KR20050059256A - 안테나 실장 프린트 배선 기판 - Google Patents

안테나 실장 프린트 배선 기판 Download PDF

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KR20050059256A
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켄지 아사쿠라
히데노부 무라나카
슈이치로 야스다
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소니 케미카루 가부시키가이샤
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Abstract

프린트 배선 기판(50)에는, 서로 이격된 적어도 2개의 안테나 도체에 의해서 개방단이 형성된 칩 모양의 프린트 안테나(10)가 실장된다. 그리고, 프린트 배선 기판(50)에는, 사선부로 나타낸 것과 같이, 프린트 안테나(10)의 주위 영역 중, 일부 영역을 제외한 나머지 영역을 둘러싸도록, 하나 또는 복수의 다른 모듈에 필요로 되는 그라운드가 배치되어 실장된다. 이것에 의해, 프린트 배선 기판(50)에 있어서는, 방사전계가, 다이폴 모드로는 되지 않고, 파선으로 나타낸 것과 같이, 풍선 모양으로 한 방향으로 방출하도록 형성된다.

Description

안테나 실장 프린트 배선 기판{ANTENNA-EQUIPPED PRINTED CIRCUIT BOARD}
본 발명은 적어도 통신기기를 갖는 기기에 탑재되고, 각종 기능을 실현하기위한 각종 모듈이 실장된 안테나 실장 프린트 배선 기판에 관한 것이다．
최근, 예를 들면, 휴대전화기 등의 이동체 통신기나 이른바 IEEE(Institute of Electronic and Electronics Engineers)802.11 규격의 무선 LAN(Local Area Network)과 같이, 각종 무선통신기술의 개발이 현저하게 진행되고 있지만, 이것에 수반해 무선통신을 행하기 위해 필연적으로 설치되는 부재인 안테나 소자에 관한 기술도 각종 개발되고 있다.
안테나 소재로서는, 예를 들면 원주모양의 유도체에 방사전극이나 표면 전극 등을 형성한 것이 알려져 있다. 이런 종류의 안테나 소자는, 기기 본체의 외부에 설치되어 이용되는 것이 일반적이다. 단, 외부에 설치해서 이용하는 타입인 안테나 소자에 있어서는, 기기의 소형화의 방해가 되는 것, 높은 기계적 강도가 요구되는 것, 및 부품점수 등의 증가를 초래하는 것 등이 문제가 된다.
그래서, 이것과 교체되는 안테나 소자로서, 기기 본체의 내부에 설치된 프린트 배선 기판에 표면 실장할 수 있는 칩 모양 안테나 소자가 제안되고 있다.
이 칩 모양의 안테나 소자로서는, 예를 들면 방사 전극으로서의 도체의 역 F자 모양으로 형성된 이른바 역 F형 안테나나 도체를 코일 모양으로 형성한 이른바 헬리컬(Helical) 안테나와 같이, 다양한 것이 제안되고 있다. 이와 같은 칩 모양의 안테나 소자에 있어서는, 기재에 세라믹 등의 고유전율 재료를 이용해서 형성되는 것이 대표적이다. 그러나, 이런 종류의 안테나 소자에 있어서는, 고유전체 재료 자체가 고가인 것에 더해서, 그 가공이 번잡하다고 하는 결점이 있고, 생산성의 저하나 제조비용의 증대를 초래하는 문제가 있다.
그래서, 근래에는, 포토에칭 기술의 향상에 따라, 이와 같은 불편함을 해소하는 것을 목적으로서, 양면에 동박을 갖는 프리튼 배선 기판을 기재(基材)로 이용하고, 이것에 포토에칭 기술을 이용해서 안테나 도체를 형성한 이른바 프린트 안테나가 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 : 특개평 5-347509호 공보, 및 특허문헌2 : 특개 2002-118411호 공보 참조.).
특허문헌 1에는, 양면 기판의 상면측의 동박(銅箔)을 이용해서 적어도 루프 모양의 도체부를 포함하는 안테나 도체층을 형성함과 동시에, 하면측의 동박을 이용해서 아스 도체층을 형성하고, 나아가, 양면 기판에 있어서 상하 동박부 사이의 절연재부를 유전체층으로 이용하는 프린트 안테나가 개시되어 있다. 이 프린트 안테나는, 아스 도체층 측에 이 아스 도체층과 절연해서 동박으로 급전부를 형성하고, 안테나 도체층의 루프 모양의 도체부와 아스 도체층을 유전체층을 개재해서 접지용 도체로 접속해 있다. 또한, 이 프린트 안테나는, 급전부로부터 유전체층을 개재해서 급전용 도체를 루프 모양의 도체부내로 향하게 하고, 급전용 도체와 루프 모양의 도체부와의 사이에 안테나 본체부의 리액턴스(reactance)를 없애서 대역폭을 광대역화하는 인덕턴스 소자와 커패시턴스 소자로 이루어지는 직렬공진회로를 설치해 있다. 특허문헌 1에는, 이와 같이 프린트 안테나를 구성함으로서, 리액턴스 보상법을 이용해서 대역폭을 광대역화할 수 있고, 제작 후의 총합적인 조합 정리를 불필요로 하고, 나아가, 안테나 이득의 저하를 경감할 수 있다는 취지가 기술되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 프린트 배선 기판 상에 복수의 스루홀을 서로 다르게 평행하게 형성하고, 이들 스루홀의 단부를 전체가 나선을 그리도록 접속한 헬리컬 안테나가 개시되어 있다. 이 특허문헌 2에는, 이와 같이 헬리컬 안테나를 구성함으로서, 소형의 이동체 통신기용 안테나 소자를 제공할 수 있다는 취지가 기술되어 있다.
그런데, 근래에는, 이동체 통신기를 비롯해, 무선 통신을 행하는 기기의 개발에 있어서는, 소형화가 중요시되고 있다. 여기서, 안테나 소자를 프린트 배선 기판 상에 실장 하는 것을 생각해 보자.
안테나 소자는, 통상, 예를 들면 RF(Radio Frequency) 모듈이라는 기기본체의 기능을 실현하기 위한 하나 또는 복수의 다른 모듈이 실장된 프린트 배선 기판 상에, 납땜 등을 개재해서 실장된다. 구체적으로는, 안테나 소자는, 도 1에 횡단도면을 나타낸 것과 같이, 전원(200)에 접속되는 안테나 도체(210)의 단자(210')가, 동 도중 파선부로 나타내는 프린트 배선 기판(220)에 직접적으로 용착됨으로서, 프린트 배선 기판(220) 상에 실장된다.
여기서, 안테나 소자의 특성은, 다음 식(1)으로 나타내는 공진주파수 f에 의해 나타낼 수 있다. 즉, 다음 식(1)에 있어서, L은, 인덕턴스를 나타내고, C는, 커패시턴스를 나타내고, π는, 원주율을 나타내고 있다.
f＝1/(2π(LC)1/2) ..........(1)
또한, 안테나 소자에 있어서는, 최대 전압을 생성시키는 단자(210')가 그라운드의 근방에 설치된 경우에는 부유용량 C'가 발생하기 때문에, 공진주파수 f'는, 다음 식(2)로 나타낸 것과 같이 된다. 안테나 소자에 있어서는, 이 부유용량 C'에 기인해서 공진주파수가 변동하고, 이것에 따른 임피던스가 변동하는 것이 알려져 있다.
f'＝1/(2π(L(C＋C'))1/2) ..........(2)
여기서, 안테나 소자에 있어서는, 주변에 존재하는 그라운드의 영향을 받기 쉽고, 그라운드의 존재에 의해서 특성이 변동하는 문제가 있다. 즉, 무선통신을 행하는 기기에 있어서는, 예를 들면 접지용 전극과 같이, 각종 모듈의 일부로서 프린트 배선 기판(220) 상에 실장된 다른 금속체(230)가 안테나 소자에 근접해서 존재하는 경우에는, 결과로서, 단자(210')와 금속체(230)와의 사이에 소정의 커패시턴스가 생기게 된다. 따라서, 무선통신을 행하는 기기에 있어서는, 단자(210')와 금속체(230)와의 사이에 거리에 불균형이 생기는 것에 의해서 공진주파수가 변동하고, 기대되고 있는 안테나 특성을 얻을 수 없고, 마치 다른 특성을 갖는 안테나 소자를 실장하고 있는 것과 같이 동작해 버리는 사태를 초래했었다.
이와 같은 문제를 회피하기 위해서, 무선통신을 행하는 기기에 있어서는, 통상, 안테나 소자를 실장 하는 부분의 주변 영역에는 그라운드, 즉, 다른 금속체를 설치하지 않도록 프린트 배선 기판 상의 레이아웃을 설계할 필요가 있었다. 바꿔 말하자면, 무선통신을 행하는 기기에 있어서는, 예를 들면 도 2에 나타낸 것과 같이, 안테나 소자(250)를 실장하기 위해서, 동도 중의 사선부로 나타내는 다른 모듈에 필요로 되는 그라운드가 존재하지 않는 전용 랜드(260)를 프린트 배선 기판(270) 상에 설치할 필요가 있고, 안테나 소자(250) 자체도 주변에 그라운드가 존재하지 않는 것을 전제로 설치되어 있었다. 이 것은, 기기의 소형화를 도모하는데 방해가 됨과 동시에, 프린트 배선 기판 상의 레이아웃의 자유도를 극히 제한하는 것을 의미하고 있다.
도 １은，종래의 안테나 소자의 횡단면도이고, 프린트 배선 기판에 실장된 소자를 설명하기 위한 도이다.
도 ２는，종래의 안테나 소자가 실장된 종래의 프린트 배선 기판에 있어서 일부 영역의 평면도이다.
도 ３은，본 발명의 실시예로서 나타내는 프린트 배선 기판에 실장되는 프린트 안테나의 평면도이다．
도 ４는，프린트 안테나의 저면도이다.
도 ５는，프린트 안테나에 있어서 기판내부의 도체 패턴을 설명하는 사시도이다.
도 ６은，프린트 안테나의 횡단면도이고, 2개의 안테나 도체에 의해서 형성되는 개방단에 대해서 설명하기 위한 도이다.
도 ７은，프린트 안테나가 실장된 프린트 배선 기판에 있어서 일부 영역의 평면도이다.
도 ８은，종래의 안테나 소자가 실장된 종래의 프린트 배선 기판에 있어서 일부 영역의 평면도이고, 프린트 배선 기판 상에서의 안테나 소자의 배치 위치와 그 때의 방사 전계의 모습에 대해서 설명하기 위한 도이다.
도 ９A는，시뮬레이션에서 이용하는 프린트 안테나가 실장된 프린트 배선 기판의 구성을 설명하는 도이고, 그 프린트 배선 기판의 평면도이다.
도 ９B는, 시뮬레이션에서 이용하는 프린트 안테나가 실장된 프린트 배선 기판의 구성을 설명하는 도이고, 그 프린트 배선 기판의 측면도이다.
도 10A은，도 9A 및 도 9B에 나타낸 프린트 배선 기판을 이용한 시뮬레이션에 의해서 구한 방사전계의 모습을 설명하는 등고선도이고, 도 9A에 대응해서 프린트 배선 기판을 상방으로부터 봤을 때의 방사전계의 등고선도이다.
도 10B는, 도 9A 및 도 9B에 나타낸 프린트 배선 기판을 이용한 시뮬레이션에 의해서 구한 방사전계의 모습을 설명하는 등고선도이고, 도 9B에 대응해서 프린트 배선 기판을 측방으로부터 봤을 때의 방사전계의 등고선도이다.
도 11은，도 9A 및 도 9B에 나타낸 프린트 배선 기판을 이용한 시뮬레이션에 의해서 구한 대역주파수에 대한 전압정재파비의 특성을 설명하는 도이다.
도 12는，도 7에 나타낸 프린트 배선 기판과는 다른 레이아웃으로 이루어진 프린트 배선 기판에 있어서 일부 영역의 평면도이다.
도 13은, 도 5에 나타낸 도체 패턴과는 다른 도체 패턴이 형성된 안테나 소자의 평면도이다.
도 14는, 도 13에 나타낸 안테나 소자의 저면도이다.
도 15는, 도 5 또는 도 13에 나타낸 도체 패턴과는 나아가 다른 도체 패턴이 형성된 안테나 소자의 평면도이다.
도 16은, 도 15에 나타낸 안테나 소자의 저면도이다.
본 발명은，이와 같은 사정에 비추어 이루어진 것이고，주변에 존재하는 그라운드의 영향을 받기 어렵고, 오히려 적극적으로 주변에 존재하는 그라운드를 이용해서 매칭을 취하고, 뛰어난 지향성을 실현할 수 있는 안테나 소자를 실장하고, 기기의 소형화를 촉진함과 동시에, 레이아웃의 자유도를 대폭으로 확대할 수 있는 안테나 실장 프린트 배선 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다．
상술한 목적을 달성하는 본 발명에 관계된 안테나 실장 프린트 배선 기판은, 적어도 통신기능을 갖는 기기에 탑재되고, 각종 기능을 실현하기 위한 각종 모듈이 실장된 안테나 실장 프린트 배선 기판에 있어서, 서로 이격된 적어도 2개의 안테나 도체에 의해서 개방단이 형성된 칩 모양의 안테나 소자가 실장되고, 상기 안테나 소자의 주위영역 중, 일부 영역을 제외한 나머지 영역을 둘러싸도록, 하나 또는 복수의 다른 모듈에 필요로 되는 그라운드가 배치되어 실장되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이와 같은 본 발명에 관계된 안테나 실장 프린트 배선 기판은, 안테나 소자로서, 서로 이격된 적어도 2개의 안테나 도체에 의해서 개방단이 형성되는 것을 실장 함으로서, 개방단에 비교적 큰 커패시턴스를 생기게 할 수 있다. 그 때문에, 본 발명에 관계된 안테나 실장 프린트 배선 기판에 있어서는, 안테나 소자에 있어서 공진주파수의 변동을 무시할 수 있을 정도로 억제할 수 있기 때문에, 주변에 존재하는 그라운드의 영향에 대한 내성을 상당히 강하게 할 수 있고, 오히려 근방에 그라운드를 배치하고, 이 그라운드를 이용해서 매칭을 취하는 것이 가능해 진다. 그리고, 본 발명에 관계된 안테나 실장 프린트 배선 기판에 있어서는, 이와 같은 안테나 소자의 주위 영역 중, 일부 영역을 제외한 나머지 영역을 둘러싸도록 그라운드를 배치함으로서, 안테나 소자의 지향성을 소정 방향으로 억제할 수 있다.
또한, 이 본 발명에 관계된 안테나 실장 프린트 배선 기판에 있어서, 상기 안테나 소자는, 소정의 수지 기판에 3차원적인 구조를 나타내는 도체 패턴이 형성되어 구성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이와 같은 본 발명에 관계된 안테나 실장 프린트 배선 기판은, 안테나 소자의 도체 패턴을 3차원적인 구조로 함으로서, 유도율이 낮은 기판을 이용해서 안테나 소자를 구성한 경우에 있어서도 대형화 하는 일이 없고, 대역폭의 협대역화도 회피할 수 있다. 또한, 안테나 실장 프린트 배선 기판은, 안테나 소자의 개방단에 커패시턴스가 생기는 것에 기인해서 임피던스가 저하하는 문제도 해소할 수 있다.
이하, 본 발명을 적용한 구체적인 실시예에 대해서 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
이 실시예는, 예를 들면, 휴대전화기 등의 이동체 통신기나 이른바 IEEE(Institute of Electronic and Electronics Engineers)802.11 규격의 무선 LAN(Local Area Network)과 같이, 적어도 통신기능을 갖는 기기내부에 탑재되고, 기재로 되는 소정의 수지기판에 안테나 도체를 패터닝 형성한 이른바 프린트 안테나라고 불리는 칩 모양의 안테나 소자가 실장된 프린트 배선 기판이다. 이 프린트 배선 기판은, 기기 본체의 기능을 실현하기 위한 하나 또는 복수의 다른 모듈이 프린트 안테나와 함께 실장된 것이고, 주변에 존재하는 그라운드의 영향을 받기 어렵고, 오히려 적극적으로 주변에 존재하는 그라운드를 이용해서 매칭을 취하고, 뛰어난 지향성을 실현하는 프린트 안테나를 실장한 것이다. 이것에 의해, 이 프린트 배선 기판은, 기기의 소형화를 촉진함과 동시에, 레이아웃의 자유도를 대폭으로 확대할 수 있는 것이다.
우선, 프린트 배선 기판을 상세하게 설명하기에 앞서, 그 프린트 배선 기판 상에 실장되는 프린트 안테나에 대해서 도 3 내지 도 6을 이용해서 설명한다. 즉, 이하에서는, 프린트 안테나와 함께 기기 본체의 기능을 실현하기 위한 다른 모듈이 실장된 프린트 배선 기판과, 프린트 안테나의 기재로서 이용되는 프린트 배선 기판을 구별하기 위해서, 프린트 안테나의 기재로서 이용되는 프린트 배선 기판에 대해서는, 간단히 기판이라고 칭해서 설명하기로 한다.
프린트 안테나(10)는, 프린트 배선 기판의 기재로서 일반적으로 이용되는 것이라면, 그 종류를 불문하고 어느 것을 이용해도 구성할 수 있다. 구체적으로는, 프린트 안테나(10)는, 미국 전기제조업자 협회(National Electrical Manufacturers Association ; NEMA)에 의한 기호 XXP, XPC 등으로서 규정되어 있는 종이 페놀 기판, 동 기호 FR-2로서 규정되어 있는 종이 폴리에스테르 기판, 동 기호 FR-3으로 규정되어 있는 종이 에폭시 기판, 동 기호 CEM-1로서 규정되어 있는 유리종이 콤퍼짓(composite) 에폭시 기판, 동 기호 CHE-3으로서 규정되어 있는 유리 부직 종이(不織紙)콤퍼짓 에폭시 기판, 동 기호 G-10로서 규정되어 있는 유리 옷감 에폭시 기판, 동 기호 FR-4로서 규정되어 있는 유리 옷감 에폭시 기판이라고 하는 양면에 동박을 갖는 이른바 리지드(rigid) 기판을 이용해서 구성된다. 즉, 이들 중, 흡습성(吸濕性)이나 치수 변화가 적고, 자기 소염성(消炎性)을 갖는 유리 옷감 에폭시 기판(FR-4)이 가장 바람직하다.
프린트 안테나(10)는, 도 3에 평면도를 나타낸 것과 같이, 단면의 크기가 예를 들면 3mm×8.8mm 의 직사각 형상을 나타내는 박판(薄板) 모양의 기판을 에칭함으로서, 방사전극으로서 복수의 안테나 도체(11, 12, 13, 14, 15)가 기판의 표면에 노출 형성되어 구성된다. 구체적으로는, 프린트 안테나(10)에 있어서는, 기판 상에, 대략 コ자 모양의 안테나 도체(11)와 직사각 형상의 안테나 도체(12, 13, 14, 15)가 형성된다. 또한, 프린트 안테나(10)는, 도 4에 저면도를 나타낸 것과 같이, 방사전극으로서의 복수의 직사각 형상의 안테나 도체(16, 17, 18, 19, 20, 21, 22)가 기판의 이면에 노출 형성되어 구성된다. 이 중, 안테나 도체(21)는, 급전용 전극으로 이용되고, 안테나 도체(22)는, 접지용 전극으로서 이용된다.
나아가, 프린트 안테나(10)는, 내부에 동박이 입혀진 복수의 스루홀(111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142, 151, 152) 이 기판의 표면으로부터 이면에 걸쳐 통과하도록 천설(穿設)된다. 구체적으로는, 프린트 안테나(10)에 있어서는, 스루홀(111, 121, 122, 141, 142)이, 서로 대략 등간격으로 일렬로 천설됨과 동시에, 스루홀(112, 131, 132, 151, 152)이, 서로 대략 등간격으로 일렬로 천설되고, 스루홀(111, 121, 122, 141, 142)로부터 이루어지는 스루홀군과, 스루홀(112, 131, 132, 151, 152)로부터 이루어지는 스루홀군이, 서로 평행하게 배열된다.
그리고, 스루홀(111)은, 기판의 표면측에 설치된 안테나 도체(11)에 있어서 하나의 단부를 시점으로 함과 동시에, 이면(裏面)측에 설치된 안테나 도체(17)에 있어서 하나의 단부를 종점으로 해서 천설되고, 스루홀(112)은, 안테나 도체(11)에 있어서 다른 단부를 시점으로 함과 동시에, 이면측에 설치된 안테나 도체(18)에 있어서 하나의 단부를 종점으로 해서 천설된다. 또한, 스루홀(121)은, 기판의 표면측에 설치된 안테나 도체(12)에 있어서 하나의 단부를 시점으로 함과 동시에, 안테나 도체(17)에 있어서 다른 단부를 종점으로 해서 천설되고, 스루홀(122)은, 안테나 도체(12)에 있어서 다른 단부를 시점으로 함과 동시에, 이면측에 설치된 안테나 도체(19)에 있어서 하나의 단부를 종점으로 해서 천설된다. 나아가, 스루홀(131)은, 기판의 표면측에 설치된 안테나 도체(13)에 있어서 하나의 단부를 시점으로 함과 동시에, 안테나 도체(18)에 있어서 다른 단부를 종점으로 해서 천설되고, 스루홀(132)은, 안테나 도체(13)에 있어서 다른 단부를 시점으로 함과 동시에, 이면측에 설치된 안테나 도체(20)에 있어서 하나의 단부를 종점으로 해서 천설된다. 나아가 또한, 스루홀(141)은, 기판의 표면측에 설치된 안테나 도체(14)에 있어서 하나의 단부를 시점으로 함과 동시에, 안테나 도체(19)에 있어서 다른 단부를 종점으로 해서 천설되고, 스루홀(142)은, 안테나 도체(14)에 있어서 다른 단부를 시점으로 함과 동시에, 이면측에 설치된 안테나 도체(21)에 있어서 하나의 단부를 종점으로 해서 천설된다. 또한, 스루홀(151)은, 기판의 표면측에 설치된 안테나 도체(15)에 있어서 하나의 단부를 시점으로 함과 동시에, 안테나 도체(20)에 있어서 하나의 단부를 종점으로 해서 천설되고, 스루홀(152)은, 안테나 도체(15)에 있어서 다른 단부를 시점으로 함과 동시에, 이면측에 설치된 안테나 도체(22)에 있어서 하나의 단부를 종점으로 해서 천설된다.
바꿔 말하면, 프린트 안테나(10)에 있어서는, 스루홀(111)을 개재해서 안테나 도체(11, 17)가 전기적으로 도통가능하게 접속되고, 스루홀(112)을 개재해서 안테나 도체(11, 18)가 전기적으로 도통가능하게 접속된다. 또한, 프린트 안테나(10)에 있어서는, 스루홀(121)을 개재해서 안테나 도체(12, 17)가 전기적으로 도통가능하게 접속되고, 스루홀(122)을 개재해서 안테나 도체(12, 19)가 전기적으로 도통가능하게 접속된다. 나아가, 프린트 안테나(10)에 있어서는, 스루홀(131)을 개재해서 안테나 도체(13, 18)가 전기적으로 도통가능하게 접속되고, 스루홀(132)을 개재해서 안테나 도체(13, 20)가 전기적으로 도통가능하게 접속된다. 나아가 또한, 프린트 안테나(10)에 있어서는, 스루홀(141)을 개재해서 안테나 도체(14, 19)가 전기적으로 도통가능하게 접속되고, 스루홀(142)을 개재해서 안테나 도체(14, 21)가 전기적으로 도통가능하게 접속된다. 또한, 프린트 안테나(10)에 있어서는, 스루홀(151)을 개재해서 안테나 도체(15, 20)가 전기적으로 도통가능하게 접속되고, 스루홀(152)을 개재해서 안테나 도체(15, 22)가 전기적으로 도통가능하게 접속된다. 따라서, 프린트 안테나(10)에 있어서는, 안테나 도체(11, 12, 13, 14, 15, 17, 18, 19, 20, 21, 22)가 서로 전기적으로 도통가능하게 접속되어 구성된다.
보다 구체적으로는, 프린트 안테나(10)는, 도 5에 기판 내부를 나타낸 것과 같이, 복수의 스루홀(111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142, 151, 152)을 개재해서 갈지자 모양(빗살모양)으로 접속된 복수의 안테나 도체(11, 12, 13, 14, 15, 17, 18, 19, 20, 21, 22)를, 안테나 도체(11)를 중심으로 해서 대략 コ 자 모양으로 굴곡시킨 것과 같은 일련의 도체 패턴을 형성해서 구성된다.
일반적으로, 유전율이 낮은 기판을 이용해서 안테나 소자를 구성하는 경우에는, 이득을 확보하기 위해서 주변에 존재하는 그라운드의 영향을 고려해서 긴 도체 패턴을 형성하지 않을 수 없고, 이것에 수반해 그 안테나 소자가 대형화 해버린다. 이것에 대해서, 프린트 안테나(10)는, 3차원적인 구조를 나타내는 도체 패턴을 형성함으로서, 주변에 존재하는 그라운드의 영향에 견딜 수 있는 값까지 임피던스를 크게 할 수 있다. 따라서, 프린트 안테나(10)는, 대폭적인 소형화 및 박형화를 도모할 수 있고, 대역폭의 협대역화도 회피할 수 있다.
이와 같은 프린트 안테나(10)는, 안테나 도체(11, 16)가 서로 이격되어 배치됨으로서, 개방단을 형성한다. 구체적으로는, 프린트 안테나(10)는, 도 6에 횡단면도를 나타낸 것과 같이, 안테나 도체(16)가 동 도중 파선부로 나타낸 프린트 배선 기판(50)에 납땜 등을 개재해서 직접적으로 용착되는 한편, 이 안테나 도체(16)와 기판의 두께분만 높이 방향으로 공간적으로 이격되어 안테나 도체(11)가 설치된다. 이것에 의해, 프린트 안테나(10)에 있어서는, 안테나 도체(11, 16)의 사이에 비교적 큰 커패시턴스가 생긴다.
여기서, 프린트 안테나(10)에 있어서는, 안테나 도체(11, 16)에 의해 형성되는 개방단에 최대전압을 생기게 하고, 이 개방단이 예를 들면, 접지용 전극과 같은 각종 모듈의 일부로서 프린트 배선 기판(50) 상에 실장된 다른 금속체(60)의 근방에 설치된 경우에는 부유용량이 발생한다.
그러나, 프린트 안테나(10)는, 안테나 도체(11, 16)를 서로 이격해서 적극적으로 큰 커패시턴스를 형성함으로서, 예를 들어 안테나 도체(16)와 금속체(60)와의 사이의 거리에 불균형이 생긴 경우에 있어서도, 공진주파수의 변동을 무시할 수 있을 정도로 억제할 수 있다. 따라서, 프린트 안테나(10)는, 주변에 존재하는 그라운드의 영향에 대한 내성을 상당히 강하게 할 수 있고, 오히려 근방에 그라운드를 배치하고, 이 그라운드를 이용해서 매칭을 취하는 것이 가능해 진다.
즉, 프린트 안테나(10)에 있어서는, 안테나 도체(11, 16)의 사이에 커패시턴스가 생기는 것에 기인해서 임피던스가 저하하지만, 상술한 것과 같이, 3차원적인 구조를 나타내는 도체 패턴을 형성함으로서, 이 문제를 해소할 수 있다.
이와 같은 프린트 안테나(10)는, 안테나 도체(16, 17, 18, 19, 20, 21, 22)가 노출 형성된 이면측을 납땜 등에 의해 프린트 배선 기판에 용착함으로서, 그 프린트 배선 기판 상에 실장된다.
그러나, 이하에서는, 이와 같은 프린트 안테나(10)가 실장된 프린트 배선 기판(50)에 대해서 설명한다.
프린트 배선 기판(50)에 있어서는, 상술한 것과 같이, 프린트 안테나(10)가, 주변에 존재하는 그라운드의 영향에 대한 내성이 강하고, 오히려 그라운드를 이용해서 매칭을 취하는 것이다. 그 때문에, 프린트 배선 기판(50)에 있어서는, 예를 들면, 도 7에 나타낸 것과 같이, 동 도중 사선부로 나타낸 다른 모듈에 필요로 되는 그라운드의 근방에, 프린트 안테나(10)가 실장된다.
여기서, 종래의 프린트 안테나를 포함하는 안테나 소자가 프린트 배선 기판 상에 실장되는 경우에 대해서 생각한다. 예를 들면, 도 8에 나타낸 것과 같이, 종래의 안테나 소자(100)는, 통상, 프린트 배선 기판(110)에 있어서 우각(隅角)부근의 영역에 있어서, 주변에 그라운드가 존재하지 않는 영역에 실장되는 경우가 많다. 이 경우, 방사전계는, 동 도중 파선으로 나타낸 것과 같이, 8자 모양의 다이폴(dipole)모드로 된다. 따라서, 종래의 안테나 소자(100)에 있어서는, 급전된 전력의 반을 손실해 버리게 된다.
이것에 대해서, 프린트 배선 기판(50)에 있어서는, 프린트 안테나(10)의 주위 영역 중, 일부 영역을 제외한 나머지 영역을 둘러싸도록 그라운드를 배치한다. 예를 들면, 프린트 배선 기판(50)에 있어서는, 앞서 도 7에 나타낸 것과 같이, 단면이 직사각 형상을 나타내는 프린트 안테나(10)에 있어서 직사각형 단면을 형성하는 4변 중, 적어도 3변의 주위 영역을 둘러싸도록 그라운드를 배치한다.
프린트 배선 기판(50)에 있어서는, 이와 같이 프린트 안테나(10)와 주변의 그라운드를 배치한 경우, 프린트 안테나(10)의 안테나 도체에 전류가 흐름으로서, 프린트 안테나(10)의 주위 영역 중, 그라운드에 의해 둘러싸이지 않은 영역 근방이 여기(勵起)된다. 예를 들면, 프린트 배선 기판(50)에 있어서는, 동 도에 나타낸 배치의 경우에는, 프린트 안테나(10)에 있어서 직사각형 단면을 형성하는 4변 중, 그라운드에 의해 둘러싸이지 않은 1변에 면한 그 프린트 배선 기판(50)의 에지부분이 여기된다. 이것에 의해, 프린트 배선 기판(50)에 있어서는, 방사전계가, 다이폴 모드로는 되지 않고, 동 도중 파선으로 나타낸 것과 같이, 풍선(ballon)모양으로 한 방향으로 방출하도록 형성된다. 즉, 프린트 배선 기판(50)에 있어서는, 프린트 안테나(10)가 소정 방향으로만 지향성을 갖도록 동작시킬 수 있다.
본건 출원인은, 이 지향성의 모습을 구체적으로 확인하기 위해서, 소정의 프린트 배선 기판을 이용해서 시뮬레이션을 행했다. 이 시뮬레이션은, 도 9A에 평면도 및 도 9B에 측면도를 나타낸 것과 같이, 프린트 배선 기판(50)으로서, 재질이 FR-4이고, 크기가 세로 51mm×가로 38mm×두께 0.8mm의 박판 모양의 것을 이용해서 행했다. 또한, 이 시뮬레이션에 있어서는, 도 9A중 사선부로 나타낸 것과 같이, 단면이 직사각 형상을 나타내는 프린트 안테나(10)에 있어서 직사각형 단면을 형성하는 4변 중, 3변의 주위영역을 둘러싸도록, 프린트 배선 기판(50)의 표리면에 그라운드를 배치했다.
이 경우, 방사전계의 등고선도를 구하면, 도 10A 및 도 10B에 나타낸 것과 같은 결과가 얻어진다. 즉, 도 10A는, 도 9A에 대응해서 프린트 배선 기판(50)을 상방으로부터 봤을 때의 방사전계를 나타내고, 도 10B는, 도 9B에 대응해서 프린트 배선 기판(50)을 측방으로부터 봤을 때의 방사전계를 나타내고 있다. 또한, 도 10에 있어서는, 프린트 배선 기판(50)의 가로 방향을 x축이라고 하고, 세로 방향을 y축이라고 하고, 두께 방향을 z축으로 하고 있다.
동 도에서, 방사전계는, 명백하게 8자 모양의 다이폴 모드와는 달리, xy평면에 있어서, 프린트 배선 기판(50)을 방사원으로서 ＋ y방향으로 팽창하는 풍선모양으로 형성되는 것을 알 수 있다. 즉, 이 결과로부터, 약 2.06dBi의 이득이 얻어졌다. 예를 들면, 이 프린트 배선 기판(50)을 LAN 가드에 적용한 경우에는, -x 방향은 손실방향으로 되지만, ＋y방향에 대해서 작은 것으로부터, 프린트 배선 기판(50)은, 효율적으로 급전되는 전력을 이용하고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 이 때의 대역주파수에 대한 전압정재파비(Voltage Standing Wave Ratio ; VSWR)를 구하면, 도 11에 나타낸 것과 같은 결과를 얻을 수 있다. 즉, 동 도에 있어서는, 세로축에 전압정재파비를 나타내고, 가로축에 대역주파수를 나타내고 있다.
동 도로부터, 전압정재파비는, 약 2.44GHz의 대역주파수에서 가장 고효율로 되고, 이 대역주파수를 중심으로 해서 되돌아가는 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 이 때의 유효한 대역폭은, 약 131.72MHz로 되었다. 이 것으로부터, 이 시뮬레이션에서 이용한 프린트 안테나(10)가 실장된 프린트 배선 기판(50)은, 2.4GHz대를 이용하는 IEEE 802.11b 규격의 무선 LAN에 적용하는 것이 매우 유효하다고 말할 수 있다.
이와 같이, 프린트 배선 기판(50)에 있어서는, 프린트 안테나(10)의 주위 영역 중, 일부 영역을 제외한 나머지 영역을 둘러싸도록 그라운드를 배치함으로서, 프린트 안테나(10)에 급전되는 전력의 대폭적인 손실을 회피해서 유효하게 이용할 수 있음과 동시에, 뛰어난 지향성을 실현하고, 감도를 향상시키는 것이 가능해 진다.
이상 설명한 것과 같이, 본 발명의 실시예로서 나타낸 프린트 배선 기판(50)에 있어서는, 2개의 안테나 도체(11, 16)에 의해 개방단이 형성된 프린트 안테나(10)를 실장함으로서, 프린트 안테나(10)가 주변에 존재하는 그라운드의 영향을 받기 어렵고, 오히려 적극적으로 주변에 존재하는 그라운드를 이용해서 매칭을 취하는 것으로서 취급할 수 있다. 그 때문에, 프린트 배선 기판(50)에 있어서는, 레이아웃의 설계단계에서, 다른 모듈에 필요로 되는 그라운드가 존재하지 않는 전용 랜드를 설치할 필요가 없고, 유연한 레이아웃이 가능해진다. 또한, 프린트 배선 기판(50)에 있어서는, 이와 같은 개방단이 형성된 프린트 안테나(10)의 주위 영역 중, 일부 영역을 제외한 나머지 영역을 둘러싸도록 그라운드를 배치함으로서, 뛰어난 지향성을 실현할 수 있다.
따라서, 프린트 배선 기판(50)은, 기기의 소형화를 촉진함과 동시에, 레이아웃의 자유도를 대폭으로 확대할 수 있고, 특히 대역전화기 등의 설계 및 전력 제한이 엄격한 기기에 적용이 유효하다. 이와 같이, 프린트 안테나(10)가 실장된 프린트 배선 기판(50)은, 다른 모듈에 필요로 되는 그라운드가 존재하지 않는 전용 랜드를 설치하는 것을 불필요로 함과 동시에, 안테나 소자 자체에 대해서도 주변에 그라운드가 존재하지 않는 것을 전제로 설계하는 것을 불필요로 하고, 설계지침에 전혀 새로운 개념을 제안하는 것이다.
또한, 프린트 배선 기판(50)에 있어서는, 기재에 저렴한 프린트 배선 기판을 이용한 프린트 안테나(10)를 실장함으로서, 안테나 소자의 가공도 용이하고, 또한, 그 프린트 배선 기판(50)의 제조공정을 이용해서 안테나 소자를 제조하는 것이 가능해지고, 전체의 제조비용을 삭감할 수 있다.
즉, 본 발명은, 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상술한 실시예에서는, 안테나 소자로서 프린트 안테나를 이용하는 것으로 해서 설명했지만,본 발명은, 프린트 안테나에 한정하지 않고, 프린트 배선 기판에 표면 실장 할 수 있는 칩 모양의 안테나 소자라면, 임의의 것을 적용할 수 있다.
또한, 상술한 실시예에서는, 프린트 안테나의 단면이 직사각형상을 나타내는 것으로 하고, 이 경우에는, 프린트 안테나에 있어서 직사각형 단면을 형성하는 4변 중, 3변의 주위영역을 둘러싸도록 그라운드를 배치하는 것으로 해서 설명했지만, 본 발명에 있어서는, 안테나 소자의 단면이 직사각형상을 나타낼 경우에는, 예를 들면 도 12중 사선부로 나타낸 것과 같이, 안테나 소자(70)에 있어서 직사각형 단면을 형성하는 4변 중, 3변의 주위 영역에 더해, 나머지 1변에 있어서 일부 주위영역을 둘러싸도록 그라운드 배치한 프린트 배선 기판으로 해도 좋고, 안테나 소자의 주위 영역 중, 일부 영역을 제외한 나머지 영역을 둘러싸도록 그라운드를 배치하는 것이라면, 어떠한 배치라도 적용할 수 있다.
나아가, 상술한 실시예에서는, 프린트 배선 기판 상에 있어서 프린트 안테나의 배치 위치로서, 그 프린트 배선 기판의 에지 근방으로 하는 예를 들어서 설명했지만, 본 발명에 있어서는, 반드시 프린트 배선 기판의 에지 근방으로 할 필요는 없고, 안테나 소자의 주위 영역 중, 일분 영역을 제외한 나머지 영역을 둘러싸도록 배치해도 동일한 지향성을 얻을 수 있다.
나아가 또한, 상술한 실시예에서는, 복수의 스루홀을 개재해서 갈지자(빗살모양)로 접속된 복수의 안테나 도체를 대략 コ자 모양으로 굴곡 시킨 것과 같은 일련의 도체 패턴이 형성된 프린트 안테나에 대해서 설명했지만, 본 발명에 있어서는, 안테나 소자의 도체 패턴으로서, 주변의 그라운드와의 매칭을 적절히 취하는 것을 조건으로 해서 임의의 것을 적용할 수 있다.
예를 들면, 안테나 소자로서는, 도 13에 평면도를 나타낸 것과 같이, 안테나 도체(81)가 기판의 표면에 노출 형성됨과 동시에, 도 14에 저면도를 나타낸 것과 같이, 안테나 도체(82, 83, 84)가 기판의 이면에 노출 형성되고, 기판의 표면으로부터 이면에 걸쳐 관통하도록 천설된 스루홀(811)을 개재해서 안테나 도체(81, 82)가 전기적으로 도통가능하게 접속되는 것에 의해서 일련의 도체 패턴이 형성되는 것도 좋다. 이 안테나 소자에 있어서는, 안테나 도체(81, 84)에 의해서 개방단이 형성되고, 이 부분에 커패시턴스를 생성 시킨다.
또한, 안테나 소자로서는, 예를 들면, 도 15에 평면도를 나타낸 것과 같이, 안테나 도체(91)가 기판의 표면에 노출 형성됨과 동시에, 도 16에 저면도를 나타낸 것과 같이, 안테나 도체(92, 93, 94, 95)가 기판의 이면에 노출 형성되고, 기판의 표면으로부터 이면에 걸쳐 관통하도록 천설된 스루홀(911)을 개재해서 안테나 도체(91, 92)가 전기적으로 도통가능하게 접속되는 것에 의해서 일련의 도체 패턴이 형성되는 것도 좋다. 이 안테나 소자에 있어서는, 안테나 도체(91, 95)에 의해서 개방단이 형성되고, 이 부분에 커패시턴스를 생성 시킨다.
나아가, 안테나 소자로서는, 도시 하지 않았지만, 다층 기판을 이용해서 개방단을 포함하는 소정의 도체 패턴이 형성되는 것이라도 좋다.
결국, 안테나 소자로서는, 주변의 그라운드와의 매칭을 적절히 취하는 것을 조건으로 하고, 서로 이격된 적어도 2개의 안테나 도체에 의해서 개방단이 형성되는 것이라면 좋고, 나아가 바람직하게는 3차원적인 구조를 나타내는 도체 패턴이 형성된 것이라면 좋다. 또한, 이 때, 안테나 소자로서는, 적어도 2개의 안테나 도체가 서로 높이 방향으로 이격되어 배치되는 것에 의해서 개방단을 형성하는 것이 아니라, 높이는 동일하고 평면적으로 이격되어 배치되는 것에 의해 개방단을 형성하도록 해도 좋다.
이와 같이, 본 발명은, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 적의 변경이 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.

Claims (7)

  1. 적어도 통신기능을 갖는 기기에 탑재되고, 각종 기능을 실현하기 위한 각종 모듈이 실장된 안테나 실장 프린트 배선 기판에 있어서,
    서로 이격된 적어도 2개의 안테나 도체에 의해서 개방단이 형성된 칩 모양의 안테나 소자가 실장되고,
    상기 안테나 소자의 주위영역 중, 일부 영역을 제외한 나머지 영역을 둘러싸도록, 하나 또는 복수의 다른 모듈에 필요로 되는 그라운드가 배치되어 실장되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나 실장 프린트 배선 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 안테나 도체는, 서로 높이 방향으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나 실장 프린트 배선 기판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 소자는, 단면이 직사각형상을 나타내는 박판 모양으로 형성되어 있고, 상기 그라운드는, 상기 안테나 소자에 있어서 직사각형 단면을 형성하는 4변 중, 적어도 3변의 주위 영역을 둘러싸도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나 실장 프린트 배선 기판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 소자는, 소정의 수지기판에 3차원적인 구조를 나타내는 도체 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나 실장 프린트 배선 기판.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 안테나 소자는, 상기 수지기판의 표면으로부터 이면에 걸쳐 관통하도록 천설되고 그 내부에 동박을 입힌 하나 또는 복수의 스루홀을 개재해서 복수의 안테나 도체가 서로 전기적으로 도통가능하게 접속되는 것에 의해 상기 도체 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나 실장 프린트 배선 기판.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 안테나 소자는, 상기 하나 또는 복수의 스루홀을 개재해서 상기 복수의 안테나 도체가 갈지자 모양으로 접속되는 것에 의해 상기 도체 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나 실장 프린트 배선 기판.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 수지기판은, 유리 옷감 에폭시 기판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 안테나 실장 프린트 배선 기판.
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