JP4659728B2

JP4659728B2 - ループアンテナ、アンテナ基板、アンテナ一体モジュールおよび通信機器

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Publication number: JP4659728B2
Application number: JP2006348933A
Authority: JP
Inventors: 好正杉本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2026-12-26
Also published as: JP2008160623A

Description

本発明は、例えば携帯電話や無線ＬＡＮ、ＵＷＢ（ＵｌｔｒａＷｉｄｅＢａｎｄ）、テレビジョン受像機等の無線通信機器、その他の各種通信機器等に使用されるループアンテナ、アンテナ基板、アンテナ一体モジュールおよび通信機器に関するものであり、特に、広帯域の送受信に有効なループアンテナ、アンテナ基板、アンテナ一体モジュールおよび通信機器に関する。

送受信用のループアンテナ、特に、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広帯域のループアンテナとして、図６に平面図で示す板状のループアンテナが知られている。図６において、１１１は中央部に帯状の開口１１２を有する平面状のアンテナ導体、１２１は開口１１２の長手方向（Ｙ方向）の延長上に位置するようにしてアンテナ導体の縁部に接続された給電回路である。

図６に示す広帯域のループアンテナ１１０は、図７に示す従来のいわゆる１波長線状導体のループアンテナ１３０を広帯域化させたものである。図７に示すループアンテナ１３０においては、アンテナ導体１３１の１周の長さが約１波長に当たる周波数で共振する。図６に示す広帯域のループアンテナ１１０は、１周の長さの異なる複数の１波長線状導体のループアンテナが、一つの平面状のアンテナ導体に包含されたものとみなすことができる。すなわち、ループアンテナ１１０においては、各１波長線状導体のループアンテナの１周の長さが、開口１１２の周囲の長さに相当する比較的短いものから、アンテナ導体１３１の外周の長さに相当する比較的長いものまでと範囲を持ったものとなり、その長さに対応する周波数も範囲を持ったものとなって広帯域特性を有する。ループアンテナ１１０は、その電流分布が図７に示されたループアンテナ１３０と同様であることから、偏波がＸ方向の電波を送受信することができ、指向性はＹＺ面内において無指向性である。また、このとき開口１１２に沿って開口１１２を貫く磁界が生じる。

しかし、図６に示すような広帯域の送受信が可能な板状のループアンテナ１１０は、偏波がＸ方向の電波を送受信することはできるが、偏波がＹ方向の電波を送受信できず、送受信する電波の偏波が一定でない移動体通信においては、電波の送受信の効率が悪い。

そこで、偏波の方向が異なる２つの電波を双方送受信可能にする方法、すなわち偏波共用化の手法として、図６に示すループアンテナ１１０を、図８に示すように互いに９０°回転させた位置関係で、平行方向に並べる手法が知られている。図８の構成によれば、第１のループアンテナ１１０Ａは、偏波がＸ方向の電波を送受信でき、第２のループアンテナ１１０Ｂは偏波がＹ方向の電波を送受信できるため、Ｘ方向、Ｙ方向双方の偏波の電波を送受信可能、すなわち偏波共用可能となる。

また、他の偏波共用化の手法として、１波長線状導体のループアンテナの場合と同様に（例えば、特許文献１参照）、図６に示すループアンテナ１１０を、図９に示すように互いに９０°回転させた位置関係で、垂直方向に並べる手法が知られている。図９の構成によれば、第１のループアンテナ１１０Ａは、偏波がＸ方向の電波を送受信でき、第２のループアンテナ１１０Ｂは偏波がＹ方向の電波を送受信できるため、Ｘ方向、Ｙ方向双方の偏波の電波を送受信可能、すなわち偏波共用可能となる。
特許公開平１０−１２６１４９号公報

しかしながら、図８に示す構成により偏波共用化を行う場合、ループアンテナを２個平行に並べる必要があるため、アンテナの実装面積が大きくなり、ループアンテナを搭載する機器の大型化を招くという問題を誘発する。

また、図９に示す構成により偏波共用化を行なう場合、第１のループアンテナ１１０Ａと第２のループアンテナ１１０Ｂの距離ｈが、使用する周波数の半波長以下であると、互いのアンテナ同士が干渉しあい、アンテナ特性が劣化するという問題を誘発する。また、アンテナ特性の劣化を防ぐために、第１のループアンテナ１１０Ａと第２のループアンテナ１１０Ｂの距離ｈを使用する周波数の半波長以上にすると、アンテナの垂直方向の長さ（高さ）が大きくなり、ループアンテナを搭載する機器の大型化を招くという問題を誘発する。

