JP2004194089A - 複共振アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単一のアンテナを用いることによって小型・軽量化を図るとともに、ＬＣトラップ回路による特性劣化の問題、設計・製造の困難性の問題も解消する。
【解決手段】実装基板６の接地電極形成部ＧＡの所定箇所に位相回路としての伝送線路２′を形成し、接地電極非形成部ＮＧＡにチップアンテナ１′を実装する。チップアンテナ１′に対して直列に共振周波数調整用のチップインダクタ４′を実装し、また伝送線路２′と接地電極との間に整合回路としてのチップインダクタ３′を実装する。この伝送線路２′によって伝送線路２′の入力側からチップアンテナ１′を見たインピーダンスが２つの周波数帯においていずれも容量性を持つようにし、チップインダクタ３′によって２つの周波数帯でのインピーダンスがいずれも基準特性インピーダンスに近づくようにする。
【選択図】 図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、単一のアンテナで複数の周波数帯域に対応する複共振アンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パソコン本体とその周辺機器との間を無線通信によって接続するＢｌｕｅｔｏｏｔｈや、ＬＡＮの一部または全体を無線通信によって構築するＩＥＥＥ８０２．１１等の規格が定められ、無線通信によって比較的短距離間の通信を行うシステムが普及している。
【０００３】
このような通信機器を用いたネットワークにおいては、そのネットワークの形態や目的に応じて幾つかの無線通信規格が適用される。例えばＩＥＥＥ８０２．１１ｂ規格は２．４ＧＨｚ帯を用いて最大通信速度１１Ｍｂｐｓで通信を行い、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格は、５．２ＧＨｚ帯を使用し、最大通信速度５４Ｍｂｐｓで通信を行う。そのため、通信機器としての汎用性を高めるためには、目的に応じて幾つかの規格に予め適合するように回路を構成しておくことが望まれている。
【０００４】
ここで、従来の通信機器におけるアンテナ装置の構成例を図１４に示す。例えば８０２．１１ｂと８０２．１１ａの両規格に適合する通信機器を構成するためには、図１４の（Ａ）に示すように、２．４ＧＨｚ帯用のアンテナと５．２ＧＨｚ帯用のアンテナとを備え、高周波スイッチにより２つのアンテナへの給電を切り替えるのが一般的である。（Ａ）において、１ａは５．２ＧＨｚ帯用のアンテナ、１ｂは２．４ＧＨｚ帯用のアンテナ、７ａ，７ｂはそれぞれ整合回路、ＳＷは高周波スイッチである。
【０００５】
しかし、このようにアンテナを２つ用いるものでは、部品点数が多くなるばかりか、２つのアンテナが近接配置されると、アンテナ間の電磁結合により、利得が劣化する周波数帯が発生しやすくなる。また、２つのアンテナ１ａ，１ｂに対してそれぞれの入出力を行う高周波スイッチＳＷが必要となり、アンテナ装置の大型化につながる。
【０００６】
従って、小型化の要求される無線ネットワークシステムで用いられる通信機器においては、図１４の（Ｂ）に示すように、単一のアンテナを用いて２つの周波数帯で共振するようにした複共振アンテナ装置が必要となる（非特許文献１参照）。（Ｂ）において、１はアンテナ、７はアンテナ１を複共振させるための整合回路、ＳＷは高周波スイッチである。この整合回路７はキャパシタＣとインダクタＬの並列接続によるＬＣトラップ回路を構成している。
【０００７】
図１５の（Ａ）は上記ＬＣトラップ回路による整合回路７のインピーダンス周波数特性を示している。ここでｆｒはその***振周波数である。
【０００８】
図１５の（Ｂ）は、図１４の（Ｂ）に示した複共振アンテナの入力インピーダンスおよび利得の周波数特性を示している。ここでｆ１，ｆ２は、整合回路７の***振周波数ｆｒを中心として上下に現れる、整合回路７によって複共振化された２つの共振周波数である。これらの共振周波数が、用いる周波数帯域の中心周波数となるように、整合回路７およびアンテナ１の回路定数を定める。
