(57)【要約】【課題】無線通信装置に搭載される基板の接地導体パターンにスリットを形成して、簡単な構造で放射効率の向上が可能なアンテナ装置等を提供する。【解決手段】本発明のアンテナ装置は、表面に接地導体パターン１１が形成された基板１０と、基板１０の表面のうち前記接地導体パターン１１が形成されない実装領域Ｒに配置され所定の周波数帯域で共振するアンテナ素子１２とを備え、接地導体パターン１１には、実装領域Ｒと接する端部の所定位置にスリット１５が形成されている。所定の周波数帯域で共振するアンテナ素子１２にスリット１５が作用することにより、アンテナ装置の放射効率が向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に接地導体パターンが形成された基板と、
前記基板の表面のうち前記接地導体パターンが形成されない実装領域に配置され、所定の周波数帯域で共振するアンテナ素子と、
を備え、前記接地導体パターンには、前記実装領域と接する端部の所定位置にスリットが形成されていることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記スリットの長さは、前記周波数帯域の実効波長をλ’としたとき、０．２λ’から０．２５λ’までの範囲内に設定されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記スリットの幅は、０．０２λ’以下に設定されることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記スリットは、前記実装領域と前記端部が接する境界線に直交する方向に沿って形成されることを特徴とする請求項２又は３に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記スリットは、前記アンテナ素子の給電線の位置に近接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記アンテナ素子は、セラミック基板の内層に導体パターンを形成したセラミックチップアンテナであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記アンテナ素子の導体パターンは、ミアンダ状に形成されることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のアンテナ装置を備えた無線通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の実装領域にアンテナ素子を配置したアンテナ装置に関し、特に、基板の接地導体パターンの一部にスリットを形成したアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯用途の無線通信装置においては、アンテナの小型化が強く要望されている。小型のアンテナを実現する手法としては、例えば、セラミックアンテナ等の誘電体を用いて小型化したアンテナが採用される。しかし、アンテナが小型化するほど、良好なアンテナ特性を確保するための設計が難しくなっていく。特に、無線通信装置に実装される基板にアンテナを一体的に設ける場合は、アンテナの放射効率の面で不利になる。すなわち、セラミックアンテナ等の小型アンテナを用いる場合、一般に損失が大きくなることから、アンテナの放射効率の低下につながる。また、アンテナを取り付けた基板の接地導体や金属部品も全体の放射に寄与するが、基板を含めた実装体積が小さくなることによる放射効率の低下も避けられない。一方、アンテナの放射効率の低下を補うため、送信電力を規格の範囲内で極力大きくすることも考えられるが、この場合は無線通信装置の消費電力の増大を招くことになる。従って、アンテナ自体の構造に加え、基板の接地導体部等の工夫により放射効率を改善する手法が望まれている。
【０００３】
従来から、アンテナ特性の改善を目的として、無線通信装置に搭載される基板の接地導体にスリット状の構造を設ける手法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１には、基板の接地導体に設けた屈曲した凹部（スリット）の作用により複数の共振周波数を接近させ、広い周波数帯域で動作するアンテナ装置が開示されている。特許文献２には、無線機本体の回路をシールドする遮蔽手段上に設けた凹部（スリット）の作用により、高周波電流の分布を変化させ、その影響を低減して電磁波の放射パターンを改善可能な手法が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−１８０４０８号公報
