JP5969821B2

JP5969821B2 - アンテナ装置

Info

Publication number: JP5969821B2
Application number: JP2012120139A
Authority: JP
Inventors: 高崎　厚志; 厚志高崎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: JP2013247526A; US20130314285A1

Description

本発明はアンテナ装置に関する。

近年、無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の無線通信機能を備えたパーソナルコンピュータをはじめとする小型の電子機器が普及してきている。無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈなどの無線通信には、例えば２．４ＧＨｚ帯や５ＧＨｚ帯の電波が使用される。無線通信機能を備えたパーソナルコンピュータでは、無線通信用のアンテナを内蔵しており、そのアンテナの形式として、例えばモノポールアンテナ、ヘリカルアンテナ、逆Ｆアンテナ、パッチアンテナなど、種々のアンテナが採用されている。

これらの各種アンテナは、電子機器の小型化やデザイン性の向上を目的として機器内の限られた空間への実装を余儀なくされると共に、コストの低減も要求されている。このデザイン性の向上と低コスト化のため、アンテナは、単独で製品筐体から突出する形で実装されずに、例えば無線モジュールチップと同一の基板上に部品として実装され、外観からはアンテナと判断できない様に製品筐体の内部に配置されることが多い。しかし、小型電子機器においてアンテナを内蔵した場合、アンテナの周囲に十分な空間を確保できないため、アンテナに近接配置された部材によってアンテナの共振状態が変化し、アンテナ単体での周波数特性と実装時の特性が異なってしまうという問題があった。すなわち、アンテナの周辺に金属部品が存在すると、例えば、アンテナからの電磁波でその金属部品に電流が誘起されることや、周辺の金属部品との間で余計な静電容量などが発生することにより、アンテナの共振特性が変化してしまうという問題があった。

一般に、無線機器は、使用に際しては電波法に定められた試験を受験し、許認可を受ける必要がある。しかしながら、実装環境による特性変動は製品ごとに異なる事が多いため、機能部品としての無線モジュールを異なるメカ構成の製品に順次搭載する場合は、上述のような理由ではじめに最適化した特定の製品以外では性能が低下する場合があった。

パッチアンテナは、このような周辺環境からの影響でもアンテナ特性が比較的変動し難いが、それでも変動しないわけではない。このため、複数製品で共用する場合には、やはり各製品の実装環境に合わせた調整を行うことが要求される。このような、搭載製品ごとの特性調整を複数周波数で行う方法として、特許文献１には、パッチアンテナの給電ピンの構造をねじ式にする事で給電点での容量成分を調整可能とし、機器実装後の特性変動を後から調整可能とする技術が記載されている。

特開平１１−２５１８２７号公報

しかし、特許文献１に記載の技術は、整合回路の容量成分の調整を後から可能とする構成ではあるが、パッチアンテナ素子を構成する給電線路自体の構造を変更してしまう。したがって、このようなアンテナを複数製品へ搭載する場合には、個別調整を盛り込んだ個別のパッチアンテナ素子を用意しなければならないという問題があった。本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、異なる製品に対して同一のアンテナ素子及び無線部を使用可能とする技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明によるアンテナ装置は、導体板と、前記導体板の一方の面に所定の間隔を空けて対向して設けられる接地導体板と、前記導体板へ給電する給電点とを有し、金属が近接していない条件において第１の共振周波数で動作するパッチアンテナ素子と、前記接地導体板に高周波結合されると共に、前記導体板の中心と前記給電点とを結ぶ直線に直交する方向に延びる形状を有する少なくとも１つの付加導体板と、を有し、金属が近接している第１の実装条件において、前記パッチアンテナ素子と、長さと幅と位置との少なくとも何れかを第１の値にした前記付加導体板とを用いて第１の共振周波数で動作し、前記第１の実装条件とは異なる、金属が近接している第２の実装条件において、前記パッチアンテナ素子と、長さと幅と位置との少なくとも何れかを第２の値にした前記付加導体板とを用いて第１の共振周波数で動作する、ことを特徴とする。

本発明によれば、アンテナ実装部周辺のメカ構成部材によらず、同一のアンテナ素子を用いて目的のアンテナ特性を得ることができるアンテナ装置を提供することができる。

パッチアンテナ素子と付加導体板とを有するアンテナ装置の構成例を示す図。パッチアンテナ素子単体での共振特性を示す図。金属が近接する実装条件と、その条件下でのアンテナ特性を示す図。金属近接条件下で板金付加によりアンテナ特性が向上した例を示す図。付加導体板の長さをパラメータとした場合のアンテナ特性の変化を示す図。板金付加の別の形態と、その条件下でのアンテナ特性を示す図。パッチアンテナ素子と可変幅の付加導体板とを有するアンテナ装置の構成例を示す図。付加導体板の幅を変化させた場合のアンテナ特性の変化を示す図。金属が近接する、もう１つのアンテナ装置の実装条件の例を示す図。図９のアンテナの実装条件におけるアンテナ特性を示す図。付加導体板を追加したアンテナの全体構成とその場合のアンテナ特性とを示す図。金属近接条件下で板金付加によりアンテナ特性が向上した別の例を示す図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

