JP5120367B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に、アンテナ特性を調整するための技術に関する。

携帯電話などの小型無線端末に内蔵されるチップ型のアンテナ素子は、ブロック型の誘電体の表面に放射電極と給電電極をプリントすることにより形成される。放射電極と給電電極は、ギャップ（以下、「給電ギャップ」とよぶ）を介して容量結合する。給電電極に交流電流を供給して電界を発生させると、放射電極にも交流電流が流れ、放射電極から電波が発生する。

特開平１０−１３１３８号公報

給電ギャップのキャパシタンス（以下、「給電結合容量」とよぶ）により、共振周波数やインピーダンスなどのアンテナ特性が変化する。通常、給電ギャップは、誘電体の上面や側面などの面に形成されることが多い（たとえば、特許文献１参照）。この場合、給電結合容量を大きくするためには、給電ギャップの幅を狭くする必要がある。しかし、現在の製造技術（厚膜電極印刷）では０．３ｍｍ以下の幅を作るのは困難である。

本発明は、上記課題に鑑みて完成された発明であり、その主たる目的は、アンテナ特性を調整しやすく、かつ、製造容易なアンテナ装置を実現することにある。

本発明に係るアンテナ装置は、アンテナ素子とプリント基板を備える。アンテナ素子は、略直方体状の誘電体の表面に、放射電極、給電電極およびグランド電極が形成される素子である。プリント基板は、アンテナ素子が取り付けられる実装領域および実装領域の周縁に設けられるグランドパターン領域を含む。給電電極およびグランド電極は、いずれも誘電体の底面のみに形成される。放射電極は、誘電体の上面から第１の側面を介して底面に折り返す構造にて形成される。第１の側面と対向する第２の側面は、電極の非形成領域とする。

給電電極面は、誘電体を挟んで、上面の放射電極面と対向する。誘電体本体を介してキャパシタが形成されるため、給電電極と放射電極の間に形成される給電結合容量を大容量化しやすくなる。グランド電極と放射電極の間に形成されるキャパシタンス（以下、「グランド結合容量」とよぶ）についても同様である。また、給電電極やグランド電極、放射電極の面積を変更することにより、グランド結合容量や給電結合容量が変化し、共振周波数やインピーダンス等のアンテナ特性が変化するので、アンテナ特性を調整しやすくなる。

第１および第２の側面と隣接する第３および第４の側面の双方または一方を、電極の非形成領域としてもよい。あるいは、第３および第４の側面の双方または一方の上面側に、放射電極の一部を形成してもよい。

上面の全面に放射電極を形成してもよい。また、第１の側面の全面に放射電極を形成してもよい。このような態様によれば、アンテナ素子の電極パターンがシンプルになるため製造がいっそう容易となる。

グランド電極は、底面において放射電極と所定幅のギャップを介して対向するように形成されてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、製造しやすく、アンテナ特性を調整しやすいアンテナ装置を実現する上で効果がある。

第１実施形態におけるアンテナ装置の外観図である。 第１実施形態におけるアンテナ素子の展開図である。 アンテナ装置の等価回路図である。 比較例におけるアンテナ装置の外観図である。 第１型と側面ギャップ型のリターンロスと周波数の関係を示すグラフである。 第１型と側面ギャップ型の放射効率と周波数の関係を示すグラフである。 第２実施形態におけるアンテナ装置の外観図である。 第３実施形態におけるアンテナ装置の外観図である。 第１、第２、第３型のリターンロスと周波数の関係を示すグラフである。 第１、第２、第３型の放射効率と周波数の関係を示すグラフである。 実装領域の近辺を金属物体で覆ったときのアンテナ装置の外観図である。 実装領域の近辺を金属物体で覆ったときのアンテナ装置の上面図である。 金属物体の設置時における第１型と第２型の放射効率と周波数の関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。本実施形態においては、携帯電話に内蔵されるアンテナ素子を題材として説明する。アンテナ素子を内蔵する携帯電話としてアンテナ装置が形成される。

