JP5302953B2 - 無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信装置に関する。
本願は、２００８年３月２８日に出願された日本国特許出願第２００８−０８７９８１号に対し優先権を主張し、その内容をここに援用する。

無線通信装置として、筐体内にアンテナを内蔵し、パーソナルコンピュータ等の拡張スロットに装着して使用されるＰＣカードが実用化されている。このアンテナ内蔵タイプのＰＣカードは、可動式の外部アンテナを備えたＰＣカードをより小型化することを目的として、開発された。このＰＣカードは、筺体外部に外部アンテナを装備することに代えて筐体内に内蔵アンテナを実装することによって小型化を図っている。このような、アンテナ内蔵タイプのＰＣカードに関連する技術として、下記特許文献１には、均一な厚みのＰＣカード等に内蔵しても、所望の垂直偏波成分を得ることができる上に、ＶＳＷＲの周波数帯域を広くし得る小型アンテナ（逆Ｆアンテナ）及びその小型アンテナを内蔵するＰＣカードが開示されている。

小型アンテナは、基板と、基板上に実装される樹脂から成るチップ部品とで構成される。基板は、基板の背面に形成された接地導体と、基板の主面上に形成された第１の短絡用導体配線と、それらを接続するスルーホールとを含む。チップ部品は、第２の短絡用導体配線と、放射用導体と、短絡用導体と、給電用導体配線とを含む。第２の短絡用導体配線は、チップ部品の下面上に形成され、基板上の第１の短絡用導体配線と対向する。放射用導体は、チップ部品の上面に形成されている。短絡用導体は、チップ部品の端面に形成され、第２の短絡用導体配線と放射用導体とを接続する。給電用導体配線は、チップ部品の側面に形成され、放射用導体と接続されている。
特開２００３−１３３８４７号公報

上記ＰＣカード型の無線通信装置では、プリント基板に対して水平に形成されるグランドパターンによって放射電波が水平方向に引っ張られてしまう為、どうしても電波の水平偏波成分が強くなる。特に、内蔵アンテナを用いたＰＣカード型の無線通信装置は、可動式の外部アンテナを備えた装置より電波の垂直偏波成分の強度が弱くなってしまう。上記特許文献１では、所望の垂直偏波成分を得ることが出来るアンテナ内蔵タイプのＰＣカードが開示されている。しかしながら、このＰＣカードを用いても、可動式の外部アンテナを備えたＰＣカードと比較すると、垂直偏波成分の強度は比較的弱くなってしまう。

ＰＣカード型の無線通信装置は主に垂直偏波の電波を送受信するので、本来は垂直偏波成分の強度を強くする必要がある。しかし、上記内蔵アンテナを用いたＰＣカード型の無線通信装置では、小型化のために垂直偏波成分の強度が弱まる傾向にある。しかしながら、ＰＣカード型の無線通信装置として安定した無線品質を実現するためには、内蔵アンテナを用いながらも垂直偏波成分の強度をより強くする必要がある。

本発明は、上述した事情を鑑みたものであり、内蔵アンテナを用いたＰＣカード型の無線通信装置であって、電波の垂直偏波成分の強度を従来よりも強くすることができる無線通信装置を提供することを目的とする。

本発明の無線通信装置は、長方形の形状を有し、一方の短辺に前記拡張スロットと接続する接続端子が設けられたプリント基板と、前記プリント基板のもう一方の短辺近傍に設けられ、略１／４λ電気長を有するアンテナ素子を具備する電子機器の拡張スロットに挿入される無線通信装置であって、前記アンテナ素子は、前記プリント基板上に直交する方向に延出すると共に前記アンテナ素子が配設された位置を中心に少なくとも３本のラジアル線が放射状に前記プリント基板上に設けられ、前記ラジアル線は、前記長方形の左辺方向と右辺方向および前記もう一方の短辺方向へ延びるように前記プリント基板上に形成される。

