(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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に記載のような誘電体ブロックによる技術では、放射電極を励振する誘電体ブロックを使用しており、機器毎に誘電体ブロック、放射電極パターン等の設計が必要になり、その設計条件によってアンテナ性能が劣化したり、不安定要素が増加する不都合がある。また、放射電極が樹脂成型体の表面に形成されているため、樹脂成型体上に放射電極パターンを設計する必要があり、実装する通信機器やその用途に応じて、アンテナ設計、金型設計が必要になり、大幅なコストの増大を招いてしまう。さらに、誘電体ブロックと樹脂成型体とを接着剤で一体化するので、接着剤のQ値以外にも接着条件(接着剤の厚み、接着面積等)により、アンテナ性能が劣化したり、不安定要素が増加する不都合がある。
また、特許文献2に記載のようなスイッチ,制御電圧源を用いたアンテナ装置の場合、スイッチで共振周波数の切り替えを行うために、制御電圧源の構成やリアクタンス回路等が必要であり、アンテナ構成が機器毎に複雑化し、設計の自由度が無く、容易なアンテナ調整が困難であるという問題があった。
【0006】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、複共振化した各共振周波数のフレキシブルな調整が可能で、用途や機器毎に応じたアンテナ性能を安価かつ容易に確保できると共に小型化や薄型化が可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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、該基板本体にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランド面と、第1エレメント、第2エレメントおよび第3エレメントとを備え、前記第1エレメントが、前記グランド面側に配した基端に給電点が設けられていると共に前記グランド面から離間する方向に延びる第1延在部と、該第1延在部の先端から前記グランド面に沿った方向に延びる第2延在部とを有し、前記第2エレメントが、前記第1延在部から離間する方向に前記第1エレメントの基端
近傍から延びる第3延在部と、該第3延在部の先端から前記第1延在部に沿ってグランド面から離間する方向に延びる第4延在部とを有し、前記第3エレメントが、前記第1エレメントの基端から延びて先端が給電点から離間した位置で前記グランド面に接続され、前記第2延在部が、途中に線幅が前記第2延在部の他の部分よりも狭い幅狭部と、該幅狭部の先端に接続され該幅狭部よりも幅広で前記第2延在部の延在方向に長く延在した容量装荷パターン部とを有していることを特徴とする。
【0008】
このアンテナ装置では、アンテナ素子を有する第2延在部が、グランド面との間の浮遊容量を発生可能にグランド面に対して間隔を空けて延在し、第2エレメントが、第1エレメントとの間の浮遊容量と、グランド面との間の浮遊容量とを発生可能に、第1エレメントおよびグランド面に対して間隔を空けて延在しているので、各エレメント間の浮遊容量などを効果的に利用することで、複共振化させることができる。
特に、第2延在部が、途中に線幅が第2延在部の他の部分よりも狭い幅狭部と、該幅狭部の先端に接続され該幅狭部よりも幅広で第2延在部の延在方向に長く延在した容量装荷パターン部とを有しているので、幅狭部によりエレメントの高インピーダンス化を図ると共に、容量装荷パターン部によって先端部に大きな浮遊容量を得ることができる。なお、容量装荷パターン部が、幅広で第2延在部の延在方向に長く延在していない場合、帯域幅を広げる効果を十分に得ることができない。
【0009】
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2延在部の途中に、前記幅狭部として導体パターンが形成された誘電体アンテナのアンテナ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2延在部の途中に、幅狭部として導体パターンが形成された誘電体アンテナのアンテナ素子が接続されているので、所望の共振周波数に自己共振しないローディング素子のアンテナ素子によってエレメント長の短縮化及び高インピーダンス化と、浮遊容量の増大とが可能になり、複共振化の調整が容易になると共に小型化とアンテナ特性の向上とを図ることができる。
