JP5686192B2 - アンテナ装置 - Google Patents
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Description
本発明はアンテナ装置に関し、特に複数の周波数帯域での無線通信等に用いられるアンテナ装置に関する。
特許文献1,2には、2つの放射素子の開放端を近接させて、一方の放射素子に給電するようにした構造のアンテナ装置が開示されている。
また、特許文献3には、同じ周波数で動作させた二つのアンテナに対して、一つの共用の無給電素子を付加したアンテナ装置が開示されている。
また、特許文献4には、同じ周波数の異なるアプリケーションで、基板の角にL字型の無給電素子を付加することで、それぞれのヌルの方向を互いのアンテナ素子に向くようにしたアンテナ装置が開示されている。
ところで、例えばWi-Fi(Wireless Fidelity)で利用されるアンテナは2.4GHz帯/5GHz帯の二つの周波数帯域で利得が要求される。また、例えばTVやDVD/BDプレイヤー等の電子機器にはMIMO(Multiple Input Multiple Output)システムを利用したWi-Fi用のアンテナが設けられる場合がある。このような電子機器の後方は壁であることが多く、アクセスポイントが電子機器の前方方向にあることが多い。このような電子機器の使用状況を考慮すると、電子機器の前方に比べて電子機器の後方からの電波強度は小さいと考えられる。つまり後方より前方の利得が高い指向性が要求される。
特許文献1〜4のいずれのアンテナ装置も二つの周波数帯に適用できるものではなく、2.4GHz帯と5GHz帯のように、離れた周波数帯のマルチバンドに対応させ、且つ前方の利得を向上させることについては示されていない。
そこで、本発明は二つの周波数帯で利得を有し且つ前方指向性を有するアンテナ装置を提供することを目的としている。
(1)本発明のアンテナ装置は、
基板、この基板に形成されたグランド導体、および前記基板のグランド導体非形成領域に形成された放射素子を備え、
前記放射素子は第1放射素子(給電放射素子)と第2放射素子(無給電放射素子)とで構成され、
前記第1放射素子および第2放射素子は、いずれも前記グランド導体の形成領域から前記グランド導体非形成領域へ突出する第1延出部と、前記グランド導体の形成領域とグランド導体非形成領域との境界に平行に延びる第2延出部とを有し、
前記第1放射素子の第2延出部の開放端と前記第2放射素子の第2延出部の開放端とが向かい合うように前記第1放射素子および前記第2放射素子が配置されたことを特徴とする。
基板、この基板に形成されたグランド導体、および前記基板のグランド導体非形成領域に形成された放射素子を備え、
前記放射素子は第1放射素子(給電放射素子)と第2放射素子(無給電放射素子)とで構成され、
前記第1放射素子および第2放射素子は、いずれも前記グランド導体の形成領域から前記グランド導体非形成領域へ突出する第1延出部と、前記グランド導体の形成領域とグランド導体非形成領域との境界に平行に延びる第2延出部とを有し、
前記第1放射素子の第2延出部の開放端と前記第2放射素子の第2延出部の開放端とが向かい合うように前記第1放射素子および前記第2放射素子が配置されたことを特徴とする。
(2)前記第1放射素子および前記第2放射素子に対して前記グランド導体から離れた側に、前記第1放射素子、前記第2放射素子のうち一方または両方の前記第2延出部に沿った無給電素子を備えていることが好ましい。
(3)前記無給電素子は、前記第1放射素子および前記第2放射素子の開放端に沿って延びる部分をさらに備えることが好ましい。
(4)前記無給電素子は、前記第1放射素子または前記第2放射素子の前記第1延出部に沿って延びる部分をさらに備えていることが好ましい。
(5)例えばMIMOシステムに適用するために、前記第1放射素子および前記第2放射素子による組は複数組設けていてもよい。
本発明によれば、二つの周波数帯で利得を有し且つ前方指向性を有するアンテナ装置が得られる。
《第1の実施形態》
第1の実施形態のアンテナ装置および電子機器について各図を参照して説明する。
