JP4788791B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に、携帯電話等の小型携帯端末に内蔵される表面実装型アンテナ装置の構造に関するものである。

近年、携帯電話等の小型携帯端末にはＧＰＳやブルートゥース用のチップアンテナが内蔵されている。この種のチップアンテナには、小型であること、さらには共振周波数の調整やインピーダンス整合も容易であることが要求されている。チップアンテナの共振周波数や入力インピーダンスはプリント基板の構造や周囲に実装される各種電子部品、さらには筐体の影響を受けて変化し、機種ごとに共振周波数や入力インピーダンスを調整する必要があるからである。

特に、アンテナにおいて入力インピーダンスの調整が容易であることは極めて重要である。給電側とのインピーダンスマッチングが取れていないとＶＳＷＲ特性が低下してアンテナ本来の性能を発揮することができないからである。入力インピーダンスの整合の容易化を図るため、例えば特許文献１に記載のアンテナ装置では、基体の上面にＵ字状の放射導体、底面に接地導体、側面に給電−接地短絡導体をそれぞれ形成し、給電−接地短絡導体の分岐位置を調整することによりそのインダクタンス値を変えて、これにより入力インピーダンスを調整している。

また、特許文献２には、アンテナと接地導体との電磁場を効率よく作り出すことができるアンテナ装置として、三方が接地導体パターンに囲まれた領域において、その一端と他端を誘電体ブロックで接続し、その誘電体ブロックの底面に設けた入力パッドを経由して給電するトリオランド構造のアンテナが提案されている。

特開平１１−３４０７２６号公報 特開２００６−３４０３６８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来のアンテナ装置は、基体の裏面に接地導体を設け、誘電体からなる基体のみでアンテナ装置を構成しているため、アンテナ動作に必要とするλ／４の放射導体を形成するためには、誘電体による波長短縮効果を考慮したとしても十分な大きさの基体が必要となる。

また、特許文献２に記載された従来のアンテナ装置は、誘電体ブロックと接地電極との電磁場を効率良く作り出すためのトリオランド構造を提案しているが、トリオランド構造に制約されることなく電磁場を効率良く作り出すための新たな構造が切望されている。また、このアンテナ装置では、インピーダンス整合を入力パッドと第１のランドパッドとの間の距離によって調整をするため、インピーダンスの調整幅にも限界がある。

したがって、本発明の目的は、トリオランド構造のような特有の構造を採用することなく、誘電体からなる基体の表面に形成された導体パターンと周囲のグランドパターンとの間で電磁場を効率良く作り出すことができ、共振周波数及び入力インピーダンスの調整も容易であり、これによりアンテナ特性を向上させることが可能なアンテナ装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によるアンテナ装置は、アンテナ素子と、アンテナ素子が実装されたプリント基板とを備え、アンテナ素子は、略直方体状の誘電体からなる基体と、基体の上面及び側面に形成された略Ｕ字状のインダクタンス調整パターンと、基体の上面に形成され、所定幅のギャップを介してインダクタンス調整パターンと対向配置されたキャパシタンス調整パターンと、底面の長手方向の一端に設けられた第１及び第２の端子電極と、底面の長手方向の他端に設けられた第３の端子電極とを含み、プリント基板は、絶縁基板と、絶縁基板の表面であってその長手方向に沿ったエッジに接して設けられた略矩形状の絶縁領域であるアンテナ実装領域と、エッジによる一辺を除くアンテナ実装領域の三辺を画定するように絶縁基板の表面に形成されたグランドパターンと、エッジに沿ってアンテナ実装領域内に引き込まれた給電ラインと、第１乃至第３の端子電極に対応してアンテナ実装領域内に設けられた第１乃至第３のランドと、アンテナ実装領域の直下における絶縁基板の裏面及び内層において導体パターンが排除されたグランドクリアランス領域とを備え、アンテナ素子は、アンテナ実装領域の対向する二辺を構成するグランドパターンの第１の辺と第２の辺との間に架設され、インダクタンス調整パターンの一端は、第１の端子電極及び第１のランドを介して給電ラインに接続され、インダクタンス調整パターンの他端は、第２の端子電極及び第２のランドを介して、給電ラインの引き込み側にあるグランドパターンの第１の辺に接続され、キャパシタンス調整パターンは、第３の端子電極及び第３のランドを介して、グランドパターンの第２の辺に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、アンテナ素子及びプリント基板上のグランドパターンを含むプリント基板全体をアンテナとして動作させることができると共に、アンテナ素子このように実装することでＬＣ調整素子として機能させることができる。特に、インダクタンス調整パターンによるループが給電ラインから折り返して同じ位置にあるグランドパターンに戻るので、インダクタンスを効率良く発生させることができる。そのため、インピーダンス整合回路を別途用意することなく、インダクタンスやキャパシタンスを個別に調整することができ、アンテナの共振周波数や入力インピーダンスを容易に調整することができる。

