JP6027231B2 - 携帯用端末機のアンテナ装置 - Google Patents

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Description

本発明は携帯用端末機に関し、特に、携帯用端末機のアンテナ装置に関する。
通例的に携帯用端末機とは、ユーザが携帯しながら、音声通話、短文メッセージ電送のような他のユーザとの通信機能や、インターネット、モバイルバンキング、マルチメディアファイル電送のようなデータ通信機能、ゲーム、音楽、動画再生のようなエンターテイメント機能などを遂行できるようにする機器を意味する。このような携帯用端末機は、通信機能、ゲーム機能、マルチメディア機能、電子手帳機能などそれぞれの機能に特化された機器が一般的であったが、最近は、電気/電子技術と通信技術の発達により、移動通信端末機一つだけでも多様な機能を楽しめるようになった。
移動通信端末機の使用が普遍化され、通信サービス業者を通した通信機能の他にも、無線RANや近距離無線通信(near field communication;NFC)機能を搭載して、移動通信端末機だけで、車両、家電製品などの制御、交通費決済、保安機能を具現できるように努力している。したがって、移動通信端末機で代表される携帯用端末機は、多様なアンテナ装置を搭載する必要がある。すなわち、移動通信サービス、無線RAN、近距離無線通信は、相異なる周波数帯域で行われるため、それぞれのアンテナ装置が要求される。
さらに、最近は、近距離無線通信(Near Field Communication;NFC)やロングタームエボリューション(long term evolution;LTE)で代表される4世代通信方式への転換が行われ、超高速、広域アンテナ装置が要求されている。このように、一つの携帯用端末機内に複数のアンテナ装置が設置されると同時に高性能のアンテナ装置が要求される。超高速、広域特性を有するアンテナ装置としては、逆Fアンテナ構造(inverted F antenna;IFA)、平板型逆Fアンテナ構造が有用に使用されている。
図1は、従来技術の一実施形態による携帯用端末機のアンテナ装置10を概略的に表す斜視図であり、逆Fアンテナ構造に基づく。
アンテナ装置10は、回路基板11に装着されたキャリア21に放射部パターン23を形成して構成される。放射部パターン23は、携帯用端末機に要求される周波数帯域と放射性能によって適切に設計される。この時、放射部パターン23の一端には、グラウンド層13に接続される短絡ピン27が提供され、短絡ピン27から一定の距離をおいて給電ライン25が形成される。
このような逆Fアンテナ構造における放射部パターン23がグラウンド層13上に位置する場合、放射部パターン23に送受信信号が印加されると、放射部パターン23を流れる信号電力の逆方向にグラウンド層13に誘導電流が発生する。このようなグラウンド層13の逆電流の強度は、放射部パターン23に印加される信号電力が大きいほど、グラウンド層13と放射部パターン23との間の距離が近いほどより大きくなる。逆電流現象は、アンテナ性能、具体的には放射効率を低下させるようになるため、逆電流現象を抑制するためには、グラウンド層13と放射部パターン23とを遠く配置することが好ましい。
しかし、アンテナ装置10が携帯用端末機に装着される場合、グラウンド層13と放射部パターン23との間の距離、すなわち、回路基板11上におけるキャリア21の高さ(H)を大きくすることは携帯用端末機の小型化を妨げる。
逆Fアンテナ構造でキャリアの高さを低くさせる代案として、回路基板11上のグラウンド層13を一部除去してフィルカット領域(fill cut area)15を形成し、キャリア21をフィルカット領域15に配置する。このような構造を通して放射部パターン23は、グラウンド層13から離れた位置で回路基板11上に配置される。フィルカット領域15に放射部パターン23を配置することによって、逆電流現象を防止できるようになり、放射部パターン23を回路基板11により近接に配置できる。すなわち、フィルカット領域15を形成することによって、アンテナ装置10の厚さを減少させることができる。しかし、回路基板11上におけるフィルカット領域15には、実質的に他の部品を実装することが不可能となるため、回路基板11の面積対非その利用効率が低下されるしかない。
結局、逆Fアンテナ構造は、超高速広域性能を具現しながらも携帯用端末機に実装するに有用ではあるが、依然として携帯用端末機の小型化、スリム化の障害となる。
