JP4257659B2

JP4257659B2 - アンテナ素子及びそれを用いた無線通信装置

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Publication number: JP4257659B2
Application number: JP2005128199A
Authority: JP
Inventors: 博志青山; 雄太杉山; 英子福島
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1999-03-18
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2009-04-22
Anticipated expiration: 2020-02-07
Also published as: JP2005269675A

Description

本発明は、アンテナ素子に係るものであり、特に携帯電話や無線ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）などのマイクロ波無線通信機器に用いられる小形のアンテナ素子に関する。

マイクロ波無線通信機器、とりわけ携帯電話などの携帯通信機器では、小形軽量化を図るためアンテナ素子としてモノポールアンテナや、誘電体材料からなる基体表面に放射電極を螺旋状に配したヘリカルアンテナなどが、一般に用いられている。これらアンテナについては、非特許文献１に詳しい記載がある。

実用化されているヘリカルアンテナ素子として、絶縁体に螺旋状の導線を巻上げて放射電極とした素子が知られている。例えば、厚膜印刷によって電極を形成したヘリカルアンテナ素子の概略構造を図１２に示す。絶縁基板１の外表面に設ける放射電極２と給電電極４は、導体ペーストの塗布焼成よって形成される。一方、特許文献１に記載される積層ヘリカルアンテナは、積層技術を応用して製造するチップ構造のアンテナ素子で、絶縁層間に配置した導線パターンを内部接続し、コイル状の放射電極を得るものである。構造上、放射電極は絶縁物の表面に露出しない埋設状態となる。

図１２において、絶縁基板１上の放射電極２を流れる電流の波長は、絶縁基板１の比誘電率の大きさに比例して短縮される（波長短縮効果）ため、放射電極２の線路長を短くしても同一のアンテナ特性が得られる。したがって、放射電極を絶縁基板の表面または絶縁材中に配置するヘリカルアンテナは、この波長短縮効果を利用した小形アンテナである。さらに、モノポールアンテナと比べると、ヘリカルアンテナは波長短縮効果と相俟って螺旋状放射電極構造によってもアンテナ長さを実質的に短くでき、高さの低いアンテナ素子の製造が可能となる。現在では、ヘリカルアンテナは携帯電話などの無線通信機器分野で多用されるアンテナの１つである。
アンテナ工学ハンドブック（電子情報通信学会編、オーム社発行p50〜59）特開平9-51221号公報

ところが、従来技術によってヘリカルアンテナを小形化しようとすると、次のような課題があった。即ち、絶縁基板の比誘電率を高めていくと放射抵抗が低下し、アンテナの放射効率や利得の低下を招き、実用に供するアンテナ素子が得られない。また、放射抵抗の減少による放射電力の不足を補うために、アンテナ給電点の電流を増加させても、徒に送信回路の損失を増やすだけで、空中に放射される電磁波の増大には寄与しなかった。このように本質的なアンテナ特性を損なう従来技術は、ヘリカルアンテナの小形化に不向きな方法といえる。

また、ヘリカルアンテナを携帯通信機器に組み込んで実際に動作させると、通信機器の筐体あるいは回路基板の導体部分には、アンテナからの放射電磁波による電流が誘起し、この導体部分が見掛け上アンテナの一部として動作する。ヘリカルアンテナの特性は筐体および回路基板の導体とその形状配置、あるいは通信機器の使用環境など周辺の影響を受けやすく、このためアンテナ給電点におけるインピーダンスの不整合や放射指向性の変動が生じ、安定した通信性能が得られない等、実装上の問題があった。

上記した技術上の問題に対して、放射電極の線路長を放射電磁波の1/4波長から1/2波長程度まで延長することによって、放射効率や利得を高める方法が従来とられていた。しかしながら、この方法の欠点は、放射電極の給電側インピーダンスが増加して送信回路側のインピーダンスとの不整合を生じるため、インピーダンス整合回路の挿入が必要であった。アンテナ給電点におけるインピーダンス整合回路の挿入は、送信回路の複雑化と回路規模の増加を招く。さらに、アンテナ素子が長くなることを考慮すると、この技術はアンテナを含めた通信機器の小形化に不適な方法である。

