JP6451865B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、給電素子と無給電素子とを含むアンテナ装置に関する。

下記の特許文献１に、ＧＨｚ帯で動作する広帯域アンテナが開示されている。この広帯域アンテナは、基板の表面に配置された平板アンテナ素子、平板無給電素子、及びグランド板を含む。平板アンテナ素子は、グランド板から面内方向に間隔を隔てて配置されている。平板無給電素子は、グランド板から延びて、平板アンテナ素子に対して面内方向に対向するように配置されている。同軸ケーブルの芯線が平板アンテナ素子に接続され、外部導体がグランド板に接続される。この同軸ケーブルを通して、平板アンテナ素子に給電される。

特許第４５４５６６５号公報

特許文献１に開示された広帯域アンテナにおいては、平板アンテナ素子と、平板無給電素子とが基板の表面に配置される。平板アンテナ素子に近接させて平板無給電素子を配置するための領域を、基板上に確保しなければならないため、アンテナの小型化が困難である。

本発明の目的は、小型化に適したアンテナ装置を提供することである。

本発明の第１の観点によるアンテナ装置は、
第１のグランド導体が配置されたメイン基板と、
前記メイン基板に実装されたアンテナモジュールであって、第１のアンテナ、及び前記第１のアンテナに対してグランド電極として動作する第２のグランド導体が配置されたアンテナモジュールと、
芯線及び外部導体を含み、前記第１のアンテナに給電する同軸ケーブルであって、前記外部導体が第１の箇所において前記第１のグランド導体に電気的に接続されており、第２の箇所において前記第２のグランド導体に接続されている前記同軸ケーブルと、
前記第１のアンテナの動作周波数よりも低い周波数で動作し、給電素子と無給電素子とを含む第２のアンテナと
を有し、
前記第２のグランド導体、及び前記第１の箇所から前記第２の箇所までの前記外部導体が、前記第２のアンテナの前記無給電素子を兼ねている。

第２のグランド導体が第２のアンテナの無給電素子の一部として動作するため、第２のアンテナの給電素子を、第１のアンテナのグランド電極として動作する第２のグランド導体に近接して配置することができる。さらに、無給電素子を個別に配置する必要が無い。このため、アンテナの小型化を図ることができる。

本発明の第２の観点によるアンテナ装置においては、第１の観点によるアンテナ装置の構成に加えて、
前記第１のアンテナの動作周波数が、前記第２のアンテナの動作周波数の１０倍以上である。

第１のアンテナの動作周波数が第２のアンテナの動作周波数の１０倍以上である場合、第２のグランド導体のみでは、グランドサイズが不十分となる可能性が高い。第２のグランド導体及び同軸ケーブルの外部導体を第２のアンテナの無給電素子として利用することにより、第２のグランド導体の寸法の不足分を補うことができる。

本発明の第３の観点によるアンテナ装置においては、第１及び第２の観点によるアンテナ装置の構成に加えて、
前記第１の箇所において、前記外部導体がインピーダンス素子を介して前記第１のグランド導体に電気的に接続されている。

インピーダンス素子のインピーダンス値を調整することにより、無給電素子の共振周波数を微調整することができる。

本発明の第４の観点によるアンテナ装置においては、第１乃至第３の観点によるアンテナ装置の構成に加えて、
前記第２のアンテナの動作周波数が、１ＧＨｚから６ＧＨｚまでの範囲である。

第２のアンテナの動作周波数が１ＧＨｚから６ＧＨｚの範囲内である場合、インピーダンス素子によって共振周波数を調整することが容易である。

本発明の第５の観点によるアンテナ装置においては、第１乃至第４の観点によるアンテナ装置の構成に加えて、
前記アンテナモジュールが、モジュール基板を含み、
前記第２のグランド導体は、前記モジュール基板に設けられており、
前記第１のアンテナ、及び前記第２のアンテナの前記給電素子は、前記モジュール基板に支持されている。

第２のグランド導体がモジュール基板に設けられており、第２のアンテナの給電素子をモジュール基板に支持することにより、給電素子を第２のグランド導体に近接配置して、小型化を図ることが容易になる。

