JP3872767B2

JP3872767B2 - 板状逆ｆアンテナ

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Publication number: JP3872767B2
Application number: JP2003108909A
Authority: JP
Inventors: 長榮李
Original assignee: 智邦科技股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2003-04-14
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2023-04-14
Also published as: US20040119643A1; TW200411978A; TW574766B; US6781547B2; JP2004201265A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、板状逆Ｆアンテナ（Planar Inverted−F Antenna、PIFA）に関するもので、特に、回路基板表面上に形成される板状逆Ｆアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通信技術の発展に伴って、通信技術を応用した装置が日増しに増加し、通信技術に関連する装置も多様化している。また、近年、消費者の通信装置に対する要求が増加し、種々の設計による様々な機能を備える装置が次々に開発され、特に無線通信を用いたインターネット関連装置が注目されている。更に、集積回路技術も発展し、無線通信装置の大きさも薄型軽量化の傾向にある。
【０００３】
なかでも、無線通信装置における無線信号の送受信アンテナ、特に、プリントアンテナ或いは、マイクロストリップアンテナに関する研究開発は、重要度を増している。アンテナは、電磁波を輻射或いは受信する素子であり、一般に、周波数特性、放射特性（Radiation Pattern）、反射ロス（Reflected Loss）及びアンテナゲイン（Antenna Gain）等のパラメータからアンテナの特性を得ることが出来る。
【０００４】
それぞれの通信装置が必要とするアンテナ特性は異なる。そのため、無線信号を輻射或いは受信するアンテナの設計は多様化している。例えば、菱形アンテナ（Rhombic Antenna）、ターンスタイルアンテナ（Turnstile Antenna）、三角形マイクロストリップアンテナ、板状逆Ｆアンテナ等がある。公知の板状逆Ｆアンテナ構造は、一般に、小さな金属片を接地面上に放置して、輻射体とし、輻射体の辺縁に接地面と接続する短絡線を有し、本来は二分の一である共振波長のアンテナ長さを、四分の一に減少させることにより、アンテナの大きさを縮小させるようにしている。
【０００５】
図１（ａ）と図１（ｂ）とは、それぞれ、公知の板状逆Ｆアンテナの斜視図である。図１（ａ）で示されるように、公知の板状逆Ｆアンテナは、接地面１０、輻射金属線２０、短絡線２２及び、TEM伝送線３０、からなる。短絡線２２の一端は、輻射金属線２０の一端に垂直に接続されている。TEM伝送線３０は内導線３４と外導線素子３２により構成されている。内導線３４は、フィード信号により、垂直に輻射金属線２０と接続されている。この他、図１（ｂ）で示されるように、公知の板状逆Ｆアンテナは、輻射金属片４０とショート片４２で、輻射金属線２０と短絡線２２と代替することも出来る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、公知の板状逆Ｆアンテナは立体であり、その使用空間は短絡線２２或いはショート片４２等の高さを占有するので、薄さを求められる装置にとっては、設計上の困難性がある。
【０００７】
従って、小型、薄型、高ゲイン、広帯域幅、シンプル設計、低コストの要求を満たす板状逆Ｆアンテナを提供し、公知の板状逆Ｆアンテナの欠点を解決することが求められている。
【０００８】
前述の公知技術において、無線通信装置においては、アンテナが重要な位置を占め、無線通信の性能に対して大きな影響があるため、アンテナの設計はみな、小型化、低コスト化、高ゲイン化、操作が容易、等の方向で開発が進められている。一方、公知の板状逆Ｆアンテナの高さは相当高く、故に、特に、超薄小型が必要とされる装置にとって、好ましくない。
【０００９】
