JP5811349B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に低周波数帯の無線通信において小型化に適したアンテナ装置に関する。

近年、携帯電話機や無線通信機能内蔵のノート型パーソナルコンピュータだけでなく車載用など様々な分野で無線通信機器が使用されるようになり、その薄型化や小型化が要望されている。例えば、特許文献１には、誘電体アンテナの先端にミアンダパターンを追加したアンテナ装置が提案されている。このアンテナ装置では、ミアンダパターンによって物理長として短縮が可能になると共に、アンテナ装置の広帯域化や高利得化を図ることができる。

また、特許文献２には、アンテナ素子が給電部に接続された第１導体部と、第１導体部に折り返し部を介して接続された第２導体部とを有したアンテナ装置が記載されている。さらに、特許文献３には、素子保持部の上面に板状の放射素子を設けた逆Ｆアンテナを有するアンテナ装置が記載されている。

特許第４３２９５７９号公報（図９） 特開２００８−２５２２０１号公報 特開２０１０−７４４８９号公報

しかしながら、上記従来の技術においても、以下の課題が残されている。
すなわち、特許文献１に記載の技術では、高い周波数帯に使用する際にミアンダパターンの性能は確保可能であるが、低い周波数帯で調整しようとした場合、誘電体アンテナの先端に装荷される容量成分が小さくなり、アンテナの放射効率を改善するためには誘電体アンテナの実効長を長く（大型化）する必要があることから、小型化と高性能化との両立が困難になってしまう。
また、特許文献２に記載の技術では、折り返し部をアンテナ素子の３以上の奇数であるＮ次共振時における電位の節に位置させる必要があり、Ｎ次電流は強め合う場合があるが、複共振化され放射効率が分散し、全体的な放射効率の改善にはならない不都合がある。また、低い周波数帯で調整しようとした場合、さらに放射効率が劣化してしまうため、アンテナ素子を大きくする必要があり、小型化と高性能化との両立が困難になってしまう。
さらに、特許文献３に記載の技術では、素子保持部の側面に給電用及び短絡用の板状素子が必要であり、特に低い周波数帯で調整しようとした場合、各放射素子部及び素子保持部における長さ、高さが必要になり、上記文献と同様に小型化と高性能化との両立が困難になってしまう問題があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、低い周波数帯においても小型化と高性能化との両立が可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係るアンテナ装置は、絶縁性の基板本体と、前記基板本体の表面に金属箔でパターン形成されたグランド面と、前記基板本体の表面に金属箔でパターン形成され前記グランド面側の基端に給電点が設けられて延在するアンテナパターンと、前記基板本体の表面に設けられていると共に前記アンテナパターンの途中に接続された誘電体アンテナのアンテナ素子とを備え、前記アンテナパターンが、前記グランド面から離間する方向に延在する第１延在部と、該第１延在部の先端に基端が接続され前記第１延在部の延在方向に直交して延在すると共に途中に前記アンテナ素子が接続された第２延在部と、前記第１延在部の途中に先端が接続されていると共に基端が前記給電点から離間した位置で前記グランド面に接続されている第３延在部とを有し、前記第２延在部の先端部が、前記第１延在部から離間する方向に前記アンテナ素子から帯状に延在すると共にその幅がアンテナ素子の端部の幅以上とされた幅広部であることを特徴とする。

このアンテナ装置では、第２延在部の先端部が、第１延在部から離間する方向にアンテナ素子から帯状に延在すると共にその幅がアンテナ素子の端部の幅以上とされた幅広部であるので、アンテナ素子の先端に容量成分を装荷することができる。すなわち、幅広部とされた第２延在部の先端部によりアンテナエレメント（アンテナ素子の先端側）とグランド面との間に従来よりも大きい容量成分が装荷され、これによりアンテナ素子の放射抵抗が上がると共に受動素子を接続した際の損失分を低減することができ、高いアンテナ性能を確保することができる。したがって、アンテナエレメントの先端側に幅広部を設けた構成によって小型化できると共に、低い周波数帯においても広帯域化等の高性能化が可能になる。

