JP2006060609A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な製造工程によって小型に製造され、広帯域特性或いは高感度受信特性を有して地上波デジタル放送の受信機能を有する移動体通信機器にも搭載される。
【解決手段】 基板２の少なくとも一方の主面上に、多重ループを構成する多数の折返し部位１００を有し、内部に蓄積するエネルギーが電界エネルギーよりも磁界エネルギーが優先するアンテナパターン３を形成する。基板２を、誘電材料に磁性材料を混合した基板材料により形成してアンテナパターン３の波長短縮を図る。
【選択図】 図２

Description

本発明は、各種移動体通信機器、特に地上波デジタル放送受信端末機に用いて好適なアンテナ装置に関する。

地上波デジタル放送方式（ISDB-T:Integrated Services Digital Broadcasting-Terrstrial。以下、新放送方式と略称する。）は、携帯端末向け２００５年末に放送開始が予定されている。新放送方式は、マルチパス干渉に強い直交波周波数分割多重方式（OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplex）の採用によって、複数の搬送波を一部重なり合いながらも相互干渉を抑制して密に並べることが可能であり、また狭い周波数帯域を効率的に利用して広帯域受信を実現している。

新放送方式においては、１つの周波数チャンネル（６ＭＨｚ）を最大３つの階層に分けることで、それぞれ別放送を行うことを可能とする。新放送方式においては、さらに同一周波数チャンネル内の１３個の搬送波のうち１個を受信チャンネルに用いたワンセグメント受信機能が採用され、周波数チャンネルの全帯域を使用するフルセグメント受信方式と比較して、対復調電力、対周波数選択制フェージング等に優れている。新放送方式においては、かかる特性から携帯型テレビジョン受信機（携帯テレビと略称する。）や携帯電話機或いは携帯型情報端末装置（PDA:Personal Digital Assistat）等の各種移動体通信機器においても高い受信特性を有するといった特徴がある。

ところで、従来の移動体通信機器、例えば携帯テレビ２００には、図１８に示すようにアンテナ長が１／４波長で共振する伸縮自在なロッドアンテナ２０１が備えられている。ロッドアンテナ２０１は、無限のグランドと線状のアンテナ素子との間で電力を励振するモノポールアンテナであり、グランドを対称にイメージ電流が定義されてダイポールアンテナと同様の挙動を示す。しかしながら、ロッドアンテナ２０１は、移動体通信機器の小型軽量化に伴い、実装スペースや形状等による制限のために、必要な１／４波長のアンテナ長を確保することが困難となっている。

ロッドアンテナ２０１は、無限のグランドを基本とするが、移動体通信機器に搭載された場合にグランド板のサイズも限定され、図１９に示すように一般化することができる。ロッドアンテナ２０１は、ヒンジ機構によってアンテナ素子２０２がグランド板２０３に対して回動自在に組み合わされており、同図（Ａ）に示すようにアンテナ素子２０２がグランド板２０３と同軸上に位置する状態と、同図（Ｂ）に示すようにアンテナ素子２０２がグランド板２０３と平行な状態とに位置される。

ロッドアンテナ２０１は、グランド板２０３が有限となるために、その大きさによって入力特性が大きく変化するロッドアンテナ２０１の特性について、アンテナ素子２０２の長さＬが４０ｍｍである場合に電磁界解析手法の１つであるＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain）法によって解析した結果を図２１に示す。なお、図１９において、ＧＶはグランド板２０３の縦方向の長さ、ＧＷはグランド板２０３の横方向の長さ、ＯＧはアンテナ素子２０２とグランド板２０３との対向間隔である。

図２０（Ａ）は、アンテナ素子２０２とグランド板２０３とを同軸上に位置させた図１９（Ａ）に示した状態における、ロッドアンテナ２０１の入力特性の解析結果を示す。また、同図（Ｂ）は、アンテナ素子２０２とグランド板２０３とを平行に位置させた図１９（Ｂ）に示した状態において、ＧＶを８０ｍｍ、ＧＷを４０ｍｍとして、ロッドアンテナ２０１の入力特性の解析結果である。

ロッドアンテナ２０１においては、図２０（Ａ）に示す解析結果から明らかなように、入力特性がアンテナ素子２０２の長さＬやグランド板２０３の横方向の長さＧＷに対してグランド板２０３の縦方向の長さＧＶに大きく依存しその長さの１／４波長で共振が生じている。したがって、ロッドアンテナ２０１においては、グランド板２０３の大きさや実装状態によって周波数特性に大きな影響がある。なお、ロッドアンテナ２０１は、グランド板２０３が大型化するに伴って利得が向上する傾向にあり、その変化は横方向の長さＧＷと縦方向の長さＧＶとでほぼ同傾向である。

また、ロッドアンテナ２０１においては、図２０（Ｂ）に示す解析結果から明らかなように、アンテナ素子２０２とグランド板２０３とが接近した状態では容量成分が大きくなって周波数が大きくなり、一定の間隔に離すとグランド板２０３の長さが支配的となって共振が生じる。したがって、ロッドアンテナ２０１においては、機器筐体からある程度突出させた状態で用いられることが好ましく、小型化を困難とさせる。

一方、移動体通信機器においては、上述したロッドアンテナ２０１とともにアンテナ素子を１波長径で螺旋状に多数回巻いたヘリカルアンテナも用いられている。ヘリカルアンテナは、モノポール型アンテナと比較して広周波数帯域化が図られるとともに波長短縮効果も有するといった特徴を有している。

移動体通信機器においては、配線基板上に直接アンテナパターンを形成してなるパッチアンテナのような、いわゆる平面型アンテナを備えることにより薄型化を図るようにしている。平面型アンテナは、利用周波数帯域が低くなると大きなサイズのアンテナパターンが必要となるために、機器の小型化が図れないといった問題がある。また、平面型アンテナは、人体や機器筐体等の影響を受けやすいために、受信状態が安定しないといった問題もある。平面型アンテナにおいては、アンテナパターンを多重に折り返すことによってパターン長を確保したいわゆるミアンダパターンアンテナも用いられている。かかるミアンダ型アンテナは、配線基板上に直接アンテナパターンを形成することによって、薄型化が図られるといった特徴がある。

