JP4991451B2 - アンテナおよびその共振周波数の調整方法、並びにそれを用いた通信機器 - Google Patents

Description

本発明は、移動体通信端末やローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）等に用いられる小型のアンテナ及びそれを用いた通信機器に関するものである。

近年、移動体通信の発展とサービスの多様化により、携帯電話機等の移動体通信端末の普及が進み、持ち運びを考慮して通信端末の筐体の小型化が進んでおり、これに伴って内蔵され、あるいは取り付けられる部品の小型化・軽量化が進んでいる。ホイップアンテナ８１は図５に示すように筐体８２から突出する形態であることから、端末のより一層の小型化を図るために、アンテナについては筐体から突出しない小型で軽量なものが望まれている。

このような要求に応えるために、基体として誘電体材料等を用いることによって誘電性による波長短縮効果を応用し、放射電極のサイズを小さくしてアンテナを小型にしたものが実現されている。

図６に示すアンテナ10は、移動体端末やＬＡＮ等の通信機器に使用されるものであり、例えばセラミックスからなる基体13の表面に、電波を送信、受信するための放射電極23とこの放射電極に高周波信号の電力を供給するために容量結合させた給電電極43とを備えている（特許文献１）。

これらのアンテナを通信機器に実装すると、周囲の部品等の影響を受けて実装したアンテナの共振周波数およびインピーダンスの特性が変化する。これらの特性は放射電極および給電電極の長さを調整することで対応するのが一般的である。
特開平２００４−１８０１６７号公報

しかしながら、基体に誘電体材料等を用いることによって誘電性による波長短縮効果を応用し、放射電極および給電電極のサイズを小さくしてアンテナを小型にすると、放射電極および給電電極の単位長さ当たりの共振周波数の変化量が大きくなり、微調整が困難になるという問題が発生する。誘電率を大きくしてアンテナを小型にするほど共振周波数の変化量が大きくなり、共振周波数の微調整が更に困難となる。共振周波数の微調整ができない状態でアンテナを通信機器に実装すると通信特性を十分に発揮できないことがある。

本発明はこのような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、共振周波数を精度よくかつ容易に調整を行うことが可能なアンテナ、およびその共振周波数の調整方法、並びにそれを用いた通信機器を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明にかかるアンテナは、誘電体材料または磁性体材料から成る基体の表面に、一端がグランド電極端子に接続されるとともに他端が開放端とされた放射電極と、一端が給電端子に接続されるとともに他端が前記放射電極と容量結合する開放端を有した給電電極と、前記放射電極の開放端に対向した補助放射電極とを有し、前記給電電極の他端と、前記放射電極の開放端と、前記補助放射電極の少なくとも一部は、前記基体の同一面内にあることを特徴とする。

さらに、前記放射電極の開放端と補助放射電極との最短距離が２ｍｍ以下であることを特徴とする。

さらに、前記基体が直方体状であって、前記基体の対向する面間を貫通する貫通孔または貫通溝を有することを特徴とする。

さらに、上記補助放射電極の一部を除去することにより共振周波数を調整することを特徴とする。

さらに、上記アンテナを送受信用素子として内蔵したことを特徴とする。

本発明のアンテナによれば、共振周波数の微調整が容易となる。この理由は、放射電極、給電電極、補助放射電極は容量結合をしており、一端部をエッチングするところの単位長さ当たりの共振周波数変化量は前記放射電極よりも小さいため、この補助放射電極の長さを調整して共振周波数の微調整ができるからである。

また、それぞれの電極の位置精度が高く共振周波数の変動小さいので所望の共振周波数への微調整が容易となり、所望の共振周波数でインピーダンス特性が最適化されたアンテナ特性を確保することが可能となる。

また、本発明のアンテナを具備した通信機器とするときには、アンテナの共振周波数を容易に最適な状態に調整することができるので、所望の周波数帯において高利得の通信機器を得ることができるとともに、良好な通信状態を維持することが容易になる。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施の形態の例に基づいて説明する。

