JP2008028734A

JP2008028734A - 表面実装型アンテナ及びそれを搭載した通信機器

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Publication number: JP2008028734A
Application number: JP2006199629A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Aoyama; 博志青山
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【課題】複数のバンドを一つの携帯端末機器に搭載する場合に利用するアンテナであり、広帯域で利得が高く無指向性が得られる。
【解決手段】アンテナの放射電極をその形状の対称軸に関して線対称とし、、放射電極と接地電極の間と、放射電極と給電電極の間及び放射電極に各々キャパシタンスの他にインダクタンスによるインピーダンス整合機能を付与することで、インピーダンス整合が容易で、よって広帯域に於いて高利得、無指向性を有する小型の表面実装型アンテナが得られる。
【選択図】図１

Description

本発明はセラミックスや樹脂等を基材として利用した誘電体又は磁性体を基体とする小型アンテナに関し、特にアンテナ素子形状を対称にし、インピーダンス整合機能を別途付与した表面実装型アンテナ及びそれを搭載し通信機器に関する。

UHF帯の電波を搬送波とする携帯端末機器の分野に於いてGSM帯、DCS帯、PCS帯、UMTS帯などの複数バンドを一つの携帯端末機器で使用できる技術が求められている。この携帯端末機器に使用されるアンテナ回路には表面実装型アンテナが使用されている。携帯端末機器の小型化と多バンド化は急激なスピードで進められており、表面実装型アンテナも広帯域に於いて放射効率が良く、かつ無指向性であることが要求されている。しかしながら従来の表面実装型アンテナは、広帯域で使用すると特に高い周波数でアンテナ利得の低下や指向性の乱れが起こってくるので、十分な利得と無指向性を広帯域で実現するには必ずしも満足なものではなかった。これは広帯域に於いて複数のバンドで各々十分な利得と無指向性を得るためにアンテナと送信回路のインピーダンス整合を取ることが難しいためで、更には小型化してインピーダンス整合の問題を解決することはより困難であった。

例えば、特願２００１−２９５７４３号公報に記載の表面実装型アンテナは、その放射電極が中心部に関して略対称に設けられているアンテナを開示している。このアンテナは放射電極の略対称性により主偏波方向が揃うので無指向性を保つことができる。しかし放射電極の給電側のインピーダンス整合は給電導体線を放射電極に接続する位置、給電導体線の引き回し方、及びそれらの間隔の調整によって行なうので最適な整合を取るにはその位置関係、間隔の組み合わせは無数にあって最適点を見出すのに多くのパターンで性能を検証しなければならなかった。一方、放射電極の接地点側は直接接続せずにキャパシタンスのみによる結合をしており、インピーダンス整合にインダクタンスは利用されていない。このためアンテナを小型低背化すると、インピーダンス整合が取りにくかった。その結果、広帯域に於いて高特性のアンテナとすることができないという問題点があった。

また、例えば特開２００３−１７９４２６号公報に記載の表面実装型アンテナは、アンテナの給電部と無線回路との間にのみ共振回路を挿入したアンテナを開示している。しかしながら、これでは共振回路が給電部と無線回路との間にしかないので特定の帯域ではインピーダンス整合を取ることは容易であるが、複数の帯域でアンテナ性能を劣化させることなくインピーダンス整合を取ることが難しい。その結果、アンテナ利得や無指向性を維持するならば広帯域にしにくく、特に広帯域にすると高い周波数でのアンテナの指向性に於いて利得の落ち込む点であるヌルが生じやすくなり無指向性が維持しにくくなるという問題があった。

特願２００１−２９５７４３号公報

特開２００３−１７９４２６号公報

従来の表面実装型アンテナでは、複数のバンドを一つの携帯端末機器に搭載する場合に小型低背でありながらインピーダンス整合が容易で、広帯域でアンテナ特性の高いものを得ることが出来ていなかった。しかし、携帯電話等に利用するアンテナでは広帯域で利得が高く、無指向性が維持されるものが必要である。従来、この点での配慮や検討が十分ではなかった。本発明の目的は、放射電極形状をその対称軸に関して線対称とし、放射電極の接地端と接地電極との間にキャパシタンス及びインダクタンスによるインピーダンス整合部を設け、かつ放射電極の給電端と給電電極との間にもキャパシタンス及びインダクタンスによるインピーダンス整合部を設けると共に、放射電極の形状にキャパシタンスとインダクタンスの整合機能をもたせてインピーダンス整合が容易で小型化できるアンテナであって、特に複数のバンドを一つの携帯通信機器に搭載する携帯電話等に適しており、広帯域に於いて高利得、かつ無指向性を有する表面実装型アンテナを提供することである。本発明のもう一つの目的は、この表面実装型アンテナを搭載したヘッドフォン、パソコン、ノートパソコン、デジタルカメラ等用の通信機器を提供することである。

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、放射電極をその形状の対称軸に関して線対称とし、放射電極と接地電極の間と、放射電極と給電電極の間に各々キャパシタンスの他にインダクタンスを有するインピーダンス整合機能を付与することで、インピーダンス整合が容易で広帯域に於いて高利得、無指向性を有する小型の表面実装型アンテナが得られることを発見し、本発明に想到した。

