JP2010268183A - アンテナ及び無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ効率の高いアンテナ及びそれを備えた無線通信装置を構成する。
【解決手段】基板１０の上下面にはグランド電極ＧＮＤが形成されている。基板１０の一辺の一部に沿って上下面に非グランド領域ＮＧＡが形成されている。基板１０の上面の非グランド領域ＮＧＡには、一方の端部が接地端ＥＴとしてグランド電極ＧＮＤに導通（接地）された基板側放射電極１２が基板１０の縁に沿って形成されている。誘電体ブロック２０に誘電体ブロック側放射電極２１及び容量形成電極２２が形成されている。誘電体ブロック側放射電極２１の端部と容量形成電極２２の端部との間に電極間ギャップによる容量結合部ＣＣが構成されている。そして、基板側放射電極１２の途中にキャパシタ３１が直列接続されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、携帯電話端末等の無線通信装置に用いられるアンテナ及びそれを備えた無線通信装置に関するものである。

誘電体ブロックに放射電極が形成されて、容量給電されるように構成されたアンテナが特許文献１，２に開示されている。
特許文献１に示されているアンテナの断面構造を図１に示す。図１において、アンテナ部２では、給電放射電極５の一端部分５αが誘電体基体４の内部に形成されている。この誘電体基体４内部の給電放射電極端部５αは、基板３の表面に形成された給電用電極パッド１１に対向していて給電用電極パッド１１との間に容量を形成する。信号供給源７からの信号は、給電用電極パッド１１と給電放射電極端部５α間の容量を介して給電放射電極５に給電される。このアンテナは給電放射電極５の両端が開放されたλ／２タイプのアンテナである。アンテナの放射電極は誘電体ブロック上にのみ形成されている。また、アンテナ裏面にグランド電極が配置されている。

特許文献２に示されているアンテナは、誘電体ブロックに電極を形成したアンテナであり、アンテナの放射電極の一端はグランドに接地されていて、他端はグランド電極と対向して容量結合している。グランドへの接地部のすぐ横から容量給電するλ／４タイプのアンテナである。このアンテナの放射電極は誘電体ブロック上にのみ形成されている。また、アンテナが実装されているエリアには、グランドが配置されていない。

特開２００３−３４７８３５号公報 特開平１１−２５１８１５号公報

特許文献１，２のアンテナは誘電体ブロックに電極を形成したアンテナであり、必要な共振周波数を得るのに要する誘電体ブロックのサイズが大きくなる問題がある。放射電極を基板に形成することもできるが、一般に基板（回路基板）の誘電体損が大きいのでアンテナ効率が下がってしまう。

本発明の目的は、アンテナ効率の高いアンテナ及びそれを備えた無線通信装置を提供することにある。

前記課題を解決するためにこの発明のアンテナは、第１の端部が容量結合部であり、第２の端部が接地された放射電極を備え、前記容量結合部は誘電体ブロックに設けられ、前記第２の端部は前記誘電体ブロックが設置される基板上に設けられ、前記基板上で前記放射電極に対して直列にキャパシタが挿入された構成とする。
この構成により、基板内部の電磁界の強い領域が縮小されて、基板による誘電体損が小さくなって、アンテナ効率が高まる。

前記容量結合部と導通する給電電極が前記基板上に設けられ、前記給電電極の一端は接地状態とする。
この構成により一端を非接地状態とするよりも、アンテナの共振周波数が下がる効果があるので、アンテナを小型化するには有利な電極構造となる。

前記キャパシタは、前記放射電極の第２の端部から前記放射電極の中央までの間に配置されたものとする。
この構成により、基板内部の電磁界の強い領域が縮小化される効果が高まり、アンテナ効率がより高まる。

