JP3788797B2

JP3788797B2 - アンテナ

Info

Publication number: JP3788797B2
Application number: JP2003307411A
Authority: JP
Inventors: 晶夫倉本
Original assignee: アンテン株式会社
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: JP2005079867A

Description

本発明は、プリント基板の銅箔をエッチングして形成したアンテナ素子に関し、特に、導体が近傍にある状況で特性劣化せずに使用できるアンテナ素子に関するものである。

近年、無線ＬＡＮ（Local Area Network）の普及により、大規模なオフィス、ホットスポットサービス、学校、会社、家庭内といった、いろいろな場所で無線ＬＡＮが使用され始めている。そのため、デスクトップ（据置き型）パソコンやコピー機、プロジェクタ、プリンタ、テレビ、ビデオなどにも無線ＬＡＮの機能が内蔵されるようになった。
しかし、上記のデスクトップパソコンをはじめとする機器の内部にアンテナを内蔵する場合、アンテナは必然的に内部の金属筐体や金属シャーシの近傍におかれる可能性が高い。通常、アンテナが空間におかれる場合、近傍にアンテナが使用する波長に比べて、無視し得ない大きさの導体がない場合は良好な動作が可能であるが、近傍に、波長に比べて無視し得ない大きさの導体が存在する場合は、アンテナの入力インピーダンスが極端に変動し、アンテナとして効率的な動作が不可能となってしまう場合が多い。この傾向は、通常のダイポールアンテナ、スリーブアンテナ、モノポールアンテナ等において顕著であり、アンテナと同等以上の導体が１／１０波長以下の近傍に存在する場合は、インピーダンス整合状態は極端に劣化し、その結果、アンテナ効率が極端に劣化して利得が低下してしまうといった問題がある。
上記の金属筐体が近傍に配置されることの影響を避けるアンテナとしては、従来からグランド板を有するタイプのアンテナでパッチアンテナが知られている。図１０は、従来技術のパッチアンテナの斜視図である。このパッチアンテナ９０は、誘電体で構成されるプリント基板６１上に、円形の放射素子６２を導体パターンにより形成し、プリント基板６１の裏面全体をグランド板６３により覆った構成である。しかし、パッチアンテナは、グランド板６３の面積は少なくても１波長四方程度の面積を必要とするため、アンテナのサイズが大きくなってしまうという欠点がある。この場合、グランド板６３の面積を小さくすると、結局金属筐体の影響を受けて共振周波数がずれてしまう。また、パッチアンテナは狭帯域のため、帯域の観点から適さない場合もある。そこでパッチアンテナを広帯域化する手法として、無給電素子を付加する方法もあるが、複雑で高価となる。

本発明は、かかる課題に鑑み、デスクトップパソコンやビデオ等に内蔵され、かつ、金属筐体または金属部の近傍に設置しなければならない場合に、金属筐体または金属部が近傍にあっても、アンテナの入力インピーダンスが良好で、アンテナとして効率的な動作を可能とするアンテナ素子を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、平板状のアンテナであって、誘電体からなるプリント基板と、ダイポールアンテナの一方の放射素子となる第１のアンテナ放射素子と、前記ダイポールアンテナの他方の放射素子となる第２のアンテナ放射素子と、導体パターンにより形成される無給電素子と、電波の給電線路となるマイクロストリップ線路と、前記給電線路の接地側を形成するグランド導体と、を備え、前記第１のアンテナ放射素子、無給電素子及びマイクロストリップ線路は、前記プリント基板の一方の面に導体パターンにより形成され、前記第２のアンテナ放射素子及びグランド導体は、前記プリント基板の他方の面に導体パターンにより形成され、前記マイクロストリップ線路の端部より高周波信号を給電することによりダイポールアンテナを構成することを特徴とする。
本発明のアンテナは平板状のアンテナであって、誘電体からなるプリント基板と、このプリント基板の表面に導体パターンにより形成される第１のアンテナ放射素子、無給電素子、伝送線路（マイクロストリップライン）と、プリント基板の裏面に導体パターンにより形成される第２のアンテナ放射素子とグランド導体とを備え、伝送線路の末端より給電するアンテナとすることにより、少なくと本アンテナ素子より同等以上の広さの導体が近傍に配置されていても、アンテナの入力インピーダンスを良好に調整でき、アンテナとして効率的な動作が可能にできる。
かかる発明によれば、プリント基板の両面に、第１のアンテナ放射素子、無給電素子、伝送線路（マイクロストリップライン）、第２のアンテナ放射素子及びグランド導体を備えるので、少なくと本アンテナ素子より同等以上の広さの導体が近傍に配置されていても、アンテナの入力インピーダンスを良好に調整でき、アンテナとして効率的な動作を行うことができる。