【特許文献２】特許第３２５１６８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記各特許文献１、２に開示された手法は、アンテナ特性の改善を目的としているが、上述したようなアンテナの放射効率の向上を図るためのものではなく、特許文献１、２において、上記スリットの作用とアンテナの放射効率との関係については何ら言及されていない。このように、小型のアンテナ自体の構造を維持しつつ、基板の接地導体の構造上の工夫により、アンテナの放射特性の向上を実現することが大きな課題となっている。
【０００５】
そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、無線通信装置に搭載される基板の接地導体パターンに対し、実装領域と接する端部にスリットを設けることにより、簡単な構造で放射効率を向上させることができるアンテナ装置及び無線通信装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のアンテナ装置は、表面に接地導体パターンが形成された基板と、前記基板の表面のうち前記接地導体パターンが形成されない実装領域に配置され、所定の周波数帯域で共振するアンテナ素子とを備え、前記接地導体パターンは、前記実装領域と接する端部の所定位置にスリットを形成した構造を有している。
【０００７】
本発明のアンテナ装置によれば、基板表面の実装領域にはアンテナ素子が配置されるとともに、基板表面の接地導体パターンにおいて実装領域と接する端部の所定位置にスリットが形成されている。アンテナ素子は所定の周波数帯域で共振するとともに、その近傍においてスリットが形成された導体パターンが共振を強めるように作用する。よって、アンテナ素子及び基板を小型化して放射効率の面で不利になる場合であっても、スリットの作用により放射効率を改善する効果が得られるので、小型かつ良好な放射特性のアンテナ装置を実現可能となる。
【０００８】
本発明において、前記スリットの長さは、前記周波数帯域の実効波長をλ’としたとき、０．２λ’から０．２５λ’までの範囲内に設定してもよい。また、前記スリットの幅は、０．０２λ’以下に設定してもよい。この場合、前記スリットは、前記実装領域と前記端部が接する境界線に直交する方向に沿って形成してもよい。
【０００９】
本発明において、前記スリットは、前記アンテナ素子の給電線の位置に近接して配置しいてもよい。
【００１０】
本発明において、前記アンテナ素子として、セラミック基板の内層に導体パターンを形成したセラミックチップアンテナを用いてもよい。この場合、前記アンテナ素子の導体パターンを、ミアンダ状に形成してもよい。
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の無線通信装置は、上述したいずれかのアンテナ装置を備えて構成される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、基板表面の接地導体パターンには、アンテナ素子を配置した実装領域と接する端部の所定位置にスリットが形成されるので、このスリットがアンテナ素子の共振を強めるように作用して、小型のアンテナ装置の放射効率を向上することができる。これにより、従来の小型のアンテナ装置に比べると、アンテナ素子や基板のサイズを大型化したり、あるいは送信電力を大きくすることなく、放射効率の向上による放射パワーの増大が可能となるので、無線通信装置の小型化と消費電力の低減を維持しつつ高性能のアンテナ装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。以下では、携帯用途の無線通信装置に搭載される小型のアンテナ装置に対して本発明を適用した実施形態を説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態のアンテナ装置の概略構成を示す図である。図１においては、無線通信装置の無線回路が構成された基板１０が示されている。基板１０としては、例えばガラスエポキシ基板が用いられる。基板１０の表面には、基準となる接地電位に接続される接地導体パターン１１が形成され、接地導体パターン１１の端部１１ａから基板１０の先端位置までが実装領域Ｒとなっている。図１の下部に示すように、便宜上、Ｘ方向及びＹ方向を定めるものとする。この場合、基板１０は、Ｘ方向の長さＸ０とＹ方向の長さＹ０との矩形に形成され、上部の実装領域Ｒは、基板１０と同様のＸ方向の長さＸ０と、端部１１ａから上部のＹ方向の長さＹ１の矩形となっている。