＜＜実施形態１＞＞
図１は、本実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示す図である。図１（Ａ）はアンテナ装置全体を示す図で、パッチアンテナ素子１０１と付加導体板１０２及び１０３とを重ね合わせた構成となっている。

図１（Ｂ）に、パッチアンテナ素子１０１の構造の例を詳細に示す。パッチアンテナ素子１０１は、例えば、２．４ＧＨｚ帯で動作する円偏波パッチアンテナである。パッチアンテナ素子１０１は、例えば、給電線１０４、パッチ導体１０５、セラミックブロック１０６、接地導体板１０７を有する。給電線１０４はアンテナへの信号入出力ラインであり、共振動作の主体となるパッチ導体１０５に接続される。セラミックブロック１０６は、４０〜１００程度の高い比誘電率を有するセラミックのブロックである。セラミックブロック１０６により、セラミック素材の比誘電率の平方根に比例して波長短縮効果が得られるため、パッチアンテナ素子全体の小型化が可能となる。接地導体板１０７はグラウンドとして機能する導体板であり、パッチ導体１０５の一方の面と対向して、例えばセラミックブロックの厚さである所定の間隔を空けて設置される。接地導体板１０７は、アンテナとして必要な領域はセラミックブロック１０６の下面と接する部分になるが、本実施形態では、無線モジュール基板に搭載されるパッチアンテナを想定し、無線機能部品実装領域１０８を含む例を示している。具体的な個々の部品形状等に関してはここでは説明を省略する。

一般に、パッチアンテナの共振導体（パッチ導体１０５）は、共振周波数の波長の１／２程度の長さと幅を必要とする。ここで、「長さ」は給電線路と平行になる一辺の事で図の１０９の部分であり、「幅」は給電線路及び図の１０９の部分と直交する一辺のことである。長さは主に共振の中心周波数に関連し、幅は主に共振可能な周波数帯域幅に関連する。２．４ＧＨｚ帯での波長はおよそ１２０ｍｍであるため、アンテナの素子長としては６０ｍｍ四方程度の大きさが必要となる。しかしながら、本実施形態では、セラミックブロック１０６の比誘電率を１００程度とし、波長短縮効果を得ることにより、アンテナを１／１０程度の寸法で実現するものとする。この小型化により、無線機能部品実装領域１０８を含むモジュール基板としての寸法を、２０ｍｍ×１０ｍｍ程にすることが可能である。

次に、図１（Ｃ）に付加導体板の例を示す。付加導体板は、パッチアンテナ素子１０１の接地導体板１０７に貼り合わせて使用する構造となっており、張り合わせた際にパッチアンテナ素子１０１の接地導体板１０７からはみ出す部分として２つの付加導体板１０２及び１０３を有する構造となる。なお、以下の説明では接地導体板１０７へ２つの付加導体板１０２及び１０３が高周波結合されるように説明するが、一方の付加導体板は長さが０ｍｍであってもよい。すなわち、少なくとも１つの付加導体板が付加されればよい。

本実施形態においては、付加導体板は、接地導体板１０７の一辺であって、給電点（給電線１０４）とパッチ導体１０５の中心とを結ぶ直線と平行な一辺に接続されるような形状を有するものとして説明する。なお、例えば、接地導体板１０７の形状が矩形でない場合などでも、付加導体板は、接地導体板１０７と高周波結合すると共に、給電点とパッチ導体１０５の中心とを結ぶ直線に直交する方向又は略直交する方向に延びる形状を有するものであればよい。本明細書、特許請求の範囲及び図面では、特別の記載がない限り、略直交も含めて「直交」と記載する。

