JP2004112028A

JP2004112028A - Antenna device and communication apparatus using the same

Info

Publication number: JP2004112028A
Application number: JP2002268048A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Takagi; 高木　保規; Hiroshi Aoyama; 青山　博志; Kazuo Kazama; 風間　和夫; Hidetoshi Hagiwara; 萩原　英俊
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: JP3932116B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an antenna device which deals with a multi-band equal to or more than a dual band by one surface-mounted antenna, has no mutual interference, and has a wide transmission/reception frequency band. <P>SOLUTION: This antenna device is provided with a surface-mounted antenna having a substrate consisting of a dielectric material or a magnetic material, first radiation electrode formed on at least one surface of the substrate, grounding electrode formed on the substrate so as to directly connected or capacitance-coupled to the one end of the first radiation electrode, and a current-feeding electrode opposing the first radiation electrode at a distance; a mounting substrate for mounting the surface-mounted antenna; and a second radiation electrode 22 arranged on the surface of the substrate on which the surface-mounted antenna is not mounted. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話や無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）などに用いられる表面実装型アンテナ及びそれを基板に実装した低背型のアンテナ装置およびそれを用いた通信機であって、デュアルバンド（ｄｕａｌ　ｂａｎｄ）以上のマルチバンド（ｍｕｌｔｉ−ｂａｎｄ）に好適なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
デュアルバンドなどマルチバンド用の表面実装型アンテナにおいては、一つの放射電極で複数の共振周波数を有するアンテナを設計することは易しいことではなかった。そこで、二つの放射電極で二つの共振周波数に対応するものが提案された（例えば、特許文献１参照）。図７に示すように、表面実装型アンテナ９０は、基体１０上に配設された共通の給電電極４０が二つの放射電極２０ａ、２０ｂの各々に離間して対向している。
しかし、特許文献１記載のものでは、二つの放射電極の相互干渉や、相対的に共振周波数の高いアンテナに対してアンテナ利得が低くなるという問題があった。
【０００３】
そこで、図８に示すアンテナ装置が提案された（例えば、特許文献２参照）。図８において、アンテナ装置８０は、実装基板６０と、実装基板６０の一方主面６０ａに搭載された２つの表面実装型アンテナ９０ａ、９０ｂで構成される。実装基板６０の他方主面６０ｂは利用されていない。
実装基板６０の一方主面６０ａには給電用電極６４と接地電極６２ａが形成されている。給電用電極６４の一端は２つに分けられ、それぞれ２つの表面実装型アンテナ９０ａ、９０ｂの給電電極４０ａ、４０ｂに接続され、他端は信号処理回路（図示せず）に接続されている。
表面実装型アンテナ９０ａの共振周波数は、表面実装型アンテナ９０ｂの共振周波数に比べて低くしている。そして、表面実装型アンテナ９０ａを実装基板６０の２つの辺の交わる端部であるコーナー部に近接して配置し、それに対してコーナー部から離れる方向に表面実装型アンテナ９０ａに隣接して表面実装型アンテナ９０ｂを配置している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２１９６１９号公報
