WO2012077406A1 - アンテナ装置 - Google Patents

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田中宏弥
尾仲健吾
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株式会社村田製作所
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    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/42—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole with folded element, the folded parts being spaced apart a small fraction of the operating wavelength
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/28—Combinations of substantially independent non-interacting antenna units or systems

Definitions

  • the present invention relates to an antenna device, and more particularly to an antenna device used in wireless communication between devices, a wireless LAN, a mobile communication system, and the like.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose an antenna device configured to improve directivity and gain in an antenna used for a wireless device such as a portable terminal.
  • an antenna device 10 includes an antenna body 13 having a conductor 11 and a feeding electrode 12 to which one end of the conductor 11 is connected, a power supply 14 to which the feeding electrode 12 is connected, and a conductive surface. It consists of a mounting substrate 17 having a linear conductor pattern 15 and a substantially rectangular ground electrode 16 formed by printing a material.
  • the antenna body 13 and the power supply 14 are mounted on a mounting board 17, and the power feeding electrode 12 and the power supply 14 of the antenna body 13 are connected via a conductor pattern 15 on the surface of the mounting board 17.
  • the ground electrode 16 on the surface of the mounting substrate 17 serves as a ground portion that resonates with the antenna body 13.
  • FIG. 2 An example of the antenna device of Patent Document 2 is shown in FIG. In FIG. 2, the board 2 on which the radio circuit 10 is mounted, the built-in antenna 3 having a feeding point on the first conductor plate 1 provided on the board 2, and the second side different from the surface on which the built-in antenna 3 is arranged.
  • the first conductor plate 1 is disposed on the first conductor plate 1, and a second conductor plate 5 having a ground side 4 that is grounded. Since the second conductor plate 5 is provided, the phase difference between the current on the first conductor plate 1 and the current on the second conductor plate 5 is increased, so that radiation from the first conductor plate 1 is performed. And the radiation from the second conductor plate 5 strengthen each other. As a result, the gain on the side where the second conductor plate 5 exists is higher than that in the case where the second conductor plate 5 is not provided, and a radiation pattern close to non-directionality is obtained.
  • the antenna device having the configuration shown in FIG. 1 horizontal polarization is obtained in the plane direction of the substrate, but the vertical polarization component in that direction is small.
  • the provision of the second conductor plate 5 improves the vertical polarization gain in the plane direction of the substrate. Therefore, the gain of the vertically polarized wave in the horizontal plane in the installation direction of the built-in antenna 3 is not improved.
  • a wireless LAN antenna using MIMO (Multiple Input Multiple Output) technology may require vertical polarization and forward gain in a horizontal plane.
  • MIMO Multiple Input Multiple Output
  • FIGS. 1 and 2 when these antenna devices are incorporated into a set with the substrate surface facing the horizontal plane, there is a tendency that the problem of small gain of vertical polarization in the horizontal plane occurs. It is in.
  • an object of the present invention is to provide an antenna device capable of improving the gain of vertical polarization in the plane direction of the substrate and enhancing the overall sensitivity.
  • the antenna device of the present invention is configured as follows. (1) A substrate provided with a non-ground region at an end thereof and an antenna element (pattern or chip) provided in the non-ground region, connected to the ground of the substrate and perpendicular to the substrate A feature is that an extending plate-like conductor is provided.
  • the extending length of the conductor corresponds to, for example, approximately 1 ⁇ 4 wavelength at the resonance frequency of the antenna element.
  • the board includes a wireless communication circuit and a shield plate that covers the wireless communication circuit
  • a part of the shield plate may be used as the conductor.
  • the substrate may be provided with a slit hole that penetrates a part of the shield plate, and a part of the shield plate may protrude from the surface opposite to the surface on which the antenna element is formed.
  • a conductor surface is provided at a position away from the conductor in a direction opposite to the position of the antenna element, and the conductor surface is a housing (chassis or frame) that fixes the substrate. Good.
  • the conductor may be provided only on the second antenna element side without being provided on the first antenna element side.
  • the present invention it is possible to improve the gain of vertical polarization in the surface direction of the substrate and enhance the overall sensitivity. Therefore, for example, it can be applied to a wireless LAN antenna using a MIMO system that requires a forward gain in a horizontal plane.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an antenna device disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the antenna device of Patent Document 2.
  • FIG. 3A and 3B are external perspective views of the communication module 101 including the antenna device according to the first embodiment, and FIG. 3C is a bottom view thereof.
  • FIG. 4 is a diagram showing the directivity patterns of horizontal polarization and vertical polarization in the horizontal plane for 2.44 GHz. 4A shows the case of the first embodiment, and FIG. 4B shows the case where no conductor is provided in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing the directivity patterns of horizontal polarization and vertical polarization in the horizontal plane for 5.6 GHz.
  • FIG. 5A shows the case of the first embodiment, and FIG.
  • FIG. 5B shows the case where no conductor is provided in the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing the pass characteristic and the return loss characteristic by simulation of the communication module 101.
  • FIG. 7 is a diagram in which a current intensity pattern is added to the front view of the communication module 101.
  • FIG. 8 is a diagram showing a change in gain of the first antenna element 21 when the width W of the conductor 24 is fixed to 50 mm and the length L is changed from 0 to 35 mm.
  • FIG. 9A is a plan view of the communication module 102 including the antenna device according to the second embodiment, and FIG. 9B is a front view thereof.
  • FIG. 10 is a front view of the communication module 103 including the antenna device according to the third embodiment.
  • FIG. 11 shows the change in gain in the horizontal plane when the length L of the conductor 24 is fixed to 13.5 mm corresponding to a quarter wavelength at 5.6 GHz and the width W is changed from 0 to 50 mm.