本発明において、インダクタンス調整パターンは、基体の上面に形成され、キャパシタンス調整パターンとギャップを介して対向位置された第１の導体パターンと、基体の長手方向と直交する第１の側面に形成され、一端が第１の導体パターンに接続され、他端が第１の端子電極に接続された第２の導体パターンと、第１の側面に形成され、一端が第１の導体パターンに接続され、他端が接地された第３の導体パターンを含み、第１乃至第３の導体パターンによるループによってインダクタンスが形成され、ループの形状を変更することによってインダクタンスが調整されることが好ましい。インダクタンス調整パターンがこのような構成である場合には、インダクタンス調整パターンの形状を変更するだけで、共振周波数を大きく変化させることなくアンテナの入力インピーダンスを容易に調整することができる。

本発明において、キャパシタンス調整パターンは、基体の上面の三辺に沿って形成された略Ｕ字状のキャパシタンス調整パターンを含み、キャパシタンス調整パターンとインダクタンス調整パターンの第１の導体パターンとの間のギャップによってキャパシタンスが形成され、キャパシタンス調整パターンの形状を変更することによってキャパシタンスが調整されることが好ましい。キャパシタンス調整パターンが以上のような構成である場合には、キャパシタンス調整パターンの形状を変更するだけで、アンテナの共振周波数を容易に変更することができる。

本発明において、アンテナ実装領域は、プリント基板の長手方向と直交する方向に長辺を有し、その縦横比が１．５以上であることが好ましい。アンテナ実装領域の縦横比を１．５以上とすることで、プリント基板の中心部に流れる電流を増加させることができ、アンテナの放射効率をさらに高めることができる。

本発明において、アンテナ実装領域は、プリント基板の長手方向の中心から±２５％以内の範囲に設けられていることが好ましい。本発明によれば、いわゆるグランドクリアランスタイプのアンテナ実装構造を有するアンテナ装置において、プリント基板上のグランド面に流れる電流の均衡を保つことができ、これによりアンテナ素子を含む基板全体からの電磁波を放射させることができ、超小型アンテナであっても高い放射効率を得ることができる。

本発明によれば、誘電体からなる基体の表面に形成された導体パターンと周囲のグランドパターンとの間で電磁場を効率良く作り出すことができ、共振周波数及び入力インピーダンスの調整も容易であり、これによりアンテナ特性を向上させることが可能なアンテナ装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置１００の構成を示す略斜視図である。 図２は、アンテナ素子１０の展開図である。 図３は、キャパシタンス調整パターン１２の帯状導体パターン１２ａ，１２ｂの長さを短くした状態を示す略斜視図である。 図４は、インダクタンス調整パターン１３の矩形導体パターン１３ａに切り込み１３ｄを形成した状態を示す略斜視図である。 図５は、プリント基板２０上のパターンレイアウトを示す略平面図であり、（ａ）は表面２０ａのレイアウト、（ｂ）は裏面２０ｂのレイアウトである。 図６は、アンテナ実装領域２３の好ましい形成位置を示す略平面図である。 図７は、プリント基板２０に実装されたアンテナ素子１０の等価回路図である。 図８（ａ）乃至（ｃ）は、プリント基板２０上の電流分布のシミュレーション結果を示す模式図であって、（ａ）はアンテナ実装領域２３が基準点にある場合、（ｂ）は−２５％の位置にある場合、（ｃ）はプリント基板２０の短辺の中点にある場合をそれぞれ示している。 図９は、図８（ａ）〜（ｃ）に示したアンテナ実装領域２３の各位置で得られる放射効率を示すグラフである。 図１０は、プリント基板上のアンテナ実装領域の位置を変化させたときのアンテナ特性の測定について説明するための図であって、アンテナ実装領域の位置を示す略平面図である。 図１１は、プリント基板上のアンテナ実装領域の位置を変化させたときのアンテナ特性の測定結果を示すグラフであり、（ａ）はリターンロス、（ｂ）は放射特性をそれぞれ示している。 図１２は、アンテナ実装領域の縦横比を変化させたときのアンテナ特性の測定結果を示すグラフであり、（ａ）はリターンロス、（ｂ）は放射特性をそれぞれ示している。

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、本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置１００の構成を示す略斜視図である。また、図２は、アンテナ素子１０の展開図である。

図１に示すように、本実施形態によるアンテナ装置１００は、アンテナ素子１０と、アンテナ素子１０が実装されたプリント基板２０とを備え、アンテナ素子１０はプリント基板２０の一方の主面（表面）に設けられたアンテナ実装領域２３内に実装されている。本実施形態によるアンテナ装置１００は、アンテナ素子１０のみでアンテナ動作を行うというよりむしろ、プリント基板２０上のグランドパターンと協働してアンテナ動作を行うものである。その意味で、アンテナ素子１０はプリント基板２０を含むアンテナ全体のインダクタンス成分（Ｌ）及びキャパシタンス成分（Ｃ）を調整するためのＬＣ調整素子と言うことができる。

