JP4047283B2 - マイクロ波アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、基板と少なくとも一つの共振金属化（メタライゼーション）構造を有するマイクロ波アンテナ、特にプリント基板（ＰＣＢ）に表面実装するマイクロ波アンテナに関する。本発明は、この種のプリント基板及びこのようなマイクロ波アンテナを有する移動体通信デバイスにも関する。

移動体通信においては、マイクロ波帯の電磁波が情報伝送のために使用される。例えば、ＧＳＭ携帯電話標準では、８９０〜９６０ＭＨｚの周波数帯（ＧＳＭ９００）、１７１０〜１８８０ＭＨｚの周波数帯（ＧＳＭ１８００又はＤＣＳ）及び１８５０〜１９９０ＭＨｚの周波数帯（ＧＳＭ１９００又はＰＣＳ）を使うもの、またＵＭＴＳ帯（１８８５〜２２００ＭＨｚ）を使うものがあり、無線電話用のＤＥＣＴ標準では１８８０から１９００ＭＨｚの周波数帯を使い、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ標準では２４００〜２４８０ＭＨｚの周波数帯を使う。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ標準の目的は、例えば携帯電話とコンピュータや他の携帯電話などの他の電子デバイスとの間でデータの交換を可能とすることにある。

この場合には、アンテナは電磁共鳴を生起して電磁エネルギーを放射する。これは、放出する電磁波の波長の少なくとも四分の一に等しいアンテナ長を必要とする。従って、空気が誘電体である場合（ε_ｒ＝１）、１０００ＭＨzの周波数に対し必要とされるアンテナ長は７５ｍｍである。

放出電磁波に対して所定の波長におけるアンテナのサイズを最小にするためには、ε_ｒ＞１の比誘電率を有する誘電体をアンテナの基本構成要素として使用することができる。これにより誘電体内における電磁波の波長を１／√ε_r倍だけ短縮することができる。従って、この種の誘電体に基づくアンテナのサイズはこの倍率だけ小さくなる。

この種のアンテナは誘電体材料のブロック(基板)を具える。この基板の表面に、１つ以上の所望の周波数帯により決定される１つ以上の共振金属化構造が被着される。共振周波数の値は、プリント金属化構造の寸法と基板の比誘電率の値とにより決まる。共振周波数の値は、金属化構造の長さが増大するにつれて低くなるとともに、比誘電率の値が高くなるにつれて低くなる。この種のアンテナはプリントワイヤアンテナ（ＰＷＡ）又は誘電体ブロックアンテナ（ＤＢＡ）とも呼ばれ、例えばＤＥ１００４９８４４．２及びＤＥ１００４９８４５．０に開示されている。

このようなアンテナの特定の利点は、これらのアンテナは、必要とされる他の構成要素とともに、プリント基板（ＰＣＢ）に直接表面実装（ＳＭＤ）により取り付けることができる、即ち、プリント基板に平らにはんだ付けするとともに接触を達成することにより取り付けることができ、電磁パワーの供給に必要とされる追加の取り付け具(ピン)を必要としない点にある。

しかし、これらのアンテナは、それらの電気特性が、例えばプラスチック周囲筐体の性質及び該筐体がアンテナからどのくらい離れているかなどの環境の特性により影響され、またアンテナがＰＣＢにはんだ付けされる位置にも依存する欠点がある。例えば、アンテナがＰＣＢの右上コーナ部に実装するよう設計されている場合、このアンテナを他の場所に装着するとその入力特性に大きな変化、例えば中心周波数のシフトを生じ、ひいてはその放射特性に変化を生ずる。

本発明の目的は、その電気特性が、アンテナがプリント基板上に取り付けられる位置、特にコーナ部に少なくとも殆ど依存しないマイクロ波アンテナを提供することにある。

本発明の目的は、その電気特性が、周囲筐体の性質及び距離に少なくとも殆ど依存しないマイクロ波アンテナも提供することにある。

本発明の目的は、更に、頭書に述べた移動体通信のための種々の周波数帯域に対するデュアルバンド又はマルチバンドアンテナとして好適なこの種のマイクロ波アンテナを提供することにある。

最後に、本発明の目的は、その製造コストが既知のマイクロ波アンテナより著しく低いマイクロ波アンテナを提供することにある。

この目的を達成するために、本発明のマイクロ波アンテナは、請求項１に記載したように、基板と、少なくとも１つの共振金属化構造と、放射すべきＨＦパワーを給電するための少なくとも第１及び第２の給電点とを備え、これらの給電点は、当該アンテナをプリント基板上のそれぞれ異なる位置に取り付ける場合に、各位置において、アンテナの電気特性が少なくとも実質的に変化しない給電点を選択できるように配置されていることを特徴とする。

