JP5626130B2

JP5626130B2 - ループアンテナ

Info

Publication number: JP5626130B2
Application number: JP2011126115A
Authority: JP
Inventors: 尚志山ヶ城
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2011-06-06
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2031-06-06
Also published as: JP2012253649A

Description

本発明は、ループアンテナに関し、例えば移動通信用携帯端末や小型無線機器等に好適に用いられる低姿勢のループアンテナに関する。

携帯電話の通信規格の一つであるＬＴＥ（Long Term Evolution）において、複数のアンテナでデータの送受信を行なう無線通信技術（ＭＩＭＯ：Multiple Input Multiple Output）が導入され、この規格を適用した携帯端末などでは、一つ当たりのアンテナの実装スペースが一層狭小になっている。

さらにＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄの規格の携帯端末では、使用されるバンド数が増え、１バンドで８本のアンテナが使用される可能性があり、実装スペースのより小さい小型アンテナが求められている。また、携帯端末等のデザインとして薄型のものが好まれる傾向があり、携帯端末等のアンテナとして、高さが低く薄型の所謂低姿勢アンテナが求められている。

特に、スライド型の携帯端末では、アンテナ近くに導体板が接近する構造となるため、アンテナの放射抵抗が下がってしまい、僅かな損失が大きな効率劣化を招く。このような背景から、携帯端末等のアンテナとして、導体基板上に設置する構造とした場合でも、低姿勢で高い放射抵抗が得られるアンテナが要求されている。

従来の低姿勢アンテナとして、モノポールアンテナのエレメントを９０度の角度で折り曲げた逆Ｌ型アンテナが知られている。また、逆Ｌ型アンテナのインピーダンス整合を行い易くするために、逆Ｌ型アンテナの給電点付近に短絡部を取り付けた逆Ｆ形アンテナが知られている。

図８は従来の逆Ｆ形アンテナの構成例を示している。逆Ｆ形アンテナは、導体基板８−１の上辺部にＦ字形状のアンテナ素子８−２を設置したものである。Ｆ字形状のアンテナ素子８−２の２本の短片部の一方８−２ａは、導体基板８−１に接続されて接地点とされ、他方の短片部８−２ｂは給電点に接続される。長片部の放射導体８−２ｃは、導体基板８−１の面と平行になるように折り返された構造である。

また、小型化、広帯域化、高利得化を図ったアンテナとして、誘電体の基体の一方の主面にストリップ状の放射電極を形成し、該基体の他方の主面導体をスリットで切り離し、容量装荷電極を形成した表面実装型アンテナが、例えば下記の特許文献１等により知られている。

また、放射導体の小型化とともに広帯域化を図ったアンテナとして、プリント基板の表面に、接地導体パターンとメアンダ状の放射導体と給電ラインとを形成し、該接地導体パターンに、一端が開口端、他端が閉塞端となったスロットを開設したパターンアンテナが例えば下記の特許文献２等により知られている。

また、逆Ｌ型アンテナを自己補対構造とすることにより、小型化及び広帯域化を図った逆Ｌ型アンテナが、例えば下記の非特許文献１等により知られている。また、逆Ｌ形アンテナと自己補対型逆Ｆ形アンテナとを統合した広帯域特性を有する自己補対型逆ＦＬ形アンテナが、例えば下記の非特許文献２等により知られている。

特開２０００−６８７２６号公報特開２００６−１１５１８２号公報

藤島秀騎、藤本京平、山田寛喜、山口芳雄著,「自己補対構造による逆Ｌアンテナ」財団法人電子情報通信学会信学技報Ａ・Ｐ９４−２４（１９９４−０７）ｐ２３−２８ Nobuyasu Takemura著,「Inverted-FL Antenna With Self-Complementary Structure」,IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,VOL.57,NO.10,OCTOVER 2009,p3029-3034

前述したように、移動通信用の携帯端末等において、実装スペースが小さく、薄型の低姿勢アンテナであって、かつ放射抵抗が高く、使用可能な帯域幅がより広いアンテナが求められている。本発明は、小型化、薄型化が可能で、高い放射抵抗が得られ、より広い帯域幅を有するアンテナを提供することを目的とする。

