JP2012212998A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 省スペース化が可能であると共に、アンテナ間の相互結合を低減することができ、さらに柔軟に相互結合レベル等の調整が可能なアンテナ装置を提供すること。
【解決手段】 基板本体２と、基板本体表面に形成されたグランド面ＧＮＤ、第１アンテナエレメント３、第２アンテナエレメント４および中間エレメント５を備え、第１および第２アンテナエレメントが、互いに離間して配され、グランド面側に配した基端に別々の給電点ＦＰが設けられていると共にグランド面から離間する方向に延びる基端側延在部Ｅ１を少なくとも有し、中間エレメントが、グランド面から離間して配され第１および第２アンテナエレメントの基端側延在部にインダクタンス成分を有する一対の両端延在部５ａが接続されていると共に一対の両端延在部の間にインダクタ５Ｌとコンデンサ５Ｃとが並列接続されて相互結合抑制部を構成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、同一基板上に２つのアンテナを有して各アンテナの相互結合を低減可能なアンテナ装置に関する。

従来、通信機器において、同一基板上に同一の周波数帯を使用するシステムが開発されている。例えば、Bluetooth（登録商標）やワイヤレスＬＡＮ等の２．４ＧＨｚ帯の通信システムが挙げられる。このような同一基板上に同一周波数のアンテナを設計する場合、各アンテナ間は互いに影響し合い、その結果、各アンテナ性能が劣化してしまう問題がある。このため、各アンテナの相互結合を低減するためには、各アンテナ間距離を離す必要があり、アンテナ領域が増大して装置全体の大型化を招いてしまう。

このような相互結合の対策として、従来、例えば特許文献１では、移動通信システムに使用される一対のパッチアンテナ間の結合を中和するアンテナの相互結合中和器であって、第１及び第２キャパシタ、第１および第２終端を設け、対をなすパッチアンテナ間の逆の相互結合を予め定められた周波数帯域にわたって中和するように選択された構成が提案されている。

また、特許文献２には、グランド板上に対称に配置される一対のＬ字型折り返しモノポール、ブリッジ部、放射ストリップ部、直角に立ち上がる給電ストリップ部、短絡ストリップ部を有したアンテナ装置が提案されている。

特開平１０−１７８３１４号公報 特開２００９−２０６８４７号公報

しかしながら、上記従来の技術においても、以下の課題が残されている。
すなわち、特許文献１に記載の相互結合中和器では、対をなすパッチアンテナ間の逆の相互結合を予め定められた周波数帯域にわたって中和するために、キャパシタを予め定められた大きさに形成する必要がある。また、各アンテナから引き出した同等振幅逆位相で注入する必要があり、アンテナレイアウトが複雑化し、小型化を含め、容易にアンテナや相互結合を調整することが困難であった。
また、特許文献２に記載のアンテナ装置では、給電ストリップ部の端部からブリッジ部までの距離により素子間相互結合を調整するため、不安定要素が大きく、生産性に乏しいと同時に、小型化が困難であった。さらに、近接した短絡ストリップ部同士の結合が発生し、グランド側への高周波電流の影響で、グランドを介して相互結合してしまい、グランドサイズ、アンテナサイズ等の設計条件に左右され、十分な相互結合抑制の実現は困難であった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、省スペース化が可能であると共に、アンテナ間の相互結合を低減することができ、さらにフレキシブルに相互結合レベル等の調整が可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明のアンテナ装置は、絶縁性の基板本体と、該基板本体の表面にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランド面、第１アンテナエレメント、第２アンテナエレメントおよび中間エレメントを備え、前記第１アンテナエレメントおよび前記第２アンテナエレメントが、互いに離間して配され、それぞれ前記グランド面側に配した基端に別々の給電点が設けられていると共に前記グランド面から離間する方向に前記給電点から延びる基端側延在部を少なくとも有し、前記中間エレメントが、前記グランド面から離間して配され前記第１アンテナエレメントの前記基端側延在部と前記第２アンテナエレメントの前記基端側延在部とにインダクタンス成分を有する一対の両端延在部が接続されていると共に前記一対の両端延在部の間にインダクタとコンデンサとが並列接続されて相互結合抑制部を構成していることを特徴とする。