アンテナ素子１０は、誘電体からなる基体１１と、基体１１に形成された複数の導体パターンによって構成されている。基体１１は、Ｙ方向を長手方向とする略直方体状を有している。このうち、基体１１の上面１１ａ、底面１１ｂ及び２つの側面１１ｃ，１１ｄはＹ方向と平行な面であり、側面１１ｅ，１１ｆはＹ方向と直交する面であり、底面１１ｂはプリント基板２０に対する搭載面である。なお、アンテナ素子１０の上下方向はプリント基板２０の表面を基準面にして定義される。

基体１１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１１は、型枠を用いてこれらの材料粉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、放射効率が低下するため、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２．４ＧＨｚである場合、比誘電率ε_ｒが５〜３０程度の材料を用いることが好ましい。これによれば、十分な放射効率を確保しつつ基体の小型化を図ることができる。比誘電率ε_ｒが５〜３０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。

図２に示すように、アンテナ素子１０の導体パターンは、基体１１の上面１１ａに形成されたキャパシタンス調整パターン１２と、基体１１の側面（第１の側面）１１ｅから上面１１ａにかけて一体的に形成されたインダクタンス調整パターン１３と、基体１１の底面１１ｂに形成された端子電極１４〜１６と、基体１１の側面１１ｆに形成された接地導体１７とを含んでおり、少なくともキャパシタンス調整パターン１２及びインダクタンス調整パターン１３はアンテナ特性を調整するための導体パターン（アンテナ特性調整パターン）を構成している。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。導体パターンは、この他にメッキやスパッタなどでも形成することが可能である。

キャパシタンス調整パターン１２は、基体１１の上面１１ａに形成された略Ｕ字状の導体パターンであり、上面１１ａの２つの長辺に沿って設けられた帯状導体パターン１２ａ，１２ｂと、側面１１ｆと共有する短辺に沿って設けられた帯状導体パターン１２ｃとを有し、帯状導体パターン１２ａ，１２ｂの一端が帯状導体パターン１２ｃの両端にそれぞれ接続され、帯状導体パターン１２ａ，１２ｂの他端は開放端となっている。帯状導体パターン１２ａ，１２ｂの開放端は基体１１のＹ方向の端部まで延びているので、キャパシタンス調整パターン１２による静電容量を最大にすることができるが、その必要がない場合には基体１１のＹ方向の端部よりも手前に開放端が位置していてもよい。

インダクタンス調整パターン１３は、基体１１の上面１１ａに形成された矩形導体パターン（第１の導体パターン）１３ａと、基体１１の側面１１ｅに形成された２本の平行な直線導体パターン（第２及び第３の導体パターン）１３ｂ，１３ｃとを有し、これらは略Ｕ字状の導体パターンを構成している。直線導体パターン１３ｂの一端は矩形導体パターン１３ａの幅方向の一端に接続され、他端は端子電極１４に接続されている。直線導体パターン１３ｃの一端は矩形導体パターン１３ａの幅方向の他端に接続され、他端は端子電極１５に接続されている。第２及び第３の導体パターン１３ｂ，１３ｃが接続された一辺を除いた矩形導体パターン１３ａの三辺は、一定幅のギャップｇを介して略Ｕ字状のキャパシタンス調整パターン１２と対向配置されている。これにより、キャパシタンス調整パターン１２と矩形導体パターン１３ａとの間にはキャパシタンスが形成されるので、両者を電磁界結合させることができる。キャパシタンスを小さくしたい場合には、図３に示すように、キャパシタンス調整パターン１２の辺の長さ、すなわち第１及び第２の帯状導体パターン１２ａ，１２ｂの長さＬ０を短くすればよい。

また、インダクタンス調整パターン１３は略Ｕ字状のループを構成しており、これによりインダクタンスが構成されている。インダクタンスを大きくするためには、ループサイズを大きくすればよく、そのためには図４に示すように矩形導体パターン１３ａに切り込み１３ｄを形成すればよい。このようにすることで、略Ｕ字状のインダクタンス調整パターン１３のループサイズが大きくなるので、インダクタンスを大きくすることができる。

端子電極１４〜１６は、基体１１の底面１１ｂに形成されており、特に、端子電極１４，１５は底面１１ｂのＹ方向の一端に形成され、端子電極１６は他端に形成されている。端子電極１６は、底面１１ｂの幅方向全体に形成されており、端子電極１４，１５は所定の間隔を空けて底面１１ｂの幅方向（Ｘ方向）にそれぞれ形成されている。つまり、底面１１ｂの幅Ｗに対して端子電極１６の幅はＷであり、端子電極１４，１５の幅はＷ／２未満である。本実施形態においては、基体１１の底面１１ｂに端子電極１４〜１６以外の導体パターンが形成されておらず、大部分が絶縁領域となっている。

