JP5601590B2 - アンテナ装置、アンテナ装置の小型化方法、及びそのアンテナ装置を備える通信機器 - Google Patents

Description

本発明は、基板上にパターン形成されたアンテナを備えるアンテナ装置、アンテナ装置を小型化する方法、及びそのアンテナ装置を備える通信機器に関する。

現在、無線装置のアンテナは内蔵化が進み、更に装置自体の小型化やアンテナ本数が増えていることでアンテナ領域の狭い状態で特性を確保する必要がある。

一般に、アンテナの長さは受信信号の波長に対応しており、受信信号の周波数が低いとアンテナ長は長くなる。ループ状のアンテナの共振周波数はλ（λは波長）であり、逆Ｌ字形状のアンテナの共振周波数はλ／４であるため、ループ形状のアンテナの長さは波長、逆Ｌ字形状のアンテナの長さは波長の１／４で設計される。

図１６（ａ）は、２．４ＧＨｚ帯用の無線ＬＡＮアンテナとして、ループ形状のアンテナ３０’を基板１０’上に実装した例を示す。また、図１６（ｂ）は図１６（ａ）に示すアンテナ装置１’のアンテナ部分の構成を示す拡大図である。この例では、無線ＬＡＮルータを想定した基板１０’の寸法で、アンテナ３０’とグランド部（ＧＮＤ）２０’間の距離を５ｍｍとしている。この構成において、基板上にパターン形成されたアンテナ３０’の横方向の長さをシミュレーションすると、４４．５ｍｍとなる。

一方、図１７（ａ）は、アンテナ３０’とグランド部（ＧＮＤ）２０’間の距離を同じ５ｍｍで逆Ｌ字形状のアンテナ３０’を設計した例を示す。また、図１７（ｂ）は図１７（ａ）に示すアンテナ装置１’のアンテナ部分の構成を示す拡大図である。この場合、アンテナ３０’の横方向の長さは１９．５ｍｍになる。これは、上述したように、ループ形状のアンテナ３０’の共振はλであるが、逆Ｌ字形状のアンテナ３０’はλ／４で共振するためである。

また、図１８（ａ）は、図１６に示したループ形状のアンテナ３０’のインピーダンス特性とリターンロス特性を説明し、図１８（ｂ）は、図１７に示した逆Ｌ字形状のアンテナ３０’のインピーダンス特性とリターンロス特性を説明するための図である。図１８（ａ）及び図１８（ｂ）に示すアンテナ特性から明らかなように、上記ループ形状のアンテナ３０’と逆Ｌ字形状のアンテナ３０’のアンテナ特性は無線通信をする上で好ましい値ではない。このように、これらのアンテナ装置１’では無線通信に必要なアンテナ特性が得られない。

一方、基板上にアンテナを内蔵する様々なアンテナ装置が種々提案されている。

例えば、特許文献１は、小型化と広帯域化を図ったアンテナ装置を開示している。この特許文献１に開示されたアンテナ装置は、基板の同一面上に形成されたアンテナエレメントと、グランドエレメントとを有する。特許文献１では、実施形態２においてアンテナ領域の全体をミアンダ構成にしている。

また、アンテナ素子を備える携帯無線端末の一例が特許文献２に記載されている。当該携帯無線端末には、スライド可能に連結された２つの筐体において、これらの筐体に配置された基板上におけるフレキシブルケーブルのグランド部の一部に、蛇行状のメアンダ部が形成されている。特許文献２では、フレキシブルケーブルにミアンダを構成することで、装置のＧＮＤ長を調節してアンテナ特性を確保している。

特開２０１１−４１０９７号公報 特開２００８−４７９４９号公報

しかしながら、上述したアンテナ装置においては、アンテナとグランド部の間の距離が狭い場合には放射抵抗が小さくなるため、アンテナ装置の機能性を維持するリターンロスが確保しにくく、そのため所望のアンテナ特性を得るためには、別途整合回路が必要となる問題があった。