付加導体板の素材は、例えば導電性の高い部材であり、一般にはコスト要因等を考慮してアルミ板金などを用いてもよいが、これに限定するものではない。図１（Ｃ）では、２つの付加導体板１０２及び１０３は、高周波結合用領域１１０を介して接続された一体型の構造となっており、高周波結合用領域１１０は、パッチアンテナ素子１０１の接地導体板１０７と張り合わされる部分となる。なお、このように一体構造とすることにより張り合わせが容易となるが、高周波結合が確保できる構造であれば、付加導体板１０２及び１０３を個別に接地導体板１０７と張り合わせる構造としてもよい。２つの付加導体板１０２及び１０３は、それぞれの長さ１１１及び１１２を実装条件に合わせて調整することにより、その実装条件下でのアンテナ特性を最適化する。すなわち、周辺に存在する金属部材による共振特性の変化を付加導体板１０２及び１０３によって補償し、アンテナ特性を目的の特性に近づける。具体的な調整方法については後述する。

次に、本実施形態におけるアンテナ特性に関して説明する。図１のパッチアンテナ素子１０１単体での共振特性をシミュレーションにより求めた結果を図２に示す。横軸は周波数を示し、縦軸はアンテナ共振特性をＳパラメータＳ１１のリターンロスで示している。Ｓ１１特性が−１０ｄＢ以下であれば良好な共振状態を示しており、曲線２０１は２．５１ＧＨｚでリターンロス−１６ｄＢの最大共振を示し、良好な特性を発揮していることを示している。

実際にこのアンテナを製品へ搭載する場合、アンテナ周辺に金属部材の近接が無ければ、図２で示されたのと同様の特性が各製品で維持される。しかしながら、周辺のメカ構成によっては、特定の製品への搭載時の特性の劣化や、共振周波数の個別の変動が生じうる。図３に、金属近接による特性変化を起こした例をシミュレーションで検証した結果を示す。図３のシミュレーションにおいては、実装条件として、図３（Ａ）のように、パッチアンテナ素子３０１の側面から２ｍｍ離れた場所に、金属の壁３０２が配置されている金属近接条件を仮定した。この時の共振特性を図３（Ｂ）に示す。図３（Ｂ）の曲線３０３で示すように、この場合の２．４ＧＨｚ帯の共振特性は、図２で示したアンテナ単体での共振特性に比べてリターンロスが大きく劣化しており、目安となる−１０ｄＢ以下を達成できない状態になっていることが分かる。また最大共振周波数も２．５１ＧＨｚから２．５３ＧＨｚにシフトしてしまっていることも分かる。

ここで、図３（Ａ）の金属近接条件のまま、パッチアンテナ素子に図１（Ｃ）で示すような付加導体板を追加する。付加導体板を追加した状態でのアンテナ特性を図４に示す。板金部材の付加により、曲線４０１で示すように、２．４ＧＨｚ帯の共振特性はリターンロスが−１７ｄＢ程度に回復し、最大共振周波数も２．５１ＧＨｚに戻すことができていることが分かる。なお、この例では、２つの付加導体板の長さは図３（Ａ）の金属近接条件に対して最適化された寸法を用いている。最適な板金の長さについて図５を参照して説明する。

図５（Ａ）に示すように、付加導体板１０２の長さをＬ１、付加導体板１０３の長さをＬ２とする。Ｌ１、Ｌ２をそれぞれ０から３０ｍｍまで、５ｍｍ間隔で変更した際のリターンロスの変化を図５（Ｂ）に示す。図５（Ｂ）から、２つの付加導体板の長さの組み合わせを変化させることにより、共振周波数のシフトとリターンロスとを変化させることが可能であることが分かる。例えば、曲線５０１は、Ｌ１とＬ２とをそれぞれ２５ｍｍと１０ｍｍとした場合のもので、共振周波数は２．４８ＧＨｚに低下するが、リターンロスは−２０ｄＢに達する。曲線５０２は、Ｌ１とＬ２とをそれぞれ５ｍｍと２５ｍｍとした場合のものであり、リターンロスは−２３ｄＢに達しており、共振周波数は２．５０ＧＨｚである。曲線５０３は、Ｌ１とＬ２とをそれぞれ０ｍｍと２５ｍｍとした場合のもので、図４で示した、金属近接のない状態とほぼ同等の特性となる場合のものである。このように、２つの付加導体板の寸法を調整する事で、周波数のずれと共振の劣化とを共に回復させる事が可能となる。そして、例えば、周波数のずれが最も小さく、かつリターンロスが最も小さい板金の長さのパターンを、最適値を与える長さのパターンとする。これ以外にも、目的の最大共振周波数において、リターンロスが最小となる板金の長さのパターンを最適としてもよい。

