JP5817999B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に低周波数帯の無線通信において小型化に適したアンテナ装置に関する。

近年、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だけでなく車載用など様々な分野で無線通信機器が使用されるようになり、その薄型化や小型化が要望されている。例えば、特許文献１には、誘電体アンテナの先端にミアンダパターンを追加したアンテナ装置が提案されている。このアンテナ装置では、ミアンダパターンによって物理長として短縮が可能になると共に、アンテナ装置の広帯域化や高利得化を図ることができる。なお、実施例の結果としては、９５０ＭＨｚ帯の結果が記載されている。

また、特許文献２には、アンテナ素子が給電部に接続された第１導体部と、第１導体部に折り返し部を介して接続された第２導体部とを有したアンテナ装置が記載されている。さらに、特許文献３には、素子保持部の上面に板状の放射素子を設けた逆Ｆアンテナを有するアンテナ装置が記載されている。

特許第４３２９５７９号公報（図９） 特開２００８−２５２２０１号公報 特開２０１０−７４４８９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に記載の技術では、高い周波数帯に使用する際にミアンダパターンの性能は確保可能であるが、低い周波数帯で調整しようとした場合、誘電体アンテナの先端に装荷される容量成分が小さくなり、アンテナの放射効率を改善するためには誘電体アンテナの実効長を長く（大型化）する必要があることから、小型化と高性能化との両立が困難になってしまう。
また、特許文献２に記載の技術では、折り返し部をアンテナ素子の３以上の奇数であるＮ次共振時における電位の節に位置させる必要があり、Ｎ次電流は強め合う場合があるが、複共振化され放射効率が分散し、全体的な放射効率の改善にはならない不都合がある。また、低い周波数帯で調整しようとした場合、さらに放射効率が劣化してしまうため、アンテナ素子を大きくする必要があり、小型化と高性能化との両立が困難になってしまう。
さらに、特許文献３に記載の技術では、素子保持部の側面に給電用及び短絡用の板状素子が必要であり、特に低い周波数帯で調整しようとした場合、各放射素子部及び素子保持部における長さ、高さが必要になり、上記文献と同様に小型化と高性能化との両立が困難になってしまう問題があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、低い周波数帯においても小型化と高性能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の発明に係るアンテナ装置は、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エレメントと、前記基板本体の表面に設けられていると共に前記アンテナエレメントの途中に接続された誘電体アンテナのアンテナ素子とを備え、前記アンテナエレメントが、前記グランド面から離間する方向に前記給電点から延在すると共に先端に前記離間する方向に延在する前記アンテナ素子の基端が接続された第１延在部と、前記アンテナ素子の先端に接続され該アンテナ素子の延在方向に直交する方向に延在する第２延在部と、該第２延在部の先端に基端が接続されていると共に前記アンテナ素子に沿って前記グランド面に向けて延在する第３延在部とを有していることを特徴とする。

このアンテナ装置では、アンテナエレメントが、アンテナ素子の延在方向に直交する方向に延在する第２延在部と、該第２延在部の先端に基端が接続されていると共にアンテナ素子に沿ってグランド面に向けて延在する第３延在部とを有しているので、放射抵抗が低下することなく、アンテナ素子の先端側（第３延在部）にインダクタンス成分と共に容量を装荷することができる。これにより、インダクタンス成分によりアンテナ実効長を延長すると同時に容量装荷による短縮効果が得られ、アンテナ素子側に流れる高周波電流を効果的に流すことができる。すなわち、アンテナの実効長を長くすることができ、小型化と高性能化とを実現することができる。したがって、アンテナ素子の先端に第２延在部と第３延在部とを設けた構成によって小型化できると共に、低い周波数帯においても広帯域化等の高性能化が可能になる。

第２の発明に係るアンテナ装置は、第１の発明において、前記第２延在部が、前記アンテナ素子の先端から該アンテナ素子の両側にそれぞれ延在し、前記第３延在部が、前記第２延在部の両端から前記アンテナ素子の両側に沿ってそれぞれ延在して一対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、第３延在部が、第２延在部の両端からアンテナ素子の両側に沿ってそれぞれ延在して一対設けられているので、アンテナ素子の片側にのみ第３延在部が配されている場合に比べて、アンテナ素子に装荷する容量を倍増させることができると共に、放射パターンをアンテナ素子に対して対称にすることができる。