さらに、特許文献１では、逆Ｌ字形状のアンテナを利用しているが、逆Ｌ字形状のアンテナに対してループ形状のアンテナを用いる場合、ループ形状のアンテナの共振は波長λ、逆Ｌ字形状のアンテナの共振は波長λ／４であるため、ループ形状のアンテナはサイズが大きくなり、装置の小型化を進める上で不都合があった。従って、逆Ｌ字形状のアンテナに対してループ形状のアンテナはサイズが大きくなるため、アンテナ装置の小型化を進める上で用いることはあまりない。また、特許文献１では、接地位置が給電位置と反対側にあり、単にアンテナをミアンダ状にするだけではリターンロスが悪化してしまう問題があった。

ところで、本発明者らの鋭意研究によれば、一般に、アンテナ装置の小型化に適さないと考えられていたループ形状のアンテナを改良することで、所望のリターンロスを確保しつつアンテナ装置の小型化が図れることが判明した。

本発明の目的は、上述した課題である整合回路が必要となる問題を解決する基基板上にパターンで構成するループ形状のアンテナを備えるアンテナ装置及びアンテナ装置の小型化方法を提供することにある。

上述の課題に鑑み、本発明の一態様によれば、基板上にアンテナを実装するアンテナ装置において、上記基板上に形成されるグランド部と、上記グランド部と接続し、アンテナに電力を供給する給電点と、給電部となる一端は上記給電点を介して上記グランド部に接続され、また、接地部となる他端は上記給電部が接続された上記グランド部の近傍に接続されてループ形状をなし、上記グランド部と隣り合う部分がミアンダ形状に形成されるアンテナと、を備えるアンテナ装置が得られる。

また、本発明の別の態様によれば、基板上にアンテナを実装するアンテナ装置の小型化方法において、上記アンテナの給電部となる一端を上記基板上に形成されるグランド部に給電点を介して接続し、上記アンテナの接地部となる他端を上記給電部が接続された上記グランド部の近傍に接続してループ形状を形成し、さらに上記グランド部と隣り合う部分をミアンダ形状に形成するアンテナ装置を小型化する方法が提供され得る。

本発明の実施形態によると、装置基板上にパターン設計するループ状アンテナの小型化が可能となり、さらに整合回路がなくても所望のリターンロスを確保することができる。

本発明の更なる利点及び実施形態を、記述と図面を用いて下記に詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置の構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置の小型化処理の第１段階を示す拡大図である。 図２のアンテナ装置の特性を示す図である。 本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置の小型化処理の第２段階を示す拡大図である。 図４のアンテナ装置の特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態によるアンテナ装置の構成を示す概略図である。 図６のアンテナ装置におけるアンテナ部分の拡大図を示す。 図６のアンテナ装置の特性を示す図である。 本発明の各実施形態におけるアンテナ装置のアンテナ特性を示す比較図である。 関連するアンテナ装置の構成例を示す図である。 図９のアンテナ装置の特性を示す図である。 本発明の第３の実施形態によるアンテナ装置におけるアンテナ部分の拡大図を示す。 図１２のアンテナ装置の特性を示す図である。 本発明の第３の実施形態によるアンテナ装置の変形例におけるアンテナ部分の拡大図を示す。 図１４のアンテナ装置の特性を示す図である。 （ａ）は関連するアンテナ装置の他の構成例を示す概略図、及び（ｂ）は当該アンテナ装置のアンテナ部分の拡大図を示す。 （ａ）は関連するアンテナ装置の別の構成例を示す概略図、及び（ｂ）は当該アンテナ装置のアンテナ部分の拡大図を示す。 （ａ）は図１６のアンテナ装置の特性を示す図、（ｂ）は図１７のアンテナ装置の特性を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。但し、以下に説明する実施形態によって本発明の技術的範囲は何ら限定解釈されることはない。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１の構成を示す概略図である。本実施形態によるアンテナ装置１は、例えば装置基板上に内蔵アンテナ装置を構成した無線機器に利用される。