また、アンテナ素子およびエレメントに接続する各受動素子の選択によって、各共振周波数やインピーダンスをフレキシブルに調整可能であり、用途や機器、設計条件に応じた2共振化が可能なアンテナ装置を得ることができる。
また、基板本体の平面内で設計が可能であり、従来の誘電体ブロックや樹脂成型体等を使用する場合に比べて薄型化が可能であると共に、誘電体アンテナであるアンテナ素子の選択によって、小型化および高性能化が可能になる。また、金型、設計変更等によるコストが必要なく、低コストを実現することができる。
【0010】
第3の発明に係るアンテナ装置は、第1又は第2の発明において、前記第3延在部が、前記第1エレメントの基端
近傍から前記グランド面から離間する方向であって前記第1延在部に対して斜め方向に向けて延び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3延在部が、第1エレメントの基端
近傍からグランド面から離間する方向であって第1延在部に対して斜め方向に向けて延びているので、第2エレメントとグランド面との間の結合を抑制することができ、グランド面に流れる高周波電流を抑制することができる。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明のアンテナ装置によれば、第2延在部が、グランド面との間の浮遊容量を発生可能にグランド面に対して間隔を空けて延在し、第2エレメントが、第1エレメントとの間の浮遊容量と、グランド面との間の浮遊容量とを発生可能に、第1エレメントおよびグランド面に対して間隔を空けて延在しているので、複共振化させることができ、各共振周波数をフレキシブルに調整可能であり、設計条件に応じた2共振化が可能であると共に、小型化および高性能化が可能になる。
特に、第2延在部が、途中に線幅が第2延在部の他の部分よりも狭い幅狭部と、該幅狭部の先端に接続され該幅狭部よりも幅広で第2延在部の延在方向に長く延在した容量装荷パターン部とを有しているので、幅狭部によりエレメントの高インピーダンス化を図ると共に、容量装荷パターン部によって先端部に大きな浮遊容量を得ることができる。
したがって、本発明のアンテナ装置は、多様な用途や機器に対応した複共振化が容易に可能になると共に、省スペース化と配線および設置の自由度の向上とを図ることができる。
【発明を実施するための形態】
【0013】
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。
【0014】
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、該基板本体2にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランド面GNDと、第1〜第4受動素子P1〜P4が途中に接続された第1エレメント3、第2エレメント4および第3エレメント5とを備えている。
なお、グランド面GNDには、RF回路部品等の実装領域が設けられる。
【0015】
上記第1エレメント3は、グランド面GND側に配した基端に給電点FPが設けられていると共にグランド面GNDから離間する方向に延びる第1延在部E1と、該第1延在部E1の先端からグランド面GND(対向するグランド面GNDの端辺)に沿った方向に延びる第2延在部E2とを有している。また、第1延在部E1の途中には、第1受動素子P1及び第2受動素子P2が直列に接続されている。
【0016】
上記第2延在部E2は、途中に線幅が第2延在部E2の他の部分よりも狭い幅狭部E2aと、該幅狭部E2aの先端に接続され該幅狭部E2aよりも幅広で第2延在部E2の延在方向に長く延在した容量装荷パターン部E2bとを有している。なお、ここで上記の「延在方向に長く延在」とは、容量装荷パターン部E2bにおける上記延在方向に直交する方向の寸法よりも上記延在方向の寸法が長いことを意味している。
