JP4924399B2 - アンテナ装置及びこれを用いた無線通信機 - Google Patents

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Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に、携帯電話等に用いられる表面実装型アンテナ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に関するものである。
携帯電話等の小型無線通信機には、小型のアンテナ装置が内蔵されている。図10及び図11は、従来のアンテナ装置の構成の一例を示す略斜視図である。
図10に示すアンテナ装置は、直方体状の誘電体からなる基体1と、基体1の上面の幅方向中央に設けられた直線状の放射導体2とを備えており、放射導体2の一端はギャップgを介して給電電極(給電ライン)4に接続され、他端は基体1の底面に設けられた接地導体3に接続されている。放射導体2の開放端は、ギャップgによる容量を介して給電電極4と電磁界結合しているので、給電ラインと非接触にて励振ができ、且つ、小型化した場合でも、インピーダンス整合が容易である(特許文献1参照)。
また、図11に示すアンテナ装置は、放射導体2の他端を折り曲げてL字状に構成したものである。基体1の表面には給電電極4が形成されており、給電電極4はギャップgを介して放射導体2の短絡端に接続されている。これによれば、チップサイズに対してアンテナの共振波長を大きくすることができる(特許文献2参照)。
特許第3114582号公報 特許第3114605号公報
しかしながら、図10及び図11に示した従来のアンテナ装置は、ギャップgが基体11の上面に形成されており、同一平面上に形成された放射導体2と励振用電極4の端面同士が向き合っているので、大きな容量を得ることができず、アンテナ効率のさらなる向上を図ることが困難となっていた。
したがって、本発明の目的は、アンテナ効率を向上させることができ、小型化で高性能なアンテナ装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、そのようなアンテナ装置を用いて構成された小型で高性能な無線通信機を提供することにある。
本発明の上記課題は、アンテナブロックと、アンテナブロックが実装された実装基板とを備え、アンテナブロックは、略直方体状の誘電体又は磁性体からなる基体と、実装基板と向き合う基体の底面に形成された第1のパッド電極と、基体の底面と交差する第1の側面に形成された第1の側面導体部とを備え、第1のパッド電極と第1の側面導体部とは、少なくとも基体の底面及び第1の側面の角部に設けられたギャップを介して接続されており、実装基板は、第1のパッド電極に接続された第1のランドパターンと、第1のランドパターンに接続された給電ラインとを備え、第1のランドパターンは、アンテナブロックに覆われていない部分を有していることを特徴とするアンテナ装置によって解決される。
本発明のアンテナ装置によれば、ギャップが基体の底面と第1の側面との角部に形成されており、容量を構成する上下の導体が互いに直交関係にあるので、大きな容量を得ることができ、アンテナ効率のさらなる向上を図ることできる。
本発明において、基体の第1の側面におけるギャップの形成位置には、トレンチが設けられていることが好ましい。これによれば、非常に精度の高いギャップを形成することが可能となる。
本発明において、実装基板は、実装領域の下方に設けられた第2のグランドパターンをさらに備えることが好ましい。このように、本発明のアンテナ装置がオングランドタイプである場合には、基板面積を過度に占有しないので、基板面積の有効利用を図ることができ、アンテナ装置の実質的な小型化を図ることができる。
本発明において、給電ラインと第1のグランドパターンとを接続するインピーダンス調整手段を備えることが好ましい。これによれば、アンテナブロックを実装基板上に実装した際、インピーダンスをさらに微調整することができる。さらに、アンテナ構造を変えることなく共振周波数を調整することができる。
本発明において、アンテナブロックは、基体の底面の長手方向の中央部に形成された第3のパッド電極をさらに備え、実装基板は、第3のパッド電極の位置に対応して実装領域内に設けられた第2のランドパターンをさらに備えることが好ましい。この場合において、本発明のアンテナ装置は、実装基板上に設けられ、第2のランドパターンと第1のグランドパターンとを接続する周波数調整手段をさらに備えることが好ましい。これによれば、アンテナブロックを実装基板上に実装する際、共振周波数を微調整することができる。


本発明において、基体の第3及び第4の側面には穴部が設けられていることが好ましい。穴部は貫通孔であってもよく、貫通していなくてもよい。基体の第3及び第4の側面に穴部を設けた場合には、基体の軽量化、つまりアンテナ装置全体の軽量化を図ることができる。