特許文献１には、セラミック等の高誘電体材内に複雑な３次元金属パターンを焼結形成した多層構造体からなり、給電電流を励振させて電磁波を放射させるチップアンテナが開示されている。チップアンテナは、上述した平面型アンテナと比較して利用周波数帯域に対して小型に形成することが可能であり、送受信回路を構成する電子部品等とともに回路基板に搭載して用いられる。

特開２００２−２５２５１６号公報

一方、新放送方式においては、利用周波数帯域がＵＨＦ帯域の４７０ＭＨｚ〜７７０ＭＨｚと非常に広範囲に分布しており、移動体通信機器において放送番組を高感度で受信することを可能とするアンテナが極めて重要である。新放送方式においては、実装スペースに限界がある現状の携帯電話機に一般的に搭載されているアンテナ素子では周波数帯域が狭く、受信感度が低いといった問題がある。

ロッドアンテナは、一般に携帯電話機の筐体内に設置されるグランド板が、ＧＷを約４０ｍｍ、ＧＶを約８０ｍｍで形成されるとともに利用周波数の下限値が約８００ＭＨｚであることから、１／４波長で約９０ｍｍとなる。したがって、ロッドアンテナは、携帯電話機が現状の利用周波数帯で使用する限りなおいて充分な大きさのグランド板を備えることによって、このグランド板の依存性が小さくすることを可能とする。しかしながら、ロッドアンテナにおいては、携帯電話機が利用周波数の下限値を約４７０ＭＨｚとする新放送方式に基づく放送番組の受信を可能とする仕様の場合に、グランド板の依存性が大きくなってしまう。ロッドアンテナは、このために携帯電話機の筐体から大きく引き延ばすことが可能な長さを有する必要があり、使い勝手を悪くさせるとともに機器本体を大型化させてしまう。

また、ヘリカルアンテナは、上述したように利用周波数の広帯域化とともに波長短縮効果による小型化も図られることから、新放送方式の放送番組を受信するアンテナとして採用することが可能である。しかしながら、ヘリカルアンテナは、アンテナ素子を螺旋状に巻く特殊な工程を必要とすることでコストアップとなるとともに薄型化を図ることが困難であり、機器の筐体内に搭載する内蔵型アンテナには不向きである。

さらに、ミアンダ型アンテナにおいては、配線基板上に直接アンテナパターンを形成することにより、機器の薄型化を図ることを可能とする。しかしながら、ミアンダ型アンテナにおいては、小型の配線基板上にパターン長を拡大して形成することにも限界があり、新放送方式の放送番組を受信するアンテナとして充分な適用周波数帯域を確保することが困難である。ミアンダ型アンテナにおいては、例えばスイッチやバリキャップ等を用いてある程度の帯域拡大を図ることも可能であるが、その帯域拡大に限界がある。

チップアンテナは、配線基板上に複数個を並べて実装することによって利用周波数の広帯域化を図っても、機器の小型化、薄型化を確保することを可能とする。しかしながら、チップアンテナは、比較的高価であるとともに配線基板上に実装する工程も必要とすることから、機器をコストを大幅にアップさせてしまう。

したがって、本発明は、簡易な製造工程によって小型に製造され、広帯域特性或いは高感度受信特性を有して地上波デジタル放送等の受信機能を有する移動体通信機器にも搭載して好適なアンテナ装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成する本発明にかかるアンテナ装置は、誘電材料に磁性材料を混合した基板材料により形成した基板の少なくとも一方の主面上に、導体パターンによってアンテナパターンを形成してなり、このアンテナパターンが多重ループを構成する多数の折返し部位を有する。

本発明にかかるアンテナ装置においては、アンテナパターンの相対向する各折返し部位においてそれぞれ逆位相の磁界が発生して基板の主面に微小な多重ループが構成され、エネルギーが蓄積される。アンテナ装置においては、蓄積されるエネルギーが、電界エネルギーよりは磁界エネルギーが内部により多く分布して優勢な状態にある。アンテナ装置においては、基板材料に混合された磁性材料によって波長短縮の作用が奏され、アンテナパターンの短縮による小型化が図られるようになる。

また、本発明にかかるアンテナ装置は、アンテナパターンが、基板の第１主面上にそれぞれが互いに独立して形成された多数本の第１単位アンテナパターンと、基板の第２主面上に各第１単位アンテナパターンとそれぞれ対応しかつ互いに独立して形成された多数本の第２単位アンテナパターンと、基板を貫通して形成され相対する第１単位アンテナパターンの一端部と第２単位アンテナパターンの一端部とを交互にそれぞれ層間接続する多数個のビアホールとを有して、基板の第１主面と第２主面とを巡る立体形状のヘリカル型アンテナパターンを構成してなる。アンテナ装置は、第１単位アンテナパターンと第２単位アンテナパターンの少なくともいずれか一方の単位アンテナパターンに、多数の折返し部位が形成される。

アンテナ装置においては、プリント基板技術によって形成された立体的なヘリカルアンテナが形成される。アンテナ装置においては、限られた大きさの基板に充分なアンテナ長を有してアンテナパターンが形成されることで、波長短縮効果が得られて小型化、薄型化が図られるようにするとともに、広帯域特性化も図られるようになる。

本発明かかるアンテナ装置によれば、簡易なプリント基板技術によって形成されるアンテナパターンが、多重ループを構成する多数の折返し部位を有することによって内部に電界エネルギーよりは磁界エネルギーが優勢に蓄積され、基板材料に混合した磁性材料により波長短縮が効率的に奏されるようになる。アンテナ装置によれば、コスト低減とともに広帯域特性を有しかつ波長短縮効果による小型化が図られて、各種の移動体通信機器に好適に用いられる。

以下、本発明の実施の形態として図面に示したアンテナ装置１について、詳細に説明する。アンテナ装置１は、例えば携帯テレビ、携帯電話機或いは携帯型情報端末装置等の各種移動体通信機器に用いられ、従来の受信特性とともに利用周波数帯域がＵＨＦ帯域の４７０ＭＨｚ〜７７０ＭＨｚと非常に広範囲に分布する新放送方式に対応して放送番組を高感度で受信することを可能とする。アンテナ装置１においては、新放送方式が上述したＵＨＦ帯域ばかりでなくＶＨＦ帯域の放送番組も行うことから、さらなる小型化の要求にも対応可能とされる。アンテナ装置１は、縦長矩形の両面基板２に後述するアンテナパターンが形成されることによって、小型かつ薄型に構成される。

