JP2011061638A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部素子を用いることなく広帯域化と高利得化を両立し、なおかつ低コストで製造可能なアンテナ装置を提供する
【解決手段】アンテナ装置１００は、アンテナ素子１０とプリント基板２０とを備えている。アンテナ素子１０は、基体１１と、基体１１の上面において櫛歯状電極を構成する第１及び第２の放射電極１２，１３と、基体１１の側面１１ｃに形成され、第１の放射電極１２の一端に接続された給電電極１４と、側面１１ｃに形成され、第２の放射電極１３に接続された第１の接地電極１５と、基体１１の底面に形成された端子電極１７〜１９とを備えている。第１の端子電極１７は、プリント基板２０上に形成された給電ラインに接続されると共に、プリント基板２０上に形成されたインダクタンスパターンを介してプリント基板上のグランドパターンに接続されている。第２の端子電極１８は、プリント基板２０上のグランドパターンに接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に、携帯電話等の移動体通信装置に内蔵されるチップアンテナの電極構造に関する。

携帯電話等の無線通信機器に内蔵されるアンテナの一つとして複共振アンテナが知られている。複共振アンテナは、誘電体からなる基体の表面に複数の放射導体が形成され、各放射導体の給電点が共通且つ共振周波数が異なるように構成されたものであり、例えば２つの放射導体の一方をＧＰＳ用アンテナ、他方を無線ＬＡＮ用アンテナとして使用できる。また、周波数帯域の一部分が重なり合うように２つの共振周波数を僅かにずらして共振周波数の広帯域化を図ることも可能である。

特許文献１には、共振周波数が異なる第１及び第２の放射電極を誘電体ブロック上に形成し、さらに誘電体ブロックの側面に整合回路を形成した複共振タイプの表面実装型アンテナが開示されている。このアンテナによれば、インピーダンス整合のためにチップキャパシタ、チップインダクタ等の外部素子を用いる必要がないので、外部素子による電力損失をなくすことができると共に、外部素子の最大定格を考慮する必要が無くなるため、大電力の供給による高利得化を実現でき、また外部素子の省略による実装密度の向上が可能となる。

また特許文献２には、共振周波数が異なる第１及び第２の放射電極を用いて広帯域化を図ると共に、給電電極と第１、第２の放射電極との間の容量を第1、第２の放射電極間の容量よりも十分に大きくすることで、第1、第２の放射電極間の相互干渉を防止したアンテナが開示されている。

特許第３５６２５１２号公報 特開平１１−４１１３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたアンテナは、インピーダンス整合回路を誘電体ブロックの側面に形成しており、側面の面積が非常に狭いため、大きなキャパシタンスやインダクタンスを形成することが難しいという問題がある。また特許文献２のアンテナでは、インダクタンスが誘電体ブロック上に形成されているため、大きなインダクタンスを得ることが難しいという問題がある。

本発明は上記課題を解決するものであり、本発明の目的は、外部素子を用いることなく広帯域化と高利得化を両立し、なおかつ低コストで製造可能なアンテナ装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によるアンテナ装置は、アンテナ素子と、前記アンテナ素子が実装されたプリント基板とを備え、前記アンテナ素子は、略直方体状の誘電体からなる基体と、前記基体の少なくとも上面において櫛歯状電極を構成する第１及び第２の放射電極と、前記基体の第１の側面に形成され、前記第１の放射電極に接続された給電電極と、前記基体の前記第１の側面に形成され、前記第２の放射電極に接続された第１の接地電極とを備え、前記プリント基板は、前記アンテナ素子が実装されるアンテナ実装領域の周囲に形成されたグランドパターンと、前記アンテナ実装領域内に引き込まれて前記アンテナ素子の前記給電電極に接続された給電ラインと、一端が前記給電ラインの端部に接続され、他端が前記グランドパターンに接続されたインダクタンスパターンとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１及び第２の放射電極が基体の上面において櫛歯状電極を構成しているので、大きなキャパシタンスを形成することができ、これにより安定した複共振特性を得ることができる。また、櫛歯状電極が基体の上面に形成されることにより、櫛歯状電極の開放端をプリント基板上のグランドから遠ざけることができ、アンテナ利得を向上させることができる。また、インダクタンスパターンがプリント基板上に形成されているため、より大きなインダクタンスを得ることができる。したがって、複共振点を有する広帯域なアンテナを外部素子無しで形成することができる。特に、外部素子の最大定格を考慮する必要がないため、大電流の供給が可能となり、さらにはインピーダンス整合も容易であることから、アンテナの高利得化を図ることができる。

本発明において、前記アンテナ素子は、前記基体の底面であって前記第１の側面側の端部に形成され、前記第１の放射電極に接続されたた第１の端子電極と、前記基体の前記底面であって前記第１の側面側の端部に形成され、前記第１の接地電極に接続された第２の端子電極と、前記基体の前記底面であって前記第１の側面と対向する第２の側面側の端部に形成された第３の端子電極とをさらに備え、前記第３の端子電極は前記グランドパターンに接続されていることが好ましい。この構成によれば、アンテナ素子をプリント基板上に確実に実装できるだけでなく、アンテナとして機能するために必要なキャパシタンスを確実に確保することができる。

本発明において、前記第１及び第２の放射電極は、前記第１の側面側の端部から第２の側面側に向かって延設されており、前記第２の放射電極の開放端は、前記第１の放射電極の開放端よりも前記第２の側面側に近いことが好ましい。この場合において、前記第２の放射電極の長さは、前記第１の放射電極よりも長いことが特に好ましい。給電放射電極である第１の放射電極が無給電放射電極である第２の放射電極よりもグランドと強く結合すると、ＶＳＷＲ特性が劣化してしまう。しかし、無給電放射電極が給電放射電極よりもグランドと強く結合している場合には、安定した複共振特性を得ることができる。

