JP3877143B2

JP3877143B2 - 表面実装型アンテナ

Info

Publication number: JP3877143B2
Application number: JP2001357511A
Authority: JP
Inventors: 博志青山; 一史宮田; 慶子菊地; 保規高木; 英俊萩原; 辰朗綾香
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2001-11-22
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2021-11-22
Also published as: JP2003158413A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路基板の裏面あるいは表裏面に形成した地導体の上に配置する表面実装型アンテナ（オングランド方式）であって、その帯域幅および利得特性を改善するための電極配置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話やブルートゥース等のモバイル機器には、回路基板に直接搭載できる表面実装型アンテナが使用されている。図８は特開平１１−２５１８１６号公報に記載される表面実装型アンテナである。表面実装型アンテナ６０の誘電体からなる基体６１の表面には、いくつかの電極が形成される。まず、放射電極６３は基体６１の上面から下面にかけて概略ストライプ状の導体からなり、右端は接地端子６８に接続され、左端は開放端６６を構成する。さらに、放射電極の開放端６６はギャップを介して接地電極６７に対向する。また、放射電極６３に隣接して給電電極６５が設けられ、基体６１の下面の給電端子６２に接続される。
【０００３】
このように構成された表面実装型アンテナ６０において、給電端子６２に高周波信号が印加されると、給電電極６５と放射電極６３との間に形成される静電容量を介して、放射電極６３に高周波信号が伝達される。放射電極６３自身のインダクタンス分と開放端６６および接地電極６７間の静電容量とによって、共振回路が形成される。その際、共振エネルギの一部が電波として空間に放射され、アンテナとして機能する。逆に、表面実装型アンテナ６０に入射した電波は、放射電極６３で共振し、そのエネルギは放射電極６３と給電電極６５間の静電容量を通して給電電極６５に伝達され、給電端子６２から出力される。
【０００４】
図８に示す従来の表面実装型アンテナ６０は、接地端子６８から開放端６６に向かって放射電極６３の端辺が地導体に一様に平行であり、その開放端６６が接地電極６７に対向している。さらに、給電電極６５が放射電極６３に静電結合する方式であるために、アンテナの形状を大きくすることなく利得を改善できる旨が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように従来の表面実装型アンテナは、給電端子の取付けが容易で、放射電極を静電容量の介在によって非接触に励振でき、小型でインピーダンス整合が得やすいという特長がある。しかしながら、特性的には帯域幅が狭く、加えて帯域幅の調整が困難であるという問題がある。
例えば、ブルートゥース用のアンテナに適用する場合、帯域幅として１２０MHz以上が要求されるが、実際には４０MHz程度の帯域幅特性しか得られない。これはアンテナの基体サイズを従来の大きさより１ランク小さくし、且つ高誘電率材を使用したためで、等価的にはアンテナの静電容量分が増加し、逆にインダクタンス分が減少したものと考えることができる。静電容量分が増加することは、インダクタンス分との比率が大きくなり、帯域幅特性の低下する大きな原因である。
【０００６】
また、アンテナを薄型化した場合、利得が急激に低下してしまう。これは、放射電極６３に流れる電流から回路基板にイメージ電流が誘導されるためで、このイメージ電流による相殺効果を減じるには、地導体または接地電極から放射電極を遠ざけなければならない。このように、特性と薄型化を両立させることは困難であった。
【０００７】
一方、従来の表面実装型アンテナには標準部品的な考えが一般化されていなく、搭載機器に合わせた設計がその都度実施されてきた。言わば、アンテナは標準部品でなく特注部品であるため、コスト低減および短納期という相反する要請を同時に満たさなければならないが、これは非常に困難な目標である。しかし、モバイル機器では使用される搬送波の周波数域は割り与えられているため、現実にはアンテナの共振周波数は固定され、帯域幅特性等が用途によって適宜選ばれている。即ち、モバイル機器用アンテナとして共振周波数、利得、指向性等の特性を共通仕様化できれば、帯域幅の微調整だけで異なるモバイル機器に搭載できる道が拓かれる。この方法は、表面実装型アンテナの標準部品化を促し、上述の課題に対する解決を与える。
【０００８】