第1の実施形態のアンテナ装置および電子機器について各図を参照して説明する。
図1(A)は第1の実施形態のアンテナ装置301Aの斜視図、図1(B)は第1の実施形態の別のアンテナ装置301Bの斜視図である。
図1(A)に示すアンテナ装置301Aは、基板1、この基板1に形成されたグランド導体2、基板1のグランド導体非形成領域NGAに形成された第1放射素子10および第2放射素子20を備えている。第1放射素子10は給電回路9が接続された給電放射素子であり、第2放射素子20は無給電放射素子である。
第1放射素子10は、グランド導体2の形成領域GAからグランド導体非形成領域NGAへ突出する第1延出部11と、グランド導体形成領域GAとグランド導体非形成領域NGAとの境界に平行に延びる第2延出部12とを有する。また、第2放射素子20は、グランド導体2の形成領域GAからグランド導体非形成領域NGAへ突出する第1延出部21と、グランド導体形成領域GAとグランド導体非形成領域NGAとの境界に平行に延びる第2延出部22とを有する。
第1放射素子10および第2放射素子20は、第1放射素子10の第2延出部12の開放端と第2放射素子20の第2延出部22の開放端とが向かい合うように配置されている。
図1(B)に示すアンテナ装置301Bは前記アンテナ装置301Aにもう一組の放射素子を設けたものである。すなわち、基板1のグランド導体非形成領域NGAに、第1放射素子10および第2放射素子20で構成される第1のアンテナ121Pを備え、さらに、別の第1放射素子10および第2放射素子20で構成される第2のアンテナ121Sを備えている。なお、給電回路9P,9Sもそれぞれ設けている。このように二つのアンテナを設けることでMIMOシステムに適用することができる。
図2は第1放射素子10および第2放射素子20によるアンテナの動作について示す図である。図2(A)はローバンド(2.4GHz帯)において、第1放射素子10、第2放射素子20およびグランド導体2に流れる電流を矢印で表した図である。図2(B)はハイバンド(5GHz帯)において、第1放射素子10、第2放射素子20およびグランド導体2に流れる電流を矢印で表した図である。図2(C)はローバンド(2.4GHz帯)での第1放射素子10および第2放射素子20に分布する定在波の電流の大きさを曲線で表した図である。図2(D)はハイバンド(5GHz帯)での第1放射素子10および第2放射素子20に分布する定在波の電流の大きさを曲線で表した図である。
ローバンドでは、第2放射素子20が第1放射素子10で励振され、第1放射素子10および第2放射素子20に同方向に連続する電流が流れてダイポールモードで動作する。ハイバンドでは第1放射素子10および第2放射素子20に逆方向の電流が流れてモノポールモードで動作する。
第1放射素子10および第2放射素子20はローバンドの周波数f1において基本モードであるダイポールモードで共振する。すなわち1/2波長共振する。図2(A)に示すように、グランド導体2の縁端部(グランド導体2の形成領域(図1(A)中のGA参照。)とグランド導体非形成領域(図1(A)中のNGA参照。)との境界)に沿って電流が流れる。そのため、グランド導体2もダイポールモードでの放射に寄与する。したがって、ローバンドでは放射素子10,20の素子長だけでなくグランド導体2も含んで1/2波長共振するようにグランド導体2の前記縁端部の長さも定める。
また、第1放射素子10はハイバンドの周波数f2(f1<f2)においてはモノポールモードで共振する。すなわち1/4波長で共振する。
なお、モノポールモードの共振周波数f2は第1放射素子10の素子長の4倍の波長より長い波長で(低い周波数で)共振する。これは、第1放射素子10の開放端と第2放射素子20の開放端との間に生じる容量の影響で共振周波数が低下するためであると考えられる。すなわち、無給電放射素子である第2放射素子20が給電放射素子である第1放射素子10の開放端に容量が装荷された状態になるものと考えられる。ハイバンドにおいては、図2(B)に示すように、グランド導体2の縁端部(グランド導体の2領域とグランド導体非形成領域との境界)に左右逆方向の電流が流れるので、ハイバンドの共振周波数は第1放射素子10の素子長および開放端の容量で定まる。
