JP6787104B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数共振化が可能なアンテナ装置に関する。

従来、通信機器において、アンテナの共振周波数を複共振化するためには、放射電極と誘電体ブロックとを備えたアンテナ装置が提案されている。
例えば、特許文献１では、絶縁性の基板本体と、基板本体にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランド面と、第１エレメント、第２エレメントおよび第３エレメントとを備えたアンテナ装置が記載されている。

このアンテナ装置では、第１エレメントが、グランド面側に配した基端に給電点が設けられていると共にグランド面から離間する方向に延びる第１延在部と、第１延在部の先端からグランド面に沿った方向に延びる第２延在部とを有し、第２エレメントが、第１延在部から離間する方向に第１エレメントの基端から延びる第３延在部と、第３延在部の先端から第１延在部に沿ってグランド面から離間する方向に延びる第４延在部とを有し、第３エレメントが、第１エレメントの基端から延びて先端が給電点から離間した位置でグランド面に接続されている。
また、第３エレメントには、受動素子が接続されており、この受動素子によってインピーダンスが調整可能となっている。

特開２０１４−１２７９４７号公報

しかしながら、上記従来の技術においても、以下の課題が残されている。
すなわち、特許文献１に記載の従来技術では、例えば２．４ＧＨｚ帯と５ＧＨｚ帯とのデュアルバンドの複共振化を行った場合、第３エレメントの受動素子でインピーダンス調整を行うと、２．４ＧＨｚ帯と５ＧＨｚ帯との両方ともインピーダンスが変化してしまい、周波数帯毎にインピーダンスを個別調整することが困難であった。このため、従来では、両方の共振周波数をベストに調整することが難しく、どちらかの共振周波数を優先させるか、２つの共振のベターな点に調整している。特に、小型の電子機器などにおいては、アンテナ装置に他の電子部品などが近接することが多く、その影響によってずれた入力特性を、受動素子を用いて調整するが、一方の共振周波数だけが大きく特性変化してしまった場合などは、デュアルバンドの調整が困難であった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、複共振化した各共振周波数のインピーダンスの個別調整が可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係るアンテナ装置は、絶縁性の基板本体と、前記基板本体にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランド面と、第１エレメント、第２エレメント、第３エレメント及び第４エレメントとを備え、前記第１エレメントが、前記グランド面側に配した基端に給電点が設けられていると共に前記グランド面から離間する方向に延びる第１延在部と、前記第１延在部の先端から延びる第２延在部と、前記第２延在部の先端から前記グランド面から離間する方向に延びる第３延在部と、前記第３延在部の先端から前記グランド面に沿った方向に延びる第４延在部とを有し、前記第２エレメントが、前記第２延在部から離間する方向に前記第１延在部の先端部から延びる第５延在部と、前記第５延在部の先端から前記第３延在部に沿って前記グランド面から離間する方向に延びる第６延在部とを有し、前記第３エレメントが、前記第１延在部の基端部から延びて先端が前記給電点から離間した位置で前記グランド面に接続され、前記第４エレメントが、前記第２延在部の先端から延びて先端が前記給電点から離間した位置で前記グランド面に接続され、前記第４延在部に第１受動素子が接続され、さらに前記第４エレメントに第２受動素子が接続されていると共に、前記第２延在部に第３受動素子が接続されていることを特徴とする。

このアンテナ装置では、第４延在部に第１受動素子が接続され、第４エレメントに第２受動素子が接続されていると共に、第２延在部に第３受動素子が接続されているので、第１エレメントを主として生じる共振周波数よりも第２エレメントを主として生じる共振周波数に対して高いインピーダンスを有する第３受動素子を採用することで、第２エレメントを主として生じる共振周波数の高周波電流が第４エレメントを介してグランド面に流れることを、第３受動素子で抑制することができる。例えば、第３受動素子をインダクタとすることで、第３受動素子がチョークコイルとして働き、第２エレメントを主として生じる共振周波数の高周波電流が、給電点から第２延在部及び第４エレメントを介してグランド面に流れてしまうことを抑制できる。このように一方の共振周波数の高周波電流を第２延在部の第３受動素子で止めることで、第２受動素子で第１エレメントを主として生じる共振周波数のインピーダンスを個別に調整可能となると共に、第２エレメントを主として生じる共振周波数の高周波電流は、第６延在部と第３延在部との間で生じる結合容量を介して第４延在部にも流れるため、第２エレメントを主として生じる共振周波数のインピーダンスを第４延在部の第１受動素子によって個別に調整することが可能になる。