本発明の目的は、上記問題点を解決するものであり、従来のアンテナの部分的な改良によって、帯域幅や利得等の特性向上が得られる表面実装型アンテナを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した問題に対して、本発明は放射電極の配置と構成によって解決を図るものである。更に詳しくは、表面実装型アンテナが地導体上に配置された場合、共振時に放射電極を流れる電流は地導体中にイメージ電流を反作用として誘導する。このイメージ電流は電極形状や地導体との相対位置に大きく依存する。従来のアンテナの放射電極は地導体に平行に配置されていたため、イメージ電流による相殺効果が強く、本来得られるべき効果が打ち消され、これがアンテナ利得低下の一つの原因であった。本発明は、ストライプ状の放射電極の接地および開放の両端部を除いた側辺部が帯域幅特性に大きな影響を持つことに想到し、これを実験により確認したものである。以下、請求項ごとに発明の解決手段について詳述する。
【００１０】
請求項１の発明は、誘電材からなる略直方体状の基体に放射電極、接地電極および給電電極等を形成し、当該基体を地導体上に配置する表面実装型アンテナにおいて、前記放射電極は一端を接地し、他端を開放端としたストライプ状に形成され、一部もしくは全てが少なくとも基体側面に配置され、且つ開放端に向かって地導体から遠ざかるように設けられたことを特徴とする表面実装型アンテナである。
【００１１】
本発明では、放射電極は基板側の地導体もしくは接地電極に対向してはいるが地導体に平行でない部分を有している。従って、平行でない部分の放射電極は、少なくとも基体の側面に配置し開放端に近づくに従って地導体から遠ざかるように形成されなければならない。換言すれば、この放射電極の配置構成は放射電極の側辺部と地導体との距離が接地端子側から開放端に向けて次第に増加することになる。これは、地導体に対し放射電極が２次元的あるいは３次元的に個別に置かれることを意味し、放射電極と地導体が平行に配置される従来例に比べると、放射電極の電流とイメージ電流が特異な関係で分布することになる。イメージ電流は地導体面内にのみ拘束され、イメージ電流が誘導される範囲も主として接地端子近傍に限定される。一方放射電極側の電流は、放射電極面に沿って流れ、放射電極の配置を上述のように工夫することにより、３次元的に広い範囲に流れるように制御できる。このためイメージ電流によるキャンセル効果がなくなり、放射電極の電流に依存する特性が得られ、高利得となる。これが従来技術と大きく相違する点である。
【００１２】
請求項２は、放射電極が開放端に向かうと共にその幅を連続的もしくは階段状に狭めることを特徴とする表面実装型アンテナである。上述したアンテナの効果を引き出すためには、少なくとも放射電極を基体の側面に配置することが必要であり、尚且つ、その幅が開放端に向かって狭まり、地導体から見ればその距離を広げる形状となる。ここで、放射電極の幅は狭めるが、地導体側から離れないで一定の距離を保持する場合すなわち開放端に向かって、上側の側辺が地導体に近づき、下側の側辺は地導体と並行である場合等は、本発明の範囲から当然外れることになる。しかし、等幅で地導体から遠ざかる放射電極の場合は本発明に含まれる。放射電極のうち地導体側の側辺部は直線、曲線、階段状、あるいはこれらを組合せて形成される。このため、放射電極は三角形、台形または四辺形をベースにした変形形状が考えられる。しかし、放射電極の側辺部がアンテナ特性に大きな影響を持つため、好適な形状を経済性および生産性の観点を含めて決めることが望ましい。
【００１３】
上記した放射電極は開放端に向かって地導体側から離れ、その幅を連続的もしくは階段状に狭めることで、放射電極の側辺部の形状が帯域幅を微調整できるという効果がある。第一は分布静電容量を効果的に且つ効率よく形成できることである。上述したように分布静電容量は、放射電極と接地電極または地導体間で生じる。放射電極と接地電極が平行に対向する従来の場合は、単一のコンデンサで置換えることができるが、本発明では多数の微少なコンデンサとコイルで構成されるラダーあるいはメッシュ回路が得られる。
【００１４】
第二は分布静電容量を容易に制御できることである。これは前者の場合の裏返しであり、帯域幅を任意に選ぶことができ、共振周波数が同一で、帯域幅の異なるアンテナを放射電極の一部加工調整で得られる。放射電極に流れる電流を側辺部に偏らせる作用が、本発明の電極配置から生じるためであり、放射電極の側辺部に集まる電流が多い程、発明の効果は増幅される。
この発明は、ストライプ状の放射電極の接地および開放の両端部を除いた側辺部が、帯域幅特性に大きな影響を持つことを示す実験結果に基づくもので、逆Ｆ型アンテナに限らず、従来のアンテナに適用できる考え方である。
【００１５】
次に、請求項３および４は、誘電材からなる略直方体状の基体に放射電極、接地電極および給電電極等を形成し、当該基体を地導体上に配置する表面実装型アンテナにおいて、前記放射電極は一端を接地し、他端を開放端としたストライプ状に形成され、前記地導体中のイメージ電流が放射電極を流れる電流をキャンセルしないように、前記放射電極は地導体から遠ざかるように設けられたことを特徴とする表面実装型アンテナである。これは請求項１の発明の観点をかえて、放射電極の電流とイメージ電流との関係で捉えた発明であり、実施例で詳しく説明する。
