JP5494310B2

JP5494310B2 - アンテナ装置

Info

Publication number: JP5494310B2
Application number: JP2010159455A
Authority: JP
Inventors: 謙二遠藤; 哲三後藤
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-07-14
Also published as: JP2012028830A

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に、その周波数調整に関する。

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。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。

多くの携帯端末は、ＧＰＳ（Global Positioning System）やブルートゥース（登録商標）などの複数の周波数帯に対応する必要がある。携帯端末の小型化の要請に応えつつ、複数の周波数帯に対応するためには、単一のアンテナ素子で複数の周波数帯の電波を発生させることが望ましい。

特開２００４−７２６９９号公報特開２００２−１６４７２９号公報

特許文献１では、アンテナ素子にプリントされる放射導体のパターンを工夫することにより、主共振点とスプリアス共振点の２つの周波数帯に対応している。特許文献１の場合、主共振点とスプリアス共振点の周波数比は約１：２となる。ＧＰＳの周波数は約１．５ＧＨｚであり、ブルートゥース（登録商標）の周波数は約２．４ＧＨｚであるため、ＧＰＳとブルートゥース（登録商標）の周波数比は１：１．５である。したがって、特許文献１の技術では、これらの周波数帯に対応できない。特許文献２に示されるデュアルバンドアンテナにおいても、その周波数比は約１：２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、複数の周波数帯に対応可能なアンテナ装置において、その周波数の差を縮めることにある。

本発明に係るアンテナ装置は、略直方体状の誘電体の上面に放射電極が形成され底面にグランド電極が形成されるアンテナ素子と、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プリント基板を備える。放射電極の一端は開放端であり、他端はグランド電極と接続される短絡端である。短絡端側においてグランド電極が形成される領域は、放射電極に発生する基本定在波の振幅よりも所定の高調定在波の振幅の方が大きい高調波優勢領域に限定される。

ここでいう高調定在波は、基本定在波の３倍の周波数を有する定在波であってもよい。

誘電体の短絡端側の比誘電率を、開放端側の比誘電率よりも大きくなるようにアンテナ素子を形成してもよい。高調波優勢領域に限り第１の比誘電率の材料により誘電体を形成し、それ以外の領域においては第１の比誘電率よりも低い比誘電率の材料により誘電体を形成してもよい。

グランド電極の一部を放射電極側に突起させることにより、放射電極とグランド電極の対向距離を短縮してもよい。また、放射電極のうち高調波優勢領域に含まれる部分の一部をグランド電極側に突起させることにより、放射電極とグランド電極の対向距離を短縮してもよい。

放射電極は、誘電体の上面全面に形成されてもよい。あるいは、放射電極は、高調波優勢領域においては第１の電極幅を有し、それ以外の領域に限り第１の電極幅よりも狭い第２の電極幅を有するように形成されてもよい。放射電極は、短絡端側の領域においては第１の電極幅を有し、高調定在波の最初の節が現れる位置から開放端までの領域に限り第１の電極幅よりも狭い第２の電極幅を有するように形成されてもよい。

本発明によれば、複数の周波数帯に対応可能なアンテナ装置において、その周波数の差を縮めやすくなる。

アンテナ素子に発生する定在波の模式図である。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。図４（ａ）は、プリント基板におけるアンテナ素子の第１の設置場所を示す図である。図４（ｂ）は、プリント基板におけるアンテナ素子の第２の設置場所を示す図である。図４（ｃ）は、プリント基板におけるアンテナ素子の第３の設置場所を示す図である。アンテナ素子の設置場所ごとの周波数特性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４実施形態におけるアンテナ装置の外観図である。図８のＡ−Ａ線に沿ってアンテナ素子を切断した場合の側断面図である。第５実施形態におけるアンテナ装置の外観図である。図１０のＡ−Ａ線に沿ってアンテナ素子を切断した場合の側断面図である。第６実施形態におけるアンテナ装置の外観図である。第７実施形態におけるアンテナ装置の外観図である。第１、第４〜第７実施形態におけるアンテナ装置の周波数特性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。各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、アンテナ素子に発生する定在波の模式図である。図１においては、同図右向きにｙ軸を設定している。放射電極１０２の一端（ｙ＝ｙ０）は短絡端であり、他端（ｙ＝ｙ１）は開放端である。放射電極１０２に交流電力を給電すると、放射電極１０２には短絡端を節、開放端を腹とする複数の定在波が発生する。

