JP5712885B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信機器の薄型化又は小型化に適したアンテナ装置に関する。

携帯電話機や無線通信機能内蔵のノート型パーソナルコンピュータ等の無線通信機器では、その小型化に伴って部品実装密度も高くなってきている。この対策として、例えば、特許文献１には、誘電体又は磁性体からなる基体表面に螺旋導体層を形成した、いわゆるチップアンテナを基板上に設置し、基板上に形成したグラウンド面にチップアンテナを接地させた技術が開示されている。

特許第３７５８４９５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。
近年、アンテナ装置のさらなる高性能化の要望が強いが、従来のようにチップアンテナを基板上に設置する場合、高誘電率の誘電体材料を使用したり、チップアンテナの厚みを増大させたりすることで高性能化させることは可能である。しかしながら、これらの対策は高コストになると共に装置全体の薄型化・小型化を図ることが困難になるという不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、高性能化と薄型化や低コスト化との両立が可能な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、前記基板本体の表面に金属箔でパターン形成されたグランド面と、前記基板本体の表面に金属箔でパターン形成され前記グランド面側の基端に給電点が設けられて延在するアンテナパターンと、前記基板本体の表裏面の一方に設けられていると共に前記アンテナパターンの先端に直接又はスルーホールを介して接続された誘電体アンテナの一方側アンテナ素子と、前記基板本体の表裏面の他方側に設けられた他方側導体パターンとを備え、前記一方側アンテナ素子が、誘電体の表面に形成された一方側導体パターンを有し、前記一方側導体パターンと前記他方側導体パターンとが、前記基板本体に形成されたスルーホールを介して接続され、全体として螺旋状の導体パターンを構成していることを特徴とする。

このアンテナ装置では、一方側アンテナ素子の一方側導体パターンと他方側導体パターンとが、基板本体に形成されたスルーホールを介して接続され、全体として螺旋状の導体パターンを構成しているので、螺旋状の導体パターンが一方側アンテナ素子の誘電体だけでなく少なくとも基板本体を含めて螺旋状に配されることで、一方側アンテナ素子の厚みを増大させたり高誘電率の材料を用いたりしなくても高性能化（高利得化、広帯域化）することが可能になる。

また、第２の発明のアンテナ装置は、第１の発明において、前記基板本体の表裏面の他方であって前記一方側アンテナ素子の反対側に設けられた誘電体アンテナの他方側アンテナ素子を備え、前記他方側アンテナ素子が、誘電体の表面に形成された前記他方側導体パターンを有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、他方側アンテナ素子が、誘電体の表面に形成された他方側導体パターンを有しているので、一方側アンテナ素子と他方側アンテナ素子とで基板本体を挟んだ状態になり、螺旋状の導体パターンの内側に介在する２つのアンテナ素子の誘電体と基板本体とを合計した厚みにより高性能化が可能である。また、表裏面にそれぞれアンテナ素子を設置するので、アンテナ素子の厚みを薄くすることができる。さらに、表裏面の各アンテナ素子の誘電体材料として低誘電率な材料を選択することができ、低コスト化に対応することも可能である。

第３の発明のアンテナ装置は、第１の発明において、前記他方側導体パターンが、前記基板本体の表裏面の他方に金属箔で直接パターン形成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、他方側導体パターンが、基板本体の表裏面の他方に金属箔で直接パターン形成されているので、アンテナ素子が１つであっても、螺旋状の導体パターンの内側に介在する一方側アンテナ素子の誘電体と基板本体とを合計した厚みにより高性能化が可能である。

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、一方側アンテナ素子の一方側導体パターンと他方側導体パターンとが、基板本体に形成されたスルーホールを介して接続され、全体として螺旋状の導体パターンを構成しているので、一方側アンテナ素子の厚みを増大させたり高誘電率の材料を用いたりしなくても高性能化（高利得化、広帯域化）することが可能になる。したがって、同一のアンテナ占有領域であっても、高性能化と薄型化や低コスト化との両立が可能である。