したがって、上述した従来技術の短所を解消するために、本発明は、携帯用端末機の小型化、スリム化に寄与できるアンテナ装置を提供する。
また、本発明は小型化、スリム化され、かつ携帯用端末機の内部空間を効率的に活用できるアンテナ装置を提供する。
したがって、本発明は、携帯用端末機のアンテナ装置であって、一面に導電層が形成された回路基板と、上記導電層の一部分を除去し、かつ、一方向に延長される形状のスリットと、上記スリット上に位置し、かつ、上記回路基板の一面に対面するように配置される補助基板と、上記補助基板に形成される放射部パターンを有し、上記放射部パターンは、上記スリットを部分的に囲むように配置されるアンテナ装置を開示する。
併せて、本発明は、携帯用端末機のアンテナ装置であって、一面に導電層が形成された回路基板と、上記導電層の一部分を除去し、かつ、上記導電層の一側縁部から一方向に延長される形状のスリットと、上記スリット上に位置し、かつ、上記回路基板の一面に対面するように配置される補助基板と、上記補助基板に形成される放射部パターンを有し、
上記放射部パターンは、1)上記スリットの一側における上記導電層上に位置し、かつ上記スリットと平行に延長される第1の延長部と、2)第1の延長部の一端から上記スリットの一側端部を囲むように延長される第2の延長部と、3)上記スリットの他側における上記導電層上に位置し、かつ、第2の延長部の端部から少なくとも一部分が上記スリットと平行に延長される第3の延長部と、を含むアンテナ装置を開示する。
本発明の詳細な説明に先立ち、本明細書の全般で使われる用語や語句を定義する。「〜含む(include)」、「〜からなる(comprise)」だけでなく、それらの派生語は限定のない包含を意味する。「または(or)」は及び/または(and/or)を含み、「〜に関連する(associated with)」、「それに関連する(associated therewith)」及びそれらの派生語句は、包含(include)、含まれる(be included within)、受容される(be contained within)、連結(connect to or with)、接続(couple to or with)、通信(be communication with)、連携(cooperate with)、相互配置(interleave)、並置(juxtapose)、近接(be approximate to)、結合(be bound to or with)、所有(have)、性質の所有(have a property of)、または類以(the like)を意味し、「制御器(controller)」は少なくとも一つの動作を制御する装置、システム、またはその部分を意味し、そのような装置は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはこれらのうちの少なくとも二つの組み合わせで具現することができる。特定の制御器に関連する機能は、集中しているか、あるいは局地的にまたは遠距離に分散されることもある。特定の用語及び語句は本明細書の全体で使用されるが、当業者は多くの場合に上述したような定義が過去だけでなく未来の使用にも適用されることを理解しなければならない。
上記の通りに構成された携帯用端末機のアンテナ装置は、放射部パターンを導電層上に配置しても、スリットの周囲で発生する誘導電流を放射部パターンの信号電力と同一の方向に制御できる。したがって、放射部パターンを導電層上に配置しても逆電流現象により放射性能が低下されることを防止できる。また、逆電流現象を防止することによって、回路基板で放射部パターンが配置される領域で導電層を除去しなくてもアンテナ装置の全体高さを減少させることができるため、携帯用端末機の厚さを減少させるのに寄与できる。さらに、逆Fアンテナ構造や平板型逆Fアンテナ構造を具現しながらもフィルカット領域を形成する必要がないため、回路基板上で集積回路チップなどの部品を実装できる面積をより確保できる。
以下では添付された図面を参照して本発明の構成と効果などを説明する。
従来技術の一実施形態による携帯用端末機のアンテナ装置を概略的に表す斜視図である。 本発明の好ましい実施形態による携帯用端末機のアンテナ装置を表す斜視図である。 図2に図示されるアンテナ装置を表す平面図である。 図2に図示されるアンテナ装置の補助基板の底面を表す平面図である。 図3に図示されるアンテナ装置における補助基板が除去された面図である。 図2に図示されるアンテナ装置の変形例を表す側面図である。 図2に図示されるアンテナ装置における導電層の誘導電流の流れを説明するための図面である。 図2に図示されるアンテナ装置の他の変形例を説明するための図面である。 図2に図示されるアンテナ装置を実際に具現した例を表す図面である。 図2に図示されるアンテナ装置を実際に具現した例を表す図面である 図10に図示されるアンテナ装置の放射効率を測定した結果を表す図面である。 図10に図示されるアンテナ装置の反射係数を測定した結果を表す図面である。
