JP6001653B2

JP6001653B2 - アンテナ構造体

Info

Publication number: JP6001653B2
Application number: JP2014513424A
Authority: JP
Inventors: ヨン−ジュ・イ; ビュン−チュル・キム; ジュン−ミン・パク
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2032-05-23
Also published as: CN102800928A; CN102800928B; CA2837561A1; MX2013013925A; US9123994B2; EP2528162A1; US20120299783A1; CA2837561C; JP2014519283A; EP2528162B1; WO2012165797A3; BR112013030455B1; AU2012263216B2; KR20120132285A; KR101690259B1; WO2012165797A2; BR112013030455A2; AU2012263216A1

Description

本発明は、無線通信のための小型アンテナに関する。

最近、電波や赤外線伝送方式を用いる近距離通信網であるワイファイ（ＷｉＦｉ）システムは、マルチメディアを含む情報が共有されるネットワーク化された構成要素の間で多様に用いられている。

例えば、デジタルカメラ、カムコーダ、撮影機能を持つ携帯電話などのデジタル撮影装置においても、無線通信機能が加えられることでテレビ、コンピュータ、プリンタなどのような他の電子機器とネットワーキングできる。デジタル撮影装置で撮影した映像が無線で送受信され、映像だけではなく多様な情報を送受信できる。

このような無線通信のためには、一般的に電子機器の内部にアンテナを設ける。ところで、電子機器の小型化につれてさらに多くの機能を具現するために多くの部品が実装されており、電子機器の内部のアンテナ実装のための空間は徐々に縮まりつつある。このため、小型化されたアンテナ構造が必要であり、また、電子機器内でアンテナと近距離に配される金属構造物の影響でアンテナ放射性能が低下するため、これを防止できる設計が必要である。

本発明は、隣接する金属構造物による影響を低減する小型アンテナを提供する。

本発明の一側面によるアンテナ構造体は、基板と、前記基板の下面に配された接地層と、前記基板の上面に配され、放射する信号が給電されるパッチアンテナ部と、前記パッチアンテナ部にショートされるショート・レッグ（ｓｈｏｒｔｉｎｇｌｅｇ）を備え、前記パッチアンテナ部からの信号を放射する３次元構造アンテナ部と、を備える。

前記３次元構造アンテナ部は、前記パッチアンテナ部と所定距離ほど離隔している平面パターン部と、前記平面パターン部から前記パッチアンテナ部に向かって延びる前記ショート・レッグと、を備える。

前記平面パターン部には、周波数チューニングのためのスリットパターンが形成され、前記スリットパターンは、前記平面パターン部の側部から引き込まれた溝状または前記平面パターン部を貫通する開口状である。

前記ショート・レッグは、前記所定距離に対応する長さに突出した突出部と、前記突出部で前記パッチアンテナ部の上面と平行な方向に折り曲げられて延びた接合部と、を備える。

前記３次元構造アンテナ部は、前記平面パターン部の一端から前記パッチアンテナ部に向かって延びる１つ以上のフローティング・レッグを備え、前記１つ以上のフローティング・レッグは、前記ショート・レッグと共に前記平面パターン部を支えるように構成される。

前記３次元構造アンテナ部は、前記ショート・レッグを介して両側に配された第１フローティング・レッグ及び第２フローティング・レッグを備える。

前記第１フローティング・レッグ及び第２フローティング・レッグは、前記基板に固設され、前記第１フローティング・レッグ及び第２フローティング・レッグの端部は、前記基板と平行な方向に折り曲げられた形状を持つ。

前記基板上には、前記第１フローティング・レッグ及び第２フローティング・レッグが前記基板にそれぞれ接合される第１接合パッド及び第２接合パッドがさらに形成される。

前記平面パターン部と前記パッチアンテナ部との間には、誘電体キャリアがさらに設けられ、前記ショート・レッグは、前記誘電体キャリアの上面から側面に沿って下面まで延設される。

前記３次元構造アンテナ部は、前記平面パターン部の一端から前記パッチアンテナ部に向かう方向に突出した１つ以上のフローティング・レッグを備え、前記１つ以上のフローティング・レッグは、前記誘電体キャリアの上面から側面に沿って延設される。