【特許文献２】
特開平１１−４１１７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献２記載のアンテナ装置８０においては、２つの表面実装型アンテナ９０ａ、９０ｂが必要で部品点数が多くなるという問題がある。別々の表面実装型アンテナ９０ａ、９０ｂを実装基板６０に実装するための製造コストなども問題である。できるだけ１つの表面実装型アンテナでマルチバンドに対応したい。
【０００６】
そこで、基板の接地電極に接地された放射電極が１つの表面実装型アンテナで対応しようとすれば、単一の周波数帯域に対応するように設計されているため、複数の共振周波数を持つものを設計することは困難であるという問題点もあった。複数の周波数帯の相互干渉などの為である。
【０００７】
また、特許文献１記載の表面実装型アンテナ９０では、電極は誘電体や磁性体からなる基体の表面に印刷法で形成されているため、基板の接地電極などとの間で静電容量を形成して容量分が増え、周波数帯域を大きく出来ないという問題もあった。
【０００８】
そこで本発明は、１つの表面実装型アンテナによってデュアルバンド以上のマルチバンドを送受信する際に、相互干渉が無く且つ周波数帯域の広いものの提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題を解決するための手段は、誘電体または磁性体からなる基体１０と、該基体１０の少なくとも一面に形成された第１の放射電極２０ａと、前記第１の放射電極２０ａの一端に直接接続または容量結合して前記基体１０に形成された接地電極３０と、前記第１の放射電極２０ａに離間して対向する給電電極４０とを有する表面実装型アンテナ９０と、該表面実装型アンテナ９０を実装する実装基板６０と、該実装基板６０の前記表面実装型アンテナ９０を実装しない基板面６０ｂに配設した第２の放射電極２０ｂとを具備したことを特徴とするアンテナ装置である。
【００１０】
ここで前記第２の放射電極は、複数の周波数に対応して複数本具備することができる。
また、上記アンテナ装置を用いて通信機を構成することが望ましい。
上記において直接接続とは、放射電極２０ａの一端と接地電極３０とが伝送線路、ストリップライン、パターンなどにより電気的に直接に接続されることを言う。
また容量結合とは、放射電極２０ａの一端と接地電極３０とが離間して形成され、静電容量を介して電気的に接続、結合されることを言う。
【００１１】
本発明者は、実装基板６０の他方主面６０ｂを有効利用して課題を解決できることに着目した。
表面実装型アンテナ９０の厚さは１〜３ｍｍ程度であるが、この表面実装型アンテナ９０を実装する実装基板６０の０．５〜１ｍｍ程度の厚みを利用した低背型アンテナ装置８０にすれば、静電容量Ｃと、電極間間隔ｄ、誘電率ε、電極対向面積Ｓとの間のＣ＝εＳ／ｄなる関係式から、誘電率εを下げ、電極間間隔ｄを増大できる結果、静電容量Ｃを減少できることに着目した。
【００１２】
本発明によると、表面実装型アンテナ９０の対角線に近く第１の放射電極２０ａと第２の放射電極２０ｂとの距離を極力大きくする構造になるため、両者の相互干渉が減少して安定してマルチバンドに使用できる効果がある。
【００１３】
また本発明によると、第２の放射電極２０ｂは表面実装型アンテナ９０を実装しない基板面６０ｂに配置するので、下記のような効果がある。
すなわち、表面実装型アンテナ９０の厚みをｄ、実装基板６０の厚みをＤとするとき、第２の放射電極２０ｂはｄよりも大きいｄ＋Ｄの距離で、実装基板６０の接地電極６２ａと、表面実装型アンテナ９０の第１の放射電極２０ａと、表面実装型アンテナ９０の給電電極４０との間に、それぞれ容量を形成する。その結果、静電容量が減少して周波数帯域を広く出来る効果がある。
【００１４】
更に、第２の放射電極２０ｂを表面実装型アンテナ９０を実装しない基板面６０ｂに配置するので、アンテナとして機能する体積が実装基板６０の厚みＤの分だけ大きくなり、より高いアンテナ利得を得る効果もある。
また、第２の放射電極２０ｂの長さＬｂを調節することにより共振周波数を簡単に調節できる。実装基板６０に形成されたパターンであるから、トリミングなどの調整が容易である。
また、第２の放射電極を周波数毎に複数本設けることによりマルチバンド化に容易に対応できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る表面実装型アンテナ９０の一実施例を示す斜視図である。ＩＥＥＥ規格の無線ＬＡＮ８０２．１１ａ（５ＧＨｚ）と８０２．１１ｂ（２．４ＧＨｚ）のデュアルバンドの例を示す。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）を紙面の反対側から斜視した図である。