なお、ここまで付加導体板が、パッチアンテナ素子の外周から、接地導体板１０７を含む面と平行の面上において延びる形状である場合について説明してきたが、これに限定するものではない。例えば図６（Ａ）に示すように、パッチアンテナ側面から真下方向に２つの付加導体板１０２及び１０３を延長する配置でも同様の効果を得る事ができる。すなわち、付加導体板が、パッチアンテナ素子１０１の外周から、接地導体板１０７を含む面の法線方向であって、パッチ導体１０５と反対側へ延びる形状をとってもよい。また、必ずしも外周から延びる形状でなくてもよい。すなわち、パッチアンテナの側面よりパッチアンテナの中心側から付加導体板が延びる形状であってもよい。

図６（Ｂ）に、近接金属３０２の条件を図３で示したものと同様とし、最適化の結果としてＬ１及びＬ２をそれぞれ１５ｍｍと２５ｍｍとした場合のアンテナ特性のシミュレーション結果を示す。図６（Ｂ）の曲線６０１に示すように、このように付加導体板を追加することにより、図４の特性とほぼ同等の特性を得ることができていることが分かる。

なお、本実施形態の付加導体板は、少なくとも一部において、パッチ導体１０５の中心と給電点とを結ぶ直線に直交な方向に延びていればよく、１つの平面上に存在する必要はない。例えば、付加導体板をポリイミド樹脂などで導体箔を覆ったフレキシブル基板構造にする事で局面形状にも対応可能とし、実装部周辺部品の構造に合わせて柔軟に配置するようにしてもよい。

以上のように、パッチアンテナ素子のグラウンド領域に高周波接続する構造で、給電線路に直交する方向となる側面に付加導体板を付加し、付加された導体の長さを設定する事で、実装条件に合わせて共振周波数及びリターンロスを調整することができる。これにより、当初設計時にパッチアンテナ素子単体で最適化された状態から、製品実装に際して金属部材の近接等に起因して特性が劣化してしまったパッチアンテナに対して、簡易な部材追加で例えば入力インピーダンスを整合させ、特性を回復させる事ができる。

＜＜実施形態２＞＞
本実施形態は、実施形態１と同様の実装条件において、共振周波数の調整を広範囲に行う手法に関して説明する。本実施形態におけるパッチアンテナ素子１０１は、実施形態１と同様に図１（Ｂ）に示す構成を有する。図１のパッチアンテナ素子１０１単体での共振特性も、図２に示した通りである。

図７に、本発明を適用した、実施形態２におけるアンテナ装置の実装時の状態を示す。パッチアンテナ素子に２つの付加導体板を追加する構造は実施形態１と同様であるが、付加導体板の長さＬ１、Ｌ２に加えて可変幅Ｗに関しても設定を行う点で実施形態１と異なる。ここで、可変幅Ｗを調整する際の寸法の起点は方形パッチ構造の対角線に位置する頂点とする。すなわち、パッチ導体１０５の中心を含むパッチ導体１０５の法線に対して軸対称となるパッチアンテナ素子１０１の外周における位置に、２つの付加導体板が配置される。これは、本実施形態のアンテナ装置が円偏波パッチアンテナを想定しており、このアンテナはパッチの放射導体上の共振動作が回転する性質を有するため、この様な軸対称配置を行う事でより効率的に特性の調整が可能となるからである。

図８は、付加導体板の可変幅Ｗをそれぞれ４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍ及び１０ｍｍとした場合に、付加導体板の長さＬ１とＬ２とをパラメータとして、それぞれ０ｍｍから３０ｍｍまで５ｍｍ間隔で変更したときのリターンロスの変化を示してしている。なお、実施形態１の条件では幅Ｗが１０ｍｍである。このため、Ｗ＝１０ｍｍの場合を示す図８（Ａ）には、図５（Ｂ）に示した特性と同様の特性が示される。この時、良好な動作の目安となるリターンロスが−１０ｄＢ以下となる周波数範囲はおおよそ５０ＭＨｚである。

実施形態１においては、ターゲットとなる共振周波数を固定していたため、周波数範囲がそれを含んでさえいればよかった。本実施形態では、単体特性での共振周波数から異なる値に周波数を変動させる事を想定し、この周波数範囲を拡大することを検討する。付加導体板の可変幅Ｗを８ｍｍに狭めた場合では、Ｌ１、Ｌ２の設定を同様に行ったとしても、図８（Ｂ）に示すように、リターンロスが−１０ｄＢ以下となる周波数範囲はおおよそ６０ＭＨｚまで拡大することができる。さらに、可変幅Ｗを６ｍｍに狭めた場合は、図８（Ｃ）に示すように、周波数範囲を８０ＭＨｚまで拡大することができ、可変幅Ｗを４ｍｍに狭めた場合は、図８（Ｄ）に示すように、周波数範囲を１２０ＭＨｚまで拡大することができる。よって、付加導体の長さだけでなく幅も調整可能として設定する事により、広範囲な周波数調整が可能となる。

