JP5729559B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数共振化が可能なアンテナ装置に関する。

従来、通信機器において、アンテナの共振周波数を複共振化するためには、放射電極と誘電体ブロックとを備えたアンテナや、スイッチ，制御電圧源を用いたアンテナ装置が提案されている。
例えば、誘電体ブロックによる従来技術としては、特許文献１では、放射電極を樹脂成型体に形成し、さらに誘電体ブロックを接着剤で一体化することで高効率を得る複合アンテナが提案されている。

また、スイッチ，制御電圧源を用いた従来技術として、特許文献２では、第１の放射電極と、第２の放射電極と、第１の放射電極の途中部と第２の放射電極の基端部との間に介設され、第２の放射電極を第１の放射電極と電気的に接続又は切断させるためのスイッチとを備えるアンテナ装置が提案されている。

特開２０１０−８１０００号公報 特開２０１０−１６６２８７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に記載のような誘電体ブロックによる技術では、放射電極を励振する誘電体ブロックを使用しており、機器毎に誘電体ブロック、放射電極パターン等の設計が必要になり、その設計条件によってアンテナ性能が劣化したり、不安定要素が増加する不都合がある。また、放射電極が樹脂成型体の表面に形成されているため、樹脂成型体上に放射電極パターンを設計する必要があり、実装する通信機器やその用途に応じて、アンテナ設計、金型設計が必要になり、大幅なコストの増大を招いてしまう。さらに、誘電体ブロックと樹脂成型体とを接着剤で一体化するので、接着剤のＱ値以外にも接着条件（接着剤の厚み、接着面積等）により、アンテナ性能が劣化したり、不安定要素が増加する不都合がある。
また、特許文献２に記載のようなスイッチ，制御電圧源を用いたアンテナ装置の場合、スイッチで共振周波数の切り替えを行うために、制御電圧源の構成やリアクタンス回路等が必要であり、アンテナ構成が機器毎に複雑化し、設計の自由度が無く、容易なアンテナ調整が困難である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、複共振化した各共振周波数のフレキシブルな調整が可能で、用途や機器毎に応じたアンテナ性能を安価かつ容易に確保できると共に小型化や薄型化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、該基板本体にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランド面と、受動素子が途中に接続された第１エレメント、第２エレメントおよび第３エレメントとを備え、前記第１エレメントが、前記グランド面側に配した基端に給電点が設けられていると共に前記グランド面から離間する方向に延びる第１延在部と、該第１延在部の先端から前記グランド面に沿った方向に延びる第２延在部とを有し、前記第２エレメントが、前記第１エレメントの基端から前記第１延在部から離間する方向に延びる第３延在部と、該第３延在部の先端から前記第１延在部に沿ってグランド面から離間する方向に延びる第４延在部とを有し、前記第３エレメントが、前記第１エレメントの基端から延びて先端が給電点から離間した位置で前記グランド面に接続され、前記第２延在部が、前記グランド面との間の浮遊容量を発生可能に前記グランド面に対して間隔を空けて延在していると共に先端部に誘電体アンテナのアンテナ素子が設けられ、前記第２エレメントが、前記第１エレメントとの間の浮遊容量と、前記グランド面との間の浮遊容量とを発生可能に、前記第１エレメントおよび前記グランド面に対して間隔を空けて延在していることを特徴とする。

このアンテナ装置では、アンテナ素子を有する第２延在部が、グランド面との間の浮遊容量を発生可能にグランド面に対して間隔を空けて延在し、第２エレメントが、第１エレメントとの間の浮遊容量と、グランド面との間の浮遊容量とを発生可能に、第１エレメントおよびグランド面に対して間隔を空けて延在しているので、所望の共振周波数に自己共振しないローディング素子のアンテナ素子と各エレメント間の浮遊容量とを効果的に利用することで、複共振化させることができる。
また、アンテナ素子および各受動素子の選択によって、各共振周波数やインピーダンスをフレキシブルに調整可能であり、用途や機器、設計条件に応じた２共振化が可能なアンテナ装置を得ることができる。
また、基板本体の平面内で設計が可能であり、従来の誘電体ブロックや樹脂成型体等を使用する場合に比べて薄型化が可能であると共に、誘電体アンテナであるアンテナ素子の選択によって、小型化および高性能化が可能になる。また、金型、設計変更等によるコストが必要なく、低コストを実現することができる。