第２の発明に係るアンテナ装置は、第１の発明において、前記第３エレメントに第４受動素子が接続されていることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、第３エレメントに第４受動素子が接続されているので、第４受動素子により、第１エレメントを主として生じる共振周波数と第２エレメントを主として生じる共振周波数との両方についてインピーダンスを調整することができる。

第３の発明に係るアンテナ装置は、第１又は第２の発明において、前記第２エレメントに第５受動素子が接続されていることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、第２エレメントに第５受動素子が接続されているので、第５受動素子によっても、第２エレメントを主として生じる共振周波数を調整することできる。

第４の発明に係るアンテナ装置は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記第３延在部に第６受動素子が接続されていることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、第３延在部に第６受動素子が接続されているので、第６受動素子によっても、第１エレメントを主として生じる共振周波数を調整することできる。

第５の発明に係るアンテナ装置は、第１から第４の発明のいずれかにおいて、前記第４延在部に、誘電体アンテナのアンテナ素子が接続されていることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、所望の共振周波数に自己共振しないローディング素子のアンテナ素子によってエレメント長の短縮化及び高インピーダンス化と、浮遊容量の増大とが可能になり、複共振化の調整が容易になると共に小型化とアンテナ特性の向上とを図ることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明のアンテナ装置によれば、第４延在部に第１受動素子が接続され、第４エレメントに第２受動素子が接続されていると共に、第２延在部に第３受動素子が接続されているので、第２エレメントを主として生じる共振周波数の高周波電流が第４エレメントを介してグランド面に流れることを、第３受動素子で抑制することができる。これによって、第１受動素子で第２エレメントを主として生じる共振周波数のインピーダンスを個別に調整可能になると共に、第２受動素子で第１エレメントを主として生じる共振周波数のインピーダンスを個別に調整可能となる。
したがって、本発明のアンテナ装置は、特に小型の電子機器に搭載される場合であって、電子部品などが近接している場合でも、各共振周波数の個別調整が容易になり、省スペース化と配線および設置の自由度の向上とを図ることができる。

本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を示す要部の平面図である。 本実施形態において、アンテナ装置で生じる浮遊容量を示す配線図である。 本実施形態において、アンテナ素子を示す斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、正面図（ｃ）、底面図（ｄ）及び背面図（ｅ）である。 本実施形態において、２．４ＧＨｚ帯動作時の高周波電流の流れ（ａ）と、５ＧＨｚ帯動作時の高周波電流の流れ（ｂ）とを示す説明図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例において、入力特性を示すグラフである。 本発明に係るアンテナ装置の実施例において、放射特性を示すグラフである。 本発明に係るアンテナ装置の実施例において、２．４ＧＨｚ帯動作時の電流分布（ａ）と、５ＧＨｚ帯動作時の電流分布（ｂ）とを示すシミュレーション図である。

以下、本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。

本実施形態におけるアンテナ装置１は、図１及び図２に示すように、絶縁性の基板本体２と、基板本体２にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランド面ＧＮＤと、第１エレメント３、第２エレメント４、第３エレメント５及び第４エレメント６とを備えている。 上記第１エレメント３は、グランド面ＧＮＤ側に配した基端に給電点ＦＰが設けられていると共にグランド面ＧＮＤから離間する方向に延びる第１延在部Ｅ１と、第１延在部Ｅ１の先端からグランド面ＧＮＤ（対向するグランド面ＧＮＤの端辺）に沿った方向に延びる第２延在部Ｅ２と、第２延在部Ｅ２の先端から前記グランド面から離間する方向に延びる第３延在部Ｅ３と、第３延在部Ｅ３の先端からグランド面ＧＮＤに沿った方向に延びる第４延在部Ｅ４とを有している。

