JP2011142542A - パターンアンテナ及びアンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】良好なアンテナ特性を確保しつつ、アンテナの小型化を図る。
【解決手段】F型のアンテナ素子3及びGND部4、5が基板2にパターン形成され、アンテナ素子3が、基板2の一方の長辺2aから他方の長辺2bに向けて延設された長線部3aと、長線部3をGND部4、5と接続する短線部3bとを備えたパターンアンテナ1であって、アンテナ素子3の長線部3aが蛇行状に折り曲げ形成され、基板2の短手方向の幅W1が使用周波数の1/4波長よりも小さく形成される。また、基板2の長手方向において、アンテナ素子3の占有領域の長さL4とGND部4の長さL3との寸法比を3:7〜4:6とすることが好ましい。
【選択図】図1
【解決手段】F型のアンテナ素子3及びGND部4、5が基板2にパターン形成され、アンテナ素子3が、基板2の一方の長辺2aから他方の長辺2bに向けて延設された長線部3aと、長線部3をGND部4、5と接続する短線部3bとを備えたパターンアンテナ1であって、アンテナ素子3の長線部3aが蛇行状に折り曲げ形成され、基板2の短手方向の幅W1が使用周波数の1/4波長よりも小さく形成される。また、基板2の長手方向において、アンテナ素子3の占有領域の長さL4とGND部4の長さL3との寸法比を3:7〜4:6とすることが好ましい。
【選択図】図1
Description
本発明は、F型のアンテナ素子を用いた小型のパターンアンテナ及びアンテナ装置に関し、特に、950MHz帯の周波数での使用に適したパターンアンテナ等に関する。
近年、電子機器の無線分野においては、小型化、低価格化の実用化が進んでおり、それらの要望に有効なものとして、携帯電話機等で使用されるF型アンテナが挙げられる。F型アンテナとしては、誘電体基板上にアンテナ素子等をパターン形成したものが知られており、例えば、特許文献1には、接地導体板(以下、「GND部」という)の電気長を使用周波数の波長λの1/4程度の長さに形成して良好なSWR特性を得るようにしたF型アンテナが提案されている。
図10は、上記文献に記載されたパターンアンテナの構成を示す上面図であり、このパターンアンテナ31は、大別して、プリント基板(以下、「基板」という)32と、基板32の表面にパターン形成されたF型のアンテナ素子33と、基板32の裏面に形成されたGND部34とから構成される。アンテナ素子33から延びる一方の配線(短線部)35の先端にはスルーホール36が設けられ、このスルーホール36を介してアンテナ素子33とGND部34が電気的に接続される。尚、アンテナ素子33から延びる他方の配線37は、給電配線であり、この給電配線37には他の電子機器が接続される。
上記パターンアンテナ31においては、プリント基板32の基板幅Wの最適長が使用周波数の波長λの1/4の大きさとなるが、かかるパターンアンテナ31を特定小電力無線局での950MHz帯の通信用アンテナに利用すると、基板幅Wが比較的に大きなものとなり、小型化の要望に十分に応えられないという問題がある。また、プリント基板32を波長に最適な形状にしても、GND部34の形状によってアンテナ利得特性が低下するという問題がある。
そこで、本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、良好なアンテナ特性を確保しつつ、小型化することが可能なパターンアンテナ等を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、F型のアンテナ素子及び接地領域が基板にパターン形成され、前記アンテナ素子が、前記基板の一方の長辺から他方の長辺に向けて延設された長線部と、該長線部を前記接地領域と接続する短線部とを備えたパターンアンテナであって、前記アンテナ素子の長線部が蛇行状に折り曲げ形成され、前記基板の短手方向の幅が使用周波数の1/4波長よりも小さいことを特徴とする。
そして、本発明によれば、アンテナ素子の長線部を蛇行状に折り曲げ形成するため、必要な配線長を確保しながら、基板上でのアンテナ素子領域の幅を小さくすることができる。これにより、基板幅を使用周波数の1/4波長よりも小さくしても、良好なアンテナ特性を発揮し得るようになり、アンテナの小型化を図ることが可能になる。
前記基板の長手方向において、前記アンテナ素子の占有領域の長さと前記接地領域の長さとの寸法比を3:7〜4:6とすることができ、これにより、接地領域のサイズを最適化して良好なアンテナ特性を得ることができる。