アンテナ装置１は、図１に示すように両面基板２の第１主面２ａにそれぞれ互いに同一ピッチを以って独立して形成された多数本の第１単位アンテナパターン３ａ〜３ｎ（以下、個々に説明する場合を除いて第１単位アンテナパターン３と総称する。）を有する。アンテナ装置１は、両面基板２の第２主面２ｂにそれぞれ互いに同一ピッチを以って独立して形成された多数本の第２単位アンテナパターン４ａ〜４ｎ（以下、個々に説明する場合を除いて第２単位アンテナパターン４と総称する。）を有する。

アンテナ装置１は、両面基板２の第１側縁２ｃに沿ってそれぞれ互いに同一ピッチを以って形成された多数個の第１ビアホール５ａ〜５ｎ（以下、個々に説明する場合を除いて第１ビアホール５と総称する。）を有する。アンテナ装置１は、両面基板２の第２側縁２ｄに沿ってそれぞれ互いに同一ピッチを以って形成された多数個の第２ビアホール６ａ〜６ｎ（以下、個々に説明する場合を除いて第２ビアホール６と総称する。）を有する。アンテナ装置１は、第１ビアホール５と第２ビアホール６とがそれぞれ対向しており、第２単位アンテナパターン４と同一ピッチを以って両面基板２に形成されている。

アンテナ装置１には、両面基板２の第２側縁２ｄ側で、最下段の第２ビアホール６ａに対して同一ピッチを以って第３ビアホール７が形成されている。アンテナ装置１には、両面基板２に、第３ビアホール７を起点として下端部へと伸びる給電パターン８が形成されるとともに、この給電パターン８の下端部に給電端子部９が一体に形成されている。アンテナ装置１は、給電端子部９を介して給電パターン８が本体装置側に設けたグランド１０と接続される。

アンテナ装置１は、詳細を後述するように各第１単位アンテナパターン３の両端部と相対する各第２単位アンテナパターン４の両端部とが第１ビアホール５と第２ビアホール６とを介して、両面基板２の第１主面２ａと第２主面２ｂとの間で交互に連結される。アンテナ装置１は、アンテナパターンを両面基板２の第１主面２ａと第２主面２ｂとに亘って形成することにより、全体として立体型のヘリカル型アンテナパターンを構成してなる。

両面基板２は、従来各種の電子機器等に一般に用いられており、絶縁基板の両面に銅箔等の導体を貼り付けた基板材が用いられ、詳細を省略するがその第１主面２ａと第２主面２ｂとに対して例えばリソグラフィー処理を施して不要な導体を除去することによって所定形状の第１単位アンテナパターン３と第２単位アンテナパターン４とをそれぞれ形成する。両面基板２には、絶縁基板に対してドリル加工やレーザ加工等を施して適宜の位置に貫通孔を形成し、これら貫通孔に対してめっき等による孔内の導体化処理を施すことにより第１ビアホール５や第２ビアホール６を形成する。両面基板２は、大規模設備や精密技術を不要として所望の回路パターンを効率的に形成することが可能であるとともに、各種の電子部品等が実装される。

第１単位アンテナパターン３は、図１及び図２に示すように、両面基板２の第１主面２ａに幅方向の中心を挟んだ両側領域に位置してそれぞれ形成された略コ字状のパターンからなる。第１単位アンテナパターン３は、左右領域においてコ字状の開放部位がそれぞれ外側に位置するとともに、互いに上下方向にずれて形成されている。すなわち、第１単位アンテナパターン３は、図２（Ｂ）を参照して左側領域の最下段に形成された第１単位アンテナパターン３ａを代表して説明するように、両面基板２の左側縁部の近傍を第１端部３ａ１として水平な下辺部３ａ２が中心の近傍まで形成され、中心の近傍位置で下辺部３ａ２から高さ方向に折曲されて垂直辺部３ａ３が連設され、この垂直辺部３ａ３の上端で下辺部３ａ２と平行な上辺部３ａ４が水平方向に折曲されて連設され、さらにこの上辺部３ａ４が第２端部３ａ５として第１端部３ａ１と対向されたコ字状に形成される。第１単位アンテナパターン３ａは、第１端部３ａ１が最下段の第１ビアホール５ａと接続されるとともに、第２端部３ａ５が２段目の第１ビアホール５ｂと接続される。

また、第１単位アンテナパターン３は、上述した第１単位アンテナパターン３ａと隣り合って右側領域の最下段に形成された第１単位アンテナパターン３ｂが、第１単位アンテナパターン３ａの上辺部３ａ４と略同一高さ位置において両面基板２の右側縁部の近傍を第１端部３ｂ１として水平な下辺部３ｂ２が中心の近傍まで形成される。第１単位アンテナパターン３ｂは、中心の近傍位置で下辺部３ｂ２から高さ方向に折曲されて垂直辺部３ｂ３が連設され、この垂直辺部３ｂ３の上端で下辺部３ｂ２と平行な上辺部３ｂ４が水平方向に折曲されて連設され、この上辺部３ｂ４が第２端部３ｂ５として第１端部３ｂ１と対向されたコ字状に形成され両面基板２の右側縁部の近傍を第２端部３ｂ５とする。第１単位アンテナパターン３ｂは、第１端部３ｂ１が最下段の第２ビアホール６ａと接続されるとともに、第２端部３ｂ５２段目の第２ビアホール６ｂと接続される。

第１単位アンテナパターン３は、左側領域の第２段目の第１単位アンテナパターン３ｃが、右側領域の最下段第１単位アンテナパターン３ｂの上辺部３ｂ４と略同一高さ位置から上述した第１単位アンテナパターン３ａと同一形状を以って形成される。第１単位アンテナパターン３は、相互の間隔とそれぞれの第１端部３ａ１（３ｂ１）と第２端部３ａ５（３ｂ５）の間隔とがほぼ等しく形成される。したがって、第１単位アンテナパターン３は、両面基板２の第１主面２ａに、左右領域でそれぞれ向きを変えて上下方向に対して１ピッチずつずれた状態で交互に形成される。

