JP3237978B2 - 平面アンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、無線機の筐体に内蔵す
る平面アンテナに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】携帯電話等の無線機の筐体に内蔵する平
面アンテナとしては、マイクロストリップアンテナ、パ
ッチアンテナ、逆Ｆ型アンテナ等が知られているが、中
でも最も小型の形状が実現できる逆Ｆ型アンテナがよく
採用されている。図１６（ａ）に従来の平面アンテナの
一つである逆Ｆ型アンテナの概略図を示す。グランド用
導体板１の上部に周囲長が使用周波数の波長の約１／２
である共振用導体板２が配置される。また、周囲長を短
縮するためにグランド用導体板１と共振用導体板２の間
の空間に誘電体３を充填する場合もある。ショートピン
４は２つの導体板を短絡しており、共振用導体板２の端
部に位置している。このように逆Ｆ型アンテナは、図１
６（ｂ）に示すようにショートピン４、共振用導体板
２、給電部２３が逆Ｆ型の構造をとる。

【０００３】また、携帯電話等の無線機において、平面
アンテナは筐体の一側面に置かれる場合が多い。図１６
（ｃ）に携帯電話の無線機筐体２７の背面側上部に平面
アンテナ２６が取り付けられた状態を示す。以下、放射
特性における偏波面に言及するときには、図１６（ｃ）
の座標軸において、ＸＹ平面を水平面としたときの垂直
偏波、水平偏波を指すこととする。

【０００４】上述の逆Ｆ型アンテナのアンテナ放射特性
としては、２つのモードに分解して考えることができ
る。一つはショートピン４とグランド用導体板１とで構
成されるモノポールモードで、ＸＹ平面を水平面とした
ときの水平偏波成分を有している。また、もう一つは共
振用導体板２とグランド用導体板１との間に形成される
スロットにて構成されるスロットモードで、ＸＹ平面を
水平面内としたときの垂直偏波成分を有している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１６
に示した逆Ｆ型アンテナの場合、ショートピン４は共振
用導体板２の端部に位置し、共振用導体板２の周囲長は
約λ／２である。ショートピン４から最も遠い位置は、
共振時に電界最大点１２となり、ここからアンテナ側を
見たインピーダンスは数百Ωと大変に高くなる。このた
め、給電部２３からみたアンテナ側のインピーダンスが
５０Ωとなるように整合をとり、放射効率を大きくする
必要が生じる。このような整合状態を実現するために、
給電部２３を電界最大点１２からショートピン４の方へ
移動させてオフセット給電を行う。例えば数百ＭＨｚで
逆Ｆ型アンテナを実現しようとすると、給電部２３はシ
ョートピン４から１〜３ミリという非常に接近した位置
まで移動させる必要があることが知られている。ところ
が、実際に逆Ｆ型アンテナを筐体内に組み込む場合に
は、放射パターンの好特性を維持する目的でショートピ
ン４の位置を筺体の上側に設定することが多く、給電部
２３の位置が必然的にあるエリア内に限定されてしま
う。例えば、ＲＦ信号をアンテナに給電する為のケーブ
ル６が共振用導体板２からみてグランド用導体板１の裏
側に配置されている場合は、近傍に背高の部品を実装す
ることを回避しなければならない。また、同軸ケーブル
６がグランド用導体板１の表側に配置されている場合で
あっても、無線機筐体の機構設計上、同軸ケーブル６の
配線を不能とするような突起部を形成することは回避し
なければならない。このように、共振用導体板２の給電
部２３の位置がショートピン４からの距離によって限定
されることで、機構設計上の自由度が阻害されるという
欠点がある。また、材料のばらつき、アンテナ加工時の
寸法のばらつき、取付位置や取付方法のばらつきなどに
よってインピーダンス整合の状態が変化し、ＶＳＷＲが
使用周波数帯域内で要求される仕様を満足しない場合、
外付けの整合回路を付加しない限りアンテナ単体として
インピーダンス整合の状態を調整する手段を持たないと
いう欠点がある。