請求項２は、前記プリント基板の一方の面には、前記プリント基板の端部から延伸する前記マイクロストリップ線路が形成され、該マイクロストリップ線路の終端と前記第１のアンテナ放射素子とを接続して第１の導体パターンを形成し、該第１の導体パターンと並行する位置に前記無給電素子を帯状にして第２の導体パターンを形成すると共に、前記プリント基板の他方の面には、前記プリント基板の端部から延伸する前記グランド導体が形成され、該グランド導体の終端と前記第２のアンテナ放射素子とを接続して第３の導体パターンを形成し、前記グランド導体は前記マイクロストリップ線路のほぼ全体と重なるように形成され、前記第２のアンテナ放射素子は前記グランド導体との接続点から折り返して前記無給電素子のほぼ半分の長さと重なるように形成されることを特徴とする。
本発明は、プリント基板の表裏に形成した第１のアンテナ放射素子と第２のアンテナ放射素子によりダイポールアンテナを構成するために、第１のアンテナ放射素子の延長にマイクロストリップ線路を形成し、その線路のグランド側が反対の面に来るようにする。そして無給電素子の半分を覆うようにして第２のアンテナ放射素子を折り返すことにより、第１のアンテナ放射素子と第２のアンテナ放射素子でダイポールアンテナを構成する。しかも無給電素子が第１のアンテナ放射素子と第２のアンテナ放射素子の近傍に配置することにより、従来の課題を解決するものである。尚、入力インピーダンスの調整は、無給電素子の長さや太さ、第１及び第２のアンテナ放射素子との位置を物理的に調整することにより可能となる。
かかる発明によれば、無給電素子を第１のアンテナ放射素子と第２のアンテナ放射素子の近傍に設置し、且つマイクロストリップ線路から各アンテナ放射素子に電波を給電するので、少なくと本アンテナ素子より同等以上の広さの導体が近傍に配置されていても、アンテナの入力インピーダンスを良好に調整でき、アンテナとして効率的な動作を行うことができる。

請求項３は、前記第１のアンテナ放射素子及び第２のアンテナ放射素子の長さは、当該アンテナが使用する波長の約１／４であり、且つ前記無給電素子の長さは、当該アンテナが使用する波長の約１／２であることを特徴とする。
さらに具体的に説明すると、プリント基板の両面に形成された第１のアンテナ放射素子と第２のアンテナ放射素子の長さは、当該アンテナが使用する波長の約１／４であり、かつ、１つの無給電素子の長さは当該アンテナが使用する波長の約１／２またはそれ以下であるアンテナ素子を構成することにより、さらに、アンテナの入力インピーダンスが良好に調整でき、アンテナとして効率的な動作が可能にできる。この場合も、入力インピーダンスの調整は、無給電素子の長さや太さの微調整、第１及び第２の放射素子との位置を物理的に調整することにより行う。
かかる発明によれば、第１のアンテナ放射素子と第２のアンテナ放射素子の長さを約１／４波長、無給電素子の長さを約１／２波長またはそれ以下として形成するので、さらに、アンテナの入力インピーダンスが良好に調整でき、アンテナとして効率的な動作を行うことができる。