上記第２エレメント４は、第２延在部Ｅ２から離間する方向に第１延在部Ｅ１の先端部から延びる第５延在部Ｅ５と、第５延在部Ｅ５の先端から第３延在部Ｅ３に沿ってグランド面ＧＮＤから離間する方向に延びる第６延在部Ｅ６とを有している。
上記第３エレメント５は、第１延在部Ｅ１の基端部から延びて先端が給電点ＦＰから離間した位置でグランド面ＧＮＤに接続されている。
なお、グランド面ＧＮＤには、ＲＦ回路部品等の実装領域が設けられる。

上記第４エレメント６は、第２延在部Ｅ２の先端から延びて先端が給電点ＦＰから離間した位置でグランド面ＧＮＤに接続されている。
すなわち、第４エレメント６は、給電点ＦＰ及び第１延在部Ｅ１に対して第３エレメント５と反対側に配されている。

上記第４延在部Ｅ４には、第１受動素子Ｐ１が接続され、さらに第４エレメント６には、第２受動素子Ｐ２が接続されていると共に、第２延在部Ｅ２には、第３受動素子Ｐ３が接続されている。なお、第１延在部Ｅ１と第３延在部Ｅ３との間隔が狭い場合、第３受動素子Ｐ３自体が第２延在部Ｅ２となる。
また、第３エレメント５には、第４受動素子Ｐ４が接続され、第２エレメント４には、第５受動素子Ｐ５が接続されている。
さらに、第３延在部Ｅ３には、第６受動素子Ｐ６が接続されている。

上記第４延在部Ｅ４には、誘電体アンテナのアンテナ素子ＡＴが接続されている。なお、第４延在部Ｅ４は、第６延在部Ｅ６から離間する方向に延びており、その先端部にアンテナ素子ＡＴが接続されている。
上記第５延在部Ｅ５は、第２延在部Ｅ２から離間する方向に延びているが、本実施形態では、第１延在部Ｅ１に対して斜めかつグランド面ＧＮＤから離間する方向に延びている。

上記基板本体２は、一般的なプリント基板であって、本実施形態では、長方形状のガラスエポキシ樹脂等からなるプリント基板の本体を採用している。
上記給電点ＦＰは、同軸ケーブル等の給電手段を介して高周波回路（図示略）の給電点に接続される。この給電手段としては、同軸ケーブル、レセプタクル等のコネクタ、接点が板バネ形状を有する接続構造、接点がピンプローブ形状またはピン形状を有する接続構造、ハンダ付け用のランドを用いた接続構造等の種々の構造が採用可能である。
例えば、給電手段として同軸ケーブルを採用する場合、グランド面ＧＮＤの基端側に同軸ケーブルのグランド線が接続されると共に、同軸ケーブルの芯線が給電点ＦＰに接続される。

上記アンテナ素子ＡＴは、所望の共振周波数に自己共振しないローディング素子であって、例えば図３に示すように、セラミックス等の誘電体１２１の表面にＡｇ等の導体パターン１２２が形成されたチップアンテナである。この導体パターン１２２の両端部が、実装用に第４延在部Ｅ４の分断された部分の対向端に接続されることで、アンテナ素子ＡＴが第４延在部Ｅ４の一部とされる。
このアンテナ素子ＡＴは、共振周波数等の設定に応じて、その長さ、幅、導体パターン等が異なる素子を選択しても構わない。また、所望の周波数によっては、アンテナ素子ＡＴに使用している誘電体１２１を、磁性体、若しくは誘電体と磁性体とを混合した複合材料としても構わない。