本願で、開示される構成の原理などを説明するために下記で説明される図2乃至図12及び多様な実施形態は理解を助けるためであって、本発明を限定するものではない。当業者であれば、開示される構成の原理などは、どの形態の適切な無線通信装置を通しても具現できることが容易に理解できる。以下、本発明の好ましい実施形態を添付された図面を参照して詳細に説明する。本発明を説明するにおいて、関連した公知機能あるいは構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にすると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。
図2乃至図7に図示されるように、本発明の好ましい実施形態による携帯用端末機のアンテナ装置100は、導電層111が形成された回路基板101、放射部パターン123が形成された補助基板121を有し、放射部パターン123は導電層111の一部分を除去して形成されたスリット113を部分的に囲むように配置される。
回路基板101には、アンテナ装置100を通して信号を送受信するための通信回路、携帯用端末機の動作を制御するか、または、情報を保存するための各種回路装置が搭載される。この時、回路基板101の一面に導電層111が提供されて、回路基板101に提供される回路装置のグラウンドを提供するようになる。すなわち、回路基板101は、携帯用端末機の主回路基板101として活用される。
上述したように、スリット113は、導電層111の一部分を除去して形成されたものであり、回路基板101上で一方向に延長される構成である。好ましくは、スリット113の一端は導電層111の縁側に開放され、他端は、導電層111内に位置され閉鎖される。併せて、スリット113は、回路基板101の隅部に近接した位置で、回路基板101の一側隅と平行に延長される。
補助基板121は、回路基板101と対面し、かつスリット113上に配置される。図3に図示される平面図を見ると、スリット113は、補助基板121で隠される。補助基板121は合成樹脂材質または通常の回路基板製作に利用される誘電体で製作されることができる。
放射部パターン123は、プリント回路パターンや金属薄板を加工して補助基板121の一面に配置して形成されることができる。プリント回路パターンは、メッキ/エッチングなどの工程を通して補助基板121に直接に形成されるか、可撓性プリント回路基板を付着して放射部パターン123として活用されることができる。金属薄板を利用した放射部パターンは、要求されるパターンに合わせて金属材質、例えば、銅材質の薄板を裁断して補助基板121に付着して形成される。放射部パターン123は、部分的に、より具体的には、少なくともスリット113の一側、他端部及び他側を各々部分的に囲むように延長されることが好ましい。
本発明の具体的な実施形態で、放射部パターン123は、第1の延長部123a、第2の延長部123b及び第3の延長部123cを有する。第1の延長部123aは、スリット113の一側における導電層111上に位置し、かつ、スリット113と平行に延長され、第2の延長部123bは、第1の延長部123aの一端からスリット113の他端部、すなわちスリット113の閉鎖された端部を囲むように延長される。この時、第2の延長部123bは、図3に図示されるように、一部分がスリット113の他端部に重なることもできる。第3の延長部123cは、第2の延長部123bの端部から少なくとも一部分がスリット113と平行に延長され、かつ、スリット113の他側における導電層111上に位置される。
すなわち、放射部パターン123は、スリット113の両側で、各々平行に延長されながら、スリット113の他端部外側で相互接続されるものである。この時、第3の延長部123cは、第2の延長部123bの端部から一定の長さだけスリット113と平行に延長される後には自由なパターンを有することができる。第3の延長部123cの一部の自由なパターンは、アンテナ装置100が動作する周波数帯域、放射効率などの最適化のために調節されるべきである。
