JPWO2017038045A1 - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

給電部および基板グランドを設けたプリント基板に接続されるアンテナ装置であって、給電アンテナと、板状のアンテナグランドと、給電アンテナおよびアンテナグランドの間に形成された板状の人工磁気導体と、給電アンテナをアンテナグランドおよび人工磁気導体を貫通して給電アンテナを給電部に接続する第１の接続部と、アンテナグランドを基板グランドに接続する第２の接続部と、を備える。人工磁気導体は第１の接続部および第２の接続部と接続されていない。

Description

本開示は、アンテナ装置に関する。

特許文献１は、ＡＭＣ（人工磁気導体：Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を利用したアンテナ装置を開示している。

特開２０１５−７０５４２号公報

本開示におけるアンテナ装置は、給電部および基板グランドを設けたプリント基板に接続される。アンテナ装置は、給電アンテナと、板状のアンテナグランドと、給電アンテナおよびアンテナグランドの間に形成された板状の人工磁気導体と、給電アンテナをアンテナグランドおよび人工磁気導体を貫通して給電アンテナを給電部に接続する第１の接続部と、アンテナグランドを基板グランドに接続する第２の接続部と、を備える。人工磁気導体は第１の接続部および第２の接続部と接続されていない。

本開示におけるアンテナ装置は、電子機器に容易に搭載することができる。

図１は、実施の形態１におけるアンテナ装置の外観図である。 図２は、図１の２-２断面図である。 図３は、図１の３-３断面図である。 図４は、実施の形態１におけるアンテナ装置の概念図である。 図５は、実施の形態２におけるアンテナ装置の外観図である。 図６Ａは、アンテナ装置のｘｙ平面における放射パターン図である。 図６Ｂは、アンテナ装置のｘｚ平面における放射パターン図である。 図７は、アンテナ装置の放射効率を示す図である。 図８Ａは、アンテナ装置のｘｙ平面におけるピークゲインを示す図である。 図８Ｂは、アンテナ装置のｘｚ平面におけるピークゲインを示す図である。 図９Ａは、アンテナ装置のｘｙ平面における平均利得を示す図である。 図９Ｂは、アンテナ装置のｘｚ平面における平均利得を示す図である。

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態１）
以下図１〜図４を用いて、実施の形態１を説明する。

実施の形態１におけるアンテナ装置は、２．４ＧＨｚ帯のアンテナ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＷｉＦｉ用のアンテナとして利用され、様々な電子機器に利用される。

図１は、実施の形態におけるアンテナ装置の外観図である。図１において、アンテナ装置は、プリント基板１０上に実装された状態を示している。

以下においてはアンテナ装置１００の一例として、ダイポールアンテナを例に説明する。ダイポールアンテナは、複数の層を有する積層基板を基に作られており、表面の金属箔をエッチング等することによってダイポールアンテナのパターンを形成している。複数の層のそれぞれは、銅箔やガラスエポキシ等で構成される。

図１に示すように、アンテナ装置１００は、基板１と、給電アンテナの一例として導体２と、非給電アンテナの一例として導体３と、第１の接続部の一例としてビア４と、第２の接続部の一例としてビア５と、第３の接続部の一例としてビア６を備えている。

導体２と導体３は、基板１の表面１ａに設けられている。ビア４〜６（第１、２、３の接続部）は、基板１の表面１ａから裏面１ｂにかけて形成された複数の貫通孔により形成されている。導体２は、給電アンテナとして機能するため、ビア４を介して、プリント基板１０上の給電点と接続される。導体３は、非給電アンテナとして機能するため、ビア６を介してプリント基板１０上のグランドと接続される。

ここで、ｚ軸方向は、アンテナ装置１００の長手方向を意味する。ｙ軸方向は、アンテナ装置１００の短手方向を意味し、ｚ軸方向に対し直交する。ｘ軸方向は、アンテナ装置１００の厚み方向を意味し、ｘｙ平面に対し直交する。基板１においてビア４、ビア６のそれぞれは、ｙ軸方向ではほぼ中心の位置、ｚ軸方向では中心から対称となる位置に配置されている。ビア５は、導体２、導体３と接しない位置に配置されていればよく、例えばビア４の近傍に配置されている。

