JP3171941U - アンテナ一体型gps受信モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】生産性が良好な薄型のアンテナ一体型GPS受信モジュールを提供する。【解決手段】樹脂製のプリント基板22の上面に装着された複数の電子部品によって形成された受信回路と、電子部品を覆うように設けられたシールド部材23と、受信回路の入力端子へ接続されたアンテナ24とを配する。また、アンテナ24はプリント基板22の上面に敷設されたプリントアンテナとし、このアンテナ24を受信回路の横に配置する。これにより、受信回路の厚みでGPSモジュール21を実現できる。さらに、アンテナ24が形成されたプリント基板22へ電子部品を装着すれば、容易にアンテナ24と受信回路とが一体化されたGPSモジュール21を得ることができる。【選択図】図1
Description
本考案は、GPS受信用アンテナと受信器とが一体化されたアンテナ一体型GPS受信モジュールに関するものである。
以下、従来のアンテナ一体型GPS受信モジュールについて図面を用いて説明する。
図8は、従来のアンテナ一体型GPS受信モジュール(以降、略してGPSモジュール1という)の断面図である。図8において、従来のGPSモジュール1において、樹脂製のプリント基板2の上面には、複数の電子部品3が搭載され、GPSの受信回路が形成されている。これらの電子部品3を覆うように金属製のカバー4が装着されている。
このカバー4の上面には、GPSを受信するためにパッチアンテナ5が搭載されている。ここで、パッチアンテナ5は、小型化のために、アルミナ基板などのように誘電率が大きな(一般的には誘電率が8以上の)基材で形成されている。なお、パッチアンテナ5の下面には地板が形成され、この地板がカバー4上に接着剤(あるいは粘着剤)などで固定される。
ここで、パッチアンテナ5の給電点の位置には、給電ピン5aが接続されている。この給電ピン5aは、カバー4を貫通し、プリント基板2まで到達する。なお、給電ピン5a(パッチアンテナ5)とプリント基板2(受信回路)との接続は、たとえば給電ピン5aをプリント基板2に設けた孔へ挿通し、はんだなどで接続する。
なお、この出願の考案に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
このようなGPSモジュール1は、スマートフォンやタブレット型携帯端末などの機器に用いられるようになってきた。ところが、このような携帯機器では、画面が大きいため、小型化よりもむしろ薄型化が要求される。
しかしながら従来のGPSモジュール1では、パッチアンテナ5を用いているとともに、パッチアンテナ5がカバー4上に搭載される構成であり、厚みが厚くなるという課題を有していた。
それに加え、パッチアンテナ5をカバー4に装着する作業や、給電ピン5aをプリント基板2へはんだ付けする作業などが必要であり、生産性が悪いという課題も有していた。
そこで本考案は、この問題を解決したもので、厚みの薄いアンテナ一体型GPS受信モジュールを生産性良く生産することを目的としたものである。
この目的を達成するために、GPS用アンテナは前記プリント基板の上面に敷設されたプリントアンテナとし、このGPS用アンテナと受信回路とを樹脂製のプリント基板の上に形成したものである。これにより、プリント基板上にGPSアンテナと受信回路とを一体に形成したものである。したがって所期の目的を達成することができる。
以上のように本考案によれば、GPS用アンテナはプリントアンテナであるので、受信回路の厚みでアンテナ一体型GPS受信モジュールを実現できる。さらに、GPS用アンテナはあらかじめプリント基板の上に敷設されたプリントアンテナであるので、このGPS用アンテナを形成したプリント基板へ電子部品を装着すれば、容易にアンテナ一体型GPS受信モジュールを得ることができる。したがって、非常に生産性の良好なアンテナ一体型GPS受信モジュールを実現できる。
以下、本実施の形態におけるアンテナ一体型GPS受信モジュール(以降、略してGPSモジュール21という)について、図面を用いて説明する。
