JP5929274B2 - ANTENNA DEVICE AND ELECTRONIC DEVICE - Google Patents
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本発明はアンテナ装置及び電子機器に関するものである。 The present invention relates to an antenna device and an electronic apparatus.
車載又はポータブルナビゲーションシステムなどで使用されるGPS(Global Positioning System)のアンテナとしては、通常、パッチアンテナが用いられている。このパッチアンテナは、誘電体上に放射電極が形成された構造を有しており、GND基板の上に設置される。
このパッチアンテナは利得特性が良く、GPS等の円偏波の電波を受信するのに適している一方で、アンテナの1辺の長さを、受信周波数において実行誘電率εeで波長短縮された波長の1/2、すなわち、λ/2×1/√εeの長さとしなければならない。そのため、腕時計などに、GPS等の円偏波の電波を受信するパッチアンテナを組み込む場合、腕時計の中でパッチアンテナが大きな体積を占め、その分、腕時計のサイズが大きくなってしまうという問題がある。
他方、パッチアンテナよりも形状的に小さいアンテナとして誘電体チップアンテナがある。しかし、誘電体チップアンテナは直線偏波のアンテナであるため、GPS等の円偏波の電波を受信した場合、同一条件でも、受信能力が円偏波アンテナの半分となってしまうという問題がある。
これに対し、2つの誘電体チップアンテナで構成されるアンテナ装置がある(例えば、特許文献1)。このアンテナ装置は、2つの誘電体チップアンテナを長手方向同士が互いに直交するように配置し、マイクロストリップ線路で形成された位相器によって、2つの誘電体チップアンテナのアンテナ給電部に入る信号位相を90°ずらすことで円偏波に対応させた構造となっている。
As a GPS (Global Positioning System) antenna used in a vehicle-mounted or portable navigation system, a patch antenna is usually used. This patch antenna has a structure in which a radiation electrode is formed on a dielectric, and is installed on a GND substrate.
While this patch antenna has good gain characteristics and is suitable for receiving circularly polarized radio waves such as GPS, the wavelength of one side of the antenna is shortened by the effective dielectric constant εe at the reception frequency. Of λ / 2 × 1 / √εe. For this reason, when a patch antenna that receives circularly polarized radio waves such as GPS is incorporated in a wristwatch or the like, the patch antenna occupies a large volume in the wristwatch, and the size of the wristwatch increases accordingly. .
On the other hand, there is a dielectric chip antenna as an antenna that is smaller in shape than the patch antenna. However, since the dielectric chip antenna is a linearly polarized antenna, there is a problem that when receiving a circularly polarized radio wave such as GPS, the receiving capability is half that of the circularly polarized antenna even under the same conditions. .
On the other hand, there is an antenna device composed of two dielectric chip antennas (for example, Patent Document 1). In this antenna device, two dielectric chip antennas are arranged so that their longitudinal directions are orthogonal to each other, and a signal phase entering the antenna feeding section of the two dielectric chip antennas is changed by a phase shifter formed of a microstrip line. It has a structure corresponding to circular polarization by shifting by 90 °.
ところで、特許文献1に開示されたアンテナ装置では、2つの誘電体チップアンテナを長手方向同士が互いに直交するように配置しなければならず、大きな実装面積が必要となる。
また、2つの誘電体チップアンテナの電流はL字状の電流経路で振動するため、円状の電流とはならず、軸比特性の良い円偏波特性のアンテナ装置とすることは困難であった。この理由は、誘電体チップアンテナは、高い誘電率の誘電体を使用するため電気長が短く、位相を90°ずらして2つの誘電体チップアンテナに給電を行ったとしても、回路基板の面積全体に対して円偏波になるような電流分布とすることができないことによる。
さらに、2つの誘電チップアンテナで円偏波特性を得るためには、2つの誘電体チップアンテナをある程度近傍位置に配置しなければならないが、腕時計等では回路基板が小さいため、設計上の制約が多かった。
By the way, in the antenna device disclosed in
Also, since the current of the two dielectric chip antennas vibrates in an L-shaped current path, it does not become a circular current, and it is difficult to make an antenna device having a circular polarization characteristic with good axial ratio characteristics. there were. This is because the dielectric chip antenna uses a dielectric having a high dielectric constant, so that the electrical length is short, and even if power is supplied to the two dielectric chip antennas by shifting the phase by 90 °, the entire area of the circuit board In contrast, the current distribution cannot be circularly polarized.