接地導体１７は、基体１１の側面（第２の側面）１１ｆの全面に形成されており、その上端はキャパシタンス調整パターン１２に接続されている。これによりキャパシタンス調整パターン１２及び接地導体１７は一体的な導体パターンを構成しており、キャパシタンス調整パターン１２は接地導体１７を介して端子電極１６に接続されている。

以上、基体１１の各面に形成されたこれらの導体パターンは、基体１１の側面１１ｃ，１１ｄと平行な平面を基準として左右対称となるように形成されていることが好ましい。これによれば、基体１１の上下面に垂直な軸（Ｚ軸）を基準としてアンテナ素子１０の無機を１８０度回転させたとしても、プリント基板のエッジ側からみたアンテナ素子１０の導体パターン形状は実質的に同じになることから、アンテナ素子１０の向きによってアンテナ特性が大きく変化することがなく、アンテナ設計を容易にすることができる。

図５は、アンテナ素子１０が実装されるプリント基板２０上のパターンレイアウトを示す略平面図であり、（ａ）はプリント基板２０の表面２０ａのレイアウト、（ｂ）はプリント基板の裏面２０ｂのレイアウトである。特に、（ｂ）は裏面２０ｂのレイアウトを表面２０ａ側から透過的に示したものである。

図５に示すように、プリント基板２０は絶縁基板２１の表裏面に導体パターンが形成されたものであって、特に、プリント基板２０の表面２０ａには、一辺がプリント基板２０の長手方向（Ｙ方向）のエッジ２０ｅに接し、他の三辺がグランドパターン２２によって画定された略矩形状のアンテナ実装領域２３が設けられている。アンテナ実装領域２３はグランドパターン２２が排除された矩形状の絶縁領域であり、アンテナ実装領域２３内には３つのランド２４〜２６が設けられている。アンテナ実装領域２３をプリント基板のエッジ２０ｅに設けた場合には、アンテナ素子から見て半分の空間はプリント基板（グランドパターン）の存在しない自由空間であることから、アンテナの放射効率を高めることができる。

ランド２４〜２６は、アンテナ素子１０の端子電極１４〜１６がそれぞれ接続されるものであり、対応する端子電極１４〜１６と同一幅を有している。ランド２４は給電ライン２７に接続されており、ランド２５，２６は近接のグランドパターン２２に接続されている。このようなランドの配置により、アンテナ素子１０は、アンテナ実装領域２３をＹ方向に跨いで両側のグランドパターン間を短絡させるものとなり、グランドパターン全体に対するＬＣ調整素子として機能するようになる。

プリント基板２０の裏面２０ｂにもまた、表面２０ａ側のアンテナ実装領域２３と平面視にて実質的に同一形状の絶縁領域であるグランドクリアランス領域２８が設けられている。裏面２０ｂ側のグランドクリアランス領域２８には各種実装部品が実装されないことから、ランド等の導体パターンは何ら形成されていない。なお、プリント基板２０が多層基板の場合には、裏面２０ｂのみならず内層にもこのようなグランドクリアランス領域２８が形成される必要がある。つまり、アンテナ実装領域２３の直下にはグランドパターンがくり貫かれた絶縁領域が拡がっている必要がある。このような実装構造は「グランドクリアランスタイプ」と呼ばれるのに対し、アンテナ実装領域２３の直下がグランドパターンで覆われたものは「オングランドタイプ」と呼ばれる。

アンテナ素子１０は、プリント基板２０上のグランドパターン２２の一部を除去して形成されたチップアンテナよりも広いアンテナ実装領域２３内に実装される。グランドクリアランスタイプの場合、アンテナ素子１０の下方には何も実装できないので、基板面積が広く占有されるが、グランド面が全く存在しないのでアンテナ自身（基体）の低背化が可能となる。一方、オングランドタイプの場合、実装面および下方の領域にグランド面が設けられていることから、グランドクリアランスタイプに比べてアンテナ素子の背は高いが、例えば多層基板の表面をアンテナの実装面とし、内層をグランドパターン層とすることで、多層基板の裏面を部品実装領域として使用することができる。

アンテナ実装領域２３は、プリント基板２０の長手方向と直交する方向（Ｘ方向）に細長い矩形状の領域である。アンテナ実装領域２３の長辺の長さをＷａとし、短辺の長さをＷｂとするとき、Ｗａ／Ｗｂ≧１．５であることが好ましい。具体的には、短辺Ｗｂ＝３ｍｍとするとき、長辺Ｗａは４．５ｍｍ以上であることが好ましい。アンテナ実装領域２３の縦横比を１．５以上とすることで、プリント基板２０の中心側に流れる電流を増加させることができる。したがって、アンテナの放射効率を高めることができ、特に５０％以上の放射効率を確保することができる。

