平面アンテナ及びそれを具備する無線装置
【課題】従来のアンテナよりも低背であり、かつ従来の平面アンテナと同等の周波数帯域に対応可能である平面アンテナを提供する。
【解決手段】本発明に係る平面アンテナは、複数のアンテナ素子が並列に接続されたアンテナ素子群とグランド部とを有する平面アンテナであって、アドミタンスを複素数表示した場合、前記複数のアンテナ素子のそれぞれは、前記平面アンテナが対象とする動作周波数帯域において異なる周波数で入力アドミタンスの実数成分の極大値を有しており、前記極大値のそれぞれが、前記平面アンテナに接続される給電系の特性アドミタンスの実数成分よりも大きい値であることを特徴とする。
【解決手段】本発明に係る平面アンテナは、複数のアンテナ素子が並列に接続されたアンテナ素子群とグランド部とを有する平面アンテナであって、アドミタンスを複素数表示した場合、前記複数のアンテナ素子のそれぞれは、前記平面アンテナが対象とする動作周波数帯域において異なる周波数で入力アドミタンスの実数成分の極大値を有しており、前記極大値のそれぞれが、前記平面アンテナに接続される給電系の特性アドミタンスの実数成分よりも大きい値であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、無線通信に利用されるアンテナに関し、特に、携帯無線端末のような携帯利用を前提とした小型の無線装置に内蔵される平面アンテナに関する。
【背景技術】
【0002】
携帯無線端末(携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ネットブック、センサネットワーク、Ultra-Mobile Personal Computer(UMPC)、Personal Navigation Device(PND)等)において、該端末の小型軽薄化や高機能化に伴い、内蔵される部品に対する小型化や低背化の要求は年々高まっている。また、無線通信規格の乱立もあって、アンテナには、複数の周波数帯域に対応することがしばしば求められている。
【0003】
複数の周波数帯域に対応する小型のアンテナとして、特許文献1に平面アンテナが開示されている。図1は、従来の平面アンテナの一例を示す平面模式図である。図1に示した平面アンテナは、矩形導体から成るアンテナ素子1が複数形成されたアンテナ素子群2とグランド部3とが1枚の導体板内に形成され、アンテナ素子1の一部分に給電部4を有する構成となっている。特許文献1で提案された平面アンテナは、小型でありかつ通信に使用される複数の周波数帯域において動作が可能であることから、携帯無線端末への内蔵に適しているとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2004−48119号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
アンテナ(特にアンテナ素子群)は、アンテナ放射特性を良好に保つために機器の外部(自由空間)に突出していることが本来望ましいが、携帯無線端末においては、デザイン上の要請からアンテナ素子群を突出させない内蔵アンテナが主流になっており、その結果できるだけ自由空間に近い場所(例えば、無線端末の端部や角部や表面部)に配置することで対応してきた。ところが、近年、携帯無線端末の小型軽薄化がますます進展しており、アンテナ放射特性を維持させつつ従来の平面アンテナを内蔵することが困難になってきた。すなわち、アンテナに対して更なる小型化・低背化が要求されている。
【0006】
しかしながら、一般的にアンテナは小型になるほど効率が低くなり、単純にアンテナ素子群の高さを低くする(低背化する)と、対応可能な周波数帯域幅が狭くなって希望する周波数帯域に対応ができなくなるという問題が生じる。したがって本発明は、アンテナ設計において新たな技術的思想を導入することで前記課題を解決し、従来の平面アンテナよりも低背であり(低いアンテナ素子群高さを有し)、かつ従来の平面アンテナと同等の周波数帯域に対応可能である平面アンテナを提供することを目的とする。なお、本発明において「アンテナ素子群の高さ」とは、例えば図1の場合、グランド部3の図中上端とグランド部3から最も離れたアンテナ素子1の図中上端との距離と定義する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、上記目的を達成するため、複数のアンテナ素子が並列に接続されたアンテナ素子群とグランド部とを有する平面アンテナであって、
アドミタンスを複素数表示した場合、前記複数のアンテナ素子のそれぞれは、前記平面アンテナが対象とする動作周波数帯域において異なる周波数で入力アドミタンスの実数成分の極大値を有しており、
前記極大値のそれぞれが、前記平面アンテナに接続される給電系の特性アドミタンスの実数成分よりも大きい値であることを特徴とする平面アンテナを提供する。
【0008】
また、本発明は上記目的を達成するため、上記の本発明に係る平面アンテナにおいて、以下のような改良や変更を加えることができる。
(1)前記複数のアンテナ素子の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性の和をとった場合(言い換えると、前記アンテナ素子群の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性において)、隣接する2つの極大値における大きい方の極大値に対する該2つの極大値間の極小値の割合が1/9よりも大きい。
(2)前記極小値は、前記給電系の特性アドミタンスの実数成分よりも大きい値である。
(3)前記給電系の特性アドミタンスの実数成分が0.02 Sである。
(4)前記平面アンテナは、複数の導体層を有するプリント基板に形成され、前記複数の導体層の内の1層に、前記アンテナ素子群と、前記給電系が接続される給電部と前記アンテナ素子群との間に直列に接続されるインピーダンス変換回路部とが形成され、前記複数の導体層の内の他の層に前記グランド部が形成されている。
(5)前記給電部は前記アンテナ素子群が形成された層に形成され、前記給電部と前記グランド部とを短絡するスルーホール部が形成されている。
(6)前記平面アンテナは、前記複数の導体層の内の前記アンテナ素子群が形成された層と前記グランド部が形成された層とは別の層に第2のグランド部が形成され、前記アンテナ素子群が形成された層が、前記グランド部が形成された層と前記第2のグランド部が形成された層との間に挟まれている。
(7)前記給電部は前記グランド部が形成された層に形成され、前記給電部と前記インピーダンス変換回路部とを短絡するスルーホール部が形成されている。
(8)前記グランド部と前記第2のグランド部とを短絡するスルーホール部が形成されている。
(9)前記インピーダンス変換回路部は、前記アンテナ素子群が対象とする動作周波数帯域の中心周波数における波長の1/4の整数倍の電気長を持つマイクロストリップラインである。
(10)前記アンテナ素子と前記グランド部とを短絡するスルーホール部が、前記アンテナ素子の先端領域に形成されている。
(11)電磁誘導手段と静電容量手段とから成る整合回路部が、前記アンテナ素子と前記インピーダンス変換回路部との間に直列に接続されている。
(12)電磁誘導手段と静電容量手段とから成る整合回路部が、前記アンテナ素子と前記インピーダンス変換回路部との接続点近傍で前記アンテナ素子と並列に接続されており、前記整合回路部と前記グランド部とを短絡するスルーホール部が、前記整合回路部の先端領域に形成されている。
(13)前記平面アンテナは、前記アンテナ素子群を2組有し、前記2組のアンテナ素子群が並列に接続されている。
(14)前記2組のアンテナ素子群は、一方の前記アンテナ素子群の長手方向と他方の前記アンテナ素子群の長手方向とが、互いに直角関係となるように配置されている。
(15)前記給電系と等しい特性アドミタンスを持つ給電線が、前記給電部と前記インピーダンス変換回路部との間に形成されている。
(16)フィルタが前記給電線の一部分に直列に接続されている。
(17)前記アンテナ素子群が対象とする動作周波数帯域の中心周波数における波長の1/4の整数倍の電気長を持つ同軸ケーブルから成るインピーダンス変換回路部が、前記アンテナ素子群と前記給電系との間に直列に接続されている。
(18)前記平面アンテナは、複数の導体層を有するプリント基板に形成され、前記複数の導体層の内の1層に前記アンテナ素子群が形成され、前記複数の導体層の内の他の層に前記グランド部が形成され、前記同軸ケーブルの外導体と前記グランド部とを短絡するスルーホール部が形成されている。
(19)上記の本発明に係る平面アンテナと前記平面アンテナに給電する給電系とを具備する無線装置を提供する。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、従来の平面アンテナよりも低背であり、かつ従来の平面アンテナと同等の周波数帯域に対応可能である平面アンテナ及びそれを具備する無線装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】従来の平面アンテナの一例を示す平面模式図である。
【図2】本発明に係る平面アンテナの基本構成を示した模式図である。
【図3A】アンテナ素子1-1の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性を模式的に示すグラフである。
【図3B】アンテナ素子1-2の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性を模式的に示すグラフである。
【図3C】アンテナ素子1-1及びアンテナ素子1-2を並列接続した場合の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性を模式的に示すグラフである。
【図4】給電系、伝送線路、アンテナからなる回路例を示した模式図である。
【図5A】本発明の第1の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図5B】図5Aの第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図6】本発明の第2の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図7】本発明の第3の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図8】本発明の第4の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図9A】本発明の第5の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図9B】図9Aの第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図9C】図9Aの第3の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図10A】本発明の第6の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図10B】図10Aの第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図10C】図10Aの第3の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図11A】本発明の第7の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図11B】図11Aの第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図11C】図11Aの第3の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図12A】本発明の第8の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図12B】本発明の第8の実施形態に係る平面アンテナの他の例を示した斜視模式図である。
【図13】本発明の第9の実施形態に係る平面アンテナの一例であり、アンテナ素子群を形成した導体層を示した平面模式図である。
【図14】本発明の第10の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図15】本発明に係る平面アンテナを内蔵したノート型パーソナルコンピュータやUMPC等の携帯無線端末の模式図である。
【図16A】実施例1の第1の導体層を示した平面模式図である。
【図16B】実施例1の第2の導体層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図17】実施例1の平面アンテナにおける反射係数の評価結果である。
【図18】実施例1の平面アンテナにおける放射効率の評価結果である。
【図19A】実施例2の第1の導電層を示した平面模式図である。
【図19B】実施例2の第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図20A】実施例2の平面アンテナにおける1つ目の周波数帯域での反射係数の評価結果である。
【図20B】実施例2の平面アンテナにおける2つ目の周波数帯域での反射係数の評価結果である。
【図21A】実施例2の平面アンテナにおける1つ目の周波数帯域での放射効率の評価結果である。
【図21B】実施例2の平面アンテナにおける2つ目の周波数帯域での放射効率の評価結果である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
