JP2004522347A - 基体及び導体トラック構体を有するアンテナ - Google Patents

Abstract

誘電性又は透磁性の基体（１０）及び少なくとも１つの共振導体トラック構体を有し、特に高周波及びマイクロ波レンジでの使用に用立てられ、且つ基体（１０）が少なくとも１つのキャビティ（３０）を具えることで特徴付けられるアンテナにつき記述する。キャビティは基体の主表面に、その基体の輪郭がほぼＵ字状となるように形成するのが好適である。このキャビティは放射効率を高めるだけでなく、アンテナの総重量もかなり低減させる。このようなアンテナのさらなる利点は、高度な小形化、並びに例えばプリント回路板（PCB）上への表面装着（SMD）を可能にすることにある。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電性（又は透磁性の）基体及び少なくとも１つの共振導体トラック構体を有し、特に高周波及びマイクロ波レンジでの使用、例えばデュアルバンド又はマルチバンドの移動体電気通信デバイス（セルラー及びコードレスの電話）並びにブルートゥース（Bluetooth）標準規格に従って通信するデバイス用に設計されるアンテナに関するものである。本発明はこのようなアンテナを有する回路板及び電気通信デバイスにも関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特に電気通信技術の分野において、電子部品がかなり小形化するにつれて、受動及び／又は能動電子部品の製造者等のこの分野での活動が活発化している。この場合に、高周波及びマイクロ波技術の分野では、部品の多数の特性がそれらの物理的な寸法に依存することからして、また、周波数が上昇するにつれて信号の波長が短くなり、このために特に反射により信号供給源との干渉を招くことになることからして、電子部品の使用に特別な問題が生じている。
【０００３】
このような問題は、例えば移動体電話のような電子デバイスのアンテナ構造に特に関連し、これは他のあらゆるHF部品よりもその用途に所望される周波数レンジにかなり左右される。これは、アンテナはそれぞれの用途、即ち動作周波数レンジに適合させなければならない共振部品であるからである。一般に、所望情報の伝送用にはワイヤアンテナが用いられる。これらのアンテナでの放射及び受信特性を良好にするには、必ず所定の物理的な長さが必要である。
【０００４】
最適な放射特性は、長さが自由空間内における信号の波長（λ）の半分に相当する所謂λ／２のダイポールアンテナにて得られる。これらの各アンテナは互いに１８０°にわたって回転するλ／４長の２つのワイヤで形成される。しかしながら、これらのダイポールアンテナも多くの用途、特に移動体電気通信（波長はGSM900帯で約32 cmである）にとっては大きすぎ、このことからして別のアンテナ構体を用いなければならない。特に、移動体電気通信の分野に広く用いられているアンテナは所謂λ／４モノポールアンテナである。これは、長さが波長の１／４のワイヤで構成される。このアンテナの放射特性は容認できるものであり、また同時にその物理的な長さ（GSM900帯の場合、約8 cm）も容認することができる。さらに、斯種のアンテナは高インピーダンスで放射帯域幅が広いため、これらのアンテナは比較的大きな帯域幅を必要とするシステムに用いることもできる。最適パワーを５０オームに適合させるために、殆どのλ／２ダイポールアンテナに実際になされているように、斯種のアンテナには受動的な電気的適合化を選定する。この適合化は通常、少なくとも１個のコイルと１個のコンデンサとの組合わせで行なわれ、これにより５０オームとは異なるλ／４のモノポールの入力インピーダンスを、適当な寸法にして接続した５０Ωの部品に適合させる。
【０００５】
斯種のアンテナは広く用いられているけれども、これらのアンテナには依然かなりの欠点がある。これらの欠点は、一方では上述した受動的な適合化回路に見られる。
【０００６】
他方、例えば移動（携帯）電話は通常引き出しワイヤアンテナを装備している。このようなλ／４モノポールアンテナは回路板に直接はんだ付けすることができない。このために、回路板とアンテナとの間の信号伝送用に高価な接点が必要である。
【０００７】
斯種アンテナの他の欠点は、アンテナそのものの機械的な不安定性並びに、この不安定性によりアンテナをハウジングに適合させる必要があることにある。例えば、移動電話を床に落とした場合には、通常アンテナが壊れたり、又はアンテナを引き出せる箇所のハウジングが破損したりする。
【０００８】