第２の発明に係るアンテナ装置は、第１の発明において、前記第１延在部の途中又は前記第２延在部の途中であって前記アンテナ素子より基端側に、第１受動素子が接続されていると共に、前記第３延在部の途中に、第２受動素子が接続されていることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、第１延在部の途中又は第２延在部の途中であってアンテナ素子より基端側に、第１受動素子が接続されていると共に、第３延在部の途中に、第２受動素子が接続されているので、第１受動素子により共振周波数等の調整が可能になると共に第２受動素子によりグランド面への高周波電流の流れを抑制することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明のアンテナ装置によれば、第１延在部から離間する方向にアンテナ素子から帯状に延在すると共にその幅がアンテナ素子ＡＴの端部の幅以上とされた幅広部であるので、小型化できると共に低い周波数帯においても高利得化及び広帯域化等の高性能化が可能になる。

本発明に係るアンテナ装置の一実施形態において、アンテナ装置を示す平面図である。 本実施形態において、アンテナ装置で生じる浮遊容量を示す配線図である。 本実施形態において、アンテナ素子を示す斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、正面図（ｃ）および底面図（ｄ）である。 １／４波長タイプのアンテナ装置（ａ）、特許文献１のアンテナ装置（ｂ）及び本実施形態のアンテナ装置（ｃ）の動作イメージを示すための説明図である。 本発明に係るアンテナ装置の実施例において、アンテナ装置のＶＳＷＲ特性（電圧定在波比）を示すグラフである。 本発明の実施例において、アンテナ装置の放射パターンを示すグラフである。 幅広部のないアンテナ装置を示す要部の平面図である。 図７及び図１に示す各アンテナ装置（アンテナ素子のみ、アンテナ素子＋直線パターン）において、アンテナ利得及び帯域幅を比較して示すグラフである。 図７及び図１に示す各アンテナ装置の基板サイズを小さくした場合（アンテナ素子のみ、アンテナ素子＋直線パターン）において、アンテナ利得及び帯域幅を比較して示すグラフである。 図７に示すアンテナ装置と、幅広部の幅を変えた本発明の実施例の各アンテナ装置とにおいて、帯域幅を比較して示すグラフである。

以下、本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。

本実施形態におけるアンテナ装置１は、図１及び図２に示すように、絶縁性の基板本体２と、基板本体２の表面に銅箔等の金属箔でパターン形成されたグランド面ＧＮＤと、基板本体２の表面に銅箔等の金属箔でパターン形成されグランド面ＧＮＤ側の基端に給電点ＦＰが設けられて延在するアンテナパターン３と、基板本体２の表面に設けられていると共にアンテナパターン３の途中に接続された誘電体アンテナのアンテナ素子ＡＴとを備えている。

上記アンテナパターン３は、グランド面ＧＮＤから離間する方向に延在する第１延在部３ａと、該第１延在部３ａの先端に基端が接続され第１延在部３ａの延在方向に直交して延在すると共に途中にアンテナ素子ＡＴが接続された第２延在部３ｂと、第１延在部３ａの途中に先端が接続されていると共に基端が給電点ＦＰから離間した位置でグランド面ＧＮＤに接続されている第３延在部３ｃとを有している。

また、第２延在部３ａの途中であってアンテナ素子ＡＴより基端側には、第１受動素子Ｐ１が接続されている。なお、第１受動素子Ｐ１は、第１延在部３ａの途中に接続しても構わない。また、第３延在部３ｃの途中には、第２受動素子Ｐ２が接続されている。
上記第１受動素子Ｐ１及び第２受動素子Ｐ２は、例えばインダクタ、コンデンサ、抵抗又はジャンパー線等が採用される。

