(57)【要約】【課題】基板を小型化しても、良好なアンテナ特性を確保することを可能にする。【解決手段】Ｆ型のアンテナ素子３及びＧＮＤ領域４をプリント基板２上にパターン形成したパターンアンテナ１において、基板２の基板幅Ｌを使用周波数の１／４より小さくした場合に、アンテナ素子３をＧＮＤ領域４に繋ぐ短絡部３ｂの配線幅Ｂをアンテナ素子３の長軸部３ａの配線幅Ａより大きくする。短絡部３ｂの配線幅Ｂを長軸部３ａの配線幅Ａよりも大きくする方向に調整することで、入力インピーダンスを変化させ、それにより、基板２の基板幅Ｌを小さくすることで生じたインピーダンスの不整合を調整し、良好なアンテナ特性を確保する。上記の際、短絡部３ｂの配線幅は、長軸部３ａの配線幅の４倍以上の大きさを有することが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆ型のアンテナ素子及び接地領域を基板にパターン形成したパターンアンテナであって、前記基板の基板幅が使用周波数の１／４波長より小さく、前記アンテナ素子を前記接地領域に繋ぐ短絡部の配線幅が前記アンテナ素子の長軸部の配線幅より大きいことを特徴とするパターンアンテナ。
【請求項２】
前記短絡部の配線幅を前記長軸部の配線幅よりも大きくする方向に調整して入力インピーダンスを変化させることを特徴とする請求項１に記載のパターンアンテナ。
【請求項３】
前記短絡部の配線幅は、前記長軸部の配線幅の４倍以上の大きさを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のパターンアンテナ。
【請求項４】
前記アンテナ素子は、その開放端側に折曲げ部を有することを特徴とする請求項１、２又は３に記載のパターンアンテナ。
【請求項５】
前記折曲げ部の形状が無角形状であることを特徴とする請求項４に記載のパターンアンテナ。
【請求項６】
前記アンテナ素子と前記接地領域の少なくとも一部とが前記基板の同一表面上に形成され、
前記長軸部と連続し、該長軸部と対向する位置に配置された開放部と、前記接地領域の少なくとも一部との間隔が、前記長軸部の配線幅の２倍以上であることを特徴とする請求項４又は５に記載のパターンアンテナ。
【請求項７】
Ｆ型のアンテナ素子及び接地領域を基板にパターン形成したパターンアンテナを親基板に実装したアンテナ装置であって、
前記パターンアンテナの基板において、前記アンテナ素子の長軸部と直交する方向の基板幅と、前記長軸部と平行な方向の基板幅との比が１．３以上、２．１以下であることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項８】
前記アンテナ素子の長軸部と直交する方向において、前記アンテナ素子の配置領域の幅と前記接地領域の幅との比が０．１４以上、０．２２以下であることを特徴とする請求項７に記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記パターンアンテナの表面又は裏面に、接地電位に固定され、前記表面又は裏面上の回路素子を覆う金属ケースを備えることを特徴とする請求項７又は８に記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パターンアンテナ及びパターンアンテナを親基板に実装したアンテナ装置に関し、特に、Ｆ型のアンテナ素子を基板にパターン形成したパターンアンテナ等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、携帯電話機やパソコン通信用の小型無線アンテナとしてＦ型アンテナが広く用いられている。この種のＦ型アンテナとしては、誘電体基板上にアンテナ素子等をパターン形成したものが知られており、例えば、特許文献１には、接地導体板（以下、「ＧＮＤ領域」という）の電気長を使用周波数の１／４程度に形成して良好なＳＷＲ特性を得るようにしたＦ型アンテナが提案されている。
【０００３】
