JP2008533934A - 電磁シールドカウンターポイズを有するパッチアンテナ - Google Patents

Abstract

パッチアンテナはプリント回路基板（１０８）の１つの側に配置された放射素子（１０４）と、該プリント回路基板の反対側に配置された電磁シールド（１０６）とを含んでいる。該電磁シールドは、少なくとも、カウンターポイズの一部を形成し、少なくとも１つの位置にてＰＣＢ（１０８）の接地に接続されている。携帯通信デバイス内にアンテナを配置するときの設計の柔軟性が最大化されており、一方で、該携帯通信デバイスのサイズが最小化されている。

Description

本発明は、概してアンテナに関し、より具体的には電磁シールドカウンターポイズを有するパッチアンテナに関する。

電磁信号は、アンテナを介して送信され、受信される。特定のデバイスに対するアンテナの選択あるいは設計は、信号周波数、最低限のアンテナ性能、利用可能なスペースを含むさまざまな要因に依存し得る。モバイル無線デバイスでは、アンテナのサイズおよび位置は該アンテナの性能に対する重要な検討事項である。従来のモバイルデバイスは、平面逆Ｆ型アンテナ（ＰＩＦＡ）などの埋込みパッチアンテナを用いており、該平面逆Ｆ型アンテナでは、放射素子は、プリント回路基板（ＰＣＢ）内に導電性接地層によって形成された接地面に平行に配置されている。該放射素子は、該ＰＣＢ内の導電性層内にプリントされ得るか、該ＰＣＢ内の接地層の近くに取り付けられた別の部品上に形成され得る。従来のパッチアンテナ設計は、制限されている。なぜならば、ＰＣＢ内での接地面の位置の他に、モバイルデバイス設計の他の機械的な制約が、放射素子の可能性のある場所および位置を制限するからである。パッチアンテナの性能特性、例えば、バンド幅および効率は、接地面と放射素子との間の間隔に厳密に依存している。結果として、従来のモバイルデバイスでのＰＣＢの場所および位置は、放射素子の可能性のある場所を制約し、しばしば、さもなければ要求されるものより大きなモバイル通信デバイスをもたらす。

従って、携帯通信デバイス内でのアンテナ配置の柔軟性を最大化し、モバイル通信デバイスのコンパクト設計を容易にするというパッチアンテナに対するニーズがある。

本発明の模範的な実施形態によれば、パッチアンテナは、プリント回路基板の１つの平面側に配置された放射素子と、該プリント回路基板の反対の面側に配置された電磁シールドとを含んでいる。該電磁シールドは、該アンテナのカウンターポイズの一部を少なくとも形成し、少なくとも１つの場所でＰＣＢの接地に接続されている。該模範的パッチアンテナ装置は、モバイル通信デバイス内でのアンテナ配置の柔軟性を最大化し、一方で、該モバイル通信デバイスのサイズを最小化する。

図１は、本発明の模範的な実施形態によるモバイル通信デバイスアセンブリ１００内でのパッチアンテナ１０２の側面のブロック図である。図１のブロックは、概ね、模範的な相対的構成を図示し、必ずしも、該図示された構成部品の相対的なサイズおよび位置は表していない。該パッチアンテナ１０２は、放射素子１０４と、電磁シールド１０６によって少なくとも部分的に形成されているカウンターポイズとを有している。該模範的な実施形態では、パッチアンテナ１０２は、携帯電話あるいは無線ＰＤＡなどのモバイル通信デバイスのプリント回路基板１０８と一体化されている。しかし、状況次第では、パッチアンテナ１０２は、他のデバイスと一体化され得、あるいはモバイル通信デバイスと接続可能な別個の構成部品として形成され得る。パッチアンテナ１０２は、１つ以上の周波数帯域で動作するように構成されている。該模範的な実施形態では、パッチアンテナ１０２はマルチ帯域平面逆「Ｆ」型アンテナ（ＰＩＦＡ）であり、これは、８２４ＭＨＺ〜８９４ＭＨＺの周波数帯域（Ｕ．Ｓ．ｃｅｌｌｕｌａｒ）と、１８５０ＭＨＺ〜１９９０ＭＨＺの周波数帯域（Ｕ．Ｓ．ＰＣＳ）と、１５７５ＭＨＺ周波数帯域（ＧＰＳ）で動作するように最適化されている。