第２単位アンテナパターン４は、両面基板２の第２主面２ｂに、上述した第１単位アンテナパターン３のそれぞれの下辺部３ａ２（３ｂ２）と上辺部３ａ４（３ｂ４）とそれぞれ対向して互いに平行な水平方向の直線パターンによって構成される。第２単位アンテナパターン４は、それぞれが相対する第１ビアホール５と第２ビアホール６との対向間隔と等しい長さを有しており、図２（Ａ）に示すように両端部を相対する第１ビアホール５と第２ビアホール６とに接続それる。なお、最下段の第２単位アンテナパターン４ａは、図２（Ｂ）に示すように一端部を最下段の第１ビアホール５ａと接続されるとともに、他端部を第３ビアホール７と接続される。

各第１ビアホール５と各第２ビアホール６及び第３ビアホール７は、上述したように両面基板２に形成した貫通孔に対して、孔内の導体化処理を施すことによって第１主面２ａと第２主面２ｂとを導通させる。各第１ビアホール５と各第２ビアホール６は、上述したように相対する第１単位アンテナパターン３と第２単位アンテナパターン４の端部を交互に層間接続する。各第１ビアホール５と各第２ビアホール６は、相対する各第１単位アンテナパターン３と各第２単位アンテナパターン４とを直列に接続する。第３ビアホール７には、上述したように第２主面２ｂにおいて最下段の第２単位アンテナパターン４ａの下辺部３ｂ２が接続されるとともに、第１主面２ａにおいて給電パターン８の一端部が接続される。

アンテナ装置１は、上述したように両面基板２の第１主面２ａにおいて各第１単位アンテナパターン３が一種のミアンダパターンを構成するとともに、各第１ビアホール５と各第２ビアホール６とを介して第２主面２ｂで第２単位アンテナパターン４によって折り返された構造となっている。したがって、アンテナ装置１は、各第１単位アンテナパターン３と第２単位アンテナパターン４及び各第１ビアホール５と各第２ビアホール６とによって、両面基板２の第１主面２ａと第２主面２ｂとを巡る所定の全長を有するヘリカル型アンテナパターンを構成する。

上述した基本構成に基づいて、例えば両面基板２の第１主面２ａと第２主面２ｂとに長さ４０ｍｍの領域に第１単位アンテナパターン３と第２単位アンテナパターン４とを形成し、各第１単位アンテナパターン３及び各第２単位アンテナパターン４間のピッチを２ｍｍ、幅を５ｍｍとしてアンテナ装置１を製作する。このアンテナ装置１について、米国ＣＳＴ社（COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY）製のMicrowave-Studioを使用して後述するアンテナ特性の解析を行った。

アンテナ装置１は、図２（Ｂ）に一部を概略的に示すように左側領域に形成された奇数段第１単位アンテナパターン３と右側領域に形成された偶数段第１単位アンテナパターン３の相対する垂直辺部と上辺部と下辺部との各コーナ部位１００ａ〜１００ｎにおいて、それぞれ逆位相の第１磁界１１と第２磁界１２とが発生する。アンテナ装置１は、これら第１磁界１１と第２磁界１２とがそれぞれに微小ループを形成して両面基板２内に変位電流を発生させることにより、アンテナとして動作されるようになる。

アンテナ装置１について、図３（Ａ）に示すようにグランド１０と同一軸上に配置して用いた場合のグランド１０に対する依存性の解析結果を同図（Ｂ）にグランド１０のサイズによる入力特性の変化として示す。アンテナ装置１においては、上述したように各微小ループ毎に変位電流が発生してアンテナ動作が行われことから、従来一般に用いられている全長に亘って電流が分布するモノポールアンテナと比較してグランドの大きさ（縦方向の長さ）変化に対する依存性が小さい解析結果が得られる。

また、アンテナ装置１について、図４（Ａ）に示すようにグランド１０と平行状態にして用いた場合のグランド１０に対する依存性の解析結果を同図（Ｂ）にグランド１０との対向間隔による入力特性の変化として示す。なお、アンテナ装置１は、ＧＶが８０ｍｍ、ＧＷが４０ｍｍのグランドに対して平行な状態に配置される。アンテナ装置１においては、各微小ループがグランド１０と直交した構造であることから、かかる使用形態においてもモノポールアンテナと比較してグランドの大きさ（縦方向の長さ）変化に対する依存性が小さい解析結果が得られる。

アンテナ装置１について、例えば図５に示した整合回路１３を接続して、単体及び整合回路１３の常数を変化させた場合のそれぞれの入力特性を図６に示す。なお、整合回路１３は、アンテナ装置とチューナとの間に介挿される一般的な回路であり、一端をアンテナ装置１と接続されるともに他端を接地された第１コイル１４と、一端をアンテナ装置１と接続されるともに他端をチューナの入力端に接続される第２コイル１５とコンデンサ１６との直列回路からなる。整合回路１３は、適宜のスイッチ構造によってアンテナ装置１に対して第１整合回路１３Ａと第２整合回路１３Ｂとが切り替えられる。

第１整合回路１３Ａは、インダクタンス１５ｎＨの第１コイル１４と、インダクタンス３．３ｎＨの第２コイル１５と、容量３ｐＨのコンデンサ１６との組み合わせによって設定された第１回路定数を有する。第２整合回路１３Ｂは、１８ｎＨの第１コイル１４と、１．２ｎＨの第２コイル１５と、３ｐＨのコンデンサ１６との組み合わせによって設定された第２回路定数を有する。なお、整合回路１３は、例えば第１整合回路１３Ａと第２整合回路１３Ｂとを有してスイッチによる切り替えを行う構成や、各素子を個々にスイッチにより切り替える構成等が採用される。

アンテナ装置１においては、整合回路１３を接続せずに単体で用いた場合に、図６に実線で示すようにＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio：電圧定在波比）が３以上の入力特性を約５７１ＭＨｚ〜約６７０ＭＨｚの周波数帯域において得る。また、アンテナ装置１は、ＶＳＷＲが３以上の帯域幅が約１００ＭＨｚであり、モノポールアンテナと比較して広帯域化が図られる。一方、アンテナ装置１は、利用周波数帯域がＵＨＦ帯域の４７０ＭＨｚ〜７７０ＭＨｚである新放送方式の放送番組を全域に亘って良好な状態で受信するために、帯域幅がやや不足する。