本発明は、前述した従来技術の問題点を解決するために想到した技術思想をもとに具現化したものであり、従前からアンテナの小形化と特性向上は両立できないものと考えられていた。しかし、本発明の実施はアンテナを縮小化すると共に、高い放射効率と放射利得特性を有するアンテナ素子を提供するものである。

本発明は、絶縁基板の表面に放射電極と給電電極を配設するアンテナ素子において、前記放射電極は、螺旋状の第１の放射電極と、該第１の放射電極と前記給電電極とを電気的に接続する機能を有する一部または全てが直線状、つづら折れ状または螺旋状あるいはこれらを組合せた形状である第２の放射電極とからなり、前記第１の放射電極と前記第２の放射電極は静電結合できるように表面上の隙間を介して隣接配置され、前記第２の放射電極の電極線路長は、リターンロスが−１０ｄＢ以下であると共にアンテナ利得が１ｄＢ以上の特性を満足する長さに選ぶことを特徴とするアンテナ素子である。従来のアンテナ素子では、給電電極から直に螺旋状の放射電極に接続する構成であった。しかし、本発明では螺旋状の第１の放射電極を給電電極あるいは接地導体などから離隔するために、第２の放射電極を新たに設置する構成を想到した。給電電極から第１の放射電極を離すことによって、放射効率および指向性が大幅に改善できることを見出し、発明を完成した。第１の放射電極を給電電極に対して所要距離を設けて配することは、接地導体など放射電極近傍に配置される導体からの隔離を意味し、さらに最も効果が得られる離隔距離の範囲を規定したものである。これが本発明の要旨であり、このような技術を開示した公知文献は見当たらない。

さて、第１の放射電極と給電電極の離隔距離としての好適な範囲について触れる。まず、離隔距離の物理的な意味は次のように考えられる。即ち、距離が短い領域では充分な効果を得ることができず、逆に最適長さを超えると、アンテナ性能の低下を招くばかりか、アンテナ素子の大形化につながり、発明の効果が得られない。また、離隔距離についての検討は、シミュレーションによって予め範囲を特定し、さらに実験によってより精細に検証した。まず、シミュレーションの計算モデルについて説明する。

図８において、アンテナ素子１０は回路基板５の表面に配置されるものとした。また、アンテナ素子１０は絶縁基板１、螺旋状に配した第１の放射電極２および第２の放射電極３からなるものとし、さらにマイクロストリップ線路７は第２の放射電極３に信号を供給する給電線である。また、図示するように回路基板５の裏面には、接地導体８が斜線の位置に設けられる。シミュレーションに用いた物性値および各部の寸法等は実際に即した値を用い、可能な限り実物に近づけるように境界条件等を設定した。

次に、シミュレーション結果について述べる。図９において、横軸は第２の放射電極の線路長Ｌであり、図８に記入した長さである。また、縦軸のリターンロス（●印）は、アンテナからの反射波の程度を表すパラメータであり、−１０ｄＢ以下の性能が実用上の目安とされている。図９に示すリターンロス特性はＬの増加と共に右下がりの特性カーブとなり、３ｍｍ付近からリターンロスが−１０ｄＢ以下にできる。一方、アンテナ利得特性（○印）は、リターンロス特性とは反対の傾向を持ち、Ｌが増加するに従い右上がりの特性カーブとなり、Ｌが長くなる程アンテナ利得が向上する。０〜１．５ｍｍ付近までの特性改善が著しく、この点を通過した以降は比例領域を経て飽和領域に至る。したがって、Ｌとして１．５ｍｍ程度以上あれば充分であるが、小形化とのトレイドオフを考慮する必要がある。

以上述べたシミュレーション結果を、図１０の等価回路を用いて定性的に説明する。この等価回路では、Ｒは放射抵抗を、Ｃ_Ｓは第１放射電極と接地導体間の寄生容量を、また第１および第２の放射電極によるインダクタンスをそれぞれＬ_１，Ｌ_２とした。図示するように、Ｒ、Ｃ_ＳおよびＬ_１，Ｌ_２はそれぞれ並列に接続されたものと見なすことができる。また、送信回路の電圧源ｅはＬ_１，Ｌ_２と直列に挿入される。等価回路ではアンテナから空間に放射される電磁波の電力は、Ｒを流れる電流Ｉrの自乗とＲとの積、即ち（Ｉr）^２Ｒによって表示される。この値が大きい程、放射効率の高いアンテナである。

