説明

アンテナ装置

【課題】 省スペース化が可能であると共に、アンテナ間の相互結合を低減することができ、さらに柔軟に相互結合レベル等の調整が可能なアンテナ装置を提供すること。
【解決手段】 基板本体2と、基板本体表面に形成されたグランド面GND、第1アンテナエレメント3、第2アンテナエレメント4および中間エレメント5を備え、第1および第2アンテナエレメントが、互いに離間して配され、グランド面側に配した基端に別々の給電点FPが設けられていると共にグランド面から離間する方向に延びる基端側延在部E1を少なくとも有し、中間エレメントが、グランド面から離間して配され第1および第2アンテナエレメントの基端側延在部にインダクタンス成分を有する一対の両端延在部5aが接続されていると共に一対の両端延在部の間にインダクタ5Lとコンデンサ5Cとが並列接続されて相互結合抑制部を構成している。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、同一基板上に2つのアンテナを有して各アンテナの相互結合を低減可能なアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、通信機器において、同一基板上に同一の周波数帯を使用するシステムが開発されている。例えば、Bluetooth(登録商標)やワイヤレスLAN等の2.4GHz帯の通信システムが挙げられる。このような同一基板上に同一周波数のアンテナを設計する場合、各アンテナ間は互いに影響し合い、その結果、各アンテナ性能が劣化してしまう問題がある。このため、各アンテナの相互結合を低減するためには、各アンテナ間距離を離す必要があり、アンテナ領域が増大して装置全体の大型化を招いてしまう。
【0003】
このような相互結合の対策として、従来、例えば特許文献1では、移動通信システムに使用される一対のパッチアンテナ間の結合を中和するアンテナの相互結合中和器であって、第1及び第2キャパシタ、第1および第2終端を設け、対をなすパッチアンテナ間の逆の相互結合を予め定められた周波数帯域にわたって中和するように選択された構成が提案されている。
【0004】
また、特許文献2には、グランド板上に対称に配置される一対のL字型折り返しモノポール、ブリッジ部、放射ストリップ部、直角に立ち上がる給電ストリップ部、短絡ストリップ部を有したアンテナ装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平10−178314号公報
【特許文献2】特開2009−206847号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、上記従来の技術においても、以下の課題が残されている。
すなわち、特許文献1に記載の相互結合中和器では、対をなすパッチアンテナ間の逆の相互結合を予め定められた周波数帯域にわたって中和するために、キャパシタを予め定められた大きさに形成する必要がある。また、各アンテナから引き出した同等振幅逆位相で注入する必要があり、アンテナレイアウトが複雑化し、小型化を含め、容易にアンテナや相互結合を調整することが困難であった。
また、特許文献2に記載のアンテナ装置では、給電ストリップ部の端部からブリッジ部までの距離により素子間相互結合を調整するため、不安定要素が大きく、生産性に乏しいと同時に、小型化が困難であった。さらに、近接した短絡ストリップ部同士の結合が発生し、グランド側への高周波電流の影響で、グランドを介して相互結合してしまい、グランドサイズ、アンテナサイズ等の設計条件に左右され、十分な相互結合抑制の実現は困難であった。
【0007】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、省スペース化が可能であると共に、アンテナ間の相互結合を低減することができ、さらにフレキシブルに相互結合レベル等の調整が可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第1の発明のアンテナ装置は、絶縁性の基板本体と、該基板本体の表面にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランド面、第1アンテナエレメント、第2アンテナエレメントおよび中間エレメントを備え、前記第1アンテナエレメントおよび前記第2アンテナエレメントが、互いに離間して配され、それぞれ前記グランド面側に配した基端に別々の給電点が設けられていると共に前記グランド面から離間する方向に前記給電点から延びる基端側延在部を少なくとも有し、前記中間エレメントが、前記グランド面から離間して配され前記第1アンテナエレメントの前記基端側延在部と前記第2アンテナエレメントの前記基端側延在部とにインダクタンス成分を有する一対の両端延在部が接続されていると共に前記一対の両端延在部の間にインダクタとコンデンサとが並列接続されて相互結合抑制部を構成していることを特徴とする。
【0009】