この実施例では、第１の放射電極２０ａと第２の放射電極２０ｂを備える。第１の放射電極２０ａは２．４ＧＨｚ帯、第２の放射電極２０ｂは５ＧＨｚ帯の共振に主として寄与する。
補強パターン５０は、電気的な機能は無く、表面実装型アンテナ９０を実装基板６０に半田付けなどで実装する際の取付け用のパターンである。これにより実装が補強される。耐振動性を向上する効果もある。
基体１０の寸法は、一実施例として、幅４ｍｍ、長さ１０ｍｍ、厚さ３ｍｍであり、基体１０の材質は比誘電率εｒ＝８のアルミナ系の誘電体セラミックを用いた。
【００１６】
図２、図３は、表面実装型アンテナ９０を実装する実装基板８０の実装面のパターンを示す図であり、図２は表面実装型アンテナ９０（実装位置を破線で示す）を実装する面６０ａ、図３は表面実装型アンテナ９０を実装しない面６０ｂを示す図である。面６０ｂは面６０ａの裏面、対向面である。
図２で、給電用端子６４は表面実装型アンテナ９０の給電電極４０を接続するための端子であり、図示しない接続手段で信号処理回路に接続される。
補強パターン６６ａ〜６６ｄは、表面実装型アンテナ９０の補強パターン５０に接続するためのパターンである。耐振動性の向上効果もある。
図３で、第２の放射電極２０ｂは表面実装型アンテナ９０を実装しない面６０ｂに配設され、一端は接地電極６２ｂに接続され、他端は開放端であり、長さＬｂを調節することにより簡単に共振周波数を調節することが出来る。
【００１７】
表面実装型アンテナ９０の動作を説明する。図示しない実装基板の接地電極に一端を接続され、他端を開放端とした放射電極２０ａ、２０ｂは各々、給電電極４０と離間して配置されている。放射電極２０ａ、２０ｂは給電電極４０と容量結合して電磁エネルギーの授受をしている。放射電極２０ａ、２０ｂの自己インダクタンス、放射電極２０ａ、２０ｂと給電電極４０との間で各々形成される静電容量、放射電極２０ａ、２０ｂの相互間で形成される静電容量、及び放射電極２０ａ、２０ｂと実装基板の接地電極との間で形成される静電容量とで、ＬＣ共振回路が形成される。
従って、給電電極４０から夫々の静電容量を介して共振回路に信号が入力されると、入力した信号のエネルギーは共振回路内で共振し、その一部が空中に放射されて送信アンテナとして機能する。逆に、受信波が入力されると、共振回路で電圧に変換されて受信アンテナとして機能する。
【００１８】
図２、図３に示した端子配置図で分かるように、表面実装型アンテナ９０の接地端子６２ａと表面実装型アンテナ９０の接地端子６２ｂは、表面実装型アンテナ９０の対角線上に近く配置して、実装基板の表裏で距離をできるだけ大きくして離間配置している。この配置により、２．４ＧＨｚ帯と５ＧＨｚ帯の信号の相互干渉は極力減少される効果がある。
【００１９】
図４に表面実装型アンテナ９０を実装基板６０に実装した低背型アンテナ装置８０を示す。
表面実装型アンテナ９０の厚みをｄ、実装基板６０の厚みをＤとするとき、第２の放射電極２０ｂはｄよりも大きいｄ＋Ｄの距離で、実装基板６０の接地電極６２ａと、表面実装型アンテナ９０の第１の放射電極２０ａと、表面実装型アンテナ９０の給電電極４０との間に、それぞれ容量を形成する。その結果、静電容量が減少して周波数帯域を広く出来る。
【００２０】
表１に、第１の放射電極２０ａを２．４ＧＨｚ帯、第２の放射電極２０ｂを５．２ＧＨｚ帯としたデュアルバンドでアンテナを構成した場合の、周波数帯域幅とＶＳＷＲ（電圧定在波比）を示す。表２に示す比較例は、特許文献１記載の表面実装型アンテナのように一つの基体に２つの放射電極を備えるものを用いた。なお、ＶＳＷＲは１であれば最適であるが、２以下ならば実用上の問題はほとんど無いので、周波数帯域幅はＶＳＷＲが２となる周波数の上下限から決定した。
【００２１】
ここでＶＳＷＲの測定は、アンテナ実装基板の一端に設けた給電端子と、ネットワークアナライザの入力端子とを、同軸ケーブル（特性インピーダンス５０Ω）を介して接続し、前記給電端子においてネットワークアナライザ側からみた、アンテナの散乱パラメータを測定することにより、この値に基いてＶＳＷＲを算出した。
利得の測定に際しては、電波無響暗室内で被試験アンテナ（送信側）の給電端子に信号発生器を接続し、前記アンテナから放射された電力を受信用基準アンテナで受信することにより測定した。被試験アンテナからくる受信電力をＰａとし、既知の利得Ｇｒを有する送信用基準アンテナにより測定した受信電力をＰｒとすると、被試験アンテナの利得Ｇａは、Ｇａ＝Ｇｒ×Ｐａ／Ｐｒで表される。
指向性については、被試験アンテナ素子を回転テーブルに搭載し、被試験アンテナを回転させながら上記の利得測定を行うことにより、図１に示すＸ、ＹおよびＺ軸を中心として回転させたときの回転角度に対する利得をそれぞれ測定した。
【００２２】
表１に示すように、本発明によると比較例（表２）に比べて広い周波数帯域幅が得られることが分かる。ＶＳＷＲ（電圧定在波比）、すなわちアンテナ入力端における反射特性についても、本発明のアンテナが良好である。
【００２３】
【表１】

