JP4206325B2

JP4206325B2 - アンテナ

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Publication number: JP4206325B2
Application number: JP2003364553A
Authority: JP
Inventors: 好正杉本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-10-24
Filing date: 2003-10-24
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2023-10-24
Also published as: JP2005130249A

Description

本発明は、例えば携帯電話や無線ＬＡＮ等の無線通信機器、その他の各種通信機器等において使用されるアンテナに関する。

従来、例えば携帯電話や無線ＬＡＮ等の無線通信機器、その他の各種通信機器等において使用される従来のアンテナとして、ディスコーンアンテナが知られている。

しかしながら、ディスコーンアンテナは受信周波数帯域が広帯域ではあるが、他の通信方式との干渉を防ぐために、他の通信方式の周波数帯域を遮断するフィルタが必要であり、部品点数が増え実装面積や実装コストが増える等の問題点があった。

また、ディスコーンアンテナは、その高さが作動周波数帯域内の最低周波数の約１／４であることが必要であり、例えば作動周波数帯域内の最低周波数が３ＧＨｚの場合、約２５ｍｍ必要であり、低背化を要求される用途には適用が困難であった。

そこで、低背で広帯域なアンテナとして、三角形状の平面モノポールアンテナが考えられる。その一例を図８に上面図で図９に断面図で示す。図８および図９において、１１１は誘電体基板、１２１は誘電体基板１１１の上面に形成された三角形状のアンテナ導体、１３１は誘電体基板１１１の上面に形成された接地導体である。この三角形状の平面モノポールアンテナは、アンテナ導体１２１と接地導体１３１との間に電界が生じることで空間に電波が放射される。
米国特許第５８２８３４０号明細書

しかしながら、図８および図９に示す三角形状の平面モノポールアンテナは、誘電体基板１１１の厚みを任意に設定できることから、ディスコーンアンテナよりも低背であるが、比帯域が１００％程度の超広帯域を要される無線通信用途では周波数帯域が狭いという問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、広帯域で作動するとともに他の通信方式との干渉を防ぐためのフィルタが不要で、かつ低背なアンテナを提供することにある。

本発明のアンテナは、誘電体基板と、この誘電体基板の上面に形成された三角形状の第１のアンテナ導体と、この第１のアンテナ導体に隣接して形成された接地導体と、前記誘電体基板の下面に前記第１のアンテナ導体に対向させて形成され、前記第１のアンテナ導体よりも小さい三角形状の第２のアンテナ導体と、前記第１および第２のアンテナ導体の前記接地導体側の角部同士を電気的に接続する貫通導体とを具備し、前記第１および第２のアンテナ導体の寸法は、この第１および第２のアンテナ導体各々の大きさに応じた各周波数帯域の中間の周波数帯域において、前記第１のアンテナ導体の幅の広い端部の角付近および前記第２のアンテナ導体の幅の広い端部の角付近の間に、前記第１および前記第２のアンテナ導体と前記接地導体との間に生じる電界と逆向きの電界を生じさせ、前記中間の周波数帯域の電波の放射を抑制する大きさとされていることを特徴とするものである。

本発明のアンテナは、第１の誘電体基板と、この第１の誘電体基板の上面に形成された三角形状の第１のアンテナ導体と、この第１のアンテナ導体に隣接して形成された接地導体と、前記第１の誘電体基板の下面に前記第１のアンテナ導体に対向させて形成され、前記第１のアンテナ導体よりも小さい三角形状の第２のアンテナ導体と、前記第１の誘電体基板の上面に積層された第２の誘電体基板と、この第２の誘電体基板の上面に前記第１のアンテナ導体に対向させて形成され、前記第１のアンテナ導体よりも小さい三角形状の第３のアンテナ導体と、前記第１乃至第３のアンテナ導体の前記接地導体側の角部同士を電気的に接続する貫通導体とを具備し、前記第１乃至第３のアンテナ導体の寸法は、前記第１のアンテナ導体の大きさに応じた周波数帯域と前記第２および第３のアンテナ導体の大きさに応じた周波数帯域との中間の周波数帯域において、前記第１のアンテナ導体の幅の広い端部の角付近と前記第２のアンテナ導体および前記第３のアンテナ導体の幅の広い端部の角付近との間に、前記第１乃至第３のアンテナ導体と前記接地導体との間に生じる電界と逆向きの電解を生じさせ、前記中間の周波数帯域の電波の放射を抑制する大きさとされていることを特徴とするものである。好ましくは、前記第２のアンテナ導体および前記第３のアンテナ導体は大きさが等しいことを特徴とする。