In addition, in order to obtain circular polarization characteristics with two dielectric chip antennas, the two dielectric chip antennas must be arranged in a position close to a certain extent. There were many.
本発明は、かかる問題点に鑑みなされたもので、基板面積が小さい実装条件でも、円偏波の電波に対して送受信特性を向上させることができるアンテナ装置及び電子機器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an antenna device and an electronic apparatus that can improve transmission / reception characteristics with respect to circularly polarized radio waves even under mounting conditions with a small substrate area. To do.
本発明に係るアンテナ装置は、
誘電体チップアンテナと、
フィルムアンテナと、
前記誘電体チップアンテナと前記フィルムアンテナとが搭載される回路基板と、
を備え、
前記誘電体チップアンテナと前記フィルムアンテナとは、前記回路基板の主面に直交する法線方向の偏波面が互いにほぼ直交するように配置されており、円偏波特性を有するように給電点から所定の位相差で給電されることを特徴とする。
また、本発明に係る電子機器は、このアンテナ装置を電子機器本体に備えることを特徴とする。
The antenna device according to the present invention is
A dielectric chip antenna;
A film antenna,
A circuit board on which the dielectric chip antenna and the film antenna are mounted;
With
The dielectric chip antenna and the film antenna are arranged such that normal polarization planes orthogonal to the main surface of the circuit board are substantially orthogonal to each other, and have a circular polarization characteristic. The power is fed with a predetermined phase difference .
An electronic apparatus according to the present invention includes the antenna device in an electronic apparatus main body.
本発明によれば、1つの誘電体チップアンテナだけを回路基板の上に設ければ足り、フィルムアンテナにおけるアンテナエレメントのアンテナ主部が回路基板の外側に位置しているため、回路基板の上に2つのアンテナを設ける場合に比べて、基板面積が小さくて済むことになる。
また、誘電体チップアンテナとフィルムアンテナとは、回路基板の主面に直交する法線方向の偏波面が互いにほぼ直交するように配置され、円偏波特性となるように所定の位相差をもって給電されているので、小さな基板面積でも、GPS等の円偏波の電波に対して優れた送受信特性を有することになる。
According to the present invention, it is sufficient to provide only one dielectric chip antenna on the circuit board, and the antenna main part of the antenna element in the film antenna is located outside the circuit board. Compared with the case where two antennas are provided, the board area is small.
In addition, the dielectric chip antenna and the film antenna are arranged so that the polarization planes in the normal direction orthogonal to the main surface of the circuit board are almost orthogonal to each other, and have a predetermined phase difference so as to have circular polarization characteristics. Since power is supplied, even a small board area has excellent transmission / reception characteristics for circularly polarized radio waves such as GPS.
(第1実施形態)
図1は、本発明に係るアンテナ装置の実施形態を示した斜視図であり、図2は、アンテナ装置の平面図である。
この実施形態のアンテナ装置100は、2つのアンテナを有しており、このうち1つのアンテナは、回路基板10の上に設置された誘電体チップアンテナ20であり、他の1つのアンテナは、回路基板10の外側位置に設置されたフィルムアンテナ30である。後者のフィルムアンテナ30は逆Fアンテナとして構成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of an antenna device according to the present invention, and FIG. 2 is a plan view of the antenna device.