前記パッチアンテナ部には、前記放射する信号がカップリング給電、ライン給電、または同軸給電される。

前記パッチアンテナ部には、周波数チューニングのためのスリットパターンが形成され、前記スリットパターンは、前記平面パターン部の側部から引き込まれた溝状または前記平面パターン部を貫通する開口状である。

前記基板は、ＦＲ４材質からなり、前記基板の内部には、ＲＦ回路及び前記ＲＦ回路からの信号を前記パッチアンテナ部に伝送する伝送線路が内蔵される。

一類型によれば、無線通信機能を持つ電子機器は、前述したアンテナ構造体を備える。

前記電子機器は、金属構造物を備え、前記アンテナ構造体の接地層が前記金属構造物に接合して配される。

本発明によるアンテナ構造体は、小型化された構造を持ち、隣接する金属材質による影響が低減する構造を持っていて放射効率が高い。

したがって、前記アンテナ構造体は、無線通信用電子機器に採用される時、金属材質が隣接して配される内部に配されてもよく、または、金属構造物上に取り付けられてもよく、配置におけるスペースの制約が少ない。

本発明によるアンテナ構造体の概略的な構造を示す分離斜視図である。図１のアンテナ構造体の側面図である。図１のアンテナ構造体のパッチアンテナ部に採用される給電構造の例を示す図面である。図１のアンテナ構造体のパッチアンテナ部に採用される給電構造の例を示す図面である。図１のアンテナ構造体のパッチアンテナ部に採用される給電構造の例を示す図面である。図１のアンテナ構造体のパッチアンテナ部に採用される給電構造の例を示す図面である。図１のアンテナ構造体のパッチアンテナ部に採用される給電構造の例を示す図面である。図１のアンテナ構造体のパッチアンテナ部に採用される給電構造の例を示す図面である。図１のアンテナ構造体のパッチアンテナ部に採用される給電構造の例を示す図面である。図１のアンテナ構造体に周波数チューニングのために採用されるスリットパターンの例を示す図面である。図１のアンテナ構造体に周波数チューニングのために採用されるスリットパターンの例を示す図面である。図１のアンテナ構造体が採用される機器において、隣接して配された金属の影響が低減する放射経路を示す図面である。他の実施形態によるアンテナ構造体の概略的な構造を示す分離斜視図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。以下の図面で同じ参照符号は同じ構成要素を示し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭性及び便宜性のために誇張している。

図１は、本発明によるアンテナ構造体１００の概略的な構造を示す分離斜視図であり、図２は、図１のアンテナ構造体１００の側面図である。

図面を参照すれば、アンテナ構造体１００は、基板１２０と、基板１２０の下面に形成された接地層１１０と、基板１２０の上面に形成されたものであって、放射する信号が給電されるパッチアンテナ部１４０と、パッチアンテナ部１４０にショートされるショート・レッグ（ｓｈｏｒｔｉｎｇｌｅｇ）１５４と、パッチアンテナ部１４０からの信号を放射する放射部が備えられた３次元構造アンテナ部１５０と、を備える。

実施形態によるアンテナ構造体１００のかかる構成は、アンテナ構造体１００を小型化しつつ放射効率を高めるためのものである。アンテナ構造体１００の放射がランダムな方向に生じる場合、アンテナ構造体１００に隣接して配される金属材質の構造物によって性能が劣化する。例えば、アンテナ構造体１００がカメラ内部に配される場合、コンデンサーなどの板金と隣接する。また、それ以外にも無線通信機能を持つ電子機器のほとんどはフレーム、ケース、パネルなど金属材質の構造物を含んでおり、アンテナ構造体１００が機器内部に配される時、金属材質と隣接して放射性能が劣化する。発明者は、２．４ＧＨｚ帯域に設計されたチップアンテナの放射効率が、ワイファイボード状態でと、カメラに実装された場合、それぞれ６０％以上、２５％と差があるということが分かる。このような差を低減させるために、アンテナ構造体１００の放射が所定位置で少なく生じるようにし、その位置を金属材質と隣接する配置になるようにして、機器外部への放射効率を高める構造を提示している。