第２の発明のアンテナ装置は、第１の発明において、前記第３延在部が、前記第１エレメントの基端から前記グランド面から離間する方向であって前記第１延在部に対して斜め方向に向けて延び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、第３延在部が、第１エレメントの基端からグランド面から離間する方向であって第１延在部に対して斜め方向に向けて延びているので、第２エレメントとグランド面との間の結合を抑制することができ、グランド面に流れる高周波電流を抑制することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明のアンテナ装置によれば、第２延在部が、グランド面との間の浮遊容量を発生可能にグランド面に対して間隔を空けて延在し、第２エレメントが、第１エレメントとの間の浮遊容量と、グランド面との間の浮遊容量とを発生可能に、第１エレメントおよびグランド面に対して間隔を空けて延在しているので、複共振化させることができ、各共振周波数をフレキシブルに調整可能であり、設計条件に応じた２共振化が可能であると共に、小型化および高性能化が可能になる。
したがって、本発明のアンテナ装置は、多様な用途や機器に対応した複共振化が容易に可能になると共に、省スペース化と配線および設置の自由度の向上とを図ることができる。

本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を示す要部の平面図である。 本実施形態において、アンテナ装置を示す全体の平面図である。 本実施形態において、アンテナ装置で生じる浮遊容量を示す配線図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例において、２共振化における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、第１エレメントによる放射パターン（２．４ＧＨｚ帯）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、第２エレメントによる放射パターン（５．２ＧＨｚ帯）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３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及び図２に示すように、絶縁性の基板本体２と、該基板本体２にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランド面ＧＮＤと、第１〜第４受動素子Ｐ１〜Ｐ４が途中に接続された第１エレメント３、第２エレメント４および第３エレメント５とを備えている。
なお、グランド面ＧＮＤには、ＲＦ回路部品等の実装領域が設けられる。

上記第１エレメント３は、グランド面ＧＮＤ側に配した基端に給電点ＦＰが設けられていると共にグランド面ＧＮＤから離間する方向に延びる第１延在部Ｅ１と、該第１延在部Ｅ１の先端からグランド面ＧＮＤ（対向するグランド面ＧＮＤの端辺）に沿った方向に延びる第２延在部Ｅ２とを有している。また、第１延在部Ｅ１の途中には、第１受動素子Ｐ１及び第２受動素子Ｐ２が直列に接続されている。
上記第２延在部Ｅ２は、グランド面ＧＮＤとの間の浮遊容量を発生可能にグランド面ＧＮＤに対して間隔を空けて延在していると共に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。

上記第２エレメント４は、第１エレメント３の基端から第１延在部Ｅ１から離間する方向に延びる第３延在部Ｅ３と、該第３延在部Ｅ３の先端から第１延在部Ｅ１に沿ってグランド面ＧＮＤから離間する方向に延びる第４延在部Ｅ４とを有している。また、第４延在部Ｅ４の基端側には、第３受動素子Ｐ３が接続されている。
上記第３延在部Ｅ３は、第１エレメント３の基端からグランド面ＧＮＤから離間する方向であって第１延在部Ｅ１に対して斜め方向に向けて延びている。なお、第３延在部Ｅ３は、第１延在部Ｅ１（または対向するグランド面ＧＮＤの端辺）に対して４５度の角度で延在していることが好ましい。

上記第３エレメント５は、第１エレメント３の基端から延びて先端が給電点ＦＰから離間した位置でグランド面ＧＮＤに接続されている。すなわち、第３エレメント５は、第１延在部Ｅ１に対して第２エレメント４と反対側に延び、途中で折れ曲がって第１延在部Ｅ１から離間した位置でグランド面ＧＮＤに接続されている。また、第３エレメントの途中には、第４受動素子Ｐ４が接続されている。

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は、同軸ケーブル等の給電手段を介して高周波回路（図示略）の給電点に接続される。この給電手段としては、同軸ケーブル、レセプタクル等のコネクタ、接点が板バネ形状を有する接続構造、接点がピンプローブ形状またはピン形状を有する接続構造、ハンダ付け用のランドを用いた接続構造等の種々の構造が採用可能である。
例えば、給電手段として同軸ケーブルを採用する場合、グランド面ＧＮＤの基端側に同軸ケーブルのグランド線が接続されると共に、同軸ケーブルの芯線が給電点ＦＰに接続される。

上記アンテナ素子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１に示すように、セラミックス等の誘電体１０１の表面にＡｇ等の導体パターン１０２が形成されたチップアンテナである。このアンテナ素子ＡＴ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１０２等が互い異なる素子を選択しても構わないと共に、同じ素子を選択しても構わない。
上記第１受動素子Ｐ１〜第４受動素子Ｐ４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。

第２エレメント４は、第１エレメント３との間の浮遊容量と、グランド面ＧＮＤとの間の浮遊容量とを発生可能に、第１エレメント３およびグランド面ＧＮＤに対して間隔を空けて延在している。
すなわち、図３に示すように、第１エレメント３（主に第１延在部Ｅ１）と第２エレメント４（主に第４延在部Ｅ４）との間の浮遊容量Ｃａと、第２延在部Ｅ２（主にアンテナ素子ＡＴ）とグランド面ＧＮＤとの間の浮遊容量Ｃｂと、第２エレメント４（主に第３延在部Ｅ３）とグランド面ＧＮＤとの間の浮遊容量Ｃｃとが発生可能である。