【００２４】
【表２】

【００２５】
図５に、実施例の表面実装型アンテナのＶＳＷＲの周波数特性曲線図を示す。図５（Ａ）は２．４ＧＨｚ帯、図５（Ｂ）は５．２ＧＨｚ帯のものである。本発明によると良好なＶＳＷＲ特性の得られることが分かる。ＶＳＷＲが２以下となる帯域幅も、２．４ＧＨｚ帯で９０ＭＨｚ、５．２ＧＨｚ帯で７５０ＭＨｚと広い。
【００２６】
図６に、実施例の表面実装型アンテナの全方位平均アンテナ利得（Ｘ，Ｙ，Ｚの全方位で測定して平均したアンテナ利得）を示す。単位はｄＢｉで、図６（Ａ）は２．４ＧＨｚ帯での周波数−アンテナ利得特性曲線を示し、中心周波数２．４４２ＧＨｚで−４．８（ｄＢｉ）と良好である。図６（Ｂ）は５ＧＨｚ帯での周波数−アンテナ利得特性曲線を示し、中心周波数５．２ＧＨｚで−４．２（ｄＢｉ）と同様に良好である。
一方、比較例では、２．４４２ＧＨｚで−４．５（ｄＢｉ）、５．２ＧＨｚで−４．５（ｄＢｉ）と、本発明の表面実装型アンテナより悪い。
このことは、単位ｄＢｉで表されるアイソトロピック利得が、あらゆる方向に等しい強さで電波を出すアンテナ（アイソトロピックアンテナ）を比較基準とした利得で絶対利得とも呼ばれるものであり、普通アンテナはもっとも感度が高い方向でアンテナ利得を測定するため理論上ではアイソトロピックアンテナのアンテナ利得がすべてのアンテナの中でもっとも低いことを考慮すると、本発明の表面実装型アンテナが優れていることを裏付ける。
【００２７】
表３、表４に直線偏波に対する放射パターンの測定結果を示す。表３は２．４ＧＨｚ帯、表４は５ＧＨｚ帯を示す。単位はｄＢｉであり、Ｈ／Ｖ値で表す。Ｈ／Ｖ値は、数１で定義される値である。
本発明によると、比較例に比べて良好な放射パターンの得られることが分かる。
なお、Ｘ−Ｙ平面、Ｙ−Ｚ平面、Ｚ−Ｘ平面は、各々、図１において、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸で形成される面を示す。
【００２８】
【数１】