  • FIG. 11A is a characteristic diagram of the first antenna element 21, and FIG. 11B is a characteristic diagram of the second antenna element 22.
  • FIG. 12 is a side view of the communication module 104 including the antenna device according to the fourth embodiment.
  • 13A is a perspective view of a main part of an electronic device provided with the communication module 104
  • FIG. 13B is a perspective view of a main part of the electronic device provided with a communication module as a comparative example.
  • 14A shows the current flowing through the module fixing metal plate 26 and the conductor 24 shown in FIG.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating S parameters of the antenna device according to the fourth embodiment and an antenna device which is a comparative example.
  • 15A shows reflection characteristics (S11)
  • FIG. 15B shows transmission characteristics (S21)
  • FIG. 15C shows reflection characteristics (S22).
  • FIG. 16 shows the result of obtaining the amount of gain improvement in the horizontal plane due to the presence of the conductor 24 by simulation
  • FIG. 16A shows the amount of gain improvement of vertical polarization in the horizontal plane by the conductor 24, and
  • FIG. 24 shows the amount of gain improvement of horizontal polarization in the horizontal plane.
  • FIG. 17 is an actual measurement result of the gain improvement amount in the horizontal plane due to the provision of the conductor 24,
  • FIG. 17A is the gain improvement amount of vertical polarization in the horizontal plane by the conductor 24, and
  • FIG. Shows the amount of gain improvement of horizontal polarization in the horizontal plane.
  • FIG. 18 is a diagram showing the gain improvement amount of vertical polarization in the horizontal plane in simulation and actual measurement for the 5.6 GHz band.
  • FIG. 3A and 3B are external perspective views of the communication module 101 including the antenna device according to the first embodiment, and FIG. 3C is a bottom view thereof.
  • FIG. 3A and FIG. 3B differ in the viewpoint position where the communication module 101 is viewed.
  • the communication module 101 includes a module substrate 20, antenna elements 21 and 22 provided on the module substrate 20, a shield case 23 that shields a communication circuit provided on the module substrate 20, and a conductor 24.
  • the module substrate 20 includes a region (ground region) GA where a ground electrode is formed and a region (non-ground region) NGA where a ground electrode is not formed.
  • the end portion of the module substrate 20 is a non-ground region NGA on both the upper and lower surfaces, and a first antenna element 21 and a second antenna element 22 are formed on the upper surface of the non-ground region NGA by electrode patterns, respectively.
  • the electrode patterns of these antenna elements 21 and 22 are bilaterally symmetric and are formed on the module substrate 20 as far as possible from each other.
  • the antenna elements 21 and 22 are single-point feed dual antenna elements that resonate in the 2.4 GHz band and the 5 GHz band, respectively.
  • the conductor 24 is, for example, a metal plate connected in the vicinity of the end of the ground region (GA) on the lower surface of the module substrate 20, and protrudes so as to extend in the vertical direction with respect to the module substrate 20.
  • the module substrate 20 is, for example, a 50 mm square substrate, and the conductor 24 has a width of 50 mm and a length (height) of about 1/4 wavelength of a desired frequency. When matching to 5.6 GHz, it is about 13.5 mm which is a quarter wavelength thereof.
  • FIG. 4 shows an example of the directivity pattern of horizontal polarization and vertical polarization in the horizontal plane for 2.44 GHz.
  • 4A shows the characteristics of the antenna device of the first embodiment
  • FIG. 4B shows the characteristics of the antenna device in which the conductor 24 is not provided in the configuration shown in FIG.
  • FIG. 5 shows an example of directivity patterns of horizontal polarization and vertical polarization on a horizontal plane for 5.6 GHz.
  • FIG. 5A shows the characteristics of the antenna device of the first embodiment
  • FIG. 5B shows the characteristics of the antenna device in which the conductor 24 is not provided in the configuration shown in FIG.
  • These patterns are directivity patterns in the direction shown in FIG. 3C (viewed from the back side of the substrate).
  • each curve is as follows.
  • Etheta1 Gain of vertical polarization in the horizontal plane of the first antenna element 21
  • Etheta2 vertical polarization gain in the horizontal plane of the second antenna element 22
  • Ephi1 Horizontal polarization gain in the horizontal plane of the first antenna element 21
  • Ephi2 Gain of horizontal polarization in the horizontal plane of the second antenna element 22
  • “in the horizontal plane” means “a plane including the substrate surface”.
  • the azimuth angle of 90 degrees on the horizontal plane corresponds to the front shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B). Since the electrode patterns of the first antenna element 21 and the second antenna element 22 are symmetrical, the directivity pattern is symmetrical with respect to a line connecting 90 degrees and 270 degrees.
  • the first antenna element 21 and the second antenna element 22 are perpendicular to each other.
  • the gain for the polarization is improved from -25 dB to -14 dB in the forward direction (90-degree direction).
  • the gain for horizontal polarization in the horizontal plane hardly changes. That is, the gain of horizontal polarization does not decrease.
  • the horizontal plane of the first antenna element 21 and the second antenna element 22 is provided.
  • the gain with respect to the vertical polarization is improved from -30 dB to about -5 dB in the forward direction (90-degree direction) and the backward direction (270-degree direction).
  • FIG. 6 is a diagram showing a pass characteristic and a return loss characteristic by simulation of the communication module 101.
  • S11A is the reflection characteristic of the antenna device (S parameter S11 characteristic) in the communication module 101 of the first embodiment
  • S11B is the reflection characteristic of the antenna device not provided with the conductor 24 (S parameter S11 characteristic).