基本波１０４は、放射電極１０２の長さ（ｙ１−ｙ０）と（１／４）波長が対応する定在波である。高調波１０６は、放射電極１０２の長さと（３／４）波長が対応する定在波である。すなわち、高調波１０６の周波数は基本波１０４の周波数の３倍である。高調波１０６は、短絡端ｙ０とｙ＝ｙ５の位置に節を作る。図１に示す高調波１０６は３倍高調波であるが、このほかにも５倍高調波、７倍高調波等も発生する。以下においては、３倍高調波としての高調波１０６を対象として説明する。

上述のように、基本波１０４と高調波１０６の周波数比は１：３である。本実施形態におけるアンテナ装置１０８の目的は、基本波１０４と高調波１０６の周波数の差を縮めることである。より具体的には、周波数比１：１．５に近づけることを目標とする。

図１を参照すると、ｙ０≦ｙ＜ｙ２の領域においては、高調波１０６の振幅の方が基本波１０４の振幅よりも大きい。以下、このような領域を「高調波優勢領域」とよぶ。ｙ２≦ｙ≦ｙ１においては、基本波１０４の振幅の方が高調波１０６の振幅よりも大きい。以下、このような領域を「基本波優勢領域」とよぶ。高調波優勢領域と基本波優勢領域の境目であるｙ２は、ｙ０（短絡端）とｙ１（開放端）の中点となる。

アンテナ素子１００のインピーダンスを小さくするほど定在波の周波数も低下することが知られている。本発明者らは、アンテナ素子１００を高調波優勢領域と基本波優勢領域に分けられることに着目し、高調波優勢領域のインピーダンスを選択的に低下させれば、基本波１０４と高調波１０６の周波数差を短縮できるのではないかと考えた。すなわち、高調波優勢領域のインピーダンスを選択的に低下させれば、高調波１０６の周波数だけでなく基本波１０４の周波数も低下するものの、高調波１０６の方がインピーダンスを大きく低下させるため、結果として周波数差が縮小することになる。

［第１実施形態］
図２は、第１実施形態におけるアンテナ装置１０８の外観図である。プリント基板１１０の実装領域１１２にアンテナ素子１００を設置することにより、アンテナ装置１０８が形成される。図２においては、アンテナ素子１００の長辺方向にｙ軸、短辺方向にｘ軸、高さ方向にｚ軸を設定する。以降の図においても同様である。

プリント基板１１０において、実装領域１１２はグランドパターンに囲まれる。アンテナ素子１００は、略直方体の誘電体を基体とし、放射電極１０２とグランド電極１１４をその表面にプリントすることにより形成される。図３は、アンテナ素子１００の展開図である。図２および図３を参照しつつ、アンテナ素子１００の構造を説明する。

本実施形態におけるアンテナ素子１００のサイズは、ｘ×ｙ×ｚ＝２．５ｍｍ×１０．０ｍｍ×１．０ｍｍである。長方形状の底面１１６（１０．０ｍｍ×２．５ｍｍ）を実装領域１１２に接着することにより、アンテナ素子１００はプリント基板１１０に固定される。アンテナ素子１００の４つの側面をそれぞれ第１側面１１８（２．５ｍｍ×１．０ｍｍ）、第２側面１２０（１０．０ｍｍ×１．０ｍｍ）、第３側面１２２（２．５ｍｍ×１．０ｍｍ）、第４側面１２４（１０．０ｍｍ×１．０ｍｍ）とする。実装領域１１２は、ｘ×ｙ＝４．０ｍｍ×１１．０ｍｍの大きさにてグランドパターンの一部を切り欠くことにより形成される。また、第１実施形態におけるアンテナ素子１００の基体は、比誘電率５７のセラミックにより形成される。