＜＜実施形態３＞＞
本実施形態では、実施形態１及び実施形態２と異なる実装条件においても、同様に共振周波数の調整を行う手法に関して説明する。実施形態３におけるパッチアンテナ素子１０１は、実施形態１及び実施形態２と同様、図１（ｂ）に示す構成を有し、パッチアンテナ素子１０１単体での共振特性は、図２に示したようなものであるとする。

図９に、本実施形態で想定するアンテナ装置の実装条件の例を示す。本実装条件では、パッチアンテナ素子９０１の上面に１２０ｍｍ四方の金属板９０２があり、中心に１０ｍｍ四方の開口部９０３がある。そして、この開口部の真下にパッチアンテナ素子９０１がちょうど収まる位置関係であり、パッチアンテナの上面と金属板の下面との距離は１ｍｍであるものとする。この条件でのアンテナ特性を図１０に示す。曲線１００１で示される共振特性は、図２で示した共振特性から著しく劣化してしまっていることが分かる。

そこで、本発明を適用した、実施形態３におけるアンテナ実装時の状態を図１１に示す。図１１（Ａ）はアンテナ全体の形状を示し、本実施形態では、図６（Ａ）と同様に、付加導体板１０２及び１０３をパッチアンテナ背面に垂直に延長した構造とする。また、２つの付加導体板１０２及び１０３の幅Ｗは共に６ｍｍとする。図１１（Ｂ）は、２つの付加導体板１０２及び１０３の長さＬ１及びＬ２を５ｍｍ〜３０ｍｍの間で５ｍｍ間隔で変更した際の、共振特性の変化を示している。図１１（Ｂ）から、２つの付加導体板の長さを設定する事で、共振周波数の修正と共振の強さの回復が可能となることが分かる。そして、この設定の結果得られた最適な特性を、図１２に示す。なお、この特性を得るために、付加導体板１０２の長さＬ１を１０ｍｍ、付加導体板１０３の長さＬ２を３０ｍｍとしている。図１２から、アンテナ形状を図１１（Ａ）のようにし、２つの板金の寸法を適切に設定する事により、周波数のずれと共振の劣化を共に回復する事が可能となる。

なお、上述の各実施形態では、パッチ導体１０５と同一の面にマイクロストリップ線路などの給電線１０４がある場合を説明したが、セラミックブロックを貫通する同軸ケーブルなどのピンをパッチ導体１０５に接続して給電するピン給電を用いてもよい。ピン給電の場合、ピンはパッチ導体１０５の中心からずれた箇所に接続されるが、ピンの接続箇所と中心とを結ぶ直線に直交ないしは略直交する方向に、付加導体板１０２及び１０３を追加する。すなわち、パッチ導体１０５内では、給電点とパッチ導体１０５の中心を結ぶ線に対して左右対称に電流が流れるところ、その左右方向に対して付加導体板を追加する。これにより、効率的に共振特性を補償し、目的のアンテナ特性を得ることが可能となる。

Claims

導体板と、前記導体板の一方の面に所定の間隔を空けて対向して設けられる接地導体板と、前記導体板へ給電する給電点とを有し、金属が近接していない条件において第１の共振周波数で動作するパッチアンテナ素子と、
前記接地導体板に高周波結合されると共に、前記導体板の中心と前記給電点とを結ぶ直線に直交する方向に延びる形状を有する少なくとも１つの付加導体板と、
を有し、
金属が近接している第１の実装条件において、前記パッチアンテナ素子と、長さと幅と位置との少なくとも何れかを第１の値にした前記付加導体板とを用いて第１の共振周波数で動作し、
前記第１の実装条件とは異なる、金属が近接している第２の実装条件において、前記パッチアンテナ素子と、長さと幅と位置との少なくとも何れかを第２の値にした前記付加導体板とを用いて第１の共振周波数で動作する、
ことを特徴とするアンテナ装置。
前記付加導体板は、前記接地導体板を含む面と平行の面上に延びる形状を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記付加導体板は、前記接地導体板を含む面の法線の方向であって、前記導体板と反対側へ延びる形状を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記アンテナ装置は２つの前記付加導体板を有し、
２つの前記付加導体板は、前記導体板の中心を含む前記導体板の法線に対して互いに軸対称となる位置から延びる形状を有する、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
前記付加導体板は、前記接地導体板と高周波結合するための結合用領域を有し、
前記結合用領域と前記接地導体板とが張り合わされることにより、前記付加導体板と前記接地導体板とが高周波結合する、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。