JP6528748B2

JP6528748B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP6528748B2
Application number: JP2016179318A
Authority: JP
Inventors: 川端　一也; 一也川端; 隆賢水沼
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2016-09-14
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2036-09-14
Also published as: JP2018046391A; CN108346853B; US10276943B2; US20180076530A1; CN108346853A

Description

本発明は、アンテナ装置に関する。

金属筐体に囲まれた場合でも、指向性を変化させることができる指向性可変アンテナ装置が特許文献１に開示されている。無線通信機器の金属筐体の一部を切り欠いて、切り欠かれた箇所に可変指向性アンテナと複数の導波管とを備えたアンテナ装置が実装されている。このアンテナ装置は、互いに異なる開口幅を持つ導波管と、導波管をそれらの一端で接続する導波管接続部と、導波管接続部内に設けられた可変指向性アンテナとを有する。可変指向性アンテナの指向性を切り換えることにより、２本の導波管のうちいずれか１つに伝搬させる。

特開２０１０−１６１６１２号公報

特許文献１においては、導波管を含むアンテナ装置が、据え置き型の装置の金属筐体の内部に実装された例が示されている。ところが、スマートフォン等の携帯端末の金属筐体の内部には回路部品が高密度に実装されているため、金属筐体の内部に導波管を含むアンテナ装置を実装することは困難である。特に、薄型の金属筐体の厚さ方向に電波を導波するように導波管を実装することは困難である。

また、金属筐体に電波を放射するための大きな開口部を設けることは、デザインの観点から、または強度の観点から困難な場合がある。

本発明の目的は、開口部が小さくても電波を放射させることが可能な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、
グランドプレーン、及び前記グランドプレーンから間隔を隔てて配置された複数の放射素子を含むパッチアレイアンテナと、
複数の前記放射素子が配置された面の上方に配置され、前記パッチアレイアンテナのアレイ方向に対して直交する方向に関して、複数の前記放射素子の各々の一部の領域と重なり、他の領域とは重ならず、前記アレイ方向に関しては、一方の端の前記放射素子から他方の端の前記放射素子まで連続している導電性の金属部材と
を有する。

放射素子の一部の領域を金属部材が覆っているため、放射素子の一部の領域のみに開口部を確保すればよいことになる。その結果、開口部を小さくすることができる。放射素子からのフリンジング電界によって金属部材に電流が励起される。この電流の分布に応じて金属部材の縁が波源として機能する。金属部材に励起される電流の分布を調整することにより、アンテナ装置の指向特性を調整することができる。

本発明の第２の観点によるアンテナ装置は、第１の観点によるアンテナ装置の構成に加えて、前記アレイ方向に対して直交する方向に関して、複数の前記放射素子の各々の前記金属部材と重なっている領域の寸法が、前記放射素子の寸法の半分以下である。

アンテナ装置の利得の低下を抑制することができる。

本発明の第３の観点によるアンテナ装置は、第１または第２の観点によるアンテナ装置の構成に加えて、前記放射素子と前記金属部材との間隔が、前記パッチアレイアンテナの共振周波数に対応する自由空間波長の１／５０以上１／１０以下である。

アンテナ装置の特性の低下を抑制するとともに、金属部材を配置することの十分な効果を得ることができる。

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、さらに、複数の前記放射素子に給電するマイクロストリップライン構造を持つ給電線を有し、前記給電線は前記金属部材と重なり、前記グランドプレーンと前記金属部材との間に配置されている。

給電線、グランドプレーン、及び金属部材によってトリプレート構造の伝送線路が形成される。その結果、給電線からの放射を低減することができる。

本発明の第５の観点によるアンテナ装置は、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、さらに、前記パッチアレイアンテナを収容し、一部が金属で形成されている筐体を有し、前記金属部材が前記筐体の一部を構成する。

