JP3964919B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は携帯型通信機器等に用いられる表面実装型のアンテナ装置に関する。

携帯電話等の通信機器には従来モノポールアンテナ等の線状アンテナが用いられているが、これらは通信機器の筐体の外部に取り付けられ、小型化の妨げになるとともに、外力によるアンテナの破損、特性劣化等の問題を引き起こす危険性がある。また、その線状アンテナを実装するには同軸ケーブルやコネクタを介するため、部品点数が多くなり、実装コスト面でも好ましくない。さらに、上記アンテナ装置は、水平面内で無指向性の放射指向性を示し、通話時、人体頭部方向へも電磁波を放射するため、人体の存在によるアンテナ特性の劣化や、電磁波の人体への影響が懸念される。

これらを解決する方法として、表面実装可能でかつ単指向性の放射特性を有するチップ型アンテナが考えられている（特願平９−２７１１８６号）。

図２０は、このチップ型のアンテナ装置の構成図である。

このアンテナ装置１は、直方体の誘電体基体２の上面に形成されたＵ字型放射導体３、裏面に形成された接地導体５、誘電体基体２の側面に形成され、Ｕ字型放射導体３の両端を接地導体に短絡する２つの短絡導体４、およびそれら２つの短絡導体４の間、およびＵ字型放射導体３の内側に形成され、電磁結合により放射導体３に高周波電力を供給する給電導体６により構成されている。このアンテナ装置１は、放射導体３の短絡端３ａ（短絡導体４と接している辺）と開放端３ｂ（短絡端３ａに対向する辺）との距離が概ね１／４波長となる周波数で共振しアンテナとして動作する。また、誘電体内波長λｇは誘電体基体２の非誘電率εｒにより概ね１／√εｒに短縮される。したがって、このアンテナ装置１は、概ね放射導体３の短絡端３ａと開放端３ｂとの間の距離Ｌ、および誘電体基体２の非誘電率εｒにより、その動作周波数が決定される。

したがって、アンテナの動作周波数が低くなるほど上記Ｌの値が大きくなり、したがってアンテナが大型化してしまうという問題がある。これを解消するには、誘電体基体２として比誘電率の大きな誘電体材料を用いればよいが、アンテナ用材料に要求される、比誘電率温度特性に優れ、高周波で低損失な誘電体材料は一般的に高価であり、そのような高価な誘電体材料を用いるのは好ましくない。さらに誘電体内波長がほぼ１／√εｒに短縮されるため、その分アンテナの一層の加工精度が要求されることになり製造上好ましくない。

そこで、放射導体形状を工夫することにより小型化することが考えられる。

図２１は、より小型化されたチップ型のアンテナ装置の構成図である。

この図２１に示すアンテナ装置２１は、Ｕ字型放射導体３の一端のみ、放射−設置導体４により、設置導体５に接続されている。このような構造とすることにより、共振に必要な１／４波長の長さを確保するにあたり、図２０に比較してＬを約半分にすることができ、したがって、小型化が可能な構造となる。さらに放射導体３の形状をミアンダ型等にし、短絡端から開放端までの距離を稼ぐことによりさらにアンテナサイズの小型化が可能である。ただし、いずれにしろ図２０、あるいは図２１に示すような給電構造では、入力インピーダンスの整合が非常に困難であり、実用上必要な反射特性が得られないという問題点がある。

本発明は、上記問題点に鑑み、入力インピーダンスの整合の容易化が図られたアンテナ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明のアンテナ装置は、接地導体と、その接地導体に対し所定の間隔を隔てて設置された放射導体と、その放射導体の一部を接地導体へ短絡する放射−接地短絡導体と、電磁結合により放射導体に高周波電力を供給する給電導体と、その給電導体の、その給電導体に電力が供給される側の給電端より所定の距離隔てた給電−接地分岐点を接地導体に短絡する給電−接地短絡導体と、これら接地導体、放射導体、放射−接地短絡導体、給電導体、および給電−接地短絡導体を支持する誘電体基体とを備えたことを特徴とする。

本発明は、上記給電−接地短絡導体を備えたため、その給電−接地短絡導体の分岐位置により入力インピーダンスが調整される。したがってその分岐位置を適切に設定することにより、あるいは必要に応じてトリミングによりその分岐位置を調整することにより、容易に入力インピーダンスの整合が可能である。しかも、本発明は、放射導体の形状に関し、方形形状はもちろん、Ｌ字型、Ｕ字型、ミアンダ型、あるいはこれらの組み合わせ等どのような形状のものであっても適合し、従って、本発明によれば、わざわざ高誘電率材料を用いることなく、アンテナの小型化が容易に実現できる。