回路基板の少なくとも上面に設けられた放射電極と、前記放射電極の一端に面するように前記回路基板に設けられた接地電極と、前記放射電極の他端に面するように前記回路基板に設けられた給電電極とを具備する表面実装型アンテナであって、前記放射電極はその形状の対称軸に関して線対称であり、前記放射電極の一端は接地端であり、他端は給電端であり、前記接地端と前記接地電極との間にキャパシタンス及びインダクタンスにより構成される装荷素子であるインピーダンス整合部を有し、かつ前記給電端と前記給電電極との間にもキャパシタンス及びインダクタンスにより構成される装荷素子であるインピーダンス整合部を有することを特徴とする。このインピーダンス整合部は１つのポートからなり、放射電極の接地端と給電端に各々接続されるのが好ましい。

本発明において、前記放射電極は、前記回路基板に搭載された板状または略直方体状の基体の表面に設けられた導体パターンからなるアンテナであることが好ましい。基体の形状は略直方体状に限るものでなく断面形状がコの字状、ロの字状、Ｌ字状、台形状或いは基体の長手方向の断面形状がコの字状、ロの字状、弧状など適宜の形状がある。基体の材質は磁性体、誘電体、またこれらの積層体としても良い。ここで基体は磁性体や誘電体であるので、基体を使用することにより誘電率が高くなり導体パターンからなる放射電極を基体に巻回する場合、基体を使用しない場合に比べ放射電極の全体長さを短くすることが出来る。よってアンテナ全体を小さくすることが出来る。また、前記放射電極は前記回路基板の表面に載置された副基板に設けられた導体パターンからなるアンテナであってもよい。前記放射電極は、前記回路基板の送受信回路側にある接地導体の縁部に対してギャップを介して接地導体が存在しない領域に配置され、前記給電電極は送受信回路側に配置されていることが好ましい。

本発明の好ましい他の実施例では、前記放射電極の形状及び配置する位置を変えることによりキャパシタンス及びインダクタンスを調整し、もってインピーダンス整合を行うことができることが好ましい。前記放射電極は、ループ状であり、その形状の対称軸に関して線対称となる形状をなし、前記ループ状の放射電極の一部分には、コの字状、Ｕ字状、若しくはクランク軸状のいずれかの形状を有し、この部分に於ける相対する放射電極間のキャパシタンスや放射電極の長さ分によるインダクタンスによりインピーダンスの整合機能を有することが好ましい。前記放射電極は、その長さが送受信に使用される電波の１／２もしくは１／４波長であることが好ましい。

本発明の好ましい別の実施例では、前記放射電極の一端は接地端であり、他端は給電端であり、前記接地端と接地電極との間にあるキャパシタンス及びインダクタンスによるインピーダンス整合部と、前記給電端と前記給電電極との間にあるキャパシタンス及びインダクタンスによるインピーダンス整合部は、回路基板の表面に導体パターンで形成されている。アンテナを回路基板の接地導体がない回路基板面に実装すれば最大の特性が期待できるが、アンテナ性能は若干やや劣るが接地導体面上に実装することも可能である。

以上のように本発明によれば、従来実現できなかった複数のバンドを一つの機器に搭載する場合に、小型低背でありながらインピーダンス整合が容易で、広帯域において高利得、無指向性を有するアンテナ装置を得ることができる。また、携帯電話だけでなくＧＰＳや無線ＬＡＮ等に用いた場合に機器の性能を充分引き出した携帯通信機器とすることができる。

以下、本発明を図面に示す実施形態と共に詳細に説明する。まず、インピーダンス整合が困難になる理由について述べておく。基板に放射電極、接地電極及び給電電極等を配置すると、各電極間にキャパシタンスが生成される。給電電極と放射電極との間のキャパシタンスの増大は入力インピーダンスを低下させ、インピーダンスの不整合を引き起こす。

図１は本発明の回路基板上に導体パターンで放射電極が形成され、放射電極の両端にそれぞれ装荷素子であるインピーダンス整合部が接続された２ポート方式アンテナであるアンテナ装置の実施形態の一例を示す図である。図１において２Ａは２ポート方式の導体パターンアンテナであるアンテナ装置、２４は装荷素子を示す。図１７は装荷素子２４の一例を示す図である。

本実施例の放射電極の接地端と給電端に装荷素子であるインピーダンス整合部のポートを各々有する２ポート方式のアンテナ装置は放射電極２２を回路基板１の接地導体が存在しない領域１ａに、その形状の対称軸ｍに関して線対称に導体パターンを印刷して形成する。したがって、アンテナ装置は接地導体が存在しない領域１ａに導体パターンで形成した放射電極２２と、放射電極２２の接地端２３ｂに接続された装荷素子２４ｂと、放射電極２２の給電端２３ａに接続された装荷素子２４ａとで構成される。装荷素子２４ｂは接地端２３ｂと接地電極２５ｂとの間にあるキャパシタンス及びインダクタンスによるインピーダンス整合部であり、装荷素子２４ａは給電端２３ａと給電電極２５ａとの間にあるキャパシタンス及びインダクタンスによるインピーダンス整合部である。放射電極２２の配置位置及び形状は各周波数帯域で十分な利得と無指向性が得られるようにインピーダンス整合を取って決める。この場合、接地導体が存在しない領域１ａと回路基板１は、ほぼ同じ厚さとすることができ本発明を利用した携帯通信機器の高さを大幅に低くすることもできる。

