JP5471322B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置に関する。

無線通信用デバイスの設計は年々複雑さを増している。無線通信用デバイスは、例えば、無線通信機能を有する電子機器である。具体的には、携帯電話, スマートフォン，ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）,ＰＣ（Personal Computer）,ＧＰＳ（Global Positioning System）端末のような無線端末や、無線通信用カード（例えばＰＣＭＣＩＡカード）のような無線通信アプリケーション機器を含むことができる。

無線通信用デバイスの内部には、無線電波を受信するための内部アンテナが配置される。内部アンテナのアンテナエレメントは可能な限り小さく且つ軽量にすることが好ましい。また、内部アンテナは、アンテナゲイン及びアンテナ効率のための設計要求を満足し、広帯域（ワイドバンド）をサポートしたり、複数帯域（マルチバンド）をサポートすべく、異なる周波数帯域を扱うことが可能なものもある。

特開２００７−８９１０９号公報 特開２００２−１９０７０３号公報 特開２００４−１９４０８９号公報

従来における、無線通信用デバイスの内部アンテナ、たとえば、逆Ｆアンテナや平面モノポールアンテナは、ワイドバンド特性を提供するために、無線端末内部の容積を大きく占有していた。このため、内部アンテナの小型化が望まれている。また、無線通信用デバイス内部の限られた空間内では、地板に実装された高周波回路（ＲＦ回路）と内部アンテナとが接近した状態で配置される。このため、ＲＦ回路と内部アンテナとの効率的なインピーダンスマッチングが行われるように、内部アンテナの励起ポートに対してＬＣ回路が設置されていた。このようなＬＣ回路の設置は、内部アンテナの小型化の妨げになるとともに、帯域の減少やアンテナ効率の低下を招来するおそれがあった。

本発明の態様の目的は、小型化を図ることができるアンテナ装置を提供することである。

本発明の態様は、アンテナ装置であり、高比誘電率を有する素材を用いて形成された基材と、前記基材内に収容されるアンテナ導体とを備える。

前記アンテナ導体は、
平面形状が対向する二辺を有する平板状の第１の金属片と、
前記第１の金属片の前記対向する二辺のそれぞれから、前記第１の金属片の平面と直交するように前記第１の金属片の一方の平面側へ延出する複数の第２の金属片とを含む。

本発明の態様によれば、アンテナ装置において小型化を図ることができる。

図１Ａは、実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示す。 図１Ｂは、図１Ａに示したアンテナ装置を側方から見た説明図である。 図２は、図１Ａ及び１Ｂに示したアンテナ装置の電圧定在波比（VSWR: Voltage Standing Wave Ratio）を示すグラフである。 図３Ａは、比較例としてのＬＣ回路を用いたアンテナ回路図である。 図３Ｂは、図１Ａ及び１Ｂに示したアンテナ装置を用いたアンテナ回路図である。 図４は、図１Ａ及び１Ｂに示したアンテナ装置のゲイン放射パターンを示す。 図５は、他の実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示す。 図６は、図５に示したアンテナ装置の電圧定在波比を示すグラフである。 図７は、図５に示したアンテナ装置のゲイン放射パターンを示す。 図８は、アンテナ装置が適用された無線通信機能を有する電子機器の一例を示す図である。

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。下記の実施形態の構成は例示であり、本発明は、実施形態の構成に限定されない。

図１Ａは、実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示し、図１Ｂは、図１Ａに示したアンテナ装置を側面からみた状態を示す説明図である。図１Ａ及び１Ｂには、無線通信用デバイス用のアンテナ装置が示されている。無線通信用デバイスは、例えば、無線通信機能を有する電子機器である。具体的には、携帯電話, スマートフォン，ＰＤＡ,ＰＣ,ＧＰＳ端末のような無線端末や、無線通信用カード（例えばＰＣＭＣＩＡカード）のような無線通信アプリケーション機器を含むことができる。

アンテナ装置１０は、２ＧＨｚ帯を利用するハンドセット用のセラミックチップアンテナ（セラミックチップモノポール）である。ハンドセットは、携帯電話、スマートフォンのような無線通話端末を少なくとも含む。

