JP2011142542A - パターンアンテナ及びアンテナ装置 - Google Patents

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

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。

特開２００１−１６８６２９号公報

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。

本発明に係るパターンアンテナの一実施の形態を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）は裏面図である。 図１のパターンアンテナを親基板に実装したアンテナ装置を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）は側面図である。 図２のパターンアンテナの裏面図である。 図２のアンテナ装置の他の例を示す図面であり、（ａ）は表面図、（ｂ）は側面図である。 図２のアンテナ装置の他の例を示す図面であり、（ａ）は表面図、（ｂ）は側面図である。 図１のパターンアンテナのＳ１１反射特性を示す図である。 図１のパターンアンテナのＳ１１スミスチャートを示す図である。 図１のパターンアンテナのアンテナ指向性を示す図である。 従来のパターンアンテナの輻射特性を示す図である。 従来のパターンアンテナを示す図である。

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

Claims (9)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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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