JP2011120164A

JP2011120164A - アンテナ装置

Info

Publication number: JP2011120164A
Application number: JP2009277773A
Authority: JP
Inventors: Tomotaka Suzuki; 友貴鈴木
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2029-12-07
Also published as: US20110133992A1; US8674881B2; JP5306158B2

Abstract

【課題】併設した２つのパターンアンテナのアイソレーションが良好で小型化が図りやすく、かつ、高周波回路部との接続の引回しが複雑にならないアンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ装置１には、誘電体基板２の表面で接地導体層３と近接する領域に略線対称な形状で２つのパターンアンテナ４，８が並設されている。各パターンアンテナ４，８はそれぞれ、給電結合部５ａ，９ａや相互結合部５ｄ，９ｄ等を有する放射素子５，９と、高周波回路部から給電される給電素子とを備えており、放射素子５，９の開放端５ｅ，９ｅは接地導体層３の近傍に位置している。給電素子と給電結合部５ａ，９ａとが容量結合して放射素子５，９が励振され、この励振時に、隣接して略平行に延びる相互結合部５ｄ，９ｄどうしが容量結合するため、放射素子５，９から放射される電界の偏波面を略直交させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、偏波ダイバーシティアンテナやＭＩＭＯ伝送用のマルチアンテナ等として用いて好適な小型のアンテナ装置に関するものである。

この種のアンテナ装置として、使用周波数帯の波長λの約１／４の電気長を有するチップアンテナを誘電体基板上に２つ並べて実装した構成のものが広く知られている。しかしながら、かかる構成のアンテナ装置では、２つのチップアンテナの間隔をλ／２程度に設定しておかないと両チップアンテナどうしが干渉して所要のアンテナ特性が得られないため、例えば使用周波数帯が２．４ＧＨｚの場合、両チップアンテナどうしを６ｃｍ程度離隔させねばならず、小型化が要求されるアンテナ装置としては不向きなものである。

そこで従来、金属導体のメアンダラインからなるＬ字状のパターンアンテナを誘電体基板の表面に２つ並べて配設し、各パターンアンテナを中央給電のダイポールアンテナ（電気長が約λ／２）として動作させるように構成したアンテナ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。かかる従来提案において、２つのパターンアンテナは誘電体基板の一辺端部の片側の角部と他側の角部に沿うようにそれぞれＬ字状にパターニングされており、両パターンアンテナのＬ字端部どうしは比較的狭い間隔を存して対向しているが、一方のパターンアンテナによる放射電界の偏波面と他方のパターンアンテナによる放射電界の偏波面とが略直交するように配設されているため、両パターンアンテナのアイソレーションを高めて良好なアンテナ特性が得られるようになっている。それゆえ、偏波ダイバーシティアンテナ等として好適なアンテナ装置を無理なく小型化することができる。なお、メアンダラインはパターンアンテナの電気長を稼ぐための公知の技術である。

特開２００２−２８０８２８号公報

ところで、特許文献１に開示されている従来例では、Ｌ字状にパターニングされてＬ字端部どうしを対向させている２つのパターンアンテナがそれぞれ中央部で給電されるため、各パターンアンテナの給電点どうしの間隔は必然的に大きくなる。それゆえ、かかる従来例においては、各パターンアンテナの給電点を高周波回路部と接続するために経路長が長くて複雑な引回しパターンを形成しなければならず、これがアンテナ装置の低コスト化や設計自由度を阻害する要因となっていた。

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、並設した２つのパターンアンテナのアイソレーションが良好で小型化が図りやすく、かつ、高周波回路部との接続の引回しが複雑にならないアンテナ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、誘電体基板の表面で接地導体層と近接する領域に金属導体からなる２つのパターンアンテナを並べて配設したアンテナ装置において、前記パターンアンテナが、使用周波数帯の波長の約１／２の電気長を有して一端近傍を給電結合部となした放射素子と、高周波回路部から給電信号が供給されて前記給電結合部と容量結合する給電素子とを備えていると共に、これら両パターンアンテナどうしを略線対称な形状に形成して、前記放射素子の一部を両パターンアンテナの対称軸に隣接して略平行に延びる相互結合部となし、この相互結合部の前記接地導体層寄りの一端側を前記給電結合部と繋いで他端側から屈曲して延伸する部分は前記接地導体層近傍に開放端を位置させ、かつ、前記両パターンアンテナの前記相互結合部どうしを容量結合させるという構成にした。