また、この例では装荷素子としてキャパシタンス及びインダクタンス素子を示しているが、装荷素子も回路基板に印刷した導体のパターンとすることも可能で、この場合装荷素子が印刷された部分においても基板は、ほぼ同じ厚さとすることができ、もって本発明である携帯通信機器の高さを大幅に低くすることもできる。

本発明の２ポート方式であるアンテナ装置は、放射電極をその形状の対称軸に関して線対称に形成するとともに、放射電極の一端である接地端と接地電極との間にキャパシタンス及びインダクタンスによるインピーダンス整合部を挿入し、放射電極の他端である給電端と給電電極との間にもキャパシタンス及びインダクタンスによるインピーダンス整合部を挿入することによりインピーダンス整合を図るものである。従来のこの種のアンテナでは、等価回路上のキャパシタンスのみを与える構成であったが、本発明により等価回路上キャパシタンスに加えインダクタンスが獲得できる装荷素子を放射電極の一端と接地電極間及び放射電極の他端と給電電極間に実装したことにより広帯域でインピーダンス整合がより容易になったところに本願発明の大きな特徴のひとつがある。

また本発明の２ポート方式のアンテナ装置には用途に応じて種々の形態があるので、インピーダンス整合条件は、それらの広汎な要件を満足する必要がある。このため放射電極はインダクタンスの並列成分Ｌ_ｉ（ｉ＝１，２，３）とキャパシタンスの並列成分Ｃ_ｉとの組合せと見なせるので、この放射電極をループ状にして、さらにその放射電極の途中にコの字状、Ｕ字状、クランク軸状、又はこれらを組合せた形の屈曲形状をなす放射電極部分を形成することにより、インダクタンスとキャパシタンスを任意に設定できる。インダクタンスは放射電極の長さに比例し、キャパシタンスは接地電極と放射電極、または放射電極とその放射電極の別の部分との対向長さの関数である。従って、本発明の放射電極を用いてインピーダンス整合を行う場合は、まず等価回路中のＬ_ｉ、Ｃ_ｉのうちどれをどの程度とすべきかをおおよそ決める。次にＬ_ｉは放射電極の長さに比例し、Ｃ_ｉは放射電極と接地電極、または放射電極とその放射電極の別な部分との対向長さの関数であることを利用すると、インピーダンス整合のために望ましいパラメータを満足する放射電極の形状を容易に設定することができる。

本発明の２ポート方式のアンテナ装置であるアンテナの全体長さ、屈曲部分の形状、長さなどを決めるには、上記のようなインピーダンス整合条件を考慮し、各周波数帯におけるアンテナの共振周波数を決める必要がある。まずループ状に形成する放電電極の全長を決めるが、低い周波数帯であるＧＳＭ帯に１／４波長で共振する長さにする。次にループ状に形成した放射電極において、その形状の中心点に関して略対称となるような位置にコの字状やＵ字状の屈曲部分を設ける。一方、その屈曲形状をなす放射電極部分をショートパスして合計した放電電極の長さが、高い周波数帯のＤＣＳ／ＰＣＳ帯に１／２波長で共振する長さとなるようにその屈曲形状をなす放射電極部分を除いて全長を決める。これにより複数帯域に共振させる基本的なアンテナの長さの条件を決めることができる。

一方、放射電極から電波を空中に効率よく指向性の乱れが少なく、すなわちヌル点を生じさせること無く放射させるためには、放射電極の接地端でのインピーダンスはＧＳＭ帯で使用する場合はハイインピーダンスとなり、ＤＣＳ／ＰＣＳ帯で使用する場合はローインピーダンス（特性インピーダンス：５０Ω）となると共に、放射電極の給電端ではＧＳＭ帯、ＤＣＳ／ＰＣＳ帯共にローインピーダンスとなる必要がある。このようにインピーダンス整合させるためには放射電極の全長と屈曲部分の形状を決めた後、まずＧＳＭ帯で送受信回路を作動させ接地端でハイインピーダンスとなるように、ＤＣＳ／ＰＣＳ帯で送受信回路を作動させ接地端でローインピーダンスとなるように接地点端と接地電極の間に挿入されている装荷素子のＬとＣを増減させて調整し、ＬとＣの値をおよそ決める。しかしこのＬとＣの値を決めた段階では接地端においては整合が取れたものの給電端においてはインピーダンスにずれを生じている。そこで送受信回路からの高周波電力が、回路基板の給電線を介して給電電極に伝達されたとき、給電端において電圧反射が生じないようにする必要があるが、ＧＳＭ帯、ＤＣＳ／ＰＣＳ帯共にローインピーダンスとなるように給電端と給電電極の間に挿入されている装荷素子のＬとＣを再度増減させて調整し、ＬとＣの値を決定する。この整合が取れた目安としては対象とする周波数帯で電圧定在波比（以下ＶＳＷＲとする）がおよそ３以下になることである。