ここで、本発明のアンテナ装置において、接地導体および放射導体が、誘電体基体の、それぞれ下面および上面に形成されるとともに、給電導体が、誘電体基体の側面、あるいは側面から上面にかけて形成されてなるものであってもよく、あるいは、
接地導体および放射導体が、誘電体基体の、それぞれ下面および上面に形成されているとともに、給電導体の一部が、誘電体基体内部に形成されてなるものであってもよい。

また、上記本発明のアンテナ装置において、接地導体および放射導体が、誘電体基体の、それぞれ下面および上面に形成されるとともに、上記放射−接地短絡導体が、誘電体基体の側面に形成されたものであって、
このアンテナ装置が、所定の接地板上の、その接地板の一辺に近接した位置に、放射−接地短絡導体が形成された側面がその一辺の側を向くように、接地導体を接地板に接して接地板上に搭載されたものであってもよい。

ここで、上記接地板は、回路基板上に形成された接地導体パターンであってもよく、本発明にいう接地板は、回路基板とは別体の接地板と回路基板上に形成された接地導体パターンとの双方を含む概念である。

本発明によれば、放射導体形状によらず容易に入力インピーダンスの整合を得ることができ、したがって高価な高誘電率材料を用いることなく、放射導体の形状を工夫することにより容易に小型アンテナが実現できる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明のアンテナ装置の第１実施形態の斜視図、図２は、その四面図（背面図（Ａ）、平面図（Ｂ）、正面図（Ｃ）、および底面図（Ｄ））である。また、図３は、図１、図２に示すアンテナ装置の特性の測定法を示す図である。 図１，図２に示す第１実施形態のアンテナ装置１には、誘電体基体２として、１６×１４×４ｍｍの直方体形状のアルミナ系誘電体セラミックス（２ＧＨｚにおいて、εｒ＝８．０、Ｑ＝１０００、τｆ＝−８８ｐｐｍ／℃）が用いられている。その誘電体基体２の上面には、Ｕ字状の放射導体３、底面に接地導体５、側面（図１における裏面側（図２における裏面図（Ａ））の側面）に、放射導体３と接地導体５を短絡する放射−接地短絡導体４が形成されている。給電導体６は、誘電体基体２の側面（図１における正面側（図２における正面図（Ｃ））の側面）から上面（図２における平面図（Ｂ））にかけて形成されており、その給電導体６は、給電端６ａより４ｍｍの位置６ｂ（つまり、誘電体基体２の側面と上面との境界線の位置）にて幅１ｍｍのストリップ状の給電−接地短絡導体７により接地導体５に短絡されている。これらの導体は、銀−白金厚膜導体とスクリーン印刷法により誘電体基体２上に塗布することにより形成されている。

このようにして形成されたアンテナ装置１の特性を評価するにあたっては、図３に示すように１００×１００ｍｍの銅板１１上に、アンテナ装置１の、接地導体５が形成された裏面を半田付けにより接続・固定し、ＳＭＡコネクタ９の給電ピン１０で給電した。

図４は、上記第１実施形態のリターンロス周波数特性を示す図である。

この図４に示すように、上記第１実施形態の構造では、３つの共振点が現われ、それぞれの共振点いずれもがアンテナとして動作可能であるが、最低次の共振モードを利用することにより小型のアンテナ装置の実現が可能となる。以下では、最低次の共振モードについて述べる。

図５には、上記第１実施形態において、給電導体６の、誘電体基体２の上面に形成された部分の長さＬ（図５（Ｂ）参照）を変化させたときのリターンロス周波数特性の変化を、図６には、その長さＬに対する共振周波数の変化が示されている。図６に見られるように、本第１実施形態の給電構造とすることにより、アンテナの共振周波数が給電導体長Ｌにより大きく変化することがわかる。つまり、同一の誘電体寸法、同一の放射導体形状であっても、周波数を種々に調整することができる。また、アンテナ装置製造後、あるいはそのアンテナ装置を回路基板に実装した後であっても、給電導体先端をトリミングして給電導体長Ｌを調整することにより周波数を調整することが可能である。

図７は、上述の第１実施形態において、給電導体６を接地導体５へ短絡する給電−接地短絡導体７の分岐位置をトリミングした時のリターンロス−周波数特性の変化を示す図である。

