JP4775298B2 - アンテナ装置及びこれを用いた無線通信機器 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に、表面実装型のアンテナ装置の導体パターン形状に関するものである。また、本発明は、このアンテナ装置を用いた無線通信機器に関するものである。

携帯電話等の小型無線通信機器に内蔵される小型のアンテナ装置が注目されている。従来のアンテナ装置としては、例えば特許文献１乃至３に示すようなものがある。

特許文献１には、基体の第１主面から少なくとも１つの端面を経由して第２主面へ延び、この第２主面で所定長のパターンを形成して、再び少なくとも１つの端面を経由して第１主面へ戻る折り返し形状の放射電極を有する表面実装型アンテナが開示されている。この表面実装アンテナによれば、放射電極は端面を経由して第１主面と第２主面を往復するパターンとなり、全体のパターン長が長くなって必要な大きなインダクタンス成分が容易に得られるため、比誘電率の極端に高い誘電体基体を用いなくても全体の小型化を図ることができる。また、Ｑを低く維持することができ、狭帯域化を防ぐこともできる。

また、特許文献２には、放射電極を、基体の一方主面および基体の接地端子が設けられた側面と対向する側面を経由して設けると共に、放射電極の給電導体側にギャップを形成した表面実装型アンテナが開示されている。この表面実装型アンテナによれば、容量成分を形成するギャップが放射電極の給電導体に近接する位置に設けられているので、アンテナの容量を大きくすることができ、誘電率の大きい基体を用いることなく周波数特性を維持し、小型化することが可能である。また、放射電極が基体の一方主面および１つの側面を経由して形成されるので、放射電極の長さを長くすることができ、周波数帯域が広がり、小型化に好適である。

また、特許文献３には、共振周波数調整回路に接続された表面実装型アンテナが開示されている。このアンテナ装置によれば、給電電極、接地電極とともに、制御電極が基板への実装面に設けられているため、共振周波数調整回路が設けられている基板上に表面実装するだけで、制御電極を共振周波数調整回路に接続することができる。
特許第３２４６３６５号公報 特許第３１６１３４０号公報 特許第３３０７２４８号公報

ところで、この種のアンテナ装置には、プリント基板上のどの位置に搭載したとしても特性が良好であることが要求されている。例えば、図７に示すように、プリント基板７１の角部７２、プリント基板７１の周縁部であって辺方向の略中間位置７３、プリント基板７１の中央部７４等、様々な位置に実装され得るが、いずれの場合でもアンテナ特性が所定の基準を満たしていることが必要である。しかしながら、上述した従来のアンテナ装置はいずれも、その実装位置によって特性が大幅に変化し、上述の整合回路を用いて共振周波数特性を調整したとしても、アンテナ構造とその実装位置との相性によっては所望のアンテナ特性を得ることが出来ない場合があった。

本発明は、上記課題を解決するべくなされたものであり、プリント基板上のどの位置に実装したとしても特性を良好にすることが可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。本発明はまた、そのようなアンテナ装置を用いた小型で高性能な無線通信機器を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、アンテナブロックと、アンテナブロックの実装領域を有するプリント基板とを備え、アンテナブロックは、誘電体又は磁性体からなる基体と、基体の少なくとも上面に形成された第１の放射導体と、基体の側面に形成された第１及び第２の給電導体とを備え、プリント基板は、一端が第１の給電導体に接続され、途中に第１の絶縁スリットが設けられた第１の給電ラインと、一端が第２の給電導体に接続され、途中に第２の絶縁スリットが設けられた第２の給電ラインとを備え、第１の給電導体は第１の放射導体に直接接続されており、第２の給電導体は、ギャップを介して第１の放射導体に接続されていることを特徴とするアンテナ装置によって達成される。

また、本発明の上記目的は、上記特徴を有するアンテナ装置を備えた無線通信機器によっても達成される。

本発明によれば、直接給電とギャップ給電からなる２系統の給電ラインを用意し、各給電ラインに設けられた絶縁スリットに整合素子を実装することによりどちらか１系統を選択できるようにしたので、単に整合素子等の短絡部材を所定の位置に実装するだけでアンテナの種類を容易に選択することができる。したがって、どのような実装位置であっても特性の良好なアンテナ装置を実現することができる。また、これによりアンテナ特性の良好な無線通信機器を提供することができる。

本発明のアンテナ装置は、プリント基板上に設けられ、一端が第１の放射導体に接続された第２の放射導体をさらに備えることが好ましい。これによれば、アンテナ長をさらに長くすることができると共に、第２の放射導体の他端を開放した場合には導体パターン全体をモノポールアンテナとして構成することができ、第２の放射導体の他端を接地した場合には逆Ｆアンテナとして構成することができ、第２の放射導体の接続状態によって二種類のアンテナを選択することができる。