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態におけるアンテナ一体型GPS受信モジュールの上面図であり、図2は、同断面図であり、図3は、同下面図である。図4は、本実施の形態におけるアンテナ一体型GPS受信モジュールの等価回路図である。図1から図4において、GPSモジュール21は、樹脂製のプリント基板22の上面に装着された複数の電子部品3によって形成された受信回路31と、前記電子部品3を覆うように設けられたシールド部材23と、受信回路31の入力端子31aへ接続されたGPS用アンテナ(以降、単にアンテナ24という)とを有し、アンテナ24は、プリント基板22の上面に敷設されたプリントアンテナとしたものである。つまり、アンテナ24は、プリント基板22上において受信回路31の横に配置されることとなる。
図1は、本実施の形態におけるアンテナ一体型GPS受信モジュールの上面図であり、図2は、同断面図であり、図3は、同下面図である。図4は、本実施の形態におけるアンテナ一体型GPS受信モジュールの等価回路図である。図1から図4において、GPSモジュール21は、樹脂製のプリント基板22の上面に装着された複数の電子部品3によって形成された受信回路31と、前記電子部品3を覆うように設けられたシールド部材23と、受信回路31の入力端子31aへ接続されたGPS用アンテナ(以降、単にアンテナ24という)とを有し、アンテナ24は、プリント基板22の上面に敷設されたプリントアンテナとしたものである。つまり、アンテナ24は、プリント基板22上において受信回路31の横に配置されることとなる。
この構成により、アンテナ24はプリントアンテナであるので、受信回路31の厚み(プリント基板22とシールド部材23が合わさった厚みだけ)でGPSモジュール21を実現できる。さらに、アンテナ24はあらかじめプリント基板22上に敷設されたプリントアンテナであるので、このアンテナ24が形成されたプリント基板22へ電子部品3を装着すれば、容易にアンテナ24と受信回路とが一体化されたGPSモジュール21を得ることができる。したがって、非常に生産性の良好なGPSモジュール21を実現できる。
では次に、本実施の形態におけるGPSモジュール21について、さらに詳しく説明する。プリント基板22は矩形状をなし、樹脂製の基材によって形成されている。具体的には4層のガラスエポキシ基板である。このプリント基板22の上面にはアンテナ24と電子部品3を装着するための装着パッドや受信回路31のグランドパターンなどが形成されている。一方、プリント基板22の下面側にはアンテナ24の地板25が形成されている。
ここで、本実施の形態におけるプリント基板22には、4層基板を用いたが、これに限られるものではなく、両面銅張り以上の基板であれば良い。また、本実施の形態におけるプリント基板22の比誘電率は4.2であるが、これは比誘電率が2以上5以下の範囲であれば良い。
プリント基板22の上面には複数の装着パッド(図示せず)が形成され、これら装着パッド上には、はんだなどによって複数の電子部品3が装着されている。そしてこれらの電子部品3により、プリント基板22上にはGPS用の受信回路31が形成される。
シールド部材23は、電子部品3(受信回路31)を覆うように設けられる。ただし、アンテナ24はシールド部材23で覆われないようにしておく。ここで本実施の形態におけるシールド部材23には、金属製のカバーを用いており、カバーははんだなどによって、プリント基板22上へ固定される。なお、本実施の形態においては、カバーを用いたが、シールド部材23はこれに限るものではない。たとえば、プリント基板22の上面に、電子部品3を覆うように樹脂層を設け、この樹脂層の表面を覆うようにシールド部材23を形成してもよい。ただしこの場合、シールド部材23にはたとえばスパッタなどによる金属膜を用いる。
アンテナ24はプリント基板22の上面に敷設された導体で形成されたプリントアンテナであり、アンテナ24は受信回路31の入力端子31aへ接続されている。なお本実施の形態におけるアンテナ24には、GPS信号を受信する放射導体26と、この放射導体26と容量性結合によって結合された給電導体27とを含んでいる。そして、放射導体26と給電導体27の間の結合容量32aと、給電導体27によるインダクタンス33aやインダクタンス33bとにより、整合回路32が形成されている。このように結合容量32aやインダクタンス33aやインダクタンス33bがプリント基板22上に形成された導体によって形成されているので、低価格なGPSモジュール21を実現できる。