本発明は、板状逆Ｆアンテナを提供し、超薄型、小型で、低価格、広帯域幅、少ロス、および好適な放射特性等の優良なアンテナ特性を備え、且つ、容易に回路基板と組み合わせることが出来、回路整合時に必要なコストを抑え、無線通信装置の安定性を向上することを目的とする。これにより、産業応用の価値を高める。
【００１０】
本発明は、板状逆Ｆアンテナを提供し、アンテナダイバーシティ（Antenna Diversity）により、同時に、２つの板状逆Ｆアンテナを基板上に装着して、更に好ましいアンテナ特性を得ることをもう一つの目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る板状逆Ｆアンテナは、基板上に形成された板状逆Ｆアンテナであって、前記基板は、前記基板を貫通すると共に第一半径を有する孔と、前記基板を貫通すると共に凹側が相対向する第一円弧部と第二円弧部とを接続するように形成される、互いに平行な第一直線部と第二直線部とを有するスロットと、相対する表裏に位置する少なくとも第一表面と第二表面とを備え、前記スロットは、前記第一円弧部側が前記孔に近接する向きに形成されるものであり、前記基板の前記第一表面には、前記孔の外周に沿ってその外周部の一部に取り囲まない部分を残して取り囲む所定の幅を有する導体からなる第一輻射導線と、前記第一円弧部の外周の一部と前記第一直線部の外周の一部とに沿って形成され、前記第一直線部の外周の一部に沿って形成された側の端部と前記スロットの前記第二円弧部の頂部との間に所定の距離を有する所定幅の導体からなる第二輻射導線と、前記第一円弧部と前記孔との間に位置し、一端が、前記第一輻射導線の前記スロットに近接する一端と前記第二輻射導線の前記第一円弧部に近接する一端とに同時に接続され、他端が開放状態にされる略直線状の所定の幅を有すると共にその他端近傍にフィードポイントを有する導体からなる直線輻射導線とを備え、前記直線輻射導線の前記開放状態にされた他端の方向は、前記第一輻射導線が孔の外周部の一部を取り囲まない部分と同じ方向にされることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
上述した本発明の目的、特徴、及び長所をいっそう明瞭にするため、以下に本発明の好ましい実施の形態を挙げ、図を参照しながらさらに詳しく説明する。
【００１３】
本発明の板状逆Ｆアンテナは、完全に基板上に形成され、基板上方或いは下方の空間を占有しない。故に、公知の板状逆Ｆアンテナの欠点を克服し、特に、薄型の製品にとって、効果的に通信装置の需要を満たす。
【００１４】
図２は、本発明の好ましい実施例による板状逆Ｆアンテナの斜視図である。図２で示されるように、板状逆Ｆアンテナ１００は基板１７０上側表面に形成され、且つ、板状逆Ｆアンテナ１００は、少なくとも、ホール１１５、スロット１２５、輻射導線１１０、１２０、直線輻射導線１３０、を備え、直線輻射導線１３０の輻射導線１１０と接続されていない一端は、フィードポイント１５０を備える。輻射導線１１０、１２０には更に、基板１７０を貫通し、且つ均等に分布している複数の貫通孔１４５が形成されている。必要に応じて、貫通孔１４５は直線輻射導線１３０上にも形成される。注目すべきことは、これらのホール１１５、スロット１２５及び貫通孔１４５は、アンテナ帯域幅、アンテナゲインを増加させることが出来ることである。この他、基板１７０は、例えば、ガラス繊維（ＦＲ４）材から製造されたプリント回路基板で、導電材料からなる接地面１７７は、基板１７０の下側表面に形成されると共に、輻射導線１１０と直線輻射導線１３０の一部分（例えば、半分）の真下（裏側）に位置するが、しかし、本発明の接地面１７７の位置は必要に応じて異なりこれに、限定するものではない。
【００１５】
図３は、本発明の好ましい実施例による板状逆Ｆアンテナの平面図である。図３で示されるように、ホール１１５とスロット１２５は、基板１７０を貫通し、ホール１１５は半径Ｒ１により形成される。スロット１２５は互いに平行な直線部１２２ａ及び１２２ｂを備え、それらの両端は、それぞれ、ミラー反射する円弧部１２４ａと１２４ｂに接続されている。円弧部１２４ａと１２４ｂの凸部側は外側に向いており、且つ、半径Ｒ２で形成された、例えば半円弧である。輻射導線１１０は、所定の幅を有する環状の導体で、ホールの一部分を残して環状に取り囲むと共に、ホール１１５に近接する内側辺１１２と、ホールからやや離れた外側辺１１３とを備える。輻射導線１１０と直線輻射導線１３０は開口１１８を形成し、スロット１２５の直線部１２２ｂは、開口１１８と同側で、直線部１２２ａは開口１１８のもう一方側に位置する。輻射導線１１０の内側辺１１２の形状は、スロット１２５に近接する一端（補助線１３６で示される）から始まり、角度は約１８０度以上（例えば２４７．５度）の円弧である。