また、アンテナ素子ＡＴは、インダクタンス成分のみではなく、容量成分も内在し、インピーダンスが決定される。なお、アンテナ素子ＡＴのインピーダンスは、使用周波数に対して高インピーダンスに設定されることが望ましい。
すなわち、使用周波数、使用する誘電体材料から、アンテナ素子サイズが選定される。また、アンテナ要求性能（アンテナ利得、帯域幅など）により、導体パターン１２２の巻き数、パターン幅等の最適化を行う。例えば、図３に示すアンテナ素子ＡＴでは、導体パターン１２２の巻き数によるインピーダンス値、導体パターン１２２の線間幅による容量値等の設定を行うことで、使用周波数に対するインピーダンスの最適化を行う。

上記第１受動素子Ｐ１〜第６受動素子Ｐ６は、例えばインダクタ、コンデンサまたは抵抗が採用される。
特に、第３受動素子Ｐ３としては、第１エレメント３を主として生じる共振周波数よりも第２エレメント４を主として生じる共振周波数に対して高いインピーダンスを有する受動素子を採用する。例えば、第３受動素子Ｐ３をチョークコイルとして機能させるため、上記インピーダンスを有するインダクタを第３受動素子Ｐ３として採用する。また、第３受動素子Ｐ３は、複数の受動素子を接続して構成した回路を採用しても構わない。

上記第１エレメント３と第２エレメント４とは、互いの間の浮遊容量と、グランド面ＧＮＤとの間の浮遊容量とを発生可能に、互いに間隔を空けて延在している。
例えば、図２に示すように、第６延在部Ｅ６と第３延在部Ｅ３との間の浮遊容量Ｃ１と、第４延在部Ｅ４及びアンテナ素子ＡＴとグランド面ＧＮＤとの間の浮遊容量Ｃ２とが発生可能である。

次に、本実施形態のアンテナ装置１における共振周波数について、図５を参照して説明する。

本実施形態のアンテナ装置１では、図５に示すように、第１の共振周波数ｆ１および第２の共振周波数ｆ２の２つに複共振化される。
上記第１の共振周波数ｆ１は、２つの共振周波数のうち低い周波数帯（例えば、２．４ＧＨｚ帯）のものであり、主に、アンテナ素子ＡＴを含む第１エレメント３と、第６受動素子Ｐ６と、浮遊容量Ｃ２とで決定される。
上記第２の共振周波数ｆ２は、２つの共振周波数のうち高い周波数帯（例えば、５ＧＨｚ帯）のものであり、主に、第２エレメント４と、第５受動素子Ｐ５と、浮遊容量Ｃ１とで決定される。

また、第１の共振周波数ｆ１におけるインピーダンスは、第２受動素子Ｐ２及び第４受動素子Ｐ４と、浮遊容量Ｃ２とで決定される。さらに、第２の共振周波数ｆ２におけるインピーダンスは、第１受動素子Ｐ１と、浮遊容量Ｃ１とで決定される。
また、各共振周波数に対して、第４受動素子Ｐ４を用いて、第３エレメント５を介してグランド面ＧＮＤ側に流れる高周波電流の流れをコントロールすることで、インピーダンス調整を行う。
なお、第３受動素子Ｐ３は、上述したように第２の共振周波数ｆ２の高周波電流に対してチョークコイルとして働く。

したがって、第１の共振周波数ｆ１は、主に図２中の破線Ａ１で囲まれた部分で調整される。
また、第２の共振周波数ｆ２は、主に図２中の一点鎖線Ａ２で囲まれた部分で調整される。

このアンテナ装置１では、第３受動素子Ｐ３が第１の共振周波数ｆ１でローインピーダンスとなると共に、第２の共振周波数ｆ２でハイインピーダンスとなるように設計されており、第１の共振周波数ｆ１と第２の共振周波数ｆ２とを電気的に分離している。したがって、図４の（ａ）に示す二点鎖線の矢印のように第１の共振周波数ｆ１（２．４ＧＨｚ帯）で流れる高周波電流と、図４の（ｂ）に示す二点鎖線の矢印のように第２の共振周波数ｆ２（５ＧＨｚ帯）で流れる高周波電流とでは、その流れが異なる。