【００２９】
【表３】

【００３０】
【表４】

【００３１】
この実施例によると、実装基板の接地端子６２ａに接地された第１の放射電極２０ａに対して、所定の距離で離間して給電電極４０を配置して両者を容量結合させて第１の放射電極２０ａをアンテナとして動作させ第１の放射電極２０ａの長さなどを調節して共振周波数を調節する構造に加えて、別の第２の放射電極２０ｂを表面実装型アンテナ９０が実装されている実装基板６０の実装面６０ａと反対側の実装されてない面６０ｂに配設した接地端子６２ｂの長さを調節することで、複数の任意の共振周波数を得られることが確認された。
【００３２】
また、第１の放射電極２０ａと第２の放射電極２０ｂと容量結合する給電電極４０との離間距離を調節することによりインピーダンス整合を容易にとることができる。
更に、第２の放射電極２０ｂを実装基板６０の厚みを隔てて配設しているので、厚みの分だけ容量を減少させることが出来る。従って、広帯域にすることができる。
また、実装基板６０の比誘電率はεｒ＝４〜６程度と、基体１の比誘電率εｒ＝６〜５０程度と低いため、更に容量を低減する効果があり、一層の広帯域化が可能である。
また、実装基板６０の厚みだけアンテナとして機能する体積が、従来の表面実装型アンテナよりも大きく出来るためアンテナ利得を増大できる効果がある。
【００３３】
前記の実施例では２．４ＧＨｚと５ＧＨｚのデュアルバンドの場合を例示したが、本発明は、それに限定されるものではなく、携帯電話に用いられるＧＳＭ（０．８ＧＨｚ），ＰＣＳ（１．９ＧＨｚ）、ＧＰＳ（１．５ＧＨｚ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（２．４ＧＨｚ）、更にはＩＥＥＥ規格の無線ＬＡＮである８０２．１１ａ（５ＧＨｚ），８０２．１１ｂ（２．４ＧＨｚ）の少なくとも二つ以上の周波数帯を組み合わせたマルチバンドを実現できる。
例えば、基体１０に更に放射電極を追加する余裕スペースは無いが、アンテナを実装しない面６０ｂには比較的余裕があるので、第３の放射電極、第４の放射電極、などを容易に形成でき、小型化を保ったままマルチバンド化が可能である。
【００３４】
また、本発明に係る表面実装型アンテナ９０の基体１０は、直方体に限るものでなく適宜の形状がある。材料は磁性体、樹脂体、またこれらの積層基板としても良い。
【００３５】
放射電極２０ａ、２０ｂは、実施例で例示したものに限定されるものではなく、台形状、階段状、曲線状、ミアンダ状、一部ミアンダ状、クランク状等種々の形状が採用できる。
また、放射電極２０ａ、２０ｂの一端側は必ずしも連続的に接地電極を形成する必要はなく、非連続とした容量結合となし最終的に接地できていれば良い。
また、接地電極は、最小限その端面が覆われ接地面に連接して接地できていれば良いが、基体端面からの電界の放射を抑制する効果を得るためには基体端部において端面とその廻りの四面を覆うように形成しておくと良い。
【００３６】
本発明において基体１０として誘電体を用いる場合、セラミックとしてはこーディライト、フォルステライト、アルミナ、ガラス系セラミック、酸化チタン系セラミック等、またはこれらの混合物を用いることが出来る。ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、ビスマレイミド、トリアジン、液晶ポリマー等の樹脂、またはセラミックと樹脂との複合材を用いることも出来る。
【００３７】
誘電体を用いる場合、比誘電率εｒは６〜５０の範囲が好ましい。この比誘電率εｒは、誘電体の温度係数、基体の加工精度等を考慮して決めたものであるが、材質、加工精度等が向上すれば、当然その上限値も引き上げられる。このような比誘電率εｒを有する基体は、例えば２２．２２重量％のＭｇＯ、５．１３重量％のＣａＣＯ_３、４８．１４重量％のＴｉＯ_２及び２４．５重量％のＺｎＯの各原料からなる素体を焼成し、焼成基体として３６．６モル％のＭｇＯ、３．４モル％のＣａＯ、４０モル％のＴｉＯ２及び２０モル％のＺｎＯからなる誘電セラミック（比誘電率εｒ：２１）により形成することができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、１つの表面実装型アンテナによって、複数の周波数の間での相互干渉も無く広い周波数帯域を有するデュアルバンド以上のマルチバンドの周波数帯に用いることが出来るアンテナを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例を示す表面実装型アンテナの斜視図である。
【図２】本発明の表面実装型アンテナを実装する面のパターン配置を示す図である。
【図３】本発明の表面実装型アンテナを実装しない面のパターン配置を示す図である。
【図４】本発明の低背型アンテナ装置の斜視図である。
【図５】図５（Ａ）は本発明の１実施例における２．４ＧＨｚ帯のＶＳＷＲ（電圧定在波比）の周波数特性曲線図、図５（Ｂ）は５．２ＧＨｚ帯のＶＳＷＲの周波数特性曲線図を示す。
【図６】図６（Ａ）は、本発明の１実施例における２．４ＧＨｚ帯の全方位平均アンテナ利得の周波数特性曲線図、図６（Ｂ）は５．２ＧＨｚ帯の全方位平均アンテナ利得の周波数特性曲線図を示す。
【図７】従来の表面実装型アンテナの一例を示す斜視図である。
【図８】従来の低背型アンテナ装置の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０：基体
２０：放射電極
２０ａ：第１の放射電極
２０ｂ：第２の放射電極
３０：接地電極
４０：給電電極
５０：補強パターン
６０：実装基板
６２ａ、６２ｂ：接地電極
６４：給電用端子
６６ａ〜６６ｄ：補強パターン
８０：アンテナ装置
９０：表面実装型アンテナ
Ｌｂ：第２の放射電極２０ｂの長さ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface-mounted antenna used for a mobile phone, a wireless LAN (Local Area Network), and the like, a low-profile antenna device having the same mounted on a substrate, and a communication device using the same. band) or more suitable for multi-band.
[0002]
[Prior art]
In a surface mount antenna for a multi-band such as a dual band, it is not easy to design an antenna having a plurality of resonance frequencies with one radiation electrode. Therefore, a proposal has been made of two radiation electrodes corresponding to two resonance frequencies (for example, see Patent Document 1). As shown in FIG. 7, in the surface-mounted antenna 90, a common power supply electrode 40 disposed on the base 10 is opposed to each of the two

