WO2004064196A1

WO2004064196A1 - アンテナ

Info

Publication number: WO2004064196A1
Application number: PCT/JP2004/000244
Authority: WO
Inventors: Kazuhiko Okawara; Hiroyuki Okabe
Original assignee: Fdk Corporation
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2004-07-29
Also published as: US20060017621A1; JP2004266311A

Abstract

基板の面に沿って二次元的に形成された導体パターンにより、給電により励振されたアンテナ電流が線状に分布して電磁波放射が行われる能動アンテナ素子を構成するとともに、上記アンテナ電流の分布経路が長さを違えて複数通り形成されるようにした単一給電方式の送信および／または受信用のアンテナにおいて、上記アンテナ素子は、上記アンテナ電流が地導体に写像される接地型アンテナを構成するとともに、一端が給電端でその反対側の他端が開放端をなす線状の主放射導体部と、この主放射導体部の途中からＴ字状に分岐して上記地導体に接続する線状の短絡導体部とを有し、上記アンテナ電流の分布経路が、上記主放射導体部の一端から他端までの第１の経路、上記主放射導体部の一端から上記Ｔ字状の分岐を経て上記地導体に至るまでの第２の電流経路、および上記主放射導体部の他端を折り返して上記地導体に至るまでの第３の経路の少なくとも２通りで形成されることにより、高調波以外で少なくとも２つの共振周波数帯域を持つようにする。

Description

明細書アンテナ関連出願への相互参照

本出願は、 2003年 1月 1 5日付で出願した日本国特許出願第 200 3— 7 2 5 7号に基づく優先権を主張するものであり、該出願を本明細書に援用する。技術分野

この発明は、単一給電方式で複数の共振周波数帯域を持つ多周波型の送信および Zまたは受信用アンテナに関し、とくにマイク口波領域以上の超高周波用アンテナであって、たとえば移動体通信機器、無線 LAN (Local Area Network) , I T S ( I ntelligent Transport Systems) ヽ ETC (Electronic Toll C ollection System) 、 GP S (Global Positioning System) 等の小型無線通信機器に利用することができる。背景技術

アンテナは、給電側から見て等価的に無限の長さあるいは広がりを持つように構成された放射導体に無線信号波を進行させる進行波型（非共振型）と、所定の長さあるいは広がりを持つように構成された放射導体を無線信号で周波数共振させる共振型の 2タイプに大別することができる。前者は、理論的に広帯域でマルチバンドアンテナとしての使用にも適しているが、等価的に無限の長さを持つように構成しなければならないので、小形化は無理である。後者は、共振可能な周波数帯が放射導体の長さや形状等に依存するので、広帯域ィヒは難しいが、小形かつ低コストに構成するのには適している。このため、たとえば無線 LANや G P Sなどの小型無線通信機器では専ら後者が使用される。

共振型アンテナでは高調波共振によるマルチバンド（多周波）化も可能である 1 この場合、各周波数は互いに概ね整数比関係となる基本波と高調波に限定される。高調波以外でマルチバンド（多周波）化するためには、給電より励振されるアンテナ電流（アンテナ共振電流）の分布経路が長さを違えて複数通り形成されるように構成すればよい。つまり、アンテナ共振回路を複数形成すればよい。この種のアンテナとしては、たとえば、特開平 06— 232625、特開平 9 — 219619、特開 2000— 68736、特開 2000— 68737、特開 2001— 144524、特開 2001— 251128などに記載のものがある。しかしながら、上述した従来のアンテナには次のような問題があった。たとえば特開 2000— 68737ゃ特開 2001— 144524などに記載のものは、立体的（3次元）的な構造が要求されるため、構成が複雑で小形化が難しいとともに、生産適性とくに量産性が悪く低コスト化が困難であった。特開平 06 -232625などは、形状的には比較的簡単ではあるが、上記と同様に立体的な構造であるため、低コスト化には適さない。また、複数の広い面積を持った放射導体が重なり合った状態で対向する構成であるため、放射効率が低下しやすい。一方、特開 2000— 68736、特開平 9一 219619、特開 2001— 251128などに記載のものは立体的な構造を必要とせず、基板の面に二次元的に形成された導体パタ一ンを用いて構成できるため、構造が簡単で量産には適している。し力し、これらはいずれも、給電は 1箇所で共通であるが、その給電により励振される放射導体は周波数帯ごとに独立して設けられる。つまり、複数のアンテナ素子の給電だけを共通化したのと実質的に同じである。周波数ごとに独立して共振する複数の放射導体部を上記導体パタ一ンで形成するこめには大きな面積を必要とし、アンテナの小形化を困難にする。