この時、放射部パターン123を説明するにおいて、「スリットを囲むように形成または配置される」と言及したが、実際に放射部パターン123がスリット113と同一な高さでスリット113の外周に位置されるのではないことに留意する。すなわち、スリット113は導電層111に、放射部パターン123は、導電層111と対面するように配置された補助基板121に、各々形成されるため、実際には回路基板101に対して放射部パターン123とスリット113は相異なる高さに位置されるものである。ただし、図3に図示されるように、アンテナ装置100を平面図で図示した場合、放射部パターン123は、スリット113の周囲に位置されることを「スリットを囲むように形成または配置される」と説明しているものである。
上記のように構成されたアンテナ装置100は、放射部パターン123に流れる信号電力により導電層111に誘導電流が発生されるが、放射部パターン123への信号を印加する構成によって、導電層111における電流の流れを誘導できる。すなわち、放射部パターン123に流れる信号電力の方向と同一の方向に、導電層111に電流の流れを発生させて逆電流現象を抑制するものである。これはスリット113の他側で、すなわち、第3の延長部123cが位置される導電層111の一部領域を放射部パターン123として活用することによって可能である。本発明の具体的な実施形態では簡潔に説明するために補助基板121に形成されたパターンを放射部パターン123と称しているが、アンテナ装置100は、導電層111の一部も放射素子として活用される。
図5を参照すると、アンテナ装置100は、スリット113の一側113aからスリット113を渡って、スリット113の他側で導電層111に接続される給電ライン115を有する。併せて、アンテナ装置100は、スリット113の開放された端部に隣接した位置で、導電層111上に設置される接続端子117を有する。接続端子117は、板バネを加工したものであり、導電層111に電気的に接続された状態で固定される。接続端子117は、補助基板121の他面に形成された接続パターン125に接触されて放射部パターン123と電気的に接続される。図3及び図4に図示されるように、接続パターン125は、補助基板121の他面から補助基板121の一側面を囲むように延長されて、補助基板121の他面で放射部パターン123に接続される。この時、接続パターン125は、補助基板121の他面のみに形成され、図6に図示されるように、補助基板121を貫通するように形成されたビアホール(via hole)127を通して放射部パターン123に電気的に接続されることができる。
一方、インピーダンス整合のためにアンテナ装置100は、インピーダンス整合素子119を有することができる。インピーダンス整合素子119は、スリット113を渡って配置されるか、または給電ライン115上に配置されることができる。また、アンテナ装置100のインピーダンス整合は、スリット113の端部から給電ライン115が配置されるまでの距離(d;図5に図示される)を調節することによって行われることもできる。
アンテナ装置100は、給電ライン115を通して送信信号が印加されるようになる。給電ライン115に印加された送信信号は、図面符号「113b」で示すスリット113の他側領域の一部分と接続端子117を通して放射部パターン123に進行するようになる。この時、スリット113の他側で放射部パターン123として活用される導電層111の一部分113bをスリット113の一側の導電層111に接続する領域113cは短絡ピンとして活用される。結局、スリット113の他側で導電層111の一部領域113bは、放射部パターン123と共にアンテナ装置100の放射素子として活用される。
この時、給電ライン115に送信信号が印加されると同時にスリット113の周囲には電流の流れ(f)が形成される。このような電流の流れ(f)は図7に図示されるように、スリット113の周囲で反時計方向に従うようになる。給電ライン115に印加された送信信号に従って、放射部パターン123を流れる信号電力もスリット113の周囲で反時計方向に従うようになるため、スリット113周囲の電流の流れと放射部パターン123の信号電力の流れは同じ方向に従うようになる。
上記の通りに、本発明によるアンテナ装置100は、回路基板101でグラウンドを提供する導電層111にスリット113を形成して、導電層111の一部をアンテナ装置100の放射素子として活用するものである。この時、信号の送受信動作で、導電層111に誘導される電流の流れを制御して逆電流現象を防止できるものである。本発明の具体的な実施形態では、給電ライン115と接続端子117の配置を利用して導電層111に誘導される電流の流れ(f)をスリット113の周囲で反時計方向に従うように制御した。このような制御は、スリット113の外周で放射部パターン123が延長される方向、より具体的には、放射部パターン123を流れる信号電力の方向に従って行われるべきである。
