JP4138817B2

JP4138817B2 - 直交ヘリカルアンテナ

Info

Publication number: JP4138817B2
Application number: JP2006132927A
Authority: JP
Inventors: 碩 ▲哀▼; 宰碩成; 靖彦眞野
Original assignee: 三星電機株式会社
Priority date: 2005-05-16
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2026-05-11
Also published as: KR20060118267A; JP2006325208A; KR100691162B1; US20060256031A1; US7324063B2

Description

本発明は移動通信端末機に具備され無線信号を送受信するアンテナに関するもので、特に移動通信端末機内部に構成され低い帯域の信号を処理することが可能なヘリカルアンテナに関する。

最近、移動通信端末機に搭載される無線技術の増加により、移動通信端末機のアンテナの使用周波数帯域が多様になる趨勢にある。具体的に、現在移動通信端末機から使用される周波数帯域には、携帯電話(８００ＭＨｚ〜２ＧＨｚ)、無線ＬＡＮ(２．４ＧＨｚ、５ＧＨｚ)、非接触式ＲＦＩＤ(１１３．５６ＭＨｚ)、ブルートゥース(Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ)(２．４ＧＨｚ)、ＧＰＳ(１．５７５ＧＨｚ)、ＦＭラジオ(88〜108ＭＨｚ)、ＴＶ放送(４７０〜７７０ＭＨｚ)、ＵＷＢ、Ｚｉｇｂｅｅ及びＤＭＢ(Digital Multimedia Broadcasting)放送等がある。ここでＤＭＢは衛星ＤＭＢ(２６３０〜２６５５ＭＨｚ)と地上波ＤＭＢ(１８０〜２１０ＭＨｚ)で区分される。

また移動通信端末機は小型化及び軽量化されつつも、多様なサービス提供機能が要求されている。このような要求を満足させるため移動通信端末機に採用されるアンテナ及び部品らは多機能化され、同時に漸次小型化されつつある。さらに、最近移動通信端末機に使用されるアンテナは漸次端末機の中に内蔵される趨勢にある。従って、移動通信端末機内部に装着されるアンテナは、端末機内部で非常に小さいアンテナ容積を占めながらも必要な性能を満足させることが要求されている。

図１は一般的な内蔵型平面逆アンテナ(ＰＩＦＡ)の構造図である。

平面逆アンテナ(ＰＩＦＡ)は移動端末機に内蔵することが可能なアンテナとして、図１に図示された通り、基本的に平面形状の放射部２、上記放射部２に連結された接地ライン４、給電ライン５、及び接地板９で構成される。上記放射部２は給電ライン５を通じ給電され、上記接地ライン４により接地板９と短絡させインピーダンス整合を成すこととなる。上記ＰＩＦＡは接地ライン４の幅Ｗｐと放射部２の幅Ｗに伴い上記放射部２の長さＬとアンテナの高さＨを考慮して設計すべきである。

このようなＰＩＦＡは上記放射部２に誘起された電流により発生される全体ビームのうち接地面側に向うビームが再誘起され人体に向うビームを減殺させＳＡＲ特性を改善すると同時に放射部方向に誘起されるビームを強化させる指向性を有し、直四角形の平板形放射部の長さが半分に減少された直四角形のマイクロストリップアンテナとして作動することとなり低いプロファイル構造を実現することが可能である。また、ＰＩＦＡは内蔵型アンテナとして端末機の内部に構成されるため、端末機の外観を秀麗にデザインすることが可能で外部の衝撃にも優秀な特性を有する。

図２及び図２ａは従来の内蔵型ヘリカルアンテナの構成図及び透視図である。

図２及び図２ａを参照すると、従来の内蔵型ヘリカルアンテナ２０は誘電体基板２１に給電ライン２２と、接地ライン２３及びヘリカル形状の放射部２４で構成される。

上記給電ライン２２と接地ライン２３は上記誘電体基板２１の下面に形成され、上記放射部２４に連結される。上記放射部２４は基板２１の下面に複数の下部電極２５が上記給電ライン２２及び接地ライン２３と平行に配列されている。そして、上記基板２１の上面には上記下部電極２５と斜めに配列された複数の上部電極２６が配列される。そして、上記下部電極２５の下端と上部電極２６の下端は伝導性ペースト(paste)によって満たされるビアホール(via hole)２７を通じて連結される。そして上記下部電極２５の上端が他の側面電極２７-１により隣接して配列された後上部電極及び下部電極２５-１に連結されることによりヘリカル構造のアンテナを形成することが可能である。