更には、本発明では放射電極の長さや形状を適宜設定するだけでなくループ状に形成した放射電極上にその形状の対称軸に関して線対称となるような位置にコの字状やＵ字状の屈曲形状をなす部分を設け、この屈曲形状をなす部分で形成されるＬとＣを増減させることにより複数帯域でのインピーダンス整合を容易にしており、これにより帯域幅BWを任意に設定できる。この屈曲形状をなす部分で形成されるＬとＣは並列共振とみなせるので帯域幅ＢＷとＱ及びＣ／Ｌの間にはＢＷ ∝１／Ｑ及びＱ＝１／Ｒ√（Ｃ／Ｌ）の関係があることになり、屈曲形状をなす部分で形成されるＬとＣを増減させることによりＣ又はＣ／Ｌを制御すれば、帯域幅ＢＷを広げることができる。例えば、屈曲形状をなす部分の導体パターンの対向する部分を長くすればインダクタンス分（Ｌ）とキャパシタンス分（Ｃ）を大きくとることができる。また屈曲形状をなす部分の導体パターンの対向する部分を離せばインダクタンス分（Ｌ）は大きくすることができるが、キャパシタンス分（Ｃ）は小さくすることができる。このことによって、ＤＣＳ／ＰＣＳ帯より少し高い周波数帯であるＵＭＴＳ帯までを含む広帯域においてもインピーダンス整合を容易にすることができ、よってＧＳＭ帯、ＤＣＳ／ＰＣＳ帯、ＵＭＴＳ帯である４つの帯域を含む広帯域に於いて高利得、かつ無指向性を有するアンテナとすることができる。つまり、本発明によるアンテナ装置２Ａである導体パターンアンテナは図２に示す等価回路を有する。

図３は本発明の第２の実施例に記載の２ポート方式の基体を使用したチップアンテナで構成されるアンテナ装置２Ｂを搭載した状態を示す平面図である。このアンテナは、直方体状の基体２１の上面に配設された放射電極２２と、放射電極２２の接地端２３ｂに接続された装荷素子２４ｂと、放射電極２２の給電端２３ａに接続された装荷素子２４ａとを有する。チップアンテナに使用される基体２１の形状は略直方体で、その断面形状がコの字状、ロの字状、Ｌ字状、台形状であったり、長手方向断面形状がコの字状、ロの字状、湾曲状の直方体であっても良い。本発明の第２の実施例に記載のアンテナ装置２Ｂは特開２００３−１７９４２６号公報に記載の表面実装型アンテナに於いて給電端と給電電極間に装荷素子を挿入した点で似た構成を有するが、装荷素子２４ｂが放射電極２２の接地端２３ｂと接地電極２５ｂの間と、装荷素子２４ａが放射電極２２の給電端２３ａと給電電極２５ａの間に各々挿入されている点で異なる。基体２1の底面２１ａには半田付け用電極以外の電極は配置されておらず、またチップアンテナで構成されるアンテナ装置２Ｂも回路基板１上の接地導体が存在しない領域１ａに実装されるので、接地導体との静電容量結合が少なく、いかなる方向にもほぼ均一な放射電界パターンを示し、その結果良好な無指向性が得られる。放射電極２２は、ループ状に形成された放射電極であって、放射電極２２のその形状の対称軸ｍに関して線対称となる位置にコの字状やＵ字状にした放射電極２２の屈曲形状をなす部分を設ける。放射電極２２は一端に接地電極２５ｂに装荷素子２４ｂを介して接続される接地端２３ｂを有するとともに、他端に送受信回路の給電電極２５ａに装荷素子２４ａを介して接続される給電端２３ａを有する。ループ状の放射電極２２上に設けられた屈曲形状をなす部分の導体パターン長さ部分はＧＳＭ帯に共振させるために必要なインダクタンスを生成するとともに、放射電極２２の屈曲形状をなす部分の導体パターンの対抗する長さ部分ではキャパシタンスを生成する。従って、本発明によるアンテナ装置２Ｂであるチップアンテナは図２に示す等価回路を有する。

更に付け加えるならば、本発明の第２の実施例では、インダクタンスＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３各々放射電極２２の屈曲形状をなす部分を構成する導体パターンである２２１、２２２、２２３に対応し、キャパシタンスＣ_ｉは放射電極２２の導体パターン２２１と導体パターン２２３との相対する部分の間で形成される。従って、放射電極２２の屈曲形状をなす部分を構成する導体パターン２２１、２２２、２２３の長さ及び形状を適宜設定してＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３及びＣ_ｉを変化させることにより、給電端から放射電極をみた入力インピーダンスZ_inを５０ Ωに一致させることができる。このように入力インピーダンスの整合を放射電極の一端と接地電極間及び放射電極の他端と給電電極間に各々設けた装荷素子による整合回路とは別に、放射電極２２の屈曲形状をなす部分を構成する導体パターン２２１、２２２、２２３のインダクタンスに加えて、放射電極２２の導体パターン２２１と導体パターン２２３の長さと、導体パターン２２１と導体パターン２２３の対抗する長さ部分の間隔を調整することによりキャパシタンスを操作できることは、本発明の重要な特徴である。