本発明のアンテナ装置は、第１の絶縁スリット上に設けられた第１の短絡部材をさらに備え、第２の放射導体の他端は開放されていることが好ましい。これによれば、モノポールアンテナを構成することができる。

本発明のアンテナ装置は、第２の絶縁スリット上に設けられた第２の短絡部材をさらに備え、第２の放射導体の他端は、第３の短絡部材を介してグランドパターンに接続されていることが好ましい。これによれば、ギャップ給電型の逆Ｆアンテナを構成することができる。

このように、本発明によれば、プリント基板上のどの位置に実装したとしても特性を良好にすることが可能なアンテナ装置を提供することができる。また、このようなアンテナ装置を用いた小型で高性能な無線通信機器を提供することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１０の構成を示す略斜視図であり、本実施形態によるアンテナ装置１０を用いた無線通信機器の一部を示している。また、図２は、アンテナブロック１００の構成を示す略斜視図であり、図３はアンテナブロック１００の展開図である。

図１に示すように、アンテナ装置１０は、アンテナブロック１００と、アンテナブロック１００の実装領域（アンテナ実装領域）を有するプリント基板２００とで構成されている。

アンテナブロック１００は、誘電体からなる基体１１０と、基体１１０の上面及び側面に設けられた複数の導体パターンによって構成されている。

基体１１０は、Ａ方向を長手方向とし、Ｂ方向を幅方向する直方体状を有しており、Ａ方向及びＢ方向の両方と平行な上面１１１及び底面１１２と、Ａ方向と直交し、Ｂ方向と平行な第１の側面１１３及び第２の側面１１４と、Ａ方向と平行でありＢ方向と直交する第３の側面１１５及び第４の側面１１６とを有している。基体１１０の大きさは、目的とするアンテナ特性に応じて適宜設定すればよい。

基体１１０の材料としては、特に限定されるものではないが、Ｂａ−Ｎｄ−Ｔｉ系材料（比誘電率８０〜１２０）、Ｎｄ−Ａｌ−Ｃａ−Ｔｉ系材料（比誘電率４３〜４６）、Ｌｉ−Ａｌ−Ｓｒ−Ｔｉ（比誘電率３８〜４１）、Ｂａ−Ｔｉ系材料（比誘電率３４〜３６）、Ｂａ−Ｍｇ−Ｗ系材料（比誘電率２０〜２２）、Ｍｇ−Ｃａ−Ｔｉ系材料（比誘電率１９〜２１）、サファイヤ（比誘電率９〜１０）、アルミナセラミックス（比誘電率９〜１０）、コージライトセラミックス（比誘電率４〜６）などを用いることができる。基体１１０は、型枠を用いてこれらの材料を焼成することによって作製される。

誘電体材料は、目的とする周波数に応じて適宜選択すればよい。比誘電率ε_ｒが大きくなるほど大きな波長短縮効果が得られるので、放射導体の長さをより短くすることができるが、必ずしも比誘電率ε_ｒが大きければよいという分けではなく、適切な値が存在する。したがって、例えば、目的とする周波数が２．４０ＧＨｚである場合、比誘電率ε_ｒが２５〜３０程度の材料を用いることが好ましい。これによれば、十分な利得を確保しつつ放射導体の小型化を図ることができる。比誘電率ε_ｒが５〜３０程度である材料としては、Ｍｇ−Ｃａ−Ｔｉ系誘電体セラミックを好ましく挙げることができる。Ｍｇ−Ｃａ−Ｔｉ系誘電体セラミックとしては、ＴｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＭｎＯ、ＳｉＯ_２を含有するＭｇ−Ｃａ−Ｔｉ系誘電体セラミックを用いることが特に好ましい。

基体１１０上の導体パターンは、基体１１０の上面１１１及び第２の側面１１４に設けられた第１の放射導体１２０と、基体１１０の第１の側面１１３に設けられた第１及び第２の給電導体１２３、１２４と、基体１１０の底面１１２に設けられた第１乃至第３のパッド電極１２６乃至１２８で構成されている。これらの導体パターンは、電極用ペースト材をスクリーン印刷や転写などの方法によって塗布した後、所定の温度条件下で焼き付けを行うことによって形成することができる。電極用ペースト材としては、銀、銀−パラジウム、銀−白金、銅などを用いることができる。なお、本実施形態においては、基体１１０の第３の側面１１５及び第４の側面１１６には導体パターンが形成されていないが、必要に応じて形成してもかまわない。