アンテナ装置１においては、第１整合回路１３Ａと第２整合回路１３Ｂとを選択的に接続することによって新放送方式の利用周波数帯域を全域に亘って良好な状態で受信可能となる。アンテナ装置１においては、第１整合回路１３Ａを接続することによって、図６破線で示すように単体での良好な受信対応が困難な４７０ＭＨｚ〜５７１ＭＨｚの帯域についても、この第１整合回路１３Ａの作用によって良好な受信対応が可能となる。また、アンテナ装置１においては、第２整合回路１３Ｂを接続することによって、図６鎖線で示すように単体での良好な受信対応が困難な６７０ＭＨｚ〜７７０ＭＨｚの帯域についても、接続された第２整合回路１３Ｂの作用によって良好な受信対応が可能となる。

次に、アンテナ装置１について、従来携帯型テレビに一般的に用いられている約１００ｍｍ長のロッドアンテナとヘリカルアンテナとを比較例として電波暗室内で、水平面のアンテナゲインの周波数特性と、所定周波数に対する垂直偏波及び水平偏波の測定を行って放射特性を確認した。なお、アンテナ装置１については、厚さが３．２ｍｍの両面基板にピッチｍｍ、パターン幅５ｍｍを共通として４０ｍｍの長さの第１アンテナ装置１Ａと３０ｍｍの長さの第２アンテナ装置１Ｂについて測定を行った。測定結果を図７及び図８に示す。

図７は、各アンテナ装置のアンテナ利得の周波数特性を示す。同図において、ａ１はアンテナ装置１Ａ（全長４０ｍｍ）の最大利得、ａ２は平均利得であり、ｂ１はアンテナ装置１Ｂ（全長３０ｍｍ）の最大利得、ｂ２は平均利得であり、ｃ１は比較例のヘリカルアンテナの最大利得、ｃ２は平均利得であり、ｄ１は比較例のロッドアンテナの最大利得、ｄ２は平均利得である。アンテナ装置１Ａは、同図から明らかなように最大利得で−７ｄＢｉ、平均利得で−９ｄＢｉを得る。また、アンテナ装置１Ｂは、同図から明らかなように最大利得で−９ｄＢｉ、平均利得で−１２ｄＢｉを得る。アンテナ装置１Ａ、１Ｂは、アンテナ長に大きな差異があるためにいずれもロッドアンテナと比較して最大利得と平均利得が低くなっているが、ヘリカルアンテナよりも大きな利得を得る。

図８は、各アンテナ装置の水平面指向性を示す。同図において、ａ線はアンテナ装置１Ａ、ｂ線はアンテナ装置１Ｂ、ｃ線はロッドアンテナ、ｄ線はヘリカルアンテナを示す。同図（Ａ）は、４７０ＭＨｚにおける垂直偏波特性を示し、同図（Ｂ）は４７０ＭＨｚにおける水平偏波特性を示す。また、同図（Ｃ）は、６００ＭＨｚにおける垂直偏波特性を示し、同図（Ｄ）は、６００ＭＨｚにおける水平偏波特性を示す。さらに、同図（Ｅ）は、７００ＭＨｚにおける垂直偏波特性を示し、同図（Ｆ）は７００ＭＨｚにおける水平偏波特性を示す。アンテナ装置１Ａ及びアンテナ装置１Ｂは、これらの図から明らかなように小型であるにもかかわらずロッドアンテナやヘリカルアンテナと同等の指向性を有している。

上述したようにアンテナ装置１は、全長が３０ｍｍ或いは４０ｍｍと小型であっても、グランド１０のサイズに影響を受けることなく、良好なアンテナ特性を奏する。アンテナ装置１は、例えば携帯電話機やＰＤＡのようにいわゆる手の平サイズの移動体通信機器に搭載することによって小型化を保持して広帯域の新放送方式の放送番組を良好な状態で受信することを可能とする。アンテナ装置１は、一般的なプリント基板技術によって製作されることから極めて廉価であり、基板上に送受信回路部品等も同時に搭載することにより本体機器の実装効率の向上も図られるようにして一層の小型化が図られるようにする。

上述したアンテナ装置１においては、両面基板２の第１主面２ａに形成したミアンダ型の第１単位アンテナパターン３と第２主面２ｂに形成した第２単位アンテナパターン４とを第１ビアホール５と第２ビアホール６とを介して立体型のヘリカル型アンテナパターンを構成してなる。本発明は、かかる構成に限定されるものではなく、両面基板２の第１主面２ａと第２主面２ｂとを巡る種々のアンテナパターンを形成するようにしてもよい。

図９は、両面基板２の第１主面２ａと第２主面２ｂとを巡って形成される各種のアンテナパターンとそのアンテナ長とを解析した図である。アンテナ装置は、アンテナ長が、各第１単位アンテナパターン３の長さＷ１と各第２単位アンテナパターン４の長さＷ２と、第１ビアホール５と第２ビアホール６の長さ、すなわち両面基板２の厚みＨとによって決定される。２個の第１ビアホール５と１個の第２ビアホール６との間に構成される代表的なアンテナパターン２０Ａ〜２０Ｄを一覧で示す。なお、アンテナパターン２０Ｄは、上述したアンテナ装置１の第１単位アンテナパターン３と第２単位アンテナパターン４と同一である。

アンテナパターン２０Ａは、第１ビアホール５ａ−第１単位アンテナパターン３−第２ビアホール６−第２単位アンテナパターン−第１ビアホール５ｂのルートによりヘリカルパターンを形成する。したがって、アンテナパターン２０Ａは、ヘリカルピッチを２Ｖとすると、各ヘリカルパターンの全長が３Ｈ＋２√（Ｖ^２＋Ｗ^２）となる。

アンテナパターン２０Ｂは、第１単位アンテナパターン３と第２単位アンテナパターン４とがそれぞれ略Ｌ字状を呈しており、第２ビアホール６ａ−第２単位アンテナパターン４−第１ビアホール５−第１単位アンテナパターン３−第２ビアホール６ｂのルートによりヘリカルパターンを形成する。したがって、アンテナパターン２０Ｂは、ヘリカルパターンの全長が３Ｈ＋２Ｖ＋２Ｗとなる。

