JP5613945B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、回路基板等に同軸ケーブルで接続されるアンテナ装置に関する。

近年、通信機器の小型化、薄型化に伴い、無線回路基板とアンテナ用基板とを別々に設計し、同軸ケーブルを介して接続するアンテナ装置が検討されている。この場合、同軸ケーブルの影響によりアンテナ性能が大きく左右される。特に、通信機器の小型化に伴い、アンテナ用基板も小さくする場合には、グランドパターンのサイズが小さくなり、同軸ケーブルによる影響が増大してしまう不都合があった。

この対策としては、同軸ケーブルの引き回し方法を細かく設定して影響を最小限にする方法や、アンテナ用基板サイズを大きくして同軸ケーブルの影響を低減する方法が挙げられるが、生産時の機器搭載によるばらつきが増えると共に小型化が困難となる。このため、従来、例えば特許文献１には、グランド板上に複数の無給電素子を設け、同軸ケーブルの外部導体（グランド）が、第１の接地部と該第１の接地部から波長の４分の１離間した位置に設けた第２の接地部とを有しているアンテナ装置が提案されている。このアンテナ装置では、同軸ケーブルの外部導体へ流れる使用周波数帯の高周波電流が、互いに離間した第１の接地部と第２の接地部とにより逆位相となり、打ち消し合って抑制されるようになっている。

特開２００７−４３６４８号公報

しかしながら、上記従来の技術においても、以下の課題が残されている。
すなわち、特許文献１に記載のアンテナ装置では、複数の接地部を準備し、互いに波長の４分の１離間させる必要があるため、小型化が困難になるという不都合があった。また、グランド側に流れる高周波電流の流れと無給電素子への状態により、同軸ケーブルの高周波電流が左右され、不安定要素が増大すると共に生産時のばらつきが生じやすく、生産性に乏しいという問題があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、同軸ケーブルの引き回しによる影響を低減できると共に小型化が可能で、安定した生産性が得られるアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明のアンテナ装置は、絶縁性の基板本体と、該基板本体の表面にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランドパターンおよびアンテナエレメントを備え、前記アンテナエレメントが、前記グランドパターン側に配した基端に同軸ケーブルの芯線が接続される給電点が設けられていると共に前記グランドパターンから離間する方向に前記給電点から延びる主延在部を少なくとも有し、前記グランドパターンが、前記アンテナエレメントの反対側端部から前記アンテナエレメント側に向けてスリット部が形成されて複数に分岐していることを特徴とする。

このアンテナ装置では、グランドパターンが、アンテナエレメントの反対側端部からアンテナエレメント側に向けてスリット部が形成されて複数に分岐しているので、グランドパターンへ流れる高周波電流がスリット部により分岐し、複数に分離・分散されることで、同軸ケーブル側に流れる高周波電流を抑制することができる。したがって、グランドパターンのサイズを大きくしたり、長さを所望の共振周波数における波長に対して長く設定しなくても、同軸ケーブルによる影響を抑制でき、小型化を図ることが可能になる。また、同軸ケーブルの引き回しによる影響が低減されるので、各機器毎に同軸ケーブルの引き回しを変更した場合でも、再調整することなく高性能なアンテナ特性を得ることができる。

第２の発明のアンテナ装置は、第１の発明において、前記グランドパターンが、前記アンテナエレメントと反対方向に延在していることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、グランドパターンが、アンテナエレメントと反対方向に延在しているので、アンテナエレメントからグランドパターンへ流れる高周波電流を効果的に流すことが可能となり、より高性能（高利得化、広帯域化）なアンテナ性能を得ることができる。

第３の発明のアンテナ装置は、第１または第２の発明において、前記アンテナエレメントが、前記主延在部の途中に一端が接続され他端が前記給電点から離間した位置で前記グランドパターンに接続されたグランド接続延在部を有し、該グランド接続延在部に高インピーダンス用受動素子が接続されていることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、グランド接続延在部に高インピーダンス用受動素子が接続されているので、高インピーダンス用受動素子として所望の共振周波数に対して高インピーダンスの受動素子を接続することで、グランド接続延在部からグランドパターンへの高周波電流の流れを抑制することができる。