該パッチアンテナ１０２の放射素子１０４は、プリント回路基板（ＰＣＢ）１０８の１つの側に配置され、電磁シールド１０６はＰＣＢ１０８の反対側に配置されている。該電磁シールド１０６はＰＣＢ１０８の接地１１０に接続され、該パッチアンテナ１０２のためのカウンターポイズ（接地面）の少なくとも一部を形成している。該模範的な実施形態では、パッチアンテナ１０２のカウンターポイズは、電磁シールド１０６とＰＣＢ１０８の接地１１０との組み合わせによって形成されている。該電磁シールド１０６は、任意のいくつかの電気的導電性材料から形成され得、特定の設計の制約、動作周波数、要求される性能に依存する任意のいくつかの形状とサイズとを有し得る。さらに詳細に後述するように、電磁シールド１０６の寸法は、パッチアンテナ１０２のための接地面の要求される配置に応じて、少なくともある程度、選択される。

上述したように、電磁シールド１０６はＰＣＢ１０８の接地１１０に接続されている。該模範的な実施形態では、電磁シールド１０６の少なくとも一部は、ＰＣＢ１０８の接地層にはんだ付けされている。該電磁シールド１０６は、状況によっては、他の技術を用いて接続され得る。例えば、電磁シールド１０６は、後述するように、１つ以上の接地ビアにはんだ付けされ得る。

放射素子１０４は、適切に電気信号で励起されたとき、カウンターポイズ（接地面）とともに動作して電磁エネルギーを放射する任意の導電性ストリップ、プレート、シート、あるいはデバイスである。後述するように、模範的な実施形態の放射素子１０４は、別個のＰＩＦＡ放射素子であり、該放射素子は、型打した（ｓｔａｍｐｅｄ）素子、フィードピン、グランドピン、支持フレームを含む。模範的な実施形態では、別個のＰＩＦＡ放射素子のフレームは、プラスチッククリップ配列などの取り付け機構でＰＣＢ１０８に固定されている。しかし、該放射素子１０４は、放射素子設計の特定のタイプに依存してさまざまな方法で、ＰＣＢ１０８に固定され得る。例えば、放射素子１０４は、ＰＣＢ１０８の導電層の中にエッチングされ、または他の方法で、形成される。また、放射素子は、状況によっては、１つ以上の素子および／または寄生素子によって形成され得る。放射素子１０４が別個の放射素子である場合には、フレキシブルタブ、ピン、あるいは、放射素子１０４をＰＣＢに接続するのに適した他の機構が用いられ得る。状況によっては、放射素子１０４は、ＰＣＢ１０８の銅トレースあるいは銅層にはんだ付けされ得る。該模範的な実施形態では、フィードおよび接地コネクタは、放射素子フィードピンおよび接地ピンをモバイル通信デバイスアセンブリ１００の適切な回路接続に電気的に接続している。

モバイル通信デバイスアセンブリ１００は、ＰＣＢ１０８上に配置されて相互に接続されることによって、モバイル通信デバイスの回路を形成する電気部品１１２を含んでいる。パッチアンテナ１０２は、銅トレース、配線、電気部品、あるいはコネクタを介して、該回路の１つ以上に接続されている。ＰＣＢ１０８上の銅トレースは、アンテナ回路網を、放射素子１０４のフィードピンおよび接地ピンと係合するコネクタに接続する。

模範的な実施形態では、該ＰＣＢ１０８は、放射素子１０４と電磁シールド１０６との間の開口１１４を含んでいる。しかし、状況によっては、放射素子１０４と電磁シールド１０６との間の領域は、少なくとも部分的にＰＣＢ１０８の誘電体材料を含み得る。従って、模範的な実施形態の放射素子１０４は、電磁シールド１０６の少なくとも一部を露出させるＰＣＢ開口１１４に、少なくとも部分的にまたがって配置されている。

