JP2009077028A - アンテナ装置、および、通信装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】周波数帯域の広いアンテナを提供することができる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】アンテナ装置は、給電素子と無給電素子とを備える。ここで、給電素子は、給電部と、一端が給電部に接続された線状の整合素子と、整合素子の他端に接続されるとともに他端から遠いほど幅が広くなる部分を含む拡張平板部と、を含む。無給電素子は、拡張平板部とほぼ平行に配置された無給電平板部を含む。
【選択図】図3
【解決手段】アンテナ装置は、給電素子と無給電素子とを備える。ここで、給電素子は、給電部と、一端が給電部に接続された線状の整合素子と、整合素子の他端に接続されるとともに他端から遠いほど幅が広くなる部分を含む拡張平板部と、を含む。無給電素子は、拡張平板部とほぼ平行に配置された無給電平板部を含む。
【選択図】図3
Description
本発明は、アンテナ装置に関するものである。
携帯電話や無線ネットワーク端末等の無線通信機器が広く普及している。このような無線通信機器のために、種々のアンテナが提案されている。例えば、平板状の放射電極に整合素子を追加したアンテナが提案されている。
近年、広い周波数帯域を利用する無線通信方式が提案されている。このような通信方式としては、例えば、UWB(Ultra Wide Band)やWiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)が挙げられる。このような通信方式を利用するために、周波数帯域の広いアンテナを提供する技術が望まれていた。
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、周波数帯域の広いアンテナを提供することができる技術を提供することを目的とする。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
[適用例1]アンテナ装置であって、給電部と、一端が前記給電部に接続された線状の整合素子と、前記整合素子の他端に接続されるとともに前記他端から遠いほど幅が広くなる部分を含む拡張平板部と、を含む給電素子と、前記拡張平板部とほぼ平行に配置された第1無給電平板部を含む第1無給電素子と、を備える、アンテナ装置。
この構成によれば、給電素子と無給電素子との間の電磁的な相互作用によって、周波数帯域の広いアンテナを提供することができる。
[適用例2]適用例1に記載のアンテナ装置であって、さらに、前記拡張平板部とほぼ平行に配置された第2無給電平板部を含む第2無給電素子を含み、前記拡張平板部は、前記第1無給電平板部と前記第2無給電平板部との間に配置されている、アンテナ装置。
この構成によれば、第1無給電素子と第2無給電素子との2つの素子のそれぞれと、給電素子との間の電磁的な相互作用によって、周波数帯域を更に拡張することができる。
[適用例3]適用例2に記載のアンテナ装置であって、前記拡張平板部と前記第1無給電平板部との間の間隔と、前記拡張平板部と前記第2無給電平板部との間の間隔とは、それぞれ、20μm以上30μm以下の値に設定されている、アンテナ装置。
この構成によれば、電圧定在波比が高くなることを抑制できる。
[適用例4]適用例1ないし適用例3のいずれかに記載のアンテナ装置であって、さらに、誘電体または磁性体で構成された素子基材を備え、前記拡張平板部と前記無給電平板部とのそれぞれは、前記素子基材の表面または内部に設けられている、アンテナ装置。
この構成によれば、アンテナ装置の小型化することができる。
[適用例5]適用例1ないし適用例4のいずれかに記載のアンテナ装置であって、さらに、基板を備え、前記給電素子と前記無給電素子とは前記基板に設けられ、前記基板の一部の領域であるグランド領域には、前記基板の表面あるいは内部にグランド導電パターンが設けられ、前記給電素子と前記無給電素子とは、前記基板の厚さ方向に沿って見たときに、前記グランド領域と重ならない位置に配置されている、アンテナ装置。
この構成によれば、給電素子と無給電素子とを利用した無線通信が、グランド導電パターンによって遮られることを抑制できる。
[適用例6]適用例5に記載のアンテナ装置と、前記グランド領域に設けられるとともに前記アンテナ装置に接続される信号処理回路と、を備える、通信装置。
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、アンテナ装置、そのアンテナ装置とそのアンテナに接続された信号処理回路とを備える通信装置、等の形態で実現することができる。
次に、この発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.第1実施例:
B.第2実施例:
C.変形例:
A.第1実施例:
B.第2実施例:
C.変形例:
A.第1実施例:
A1.装置構成:
図1、図2は、本発明の一実施例としてのアンテナ装置10の説明図である。図1はアンテナ装置10の斜視図であり、図2はアンテナ装置10の上面図である。このアンテナ装置10は、平板形状の誘電体基板900と、その基板900の上面に固定されたチップアンテナ100とを備えている。このアンテナ装置10は、図示しないケース内に収納され、無線通信装置を構成する。この無線通信装置は、UWBの通信方式に従って、図示しない他の無線通信装置との間でデータ通信を行う。本実施例では、データ通信には、3〜5GHzの周波数帯が利用される。
A1.装置構成:
図1、図2は、本発明の一実施例としてのアンテナ装置10の説明図である。図1はアンテナ装置10の斜視図であり、図2はアンテナ装置10の上面図である。このアンテナ装置10は、平板形状の誘電体基板900と、その基板900の上面に固定されたチップアンテナ100とを備えている。このアンテナ装置10は、図示しないケース内に収納され、無線通信装置を構成する。この無線通信装置は、UWBの通信方式に従って、図示しない他の無線通信装置との間でデータ通信を行う。本実施例では、データ通信には、3〜5GHzの周波数帯が利用される。