図６は、アンテナ実装領域２３の好ましい形成位置を示す略平面図である。

図６に示すように、アンテナ実装領域２３は、プリント基板２０の長手方向（Ｙ方向）に沿ったエッジ２０ｅに接して設けられるが、この場合において、アンテナ実装領域２３はプリント基板２０の長手方向の中点（基準点）Ｐから±２５％以内の範囲に設けられることが好ましい。なお、アンテナ実装領域２３側の基準点は短辺の中点を基準としている。このように、プリント基板２０の長手方向に対して中心Ｐから±２５％の範囲に設けた場合には、アンテナ実装領域２３から見てプリント基板２０の長手方向の両側の領域に流れる電流の均衡を保つことができる。したがって、アンテナの放射効率を高めることができ、特に５０％以上の放射効率を確保することができる。

図１に示したように、プリント基板２０上にアンテナ素子１０を実装すると、インダクタンス調整パターン１３の分岐した直線導体パターン１３ｂの一端はランド２４を介して給電ライン２７に接続され、直線導体パターン１３ｃの一端はランド２５を介してグランドパターン２２に接続される。また、接地導体１７の下端はランド２６を介してグランドパターン２２に接続される。その結果、アンテナ素子１０は、アンテナ実装領域２３の対向する二辺２３ａ，２３ｂを画定する一方のグランド部分と他方のグランド部分との間に架設されることとなる。

給電ライン２７に接続されたインダクタンス調整パターン１３には給電ライン２７から給電電流Ｉ１が供給され、給電電流Ｉ１はインダクタンス調整パターン１３を経由してグランドパターン２２に流れ込む。ここで、給電ライン２７から延設されたループ上のインダクタンス調整パターン１３が給電ライン２７と同じ向きにあるグランドパターンに接続されているので、インダクタンスを効率良く発生させることができる。また、インダクタンス調整パターン１３の矩形導体パターン１３ａはギャップｇを介してキャパシタンス調整パターン１２と容量結合していることから、キャパシタンス調整パターン１２には給電電流Ｉ１に応じた誘導電流Ｉ２が流れる。この誘導電流Ｉ２は接地導体１７を通ってプリント基板２０上のグランドパターン２２に流れ込み、その後、グランドパターン全体から電磁波として輻射されることになる。

以下、プリント基板２０上のグランドパターン全体を使用して電磁場を形成する理由について詳細に説明する。

例えば、ブルートゥース用アンテナの場合、共振周波数ｆ＝２．４３ＧＨｚ（共振波長λ＝）、必要とされる帯域幅ＢＷは３．５％である。ここで、２．０×１．２×１．０ｍｍの基体を用いて、基体の長手方向をアンテナ長Ｌとし、Ｌ＝２ｍｍのブルートゥース用アンテナを構成する場合、アンテナ長の波長比（ａ）は、ａ＝２πＬ／λ＝０．１０２３となる。また、放射効率（η）を０．５（η＝０．５、放射効率５０％）とするとき、Ｑファクタ（Ｑ）は、Ｑ＝η（１＋３ａ^２）／ａ^３（１＋ａ^２）＝４７６.８３６５となる。さらに、ＶＳＷＲ（Ｓ）を２（Ｓ＝２）とするとき、帯域幅（ＢＷ）は、ＢＷ＝（ｓ−１）×１００／（√ｓ×Ｑ）［％］として求められ、ＢＷ＝０．１％となる。つまり、ブルートゥース用アンテナにおいてアンテナ長Ｌ＝２とした場合には、上記帯域幅３．５％を満足することができない。

このように、アンテナ長Ｌがλ／２πよりも小さい超小型チップアンテナにおいては、上記の式より得られるアンテナ特性以上のものをアンテナ素子単体で得ることは理論上不可能である。そのため、超小型チップアンテナの場合にはプリント基板２０上のグランドパターン２２に流れる電流を利用して、グランドパターン２２全体をアンテナとして効率良く動作させることが極めて重要となる。

図７は、プリント基板２０に実装されたアンテナ素子１０の等価回路図である。

図７に示すように、アンテナ素子１０は、給電ラインとグランドとの間に挿入されたＬＣ並列回路である。キャパシタンスＣ１は主としてキャパシタンス調整パターン１２とインダクタンス調整パターン１３の矩形導体パターンとの間のギャップｇによって形成されるものであり、インダクタンスＬ１はインダクタンス調整パターンのループによって形成されるものである。このような等価回路において、キャパシタンスＣ１を変更することにより、アンテナの共振周波数を変更することができる。ここで、ギャップ幅が狭ければＣ１が大きくなるので共振周波数は低くなり、ギャップ幅が広ければＣ１が小さくなるので共振周波数は低くなる。また、インダクタンスＬ１を変更することにより、共振周波数を大きく変化させることなく、アンテナの入力インピーダンスを変更することができる。インダクタンス調整パターン１３のループサイズが大きくなればインダクタンスＬ１は大きくなるので、入力インピーダンスは大きくなり、ループサイズが小さくなればＬ１が小さくなるので、入力インピーダンスは小さくなる。

