JP6621418B2 - 誘電体装荷を伴うアンテナ構造 - Google Patents

Description

本開示は、概して、アンテナ構造に関し、より詳細には、誘電体装荷（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ）を含むアンテナ構造に関する。

関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年３月２６日に出願された米国特許仮出願第６１／９７０，４３２号明細書の利益を主張し、これは、その全体において本明細書において参照により組み込まれている。

この節は、読者に技術の種々の態様を紹介するように意図されており、これは、以下に記載されている本実施形態に関連し得る。この詳述は、本開示の種々の態様のより良い理解を容易にするための背景の情報を読者に提供する助けになると信じられている。したがって、これらの意見はこの観点から読まれるものであることが理解されるべきである。

無線通信ネットワークが、今日、多くの通信システムに存在している。システムで使用される通信装置の多くは、ネットワークへのインターフェース接続のための１または複数のアンテナを含んでいる。これらの通信装置は、しばしば、限定されることはないが、セットトップボックス、ゲートウェイ、携帯電話または無線電話、テレビ受信機、家庭用コンピュータ、メディアコンテンツプレーヤなどを含む。さらに、これらの通信装置の多くは、異なる種類のネットワークのための複数のインターフェースを含み得る。結果として、１または複数のアンテナは、通信装置上または通信装置内に存在し得る。

通信装置は大きさが小さくなり続けており、通信回路のために通信装置に割り当てられる空間も、アンテナを含め、縮小され得る。アンテナのために必要とされる大きさまたは空間は、通信ネットワーク、および、使用されるアンテナ種類の選択を含む、いくつかの要因に依存して異なる可能性がある。ある特定の動作の状況は、２．４ギガヘルツ（ＧＨｚ）の家庭用無線ネットワークで逆Ｆアンテナを使用することを伴う。図１Ａ〜図１Ｃは、通信装置の内部に位置付けられた印刷回路基板に組み込まれている例示の逆Ｆアンテナの設計を示している。逆Ｆアンテナは、多層印刷回路基板の最上位および最下位の導電性の銅の層を使用している。導電性の銅の層は、アンテナの要素を形成するために、中間層ビアと一緒に結合されている。

図１Ａは、導電性の要素１０５を含んでいる。要素１０５は、接地面上でモノポールアンテナと同様の特性で動作する。要素１１５の一端は、要素１０５の一端から所定の距離である地点において要素１０５に接続している。要素１１５の他端は要素１２０に接続している。要素１２０は、通信回路への接続地点など、電気回路へのインターフェース地点である。要素１０５の長さは、アンテナの動作周波数のおよそ４分の１の波長となるように選択されている。要素１０５の端部から要素１１５との接続地点までの距離は、放射抵抗が、要素１２０に接続される通信回路についての動作のインピーダンスまたは抵抗にできるだけ近くなるように選択される。要素１１５に最も近い要素１０５の端部は別の導電性要素１１０の一端に接続されている。要素１１０の他方の端部は、導電性の銅の接地面１２５にさらに接続されている。要素１１０の追加は、逆Ｆアンテナの構造にとって重要である。アンテナ長さが、アンテナについての動作周波数の全体の波長より小さくなるように通常選択されるため、アンテナについての電気インターフェースは、小さい値の容量性要素と直列な抵抗要素と同等に電気的に動作できる。要素１１０は、アンテナにおける他の同等の要素と並列に誘導子を加えることと同様に電気的に動作する。結果として、要素１１０は、アンテナについての同等の直列の静電容量の効果を低減する。直列の静電容量の追加は、アンテナの大きさを縮小するために使用され得るが、追加の直列の静電容量の位置および大きさは、アンテナのインピーダンスまたは抵抗における低下、および、アンテナ放射パターンにおける低下を含む、望ましくない効果をもたらす可能性もある。

図１Ｂは、それぞれ符号１０６、１１１、および１２６とされている要素１０５、１１０、および１２５の鏡像を含んでいる。図１Ｂは、要素１１５および１２０を含んでいない。図１Ａおよび図１Ａにおける鏡像とされている要素１０５、１０６、１１０、および１１１は、ビア１３０ａ−ｎを使用して共に接続される。図１Ａおよび図１Ｂにおける鏡像とされている接地面１２５および１２６は、ビア１３５ａ−ｎを使用して共に接続される。ビア１３０ａ−ｎおよびビア１３５ａ−ｎは、アンテナの動作または共鳴の周波数についての波長の小さな割合で離間されている。結果として、要素の鏡像とされているセットは、効率的に作用し、要素の単一のセットとして動作する。要素１０５および１０６の他端は、開放されたままとされるか、または接続されない。要素１０５および１０６のこれらの端部は、任意の望まれない静電容量または浮遊容量が、アンテナの同調された周波数または共鳴周波数においてごくわずかな影響を与えるために、最小に維持されるように導電性の接地面１２５および１２６からある距離に維持されてもいる。

図１Ｃは、図１Ａおよび図１Ｂについて記載された要素の三次元図を示している。

図１Ａ〜図１Ｃに記載されている逆Ｆアンテナなどの印刷回路基板アンテナは、アンテナの物理的パラメータとアンテナの電気的動作パラメータとの間の関係を決定するために、アンテナの周りの要素および材料と関連付けられる特性に追加的に依存する。要素の大きさ、厚さ、および長さを含む物理的パラメータが、アンテナで使用される材料の導電性および誘電率と共に、アンテナについての電気的動作周波数を決定する。図１Ａ〜図１Ｃにおけるアンテナは、物理的パラメータのうちの１つとして、空気と関連付けられる誘電率の値（例えば、１に等しい誘電率の値）に依存して、電気的パラメータを決定し、結果として、構築されるアンテナについての物理的パラメータ、または、構築されるアンテナの大きさを決定する。しかしながら、先に記載されているように、装置における空間への常に増加する制約を考えると、小さい物理的パラメータを伴うアンテナが望ましい。そのため、従来の印刷回路基板アンテナより物理的な大きさにおいて小さい一方で、同じかまたは同様の電気的動作パラメータを維持している印刷回路基板アンテナを開発する必要がある。