上記の目的を達成するこの方法の特定の利点は、この手段は頭書に記載したすべての周波数帯域用のアンテナ及びデュアルバンド及びマルチバンドアンテナにも適用することができる点にある。

従属請求項は本発明の他の有利な実施例に関連する。
請求項２、３及び４に記載された他の実施例によれば、アンテナの電気特性を、その位置が変化しても、特に高度に不変のままにすることができる。

請求項５に記載の他の実施例の利点は、アンテナが取り付けられた状態でもその共振周波数を調整することができる。これは特に請求項７に記載の他の実施例について言え、アンテナが取り付けられたら、もはやＰＣＢ上の金属化構造に接近することができない場合でも、その共振周波数を調整することができる。

請求項７に記載の他の実施例は、製造において著しいコスト削減が得られる利点を有する。その理由は、基板の一方の主表面上にのみプリント(又はエッチング)を行って金属化構造を付与する必要があるだけであるためである。アンテナをＰＣＢ上に、金属化構造を坦持する基板の主表面がＰＣＢ上に載置するように取り付けると、更なるコスト削減が達成される。その理由は、この場合には金属化構造との接触のためにはんだ付け点が必要とされのみで、給電ピンが不要になるためである。

最後に、請求項６及び８に記載の他の実施例によれば、共振周波数に関して頭書に記載した周波数帯域において特に良好なアンテナ特性を達成することができる。

本発明のこれらの特徴及び他の特徴は以下に記載する実施例を参照すると明らかになる。図面において、図１は本発明のアンテナの第１の実施例の平面図、図２は本発明のアンテナを種々の位置に備えるプリント基板の概略図、図３は本発明のアンテナの第１の実施例のＳ₁₁パラメータを示す曲線、図4は本発明のアンテナの第２の実施例の平面図、図５は本発明のアンテナの第２の実施例のＳ₁₁パラメータを示す曲線である。

アンテナ１０は、それらの基本型に関する限り、所謂プリントワイヤアンテナ（ＰＷＡ）又は誘電体ブロックアンテナ（ＤＢＡ）であり、少なくとも１つの共振金属化構造が基板１１に被着されている。従って、問題のアンテナは、原理的には、ワイヤアンテナであり、マイクロストリップラインアンテナと異なり、基板の背面に基準電位点を形成するための金属領域を持たない。

以下に記載する実施例は、その高さがその長さ又は幅の1／３〜1／１０のほぼ平行６面体のブロックの形態の基板１１を有する。これに基づいて、図１及び図４に示す図では上部表面である基板１１の（大きい）表面を、本明細書では、上部主表面といい、プリント基板２０の上に載置される表面を下部主表面といい、これらの表面と直交する表面を側面という。

しかし、基板として直角平行６面体の外に他の幾何形状、例えば円柱体を使用し、これに、例えばらせんパスに続く対応する共振金属化構造を被着することもできる。

基板はポリママトリクス内にセラミック粉末を埋め込んで製造することができ、これらの基板はε_ｒ＞１の比誘電率及び又はμ_ｒ＞１の相対透磁率を有する。

正確にいうと、図１に示すアンテナ１０の第１の実施例は、約１０．５ｍｍの長さ、約２．４ｍｍの幅及び１ｍｍの高さを有する平行６面体状の誘電体基板１１を具える。基板材料は約２１．５の比誘電率ε_ｒを有する。

基板１１の下部主表面に第１の共振金属化構造１（破線で示されている）が被着され、これは第１の接続点（はんだ付け点）２を経て接地電位に接続される。金属化構造１はプリント導体の形態の１つ以上の金属化層で形成することができ、これらの金属化層は必要に応じ異なる幅にすることもできる。図示の第１の実施例では、金属化構造は基板の全長に亘ってほぼ蛇行形状の構造で延在し、Ｌ／√ε_ｒの電気実効長Ｌ’を有する。ここで、Ｌは自由空間における信号の波長である。金属化構造のサイズは、その長さが、アンテナが電磁パワーを放射する波長の約半分に等しくなるようにする。例えば、アンテナがＢｌｕｅｔｏｏｔｈ標準のために機能するものであって、２４００〜２４８３．５ＭＨｚの周波数帯で動作する場合には、自由空間におけるＬは約１２．５ｃｍになる。基板の比誘電ε_ｒが２１．５であるものとすると、波長の半分０．５Ｌ’、従って金属化構造１に必要とされる幾何形状長さは約１３．４８ｍｍに短縮される。

共振金属化構造１は基板１１内に埋め込むこともできる。
基板１１の下部主表面上には、共振金属化構造１に加えて、放射すべきＨＦパワーの容量給電用の給電点として使用する少なくとも２つの他の金属化構造を設ける。