第１の放射導体１２０は、基体１１０の上面１１１の全面に設けられた上面導体部１２１と、基体１１０の第２の側面１１４の全面に設けられた側面導体部１２２とで構成されている。これにより、上面導体部１２１及び側面導体部１２２は連続する一本の帯状パターンを構成している。

第１の給電導体１２３は、上面導体部１２１の一端と第１の給電ライン２１３とを接続する帯状の導体パターンである。第１の給電導体１２３は、幅方向と直交する第１の側面１１３の２つの辺のうち一方の辺に沿って設けられている。第１の給電導体１２３の幅は基体１１０の幅よりも狭く、１／２以下に設定されていることが好ましい。第１の給電導体１２３の長さは基体１１０の高さと等しく、これにより第１の給電導体１２３は上面導体部１２１に直接接続されている。このため、第１の給電導体１２３もアンテナ特性に寄与し、放射導体の一部として機能する。

第２の給電導体１２４は、上面導体部１２１の一端と第２の給電ライン２１４とを接続する帯状の導体パターンである。第２の給電導体１２４は、幅方向と直交する第１の側面１１３の２つの辺のうち他方の辺に沿って設けられている。第２の給電導体１２４の幅は、基体１１０の幅よりも狭く、１／２以下に設定されていることが好ましい。第１の給電導体１２３の長さは基体１１０の高さよりも短く、これにより所定幅のギャップ１２５が形成されている。このように、第２の給電導体１２４はギャップ１２５による容量結合を介して上面導体部１２１に接続されているため、第２の給電導体１２４もアンテナ特性に寄与し、放射導体の一部として機能する。

第１のパッド電極１２６は、第１の給電導体１２３に接続された導体パターンであり、第２のパッド電極１２７は、第２の給電導体１２４に接続された導体パターンであり、第３のパッド電極１２８は、第１の放射導体１２０の側面導体部１２２に接続された導体パターンである。これらのパッド電極１２６乃至１２８は、プリント基板２００上の対応する導体パターンに半田付けされる。

図４は、アンテナブロック１００が実装されるプリント基板２００の表面のパターンレイアウトの一例を示す略平面図である。

図１及び図４に示すように、プリント基板２００の表面には、基板の外周付近に設けられた絶縁領域であるクリアランス領域２１０と、クリアランス領域２１０内に設けられたアンテナ実装領域２１１と、クリアランス領域２１０の外側に設けられたグランドパターン２２０と、アンテナ実装領域２１１の長手方向の一端側に設けられた第１及び第２の給電ライン２１３、２１４と、他端側に設けられたランドパターン２１５と、一端がランドパターン２１５に接続された第２の放射導体２１６と、共通給電ライン２１７とを備えている。さらに、プリント基板２００の表面及び裏面の適所には、無線通信機器を構成する各種回路部品が実装されている。

本実施形態において、アンテナ実装領域２１１の周囲三方向はグランドパターン２２０に囲まれている。つまり、アンテナ実装領域２１１は、その長手方向と直交するグランドパターンの第１及び第２のエッジライン２２０ａ、２２０ｂと、当該長手方向と平行なグランドパターンの第３のエッジライン２２０ｃに囲まれている。残りの一方向はプリント基板２００の端部であり、グランドパターンが存在しない領域（開放領域２４０）である。

第１の給電ライン２１３は、アンテナブロック１００の第１の給電導体１２３の下方に位置する導体パターンであり、第２の給電ライン２１４は、アンテナブロック１００の第２の給電導体１２４の下方に位置する導体パターンである。第１及び第２の給電ライン２１３、２１４は、アンテナ実装領域２１１に収まった部分と、アンテナ実装領域２１１よりも外側に露出した部分を有し、この露出部分はアンテナブロック１００の対応する給電導体１２３、１２４との半田付けに用いられる。

第１及び第２の給電ライン２１３、２１４は、給電ラインの一部として機能し、それらの一端は共通給電ライン２１７に接続されている。第１及び第２の給電ライン２１３、２１４の途中は絶縁スリット２１３ａ、２１４ａによってそれぞれ分断されている。絶縁スリット２１３ａ、２１４ａの形成位置は整合素子実装位置２１８であり、この分断されたパターンの両端は、周波数調整用の整合素子を実装することで短絡される。特に、絶縁スリット２１３ａ、２１４ａのいずれか一方に整合素子を実装することにより、第１及び第２の給電ライン２１３、２１４のいずれか一方が選択される仕組みとなっている。なお、第１及び第２の給電ライン２１３、２１４もアンテナ特性に寄与し、放射導体の一部として機能する。整合素子としては、インダクタやコンデンサなどの受動素子を用いることが好ましい。