本発明の無線通信装置において、前記アンテナ素子が配設された前記プリント基板の面とは反対側の面に前記ラジアル線を設けてもよい。

本発明の無線通信装置において、前記アンテナ素子は、ヘリカルアンテナまたはチップアンテナのいずれか一方であってもよい。

電子機器の拡張スロットに挿入される本発明の無線通信装置は、長方形の形状を有し、一方の短辺に前記拡張スロットと接続する接続端子が設けられたプリント基板と、前記プリント基板上に直交する方向に延出すると共に前記プリント基板のもう一方の短辺近傍に設けられ、１／４λ電気長を有するアンテナ素子と、前記アンテナ素子が配設された位置を端点に前記プリント基板上に延設するラジアル線とを具備する。このため、プリント基板上にグランドプレーンアンテナが形成され、このグランドプレーンアンテナによって、プリント基板の直交方向と同一方向の電界を有する電波、すなわち垂直偏波成分を主に含む電波を放射／受信することが出来る。よって、本発明によれば、電波の垂直偏波成分の強度を従来よりも強くすることができる。また、アンテナ素子とラジアル線の協働動作によって、電波がプリント基板に対して水平に形成されるグランドパターンに終端されることを防ぐことができる為、垂直偏波成分の強度を強くすることができる。

本発明の一実施形態に係るアンテナ内蔵ＰＣカードの筐体をはずした内部概略構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るアンテナ内蔵ＰＣカードのヘリカルアンテナ及びラジアル線によって構成されるグランドプレーンアンテナにおける電波の放射／受信原理を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るアンテナ内蔵ＰＣカードのヘリカルアンテナ及びラジアル線によって構成されるグランドプレーンアンテナにおける電波の放射／受信原理を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るアンテナ内蔵ＰＣカードのヘリカルアンテナ及びラジアル線によって構成されるグランドプレーンアンテナにおける電波の放射／受信原理を示す模式図である。

符号の説明

Ａ アンテナ内蔵ＰＣカード
１ プリント基板
１ａ グランドパターン
１ｂ コネクタ
１ｃ マイクロストリップライン
１ｄ 給電ライン
１ｅ ラジアル線
１ｆ グランド面
２ ヘリカルアンテナ
２ａ 誘電体
２ｂ 導電線

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本実施形態は、ＰＣＭＣＩＡ（Personal Computer Memory Card International Association）の規格に準拠する。本実施形態は、筐体内にアンテナを内蔵するアンテナ内蔵ＰＣ（Personal Computer）カードに関する。本実施形態におけるアンテナ内蔵ＰＣカードは、本発明における無線通信装置である。

図１は、本実施形態に係るアンテナ内蔵ＰＣカードＡの筐体をはずした内部概略構成を示す斜視図である。本アンテナ内蔵ＰＣカードＡは、図示するようにノート型パーソナルコンピュータの拡張スロットに挿入される。アンテナ内蔵ＰＣカードＡは、ノート型パーソナルコンピュータの指示の下、電波の垂直偏波成分を用いて外部器機と無線通信を行う。

アンテナ内蔵ＰＣカードＡは、プリント基板１、ヘリカルアンテナ２、および外装部品としての筐体（図示略）から構成されている。
プリント基板１は、長方形の２層基板であり、裏面層から順番にグランドパターン１ａ及び信号パターンが形成される。プリント基板１は、一方の短辺にコネクタ１ｂが設けられている。

このコネクタ１ｂは、ノート型パーソナルコンピュータ６の拡張スロット７内のコネクタに接続される。以下の説明では、プリント基板１において、コネクタ１ｂが設けられた短辺をプリント基板下辺４ａ、コネクタ１ｂとは逆側の短辺をプリント基板上辺４ｂと呼ぶ。また、プリント基板下辺４ａに向かって右側の辺をプリント基板右辺４ｃ、プリント基板右辺４ｃとは逆側の辺をプリント基板左辺４ｄと呼ぶ。このプリント基板１の裏面層におけるグランドパターン１ａは、プリント基板１の長手方向の中央付近からコネクタ１ｂの近傍にかけての裏面３ｂに形成されている。