誘電体基板900としては、矩形の基板を加工したものが利用されている。x方向は、この矩形の短辺と平行な方向を示し、y方向は矩形の長辺と平行な方向を示し、z方向は厚さ方向を示している。本実施例では、短辺の長さXbは20mmであり、長辺の長さYbは45mmであり、厚さTbは1mmである。また、この誘電体基板900の比誘電率は4.6である。なお、誘電体基板900の上面は+z側の表面である。
誘電体基板900の上面には、グランド導電パターン400が形成されている。このグランド導電パターン400は、基板900を横切る仮想的な直線Lngによって区切られる2つの領域の内の一方の領域(−y側の領域)を占めている。本実施例では、この直線Lngは、x方向と平行である。また、基板900の−y側の端からこの直線Lngまでの距離Ygは34mmである。以下、誘電体基板900におけるグランド導電パターン400が形成された領域を「グランド領域GA」とも呼ぶ。このグランド領域GAには、フィルタ、アンプ、ミキサ等の電子部品を利用した信号処理回路SCが実装される。すなわち、グランド領域GAは、信号処理回路の実装用領域として利用される。なお、グランド導電パターン400は、銅や銀等の導電体の薄膜で形成されている。また、グランド導電パターン400は、誘電体基板900の表面の代わりに、誘電体基板900の内部に形成されてもよい。また、アンテナ装置10と信号処理回路SCとの全体は、無線通信装置として利用される。
誘電体基板900の上面の+y側には、固定パッド780と給電パッド790とが形成されている。これらのパッド780、790には、アンテナ100(図1)の側面に設けられた端子180が、固定される。固定には、ハンダ付けや銀ロウ付け等の、導電性の固定方法が利用される。なお、これらのパッド780、790も、グランド導電パターン400と同様に、導電体の薄膜で形成されている。このようなパッドは「ランド」とも呼ばれている。
次に、基板900に固定された状態のアンテナ100について説明する。図2に示すように、z方向に沿って見たアンテナ100の形状は矩形状である。短辺はx方向と平行であり、短辺の長さXaは4mmである。長辺はy方向と平行であり、長辺の長さYaは8mmである。基板900の+x側の端からアンテナ100の+x側の端までのx方向に沿った距離X1は2.5mmである。基板900の+y側の端からアンテナ100の+y側の端までのy方向に沿った距離Y1は1mmである。直線Lngからアンテナ100の−y側の端までのy方向に沿った距離Y2は2mmである。
また、アンテナ100の+x側には、アンテナ100から+x側に突出する3つの固定パッド780が配置されている。3つの固定パッド780は、アンテナ100の−y側の端部と中央部と+y側の端部とに、それぞれ配置されている。固定パッド780の約1/3の部分はアンテナ100の後ろに隠れ、約2/3の部分はアンテナ100の外に現れている。現れている部分の形状は、1mm(x方向)*1mm(y方向)の矩形状である。隠れている部分の形状は、0.5mm(x方向)*0.8mm(y方向)の矩形状である。x方向に沿って見たときに、隠れている部分の中心は、現れている部分の中心と同じである。アンテナ100の−x側にも、中央部と+y側の端部とのそれぞれに、同様の固定パッド780が配置されている。
また、アンテナ100の−x側の、−y側の端部には、給電パッド790が配置されている。この給電パッド790も、アンテナ100の後ろに隠れた部分と、アンテナ100の外に現れた部分とを有している。隠れた部分の形状は、0.5mm(x方向)*1mm(y方向)の矩形状である。現れている部分は、y方向に沿って延びる線状線路である。この線状線路の幅は2mmであり、また、この線状線路は、アンテナ100の近傍からグランド導電パターン400の中まで延びている(直線Lngの+y側から−y側まで)。グランド導電パターン400には、給電パッド790を囲む窪みが形成されている。なお、給電パッド790の形状は、L字形状である。
後述するように、給電パッド790は、アンテナ100の給電素子と電気的に接続される。そして、この給電パッド790には給電ラインFLが接続される。この給電ラインFLによって、アンテナ100と信号処理回路SCとが接続される。給電ラインFLとしては、同軸ケーブルやマイクロストリップライン等の種々の給電ラインを採用可能である。
給電パッド790の直線Lngよりも−y側の部分は、グランド導電パターン400に囲まれているので、アンテナ素子としては機能せずに給電ラインとして機能する。一方、給電パッド790の直線Lngよりも+y側の部分は、アンテナ素子として機能する。このように、給電パッド790の直線Lngと交差する位置が、給電点となる。
図3は、アンテナ100の分解斜視図である。図中のx、y、z方向は、アンテナ100を誘電体基板900(図1、図2)に固定した状態におけるx、y、z方向(図1、図2)を、それぞれ示している。
図3に示すように、アンテナ100は、第1誘電層141と、第1無給電導体部131と、第2誘電層142と、給電導体部110と、第3誘電層143と、第2無給電導体部132と、第4誘電層144とが、z方向に沿ってこの順番に積層された構造を有している。各誘電層141〜144は、ホウケイ酸ガラス系セラミックの矩形シートであり、長辺の長さYaと短辺の長さXaとは、各誘電層141〜144に共通である。各誘電層141〜144の比誘電率は、本実施例では7.5である。また、3つの導体部110、131、132は、銀や銅等の導電体の薄膜であり、互いに平行に配置されている。
図4は、アンテナ100の側面図である。この側面図は、−y側から+y側に向かって見た側面図である。アンテナ100の厚さTaは0.8mmである。給電導体部110の厚さ方向(z方向)の位置は、アンテナ100の中央である。図中の距離dは、給電導体部110と第1無給電導体部131との間の間隔を示している。給電導体部110と第2無給電導体部132との間の間隔も同じ値dに設定されている。本実施例では、距離dは、25μmである。
以上説明したような積層アンテナの製造方法としては、種々の方法を採用可能である。例えば、最初に、セラミックグリーンシートの表面に、導電材料を用いたスクリーン印刷によって、第2無給電導体部132の導電パターンを形成する。次に、導電パターンが形成された表面の上に、別のセラミックグリーンシートを積層することによって、3層の積層体を形成する。このように、セラミックグリーンシートの表面に対する導体部の印刷と、別のセラミックグリーンシートの積層とを繰り返すことによって、図3に示す7層の積層体を形成する。そして、この積層体の焼成によって、アンテナ100を形成する。なお、セラミックグリーンシートとしては、種々のシートを採用可能である。例えば、ホウケイ酸ガラスとアルミナとアクリル樹脂とを含むスラリーからドクターブレード法によって形成されたシートを採用可能である。また、導電材料としては、種々の材料を採用可能である。例えば、銀や金等の導電体とアクリル樹脂とを含む混合物を採用可能である。