図１は、第１実施形態におけるアンテナ装置１００の外観図である。アンテナ装置１００は、携帯電話のプリント基板１２２にアンテナ素子１２４を設置することにより形成される。図１に示すように、アンテナ素子１２４の短手方向にｘ軸、長手方向にｙ軸、厚み方向にｚ軸を設定して説明する。

プリント基板１２２のサイズはｘ×ｙ＝４０ｍｍ×１００ｍｍの長方形板状である。プリント基板１２２は、ほぼ全面に形成されるグランドパターン領域１０３と一部に形成される実装領域１０４を含む。実装領域１０４は、プリント基板１２２の辺やコーナー等の外周部に設けられる。本実施形態において、実装領域１０４はプリント基板１２２の長辺中央部に形成される（図１２も参照）。実装領域１０４のサイズは、ｘ×ｙ＝５．０ｍｍ×３．０ｍｍである。実装領域１０４のｘ方向の長さは、ｙ方向の長さの１．５倍以上であることが望ましい。

アンテナ装置１００の共振周波数は、ブルートゥース（登録商標）の周波数帯である２．４５ＧＨｚ近辺に設定される。アンテナ素子１２４のサイズは、ｘ×ｙ×ｚ＝１．２５ｍｍ×２．０ｍｍ×０．８ｍｍである。

実装領域１０４には、給電パターン１０６、第１グランド電極接続パターン１０８および第２グランド電極接続パターン１１０という３つの電極パターンが形成される。給電パターン１０６は、特性インピーダンス５０Ωの伝送線路である給電ライン１１２を介して交流電力を供給される。これらのパターン上にアンテナ素子１２４が接着される。すなわち、これらのパターンの全部または一部は、アンテナ素子１２４のランドとして機能する。

図２は、第１実施形態におけるアンテナ素子１２４の展開図である。図１および図２を参照しつつ、アンテナ素子１２４の構造を説明する。アンテナ素子１２４は、略直方体の誘電体を基体とし、給電電極１３０と、放射電極１３２、グランド電極１３４がその表面にプリントされる素子である。長方形状の底面１３８（１．２５ｍｍ×２．０ｍｍ）を実装領域１０４に接着することにより、アンテナ素子１２４はプリント基板１２２に固定される。アンテナ素子１２４の４つの側面をそれぞれ第１側面１４０（１．２５ｍｍ×０．８ｍｍ）、第２側面１４２（１．２５ｍｍ×０．８ｍｍ）、第３側面１４４（２．０ｍｍ×０．８ｍｍ）、第４側面１４６（２．０ｍｍ×０．８ｍｍ）とする。第４側面１４６はプリント基板１２２の外周側の面であり、第３側面１４４は内部側の面である。

放射電極１３２は、上面１３６、第１側面１４０および底面１３８に折り返し構造にてプリントされる。以下、放射電極１３２のうち、上面１３６、第１側面１４０、底面１３８にプリントされる部分をそれぞれ放射電極１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃと表記する。放射電極１３２ａは上面１３６全体にプリントされる。同様に、放射電極１３２ｂは第１側面１４０全面にプリントされる。放射電極１３２ｃは底面１３８の一部のみにプリントされる。

底面１３８には、給電電極１３０とグランド電極１３４もプリントされる。給電電極１３０とグランド電極１３４は一部において平行する。また、グランド電極１３４は、給電電極１３０を囲むＬ字型形状であり、その一部において放射電極１３２ｃと平行する。第２側面１４２、第３側面１４４および第４側面１４６は、いずれも電極非形成領域である。グランド電極１３４の開放端（電圧点）、すなわち、Ｌ字型形状の先端は、プリント基板１２２の外周側に向いている（図１参照）。これは、開放端をグランドパターン領域１０２から遠ざけて、放射抵抗を少しでも大きくするための工夫である。