図３は図２の従来のヘリカルアンテナの共振周波数特性を示す図面である。

図３では、長さ２０ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ１ｍｍを有する基板２１を使用し、放射部２４の全長は１４．６ｃｍで、ターン(turn)数は２１の場合のヘリカルアンテナ２０に対するアンテナの動作周波数を示す。グラフの横軸は周波数(ＧＨｚ)、縦軸はＳ１１パラメータ(ｄＢ)を示す。図３を参照すると、従来のヘリカルアンテナ２０は５７０ＭＨｚ付近３０で共振が起こることが分かり、放射効率が４１．９０％であることを実験的に確認することが可能である。

上記図２及び図３に図示された通りの従来の内蔵型アンテナは１ＧＨｚ程度以上の周波数領域では約１０ｍｍ×１０ｍｍ程度の大きさを有するよう製作することが可能である。しかし、地上波ＤＭＢ放送のための移動通信端末機のようにアンテナが処理する周波数が数百ＭＨｚ以下帯域に落ちると、端末機のアンテナに要求される長さ(１/λ、１/２λまたは１/４λ、ここでλは電波の波長)は数十ｃｍに至ることとなる。従って、従来の内蔵型アンテナを利用する場合、地上波ＤＭＢ放送等のように低い帯域の周波数を処理することが不可能となる問題がある。また携帯型電話機のような移動通信端末機内部に内蔵され使用されることが可能なアンテナの大きさは５ｃｍ以下になるべきである。従って、従来の内蔵型アンテナ技術を利用してアンテナを製作する場合その大きさが数十ｃｍとなり、内蔵型アンテナとして実用性が喪失されるという問題がある。

本発明は上記のような問題点を解消するため提案されたものとして、本発明の目的は地上波ＤＭＢ放送に使用される移動通信端末機に内蔵することが可能でありつつ、小型で容易に具現することが可能なアンテナを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に伴う直交ヘリカルアンテナは、磁性誘電材料からなる基板と、上記基板の下面に配列される複数の下部電極と、上記基板の上面で、上記各々の下部電極と所定角度で交差するよう配列される複数の上部電極と、上記複数の下部電極と上記複数の上部電極を各々電気的に連結するための複数の側面電極とを含み、上記各々の下部電極に流れる電流により上記下部電極の周囲に形成される少なくとも一部の磁気ベクトルモーメントの方向が、上記各々の下部電極に対応する上部電極に流れる電流の方向と平行するよう形成されることを特徴とする。また、上記下部電極はくさび状で形成され、上記上部電極は中央が折り曲げられた折曲部を有することが好ましい。

本発明では、上記基板がフェライト(ferrite)またはフェライト-樹脂複合材料で形成されることが好ましい。

また、上記上部電極と上記下部電極は８０〜１００度で交差するよう構成することが可能で、９０度で交差するよう構成することが好ましい。

本発明によると、移動通信端末機に内蔵することが可能でありつつ、地上波ＤＭＢ放送のようなＶＨＦ周波数とＤＶＢ-ＨのようなＵＨＦ周波数帯域で使用可能なアンテナを小型で製作することが可能な利点がある。

また本発明によると、ヘリカルアンテナの上部電極及び下部電極が交差構造を形成することにより磁化容易軸を強化させ共振周波数を延長することが可能で、これによりアンテナを小型で製作しながらも放射効率を高めることが可能な利点がある。

以下、本発明の好ましい実施例の詳細な説明を添付された図面を参照して説明する。図面中、参照番号及び同一構成要素に対しては他の図面上に表示されても可能な限り同一参照番号及び符号で示されていることに留意すべきである。下記に本発明を説明するにおいて、関連された公知機能または構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明確にしていると判断される場合にはその詳細な説明を省略してもよい。

図４及び図４ａは各々本発明の実施例に伴う直交ヘリカルアンテナの構成図及び透視図である。

図４及び図４ａを参照すると、本発明の実施例に伴う直交ヘリカルアンテナ４０は磁性体性質を有する基板４１と、給電部４２と、接地部４３及び放射部４４を含む。

上記基板４１は実質的に直六面体（直方体）の形状を有することが好ましく、下記のような理由で磁性体及び誘電体性質を有するフェライト(ferrite)またはフェライト-樹脂複合材料のような磁性誘電材料で形成される。

