JP5545375B2

JP5545375B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP5545375B2
Application number: JP2012547733A
Authority: JP
Inventors: 宏弥田中; 健吾尾仲
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2031-10-13
Also published as: JPWO2012077406A1; WO2012077406A1

Description

本発明はアンテナ装置に関し、特に機器間の無線通信、無線ＬＡＮ、移動体通信システム等で用いられるアンテナ装置に関する。

携帯端末などの無線機に用いられるアンテナにおいて、指向性や利得を向上させることを目的として構成されたアンテナ装置が特許文献１，２に開示されている。

特許文献１のアンテナ装置の例を図１に示す。図１において、アンテナ装置１０は、導体１１と、導体１１の一端が接続される給電用電極１２とを備えるアンテナ本体１３と、給電用電極１２が接続される給電源１４と、表面上に導電材を印刷することにより形成された線状の導体パターン１５及び略矩形状のグランド電極１６を備える実装基板１７とからなる。アンテナ本体１３と給電源１４とは実装基板１７上に実装され、アンテナ本体１３の給電用電極１２と給電源１４とは、実装基板１７の表面上の導体パターン１５を介して接続される。ここで、実装基板１７の表面上のグランド電極１６はアンテナ本体１３と共振するグランド部となる。

特許文献２のアンテナ装置の例を図２に示す。図２において、無線回路１０を実装する基板２と、基板２上に設けられた第１の導体板１に給電点を有する内蔵アンテナ３と、内蔵アンテナ３の配置される面と異なる側の第１の導体板１上に配置され、第１の導体板１と接地する接地辺４を有する第２の導体板５とを備える。この第２の導体板５を設けたことにより、第１の導体板１上の電流と第２の導体板５上の電流の位相差が大きくなることから、第１の導体板１からの放射と第２の導体板５からの放射は強めあう。この結果、第２の導体板５の存在する側の利得は、第２の導体板５を設けない場合と比較して高くなり、無指向性に近い放射パターンが得られる、とされている。

特開平１１−１９５９１７号公報特開２００７−８１７１２号公報

図１に示される構成のアンテナ装置においては、基板の面方向では水平偏波が得られるが、その方向での垂直偏波成分は小さい、ということが問題であった。
図２に示される構成のアンテナ装置においては、第２の導体板５を設けることで、基板の面方向での垂直偏波の利得が改善されるが、これは内蔵アンテナ３の設置方向に対して逆方向の利得についてであり、内蔵アンテナ３の設置方向の水平面内の垂直偏波の利得は改善されない。

例えばMIMO(Multiple Input Multiple Output)技術を利用した無線LAN用のアンテナは垂直偏波および水平面内の前方利得が要求されている場合がある。しかし図１・図２のいずれの構成によっても、これらのアンテナ装置が、基板面が水平面を向く状態でセットに組み込まれたとき、水平面内の垂直偏波の利得が小さいという問題が発生する傾向にある。

そこで、本発明は基板の面方向での垂直偏波の利得を改善して、総合的な感度を高められるアンテナ装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、この発明のアンテナ装置は次のように構成する。
（１）端部に非グランド領域が設けられた基板と、前記非グランド領域に設けられたアンテナ素子（パターンまたはチップ）と、前記基板のグランドに接続され前記基板に対して垂直方向に延びる板状の導体とを備え、
前記導体は主面が前記非グランド領域とグランド領域の境界に沿う方向に延びることを特徴としている。

（２）前記導体の延びる長さは例えば前記アンテナ素子の共振周波数でのほぼ１／４波長に相当するものとする。

（３）前記基板が、無線通信回路およびこの無線通信回路を覆うシールド板を備える場合に、このシールド板の一部を前記導体としてもよい。

（４）そのために、例えば前記基板は前記シールド板の一部を貫通させるスリット孔を備え、前記シールド板の一部を前記アンテナ素子の形成面とは反対側の面へ突設させてもよい。

（５）前記アンテナ素子の位置とは反対方向に前記導体から所定距離離れた位置に配置される導体面を備え、この導体面が前記基板を固定する筐体（シャーシやフレーム）であってもよい。