The antenna device 100 of this embodiment has two antennas, one of which is a
この誘電体チップアンテナ20の長手方向とフィルムアンテナ30の長手方向とは、直交状態で、回路基板10の主面に直交する法線方向の偏波面が互いにほぼ直交するように設定されている。
The longitudinal direction of the
そして、回路基板10の上に設置される給電点11にはT分岐された伝送線路12が接続され、このT分岐された一方の分岐部を構成する伝送線路12aは誘電体チップアンテナ20の給電部21aに接続され、他方の分岐部を構成する伝送線路12bは端子T1を介してフィルムアンテナ30の給電部32cに接続されている。
なお、図2において符号40は整合回路を示している。
A T-
In FIG. 2,
この場合、給電点11から給電部21aに至る伝送線路長と、給電点11から給電部32cに至る伝送線路長とが互いに異なるように設定されている。そして、アンテナ装置100を円偏波のアンテナとして機能させるために、給電部11から給電部21aへの給電と、給電部11から給電部32cへの給電との間に、位相差を生じさせている。
通常、アンテナ装置100を円偏波のアンテナとして機能させるためには、給電部31cの信号位相が給電部21aの信号位相に対して90°遅れた関係となるように、伝送線路長が設定される(右偏波特性の場合)。
ただし、実際上は、回路基板10の上の電流分布は、回路基板10の形状やアンテナの配置によって変化する。したがって、円偏波特性を得るためには90°の位相差が適切とは限らない。そこで、このような場合には、円偏波特性を得るのに最も適切な位相差となるように、伝送線路の長さを調整することが必要である。
なお、位相差の調整については、伝送線路長の調整に代えて、位相器を用いて調整することも可能である。
In this case, the transmission line length from the
Usually, in order for the antenna device 100 to function as a circularly polarized antenna, the transmission line length is set so that the signal phase of the power feeding unit 31c is 90 ° behind the signal phase of the
However, in practice, the current distribution on the
The phase difference can be adjusted using a phase shifter instead of adjusting the transmission line length.
次に、誘電体チップアンテナ20及びフィルムアンテナ30について説明する。
誘電体チップアンテナ20は、逆Fアンテナとなる導体パターンをヘリカル状に誘電体の表面に形成したものである。なお、導体パターンをヘリカルアンテナ状に形成するタイプであってもよい。
Next, the
The
一方、フィルムアンテナ30は上述のように逆Fアンテナとして構成されている。このフィルムアンテナ30は、フィルム31と、フィルム31の上に貼り付けられた銅箔等の平面状の導体からなるアンテナエレメント32とから構成されている。
On the other hand, the
このうちフィルム31は、FPC(Flexible Print Circuit)のフィルムであり、ポリイミド等の絶縁体により構成されている。このフィルム31は、フィルムアンテナ30の実装時には、図1に示すように折り曲げられる。
このフィルム31を折り曲げ前の状態(展開状態)で見ると、図2に示すように、このフィルム31は、長尺のフィルム主体31aと、このフィルム主体31aの一端部で当該フィルム主体31aに対して直交する一方向に延在する短尺のフィルム延出部31bを備え、フィルム31の主面に直交する方向から見た場合、全体として、L字状を成している。
また、このフィルム31は、展開状態で且つフィルム31の主面に直交する方向から見た場合、フィルム主体31aが回路基板10の一辺に平行に延在し、フィルム延出部31bがフィルム主体31aの一端部から回路基板10に向けて延在した形となっている。
Of these films, the
When the
Further, when the
一方、フィルム31の上のアンテナエレメント32は、長尺のアンテナ主体32aと、このアンテナム主体32aの一端部で当該アンテナ主体32aに対して直交する一方向に延在する短尺の短絡部32b及び給電部32cを有している。短絡部32bと給電部32cとの間には所定の間隔が設けられている。
このうち、アンテナ主体32aは、長手方向が互いに合致するように、フィルム31のフィルム主体31aに形成されている。その結果、このアンテナ主体31aは回路基板10の一辺に平行に延在している。また、短絡部32b及び給電部32cは、フィルム31のフィルム主体31a及びフィルム延出部31bに亘って形成されている。
そして、短絡部32bは端子T2を介して回路基板10のGND層に接続され、また、給電部32cは端子T1を介して回路基板10の伝送線路12bに接続されている。