これらの欠点をなくすために、１つ又は数個の共振金属構体を誘電定数ε_rが１よりも大きい誘電性基体の上に設けるアンテナが開発された。誘電性基体内での信号の波長は真空中におけるよりもファクタ１／√ε_rだけ小さいから、それと同じ値だけ寸法が縮小したアンテナを製造することができる。
【０００９】
これらのアンテナの他の利点は、これらのアンテナを表面装着法（SMD技法）によりプリント回路板の上に直接、即ち、電磁パワーの供給用に追加の固着手段（ピン）を必要とせずに、平面はんだ付けで、（場合によっては、他の部品と一緒に）導体トラックに接触させることにより設けることができることにある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、誘電性（又は透磁性の）基体と少なくとも１つの共振導体トラック構体とを有し、放射特性の点でさらなる改善がなされるアンテナを提供することにある。
【００１１】
さらに、斯種のアンテナは重量をできるだけ軽くし、しかも表面装着法（SMD技法）により、即ち、電磁パワーの供給用に追加の固着手段（ピン）を必要とすることなく、平面はんだ付けで、（場合によっては、他の部品と一緒に）導体トラックに接触させることにより、プリント回路板の上に直接設けることができるようにすべきである。
【００１２】
これらのアンテナは、特に、高周波及びマイクロ波レンジでの使用に適し、できるだけ大きな帯域幅を有し、しかも同調可能で、且つ高度の小形化が可能で、機械的にも特に安定するように構成すべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
斯かる目的を達成するために、本発明は、請求項１に記載したように、誘電性（又は透磁性の）基体及び少なくとも１つの共振導体トラック構体により形成されるアンテナであって、前記基体が少なくとも１つのキャビティを具えるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
斯様なキャビティによって、アンテナの放射効率、従ってアンテナの放射特性が著しく高められ、改善されると云う驚くべきことを確かめた。キャビティの形状、寸法、個数に応じて前記放射効率は、キャビティがない場合に比べて約１５％以上に高めることができる。このような解決策による特に有利な点は、アンテナの重量が同時にかなり軽くなることにある。
【００１５】
また、斯様な解決策は、DE 100 49 844.2に記載されているような単一バンドの用途（例えば、GSM 900帯）用並びにGSM 900及びDSC 1800標準規格の周波数レンジ用のデュアル−及びトリプル-バンド用、及びDE 100 49 845.0に記載されているようなブルートゥースシステム用の小形化したマイクロ波アンテナにとって特に有利である。従って、これら刊行物の内容は現状の開示事項として参考までに含められると思える。
【００１６】
なお、Ｕ字状の誘電性基体を有するアンテナはEP 0 923 135及びUS 5,952,972から既知であることに留意すべきである。しかし、これは放射される電磁波の効率を高めるための手段を講じることなく、ただインピーダンスの帯域幅を増やす目的のために整形される基体に関するものである。さらに前記２つの刊行物に開示されているものは、シェル電極を有するアンテナに関するものであり、US 5,952,972には誘電共振アンテナ（DRA）について専ら記載されている。これらのアンテナの動作モードはバルク共振によって決定されるが、質量電極を持たない本発明によるアンテナ（PWA−プリントワイヤアンテナ）の動作モードは基体上の共振導体トラック構体によって規定される。従って、動作原理が互いに基本的に異なるものである。
【００１７】
従属請求項は本発明の他の好適例に関するものである。
【００１８】
請求項２の例は、特に発泡タイプの材料製の基体に関するものであり、この基体には必ずしもキャビティを別に設ける必要はない。
【００１９】
これに対し、請求項３〜５の例は、先ず第１に固形基体のどこを用いて、キャビティを対応するくぼみの形態で取り入れるべきかと云うことに関するものである。
【００２０】
請求項６及び７は、特に高周波及びマイクロ波レンジに使用し得るアンテナに関し、請求項６の例は、特に大きなインピーダンス及び放射帯域幅有するものであり、請求項７の例は同調可能とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
【００２２】