図１（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ本発明のアンテナの実施の形態の一例を示す斜視図である。図１（ａ）〜（ｇ）において、１は本発明のアンテナを示し、１１は誘電体材料または磁性体材料から成る基体、５１は給電端子、６１はグランド電極端子、２１は一端がグランド電極端子６１に接続されるとともに他端が開放端とされた放射電極、３１は放射電極２１に対向して設けられた補助放射電極、４１は一端が給電端子５１に接続されるとともに他端が開放端とされて放射電極２１、補助放射電極３１と容量結合する給電電極である。

本発明のアンテナでは、図１（ａ）〜（ｇ）に示すように補助放射電極３１が放射電極２１の開放端に対向して設けられている。放射電極２１、給電電極４１、補助放射電極３１は容量結合をしており、補助放射電極３１の単位長さ当たりの共振周波数の変化量は放射電極２１の一部を除去するよりも小さくすることができる。そして補助放射電極３１の長さを調整することで、共振周波数の微調整が容易となる。

尚、図１（ａ）〜（ｇ）に示すように、給電電極４１と放射電極２１の開放端及び補助放射電極３１は同一面内にあることが望ましい。この理由はそれぞれの電極を同一面内に形成することで電極の位置精度を向上することができるためである。基体１１の複数面にそれぞれの電極を形成しても同様の効果は得られるが、電極の位置精度が低くなるため、共振周波数の微調整が困難になるおそれがある。また同一面内であれば電極の一部を除去をすることが容易である。開放端や放射電極の形状は特定しないが、テーパー上にすれば粗調整、微調整が可能になる。

ここで、開放端とは放射補助電極に最も近い部分、あるいは、放射電極に対向する部分をいう。

補助放射電極３１は放射電極２１の開放端側とは反対側の一部が除去されていることが望ましく、これによって共振周波数の微調整がさらに容易となる。一方補助放射電極３１における放射電極２１の開放端側の一部を除去すると、放射電極２１と補助放射電極３１間の離間距離が大きくなり互いの容量結合の強度が変化しやすくなる。すなわち電極の一部を除去することによる共振周波数の変化に、容量結合の強度の変化による共振周波数の変化が加わるため、共振周波数を微調整できないおそれがある。

尚、電極の一部を除去した痕についてはレーザーによる電極部の焼却、機械的な電極部の研削加工によるものが一般であるので、拡大して観察すれば電極の一部を除去したか否かは容易に確認できる。

放射電極２１と補助放射電極３１の離間距離は２ｍｍ以下であることが望ましい。この理由は離間距離が２ｍｍを超えると放射電極２１と補助放射電極３１の容量結合が弱まり、補助放射電極３１の長さを調整した時の共振周波数の変化量が小さくなりすぎ、必要な共振周波数の調整量が確保できなくなるおそれがあるためである。

図２（ａ）〜（ｅ）は本発明のアンテナの基体の形状の例を示す斜視図である。アンテナ１の基体１１は直方体状であって、基体１１の対向する面同士を貫通する貫通孔を有することが望ましい。例えば、図２（ａ）の基体１１には基体１１の両端面を貫通する貫通孔７１を、図２（ｂ）の基体１１には基体１１の両側面を貫通する貫通孔７２を、図２（ｃ）の基体１１には基体１１の両主面間を貫通する貫通孔７３を形成している。

また基体１１には溝を設けることが好ましい。例えば、溝として、図２（ｄ）、（ｅ）の基体１１には基体１１底面に溝７４、７５を形成している。

基体１１に、貫通孔７１、貫通孔７２、貫通孔７３、溝７４、溝７５を設けることにより、基体１１の実効的な誘電率を低くすることができ、これによって補助放射電極３１の単位長さ当たりの共振周波数の変化量をさらに小さくすることができるので、共振周波数の調整がさらに容易になり、補助放射電極３１の長さを調整することによりアンテナ１の共振周波数の微調整がさらに容易になる。