本発明において、基体の第1の側面は実装基板に近づく方向に傾斜していることが好ましい。これによれば、第1の側面導体部の端部を実装基板上の第1のランドパターンに近づけることができるので、容量をさらに大きくすることができる。
本発明の上記課題は、本発明によるアンテナ装置が設けられた無線通信機によっても解決される。
このように、本発明によればアンテナ効率を向上させることができ、小型化で高性能なアンテナ装置を提供することができる。
また、本発明によれば、上記アンテナ装置を用いて構成された小型で高性能な無線通信機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の構成を示す略斜視図である。また、図2は、図1に示すアンテナブロックの展開図である。
図1に示すように、本実施形態によるアンテナ装置100は、アンテナブロック10と、このアンテナブロック10が実装された実装基板20とを備えている。
図2に示すように、アンテナブロック10は、直方体状の誘電体からなる基体11と、基体11の上面11Aに形成された上面導体部12と、基体11の底面11Bに形成された第1乃至第3のパッド電極13〜15と、基体の11の長手方向と直交する第1の側面11Cに形成された第1の側面導体部16と、第1の側面11Cと対向する第2の側面11Dに形成された第2の側面導体部17とを備えている。なお、基体11の長手方向と平行な第3及び第4の側面11E、11Fには導体パターンは形成されていない。
基体11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。特に限定されるものではないが、本実施形態においては10×2×4(mm)とすることができる。
基体11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11は、金型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、効率が低下するため、必ずしも比誘電率ε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2.4GHzである場合、比誘電率εが5〜30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、MgO、CaO、MnO、SiO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。
上面導体部12は、基体11の上面11Aの略全面に形成された導体パターンである。上面導体部12の長手方向の一端は、第1の側面導体部16に接続されており、上面導体部12の長手方向の他端は、第2の側面導体部17に接続されている。これにより、第1の側面導体部16、上面導体部12及び第2の側面導体部17は、連続する略直線状の放射導体を構成している。このように、放射導体が基体11の複数の面にわたって形成されているので、基体11自体を小型化しても所望の電気長を確保することができる。
第1及び第2のパッド電極13、14は、基体11の底面11Bの長手方向の一端及び他端にそれぞれ形成された矩形状の導体パターンである。また、第3のパッド電極15は、基体11の底面11Bの長手方向の中央部に形成された導体パターンであり、第1のパッド電極13と第2のパッド電極14との間に設けられている。第1及び第2のパッド電極13、14の大きさは同一であることが好ましく、第1乃至第3のパッド電極13〜15は、基体11の上下面11A、11Bに垂直な軸(Z軸)を基準にして180回転させたとき同一形状となる対称性を有することが好ましい。これによれば、実装基板20上のレイアウト設計を容易にすることができ、アンテナ特性の安定化、信頼性の向上を図ることができる。
第1の側面導体部16は、ギャップ18の形成領域を除いた基体11の第1の側面11Cの略全面に形成された導体パターンである。また、第2の側面導体部17は、基体11の第2の側面11Dの略全面に形成された導体パターンである。第2の側面導体部17の下端は、第2のパッド電極14に直接接続されているが、第1の側面導体部16の下端と第1のパッド電極13との間には所定幅のギャップ18が設けられている。よって、第1の側面導体部16の下端はギャップ18を介して第1のパッド電極13と電磁的に接続されている。詳細は後述するが、この位置にギャップ18を形成した場合には、第1の側面導体部16の下端を一方の電極とし、第1のパッド電極13を他方の電極とする容量のみならず、実装基板20上の第1のランドパターン23を他方の電極とするより大きな容量を得ることができる。
以上、基体11の各面に形成された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。導体パターンは、この他にメッキやスパッタなどで形成することも可能である。
また、基体11の各面に形成されたこれらの導体パターンは、基体11の第3及び第4の側面11E、11Fと平行な平面を基準として左右対称となるように形成されていることが好ましい。これによれば、Z軸を基準としてアンテナブロック10の向きを180度回転させても実装基板20の端部側から見たアンテナブロック10の導体パターンの形状が実質的に同じになることから、実装する向きによってアンテナ特性が大きく変化することがなく、アンテナ設計を容易にすることができる。
