JP3932116B2

JP3932116B2 - アンテナ装置及びそれを用いた通信機

Info

Publication number: JP3932116B2
Application number: JP2002268048A
Authority: JP
Inventors: 保規高木; 博志青山; 和夫風間; 英俊萩原
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: JP2004112028A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話や無線ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）などに用いられる表面実装型アンテナ及びそれを基板に実装した低背型のアンテナ装置およびそれを用いた通信機であって、デュアルバンド（ｄｕａｌｂａｎｄ）以上のマルチバンド（ｍｕｌｔｉ−ｂａｎｄ）に好適なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
デュアルバンドなどマルチバンド用の表面実装型アンテナにおいては、一つの放射電極で複数の共振周波数を有するアンテナを設計することは易しいことではなかった。そこで、二つの放射電極で二つの共振周波数に対応するものが提案された（例えば、特許文献１参照）。図７に示すように、表面実装型アンテナ９０は、基体１０上に配設された共通の給電電極４０が二つの放射電極２０ａ、２０ｂの各々に離間して対向している。
しかし、特許文献１記載のものでは、二つの放射電極の相互干渉や、相対的に共振周波数の高いアンテナに対してアンテナ利得が低くなるという問題があった。
【０００３】
そこで、図８に示すアンテナ装置が提案された（例えば、特許文献２参照）。
図８において、アンテナ装置８０は、実装基板６０と、実装基板６０の一方主面６０ａに搭載された２つの表面実装型アンテナ９０ａ、９０ｂで構成される。実装基板６０の他方主面６０ｂは利用されていない。
実装基板６０の一方主面６０ａには給電用電極６４と接地電極６２ａが形成されている。給電用電極６４の一端は２つに分けられ、それぞれ２つの表面実装型アンテナ９０ａ、９０ｂの給電電極４０ａ、４０ｂに接続され、他端は信号処理回路（図示せず）に接続されている。
表面実装型アンテナ９０ａの共振周波数は、表面実装型アンテナ９０ｂの共振周波数に比べて低くしている。そして、表面実装型アンテナ９０ａを実装基板６０の２つの辺の交わる端部であるコーナー部に近接して配置し、それに対してコーナー部から離れる方向に表面実装型アンテナ９０ａに隣接して表面実装型アンテナ９０ｂを配置している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２１９６１９号公報
【特許文献２】
特開平１１−４１１７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献２記載のアンテナ装置８０においては、２つの表面実装型アンテナ９０ａ、９０ｂが必要で部品点数が多くなるという問題がある。別々の表面実装型アンテナ９０ａ、９０ｂを実装基板６０に実装するための製造コストなども問題である。できるだけ１つの表面実装型アンテナでマルチバンドに対応したい。
【０００６】
そこで、基板の接地電極に接地された放射電極が１つの表面実装型アンテナで対応しようとすれば、単一の周波数帯域に対応するように設計されているため、複数の共振周波数を持つものを設計することは困難であるという問題点もあった。複数の周波数帯の相互干渉などの為である。
【０００７】
また、特許文献１記載の表面実装型アンテナ９０では、電極は誘電体や磁性体からなる基体の表面に印刷法で形成されているため、基板の接地電極などとの間で静電容量を形成して容量分が増え、周波数帯域を大きく出来ないという問題もあった。
【０００８】
