JP5652258B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、回路基板と別体に設けられ同軸ケーブルで接続されるアンテナ装置に関する。

従来、携帯電話等の通信機器において、回路基板の非アンテナ領域に設けられたアンテナ装置が知られている。例えば、特許文献１には、アンテナ装置が、無線通信機の回路基板の非グランド領域に実装されており、この領域に放射電極などが設けられている。すなわち、図１０の（ａ）に示すように、高周波回路が形成された回路基板１０にグランド領域となるグランド面ＧＮＤと非グランド領域とが形成され、該非グランド領域にパターン形成された放射電極等でアンテナ装置１０１が形成されている。

特開２０１０−１６６２８７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、従来、図１０の（ａ）に示すように、高周波回路等が形成された大きな回路基板１０に一体にアンテナ装置１０１が形成されているが、通信機器の小型化、薄型化に伴い、図１０の（ｂ）に示すように、回路基板１０を小さくするため、回路基板１０とアンテナ装置１０１が形成されるアンテナ基板１０２とを別に設計し、同軸ケーブルＣを介して互いに接続することが検討されている。この場合、同軸ケーブルＣを介したグランド接続による不安定要素が生じ、接続先の回路基板１０の形状、実装状態および接続先の回路側給電点ＦＰ２との接続位置によって、アンテナ装置１０１の性能が左右されてしまうという問題があった。特に、回路基板１０のグランド面ＧＮＤのサイズが小さくなると共に回路側給電点ＦＰ２までの距離が遠くなる場合、アンテナ性能が劣化してしまう問題があった。さらに、図１０の（ｃ）に示すように、人体や金属Ｍに通信機器１０３が密着するような使用条件においては、アンテナ性能がさらに劣化してしまう不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、回路基板と別体に設けられ同軸ケーブルで接続される形態において、良好なアンテナ性能を得ることができ、通信機器の小型化や薄型化に対応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、グランド面が形成された回路基板に同軸ケーブルを介して接続されるアンテナ装置であって、絶縁性の基板本体と、該基板本体の少なくとも前記回路基板側に金属箔でパターン形成され前記同軸ケーブルのグランド線が接続されるグランドパターンと、基端が前記グランドパターンに接続されていると共に先端側が開放端として延在して前記基板本体に金属箔でパターン形成され、基端側に前記同軸ケーブルの芯線が接続されるアンテナ側給電点が設けられた開放型アンテナパターンと、前記グランドパターンに基端が接続されていると共に前記回路基板に向けて延在し他端が前記グランド面の前記基板本体側に接続される高周波電流コントロール端子とを備えていることを特徴とする。

このアンテナ装置では、グランドパターンに基端が接続されていると共に回路基板に向けて延在し他端がグランド面の基板本体側に接続される高周波電流コントロール端子を備えているので、高周波電流コントロール端子が接続されたグランド面の基板本体側から反対側に向けて流れる高周波電流がグランド面で支配的となり、アンテナ装置から見た有効な高周波電流の流れを安定して得ることができる。したがって、基板本体内の高周波電流の流れを、高周波電流コントロール端子を介して回路基板側に直接流すことができ、同軸ケーブルによる不安定要素を抑制すると共に、アンテナ性能を最大限に引き出すことが可能になる。

第２の発明のアンテナ装置は、第１の発明において、前記基板本体の裏面に絶縁性スペーサ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、基板本体の裏面に絶縁性スペーサが設けられているので、人体や金属に密着させて使用した場合でも、絶縁性スペーサにより基板本体が人体や金属から離間するため、アンテナ性能の劣化を抑制することができると共に、設置安定性および強度を向上せることができる。

第３の発明のアンテナ装置は、第１または第２の発明において、前記開放型アンテナパターンが、先端側に誘電体アンテナのアンテナ素子を備えていると共に、中間部に受動素子を備え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、開放型アンテナパターンが、先端側に誘電体アンテナのアンテナ素子を備えていると共に、中間部に受動素子を備えているので、所望の共振周波数の波長に対して短縮された誘電体アンテナのアンテナ素子により、開放型アンテナパターンの短縮が可能になって小型化ができると共に、受動素子により周波数調整やインピーダンス調整が可能になる。