アンテナ小型化の基本になる共振長さ(resonant length)の短縮率は次の数式１と連関される。

ここで、λはアンテナの実際使用波長、λ０は自由空間における波長、εは誘電常数、そしてμは投資率を示す。

従来には一般的にアンテナに誘電率(ε)が４〜７のガラスセラミックス(glass ceramics)を使用した。しかし上記数学式１で分かるように、アンテナの長さを短縮させるため誘電率を高くすると共振長さが小さくなるが、アンテナの使用帯域幅(bandwidth)が狭くなる短所が発生するため、むやみには誘電率を高めることが不可能な問題がある。その反面、磁性体の場合は投資率を大きくしても帯域幅に及ぼす影響が少ない特性を有する。従って、一般的な高誘電率の基板(投資率＝１)を使用する場合より、誘電率(ε)と投資率(μ)を同時に有する材料の基板を使用するとアンテナの共振長さの短縮率が大きくなり、これによってアンテナ導線の長さが減少することとなり結果的により小型化を成すことが可能となる。

従って、本発明では上記基板４１の材料として投資率(μ)が２〜１００、誘電率(ε)が２〜１００を有するフェライト-樹脂複合材料を利用する場合、一般的なアンテナに主に使用される誘電率(ε)が４〜７のガラスセラミックス(glass ceramics)より、波長短縮率が大きくなりアンテナの小型化がさらに容易になる。また本発明では上記基板４１として誘電体及び磁性体特性を全て有するフェライト(ferrite)を使用することも可能である。

上記給電部部４２は上記基板４１の下面一側端部に形成され、移動通信端末機の回路部(未図示)に連結され、上記回路部から給電される。

上記接地部４３は上記基板４１の下面一側で上記給電部４２と平行に隣接して形成され、上記移動通信端末機に構成された接地部(未図示)に連結されアンテナを接地させる。図４に伴う実施例では逆Ｆタイプのアンテナ(ＰＩＦＡ)が開示されている。

しかし、上記直交ヘリカルアンテナ４０は上記接地部４３が存在しないモノポール形態のアンテナとして使用されることも可能で、これもまた本発明の範囲に含まれる。

上記放射部４４は複数の下部電極４５と、複数の上部電極４６及び複数の側面電極４７を含む。また、本発明では上記基板４１の材料として磁性誘電材料を使用する場合に、アンテナの使用可能な周波数帯域を大きく向上させるため上記放射部４４の下部電極４５及び上部電極４６が次のように上記基板４１の厚さＴ方向に離隔され所定角度で交差するよう配列される。

上記下部電極４５は上記基板４１の下面に形成され、上記給電部４２及び接地部４３に連結される。上記下部電極４５は中心部が折曲されたくさび形状の導電線で形成される。そして上記複数の下部電極４５は同一形状で繰り返されるパターンを有し、上記基板４１の長さ方向Ｌに相互離隔され配列される。

上記上部電極４６は上記基板４１の上面に形成される。上記上部電極４６は上記下部電極４５と上記基板４１の厚さ方向に離隔され相互所定角度を成し重なるよう配列される。上記上部電極４６は中心部が折り曲げられた折曲部を有することにより、上記下部電極４５と上下に重なる構造を形成することが可能である。

また、上記上部電極４６の下端が側面電極４７により対応する下部電極４５の下端に連結され、上記上部電極４６の上端に他の側面電極４７-１により隣接して配列された後下部電極４５-１の上端に連結されることによりヘリカル構造のアンテナを形成することが可能である。

また、上記アンテナ４０は折曲部ように尖鋭な部分で放射が多く起こるようになる。従って、上記折曲部は本発明に伴うアンテナ４０の放射効率を高める機能をする。

上記側面電極４７は上記下部電極４５と上記上部電極４６を電気的に連結する。上記側面電極４７は上記基板４１に形成されたビアホール(via hole)からなり、上記ビアホールには導電性ペーストが満たされ得る。また、上記側面電極４７は上記下部電極４５及び上部電極４６と一体の導電体で形成されることも可能である。

図５は図４の本発明の実施例に伴う直交ヘリカルアンテナ４０の共振周波数特性を示す図面である。

図５では、長さＬ２０ｍｍ、幅Ｗ３ｍｍ、厚さＴ１ｍｍを有する基板４１を使用し、放射部４４の全長は１４．４ｃｍで、ターン(turn)数は２５の場合のヘリカルアンテナ４０に対するアンテナの動作周波数を示す。この際上下部電極４５、４６の幅は０．５ｍｍ、各々の上下部電極４５、４６間の離隔された距離は０．２ｍｍ、投資率は１０、及び誘電率は１０である。グラフの横軸は周波数(ＧＨｚ)、縦軸はＳ１１パラメータ(Ｓ(WavePort1、WavePort1))(ｄＢ)を示す。