図１０は、上記文献に記載されたパターンアンテナの構成を示す上面図であり、このパターンアンテナ５１は、大別して、プリント基板５２と、基板５２の表面にパターン形成されたＦ型のアンテナ素子５３と、基板５２の裏面に形成されたＧＮＤ領域５４とから構成される。アンテナ素子５３から延びる一方の配線（短絡線）５５の先端にはスルーホール５６が設けられ、このスルーホール５６を介してアンテナ素子５３とＧＮＤ領域５４が電気的に接続される。尚、アンテナ素子５３から延びる他方の配線５７は、給電配線であり、この給電配線５７には他の電子機器が接続される。
【０００４】
上記パターンアンテナ５１においては、ＧＮＤ領域５４の長さＧＬを使用周波数の１／４程度の長さに設定することで、給電点でのアンテナ素子５３の電流分布値とＧＮＤ領域５４の電流分布値とのバランスを保ち、安定したアンテナ特性を得るようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１６８６２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来のパターンアンテナ５１においては、最適なアンテナ特性を得るにはＧＮＤ領域５４の長さＧＬを１／４波長程度とする必要があるため、プリント基板５２の基板幅ＢＬ（図１０を参照）もそれ以上の長さを確保しなければならず、基板５２の小型化が制限されるという問題がある。特に、上記パターンアンテナ５１では、長さＧＬを１／４波長よりも短くすると、インピーダンスの不整合が生じるため、アンテナゲイン特性が低下し、良好なアンテナ特性を確保できない虞がある。
【０００７】
また、上記パターンアンテナ５１においては、かかるアンテナを単体で使用する場合のみならず、図１１に示すように、接続用コネクタ６１を介して大型の親基板６２（ＧＮＤ電位）に実装して使用する場合もある。しかし、この場合、単体で使用するのであれば問題のないものでも、親基板に実装した際に、アンテナゲイン特性が低下したり、中心周波数が大きく変動することがある。このため、パターンアンテナの使用態様が制限されたり、親基板に実装するための別途の設計が必要になるなどの問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、良好なアンテナ特性を確保しつつ、基板の小型化を図ることが可能なパターンアンテナを提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、パターンアンテナを親基板に実装する場合でも、アンテナゲイン特性が低下したり、中心周波数が大きく変動するのを防止し、良好なアンテナ特性を確保することが可能なアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明は、Ｆ型のアンテナ素子及び接地領域を基板にパターン形成したパターンアンテナであって、前記基板の基板幅が使用周波数の１／４波長より小さく、前記アンテナ素子を前記接地領域に繋ぐ短絡部の配線幅が前記アンテナ素子の長軸部の配線幅より大きいことを特徴とする。
【００１１】
本発明においては、短絡部の配線幅を長軸部の配線幅よりも大きくする方向に調整することで、入力インピーダンスを変化させ、それにより、基板の基板幅を小さくすることで生じたインピーダンスの不整合を調整し、良好なアンテナ特性を確保する。
【００１２】
上記パターンアンテナにおいて、前記短絡部の配線幅を前記長軸部の配線幅の４倍以上の大きさに設定することができる。
【００１３】
上記パターンアンテナにおいて、前記アンテナ素子の開放端側に折曲げ部を有するように構成することができる。また、この際、前記折曲げ部の形状を無角形状とすることが好ましい。
【００１４】
上記パターンアンテナにおいて、前記アンテナ素子と前記接地領域の少なくとも一部とを前記基板の同一表面上に形成し、前記長軸部と連続し、該長軸部と対向する位置に配置された開放部と、前記接地領域の少なくとも一部との間隔を、前記長軸部の配線幅の２倍以上とすることができる。
【００１５】