本開示の一態様によれば、アンテナ構造が記載されている。上記アンテナ構造は、上記アンテナ構造の第１の部分を形成する導電性要素の第１のセットであって、多層印刷回路基板の第１の層上に形成される導電性要素の第１のセットと、上記アンテナ構造の第２の部分を形成する導電性要素の第２のセットであって、上記多層印刷回路基板の第２の層上に、上記導電性要素の第１のセットと平行に形成される、上記導電性要素の第２のセットと、を含み、上記第１の層および上記第２の層は上記多層印刷回路基板の内側層である。

本開示の別の態様によれば、通信機器が記載されている。上記通信機器は、信号を送信することおよび信号を受信することの少なくとも一方が可能である回路と、上記回路に結合されるアンテナとを含む。上記アンテナは、多層印刷回路基板の第１の層上に上記アンテナ構造の第１の部分を形成する導電性要素の第１のセットと、上記多層印刷回路基板の第２の層上に上記アンテナ構造の第２の部分を形成する導電性要素の第２のセットと、を含む。上記導電性要素の第２のセットは上記導電性要素の第１のセットと平行に形成され、上記第１の層および上記第２の層は上記多層印刷回路基板の内側層である。

本開示のこれらの態様、特徴、および利点と、本開示のその他の態様、特徴、および利点とが、記載されることになる、または、添付の図面と関連して読まれる好ましいとされた実施形態の以下の詳細にされている記載から明らかとなる。
例示のアンテナの第１の概観の図である。 例示のアンテナの第２の概観の図である。 例示のアンテナの第３の概観の図である。 本開示の態様による例示の通信装置のブロック図である。 本開示の態様による例示のアンテナの三次元図である。 本開示の態様による例示のアンテナと関連付けられている印刷回路基板構造の側面図である。 本開示の態様による別の例示のアンテナの三次元図である。 本開示の態様による例示のアンテナの特性を示すグラフである。 本開示の態様によるアンテナを製造するための例示の工程の流れ図である。

図面は、当業者に知られているように、本開示の概念を図示する目的のためのものであり、必ずしも本開示を図示するための可能な構造形態だけではないことが理解されるべきである。

図に示された要素は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組合せの種々の形態で実施され得ることが、理解されるべきである。好ましくは、これらの要素は、処理装置、メモリ、および入力／出力インターフェースを含み得る１または複数の適切にプログラムされた汎用装置において、ハードウェアおよびソフトウェアの組合せで実施される。ここで、「結合される」という用語は、直接的に接続されること、または、１または複数の中間コンポーネントを通じて間接的に接続されることを意味するように定義されている。このような中間コンポーネントは、ハードウェアとソフトウェアとの両方に基づくコンポーネントを含み得る。

本記載は、本開示の原理を図示している。したがって、当業者は、本明細書で明示的に記載または示されていないにも係わらず、本開示の原理を具現化し、その範囲内に含まれる種々の構成を考え出すことが可能なことが、理解されるものである。

本明細書で語られるすべての例および条件付きの言葉は、発明者によって技術を促進することに役立つ開示および概念の原理を理解するときに読者を助けるという教育上の目的のために意図されており、このような具体的に説明された例および条件への限定のないものとして解釈される。

さらに、本明細書におけるすべての文言が説明している本開示の原理、特徴、および実施形態と共に、その具体的な例は、それらの構造的等価物と機能的等価物との両方を包含するように意図されている。また、このような等価物は、現在知られている等価物と、将来開発される等価物、つまり、構造に係わらず、同じ機能を実施するあらゆる開発される要素との両方を含むことが、意図されている。例えば、本明細書で提示されている略図が、本開示の原理を具現化する説明に役立つ回路および要素の概念的な見方を表していることは、当業者によって理解されるものである。

図に示されている種々の要素の機能は、専用のハードウェアと共に、適切なソフトウェアと関連しているソフトウェア実行できるハードウェアの使用を通じて、提供され得る。処理装置によって提供されるとき、機能は、単一の専用処理装置によって、単一の共有された処理装置によって、または、一部が共有され得る複数の個別の処理装置によって、提供され得る。さらに、「処理装置」または「制御装置」という用語の明示的な使用は、ソフトウェアを実行できるハードウェアのことを排他的に言うものと解釈すべきではなく、ディジタル信号処理装置（ＤＳＰ）ハードウェア、ソフトウェアを記憶するための読取専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、および不揮発性記憶装置を、制限なく非明示的に含み得る。

本開示は、通信回路の一部として使用されるアンテナの大きさを縮小することに関連した問題に方向付けられる。アンテナを使用するデバイスの大きさが小さくなり続けているため、アンテナを含むコンポーネントの効率的なパッケージングおよび構築がより重要となる。アンテナ設計は、電気的な動作パラメータと物理的特性との間の制約と固有の妥協点とによって制限され得る。本開示は、これらの問題の少なくとも一部に対処しようと試みている。

本開示の実施形態は、印刷回路基板上または印刷回路基板内へと印刷され、アンテナの物理的大きさを縮小するために、アンテナについての電気的性質と関連付けられる誘電要素の一部として印刷回路基板材料を利用するアンテナに関連する。アンテナは、導電性要素が回路基板におけるビアを使用して共に接続される状態で、回路基板の内側層上に、アンテナのための導電性要素を平行に配置する。印刷回路基板構造は、アンテナと併せて記載されている。印刷回路基板構造では、４つの銅の表面または層が、３つの材料域の周りに挟まれている。第１の層および第２の層は、材料によって囲まれた内側層であり、一方、第３の層および第４の層は、印刷回路基板構造の最上層および最下層である。結果として、アンテナ構造は、印刷回路基板のために使用される材料内に位置付けられる。

実施形態についての構造に基づいて、アンテナについての放射場（ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ）は、空気へと通る前に、印刷回路基板材料を対称的に通過する。印刷回路基板材料についての誘電率は、空気についての誘電率より高いかまたは大きい。より高い誘電率は、アンテナについての縮小された物理的大きさをもたらすアンテナについての電気的性質と物理的性質との間の関係において変化を作り出す一方、同様の動作または共鳴の周波数を維持する。また、アンテナの一方の端部は、アンテナの大きさをさらに縮小するために、回路基板材料を誘電体として使用して、接地面に容量性結合または容量的に装荷され得る。

