JP6024674B2 - スロットアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、スロットアンテナに関し、特にスタブを用いて共振周波数を調整するスロットアンテナに関する。

誘電体基板上に配置するスロットアンテナの長さは、一般的に使用周波数の１／４波長が必要となる。例えば、８００ＭＨｚの場合、スロットアンテナの長さは約９０ｍｍとなり、実装スペースに制約の大きい携帯無線端末に適用するには大きすぎる。
アンテナを小型化する手法として、特許文献１には、スロット端にコンデンサを形成する方法が開示されている。特許文献１に開示されている、スロット端にコンデンサを形成する構造は、小さな容量でアンテナの共振周波数を大きくシフトさせることが出来る。例えば、特許文献１には、導体凸部を用いて、スロット端にコンデンサを形成する構造が開示されている。さらに、特許文献１には、スロット端にチップコンデンサを配置することにより、スロット端にコンデンサを形成する構造が開示されている。
又、特許文献２には、スロット内部におけるスロットを構成する放射導体の一部に、さらに放射導体を追加する構成が開示されている。

特開平５−１１０３３２号公報 特開２００４−４８１１９号公報

しかし、特許文献１に開示されている、スロット端にコンデンサを形成する構造は、装荷するわずかな容量値の誤差によってアンテナの共振周波数が大きく変動してしまう。そこで、装荷する容量値を高精度に作りこむ必要がある。具体的には、導体凸部を用いてコンデンサを形成する構造では、量産時の誘電体基板の厚さばらつきや、比誘電率のばらつきによりアンテナの共振周波数がずれるという問題点がある。又、チップコンデンサを用いた構造では、チップコンデンサ自身の容量値のばらつきによりアンテナの共振周波数がずれるという問題点がある。
又、特許文献２に開示されているスロットアンテナにおいては、スロット内部に追加される放射導体の詳細な形状、寸法、位置関係等が明確に記載されていない。そのため、スロット内部に追加された放射導体がスロットアンテナの小型化に必要な容量の付加に寄与しているかについては明確ではない。
本発明の目的は、上述した課題を解決し、小型で尚且つ量産時のアンテナ共振周波数が大きくずれることのないスロットアンテナを提供することにある。

本発明のスロットアンテナは、誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面上に設けられた導体面と、前記導体面に形成され、一端が開放端を成すスロットと、前記スロット内部に形成されたＬ字形状を有する導体であって、各々の一端が前記導体面に接続された第１のスタブ及び第２のスタブと、を備え、前記スロット内部において、前記第１のスタブと前記導体面との接続部が設けられた第１の辺と、前記第２のスタブと前記導体面との接続部が設けられた第２の辺とが、互いに対向することを特徴とする。

本発明によれば、スロットアンテナを小型化した場合、特に容量を付加してスロットアンテナを小型化した場合に、共振周波数のばらつきが少ないスロットアンテナを提供することができる。

第１の実施の形態におけるスロットアンテナの構成を示す正面図である。 第１の実施の形態におけるスロットアンテナの構成を示す断面図である。 第１の実施の形態におけるアンテナインピーダンス特性の計算結果を示す図である。 第２の実施の形態におけるスロットアンテナの構成を示す正面図である。 第２の実施の形態におけるスロットアンテナの構成を示す断面図である。 第２の実施の形態におけるアンテナインピーダンス特性の計算結果を示す図である。 第３の実施の形態におけるスロットアンテナの構成を示す正面図である。 第３の実施の形態におけるスロットアンテナの構成を示す断面図である。