第２のグランド導体が第２のアンテナの無給電素子の一部として動作するため、第２のアンテナの給電素子を、第１のアンテナのグランド電極として動作する第２のグランド導体に近接して配置することができる。さらに、無給電素子を個別に配置する必要が無い。このため、アンテナの小型化を図ることができる。

図１は、実施例１によるアンテナ装置の概略側面図である。 図２は、実施例１によるアンテナ装置に用いられている同軸ケーブルの、第１の箇所の斜視図である。 図３Ａは、アンテナモジュール、同軸ケーブル、及びメイン基板の一部分の平面図であり、図３Ｂは、第２のアンテナの給電素子の概略図である。 図４は、シミュレーション対象のアンテナ装置の概略斜視図である。 図５は、シミュレーション対象のアンテナ装置のアンテナモジュール、及びその近傍の斜視図である。 図６は、リターンロスのシミュレーション結果を示すグラフである。 図７は、実施例における第２のアンテナ、及び比較例における第２のアンテナの放射効率のシミュレーション結果を示す図表である。 図８は、実施例２によるアンテナ装置の概略側面図である。 図９は、実施例２によるアンテナ装置に用いられている同軸ケーブルの第１の箇所の平面図である。

図１に、実施例１によるアンテナ装置の概略側面図を示す。メイン基板１０の内部及び表面に、第１のグランド導体１１及び配線パターン１２が配置されている。図１では、表面に配置された第１のグランド導体１１及び配線パターン１２が示されている。メイン基板１０に電子回路素子１３が実装されている。

アンテナモジュール２０が、モジュール基板２１、第１のアンテナ２２、及び第２のグランド導体２３を含む。第１のアンテナ２２は、例えばモジュール基板２１に支持された複数の放射素子を含み、アダプティブアレーアンテナとして動作する。複数の放射素子には、例えばパッチアンテナ、プリンテッドダイポールアンテナ等が用いられる。アンテナモジュール２０は、さらに、ダイプレクサ、高周波送受信回路、移相器、ローノイズアンプ、パワーアンプ等を含む。第２のグランド導体２３は、第１のアンテナ２２に対してグランド電極として動作する。

同軸ケーブル３０を通して第１のアンテナ２２に給電される。同軸ケーブル３０は、芯線３１及び外部導体３２を含む。同軸ケーブル３０のアンテナ側の端部は、アンテナモジュール２０とメイン基板１０との間に挿入されている。芯線３１のアンテナ側の端部が、アンテナモジュール２０に接続されており、他方の端部が、メイン基板１０の配線パターン１２を介して電子回路素子１３に接続されている。

同軸ケーブル３０の外部導体３２が、第１の箇所３５において第１のグランド導体１１に電気的に接続されており、第２の箇所３６において第２のグランド導体２３に電気的に接続されている。

第２のアンテナ４０が、給電素子４１及び無給電素子４２を含む。給電素子４１は、第２のグランド導体２３の近傍に配置されている。ここで、「近傍」とは、給電素子４１と第２のグランド導体２３とが、第２のアンテナ４０の動作周波数帯において容量結合する程度の距離であることを意味する。給電素子４１は、アンテナモジュール２０のモジュール基板２１に支持される構造としてもよいし、メイン基板１０に支持される構造としてもよい。メイン基板１０に配置された配線パターンを通して、給電素子４１に給電される。

第２のグランド導体２３、及び第１の箇所３５から第２の箇所３６までの外部導体３２が、第２のアンテナ４０の無給電素子４２を兼ねている。第１の箇所３５から第２の箇所３６までの外部導体３２、及び第２のグランド導体２３を含む導体部分が、第２のアンテナ４０の動作周波数帯で共振するように、第１の箇所３５が設定されている。この構成とすることにより、外部導体３２及び第２のグランド導体２３を無給電素子４２として動作させることができる。

第２のアンテナ４０は、第１のアンテナ２２の動作周波数より低い周波数で動作する。一例として、第１のアンテナ２２は、６０ＧＨｚ帯のＷｉＧｉｇ規格のアンテナであり、第２のアンテナ４０は、２ＧＨｚ及び５ＧＨｚ帯のＷｉＦｉ規格のアンテナである。