（６）前記アンテナ素子が第１アンテナ素子と第２アンテナ素子とを含む場合、前記導体は第１アンテナ素子側に設けずに第２アンテナ素子側にのみ設けてもよい。

この発明によれば、基板の面方向での垂直偏波の利得を改善して、総合的な感度を高められる。そのため、例えば水平面内の前方利得が要求されるMIMOシステムを利用した無線LAN用のアンテナにも適用できる。

図１は特許文献１のアンテナ装置の例を示す図である。図２は特許文献２のアンテナ装置の例を示す図である。図３（Ａ）、図３（Ｂ）は第１の実施形態であるアンテナ装置を含む通信モジュール１０１の外観斜視図、図３（Ｃ）はその下面図である。図４は、２．４４ＧＨｚについての水平面内での水平偏波と垂直偏波の指向性パターンを示す図である。図４（Ａ）は第１の実施形態の場合、図４（Ｂ）は第１の実施形態において導体を設けない場合を示す。図５は、５．６ＧＨｚについての水平面内での水平偏波と垂直偏波の指向性パターンを示す図である。図５（Ａ）は第１の実施形態の場合、図５（Ｂ）は第１の実施形態において導体を設けない場合を示す。図６は通信モジュール１０１のシミュレーションによる通過特性およびリターンロス特性を示す図である。図７は通信モジュール１０１の正面図に電流強度パターンを付加した図である。図８は導体２４の幅Ｗを５０ｍｍに固定し、長さＬを０〜３５ｍｍまで変化させたときの第１アンテナ素子２１の利得の変化を示す図である。図９（Ａ）は第２の実施形態であるアンテナ装置を含む通信モジュール１０２の平面図、図９（Ｂ）はその正面図である。図１０は第３の実施形態であるアンテナ装置を含む通信モジュール１０３の正面図である。図１１は、導体２４の長さＬを５．６ＧＨｚでの１／４波長に相当する１３．５ｍｍに固定し、幅Ｗを０〜５０ｍｍまで変化させたときの水平面内の利得の変化を示す図である。図１１（Ａ）は第１アンテナ素子２１の特性図、図１１（Ｂ）第２アンテナ素子２２の特性図である。図１２は第４の実施形態であるアンテナ装置を含む通信モジュール１０４の側面図である。図１３（Ａ）は、通信モジュール１０４を備えた電子機器の主要部の斜視図、図１３（Ｂ）は比較例としての通信モジュールを備えた電子機器の主要部の斜視図である。図１４（Ａ）は図１３（Ａ）に示したモジュール固定金属板２６および導体２４に流れる電流、図１４（Ｂ）は図１３（Ｂ）に示したモジュール固定金属板２６に流れる電流のそれぞれの強度分布を濃淡で表した図である。図１５は第４の実施形態に係るアンテナ装置と比較例であるアンテナ装置のＳパラメータを示す図である。図１５（Ａ）は反射特性（Ｓ１１）、図１５（Ｂ）は通過特性（Ｓ２１）、図１５（Ｃ）は反射特性（Ｓ２２）である。図１６は導体２４の存在による水平面内の利得改善量をシミュレーションで求めた結果であり、図１６（Ａ）は導体２４による水平面内の垂直偏波の利得改善量、図１６（Ｂ）は導体２４による水平面内の水平偏波の利得改善量をそれぞれ示している。図１７は導体２４を設けたことによる水平面内の利得改善量の実測結果であり、図１７（Ａ）は導体２４による水平面内の垂直偏波の利得改善量、図１７（Ｂ）は導体２４による水平面内の水平偏波の利得改善量をそれぞれ示している。図１８は、５．６ＧＨｚ帯についてシミュレーションと実測での水平面内の垂直偏波の利得改善量を示す図である。

《第１の実施形態》
第１の実施形態のアンテナ装置およびそれを備えた通信モジュールについて各図を参照して説明する。
図３（Ａ）、図３（Ｂ）は第１の実施形態であるアンテナ装置を含む通信モジュール１０１の外観斜視図、図３（Ｃ）はその下面図である。図３（Ａ）と図３（Ｂ）とでは通信モジュール１０１を見る視点位置が異なっている。