前述したように、平面アンテナにおいてアンテナ素子群を単純に低背化すると(グランド部上端から、グランド部から最も離れたアンテナ素子の最上端までの距離を小さくすると)、アドミタンスを複素数表示した場合、該アンテナ素子群の入力アドミタンスの実数成分の最大値が大きくなり、入力アドミタンスの実数成分の周波数特性が急峻な勾配を持つようになる。この結果、反射係数等のアンテナ周波数特性も急峻な勾配となり、対応可能な周波数帯域が減少する問題が生じる。
【0012】
上記のような問題に対し、本発明者らは、鋭意研究の結果、複数のアンテナ素子が並列接続されたアンテナ素子群を有する平面アンテナにおいて、各アンテナ素子の入力アドミタンスのバランスを調整した上で、さらに、給電系の特性アドミタンスとのバランスを調整することによって、平面アンテナ全体としての入力アドミタンスの実数成分の周波数特性における勾配を緩やかにし、対応可能な周波数帯域を増加させることが可能であることを見出した。本発明は、それらの知見を基にして完成されたものである。
【0013】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で組み合わせや改良を適宜行ってもよい。
【0014】
〔本発明に係る平面アンテナの基本構成〕
図2は、本発明に係る平面アンテナの基本構成を示した模式図である。本発明に係る平面アンテナは、m個の低背アンテナが並列に接続された構成を有している。各低背アンテナは、それぞれn個のアンテナ素子が並列接続されたアンテナ素子群と1つのインピーダンス変換回路部が直列に接続された構成を有している。
【0015】
本発明においてアンテナ素子群を構成する各アンテナ素子は、アドミタンスを複素数表示した場合、アンテナ素子の入力アドミタンスの実数成分が対象とする周波数帯域において少なくとも1つの極大値を持つように構成されている。また、各アンテナ素子は、それぞれ異なる周波数で入力アドミタンスの実数成分が極大となるように構成されている。本発明に係る平面アンテナは、対象とする周波数帯域において、アンテナ素子群の入力アドミタンスの周波数特性が十分に緩やかな勾配を持つように、アンテナ素子群を構成する各アンテナ素子の極大となる周波数がそれぞれ設定されている。また、各アンテナ素子の該極大値のそれぞれが、前記平面アンテナに接続される給電系の特性アドミタンスの実数成分よりも大きい値となるように設定されている。
【0016】
2つのアンテナ素子(例えば、アンテナ素子1-1、アンテナ素子1-2とする)を並列接続した場合、該アンテナ素子から成るアンテナ素子群の入力アドミタンスの周波数特性について、勾配が緩やかになることを以下に説明する。
【0017】
図3Aはアンテナ素子1-1の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性を模式的に示すグラフであり、図3Bはアンテナ素子1-2の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性を模式的に示すグラフであり、図3Cはアンテナ素子1-1及びアンテナ素子1-2を並列接続した場合の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性を模式的に示すグラフである。アンテナ素子1-1、アンテナ素子1-2の入力アドミタンスの実数成分をそれぞれG1、G2[単位:S]と表し、G1とG2が極大値を取る周波数をそれぞれF1、F2[単位:Hz]とする(ただし、F1≠F2とする)。図3Aおよび図3Bに示したように、G1とG2はそれぞれF1とF2において極大値をとるシャープな周波数特性を有しているとする。
【0018】
これに対し、アンテナ素子1-1とアンテナ素子1-2を並列に接続したアンテナ素子群の入力アドミタンスの実数成分Gの周波数特性は、G1の周波数特性とG2の周波数特性との和となるため、図3Cに示すように、F1とF2との間において、各アンテナ素子が単独の場合と比較して入力アドミタンスの実数成分の値が大きくなり勾配が緩やかになる。このように、アンテナ素子群の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性は、アンテナ素子群を構成するアンテナ素子を並列接続することによって、その帯域幅を広げることが可能となる。
【0019】
また、各アンテナ素子の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性の和において、隣接する2つの極大値の大きい方の極大値に対する該隣接する2つの極大値の間の極小値の割合が1/9よりも大きいことが好ましい。このとき、そのアンテナ素子群は反射係数の絶対値が0.5以下となり、広帯域な周波数特性を持つことができる。この理由を以下に説明する。
【0020】
図4は、給電系、伝送線路、アンテナ素子群からなる回路例を示した模式図である。図4に示すように、アンテナ素子群が1/4波長変成器を介して給電系に接続されている場合を考える。ここで、給電系の特性インピーダンスの実数成分をrとし、1/4波長変成器の特性インピーダンスをZ0、電気長l(エル)を1/4波長(l = λ/4)とし、アンテナ素子群の入力インピーダンスの実数成分をrAとし、アンテナ素子群と伝送線路との合成入力インピーダンスの実数成分をrA´とする。また、アンテナ素子群の入力コンダクタンスの実数成分をgAと表し、アンテナ素子群と伝送線路との合成入力コンダクタンスの実数成分をgA´と表す。
【0021】
アンテナ素子群の入力インピーダンスの実数成分rA、アンテナ素子群の入力コンダクタンスの実数成分gA、アンテナ素子群と伝送線路との合成入力インピーダンスの実数成分rA´、アンテナ素子群と伝送線路との合成入力コンダクタンスの実数成分gA´の間には、以下のような関係がある。
【0022】
【数1】
【0023】
【数2】
【0024】
また、アンテナ素子群と伝送線路との合成入力インピーダンスの実数成分rA´は、虚数単位jと波数β(β= 2π/λ)を用いて次式(3)のように表すこともできる。
【0025】
【数3】
【0026】
式(1)と式(3)から、gA、rA´、Z0の関係は次式(4)で表される。
【0027】
【数4】
【0028】
一方、反射係数Γは、次式(5)のように表される。
【0029】
【数5】
【0030】
式(5)をrA´について整理すると、次式(6)のようになる。
【0031】
【数6】
【0032】
式(4)と式(6)とから、次式(7)が得られる。
【0033】
【数7】
【0034】
ここで、式(7)においてΓ= 0.5のとき、アンテナ素子群の入力コンダクタンス実数成分の極大値gAmaxが次式(8)のような関係で得られる。
【0035】
【数8】
【0036】
また、式(7)においてΓ= -0.5のとき、アンテナ素子群の入力コンダクタンス実数成分の極小値gAminが次式(9)のような関係で得られる。
【0037】
【数9】
【0038】
式(8)および式(9)から、極小値gAminと極大値gAmaxの比をとると次式(10)となる。
【0039】
【数10】
【0040】
すなわち、極小値gAminと極大値gAmaxとの割合が1/9より大きい場合、gAの値が極小値gAminと極大値gAmaxの間にある周波数域では、反射係数Γの絶対値が0.5よりも小さくなり(|Γ|< 0.5)、広帯域な周波数特性をもつことが可能である。このように、本発明に係る平面アンテナでは、複数のアンテナ素子の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性の和をとった場合、隣接する2つの極大値における大きい方の極大値に対する該2つの極大値間の極小値の割合が1/9より大きいこと(より詳しくは、1以下であり1/9より大きいこと)が好ましい。
【0041】
本発明に係る平面アンテナは、アンテナ素子群の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性において、隣接する2つの極大値の間の極小値が接続される給電系の特性アドミタンスの実数成分よりも大きい値であることが好ましい。それにより、従来と同等の対応周波数帯域を維持しつつアンテナ素子群を低背化することができる。なお、一般的な給電系の特性アドミタンスは0.02 S程度と考えられることから、前記極小値は0.02 Sよりも大きいことが好ましい。
【0042】
一方、図3Cに示したような周波数F1とF2との間の周波数帯域(入力アドミタンスの実数成分の勾配が緩やかな周波数帯域)では、アンテナ素子群と給電系との整合状態が必ずしも良好であるとは限らない。そこで、アンテナ素子群と給電系との整合状態を確保するため、両者の間にインピーダンス変換回路部を挿入することが好ましい。この結果、アンテナ素子群とインピーダンス変換経路部との接続点における両方向の入力アドミタンスの実数成分が等しくなり、インピーダンス変換回路部とアンテナ素子群を含むアンテナと給電系との整合が良好となる。
【0043】
インピーダンス変換回路部としては、アンテナ素子群の動作周波数帯域の中心周波数fにおける波長λに対してλ/4の電気長となる1つのマイクロストリップラインを使用することが好ましい。アンテナ素子群の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性において、隣接する2つの極大値の間の周波数帯域における入力アドミタンスの実数成分をGaとし、給電系の特性アドミタンスをYoとすると、マイクロストリップラインの特性インピーダンスは、(Ga・Yo)0.5 と表すことができる。この関係から、給電系の特性アドミタンスをアンテナ素子群に適したアドミタンスに変換することが可能となり、その結果、広帯域な周波数特性をもつアンテナの実現が可能となる。
【0044】
また、インピーダンス変換回路部として、アンテナ素子群の動作周波数帯域の中心周波数fにおける波長λに対してλ/4の電気長となる1つの同軸ケーブルを使用してもよい。その作用効果は、上述のマイクロストリップラインの場合と同様である。
【0045】
インピーダンス変換回路部は、前述のマイクロストリップラインまたは同軸ケーブルを複数直列接続する構成でも良い。この場合、インピーダンス変換回路部自身の周波数特性がより広帯域となるため、より広帯域な周波数特性をもつアンテナの実現が可能である。
【0046】
また、本発明に係る平面アンテナは、該平面を厚さ方向に投影して見た場合(透視した場合)、アンテナ素子群に対応する位置にはグランド部が形成されていない。すなわち、前述したように、本発明に係る平面アンテナにおける「アンテナ素子群の高さ」とは、グランド部の上端(アンテナ素子群に最近接のグランド部の辺)とアンテナ素子群の上端(グランド部から最も離れたアンテナ素子群の辺)との距離と定義される。なお、アンテナ素子群は、該アンテナ素子群と同一面上に形成される給電線や、同軸ケーブルを介して給電されることが好ましい。
【0047】
以下、より具体的な構造について説明する。
【0048】
〔本発明の第1の実施形態〕
図5Aは、本発明の第1の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図であり、図5Bは、図5Aの第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。図5A、図5Bに示したように、第1の実施形態に係るアンテナ100は、プリント基板10(リジットプリント基板またはフレキシブルプリント基板)の両面に導体層(第1の導体層11と第2の導体層12)が形成されている。第1の導体層11には、矩形導体から成るアンテナ素子1が複数並列接続されたアンテナ素子群2と、インピーダンス変換回路部5と、給電系9が接続される給電部4とが形成されている。インピーダンス変換回路部5はアンテナ素子群2と給電部4との間に直列に接続されている。第2の導体層12には、グランド部3が形成されている。
【0049】
また、第1の導体層11と第2の導体層12とはスルーホール部6により短絡されており、インピーダンス変換回路部5の一端とスルーホール部6上に配設された給電部4に給電系9が接続されて給電される。なお、給電用ケーブル(図示せず)としては、例えば、同軸ケーブルが好ましく用いられ、同軸ケーブル内導体がインピーダンス変換回路部5の一端に接続されて、同軸ケーブル外導体がスルーホール部6に接続される。
【0050】
複数のアンテナ素子1(図5Aでは2つ)は先端開放の矩形導体であり、対象とする周波数帯域において、それぞれのアンテナ素子1の入力アドミタンスの実数成分は互いに異なる周波数で極大値をもつ。アンテナ素子群2の入力アドミタンスの実数成分(各アンテナ素子1の入力アドミタンスの実数成分の和)が緩やかな(幅広い)周波数特性をもつように、各アンテナ素子1の形状(主に長さ)は設定されている。また、平面アンテナ100を厚さ方向に投影して見た場合(透視した場合)、第1の導体層11のアンテナ素子群2に対応する第2の導体層12の位置にはグランド部3が形成されていない。これらの結果、対応可能な周波数帯域幅を従来と同程度に維持しつつ、アンテナ素子群の高さが低い(低背化が可能な)平面アンテナを提供することができる。
【0051】
〔本発明の第2の実施形態〕
図6は、本発明の第2の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した平面模式図である。図6に示したように、第2の実施形態に係る平面アンテナ200は、第1の実施形態に係る平面アンテナに加えて、各アンテナ素子1の先端領域に(アンテナ素子1のインピーダンス変換回路部5との接続点から遠い方に)スルーホール部6が形成されている。すなわち、各アンテナ素子1は、先端領域のスルーホール部6を介して第2の導体層12のグランド部(図6中に図示せず)と先端短絡されている。