給電電極１３０は、給電パターン１０６と接続され、給電ライン１１２から交流電力を供給される。グランド電極１３４は第２グランド電極接続パターン１１０を介して、接地電位のグランドパターン領域１０３と接続される。また、放射電極１３２ｃは第１グランド電極接続パターン１０８を介してグランドパターン領域１０３と接続される。

グランド電極１３４と放射電極１３２ａは、面として対向するため、グランド電極１３４と放射電極１３２ａの間にはグランド結合容量Ｃ１が発生する。同様に、給電電極１３０と放射電極１３２ａの間にも、給電結合容量Ｃ２が発生する。すなわち、誘電体自体が給電ギャップを形成することになる。アンテナ装置１００の共振周波数は、グランド結合容量Ｃ１により変化する。また、アンテナ装置１００のインピーダンス整合は、主として給電結合容量Ｃ２により調整できる。

給電電極１３０が給電されると、給電電極１３０は電界を発生させ、給電結合容量Ｃ２を介して放射電極１３２ａに交流電流が発生する。これにより、放射電極１３２は電波を発生させる。

グランド電極１３４と放射電極１３２ａは、面として対向しているため、誘電体の上面や側面にギャップを形成する場合に比べれば大きなグランド結合容量Ｃ１を確保しやすくなる。同様に、給電電極１３０と放射電極１３２ａも面として対向しているため、給電結合容量Ｃ２を大きく設定しやすい。なお、給電電極１３０とグランド電極１３４、グランド電極１３４と放射電極１３２ｃは、面として対向していないため、これらの電極間に発生するキャパシタンスの影響は、グランド結合容量Ｃ１、給電結合容量Ｃ２に比べて無視できるほど小さい。

グランド結合容量Ｃ１の大きさは、グランド電極１３４の面積、あるいは、アンテナ素子１２４の高さによって調整できる。たとえば、アンテナ素子１２４の高さでグランド結合容量Ｃ１を粗調整し、グランド電極１３４の面積で微調整してもよい。同様に、給電結合容量Ｃ２の大きさは、給電電極１３０の面積、あるいは、アンテナ素子１２４の高さにより調整できる。アンテナ素子１２４の高さで給電結合容量Ｃ２を粗調整し、給電電極１３０の面積で微調整してもよい。

グランド電極１３４や給電電極１３０の面積（形状）を変化させることでグランド結合容量Ｃ１、給電結合容量Ｃ２を変化させるため、給電ギャップの幅による調整よりも調整可能範囲を大きくしやすい。この結果、インピーダンスや共振周波数を調整するためのいわゆる（外部）マッチング素子に過度に依存することなく、アンテナ素子１２４のみでアンテナ特性を精緻に調整できる。

通常、実装領域１０４はプリント基板１２２のコーナー部に形成されることが多い。これは、プリント基板１２２の辺部にアンテナ素子１２４を設置するよりもコーナー部に設置する方がリターンロスを抑制しやすいためである。第１実施形態におけるアンテナ素子１２４の場合、グランド結合容量Ｃ１、給電結合容量Ｃ２を大きく調整できるため、低リターンロス、高放射効率を実現しやすい。この結果、プリント基板１２２の辺部、たとえば、長辺中央部に実装領域１０４を設けても実用的な性能を確保できる。

アンテナ素子１２４の場合、底面１３８以外の面の電極パターンはきわめてシンプルである。また、底面１３８においても電極パターンはそれほど複雑ではない。このため、アンテナ素子１２４の製造が容易となり、品質を安定させやすくなる。