本明細書には、通信装置において１つまたは複数のアンテナを実施するための機構が記載されている。具体的には、機構は、逆Ｆアンテナに関して記載されている。機構は、特には、印刷回路基板上において実施される空気誘電性インターフェース設計と関連付けられる周波数で動作するように従来から設計され得るものといった、他のアンテナ設計における使用のために適合され得ることに留意することが、重要である。機構は、マイクロストリップまたはパッチアンテナが実用的であり得る周波数範囲未満の周波数におけるアンテナ設計でさらに有用である（例えば、２．５ＧＨｚ未満の周波数）。例えば、ごく僅かの変更がある場合、以下に記載されている実施形態は、通信装置に含まれる双極子アンテナ、または、通信装置と共に含まれる双極子アンテナと連動するように変更されてもよい。

ここで図２を見ると、本開示の態様による通信装置２００の実施形態のブロック図が示されている。通信装置２００は、限定されることはないが、携帯用ラジオ、セットトップボックス、ゲートウェイ、モデム、携帯電話または無線電話、テレビ、家庭用コンピュータ、タブレット、およびメディアコンテンツプレーヤを含む、通信の受信機、送信機、および／またはトランシーバ装置の一部として使用され得る。通信装置２００は、限定されることはないが、Ｗｉ−Ｆｉ、電気電子技術者協会（ＩＥＥＥ）基準８０２．１１、または他の同様の無線通信プロトコルを含む、無線ネットワークへの１または複数のインターフェースを含み得る。通信装置２００の完全な動作のために必要ないくつかのコンポーネントおよび相互接続は、独立型の装置としてであっても、または、別の装置の一部として組み込まれるもののいずれであっても、図示されていないコンポーネントが当業者にはよく知られているため、簡潔さのために図示されていない。

通信装置２００は、コンテンツソースおよび／またはコンテンツ再生装置など、図示されていない他の処理回路とインターフェース接続する通信回路２１０を含んでいる。通信回路２１０はアンテナ２２０に接続している。アンテナ２２０は、通信装置２００へ信号を送信し、通信装置２００から信号を受信するために、放送波に対するインターフェースを提供する。

通信回路２１０は、無線ネットワークによって別の装置へとアンテナ２２０を通じてインターフェース接続される信号の送信および受信を向上させるための回路を含む。アンテナ２２０からの受信された信号は、低雑音増幅器によって増幅され、フィルタ、ミクサー、および発振器のセットによって同調され得る。同調された信号は、ディジタル化され、さらに復調および復号され得る。復号された信号は、他の処理回路へと提供され得る。また、通信回路２１０は、アンテナ２２０を通じた送信のために、他の処理回路からの入力信号（例えば、オーディオ、ビデオ、またはデータの信号）を生成、変換、および／またはフォーマットする。通信回路２１０は、無線ネットワークによって通信装置２００から伝送される信号の送信された信号レベルを増大するための出力増幅器を含んでもよい。アンテナ２２０から受信される信号に適用される増幅、およびアンテナ２２０によって送信される信号についての増幅の調整は、通信回路２１０における回路によって制御され得る、または、他の処理回路によって制御され得る。

通信回路２１０は、他の処理回路（図示せず）に対するデータ（例えば、オーディオ信号および／またはビデオ信号）を伝送および受信するために、インターフェースを含んでもいる。通信回路２００は、送信のためにデータをアンテナ２２０へと提供するか、データを他の処理回路へと提供するかのいずれかのために、データをさらに増幅および処理する。通信回路２１０は、オーディオ信号、ビデオ信号、および／またはデータ信号を、アナログまたはディジタルの信号フォーマットのいずれかで受信または伝送できる。一実施形態では、通信回路２１０は、他の処理回路にデータを通信するためのイーサネットインターフェースと、アンテナ２２０と通信するための直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）インターフェースとを有している。通信回路２１０は、イーサネットフォーマットとＯＦＤＭフォーマットとの間で信号を変換するための処理回路を含む。

アンテナ２２０は、通信回路２１０とワイヤレスネットワークとの間で信号をインターフェース接続する。好ましいとされる実施形態では、アンテナ２２０は、逆Ｆアンテナであり、通信回路２１０のために使用される印刷回路基板など、印刷回路基板へとさらに組み込まれる。アンテナは、印刷回路基板の内側層上に位置付けられた導電性要素の対を使用している。要素の対は印刷回路基板においてビアを使用して共に接続されており、それにより要素の各々の対を１つの要素として動作させることができる。アンテナ２２０など、アンテナに関するさらなる詳細は、以下に記載されることになる。

１つよりも多いアンテナ２２０が通信装置２００において使用され得ることに留意することは、重要である。１つよりも多いアンテナの使用は、追加の性能の能力および制御の選択肢を提供する。例えば、一実施形態では、第２のアンテナが第２の配向または第２の軸で配向された状態で、第１のアンテナが第１の配向または第１の軸で配向され得る。別の実施形態では、２つのアンテナが、通信装置２００、または通信装置２００を含むより大きい装置の両端において、物理的に離間されてもよい。本明細書で記載されているような実施形態における複数のアンテナの使用は、配向制御、ダイバーシチ送信または受信、アンテナステアリング、ならびに、多入力多出力信号送信および受信のような性能の向上を可能にする。

図２における通信装置２００は、主としてＷｉＦｉまたはＩＥＥＥ８０２．１１などのローカル無線ネットワークで動作するものとして記載されている。無線の物理的なインターフェースを組み込んだ他のネットワーク基準が使用されてもよいことは、当業者によって理解されるべきである。例えば、通信装置２００は、ブルートゥースネットワーク、ＷｉＭａｘネットワーク、または任意の数の携帯電話ネットワークプロトコルで容易に使用され得る。さらに、２つよりも多いネットワークが、二者択一的に、または一緒に同時に、のいずれかで使用されてもよい。

ここで図３を見ると、本開示の態様を使用した例示のアンテナ３００の三次元図が示されている。アンテナ３００は、図２で記載されている通信装置２００などの通信装置の一部として使用され得る。さらに、アンテナ３００は、限定されることはないが、携帯用ラジオ、セットトップボックス、ゲートウェイ、モデム、携帯電話または無線電話、テレビ、家庭用コンピュータ、タブレット、およびメディアコンテンツプレーヤなど、より大きい多機能装置に含まれ得る。