本発明によるアンテナ装置は、前記基体の前記底面であって、前記第１の側面と対向する第２の側面側に形成された第３の端子電極をさらに備え、前記第３の端子電極は、前記プリント基板上の前記グランドパターンに接続されていることが好ましい。この構成によれば、アンテナ素子の固定が確実となるだけでなく、無給電・給電放射電極とグランドとの間に適切なキャパシタンスを形成することができ、これにより安定した複共振特性を得ることができる。

本発明によるアンテナ装置は、前記基体の少なくとも前記第２の側面に形成され、前記第３の端子電極に接続された第２の接地電極をさらに備えることが好ましい。この場合において、前記第２の接地電極は、前記基体の前記第２の側面から前記上面にかけて連続的に形成されていることが好ましい。第２の接地電極を設けた場合には、無給電・給電放射電極とグランドとの間により大きなキャパシタンスを形成することができる。第２の接地電極を基体の側面のみならず上面にまで形成した場合には、さらに大きなキャパシタンスを得ることができる。

本発明において、前記インダクタンスパターンの前記他端は、前記給電ラインの引き込み側にある前記グランドパターンに接続されていることが好ましい。この構成によれば、折り返し構造によるループ状のインダクタンスパターンを形成することができ、小さな面積でより大きなインダクタンスを得ることができる。

本発明において、前記アンテナ実装領域は、前記プリント基板のエッジに近接して設けられており、前記第１の端子電極は、前記第２の端子電極よりも前記プリント基板の前記エッジの近くに設けられており、前記インダクタンスパターンは、前記第１の端子電極よりも前記エッジの近くに設けられていることが好ましい。インダクタンスパターンをプリント基板の内側に設けた場合には、インダクタンスパターンがこれと平行なグランドパターンのエッジラインに近づくため、アンテナ特性が劣化する。しかし、インダクタンスパターンがエッジに近い側に設けられていることにより、グランドパターンから遠ざけることができ、良好なアンテナ特性を得ることができる。

以上のように、本発明によれば、外部素子を用いることなく、ＶＳＷＲ特性及び放射効率の広帯域化と高利得化を両立し、なおかつ低コストで製造可能なアンテナ装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置１００の構成を示す略斜視図である。 アンテナ素子１０の展開図である。 （ａ）及び（ｂ）は、第１、第２の放射電極１２，１３の形状について説明するための略平面図である。 アンテナ素子１０が実装されるプリント基板２０上のパターンレイアウトを示す略平面図であり、（ａ）はプリント基板２０の表面２０ａのレイアウト、（ｂ）はプリント基板の裏面２０ｂのレイアウトである。 （ａ）及び（ｂ）は、給電ライン及びインダクタンスパターンのレイアウトを説明するための略平面図である。 アンテナ装置１００の等価回路図である。 アンテナ装置１００のＶＳＷＲ特性を示すグラフである。 アンテナ装置１００の放射特性を示すグラフである。 アンテナ装置１００の特性インピーダンスを示すスミスチャートである。 第１の変形例によるアンテナ素子３０の構成を示す略斜視図である。 第２の変形例によるアンテナ素子４０の構成を示す略斜視図である。 第３の変形例によるアンテナ素子５０の構成を示す略斜視図である。 第４の変形例によるアンテナ素子６０の構成を示す略斜視図である。 第５の変形例によるアンテナ素子７０の構成を示す略斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置１００の構成を示す略斜視図である。また、図２は、アンテナ素子１０の展開図である。

図１に示すように、本実施形態によるアンテナ装置１００は、アンテナ素子１０と、アンテナ素子１０が実装されたプリント基板２０とを備え、アンテナ素子１０はプリント基板２０の一方の主面（表面）に設けられたアンテナ実装領域内に実装されている。本実施形態によるアンテナ装置１００は、アンテナ素子１０のみでアンテナ動作を行うというよりむしろ、プリント基板２０上のグランドパターンと協働してアンテナ動作を行うものである。

アンテナ素子１０は、誘電体からなる基体１１と、基体１１に形成された複数の導体パターンによって構成されている。基体１１は、Ｙ方向を長手方向とする略直方体状を有している。このうち、基体１１の上面１１ａ、底面１１ｂ及び２つの側面１１ｃ，１１ｄはＹ方向と平行な面であり、側面１１ｅ，１１ｆはＹ方向と直交する面であり、底面１１ｂはプリント基板２０に対する搭載面である。なお、アンテナ素子１０の上下方向はプリント基板２０の表面を基準面にして定義される。

基体１１の材料としては、特に限定されるものではないが、Ｂａ−Ｎｄ−Ｔｉ系材料（比誘電率８０〜１２０）、Ｎｄ−Ａｌ−Ｃａ−Ｔｉ系材料（比誘電率４３〜４６）、Ｌｉ−Ａｌ−Ｓｒ−Ｔｉ（比誘電率３８〜４１）、Ｂａ−Ｔｉ系材料（比誘電率３４〜３６）、Ｂａ−Ｍｇ−Ｗ系材料（比誘電率２０〜２２）、Ｍｇ−Ｃａ−Ｔｉ系材料（比誘電率１９〜２１）、サファイヤ（比誘電率９〜１０）、アルミナセラミックス（比誘電率９〜１０）、コージライトセラミックス（比誘電率４〜６）などを用いることができる。基体１１は、型枠を用いてこれらの材料粉を焼成することによって作製される。