以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
〔第１の実施形態〕本実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態におけるスロットアンテナの構成を示す正面図である。図２は、本発明の第１の実施の形態におけるスロットアンテナの構成を示し、図１のＡ−Ａ’線における断面図である。
第１の実施の形態におけるスロットアンテナは、誘電体基板１と、導体面１０と、スロット１１と、スタブ２１（第１のスタブ）及びスタブ２２（第２のスタブ）とを備えている。
誘電体基板１は、誘電体からなる板状の基板である。導体面１０は、誘電体基板１の一方の面上（例えば、上面側）に設けられている。スロット１１は、導体面１０に切れ込みを入れて形成され、その切れ込みの一端が導体面の１０の端辺で開放端を成す。即ち、スロット１１は、コの字型形状を有している。
図１において、給電線１５の外部導体および内部導体である給電部１６は、それぞれスロット１１を跨ぐようにして、スロット１１の両側の導体面１０に接続されている。無線回路(図示せず)は、給電線１５および給電部１６を介してスロット１１に対して給電を行う。
スタブ２１及び２２は、スロット１１の内部に形成された細長いＬ字形状の導体で構成されている。更に、スタブ２１及びスタブ２２は、各々の一端が導体面１０に接続され、他端は開放端となっており、先端開放型スタブを形成している。スタブ２１と導体面１０との接続部２１ａは、スロット１１内部の第１の辺１１ａに設けられている。一方、第２のスタブ２１と導体面１０との接続部２２ａは、スロット１１内部の第２の辺１１ｂに設けられている。
図１に示すように、スロット１１の内部において、第１の辺１１ａと第２の辺１１ｂとは互いに反対側に位置している。即ち、スタブ２１と導体面１０との接続部２１ａが設けられた第１の辺１１ａと、スタブ２２と導体面１０との接続部２２ａが設けられた第２の辺１１ｂとは、スロット１１内部において、互いに対向する。
スタブ２１、スタブ２２において、スタブ長Ｌ（Ｌ字に折り曲げた点から開放端までの距離）は、使用周波数に相当する波長をλとした場合、Ｌ＜λ／４となる長さを有する。又、各スタブの幅は、スタブの長さと比較して充分狭くなっている。
スタブ２１の配置については、Ｌ字形状に折り曲げた先の導体とスロット１１を成す第２の辺１１ｂとの距離Ｘが、スロット１１の幅Ｙより十分小さく、少なくとも１／２より小さくなるように形成されている。同様に、スタブ２２は、Ｌ字形状に折り曲げた先の導体とスロット１１を成す第１の辺１１ａとの距離Ｘが、スロット１１の幅Ｙより十分小さく、少なくとも１／２より小さくなるように形成されている。
図１に示した第１の実施の形態において、スロット１１内部（開放端側）に配置したスタブ２１、又はスタブ２２は、それぞれが接続したスロット１１と対向する側の導体をリターンパスとする伝送線路を形成する。
このような構成において、スタブ長ＬをＬ＜λ／４（使用周波数に相当する波長をλとする）となる様にするとスタブは容量性を示す。この様な容量性のスタブをスロット内部に配置すると、そのスロットアンテナの共振周波数はスタブを配置しない場合と比較して低域側にシフトする。
第１の実施の形態では、上記の容量性を示すスタブを２つ、スロット内部でそれぞれの先端（開放端）が互いに向かい合う方向で重なるように並べて配置した構成である。即ち、スタブ２１とスタブ２２とは、点対象の配置及び形状を有している。狭いスロット１１内部にスタブを配置する構成であるため、配置可能なスタブ数には限りがある。しかしながら、本発明のようなスタブ構造を用いることにより、スタブ１個に必要な配置スペースと比較して、それをほとんど増やすことなく２個のスタブ２１、２２を配置することが可能となる。スロット１１内に配置するスタブの数が増えることにより、スロット１１に装荷される容量が増加するので、アンテナサイズを大きくすること無しに、アンテナ共振周波数の低域側へのシフト量が増える。即ち、アンテナの小型化が実現できる。
スタブ２１、２２を形成する導体パターンは、通常のプリント基板製造プロセスで実現可能であるので、スタブ２１、２２の長さのばらつきを非常に小さく抑えることができる。即ち、スタブ２１、２２で作り出される容量のばらつきを抑え、アンテナ共振周波数を高精度に制御できる。
図３は、本発明の第１の実施の形態におけるアンテナインピーダンス特性の計算結果と、第１の実施の形態からスタブのみを取り除いたスロットアンテナのアンテナインピーダンス特性の計算結果を比較した図である。図３において、横軸は周波数を、縦軸はアンテナ給電点におけるアンテナからの反射電力量を示す。アンテナ給電点から見て、アンテナ側と給電線側の特性インピーダンスが整合状態が良くなる周波数帯では、アンテナ給電点におけるアンテナからの反射電力量が下がり、アンテナに供給される電力が増加する。ここでアンテナからの反射電力量が最も低下する周波数をそのアンテナの共振周波数とすると、図３中に示すように、点線で示すスタブ無しの時のアンテナインピーダンス特性と、実線で示す第１の実施の形態のアンテナインピーダンス特性を比較すると、第１の実施の形態の方が、低い周波数帯にアンテナの共振が存在している。即ち、スタブ無しの時のアンテナ特性は、３．０５ＧＨｚ付近で共振しているが、第１の実施の形態のアンテナ特性は、１．８５ＧＨｚ付近で共振していることがわかる。この結果から、第１の実施の形態の様にスロット内にスタブを装荷する構造とすることにより、アンテナの共振周波数を低周波数側にシフトさせることが可能であることが分かる。
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係るスロットアンテナは、一端が開放端を成すスロット１１の内部に形成されたＬ字形状の細長い導体のスタブ２１、スタブ２２を備えることにより、スロットアンテナに装荷する容量を制御する構造を有している。又、これら、スタブ２１、スタブ２２は、誘電体基板上に、エッチング法等の通常のプリント基板製造プロセスで実現可能であるため、スタブ長のばらつきを非常に小さく抑えることができる。これにより、スロットアンテナの共振周波数を高精度に制御できる。
〔第２の実施形態〕本実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態におけるスロットアンテナの構成を示す正面図である。図５は、本発明の第２の実施の形態におけるスロットアンテナの構成を示し、図４のＢ−Ｂ’線における断面図である。