ヘリカルアンテナ２は、受信電波を補捉し、これを受信信号として、図示しないＲＦ回路へ出力する。一方、ヘリカルアンテナ２は、ＲＦ回路から入力された送信信号を送信電波として空中に放射する。ヘリカルアンテナ２は、グランドパターン１ａのプリント基板上辺４ｂ側の一辺の中央からプリント基板上辺方向へ１／８λ電気長（図１において、符号ｌが付された矢印の長さ）だけ離れた位置に配設されている。このヘリカルアンテナ２は、誘電体２ａ及び導電線２ｂから構成されており、芯材である誘電体２ａに１／４λ電気長を有する導電線２ｂをコイル状に巻きつけて形成される。なお、λとは、無線通信に利用する電波の波長である。

このヘリカルアンテナ２のプリント基板下辺４ａ側のプリント基板１上には、給電ライン１ｄが設けられている。この給電ライン１ｄは、マイクロストリップライン１ｃを構成する銅箔等から構成されている。このマイクロストリップライン１ｃの給電ライン１ｄを介してヘリカルアンテナ２に給電が行われる。マイクロストリップライン１ｃは、プリント基板１の基材である誘電性を有するガラスエポキシ樹脂等などの板材を挟んで、裏面（下面）３ｂに形成したグランド面１ｆと表面（上面）３ａに形成した信号線（給電ライン１ｄ）とから構成される。

プリント基板１の裏面３ｂには、ヘリカルアンテナ２が設けられた位置を中心として、放射状に銅箔等から構成される３本のラジアル線１ｅが形成されている。これら３本のラジアル線１ｅは、それぞれヘリカルアンテナ２のプリント基板右辺４ｃ側、プリント基板左辺４ｄ側及びプリント基板上辺４ｂ側を端点５ａとして、プリント基板右辺４ｃ方向、プリント基板左辺４ｄ方向及びプリント基板上辺４ｂ方向に向かって屈曲しながらもう一方の端点５ｂまで伸びる。従って、プリント基板右辺４ｃ方向に延びるラジアル線１ｅと、プリント基板上辺４ｂ方向に延びるラジアル線１ｅとは、互いに９０度の角度を有して、プリント基板１上に形成されている。プリント基板上辺４ｂ方向に延びるラジアル線１ｅと、プリント基板左辺４ｄに延びるラジアル線１ｅとは、互いに９０度の角度を有して、プリント基板１上に形成されている。プリント基板左辺４ｄに延びるラジアル線１ｅと、プリント基板右辺４ｃ方向に延びるラジアル線１ｅとは、互いに１８０度の角度を有してプリント基板１上に形成されている。

これら３本のラジアル線１ｅは、ヘリカルアンテナ２が設けられた位置から延出し、プリント基板右辺４ｃ、プリント基板左辺４ｄ及びプリント基板上辺４ｂそれぞれの方向に１／４λ電気長（図１において、符号ｍが付された矢印の長さ）の長さを有している。さらに、この３本のラジアル線１ｅは、マイクロストリップライン１ｃを形成するプリント基板１の裏面３ｂのグランド面１ｆと電気的に接続している。アンテナ内蔵ＰＣカードＡでは、ヘリカルアンテナ２と３本のラジアル線１ｅによってグランドプレーンアンテナを形成する。

次に、上記構成のアンテナ内蔵ＰＣカードＡにおいてヘリカルアンテナ２及びラジアル線１ｅによって構成されるグランドプレーンアンテナにおける電波の放射／受信原理を、図２Ａ〜２Ｃを参照して説明する。図２Ａ〜２Ｃは、本実施形態に係るアンテナ内蔵ＰＣカードＡのヘリカルアンテナ２及びラジアル線１ｅによって構成されるグランドプレーンアンテナにおける電波の放射／受信原理を示す模式図である。