誘電体材料は、目的とする周波数に応じて適宜選択すればよい。比誘電率ε_ｒが大きくなるほど大きな波長短縮効果が得られるので、放射導体の長さをより短くすることができるが、放射効率が低下するため、必ずしも比誘電率ε_ｒが大きければよいという分けではなく、適切な値が存在する。したがって、例えば、目的とする周波数が２．４ＧＨｚである場合、比誘電率ε_ｒが５〜１００程度の材料を用いることが好ましい。これによれば、十分な放射効率を確保しつつ基体の小型化を図ることができる。比誘電率ε_ｒが５〜１００程度である材料としては、Ｍｇ−Ｃａ−Ｔｉ系誘電体セラミックを好ましく挙げることができる。Ｍｇ−Ｃａ−Ｔｉ系誘電体セラミックとしては、ＴｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＭｎＯ、ＳｉＯ_２を含有するＭｇ−Ｃａ−Ｔｉ系誘電体セラミックを用いることが特に好ましい。

図２に示すように、アンテナ素子１０の導体パターンは、基体１１の上面１１ａに形成された１及び第２の放射電極１２，１３と、第１の側面１１ｃに形成された給電電極１４及び第１の接地電極１５と、第２の側面１１ｄに形成された第２の接地電極１６と、底面１１ｂに形成された第１〜第３の端子電極１７〜１９とを含んでいる。これらの導体パターンは、電極用ペースト材をスクリーン印刷や転写などの方法によって塗布した後、所定の温度条件下で焼き付けを行うことによって形成することができる。電極用ペースト材としては、銀、銀−パラジウム、銀−白金、銅などを用いることができる。導体パターンは、この他にメッキやスパッタなどでも形成することが可能である。

第１の放射電極１２は給電ラインに接続される給電放射電極であり、第２の放射電極１３は給電ラインに接続されない無給電放射電極である。第１及び第２の放射電極１２，１３は共に、第１の側面側から第２の側面側に向かってＹ方向に延びる共通電極１２ｍ，１３ｍと、共通電極１２ｍ，１３ｍから基体１１の幅方向であるＸ方向に延びる突起片とで構成されている。第１の放射電極１２の第１の側面１１ｃ側の一端は給電電極１４を介して給電ラインに接続されており、第２の放射電極１３の第１の側面１１ｃ側の一端は第１の接地電極を介してグランドに接続されている。

第１及び第２の放射電極１２，１３は、基体１１の上面１１ａにおいて櫛歯状電極を構成している。第１の放射電極１２は第２の放射電極１３側に向かって突出する１本の突起片１２ａを有し、第２の放射電極１３は第１の放射電極１２側に向かって突出する２本の突起片１３ａ，１３ｂを有し、これらが所定の間隔を空けて対向配置され、両者の突起片が噛み合う構成となっている。第１の放射電極１２と第２の放射電極１３との間の容量結合によって大きなキャパシタンスＣ１が形成されるので、広帯域なアンテナ特性を得ることが可能となる。また、第１，第２の放射電極１２，１３が基体１１の上面１１ａに形成されているため、第１，第２の放射電極１２，１３の開放端をプリント基板２０上のグランドから遠ざけることができ、アンテナ利得を高めることができる。

給電電極１４は、基体１１の側面１１ｃに形成された直線導体パターンであり、給電電極１４の上端は第１の放射電極１２に接続され、下端は第１の端子電極１７に接続されている。第１の接地電極１５は、基体１１の側面１１ｃに形成された給電電極１４と平行な直線導体パターンであり、上端は第２の放射電極１３に接続され、下端は第２の端子電極１８に接続されている。

第２の接地電極１６は、基体１１の第２の側面１１ｄに形成された導体パターンである。本実施形態による第２の接地電極１６は側面１１ｄの高さ方向の全範囲に形成されているが、第２の接地電極１６の幅は側面１１ｄの幅よりも狭く、側面１１ｄの幅方向の中央部にのみ形成されている。詳細は後述するが、第２の接地電極１６と櫛歯状電極との間のギャップによってキャパシタンスＣ２が形成され、キャパシタンスＣ２の値に応じてアンテナの共振周波数が大きく変化することから、第２の接地電極１６の形状（高さ、幅）は、目的とする周波数に応じて適宜設定される。

第１乃至第３の端子電極１７〜１９は、基体１１の底面１１ｂに形成されており、特に、端子電極１７，１８は底面１１ｂのＹ方向の一端側に形成され、端子電極１９は底面１１ｂのＹ方向の他端側に形成されている。端子電極１７は給電電極１４の下端に接続されており、端子電極１８は第１の接地電極１５の下端に接続されており、端子電極１９は第２の接地電極１６の下端に接続されている。端子電極１９は、底面１１ｂの幅方向全体に形成されており、端子電極１７，１８は所定の間隔を空けて底面１１ｂの幅方向（Ｘ方向）にそれぞれ形成されている。つまり、底面１１ｂの幅Ｗに対して端子電極１９の幅はＷであり、端子電極１７，１８の幅はＷ／２未満である。

端子電極１７には延長部１７ａが形成されている。この延長部１７ａはアンテナ素子１０の実装時にプリント基板２０上のインダクタンスパターンとの接触を確実にするために設けられている。端子電極１７〜１９以外の導体パターンは基体１１の底面１１ｂに形成されておらず、大部分が絶縁領域となっている。