【0017】
また、本実施形態では、第2延在部E2の途中に、幅狭部E2aとして導体パターン102が形成された誘電体アンテナのアンテナ素子ATが接続されている。このように、第2延在部E2は、グランド面GNDとの間の浮遊容量を発生可能にグランド面GNDに対して間隔を空けて延在していると共に中間部に誘電体アンテナのアンテナ素子ATが設けられている。
上記容量装荷パターン部E2bは、アンテナ素子ATの導体パターン102及び第1延在部E1よりも幅広で長方形状又は帯状に形成されてグランド面GNDに沿って延在している。
【0018】
上記第2エレメント4は、第1延在部E1から離間する方向に第1エレメント3の基端
近傍から延びる第3延在部E3と、該第3延在部E3の先端から第1延在部E1に沿ってグランド面GNDから離間する方向に延びる第4延在部E4とを有している。また、第4延在部E4の基端側には、第3受動素子P3が接続されている。
上記第3延在部E3は、第1エレメント3の基端
近傍からグランド面GNDから離間する方向であって第1延在部E1に対して斜め方向に向けて延びている。なお、第3延在部E3は、第1延在部E1(または対向するグランド面GNDの端辺)に対して45度の角度で延在していることが好ましい。
【0019】
上記第3エレメント5は、第1エレメント3の基端から延びて先端が給電点FPから離間した位置でグランド面GNDに接続されている。すなわち、第3エレメント5は、第1延在部E1に対して第2エレメント4と反対側に延び、途中で折れ曲がって第1延在部E1から離間した位置でグランド面GNDに接続されている。また、第3エレメントの途中には、第4受動素子P4が接続されている。
【0020】
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は、同軸ケーブル等の給電手段を介して高周波回路(図示略)の給電点に接続される。この給電手段としては、同軸ケーブル、レセプタクル等のコネクタ、接点が板バネ形状を有する接続構造、接点がピンプローブ形状またはピン形状を有する接続構造、ハンダ付け用のランドを用いた接続構造等の種々の構造が採用可能である。
例えば、給電手段として同軸ケーブルを採用する場合、グランド面GNDの基端側に同軸ケーブルのグランド線が接続されると共に、同軸ケーブルの芯線が給電点FPに接続される。
【0021】
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4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。すなわち、このアンテナ素子ATでは、幅狭部E2aとして細く線幅の狭い導体パターン102がチップ状の誘電体101の周りを螺旋状に巻回するようにパターン形成されている。
【0022】
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102等が互い異なる素子を選択しても構わない。また、所望の周波数によっては、アンテナ素子ATに使用している誘電体101を、磁性体、若しくは誘電体と磁性体とを混合した複合材料としても構わない。
上記第1受動素子P1〜第4受動素子P4は、例えばインダクタ、コンデンサまたは抵抗が採用される。
【0023】
第2エレメント4は、第1エレメント3との間の浮遊容量と、グランド面GNDとの間の浮遊容量とを発生可能に、第1エレメント3およびグランド面GNDに対して間隔を空けて延在している。
すなわち、
図3に示すように、第1エレメント3(主に第1延在部E1)と第2エレメント4(主に第4延在部E4)との間の浮遊容量Caと、第2延在部E2(主にアンテナ素子AT)とグランド面GNDとの間の浮遊容量Cbと、第2エレメント4(主に第3延在部E3)とグランド面GNDとの間の浮遊容量Ccと、容量装荷パターン部E2bとグランド面GNDとの間の浮遊容量Cdとが発生可能である。
【0024】
次に、本実施形態のアンテナ装置1における共振周波数について、
図5を参照して説明する。
【0025】
本実施形態のアンテナ装置1では、
図5に示すように、第1の共振周波数f1および第2の共振周波数f2の2つに複共振化される。