【００１６】
図３を引き続き参照すると、輻射導線１２０は、所定の幅を有する導体で、円弧部１２４ｂの一部分と直線部１２２ａとからなる。直線輻射導線１３０は円弧部１２４ｂとホール１１５の間に位置し、輻射導線１１０のスロット１２５に近い部分（補助線１３６で示される）は、直線輻射導線１３０の一端に接続され、輻射導線１２０の円弧部１２４ｂに近接する一端は、輻射導線１１０の前記端に近接する外側辺１１３の一部分（補助線１１６で示される）に結合される。輻射導線１２０のもう一端とスロット１２５の円弧部１２４ａの頂点間に、マージンＬ２を有する。マージンＬ２の大きさは、基板１７０と輻射導線の材質によって異なる。
【００１７】
この他、本実施例において、アンテナの総長さＬ１は例えば、約２６．１ｍｍ、半径Ｒ１は半径Ｒ２に等しく、例えば、約２ｍｍ、輻射導線１１０、１２０及び直線輻射導線１３０の幅は同じ値で、例えば０．３ｍｍから約１ｍｍである。しかし、上述の角度、半径、長さ、幅、材料等は説明のための一例であって、これに限定されるものではない。
【００１８】
本発明の板状逆Ｆアンテナのアンテナ特性を、測定することにより、好ましいアンテナ特性が得られた。図４は、本発明の好ましい具体例の板状逆Ｆアンテナの定在波比SWRに関する測定データである。アンテナの動作周波数２．４GHz（動作点Ｂ１）時、SWRは１：１．３１７２で、アンテナの動作周波数２．４５ＧＨｚ（動作点Ｂ２）時、ＳＷＲは１：１．３で、アンテナの動作周波数２．５ＧＨｚ（動作点Ｂ３）時、ＳＷＲは１：１．１１０２で、アンテナの動作周波数２．５２ＧＨｚ（動作点Ｂ４）時、ＳＷＲは１：１０３４１である。ＳＷＲが直線Ｌで示す１：１．８のとき、動作点Ａの周波数は約２．２２ＧＨｚで、動作点Ｃの周波数は２．６７ＧＨｚである。故に、本発明の板状逆Ｆアンテナは、周波数２．４５ＧＨｚで動作する時、動作帯域幅は約４５０ＭＨｚで、動作帯域幅は、設計上の要求を効果的に満たすことが出来る。
【００１９】
図５と図６は、それぞれ、本発明の好ましい実施例による板状逆Ｆアンテナが、２．４５ＧＨｚで動作する時の、ｙ−ｚ平面の放射パターンの実験データと、２．４５ＧＨｚで動作する時の、ｘ−ｚ平面の放射パターンの実験データとを示すグラフである。図６から分かるように、本発明の実施例のｘ−ｚ平面の放射特性は、全方向性（omni‐directional）アンテナの円形放射パターンを表す。図５が示すｙ−ｚ平面の放射パターンは大変好ましいものである。
【００２０】
この他、本発明の板状逆Ｆアンテナは、アンテナダイバーシティ（Antenna Diversity）により、更に好ましいアンテナの効能を得ることが出来る。図７、図８及び図９は、本発明の好ましい具体例による、板状逆Ｆアンテナの配列をそれぞれ示す図である。板状逆Ｆアンテナ１００と板状逆Ｆアンテナ２００の形状と寸法は完全に同じで、互いに平行である。前述と同様に、板状逆Ｆアンテナ２００は、少なくとも、ホール２１５、スロット２２５、輻射導線２１０、２２０、直線輻射導線２３０、からなり、直線輻射導線２３０の輻射導線２１０と接続しない一端は、フィードポイント２５０を備え、輻射導線２１０と輻射導線２２０との上にはは、基板１７０を貫通する複数の貫通孔２４５が均等に分布するように形成されている。板状逆Ｆアンテナ１００において、直線輻射導線１３０と輻射導線１１０は開口１１８を形成する。板状逆Ｆアンテナ２００において、直線輻射導線２３０と輻射導線２１０は開口２１８を形成する。図７で示されるように、開口１１８の開口方向は開口２１８の開口方向と同じ方向である。
【００２１】
なお、図８で示されるように、開口１１８の開口方向と開口２１８の開口方向とは、相対するように設けられるものであっても良い。また、図９で示されるように、開口１１８の開口方向と開口２１８の開口方向とは、相反して設けられるものであってもよい。
【００２２】
２つの板状逆Ｆアンテナを使用する目的は、一つの板状逆Ｆアンテナの送受信不良時、もう一つの板状逆Ｆアンテナが代わって信号送受信を行うことが出来るからである。同時に、上述のように、２つの板状逆Ｆアンテナを開口方向の異なる向きに配置することにより、板状逆Ｆアンテナの放射パターンなどのアンテナ特性を更に向上させることが出来る。
【００２３】
