JP6742950B2 - プリント回路基板アンテナ - Google Patents

Description

本明細書における実施形態は、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に配置されたアンテナに関連する。さらに、それらは、アンテナを備えるＰＣＢ、トランシーバおよび無線データ収集装置に関連する。

アンテナとは、電力を電波に、あるいはその逆に変換する電気装置である。それは、通常、送信機と受信機とを備えている無線周波数（ＲＦ）トランシーバで使用される。アンテナは、無線通信を使用するあらゆる装置にとって必須の部品である。アンテナは、ラジオやテレビの放送、双方向無線通信、通信受信機、レーダー、携帯電話などの通信網、全地球測位システム（ＧＰＳ）などの衛星通信網、ワイヤレス・スピーカー・アンド・オーディオ（ＷＩＳＡ）システム、ジグビー（Ｚｉｇｂｅｅ）若しくはゼット・ウェーブ（Ｚ-ｗａｖｅ）システム及び無線ＬＡＮ（ＷＬＡＮ）だけでなく、他にも、ワイヤレス・マイク、ブルートゥース（登録商標）対応装置、無線コンピュータ・ネットワーク、ベビーモニター、製品に付けるＲＦＩＤタグなどの無線通信装置、カメラなどの無線データ収集装置、ガレージ・ドアオープナ、建物のドアコントローラ、ネットワークビデオレコーダー、ホームオートメーション装置、自動記録装置（ｄａｔａｌｏｇｇｅｒ）などの物理的アクセス制御システム（ＰＡＣＳ）のコントローラにも使用される。

アンテナの類型はさまざまであり、アンテナの選定は、それぞれ異なった適用、利用できるＰＣＢのサイズ、コスト、無線周波数の帯域及び指向性に依存するであろう。たとえば、２〜１０ＧＨｚの適用では、次の類型のアンテナが広く採用されている。

ワイヤアンテナ：これは、その長さを接地平面に対して４分の１波長に適合させた長さでプリント回路基板（ＰＣＢ）を離れた自由な空間に延長されているワイヤの一部である。ワイヤアンテナは、その規模と３次元にさらされているために、良好な性能と無線周波数の帯域を提供する。ワイヤは、直線状、螺旋状、環状となることが可能である。これは、プリント回路基板（ＰＣＢ）に対して４〜５ｍｍの離れた高さで、空間中に突出している三次元（３Ｄ）構造である。

ＰＣＢアンテナ: これは、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に描画された線または帯である。これは、まっすぐな線、逆Ｆ型の線、曲がりくねった線、環状の線、またはアンテナの類型と区域の制約に依存してくねった曲線となることが可能である。ＰＣＢアンテナでは、アンテナは、プリント回路基板（ＰＣＢ）と同一平面内において、２次元(２Ｄ)構造となる。ＰＣＢアンテナは、より多くのプリント回路基板（ＰＣＢ）領域を必要とし、ワイヤアンテナよりも低い効率である。それは製造するのに安価でかつ容易であり、そして、例えば、ブルートゥース・ロウ・エネルギー（ＢＬＥ）の適用のために許容され得る無線帯域を有する。しかしながら、そのような類型のアンテナに対する問題は、ＰＣＢの材料がアンテナの一部になるということである。ＰＣＢの材料やＰＣＢの厚さが異なると、ＰＣＢにおける誘電損失が異なるために、アンテナの放射効率に影響する比誘電率 (εr) が異なってしまう。したがって、もし、ＰＣＢの材料や厚さが変更されるならば、アンテナの設計とチューニングは変更されなければならない。

このような問題に対する解決策は、中国特許１０３９２８７５７号に提案されており、図１に示されている通り、アンテナ１００は、ＰＣＢ１１０の縁部に配置され、ＰＣＢ上のマイクロコントローラ・ユニット（ＭＣＵ）１２０に接続されている。アンテナ１００は、銅をプリントした表面１０１、銅をメッキした縁部１０２及び銅をプリントした底面１０３を合わせて相互に接続することによって形成されている。このようにして、ＰＣＢの表面、縁部及び底面上のアンテナのすべての部分は優れた信号を有することができ、ＰＣＢアンテナの指向性はこうして改善される。しかし、ＰＣＢ１１０は、アンテナ１００の不可欠な部分として残り、従ってアンテナ１００のＲＦ特性に影響を及ぼす。