貫通孔７１、７２、７３や溝７４、７５の寸法や形状は、放射電極21、補助放射電極31、給電電極41を形成可能なように選択すれば良い。貫通孔71、72、73または溝74、75を有する基体11に放射電極21や補助放射電極31、給電電極41などを設けてアンテナ１が構成される。

ここで、図２（ａ）〜（ｅ）では基体１１に対して貫通孔７１、７２、７３、溝７４、７５を各々一つ形成しているが、貫通孔７１、７２、７３や溝７４、７５を基体１１に複数設けても、前述の効果が得られる。また貫通孔や溝の形状が曲面を有するものや多角形状であっても何ら差し支えない。

また、アンテナ１の基体１１の形状は直方体状が好ましい。これにより基体１１が平面を有しているので、実装基板の平面と対向して接触させることで安定して実装することができる。また、基体１１の形状が直方体の場合には、直方体の角や稜に曲面や平面状の面取りを設けても良い。これにより誘電体材料または磁性体材料から成る基体１１のクラックやチッピングを防止できると共に、基体１１にかかる機械的応力を緩和させることができるので好ましい。また、基体１１の稜部における放射電極２１や給電電極４１などの断線の可能性を軽減することもできる。

また、基体１１は、誘電体材料または磁性体材料から成るものであり、例えばアルミナを主成分とする誘電体材料（比誘電率：９．６）から成る粉末を加圧成形して焼成したセラミックスにて直方体状に作成される。基体１１には、誘電体材料であるセラミックスと樹脂との複合体材料を用いてもよく、あるいはフェライト等の磁性体材料を用いてもよい。

基体１１を誘電体材料で構成したときには、導体を伝搬する高周波信号の伝搬速度が遅くなって波長の短縮が生じ、基体１１の比誘電率をεｒとすると導体（放射電極２１、補助放射電極３１、給電電極４１）のパターンの実効長は（１／εｒ）^１／２倍となり、実効長が短くなる。従って、パターン長を同じとした場合であれば、電流分布の領域が増えるため、導体から放射する電波の量を多くすることができ、アンテナ１の利得を向上することができる。

誘電体材料としては、例えばアルミナセラミックス・ジルコニアセラミックス等をはじめとするセラミック材料や、テトラフルオロエチレン・ガラスエポキシ等をはじめとする樹脂材料等がある。

他方、基体１１を磁性体材料で構成すると、導体（放射電極２１、補助放射電極３１、給電電極４１）のインピーダンスが大きくなるため、アンテナのＱ値を低くして帯域幅を広くすることができる。

磁性体材料としては、例えばＹＩＧ（イットリア・アイアン・ガーネット）・Ｎｉ−Ｚｒ系化合物・Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ系化合物等がある。

また、アンテナ１の放射電極２１、補助放射電極３１、給電電極４１、給電端子５１、グランド電極端子６１は、例えばアルミニウム・銅・ニッケル・銀・パラジウム・白金・金のいずれかを主成分とする金属により形成される。これらの金属により各々の電極を形成するには、周知の印刷法や、蒸着法・スパッタリング法等の薄膜形成法や、金属箔の貼り合わせ法、あるいはメッキ法等によってそれぞれ所望の電極形状の導体層を形成すればよい。

また本発明のアンテナの共振周波数の調整方法によれば、誘電体材料または磁性体材料から成る基体１１の表面に、一端がグランド電極端子６１に接続されるとともに他端が開放端とされた放射電極２１と、一端が給電端子５１に接続されるとともに他端が放射電極２１と容量結合する開放端を有した給電電極４１とが形成されてなり、更に放射電極２１の前記開放端の延長上に対向して形成された補助放射電極３１を有し、補助放射電極３１の一部を除去して共振周波数の微調整を行うことができる。