【００１６】
本発明は、基板の裏面あるいは表裏面に設けられた地導体の上に表面実装する場合（本発明ではオングランド方式と言う）に適したアンテナの帯域幅拡大と利得改善を目的としたものであるが、帯域幅を制御できるという利点を生かして、表面実装型アンテナの標準部品化が可能である。標準的なアンテナを準備しておけば、帯域幅仕様の異なるアンテナに対して一部の調整によって対応可となり、コスト低減および短納期化が図れる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
まず、図１は本発明の基本構成と作用を示す概略図である。図１では図面を簡略化するために誘電材による基体を省略し、各電極の構成と位置関係を抜出して示した。放射電極１３は地導体１４上に配置され、一端は接地端子１９において地導体１４に接続され、他端は開放端１６となっている。また、本例では放射電極１３は側面放射電極１３−１と上面放射電極１３−２の２面からなるが、側面１３−１だけでも発明の効果は得られる。これは以下の説明から明らかである。
【００１８】
さて、給電電極１５に高周波電源１２をつなぎ高周波電力を供給すると、放射電極１３のインダクタンスと図示の静電容量Ｃとで共振回路が形成されて、放射電極電流２３が放射電極上に流れる。放射電極電流２３は図示のように地導体１４に近い程大きく、且つ側面放射電極１３−１側の側辺部２８に偏った分布で流れる。一方、この放射電極電流２３に対向して地導体１４中をイメージ電流２４が流れることになる。ここでイメージ電流２４は放射電極電流２３の水平成分２３−１をキャンセルしてしまい、放射電磁波も水平成分２３−１に対応する分はキャンセルされてしまい、放射効率として寄与できない。一方、垂直成分２３−２はイメージ電流によってキャンセルできないため、放射電極１３は垂直成分２３−２に対応する放射電磁波を発生させることになる。すなわち、イメージ電流でキャンセルされず放射効率に寄与する電流成分を生じさせることにより、本発明では高い放射効率が得られる。
【００１９】
次に、図２〜図６に本発明の他の実施例を示す。図中、同じ機能を持つ部分あるいは部品には同一番号を用いた。
まず、図２及び図３は本発明を適用した表面実装型アンテナの斜視図である。図２は基体１１の上面に上面放射電極１３−２と両側面に側面放射電極１３−１、１３−３を配置した場合である。両側面の側面放射電極１３−１と１３−３は開放端１６に向かってその幅を狭め、地導体（図示していないが紙面上と考えれば良い。）から見れば遠ざかるような配置となっている。ここでは側面放射電極の側辺部２８は直線的に延びるものであるが、これを曲線的に延びる形状とすることもできる。また、この実施例では、接地電極１７を基体１１の下面に配置しているが、アンテナの動作上、少なくとも接地電極あるいは地導体のいずれか一方が備わっていればよい。
一方、図３の例は、上面放射電極１３−２を図２に比較して半分程度に減らし、また側面放射電極１３−３も無くした場合で、図２より低い共振周波数を利用する例として示している。また、この例ではインピーダンス整合（５０Ω）を図るために給電電極１５は基体の上面まで延出している。この様に上面放射電極１３−２、給電電極１５及び接地電極１７は基体材料や共振周波数等の変更によって適宜形状や配置を変更することになる。
【００２０】
放射電極等を形成する基体の形状は、図２あるいは図３では断面がほぼ正方形の角柱の場合を例にあげているが、断面形状の相違による発明の効果の違いは本来生じない。扁平を含めいずれの形状でも可能であるが、縦横比が１に近い基体断面の場合の方が好ましい。これは放射電極の形成上の容易さからいえる。例えば、基体主面に隣接する側面に亘って放射電極を設ける場合、側面の幅が主面のそれと同程度であれば、容易且つ精度よく側面に放射電極を形成でき、同時に側面に配置した放射電極の効果が大きくなる。
【００２１】
図４は他の実施例の側面図である。図示する基体１１の側面放射電極１３−１はその側辺部を階段状に形成した場合である。接地電極もしくは地導体間の静電容量はＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３およびＣ_４のように段階的に変化することになる。この場合、静電容量はＣ_１＜Ｃ_２＜Ｃ_３＜Ｃ_４の順に増加するため、Ｃ_４に関係する形状を変更する際には注意を要する。しかしながら、帯域幅を段階的に変える用途には最適である。
【００２２】
図５および図６は基体上に形成される放射電極および給電電極のパターンの各種展開図である。図５に示す実施例は、放射電極１３の基底部にスリット２５を設け、アンテナの小型化を図ったものである。同図（ｂ）に示す電極パターンの展開図は、同図（ａ）および（Ｃ）を参照すれば、各面との対応が一層明らかになる。スリット２５の効用は、電流の通路を規定することができるため実効的な放射電極長が伸び、増加した分の小型化が得られる。一層の小型化が目的である場合には、スリットを複数、適当な位置に設けることが考えられる。