【０００６】本発明の目的は、給電位置の設定において
自由度が高く、かつＶＳＷＲ特性の調整が容易な平面ア
ンテナを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために本発明は、周囲長が使用周波数の波長の約１／２
の共振用導体板と、前記共振用導体板下に当該共振用導
体板と平行に配置されるグランド用導体板と、前記導体
板同士を電気的に短絡するショートピンと、前記共振用
導体板と容量結合する当該共振用導体板上の給電用導体
ピンが具備され、前記給電用導体ピンが、前記共振用導
体板の任意の位置に形成する開口に非接触で当該共振用
導体板下から貫通して容量結合する構成とする。

【０００８】

【実施例】以下図面を用いて本発明の一実施例を詳細に
説明する。図１は本発明の平面アンテナの第１実施例を
示す図である。グランド用導体板１の上部に周囲長が使
用周波数の波長の約１／２である共振用導体板２が配置
される。また、周囲長を短縮するためにグランド用導体
板１と共振用導体板２の間の空間に誘電体３を充填する
場合もある。ショートピン４は２つの導体板を短絡して
おり、共振用導体板２の端部に位置している。給電用導
体板５は共振用導体板２上に距離ｘの間隔で容量結合し
ており、ＲＦ信号を伝送する同軸ケーブル６の中心線７
と接続されている。また、同軸ケーブル６の外皮導体８
はハンダ付け等の手段によりグランド用導体板１に固着
され、中心線７は誘電体の穴９、共振用導体板の穴１０
を通じて共振用導体板２に非接触で給電用導体板５に至
る。給電点１１はどの位置に設定しても良いが、電界最
大点１２の近傍に設定するとスロットモード放射時の電
界に影響を及ぼすので避けた方が良い。またショートピ
ン４の近傍に設定しても容量結合しにくいので避けた方
が良い。インピーダンス整合は、給電用導体板５と共振
用導体板２との間の容量を適当な値に選ぶことによって
実現される。

【０００９】図２は図１における給電用導体板５と共振
用導体板２の距離ｘを変化させた場合の給電点１１から
アンテナ側をみた反射係数（実測値）のスミス図表、図
３は距離ｘを変化させた場合の給電点１１からアンテナ
側を見たＶＳＷＲ特性（実測値）を示す。測定に使用し
たアンテナ寸法と測定条件は以下の通りである。 グラ
ンド用導体板１の寸法 − 縦１５０ｍｍ×横４８ｍｍ 共振用導体板２の寸法 − 縦２７ｍｍ×横３１ｍ
ｍ アンテナ高さ − ５ｍｍ 充填誘電体３の比誘電率 − ３．０ 給電用導体板５の寸法 − ５ｍｍ×３ｍｍ 周波数ｆ１ − ７７５ＭＨｚ 周波数ｆ２ − ８００ＭＨｚ 周波数ｆ３ − ８２５ＭＨｚ この条件で、給電用導体板５と共振用導体板２との距離
ｘ＝２．０ｍｍ（インピーダンス整合がとれている状
態）からｘを大きく（ｘ＝２．５）すると、すなわち結
合容量を小さくすると中心周波数は高域に移動し、中心
周波数におけるアンテナ側のインピーダンスは５０Ωよ
りも大きくなる（スミス図表上の反射係数特性の描く円
弧の直径が小さくなる）。また、ｘを小さく（ｘ＝１．
５）すると、すなわち結合容量を大きくすると中心周波
数は低域に移動し、中心周波数におけるアンテナ側のイ
ンピーダンスは５０Ωよりも小さくなる（スミス図表上
の反射係数特性の描く円弧の直径が大きくなる）。この
ことは共振用金属板をＬＣ並列共振器と給電部の容量を
組み合わせた等価回路からも推察される。図４は本発明
の平面アンテナの等価回路を示す図であり、共振回路の
Ｌは８．０ｎＨ、Ｃは４．０ｐＦ、放射抵抗Ｒは８００
Ωと仮定する。給電部のＣｉｎを１．３ｐＦ、１．０ｐ
Ｆ、０．８ｐＦの３通りに変化させたときの反射係数
（計算値）のスミス図表を図５に、ＶＳＷＲ特性（計算
値）を図６にそれぞれ示す。