また、本発明は、Ｆ型のアンテナ素子及び接地領域を基板にパターン形成したパターンアンテナを親基板に実装したアンテナ装置であって、前記パターンアンテナの基板において、前記アンテナ素子の長軸部と直交する方向の基板幅と、前記長軸部と平行な方向の基板幅との比が１．３以上、２．１以下であることを特徴とする。
【００１６】
上記アンテナ装置において、前記アンテナ素子の長軸部と直交する方向における前記アンテナ素子の配置領域の幅と前記接地領域の幅との比を０．１４以上、０．２２以下とすることができる。
【００１７】
上記アンテナ装置において、前記パターンアンテナの表面又は裏面に、接地電位に固定され、前記表面又は裏面上の回路素子を覆う金属ケースを備えることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明によれば、良好なアンテナ特性を確保しつつ、基板の小型化を図ることが可能なパターンアンテナを提供することが可能になる。また、本発明によれば、アンテナ基板を親基板に実装した場合でも、アンテナゲイン特性が低下したり、中心周波数が大きく変動するのを防止し、良好なアンテナ特性を確保することが可能なアンテナ装置を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明にかかるパターンアンテナの一実施の形態を示す図であり、（ａ）、（ｂ）は、各々、表面図及び裏面図である。
【００２１】
同図に示すように、パターンアンテナ１は、大別して、プリント基板２（以下、「基板」と略称する）と、基板２の表面にパターン形成されたアンテナ素子３及びＧＮＤ領域４と、基板２の裏面にパターン形成された給電配線５とから構成される。
【００２２】
基板２は、例えば、ガラスエポキシ等によって形成された誘電体基板であり、本実施の形態において、基板２の基板幅Ｌは、使用周波数の１／４波長よりも短い長さに形成される。
【００２３】
アンテナ素子３は、Ｆ型のアンテナ素子であり、基板２の短手方向に沿って延びる長軸部３ａと、長軸部３ａとＧＮＤ領域４を接続する短絡部３ｂと、長軸部３ａと給電配線５を接続する給電部３ｃとを備える。
【００２４】
本実施の形態においては、短絡部３ｂの配線幅Ｂが長軸部３ａの配線部Ａより大きく形成されており、この点で従来のアンテナと大きく異なる。すなわち、従来のアンテナのように、長軸部の配線幅と短絡部の配線幅とを略々同一の大きさに設定する（例えば、図１０のパターンアンテナ５１を参照）のではなく、短絡部３ｂの配線幅Ｂを基板２の短手方向に拡げることで、アンテナ特性の調整を図り、それによって、ＧＮＤ領域４の小型化を可能とする。
【００２５】
具体的には、短絡部３ｂの配線幅Ｂを拡げた場合には、給電点Ｇから見たＧＮＤ側のインダクタンス成分を小さくすることができ、それによって、入力インピーダンスの調整を図ることができる。基板２の基板幅Ｌ（アンテナ素子３の長軸部３ａと並列する辺の長さ）を１／４波長より小さくすると入力インピーダンスの不整合が生じることは上述したとおりであるが、その整合の崩れを、配線幅Ｂの拡大による入力インピーダンスの調整によって、ある程度補うことで、アンテナゲイン特性を損なうことなく、基板幅Ｌを縮小することができる。
【００２６】
上記の際、配線幅Ｂが小さ過ぎると、入力インピーダンスの調整幅が狭くなり、全体のインピーダンス整合にさほど寄与しなくなる虞があるため、配線幅Ｂの大きさは、長軸部３ａの配線幅Ａの４倍以上とすることが好ましい。尚、この配線幅Ｂの大きさは、２．０〜３．０ＧＨｚを使用帯域とする場合であれば、いずれの帯域においても同程度に設定することができる。但し、配線幅Ｂを大きくし過ぎると、短絡部３ｂの占有面積が大きくなり、却って基板２の大型化を招く虞があるため、好ましくない。
【００２７】
一方、アンテナ素子３の開放端側には、折曲げ部３ｄが形成され、これにより、１／４波長程度のアンテナ配線長を確保する。折曲げ部３ｄは、反射箇所の減少のため、コーナ円形処理を行ってＵ字型とすることが好ましいが、例えば、コ字型等の他の形状に形成することもできる。
【００２８】
