化と強度を両立するアンテナの形状を追求した結果、アンテナエレメントと、グランド板の一部を誘電体基材と誘電体カバーとで挟持する構造を採用し、アンテナエレメントの一部は、アンテナエレメントの他の部分によって形成される平面とは異なる平面上において誘電体基材と誘電体カバーで挟持することによって、必要なアンテナ性能を有しつつ、小型化と強度を両立したアンテナを実現した。

本発明のアンテナでは、以下の効果が期待できる。

（１）必要なアンテナ特性を有しつつ、さらなる小型化が可能である。
（２）アンテナ全体の強度が向上し、取扱い中に変形・破損する可能性が小さくなる。
（３）種々の誘電体基材と誘電体カバーを組み合わせることで、容易に所望するアンテナ特性と大きさを得ることができる。

本発明のアンテナの基本的構成である。 本発明のアンテナの一例である。 給電用同軸ケーブルの接続状態の一例である。 本発明に使用するアンテナエレメントの変形例である。 本発明に使用するアンテナエレメントの他の変形例である。 本発明のアンテナのＶＳＷＲ特性である。

以下、図１、２を参照しながら、本発明について説明する。

図１、２において、１はアンテナエレメント、２はグランド板、３は短絡部、４は給電素子、５は放射素子部、６は誘電体基材、７は誘電体カバー、８は給電ケーブル、９は本発明のアンテナ、Ｐは給電点、Ｓはスリットである。

アンテナ９は、放射素子部５とスリットＳをそれぞれ異なる周波数帯域に対応させることで、多周波アンテナとして機能させることを意図したものである。

図２に示した本発明のアンテナ９は、以下（ａ）〜（ｊ）の特徴を有する。なお、放射素子部５は第１放射素子５ａ、第２放射素子５ｂ、第３放射素子５ｃから構成される。

（ａ）グランド板２の一辺から、所定の幅を有し、所定の高さだけ延出する第１グランド延出部２ａと、該第１グランド延出部２ａから所定の間隔だけ離れて、該一辺から、該第１グランド延出部２ａの延出方向と同じ方向に、所定の幅で、所定の高さだけ延出する第２グランド延出部２ｂ。

（ｂ）該第２グランド延出部２ｂから、その延出方向と同じ方向に延出した後、該第１グランド延出部２ａが存在する方向に向かって折れ曲げる短絡部３。

（ｃ）該短絡部３の終端から、該第１グランド延出部２ａと該第２グランド延出部２ｂに挟まれた空間に向かって延出すると共に、その先端部に給電点Ｐが設けられる給電素子４。

（ｄ）該短絡部３の終端から、該第１グランド延出部２ａが存在する方向に延出する第１素子放射素子５ａ。

（ｅ）該第１放射素子５ａの終端から、該第２グランド延出部２ｂの延出方向と同じ方向に延出する第２放射素子５ｂ。

（ｆ）該第２放射素子５ｂの終端から、該第２放射素子５ｂが存在する平面に略直交する平面上に存在するよう、該第１放射素子５ａの延出方向とは逆方向に延出すると第３放射素子５ｃ。

（ｇ）該第１、第２グランド延出部２ａ、２ｂ、該短絡部３、該給電素子４、該第１〜第３放射素子５ａ〜５ｃに当接する形状を有する誘電体基材６。

（ｈ）該第１、第２グランド延出部２ａ、２ｂのいずれか一方、該短絡部３、該第１〜第３放射素子５ａ〜５ｃに当接する形状を有する誘電体カバー７。

（ｉ）該誘電体カバー７の側面が、該第３放射素子５ｃに当接している。

（ｊ）該給電用同軸ケーブル８の中心導体は該給電点Ｐに、該給電用同軸ケーブルの外部導体は該第１、第２グランド延出部２ａ、２ｂのうち、該誘電体カバーが当接していない方に、それぞれ電気的に接続される。

以下、上述した（ａ）〜（ｊ）の特徴によって、本発明のアンテナ９が有する効果を述べる。なお、特徴（ｈ）、（ｊ）については、誘電体カバー７が第１グランド延出部２ａに当接し、第２グランド延出部２ｂに当接しないものとして以下述べるが、逆の場合でも同様のことが言える。

