JP2016015671A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周囲における回路や素子のレイアウトを制限しない交差部を有する信号線路を備えたアンテナ装置を実現する。【解決手段】アンテナ装置は、入力された信号を複数のアンテナ素子に分配する信号線路を備える。この信号線路は、基板１と、基板１のグランド面１ａに形成されたグランドパターン３０及びブリッジパターン４０と、基板１の信号面１ｂに形成された第１配線パターン１０及び第２配線パターン２０と、を有する。グランドパターン３０及びブリッジパターン４０は同一面上に形成されるとともに、隙間を介して隣接している。第１配線パターン１０は分断されている一方、第２配線パターン２０は、分断された第１配線パターン１０の間を通過してこれら第１配線パターン１０と交差する方向に延びており、分断されている第１配線パターン１０は、ブリッジパターン４０を介して互いに導通している。【選択図】図２

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特にアンテナ装置内の信号線路に関する。

複数のアンテナ素子（放射素子）を備えるアンテナ装置には、入力された信号を各アンテナ素子に分配する信号線路が設けられる。かかる信号線路は、同軸ケーブルやマイクロストリップライン等によって形成される（特許文献１，２）。また、配線レイアウトの関係上、異なる系統の信号線路を互いに交差させる必要に迫られることがある。例えば、信号線路がマイクロストリップラインによって形成される場合、基板の片側において２つの配線パターンを立体的に交差させる必要がある。具体的には、基板の一面に形成されている２つの配線パターンのうちの一方を基板と対向する接地導体の外側に引き出して他方の配線パターンを跨がせた後、再び接地導体の内側に引き入れる必要がある。

特開２００３−４６３２６号公報 特開平０２−１７９１０１号公報

上記のように、一方の配線パターン（第１配線パターン）を接地導体の外側に引き出して他方の配線パターン（第２配線パターン）を跨がせると、第１配線パターンの一部が接地導体の外に飛び出す。このため、接地導体の外に飛び出している第１配線パターンの一部によって周囲における回路や素子のレイアウトが制限される。

本発明の目的は、周囲における回路や素子のレイアウトを制限しない交差部を有する信号線路を備えたアンテナ装置を実現することである。

本発明のアンテナ装置は、入力された信号を複数のアンテナ素子に分配する信号線路を備えるアンテナ装置である。前記信号線路は、基板と、前記基板の第１面に形成されたグランドパターン及びブリッジパターンと、前記基板の前記第１面と反対側の第２面に形成された第１配線パターン及び第２配線パターンと、を有する。前記グランドパターン及び前記ブリッジパターンは同一面上に形成されるとともに、隙間を介して隣接している。前記第１配線パターンは分断されている一方、前記第２配線パターンは、分断された前記第１配線パターンの間を通過してこれら第１配線パターンと交差する方向に延びている。分断されている前記第１配線パターンは、前記ブリッジパターンを介して互いに導通している。

本発明の一態様では、分断されている前記第１配線パターンは、前記基板に形成されたスルーホールを介して前記ブリッジパターンに接続される。

本発明の他の態様では、前記第２配線パターンは、分断された前記第１配線パターンの間を通過する他の部分よりも幅の狭い狭窄部を含む。

本発明の他の態様では、前記第１配線パターン及び前記第２配線パターンに拡幅部が形成され、前記第２配線パターンにおいては、前記狭窄部の両側に前記拡幅部が形成される。

本発明の他の態様では、前記基板の前記第１面の面内に、該第１面から離間して配置されたアンテナ素子と、前記基板の前記第１面と前記アンテナ素子との間に介在し、前記第１配線パターン及び前記第２配線パターンと前記アンテナ素子とを接続する接続ピンと、が設けられる。

本発明によれば、周囲における回路や素子のレイアウトを制限しない交差部を有する信号線路を備えたアンテナ装置が実現される。

本発明が適用されたアンテナ装置の一構成例を示す図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は底面図である。 配線パターンの一例を示す模式図である。 配線パターンの一例を示す他の模式図である。 図２，図３に示される第１配線パターンに関する反射損失（リターンロス）のシミュレーション結果を示す図である。 図２，図３に示される第２配線パターンに関する反射損失（リターンロス）のシミュレーション結果を示す図である。 図２，図３に示される第１配線パターンと第２配線パターンとの結合（アイソレーション）に関するシミュレーション結果を示す図である。 配線パターンの他の一例を示す模式図である。 図７に示される第１配線パターンに関する反射損失（リターンロス）のシミュレーション結果を示す図である。 図７に示される第２配線パターンに関する反射損失（リターンロス）のシミュレーション結果を示す図である。 図７に示される第１配線パターンと第２配線パターンとの結合（アイソレーション）に関するシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明のアンテナ装置の実施形態の一例について図面を参照しながら詳細に説明する。図１（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、本実施形態に係るアンテナ装置は、基板１と、アンテナ素子（パッチ素子）２と、信号線路（給電線路）３と、を有する。