  • S21A is a transmission characteristic (S21 characteristic of S parameter) of the antenna device in the communication module 101 of the first embodiment
  • S21B is a transmission characteristic (S21 characteristic of S parameter) of the antenna apparatus not provided with the conductor 24.
  • the S22 characteristic is the same as the S11 characteristic because the antenna is designed symmetrically.
  • FIG. 7 is a diagram in which a current distribution is added to the front view of the communication module 101.
  • the current distribution is distributed by a quarter wavelength with the length in the horizontal direction in FIG. 7.
  • the conductor 24 resonates at a quarter wavelength, and the conductor 24 has a current distribution corresponding to a quarter wavelength with a length in the vertical direction in FIG. That is, a standing wave corresponding to 1 ⁇ 4 wavelength is generated, and the conductor 24 acts as a radiating element to generate a vertical current. As a result, a vertical polarization component in the horizontal plane is generated.
  • FIG. 8 is a diagram showing a change in gain in the horizontal plane of the first antenna element 21 when the width W of the conductor 24 is fixed to 50 mm and the length L is changed from 0 to 35 mm.
  • the vertical axis represents the average gain over the entire 360 degrees
  • the horizontal axis represents the length L of the conductor 24.
  • Etheta (2.44) Vertical polarization gain in the horizontal plane at 2.44 GHz
  • Etheta (5.6) Vertical polarization gain in the horizontal plane at 5.6 GHz
  • Ephi (2.44) Horizontal polarization gain in the horizontal plane at 2.44 GHz
  • Ephi 5.6
  • the gain of vertical polarization in the horizontal plane increases.
  • the gain improvement of vertical polarization is saturated at about 30 mm corresponding to the quarter wavelength at 2.44 GHz, and is saturated at about 13.5 mm corresponding to the quarter wavelength at 5.6 GHz.
  • the gain of horizontal polarization in the horizontal plane is hardly affected by the length L of the conductor 24.
  • the antenna element installed in the non-ground region may be mounted with a chip antenna other than being formed with an electrode pattern. The same applies to the embodiments described below.
  • FIG. 9A is a plan view of the communication module 102 including the antenna device according to the second embodiment
  • FIG. 9B is a front view thereof.
  • a slit-like through hole 25 is formed in the module substrate 20 so that a part of the shield case 23 penetrates the through hole 25.
  • a part of this shield case is provided as a conductor 24.
  • the first antenna element 21 and the second antenna element 22 are chip antennas, and these chip antennas are mounted on the non-ground region NGA of the module substrate.
  • FIG. 10 is a front view of the communication module 103 including the antenna device according to the third embodiment.
  • changes in the gains of the first antenna element 21 and the second antenna element 22 when the width W of the conductor 24 is changed will be described.
  • FIG. 11 is a diagram showing a change in gain in the horizontal plane when the length L of the conductor 24 is fixed to 13.5 mm corresponding to a quarter wavelength at 5.6 GHz and the width W is changed from 0 to 50 mm. It is.
  • the vertical axis represents the average gain over the entire 360 degrees, and the horizontal axis represents the width W of the conductor 24.
  • FIG. 11A shows the characteristics of the first antenna element 21, and
  • FIG. 11B shows the characteristics of the second antenna element 22.
  • the meaning of each curve is as follows as in the case of FIG.
  • FIGS. 11A and 11B if the width W of the conductor 24 is 1 mm, it is in the horizontal plane at 5.6 GHz. The gain of vertical polarization increases rapidly. Since the conductor 24 exists on the second antenna element 22 side, the gain improvement effect of vertical polarization in the horizontal plane of the second antenna element 22 is higher than that of the first antenna element 21. As for the second antenna element 22, when the width W of the conductor 24 exceeds 25 mm (half width), the gain of vertical polarization in the horizontal plane becomes constant. For the first antenna element 21, the gain of vertical polarization in the horizontal plane improves as W increases.
  • a conductor may be disposed only in the vicinity of the second antenna element 22.
  • the vertically polarized wave in the horizontal plane of the antenna element on the side where the conductor is arranged and the horizontal plane of the other antenna element are arranged. Since the plane of polarization with the horizontal polarization is orthogonal, the mutual coupling between the two antenna elements is improved.
  • the directivity of the antenna element with the conductor close to the other antenna element is not similar to the directivity of the other antenna element (the correlation coefficient is small), so the communication capacity may be improved.
  • FIG. 12 is a side view of the communication module 104 including the antenna device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 13A is a perspective view of a main part of an electronic device including the communication module 104.
  • FIG. 13B is a perspective view of a main part of an electronic device including a communication module as a comparative example.
  • the communication module 104 is attached to the module fixing metal plate 26 of the built-in electronic device by screwing or the like.
  • the module fixing metal plate 26 is also a part of the casing 27 of the electronic device.
  • some conductors such as the module fixing metal plate 26 exist in the state where the communication module is incorporated in the electronic device.
  • the conductor 24 of the antenna device By arranging the conductor 24 of the antenna device in front (outside) of the antenna 26, the gain of vertical polarization in the horizontal plane is also improved.
  • FIG. 14A shows the current flowing through the module fixing metal plate 26 and the conductor 24 shown in FIG. 13A
  • FIG. 14B shows the current flowing through the module fixing metal plate 26 shown in FIG. 13B.
  • FIG. 1 As shown in FIGS. 14A and 14B, by providing the conductor 24, the current flowing through the conductor 24 increases. Conversely, the current flowing through the module fixing metal plate 26 decreases. However, since the direction of the current in the vertical direction of the module fixing metal plate 26 and the direction of the current in the conductor 24 are aligned, the gain of vertical polarization mainly in the horizontal plane in the forward direction is improved.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating S parameters of the antenna device according to the fourth embodiment and the antenna device which is a comparative example.