図5は、給電導体部110の上面図である。図中のx、y、z方向は、アンテナ100を誘電体基板900(図1)に固定した状態におけるx、y、z方向(図1、図2)を、それぞれ示している。図5(A)は、給電導体部110の全体を示し、図5(B)は、給電導体部110の−y側の端部の拡大図を示している。
給電導体部110のパターン形状は、誘電層141よりも一回り小さい矩形RAに、この矩形RAの左辺S1から+x方向へ向かうV字形の切込116tと、この切込116tから+x方向へ延びるスリット116sと、矩形の開口118とを設けて得られる形状と、ほぼ同じである。本実施例では、この仮想的な矩形RAは、誘電層141の四辺のそれぞれを0.15mmだけ内側に移動させて得られる矩形と同じである。また、図中の4つの矢印S1〜S4は、この矩形RAの4つの辺をそれぞれ示している。各矢印は、辺に沿った方向を示している。例えば、辺S1は、y方向に平行な−x側の辺を示している。
また、このパターン形状(矩形RA)の−x側の辺S1には、3つの突出部P1〜P3が設けられている。また、+x側の辺S2には、3つの突出部P4〜P6が設けられている。これら6つの突出部P1〜P6のそれぞれは、アンテナ100の側面に設けられた端子180(図1)に電気的に接続される。端子180は、各突出部P1〜P6の近傍に、1つずつ設けられている。すなわち、アンテナ100の−x側の側面には、−y側の端部と中央部と+y側の端部とに、z方向に延びるライン状の端子180が、それぞれ設けられている。アンテナ100の+x側の側面についても同様である。そして、これらの端子180は、パッド780、790に固定される(電気的に接続される)。これらの結果、本実施例では、給電パッド790の直線Lngよりも+y側の部分と、固定パッド780と、端子180と、給電導体部110との全体が、給電素子として機能する。
なお、このような端子180(図1)は、いわゆるキャスタレーションによって形成可能である。本実施例では、各端子180の幅は0.3mmである。また、各突出部P1〜P6(図5)は、矩形RAの外側に0.075mmだけ突出している。辺S1、S2の中央部に配置された突出部P2、P5と、給電パッド790に接続される突出部P1との幅は0.6mmである。また、他の突出部P3、P4、P6の幅は0.65mmである。
給電導体部110は、大きく3つの導体部111、112、113に分けられる。図5(A)では、各導体部111、112、113は、互いに異なる種類のハッチングによって示されている。ただし、各導体部111、112、113は、同一材料で連続した領域として形成されている。
第1導体部111は、図5(A)、5(B)における給電導体部110の左下のコーナーcn1を形成するL字形の線状導体部である。第1導体部111は、第1直線部111L1と第2直線部111L2とを有している。第1直線部111L1は、コーナーcn1から+y方向に延びて端111e1に至る。この第1直線部111L1の幅XL1sは0.3mmである。また、第1誘電層141の−y側の辺(以下、「底辺141B」とも呼ぶ)から端111e1までのy方向に沿った距離YL1は0.75mmである。
第1直線部111L1は、第1突出部P1を含んでいる。この第1突出部P1は、図1のアンテナ100の裏側に隠れている端子180を介して給電パッド790(図1、図2)に接続される。
一方、第2直線部111L2は、コーナーcn1から+x方向に延びて端111e2に至る。この第2端111e2は、給電導体部110の−y側の辺S4の途中に位置している。この第2端111e2から第1誘電層141の+x側の辺(以下「右辺141R」とも呼ぶ)までのx方向に沿った距離Xcは0.85mmである。また、右辺141Rから第2直線部111L2の−x側の端部までの距離XLは3.625mmである。また、第2直線部111L2の幅WLは0.15mmである。
後述するように、この第2直線部111L2の長さを調整することによって、アンテナ100のVSWR(電圧定在波比)を調整することができる。すなわち、第2直線部111L2は、特許請求の範囲における「整合素子」に相当する。また、給電パッド790の直線Lngよりも+y側の部分(図1、図2)と、給電パッド790に接続された端子180と、第1直線部111L1と、の全体は、「給電部」に相当する。
第2導体部112は、給電導体部110を横切る直線112U(図5(B))から辺S4までの導体部の内の第1導体部111(111L1、111L2)を除く残りの部分である。この第2導体部112は、辺S4と第1ライン112Uとの間の第2ライン112Dによって、2つの部分112p1、112p2に分けられる。なお、これらのライン112U、112Dは、いずれも、x方向と平行である。
第1部分112p1は、図5(A)、5(B)における給電導体部110の右下のコーナーcn2を形成する矩形状の導体部である。この第1部分112p1の−x側の端部には、第2直線部111L2の第2端111e2が接続されている。これらの導体部111L2、112p1は、辺S4を形成する。
第1部分112p1の+y側には、第2部分112p2が接続されている。第2部分112p2は、略台形状の導体部である。この第2部分112p2の輪郭は、2つのライン112D、112Uと、切込116tの輪郭の一部である第3ライン112Sと、給電導体部110の+x側の輪郭の一部分と、を含んでいる。
第2ライン112Dは、第1部分112p1を超えて−x方向に延び、第1頂点112v1に至る。この第1頂点112v1と右辺141Rとの間のx方向に沿った距離Xsは2.45mmである。
第1頂点112v1からは、辺S1の途中に位置する第2頂点112v2まで、第3ライン112Sが延びている。第2頂点112v2は、第1頂点112v1から見て、左上の方向に位置している(−x方向、+y方向)。この第2頂点112v2から底辺141Bまでのy方向に沿った距離Ytは、0.96mmである。