図３（ａ）及び（ｂ）は、第１、第２の放射電極１２，１３の形状について説明するための略平面図である。

図３（ａ）に示すように、第２の放射電極１３の開放端を構成する突起片１３ｂは、第１の放射電極１２の開放端を構成する突起片１２ａよりも第２の側面１１ｄ側に近いことが好ましい。図３（ｂ）に示すように第１の放射電極１２の開放端を構成する突起片１２ｂが第１の放射電極１２の開放端を構成する突起片１３ｂよりも第２の側面１１ｄ側に近い場合、第１の放射電極１２とグランドとの間の容量結合のほうが第２の放射電極１３とグランドとの間の容量結合よりも強くなり、良好な反射特性が得られない。しかし、第２の放射電極１３とグランドとの間の容量結合が第１の放射電極１２とグランドと間の容量結合よりも強ければ、良好な反射特性が得られる。

図３（ａ）のように、第２の側面１１ｄに最も近い突起片が第２の放射電極１３側のものであれば、第１の放射電極１２の共通電極１２ｍと第２放射電極１３の共通電極１３ｍの長さは同じでもよい。この場合、第２の放射電極１３の突起片１３ｂがあることにより、第２の放射電極１３の容量結合は、第１の放射電極１２の容量結合よりも強くなる。もちろん、第２の放射電極１３の共通電極１３ｍの長さは、第１の放射電極１２の共通電極１２ｍの長さよりも長いことがより好ましい。このような構成であれば、第２の放射電極１３とグランドとの間の容量結合をさらに強めることができ、放射効率の低下を確実に防止することができる。

図４は、アンテナ素子１０が実装されるプリント基板２０上のパターンレイアウトを示す略平面図であり、（ａ）はプリント基板２０の表面２０ａのレイアウト、（ｂ）はプリント基板の裏面２０ｂのレイアウトである。特に、（ｂ）は裏面２０ｂのレイアウトを表面２０ａ側から透過的に示したものである。

図４に示すように、プリント基板２０は絶縁基板２１の表裏面に導体パターンが形成されたものであって、特に、プリント基板２０の表面２０ａには、一辺がプリント基板２０の長手方向（Ｙ方向）のエッジ２０ｅに接し、他の三辺がグランドパターン２２によって画定されたグランドクリアランス領域２３ａが設けられている。グランドクリアランス領域２３ａはグランドパターン２２が排除された矩形状の絶縁領域であり、グランドパターンの第１のエッジライン２２ａ、第２のエッジライン２２ｂ，及び第３のエッジライン２２ｃに囲まれている。そして、実際にアンテナ素子１０が実装されるアンテナ実装領域２４はこのグランドクリアランス領域２３ａ内においてプリント基板のエッジ２０ｅに近接して設けられている。アンテナ実装領域２４をプリント基板のエッジ２０ｅに設けた場合には、アンテナ素子１０から見て約半分の空間はプリント基板（グランドパターン）の存在しない自由空間であることから、アンテナの放射効率を高めることができる。

アンテナ実装領域２４の面積はアンテナ素子１０の底面１１ｂの面積に略等しく、アンテナ実装領域２４内には３つのランド２５〜２７が設けられている。ランド２５〜２７はアンテナ素子１０の端子電極１７〜１９にそれぞれ対応しており、対応する端子電極１７〜１９と同一幅を有している。ランド２５はランド２６よりもプリント基板２０のエッジ２０ｅの近くに位置し、給電ライン２８に接続されている。給電ライン２８はエッジ２０ｅと平行に配置されており、グランドパターン２２の第１のエッジライン２２ａ側からグランドクリアランス領域２３ａ内に引き込まれている。ランド２６は近接のグランドパターンのエッジライン２２ａに接続されており、ランド２７は近接のグランドパターンのエッジライン２２ｃに接続されている。このようなランドの配置により、アンテナ素子１０は、グランドクリアランス領域２３ａをＹ方向に跨いで両側のグランドパターン間を短絡しており、グランドパターン全体に対するＬＣ調整素子として機能する。

以下、プリント基板２０上のグランドパターン全体を使用して電磁場を形成する理由について詳細に説明する。

例えば、ブルートゥース用アンテナの場合、共振周波数ｆ＝２．４３ＧＨｚ（共振波長λ＝１２３ｍｍ）、必要とされる帯域幅ＢＷは３．５％である。ここで、２．０×１．２×１．０ｍｍの基体を用いて、基体の長手方向をアンテナ長Ｌとし、Ｌ＝２ｍｍのブルートゥース用アンテナを構成する場合、アンテナ長の波長比（ａ）は、ａ＝２πＬ／λ＝０．１０２３となる。また、放射効率（η）を０．５（η＝０．５、放射効率５０％）とするとき、Ｑファクタ（Ｑ）は、Ｑ＝η（１＋３ａ^２）／ａ^３（１＋ａ^２）＝４７６.８３６５となる。さらに、ＶＳＷＲ（Ｓ）を２（Ｓ＝２）とするとき、帯域幅（ＢＷ）は、ＢＷ＝（ｓ−１）×１００／（√ｓ×Ｑ）［％］として求められ、ＢＷ＝０．１％となる。つまり、ブルートゥース用アンテナにおいてアンテナ長Ｌ＝２とした場合には、上記帯域幅３．５％を満足することができない。

このように、アンテナ長Ｌがλ／２πよりも小さい超小型チップアンテナにおいては、上記の式より得られるアンテナ特性以上のものをアンテナ素子単体で得ることは理論上不可能である。そのため、超小型チップアンテナの場合にはプリント基板２０上のグランドパターン２２に流れる電流を利用して、グランドパターン２２全体をアンテナとして効率良く動作させることが極めて重要となる。

