JP6197929B2 - アンテナ - Google Patents

Description

この発明は、プリント基板などに平面状に形成されるアンテナに関する。

スマートフォンなどの携帯電子機器は、高集積化、小型化が進行しており、内蔵されるアンテナにも小型化が望まれている。また、通信が高速化しているとともに、携帯電子機器では、筐体内での回路配置およびユーザの手の影響などによって特性が変化するため、高速通信を可能にし、特性の変化を補償できるようにアンテナの広帯域化も望まれている。このため、たとえば特許文献１に記載のようなアンテナが提案されている。

特開２００９−２９０４５２号公報

特許文献１のアンテナは、地板上に円板状のアンテナ素子を設け、アンテナ素子の端部と地板とを接続するショートスタブを複数設けたものである。アンテナ素子を円板状にしたことにより、低姿勢且つ広帯域にすることができ、ショートスタブの長さを調節することにより共振周波数の変更を可能にしたものである。

しかし、特許文献１のアンテナは、地板、アンテナ素子および側壁が立体的に設けられているため製造が容易でなく、且つ、このアンテナを納める筐体に高さ方向の収容スペースが必要になる。また、地板をアンテナ素子に比べて十分に大きくとる必要があるため、小型化には限界があった。

この発明は、平面状に形成され、広帯域で且つ放射効率の良好なアンテナを提供することを目的とする。

本発明のアンテナは、アンテナエレメントが形成される側の辺である上辺、および該上辺を挟む左辺および右辺を有するグラウンドパターンと、上辺から縦方向に形成された縦エレメントと、縦エレメントから左側に分岐した左分岐線路と、縦エレメントから右側に分岐した右分岐線路と、左分岐線路に接続され縦エレメントの左側に隙間を有するように且つグラウンドパターンの上辺に沿って隙間を有するように平板状に形成されその下辺全域がグラウンドパターンに対向している左横エレメントと、右分岐線路に接続され縦エレメントの右側に隙間を有するように且つグラウンドパターンの上辺に沿って隙間を有するように平板状に形成されその下辺全域がグラウンドパターンに対向している右横エレメントと、一端が左横エレメントに接続され他端がグラウンドパターンに接続される左ショートスタブと、一端が右横エレメントに接続され他端がグラウンドパターンに接続される右ショートスタブと、が平面上に形成されたことを特徴とする。なお、この発明において、左横エレメントおよび右横エレメントの縦横比率が２よりも小さくてもよい。

本発明のアンテナは、アンテナエレメントが形成される側の辺である上辺、および該上辺を挟む左辺および右辺を有するグラウンドパターンと、上辺から縦方向に形成された縦エレメントと、縦エレメントの頂部から左側に分岐した左分岐線路と、縦エレメントの頂部から右側に分岐した右分岐線路と、縦エレメントの左側に隙間を有するように平板状に形成され左分岐線路に接続された左横エレメントと、縦エレメントの右側に隙間を有するように平板状に形成され右分岐線路に接続された右横エレメントと、一端が左横エレメントに接続され他端がグラウンドパターンに接続される左ショートスタブと、一端が右横エレメントに接続され他端がグラウンドパターンに接続される右ショートスタブと、が平面状に形成され、左横エレメントおよび右横エレメントは縦横比率が２よりも小さい形状であることを特徴とする。

上記発明において、グラウンドパターンと縦エレメントの接続部に給電点が設けられてもよい。また、左横エレメントおよび右横エレメントが、ぞれぞれ平らな四角形状であってもよい。

左ショートスタブは、その一端が左横エレメントのグラウンドパターン側の端部に接続され、その他端がグラウンドパターン上辺の左端に接続され、右ショートスタブは、その一端が右横エレメントのグラウンドパターン側の端部に接続され、その他端がグラウンドパターン上辺の右端に接続されていてもよい。

前記左右のショートスタブは、前記左右の横エレメントから前記グラウンドパターンに至る間、蛇行するように形成されていてもよい。

前記左横エレメントおよび左ショートスタブで構成される左アンテナエレメントと、前記右横エレメントおよび右ショートスタブで構成される右アンテナエレメントとが、非対称であってもよい。