尚、折曲げ部３ｄを形成した場合は、長軸部３ａと対向する配線部分（以下、「開放部」という）３ｅがＧＮＤ領域４の近傍に位置することになる。この場合、開放部３ｅが容量性を持ち、アンテナ共振周波数に影響を及ぼす虞があるため、開放部３ｅとＧＮＤ領域４の間隔Ｃを長軸部３ａの配線幅Ａの２倍以上の大きさに設定し、結合度を小さくすることが好ましい。
【００２９】
また、アンテナ素子３の給電部３ｃの先端には、スルーホール６が設けられ、このスルーホール６を介してアンテナ素子３と基板裏面の給電配線５とが電気的に接続される。尚、給電配線５は、インピーダンス整合したマイクロストリップライン、ストリップライン及びコプレナライン等を用いることができる。また、同軸配線を基板２上に取付け、給電を行うことも可能である。
【００３０】
図２（ａ）は、図１に示すパターンアンテナ１における給電点ＧからのＳ１１反射特性を示すものであり、図２（ｂ）は、Ｓ１１スミスチャートを示すものである。尚、アンテナ特性の実測にあたっては、短絡部３ｂの配線幅Ｂを長軸部３ａの配線幅Ａの４倍の大きさとし、基板２の基板幅Ｌを１／４波長の半分程度の大きさとした。また、パターンアンテナ１は、給電部３ｃの位置（給電点Ｇの位置）や開放部３ｅの長さＤ（図１（ａ）を参照）を調整して、２．４ＧＨｚ付近で共振点を有し、同帯域で最も高いアンテナ輻射特性が得られるよう設計したものを使用した。
【００３１】
同図から分かるように、使用帯域として約１００ＭＨｚ幅が必要となる場合を想定すると、共振点及び輻射特性のいずれも所望の特性を得られており、本実施の形態によれば、基板２の基板幅Ｌを１／４波長の半分程度の大きさまで縮小化しても、良好のアンテナ特性を確保することができるのが分かる。
【００３２】
図３は、上記パターンアンテナ１の輻射特性を示すものである。尚、波形は、アンテナ基板の基板平面に対する垂直軸中心に回転させたアンテナ指向性パターンであり、垂直偏波、水平偏波に対する特性を示す。同図から分かるように、本パターンアンテナ１では、アンテナ素子３に対して無指向であり、良好な輻射特性を有している。
【００３３】
次に、図１に示すパターンアンテナ１の製造方法について説明する。パターンアンテナ１の製造にあたっては、有機系基板又はセラミック基板を準備し、その上にアンテナ素子３及びＧＮＤ領域４等をパターン形成していく。
【００３４】
上記の際、基板２には、単層基板のみならず、両面基板や多層基板等を用いることもできる。また、基板２の材料は、高周波損失の小さい低誘電正接特性の基板材料や高誘電体基板材料等の各種材料を用いることができるが、この場合、各誘電率に応じた波長短縮率を考慮してアンテナ設計を調整する必要がある。
【００３５】
一方、パターン形成方法については、セラミック基板で用いられるマスク印刷処理や、プリント基板で用いられるエッチングによるパターン形成処理、或いは、半導体プロセスで用いられる蒸着によるパターン形成処理等を利用することができる。尚、基板２を多層基板により形成した場合には、アンテナ素子３及びＧＮＤ領域４等は、基板２の内層（上層基板と下層基板の間）に形成することも可能である。
【００３６】
次に、本発明にかかるパターンアンテナの他の実施の形態について、図４を参照しながら説明する。尚、同図において、図１と同一の構成要素については同一符号を付し、その説明を割愛する。
【００３７】
同図に示すように、パターンアンテナ２０は、図１に示すパターンアンテナ１と基本構成を同一としつつ、ＧＮＤ領域４の一部（ＧＮＤ領域２１）を基板２の裏面側（アンテナ素子３と異なる層）に配置したものである。このパターンアンテナ２０では、ＧＮＤスルーホール２２を介して、基板２の表面側に形成されたＧＮＤ領域４と、基板２の裏面側に形成されたＧＮＤ領域２１とが接続される。
【００３８】
上記パターンアンテナ２０においては、基板２の表面と裏面に分けてＧＮＤ領域を構成するため、送信回路等の回路素子（不図示）をＧＮＤ領域４の下方に確保した空き領域２３に形成することができ、また、回路素子を基板２の裏面側に形成する場合でも、ＧＮＤ領域２１上に形成することができる。このように、回路素子を基板２の表面又は裏面のいずれにも実装することができるため、アンテナ素子３までの給電配線長を短くすることができ、伝送損失を少なく抑えることが可能になる。