本実施形態においては、便宜上座標系（Ｘ，Ｙ）を使用している。図１乃至図５に図示した状態では、座標系（Ｘ，Ｙ）において、Ｘ軸方向は、基板１０に平行に延在する前後方向（縦方向）であり、Ｙ軸方向は、基板１０に平行に延在し、且つＸ軸方向と直交する左右方向（横方向）である。

図１に示すアンテナ装置１は、基板１０と、グランド部２０と、ループ形状のアンテナ３０と、交流電力を供給する給電点４０とを備える。図２乃至図５は、本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置１の詳細を説明するための図である。

以下、本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置１を構成する各構成要素について詳細に説明する。

基板１０は、例えば、電気信号を生成する発振回路や電子回路が設けられたプリント基板であり、矩形の平板形状を有する。この基板１０の表面上にグランド部２０やアンテナ３０などが配置されている。本実施形態においては、無線ＬＡＮルータを想定した基板寸法で、一例として、基板１０の寸法は、縦１２０ｍｍ、横９０ｍｍとしている。この寸法は例示的なものであり、この縦横寸法に限定されるものではない。

グランド部２０は、グランドパターンとして基板１０の表面上に形成されており、アース側として機能する。本実施形態においては、アンテナ３０とグランド部２０の間の距離は５ｍｍとしている。

アンテナ３０は、基板１０の表面上に配置されるループ形状に形成された部材であり、例えば銅線、アルミニウム線、アルミニウム合金線などの導電性を有する材料で形成されることができる。ここで、アンテナ３０は、横方向（Ｙ軸方向）の長さが１６．７５ｍｍに設計される。

図４を参照すると、アンテナ３０は、第１のアンテナエレメント３０Ａ、第２のアンテナエレメント３０Ｂ、第３のアンテナエレメント３０Ｃ、及び第４のアンテナエレメント３０Ｄで構成されていることが分かる。具体的には、ループ形状のアンテナ３０は、グランド部と給電点を介して接続し第１の方向（Ｘ軸方向）に延在する第１のアンテナエレメント３０Ａと、第１のアンテナエレメント３０Ａと連結して第１の方向と直交する第２の方向（Ｙ軸方向）に延在する第２のアンテナエレメント３０Ｂと、第１のアンテナエレメント３０Ａに平行に対向し第２のアンテナエレメント３０Ｂと連結して延在する第３のアンテナエレメント３０Ｃと、第２のアンテナエレメント３０Ｂに平行に対向し第３のアンテナエレメント３０Ｃと連結して延在するミアンダ形状に形成された第４のアンテナエレメント３０Ｄとを有する。

給電点４０は、アンテナ３０の供給部に交流電力を給電するポイントである。給電点４０は、一端でグランド部２０と電気的に接続し、他端でアンテナ３０の供給部と電気的に接続する。

次に、図２乃至５を参照しながら、本実施形態によるアンテナ装置１を小型化する各段階について説明する。なお、図３及び図５に示すアンテナ特性は例示的なものであり、アンテナ長を微調整すれば更にリターンロス等を改善することが可能である。

図２は、図１６に例示したループ形状のアンテナ装置の接地部を、供給部の近傍に移動したアンテナ装置１の拡大図である。図１６の例ではアンテナ３０の横方向の長さが４４．５ｍ必要であったが、図２のアンテナ３０では横方向の長さが１９．５ｍに設計できる。図３では、図２のアンテナ構成によるインピーダンス特性とリターンロス特性を示している。図３を参照すると、このアンテナ装置１は無線通信可能な程度のリターンロスが確保出来ていることが分かる。本発明の発明者によると、一般に、−５ｄＢ前後以下のリターンロスを確保することができる場合には、所望のアンテナ特性が得られることが明らかとなっている。