このように構成されたアンテナ装置では、各パターンアンテナの放射素子が励振されると、給電結合部の反接地導体層側の端部付近と開放端付近で電圧が大きく変化するため、各パターンアンテナを使用周波数帯の波長の約１／２で共振するダイポールアンテナと同じように動作させることができる。そして、一方のパターンアンテナによる放射電界の偏波面と他方のパターンアンテナによる放射電界の偏波面とを略直交させることができるため、これら２つのパターンアンテナどうしの干渉を効果的に抑えることができる。また、これら２つのパターンアンテナは互いの相互結合部どうしを略平行に近接させているので、アンテナ装置全体を無理なく小型化することができる。しかも、これら２つのパターンアンテナは給電素子どうしを大きく離隔させる必要がないため、高周波回路部との接続の引回しが複雑にならない。

上記の構成において、誘電体基板の片面に給電結合部を設けて他面に給電素子を設けておけば、誘電体基板の両面を有効に活用できるためスペースファクタが向上すると共に、誘電体基板を介在させることで給電素子と給電結合部との結合度を高めることができるため好ましい。

また、上記の構成において、放射素子が、第１のスルーホールを介して相互結合部と接続された第１の補助パターンと、第２のスルーホールを介して開放端の近傍部と接続された第２の補助パターンとを有していると、放射素子は励振時に電圧変化の大きい部分で金属導体の厚みが実質的に増えることになるため、放射電界の強度を高めることができて好ましい。

また、上記の構成において、放射素子が、給電結合部と開放端のいずれか一方に連続して延びる調整用パターンを有すると、この調整用パターンの長さを適宜変更することによってアンテナ特性が調整できるため好ましい。

本発明のアンテナ装置は、各パターンアンテナの放射素子を使用周波数帯の波長の約１／２で共振させることができると共に、それぞれの放射素子から放射される電界の偏波面を互いに略直交させることができるため、並設した２つのパターンアンテナのアイソレーションが良好で、偏波ダイバーシティアンテナやＭＩＭＯ伝送用のマルチアンテナ等に適用することができる。また、これら２つのパターンアンテナは互いの相互結合部どうしを略平行に近接させているため、アンテナ装置全体を無理なく小型化することができる。しかも、これら２つのパターンアンテナは給電素子どうしを大きく離隔させる必要がないため、高周波回路部との接続の引回しが複雑にならない。

本発明の第１実施形態例に係るアンテナ装置の斜視図である。図１とは反対側の面を示す該アンテナ装置の要部平面図である。第１実施形態例に係るアンテナ装置の動作説明図である。本発明の第２実施形態例に係るアンテナ装置の斜視図である。本発明の第３実施形態例に係るアンテナ装置の斜視図である。本発明の第４実施形態例に係るアンテナ装置の斜視図である。本発明の第５実施形態例に係るアンテナ装置の斜視図である。本発明の第６実施形態例に係るアンテナ装置の斜視図である。本発明の第７実施形態例に係るアンテナ装置の斜視図である。

以下、本発明の実施形態例に係るアンテナ装置について説明する。まず、本発明の第１実施形態例を図１〜図３を参照しつつ説明すると、これらの図に示すアンテナ装置１は、誘電体基板２の一辺端部で接地導体層（グラウンドパターン）３と近接する領域に、金属導体からなる２つのパターンアンテナ４，８を並べて配設した構成になっている。一方のパターンアンテナ４は放射素子５と給電素子６とを備えており、他方のパターンアンテナ８は放射素子９と給電素子１０とを備えている。ただし、これら２つのパターンアンテナ４，８どうしは対称軸Ａを基準にして略線対称な形状に形成されている（図３参照）。

一方のパターンアンテナ４について説明すると、放射素子５は主に誘電体基板２の片面２ａに所定形状の帯状パターンとして形成されており、この帯状パターンの一端近傍が対称軸Ａに対して略平行な給電結合部５ａとなっている。給電結合部５ａは誘電体基板２の他面２ｂに形成された給電素子６と該基板２を介して対向しており、図２に示すように、給電素子６はマイクロストリップライン１２と接続されている。このマイクロストリップライン１２は、誘電体基板２の他面２ｂに配設されている高周波回路部１３と接続されており、この高周波回路部１３からマイクロストリップライン１２を介して給電素子６に給電信号を供給することによって、給電素子６と容量結合する給電結合部５ａに給電信号が供給されて放射素子５が励振するようになっている。なお、高周波回路部１３は図示せぬシールドカバーによって覆われている。