第2頂点112v2からは、辺S2まで、第1ライン112Uが延びている。
第2部分112p2と第1導体部111(直線部111L1、111L2)との間には、スリット116sと切込116tとが形成されている。スリット116sは、第2直線部111L2と第2ライン112Dとの間の切れ目である。また、スリット116sは、第1部分112p1の−x側に形成されている。このスリット116sの幅Wsは0.15mmである、切込116tは、第3ライン112Sと第1導体部111(111L1、111L2)に囲まれている。
第3導体部113は、給電導体部110の残りの部分である。この第3導体部113は、第2導体部112の+y側に位置する略矩形の導体部である。この第3導体部113の端部(例えば、+y側の端部)は、給電導体部110の開放端として機能する。この第3導体部113の内には、矩形状の開口118が設けられている。開口118を設けることによって、第2誘電層142(図3)が第3誘電層143と接する領域の面積が増大する。その結果、第2誘電層142が第3誘電層143から剥がれることが抑制される。
なお、この開口118の形状は、x方向と平行な2辺と、y方向と平行な2辺とに囲まれる矩形状である。この開口118のx方向の長さXhsは、2.85mmであり、y方向の長さYhsは5.5mmである。そして、右辺141Rから開口118の−x側の端までのx方向に沿った距離Xhは3.425mmであり、底辺141Bから開口118の−y側の端までのy方向に沿った距離Yhは1.85mmである。
ところで、第2部分112p2の幅(x方向の長さ)は、第1部分112p1から遠いほど広い。すなわち、第2導体部112の幅は、第2端111e2から遠いほど広いということができる。このように、第2導体部112は、特許請求の範囲における「拡張平板部」に相当する。
このように第2端111e2から徐々に幅が広くなる第2導体部112を設ける理由は、アンテナ100の周波数帯域を拡張するためである。給電側から開放端側に向かって幅が広がる第2導体部112を利用することによって、電流は、長さの異なる複数の通り道を流れることが可能である。換言すれば、給電導体部110の見かけ上の長さは、互いに異なる複数の長さを含む、と言うこともできる。この結果、給電導体部110(アンテナ100)の周波数帯域を拡張することができる。ここで、導体部の幅の変化が大きいほど、周波数帯域も広くなる傾向にある。ただし、幅の変化が大きいほど、アンテナの大きさが大きくなる傾向にある。そこで、望ましい周波数帯域と望ましいアンテナの大きさとを考慮して、第2導体部112(拡張平板部)の形状を実験的に決定することが好ましい。
なお、切込116tとスリット116sとは、第1導体部111(111L1、111L2)と第2導体部112とによって囲まれている。換言すれば、図5の実施例では、矩形RAに切込116tとスリット116sとを設けるだけで、整合素子(第2直線部111L2)と拡張平板部(第2導体部112)との両方が形成される。
図6は、無給電導体部131、132の上面図である。図中のx、y、z方向は、アンテナ100を誘電体基板900(図1)に固定した状態におけるx、y、z方向(図1、図2)を、それぞれ示している。上面から見た2つの無給電導体部131、132の形状は、同じである。
無給電導体部131、132の形状は、誘電層141よりも一回り小さい矩形状である。x方向の長さXpsは3mmであり、y方向の長さYpsは7mmである。また、底辺141Bから無給電導体部131、132の−y側の端までのy方向に沿った距離Ypは0.3mmである。第1誘電層141の−x側の辺(以下「左辺141L」とも呼ぶ)から無給電導体部131、132の−x側の端までのx方向に沿った距離Xpは0.5mmである。このように、各無給電導体部131、132は、誘電体に覆われており、給電パッド790(図1、図2)から絶縁されている。このように、無給電導体部131、132は、それぞれ、無給電素子として機能する。なお、各無給電導体部131、132は、さらに、グランド導電パターン400と固定パッド780とからも絶縁されている。
z方向に沿って見た場合には、無給電導体部131、132は、給電導体部110と重なっている。特に、第2導体部112(拡張平板部)の一部と無給電導体部131、132の一部とが重なっている。これは、無給電導体部131、132と、給電導体部110との間の電磁的な相互作用を利用するためである(詳細は後述)。
A2.VSWR特性:
図7は、アンテナのVSWR(電圧定在波比)を示すグラフである。横軸は周波数freq(GHz)を示し、縦軸はVSWRを示している。第1グラフVEは、アンテナ装置10の特性を示している。比較グラフVCは、比較例のアンテナ装置の特性を示している。この比較例は、アンテナ100から2枚の無給電導体部131、132を省略したものである(他の構成は、アンテナ装置10と同じ)。これらのグラフVE、VCは、いずれもシミュレーションによる計算値を示している。このシミュレーションは、図1〜図6に示す構成に基づいて行われている。
図7は、アンテナのVSWR(電圧定在波比)を示すグラフである。横軸は周波数freq(GHz)を示し、縦軸はVSWRを示している。第1グラフVEは、アンテナ装置10の特性を示している。比較グラフVCは、比較例のアンテナ装置の特性を示している。この比較例は、アンテナ100から2枚の無給電導体部131、132を省略したものである(他の構成は、アンテナ装置10と同じ)。これらのグラフVE、VCは、いずれもシミュレーションによる計算値を示している。このシミュレーションは、図1〜図6に示す構成に基づいて行われている。
比較グラフVCが示すように、比較例は3.5GHz周辺において良好なVSWRを示している。これは、無給電導体部131、132を利用せずに得られる特性である。
第1グラフVEが示すように、第1実施例のアンテナ装置10は、3.5GHz帯に加えて、5GHz周辺においても良好なVSWRを示している。これは、無給電導体部131、132を追加することによって得られる特性である(図3)。
ここで、「VSWR<2.0」を満たす周波数の上限を比較する。
比較例−約4.1GHz:
第1実施例−約5.1GHz:
比較例−約4.1GHz:
第1実施例−約5.1GHz:
このように、無給電導体部131、132を追加することによって、VSWRが小さい周波数帯域を大幅に広げることができる。特に、第1実施例では、高域側のVSWRが大幅に低減されるので、3.5GHz帯に加えて、5GHz帯でも通信を良好に行うことが可能である。
このような周波数帯域の拡張は、給電導体部110(図3)と無給電導体部131、132との間の電磁的な相互採用に起因する。特に、本実施例のように大幅に周波数帯域を拡張可能な理由は、アンテナ100が、無給電導体部131、132による共振によって複共振アンテナとして動作しているからであると推定される。
なお、「VSWR<2.0」を満たす周波数帯域は、反射特性が特に良好な帯域を示しているので、このような周波数帯域を利用して通信を行うことが好ましい。ただし、VSWRが2よりも大きくてもよい。一般には、VSWRが3.0より小さいことが好ましく、VSWRが2.5より小さいことが特に好ましく、VSWRが2.0より小さいことが最も好ましい。本実施例では、3〜5GHzの全範囲において、VSWRが3.0より小さな値に維持されている(図7:グラフVE)。
A3.整合素子の長さとVSWRとの関係:
図8(A)は、整合素子(第2直線部111L2)の長さSLを示す概略図である。図8(A)には、給電導体部110の−y側の一部分が示されている。本実施例では、スリット116sの長さを調整することによって、第2直線部111L2の長さSLを調整することができる。スリット116sの+x側の端SEを+x側にシフトさせることによって、第2端111e2を+x側にシフトさせることができる(長さSLが長くなる)。逆に、端SEを−x側にシフトさせることによって、第2端111e2を−x側にシフトさせることができる(長さSLが短くなる)。なお、第1実施例のアンテナ装置10では、長さSLは2.775mmである。
図8(A)は、整合素子(第2直線部111L2)の長さSLを示す概略図である。図8(A)には、給電導体部110の−y側の一部分が示されている。本実施例では、スリット116sの長さを調整することによって、第2直線部111L2の長さSLを調整することができる。スリット116sの+x側の端SEを+x側にシフトさせることによって、第2端111e2を+x側にシフトさせることができる(長さSLが長くなる)。逆に、端SEを−x側にシフトさせることによって、第2端111e2を−x側にシフトさせることができる(長さSLが短くなる)。なお、第1実施例のアンテナ装置10では、長さSLは2.775mmである。
図8(B)は、整合素子(図8(A):第2直線部111L2)の長さSLとVSWRとの関係を示すグラフである。横軸は周波数freq(GHz)を示し、縦軸はVSWRを示している。図8(B)には3つのグラフVE、VES、VELが示されている。第1グラフVEは、図7に示す第1グラフVEと同じである。第2グラフVESは、第1グラフVEと比べて長さSLが0.5mmだけ短い場合のグラフである。第3グラフVELは、第1グラフVEと比べて長さSLが0.5mmだけ長い場合のグラフである。これらのグラフVE、VES、VELは、いずれもシミュレーションによる計算値を示している。シミュレーションに用いたアンテナ装置の構成は、長さSLが異なる点以外は、図1〜図6に示すアンテナ装置10と同じである。
図示するように、長さSLを変えることによって、VSWRが変化する。すなわち、整合素子(第2直線部111L2)の長さSLを調整することによって、VSWRを調整することができる。また、本実施例では、スリット116sの長さを調整するだけで、長さSLを調整することができる。このように、VSWRの調整を容易に行うことができる。
A4.給電導体部と無給電導体部との間の距離とVSWRとの関係:
図9は、給電導体部110と無給電導体部131、132との間の距離d(図4)と、VSWRとの関係を示すグラフである。横軸は周波数freq(GHz)を示し、縦軸はVSWRを示している。図9の下部のグラフは、一部の周波数範囲の拡大図を示している。図中には、5つのグラフVEd10、VEd20、VEd25、VEd30、VEd40が示されている。グラフに付された符号のうちの「d」に続く数字は、距離dを表している(単位はμm)。例えば、第1グラフVEd25は、距離dが25μmの場合のVSWRを示し、第2グラフVEd10は、距離dが10μmの場合のVSWRを示している。なお、第1グラフVEd25は、図7に示す第1グラフVEと同じである。また、これらのグラフVEd10〜VEd40は、いずれもシミュレーションによる計算値を示している。シミュレーションに用いたアンテナ装置の構成は、距離dが異なる点以外は、図1〜図6に示すアンテナ装置10と同じである。
図9は、給電導体部110と無給電導体部131、132との間の距離d(図4)と、VSWRとの関係を示すグラフである。横軸は周波数freq(GHz)を示し、縦軸はVSWRを示している。図9の下部のグラフは、一部の周波数範囲の拡大図を示している。図中には、5つのグラフVEd10、VEd20、VEd25、VEd30、VEd40が示されている。グラフに付された符号のうちの「d」に続く数字は、距離dを表している(単位はμm)。例えば、第1グラフVEd25は、距離dが25μmの場合のVSWRを示し、第2グラフVEd10は、距離dが10μmの場合のVSWRを示している。なお、第1グラフVEd25は、図7に示す第1グラフVEと同じである。また、これらのグラフVEd10〜VEd40は、いずれもシミュレーションによる計算値を示している。シミュレーションに用いたアンテナ装置の構成は、距離dが異なる点以外は、図1〜図6に示すアンテナ装置10と同じである。
図示するように、距離dを変えることによって、高い周波数帯(4〜5GHz)のVSWRが変化する。ここで、距離dが20μm〜30μmの範囲内の場合には、VSWRは2.0以下に維持される(グラフVEd20、VEd25、VEd30)。
距離dが40μmの場合には、4.7GHz周辺でVSWRが2よりも大きくなる(グラフVEd40)。この理由は、以下のように推定される。距離dが過剰に長い場合には、給電導体部110と無給電導体部131、132との間の電磁的な相互作用が過剰に弱くなる。従って、給電導体部110と無給電導体部131、132とを利用する共振によって低いVSWRが実現される第1の周波数範囲(4.7〜5GHz)が、給電導体部110のみによって低いVSWRが実現される第2の周波数範囲(3〜4GHz)から遠くなる。その結果、これらの周波数範囲の間に、VSWRの大きな周波数範囲が生じると推定される。そこで、距離dを30μm以下にすれば、これらの周波数範囲の間にVSWRの大きな周波数範囲が生じることを抑制できる。