通信モジュール１０１はモジュール基板２０、このモジュール基板２０に設けられたアンテナ素子２１，２２、モジュール基板２０に設けられた通信回路をシールドするシールドケース２３、および導体２４を備えている。

モジュール基板２０はグランド電極が形成された領域（グランド領域）ＧＡとグランド電極が形成されていない領域（非グランド領域）ＮＧＡを備えている。モジュール基板２０の端部は上下面ともに非グランド領域ＮＧＡであり、この非グランド領域ＮＧＡの上面には、それぞれ電極パターンによる第１アンテナ素子２１および第２アンテナ素子２２が形成されている。これらのアンテナ素子２１，２２の電極パターンは左右対称形であり、モジュール基板２０上で極力離れた位置に形成されている。アンテナ素子２１，２２はそれぞれ２．４ＧＨｚ帯および５ＧＨｚ帯で共振する１点給電のＤｕａｌアンテナ素子である。

導体２４は、モジュール基板２０の下面のグランド領域（ＧＡ）の端部付近に接続された例えば金属板であり、モジュール基板２０に対して垂直方向に延びるように突設されている。モジュール基板２０は例えば５０ｍｍ角の基板であり、導体２４は幅５０ｍｍ、長さ（高さ）が所望周波数の１／４波長程度の寸法である。５．６ＧＨｚに合わせる場合は、その１／４波長である１３．５ｍｍ程度である。

図４は、２．４４ＧＨｚについての水平面での水平偏波と垂直偏波の指向性パターンの例を示している。図４（Ａ）は第１の実施形態のアンテナ装置の特性、図４（Ｂ）は図３に示した構成で導体２４を設けないアンテナ装置の特性である。また、図５は、５．６ＧＨｚについての水平面での水平偏波と垂直偏波の指向性パターンの例を示している。図５（Ａ）は第１の実施形態のアンテナ装置の特性、図５（Ｂ）は図３に示した構成で導体２４を設けないアンテナ装置の特性である。これらのパターンは図３（Ｃ）に示した向きの（基板の裏面から見た）指向性パターンである。

ここで各曲線の意味は次のとおりである。
Etheta1：第１アンテナ素子２１の水平面内の垂直偏波の利得
Etheta2：第２アンテナ素子２２の水平面内の垂直偏波の利得
Ephi1：第１アンテナ素子２１の水平面内の水平偏波の利得
Ephi2：第２アンテナ素子２２の水平面内の水平偏波の利得
ここで「水平面内」とは「基板面を含む面」のことである。

また、水平面での方位角９０度が図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示した前方に相当する。第１アンテナ素子２１と第２アンテナ素子２２の電極パターンは左右対称形であるので、指向性パターンは９０度と２７０度を結ぶ線に対して対称形である。

まず、２．４４ＧＨｚについて考察すると、図４（Ａ）と図４（Ｂ）とを比較すれば明らかなように、導体２４を設けることにより、第１アンテナ素子２１および第２アンテナ素子２２の垂直偏波についての利得が前方（９０度方向）で−２５ｄＢから−１４ｄＢ程度まで向上する。

前記導体２４の有無に関わらず水平面内の水平偏波についての利得は殆ど変化しない。すなわち水平偏波の利得は低下しない。

次に５．６ＧＨｚについて考察すると、図５（Ａ）と図５（Ｂ）とを比較すれば明らかなように、導体２４を設けることにより、第１アンテナ素子２１および第２アンテナ素子２２の水平面内の垂直偏波についての利得が前方（９０度方向）および後方（２７０度方向）で−３０ｄＢから−５ｄＢ程度まで向上する。