【００１０】前述のアンテナ寸法にて作製した本発明の
平面アンテナと逆Ｆ型アンテナとのＸＺ平面内での垂直
偏波成分の放射パターンの比較を図７に、水平偏波成分
の放射パターンの比較を図８に、それぞれの偏波成分の
ピーク利得の比較表を図９に示す。図７と図８におい
て、実線が本発明のアンテナ、点線が逆Ｆ型アンテナの
放射パターンである。垂直偏波成分においては、本発明
の平面アンテナと逆Ｆ型アンテナはほぼ同等である。水
平偏波成分では２．５ｄＢ程度本発明の平面アンテナが
勝っているが、両アンテナともＸＹ平面内の指向性が歪
んでおり、単純な比較はできない。

【００１１】また、本発明の平面アンテナは給電点１１
の位置をショートピン４の位置とは独立に自由に選択す
ることができるので、例えばグランド用導体板１の裏側
に同軸ケーブル６の外皮導体８を固定する固着部１３を
持ってくるとき、背高の電子部品が近傍にあるような位
置に置くのを避けることができる。よって、例えばグラ
ンド用導体板１の裏側に回路基板が位置する場合、回路
基板上のレイアウト変更にも、給電点１１の位置を変更
することで柔軟に対応することが可能となる。さらに、
材料のばらつき、アンテナ加工時の寸法のばらつき、取
付位置や取付方法のばらつきなどによってインピーダン
ス整合の状態が変化し、ＶＳＷＲ特性が仕様を満足しな
い場合は、共振用導体板２に対する給電用導体板５の位
置を変えたり給電用導体板５を削って面積を減少させる
ことで、仕様を満足することが可能となる。

【００１２】図１０に共振用導体板２に対する給電用導
体板５の位置を変えることでＶＳＷＲ特性を調整する手
順を示す。（ａ）は未調整状態の平面アンテナの断面図
である。もしこの状態で給電部から平面アンテナ側を見
たインピーダンスが５０Ωよりも低い場合、断面図
（ｂ）のように同軸ケーブル６の中心線７を折り曲げて
給電用導体板５を共振用導体板２から遠ざけることでイ
ンピーダンスを５０Ωに近づければ良い。同時に中心周
波数も上昇するが、これは上面図（ｃ）のように共振用
導体板２の面積を増加させたり、または上面図（ｄ）の
ように切れ込みを入れて周囲長の増加を図ることで、イ
ンピーダンス整合状態を保ったまま中心周波数を再び下
降させれば良い。逆に給電部から平面アンテナ側を見た
インピーダンスが５０Ωよりも高い場合、断面図（ｅ）
のように同軸ケーブル６の中心線７を折り曲げて給電用
導体板５を共振用導体板２に近づけることでインピーダ
ンスを５０Ωに近づければ良い。同時に中心周波数も下
降するが、これは上面図（ｆ）のように共振用導体板２
の面積を減少させることで、インピーダンス整合状態を
保ったまま中心周波数を再び上昇させれば良い。

【００１３】図１１に給電用導体板５の面積を変えるこ
とでＶＳＷＲ特性を調整する手順を示す。（ａ）は未調
整状態の平面アンテナの断面図である。もしこの状態で
給電部から平面アンテナ側を見たインピーダンスが５０
Ωよりも低い場合、断面図（ｂ）のように給電用導体板
５の面積を縮小することでインピーダンスを５０Ωに近
づければ良い。逆に給電部から平面アンテナ側を見たイ
ンピーダンスが５０Ωよりも高い場合、上面図（ｃ）の
ように給電用導体板５の面積を拡大することでインピー
ダンスを５０Ωに近づければ良い。