図４、図５は本発明の第２の実施例による２ポート方式のチップアンテナで構成されるアンテナ装置２Ｂの基体に印刷される導体パターン形状の例を示す。回路基板上の配置スペースの関係から図４や図５などの印刷パターンが可能であるが、広帯域で良好なアンテナ性能にするには、接地導体の端面から最も離れた放射電極ループ部の直線部分の導体パターン２２４と、装荷素子に最も近い側の放射電極２２の導体パターン２２１がなるべく離れた方が、電極部分間での静電容量結合を生ずる度合いが減少するので好ましい。図３と図４を比べると、図３では放射電極２２のループ部の直線部分の導体パターン２２４(図示なし)が放射電極２２の導体パターンの直線部分２２１が印刷されている上面と異なる図３では見えない側面に印刷されていることを示している。また図４では放射電極２２のループ部の直線部分の導体パターン２２４が基体２１の上面に印刷されていることを示している。従って、図３の放射電極２２の導体パターン２２１と放射電極２２のループ部の直線部分の導体パターン２２４間の距離に比べ、図４では放射電極２２の導体パターン２２１と放射電極２２のループ部の直線部分の導体パターン２２４間の距離が近いため静電容量がより大きい。つまり図３の方が静電容量結合は少なく、より広帯域にできる。また、図５は図３のケースで放射電極２２の屈曲形状をなす部分の導体パターン２２１、２２２，２２３の全てが基体２１の一側面にある場合であり、静電容量結合の度合いは図３よりやや大きくなる。しかし図５ではアンテナ装置２Ｂに必要な空間スペースとしては高さがやや高くなるものの、上から見た投影面積を小さくできるのでその分回路基板を小さくすることができる。

図６、図７、図８は本発明の第２の実施例における他の基体形状の例を示す。図６や図７のように基体２１ａ〜２１ｆの断面形状はコの字状、ロの字状、Ｌ字状、台形状或いは図８のように基体２１ｇ〜２１ｆの長手方向の断面形状がコの字状、ロの字状、弧状などであってもよい。これらのように基体２１の一部分を削り取った形にすることにより誘電体の体積が減り誘電率を下げることができ、その結果静電容量が小さくなり広帯域化できる。また基体の一部分を削り取るのでその分重量を減らすこともできる。図８のように特に長手方向の断面形状がコの字状、ロの字状、弧状などの基体を使用する場合、接地導体側から最も離れた放射電極のループ部の直線部分である導体パターン２２４が接地導体側と、より離れるような配置にすることができるので静電容量をさらに小さくでき広帯域化できる。

図９は本発明の第3の実施例による２ポート方式のアンテナ装置２Ｃを示す。上記実施例と同じ部分には同一符号を付し、それらの説明を省略する。このアンテナは、回路基板１の接地導体が存在しない領域１ａに載置される立設された副基板３１の表面に配設された放射電極２２と、放射電極２２の接地端２３ｂに接続された装荷素子２４ｂと、放射電極２２の給電端２３ａに接続された装荷素子２４ａとを有する。立設された副基板３１には放射電極２２と立設された副基板３１を固定する半田付け用電極以外の電極は配置されておらず、また立設された副基板３１も回路基板１上の接地導体が存在しない領域１ａに実装されるので、接地導体との静電容量結合が少なくなることにより、いかなる方向にもほぼ均一な放射電界パターンを示し、その結果良好な無指向性が得られる。副基板３１の表面に配設された放射電極２２は立設された副基板３１の片面にあっても良いし、両面に跨っても良い。また副基板の厚さを厚くしていくと直方体状になるので、本発明の第3の実施例は本発明の第２の実施例に記載のアンテナ装置２Bであるチップアンテナの別態様でもある。放射電極２２は、ループ状に形成した放射電極であって、放射電極２２の形状の対称軸ｍに関して線対称である位置にコの字状やＵ字状にした放射電極２２の屈曲形状をなす部分を設ける。放射電極２２は一端に接地電極２５ｂに装荷素子２４ｂを介して接続される接地端２３ｂを有するとともに、他端に送受信回路の給電電極２５ａに装荷素子２４ａを介して接続される給電端２３ａを有する。ループ状の放射電極２２上に設けられた屈曲形状をなす部分の導体パターン部分はＧＳＭ帯に共振させるために必要なインダクタンスを生成するとともに、放射電極２２の屈曲をなす部分の導体パターン部分における相対する部分ではキャパシタンスを生成する。このように回路基板１上の接地導体が存在ない領域１ａに載置される立設された副基板３１の表面に放射電極２２を印刷して形成することにより、基体を使用することなく放射電極部分を構成することができるので小型で安価の携帯通信端末機器を提供することができる。従って、本発明によるアンテナ装置２Cは図２に示す等価回路を有する。