図１に示すように、これらの給電点は第１給電点３および第２給電点４であり、これらの給電点３及び４は、第１接続点２の領域において、基板１１の下部主表面の対向縁部に、基板の縦軸に対し対称に配置する。製造上の理由から、給電点３、４は基板１１の縁から約２００μｍ離間させるのが好ましい。第１接続点２と同様に、給電点３、４もプリント基板２０の対応する接点にはんだ付けされる。

このように基板１１の一方の縦方向端領域に３つのはんだ付け点（２，３，４）があるため、ＰＣＢ２０を例えば湾曲させて確実な接触を得る場合には、他のはんだ付け点５を設けて機械的ロードベアリングキャパシティを向上させることができる。はんだ付け点５は基板１１の他方の縦方向端領域に、機械的理由のために、下部主表面上に配置する。

図２は、例えば９０×３５ｍｍの移動体通信デバイス用の典型的な寸法のＰＣＢ２０の概略図である。アンテナ１０は通常この種のＰＣＢ２０の４つのコーナ部の１つに取り付けられる。図２では、右上及び左上コーナ部の各々に示されている。

図２からも明らかなように、共振金属化構造１への第１接続点２は第１プリント導体２１及び２２にそれぞれはんだ付けされる。放射すべきＨＦパワーの容量給電はそれぞれ第２及び第３プリント導体２３及び２４を介して行われる。アンテナ１０の電気特性が該アンテナをＰＣＢ２０のコーナ部の１つに配置することにより影響されないようにする条件は、それぞれの場合に好適な給電点３，４をこの給電のために選択することにある。

図２から明らかなように、アンテナ１０を左上コーナ部に位置させる場合には、第１給電点３を選択し、第１プリント導体２３にはんだ付けし、アンテナ１０を右上コーナ部に位置させる場合には、第２給電点４を選択し、第２プリント導体２４に接続する。各場合においてどちらの給電点３，４が使用されなくても、その給電点は未接続のままとし、従って浮遊電位とする。

アンテナ１０を図２の左下又は右下コーナ部に位置させる場合にも、同じことが言えるが、鏡面対称になる。

図２に示すアンテナ１０の２つの位置に対してＳ₁₁パラメータの測定を行い、互いに比較した。これらの測定結果を図３に示す。破線Ｉは、ＰＣＢの左上コーナ部に位置するときのアンテナ１０のＳ₁₁パラメータの測定結果を表す曲線であり、右上コーナ部にあるときのアンテナ１０のＳ₁₁パラメータは実線IIで表されている。図２に見られる２つの共振周波数間の約２ＭＨｚの差は、２つの位置を正確に再現できなかったことにより生じたものである。

デュアルバンド又はマルチバンドアンテナを生成するためには、２つ以上の共振金属化構造を基板１１に被着する、又は基板１１内に埋め込むことができる。

驚いたことに、アンテナ１０の所望の電気特性を得るためには、特に金属化構造が図示の蛇行形状構造(又は他の適切な構造)の場合には、完全な金属化構造１を基板１１の一つの主表面にのみ被着すれば十分であることが確かめられた。給電点及び接続点３，４，２もこの主表面に位置する場合には、通常２以上の表面に分布される金属化構造１を被着するために基板１１を３次元にプリントする必要がないため、アンテナの製造コストを著しく低減し得るという重要な利点が得られる。

更に、アンテナ１０をＰＣＢ２０上に、金属化構造１，２，３，４を担持する主表面が下部主表面になるように実装すれば、これらの金属化構造と接触する給電ピンが不要になる（はんだ付け点のみでよい）。

図４は、本発明のアンテナ１０の第２の実施例を示し、図１に示す第１の実施例と同一もしくは対応する部分は図１と同一の符号で示す。

このアンテナ１０も基板１１を備え、共振金属化構造１が図では基板１１の下部表面である主表面に被着されている。この金属化構造１もまた第１接続点２を介してＰＣＢ(図示せず)の接地電位に接続されるとともに、給電点によって容量的に給電される。第２の実施例では、図１に示す第１の実施例の第１及び第２の給電点に対応する第１及び第２給電点３，４に加えて、第３及び第４給電点６，７が設けられ、これらの追加の給電点６，７は基板の横軸を中心に第１及び第２給電点３，４に対称に配置されている。

このアンテナ１０は金属化構造１の第１接続点２とは反対側の端に配置された第２接続点８も備え、該接続点はＰＣＢ(図示せず)のプリント導体９に接続される。

プリント導体９はチューニングスタブであり、これにより金属化構造１の共振周波数を、アンテナ１０が装着された状態で、例えばその長さをレーザで短くすることにより、調整することができる。従って、アンテナ１０が装着された状態では、基板１１の下部主表面上の金属化構造１はもはや接近不能であるが、アンテナ１０はこの状態で同調可能である。