また、この発明の無線通信装置は、この発明において特有な構成を持つアンテナが筐体内に設けられて構成される。

この発明によれば、基板内部の電磁界の強い領域が縮小されて、基板による誘電体損が小さくなり、アンテナ効率が高まる。

特許文献１に示されているアンテナの断面図である。 第１の実施形態に係るアンテナの主要部の構成を示す斜視図である。 図２に示した３つのアンテナ１００，１０１，１０２の等価回路図である。 図２（Ａ）及び図３（Ａ）に示したアンテナ１００に関する図であり、図４（Ａ）はアンテナ１００の平面図、図４（Ｂ）は基板１０の内部の電界強度の分布を示す図、図４（Ｃ）は共振周波数での各種Ｑ値の分析結果を示す図である。 図２（Ｂ）及び図３（Ｂ）に示したアンテナ１０１に関する図であり、図５（Ａ）はアンテナ１０１の平面図、図５（Ｂ）は基板１０の内部の電界強度の分布を示す図、図５（Ｃ）は共振周波数での各種Ｑ値の分析結果を示す図である。 図２（Ｃ）及び図３（Ｃ）に示したアンテナ１０２に関する図であり、図６（Ａ）はアンテナ１０２の平面図、図６（Ｂ）は基板１０の内部の電界強度の分布を示す図、図６（Ｃ）は共振周波数での各種Ｑ値の分析結果を示す図である。 キャパシタ３１を誘電体ブロック２０の近傍に配置した場合の基板１０の内部の電界強度の分布を示す図である。 キャパシタ３１の容量を変化させたときの基板１０の表面の電界強度の分布を示す図である。 第２の実施形態に係るアンテナの主要部の構成を示す斜視図である。 図９に示した３つのアンテナ２００，２０１，２０２の等価回路図である。

《第１の実施形態》
第１の実施形態に係るアンテナ及びそれを備えた無線通信装置について図２〜図８を参照して説明する。
図２はアンテナの主要部の構成を示す斜視図である。図２（Ａ）は放射電極に対して直列接続されるキャパシタが存在しないアンテナ１００の斜視図、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）は前記キャパシタを備えたアンテナ１０１，１０２の斜視図である。図２（Ａ）は第１の実施形態に係るアンテナの構成を予備的に説明するための図である。

図２（Ａ）に示すように、基板１０の上下面にはグランド電極ＧＮＤがそれぞれ形成されている。基板１０の一辺の一部に沿って上下面に非グランド領域ＮＧＡがそれぞれ形成されている。また基板１０の上面には給電ラインＦＬが形成されていて、その給電ラインＦＬの一方の端部は給電端子ＦＴとして形成されていて、他端はグランド接続部ＧＣでグランド電極ＧＮＤに接続されている。給電ラインＦＬとグランド電極ＧＮＤとの間には電極非形成部が設けられていて、前記給電ラインＦＬ、電極非形成部、及びグランド電極ＧＮＤによってコプレーナラインが構成されている。

また、基板１０の上面の非グランド領域ＮＧＡには、一方の端部が接地端ＥＴとしてグランド電極ＧＮＤに導通（接地）された基板側放射電極１２が基板１０の縁に沿って形成されている。

一方、六面体形状の誘電体ブロック２０に誘電体ブロック側放射電極２１及び容量形成電極２２が形成されている。前記誘電体ブロック側放射電極２１の端部と容量形成電極２２の端部との間に電極間ギャップによる容量結合部ＣＣが構成されている。これらの電極を備えた誘電体ブロック２０が基板１０の非グランド領域ＮＧＡに実装されている。これにより、誘電体ブロック側放射電極２１の端部は前記基板側放射電極１２の端部と導通し、容量形成電極２２の端部が前記給電ラインＦＬのグランド接続部ＧＣ付近と導通する。

図２（Ｂ）に示す例では、前記基板側放射電極１２の接地端ＥＴ寄りの位置でキャパシタ３１が直列接続されるようにキャパシタ３１を実装している。
また、図２（Ｃ）の例では、前記基板側放射電極１２の途中（誘電体ブロック２０の誘電体ブロック側放射電極２１との接続部（第２の端部）と接地端ＥＴとのほぼ中間位置）にキャパシタ３１を実装している。

図３は、図２に示した３つのアンテナ１００，１０１，１０２の等価回路図である。図３において、基板側放射電極１２及び誘電体ブロック側放射電極２１が１つの放射電極として作用し、基板側放射電極１２及び誘電体ブロック側放射電極２１からなる放射電極の第１の端部が容量結合部ＣＣで容量給電される。図中のインダクタＬ１は給電ラインＦＬのグランド接続部ＧＣ付近に生じるインダクタンスを素子記号として表したものである。