【0052】
第2の実施形態は、第1の実施形態と同様に、対応可能な周波数帯域幅を従来と同程度に維持しつつ、低背化が可能な平面アンテナを提供することができる。また、アンテナ素子1とグランド部3が短絡されていることから、第1の実施形態よりも静電対策に優れているという特徴をもつ。
【0053】
〔本発明の第3の実施形態〕
図7は、本発明の第3の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。図7に示したように、第3の実施形態に係る平面アンテナ300は、第1の実施形態に係る平面アンテナに加えて、アンテナ素子1とインピーダンス変換回路部5との接続点近傍に、並列に電磁誘導手段(例えばインダクタ)および静電容量手段(例えばコンデンサ)から成る整合回路部7がアンテナ素子1と並列に接続されている。また、整合回路部7の先端領域に(整合回路部7のアンテナ素子1との接続点から遠い方に)スルーホール部6が形成されている。すなわち、整合回路部7は、先端領域のスルーホール部6を介して第2の導体層12のグランド部(図7中に図示せず)と先端短絡されている。
【0054】
この整合回路部7は、アンテナ素子群2の入力アドミタンスの虚数成分を調整し、アンテナ素子群2を含む平面アンテナ300と給電系9との整合をより良好にする。第3の実施形態は、第1の実施形態と同様に、対応可能な周波数帯域幅を従来と同程度に維持しつつ、低背化が可能な平面アンテナを提供することができる。また、整合回路部7を接続することにより、第1の実施形態よりも更に良好な整合をとることが可能である。
【0055】
〔本発明の第4の実施形態〕
図8は、本発明の第4の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。図8に示したように、第4の実施形態に係る平面アンテナ400は、第2の実施形態に係る平面アンテナに加えて、アンテナ素子1とインピーダンス変換回路部5との間に、整合回路部7が直列に接続されている。第4の実施形態は、第2の実施形態が有する作用効果に加えて、整合回路部7を接続することにより、第2の実施形態よりも更に良好に整合をとることが可能である。
【0056】
〔本発明の第5の実施形態〕
図9Aは、本発明の第5の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図であり、図9Bは、図9Aの第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図であり、図9Cは、図9Aの第3の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。図9A〜図9Cに示したように、第5の実施形態に係るアンテナ500は、3層の導体層(第1の導体層11、第2の導体層12、第3の導体層13)を有するプリント基板10(リジットプリント基板またはフレキシブルプリント基板)から構成されている。
【0057】
第1の導体層11には、グランド部3と給電部4とスルーホール部6とスルーホール部6’とが形成されている。スルーホール部6は、第1の導体層11と第2の導体層12とを短絡するものであり、スルーホール部6’は、第1の導体層11と第3の導体層13とを短絡するものである。また、給電系9が給電部4に接続されて給電される。
【0058】
第2の導体層12には、矩形導体から成るアンテナ素子1が複数並列接続されたアンテナ素子群2とインピーダンス変換回路部5と給電線8とスルーホール部6とが形成され、それらが直列に接続されている。スルーホール部6は、第1の導体層11に形成された給電部4と接続されている。アンテナ素子群2は、第1の実施形態と同様に対象とする周波数帯域において、入力アドミタンスの実数成分(各アンテナ素子1の入力アドミタンスの実数成分の和)が広帯域化に適した緩やかな(幅広い)周波数特性をもつ。
【0059】
第3の導体層13には、第2のグランド部3’とスルーホール部6’とが形成されている。第2のグランド部3’は、スルーホール部6’を介してグランド部3と短絡している。また、平面アンテナ500を厚さ方向に投影して見た場合(透視した場合)、第2の導体層12のアンテナ素子群2に対応する位置において、第1の導体層11のグランド部3および第3の導体層13の第2のグランド部3’は形成されていない。
【0060】
第5の実施形態は、第1の実施形態と同様に、対応可能な周波数帯域幅を従来と同程度に維持しつつ、低背化が可能な平面アンテナを提供することができる。また、インピーダンス変換回路部5が、2層のグランド(グランド部3と第2のグランド部3’)によって挟まれて電磁気的に遮蔽される構造になっていることから、インピーダンス変換回路部5の周波数特性は周囲の環境に影響されないという特徴をもつ。これらのため、第5の実施形態は、平面アンテナを携帯無線端末に配置する時にグランド周囲の環境を考慮する必要がなく取り扱いが容易であるという利点がある。
【0061】
なお、本実施形態において、アンテナ素子1として第2の実施形態に示したような先端短絡されたアンテナ素子を用いても良い。また、第3の実施形態や第4の実施形態に示したような整合回路部7を接続しても良い。
【0062】
〔本発明の第6の実施形態〕
図10Aは、本発明の第6の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図であり、図10Bは、図10Aの第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図であり、図10Cは、図10Aの第3の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。図10A〜図10Cに示したように、第6の実施形態に係るアンテナ600は、第5の実施形態と同様の構成を有するが、第2の導体層12に2組のアンテナ素子群が形成されている点において異なる。
【0063】
図10Bに示したように、第2の導体層12には、2組のアンテナ素子群2と2つのインピーダンス変換回路部5と給電線8とスルーホール部6とが形成されている。2組のアンテナ素子群2は、給電系9の特性インピーダンスと等しい特性インピーダンスを有する給電線8を介して並列に接続されることが好ましい。また、2組のアンテナ素子群2をそれぞれ構成するアンテナ素子1を一直線上に配置することにより、平面アンテナの低背化が実現可能である。
【0064】
スルーホール部6は、第1の導体層11に形成された給電部4と接続されている。スルーホール部6’は、グランド部3と第2のグランド部3’とを短絡接続している。また、平面アンテナ600を厚さ方向に投影して見た場合(透視した場合)、第2の導体層12のアンテナ素子群2に対応する位置において、第1の導体層11のグランド部3および第3の導体層13の第2のグランド部3’は形成されていない。
【0065】
一方、アンテナ素子群2のそれぞれは、第1の実施形態と同様に対象とする周波数帯域において、入力アドミタンスの実数成分(各アンテナ素子1の入力アドミタンスの実数成分の和)が広帯域化に適した緩やかな(幅広い)周波数特性をもつ。また、各アンテナ素子群2は、互いに異なる周波数帯域を対象とするように設定されている。これらの特徴により、第6の実施形態は、第5の実施形態と同様の作用効果を有するのに加えて、第5の実施形態よりも多くの周波数帯域に対応することが可能である。
【0066】
なお、第6の実施形態として2組のアンテナ素子群を有する平面アンテナについて説明したが、本発明はそれに限定されず、3組以上のアンテナ素子群を具備させて3つ以上の相互に異なる周波数帯域に対応させることも可能である。さらに、全てのアンテナ素子を一直線上に配置することにより、低背化された平面アンテナを実現することが可能である。
【0067】
〔本発明の第7の実施形態〕
図11Aは、本発明の第7の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図であり、図11Bは、図11Aの第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図であり、図11Cは、図11Aの第3の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。図11A〜図11Cに示したように、第7の実施形態に係るアンテナ700は、第6の実施形態と同様の構成を有するが、アンテナ素子群2の長手方向が互いに直角関係となるように2組のアンテナ素子群2を配置している点において異なる。
【0068】
第7の実施形態は、第6の実施形態と同様の作用効果を有するのに加えて、2組のアンテナ素子群を互いに直角関係となるように配置することにより、例えば矩形の携帯無線端末の角部に該平面アンテナを配置することで該端末内のスペースを有効に活用できる利点がある。
【0069】
なお、上述では、2組のアンテナ素子群の長手方向が互いに直角関係となるように配置した場合について説明したが、本発明はそれに限定されず、2組のアンテナ素子群が任意の角度関係に配置されていても良いし、3組以上のアンテナ素子群を具備させても良い。また、平面アンテナ700を厚さ方向に投影して見た場合(透視した場合)、第2の導体層12のアンテナ素子群2に対応する位置において、第1の導体層11のグランド部3および第3の導体層13の第2のグランド部3’は形成されていない。
【0070】
〔本発明の第8の実施形態〕
図12Aは、本発明の第8の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。図12Aに示したように、第8の実施形態に係る平面アンテナ800は、第1の実施形態と略同様の構成を有するが、インピーダンス変換回路部として、アンテナ素子群2が対象とする動作周波数帯域の中心周波数における波長の1/4の整数倍の電気長を持つ同軸ケーブル14が用いられ、同軸ケーブル内導体15がアンテナ素子群2に接続され、同軸ケーブル外導体16がスルーホール部6に接続されている点において異なる。同軸ケーブル外導体16と第2の導体層12に形成されたグランド部(図示せず)は、スルーホール部6により短絡されている。
【0071】
図12Bは、本発明の第8の実施形態に係る平面アンテナの他の例を示した斜視模式図である。図12Bに示したように、第8の実施形態に係る平面アンテナ850は、プリント基板10(リジットプリント基板またはフレキシブルプリント基板)の片面に第1の導体層11が形成され、第1の導体層11にアンテナ素子群2とグランド部3とが形成されている。また、インピーダンス変換回路部として、アンテナ素子群2が対象とする動作周波数帯域の中心周波数における波長の1/4の整数倍の電気長を持つ同軸ケーブル14が用いられ、同軸ケーブル内導体15がアンテナ素子群2に接続され、同軸ケーブル外導体16がグランド部3に接続されている。
【0072】
第8の実施形態に係る平面アンテナ800,850は、第1の実施形態と同様の作用効果を有し、対応可能な周波数帯域幅を従来と同程度に維持しつつ、アンテナ素子群の高さが低い(低背化が可能な)平面アンテナを提供することができる。また、平面アンテナ850は、導体層がプリント基板10の片面のみであることから、より簡単に(すなわち低コストで)作製できる利点がある。
【0073】
〔本発明の第9の実施形態〕
図13は、本発明の第9の実施形態に係る平面アンテナの一例であり、アンテナ素子群を形成した導体層を示した平面模式図である。図13に示したように、第9の実施形態に係る平面アンテナ900は、第6の実施形態と同様の構成を有するが、アンテナ素子群2とインピーダンス変換回路部5からなるアンテナに接続される給電線8の一部分にフィルタ17が直列に接続されている点において異なる。
【0074】
一般的に、複数のアンテナが並列接続されている多重アンテナにおいて、各アンテナの高調波が他のアンテナの入力インピーダンスを変化させて整合条件を劣化させる場合がある。これに対し、第9の実施形態に係る平面アンテナ900では、フィルタ17を適切に配設することによって良好な整合をとることができる。フィルタ17としては、状況に応じて、高域通過フィルタや低域通過フィルタや帯域通過フィルタや帯域遮断フィルタを用いることができる。他の作用効果は、第6の実施形態と同様である。
【0075】
〔本発明の第10の実施形態〕
図14は、本発明の第10の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。図14に示したように、第10の実施形態に係る平面アンテナ1000は、送受信モジュール18を搭載する基板19上に本発明のアンテナが直接形成されているものである。送受信モジュール18とアンテナ素子群2は、基板19上に形成されるインピーダンス変換回路部5と給電線8とを介して接続され、無線信号の授受と給電が行われる。本発明に係る平面アンテナにおける低背の特長を活かし、送受信モジュールを搭載する基板19の面積をほとんど拡大することなしにアンテナを形成することができる。なお、平面アンテナの構造としては、前述の実施形態のいずれでもよい。
【0076】
〔本発明の第11の実施形態〕