さらに具体的な構成及び作用を説明すれば、次の通りである。

基板１２０としては、多様な素材の絶縁性基板が採用される。基板１２０は、例えば、ＦＲ４材質からなる。

基板１２０の上下面にそれぞれ形成されたパッチアンテナ部１４０及び接地層１１０は、両金属の内部に共振モードを作り、また３次元構造アンテナ部１５０によって発生する共振と結合させる役割を行う。この時、接地層１１０は、アンテナ構造体１００と隣接する所にある金属の影響を低減させる役割を行う。アンテナ構造体１００が使われる時、アンテナ構造体１００が放射する信号を形成するＲＦ回路を含むＰＣＢ基板が共に配され、接地層１１０は、このようなＰＣＢ基板のグラウンドとショートされる。このようなＲＦ回路は、基板１２０の内部に内蔵されてもよく、また、ＲＦ回路での信号をパッチアンテナ部１４０に伝送する伝送線路が基板１２０の内部に共に内蔵されてもよい。

パッチアンテナ部１４０は、放射する信号が給電される給電ラインＦＬを備える。また、パッチアンテナ部１４０には、周波数チューニングのためのスリットパターンが形成される。図面には、２つのスリットパターンが形成されたように図示されているが、これは例示的なものであり、１つまたは３つ以上のスリットパターンが形成されてもよく、スリットパターンが形成されなくてもよい。また、スリットパターンの形状も、図面には側部から引き込まれた溝状に図示されているが、これに制限されるものではなく、例えば、開口状になっていてもよい。パッチアンテナ部１４０において、給電ラインＦＬの構造を含む具体的な形状は、図示された形状に制限されず、信号の周波数や給電方式によって多様に変形される。これについては、後述する。

３次元構造アンテナ部１５０は、パッチアンテナ部１４０にショートされるショート・レッグ１５４と、パッチアンテナ部１４０からの信号を放射する放射部と、を備える。３次元構造アンテナ部１５０は、パッチアンテナ部１４０と共に放射する信号の周波数帯域の共振モードを形成するためのものであり、３次元構造アンテナ部１５０は、パッチアンテナ部１４０の長さを延ばす役割を行う。３次元構造アンテナ部１５０を取り入れることでパッチアンテナ部１４０のサイズを縮小できる。例えば、パッチアンテナ部１４０のみで２．４ＧＨｚ帯域を設計する場合、概ね３０×３０ｍｍ^２のサイズになるが、３次元構造アンテナ部１５０を採用する場合、パッチアンテナ部１４０のサイズが概ね７．５×４ｍｍ^２に縮小する。

さらに具体的に説明すれば、３次元構造アンテナ部１５０は、パッチアンテナ部１４０と所定距離ほど離隔している平面パターン部１５２を備え、ショート・レッグ１５４及び放射部は、平面パターン部１５２の一端でパッチアンテナ部１４０に向かって延びた形態を持つ。

平面パターン部１５２の具体的な形状は、放射する信号の周波数によって適宜に設計されるものであり、図示された形状に制限されるのではない。平面パターン部１５２には、周波数チューニングのためのスリットパターンが形成される。図面には平面パターン部１５２の１つのスリットパターンが図示されているが、これは例示的なものであり、複数のスリットパターンが形成されてもよく、スリットパターンが形成されていなくてもよい。また、スリットパターンの形状も、図面には平面パターン部１５２の側部から引き込まれた溝状に図示されているが、これに制限されるものではなく、例えば、開口状のスリットパターンが形成されてもよい。

ショート・レッグ１５４は、平面パターン部１５２とパッチアンテナ部１４０とが離隔している距離に対応する長さに突出している突出部と、前記突出部でパッチアンテナ部１４０の上面と平行な方向に折り曲げられて延びる接合部と、を備える。接合部は、パッチアンテナ部１４０にショートされる。

放射部は、平面パターン部１５２の一端からパッチアンテナ部１４０に向かう方向に突出する１つ以上のフローティング・レッグを備え、１つ以上のフローティング・レッグは、ショート・レッグ１５４と共に平面パターン部１５２を支えるように構成される。放射部は、図示されたように、第１フローティング・レッグ１５６及び第２フローティング・レッグ１５８で形成され、第１フローティング・レッグ１５６及び第２フローティング・レッグ１５８は、ショート・レッグ１５４を介して両側に配される。但し、図示された数、位置、形状に制限されるものではない。