【００２３】
図６は他の電極パターンを３例示している。いずれの実施例も、基体上の放射電極長を短くでき、アンテナの小型化が図れるものである。例えば、図６（ａ）は側面放射電極の開放端をＬ字状に延長する方法であり、同図（ｂ）は側面の代りに端面に延長する方法である。両者の特性上の大きな相違は生じないが、製造上は（ａ）の方が好ましい。また、同図（Ｃ）は接地端子２６をＬ字型に形成した場合である。上記の実施例の周波数調整範囲の大きさは、（ｃ）＞（ｂ）＞（ａ）となる結果が得られた。
【００２４】
図７は、本発明の表面実装型アンテナを回路基板に搭載した場合を示しており、（ａ）は上面図、（ｂ）は基板の裏面を見た図である。回路基板７１は裏面の導体７３−１と表面の導体７３−２を設けた両面導体張りを用い、導体は１８μm厚の銅箔が図示のように表と裏面に配置されている。因みに、使用した回路基板は横４０mm、縦１００mm、厚さ０．６mmのガラスエポキシ基板で、比誘電率は４．６であった。また、表面側で表面実装型アンテナ１０の搭載位置付近の導体は除去し、側面放射電極１３−１が地導体の端辺７９に対向する側（矢印で示した面）で地導体７３−１に対し開放端に向かって遠ざかるような配置で設けられている。尚、この回路基板によれば地導体を張ったスペースを有効利用できるのでより小型化が必要な携帯電話等の利用に適している。
【００２５】
次に、本発明によるアンテナと従来のアンテナの特性比較を説明する。図７の回路基板に図５に示した試作アンテナと比較のため前記図８に示したアンテナをそれぞれ図示のように搭載し、帯域幅および利得特性を測定した。測定結果を表１にまとめて示す。基体の大きさからわかるように、従来に比べて基体サイズを小型化したにも拘わらず、利得および帯域幅の向上が得られた。
【表１】

【００２６】
【発明の効果】
以上、発明の詳細な説明から明らかなように、本発明によってオングランド方式の表面実装型アンテナを小型化しても利得の急激な低下を抑制でき、加えて帯域幅を拡大することが可能となる。同時に、発明の副次的な効果として帯域幅の微調整が可能となり、表面実装型アンテナの標準部品化の道が拓ける。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成と作用を説明する概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施例を示すアンテナの斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示すアンテナの斜視図である。
【図４】本発明の第３の実施例を示すアンテナの斜視図である。
【図５】本発明の第４の実施例を示すアンテナの斜視図、電極パターン図である。
【図６】本発明の他の実施例による電極パターン図である。
【図７】本発明のアンテナを回路基板に搭載した概略図である。
【図８】従来の表面実装型アンテナの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０：表面実装型アンテナ、１１：基体、１２：高周波電源、１３：放射電極、１３−１：側面放射電極、１３−２：上面放射電極、１４：地導体、１５：給電電極、１６：開放端、１７：接地電極、１９：接地端子、２３：放射電極電流、２４：イメージ電流、２５：スリット、２６：接地端子、２８：側辺部、６０：表面実装型アンテナ、６１：基体、６２：給電端子、６３：放射電極、６４：固定用端子、６５：給電電極、６６：開放端、６７：接地電極、６８：第１の接地端子、６９：第２の接地端子、７１：回路基板、７３：地導体、７５：給電導体、７７：コネクタ、７９：接続導体

Claims

誘電材からなる略直方体状の基体に放射電極、接地電極および給電電極等を形成し、当該基体を地導体上に配置する表面実装型アンテナにおいて、前記放射電極は一端を接地し、他端を開放端としたストライプ状に形成され、一部もしくは全てが少なくとも基体側面に配置され、且つ開放端に向かって地導体から遠ざかるように設けられたことを特徴とする表面実装型アンテナ。
請求項１において、前記放射電極は開放端に向かうに従ってその幅を連続的もしくは階段状に狭めたことを特徴とする表面実装型アンテナ。
誘電材からなる略直方体状の基体に放射電極、接地電極および給電電極等を形成し、当該基体を地導体上に配置する表面実装型アンテナにおいて、前記放射電極は一端を接地し、他端を開放端としたストライプ状に形成され、前記地導体中のイメージ電流が放射電極を流れる電流をキャンセルしないように、前記放射電極は地導体から遠ざかるように設けられたことを特徴とする表面実装型アンテナ。
請求項３において、前記放射電極の電流は側辺部に偏って分布したことを特徴とする表面実装型アンテナ。