図２（Ｂ）に示したように、基板側放射電極１２の接地端ＥＴ付近にキャパシタ３１を設けることにより、図３（Ｂ）に示すように、放射電極の第２の端部（容量結合部である第１の端部とは反対側の端部）がキャパシタ３１によって開放された構造となる。

また、図２（Ｃ）に示したように、基板側放射電極１２の途中にキャパシタ３１を設けることにより、図３（Ｃ）に示すように、放射電極の途中にキャパシタが挿入された構造となる。

図４は、図２（Ａ）及び図３（Ａ）に示したアンテナ１００に関する図であり、図４（Ａ）はアンテナ１００の平面図、図４（Ｂ）は基板１０の内部の電界強度の分布を示す図、図４（Ｃ）は共振周波数における各種Ｑ値の分析結果を示す図である。

図５は、図２（Ｂ）及び図３（Ｂ）に示したアンテナ１０１に関する図であり、図５（Ａ）はアンテナ１０１の平面図、図５（Ｂ）は基板１０の内部の電界強度の分布を示す図、図５（Ｃ）は共振周波数における各種Ｑ値の分析結果を示す図である。

図６は、図２（Ｃ）及び図３（Ｃ）に示したアンテナ１０２に関する図であり、図６（Ａ）はアンテナ１０２の平面図、図６（Ｂ）は基板１０の内部の電界強度の分布を示す図、図６（Ｃ）は共振周波数における各種Ｑ値の分析結果を示す図である。

図７は、前記キャパシタ３１を誘電体ブロック２０の近傍に配置した場合の基板１０の内部の電界強度の分布を示す図である。

これらの例では、前記キャパシタ３１の容量値と、誘電体ブロック２０上の容量値を同じ値としている。

図２（Ａ）に示したように、基板側放射電極１２にキャパシタを挿入しない場合、アンテナはλ／４動作（放射電極が１／４波長共振）する。（ここでλは共振周波数での１波長である。）図４（Ｂ）は図４（Ａ）と同じ方向から見た基板内部（基板の上面から０．２ｍｍだけ内部）での電界強度を濃淡で表したものである。この計算は電磁界シミュレータを用いて行った。
このように、電界は基板側放射電極１２の接地端ＥＴでほぼ０、容量結合部ＣＣで最大となり、基板１０の内部に電磁界が広く分布することが分かる。

一方、図２（Ｂ）・図２（Ｃ）に示したように、基板１０の基板側放射電極１２に直列にキャパシタ３１を挿入すると、基板側放射電極１２及び誘電体ブロック側放射電極２１による放射電極の両端が開放端となるため、λ／２動作（放射電極が半波長共振）するようになる。但し、図２（Ａ）に示したアンテナ１００と同じ共振周波数を得るには、容量結合部ＣＣに生じる容量値を図２（Ａ）のアンテナ１００に比べて大きくする。

図５（Ｂ）、図６（Ｂ）に表れているように、キャパシタ３１を挿入した部分と容量結合部ＣＣがそれぞれ電界強度分布の山となり、この山と山の間に電界強度がほぼ０となる低電界強度領域ＺＥができる。

図４（Ｂ）に比べて図５（Ｂ）、図６（Ｂ）では、基板１０内の電界強度の高い領域が狭くなって、低電界強度領域ＺＥが広がっていることが分かる。
なお、キャパシタ３１を誘電体ブロック２０の近傍で基板側放射電極１２に直列した場合、図７に表れているように、接地端ＥＴからキャパシタ３１までの基板上のラインでλ／４動作し、電界強度がほぼ０となる低電界強度領域が放射電極の途中にできるが、その領域は非常に狭いので、基板内の電界強度があまり抑制されず、アンテナ効率の改善効果が小さい。

誘電体である基板１０の内部で電界が発生すると、基板の誘電体損が発生する。基板の誘電体Ｑは一般的に低く、ガラスエポキシ基板で約４０程度であるので、図２（Ａ）に示示したアンテナ１００では、基板１０内部の電界が強くて大きな誘電体損が生じる。