上記第２延在部３ｂの先端部は、第１延在部３ａから離間する方向にアンテナ素子ＡＴから帯状に延在すると共にその幅Ｗがアンテナ素子ＡＴの端部の幅以上とされた幅広部３ｄである。また、この幅広部３ｄは、グランド面ＧＮＤ側に拡がってアンテナ素子ＡＴよりもグランド面ＧＮＤに近接していると共に、基板本体３の側端部近傍まで対向するグランド面ＧＮＤの端辺に沿って平行に延在している。このように幅広部３ｄは、アンテナ素子ＡＴよりも大きな面積を有した長方形状に形成されている。

上記基板本体２は、一般的なプリント基板であって、本実施形態では、長方形状のガラスエポキシ樹脂等からなるプリント基板の本体を採用している。
上記給電点ＦＰには、例えば高周波回路に接続された同軸ケーブルの芯線が接続され、該同軸ケーブルのグランド線は、グランド面ＧＮＤに接続される。

上記アンテナ素子ＡＴは、所望の共振周波数に自己共振しないローディング素子であって、例えば図３に示すように、セラミックス等の誘電体１０１の表面にＡｇ等の導体パターン１０２が形成されたチップアンテナである。このアンテナ素子ＡＴは、共振周波数等の設定に応じて、その長さ、幅、導体パターンの形状等が選択される。なお、本実施形態のアンテナ素子ＡＴのサイズは、横幅：１０．５ｍｍ、奥行き：３．０ｍｍ、高さ：０．８ｍｍである。
アンテナ素子ＡＴは、第２延在部３ｂの延在方向（第１延在部３ａの延在方向に直交する方向）に延在するように設置されている。すなわち、アンテナ素子ＡＴは、対向するグランド面ＧＮＤの端辺に沿って平行に配されている。

このアンテナ装置１では、図２に示すように、幅広部３ｄとグランド面ＧＮＤとの間の浮遊容量Ｃａが発生する。
また、高周波電流としては、アンテナ素子ＡＴ側へ流れる高周波電流の流れＩａと、第３延在部３ｃからグランド面ＧＮＤ側に流れる高周波電流の流れＩｇとの２つの流れが生じる。

例えば、幅広部３ｄが無い場合、低い周波数帯で使用すると、アンテナの使用周波数の波長に対して、グランド面ＧＮＤのサイズが小さい場合が多いため、グランド面ＧＮＤ側への高周波電流Ｉｇを効果的に流すことが困難である。
また、アンテナの使用周波数の波長が長いため、波長に対してアンテナ素子ＡＴのサイズも小さくなってしまい、アンテナ素子ＡＴ側に流れる高周波電流Ｉａよりも高周波電流Ｉｇの方へ多く流れてしまうため、十分なアンテナ性能を確保できない。
また、アンテナ素子ＡＴ側へ流れる高周波電流Ｉａを増やそうとした場合にも、アンテナ素子ＡＴを大型化する必要があり、小型化や薄型化が困難になるため、容易に特性を改善することができない。

これに対して本実施形態のアンテナ装置１では、ローディング素子であるアンテナ素子ＡＴの先端に配線パターンである幅広部３ｄが追加されているので、上記浮遊容量Ｃａを装荷することができる。このように、高インピーダンスとなるアンテナ素子ＡＴの先端に容量成分が装荷されるため、容量装荷によるアンテナエレメントの短縮効果が得られ、アンテナ素子ＡＴ側へ流れる高周波電流Ｉａを効果的に流すことができる。
また、アンテナ素子ＡＴ側への高周波電流Ｉａを効果的に流すことができるため、基板本体２のサイズ（特にグランド面ＧＮＤのサイズ）が小さくなるほど効果的である。

図４の（ａ）に示すように、給電点ＦＰから延びた逆Ｌ型のアンテナパターン１３を有する従来の１／４波長タイプのアンテナ装置に比べて、図４の（ｂ）に示す特許文献１に記載のアンテナ装置では、より良好なアンテナ性能を得ることができる。しかしながら、低い周波数帯で使用する場合、アンテナ素子ＡＴの放射抵抗が下がってしまい、第１及び第２受動素子Ｐ１，Ｐ２による損失分が増大してしまうことで、十分なアンテナ性能を確保することができない。