  • 15A shows reflection characteristics (S11)
  • FIG. 15B shows transmission characteristics (S21)
  • FIG. 15C shows reflection characteristics (S22).
  • the characteristic of the antenna according to the fourth embodiment is represented by ⁇
  • the characteristic of the antenna device of the comparative example is represented by ⁇ .
  • FIG. 16 shows a result of obtaining a gain improvement amount in the horizontal plane due to the presence of the conductor 24 by simulation.
  • 16A shows the amount of gain improvement in vertical polarization in the horizontal plane by the conductor 24
  • FIG. 16B shows the amount of gain improvement in horizontal polarization in the horizontal plane by the conductor 24.
  • FIG. 17 is an actual measurement result of the gain improvement amount in the horizontal plane due to the provision of the conductor 24
  • FIG. 17A is the gain improvement amount of vertical polarization in the horizontal plane by the conductor 24, and
  • FIG. The amount of gain improvement of horizontal polarization in the horizontal plane by the conductor 24 is shown.
  • Ave Gain is the average value over the entire 360 degrees
  • Ave Gain is the average value in the 180 degree range from 0 to 180 degrees.
  • # 1 represents the characteristics of the first antenna element
  • # 2 represents the characteristics of the second antenna element.
  • both the first antenna element 21 and the second antenna element 22 are improved by about 2 dB at 5.6 GHz.
  • the gain of vertical polarization in the horizontal plane of the second antenna element 22 is reduced by about ⁇ 4 dB. This is because the current flowing in the casing 27 adjacent to the second antenna element 22 is in a phase opposite to that of the current flowing in the conductor 24.
  • the average gain of vertically polarized waves in the horizontal plane of 2.44 GHz is as low as ⁇ 20 dB or less, the influence is small.
  • FIG. 18 summarizes the gain improvement amount of vertical polarization in the horizontal plane in the simulation and actual measurement for the 5.6 GHz band.
  • Ave (all directions) is an average value over the entire 360 degrees
  • Ave (forward) is an average value in the range of 180 degrees forward from 0 degrees to 180 degrees.
  • # 1 represents the characteristics of the first antenna element
  • # 2 represents the characteristics of the second antenna element.
  • the length of the conductor 24 is set to a length corresponding to the 5.6 GHz band, the gain of vertical polarization in the horizontal plane is surely improved.
  • the conductor 24 protrudes from the surface of the substrate opposite to the surface on which the antenna element is provided.
