WO2012107976A1 - スロットアンテナ - Google Patents

Abstract

　小型化した場合に共振周波数を高精度に調整することができるスロットアンテナを提供することを目的とする。本発明にかかるスロットアンテナは、誘電体基板１と、誘電体基板１の一方の面上に設けられた導体面１０と、導体面１０に切れ込みを入れて形成され、切れ込みの一端が導体面１０の端辺で開放端を成すスロット１１と、スロット１１の内部に形成され、スロット１１の対向する辺の一方の辺と接続部１３を用いて接続されたスタブ１２と、を備え、スタブ１２は、接続部１３の長さが、接続部１３が接続された辺と対向する辺からスタブ１２までの距離よりも長くなるように形成されるものである。

Description

スロットアンテナ

　本発明はスロットアンテナに関し、特にスタブを用いて共振周波数を調整するスロットアンテナに関する。

　誘電体基板上に配置するスロットアンテナの長さは、一般的に使用周波数の１／４波長が必要となる。例えば、８００ＭＨｚの場合、スロットアンテナの長さは約９０ｍｍとなり、実装スペースに制約の大きい携帯無線端末に適用するには大きすぎる。

　アンテナを小型化する手法として、特許文献１には、スロット端にコンデンサを形成する方法が開示されている。特許文献１に開示されている、スロット端にコンデンサを形成する構造は、小さな容量でアンテナの共振周波数を大きくシフトさせることが出来る。例えば、特許文献１には、導体凸部を用いて、スロット端にコンデンサを形成する構造が開示されている。さらに、特許文献１には、スロット端にチップコンデンサを配置することにより、スロット端にコンデンサを形成する構造が開示されている。

　また、アンテナを携帯端末等の筺体内に設置し、複数の周波数帯の電波を１つのアンテナにより送受信可能とするために、特許文献２には、スロット内部におけるスロットを構成する放射導体の一部に、さらに放射導体を追加する構成が開示されている。

特開平５－１１０３３２号公報 特開２００４－４８１１９号公報

　しかし、特許文献１に開示されている、スロット端にコンデンサを形成する構造は、装荷するわずかな容量値の誤差によってアンテナの共振周波数が大きく変動してしまい、装荷する容量値を高精度に作りこむ必要がある。具体的には、導体凸部を用いてコンデンサを形成する構造では、量産時の誘電体基板の厚さ、ばらつきや、比誘電率のばらつきによりアンテナの共振周波数がずれるという問題点がある。また、チップコンデンサを用いた構造では、チップコンデンサ自身の容量値のばらつきによりアンテナの共振周波数がずれるという問題点がある。

　また、特許文献２に開示されているスロットアンテナにおいては、スロット内部に追加される放射導体の詳細な形状等が明確に記載されていない。そのため、スロット内部に放射導体が追加されたことにより、スロットアンテナの小型化を実現することができるか否かについては明確ではない。

　本発明はこのような問題を解決するために、小型化した場合に共振周波数を高精度に調整することができるスロットアンテナを提供することを目的とする。

　本発明の第１の態様にかかるスロットアンテナは、誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面上に設けられた導体面と、前記導体面に切れ込みを入れて形成され、前記切れ込みの一端が前記導体面の端辺で開放端を成すスロットと、前記スロットの内部に形成され、前記スロットの対向する辺の一方の辺と接続部を用いて接続されたスタブと、を備え、前記スタブは、前記接続部の長さが、前記接続部が接続された辺と対向する辺から前記スタブまでの距離よりも長くなるように形成されるものである。

　本発明により、小型化した場合に共振周波数を高精度に調整することができるスロットアンテナを提供することができる。

実施の形態１にかかるスロットアンテナの構成図である。 実施の形態１にかかるスロットアンテナの断面図である。 実施の形態１にかかるスロットアンテナ装置のインピーダンス特性の計算例を示す図である。 実施の形態２にかかるスロットアンテナの構成図である。 実施の形態３にかかるスロットアンテナの構成図である。 実施の形態３にかかるスロットアンテナの構成図である。 実施の形態４にかかるスロットアンテナの構成図である。 実施の形態５にかかるスロットアンテナの構成図である。 実施の形態６にかかるスロットアンテナの構成図である。 実施の形態６にかかるスロットアンテナの構成図である。 実施の形態６にかかるスロットアンテナの断面図である。