請求項１の発明によれば、プリント基板の両面に、第１のアンテナ放射素子、無給電素子、伝送線路（マイクロストリップライン）、第２のアンテナ放射素子及びグランド導体を備えるので、少なくとも本アンテナ素子より同等以上の広さの導体が近傍に配置されていても、アンテナの入力インピーダンスを良好に調整でき、アンテナとして効率的な動作を行うことができる。
また請求項２では、無給電素子を第１のアンテナ放射素子と第２のアンテナ放射素子の近傍に設置し、且つマイクロストリップ線路から各アンテナ放射素子に電波を給電するので、少なくとも本アンテナ素子より同等以上の広さの導体が近傍に配置されていても、アンテナの入力インピーダンスを良好に調整でき、アンテナとして効率的な動作を行うことができる。
また請求項３では、第１のアンテナ放射素子と第２のアンテナ放射素子の長さを約１／４波長、無給電素子の長さを約１／２波長またはそれ以下として形成するので、さらに、アンテナの入力インピーダンスが良好に調整でき、アンテナとして効率的な動作を行うことができる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るアンテナの展開図である。図１（ａ）は表面図、図１（ｂ）は側面図、図１（ｃ）は裏面図が示されている。なお。（ａ）〜（ｃ）は三角法に則った方法で記載されている。このアンテナ１００は、誘電体により構成されるプリント基板１０と、ダイポールアンテナの一方の放射素子となる第１のアンテナ放射素子１と、ダイポールアンテナの他方の放射素子となる第２のアンテナ放射素子２と、導体パターンにより形成される無給電素子３と、電波の給電線路となるマイクロストリップ線路４と、給電線路の接地側を形成するグランド導体５とを備えて構成される。尚、本実施形態ではプリント基板１０の表面に第１のアンテナ放射素子１、無給電素子３及びマイクロストリップ線路４が形成され、プリント基板１０の裏面には第２のアンテナ放射素子２及びグランド導体５が形成されている。また、これらの構成要素はいずれも帯状の導体よりなり、第１のアンテナ素子１とマイクロストリップ線路４は、ほぼ中央部Ｐで接続されている。また、図１（ｂ）の側面図において、プリント基板１０の内部及び側面に導体は存在しない。また、図１（ｃ）の裏面図において、プリント基板１０の裏面に、第２のアンテナ素子２とグランド導体５が配置されている。第２のアンテナ素子２は逆Ｌ字状の導体で、帯状の導体よりなるグランド導体５の上部側面より接続される。

図２は、図１に示したアンテナ１００の平面透視図である。図２（ａ）は表面からの透視図であり、図２（ｂ）は裏面からの透視図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。本アンテナ１００は、図１および図２に示すように、外形が概ね縦長の長方形をなす誘電体よりなるプリント基板１０により構成され、この誘電体プリント基板１０は、通常、テフロン（登録商標）板や変性ＢＴレジン基板、ガラスエポキシ基板、ＰＰＥ基板、ＦＰＣ等が良く用いられる。厚さとしては、ＦＰＣが０．２ｍｍ以下、誘電体基板の場合は、０．２ｍｍ〜１．６ｍｍ程度がよく用いられる。
図２（ａ）の表面からの透視図において、第１のアンテナ素子１はＰ点を中心として上側のａ部により構成され、裏面のグランド導体５と重なる部分（ｂ部）はなく、マイクロストリップ線路４は裏面のグランド導体５とｂ部により重なる位置関係になっている。また、無給電素子３は、概ねＱ点を中心としてその下半分（ｄ部）が裏面の第２のアンテナ素子２とわずかに重なる位置関係となっている。この無給電素子３の下半分（ｄ部）と裏面の第２のアンテナ素子２との位置関係は、インピーダンス整合の調整にかかわる部分であり、状況により、大きく重なる場合、または、ほとんど重ならない位置関係になることもある。なお、給電は第１のアンテナ素子１の下端部の給電部６と、裏面のグランド導体５の下端部の間に高周波電圧を加えることによって行う。