  • the conductor may protrude from the surface on which the antenna element is provided.

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Abstract

　通信モジュール（１０１）はモジュール基板（２０）、このモジュール基板（２０）に設けられたアンテナ素子（２１，２２）、モジュール基板（２０）に設けられた通信回路をシールドするシールドケース（２３）、および導体（２４）を備えている。モジュール基板（２０）の端部の非グランド領域（ＮＧＡ）の上面に第１アンテナ素子（２１）および第２アンテナ素子（２２）が形成されている。導体（２４）は、モジュール基板（２０）の下面のグランド領域（ＧＡ）の端部付近に接続された金属板であり、モジュール基板（２０）に対して垂直方向に延びるように突設されている。導体（２４）は長さ（高さ）が所望周波数の１／４波長程度の寸法である。この構成により、基板の面方向の垂直偏波の利得を改善して、総合的な感度を高められるアンテナ装置を構成する。

Description

アンテナ装置
　本発明はアンテナ装置に関し、特に機器間の無線通信、無線ＬＡＮ、移動体通信システム等で用いられるアンテナ装置に関する。
　携帯端末などの無線機に用いられるアンテナにおいて、指向性や利得を向上させることを目的として構成されたアンテナ装置が特許文献１，２に開示されている。
　特許文献１のアンテナ装置の例を図１に示す。図１において、アンテナ装置１０は、導体１１と、導体１１の一端が接続される給電用電極１２とを備えるアンテナ本体１３と、給電用電極１２が接続される給電源１４と、表面上に導電材を印刷することにより形成された線状の導体パターン１５及び略矩形状のグランド電極１６を備える実装基板１７とからなる。アンテナ本体１３と給電源１４とは実装基板１７上に実装され、アンテナ本体１３の給電用電極１２と給電源１４とは、実装基板１７の表面上の導体パターン１５を介して接続される。ここで、実装基板１７の表面上のグランド電極１６はアンテナ本体１３と共振するグランド部となる。
　特許文献２のアンテナ装置の例を図２に示す。図２において、無線回路１０を実装する基板２と、基板２上に設けられた第１の導体板１に給電点を有する内蔵アンテナ３と、内蔵アンテナ３の配置される面と異なる側の第１の導体板１上に配置され、第１の導体板１と接地する接地辺４を有する第２の導体板５とを備える。この第２の導体板５を設けたことにより、第１の導体板１上の電流と第２の導体板５上の電流の位相差が大きくなることから、第１の導体板１からの放射と第２の導体板５からの放射は強めあう。この結果、第２の導体板５の存在する側の利得は、第２の導体板５を設けない場合と比較して高くなり、無指向性に近い放射パターンが得られる、とされている。
特開平１１－１９５９１７号公報 特開２００７－８１７１２号公報
　図１に示される構成のアンテナ装置においては、基板の面方向では水平偏波が得られるが、その方向での垂直偏波成分は小さい、ということが問題であった。
　図２に示される構成のアンテナ装置においては、第２の導体板５を設けることで、基板の面方向での垂直偏波の利得が改善されるが、これは内蔵アンテナ３の設置方向に対して逆方向の利得についてであり、内蔵アンテナ３の設置方向の水平面内の垂直偏波の利得は改善されない。
　例えばMIMO(Multiple Input Multiple Output)技術を利用した無線LAN用のアンテナは垂直偏波および水平面内の前方利得が要求されている場合がある。しかし図１・図２のいずれの構成によっても、これらのアンテナ装置が、基板面が水平面を向く状態でセットに組み込まれたとき、水平面内の垂直偏波の利得が小さいという問題が発生する傾向にある。
　そこで、本発明は基板の面方向での垂直偏波の利得を改善して、総合的な感度を高められるアンテナ装置を提供することを目的としている。
　上記課題を解決するために、この発明のアンテナ装置は次のように構成する。
（１）端部に非グランド領域が設けられた基板と、前記非グランド領域に設けられたアンテナ素子（パターンまたはチップ）とを備え、前記基板のグランドに接続され前記基板に対して垂直方向に延びる板状の導体を設けたことを特徴としている。
（２）前記導体の延びる長さは例えば前記アンテナ素子の共振周波数でのほぼ１／４波長に相当するものとする。
（３）前記基板が、無線通信回路およびこの無線通信回路を覆うシールド板を備える場合に、このシールド板の一部を前記導体としてもよい。
（４）そのために、例えば前記基板は前記シールド板の一部を貫通させるスリット孔を備え、前記シールド板の一部を前記アンテナ素子の形成面とは反対側の面へ突設させてもよい。
（５）前記アンテナ素子の位置とは反対方向に前記導体から所定距離離れた位置に配置される導体面を備え、この導体面が前記基板を固定する筐体（シャーシやフレーム）であってもよい。
（６）前記アンテナ素子が第１アンテナ素子と第２アンテナ素子とを含む場合、前記導体は第１アンテナ素子側に設けずに第２アンテナ素子側にのみ設けてもよい。
　この発明によれば、基板の面方向での垂直偏波の利得を改善して、総合的な感度を高められる。そのため、例えば水平面内の前方利得が要求されるMIMOシステムを利用した無線LAN用のアンテナにも適用できる。