国際公開第０３／０７７３６０号 米国特許出願公開第２００２／１４５５６７号明細書 米国特許出願公開第２０１５／２６３４３０号明細書

国際公開第０３／０７７３６０号は、平坦な接地基板と、無線信号給電点を有する平坦な主放射素子と、平坦な非励振素子とを備えるアンテナ装置を開示している。好ましくは、当該接地基板、主放射素子及び非励振素子は、電気的な導電材料の一様なシートに形成され、ある実施例として、それらはプリント回路基板の金属層から離れてエッチ（ｅｔｃｈ）される。またある実施例としては、当該接地基板がプリント回路基板の同じ層に形成される一方、当該主放射素子及び非励振素子は当該プリント回路基板と別の層に形成される。接地基板とアンテナは、実質的には同じ面に位置されてもよい。

米国特許出願公開２００２／１４５５６７は、めっき可能なプラスチックアンテナ要素を所望の形状に成形することによって形成されるアンテナ構造体を開示している。成形されたアンテナ要素は、実質的にその周り全体が、導電性金属材料によってめっきされる。アンテナ組立体は、プリント回路基板などの適切な支持体に取り付けるように適合された絶縁性ベース構造体に取り付けられた、成形されめっきされたアンテナ構造体を含む。アンテナ構造体と回路基板との間に接点ばねクリップが相互係合される。

米国特許出願公開２０１５／２６３４３０は、接地平面と接地延長ブランチを含んでいるアンテナ構造体を開示している。その接地平面にはスロットがある。その接地延長ブランチは、スロット内に配置され、接地面に結合される。そのアンテナ構造体は更にＦＲ４（難燃性４）回路基板、システム回路基板、すなわちＦＰＣＢ（フレキシブルプリント回路基板）のような絶縁性の回路基板を含んでいてもよい。アンテナ構造体の接地平面とスロットとは、絶縁性の回路基板の表面に形成される。

上記に鑑みて、本明細書の実施形態の目的は、性能を向上させたＰＣＢアンテナを提供することである。

本明細書の一態様によれば、その目的は、アンテナ本体を具備するアンテナによって達成される。そのアンテナ本体はＰＣＢの一部として一体的に形成され、そのアンテナ本体は金属によって囲まれている。

実施形態としては、アンテナ本体が、金属でメッキまたはプリントされたＰＣＢの表面と底面の両面により、また、アンテナ本体の周囲に沿って金属でメッキされた縁部により囲まれてもよい。

実施形態として、アンテナ本体は、ＰＣＢの縁部から延在していてもよい。あるいは、アンテナ本体は、そのアンテナ本体の周囲の大部分とＰＣＢの周囲との間に空隙を有するＰＣＢ材料により囲まれてもよい。

アンテナ本体を形成するＰＣＢ材料は、金属により囲まれるか、取り囲まれていることに注意すると、それゆえ、それはアンテナの特性に影響を及ぼさない。その代り、アンテナ本体は実質的に金属本体に変わる。さらにまた、アンテナ本体は、ＰＣＢの縁部から延在するように配置されてもよいし、ＰＣＢの縁部の内側に配置されてもよいが、アンテナ本体の周囲の大部分とＰＣＢの周囲との間には空隙を有する。そうした例では、アンテナ本体は、ＰＣＢとＰＣＢの周囲の他の部分から完全に実質的に絶縁されている。したがって、ＰＣＢとＰＣＢの周囲の他の部分はアンテナのＲＦ特性に影響を与えない。

本明細書の実施形態に係るアンテナは、ＰＣＢの一部分として一体的に形成されているので、余分な部品や構成要素なしに、金属の帯によって同じＰＣＢ上の他の部品に簡便かつ直接に接続されてもよい。さらにまた、本明細書の実施形態に係るアンテナは、ワイヤアンテナと同様の利点、すなわち、とても優れた性能とＲＦ範囲を奏することができる。というのは、アンテナ本体は、金属で囲まれていることにより実質的には均質の金属部品であり、それゆえ、３次元（３Ｄ）構造を形成し、自由な空間に対する３次元の向きを達成することができる。同時に、それは、少ない部品を有し、かつ、より少ないスペースと直立した高さを得たＰＣＢの一部分として組み込まれていることによって、ワイヤアンテナの欠点を克服できる。その理由は、ワイヤアンテナまたはその他の接続された個々のアンテナは追加された部品であるとともに、ＰＣＢに接続するための余分な部分を必要とするからである。さらに、本明細書の実施形態に係るアンテナの設計パラメータ、例えば、金属のトレース幅と長さは、調整または変更される必要がなく、異なる厚さと比誘電率を有する様々なＰＣＢに適用されてもよい。さらに、本明細書の実施形態に係るアンテナを作るために余分な製造工程は不要であり、それは、余分なコストはないということになる。