ここで給電導体27には、放射導体26と対向する対向部が設けられている。つまり、この対向部では、給電導体27と放射導体26とが平行に配列されている。したがって、給電導体27は、この対向部において放射導体26と結合することとなる。なお、対向部の一方は電気的にグランドへ接続されており、対向部の他方は入力端子31aへ電気的に接続されている。
これにより、放射導体26へ入力されたGPS信号は、整合回路32を介して受信回路31の入力端子31aへ供給される。したがって、アンテナ24と受信回路31との整合を容易に合わせることができるので、受信回路31の受信感度は良好となる。
次に、本実施の形態における放射導体26について、詳しく説明する。放射導体26は、第1のアンテナ導体26aと第2アンテナ導体26bと第3のアンテナ導体26cで形成されている。第1のアンテナ導体26aの一方端は第3のアンテナ導体26cを介してグランドへ接続されている。一方、第1のアンテナ導体26aの一方端は開放されており、この第2アンテナ導体26bの他方端は第1のアンテナ導体26aの他方端と連結されている。
このとき第3のアンテナ導体26cがグランドへ接続されているので、アンテナ24での受信性能における寄与度は、第1のアンテナ導体26aと第2アンテナ導体26bとの寄与度が大きくなる。そしてこれら第1のアンテナ導体26aと第2アンテナ導体26bとは直交して配置されているので、円偏波であるGPS信号を良好に受信することができることとなる。
なお、第2アンテナ導体26bと第3のアンテナ導体26cはともに、第1のアンテナ導体26aと直交して配置される。つまり、本実施の形態における放射導体26は、コの字型の形状をなしているので、プリント基板22上において放射導体26のインダクタンス値を大きくできるので、比誘電率の小さな樹脂基板においてもアンテナゲインの良好なアンテナ24を得ることができる。したがって、受信回路31の受信感度の良いGPSモジュール21を実現できる。
ここで、第1のアンテナ導体26aはプリント基板22の短辺に沿って、該短辺の近傍に形成される。一方、第2アンテナ導体26bは、プリント基板22の一方の長辺に沿って、該長辺の近傍に形成される。さらに、第3のアンテナ導体26cは、プリント基板22の他方の長辺に沿って、該長辺の近傍に形成される。以上のようにすることにより、アンテナ24を矩形のプリント基板22上に効率よく配置することができるので、プリント基板22を小型化できる。
また、給電導体27は、放射導体26の内側に配置されているので、さらにアンテナ24を矩形のプリント基板22上に効率よく配置することができ、プリント基板22を小型化できる。なお、本実施の形態では、給電導体27を放射導体26の内側に配置したが、給電導体27を放射導体26の外側に配置してもよい。この場合放射導体26と入力端子31aとの間でのGPS信号の損失を少なくできる。これは、GPS信号は高周波信号であるので、放射導体26の内周側に比べ、外周側の方が電位が高くなるためである。
次に給電導体27について詳しく説明する。この給電導体27には、第1のアンテナ導体26aと平行に対向する第1の対向部27aと、第2アンテナ導体26bと平行に対向した第2の対向部27bとが設けられている。つまり、放射導体26と給電導体27との間の結合容量32aは、実質的に第1のアンテナ導体26aと第1の対向部27aとの間の結合容量と、第2アンテナ導体26bと第2の対向部27bとの間の結合容量とによって形成されることとなる。
ここで、水平成分が誘起される第1のアンテナ導体26aと第1の対向部27aとの間の容量値(第1の結合容量)と、垂直成分が誘起される第2アンテナ導体26bと第2の対向部27bとの間の容量値(第2の結合容量)との値はほぼ等しくなるようにする。これにより、第1のアンテナ導体26aと第2アンテナ導体26bとで受信した円偏波の信号をほぼ同じマッチング回路で、正確に受信することができるため、軸比を1に近づけることができる。