本発明に係る板状逆Ｆアンテナによれば、薄型、小型、広帯域幅、少ロス、好放射パターン等の好ましいアンテナ特性を備え、且つ、回路基板と組み合わせて容易に形成することができるので、回路整合時に必要なコストを抑え、製品の安定度を向上することが出来る。これにより、高い産業応用価値を有する。
【００２４】
本発明のもう一つの長所は、アンテナダイバーシティにより、更に好ましいアンテナ特性を得ることが出来ることである。
【００２５】
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
【００２６】
【発明の効果】
板状逆Ｆアンテナを薄型にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例による板状逆Ｆアンテナの立体図である。
【図２】本発明の好ましい具体例による板状逆Ｆアンテナの斜視図である。
【図３】本発明の好ましい具体例による板状逆Ｆアンテナの平面図側視図である。
【図４】本発明の好ましい具体例による板状逆Ｆアンテナの定在波比SWRに関する量測データである。
【図５】本発明の好ましい実施例による板状逆Ｆアンテナの、２．４５０ＧＨｚ時のｙ−ｚ平面の放射パターンの実験データである。
【図６】本発明の好ましい実施例による板状逆Ｆアンテナの、２．４５０ＧＨｚ時のｘ−ｚ平面の放射パターンの実験データである。
【図７】本発明の好ましい実施例による板状逆Ｆアンテナの配列を示す図である。
【図８】本発明の好ましい実施例による板状逆Ｆアンテナの配列を示す図である。
【図９】本発明の好ましい実施例による板状逆Ｆアンテナの配列を示す図である。
【符号の説明】
１０接地面
２０輻射金属
２２ショート線
３０ＴＥＭ伝送線
３２外導電素子
３４内導電線
４０輻射金属片
４２ショート片
１００、２００…板状逆Ｆアンテナ
１１０輻射導線（第一輻射導線）
１２０輻射導線（第二輻射導線）
２１０、２２０…輻射導線
１１２内側辺
１１３外側辺
１１５、２１５ホール（孔）
１１８、２１８開口
１２２ａ直線部（第一直線部）
１２２ｂ直線部（第二直線部）
１２４ａ円弧部（第二円弧部）
１２４ｂ円弧部（第一円弧部）
１２５、２２５スロット
１３０、２３０直線輻射導線
１４５、２４５貫通孔
１５０、２５０フィードポイント
１７０基板
１７７接地面
１１６、１３６点線
Ａ、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ動作点
Ｌ定在波比が１：１．８に等しい直線
Ｌ１アンテナ総長さ
Ｌ２マージン
Ｒ１、Ｒ２半径

Claims

基板上に形成された板状逆Ｆアンテナであって、
前記基板は、前記基板を貫通すると共に第一半径を有する孔と、前記基板を貫通すると共に凹側が相対向する第一円弧部と第二円弧部とを接続するように形成される、互いに平行な第一直線部と第二直線部とを有するスロットと、相対する表裏に位置する少なくとも第一表面と第二表面とを備え、
前記スロットは、前記第一円弧部側が前記孔に近接する向きに形成されるものであり、
前記基板の前記第一表面には、前記孔の外周に沿ってその外周部の一部に取り囲まない部分を残して取り囲む所定の幅を有する導体からなる第一輻射導線と、
前記第一円弧部の外周の一部と前記第一直線部の外周の一部とに沿って形成され、前記第一直線部の外周の一部に沿って形成された側の端部と前記スロットの前記第二円弧部の頂部との間に所定の距離を有する所定幅の導体からなる第二輻射導線と、
前記第一円弧部と前記孔との間に位置し、一端が、前記第一輻射導線の前記スロットに近接する一端と前記第二輻射導線の前記第一円弧部に近接する一端とに同時に接続され、他端が開放状態にされる略直線状の所定の幅を有すると共にその他端近傍にフィードポイントを有する導体からなる直線輻射導線とを備え、
前記直線輻射導線の前記開放状態にされた他端の方向は、前記第一輻射導線が孔の外周部の一部を取り囲まない部分と同じ方向にされることを特徴とする板状逆Ｆアンテナ。
更に、少なくとも、前記基板を貫通する複数の貫通孔を備え、前記貫通孔は、前記第一輻射導線と前記第二導線上に均等に分布していることを特徴とする請求項１に記載の板状逆Ｆアンテナ。
更に、少なくとも、前記第一輻射導線の真下に位置する前記基板の前記第二表面上に接地面を備えることを特徴とする請求項１に記載の板状逆Ｆアンテナ。
前記第二輻射導線が前記第一円弧部の外周の一部に沿って形成された部分は、前記第一円弧部の外周の半分であることを特徴とする請求項１に記載の板状逆Ｆアンテナ。
前記第一輻射導線は、前記第一輻射導線の前記スロットに近接する一端から始まり、角度が約１８０度の円弧であることを特徴とする請求項１に記載の板状逆Ｆアンテナ。