図８（ａ）乃至（ｃ）は、プリント基板２０上の電流分布のシミュレーション結果を示す模式図であって、（ａ）はアンテナ実装領域２３が基準点（０％）にある場合（サンプルＸ１）、（ｂ）は−２５％の位置にある場合（サンプルＸ２）、（ｃ）はプリント基板２０の短辺の中点にある場合（サンプルＸ３）をそれぞれ示している。なお、シミュレーションに用いる評価用のプリント基板２０は、アンテナ実装領域２３を除いた基板全面がグランドパターンとなっている。図中の矢印は電流の流れる向きを示しており、矢印の濃淡は電流の強さを示している。色の濃い矢印は電流が大きく、色の薄い矢印は電流が小さい。

図８（ａ）に示すように、アンテナ実装領域２３が基準点にある場合には、プリント基板２０上の電流分布は、アンテナ実装領域２３から見てプリント基板２０の長手方向の左右の領域に流れる電流の均衡が保たれていることが分かる。そのため、アンテナ素子１０を含むプリント基板全体からの電磁波の放射効率を高めることができる。

これに対し、図８（ｂ）に示すように、アンテナ実装領域２３が−２５％の位置にある場合には、プリント基板２０上の電流分布は、アンテナ実装領域２３を含む左半分の領域の電流分布と、残りの右半分の領域の電流分布が大きく異なり、左半分の領域で強く、右半分の領域で弱いことが分かる。すなわち、アンテナ実装領域２３から見てプリント基板２０の長手方向の左右の領域に流れる電流の均衡が保たれていないことから、電磁波の放射効率が低下することは容易に想定できる。

さらに図８（ｃ）に示すように、アンテナ実装領域２３がプリント基板２０の短辺に接し且つ短辺の中点に設けられている場合には、アンテナ実装領域２３から見た左右の領域の電流分布の偏りはないが、アンテナ実装領域２３から遠方となる領域で電流が非常に弱くなる。したがって、基板全体から効率良く電磁波を放射しているとは言い難く、図９（ａ）の配置に比べると放射効率が低いものと考えられる。

図９は、図８（ａ）〜（ｃ）に示したアンテナ実装領域２３の各位置で得られる放射効率を示すグラフである。

図９らも明らかなように、アンテナの放射効率は、アンテナ実装領域２３が図８（ａ）の位置であるサンプルＸ１のときに最も大きく、２．４３ＧＨｚ付近において０．８程度となっている。次いで、アンテナ実装領域２３が図８（ｂ）の位置であるサンプルＸ２のときに大きく、０．７３程度となっている。さらに、図８（ｃ）の位置では放射効率が最も小さいことが分かる。

以上説明したように、本実施形態によるアンテナ装置１００は、アンテナ素子１０がプリント基板２０の実装面側のグランドクリアランス領域であるアンテナ実装領域２３内に設けられ、アンテナ素子１０の直下にはグランドパターンが存在しないことから、アンテナ素子１０を含むプリント基板２０の全体をアンテナとして動作させることができる。特に、誘電体からなる基体１１の表面に形成された導体パターンと周囲のグランドパターンとの間で電磁場を効率良く作り出すことができ、これによりアンテナ特性を向上させることができる。また、プリント基板全体をアンテナとして動作させるためには共振周波数や入力インピーダンスの調整することが重要となるが、アンテナ素子１０上のキャパシタンス調整パターン１２やインダクタンス調整パターン１３の形状を変更することにより、そのような調整を容易且つ独立に変更することができる。

また、本実施形態によれば、アンテナ実装領域２３がプリント基板２０の長手方向と直交する方向に細長い矩形状の領域からなり、その縦横比が１．５以上であることから、プリント基板２０の中心側に流れる電流を増加させることができ、これにより５０％以上の放射効率を確保することができる。

また、本実施形態によれば、アンテナ実装領域２３がプリント基板２０の長手方向（Ｙ方向）に沿ったエッジ２０ｅに接し、且つプリント基板２０の長手方向の中点（基準点）Ｐから±２５％以内の範囲に設けられているので、誘電体からなる基体の表面に形成された導体パターンと周囲のグランドパターンとの間で電磁場をさらに効率良く作り出すことができ、アンテナ特性をさらに向上させることができる。

また、本実施形態によれば、グランドクリアランスタイプのアンテナ実装構造であることから、基体１１を低背化したとしてもオングランドタイプのように放射特性が低下することがない。したがって、アンテナブロックの低背化が可能となる。