図５（ａ）及び（ｂ）は、給電ライン２８及びインダクタンスパターン２９のレイアウトを説明するための略平面図である。

図５（ａ）に示すように、インダクタンスパターン２９は、給電ライン２８の延長方向から１８０度折り返し、その先端は給電ライン２８の引き込み側にあるグランドパターンのエッジライン２２ａに接続されている。このような構成により、インダクタンスパターン２９をループ形状とすることができ、大きなインダクタンスを得ることができる。

給電ライン２８及びインダクタンスパターン２９はプリント基板２０のエッジ２０ｅ側に設けられていることが好ましく、さらにインダクタンスパターン２９の端部は基体１１の底面１１ｂを経由して給電ライン２８と同じ側にあるグランドパターン２２に接続されていることが好ましい。図５（ｂ）に示すように、インダクタンスパターン２９がアンテナ実装領域２４から見てプリント基板のエッジ２０ｅとは反対側に設けられている場合には、インダクタンスパターン２９と平行なグランドパターンのエッジライン２２ｂに近づくため、アンテナ特性が劣化する。しかし、インダクタンスパターン２９がエッジ２０ｅ側に設けられている場合には当該インダクタンスパターン２９がグランドパターンのエッジライン２２ｂから十分に遠いため、良好なアンテナ特性を得ることができる。

プリント基板２０の裏面２０ｂにもまた、表面２０ａ側のグランドクリアランス領域２３ａと平面視にて実質的に同一形状の絶縁領域であるグランドクリアランス領域２３ｂが設けられている。裏面２０ｂ側のグランドクリアランス領域２３ｂ内にはランド等の導体パターンは何ら形成されていない。なお、プリント基板２０が多層基板の場合には、裏面２０ｂのみならず内層にもこのようなグランドクリアランス領域２３ｂが設けられている必要がある。つまり、アンテナ実装領域２４の直下にはグランドパターンが排除された絶縁領域が拡がっている。このような実装構造は「グランドクリアランスタイプ」と呼ばれ、アンテナ実装領域２４の直下がグランドパターンで覆われた「オングランドタイプ」とは区別される。

以上のように、アンテナ素子１０は、プリント基板２０上のグランドパターン２２の一部を除去して形成されたグランドクリアランス領域２３ａ内のアンテナ実装領域２４に実装される。グランドクリアランスタイプの場合、アンテナ素子１０の下方には何も実装できないので、基板面積が広く占有されるが、グランド面が全く存在しないのでアンテナ自身（基体）の低背化が可能となる。一方、オングランドタイプの場合、実装面および下方の領域にグランド面が設けられていることから、グランドクリアランスタイプに比べてアンテナ素子の背は高いが、例えば多層基板の表面をアンテナの実装面とし、内層をグランドパターン層とすることで、多層基板の裏面を部品実装領域として使用することができる。

図１に示したように、プリント基板２０上のアンテナ実装領域２４内にアンテナ素子１０を実装するとき、アンテナ素子１０はプリント基板のエッジ２０ｅ側に近接して配置されている。そして、第１の放射電極１２は給電電極１４を介して給電ライン２８に接続され、第２の放射電極１３は第１の接地電極１５を介してグランドパターン２２に接続される。また、第２の接地電極１６はグランドパターン２２に接続される。その結果、アンテナ素子１０は、グランドクリアランス領域２３ａの対向する二辺を画定するグランドパターンの一方のエッジライン２２ａと他方のエッジライン２２ｃとの間に架設される。

さらに、第１の端子電極１４は、第２の端子電極１５よりもプリント基板２０のエッジ２０ｅの近くに設けられ、インダクタンスパターン２９もまた第１の端子電極１４よりもエッジ２０ｅの近くに設けられる。上述したように、インダクタンスパターン２９をプリント基板２０の内側に設けた場合には、インダクタンスパターン２９がこれと平行なグランドパターンのエッジライン２２ｂ（図５参照）に近づくため、アンテナ特性が劣化する。しかし、インダクタンスパターンがプリント基板のエッジ２０ｅに近い側に設けられていることにより、プリント基板２０上のグランドパターンから遠ざけることができ、良好なアンテナ特性を得ることができる。

図６は、アンテナ装置１００の等価回路図である。

図６に示すように、アンテナ素子１０は、給電点ＰとグランドＧＮＤとの間に挿入されたＬＣ並列回路であり、インダクタンスＬ１と、キャパシタンスＣ１〜Ｃ３とで構成されている。

インダクタンスＬ１は、上述したインダクタンスパターン２９によって形成され、キャパシタンスＣ１は、櫛歯状電極を構成する第１，第２の放射電極１２，１３間のギャップによって形成される。また、キャパシタンスＣ２は、櫛歯状電極を構成する第１の放射電極１２と第２の接地電極１６ならびに、第１の放射電極１２と第３の端子電極１９とで形成される。さらに、キャパシタンスＣ３は、櫛歯状電極を構成する第２の放射電極１３と第２の接地電極１６ならびに、第２の放射電極１３と第３の端子電極１９とで形成される。

本実施形態においては、基体１１の上面１１ａに櫛歯状電極が設けられていることにより、外部素子を用いることなく十分に大きなキャパシタンスＣ１を得ることができる。また、一端が第１の端子電極１７に接続され、他端がグランドに接続されたループ状のインダクタンスパターンが設けられていることにより、外部素子を用いることなく十分に大きなインダクタンスＬ１を確保することができる。したがって、外部素子を用いずにＶＳＷＲ特性及び放射効率の広帯域化と高利得化を両立し、なおかつ低コストで製造可能なアンテナ装置を提供することができる。