ここで述べるアンテナは基本的には、共振導体トラック構体が基体上に設けられる、所謂「プリントワイヤアンテナ」（ＰＷＡ）のタイプに属するものである。従って、原則として、これらのアンテナは、マイクロストリップアンテナとは異なり、基体の裏側に基準電位として作用する金属面を持たないワイヤアンテナである。
【００２３】
以下述べる各実施例のものは、ほぼ立方形のブロックによって形成される基体を具えており、そのブロックの高さＤは、その長さＡ又は幅Ｃよりも２〜１０分の１小さい。これに基づいて、それぞれの図に示すような基体１０の下側及び上側面は、以後の説明ではそれぞれ下側（第１）及び上側（第２）主表面１１，１２を示し、これらの面に垂直の面は第１〜第４側面１３〜１６を示すものとする。
【００２４】
基体としては、立方形状以外に、例えば螺旋通路が後続する対応する共振導体トラック構体が上に設けられる、例えば円筒形状のような形状のものを選択することもできる。
【００２５】
基体はポリマ母材にセラミック粉末を埋め込むことにより、ε_r＞１の誘電定数及び/又はμ_r＞１の相対透磁率を有するように製造することができる。
【００２６】
特に、図１及び図２のアンテナ１は立方形の誘電性基体１０を具えており、その表面上には共振導体トラック構体がある。
【００２７】
導体トラック構体は、前記２つの引用文献DE 100 49 844.2及びDE 100 49 845.0に記載されているように、基体１０上に設けられる１つ又は数個の金属被覆で形成される。これらの金属被覆は上側主表面１２と、側面１３〜１６のうちの１つ又は数個の面との双方に設けることができる。
【００２８】
導体トラック構体はλ／２√ε_rの実効長を有し、ここに、λは自由空間内における信号の波長である。導体トラック構体の寸法は、その長さが、アンテナが電磁パワーを放射する波長のほぼ半分に相当するような寸法とする。例えば、アンテナを2400〜2483.5 MHzの周波数範囲内で作動するブルートゥース標準規格にて使用する場合には、自由空間における信号の波長は12.1 cmとなる。基体の誘電定数ε_rを２０とすれば、１／２波長短くなり、導体トラック構体に必要とされる形状寸法の長さは約13.5 mmに縮小される
【００２９】
基体１０の下側主表面１１には、その全長に亘って、断面がほぼ長方形のチャネル３０として走行しているくぼみ状のキャビティがある。チャネルの幅Bは下側主表面１１に亘って延在し、またその高さHは、チャネル３０を基体１０内に取り入れる深さと同じとする。これにより基体をほぼＵ字状とする。
【００３０】
図２は、上に本発明によるアンテナ１を上に装着するプリント回路板（PCB）４０を示す。このために、はんだスポット（“フットプリント”）を基体の下側主表面上に存在させ、このフットプリントによって基体１０を表面装着（SMD）技法でプリント回路板４０にはんだ付けする。導体トラック構体は、第２主表面１２上の第１平面金属化構体２１と、基体１０の側面１３〜１６に沿って延在する導体トラック２２とによって形成される表面金属被覆とする。導体トラック２２はサプライ端子４５の箇所から出発して、第２側面１３にて終わり、ここで導体トラック２２は第１金属化構体２１に接続される。サプライ端子４５はプリント回路板４０上に存在し、これは放射すべき電磁エネルギーをアンテナ１に供給する。斯種の導体トラック構体を有するアンテナはDE 100 49 844.2に開示されている。
【００３１】
このようなアンテナを実際に実現するに当っては、図１に示すような立方形の基体で、その長さＡが４mmで、幅Ｃが３mmで、高さＤが２mmの基体１０を用いた。
【００３２】
このようなアンテナのチャネルの寸法を各々相違させた６つの例１〜６の放射効率を測定し、これを基体にキャビティがない例０と比較したものを図３に示してある。チャネル３０はいずれの場合にも基体１０の全長に亘って延在させ、且つ導体トラック構体２１，２２は全ての例において同じとした。
【００３３】
個々の例の連続番号０〜６を図３の水平方向の軸に示してあり、また（相対）放射効率、即ち基体にキャビティがないアンテナに対する放射効率を縦軸にパーセントでプロットしてある。
【００３４】
この図３のグラフから極めて明らかなように、全ての実施例１〜６における放射効率は、基体にキャビティがない実施例０に比べて十分に高くなる。
【００３５】