５．６ＧＨｚについても前記導体２４の有無に関わらず水平面内の水平偏波についての利得は低下しない。

図６は通信モジュール１０１のシミュレーションによる通過特性およびリターンロス特性を示す図である。図６において、Ｓ１１Ａは第１の実施形態の通信モジュール１０１におけるアンテナ装置の反射特性（ＳパラメータのＳ１１特性）、Ｓ１１Ｂは前記導体２４を設けていないアンテナ装置の反射特性（ＳパラメータのＳ１１特性）である。また、Ｓ２１Ａは第１の実施形態の通信モジュール１０１におけるアンテナ装置の通過特性（ＳパラメータのＳ２１特性）、Ｓ２１Ｂは前記導体２４を設けていないアンテナ装置の通過特性（ＳパラメータのＳ２１特性）である。なお、Ｓ２２特性はアンテナが左右対称に設計されているのでＳ１１特性と同じである。

図６から明らかなように、導体（金属板）を設けることで、ＧＮＤに流れる電流分布が変化し、Ｓパラメータが変化していることがわかる。

上述の各特性改善原理は次のように説明することができる。図７は通信モジュール１０１の正面図に電流分布を付加した図である。モジュール基板２０のグランド領域ＧＡには図７における水平方向の長さで電流分布が１／４波長分分布する。また、導体２４は１／４波長で共振し、導体２４には図７における垂直方向の長さで電流分布が１／４波長分分布する。すなわち１／４波長分の定在波が生じ、導体２４が放射素子として作用して垂直方向の電流が生じる。その結果、水平面内の垂直偏波成分が生じることになる。

図８は導体２４の幅Ｗを５０ｍｍに固定し、長さＬを０〜３５ｍｍまで変化させたときの第１アンテナ素子２１の水平面内の利得の変化を示す図である。縦軸は３６０度全周の平均利得、横軸は導体２４の長さＬである。ここで各曲線の意味は次のとおりである。
Etheta(2.44)：2.44GHzにおける水平面内の垂直偏波の利得
Etheta(5.6) ：5.6GHzにおける水平面内の垂直偏波の利得
Ephi (2.44)：2.44GHzにおける水平面内の水平偏波の利得
Ephi(5.6) ：5.6GHzにおける水平面内の水平偏波の利得
図８から明らかなように、導体２４の長さＬが長くなるにしたがい、水平面内の垂直偏波の利得が向上する。垂直偏波の利得向上は、２．４４ＧＨｚにおいてその１／４波長に相当する３０ｍｍ程度で飽和し、５．６ＧＨｚにおいてその１／４波長に相当する１３．５ｍｍ程度で飽和する。水平面内の水平偏波の利得は導体２４の長さＬの影響を殆ど受けない。

なお、非グランド領域に設置されたアンテナ素子は電極パターンで形成されていること以外にチップアンテナが実装されていてもよい。このことは以降に示す各実施形態についても同様である。

《第２の実施形態》
図９（Ａ）は第２の実施形態であるアンテナ装置を含む通信モジュール１０２の平面図、図９（Ｂ）はその正面図である。この例では、モジュール基板２０にスリット状の貫通孔２５を形成し、シールドケース２３の一部が貫通孔２５を貫通するようにしている。そして、このシールドケースの一部を導体２４として設けている。第１アンテナ素子２１および第２アンテナ素子２２はチップアンテナであり、これらのチップアンテナをモジュール基板の非グランド領域ＮＧＡに実装している。

この構成によれば、導体２４を個別の部品として設ける必要がなく部品点数を削減できる。

《第３の実施形態》
図１０は第３の実施形態であるアンテナ装置を含む通信モジュール１０３の正面図である。第３の実施形態では、導体２４の幅Ｗを変化させたときの第１アンテナ素子２１および第２アンテナ素子２２の利得の変化について示す。