このアンテナ装置では、中間エレメントが、グランド面から離間して配され第1アンテナエレメントの基端側延在部と第2アンテナエレメントの基端側延在部とにインダクタンス成分を有する一対の両端延在部が接続されていると共に一対の両端延在部の間にインダクタとコンデンサとが並列接続されて相互結合抑制部を構成しているので、第1アンテナエレメントで構成されるアンテナと第2アンテナエレメントで構成されるアンテナとの間の相互結合を低減することができ、高性能なアンテナ特性を得ることができる。すなわち、中間エレメントの一対の両端延在部で得られるインダクタンス成分と、一対の両端延在部とグランド面との間の浮遊容量と、インダクタとコンデンサとの並列共振とにより、グランド面への高周波電流の流れを抑制すると共に、各アンテナ間におけるインピーダンスを高インピーダンスにすることで、相互結合レベルを抑制することができる。また、第1アンテナエレメントと第2アンテナエレメントとの中央部に設けられた並列共振部分のインダクタのインダクタンスとコンデンサのキャパシタンスとを適宜設定することで、相互結合抑制レベル、相互結合帯域幅および抑制する相互結合周波数をフレキシブルに調整可能である。
【0010】
第2の発明のアンテナ装置は、第1の発明において、前記第1アンテナエレメントおよび前記第2アンテナエレメントが、それぞれ前記基端側延在部の先端から前記基端側延在部に直交する方向であって前記第1アンテナエレメントと前記第2アンテナエレメントとで互いに反対方向に延びる先端側延在部と、それぞれ前記基端側延在部の途中に一端が接続され他端が前記給電点から離間した位置で前記グランド面に接続されたグランド接続延在部とを有し、前記グランド接続延在部に高インピーダンス用受動素子が接続されていることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、第1アンテナエレメントおよび第2アンテナエレメントが、それぞれ基端側延在部の途中に一端が接続され他端が給電点から離間した位置でグランド面に接続されたグランド接続延在部を有し、グランド接続延在部に高インピーダンス用受動素子が接続されているので、各アンテナエレメントが逆F型アンテナを構成すると共に高インピーダンス用受動素子によりグランド面への高周波電流の流れが抑制される。これにより、第1アンテナエレメントと第2アンテナエレメントとの間隔をより狭めることができ、さらに小型化を図ることが可能になる。
【0011】
第3の発明のアンテナ装置は、第2の発明において、前記先端側延在部の先端部に誘電体アンテナのアンテナ素子が設けられていることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、先端側延在部の先端部に誘電体アンテナのアンテナ素子が設けられているので、誘電体アンテナであるアンテナ素子の選択によって、先端側延在部を短くでき、小型化および高性能化が可能になる。
【0012】
第4の発明のアンテナ装置は、第1から第3のいずれかの発明において、前記基端側延在部に調整用受動素子が接続されていることを特徴とする。
すなわち、このアンテナ装置では、基端側延在部に調整用受動素子が接続されているので、調整用受動素子の設定により第1アンテナエレメントおよび第2アンテナエレメントの共振周波数等の調整が可能になる。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明のアンテナ装置によれば、中間エレメントが、グランド面から離間して配され第1アンテナエレメントの基端側延在部と第2アンテナエレメントの基端側延在部とにインダクタンス成分を有する一対の両端延在部が接続されていると共に一対の両端延在部の間にインダクタとコンデンサとが並列接続されて相互結合抑制部を構成しているので、第1アンテナエレメントで構成されるアンテナと第2アンテナエレメントで構成されるアンテナとの間の相互結合を低減することができ、小型化が可能で高性能なアンテナ特性を得ることができる。したがって、同一基板上にBluetooth(登録商標)やワイヤレスLAN等の同一周波数帯を使用する2つのアンテナを設計する場合に、アンテナ間の距離を大きく離さなくても相互結合によるアンテナ性能の劣化を抑制でき、省スペース化(小型化、薄型化)が可能である。さらに、相互結合レベルや相互結合の周波数帯をフレキシブルに調整することができ、多様な用途や機器に対応した相互結合対策が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明に係るアンテナ装置の一実施形態において、アンテナ装置を示す平面図である。
【図2】本実施形態において、アンテナ装置を示す模式的な等価回路図である。
【図3】本実施形態において、アンテナ素子を示す斜視図(a)、平面図(b)、正面図(c)、底面図(d)および背面図(e)である。
【図4】本実施形態において、アンテナA,アンテナBおよびこれらの相互結合のリターンロス測定結果を示すグラフである。
【図5】相互結合抑制部が無い場合において、アンテナAとアンテナBとの間の相互結合のリターンロス測定結果を示すグラフである。