本発明によれば、アンテナの放射素子をグランド導体で囲むのではなく、グランド導体形成領域から突出させて、2つのL字型の放射素子10,20を構成し、その開放端同士を近接させ、第1放射素子10側に給電する構成としたことにより、離れた二つの周波数で利得が得られる。
図1(B)に示すアンテナ装置301Bにおいて、二つのアンテナは同一構成であるので、共にローバンド(2.4GHz帯)およびハイバンド(5GHz帯)で利得を有することになる。
図3はアンテナ装置301Aのアンテナ効率とSパラメータを示す図である。ここでS11は給電回路9からアンテナを見た反射係数、S21は素子間の相互結合である。このように、2.4GHz帯(2400〜2484MHz )および5GHz帯(5.15〜5.725GHz)で整合し、高いアンテナ効率が得られる。
図4は基板1の面内方向(水平面内)での指向性を示す図である。図4(A)はローバンド(2.4GHz帯)での特性、図4(B)はハイバンド(5GHz帯)での特性である。0°方向が前方、180°方向が後方である。このようにローバンドでは、前述のとおりダイポールモードで動作することにより、前方の利得が高い指向性が得られる。ハイバンドについても前方に高い利得が得られている。なお、ハイバンドでは、前述のとおりモノポールモードで動作することにより、後方にも高い利得が得られる。すなわち、モノポールアンテナは基板の長さ方向を利用したアンテナであるため、基板サイズが大きい場合には、アンテナからの放射よりも基板からの放射が大きくなって、後方にも利得が得られる。
なお、ハイバンドで後方より左側の方位を指向している(指向性が偏位している)のは、図1(A)に示したグランド導体2の左辺に沿って電流Iが流れることの影響を受けているものと推測される。
以上に示したアンテナ装置301Aまたは301Bが構成された基板1はプリント配線板であり、このプリント配線板には電子機器のその他の回路も構成されている。そして、このプリント配線板が電子機器の筐体内に収納されて、アンテナ装置付きの電子機器が構成される。
《第2の実施形態》
図5(A)は第2の実施形態のアンテナ装置302Aの斜視図、図5(B)は第2の実施形態の別のアンテナ装置302Bの斜視図である。
図5(A)は第2の実施形態のアンテナ装置302Aの斜視図、図5(B)は第2の実施形態の別のアンテナ装置302Bの斜視図である。
図5(A)に示すアンテナ装置302Aは、基板1、この基板1に形成されたグランド導体2、基板1のグランド導体非形成領域NGAに形成された第1放射素子10および第2放射素子20を備えている。第1放射素子10は給電回路9が接続された給電放射素子であり、第2放射素子20は無給電放射素子である。
第1放射素子10は、グランド導体2の形成領域GAからグランド導体非形成領域NGAへ突出する第1延出部11と、グランド導体形成領域GAとグランド導体非形成領域NGAとの境界に平行に延びる第2延出部12とを有する。また、第2放射素子20は、グランド導体2の形成領域GAからグランド導体非形成領域NGAへ突出する第1延出部21と、グランド導体形成領域GAとグランド導体非形成領域NGAとの境界に平行に延びる第2延出部22とを有する。
第1放射素子10の第2延出部12の開放端と第2放射素子20の第2延出部22の開放端とが向かい合うように第1放射素子10および第2放射素子20が配置されている。
第2放射素子20に対してグランド導体2の形成領域GAから離れた側に第2放射素子20の第2延出部22に沿って無給電素子31が形成されている。この無給電素子31は第1放射素子10および第2放射素子20の開放端に沿って延びる部分をさらに備えて全体がL字型となっている。この無給電素子31は、第1放射素子10および第2放射素子20の開放端に接しないように、基板1の裏面に形成されている。
なお、無給電素子31が第2延出部22に沿って延びているだけでなく、第1放射素子10および第2放射素子20の開放端に沿って延びているのは、これらの開放端と電界結合させることと、必要な素子長を確保するためである。