図１１は導体２４の長さＬを５．６ＧＨｚでの１／４波長に相当する１３．５ｍｍに固定し、幅Ｗを０〜５０ｍｍまで変化させたときの水平面内の利得の変化を示す図である。縦軸は３６０度全周の平均利得、横軸は導体２４の幅Ｗである。図１１（Ａ）は第１アンテナ素子２１の特性、図１１（Ｂ）は第２アンテナ素子２２の特性である。ここで各曲線の意味は図８の場合と同様に次のとおりである。
Etheta(2.44)：2.44GHzにおける水平面内の垂直偏波の利得
Etheta(5.6) ：5.6GHzにおける水平面内の垂直偏波の利得
Ephi (2.44)：2.44GHzにおける水平面内の水平偏波の利得
Ephi(5.6) ：5.6GHzにおける水平面内の水平偏波の利得
図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）から明らかなように、導体２４の幅Ｗが１ｍｍでもあれば５．６ＧＨｚでの水平面内の垂直偏波の利得は急激に増大する。第２アンテナ素子２２側に導体２４が存在するので、第１アンテナ素子２１に比べて第２アンテナ素子２２の水平面内の垂直偏波の利得向上効果は高い。第２アンテナ素子２２については導体２４の幅Ｗが２５ｍｍ（半分の幅）を超えると水平面内の垂直偏波の利得は一定となる。第１アンテナ素子２１についてはＷが大きくなるほど水平面内の垂直偏波の利得が向上する。

これらのことから、導体２４の長さＬを使用周波数の１／４波長に相当する長さとすることによって、幅Ｗに殆ど依存することなく水平面内の垂直偏波の利得向上効果が得られることがわかる。

したがって、例えば第１アンテナ素子２１より第２アンテナ素子２２の２．４４ＧＨｚにおける水平面内の垂直偏波の利得を高めるためには第２アンテナ素子２２の近傍にのみ導体を配置すればよい。

このように、同一構成の二つのアンテナ素子のうち一方に近接する位置にのみ導体を設けることにより、導体を配置した側のアンテナ素子の水平面内の垂直偏波と他方のアンテナ素子の水平面内の水平偏波との偏波面が直交するので、二つのアンテナ素子間の相互結合が改善される。また、前記導体を近接させたアンテナ素子の指向特性と他方のアンテナ素子の指向特性とは類似しないものとなる（相関係数が小さくなる）ので、通信容量が改善される可能性がある。

《第４の実施形態》
第４の実施形態では第１・第２の実施形態で示した通信モジュールを電子機器に組み込んだ状態でのアンテナ装置の特性について示す。
図１２は第４の実施形態であるアンテナ装置を含む通信モジュール１０４の側面図である。図１３（Ａ）は通信モジュール１０４を備えた電子機器の主要部の斜視図である。図１３（Ｂ）は比較例としての通信モジュールを備えた電子機器の主要部の斜視図である。

通信モジュール１０４は組み込み先電子機器のモジュール固定金属板２６にネジ止め等によって取り付けられる。モジュール固定金属板２６は電子機器の筐体２７の一部でもある。

図１２および図１３から明らかなように、通信モジュールを電子機器に組み込んだ状態で、モジュール固定金属板２６のような何らかの導体が存在することになるが、次に示すように、モジュール固定金属板２６より前方（外方）にアンテナ装置の導体２４を配置することによって、やはり水平面内の垂直偏波の利得が向上する。

図１４（Ａ）は図１３（Ａ）に示したモジュール固定金属板２６および導体２４に流れる電流、図１４（Ｂ）は図１３（Ｂ）に示したモジュール固定金属板２６に流れる電流のそれぞれの強度分布を濃淡で表した図である。図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）に表れているように、導体２４を設けることで、その導体２４に流れる電流が増加する。逆にモジュール固定金属板２６に流れる電流が減少する。しかし、モジュール固定金属板２６の縦方向の電流の向きと導体２４の電流の向きがそろっているので、主に前方方向の水平面内の垂直偏波の利得が改善される。

図１５は第４の実施形態に係るアンテナ装置と比較例であるアンテナ装置のＳパラメータを示す図である。図１５（Ａ）は反射特性（Ｓ１１）、図１５（Ｂ）は通過特性（Ｓ２１）、図１５（Ｃ）は反射特性（Ｓ２２）である。これらの図において第４の実施形態に係るアンテナの特性をα、比較例のアンテナ装置の特性をβで表している。