本発明に係るアンテナ装置の第１実施形態において、アンテナ装置を示す要部の平面図及び底面図である。 第１実施形態において、アンテナ装置を示す平面図及び底面図である。 第１実施形態において、基板本体を示す要部の平面図及び底面図である。 第１実施形態において、一方側アンテナ素子を示す上方から見た斜視図（ａ）と下方から見た斜視図（ｂ）である。 第１実施形態において、他方側アンテナ素子を示す下方から見た斜視図（ａ）と上方から見た斜視図（ｂ）である。 第１実施形態において、一方側導体パターン、ランド部、スルーホール及び他方側導体パターンの接続を示した概念的な斜視図である。 第１実施形態において、螺旋状の導体パターンを説明するための概念図である。 １つのアンテナ素子を使用した比較例１の場合（ａ）と、厚み２倍のアンテナ素子を使用した比較例２の場合（ｂ）と、２つのアンテナ素子を使用した第１実施形態の場合（ｃ）とにおいて、筐体と厚みとの関係を示す説明図である。 本発明に係るアンテナ装置の第２実施形態において、アンテナ装置を示す要部の底面図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例において、アンテナ装置のＶＳＷＲ特性（電圧定在波比）を示すグラフである。 本発明の実施例において、アンテナ装置の放射パターンを示すグラフである。 本発明の実施例及び比較例において、各アンテナ装置における帯域幅を比較して示すグラフである。

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８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から図３に示すように、絶縁性の基板本体２と、基板本体２の表面及び裏面に金属箔でパターン形成されたグランド面ＧＮＤと、基板本体２の表面に金属箔でパターン形成されグランド面ＧＮＤ側の基端に給電点ＦＰが設けられて延在するアンテナパターン３と、基板本体２の表裏面の一方（表面）に設けられていると共にアンテナパターン３の先端に直接接続された誘電体アンテナの一方側アンテナ素子ＡＴ１と、基板本体２の表裏面の他方側（裏面側）に設けられた他方側導体パターン５Ｂとを備えている。

また、このアンテナ装置１は、基板本体２の表裏面の他方であって一方側アンテナ素子ＡＴ１の反対側に設けられた誘電体アンテナの他方側アンテナ素子ＡＴ２を備えている。
そして、上記一方側アンテナ素子ＡＴ１は、図４に示すように、誘電体４の表面に一方側導体パターン５Ａが形成されたチップ状とされていると共に、他方側アンテナ素子ＡＴ２は、図５に示すように、誘電体４の表面に上記他方側導体パターン５Ｂが形成されたチップ状とされている。すなわち、これらの一方側アンテナ素子ＡＴ１及び他方側アンテナ素子ＡＴ２は、誘電体４を用いたチップアンテナである。なお、図４及び図５では、導体パターンの部分をハッチングして図示している。

また、基板本体２の表面（一方側の面）には、一方側アンテナ素子ＡＴ１を設置するための複数の一方側ランド部６Ａが対応する位置に銅箔等でパターン形成されている。一方側アンテナ素子ＡＴ１は、略長板形状の誘電体４の上面から両側面を介して下面の一部にわたって複数の一方側導体パターン５Ａが形成されているが、誘電体４の一方側ランド部６Ａに対応した部分以外の下面には一方側導体パターン５Ａが形成されていない。この一方側アンテナ素子ＡＴ１の下面を基板本体２の表面に向け、一方側アンテナ素子ＡＴ１の下面に形成された一方側導体パターン５Ａとこれらに対応する一方側ランド部６Ａとをハンダ材等で接合することで、一方側アンテナ素子ＡＴ１が固定される。