【図6】相互結合抑制部が無い場合のアンテナAとアンテナBとの距離が小さい場合および大きい場合と、本実施形態の場合とにおける相互結合のリターンロス測定結果を示すグラフである。
【図7】本実施形態において、キャパシタンスを変えた場合の相互結合のリターンロス測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を、図1から図7を参照しながら説明する。
【0016】
本実施形態におけるアンテナ装置1は、図1に示すように、絶縁性の基板本体2と、該基板本体2の表面にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランド面GND、第1アンテナエレメント3、第2アンテナエレメント4および中間エレメント5を備えている。
上記第1アンテナエレメント3および第2アンテナエレメント4は、互いに離間して配され、それぞれグランド面GND側に配した基端に別々の給電点FPが設けられていると共にグランド面GNDから離間する方向に給電点FPから延びる基端側延在部E1と、該基端側延在部E1の先端から基端側延在部E1に直交する方向であって第1アンテナエレメント3と第2アンテナエレメント4とで互いに反対方向に延びる先端側延在部E2とを有している。
【0017】
また、第1アンテナエレメント3および第2アンテナエレメント4は、それぞれ基端側延在部E1の途中に一端が接続され他端が給電点FPから離間した位置でグランド面GNDに接続されたグランド接続延在部E3を有している。これらのグランド接続延在部E3には、それぞれ高インピーダンス用受動素子P1,P3が接続されている。
さらに、各基端側延在部E1の途中には、調整用受動素子P2,P4が接続されている。
上記高インピーダンス用受動素子P1,P3および調整用受動素子P2,P4は、例えばインダクタ、コンデンサまたは抵抗が採用される。
【0018】
上記中間エレメント5は、グランド面GNDから離間して配され第1アンテナエレメント3の基端側延在部E1の中間部と第2アンテナエレメント4の基端側延在部E1の中間部とにインダクタンス成分を有する一対の両端延在部5aが接続されていると共に一対の両端延在部5aの間にインダクタ5Lとコンデンサ5Cとが並列接続されて相互結合抑制部を構成している。すなわち、中間エレメント5の一対の両端延在部5aは、並列共振部分となるインダクタ5Lとコンデンサ5Cとの接続部分5bよりも幅狭な線状にパターン形成されており、図2に示すように、インダクタンス成分Lを有している。また、一対の両端延在部5aとグランド面GNDとの間には、それぞれ浮遊容量Cが発生している。
【0019】
なお、上記相互結合抑制部には、受動素子であるインダクタ5Lおよびコンデンサ5Cが一つずつ並列に接続されているが、複数のインダクタまたはコンデンサを並列共振可能に並列接続しても構わない。
また、相互結合抑制レベルを大きく確保したい場合には、コンデンサ5Cのキャパシタンスを所望の共振周波数に対して高インピーダンスに設定することが望ましい。
【0020】
また、相互結合抑制レベルよりも相互結合帯域幅を優先したい場合には、逆にコンデンサ5Cのキャパシタンスを所望の共振周波数に対して低インピーダンスに設定することが望ましい。
これらのキャパシタンス設定条件を踏まえ、インダクタ5Lのインダクタンスを用いて所望の共振周波数に設定することで、相互結合抑制レベルおよび抑制周波数の調整がフレキシブルに可能になる。
【0021】
また、各先端側延在部E2の先端部には、誘電体アンテナのアンテナ素子ATが設けられている。これらアンテナ素子ATは、所望の共振周波数に自己共振しないローディング素子であって、例えば図3に示すように、セラミックス等の誘電体21の表面にAg等の導体パターン22が形成されたチップアンテナである。これらのアンテナ素子ATは、共振周波数等の設定に応じて、その長さ、幅、導体パターン22等が互い異なる素子を選択しても構わないと共に、同じ素子を選択しても構わない。なお、これらのアンテナ素子ATは、先端側延在部E2の延在方向に沿って設置されている。すなわち、先端側延在部E2およびアンテナ素子ATは、対向するグランド面GNDの端辺に沿って平行に配されている。
【0022】
上記基板本体2は、一般的なプリント基板であって、本実施形態では、長方形状のガラスエポキシ樹脂等からなるプリント基板の本体を採用している。
上記給電点FPには、例えば高周波回路に接続された同軸ケーブル(図示略)の芯線が接続され、該同軸ケーブルのグランド線は、グランド面GNDに接続される。
【0023】
なお、アンテナ占有面積(第1アンテナエレメント3、第2アンテナエレメント4および中間エレメント5からなるアンテナ領域周辺のグランド面GNDを抜いた領域)は、大きい方がアンテナ特性として望ましく、他の構成は、以下の条件に設定することが好ましい。
すなわち、上記第1アンテナエレメント3と第2アンテナエレメント4との距離は、所望の共振周波数の波長に対して4分の1以上離して配置されることが望ましい。
【0024】
また、高インピーダンス用受動素子P1,P3は、グランド面GND側への高周波電流の抑制を考慮し、所望の共振周波数に対して高インピーダンスにすることが望ましい。
