JP5093622B2 - スロットアンテナ - Google Patents

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Description

本発明は、反射板を備えたスロットアンテナに関し、特に薄型であって、広帯域性能を有するスロットアンテナに関する。
近年の携帯無線端末の薄型化、及び様々な無線ネットワークへの接続機能が求められている。これに伴い、携帯無線端末に搭載するアンテナについても、実装スペースの制約から、薄型化の要求、及び各種無線サービスに接続する必要性からマルチバンド対応の要求が高まりつつある。
端末の薄型が進むに連れて、端末使用時に手や人体などの外部要因と端末に搭載されているアンテナとの距離が近くなることで影響が受けやすくなり、アンテナ特性の劣化による端末の通信性能の低下、特に通話時のアンテナ特性の劣化という問題が生じる。
影響低減構造としては、アンテナと外部の損失要因との間に金属板(反射板)を挿入する構造が知られている。反射板を供えたアンテナ構造は反射板とアンテナの距離が近づくと一般的に動作帯域が狭くなるため、反射板を供えたアンテナ構造の広帯域化の技術として、複数のアンテナエレメントをスタックした構造が開示されている(例えば、特許文献1,特許文献2)。
特許文献1に開示されたアンテナ装置は図6(a),(b)に示すように、誘電体基板32上に放射素子30を備えたマイクロストリップアンテナが形成され、そのマイクロストリップアンテナ上に無給電素子31が装荷され、マイクロストリップアンテナ、特に放射素子30と無給電素子31による複共振を利用した広帯域化技術である。
特許文献2に開示された2周波共用マイクロストリップアンテナは図7に示すように、2つのマイクロストリップアンテナ40,41を上下にスタックしたアンテナ構造のものであって、それぞれ共振周波数の異なる2つのマイクロストリップアンテナ40,41に電力を給電して、2周波共用特性を実現させて広帯域化を図る技術である。
特開2001−326528号公報 特開2003−249818号公報
しかし、特許文献1及び2に開示されたアンテナでは、複共振特性を実現するためにアンテナエレメントを上下に重ね合わせた構造であり、アンテナが厚くなるという課題がある。
本発明の目的は、反射板を有するスロットアンテナに関し、薄型であって、広帯域性能を実現したスロットアンテナを提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明に係るスロットアンテナは、開口孔形状のスロットを有するアンテナエレメントと、前記アンテナエレメントと対向して配置された反射板と、前記アンテナエレメントと前記反射板とに物理的及び電気的に接続された給電手段と、前記アンテナエレメントと前記反射板との間を電気的に短絡する短絡手段と、アンテナのリアクタンス成分を低減する低減手段とを有することを特徴とするものである。
本発明によれば、薄型であって広帯域性能を実現したスロットアンテナを提供できる。
以下、本発明の実施形態を図に基づいて詳細に説明する。
本発明の実施形態に係るスロットアンテナは図1及び図2に示すように、基本的構成として、開口孔形状のスロット1を有するアンテナエレメント2と、前記アンテナエレメント2と対向して配置された反射板3と、前記アンテナエレメント2と前記反射板3とに物理的及び電気的に接続された給電手段4と、前記アンテナエレメント2と前記反射板3との間を電気的に短絡する短絡手段5と、アンテナのリアクタンス成分を低減する低減手段とを有するものである。
ここで、前記給電手段4は、送信アンテナの場合、送信信号を送出するためにアンテナエレメント及び反射板に電力供給を行う給電端子として機能し、受信アンテナの場合、到来した電磁波でアンテナ上に誘起される電流を取り込む受電端子として機能する。
スロットアンテナは、金属板に細長い切り抜きを入れてアンテナとしたものであって、前記切り抜きによって形成されるスロットは、両端が閉塞された構造と、一端が開放された構造(ノッチ形状)とがある。本発明の実施形態に係るスロットアンテナは、後者の構造、すなわち一端が開放された構造を対象とするものである。
本発明の実施形態において、送信アンテナとして機能する場合を考えると、スロット1の短絡端1bの周辺に配置した給電手段4から給電を行って、スロット1に電界及び磁界を発生させると、スロット長が使用周波数の1/4となるときに電界がスロット1の開放端1aで最大、閉塞端1bで最小となるような共振が生じ、アンテナとして動作する。
