JP4060486B2 - 複合アンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話（機）でＧＰＳ（グローバル ポジショニング システム：global positioning system） による位置情報をも受信することができる携帯電話用アンテナとＧＰＳ用アンテナとを備えた複合アンテナおよびそれを搭載した携帯電話に関する。さらに詳しくは、ＧＰＳの位置情報をも受信することができながら、小形の携帯電話を殆ど大きくしなくても、携帯電話に収納することができる小形の複合アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、事故や犯罪などに備えて、個人の位置情報を、たとえばセルラー電話の基地局を通じて警察や消防署などに緊急連絡するシステムの構築が考えられている。この場合、個人の位置情報をたとえば半径１２５ｍ程度の精度で正確に提供するシステムが必要となり、種々の位置情報サービスが考えられている。この中でたとえばカーナビゲーションに用いられているＧＰＳ衛星を利用することが１つの方式として考えられている。
【０００３】
このＧＰＳは、周波数が１５７５.４ＭＨｚ（以下、１.５ＧＨｚ帯という）の円偏波で送受信されている。この情報を受け取るには、ＧＰＳ用アンテナとして、ヘリカルアンテナや、図４に示されるような誘電体基板８１上に銅や銀などの薄膜からなるアンテナエレメント８２が一定の面積で設けられた平板状のいわゆるパッチアンテナが一般に用いられている。このパッチアンテナのアンテナエレメントは、１.５ＧＨｚ帯の円偏波を受けられるように、たとえば２５ｍｍ角程度の大きさに形成され、その一部に接続された給電ピンが誘電体基板を貫通して誘電体基板の側面側に導出され、ケーブル８３を介して受信機側に接続される。
【０００４】
一方、携帯電話は、近年著しく普及すると共に、携帯に便利なように、より一層小形化されており、手のひらに入る程度の大きさになっている。このような携帯電話に用いられるアンテナは、たとえば図５（ａ）に示されるように、ロッドアンテナ９２を無線機の筐体９１から引き出して使用されたり、図５（ｂ）に示されるように、ヘリカルコイル式アンテナ９３が携帯電話などの無線機の筐体９１の外部に固定して取り付けられて使用される。携帯電話の小形化に伴い、携帯電話用のアンテナも、非常に小形化され、従来のロッドアンテナを引き出したり収納するタイプからヘリカル状にして外径寸法を短くし、筐体に固定したアンテナが用いられる傾向にある。これらのアンテナは、送受信する信号の周波数帯の約１／４波長または１／２波長程度の電気長にする必要があり、送受信する周波数に基づきその大きさも制限される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような緊急時の個人の位置情報などを特定の場所に送る場合、連絡用として携帯電話を用いて送受信を行い、位置情報を知るためのＧＰＳ信号を受信することができる装置を常に携帯する必要がある。しかし、前述のように、それぞれのアンテナは通常異なった形状であり、共通化することもできない。また、別々の機器として所有すると、嵩ばると共に、緊急時の使用の際に不便で目的を達成しにくい。そのため、携帯電話とＧＰＳの両方を携帯電話により送受信できる必要がある。しかし、前述のように、携帯電話は近年非常に小形化しており、大きなスペースを割くことができない。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、携帯電話用のアンテナとＧＰＳ用のアンテナをコンパクトに１つの基板にまとめて携帯電話に内蔵することにより、ＧＰＳ情報を得ながら携帯電話を用いて連絡することができるように、両アンテナをコンパクトにまとめた複合アンテナを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による複合アンテナは、１枚の誘電体基板の表面上にＧＰＳ用アンテナのパッチアンテナエレメントと、携帯電話用アンテナの線状アンテナエレメントとが設けられ、前記パッチアンテナエレメント側のみの前記誘電体基板の裏面に接地導体が設けられ、該接地導体の一部が除去されてその除去部から前記パッチアンテナエレメントに接続された給電ピンが前記誘電体基板の裏面側に導出されることにより前記ＧＰＳ用アンテナが形成され、前記線状アンテナエレメントの一端部が前記誘電体基板の側面を経て裏面に設けられる給電パッドに電気的に接続されることにより前記携帯電話用アンテナが形成されてなり、前記接地導体は、前記携帯電話の筐体内に設けられた回路基板に、該回路基板の接地面と対向して取り付けられている。
【０００８】