放射電極１０２は、上面１２６全面にプリントされる。放射電極１０２は、第３側面１２２の接続導体１２８を介して底面１１６のグランド電極１１４と接続される。第３側面１２２にプリントされる接続導体１２８には給電ライン１３０も接続される。放射電極１０２は、給電ライン１３０から接続導体１２８を介して交流電力を供給される。放射電極１０２の短絡端は第３側面１２２側であり、開放端は第１側面１１８側である。

底面１１６の開放端側にはアンテナ素子１００をプリント基板１１０に安定的に接着するための接地導体１３２が形成される。接地導体１３２は必須ではない。接地導体１３２の面積は可能な限り小さい方がよい。

放射電極１０２とグランド電極１１４が対向する領域においては、インピーダンスが低下する。このため、底面１１６に形成されるグランド電極１１４は、ｙ方向においては高調波優勢領域内に収まるように形成される。グランド電極１１４は、プリント基板１１０のグランドパターンと接続される。

図２に示すように、グランド電極１１４はｙ＝ｙ３の位置まで形成されるが、ｙ３は、０＜ｙ３＜ｙ２の関係を満たす。すなわち、グランド電極１１４の形成可能領域は高調波優勢領域内に限定される。グランド電極１１４の形成領域を高調波優勢領域に限定し、基本波１０４の周波数よりも高調波１０６の周波数を大きく低下させることにより、基本波１０４と高調波１０６の周波数差を短縮している。本発明者らのシミュレーション実験によれば、基本波１０４の周波数は１．５７５（ＧＨｚ）、高調波１０６の周波数は２．４４５（ＧＨｚ）、周波数比は１：１．５５２となった。

図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）は、いずれも、プリント基板１１０におけるアンテナ素子１００の設置場所を例示する。図５は、アンテナ素子１００が設置される場所ごとの周波数特性を示すグラフである。図５によれば、アンテナ素子１００の設置場所によってリターンロスは変化しているが、周波数はほとんど変化していないことがわかる。以下の各実施形態においては、いずれも図４（ａ）に示す位置にアンテナ素子１００を設置するものとして説明する。

［第２実施形態］
図６は、第２実施形態におけるアンテナ装置１０８の外観図である。第２実施形態における放射電極１０２やグランド電極１１４のプリントパターンは第１実施形態と同じである。第２実施形態のアンテナ素子１００においては、基本波優勢領域内のｙ＝ｙ４の位置を境目として、短絡端側においては比誘電率５７の誘電体、開放端側には比誘電率３７の誘電体の２種類の誘電体を使用している。すなわち、短絡端側の比誘電率は開放端側の比誘電率よりも大きくなっている。

アンテナ素子１００のｙ軸方向の長さは１０ｍｍであり、高調波優勢領域と基本波優勢領域の境目（ｙ＝ｙ２）は、短絡端（ｙ＝ｙ０）からちょうど５．０ｍｍの少し手前の位置となる。これは高調波優勢領域の方が基本波優勢領域より波長短縮率が大きいためである。誘電体の境目（ｙ＝ｙ４）は、基本波優勢領域にある。短絡端（ｙ＝ｙ０）から６．３５ｍｍの位置に誘電体の境目（ｙ＝ｙ４）を設定した場合、基本波１０４の周波数は１．７２７（ＧＨｚ）、高調波１０６の周波数は２．６２２（ＧＨｚ）、周波数比は１：１．５２となった。第１実施形態よりも更に改善されている。誘電体の比誘電率が大きいほどインピーダンスが低下するためである。