　（実施の形態１）
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係るスロットアンテナ装置の導体面のスロットに配置されたスタブを示す図である。図２は、本発明の実施の形態１にかかるスロットアンテナ装置の概略的な構成を示し、図１のII－II'線における断面図である。

　スロットアンテナ装置は、誘電体からなる板状の誘電体基板１と、誘電体基板１の一方の面上（例えば上面側）に設けられた導体面１０と、導体面１０に切れ込みを入れて形成され、切れ込みの一端が導体面１０の端辺で開放端を成すスロット１１と、スロット１１の内部に形成され、スロットの対向する辺の一方の辺と接続部１３を用いて接続されたスタブ１２とを備えている。給電線２１の外部導体および内部導体である給電部２０は、夫々、スロット１１を跨ぐようにして、スロット１１の両側の導体面１０に接続されている。無線回路（図示せず）は、給電線２１及び給電部２０を介してスロット１１に対して給電を行う。

　スロット１１は、一方を開放端、他方を短絡端として構成され、長さをＬｓとする。スロット１１は、使用周波数に対応する波長をλとした場合、長さＬｓをλ／４とする周波数において共振する。スロット１１は、直線形状を有し、対向する一方の辺において接続部１３を用いてスタブ１２と接続されている。

　スタブ１２は、細長い直線形状を有する板状部材である。スタブ１２の長さ（スタブ長）Ｌは、使用周波数に対応する波長をλとした場合、Ｌ＜λ／４となるように設定されている。また、スタブ１２の幅は、スタブ長Ｌと比較して十分小さくなっている。スタブ１２の一端は、接続部１３を介して直線形状を有するスロット１１の対向する一方の辺と接続されている。スタブ１２の他端は、開放された開放端となっており、先端開放型スタブを形成している。図１は、スタブ１２が、スロット１１の開放端近傍に接続される例を示している。導体面１０、スタブ１２及び接続部１３は、全て同様の材料を用いて形成された導体でもよい。

　図１及び図２を用いて説明したスロットアンテナは、スロット１１の開放端に配置したスタブ１２のスタブ長Ｌが、Ｌ＜λ／４になるように設定されている。この場合、スロット１１の開放端にキャパシタンスを装荷したことと等価になり、スロットアンテナの共振周波数が低域側にシフトする。これにより、スロットを小型化することができる。このとき、スタブ１２により生成されるキャパシタンスの値は、主として、スタブ長Ｌによって決定される。そのため、スタブ１２により生成されるキャパシタンスの値は、誘電体基板１の厚さや、誘電体基板１を構成する誘電体の比誘電率による影響をあまり受けない。

　このとき、スタブ１２から、接続部１３が接続されていないスロット１１の一辺までの距離をａとし、接続部１３の長さをｂとすると、スタブ１２は、距離ａが、長さｂよりも小さくなるように配置される必要がある。スタブ１２をこのような位置に配置し、且つ前述のようにスタブ長ＬをＬ＜λ／４とすることにより、共振周波数を低域側へシフトするのに必要なキャパシタがスロット１１に付加され、そのシフト量はスタブ長Ｌにより制御することが出来る。

　続いて、図３を用いて、本実施の形態１にかかるスロットアンテナ装置のインピーダンス特性の計算例について説明する。図１における先端開放型スタブ１２のスタブ長Ｌを０ｍｍ～７．５ｍｍに変化させると、図３に示すようにスロットアンテナ装置のインピーダンス特性は変化する。つまり、スタブ長Ｌを長くすることにより、共振周波数が低域側にシフトする。この計算例では、距離ａは長さｂに対して充分小さい値を有し、ａ＝０．２５ｍｍ、ｂ＝１．２５ｍｍとして計算した。

　このように、スタブ長Ｌを変化させて、スロット１１の開放端に装荷するキャパシタンスを制御することにより、スロット１１の寸法を変えることなくスロットアンテナ装置の共振周波数を高精度に調整することができる。即ち、より小さいスロット１１の寸法を用いて所望のアンテナ共振周波数を得ることができる。

　以上説明したように、本発明の実施の形態１にかかるスロットアンテナ装置は、スタブ１２のスタブ長Ｌを調整してスロットアンテナ装置に装荷するキャパシタンスを制御する構造を有している。従って、誘電体基板１の厚さや誘電体の比誘電率のばらつきによるスロットアンテナ装置の共振周波数への影響を低減でき、共振周波数を高精度に調整することができる。