前記左右の横分岐線路に挿入されたコンデンサ、または、前記ショートスタブに挿入されたインダクタをさらに設けてもよい。

この発明によれば、広帯域且つ高効率の平面状アンテナを実現することが可能になる。

この発明の実施形態であるアンテナの構成図 アンテナの横エレメントの縦方向の長さＬを変化させる態様を説明する図 アンテナの横エレメントの縦方向の長さＬを変化させた場合の特性の変化を示す図 アンテナの横エレメントの横方向の長さＤを変化させる態様を説明する図 アンテナの横エレメントの横方向の長さＤを変化させた場合の特性の変化を示す図 アンテナのショートスタブの幅Ｗを変化させる態様を説明する図 アンテナのショートスタブの幅Ｗを変化させた場合の特性の変化を示す図 アンテナの電流密度分布を示す図 アンテナの放射効率を示す図 アンテナの電圧反射特性を示す図 アンテナのＸＹ平面における指向特性を示す図 アンテナのＸＺ平面における指向特性を示す図 アンテナのＹＺ平面における指向特性を示す図 アンテナの変形例を示す図

図面を参照してこの発明の実施形態であるアンテナについて説明する。図１はこの発明の実施形態であるアンテナ１の平面構造を示す図である。また図２はアンテナ１の電流密度分布を示す図である。アンテナ１は、誘電体の回路基板１００上に貼付された銅箔をエッチング等でパターン形成することによって作成された平面状のパターンアンテナである。回路基板１００は、たとえば、ガラスエポキシＦＲ４（εｒ＝４．７）の１ｍｍ厚のもの（波長短縮率が６０％〜７０％）を用いている。

以下の説明では、図面における方向（上下左右）をそのままパターンアンテナ１の方向として用いる。また、パターンアンテナ１の指向特性を表すための座標軸を図２に示す矢印のように設定する。すなわち、図の右から左方向にＸ軸、図の下から上方向にＹ軸、図の表面から裏面方向にＺ軸を設定する。

グラウンドパターン１０１は、誘電体基板１００の表面の全幅にわたって略長方形に生成される。グラウンドパターン１０１の上辺中央に給電点１０が設けられ、給電点１０から上方に縦エレメント１１が取り出される。縦エレメント１１は、給電点１０から真っ直ぐ上行し、上端で左右の分岐線路１１０Ｌ、１１０Ｒに分岐する。左分岐線路１１０Ｌには左側のアンテナエレメント１２Ｌが接続され、接続部１１Ｒには右側のアンテナエレメント１２Ｒが接続される。これにより、アンテナ１は略Ｔ型アンテナの形状をなす。左右のアンテナエレメント１２Ｌ，Ｒは、縦エレメント１１を軸として対称であるため、以下、左側のアンテナエレメント１２Ｌについて説明する。

縦エレメント１１の左分岐線路１１０Ｌには、左横エレメント１３Ｌが成形される。左横エレメント１３Ｌは、縦エレメント１１の長さの略８５％の高さと５５％の幅、若しくは、縦エレメント１１の幅の略１７倍の高さと１１倍の幅を有する平板状であり、比較的大きな静電容量を有する。このように、縦エレメント１１の先端に大きな静電容量を有するエレメントが接続されているため、アンテナ１は、容量装荷（Ｃａｐａｃｉｔｙ Ｈａｔ）アンテナとなり、エレメント長に比して共振周波数を低く設定することができる。

なお、アンテナの構造的に述べると、横エレメント１３は、分岐線路１１０から上辺に沿って縦エレメント１１に垂直に延びる線状の部分を言い、その下に続く四角い部分は容量装荷のための平面であるが、以下の説明では説明の簡略のためにこれら全体を横エレメント１３と呼ぶ。横エレメント１３は、一般的に略長方形に形成されるが、その短辺と長辺の比は、１：２よりも小さく（正方形に近く）すれば、インダクタンス成分よりもキャパシタンス成分を十分に大きくすることができる。なお、横エレメント１３の装荷容量値は、この幅広のパターンにスリットを設けることでも、その値を調整することが可能である。