また、距離dが10μmの場合には、約4.9GHz以上の周波数においてVSWRが2よりも大きくなる(グラフVEd10)。この理由は、以下のように推定される。距離dが過剰に短い場合には、給電導体部110と無給電導体部131、132との間の電磁的な相互作用が過剰に強くなる。従って、給電導体部110と無給電導体部131、132とによって得られる低VSWR周波数範囲(第1周波数範囲)が、給電導体部110のみによって得られる低VSWR周波数範囲(第2周波数範囲)に近くなる。その結果、VSWRの良好な周波数範囲が狭くなると推定される。そこで、距離dを20μm以上にすれば、VSWRの良好な周波数範囲が狭くなることを抑制できる。
以上のように、距離dを、20μm以上30μm以下の範囲内の値に設定することが好ましい。こうすれば、VSWRが高くなることを抑制できる。具体的には、所望の周波数範囲の途中にVSWRの大きな周波数範囲が生じることを抑制し、そして、VSWRの良好な周波数範囲が狭くなることを抑制できる。
B.第2実施例:
図10は、第2実施例におけるアンテナ装置のVSWRを示すグラフである。横軸は周波数freq(GHz)を示し、縦軸はVSWRを示している。図10には、4つのグラフVC、VE、VU、VDが示されている。比較グラフVCと第1グラフVEとは、図7に示す比較グラフVCと第1グラフVEと、それぞれ、同じである。第2グラフVUは、アンテナ100(図3)から第2無給電導体部132を省略して得られるアンテナ装置の特性を示している(他の構成は、アンテナ装置10と同じ)。第3グラフVDは、アンテナ100から第1無給電導体部131を省略して得られるアンテナ装置の特性を示している(他の構成は、アンテナ装置10と同じ)。このように、第2グラフVUと第3グラフVDとは、無給電導体部の数が1つである場合の特性を示している。これらのグラフVU、VDは、いずれもシミュレーションによる計算値を示している。シミュレーションに用いたアンテナ装置の構成は、無給電導体部131、132の有無が異なる点以外は、図1〜図6に示すアンテナ装置10と同じである。
図10は、第2実施例におけるアンテナ装置のVSWRを示すグラフである。横軸は周波数freq(GHz)を示し、縦軸はVSWRを示している。図10には、4つのグラフVC、VE、VU、VDが示されている。比較グラフVCと第1グラフVEとは、図7に示す比較グラフVCと第1グラフVEと、それぞれ、同じである。第2グラフVUは、アンテナ100(図3)から第2無給電導体部132を省略して得られるアンテナ装置の特性を示している(他の構成は、アンテナ装置10と同じ)。第3グラフVDは、アンテナ100から第1無給電導体部131を省略して得られるアンテナ装置の特性を示している(他の構成は、アンテナ装置10と同じ)。このように、第2グラフVUと第3グラフVDとは、無給電導体部の数が1つである場合の特性を示している。これらのグラフVU、VDは、いずれもシミュレーションによる計算値を示している。シミュレーションに用いたアンテナ装置の構成は、無給電導体部131、132の有無が異なる点以外は、図1〜図6に示すアンテナ装置10と同じである。
図示するように、無給電導体部の数が1つである場合には(VU、VD)、無給電導体部の数が2つである場合と比べて(VE)、高い周波数帯(4〜5GHz)でのVSWRが大きくなる。ただし、いずれの場合も、無給電導体部を利用することによって、3〜5GHzの全範囲においてVSWRは3.0より小さな値に維持されている(グラフVE、VU、VD)。
このように、1つの無給電導体部を利用することによって、VSWRの良好な周波数範囲を拡張することができる。そして、給電導体部110を挟む2つの無給電導体部131、132を利用することによって、さらに良好なVSWRを実現することができる(すなわち、周波数帯域を更に拡張することができる)。
C.変形例:
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
変形例1:
上述の各実施例において、給電素子の構成としては、種々のモノポールアンテナの構成を採用可能である。例えば、線状の整合素子が、曲がっていても良く、アンテナ100の側面に形成されていてもよい。また、給電素子が、ミアンダ形状を形成する線状の導体部を含んでも良い。また、開口118が省略されてもよい。また、拡張平板部の形状としては、台形状に限らず、整合素子の他端から遠いほど幅が広くなる部分を含む種々の形状を採用可能である。例えば、扇形に広がる形状を採用してもよい。また、誘電体基板900上の固定パッド780が、給電素子(給電導体部110)から絶縁されていてもよい。ただし、上述の実施例のように固定パッド780を給電素子の一部として利用すれば、より低い周波数でのVSWRを低減できる(すなわち、アンテナを小型化できる)。
上述の各実施例において、給電素子の構成としては、種々のモノポールアンテナの構成を採用可能である。例えば、線状の整合素子が、曲がっていても良く、アンテナ100の側面に形成されていてもよい。また、給電素子が、ミアンダ形状を形成する線状の導体部を含んでも良い。また、開口118が省略されてもよい。また、拡張平板部の形状としては、台形状に限らず、整合素子の他端から遠いほど幅が広くなる部分を含む種々の形状を採用可能である。例えば、扇形に広がる形状を採用してもよい。また、誘電体基板900上の固定パッド780が、給電素子(給電導体部110)から絶縁されていてもよい。ただし、上述の実施例のように固定パッド780を給電素子の一部として利用すれば、より低い周波数でのVSWRを低減できる(すなわち、アンテナを小型化できる)。
いずれの場合も、給電素子の構成としては、給電部と、一端が給電部に接続された線状の整合素子と、整合素子の他端に接続されるとともに他端から遠いほど幅が広くなる部分を含む拡張平板部と、を含む種々の構成を採用可能である。ここで、図5に示す給電導体部110のように、矩形の一部を切り欠くことによって整合素子と拡張平板部との両方を形成することが好ましい。