特徴（ａ）、（ｇ）、（ｈ）より、本発明のアンテナ９は、第１グランド延出部２ａ、第１放射素子５ａ、第２放射素子５ｂのそれぞれが、同一平面上において、誘電体基材６と誘電体カバー７によって挟持された構造を有する。第１、第２放射素子５ａ、５ｂが誘電体基材６と誘電体カバー７によって挟持されることにより、波長短縮効果が生まれ、所望する周波数帯域に対する放射素子５の長さを短くすることができ、アンテナの小型化に寄与する。

第１、第２放射素子５ａ、５ｂは通常、細幅状であるが、細幅状であるがゆえに強度が弱くなりがちである。そのため、細幅状の第１、第２放射素子５ａ、５ｂのみを誘電体基材６と誘電体カバー７で挟持した場合、アンテナ９の取扱い時に、放射素子５が誘電体基材６、もしくは誘電体カバー７の縁部による負荷、あるいは誘電体基材６と誘電体カバー７の重量による負荷を受けて変形・破損する恐れがある。
本発明では、第１グランド延出部２ａも誘電体基材６と誘電体カバー７で挟持することより、放射素子５への負荷の集中、及びこれに伴う放射素子５の変形・破損を防いでいる。

特徴（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）により、本発明のアンテナ９は、「第１グランド延出部２ａ、グランド板２、第２グランド延出部２ｂ」と、「短絡部３、給電素子４、第１放射素子５ａ」との間に、メアンダ状のスリットＳが形成される
このメアンダ状のスリットＳにおいて共振が発生し、この共振周波数をアンテナ９が対応する周波数帯域のうち、少なくとも１つの周波数帯域近傍の周波数とすることで、アンテナ９の対応周波数を増やすことができる。

特徴（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）、（ｉ）により、本発明のアンテナ９が有する第３放射素子５ｃは、第２放射素子５ｂが存在する平面と略直交する平面において、誘電体基材６と誘電体カバー７によって挟持される。
すなわち、誘電体基材６は、第１放射素子５ａ、第２放射素子５ｂなどに当接する主面６ａと、この主面６ａから、主面６ａに対して略直交する方向に延出して設けられた第３放射素子当接部６ｂとを有した態様をしており、第３放射素子５ｃが、第２放射素子５ｂが存在する平面とは異なる平面で誘電体基材６と誘電体カバー７によって挟持されることにより、波長短縮効果に加え、より確実な挟持構造によるアンテナ９の強度向上効果も得られる。
さらに、アンテナ９の長さ方向の寸法を、第３放射素子５ｃが、第２放射素子５ｂが存在する平面と同じ平面に存在する場合よりも小さくすることができ、アンテナ９の小型化に寄与する。

特徴（ｃ）、（ｈ）、（ｊ）によって、誘電体カバー７に干渉することなく、給電用同軸ケーブル８をアンテナエレメント１上に設けることができる。なお、本発明の構成は、図２に示すように、給電用同軸ケーブル８を直線状に設ける際に特に好ましいものであるが、図３に示すように給電用同軸ケーブル８の先端部を曲げて設ける際にも適用できる。

給電用同軸ケーブル８としては、周知のフッ素樹脂被覆等の高周波同軸ケーブルを使用すればよい。この給電用同軸ケーブル８の内部導体、あるいは外部導体をアンテナエレメント１の所定の場所に接続するには、ハンダ付による固定、あるいはカシメによる固定などを利用すればよい。

誘電体基材６、もしくは誘電体カバー７は放射素子５などに当接するが、必ずしも全体に当接する必要は無く、所望するアンテナ特性、あるいはアンテナ製造時の作業性などを考慮して、一部分だけが当接していても良い。

誘電体カバー７は原則として、給電素子４、第２グランド延出部２ｂに当接しないが、給電点Ｐ、第２グランド延出部２ｂへの給電用同軸ケーブル８の接続、並びに第２グランド延出部２ｂ上における給電用同軸ケーブル８の配設に影響しない範囲では、所望するアンテナ特性、あるいはアンテナ製造時の作業性などを考慮して、部分的に当接しても良い。

誘電体基材６には勘合用突起、誘電体カバー７には勘合用突起に対応する嵌合穴を設けて、両者でアンテナエレメント１を挟持した際の固定に利用するのが好ましい。

また、図４に示したように、第３放射素子５ｃの側辺から、第２放射素子５ｂが存在する平面に向けて、必要に応じて周波数調整部１０を設けても良い。周波集数調整部１０を設けることで放射素子５の共振周波数を調整でき、所望のアンテナ特性の発現に寄与できる。