なお、 HF (短波）あるいは VHF (超短波）などの比較的低い周波数領域では、アンテナ素子をなす線状導体の途中に LC集中定数による周波数トラップを .直列に装荷することにより、その線状導体の共振長さを周波数帯で切替えるようにしたマルチバンドアンテナが使用されることがある。しかし、この技術は HF や VHFのような比較的長波長のアンテナには有効だが、分布定数の利用が主となる超高周波領域用アンテナへの適用には無理がある。仮に可能だとしても、非常に複雑な構造となってしまい、少なくとも小形かつ低コストなものにはならない。発明の開示

この発明は以上のような問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の周波数帯で共振可能なアンテナ素子を、複雑で高コストな立体構造ではなく、基板の面に沿って二次元的に形成された導体パターンを用いて簡単かつ低コストに構成することができるとともに、その構成に必要な導体パターンの寸法とくに長さを小形化することができ、さらに、小形化および低コスト化に適した構造でありながら、高調波以外の複数の周波数帯で良好な電気的特性が得られるようにしたアンテナを提供することにある。

本発明の一態様は、基板の面に沿つて二次元的に形成された導体パターンにより、給電により励振されたアンテナ電流が線状に分布して電磁波放射が行われる能動アンテナ素子を構成するとともに、上記アンテナ電流の分布経路が長さを違えて複数通り形成されるようにした単一給電方式の送信および/または受信用のアンテナにおいて、上記アンテナ素子は、上記アンテナ電流が地導体に写像される接地型アンテナを構成するとともに、一端が給電端でその反対側の他端が開放端をなす線状の主放射導体部と、この主放射導体部の途中から T字状に分岐して上記地導体に接続する線状の短絡導体部とを有し、上記アンテナ電流の分布経路が、上記主放射導体部の一端から他端までの第 1の経路、上記主放射導体部の一端から上記 T字状の分岐を経て上記地導体に至るまでの第 2の電流経路、および上記主放射導体部の他端を折り返して上記地導体に至るまでの第 3の経路の少なくとも 2通りで形成されることにより、高調波以外で少なくとも 2つの共振周波数帯域を持つようにしたことを特徴とするァンテナ。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1実施例によるアンテナの要部を示す斜視図である。

図 2は、図 1に示したアンテナの周辺部を含む全体を示す斜視図である。

図 3は、本発明によるアンテナの動作例として各電流経路を示す概念図である。図 4は、本発明によるアンテナにて実現される V S WRノ周波数特性の第 1例を示すグラブである。

図 5は、本発明によるァンテナにて実現される V S WRZ周波数特性の第 2例を示すグラフである。

図 6は、本発明よるアンテナで得られる指向性の一例であって、とくに低域側周波数帯における Z— X面でのアンテナ指向性を示すグラフである。図 7は、本発明よるアンテナで得られる指向性の一例であって、とくに低域側周波数帯における Z— Y面でのアンテナ指向性を示すグラフである。