本発明のアンテナは、上面に三角形状の第１のアンテナ導体が形成されるとともに、下面に第１のアンテナ導体に対向しかつ第１のアンテナ導体よりも小さい三角形状の第２のアンテナ導体が形成された誘電体基板と、誘電体基板の上面に第１のアンテナ導体に隣接して形成された接地導体とを具備しており、第１および第２のアンテナ導体は、接地導体側の角部同士が貫通導体を介して電気的に接続されていることから、第１および第２のアンテナ導体各々の大きさに応じた各周波数帯域の中間の周波数帯域において、第１のアンテナ導体と第２のアンテナ導体の幅の広い端部の角付近の電位が逆電位となり、その間に電波の放射に寄与する電界（各放射導体と接地導体との間に生じる電界）と逆向きの電界が生じ、電界が打ち消される。このため、この周波数帯域の電波の放射が抑制され、この周波数帯域を使用する他の通信方式との干渉を防ぐことができ、そのために必要であったフィルタが不要となる。

また、本発明のアンテナは、三角形状の平面モノポールアンテナを変形させたものであり、誘電体基板の厚みはディスコーンアンテナの高さ程も必要ないため、厚みはディスコーンアンテナに比べて薄くすることができる。

また、本発明のアンテナは、第１および第２のアンテナ導体の大きさが異なるため、その大きさに応じた２つの周波数帯域が生じ、従来の１つのアンテナ導体を有する三角形状の平面モノポールアンテナよりも周波数帯域を広くすることができる。

本発明のアンテナは、上面に三角形状の第１のアンテナ導体が形成されるとともに、下面に第１のアンテナ導体に対向しかつ第１のアンテナ導体よりも小さい三角形状の第２のアンテナ導体が形成された第１の誘電体基板と、第１の誘電体基板の上面に第１のアンテナ導体に隣接して形成された接地導体と、第１の誘電体基板の上面に積層されるとともに上面に第１のアンテナ導体に対向しかつ第１のアンテナ導体よりも小さい三角形状の第３のアンテナ導体が形成された第２の誘電体基板とを具備しており、第１〜第３のアンテナ導体は、接地導体側の角部同士が貫通導体を介して電気的に接続されていることから、第２のアンテナ導体の大きさに応じた周波数帯域と、第３のアンテナ導体の大きさに応じた周波数帯域がほぼ等しいとき、この周波数帯域と、第１のアンテナ導体の大きさに応じた周波数帯域との中間の周波数帯域において、第１のアンテナ導体と第２のアンテナ導体との間に生じる電界と、第１のアンテナ導体と第３のアンテナ導体との間に生じる電界が強め合うので、効果的に電波の放射が抑制される。それとともに、第２および第３のアンテナ導体の大きさに応じた周波数帯域においては、第２および第３のアンテナ導体と接地導体との間に生じる電界が強め合うので効果的に電波を放射することができ、周波数帯域を広くすることができる。

本発明のアンテナについて以下に説明する。図１および図２はそれぞれ、本発明の第１のアンテナの実施の形態の一例を示す透視平面図および断面図である。図１および図２において、上面に三角形状の第１のアンテナ導体２１が形成されるとともに、下面に第１のアンテナ導体２１に対向しかつ第１のアンテナ導体２１よりも小さい三角形状の第２のアンテナ導体２２が形成された誘電体基板１１と、誘電体基板１１の上面に第１のアンテナ導体２１に隣接して形成された接地導体３１とを具備し、第１および第２のアンテナ導体２１，２２は、接地導体３１側の角部同士が貫通導体４１を介して電気的に接続されている。

本発明の第１のアンテナは、第１および第２のアンテナ導体２１，２２各々の大きさに応じた各周波数帯域の中間の周波数帯域において、第１のアンテナ導体２１と第２のアンテナ導体２２の幅の広い端部の角２１Ａ，２２Ａ付近の電位が逆電位となり、その間に電波の放射に寄与する電界（放射導体としての第１および第２のアンテナ導体２１，２２と接地導体３１との間に生じる電界）と逆向きの電界が生じ、電界が打ち消される。このため、この周波数帯域の電波の放射が抑制され、この周波数帯域を使用する他の通信方式との干渉を防ぐことができ、そのために必要であったフィルタが不要となる。