図３は、アンテナ装置１００の等価回路図である。交流電源１５０は、給電パターン１０６、給電電極１３０に交流電流を供給する給電源である。

図４は、比較例におけるアンテナ装置１０５の外観図である。この比較例に示すアンテナ装置１０５は、特許文献１の図４に示される構造のアンテナ素子を、２．４５ＧＨｚ帯で使用することを想定してシミュレーション設計したものである。第１実施形態におけるアンテナ装置１００のアンテナ素子１２４（以下、「第１型」ともよぶ）と異なり、比較例１におけるアンテナ装置１０５のアンテナ素子１２５（以下、「側面ギャップ型」ともよぶ）では、第２側面１４２の面上にギャップＧ１、Ｇ２を形成している。アンテナ素子１２５のｘ方向のサイズとｙ方向のサイズをアンテナ素子１２４と同一に固定してシミュレーションした結果、アンテナ素子１２５のサイズは、ｘ×ｙ×ｚ＝１．２５ｍｍ×２．０ｍｍ×２．０ｍｍとなった。すなわち、第１型に比べて大きく高背化している。また、ギャップＧ１の幅は０．０１ｍｍ、ギャップＧ２の幅は０．０４ｍｍとなり、実際の製造が難しい構造となっている。

図５は、第１型と側面ギャップ型のリターンロスと周波数の関係を示すグラフである。第１型、側面ギャップ型共に、アンテナ素子１２４、１２５の基体（誘電体）の比誘電率は３７であるとする。また、給電電極１３０、放射電極１３２、グランド電極１３４の材質は銅（Ｃｕ）であるとする。図５に示すように、ブルートゥース（登録商標）の周波数帯においては、第１型の方が側面ギャップ型よりもリターンロスが格段に小さい。

図６は、第１型と側面ギャップ型の放射効率と周波数の関係を示すグラフである。第１型の方が側面ギャップ型よりも放射効率が格段に改善している。第１型の最大放射効率は７８．６（％）、側面ギャップ型の最大放射効率は２３．２（％）であった。すなわち、第１型は側面ギャップ型に比べて最大放射効率は７８．６−２３．２＝５５．４（％）向上する。

図７は、第２実施形態におけるアンテナ装置１０１の外観図である。第１型と異なり、第２実施形態におけるアンテナ装置１０１のアンテナ素子１２６（以下、「第２型」ともよぶ）では、第３側面１４４および第４側面１４６の上部（上面１３６側）にも放射電極１３２が形成されている。放射電極１３２が実効的に太くなるため、ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）を低下させやすくなる。

図８は、第３実施形態におけるアンテナ装置１０２の外観図である。第３実施形態におけるアンテナ装置１０２のアンテナ素子１２７（以下、「第３型」ともよぶ）では、第４側面１４６の上部（上面１３６側）と上面１３６の外周側（第４側面１４６側）に放射電極１３２が形成されている。放射電極１３２とグランドパターン領域１０２の距離（以下、「グランド距離」とよぶ）が短いと、放射電極１３２とグランドパターン領域１０２との間の電磁結合（以下、「対グランド結合」とよぶ）が顕在化しやすい。対グランド結合が大きくなると、放射抵抗が小さくなるため、放射効率が悪化しやすい。第３型では、放射電極１３２の主要部を上面１３６の外周側と第４側面１４６の上部に形成しているため、グランド距離を確保しやすくなっている。

図９は、第１、第２、第３型のリターンロスと周波数の関係を示すグラフである。第２型や第３型は第１型に比べてリターンロスが小さくなるがその差はわずかである。

図１０は、第１、第２、第３型の放射効率と周波数の関係を示すグラフである。第１型から第３型の最大放射効率はいずれも約７９（％）であり、有意な差は見いだせなかった。以上の点から、第１型、第２型、第３型のいずれも同等のアンテナ性能を有することが見いだされた。第１型は放射電極１３２の電極パターンがもっともシンプルであるため、製造容易性を評価基準とした場合には、３つの型の中でもっとも優れている。

図１１は、実装領域１０４の周辺を金属物体１１４で覆ったときのアンテナ装置１００の外観図であり、図１２はその上面図である。第２型は、第３側面１４４および第４側面１４６の一部を放射電極１３２によって覆っているため、いわゆるシールド効果を期待できるのではないかと考えられる。すなわち、第２型は、側面部の放射電極１３２が外部の影響から給電電極１３０やグランド電極１３４を保護する上で有効に機能するのではないかとの仮説を立てた。そこで、この仮説を実証するため、実装領域１０４の周辺に金属物体１１４を設置し、そのときのアンテナの特性についてシミュレーション実験を行った。金属物体１１４は、バッテリー、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、シールドケース、メタルフレーム、その他の電子部品群を想定して設置したものである。金属物体１１４のサイズは、ｘ×ｙ×ｚ＝３６ｍｍ×４５ｍｍ×５．０ｍｍである。また、実装領域１０４から金属物体１１４までの距離として、ｘ、ｙ方向いずれにも３．０ｍｍを確保した。