また、第1放射素子10に対してグランド導体2の形成領域GAから離れた側に第1放射素子10の第2延出部12に沿って無給電素子32が形成されている。この無給電素子32は第1放射素子10の第1延出部に沿って延びる部分をさらに備えて全体がL字型となっている。
前記無給電素子31の素子長はハイバンドでのほぼ1/4波長である。第1放射素子10の開放端に無給電素子31を近接させることで、給電側の第1放射素子10と主に電磁界結合して無給電素子31に電流が流れる。このとき、無給電素子31は導波器として動作する。
また、前記無給電素子32の素子長はハイバンドでのほぼ1/4波長である。第1放射素子10に無給電素子32を近接させることで、給電側の第1放射素子10と主に電磁界結合して無給電素子32に電流が流れる。このとき、無給電素子32は導波器として動作する。
このように、第1放射素子10、第2放射素子20の前方に配置した無給電素子31,32が導波器として作用することにより、ハイバンドの指向性が前方を向いて、前方の利得を向上させることができる。
図5(B)に示すアンテナ装置302Bは前記アンテナ装置302Aにもう一組の放射素子を設けたものである。すなわち、基板1のグランド導体非形成領域NGAに、第1放射素子10、第2放射素子20および無給電素子31,32で構成される第1のアンテナ122Pを備え、さらに、別の第1放射素子10、第2放射素子20および無給電素子31,32で構成される第2のアンテナ122Sを備えている。なお、給電回路9P,9Sもそれぞれ設けている。このように二つのアンテナを設けることでMIMOシステムに適用することができる。
図6はアンテナ装置302Aのアンテナ効率とSパラメータを示す図である。ここでS11は給電回路9からアンテナを見た反射係数、S21は素子間の相互結合である。このように、2.4GHz帯(2400〜2497MHz )および5GHz帯(5.15〜5.725GHz)で整合し、高いアンテナ効率が得られる。
図7は基板1の面内方向(水平面内)での指向性を示す図である。図7(A)はローバンド(2.4GHz帯)での特性、図7(B)はハイバンド(5GHz帯)での特性である。0°方向が前方、180°方向が後方である。
ここで、無給電素子31,32の有無による、前方方向(-90deg〜90deg)の平均利得の違いを表1に示す。
この無給電素子31,32の作用により、無給電素子31,32が無い場合に比べて、ハイバンドで前方方向(-90deg〜90deg)の平均利得が4.4dB〜5.6dB向上する。(表1参照)
このようにローバンドでは、前述のとおりダイポールモードで動作することにより、グランド導体2の形成領域GAより放射素子10,20が突出している方向(前方)の利得が高い指向性が得られ、ハイバンドについても前方の利得が高い指向性が得られる。
このようにローバンドでは、前述のとおりダイポールモードで動作することにより、グランド導体2の形成領域GAより放射素子10,20が突出している方向(前方)の利得が高い指向性が得られ、ハイバンドについても前方の利得が高い指向性が得られる。
《第3の実施形態》
図8(A)は第3の実施形態のアンテナ装置303Aの斜視図、図8(B)は第3の実施形態の別のアンテナ装置303Bの斜視図である。
図8(A)は第3の実施形態のアンテナ装置303Aの斜視図、図8(B)は第3の実施形態の別のアンテナ装置303Bの斜視図である。
図8(A)に示すアンテナ装置303Aは、基板1、この基板1に形成されたグランド導体2、基板1のグランド導体非形成領域NGAに形成された第1放射素子10および第2放射素子20を備えている。第1放射素子10は給電回路9が接続された給電放射素子であり、第2放射素子20は無給電放射素子である。図5(A)に示したアンテナ装置と異なり、第3の実施形態では、無給電素子31を備えているが、無給電素子32は備えていない。
図8(B)に示すアンテナ装置303Bは前記アンテナ装置303Aにもう一組の放射素子を設けたものである。すなわち、基板1のグランド導体非形成領域NGAに、第1放射素子10、第2放射素子20および無給電素子31で構成される第1のアンテナ123Pを備え、さらに、別の第1放射素子10、第2放射素子20および無給電素子31で構成される第2のアンテナ123Sを備えている。このように二つのアンテナを設けることでMIMOシステムに適用することができる。