また、本発明の第１のアンテナは、図８および図９に示す三角形状の平面モノポールアンテナを変形させたものであり、誘電体基板１１の厚みはディスコーンアンテナの高さ程も必要ないため、厚みはディスコーンアンテナに比べてその１０％程度に薄くすることができる。

また、本発明の第１のアンテナは、第１および第２のアンテナ導体２１，２２の大きさが異なるため、その大きさに応じた２つの周波数帯域が生じ、図８および図９に示す従来の三角形状の平面モノポールアンテナよりも周波数帯域を広くすることができる。

図１の第１のアンテナにおいて、第１のアンテナ導体２１と第２のアンテナ導体２２との大きさの比は、（第２のアンテナ導体２２の面積）／（第１のアンテナ導体２１の面積）＝３０〜７０％であることがよく、３０％未満では、第1および第２のアンテナ導体２１，２２の大きさの差が大きくなるので、第１および第２のアンテナ導体２１，２２各々の大きさに応じた各周波数帯域の中間の周波数帯域が広くなりすぎ、必要な帯域の放射が抑制される。７０％を超えると、第１および第２のアンテナ導体２１，２２の大きさの差が小さくなるので、第１および第２のアンテナ導体２１，２２各々の大きさに応じた各周波数帯が接近するため帯域が狭くなる。

また、第１のアンテナ導体２１の接地導体３１側の角と接地導体３１との間の間隔は、１００μｍ以上、受信周波数帯域の最低周波数に対応する波長の１／１００以下がよい。１００μｍ未満では、製造公差によって第１のアンテナ導体２１と接地導体３１とが接続される可能性がある。受信周波数帯域の最低周波数に対応する波長の１／１００を超えると、第１のアンテナ導体２１の接地導体３１側の角と接地導体３１との間の間隔が広くなり、受信周波数帯域の最高周波数が下がって帯域が狭くなる。

また、第１のアンテナ導体２１の接地導体３１側の角の角度はアンテナにつながる信号線のインピーダンスに合わせて任意に設定でき、角度を広げることでインピーダンスを下げ、あるいは角度を狭めることでインピーダンスを上げることで調整する。

図３および図４は、それぞれ本発明の第２のアンテナの実施の形態の一例を示す平面図および断面図である。図３および図４において、上面に三角形状の第１のアンテナ導体２１が形成されるとともに、下面に第１のアンテナ導体２１に対向しかつ第１のアンテナ導体２１よりも小さい三角形状の第２のアンテナ導体２２が形成された第１の誘電体基板１１と、第１の誘電体基板１１の上面に第１のアンテナ導体２１に隣接して形成された接地導体３１と、第１の誘電体基板１１の上面に積層されるとともに上面に第１のアンテナ導体１１に対向しかつ第１のアンテナ導体２１よりも小さい三角形状の第３のアンテナ導体２３が形成された第２の誘電体基板１２とを具備しており、第１〜第３のアンテナ導体２１，２２，２３は、接地導体３１側の角部同士が貫通導体４２を介して電気的に接続されている。

本発明の第２のアンテナは、第２のアンテナ導体２２の大きさに応じた周波数帯域と、第３のアンテナ導体２３の大きさに応じた周波数帯域とがほぼ等しいとき、この周波数帯域と、第１のアンテナ導体２１の大きさに応じた周波数帯域との中間の周波数帯域において、第１のアンテナ導体２１と第２のアンテナ導体２２との間に生じる電界と、第１のアンテナ導体２１と第３のアンテナ導体２３との間に生じる電界が強め合うので、効果的に電波の放射が抑制される。それとともに、第２および第３のアンテナ導体２２，２３の大きさに応じた周波数帯域においては、第２および第３のアンテナ導体２２，２３と接地導体３１との間に生じる電界が強め合うので効果的に電波を放射することができ、周波数帯域を広くすることができる。

図５は、図３および図４に示す本発明の第２のアンテナの反射特性を示す線図（グラフ）である。図５において、横軸は周波数（ＧＨｚ）、縦軸はＶＳＷＲ（電圧定在波比）であり、特性曲線は反射特性、すなわちＶＳＷＲの周波数特性を示している。この線図に示す反射特性は電磁界シミュレーションによって得られたものである。なお、以下に示す線図も同様の電磁界シミュレーションを用いて得た。