第２の実施の形態におけるスロットアンテナは、誘電体基板１と、導体面１０と、スロット１１と、スタブ３１（第１のスタブ）及びスタブ３２（第２のスタブ）とを備えている。
第２の実施の形態において、スロット１１内に配置するスタブの形状を螺旋形状としたこと以外は第１の実施の形態と同様の構成を有する。よって、第１の実施の形態と同一の構成要素には同一参照数字を付記してその説明を省略する。
図４に示す第２の実施の形態において、スロット１１内に配置するスタブ３１、３２の形状は、各々、Ｌ字形状よりその先端が更に伸張され折り曲げられて、結果として螺旋形状となっている。スタブ３１、３２の配置は、第１の実施の形態と同様に、両者の先端が互いに向かい合う方向で重なるように並べた点対称である。その結果、スタブ３１、３２は、螺旋形状に折れ曲がった各々の開放端が互いの隙間に入り込むような配置となる。このような構成にすると、螺旋部分先端の導体長が増加した分、第１の実施の形態よりスタブ長を長くすることが可能となる。先端開放型スタブの場合は、スタブ長ＬがＬ＜λ／４（使用周波数に相当する波長をλとする）の範囲内では容量性を示し、スタブ長の増加に伴い、その容量値は増加する。
第２の実施の形態では、第１の実施の形態における２つのスタブ２１、２２を、螺旋形状のスタブ３１、３２と置き換えた。そして、両者を重ねるように並べて配置した構成とし、スタブ長ＬがＬ＜λ／４（使用周波数に相当する波長をλとする）の範囲内でそのスタブ長を増加させることで、スロット１１に装荷する容量値を増やし、アンテナの小型化を図っている。
図６は、本発明の第２の実施の形態におけるアンテナインピーダンス特性の計算結果と、第２の実施形態からスタブのみを取り除いたスロットアンテナのアンテナインピーダンス特性の計算結果を比較した図である。図６の横軸は周波数を、縦軸はアンテナ給電点におけるアンテナからの反射電力量を示す。図６中に示すように、点線で示すスタブ無しの時のアンテナインピーダンス特性と、実線で示す第２の実施の形態のアンテナ特性を比較すると、第２の実施の形態の方が、低い周波数帯にアンテナの共振が存在している。即ち、スタブ無しの時のアンテナ特性は、３．０５ＧＨｚ付近で共振しているが、実施の形態２のアンテナ特性は、１．５ＧＨｚ付近で共振していることがわかる。この結果から、第２の実施の形態の様にスタブを装荷する構造とすることにより、アンテナ特性の共振周波数を低周波数側にシフトさせることが可能であることが分かる。
又、図３に示す第１の実施の形態のアンテナ共振周波数と比較しても、第２の実施の形態のアンテナ共振周波数がより低くなっていることが分かる。これは、スロット内に配置するスタブのスタブ長が増加することにより、スロットに装荷される容量が増加するためである。従って、アンテナサイズを大きくせずに、アンテナ共振周波数の低域側へのシフト量を増加させることができる。即ち、第１の実施の形態より、さらにアンテナの小型化が可能となる。これら、スタブ３１、スタブ３２は、誘電体基板上に、エッチング法等の通常のプリント基板製造プロセスで実現可能であるため、スタブ長のばらつきを非常に小さく抑えることができる。これにより、スロットアンテナの共振周波数を高精度に制御できる。
〔第３の実施形態〕第３の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図７は、本発明の第３の実施の形態におけるスロットアンテナの構成を示す正面図である。図８は、本発明の第３の実施の形態におけるスロットアンテナの構成を示し、図７のＣ−Ｃ’線における断面図である。
第３の実施の形態におけるスロットアンテナは、誘電体基板１と、導体面１０と、スロット１１と、スタブ４１、４３、４５（第１のスタブ）及びスタブ４２、４４、４６（第２のスタブ）とを備えている。
第３の形態に示すスロットアンテナは、第１の実施の形態におけるスタブ２１、スタブ２２を一対として、スロット１１内部に複数対を配置した構成になっている。即ち、スタブ４１、４２の対、スタブ４３、４４の対、スタブ４５、４６の対の３つの対が設けられている。本実施の形態において、スロット１１内に配置する、第１のスタブと第２のスタブの対を複数としたこと以外は第１の実施の形態と同様の構成を有する。よって、第１の実施の形態と同一の構成要素には同一参照数字を付記してその説明を省略する。
第３の実施の形態のスロットアンテナにおいては、第１の実施の形態のスタブ２１、スタブ２２を一対とした構造をスロット１１内に複数対並べることにより、スロット１１に装荷される容量が更に増加することになる。従って、アンテナの共振周波数の低域側へシフトする量が大きくなり、アンテナサイズを大きくせずに、アンテナ共振周波数の低域側へのシフト量を増加させることが可能になる。よって、第１の実施の形態よりも、さらにアンテナの小型化が実現できる。
尚、図７に示した実施の形態では、各スタブの形状をＬ字型で説明したが、この形状に限らず、スタブの長さＬがＬ＜λ／４（使用周波数に相当する波長をλとする）の範囲内であれば、様々な形状が適用できる。例えば、第２の実施の形態に示す様な螺旋形状や、その他の形状として、ミアンダ型や、折り返し型、不規則に蛇行した形状であっても良い。又、図７に示した実施の形態では、スタブの対の数を３対で説明したが、この数にも限定されない。
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、スタブを用いて、スタブ長でスロットアンテナに装荷する容量値を制御する構造としている。これにより、スロットアンテナのサイズを小さくすると同時に、誘電体基板の厚さや比誘電率のばらつきによるアンテナ共振周波数への影響を少なくできるので、誘電体基板上に、エッチング法等の通常のプリント基板製造プロセスで実現しても、量産時のアンテナ共振周波数のばらつきを抑え、高精度なアンテナを実現することが可能となる。特に、本発明のスロットアンテナは、ヴィアを用いず、導体パターンのみの２次元平面で構成できるため、通常のプリント基板製造プロセスの他に、インクや導電ペーストを用いた印刷プロセスを用いることが可能となり、アンテナの製造コストを低減できる。
尚、本願発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本願発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更、変形して実施することが出来る。
この出願は、２０１２年２月７日に出願された日本出願特願２０１２−０２４２７８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本発明は、スタブを用いて共振周波数を調整するスロットアンテナに適用可能である。