【００１４】図１２に上述の実施例の変形例として給電
用導体板５をネジ式にした場合のＶＳＷＲ特性の調整手
順を示す。（ａ）は未調整状態の平面アンテナの断面図
である。調整用ネジ１６は給電用導体板５と同軸ケーブ
ル６の中心線７を接続する役割も果たしている。誘電体
３の穴の内壁にはタップが存在する。もしこの状態で給
電部から平面アンテナ側を見たインピーダンスが５０Ω
よりも低い場合、断面図（ｂ）のように調整用ネジ１６
を右に回して給電用導体板５の位置を上昇させることで
インピーダンスを５０Ωに近づければ良い。逆に給電部
から平面アンテナ側を見たインピーダンスが５０Ωより
も高い場合、断面図（ｃ）のように調整用ネジ１６を左
に回して給電用導体板５の位置を下降させることでイン
ピーダンスを５０Ωに近づければ良い。

【００１５】図１３は本発明の平面アンテナの第２実施
例を示す斜視図で、同軸ケーブル６がグランド用導体板
１の表面に配線され、外皮導体８の固着部１３も表面に
存在している。共振用導体板２の上に距離をおいて配置
される給電用導体板５と同軸ケーブル６の中心線７との
接続は誘電体３の外側で行われる。この場合も、平面ア
ンテナ周囲に電子部品１４あるいはモールド材内壁の突
起２４等が存在する時は、給電部を設定し易い場所に移
動すれば良く、設計の自由度が上昇する。

【００１６】図１４は本発明の平面アンテナの第３実施
例を示す斜視図である。ここでは、前述の共振用導体板
２と誘電体３と給電用導体板５とを一体化して多層基板
２８にて実現している。共振用メタライズ層１７が内層
され、給電部ではメタライズ除去部分１８が存在する。
表面には給電用メタライズ層１９が設けられ、給電用ス
ルーホール２０で中心線７と接続されている。また、端
部近傍に設けたショート用スルーホール２１にて共振用
メタライズ層１７はグランド用導体板１に短絡されてい
る。ＶＳＷＲ特性の調整の場合は給電用メタライズ層１
９を削ったり面積を追加したりすれば良い。また、それ
に伴って中心周波数が移動した場合には、共振用メタラ
イズ層１７上の誘電体の一部取り除いた調整用切り欠き
部２２などを通じて共振用メタライズ層１７を削ったり
面積を追加したりすれば良い。

【００１７】図１５は本発明の平面アンテナの第４実施
例を示す断面図である。本実施例は共振用導体板２と容
量結合させる手段として導体ピンを用いたものである。
図においてグランド用導体板１とこれに平行にされた共
振用導体板２とが間に誘電体３を充填されている。給電
用導体ピン２５は共振用導体板２に非接触で、共振用導
体板２、誘電体３、グランド用導体板１にそれぞれ開け
られた穴を貫通し、先端を共振用導体板２の上に出し、
下端は同軸ケーブル６の中心線７が接続されている。本
実施例でのＶＳＷＲ特性の調整は、給電用導体ピン２５
のうち共振用導体板２から上に突出している部位の長さ
を調整して行う。もしこの状態で給電部から平面アンテ
ナ側を見たインピーダンスが５０Ωよりも低い場合、給
電用導体ピン２５の先端の長さを短くしてインピーダン
スを５０Ωに近づければ良い。逆に給電部から平面アン
テナ側を見たインピーダンスが５０Ωよりも高い場合、
給電用導体ピン２５の先端の長さを長くしてインピーダ
ンスを５０Ωに近づければ良い。