これに対して、図４の（ｃ）に示す本実施形態のアンテナ装置１では、アンテナ素子ＡＴの先端に幅広部３ｄによって容量を装荷するので、アンテナ素子ＡＴの放射抵抗を上げると共に、第１及び第２受動素子Ｐ１，Ｐ２による損失分を低減し、高いアンテナ性能を確保することができる。なお、幅広部３ｄで装荷する容量成分は、大きいことが望ましい。

このように本実施形態のアンテナ装置１では、第２延在部３ｂの先端部が、第１延在部３ａから離間する方向にアンテナ素子ＡＴから帯状に延在すると共にその幅Ｗがアンテナ素子ＡＴの端部の幅以上とされた幅広部３ｄであるので、アンテナ素子ＡＴの先端に従来よりも大きい容量成分を装荷することができる。したがって、アンテナエレメントの先端側に幅広部３ｄを設けた構成によって小型化できると共に、低い周波数帯においても広帯域化等の高性能化が可能になる。

また、第２延在部３ｂの途中であってアンテナ素子ＡＴより基端側に、第１受動素子Ｐ１が接続されていると共に、第３延在部３ｃの途中に、第２受動素子Ｐ２が接続されているので、第１受動素子Ｐ１により共振周波数等の調整が可能になると共に第２受動素子Ｐ２によりグランド面ＧＮＤへの高周波電流の流れを抑制することができる。

次に、上記本発明の実施形態に基づいて作製したアンテナ装置の実施例について、ＶＳＷＲ特性（電圧定在波比）と放射パターンとを測定した結果を、図５及び図６を参照して説明する。
なお、第１延在部３ａの延在方向を−Ｘ方向とし、アンテナ素子ＡＴの延在方向を＋Ｙ方向とし、グランド面ＧＮＤに対する垂直方向（表面に向けた垂直方向）を＋Ｚ方向とした。この際のＹＺ面に対する垂直偏波を測定した。

また、各受動素子は、第１受動素子Ｐ１：３９ｎＨ、第２受動素子Ｐ２：８．２ｎＨのいずれもインダクタを使用した。
これらの結果からわかるように、ＶＳＷＲは１．１８（共振周波数：３１５ＭＨｚ）、帯域幅は９．４ＭＨｚ（ＶＳＷＲ≦３．０）と良好なアンテナ利得及び広帯域化が得られていると共に、無指向性の放射パターンが得られている。

次に、図７に示すように、幅広部３ｄが無くアンテナ素子ＡＴのみのアンテナ装置（アンテナ素子のみ）と、図１に示す、幅広部３ｄを有した本発明のアンテナ装置（アンテナ素子＋直線パターン）とにおいて、アンテナ利得及び帯域幅を比較したグラフを図８に示す。
なお、いずれも受動素子は上記実施形態のアンテナ装置（本発明の実施例）と同様のものを使用した。

これらの結果からわかるように、アンテナ素子ＡＴのみのアンテナ装置では、平均利得（Ｇａｉｎ）：−１０．８ｄＢｉ、帯域幅（ＢＷ）：９．３ＭＨｚであったのに対し、幅広部３ｄを有した本発明のアンテナ装置では、平均利得：−３．６ｄＢｉ、帯域幅：９．４ＭＨｚであり、アンテナ利得及び帯域幅が向上している。

さらに、基板サイズを小さくした場合（すなわちグランド面ＧＮＤのサイズが小さい場合）で、幅広部３ｄが無くアンテナ素子ＡＴのみのアンテナ装置（アンテナ素子のみ）と、幅広部３ｄを有した本発明のアンテナ装置（アンテナ素子＋直線パターン）とについて同様に、アンテナ利得及び帯域幅を比較したグラフを図９に示す。
なお、基板サイズとしては、図１に示す基板本体２の寸法が縦：１６０ｍｍ×横：１６０ｍｍ（グランド面ＧＮＤの寸法は縦：１５０ｍｍ×横：１６０ｍｍ）であるのに対し、本評価では、基板本体２の寸法を縦：８６ｍｍ×横：５４ｍｍ（グランド面ＧＮＤの寸法は縦：７０．５ｍｍ×横：５４ｍｍ）とした。