さて、第２の放射電極の線路長Ｌが長くなることは、図８から明らかなように第１の放射電極２が接地導体８から離れることであり、等価回路ではＣ_Ｓが低下し、反対にＬ_２が増加することと考えられる。この結果、ＲとＣ_Ｓの並列回路に分流する電流の比率が変化することになる。即ち、Ｃ_Ｓに流れる電流Ｉcは減少し、逆にＩrは増加する。しかし、Ｌ_２の増加による電流抑制効果によるＩrの多少の減少はあるが、増分の方が大きいため、放射電力が増してアンテナ利得の向上につながる。一方、リターンロスについては以下のように考えられる。第２の放射電極の線路長ＬとインダクタンスＬ_２は比例関係にあるため、Ｌが長くなる程Ｌ_２が増加する。したがって、Ｌ_２の増加はインピーダンスが大となることであり、アンテナからの反射を抑制する効果となり、図９に示すリターンロス特性に一致する。
そして、本発明の第２の放射電極は直線状、つづら折れ状あるいは螺旋状のいずれかの１つの形状かまたはこれらを組み合わせた形状とすることができる。上記したように第１の放射電極と給電電極とを離すことが、本発明の要旨であることを考慮すれば、上記の選択は容易に理解されるところである。

本発明において、上記した第１の放射電極と第２の放射電極とが静電結合できるように表面上の隙間を介して隣接配置しても良い。即ち、第１の放射電極と第２の放射電極は物理的には接続されないが、電気回路的には導通する構成である。静電結合作用が発現するには、第１の放射電極と第２の放射電極間でコンデンサを形成させることであり、具体的はそれぞれの電極を隣接配置することによって得られる。さらに、静電結合に必要な静電容量は、第１の放射電極と第２の放射電極の間隙、あるいは絶縁体の材質等を適宜選ぶことによって可能である。本発明では、絶縁体表面に放射電極を形成することを前提にしているため、第１の放射電極と第２の放射電極を隣接配置する構成を実施例で示すが、第１の放射電極と第２の放射電極間でコンデンサを形成すればよいため、２次元ばかりでなく３次元的な電極配置でも可能である。本発明では、電極間のコンデンサの形成方法に制約条件や規定を設けるものではなく、第１の放射電極と第２放射電極間の静電結合作用を利用するものであるため、コンデンサが形成される実施態様であれば、本発明の実施であるといえる。

さて、第１の放射電極と第２の放射電極間にコンデンサを形成することは、等価コンデンサＣ_1-2をＬ_１，Ｌ_２に直列に挿入したことと見なせる。この関係を図１１の等価回路に示す。図１０の等価回路と相違するところは、Ｃ_1-2をＬ_１，Ｌ_２およびｅに直列に挿入した点である。Ｃ_1-2は第１と第２の放射電極間で形成するコンデンサを示し、その容量は可変できるものである。Ｃ_1-2とＬ_１，Ｌ_２が直列に接続されるため、Ｃ_1-2によるリアクタンス分がＬ_２によるリアクタンスの増分を抑制あるいはキャンセルすることができ、インピーダンスの増加を抑制する。この抑制効果はアンテナ特性向上に寄与することになる。さらに、Ｃ_1-2の調整範囲を広げることにすればインピーダンス整合機能が得られ、特別に整合回路を設ける必要がなくなり、省スペース化に有効となる構成である。

さらに、本発明において、電極を形成する絶縁基板は矩形状または円柱状が好ましく、形状によって特性は影響されないが、後述する寸法比が問題である。したがって、絶縁基板の形状については製造上のメリットを考慮して決められる選択的な設計事項である。例えば、絶縁基板として略円柱状のものを適用する場合、中心軸に対して平行な平面を円柱面に形成する。絶縁基板の好適な寸法比は、幅Ｗ、高さｈ、長さｌとするならば、０．８≦Ｗ／ｈ≦１．２の範囲である。