次に、図４には、基板１０の表面上に形成されたグランド部２０付近にある図２に示したアンテナ３０の第４のアンテナエレメント３０Ｄをミアンダ形状に形成したアンテナ装置１を示す。この構成では、アンテナ装置１のアンテナ３０の横方向の長さは１６．７５ｍｍに設計できる。図５には図４のアンテナ構成によるインピーダンス特性とリターンロス特性を示す。図５を参照すると、このアンテナ装置１は無線通信可能な程度のリターンロスが確保出来ていることが分かる。

以上説明した本発明の第１の実施形態においては、以下に記載するような効果を奏する。

第１の効果は、所望の周波数帯域に対応したアンテナ装置１を小型化できることである。また、第２の効果は、アンテナ装置１自体に整合回路を設けずに所望のアンテナ特性を確保できることである。その理由は、アンテナ装置１のアンテナ３０をループ状に形成し、その接地部を給電部の隣接に接地し、さらに一部のアンテナエレメント３０Ｄをミアンダ状に構成したからである。

（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。本発明の第２の実施形態は、上述した第１の実施形態の変形例である。以下、本実施の形態において、第１の実施形態においてすでに説明した部分と同様な機能を有する部分には同一符号を付し、説明は省略する。

ここでは、図６乃至８に示されるように、座標系（Ｘ，Ｙ）を使用している。図６乃至図８に図示した状態では、座標系（Ｘ，Ｙ）において、Ｘ軸方向は、基板１０に平行に延在する前後方向（縦方向）であり、Ｙ軸方向は、基板１０に平行に延在し、且つＸ軸方向と直交する左右方向（横方向）である。

図６乃至図８に示す本発明の第２の実施形態によるアンテナ装置１では、アンテナエレメント３０Ｄをミアンダ状に形成したことに加えて、グランド部２０が、アンテナ３０のミアンダ形状に形成されたアンテナエレメント３０Ｄに対応して延出するミアンダ形状の延出部２１を有している。

本実施形態においては、図７のようにグランド部２０の一部の形状をアンテナエレメント３０Ｄのミアンダ形状に合わせることで、アンテナ３０の横方向の長さを１４ｍｍに設計できる。

図８には、図６及び図７のアンテナ構成によるインピーダンス特性とリターンロス特性を示す。図８を参照すると、このアンテナ装置１は無線通信可能な程度のリターンロスが確保出来ていることが分かる。なお、図８に示すアンテナ特性は例示的なものであり、アンテナ長を微調整すれば更にリターンロス等を改善することは言うまでもない。

以上説明した本発明の第２の実施形態においては、以下に記載するような効果を奏する。

第１の効果は、所望の周波数帯域に対応したアンテナ装置１をさらに小型化できることである。その理由は、アンテナエレメント３０Ｄと隣接する部分において、アンテナ装置１のグランド部２０に湾曲部を形成して、アンテナエレメント３０Ｄのミアンダ形状と対応するようにグランド部２０の一部をミアンダ形状にしたからである。

（比較例）
続いて、上述した各アンテナ装置１のアンテナ特性について比較したグラフを図９に示す。なお、図１６及び図１７で示したアンテナ装置については、整合回路を別途追加している。図９で分かるように、上記実施形態１及び実施形態２によるアンテナ装置１は、整合回路を追加せずに、各周波数２４００、２４４２、２４８４ＭＨｚにおいて無線通信可能な程度のアンテナ特性が得られている。従って、各実施形態で説明したアンテナ装置１では整合回路を設ける必要がなく、アンテナ装置１の簡略化をすることが可能となる。

一例として、図１６のアンテナ装置におけるアンテナの形状はそのままで、その横方向の長さを１４ｍｍにした構成を図１０に示す。図１１は、図１０のアンテナ構成によるインピーダンス特性とリターンロス特性を示す。図１１を参照すると、このアンテナ装置１はリターンロスの値が悪く、この構成では、整合回路で調整しても無線通信可能な程度のアンテナ特性の確保が困難であることが明らかである。