図２に、同軸ケーブル３０の、第１の箇所３５の斜視図を示す。外部導体３２を被覆する絶縁皮膜３３が、第１の箇所３５において部分的に取り除かれることにより、外部導体３２が露出している。露出した外部導体３２が、はんだ３４によって第１のグランド導体１１に電気的に接続されている。外部導体３２と第１のグランド導体１１とを電気的に接続するために、はんだ３４を用いた構造以外の構造を採用することも可能である。採用可能な電気的接続構造の例として、板金で挟み込む構造が挙げられる。

図３Ａに、アンテナモジュール２０、同軸ケーブル３０、及びメイン基板１０の一部分の平面図を示す。メイン基板１０の表面に第１のグランド導体１１が配置されている。平面視において第１のグランド導体１１と重ならない位置に、アンテナモジュール２０が配置されている。なお、アンテナモジュール２０が第１のグランド導体１１と部分的に重なる配置としてもよい。

第１の箇所３５において、同軸ケーブル３０の外部導体３２が、はんだ３４により第１のグランド導体１１に接続されている。同軸ケーブル３０のアンテナ側の端部が、アンテナモジュール２０とメイン基板１０との間に挿入されている。

アンテナモジュール２０は、モジュール基板２１に実装されたサブモジュール２７を含む。モジュール基板２１の上面の一部の領域、及び下面のほぼ全域に、第２のグランド導体２３が配置されている。下面に配置されている第２のグランド導体２３を破線で示している。

サブモジュール２７は、サブモジュール基板２６、及びその表面に配置された複数のパッチアンテナ２４及び複数のプリンテッドダイポールアンテナ２５を含む。サブモジュール基板にも、グランド導体が配置されている。複数のパッチアンテナ２４及び複数のプリンテッドダイポールアンテナ２５が、第１のアンテナ２２（図１）に相当する。複数のパッチアンテナ２４及び複数のプリンテッドダイポールアンテナ２５は、アダプティブアレーアンテナを構成している。モジュール基板２１に、第２のアンテナ４０（図１）の給電素子４１が支持されている。

図３Ｂに、第２のアンテナ４０（図１）の給電素子４１の概略図を示す。給電素子４１は、５ＧＨｚ帯用の給電素子４１Ｂと、２ＧＨｚ帯用の給電素子４１Ｃとを含む。５ＧＨｚ帯用の給電素子４１Ｂ、及び２ＧＨｚ帯用の給電素子４１Ｃは、共にモノポールアンテナとして動作し、共通の給電点４１Ａから、給電素子４１Ｂ、４１Ｃに給電される。

図１及び図３Ａでは、メイン基板１０の上に、間隔を隔ててアンテナモジュール２０が配置された例を示したが、その他の配置も可能である。メイン基板１０とアンテナモジュール２０とは、同軸ケーブル３０によって接続されるため、両者の位置関係の自由度は高い。

次に、実施例１によるアンテナ装置の優れた効果について説明する。

実施例１によるアンテナ装置においては、第１のアンテナ２２のグランド電極として動作する第２のグランド導体２３、及び同軸ケーブル３０の外部導体３２の一部分が、第２のアンテナ４０の無給電素子４２（図１）として動作する。このため、第２のアンテナ４０用の無給電素子を個別に配置する必要が無い。

通常、アンテナの放射素子に導体を近接させると、アンテナの放射特性が低下する。相対的に高い周波数用のアンテナ（高周波用アンテナ）のグランド導体に、相対的に低い周波数用のアンテナ（低周波用アンテナ）の放射素子を近接させると、低周波用のアンテナの放射特性が低下してしまう。放射特性の低下を回避するためには、低周波用のアンテナを、高周波用のアンテナのグランド導体から遠ざけて配置することが好ましい。このため、高周波用のアンテナと低周波用のアンテナとの両方を持つアンテナ装置の小型化が困難である。