第４の発明のアンテナ装置は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記主延在部の先端部に誘電体アンテナのアンテナ素子が設けられていることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、主延在部の先端部に誘電体アンテナのアンテナ素子が設けられているので、誘電体アンテナであるアンテナ素子の選択によって、主延在部を短くでき、小型化および高性能化が可能になる。

第５の発明のアンテナ装置は、第１から第４の発明のいずれかにおいて、前記主延在部に調整用受動素子が接続されていることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、主延在部に調整用受動素子が接続されているので、調整用受動素子の設定によりアンテナエレメントの共振周波数等の調整が可能になる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明のアンテナ装置によれば、グランドパターンが、アンテナエレメントの反対側端部からアンテナエレメント側に向けてスリット部が形成されて複数に分岐しているので、グランドパターンのサイズを大きくしたり、長さを波長に対して長く設定しなくても、同軸ケーブルによる影響を抑制でき、省スペース化（小型化、薄型化）を図ることが可能になる。したがって、回路基板とは別に同軸ケーブルを介して接続されて設置される際に、同軸ケーブルの引き回しによるアンテナ性能の劣化が少なく、安定した特性が得られることから、機種毎の調整や生産時のばらつきを低減することができる。

本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を示す平面図である。 本実施形態において、アンテナ素子を示す斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、正面図（ｃ）、底面図（ｄ）および背面図（ｅ）である。 本発明に係るアンテナ装置の比較例を示す平面図である。 本発明に係るアンテナ装置の比較例において、同軸ケーブルがグランドパターンの延在方向に対して０度および９０度の角度で引き回された場合のＶＳＷＲ特性（電圧定在波比）を示すグラフである。 本発明に係るアンテナ装置の実施例において、同軸ケーブルがグランドパターンの延在方向に対して０度および９０度の角度で引き回された場合のＶＳＷＲ特性を示すグラフである。 本発明に係るアンテナ装置の比較例において、グランドパターンの長さを変更した場合の共振周波数の変化量（シフト量）を示すグラフである。 本発明に係るアンテナ装置の比較例および実施例において、グランドパターンの長さを変更した場合の共振周波数の変化量（シフト量）を示すグラフである。

以下、本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を、図１から図７を参照しながら説明する。

本実施形態におけるアンテナ装置１は、図１に示すように、絶縁性の基板本体２と、該基板本体２の表面にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランドパターンＧＮＤおよびアンテナエレメント３を備え、アンテナエレメント３が、グランドパターンＧＮＤ側に配した基端に同軸ケーブルＣの芯線が接続される給電点ＦＰが設けられていると共にグランドパターンＧＮＤから離間する方向に給電点ＦＰから延びる主延在部Ｅ１と、該主延在部Ｅ１の途中に一端が接続され他端が給電点ＦＰから離間した位置でグランドパターンＧＮＤに接続されたグランド接続延在部Ｅ２とを有している。

また、上記グランドパターンＧＮＤは、アンテナエレメント３の反対側端部からアンテナエレメント３側に向けてスリット部Ｓが形成されて２つに分岐している。さらに、グランドパターンＧＮＤは、アンテナエレメント３と反対方向に延在している。すなわち、グランドパターンＧＮＤは、スリット部Ｓにより給電点ＦＰ側から２つの帯状または線状に分岐してアンテナエレメント３と反対方向に延びている。

上記グランド接続延在部Ｅ２には、高インピーダンス用受動素子Ｐ１が接続されていると共に、主延在部Ｅ１には、調整用受動素子Ｐ２が接続されている。
上記高インピーダンス用受動素子Ｐ１は、グランドパターンＧＮＤ側へ流れる高周波電流の抑制を考慮して所望の共振周波数に対して高インピーダンスになるように設定されている。
これら高インピーダンス用受動素子Ｐ１および調整用受動素子Ｐ２は、例えばインダクタ、コンデンサまたは抵抗が採用される。