上記パターンアンテナにおいて、前記アンテナ素子の長線部の折り曲げピッチを該アンテナ素子の配線幅の10倍以上の大きさとすることができる。アンテナ素子の長線部を蛇行状に曲げ形成した場合には、長線部の途中で配線同士が対向するようになるが、上記構成によれば、配線間のクロストークを抑制してアンテナ共振周波数に悪影響が及ぶのを回避することが可能になる。
上記パターンアンテナにおいて、前記アンテナ素子の下端部と前記接地領域との間隔を該アンテナ素子の配線幅の10倍以上の大きさとすることができる。これによれば、アンテナ素子の下端部と接地領域の結合度を小さくして、それらの間に生じる容量性がアンテナ共振周波数に影響を及ぼすのを回避することが可能になる。
上記パターンアンテナにおいて、前記長線部の折り曲げ部をコーナー円形処理することができ、これにより、長線部の折り曲げ部での反射を抑えることができ、線路損失を低減することが可能になる。
上記パターンアンテナにおいて、該アンテナを950MHz帯の周波数で使用するための無線アンテナとして用いることができる。
また、本発明は、アンテナ装置であって、接地領域が表面又は両面に形成された親基板に、上記いずれかに記載のパターンアンテナを実装したことを特徴する。そして、本発明によれば、前記発明と同様に、良好なアンテナ特性を確保しつつ、アンテナの小型化を図ることが可能になる。
上記アンテナ装置において、前記親基板の接地領域の幅を前記パターンアンテナの接地領域の幅と同一とし、前記親基板の接地領域の長さを前記パターンアンテナの基板の長さの3倍以上4倍以下とすることができる。
上記アンテナ装置において、前記パターンアンテナの表面又は裏面に、接地電位に固定され、前記表面又は裏面上の回路素子を覆う金属ケースを備えることができる。
以上のように、本発明によれば、良好なアンテナ特性を確保しつつ、アンテナの小型化を図ることが可能になる。
次に、発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ここでは、本発明に係るパターンアンテナを950MHz帯のアンテナとし、両面基板構成とする場合を例にとって説明する。
図1は、本発明に係るパターンアンテナの一実施の形態を示し、このパターンアンテナ1は、大別して、プリント基板2(以下、「基板」という)と、基板2の表面にパターン形成されたアンテナ素子3及びGND部4と、基板2の裏面にパターン形成されたGND部5とから構成される。
基板2は、誘電体基板であり、基板2としては、例えば、比誘電率εrが4.4で、板厚が1mmのガラスエポキシ基板を用いることができる。F型のアンテナ素子を基板上に設置する場合の基板幅Wの最適長は、通常、使用周波数の波長λの1/4であるが、本実施の形態に係る基板2では、小型化設計のため、幅W1をλ/4の約1/4とする。尚、基板2の長さL1は、λ/8とする。
アンテナ素子3は、F型のアンテナ素子であり、例えば、銅導体によってパターン形成される。このアンテナ素子3は、基板2の一方の長辺2aの近傍に配置され、GND部4の上端から基板2の上端に向けて立ち上がる短線部3bと、短線部3bの上端部と連結され、基板2の他方の長辺2bに向けて延設される長線部3aとから構成される。
長線部3aは、短線部3bを介してGND部4と接続されるとともに、長線部3aの途中からL字形に延びる給電配線6aを介して給電点6と接続される。また、長線部3aは、蛇行状に折り曲げ配置され、これにより、アンテナ素子3の配線長(給電点6からアンテナ素子3の終端3gまでの長さ)をλ/4程度の長さとしつつ、アンテナ素子領域の幅W2を縮小してλ/4よりも小さくする。
但し、長線部3aを蛇行状に曲げ形成した場合には、長線部3aの途中で配線同士が対向するようになり(例えば、図中の3c、3dを参照)、それらが近付き過ぎると、クロストークが発生してアンテナ共振周波数に影響を及ぼす虞がある。このため、長線部3aの折り曲げピッチ(配線3c、3dの線間距離)W3は、ある程度の大きさとする必要があり、具体的には、長線部3aの配線幅W4の10倍以上の大きさとすることが好ましい。
また、長線部3aを蛇行状に曲げ形成した場合には、各折り曲げ部の下端部3eがGND部4の近傍に位置することになる。この場合、下端部3eが容量性を持ち、アンテナ共振周波数に影響を及ぼす虞があるため、下端部3eとGND部4の間隔L2を長線部3aの配線幅W4の10倍以上の大きさとし、結合度を小さくすることが好ましい。