【０００９】
【非特許文献１】
社団法人電子通信学会、「アンテナ工学ハンドブック」、オーム社、昭和５５年１０月３０日、ｐ．４４−４５
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記ＬＣトラップ回路を設けた複共振アンテナ装置においては、そのトラップ回路の***振周波数でアンテナに対する入力インピーダンスが略無限大になるため、利得が劣化する周波数帯がやはり発生してしまう。また、高周波で複共振特性を得ようとすると、ＬＣトラップ回路のインダクタンス値およびキャパシタンス値が非常に小さくなり、それらの値のばらつきによる特性への影響が顕著になるため、設計および製造が困難となる。
上述の問題は２つの周波数帯域に適合するアンテナ装置に限らず、３つ以上の周波数帯に適合するアンテナ装置を構成する場合にも同様に生じる問題である。
【００１１】
この発明の目的は、単一のアンテナを用いることによって小型・軽量化を図るとともに、ＬＣトラップ回路による問題も解消した複共振アンテナ装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明の複共振アンテナ装置は、アンテナと、該アンテナに接続された位相回路と、該位相回路の前記アンテナが接続された側とは逆側に接続された整合回路とからなり、位相回路の入力側からアンテナを見た、所定の複数の周波数帯におけるインピーダンスが、該位相回路が存在しない場合に比較して、それぞれスミスチャート上で接近し、整合回路の入力側から位相回路を見た、前記複数の周波数帯におけるインピーダンスが、該整合回路が存在しない場合に比較して、互いにスミスチャート上で基準特性インピーダンスに接近するようにしたことを特徴としている。
【００１３】
また、この発明の複共振アンテナ装置は、前記位相回路が、該位相回路の入力側からアンテナを見た、所定の複数の周波数帯におけるインピーダンスのリアクタンス成分をそれぞれ正または負とし、前記整合回路が、該整合回路から位相回路を見た、前記複数の周波数帯におけるインピーダンスをそれぞれスミスチャート上で基準特性インピーダンスに近づくように移動させることを特徴とする。
【００１４】
このように、位相回路と整合回路の組み合わせによって得られた複共振アンテナ装置は***振周波数ｆｒを持たないので、利得の劣化のない優れたアンテナ特性を得ることができる。
【００１５】
また、この発明の複共振アンテナ装置は、前記位相回路を該位相回路からアンテナを見たインピーダンスがスミスチャートの中央を中心として位相回転させる伝送線路とし、前記整合回路を位相回路の入力側と接地との間に並列接続されたインダクタ部品またはキャパシタ部品とする。
このように位相回路を伝送線路で構成し、整合回路をインダクタ部品またはキャパシタ部品で構成したことにより、回路全体を容易に構成することができ且つ全体に小型化が図れる。
【００１６】
この発明の複共振アンテナ装置は、前記アンテナをチップアンテナで構成し、該チップアンテナを実装基板上の接地電極非形成部に実装し、該実装基板に前記位相回路と前記整合回路を設けたものである。
このように、実装基板にチップアンテナの実装部としての接地電極非形成部を設け、その実装基板上に位相回路と整合回路を構成したことにより、その実装基板の接地電極非形成部にチップアンテナを実装するだけで複共振アンテナ装置を容易に構成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係る複共振アンテナ装置について図１〜図１２を参照して説明する。
図１〜図４は複共振アンテナ装置を構成する位相回路と整合回路の作用について示している。これらの図において、左側にスミスチャート、右側に回路図を示している。これらの回路図において、１はアンテナ、２１，２２は位相回路、３は整合回路である。