次に、本実施形態のアンテナ装置１における共振周波数について、図４を参照して説明する。

本実施形態のアンテナ装置１では、図４に示すように、第１の共振周波数ｆ１および第２の共振周波数ｆ２の２つに複共振化される。
上記第１の共振周波数ｆ１は、２つの共振周波数のうち低い周波数帯（例えば、２．４ＧＨｚ帯）のものであり、アンテナ素子ＡＴと、第１受動素子Ｐ１および第２受動素子Ｐ２と、浮遊容量Ｃａおよび浮遊容量Ｃｂとで決定される。
上記第２の共振周波数ｆ２は、２つの共振周波数のうち高い周波数帯（例えば、５．２ＧＨｚ帯）のものであり、第２エレメント４と、第３受動素子Ｐ３と、浮遊容量Ｃａおよび浮遊容量Ｃｃとで決定される。

また、第１の共振周波数ｆ１におけるインピーダンスは、第４受動素子Ｐ４と浮遊容量Ｃａおよび浮遊容量Ｃｂとで決定される。さらに、第２の共振周波数ｆ２におけるインピーダンスは、第４受動素子Ｐ４と浮遊容量Ｃａおよび浮遊容量Ｃｃとで決定される。
すなわち、各共振周波数に対して、第４受動素子Ｐ４を用いて、グランド面ＧＮＤ側に流れる高周波電流の流れをコントロールすることで、最終的なインピーダンス調整を行う。

したがって、第１の共振周波数ｆ１は、主に図３中の破線Ａ１で囲まれた部分で調整される。
また、第２の共振周波数ｆ２は、主に図３中の破線Ａ２で囲まれた部分で調整される。
このように、アンテナ動作において、各受動素子だけでなく、エレメント間の浮遊容量Ｃａと、エレメントとグランド面ＧＮＤとの間の浮遊容量Ｃｂ，Ｃｃとを利用することで、アンテナ占有領域の小型化を実現することができる。

このアンテナ装置１では、図１に示すように、第１エレメント３と第２エレメント４とに流れる高周波電流の向きが互いに直交（図中の矢印参照）しているため、２つのエレメント間の干渉が低減される。また、第３延在部Ｅ３がグランド面ＧＮＤの端辺に対して斜めに延在しているので、第３延在部Ｅ３とグランド面ＧＮＤとの間の結合を抑制して、グランド面ＧＮＤ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、エレメント間、およびグランド面−エレメント間の影響を低減して小型化を実現することができる。

なお、第２の共振周波数ｆ２（５．２ＧＨｚ）用の第２エレメント４における第４延在部Ｅ４は、長い方が望ましい。さらに、第２エレメント４の幅は、広い方が望ましい。
また、エレメント間の浮遊容量Ｃａは、密結合であることが望ましい。
また、グランド面ＧＮＤと第２エレメント４（第３延在部Ｅ３）との間の距離は、長い方が望ましい。
さらに、グランド面ＧＮＤとアンテナ素子ＡＴとの間の距離は、長い方が望ましい。

このように本実施形態のアンテナ装置１では、アンテナ素子ＡＴを有する第２延在部Ｅ２が、グランド面ＧＮＤとの間の浮遊容量Ｃｂを発生可能にグランド面ＧＮＤに対して間隔を空けて延在し、第２エレメント４が、第１エレメント３との間の浮遊容量Ｃａと、グランド面ＧＮＤとの間の浮遊容量Ｃｃとを発生可能に、第１エレメント３およびグランド面ＧＮＤに対して間隔を空けて延在しているので、所望の共振周波数に自己共振しないローディング素子のアンテナ素子ＡＴと各エレメント間の浮遊容量とを効果的に利用することで、複共振化させることができる。

また、アンテナ素子ＡＴおよび各受動素子の選択によって、各共振周波数やインピーダンスをフレキシブルに調整可能であり、用途や機器、設計条件に応じた２共振化が可能なアンテナ装置を得ることができる。
また、基板本体２の平面内で設計が可能であり、従来の誘電体ブロックや樹脂成型体等を使用する場合に比べて薄型化が可能であると共に、誘電体アンテナであるアンテナ素子ＡＴの選択によって、小型化および高性能化が可能になる。また、金型、設計変更等によるコストが必要なく、低コストを実現することができる。