図１Ａ及び１Ｂにおいて、アンテナ装置１０は、基材１１と、基材１１内に収容され
たアンテナ導体１２とを備えている。

ここに、基材１１は、高比誘電率を有する素材の一例としてのセラミック素材を用いて形成された直方体の形状を有している。実施形態では、比誘電率が約１０のセラミック素材を用いられている。具体的には、基材１１は、比誘電率ε_r＝１０．２、誘電正接tanδ＝0.0023のセラミック材料を用いて構成されている。基材の比誘電率は、ε_r＝１０±１
が好ましい。

アンテナ導体（アンテナエレメント）１２は、平面形状が矩形（図１Ａ及び１Ｂでは
長方形）の平板状の第１の金属片１３と、矩形平板状の複数の第２の金属片１４とを備
えている。第１の金属片１３は、基材１１の内部において、基材１１の高さ方向（図１
Ａ及び１Ｂのｚ方向）に立てられ、幅方向（図１Ａ及び１Ｂのｘ方向）に配置されてい
る。

第２の金属片１４のそれぞれは、第１の金属片１３の幅方向の対向する２辺をなす外縁のそれぞれから、第１の金属片１３の一方の平面である平面１３ａ側へ第１の金属片１３と垂直になるように延出している。実施形態では、複数の第２の金属片１４は、基材１１の長さ方向（図１Ａ及び１Ｂのｙ方向）に延びる同一形状の帯状の平板であり、各第２の金属片１４は、隣接する第２の金属片１４と間隔を開けて設けられている。

アンテナ導体１２は、例えば、長方形の対向する２辺から第２の金属片を構成する複数の延出部を備えた平板の各延出部をコの字状に折り曲げることにより形成することができる。

アンテナ装置１０は、さらに、導体としての導体板１５と、インダクタ素子１６と、金属片１７とを備える。導体板１５は、アンテナ導体１２と接続されている。導体板１５は、第２の金属片１４と同方向に延びる、第２の金属片１４より長い金属板である。導体板１５は、第１の金属片１３から延びる帯状部分を垂直に折り曲げることで形成することができる。このように、アンテナ導体１２が３次元形状を有している。

導体板１５の第１の金属片１３との接続部分を基端部（一方の端部）としたときにお
ける導体板１５の末端部（他方の端部）には、インダクタ素子１６が接続されており、
インダクタ素子１６には、平板状の金属片１７の一端部が接続されている。金属片１７
は、給電線として機能する給電板である。

導体板１５，インダクタ素子１６，及び金属片１７は、基材１１の正面１１ａから正面１１ａと直交する方向に延びる平板状の支持部材上に配置され、支持部材１８によって直線状に支持されている。

上述したような構成を有するアンテナ装置１０（アンテナチップモノポール）は、図示しない高周波回路（ＲＦ回路）を備える地板１９に対し、距離を置いた状態で取り付けられる。地板１９は、例えばプリント配線板（ＰＷＢ）である。地板１９は、直線状の外縁１９ａを有している。外縁１９ａと基材１１の正面１１ａとの間に間隙が形成されるように、支持部材１８の一部が地板１９上で固定されることによって、アンテナ装置１０は、地板１９に取り付けられている。

このとき、第１の金属片１３が地板１９に対して垂直となり、複数の第２の金属片１４がそれぞれ地板１９に対して水平となるように、アンテナ装置１０が地板１９に取り付けられる。このようにすることで、ハンドセット内部をアンテナ装置１０が占める容積を小さくすることができる。

アンテナ装置１０が地板１９に取り付けられた状態において、金属片１３の末端部は、地板１９に設けられた給電ポート（図示せず）と電気的に接続される。図１では、金属片１３の末端部が半田２０によって給電ポートと接続されている。

以上説明したアンテナ装置１０によれば、アンテナ導体１２をコの字形状の３次元形状としたことで、アンテナ導体１２の容積を小さくすることができ、結果として、基材１１の体積を小さくすることができる。すなわち、アンテナ装置１０の小型化が図られる。

また、アンテナ導体１２によれば、各第２の金属片１４の末端と金属片１７の末端部との間に、第１の金属片１３を経由する多数の直線（コの字状の直線）を引くことができる。このことは、アンテナ導体１２が、多数の波長を受信することができることを意味する。すなわち、第１の金属片１３の幅長さと第２の金属片１４の数とによって、アンテナで受信できる共振周波数帯域幅を調整することができることを意味する。