図 8は、本発明よるアンテナで得られる指向性の一例であって、とくに低域側周波数帯における X—Y面でのアンテナ指向性を示すグラフである。

図 9は、本発明よるアンテナで得られる指向 1"生の一例であって、とくに高域ィ則周波数帯における Z— X面でのアンテナ指向性を示すグラフである。

図 1 0は、本発明よるアンテナで得られる指向性の一例であって、とくに高域側周波数帯における Z— Y面でのァンテナ指向 1·生を示すグラフである。

図 1 1は、本発明よるアンテナで得られる指向性の一例であって、とくに高域側周波数帯における X— Y面でのアンテナ指向 1"生を示すグラフである。

図 1 2は、本発明によるアンテナの第 2実施例を示す斜視図である。

図 1 3は、本発明によるアンテナの第 3実施例を示す斜視図である。

図 1 4は、本発明によるアンテナの第 4実施例を示す斜視図である。発明を実施するための最良の形態

本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも、以下の事項が明らかとなる。本発明の手段は、基板の面に沿って二次元的に形成された導体パターンにより、給電により励振されたアンテナ電流が線状に分布して電磁波放射が行われる能動アンテナ素子を構成するとともに、上記アンテナ電流の分布経路が長さを違えて複数通り形成されるようにした単一給電方式の送信および/または受信用のアンテナにおいて、上記アンテナ素子は、上記アンテナ電流が地導体に写像される接地型アンテナを構成するとともに、一端が給電端でその反対側の他端が開放端をなす線状の主放射導体部と、この主放射導体部の途中から T字状に分岐して上記地導体に接続する線状の短絡導体部とを有し、上記アンテナ電流の分布経路 1 上記主放射導体部の一端から他端までの第 1の経路、上記主放射導体部の一端から上記 T字状の分岐を経て上記地導体に至るまでの第 2の電流経路、および上記主放射導体部の他端を折り返して上記地導体に至るまでの第 3の経路の少なくとも 2通りで形成されることにより、高調波以外で少なくとも 2つの共振周波数帯域を持つようにしたことを特徴とする。

上記手段により、複数の周波数帯で共振可能なアンテナ素子を、複雑で高コストな立体構造ではなく、基板の面に沿って二次元的に形成された導体パターンを用いて簡単かつ低コストに構成することができるとともに、その構成に必要な導体パターンの寸法とくに長さを小形化することができる。さらに、小形化および低コスト化に適した構造でありながら、高調波以外の複数の周波数帯で良好な電気的特性を得ることができる。

上記手段では、給電電流が供給される給電導体部と上記放射導体部の給電端との間に、導体パターンの隙間により形成される容量を直列に装荷することにより、給電結合を簡単に形成させることができる。

また、上記アンテナ電流の分布経路が上記第 1〜第 3の経路で 3通りに形成されることにより高調波以外の周波数で 3つの共振周波数帯域を持つようにすることができる。さらに、上記第 1〜第 3のいずれか 2つ以上の経路によって形成される 2つ以上の共振周波数またはそれらの高調波共振周波数を近接させて広帯域特性を形成することができる。

その他、上記能動アンテナ素子は、その全体または一部を容量成分、誘導成分、または誘電体の装荷による短縮効果により寸法短縮させることができる。また、本発明は、上述した手段によるアンテナを搭載することにより、小形かつ低コストで高性能の無線通信機器を提供することができる。

= =本発明の一実施形態 = =

以下、本発明の代表的な実施例を説明する。なお、アンテナは送信および/または受信用に使用される力説明は当該技術分野の慣例にしたがい、送信アンテナを想定して行う。

図 1および図 2は、本発明の技術が適用されたアンテナの第 1実施例を示す。この場合、図 1はアンテナ 2 0の要部拡大図、図 2は周辺を含む全体図をそれぞれ示す。

同図に示すアンテナ 2 0は、プリント回路基板 3 1の片隅に表面実装された誘電体基板 2 1を用いて構成されている。誘電体基板 2 1は高誘電率かつ低損失の誘電体を用いて構成され、一種のチップ部品（SMD) として回路基板 3 1に表面実装されている。さらに具体的に説明すると、この実施例では、誘電体基板 2 1として、比誘電率 ε r = 2 0で大きさが 1 0 . 0 X 4 . 5 X 1 . 5 mmの誘電体基板を使用している。また、プリント回路基板 3 1として、 1 2 5 . 0 X 3 5 . 0 X 0 . 8 mmのガラスエポキシ基板を使用している。この回路基板 3 1は両面導体（C u ) 基板であって、後述するマイクロストリップラインが凡そ 5 0 Ωの特 ^4ィンピーダンスで形成される。