　また、スタブ１２及び接続部１３の導体パターンは、通常のプリント基板製造プロセスで実現可能であるため、スタブ長Ｌのばらつきを非常に小さく抑えることができる。これにより、スロットアンテナ装置の共振周波数を高精度に制御できる。

　また、スロットアンテナ装置は、キャパシタンスを制御するために、チップコンデンサを用いる必要がない。そのため、部品レス化によるスロットアンテナ装置の低コスト化が図れる。

　（実施の形態２）
　図４は、本発明の実施の形態２にかかるスロットアンテナ装置の導体面のスロットに配置されたスタブを示す図である。本実施の形態２にかかるスロットアンテナ装置は、スロット１１の開放端近傍に、接続部３１を介してスタブ３０の一端が導体面１０に接続される。さらに、接続部３１が接続された辺に対向する辺において、スタブ３０の他端が、接続部３２を介して接続される。図４におけるスタブ３０は、他端が導体面１０に短絡した先端短絡型となっている。さらに、図４におけるスタブ３０はミアンダ形状に形成されている。ミアンダ形状に形成されているスタブ３０のスタブ長Ｌは、λ／４＜Ｌ＜λ／２となるように設定する。本実施の形態２にかかるスロットアンテナ装置において、他の構成は上記実施の形態１にかかるスロットアンテナ装置と略同一であるため、同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。また、給電線及び給電部も実施の形態１と同様に接続されていることとする。

　上述のように構成されたスロットアンテナ装置において、スロット１１の内部に配置されたスタブ３０のスタブ長Ｌをλ／４＜Ｌ＜λ／２になるように設定すると、スロット１１の開放端にキャパシタンスを装荷したことと等化になり、スロットアンテナ装置の共振周波数が低域側にシフトする。

　また、スロット１１の開放端に接続された接続部３１の長さをｂとし、接続部３１が接続された辺に対向する辺とスタブ３０との最短距離をａとする。この場合、距離ａが、長さｂよりも小さくなるようにスタブ３０を配置する。スタブ３０をこのような位置に配置し、且つ前述のようにスタブ長Ｌをλ／４＜Ｌ＜λ／２とすることにより、共振周波数を低域側へシフトするのに必要なキャパシタがスロット１１に付加され、そのシフト量はスタブ長Ｌにより制御することが出来る。

　従って、上記実施の形態１にかかるスロットアンテナ装置と同様に、本実施の形態２にかかるスロットアンテナ装置においても、スタブ長Ｌを変化させて、スロット１１の開放端に装荷するキャパシタンスを制御することにより、スロット１１の寸法を変えることなくスロットアンテナ装置の共振周波数を高精度に調整することができる。即ち、より小さいスロット１１の寸法で所望の共振周波数を得ることができる。

　また、本実施の形態２にかかるスロットアンテナ装置において、上記実施の形態１にかかるスロットアンテナ装置と同様に、スタブ３０で生成されるキャパシタンスの値はスタブ長Ｌによって決定され、誘電体基板１の厚さや、誘電体の比誘電率による影響をあまり受けない。さらに、スタブ３０、接続部３１及び３２を形成する導体パターンは、通常のプリント基板製造プロセスで実現可能である。そのため、スタブ長Ｌのばらつきを非常に小さく抑えることができる。即ち、スタブ３０で生成されるキャパシタンスのばらつきを抑え、共振周波数を高精度に制御することができる。

　ここで、スタブ３０の形状はミアンダ形状に制限されず、スパイラル形状や、折り返し形状、不規則に蛇行した形状等でもよい。

　（実施の形態３）
　図５は、本発明の実施の形態３にかかるスロットアンテナ装置の導体面のスロットに配置されたスタブを示す図である。本実施の形態３にかかるスロットアンテナ装置は、スタブ４０が、スロット開放端より内側となるように接続部４１を介して誘電体基板１に接続されている。スタブ４０及び接続部４１以外の構成は、実施の形態１にかかるスロットアンテナと同様である。本実施の形態３にかかるスロットアンテナ装置は、スタブの配置がスロット１１の開放端から離れるに伴い、アンテナの共振周波数が低域側へシフトする量が小さくなる。これにより、本実施の形態３にかかるスロットアンテナ装置は、スタブの位置を調整することにより、共振周波数の細かい調整が可能となる。