アンテナ３００は、導電性要素３０５および３０６を含んでいる。要素３０５は、要素３０５の端部の一方により近い位置で導電性要素３１５を通じて要素３２０に接続している。要素３１５に最も近い要素３０５および要素３０６の端部は、導電性要素３１０および３１１の一端にそれぞれ接続されている。導電性要素３１０および３１１の他端は、接地面３２５および３２６にそれぞれさらに接続されている。要素３０５および３０５と、３１０および３１１とは、ビア３３０ａ−ｎを使用して共に接続されている。接地面３２５および３２６は、ビア３３５ａ−ｎを使用して共に接続されている。要素３０５および３０６と、３１０および３１１と、３２５および３２６との間の物理的領域は、材料３４０によって占められている。要素３０５および３０６と、３１０および３１１と、３２５および３２６との真上および真下の物理的領域は、材料３４５および３５０によってそれぞれ占められている。ここに記載されていることを除いて、アンテナ３００の動作、具体的には、要素３０５および３０６、３１０および３１１、３１５、３２０、ならびに、３２５および３２６の動作は、図１Ａ〜図１Ｃにおけるアンテナについて記載された同様の番号とされた要素についての動作と同様である。さらに、材料３４０、３４５、および３５０は、図３において透明なものとして示されている。しかしながら、材料３４０、３４５、および／または３５０は、半透明、透光性、不透明、または、任意の中間の光誘導率（ｌｉｇｈｔ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）の範囲であってもよい。

アンテナ３００は、通信装置の内部の印刷回路に組み込まれている例示の逆Ｆアンテナの設計を記載している。図１Ａ〜図１Ｃに記載されているアンテナなど、先の印刷回路基板アンテナと異なり、アンテナ３００は、導電性要素を印刷回路基板材料内に配置し、層間ビアを使用してアンテナの要素を形成している。

材料３４０、３４５、および３５０は、印刷回路基板材料から成る。印刷回路基板材料は、空気より大きく、典型的には３から５の間の範囲にある誘電率の値を有している。一実施形態では、ＦＲ−４として知られている一般的な印刷回路基板材料が使用されてもよく、これは、４．５に等しい誘電率の値を有している。アンテナ３００についての導電性要素を、空気より大きい誘電率の値を有する材料３４５および３５０において浸漬させるかまたは囲むことで、アンテナ３００の放射パターンによって生成される電磁波は、誘電率の値の平方根に比例して遅くなっていく。結果として、波長はより小さくなり、同じ動作周波数に対するアンテナの有効物理的長さが設計によって縮小されることを可能にする。

電磁放射場の近くおよび遠くの全体を、アンテナ３００などの印刷回路基板アンテナの一部として材料３４５および３５０内に浸漬させることは、物理的に可能ではない。しかしながら、近くの放射場に存在する材料３４５および３５０からの誘電体装荷は、アンテナ３００についての共鳴周波数に重要で顕著な効果を作り出す。一実施形態では、両方の材料３４５および３５０について０．０２５インチ（０．６３５ｍｍ）に等しい厚さが、材料３４５および３５０のない場合と比べて、おおよそ５パーセントだけアンテナ３００についての共鳴周波数を縮小した。要素３０５および３０６の物理的長さは、アンテナ３００の共鳴周波数を所望の共鳴または動作の周波数範囲に戻すために、誘電体装荷の結果として短縮され得る。導電性要素についての内側層の実装を使用するアンテナ３００などのアンテナは、より小さい空間を取り、外側層の実装を使用する同様の構造（例えば、図１Ａ〜図１Ｃに記載されているアンテナ）より大きさが物理的に小さい。

ビア３３０ａ−ｎは、ビア３３５ａ−ｎと共に、材料３４０を通過する層間ビアとして示されており、材料３４５および３５０を通過した後、最上位および最下位にも現れる。ビア３３０ａ−ｎは、アンテナ３００による放射のための追加的な導電性表面を提供できる。先に記載されているように、ビアは、アンテナ３００についての動作周波数についての波長の小さな割合（例えば、波長の１０分の１）で離間されている。小さな離間は、ビアが連続しており、アンテナ３００の追加の金属表面領域および材料厚さになっているかのように、ビアを作用させる。追加の金属表面領域は抵抗の損失を低減し、アンテナ効率を向上させる。しかしながら、材料３４５および３５０を通過するビアは、アンテナ３００の大きさまたは長さをさらに縮小もできる。代替的実施形態では、ビア３３０ａ−ｎおよび／またはビア３３５ａ−ｎは、材料３４０を通過するだけで、材料３４５および３５０と続かなくてもよいが、先に記載されている追加の利益が、この代替的実施形態を使用することで縮小される可能性もある。内側層を接続するために通過するだけで最上面および最下面へと通過しないビアは、ブラインドビアと称される。

ここで図４を見ると、本開示の態様による例示のアンテナと関連付けられている印刷回路基板構造４００の図が示されている。具体的には、回路基板構造４００は、図３に記載されているアンテナ３００に関連して記載されることになる。印刷回路基板についての構築および製造工程は、それらが当業者によってよく知られているため、ここでは詳細には記載されない。

回路基板構造４００は、材料域４４０を囲む第１の導電性要素域４２５および第２の導電性域４３０を含んでいる。追加の材料域４４５および４５０は、導電性域４２５の上方の領域と導電性域４３０の下方の領域とにそれぞれ位置付けられている。さらなる導電性域４５５および４６０が、材料域４４５の最上面と材料域４５０の最下面とにそれぞれ位置付けられている。

各々の導電性域４２５、４３０、４５５、および４６０は、典型的には非常に薄い。導電性域４２５、４３０、４５５、および４６０で使用されている導電性材料は、通常銅または銅合金である。しかしながら、銀、白金、または金などの他の導電性材料が、純粋なまたは合金の形態で使用されてもよい。材料域４４０、４４５、および４５０は、ＦＲ−４などの一般的な印刷回路基板材料を使用できる。材料域４４０で使用される材料は、材料域４４５および４５０に使用される材料と同じであってもよく、または異なってもよい。また、材料域４４０は、材料域４４５および４５０と同じ厚さまたは異なる厚さであってもよい。一実施形態では、導電性域４２５、４３０、４５５、および４６０についての厚さは０．００２５インチ（０．０６３５ｍｍ）であり、材料域４４０についての厚さは０．０１２５インチ（０．３１７５ｍｍ）であり、材料域４４５および４５０についての厚さは０．０２５インチ（０．６３５ｍｍ）である。他の厚さが使用されてもよい。しかしながら、アンテナ３００の動作は、材料域４４５および４５０における材料についての誘電率の値と共に、材料の厚さに依存することに留意することが重要である。本実施形態の原理によって実現される向上は、材料域４４５および４５０における材料の厚さ、およびその材料の誘電率の値によって影響されることになる。