誘電体基板 2 1の面には、主射導体部 2 3、短絡導体部 2 4、給電導体部 2 5などの導体パターンがそれぞれ形成されている。この場合、主放射導体部 2 3 と給電導体部 2 5の各導体パターンは基板 2 1の上面だけに形成され、短絡導体部 2 4の導体パターンは基板 2 1の上面から側面にかけて形成されている。基板 2 1の側面下側には表面実装用のハンダ付用端子 2 7となる導体パターンも形成されている。上記導体パターンはいずれも、基板 2 1の面に沿って印刷配線等により二次元的に形成されている。

上記誘電体基板 2 1が表面実装されたプリント回路基板 3 1の上面には、地導体 3 2をなすベタ状の導体パターンが形成されるとともに、伝送線路 3 3をなすマイクロストリップライン（5 0 Ω ) が形成されている。伝送線路 3 3は、信号入力端子（出力端子） I Nと給電導体部 2 5間を接続するように形成されている。伝送線路 3 3と給電導体部 2 5間は、誘電体基板 2 1の側面から上面にかけて形成された導体パターンを介して上記給電導体部 2 5に接続する。

給電導体部 2 5は主放射導体部 2 3の一端に近接配置されている。両導体部 2 3， 2 5間には所定の隙間（ギャップ）が置かれているが、この隙間を挟んで形成される所定の容量 C sが両導体部 2 3， 2 5間に直列に装荷されている。この容量 C sにより両導体部 2 3， 2 5間が結合されている。

主放射導体部 2 3と短絡導体部 2 4は、励振によりアンテナ電流（アンテナ共振電流）が線状に分布するアンテナ素子の主要部を形成する。このアンテナ素子は、アンテナ電流が地導体 3 2に写像される接地型アンテナを構成する。接地型アンテナは、給電により励振される実際のアンテナ素子と、地導体 3 2に写像されるイメージアンテナ素子とによって所定のアンテナ特性を持つようにしたものであって、たとえば 1ノ4波長の接地型アンテナでは、地導体に同じ 1 / 4波長のイメージアンテナが写像されることにより、等価的に 2倍の実効長（1 / 2 波長）によるアンテナ特性を得ることができる。このような写像アンテナが形成されるようにするため、上記地導体 3 2は、誘電体基板 2 1の下面とその周辺部 4 000244

7 を除いた領域に全面的に形成されている。

主放射導体部 2 3は誘電体基板 2 1の上面を屈曲（あるいは方向転換）しながら所定長さの線状導体パターンを形成している。この主放射導体部 2 3の一端は給電端で上記容量 C sを介して給電導体部 2 5に結合され、その他端は開放端となっている。短絡導体部 2 4は線状導体パターンにより形成され、主放射導体部 2 3の途中から T字状に分岐して上記地導体 3 2に接続している。

図 3は、上述したアンテナ 2 0の等価図を示す。上述したアンテナ 2 0は、主放射導体部 2 3の一端から容量 C sを介して行われる給電により励振される。この励振により分布するアンテナ電流は、同図の（a ) ( b ) ( c ) にそれぞれ矢印で示すように、 3通りの経路で分布する。

第 1の経路は、（ a ) に示すように、主放射導体部 2 3の一端から他端までの経路であって、この経路に沿ってアンテナ電流が分布する。この場合、アンテナ 2 0は、主放射導体部 2 3の他端（開放端）で電流最小（電圧最大）となるような電流分布で共振する。つまり、そのような電流分布を生じさせる波長（周波数帯域）で共振する。

第 2の経路は、（b ) に示すように、主放射導体部 2 3の一端から上記 T字状の分岐を経て上記地導体 3 2に至るまでの経路であって、この経路に沿ってアンテナ電流が分布する。この場合、アンテナ 2 0は、その第 2の経路にて、短絡導体部 2 4の先端（接地端）で電流最大（電圧最小）となるような電流分布で共振する。つまり、そのような電流分布を生じさせる波長（周波数帯域）で共振する。第 3の経路は、主放射導体部 2 3の他端を折り返して上記地導体 3 2に至るまでの経路であって、この経路に沿ってアンテナ電流が分布する。この場合、アンテナ 2 0は、その第 3の経路にて、短絡導体部 2 4の先端（接地端）で電流最大 (電圧最小）となるような電流分布で共振する。つまり、そのような電流分布を生じさせる波長（周波数帯域）で共振する。