このように、本明細書の実施形態に係るＰＣＢアンテナは、性能を向上させており、小型であり、コスト効率がよく、ＰＣＢの特性による影響を受けない。アンテナの設計は、頑丈かつ正確であり、調整することなく様々なＰＣＢに適用できる。

本明細書の実施形態に係る他の見地によれば、この目的は、ＰＣＢ、トランシーバ及びアンテナを備えた無線データ取得装置によって達成される。アンテナは、ＰＣＢの一部分として一体的に形成されたアンテナ本体を備え、アンテナ本体は金属で囲まれている。

従来技術に係るＰＣＢアンテナである。 本明細書の実施形態に係るアンテナを備えるＰＣＢの平面図である。 図２ａに示されたアンテナを備えるＰＣＢの一部の模式的な斜視図である。 本明細書の実施形態に係るＰＣＢアンテナを図解している概略図である。 本明細書の実施形態に係るアンテナが実装されてもよい無線データ収集装置を図解しているブロック図である。

図２ａは、ＰＣＢアンテナ２００の一実施例が示されているＰＣＢ２１０の平面図である。ＰＣＢアンテナ２００は、ＰＣＢ２１０の一部分として一体的に形成されたアンテナ本体２１２を備える。この例では、アンテナ２００は、２．４ＧＨｚ及び５ＧＨｚ用のデュアルバンドアンテナとして設計されている。アンテナ本体２１２は、残っているＰＣＢの縁部から約１６ｍｍ延びて、約２２ｍｍ横切ったＦ字型である。それは、別の設計と形状の選択に応じることに注意すべきで、アンテナは他の寸法になる。アンテナ本体２１２は、ＰＣＢ２１０の残部から延びている２つの端部２１４、２１６を除いて、その周囲の大半に沿うＰＣＢから切り抜かれている。アンテナ本体２１２は、金属、例えば、銅によって囲まれまたは埋め込まれている。これは、さまざまなプロセスを使用して行うことができる。本明細書のいくつかの実施形態によれば、アンテナ本体２１２は、金属でメッキまたはプリントされたＰＣＢ２１０の表面と底面の両面によって、また、アンテナ本体２１２の周囲に沿って金属でメッキされた縁部によって囲まれている。

図２ｂは、アンテナ本体２１２の斜視図を示す。通常、ＰＣＢの表面と底面にプリントまたはメッキされた金属層または金属トレースが既に存在するので、アンテナ本体２１２の表面と底面の両方の表面２２１、２２２は、金属で覆われている。アンテナ本体２１２を切り出せば、アンテナ本体２１２の切り出された縁部は空気に曝される。アンテナ本体２１２を囲むためには、アンテナ本体２１２の切り出された縁部は、金属、例えば、銅によってメッキされた縁部であってもよい。図２ｂに示されるように、アンテナ本体２１２の縁部は、ＰＣＢから離れたアンテナ本体の周囲に沿って金属でめっきされ、そこに符号２１８、２１９で指示された縁部が認識できる。縁部をメッキしているアンテナ本体は、例えば、縁部をメッキしているバイアホールとしたときに行われる通常の工程である。切り出された縁部が金属メッキされた縁部により閉ざされているときには、アンテナ本体２１２は金属によって囲まれている。これは基本的には、ＰＣＢ２１０の残部と一体をなすにもかかわらず、アンテナ本体２１２を均質な金属部品に変える。したがって、アンテナ本体２１２は３次元（３Ｄ）構造となり、自由な空間へ３次元的にさらされることができ、ワイヤアンテナと同様に、優れた性能とＲＦ範囲を有してもよいことを意味する。

また、この実施形態では、アンテナ本体２１２は、図２ａと２ｂに示されるように、ＰＣＢ２１０の縁部から延在している。これは、アンテナ本体の周りの空き領域を提供する利点となる。