この放射素子５の前記帯状パターンのうち給電結合部５ａを除く部分は、外観上、給電結合部５ａの一端側から対称軸Ａに向かって延伸する第１の調整用パターン５ｂと、給電結合部５ａの他端側から第１の調整用パターン５ｂとは逆向きに接地導体層３に隣接して延伸する第２の調整用パターン５ｃと、第１の調整用パターン５ｂから接地導体層３の反対側（反接地導体層側）へ対称軸Ａに沿って延伸する相互結合部５ｄと、相互結合部５ｄから屈曲しながら延伸して開放端５ｅへと至る残余の部分とに区別することができ、相互結合部５ｄは対称軸Ａに隣接している。そして、この残余の部分には、その途中に電気長を稼ぐためのメアンダ部５ｆが形成されていると共に、接地導体層３に隣接して開放端５ｅまで延伸する第３の調整用パターン５ｇが形成されており、開放端５ｅが第２の調整用パターン５ｃの先端と対向している。また、誘電体基板２の他面２ｂには、放射素子５の構成要素である補助パターン５ｈ，５ｉが形成されている。補助パターン５ｈは一直線状の帯状パターンであり、複数のスルーホール７ａを介して相互結合部５ｄと接続されている。補助パターン５ｉはＬ字状の帯状パターンであり、複数のスルーホール７ｂを介して開放端５ｅ近傍のＬ字形部分（第３の調整用パターン５ｇを含む）と接続されている。

他方のパターンアンテナ８は上記のパターンアンテナ４と略線対称な形状に形成されており、ここでは詳しい説明は省略するが、このパターンアンテナ８の放射素子９も給電結合部９ａや第１〜第３の調整用パターン９ｂ，９ｃ，９ｇや相互結合部９ｄやメアンダ部９ｆや補助パターン９ｈ，９ｉ等を有し、開放端９ｅが第２の調整用パターン９ｃの先端と対向している。そして、誘電体基板２の他面２ｂに形成された給電素子１０にマイクロストリップライン１２を介して高周波回路部１３から給電信号を供給することによって、給電素子１０と容量結合する給電結合部９ａに給電信号が供給されて放射素子９が励振するようになっている。また、放射素子９の相互結合部９ｄは対称軸Ａに隣接して略平行に延伸しているため、両パターンアンテナ４，８の放射素子５，９が励振されると、相互結合部５ｄ，９ｄどうしは容量結合する。なお、前述したパターンアンテナ４と同様に、このパターンアンテナ８も相互結合部９ｄがスルーホール１１ａを介して補助パターン９ｈと接続されており、開放端９ｅ近傍のＬ字形部分（第３の調整用パターン９ｇを含む）がスルーホール１１ｂを介して補助パターン９ｉと接続されている。

次に、これら２つのパターンアンテナ４，８の動作について説明する。放射素子５，９はそれぞれ、給電素子６，１０と容量結合する給電結合部５ａ，９ａに給電信号が供給されると励振し、その動作イメージは図３のようになる。すなわち、放射素子５が励振されると、給電結合部５ａの反接地導体層側の端部付近と開放端５ｅ付近で電圧が大きく変化するため、パターンアンテナ４を使用周波数帯の波長λの約１／２で共振するダイポールアンテナと同じように動作させることができる。同様に、放射素子９が励振されると、給電結合部９ａの反接地導体層側の端部付近と開放端９ｅ付近で電圧が大きく変化するため、パターンアンテナ８を約λ／２で共振するダイポールアンテナと同じように動作させることができる。それゆえ、図３に示すように、放射素子５から放射される電界の偏波面と放射素子９から放射される電界の偏波面とを略直交させることができ、これにより両パターンアンテナ４，８どうしのアイソレーションが良好となる。

なお、パターンアンテナ４による放射電界の偏波面とパターンアンテナ８による放射電界の偏波面とを略直交させるために、本実施形態例では、放射素子５の調整用パターン５ｂ，５ｃ，５ｇの長さを調整したり、放射素子９の調整用パターン９ｂ，９ｃ，９ｇの長さを調整している。