図１３は、金属物体１１４の設置・非設置時における第１型と第２型の放射効率と周波数の関係を示すグラフである。図１０と異なり、図１３では最大放射効率近辺の周波数特性を示している。金属物体１１４を設置しない場合、第１型の最大放射効率は７８．６（％）、第２型の最大放射効率は７８．９％であり、ほとんど差はなかった。金属物体１１４を設置した場合、第１型の最大放射効率は７５．７（％）、第２型の最大放射効率は７６．８（％）であった。すなわち、第１型の場合、金属物体１１４の設置により最大放射効率は７８．６−７５．７＝２．９（％）低下している。第２型の場合には、７８．９−７６．８＝２．１（％）低下している。このため、第２型の方が、第１型に比べて金属物体１１４の影響が緩和されており、上記仮説が実証された。

以上、各実施形態に基づいて、アンテナ装置１００、１０１、１０２を説明した。いずれの場合も、底面１３８の給電電極１３０およびグランド電極１３４が、上面１３６の放射電極１３２ａと面として対向するため、グランド結合容量Ｃ１、給電結合容量Ｃ２を大きく設定しやすい。第２側面１４２は完全な開放端としており、アンテナ素子１２４の面上に給電ギャップを形成しない構造となっている。グランド結合容量Ｃ１や給電結合容量Ｃ２は、給電電極１３０やグランド電極１３４の面積により変化する。したがって、アンテナ素子の電極パターンのみでアンテナ特性を大きく変化させることができる。また、電極パターンがシンプルであるため、製造しやすく、コスト抑制や品質安定の面でも効果的である。

インダクタを使ってアンテナ特性を調整する場合には、インダクタの抵抗成分により放射効率が低下することがある。しかし、本実施形態におけるアンテナ素子の場合には、共振周波数とインピーダンスのいずれもキャパシタ（グランド結合容量Ｃ１、給電結合容量Ｃ２）により調整できるため、電極パターンによりインダクタンスを形成する必要がない。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

１００，１０１，１０２，１０５ アンテナ装置、１０３ グランドパターン領域、１０４ 実装領域、１０６ 給電パターン、１０８ 第１グランド電極接続パターン、１１０ 第２グランド電極接続パターン、１１２ 給電ライン、１１４ 金属物体、１２２ プリント基板、１２４，１２５，１２６，１２７ アンテナ素子、１３０ 給電電極、１３２ 放射電極、１３４ グランド電極、１５０ 交流電源、Ｃ１，Ｃ２ キャパシタ。

Claims (4)

1. 略直方体状の誘電体の表面に、放射電極、給電電極およびグランド電極が形成されるアンテナ素子と、
   前記アンテナ素子が取り付けられる実装領域および前記実装領域の周縁に設けられるグランドパターン領域を含むプリント基板と、を備え、
   前記給電電極および前記グランド電極は、いずれも前記誘電体の底面のみに形成され、
   前記放射電極は、前記誘電体の上面から第１の側面を介して底面に折り返す構造にて形成され、
   前記第１の側面と対向する第２の側面を、電極の非形成領域とし、
   前記第１および第２の側面と隣接する第３および第４の側面の双方または一方の上面側に、前記放射電極の一部を形成し、
   前記第１の側面の全面に前記放射電極を形成したことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第１および第２の側面と隣接する第３および第４の側面の一方を、電極の非形成領域としたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記上面の全面に前記放射電極を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記グランド電極は、前記底面において前記放射電極と所定幅のギャップを介して対向するように形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアンテナ装置。

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