この構成にすることにより、携帯電話用のアンテナ部分を携帯電話内の回路基板の接地板のない部分にくるようにしながら、ＧＰＳ用のアンテナ部分の接地導体の部分を前記回路基板の接地板と対向させて取り付けることができ、従来の携帯電話用のアンテナを内蔵する場合とスペース的に殆ど差が生じない。すなわち、ＧＰＳ用アンテナは裏面側に接地導体があるが、ＧＰＳでは上空の衛星との信号のやり取りで一方向の指向性があれば支障がなく、その接地導体部分を回路基板の接地面と対向させて回路基板に取り付けることにより、アンテナ用のスペースを確保する必要がなく取り付けることができる。一方、携帯電話用のアンテナ部分は回路基板の接地板の部分からはみ出るように取り付けられることにより、四方から到来し得る携帯用の信号を送受信することができる。
【０００９】
前記誘電体基板上に帯状の導電体膜が設けられ、該帯状の導電体膜がその長尺方向に沿って実質的に平行になるように少なくとも１回折り返されると共に、携帯電話の周波数帯に共振し得る電気的長さにされることにより、前記線状アンテナエレメントが形成されれば、ＧＰＳ用のパッチアンテナエレメントと同程度の幅のアンテナエレメントとなり、同じ幅の誘電体基板に形成することができる。その結果、ＧＰＳ用のパッチアンテナエレメントを形成する金属膜と同時に設けられる金属膜をパターニングするだけで簡単に形成することができる。
【００１０】
前記線状アンテナエレメントの少なくとも一部がジグザグ形状に形成されることにより、アンテナエレメントを設ける面積を小さくすることができる。
【００１１】
前記誘電体基板がセラミックスであれば、誘電率を大きくすることができ、アンテナエレメントを小さくしても、必要な電気長が得られ、小形化に寄与する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の複合アンテナについて図面を参照しながら説明をする。
【００１４】
本発明の複合アンテナは、図１にその一実施携帯の上面および底面の説明図が示されるように、１枚の誘電体基板１にＧＰＳ用アンテナ２と携帯電話用アンテナ３とが設けられている。ＧＰＳ用アンテナ２は、誘電体基板１の表面側にパッチアンテナエレメント２１が設けられ、その部分の誘電体基板１の裏面に接地導体２２が設けられ、その接地導体２２の一部が除去されてその除去部（誘電体基板１の貫通孔）２３からパッチアンテナエレメント２１に接続された給電ピン２４が誘電体基板１の裏面側に導出されることにより形成されている。また、携帯電話用アンテナ３は、線状アンテナエレメント３１が誘電体基板１の表面側にパッチアンテナエレメント２１と並んで設けられ、その給電部３２が誘電体基板１の側面を介して裏面に設けられる給電パッド３３に電気的に接続されることにより形成されている。
【００１５】
誘電体基板１は、たとえばチタン酸バリウム（比誘電率が約２０）などからなる高誘電率のセラミックスが用いられることが好ましい。誘電体基板１として高誘電率の誘電体が用いられることにより、アンテナエレメント２１、３１を小形化することができ、アンテナ全体を小さくすることができるため好ましく、たとえば比誘電率が１０程度以上で、厚さが２〜５ｍｍ程度のセラミックスが用いられる。
【００１６】
ＧＰＳ用アンテナ２は、衛星との間で信号のやり取りが行われ、その位置情報を衛星から得るために受信をするもので、１.５ＧＨｚ帯の円偏波で送信が行われる。そのため、このパッチアンテナエレメント２１は、１.５ＧＨｚ帯の円偏波を受信することができるように、たとえば２５ｍｍ角程度の大きさに形成される。このパッチアンテナエレメント２１は、たとえば厚膜印刷などにより、銀ペーストなどの良伝導体が誘電体基板１の表面に１０〜２０μｍ程度の厚さで印刷されたものを焼成して形成される。このパッチアンテナエレメント２１が設けられた部分の誘電体基板１の裏面には、同様に銀ペーストなどの導電体膜が厚膜印刷などにより設けられて接地導体２２が形成されている。すなわち、誘電体基板１を挟んでアンテナエレメント２１と接地導体２２が設けられることにより、ＧＰＳ用アンテナ２が形成されている。このＧＰＳ用アンテナ２の給電部は、たとえばパッチアンテナエレメント２１の中心部の誘電体基板１に貫通孔２３が設けられ、その貫通孔２３を介してパッチアンテナエレメント２１と接続された給電ピン２４が誘電体基板１の裏面側に導出されている。
【００１７】