アンテナパターン２０Ｃは、第１単位アンテナパターン３と第２単位アンテナパターン４とがそれぞれ略クランク状を呈しており、アンテナパターン２０Ｂと同様に第２ビアホール６ａ−第２単位アンテナパターン４−第１ビアホール５−第１単位アンテナパターン３−第２ビアホール６ｂのルートによりヘリカルパターンを形成する。したがって、アンテナパターン２０Ｃは、ヘリカルパターンの全長が３Ｈ＋２Ｖ＋３Ｗとなる。

アンテナパターン２０Ｄは、上述したように第１単位アンテナパターン３がそれぞれ略コ字状を呈しており、第２ビアホール６ａ−第２単位アンテナパターン４ａ−第１ビアホール５ａ−第１単位アンテナパターン３ａ−第１ビアホール５ｂ−第２単位アンテナパターン４ｂ−第２ビアホール６ｂによりヘリカルパターンを形成する。したがって、アンテナパターン２０Ｄは、ヘリカルパターンの全長が６Ｈ＋２Ｖ＋６Ｗ−３Ｇ（Ｇは、左右の第１単位アンテナパターンの間隔）となる。

上述した各アンテナパターン２０Ａ〜２０Ｄについて、図１０にそれぞれのヘリカルピッチに対するヘリカル長の変化特性を示すとともに、図１１に両面基板２の厚みに対するヘリカル長の変化特性を示す。各アンテナパターン２０Ａ〜２０Ｄは、これらの図から明らかなようにいずれもアンテナの全長及び両面基板２の厚みに対してヘリカルパターン長の増加が図られている。したがって、各アンテナパターン２０Ａ〜２０Ｄは、波長短縮効果が得られるとともに薄型の両面基板２を用いて本体機器を小型、薄型化する。中でもアンテナパターン２０Ｄは、第１単位アンテナパターン３をミランダパターンとして両面基板２の左右領域に形成した構成から、ヘリカルパターン長の増加が著しく大きな波長短縮効果を得るとともにより薄型化が図られる。

アンテナ装置１においては、両面基板２の第１主面２ａと第２主面２ｂとを巡るようにして第１単位アンテナパターン３と第２単位アンテナパターン４とにより立体型のヘリカル型アンテナパターンが形成されてなる。アンテナ装置１においては、上述したようにヘリカルパターンのピッチを密にすることによってアンテナ長が確保されて薄型化が図られるようになる。図１２に第２の実施の形態として示したアンテナ装置３０も、両面基板３１の第１主面３１ａに多数個の第１単位アンテナパターン３２がそれぞれ互いに同一ピッチを以って独立して形成されるとともに、第２主面３１ｂに多数個の第２単位アンテナパターン３３がそれぞれ互いに同一ピッチを以って独立して形成される。

アンテナ装置３０は、例えば厚さが約２ｍｍの両面基板３１が用いられ、この両面基板３１の第１側縁に沿ってそれぞれ互いに同一ピッチｐを以って多数個の第１ビアホール３４が形成されるとともに第２側縁に沿ってそれぞれ互いに同一のピッチｐを以って多数個の第２ビアホール３５が形成される。アンテナ装置３０は、第１ビアホール３４と第２ビアホール３５とが互いに同一ピッチを以って両面基板２にそれぞれ幅方向に離間して相対して形成されるが、上述したアンテナ装置１の第１ビアホール５や第２ビアホール６のピッチよりも約１／２のピッチ幅で形成される。

第１単位アンテナパターン３２は、図１２（Ａ）に示すように、両面基板３１の第１主面３１ａに幅方向の中心を挟んで対向間隔ｄを保持した両側領域に位置してそれぞれ形成され、全体がコ字状を基本形状とするとともに左右領域においてコ字状の開放部位がそれぞれ外側に位置するとともに、互いに上下方向にずれて形成された基本形状を上述したアンテナ装置１の第１単位アンテナパターン３と同様とする。第１単位アンテナパターン３２は、第１ビアホール３４又は第２ビアホール３５（図では第１ビアホール３４ａ）と接続される第１端部３２ａ１から水平方向に下辺部３２ａ２が一体に連設される。

第１単位アンテナパターン３２は、下辺部３２ａ２の先端において高さ方向に折曲されて約１／２ｐの長さを有する第１垂直部３２ａ３が一体に連設され、この第１垂直部３２ａ３の先端から側方に向かって折曲されて下辺部３２ａ２と平行に対峙する第１折返し辺部３２ａ４が一体に連設される。第１単位アンテナパターン３２は、第１折返し辺部３２ａ４が第１ビアホール３４や第２ビアホール３５の近傍位置において高さ方向に折曲されて約１／２ｐの長さを有する第２垂直部３２ａ５が一体に連設され、この第２垂直部３２ａ５の先端から中心側に向かって折曲されて第１折返し辺部３２ａ４と平行に対峙する第２折返し辺部３２ａ６が一体に連設される。

第１単位アンテナパターン３２は、第２折返し辺部３２ａ６の先端において高さ方向に折曲されて約１／２ｐの長さを有する第３垂直部３２ａ７が一体に連設され、この第３垂直部３２ａ７の先端から側方に向かって折曲されて第２折返し辺部３２ａ６と平行に対峙する上辺部３２ａ８が一体に連設される。第１単位アンテナパターン３２は、上辺部３２ａ８が各第１ビアホール３４或いは各第２ビアホール３５の軸線上に位置する長さを有しており、先端部において折曲されて第３垂直部３２ａ７と対向する第４垂直部３２ａ９を一体に連設する。第１単位アンテナパターン３２は、第４垂直部３２ａ９の先端に、次の第１ビアホール３４又は第２ビアホール３５（図では第１ビアホール３４ｂ）と接続される第２端部３２ａ１０が一体に形成されてなる。