このアンテナ装置では、中間エレメントが、グランド面から離間して配され第１アンテナエレメントの基端側延在部と第２アンテナエレメントの基端側延在部とにインダクタンス成分を有する一対の両端延在部が接続されていると共に一対の両端延在部の間にインダクタとコンデンサとが並列接続されて相互結合抑制部を構成しているので、第１アンテナエレメントで構成されるアンテナと第２アンテナエレメントで構成されるアンテナとの間の相互結合を低減することができ、高性能なアンテナ特性を得ることができる。すなわち、中間エレメントの一対の両端延在部で得られるインダクタンス成分と、一対の両端延在部とグランド面との間の浮遊容量と、インダクタとコンデンサとの並列共振とにより、グランド面への高周波電流の流れを抑制すると共に、各アンテナ間におけるインピーダンスを高インピーダンスにすることで、相互結合レベルを抑制することができる。また、第１アンテナエレメントと第２アンテナエレメントとの中央部に設けられた並列共振部分のインダクタのインダクタンスとコンデンサのキャパシタンスとを適宜設定することで、相互結合抑制レベル、相互結合帯域幅および抑制する相互結合周波数をフレキシブルに調整可能である。

第２の発明のアンテナ装置は、第１の発明において、前記第１アンテナエレメントおよび前記第２アンテナエレメントが、それぞれ前記基端側延在部の先端から前記基端側延在部に直交する方向であって前記第１アンテナエレメントと前記第２アンテナエレメントとで互いに反対方向に延びる先端側延在部と、それぞれ前記基端側延在部の途中に一端が接続され他端が前記給電点から離間した位置で前記グランド面に接続されたグランド接続延在部とを有し、前記グランド接続延在部に高インピーダンス用受動素子が接続されていることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、第１アンテナエレメントおよび第２アンテナエレメントが、それぞれ基端側延在部の途中に一端が接続され他端が給電点から離間した位置でグランド面に接続されたグランド接続延在部を有し、グランド接続延在部に高インピーダンス用受動素子が接続されているので、各アンテナエレメントが逆Ｆ型アンテナを構成すると共に高インピーダンス用受動素子によりグランド面への高周波電流の流れが抑制される。これにより、第１アンテナエレメントと第２アンテナエレメントとの間隔をより狭めることができ、さらに小型化を図ることが可能になる。

第３の発明のアンテナ装置は、第２の発明において、前記先端側延在部の先端部に誘電体アンテナのアンテナ素子が設けられていることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、先端側延在部の先端部に誘電体アンテナのアンテナ素子が設けられているので、誘電体アンテナであるアンテナ素子の選択によって、先端側延在部を短くでき、小型化および高性能化が可能になる。

第４の発明のアンテナ装置は、第１から第３のいずれかの発明において、前記基端側延在部に調整用受動素子が接続されていることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、基端側延在部に調整用受動素子が接続されているので、調整用受動素子の設定により第１アンテナエレメントおよび第２アンテナエレメントの共振周波数等の調整が可能になる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明のアンテナ装置によれば、中間エレメントが、グランド面から離間して配され第１アンテナエレメントの基端側延在部と第２アンテナエレメントの基端側延在部とにインダクタンス成分を有する一対の両端延在部が接続されていると共に一対の両端延在部の間にインダクタとコンデンサとが並列接続されて相互結合抑制部を構成しているので、第１アンテナエレメントで構成されるアンテナと第２アンテナエレメントで構成されるアンテナとの間の相互結合を低減することができ、小型化が可能で高性能なアンテナ特性を得ることができる。したがって、同一基板上にBluetooth（登録商標）やワイヤレスＬＡＮ等の同一周波数帯を使用する２つのアンテナを設計する場合に、アンテナ間の距離を大きく離さなくても相互結合によるアンテナ性能の劣化を抑制でき、省スペース化（小型化、薄型化）が可能である。さらに、相互結合レベルや相互結合の周波数帯をフレキシブルに調整することができ、多様な用途や機器に対応した相互結合対策が可能になる。