（第３の実施形態）
続いて、本発明の第３の実施形態について説明する。本発明の第３の実施形態は、上述した第１の実施形態の変形例である。以下、本実施の形態において、第１の実施形態においてすでに説明した部分と同様な機能を有する部分には同一符号を付し、説明は省略する。

ここでは、図１２乃至１５に示されるように、座標系（Ｘ，Ｙ）を使用している。図１２乃至図１５に図示した状態では、座標系（Ｘ，Ｙ）において、Ｘ軸方向は、基板１０に平行に延在する前後方向（縦方向）であり、Ｙ軸方向は、基板１０に平行に延在し、且つＸ軸方向と直交する左右方向（横方向）である。

図１２乃至図１５は、本発明の第３の実施形態によるアンテナ装置１を説明するための概略図である。これまでに、無線ＬＡＮの２．４ＧＨｚ帯に対応したアンテナ装置１を説明したが、本実施形態では、５ＧＨｚ帯にも対応するため、アンテナ３０の途中に２個の共振回路５０Ａ、５０Ｂを実装したアンテナ装置１（図１２参照）を提供する。

共振回路５０Ａ、５０Ｂは、並列などに接続されたインダクタ（コイル）とキャパシタ（コンデンサ）でそれぞれ構成される。また、共振回路５０Ａ、５０Ｂは、片側でアンテナ３０と電気的に接続し、他の側でグランド部２０と電気的に接続することができるほか、例えば、アンテナエレメント３０Ｃと３０Ｄ間に接続される場合がある。

共振回路５０Ａは、２．４ＧＨｚ帯をカット、５ＧＨｚ帯を通過させるものである。この共振回路５０Ａの位置は対応する帯域によって調整することができる。共振回路５０Ｂは、反対に２．４ＧＨｚ帯を通過、５ＧＨｚ帯をカットさせるものである。共振回路５０Ｂについても対応する帯域によってその位置を調整することができる。また、共振回路５０Ｂは、対応する周波数によってはアンテナ装置１に実装しなくてもよい。これらの共振回路５０Ａ、５０Ｂを実装させる位置としては、例えば、アンテナ装置１のアンテナ３０をいずれかのアンテナエレメント３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄを分断すると共に分断されたアンテナ３０のアンテナエレメント３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄの各々の間に接続されるように実装することができる。

図１３には、図１２に示すアンテナ装置１のインピーダンス特性とリターンロス特性を示す。このアンテナ装置１は２．４ＧＨｚ帯と５ＧＨｚ帯の両方の帯域でリターンロスを確保している。具体的には、図１３を参照すると、アンテナ装置１は無線通信可能な程度のリターンロスが確保出来ていることが分かる。

また、場合によっては共振回路５０Ｂを削除することも可能である。この共振回路５０Ｂを設けず、共振回路５０Ａのみ実装したアンテナ装置１を図１５に示す。図１５には、図１４に示すアンテナ装置１のインピーダンス特性とリターンロス特性を示す。このアンテナ装置１は２．４ＧＨｚ帯と５ＧＨｚ帯の両方の帯域でリターンロスを確保している。具体的には、図１５を参照すると、アンテナ装置１は無線通信可能な程度のリターンロスが確保していることが分かる。図１４のアンテナ装置１では、図１２のアンテナ装置１に比べてリターンロスが若干劣化しているが、無線通信可能な程度のアンテナ特性は確保できている。なお、図１３及び図１５に示すアンテナ特性は例示的なものであり、アンテナ長を微調整すれば更にリターンロス等を改善することが可能である。

以上説明した本発明の第３の実施形態においては、以下に記載するような効果を奏する。

第１の効果は、小型化したアンテナ装置１が２つの周波数帯域に対応可能となることである。その理由は、対応する帯域に応じて、共振回路５０Ａ及び/又は共振回路５０Ｂをアンテナ３０の所望の位置に実装させたからである。