さらに、図４に示したように、グランド板２を折り曲げて良い。
グランド板２を折り曲げることでアンテナ９の長さ方向の寸法を小さくでき、アンテナ全体を小型化できる。
この時、第３放射素子５ｃによって形成される平面と略平行な平面がグランド板２上に形成されるように折り曲げ、第３放射素子５ｃの表面と、グランド折り曲げによって形成された面との間の距離を、誘電体カバー７の最大高さに合わせることで、必要以上にアンテナサイズが大きくなることを防げる。
なお図４は周波数調整部１０とグランド折り曲げの両方を有する態様を示しているが、どちらか一方のみを有する態様でも良い。

本発明においては、図５に示したように、短絡部３を、該第２グランド延出部２ｂから、その延出方向と同じ方向に延出した後、該第１グランド延出部２ａが存在する方向に向かって折れ曲がり、さらに該第２グランド延出部２ｂの延出方向と反対方向に折れ曲がった後、再び該第１グランド延出部２ａが存在する方向に向かって折れ曲がる構成としても良い。

この構成とすることによって、スリットＳの電気長、すなわちスリットＳの共振周波数を調整でき、所望のアンテナ特性の発現に寄与できる。

加えて、この構成では短絡部３と第３放射素子５ｃが近接し、両者の間で容量結合が発生するため、アンテナの広帯域化にも寄与できる。
なお、この短絡部３を変形させた構成で周波数調整部１０を設ける際は、第３放射素子の側辺から、短絡部３と第２放射素子５ｂに挟まれた空間（平面）に向けて設ける。

また、本発明においては、誘電体基材６と誘電体カバー７の誘電率を異なるものにしても良い。異なる誘電率を有する誘電体基材６と誘電体カバー７を組み合わせることによって、波長短縮効果を調整でき、所望のアンテナ特性の発現がより容易になる。

誘電体基材６、誘電体カバー７に使用される材料としては、ＡＢＳ樹脂、ＰＰＥ樹脂、あるいはＬＣＰ（液晶ポリマー）にセラミックを混合したものなど、公知の誘電体材料を適宜選択して使用すれば良い。

誘電体基材６と誘電体カバー７における誘電率の大小関係は、誘電体カバー６の誘電率を誘電体基材７より大きくするのが好ましい。誘電体カバーの誘電率を大きくすることで、波長短縮効果を柔軟に調整することができる。

本発明において、アンテナエレメント１は洋白（白銅）、銅、鉄、黄銅等の金属一枚板を打ち抜き、一体成型して得れば良い。金属一枚板の厚さは０．１〜１ｍｍ程度が好ましい。

短絡部３、給電素子４、放射素子５の幅は０．５〜２ｍｍ程度が好ましい。幅は全て統一する必要は無く、所望するアンテナ特性に応じ、場所によって変わっても良い。

スリットＳの幅は０．５〜２ｍｍ程度が好ましい。スリットＳの幅も全て統一する必要は無く、所望するアンテナ特性に応じて場所によって変わっても良い。

以下に、図２に示したアンテナ９を、ＷｉＭＡＸ帯域（２．５ＧＨｚ帯域、４．９ＧＨｚ帯域、５．８ＧＨｚ帯域）と無線ＬＡＮ帯域（２．４５ＧＨｚ帯域）に対応するパソコン内蔵用アンテナとして適用する例について示す。

１．図５のアンテナエレメントの作成：
厚さが０．２ｍｍの洋白の一枚板を打ち抜いて、図５に示す形状のアンテナエレメント１を作成した。
このアンテナエレメント１は、放射素子５がＷｉＭＡＸ帯域の２．５ＧＨｚ帯域及び無線ＬＡＮ帯域の２．４５ＧＨｚ帯域に対応し、スリットＳがＷｉＭａｘ帯域の４．９ＧＨｚ帯域と５．８ＧＨｚ帯域に対応することを意図した物であり、シミュレーションによって各寸法を決定した。