図５を参照すると、本発明に伴うヘリカルアンテナ４０は２３０ＭＨｚ付近５０で共振が起こることが分かり、放射効率は５５．６０％であることを実験的に確認することが可能である。そして、もし基板４１の厚さを０．３ｍｍまで減らした場合(長さ２０×幅３×厚さ０．３ｍｍ、０．０１８ｃｃ)にも放射効率が４２．３０％と高い放射効率を示すことを実験的に確認することが可能であった。一般的にアンテナの共振周波数はアンテナインピーダンスマッチング後に数十ＭＨｚ程度調節が可能なため、本発明に伴うアンテナ４０は地上波ＤＭＢ領域(１８０〜２１０ＭＨｚ)でも有効に使用可能であることが分かる。

図６及び図７は本発明の実施例に伴う直交ヘリカルアンテナの動作原理を説明する図面である。

先ず、図６は本発明に伴う直交ヘリカルアンテナに流れる電流方向と形成される磁界の方向を示す図面である。図６を参照すると、本発明に伴う直交ヘリカルアンテナは磁性誘電材料からなる基板４１の下面と上面に各々形成される下部電極４５と上部電極４６が上下に離隔され相互所定角度(θ)で交差して重なるよう配列される。上記下部電極４５と上部電極４６との間で成される角(θ)は約８０〜１００度を成すよう配列されることが可能で、好ましくは約９０度を成すよう配列される。このような構造で、上記下部電極４５に流れる電流５１はフレミングの右手の法則により下部電極４５周囲に磁気場５２を形成する。

図７は本発明に伴う上部電極４６に流れる電流と磁界方向を示す図面である。図７を参照すると、上記下部電極４５に流れる電流５１により形成された磁気場５２の方向は上部電極４６に流れる電流の方向と平行になる。従って、上記磁気場５２に対応する磁気モーメントベクトル(magnetic moment vector)は上部電極４６に流れる電流５３の方向と平行になる。

これによって上部電極４６周囲に分布した磁性体の、上部電極４６の電流方向と平行な磁化容易(easy)軸が強化される効果を得ることが可能である。上記図７では上記磁気モーメントベクトルと上部電極４６に流れる電流５３の方向が相互平行に同一な場合を示している。また、上記磁気モーメントベクトルと上部電極４６に流れる電流５３が相互異なる方向を向ける場合にも、相互平行な状態であれば上記と同一に磁化容易(easy)軸が強化される効果を得ることが可能である。

もし基板４１が等方性磁性材料から形成されるとしても同一に磁化容易軸が強化される効果を得ることが可能である。従って、強化された磁化容易軸は有効異方磁界を増加させることとなり、その結果本発明に伴う直交ヘリカルアンテナの共振周波数が延長され、また同一周波数において損失値も減ることとなる。

図８及び図８ａは本発明の他の実施例に伴う直交ヘリカルアンテナの構成図及び透視図である。

図８及び８ａを参照すると、本発明の他の実施例に伴う直交ヘリカルアンテナ８０は、磁性誘電材料からなる基板８１で、上記基板８１の下面一側に形成された給電部８２と、接地部８３及びヘリカル形状の放射部８４を含む。上記アンテナ８０は上部電極８６がくさび状（例えば、一部＜電極中央付近＞が尖って両端に至るにしたがって広がる形状。さらに、下部電極８５もくさび形状で形成されうる）で形成されるという点から上記図４に伴うアンテナ４０とは差がある。

上記アンテナ８０は上記上部電極８６をくさび状で形成することにより、上部電極８６が対応する下部電極８５と各電極の上部及び下部で相互交差されるよう配列される。上記上部電極８６の下端が側面電極８７により対応する下部電極８５の下端に連結され、上記上部電極８６の上端が他の側面電極８７-１により隣接して配列された後下部電極８５-１の上端に連結されることによりヘリカル構造のアンテナを形成することが可能である。

これにより上記アンテナ８０は下部電極８５に流れる電流により形成される磁界が上部電極８６に流れる電流に影響を及ぼす部分が２ヶ所で成されるため、磁化容易軸をさらに強化するようになる。

また、上記上部電極８６に形成された折曲部が上記図４に図示されたアンテナ４０と比較してさらに尖鋭に折り曲げられることにより上記折曲部で放射がより容易に起こることが可能である。これにより本発明では内蔵型アンテナを小型で制作することが可能でありつつも放射効率を高めることが可能である。