また、第1アンテナエレメント3と第2アンテナエレメント4との各給電パターンである基端側延在部E1に接続される一対の両端延在部5aは、互いに直線状に形成されていることが望ましい。
【0025】
さらに、中間エレメント5とグランド面GNDとの距離は、アンテナ占有面積、アンテナ距離(第1アンテナエレメント3と第2アンテナエレメント4との距離)および所望の共振周波数により異なるが、グランド面GND側とは疎結合になるように設定することが望ましい。ただし、中間エレメント5がアンテナ素子ATに近すぎると高インピーダンス同士であるため好ましくなく、アンテナ素子ATに対してある程度の距離を設けることが望ましい。例えば、基端側延在部E1の長さ、中間エレメント5とグランド面GNDとの距離により異なるが、アンテナ素子ATとグランド面GNDとの中間点よりも給電点FPに近い位置に中間エレメント5を設けることが望ましい。
また、並列共振部分のコンデンサ5Cのキャパシタンス値は所望の共振周波数に対して高インピーダンスにすることが望ましい。
【0026】
このように本実施形態のアンテナ装置1では、中間エレメント5が、グランド面GNDから離間して配され第1アンテナエレメント3の基端側延在部E1と第2アンテナエレメント4の基端側延在部E1とにインダクタンス成分を有する一対の両端延在部5aが接続されていると共に一対の両端延在部5aの間にインダクタ5Lとコンデンサ5Cとが並列接続されて相互結合抑制部を構成しているので、第1アンテナエレメント3で構成されるアンテナと第2アンテナエレメント4で構成されるアンテナとの間の相互結合を低減することができ、高性能なアンテナ特性を得ることができる。
【0027】
すなわち、図2に示すように、中間エレメント5の一対の両端延在部5aで得られるインダクタンス成分Lと、一対の両端延在部5aとグランド面GNDとの間の浮遊容量Cと、インダクタ5Lとコンデンサ5Cとの並列共振とにより、グランド面GNDへの高周波電流の流れを抑制すると共に、各アンテナ間におけるインピーダンスを高インピーダンスにすることで、相互結合レベルを抑制することができる。また、第1アンテナエレメント3と第2アンテナエレメント4との中央部に設けられた並列共振部分のインダクタ5Lのインダクタンスとコンデンサ5Cのキャパシタンスとを適宜設定することで、相互結合抑制レベル、相互結合帯域幅および抑制する相互結合周波数をフレキシブルに調整可能である。
【0028】
また、第1アンテナエレメント3および第2アンテナエレメント4が、それぞれ基端側延在部E1の途中に一端が接続され他端が給電点FPから離間した位置でグランド面GNDに接続されたグランド接続延在部E3を有し、グランド接続延在部E3に高インピーダンス用受動素子P1,P3が接続されているので、各アンテナエレメント3,4が逆F型アンテナを構成すると共に高インピーダンス用受動素子P1,P3によりグランド面GNDへの高周波電流の流れが抑制される。これにより、第1アンテナエレメント3と第2アンテナエレメント4との間隔をより狭めることができ、さらに小型化を図ることが可能になる。
【0029】
さらに、先端側延在部E2の先端部に誘電体アンテナのアンテナ素子ATが設けられているので、誘電体アンテナであるアンテナ素子ATの選択によって、先端側延在部E2を短くでき、小型化および高性能化が可能になる。
また、基端側延在部E1に調整用受動素子P2,P4が接続されているので、調整用受動素子P2,P4の設定(定数変更等)により第1アンテナエレメント3および第2アンテナエレメント4の共振周波数等の調整が可能になる。
【実施例】
【0030】
次に、本実施形態のアンテナ装置を実際に作製した実施例1について、第1アンテナエレメント3で構成されるアンテナA、第2アンテナエレメント4で構成されるアンテナBおよびこれらの相互結合(アイソレーション)のリターンロスを測定した。その測定結果を図4に示す。
【0031】
なお、インダクタンスL:3.3nHのインダクタ5Lと、キャパシタンスC:0.3pFのコンデンサ5Cを使用した。また、基板本体2のサイズは、50mm×50mmとし、第1アンテナエレメント3と第2アンテナエレメント4との間隔(一対の基端側延在部E1の間隔)は、10mmとした。さらに、高インピーダンス用受動素子P1,P3は5.6nHを使用し、調整用受動素子P2は11nH、調整用受動素子P4は12nHを使用した。
この測定結果からわかるように、第1アンテナエレメント3で構成されるアンテナAと第2アンテナエレメント4で構成されるアンテナBとの間の相互結合が、−28.3dB(2500MHz)であり、所望の周波数において相互結合が大幅に抑制されている。
【0032】
なお、比較例1として相互結合抑制部である中間エレメント5が無いものを上記実施例1と同条件で作製した。この比較例1について、アンテナAとアンテナBとの間の相互結合のリターンロスを測定した結果を図5に示す。ここでは、高インピーダンス用受動素子P1,P3は4.7nHを使用し、調整用受動素子P2は8.2nH,調整用受動素子P4は12nHを使用した。この測定結果からわかるように、比較例1では、各アンテナ間の相互結合が−8.7dB(2500MHz)と大きく、各アンテナの性能が劣化してしまっている。