第３の発明に係るアンテナ装置は、第１又は第２の発明において、前記第３延在部が、前記第１延在部よりも幅広に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、第３延在部が、第１延在部よりも幅広に形成されているので、装荷される容量が多くなり、より高性能化を図ることができる。

第４の発明に係るアンテナ装置は、第１から第３のいずれかの発明において、前記第２延在部が、前記第１延在部よりも幅広に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、第２延在部が、第１延在部よりも幅広に形成されているので、アンテナ素子の先端側に向けた方向（グランド面から離間する方向）への高周波電流を効率的に流すことが可能になる。

第５の発明に係るアンテナ装置は、第１から第４のいずれかの発明において、前記第３延在部が、前記アンテナ素子の基端の近傍まで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、第３延在部が、アンテナ素子の基端の近傍まで延在しているので、アンテナ素子との間の浮遊容量を最大限得ることができる。

第６の発明に係るアンテナ装置は、第１から第５のいずれかの発明において、前記第１延在部に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、第１延在部に受動素子が接続されているので、受動素子により共振周波数等の調整が可能になる。

第７の発明に係るアンテナ装置は、第１から第６のいずれかの発明において、前記アンテナエレメントが、前記第１延在部の途中に先端が接続されていると共に基端が前記給電点から離間した位置で前記グランド面に接続されている第３延在部を有し、該第４延在部にインピーダンス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、第４延在部にインピーダンス調整用受動素子が接続されているので、インピーダンス調整用受動素子によりインピーダンスの調整ができると共にグランド面への高周波電流の流れ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。
本発明のアンテナ装置によれば、アンテナエレメントが、アンテナ素子の延在方向に直交する方向に延在する第２延在部と、該第２延在部の先端に基端が接続されていると共にアンテナ素子に沿ってグランド面に向けて延在する第３延在部とを有しているので、放射抵抗が低下することなく、アンテナ素子の先端側にインダクタンス成分と共に容量を装荷することができる。
したがって、小型化できると共に低い周波数帯においても高利得化及び広帯域化等の高性能化が可能になる。

本発明に係るアンテナ装置の一実施形態において、アンテナ装置を示す平面図である。 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）および底面図（ｄ）である。 特許文献１のアンテナ装置（ａ）及び本実施形態のアンテナ装置（ｂ）の動作イメージを示すための説明図である。 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。 第２及び第３延在部が無いアンテナ装置であってアンテナ素子が横配置の比較例（ａ）及びアンテナ素子が縦配置の比較例（ｂ）と、本発明の実施例（ｃ）とを示す要部の簡略的な平面図である。 図７に示す各アンテナ装置（アンテナ素子：横配置（容量装荷：無）、アンテナ素子：縦配置（容量装荷：無）、アンテナ素子：縦配置（容量装荷：有））において、帯域幅及びアンテナ利得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４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、基板本体２の表面に銅箔等の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の表面に銅箔等で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エレメント３と、基板本体２の表面に設けられていると共にアンテナエレメント３の途中に接続された誘電体アンテナのアンテナ素子ＡＴとを備えている。

上記アンテナエレメント３は、グランド面ＧＮＤから離間する方向に給電点ＦＰから延在すると共に先端に前記離間する方向に延在するアンテナ素子ＡＴの基端が接続された第１延在部３ａと、アンテナ素子ＡＴの先端に接続され該アンテナ素子ＡＴの延在方向に直交する方向に延在する第２延在部３ｂと、該第２延在部３ｂの先端に基端が接続されていると共にアンテナ素子ＡＴに沿ってグランド面ＧＮＤに向けて延在する第３延在部３ｃと、第１延在部３ａの途中に先端が接続されていると共に基端が給電点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４延在部３ｄを有している。