さらに、回路基板構造４００は、４つの層の基板として知られている２つの内側層と共に２つの外側層を含む多層基板を示している。他の実施形態はより多くの層を利用できる。例えば、別の実施形態では、回路基板構造は、７つの材料域と６つの導電性域とを含む８つの層の印刷回路基板を使用できる。本開示の原理から最大限の利益を得るために、多層基板の最も内側の層または導電性域は、アンテナ構造の導電性要素に使用されるべきである。

ここで図５を見ると、本開示の態様を使用した別の例示のアンテナ５００の三次元図が示されている。アンテナ５００は、図２で記載されている通信装置２００などの通信装置の一部として使用され得る。さらに、アンテナ５００は、携帯用ラジオ、セットトップボックス、ゲートウェイ、モデム、携帯電話または無線電話、テレビ、家庭用コンピュータ、タブレット、およびメディアコンテンツプレーヤなど、より大きい多機能装置に含まれ得るが、これらに限定されない。ここに記載されているようなことを除いて、アンテナ５００の要素は、図３に記載されているアンテナ３００について記載されている同様の番号とされた要素と同様の手法で、位置決めされ、機能する。

アンテナ５００は、符号５２７および５２８がそれぞれ付された接地面５２５および接地面５２６の一部をさらに含む。一部５２７および５２８は、要素５０５および５０６の開放端または接続されていない端部にかなり近接させて位置付けられている。アンテナ５００における構造形態は、要素５０５および５０６の端部を一部５２７および５２８においてグランドに容量的に装荷または容量性結合する。先に記載されているように、容量性装荷は、通常、アンテナの動作にとって望ましくない。しかしながら、アンテナ５００での構造形態は、要素５０５および５０６の端部に集中され、材料５４０、５４５、および５５０を通じて誘電的に装荷される容量性結合を作り出す。

追加の容量性結合は、アンテナ５００についての動作または共鳴の周波数をさらに低下させる。結果として、アンテナ５００の大きさは、主には要素５０５および５０６の長さを縮小することで、縮小され得る。一実施形態では、要素５０５および５０６の長さは、元の１６．６ｍｍの長さと比較して、１０．４ミリメートル（ｍｍ）へと縮小される。また、接地面５２７および５２８をより近接させることは、アンテナ５００の全長を２６．６ｍｍから１２．３ｍｍへと縮小する。

図６は、本開示の態様によるアンテナ５００の電気的特性のグラフ６００を示している。グラフ６００は、アンテナ電気端子（例えば、要素５２０）において測定されるときの周波数に対するアンテナ５００の反射減衰量についてのスカラー値を表している。グラフ６００は、メガヘルツ（ＭＨｚ）での周波数を表示しているｘ軸６１０を含んでいる。グラフ６００は、（Ｓ１、１）として表示されているデシベル（ｄＢ）での反射減衰量を表示するｙ軸６２０も含んでいる。線６３０は、アンテナ５００について、周波数に対する反射減衰量の値を表示している。点６４０は、反射減衰量についての最小値を表示しており、アンテナ５００と、要素５２０における予期される回路インピーダンスとの間の最良のインピーダンス整合点を表している。

ここで図７を見ると、本開示の態様によるアンテナを製造するための例示の工程７００の流れ図が示されている。工程７００は、図３において先に記載されたアンテナ３００、または、図５において先に記載されたアンテナ３００などのアンテナを製造するための工程の一部として組み込まれてもよい。工程７００は、図２で記載されている通信装置２００などの通信装置を製造するための工程の一部として組み込まれてもよい。工程７００は、図４に記載されている技術および材料を含むがこれに限定されない特定の製造技術および材料に依存してもよい。アンテナおよび／または装置を製造するために必要とされる特定の製造する技術に関する具体的な詳細は、それらが当業者に技術的に知られているため、ここではさらに記載されることはない。

工程７００は、印刷回路基板の２つの内側層を使用して、製造工程の一部としてアンテナを形成する。内側層は、製造工程において同じく形成される複数の導電性ビアホールまたは導電性ビア要素を通じて接続される。一実施形態では、工程７００によって形成されるアンテナは、２．５ＧＨｚ以下の周波数で動作するように意図された逆Ｆアンテナである。

ステップ７１０において、アンテナ構造の第１の部分が、多層印刷回路基板の第１の層上に、導電性要素の第１のセットを使用して形成される。ステップ７２０において、アンテナ構造の第２の部分が、多層印刷回路基板の第２の層上に、導電性要素の第２のセットを使用して形成される。導電性要素の第１および第２のセットは導電性要素の第２のセットが導電性要素の第１のセットと平行になるように形成されることは、重要である。次に、ステップ７３０において、複数の導電性ビアホールまたは導電性要素が、導電性要素の第１のセットを、ステップ７１０および７２０において形成された導電性要素の第２のセットに接続するために形成される。ステップ７３０において、他の接続構造が使用されてもよいこと、または接続ステップ７３０がステップ７１０および／またはステップ７２０の固有の一部として組み合わされ得ることに留意することは、重要である。

一部の実施形態では、工程７００は、アンテナについての接地面に関連する追加の構造を形成するために続けられてもよい。接地面は、第１の導電性接地面の一部分と第２の導電性接地面の一部分とが、導電性要素の第１のセットの一部分と導電性要素の第２のセットの一部分とに容量性結合されるとき、アンテナ構造の大きさを縮小し得る。

ステップ７４０において、第１の導電性接地面は、多層印刷回路基板の第１の層上に形成される。ステップ７５０において、第２の導電性接地面は、多層印刷回路基板の第２の層上に、第２の導電性接地面が第１の導電性接地面と平行になるように形成される。最後に、ステップ７６０において、複数の導電性ビアホールまたは導電性要素は、第１の導電性接地面と第２の導電性接地面とを共に接続することになる。先のステップ７３０にあるように、ステップ７６０における接続は、ビア接続以外の機構を通じて完了されてもよい、または、ステップ７３０は、ステップ７４０および７５０に組み込まれてもよい。