上記主延在部Ｅ１の先端部には、誘電体アンテナのアンテナ素子ＡＴが設けられている。このアンテナ素子ＡＴは、所望の共振周波数に自己共振しないローディング素子であって、例えば図２に示すように、セラミックス等の誘電体２１の表面にＡｇ等の導体パターン２２が形成されたチップアンテナである。なお、このアンテナ素子ＡＴは、主延在部Ｅ１の延在方向に沿って設置されている。すなわち、主延在部Ｅ１およびアンテナ素子ＡＴは、グランドパターンＧＮＤの延在方向と反対方向に向けて延在している。

上記基板本体２は、一般的なプリント基板であって、本実施形態では、長方形状のガラスエポキシ樹脂等からなるプリント基板の本体を採用している。
上記給電点ＦＰには、例えば高周波回路基板に接続された同軸ケーブルＣの芯線（内部導体）（図示略）が接続され、該同軸ケーブルＣのグランド線（外部導体）（図示略）は、給電点ＦＰ近傍のグランドパターンＧＮＤに接続される。なお、給電点ＦＰと同軸ケーブルＣとの接続は、レセプタクル等のコネクタを介して行っても構わない。

なお、アンテナ占有面積（アンテナエレメント３によるアンテナ領域周辺のグランドパターンＧＮＤを抜いた領域）は、大きい方がアンテナ特性として望ましく、他の構成は、以下の条件に設定することが好ましい。

すなわち、グランドパターンＧＮＤの長さは、所望の共振周波数の波長に対して、４分の１以上の長さが望ましい。なお、グランドパターンＧＮＤは、基板本体２の裏面にも同様にスリット部Ｓを形成した状態で設けることがより望ましい。
また、スリット部Ｓの長さは長い方が望ましいと共に、スリット部Ｓの幅は広い方が望ましい。なお、スリット部Ｓの幅が広いと、２つに分岐されたグランドパターンＧＮＤ間を疎結合にして、グランドパターンＧＮＤ側に流れる高周波電流を効果的に分岐させることができる。

このように本実施形態のアンテナ装置１では、グランドパターンＧＮＤが、アンテナエレメント３の反対側端部からアンテナエレメント３側に向けてスリット部Ｓが形成されて複数に分岐しているので、グランドパターンＧＮＤへ流れる高周波電流がスリット部Ｓにより分岐し、複数に分離・分散されることで、同軸ケーブルＣ側に流れる高周波電流を抑制することができる。したがって、グランドパターンＧＮＤのサイズを大きくしたり、長さを波長に対して長く設定しなくても、同軸ケーブルＣによる影響を抑制でき、小型化を図ることが可能になる。また、同軸ケーブルＣの引き回しによる影響が低減されるので、各機器毎に同軸ケーブルＣの引き回しを変更した場合でも、再調整することなく高性能なアンテナ特性を得ることができる。

また、グランドパターンＧＮＤが、アンテナエレメント３と反対方向に延在しているので、アンテナエレメント３からグランドパターンＧＮＤへ流れる高周波電流を効果的に流すことが可能となり、より高性能（高利得化、広帯域化）なアンテナ性能を得ることができる。
さらに、グランド接続延在部Ｅ２に高インピーダンス用受動素子Ｐ１が接続されているので、高インピーダンス用受動素子Ｐ１として所望の共振周波数に対して高インピーダンスの受動素子を接続することで、グランド接続延在部Ｅ２からグランドパターンＧＮＤへの高周波電流の流れを抑制することができる。

また、主延在部Ｅ１の先端部に誘電体アンテナのアンテナ素子ＡＴが設けられているので、誘電体アンテナであるアンテナ素子ＡＴの選択によって、主延在部Ｅ１を短くでき、小型化および高性能化が可能になる。
また、主延在部Ｅ１に調整用受動素子Ｐ２が接続されているので、調整用受動素子Ｐ２の設定によりアンテナエレメント３の共振周波数等の調整が可能になる。

次に、本実施形態のアンテナ装置を実際に作製した実施例について、図１に示すように、同軸ケーブルＣがグランドパターンＧＮＤの延在方向に対して０度および９０度の角度で引き回された場合のＶＳＷＲ特性（電圧定在波比）について調べた。また、図３に示すように、比較例としてグランドパターンＧＮＤにスリット部Ｓが形成されていないアンテナ装置も作製して、同様にＶＳＷＲ特性を調べた。なお、実施例および比較例において、所望の共振周波数を２，５００ＭＨｚとして測定した。