図２は、本発明の模範的な実施形態によるモバイル通信デバイスアセンブリの側面を示すメカニカルな概略図であり、図３は、その底面を示すメカニカルな概略図である。明確化のために、モバイル通信デバイスアセンブリ１００のさまざまな詳細は、図２および図３では省略されている。図２および図３における概略的な描写によって示される部品および素子は、任意のいくつかの部品あるいはデバイスに適応する。例えば、回路部品は、図２および図３では、矩形ブロック（１１２）として図示されているが、電気的部品は、任意の非常に多くの形状およびサイズを有し得る。当業者であれば、図の概略的な表示によって表されるさまざまな部品を容易に認識する。

模範的な実施形態の放射素子１０４は別個のデバイスであり、該別個のデバイスは、あるパターンに配列された銅シート２０４を支持するプラスチックフレーム２０６を含み、該銅シートは、接地面から適切な距離に配置されたとき、マルチ帯域ＰＩＦＡパッチアンテナ１０２を形成する。しかしながら、上述したように、放射素子２０４は多数のアンテナ設計放射素子のうちのいずれかであり得、状況によっては、ＰＣＢ１０８の導電性層内に形成され得る。

模範的な実施形態の取り付け機構２０８は、ＰＣＢ１０８上にスナップする２つ以上のプラスチックタブを含む。フィードピン２１０は、アンテナ回路網に接続されたＰＣＢ１０８上のフィードアンテナコネクタと係合する。接地ピンは、ＰＣＢ１０８の接地１１０に接続された接地コネクタと係合する。

電磁シールド１０６は、銅、スチール、導電性プラスチック、めっきプラスチック、導電性塗装を有するプラスチックなどの導電性材料の折りたたまれたシートである。電磁シールド１０６を作成するのに用いる材料および作成技術の選択は、特定の実装、コスト検討、および他の要因に依存している。電磁シールド１０６の適切な構造の例は、アンテナ性能の劣化をもたらす変形を最小限にするのに十分に剛な構造を含む。模範的な電磁シールド１０６はシート金属打ち抜きプロセスを用いて、コールドロールシート（１０１０−１００８シリーズ）の０．２ｍｍ厚（３８ゲージ）のシートから形成される。電磁シールド１０６を形作る適切な技術の例は、成型プレスを用いることを含む。模範的な実施形態では、電磁シールド１０６は、はんだ付け特性を向上させるために錫でめっきされている。電磁シールド１０６の高さは、少なくともある程度は、放射素子１０４と接地面との適切な分離に基づいて決定される。適切な分離は、パッチアンテナ１０２の特定の実装に適用される公知のアンテナ設計技術に従って決定される。

電磁シールド１０６の少なくとも一部は、ＰＣＢ１０８の接地１１０に接続されている。模範的な実施形態では、４つの等辺のエッジの１つの一部が、ＰＣＢ１０８の上面導電性接地面にはんだ付けされている。電磁シールド１０６をはんだ付けする適切な技術は、はんだペーストを電磁シールド１０６のエッジとＰＣＢ１０８との間に塗布し、該アセンブリを適切な温度のリフローオーブン内に晒すことを含む。模範的な実施形態では、電磁シールド１０６は、ＰＣＢ１０８のはんだパッドにはんだ付けされる直角をなす足を持つ１以上の脚を含む。足は、ＰＣＢ１０８に平行であり、はんだパッドにはんだペーストで固定されており、電磁シールド１０６を上記リフローはんだ付けプロセスの間にＰＣＢ１０８上に位置させておく。付加的な構造の完全性のために、電磁シールド１０６の１以上の側は、ＰＣＢ１０８に接続され得る。例えば、矩形シールドの２つの側、３つの側、あるいはすべての４つの側の少なくとも一部が接地１１０にはんだ付けされ得る。一部の状況では、電磁シールド１０６の１つ以上の側を接地にはんだ付けすることは、アンテナ性能を劣化させ得る。さらに、他の技術が、電気的にＰＣＢ１０８の接地に電磁シールド１０６を接続するのに用いられ得る。例えば、接続は、状況によっては、１つ以上の導電性ピローあるいはガスケットを用いてなされ得る。