次にビア４、ビア６について詳細に説明する。図２は、図１の２-２断面図である。

図２は、図１においてビア４、ビア６を通る線における断面図である。

図２に示すように、積層基板である基板１は、ガラスエポキシ等で形成される誘電体を挟んで、ＡＭＣ（人工磁気導体：Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）７とアンテナグランド８により構成される。ＡＭＣ７は、ＰＭＣ（Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）特性を有する人工磁気導体のことであり、所定の金属パターンにより形成される。ＡＭＣ７を利用することで、アンテナの薄型化、高利得化ができる。なお、ここでいう利得とは、本実施の形態のアンテナ装置１００と基準とするアンテナ装置に同一電力を加えたとき、最大電界方向で受け取る電力の比である。高利得化とは、本実施の形態のアンテナ装置１００と基準とするアンテナ装置に同一電力を加えたとき、最大電界方向で受け取る電力の比が大きいことを意味する。すなわち、高利得化により、例えば電波をより遠くに飛ばすことができる。

ビア４は、導体２をアンテナとして駆動するための電力を供給するためのものであり、基板１の表面１ａにある導体２と電子機器の給電部を電気的に接続するが、ＡＭＣ７およびアンテナグランド８とは電気的に接続しない。

一方、ビア６は、導体３をグランドに接続するためのものであり、基板１の表面にある導体３および電子機器のグランドと、電気的に接続する。このとき、ビア４と異なり、ビア６は、ＡＭＣ７およびアンテナグランド８と、電気的に接続する。

ここで、アンテナ装置１００の厚み寸法と周波数帯の関係について説明する。

例えば２．４ＧＨｚ帯のアンテナ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＷｉＦｉ用のアンテナとしての用途を満たすためには、一定の周波数帯域を維持しなければならない。一般的に、周波数帯域は、ＡＭＣ７とアンテナグランド８の厚み寸法が小さくなるほど狭くなるため、アンテナ特性の観点からは、できるだけ厚み寸法は大きい方がよい。一方で、ＡＭＣ７とアンテナグランド８の厚み寸法を大きくすれば、アンテナ装置１００が大型化してしまう。周波数帯域を維持することとアンテナ装置１００の小型化との両立を図るためには、ＡＭＣ７とアンテナグランド８の両方をグランドに接続する必要がある。具体的には、例えば、２．４ＧＨｚ帯で通信速度を１００ＭＢＰＳとした場合、ＡＭＣ７とアンテナグランド８の両方をグランドに接続しないと、アンテナ装置１００の厚み寸法は５ｍｍよりも大きくなってしまう。しかし、ＡＭＣ７とアンテナグランド８の両方をグランドに接続すると、ＡＭＣ７とアンテナグランド８の厚み寸法は１〜２ｍｍまで薄くできるので、アンテナ装置１００の厚み寸法は５ｍｍ以下まで薄くできる。そこで、上述の通り、本実施の形態において、ビア６は、ＡＭＣ７およびアンテナグランド８と、電気的に接続する構成としている。

また、アンテナ装置１００は、電子機器のプリント基板１０に配置され、基板１の裏面１ｂから電子機器のプリント基板１０上の給電点とグランドに接続して利用される。アンテナ装置１００の近傍に金属などの影響があると周波数がずれてしまい、交信性能が低下する可能性もあるので、裏面１ｂからアンテナ装置１００をプリント基板１０に接続することが好ましい。

次に、ビア５について詳細に説明する。図３は、図１の３-３の断面図である。図３は、ビア５を通る線における断面図である。

図３に示すように、ビア５（第２の接続部）は、導体２のグランドとして機能するものであり、ｘ軸方向においてビア４と平行に形成されている。アンテナグランド８とプリント基板１０のグランドがビア５を介して電気的に接続されている。