【００１５】
実装領域Ｒには、アンテナ素子１２が実装されている。アンテナ素子１２は、セラミック基板上にミアンダ状の導体パターンが形成されたセラミックチップアンテナであり、モノポールアンテナとして機能する。実装領域Ｒには給電ライン１３（給電線）及びランド１４が設けられ、アンテナ素子１２は、その基端部が給電ライン１３に接続されるとともに、その先端部がランド１４に接続される。給電ライン１３はＹ方向に延伸され、接地導体パターン１１側に設けられた給電点（不図示）を介して無線回路に接続されている。アンテナ素子１２の詳細な構造については後述する。
【００１６】
接地導体パターン１１には、端部１１ａの所定位置を細長い矩形状に切り欠いたスリット１５が形成されている。このスリット１５は、アンテナ素子１２及び給電ライン１３の近傍の位置にてＹ方向の長さＬｓとＸ方向の幅Ｗｓに形成され、端部１１ａの方向に対して直交する方向に沿って延びている。スリット１５の役割は、本実施形態のアンテナ装置の放射効率を向上することにあるが、詳しくは後述する。図１に示すスリット１５の長さＬｓ、幅Ｗｓ、端部１１ａにおける位置は一例であって、アンテナ特性等に応じて多様な設定が可能である。
【００１７】
図１のアンテナ素子１２の詳細な構造について、図２を参照して説明する。図２（ａ）は、アンテナ素子１２の平面図を示すとともに、図２（ｂ）は、アンテナ素子１２の図２（ａ）のａ−ａ断面における断面構造図を示している。アンテナ素子１２が構成されるセラミック基板は、図２（ａ）に示すように、長さＬａの短辺と長さＬｂの長辺の矩形に形成され、図２（ｂ）に示すように、厚さＴのセラミック材料を用いて形成される。セラミック基板の内層には、ミアンダ状の導体パターン１２ａが形成されている。導体パターン１２ａは、所定間隔で配置された線状導体を多数の屈曲部により連結した構造を有し、基端側から先端側に至るトータルの線長がアンテナ素子１２の長辺の長さＬｂに比べ十分長くなる。
【００１８】
アンテナ素子１２のセラミック基板には、長辺方向に対向する両側の側面電極Ｅ１、Ｅ２が形成されている。一方の側面電極Ｅ１は、導体パターン１２ａの基端側に接続され、他方の側面電極Ｅ２は、導体パターン１２ａの先端側に接続される。セラミック基板の裏面の両端には、導体パターンＰ１、Ｐ２が形成される。導体パターンＰ１は、側面電極Ｅ１に接続され、図１の給電ライン１３に半田等で接続される。また、導体パターンＰ２は、側面電極Ｅ２に接続され、図１のランド１４に半田等で接続される。
【００１９】
以下、上記の構造を有するアンテナ装置の放射特性とスリット１５の設計パラメータの関係について説明する。まず、スリット１５の長さＬｓについては、アンテナ装置の使用周波数帯域に依存して適切な値が変化する。ここでは、無線ＬＡＮ等で一般的に用いられる２．４ＧＨｚ近辺の使用周波数帯域を想定する。例えば、基板１０として、ＦＲ−４基板を用い、その比誘電率が４．６であるとし、共振周波数が２．４５ＧＨｚとしたときの実効波長λ’は、次式のように表される。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
上記の実効波長λ’には、アンテナ素子１２の波長短縮効果が反映されており、この実効波長λ’を基準に、スリット１５の最適な長さＬｓを検証する。図３には、実効波長λ’とスリットの長さＬｓの比Ｌｓ／λ’に対するアンテナ装置の放射効率の変化をシミュレーションにより求め、その結果をプロットして示している。図３のシミュレーションは、ｆｒ＝２．４５ＧＨｚに対応する数１のλ’＝７２．９ｍｍに対し、スリットの長さＬｓを順次変化させることでＬｓ／λ’を変化させている。また、図１の端部１１ａにおけるスリット１５の３通りの位置をパラメータとし、それぞれの放射効率の変化を比較している。図４は、図３のシミュレーションにおけるスリット１５の３通りの位置Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃの条件を示す図である。
【００２２】