radiation electrodes

20a and 20b with a distance.
However, the one described in Patent Document 1 has a problem that mutual interference between two radiation electrodes and an antenna gain is reduced with respect to an antenna having a relatively high resonance frequency.
[0003]
Therefore, an antenna device shown in FIG. 8 has been proposed (for example, see Patent Document 2). 8, the antenna device 80 includes a mounting board 60 and two surface mounting antennas 90a and 90b mounted on one main surface 60a of the mounting board 60. The other main surface 60b of the mounting board 60 is not used.
A power supply electrode 64 and a ground electrode 62a are formed on one main surface 60a of the mounting substrate 60. One end of the power supply electrode 64 is divided into two, connected to the

power supply electrodes

40a and 40b of the two surface mount antennas 90a and 90b, respectively, and the other end is connected to a signal processing circuit (not shown).
The resonance frequency of the surface mount antenna 90a is lower than the resonance frequency of the surface mount antenna 90b. Then, the surface mount antenna 90a is disposed close to a corner portion, which is an end portion where two sides of the mounting substrate 60 intersect, and the surface mount antenna 90a is adjacent to the surface mount antenna 90a in a direction away from the corner portion. The antenna 90b is arranged.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-219618 [Patent Document 2]
JP-A-11-4117
[Problems to be solved by the invention]
The antenna device 80 described in Patent Document 2 has a problem that two surface mount antennas 90a and 90b are required and the number of components is increased. Manufacturing costs for mounting the separate surface mount antennas 90a and 90b on the mounting board 60 are also a problem. I want to support multi-band with one surface mount antenna as much as possible.
[0006]
Therefore, if the radiating electrode grounded to the ground electrode of the substrate is to be handled by one surface mount antenna, it is designed to correspond to a single frequency band. There was also a problem that it was difficult to design. This is due to mutual interference between a plurality of frequency bands.
[0007]
Further, in the surface mount antenna 90 described in Patent Document 1, the electrodes are formed by printing on the surface of a substrate made of a dielectric or magnetic material, so that a capacitance is formed between the electrodes and a ground electrode of the substrate. As a result, there is a problem that the capacity increases and the frequency band cannot be increased.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an antenna having no interference and having a wide frequency band when transmitting and receiving a multi-band of a dual band or more by one surface mount antenna.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
Means for solving the problems of the present invention include a base 10 made of a dielectric or magnetic material, a first radiation electrode 20a formed on at least one surface of the base 10, and one end of the first radiation electrode 20a. A surface-mounted antenna 90 having a ground electrode 30 formed on the base 10 by being directly connected or capacitively coupled to the power supply electrode 40 spaced apart from and facing the first radiation electrode 20a; An antenna device, comprising: a mounting substrate 60 on which an antenna 90 is mounted; and a second radiation electrode 20b disposed on a substrate surface 60b of the mounting substrate 60 on which the surface mounting antenna 90 is not mounted. .
[0010]
Here, a plurality of the second radiation electrodes can be provided corresponding to a plurality of frequencies.
It is desirable that a communication device be configured using the above antenna device.
In the above description, the direct connection means that one end of the radiation electrode 20a and the ground electrode 30 are electrically directly connected by a transmission line, a strip line, a pattern, or the like.
Capacitive coupling means that one end of the radiation electrode 20a and the ground electrode 30 are formed apart from each other, and are electrically connected and coupled via a capacitance.
[0011]
The inventor has paid attention to the fact that the problem can be solved by effectively utilizing the other main surface 60b of the mounting board 60.
The thickness of the surface-mounted antenna 90 is about 1 to 3 mm. However, if the low-profile antenna device 80 using the thickness of about 0.5 to 1 mm of the mounting board 60 on which the surface-mounted antenna 90 is mounted is provided. From the relational expression of C = εS / d between the capacitance C and the interelectrode distance d, the dielectric constant ε, and the electrode facing area S, the dielectric constant ε can be reduced and the interelectrode distance d can be increased. We focused on the fact that the capacitance C can be reduced.
[0012]
According to the present invention, since the distance between the first radiating electrode 20a and the second radiating electrode 20b is as close as possible to the diagonal line of the surface-mounted antenna 90, the mutual interference between the two is reduced and the structure is stabilized. There is an effect that can be used for multiband.
[0013]
Further, according to the present invention, the second radiation electrode 20b is arranged on the substrate surface 60b on which the surface mount antenna 90 is not mounted, and thus has the following effects.
That is, when the thickness of the surface mount antenna 90 is d and the thickness of the mount board 60 is D, the second radiation electrode 20b is separated from the ground electrode 62a of the mount board 60 by a distance d + D larger than d. Capacitors are formed between the first radiation electrode 20 a of the antenna 90 and the feed electrode 40 of the surface-mount antenna 90. As a result, there is an effect that the capacitance can be reduced and the frequency band can be widened.
[0014]
Further, since the second radiation electrode 20b is arranged on the substrate surface 60b on which the surface mount antenna 90 is not mounted, the volume functioning as an antenna is increased by the thickness D of the mounting substrate 60, and an effect of obtaining a higher antenna gain is obtained. There is also.
Further, the resonance frequency can be easily adjusted by adjusting the length Lb of the second radiation electrode 20b. Since the pattern is formed on the mounting board 60, adjustment such as trimming is easy.
Further, by providing a plurality of second radiation electrodes for each frequency, it is possible to easily cope with multiband operation.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a perspective view showing one embodiment of a surface mount antenna 90 according to the present invention. An example of a dual band of wireless LAN 802.11a (5 GHz) and 802.11b (2.4 GHz) of the IEEE standard is shown. FIG. 1B is a perspective view of FIG. 1A viewed from the opposite side of the drawing.
In this embodiment, a first radiation electrode 20a and a second radiation electrode 20b are provided. The first radiation electrode 20a mainly contributes to the resonance in the 2.4 GHz band, and the second radiation electrode 20b mainly contributes to the resonance in the 5 GHz band.
The reinforcing pattern 50 has no electrical function and is a mounting pattern for mounting the surface mount antenna 90 to the mounting board 60 by soldering or the like. This reinforces the mounting. There is also an effect of improving vibration resistance.
As one example, the dimensions of the base 10 were 4 mm in width, 10 mm in length, and 3 mm in thickness. The material of the base 10 was an alumina-based dielectric ceramic having a relative dielectric constant of εr = 8.
[0016]
2 and 3 are diagrams showing a pattern of a mounting surface of a mounting board 80 on which the surface-mount antenna 90 is mounted. FIG. 2 shows a surface 60a on which the surface-mount antenna 90 (the mounting position is indicated by a broken line) is mounted. FIG. 3 is a diagram showing a surface 60b on which the surface mount antenna 90 is not mounted. The surface 60b is a back surface of the surface 60a and an opposite surface.
In FIG. 2, a power supply terminal 64 is a terminal for connecting the power supply electrode 40 of the surface mount antenna 90, and is connected to a signal processing circuit by a connection unit (not shown).
The reinforcing patterns 66 a to 66 d are patterns for connecting to the reinforcing pattern 50 of the surface mount antenna 90. There is also an effect of improving vibration resistance.
In FIG. 3, the second radiation electrode 20b is disposed on the surface 60b on which the surface mount antenna 90 is not mounted, one end is connected to the ground electrode 62b, and the other end is an open end, and the length Lb is adjusted. Thus, the resonance frequency can be easily adjusted.
[0017]
The operation of the surface mount antenna 90 will be described.

Radiation electrodes

20a and 20b each having one end connected to a ground electrode of a mounting board (not shown) and the other end being an open end are arranged separately from the power supply electrode 40. The

radiation electrodes

20a and 20b are capacitively coupled to the power supply electrode 40 to exchange electromagnetic energy. The self-inductance of the