次に、電極について述べる。まず、第１の放射電極と第２の放射電極の線路幅にも望ましい範囲がある。即ち、第１の放射電極幅をａ、第２の放射電極幅を幅をｂとすると、比ｂ／ａは１．５〜２０である。また、第１の放射電極と第２の放射電極との間に生じる静電容量Ｃ_1-2はおよそ次式のように表される。

ここで上式において、εは絶縁基板を構成する材料による放射電極周辺の実効誘電率である。この式から容易にわかるように、Ｃ_1-2を大きくするには線路幅ｂを広くするか、あるいは電極間距離ｃを狭くすることが選択肢としてあげられる。しかし、ｃを狭くするほど製造工程で要求されるｃの形成精度を高めることが必要であることから、寧ろ線路幅ｂを選んだ方が有利である。さらに、第２の放射電極の線路幅ｂは第１の放射電極の線路幅ａよりも広く形成した方がよく、その比ｂ／ａを１．５〜２０とするのが好ましい。比ｂ／ａが１．５未満であると、第２の放射電極のインダクタンスＬ_２を低減するのに十分でなく、一方２０を超えると絶縁基板が大形化することから上記した範囲が好適である。

以上説明したように、第１の放射電極が第２の放射電極を付加したことにより実質的に延長されることから、本発明のアンテナ素子の放射抵抗を高くすることができ、アンテナ素子を小形化した場合であっても放射効率あるいは利得の低下が抑えられる。さらに、第１の放射電極と第２の放射電極とを静電容量を介して電気的に結合するため、等価回路的に静電容量と放射電極のインダクタンスとが直列接続されることになると共に、第２の放射電極によって生じたインダクタンス成分が打ち消される結果、アンテナ給電点におけるインピーダンスの不整合が解消され、給電点での反射損失が少ないアンテナ素子を得ることができる。そして、本発明は上記したアンテナ素子のいずれかを用いることによって効果的に作用する例えば携帯電話のような無線通信装置を用途とする。

以上の説明から明らかなように、本発明によってアンテナ素子を小形化できると共に、小形化に伴う利得の低下や指向性のばらつきを抑制できる。さらに、広帯域でかつ周波数変動の少ないアンテナ素子を提供が可能である。また、本発明によるアンテナ素子を無線通信装置に組み込んだ場合、通信到達距離の増加および伝送エラーの低減等、通信装置の信頼性向上の付加的効果が得られる。

本発明に係るアンテナ素子について、以下詳細に説明する。図１は本発明によるアンテナ素子の斜視図である。アンテナ素子１０は、絶縁基板１の外表面に配設された螺旋状の第１の放射電極２、絶縁基板１の少なくとも上面に設けた第２の放射電極３および端面に設けた給電電極４からなる。図示するように給電電極４と第２の放射電極３とは接続されているが、第１の放射電極２はｃの間隙だけ第２の放射電極から離れて配置される。この状態を等価回路で示すと図１１の場合であるが、図１０の第１の放射電極と第２の放射電極が物理的に接続される場合も、本発明の実施態様の１つである。

使用する絶縁基板は、アンテナの特性を考慮してチタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、ジルコン酸カルシウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、アルミナ等の誘電体セラミックスや低損失のガラスエポキシやテフロン（登録商標）等の誘電体材量が好適である。しかし、１GHzまでの周波数帯を持つものであれば、比透磁率が１０未満の軟磁性材料、例えばＮｉＺｎフェライト等の使用が可能である。

また、放射電極および給電電極は、印刷、蒸着あるいはメッキなどの方法から適宜選択して形成される。電極材としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ等の電気抵抗の低い金属材料またはこれらを主成分とする合金が使用できる。さらに、各電極間の接続については、チップコンデンサ等の製造に用いられる積層技術によって絶縁基板の内部に電極を形成し、絶縁基板の外表面に形成した少なくとも１つ以上の導体線路で電気的に接続して、構成上の簡略化を図ることができる。