以上のように構成された各第１単位アンテナパターン３２は、上述したアンテナ装置１の第１単位アンテナパターン３と同様にコ字状を基本形状とするが、下辺部３２ａ２と上辺部３２ａ８との間にさらにコ字状の折返し部が一体に連設された形状に特徴を有している。各第１単位アンテナパターン３２は、上述したアンテナ装置１の第１単位アンテナパターン３と比較してこの折返し部位と第４垂直部３２ａ９とに相当する長さ分、パターン長が延長されている。第１単位アンテナパターン３２は、両面基板３１の第１主面３１ａ上に、上述した左側領域の第１単位アンテナパターン３２ａに対向する右側領域の第１単位アンテナパターン３２ｂが、第１ビアホール３４ｂと同一高さ位置にある第２ビアホール３５ｂを始端として上述したパターン形状に対して対称形状を以って形成される。

各第２単位アンテナパターン３３は、両面基板３１の第２主面３１ｂに、上述した各第１単位アンテナパターン３２に対向してそれぞれ形成される。第２単位アンテナパターン３３は、図１２（Ｂ）に示すように第１ビアホール３４或いは第２ビアホール３５のピッチｐと同幅の領域内において全体略クランク状を呈するパターンとして形成される。第２単位アンテナパターン３３は、詳細には上述した各第１単位アンテナパターン３２の第１端部３２ａ１が接続される第１ビアホール３４ａと第２主面３１ｂ側において接続される第１端部３３ａ１に約１／２ｐの長さを有する第１垂直部３３ａ２が一体に連設される。

第２単位アンテナパターン３３は、第１垂直部３３ａ２の先端から水平方向に第１単位アンテナパターン３２の下辺部３２ａ２とほぼ等しい長さの第１水平辺部３３ａ３が一体に連設される。第２単位アンテナパターン３３は、第１水平偏部３３ａ３が両面基板３１の中央位置の先端部において、隣り合う第１単位アンテナパターン３２の対向間隔ｄの範囲でピッチｐの長さを以って傾斜する傾斜辺部３３ａ４が一体に連設される。第２単位アンテナパターン３３は、傾斜辺部３３ａ４の先端において左側領域の第１単位アンテナパターン３２の上辺部３２ａ８と対向してその長さとほぼ等しい第２水平辺部３３ａ５が一体に連設される。第２単位アンテナパターン３３は、第２水平辺部３３ａ５の先端が各第１ビアホール３４或いは各第２ビアホール３５の軸線上に位置され、この先端から第１垂直部３３ａ２と対向する第２垂直部３３ａ６を一体に連設し、さらに第２垂直部３３ａ６の先端部が第２端部３３ａ７として第２ビアホール３５ａと接続される。

以上のように構成された第２単位アンテナパターン３３は、相対する第１ビアホール３４と第２ビアホール３５との間を接続する基本形態を上述したアンテナ装置１の第２単位アンテナパターン４と同様とするが、両側に互いに逆向きの第１垂直部３３ａ２と第２垂直部３３ａ６とを形成するともに中央部に傾斜辺部３３ａ４を形成して１ピッチ領域を活用した形状とされる。したがって、第２単位アンテナパターン３３は、アンテナ装置１の第２単位アンテナパターン４と比較してこれらの部位に相当する長さ分、パターン長が延長されている。

以上のように構成されたアンテナ装置３０は、ヘリカルパターンのピッチｐが１／２となるとともに、パターンの長大化が図られる。アンテナ装置３０は、長さが３０ｍｍ、厚みが２ｍｍの両面基板３１を用いて製作した場合に、図１３に示すような入力特性を奏する。アンテナ装置３０は、小型であるにもかかわらず、同図実線で示すようにＶＳＷＲが３以上の入力特性を約５８０ＭＨｚ〜約６６０ＭＨｚの周波数帯域において得る。アンテナ装置３０は、上述したように多数個の第１単位アンテナパターン３２にそれぞれ折返し部を付加したことによって電流の打ち消し合いがより多く発生し、広帯域化が図られるようになる。

また、アンテナ装置３０は、上述した整合回路１３を接続することによって広帯域化が図られるようになる。整合回路１３は、インダクタンス１８ｎＨの第１コイル１４と、インダクタンス４．７ｎＨの第２コイル１５と、容量３ｐＨのコンデンサ１６との組み合わせにより回路定数が設定される。アンテナ装置３０は、この整合回路１３を接続することによって約４８０ＭＨｚ〜約７２０ＭＨｚの広帯域化が図られる。アンテナ装置３０は、回路定数の切替のためのスイッチング操作を不要とする。

薄型化したアンテナ装置３０（厚さ２．２ｍｍ、長さ３０ｍｍ）と、上述したアンテナ装置１Ａ（厚さ３．２ｍｍ、長さ４０ｍｍ）及びアンテナ装置１Ｂ（厚さ３．２ｍｍ、長さ３０ｍｍ）とについて、アンテナ利得の周波数特性を図１４に示す。なお、同図において、実線はそれぞれの最大利得、破線はそれぞれの平均利得である。アンテナ装置３０は、厚みの小さな基板が用いられても、アンテナ装置１Ａやアンテナ装置１Ｂと同等のアンテナ特性を有する。

ところで、アンテナ装置１及びアンテナ装置３０においては、上述したように新放送方式に対応してＵＨＦ帯域とともにＶＨＦ帯域の受信特性も求められ、さらなる小型化の要求にも対応しなければならない。アンテナ装置１及びアンテナ装置３０においては、上述したように各第１単位アンテナパターン３、３２がそれぞれ相対する対向辺を構成する折返し部位を有することで多重ループを形成して内部にエネルギーを蓄積する。アンテナ装置１及びアンテナ装置３０においては、上述した図２（Ｂ）によって説明したように第１単位アンテナパターン３の相対する各折返し部位１００において互いに逆相の第１磁界１１と第２磁界１２とが発生しており、蓄積されるエネルギーが電界エネルギーよりは磁界エネルギーが内部に多く分布して優勢な状態にある。

図１５は、基板材料の比誘電率及び比透磁率の材料定数変化に対する波長短縮効果の変化を解析した図である。同図において、実線は磁性材料を選択して比誘電率を変化させた場合の波長短縮効果の変化量を示し、また破線は基板材に対して磁性材を混合することによって比透磁率を変化させた場合の波長短縮効果の変化量を示している。