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、前記開放型アンテナパターンが、前記グランドパターンに基端が接続されていると共に前記グランドパターンから前記グランド面と反対の方向に向けて延びる第１延在部と、該第１延在部の先端に基端が接続されていると共に前記基板本体に対向する前記グランド面の辺に沿って延びる第２延在部と、該第２延在部の途中に基端が接続されていると共に前記グランドパターンに向けて延在し先端に前記アンテナ側給電点が設けられた第３延在部とから構成された逆Ｆ型アンテナパターンであることを特徴とする。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明のアンテナ装置によれば、グランドパターンに基端が接続されていると共に回路基板に向けて延在し他端がグランド面の基板本体側に接続される高周波電流コントロール端子を備えているので、同軸ケーブルによる不安定要素を抑制すると共に、アンテナ性能を最大限に引き出すことが可能になる。
したがって、本発明のアンテナ装置は、良好なアンテナ性能を維持しつつ省スペース化と配線および設置の自由度の向上とを図ることができ、通信機器の小型化や薄型化に対応可能になる。

本発明に係るアンテナ装置の第１実施形態において、回路基板に接続されたアンテナ装置を示す平面図である。 高周波電流コントロール端子が無く給電間距離が遠い場合（ａ）および近い場合（ｂ）と、高周波電流コントロール端子が有り給電間距離が遠い第１実施形態の場合（ｃ）とで、高周波電流の方向を説明するための平面図である。 本発明に係るアンテナ装置の第１実施形態（ａ）および第２実施形態（ｂ）において、アンテナ装置を搭載した通信機器を人体や金属に密着させた状態で使用する場合を示す概略的な断面図である。 本発明に係るアンテナ装置の第２実施形態の他の例において、アンテナ装置を搭載した通信機器を人体や金属に密着させた状態で使用する場合を示す概略的な断面図である。 本発明に係るアンテナ装置の第３実施形態において、回路基板に接続されたアンテナ装置を示す平面図である。 第３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）および底面図（ｄ）である。 高周波電流コントロール端子が無い場合（ａ）と高周波電流コントロール端子が有る第３実施形態の場合（ｂ）とのＶＳＷＲ特性（電圧定在波比）を示すグラフである。 高周波電流コントロール端子が無い場合と、高周波電流コントロール端子が開放端近傍に配置された第３実施形態の場合と、高周波電流コントロール端子が開放端遠方に配置された第３実施形態の場合とで、周波数帯域幅を調べた結果を示すグラフである。 第１実施形態において、アンテナ装置を搭載した通信機器を人体や金属に密着させた状態で使用する場合の他の実装形態を示す概略的な断面図である。 本発明に係るアンテナ装置の従来例および参考例を示す概略的な平面図（ａ）（ｂ）と、人体または金属にアンテナ装置を搭載した通信機器を密着させた状態で使用する場合を示す説明図（ｃ）とである。

以下、本発明に係るアンテナ装置の第１実施形態を、図１および図２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、グランド面ＧＮＤが形成された回路基板１０に同軸ケーブルＣを介して接続されるアンテナ装置であって、絶縁性の基板本体２と、該基板本体２の少なくとも回路基板１０側に金属箔でパターン形成され同軸ケーブルＣのグランド線（図示略）が接続されるグランドパターンＧＰと、基端がグランドパターンＧＰに接続されていると共に先端側が開放端として延在して基板本体２に金属箔でパターン形成され、基端側に同軸ケーブルＣの芯線（図示略）が接続されるアンテナ側給電点ＦＰ１が設けられた開放型アンテナパターン３と、グランドパターンＧＰに基端が接続されていると共に回路基板１０に向けて延在し他端がグランド面ＧＮＤの基板本体２側に接続される金属棒状の高周波電流コントロール端子４とを備えている。

上記基板本体２および回路基板１０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。
上記グランドパターンＧＰおよび開放型アンテナパターン３は、例えば銅箔等でパターン形成されている。
上記回路基板１０には、高周波回路（図示略）が設けられ、少なくとも一方の面にグランド面ＧＮＤが銅箔等の金属箔で形成されている。

上記同軸ケーブルＣの一端側のグランド線（図示略）は、グランドパターンＧＰに接続されると共に、同軸ケーブルＣの一端側の芯線（図示略）はアンテナ側給電点ＦＰ１に接続される。また、同軸ケーブルＣの他端側のグランド線（図示略）は、グランド面ＧＮＤに接続されると共に、同軸ケーブルＣの他端側の芯線（図示略）は回路基板１０側の高周波回路の回路側給電点ＦＰ２に接続される。なお、上記各給電点と同軸ケーブルＣとの接続は、レセプタクル等のコネクタを介して行っても構わない。