アンテナエレメントの各部材の寸法は、以下の通りである。

・グランド板２：高さ５．７ｍｍ、幅１１ｍｍ
・第１グランド延出部２ａ：高さ１．９ｍｍ、幅３ｍｍ
・第２グランド延出部２ｂ：高さ１．９ｍｍ、幅４．５ｍｍ
・第１グランド延出部２ａと第２グランド延出部２ｂとの間隔：３．５ｍｍ
・短絡部３の各部分
（イ）第２グランド延出部２ｂから、その延出方向と同じ方向に延出する部分：長さ３．２ｍｍ、幅１ｍｍ
（ロ）その後、第１グランド延出部２ａが存在する方向に向かって折れ曲がって延出する部分：長さ２ｍｍ、幅１ｍｍ
（ハ）その後、第２グランド延出部２ｂの延出方向と反対方向に折れ曲がって延出する部分：長さ１ｍｍ、幅１ｍｍ
（ニ）再び該第１グランド延出部２ａが存在する方向に向かって折れ曲がって延出する部分：長さ４ｍｍ、幅１ｍｍ
・給電素子４：長さ２．４ｍｍ、幅１ｍｍ
・第１放射素子５ａ：長さ４ｍｍ、幅１ｍｍ
・第２放射素子５ｂ：長さ２ｍｍ、幅１ｍｍ
・第３放射素子５ｃ：長さ１１ｍｍ、幅１ｍｍ
・給電点Ｐ：給電素子の先端部
・アースポイント：第２グランド延出部の給電点に対峙する位置。

アンテナエレメントの寸法が上記の場合、スリットＳの各部分の幅は以下のようになる。
・短絡部と第２グランド延出部との間：１ｍｍ
・給電素子と第２グランド延出部との間：１．５ｍｍ
・給電素子とグランド板との間：０．５ｍｍ
・給電素子と第１グランド延出部との間：１ｍｍ
・第１グランド延出部と第１放射素子との間：１ｍｍ

２．アンテナエレメント以外の部材について
アンテナエレメント以外の各部材の寸法、材料、その他特徴は以下の通りである。

・誘電体基材６：ＡＢＳ製、主面６ａの高さ５．５ｍｍ、幅１１ｍｍ、厚さ１ｍｍ。
第３放射素子当接部６ｂの高さ１ｍｍ、幅１１ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ。
主面に設けられた４本の誘電体カバー勘合用突起の高さ１．７ｍｍ、太さ１ｍｍ
・誘電体カバー７：セラミック混合ＬＣＰ製、高さ５ｍｍ、幅１１ｍｍ、厚さ１．２ｍｍ。
隅に設けられたＬ字状切掛け部の幅１ｍｍ、水平部長さ７ｍｍ、垂直部長さ１ｍｍ。
φ１ｍｍの嵌合穴が誘電体基材６に設けられた勘合用突起に対応する位置に設けられる。
・給電用同軸ケーブル８：内部導体径０．１５ｍｍ、フッ素樹脂（ＰＦＡ）製絶縁体径０・４ｍｍ、外部導体径：０．６５ｍｍ、ＰＦＡ製外被径０．８ｍｍ

３．アンテナの組立
図１に示すように誘電体基材６と誘電体カバー７とで作成したアンテナエレメント１を挟みこむ。
この時、誘電体カバー６の隅にＬ字状の切り掛けがあることで、第１グランド延伸部２ａは誘電体基材と誘電体カバーに挟持されるが、第２グランド延伸部は誘電体基材２ｂのみが当接する。

また、誘電体基材６の第３放射素子当接部６ｂと、誘電体カバー７の側面によって、第３放射素子５ｃが挟持される。

誘電体基材６と誘電体カバー７とでアンテナエレメント１を挟んだ後、誘電体カバー７の表面を加熱プレスし、誘電体基材に設けられた勘合用突起の先端部を溶融させることで、誘電体基材６と誘電体カバー７の固定を完了する。

その後、先端部を段剥ぎされ、反対側には接続する電子機器に対応する周知の同軸ケーブル用コネクタが設けられた給電用同軸ケーブル８を用意し、誘電体カバー７のＬ字状切り掛け部の水平部に沿って設置し、内部導体を給電点Ｐ、外部導体をアースポイントへ、それぞれ半田付けしアンテナ９を完成させた。給電素子４は、誘電体カバー７のＬ字状切り掛け部によって誘電体カバー７に当接しないため、誘電体カバー７は、給電点Ｐへの内部導体の半田付けを妨げない。