特にアンテナを薄くするのに伴って、アンテナのリアクタンス成分は増加するため、アンテナの帯域は狭帯化される。本発明の実施形態では、アンテナのリアクタンス成分を低減する低減手段を有している。したがって、本発明の実施形態によれば、アンテナを薄型化したとしても、アンテナのリアクタンス成分を低減する構造であるため、薄型にも拘わらず、アンテナの広帯域化を実現することができる。
以下、具体例を用いて、本発明の実施形態に係るスロットアンテナを詳細に説明する。
(実施例1)
本発明の実施例1に係るスロットアンテナは図1(a),図1(b)及び図1(c)に示すように、開口孔形状のスロット1を有するアンテナエレメント2と、反射板3と、給電手段4と、短絡手段5と、低減手段とを有している。
アンテナエレメント2は図1(a)及び図1(b)に示すように、放射板2aと、スロット1とを有している。放射板2aは、縦長形状の金属製の平板から形成されている。スロット1は、放射板2aに細長く切り抜いて形成されたものであって、スロット1の長辺側の一端(開放端)1aは放射板2aの端縁2bから外部に開放され、スロット1の長辺側の他端(閉塞端)1bは、放射板2aの端縁2bより内側に位置して閉塞された構造になっている。
図1(a)及び図1(b)に示す実施例1では、スロット1に追加して別のスロット6を設けている。スロット6はスロット1と同様に、放射板2aに細長く切り抜いて形成されたものであって、スロット6の長辺側の一端(開放端)6aは放射板2aの端縁2bから外部に開放され、スロット6の長辺側の他端(閉塞端)6bは、放射板2aの端縁2bより内側に位置して閉塞された構造になっている。
図1(a)及び図1(b)では、アンテナエレメント2のスロット1及び6は、L型形状に形成され、その長さは、使用周波数の1/4波長の電気長に設定されている。
反射板3は図1(a)及び図1(b)に示すように、アンテナエレメント2よりも大きいサイズの金属製の縦長の平板として形成されている。反射板3は、アンテナエレメント2と対向して配置され、電磁波を反射するものである。反射板3の端縁3aと、スロット1,6の開口端1a,6aが設けられたアンテナエレメント2の端縁2bとは、同一面になるように配置されている。
給電手段4は図1(b)及び図1(c)に示すように、アンテナエレメント2と反射板3とに物理的及び電気的に接続されている。ここに、物理的及び電気的に接続されているとは、給電手段4がアンテナエレメント2と反射板3とに機械的に結合され、その結合状態でアンテナエレメント2及び反射板3と給電手段4とが電気的に接続されている状態を意味する。
給電手段4は図1(b)に示すように、スロット1,6の閉塞端1a,6a付近で、スロット1,6の幅の狭い領域Aでアンテナエレメント2と反射板3とに物理的及び電気的に接続されている。
短絡手段5は図1(b)及び図1(c)に示すように、アンテナエレメント2と反射板3とを電気的に短絡している。
図1(b)及び図1(c)に示す実施例1では、短絡手段5は、アンテナエレメント2と反射板3との間にあって、給電手段4の近傍に配置されて、アンテナエレメント2と反射板3とを電気的に短絡している。
さらに、図1に示す実施例1における低減手段は、アンテナのリアクタンス成分を低減するものであり、スロット1に直接設けられている。図1(a)及び図1(b)に示す実施例1では、給電手段4の近傍でのスロット1の開口面積を拡大した構造になっている。具体的には、L型形状に形成されたスロット1の直角コーナーの内側1cを斜めにカットする(低減手段)ことで、リアクタンス成分を低減させている。
ここで、スロットアンテナに用いている給電手段4は、送信アンテナの場合、送信信号を送出するためにアンテナエレメント及び反射板に電力供給を行う給電端子として機能し、受信アンテナの場合、到来した電磁波でアンテナ上に誘起される電流を取り込む受電端子として機能する。
一般にスロットアンテナは金属板に細長い切り抜きを入れ、それをアンテナとしたものである。スロットの形状としては、上記の様な細長い切り抜き形状のほかに、片端が開放端である切り欠き形状(ノッチ形状)があり、本発明の実施例では後者の切り欠き形状を有するスロットアンテナを対象としている。
図1に示す実施例1において、スロットアンテナを送信アンテナとして機能させる場合、スロット1,6の間にあってスロット6の短絡端の周辺に配置された給電手段4で電力を供給することで、スロット1,6に電界および磁界を発生させると、スロット長が使用周波数の1/4波長となるときに、電界がスロット1,6の開放端1a,6aで最大、閉塞端1b,6bで最小となるような共振が生じ、アンテナとして動作する。
図1に示す実施例1のアンテナ構造では、スロット1,6がそれぞれのスロット電気長に依存した周波数で共振が生じるが、それ以外にも、スロット6を形成したことで、スロット6の隣(上部)に形成されるL字型の導体(放射板2a)においても、その長さと幅で決まる周波数で共振が生じる。したがって、図1に示す本発明の実施例1に係るアンテナ構造では、上述した合計3周波数で共振が生じる。