図２は、図１Ａ及び１Ｂに示したアンテナ装置１０の電圧定在波比（ＶＳＷＲ）特性を示すグラフである。図２によれば、ＶＳＷＲ＝２で、２ＧＨｚを共振周波数とした約１．９ＧＨｚから約２．１ＧＨｚの広帯域をカバーすることができる。よって、アンテナ装置１０は広帯域（ワイドバンド）に適合することができる。

さらに、給電線としての金属片１７及びインダクタ素子１６は、アンテナのインピーダンスマッチングを行うためのインピーダンス整合回路として機能する。図３Ａは、比較例としてのＬＣ回路を用いたアンテナ回路図であり、図３Ｂは、図１に示したアンテナ装置１０を用いたアンテナ回路図である。

図３Ａに示す比較例では、アンテナとＲＦ回路（抵抗Ｒで図示）とのインピーダンスマッチングを行うべく、アンテナとＲＦ回路との間にＬＣ回路が挿入されていた。ＬＣ回路を構成するキャパシタとして、大容量のコンデンサが要求されていたため、コンデンサがアンテナ装置の体積を大きくする要因となっていた。

これに対し、実施形態では、図３Ｂに示すように、ＲＦ回路（抵抗Ｒで図示）とアンテナ（アンテナ導体１２）とが、インダクタ素子１６及び金属板１７（給電線）で直列接続された状態となっている。実施形態では、給電線（金属片１７）が図３Ａのキャパシタの代替物として機能し、アンテナ導体１２と金属板１７とのインピーダンスマッチングを適正に行うことができる。金属片１７は、コンデンサに比べて占有体積を小さくすることができるので、アンテナ装置１０の小型化が図られる。

図４は、図１Ａ及び１Ｂに示した実施形態のアンテナ装置のゲイン放射パターンをシミュレートした結果を示す。条件として、図１Ａ及び１Ｂに示すアンテナ装置１０における基材１１の長さＬ１，幅Ｗ１，高さＨ１をそれぞれ、Ｌ１＝５ｍｍ，Ｗ１＝１０ｍｍ，Ｈ１＝６ｍｍとされている。また、第１の金属片１３の寸法は、幅Ｗ２＝９．２５ｍｍ、長さＬ２＝４．２ｍｍである。また、各第２の金属片１４の寸法は、長さＬ３＝２．６ｍｍ、幅１ｍｍである。第２の金属片１４間の間隙は０．５ｍｍとした。さらに、ＲＦ回路のインピーダンスは５０Ωであり、インダクタ素子１６のインダクタンスは６ｎＨとした。このような条件下において、アンテナ装置１０は、９６％のアンテナ効率を得ることができた。

このように、アンテナ装置１０によれば、アンテナ装置１０の小型化を図った上で、好適なインピーダンスマッチングを行うことができ、広帯域幅で高効率のセラミックチップアンテナ（セラミックチップモノポール）を得ることができる。

図５は、他の実施形態に係るアンテナ装置１０Ａが地板１９に取り付けられた状態を示す。アンテナ装置１０Ａは、ＧＰＳアプリケーション用のセラミックチップアンテナ（セラミックチップモノポール）であり、１．５ＧＨｚ帯のＧＰＳ周波数帯をカバーする。

アンテナ装置１０Ａは、基材１１Ａと、アンテナ導体１２Ａとを有している。アンテナ導体１２Ａは、アンテナ導体１２と同様に、コの字状に形成された第１の金属片１３Ａと複数の金属片１４Ａとを備えている。また、アンテナ導体１２Ａは、アンテナ装置１０と同様に、直列に接続された導体板１５Ａ，インダクタ素子１６Ａ，給電線としての金属片１７Ａとを有している。導体板１５Ａ，インダクタ素子１６Ａ，及び金属片１７Ａは、基材１１Ａの正面から延びる支持板１８Ａ上に配置されている。

そして、支持板１８Ａの一部が地板１９上に固定されることで、アンテナ導体１２Ａを収容（埋設）した基材１１Ａが地板１９と距離をおいて配置された状態となっている。金属片１７Ａの末端は、地板１９に設けられた図示しないＧＰＳ用のＲＦ回路に給電ポートを介して半田２０Ａで電気的に接続されている。