図15は、本発明に係る平面アンテナを内蔵したノート型パーソナルコンピュータやUMPC等の携帯無線端末の模式図である。図15に示したように、本発明に係る平面アンテナ21は、対応可能な周波数帯域幅を従来と同程度に維持しつつアンテナ素子群の高さが低い(低背である)という特長を有することから、携帯無線端末20の液晶画面(LCD)周囲やキーボード周囲などの狭いスペースにも内蔵することが可能である。言い換えると、従来よりも小型の携帯無線端末20に対しても、本発明に係る平面アンテナ21を内蔵させることができる。また、本発明に係る平面アンテナ21は低背アンテナであることから、1つの携帯無線端末20に複数の低背アンテナを内蔵させて複数の周波数帯域に対応できる利点もある。
【実施例】
【0077】
以下、本発明を実施例に基づいて更に詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0078】
(実施例1)
第1の実施形態に係る平面アンテナとして、図16Aおよび図16Bに示すような平面アンテナ(実施例1)を用意した。図16Aは実施例1の第1の導体層を示した平面模式図であり、図16Bは実施例1の第2の導体層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【0079】
プリント基板10としては、両面に導体層が形成された厚さ0.3 mmのFR4プリント基板を用いた。図16A、図16Bに示したように、第1の導体層11には、複数のアンテナ素子1が並列に接続されたアンテナ素子群2と、インピーダンス変換回路部5と、給電線8と、スルーホール部6とを形成した。第2の導体層12には、グランド部3とスルーホール部6とを形成した。スルーホール部6は、第1の導体層11と第2の導体層12とを短絡接続している。第1の導体層11における給電線8の一端とスルーホール部6上とに給電部4を配設し、同軸ケーブルを介して給電を行う構成とした。
【0080】
アンテナ素子1は、L1 = 12 mm、W1 = 0.5 mmの矩形導体と、L2 = 9.5 mm、W2 = 0.5 mmの矩形導体とした。また、アンテナ素子群2の高さはLc = 2 mmとした。このアンテナ素子群2の高さは、平面アンテナが対象とする動作周波数帯域における波長に対して約1/18のサイズであり、十分低背であると言うことができる。
【0081】
インピーダンス変換回路部5には、アンテナの動作周波数帯域の中心周波数における波長λの1/4の電気長をもつマイクロストリップラインを使用した。該マイクロストリップラインの寸法は、W3 = 1.2 mm、L3 = 12.2 mmとした。
【0082】
給電線8には、給電系と等しい特性アドミタンスをもつマイクロストリップラインを使用した。該マイクロストリップラインの幅は、W4 = 0.3 mmであり、特性アドミタンスの実数成分は約0.02 Sである。
【0083】
実施例1の平面アンテナを用いて、反射係数と放射効率の測定を行った。図17は実施例1の平面アンテナにおける反射係数の評価結果であり、図18は実施例1の平面アンテナにおける放射効率の評価結果である。図17から、反射係数の絶対値が0.5以下である周波数帯域は1.6 GHz以上であり、実施例1の平面アンテナが広帯域な周波数特性をもつことが確認された。また、図18から、放射効率が0.5以上である周波数帯域が1.2 GHz以上であることが判る。これは比帯域が20%以上であることを意味し、広帯域な周波数特性をもつことが確認された。
【0084】
(実施例2)
第6の実施形態に係る平面アンテナとして、図19Aおよび図19Bに示すような平面アンテナ(実施例2)を用意した。図19Aは実施例2の第1の導体層を示した平面模式図であり、図19Bは実施例2の第2の導体層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。プリント基板10としては、両面に導体層が形成された厚さ0.3 mmのFR4プリント基板を用いた。また、実施例2の平面アンテナも、アンテナ素子群の高さが2.00 mmであり、十分低背であると言うことができる。なお、各種寸法の詳細は図中に記載した。
【0085】
実施例2の平面アンテナを用いて、2つの周波数帯域に対して反射係数と放射効率の測定を行った。図20Aは、実施例2の平面アンテナにおける1つ目の周波数帯域での反射係数の評価結果であり、図20Bは、実施例2の平面アンテナにおける2つ目の周波数帯域での反射係数の評価結果である。また、図21Aは、実施例2の平面アンテナにおける1つ目の周波数帯域での放射効率の評価結果であり、図21Bは、実施例2の平面アンテナにおける2つ目の周波数帯域での放射効率の評価結果である。
【0086】
図20Aおよび図20Bから、反射係数の絶対値が0.5以下である周波数帯域は、2.45 GHz周辺と5 GHz周辺でそれぞれ0.3 GHz以上、1.1 GHz以上であり、実施例2の平面アンテナが広帯域な周波数特性をもつことが確認された。また、図21Aおよび図21Bから、放射効率が0.5以上である周波数帯域は、2.45 GHz周辺と5 GHz周辺でそれぞれ0.31 GHz、1.16 GHzであった。これらの結果は、WLANに使用される従来のアンテナと同等の特性である。
【0087】
以上の実施例1および実施例2の結果からも、本発明に係る平面アンテナは、対応可能な周波数帯域幅を従来と同程度に維持しつつ、アンテナ素子群の高さを低くできる(低背化できる)ことが実証された。
【符号の説明】
【0088】
1…アンテナ素子、2…アンテナ素子群、3…グランド部、3’…第2のグランド部、
4…給電部、5…インピーダンス変換回路部、6、6’…スルーホール部、
7…整合回路部、8…給電線、9…給電系、10…プリント基板、
11…第1の導体層、12…第2の導体層、13…第3の導体層、
14…同軸ケーブル、15…同軸ケーブル内導体、16…同軸ケーブル外導体、
17…フィルタ、18…送受信モジュール、19…送受信モジュールを搭載する基板、
20…携帯無線端末、21…本発明に係る平面アンテナ、
100,200,300,400,500,600,700,800,850,900,1000…平面アンテナ。
【技術分野】
【0001】
本発明は、無線通信に利用されるアンテナに関し、特に、携帯無線端末のような携帯利用を前提とした小型の無線装置に内蔵される平面アンテナに関する。
【背景技術】
【0002】
携帯無線端末(携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ネットブック、センサネットワーク、Ultra-Mobile Personal Computer(UMPC)、Personal Navigation Device(PND)等)において、該端末の小型軽薄化や高機能化に伴い、内蔵される部品に対する小型化や低背化の要求は年々高まっている。また、無線通信規格の乱立もあって、アンテナには、複数の周波数帯域に対応することがしばしば求められている。
【0003】
複数の周波数帯域に対応する小型のアンテナとして、特許文献1に平面アンテナが開示されている。図1は、従来の平面アンテナの一例を示す平面模式図である。図1に示した平面アンテナは、矩形導体から成るアンテナ素子1が複数形成されたアンテナ素子群2とグランド部3とが1枚の導体板内に形成され、アンテナ素子1の一部分に給電部4を有する構成となっている。特許文献1で提案された平面アンテナは、小型でありかつ通信に使用される複数の周波数帯域において動作が可能であることから、携帯無線端末への内蔵に適しているとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2004−48119号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
アンテナ(特にアンテナ素子群)は、アンテナ放射特性を良好に保つために機器の外部(自由空間)に突出していることが本来望ましいが、携帯無線端末においては、デザイン上の要請からアンテナ素子群を突出させない内蔵アンテナが主流になっており、その結果できるだけ自由空間に近い場所(例えば、無線端末の端部や角部や表面部)に配置することで対応してきた。ところが、近年、携帯無線端末の小型軽薄化がますます進展しており、アンテナ放射特性を維持させつつ従来の平面アンテナを内蔵することが困難になってきた。すなわち、アンテナに対して更なる小型化・低背化が要求されている。
【0006】
しかしながら、一般的にアンテナは小型になるほど効率が低くなり、単純にアンテナ素子群の高さを低くする(低背化する)と、対応可能な周波数帯域幅が狭くなって希望する周波数帯域に対応ができなくなるという問題が生じる。したがって本発明は、アンテナ設計において新たな技術的思想を導入することで前記課題を解決し、従来の平面アンテナよりも低背であり(低いアンテナ素子群高さを有し)、かつ従来の平面アンテナと同等の周波数帯域に対応可能である平面アンテナを提供することを目的とする。なお、本発明において「アンテナ素子群の高さ」とは、例えば図1の場合、グランド部3の図中上端とグランド部3から最も離れたアンテナ素子1の図中上端との距離と定義する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、上記目的を達成するため、複数のアンテナ素子が並列に接続されたアンテナ素子群とグランド部とを有する平面アンテナであって、
アドミタンスを複素数表示した場合、前記複数のアンテナ素子のそれぞれは、前記平面アンテナが対象とする動作周波数帯域において異なる周波数で入力アドミタンスの実数成分の極大値を有しており、
前記極大値のそれぞれが、前記平面アンテナに接続される給電系の特性アドミタンスの実数成分よりも大きい値であることを特徴とする平面アンテナを提供する。
【0008】
また、本発明は上記目的を達成するため、上記の本発明に係る平面アンテナにおいて、以下のような改良や変更を加えることができる。
(1)前記複数のアンテナ素子の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性の和をとった場合(言い換えると、前記アンテナ素子群の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性において)、隣接する2つの極大値における大きい方の極大値に対する該2つの極大値間の極小値の割合が1/9よりも大きい。
(2)前記極小値は、前記給電系の特性アドミタンスの実数成分よりも大きい値である。
(3)前記給電系の特性アドミタンスの実数成分が0.02 Sである。
(4)前記平面アンテナは、複数の導体層を有するプリント基板に形成され、前記複数の導体層の内の1層に、前記アンテナ素子群と、前記給電系が接続される給電部と前記アンテナ素子群との間に直列に接続されるインピーダンス変換回路部とが形成され、前記複数の導体層の内の他の層に前記グランド部が形成されている。
(5)前記給電部は前記アンテナ素子群が形成された層に形成され、前記給電部と前記グランド部とを短絡するスルーホール部が形成されている。
(6)前記平面アンテナは、前記複数の導体層の内の前記アンテナ素子群が形成された層と前記グランド部が形成された層とは別の層に第2のグランド部が形成され、前記アンテナ素子群が形成された層が、前記グランド部が形成された層と前記第2のグランド部が形成された層との間に挟まれている。
(7)前記給電部は前記グランド部が形成された層に形成され、前記給電部と前記インピーダンス変換回路部とを短絡するスルーホール部が形成されている。
(8)前記グランド部と前記第2のグランド部とを短絡するスルーホール部が形成されている。
(9)前記インピーダンス変換回路部は、前記アンテナ素子群が対象とする動作周波数帯域の中心周波数における波長の1/4の整数倍の電気長を持つマイクロストリップラインである。
(10)前記アンテナ素子と前記グランド部とを短絡するスルーホール部が、前記アンテナ素子の先端領域に形成されている。
(11)電磁誘導手段と静電容量手段とから成る整合回路部が、前記アンテナ素子と前記インピーダンス変換回路部との間に直列に接続されている。
(12)電磁誘導手段と静電容量手段とから成る整合回路部が、前記アンテナ素子と前記インピーダンス変換回路部との接続点近傍で前記アンテナ素子と並列に接続されており、前記整合回路部と前記グランド部とを短絡するスルーホール部が、前記整合回路部の先端領域に形成されている。
(13)前記平面アンテナは、前記アンテナ素子群を2組有し、前記2組のアンテナ素子群が並列に接続されている。
(14)前記2組のアンテナ素子群は、一方の前記アンテナ素子群の長手方向と他方の前記アンテナ素子群の長手方向とが、互いに直角関係となるように配置されている。
(15)前記給電系と等しい特性アドミタンスを持つ給電線が、前記給電部と前記インピーダンス変換回路部との間に形成されている。
(16)フィルタが前記給電線の一部分に直列に接続されている。
(17)前記アンテナ素子群が対象とする動作周波数帯域の中心周波数における波長の1/4の整数倍の電気長を持つ同軸ケーブルから成るインピーダンス変換回路部が、前記アンテナ素子群と前記給電系との間に直列に接続されている。
(18)前記平面アンテナは、複数の導体層を有するプリント基板に形成され、前記複数の導体層の内の1層に前記アンテナ素子群が形成され、前記複数の導体層の内の他の層に前記グランド部が形成され、前記同軸ケーブルの外導体と前記グランド部とを短絡するスルーホール部が形成されている。
(19)上記の本発明に係る平面アンテナと前記平面アンテナに給電する給電系とを具備する無線装置を提供する。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、従来の平面アンテナよりも低背であり、かつ従来の平面アンテナと同等の周波数帯域に対応可能である平面アンテナ及びそれを具備する無線装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】従来の平面アンテナの一例を示す平面模式図である。