また、基板本体２の裏面（他方側の面）には、他方側アンテナ素子ＡＴ２を設置するための複数の他方側ランド部６Ｂが対応する位置に銅箔等でパターン形成されている。他方側アンテナ素子ＡＴ２は、略長板形状の誘電体４の下面から両側面を介して上面の一部にわたって複数の他方側導体パターン５Ｂが形成されているが、誘電体４の他方側ランド部６Ｂに対応した部分以外の上面には他方側導体パターン５Ｂが形成されていない。この他方側アンテナ素子ＡＴ２の上面を基板本体２の裏面に向け、他方側アンテナ素子ＡＴ２の下面に形成された他方側導体パターン５Ｂとこれらに対応する他方側ランド部６Ｂとをハンダ材等で接合することで、他方側アンテナ素子ＡＴ２が固定される。

また、一方側ランド部６Ａから他方側ランド部６Ｂにつながる複数のスルーホールＨが基板本体２に形成されており、上下の一方側ランド部６Ａと他方側ランド部６Ｂとが電気的に導通している。
一方側導体パターン５Ａと他方側導体パターン５Ｂとは、図６及び図７に示すように、基板本体２に形成されたスルーホールＨを介して接続され、全体として螺旋状の導体パターンを構成している。すなわち、一方側導体パターン５Ａ、一方側ランド部６Ａ、スルーホールＨ、他方側ランド部６Ｂ及び他方側導体パターン５Ｂによって、螺旋状に接続された導体パターンを全体として構成している。

したがって、基板本体２を挟んだ一方側アンテナ素子ＡＴ１と他方側アンテナ素子ＡＴ２とにより、全体として一つの仮想的なアンテナ素子が構成される。この仮想的なアンテナ素子は、全体として一方側アンテナ素子ＡＴ１の誘電体４と基板本体２と他方側アンテナ素子ＡＴ２の誘電体４とを合わせた誘電体材料の周りに螺旋状の導体パターンが巻回されたものとなる。この仮想的なアンテナ素子では、全体の厚みが、一方側アンテナ素子ＡＴ１と基板本体２と他方側アンテナ素子ＡＴ２との各厚みの合計となり、全体の幅が、一方側アンテナ素子ＡＴ１の幅と一方側ランド部６Ａ及び他方側ランド部６Ｂの幅と他方側アンテナ素子ＡＴ２の幅とで構成される。
この全体として１つの仮想的なアンテナ素子の構成により、アンテナエレメントとしての実効長が長くなり、グランド面ＧＮＤへ流れる高周波電流の流れを効果的に抑制することができる。そのため、特にグランド面ＧＮＤの面積が小さくなった場合に有効となる。

上記アンテナパターン３は、グランド面ＧＮＤ側の基端から該グランド面ＧＮＤから離間する方向に延在して途中に第１受動素子Ｐ１及び第２受動素子Ｐ２が接続された第１延在部３ａと、該第１延在部３ａの途中であって第２受動素子Ｐ２より基端側に先端が接続されていると共に途中に第３受動素子Ｐ３が接続され基端が給電点ＦＰから離間した位置でグランド面ＧＮＤに接続されている第２延在部３ｂとを有している。
上記第１受動素子Ｐ１〜第３受動素子Ｐ３は、例えばインダクタ、コンデンサ、抵抗又はジャンパー線等が採用される。なお、本実施形態では、３つの上記受動素子を用いているが、１個又は３個以上の受動素子を使用しても構わない。

また、アンテナパターン３の先端部、すなわち第１延在部３ａの先端部には、上記の一方側アンテナ素子ＡＴ１が設けられている。また、該一方側アンテナ素子ＡＴ１の反対側には、他方側アンテナ素子ＡＴ２が設けられている。これら一方側アンテナ素子ＡＴ１と他方側アンテナ素子ＡＴ２とは、これらに対応して基板本体２の表面（一方側の面）及び裏面（他方側の面）に銅箔等でパターン形成された複数の一方側ランド部６Ａと他方側ランド部６Ｂ上に半田材等で接着固定される。