図１は特許文献１のアンテナ装置の例を示す図である。 図２は特許文献２のアンテナ装置の例を示す図である。 図３（Ａ）、図３（Ｂ）は第１の実施形態であるアンテナ装置を含む通信モジュール１０１の外観斜視図、図３（Ｃ）はその下面図である。 図４は、２．４４ＧＨｚについての水平面内での水平偏波と垂直偏波の指向性パターンを示す図である。図４（Ａ）は第１の実施形態の場合、図４（Ｂ）は第１の実施形態において導体を設けない場合を示す。 図５は、５．６ＧＨｚについての水平面内での水平偏波と垂直偏波の指向性パターンを示す図である。図５（Ａ）は第１の実施形態の場合、図５（Ｂ）は第１の実施形態において導体を設けない場合を示す。 図６は通信モジュール１０１のシミュレーションによる通過特性およびリターンロス特性を示す図である。 図７は通信モジュール１０１の正面図に電流強度パターンを付加した図である。 図８は導体２４の幅Ｗを５０ｍｍに固定し、長さＬを０～３５ｍｍまで変化させたときの第１アンテナ素子２１の利得の変化を示す図である。 図９（Ａ）は第２の実施形態であるアンテナ装置を含む通信モジュール１０２の平面図、図９（Ｂ）はその正面図である。 図１０は第３の実施形態であるアンテナ装置を含む通信モジュール１０３の正面図である。 図１１は、導体２４の長さＬを５．６ＧＨｚでの１／４波長に相当する１３．５ｍｍに固定し、幅Ｗを０～５０ｍｍまで変化させたときの水平面内の利得の変化を示す図である。図１１（Ａ）は第１アンテナ素子２１の特性図、図１１（Ｂ）第２アンテナ素子２２の特性図である。 図１２は第４の実施形態であるアンテナ装置を含む通信モジュール１０４の側面図である。 図１３（Ａ）は、通信モジュール１０４を備えた電子機器の主要部の斜視図、図１３（Ｂ）は比較例としての通信モジュールを備えた電子機器の主要部の斜視図である。 図１４（Ａ）は図１３（Ａ）に示したモジュール固定金属板２６および導体２４に流れる電流、図１４（Ｂ）は図１３（Ｂ）に示したモジュール固定金属板２６に流れる電流のそれぞれの強度分布を濃淡で表した図である。 図１５は第４の実施形態に係るアンテナ装置と比較例であるアンテナ装置のＳパラメータを示す図である。図１５（Ａ）は反射特性（Ｓ１１）、図１５（Ｂ）は通過特性（Ｓ２１）、図１５（Ｃ）は反射特性（Ｓ２２）である。 図１６は導体２４の存在による水平面内の利得改善量をシミュレーションで求めた結果であり、図１６（Ａ）は導体２４による水平面内の垂直偏波の利得改善量、図１６（Ｂ）は導体２４による水平面内の水平偏波の利得改善量をそれぞれ示している。 図１７は導体２４を設けたことによる水平面内の利得改善量の実測結果であり、図１７（Ａ）は導体２４による水平面内の垂直偏波の利得改善量、図１７（Ｂ）は導体２４による水平面内の水平偏波の利得改善量をそれぞれ示している。 図１８は、５．６ＧＨｚ帯についてシミュレーションと実測での水平面内の垂直偏波の利得改善量を示す図である。
《第１の実施形態》
　第１の実施形態のアンテナ装置およびそれを備えた通信モジュールについて各図を参照して説明する。
　図３（Ａ）、図３（Ｂ）は第１の実施形態であるアンテナ装置を含む通信モジュール１０１の外観斜視図、図３（Ｃ）はその下面図である。図３（Ａ）と図３（Ｂ）とでは通信モジュール１０１を見る視点位置が異なっている。
　通信モジュール１０１はモジュール基板２０、このモジュール基板２０に設けられたアンテナ素子２１，２２、モジュール基板２０に設けられた通信回路をシールドするシールドケース２３、および導体２４を備えている。
　モジュール基板２０はグランド電極が形成された領域（グランド領域）ＧＡとグランド電極が形成されていない領域（非グランド領域）ＮＧＡを備えている。モジュール基板２０の端部は上下面ともに非グランド領域ＮＧＡであり、この非グランド領域ＮＧＡの上面には、それぞれ電極パターンによる第１アンテナ素子２１および第２アンテナ素子２２が形成されている。これらのアンテナ素子２１，２２の電極パターンは左右対称形であり、モジュール基板２０上で極力離れた位置に形成されている。アンテナ素子２１，２２はそれぞれ２．４ＧＨｚ帯および５ＧＨｚ帯で共振する１点給電のＤｕａｌアンテナ素子である。
　導体２４は、モジュール基板２０の下面のグランド領域（ＧＡ）の端部付近に接続された例えば金属板であり、モジュール基板２０に対して垂直方向に延びるように突設されている。モジュール基板２０は例えば５０ｍｍ角の基板であり、導体２４は幅５０ｍｍ、長さ（高さ）が所望周波数の１／４波長程度の寸法である。５．６ＧＨｚに合わせる場合は、その１／４波長である１３．５ｍｍ程度である。
　図４は、２．４４ＧＨｚについての水平面での水平偏波と垂直偏波の指向性パターンの例を示している。図４（Ａ）は第１の実施形態のアンテナ装置の特性、図４（Ｂ）は図３に示した構成で導体２４を設けないアンテナ装置の特性である。また、図５は、５．６ＧＨｚについての水平面での水平偏波と垂直偏波の指向性パターンの例を示している。図５（Ａ）は第１の実施形態のアンテナ装置の特性、図５（Ｂ）は図３に示した構成で導体２４を設けないアンテナ装置の特性である。これらのパターンは図３（Ｃ）に示した向きの（基板の裏面から見た）指向性パターンである。
ここで各曲線の意味は次のとおりである。
Etheta1：第１アンテナ素子２１の水平面内の垂直偏波の利得
Etheta2：第２アンテナ素子２２の水平面内の垂直偏波の利得
Ephi1：第１アンテナ素子２１の水平面内の水平偏波の利得
Ephi2：第２アンテナ素子２２の水平面内の水平偏波の利得
　ここで「水平面内」とは「基板面を含む面」のことである。
　また、水平面での方位角９０度が図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示した前方に相当する。第１アンテナ素子２１と第２アンテナ素子２２の電極パターンは左右対称形であるので、指向性パターンは９０度と２７０度を結ぶ線に対して対称形である。
　まず、２．４４ＧＨｚについて考察すると、図４（Ａ）と図４（Ｂ）とを比較すれば明らかなように、導体２４を設けることにより、第１アンテナ素子２１および第２アンテナ素子２２の垂直偏波についての利得が前方（９０度方向）で－２５ｄＢから－１４ｄＢ程度まで向上する。
　前記導体２４の有無に関わらず水平面内の水平偏波についての利得は殆ど変化しない。すなわち水平偏波の利得は低下しない。
　次に５．６ＧＨｚについて考察すると、図５（Ａ）と図５（Ｂ）とを比較すれば明らかなように、導体２４を設けることにより、第１アンテナ素子２１および第２アンテナ素子２２の水平面内の垂直偏波についての利得が前方（９０度方向）および後方（２７０度方向）で－３０ｄＢから－５ｄＢ程度まで向上する。
　５．６ＧＨｚについても前記導体２４の有無に関わらず水平面内の水平偏波についての利得は低下しない。