【図2】本発明に係る平面アンテナの基本構成を示した模式図である。
【図3A】アンテナ素子1-1の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性を模式的に示すグラフである。
【図3B】アンテナ素子1-2の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性を模式的に示すグラフである。
【図3C】アンテナ素子1-1及びアンテナ素子1-2を並列接続した場合の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性を模式的に示すグラフである。
【図4】給電系、伝送線路、アンテナからなる回路例を示した模式図である。
【図5A】本発明の第1の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図5B】図5Aの第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図6】本発明の第2の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図7】本発明の第3の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図8】本発明の第4の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図9A】本発明の第5の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図9B】図9Aの第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図9C】図9Aの第3の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図10A】本発明の第6の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図10B】図10Aの第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図10C】図10Aの第3の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図11A】本発明の第7の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図11B】図11Aの第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図11C】図11Aの第3の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図12A】本発明の第8の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図12B】本発明の第8の実施形態に係る平面アンテナの他の例を示した斜視模式図である。
【図13】本発明の第9の実施形態に係る平面アンテナの一例であり、アンテナ素子群を形成した導体層を示した平面模式図である。
【図14】本発明の第10の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。
【図15】本発明に係る平面アンテナを内蔵したノート型パーソナルコンピュータやUMPC等の携帯無線端末の模式図である。
【図16A】実施例1の第1の導体層を示した平面模式図である。
【図16B】実施例1の第2の導体層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図17】実施例1の平面アンテナにおける反射係数の評価結果である。
【図18】実施例1の平面アンテナにおける放射効率の評価結果である。
【図19A】実施例2の第1の導電層を示した平面模式図である。
【図19B】実施例2の第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【図20A】実施例2の平面アンテナにおける1つ目の周波数帯域での反射係数の評価結果である。
【図20B】実施例2の平面アンテナにおける2つ目の周波数帯域での反射係数の評価結果である。
【図21A】実施例2の平面アンテナにおける1つ目の周波数帯域での放射効率の評価結果である。
【図21B】実施例2の平面アンテナにおける2つ目の周波数帯域での放射効率の評価結果である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
前述したように、平面アンテナにおいてアンテナ素子群を単純に低背化すると(グランド部上端から、グランド部から最も離れたアンテナ素子の最上端までの距離を小さくすると)、アドミタンスを複素数表示した場合、該アンテナ素子群の入力アドミタンスの実数成分の最大値が大きくなり、入力アドミタンスの実数成分の周波数特性が急峻な勾配を持つようになる。この結果、反射係数等のアンテナ周波数特性も急峻な勾配となり、対応可能な周波数帯域が減少する問題が生じる。
【0012】
上記のような問題に対し、本発明者らは、鋭意研究の結果、複数のアンテナ素子が並列接続されたアンテナ素子群を有する平面アンテナにおいて、各アンテナ素子の入力アドミタンスのバランスを調整した上で、さらに、給電系の特性アドミタンスとのバランスを調整することによって、平面アンテナ全体としての入力アドミタンスの実数成分の周波数特性における勾配を緩やかにし、対応可能な周波数帯域を増加させることが可能であることを見出した。本発明は、それらの知見を基にして完成されたものである。
【0013】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で組み合わせや改良を適宜行ってもよい。
【0014】
〔本発明に係る平面アンテナの基本構成〕
図2は、本発明に係る平面アンテナの基本構成を示した模式図である。本発明に係る平面アンテナは、m個の低背アンテナが並列に接続された構成を有している。各低背アンテナは、それぞれn個のアンテナ素子が並列接続されたアンテナ素子群と1つのインピーダンス変換回路部が直列に接続された構成を有している。
【0015】
本発明においてアンテナ素子群を構成する各アンテナ素子は、アドミタンスを複素数表示した場合、アンテナ素子の入力アドミタンスの実数成分が対象とする周波数帯域において少なくとも1つの極大値を持つように構成されている。また、各アンテナ素子は、それぞれ異なる周波数で入力アドミタンスの実数成分が極大となるように構成されている。本発明に係る平面アンテナは、対象とする周波数帯域において、アンテナ素子群の入力アドミタンスの周波数特性が十分に緩やかな勾配を持つように、アンテナ素子群を構成する各アンテナ素子の極大となる周波数がそれぞれ設定されている。また、各アンテナ素子の該極大値のそれぞれが、前記平面アンテナに接続される給電系の特性アドミタンスの実数成分よりも大きい値となるように設定されている。
【0016】
2つのアンテナ素子(例えば、アンテナ素子1-1、アンテナ素子1-2とする)を並列接続した場合、該アンテナ素子から成るアンテナ素子群の入力アドミタンスの周波数特性について、勾配が緩やかになることを以下に説明する。
【0017】
図3Aはアンテナ素子1-1の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性を模式的に示すグラフであり、図3Bはアンテナ素子1-2の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性を模式的に示すグラフであり、図3Cはアンテナ素子1-1及びアンテナ素子1-2を並列接続した場合の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性を模式的に示すグラフである。アンテナ素子1-1、アンテナ素子1-2の入力アドミタンスの実数成分をそれぞれG1、G2[単位:S]と表し、G1とG2が極大値を取る周波数をそれぞれF1、F2[単位:Hz]とする(ただし、F1≠F2とする)。図3Aおよび図3Bに示したように、G1とG2はそれぞれF1とF2において極大値をとるシャープな周波数特性を有しているとする。
【0018】
これに対し、アンテナ素子1-1とアンテナ素子1-2を並列に接続したアンテナ素子群の入力アドミタンスの実数成分Gの周波数特性は、G1の周波数特性とG2の周波数特性との和となるため、図3Cに示すように、F1とF2との間において、各アンテナ素子が単独の場合と比較して入力アドミタンスの実数成分の値が大きくなり勾配が緩やかになる。このように、アンテナ素子群の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性は、アンテナ素子群を構成するアンテナ素子を並列接続することによって、その帯域幅を広げることが可能となる。
【0019】
また、各アンテナ素子の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性の和において、隣接する2つの極大値の大きい方の極大値に対する該隣接する2つの極大値の間の極小値の割合が1/9よりも大きいことが好ましい。このとき、そのアンテナ素子群は反射係数の絶対値が0.5以下となり、広帯域な周波数特性を持つことができる。この理由を以下に説明する。
【0020】
図4は、給電系、伝送線路、アンテナ素子群からなる回路例を示した模式図である。図4に示すように、アンテナ素子群が1/4波長変成器を介して給電系に接続されている場合を考える。ここで、給電系の特性インピーダンスの実数成分をrとし、1/4波長変成器の特性インピーダンスをZ0、電気長l(エル)を1/4波長(l = λ/4)とし、アンテナ素子群の入力インピーダンスの実数成分をrAとし、アンテナ素子群と伝送線路との合成入力インピーダンスの実数成分をrA´とする。また、アンテナ素子群の入力コンダクタンスの実数成分をgAと表し、アンテナ素子群と伝送線路との合成入力コンダクタンスの実数成分をgA´と表す。
【0021】
アンテナ素子群の入力インピーダンスの実数成分rA、アンテナ素子群の入力コンダクタンスの実数成分gA、アンテナ素子群と伝送線路との合成入力インピーダンスの実数成分rA´、アンテナ素子群と伝送線路との合成入力コンダクタンスの実数成分gA´の間には、以下のような関係がある。
【0022】
【数1】
【0023】
【数2】
【0024】
また、アンテナ素子群と伝送線路との合成入力インピーダンスの実数成分rA´は、虚数単位jと波数β(β= 2π/λ)を用いて次式(3)のように表すこともできる。
【0025】
【数3】
【0026】
式(1)と式(3)から、gA、rA´、Z0の関係は次式(4)で表される。
【0027】
【数4】
【0028】
一方、反射係数Γは、次式(5)のように表される。
【0029】
【数5】
【0030】
式(5)をrA´について整理すると、次式(6)のようになる。
【0031】
【数6】
【0032】
式(4)と式(6)とから、次式(7)が得られる。
【0033】
【数7】
【0034】
ここで、式(7)においてΓ= 0.5のとき、アンテナ素子群の入力コンダクタンス実数成分の極大値gAmaxが次式(8)のような関係で得られる。
【0035】
【数8】
【0036】
また、式(7)においてΓ= -0.5のとき、アンテナ素子群の入力コンダクタンス実数成分の極小値gAminが次式(9)のような関係で得られる。
【0037】
【数9】
【0038】
式(8)および式(9)から、極小値gAminと極大値gAmaxの比をとると次式(10)となる。
【0039】
【数10】
【0040】
すなわち、極小値gAminと極大値gAmaxとの割合が1/9より大きい場合、gAの値が極小値gAminと極大値gAmaxの間にある周波数域では、反射係数Γの絶対値が0.5よりも小さくなり(|Γ|< 0.5)、広帯域な周波数特性をもつことが可能である。このように、本発明に係る平面アンテナでは、複数のアンテナ素子の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性の和をとった場合、隣接する2つの極大値における大きい方の極大値に対する該2つの極大値間の極小値の割合が1/9より大きいこと(より詳しくは、1以下であり1/9より大きいこと)が好ましい。
【0041】
本発明に係る平面アンテナは、アンテナ素子群の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性において、隣接する2つの極大値の間の極小値が接続される給電系の特性アドミタンスの実数成分よりも大きい値であることが好ましい。それにより、従来と同等の対応周波数帯域を維持しつつアンテナ素子群を低背化することができる。なお、一般的な給電系の特性アドミタンスは0.02 S程度と考えられることから、前記極小値は0.02 Sよりも大きいことが好ましい。
【0042】
一方、図3Cに示したような周波数F1とF2との間の周波数帯域(入力アドミタンスの実数成分の勾配が緩やかな周波数帯域)では、アンテナ素子群と給電系との整合状態が必ずしも良好であるとは限らない。そこで、アンテナ素子群と給電系との整合状態を確保するため、両者の間にインピーダンス変換回路部を挿入することが好ましい。この結果、アンテナ素子群とインピーダンス変換経路部との接続点における両方向の入力アドミタンスの実数成分が等しくなり、インピーダンス変換回路部とアンテナ素子群を含むアンテナと給電系との整合が良好となる。