［第３実施形態］
図７は、第３実施形態におけるアンテナ装置１０８の外観図である。アンテナ素子１００における放射電極１０２やグランド電極１１４のプリントパターンは第１実施形態と同じである。第２実施形態のアンテナ素子１００においては、高調波優勢領域内のｙ＝ｙ４の位置を境目として、短絡端側においては比誘電率５７の誘電体、開放端側には比誘電率３７の誘電体の２種類の誘電体を使用している。

誘電体の境目（ｙ＝ｙ４）を、短絡端（ｙ＝ｙ０）から４．３５ｍｍの位置に設定すると、基本波１０４の周波数は１．７５２（ＧＨｚ）、高調波１０６の周波数は２．６４７（ＧＨｚ）、周波数比は１：１．５１となる。高調波優勢領域に限り高い比誘電率の誘電体を使用することにより、第２実施形態よりも周波数比を更に改善できる。

［第４実施形態］
図８は、第４実施形態におけるアンテナ装置１０８の外観図である。図９は、図８に示すＡ−Ａ線に沿ってアンテナ素子１００を切断した場合の側断面図である。第４実施形態における放射電極１０２やグランド電極１１４のプリントパターンは第１実施形態と実質的に同じである。ただし、第４実施形態においては、グランド電極１１４の一部を上面１２６方向（ｚ方向）に隆起させている。グランド電極１１４の一部と放射電極１０２の対向する距離が近くなるため、高調波優勢領域のインピーダンスを下げることができる。ｘ×ｙ×ｚ＝１．５ｍｍ×２．５ｍｍ×０．５ｍｍのサイズの突起を、高調波１０６の腹の位置にあわせて設けたところ、基本波１０４の周波数は１．４７３（ＧＨｚ）、高調波１０６の周波数は２．１８８（ＧＨｚ）、周波数比１：１．４８６となった。

［第５実施形態］
図１０は、第５実施形態におけるアンテナ装置１０８の外観図である。図１１は、図１０に示すＡ−Ａ線に沿ってアンテナ素子１００を切断した場合の側断面図である。第５実施形態における放射電極１０２やグランド電極１１４のプリントパターンも第１実施形態と実質的に同じである。第５実施形態においては、放射電極１０２の一部を底面１１６側に陥没させている。この陥没部分は高調波優勢領域内に含まれる。グランド電極１１４と放射電極１０２の一部の対向距離が近くなるため、高調波優勢領域のインピーダンスを下げることができる。ｘ×ｙ×ｚ＝１．５ｍｍ×２．５ｍｍ×０．５ｍｍのサイズの陥没部を高調波１０６の腹の位置にあわせて設けたところ、基本波１０４の周波数は１．４８５（ＧＨｚ）、高調波１０６の周波数は２．１９０（ＧＨｚ）、周波数比は１：１．４７５となった。

［第６実施形態］
図１２は、第６実施形態におけるアンテナ装置１０８の外観図である。第６実施形態にいては、放射電極１０２の開放端側の電極幅を一部だけ狭めている。それ以外の電極パターンは第１実施形態と同様である。このような放射電極１０２の電極幅を狭めた領域を「狭放電領域１３４」とよぶ。第６実施形態においては、狭放電領域１３４は長さ（ｙ方向）が３．０ｍｍ、電極幅（ｘ方向）は１．０ｍｍである。狭放電領域１３４は、高調波１０６の節（ｙ５）よりも開放端側に設けられる。少なくとも、狭放電領域１３４は基本波優勢領域に限り形成される。狭放電領域１３４においてはインピーダンスが向上する。本発明者らのシミュレーションによれば、基本波１０４の周波数は１．５２８（ＧＨｚ）、高調波１０６の周波数は２．３５５（ＧＨｚ）、周波数比は１：１．５４２となった。