上記第２延在部３ｂは、第１延在部３ａよりも幅広に形成されている。
また、この第２延在部３ｂは、アンテナ素子ＡＴの先端から該アンテナ素子ＡＴの両側にそれぞれ延在し、第３延在部３ｃは、第２延在部３ｂの両端からアンテナ素子ＡＴの両側に沿ってそれぞれ延在して一対設けられている。すなわち、アンテナ素子ＡＴを囲むように、第２延在部３ｂと一対の第３延在部３ｃとが配されている。
これらの第３延在部３ｃは、第１延在部３ａよりも幅広に形成されている。さらに、第３延在部３ｃは、アンテナ素子ＡＴの基端の近傍まで延在している。すなわち、一対の第３延在部３ｃは、アンテナ素子ＡＴと略同じ長さで延在している。

上記第１延在部３ａの途中には、直接に接続された第１受動素子Ｐ１及び第２受動素子Ｐ２が接続されている。
また、上記第４延在部３ｄの途中には、インピーダンス調整用受動素子Ｐ３が接続されている。
上記第１受動素子Ｐ１，第２受動素子Ｐ２及びインピーダンス調整用受動素子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。

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。
上記グランド面ＧＮＤには、無線回路である高周波回路等が設けられる。

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、近傍のグランド面ＧＮＤ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。なお、給電点ＦＰ（第１延在部３ａの基端）は、対向するグランド面ＧＮＤの端辺の中央近傍に設定されている。

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３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、導体パターンの形状等が選択される。なお、本実施形態のアンテナ素子ＡＴのサイズは、横幅：１０．５ｍｍ、奥行き：３．０ｍｍ、高さ：０．８ｍｍである。
このアンテナ素子ＡＴは、上述したように第１延在部３ａの延在方向に延在してグランド面ＧＮＤから離間する方向に向けて設置されている。すなわち、アンテナ素子ＡＴは、対向するグランド面ＧＮＤの端辺に直交する方向に向けて配されている。

このアンテナ装置１において高周波電流の流れは、図２に示すように、アンテナエレメント３側に流れる高周波電流の流れＩａと、グランド面ＧＮＤ側に流れる高周波電流の流れＩｇとの２つの流れが生じる。
例えば、上記第２延在部３ｂと第３延在部３ｃとが無い場合であって低い周波数帯の場合には、アンテナの使用周波数の波長に対して、グランド面ＧＮＤのサイズが小さい場合が多いため、グランド面ＧＮＤ側への高周波電流Ｉｇを効果的に流すことが困難となる。

また、アンテナの使用周波数の波長が長いため、波長に対してアンテナ素子ＡＴのサイズも小さくなってしまい、アンテナエレメント３側へ流れる高周波電流Ｉａよりも高周波電流Ｉｇの方へ多く流れてしまい、十分なアンテナ性能を確保できない。さらに、アンテナエレメント３側へ流れる高周波電流Ｉａを増やそうとした場合にも、アンテナ素子ＡＴを大型化する必要があり、小型化、薄型化等を行う際に容易に特性を改善することが困難である。

これに対して、本実施形態では、ローディング素子であるアンテナ素子ＡＴの先端に第２延在部３ｂと第３延在部３ｃとの配線パターンを追加し、インダクタンス成分と共に、第３延在部３ｃとグランド面ＧＮＤとの間の浮遊容量Ｃａ，Ｃｂと、第３延在部３ｃとアンテナ素子ＡＴとの間の浮遊容量Ｃｃ，Ｃｄとを装荷している。これにより、高インピーダンスとなるアンテナ素子ＡＴの先端にインダクタンス成分及び容量成分が装荷されるため、インダクタンス成分でアンテナ実効長を延長すると同時に容量装荷による短縮効果が得られ、アンテナエレメント３側に流れる高周波電流Ｉａが効果的に流れる。