【0043】
インピーダンス変換回路部としては、アンテナ素子群の動作周波数帯域の中心周波数fにおける波長λに対してλ/4の電気長となる1つのマイクロストリップラインを使用することが好ましい。アンテナ素子群の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性において、隣接する2つの極大値の間の周波数帯域における入力アドミタンスの実数成分をGaとし、給電系の特性アドミタンスをYoとすると、マイクロストリップラインの特性インピーダンスは、(Ga・Yo)0.5 と表すことができる。この関係から、給電系の特性アドミタンスをアンテナ素子群に適したアドミタンスに変換することが可能となり、その結果、広帯域な周波数特性をもつアンテナの実現が可能となる。
【0044】
また、インピーダンス変換回路部として、アンテナ素子群の動作周波数帯域の中心周波数fにおける波長λに対してλ/4の電気長となる1つの同軸ケーブルを使用してもよい。その作用効果は、上述のマイクロストリップラインの場合と同様である。
【0045】
インピーダンス変換回路部は、前述のマイクロストリップラインまたは同軸ケーブルを複数直列接続する構成でも良い。この場合、インピーダンス変換回路部自身の周波数特性がより広帯域となるため、より広帯域な周波数特性をもつアンテナの実現が可能である。
【0046】
また、本発明に係る平面アンテナは、該平面を厚さ方向に投影して見た場合(透視した場合)、アンテナ素子群に対応する位置にはグランド部が形成されていない。すなわち、前述したように、本発明に係る平面アンテナにおける「アンテナ素子群の高さ」とは、グランド部の上端(アンテナ素子群に最近接のグランド部の辺)とアンテナ素子群の上端(グランド部から最も離れたアンテナ素子群の辺)との距離と定義される。なお、アンテナ素子群は、該アンテナ素子群と同一面上に形成される給電線や、同軸ケーブルを介して給電されることが好ましい。
【0047】
以下、より具体的な構造について説明する。
【0048】
〔本発明の第1の実施形態〕
図5Aは、本発明の第1の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図であり、図5Bは、図5Aの第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。図5A、図5Bに示したように、第1の実施形態に係るアンテナ100は、プリント基板10(リジットプリント基板またはフレキシブルプリント基板)の両面に導体層(第1の導体層11と第2の導体層12)が形成されている。第1の導体層11には、矩形導体から成るアンテナ素子1が複数並列接続されたアンテナ素子群2と、インピーダンス変換回路部5と、給電系9が接続される給電部4とが形成されている。インピーダンス変換回路部5はアンテナ素子群2と給電部4との間に直列に接続されている。第2の導体層12には、グランド部3が形成されている。
【0049】
また、第1の導体層11と第2の導体層12とはスルーホール部6により短絡されており、インピーダンス変換回路部5の一端とスルーホール部6上に配設された給電部4に給電系9が接続されて給電される。なお、給電用ケーブル(図示せず)としては、例えば、同軸ケーブルが好ましく用いられ、同軸ケーブル内導体がインピーダンス変換回路部5の一端に接続されて、同軸ケーブル外導体がスルーホール部6に接続される。
【0050】
複数のアンテナ素子1(図5Aでは2つ)は先端開放の矩形導体であり、対象とする周波数帯域において、それぞれのアンテナ素子1の入力アドミタンスの実数成分は互いに異なる周波数で極大値をもつ。アンテナ素子群2の入力アドミタンスの実数成分(各アンテナ素子1の入力アドミタンスの実数成分の和)が緩やかな(幅広い)周波数特性をもつように、各アンテナ素子1の形状(主に長さ)は設定されている。また、平面アンテナ100を厚さ方向に投影して見た場合(透視した場合)、第1の導体層11のアンテナ素子群2に対応する第2の導体層12の位置にはグランド部3が形成されていない。これらの結果、対応可能な周波数帯域幅を従来と同程度に維持しつつ、アンテナ素子群の高さが低い(低背化が可能な)平面アンテナを提供することができる。
【0051】
〔本発明の第2の実施形態〕
図6は、本発明の第2の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した平面模式図である。図6に示したように、第2の実施形態に係る平面アンテナ200は、第1の実施形態に係る平面アンテナに加えて、各アンテナ素子1の先端領域に(アンテナ素子1のインピーダンス変換回路部5との接続点から遠い方に)スルーホール部6が形成されている。すなわち、各アンテナ素子1は、先端領域のスルーホール部6を介して第2の導体層12のグランド部(図6中に図示せず)と先端短絡されている。
【0052】
第2の実施形態は、第1の実施形態と同様に、対応可能な周波数帯域幅を従来と同程度に維持しつつ、低背化が可能な平面アンテナを提供することができる。また、アンテナ素子1とグランド部3が短絡されていることから、第1の実施形態よりも静電対策に優れているという特徴をもつ。
【0053】
〔本発明の第3の実施形態〕
図7は、本発明の第3の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。図7に示したように、第3の実施形態に係る平面アンテナ300は、第1の実施形態に係る平面アンテナに加えて、アンテナ素子1とインピーダンス変換回路部5との接続点近傍に、並列に電磁誘導手段(例えばインダクタ)および静電容量手段(例えばコンデンサ)から成る整合回路部7がアンテナ素子1と並列に接続されている。また、整合回路部7の先端領域に(整合回路部7のアンテナ素子1との接続点から遠い方に)スルーホール部6が形成されている。すなわち、整合回路部7は、先端領域のスルーホール部6を介して第2の導体層12のグランド部(図7中に図示せず)と先端短絡されている。
【0054】
この整合回路部7は、アンテナ素子群2の入力アドミタンスの虚数成分を調整し、アンテナ素子群2を含む平面アンテナ300と給電系9との整合をより良好にする。第3の実施形態は、第1の実施形態と同様に、対応可能な周波数帯域幅を従来と同程度に維持しつつ、低背化が可能な平面アンテナを提供することができる。また、整合回路部7を接続することにより、第1の実施形態よりも更に良好な整合をとることが可能である。
【0055】
〔本発明の第4の実施形態〕
図8は、本発明の第4の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。図8に示したように、第4の実施形態に係る平面アンテナ400は、第2の実施形態に係る平面アンテナに加えて、アンテナ素子1とインピーダンス変換回路部5との間に、整合回路部7が直列に接続されている。第4の実施形態は、第2の実施形態が有する作用効果に加えて、整合回路部7を接続することにより、第2の実施形態よりも更に良好に整合をとることが可能である。
【0056】
〔本発明の第5の実施形態〕
図9Aは、本発明の第5の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図であり、図9Bは、図9Aの第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図であり、図9Cは、図9Aの第3の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。図9A〜図9Cに示したように、第5の実施形態に係るアンテナ500は、3層の導体層(第1の導体層11、第2の導体層12、第3の導体層13)を有するプリント基板10(リジットプリント基板またはフレキシブルプリント基板)から構成されている。
【0057】
第1の導体層11には、グランド部3と給電部4とスルーホール部6とスルーホール部6’とが形成されている。スルーホール部6は、第1の導体層11と第2の導体層12とを短絡するものであり、スルーホール部6’は、第1の導体層11と第3の導体層13とを短絡するものである。また、給電系9が給電部4に接続されて給電される。
【0058】
第2の導体層12には、矩形導体から成るアンテナ素子1が複数並列接続されたアンテナ素子群2とインピーダンス変換回路部5と給電線8とスルーホール部6とが形成され、それらが直列に接続されている。スルーホール部6は、第1の導体層11に形成された給電部4と接続されている。アンテナ素子群2は、第1の実施形態と同様に対象とする周波数帯域において、入力アドミタンスの実数成分(各アンテナ素子1の入力アドミタンスの実数成分の和)が広帯域化に適した緩やかな(幅広い)周波数特性をもつ。
【0059】
第3の導体層13には、第2のグランド部3’とスルーホール部6’とが形成されている。第2のグランド部3’は、スルーホール部6’を介してグランド部3と短絡している。また、平面アンテナ500を厚さ方向に投影して見た場合(透視した場合)、第2の導体層12のアンテナ素子群2に対応する位置において、第1の導体層11のグランド部3および第3の導体層13の第2のグランド部3’は形成されていない。
【0060】
第5の実施形態は、第1の実施形態と同様に、対応可能な周波数帯域幅を従来と同程度に維持しつつ、低背化が可能な平面アンテナを提供することができる。また、インピーダンス変換回路部5が、2層のグランド(グランド部3と第2のグランド部3’)によって挟まれて電磁気的に遮蔽される構造になっていることから、インピーダンス変換回路部5の周波数特性は周囲の環境に影響されないという特徴をもつ。これらのため、第5の実施形態は、平面アンテナを携帯無線端末に配置する時にグランド周囲の環境を考慮する必要がなく取り扱いが容易であるという利点がある。
【0061】
なお、本実施形態において、アンテナ素子1として第2の実施形態に示したような先端短絡されたアンテナ素子を用いても良い。また、第3の実施形態や第4の実施形態に示したような整合回路部7を接続しても良い。
【0062】
〔本発明の第6の実施形態〕
図10Aは、本発明の第6の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図であり、図10Bは、図10Aの第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図であり、図10Cは、図10Aの第3の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。図10A〜図10Cに示したように、第6の実施形態に係るアンテナ600は、第5の実施形態と同様の構成を有するが、第2の導体層12に2組のアンテナ素子群が形成されている点において異なる。
【0063】
図10Bに示したように、第2の導体層12には、2組のアンテナ素子群2と2つのインピーダンス変換回路部5と給電線8とスルーホール部6とが形成されている。2組のアンテナ素子群2は、給電系9の特性インピーダンスと等しい特性インピーダンスを有する給電線8を介して並列に接続されることが好ましい。また、2組のアンテナ素子群2をそれぞれ構成するアンテナ素子1を一直線上に配置することにより、平面アンテナの低背化が実現可能である。
【0064】
スルーホール部6は、第1の導体層11に形成された給電部4と接続されている。スルーホール部6’は、グランド部3と第2のグランド部3’とを短絡接続している。また、平面アンテナ600を厚さ方向に投影して見た場合(透視した場合)、第2の導体層12のアンテナ素子群2に対応する位置において、第1の導体層11のグランド部3および第3の導体層13の第2のグランド部3’は形成されていない。
【0065】
一方、アンテナ素子群2のそれぞれは、第1の実施形態と同様に対象とする周波数帯域において、入力アドミタンスの実数成分(各アンテナ素子1の入力アドミタンスの実数成分の和)が広帯域化に適した緩やかな(幅広い)周波数特性をもつ。また、各アンテナ素子群2は、互いに異なる周波数帯域を対象とするように設定されている。これらの特徴により、第6の実施形態は、第5の実施形態と同様の作用効果を有するのに加えて、第5の実施形態よりも多くの周波数帯域に対応することが可能である。
【0066】
なお、第6の実施形態として2組のアンテナ素子群を有する平面アンテナについて説明したが、本発明はそれに限定されず、3組以上のアンテナ素子群を具備させて3つ以上の相互に異なる周波数帯域に対応させることも可能である。さらに、全てのアンテナ素子を一直線上に配置することにより、低背化された平面アンテナを実現することが可能である。
【0067】
〔本発明の第7の実施形態〕
図11Aは、本発明の第7の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図であり、図11Bは、図11Aの第2の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図であり、図11Cは、図11Aの第3の導電層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。図11A〜図11Cに示したように、第7の実施形態に係るアンテナ700は、第6の実施形態と同様の構成を有するが、アンテナ素子群2の長手方向が互いに直角関係となるように2組のアンテナ素子群2を配置している点において異なる。
【0068】
第7の実施形態は、第6の実施形態と同様の作用効果を有するのに加えて、2組のアンテナ素子群を互いに直角関係となるように配置することにより、例えば矩形の携帯無線端末の角部に該平面アンテナを配置することで該端末内のスペースを有効に活用できる利点がある。