　また、図５におけるスタブ４０と接続部４１の形状は、Ｌ字型で記載されているが、この形状に限るものではない。図１におけるスタブ１２と接続部１３の形状も同様にＬ字型の形状に限るものではない。スタブ４０と接続部４１の形状は、スタブ４０の一方が開放端であり、他方が誘電体基板１と接続部４１を介して接続されている構造であればよい。例えば、図６に示すように、スタブ４０と接続部４１の形状は、Ｔ字型の形状であってもよい。また、図５においては、スタブ４０の開放端が接続部４１よりもスロット１１の内部方向にあるように記載されているが、スタブ４０の開放端が接続部４１よりもスロット１１の開放端側にあるような形状であっても良い。また、スタブ４０は、ミアンダ型や、折り返し型、不規則に蛇行した形状であってもよい。

　（実施の形態４）
　図７は、本発明の実施の形態４にかかるスロットアンテナ装置の導体面のスロットに配置されたスタブを示す図である。本実施の形態４にかかるスロットアンテナ装置は、ミアンダ形状に形成されたスタブ５０が、スロット開放端より内側となるように接続部５１及び５２を介して誘電体基板１に接続されている。スタブ５０、接続部５１及び接続部５２以外の構成は、実施の形態２にかかるスロットアンテナと同様である。本実施の形態４にかかるスロットアンテナ装置は、スタブの配置がスロット１１の開放端から離れるに伴い、アンテナの共振周波数が低域側へシフトする量が小さくなる。これにより、本実施の形態４にかかるスロットアンテナ装置は、スタブの位置を調整することにより、共振周波数の細かい調整が可能となる。

　また、図７におけるスタブ５０、接続部５１及び接続部５２の形状は、ミアンダ形状で記載されているが、この形状に限るものではない。接続部５１及び接続部５２の形状は、接続部５１がスロット１１の一辺と接続され、接続部５２が、接続部５１が接続されている一辺と対向する辺と接続されている構造であればよい。例えば、スタブ５０は、折り返し型や、不規則に蛇行した形状であってもよい。

　（実施の形態５）
　図８は、本発明の実施の形態４にかかるスロットアンテナ装置の導体面のスロットに配置されたスタブを示す図である。本実施の形態にかかるスロットアンテナ装置は、スロット１１の開放端に配置された先端開放型のスタブ６０に加えて、さらに先端開放型スタブ７０が、スロット１１の内部に配置されている。また、スロット１１の内部に配置されているスタブ７０は、スロット１１の開放端からλ／２だけ離れた位置に配置される。

　スロット長が１／４波長に相当する共振周波数１におけるスロットアンテナの電界は、スロット１１の開放端の電界が腹となり、短絡端側の電界が節となるような定在波分布を有する。一方、スロット長が３／４波長に相当する共振周波数２におけるスロットアンテナの電界は、スロット１１の開放端及びスロット１１の開放端からλ／２だけ離れた位置の電界が腹となり、スロット１１の開放端からλ／４及び３λ／４だけ離れた位置の電界が節となるような定在波分布を有する。

　ここで、図８のように、定在波分布が腹となるスロット１１の開放端及びスロット１１の開放端からλ／２だけ離れた位置にそれぞれスタブ６０及びスタブ７０を配置した場合、次のような作用を生じる。スロット１１の開放端に配置したスロット６０のスタブ長の調整により共振周波数１、２を共に変化させることができる。これに対して、スロット１１の開放端からλ／２だけ離れた位置に配置したスロット７０のスタブ長を調整することにより、共振周波数２のみを変化させることができる。

　従って、本実施の形態５においては、まずスロット１１の開放端に配置したスタブ６０のスタブ長の制御により、共振周波数１を所望の共振周波数に調整し、次にスロット１１の開放端からλ／２だけ離れた位置に配置したスタブ７０のスタブ長の制御により、共振周波数２を所望の周波数に調整する。本実施の形態５にかかるスロットアンテナ装置は、このようにして共振周波数を調整することができるため、スロット本数は１本のままで、スロット長の寸法も変えずに複共振化が可能である。これにより、実質的なアンテナの小型化を実現することができる。

　また、複数のスタブを適切な位置に配置し、各スタブ長を各々制御することにより、複数の共振周波数を独立に調整することができる。これにより、周波数調整行程を削減することができる。