図４に示すように、接地導体パターン１１の端部１１ａにおいて、その左端から各スリット１５の位置Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃの順に矢印にて示している。ここで、シミュレーションの条件として、Ｘ０＝Ｙ０＝３０ｍｍ、Ｙ１＝７ｍｍとし、基板１０の左端からアンテナ素子１２の右端（給電ライン１３の中心線）までの距離Ｘ１＝９．５ｍｍとし、接地導体パターン１１の端部１１ａからアンテナ素子１２の下端までの距離Ｙ２＝３ｍｍとそれぞれ設定する。図２のアンテナ素子１２は、Ｌａ＝３ｍｍ、Ｌｂ＝５ｍｍ、Ｔ=１ｍｍに設定し、その比誘電率が約７．５であるとする。そして、基板１０の左端からスリット１５の上記各位置Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃまでの距離Ｘｓは、順に、Ｘｓ＝５ｍｍ、１３ｍｍ、２０ｍｍに設定する。スリット１５の幅Ｗｓ＝０．５ｍｍに設定する。
【００２３】
上記の条件に基づくシミュレーションによれば、図３に示すように、スリット１５のＬｓ／λ’が小さいときは放射効率が３０％程度で推移するが、Ｌｓ／λ’が０．２を超えると放射効率が上昇する様子がわかる。放射効率のピークは、Ｌｓ／λ’が概ね０．２〜０．２５の範囲にあり、位置Ｐａの場合は約７０％、位置Ｐｂの場合は約７４％、位置Ｐｃの場合は約６２％が得られた。このように、本実施形態のアンテナ装置は、接地導体パターン１１の端部１１ａにスリット１５を形成することにより、スリット１５がない場合に比べて、放射効率を大幅に上昇させることができる。
【００２４】
図３の結果からは、スリット１５の長さＬｓを実効波長λ’の１／４と同等か若干小さい条件に設定したとき、放射効率が上昇することがわかる。すなわち、かかる条件下で、共振周波数ｆｒに対して接地導体パターン１１のスリット１５の部分が共振し、アンテナ素子１２の放射電力を増大させる作用があると考えられる。一方、スリット１５の位置に関しては、位置Ｐｂのときに他の条件に比べて放射効率が若干良好になっている。これは、図４に示すように、アンテナ素子１２への給電点に最も近接するのが位置Ｐｂであるため、その分共振が強くなる結果、放射効率のピークが大きくなると考えられる。
【００２５】
次に図５は、図３のシミュレーションに対応して、スリット１５の位置と放射効率との関係をシミュレーションにより求めた結果を示している。図５では、接地導体パターン１１の端部１１ａの左端からスリット１５までの距離Ｘｓを順次変化させ、それぞれの放射効率を求め、その結果をプロットして示している。なお、シミュレーションの条件は、スリット１５の長さＬｓ＝１７．５ｍｍ（≒０．２４λ’）に設定し、その他の条件については図３の場合と同様である。
【００２６】
図５に示すように、距離Ｘｓ＝５〜１０ｍｍの範囲では放射効率が概ね７０％を超えているが、Ｘｓが大きくなると放射効率が若干低下する。特に、基板１０の左端から給電ライン１３の中心線までの距離Ｘ１＝９．５ｍｍに設定しているので、その近傍のＸｓ＝１０ｍｍの条件において８０％を超える放射効率のピークが生じている。このように、アンテナ素子１２及び給電ライン１３に対し、スリット１５をできるだけ近接して配置すれば、放射効率の向上に有利である。ただし、図５に示すように、距離Ｘｓが大きい範囲においても５０〜６０％程度の放射効率が確保されるので、端部１１ａにおけるスリット１５の位置を問わず放射効率を改善する効果を有する。
【００２７】
次に図６は、スリット１５の幅Ｗｓと放射効率との関係をシミュレーションにより求めた結果を示している。図６では、スリット１５の幅Ｗｓ（図１）を順次変化させ、実効波長λ’と幅Ｗｓの比Ｗｓ／λ’に対する放射効率を求め、その結果をプロットして示している。なお、シミュレーションの条件は、基板１０の左端からのスリット１５の距離Ｘｓ＝１３ｍｍに設定し、その他の条件については図５の場合と同様である。
【００２８】
図６に示すように、スリット１５の幅Ｗｓが大きくなるほど、放射効率は緩やかに減少していく。この場合、Ｗｓ／λ’を概ね０．０８までの範囲に保てば、５０％以上の放射効率を確保することができる。また、十分な放射効率として６０％以上を確保するために、Ｗｓ／λ’を０．０２以下（Ｗｓ≦０．０２λ’）に設定することが好ましい。
【００２９】
次に図７は、本実施形態のアンテナ装置におけるスリット１５の作用を検証するため、周波数を変化させたときのＳパラメータＳ１１（リターンロス）をシミュレーションにより求めた結果を示している。図７では、周波数１．５〜３．０ＧＨｚの範囲内で、スリット１５の長さＬｓをパラメータとし、それぞれのリターンロスの変化を比較している。なお、シミュレーションの条件は、スリット１５の長さＬｓを除き、図３の場合と同様である。
【００３０】