図3は、実装基板20の構成を示す略平面図である。
図3(a)及び図1に示すように、実装基板20は、グランドパターンが設けられていないグランドクリアランス領域21と、グランドクリアランス領域21の周囲に設けられたグランドパターン22と、グランドクリアランス領域21内に設けられた第1及び第2のランドパターン23、25と、第1のランドパターン23に接続された給電ライン26とを備えている。なお、破線21aで示す領域はアンテナブロック10の実装領域(アンテナ実装領域)である。また、図示しないが、実装基板20には無線通信機を構成するための様々な電子部品が実装されている。
グランドクリアランス領域21は実装基板20の端部に沿って設けられている。そのため、グランドクリアランス領域21の周囲3方向はグランドパターン22に囲まれているが、残りの一方向は基板の存在しない開放空間である。また、図3(b)に示すように、実装基板20の裏面又は内層にはグランドパターン29が設けられており、グランドパターン29はアンテナ実装領域21aの直下にも存在している。つまり、本実施形態の実装基板20はオングランドタイプである。
グランドクリアランス領域21内の第1のランドパターン23は、アンテナブロック10の第1のパッド電極13に対応しており、第2のランドパターン25は第3のパッド電極15に対応している。また、アンテナブロック10の第2のパッド電極14に対応する実装基板20上の位置20aにはグランドパターン22が形成されている。したがって、実装基板20上にアンテナブロック10を実装したとき、第1のパッド電極13は第1のランドパターン23、第2のパッド電極14はグランドパターン22、第3のパッド電極15は第2のランドパターン25にそれぞれ半田接続される。
給電ライン26は第1のランドパターン23に接続されており、給電ライン26とグランドパターン22との間にはインピーダンス調整手段であるリアクタンス素子31が実装されている。リアクタンス素子31の実装位置は、グランドクリアランス領域21の外側であって、このグランドクリアランス領域21にできるだけ近い位置であることが好ましい。
第2のランドパターン25とグランドパターン22との間には周波数調整手段であるリアクタンス素子32が実装されている。リアクタンス素子32は、第2のパターン25のリード部分25aとグランドパターン22との間に直列に挿入されている。リアクタンス素子32の実装位置は、グランドクリアランス領域21の外側であって、グランドパターン22にできるだけ近い位置であることが好ましい。
図4は、ギャップ18の周辺を拡大して示す略断面図である。
図4に示すように、ギャップ18は基体11の角部に設けられており、第1の側面導体部16と第1のパッド電極13との間に形成されている。特に限定されるものではないが、ギャップ18の幅Wgは0.15mmとすることができる。
ギャップ18による容量は、第1の側面導体部16と第1のパッド電極13との間で構成されるだけでなく、第1の側面導体部16と第1のランドパターン23との間でも構成される。そして、第1の側面導体部16の下端にある実装基板上の第1のランドパターン23の面積が第1のパッド電極13よりも一回り大きく、第1の側面導体部16と第1のランドパターン23とが互いに直交する関係を有しているので、ギャップ18による容量を大きくするができ、波長短縮効果を大きくすることができる。さらに、ギャップ形成領域を除いた第1の側面11Cのほぼ全面を放射導体に使用でき、放射電極の面積をより大きく確保できるようになるので、アンテナ効率を向上させることもできる。
図5は、アンテナ装置100の共振周波数付近における等価回路を示す回路図である。
図5に示すように、アンテナ装置100は、ギャップ18により形成される容量C、放射導体によるインダクタンスL及び放射抵抗Rが直列接続された構成を有している。また、直列回路の一端には高周波信号fが印加され、他端はグランドに接続されている。そして、高周波信号fは、ギャップ18により形成される容量Cを介して放射導体と電磁界結合し、電波となって放射されることになる。
図6は、本実施形態のアンテナ装置100の特性(実施例1)と従来のアンテナ装置(図7参照)の特性との比較を示すグラフであり、横軸は周波数、縦軸はアンテナ効率を示している。
図6に示すように、本実施形態のアンテナ装置100のアンテナ効率は、従来品よりもより広い周波数範囲において良いことが分かる。アンテナの中心周波数は共に2.4GHz付近であり、中心周波数におけるアンテナ効率のピークは共に約80%である。しかし、本実施形態のアンテナ装置100においてアンテナ効率が60%をカバーする周波数範囲は2.40〜2.50GHzであるのに対し、従来のアンテナ装置では2.40〜2.48GHzとなっている。また、アンテナ効率が40%をカバーする周波数範囲は2.36〜2.55GHzであるのに対し、従来のアンテナ装置では2.38〜2.51GHzとなっている。このように、本実施形態のアンテナ装置は、従来構造よりもアンテナ効率を向上させることができるものである。