そこで本発明は、１つの表面実装型アンテナによってデュアルバンド以上のマルチバンドを送受信する際に、相互干渉が無く且つ周波数帯域の広いものの提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題を解決するための手段は、誘電体または磁性体からなる基体１０と、該基体１０の少なくとも一面に形成された第１の放射電極２０ａと、前記第１の放射電極２０ａの一端に直接接続または容量結合して前記基体１０に形成された接地電極３０と、前記第１の放射電極２０ａに離間して対向する給電電極４０とを有する表面実装型アンテナ９０と、該表面実装型アンテナ９０を実装する実装基板６０と、該実装基板６０の前記表面実装型アンテナ９０を実装する面とは反対側の基板面６０ｂに配設した第２の放射電極２０ｂとを具備し、前記実装基板６０の比誘電率εｒは前記基体１０の比誘電率εｒより小であり、前記第１の放射電極２０ａと前記第２の放射電極２０ｂに対しそれぞれ離間して設けられた共通の前記給電電極４０により前記第１の放射電極２０ａと前記第２の放射電極２０ｂに給電することを特徴とするマルチバンドアンテナ装置である。
【００１０】
ここで前記第２の放射電極は、複数の周波数に対応して複数本具備することができる。
また、上記アンテナ装置を用いて通信機を構成することが望ましい。
上記において直接接続とは、放射電極２０ａの一端と接地電極３０とが伝送線路、ストリップライン、パターンなどにより電気的に直接に接続されることを言う。
また容量結合とは、放射電極２０ａの一端と接地電極３０とが離間して形成され、静電容量を介して電気的に接続、結合されることを言う。
【００１１】
本発明者は、実装基板６０の他方主面６０ｂを有効利用して課題を解決できることに着目した。
表面実装型アンテナ９０の厚さは１〜３ｍｍ程度であるが、この表面実装型アンテナ９０を実装する実装基板６０の０．５〜１ｍｍ程度の厚みを利用した低背型アンテナ装置８０にすれば、静電容量Ｃと、電極間間隔ｄ、誘電率ε、電極対向面積Ｓとの間のＣ＝εＳ／ｄなる関係式から、誘電率εを下げ、電極間間隔ｄを増大できる結果、静電容量Ｃを減少できることに着目した。
【００１２】
本発明によると、表面実装型アンテナ９０の対角線に近く第１の放射電極２０ａと第２の放射電極２０ｂとの距離を極力大きくする構造になるため、両者の相互干渉が減少して安定してマルチバンドに使用できる効果がある。
【００１３】
また本発明によると、第２の放射電極２０ｂは表面実装型アンテナ９０を実装しない基板面６０ｂに配置するので、下記のような効果がある。
すなわち、表面実装型アンテナ９０の厚みをｄ、実装基板６０の厚みをＤとするとき、第２の放射電極２０ｂはｄよりも大きいｄ＋Ｄの距離で、実装基板６０の接地電極６２ａと、表面実装型アンテナ９０の第１の放射電極２０ａと、表面実装型アンテナ９０の給電電極４０との間に、それぞれ容量を形成する。その結果、静電容量が減少して周波数帯域を広く出来る効果がある。
【００１４】
更に、第２の放射電極２０ｂを表面実装型アンテナ９０を実装する面とは反対側の基板面６０ｂに配置するので、アンテナとして機能する体積が実装基板６０の厚みＤの分だけ大きくなり、より高いアンテナ利得を得る効果もある。また、第２の放射電極２０ｂの長さＬｂを調節することにより共振周波数を簡単に調節できる。実装基板６０に形成されたパターンであるから、トリミングなどの調整が容易である。また、第２の放射電極を周波数毎に複数本設けることによりマルチバンド化に容易に対応できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る表面実装型アンテナ９０の一実施例を示す斜視図である。ＩＥＥＥ規格の無線ＬＡＮ８０２．１１ａ（５ＧＨｚ）と８０２．１１ｂ（２．４ＧＨｚ）のデュアルバンドの例を示す。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）を紙面の反対側から斜視した図である。
この実施例では、第１の放射電極２０ａと第２の放射電極２０ｂを備える。第１の放射電極２０ａは２．４ＧＨｚ帯、第２の放射電極２０ｂは５ＧＨｚ帯の共振に主として寄与する。
補強パターン５０は、電気的な機能は無く、表面実装型アンテナ９０を実装基板６０に半田付けなどで実装する際の取付け用のパターンである。これにより実装が補強される。耐振動性を向上する効果もある。
基体１０の寸法は、一実施例として、幅４ｍｍ、長さ１０ｍｍ、厚さ３ｍｍであり、基体１０の材質は比誘電率εｒ＝８のアルミナ系の誘電体セラミックを用いた。
【００１６】