さらに、左横エレメント１３Ｌの左辺下端から誘電体基板１００の左上端に向けて左ショートスタブ１４Ｌが形成されている。左ショートスタブ１４Ｌは、上下に蛇行しながら左進し、グラウンドパターン１０１の左上端の接続点１０２Ｌにおいて、グラウンドパターン１０１に接続される。図１の左ショートスタブ１４Ｌは、左横エレメント１３Ｌから、左向きに取り出され、蛇行（上行および下行）を２回繰り返してグラウンドパターン１０１に接続されるが、蛇行の回数は任意である。また、本実施形態では、左ショートスタブ１４Ｌは、徐々にパターン幅が狭くなるように形成されているが、パターン幅も任意である。アンテナ１の目的とする共振周波数（波長）にあわせた電気長および幅に調整されればよい。

左ショートスタブ１４Ｌの左端の下行部１４０Ｌの左辺は、グラウンドパターン１０１の左辺１０３Ｌと一致しており、給電点１０から左方向を観察した場合に、ショートスタブ１４Ｌの下行部１４０Ｌとグラウンドパターン１０１の左辺１０３ＬとでＴ型アンテナに似た形状をなしている。図２に示すように、このＴ型アンテナ類似形状の部分の電流密度が高く、本アンテナ１の電磁波輻射に大きく寄与していることが判る。

なお、ショートスタブ１４を、徐々に幅を狭めながら横エレメント１３から接続点１０２に到達させたことにより、グラウンドパターン１０１のサイズ変更に対して特性がクリティカルでなくなることが、実験で判明している。

以上は左側のアンテナエレメント１２Ｌについて説明したが、右側のアンテナエレメント１２Ｒは、左右が反転するのみで左側アンテナエレメント１２Ｌと同形状であるため説明は省略する。

ここで図１のアンテナ形状を決定するために、種々の形状で特性をシミュレーションした。まず、図２に示すように、横エレメント１３の縦エレメント１１に並行な方向の長さＬを種々に変化させてその特性を調べた。長さの単位を縦エレメント１１の幅ｗとする。Ｌが５ｗ，１１ｗ，１５ｗ，１７ｗおよび１９ｗの５種類のアンテナについてリターンロス特性および放射抵抗値をシミュレーションした。図３（Ａ）は、リターンロス特性を示す図である。図３（Ｂ）は、インピーダンス特性を示すスミスチャートである。図示のように、Ｌの長短による特性の変化は敏感である。Ｌが大きくなるにつれて共振周波数が下がってゆく。共振周波数でのリターンロスはＬ＝１７ｗのときが最良であり、約−４５ｄＢである。また、Ｌ＝１５ｗ〜１９ｗの範囲内であれば、リターンロスが−１５ｄＢ以下で良好な特性を示していると言える。また、Ｌの長短によりインピーダンス（放射抵抗値）が変化し、Ｌが大きいほどインピーダンスが小さくなる。

ここで、このアンテナの共振周波数を２．４５ＧＨｚとし、縦エレメント１１の幅ｗを０．５ｍｍとしてＬを共振波長λを用いて表す。ｗ＝０．５ｍｍに基づき、１５ｗ＝７．５ｍｍ、１９ｗ＝９．５ｍｍとなる。電波の真空伝搬速度ｃ＝３．００×１０＾８ｍ／ｓに基づき、共振波長はλ＝（３．００×１０＾８／２．４５×１０＾９）×１０００＝１２２ｍｍとなる。これらの値を適用すれば、Ｌの最小値は１５ｗ≒λ／１６、最大値は１９ｗ≒λ／１３と表される。

しかし、アンテナ上では、回路基板１００の誘電率によって波長が短縮される。回路基板１００の比誘電率はεｒ＝４．７であり、これに基づいて回路基板１００の波長短縮率（速度係数）を算出すると、波長短縮率は０．４６になる。しかし、アンテナパターンは回路基板１００の表面に形成されているため、アンテナパターン上での波長短縮率は回路基板１００の波長短縮率と空気中の波長短縮率（＝１）の間のいずれかの値をとる。一般的には、中間的な０．７〜０．６程度の値をとると考えられる。