空間を節約して利用可能なＰＣＢの面積を効率的に使用するためには、本明細書の一部の実施形態によれば、図３に示されるように、アンテナ本体はＰＣＢ３１０上に配置されてもよい。ＰＣＢアンテナ３００は、アンテナ本体３１２からなる。そのアンテナ本体３１２は、アンテナ本体３１２の周囲の大部分とＰＣＢ３１０の周囲との間に空隙３２０を有するＰＣＢ材料によって囲まれている。そのアンテナ本体３１２は、ＰＣＢ３１０の残部から端部３１４，３１６に延びている。このように、アンテナ本体３１２は、その周囲に凹地を有するＰＣＢ３１０において半島状突出物を形成し、そのアンテナ本体３１２は、基本的に、ＰＣＢ３１０の残部とＰＣＢ３１０の周囲とから絶縁されている。したがって、ＰＣＢの残部とその周囲はアンテナ３００のＲＦ特性に影響しない。アンテナ本体３１２は、図２ａと図２ｂに図解され、上述されたアンテナ本体２１２と同様の方法で金属によって囲まれている。この実施形態において、アンテナ本体３１２は逆Ｆ字型を有している。ＰＣＢの周囲では、使用可能なＰＣＢ領域が効率的に使用されるように、いくつかの構成部品が配置されてもよい。また、アンテナ本体３１２はＰＣＢ内部に配置されており、ＰＣＢ３１０からはみ出していないため、アンテナ３００に対して余分な空間は必要ない。

２つの実施例におけるアンテナ本体２１２、３１２はＦ字型と逆Ｆ型を有しているが, アンテナ本体２１２、３１２は、アンテナのタイプやスペースの制約に応じて任意の種類の型を有するように構成されてもよく、直線型、Ｌ字型、曲折型、曲折した逆Ｆ字型、環状型、くねった曲線型などでもよい。

設計パラメータ、例えば、アンテナの放射インピーダンス、周波数選択性、帯域幅、中心周波数を決定するアンテナ本体２１２、３１２の平面と底面における金属幅、アンテナの長さ、アンテナのフィードコネクション等は、上述したのと同様に、それぞれの形状に対して従来のＰＣＢアンテナと同様の考慮すべき事項を要求する。しかしながら、アンテナ本体２１２、３１２は、金属に囲まれ、ＰＣＢの残部から隔離されているため、本明細書の実施形態に係るアンテナ２００、３００の設計は、曲げられたり、変更される必要がなく、異なる厚みや比誘電率を有する種々のＰＣＢに適用されてもよい。すなわち、設計上の考慮事項は、通常のＰＣＢアンテナと同じであるが、ＰＣＢ材料のさまざまな特性を考慮することはない。

本明細書に実施形態に係るアンテナ２００、３００は、ＰＣＢ２１０、３１０の一部として一体的に形成されているので、金属トレース、例えば、アンテナ本体２１２、３１２の表面又は底面上と同じ金属トレースにより、特別な部品や部分品の必要なく、同じＰＣＢ上に載っている給電ポート、送電線、インピーダンス整合ネットワーク、アンテナスイッチ、フィルタ等のＰＣＢ２１０、３１０上の他の部分品にも簡便かつ直接的に接続されてもよい。
また、インピーダンスをターゲットインピーダンスに合わせるのも簡単である。トランシーバの場合、そのターゲットインピーダンスは、例えば５０Ωであってもよい。

本明細書に実施形態に係るアンテナ２００、３００は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＢＬＥ、地球測位システム（ＧＰＳ）、ワイヤレス・スピーカー・アンド・オーディオ（ＷＩＳＡ）、ジグビー（Ｚｉｇｂｅｅ）、ゼット・ウェーブ（Ｚ-ｗａｖｅ）および無線ＬＡＮ（ＷＬＡＮ）アプリケーションのいずれか一つに対して構成されていてもよいし、２−１０ＧＨｚの無線動作周波数に適していてもよい。

ここでの実施形態に係るアンテナ２００、３００は、任意の無線通信装置、すなわち、アンテナを必要とする任意の電子機器に適している。図４は、本明細書の実施形態に係るアンテナ２００、３００が実装されている無線データ収集装置４００を示す。無線データ収集装置４００は、監視カメラのようなカメラ、ＰＡＣＳコントローラ、ネットワークビデオレコーダー、ホームオートメーション装置、自動記録装置（ｄａｔａ ｌｏｇｇｅｒ）等のいずれ一つであってもよい。この無線データ収集装置４００は、ＰＣＢ４１０と、本明細書の実施形態に係るアンテナ２００、３００を用いたトランシーバ４１２とを備える。また、無線データ収集装置４００は、他のユニット、例えば、情報保存や信号処理等のためのメモリ４２０や演算処理装置４３０を備えていてもよい。メモリ４２０及び演算処理装置４３０は、アンテナ２００、３００と同じＰＣＢ４１０上に配置されていてもよい。