本明細書の実施形態は、印刷回路基板上または印刷回路基板内へと印刷され、アンテナの物理的大きさを縮小するために、アンテナについての電気的性質と関連付けられる誘電要素の一部として印刷回路基板材料を利用するアンテナを記載している。アンテナは、通信装置の一部として使用されるものとして記載されている。アンテナは、導電性要素が回路基板におけるビアを使用して共に接続される状態で、回路基板の内側層上に、アンテナのための導電性要素を配置する。

本実施形態において記載された構造形態は、アンテナの全体の導電性の表面の周りに誘電性材料を効果的に配置する。結果として、アンテナについての放射場は、空気に入る前に、印刷回路基板材料を対称的に通過する。印刷回路基板材料の誘電率は、空気についての誘電率より高いまたは大きい。より高い誘電率は、アンテナについての縮小された物理的大きさをもたらすアンテナの電気的性質と物理的性質との間の関係において変化を作り出し、一方、同様の動作または共鳴の周波数を維持する。また、アンテナの一方の端部は、アンテナの大きさをさらに縮小するために、回路基板材料を誘電体として使用して、接地面に容量性結合または容量的に装荷され得る。

本開示の教示を組み込んでいる実施形態が本明細書において詳細に示されて記載されてきたが、当業者は、これらの教示を依然として組み込んだ多くの他の種々の実施形態を容易に考え出すことができる。誘電体装荷を使用するアンテナの好ましいとされる実施形態（例示であって限定ではないように意図されている）を記載してきたが、変更および変形が、先の教示に鑑みて当業者によって行われ得ることに留意すべきである。そのため、添付されている請求項によって概要の示されているような本開示の範囲内にある変更が、開示されている本開示の実施形態において行われ得ることを理解すべきである。
上記実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
アンテナ構造（３００）であって、
前記アンテナ構造の第１の部分を形成する導電性要素の第１のセット（３０５、３１０）であって、多層印刷回路基板の第１の層上に形成される、前記導電性要素の第１のセット（３０５、３１０）と、
前記アンテナ構造の第２の部分を形成する導電性要素の第２のセット（３０６、３１１）であって、前記多層印刷回路基板の第２の層上に、前記導電性要素の第１のセット（３０５、３１０）と平行に形成される、前記導電性要素の第２のセット（３０６、３１１）と、
を備え、
前記第１の層および前記第２の層は前記多層印刷回路基板の内側層である、前記アンテナ構造（３００）。
（付記２）
前記導電性要素の第１のセット（３０５、３１０）および前記導電性要素の第２のセット（３０６、３１１）は逆Ｆアンテナに含まれる、付記１に記載のアンテナ構造（３００）。
（付記３）
前記導電性要素の第２のセット（３０６、３１１）は前記導電性要素の第１のセット（３０５、３１０）の鏡像として形成される、付記１に記載のアンテナ構造（３００）。
（付記４）
前記アンテナ構造（３００）は、前記導電性要素の第１のセット（３０５、３１０）を前記導電性要素の第２のセット（３０６、３１１）に接続するための導電性ビア（３３０ａ−ｎ）を含む、付記１に記載のアンテナ構造（３００）。
（付記５）
前記導電性要素の第１のセット（３０５、３１０）および前記導電性要素の第２のセット（３０６、３１１）は、前記多層印刷回路基板のためのベース材料として使用される材料内に一体化される、付記１に記載のアンテナ構造（３００）。
（付記６）
前記印刷回路基板のための前記ベース材料は、空気より大きい誘電率の値を有する、付記５に記載のアンテナ構造（３００）。
（付記７）
前記多層印刷回路基板のためのベース材料として使用される前記材料内に一体化される前記導電性要素の第１のセット（３０５、３１０）および前記導電性要素の第２のセット（３０６、３１１）は、電気的動作の所与の周波数について、前記アンテナ構造（３００）の物理的大きさを縮小する、付記６に記載のアンテナ構造（３００）。
（付記８）
前記多層印刷回路基板の前記第１の層上に形成される第１の導電性接地面（３２５）と、
前記多層印刷回路基板の前記第２の層上に、前記第１の導電性接地面（３２５）と平行に形成される第２の導電性接地面（３２６）であって、前記第２の導電性接地面（３２６）および前記第１の導電性接地面（３２５）は、導電性ビア（３３５ａ−ｎ）を使用して共に接続され、前記第１の導電性接地面（３２５）の一部分と前記第２の導電性接地面（３２６）の一部分とは、前記導電性要素の第１のセット（３０５、３１０）の一部分と前記導電性要素の第２のセット（３０６、３１１）の一部分とに容量性結合される、前記第２の導電性接地面（３２６）と、
をさらに備える、付記１に記載のアンテナ構造（３００）。
（付記９）
前記容量性結合は、電気的動作の所与の周波数について、前記アンテナ構造（３００）の物理的大きさを縮小する、付記８に記載のアンテナ構造（３００）。
（付記１０）
前記アンテナ構造（３００）は、２．５ギガヘルツ以下である電気的周波数において使用される、付記１に記載のアンテナ構造（３００）。
（付記１１）
信号を送信することおよび信号を受信することの少なくとも一方が可能な回路（２１０）と、