On the other hand, the
Among these, the antenna
And the
次に、アンテナエレメント32のサイズについて説明する。
受信する電波の波長をλとし、フィルム31の誘電率をεeとすれば、アンテナの波長λgは、λg=λ/√(εe)のように波長短縮される。
そして、波長短縮された波長λgに対して、フィルムアンテナ30のアンテナエレメント(放射素子)32の長さ(短絡部31bを含めた長さ)はλg/4の関係に立つ。
そこで、実施形態のアンテナ装置100では、上記関係を満たすように、フィルム31の誘電率及びフィルムアンテナ30の放射素子の長さが決められている。
一方、アンテナエレメント32の短絡部32b及び給電部32cの位置及び長さは、アンテナの入力インピーダンスが約50Ωとなるように調整されている。
Next, the size of the
If the wavelength of the received radio wave is λ and the dielectric constant of the
The length of the antenna element (radiating element) 32 of the film antenna 30 (the length including the short-circuited
Therefore, in the antenna device 100 of the embodiment, the dielectric constant of the
On the other hand, the positions and lengths of the short-
次に、本実施形態のアンテナ装置100のフィルムアンテナ30の実装方法について説明する。
このフィルムアンテナ30は、例えば折り曲げ前の状態で、回路基板10に取り付けられる。
具体的には、折り曲げ前のフィルムアンテナ30を用意する(アンテナ準備工程)。
そして、図3(A)に示すように、フィルムアンテナ30の短絡部32bを端子T2を介して回路基板10のGND層に接続すると共に、給電部32cを端子T1を介して回路基板10の伝送線路12bに接続して、フィルムアンテナ30を回路基板10に取り付ける(アンテナ取り付け工程)。
次に、図3(B)に示すように、このフィルムアンテナ30を、短絡部32b及び給電部32cの途中で、フィルム主体31aの主面が回路基板10の主面とほぼ直角となるように折り曲げる(アンテナ折り曲げ工程)。
なお、ここではフィルムアンテナ30はアンテナ接続工程後に折り曲げられたが、アンテナ接続工程前に折り曲げてもよい。
また、フィルムアンテナ30を折り曲げる場合、回路基板10のGND層等の導体との間に、ある程度のクリアランスを設けて、アンテナ特性への悪影響を防止することが好ましい。
Next, a method for mounting the
The
Specifically, the
Then, as shown in FIG. 3A, the short-
Next, as shown in FIG. 3B, the
Here, the
When the
次に、このアンテナ装置100の電流分布のシミュレーション結果について説明する。
ここでは、給電部32cの信号位相を給電部21aの信号位相に対して0°、45°、90°のように段階的に遅らせてシミュレーションを行った。
これによって次のようなシミュレーション結果が得られた。
入力する交流電流(1.57542GHz)の位相差を0°とした場合には、誘電体チップアンテナ20の電流密度が高く、フィルムアンテナ30の電流密度が低くなった。また、入力する交流電流の位相差を45°にした場合には、電流密度が高い部分が誘電体チップアンテナ20からフィルムアンテナ30寄りに移行した。さらに、位相差を90°にした場合には、フィルムアンテナ30の電流密度が高く、誘電体チップアンテナ20の電流密度が低くなった。
このことから、電流密度が高い部分は、左回りに回転し、アンテナ特性として右偏波特性を有していることが確認された。
Next, the simulation result of the current distribution of the antenna device 100 will be described.
Here, the simulation was performed by delaying the signal phase of the
As a result, the following simulation results were obtained.
When the phase difference of the input alternating current (1.57542 GHz) was 0 °, the current density of the
From this, it was confirmed that the portion where the current density is high rotates counterclockwise and has the right polarization characteristic as the antenna characteristic.