【００１８】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明の平面ア
ンテナは給電用導体板と共振用導体板または共振用導体
ピンを容量結合させることによって給電を行うので、給
電位置をショートピンの近傍に限定せずに自由に選択す
ることができるため、設計の自由度が向上する。また、
結合の容量を変化させることでインピーダンス整合状態
を変えることができるため、ＶＳＷＲ特性が仕様を満足
しない場合でも、共振用導体板に対する給電用導体板
（またはピン）の位置を変えたり給電用導体板の面積
（または給電用導体ピンの長さ）を変化させる等して、
仕様を満足するようにインピーダンス調整が容易にでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明平面アンテナの第１実施例の斜視図。

【図２】本発明平面アンテナの反射係数（実測値）を示
すスミス図表。

【図３】本発明平面アンテナのＶＳＷＲ（実測値）を示
す特性図。

【図４】本発明平面アンテナの等価回路図。

【図５】本発明平面アンテナの反射係数（計算値）を示
すスミス図表。

【図６】本発明平面アンテナのＶＳＷＲ（計算値）を示
す特性図。

【図７】本発明平面アンテナと逆Ｆ型アンテナの垂直偏
波成分の放射パターンを示す特性図。

【図８】本発明平面アンテナと逆Ｆ型アンテナの水平偏
波成分の放射パターンを示す特性図。

【図９】本発明平面アンテナと逆Ｆ型アンテナのピーク
利得を示す特性表。

【図１０】本発明平面アンテナのＶＳＷＲ特性の調整方
法の例を示し、（ａ）（ｂ）（ｅ）は平面アンテナの断
面図、（ｃ）（ｄ）（ｆ）は平面アンテナの上面図。

【図１１】本発明平面アンテナのＶＳＷＲ特性の調整方
法の他の例を示し、（ａ）（ｂ）は平面アンテナの断面
図、（ｃ）は平面アンテナの上面図。

【図１２】本発明平面アンテナのＶＳＷＲ特性の調整方
法のさらに他の例を示し、（ａ）（ｂ）（ｃ）は平面ア
ンテナの断面図。

【図１３】本発明平面アンテナの第２実施例の斜視図。

【図１４】本発明平面アンテナの第３実施例の斜視図。

【図１５】本発明平面アンテナの第４実施例の断面図。

【図１６】従来技術を示し、（ａ）は逆Ｆ型アンテナの
斜視図、（ｂ）は逆Ｆ型アンテナの給電方法を説明する
ための図、（ｃ）は携帯電話に平面アンテナが取り付け
られた状態を示す斜視図。

【符号の説明】

１：グランド用導体板 ２：共振用導体板 ３：誘
電体 ４：ショートピン ５：給電用導体板 ６：同
軸ケーブル ７：中心線 ８：外皮導体 ９：誘
電体の穴 １０：共振用導体板の穴 １１：給電点 １２：
電界最大点 １３：固着部 １４：電子部品 １５：
回路基板 １６：調整用ネジ １７：共振用メタライズ
層 １８：メタライズ除去部分 １９：給電用メタライズ
層 ２０：給電用スルーホール ２１：ショート用スルー
ホール ２２：調整用切り欠き部 ２３：給電部 ２４：突起 ２５：給電用導体ピン ２
６：平面アンテナ ２７：無線機筐体 ２８：多層基板 ２
９：スピーカ ３０：入力キー ３１：マイク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01Q 13/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】周囲長が使用周波数の波長の約１／２の共
   振用導体板と、前記共振用導体板下に当該共振用導体板
   と平行に配置されるグランド用導体板と、前記導体板同
   士を電気的に短絡するショートピンと、前記共振用導体
   板と容量結合する当該共振用導体板上の給電用導体ピン
   が具備され、前記給電用導体ピンが、前記共振用導体板
   の任意の位置に形成する開口に非接触で当該共振用導体
   板下から貫通して容量結合することを特徴とする平面ア
   ンテナ。