以上説明したように、本実施形態のアンテナ装置100によれば、ギャップ18が基体11の角部に形成され、実装基板20上の第1のランドパターン23がアンテナブロック10に覆われていない部分を有することにより、容量を構成する上下の導体が互いに直交関係にあるので、より大きな容量を得ることができ、波長短縮効果を大きくすることができる。さらに、ギャップ形成領域を除いた第1の側面11Cのほぼ全面を一つのまとまった放射導体形成領域として使用できるので、放射電極の面積をより大きく確保でき、アンテナ効率を向上させることができる。
また、本実施形態のアンテナ装置100によれば、実装基板20側のリアクタンス素子を用いて共振周波数やインピーダンスを調整するため、アンテナ構造を変えることなく共振周波数を調整することができる。
さらに、本実施形態のアンテナ装置100によれば、基体11の長手方向と平行な第3及び第4の側面11E、11Fに導体パターンを形成する必要がないので、歩留まりが低下する要素も少なく、製造工程も短くすることができ、比較的安価なアンテナ装置を提供することができる。
図7は、本発明の第2の実施形態によるアンテナ装置であって、ギャップ18の変形例を示す略斜視図である。
図7に示すように、本実施形態によるアンテナ装置の特徴は、ギャップ18の形成位置における基体11の表面にトレンチ11Tが形成されている点にある。このトレンチ11Tは、金型を用いた基体11の成型時において、基体11と同時に成型されたものである。通常、基体11の表面の導体パターンはスクリーン印刷により形成されるが、スクリーン印刷の精度は50μm程度とそれほど高くない。そのため、印刷ずれによってギャップ18の幅や形状が変化し、アンテナ特性のバラツキが生じやすい。これに対し、金型を用いたトレンチ11Tの加工精度は5μm程度と非常に高い。また、焼成体の縮率バラツキによるトレンチ形状のバラツキも、印刷バラツキに比べると非常に小さい。そのため、トレンチ11Tが形成された基体11の側面にスクリーン印刷を行えば、トレンチ11Tの存在によってギャップ18が必然的に形成されるだけでなく、ギャップ幅Wgも正確に規定することができる。
図8は、本発明の第3の実施形態によるアンテナ装置であって、アンテナブロック50の変形例を示す展開図である。
図8に示すように、本実施形態によるアンテナ装置の特徴は、基体11の第1の側面11Cが基体11の底面11Bに対して垂直ではなく、第1のパッド電極13に近づく方向に傾斜を有している点にある。基体11は、第1の側面11Cのみが傾斜した形状であってもよく、第1の側面11Cに合わせて第2の側面11Dも傾斜した形状であってもよい。このように、第1の側面11Cが傾斜している場合には、同じギャップ幅をもつ完全な直方体の基体に比べて、第1の側面導体部16の端部を第1のパッド電極13に近づけることができるので、容量をさらに大きくすることができる。また、給電電極が傾斜していることにより、無線通信機器に組み込まれたときに、給電電極近傍の部品の影響が小さくなり、効率を劣化させないことができる。
図9は、本発明の第4の実施形態によるアンテナ装置であって、アンテナブロック50の変形例を示す展開図である。
図9に示すように、本実施形態によるアンテナ装置の特徴は、アンテナブロック50を構成する基体11の第3及び第4の側面11E、11Fに穴部11Hが形成されている点にある。基体11の側面には導体パターンが形成されていないことから、穴部11Hを形成して基体11の軽量化を図ったものである。なお、穴部11Hの深さや数は特に限定されない。また、図示の穴部11Hは貫通していないが、貫通穴を形成することも可能である。このように、本実施形態のアンテナ装置によれば、第1の実施形態による発明の効果に加えて、アンテナ装置全体の軽量化を図ることができる。また、基体11の実効誘電率が下がることから、高効率化が可能である。さらに、側面導体部の形状と合わせての特性調整が可能となり、自由度の高い設計が可能となる。
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。
また、上記各実施形態におけるアンテナ装置は、基体11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11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、上記第2の実施形態においては、トレンチ11Tが形成された基体11にそのまま導体ペーストをスクリーン印刷することにより、第2の側面導体部17を形成しているが、トレンチ11T内に樹脂を充填した後、導体ペーストをスクリーン印刷してもよい。スクリーン印刷後に樹脂を取り除いた場合には、不要な導体ペーストも一緒に除去されることから、導体ペーストがトレンチ11T内に入り込むことを防止することができる。したがって、ギャップ18の加工精度をさらに高めることができる。