図７において、スリット１５の４通りの長さＬｓ＝１０ｍｍ、１５ｍｍ、１７．５ｍｍ、２０ｍｍに対応して、この順に特性Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を重ねて示している。各特性Ｓ１〜Ｓ４のうち、リターンロス（Ｓ１１）が減少する共振のピークが存在する。そして、スリット１５の長さＬｓが短い場合（Ｌｓ=１０ｍｍ、１５ｍｍ）の特性Ｓ１、Ｓ２では、周波数上で共振のピークが１つ存在するのに対し、スリット１５の長さＬｓが長い場合（Ｌｓ=１７．５ｍｍ、２０ｍｍ）の特性Ｓ３、Ｓ４では、周波数上で共振のピークが２つ存在することがわかる。
【００３１】
一般にリターンロスの増減はアンテナ素子１２のマッチングの影響も含むので、共振のピークと放射効率の関係を別途判別する必要がある。そこで、上記の特性Ｓ３、Ｓ４に関し、それぞれ２つの共振のピークに対応する周波数において放射効率を求めた。その結果、特性Ｓ３に関しては、高周波側の周波数Ｆａにおける共振のピークでは、放射効率６７％が得られ、低周波側の周波数Ｆｂにおける共振のピークでは、放射効率７１％が得られた。また、特性Ｓ４に関しては、高周波側の周波数Ｆｃにおける共振のピークでは、放射効率５７％が得られ、低周波側の周波数Ｆｄにおける共振のピークでは、放射効率７７％が得られた。本実施形態の構成においては、スリット１５を設けることにより、本来の高周波側の共振のピークに加えて低周波側の共振のピークが付加され、両方のピークで放射効率が高くなることがわかる。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態のアンテナ装置を採用することにより、放射効率を向上することができる。この場合、基板１０のサイズとアンテナ素子１２のサイズをそれぞれ維持しつつ、基板１０の導体パターン１１の端部１１ａにスリット１５を形成する簡単な構造で放射効率が改善されるので、無線通信装置の大型化やコストの増大を招くことがない。また、無線通信装置の送信電力の増大等による消費電力の増加も避けることができる。なお、スリット１５については、長さＬｓと幅Ｗｓの細長い矩形に形成する場合を説明したが、放射効率の改善の効果を奏する限り、他の形状のスリット１５を形成してもよい。また、スリット１５は、図１のＹ方向（接地導体パターン１１と領域Ｒの境界線に直交する方向）に沿って形成する場合に限らず、斜め方向に沿って形成してもよい。
【００３３】
以上、実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことができる。例えば、上記実施形態では、アンテナ素子１２として、セラミックチップアンテナを用いる構成に対して本発明を適用する場合を説明したが、多様な構造のモノポールアンテナを採用することができる。さらに、上記各実施形態では、アンテナ素子１２にミアンダ状の導体パターンが形成される場合を説明したが、ミアンダ状に限らず、例えばスパイラル状など多様な導体パターンを用いたアンテナ素子を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施形態のアンテナ装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１のアンテナ素子１２の詳細な構成を示す図である。
【図３】本実施形態のアンテナ装置において、Ｌｓ／λ’に対する放射効率の変化を示す図である。
【図４】図３におけるスリット１５の３通りの位置Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃの条件を示す図である。
【図５】本実施形態のアンテナ装置において、スリット１５の位置と放射効率の関係を示す図である。
【図６】本実施形態のアンテナ装置において、スリット１５の幅Ｗｓと放射効率の関係を示す図である。
【図７】本実施形態のアンテナ装置において、周波数とＳパラメータＳ１１（リターンロス）の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０…基板
１１…接地導体パターン
１２…アンテナ素子
１３…給電ライン
１４…ランド
１５…スリット
Ｒ…実装領域
Ｅ１、Ｅ２…側面電極
Ｐ１、Ｐ２…導体パターン
【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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