第１フローティング・レッグ１５６及び第２フローティング・レッグ１５８は、平面パターン部１５２を支えるように基板１２０に固定され、このために、第１フローティング・レッグ１５６及び第２フローティング・レッグ１５８の端部は、基板１２０と平行な方向に折り曲げられた形状を持つ。また、基板１２０上には、第１フローティング・レッグ１５６及び第２フローティング・レッグ１５８が基板１２０にそれぞれ接合される第１接合パッド１３１及び第２接合パッド１３２がさらに形成される。

図３Ａないし図３Ｇは、図１のアンテナ構造体１００のパッチアンテナ部１４０の多様な形状及びこれに採用される給電構造の例を示す。

パッチアンテナ部１４０の給電方式としては、ライン給電、カップリング給電または同軸給電方式が採用される。

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃは、給電ラインＦＬを通じて信号が直接給電されるライン給電の例を示す。パッチアンテナ部１４０の形状は、図示された円形、方形以外にも多様な形状に変形される。

図３Ｄは、同軸給電方式を示し、図３Ｅ、図３Ｆ及び図３Ｇは、カップリング給電の例を示す。図３Ｅのように、給電ラインＦＬがパッチアンテナ部１４０と同一平面上に配されるか、または、図３Ｆのように給電ラインＦＬがパッチアンテナ部１４０と異なる平面、例えば、基板１２０の内部に配される。図３Ｇは、スロットカップリングの例として、基板１２０の下面にはスロットが備えられた接地層１１０’が形成され、接地層１１０’の下部に給電ラインＦＬが形成された構造である。給電ラインＦＬは、接地層１１０’の下部に配された誘電体層１２０’の内部あるいは表面に形成される。

図４及び図５は、図１のアンテナ構造体１００の平面パターン部１５２またはパッチアンテナ部１４０に、周波数チューニングのために採用されるスリットパターンの例を示す。

図４を参照すれば、スリットパターンＳは、平面パターン部１５２またはパッチアンテナ部１４０の側部から引き込まれた溝状を持ち、幅ｗ及び長さｄを、周波数チューニングのために適宜に調節する。スリットパターンＳの位置数は、図示された形状に制限されない。

図５を参照すれば、スリットパターンＳは、平面パターン部１５２またはパッチアンテナ部１４０を貫通する開口状に形成されている。開口の幅ｗ及び長さｄを、周波数チューニングのために適宜に調節する。開口の形状も、図示された方形に限定されるものではない。

図４及び図５に例示されたスリットパターンＳが、平面パターン部１５２、パッチアンテナ部１４０に組み合わせられて適用されてもよい。

図６は、図１のアンテナ構造体１００が採用される機器において、隣接して配された金属の影響が低減する放射経路を示す。アンテナ構造体１００の下部に形成された接地層１１０によって、アンテナ構造体１００の下部への放射は低減し、アンテナ構造体１００の上部への放射が相対的に多くなる。よって、アンテナ構造体１００を無線通信機能の要求される電子機器の内部に配する時、アンテナ構造体１００の接地層１１０を機器内部の金属構造物と隣接させるか、または、金属構造物上に取り付けられるように配して機器外部への放射効率を高める。発明者は、２．４ＧＨｚ帯域に設計された実施形態のアンテナ構造体１００の放射効率が、ワイファイボード状態で６０％であり、カメラに実装された場合にも約５２％であり、隣接金属の影響による効率減少が非常に少ないということが分かる。

図７は、他の実施形態によるアンテナ構造体２００の概略的な構造を示す分離斜視図である。

本実施形態のアンテナ構造体２００は、３次元構造アンテナ部１５０の平面パターン部１５２とパッチアンテナ部１４０との間には誘電体キャリア２２０がさらに設けられるという点で、図１のアンテナ構造体１００と差がある。

誘電体キャリア２２０が備えられる場合、平面パターン部１５２が誘電体キャリア２２０の上面に形成され、ショート・レッグ１５４は、誘電体キャリア２２０の上面から側面に沿って下面まで延設された形態を持つ。

また、放射部は、平面パターン部１５２の一端からパッチアンテナ部１４０に向かう方向に突出した１つ以上のフローティング・レッグを備え、前記１つ以上のフローティング・レッグは、誘電体キャリア２２０の上面から側面に沿って延設された形態を持つ。図面には、第１フローティング・レッグ１５６及び第２フローティング・レッグ１５８が図示されているが、数や位置が図示された形態に限定されるものではない。