ランドパターン２１５は、アンテナブロック１００の側面導体部１２２の下方に位置する導体パターンである。ランドパターン２１５もまた、アンテナ実装領域２１１に収まった部分と、アンテナ実装領域２１１よりも外側に露出した部分を有し、この露出部分はアンテナブロック１００の側面導体部との半田付けに用いられる。ランドパターン２１５は、第１の放射導体１２０と第２の放射導体２１６とを連結する役割を果たし、放射導体１２０の一部として機能するものである。

第２の放射導体２１６は、クリアランス領域２１０内において長手方向に延びる帯状の導体パターンであって、その一端はランドパターン２１５に接続されている。第２の放射導体２１６は、アンテナ実装領域２１１よりも開放領域２４０に近接した位置に設けられている。第２の放射導体２１６の長さは、その先端がグランドパターン２２０に近接する所定の長さに設定される。第２の放射導体２１６の他端は、絶縁スリット２１６ａを介してグランドパターンのエッジ部分と対向しており、インダクタ等の整合素子を介してグランドパターン２２０に接続可能となっている。絶縁スリット２１６ａの形成位置は整合素子実装位置２１９であり、第２の放射導体２１６とグランドパターン２２０は、整合素子を実装することで短絡される。第２の放射導体２１６の幅は、アンテナ設計を容易にするため、基体１１０の幅（上面導体部の幅）と等しいことが好ましい。

以上のようなプリント基板２００上にアンテナブロック１００を実装すると、アンテナブロック１００の第１の給電導体１２３がプリント基板２００上の第１の給電ライン２１３に接続され、第２の給電導体１２４がプリント基板２００上の第２の給電ライン２１４に接続される。さらに、整合素子実装位置２１８、２１８のいずれか一方に整合素子を実装することにより、いずれか一方のアンテナが選択される。

図５は、アンテナブロック１００の実装形態の一例を示す略斜視図である。

図５に示すように、第１の給電ライン２１３側に整合素子２３０を実装し、第２の放射導体２１６の先端を開放した場合には、第１の給電ライン２１３、第１の給電導体１２３、第１の放射導体１２０、ランドパターン２１５、第２の放射導体２１６からなるモノポールアンテナが構成される。

図６は、アンテナブロック１００の実装形態の他の例を示す略斜視図である。

図６に示すように、第２の給電ライン２１４側に整合素子２３１を実装し、第２の放射導体２１６の先端に整合素子２３２を実装した場合には、第２の給電ライン２１４、第２の給電導体１２４、ギャップ１２５、第１の放射導体１２０、ランドパターン２１５、第２の放射導体２１６からなる一本の放射導体と、この放射導体から分岐する第１の給電導体１２３からなり、第２の放射導体２１６の先端が接地され、第１の給電導体１２３の先端が開放されたギャップ給電型逆Ｆアンテナが構成される。

以上説明したように、本実施形態によれば、直接給電とギャップ給電からなる２系統の給電ラインを用意し、各給電ライン上に設けられた絶縁スリットに整合素子を実装することによりどちらか１系統を選択できるようにしたので、単に整合素子等を所定の位置に実装するだけで、アンテナの種類を容易に選択することができる。

また、本実施形態によれば、プリント基板上に形成された第３の放射導体の先端とグランドパターンとの間に絶縁領域を設け、整合素子等の実装により第３の放射導体の先端を開放端とするのか、それとも接地するのかを選択できるようにしたので、単に整合素子等を所定の位置に実装するだけで、アンテナ素子の先端の接続形態を容易に選択することができる。したがって、給電ラインの選択を組み合わせることにより、アンテナ装置をギャップ給電逆Ｆアンテナとして機能させることができ、或いはモノポールアンテナとして機能させることができる。

また、本実施形態によれば、周波数調整に用いる整合素子をアンテナ選択手段として用いることから、専用のアンテナ選択手段を用意することなく、アンテナ選択を実現することができる。

また、本発明によれば、第２の放射導体２１６は、第１の放射導体１２０と比較して、これらの放射導体と平行なグランドパターン２２０の第３のエッジライン２２０ｃから離れた位置にあるので、グランドパターンがアンテナ特性に与える影響を最小限におさえることができ、アンテナ特性の向上を図ることができる。

以上、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加えることが可能であり、それらも本発明の範囲に包含されるものであることは言うまでもない。

例えば、上記実施形態においては、絶縁スリットによって分断されたパターン間を接続するための短絡部材としてインダクタ等の整合素子を挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、単なる導体パターンであってもかまわない。