図４は、模範的なモバイル通信デバイスアセンブリ４００の斜視図の図示であり、ここで、電磁シールド１０６は、矩形の金属シールドである。模範的な電磁シールド１０６は、４つの等辺の側を含み、ここで、少なくとも、該側のうちの２つの側の部分４０６は、ＰＣＢ１０８の接地１１０にはんだ付けされている。接地１１０は、電磁シールド１０６が接続されているＰＣＢ１０８の側に形成された導電性層４０２を含む。接地ビア４０４は、他の接地層を導電性接地層４０４に接続している。状況によっては、接地ビア４０４は、省略され得る。さらに、電磁シールド１０６は、ＰＣＢ接地１１０の接地ビア４０４に直接接続され得る。模範的な電磁シールド１０６は矩形形状であるが、他の形状および構成が用いられ得る。その場合には、シールド１０６が任意の数の側を持ち、非対称であり得る。例えば、シールド１０６は、楕円形、円形、三角形、台形、あるいは六角形であり得、１つ以上の側の切り込み、溝、刻み目、あるいは他の切れ目を有し得る。

従って、放射素子１０４および電磁シールド１０６は、放射素子１０４がＰＣＢ１０８の第１の側に配置され、電磁シールド１０６がその反対側に配置されているパッチアンテナ１０２を形成する。ＰＣＢ１０８の開口１１４は損失を最小限にする。電磁シールド１０６の単一の側は、ＰＣＢ１０８の接地に接続され得るが、多数の側が，状況によっては、導電性接地面４０２にはんだ付けされ得る。電磁シールド１０６は、模範的なアンテナ１０２の接地面がＰＣＢ１０８の面からオフセットすること、あるいはＰＣＢ１０８の表面からオフセットすることを可能とする。従来のアンテナと比較すると、パッチアンテナ１０２をモバイル通信デバイスのさまざまな部品に対して相対的に配置する際に、付加的な柔軟性が提供される。例えば、モバイル通信デバイスの筐体の厚さは、パッチアンテナ１０２が該筐体内で中心に置かれ得るので、低減され得る。

明らかに、この発明の他の実施形態および変形例が、これらの教示に鑑みて、当業者には容易に想起される。上記詳細な説明は、例示的であり、限定的ではない。この発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものであり、上記明細書および添付の図面と合わせて見られるときのすべてのそのような実施形態および変形例を含む。本発明の範囲は、従って、上記詳細な説明を参照して決定されるものではないが、代わりに、添付の特許請求の範囲を均等物のそれらのすべての範囲と協力して決定されるべきである。

図１は、本発明の模範的な実施形態によるパッチアンテナ装置のブロック図である。 図２は、本発明の模範的な実施形態によるモバイル通信デバイスアセンブリの側面を示すメカニカルな概略図である。 図３は、本発明の模範的な実施形態によるモバイル通信デバイスアセンブリの底面を示すメカニカルな概略図である。 図４は、モバイル通信デバイスアセンブリの斜視図を示し、該モバイル通信デバイスアセンブリでは、該電磁シールドが長方形の金属シールドである。

Claims (20)