図１（Ａ），（Ｂ）に示されるように、本実施形態では、４つのアンテナ素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが基板１の第１面１ａの面内に配置されている。また、各アンテナ素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、基板１の第１面１ａから離間している（浮いている）。以下の説明では、アンテナ素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを“アンテナ素子２”と総称する場合がある。すなわち、基板１の第１面１ａの面内に、該第１面１ａから離間して複数のアンテナ素子２が配置されており、各アンテナ素子２から水平偏波及び垂直偏波が放射される。また、図１（Ａ），（Ｂ）に示されるように、第１面１ａと各アンテナ素子２との間には、アンテナ素子２を支持する支持部材４が配置されている。本実施形態では、各アンテナ素子２の四隅が支持部材４によって支持されている。

図１（Ｃ）に示されるように、基板１の第１面１ａと反対側の第２面１ｂには、信号線路３を構成する配線パターンが形成されている。具体的には、基板１の第２面１ｂには、第１信号線路３ａを構成する第１配線パターン１０と、第２信号線路３ｂを構成する第２配線パターン２０と、が形成されている。一方、図１（Ａ）〜（Ｃ）では省略されているが、基板１の第１面１ａの略全面にはグランドパターンが形成されている。すなわち、基板１，第１配線パターン１０，第２配線パターン２０及び不図示のグランドパターンによってマイクロストリップ線路が形成されている。そこで、以下の説明では、基板１の第１面１ａを“グランド面１ａ”と呼び、基板１の第２面１ｂを“信号面１ｂ”と呼ぶ場合がある。尚、グランドパターンについては後述する。

図１（Ｃ）では、第１信号線路３ａ（第１配線パターン１０）と第２信号線路３ｂ（第２配線パターン２０）とを識別しやすいように、第１信号線路３ａ（第１配線パターン１０）を破線で示し、第２信号線路３ｂ（第２配線パターン２０）を実線で示してある。

第１配線パターン１０は、１つの入力端部１１及び４つの出力端部１２を有する。第２配線パターン２０も、１つの入力端部２１及び４つの出力端部２２を有する。そして、第１配線パターン１０の４つの出力端部１２及び第２配線パターン２０の４つの出力端部２２は、基板１のグランド面１ａとアンテナ素子２との間に介在する接続ピン５（図１（Ｂ））を介して所定のアンテナ素子２にそれぞれ接続されている。従って、入力端部１１に入力された信号は、第１信号線路３ａによって、図１（Ａ）に示される各アンテナ素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに分配される。また、入力端部２１に入力された信号は、第２信号線路３ｂによって、図１（Ａ）に示される各アンテナ素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに分配される。

図１（Ｃ）に示されるように、第１配線パターン１０によって形成される第１信号線路３ａと第２配線パターン２０によって形成される第２信号線路３ｂとは、基板１上の２つの交差部６において互いに交差している。以下、交差部６の構造について詳細について説明する。

図２，図３に示されるように、基板１の信号面１ｂに形成されている第１配線パターン１０は、各交差部６（図１（Ｃ））において分断されている。一方、信号面１ｂに形成されている第２配線パターン２０は、各交差部６（図１（Ｃ））において、分断されている第１配線パターン１０の間を通過して第１配線パターン１０と交差する方向に延びている。すなわち、第１配線パターン１０は信号面１ｂ上の複数箇所において分断されている一方、第２配線パターン２０は信号面１ｂ上において分断されることなく連続している。

一方、基板１のグランド面１ａには、グランドパターン３０及びブリッジパターン４０が形成されている。グランドパターン３０は、交差部６（図１（Ｃ））に対応する領域を除くグランド面１ａの略全面に形成されている。換言すれば、グランド面１ａ上の交差部６に対応する領域にはグランドパターン３０は形成されていない。すなわち、グランド面１ａ上には、グランドパターン３０が形成されておらず、グランド面１ａの表面が部分的に露出している矩形領域４１があり、この矩形領域４１の位置は、図１（Ｃ）に示される交差部６の位置に対応している。

ブリッジパターン４０は短冊形状を有し、グランド面１ａ上の矩形領域４１に形成されている。すなわち、ブリッジパターン４０はグランドパターン３０に囲まれている。さらに、ブリッジパターン４０は矩形領域４１よりも若干小さく、ブリッジパターン４０の縁と矩形領域４１の縁との間には隙間がある。換言すれば、基板１のグランド面１ａには、ブリッジパターン４０と、該ブリッジパターン４０の両側に設けられ、該ブリッジパターン４０と隙間を介して隣接するグランドパターン３０と、が存在している。すなわち、基板１，グランドパターン３０及びブリッジパターン４０によってコプレーナ線路が形成されている。