第 1〜第 3の経路における共振周波数はそれぞれ、主放射導体部 2 3の長さ、 T字状分岐の位置、および短絡導体部 2 4の長さなどをパラメータにして任意に設定することができる。これにより、高調波以外で 3つの共振周波数帯域を持つようにすることができる。

図 4は、上述したアンテナで得ることができる V SWRZ周波数特性の第 1例 P T/JP2004/000244

8 を示す。同図に示す例では、 3つの異なる周波数帯域でそれぞれ V SWR (定在波比）が最小（V SWRく 2 ) となっている。したがって、この場合は、その 3 つの周波数帯域で使用可能なマルチバンドアンテナが構成されている。これは、アンテナ電流の分布経路が上記第 1〜第 3の経路で 3通りに形成され、各経路ごとにその経路の実効長でアンテナ 2 0が共振するためである。これにより、高調波以外の周波数で 3つの共振周波数帯域を持たせることができる。

図 5は、上述したアンテナで得ることができる V S WR/周波数特性の第 2例を示す。同図に示す例では、 V S WR (定在波比）が最小（V S WRく 2 ) となる周波数帯域は 2つであるが、一方の周波数帯域の幅（V SWRく 2となる幅）が非常に広くなつている。これは、上述した 3つの共振周波数帯域のうち、隣り合う 2つの周波数帯域を近接させて一つに連続させたことによる。

上述のように、本発明のアンテナ 2 0では、アンテナ電流の分布経路が第 1〜第 3の経路で 3通りに形成されることにより高調波以外の周波数で 3つの共振周波数帯域を持つことができる力そのうちの 2つ以上の共振周波数を近接させることにより、非常に広帯域な周波数特性を合成することができる。

また、上述した実施例のアンテナ 2 0を電磁界解析したところ、それぞれの共振周波数帯域で高い放射効率（9 0 %以上）を得ることができた。また、図 5において、 V SWRく 2の比帯域は、計算値と試作品による実測値の双方で、低域側では 6 . 5 %、高域側では 4 0 %以上の広帯域特性を示した。

図 6から図 1 1までは、上述した実施例のアンテナ、とくに図 5の特性を持つように構成したアンテナの指向性を示す。この場合、図 6〜図 8は、低域（L o w— b a n d ) 側の指向性を Z— X、 Z— Y、 X— Υの各面ごとに示す。また、図 9〜図 1 1は、高域（H i g h - b a n d ) 側の指向性を Z— X、 Z— Y、 X 一 Yの各面ごとに示す。同図に示すように、上述したアンテナ 2 0は低域側と高域側の両方でそれぞれ良好な広指向性を持つことができる。このような広指向性は、たとえば受動アンテナ素子などによって特定の指向性を設計する場合にも好都合である。

図 1 2は本発明によるアンテナの第 2実施例を示す。上述した主放射導体部 2 3や短絡導体部 2 4などの導体パターンは、同図に示すように、基板 2 1 , 3 1 の大きさや形状、あるいはその他の条件に応じて変更することができる。また、同図に示すように、マイクロストリップラインによる給電用の伝送線路 3 3は、回路基板 3 1に実装した高周波回路（図示省略）に接続させるように形成してもよい。

図 1 3は本発明によるァンテナの第 3実施例を示す。上述した主放 t導体部 2 3や短絡導体 ¾ 2 4などの導体パターンが形成される誘電体基板 2 1には、同図に示すように、給電を行わない受動アンテナ素子 2 6の導体パターンを同時に形成してもよい。受動アンテナ素子 2 6は、たとえばアンテナ利得を特定方向だけ選択的に高くする場合、あるいは周波数特性を変更また調整する場合などに使用して有効である。