次に、本発明の実施例1に係るスロットアンテナの送信アンテナとしての動作について説明する。
スロット1,6の電気長を1/4波長とした周波数の電力を給電手段4からアンテナエレメント2と反射板3に供給すると、スロット1,6で共振が引き起こされ、スロット1,6上に分布する電界、およびスロット1,6からアンテナエレメント2及び反射板3に広がった電流により電磁波が放射される。このとき、反射板3の作用により、電磁波の放射方向は指向性を有し、スロットが配置された側により強い放射が生じる。
次に、本発明の実施例1に係るスロットアンテナの受信アンテナとしての動作について説明する。
スロット1,6の電気長を1/4波長とした周波数の電磁波が到来すると、アンテナエレメント2には電流、およびスロット1,6上に電界及び磁界が誘起され、給電手段4を介して受信する。このとき、反射板3の採用により、スロット1,6が配置されている側から到来する電磁波に対してより高い感度を有する。
反射板を有する関連するアンテナの構成では、薄型化のためにアンテナエレメントと反射板との距離を縮めると、アンテナのインピーダンスが低下し、無線回路とのミスマッチングが生じ、効率良い送信受信が困難になる。なお、無線回路は、給電手段4に電気的に接続された回路であって、図1では図示するのを省略している。
図1に示す実施例1では、短絡手段5は、給電手段4の近傍、すなわち、スロット1,6の閉塞端1b,6b側の近傍に配置することで、アンテナのインピーダンスの低下を防止して、無線回路との整合を改善することで、効率良く送受信を行うことができる。
図1に示す実施例1のアンテナ構造では、特にスロット1をL字の直角コーナーの内側1cを斜めにカットした形状としており、給電手段4の近傍において開口面積(導電体を取り除いた部分)を広く取った構造である。そのため、給電手段4の周辺におけるリアクタンス成分を低減することができ、アンテナの広帯域化を実現できる。
特にアンテナが薄くなるに伴い、リアクタンス成分が急激に増加するため、本発明の実施例のような給電手段4の周辺のスロット開口面積を広くする構造は、アンテナの広帯域化に大きく寄与する。
スロット1において、L字型のコーナーを斜めにカットしたスロット形状は、スロット長が短くなり、共振周波数が高くなる。低周波数での共振を得るために、L字形状を長くしても良いが、スロットの占有面積が大きくなるので、それを避けるために、L字型のスロット形状の一部を、ミアンダ形状やスパイラル形状として占有面積を抑えて、且つスロット長を長く得るような形としても良い。
次に、給電手段4の具体例を図3〜図4に基づいて説明する。
図3に示す給電手段4は、樹脂ブロック4aとスプリングピン4bとを有している。図3に示す反射板3は、複数のベタGND層3bを有するプリント基板3cで構成されている。給電手段4の樹脂ブロック4aは図3に示すように、反射板3上に取り付けられ、給電手段4のスプリングピン4bは、樹脂ブロック4aで反射板3との間が電気的に絶縁されて、アンテナエレメント2の放射板2aに電気的に接続されている。
図示しない無線回路からの給電線路は、スプリングピン4bと反射板3のベタGND層3bに電気的に接続することで、送信アンテナの場合、アンテナに電力を給電する構造になっている。また、受信アンテナの場合、アンテナエレメント2に電流、スロット1,6に電界及び磁界が誘起される受信アンテナとして機能する場合、スプリングピン4bと反射板3のベタGND層3bに接続された図示しない給電線路を介して受信信号が図示しない無線回路に伝送される。
図3に示す給電手段4は、樹脂ブロック4aを用いてスプリングピン4bを絶縁した構成であり、スプリングピン4bの直下領域のプリント基板表層のベタGND層3bを取り除く(ベタGND層3bを取り除いた領域を3dとして示す)ことで、アンテナのリアクタンス成分を低減することができる。したがって、図3に示す給電手段4を採用することで、前述のスロット1の形状による効果に加えて更にアンテナの広帯域化を実現できる。
図3に示す実施例では、アンテナのリアクタンス成分を低減する構造(低減手段)として、スプリングピン4bと反射板3の間に生じるの寄生容量を低減するため、スプリングピン4bの直下領域のプリント基板表層のベタGND層3bを取り除いた場合を説明したが、これに限られるものではない。
図4に示す給電手段4は、図3に示すスプリングピン4bを板バネ4cに変更した例である。図4に示す実施例では、給電・受信におけるアンテナのリアクタンス成分を低減する構造(低減手段)として、板バネ4cと反射板3の間に生じる寄生容量を低減するため、スプリングピン4bの直下領域のプリント基板表層のベタGND層3bを取り除いている。その他の構成は、図3に示す構成と同様である。