上記比較例のＶＳＷＲ特性のグラフを図４に示すと共に、本発明の実施例のＶＳＷＲ特性のグラフを図５に示す。
なお、このときの調整用受動素子Ｐ２は、インダクタンス：１３ｎＨのインダクタを使用し、高インピーダンス用受動素子Ｐ１は、インダクタンス：３．９ｎＨのインダクタを使用した。また、グランドパターンＧＮＤの長さは、１５ｍｍ（＝λ／８）とした。

これらの結果からわかるように、スリット部Ｓが無い比較例では、同軸ケーブルＣを０度の引き回し状態から９０度の引き回し状態へ引き回しを変更した際、共振周波数が１５６．９ＭＨｚ低い方にシフトしているのに対し、本発明の実施例では、共振周波数が６５．６ＭＨｚ低い方にシフトしている。このように、比較例に対して本実施例では、共振周波数のシフト量が大幅に低減されている。なお、本実施例における電力損失は約０．６ｄＢであった。

次に、上記比較例において、グランドパターンＧＮＤの長さを、１５ｍｍ（＝λ／８），２０ｍｍ，２５ｍｍおよび３０ｍｍ（＝λ／４）に変更した場合について、共振周波数のシフト量を調べた結果を図６に示す。この結果からわかるように、比較例では、グランドパターンＧＮＤが長いほど同軸ケーブルＣの影響が少なくなっている。これに対して、図７に示すように、グランドパターンＧＮＤの長さが１５ｍｍの本実施例（図７中の「対策：有／１５ｍｍ」）では、同じグランドパターンＧＮＤの長さの比較例（図７中の「対策：無／１５ｍｍ」）に対して大幅に共振周波数のシフト量が低減されており、グランドパターンＧＮＤの長さを６０％延長して２５ｍｍとした比較例（図７中の「対策：無／２５ｍｍ」）よりもシフト量が低減されて同軸ケーブルＣの影響が大幅に抑制されている。このように、比較例では、本実施例と同レベルのシフト量にするには、２５ｍｍを超える長いグランドパターンＧＮＤが必要であるが、本実施例では、１５ｍｍの短いグランドパターンＧＮＤで済み、小型化が可能である。

なお、本発明は上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。

例えば、上記実施形態では、グランドパターンに一本のスリット部を形成してグランドパターンを２つに分岐しているが、複数のスリット部を形成して、より複数にグランドパターンを分岐させても構わない。
また、上述したように、アンテナエレメントの先端側に周波数帯の波長に対して短縮されたアンテナ素子が接続されることが好ましいが、この部分をワイヤーまたは板金などで構成しても構わない。

１…アンテナ装置、２…基板本体、３…アンテナエレメント、ＡＴ…アンテナ素子、Ｅ１…主延在部、Ｅ２…グランド接続延在部、ＧＮＤ…グランドパターン、Ｐ１…高インピーダンス用受動素子、Ｐ２…調整用受動素子、ＦＰ…給電点、Ｓ…スリット部

Claims (4)

1. 絶縁性の基板本体と、
   該基板本体の表面にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランドパターンおよびアンテナエレメントを備え、
   前記アンテナエレメントが、前記グランドパターン側に配した基端に同軸ケーブルの芯線が接続される給電点が設けられていると共に前記グランドパターンから離間する方向に前記給電点から延びる主延在部を少なくとも有し、
   前記グランドパターンが、前記アンテナエレメントの反対側端部から前記アンテナエレメント側に向けてスリット部が形成されて複数に分岐しており、
   前記アンテナエレメントが、前記主延在部の途中に一端が接続され他端が前記給電点から離間した位置で前記グランドパターンに接続されたグランド接続延在部を有し、該グランド接続延在部に高インピーダンス用受動素子が接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記グランドパターンが、前記アンテナエレメントと反対方向に延在していることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
   前記主延在部の先端部に誘電体アンテナのアンテナ素子が設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
   前記主延在部に調整用受動素子が接続されていることを特徴とするアンテナ装置。