アンテナ素子を実装する回路基板を図２に示す。第１および第２の放射電極からの送信電力が、回路基板５の接地導体８に吸収されるため、放射効率、利得の低減あるいは放射指向特性の乱れをなくすように、アンテナ素子を固定する回路基板５上にマイクロストリップ線路７と裏面の一部に接地導体８を配した構造である。また、主回路基板とは別置してアンテナを設けて同軸線路で接続する場合には、アンテナ素子の長手方向と直交する面内の放射指向性をできるだけ均一にするため、図３に示すようにアンテナ素子を回路基板５の中心軸上に配置し、かつ回路基板５の中心軸に対称となるように接地導体８のパターンを設けた。

（実施例１）
図１において、ジルコン酸カルシウムからなる誘電体材料の粉体を加圧成形して焼結した後、切削加工によって幅３ｍｍ、高さ３ｍｍ、長さ１５ｍｍ直方体状の絶縁基板１を作製した。この絶縁基板の外表面にＡｇを主体とするペースト材料を用いて、略３ターンの螺旋状の導体パターンを印刷して第１の放射電極とした。さらに、直線状の第２の放射電極を印刷した。この作製工程中、第１の放射電極と第２の放射電極の間に幅ｃ＝０．５ｍｍの間隙（放射電極間距離）になるように調整し、第１の放射電極と第２の放射電極とが規定の静電容量結合できるように配慮した。

さらに、第２の放射電極と給電電極を接続するために、Ａｇペーストを用いた。これら電極の印刷が終了した後、８５０℃の焼き付け工程に入れ、絶縁基板上に焼き付けた。得られたアンテナ素子は２．５ＧＨｚ帯の無線ＬＡＮ用のアンテナ素子である。焼き付け後の各部の寸法を測定すると、第１の放射電極の線路幅ａは０．５ｍｍ、厚さ１０μｍである。一方、第２の放射電極の線路幅ｂは３ｍｍ、長さ９ｍｍ、厚さ１０μｍに加工した。

このようにして作製したアンテナ素子を、ガラスエポキシを主成分とする幅２５ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１ｍｍの評価用回路基板に実装した。この基板の一端に同軸端子を設け、この端子とアンテナ素子の給電電極とを評価用回路基板に形成した特性インピーダンス５０Ωのマイクロストリップ線路（パターン幅２ｍｍ）に半田付けによって固定した。

試作したアンテナ素子の給電電極を評価用回路基板に半田付けした後、アンテナ給電点におけるインピーダンスＺ_Oを測定しながら、５０Ωとなるように放射電極の端部をトリミングし、間隙ｃの距離を微調整した。Ｚ_Oをほぼ５０Ωに一致させた結果、伝搬中心周波数は２．５ＧＨｚとなり、電圧定在波比（ＶＳＷＲ）2の条件で、周波数帯域幅は１００ＭＨｚの特性が得られた。

試作無線ＬＡＮ用のアンテナ素子は、ＶＳＷＲ（定在電圧波比）が２以下の条件において２．４８４ＧＨｚ±１３ＭＨｚの周波数帯域幅が必要であるが、本発明によるアンテナ素子は十分な周波数帯域幅特性を有している。また、Ｚ_O調整の際、第１の放射電極と第２の放射電極との間隙が広がるに従い、両電極間で形成される静電容量が小さくなるためアンテナ素子の伝搬周波数は高くなるが、無線ＬＡＮ用の必要周波数帯域幅に比べて周波数変動分は1/10以下であり、十分余裕のあることが実証され、調整による影響は無視できるものであった。

比較例として、図１２に示した従来構成のヘリカルアンテナ素子を作製した。このアンテナ素子は実施例１と同様な誘電体材料を使用して、同一の寸法で同じ製法である。以上述べた試作アンテナ素子を特性評価を行った。測定項目は電波暗室における放射利得と放射指向特性である。まず、放射利得はアンテナ素子を実装した評価回路基板に同軸ケーブルを介して信号発生器に接続し、２．５ＧＨｚの信号をアンテナ素子に給電した場合の試験アンテナ素子からの放射電力を測定する。被試験アンテナから３ｍ離れた地点に設けたホーンアンテナにより空中線電力を受信し、同軸ケーブルでスペクトラムアナライザに入力した。次に、利得特性が既知の半波長ダイポールアンテナ（伝搬周波数２．５ＧＨｚ、アンテナ長６０ｍｍ）に取り替え、同様の測定を行い、被試験アンテナ素子の受信電力との相対比較から、放射利得を求めた。