尚、図1においては、アンテナ素子3を矩形波状に形成するが、反射箇所を減少させて線路損失を少なく抑えるため、各折り曲げ部の下端部3e及び上端部3fにコーナー円形処理を施し、各折り曲げ部をU字型とすることもできる。
アンテナ素子3の給電点6には、スルーホール(不図示)が設けられ、このスルーホールを介して、給電点6と基板2の裏面に形成された給電配線7とが接続される。尚、給電配線7は、インピーダンス整合したマイクロストリップライン、ストリップライン及びコプレナライン等を用いることができる。また、同軸配線を基板2上に取付け、給電を行うことも可能である。
GND部4、5は、基板2の表面と裏面の各々に配置され、アンテナ素子3と同様、銅導体によってパターン形成される。これらGND部4、5は、領域全体に分布配置されたスルーホール8によって相互接続される。尚、裏面側のGND部5は、アンテナ特性をより安定させるためのものであり、省略することも可能である。この場合、スルーホール8は不要となる。
GND部4の長さL3は、裏面側のGND部5の有無に拘わらず、アンテナ素子領域の長さL4とGND部4の長さL3との比が3:7〜4:6、好ましくは34:66〜36:64となる長さに設定される。一方、裏面側のGND部5の長さL3’は、表面側のGND部4の長さL3と同一又は長さL3よりも短いものとなる。
上記パターンアンテナ1において、共振周波数、輻射特性等のアンテナ特性は、給電点6の位置やアンテナ素子3の配線長を変更することによって調整することができる。
次に、図1に示すパターンアンテナ1の製造方法について説明する。パターンアンテナ1の製造にあたっては、有機系基板又はセラミック基板を準備し、その上にアンテナ素子3及びGND部4等をパターン形成していく。
基板2は、単層基板、両面基板及び多層基板等で構成する。基板2の材料は、高周波損失の小さい低誘電正接特性の基板材料や高誘電体基板材料等の各種材料を用いることができるが、この場合、各誘電率に応じた波長短縮率を考慮してアンテナ設計を調整する必要がある。
一方、パターン形成方法については、セラミック基板で用いられるマスク印刷処理や、プリント基板で用いられるエッチングによるパターン形成処理、或いは、半導体プロセスで用いられる蒸着によるパターン形成処理等を利用することができる。尚、基板2を多層基板により形成した場合には、アンテナ素子3及びGND部4等は、基板2の内層(上層基板と下層基板の間)に形成することも可能である。その場合は、実効的な誘電率が変化するため、前記と同様にアンテナ設計値を考慮する。
パターンアンテナ1の設計にあたっては、使用する周波数帯域に応じて、アンテナ素子3の配線幅W4、配線長、給電点6の位置、基板2のサイズ、基板2の厚さ、導体厚、レジスト厚等の各要素の寸法を特定比率で組み合わせたり、基板2の材料を適宜選択するなどして、アンテナ利得特性を最適化する。基板材料の誘電率は、材料によって異なるが、誘電率、及びパターンアンテナ1を構成する層の位置(表層又は裏層のいずれであるか)に応じて実行誘電率を算出し、上記各要素の寸法や位置の最適値を決定する。表層にパターンアンテナ1を設ける場合には、表面層のレジスト及びシルク等のコート材の塗布の状態をアンテナ素子3の設計値に反映する。
次に、図1に示すパターンアンテナ1を親基板に実装したアンテナ装置について、図2及び図3を参照しながら説明する。尚、これらの図において、図1と同一の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
アンテナ装置10は、パターンアンテナ1と、表面の全体又は両面の全体にGND部12がパターン形成された親基板11とが、接続コネクタ13を介して接続された構成を有する。パターンアンテナ1及び親基板11は、パターンアンテナ1のGND部4の上端4aと親基板11の上端11aとの位置が揃うように接続される。
親基板11のGND部12のサイズは、アンテナ利得特性に影響を及ぼすため、幅W6をパターンアンテナ1のGND部4、5の幅W5(図1参照)と略々同一とし、長さL6を基板2の長さL1の3〜4倍とする。これにより、良好なアンテナ利得を得ることができ、パターンアンテナ1を単体で使用した場合と比較すると、約4dB程度の性能改善を図ることができる。