これら一方側アンテナ素子ＡＴ１及び他方側アンテナ素子ＡＴ２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４及び図５に示すように、セラミックス等の誘電体４の表面にＡｇ等の一方側導体パターン５Ａ及び他方側導体パターン５Ｂが形成されたチップアンテナである。これらの一方側アンテナ素子ＡＴ１及び他方側アンテナ素子ＡＴ２は、共振周波数等の設定に応じて、その長さ、幅、導体パターンの形状等が選択される。なお、本実施形態の一方側アンテナ素子ＡＴ１及び他方側アンテナ素子ＡＴ２のサイズは、横幅：１０．５ｍｍ、奥行き：３．０ｍｍ、高さ：０．８ｍｍである。

一方側アンテナ素子ＡＴ１及び他方側アンテナ素子ＡＴ２は、第１延在部３ａの延在方向に直交して延在するように設置されている。すなわち、一方側アンテナ素子ＡＴ１及び他方側アンテナ素子ＡＴ２は、対向するグランド面ＧＮＤの端辺に沿って平行に配されている。

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、例えば高周波回路に接続された同軸ケーブルの芯線が接続され、該同軸ケーブルのグランド線は、グランド面ＧＮＤに接続される。
なお、本実施形態におけるグランド面ＧＮＤのサイズは、長手方向：７１．０ｍｍ、短手方向：５４．０ｍｍであり、基板本体２の厚みは、０．８ｍｍである。

次に、このアンテナ装置１とこれを内蔵する筐体１０との関係について、図８を参照して説明する。
例えば、図８の（ａ）に示すように、１つのアンテナ素子ＡＴ３を片面に設置した従来のアンテナ装置を薄型の筐体１０内に設置した比較例１の場合に対して、１つのアンテナ素子で広帯域化するために、図８の（ｂ）に示すように、アンテナ素子ＡＴ３の２倍の厚みのアンテナ素子ＡＴ４に変更した比較例２を採用した場合、筐体１０内の基板本体２の表面側のスペースが不十分で、厚いアンテナ素子ＡＴ４が筐体１０に当接してしまい筐体１０内に収納することが困難になる場合がある。これに対して、図８の（ｃ）に示すように、本実施形態のアンテナ装置１では、基板本体２の表裏面に分けてアンテナ素子ＡＴ３と同じ厚さの一方側アンテナ素子ＡＴ１及び他方側アンテナ素子ＡＴ２を設置するので、回路本体２の表面側の最大厚みが変わらないと共に裏面側のスペースを利用でき、薄型の筐体１０内に収納可能となって、広帯域化と小型化・薄型化との両立が可能になる。

このように本実施形態のアンテナ装置１では、一方側アンテナ素子ＡＴ１の一方側導体パターン５Ａと他方側導体パターン５Ｂとが、基板本体２に形成されたスルーホールＨを介して接続され、全体として螺旋状の導体パターンを構成しているので、螺旋状の導体パターンが一方側アンテナ素子ＡＴ１の誘電体だけでなく少なくとも基板本体２を含めて螺旋状に配されることで、一方側アンテナ素子ＡＴ１の厚みを増大させたり高誘電率の材料を用いたりしなくても高性能化（高利得化、広帯域化）することが可能になる。

特に、基板本体２の裏面側に他方側アンテナ素子ＡＴ２を設置し、この他方側アンテナ素子ＡＴ２が、誘電体４の表面に形成された他方側導体パターン５Ｂを有しているので、一方側アンテナ素子ＡＴ１と他方側アンテナ素子ＡＴ２とで基板本体２を挟んだ状態になり、螺旋状の導体パターンの内側に介在する２つのアンテナ素子ＡＴ１，ＡＴ２の誘電体４と基板本体２とを合計した厚みにより高性能化が可能である。また、表裏面にそれぞれアンテナ素子ＡＴ１，ＡＴ２を設置するので、各アンテナ素子の厚みを薄くすることができる。さらに、表裏面の各アンテナ素子ＡＴ１，ＡＴ２の誘電体材料として低誘電率な材料を選択することができ、低コスト化に対応することも可能である。