　図６は通信モジュール１０１のシミュレーションによる通過特性およびリターンロス特性を示す図である。図６において、Ｓ１１Ａは第１の実施形態の通信モジュール１０１におけるアンテナ装置の反射特性（ＳパラメータのＳ１１特性）、Ｓ１１Ｂは前記導体２４を設けていないアンテナ装置の反射特性（ＳパラメータのＳ１１特性）である。また、Ｓ２１Ａは第１の実施形態の通信モジュール１０１におけるアンテナ装置の通過特性（ＳパラメータのＳ２１特性）、Ｓ２１Ｂは前記導体２４を設けていないアンテナ装置の通過特性（ＳパラメータのＳ２１特性）である。なお、Ｓ２２特性はアンテナが左右対称に設計されているのでＳ１１特性と同じである。
　図６から明らかなように、導体（金属板）を設けることで、ＧＮＤに流れる電流分布が変化し、Ｓパラメータが変化していることがわかる。
　上述の各特性改善原理は次のように説明することができる。図７は通信モジュール１０１の正面図に電流分布を付加した図である。モジュール基板２０のグランド領域ＧＡには図７における水平方向の長さで電流分布が１／４波長分分布する。また、導体２４は１／４波長で共振し、導体２４には図７における垂直方向の長さで電流分布が１／４波長分分布する。すなわち１／４波長分の定在波が生じ、導体２４が放射素子として作用して垂直方向の電流が生じる。その結果、水平面内の垂直偏波成分が生じることになる。
　図８は導体２４の幅Ｗを５０ｍｍに固定し、長さＬを０～３５ｍｍまで変化させたときの第１アンテナ素子２１の水平面内の利得の変化を示す図である。縦軸は３６０度全周の平均利得、横軸は導体２４の長さＬである。ここで各曲線の意味は次のとおりである。
Etheta(2.44)：2.44GHzにおける水平面内の垂直偏波の利得
Etheta(5.6) ：5.6GHzにおける水平面内の垂直偏波の利得
Ephi (2.44)：2.44GHzにおける水平面内の水平偏波の利得
Ephi(5.6) ：5.6GHzにおける水平面内の水平偏波の利得
　図８から明らかなように、導体２４の長さＬが長くなるにしたがい、水平面内の垂直偏波の利得が向上する。垂直偏波の利得向上は、２．４４ＧＨｚにおいてその１／４波長に相当する３０ｍｍ程度で飽和し、５．６ＧＨｚにおいてその１／４波長に相当する１３．５ｍｍ程度で飽和する。水平面内の水平偏波の利得は導体２４の長さＬの影響を殆ど受けない。
　なお、非グランド領域に設置されたアンテナ素子は電極パターンで形成されていること以外にチップアンテナが実装されていてもよい。このことは以降に示す各実施形態についても同様である。
《第２の実施形態》
　図９（Ａ）は第２の実施形態であるアンテナ装置を含む通信モジュール１０２の平面図、図９（Ｂ）はその正面図である。この例では、モジュール基板２０にスリット状の貫通孔２５を形成し、シールドケース２３の一部が貫通孔２５を貫通するようにしている。そして、このシールドケースの一部を導体２４として設けている。第１アンテナ素子２１および第２アンテナ素子２２はチップアンテナであり、これらのチップアンテナをモジュール基板の非グランド領域ＮＧＡに実装している。
　この構成によれば、導体２４を個別の部品として設ける必要がなく部品点数を削減できる。
《第３の実施形態》
　図１０は第３の実施形態であるアンテナ装置を含む通信モジュール１０３の正面図である。第３の実施形態では、導体２４の幅Ｗを変化させたときの第１アンテナ素子２１および第２アンテナ素子２２の利得の変化について示す。
　図１１は導体２４の長さＬを５．６ＧＨｚでの１／４波長に相当する１３．５ｍｍに固定し、幅Ｗを０～５０ｍｍまで変化させたときの水平面内の利得の変化を示す図である。縦軸は３６０度全周の平均利得、横軸は導体２４の幅Ｗである。図１１（Ａ）は第１アンテナ素子２１の特性、図１１（Ｂ）は第２アンテナ素子２２の特性である。ここで各曲線の意味は図８の場合と同様に次のとおりである。
Etheta(2.44)：2.44GHzにおける水平面内の垂直偏波の利得
Etheta(5.6) ：5.6GHzにおける水平面内の垂直偏波の利得
Ephi (2.44)：2.44GHzにおける水平面内の水平偏波の利得
Ephi(5.6) ：5.6GHzにおける水平面内の水平偏波の利得
　図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）から明らかなように、導体２４の幅Ｗが１ｍｍでもあれば５．６ＧＨｚでの水平面内の垂直偏波の利得は急激に増大する。第２アンテナ素子２２側に導体２４が存在するので、第１アンテナ素子２１に比べて第２アンテナ素子２２の水平面内の垂直偏波の利得向上効果は高い。第２アンテナ素子２２については導体２４の幅Ｗが２５ｍｍ（半分の幅）を超えると水平面内の垂直偏波の利得は一定となる。第１アンテナ素子２１についてはＷが大きくなるほど水平面内の垂直偏波の利得が向上する。
　これらのことから、導体２４の長さＬを使用周波数の１／４波長に相当する長さとすることによって、幅Ｗに殆ど依存することなく水平面内の垂直偏波の利得向上効果が得られることがわかる。
　したがって、例えば第１アンテナ素子２１より第２アンテナ素子２２の２．４４ＧＨｚにおける水平面内の垂直偏波の利得を高めるためには第２アンテナ素子２２の近傍にのみ導体を配置すればよい。
　このように、同一構成の二つのアンテナ素子のうち一方に近接する位置にのみ導体を設けることにより、導体を配置した側のアンテナ素子の水平面内の垂直偏波と他方のアンテナ素子の水平面内の水平偏波との偏波面が直交するので、二つのアンテナ素子間の相互結合が改善される。また、前記導体を近接させたアンテナ素子の指向特性と他方のアンテナ素子の指向特性とは類似しないものとなる（相関係数が小さくなる）ので、通信容量が改善される可能性がある。
《第４の実施形態》
　第４の実施形態では第１・第２の実施形態で示した通信モジュールを電子機器に組み込んだ状態でのアンテナ装置の特性について示す。
　図１２は第４の実施形態であるアンテナ装置を含む通信モジュール１０４の側面図である。図１３（Ａ）は通信モジュール１０４を備えた電子機器の主要部の斜視図である。図１３（Ｂ）は比較例としての通信モジュールを備えた電子機器の主要部の斜視図である。