第２の効果は、アンテナ装置１のアンテナ３０の寸法を変更することなく、複数帯域に対応可能なアンテナ装置１を実現できることにある。その理由は、ループ形状に形成したアンテナ３０の給電部と接地部とを隣接させて、一部のアンテナエレメント３０Ｄとそれに対向するグランド部２０をミアンダ状に構成し、さらに共振回路をアンテナ３０に適宜実装させたからである。

なお、上述した第１及び第２の実施形態に含まれるアンテナ装置１０を搭載する無線ＬＡＮルータなどの通信機器も、本発明の範疇に含まれる。

本発明は、その趣旨または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求項の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求項の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、すべて本発明の範囲内のものである。

１ アンテナ装置
１０ 基板
２０ グランド部
２１ 延出部
３０ アンテナ
３０Ａ 第１のアンテナエレメント
３０Ｂ 第２のアンテナエレメント
３０Ｃ 第３のアンテナエレメント
３０Ｄ 第４のアンテナエレメント
４０ 給電点
５０Ａ、５０Ｂ 共振回路

Claims (8)

1. 基板上にアンテナを実装するアンテナ装置において、
   前記基板上に形成されるグランド部と、
   前記グランド部と接続し、アンテナに電力を供給する給電点と、
   給電部となる一端は前記給電点を介して前記グランド部に接続され、また、接地部となる他端は前記給電部が接続された前記グランド部の近傍に接続されてループ形状をなし、前記グランド部と隣り合う部分がミアンダ形状に形成されるアンテナと、を備え、
   前記グランド部は、前記アンテナと同一平面上に、前記アンテナの前記ミアンダ形状に形成された部分に対応して延出するミアンダ形状の延出部を有することを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記ループ形状のアンテナは、前記グランド部と前記給電点を介して接続し第１の方向に延在する第１のアンテナエレメントと、前記第１のアンテナエレメントと連結して第１の方向と直交する第２の方向に延在する第２のアンテナエレメントと、前記第１のアンテナエレメントに平行に対向し第２のアンテナエレメントと連結して延在する第３のアンテナエレメントと、前記第２のアンテナエレメントに平行に対向し第３のアンテナエレメントと連結して延在するミアンダ形状に形成された第４のアンテナエレメントと、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。
3. 前記アンテナの任意の位置に接続され、容量性素子及び誘導性素子とが互いに並列接続された共振回路をさらに備え、第１の周波数帯と、第１の周波数帯とは異なる第２の周波数帯に対応することを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記アンテナの任意の位置に接続され、容量性素子及び誘導性素子とが互いに並列接続された第１の共振回路及び第２の共振回路をさらに備え、
   第１の周波数帯と、第１の周波数帯とは異なる第２の周波数帯に対応することを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
5. 前記アンテナで送受信する信号帯域は２．４ＧＨｚ帯であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
6. 前記第１の周波数帯は、２．４ＧＨｚ帯であり、前記第２の周波数帯は、５ＧＨｚ帯である請求項３又は４に記載のアンテナ装置。
7. 基板上にアンテナを実装するアンテナ装置の小型化方法において、
   前記アンテナの給電部となる一端を前記基板上に形成されるグランド部に給電点を介して接続し、前記アンテナの接地部となる他端を前記給電部が接続された前記グランド部の近傍に接続してループ形状を形成し、さらに前記グランド部と隣り合う部分をミアンダ形状に形成し、
   前記アンテナと同一平面上に、前記グランド部を前記アンテナの前記ミアンダ形状に形成された部分に対応するようにミアンダ形状に形成することを特徴とするアンテナ装置の小型化方法。
8. 請求項１乃至６の何れか一項に記載のアンテナ装置を備えることを特徴とする通信機器。

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