　また、本実施の形態５においては、スタブの数を２つ配置する例について説明したが、２つには限られない。また、本実施の形態５においては、先端開放型のスタブを用いた例について説明したが、先端短絡型のスタブを複数個配置してもよい。

　（実施の形態６）
　図９は、本発明の実施の形態６にかかるスロットアンテナ装置の給電線の構成を示す図である。本実施の形態６にかかるスロットアンテナ装置は、実施の形態１にかかるスロットアンテナ装置において、給電線をコプレーナ型給電線８０としたこと以外は、実施の形態１のスロットアンテナ装置と同様の構成を有する。また、図１０は、給電線をマイクロストリップ型給電線９０としたスロットアンテナ装置である。図１１は、図１０にかかるスロットアンテナ装置のＢ－Ｂ'における断面図である。図１０及び図１１にかかるスロットアンテナ装置は、誘電体基板１の一方の面に導体面１０が形成され、他方の面に導体面１００が形成されている。また、誘電体基板１には、スルーホール１１０が設けられ、導体面１０と導体面１００とは、スルーホール１１０を介して導通されている。

　本実施の形態６に示すスロットアンテナは、給電線と無線回路とを一枚のプリント基板上に形成することができるようになり、実装スペースの削減ができる。さらに、給電ケーブルの引き回しが不要となるため、給電ケーブルを原因とした他の回路、機能部品との電磁干渉、不要輻射、又は電力損失による無線性能低下等を防ぐことができる。また、コスト面においてもアンテナ製造における低コスト化が図れる。

　なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

　以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

　この出願は、２０１１年２月９日に出願された日本出願特願２０１１－０２６０６６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

　１　誘電体基板
　１０　導体面
　１１　スロット
　１２　スタブ
　１３　接続部
　２０　給電部
　２１　給電線
　３０　スタブ
　３１　接続部
　３２　接続部
　８０　コプレーナ型給電線
　９０　マイクロストリップ型給電線
　１００　導体面
　１１０　スルーホール

Claims (9)

1. 　誘電体基板と、
   　前記誘電体基板の一方の面上に設けられた導体面と、
   　前記導体面に切れ込みを入れて形成され、前記切れ込みの一端が前記導体面の端辺で開放端を成すスロットと、
   　前記スロットの内部に形成され、前記スロットの対向する辺の一方の辺と接続部を用いて接続されたスタブと、を備え、
   　前記スタブは、
   　前記接続部の長さが、前記接続部が接続された辺と対向する辺から前記スタブまでの距離よりも長くなるように形成される、スロットアンテナ。
2. 　前記スタブは、
   　一方の端部が前記スロットの対向する辺の一方の辺と前記接続部を用いて接続され、もう一方の端部は開放された先端開放型であり、
   　前記スタブの長さは、使用周波数に対応する波長の１／４より短い、請求項１記載のスロットアンテナ。
3. 　前記スタブは、
   　一方の端部が前記スロットの開放端と前記接続部を用いて接続される請求項２記載のスロットアンテナ。
4. 　前記スタブは、
   　一方の端部が前記スロットの対向する辺の一方の辺と第１の接続部を用いて接続され、もう一方の端部が前記スロットの対向する辺の他方の辺と第２の接続部を用いて接続され、前記第１の接続部が、前記第２の接続部よりも開放端側に接続されている場合、前記第１の接続部の長さが、前記第２の接続部が接続された辺から前記スタブまでの距離よりも長くなるように形成される、請求項１記載のスロットアンテナ。
5. 　前記スタブの長さは、使用周波数に対応する波長の１／４より長く、かつ１／２より短い、請求項４記載のスロットアンテナ。
6. 　前記スタブは、
   　前記スロットの内部に複数配置される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスロットアンテナ。
7. 　前記スタブが配置される位置は、前記スロットの開放端から使用周波数に対応する波長のｎ／２（ｎは整数）倍離れた位置である、請求項６に記載のスロットアンテナ。
8. 　前記スロットに給電を行う給電部をさらに備え、
   　前記給電部は、同軸ケーブル、コプレーナ型給電線又はマイクロストリップ型給電線である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のスロットアンテナ。
9. 　前記接続部及び前記スタブは、前記導対面上に形成されるプリント基板と一体として形成される請求項１乃至８のいずれか１項に記載のスロットアンテナ。

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