１ 誘電体基板
１０ 導体面
１１ スロット
１１ａ 第１の辺
１１ｂ 第２の辺
１５ 給電線
１６ 給電部
２１ スタブ（第１）
２１ａ 接続部
２２ スタブ（第２）
２２ａ 接続部
３１ スタブ（第１）
３２ スタブ（第２）
４１ スタブ（第１）
４２ スタブ（第２）
４３ スタブ（第１）
４４ スタブ（第２）
４５ スタブ（第１）
４６ スタブ（第２）

Claims (8)

1. 誘電体基板と、
   前記誘電体基板の一方の面上に設けられた導体面と、
   前記導体面に形成され、一端が開放端を成すスロットと、
   前記スロット内部に形成されたＬ字形状を有する導体であって、各々の一端が前記導体面に接続された第１のスタブ及び第２のスタブと、を備え、
   前記スロット内部において、前記第１のスタブと前記導体面との接続部が設けられた第１の辺と、前記第２のスタブと前記導体面との接続部が設けられた第２の辺とが、互いに対向することを特徴とするスロットアンテナ。
2. 前記第１のスタブ及び第２のスタブは、それぞれの先端が互いに向い合う方向で重なる様に配置されたことを特徴とする請求項１記載のスロットアンテナ。
3. 前記第１のスタブ及び第２のスタブは、それぞれが螺旋形状を有し、互いの隙間に入り込むように配置されたことを特徴とする請求項１又は２記載のスロットアンテナ。
4. 前記第１のスタブ及び第２のスタブを１対として、その対を前記スロット内部に複数配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスロットアンテナ。
5. 前記第１のスタブのＬ字形状に折り曲げた先の導体と、前記スロットの前記第２の辺との距離が、前記スロットの幅の１／２より小さく、かつ、
   前記第２のスタブのＬ字形状に折り曲げた先の導体と、前記スロットの前記第１の辺との距離が、前記スロットの幅の１／２より小さい、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のスロットアンテナ。
6. 前記第１のスタブ及び第２のスタブは、それぞれの長さが、使用周波数に対応する波長の１／４より短いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスロットアンテナ。
7. 前記第１のスタブ及び第２のスタブは、前記スロットの開放端近傍に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスロットアンテナ。
8. 前記第１のスタブ及び第２のスタブは、前記誘電体基板上に形成されるプリント基板製造プロセスにて形成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のスロットアンテナ。

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