上記課題を解決するアンテナは、導体基板に面して配置され、両端部が開放端の放射導体を有するループアンテナであって、前記放射導体の両端部のうち、前記導体基板の周辺端側に位置する端部は、接地点として前記導体基板に接続され、前記導体基板の内部側に位置する端部は、給電点として給電線と接続され、前記導体基板は、前記接地点と前記給電点との間に、前記導体基板の周辺端側に位置する前記放射導体に沿って設けた第１のスリットと、前記給電点を該第１のスリットとで挟むように、前記導体基板の内部側に位置する前記放射導体に沿って設けた第２のスリットと、を有するものである。

開示のループアンテナにより、実装スペースが小さく、薄型の低姿勢アンテナであって、かつ放射抵抗が高く、使用可能な帯域幅がより広いアンテナが得られる。

ループアンテナの構成例を示す図である。導体基板における電流分布を示す図である。本実施例の反射係数の特性及びスミスチャートを示す図である。スリットが１つの場合の反射係数の特性等を示す図である。本実施例と従来の逆Ｆ形アンテナの反射係数の特性を示す図である。給電線としてストリップラインを用いた実施例を示す図である。積層プリント基板上における各プリント基板の実施例を示す図である。従来の逆Ｆ形アンテナの構成例を示す図である。

図１に開示のループアンテナの構成例を示す。図１の（ａ）は、携帯端末等の導体基板上にループアンテナを設置した構成例の全体図を示し、図１の（ｂ）は、該ループアンテナの拡大図を示している。図１に示すように、開示のループアンテナは、導体基板１−１に面して配置され、両端部が開放端の放射導体１−２を有する。該放射導体１−２の両端部のうち、導体基板１−１の周辺端側に位置する端部１−３は、接地点として導体基板１−１に接続され、導体基板１−１の内部側に位置する端部１−４は、給電点として給電線と接続される。

導体基板１−１には、接地点と給電点との間に、導体基板１−１の周辺端側に位置する放射導体１−２Ａに沿って第１のスリット１−５を設ける。さらに、該導体基板１−１には、給電点を第１のスリット１−５とで挟むように、導体基板１−１の内部側に位置する放射導体１−２Ｂに沿って第２のスリット１−６を設ける。

また、導体基板１−１の形状を矩形状とし、上述の放射導体１−２、第１のスリット１−５及び第２のスリット１−６を含むループアンテナの構造体を、該導体基板１−１のコーナー部に配置する。また、第１のスリット１−５と第２のスリット１−６との間隔を、給電線（図示省略）の線路幅の少なくとも１０倍とし、第１のスリット１−５と第２のスリット１−６との間隔を、給電線の線路幅に比べて十分に広い間隔とする。

導体基板１−１に第１及び第２のスリット１−５，１−６を設けたことにより、導体基板１−１におけるアンテナ電流の伝搬が、該第１及び第２のスリット１−５，１−６により遮られる。その結果、図２に格子状のパターン模様で示すように、導体基板１−１における電流分布が該第１及び第２のスリット１−５，１−６付近に集中し、ループアンテナの放射抵抗を高めることでき、放射効率を向上させることができる。

開示のループアンテナとして、放射導体１−２の長辺部（１−２Ａ，１−２Ｂ）の長さが約２０ｍｍ、放射導体１−２の短辺部の長さが約４ｍｍ、導体基板１−１から隔たった高さが約３ｍｍ、ターゲット周波数約２．１４ＧＨｚとする実施例について以下に説明する。

上記ループアンテナの実施例の反射係数の特性を図３の（ａ）に示す。図３の（ａ）は、横軸が周波数を表し、縦軸が反射係数（Ｓ１１）をデシベルで表している。図３の（ａ）から分かるように、該実施例では、ＬＴＥ−ＭＩＭＯで使用されるターゲット周波数２．１４ＧＨｚ付近で反射係数（Ｓ１１）が最小となり、良好な整合特性が得られる。