図５はアンテナ１０の入力特性をプリント導体９の２つの異なる長さに対して測定されたＳ₁₁パラメータで示したものである。破線Ｉはプリント導体9が約３ｍｍ長であるときのＳ₁₁パラメータ値を示す曲線であり、実線IIは導体9を約２mmの長さに短縮した後のＳ₁₁パラメータ値を示す曲線である。両曲線から明らかなように、このように導体9を短縮すると、アンテナ１０の共振周波数は約２．４ＧＨｚから約２．４５ＧＨｚにシフトした。

この実施例は、給電点３，４，６，７の対称配置のために、アンテナ１０を、必要に応じ、ＰＣＢ２０上に図平面内で１８０°回転した位置に装着することもできる利点も有する。これにより、例えば大量生産において、アンテナ１０がＰＣＢ２０上に正しく位置しているか検査する目視検査を不要とすることができ、従って時間と経費を節約することができる。

アンテナ１０の配置については、第１の実施例について述べたことと同一のことが適用され、図２と同じようにする。この実施例でも、未使用の給電点は未接続のままとする。

最後に、この実施例は、基板１１の長さに亘って、(下部)主表面のほぼ中心を延在するほぼ一直線の代替金属化構造１を有する。この金属化構造１の長さに沿って２つのはんだ付け点５が設けられ、これらのはんだ付け点はアンテナ１０をＰＣＢ２０に固定する追加の機械的固定手段を提供する。

従って、本発明のアンテナ１０は種々のレイアウトのプリント基板に、それらの寸法、金属化構造又は接続を変えることなく、使用するのに好適である。このことは、特に、頭書に記載した種類の種々の周波数バンド用の複数の共振金属化構造を設ける場合には、移動体通信用の種々のデバイスに使用可能とする汎用性をもたらす。

最後に、複数の金属化構造を１を有するデュアルバンド又はマルチバンドアンテナの場合には、金属化構造１の共振周波数のチューニングに使用するプリント導体９をＰＣＢ２０上に各金属化構造１に対して設けることができる。

上述した対称配置の給電点３，４，６，７が設けられていない、あるいは、金属化構造が複数の表面に広がっている基板アンテナでも、ＰＣＢ２０上に配置されたプリント導体９に接続し、この導体９の長さを変化させることにより当該金属化構造の共振周波数を調整することができることもちろんである。従って、この種のプリント導体９による可同調性は対称給電点又は一主表面上のみを延在する金属化構造を有するこの種のアンテナに限定されない。

本発明のアンテナの第１の実施例の概略平面図である。 本発明のアンテナを種々の位置に備えるプリント基板の概略図である。 本発明のアンテナの第１の実施例のＳ₁₁パラメータを表す曲線を示す図である。 本発明のアンテナの第２の実施例の概略平面図である。 本発明のアンテナの第２の実施例のＳ₁₁パラメータを表す曲線を示す図である。

Claims (10)

1. 基板と、少なくとも１つの共振金属化構造と、放射すべきＨＦパワーを給電するための少なくとも第１及び第２の給電点とを備えるマイクロ波アンテナであって、これらの給電点は、該アンテナをプリント基板上のそれぞれ異なる位置に取り付ける場合に、各位置において、アンテナの電気特性が少なくとも実質的に変化しない給電点を選択できるように配置されていることを特徴とするマイクロ波アンテナ。
2. 前記給電点は、前記基板の主表面の縁部領域に、前記基板の縦軸及び又は横軸に対称に配置されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波アンテナ。
3. 放射すべきＨＦパワーは前記給電点を介して前記少なくとも１つの金属化構造に容量結合されることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波アンテナ。
4. 前記少なくとも１つの金属化構造は第１接続点を介してプリント基板の接地電位に接続されることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波アンテナ。
5. 前記少なくとも１つの金属化構造は、第２接続点を介してプリント基板上のプリント導体に接続され、取り付けられた当該アンテナの共振周波数を調整するために該導体の長さを変えることができることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波アンテナ。
6. 前記第１及び第２接続点は前記少なくとも１つの金属化構造の両端に位置することを特徴とする請求項５記載のマイクロ波アンテナ。
7. 前記少なくとも１つの金属化構造と前記給電点及び接続点は前記基板の１つの主表面上に位置することを特徴とする請求項１記載のマイクロ波アンテナ。
8. 前記少なくとも１つの金属化構造は蛇行形状構造であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波アンテナ。
9. 請求項１−８の何れかに記載のマイクロ波アンテナを有することを特徴とする、特に電子素子表面実装用のプリント基板。
10. 請求項１−８の何れかに記載のマイクロ波アンテナを有する電気通信デバイス。

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