このように、本発明によるアンテナ装置100は、グラウンドを提供する導電層111にスリット113を形成することによって、その周囲を流れる電流の方向(f)を制御できるため、放射部パターン123を導電層111に隣接するように配置できる。したがって、安定したアンテナ性能を確保しながらも放射部パターン123と導電層111を相互隣接するように配置できる。すなわち、従来の逆Fアンテナなどと比較すると、グラウンドを提供する導電層111と放射部パターン123との間の距離(H)を減少させることができる。従来の携帯用端末機に適用された内蔵型アンテナの場合、安定したアンテナ性能を確保するためにグラウンド層11と放射部パターン23との間に少なくとも5mm程度の間隔を維持する必要があった。一方、本発明によるアンテナ装置100は、導電層111から2mm以内の間隔に放射部パターン123を形成しても従来のアンテナ装置と同等であるかそれ以上の性能を確保することができる。
また、従来は逆Fアンテナのような内蔵型アンテナの配置において、アンテナ性能を確保するためにグラウンド層を一部除去したフィルカット領域を形成する必要があったが、放射素子として活用される導電層111の一部領域113bは依然としてグラウンドを提供できる。すなわち、アンテナ装置100が作動する高周波領域で、導電層111の一部領域113bは、放射素子の一部として活用されるが、低周波領域で作動する一部電気的部品や組立用締結部材などに対して導電層111の一部領域113bは依然としてグラウンドを提供できる。したがって、従来の内蔵型アンテナと比較すると、本発明によるアンテナ装置100は厚さを容易に減少させ、かつ、回路基板101の活用効率を上げることができる。
上記のようなアンテナ装置100の動作周波数は、スリット113の幅(s)、放射部パターン123の幅や形状などによって調節できる。また、放射部パターン123やスリット113上に集中回路素子(lumped circuit element)などを配置して動作周波数や周波数帯域幅の調節が可能である。また、図8に図示されるように、スリット113の他側における導電層111の一部領域113bにもう一つのスリット213を形成するか、放射部パターン123の形状によってアンテナ装置100は多重帯域アンテナで製作することができる。
一方、図2及び図3に図示される構造によって、回路基板の隅部から5mmの距離を置いて、回路基板の隅部と平行に20mm長さのスリットを形成し、アンテナ装置100を具現した。この時、図6をさらに参照すると、導電層111と放射部パターン123との間の距離は1.4mmであり、補助基板121の厚さは0.4mmである。アンテナ装置100は図9と図10の写真図面を通して図示される。このように製作されたアンテナ装置における放射効率(radiation efficiency;RE)とアンテナ装置の全体効率(total radiation efficiency;TRE)を測定した結果が図11に図示され、反射係数が図12に図示される。図11及び図12に図示されるように、本発明によって実際具現されたアンテナ装置は700〜800Mhz帯域及び1.8〜2.2Ghz帯域で安定した動作特性を確保できることが確認される。
本発明の詳細な説明では具体的な実施形態に関して説明したが、本発明の範囲から逸脱しない限度内で色々な変形が可能であることが当業者にとって明らかである。
10 アンテナ装置
11 回路基板
13 グラウンド層
15 フィルカット領域
21 キャリア
23 放射部パターン
25 給電ライン
27 短絡ピン
100 アンテナ装置
101 回路基板
111 導電層
113 スリット
115 給電ライン
119 インピーダンス整合素子
121 補助基板
123 放射部パターン
125 接続パターン
127 ビアホール
213 スリット

Claims (15)

  1. 携帯用端末機のアンテナ装置であって、
    一面に形成された導電層111を含む回路基板101と、
    前記導電層の一部分を除去し、かつ、一方向に延長される形状のスリット113と、
    前記スリット上に位置し、かつ前記回路基板の一面に対面するように配置される補助基板121と、
    前記補助基板に形成される放射素子123と、を有し、
    前記放射素子は、前記スリットを部分的に囲むように配置され