本実施の形態では、第1のアンテナ導体26aと第1の対向部27aとの間の間隔と第1のアンテナ導体26aと第1の対向部27aとの間の間隔とは、同じにしている。さらに、第1の対向部と前記第2の対向部の長さはほぼ同じとすることで、第1のアンテナ導体26aと第1の対向部27aとの間の容量値(第1の結合容量)と、第2アンテナ導体26bと第2の対向部27bとの間の容量値(第2の結合容量)との値をほぼ等しくしている。
なお、給電導体27は、第1の対向部27aの一方端と第2の対向部27bの一方端とが連結されてL字型形状としている。このとき、第1の対向部27aと第2の対向部27bとの連結部は、第1のアンテナ導体26aと第2アンテナ導体26bとの連結部の近傍に設けておくと良い。つまりGPS信号は高周波信号であるので、第1のアンテナ導体26aの端部や第2アンテナ導体26bの端部での電位は高くなる。したがってこのようにすれば、第1の対向部27aや第2の対向部27bが放射導体26の電位の高い箇所に近接して設けられることになるので、放射導体26で受信したGPS信号を小さな損失で入力端子31aへ供給できる。したがって、受信回路31での受信感度が良好となる。
次に本実施の形態における放射導体26と給電導体27との幅について、詳細に説明する。図5(a)、図5(b)は、ともにアンテナの特性図である。図5(a)において、横軸41は放射導体26の幅であり、縦軸42はアンテナ24のゲインである。つまり、特性曲線43は、放射導体26の幅を変化させた場合のアンテナ24のゲインの変化を示している。なお、このときの給電導体27の幅は0.6mmとしている。このように、放射導体26の幅は、1.0mm以上であれば良好なゲインを得ることができる。したがって、小型化のためには、放射導体26の幅は狭い方が望ましいので、本実施の形態における放射導体26の幅は1.0mmとしている。
図5(b)において、横軸45は、給電導体27の幅であり、縦軸46はアンテナ24のゲインである。つまり特性曲線47は、給電導体27の幅を変化させた場合のアンテナ24のゲインの変化を示している。なお、このときの放射導体26の幅は、1.0mmとしている。このように給電導体27の幅が狭い方がアンテナ24のゲインは、大きくなる傾向にある。ここで、給電導体27は整合回路32の一部である。したがって、給電導体27の幅を狭くすると整合回路32のインピーダンスも変化し(大きくなり)、受信回路31との整合がとりにくくなる。そこで、本実施の形態における給電導体27の幅は、1.0mmとすることで、受信回路31との整合を良好に合わせられる。
実施の形態における給電導体27は、第1の対向部27aの他方端とグランドとの間に第1の連結導体部28aを形成し、第2の対向部27aの他方端と入力端子31aとの間に第2の連結導体28b部を形成している。このとき、第1の連結導体部28aと第3のアンテナ導体26cとの間は電磁結合や誘電性結合が疎結合となるようにしておく。つまり、第1の連結導体部28aと第3のアンテナ導体26cとの間の距離を大きくすることによって、第3のアンテナ導体26cに入力された信号が、第1の連結導体部28aを介して入力端子31aへ入力されにくくできる。これにより、第3のアンテナ導体26cは、もっぱら放射導体26のアンテナ長を長くする作用として働くこととなるので、アンテナゲインの高いアンテナ24を得ることができる。そしてこのように第1の連結導体部28aと第3のアンテナ導体26cとの間を疎結合としておけば、第1の連結導体部28aを入力端子31aへ接続し、第2の連結導体部28bをグランドに接続することもできる。
なおこれは、第3のアンテナ導体26cには、第2アンテナ導体26bと逆方向の電流が流れ、この第3のアンテナ導体26cの信号が第2アンテナ導体26bで受信した信号と合成されると、受信したGPS信号が打ち消されるためであると推測される。
さらに本実施の形態では、グランドに接続された第1の連結導体部28aが、第2の連結導体部28bよりも第3のアンテナ導体26c側に近い位置に配置されることとなる。ここで、第3のアンテナ導体26cもまたグランドに接続されるので、互いに干渉しにくくできる。したがって、第3のアンテナ導体26cに入力された信号が、第1の連結導体部28aを介して入力端子31aへ入力されにくくできる。これにより、第3のアンテナ導体26cは、もっぱら放射導体26のアンテナ長を長くする作用として働くこととなる。