図２Ａは、３本のラジアル線１ｅによって形成される仮想グランド８を示す模式図である。図２Ｂは、ヘリカルアンテナ２に正の高周波電流Ｃが流れている場合の電流の流れを示す模式図である。図２Ｃは、ヘリカルアンテナ２に負の高周波電流Ｃが流れている場合の電流の流れを示す模式図である。

図２Ａに示すように、アンテナ内蔵ＰＣカードＡでは、ヘリカルアンテナ２の位置を中心に放射状に３本のラジアル線１ｅをプリント基板上に配設することによって、ヘリカルアンテナ２の位置を中心とする仮想グランド８がプリント基板１上に形成される。図２Ｂに示すように、給電ライン１ｄからヘリカルアンテナ２に正の高周波電流Ｃが流れると、仮想グランド８による鏡像効果によって、仮想グランド８を挟んでヘリカルアンテナ２が延出する方向とは反対の方向から給電ライン１ｄとヘリカルアンテナ２との接点に向かって電流が流れてきている状態と等価の状態になる。

また、図２Ｃに示すように、給電ライン１ｄからヘリカルアンテナ２に負の高周波電流Ｃが流れると、鏡像効果によって、給電ライン１ｄとヘリカルアンテナ２との接点から仮想グランド８を挟んでヘリカルアンテナ２が延出する方向とは反対の方向へ電流が流れてきた状態と等価の状態になる。これにより、アンテナ内蔵ＰＣカードＡでは、１／２λ電気長のダイポールアンテナが存在する状態と等価の状態になり、ヘリカルアンテナ２の延出方向と同一方向の電界を有する電波、すなわち垂直偏波成分を主に含む放射電波を発生させることが出来る。また、アンテナ内蔵ＰＣカードＡが、ダイポールアンテナが存在すること等価の状態になることによって、電波の垂直偏波成分を効率よく受信することが出来る。

次に、ヘリカルアンテナ２の電波に対する３本のラジアル線１ｅによる電波の保護効果について説明する。
従来のアンテナ内蔵ＰＣカードでは、プリント基板上に対して水平に形成されているグランドによってアンテナ素子の電波が引っ張られる為、この電波の水平偏波成分が強くなっていた。さらに、グランドから発生する雑音電流によってアンテナ素子の電波に歪みが生じてしまう。

アンテナ内蔵ＰＣカードＡでは、ヘリカルアンテナ２の周辺に配設したラジアル線１ｅとマイクロストリップライン１ｃのグランド面１ｆとを電気的に接続し、ヘリカルアンテナ２とラジアル線１ｅとの協働作業によって電界を形成している。これにより、アンテナ内蔵ＰＣカードＡでは、グランドパターン１ａにヘリカルアンテナ２の電波が終端されることを防ぐ。これにより、グランドパターン１ａの影響を出来る限り防ぐことが出来る。

以上説明したように、アンテナ内蔵ＰＣカードＡでは、プリント基板１のグランドパターン１ａから１／８λ電気長だけ離れた位置にヘリカルアンテナ２を設け、このヘリカルアンテナ２の位置を中心に放射状にラジアル線１ｅを設けている。これにより、プリント基板１に、グランドプレーンアンテナを形成し、ヘリカルアンテナ２の延出方向と同一方向の電界を有する電波、すなわち垂直偏波成分を主に含む放射電波を発生させることが出来る。