【００１８】
図１〜図４に示したスミスチャートにおいて、中央は基準特性インピーダンス（例えば５０Ω）、右端がインピーダンス無限大（開放）、左端がインピーダンス０（短絡）である。また上半分の右回りに正のリアクタンス、下半分の左回りに負のリアクタンスをとっている。
【００１９】
図１に示すように、アンテナ１のインピーダンスＺ０＝Ｒ０＋ｊＸ０は、周波数を０Ｈｚから上昇させていったとき、同図のスミスチャートで表すような軌跡をたどる。この例では、２．４４ＧＨｚ帯でリアクタンスが負すなわち容量性となり、周波数５．２５ＧＨｚ帯でリアクタンスが正すなわち誘導性となる。
【００２０】
次に、図２に示すように、位相回路２１の入力側からアンテナを見たインピーダンスＺ１＝Ｒ１＋ｊＸ１は同図のスミスチャートに示すようになる。この例では、位相回路２１の存在により、スミスチャートの中央を中心として時計方向に位相が回転し、２．４４ＧＨｚ帯と５．２５ＧＨｚ帯のいずれの周波数でも容量性となる。
【００２１】
さらに、図３に示すように位相回路を構成する伝送線路を長くすると、位相回路２２の入力側からアンテナを見たインピーダンスＺ２＝Ｒ２＋ｊＸ２は同図のスミスチャートに示すようになる。すなわち２．４４ＧＨｚ帯と５．２５ＧＨｚ帯のいずれの周波数においても、インピーダンスはスミスチャートの中央より左下近辺で互いに接近することになる。
【００２２】
そこで、図４に示すように、位相回路２１，２２の入力側に整合回路３を設け、この整合回路３として、所定インダクタンス値をもつ並列インダクタとする。これにより、整合回路３の入力側から位相回路を見たインピーダンスＺ３＝Ｒ３＋ｊＸ３は、図３および図４のスミスチャートに示すように、２．４４ＧＨｚ帯および５．２５ＧＨｚ帯におけるインピーダンスが等コンダクタンス曲線（スミスチャートの左端に接する破線で示す円）上を移動し、スミスチャートの中央付近に近づく。換言すると、この利用する２つの周波数帯におけるインピーダンスがスミスチャートの中央（基準特性インピーダンス）に最も近づくように整合回路３のインダクタンス値を定める。
【００２３】
このようにして２つの周波数帯においてアンテナ入力の特性インピーダンスが基準特性インピーダンス（たとえば５０Ω）に近似した値となる。
【００２４】
なお、図１〜図４に示した例では、位相回路２１，２２によって、２つの周波数帯でのインピーダンスを容量性にし、そのインピーダンスを基準特性インピーダンスに近づけるために、整合回路３として並列インダクタを設けたが、位相回路によって、２つの周波数帯でのインピーダンスがスミスチャートの左上近辺で互いに接近する場合には、その状態で整合素子３として所定容量の並列キャパシタを接続することによって、それぞれのインピーダンスを基準特性インピーダンスに近似させる。
【００２５】
このように、アンテナの入力インピーダンスは、それを見る位相回路を構成する伝送線路上の位置によって変化し、また周波数帯によってその変化量が異なる。従って、位相回路の移相量（伝送線路の線路長）を変えて、共振させたい２つの周波数での入力インピーダンスを近づけ、そこに整合回路を付加することによって、２つの周波数帯での整合が可能となる。
【００２６】
図５は一部に複共振アンテナ装置を構成した実装基板の全体の構成を示している。図中の数値は寸法（ｍｍ）を表している。ここでは、ＰＣＭＣＩＡカードでノートパソコン向け無線ＬＡＮ用カードを構成することを考慮して、実装基板６はＰＣＭＣＩＡカードに相当するサイズとしている。
【００２７】
図６の（Ａ）は、図５における複共振アンテナ装置を構成した部分の表面側の構成、（Ｂ）はその裏面側の構成をそれぞれ拡大して示している。
【００２８】