本発明に係るアンテナ装置の一実施形態において、アンテナ装置を示す平面図である。 本実施形態において、アンテナ装置を示す模式的な等価回路図である。 本実施形態において、アンテナ素子を示す斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、正面図（ｃ）、底面図（ｄ）および背面図（ｅ）である。 本実施形態において、アンテナＡ，アンテナＢおよびこれらの相互結合のリターンロス測定結果を示すグラフである。 相互結合抑制部が無い場合において、アンテナＡとアンテナＢとの間の相互結合のリターンロス測定結果を示すグラフである。 相互結合抑制部が無い場合のアンテナＡとアンテナＢとの距離が小さい場合および大きい場合と、本実施形態の場合とにおける相互結合のリターンロス測定結果を示すグラフである。 本実施形態において、キャパシタンスを変えた場合の相互結合のリターンロス測定結果を示すグラフである。

以下、本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を、図１から図７を参照しながら説明する。

本実施形態におけるアンテナ装置１は、図１に示すように、絶縁性の基板本体２と、該基板本体２の表面にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランド面ＧＮＤ、第１アンテナエレメント３、第２アンテナエレメント４および中間エレメント５を備えている。
上記第１アンテナエレメント３および第２アンテナエレメント４は、互いに離間して配され、それぞれグランド面ＧＮＤ側に配した基端に別々の給電点ＦＰが設けられていると共にグランド面ＧＮＤから離間する方向に給電点ＦＰから延びる基端側延在部Ｅ１と、該基端側延在部Ｅ１の先端から基端側延在部Ｅ１に直交する方向であって第１アンテナエレメント３と第２アンテナエレメント４とで互いに反対方向に延びる先端側延在部Ｅ２とを有している。

また、第１アンテナエレメント３および第２アンテナエレメント４は、それぞれ基端側延在部Ｅ１の途中に一端が接続され他端が給電点ＦＰから離間した位置でグランド面ＧＮＤに接続されたグランド接続延在部Ｅ３を有している。これらのグランド接続延在部Ｅ３には、それぞれ高インピーダンス用受動素子Ｐ１，Ｐ３が接続されている。
さらに、各基端側延在部Ｅ１の途中には、調整用受動素子Ｐ２，Ｐ４が接続されている。
上記高インピーダンス用受動素子Ｐ１，Ｐ３および調整用受動素子Ｐ２，Ｐ４は、例えばインダクタ、コンデンサまたは抵抗が採用される。

上記中間エレメント５は、グランド面ＧＮＤから離間して配され第１アンテナエレメント３の基端側延在部Ｅ１の中間部と第２アンテナエレメント４の基端側延在部Ｅ１の中間部とにインダクタンス成分を有する一対の両端延在部５ａが接続されていると共に一対の両端延在部５ａの間にインダクタ５Ｌとコンデンサ５Ｃとが並列接続されて相互結合抑制部を構成している。すなわち、中間エレメント５の一対の両端延在部５ａは、並列共振部分となるインダクタ５Ｌとコンデンサ５Ｃとの接続部分５ｂよりも幅狭な線状にパターン形成されており、図２に示すように、インダクタンス成分Ｌを有している。また、一対の両端延在部５ａとグランド面ＧＮＤとの間には、それぞれ浮遊容量Ｃが発生している。

なお、上記相互結合抑制部には、受動素子であるインダクタ５Ｌおよびコンデンサ５Ｃが一つずつ並列に接続されているが、複数のインダクタまたはコンデンサを並列共振可能に並列接続しても構わない。
また、相互結合抑制レベルを大きく確保したい場合には、コンデンサ５Ｃのキャパシタンスを所望の共振周波数に対して高インピーダンスに設定することが望ましい。