なお、実施形態２では、１．５ＧＨｚの使用帯域幅が２ＧＨｚよりも狭いことに鑑み、第１の金属片１３Ａの幅長さが短く、及び第２の金属片１４Ａの枚数が少なくなっている。

図６は、アンテナ装置１０ＡのＶＳＷＲ特性を示すグラフであり、図７は、アンテナ装置１０Ａのゲイン放射パターンのシミュレーション結果を示す。図６に示すように、アンテナ装置１０Ａは、ＶＳＷＲ＝１で、１．５ＧＨｚをカバーすることができる。また、図７に示すように、アンテナ効率９６％を得ることができる。

なお、シミュレーションの条件は、基材１１Ａの長さＬ１＝３．５ｍｍ、幅Ｗ１＝４．７５ｍｍ、高さＨ１＝４ｍｍであり、基材１１Ａの比誘電率を１０とし、インダクタ素子１６Ａのインダクタンスを２０ｎＨとした。また、金属片１３Ａは、４．７５ｍｍ（ｘ方向）×４．２ｍｍ（ｙ方向）の長方形平板とした。また、各金属片１４Ａは、１ｍｍ（ｘ方向）×２．５ｍｍ（ｙ方向）の長方形平板であり、金属片１４Ａ間の間隙はそれぞれ０．５ｍｍとした。

上述したようなアンテナ装置１０及びアンテナ装置１０Ａが同一の無線通信デバイス内に設けられれば、その無線通信デバイスは、２ＧＨｚ帯と１．５ＧＨｚ帯との双方、すなわちマルチバンドをサポートすることができる。なお、アンテナ装置１０及びアンテナ装置１０Ａは、別の図面に図示したが、同一の地板１９に設けることができる。

図８は、アンテナ装置１０及びアンテナ装置１０Ａを備えた無線通信機能を有する電子機器（無線通信用デバイス）の一例を模式的に示す図である。図８において、電子機器３０は、ＧＰＳ機能を有する携帯電話機である。

電子機器３０は、アンテナ装置１０と、アンテナ装置１０Ａとを有している。また、電子機器３０は、アンテナ装置１０と接続されたＲＦ部３１と、アンテナ装置１０Ａと接続されたＧＰＳモジュール３２と、ＲＦ部３１及びＧＰＳモジュール３２と接続された制御装置３３を有している。制御装置３３には、キーやボタンを含む入力装置３４，液晶ディスプレイのような表示装置３５，マイクロフォン３６，及びスピーカ３７が接続されている。ＲＦ部３１及びＧＰＳモジュール３２のそれぞれが無線通信部として機能する。

ＲＦ部３１は、ＲＦ回路を含むＲＦ部及びベースバンド処理部を含んでいる。アンテナ装置１０で受信された２ＧＨｚ帯の無線信号は、ＲＦ回路でダウンコンバート及びＡ／Ｄ変換され、ベースバンド処理部でベースバンド信号に復調される。ベースバンド信号は制御装置３３に入力される。

制御装置３３は、通信プロセッサ，アプリケーションプロセッサ，各種の記憶装置，入力装置３４及び表示装置３５用のデバイスドライバ，マイク３６及びスピーカ３７用のアナログフロントエンド（アナログ音声信号の処理回路）などを備えている。

制御装置３３は、例えば、ＲＦ部３１からベースバンド信号が入力された場合には、例えば、通信プロセッサが、ベースバンド信号から符号化データを取り出して復号する処理、データに対する誤り訂正処理を行う。データが音声データであれば、例えば、通信プロセッサは、アナログフロントエンドに音声データを接続し、アナログフロントエンドで音声データに対応する音声が再生され、スピーカ２７から出力される。

一方、マイクロフォン３６からアナログ音声信号が入力されると、アナログフロントエンド及び通信プロセッサでディジタル音声信号の符号化信号が生成され、ＲＦ部３１のベースバンド処理部でベースバンド信号に変調され、ＲＦ回路でＤ／Ａ変換及び無線信号へのアップコンバートが施された後、アンテナ１０から放射される。

なお、通信プロセッサで得られたデータが非音声データであれば、例えば、アプリケーションプロセッサが、その非音声データに対する所定の処理を行う。例えば、アプリケー
ションプロセッサは、表示装置３５を制御し、非音声データに基づく文字や図形を表示装置３５に表示する。