図9は基板1の面内方向(水平面内)での指向性を示す図である。図9(A)はローバンド(2.4GHz帯)での特性、図9(B)はハイバンド(5GHz帯)での特性である。0°方向が前方、180°方向が後方である。
ここで、無給電素子31,32の両方を備える場合と無給電素子31のみを備える場合とについて、前方方向(-90deg〜90deg)の平均利得の違いを表2に示す。
このように無給電素子31だけを付与しても前方の平均利得が向上するが、無給電素子32も設けた場合に比べて、5GHz帯で前方方向(-90deg〜90deg)の平均利得が1.7dB〜3.5dBだけ劣化する。
図10は無給電素子31,32の有無による指向性の違いを示す図である。図10(A)はローバンド(2.4GHz帯)での特性、図10(B)はハイバンド(5GHz帯)での特性である。図10(A)、図10(B)において、(1) は無給電素子31,32が無い場合、(2) は無給電素子31,32が有る場合、(3) は無給電素子31が有り、無給電素子32が無い場合である。また、0°方向は前方、180°方向は後方である。図10(B)に表れているように、ハイバンドにおいて無給電素子31による前方利得の向上効果は高く、無給電素子32を追加することで前方の利得が更に向上することが分かる。
《第4の実施形態》
図11は第4の実施形態のアンテナ装置304Aの斜視図、図12は第4の実施形態の別のアンテナ装置304Bの斜視図である。
図11は第4の実施形態のアンテナ装置304Aの斜視図、図12は第4の実施形態の別のアンテナ装置304Bの斜視図である。
図11に示すアンテナ装置304Aおよび図12に示すアンテナ装置304Bは、基板1、この基板1に形成されたグランド導体2、基板1のグランド導体非形成領域NGAに形成された第1放射素子10および第2放射素子20を備えている。第1放射素子10は給電回路9が接続された給電放射素子であり、第2放射素子20は無給電放射素子である。
図1(A)に示したアンテナ装置301Aと異なるのは無給電素子31を設けた点である。この無給電素子31は、第2放射素子20に対してグランド導体2の形成領域GAから離れた側に、第2放射素子の第2延出部22に沿って形成されている。
図11の例では、無給電素子31は第1放射素子10の第2延出部12にも沿っている。また、図12の例では、無給電素子31は第2放射素子20の第1延出部21にも沿っている。
このように、無給電素子31は無給電放射素子である第2放射素子20に沿って設けても、無給電素子31を導波器として作用させることができる。このことにより、ハイバンドでの前方方向の利得を高めることができる。
図13(A)、図13(B)、図13(C)は第1の実施形態から第4の実施形態までに示した各アンテナ装置のハイバンドでの指向性を示す図である。ここでModel1は図1に示した第1の実施形態のアンテナ装置301A、Model2は図5(A)に示した第2の実施形態のアンテナ装置302A、Model3は図8(A)に示した第3の実施形態のアンテナ装置303A、Model4は図11に示したアンテナ装置304A、Model5は図12に示したアンテナ装置304Bにそれぞれ相当する。図13(A)はModel1,Model2,Model3の指向性を重ねて示した図、図13(B)はModel1,Model2,Model4の指向性を重ねて示した図、図13(C)はModel1,Model2,Model5の指向性を重ねて示した図である。
前方方向(-90deg〜90deg)の平均利得は次のとおりである。
Model1 -4.9dB
Model2 -4.2dB
Model3 -4.2dB
Model4 -4.5dB
Model5 -4.4dB
これらの結果から明らかなように、前方方向の利得はModel2であるアンテナ装置302Aが最も優れているが、Model3,Model4,Model5のいずれについても前方方向の利得は向上している。
Model2 -4.2dB
Model3 -4.2dB
Model4 -4.5dB
Model5 -4.4dB