また、相互結合抑制レベルよりも相互結合帯域幅を優先したい場合には、逆にコンデンサ５Ｃのキャパシタンスを所望の共振周波数に対して低インピーダンスに設定することが望ましい。
これらのキャパシタンス設定条件を踏まえ、インダクタ５Ｌのインダクタンスを用いて所望の共振周波数に設定することで、相互結合抑制レベルおよび抑制周波数の調整がフレキシブルに可能になる。

また、各先端側延在部Ｅ２の先端部には、誘電体アンテナのアンテナ素子ＡＴが設けられている。これらアンテナ素子ＡＴは、所望の共振周波数に自己共振しないローディング素子であって、例えば図３に示すように、セラミックス等の誘電体２１の表面にＡｇ等の導体パターン２２が形成されたチップアンテナである。これらのアンテナ素子ＡＴは、共振周波数等の設定に応じて、その長さ、幅、導体パターン２２等が互い異なる素子を選択しても構わないと共に、同じ素子を選択しても構わない。なお、これらのアンテナ素子ＡＴは、先端側延在部Ｅ２の延在方向に沿って設置されている。すなわち、先端側延在部Ｅ２およびアンテナ素子ＡＴは、対向するグランド面ＧＮＤの端辺に沿って平行に配されている。

上記基板本体２は、一般的なプリント基板であって、本実施形態では、長方形状のガラスエポキシ樹脂等からなるプリント基板の本体を採用している。
上記給電点ＦＰには、例えば高周波回路に接続された同軸ケーブル（図示略）の芯線が接続され、該同軸ケーブルのグランド線は、グランド面ＧＮＤに接続される。

なお、アンテナ占有面積（第１アンテナエレメント３、第２アンテナエレメント４および中間エレメント５からなるアンテナ領域周辺のグランド面ＧＮＤを抜いた領域）は、大きい方がアンテナ特性として望ましく、他の構成は、以下の条件に設定することが好ましい。
すなわち、上記第１アンテナエレメント３と第２アンテナエレメント４との距離は、所望の共振周波数の波長に対して４分の１以上離して配置されることが望ましい。

また、高インピーダンス用受動素子Ｐ１，Ｐ３は、グランド面ＧＮＤ側への高周波電流の抑制を考慮し、所望の共振周波数に対して高インピーダンスにすることが望ましい。
また、第１アンテナエレメント３と第２アンテナエレメント４との各給電パターンである基端側延在部Ｅ１に接続される一対の両端延在部５ａは、互いに直線状に形成されていることが望ましい。

さらに、中間エレメント５とグランド面ＧＮＤとの距離は、アンテナ占有面積、アンテナ距離（第１アンテナエレメント３と第２アンテナエレメント４との距離）および所望の共振周波数により異なるが、グランド面ＧＮＤ側とは疎結合になるように設定することが望ましい。ただし、中間エレメント５がアンテナ素子ＡＴに近すぎると高インピーダンス同士であるため好ましくなく、アンテナ素子ＡＴに対してある程度の距離を設けることが望ましい。例えば、基端側延在部Ｅ１の長さ、中間エレメント５とグランド面ＧＮＤとの距離により異なるが、アンテナ素子ＡＴとグランド面ＧＮＤとの中間点よりも給電点ＦＰに近い位置に中間エレメント５を設けることが望ましい。
また、並列共振部分のコンデンサ５Ｃのキャパシタンス値は所望の共振周波数に対して高インピーダンスにすることが望ましい。

このように本実施形態のアンテナ装置１では、中間エレメント５が、グランド面ＧＮＤから離間して配され第１アンテナエレメント３の基端側延在部Ｅ１と第２アンテナエレメント４の基端側延在部Ｅ１とにインダクタンス成分を有する一対の両端延在部５ａが接続されていると共に一対の両端延在部５ａの間にインダクタ５Ｌとコンデンサ５Ｃとが並列接続されて相互結合抑制部を構成しているので、第１アンテナエレメント３で構成されるアンテナと第２アンテナエレメント４で構成されるアンテナとの間の相互結合を低減することができ、高性能なアンテナ特性を得ることができる。