【００３９】
次に、本発明にかかるアンテナ装置の一実施の形態について説明する。
【００４０】
図５（ａ）は、図１０に示す従来のパターンアンテナ５１のＳ１１反射特性を示すものであり、図５（ｂ）は、Ｓ１１スミスチャートを示すものである。また、図６（ａ）は、図１１に示すようにＦ型アンテナ５１を親基板６２（ＧＮＤ電位）に実装した際のＳ１１反射特性を示すものであり、図６（ｂ）は、同構成のＳ１１スミスチャートを示すものである。尚、パターンアンテナ５１は、基板５２の基板幅ＢＬ（図１０を参照）を１／４波長の大きさとし、また、２．４ＧＨｚ付近で共振点を有するように設計したものを使用した。
【００４１】
図５から分かるように、従来のアンテナにおいては、パターンアンテナ単体で使用する場合に優れたアンテナ特性を示すが、図６に示されるように、そのパターンアンテナを親基板に実装した場合には、共振周波数やインピーダンス整合が大きく変動するのが分かる。このように、従来のアンテナ装置においては、親基板に実装した際にアンテナゲイン特性が大きく低下するなどの不具合が生じ、安定したアンテナ特性を確保するのが困難となっている。
【００４２】
そこで、本実施の形態にかかるアンテナ装置では、パターンアンテナの基板、アンテナ素子及びＧＮＤ領域の各種寸法比率を調整することにより、パターンアンテナを単体で使用する場合、及びパターンアンテナを親基板に実装する場合のいずれにおいても、良好なアンテナ特性を確保し得るようにする。
【００４３】
図７（ａ）は、本実施の形態にかかるアンテナ装置を示す全体図であり、図７（ｂ）は、（ａ）の領域４０の拡大図である。尚、同図において、図１と同一の構成要素については同一符号を付し、その説明を割愛する。
【００４４】
同図（ａ）に示すように、アンテナ装置３０は、アンテナ素子３やＧＮＤ領域４等がパターン形成されたパターンアンテナ３１と、接続用コネクタ３３を介してパターンアンテナ３１と接続された親基板３２とから構成される。親基板３２の表面上には、送信回路や受信回路等の回路素子（不図示）が形成され、これら回路素子は、接続用コネクタ３３を通じてパターンアンテナ３１と接続される。
【００４５】
本実施の形態では、図７（ｂ）に示すように、パターンアンテナ３１の基板３５において、アンテナ素子３の長軸部３ａと直交する方向の基板幅Ｅと、長軸部３ａと平行な方向の基板幅Ｆとの比が１．３〜２．１となるように設定される。また、その際、上記条件を満たした上で、基板３５の長手方向におけるアンテナ素子３の配置領域の幅ＨとＧＮＤ領域４の幅Ｊとの比を０．１４〜０．２２となるように設定することがより好ましい。尚、図４に示すように、ＧＮＤ領域４を基板３５の表面と裏面に分設した場合には、上記ＧＮＤ領域４の幅Ｊは、基板３５の表面に形成されたＧＮＤ領域の幅と、基板３５の裏面に形成されたＧＮＤ領域の幅とを加算した合計値から、表裏面のＧＮＤ領域で重なる領域の幅を差し引いたものとなる。
【００４６】
図８（ａ）は、図７に示すアンテナ装置３０のＳ１１反射特性を示すものであり、図８（ｂ）は、Ｓ１１スミスチャートを示すものである。尚、アンテナ特性の実測にあたっては、基板３５の長手方向の基板幅Ｅと短手方向の基板幅Ｆとの比を１．７とし、アンテナ素子３の配置領域の幅ＨとＧＮＤ領域４の幅Ｊとの比を０．１８とした。また、パターンアンテナ３１は、基板幅Ｆを１／４波長の半分程度の大きさとし、また、２．４ＧＨｚ付近で共振点を有するように設計したものを使用した。一方、親基板３２については、正方形状のものを用い、一辺の長さＫが基板３５の長手方向の基板幅Ｅの約３．５倍の大きさを有するものを使用した。
【００４７】