アンテナの共振周波数は主にキャパシタンスＣ３を変更することにより調整することができる。たとえば、櫛歯状電極を構成する第２の放射電極１３と、第２の接地電極１６ならびに第３の端子電極１９とで形成されるギャップ幅が狭ければＣ３が大きくなるので共振周波数は低くなり、ギャップ幅が広ければ、Ｃ３は小さくなるので、共振周波数は高くなる。

アンテナの入力インピーダンスは、インダクタンスＬ１、キャパシタンスＣ１，Ｃ２を変更することにより調整することができる。たとえば、インダクタンスＬ１は、インダクタンスパターン２９の線幅や全長を変えることで調整できる。また、キャパシタンスＣ１は、第１の放射電極１２と第２の放射電極１３とのギャップ幅を変えることで調整することができる。さらに、キャパシタンスＣ２は、第１の放射電極１２と第２の接地電極１６との間のギャップ、ならびに第１の放射電極１２と第３の端子電極１９とのギャップを変えることで調整することができる。

図７は、アンテナ装置１００のＶＳＷＲ特性を示すグラフである。

図７に示すように、本実施形態によるアンテナ装置１００のＶＳＷＲ特性は曲線Ｄ１のようになり、非常に緩やかなピークを示す。特に、ＶＳＷＲ≦３となる周波数範囲が２．３４〜２．５６ＧＨｚまでの広範囲に及んでいる。これに対し、図６の等価回路においてインダクタンスＬ１とキャパシタンスＣ１がない従来のアンテナ装置のＶＳＷＲ特性は曲線Ｄ２のようになり、２．４３ＧＨｚ付近で比較的急峻なピークを持ち、この種のアンテナ装置に求められるＶＳＷＲ特性のスペックを一応は満たすものの、広帯域なＶＳＷＲ特性とは言えないことが分かる。

図８は、アンテナ装置１００の放射効率を示すグラフである。

図８らも明らかなように、本実施形態によるアンテナ装置１００の放射効率は曲線Ｄ３のようになり、非常に緩やかなピークを示す。特に、放射効率η≧−３ｄＢ（５０％）となる周波数範囲が２．３４〜２．５４ＧＨｚまでの広範囲に及んでいる。これに対し、図６の等価回路においてインダクタンスＬ１とキャパシタンスＣ１がない従来のアンテナ装置のＶＳＷＲ特性は曲線Ｄ４のようになり、２．４３ＧＨｚ付近で比較的急峻なピークを持ち、この種のアンテナ装置に求められる放射特性のスペックを一応は満たすものの、広帯域な放射特性とは言えないことが分かる。

図９は、アンテナ装置１００の特性インピーダンスを示すスミスチャートである。

図９に示すように、本実施形態によるアンテナ装置１００の特性インピーダンスは曲線Ｄ５のようになり、約２回のループの交点が実軸上に位置しており、交点を始点及び終点とする閉ループの中心がチャートの中心点とほぼ一致している。すなわち、チャートの中心点に近づく（反射係数が１に近づく）周波数範囲が十分に広く、これにより広帯域な放射特性が得られる。これに対し、図６の等価回路においてインダクタンスＬ１とキャパシタンスＣ１がない従来のアンテナ装置の特性インピーダンスは曲線Ｄ６のようになり、１回ループの中心がチャートの中心点と一致しておらず、高インピーダンス側にシフトしている。そのため曲線Ｄ６は低い周波数から徐々に高くなるにつれてチャートの中心点に近づくが、さらに高くなるとチャートの中心点から離れ、チャートの中心点に近づく（複素反射係数が１に近づく）周波数範囲が曲線Ｄ５よりも狭いことが分かる。

以上説明したように、本実施形態によるアンテナ装置１００は、第１及び第２の放射電極が基体の少なくとも上面において櫛歯状電極を構成しているので、大きなキャパシタンスＣ１を形成することができ、広帯域なアンテナ特性を得ることができる。また、インダクタンスパターンがプリント基板上に形成されており、特にインダクタンスパターンの一部がプリント基板と誘電体に挟まれているため、より大きなインダクタンスを得ることができる。したがって、広帯域なアンテナを外部素子無しで形成することができる。また外部素子の最大定格を考慮する必要がないため、大電流の供給が可能となり、さらにはインピーダンス整合も容易であることから、アンテナの高利得化を図ることができる。

次に、アンテナ素子上の導体パターンの変形例について説明する。櫛歯状電極を構成する第１及び第２の放射電極１２，１３や第２の接地電極１６の形状は、図１等に示した形状に限定されず、様々な形状とすることができる。例えば、第１及び第２の放射電極１２，１３間のギャップ幅を狭くしてキャパシタンスを大きくしたり、逆にギャップ幅を狭くしてキャパシタンスを小さくしたりすることができる。また、第２の接地電極を省略してもよく、第２の接地電極１６を第２の側面１１ｄの全面に形成してもよい。さらにまた、第２の側面１１ｄの下端から高さ方向の途中まで延びるように第２の接地電極１６を短く形成してもよく、さらには第２の側面の上端を通過して上面まで延びるように第２の接地電極１６を長く形成してもよい。