以上説明したように、本実施形態例に係るアンテナ装置１は、放射素子５，９を使用周波数帯の波長λの約１／２で共振させることができると共に、放射素子５，９から放射される電界の偏波面を互いに略直交させることができるため、並設した２つのパターンアンテナ４，８のアイソレーションが良好となる。それゆえ、このアンテナ装置１は、偏波ダイバーシティアンテナやＭＩＭＯ伝送用のマルチアンテナ等として好適である。また、これら２つのパターンアンテナ４，８は互いの相互結合部５ｄ，９ｄどうしを略平行に近接させているので、アンテナ装置１を無理なく小型化することができる。しかも、これら２つのパターンアンテナ４，８は給電素子６，１０どうしを大きく離隔させる必要がなく、短いマイクロストリップライン１２を介して給電素子６，１０と高周波回路部１３とを接続することができるため、高周波回路部１３との接続の引回しが簡素で低コスト化が図りやすく、設計変更も比較的容易に行える。

また、本実施形態例に係るアンテナ装置１では、誘電体基板２の片面２ａに給電結合部５ａ，９ａを設けて他面２ｂに給電素子６，１０を設けているので、誘電体基板２の両面を有効に活用できてスペースファクタが向上し、この点でも小型化に好適である。しかも、誘電体基板２を介在させているため給電素子６と給電結合部５ａとの結合度や給電素子１０と給電結合部９ａとの結合度が高まっている。

また、本実施形態例に係るアンテナ装置１では、放射素子５，９のうち相互結合部５ｄ，９ｄがそれぞれスルーホール７ａ，１１ａを介して補助パターン５ｈ，９ｈと接続されていると共に、開放端５ｅ，９ｅ近傍のＬ字形部分がそれぞれスルーホール７ｂ，１１ｂを介して補助パターン５ｉ，９ｉと接続されている。つまり、放射素子５，９は励振時に電圧変化の大きい部分において、金属導体の厚みが実質的に増えているため、放射電界の強度が高めやすくなっている。

また、本実施形態例に係るアンテナ装置１では、放射素子５が第１〜第３の調整用パターン５ｂ，５ｃ，５ｇを有し、かつ、放射素子９が第１〜第３の調整用パターン９ｂ，９ｃ，９ｇを有しており、これら調整用パターンの長さを適宜変更することによってアンテナ特性を調整できるため、電気長や偏波面の向き等の微調整が比較的容易に行える。

図４は本発明の第２実施形態例に係るアンテナ装置の斜視図であって、図１と対応する部分には同一符号が付してあるため、重複する説明は省略する。図４に示すアンテナ装置２０は、パターンアンテナ４，８の放射素子５，９を極めて単純な形状に形成した場合の例であり、前述した第１実施形態例におけるメアンダ部や調整用パターン等は省略されている。すなわち、このアンテナ装置２０では、誘電体基板２の片面２ａにおいて放射素子５，９がそれぞれ略Ｕ字形の帯状パターンとして形成されており、誘電体基板２の他面に設けられた図示せぬ給電素子と容量結合する給電結合部５ａ，９ａは、それぞれ相互結合部５ｄ，９ｄを接地導体層３側へ延長した帯状部分として形成されている。なお、放射素子５，９の構成要素として誘電体基板２の他面には、スルーホール７ａ，７ｂと接続された図示せぬ補助パターンやスルーホール１１ａ，１１ｂと接続された図示せぬ補助パターンが、すべて一直線状の帯状パターンとして略平行に形成されている。

図５は本発明の第３実施形態例に係るアンテナ装置の斜視図であって、図１や図４と対応する部分には同一符号が付してあるため、重複する説明は省略する。図５に示すアンテナ装置３０は、パターンアンテナ４，８の放射素子５，９が、それぞれ第１の調整用パターン５ｂ，９ｂを有して給電結合部５ａ，９ａどうしの間隔を若干広げた点が、上記の第２実施形態例と異なっている。

図６は本発明の第４実施形態例に係るアンテナ装置の斜視図であって、図１や図５と対応する部分には同一符号が付してあるため、重複する説明は省略する。図６に示すアンテナ装置４０は、パターンアンテナ４，８の放射素子５，９がそれぞれ、第１の調整用パターン５ｂ，９ｂだけでなく第２の調整用パターン５ｃ，９ｃも有するという点が、上記の第３実施形態例と異なっている。