前記回路（２１０）に結合されるアンテナ（２２０）であって、多層印刷回路基板の第１の層上にアンテナ構造の第１の部分を形成する導電性要素の第１のセット、および前記多層印刷回路基板の第２の層上に前記アンテナ構造の第２の部分を形成する導電性要素の第２のセットを含み、前記導電性要素の第２のセットは前記導電性要素の第１のセットと平行である、前記アンテナ（２２０）と、
を備え、
前記第１の層および前記第２の層は前記多層印刷回路基板の内側層である、通信機器（２００）。
（付記１２）
前記アンテナ２２０は逆Ｆアンテナである、付記１１に記載の通信機器（２００）。
（付記１３）
前記導電性要素の第２のセットは前記導電性要素の第１のセットの鏡像として形成される、付記１１に記載の通信機器（２００）。
（付記１４）
前記アンテナ２２０は、前記導電性要素の第１のセットを前記導電性要素の第２のセットに接続するための導電性ビアをさらに含む、付記１１に記載の通信機器（２００）。
（付記１５）
前記導電性要素の第１のセットおよび前記導電性要素の第２のセットは、前記印刷回路基板のためのベース材料として使用される材料内に一体化される、付記１１に記載の通信機器。
（付記１６）
前記印刷回路基板のための前記ベース材料は、空気より大きい誘電率の値を有する、付記１４に記載の通信機器。
（付記１７）
前記多層印刷回路基板のためのベース材料として使用される材料内に一体化される前記導電性要素の第１のセットおよび前記導電性要素の第２のセットは、電気的動作の所与の周波数について、前記アンテナ（２２０）の物理的大きさを縮小する、付記１６に記載の通信機器。
（付記１８）
前記アンテナ（２２）は、前記多層印刷回路基板の前記第１の層上に形成される第１の導電性接地面と、前記多層印刷回路基板の前記第２の層上に、前記第１の導電性接地面と平行に形成される第２の導電性接地面とをさらに含み、前記第２の導電性接地面および前記第１の導電性接地面は、導電性ビアを使用して共に接続され、前記第１の導電性接地面の一部分と前記第２の導電性接地面の一部分とは、前記導電性要素の第１のセットの一部分と前記導電性要素の第２のセットの一部分とに容量性結合される、付記１１に記載の通信機器。
（付記１９）
前記容量性結合は、電気的動作の所与の周波数について、前記アンテナ（２２０）の物理的大きさを縮小する、付記１８に記載の通信機器。
（付記２０）
前記アンテナ（２２０）は、２．５ギガヘルツ以下である電気的周波数において使用される、付記１１に記載の通信機器。
（付記２１）
導電性要素の第１のセットを使用して、多層印刷回路基板の第１の層上にアンテナ構造の第１の部分を形成するステップ（７１０）と、
導電性要素の第２のセットを使用して、前記多層印刷回路基板の第２の層上に前記アンテナ構造の第２の部分を、前記導電性要素の第２のセットが前記導電性要素の第１のセットと平行になるように形成するステップ（７２０）と、
を含み、
前記第１の層および前記第２の層は前記多層印刷回路基板の内側層である、方法（７００）。
（付記２２）
前記導電性要素の第１のセットおよび前記導電性要素の第２のセットは逆Ｆアンテナに含まれる、付記２１に記載の方法（７００）。
（付記２３）
前記導電性要素の第２のセットは前記導電性要素の第１のセットの鏡像として形成される、付記２１に記載の方法（７００）。
（付記２４）
前記導電性要素の第１のセットを前記導電性要素の第２のセットに接続するために、複数の導電性ビアを形成するステップ（７３０）をさらに含む、付記２１に記載の方法（７００）。
（付記２５）
前記導電性要素の第１のセットおよび前記導電性要素の第２のセットは、前記多層印刷回路基板のためのベース材料として使用される材料内に一体化される、付記２１に記載の方法（７００）。
（付記２６）
前記印刷回路基板のための前記ベース材料は、空気より大きい誘電率の値を有する、付記２５に記載の方法（７００）。
（付記２７）
前記多層印刷回路基板のためのベース材料として使用される前記材料内に一体化される前記導電性要素の第１のセットおよび前記導電性要素の第２のセットは、電気的動作の所与の周波数について、前記アンテナ構造の物理的大きさを縮小する、付記２６に記載の方法（７００）。
（付記２８）
前記多層印刷回路基板の前記第１の層上に第１の導電性接地面を形成するステップ（７４０）と、
前記多層印刷回路基板の前記第２の層上に第２の導電性接地面を、前記第２の導電性接地面が前記第１の導電性接地面と平行になるように形成するステップ（７５０）と、
前記第１の導電性接地面および前記第２の導電性接地面を共に接続するために複数の導電性ビアを形成するステップ（７６０）であって、前記第１の導電性接地面の一部分および前記第２の導電性接地面の一部分は、前記導電性要素の第１のセットの一部分および前記導電性要素の第２のセットの一部分に容量性結合される、該ステップ（７６０）と、
をさらに含む、付記２１に記載の方法（７００）。
（付記２９）
前記容量性結合は、電気的動作の所与の周波数について、前記アンテナ構造の物理的大きさを縮小する、付記２８に記載の方法（７００）。
（付記３０）
前記アンテナ構造は、２．５ギガヘルツ以下である電気的周波数において使用される、付記２１に記載の方法（７００）。