図７からわかるように、給電導体６の給電端６ａから、給電−接地導体７の、給電導体６からの分岐位置６ｂまでの距離を大きくするようにトリミングしてその分岐位置６ｂを変化させることにより、共振点における抵抗値を増加させることが可能である。したがって、製造後あるいは基板実装後において、共振点での抵抗値が小さいことによるインピーダンス不整合は、トリミングにより、その分岐位置６ｂを変化させることで調整可能である。

図８、図９は、それぞれ、図１に示すアンテナ装置（第１実施形態）および図２０に示したアンテナ装置（比較例）を、１００×１００ｍｍの銅板１１の一辺に近接した位置に、給電電極６を内側に向けて搭載した状態を示す図である。また、図１０、図１１は、それぞれ、図１，図２０に示すアンテナ装置における、各放射指向性（ＹＺ面Ｅφ成分）の測定結果を示す図である。図１０、図１１における破線、実線曲線は、それぞれ、図１，図２０に示すアンテナ装置を、銅板（１００×１００ｍｍ）の中央に搭載した場合、および銅板１１上における、図８，図９に示す位置および向きに搭載した場合の測定結果である。

比較例である図２０に示したアンテナ装置の場合、図１１に示すように、銅板１１の端部に実装することによりその銅板１１の裏側への放射が増加し、ほぼ無指向性の放射パターンを示し、単指向性の放射パターンが損なわれていることがわかる。一方、図１に示した本発明の第１実施形態のアンテナ装置の場合、銅板１１の端部に実装した場合であっても、銅板１１の中央に実装した場合と同様に、銅板１１の裏面への放射が抑えられており、単指向性の放射特性が維持されていることがわかる。

携帯機器等の小型通信端末内の回路基板等へアンテナを表面実装する場合、回路基板上にはＲＦ回路等の回路部品が存在するため、回路基板を大型化せずにアンテナを実装するには、回路基板の端への実装が効率よい。このとき、給電はＲＦ回路からストリップライン等で給電されるため、アンテナ給電部は基板内側方向にある必要がある。しかしながら従来技術のアンテナでは、上述のように基板端への実装により放射端が接地パターンエッジ部にくるため、単指向性が損なわれてしまう。一方、本実施形態のアンテナ装置の場合、図１，図２を参照して説明した給電構造によりアンテナ放射端側からの給電が可能となり、単指向性の放射特性を損なうことなく基板端への実装が可能となる。これにより人体への不要電磁波の放射や人体によるアンテナ特性の劣化の少ない携帯端末の実現が可能となる。

尚、上記実施形態は最低次の共振モードを利用した単一周波数でのアンテナの利用を述べたが、より高次の共振モードを合わせて利用することにより、２周波数共用アンテナとしての利用も可能である。

図１２には、本発明のアンテナ装置の第２実施形態の斜視図、図１３は、その三面図（平面図（Ａ）、正面図（Ｂ）、および底面図（Ｃ））である。

これら図１２，図１３に示すアンテナ装置１は、誘電体基体２の上面に形成したＵ字型の放射導体４の２つの開放端のうちの一方の開放端のみを、放射−接地短絡導体４により接地導体５へ短絡した構造のアンテナ装置であり、上述の第１実施形態に比較してアンテナ長を概ね１／２に小型化することが可能である。

図１４は、本発明のアンテナ装置の第３実施形態の斜視図は、図１５は、その三面図（平面図（Ａ）、正面図（Ｂ）、および底面図（Ｃ））である。

これら図１４，図１５に示すアンテナ装置１は、図１２，図１３に示す第２実施形態と比べ、放射導体３がミアンダ形状となっている。これにより、図１２，図１３に示す第２実施形態よりもさらに小型化が可能となる。

図１６は、本発明のアンテナ装置の第４実施形態の斜視図、図１７は、その分解図（背面図（Ａ）、平面図（Ｂ）、図１６に破線で示す内面の平面図（Ｃ）、正面図（Ｄ）、および底面図（Ｅ））である。また、図１８は、本発明のアンテナ装置の第５実施形態の斜視図、図１９は、その分解図（背面図（Ａ）、平面図（Ｂ）、図１８に破線で示す内面の平面図（Ｃ）、正面図（Ｄ）、底面図（Ｅ）、および側面図（Ｆ））である。

これら図１６，図１７に示す第４実施形態、および図１８，図１９に示す第５実施形態は、給電導体６の一部を誘電体基体２の内部に形成した例である。誘電体基体２の内部に導体パターン（給電導体６の一部）を形成するには、前述した第１実施形態において説明した材料系を用い、シート積層工法を採用して製作することができる。これらの例は、放射導体、給電導体を別々の誘電体層に形成することにより、設計の自由度向上の利点がある。