アンテナ装置１及びアンテナ装置３０においては、上述したように内部に蓄積されるエネルギーとして磁界エネルギーが優勢にある構成から、基板材料の誘電率変化よりも透磁率変化が大きく影響する。アンテナ装置１及びアンテナ装置３０においては、図１５から明らかなように基板材の比誘電率を変化させるよりは比透磁率を変化させることによってより大きな波長短縮効果が得られてさらなる小型化が図られるようになる。したがって、アンテナ装置１及びアンテナ装置３０においては、両面基板２、３１が、一般的に用いられる誘電材料に対して磁性材料を混合した基板材によって形成される。例えば、六方晶系フェライト材は、ＵＨＦ帯域においても透磁率が低下せず、極めて有効である。

アンテナ装置１及びアンテナ装置３０は、上述したように４０ｍｍや３０ｍｍ程度の大きさの両面基板２、３１に形成することが可能である。したがって、アンテナ装置１及びアンテナ装置３０は、図１６に示すように各種の電子部品等を実装した回路基板４０を利用して、その一部に直接形成するようにしてもよい。アンテナ装置１及びアンテナ装置３０は、かかる構成によって例えば送受信回路部や制御回路部との一体化が図られるようになり、スペース効率や組立効率を向上させるとともに実装前の機能確認等も可能とし、大幅なコスト削減を図るようにする。アンテナ装置１及びアンテナ装置３０は、携帯電話機等の小型機器にも搭載することが可能であり、突出量が小さいことから使い勝手の向上を図るとともに意匠展開の制約を緩やかにする。

また、アンテナ装置１及びアンテナ装置３０は、上述したようにグランドの依存性が小さい特性を有している。したがって、アンテナ装置１及びアンテナ装置３０は、図１７に示す新放送方式の受信機能を有する携帯電話機４５のように、筐体の一部に直接形成することも可能である。携帯電話機４５は、放送番組を筐体から長いロッドアンテナを引き出して視聴する必要が無く、使い勝手の大幅な向上が図られるようになる。

なお、実施の形態として示したアンテナ装置１及びアンテナ装置３０は、両面基板２、３１の表裏主面に単位アンテナパターンを形成してビアホールによってこれらを層間接続して立体形状のヘリカルアンテナパターンを形成するようにしたが、かかる構成に限定されるものでは無い。本発明は、例えば片面プリント基板に多数の折返し部を有する連続パターンからなるいわゆるミアンダ型アンテナ等にも適用することによって、小型化をはかることを可能とする。

実施の形態として示すアンテナ装置の正面図である。 同アンテナ装置の要部構成図であり、同図（Ａ）は縦断面図、同図（Ｂ）は要部正面図である。 同アンテナ装置において基板を直立した状態でのグランドに対する依存性の解析結果を示し、同図（Ａ）は概略図、同図（Ｂ）は特性図である。 同アンテナ装置において基板を平行とした状態でのグランドに対する依存性の解析結果を示し、同図（Ａ）は概略図、同図（Ｂ）は特性図である。 アンテナ装置に接続する整合回路図である。 アンテナ装置単体と回路常数を異にした整合回路を接続した場合の入力特性図である。 アンテナ装置と従来のアンテナ装置とのアンテナ利得の周波数特性図である。 アンテナ装置と従来のアンテナ装置との放射特性図である。 アンテナパターンとそのアンテナ長との解析図である。 各アンテナパターンにおけるヘリカルピッチに対するヘリカル長の変化特性図である。 各アンテナパターンにおける両面基板の厚みに対するヘリカル長の変化特性図である。 第２の実施の形態として示すアンテナ装置における第１単位アンテナパターンと第２単位アンテナパターンとの構成を説明する図であり、同図（Ａ）は要部正面図、同図（Ｂ）は要部背面図である。 同アンテナ装置単体と整合回路を接続した場合の入力特性図である。 各アンテナ装置のアンテナ利得の周波数特性図である。 材料定数による波長短縮効果の変化特性図である。 アンテナ装置を直接形成した部品実装基板の斜視図である。 アンテナ装置を筐体に形成した携帯電話機の斜視図である。 従来の携帯テレビの斜視図である。 ロッドアンテナとグランド板との配置を説明する図であり、同図（Ａ）は直立した状態を示し、同図（Ｂ）は平行状態とした図である。 ロッドアンテナとグランド板との配置による入力特性図であり、同図（Ａ）は直立した状態を示し、同図（Ｂ）は平行状態を示す。

符号の説明

１ アンテナ装置、２ 両面基板、２ａ 第１主面、２ｂ第２主面、３ 第１単位アンテナパターン、４ 第２単位アンテナパターン、５ 第１ビアホール、６ 第２ビアホール、７ 第３ビアホール、１０ グランド、１１ 第１磁界、１２ 第２磁界、１３ 整合回路、２０ アンテナパターン、３０ アンテナ装置、３１両面基板、３２ 第１単位アンテナパターン、３３ 第２単位アンテナパターン、３４ 第１ビアホール、３５ 第２ビアホール、４０ 回路基板、４５ 携帯電話機、１００ 折返し部位

Claims (4)

1. 誘電材料に磁性材料を混合した基板材料により形成した基板の少なくとも一方の主面上に、導体パターンによってアンテナパターンを形成してなり、
   上記アンテナパターンが、多重ループを構成する多数の折返し部位を有することを特徴とするアンテナ装置。
2. 上記アンテナパターンが、上記基板の第１主面上にそれぞれが互いに独立して形成された多数本の第１単位アンテナパターンと、上記基板の第２主面上に上記各第１単位アンテナパターンとそれぞれ対応しかつ互いに独立して形成された多数本の第２単位アンテナパターンと、上記基板を貫通して形成され相対する上記第１単位アンテナパターンの一端部と上記第２単位アンテナパターンの一端部とを交互にそれぞれ層間接続する多数個のビアホールとを有して、上記基板の第１主面と第２主面とを巡る立体形状のヘリカル型アンテナパターンを構成してなり、
   上記第１単位アンテナパターンと上記第２単位アンテナパターンの少なくともいずれか一方の単位アンテナパターンに、多数の上記折返し部位が形成されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 上記基板が、回路部品の実装基板を構成し、その一部の領域に上記アンテナパターンが形成されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 上記基板が、携帯型電子端末機器の筐体の一部を兼用することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。

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