また、上記実施形態においては、インピーダンス調整手段及び周波数調整手段としてリアクタンス素子を用いているが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、導体パターンを用いてもよい。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す略斜視図である。 図2は、図1に示すアンテナブロックの展開図である。 図3は、実装基板20の構成を示す略平面図である。 図4は、ギャップ18の周辺を拡大して示す略断面図である。 図5は、アンテナ装置100の共振周波数付近における等価回路を示す回路図である。 図6は、本実施形態のアンテナ装置100の特性(実施例1)と従来のアンテナ装置(図7参照)の特性との比較を示すグラフである。 図7は、本発明の第2の実施形態によるアンテナ装置であって、ギャップ18の変形例を示す略斜視図である。 図8は、本発明の第3の実施形態によるアンテナ装置であって、アンテナブロック50の変形例を示す展開図である。 図9は、本発明の第4の実施形態によるアンテナ装置であって、アンテナブロック50の変形例を示す展開図である。 図10は、従来のアンテナ装置の構成の一例を示す略斜視図である。 図11は、従来のアンテナ装置の構成の他の例を示す略斜視図である。
符号の説明
10 アンテナブロック
11 基体
11H 穴部
11A 基体の上面
11B 基体の底面
11C 基体の第1の側面
11D 基体の第2の側面
11E 基体の第3の側面
11F 基体の第4の側面
11T トレンチ
12 上面導体部
13 第1のパッド電極
14 第2のパッド電極
15 第3のパッド電極
16 第1の側面導体部
17 第2の側面導体部
18 ギャップ
20 実装基板
20a 第2のパッド電極の実装位置
21 グランドクリアランス領域
21a アンテナ実装領域
22 第1のグランドパターン
23 第1のランドパターン
25 第2のランドパターン
25a リード部分
26 給電ライン
29 第2のグランドパターン
31 リアクタンス素子
32 リアクタンス素子
50 アンテナブロック
100 アンテナ装置
f 高周波信号
g ギャップ
L インダクタンス
R 放射抵抗
C 容量

Claims (9)

  1. アンテナブロックと、前記アンテナブロックが実装された実装基板とを備え、
    前記アンテナブロックは、
    略直方体状の誘電体又は磁性体からなる基体と、前記実装基板と向き合う前記基体の底面に形成された第1のパッド電極と、前記基体の前記底面と交差する第1の側面に形成された第1の側面導体部とを備え、前記第1のパッド電極と前記第1の側面導体部とは、少なくとも前記基体の前記底面及び前記第1の側面の角部に設けられたギャップを介して接続されており、
    前記実装基板は、
    前記第1のパッド電極に接続された第1のランドパターンと、前記第1のランドパターンに接続された給電ラインとを備え、前記第1のランドパターンは、前記アンテナブロックに覆われていない部分を有していることを特徴とするアンテナ装置。
  2. 前記基体の前記第1の側面における前記ギャップの形成位置にトレンチが設けられていることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
  3. 前記実装基板は、前記実装領域の下方に設けられた第2のグランドパターンをさらに備えることを特徴とする請求項1又は2に記載のアンテナ装置。
  4. 前記給電ラインと前記第1のグランドパターンとを接続するインピーダンス調整手段を備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  5. 前記アンテナブロックは、前記基体の底面の長手方向の中央部に形成された第3のパッド電極をさらに備え、
    前記実装基板は、前記第3のパッド電極の位置に対応して前記実装領域内に設けられた第2のランドパターンをさらに備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  6. 前記実装基板上に設けられ、前記第2のランドパターンと前記第1のグランドパターンとを接続する周波数調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項5に記載のアンテナ装置。
  7. 前記基体の前記第1の側面が前記実装基板に近づく方向に傾斜していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  8. 前記基体の第3及び第4の側面に穴部が設けられていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  9. 請求項1乃至8に記載のアンテナ装置が設けられていることを特徴とする無線通信機。
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