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、小型で広帯域な偏波共用ループアンテナを提供すること、およびそのようなループアンテナを有するアンテナ基板、アンテナ一体モジュールおよび通信機器を提供することにある。

本発明の第１のループアンテナは、開口部を有する平面状のアンテナ導体と該アンテナ導体に接続された給電回路とを有するループアンテナにおいて、前記の開口部は、３つの帯状開口の各一端がつなげられてなり、前記の各一端は、前記の３つの帯状開口が互いに９０乃至１８０の角度で交わるようにつなげられ、前記の給電回路は、開放された前記の他端の近傍で前記のアンテナ導体に接続されていることを特徴とする。

また、上記第１のループアンテナにおいて、好ましくは、前記の各一端は、前記の３つの帯状開口が互いに１２０の角度で交わるように接続される。

本発明のアンテナ基板は、上記いずれかのループアンテナが誘電体基板表面または誘電体基板内に形成されて成ることを特徴とする。

本発明の第１のアンテナ一体モジュールは、上記アンテナ基板に、外部から入力された信号を高周波信号に変換して前記給電回路に出力する高周波回路が搭載されて成ることを特徴とする。

また、上記第１のアンテナ一体モジュールにおいて、好ましくは、前記高周波回路は、前記アンテナ基板を平面透視したときに、前記３つの帯状開口と重ならないように搭載されている。

本発明の第２のアンテナ一体モジュールは、前記第１のアンテナ一体モジュールにおいて、前記アンテナ基板に、外部から入力された信号を処理して前記高周波回路に出力する信号処理回路が搭載されてなることを特徴とする。

また、上記第２のアンテナ一体モジュールにおいて、好ましくは、前記高周波回路および信号処理回路は、前記アンテナ基板を平面透視したときに、前記３つの帯状開口と重ならないようにそれぞれ搭載されている。

本発明の第３のアンテナ一体モジュールは、前記第２のアンテナ一体モジュールにおいて、前記アンテナ基板に、前記信号処理回路に接続されたセンサーモジュールが搭載されてなることを特徴とする。

また、上記第３のアンテナ一体モジュールにおいて、好ましくは、前記高周波回路、信号処理回路およびセンサーモジュールは、前記アンテナ基板を平面透視したときに、前記３つの帯状開口と重ならないようにそれぞれ搭載されている。

本発明の第４のアンテナ一体モジュールは、前記第３のアンテナ一体モジュールにおいて、前記アンテナ基板に、前記高周波回路、前記信号処理回路、および前記センサーモジュールに対して電力をそれぞれ供給する電源が搭載されてなることを特徴とする。

また、上記第４のアンテナ一体モジュールにおいて、好ましくは、前記高周波回路、前記信号処理回路、前記センサーモジュールおよび前記電源は、前記アンテナ基板を平面透視したときに、前記第１乃至第３の開口と重ならないようにそれぞれ搭載されている。

本発明の第１の通信機器は、上記いずれかのループアンテナが搭載されて成ることを特徴とする。

本発明の第２の通信機器は、上記アンテナ基板が搭載されて成ることを特徴とする。

本発明の第３の通信機器は、上記いずれかのアンテナ一体モジュールが搭載されて成ることを特徴とする。

本発明のループアンテナは、開口部を有する平面状のアンテナ導体と該アンテナ導体に接続された給電回路とを有するループアンテナにおいて、開口部は、３つの帯状開口の各一端がつなげられてなり、各一端は、３つの帯状開口が互いに９０乃至１８０の角度で交わるようにつなげられ、給電回路は、、開放された他端の近傍でアンテナ導体に接続されていることから、アンテナ導体は、全体として板状であるので広帯域特性を有する。また同時に、３つの帯状開口に沿って、それらの帯状開口を貫く磁界が生じ、３つの帯状開口に垂直な方向に電界が生じる。したがって、互いに角度差を持った偏波の電波の送受信が可能で、偏波共用化が可能である。また、偏波共用化のために、同形状のアンテナ導体を２個用いる必要がないため、小型の偏波共用アンテナを実現することができる。

本発明のアンテナ基板は、上記のループアンテナが誘電体基板表面または誘電体基板内に形成されて成ることを特徴とすることから、誘電体基板の誘電率による波長短縮効果によってアンテナの寸法を小型化することができる。

本発明のアンテナ一体モジュールは、上記アンテナ基板に、外部から入力された信号を高周波信号に変換して給電回路に出力する高周波回路が搭載されて成ることを特徴とすることから、高周波回路と給電回路との間の配線をアンテナ基板上に最短経路で形成することができ、高周波回路と給電回路との間で伝送される高周波信号の伝送損失を小さくすることができる。またアンテナ基板と高周波回路とを一体とすることができるので、モジュールの小型化が可能である。