図１５から明らかなように、導体面（金属板）を設けることで、ＧＮＤに流れる電流分布が変化し、Ｓパラメータが変化していることがわかる。

図１６は導体２４の存在による水平面内の利得改善量をシミュレーションで求めた結果である。図１６（Ａ）は導体２４による水平面内の垂直偏波の利得改善量、図１６（Ｂ）は導体２４による水平面内の水平偏波の利得改善量をそれぞれ示している。また、図１７は導体２４を設けたことによる水平面内の利得改善量の実測結果であり、図１７（Ａ）は導体２４による水平面内の垂直偏波の利得改善量、図１７（Ｂ）は導体２４による水平面内の水平偏波の利得改善量をそれぞれ示している。

両図において"Ave Gain"は３６０度全周に亘る平均値、"前方Ave Gain"は０度〜１８０度の前方１８０度範囲での平均値である。また、＃１は第１アンテナ素子、＃２は第２アンテナ素子についての特性であることを表している。

図１６（Ａ）、図１７（Ａ）から明らかなように、５．６ＧＨｚについては第１アンテナ素子２１および第２アンテナ素子２２のいずれについても約２ｄＢ改善される。２．４４ＧＨｚについては、シミュレーションによれば、図１６（Ａ）に表れているように、第２アンテナ素子２２の水平面内の垂直偏波の利得は−４ｄＢ程度低下する。これは第２アンテナ素子２２に近接している筐体２７に流れる電流が導体２４に流れる電流とは逆相の関係になっていることが原因である。但し、２．４４ＧＨｚの水平面内の垂直偏波の平均利得は−２０ｄＢ以下と低いので影響は小さい。すなわち、−２０ｄＢｉオーダーの利得が−２４ｄＢｉになったからといって、利得の値は実質的に変化しているとは言えない。したがって、この水平面内の垂直偏波の利得の悪化は小さく無視できる。また、通信モジュールの取り付け位置を調整することで、前記水平面内の垂直偏波の利得の悪化は改善可能である。実測によれば、図１７（Ａ）に表れているように利得低下は少ない。（２．４ＧＨｚ帯では、導体２４とモジュール固定金属板２６の電流の向きが逆となっている。）
図１８は、５．６ＧＨｚ帯についてシミュレーションと実測での水平面内の垂直偏波の利得改善量をまとめたものである。ここで"Ave（全方向）"は３６０度全周に亘る平均値、"Ave（前方）"は０度〜１８０度の前方１８０度範囲での平均値である。また、＃１は第１アンテナ素子、＃２は第２アンテナ素子についての特性であることを表している。

このように、導体２４の長さを５．６ＧＨｚ帯に応じた長さにしたことにより、水平面内の垂直偏波の利得が確実に改善される。

《他の実施形態》
第１〜第４の実施形態では、基板のアンテナ素子を設けた面とは反対面側に導体２４を突設させたが、導体はアンテナ素子を設けた面側に突設させてもよい。

ＧＡ…グランド領域
ＮＧＡ…非グランド領域
２０…モジュール基板
２１…第１アンテナ素子
２２…第２アンテナ素子
２３…シールドケース
２４…導体
２５…貫通孔
２６…モジュール固定金属板
２７…筐体
１０１〜１０４…通信モジュール

Claims

端部に非グランド領域が設けられた基板と、前記非グランド領域に設けられたアンテナ素子と、前記基板のグランドに接続され前記基板に対して垂直方向に延びる板状の導体とを備え、
前記導体は主面が前記非グランド領域とグランド領域の境界に沿う方向に延びる、
アンテナ装置。
前記導体の延びる長さは前記アンテナ素子の共振周波数でのほぼ１／４波長に相当する、請求項１に記載のアンテナ装置。
前記基板は無線通信回路およびこの無線通信回路を覆うシールド板を備え、
前記導体は前記シールド板の一部である、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
前記基板は前記シールド板の一部を貫通させるスリット孔を備え、前記シールド板の一部を前記アンテナ素子の形成面とは反対側の面へ突設させた、請求項３に記載のアンテナ装置。
前記アンテナ素子の位置とは反対方向に前記導体から所定距離離れた位置に配置される導体面を備え、
前記導体面は前記基板を固定する筐体である、請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナ装置。
前記アンテナ素子は第１アンテナ素子と第２アンテナ素子とを含み、前記導体は第２アンテナ素子側に設けられた、請求項１〜５のいずれかに記載のアンテナ装置。