図２では、予め形成された矩形領域４１の内側にブリッジパターン４０が事後的に形成されるように図示されているが、実際には、グランド面１ａの全面に形成された金属箔の一部を枠状に除去してグランドパターン３０とブリッジパターン４０とが同時に形成される。

図２に示されるように、基板１には複数のスルーホール７が形成されている。信号面１ｂに形成されている第１配線パターン１０は、スルーホール７を介して、グランド面１ａに形成されているブリッジパターン４０にそれぞれ接続されている。すなわち、交差部６（図１（Ｃ））において分断されている前後の第１配線パターン１０は、ブリッジパターン４０を介して互いに電気的に導通している。換言すれば、図１（Ｃ）に示される第１信号線路３ａは、各交差部６において一時的にグランド面１ａ（図１（Ａ））を通過する。一方、交差部６以外の場所では、第１信号線路３ａも第２信号線路３ｂも信号面１ｂを通過する。

図２，図３に示されるブリッジパターン４０は、基板１のグランド面１ａに形成された金属箔であって、グランドパターン３０と同一面上に形成されている。よって、ブリッジパターン４０がグランド面１ａから飛び出すことはなく、ブリッジパターン４０によって交差部６（図１（Ｃ））の周辺における回路や素子のレイアウトが制限されることはない。

また、第１信号線路３ａの大部分（信号面１ｂを通過する部分）及び第２信号線路３ｂの全部はマイクロストリップ線路であり、第１信号線路３ａの一部（グランド面１ａを通過する部分）はコプレーナ線路である。換言すれば、第１信号線路３ａの大部分及び第２信号線路３ｂの全部は、グランドパターン３０によってシールドされている。よって、第１信号線路３ａ及び第２信号線路３ｂがグランド面１ａ側からの電磁波の影響を受けにくい。

ここで、図２に示されるように、第２配線パターン２０は、他の部分よりも幅の狭い狭窄部２３を含み、この狭窄部２３が分断されている第１配線パターン１０の間を通過している。換言すれば、第２配線パターン２０の狭窄部２３は、隣接する２つの第１配線パターン１０の端部間を横断している。

さらに、第２配線パターン２０の狭窄部２３の両側（前後）には拡幅部（スタブ）２４が形成されている。また、それぞれの拡幅部２４から、狭窄部２３よりも幅が広い非狭窄部２５が延びている。もっとも非狭窄部２５の幅は、拡幅部２４の幅よりは狭い。すなわち、狭窄部２３の幅が最も狭く、拡幅部２４の幅が最も広く、非狭窄部２５の幅は、狭窄部２３と拡幅部２４の幅の中間であり、狭窄部２３と非狭窄部２５との間に拡幅部２４が設けられている。また、分断されている第１配線パターン１０の端部近傍にも、拡幅部２４と同様の拡幅部１４がそれぞれ設けられている。かかる拡幅部１４，２４によってインピーダンスの不整合が緩和され、反射損失（リターンロス）が低減される。

第２配線パターン２０の、第１配線パターン１０と交差する部分（狭窄部２３）の幅は、他の部分の幅よりも狭く、他の部分よりも静電容量が小さい。従って、図１（Ｃ）に示される交差部６における第２配線パターン２０と第１配線パターン１０とのカップリングが抑制され、アイソレーションが向上する。

図４に示されるグラフは、図２に示される第１配線パターン１０の一端Ａ１を５０Ωで終端させ、他端Ａ２から見たときの反射損失（リターンロス）をシミュレーションした結果を示すグラフである。図５に示されるグラフは、図２に示される第２配線パターン２０の一端Ｂ１を５０Ωで終端させ、他端Ｂ２から見たときの反射損失（リターンロス）をシミュレーションした結果を示すグラフである。図６に示されるグラフは、図２に示される第１配線パターン１０と第２配線パターン２０との結合（アイソレーション）をシミュレーションした結果を示すグラフである。

図４〜図６に示されるグラフより、一般的な携帯電話で用いられる２．２ＧＨｚ以下の帯域において、反射損失（リターンロス）及び結合（アイソレーション）の双方が−２５ｄＢ以下に保たれていることがわかる。

比較のために、図７に示される第１配線パターン１０及び第２配線パターン２０に関しても同様のシミュレーションを行った。図７に示される第１配線パターン１０には、図２に示される拡幅部１４が設けられていない。また、図７に示される第２配線パターン２０には、図２に示される狭窄部２３及び拡幅部２４が設けられていない。すなわち、図７に示される第１配線パターン１０及び第２配線パターン２０は一様な幅を有する。