本発明の第１の通信機器は、上記のループアンテナが搭載されて成ることを特徴とすることから、広帯域、偏波共用で小型の通信が可能な通信機器を提供することができる。

本発明の第２の通信機器は、上記のアンテナ基板が搭載されて成ることを特徴とすることから、広帯域、偏波共用でさらに小型の通信が可能な通信機器を提供することができる。

本発明の第３の通信機器は、上記のアンテナ一体モジュールが搭載されて成ることを特徴とすることから、広帯域、偏波共用でさらに小型の通信が可能な通信機器を提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態によるループアンテナの構成例を示す平面図である。図１に示されるように、ループアンテナ１０は、開口部１２を有する平面状のアンテナ導体１３とアンテナ導体１３に接続された給電回路２１とを有する。開口部１２は、３つの帯状開口１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの各一端が接続されてなり、その各一端は、３つの帯状開口１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが互いに１２０度の角度で交わるように接続されている。また、３つの帯状開口１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのうち１つの帯状開口１２Ａの他端は、アンテナ導体１３の縁部で開放されている。また、給電回路２１は、アンテナ導体１３における帯状開口１２Ａの両側の領域を接続するように、帯状開口１２Ａの他端の近傍でアンテナ導体１３に接続されている。

第１〜第３の開口１２Ａ〜１２Ｃは長方形状等の長細い形状である。この第１〜第３の開口１２Ａ〜１２Ｃは、平面状の導体を、送受信可能なループアンテナとして機能させるためのものである。

給電回路２１は、アンテナ導体１３が所定の電波を送信するために必要な電流を供給する供給用端子として機能する。また、給電回路２１は、アンテナ導体１３によって受信された電波により生じる電流を外部の電気回路に供給するための供給用端子としても機能する。

次に、本実施の形態によるループアンテナ１０の特性について説明する。広帯域のループアンテナとして機能し得るか否かは反射特性（ＶＳＷＲ：ＶｏｌｔａｇｅＳｔａｎｄｉｎｇＷａｖｅＲａｔｉｏ）により検証することができる。高周波信号を扱う機器にはこの数値ができる限り低いことが要求される。ここで、図２（ａ）は、本実施の形態によるループアンテナ１０のＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフであり、（ｂ）は、図６に示す従来のループアンテナ１１０のＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。図２（ａ），（ｂ）に示されるように、従来のループアンテナ１１０のＶＳＷＲ及び本実施の形態によるループアンテナ１０のＶＳＷＲは、４ＧＨｚを中心に約１．５ＧＨｚに亘って２以下を示しており、本実施の形態によるループアンテナ１０は、従来のループアンテナ１１０と同程度の広帯域特性を有していることが分かる。

また、図３（ａ）は、本実施の形態によるループアンテナ１０のＸ方向およびＹ方向偏波の平均利得ＧｘおよびＧｙを示すグラフであり、図３（ｂ）は、従来のループアンテナ１１０のＸ方向およびＹ方向偏波の平均利得ＧｘおよびＧｙを示すグラフである。図３（ｂ）のグラフにおいて、Ｇｘは０ｄＢｉ以上、Ｇｙは０ｄＢｉ以下であり、従来のループアンテナ１１０の偏波はＸ方向であることが分かる。一方、図３（ａ）のグラフにおいて、Ｇｘは、３〜５ＧＨｚで０ｄＢｉ以上であり、Ｇｙは、３〜４．５ＧＨｚで０ｄＢｉ以上である。これにより、本実施の形態によるループアンテナ１０の構成によれば、特に３〜４．５ＧＨｚの周波数帯域において、Ｘ方向、Ｙ方向双方の偏波の送受信が可能となり、偏波共用化が実現できることがわかる。

上述したように、本実施の形態によるループアンテナ１０は、３〜５ＧＨｚの周波数帯域において、ＶＳＷＲが低く、かつ偏波共用化を実現できる。よって、実施の形態１によるループアンテナ１０は、ＵＷＢ通信において利用される周波数帯域（３〜５ＧＨｚ）内で優れた特性を有することから、ＵＷＢ通信用のアンテナとして適用することが可能である。