さらにまた、プリント基板22の下面における受信回路31に対応する位置には、地板25が形成されている。この地板25はプリント基板22に設けられたスルーホール(図示せず)を介してプリント基板22の上面のグランドパターンへと接続されている。このように地板25とグランドパターンとを接続することにより、地板25もアンテナ24として働き、地板25で受信した信号も入力端子31aへ供給される。
図6は、地板の長さを変化させた場合のアンテナの特性図である。ここで、地板長とは、図3における横方向の長さを言う。図6において横軸51はGPSモジュール21のグランドの長さであり、縦軸はアンテナ24のゲインである。従って特性曲線53、54は、グランド長さに対するアンテナ24のゲインの変化を示す。ここで、特性曲線53は、放射導体26の幅が1.0mmであり、給電導体27の幅が0.6mmの場合である。一方、特性曲線54は、放射導体26の幅が1.0mmであり、給電導体27の幅が1.0mmの場合である。図6に示すように、アンテナ24のゲインは、グランドの長さによって変化することがわかる。
以上のように、地板25で受信されたGPS信号が、グランドパターンを介して放射導体26へと供給され、さらに受信感度の良好なアンテナ24を得ることができる。
図6においてアンテナ24のゲインが最大となるときのグランド長さは、約60mmである。しかし、本実施の形態において受信回路31のために必要なGPSモジュール21の長さは60mmにまで大きくできない。そこで、このGPSモジュール21が搭載される機器のグランドパターンを合わせて、60mm相当の長さとなるようにする。このように、機器のグランドもアンテナとして作用させることで、さらにアンテナ24のゲインを大きくできる。
それに加えて、地板25が形成された領域は、受信回路31が形成された領域よりも大きくしている。これにより、地板25で受信したGPS信号の受信回路31への漏洩による妨害を少なくできる。これは、高周波信号であるGPS信号は地板25の周縁部を流れるためである。つまり、GPS信号は受信回路31が形成されていない部分を流れるので、地板25で受信したGPS信号の受信回路31への漏洩による妨害を少なくできることとなる。
図7(a)は、給電導体とグランドの間にインダクタを挿入した場合のアンテナのスミスチャートであり、図7(b)は、給電導体と入力端子の間にインダクタを挿入した場合のスミスチャート特性図である。
図7(a)において、特性曲線61は、給電導体27と入力端子31aの間にチップインダクタ34aが挿入されない場合の特性を示す。一方特性曲線62は、給電導体27と入力端子31aの間にチップインダクタ34aが挿入された場合の特性を示す。このように、給電導体27の一方とグランドとの間に、チップインダクタ34aを挿入すれば、入力端子31aからアンテナ24側をみたときのインピーダンス値を大きくできる。
図7(b)において、特性曲線65は、給電導体27とグランドの間にチップインダクタ34bが挿入されない場合の特性である。一方、特性曲線66は、給電導体27とグランドの間にチップインダクタ34bが挿入された場合の特性を示す。このように、給電導体27の他方と入力端子31aとの間にチップインダクタ34bを挿入すれば、入力端子31aからアンテナ24側をみたときのインピーダンス値を小さくできる。
以上のように、チップインダクタを挿入する箇所を変更するだけで、容易にインピーダンスを変化させることができるので、容易にアンテナ24と受信回路31との間の整合をとることができる。なお、これらチップインダクタ34a、チップインダクタ34bともに装着してもよい。この場合、チップインダクタ34aとチップインダクタ34bのインダクタンス値の比によってインピーダンスの値を調整できる。
本考案にかかるアンテナ一体型GPS受信モジュールは、薄型化できるという効果を有し、携帯機器等に用いると有用である。
3 電子部品
21 GPSモジュール
22 プリント基板
23 シールド部材
24 アンテナ
31 受信回路
21 GPSモジュール
22 プリント基板
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31 受信回路
Claims (15)