上記実施例１では、第２のアンテナ４０の給電素子４１が、第１のアンテナ２２の第２のグランド導体２３に近接して配置される。このため、アンテナ装置の小型化を図ることが可能である。

一端がグランドに落とされた無給電素子４２の電気長は、動作周波数に相当する波長の１／４程度とすることが理想的である。第２のグランド導体２３の寸法は、この理想的な寸法に比べて小さすぎる場合が想定される。実施例１では、第２のグランド導体２３のみならず、同軸ケーブル３０の外部導体３２も、無給電素子４２として利用するため、無給電素子４２として十分な寸法を確保することができる。外部導体３２を第１のグランド導体１１に接続する第１の箇所３５を、同軸ケーブル３０の長さ方向に移動させることにより、無給電素子４２の共振周波数を調整することができる。無給電素子４２を配置することにより、第２のアンテナ４０の効率を高めることが可能になる。

図１では、同軸ケーブル３０の外部導体３２と、第１のグランド導体１１とを、第１の箇所３５のみで接続した例を示した。外部導体３２のうち、第１の箇所３５よりも電子回路素子１３側の部分は、無給電素子４２の機能にほとんど影響を及ぼさない。従って、第１の箇所３５よりも電子回路素子１３側の複数個所において、外部導体３２と第１のグランド導体１１とを接続してもよい。

次に、図４から図７までの図面を参照して、第２のアンテナ４０（図１）の特性のシミュレーション結果について説明する。

図４に、シミュレーション対象のアンテナ装置の概略斜視図を示す。長方形のメイン基板１０の上方に第１のグランド導体１１が配置されている。メイン基板１０とアンテナモジュール２０とは、相互に隣り合う一対の辺（基板端）が厚さ方向に重なり、アンテナモジュール２０がメイン基板１０から３ｍｍ浮いている。

アンテナモジュール２０は、モジュール基板２１及びサブモジュール２７を含む。アンテナモジュール２０とメイン基板１０との間の空間から、メイン基板１０の１つの縁に平行に同軸ケーブル３０（図１）の外部導体３２が延びる。外部導体３２は、第１の箇所３５において、第１のグランド導体１１に接続されている。モジュール基板２１の１つの縁に沿うように、第２のアンテナ４０（図１）の給電素子４１が配置されている。

図５に、シミュレーション対象のアンテナ装置のアンテナモジュール２０、及びその近傍の斜視図を示す。メイン基板１０の１つの隅に、メイン基板１０の上面から間隔を置いてアンテナモジュール２０のモジュール基板２１が配置されている。メイン基板１０のうち、モジュール基板２１と重ならない部分に、第１のグランド導体１１が配置されている。

モジュール基板２１の上面に、サブモジュール２７が配置されている。モジュール基板２１の上面のうち、サブモジュール２７が配置されていない領域に、第２のグランド導体２３が配置されている。さらに、モジュール基板２１の下面のほぼ全域に、第２のグランド導体２３が配置されている。モジュール基板２１の下面に配置された第２のグランド導体２３が破線で示されている。

サブモジュール２７は、サブモジュール基板２６、及びその上面に配置された第１のアンテナ２２を含む。サブモジュール基板２６にグランド導体が配置されており、このグランド導体が、複数の導体柱２８を介して、モジュール基板２１の下面に配置された第２のグランド導体２３に接続されている。

モジュール基板２１の１つの縁に近接して、第２のアンテナ４０（図１）の給電素子４１が配置されている。給電素子４１は、図３Ｂに示したように、５ＧＨｚ帯用の給電素子４１Ｂと、２ＧＨｚ帯用の給電素子４１Ｃとを含む。給電点４１Ａに給電用の導体４３が接続されている。

メイン基板１０とモジュール基板２１との間の空間から、同軸ケーブル３０（図１）の外部導体３２が引き出されている。外部導体３２は、第１の箇所３５において、第１のグランド導体１１に接続されている。