なお、上述のループアンテナ１０では、第１〜第３の開口１２Ａ〜１２Ｃが互いに１２０度の角度で交わるが、第１〜第３の開口１２Ａ〜１２Ｃは、必ずしも１２０度で交わらなくてよく、互いに９０乃至１８０度の角度で交わっていればよい。ただし、第１〜第３の開口１２Ａ〜１２Ｃが互いに１２０度で交わる場合には、それぞれの角度の偏波が均等となり、より効率のよい偏波共用化が可能である。

本実施の形態によるループアンテナ１０では、アンテナ導体１３が、全体として板状であるので広帯域特性を有する。また同時に、第１乃至第３の開口１２Ａ〜１２Ｃに沿って、第１乃至第３の開口１２Ａ〜１２Ｃを貫く磁界が生じ、第１乃至第３の開口１２Ａ〜１２Ｃに垂直な方向に電界が生じる。したがって、互いに角度差を持った偏波の電波の送受信が可能で、偏波共用化が可能である。また、偏波共用化のために、同形状のアンテナ導体１３を２個用いる必要がないため、小型の偏波共用アンテナを実現することができる。

また、上述のループアンテナ１０を、誘電体基板（図示せず）の露出表面や内部に構成してもよく、誘電体基板の誘電率による波長短縮効果によってアンテナの寸法を小型化することができる。また、その際、誘電体基板およびアンテナ導体１３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、誘電体基板の誘電体（絶縁体）材料としては、例えばアルミナセラミックス（アルミナ質焼結体），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材料等が用いられる。また、誘電体基板の形状や寸法（厚み、幅、長さ）は、使用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。

また、アンテナ導体１３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。

このように、誘電体基板にループアンテナを構成すると、給電回路に接続される高周波回路などを誘電基板上に実装可能になるため、通信機器のより一層の小型化や低背化に対して有効である。

上述のループアンテナ１０は、例えば、ガラスセラミックから成る誘電体基板の表面や内部に形成されるものである場合、以下のようにして作製される。まず、未焼成のガラスセラミックスをシート状に成形して成るガラスセラミックスグリーンシートを準備する。その後、スクリーン印刷法によりアンテナ導体１３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、最後に各導体層の露出表面にＮｉメッキおよびＡｕメッキを施す。

また、開口１２Ａ〜１２Ｃは、例えば、アンテナ導体１３を導体ペーストの印刷により形成する場合、印刷用の製版に、開口１２Ａ〜１２Ｃに対応した非印刷部を設けておくことにより形成することができる。また、いったん四角形状等のパターンで導体パターンを印刷した後、その外縁部にレーザー加工や機械的な加工で研削を施して、所定パターンの開口１２Ａ〜１２Ｃを形成することもできる。

このループアンテナが送信や受信用の装置として搭載されることにより、携帯電話や無線ＬＡＮ、テレビ等の無線通信機器、その他の各種の通信機器が製作される。

この通信機器によれば、上記本発明のループアンテナが搭載されていることから、偏波共用のためのアンテナ導体が不要なため、小型の通信機器を提供することができる。

図４は、本発明のアンテナ一体モジュールの一例を示すブロック図である。図５は、図４に示されたアンテナ一体モジュールの構成例を示す平面図である。図５では、図１に示したループアンテナ１０を有するアンテナ一体モジュールの構成例を示している。図４，図５に示されたアンテナ一体モジュールでは、センサーモジュールでセンシングした、通信機器の姿勢や外界温度等のデータが信号処理回路に送られる。信号処理回路は、センサーモジュールから出力されたデータを処理した後、その処理結果を高周波回路に出力される。高周波回路は、信号処理回路から出力されたデータを高周波信号に変換してアンテナに出力する。アンテナは、入力された高周波信号を電波として出力する。電源は、高周波回路、信号処理回路、センサーモジュールに電力をそれぞれ供給する。

図５に示すアンテナ一体モジュールにおいて、高周波回路、信号処理回路、センサーモジュールおよび電源は、アンテナ基板１３を平面透視したときに、第１〜第３の開口１２Ａ〜１２Ｃと重ならないようにそれぞれ搭載されていることから、第１〜第３の開口１２Ａ〜１２Ｃを貫いて生じた磁界が、高周波回路、信号処理回路、センサーモジュールおよび電源によってさえぎられることがなく、アンテナ特性の劣化を抑えることができる。

なお、図４及び図５に示されたアンテナ一体モジュールでは、アンテナ基板１３に、高周波回路、信号処理回路、センサーモジュールが搭載されているが、これらのうち少なくとも１つが搭載されている場合であっても、モジュールの小型化は可能である。また、高周波回路、信号処理回路、センサーモジュールのうち少なくとも１つが搭載された場合に、それらに電力を供給する電源も搭載されていれば、モジュールの更なる小型化を実現することができる。