本実施例では、第一の実施例と同様にインダクタンスＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３は各々放射電極２２の屈曲形状をなす部分を構成する導体パターンである２２１、２２２、２２３に対応し、キャパシタンスC_iは放射電極２２の導体パターン２２１と導体パターン２２３との相対する部分間で形成される。従って、放射電極２２の屈曲形状をなす部分を構成する導体パターン２２１、２２２、２２３の長さ及び形状を適宜設定してＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３及びC_iを変化させることにより、給電端から放射電極をみた入力インピーダンスZ_inを５０Ωに一致させることができる。このように入力インピーダンスの整合を放射電極の一端と接地電極間及び放射電極の他端と給電電極間に各々設けた装荷素子による整合回路とは別に、放射電極２２の屈曲形状をなす部分を構成する導体パターン２２１、２２２、２２３のインダクタンスに加えて、放射電極２２の導体パターン２２１と導体パターン２２３の長さと、導体パターン２２１と導体パターン２２３の対抗する長さ部分での間隔を調整することによりキャパシタンスを操作できることは、広帯域に於いて高利得、無指向性を有する本発明の重要な特徴である。

図１０は本発明の第4の実施例による２ポート方式のアンテナ装置２Ｄを示す。上記実施例と同じ部分には同一符号を付し、それらの説明を省略する。このアンテナは、回路基板１の接地導体が存在しない領域１ａに回路基板１と平行に一定空間を空けて回路基板１に載置される平面状の副基板４１の表面に印刷された放射電極２２と、放射電極２２の接地端２３ｂに接続された装荷素子２４ｂと、放射電極２２の給電端２３ａに接続された装荷素子２４ａとを有する。副基板４１には放射電極２２と副基板を固定する半田付け用電極以外の電極は印刷されておらず、また副基板４１は回路基板１上の接地導体の存在しない領域１ａに載置されるので、接地導体との静電容量結合が少なくなることにより、いかなる方向にもほぼ均一な放射電界パターンを示し、その結果良好な無指向性が得られる。副基板４１の表面に印刷された放射電極２２は副基板４１の片面にあっても良いし、両面にあっても良い。放射電極２２は、ループ状に形成された電極であって、放射電極２２の形状の対称軸ｍに関して線対称な位置にコの字状やＵ字状にした放射電極２２の屈曲形状をなす部分を設ける。放射電極２２は一端に接地電極２５ｂに装荷素子２４ｂを介して接続される接地端２３ｂを有するとともに、他端に送受信回路の給電電極２５ａに装荷素子２４ａを介して接続される給電端２３ａを有する。ループ状に形成された放射電極２２上に設けられた屈曲形状をなす部分の導体パターン長さ部分はＧＳＭ帯に共振させるために必要なインダクタンスを生成するとともに、放射電極２２の屈曲形状をなす部分の導体パターン部分の相対する部分ではキャパシタンスを生成する。このように回路基板１と平行に回路基板１上の接地導体が存在しない領域１ａに載置される平面状の副基板４１の表面に放射電極２２を印刷して形成することにより、導体パターンが印刷された基体としてのアンテナチップを使用することなくアンテナ回路部分を構成することができるので小型で薄型の携帯通信端末機器を提供することができる。従って、本発明によるアンテナ装置２Ｄは図２に示す等価回路を有する。

本実施例では、第１の実施例と同様にインダクタンスＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３は各々放射電極２２の屈曲形状をなす部分を構成する導体パターンである２２１、２２２、２２３に対応し、キャパシタンスＣ_ｉは放射電極２２の導体パターン２２１と導体パターン２２３との対抗する長さ部分の間で形成される。従って、放射電極２２の屈曲形状をなす部分を構成する導体パターン２２１、２２２、２２３の長さ及び形状を適宜設定してＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３及びＣ_ｉを変化させることにより、給電点から放射電極をみた入力インピーダンスZ_inを５０Ωに一致させることができる。このように入力インピーダンスの整合を放射電極の一端と接地電極間及び放射電極の他端と給電電極間に各々設けた装荷素子による整合回路とは別に、放射電極２２の屈曲形状をなす部分を構成する導体パターン２２１、２２２、２２３のインダクタンスに加えて、放射電極２２の導体パターン２２１と導体パターン２２３の長さと、導体パターン２２１と導体パターン２２３の対抗する長さ部分での間隔を調整することによりキャパシタンスを操作できることは、広帯域に於いて高利得、無指向性を有する本発明の重要な特徴である。