給電用同軸ケーブル８を除いたアンテナ９の大きさは高さ１０．６ｍｍ、幅１１ｍｍ、厚さ２ｍｍと小型である。

得られたアンテナ９の帯域幅を測定したところ、図６に示すように、ＶＳＷＲが２．５以下の帯域が、ＷｉＭａｘ帯域の２．５ＧＨｚ帯域（２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚ）及びおよび無線ＬＡＮ帯域の２．４５ＧＨｚ帯域（２．４〜２．５ＧＨｚ）で約０．５ＧＨｚ（５００ＭＨｚ）、ＷｉＭＡＸ帯域の４．９ＧＨｚ帯域と５．８ＧＨｚ帯域（４．９〜５．８７５ＧＨｚ）で１．３ＧＨｚ（１３００ＭＨｚ）以上と十分に確保されており、目的とする帯域で充分な通信特性が得られた。

以上、ＷｉＭＡＸ帯域と無線ＬＡＮ帯域に対応するアンテナについて説明したが、これは本発明の一例に過ぎず、本発明の思想の範囲内であれば、他の帯域に対応するアンテナにも適用できることは言うまでもない。

本発明のアンテナは、パソコンの他に、携帯電話、ＰＤＡ、或いはＶＩＣＳ等の各種情報端末機器のみならず通信機能を有した情報家電、更には自動車関連機器へも同様に利用できる。

１ アンテナエレメント
２ グランド板
２ａ 第１グランド延出部
２ｂ 第２グランド延出部
３ 短絡部
４ 給電素子
５ 放射素子
５ａ 第１放射素子
５ｂ 第２放射素子
５ｃ 第３放射素子
６ 誘電体基材
６ａ 主面
６ｂ 第３放射素子当接部
７ 誘電体カバー
８ 給電用同軸ケーブル
９ アンテナ
１０ 周波数調整部

Claims (4)

1. グランド板と、
   短絡部を介して該グランド板と電気的に接続された放射素子部と、
   該放射素子部に設けられた給電点に接続される給電用同軸ケーブルと、
   誘電体とで構成されるアンテナであって、
   以下（ａ）〜（ｊ）の特徴を有するもの。
   
   （ａ）該グランド板の一辺から、所定の幅を有し、所定の高さだけ延出する第１グランド延出部と、該第１グランド延出部から所定の間隔だけ離れて、該一辺から、該第１グランド延出部の延出方向と同じ方向に、所定の幅で、所定の高さだけ延出する第２グランド延出部。
   
   （ｂ）該第２グランド延出部から、その延出方向と同じ方向に延出した後、該第１グランド延出部が存在する方向に向かって折れ曲げる短絡部。
   
   （ｃ）該短絡部の終端から、該第１グランド延出部と該第２グランド延出部に挟まれた空間に向かって延出すると共に、その先端部に給電点が設けられる給電素子。
   
   （ｄ）該短絡部の終端から、該第１グランド延出部が存在する方向に延出する第１素子放射素子。
   
   （ｅ）該第１放射素子の終端から、該第２グランド延出部の延出方向と同じ方向に延出する第２放射素子。
   
   （ｆ）該第２放射素子の終端から、該第２放射素子が存在する平面に略直交する平面上に存在するよう、該第１放射素子の延出方向とは逆方向に延出すると第３放射素子。
   
   （ｇ）該第１、第２グランド延出部、該短絡部、該給電素子、該第１〜第３放射素子に当接する形状を有する誘電体基材。
   
   （ｈ）該第１、第２グランド延出部のいずれか一方、該短絡部、該第１〜第３放射素子に当接する形状を有する誘電体カバー。
   
   （ｉ）該誘電体カバーの側面が、該第３放射素子に当接している。
   
   （ｊ）該給電用同軸ケーブルの中心導体は該給電点に、該給電用同軸ケーブルの外部導体は該第１、第２グランド延出部のうち、該誘電体カバーが当接していない方に、それぞれ電気的に接続される。
2. 該短絡部が、該第２グランド延出部から、その延出方向と同じ方向に延出した後、該第１グランド延出部が存在する方向に向かって折れ曲がり、さらに該第２グランド延出部の延出方向と反対方向に折れ曲がった後、再び該第１グランド延出部が存在する方向に向かって折れ曲がることを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ。
3. 該誘電体基材と該誘電体カバーとが、異なる誘電率を有することを特徴とする、請求項１もしくは２に記載のアンテナ。
4. 該誘電体カバーの誘電率が、該誘電体基材の誘電率より大きいことを特徴とする、請求項３に記載のアンテナ。
   

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