【0069】
なお、上述では、2組のアンテナ素子群の長手方向が互いに直角関係となるように配置した場合について説明したが、本発明はそれに限定されず、2組のアンテナ素子群が任意の角度関係に配置されていても良いし、3組以上のアンテナ素子群を具備させても良い。また、平面アンテナ700を厚さ方向に投影して見た場合(透視した場合)、第2の導体層12のアンテナ素子群2に対応する位置において、第1の導体層11のグランド部3および第3の導体層13の第2のグランド部3’は形成されていない。
【0070】
〔本発明の第8の実施形態〕
図12Aは、本発明の第8の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。図12Aに示したように、第8の実施形態に係る平面アンテナ800は、第1の実施形態と略同様の構成を有するが、インピーダンス変換回路部として、アンテナ素子群2が対象とする動作周波数帯域の中心周波数における波長の1/4の整数倍の電気長を持つ同軸ケーブル14が用いられ、同軸ケーブル内導体15がアンテナ素子群2に接続され、同軸ケーブル外導体16がスルーホール部6に接続されている点において異なる。同軸ケーブル外導体16と第2の導体層12に形成されたグランド部(図示せず)は、スルーホール部6により短絡されている。
【0071】
図12Bは、本発明の第8の実施形態に係る平面アンテナの他の例を示した斜視模式図である。図12Bに示したように、第8の実施形態に係る平面アンテナ850は、プリント基板10(リジットプリント基板またはフレキシブルプリント基板)の片面に第1の導体層11が形成され、第1の導体層11にアンテナ素子群2とグランド部3とが形成されている。また、インピーダンス変換回路部として、アンテナ素子群2が対象とする動作周波数帯域の中心周波数における波長の1/4の整数倍の電気長を持つ同軸ケーブル14が用いられ、同軸ケーブル内導体15がアンテナ素子群2に接続され、同軸ケーブル外導体16がグランド部3に接続されている。
【0072】
第8の実施形態に係る平面アンテナ800,850は、第1の実施形態と同様の作用効果を有し、対応可能な周波数帯域幅を従来と同程度に維持しつつ、アンテナ素子群の高さが低い(低背化が可能な)平面アンテナを提供することができる。また、平面アンテナ850は、導体層がプリント基板10の片面のみであることから、より簡単に(すなわち低コストで)作製できる利点がある。
【0073】
〔本発明の第9の実施形態〕
図13は、本発明の第9の実施形態に係る平面アンテナの一例であり、アンテナ素子群を形成した導体層を示した平面模式図である。図13に示したように、第9の実施形態に係る平面アンテナ900は、第6の実施形態と同様の構成を有するが、アンテナ素子群2とインピーダンス変換回路部5からなるアンテナに接続される給電線8の一部分にフィルタ17が直列に接続されている点において異なる。
【0074】
一般的に、複数のアンテナが並列接続されている多重アンテナにおいて、各アンテナの高調波が他のアンテナの入力インピーダンスを変化させて整合条件を劣化させる場合がある。これに対し、第9の実施形態に係る平面アンテナ900では、フィルタ17を適切に配設することによって良好な整合をとることができる。フィルタ17としては、状況に応じて、高域通過フィルタや低域通過フィルタや帯域通過フィルタや帯域遮断フィルタを用いることができる。他の作用効果は、第6の実施形態と同様である。
【0075】
〔本発明の第10の実施形態〕
図14は、本発明の第10の実施形態に係る平面アンテナの一例を示した斜視模式図である。図14に示したように、第10の実施形態に係る平面アンテナ1000は、送受信モジュール18を搭載する基板19上に本発明のアンテナが直接形成されているものである。送受信モジュール18とアンテナ素子群2は、基板19上に形成されるインピーダンス変換回路部5と給電線8とを介して接続され、無線信号の授受と給電が行われる。本発明に係る平面アンテナにおける低背の特長を活かし、送受信モジュールを搭載する基板19の面積をほとんど拡大することなしにアンテナを形成することができる。なお、平面アンテナの構造としては、前述の実施形態のいずれでもよい。
【0076】
〔本発明の第11の実施形態〕
図15は、本発明に係る平面アンテナを内蔵したノート型パーソナルコンピュータやUMPC等の携帯無線端末の模式図である。図15に示したように、本発明に係る平面アンテナ21は、対応可能な周波数帯域幅を従来と同程度に維持しつつアンテナ素子群の高さが低い(低背である)という特長を有することから、携帯無線端末20の液晶画面(LCD)周囲やキーボード周囲などの狭いスペースにも内蔵することが可能である。言い換えると、従来よりも小型の携帯無線端末20に対しても、本発明に係る平面アンテナ21を内蔵させることができる。また、本発明に係る平面アンテナ21は低背アンテナであることから、1つの携帯無線端末20に複数の低背アンテナを内蔵させて複数の周波数帯域に対応できる利点もある。
【実施例】
【0077】
以下、本発明を実施例に基づいて更に詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0078】
(実施例1)
第1の実施形態に係る平面アンテナとして、図16Aおよび図16Bに示すような平面アンテナ(実施例1)を用意した。図16Aは実施例1の第1の導体層を示した平面模式図であり、図16Bは実施例1の第2の導体層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。
【0079】
プリント基板10としては、両面に導体層が形成された厚さ0.3 mmのFR4プリント基板を用いた。図16A、図16Bに示したように、第1の導体層11には、複数のアンテナ素子1が並列に接続されたアンテナ素子群2と、インピーダンス変換回路部5と、給電線8と、スルーホール部6とを形成した。第2の導体層12には、グランド部3とスルーホール部6とを形成した。スルーホール部6は、第1の導体層11と第2の導体層12とを短絡接続している。第1の導体層11における給電線8の一端とスルーホール部6上とに給電部4を配設し、同軸ケーブルを介して給電を行う構成とした。
【0080】
アンテナ素子1は、L1 = 12 mm、W1 = 0.5 mmの矩形導体と、L2 = 9.5 mm、W2 = 0.5 mmの矩形導体とした。また、アンテナ素子群2の高さはLc = 2 mmとした。このアンテナ素子群2の高さは、平面アンテナが対象とする動作周波数帯域における波長に対して約1/18のサイズであり、十分低背であると言うことができる。
【0081】
インピーダンス変換回路部5には、アンテナの動作周波数帯域の中心周波数における波長λの1/4の電気長をもつマイクロストリップラインを使用した。該マイクロストリップラインの寸法は、W3 = 1.2 mm、L3 = 12.2 mmとした。
【0082】
給電線8には、給電系と等しい特性アドミタンスをもつマイクロストリップラインを使用した。該マイクロストリップラインの幅は、W4 = 0.3 mmであり、特性アドミタンスの実数成分は約0.02 Sである。
【0083】
実施例1の平面アンテナを用いて、反射係数と放射効率の測定を行った。図17は実施例1の平面アンテナにおける反射係数の評価結果であり、図18は実施例1の平面アンテナにおける放射効率の評価結果である。図17から、反射係数の絶対値が0.5以下である周波数帯域は1.6 GHz以上であり、実施例1の平面アンテナが広帯域な周波数特性をもつことが確認された。また、図18から、放射効率が0.5以上である周波数帯域が1.2 GHz以上であることが判る。これは比帯域が20%以上であることを意味し、広帯域な周波数特性をもつことが確認された。
【0084】
(実施例2)
第6の実施形態に係る平面アンテナとして、図19Aおよび図19Bに示すような平面アンテナ(実施例2)を用意した。図19Aは実施例2の第1の導体層を示した平面模式図であり、図19Bは実施例2の第2の導体層を該平面アンテナの厚さ方向に透視した場合の平面模式図である。プリント基板10としては、両面に導体層が形成された厚さ0.3 mmのFR4プリント基板を用いた。また、実施例2の平面アンテナも、アンテナ素子群の高さが2.00 mmであり、十分低背であると言うことができる。なお、各種寸法の詳細は図中に記載した。
【0085】
実施例2の平面アンテナを用いて、2つの周波数帯域に対して反射係数と放射効率の測定を行った。図20Aは、実施例2の平面アンテナにおける1つ目の周波数帯域での反射係数の評価結果であり、図20Bは、実施例2の平面アンテナにおける2つ目の周波数帯域での反射係数の評価結果である。また、図21Aは、実施例2の平面アンテナにおける1つ目の周波数帯域での放射効率の評価結果であり、図21Bは、実施例2の平面アンテナにおける2つ目の周波数帯域での放射効率の評価結果である。
【0086】
図20Aおよび図20Bから、反射係数の絶対値が0.5以下である周波数帯域は、2.45 GHz周辺と5 GHz周辺でそれぞれ0.3 GHz以上、1.1 GHz以上であり、実施例2の平面アンテナが広帯域な周波数特性をもつことが確認された。また、図21Aおよび図21Bから、放射効率が0.5以上である周波数帯域は、2.45 GHz周辺と5 GHz周辺でそれぞれ0.31 GHz、1.16 GHzであった。これらの結果は、WLANに使用される従来のアンテナと同等の特性である。
【0087】
以上の実施例1および実施例2の結果からも、本発明に係る平面アンテナは、対応可能な周波数帯域幅を従来と同程度に維持しつつ、アンテナ素子群の高さを低くできる(低背化できる)ことが実証された。
【符号の説明】
【0088】
1…アンテナ素子、2…アンテナ素子群、3…グランド部、3’…第2のグランド部、
4…給電部、5…インピーダンス変換回路部、6、6’…スルーホール部、
7…整合回路部、8…給電線、9…給電系、10…プリント基板、
11…第1の導体層、12…第2の導体層、13…第3の導体層、
14…同軸ケーブル、15…同軸ケーブル内導体、16…同軸ケーブル外導体、
17…フィルタ、18…送受信モジュール、19…送受信モジュールを搭載する基板、
20…携帯無線端末、21…本発明に係る平面アンテナ、
100,200,300,400,500,600,700,800,850,900,1000…平面アンテナ。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のアンテナ素子が並列に接続されたアンテナ素子群を有する平面アンテナであって、アドミタンスを複素数表示した場合、
前記複数のアンテナ素子のそれぞれは、前記平面アンテナが対象とする動作周波数帯域において異なる周波数で入力アドミタンスの実数成分の極大値を有しており、
前記極大値のそれぞれが、前記平面アンテナに接続される給電系の特性アドミタンスの実数成分よりも大きい値であることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項2】
請求項1に記載の平面アンテナにおいて、
前記複数のアンテナ素子の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性の和をとった場合、隣接する2つの極大値における大きい方の極大値に対する該2つの極大値間の極小値の割合が1/9よりも大きいこと特徴とする平面アンテナ。
【請求項3】
請求項2に記載の平面アンテナにおいて、
前記極小値は、前記給電系の特性アドミタンスの実数成分よりも大きい値であることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項4】
請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
前記給電系の特性アドミタンスの実数成分が0.02 Sであることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項5】
請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
前記平面アンテナは、複数の導体層を有するプリント基板に形成され、
前記複数の導体層の内の1層に、前記アンテナ素子群と、前記給電系が接続される給電部と前記アンテナ素子群との間に直列に接続されるインピーダンス変換回路部とが形成され、
前記複数の導体層の内の他の層にグランド部が形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項6】
請求項5に記載の平面アンテナにおいて、
前記給電部は前記アンテナ素子群が形成された層に形成され、
前記給電部と前記グランド部とを短絡するスルーホール部が形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項7】
請求項5に記載の平面アンテナにおいて、
前記平面アンテナは、前記複数の導体層の内の前記アンテナ素子群が形成された層と前記グランド部が形成された層とは別の層に第2のグランド部が形成され、
前記アンテナ素子群が形成された層が、前記グランド部が形成された層と前記第2のグランド部が形成された層との間に挟まれていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項8】
請求項7に記載の平面アンテナにおいて、
前記給電部は前記グランド部が形成された層に形成され、