次に、本実施例の２ポート方式であるアンテナ装置の作用効果を説明する。本発明者は上述したアンテナ装置の作用効果を検証するため図１に示す実施例１および図３に示す実施例２について、アンテナの特性試験を行った。インピーダンス整合を容易にするため実施例１および実施例２については、接地端と接地電極との間と、給電端と給電電極との間に各々装荷素子によるインピーダンス整合部を設けている。また実施例２の基体２１は、比誘電率εrが８のセラミックス誘電体により形成し、その基体寸法は実施例２では長さ３０ mm×幅３ mm×厚さ２ mmとした。一般に実施例１の平面アンテナは実施例２のチップアンテナよりも無指向性が良好であることが確認されているため、実施例２で良好な無指向性が得られれば実施例１は実施例２より良好な無指向性が得られる。したがって、測定伝搬周波数帯は実施例１については、ＧＳＭ帯、ＤＣＳ／ＰＣＳ帯におけるＶＳＷＲ２での帯域幅ＢＷ（ＭＨｚ）、平均利得（ｄＢｉ）とし、実施例２については、ＧＳＭ帯、ＤＣＳ／ＰＣＳ帯、ＵＭＴＳ帯として、ＶＳＷＲ２での帯域幅ＢＷ（ＭＨｚ）、平均利得（ｄＢｉ）及び指向性を測定した。ここでＶＳＷＲを２で測定した理由は、携帯通信端末機器の性能として帯域内でＶＳＷＲが３以下であれば十分実用性が確保できるからである。

図１１は本発明の回路基板上に導体パターンで放射電極を形成し、放射電極の両端にそれぞれ装荷素子が接続された２ポート方式であるアンテナ装置２ＡのＧＳＭ帯、ＤＣＳ／ＰＣＳ帯、ＵＭＴＳ帯におけるＶＳＷＲの測定結果を示す図である。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（Scattering Parameter）を測定することにより、この値に基いてＶＳＷＲを算出した。図１１のデータでは対象とするＧＳＭ帯、ＤＣＳ／ＰＣＳ帯、ＵＭＴＳ帯において３以下のＶＳＷＲの値が得られており、アンテナに送られた電力の反射が少なく効率よくアンテナに伝わり、携帯通信端末機器の実用通信上、十分な特性が得られていることが分かる。

図１２は本発明による２ポート方式のチップアンテナで構成されるアンテナ装置２ＢのＧＳＭ帯における利得測定結果を示す図である。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Ｐ_ａとし、既知の利得Ｇ_ｒ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Ｇ_ａは、Ｇ_ａ＝Ｇ_ｒ×Ｐ_ａ／Ｐ_ｒ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１２〜１４に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸および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ＧＳＭ帯、ＤＣＳ帯、ＵＭＴＳ帯毎にそれぞれ測定した。尚、Ｘ軸は携帯通信端末機器の操作面を正面として横方向、Ｙ軸は携帯通信端末機器の操作面を正面として縦方向およびＺ軸は携帯通信端末機器の操作面を正面として正面に垂直方向に合わせるものとする。特に携帯通信端末機器の操作はその操作形態からＹ軸をおおむね地面に向けて使用するケースが多く、また基地局は垂直偏波を使用するためＸ―Ｚ面での垂直偏波の無指向性が重要である。その場合の利得としてはＹ軸の全周に亘って−６ｄＢｉ以上あれば良い。図１２のＧＳＭ帯における利得測定結果ではＸ―Ｚ面での垂直偏波の平均利得が−０．１８ｄＢｉで最大利得が０．７１ｄＢｉあり、十分な垂直偏波の利得と無指向性が得られていることがわかる。同様に図１３のＤＣＳ帯における利得測定結果ではＸ―Ｚ面での垂直偏波の平均利得が−５．３８ｄＢｉで最大利得が−３．２２ｄＢｉあり、十分な垂直偏波の利得と無指向性が得られていることがわかる。同様に図１４のＵＭＴＳ帯における利得測定結果ではＸ―Ｚ面での垂直偏波の平均利得が−５．５５ｄＢｉで最大利得が−３．６７ｄＢｉあり、十分な垂直偏波の利得と無指向性が得られていることがわかる。ここでＤＣＳ帯に近接するＰＣＳ帯の測定データはないが、ＰＣＳ帯に近接するＤＣＳ帯とＰＣＳ帯より高い周波数帯であるＵＭＴＳ帯に於いても十分な垂直偏波の利得と無指向性が得られているので、ＤＣＳ帯とＵＭＴＳ帯の間にあるＰＣＳ帯においても十分な垂直偏波の利得と無指向性が得られているといえる。

図１５は本発明による２ポート方式の導体パターンで構成されるアンテナ装置２ＡのＧＳＭ帯におけるＸ―Ｚ面での垂直偏波の平均利得測定結果であり、図１６は本発明による導体パターンで構成されたアンテナ装置２ＡのＤＣＳ／ＰＣＳ帯におけるＸ―Ｚ面での垂直偏波の平均利得測定結果である。図１５のＧＳＭ帯における利得測定結果ではＸ―Ｚ面での垂直偏波の平均利得の下限が約−３ｄＢｉであり、図１６のＤＣＳ／ＰＣＳ帯、ＵＭＴＳ帯における利得測定結果ではＸ―Ｚ面での垂直偏波の平均利得の下限が−約４ｄＢｉである。一般に導体パターンアンテナはチップアンテナに比べ指向性についての特性が良好であるため、上記導体パターンアンテナの平均利得が−６ｄＢｉ以上であることからＸ―Ｚ面での十分な垂直偏波の無指向性が得られているといえる。