図5に示す給電手段4は、アンテナのリアクタンス成分を低減する構造(低減手段)として、給電手段4と反射板3の間の寄生容量を低減するため、図3に示す反射板3を構成するプリント基板3cの表層に形成したベタGND層3bを取り除き、プリント基板3cの裏面層のみにベタGND層3bを形成した構造のものである。その他の構成は、図3に示す構成と同様である。
図4及び図5に示す給電手段4は、図3に示す給電手段4と同様の効果を奏するものである。また、図4及び図5に示す低減手段は、図3の実施例での低減手段と同様の効果を奏するものである。
(実施例2)
図2(a),(b)及び(c)に示す実施例2に係るスロットアンテナは、図1に示す実施例1を変更したものである。図1に示す実施例では、アンテナのリアクタンス成分を低減する構造(低減手段)として、給電手段4の近傍でのスロット1の開口面積を拡大した構造としたが、これに限られるものではない。図2に示す低減手段を採用してもよいものである。
図2(a),(b)及び(c)に示す実施例2では、アンテナエレメント2の端縁2bを反射板3の端縁3aより外側に突き出すことで、スロット1に対するリアクタンス成分を低減させたものである。その他の構成は、図1,及び図3〜図5に示す構成と同様である。
図2(a),(b)及び(c)に示す実施例2では、アンテナエレメント2の端縁2bを反射板3の端縁3aに対して外側にずらして配置したため、スロット1に対するリアクタンス成分を減少でき、アンテナ帯域を拡大することができる。特に、強い電界成分が集中するスロット1の開放端1aの端縁2bを反射板3に対してずらすことで、その効果を顕著にすることができる。
また、スロット1の開放端1aのアンテナエレメント2の端縁2bを反射板3の端縁3aに対してずらして配置することで、アンテナエレメント2の辺縁部と反射板3の辺縁部間の距離を離すことが可能となり、アンテナの厚さを増加させることなく、放射や受信を妨げる誘導電流の誘起を抑えられることができ、薄型で効率良く電磁波が放射、受信可能なアンテナを実現できる。
図2では、アンテナエレメント2の端縁2bを反射板3に対して外側にずらして配置した構成としたが、それ以外の構成として、例えばスロット1の直下の反射板3を一部を取り除くことで、スロット1に対するリアクタンス成分を低減する構成としても良い。特に、電界成分の集中するスロット1の開放端1aの直下の反射板3を取り除くことで、その効果を顕著とすることができる。
アンテナのリアクタンス成分を低減する低減手段として、図2、図3〜図5に示す低減手段を説明したが、これに限られるものではない。アンテナのリアクタンス成分を低減する低減手段として、反射板と給電手段の間の寄生容量を低減するもの、或いはアンテナエレメントと給電手段の間の寄生容量を低減するものであれば、図2、図3〜図5に示す低減手段以外のものであってもよいものである。
以上の説明では、アンテナエレメント2上に設けるスロット1,6の形状は、L型としたが、これに限られるものではない。給電手段4の周囲のスロット1,6の開口面積が広く取れるような構造であれば、スロット1,6の形状はL字型に限る必要はなく、それ以外の形状であっても良い。例えば、ストレート型やミアンダ型、U字型、Bow-Tie型などの形状を基本として、給電手段の周辺で開口面積を広くした形状とすることで、アンテナの広帯域化を実現できる。
また、スロットの占有面積を小さくしながら低い周波数での共振、アンテナ動作や、水平または垂直方向の偏波に感度を持たせることが可能となる。
スロットの数についても、スロットの数が2個の場合の例について説明してきたが、それ以上配置して多共振特性を持たせる構造としても良い。また給電手段に関しても、終電手段がひとつである様に記載したが、これに限らず、複数の給電手段を搭載しても良い。例えば2個以上のスロットが配置されている場合は、各スロットに給電手段を配置した構成であっても良いものとする。
また、スロット1のみに、リアクタンス成分を低減する構成を採用したが、これに限られるものではない。アンテナエレメント2に設けた全てのスロット1,6、或いは一部のスロットに対するリアクタンス成分を低減する構成を適宜選択して採用するようにしてもよいものである。
以上、実施形態(及び実施例)を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態(及び実施例)に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は2007年5月16日に出願された日本出願特願2007−130850