これらの結果から明らかなように、前方方向の利得はModel2であるアンテナ装置302Aが最も優れているが、Model3,Model4,Model5のいずれについても前方方向の利得は向上している。
《他の実施形態》
以上に示した各実施形態では第1放射素子、第2放射素子、無給電素子のいずれについてもプリント配線板の導体パターンで形成した。しかし、本発明はこれらを導体パターンで形成したものに限らない。チップ素子や成型した板金で構成してもよい。例えば、第2延出部12,22を直方体形状の誘電体チップの表面に形成したチップアンテナで第1放射素子10または第2放射素子20を構成してもよい。また、成型した板金をプリント配線板に取り付けることで無給電素子31,32を構成してもよい。
以上に示した各実施形態では第1放射素子、第2放射素子、無給電素子のいずれについてもプリント配線板の導体パターンで形成した。しかし、本発明はこれらを導体パターンで形成したものに限らない。チップ素子や成型した板金で構成してもよい。例えば、第2延出部12,22を直方体形状の誘電体チップの表面に形成したチップアンテナで第1放射素子10または第2放射素子20を構成してもよい。また、成型した板金をプリント配線板に取り付けることで無給電素子31,32を構成してもよい。
なお、以上の各実施形態では、第1放射素子10の第2延出部12および第2放射素子20の第2延出部22をグランド導体形成領域GAとグランド導体非形成領域NGAとの境界に平行に延びる例を示したが、ここで言う「平行」とは、数学的な平行の意味ではなく、第2延出部が放射に寄与する程度に前記境界に対して平行であればよい。また、この第2延出部に沿って配置される無給電素子の存在によってモノポールモード動作での前方利得の向上効果があればよい。すなわち「ほぼ平行」であることを含む。
GA…グランド導体の形成領域
NGA…グランド導体非形成領域
1…基板
2…グランド導体
9,9P,9S…給電回路
10…第1放射素子
11…第1延出部
12…第2延出部
20…第2放射素子
21…第1延出部
22…第2延出部
31,32…無給電素子
121P,122P,123P…第1のアンテナ
121S,122S,123S…第2のアンテナ
301A,301B…アンテナ装置
302A,302B…アンテナ装置
303A,303B…アンテナ装置
304A,304B…アンテナ装置
NGA…グランド導体非形成領域
1…基板
2…グランド導体
9,9P,9S…給電回路
10…第1放射素子
11…第1延出部
12…第2延出部
20…第2放射素子
21…第1延出部
22…第2延出部
31,32…無給電素子
121P,122P,123P…第1のアンテナ
121S,122S,123S…第2のアンテナ
301A,301B…アンテナ装置
302A,302B…アンテナ装置
303A,303B…アンテナ装置
304A,304B…アンテナ装置
Claims (3)
- 基板、この基板に形成されたグランド導体、前記基板のグランド導体非形成領域に形成された放射素子および無給電素子を備えるアンテナ装置において、
前記放射素子は第1放射素子と第2放射素子とで構成され、
前記第1放射素子および第2放射素子は、いずれも前記グランド導体の形成領域から前記グランド導体非形成領域へ突出する第1延出部と、前記グランド導体の形成領域とグランド導体非形成領域との境界に平行に延びる第2延出部とを有し、
前記第1放射素子の第2延出部の開放端と前記第2放射素子の第2延出部の開放端とが向かい合うように前記第1放射素子および前記第2放射素子が配置され、
前記無給電素子は、前記第1放射素子および前記第2放射素子に対して前記グランド導体から離れた側に、前記第1放射素子、前記第2放射素子のうち一方または両方の前記第2延出部に沿って配置され、さらに前記第1放射素子および前記第2放射素子の開放端に沿って延びる部分を備えることを特徴とするアンテナ装置。 - 前記無給電素子は、前記第1放射素子または前記第2放射素子の前記第1延出部に沿って延びる部分をさらに備える、請求項1に記載のアンテナ装置。
- 前記第1放射素子および前記第2放射素子による組を複数組設けた、請求項1または2に記載のアンテナ装置。
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