図９は図８の本発明の他の実施例に伴う直交ヘリカルアンテナ８０の共振周波数特性を示す図面である。

図９では、長さ２０ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ１ｍｍを有する基板４１を使用し、放射部８４の全長は１４．５ｃｍで、ターン(turn)数は２５の場合のヘリカルアンテナ８０に対するアンテナの動作周波数を示す。

この際、上下部電極４５、４６の幅は０．５ｍｍ、各々の上下部電極４５、４６間離隔された距離は０．２ｍｍ、投資率は１０、及び誘電率は１０である。グラフの横軸は周波数(ＧＨｚ)、縦軸はＳ１１パラメータ(ｄＢ)を示す。

図９を参照すると、本発明に伴うヘリカルアンテナ８０は２１０ＭＨｚ付近９０で共振が起こることがわかり、放射効率が３４．５０％であることを実験的に確認することが可能である。一般的にアンテナの共振周波数はアンテナインピーダンスマッチング後に数十ＭＨｚ程度調節が可能なため、上記アンテナ８０も地上波ＤＭＢ領域(１８０〜２１０ＭＨｚ)でも有効で、超小型で製作することが可能であることがわかる。

一方、本発明の詳細な説明では具体的な実施例に関して説明したが、本発明の範囲から外れない限度内で様々な変形が可能である。従って、本発明の範囲は説明された実施例に限れず、後述の特許請求範囲だけではなくこの特許請求範囲と均等なものらによって決められるべきである。

一般的な平面逆アンテナ(ＰＩＦＡ)の構造図である。従来の内蔵型ヘリカルアンテナの構成図及び透視図である。従来の内蔵型ヘリカルアンテナの構成図及び透視図である。図２の従来のヘリカルアンテナの共振周波数特性を示す図面である。各々本発明の実施例に伴う直交ヘリカルアンテナの構成図及び透視図である。各々本発明の実施例に伴う直交ヘリカルアンテナの構成図及び透視図である。図４の本発明の実施例に伴う直交ヘリカルアンテナの共振周波数特性を示す図面である。本発明に伴う直交ヘリカルアンテナに流れる電流方向と形成される磁界の方向を示す図面である。本発明に伴う上部電極に流れる電流と磁界方向を示す図面である。本発明の他の実施例に伴う直交ヘリカルアンテナの構成図及び透視図である。本発明の他の実施例に伴う直交ヘリカルアンテナの構成図及び透視図である。図８の本発明の他の実施例に伴う直交ヘリカルアンテナの共振周波数特性を示す図面である。

符号の説明

４０直交ヘリカルアンテナ
４１基板
４２給電部
４３接地部
４４放射部
４５下部電極
４５−１下部電極
４６上部電極
４７側面電極
４７−１側面電極
５１電流
５２磁気場
５３電流
８０直交ヘリカルアンテナ
８１基板
８２給電部
８３接地部
８４放射部
８５下部電極
８５−１下部電極
８６上部電極
８７側面電極
８７−１側面電極

Claims

磁性誘電材料からなる基板と、
上記基板の下面に配列される複数の下部電極と、
上記基板の上面で、上記各々の下部電極と所定角度で交差するよう配列される複数の上部電極と、
上記複数の下部電極と上記複数の上部電極を各々電気的に連結するための複数の側面電極とを含み、
上記下部電極はくさび状で形成され、
上記上部電極は中央が折り曲げられた折曲部を有し、
上記各々の下部電極に流れる電流により上記下部電極の周囲に形成される少なくとも一部の磁気ベクトルモーメントの方向が、上記各々の下部電極に対応する上部電極に流れる電流の方向と平行するよう形成されることを特徴とする直交ヘリカルアンテナ。
上記基板はフェライト(ferrite)で形成されることを特徴とする請求項１に記載の直交ヘリカルアンテナ。
上記基板はフェライト-樹脂複合材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の直交ヘリカルアンテナ。
上記所定角度は８０〜１００度であることを特徴とする請求項１に記載の直交ヘリカルアンテナ。
上記所定角度は９０度であることを特徴とする請求項４に記載の直交ヘリカルアンテナ。
上記上部電極はくさび状で形成され、上記下部電極と一つ以上の交差領域を有することを特徴とする請求項１に記載の直交ヘリカルアンテナ。
上記基板の一側端部に形成され、上記下部電極に電流を供給するための給電部を含むことを特徴とする請求項１に記載の直交ヘリカルアンテナ。
上記給電部と上記下部電極との間で上記給電部と平行に配列され、上記アンテナを接地させるための接地部をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の直交ヘリカルアンテナ。