尚、GND部12の幅W6をGND部4、5の幅W5よりも大きくすることも可能であるが、GND部12の幅W6を拡げると、共振度が急峻になるため、パターン及び基板の製造偏差がアンテナ利得性能に影響を与えてしまう問題が発生する。そこで、GND部12の幅W6をGND部4、5の幅W5と略々同一幅に揃え、GND部12の長さL6を拡張してアンテナ利得を調整する。
その際、長さL6がパターンアンテナ1の基板2の長さL1の3〜4倍であれば、最適なアンテナ利得の−0.5dB以内を実現することができる。この範囲を超えて長さL6を短くすると、アンテナ利得が大きく低下する。例えば、長さL6を基板2の長さL1の2.5倍まで短くした場合は、最適なアンテナ利得から1dB程度低下する。
また、図3に示すように、アンテナ装置10では、無線用の回路部(不図示)をパターンアンテナ1の基板2の裏面2aに実装し、それをパターンアンテナ1のGND電位と共通化させた金属ケース14によって覆う構成とする。金属ケース14を設けることで、パターンアンテナ1と親基板11の間の不要な共振状態を防止することができ、より安定したアンテナ特性を得ることが可能になる。
金属ケース14の高さMは、パターンアンテナ1と親基板11の間の機械的強度を補助するため、それらの間隔を埋める高さとすることが好ましい。ここで、金属ケース14の電位の共通化は、金属ケース14を直接親基板11のGND部12に接続するか、或いは、パターンアンテナ1のGND部4に接続することで可能である。
無線用の回路部及び金属ケース14は、パターンアンテナ1の基板2の表面側に配置することもできるが、その場合の金属ケース14の高さMは、回路素子を覆うことができる高さを確保すれば十分である。また、無線用の回路部の全てを金属ケース14で覆う必要はなく、電波法上、金属ケース14での保護が不要な部品に関しては、親基板11に実装することが可能である。
尚、上記実施の形態においては、パターンアンテナ1と親基板11を別々に作成し、それらを接続コネクタ13によって接続する場合を例示したが、パターンアンテナ1及び親基板11を一体形成することもできる。その場合でも、各要素の寸法を上記のものと同様とすることで、同等の性能を実現することができる。
また、図4に示すように、親基板11のGND部12の中央部を回路領域15とした場合でも、同等の性能を実現することができる。この際、回路領域15を設置した側と反対の基板面については、GND領域又は部品実装面のいずれとしても使用することが可能である。電波法で規定される無線性能に関する部品を金属ケース14内に収容し、その他の部品を親基板11の回路領域15に配置することで、高密度実装が可能になる。
さらに、上記実施の形態においては、親基板11の表面の全体又は両面の全体にGND部12をパターン形成した場合を例示したが、図5に示すように、親基板11の表面の一部又は両面の一部にGND部12を形成することもできる。
次に、本発明に係るパターンアンテナの作用効果について試験例を挙げて説明する。尚、実施例としては、図1に示すパターンアンテナ1の単体のもの(親基板11に実装していないもの)を使用し、各要素の材料や寸法は、下記の通りとした。
基板2は、ガラスエポキシ樹脂製の誘電体基板(比誘電率εr=4.4)を用い、その厚さは1mmとした。また、基板2の幅W1はλ/4の約1/4とし、基板2の長さL1はλ/8とした。アンテナ素子3及びGND部4、5は、銅導体によってパターン形成し、スルーホールめっき後の膜厚、レジスト材の厚さは、各々、20μm、35μmとした。また、アンテナ素子領域の長さL4とGND部4の長さL3との寸法比は、35:65とし、アンテナ素子3の配線長、配線幅W4及び給電点6の位置は、950MHzの共振点に合致するように調整した。
上記パターンアンテナ1における給電点6からのS11反射特性、S11スミスチャート、輻射特性を図6〜図8に示す。尚、図8の波形は、アンテナ基板の基板平面に対する垂直軸中心に回転させたアンテナ指向性パターンであり、垂直偏波、水平偏波に対する利得特性を示したものである。
また、比較例としての従来のパターンアンテナ31の輻射特性を図9に示す。尚、比較例の作成に際しては、プリント基板32の基板幅Wをλ/4と略々同一の大きさとし(実施例の基板幅W1の約4倍)、その上で、アンテナ素子33の配線長、配線幅及び給電点の位置を950MHzの共振点に合致するように調整した。
図6、図7に示されるように、実施例でのS11反射特性は、950MHzにおいて共振点があり、950MHzで最もアンテナ輻射特性が得られている。特定小電力における950MHzの帯域は、950〜956MHzであるため、使用帯域内において輻射性能を満足している。