また、第１エレメント３の第３延在部Ｅ３と第２エレメント４の第６延在部Ｅ６との間に結合容量Ｃ１が発生することで、結合によって第２の共振周波数ｆ２の高周波電流が第４延在部Ｅ４のアンテナ素子ＡＴにも流れる。そのため、アンテナ素子ＡＴの手前に接続されている第１受動素子Ｐ１によって第４延在部Ｅ４に流れる第２の共振周波数ｆ２の高周波電流の大きさを調整することが可能になる。

このように本実施形態のアンテナ装置１では、第４延在部Ｅ４に第１受動素子Ｐ１が接続され、第４エレメント６に第２受動素子Ｐ２が接続されていると共に、第２延在部Ｅ２に第３受動素子Ｐ３が接続されているので、第１エレメント３を主として生じる第１の共振周波数ｆ１よりも第２エレメント４を主として生じる第２の共振周波数ｆ２に対して高いインピーダンスを有する第３受動素子Ｐ３を採用することで、第２の共振周波数ｆ２の高周波電流が第４エレメント６からグランド面ＧＮＤに流れることを、第３受動素子Ｐ３で抑制することができる。

このように第２の共振周波数ｆ２の高周波電流を第２延在部Ｅ２の第３受動素子Ｐ３で止めることで、第２受動素子Ｐ２で第１の共振周波数ｆ１のインピーダンスを個別に調整可能となると共に、第２の共振周波数ｆ２の高周波電流は、第６延在部Ｅ６と第３延在部Ｅ３との間で生じる結合容量Ｃ１を介して第４延在部Ｅ４にも流れるため、第２の共振周波数ｆ２のインピーダンスを第４延在部Ｅ４の第１受動素子Ｐ１によって個別に調整することが可能になる。

また、第３エレメント５に第４受動素子Ｐ４が接続されているので、第４受動素子Ｐ４により、第１の共振周波数ｆ１と第２の共振周波数ｆ２との両方についてインピーダンスを調整することができる。
また、第２エレメント４に第５受動素子Ｐ５が接続されているので、第５受動素子Ｐ５によっても、第２の共振周波数ｆ２を調整することできる。
さらに、第３延在部Ｅ３に第６受動素子Ｐ６が接続されているので、第６受動素子Ｐ６によっても、第１の共振周波数ｆ１を調整することできる。

また、第４延在部Ｅ４に、誘電体アンテナのアンテナ素子ＡＴが接続されているので、所望の共振周波数に自己共振しないローディング素子のアンテナ素子ＡＴによってエレメント長の短縮化及び高インピーダンス化と、浮遊容量の増大とが可能になり、複共振化の調整が容易になると共に小型化とアンテナ特性の向上とを図ることができる。

次に、本実施形態のアンテナ装置を実際に作製した実施例において、入力特性と放射特性とについて測定した結果を、図５及び図６を参照して説明する。

実施例の各受動素子は、第１受動素子Ｐ１：１．０ｎＨ、第２受動素子Ｐ２：１２．０ｎＨ、第３受動素子Ｐ３：８．０ｎＨ、第４受動素子Ｐ４：３．５ｎＨ、第５受動素子Ｐ５：２．０ｎＨ、第６受動素子Ｐ６：３．０ｎＨのいずれもインダクタを使用した。
なお、比較のため、特許文献１に記載の従来例についても同様に測定した結果を、図５及び図６に示す。
図５及び図６に示すように、本発明の実施例は、従来例よりも良好な結果が得られている。また、本発明の実施例について放射パターンも測定したが、従来例と同様であり、差がほとんど見られなかった。