radiation electrodes

20a, 20b, the capacitance formed between the

radiation electrodes

20a, 20b and the feed electrode 40, the capacitance formed between the

radiation electrodes

20a, 20b, and the

radiation electrode

20a , 20b and the capacitance formed between the ground electrode of the mounting board and the ground, the LC resonance circuit is formed.
Therefore, when a signal is input from the power supply electrode 40 to the resonance circuit via the respective capacitances, the energy of the input signal resonates in the resonance circuit, and a part thereof is radiated into the air to function as a transmission antenna. I do. Conversely, when a reception wave is input, it is converted into a voltage by the resonance circuit and functions as a reception antenna.
[0018]
2 and 3, the ground terminal 62a of the surface-mount antenna 90 and the ground terminal 62b of the surface-mount antenna 90 are arranged close to a diagonal line of the surface-mount antenna 90. In addition, the distance is made as large as possible on the front and back of the mounting board and the mounting board is spaced apart. This arrangement has the effect of minimizing mutual interference between signals in the 2.4 GHz band and the 5 GHz band.
[0019]
FIG. 4 shows a low-profile antenna device 80 in which a surface-mount antenna 90 is mounted on a mounting board 60.
When the thickness of the surface mount antenna 90 is d and the thickness of the mount board 60 is D, the second radiation electrode 20b is separated from the ground electrode 62a of the mount board 60 by a distance d + D larger than d. Capacitors are respectively formed between the first radiating electrode 20 a and the feeding electrode 40 of the surface mount antenna 90. As a result, the capacitance is reduced and the frequency band can be widened.
[0020]
Table 1 shows the frequency bandwidth and the VSWR (voltage standing wave ratio) when the antenna is configured as a dual band in which the first radiation electrode 20a is in the 2.4 GHz band and the second radiation electrode 20b is in the 5.2 GHz band. ). In the comparative example shown in Table 2, an antenna provided with two radiation electrodes on one base, such as a surface mount antenna described in Patent Document 1, was used. Note that if the VSWR is 1, it is optimal, but if it is 2 or less, there is almost no practical problem. Therefore, the frequency bandwidth is determined from the upper and lower limits of the frequency at which the VSWR becomes 2.
[0021]
Here, the VSWR was measured by connecting a power supply terminal provided at one end of the antenna mounting board to an input terminal of the network analyzer via a coaxial cable (characteristic impedance 50Ω), and viewing the power supply terminal from the network analyzer side. The VSWR was calculated based on this value by measuring the scattering parameter of the antenna.
The gain was measured by connecting a signal generator to the power supply terminal of the antenna under test (transmitting side) in an anechoic anechoic chamber and receiving the power radiated from the antenna by the receiving reference antenna. Assuming that the received power coming from the antenna under test is Pa and the received power measured by the transmission reference antenna having a known gain Gr is Pr, the gain Ga of the antenna under test is represented by Ga = Gr × Pa / Pr. .
Regarding the directivity, the antenna element under test is mounted on a rotary table, and the above-mentioned gain measurement is performed while rotating the antenna under test, so that the antenna element under test is rotated around the X, Y and Z axes shown in FIG. The gain for each rotation angle was measured.
[0022]
As shown in Table 1, according to the present invention, a wider frequency bandwidth can be obtained as compared with the comparative example (Table 2). The antenna of the present invention is also excellent in VSWR (voltage standing wave ratio), that is, reflection characteristics at the antenna input end.
[0023]
[Table 1]

[0024]
[Table 2]

[0025]
FIG. 5 shows a frequency characteristic curve diagram of the VSWR of the surface mount antenna according to the embodiment. FIG. 5A is for the 2.4 GHz band, and FIG. 5B is for the 5.2 GHz band. It can be seen that according to the present invention, good VSWR characteristics can be obtained. The bandwidth where the VSWR is 2 or less is as wide as 90 MHz in the 2.4 GHz band and 750 MHz in the 5.2 GHz band.
[0026]
FIG. 6 shows an omnidirectional average antenna gain (antenna gain measured and averaged in all directions of X, Y, and Z) of the surface mount antenna of the example. The unit is dBi, and FIG. 6A shows a frequency-antenna gain characteristic curve in the 2.4 GHz band, which is as good as -4.8 (dBi) at the center frequency of 2.442 GHz. FIG. 6B shows a frequency-antenna gain characteristic curve in a 5 GHz band, which is as good as -4.2 (dBi) at a center frequency of 5.2 GHz.
On the other hand, in the comparative example, it is -4.5 (dBi) at 2.442 GHz and -4.5 (dBi) at 5.2 GHz, which is worse than the surface mount antenna of the present invention.
This means that the isotropic gain expressed in the unit dBi is a gain based on an antenna (isotropic antenna) that emits radio waves with the same strength in all directions and is also referred to as an absolute gain. Considering that the antenna gain of an isotropic antenna is the lowest among all antennas in theory in order to measure the antenna gain in the direction of high sensitivity, the surface mount antenna of the present invention is proved to be excellent.
[0027]
Tables 3 and 4 show the measurement results of the radiation pattern for linearly polarized waves. Table 3 shows the 2.4 GHz band, and Table 4 shows the 5 GHz band. The unit is dBi and is represented by H / V value. The H / V value is a value defined by Expression 1.
It can be seen that according to the present invention, a better radiation pattern can be obtained as compared with the comparative example.
Note that an XY plane, a YZ plane, and a ZX plane each indicate a plane formed by X, Y, and Z axes in FIG.
[0028]
(Equation 1)

[0029]
[Table 3]

[0030]
[Table 4]