上記開放型アンテナパターン３は、グランドパターンＧＰに基端が接続されていると共にグランドパターンＧＰからグランド面ＧＮＤと反対の方向に向けて延びる第１延在部３ａと、該第１延在部３ａの先端に基端が接続されていると共に基板本体２に対向するグランド面ＧＮＤの辺に沿って延びる第２延在部３ｂと、該第２延在部３ｂの途中に基端が接続されていると共にグランドパターンＧＰに向けて延在し先端にアンテナ側給電点ＦＰ１が設けられた第３延在部３ｃとから構成された逆Ｆ型アンテナパターンである。
また、高周波電流コントロール端子４は、金属棒状、銅板状等のショートピンであって、所望の周波数帯に対して、低インピーダンスで高周波電流を流しやすい材質が採用される。

次に、本実施形態のアンテナ装置における高周波電流の流れについて、図２を参照して説明する。
アンテナ装置と回路基板１０とが別体に設けられて同軸ケーブルＣで接続されている場合、同軸ケーブルＣを流れる高周波電流は、同軸ケーブルＣの長さ、引き回し等の設計条件に大きく左右され、不安定要素が大きい。例えば、図２の（ａ）に示すように、高周波電流コントロール端子４が無く給電点間距離が遠い場合、同軸ケーブルＣによる不安定な高周波電流５Ａとアンテナ装置から見て有効な高周波電流５Ｃとに対して逆向きに流れる高周波電流５Ｂが支配的になり、アンテナ性能が劣化してしまう。

また、図２の（ｂ）に示すように、高周波電流コントロール端子４が無く給電点間距離が近い場合、同軸ケーブルＣによる不安定な高周波電流５Ａが支配的となり、やはりアンテナ性能が劣化してしまう。
これらに対して本実施形態のアンテナ装置１では、高周波電流コントロール端子４を備えることで、図２の（ｃ）に示すように、基板本体２内の高周波電流の流れを回路基板１０側にも高周波電流５Ｃとして直接流すことでき、同軸ケーブルＣによる不安定要素を抑制すると共に、アンテナ性能を最大限に引き出すことが可能になる。

本実施形態のアンテナ装置１における各設計条件について以下に説明する。
＜グランド条件＞
基板本体２内のグランドパターンＧＰは小さくても構わないが、理想条件として、面積が大きく、回路基板１０側へ長いことが望ましい。また、その際の長さは、所望の周波数帯の波長に対して４分の１以上の長さであることが望ましい。
＜給電点＞
高周波電流コントロール端子４とアンテナ側給電点ＦＰ１との位置関係は任意で構わないが、理想条件として、開放型アンテナパターン３の開放端から遠方にアンテナ側給電点ＦＰ１が配置され、そのアンテナ側給電点ＦＰ１の近傍に高周波電流コントロール端子４が配置されることが望ましい。

＜開放型アンテナパターン＞
開放型アンテナパターン３は、本実施形態では逆Ｆ型アンテナパターンを採用しているが、逆Ｌ型アンテナパターンなどの他の開放型アンテナパターンを用いても構わない。
また、開放型アンテナパターン３は、複共振化（２共振化、３共振化）されていても構わない。その場合、一番低い周波数帯の開放端に対して高周波電流コントロール端子４を設定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、グランドパターンＧＰに基端が接続されていると共に回路基板１０に向けて延在し他端がグランド面ＧＮＤの基板本体２側に接続される高周波電流コントロール端子４を備えているので、高周波電流コントロール端子４が接続されたグランド面ＧＮＤの基板本体２側から反対側に向けて流れる高周波電流５Ｃがグランド面ＧＮＤで支配的となり、アンテナ装置１から見た有効な高周波電流の流れを安定して得ることができる。したがって、基板本体２内の高周波電流５の流れを、高周波電流コントロール端子４を介して回路基板１０側に直接流すことができ、同軸ケーブルＣによる不安定要素を抑制すると共に、アンテナ性能を最大限に引き出すことが可能になる。

次に、本発明に係るアンテナ装置の第２実施形態および第３実施形態について、図３から図８を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、図３の（ａ）に示すように、アンテナ装置１と回路基板１０とが同一平面上に設置されており、人体や金属Ｍに密着して使用される場合があるのに対し、第２実施形態のアンテナ装置２１では、図３の（ｂ）に示すように、基板本体２の裏面に絶縁性スペーサ２２が設けられており、通信機器を人体や金属Ｍに密着させて使用する場合でも、基板本体２が人体や金属Ｍから離間して設置可能になっている点である。