また、本発明の実施例について、２．４ＧＨｚ帯動作時の高周波電流の電流分布と、５ＧＨｚ帯動作時の高周波電流の電流分布とについてシミュレーションした結果を、図７の（ａ）（ｂ）に示す。
図７の（ａ）に示すように、２．４ＧＨｚ帯動作時では、主に第１エレメント３に高周波電流が集中して流れている。また、図７の（ｂ）に示すように、５ＧＨｚ帯動作時では、主に第２エレメント４に高周波電流が集中して流れているが、第４エレメント６を介してグランド面ＧＮＤ側には流れが生じておらず、第３受動素子Ｐ３が電流を阻止していることがわかる。また、結合容量Ｃ１を介して第２エレメント４から第４延在部Ｅ４側のアンテナ素子ＡＴにも５ＧＨｚ帯の高周波電流が流れていることがわかる。

なお、本発明は上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。

例えば、上記実施形態では、第４延在部にアンテナ素子を設けたが、第６延在部にもアンテナ素子を設けても構わない。この場合、第６延在部のアンテナ素子により、第２エレメントの長さを短縮することができ、アンテナ占有面積が狭い場合などに好適である。
また、基板サイズに余裕がある場合には、上記エレメントの一部を線状若しくは板状の金属を折り返した形状のパターンに置き換えても構わない。また、同一の基板本体の表裏面に対してスルーホールを用いて、螺旋状などの形状に旋回させたパターンにしても構わない。

上記実施形態では、第３受動素子としてチョークコイルとなるインダクタを採用したが、インダクタとコンデンサとのＬＣ並列共振回路を第３受動素子として採用しても構わない。この場合も、ＬＣ並列共振回路を構成する第３受動素子が、第２の共振周波数ｆ２に対してハイインピーダンスとなるように設計することで、インダクタと同様に高周波電流の透過を抑制することができる。
また、上記実施形態は、第２延在部が第１延在部の先端からグランド面（対向するグランド面の端辺）に沿った方向に延びているが、他の方向に延在しても構わない。例えば、第２延在部が、第１延在部と同じ方向に延在してもよい。

１…アンテナ装置、２…基板本体、３…第１エレメント、４…第２エレメント、５…第３エレメント、６…第４エレメント、ＡＴ…アンテナ素子、Ｅ１…第１延在部、Ｅ２…第２延在部、Ｅ３…第３延在部、Ｅ４…第４延在部、Ｅ５…第５延在部、Ｅ６…第６延在部、ＧＮＤ…グランド面、Ｐ１…第１受動素子、Ｐ２…第２受動素子、Ｐ３…第３受動素子、Ｐ４…第４受動素子、Ｐ５…第５受動素子、Ｐ６…第６受動素子、ＦＰ…給電点

Claims (5)

1. 絶縁性の基板本体と、
   前記基板本体にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランド面と、第１エレメント、第２エレメント、第３エレメント及び第４エレメントとを備え、
   前記第１エレメントが、前記グランド面側に配した基端に給電点が設けられていると共に前記グランド面から離間する方向に延びる第１延在部と、前記第１延在部の先端から延びる第２延在部と、前記第２延在部の先端から前記グランド面から離間する方向に延びる第３延在部と、前記第３延在部の先端から前記グランド面に沿った方向に延びる第４延在部とを有し、
   前記第２エレメントが、前記第２延在部から離間する方向に前記第１延在部の先端部から延びる第５延在部と、前記第５延在部の先端から前記第３延在部に沿って前記グランド面から離間する方向に延びる第６延在部とを有し、
   前記第３エレメントが、前記第１延在部の基端部から延びて先端が前記給電点から離間した位置で前記グランド面に接続され、
   前記第４エレメントが、前記第２延在部の先端から延びて先端が前記給電点から離間した位置で前記グランド面に接続され、
   前記第４延在部に第１受動素子が接続され、
   さらに前記第４エレメントに第２受動素子が接続されていると共に、前記第２延在部に第３受動素子が接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記第３エレメントに第４受動素子が接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１又は２に記載のアンテナ装置において、
   前記第２エレメントに第５受動素子が接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
   前記第３延在部に第６受動素子が接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
   前記第４延在部に、誘電体アンテナのアンテナ素子が接続されていることを特徴とするアンテナ装置。