図１０は、第１の変形例によるアンテナ素子３０の構成を示す略斜視図である。

図１０に示すように、このアンテナ素子３０の特徴は、図１に示したアンテナ素子１０に比べて櫛歯状電極の突起片の本数が４本に増えている点にある。第１の放射電極１２は２本の突起片１２ａ，１２ｂを有し、第２の放射電極１３もまた２本の突起片１３ａ，１３ｂを有し、これらが相互に噛み合うことで櫛歯状電極が形成されている。特に、開放端の突起片が必ず第２の放射電極１３側の突起片となるように、第１の放射電極１２側の突起片と第２の放射電極１３側の突起片が給電側から開放端に向かって交互に配置され、そのため給電側から数えて最初の突起片は第１の放射電極１２側から始まっている。以上の構成により、櫛歯状電極によって形成されるキャパシタンスＣ１は大きな値となる。また、図１のアンテナ素子と同様、第２の放射電極１３の開放端は第１の放射電極１２の開放端よりも前方（側面１１ｄ側）に配置される。

突起片の幅Ｗ１やピッチＷ２を図１のアンテナ素子１０と同一にした場合、第２の放射電極１３の開放端は、図１のアンテナ素子１０に比べて第２の接地電極１６側により近づくことから、櫛歯状電極と第２の接地電極１６および第２の端子電極１９との間に形成されるキャパシタンスＣ２およびＣ３はより大きくなる。キャパシタンスＣ２およびＣ３を一定に調整したい場合には、図示のように第２の接地電極１６の高さを少し低くすればよい。このように構成することで櫛歯状電極の開放端と第２の接地電極１６との間の結合が弱まるので、キャパシタンスＣ２，Ｃ３を適切な値に調整することができる。

図１１は、第２の変形例によるアンテナ素子４０の構成を示す略斜視図である。

図１１に示すように、このアンテナ素子４０の特徴は、図１０に示したアンテナ素子３０に比べて櫛歯状電極の突起片の本数が５本に増えている点にある。第１の放射電極１２は２本の突起片１２ａ，１２ｂを有し、第２の放射電極１３は３本の突起片１３ａ，１３ｂ，１３ｃを有し、これらが相互に噛み合うことで櫛歯状電極が形成されている。特に、開放端の突起片が必ず第２の放射電極１３側の突起片となるように、第１の放射電極１２側の突起片と第２の放射電極１３側の突起片が給電側から開放端に向かって交互に配置され、そのため給電側から数えて最初の突起片は第２の放射電極１３側から始まっている。以上の構成により、櫛歯状電極によって形成されるキャパシタンスＣ１はさらに大きな値となる。また、図１のアンテナ素子と同様、第２の放射電極１３の開放端は第１の放射電極１２の開放端よりも前方（側面１１ｄ側）に配置される。

突起片の幅Ｗ１やピッチＷ２を図１のアンテナ素子１０と同一にした場合、第２の放射電極１３の開放端は、図１０のアンテナ素子３０に比べて第２の接地電極１６側により近づく。そのため、櫛歯状電極と第２の接地電極１６および第２の端子電極１９との間に形成されるキャパシタンスＣ２およびＣ３はさらに大きくなる。キャパシタンスＣ２およびＣ３を一定に調整したい場合には、図示のように側面１１ｄに形成される第２の接地電極１６を省略すればよい。このように構成することで櫛歯状電極の開放端と第２の接地電極１６との間の結合が弱まるので、キャパシタンスＣ２，Ｃ３を適切な値に調整することができる。

さらに本実施例では、最も開放端側の突起片１３ｃの長さＷ３とそれ以外の突起片１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの長さＷ４が異なっており、突起片１３ｃは他の突起片よりも長い。このような形状により、櫛歯状電極の開放端とグランドとの間の結合を弱めることなく、櫛歯状電極によって形成されるキャパシタンスＣ１を少し小さくすることができる。

図１２は、第３の変形例によるアンテナ素子５０の構成を示す略斜視図である。

図１２に示すように、このアンテナ素子５０の特徴は、図１１に示したアンテナ素子４０に比べて各突起片の長さが異なっている点にある。図示のように、給電側の３本の突起片１３ａ，１２ａ，１３ｂの長さＷ４が相対的に長く、開放端側の２本の突起片１２ｂ，１３ｃの長さＷ３が相対的に短い。換言すれば、給電側において櫛歯状電極の噛み合わせが深く、開放端側において噛み合わせが浅い構成となっている。このように、突起片の長さを異ならせた場合には、櫛歯状電極のキャパシタンスＣ１を大きくできると共に、櫛歯状電極の開放端と第２の接地電極１６および第２の端子電極１９との間の結合を弱めてキャパシタンスＣ２およびＣ３を小さくすることができる。

図１３は、第４の変形例によるアンテナ素子６０の構成を示す略斜視図である。

図１３に示すように、このアンテナ素子６０の特徴は、図１１に示したアンテナ素子４０に比べて突起片の幅Ｗ１及びピッチＷ２が狭くなっている点にある。第１の放射電極１２は２本の突起片１２ａ，１２ｂを有し、第２の放射電極１３は３本の突起片１３ａ，１３ｂ，１３ｃを有し、これらが相互に噛み合うことで櫛歯状電極が形成されている。さらに、突起片の長さＷ３が長く、噛み合わせが深いので、櫛歯状電極によって形成されるキャパシタンスＣ１はさらに大きな値となる。また、図１のアンテナ素子１０と同様、第２の放射電極１３の開放端は第１の放射電極１２の開放端よりも前方（側面１１ｄ側）に配置される。