また、無給電素子の構成としても、種々の構成を採用可能である。例えば、無給電素子の形状としては、矩形に限らず、種々の形状を採用可能である。例えば、種々の多角形(例えば、三角形や五角形)を採用してもよい。また、給電素子の代わりに無給電素子が固定パッド780に接続されてもよい。この場合には、固定パッド780も無給電素子の一部として機能する。また、上述の各実施例では、無給電素子(無給電導体部131、132)が、グランド導電パターン400から絶縁されているが、無給電素子がグランド導電パターン400に電気的に接続されても良い。
いずれの場合も、無給電素子の構成としては、給電素子の拡張平板部とほぼ平行に配置された平板部を含む種々の構成を採用可能である。ここで、拡張平板部と垂直な方向に沿って見たときに、拡張平板部の少なくとも一部と、無給電素子の平板部の少なくとも一部とが重なっていることが好ましい。こうすれば、給電素子と無給電素子との間の電磁的相互作用を強くすることができる。その結果、給電素子と無給電素子とを利用した複共振による周波数帯の拡張が可能となる。
変形例2:
上述の各実施例において、アンテナ装置が良好な特性を示す周波数帯としては、3〜5GHzに限らず、種々の周波数帯を採用可能である。また、アンテナ装置の形状と寸法(例えば、給電素子と無給電素子とのそれぞれの形状と寸法)は、所望の周波数帯に適合するように実験的に決定すればよい。ここで、2つの無給電素子を有するアンテナ装置においては、第1無給電素子の形状と寸法との少なくとも一部が、第2無給電素子と異なっていても良い。また、第1無給電素子の平板部と給電素子の拡張平板部との距離(第1距離)が、第2無給電素子の平板部と給電素子の拡張平板部との距離(第2距離)と異なっていても良い。この場合も、第1距離と第2距離とのそれぞれが、20μm以上30μm以下の値に設定されることが好ましい。こうすれば、給電素子と無給電素子との間の電磁的相互作用が過剰に強くなることと、その相互作用が過剰に弱くなることとを防止できる。ただし、第1距離と第2距離とがほぼ同じであることが好ましい。こうすれば、2つの無給電素子が給電素子を挟んで対称に配置されるので、給電素子から第1無給電素子へ向かう方向と、給電素子から第2無給電素子へ向かう方向との間の放射特性の差が過剰に大きくなることを抑制できる。いずれの場合も、3〜5GHzの少なくとも一部の周波数範囲を含む周波数帯を採用すれば、上述の各実施例のアンテナ装置に基づいて、容易に、アンテナ装置の構成を決定できる。
上述の各実施例において、アンテナ装置が良好な特性を示す周波数帯としては、3〜5GHzに限らず、種々の周波数帯を採用可能である。また、アンテナ装置の形状と寸法(例えば、給電素子と無給電素子とのそれぞれの形状と寸法)は、所望の周波数帯に適合するように実験的に決定すればよい。ここで、2つの無給電素子を有するアンテナ装置においては、第1無給電素子の形状と寸法との少なくとも一部が、第2無給電素子と異なっていても良い。また、第1無給電素子の平板部と給電素子の拡張平板部との距離(第1距離)が、第2無給電素子の平板部と給電素子の拡張平板部との距離(第2距離)と異なっていても良い。この場合も、第1距離と第2距離とのそれぞれが、20μm以上30μm以下の値に設定されることが好ましい。こうすれば、給電素子と無給電素子との間の電磁的相互作用が過剰に強くなることと、その相互作用が過剰に弱くなることとを防止できる。ただし、第1距離と第2距離とがほぼ同じであることが好ましい。こうすれば、2つの無給電素子が給電素子を挟んで対称に配置されるので、給電素子から第1無給電素子へ向かう方向と、給電素子から第2無給電素子へ向かう方向との間の放射特性の差が過剰に大きくなることを抑制できる。いずれの場合も、3〜5GHzの少なくとも一部の周波数範囲を含む周波数帯を採用すれば、上述の各実施例のアンテナ装置に基づいて、容易に、アンテナ装置の構成を決定できる。
変形例3:
上述の各実施例において、給電素子の拡張平板部が誘電体または磁性体の表面または内部に設けられていることが好ましい。こうすれば、給電素子を小型化することができる。ここで、拡張平板部の一部が、誘電体または磁性体で構成された素子基材の表面に形成され、拡張平板部の残りの部分が、その素子基材の内部に形成されてもよい。また、給電素子の全体が、その素子基材の表面または内部に設けられていることは特に好ましい。以上の説明は、無給電素子の平板部と無給電素子の全体とについても同様である。ここで、2つの無給電素子を利用する場合には、2つの無給電平板部の両方が、素子基材の表面または内部に設けられていることが好ましく、2つの無給電素子の両方の全体が、素子基材の表面または内部に設けられていることが特に好ましい。
上述の各実施例において、給電素子の拡張平板部が誘電体または磁性体の表面または内部に設けられていることが好ましい。こうすれば、給電素子を小型化することができる。ここで、拡張平板部の一部が、誘電体または磁性体で構成された素子基材の表面に形成され、拡張平板部の残りの部分が、その素子基材の内部に形成されてもよい。また、給電素子の全体が、その素子基材の表面または内部に設けられていることは特に好ましい。以上の説明は、無給電素子の平板部と無給電素子の全体とについても同様である。ここで、2つの無給電素子を利用する場合には、2つの無給電平板部の両方が、素子基材の表面または内部に設けられていることが好ましく、2つの無給電素子の両方の全体が、素子基材の表面または内部に設けられていることが特に好ましい。
なお、誘電体としては、種々の材料を採用可能である。例えば、ホウケイ酸ガラス系セラミックやガラスエポキシ等を採用可能である。また、誘電体の比誘電率は、望ましい周波数帯での通信が可能なように実験的に決定すればよい。これらは、誘電体基板900についても同様である。
また、磁性体としては、種々の材料を採用可能である。例えば、フェライトやYIG(イットリウム・アイアン・ガーネット)を採用可能である。また、磁性体の比透磁率は、望ましい周波数帯での通信が可能なように実験的に決定すればよい。
変形例4:
上述の各実施例では、給電素子の一部を有する別の部材(チップアンテナ100)を誘電体基板900に固定することによって、給電素子の全体が形成されている。この代わりに、給電素子の全体が誘電体基板900の表面または内部に形成されてもよい。一般には、給電素子が基板に設けられていれることが好ましい。ここで、「素子が基板に設けられる」とは、以下の3つの構成を含む広い概念を意味している。