- 樹脂製のプリント基板と、このプリント基板の上面に装着された複数の電子部品によって、前記プリント基板上に形成された受信回路と、前記電子部品を覆うように設けられたシールド部材と、前記受信回路の入力端子へ接続されたGPS用アンテナとを有し、前記GPS用アンテナは、前記プリント基板の上面に敷設されたプリントアンテナとしたアンテナ一体型GPS受信モジュール。
- 前記プリント基板は、比誘電率が2以上5以下の基材によって形成された請求項1に記載のアンテナ一体型GPS受信モジュール。
- 前記GPS用アンテナには、非給電素子である放射導体と、給電素子である給電導体とが設けられ、前記放射導体は、少なくとも第1のアンテナ導体と第2アンテナ導体とで形成され、前記第1のアンテナ導体の一方はグランドへ接続されるとともに、前記第2のアンテナ導体の一方端は開放し、前記第1のアンテナ導体と第2のアンテナ導体は直交して配置されるとともに、前記第1のアンテナ導体の他方端と前記第2のアンテナ導体他方端とが連結され、前記放射導体と前記給電導体とは容量性結合によって結合された請求項2に記載のアンテナ一体型GPS受信モジュール。
- 前記放射導体と前記給電導体の間の結合容量と、前記給電導体のインダクタンスとにより、整合回路が形成された請求項3に記載のアンテナ一体型GPS受信モジュール。
- 給電導体には、前記放射導体と対向する対向部を有して敷設され、前記対向部の一方が前記グランドへ電気的に接続されるとともに、他方が前記入力端子へ電気的に接続された請求項4に記載のアンテナ一体型GPS受信モジュール。
- 前記給電導体には、前記第1のアンテナ導体と対向して配置された第1の対向部と、前記第2のアンテナ導体と対向して配置された第2の対向部とが設けられた請求項5に記載のアンテナ一体型GPS受信モジュール。
- 前記給電導体は、前記放射導体の内側に配置された請求項6に記載のアンテナ一体型GPS受信モジュール。
- 前記第1の対向部の一方端と、前記第2の対向部の一方端とが連結されてL字型形状とするとともに、前記第1の対向部と前記第2の対向部との連結部は、前記第1のアンテナ導体と前記第2のアンテナ導体との連結部の近傍に設けられた請求項6に記載のアンテナ一体型GPS受信モジュール。
- 第1のアンテナ導体の一方端とグランドとの間に挿入された第3のアンテナ導体を設け、前記第2の対向部の他方端が前記入力端子へ電気的に接続されるとともに、前記第1の対向部の他方端が前記グランドへ電気的に接続された請求項8に記載のアンテナ一体型GPS受信モジュール。
- 第1のアンテナ導体の一方端とグランドとの間に第3のアンテナ導体を設けるとともに、前記第1の対向部の他方端と前記グランドあるいは前記入力端子との間に連結導体を設け、前記放射導体と前記給電導体とをともにコの字形状とし、前記連結導体と前記第3のアンテナ導体との間は疎結合とした請求項8に記載のアンテナ一体型GPS受信モジュール。
- 前記第1のアンテナ導体と前記第1の対向部との間には第1の結合容量を有するとともに、前記第2のアンテナ導体と前記第2の対向部との間には第2の結合容量を有し、前記第1と第2の結合容量の値はほぼ等しくした請求項5に記載のアンテナ一体型GPS受信モジュール。
- 前記第1の対向部と前記第2の対向部の長さはほぼ同じとした請求項5に記載のアンテナ一体型GPS受信モジュール。
- 前記プリント基板の下面において、前記受信回路に対応する位置に地板が形成され、前記地板と前記グランドとが接続された請求項3に記載のアンテナ一体型GPS受信モジュール。
- 前記地板が形成された領域は、前記受信回路が形成された領域よりも大きくした請求項13に記載のアンテナ一体型GPS受信モジュール。
- 前記給電導体の一方とグランドとの間と、前記給電導体の他方と入力端子との間の少なくともいずれか一方には、チップインダクタが挿入された請求項5に記載のアンテナ一体型GPS受信モジュール。
Priority Applications (1)
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JP2011005354U JP3171941U (ja) | 2011-09-13 | 2011-09-13 | アンテナ一体型gps受信モジュール |
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