本実施例では、突起片の幅Ｗ１及びピッチＷ２を狭くしているので、第２の放射電極１３の開放端は、図１のアンテナ素子１０に比べて第２の接地電極１６側から少し離れている。そのため、櫛歯状電極と第２の接地電極１６および第２の端子電極１９との間に形成されるキャパシタンスＣ２およびＣ３は小さくなる。キャパシタンスＣ２およびＣ３を一定に調整したい場合には、図示のように第２の接地電極１６を側面１１ｄの全面に形成すればよい。このように構成することで櫛歯状電極の開放端と第２の接地電極１６との間の結合が強まるので、キャパシタンスＣ２およびＣ３を適切な値に調整することができる。

図１４は、第５の変形例によるアンテナ素子７０の構成を示す略斜視図である。

図１４に示すように、このアンテナ素子７０の特徴は、図１３に示したアンテナ素子６０に比べて第２の接地電極１６の幅を狭くし、その代わりに接地電極１６を基体１１の上面１１ａまで引き延ばした構成を有している。このように構成することで櫛歯状電極の開放端と第２の接地電極１６との間の結合がより強まるので、キャパシタンスＣ２およびＣ３を適切な値に調整することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、直方体状の基体１１を用いているが、基体１１の形状は実質的に直方体であればよく、基体の各面に上記の導体パターンが形成される限りにおいて、コーナー部が切り欠かれていてもよく、一部にくり貫きが設けられていても構わない。また、プリント基板２０も完全な矩形平板である必要はなく、例えば、基板のコーナーやエッジの途中が切り欠かれた形状であっても構わない。

また、基体１１の表面に形成される導体パターンが種々の変形例を有することは図１０〜図１３に示した通りであり、これら以外の変形例も多数存在することは言うまでもない。例えば、上記実施形態においては、第１及び第２の放射電極１２，１３の突起片が基体１１の上面１１ａにのみ形成されているが、突起片は基体１１の側面１１ｃに形成されても良い。すなわち、櫛歯状電極を基体１１の上面１１ａと側面１１ｃの両方に形成することも可能である。

１０ アンテナ素子
１１ 基体
１１ａ 基体の上面
１１ｂ 基体の底面
１１ｃ 基体の第１の側面
１１ｄ 基体の第２の側面
１１ｅ 基体の第３の側面
１１ｆ 基体の第４の側面
１２ 第１の放射電極
１３ 第２の放射電極
１２ａ，１２ｂ 第１の放射電極の突起片
１２ｍ 共通電極
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 第２の放射電極の突起片
１３ｍ 共通電極
１４ 給電電極
１５ 第１の接地電極
１６ 第２の接地電極
１７ 第１の端子電極
１７ａ 第１の端子電極の延長部
１８ 第２の端子電極
１９ 第３の端子電極
２０ プリント基板
２０ａ プリント基板の表面
２０ｂ プリント基板の裏面
２０ｅ プリント基板のエッジ
２１ 絶縁基板
２２ グランドパターン
２２ａ グランドパターンの第１のエッジライン
２２ｂ グランドパターンの第２のエッジライン
２２ｃ グランドパターンの第３のエッジライン
２３ａ，２３ｂ グランドクリアランス領域
２４ アンテナ実装領域
２５〜２７ ランド
２８ 給電ライン
２９ インダクタンスパターン
３０〜７０ アンテナ素子
１００ アンテナ装置
Ｃ１〜Ｃ３ キャパシタンス
ＧＮＤ グランド
Ｌ１ インダクタンス
Ｐ 給電点

Claims (8)

1. アンテナ素子と、前記アンテナ素子が実装されたプリント基板とを備え、
   前記アンテナ素子は、
   略直方体状の誘電体からなる基体と、前記基体の少なくとも上面において櫛歯状電極を構成する第１及び第２の放射電極と、
   前記基体の第１の側面に形成され、前記第１の放射電極に接続された給電電極と、
   前記基体の前記第１の側面に形成され、前記第２の放射電極に接続された第１の接地電極とを備え、
   前記プリント基板は、
   前記アンテナ素子が実装されるアンテナ実装領域の周囲に形成されたグランドパターンと、
   前記アンテナ実装領域内に引き込まれて前記アンテナ素子の前記給電電極に接続された給電ラインと、
   一端が前記給電ラインの端部に接続され、他端が前記グランドパターンに接続されたインダクタンスパターンとを備えることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記アンテナ素子は、
   前記基体の底面であって前記第１の側面側の端部に形成され、前記第１の放射電極に接続されたた第１の端子電極と、
   前記基体の前記底面であって前記第１の側面側の端部に形成され、前記第１の接地電極に接続された第２の端子電極と、
   前記基体の前記底面であって前記第１の側面と対向する第２の側面側の端部に形成された第３の端子電極とをさらに備え、
   前記第３の端子電極は前記グランドパターンに接続されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１及び第２の放射電極は、前記第１の側面側の端部から第２の側面側に向かって延設されており、
   前記第２の放射電極の開放端は、前記第１の放射電極の開放端よりも前記第２の側面側に近いことを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第２の放射電極の長さは、前記第１の放射電極よりも長いことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記基体の少なくとも前記第２の側面に形成され、前記第３の端子電極に接続された第２の接地電極をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
6. 前記第２の接地電極は、前記基体の前記第２の側面から前記上面にかけて連続的に形成されていることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 前記インダクタンスパターンの前記他端は、前記給電ラインの引き込み側にある前記グランドパターンに接続されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
8. 前記アンテナ実装領域は、前記プリント基板のエッジに近接して設けられており、
   前記第１の端子電極は、前記第２の端子電極よりも前記プリント基板の前記エッジの近くに設けられており、
   前記インダクタンスパターンは、前記第１の端子電極よりも前記エッジの近くに設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のアンテナ装置。

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