Claims (21)

1. アンテナ構造であって、
   第１の材料域によって分離された第１及び第２の内側層と、第２及び第３の材料域によってそれぞれ前記第１及び第２の内側層から分離された第３及び第４の外側層を有する多層印刷回路基板であって、前記第１及び第２の内側層は、前記材料域で使用される材料によって囲まれる、多層印刷回路基板と、
   前記第１の内側層上に形成される前記アンテナ構造の第１の部分を形成する導電性要素の第１のセットであって、第１の放射アーム、第１の短絡アーム、及び第１の給電アームを備える、導電性要素の第１のセットと、
   前記第２の内側層上に前記導電性要素の第１のセットと平行に形成される前記アンテナ構造の第２の部分を形成する導電性要素の第２のセットであって、第２の放射アーム及び第２の短絡アームを備え、前記導電性要素の第１のセットおよび前記導電性要素の第２のセットは逆Ｆアンテナに含まれる、導電性要素の第２のセットと、
   前記多層印刷回路基板の前記第１の層上に形成される第１の導電性接地面と、
   前記多層印刷回路基板の前記第２の層上に前記第１の導電性接地面と平行に形成される第２の導電性接地面であって、前記第２の導電性接地面および前記第１の導電性接地面は、導電性ビアを使用して共に接続される第２の導電性接地面と、
   を備え、
   前記第１の導電性接地面の一部分と前記第２の導電性接地面の一部分とは、それぞれ前記第１の放射アームの一部分と前記第２の放射アームの一部分とに容量性結合され、
   前記アンテナ構造は、前記導電性要素の第１のセットを前記導電性要素の第２のセットに接続するための導電性ビアを含む、前記アンテナ構造。
2. 前記導電性要素の第２のセットは前記導電性要素の第１のセットの鏡像として形成される、請求項１に記載のアンテナ構造。
3. 前記材料域は、前記多層印刷回路基板のためのベース材料を備え、前記導電性要素の第１のセットおよび前記導電性要素の第２のセットは、前記ベース材料内に一体化される、請求項１に記載のアンテナ構造。
4. 前記印刷回路基板のための前記ベース材料は、空気より大きい誘電率の値を有する、請求項３に記載のアンテナ構造。
5. 前記多層印刷回路基板のためのベース材料として使用される前記材料内に一体化される前記導電性要素の第１のセットおよび前記導電性要素の第２のセットは、電気的動作の所与の周波数について、前記アンテナ構造の物理的大きさを縮小する、請求項４に記載のアンテナ構造。
6. 前記容量性結合は、電気的動作の所与の周波数について、前記アンテナ構造の物理的大きさを縮小する、請求項５に記載のアンテナ構造。
7. 前記アンテナ構造は、２．５ギガヘルツ以下である電気的周波数において使用される、請求項１に記載のアンテナ構造。
8. 信号を送信することおよび信号を受信することの少なくとも一方が可能な回路と、
   前記回路に結合されるアンテナ構造と、を備え、
   前記アンテナ構造は、
   第１の材料域によって分離された第１及び第２の内側層と、第２及び第３の材料域によってそれぞれ前記第１及び第２の内側層から分離された第３及び第４の外側層を有する多層印刷回路基板であって、前記第１及び第２の内側層は、前記材料域で使用される材料によって囲まれる、多層印刷回路基板と、
   前記第１の内側層上に形成される前記アンテナ構造の第１の部分を形成する導電性要素の第１のセットであって、第１の放射アーム、第１の短絡アーム、及び第１の給電アームを備える、導電性要素の第１のセットと、
   前記第２の内側層上に前記導電性要素の第１のセットと平行に形成される前記アンテナ構造の第２の部分を形成する導電性要素の第２のセットであって、第２の放射アーム及び第２の短絡アームを備え、前記導電性要素の第１のセットおよび前記導電性要素の第２のセットは逆Ｆアンテナに含まれる、導電性要素の第２のセットと、
   前記多層印刷回路基板の前記第１の層上に形成される第１の導電性接地面と、
   前記多層印刷回路基板の前記第２の層上に、前記第１の導電性接地面と平行に形成される第２の導電性接地面であって、前記第２の導電性接地面および前記第１の導電性接地面は、導電性ビアを使用して共に接続される第２の導電性接地面と、
   を備え、
   前記第１の導電性接地面の一部分と前記第２の導電性接地面の一部分とは、それぞれ前記第１の放射アームの一部分と前記第２の放射アームの一部分とに容量性結合され、
   前記アンテナ構造は、前記導電性要素の第１のセットを前記導電性要素の第２のセットに接続するための導電性ビアをさらに含む、通信機器。
9. 前記導電性要素の第２のセットは前記導電性要素の第１のセットの鏡像として形成される、請求項８に記載の通信機器。
10. 前記材料域は、前記多層印刷回路基板のためのベース材料を備え、前記導電性要素の第１のセットおよび前記導電性要素の第２のセットは、前記ベース材料内に一体化される、請求項８に記載の通信機器。
11. 前記印刷回路基板のための前記ベース材料は、空気より大きい誘電率の値を有する、請求項８に記載の通信機器。
12. 前記多層印刷回路基板のためのベース材料として使用される材料内に一体化される前記導電性要素の第１のセットおよび前記導電性要素の第２のセットは、電気的動作の所与の周波数について、前記アンテナ構造の物理的大きさを縮小する、請求項１１に記載の通信機器。
13. 前記容量性結合は、電気的動作の所与の周波数について、前記アンテナ構造の物理的大きさを縮小する、請求項８に記載の通信機器。
14. 前記アンテナ構造は、２．５ギガヘルツ以下である電気的周波数において使用される、請求項８に記載の通信機器。
15. 第１の放射アーム、第１の短絡アーム、及び第１の給電アームを備える導電性要素の第１のセットを使用して、多層印刷回路基板の第１の内側層上にアンテナ構造の第１の部分を形成することと、
    導電性要素の第２のセットを使用して、前記多層印刷回路基板の第２の内側層上に前記アンテナ構造の第２の部分を、前記導電性要素の第２のセットが前記導電性要素の第１のセットと平行になるように形成することであって、前記導電性要素の第２のセットは、第２の放射アーム及び第２の短絡アームを備え、前記導電性要素の第１のセットおよび前記導電性要素の第２のセットは逆Ｆアンテナに含まれる、形成することと、
    第１及び第２の内側層をそれらの間に配置された材料域を介して分離することと、
    前記第１及び第２の内側層の周囲に外側材料域を配置することと、
    前記多層印刷回路基板の前記第１の層上に第１の導電性接地面を形成することと、
    第２の導電性接地面が前記第１の導電性接地面と平行になるように、前記多層印刷回路基板の前記第２の層上に前記第２の導電性接地面を形成することと、
    前記第１の導電性接地面および前記第２の導電性接地面を共に接続するために、複数の導電性ビアを形成することと、
    を含み、
    前記第１の導電性接地面の一部分と前記第２の導電性接地面の一部分とは、それぞれ前記第１の放射アームの一部分と前記第２の放射アームの一部分とに容量性結合され、
    前記導電性要素の第１のセットを前記導電性要素の第２のセットに接続するために、複数の導電性ビアを形成することをさらに含む、方法。
16. 前記導電性要素の第２のセットは前記導電性要素の第１のセットの鏡像として形成される、請求項１５に記載の方法。
17. 前記材料域は、前記多層印刷回路基板のためのベース材料を備え、前記導電性要素の第１のセットおよび前記導電性要素の第２のセットは、前記ベース材料内に一体化される、請求項１５に記載の方法。
18. 前記印刷回路基板のための前記ベース材料は、空気より大きい誘電率の値を有する、請求項１７に記載の方法。
19. 前記多層印刷回路基板のためのベース材料として使用される前記材料内に一体化される前記導電性要素の第１のセットおよび前記導電性要素の第２のセットは、電気的動作の所与の周波数について、前記アンテナ構造の物理的大きさを縮小する、請求項１８に記載の方法。
20. 前記容量性結合は、電気的動作の所与の周波数について、前記アンテナ構造の物理的大きさを縮小する、請求項１５に記載の方法。
21. 前記アンテナ構造は、２．５ギガヘルツ以下である電気的周波数において使用される、請求項１５に記載の方法。

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