補助放射電極３１の一部を除去する方法では補助放射電極３１が放射電極２１と給電電極４１を介して容量結合しているため、電極の一部を除去したことによる電極長さの変化に対する共振周波数の変化への影響度が放射電極２１よりも小さくなるため、共振周波数の微調整が容易となる。

一方、従来の放射電極の一部を除去する方法では、ｆ＝ｃ／λの一般式よりλ部分が放射電極の長さに対応するので、その電極の一部を除去する長さが直接周波数の変化に繋がり、微調整が困難となる。

本発明の通信機器は、上記本発明のアンテナを移動体通信端末やローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）等の通信機器内部に具備したものであり、アンテナの共振周波数を各種の通信機器に適した周波数に微調整することができる。すなわち、本発明の通信機器は、本発明のアンテナを用いることによって、アンテナの共振周波数を容易に最適な値に調整することができるので、所望の周波数帯において高利得の通信機器を得ることができるとともに、良好な通信状態を維持することが容易になる。

本発明のアンテナおよびそれを用いた通信機器の実施例を説明する。

（実施例１）
本発明の実施例として、本発明のアンテナの基体用に18ｍｍ×３ｍｍ×５ｍｍ、比誘電率εｒが６．４の直方体状のフォルステライトセラミックスから成る図１（ａ）に示す形の基体を準備した。

そして、図１（ａ）に示す本発明の第１のアンテナの放射電極２１、補助放射電極３１、給電電極４１などの電極パターンの形成を行い、このアンテナにおける補助放射電極３１の一部を除去した量と共振周波数の変化量を測定した。

上記実施例と同様にして、図１（ｂ）〜（ｇ）に示す放射電極２１、補助放射電極３１、給電電極４１などの電極パターンの形成を行い、そのアンテナにおける補助放射電極３１の一部を除去した量と共振周波数の変化量を測定した。

共振周波数は、寸法が７０ｍｍ×５０ｍｍ×０．８ｍｍのガラスエポキシ基板の一方主面にストリップラインとグランド電極を形成し他方主面に接地導体面を形成した基板の一方主面側に、図１（ａ）〜（ｇ）のアンテナ１を搭載し、このアンテナ１の給電端子５１、５３をストリップラインの一端に、グランド電極端子６１をグランド電極の一端に半田付けし、ストリップラインの他端には給電用の同軸線路を接続して、従来のアンテナの試料の共振周波数をアジレントテクノロジー社製ネットワークアナライザーを用いて測定した。

（比較例１）
比較例として従来のアンテナの基体用に１８ｍｍ×３ｍｍ×５ｍｍ、比誘電率εｒが６．４の直方体状のフォルステライトセラミックスから成る図６に示す形状の基体１３を準備した。この基体に対して、図６に示すような電極パターンの放射電極２３や給電電極４３などのアンテナ導体を形成し、その時の放射電極２３の一部を除去した量と共振周波数の変化量を測定した。

こうして得られた実施例１および比較例１の測定結果による放射電極及び補助放射電極の一部を除去した量と共振周波数の変化量との関係を表１および図３中に示す。

表１においては比較例の放射電極２３、実施例の補助放射電極３１の一部を除去した量を示し、共振周波数変化量はそれぞれのアンテナにおける電極の一部を除去した量に対する共振周波数の変化量を示す。また、図３は表１をグラフ化したものである。

これら表１と図３より分かるように、比較例に対し実施例は電極の一部を除去した量に対する共振周波数の変化量が約１／８〜１／３となっている。

以上の結果より、比較例である従来のアンテナに比べ、本発明のアンテナは、電極の一部を除去したことによる共振周波数の変化量が小さいことが分かる。すなわち、共振周波数の微調整が可能であり、容易にできることを示している。

（実施例２）
実施例１（図１（ａ））で作製した本発明のアンテナ、および比較例としての従来のアンテナを通信機器（携帯端電話機）に組み込み、その際のアンテナ特性（利得）を評価した。