図２、図３は、表面実装型アンテナ９０を実装する実装基板８０の実装面のパターンを示す図であり、図２は表面実装型アンテナ９０（実装位置を破線で示す）を実装する面６０ａ、図３は表面実装型アンテナ９０を実装する面とは反対側の基板面６０ｂを示す図である。面６０ｂは面６０ａの裏面、対向面である。図２で給電用端子６４は表面実装型アンテナ９０の給電電極４０を接続するための端子であり、図示しない接続手段で信号処理回路に接続される。
補強パターン６６ａ〜６６ｄは、表面実装型アンテナ９０の補強パターン５０に接続するためのパターンである。耐振動性の向上効果もある。
図３で、第２の放射電極２０ｂを表面実装型アンテナ９０を実装する面とは反対側の基板面６０ｂに配設され、一端は接地電極６２ｂ2接続され、他端は開放端であり、長さＬｂを調節することにより簡単に共振周波数を調節することができる。
【００１７】
表面実装型アンテナ９０の動作を説明する。図示しない実装基板の接地電極に一端を接続され、他端を開放端とした放射電極２０ａ、２０ｂは各々、給電電極４０と離間して配置されている。放射電極２０ａ、２０ｂは給電電極４０と容量結合して電磁エネルギーの授受をしている。放射電極２０ａ、２０ｂの自己インダクタンス、放射電極２０ａ、２０ｂと給電電極４０との間で各々形成される静電容量、放射電極２０ａ、２０ｂの相互間で形成される静電容量、及び放射電極２０ａ、２０ｂと実装基板の接地電極との間で形成される静電容量とで、ＬＣ共振回路が形成される。
従って、給電電極４０から夫々の静電容量を介して共振回路に信号が入力されると、入力した信号のエネルギーは共振回路内で共振し、その一部が空中に放射されて送信アンテナとして機能する。逆に、受信波が入力されると、共振回路で電圧に変換されて受信アンテナとして機能する。
【００１８】
図２、図３に示した端子配置図で分かるように、表面実装型アンテナ９０の接地端子６２ａと表面実装型アンテナ９０の接地端子６２ｂは、表面実装型アンテナ９０の対角線上に近く配置して、実装基板の表裏で距離をできるだけ大きくして離間配置している。この配置により、２．４ＧＨｚ帯と５ＧＨｚ帯の信号の相互干渉は極力減少される効果がある。
【００１９】
図４に表面実装型アンテナ９０を実装基板６０に実装した低背型アンテナ装置８０を示す。
表面実装型アンテナ９０の厚みをｄ、実装基板６０の厚みをＤとするとき、第２の放射電極２０ｂはｄよりも大きいｄ＋Ｄの距離で、実装基板６０の接地電極６２ａと、表面実装型アンテナ９０の第１の放射電極２０ａと、表面実装型アンテナ９０の給電電極４０との間に、それぞれ容量を形成する。その結果、静電容量が減少して周波数帯域を広く出来る。
【００２０】
表１に、第１の放射電極２０ａを２．４ＧＨｚ帯、第２の放射電極２０ｂを５．２ＧＨｚ帯としたデュアルバンドでアンテナを構成した場合の、周波数帯域幅とＶＳＷＲ（電圧定在波比）を示す。表２に示す比較例は、特許文献１記載の表面実装型アンテナのように一つの基体に2つの放射電極を備えるものを用いた。
なお、ＶＳＷＲは１であれば最適であるが、２以下ならば実用上の問題はほとんど無いので、周波数帯域幅はＶＳＷＲが２となる周波数の上下限から決定した。
【００２１】
ここでＶＳＷＲの測定は、アンテナ実装基板の一端に設けた給電端子と、ネットワークアナライザの入力端子とを、同軸ケーブル（特性インピーダンス５０Ω）を介して接続し、前記給電端子においてネットワークアナライザ側からみた、アンテナの散乱パラメータを測定することにより、この値に基いてＶＳＷＲを算出した。
利得の測定に際しては、電波無響暗室内で被試験アンテナ（送信側）の給電端子に信号発生器を接続し、前記アンテナから放射された電力を受信用基準アンテナで受信することにより測定した。被試験アンテナからくる受信電力をPaとし、既知の利得Grを有する送信用基準アンテナにより測定した受信電力をPrとすると、被試験アンテナの利得Ｇａは、Ｇａ=Ｇｒ×Ｐａ/Ｐｒで表される。
指向性については、被試験アンテナ素子を回転テーブルに搭載し、被試験アンテナを回転させながら上記の利得測定を行うことにより、図１に示すＸ、ＹおよびＺ軸を中心として回転させたときの回転角度に対する利得をそれぞれ測定した。
【００２２】
表１に示すように、本発明によると比較例（表２）に比べて広い周波数帯域幅が得られることが分かる。ＶＳＷＲ（電圧定在波比）、すなわちアンテナ入力端における反射特性についても、本発明のアンテナが良好である。
【００２３】
【表１】