筐体の金属部分の開口部を小さくすることができる。

本発明の第６の観点によるアンテナ装置は、第５の観点によるアンテナ装置の構成に加えて、複数の前記放射素子が、前記筐体の端に沿って前記筐体の内側に配置されている。

アンテナ装置を筐体の縁に近づけて配置することにより、筐体内の空間の利用効率を高めることができる。

図１Ａは、第１実施例によるアンテナ装置の平面図であり、図１Ｂは図１Ａの一点鎖線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。図２は、第１実施例の一つの効果を説明するためのアンテナ装置の概略平面図である。図３Ａは、比較例によるアンテナ装置のシミュレーションモデルの平面図であり、図３Ｂは、第１実施例によるアンテナ装置のシミュレーションモデルの平面図である。図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ図３Ａに示した比較例によるアンテナ装置のｘ方向及びｙ方向に関する指向特性のシミュレーション結果を示すグラフである。図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ図３Ｂに示した第１実施例によるアンテナ装置のｘ方向及びｙ方向に関する指向特性を示すグラフである。図６Ａは、第２実施例によるアンテナ装置の断面図であり、図６Ｂは、第２実施例の変形例によるアンテナ装置の断面図である。

図１Ａ及び図１Ｂを参照して、第１実施例によるアンテナ装置について説明する。

図１Ａは、第１実施例によるアンテナ装置の平面図であり、図１Ｂは図１Ａの一点鎖線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。このアンテナ装置は、パッチアレイアンテナ１０と導電性の金属部材２０とを含む。パッチアレイアンテナ１０は、誘電体基板１５の上面に配置された複数の放射素子１１と、下面に配置されたグランドプレーン１２とを含む。複数（例えば４個）の放射素子１１は、一方向（アレイ方向）に配列している。

給電線１３を通して放射素子１１に電力が供給される。給電線１３とグランドプレーン１２とによりマイクロストリップライン構造の伝送線路が構成される。図１Ａに示した例では、１本の給電線１３から分岐した複数の給電線１３がそれぞれ放射素子１１に接続されている。放射素子１１はアレイ方向に対して直交する方向に励振される。

複数の放射素子１１が配置された面（誘電体基板１５の上面）の上方に、放射素子１１から間隙を隔てて導電性の金属部材２０が配置されている。金属部材２０は、パッチアレイアンテナ１０のアレイ方向に対して直交する方向（図１Ａにおいて上下方向）に関して、複数の放射素子１１の各々の一部の領域と重なり、他の領域とは重ならない。すなわち、金属部材２０は放射素子１１の各々の一部の領域を覆い、放射素子１１から放射方向（誘電体基板１５の法線方向）に放射された電波の伝搬経路の断面の一部を遮蔽する。図１Ａでは、放射素子１１及び給電線１３のうち金属部材２０で覆われた領域を破線で示している。

アレイ方向に関しては、金属部材２０は一方の端の放射素子１１から他方の端の放射素子１１まで連続している。図１Ａでは、放射素子１１の各々の下側の一部の領域が金属部材２０と重なっている。

金属部材２０は、給電線１３の全域と重なり、給電線１３を覆っている。グランドプレーン１２、金属部材２０、及び給電線１３により、トリプレート構造の伝送線路が構成される。

パッチアレイアンテナ１０は、一部が金属で形成された筐体２１内に収容されている。金属部材２０は、筐体２１の一部分を構成している。例えば、筐体２１の金属部分は、下方を向く底板２２、上方を向く金属部材２０、及び両者を接続する端板２３を含む。さらに筐体２１は、金属部分の開口部を塞ぐ誘電体板２４を含む。複数の放射素子１１は、筐体２１の端（端板２３）に沿って筐体２１の内側に配置されている。

次に、第１実施例によるアンテナ装置の動作について説明する。給電線１３を通して複数の放射素子１１に電力が供給されると、放射素子１１の各々がアレイ方向と直交する方向に励振される。放射素子１１のアレイ方向と直交する方向の寸法が、共振波長の１／２に相当する。

放射素子１１の各々の、アレイ方向に直交する方向の両端に位置する縁１１ａ、１１ｂを始点または終点とするフリンジング電界が発生する。金属部材２０で覆われている方の縁１１ｂを始点または終点とするフリンジング電界によって、金属部材２０に電流が励振されるとともに、金属部材２０の先端の縁２０ａにフリンジング電界が集中する。図１Ａ及び図１Ｂに示した第１実施例においては、放射素子１１の、金属部材２０で覆われていない方の縁１１ａ、及び金属部材２０の先端の縁２０ａが波源となり、電波が放射される。

次に、上記第１実施例によるアンテナ装置の構成を採用することの優れた効果について説明する。

通常、パッチアレイアンテナ１０から放射方向に放射された電波の伝搬経路には、金属等の遮蔽物は配置されない。ところが、第１実施例においては、パッチアレイアンテナ１０の放射方向に放射された電波の伝搬経路の一部に、筐体２１の金属部分の一部である金属部材２０が配置されている。このため、筐体２１の金属部分の開口部が小さい場合であっても、パッチアレイアンテナ１０を筐体２１に内蔵することが可能である。特に、スマートフォン等のように大画面化が望まれる小型端末においては、アンテナ専用の大きな開口部を確保することが困難である。第１実施例においては、アンテナ専用に確保すべき開口部を小さくすることが可能であるため、第１実施例によるアンテナ装置は、スマートフォン等の小型端末への実装に適している。

パッチアレイアンテナ１０と金属部材２０とが重ならないようにパッチアレイアンテナ１０を配置しようとすると、パッチアレイアンテナ１０を筐体２１の端板２３からさらに離さなければならない。上記第１実施例では、パッチアレイアンテナ１０を筐体２１の端板２３に近づけることができるため、筐体２１内の空間の利用効率を高めることができる。

さらに上記第１実施例では、放射素子１１の各々の縁１１ａと、金属部材２０の先端の縁２０ａとが波源として機能する。金属部材２０に励起される電流の分布は、複数の放射素子１１と金属部材２０との幾何学的な形状、相対位置関係、及び放射素子１１と金属部材２０との間の空間の誘電率等によって変化する。従って、放射素子１１と金属部材２０との位置関係や、両者の間の空間の誘電率を調整することにより、パッチアレイアンテナ１０の指向特性を調整することができる。パッチアレイアンテナ１０の指向特性については、後に図３Ａから図５Ｂまでの図面を参照して説明する。

図２に示すように、スマートフォン等においては、筐体２１の金属部分が、パッチアレイアンテナ１０の動作周波数帯より低い周波数帯用（低周波数帯用）のアンテナの放射素子３０として利用される場合がある。例えば、パッチアレイアンテナ１０がＷｉＧｉｇ規格の動作周波数帯（６０ＧＨｚ帯）用として用いられ、放射素子３０がＷｉＦｉ規格の動作周波数帯（５ＧＨｚ帯等）や第４世代移動体無線通信規格（４Ｇ規格）の動作周波数帯（２ＧＨｚ帯、８００ＭＨｚ帯等）等として用いられる場合がある。

このとき、筐体２１の金属部分と給電線１３との結合によって給電線１３が低周波数帯用のアンテナの放射素子として動作してしまう場合がある。給電線１３からの放射が発生すると、アンテナ利得や指向特性が目標とする特性からずれてしまう。

上記第１実施例では、給電線１３が金属部材２０で覆われているため、低周波数帯での給電線１３からの不要な放射を抑制することができる。

次に、複数の放射素子１１と金属部材２０との好ましい相対位置関係について説明する。

複数の放射素子１１の各々の金属部材２０と重なっている領域が大きくなり過ぎると電波が放射されにくくなる。十分なアンテナ利得を確保するために、アレイ方向に対して直交する方向に関して、複数の放射素子１１の各々の金属部材２０と重なっている領域の寸法を、放射素子１１の寸法の半分以下とすることが好ましい。

複数の放射素子１１の各々の、金属部材２０と重なっている領域が小さくなり過ぎると金属部材２０を配置する実質的な効果が得られない。放射素子１１の一部の領域を金属部材２０で覆う構成を採用する実質的な効果を得るために、アレイ方向に直交する方向に関して、重なり部分の寸法を放射素子１１の寸法の１／２０以上にすることが好ましい。

複数の放射素子１１と金属部材２０との間隔が広すぎると、放射素子１１と金属部材２０との結合が弱まり、金属部材２０に電流が励起されにくくなる。金属部材２０に電流を励起させてパッチアレイアンテナ１０の指向特性を調整する効果を得るために、放射素子１１と金属部材２０との間隔を、パッチアレイアンテナ１０の共振周波数における自由空間波長の１／１０以下にすることが好ましい。

また、放射素子１１と金属部材２０とを近づけ過ぎると、アンテナの特性が低下してしまう。良好な特性を確保するために、放射素子１１と金属部材２０との間隔を、パッチアレイアンテナ１０の共振周波数における自由空間波長の１／５０以上にすることが好ましい。例えば、パッチアレイアンテナ１０がＷｉＧｉｇ規格の周波数帯（６０ＧＨｚ帯）で動作する場合、放射素子１１と金属部材２０との間隔を０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下にすることが好ましい。

次に、上記第１実施例によるアンテナ装置の種々の変形例について説明する。上記第１実施例では、金属部材２０として筐体２１の金属部分を用いたが、金属部材２０は必ずしも筐体の金属部分の一部である必要はない。例えば、樹脂製の筐体の内面に貼り付けた金属箔を金属部材２０として用いてもよい。

上記第１実施例では、４個の放射素子１１を含むパッチアレイアンテナ１０を示したが、放射素子１１の個数は４個に限定されない。放射素子１１の個数は２個以上であればよい。また、上記第１実施例では、複数の放射素子１１に、それぞれ１本の給電線１３から分岐した給電線１３を接続したが、放射素子１１に接続された給電線１３ごとに移相器を挿入してフェーズドアレイアンテナとして動作させることも可能である。

上記第１実施例では、放射素子１１の端部に給電線１３を接続したが、給電点の位置を調整してもよい。例えば、放射素子１１の端部から内部に向けて切込部を設け、切込部の先端に給電線１３を接続してもよい。給電点の位置を調整することにより、インピーダンス整合を得ることができる。また、上記第１実施例では、放射素子１１に給電線１３を直結する直結給電方式を採用したが、電磁結合給電方式を採用してもよい。

次に、図３Ａから図５Ｂまでの図面を参照して、上記第１実施例によるアンテナ装置の指向特性のシミュレーション結果について、比較例によるアンテナ装置の指向特性と比較して説明する。

図３Ａは、比較例によるアンテナ装置のシミュレーションモデルの平面図であり、図３Ｂは、第１実施例によるアンテナ装置のシミュレーションモデルの平面図である。比較例によるアンテナ装置は、第１実施例によるアンテナ装置の金属部材２０（図１Ａ、図１Ｂ）を取り除いた構造と同一である。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、誘電体基板１５の上面に、一列に配列した４個の放射素子１１と放射素子１１に給電を行う給電線１３とが設けられている。放射素子１１の端部に切込部が設けられており、給電線１３は切込部の先端に接続されている。誘電体基板１５の下面にグランドプレーン１２（図１Ｂ）が設けられている。複数の放射素子１１の給電点において、高周波信号が同相になるように設計されている。放射素子１１の寸法は、共振周波数が６０ＧＨｚになるように設計されている。

アレイ方向をｘ方向とし、アレイ方向と直交し、誘電体基板１５の上面に平行な方向をｙ方向とするｘｙ直交座標系を定義する。図３Ｂに示した第１実施例によるアンテナ装置において、放射素子１１の、金属部材２０で覆われていない領域から金属部材２０で覆われている領域を向く方向をｙ軸の正の向きと定義する。誘電体基板１５の上面の法線方向からｘ方向に傾いた方向の傾き角をθｘで表し、ｙ方向に傾いた方向の傾き角をθｙで表す。

図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ図３Ａに示した比較例によるアンテナ装置のｘ方向及びｙ方向に関する指向特性のシミュレーション結果を示すグラフである。図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ図３Ｂに示した第１実施例によるアンテナ装置のｘ方向及びｙ方向に関する指向特性を示すグラフである。図４Ａ及び図５Ａの横軸は、法線方向からｘ方向への傾き角θｘを単位「度」で表し、図４Ｂ及び図５Ｂの横軸は、法線方向からｙ方向への傾き角θｙを単位「度」で表す。ｘ方向及びｙ方向の正の向きへの傾き角を正と定義し、負の方向への傾き角を負と定義する。いずれのグラフにおいても、縦軸はゲインを単位「ｄＢｉ」で表す。

グラフ中の丸記号、五角形記号、四角形記号、三角形記号、及び星形記号は、それぞれ周波数５８ＧＨｚ、５９ＧＨｚ、６０ＧＨｚ、６１ＧＨｚ、及び６２ＧＨｚにおけるシミュレーション結果を示す。

比較例によるアンテナ装置では、図４Ａに示すように、ｘ方向に関して法線方向へのゲインが最大となり、傾き角θｘの絶対値が大きくなるに従ってゲインが小さくなる傾向を示す。第１実施例によるアンテナ装置では、図５Ａに示すように、ｘ方向への傾き角θｘが大きくなってもゲインが低下傾向を示さず、ほぼ一定のゲインを維持する傾向を示す。このように、ｘ方向に関する指向特性を無指向性に近づけることができる。

また、比較例によるアンテナ装置では、図４Ｂに示すように、ｙ方向に関して法線方向への放射が最も強く、傾き角θｙの絶対値が大きくなるに従ってゲインが小さくなる傾向を示す。第１実施例によるアンテナ装置では、図５Ｂに示すように、傾き角θｙが約−４０°の方向及び約＋３０°の方向への２方向においてゲインが極大値を示していることがわかる。

上述のシミュレーションにより、金属部材２０（図３Ｂ）を配置することによって、アンテナ装置の指向特性を変化させることができることが確認された。この指向特性の変化は、金属部材２０に励起される電流の分布によって、金属部材２０の先端の縁２０ａが波源として作用することに起因する。金属部材２０に励起される電流の分布は、放射素子１１と金属部材２０との幾何学的な形状、及び相対位置関係に依存する。従って、両者の位置関係を調整することによってアンテナ装置の指向特性を所望の特性に合わせ込むことが可能になる。

次に、図６Ａを参照して、第２実施例によるアンテナ装置について説明する。以下、図１Ａ図１Ｂ、及び図２に示した第１実施例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６Ａは、第２実施例によるアンテナ装置の断面図である。第１実施例では、放射素子１１と給電線１３（図１Ｂ）とが同一面上に配置された共平面給電方式が採用されている。これに対し、第２実施例では、給電線１３が放射素子１１の下方を向く面に接続される背面給電方式が採用される。

図６Ａに示すように、誘電体基板１５の上面に複数の放射素子１１が設けられており、内部に給電線１３が設けられている。給電線１３と放射素子１１とが導体ビア１４により接続されている。上面の放射素子１１と、基板内の給電線１３との間にグランドプレーン１６が配置されている。導体ビア１４はグランドプレーン１６に設けられた開口部を通って給電線１３から上方の放射素子１１まで延びる。給電線１３、グランドプレーン１６、及び誘電体基板１５の下面に設けられた他のグランドプレーン１２によってトリプレート構造の伝送線路が形成される。

図６Ｂは、第２実施例の変形例によるアンテナ装置の断面図である。第２実施例では、給電線１３が放射素子１１から誘電体基板１５の縁の方向に延びているが、図６Ｂに示した変形例では、給電線１３が放射素子１１から誘電体基板１５の内奥部に向かって延びている。

第２実施例及びその変形例においても、金属部材２０が複数の放射素子１１の各々の一部の領域を覆っている。このため、第１実施例と同様の効果が得られる。また、給電線１３がトリプレート構造の伝送線を形成しているため、図２に示した低周波数帯用のアンテナの放射素子３０と給電線１３との結合を低減することができる。

上述の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パッチアレイアンテナ
１１放射素子
１１ａ、１１ｂ放射素子の縁
１２グランドプレーン
１３給電線
１４導体ビア
１５誘電体基板
１６グランドプレーン
２０金属部材
２０ａ金属部材の先端の縁
２１筐体
２２底板
２３端板
２４誘電体板
３０放射素子

Claims

グランドプレーン、及び前記グランドプレーンから間隔を隔てて配置された複数の放射素子を含むパッチアレイアンテナと、
複数の前記放射素子が配置された面の上方に配置され、前記パッチアレイアンテナのアレイ方向に対して直交する方向に関して、複数の前記放射素子の各々の一部の領域と重なり、他の領域とは重ならず、前記アレイ方向に関しては、一方の端の前記放射素子から他方の端の前記放射素子まで連続している導電性の金属部材と
を有するアンテナ装置。
前記アレイ方向に対して直交する方向に関して、複数の前記放射素子の各々の前記金属部材と重なっている領域の寸法は、前記放射素子の寸法の半分以下である請求項１に記載のアンテナ装置。
前記放射素子と前記金属部材との間隔は、前記パッチアレイアンテナの共振周波数に対応する自由空間波長の１／５０以上１／１０以下である請求項１または２に記載のアンテナ装置。
さらに、複数の前記放射素子に給電するマイクロストリップライン構造を持つ給電線を有し、前記給電線は前記金属部材と重なり、前記グランドプレーンと前記金属部材との間に配置されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
さらに、前記パッチアレイアンテナを収容し、一部が金属で形成されている筐体を有し、前記金属部材が前記筐体の一部を構成する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
複数の前記放射素子は、前記筐体の端に沿って前記筐体の内側に配置されている請求項５に記載のアンテナ装置。