次に、各部分で用いられることの多い具体的な寸法と動作について説明する。図１及び図２において、プリント基板の表面に形成された第１のアンテナ素子１の長さは、このアンテナが使用する波長の約１／４であり、またプリント基板１００の裏面に形成された第２のアンテナ素子の長さは、このアンテナが使用する波長の約１／４である。そして第１と第２のアンテナ素子は対となり、合わせた長さが約１／２波長となりダイポールとして動作する。
一方、プリント基板１００の表面のマイクロストリップ線路４と裏面のグランド導体５は、１つのマイクロストリップ線路を構成しており、それぞれ、第１のアンテナ素子１と第２のアンテナ素子２に接続され高周波電力を給電している。さらに、無給電素子３は、第１のアンテナ素子１と第２のアンテナ素子２より構成されるダイポールの無給電素子として動作しており、その長さは、約１／２波長またはそれより短い長さとなるのが普通である。

図３は本発明のアンテナ１００と同軸ケーブルの接続について説明する図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。図３（ａ）はプリント基板１０の表面から見た同軸ケーブルとの接続図であり、図３（ｂ）は同軸ケーブルとの接続詳細図である。図３（ｂ）の接続詳細図を参照して説明する。同軸ケーブル３０の外部被覆３４を取り除いて外部導体３２と中心導体３１を取り出す。そして中心導体３１をプリント基板１０に形成された給電部６に接続し（半田付け）、プリント基板１０に形成されたグランド導体５に半田付けされた金具３３（図４参照）に外部導体３２を固定する。これにより、同軸ケーブル３０が外力を受けても、金具３３によりプリント基板１０に固定されているので、中心導体３１にその外力がかかることを防いで、ケーブルの破損を防ぐことができる。
図４は、金具３３の外観図である。金具３３は内壁４１と底部４０により構成され、内壁４１は両方から外部導体３２を挟み込む構成になっている。また底部４０の右端はグランド導体５に半田付けされる。
図５は、本発明の第２の実施形態に係るアンテナの展開図である。図５が図１と異なる点は、無給電素子３を省略した点である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。本実施形態は金属筐体と本発明のアンテナ２００との空間の値が０．１波長をこえる場合は、図５のような構造においても、インピーダンス整合が可能な場合がある。この場合は、図５における第１のアンテナ素子１及び第２のアンテナ素子２の長さの基本を約１/４波長とし、ここからインピーダンスが良好となるように長さ調整を行うことにより、整合が可能になる。
図６は、本発明のアンテナの使用状況の説明図である。図６（ａ）は上面から見た図であり、図６（ｂ）は斜視図である。例えば、デスクトップパソコンやビデオサーバにおいては、金属より構成される筐体ケース６０と、その外側にＡＢＳ樹脂等のプラッスチック材料よりなる筐体カバー６１で構成される場合が多い。このような状況において、図６（ａ）のように、筐体ケース６０と筐体カバー６１の間に、スペーサ６４等を介して本アンテナ１００が配置されることが多い。この場合、空間Ａ６２及び空間Ｂ６３は、０．１波長以下となることが少なくない。このように、金属や誘電体が近傍に置かれる場合、通常のアンテナをそのまま配置したのでは、近傍金属及び誘電体の影響を受けてインピーダンスに不整合が生じ調整することが難しい。しかし、図１のような本アンテナを用いれば、第１のアンテナ素子１、第２のアンテナ素子２及び無給電素子３の長さを調整することにより、良好な整合状態となるようなインピーダンス整合が可能になる。特に、空間Ａ６２の値が、０．０５〜０．１波長の場合に、図１の構造は有効である。また、空間Ａ６２の値が、０．１以上の場合は、図１の構造に加えて、図５の構造も有効である。なお、空間Ｂ６３については、０．０１波長程度の値となる場合もあるが、図１及び図５の構造はその距離においても何れも有効である。