本発明は、以上の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能であり、それらも本発明の範囲に包含されるものであることは言うまでもない。

例えば、上記実施形態においては、直方体状の基体１１を用いているが、基体１１の形状は実質的に直方体であればよく、基体の各面に上記の導体パターンが形成される限りにおいて、コーナー部が切り欠かれていてもよく、一部にくり貫きが設けられていても構わない。また、プリント基板２０も完全な矩形平板である必要はなく、例えば、基板のコーナーやエッジの途中が切り欠かれた形状であっても構わない。

（実施例１）
プリント基板上のアンテナ実装領域の位置を変化させたときのアンテナ特性を測定した。プリント基板のサイズは８０×３７×１ｍｍ、アンテナ実装領域のサイズは３．０×４．５ｍｍ、アンテナ素子のチップサイズは２．０×１．２×１．０ｍｍであった。ここで、図１０に示すように、サンプルＳ１は、アンテナ実装領域を基板の基準点から５０％、つまりコーナー部に配置した場合であり、サンプルＳ２は基板の基準点（０％）に配置した場合であり、サンプルＳ３は基板の基準点から２５％、つまり基準点とコーナー部との中間位置に配置した場合であり、Ｓ４は基準点から３７．５％、つまりＳ１とＳ３との間の位置に配置した場合である。アンテナ素子の基体の比誘電率εｒ＝３７とし、各サンプルＳ１〜Ｓ４の共振周波数は２．４３ＧＨｚ、入力インピーダンスは５０Ωとなるようにアンテナ素子の導体パターンを調整した。その後、ネットワークアナライザを用いて２．３ＧＨｚ〜２．６ＧＨｚまでの信号を信号ラインから供給し、アンテナ装置のリターンロス及び放射効率を求めた。その結果を図１１（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示す。

図１１（ａ）に示すように、各サンプルＳ１〜Ｓ４のリターンロスは２．４３ＧＨｚ付近で最も小さくなるが、特にサンプルＳ２のリターンロスが最も小さく、次いでＳ３、Ｓ４、Ｓ１の順で小さいことが分かった。また、所望の帯域においてリターンロスが−６ｄＢ以下であるための要求を満たすか否かを示す境界線 "ｓｐｅｃ"で示す領域に含まれないグラフはサンプルＳ２のみであり、サンプルＳ３ではぎりぎり満たすことが分かった。

図１１（ｂ）に示すように、各サンプルＳ１〜Ｓ４の放射効率は２．４３ＧＨｚ付近で最も大きくなるが、特にサンプルＳ２の放射効率が最も大きく、次いでＳ３、Ｓ４、Ｓ１の順で大きいことが分かった。また、所望の帯域において放射効率が−３ｄＢ（５０％）以上であるための要求を満たすか否かを示す境界線 "ｓｐｅｃ"で示す領域に含まれないグラフはサンプルＳ２のみであり、サンプルＳ３ではぎりぎり満たすことが分かった。

（実施例２）
アンテナ実装領域の縦横比を変化させたときのアンテナ特性を測定した。プリント基板のサイズは８０×３７×１ｍｍ、アンテナ実装領域の位置はプリント基板の長手方向の基準点（０％）とし、アンテナ実装領域のサイズ（Ｗａ×Ｗｂ、図５参照）はサンプルＳ５が３×５ｍｍ、サンプルＳ６が３×４．５ｍｍ、サンプルＳ７が３×４ｍｍであった。アンテナ素子のチップサイズは２．０×１．２×１．０ｍｍとし、基体の比誘電率εｒ＝３７とし、各サンプルＳ５〜Ｓ７の共振周波数は２．４３ＧＨｚ、入力インピーダンスは５０Ωとなるようにアンテナ素子の導体パターンを調整した。その後、ネットワークアナライザを用いて２．３ＧＨｚ〜２．６ＧＨｚまでの信号を信号ラインから供給し、アンテナ装置のリターンロス及び放射効率を求めた。その結果を図１２（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示す。

図１２（ａ）に示すように、各サンプルＳ５〜Ｓ７のリターンロスは２．４３ＧＨｚ付近で最も小さくなるが、特にサンプルＳ５のリターンロスが最も小さく、次いでＳ６、Ｓ７の順で小さいことが分かった。また、所望の帯域においてリターンロスが−６ｄＢ以下であるための要求を満たすか否かを示す境界線 "ｓｐｅｃ"で示す領域に含まれないグラフはサンプルＳ５とＳ６であり、サンプルＳ７では要求を満たすことができないことが分かった。