次に、本発明に係るアンテナ装置の第２実施形態について、図９を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、基板本体２の表裏面に一方側アンテナ素子ＡＴ１と他方側アンテナ素子ＡＴ２とを設置し、２つのアンテナ素子を使用すると共に他方側アンテナ素子ＡＴ２の誘電体４上に他方側導体パターン５Ｂを形成しているが、第２実施形態のアンテナ装置１１では、図９に示すように、基板本体２の裏面（表裏面の他方の面）に他方側アンテナ素子ＡＴ２が実装されておらず、他方側導体パターン２５Ｂが、基板本体２の裏面に金属箔で直接パターン形成されている点である。

すなわち、基板本体２の表面のみに一方側アンテナ素子ＡＴ１を設置し、裏面に他方側ランド部６Ｂの代わりに他方側導体パターン２５Ｂを銅箔等で直接パターン形成している。これら他方側導体パターン２５Ｂは、それぞれ対応するスルーホールＨに接続されており、基板本体２の表面に設置されている一方側アンテナ素子ＡＴ１の一方側導体パターン５ＡとスルーホールＨを介して接続され、全体として螺旋状の導体パターンを構成している。

このように第２実施形態のアンテナ装置１１では、他方側導体パターン２５Ｂが、基板本体２の表裏面の他方に金属箔で直接パターン形成されているので、アンテナ素子が１つであっても、螺旋状の導体パターンの内側に介在する一方側アンテナ素子ＡＴ１の誘電体４と基板本体２とを合計した厚みにより高性能化が可能である。したがって、第２実施形態では、アンテナ素子が一つだけであるため、第１実施形態に比べて低コストにできると共に、同じ厚みのアンテナ素子を用いた従来のアンテナ装置に比べて高性能化を図ることが可能である。

次に、上記第１実施形態のアンテナ装置について、ＶＳＷＲ特性（電圧定在波比）と放射パターンとをシミュレーションにより解析した結果を、図１０及び図１１を参照して説明する。
なお、第１延在部３ａの延在方向をＹ方向とし、一方側アンテナ素子ＡＴ１の延在方向をＸ方向とし、グランド面ＧＮＤに対する垂直方向（表面に向けた垂直方向）をＺ方向とした。この際のＹＺ面に対する垂直偏波を解析した。

また、各受動素子は、第１受動素子Ｐ１：８．２ｎＨ、第２受動素子Ｐ２：３９ｎＨ、第３受動素子Ｐ３：３．９ｎＨのいずれもインダクタを使用した。なお、解析周波数は、９１５ＭＨｚ帯とした。
これらの結果からわかるように、帯域幅は５５ＭＨｚと広く得られていると共に、無指向性の放射パターンが得られている。

次に、図８の（ａ）（ｂ）（ｃ）で示した第１実施形態及び比較例の各アンテナ装置と第２実施形態のアンテナ装置とにおいて、帯域幅を比較したグラフを図１２に示す。なお、図８の（ａ）（ｂ）で使用した比較例１，２のアンテナ素子ＡＴ３，ＡＴ４は、一つの誘電体４の表面に一方側導体パターン５Ａを形成し裏面に他方側導体パターン５Ｂを形成して両側面を介して螺旋状の導体パターンとしたものを使用し、各受動素子はそれぞれ同一とした。なお、図１２中では、比較例１を「１個使用」、比較例２を「１個使用／厚み２倍」、第２実施形態の実施例を「１個使用＋裏面パターン」、第１実施形態の実施例を「表裏２個使用」と表記している。