同図から分かるように、パターンアンテナ３１を大型の親基板３２に実装した場合においても、パターンアンテナ３１を単体で使用した場合の特性（図２を参照）と同様に、２．４ＧＨｚ付近において共振点があり、また、２．４ＧＨｚ付近で最も高いアンテナ輻射特性が得られている。これらの結果より、上記条件を満たすようパターンアンテナ３１を設計した場合には、パターンアンテナ３１を親基板３２に実装した場合にも良好なアンテナ特性を確保できることが分かる。尚、パターンアンテナ３１を単体で使用する場合の特性（図２を参照）と比較して、３０ＭＨｚ程度の中心周波数のシフトがあるが、アンテナゲインの帯域幅としては、広帯域で十分な輻射性能を満たしているため、実用化への影響はない。
【００４８】
また、上記実施の形態において、図９に示すように、パターンアンテナ３１の基板３５の裏面に、パターンアンテナ３１のＧＮＤ電位と共通化させた金属ケース４２を配置して回路素子を覆うことにより、親基板３２の影響をより小さくすることができる。ここで、金属ケース４２の電位の共通化は、金属ケース４２を直接親基板３２に接続するか、或いは、金属ケース４２をパターンアンテナ３１のＧＮＤ領域４に接続することで可能である。
【００４９】
上記の構成により、パターンアンテナ３１と親基板３２との間の不要な共振状態を防止することができ、より安定したアンテナ特性を得ることが可能になる。尚、金属ケース４２の高さＭは、パターンアンテナ３１と親基板３２の間の機械的強度を補助するため、それらの間隔を埋める高さとすることが好ましい。
【００５０】
その他、パターンアンテナ３１の基板３５の表面に金属ケース４２を設けることもでき、この場合でも図９に示す場合と略々同等の特性を実現することができる。尚、基板３５の表面側に金属ケース４２を設けた場合の高さＭは、回路素子を覆うことができる高さを確保すれば十分である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明にかかるパターンアンテナの一実施の形態を示す図であって、（ａ）は表面図であり、（ｂ）は裏面図である。
【図２】図１のパターンアンテナのＳ１１反射特性及びＳ１１スミスチャートを示す図である。
【図３】図１のパターンアンテナのアンテナ指向性を示す図である。
【図４】本発明にかかるパターンアンテナの他の実施の形態を示す図であって、（ａ）は表面図であり、（ｂ）は裏面図である。
【図５】従来のパターンアンテナを単体で使用した場合のＳ１１反射特性及びＳ１１スミスチャートを示す図である。
【図６】従来のパターンアンテナを親基板に実装した場合のＳ１１反射特性及びＳ１１スミスチャートを示す図である。
【図７】本発明にかかるアンテナ装置の一実施の形態を示す図である。
【図８】図７のアンテナ装置のＳ１１反射特性及びＳ１１スミスチャートを示す図である。
【図９】本発明にかかるアンテナ装置の他の実施の形態を示す図である。
【図１０】従来のパターンアンテナを示す図である。
【図１１】従来のパターンアンテナを親基板に実装した場合を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  パターンアンテナ
２  プリント基板
３  アンテナ素子
３ａ  長軸部
３ｂ  短絡部
３ｃ  給電部
３ｄ  折曲げ部
３ｅ  開放部
４  ＧＮＤ領域
５  給電配線
６  スルーホール
２０  パターンアンテナ
２１  ＧＮＤ領域
２２  ＧＮＤスルーホール
２３  空き領域
３０  アンテナ装置
３１  パターンアンテナ
３２  親基板
３３  接続用コネクタ
３５  プリント基板
４２  金属ケース
【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】
2009194783.tif 000009
【図８】
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【図９】
2009194783.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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