を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
以上のように本発明によれば、アンテナを薄くした状態で給電点におけるリアクタンス成分を低減することができ、アンテナの薄型化と広帯域化を同時に実現できる。
(a)は、本発明の実施例1に係るスロットアンテナを示す斜視図、(b)は、本発明の実施例1に係るスロットアンテナを示す平面図、(c)は、本発明の実施例1に係るスロットアンテナを示す断面図である。 (a)は、本発明の実施例2に係るスロットアンテナを示す斜視図、(b)は、本発明の実施例2に係るスロットアンテナを示す平面図、(c)は、本発明の実施例2に係るスロットアンテナを示す断面図である。 本発明の実施例における給電手段を示す断面図である。 本発明の実施例における給電手段を示す断面図である。 本発明の実施例における給電手段を示す断面図である。 (a)は、関連するアンテナを示す分解斜視図、(b)は同断面図である。 関連するアンテナを示す断面図である。
符号の説明
1 スロット
1a スロットの開放端
1b スロットの閉塞端
2 アンテナエレメント
3 反射板
4 給電手段
5 短絡手段
6 スロット
6a スロットの開放端
6b スロットの閉塞端

Claims (11)

  1. 開口孔形状のスロットを有するアンテナエレメントと、
    前記アンテナエレメントと対向して配置された反射板と、
    前記アンテナエレメントと前記反射板とに接続された給電手段と
    前記アンテナエレメントと前記反射板との間を電気的に短絡する短絡手段と、を有し、
    前記スロットの開放端が形成された前記アンテナエレメントの端縁は、前記反射板の端縁に対して異なる位置に配置されているスロットアンテナ。
  2. 開口孔形状のスロットを有するアンテナエレメントと、
    前記アンテナエレメントと対向して配置された反射板と、
    前記アンテナエレメントと前記反射板とに接続された給電手段と
    前記アンテナエレメントと前記反射板との間を電気的に短絡する短絡手段と、を有し、
    前記給電手段と反射板の間の寄生容量を低減する低減手段を有するスロットアンテナ。
  3. 開口孔形状のスロットを有するアンテナエレメントと、
    前記アンテナエレメントと対向して配置された反射板と、
    前記アンテナエレメントと前記反射板とに接続された給電手段と
    前記アンテナエレメントと前記反射板との間を電気的に短絡する短絡手段と、を有し、
    前記反射板には、少なくとも前記スロットの開放端に対向する位置に切り欠きが設けられているスロットアンテナ。
  4. 開口孔形状のスロットを有するアンテナエレメントと、
    前記アンテナエレメントと対向して配置された反射板と、
    前記アンテナエレメントと前記反射板とに接続された給電手段と
    前記アンテナエレメントと前記反射板との間を電気的に短絡する短絡手段と、を有し、
    前記反射板は、前記アンテナエレメントと対向する面にくぼみを有し、かつ前記くぼみに前記給電手段が配置されているスロットアンテナ。
  5. 前記反射板はプリント基板で構成され、前記くぼみは前記プリント基板の表面に形成された金属層から絶縁層が露出するように形成されている請求項4に記載したスロットアンテナ。
  6. 開口孔形状のスロットを有するアンテナエレメントと、
    前記アンテナエレメントと対向して配置された反射板と、
    前記アンテナエレメントと前記反射板とに接続された給電手段と
    前記アンテナエレメントと前記反射板との間を電気的に短絡する短絡手段と、を有し、
    前記反射板は金属層と絶縁層とが積層されたプリント基板で構成され、前記反射板の前記アンテナエレメントと対向する表面が絶縁層であるスロットアンテナ。
  7. 前記短絡手段が前記スロットの開放端を含む前記アンテナエレメントの一辺の対辺と前記スロットの閉塞端との間の領域に設けられている請求項1から6のいずれか一項に記載したスロットアンテナ。
  8. 前記給電手段の近傍での前記スロットの開口面積を拡大した構造を有する、請求項1から7のいずれかに一項記載したスロットアンテナ。
  9. 前記スロットがL字形状である、請求項1から8のいずれか一項に記載したスロットアンテナ。
  10. 前記アンテナエレメントがL字形状の前記スロットを2つ有する、請求項1から9のいずれか一項に記載したスロットアンテナ。
  11. 前記アンテナエレメントは、一方の前記スロットの閉塞端と他方の前記スロットとの間に給電点を有する、請求項10に記載したスロットアンテナ。
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