ここで、アンテナである導体２、導体３、ＡＭＣ７、アンテナグランド８の形状について図４を用いて説明する。図４は、実施の形態におけるアンテナ装置の概念図である。

図４に示すように、ＡＭＣ７は、ｚ軸方向の中心にスリットを設けてＡＭＣ７ａ、ＡＭＣ７ｂの２つの金属パターンにより形成されている。

ＡＭＣ７ａは、ビア４、ビア５がそれぞれ貫通する位置にビア４、ビア５の垂直断面（ｙｚ断面）より大きい垂直断面を有する穴４ａ、５ａからなる空隙を設けている。ビア４、ビア５が空隙内に挿通されているため、ＡＭＣ７ａはビア４、ビア５と接続されない構成としている。穴４ａ、５ａのｙｚ断面の形状は正方形であって、その一辺の長さはビア４、ビア５のそれぞれの径の長さよりも大きい。

ＡＭＣ７ａと同様に、アンテナグランド８は、ビア４が貫通する位置にビア４の垂直断面（ｙｚ断面）より大きい垂直断面を有する穴４ｂからなる空隙を設けている。ビア４が、空隙内に挿通されているため、アンテナグランド８は、ビア４と接続されない構成としている。穴４ｂのｙｚ断面の形状は正方形であって、その一辺の長さはビア４のそれぞれの径の長さよりも大きい。

なお、図４においては、穴４ａ、４ｂ、５ａの断面の形状を正方形としている。しかし、穴４ａ、４ｂ、５ａの内面とビア４、ビア５が接触しない形状および大きさであれば、穴４ａ、５ａの形状は、三角形でも多角形円形でもよく、また、大きさも特に限定しない。また、空隙は穴に限らず、例えば切欠き、スリットでもよい。

導体２と導体３との間隔Ｌ１は、ＡＭＣ７ａとＡＭＣ７ｂとの間隔Ｌ２よりも広くなっている。これは、ＡＭＣ７の機能を最大限生かすためには、間隔Ｌ１が間隔Ｌ２の領域をまたぐように、ＡＭＣ７ａとＡＭＣ７ｂ上方に導体２と導体３を配置する必要があるからである。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２のアンテナ装置として、モノポールアンテナの場合について、図５を用いて説明する。図５は、実施の形態におけるアンテナ装置の外観図である。

図５に示すように、アンテナ装置２００は、基板１と、給電アンテナの一例として導体２と、第１の接続部の一例としてビア４と、第２の接続部の一例としてビア５とを備えている。なお、モノポールアンテナの構成は、ダイポールアンテナの導体３、ビア６の部分が無いもので、その他の構成は同じであるため、詳細な説明は省略する。

上記のように構成されたダイポールアンテナとモノポールアンテナの性能について図６Ａ〜図９Ｂを用いて説明する。図６Ａ，Ｂは、アンテナ装置の放射パターン図である。図７は、アンテナ装置の放射効率を示す図である。図８Ａ，Ｂは、アンテナ装置のピークゲインを示す図である。図９Ａ，Ｂは、アンテナ装置の平均利得を示す図である。なお、以降の説明で用いるｘｙｚ軸は、図１および図２における座標軸と同じである。なお、図６Ａ，Ｂは、ｚ軸を起点にした角度と絶対利得の関係を表したものであり、図７〜図９Ｂは、横軸を周波数として、縦軸に放射効率（図７）、ピークゲイン（図８Ａ，Ｂ）、平均利得（ＰＡＧ：Ｐａｔｔｅｒｎ Ａｖｅｒａｇｅ Ｇａｉｎ）（図９Ａ，Ｂ）を取ったものである。

なお、本実施の形態においては、絶対利得とは、仮想のアンテナを基準とするアンテナ装置にした利得である。平均利得とは、測定した全ての方向のデータから求めた平均値の利得である。

また、図９Ａ，Ｂにおける平均利得は、図６の０度を中心に片側３０度の範囲（０度〜３０度、３３０度〜０度）における絶対利得の平均である。

図６Ａは、ｘｙ平面における放射パターンである。図６Ｂは、ｘｚ平面における放射パターンである。実線が上記説明したダイポールアンテナ、破線が上記説明したモノポールアンテナ、一点鎖線が比較例として用意したダイポールアンテナである。なお、このときの周波数は２４５０ＭＨｚとなっている。