図 1 4は本発明によるアンテナの第 4実施例を示す。上述した主放射導体部 2 3や短絡導体部 2 4などの導体パターンは、同図に示すように、プリント回路基板 3 1上に直接形成することも可能である。この場合、前述した誘電体基板 2 1 は使用せず、プリント回路基板 3 1の一部でその誘電体基板 2 1を代用する。上述したように、本発明のアンテナ 2 0では、複数の周波数帯で共振可能なァンテナ素子を、複雑で高コストな立体構造ではなく、基板 2 1の面に沿って二次元的に形成された導体パターンを用いて簡単かつ低コストに構成することができるとともに、その構成に必要な導体パターンの寸法とくに長さを小形化することができる。さらに、小形化および低コスト化に適した構造でありながら、高調波以外の複数の周波数帯で良好な電気的特性を得ることができる。

また、本発明のアンテナ 2 0は、接地型アンテナを基本構造とすることもその小形化に寄与しているが、さらに、主放射導体部 2 3と短絡導体部 2 4が形成する能動アンテナ素子は、その全体または一部に容量成分、誘導成分、または誘電体を装荷させることで生じる短縮効果により、導体パターンの寸法とくに長さを短縮して一層の小形化が可能である。

上述した各実施形態において、主放射導体部 2 3、短絡導体部 2 4、給電導体部 2 5などの導体パターンは、金、銀、銅等の導体を、印刷、めっき、蒸着、スノッタ、エツチング等によつて構成することができる。産業上の利用可能性

本発明によれば、複数の周波数帯で共振可能なアンテナ素子を、複雑で高コストな立体構造ではなく、基板の面に沿って二次元的に形成された導体パターンを用いて簡単かつ低コストに構成することができるとともに、その構成に必要な導体パターンの寸法とくに長さを小形化することができ、さらに、小形化および低コスト化に適した構造でありながら、高調波以外の複数の周波数帯で良好な電気的特性のアンテナを得ることができる。

Claims

請求の範囲

1 . 基板の面に沿って二次元的に形成された導体パターンにより、給電により励振されたアンテナ電流が線状に分布して電磁波放射が行われる能動アンテナ素子を構成するとともに、上記アンテナ電流の分布経路が長さを違えて複数通り形成されるようにした単一給電方式の送信および Zまたは受信用のアンテナにおいて、上記アンテナ素子は、上記アンテナ電流が地導体に写像される接地型ァンテナを構成するとともに、一端が給電端でその反対側の他端が開放端をなす線状の主放射導体部と、この主放射導体部の途中から T字状に分岐して上記地導体に接続する線状の短絡導体部とを有し、上記アンテナ電流の分布経路が、上記主放射導体部の一端から他端までの第 1の経路、上記主放射導体部の一端から上記 T字状の分岐を経て上記地導体に至るまでの第 2の電流経路、および上記主放射導体部の他端を折り返して上記地導体に至るまでの第 3の経路の少なくとも 2 通りで形成されることにより、高調波以外で少なくとも 2つの共振周波数帯域を持つようにしたことを特徴とするアンテナ。

2 . 耠電電流が供給される給電導体部と上記放射導体部の給電端との間に、導体パターンの隙間により形成される容量を直列に装荷したことを特徴とする、請求項 1に記載のアンテナ。

3 . 上記ァンテナ電流の分布経路が上記第 1〜第 3の経路で 3通りに形成されることにより高調波以外の周波数で 3つの共振周波数帯域を持つようにしたことを特徴とする、請求項 1に記載のアンテナ。

4 . 上記第 1〜第 3のいずれか 2つ以上の経路によって形成される 2つ以上の共振周波数またはそれらの高調波共振周波数を近接させて広帯域特性を形成したことを特徴とする、請求項 1に記載のアンテナ。

5 . 上記能動アンテナ素子は、その全体または一部が容量成分、誘導成分、または誘電体の装荷による短縮効果により寸法短縮されていることを特徴とする、請求項 1に記載のァンテナ。 ' 6 . 請求項 1〜 5のいずれかに記載のァンテナを搭載した無線通信機器。