放射指向性は、放射利得の測定時に被試験アンテナ素子を回転テーブル上に固定し、テーブルとアンテナ素子を水平面内での角度０度から３６０度まで回転させながら、受信電力を測定することによって水平面内の利得分布を測定した。図７に本発明によるアンテナ素子と従来のアンテナ素子の指向特性を比較して示す。この測定結果は、アンテナ利得を半波長ダイポールアンテナ（最大利得2.15dBi）と比較した場合の相対利得（単位dBd）で表す。測定結果より、本発明のアンテナ素子は従来のアンテナ素子に対し放射利得の最大値は＋２ｄＢ、平均値は＋６ｄＢ改善され、半波長ダイポールアンテナと比べても同等の利得が得られることがわかる。また、水平面内の指向性ばらつきが従来のアンテナ素子に比べ減少し、ほぼ無指向性に近い性能が得られた。

（実施例２）
本発明による他の実施例として、図４に示すアンテナ素子を同時に試作した。このアンテナ素子は、第２の放射電極３がつづら折れ状に形成したものであって、第２の放射電極の形状による影響を検討するものである。絶縁基板の材質および電極寸法等は実施例１と全く同一とし、第２の放射電極２に対しては線路幅ｂが１ｍｍ、中央部の全長が１５ｍｍ、厚さが１０μｍである。実施例１と同様な特性評価を行ったところ、実施例１と有意差が認められない程度の特性が得られ、第２の放射電極の形状の影響は無視できるものと考えられる。

（実施例３）
以上試作したアンテナ素子を無線通信装置に実装し、通信到達距離を測定した。前述したように本発明によるアンテナ素子は、アンテナ利得が向上するため従来のアンテナ素子に比べて、通信到達距離が約1.2倍増加し、同一の距離におけるデータの伝送エラーが大幅に低減できることを確認した。また、図５および６に示すアンテナ素子についても同様な結果が得られ、本発明の有効性が確認できた。

本発明の一実施例に係るアンテナ素子の斜視図。アンテナ素子を実装する回路基板。本発明に係るアンテナ素子を回路基板に実装した配置図。本発明の他の実施例に係るアンテナ素子の斜視図。本発明の他の実施例に係るアンテナ素子の斜視図。本発明の他の実施例に係るアンテナ素子の斜視図。本発明および従来のヘリカルアンテナの放射指向特性。シミュレーションのための計算モデル。本発明の放射電極線路長に対するアンテナのリターンロスおよび利得特性。第１の発明の等価回路図。第２の発明の等価回路図。従来のヘリカルアンテナの斜視図。

符号の説明

１：絶縁基板
２：第１の放射電極
３：第２の放射電極
４：給電電極
５：回路基板
６：給電点
７：マイクロストリップ線路
８：接地導体
１０：アンテナ素子

Claims

絶縁基板の表面に放射電極と給電電極を配設するアンテナ素子において、前記放射電極は、螺旋状の第１の放射電極と、該第１の放射電極と前記給電電極とを電気的に接続する機能を有する一部または全てが直線状、つづら折れ状または螺旋状あるいはこれらを組合せた形状である第２の放射電極とからなり、前記第１の放射電極と前記第２の放射電極は静電結合できるように表面上の隙間を介して隣接配置され、前記第２の放射電極の電極線路長は、リターンロスが−１０ｄＢ以下であると共にアンテナ利得が１ｄＢ以上の特性を満足する長さに選ぶことを特徴とするアンテナ素子。
請求項１において、前記絶縁基板の幅をＷ、高さをｈとすると、０．８≦Ｗ／ｈ≦１．２の断面を有することを特徴とするアンテナ素子。
請求項１または２のいずれかにおいて、前記絶縁基板は円柱状に形成され、中心軸に平行な面を少なくとも１つ以上有することを特徴とするアンテナ素子。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記第１の放射電極の幅をａ、第２の放射電極の幅をｂとすると、ｂ／ａを１．５〜２０に選ぶことを特徴とするアンテナ素子。
請求項１乃至４のいずれかに記載のアンテナ素子を用いることを特徴とする無線通信装置。