また、ヘリカルアンテナ２の周辺に配設したラジアル線１ｅとマイクロストリップライン１ｃのグランド面１ｆとを電気的に接続し、ヘリカルアンテナ２とラジアル線１ｅとの協働作業によって電界を形成している。これにより、グランドパターン１ａにヘリカルアンテナ２の電波が終端されることを防ぐ。これにより、ヘリカルアンテナ２の電波の垂直偏波成分が保護される為、電波の水平偏波成分の強度を弱く、すなわち垂直偏波成分の強度を強くすることができる。さらに、ヘリカルアンテナ２が設けられた表面とは反対側の面であるプリント基板１の裏面３ｂにラジアル線１ｅを設けている。このため、ヘリカルアンテナ２とラジアル線１ｅとの間に、プリント基板１の基材であるガラスエポキシ樹脂等の誘電体をはさむことになる。その結果、誘電率が高くなり、ヘリカルアンテナ２を小型化、すなわちアンテナ内蔵ＰＣカードをより薄型化することが可能になる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では、アンテナ素子として、ヘリカルアンテナ２をプリント基板１上に設けたが、本発明はこれに限定されない。
例えば、ヘリカルアンテナ２の代わりに、チップアンテナをアンテナ素子として、プリント基板１に搭載してもよい。

（２）上記実施形態では、ヘリカルアンテナ２の位置を中心に、ラジアル線１ｅを３本設けたが、本発明はこれに限定されない。
例えば、３本以下の２本または１本でもよいし、また４本以上ラジアル線を設けるようにしてもよい。グランドプレーンアンテナは、仮想グランド８が半径１／４λ電気長の円に近いほど性能が向上する為、ラジアル線１ｅの本数が増えれば増えるほどグランドプレーンアンテナとしての性能は向上する。

（３）上記実施形態では、ヘリカルアンテナ２が設けられた表面とは反対側の面であるプリント基板１の裏面３ｂにラジアル線１ｅを設けたが、本発明はこれに限定されない。
例えば、ラジアル線１ｅを、ヘリカルアンテナ２が設けられた面と同一のプリント基板１の表面３ａに設けるようにしてもよい。

（４）上記実施形態では、ヘリカルアンテナ２のプリント基板右辺４ｃ及びプリント基板左辺４ｄを端点とする２本のラジアル線１ｅの端点５ａが、マイクロストリップライン１ｃのグランド面１ｆに接続するようにプリント基板１に形成されているが、本発明はこれに限定されない。
例えば、ヘリカルアンテナ２とグランドパターン１ａとの距離が１／８λ電気長より短い、すなわちヘリカルアンテナ２とグランドパターン１ａとが近接している場合には、２本のラジアル線１ｅを、グランドパターン１ａにおけるプリント基板上辺４ｂ側の一辺の中央付近を端点としてヘリカルアンテナ２に向かって伸ばし、ヘリカルアンテナ２の手前で直角に曲げてプリント基板右辺４ｃ方向またはプリント基板左辺４ｄ方向へ屈曲しながら伸びるようにしてもよい。

本発明は、無線通信装置に適用することができる。この無線通信装置によれば、電波の垂直偏波成分の強度を従来よりも強くすることができる。

Claims (3)

1. 長方形の形状を有し、一方の短辺に前記拡張スロットと接続する接続端子が設けられたプリント基板と、前記プリント基板のもう一方の短辺近傍に設けられ、略１／４λ電気長を有するアンテナ素子を具備する電子機器の拡張スロットに挿入される無線通信装置であって、
   前記アンテナ素子は、前記プリント基板上に直交する方向に延出すると共に前記アンテナ素子が配設された位置を中心に少なくとも３本のラジアル線が放射状に前記プリント基板上に設けられ、
   前記ラジアル線は、前記長方形の左辺方向と右辺方向および前記もう一方の短辺方向へ延びるように前記プリント基板上に形成される無線通信装置。
2. 前記アンテナ素子が配設された前記プリント基板の面とは反対側の面に前記ラジアル線を設ける請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記アンテナ素子は、ヘリカルアンテナまたはチップアンテナのいずれか一方である請求項１に記載の無線通信装置。

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