図７は本発明の第５実施形態例に係るアンテナ装置の斜視図であって、図１や図５と対応する部分には同一符号が付してあるため、重複する説明は省略する。図７に示すアンテナ装置５０は、パターンアンテナ４，８の放射素子５，９が、それぞれ第１の調整用パターン５ｂ，９ｂだけでなく開放端５ｅ，９ｅ側に第３の調整用パターン５ｇ，９ｇも有するという点が、前記の第３実施形態例と異なっている。なお、この第５実施形態例では、誘電体基板２の図示裏面側に設けられてスルーホール７ｂ，１１ｂと接続されている図示せぬ補助パターンが、前述した第１実施形態例と同様にＬ字状に形成されている。

図８は本発明の第６実施形態例に係るアンテナ装置の斜視図であって、図１と対応する部分には同一符号が付してあるため、重複する説明は省略する。図８に示すアンテナ装置６０は、パターンアンテナ４，８の放射素子５，９にメアンダ部が設けられていない点が、前述した第１実施形態例と異なっている。このように放射素子５，９がメアンダ部を有さない形状であってもよいが、小型化が特に要求される場合には放射素子５，９の一部をメアンダ形状にして電気長を稼ぐことが好ましい。

図９は本発明の第７実施形態例に係るアンテナ装置の斜視図であって、図２や図４と対応する部分には同一符号が付してあるため、重複する説明は省略する。図９に示すアンテナ装置７０は、パターンアンテナ４，８の給電素子６，１０をそれぞれ誘電体基板の片面２ａで給電結合部５ａ，９ａと略平行に隣接する位置に設けた点が、前述した第２実施形態例と異なっている。このように放射素子５，９の給電結合部５ａ，９ａの近傍に給電素子６，１０を配置させうるスペースがある場合には、給電素子６，１０と給電結合部５ａ，９ａを同一平面上に並設して容量結合させるという構成も可能となる。例えば、前述した第３実施形態例や第５実施形態例においても、給電結合部５ａの図示右側に給電素子６を略平行に隣接させ、かつ、給電結合部９ａの図示左側に給電素子１０を略平行に隣接させるという設計変更が可能である。

１，２０，３０，４０，５０，６０，７０アンテナ装置
２誘電体基板
３接地導体層
４，８パターンアンテナ
５，９放射素子
６，１０給電素子
５ａ，９ａ給電結合部
５ｂ，９ｂ第１の調整用パターン
５ｃ，９ｃ第２の調整用パターン
５ｄ，９ｄ相互結合部
５ｅ，９ｅ開放端
５ｆ，９ｆメアンダ部
５ｇ，９ｇ第３の調整用パターン
５ｈ，９ｈ補助パターン（第１の補助パターン）
５ｉ，９ｉ補助パターン（第２の補助パターン）
７ａ，１１ａスルーホール（第１のスルーホール）
７ｂ，１１ｂスルーホール（第２のスルーホール）
１２マイクロストリップライン
１３高周波回路部
Ａ対称軸

Claims

誘電体基板の表面で接地導体層と近接する領域に金属導体からなる２つのパターンアンテナを並べて配設したアンテナ装置であって、
前記パターンアンテナが、使用周波数帯の波長の約１／２の電気長を有して一端近傍を給電結合部となした放射素子と、高周波回路部から給電信号が供給されて前記給電結合部と容量結合する給電素子とを備えていると共に、これら両パターンアンテナどうしを略線対称な形状に形成して、前記放射素子の一部を両パターンアンテナの対称軸に隣接して略平行に延びる相互結合部となし、この相互結合部の前記接地導体層寄りの一端側を前記給電結合部と繋いで他端側から屈曲して延伸する部分は前記接地導体層近傍に開放端を位置させ、かつ、前記両パターンアンテナの前記相互結合部どうしを容量結合させたことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１の記載において、前記誘電体基板の片面に前記給電結合部を設けて他面に前記給電素子を設けたことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１または２の記載において、前記放射素子が、第１のスルーホールを介して前記相互結合部と接続された第１の補助パターンと、第２のスルーホールを介して前記開放端の近傍部と接続された第２の補助パターンとを有す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１項の記載において、前記放射素子が、前記給電結合部と前記開放端のいずれか一方に連続して延びる調整用パターンを有することを特徴とするアンテナ装置。