上記絶縁性スペーサ２２は、例えばポリエチレン等の絶縁性のスポンジ材で直方体状に形成されている。なお、絶縁性スペーサ２２は、所望の周波数帯において低誘電率であることが望ましい。この絶縁性スペーサ２２と基板本体２との接着は、両面テープや一般的な接着剤で行って構わない。なお、絶縁性スペーサ２２の接着位置は、開放型アンテナパターン３の開放端およびアンテナ側給電点ＦＰ１に重ならない位置（直下でない位置）であることが望ましい。また、基板本体２と回路基板１０との高さ位置が異なるため、高周波電流コントロール端子４は高さ方向（基板厚さ方向）に延在して接続される。

このように、第２実施形態のアンテナ装置２１では、基板本体２の裏面に絶縁性スペーサ２２が設けられているので、通信機器を人体や金属Ｍに密着させて使用した場合でも、絶縁性スペーサ２２により基板本体２が人体や金属Ｍから離間するため、アンテナ性能の劣化を抑制することができると共に、設置安定性および強度を向上せることができる。

なお、上記第２実施形態のように絶縁性スペーサ２２によりアンテナ装置２１を人体や金属Ｍから離間させることが設置安定性や強度などの面から好ましいが、他の例とし、図４に示すように、絶縁性スペーサ２２が無く、高周波電流コントロール端子４により回路基板１０上に基板本体２を支持してアンテナ装置１を人体や金属Ｍから離間させても構わない。この場合、基板本体２と人体や金属Ｍとの空間に、空気がスペーサの代わりに介在し、基板本体２と人体や金属Ｍとが離間することで、アンテナ性能の劣化を抑制することができる。

次に、第３実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、開放型アンテナパターン３がパターン形成された金属箔のみによるものであるのに対し、第３実施形態のアンテナ装置３１では、図５に示すように、開放型アンテナパターン３３が、先端側に誘電体アンテナのアンテナ素子ＡＮＴを備えていると共に、中間部に第１受動素子Ｐ１および第２受動素子Ｐ２を備えている点である。

すなわち、第３実施形態では、基板本体２の端部側にグランドパターンＧＰがパターン形成され、開放型アンテナパターン３３が、グランドパターンＧＰに基端が接続されていると共にグランドパターンＧＰから対向するグランド面ＧＮＤの一辺に沿った方向（基板本体２の長辺方向）に延びる第１延在部３３ａと、該第１延在部３３ａの途中に接続された第１受動素子Ｐ１と、第１延在部３３ａの先端に接続されたアンテナ素子ＡＮＴと、第１延在部３３ａの途中に基端が接続されグランド面ＧＮＤに向けて延びると共に途中で屈曲してグランドパターンＧＰに先端が接続された第２延在部３３ｂと、該第２延在部３３ｂの途中に接続された第２受動素子Ｐ２とから構成されている。

上記アンテナ素子ＡＮＴ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６に示すように、セラミックス等の誘電体１２１の表面にＡｇ等の導体パターン１２２が形成されたチップアンテナである。このアンテナ素子ＡＮＴ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１２２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。

上記第１受動素子Ｐ１および第２受動素子Ｐ２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。
すなわち、このアンテナ装置３１では、開放型アンテナパターン３３が、先端側に誘電体アンテナのアンテナ素子ＡＮＴを備えていると共に、中間部に第１受動素子Ｐ１および第２受動素子Ｐ２を備えているので、所望の共振周波数の波長に対して短縮された誘電体アンテナのアンテナ素子ＡＮＴにより、開放型アンテナパターン３３の短縮が可能になって小型化ができると共に、第１受動素子Ｐ１、第２受動素子Ｐ２により周波数調整やインピーダンス調整が可能になる。

次に、第３実施形態のアンテナ装置３１において、高周波電流コントロール端子４が無い場合と高周波電流コントロール端子４が有る場合とについて、ＶＳＷＲ特性（電圧定在波比）を測定した結果を、図７の（ａ）（ｂ）に示す。なお、図７の（ａ）の測定においては、第１受動素子Ｐ１として、Ｌ＝４７ｎＨのインダクタを用い、第２受動素子Ｐ２として、Ｌ＝１０ｎＨのインダクタを用いた。また、図７の（ｂ）の測定においては、第１受動素子Ｐ１として、Ｌ＝３７ｎＨのインダクタを用い、第２受動素子Ｐ２として、Ｌ＝１５ｎＨのインダクタを用いた。

この測定結果からわかるように、高周波電流コントロール端子４が無い場合では、図７の（ａ）に示すように、高周波電流の悪影響および不安定要素により、帯域幅が狭く、アンテナ性能が劣化しているのに対し、高周波電流コントロール端子４が有る場合では、図７の（ｂ）に示すように、同軸ケーブルＣを介したグランド接続による不安定要素を抑制し、アンテナ性能の高性能化（広帯域化）が実現されている。