図５より、５．２ＧＨｚ付近の周波数帯域ではＶＳＷＲの値が大きく、電波の放射が抑制され、３．８ＧＨｚ付近や、６．５ＧＨｚ付近の周波数帯域ではＶＳＷＲの値が小さく、電波が放射されていることが分かる。なお、このとき、第２および第３のアンテナ導体２２，２３の大きさを等しく、第１のアンテナ導体２１の大きさを第２および第３のアンテナ導体２２，２３の大きさの２倍にし、第１および第２の誘電体基板１１，１２の誘電率を等しくした。したがって、大きさの大きい第１のアンテナ導体２１が作動する周波数帯域が３．８ＧＨｚ付近の周波数帯域、大きさの小さい第２および第３のアンテナ導体２２，２３が作動する周波数帯域が６．５ＧＨｚ付近の周波数帯域となる。

図６は、本発明の第２のアンテナの３．８ＧＨｚにおける電界の様子を示す図で、矢印は電界の向きを示している。この図から、各アンテナ導体２１〜２３と接地導体３１との間に電界が生じていることが分かる。各アンテナ導体２１〜２３と接地導体３１との間の電界が電波の放射に寄与し、図５に示すようにＶＳＷＲの値が小さくなる。

一方、図７は本発明の第２のアンテナの５．２ＧＨｚにおける電界の様子を示す図で、この図においても矢印は電界の向きを示している。この図から、各アンテナ導体２１〜２３と接地導体３１との間に生じている電界に加えて、第１のアンテナ導体２１と第２および第３のアンテナ導体２２，２３との間に逆向きの電界が生じていることが分かる。これによって放射に寄与する電界が打ち消されるため、この周波数帯域の電波の放射が抑制され、図５に示すようにＶＳＷＲの値が大きくなる。この効果によって、この周波数帯域を使用する他の通信方式との干渉を防ぐことができ、そのために必要であったフィルタが不要となる。

また、図５に示す本発明の第２のアンテナの反射特性を得た際に設定した第１および第２の誘電体基板１１，１２の厚みは双方１ｍｍで、合計２ｍｍであり、作動周波数帯域内の最低周波数を３ＧＨｚとしてディスコーンアンテナの高さと比較すると、その高さは上述のように約２５ｍｍであるので、本発明の第２のアンテナの厚みはディスコーンアンテナに比べて薄くすることができる。

図１０は、図８および図９に示す三角形状の平面モノポールアンテナの反射特性を示す線図（グラフ）である。この反射特性は、アンテナ導体１２１の大きさ、誘電体基板１１１の誘電率を、本発明の第１のアンテナ導体２１の大きさ、誘電体基板１１の誘電率と同じにして得たものである。この結果から、ＶＳＷＲが２以下の帯域幅が２ＧＨｚであることが分かる。

一方、図５に示す本発明の第２のアンテナのＶＳＷＲが２以下の帯域幅は、３．８ＧＨｚ付近の周波数帯域が１．７ＧＨｚ、６．５ＧＨｚ付近の周波数帯域が２．７ＧＨｚであり、合計して４．４ＧＨｚとなり広帯域化されている。

本発明の第２のアンテナを構成するに際して、第１および第２の誘電体基板１１，１２、第１〜第３のアンテナ導体２１〜２３、接地導体３１、第１および第２の貫通導体４１，４２は、以下のような高周波用配線基板に使用される種々の材料から成るものを使用することができる。

例えば、第１および第２の誘電体基板１１，１２としては、例えばアルミナセラミックス、ムライトセラミックス等のセラミック材料やガラスセラミックス等の無機系材料、あるいは四フッ化エチレン−エチレン樹脂（ポリテトラフルオロエチレン；ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン−エチレン共重合樹脂（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合樹脂；ＥＴＦＥ）、四フッ化エチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂；ＰＦＡ）等のフッ素樹脂やガラスエポキシ樹脂、ポリイミド等の樹脂系材料等が用いられる。また、第１および第２の誘電体基板１１，１２の形状や寸法（厚み、幅、長さ）は、使用される周波数や用途等に応じて設定される。

また、第１〜第３のアンテナ導体２１〜２３、接地導体３１、第１および第２の貫通導体４１，４２は、高周波信号伝送用の金属材料から成る導体層、例えばＣｕ層、Ｍｏ−Ｍｎのメタライズ層上にＮｉメッキ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの、Ｗのメタライズ層上にＮｉメッキ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの、Ｃｒ−Ｃｕ合金層、Ｃｒ−Ｃｕ合金層上にＮｉメッキ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの、Ｔａ_２Ｎ層上にＮｉ−Ｃｒ合金層およびＡｕメッキ層を被着させたもの、Ｔｉ層上にＰｔ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの、またはＮｉ−Ｃｒ合金層上にＰｔ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの等を用いて形成され、厚膜印刷法あるいは各種の薄膜形成法やメッキ法等により形成される。その厚みや幅等は、伝送される高周波信号の周波数や用途等に応じて設定される。