以上の説明からも明らかなように、このアンテナ装置100によれば、次のような効果が得られる。
このアンテナ装置100によれば、回路基板10には誘電体チップアンテナ20を1つ設け、回路基板10の外側位置にフィルムアンテナ30を設けている。このように、1つの誘電体チップアンテナ20だけを回路基板10の上に設ければ足りるため、回路基板10に2つのアンテナを設ける場合に比べて、基板面積が小さくて済むことになる。
また、誘電体チップアンテナ20とフィルムアンテナ30とは、回路基板10の主面に直交する法線方向の偏波面が互いにほぼ直交するように配置され、円偏波特性となるように所定の位相差をもって給電されているので、小さな基板面積でも、GPS等の円偏波の電波に対して優れた送受信特性を有することになる。
また、アンテナ主部32aの主面が回路基板10の主面に対してほぼ垂直となるように配置されているので、回路基板10の主面に沿った方向の実装面積を小さくすることができる。
As apparent from the above description, according to the antenna device 100, the following effects can be obtained.
According to this antenna device 100, one
In addition, the
Further, since the main surface of the antenna
図4は、アンテナ装置100の変形例を示している。この変形例では、フィルムアンテナ30が回路基板10の対向する一辺よりも長い場合、回路基板10の側面に沿って湾曲させている。このようにすれば、回路基板10の周囲に近接して、電子機器の機器本体の壁がある場合でも対応できる。
FIG. 4 shows a modification of the antenna device 100. In this modification, when the
図5は、このアンテナ装置100を適用した腕時計を示し、図6はそのアンテナ装置100の要部を示し、図7は図5のVII−VII線に沿った断面を示している。
この適用例は、アンテナ装置100を腕時計200に搭載したものである。
この腕時計200では、回路基板10が平面視でほぼ円形を有しており、この回路基板10に誘電体チップアンテナ20、フィルムアンテナ30及びその他のアンテナ要素が設けられている。この回路基板10は、樹脂製の時計ケース202内に配置される時計モジュール203に組み込まれている。
ここで、誘電体チップアンテナ20は、指針式時計の12時方向に設置されている。一方、フィルムアンテナ30は、フィルム31のフィルム主体31aが回路基板10の主面と直交するように、フィルム31の短絡部32b及び給電部32cの途中で時計ガラス204の方向に折り曲げられ、回路基板10の外周のうち腕時計200の操作ボタン201とは反対となる外周に沿わせるように弧状に湾曲されている。そして、このフィルムアンテナ30は、時計モジュール203とモジュール押さえ205との隙間に時計ケース202に沿わせるように配置されている。
なお、この場合に所望の円偏波特性とするために、図8に示すように、回路基板10の中心と、誘電体チップアンテナ20の面のうちで回路基板10の中心側を向く面の両端とを結ぶ2つの線によって区分される領域A1と、回路基板10の中心と、フィルムアンテナ30の長尺方向の両端とを結ぶ2つの線によって区分される領域A2とが重ならず、その間に所定の隙間Gが形成されるようにしておくことが必要である。
FIG. 5 shows a wristwatch to which the antenna device 100 is applied, FIG. 6 shows a main part of the antenna device 100, and FIG. 7 shows a cross section taken along line VII-VII in FIG.