アンテナ特性の評価は電波暗室内にて、受信側に被測定物（本発明のアンテナを組み込んだ携帯電話機）、送信側にホーンアンテナを用いて行った。

得られた測定結果を表２に示す。

表２の利得はホーンアンテナより送信された電波に対する被測定物が受信した電波の比率を示す。また、ＡＶＧは比較例および実施例のアンテナ５個を携帯端末に組み込み測定した利得の平均値を示し、ＲＡＮＧＥは利得の最高値と最低値の差を示す。

この結果より、本発明のアンテナを組み込んだ携帯電話機の利得は高いことがわかる。また、利得のバラツキについても本発明のアンテナを組み込んだ携帯端末の方が小さいことが分かる。これは、共振周波数の調整が比較例では粗く行なわれているのに対し、本発明のアンテナでは共振周波数の調整が細かく行なうことができ、限りなく最適な条件に近づけることが可能なためである。

（実施例３）
放射電極と補助放射電極の離間距離を変えて、共振周波数の微調整の容易さを次のように検討した。

アンテナの基体として、１８ｍｍ×３ｍｍ×５ｍｍ、比誘電率εｒが６．４の直方体状のフォルステライトセラミックスから成る図１（ａ）に示す形の基体を準備した。

そして、図１（ａ）に示す本発明のアンテナの給電電極や放射電極、補助放射電極などの電極の形成を行い、放射電極と補助放射電極の離間距離を変更したアンテナにおける、補助放射電極の一部を除去した量と共振周波数の変化量を測定した。放射電極及び補助放射電極の一部を除去した量と反射係数の変化量との関係を表３に示す。

表３より分かるように、放射電極と補助放射電極の離間距離が２ｍｍを超えると、補助放射電極の一部を除去した時の共振周波数の変化が小さくなりすぎ、必要な調整量が確保できなくなるおそれがあることが分かる。具体的には０．５ｍｍの除去では共振周波数がほとんど変化しておらず、共振周波数の微調整はできるものの、１〜２ＭＨｚの周波数を調整するためには１〜２ｍｍ程度の除去が必要となり、生産効率が悪化する可能性がある。この結果より、放射電極と補助放射電極の離間距離は２ｍｍ以下にするのが望ましいと言える。

（ａ）〜（ｇ）は本発明のアンテナを示す斜視図である。 本発明のアンテナの基体を示す斜視図である。 従来のアンテナと本発明のアンテナの電極の一部を除去した量と共振周波数の変化量を比較した図である。表１に対応する。 従来の移動体通信端末を示す斜視図である。 従来のアンテナを示す斜視図である。

符号の説明

アンテナ ：１、１０
基体 ：１１、１２、１３
放射電極 ：２１、２２、２３
補助放射電極 ：３１、３２
給電電極 ：４１、４２、４３
給電端子 ：５１、５２、５３
グランド電極端子 ：６１、６２、６３
貫通孔 ：７１、７２、７３
溝 ：７４、７５

Claims (5)

1. 誘電体材料または磁性体材料から成る基体の表面に、
   一端がグランド電極端子に接続されるとともに他端が開放端とされた放射電極と、
   一端が給電端子に接続されるとともに他端が前記放射電極と容量結合する開放端を有した給電電極と、
   前記放射電極の開放端に対向した補助放射電極とを有し、
   前記給電電極の他端と、前記放射電極の開放端と、前記補助放射電極の少なくとも一部は、前記基体の同一面内にあることを特徴とするアンテナ。
2. 前記放射電極の開放端と補助放射電極との最短距離が２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記基体が直方体状であって、
   前記基体の対向する面間を貫通する貫通孔または貫通溝を有することを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の補助放射電極の一部を除去することにより共振周波数を調整することを特徴とするアンテナの共振周波数の調整方法。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のアンテナを送受信用素子として内蔵したことを特徴とする通信機器。

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