　通信モジュール１０４は組み込み先電子機器のモジュール固定金属板２６にネジ止め等によって取り付けられる。モジュール固定金属板２６は電子機器の筐体２７の一部でもある。
　図１２および図１３から明らかなように、通信モジュールを電子機器に組み込んだ状態で、モジュール固定金属板２６のような何らかの導体が存在することになるが、次に示すように、モジュール固定金属板２６より前方（外方）にアンテナ装置の導体２４を配置することによって、やはり水平面内の垂直偏波の利得が向上する。
　図１４（Ａ）は図１３（Ａ）に示したモジュール固定金属板２６および導体２４に流れる電流、図１４（Ｂ）は図１３（Ｂ）に示したモジュール固定金属板２６に流れる電流のそれぞれの強度分布を濃淡で表した図である。図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）に表れているように、導体２４を設けることで、その導体２４に流れる電流が増加する。逆にモジュール固定金属板２６に流れる電流が減少する。しかし、モジュール固定金属板２６の縦方向の電流の向きと導体２４の電流の向きがそろっているので、主に前方方向の水平面内の垂直偏波の利得が改善される。
　図１５は第４の実施形態に係るアンテナ装置と比較例であるアンテナ装置のＳパラメータを示す図である。図１５（Ａ）は反射特性（Ｓ１１）、図１５（Ｂ）は通過特性（Ｓ２１）、図１５（Ｃ）は反射特性（Ｓ２２）である。これらの図において第４の実施形態に係るアンテナの特性をα、比較例のアンテナ装置の特性をβで表している。
　図１５から明らかなように、導体面（金属板）を設けることで、ＧＮＤに流れる電流分布が変化し、Ｓパラメータが変化していることがわかる。
　図１６は導体２４の存在による水平面内の利得改善量をシミュレーションで求めた結果である。図１６（Ａ）は導体２４による水平面内の垂直偏波の利得改善量、図１６（Ｂ）は導体２４による水平面内の水平偏波の利得改善量をそれぞれ示している。また、図１７は導体２４を設けたことによる水平面内の利得改善量の実測結果であり、図１７（Ａ）は導体２４による水平面内の垂直偏波の利得改善量、図１７（Ｂ）は導体２４による水平面内の水平偏波の利得改善量をそれぞれ示している。
　両図において"Ave Gain"は３６０度全周に亘る平均値、"前方Ave Gain"は０度～１８０度の前方１８０度範囲での平均値である。また、＃１は第１アンテナ素子、＃２は第２アンテナ素子についての特性であることを表している。
　図１６（Ａ）、図１７（Ａ）から明らかなように、５．６ＧＨｚについては第１アンテナ素子２１および第２アンテナ素子２２のいずれについても約２ｄＢ改善される。２．４４ＧＨｚについては、シミュレーションによれば、図１６（Ａ）に表れているように、第２アンテナ素子２２の水平面内の垂直偏波の利得は－４ｄＢ程度低下する。これは第２アンテナ素子２２に近接している筐体２７に流れる電流が導体２４に流れる電流とは逆相の関係になっていることが原因である。但し、２．４４ＧＨｚの水平面内の垂直偏波の平均利得は－２０ｄＢ以下と低いので影響は小さい。すなわち、－２０ｄＢｉオーダーの利得が－２４ｄＢｉになったからといって、利得の値は実質的に変化しているとは言えない。したがって、この水平面内の垂直偏波の利得の悪化は小さく無視できる。また、通信モジュールの取り付け位置を調整することで、前記水平面内の垂直偏波の利得の悪化は改善可能である。実測によれば、図１７（Ａ）に表れているように利得低下は少ない。（２．４ＧＨｚ帯では、導体２４とモジュール固定金属板２６の電流の向きが逆となっている。）
　図１８は、５．６ＧＨｚ帯についてシミュレーションと実測での水平面内の垂直偏波の利得改善量をまとめたものである。ここで"Ave（全方向）"は３６０度全周に亘る平均値、"Ave（前方）"は０度～１８０度の前方１８０度範囲での平均値である。また、＃１は第１アンテナ素子、＃２は第２アンテナ素子についての特性であることを表している。
　このように、導体２４の長さを５．６ＧＨｚ帯に応じた長さにしたことにより、水平面内の垂直偏波の利得が確実に改善される。
《他の実施形態》
　第１～第４の実施形態では、基板のアンテナ素子を設けた面とは反対面側に導体２４を突設させたが、導体はアンテナ素子を設けた面側に突設させてもよい。
ＧＡ…グランド領域
ＮＧＡ…非グランド領域
２０…モジュール基板
２１…第１アンテナ素子
２２…第２アンテナ素子
２３…シールドケース
２４…導体
２５…貫通孔
２６…モジュール固定金属板
２７…筐体
１０１～１０４…通信モジュール

Claims (6)

  1. 　端部に非グランド領域が設けられた基板と、前記非グランド領域に設けられたアンテナ素子とを備え、
    　前記基板のグランドに接続され前記基板に対して垂直方向に延びる板状の導体を設けたアンテナ装置。
  2. 　前記導体の延びる長さは前記アンテナ素子の共振周波数でのほぼ１／４波長に相当する、請求項１に記載のアンテナ装置。
  3. 　前記基板は無線通信回路およびこの無線通信回路を覆うシールド板を備え、
    　前記導体は前記シールド板の一部である、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
  4. 　前記基板は前記シールド板の一部を貫通させるスリット孔を備え、前記シールド板の一部を前記アンテナ素子の形成面とは反対側の面へ突設させた、請求項３に記載のアンテナ装置。
  5. 　前記アンテナ素子の位置とは反対方向に前記導体から所定距離離れた位置に配置される導体面を備え、
    　前記導体面は前記基板を固定する筐体である、請求項１～４のいずれかに記載のアンテナ装置。
  6. 　前記アンテナ素子は第１アンテナ素子と第２アンテナ素子とを含み、前記導体は第２アンテナ素子側に設けられた、請求項１～５のいずれかに記載のアンテナ装置。
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