以上のような、種々の放射導体形状に対して本発明の給電構造を適用することにより、容易にインピーダンスの整合が可能となる。

本発明のアンテナ装置の第１実施形態の斜視図である。 本発明のアンテナ装置の第１実施形態の四面図（背面図（Ａ）、平面図（Ｂ）、正面図（Ｃ）、および底面図（Ｄ））である。 図１、図２に示すアンテナ装置の特性の測定法を示す図である。 第１実施形態のリターンロス周波数特性を示す図である。 第１実施形態において、給電導体の、誘電体基体の上面に形成された部分の長さＬを変化させたときのリターンロス周波数特性の変化を示す図である。 第１実施形態において、給電導体の、誘電体基体の長さＬに対する共振周波数の変化を示す図である。 第１実施形態において、給電導体を接地導体へ短絡する給電−接地短絡導体の分岐位置をトリミングした時のリターンロス−周波数特性の変化を示す図である。 図１に示すアンテナ装置（第１実施形態）を、１００×１００ｍｍの銅板の一辺に近接した位置に、給電電極６を内側に向けて搭載したことを示す図である。 図２０に示したアンテナ装置（比較例）を、１００×１００ｍｍの銅板の一辺に近接した位置に、給電電極６を内側に向けて搭載したことを示す図である。 図１に示すアンテナ装置における放射指向性（ＹＺ面Ｅφ成分）の測定結果を示す図である。 図２０に示すアンテナ装置における放射指向性（ＹＺ面Ｅφ成分）の測定結果を示す図である。 本発明のアンテナ装置の第２実施形態の斜視図である。 本発明のアンテナ装置の第２実施形態の三面図（平面図（Ａ）、正面図（Ｂ）、および底面図（Ｃ））である。 本発明のアンテナ装置の第３実施形態の斜視図である。 本発明のアンテナ装置の第３実施形態の三面図（平面図（Ａ）、正面図（Ｂ）、および底面図（Ｃ））である。 本発明のアンテナ装置の第４実施形態の斜視図である。 本発明のアンテナ装置の第４実施形態の分解図（背面図（Ａ）、平面図（Ｂ）、図１６に破線で示す内面の平面図（Ｃ）、正面図（Ｄ）、および底面図（Ｅ））である。 本発明のアンテナ装置の第５実施形態の斜視図である。 本発明のアンテナ装置の第５実施形態の分解図（背面図（Ａ）、平面図（Ｂ）、図１８に破線で示す内面の平面図（Ｃ）、正面図（Ｄ）、底面図（Ｅ）、および側面図（Ｆ））である。 このチップ型のアンテナ装置の構成図である。 このチップ型のアンテナ装置の構成図である。

符号の説明

１ アンテナ装置
２ 誘電体基体
３ Ｕ字型放射導体
４ 短絡導体
５ 接地導体
６ 給電体
６ａ 給電導体端
６ｂ 給電−接地短絡位置
７ 給電−接地短絡導体
９ ＳＭＡコネクタ
１０ 給電ピン
１１ １００×１００ｍｍの銅板

Claims (2)

1. 接地導体、放射導体、該放射導体の一部を前記接地導体へ短絡するための放射−接地短絡導体、及び給電導体と、これらを支持する誘電体基体とからなるアンテナ装置であって、
   接地導体が誘電体基体の下面に形成され、放射導体が該誘電体基体の上面に形成され、放射−接地短絡導体が該誘電体基体の一つの側面に形成され、給電導体が電磁結合により前記放射導体に高周波電力を供給するように形成され、該給電導体は該誘電体基体の放射−接地短絡導体と対向する側面、該側面から上面に形成されており、
   該給電導体は、電力が供給される側の給電端より所定の距離隔てた給電−接地分岐点と前記接地導体に短絡する給電−接地短絡導体が形成され、
   前記給電−接地分岐点が誘電体基体の表面に形成され、
   放射導体がＵ字型であり、且つ、給電導体が側面から上面にかけて形成していて、
   前記放射導体がミアンダ形状となっていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記接地導体および前記放射導体が、前記誘電体基体の、それぞれ下面および上面に形成されるとともに、前記放射−接地短絡導体が、前記誘電体基体の側面に形成されたものであって、前記アンテナ装置が、所定の接地板上の、該接地板の一辺に近接した位置に、前記放射−接地短絡導体が形成された側面が該一辺の側を向くように、前記接地導体を該接地板に接して該接地板上に搭載されたものであることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。

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