また、図8に示されるように、実施例では、特に水平方向の偏波に対し、無指向性であり、良好な輻射特性を有するのが認められる。一方、比較例では、図9に示されるように、S11反射特性を最適化した場合でも、実施例の場合と比較すると、−4dB程度低下している。
1 パターンアンテナ
2 プリント基板
2a 一方の長辺
2b 他方の長辺
2c 裏面
3 アンテナ素子
3a 長線部
3b 短線部
3c、3d 対向配線
3e 下端部
3f 上端部
3g アンテナ素子の終端
4 GND部
4a GND部の上端
5 GND部
6 給電点
6a 給電配線
7 給電配線
8 スルーホール
10 アンテナ装置
11 親基板
11a 親基板の上端
12 GND部
13 接続コネクタ
14 金属ケース
15 回路領域
L1 プリント基板の長さ
L2 アンテナ素子の下端部とGND部との間隔
L3 表面側のGND部の長さ
L3’ 裏面側のGND部の長さ
L4 アンテナ素子領域の長さ
L6 GND部の長さ
W1 プリント基板の幅
W2 アンテナ素子領域の幅
W3 折り曲げピッチ
W4 配線幅
W5 GND部の幅
2 プリント基板
2a 一方の長辺
2b 他方の長辺
2c 裏面
3 アンテナ素子
3a 長線部
3b 短線部
3c、3d 対向配線
3e 下端部
3f 上端部
3g アンテナ素子の終端
4 GND部
4a GND部の上端
5 GND部
6 給電点
6a 給電配線
7 給電配線
8 スルーホール
10 アンテナ装置
11 親基板
11a 親基板の上端
12 GND部
13 接続コネクタ
14 金属ケース
15 回路領域
L1 プリント基板の長さ
L2 アンテナ素子の下端部とGND部との間隔
L3 表面側のGND部の長さ
L3’ 裏面側のGND部の長さ
L4 アンテナ素子領域の長さ
L6 GND部の長さ
W1 プリント基板の幅
W2 アンテナ素子領域の幅
W3 折り曲げピッチ
W4 配線幅
W5 GND部の幅
Claims (9)
- F型のアンテナ素子及び接地領域が基板にパターン形成され、前記アンテナ素子が、前記基板の一方の長辺から他方の長辺に向けて延設された長線部と、該長線部を前記接地領域と接続する短線部とを備えたパターンアンテナであって、
前記アンテナ素子の長線部が蛇行状に折り曲げ形成され、前記基板の短手方向の幅が使用周波数の1/4波長よりも小さいことを特徴とするパターンアンテナ。 - 前記基板の長手方向において、前記アンテナ素子の占有領域の長さと前記接地領域の長さとの寸法比が3:7〜4:6であることを特徴とする請求項1に記載のパターンアンテナ。
- 前記アンテナ素子の長線部の折り曲げピッチが該アンテナ素子の配線幅の10倍以上の大きさを有することを特徴とする請求項1又は2に記載のパターンアンテナ。
- 前記アンテナ素子の下端部と前記接地領域との間隔が該アンテナ素子の配線幅の10倍以上の大きさを有することを特徴とする請求項1、2又は3に記載のパターンアンテナ。
- 前記長線部の折り曲げ部をコーナー円形処理したことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のパターンアンテナ。
- 950MHz帯の無線周波数で使用することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のパターンアンテナ。
- 接地領域が表面又は両面に形成された親基板に、請求項1乃至6のいずれかに記載のパターンアンテナを実装したことを特徴するアンテナ装置。
- 前記親基板の接地領域の幅が前記パターンアンテナの接地領域の幅と同一であり、前記親基板の接地領域の長さが前記パターンアンテナの基板の長さの3倍以上4倍以下であることを特徴とする請求項7に記載のアンテナ装置。
- 前記パターンアンテナの表面又は裏面に、接地電位に固定され、前記表面又は裏面上の回路素子を覆う金属ケースを備えることを特徴とする請求項7又は8に記載のアンテナ装置。
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JP2010002685A JP2011142542A (ja) | 2010-01-08 | 2010-01-08 | パターンアンテナ及びアンテナ装置 |
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