さらに詳しくは、チャネルがない実施例０の場合には42.2 ％の絶対放射効率が得られた。これに対し、断面が1.5×1.5 mm²のチャネルを有する実施例１の場合には、51.2％の絶対放射効率が測定された。実施例２では、チャネルの断面を0.5×0.5 mm²とし、この場合には絶対放射効率が52.6％となった。実施例３のチャネルは、その幅Bを1.0 mmとし、高さHを0.5 mmとした。この場合には、52.8％の放射効率が測定された。実施例４では、チャネルの幅Bを2.0 mm、高さＨを1.0 mmの大きさとした。この場合の放射効率は53.9％となった。実施例５では、チャネルの幅Bを1.0 mm、高さＨを1.5 mmの大きさとした。これによる放射効率は55.9％であった。最後の実施例６では、チャネルの断面を1.0×1.0 mm²とした。この例の場合には、放射効率が最大に増加し、57.2％の放射効率が達成され、これは、基体にキャビティを持たない実施例０の場合における放射効率よりも約15％高い。
【００３６】
さらに、実施例６のアンテナの総重量は実施例０の場合よりも21％軽量化した。
【００３７】
好適例をチャネル状のキャビティにつき説明したが、キャビティは複数個としたり、またその形状を別の形状のものとすることもできる。その選択は、基体の簡単な製造上の観点から行ない、その最も簡単な場合には、下側主表面１１に、アンテナの機械的な安定性が損なわれないように、円筒状の複数個の穴を深さHに設けるようにする。最後に、本発明による効果は、発泡タイプの（誘電性又は透磁性）基体を使用することによっても達成することができる。
【００３８】
図２の変形例として、導体トラック構体は基体１０の第２主表面１２上に設けられる少なくとも第１及び第２導体部分で形成し、これらの部分を実質上蛇行形状に延在させることもできる。この例の利点は特に、基本モードの第１共振周波数と第２共振周波数との周波数間隔を２つの導体部分間の距離を変えることによって基本モードの第１高調波に調整し得ることにある。斯種の導体トラックを有するアンテナについてはDE 100 49 845.0に開示されている。
【００３９】
最後に、基体におけるキャビティの形状及びその固有の特性は、放射すべき電磁波を供給する導体トラック構体のタイプに実質上無関係に選定し得ることに留意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明によるアンテナを概略的に示す図である。
【図２】本発明によるアンテナを有するプリント回路板を示す図である。
【図３】様々な例のアンテナの放射効率を示す図である。

Claims (9)

1. 誘電性又は透磁性の基体及び少なくとも１つの共振導体トラック構体を有し、特に高周波及びマイクロ波レンジにて使用するアンテナにおいて、前記基体が少なくとも１つのキャビティを具えていることを特徴とするアンテナ。
2. 前記キャビティを前記基体によって取り囲まれる少なくとも１つの中空の空所によって形成したことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記キャビティを前記基体の１つ又は数個の表面に設けられる少なくとも１つのくぼみで形成したことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記くぼみを前記基体の長手方向に延在するチャネルとしたことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ。
5. 前記チャネルを断面がほぼ長方形のものとし、該チャネルを前記基体の第１主表面に、該基体がほぼＵ字状となるように設けたことを特徴とする請求項４に記載のアンテナ。
6. 特に高周波及びマイクロ波レンジにて使用する請求項１に記載のアンテナにおいて、前記導体トラック構体を、前記基体の第２主表面上における第１平面金属化構体並びに前記基体の側面の少なくとも一部に沿って延在する導体トラックにより形成されて、放射すべき電磁エネルギーを金属化構体に供給する表面金属被覆としたことを特徴とするアンテナ。
7. 特に高周波及びマイクロ波レンジにて使用する請求項１に記載のアンテナにおいて、前記導体トラック構体を、前記基体の表面上に設けられる少なくとも第１と第２の導体部分で形成し、これらの部分をほぼ蛇行状に延在させ、基本モードの第１周波数と第２周波数との間の周波数間隔を２つの導体部分間の距離を変えることによって基本モードの第１高調波に可調整としたことを特徴とするアンテナ。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のアンテナによって特徴付けられる、特に電子部品表面装着用のプリント回路板。
9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のアンテナによって特徴付けられる、特にブルートゥース、GSM又はUMTSレンジ用の移動体電気通信デバイス。