    前記放射素子を流れる信号電力の方向と同じ方向に導電層上に流れる電流を発生することを特徴とするアンテナ装置。
  2. 前記スリットの一端は、前記導電層の一側縁部に開放されることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
  3. 前記放射素子は、前記スリットの両側で各々前記スリットと平行に延長されながら前記スリットの他端部外側で相互接続されて前記スリットを囲むように配置されることを特徴とする請求項1または2に記載のアンテナ装置。
  4. 前記スリットの一側から前記スリットを渡って前記スリットの他側の導電層に接続される給電ライン115をさらに有し、送信信号は、前記スリットの一側から前記給電ラインに提供されることを特徴とする請求項1乃至3のうち何れか一項に記載のアンテナ装置。
  5. 前記スリットの他側の導電層に設置される接続端子117と、
    前記補助基板の一面に提供される接続パターン125と、をさらに有し、
    前記接続端子が前記接続パターンに接触されることを特徴とする請求項4に記載のアンテナ装置。
  6. 前記放射素子は、前記補助基板の他面に提供され、前記接続パターンは前記補助基板の一側面を囲むように延長され、前記補助基板の他面で前記放射素子と接続されることを特徴とする請求項5に記載のアンテナ装置。
  7. 前記補助基板を貫通するように形成されたビアホール127をさらに有し、前記接続パターンは前記ビアホールを通して前記放射素子と電気的に接続されることを特徴とする請求項5に記載のアンテナ装置。
  8. 前記給電ライン上に提供されるインピーダンス整合素子119をさらに有することを特徴とする請求項4乃至7のうち何れか一項に記載のアンテナ装置。
  9. 前記スリットの他側の導電層を一部除去して形成される第2のスリット213をさらに有することを特徴とする請求項1乃至8のうち何れか一項に記載のアンテナ装置。
  10. 前記放射素子は、前記補助基板に配置されるプリント回路パターンまたは前記補助基板に付着される金属薄板であることを特徴とする請求項1乃至9のうち何れか一項に記載のアンテナ装置。
  11. 携帯用端末機のアンテナ装置100であって、
    一面に形成された導電層111を含む回路基板101と、
    前記導電層の一部分を除去し、かつ、前記導電層の一側縁部から一方向に延長される形状のスリット113と、
    前記スリット上に位置し、かつ前記回路基板の一面に対面するように配置される補助基板121と、
    前記補助基板に形成される放射素子123と、を有し、
    前記放射素子は、前記スリットの一側で前記導電層上に位置し、かつ前記スリットと平行に延長される第1の延長部123aと、
    前記第1の延長部の一端から前記スリットの一側端部を囲むように延長される第2の延長部123bと、
    前記スリットの他側で前記補助基板上に位置し、かつ、前記第2の延長部の端部から少なくとも一部分が前記スリットと平行に延長される第3の延長部123cと、
    前記第3の延長部の一端から、前記第2の延長部と平行に延長される第4の延長部と、
    前記第4の延長部の一端から、前記第1、及び第3の延長部と平行に延長される第5の延長部と、を含み、
    前記放射素子を流れる信号電力の方向と同じ方向に導電層上に流れる電流を発生することを特徴とするアンテナ装置。
  12. 前記スリットの一側導電層から前記スリットを渡って前記スリットの他側の導電層に接続される給電ライン115と、
    前記スリットの他側の導電層に設置される接続端子117と、をさらに有し、
    送信信号は、前記スリットの他側から前記給電ラインに提供されて前記スリットの他側の導電層と前記接続端子を通して前記放射素子に伝えられることを特徴とする請求項11に記載のアンテナ装置。
  13. 前記補助基板の一面に提供される接続パターン125をさらに有し、前記接続端子が前記接続パターンに接触されることを特徴とする請求項12に記載のアンテナ装置。
  14. 前記補助基板を貫通するように形成されたビアホール127をさらに有し、前記接続パターンは前記ビアホールを通して前記放射素子と電気的に接続されることを特徴とする請求項13に記載のアンテナ装置。
  15. 前記給電ライン上に提供されるインピーダンス整合素子119をさらに有することを特徴とする請求項12乃至14のうち何れか一項に記載のアンテナ装置。
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