次に、高周波電流コントロール端子４の配置を変えた場合に対する周波数帯域幅の変化について調べた結果を、図８に示す。この測定では、高周波電流コントロール端子４が無い場合（図８のグラフ中、左端のデータ「本発明：無」）を基準とし、高周波電流コントロール端子４が開放型アンテナパターン３３の開放端近傍（基板本体２の中央）に配置されている場合（図８のグラフ中、中央のデータ「本発明：有／開放端近傍配置」）と、高周波電流コントロール端子４が開放型アンテナパターン３３の開放端遠方（基板本体２の端）に配置されている場合（図８のグラフ中、右端のデータ「本発明：有／開放端遠方配置」）とについて調べた。

この測定結果からわかるように、高周波電流コントロール端子４が無い場合に対して、高周波電流コントロール端子４が有る本実施形態の場合はいずれも帯域幅が拡がっており、特に高周波電流コントロール端子４が開放型アンテナパターン３３の開放端遠方に配置されている場合は、２．２倍も改善している。
なお、開放型アンテナパターン３３の開放端から遠方の配置であれば、接続可能な範囲の細いラインの高周波電流コントロール端子４でも構わないが、開放型アンテナパターン３３の開放端の近傍に配置する場合、開放端から離れる方向へ太くまたは幅広にすることで、接地面積が拡がり、アンテナ性能の改善効果がより得られる。

なお、本発明は上記各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、上述したように第１実施形態では、図３の（ａ）に示すように、アンテナ装置１と回路基板１０とが同一平面上に設置されており、人体や金属Ｍに密着してしまうが、第２実施形態のように人体や金属Ｍからアンテナ装置を離すため、図９に示すように、回路基板１０Ａ，１０Ｂを柱部品３２により２段に積層させて人体や金属Ｍから離間した上部の回路基板１０Ａに高周波電流コントロール端子４を接続すると共に、アンテナ装置１を人体や金属Ｍから離間させた状態で上部の回路基板１０Ａにより支持しても構わない。このように複数段に積層された回路基板の上部にアンテナ装置１を固定することで、絶縁性スペーサ２２が無くてもアンテナ装置１が人体や金属Ｍから離れて、その影響を低減することができる。

１，２１，３１…アンテナ装置、２…基板本体、３…開放型アンテナパターン、３ａ，３３ａ…第１延在部、３ｂ，３３ｂ…第２延在部、３ｃ…第３延在部、４…高周波電流コントロール端子、１０，１０Ａ，１０Ｂ…回路基板、２２…絶縁性スペーサ、ＡＮＴ…アンテナ素子、Ｃ…同軸ケーブル、ＧＮＤ…グランド面、ＧＰ…グランドパターン、ＦＰ１…アンテナ側給電点、ＦＰ２…回路側給電点、Ｐ１…第１受動素子、Ｐ２…第２受動素子

Claims (4)

1. グランド面が形成された回路基板に同軸ケーブルを介して接続されるアンテナ装置であって、
   絶縁性の基板本体と、
   該基板本体の少なくとも前記回路基板側に金属箔でパターン形成され前記同軸ケーブルのグランド線が接続されるグランドパターンと、
   基端が前記グランドパターンに接続されていると共に先端側が開放端として延在して前記基板本体に金属箔でパターン形成され、基端側に前記同軸ケーブルの芯線が接続されるアンテナ側給電点が設けられた開放型アンテナパターンと、
   前記グランドパターンに基端が接続されていると共に前記回路基板に向けて延在し他端が前記グランド面の前記基板本体側に接続される高周波電流コントロール端子とを備え、
   前記高周波電流コントロール端子が、前記アンテナ側給電点の近傍であって、前記開放型アンテナパターンの基端側に配置され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、
   前記基板本体の裏面に絶縁性スペーサが設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
   前記開放型アンテナパターンが、先端側に誘電体アンテナのアンテナ素子を備えていると共に、中間部に受動素子を備え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、
   前記開放型アンテナパターンが、前記グランドパターンに基端が接続されていると共に前記グランドパターンから前記グランド面と反対の方向に向けて延びる第１延在部と、該第１延在部の先端に基端が接続されていると共に前記基板本体に対向する前記グランド面の辺に沿って延びる第２延在部と、該第２延在部の途中に基端が接続されていると共に前記グランドパターンに向けて延在し先端に前記アンテナ側給電点が設けられた第３延在部とから構成された逆Ｆ型アンテナパターンであることを特徴とするアンテナ装置。