この比較例としてのダイポールアンテナは、本実施形態のダイポールアンテナとビア６の接続が異なる。具体的には、ビア６は、ＡＭＣ７、アンテナグランド８と接続せずに、電気機器の基板上のグランドとのみ接続したものである。

図６Ａ，Ｂにおいて、本実施形態のアンテナの方が、比較例のアンテナと比較してほぼすべての方向で絶対利得が上回っていることがわかる。

また、図７に示すようにアンテナ全体の放射効率で見た場合、周波数を１０ＭＨｚずつ振って比較しても、本実施形態のアンテナは比較例と比較して効率の良いアンテナであり、最大１０ｄＢ程度比較例のアンテナより優れている。

また、図８Ａ，Ｂに示すようにピークゲインで比較しても、本実施形態のアンテナは効率の良いアンテナであることがわかる。

また、図９Ａ，Ｂに示すようにｘｙ平面、ｘｚ平面において平均利得で比較しても本実施形態のアンテナは効率の良いアンテナであることがわかる。

以上のように本実施の形態のアンテナ装置１００は、所定の性能を確保しつつ、薄型化を実現できる。さらに、アンテナ装置１００の裏面１ｂからプリント基板１０の給電部およびグランドに接続することが可能であるため、容易に電子機器等に実装することができる。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、上述の実施の形態では、ダイポールアンテナ、モノポールアンテナを例に説明したが、その他のアンテナ、例えば、逆Ｌアンテナ、逆Ｆアンテナであってもよい。

また、上述の実施の形態では、２．４ＧＨｚ帯のアンテナとして説明したが、他の周波数であってもよい。

また、上述の実施の形態では、積層基板を用いてアンテナ装置を形成しているが、アンテナとＡＭＣ７、アンテナグランド８が順番に積層されていればよく、例えば、導体２および導体３とＡＭＣ７の間が空気層であってもよい。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、電子機器の搭載が容易なアンテナであるため、無線機器のアンテナとして、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、携帯端末、移動体（車、バス、飛行機等）の様々な機器に適用可能である。

１ 基板
１ａ 表面
１ｂ 裏面
２ 導体（給電アンテナ）
３ 導体（非給電アンテナ）
４，５，６ ビア（第１〜第３の接続部）
７ ＡＭＣ
８ アンテナグランド
１０ プリント基板

Claims (8)

1. 給電部および基板グランドを設けたプリント基板に接続されるアンテナ装置であって、
   給電アンテナと、
   板状のアンテナグランドと、
   前記給電アンテナおよび前記アンテナグランドの間に形成された板状の人工磁気導体と、
   前記給電アンテナを前記アンテナグランドおよび前記人工磁気導体を貫通して前記給電アンテナを前記給電部に接続する第１の接続部と、
   前記アンテナグランドを前記基板グランドに接続する第２の接続部と、を備え、
   前記人工磁気導体は前記第１の接続部および前記第２の接続部と接続されていないアンテナ装置。
2. 前記人工磁気導体には、空隙が設けられており、
   前記第１の接続部は、前記空隙内に挿通され、前記人工磁気導体はと接続されていない請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第２の接続部は、前記第１の接続部の近傍に設けられている請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記第２の接続部は、前記第１の接続部と平行に設けられている請求項１に記載のアンテナ装置。
5. 非給電アンテナと、
   前記アンテナグランドおよび前記人工磁気導体を貫通して、前記非給電アンテナを前記基板グランドに接続する第３の接続部と、をさらに備えた請求項１に記載のアンテナ装置。
6. 前記第３の接続部は、前記人工磁気導体および前記アンテナグランドに接続されている請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 前記人工磁気導体は２つの金属パターンにより形成されている請求項１に記載のアンテナ装置。
8. 前記給電アンテナと前記非給電アンテナとの間隔は、前記人工磁気導体の２つの金属パターンの間隔より広い請求項７に記載のアンテナ装置。

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