これらの結果からわかるように、薄いアンテナ素子ＡＴ３が１つの比較例１に対して、２倍の厚みのアンテナ素子ＡＴ４を使用した比較例２では、帯域幅が拡がり、さらに表裏面に一方側アンテナ素子ＡＴ１と他方側アンテナ素子ＡＴ２とを使用した本発明の実施例では、より帯域幅が拡がって、比較例１に比べて２０％以上改善されている。

なお、本発明は上記各実施形態及び上記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、他方側アンテナ素子ＡＴ２は、基板本体２のアンテナ占有領域に応じて別の形状、導電体材料又は他端側導体パターンに、フレキシブルに変更することも可能である。
なお、搭載する機器毎に一方側アンテナ素子ＡＴ１と他方側アンテナ素子ＡＴ２とを変更することで、アンテナ性能を改善することができるが、金型代、設計時間等が必要になって大幅なコストが発生してしまう。しかしながら、本発明では、一方側アンテナ素子ＡＴ１と他方側アンテナ素子ＡＴ２とを変更すること無く、基板設計のみを変更することで、機器毎のアンテナ性能の高性能化を容易に図ることができ、小型化・薄型化との両立が可能である。

また、第２実施形態では、基板本体２の表面だけに一方側アンテナ素子ＡＴ１を設置して裏面には他方側導体パターン２５Ｂを形成しているが、逆に基板本体２の裏面だけに一方側アンテナ素子ＡＴ１を設置して表面に他方側導体パターン２５Ｂを形成しても構わない。この場合、表面側のアンテナパターン３と裏面側の一方側アンテナ素子ＡＴ１とは、スルーホールＨを介して接続を行うことで導通が可能になる。

１，１１…アンテナ装置、２…基板本体、３…アンテナパターン、４…誘電体、５Ａ…一方側導体パターン、５Ｂ，２５Ｂ…他方側導体パターン、６Ａ…一方側ランド部、６Ｂ…他方側ランド部、ＡＴ１…一方側アンテナ素子、ＡＴ２…他方側アンテナ素子、ＦＰ…給電点、ＧＮＤ…グランド面、Ｈ…スルーホール

Claims (3)

1. 絶縁性の基板本体と、
   前記基板本体の表面に金属箔でパターン形成されたグランド面と、
   前記基板本体の表面に金属箔でパターン形成され前記グランド面側の基端に給電点が設けられて延在するアンテナパターンと、
   前記基板本体の表裏面の一方に設けられていると共に前記アンテナパターンの先端に直接又はスルーホールを介して接続された誘電体アンテナの一方側アンテナ素子と、
   前記基板本体の表裏面の他方側に設けられた他方側導体パターンとを備え、
   前記一方側アンテナ素子が、誘電体の表面に形成された一方側導体パターンを有し、
   前記一方側導体パターンと前記他方側導体パターンとが、前記基板本体に形成されたスルーホールを介して接続され、全体として螺旋状の導体パターンを構成し、
   前記一方側アンテナ素子が、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り、
   前記螺旋状の導体パターンの前記給電点側の端部に、互いに対向した前記一方側導体パターンの一部と前記アンテナパターンの一部とが前記誘電体を挟んで接続されて構成された環状の導体パターンと、互いに対向した前記他方側導体パターンの一部と前記アンテナパターンの一部とが少なくとも前記基板本体を挟んで接続されて構成された環状の導体パターンとが接続され、
   さらに、前記螺旋状の導体パターンの開放端側の端部に、互いに対向した前記一方側導体パターンの一部と前記他方側導体パターンの一部とが前記誘電体及び前記基板本体を挟んで接続されて構成された環状の導体パターン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、
   前記基板本体の表裏面の他方であって前記一方側アンテナ素子の反対側に設けられた誘電体アンテナの他方側アンテナ素子を備え、
   前記他方側アンテナ素子が、誘電体の表面に形成された前記他方側導体パターンを有していることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記他方側導体パターンが、前記基板本体の表裏面の他方に金属箔で直接パターン形成されていることを特徴とするアンテナ装置。