【００２４】
【表２】

【００２５】
図５に、実施例の表面実装型アンテナのＶＳＷＲの周波数特性曲線図を示す。図５（Ａ）は２．４ＧＨｚ帯、図５（Ｂ）は５．２ＧＨｚ帯のものである。本発明によると良好なＶＳＷＲ特性の得られることが分かる。ＶＳＷＲが２以下となる帯域幅も、２．４ＧＨｚ帯で９０ＭＨｚ、５．２ＧＨｚ帯で７５０ＭＨｚと広い。
【００２６】
図６に、実施例の表面実装型アンテナの全方位平均アンテナ利得（Ｘ，Ｙ，Ｚの全方位で測定して平均したアンテナ利得）を示す。単位はｄＢｉで、図６（Ａ）は２．４ＧＨｚ帯での周波数−アンテナ利得特性曲線を示し、中心周波数２．４４２ＧＨｚで−４．８（ｄＢｉ）と良好である。図６（Ｂ）は５ＧＨｚ帯での周波数−アンテナ利得特性曲線を示し、中心周波数５．２ＧＨｚで−４．２（ｄＢｉ）と同様に良好である。
一方、比較例では、２．４４２ＧＨｚで−４．５（ｄＢｉ）、５．２ＧＨｚで−４．５（ｄＢｉ）と、本発明の表面実装型アンテナより悪い。
このことは、単位ｄＢｉで表されるアイソトロピック利得が、あらゆる方向に等しい強さで電波を出すアンテナ（アイソトロピックアンテナ）を比較基準とした利得で絶対利得とも呼ばれるものであり、普通アンテナはもっとも感度が高い方向でアンテナ利得を測定するため理論上ではアイソトロピックアンテナのアンテナ利得がすべてのアンテナの中でもっとも低いことを考慮すると、本発明の表面実装型アンテナが優れていることを裏付ける。
【００２７】
表３、表４に直線偏波に対する放射パターンの測定結果を示す。表３は２．４ＧＨｚ帯、表４は５ＧＨｚ帯を示す。単位はｄＢｉであり、Ｈ／Ｖ値で表す。Ｈ／Ｖ値は、数１で定義される値である。
本発明によると、比較例に比べて良好な放射パターンの得られることが分かる。
なお、Ｘ−Ｙ平面、Ｙ−Ｚ平面、Ｚ−Ｘ平面は、各々、図１において、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸で形成される面を示す。
【００２８】
【数１】