また、上記ループアンテナの実施例のスミスチャートを図３の（ｂ）に示す。図３の（ｂ）のスミスチャートでは、１の数値が５０オームに相当するものとして正規化して示している。これは、給電線のインピーダンスが５０オームであるためである。図３の（ｂ）から分かるように、２．１５０４９９ＧＨｚの周波数（ターゲット周波数付近）で、虚数部が０となる実数軸上で実数部の数値が略１（即ち放射抵抗が略５０オーム）となり、高い放射抵抗が得られる。

開示のループアンテナにおいて、第１及び第２のスリット１−５，１−６の二つのスリットを設けた理由について以下に説明する。まず、第１のスリット１−５を設けることなく、第２のスリット１−６のみを設けた構成とした場合、その反射係数の特性を図４の（ａ）に示す。図４の（ａ）の反射係数の特性から分かるように、第２のスリット１−６のみを設けた構成では、アンテナの共振周波数が約２．３ＧＨｚとなり、ターゲット周波数である２．１４ＧＨｚより高い方にずれてしまう。

アンテナの共振周波数がターゲット周波数の２．１４ＧＨｚとなるように共振周波数を合わせるためには、（１）アンテナの形状を大きくする、（２）第２のスリット１−６を深く（長く）する、（３）整合素子を使用する、（４）誘電体を使用する、などの措置を採ることにより、共振を合わせることができる。

しかし、アンテナの形状を大きくする、或いは第２のスリット１−６を深く（長く）することは、アンテナの小型化を妨げる要因となり、また、整合素子や誘電体を使用することは、放射損失が増大し、また、コストの増大を招くこととなる。

また、第１のスリット１−５のみを設け、第２のスリット１−６を設けない構成とした場合、その反射係数の特性を図４の（ｂ）に、スミスチャートを図４の（ｃ）に示す。図４の（ｂ）の反射係数の特性から分かるように、第１のスリット１−５のみを設けた構成では、アンテナの共振周波数が約２．４ＧＨｚとなり、やはりターゲット周波数である２．１４ＧＨｚより高い方にずれてしまう。さらに、図４の（ｃ）に示すスミスチャートから分かるように、虚数部が０となる実数軸上で実数部の数値が略０．８（即ち放射抵抗が略４０オーム）となり、放射抵抗が低くなってしまう。

開示のループアンテナにおいて、放射導体１−２の両端部のうち、導体基板１−１の内部側に位置する端部１−４を給電点とし、かつ、導体基板１−１に設けた第１及び第２のスリット１−５，１−６で該給電点を挟む位置に給電点を配置する構成としている。

給電点を上述の位置ではなく、例えば、放射導体１−２の両端部のうち、導体基板１−１の周辺端側に位置する端部１−３を給電点とした場合、導体基板１−１の周辺端部の導体部材の幅が狭いため、該給電点に給電するマイクロストリップライン等の給電線の接地導体部材の幅を十分広くすることができない。そのため、給電線自体からの放射が増大し、ループアンテナの放射効率が低下してしまう。

また、給電点の位置を、導体基板１−１に設けた第１及び第２のスリット１−５，１−６で挟まれた位置ではなく、第２のスリット１−６よりさらに導体基板１−１の内部側の位置に配置した場合、導体基板１−１におけるアンテナ電流の伝搬が、第２のスリット１−６で遮られることなく、導体基板１−１の全体に電流分布が広がってしまう。その結果、ループアンテナの放射抵抗が低下し、放射効率が下がってしまう。

また、開示のループアンテナにおいて、第１のスリット１−５と第２のスリット１−６との間隔を、給電線の線路幅の少なくとも１０倍とし、第１のスリット１−５と第２のスリット１−６との間隔を、給電線の線路幅に比べて十分に広い間隔としている。こうすることにより、給電点に給電するマイクロストリップライン等の給電線の接地導体部材の幅を十分広くすることができ、給電線自体からの放射が低減され、ループアンテナの放射効率を向上させることができる。

図５は、上述のループアンテナの実施例における反射係数の特性を、図８に示した従来の逆Ｆ形アンテナにおける反射係数の特性と比較させて示している。図５の曲線５−１は、上述のループアンテナの実施例における反射係数の特性を示し、曲線５−２は、従来の逆Ｆ形アンテナにおける反射係数の特性を示している。