1. パッチアンテナであって、
   プリント回路基板の第１の側に配置された放射素子と、
   該プリント回路基板の反対側に配置され、少なくとも、該パッチアンテナのカウンターポイズの一部を形成する電磁シールドと
   を備えた、パッチアンテナ。
2. 前記アンテナのカウンターポイズは、前記電磁シールドと前記プリント回路基板の接地とを備えている、請求項１に記載のパッチアンテナ。
3. 前記放射素子は、前記プリント回路基板内の開口に少なくとも部分的にまたがって配置されており、該開口は、前記電磁シールドの少なくとも一部を露出させる、請求項１に記載のパッチアンテナ。
4. 前記放射素子と前記電磁シールドとは、平面逆「Ｆ」型アンテナ（ＰＩＦＡ）を少なくとも部分的に形成している、請求項１に記載のパッチアンテナ。
5. 前記電磁シールドは前記プリント回路基板の接地にはんだ付けされている、請求項１に記載のパッチアンテナ。
6. 前記電磁シールドは４つの側を有し、該複数の側の少なくとも１つの少なくとも一部に沿って前記接地にはんだ付けされている、請求項５に記載のパッチアンテナ。
7. 前記電磁シールドは、前記複数の側のただ１つの少なくとも一部に沿って、前記接地にはんだ付けされている、請求項６に記載のパッチアンテナ。
8. 前記電磁シールドは、さらに上面を含み、該上面は前記プリント回路基板の反対側の表面からオフセットしている、請求項１に記載のパッチアンテナ。
9. パッチアンテナであって、
   第１の側と第２の側とを有するプリント回路基板と、
   該プリント回路基板の該第１の側に接続され、該プリント回路基板の開口に少なくとも部分的にまたがって配置された平面放射素子と、
   該プリント回路基板の該第２の側に接続され、該開口の下に少なくとも部分的に配置された電磁シールドであって、該パッチアンテナのカウンターポイズの一部を形成する電磁シールドと
   を備えた、パッチアンテナ。
10. 前記電磁シールドは４つの側を有し、該１つの側の少なくとも一部は、前記プリント回路基板の導電性接地層にはんだ付けされている、請求項９に記載のパッチアンテナ。
11. ただ１つの側の少なくとも一部が、前記導電性接地層にはんだ付けされている、請求項１０に記載のパッチアンテナ。
12. 少なくとも２つの側の少なくとも一部が、前記導電性接地層にはんだ付けされている、請求項１０に記載のパッチアンテナ。
13. 少なくとも３つの側の少なくとも一部が、前記導電性接地層にはんだ付けされている、請求項１２に記載のパッチアンテナ。
14. 前記電磁シールドは、さらに上面を含み、該上面は前記プリント回路基板の反対側の表面からオフセットしている、請求項９に記載のパッチアンテナ。
15. 前記放射素子と前記電磁シールドとは、平面逆「Ｆ」型アンテナ（ＰＩＦＡ）を少なくとも部分的に形成する、請求項９に記載のパッチアンテナ。
16. 前記ＰＩＦＡは、マルチ帯域ＰＩＦＡである、請求項１５に記載のパッチアンテナ。
17. 前記ＰＩＦＡは、８２４ＭＨＺ〜８９４ＭＨＺの周波数帯域と、１８５０ＭＨＺ〜１９９０ＭＨＺの周波数帯域と、１５７５ＭＨＺを含む周波数帯域とで動作するよう最適化されている、請求項１６に記載のパッチアンテナ。
18. モバイル通信デバイスアセンブリであって、
    第１の側および第２の側を有するプリント回路基板と、
    該プリント回路基板に取り付けられた複数の電気部品と、
    該プリント回路基板の該第１の側に接続され、該プリント回路基板の開口に少なくとも部分的にまたがって配置された平面放射素子と、
    該プリント回路基板の該第２の側に接続され、該開口の下に少なくとも部分的に配置された電磁シールドであって、該平面放射素子と該電磁シールドとが該パッチアンテナの少なくとも一部を形成する、電磁シールドと
    を備えた、モバイル通信デバイスアセンブリ。
19. 前記電磁シールドは４つの側を有し、１つの側の少なくとも一部は、前記プリント回路基板の導電性接地層にはんだ付けされている、請求項１８に記載のモバイル通信デバイスアセンブリ。
20. 前記電磁シールドの少なくとも２つの側の各々の少なくとも一部が、前記導電性接地層にはんだ付けされている、請求項１９に記載のモバイル通信デバイスアセンブリ。

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