要約すると、本明細書の実施形態に応じたアンテナ２００、３００のいくつかの利点は、以下のものを含む。
第１に、アンテナ本体２１２、３１２を形成するＰＣＢ材料は、金属により完全に囲まれるか、取り囲まれており、そのために、アンテナの特性に影響しない。
第２に、アンテナ本体２１２、３１２は、基本的に、ＰＣＢの残りの部分とＰＣＢの周囲から分離されており、そのために、ＰＣＢの残りの部分とＰＣＢの周囲とは、アンテナの特性に影響しない。
第３に、アンテナ２００、３００は、余分な部品やコンポーネントなしに金属のトレースによって、同じＰＣＢ上の他のコンポーネントに簡便かつ直接的に接続されてもよい。
第４に、本明細書の実施形態に応じたアンテナ２００、３００は、顕著な性能とＲＦレンジを達成することができる。
第５に、本明細書の実施形態に応じたアンテナ２００、３００は、少ない部品を用いて、少ない区間と垂直な高さを得ている。
第６に、本明細書の実施形態に応じたアンテナ２００、３００は、調整または変更されることを必要とせず、異なる厚みと相関的な誘電率をもつ様々なＰＣＢに適用することができる。

更に、本明細書の実施形態に係るアンテナ２００、３００を作製するために、特別な製造工程は必要なく、そして、それは特別なコストがないことを意味する。

「〜を含む」または「〜を含んでいる」という単語を使用する場合には、それは、非制限、すなわち「少なくとも〜の要素からなる」という意味として解釈されなければならない。

本明細書の実施形態は、上述した好ましい実施形態に限定されるものではない。種々の代替、改変及び等価物を用いることができる。
したがって、上記実施形態は、特許請求の範囲を付記することにより規定される発明の範疇を限定するものとしてはならない。

Claims (8)

1. プリント回路基板（ＰＣＢ）と材料から成形されるアンテナ本体（２１２，３１２）を備えるアンテナ（２００，３００）であって、そのアンテナ本体（２１２、３１２）は、アンテナ本体がＰＣＢから切り出された形でＰＣＢ（２１０，３１０）の一部として一体的に形成されるとともに、ＰＣＢの表面と底面の両面（２２１，２２２）をプリントまたは金属でメッキされて囲まれ、また、アンテナ本体（２１２，３１２）の周囲に沿っては金属でメッキされた縁部（２１８、２１９）によって囲まれ、アンテナ本体（２１２）はＰＣＢ（２１０）の縁部から延在するアンテナ。
2. アンテナ本体（３１２）がアンテナ本体（３１２）の周囲の大部分とＰＣＢ （３１０）の周囲との間に空隙（３２０）を有するＰＣＢ材料によって囲まれている請求項１記載のアンテナ（２００，３００）。
3. アンテナがブルートゥース（登録商標）、ブルートゥース・ロウ・エネルギー（ＢＬＥ）、全地球測位システム（ＧＰＳ）、ワイヤレス・スピーカー・アンド・オーディオ（ＷＩＳＡ）、ジグビー（Ｚｉｇｂｅｅ）、ゼット・ウェーブ（Ｚ―ｗａｖｅ）及び無線ＬＡＮ（ＷＬＡＮ）のアプリケーションのいずれかひとつに適合する請求項１又は２に記載のアンテナ（２００，３００）。
4. アンテナ本体 （２１２）がＦ字型である請求項１乃至３のいずれか一つに記載のアンテナ（２００，３００）。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載のアンテナ（２００，３００）を備えるプリント回路基板ＰＣＢ（２１０，３１０，４１０）。
6. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載のアンテナを備えるトランシーバ （４１２）。
7. 請求項６記載のトランシーバ（４１２）を備える無線データ収集装置（４００）。
8. カメラ、物理的アクセス制御システム（ＰＡＣＳ）のコントローラ、ネットワークビデオレコーダー、ホームオートメーション装置、自動記録装置（ｄａｔａｌｏｇｇｅｒ）のいずれか一つを備える請求項７記載の無線データ収集装置（４００）。