給電用の導体４３を通して第２のアンテナ４０の給電素子４１に給電したときのリターンロスＳ１１を、シミュレーションにより求めた。

図６に、シミュレーション結果を示す。横軸は周波数を単位「ＭＨｚ」で表し、縦軸はリターンロスＳ１１を単位「ｄＢ」で表す。図６の実線は、図４及び図５に示したように、第１の箇所３５において外部導体３２を第１のグランド導体１１に接続した実施例の構造を持つアンテナ装置の第２のアンテナ４０のリターンロスＳ１１を示す。図６の破線は、外部導体３２を第１のグランド導体１１に接続していない比較例における第２のアンテナ４０のリターンロスＳ１１を示す。

ＷｉＦｉ規格で使用される周波数２４００ＭＨｚ以上２４８４ＭＨｚ以下の周波数帯、及び５１５０ＭＨｚ以上５８５０ＭＨｚ以下の周波数帯において、十分小さいリターンロスＳ１１が実現されている。周波数５８５０ＭＨｚにおいて、実施例における第２のアンテナ４０のリターンロスＳ１１が、比較例における第２のアンテナ４０のリターンロスＳ１１より大きくなっているが、これは、実用上問題無い程度の大きさである。

特に、実施例においては、周波数２２００ＭＨｚ以上３２００ＭＨｚ以下の周波数帯において、比較例よりも十分小さなリターンロスＳ１１が実現されていることがわかる。このように、２ＧＨｚ帯において、実施例における第２のアンテナ４０の方が比較例における第２のアンテナ４０よりも広帯域化されている。これは、無給電素子４２（図１）により複共振が発生しているためである。実施例の構造を採用することにより、広帯域化が図られるため、製造上のばらつき等に起因して発生し得る共振周波数のずれを吸収し、安定した通信を維持することが可能である。

図７に、実施例における第２のアンテナ４０、及び比較例における第２のアンテナ４０の放射効率のシミュレーション結果を示す。実施例の構造を採用することにより、比較例の構造に比べて、周波数２４００ＭＨｚ、２４４２ＭＨｚ、２４８４ＭＨｚ、５１５０ＭＨｚ、及び５５００ＭＨｚにおいて、放射効率が高くなっている。周波数５８５０ＭＨｚにおいては、実施例の構造の放射効率が、比較例の構造の放射効率より低くなっているが、その差は僅かである。このように、ＷｉＦｉ規格で使用される周波数帯において、全体として、実施例の構造を採用することにより、比較例と比べて、第２のアンテナ４０の放射効率が改善されることがわかる。

上述のように、第１のアンテナ２２に対してグランド電極として動作する第２のグランド導体２３、及び同軸ケーブル３０の外部導体３２を、第２のアンテナ４０の無給電素子４２として利用することにより、第２のアンテナ４０の広帯域化、高効率化を図ることができる。さらに、相対的に動作周波数の高い第１のアンテナ２２、及び相対的に動作周波数の低い第２のアンテナ４０を含むアンテナ装置の小型化を図ることが可能である。

上記実施例１では、相対的に動作周波数の高い第１のアンテナ２２が、ＷｉＧｉｇ規格の６０ＧＨｚ帯で動作し、相対的に動作周波数の低い第２のアンテナ４０が、ＷｉＦｉ規格の２ＧＨｚ帯及び５ＧＨｚ帯で動作する例を示した。第１のアンテナ２２及び第２のアンテナ４０の動作周波数は、上述の例に限定されない。ただし、第１のアンテナ２２の動作周波数と第２のアンテナ４０の動作周波数が近い場合には、実施例１の構造を採用することの十分な効果が得られない。第１のアンテナ２２の動作周波数が第２のアンテナ４０の動作周波数の１０倍以上の場合に、実施例１の顕著な効果を得ることができる。

上記実施例１では、第１のアンテナ２２を、複数のパッチアンテナ２４及び複数のプリンテッドダイポールアンテナ２５で構成したが、第１のアンテナ２２として、その他の構成のアンテナを採用してもよい。さらに、実施例１では、第２のアンテナ４０の給電素子がモノポールアンテナである例を示したが、給電素子として、その他の構成のアンテナを採用してもよい。