図８に示されるグラフは、図７に示される第１配線パターン１０の一端Ａ１を５０Ωで終端させ、他端Ａ２から見たときの反射損失（リターンロス）をシミュレーションした結果を示すグラフである。図９に示されるグラフは、図７に示される第２配線パターン２０の一端Ｂ１を５０Ωで終端させ、他端Ｂ２から見たときの反射損失（リターンロス）をシミュレーションした結果を示すグラフである。図１０に示されるグラフは、図７に示される第１配線パターン１０と第２配線パターン２０との結合（アイソレーション）をシミュレーションした結果を示すグラフである。図４〜図６に示されるグラフと図８〜図１０に示されるグラフとの比較より、図２に示される配線パターンは、図７に示される配線パターンに比べて、反射損失（リターンロス）が１０ｄＢ程度向上し、結合（アイソレーション）が５ｄＢ程度向上していることがわかる。

図２に示される狭窄部２３の幅が狭ければ狭いほど静電容量が小さくなり、アイソレーションは向上する。しかし、狭窄部２３と非狭窄部２５の幅の差が大きくなると、インピーダンスの不整合によってリターンロスが増大する。この点、図２に示される配線パターンでは、拡幅部１４，２４が設けられ、インピーダンスの不整合が低減されている。この結果、図２に示される配線パターンでは、反射損失（リターンロス）及び結合（アイソレーション）の双方がバランス良く向上している。もっとも、図７に示される形態も本発明の実施形態の１つであり、図７に示される形態によっても従来技術の課題は十分に解決される。

本実施形態における基板１はプリント基板、より具体的にはガラスエポキシ基板である。また、本実施形態における第１配線パターン１０，第２配線パターン２０，グランドパターン３０及びブリッジパターン４０は、金属箔、より具体的には銅箔によって形成されている。もっとも、基板１及び各パターン１０，２０，３０，４０の材料は上記材料に限定されるものではない。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、第１配線パターンと第２配線パターンの一方または双方に、両パターン間の結合を防止するフィルタパターンを付加してもよい。第１配線パターン又は第２配線パターンの一方のみにフィルタパターンを付加する場合には、相対的に周波数が低い信号が伝搬する配線パターンにフィルタパターンを付加することが好ましい。何故なら、フィルタパターンの長さは、対象とする信号の波長に依存する。すなわち、相対的に周波数が高い信号の結合を回避するために必要なフィルタパターンの長さは、相対的に周波数が低い信号の結合を回避するために必要なフィルタパターンの長さよりも短く、フィルタパターンを配置するために必要なスペースも小さいからである。

また、本明細書では、本発明が適用された平面アンテナについて説明したが、本発明は、平面アンテナ以外のアンテナ装置に適用することもできる。

１ 基板
１ａ 第１面（グランド面）
１ｂ 第２面（信号面）
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ アンテナ素子
３ 信号線路
３ａ 第１信号線路
３ｂ 第２信号線路
４ 支持部材
５ 接続ピン
６ 交差部
７ スルーホール
１０ 第１配線パターン
１１，２１ 入力端部
１２，２２ 出力端部
１４ 拡幅部
２０ 第２配線パターン
２３ 狭窄部
２４ 拡幅部
２５ 非狭窄部
３０ グランドパターン
４０ ブリッジパターン
４１ 矩形領域

Claims (5)

1. 入力された信号を複数のアンテナ素子に分配する信号線路を備えるアンテナ装置であって、
   前記信号線路は、
   基板と、
   前記基板の第１面に形成されたグランドパターン及びブリッジパターンと、
   前記基板の前記第１面と反対側の第２面に形成された第１配線パターン及び第２配線パターンと、を有し、
   前記グランドパターン及び前記ブリッジパターンは同一面上に形成されるとともに、隙間を介して隣接しており、
   前記第１配線パターンは分断されている一方、前記第２配線パターンは、分断された前記第１配線パターンの間を通過してこれら第１配線パターンと交差する方向に延びており、
   分断されている前記第１配線パターンは、前記ブリッジパターンを介して互いに導通している、
   アンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   分断されている前記第１配線パターンは、前記基板に形成されたスルーホールを介して前記ブリッジパターンに接続されている、
   アンテナ装置。
3. 請求項１又は２に記載のアンテナ装置であって、
   前記第２配線パターンは、分断された前記第１配線パターンの間を通過する他の部分よりも幅の狭い狭窄部を含む、
   アンテナ装置。
4. 請求項３に記載のアンテナ装置であって、
   前記第１配線パターン及び前記第２配線パターンには拡幅部が形成されており、
   前記第２配線パターンにおいては、前記狭窄部の両側に前記拡幅部が形成されている、
   アンテナ装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナ装置であって、
   前記基板の前記第１面の面内に、該第１面から離間して配置されたアンテナ素子と、
   前記基板の前記第１面と前記アンテナ素子との間に介在し、前記第１配線パターン及び前記第２配線パターンと前記アンテナ素子とを接続する接続ピンと、を有する、
   アンテナ装置。

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