［第７実施形態］
図１３は、第７実施形態におけるアンテナ装置１０８の外観図である。第７実施形態にいても、放射電極１０２の開放端側の電極幅を一部だけ狭めている。第７実施形態においては、狭放電領域１３４は長さ（ｙ方向）が３．０ｍｍ、電極幅（ｘ方向）は２．０ｍｍである。狭放電領域１３４は、高調波１０６の節（ｙ＝５）よりも開放端側に設けられる。第６実施形態に比べて狭放電領域１３４の電極幅が広いため、狭放電領域１３４におけるインピーダンスは第６実施形態のそれと比べて若干大きくなる。本発明者らのシミュレーションによれば、基本波１０４の周波数は１．５５８（ＧＨｚ）、高調波１０６の周波数は２．４１０（ＧＨｚ）、周波数比は１：１．５４７であった。

図１４は、第１、第４〜第７実施形態におけるアンテナ装置１０８の周波数特性を示すグラフである。まず、第４、第５実施形態のように、誘電体にくぼみを設けることにより、基本波１０４と高調波１０６の周波数差を大きく短縮できることが確認された。更に詳細に検討すると、第４実施形態の基本波１０４の周波数は、第５実施形態の基本波１０４の周波数よりも低下している。第６、第７実施形態のように開放端側に狭放電領域１３４を設けることによっても基本波１０４と高調波１０６の周波数差を短縮できることが確認された。

以上、第１〜第７実施形態に基づいて本発明におけるアンテナ装置１０８を説明した。いずれの場合においても高調波優勢領域におけるインピーダンスが基本波優勢領域のインピーダンスよりも低くなるようにアンテナ素子１００を形成することにより、基本波１０４と高調波１０６の周波数差を短縮できる。特に、高調波優勢領域に限って形成されるグランド電極１１４は、周波数差短縮効果が大きい。なお、第１〜第７実施形態のうち任意の２以上の実施形態を組み合わせ可能であることは当業者には理解されるところである。

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。また、本発明の実施例と逆の構成を採れば基本波と高調波の周波数比を逆に大きく設定することが可能であることも当業者には理解される。したがって、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アンテナ素子、１０２放射電極、１０４基本波、１０６高調波、１０８アンテナ装置、１１０プリント基板、１１２実装領域、１１４グランド電極、１１６底面、１１８第１側面、１２０第２側面、１２２第３側面、１２４第４側面、１２６上面、１２８接続導体、１３０給電ライン、１３２接地導体、１３４狭放電領域。

Claims

略直方体状の誘電体の上面に放射電極が形成され、底面に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、
前記放射電極の一端は開放端であり、他端は前記グランド電極と接続される短絡端であって、
前記短絡端側において前記グランド電極が形成される領域は、前記放射電極に発生する基本定在波の振幅よりも所定の高調定在波の振幅の方が大きい高調波優勢領域に限定されることを特徴とするアンテナ装置。
前記所定の高調定在波は、前記基本定在波の３倍の周波数を有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記誘電体の前記短絡端側の比誘電率は、前記開放端側の比誘電率よりも大きい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。
前記誘電体は、前記高調波優勢領域に限り第１の比誘電率の材料により形成され、それ以外の領域においては前記第１の比誘電率よりも低い比誘電率の材料により形成されることを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
前記グランド電極の一部を前記放射電極側に突起させることにより、前記放射電極と前記グランド電極の対向距離を短縮させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のアンテナ装置。
前記放射電極のうち前記高調波優勢領域に含まれる部分の一部を前記グランド電極側に突起させることにより、前記放射電極と前記グランド電極の対向距離を短縮させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のアンテナ装置。
前記放射電極は、前記誘電体の上面全面に形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のアンテナ装置。
前記放射電極は、前記高調波優勢領域においては第１の電極幅を有し、それ以外の領域に限り前記第１の電極幅よりも狭い第２の電極幅を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のアンテナ装置。
前記放射電極は、前記短絡端側の領域においては第１の電極幅を有し、前記高調定在波の最初の節が現れる位置から前記開放端までの領域に限り前記第１の電極幅よりも狭い第２の電極幅を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のアンテナ装置。