したがって、Ｌの最大範囲は、下限値は、最大の波長短縮率（＝１）を適用した波長λ＝１２２ｍｍを用いて、１５ｗ≒λ／１６と表され、上限値は、最小の波長短縮率（＝０．４６）を適用した波長λ＝１２２×０．４６≒５６ｍｍを用いて、１９ｗ≒λ／６と表される。したがって、横エレメント１３の長さＬをλ／１６〜λ／６の範囲内に設定すれば、リターンロスの少ない良好な特性が期待できると考えられる。

次に、図４に示すように、横エレメント１３の縦エレメント１１に垂直な方向の長さＤを種々に変化させてその特性を調べた。Ｄが３ｗ，７ｗ，９ｗおよび１１ｗのアンテナについてリターンロス特性および放射抵抗値をシミュレーションした。図５（Ａ）はリターンロス特性を示す図である。図５（Ｂ）はインピーダンス特性を示すスミスチャートである。Ｄの変化により共振周波数は若干変化するが、リターンロスは全域にわたって−４０ｄＢ以下の良好な特性を維持している。また、Ｄを大きくすることで誘導性インピーダンスが微増しているものの、Ｄの変化によるインピーダンス特性の変化は小さい。このことより、Ｄを増減することにより共振周波数を微調整することができることが解る。

さらに、図６に示すように、ショートスタブ１４の幅Ｗを、２ｗ，３ｗ，４ｗに変化させてその特性を調べた。図７（Ａ）はリターンロス特性を示す図である。図７（Ｂ）はインピーダンス特性を示すスミスチャートである。Ｗの変化により共振周波数は若干変化するが、リターンロスは全域にわたって−４０ｄＢ以下の良好な特性を維持している。また、Ｗを大きくすることで容量性インピーダンスが微減するとともに誘導性インピーダンスが微増しているものの、Ｗの変化によるインピーダンス特性の変化は大きくない。このことより、Ｗを増減することにより、共振周波数を微調整することができることが解る。

このように、横エレメント１３の縦エレメント１１に並行な方向の長さＬが、アンテナ１の特性に及ぼす影響が大きいことが判明した。また、横エレメント１３の縦エレメント１１に垂直な方向の長さＤによって共振周波数を微調整できるが、Ｄを大きくすると誘導性インピーダンスが増加することが判明した。そこで、Ｌ：Ｄを２：１〜１：２程度の範囲にすれば、よりよくアンテナ１に容量装荷特性を持たせることができる。

以上のシミュレーションに基づきアンテナ１を適切な寸法で形成して、共振周波数を目的周波数である２．４５ＧＨｚ付近に設定し、２．４５ＧＨｚの高周波信号を給電すると、図８に示すような電流密度分布を示す。この図で、アンテナ１のパターンのうち濃度が濃い部分が電流密度が高い箇所であり、濃度が薄い部分が電流密度が低い箇所である。この図によれば、電流密度が高くなっているのは、縦エレメント１１および左右の横エレメント１３Ｌ，Ｒの縦エレメント１１側、さらに、左右のショートスタブ１４Ｌ，Ｒの下行部１４０Ｌ，Ｒを含む端部である。

このように、アンテナ１の電磁界放射は、縦エレメント１１、左右の横エレメント１３Ｌ，Ｒの一部、および、左右のショートスタブ１４から生じるため、アンテナの実効面積は十分に確保され、サイズに対して大きなアンテナゲインを得ることができる。

アンテナエレメント１２Ｌ，Ｒの端部がグラウンドパターン１０１の左右の接続点１０２Ｌ，Ｒに接続されているため、アンテナ１の励振電流は、グラウンドパターン１０１全体へ大きく広がらず、グラウンドパターン１０１の上辺に集中して流れる。これにより、グラウンド面積がアンテナの放射効率に及ぼす影響が小さくなり、基板サイズに応じたグラウンドパターン１０１の調整が容易になる。

図９は、２．４５ＧＨｚ近辺の周波数に共振させたアンテナ１の放射効率を示す図である。この図によれば、２．４〜２．５ＧＨｚの帯域において放射効率が７４％以上であり、λ／２ダイポールアンテナと同等の利得を得ることができている。このように、アンテナ１は、目的の２．４５ＧＨｚ帯を含む広い周波数帯で効率よく電磁界が放射されていることが判る。