図４の（ａ）に示す特許文献１に記載のアンテナ装置では、給電点ＦＰから延びた逆Ｌ型のアンテナエレメントを有する従来の１／４波長タイプのアンテナ装置に比べて、より良好なアンテナ性能を得ることができる。しかしながら、低い周波数帯で使用する場合、アンテナ素子ＡＴの放射抵抗が下がってしまい、第１及び第２受動素子Ｐ１，Ｐ２による損失分が増大してしまうことで、十分なアンテナ性能を確保することができない。

これに対して、図４の（ｂ）に示す本実施形態のアンテナ装置１では、アンテナ素子ＡＴの先端に容量を装荷するので、アンテナ素子ＡＴの放射抵抗を上げると共に、第１及び第２受動素子Ｐ１，Ｐ２による損失分を低減し、高いアンテナ性能を確保することができる。また、アンテナ素子ＡＴをグランド面ＧＮＤに対して垂直（縦）配置にすることにより、アンテナ素子ＡＴとグランド面ＧＮＤとの間の浮遊容量の代わりにアンテナ素子ＡＴの両側に配された一対の第３延在部３ｃとの浮遊容量Ｃｃ，Ｃｄが発生するため、アンテナ素子ＡＴの放射抵抗を改善することができる。これにより、アンテナ素子ＡＴの放射抵抗を下げることができると共に、第１受動素子Ｐ１及び第２受動素子Ｐ２による損失分を低減することができ、高いアンテナ性能を確保することができる。なお、その際の装荷する容量成分は、大きいことが望ましい。

このように本実施形態のアンテナ装置１では、アンテナエレメント３が、アンテナ素子ＡＴの延在方向に直交する方向に延在する第２延在部３ｂと、該第２延在部３ｂの先端に基端が接続されていると共にアンテナ素子ＡＴに沿ってグランド面ＧＮＤに向けて延在する第３延在部３ｃとを有しているので、放射抵抗が低下することなく、アンテナ素子ＡＴの先端側（第３延在部３ｃ）にインダクタンス成分と共に容量を装荷することができる。したがって、アンテナ素子ＡＴの先端に第２延在部３ｂと第３延在部３ｃとを設けた構成によって小型化できると共に、低い周波数帯においても広帯域化等の高性能化が可能になる。

また、第３延在部３ｃが、第２延在部３ｂの両端からアンテナ素子ＡＴの両側に沿ってそれぞれ延在して一対設けられているので、アンテナ素子ＡＴの片側にのみ第３延在部３ｃが配されている場合に比べて、アンテナ素子ＡＴに装荷する容量を倍増させることができると共に、放射パターンをアンテナ素子ＡＴに対して対称にすることができる。

また、第３延在部３ｃが、第１延在部３ａよりも幅広に形成されているので、装荷される容量が多くなり、より高性能化を図ることができる。
さらに、第２延在部３ｂが、第１延在部３ａよりも幅広に形成されているので、アンテナ素子ＡＴの先端側に向けた方向（グランド面ＧＮＤから離間する方向）への高周波電流Ｉａを効率的に流すことが可能になる。

また、第３延在部３ｃが、アンテナ素子ＡＴの基端の近傍まで延在しているので、アンテナ素子ＡＴとの間の浮遊容量を最大限得ることができる。
また、第１延在部３ａに第１受動素子Ｐ１及び第２受動素子Ｐ２が接続されているので、これらの受動素子により共振周波数等の調整が可能になる。
さらに、第４延在部３ｄにインピーダンス調整用受動素子Ｐ３が接続されているので、インピーダンス調整用受動素子Ｐ３によりインピーダンスの調整ができると共にグランド面ＧＮＤへの高周波電流の流れＩｇを抑制することができる。

次に、上記本発明の実施形態に基づいて作製したアンテナ装置の実施例について、ＶＳＷＲ特性（電圧定在波比）と放射パターンとを測定した結果を、図５及び図６を参照して説明する。
なお、第１延在部３ａ及びアンテナ素子ＡＴの延在方向を−Ｘ方向とし、基板本体２の面内で第１延在部３ａ及びアンテナ素子ＡＴの延在方向に直交する方向をＹ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測定した。