これらの結果からわかるように、アンテナ素子ＡＴのみのアンテナ装置では、平均利得（Ｇａｉｎ）：−１５．２ｄＢｉ、帯域幅（ＢＷ）：９．３ＭＨｚであったのに対し、幅広部３ｄを有した本発明のアンテナ装置では、平均利得：−１３．１ｄＢｉ、帯域幅：１４．３ＭＨｚであり、本発明ではアンテナ利得で２．１ｄＢ、帯域幅で１．５倍に改善され、上記基板サイズが大きい場合よりも大きく向上している。

次に、幅広部３ｄの幅Ｗを変えた場合について、帯域幅（ＶＳＷＲ≦３．０）を測定した結果を図１０に示す。すなわち、幅広部３ｄの幅Ｗを、５ｍｍ（図中の「ベタ面積：小」）、１０ｍｍ（図中の「ベタ面積：中」）及び１５ｍｍ（図中の「ベタ面積：大」）とした３種類のアンテナ装置を作製して帯域幅を比較した。なお、比較として、図７に示す幅広部３ｄが無くアンテナ素子ＡＴのみのアンテナ装置（図中の「従来（付加：無）」）についても、同様に測定した結果を併せて図１０に示す。

これらの結果からわかるように、幅広部３ｄの幅Ｗが広い方（面積が大きい方）がアンテナ素子ＡＴ先端の容量装荷が大きくなり、帯域幅が大きくなるが、幅広部３ｄの幅Ｗが広すぎてグランド面ＧＮＤと近接した場合、浮遊容量Ｃａについてグランド面ＧＮＤと結合してしまうことになって、幅広部３ｄによる容量装荷の効果が低下してしまいアンテナ特性が劣化する傾向となる。

なお、本発明は上記実施形態及び上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。

１…アンテナ装置、２…基板本体、３…アンテナパターン、３ａ…第１延在部、３ｂ…第２延在部、３ｃ…第３延在部、３ｄ…幅広部、ＡＴ…アンテナ素子、ＦＰ…給電点、ＧＮＤ…グランド面、Ｐ１…第１受動素子、Ｐ２…第２受動素子、Ｗ…幅広部の幅

Claims (2)

1. 絶縁性の基板本体と、
   前記基板本体の表面に金属箔でパターン形成されたグランド面と、
   前記基板本体の表面に金属箔でパターン形成され前記グランド面側の基端に給電点が設けられて延在するアンテナパターンと、
   前記基板本体の表面に設けられていると共に前記アンテナパターンの途中に接続された誘電体アンテナのアンテナ素子とを備え、
   前記アンテナパターンが、前記グランド面から離間する方向に延在する第１延在部と、該第１延在部の先端に基端が接続され前記第１延在部の延在方向に直交して延在すると共に途中に前記アンテナ素子が接続された第２延在部と、前記第１延在部の途中に先端が接続されていると共に基端が前記給電点から離間した位置で前記グランド面に接続されている第３延在部とを有し、
   前記第２延在部の先端部が、前記第１延在部から離間する方向に前記アンテナ素子の先端部から帯状に延在すると共にその幅がアンテナ素子の端部の幅以上とされた幅広部であり、
   前記幅広部が、前記アンテナ素子の基端部における前記第２延在部よりも前記グランド面側だけに拡がって前記アンテナ素子よりも前記グランド面に近接していると共に、対向する前記グランド面の端辺に沿って延在した長方形状であり、
   前記第３延在部が、前記給電点から前記幅広部側に離間した位置で前記グランド面に接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記第１延在部の途中又は前記第２延在部の途中であって前記アンテナ素子より基端側に、第１受動素子が接続されていると共に、前記第３延在部の途中に、第２受動素子が接続されていることを特徴とするアンテナ装置。