【００２９】
【表３】

【００３０】
【表４】

【００３１】
この実施例によると、実装基板の接地端子６２ａに接地された第１の放射電極２０ａに対して、所定の距離で離間して給電電極４０を配置して両者を容量結合させて第１の放射電極２０ａをアンテナとして動作させ第１の放射電極２０ａの長さなどを調節して共振周波数を調節する構造に加えて、別の第２の放射電極２０ｂを表面実装型アンテナ９０が実装されている実装基板６０の実装面６０ａと反対側の基板面６０ｂに配設した接地端子６２ｂの長さを調節することで、複数の任意の共振周波数を得られることが確認された。
【００３２】
また、第１の放射電極２０ａと第２の放射電極２０ｂと容量結合する給電電極４０との離間距離を調節することによりインピーダンス整合を容易にとることができる。
更に、第２の放射電極２０ｂを実装基板６０の厚みを隔てて配設しているので、厚みの分だけ容量を減少させることが出来る。従って、広帯域にすることができる。
また、実装基板６０の比誘電率はεｒ＝４〜６程度と、基体１の比誘電率εｒ＝６〜５０程度と低いため、更に容量を低減する効果があり、一層の広帯域化が可能である。
また、実装基板６０の厚みだけアンテナとして機能する体積が、従来の表面実装型アンテナよりも大きく出来るためアンテナ利得を増大できる効果がある。
【００３３】
前記の実施例では２．４ＧＨｚと５ＧＨｚのデュアルバンドの場合を例示したが、本発明は、それに限定されるものではなく、携帯電話に用いられるＧＳＭ（０．８ＧＨｚ），ＰＣＳ（１．９ＧＨｚ）、ＧＰＳ（１．５ＧＨｚ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（２．４ＧＨｚ）、更にはＩＥＥＥ規格の無線ＬＡＮである８０２．１１ａ（５ＧＨｚ），８０２．１１ｂ（２．４ＧＨｚ）の少なくとも二つ以上の周波数帯を組み合わせたマルチバンドを実現できる。
例えば、基体１０に更に放射電極を追加する余裕スペースは無いが、アンテナを実装しない面６０ｂには比較的余裕があるので、第３の放射電極、第４の放射電極、などを容易に形成でき、小型化を保ったままマルチバンド化が可能である。
【００３４】
また、本発明に係る表面実装型アンテナ９０の基体１０は、直方体に限るものでなく適宜の形状がある。材料は磁性体、樹脂体、またこれらの積層基板としても良い。
【００３５】
放射電極２０ａ、２０ｂは、実施例で例示したものに限定されるものではなく、台形状、階段状、曲線状、ミアンダ状、一部ミアンダ状、クランク状等種々の形状が採用できる。
また、放射電極２０ａ、２０ｂの一端側は必ずしも連続的に接地電極を形成する必要はなく、非連続とした容量結合となし最終的に接地できていれば良い。
また、接地電極は、最小限その端面が覆われ接地面に連接して接地できていれば良いが、基体端面からの電界の放射を抑制する効果を得るためには基体端部において端面とその廻りの四面を覆うように形成しておくと良い。
【００３６】
本発明において基体１０として誘電体を用いる場合、セラミックとしてはこーディライト、フォルステライト、アルミナ、ガラス系セラミック、酸化チタン系セラミック等、またはこれらの混合物を用いることが出来る。ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、ビスマレイミド、トリアジン、液晶ポリマー等の樹脂、またはセラミックと樹脂との複合材を用いることも出来る。
【００３７】
誘電体を用いる場合、比誘電率εｒは６〜５０の範囲が好ましい。この比誘電率εｒは、誘電体の温度係数、基体の加工精度等を考慮して決めたものであるが、材質、加工精度等が向上すれば、当然その上限値も引き上げられる。このような比誘電率εｒを有する基体は、例えば22.22重量％のＭｇＯ、5.13重量％のＣａＣＯ_３、48.14重量％のＴｉＯ_２及び24.5重量％のＺｎＯの各原料からなる素体を焼成し、焼成基体として36.6モル％のＭｇＯ、3.4モル％のＣａＯ、40モル％のＴｉＯ２及び20モル％のＺｎＯからなる誘電セラミック（比誘電率εｒ：２１）により形成することができる。
【００３８】
本発明によれば、１つの表面実装型アンテナによって、複数の周波数の間での相互干渉も無く広い周波数帯域を有するデュアルバンド以上のマルチバンドの周波数帯に用いることが出来るマルチバンドアンテナ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例を示す表面実装型アンテナの斜視図である。
【図２】本発明の表面実装型アンテナを実装する面のパターン配置を示す図である。
【図３】本発明の表面実装型アンテナを実装しない面のパターン配置を示す図である。
【図４】本発明の低背型マルチバンドアンテナ装置の斜視図である。
【図５】図５（Ａ）は本発明の１実施例における２．４ＧＨｚ帯のＶＳＷＲ（電圧定在波比）の周波数特性曲線図、図５（Ｂ）は５．２ＧＨｚ帯のＶＳＷＲの周波数特性曲線図を示す。
【図６】図６（Ａ）は、本発明の１実施例における２．４ＧＨｚ帯の全方位平均アンテナ利得の周波数特性曲線図、図６（Ｂ）は５．２ＧＨｚ帯の全方位平均アンテナ利得の周波数特性曲線図を示す。
【図７】従来の表面実装型アンテナの一例を示す斜視図である。
【図８】従来の低背型アンテナ装置の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０：基体
２０：放射電極
２０ａ：第１の放射電極
２０ｂ：第２の放射電極
３０：接地電極
４０：給電電極
５０：補強パターン
６０：実装基板
６２ａ、６２ｂ：接地電極
６４：給電用端子
６６ａ〜６６ｄ：補強パターン
８０：マルチバンドアンテナ装置
９０：表面実装型アンテナ
Ｌｂ：第２の放射電極２０ｂの長さ

Claims

誘電体または磁性体からなる基体と、該基体の少なくとも一面に形成された第１の放射電極と、該第１の放射電極の一端と直接接続または容量結合して前記基体に形成された接地電極と、前記第１の放射電極に離間して対向する給電電極とを有する表面実装型アンテナと、該表面実装型アンテナを実装する実装基板と、該実装基板の前記表面実装型アンテナを実装する面とは反対側の基板面に配設した第２の放射電極とを具備し、前記実装基板の比誘電率は前記基体の比誘電率より小であり、前記第１の放射電極と前記第２の放射電極に対しそれぞれ離間して設けられた共通の前記給電電極により前記第１の放射電極と前記第２の放射電極に給電することを特徴とするマルチバンドアンテナ装置。
前記第２の放射電極は、複数の周波数に対応して複数本具備したことを特徴とする請求項１記載のマルチバンドアンテナ装置。
請求項１又は２記載のマルチバンドアンテナ装置を用いたことを特徴とする通信機。