整合の目安として一般的に反射係数（Ｓ_１１）−６ｄＢが用いられるが、図５から分かるように、反射係数（Ｓ_１１）が−６ｄＢ以下となる帯域幅は、従来の逆Ｆ形アンテナでは約１２２ＭＨｚであるのに対して、このループアンテナの実施例では約２３０ＭＨｚとなる。即ち、従来の逆Ｆ形アンテナに比べてこのループアンテナでは、約２倍近い広帯域化が可能となり、電波環境の擾乱に対して安定した放射が可能となる。

図６は、上述のループアンテナの給電線としてストリップラインを用いた実施例を示す。図６において、６−１は表面グランドとなる導体基板、６−２はストリップライン、６−３は背面グラウンドとなる導体基板、６−４は給電点１−４とストリップライン６−２とを接続するビア、６−５は導体基板６−１，６−３の間に形成された誘電体層である。他の構成要素は、図１等に示した構成要素と同一であり、同一の構成要素には同一の符号を付している。

図６の（ａ）は該実施例のループアンテナを斜めから見た斜視図を示し、図６の（ｂ）はストリップライン６−２の垂直方向で切断した基板の断面図を示し、図６の（ｃ）は基板の表面側から該基板を見た平面図を示している。この実施例では、給電線をストリップライン６−２で構成したことにより、給電線６−２が表面グランドの導体基板６−１で遮蔽され、ループアンテナ１−２と給電線６−２との干渉を低減させることができる。

なお、これまでの説明でこのループアンテナが実装される導体基板として、等価的に１枚の導体基板として説明したが、実際の基板は何層にも積層されたプリント基板である。このような積層プリント基板上に当該ループアンテナを設置した場合の各プリント基板の実施例を図７に示す。

図７の（ａ）は、積層プリント基板の一例を示し、当該ループアンテナが設置される導体基板１−１の下層側に３枚のプリント基板７−１，７−２，７−３が積層された構成例を示している。

図７の（ｂ）は、積層される各プリント基板７−１，７−２，７−３の第１の構成例を示している。この構成例は、各プリント基板７−１，７−２，７−３が積層されたときに前述の第１及び第２のスリット１−５，１−６が位置する導体部分に、それぞれ同様のスリット７−４，７−５を設けた構成例を示している。

図７の（ｃ）は、積層される各プリント基板７−１，７−２，７−３の第２の構成例を示している。この構成例では、一部のプリント基板７−２に対して、前述の第１及び第２のスリット１−５，１−６が位置する導体部分に、同様のスリット７−４，７−５を設けている。そして、他のプリント基板７−１，７−３は、前述の第１及び第２のスリット１−５，１−６が位置する領域を含む導体部分を除去した基板構成としている。

当該ループアンテナによる放射パターンは、当該ループアンテナの位置を中心として、全方向へ放射する放射パターンとなり、強い指向特性はなく、全方向の電波を送受することが可能であり、移動通信用携帯端末として望ましい放射パターンが得られる。

１−１導体基板
１−２放射導体
１−３接地点とする端部
１−４給電点とする端部
１−５第１のスリット
１−６第２のスリット

Claims

導体基板に面して配置され、両端部が開放端の放射導体を有するループアンテナであって、
前記放射導体の両端部のうち、前記導体基板の周辺端側に位置する端部は、接地点として前記導体基板に接続され、前記導体基板の内部側に位置する端部は、給電点として給電線と接続され、
前記導体基板は、前記接地点と前記給電点との間に、前記導体基板の周辺端側に位置する前記放射導体に沿って設けた第１のスリットと、前記給電点を該第１のスリットとで挟むように、前記導体基板の内部側に位置する前記放射導体に沿って設けた第２のスリットと、を有することを特徴とするループアンテナ。
前記導体基板は矩形状の形状を有し、前記放射導体、第１のスリット及び第２のスリットを含むループアンテナの構造体を、該導体基板のコーナー部に配置したことを特徴とする請求項１に記載のループアンテナ。
前記第１のスリットと前記第２のスリットとの間隔を、前記給電線の線路幅の少なくとも１０倍としたことを特徴とする請求項１又は２に記載のループアンテナ。
前記給電線をストリップラインとしたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のループアンテナ。