図７は、本発明の第１の実施形態のアンテナのリターンロス特性の一例を示している特性図である。横軸に周波数（ＧＨｚ）、縦軸にリターンロス（ｄＢ）を示す。図７に示すように、本発明のアンテナを使用すれば２．４（Ｐ点）〜２．５ＧＨｚ（Ｑ点）において−１３ｄＢ程度、ピークで−２５ｄＢ程度のリターンロスが得られているのが解る。
図８は、本発明のアンテナの２．４ＧＨｚにおける放射パターン特性を測定する測定条件を示す図である。図８（ａ）は上面図であり、図８（ｂ）は斜視図である。本測定条件は、筐体ケース６０と本発明のアンテナ１００を９ｍｍの距離をおいて配置し、その状態からアンテナ１００を矢印Ａのように回転させる。
図９は図８の測定条件により得られたアンテナ１００の放射パターン特性図である。この図から明らかなように、金属筐体が障害とならない方向、すなわち−４０度〜＋１１０度近辺において、一様かつ良好な利得が得られている。また、２．４ＧＨｚの周波数において利得の大きな変動はなく、この帯域で良好なインピーダンス整合が行われていることがわかる。
以上の通り、本発明のアンテナを用いれば、概ね、縦０．５波長、横０．１波長程度の大きさでアンテナを実現できる。これにより、デスクトップパソコンやビデオサーバなど、省スペース化傾向の機器に実装がしやすくなる。そして、アンテナの大きさが小さくなると、アンテナを構成するための使用するプリント基板サイズも小さくなるため、面積比で価格が安くなるといった大きなメリットを得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係るアンテナの展開図。本発明の図１に示したアンテナ１００の平面透視図。本発明のアンテナ１００と同軸ケーブルの接続について説明する図。本発明の金具３３の外観図。本発明の第２の実施形態に係るアンテナの展開図。本発明のアンテナの使用状況の説明図。本発明の第１の実施形態のアンテナのリターンロス特性の一例を示す特性図。本発明のアンテナの２．４ＧＨｚにおける放射パターン特性を測定する測定条件を示す図。本発明のアンテナの２．４ＧＨｚにおける放射パターン特性の一例を示す図。従来技術のパッチアンテナの斜視図。

符号の説明

１第１のアンテナ素子、２第２のアンテナ素子、３無給電素子、４マイクロストリップ線路、５グランド導体、１０プリント基板

Claims

平板状のアンテナであって、
誘電体からなるプリント基板と、ダイポールアンテナの一方の放射素子となる第１のアンテナ放射素子と、前記ダイポールアンテナの他方の放射素子となる第２のアンテナ放射素子と、導体パターンにより形成される無給電素子と、電波の給電線路となるマイクロストリップ線路と、前記給電線路の接地側を形成するグランド導体と、を備え、
前記第１のアンテナ放射素子、無給電素子及びマイクロストリップ線路は、前記プリント基板の一方の面に導体パターンにより形成され、前記第２のアンテナ放射素子及びグランド導体は、前記プリント基板の他方の面に導体パターンにより形成され、前記マイクロストリップ線路の端部より高周波信号を給電することによりダイポールアンテナを構成することを特徴とするアンテナ。
前記プリント基板の一方の面には、前記プリント基板の端部から延伸する前記マイクロストリップ線路が形成され、該マイクロストリップ線路の終端と前記第１のアンテナ放射素子とを接続して第１の導体パターンを形成し、該第１の導体パターンと並行する位置に前記無給電素子を帯状にして第２の導体パターンを形成すると共に、前記プリント基板の他方の面には、前記プリント基板の端部から延伸する前記グランド導体が形成され、該グランド導体の終端と前記第２のアンテナ放射素子とを接続して第３の導体パターンを形成し、
前記グランド導体は前記マイクロストリップ線路のほぼ全体と重なるように形成され、前記第２のアンテナ放射素子は前記グランド導体との接続点から折り返して前記無給電素子のほぼ半分の長さと重なるように形成されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
前記第１のアンテナ放射素子及び第２のアンテナ放射素子の長さは、当該アンテナが使用する波長の約１／４であり、且つ前記無給電素子の長さは、当該アンテナが使用する波長の約１／２またはそれ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ。