JP4867787B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に、表面実装型のアンテナブロックを用いたアンテナ装置に関するものである。

携帯電話等の小型無線通信機器には、小型のアンテナブロックが内蔵されている。この種のアンテナブロックは、誘電体からなる基体の表面に放射導体が形成されたものが一般的である（特許文献１，２参照）。また、より広い帯域を得るために、基体の表面に形成された放射導体をテーパー状としたアンテナブロックも知られている（特許文献３参照）。
特許第３１１４５８２号公報 特許第３１１４６０５号公報 特開２００１−３５８５１６号公報

しかしながら、基体の表面に放射導体を形成するのみではアンテナ長の確保に限界があり、必要とされるアンテナ長を維持しつつアンテナブロックを小型化することは困難であった。

本発明はこのような課題を解決すべくなされたものであって、本発明の目的は、小型のアンテナブロックを用いてより長いアンテナ長を得ることが可能なアンテナ装置を提供することである。

また、本発明の他の目的は、小型のアンテナブロックを用いてより長いアンテナ長を得るとともに、広い帯域を有するアンテナ装置を提供することである。

本発明によるアンテナ装置は、少なくとも一つの導体パターンを有するアンテナブロックと、前記アンテナブロックが搭載されたプリント基板とを備えるアンテナ装置であって、前記プリント基板は、前記アンテナブロックを介して接続された給電導体及び放射導体を有し、前記放射導体は、前記プリント基板の異なる配線層に形成された複数の分岐パターンを含んでいることを特徴とする。

本発明によれば、アンテナブロックが搭載されるプリント基板に放射導体を形成していることから、小型のアンテナブロックを用いてより長いアンテナ長を得ることが可能となる。また、本発明では、プリント基板に形成された放射導体が複数の分岐パターンを含んでいることから、等価的な放射導体幅が広くなる。このため、より広い帯域を得ることが可能となる。しかも、これらの分岐パターンがプリント基板の異なる配線層に形成されていることから、一つの分岐パターンの導体幅をある程度細く設定することができる。このため、プリント基板上の放射導体とアンテナブロックとの距離を十分に確保することができ、その結果、所望のアンテナ特性を確保することが可能となる。

本発明において、「アンテナブロックを介して接続された」とは、必ずしも直流的に接続されている必要はなく、アンテナ装置の信号帯域において高周波的に接続されていれば足りる。したがって、給電導体と放射導体との間にギャップなどが介在していても構わない。例えば、アンテナブロックは、給電導体に接続された第１の導体パターンと、放射導体に接続された第２の導体パターンとを有しており、第１及び第２の導体パターンがギャップを介して対向している構造とすることが可能である。

本発明において、複数の分岐パターンは、アンテナブロックの搭載面に形成された第１の分岐パターンと、搭載面の裏面に形成された第２の分岐パターンとを含んでいることが好ましい。これによれば、プリント基板の上下面にそれぞれ分岐パターンを形成するとともに、これらをスルーホール電極で接続するだけで、上記の構成を得ることが可能となる。このため、多層構造を有するプリント基板を用いる必要がなくなる。

この場合、第１及び第２の分岐パターンは、平面視で少なくとも一部が重なっていることが好ましい。これによれば、アンテナ搭載領域を含むクリアランス領域を小型化することが可能となる。

また、第１の分岐パターンの少なくとも一部は、アンテナブロックの一端と平行に延在していることが好ましい。プリント基板に形成された放射導体とアンテナブロックとの距離は、共振周波数に大きな影響を与えるからである。

本発明においては、第１の分岐パターンよりも第２の分岐パターンの方が、少なくとも一部において導体幅が広いことが好ましい。この場合、第２の分岐パターンは、分岐点から端部に向かって導体幅が広くなるテーパー形状を有していることが好ましい。これによれば、等価的な放射導体幅がより広くなることから、より広帯域化することが可能となる。しかも、第２の分岐パターンは、アンテナ実装領域と異なる面に形成されていることから、その導体幅を拡大してもアンテナ特性に与える影響は少ない。

このように、本発明によれば、小型のアンテナブロックを用いてより長いアンテナ長を得ることが可能となるとともに、広い帯域を得ることが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるアンテナ装置１０の構成を示す略斜視図である。図１に示すように、アンテナ装置１０は、アンテナブロック１００と、アンテナブロック１００の実装領域（アンテナ実装領域）を有するプリント基板２００によって構成されている。

図２は、アンテナブロック１００の構成を示す略斜視図である。また、図３はアンテナブロック１００の展開図である。図２及び図３に示すように、アンテナブロック１００は、誘電体からなる基体１１０と、基体１１０の表面に設けられた導体パターン１２０とを備えている。

基体１１０は、Ａ方向を長手方向とし、Ｂ方向を幅方向とし、Ｃ方向を高さ方向とする直方体状を有しており、Ａ方向及びＢ方向と平行な上面１１１及び底面１１２と、Ｂ方向及びＣ方向と平行な第１の側面１１３及び第２の側面１１４と、Ａ方向及びＣ方向と平行な第３の側面１１５及び第４の側面１１６とを有している。基体１１０の大きさは、目的とするアンテナ特性に応じて適宜設定すればよい。

基体１１０の材料としては、特に限定されるものではないが、Ｂａ−Ｎｄ−Ｔｉ系材料（比誘電率８０〜１２０）、Ｎｄ−Ａｌ−Ｃａ−Ｔｉ系材料（比誘電率４３〜４６）、Ｌｉ−Ａｌ−Ｓｒ−Ｔｉ（比誘電率３８〜４１）、Ｂａ−Ｔｉ系材料（比誘電率３４〜３６）、Ｂａ−Ｍｇ−Ｗ系材料（比誘電率２０〜２２）、Ｍｇ−Ｃａ−Ｔｉ系材料（比誘電率１９〜２１）、サファイヤ（比誘電率９〜１０）、アルミナセラミックス（比誘電率９〜１０）、コージライトセラミックス（比誘電率４〜６）などを用いることができる。基体１１０は、型枠を用いてこれらの材料を焼成することによって作製される。

誘電体材料は、目的とする周波数に応じて適宜選択すればよい。比誘電率ε_ｒが大きくなるほど大きな波長短縮効果が得られるので、放射導体の長さをより短くすることができるが、必ずしも比誘電率ε_ｒが大きければよいという分けではなく、適切な値が存在する。したがって、例えば、目的とする周波数が約２．６ＧＨｚである場合、比誘電率ε_ｒが２０〜２５程度の材料を用いることが好ましい。これによれば、十分な利得を確保しつつ放射導体の小型化を図ることができる。比誘電率ε_ｒが２０〜２５程度である材料としては、Ｍｇ−Ｃａ−Ｔｉ系誘電体セラミックを好ましく挙げることができる。Ｍｇ−Ｃａ−Ｔｉ系誘電体セラミックとしては、ＴｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＭｎＯ、ＳｉＯ_２を含有するＭｇ−Ｃａ−Ｔｉ系誘電体セラミックを用いることが特に好ましい。

基体１１０の表面に設けられた導体パターン１２０は、上面１１１の全面に設けられた導体パターン１２１と、底面１１２の一部に設けられた導体パターン１２２，１２５と、第１の側面１１３の一部に設けられた導体パターン１２３と、第２の側面１１４の全面に設けられた導体パターン１２４とで構成されている。これらの導体パターンは、電極用ペースト材をスクリーン印刷や転写などの方法によって塗布した後、所定の温度条件下で焼き付けを行うことによって形成することができる。電極用ペースト材としては、銀、銀−パラジウム、銀−白金、銅などを用いることができる。なお、本実施形態においては、基体１１０の第３及び第４の側面１１５，１１６には導体パターンが形成されていないが、必要に応じて形成してもかまわない。

このうち、導体パターン１２１，１２４，１２５は、連続する一本の帯状パターンを構成しており、放射導体の一部として寄与する。また、導体パターン１２２，１２３も連続する一本の帯状パターンを構成しており、給電導体の一部として寄与する。

導体パターン１２１，１２４，１２５によって構成される放射導体と、導体パターン１２２，１２３によって構成される給電導体は、導体パターン１２１と導体パターン１２３との間に存在するギャップＧを介して接続されている。すなわち、放射導体と給電導体は、ギャップＧによる容量結合を介して相互に接続されている。

図４は、アンテナブロック１００が実装されるプリント基板２００の表面（アンテナブロックの搭載面）のパターンレイアウトを示す略平面図である。また、図５は、アンテナブロック１００が実装されるプリント基板２００の裏面のパターンレイアウトを示す略平面図であって、特に、表面側から透過的に見た状態を示すものである。

図４に示すように、プリント基板２００の表面には、基板の外周付近に設けられた絶縁領域であるクリアランス領域２１０と、クリアランス領域２１０内に設けられたアンテナ実装領域２１１と、クリアランス領域２１０の外側に設けられたグランドパターン２２０と、アンテナ実装領域２１１の長手方向の両側にそれぞれ設けられた第１及び第２のランドパターン２３１，２３２と、一端が第１のランドパターン２３１に接続された給電導体２４０と、放射導体２５０の一部を構成する第１の分岐パターン２５１とが設けられている。放射導体２５０の一端は、第２のランドパターン２３２に接続されている。

第１及び第２のランドパターン２３１，２３２は、それぞれアンテナブロック１００に設けられた導体パターン１２２，１２５に接続されるパターンである。したがって、アンテナ実装領域２１１にアンテナブロック１００が搭載されると、給電導体２４０と放射導体２５０は、アンテナブロック１００を介して接続されることになる。

また、プリント基板２００の表面に形成されたクリアランス領域２１０は、その周囲三方向がグランドパターン２２０に囲まれている。これにより、アンテナ実装領域２１１は、その長手方向と直交するグランドパターンの第１及び第２のエッジライン２２０ａ，２２０ｂと、当該長手方向と平行なグランドパターンの第３のエッジライン２２０ｃに囲まれることになる。残りの一方向はプリント基板２００の周縁部であり、グランドパターンが存在しない領域（開放領域２６１）である。

一方、図５に示すように、プリント基板２００の裏面には、表面側のクリアランス領域２１０とほぼ同じ範囲をカバーするクリアランス領域２７０と、クリアランス領域２７０の外側に設けられたグランドパターン２８０と、放射導体２５０の一部を構成する第２の分岐パターン２５２とが設けられている。

プリント基板２００の裏面に形成されたクリアランス領域２７０は、その周囲三方向がグランドパターン２８０に囲まれている。つまり、アンテナ実装領域２１１の投影領域２１２は、その長手方向と直交するグランドパターンの第１及び第２のエッジライン２８０ａ，２８０ｂと、当該長手方向と平行なグランドパターン２８０の第３のエッジライン２８０ｃに囲まれることになる。残りの一方向はプリント基板２００の周縁部であり、グランドパターンが存在しない領域（開放領域２６２）である。

本実施形態では、放射導体２５０が第１及び第２の分岐パターン２５１，２５２を含んでおり、これらがプリント基板２００の表面側及び裏面側にそれぞれ形成されている。

第１の分岐パターン２５１は、一端がスルーホール電極２５３に接続され、他端がグランドパターン２２０に接続されている。第１の分岐パターン２５１はアンテナ実装領域２１１に沿って配置されており、その導体幅ｗ１は一定である。このため、アンテナ実装領域２１１にアンテナブロック１００を搭載すると、第１の分岐パターン２５１はアンテナブロック１００の一端と平行に延在することになる。スルーホール電極２５３は、プリント基板２００の表面から裏面に貫通して設けられた電極であり、第２の分岐パターン２５２に接続されている。

第２の分岐パターン２５２は、一端がスルーホール電極２５３に接続され、他端がグランドパターン２８０に接続されている。図５に示すように、第２の分岐パターン２５２は、分岐点であるスルーホール電極２５３からグランドパターン２８０に向かって導体幅が広くなるテーパー形状を有している。これにより、分岐点であるスルーホール電極２５３の近傍においては、第１の分岐パターン２５１と第２の分岐パターン２５２との導体幅はほぼ同一（＝ｗ１）であるが、端部に向かうにつれて、第１の分岐パターン２５１よりも第２の分岐パターン２５２の方が徐々に導体幅が広くなる。そして、グランドパターン２８０との接続部において、第２の分岐パターン２５２の導体幅は最大となる（＝ｗ２）。

また、第１及び第２の分岐パターン２５１，２５２は、平面視で一部が重なっている。これにより、クリアランス領域２１０，２７０を小型化することができる。また、第２の分岐パターン２５２とアンテナ実装領域２１１は、平面視で重なりを有していない。すなわち、第２の分岐パターン２５２のテーパー形状は、平面視でアンテナ実装領域２１１と重ならない程度に設定されている。これは、第２の分岐パターン２５２とアンテナ実装領域２１１が平面視で重なると、干渉によってアンテナ特性が変動する場合があるからである。

このような構造を有するプリント基板２００にアンテナブロック１００を実装すると、図１に示すように、アンテナブロック１００に形成された導体パターン１２１，１２４，１２５からなる放射導体と、プリント基板２００に形成された放射導体２５０がひと続きの連続した導体となる。これにより、アンテナブロック１００のみに放射導体が形成されている場合に比べ、より長いアンテナ長を確保することが可能となる。

また、プリント基板２００に形成された放射導体２５０とアンテナブロック１００との距離は、共振周波数に大きく影響し、両者の距離を近づけすぎると共振周波数がずれてしまう。このため、限られたクリアランス領域２１０内に放射導体２５０を配置するためには、ある程度放射導体２５０の導体幅を細く設定しなければならない。その一方で、放射導体２５０の導体幅を細くすると、アンテナの送受信帯域が狭くなってしまう。しかしながら、本実施形態では、放射導体２５０を第１の分岐パターン２５１と第２の分岐パターン２５２に分岐させ、これらをプリント基板２００の異なる表面に形成していることから、第１の分岐パターン２５１の導体幅を広くすることなく、等価的な放射導体幅を広げることが可能となる。これにより、放射導体２５０とアンテナブロック１００との距離を確保しつつ、広帯域化することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、プリント基板２００の表面及び裏面にも放射導体２５０が形成されていることから、十分なアンテナ長を確保することが可能となる。しかも、放射導体２５０が第１及び第２の分岐パターン２５１，２５２に分岐していることから、放射導体２５０とアンテナブロック１００との距離を確保しつつ、等価的な放射導体幅を広くすることが可能となる。

しかも、本実施形態においては、プリント基板２００の裏面に形成された第２の分岐パターン２５２がテーパー形状を有しており、分岐点であるスルーホール電極２５３からグランドパターン２８０に向かって導体幅が広くなっていることから、より広い帯域を得ることが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、プリント基板２００に形成された放射導体２５０が２つの分岐パターン２５１，２５２を含んでいるが、分岐パターンの数が２つに限定されるものではなく、３つ以上の分岐パターンを有していても構わない。分岐パターンの数が多くなるほど等価的な放射導体幅が広くなることから、よりいっそうの広帯域化を実現することが可能となる。

また、上記実施形態では、第１の分岐パターン２５１がプリント基板２００の表面（アンテナブロックの搭載面）に形成され、第２の分岐パターン２５２がプリント基板２００の裏面に形成されているが、これらが互いに異なる配線層に形成されている限り、形成面がプリント基板２００の表面及び裏面である必要はない。したがって、プリント基板が多層構造を有している場合には、一部又は全部の分岐パターンをプリント基板の内層に形成しても構わない。

また、上記実施形態では、第１の分岐パターン２５１と第２の分岐パターン２５２が１個のスルーホール電極２５３によって接続されているが、図６に示すように、両者を複数のスルーホール電極によって接続しても構わない。

また、上記実施形態では、第１及び第２の分岐パターン２５１，２５２の一部が平面視で重なっているが、本発明においてこれらを重ねることは必須でない。しかしながら、平面視でこれらの少なくとも一部が重なるように形成すれば、クリアランス領域を小型化することが可能となる。

また、上記実施形態では、第２の分岐パターン２５２とアンテナ実装領域２１１が平面視で重なりを有していないが、本発明においてこの点は必須でない。したがって、両者の重なりによるアンテナ特性が許容範囲であれば、平面視でこれらの一部を重ねても構わない。

さらに、上記実施形態では、第２の分岐パターン２５２がテーパー形状を有しており、これにより、第１の分岐パターン２５１よりも第２の分岐パターン２５２の導体幅が広く設定されているが、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、第１の分岐パターン２５１と第２の分岐パターン２５２が同じ導体幅を有していても構わない。また、第２の分岐パターン２５２の導体幅を広くする場合であっても、テーパー状とすることも必須でない。

また、実装されるアンテナブロック１００の構成も上記実施形態の構成に限定されるものではない。したがって、基体が直方体形状である必要はなく、また、ギャップを介した容量結合型のアンテナブロックである必要もない。

また、上記実施形態においては、アンテナ実装領域２１１の周囲三方向がグランドパターン２２０に囲まれている場合について説明したが、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、例えばアンテナ実装領域２１１がプリント基板２００の角部に設けられることにより、アンテナ実装領域２１１の二方向がグランドパターン２２０に囲まれていてもよい。この場合、他の二方向はプリント基板２００の周縁部であり、グランドパターンが存在しない領域となる。

また、上記実施形態においては、基体１１０の材料として誘電体を用いているが、誘電体以外に誘電性を有する磁性体を用いてもよい。この場合、１／｛（ε×μ）^１／２｝の波長短縮効果が得られるので、透磁率μの高い磁性体を用いることによって、大きな波長短縮効果を得ることができる。また、μ／εが電極のインピーダンスを決定するため、μの高い磁性体を用いることによってインピーダンスを高めることができる。これにより、高すぎるアンテナのＱを低下させて、広帯域特性を得ることができる。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこの実施例に何ら限定されるものではない。

まず、図２に示したアンテナブロック１００と同じ構成を有するアンテナブロックを用意した。基体の材料としては２ＭｇＯ−ＳｉＯ_２を主成分とするセラミックを用い、長さ（Ａ方向の長さ）を３．２ｍｍとし、幅（Ｂ方向の長さ）１．６ｍｍとし、高さ（Ｃ方向の長さ）を１．１ｍｍに設定した。

このアンテナブロックを、図４及び図５に示したプリント基板２００と同様のプリント基板に実装することによって、実施例サンプル＃１〜＃３を作製した。第１の分岐パターン２５１の導体幅ｗ１及び第２の分岐パターン２５２の最大導体幅ｗ２については、各実施例サンプル＃１〜＃３において表１の通りに設定した。

表１に示すように、実施例サンプル＃１においてはｗ１＝ｗ２であり、つまり、第１の分岐パターン２５１と第２の分岐パターン２５２が同じ導体幅を有している。これに対し、実施例サンプル＃２，＃３では第２の分岐パターン２５２がテーパー形状を有しており、実施例サンプル＃２では分岐点から端部に向かって導体幅が２倍に拡大されており、実施例サンプル＃３では分岐点から端部に向かって導体幅が４倍に拡大されている。

さらに、第２の分岐パターン２５２（及びスルーホール電極２５３）を削除したプリント基板を用意し、このプリント基板に上記のアンテナブロックを実装することによって、比較例サンプルを作製した。第１の分岐パターン２５１の導体幅ｗ１は、実施例サンプル＃１〜＃３と同様、０．７ｍｍに設定した。

次に、実施例サンプル＃１〜＃３及び比較例サンプルのアンテナ装置を入出力回路に接続し、各サンプルの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）を測定した。測定の結果を図７に示す。電圧定在波比は、その値が小さいほど当該周波数において反射による損失が低いことを示している。

図７に示すように、第２の分岐パターン２５２を持たない比較例サンプルに比べて、第２の分岐パターン２５２を有する実施例サンプル＃１〜＃３はいずれも広い帯域が得られることが確認された。また、実施例サンプル＃１〜＃３の帯域は、第２の分岐パターン２５２の導体幅が広くなるほど広帯域化されることも確認された。

本発明の好ましい実施形態によるアンテナ装置１０の構成を示す略斜視図である。 アンテナブロック１００の構成を示す略斜視図である。 アンテナブロック１００の展開図である。 プリント基板２００の表面のパターンレイアウトを示す略平面図である。 プリント基板２００の裏面のパターンレイアウトを示す略平面図であって、特に、表面側から透過的に見た状態を示すものである。 変形例によるアンテナ装置の構成を示す略斜視図である。 実施例サンプル＃１〜＃３及び比較例サンプルの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）を示すグラフである。

符号の説明

１０ アンテナ装置
１００ アンテナブロック
１１０ 基体
１１１ 基体の上面
１１２ 基体の底面
１１３ 基体の第１の側面
１１４ 基体の第２の側面
１１５ 基体の第３の側面
１１６ 基体の第４の側面
１２０〜１２５ 導体パターン
２００ プリント基板
２１０，２７０ クリアランス領域
２１１ アンテナ実装領域
２１２ 投影領域
２２０，２８０ グランドパターン
２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２８０ａ，２８０ｂ，２８０ｃ エッジライン
２３１ 第１のランドパターン
２３２ 第２のランドパターン
２４０ 給電導体
２５０ 放射導体
２５１ 第１の分岐パターン
２５２ 第２の分岐パターン
２５３ スルーホール電極
２６１，２６２ 開放領域
Ｇ ギャップ

Claims (7)

1. 少なくとも一つの導体パターンを有するアンテナブロックと、前記アンテナブロックが搭載されたプリント基板とを備えるアンテナ装置であって、
   前記プリント基板は、前記アンテナブロックを介して接続された給電導体及び放射導体を有し、
   前記給電導体は、前記導体パターンの一端に接続されており、
   前記放射導体は、前記プリント基板の異なる配線層に形成された第１及び第２の分岐パターンを含み、
   前記第１の分岐パターンは、前記アンテナブロックの搭載面に形成され、
   前記第２の分岐パターンは、前記搭載面の裏面に形成され、
   前記第１の分岐パターンの一端は、前記導体パターンの他端に接続されており、
   前記第１の分岐パターンの他端は、前記搭載面に形成されたグランドパターンに接続されており、
   前記第２の分岐パターンの一端は、前記プリント基板を貫通する少なくとも一つのスルーホール電極を介して前記第１の分岐パターンに接続されており、
   前記第２の分岐パターンの他端は、前記搭載面の裏面に形成されたグランドパターンに接続されており、
   前記第１の分岐パターンは、前記一端から前記他端に向かって導体幅が一定であり、
   前記第２の分岐パターンは、前記一端から前記他端に向かって導体幅が広くなるテーパー形状を有していることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第２の分岐パターンは、前記アンテナブロックの実装領域であるアンテナ実装領域と平面視で重ならないことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記アンテナ実装領域は、周囲三方向が前記グランドパターンに囲まれ、残りの一方向が前記プリント基板の周縁部と一致するクリアランス領域内に設けられており、
   前記第１の分岐パターンの位置は、前記アンテナ実装領域よりも前記プリント基板の前記周縁部に近いことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１及び第２の分岐パターンは、平面視で少なくとも一部が重なっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
5. 前記第１の分岐パターンの少なくとも一部は、前記アンテナブロックの長手方向と平行に延在していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
6. 前記第２の分岐パターンの一端は、複数のスルーホール電極を介して前記第１の分岐パターンに接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
7. 前記アンテナブロックは、前記給電導体に接続された第１の導体パターンと、前記放射導体に接続された第２の導体パターンとを有しており、前記第１及び第２の導体パターンがギャップを介して対向していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のアンテナ装置。

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