さらに、第３延在部Ｅ３が、第１エレメント３の基端からグランド面ＧＮＤから離間する方向であって第１延在部Ｅ１に対して斜め方向に向けて延びているので、第２エレメント４とグランド面ＧＮＤとの間の結合を抑制することができ、グランド面ＧＮＤに流れる高周波電流を抑制することができる。

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おいて、各共振周波数での２共振化におけるＶＳＷＲ特性（電圧定在波比）と放射パターンとについて測定した結果を、図４から図６を参照して説明する。

なお、各受動素子は、第１受動素子Ｐ１：２．９ｎＨ、第２受動素子Ｐ２：５．２ｎＨ、第３受動素子Ｐ３：１．３ｎＨ、第４受動素子Ｐ４：２．４ｎＨのいずれもインダクタを使用した。
図４に示すように、本発明の実施例では、第１の共振周波数ｆ１：２４４８ＭＨｚ、ＶＳＷＲ：１．１２、帯域幅（Ｖ．Ｓ．Ｗ．Ｒ≦３）：２８８ＭＨｚであり、第２の共振周波数ｆ２：５１９２ＭＨｚ、ＶＳＷＲ：１．６５、帯域幅（Ｖ．Ｓ．Ｗ．Ｒ≦３）：１８４７ＭＨｚであった。

また、放射パターンの測定については、第２延在部Ｅ２の延在方向をＸ方向とし、第１延在部Ｅ１の延在方向の逆方向をＹ方向とし、基板本体２の表面に対する垂直方向をＺ方向とした。この際のＹＺ面，ＸＺ面およびＸＹ面に対する垂直偏波，水平偏波および電力利得を測定した。

図５の（ａ）（ｂ）（ｃ）は、２．４ＧＨｚ帯域の第１の共振周波数ｆ１における放射パターン（ＹＺ面，ＸＺ面およびＸＹ面）であり、第１の共振周波数ｆ１：２４４２ＭＨｚにおいて三面平均利得が０．１ｄＢｉであった。
図６の（ａ）（ｂ）（ｃ）は、５．２ＧＨｚ帯域の第２の共振周波数ｆ２における放射パターン（ＹＺ面，ＸＺ面およびＸＹ面）であり、第２の共振周波数ｆ２：５２００ＭＨｚにおいて三面平均利得が−１．５ｄＢｉであった。

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、第２延在部にアンテナ素子を設けたが、第４延在部にもアンテナ素子を設けても構わない。この場合、第４延在部のアンテナ素子により、第２エレメントの長さを短縮することができ、アンテナ占有面積が狭い場合などに好適である。
また、第４延在部へのアンテナ素子の採用により浮遊容量Ｃａを大きく得ることもできる。

１…アンテナ装置、２…基板本体、３…第１エレメント、４…第２エレメント、５…第３エレメント、ＡＴ…アンテナ素子、Ｅ１…第１延在部、Ｅ２…第２延在部、Ｅ３…第３延在部、Ｅ４…第４延在部、ＧＮＤ…グランド面、Ｐ１…第１受動素子、Ｐ２…第２受動素子、Ｐ３…第３受動素子、Ｐ４…第４受動素子、ＦＰ…給電点

Claims (2)

1. 絶縁性の基板本体と、
   該基板本体にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランド面と、受動素子が途中に接続された第１エレメント、第２エレメントおよび第３エレメントとを備え、
   前記第１エレメントが、前記グランド面側に配した基端に給電点が設けられていると共に前記グランド面から離間する方向に延びる第１延在部と、該第１延在部の先端から前記グランド面に沿った方向に延びる第２延在部とを有し、
   前記第２エレメントが、前記第１エレメントの基端から前記第１延在部から離間する方向に延びる第３延在部と、該第３延在部の先端から前記第１延在部に沿ってグランド面から離間する方向に延びる第４延在部とを有し、
   前記第３エレメントが、前記第１エレメントの基端から延びて先端が給電点から離間した位置で前記グランド面に接続され、
   前記第２延在部が、前記グランド面との間の浮遊容量を発生可能に前記グランド面に対して間隔を空けて延在していると共に先端部に誘電体アンテナのアンテナ素子が設けられ、
   前記第２エレメントが、前記第１エレメントとの間の浮遊容量と、前記グランド面との間の浮遊容量とを発生可能に、前記第１エレメントおよび前記グランド面に対して間隔を空けて延在し、
   前記第３のエレメントが、前記第１延在部に対して前記第２エレメントと反対側に延び、途中で折れ曲がって前記第１延在部から離間した位置で前記グランド面に接続され、
   前記第３エレメントの途中に、受動素子が接続され、
   前記第２エレメントと前記グランド面との間に浮遊容量を発生させ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、
   前記第３延在部が、前記第１エレメントの基端から前記グランド面から離間する方向であって前記第１延在部に対して斜め方向に向けて延びていることを特徴とするアンテナ装置。