上記第1の共振周波数f1は、2つの共振周波数のうち低い周波数帯(例えば、2.4GHz帯)のものであり、アンテナ素子ATと、第1受動素子P1および第2受動素子P2と、浮遊容量Ca、浮遊容量Cb及び浮遊容量Cdとで決定される。
上記第2の共振周波数f2は、2つの共振周波数のうち高い周波数帯(例えば、5.2GHz帯)のものであり、第2エレメント4と、第3受動素子P3と、浮遊容量Caおよび浮遊容量Ccとで決定される。
【0026】
また、第1の共振周波数f1におけるインピーダンスは、第4受動素子P4と浮遊容量Ca、浮遊容量Cb及び浮遊容量Cdとで決定される。さらに、第2の共振周波数f2におけるインピーダンスは、第4受動素子P4と浮遊容量Caおよび浮遊容量Ccとで決定される。
すなわち、各共振周波数に対して、第4受動素子P4を用いて、グランド面GND側に流れる高周波電流の流れをコントロールすることで、最終的なインピーダンス調整を行う。
【0027】
したがって、第1の共振周波数f1は、主に
図3中の破線A1で囲まれた部分で調整される。
また、第2の共振周波数f2は、主に
図3中の破線A2で囲まれた部分で調整される。
このように、アンテナ動作において、各受動素子だけでなく、エレメント間の浮遊容量Caと、エレメントとグランド面GNDとの間の浮遊容量Cb,Cc,Cdとを利用することで、アンテナ占有領域の小型化を実現することができる。
【0028】
このアンテナ装置1では、
図1に示すように、第1エレメント3と第2エレメント4とに流れる高周波電流の向きが互いに直交(図中の矢印参照)しているため、2つのエレメント間の干渉が低減される。また、第3延在部E3がグランド面GNDの端辺に対して斜めに延在しているので、第3延在部E3とグランド面GNDとの間の結合を抑制して、グランド面GNDに流れる高周波電流を抑制することができる。したがって、エレメント間、およびグランド面−エレメント間の影響を低減して小型化を実現することができる。
【0029】
なお、第2の共振周波数f2(5.2GHz)用の第2エレメント4における第4延在部E4は、長い方が望ましい。さらに、第2エレメント4の幅は、広い方が望ましい。
また、エレメント間の浮遊容量Caは、密結合であることが望ましい。
また、グランド面GNDと第2エレメント4(第3延在部E3)との間の距離は、長い方が望ましい。
さらに、グランド面GNDとアンテナ素子ATとの間の距離は、長い方が望ましい。
また、容量装荷パターン部E2bは、広帯域幅を得るために幅広かつ長い方が望ましい。
【0030】
このように本実施形態のアンテナ装置1では、アンテナ素子ATを有する第2延在部E2が、グランド面GNDとの間の浮遊容量Cbを発生可能にグランド面GNDに対して間隔を空けて延在し、第2エレメント4が、第1エレメント3との間の浮遊容量Caと、グランド面GNDとの間の浮遊容量Ccとを発生可能に、第1エレメント3およびグランド面GNDに対して間隔を空けて延在しているので、各エレメント間の浮遊容量とを効果的に利用することで、複共振化させることができる。
【0031】
また、第2延在部E2が、途中に線幅が第2延在部E2の他の部分よりも狭い幅狭部E2aと、該幅狭部E2aの先端に接続され該幅狭部E2aよりも幅広で第2延在部E2の延在方向に長く延在した容量装荷パターン部E2bとを有しているので、幅狭部E2aによりエレメントの高インピーダンス化を図ると共に、容量装荷パターン部E2bによって先端部に大きな浮遊容量を得ることができる。
【0032】
さらに、第2延在部E2の途中に、幅狭部E2aとして導体パターン102が形成された誘電体アンテナのアンテナ素子ATが接続されているので、所望の共振周波数に自己共振しないローディング素子のアンテナ素子ATによってエレメント長の短縮化及び高インピーダンス化と、浮遊容量の増大とが可能になり、複共振化の調整が容易になると共に小型化とアンテナ特性の向上とを図ることができる。
【0033】
また、アンテナ素子ATおよびエレメントに接続される各受動素子の選択によって、各共振周波数やインピーダンスをフレキシブルに調整可能であり、用途や機器、設計条件に応じた2共振化が可能なアンテナ装置を得ることができる。