放射ＱをＱｒ、導体ＱをＱｃ、誘電体ＱをＱｄで表すと、各々の逆数が、放射損、導体損、誘電体損である。また、誘電体ブロック２０で導体損１／Ｑｃ（ＡＮＴ）及び誘電体損１／Ｑｄ（ＡＮＴ）が発生し、基板１０で導体損１／Ｑｃ（ＰＷＢ）及び誘電体損１／Ｑｄ（ＰＷＢ）が発生する。したがって、アンテナのＱｏは次式で定義される。

１／Ｑｏ＝１／Ｑｒ＋１／Ｑｃ（ＡＮＴ）＋１／Ｑｄ（ＡＮＴ）＋１／Ｑｃ（ＰＷＢ）＋１／Ｑｄ（ＰＷＢ）
図５（Ｃ）・図６（Ｃ）と図４（Ｃ）とを対比すると明らかなように、基板の誘電体損（１／Ｑｄ（ＰＷＢ））は、キャパシタ３１を挿入することにより、約１／３に減少する。基板１０による誘電体損が減ることにより、アンテナ１００に比べアンテナ１０１またはアンテナ１０２の方が、アンテナ効率は約０．５ｄＢ程度改善した。

基板１０内部の電磁界強度を抑えるためには、基板側放射電極１２部分で電界がほぼ０となるようにすることが重要である。
前記キャパシタ３１を挿入する位置は、接地端ＥＴ（放射電極の第２の端部）から基板側放射電極１２の中央までの間に配置するのが望ましい。誘電体ブロック２０寄りにキャパシタ３１を配置すると、基板側放射電極１２に沿ってキャパシタ３１から接地端ＥＴまでの長さが長くなり、その部分でλ／４共振するからである。すなわち、λ／４共振すると、基板内の電界強度がほぼ０となる低電界強度領域ＺＥが狭くなるので、基板内の電界強度があまり抑制されず、アンテナ効率の改善効果が小さい。

そのため、基板側放射電極１２に挿入するキャパシタ３１の位置は、誘電体ブロック２０側よりも接地端ＥＴ側に近い方が望ましい。前記キャパシタ３１が容量結合部ＣＣから離れると、基板側放射電極１２上に低電界強度領域ＺＥができ、基板の誘電体損が小さくなるからである。

図８は、キャパシタ３１の容量を変化させたときの共振周波数における基板１０の表面の電界強度の分布を示す図である。ここで、キャパシタ３１は、図２（Ｂ）に示したとおり、接地端ＥＴ側に実装している。誘電体ブロック２０上の容量値を１ｐＦとしたときの図８中の（ａ）〜（ｆ）とキャパシタ３１の容量との関係は次のとおりである。

（ａ）０．３ｐＦ
（ｂ）０．５ｐＦ
（ｃ）１．０ｐＦ
（ｄ）３．０ｐＦ
（ｅ）１０ｐＦ
（ｆ）１５ｐＦ
前記低電界強度領域ＺＥの位置は、前記キャパシタ３１と誘電体ブロック２０上の容量結合部の容量値とのバランスで決まり、両者の値が近いと、基板側放射電極１２上に生じる低電界強度領域ＺＥの範囲が広くなり、それだけ基板１０による誘電体損が小さくなる。

図８に表れているように、キャパシタ３１の容量が０．５ｐＦ〜３ｐＦの範囲で低電界強度領域が大きく広がる。そのため、前記キャパシタ３１の容量値は誘電体ブロック２０上の容量結合部の容量値と実質的に同じオーダーの値（０．５〜３．０倍の範囲内の関係）に定めればよい。

因みに、誘電体ブロック２０上に生じる容量結合部ＣＣの容量値を変えずに（誘電体ブロック２０の誘電率や電極の寸法を変えずに）前記キャパシタ３１の容量値を小さくするとアンテナの共振周波数が上がる。前記キャパシタ３１の容量値をより小さくすると周波数ずれの感度が高くなっていく。逆に、キャパシタ３１の容量値を大きくしていくとアンテナの共振周波数が下がり、キャパシタ３１を挿入しない場合の共振周波数に近づく。このように、直列に挿入するキャパシタの容量値を変えるとアンテナの共振周波数が変わるので、この現象を周波数調整のために使うことができる。この場合、容量値を小さくすると感度が高くなる（周波数ずれが大きくなる）ので、周波数調整用としては容量値の小さなキャパシタを使うのは好ましくはない。周波数調整を目的とするのであれば、放射電極に直列に挿入するキャパシタの容量値は、誘電体ブロック上の容量結合部の容量値よりもオーダーの異なる（例えば１０倍以上の）大きな値を使うのが望ましい。