次に、図８及び図９を参照して、実施例２によるアンテナ装置について説明する。以下、図１から図７を参照して説明した実施例１との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図８に、実施例２によるアンテナ装置の概略側面図を示す。実施例２においては、第１の箇所３５において、同軸ケーブル３０の外部導体３２が、インピーダンス素子３７を介して第１のグランド導体１１に接続されている。

図９に、第１の箇所３５の平面図を示す。第１のグランド導体１１に開口部１４が設けられている。開口部１４の内部にランド１５が配置されている。同軸ケーブル３０の外部導体３２が、はんだ３４によってランド１５に電気的に短絡されている。インピーダンス素子３７の一方の端子がランド１５に接続されており、他方の端子が第１のグランド導体１１に接続されている。

インピーダンス素子３７には、インダクタまたはキャパシタが用いられる。インピーダンス素子３７のインピーダンス値を調整することにより、無給電素子４２（図１）の共振周波数を調整することができる。インピーダンス素子３７の誘導成分を大きくすると、共振周波数が低くなり、容量成分を大きくすると、共振周波数が高くなる。

図１に示した実施例１においては、無給電素子４２の共振周波数は、第２のグランド導体２３及び外部導体３２の幾何学的形状及び寸法、第１の箇所３５及び第２の箇所３６の配置によって決まる。アンテナ装置の組立後に、これらを変更することは容易ではない。従って、組立後に、無給電素子４２の共振周波数を微調整することは困難である。

これに対し、実施例２においては、インピーダンス素子３７のインピーダンスを調整することにより、無給電素子４２の共振周波数を微調整することが可能である。第２のアンテナ４０の動作周波数が低い場合には、インピーダンス素子３７のインピーダンス値を変えても、共振周波数の変化が小さい。第２のアンテナ４０の動作周波数が１ＧＨｚ以上６ＧＨｚ以下の範囲の場合、インピーダンス素子３７によって共振周波数を調整する方法が特に効果的である。

各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ メイン基板
１１ 第１のグランド導体
１２ 配線パターン
１３ 電子回路素子
１４ 開口部
１５ ランド
２０ アンテナモジュール
２１ モジュール基板
２２ 第１のアンテナ
２３ 第２のグランド導体
２４ パッチアンテナ
２５ プリンテッドダイポールアンテナ
２６ サブモジュール基板
２７ サブモジュール
２８ 導体柱
３０ 同軸ケーブル
３１ 芯線
３２ 外部導体
３３ 絶縁皮膜
３４ はんだ
３５ 第１の箇所
３６ 第２の箇所
３７ インピーダンス素子
４０ 第２のアンテナ
４１ 給電素子
４１Ａ 給電点
４１Ｂ ５ＧＨｚ帯用の給電素子
４１Ｃ ２ＧＨｚ帯用の給電素子
４２ 無給電素子
４３ 給電用の導体

Claims (5)

1. 第１のグランド導体が配置されたメイン基板と、
   第１のアンテナ、及び前記第１のアンテナに対してグランド電極として動作する第２のグランド導体が配置されたアンテナモジュールと、
   芯線及び外部導体を含み、前記第１のアンテナに給電する同軸ケーブルであって、前記外部導体が第１の箇所において前記第１のグランド導体に電気的に接続されており、第２の箇所において前記第２のグランド導体に接続されている前記同軸ケーブルと、
   前記第１のアンテナの動作周波数よりも低い周波数で動作し、給電素子と無給電素子とを含む第２のアンテナと
   を有し、
   前記第２のグランド導体、及び前記第１の箇所から前記第２の箇所までの前記外部導体が、前記第２のアンテナの前記無給電素子を兼ねているアンテナ装置。
2. 前記第１のアンテナの動作周波数は、前記第２のアンテナの動作周波数の１０倍以上である請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１の箇所において、前記外部導体がインピーダンス素子を介して前記第１のグランド導体に電気的に接続されている請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第２のアンテナの動作周波数は、１ＧＨｚから６ＧＨｚまでの範囲である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
5. 前記アンテナモジュールは、モジュール基板を含み、
   前記第２のグランド導体は、前記モジュール基板に設けられており、
   前記第１のアンテナ、及び前記第２のアンテナの前記給電素子は、前記モジュール基板に支持されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
   

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