図１０は、アンテナ１の給電点１０における｜Ｓ１１｜特性（電圧反射特性）を示す図である。この図に示すように、略２．２３〜２．６０ＧＨｚ間で電圧反射特性が−１０ｄＢ以下になっており、目的の２．４５ＧＨｚ帯を含む３００ＭＨｚを超える広い帯域でマッチングしていることが判る。

また、上記構造のアンテナ１は、図１１〜図１３に示す指向特性を有する。測定周波数は２．４５ＧＨｚである。図１１〜図１３において５０が水平偏波成分のゲイン曲線、５１が垂直偏波成分のゲイン曲線である。ゲイン値は、アイソトロピックアンテナを基準とする値（ｄＢｉ）で示している。図１１は、図１に示したＸＹ平面における２．４５ＧＨｚの指向特性を示す図である。ＸＹ平面においては、水平偏波成分が全方位（特にＸ軸方向）に高いゲインを示しており、この配置では特に水平偏波成分を良好に放射していることが判る。図１２は、ＸＺ平面における２．４５ＧＨｚの指向特性を示す図である。Ｘ−Ｚ平面においては、垂直偏波成分が全方位にほぼ０ｄＢに近い極めて高いゲインを示しており、この配置すなわち縦エレメント１１を大地に対して垂直とした場合には、特に垂直偏波成分を無指向性で良好に放射していることが判る。また、図１３は、ＹＺ平面における２．４５ＧＨｚの指向特性を示す図である。ＹＺ平面においては、垂直偏波成分は全方位にほぼ高いゲインを示しているとともに、水平偏波成分は、８の字特性の双指向性の特性を有している。この最大ゲインは１．８ｄＢｉであり、ほぼダイポールアンテナと同等のゲインが得られていることが判る。

以上の実施形態は、図１に示したように、左右対称にアンテナエレメント１２Ｌ，Ｒを配置し、ショートスタブ１４Ｌ，Ｒを上下に蛇行させたものであるが、本発明のアンテナはこの形状に限定されるものではない。たとえば、図１４（Ａ）に示すように、左右のアンテナエレメント１２Ｌ，Ｒを非対称にしてもよい。左右のバランスを変更することにより、図１１〜図１３に示した指向特性を任意に変更することが可能になる。図１４（Ａ）では、縦エレメント１１を左にずらせて左右のアンテナエレメント１２Ｌ，Ｒの横方向の長さを変えているが、非対称の形態はこれに限定されない。

また、図１４（Ｂ）に示すように、幅広で静電容量を持たせた横エレメント１３Ｌ，Ｒに加えて（または代えて）、チップコンデンサ２０Ｌ，Ｒを線路に挿入してもよい。アンテナエレメント１２Ｌ，Ｒの静電容量を大きくすることにより、共振周波数を低いほうにシフトすることができる。また、ショートスタブ１４Ｌ，Ｒにコイルなどのインダクタを挿入してもよい。さらに、横エレメント１３Ｌ，Ｒにスリットを設けて静電容量およびインダクタンスを調整してもよい。

また、図１４（Ｃ）に示すように、ショートスタブ１４Ｌ，Ｒを左右に蛇行させながら下から上へ形成してもよい。このように蛇行の方向を変えることにより、アンテナの指向特性を変えることができる。ただし、どのように蛇行させても、ショートスタブ１４Ｌ，Ｒの両端の下行部１４０Ｌ，Ｒがグラウンドパターン１０１の左右の辺と一致するようにする。

なお、以上の実施形態では、縦エレメント１１の幅ｗを０．５ｍｍとしているが、適宜変更可能である。ただし、共振波長λよりも十分に短い長さ、たとえば１／１００以下、であることが好ましい。また、縦エレメント１１の長さ、および、ショートスタブの下行部１４０の長さは、１０ｍｍ程度、すなわちλ／１２〜λ／６程度にするのが好ましいが、コイルを追加するなどにより短縮することも可能である。