また、各受動素子は、第１受動素子Ｐ１：４７ｎＨ、第２受動素子Ｐ２：７５ｎＨ、インピーダンス調整用受動素子Ｐ３：２０ｎＨのいずれもインダクタを使用した。
これらの結果からわかるように、ＶＳＷＲは１．２４（共振周波数：３１５ＭＨｚ）、帯域幅は１９．６ＭＨｚ（ＶＳＷＲ≦３．０）と良好なアンテナ利得（電力利得（ＡＶＥ値）：−１０．９ｄＢｉ）及び広帯域化が得られている。

次に、図７に示すように、第２延在部３ｂ及び第３延在部３ｃが無いアンテナ装置であって、アンテナ素子ＡＴがグランド面ＧＮＤに沿って延在した比較例（ａ：アンテナ素子：横配置（容量装荷：無））及びアンテナ素子ＡＴがグランド面ＧＮＤから離間する方向に延在した比較例（ｂ：アンテナ素子：縦配置（容量装荷：無））と、本発明の実施例（ｃ：アンテナ素子：縦配置（容量装荷：有）とにおいて、帯域幅及びアンテナ利得を比較したグラフを図８に示す。
なお、いずれも受動素子は上記実施形態のアンテナ装置（本発明の実施例）と同様のものを使用した。

これらの結果からわかるように、アンテナ素子ＡＴが横配置のアンテナ装置（比較例（ａ））では、アンテナ利得（平均利得：Ｇａｉｎ）：−１６．４ｄＢｉ、帯域幅（ＢＷ）：１０．０ＭＨｚであり、アンテナ素子ＡＴが縦配置のアンテナ装置（比較例（ｂ））では、アンテナ利得（平均利得：Ｇａｉｎ）：−１４．９ｄＢｉ、帯域幅（ＢＷ）：１２．８ＭＨｚであったのに対し、容量装荷した本発明のアンテナ装置（実施例（ｃ））では、アンテナ利得（平均利得：Ｇａｉｎ）：−１０．９ｄＢｉ、帯域幅：１９．６ＭＨｚであり、帯域幅及びアンテナ利得が向上している。すなわち、本発明の実施例では、比較例（ａ）に比べてアンテナ利得：５．５ｄＢ、帯域幅：２．０倍に改善されている。

なお、本発明は上記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。

１…アンテナ装置、２…基板本体、３…アンテナエレメント、３ａ…第１延在部、３ｂ…第２延在部、３ｃ…第３延在部、３ｄ…第４延在部、ＡＴ…アンテナ素子、ＦＰ…給電点、ＧＮＤ…グランド面、Ｐ１…第１受動素子、Ｐ２…第２受動素子、Ｐ３…インピーダンス調整用受動素子

Claims (7)

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エレメントと、
   前記基板本体の表面に設けられていると共に前記アンテナエレメントの途中に接続された誘電体アンテナのアンテナ素子とを備え、
   前記アンテナエレメントが、前記グランド面から離間する方向に前記給電点から延在すると共に先端に前記離間する方向に延在する前記アンテナ素子の基端が接続された第１延在部と、
   前記アンテナ素子の先端に接続され該アンテナ素子の延在方向に直交する方向に延在する第２延在部と、
   該第２延在部の先端に基端が接続されていると共に前記アンテナ素子の側に沿って前記グランド面に向けて延在する第３延在部とを有し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、
   前記第２延在部が、前記アンテナ素子の先端から該アンテナ素子の両側にそれぞれ延在し、
   前記第３延在部が、前記第２延在部の両端から前記アンテナ素子の両側に沿ってそれぞれ延在して一対設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１又は２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延在部よりも幅広に形成さ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、
   前記第２延在部が、前記第１延在部よりも幅広に形成されていることを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
   前記第３延在部が、前記アンテナ素子の基端の近傍まで延在していることを特徴とするアンテナ装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
   前記第１延在部に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。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
   前記アンテナエレメントが、前記第１延在部の途中に先端が接続されていると共に基端が前記給電点から離間した位置で前記グランド面に接続されている第４延在部を有し、
   該第４延在部にインピーダンス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。