本発明の第２のアンテナは以下のようにして作製される。まず、第１および第２の誘電体基板１１，１２を、例えばこれがガラスセラミックスから成る場合、ガラスセラミックスのグリーンシートを準備し、これに所定の打ち抜き加工を施して、第１および第２の貫通導体４１，４２を形成するための貫通孔を形成する。その後、スクリーン印刷法によりＣｕ等の導体ペーストを貫通孔に充填するとともに、第１〜第３のアンテナ導体２１〜２３、接地導体３１となる導体ペースト層のパターン、および必要に応じてその他の所定の貫通導体となる導体ペースト層のパターンを印刷塗布する。次に、８５０〜１０００℃で焼成を行ない、最後に各導体層の表面にＮｉメッキおよびＡｕメッキを施す。

本発明の第１のアンテナの実施の形態の一例を示す透視平面図である。本発明の第１のアンテナの実施の形態の一例を示す断面図である。本発明の第２のアンテナの実施の形態の一例を示す平面図である。本発明の第２のアンテナの実施の形態の一例を示す断面図である。本発明の第２のアンテナの反射特性を示すグラフである。本発明の第２のアンテナの３．８ＧＨｚにおける電界の様子を示す図である。本発明の第２のアンテナの５．２ＧＨｚにおける電界の様子を示す図である。三角形状の平面モノポールアンテナの例を示す平面図である。三角形状の平面モノポールアンテナの例を示す断面図である。三角形状の平面モノポールアンテナの反射特性を示すグラフである。

符号の説明

１１・・・誘電体基板
２１・・・第１のアンテナ導体
２２・・・第２のアンテナ導体
３１・・・接地導体
４１・・・貫通導体

Claims

誘電体基板と、該誘電体基板の上面に形成された三角形状の第１のアンテナ導体と、該第１のアンテナ導体に隣接して形成された接地導体と、前記誘電体基板の下面に前記第１のアンテナ導体に対向させて形成され、前記第１のアンテナ導体よりも小さい三角形状の第２のアンテナ導体と、前記第１および第２のアンテナ導体の前記接地導体側の角部同士を電気的に接続する貫通導体とを具備し、前記第１および第２のアンテナ導体の寸法は、前記第１および第２のアンテナ導体各々の大きさに応じた各周波数帯域の中間の周波数帯域において、前記第１のアンテナ導体の幅の広い端部の角付近および前記第２のアンテナ導体の幅の広い端部の角付近の間に、前記第１および前記第２のアンテナ導体と前記接地導体との間に生じる電界と逆向きの電界を生じさせ、前記中間の周波数帯域の電波の放射を抑制する大きさとされていることを特徴とするアンテナ。
第１の誘電体基板と、該第１の誘電体基板の上面に形成された三角形状の第１のアンテナ導体と、該第１のアンテナ導体に隣接して形成された接地導体と、前記第１の誘電体基板の下面に前記第１のアンテナ導体に対向させて形成され、前記第１のアンテナ導体よりも小さい三角形状の第２のアンテナ導体と、前記第１の誘電体基板の上面に積層された第２の誘電体基板と、該第２の誘電体基板の上面に前記第１のアンテナ導体に対向させて形成され、前記第１のアンテナ導体よりも小さい三角形状の第３のアンテナ導体と、前記第１乃至第３のアンテナ導体の前記接地導体側の角部同士を電気的に接続する貫通導体とを具備し、前記第１乃至第３のアンテナ導体の寸法は、前記第１のアンテナ導体の大きさに応じた周波数帯域と前記第２および第３のアンテナ導体の大きさに応じた周波数帯域との中間の周波数帯域において、前記第１のアンテナ導体の幅の広い端部の角付近と前記第２のアンテナ導体および前記第３のアンテナ導体の幅の広い端部の角付近との間に、前記第１乃至第３のアンテナ導体と前記接地導体との間に生じる電界と逆向きの電界を生じさせ、前記中間の周波数帯域の電波の放射を抑制する大きさとされていることを特徴とするアンテナ。
前記第２のアンテナ導体および前記第３のアンテナ導体は大きさが等しいことを特徴とする請求項２記載のアンテナ。