誘電体キャリア２２０の材質は、誘電体物質であり、比誘電率が１より大きい材質からなり、これによって、同じ周波数帯域を設計するに際して、図１のアンテナ構造体１００より全体的なサイズを縮小できる。また、誘電体キャリア２２０は、３次元構造アンテナ部１５０を基板１２０上に固定させる役割を兼ねるため、第１フローティング・レッグ１５６、第２フローティング・レッグ１５８を基板１２０上に固定させる第１接合パッド１３１、第２接合パッド１３２は備えなくてもよい。よって、第１フローティング・レッグ１５６、第２フローティング・レッグ１５８は、その端部が基板１２０面と平行な方向に折り曲げられた形態を持たなくてもよい。

誘電体キャリア２２０の形状は、図示された形状に制限されず、ショート・レッグ１５４や第１フローティング・レッグ１５６、第２フローティング・レッグ１５８の形態も誘電体キャリア２２０の形状と共に変形される。

前記実施形態は例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これより多様な変形及び均等な他の実施形態が可能である。よって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲に記載の発明の技術的思想によって定められねばならない。

本発明は、アンテナ構造体関連の技術分野に好適に用いられる。

１００、２００アンテナ構造体
１１０接地層
１２０基板
１３１第１接合パッド
１３２第２接合パッド
１４０パッチアンテナ部
１５０３次元構造アンテナ部
１５２平面パターン部
１５４ショート・レッグ
１５６第１フローティング・レッグ
１５８第２フローティング・レッグ
２２０誘電体キャリア

Claims

基板と、
前記基板の下面に配された接地層と、
前記基板の上面に配され、放射する信号が給電されるパッチアンテナ部と、
前記パッチアンテナ部にショートされるショート・レッグを備え、前記パッチアンテナ部からの信号を放射する３次元構造アンテナ部と、を備え、
前記３次元構造アンテナ部は、
前記パッチアンテナ部と所定距離ほど離隔している平面パターン部と、
前記平面パターン部から前記パッチアンテナ部に向かって延びる前記ショート・レッグと、を備えてなり、
前記３次元構造アンテナ部は、
前記平面パターン部の一端から前記パッチアンテナ部に向かって延びる１つ以上のフローティング・レッグを備え、
前記１つ以上のフローティング・レッグは、前記ショート・レッグと共に前記平面パターン部を支えるように構成されるアンテナ構造体。
前記平面パターン部には、周波数チューニングのためのスリットパターンが形成され、
前記スリットパターンは、
前記平面パターン部の側部から引き込まれた溝状または前記平面パターン部を貫通する開口状である請求項１に記載のアンテナ構造体。
前記平面パターン部と前記パッチアンテナ部との間には、誘電体キャリアがさらに設けられた請求項１に記載のアンテナ構造体。
前記ショート・レッグは、前記誘電体キャリアの上面から側面に沿って下面まで延設された請求項３に記載のアンテナ構造体。
前記ショート・レッグは、
前記所定距離に対応する長さに突出した突出部と、
前記突出部で前記パッチアンテナ部の上面と平行な方向に折り曲げられて延びた接合部と、を備える請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載のアンテナ構造体。
前記３次元構造アンテナ部は、
前記ショート・レッグを介して両側に配された第１フローティング・レッグ及び第２フローティング・レッグを備える請求項１に記載のアンテナ構造体。
前記第１フローティング・レッグ及び第２フローティング・レッグは、前記基板に固設された請求項６に記載のアンテナ構造体。
前記第１フローティング・レッグ及び第２フローティング・レッグの端部は、前記基板と平行な方向に折り曲げられた形状を持つ請求項７に記載のアンテナ構造体。
前記基板上には、前記第１フローティング・レッグ及び第２フローティング・レッグが前記基板にそれぞれ接合される第１接合パッド及び第２接合パッドがさらに形成された請求項７に記載のアンテナ構造体。
前記パッチアンテナ部には、周波数チューニングのためのスリットパターンが形成され、
前記スリットパターンは、
前記平面パターン部の側部から引き込まれた溝状または前記平面パターン部を貫通する開口状である請求項１に記載のアンテナ構造体。
無線通信機能を持つ電子機器において、
請求項１から１０のいずれか１項に記載のアンテナ構造体を備える電子機器。
前記電子機器は金属構造物を備え、
前記アンテナ構造体の接地層が前記金属構造物に接合して配される請求項１１に記載の電子機器。