また、基板本体2の平面内で設計が可能であり、従来の誘電体ブロックや樹脂成型体等を使用する場合に比べて薄型化が可能であると共に、誘電体アンテナであるアンテナ素子ATの選択によって、小型化および高性能化が可能になる。また、金型、設計変更等によるコストが必要なく、低コストを実現することができる。
【0034】
さらに、第3延在部E3が、第1エレメント3の基端
近傍からグランド面GNDから離間する方向であって第1延在部E1に対して斜め方向に向けて延びているので、第2エレメント4とグランド面GNDとの間の結合を抑制することができ、グランド面GNDに流れる高周波電流を抑制することができる。
【実施例】
【0035】
次に、本実施形態のアンテナ装置を実際に作製した実施例1において、各共振周波数での2共振化におけるVSWR特性(電圧定在波比)について測定した結果を、
図5を参照して説明する。
【0036】
なお、各受動素子は、第1受動素子P1:2.9nH、第2受動素子P2:6.2nH、第3受動素子P3:2.2nH、第4受動素子P4:2.5nHのいずれもインダクタを使用した。また、容量装荷パターン部E2bのサイズは、2.5×3.0mmとした。
図5に示すように、本発明の実施例では、第1の共振周波数f1(2.4GHz帯)の帯域幅(V.S.W.R≦2.0)が180.9MHzであり、第2の共振周波数f2:(5.2GHz帯)の帯域幅(V.S.W.R≦2.0):851.2MHzであった。
【0037】
次に、比較のため、アンテナ素子AT及び容量装荷パターン部E2bが無く、アンテナ素子ATが接続されていた部分がそのまま金属箔で基端と同じ幅で延在した短い第2延在部E2となっている比較例1と、容量装荷パターン部E2bは無いがアンテナ素子ATが実装され、第2延在部E2の先端がアンテナ素子ATを実装するためのランド部のみとなっている比較例2と、上記本発明の実施例1と、該実施例1の容量装荷パターン部E2bをより長くしてサイズを5.0×3.0mmとした実施例2とについて、同様に第1の共振周波数f1(2.4GHz帯)と第2の共振周波数f2:(5.2GHz帯)との帯域幅を測定した。その結果を、
図6に示す。
また、上記測定における各比較例及び実施例の各受動素子に設定したインダクタンス値を、表1に示す。
【0038】
【表1】
【0039】
上記結果からわかるように、アンテナ素子AT及び容量装荷パターン部E2bが無い比較例1に比べて、アンテナ素子ATが接続された比較例2、さらに容量装荷パターン部E2bが追加された実施例1、該実施例1より長い容量装荷パターン部E2bにした実施例2の順に帯域幅が広くなっている。
なお、アンテナ素子ATが無い比較例1に対してアンテナ素子ATを接続した比較例2にすることで、2.4GHz帯の帯域幅だけではなく、浮遊容量Caの効果により、5.2GHz帯の帯域幅も良好な結果が得られる。同様に、実施例1及び実施例2の各条件においてもアンテナ素子ATを実装したことによって同様の効果が得られている。
【0040】
なお、本発明は上記実施形態および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。
【0041】
例えば、上記実施形態では、第2延在部にアンテナ素子を設けたが、第4延在部にもアンテナ素子を設けても構わない。この場合、第4延在部のアンテナ素子により、第2エレメントの長さを短縮することができ、アンテナ占有面積が狭い場合などに好適である。
また、第4延在部へのアンテナ素子の採用により浮遊容量Caを大きく得ることもできる。
【0042】
また、上述したように、アンテナ素子ATを接続して導体パターン102を幅狭部E2aとして第2延在部E2に設けることが好ましいが、
図8に示すように、上記実施形態の他の例として、線幅が第2延在部E2の他の部分よりも狭く金属箔でパターン形成された直線状の幅狭部E2aとしても構わない。この幅狭部E2aの線幅や長さなどは、所望のインピーダンスが得られるように設定される。
さらに、基板サイズに余裕がある場合には、上記エレメントの一部を線状若しくは板状の金属を折り返した形状のパターンに置き換えても構わない。また、同一の基板本体の表裏面に対してスルーホールを用いて、螺旋状などの形状に旋回させたパターンにしても構わない。