すなわち、図２に示すように、中間エレメント５の一対の両端延在部５ａで得られるインダクタンス成分Ｌと、一対の両端延在部５ａとグランド面ＧＮＤとの間の浮遊容量Ｃと、インダクタ５Ｌとコンデンサ５Ｃとの並列共振とにより、グランド面ＧＮＤへの高周波電流の流れを抑制すると共に、各アンテナ間におけるインピーダンスを高インピーダンスにすることで、相互結合レベルを抑制することができる。また、第１アンテナエレメント３と第２アンテナエレメント４との中央部に設けられた並列共振部分のインダクタ５Ｌのインダクタンスとコンデンサ５Ｃのキャパシタンスとを適宜設定することで、相互結合抑制レベル、相互結合帯域幅および抑制する相互結合周波数をフレキシブルに調整可能である。

また、第１アンテナエレメント３および第２アンテナエレメント４が、それぞれ基端側延在部Ｅ１の途中に一端が接続され他端が給電点ＦＰから離間した位置でグランド面ＧＮＤに接続されたグランド接続延在部Ｅ３を有し、グランド接続延在部Ｅ３に高インピーダンス用受動素子Ｐ１，Ｐ３が接続されているので、各アンテナエレメント３，４が逆Ｆ型アンテナを構成すると共に高インピーダンス用受動素子Ｐ１，Ｐ３によりグランド面ＧＮＤへの高周波電流の流れが抑制される。これにより、第１アンテナエレメント３と第２アンテナエレメント４との間隔をより狭めることができ、さらに小型化を図ることが可能になる。

さらに、先端側延在部Ｅ２の先端部に誘電体アンテナのアンテナ素子ＡＴが設けられているので、誘電体アンテナであるアンテナ素子ＡＴの選択によって、先端側延在部Ｅ２を短くでき、小型化および高性能化が可能になる。
また、基端側延在部Ｅ１に調整用受動素子Ｐ２，Ｐ４が接続されているので、調整用受動素子Ｐ２，Ｐ４の設定（定数変更等）により第１アンテナエレメント３および第２アンテナエレメント４の共振周波数等の調整が可能になる。

次に、本実施形態のアンテナ装置を実際に作製した実施例１について、第１アンテナエレメント３で構成されるアンテナＡ、第２アンテナエレメント４で構成されるアンテナＢおよびこれらの相互結合（アイソレーション）のリターンロスを測定した。その測定結果を図４に示す。

なお、インダクタンスＬ：３．３ｎＨのインダクタ５Ｌと、キャパシタンスＣ：０．３ｐＦのコンデンサ５Ｃを使用した。また、基板本体２のサイズは、５０ｍｍ×５０ｍｍとし、第１アンテナエレメント３と第２アンテナエレメント４との間隔（一対の基端側延在部Ｅ１の間隔）は、１０ｍｍとした。さらに、高インピーダンス用受動素子Ｐ１，Ｐ３は５．６ｎＨを使用し、調整用受動素子Ｐ２は１１ｎＨ、調整用受動素子Ｐ４は１２ｎＨを使用した。
この測定結果からわかるように、第１アンテナエレメント３で構成されるアンテナＡと第２アンテナエレメント４で構成されるアンテナＢとの間の相互結合が、−２８．３ｄＢ（２５００ＭＨｚ）であり、所望の周波数において相互結合が大幅に抑制されている。

なお、比較例１として相互結合抑制部である中間エレメント５が無いものを上記実施例１と同条件で作製した。この比較例１について、アンテナＡとアンテナＢとの間の相互結合のリターンロスを測定した結果を図５に示す。ここでは、高インピーダンス用受動素子Ｐ１，Ｐ３は４．７ｎＨを使用し、調整用受動素子Ｐ２は８．２ｎＨ，調整用受動素子Ｐ４は１２ｎＨを使用した。この測定結果からわかるように、比較例１では、各アンテナ間の相互結合が−８．７ｄＢ（２５００ＭＨｚ）と大きく、各アンテナの性能が劣化してしまっている。