In this application example, the antenna device 100 is mounted on a
In the
Here, the
In this case, in order to obtain a desired circular polarization characteristic, as shown in FIG. 8, the surface of the center of the
このように構成された腕時計200では、次のような効果が得られる。
すなわち、上記アンテナ装置100の効果に加えて、フィルムアンテナ30の折り曲げ方向が時計ガラス43の方向となっているため、腕時計200の裏蓋が金属で形成される場合には、フィルムアンテナ30のアンテナエレメント32を金属製の裏蓋から遠ざけることができるし、また、人の腕からも遠ざけることができるので、それらに基づくアンテナ特性の低下を防止することができる。
また、フィルムアンテナ30は、腕時計200の操作ボタン201とは反対となる外周に沿わせて設置されているので、操作ボタン201の配置の邪魔となることはなく、しかも、操作ボタン201が金属製で形成される場合には、フィルムアンテナ30のアンテナエレメント32を金属製の操作ボタン201から遠ざけることができる
The
That is, in addition to the effect of the antenna device 100, since the folding direction of the
Further, since the
以下に、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲に記載した発明を付記する。付記に記載した請求項の項番は、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲の通りである。
〔付記〕
<請求項1>
2つのアンテナを備えるアンテナ装置であって、
前記2つのアンテナのうちの一方のアンテナは、誘電体チップアンテナであって回路基板に実装され、
前記2つのアンテナのうちの他方のアンテナは、逆Fアンテナを構成するフィルムアンテナであって前記回路基板に実装されアンテナエレメントのアンテナ主部が回路基板の外側に位置し、
前記2つのアンテナは、前記回路基板の主面に直交する法線方向の偏波面が互いにほぼ直交するように配置され、
前記2つのアンテナには、円偏波特性を有するように給電点から所定の位相差で給電が行われることを特徴とするアンテナ装置。
<請求項2>
前記フィルムアンテナは、前記アンテナエレメントの給電部及び短絡部の箇所で折り曲げられ、前記アンテナ主部の主面が前記回路基板の主面に対してほぼ垂直となるように配置されていることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
<請求項3>
請求項1又は2に記載のアンテナ装置を電子機器本体に備えることを特徴とする電子機器。
<請求項4>
前記電子機器本体の側面の一部には操作ボタンが設けられ、
前記フィルムアンテナは、前記回路基板の側面のうちで前記操作ボタンが設けられていない側面に沿って配置されていることを特徴とする請求項3に記載の電子機器。
The invention described in the scope of claims attached to the application of this application will be added below. The item numbers of the claims described in the appendix are as set forth in the claims attached to the application of this application.
[Appendix]
<Claim 1>
An antenna device comprising two antennas,
One of the two antennas is a dielectric chip antenna mounted on a circuit board,
The other antenna of the two antennas is a film antenna constituting an inverted-F antenna and is mounted on the circuit board, and the antenna main part of the antenna element is located outside the circuit board,
The two antennas are arranged so that the polarization planes in the normal direction orthogonal to the main surface of the circuit board are substantially orthogonal to each other,
The antenna device, wherein the two antennas are fed with a predetermined phase difference from a feeding point so as to have circular polarization characteristics.
<Claim 2>
The film antenna is bent at a position of a feeding portion and a short-circuit portion of the antenna element, and is arranged so that a main surface of the antenna main portion is substantially perpendicular to a main surface of the circuit board. The antenna device according to
<Claim 3>
An electronic device comprising the antenna device according to
<Claim 4>
An operation button is provided on a part of the side surface of the electronic device body,
The electronic apparatus according to claim 3, wherein the film antenna is disposed along a side surface of the circuit board on which the operation button is not provided.
10 回路基板
20 誘電体チップアンテナ
30 フィルムアンテナ
31 フィルム
32 アンテナエレメント
100 アンテナ装置
200 腕時計
DESCRIPTION OF
Claims (6)
フィルムアンテナと、
前記誘電体チップアンテナと前記フィルムアンテナとが搭載される回路基板と、
を備え、
前記誘電体チップアンテナと前記フィルムアンテナとは、前記回路基板の主面に直交する法線方向の偏波面が互いにほぼ直交するように配置されており、円偏波特性を有するように給電点から所定の位相差で給電されることを特徴とするアンテナ装置。 A dielectric chip antenna;
A film antenna,
A circuit board on which the dielectric chip antenna and the film antenna are mounted;
With
The dielectric chip antenna and the film antenna are arranged such that normal polarization planes orthogonal to the main surface of the circuit board are substantially orthogonal to each other, and have a circular polarization characteristic. The antenna device is fed with a predetermined phase difference from the antenna device.
前記フィルムアンテナは、前記回路基板の側面のうちで前記操作ボタンが設けられていない側面に沿って配置されていることを特徴とする請求項5に記載の電子機器。 An operation button is provided on a part of the side surface of the electronic device body,
The electronic apparatus according to claim 5, wherein the film antenna is disposed along a side surface of the circuit board on which the operation button is not provided.
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