以上の結果より、実施例１の２ポート方式の導体パターンで構成されたアンテナ装置２Ａは、ＧＳＭ帯、ＤＣＳ／ＰＣＳ帯、ＵＭＴＳ帯のいずれにおいてもＶＳＷＲが３以下となり実用通信上十分なＶＳＷＲであり、アンテナ利得もＧＳＭ帯の場合はＺ−Ｘ面で−３ｄｂ以上、ＤＣＳ／ＰＣＳ帯で−４ｄｂ以上を達成して、実用通信上十分な無指向性が得られることがわかった。また実施例２のアンテナは実施例１のものに比べ放射利得がやや低いものの、特にＺ−Ｘ面で利得がほぼ円に近く、実用的な無指向性が得られた。以上より実施例１、実施例２のアンテナについて帯域幅、放射利得、指向性の全てに於いてバランスのとれた良好なアンテナ性能が得られた。

本発明の第１の実施例を示すアンテナ装置２Ａの平面図である。本発明のアンテナ装置の等価回路図である。本発明の第２の実施例を示すアンテナ装置２Ｂの平面図である。本発明の第２の実施例によるアンテナ装置２Ｂの基体に印刷される別の導体パターン形状の例を示す斜視図である本発明の第２の実施例によるアンテナ装置２Ｂの基体に印刷される更に別の導体パターン形状例を示す斜視図である。本発明の第２の実施例における他の基体形状の例を示す図である。本発明の第２の実施例における他の基体形状の例を示す図である。本発明の第２の実施例における他の基体形状の例を示す図である。本発明の第3の実施例によるアンテナ装置２Ｃの斜視図である。本発明の第4の実施例によるアンテナ装置２Ｄの斜視図である。本発明によるアンテナ装置２ＡのＧＳＭ帯、ＤＣＳ／ＰＣＳ帯、ＵＭＴＳ帯におけるＶＳＷＲの測定結果を示す図である。本発明によるアンテナ装置２ＢのＧＳＭ帯における利得測定結果である。本発明によるアンテナ装置２ＢのＤＣＳ帯における利得測定結果である。本発明によるアンテナ装置２ＢのＵＭＴＳ帯における利得測定結果である。本発明によるアンテナ装置２ＡのＧＳＭ帯における利得測定結果である。本発明によるアンテナ装置２ＡのＤＣＳ／ＰＣＳ帯における利得測定結果である。本発明のアンテナ装置に使用される装荷素子２４の一例を示す図である。

符号の説明

１：回路基板
１ａ：接地導体が存在しない領域
１b：接地導体が存在する領域
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ：アンテナ装置
２１、２１ａ〜２１ｋ：基体
２２：放射電極
２３ａ：給電端
２３ｂ：接地端
２４、２４ａ、２４ｂ：装荷素子
２５ａ：給電電極
２５ｂ：接地電極
２２１、２２２、２２３、２２４：導体パターン
３1：立設された副基板
４１：副基板
ｍ：対称軸
Ｌ、Ｌ_ｉ、Ｌ_０，Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３：インダクタンス
Ｃ、Ｃ_ｉ：キャパシタンス

Claims

回路基板の少なくとも上面に設けられた放射電極と、前記放射電極の一端に面するように前記回路基板に設けられた接地電極と、前記放射電極の他端に面するように前記回路基板に設けられた給電電極とを具備する表面実装型アンテナであって、前記放射電極はその形状の対称軸に関して線対称であり、前記放射電極の一端は接地端であり、他端は給電端であり、前記接地端と前記接地電極との間にキャパシタンス及びインダクタンスによるインピーダンス整合部を有し、かつ前記給電端と前記給電電極との間にもキャパシタンス及びインダクタンスによるインピーダンス整合部を有することを特徴とするアンテナ装置。
請求項１に記載の表面実装型アンテナにおいて、前記放射電極は、前記回路基板に搭載された板状または略直方体の基体の表面に設けられた導体パターンであることを特徴とするアンテナ装置。
請求項１に記載の表面実装型アンテナにおいて、前記放射電極は前記回路基板上に載置された副基板に設けられた導体パターンであることを特徴とするアンテナ装置。
請求項1〜３のいずれかに記載のアンテナ装置において、前記放射電極の形状及び配置する位置を変えることによりキャパシタンス及びインダクタンスを調整し、もってインピーダンス整合を行うことができることを特徴とするアンテナ装置。
請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ装置において、前記放射電極はループ状の形状をなし、前記ループ状の放射電極の一部分にはコの字状、Ｕ字状、若しくはクランク軸状のいずれかの形状を有することを特徴とするアンテナ装置。
請求項1〜５のいずれかに記載のアンテナ装置において、前記放射電極は、その長さが送受信に使用される電波の１／２波長もしくは１／４波長であることを特徴とするアンテナ装置。
請求項1〜６のいずれかに記載のアンテナ装置において、前記放射電極の一端は接地端であり、他端は給電端であり、前記接地端と接地電極との間にあるキャパシタンス及びインダクタンスによるインピーダンス整合部と、前記給電端と前記給電電極との間にあるキャパシタンス及びインダクタンスによるインピーダンス整合部は、回路基板の表面に導体パターンで形成されたことを特徴とするアンテナ装置。
請求項1〜７記載のアンテナ装置を内蔵したことを特徴とする携帯通信機器。