さらに、アンテナ基板１３に高周波回路や電源等の他の部品を搭載する場合、その部品を、アンテナ基板を平面透視したときに、第１乃至第３の開口１２Ａ〜１２Ｃと重ならないように搭載すれば、第１乃至第３の開口１２Ａ〜１２Ｃを貫いて生じた磁界が、その部品によってさえぎられることがなく、アンテナ特性の劣化を抑えることができる。

なお、本発明は上記実施の形態の例に限定されず、本発明の要旨の範囲内であれば種々の変更を施すことができる。

たとえば、アンテナ導体１３や開口１２は長方形状や楕円形状としてもよく、機器の筐体形状に合せた構造とすることができる。

本発明の実施の形態によるループアンテナの構成例を示す平面図である。（ａ）は、実施の形態によるループアンテナのＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフであり、（ｂ）は、図６に示す従来のループアンテナのＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。（ａ）は、実施の形態によるループアンテナのＸ方向およびＹ方向偏波の平均利得ＧｘおよびＧｙを示すグラフであり、（ｂ）は、図６に示す従来のループアンテナのＸ方向およびＹ方向偏波の平均利得ＧｘおよびＧｙを示すグラフである。本発明のアンテナ一体モジュールの一例を示すブロック図である。図４に示されたアンテナ一体モジュールの構成例を示す平面図である。従来の第１のループアンテナの構成例を示す平面図である。従来の第２のループアンテナの構成例を示す平面図である。従来の第１の偏波共用アンテナを示す平面図である。従来の第２の偏波共用アンテナを示す透視斜視図である。

符号の説明

１０・・・ループアンテナ
１２・・・開口部
１２Ａ・・・第１の開口
１２Ｂ・・・第２の開口
１２Ｃ・・・第３の開口
１３・・・アンテナ導体
２１・・・給電回路

Claims

開口部を有する平面状のアンテナ導体と該アンテナ導体に接続された給電回路とを有するループアンテナにおいて、
前記開口部は、３つの帯状開口の各一端がつなげられてなり、
前記各一端は、前記３つの帯状開口が互いに９０乃至１８０の角度で交わるようにつなげられ、
前記３つの帯状開口のうち１つの帯状開口の他端は、前記アンテナ導体の縁部で開放され、
前記給電回路は、開放された前記他端の近傍で前記アンテナ導体に接続されていることを特徴とするループアンテナ。
前記各一端は、前記３つの帯状開口が互いに１２０の角度で交わるように接続されることを特徴とする請求項１に記載のループアンテナ。
請求項１又は請求項２に記載のループアンテナが誘電体基板表面または誘電体基板内に形成されて成ることを特徴とするアンテナ基板。
請求項３に記載のアンテナ基板に、外部から入力された信号を高周波信号に変換して前記給電回路に出力する高周波回路が搭載されて成ることを特徴とするアンテナ一体モジュール。
前記高周波回路は、前記アンテナ基板を平面透視したときに、前記３つの帯状開口と重ならないように搭載されていることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ一体モジュール。
前記アンテナ基板に、外部から入力された信号を処理して前記高周波回路に出力する信号処理回路が搭載されてなることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ一体モジュール。
前記高周波回路および信号処理回路は、前記アンテナ基板を平面透視したときに、前記３つの帯状開口と重ならないようにそれぞれ搭載されていることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ一体モジュール。
前記アンテナ基板に、前記信号処理回路に接続されたセンサーモジュールが搭載されてなることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ一体モジュール。
前記高周波回路、信号処理回路およびセンサーモジュールは、前記アンテナ基板を平面透視したときに、前記３つの帯状開口と重ならないようにそれぞれ搭載されていることを特徴とする請求項８に記載のアンテナ一体モジュール。
前記アンテナ基板に、前記高周波回路、前記信号処理回路、および前記センサーモジュールに対して電力をそれぞれ供給する電源が搭載されてなることを特徴とする請求項８に記載のアンテナ一体モジュール。
前記高周波回路、前記信号処理回路、前記センサーモジュールおよび前記電源は、前記アンテナ基板を平面透視したときに、前記第１乃至第３の開口と重ならないようにそれぞれ搭載されていることを特徴とする請求項１０に記載のアンテナ一体モジュール。
請求項１又は請求項２に記載のループアンテナが搭載されて成ることを特徴とする通信機器。
請求項３に記載のアンテナ基板が搭載されて成ることを特徴とする通信機器。
請求項４乃至請求項１１のいずれかに記載のアンテナ一体モジュールが搭載されて成ることを特徴とする通信機器。