[0031]
According to this embodiment, the power supply electrode 40 is disposed at a predetermined distance from the first radiation electrode 20a grounded to the ground terminal 62a of the mounting board, and the first radiation electrode 20a is capacitively coupled to the first radiation electrode 20a. In addition to a structure in which the electrode 20a operates as an antenna to adjust the length and the like of the first radiation electrode 20a to adjust the resonance frequency, a surface-mounted antenna 90 in which another second radiation electrode 20b is mounted is mounted. It has been confirmed that a plurality of arbitrary resonance frequencies can be obtained by adjusting the length of the ground terminal 62b disposed on the unmounted surface 60b of the mounting substrate 60 opposite to the mounting surface 60a.
[0032]
In addition, impedance matching can be easily achieved by adjusting the distance between the feed electrode 40 that is capacitively coupled to the first radiation electrode 20a and the second radiation electrode 20b.
Further, since the second radiation electrode 20b is disposed with the thickness of the mounting substrate 60 being separated, the capacity can be reduced by the thickness. Therefore, the band can be widened.
Further, the relative permittivity of the mounting substrate 60 is as low as about εr = 4 to 6, and the relative permittivity of the base 1 is as low as about εr = about 6 to 50, so that there is an effect of further reducing the capacitance, and a wider band is possible. is there.
In addition, since the volume functioning as an antenna by the thickness of the mounting substrate 60 can be larger than that of a conventional surface mount antenna, there is an effect that the antenna gain can be increased.
[0033]
In the above-described embodiment, the case of the dual band of 2.4 GHz and 5 GHz has been exemplified. However, the present invention is not limited to this, and GSM (0.8 GHz) and PCS (1.9 GHz) used for mobile phones are used. , GPS (1.5 GHz), Bluetooth (2.4 GHz), and at least two or more frequency bands of 802.11a (5 GHz) and 802.11b (2.4 GHz) which are wireless LANs of the IEEE standard. Multi-band can be realized.
For example, there is no room to add a further radiation electrode to the base 10, but the surface 60b on which the antenna is not mounted has relatively room, so that the third radiation electrode and the fourth radiation electrode can be easily formed. In addition, it is possible to achieve multi-band while keeping the size small.
[0034]
Further, the base 10 of the surface mount antenna 90 according to the present invention is not limited to a rectangular parallelepiped but has an appropriate shape. The material may be a magnetic body, a resin body, or a laminated substrate thereof.
[0035]
The radiating

electrodes

20a and 20b are not limited to those exemplified in the embodiment, and various shapes such as a trapezoidal shape, a stepped shape, a curved shape, a meander shape, a partial meander shape, and a crank shape can be adopted.
Further, it is not always necessary to form a ground electrode continuously on one end side of the

radiation electrodes

20a and 20b, and it is sufficient that the ground electrode can be finally grounded without discontinuous capacitive coupling.
In addition, the ground electrode only needs to cover at least its end face and be connected to the ground plane so that it can be grounded. However, in order to obtain the effect of suppressing the emission of electric field from the end face of the base body, the end face and its end face are required at the base end. It is good to form so that the surrounding four sides may be covered.
[0036]
When a dielectric is used as the base 10 in the present invention, cordierite, forsterite, alumina, glass-based ceramic, titanium oxide-based ceramic, or the like, or a mixture thereof can be used as the ceramic. A resin such as polytetrafluoroethylene, polyimide, bismaleimide, triazine, or a liquid crystal polymer, or a composite material of a ceramic and a resin can also be used.
[0037]
When a dielectric is used, the relative permittivity εr is preferably in the range of 6 to 50. The relative permittivity εr is determined in consideration of the temperature coefficient of the dielectric, the processing accuracy of the substrate, and the like. However, if the material, processing accuracy, and the like are improved, the upper limit value is naturally increased. A substrate having such a relative dielectric constant εr is obtained, for example, from the following raw materials: 22.22% by weight of MgO, 5.13% by weight of CaCO ₃ , 48.14% by weight of TiO _2, and 24.5% by weight of ZnO. And a dielectric ceramic composed of 36.6 mol% of MgO, 3.4 mol% of CaO, 40 mol% of TiO2, and 20 mol% of ZnO (relative permittivity εr: 21) as a fired substrate. Can be formed.
[0038]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide an antenna which can be used in a multi-band frequency band equal to or more than a dual band having a wide frequency band without mutual interference between a plurality of frequencies by using one surface-mounted antenna.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a surface mount antenna according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a pattern arrangement on a surface on which a surface-mount antenna of the present invention is mounted.
FIG. 3 is a diagram showing a pattern arrangement on a surface on which the surface mount antenna of the present invention is not mounted.
FIG. 4 is a perspective view of the low-profile antenna device of the present invention.
5 (A) is a frequency characteristic curve diagram of a 2.4 GHz band VSWR (voltage standing wave ratio) in one embodiment of the present invention, and FIG. 5 (B) is a frequency of a 5.2 GHz band VSWR. The characteristic curve diagram is shown.
FIG. 6A is a frequency characteristic curve diagram of an omnidirectional average antenna gain in a 2.4 GHz band in one embodiment of the present invention, and FIG. 6B is an omnidirectional average antenna gain in a 5.2 GHz band. 3 shows a frequency characteristic curve diagram of FIG.
FIG. 7 is a perspective view showing an example of a conventional surface mount antenna.
FIG. 8 is a perspective view showing an example of a conventional low-profile antenna device.
[Explanation of symbols]
10: Base 20: radiation electrode 20a: first radiation electrode 20b: second radiation electrode 30: ground electrode 40: power supply electrode 50: reinforcing pattern 60: mounting substrates 62a and 62b: ground electrode 64: power supply terminal 66a to 66d: reinforcing pattern 80: antenna device 90: surface mount antenna Lb: length of second radiation electrode 20b

Claims

A base made of a dielectric or magnetic material, a first radiation electrode formed on at least one surface of the base, and a ground electrode formed on the base by directly connecting or capacitively coupling with one end of the first radiation electrode A surface mount antenna having a feed electrode spaced apart from and facing the first radiation electrode;
A mounting board for mounting the surface-mounted antenna,
An antenna device comprising: a second radiation electrode disposed on a surface of the mounting substrate on which the surface-mount antenna is not mounted.

The antenna device according to claim 1, wherein a plurality of the second radiation electrodes are provided corresponding to a plurality of frequencies.

A communication device using the antenna device according to claim 1.