図１２（ｂ）に示すように、各サンプルＳ５〜Ｓ７の放射効率は２．４３ＧＨｚ付近で最も大きくなるが、特にサンプルＳ５の放射効率が最も大きく、次いでＳ６、Ｓ７の順で大きいことが分かった。また、所望の帯域において放射効率が−３ｄＢ（５０％）以上であるための要求を満たすか否かを示す境界線 "ｓｐｅｃ"で示す領域に含まれないグラフはサンプルＳ５とＳ６であり、サンプルＳ７では要求を満たすことができないことが分かった。

１０ アンテナ素子
１１ 基体
１１ａ 基体の上面
１１ｂ 基体の底面
１１ｃ〜１１ｆ 基体の側面
１２ キャパシタンス調整パターン
１２ａ〜１２ｃ 帯状導体パターン
１３ インダクタンス調整パターン
１３ａ 矩形導体パターン
１３ｂ，１３ｃ 直線導体パターン
１４〜１６ 端子電極
１７ 接地導体
２０ プリント基板
２０ｅ プリント基板のエッジ
２０ａ プリント基板の表面
２０ｂ プリント基板の裏面
２１ 絶縁基板
２２ グランドパターン
２３ アンテナ実装領域
２３ａ 第１の辺
２３ｂ 第２の辺
２４〜２６ ランド
２７ 給電ライン
２８ グランドクリアランス領域
１００ アンテナ装置

Claims (5)

1. アンテナ素子と、前記アンテナ素子が実装されたプリント基板とを備え、
   前記アンテナ素子は、略直方体状の誘電体からなる基体と、前記基体の上面及び側面に形成され、互いに平行な第１及び第２の辺と前記第１及び第２の辺を繋ぐ第３の辺とを有する略Ｕ字状のインダクタンス調整パターンと、前記基体の上面に形成され、所定幅のギャップを介して前記インダクタンス調整パターンの前記第１乃至第３の辺と対向配置されたキャパシタンス調整パターンと、前記底面の長手方向の一端に設けられた第１及び第２の端子電極と、前記底面の長手方向の他端に設けられた第３の端子電極とを含み、
   前記プリント基板は、絶縁基板と、前記絶縁基板の表面であってその長手方向に沿ったエッジに接して設けられた略矩形状の絶縁領域であるアンテナ実装領域と、前記エッジによる第１の短辺を除く前記アンテナ実装領域の対向する二長辺及び前記第１の短辺と対向する第２の短辺を画定するように前記絶縁基板の表面に形成されたグランドパターンと、前記エッジに沿って前記アンテナ実装領域内に引き込まれた給電ラインと、前記第１乃至第３の端子電極に対応して前記アンテナ実装領域内に設けられた第１乃至第３のランドと、前記アンテナ実装領域の直下における前記絶縁基板の裏面及び内層において導体パターンが排除されたグランドクリアランス領域とを備え、
   前記アンテナ素子は、前記アンテナ実装領域の対向する前記二長辺を構成する前記グランドパターンの第１の長辺と第２の長辺との間に、前記アンテナ素子の長手方向の一端と前記アンテナ実装領域の前記第１の長辺が対向し、前記アンテナ素子の長手方向の他端と前記アンテナ実装領域の前記第２の長辺が対向するよう架設され、
   前記インダクタンス調整パターンの一端は、前記第１の端子電極及び前記第１のランドを介して前記給電ラインに接続され、
   前記インダクタンス調整パターンの他端は、前記第２の端子電極及び前記第２のランドを介して、前記給電ラインの引き込み側にある前記グランドパターンの前記第１の長辺に接続され、
   前記キャパシタンス調整パターンは、前記第３の端子電極及び前記第３のランドを介して、前記グランドパターンの前記第２の長辺に接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記インダクタンス調整パターンは、
   前記基体の前記上面に形成され、前記キャパシタンス調整パターンと前記ギャップを介して対向位置された第１の導体パターンと、
   前記基体の長手方向と直交する第１の側面に形成され、一端が前記第１の導体パターンに接続され、他端が前記第１の端子電極に接続された第２の導体パターンと、
   前記第１の側面に形成され、一端が前記第１の導体パターンに接続され、他端が接地された第３の導体パターンを含み、
   前記第１乃至第３の導体パターンによるループによってインダクタンスが形成され、前記ループの形状を変更することによって前記インダクタンスが調整されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記キャパシタンス調整パターンは、
   前記基体の前記上面の三辺に沿って形成された略Ｕ字状のキャパシタンス調整パターンを含み、
   前記キャパシタンス調整パターンと前記第１の導体パターンとの間の前記ギャップによってキャパシタンスが形成され、前記キャパシタンス調整パターンの形状を変更することによって前記キャパシタンスが調整されることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記アンテナ実装領域は、前記プリント基板の長手方向と直交する方向に長辺を有し、その縦横比が１．５以上であ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. 前記アンテナ実装領域は、前記プリント基板の前記長手方向の中心から±２５％以内の範囲に設けられ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。

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