図５および図６において、６は実装基板であり、その一部に接地電極非形成部ＮＧＡを設けている。この接地電極非形成部ＮＧＡは、実装基板６の対向する表裏面に設けている。他の部分は接地電極形成部ＧＡとしている。この接地電極は実装基板６の表裏面で同電位となるように複数箇所でビアホールＶＨにより導通させている。実装基板６の接地電極非形成部ＮＧＡの表面側には直方体形状のチップアンテナ１′を実装している。
【００２９】
２′は伝送線路であり、その両脇に位置する接地電極とともにコプレーナラインを構成している。この伝送線路２′が前述の位相回路として作用する。また３′は伝送線路２′の所定箇所で接地電極との間を接続するチップインダクタである。このチップインダクタ３′が前述の整合回路として作用する。さらにこの例では、伝送線路２′の端部とチップアンテナ１′の接続端子との間にチップインダクタ４′を直列接続している。
図７は図６に示した複共振アンテナ装置の回路図である。ここで伝送線路２′は図１〜図４に示した位相回路２１，２２に相当し、チップインダクタ３′は図４に示した整合回路３に相当する。チップインダクタ４′はアンテナ１に直列接続することによって、アンテナ１の共振周波数を調整するための整合回路として作用する。すなわちインダクタンス成分の直列接続によってアンテナの共振周波数は図６に示したチップアンテナ１′単体での共振周波数より下がる。逆に共振周波数を上げる場合には、所定静電容量のチップコンデンサを直列に挿入すればよい。
【００３０】
図６・図７においてチップインダクタ３′のインダクタンスは１．８ｎＨ、チップインダクタ４′のインダクタンスは１．５ｎＨである。また伝送線路２′の線路長は５ｍｍである。
【００３１】
図８は前記チップアンテナの構成を示す斜視図である。このチップアンテナ１′はセラミックグリーンシートに各種電極パターンを形成し、それらを積層圧着し、焼成することによってヘリカル状のエレメントを構成した積層チップアンテナである。図８において１１は全体が直方体形状を成すセラミック誘電体である。１２ａ，１２ｂは実装基板上のチップアンテナ接続端子に接続する端子電極である。１３ｕはこのチップアンテナの上面または上面付近に設けた水平電極、１３ｄはこのチップアンテナの下面または下面付近に設けた水平電極である。１４は水平電極１３ｄと１３ｕ間を縦方向に接続するビアホールである。このようにして電極をヘリカル状に構成している。
【００３２】
図９は図５〜図８に示した複共振アンテナ装置の２つの周波数帯での帯域幅の特性を示している。ここで２．４ＧＨｚ帯の中心周波数は２４５０ＭＨｚ、５．２ＧＨｚ帯の中心周波数は５２６０ＭＨｚである。通常、アンテナ装置の帯域幅はＶＳＷＲ（電圧定在波比）で定められる。ＶＳＷＲ＝２となる帯域幅は、２．４ＧＨｚ帯で１５０ＭＨｚ、５．２ＧＨｚ帯で６００ＭＨｚとなった。またＶＳＷＲ＝３となる帯域幅は、２．４ＧＨｚ帯で２４０ＭＨｚ、５．２ＧＨｚ帯で９５０ＭＨｚとなった。
【００３３】
図１０は上記２つの周波数帯別に通過特性Ｓ２１も合わせて示している。ここでＳ１１は図の下端を１とするＶＳＷＲで表している。また、Ｓ２１は１目盛り５ｄＢとし、三角印で示すラインを基準の−３０ｄＢとしている。
【００３４】
これらの結果から次のことが分かる。
【００３５】
（１）２．４ＧＨｚ帯と５．２ＧＨｚ帯の２つの周波数帯域でアンテナの共振が得られている。
【００３６】
（２）この２つの周波数帯でのそれぞれの帯域幅は、ＶＳＷＲ＝２で１５０ＭＨｚ，６００ＭＨｚと広帯域であり、たとえば日本国内で用いられる無線ＬＡＮのＩＥＥＥ８０２．１１ｂ規格の（２．４〜２．５ＧＨｚ帯）および８０２．１１ａ規格の（５．１５〜５．３５ＧＨｚ帯）の使用周波数帯域をカバーしている。
【００３７】
（３）２つの周波数帯域の間に図１５（Ｂ）に示すような***振周波数ｆｒが存在しないため、入力インピーダンスが略無限大となることがない。したがって、特に利得が大きく劣化する周波数帯がなく、リターンロスに応じたフラットな利得周波数特性になっている。
【００３８】