(1)素子の全体が基板の表面または内部に形成される。
(2)素子の一部が基板の表面または内部に形成され、そして、素子の残りの部分を有する別部材が基板に固定される。
(3)素子の全体を有する別部材が基板に固定される。
以上の説明は、無給電素子についても、同じである。このように、アンテナ素子(給電素子と無給電素子とを含む)を基板に設ければ、アンテナ素子の保持が容易である。ここで、2つの無給電素子を利用する場合には、2つの無給電素子の両方が基板に設けられることが好ましい。
上述の各実施例では、給電素子の一部を有する別の部材(チップアンテナ100)を誘電体基板900に固定することによって、給電素子の全体が形成されている。この代わりに、給電素子の全体が誘電体基板900の表面または内部に形成されてもよい。一般には、給電素子が基板に設けられていれることが好ましい。ここで、「素子が基板に設けられる」とは、以下の3つの構成を含む広い概念を意味している。
(1)素子の全体が基板の表面または内部に形成される。
(2)素子の一部が基板の表面または内部に形成され、そして、素子の残りの部分を有する別部材が基板に固定される。
(3)素子の全体を有する別部材が基板に固定される。
以上の説明は、無給電素子についても、同じである。このように、アンテナ素子(給電素子と無給電素子とを含む)を基板に設ければ、アンテナ素子の保持が容易である。ここで、2つの無給電素子を利用する場合には、2つの無給電素子の両方が基板に設けられることが好ましい。
ここで、基板の一部の領域であるグランド領域に、基板の表面あるいは内部にグランド導電パターンを設けてもよい。このように、アンテナ素子に加えてグランド導電パターンを基板に設ければ、アンテナ素子(モノポールアンテナ)の特性を向上させることができる。また、グランド領域に信号処理回路を設けることが可能であるので、無線通信装置の小型化が可能である。ここで、基板の厚さ方向に沿って見たときに、グランド領域と重ならない位置に給電素子と無給電素子とが配置されていることが好ましい。2つの無給電素子を利用する場合には、2つの無給電素子のそれぞれが、グランド領域と重ならない位置に配置されていることが好ましい。こうすれば、給電素子と無給電素子を利用した無線通信が、グランド導電パターンによって遮られることを抑制できる。なお、アンテナ素子が設けられている基板から、グランド導電パターンが省略されてもよい。また、信号処理回路が実装された基板とは別の基板に、アンテナ素子が設けられても良い。
10…アンテナ装置
100…チップアンテナ
110…給電導体部
111…第1導体部
111L1…第1直線部
111L2…第2直線部
112…第2導体部
112U…第1ライン
112D…第2ライン
112S…第3ライン
112p1…第1部分
112p2…第2部分
112v1…第1頂点
112v2…第2頂点
113…第3導体部
116s…スリット
116t…切込
118…開口
131…第1無給電導体部
132…第2無給電導体部
141…第1誘電層
142…第2誘電層
143…第3誘電層
144…第4誘電層
180…端子
400…グランド導電パターン
780…固定パッド
790…給電パッド
900…誘電体基板
P1〜P6…突出部
GA…グランド領域
SC…信号処理回路
FL…給電ライン
100…チップアンテナ
110…給電導体部
111…第1導体部
111L1…第1直線部
111L2…第2直線部
112…第2導体部
112U…第1ライン
112D…第2ライン
112S…第3ライン
112p1…第1部分
112p2…第2部分
112v1…第1頂点
112v2…第2頂点
113…第3導体部
116s…スリット
116t…切込
118…開口
131…第1無給電導体部
132…第2無給電導体部
141…第1誘電層
142…第2誘電層
143…第3誘電層
144…第4誘電層
180…端子
400…グランド導電パターン
780…固定パッド
790…給電パッド
900…誘電体基板
P1〜P6…突出部
GA…グランド領域
SC…信号処理回路
FL…給電ライン
Claims (6)
- アンテナ装置であって、
給電部と、一端が前記給電部に接続された線状の整合素子と、前記整合素子の他端に接続されるとともに前記他端から遠いほど幅が広くなる部分を含む拡張平板部と、を含む給電素子と、
前記拡張平板部とほぼ平行に配置された第1無給電平板部を含む第1無給電素子と、
を備える、アンテナ装置。 - 請求項1に記載のアンテナ装置であって、さらに、
前記拡張平板部とほぼ平行に配置された第2無給電平板部を含む第2無給電素子を含み、
前記拡張平板部は、前記第1無給電平板部と前記第2無給電平板部との間に配置されている、
アンテナ装置。 - 請求項2に記載のアンテナ装置であって、
前記拡張平板部と前記第1無給電平板部との間の間隔と、前記拡張平板部と前記第2無給電平板部との間の間隔とは、それぞれ、20μm以上30μm以下の値に設定されている、アンテナ装置。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のアンテナ装置であって、さらに、
誘電体または磁性体で構成された素子基材を備え、
前記拡張平板部と前記無給電平板部とのそれぞれは、前記素子基材の表面または内部に設けられている、
アンテナ装置。 - 請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のアンテナ装置であって、さらに、
基板を備え、
前記給電素子と前記無給電素子とは前記基板に設けられ、
前記基板の一部の領域であるグランド領域には、前記基板の表面あるいは内部にグランド導電パターンが設けられ、
前記給電素子と前記無給電素子とは、前記基板の厚さ方向に沿って見たときに、前記グランド領域と重ならない位置に配置されている、
アンテナ装置。 - 請求項5に記載のアンテナ装置と、
前記グランド領域に設けられるとともに前記アンテナ装置に接続される信号処理回路と、
を備える、通信装置。
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2007
- 2007-09-19 JP JP2007242198A patent/JP2009077028A/ja active Pending
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