一方、本発明は基板側放射電極を設けた基板内部の電界強度を抑制しようとするものであるので、基板側放射電極に挿入するキャパシタ３１の容量値は、既に述べたように、誘電体ブロック２０上の容量結合部の容量値に近い値とする。これにより、基板側放射電極１２上に低電界強度領域ＺＥができ、基板の誘電体損が小さくなって、アンテナ効率の高いアンテナが得られる。

《第２の実施形態》
第２の実施形態に係るアンテナ及びそれを備えた無線通信装置について図９・図１０を参照して説明する。
図９はアンテナの主要部の構成を示す斜視図である。図９（Ａ）は放射電極に対して直列接続されるキャパシタが存在しないアンテナ２００の斜視図、図９（Ｂ）及び図９（Ｃ）は前記キャパシタを備えたアンテナ２０１，２０２の斜視図である。図９（Ａ）は第２の実施形態に係るアンテナの構成を予備的に説明するための図である。

第１の実施形態で図２に示したアンテナ１００，１０１，１０２と異なるのは、給電ラインＦＬの構成である。給電ラインＦＬの一方の端部は給電端子ＦＴとして形成されていて、他端はグランドに接続されていない。（グランド非接続部ＮＧＣが設けられている。）その他の構成は図２に示したアンテナ１００，１０１，１０２と同様である。

図１０は、図９に示した３つのアンテナ２００，２０１，２０２の等価回路図である。図１０において、基板側放射電極１２及び誘電体ブロック側放射電極２１が１つの放射電極として作用し、基板側放射電極１２及び誘電体ブロック側放射電極２１からなる放射電極の第１の端部が容量結合部ＣＣで容量給電される。

図９（Ａ）のように、基板側放射電極１２に直列にキャパシタ３１を設けない状態では、電界は基板側放射電極１２の接地端ＥＴでほぼ０、容量結合部ＣＣで最大となり、基板１０の内部に電磁界が広く分布する。

一方、図９（Ｂ）・図９（Ｃ）に示したように、基板１０の基板側放射電極１２に直列にキャパシタ３１を挿入すると、基板側放射電極１２及び誘電体ブロック側放射電極２１による放射電極の両端が開放端となるため、λ／２動作（放射電極が半波長共振）する。その結果、キャパシタ３１を挿入した部分と容量結合部ＣＣがそれぞれ電界強度分布の山となり、この山と山の間に電界強度がほぼ０となる低電界強度領域ＺＥができ、基板の誘電体損が小さくなって、アンテナ効率の高いアンテナが得られる。

ＣＣ…容量結合部
ＥＴ…接地端
ＦＬ…給電ライン
ＦＴ…給電端子
ＧＣ…グランド接続部
ＧＮＤ…グランド電極
Ｌ１…インダクタ
ＮＧＡ…非グランド領域
ＮＧＣ…グランド非接続部
ＺＥ…低電界強度領域
１０…基板
１２…基板側放射電極
２０…誘電体ブロック
２１…誘電体ブロック側放射電極
２２…容量形成電極
３１…キャパシタ
１００，１０１，１０２…アンテナ
２００，２０１，２０２…アンテナ

Claims (5)

1. 第１の端部が容量結合部であり、第２の端部が接地された放射電極を備え、
   前記容量結合部は誘電体ブロックに設けられ、
   前記第２の端部は前記誘電体ブロックが設置される基板上に設けられ、
   前記基板上で前記放射電極に対して直列にキャパシタが挿入されたアンテナ。
2. 前記容量結合部と導通する給電電極が前記基板上に設けられ、前記給電電極の一端が接地状態である、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記キャパシタは、前記放射電極の第２の端部から前記放射電極の中央までの間に配置された、請求項１または２に記載のアンテナ。
4. 前記キャパシタの容量値は前記容量結合部に生じる容量値に対して０．５〜３．０倍の範囲内の関係である、請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナを筐体内に設けてなる無線通信装置。