図１１および図１２は図５に示した複共振アンテナの三次元方向の指向特性を示している。ここで（Ａ）はＺ軸を回転中心とするＸＹ平面の回転を示している。（Ｄ）はＹ軸を回転中心とするＺＸ平面での回転を示している。さらに（Ｇ）はＸ軸を回転軸とするＹＺ面の回転を示している。（Ｂ），（Ｃ）はＸＹ平面の指向特性、（Ｅ），（Ｆ）はＺＸ平面の指向特性、（Ｈ），（Ｉ）はＹＺ平面の指向特性についてそれぞれ示している。また、（Ｂ），（Ｅ），（Ｈ）は２．４ＧＨｚ帯の指向特性、（Ｃ），（Ｆ），（Ｉ）は５．２ＧＨｚ帯の指向特性をそれぞれ示している。これらの図においてＨは水平偏波、Ｖは垂直偏波の利得である。
【００３９】
また、図１２は図１１に示した各特性の利得の最大値と平均値をそれぞれ示している。これらの結果から次のことが分かる。
【００４０】
（１）どの方向にも水平偏波と垂直偏波が出ている。
【００４１】
（２）２つの周波数帯域でのそれぞれの最大利得は、基準アンテナ（ダイポールアンテナ）に対する利得として、＋１ｄＢｉ以上であり、良好な特性が得られている。また、平均利得も優れている。
【００４２】
なお、ＹＺ面では水平偏波と垂直偏波の利得差が大きいすなわち軸比が多少悪いが、このＩＥＥＥ８０２．１１ｂおよび８０２．１１ａ規格では円偏波を利用する必要がないため、このことは問題とはならない。
【００４３】
次に、第２の実施形態に係る複共振アンテナ装置の構成を図１３を基に説明する。
図１３は図６に示した実装基板の他の構成例に相当する。図１３に示す例ではまだチップアンテナやチップインダクタを実装していない。図１３において６は実装基板、ＧＡは接地電極形成部、ＮＧＡは接地電極非形成部である。この接地電極非形成部ＮＧＡの所定位置にチップアンテナ接続端子６１ａ，６１ｂを形成している。この２つのチップアンテナ接続端子６１ａ，６１ｂにチップアンテナの端子電極が接続されるが、チップアンテナ接続端子６１ｂは接地電極から分離していて、チップアンテナの機械的な固定のみを行う。
【００４４】
６２は整合素子接続端子であり、ちょうど図６に示したチップインダクタ４′の接続端子に相当する。６３は整合素子接続端子であり、伝送線路２′の所定位置と接地電極との間に、整合素子であるチップインダクタ等を実装可能なように予め複数箇所に整合素子接続端子を設けている。伝送線路２′はその両脇の接地電極とともにコプレーナラインを構成している。複数の整合素子接続端子６３のうち所定箇所にチップインダクタ等の整合素子を実装することによって、その位置から整合素子接続端子６２までの伝送線路２′が位相回路として作用する。したがって整合素子接続端子６３のどの端子に整合素子を接続するかによって位相調整を行う。また、接続する整合素子のインダクタンスによって基準特性インピーダンスへの整合を図る。整合素子接続端子６２には、実装するチップアンテナの共振周波数特性に応じたインダクタンスまたはキャパシタンスの整合素子を実装する。すなわち、この端子６２に実装する整合素子を含めたチップアンテナの共振周波数が所定値となるように、所定インダクタンスのチップインダクタまたは所定キャパシタンスのチップキャパシタを実装する。もし共振周波数調整が不要であれば、この整合素子接続端子６２に０Ωのチップ抵抗すなわちジャンパ素子を実装すればよい。
【００４５】
なお、以上に示した例では、２．４ＧＨｚ帯と５．２ＧＨｚ帯の２つの周波数帯で共振する複共振アンテナ装置を例に示したが、同様にして３つ以上の周波数帯について、位相回路による位相調整および整合回路によるリアクタンス調整を行うことによって、３つ以上の周波数帯に適用可能な複共振アンテナ装置が得られる。
【００４６】
また、図６や図１３に示した例では、位相回路として伝送線路を構成したが、チップディレイラインを用いて位相調整を行ってもよい。この場合、チップディレイラインの周波数特性を考慮する必要があるが、位相量を大きく変えられるので、特に低い周波数帯で共振させたい場合に有効である。
【００４７】
【発明の効果】