また、上記各実施形態におけるアンテナ装置は、基体１１０が直方体形状を有しているが、厳密な直方体であることは必須でなく、例えば、直方体の角部にその向きを特定するためのテーパーが設けられていても構わない。

また、上記実施形態においては、基体１１０の材料として誘電体を用いているが、誘電体以外に誘電性を有する磁性体を用いてもよい。この場合、１／｛（ε×μ）^１／２｝の波長短縮効果が得られるので、透磁率μの高い磁性体を用いることによって、大きな波長短縮効果を得ることができる。また、μ／εが電極のインピーダンスを決定するため、μの高い磁性体を用いることによってインピーダンスを高めることができる。これにより、高すぎるアンテナのＱを低下させて、広帯域特性を得ることができる。

また、上記実施形態においては、基体１１０の第２の側面１１４にギャップ１２５が形成されているが、基体１１０の上面１１１にギャップ１２５を形成してもよい。この場合、第１の給電導体１２３の長さは基体１１０の高さと同一に設定され、上面導体部１２１は基体１１０の上面全体ではなく、基体１１０の長さよりも短く形成する。これにより、基体１１０の上面にギャップ１２５を形成することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１０の構成を示す略斜視図であり、本実施形態によるアンテナ装置１０を用いた無線通信機器の一部を示している。 図２は、アンテナブロック１００の構成を示す略斜視図であり、 図３はアンテナブロック１００の展開図である。 図４は、アンテナブロック１００が実装されるプリント基板２００の表面のパターンレイアウトの一例を示す略平面図である。 図５は、アンテナブロック１００の実装形態の一例を示す略斜視図である。 図６は、アンテナブロック１００の実装形態の他の例を示す略斜視図である。 図７は、プリント基板上のアンテナ装置の実装位置を示す略平面図である。

符号の説明

１０ アンテナ装置
７１ プリント基板
７２ プリント基板の角部
７３ プリント基板の辺方向の略中間位置
７４ プリント基板の中央部
１００ アンテナブロック
１１０ 基体
１１１ 基体の上面
１１２ 基体の底面
１１３ 基体の第１の側面
１１４ 基体の第２の側面
１１５ 基体の第３の側面
１１６ 基体の第４の側面
１２０ 第１の放射導体
１２１ 上面導体部
１２２ 側面導体部
１２３ 第１の給電導体
１２４ 第２の給電導体
１２５ ギャップ
１２６ 第１の底面導体部
１２７ 第２の底面導体部
１２８ 第３の底面導体部
２００ プリント基板
２１０ クリアランス領域
２１１ アンテナ実装領域
２１３ 第１の給電ライン
２１３ａ 絶縁スリット
２１４ 第２の給電ライン
２１４ａ 絶縁スリット
２１５ ランドパターン
２１６ 第２の放射導体
２１６ａ 絶縁スリット
２１７ 共通給電ライン
２１８ 整合素子実装位置
２１９ 整合素子実装位置
２２０ グランドパターン
２２０ａ グランドパターンの第１のエッジライン
２２０ｂ グランドパターンの第２のエッジライン
２２０ｃ グランドパターンの第３のエッジライン
２３０ 整合素子
２３１ 整合素子
２３２ 整合素子
２４０ 開放領域

Claims (6)

1. アンテナブロックと、前記アンテナブロックの実装領域を有するプリント基板とを備え、
   前記アンテナブロックは、
   誘電体又は磁性体からなる基体と、
   前記基体の少なくとも上面に形成された第１の放射導体と、
   前記基体の側面に形成された第１及び第２の給電導体とを備え、
   前記プリント基板は、
   一端が前記第１の給電導体に接続され、途中に第１の絶縁スリットが設けられた第１の給電ラインと、
   一端が前記第２の給電導体に接続され、途中に第２の絶縁スリットが設けられた第２の給電ラインとを備え、
   前記第１の給電導体は、前記第１の放射導体に直接接続されており、
   前記第２の給電導体は、ギャップを介して前記第１の放射導体に接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記プリント基板上に設けられ、一端が前記第１の放射導体に接続された第２の放射導体をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１の絶縁スリット上に設けられた第１の短絡部材をさらに備え、前記第２の放射導体の他端は開放されていることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第２の絶縁スリット上に設けられた第２の短絡部材をさらに備え、前記第２の放射導体の他端は、第３の短絡部材を介してグランドパターンに接続されていることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
5. 前記短絡部材は、整合素子であることを特徴とする請求項３又は４に記載のアンテナ装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のアンテナ装置とを備えることを特徴とする無線通信機器。

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