なお、この実施形態では、誘電体の回路基板１００の表面にパターンを形成したパターンアンテナについて説明したが、両面基板上に形成されるマイクロストリップを用いたパッチアンテナに本発明の構造を用いてもよく、チップアンテナに本発明の構造を用いてもよい。また、パターンアンテナの一部線路に、たとえば図１４（Ｂ）に示すように、チップ部品等のプリント配線パターン以外の部分を含んでいてもよい。また、上記実施形態のショートスタブ１４をコイルに置き換えることも可能である。またさらに、アンテナを回路基板１００上のパターンでなく、金属板とワイヤを用いて構成してもよい。

また、本実施形態のアンテナ１は、送信用アンテナのみならず、受信用アンテナとしても使用可能である。

１ アンテナ
１０ 給電点
１１ 縦エレメント
１２ アンテナエレメント
１３ 横エレメント
１４ ショートスタブ

Claims (9)

1. アンテナエレメントが形成される側の辺である上辺、および該上辺を挟む左辺および右辺を有するグラウンドパターンと、
   前記上辺から縦方向に形成された縦エレメントと、
   前記縦エレメントから左側に分岐した左分岐線路と、
   前記縦エレメントから右側に分岐した右分岐線路と、
   前記左分岐線路に接続され、前記縦エレメントの左側に隙間を有するように且つ前記グラウンドパターンの上辺に沿って隙間を有するように平板状に形成され、その下辺全域が前記グラウンドパターンに対向している左横エレメントと、
   前記右分岐線路に接続され、前記縦エレメントの右側に隙間を有するように且つ前記グラウンドパターンの上辺に沿って隙間を有するように平板状に形成され、その下辺全域が前記グラウンドパターンに対向している右横エレメントと、
   一端が前記左横エレメントに接続され、他端が前記グラウンドパターンに接続される左ショートスタブと、
   一端が前記右横エレメントに接続され、他端が前記グラウンドパターンに接続される右ショートスタブと、
   が平面状に形成されたアンテナ。
2. 前記左横エレメントおよび前記右横エレメントは、縦横比率が２よりも小さい形状である請求項１に記載のアンテナ。
3. アンテナエレメントが形成される側の辺である上辺、および該上辺を挟む左辺および右辺を有するグラウンドパターンと、
   前記上辺から縦方向に形成された縦エレメントと、
   前記縦エレメントから左側に分岐した左分岐線路と、
   前記縦エレメントから右側に分岐した右分岐線路と、
   前記縦エレメントの左側に隙間を有するように平板状に形成され、前記左分岐線路に接続された左横エレメントと、
   前記縦エレメントの右側に隙間を有するように平板状に形成され、前記右分岐線路に接続された右横エレメントと、
   一端が前記左横エレメントに接続され、他端が前記グラウンドパターンに接続される左ショートスタブと、
   一端が前記右横エレメントに接続され、他端が前記グラウンドパターンに接続される右ショートスタブと、
   が平面状に形成され、前記左横エレメントおよび前記右横エレメントは、縦横比率が２よりも小さい形状であるアンテナ。
4. 前記グラウンドパターンと前記縦エレメントの接続部に給電点が設けられている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のアンテナ。
5. 前記左横エレメントおよび前記右横エレメントが、ぞれぞれ平らな四角形状である請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のアンテナ。
6. 前記左ショートスタブは、その一端が前記左横エレメントの前記グラウンドパターン側の端部に接続され、その他端が前記グラウンドパターンの前記上辺の左端に接続され、
   前記右ショートスタブは、その一端が前記右横エレメントの前記グラウンドパターン側の端部に接続され、その他端が前記グラウンドパターンの前記上辺の右端に接続されている
   請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のアンテナ。
7. 前記左右のショートスタブは、前記左右の横エレメントから前記グラウンドパターンに至る間、蛇行するように形成されている請求項１乃至請求項６のいずれかにに記載のアンテナ。
8. 前記左横エレメントおよび左ショートスタブで構成される左アンテナエレメントと、前記右横エレメントおよび右ショートスタブで構成される右アンテナエレメントとが、非対称である請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のアンテナ。
9. 前記左横分岐線路および前記右分岐線路に挿入されたコンデンサ、または、前記左ショートスタブおよび前記右ショートスタブに挿入されたインダクタを設けた請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のアンテナ。