【0033】
次に、比較例2として相互結合抑制部が無い場合でアンテナAとアンテナBとの距離が20mmと大きいものを作製した。この比較例2と上記アンテナ間距離が10mmの比較例1と上記実施例1とにおける相互結合のリターンロス測定結果を図6に示す(図6中、比較例1は「アンテナ間距離:10mm/本発明:無」、比較例2は「アンテナ間距離:20mm/本発明:無」、本実施例1は「アンテナ間距離:10mm/本発明:有」と記載)。これらの測定結果からわかるように、アンテナ間距離が10mmの比較例1に対してアンテナ間距離を2倍にした比較例2では、3dB程度しか相互結合の抑制が改善できないのに対し、相互結合抑制部である中間エレメント5を設けた本発明の実施例1では、大幅に相互結合が抑制されている。
【0034】
次に、本発明の実施例において、コンデンサCのキャパシタンス値を0.3pFから1.0pFに変更した実施例2について、各アンテナの相互結合のリターンロス測定結果を図7に示す。なお、上記比較例1および上記実施例1についても、図7に併せて図示する(図7中、比較例1は「アンテナ間距離:10mm/本発明:無」、実施例1は「アンテナ間距離:10mm/本発明:有(C=0.3pF)」、実施例2は「アンテナ間距離:10mm/本発明:有(C=1.0pF)」と記載)。これらの測定結果からわかるように、キャパシタンス値を変更した実施例2では、実施例1に比べて相互結合の抑制レベルが変化している。
【0035】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、上記第1アンテナエレメントと第2アンテナエレメントとは、同一の周波数帯を使用するアンテナを構成するが、互いに異なる周波数帯を使用するアンテナとしても構わない。
【符号の説明】
【0036】
1…アンテナ装置、2…基板本体、3…第1アンテナエレメント、4…第2アンテナエレメント、5…中間エレメント、5a…両端延在部、5L…インダクタ、5C…コンデンサ、AT…アンテナ素子、E1…基端側延在部、E2…先端側延在部、E3…グランド接続延在部、GND…グランド面、P1,P3…高インピーダンス用受動素子、P2,P4…調整用受動素子、FP…給電点

【特許請求の範囲】
【請求項1】
絶縁性の基板本体と、
該基板本体の表面にそれぞれ金属箔でパターン形成されたグランド面、第1アンテナエレメント、第2アンテナエレメントおよび中間エレメントを備え、
前記第1アンテナエレメントおよび前記第2アンテナエレメントが、互いに離間して配され、それぞれ前記グランド面側に配した基端に別々の給電点が設けられていると共に前記グランド面から離間する方向に前記給電点から延びる基端側延在部を少なくとも有し、
前記中間エレメントが、前記グランド面から離間して配され前記第1アンテナエレメントの前記基端側延在部と前記第2アンテナエレメントの前記基端側延在部とにインダクタンス成分を有する一対の両端延在部が接続されていると共に前記一対の両端延在部の間にインダクタとコンデンサとが並列接続されて相互結合抑制部を構成していることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項2】
請求項1に記載のアンテナ装置において、
前記第1アンテナエレメントおよび前記第2アンテナエレメントが、それぞれ前記基端側延在部の先端から前記基端側延在部に直交する方向であって前記第1アンテナエレメントと前記第2アンテナエレメントとで互いに反対方向に延びる先端側延在部と、それぞれ前記基端側延在部の途中に一端が接続され他端が前記給電点から離間した位置で前記グランド面に接続されたグランド接続延在部とを有し、前記グランド接続延在部に高インピーダンス用受動素子が接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項3】
請求項2に記載のアンテナ装置において、
前記先端側延在部の先端部に誘電体アンテナのアンテナ素子が設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項4】
請求項1から3のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
前記基端側延在部に調整用受動素子が接続されていることを特徴とするアンテナ装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2012−212998(P2012−212998A)
【公開日】平成24年11月1日(2012.11.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−76902(P2011−76902)
【出願日】平成23年3月30日(2011.3.30)
【出願人】(000006264)三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Fターム(参考)】