前記給電部と前記インピーダンス変換回路部とを短絡するスルーホール部が形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項9】
請求項7または請求項8に記載の平面アンテナにおいて、
前記グランド部と前記第2のグランド部とを短絡するスルーホール部が形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項10】
請求項5乃至請求項9に記載の平面アンテナにおいて、
前記インピーダンス変換回路部は、前記アンテナ素子群が対象とする動作周波数帯域の中心周波数における波長の1/4の整数倍の電気長を持つマイクロストリップラインであることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項11】
請求項5乃至請求項10のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
前記アンテナ素子と前記グランド部とを短絡するスルーホール部が、前記アンテナ素子の先端領域に形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項12】
請求項5乃至請求項11のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
電磁誘導手段と静電容量手段とから成る整合回路部が、前記アンテナ素子と前記インピーダンス変換回路部との間に直列に接続されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項13】
請求項5乃至請求項10のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
電磁誘導手段と静電容量手段とから成る整合回路部が、前記アンテナ素子と前記インピーダンス変換回路部との接続点近傍で前記アンテナ素子と並列に接続されており、
前記整合回路部と前記グランド部とを短絡するスルーホール部が、前記整合回路部の先端領域に形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項14】
請求項1乃至請求項13のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
前記平面アンテナは、前記アンテナ素子群を2組有し、前記2組のアンテナ素子群が並列に接続されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項15】
請求項14に記載の平面アンテナにおいて、
前記2組のアンテナ素子群は、一方の前記アンテナ素子群の長手方向と他方の前記アンテナ素子群の長手方向とが、互いに直角関係となるように配置されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項16】
請求項5乃至請求項15のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
前記給電系と等しい特性アドミタンスを持つ給電線が、前記給電部と前記インピーダンス変換回路部との間に形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項17】
請求項16に記載の平面アンテナにおいて、
フィルタが前記給電線の一部分に直列に接続されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項18】
請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
前記アンテナ素子群が対象とする動作周波数帯域の中心周波数における波長の1/4の整数倍の電気長を持つ同軸ケーブルから成るインピーダンス変換回路部が、前記アンテナ素子群と前記給電系との間に直列に接続されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項19】
請求項18に記載の平面アンテナにおいて、
前記平面アンテナは、複数の導体層を有するプリント基板に形成され、
前記複数の導体層の内の1層に前記アンテナ素子群が形成され、
前記複数の導体層の内の他の層に前記グランド部が形成され、
前記同軸ケーブルの外導体と前記グランド部とを短絡するスルーホール部が形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項20】
請求項1乃至請求項19のいずれかに記載の平面アンテナと前記平面アンテナに給電する給電系とを具備することを特徴とする無線装置。
【請求項1】
複数のアンテナ素子が並列に接続されたアンテナ素子群を有する平面アンテナであって、アドミタンスを複素数表示した場合、
前記複数のアンテナ素子のそれぞれは、前記平面アンテナが対象とする動作周波数帯域において異なる周波数で入力アドミタンスの実数成分の極大値を有しており、
前記極大値のそれぞれが、前記平面アンテナに接続される給電系の特性アドミタンスの実数成分よりも大きい値であることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項2】
請求項1に記載の平面アンテナにおいて、
前記複数のアンテナ素子の入力アドミタンスの実数成分の周波数特性の和をとった場合、隣接する2つの極大値における大きい方の極大値に対する該2つの極大値間の極小値の割合が1/9よりも大きいこと特徴とする平面アンテナ。
【請求項3】
請求項2に記載の平面アンテナにおいて、
前記極小値は、前記給電系の特性アドミタンスの実数成分よりも大きい値であることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項4】
請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
前記給電系の特性アドミタンスの実数成分が0.02 Sであることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項5】
請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
前記平面アンテナは、複数の導体層を有するプリント基板に形成され、
前記複数の導体層の内の1層に、前記アンテナ素子群と、前記給電系が接続される給電部と前記アンテナ素子群との間に直列に接続されるインピーダンス変換回路部とが形成され、
前記複数の導体層の内の他の層にグランド部が形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項6】
請求項5に記載の平面アンテナにおいて、
前記給電部は前記アンテナ素子群が形成された層に形成され、
前記給電部と前記グランド部とを短絡するスルーホール部が形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項7】
請求項5に記載の平面アンテナにおいて、
前記平面アンテナは、前記複数の導体層の内の前記アンテナ素子群が形成された層と前記グランド部が形成された層とは別の層に第2のグランド部が形成され、
前記アンテナ素子群が形成された層が、前記グランド部が形成された層と前記第2のグランド部が形成された層との間に挟まれていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項8】
請求項7に記載の平面アンテナにおいて、
前記給電部は前記グランド部が形成された層に形成され、
前記給電部と前記インピーダンス変換回路部とを短絡するスルーホール部が形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項9】
請求項7または請求項8に記載の平面アンテナにおいて、
前記グランド部と前記第2のグランド部とを短絡するスルーホール部が形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項10】
請求項5乃至請求項9に記載の平面アンテナにおいて、
前記インピーダンス変換回路部は、前記アンテナ素子群が対象とする動作周波数帯域の中心周波数における波長の1/4の整数倍の電気長を持つマイクロストリップラインであることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項11】
請求項5乃至請求項10のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
前記アンテナ素子と前記グランド部とを短絡するスルーホール部が、前記アンテナ素子の先端領域に形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項12】
請求項5乃至請求項11のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
電磁誘導手段と静電容量手段とから成る整合回路部が、前記アンテナ素子と前記インピーダンス変換回路部との間に直列に接続されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項13】
請求項5乃至請求項10のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
電磁誘導手段と静電容量手段とから成る整合回路部が、前記アンテナ素子と前記インピーダンス変換回路部との接続点近傍で前記アンテナ素子と並列に接続されており、
前記整合回路部と前記グランド部とを短絡するスルーホール部が、前記整合回路部の先端領域に形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項14】
請求項1乃至請求項13のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
前記平面アンテナは、前記アンテナ素子群を2組有し、前記2組のアンテナ素子群が並列に接続されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項15】
請求項14に記載の平面アンテナにおいて、
前記2組のアンテナ素子群は、一方の前記アンテナ素子群の長手方向と他方の前記アンテナ素子群の長手方向とが、互いに直角関係となるように配置されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項16】
請求項5乃至請求項15のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
前記給電系と等しい特性アドミタンスを持つ給電線が、前記給電部と前記インピーダンス変換回路部との間に形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項17】
請求項16に記載の平面アンテナにおいて、
フィルタが前記給電線の一部分に直列に接続されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項18】
請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
前記アンテナ素子群が対象とする動作周波数帯域の中心周波数における波長の1/4の整数倍の電気長を持つ同軸ケーブルから成るインピーダンス変換回路部が、前記アンテナ素子群と前記給電系との間に直列に接続されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項19】
請求項18に記載の平面アンテナにおいて、
前記平面アンテナは、複数の導体層を有するプリント基板に形成され、
前記複数の導体層の内の1層に前記アンテナ素子群が形成され、
前記複数の導体層の内の他の層に前記グランド部が形成され、
前記同軸ケーブルの外導体と前記グランド部とを短絡するスルーホール部が形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項20】
請求項1乃至請求項19のいずれかに記載の平面アンテナと前記平面アンテナに給電する給電系とを具備することを特徴とする無線装置。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16A】
【図16B】
【図17】
【図18】
【図19A】
【図19B】
【図20A】
【図20B】
【図21A】
【図21B】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16A】
【図16B】
【図17】
【図18】
【図19A】
【図19B】
【図20A】
【図20B】
【図21A】
【図21B】
【公開番号】特開2011−114445(P2011−114445A)
【公開日】平成23年6月9日(2011.6.9)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−267223(P2009−267223)
【出願日】平成21年11月25日(2009.11.25)
【出願人】(300055719)日立電線ファインテック株式会社 (96)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成23年6月9日(2011.6.9)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年11月25日(2009.11.25)
【出願人】(300055719)日立電線ファインテック株式会社 (96)
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]