この発明によれば、単一のアンテナを用いながらも、位相回路と整合回路とを設けることによって、複共振アンテナとして作用するため、従来の複共振化のためのＬＣトラップ回路を設ける場合の、特性劣化の問題、設計・製造の困難性の問題も解消できる。
【００４８】
また、この発明によれば、位相回路として伝送線路を設け、整合回路として並列インダクタまたは並列キャパシタを設けたことにより、回路全体を容易に構成することができ、且つ全体に小型化が図れる。
【００４９】
また、この発明によれば、実装基板にチップアンテナの実装部としての接地電極非形成部を設け、その実装基板上に位相回路と整合回路を構成したことにより、その実装基板の接地電極非形成部にチップアンテナを実装するだけで複共振アンテナ装置を容易に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アンテナを入力側を見たインピーダンス軌跡を示す図
【図２】位相回路の途中からアンテナ側を見たインピーダンスの軌跡を示す図
【図３】位相回路の入力側を見たインピーダンスの軌跡を示す図
【図４】整合回路から位相回路側を見たインピーダンスの軌跡を示す図
【図５】チップアンテナを実装基板に実装した状態を示す図
【図６】チップアンテナおよび実装基板の構成を示す図
【図７】複共振アンテナ装置の回路図
【図８】チップアンテナの構成を示す斜視図
【図９】複共振アンテナ装置の帯域幅の特性を示す図
【図１０】同アンテナ装置の利得を示す図
【図１１】同アンテナ装置の三次元方向の指向特性を示す図
【図１２】同アンテナ装置の各平面での最大利得および平均利得を示す図
【図１３】第２の実施形態に係る複共振アンテナ装置の構成を示す図
【図１４】従来の２周波アンテナ装置および複共振アンテナ装置の構成を示す図
【図１５】従来の複共振アンテナ装置の特性を示す図
【符号の説明】
１−アンテナ
１′−チップアンテナ
２−位相回路
２′−伝送線路
３−整合回路
３′，４′−チップインダクタ
６−実装基板
７−整合回路
１１−セラミック誘電体
１２−端子電極
１３−水平電極
１４−ビアホール
２１，２２−位相回路
６１−チップアンテナ接続端子
６２，６３−整合素子接続端子
ＳＷ−高周波スイッチ
ＧＡ−接地電極形成部
ＮＧＡ−接地電極非形成部
ＶＨ−ビアホール

Claims (4)

1. アンテナと、該アンテナに接続された位相回路と、該位相回路の前記アンテナが接続された側とは逆側に接続された整合回路とからなり、
   位相回路からアンテナを見た、所定の複数の周波数帯におけるインピーダンスが、該位相回路が存在しない場合に比較して、互いにスミスチャート上で接近し、
   整合回路から位相回路を見た、前記複数の周波数帯におけるインピーダンスが、該整合回路が存在しない場合に比較して、それぞれスミスチャート上で基準特性インピーダンスに接近するようにしたことを特徴とする複共振アンテナ装置。
2. 前記位相回路は、該位相回路からアンテナを見た、所定の複数の周波数帯におけるインピーダンスのリアクタンス成分をそれぞれ正または負とし、
   前記整合回路は、該整合回路から位相回路を見た、前記複数の周波数帯におけるインピーダンスをそれぞれスミスチャート上で基準特性インピーダンスに近づくように移動させることを特徴とする請求項１に記載の複共振アンテナ装置。
3. 前記位相回路は、該位相回路からアンテナを見たインピーダンスをスミスチャートの中央を中心として位相回転させる伝送線路であり、
   前記整合回路は、前記位相回路の入力側と接地との間に並列接続されたインダクタ部品またはキャパシタ部品である請求項１または２に記載の複共振アンテナ装置。
4. 前記アンテナをチップアンテナで構成し、該チップアンテナを実装基板上の接地電極非形成部に実装し、該実装基板に前記位相回路と前記整合回路を設けた請求項１、２または３に記載の複共振アンテナ装置。

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