次に、比較例２として相互結合抑制部が無い場合でアンテナＡとアンテナＢとの距離が２０ｍｍと大きいものを作製した。この比較例２と上記アンテナ間距離が１０ｍｍの比較例１と上記実施例１とにおける相互結合のリターンロス測定結果を図６に示す（図６中、比較例１は「アンテナ間距離：１０ｍｍ／本発明：無」、比較例２は「アンテナ間距離：２０ｍｍ／本発明：無」、本実施例１は「アンテナ間距離：１０ｍｍ／本発明：有」と記載）。これらの測定結果からわかるように、アンテナ間距離が１０ｍｍの比較例１に対してアンテナ間距離を２倍にした比較例２では、３ｄＢ程度しか相互結合の抑制が改善できないのに対し、相互結合抑制部である中間エレメント５を設けた本発明の実施例１では、大幅に相互結合が抑制されている。

次に、本発明の実施例において、コンデンサＣのキャパシタンス値を０．３ｐＦから１．０ｐＦに変更した実施例２について、各アンテナの相互結合のリターンロス測定結果を図７に示す。なお、上記比較例１および上記実施例１についても、図７に併せて図示する（図７中、比較例１は「アンテナ間距離：１０ｍｍ／本発明：無」、実施例１は「アンテナ間距離：１０ｍｍ／本発明：有（Ｃ＝０．３ｐＦ）」、実施例２は「アンテナ間距離：１０ｍｍ／本発明：有（Ｃ＝１．０ｐＦ）」と記載）。これらの測定結果からわかるように、キャパシタンス値を変更した実施例２では、実施例１に比べて相互結合の抑制レベルが変化している。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、上記第１アンテナエレメントと第２アンテナエレメントとは、同一の周波数帯を使用するアンテナを構成するが、互いに異なる周波数帯を使用するアンテナとしても構わない。

１…アンテナ装置、２…基板本体、３…第１アンテナエレメント、４…第２アンテナエレメント、５…中間エレメント、５ａ…両端延在部、５Ｌ…インダクタ、５Ｃ…コンデンサ、ＡＴ…アンテナ素子、Ｅ１…基端側延在部、Ｅ２…先端側延在部、Ｅ３…グランド接続延在部、ＧＮＤ…グランド面、Ｐ１，Ｐ３…高インピーダンス用受動素子、Ｐ２，Ｐ４…調整用受動素子、ＦＰ…給電点

Claims (4)

1. 絶縁性の基板本体と、
   該基板本体の表面にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランド面、第１アンテナエレメント、第２アンテナエレメントおよび中間エレメントを備え、
   前記第１アンテナエレメントおよび前記第２アンテナエレメントが、互いに離間して配され、それぞれ前記グランド面側に配した基端に別々の給電点が設けられていると共に前記グランド面から離間する方向に前記給電点から延びる基端側延在部を少なくとも有し、
   前記中間エレメントが、前記グランド面から離間して配され前記第１アンテナエレメントの前記基端側延在部と前記第２アンテナエレメントの前記基端側延在部とにインダクタンス成分を有する一対の両端延在部が接続されていると共に前記一対の両端延在部の間にインダクタとコンデンサとが並列接続されて相互結合抑制部を構成していることを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記第１アンテナエレメントおよび前記第２アンテナエレメントが、それぞれ前記基端側延在部の先端から前記基端側延在部に直交する方向であって前記第１アンテナエレメントと前記第２アンテナエレメントとで互いに反対方向に延びる先端側延在部と、それぞれ前記基端側延在部の途中に一端が接続され他端が前記給電点から離間した位置で前記グランド面に接続されたグランド接続延在部とを有し、前記グランド接続延在部に高インピーダンス用受動素子が接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項２に記載のアンテナ装置において、
   前記先端側延在部の先端部に誘電体アンテナのアンテナ素子が設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
   前記基端側延在部に調整用受動素子が接続されていることを特徴とするアンテナ装置。