また、アンテナ装置１０Ａで受信される１．５ＧＨｚ帯の無線信号は、ＧＰＳモジュール３２に入力される。ＧＰＳモジュール３２は、ＲＦ回路及びＧＰＳベースバンド処理部を有している。ＲＦ回路は、無線信号のダウンコンバート及びＡ／Ｄ変換を行う。ベースバンド部は、ＲＦ回路からのディジタル信号に対する復調処理、復調信号に含まれるＧＰＳデータ（例えばＧＰＳ衛星のＣ／Ａコード，航法データ）の復号処理を行う。復号されたＧＰＳデータは、制御装置３３に入力され、所定の処理、例えば、表示装置３５に対する電子機器３０の現在位置表示の制御が行われる。電子機器３０の操作は、入力装置３４を用いたボタンやキー操作によって行われる。

以上説明した実施形態によれば、無線通信用デバイスの小型化を図るとともに、好適なインピーダンスマッチングを行うことができる。また、ワイドバンドやマルチバンドをサポートすることができる。

なお、実施形態では、金属片１７，１７Ａとして、厚さ０．２５ｍｍの帯状の金属板を用いた。金属片１７，１７Ａの厚さ、幅、及び長さは適宜変更可能である。また、上記した他のアンテナ装置の１０，１０Ａの寸法、基材の比誘電率は例示であり、適宜変更可能である。

１０，１０Ａ・・・アンテナ装置
１１，１１Ａ・・・基材
１１ａ・・・基材の正面
１２，１２Ａ・・・アンテナ導体
１３，１３Ａ・・・第１の金属片
１３ａ・・・一方の平面
１４，１４Ａ・・・第２の金属片
１５，１５Ａ・・・導体板
１６，１６Ａ・・・インダクタ素子
１７，１７Ａ・・・金属片（給電板）
１８，１８Ａ・・・支持板（支持部材）
１９・・・地板
２０，２０Ａ・・・半田

Claims (5)

1. 高比誘電率を有する素材を用いて形成された基材と、
   前記基材内に収容されるアンテナ導体と、
   前記アンテナ導体に導体を介して直列接続されたインダクタ素子及び容量素子を代替する金属片と、を備え、
   前記アンテナ導体は、
   平面形状が対向する二辺を有する平板状の第１の金属片と、
   前記第１の金属片の前記対向する二辺のそれぞれから、前記第１の金属片の平面と直交するように前記第１の金属片の一方の平面側へ延出する複数の第２の金属片とを含む
   アンテナ装置。
2. 前記金属片の前記インダクタ素子と接続される端部と逆側の端部は、地板に設けられた高周波回路と接続され、
   前記インダクタ素子及び前記金属片が前記アンテナ導体と前記高周波回路とのインピーダンス整合回路として機能する
   請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記導体，前記インダクタ素子，前記金属片は、直線上に配列され、
   前記導体の前記インダクタ素子と接続される端部と逆側の端部が前記第１の金属片の前記対向する二辺の一方に、前記第１の金属片の平面と直交するように接続されており、
   前記金属片の前記インダクタ素子と接続される端部と逆側の端部は、前記地板上に取り付けられ、
   前記アンテナ導体を収容する基材は、前記金属片，前記インダクタ素子，前記導体を支持する支持部材によって、前記地板の外縁から離れた位置で支持される
   請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１の金属片は、前記地板に対して垂直に配置され、
   前記複数の第２の金属片は、前記地板に対して水平に配置される
   請求項３に記載のアンテナ装置。
5. アンテナ装置と、
   前記アンテナ装置を介して無線通信を行う無線通信部とを備え、
   前記アンテナ装置は、
   高比誘電率を有する素材を用いて形成された基材と、
   前記基材内に収容されるアンテナ導体と、
   前記アンテナ導体に導体を介して直列接続されたインダクタ素子及び容量素子を代替する金属片と、を含み、
   前記アンテナ導体は、
   平面形状が対向する二辺を有する平板状の第１の金属片と、
   前記第１の金属片の前記対向する二辺のそれぞれから、前記第１の金属片の平面と直交するように前記第１の金属片の一方の平面側へ延出する複数の第２の金属片とを含む、無線通信機能を有する電子機器。

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