携帯電話用アンテナ３は、たとえばＰＨＳ(personal handy phone system) の１９００ＭＨｚ帯や、ＰＤＣ(personal digital cellular) の９００ＭＨｚ帯などの目的の周波数帯に合せたアンテナ（たとえば１／４波長の電気長）に形成され、両方の周波数帯もしくはいずれか、または別の周波数帯を送受信することができるように形成することもできる。線状アンテナエレメント３１のパターンは、前述と同様に、誘電体基板１上に、たとえば銀ペーストを印刷して焼付けなどにより所望のパターンに形成される。このアンテナエレメント３１のパターンの形状は、図１（ａ）に示されるように、たとえば第１のエレメント３１ａ、第２のエレメント３１ｂ、第３のエレメント３１ｃとからなっており、それぞれがその長尺方向に沿って実質的に平行になるように２か所の折返し部３１ｄを介して設けられている。そして全体でその電気長が、たとえばＰＨＳの使用周波数１８９５.１５〜１９１７.９５ＭＨｚの約１／４波長になるように形成されている。この電気長はアンテナエレメント３１のインダクタンスおよび基板１の比誘電率が大きくなる程アンテナエレメントの長さを短くすることができ、図１（ａ）に示されるチップ型アンテナの縦Ａ×横Ｂが、たとえば８ｍｍ×６ｍｍ程度、誘電帯基板１の厚さが１.８ｍｍ程度と非常に小さい寸法で、前述の１９００ＭＨｚ帯に対して約１／４波長の電気長のアンテナが形成されている。
【００１８】
図１（ａ）に示される例では、第１のエレメント３１ａがジグザグ状に形成されており、給電部３２に近いところで充分なアンテナ長が得られる構造になっている。また、図１に示される例では、給電部３２が誘電体基板１の側面を経て裏面側に延ばされ、（ｂ）に背面図が示されるように、誘電体基板１の裏面に給電パッド３３が設けられている。誘電体基板１の裏面には、さらにその２隅に同じ銅や銀合金などの金属からなるランド４が設けられており、このランド４および前述の接地導体２２により、回路基板などに接着できるようになっている。それと同時に給電パッド３３は、回路基板の配線に接続されるようになっている。その結果、この複合アンテナを携帯電話の回路基板などに取り付ける場合にハンダやＡｕ-Ｓｎなどの低融点金属により容易に搭載することができ、回路基板上に形成される無線回路との電気的接続を容易に行うことができる。
【００１９】
線状アンテナエレメント３１の形状は、この例に限らず、たとえば図２（ａ）〜（ｂ）に示されるように、種々の形状に形成することができる。すなわち、図２（ａ）に示される例は、第３のエレメントの幅を大きくした例で、このようにすると容易に優れた２共振特性（たとえばＰＨＳとＰＤＣのような異なる周波数帯での共振特性）を得ることができる。また、図２（ｂ）に示される例は、エレメントの数を増やし、途中の一部の２つのエレメントの折返し部を太くした例で、このような形状にすることにより、限られたスペースで基本共振周波数を低くとり、かつ２共振特性を実現できる。また、これらの例に限らず、種々の形状にすることができる。
【００２０】
前述の複合アンテナを製造するには、大きなセラミック基板の一表面に銀合金のシルク印刷などによりアンテナエレメントのパターンを設けて焼き付けることにより、複数組のアンテナエレメント２１、３１を同時に形成する。ついで、セラミック基板１の裏面に表面と同様にシルク印刷などにより銀合金などからなる接地導体２２および給電部３３、ランド４のパターンを形成し、焼き付けを行うことにより裏面のパターンを形成する。その後、大きなセラミック基板を切断分離して各チップに分離する。そして、誘電体基板１の側面に銀合金などを塗布して焼き付けることにより、線状アンテナエレメント３１の給電部３２と給電パッド３３とが接続され、図１に示される複合アンテナが得られる。
【００２１】
この複合アンテナを携帯電話の筐体内に設けられる回路基板組立体５に取り付けるには、図３にその取り付けた状態の側面図が示されるように、複合アンテナのＧＰＳ用アンテナ２の接地導体２２と回路基板５１の裏面の接地板５２とが対向して接着されるようにする（絶縁体を介して接着されてもよい）と共に、ランド４が回路基板５の裏面に設けられた接続部材５４と接着剤などにより接着することにより、回路基板組立体５に取り付けられている。この際、給電パッド３３は、回路基板５１の裏面に導出された配線端部５３と同様にハンダなどにより接続されるようになっている。また、パッチアンテナエレメント２１の給電ピン２４は、回路基板５１に設けられるスルーホールを貫通して、回路基板５１の表面側に導出されるようになっており、表面側の配線５５にハンダ５６などにより接続されるようになっている。なお、５７は、回路基板５１の表面の図示しない配線に接続されたＩＣなどの電子部品である。すなわち、パッチアンテナエレメント２１はその裏面の接地導体２２が、回路基板５１の接地板５２に直接（または両面テープなどを介して）接着されており、携帯電話用の線状アンテナエレメント３１は、回路基板５１の接地板５２のない部分にランド４と接続部材５４とにより固着される構造になっている。
【００２２】
したがって、図３（ｂ）に携帯電話などの樹脂からなる筐体６内に、回路基板組立体５が設けられた概念図を、回路基板５１の接地板５２のある部分を斜線で示されるように、携帯電話用アンテナのアンテナエレメント３１の部分だけが四方に接地板のない状態で筐体６内に内蔵されている。
【００２３】
本発明によれば、１枚の誘電体基板にＧＰＳ用アンテナと携帯電話用アンテナの両方を有する複合アンテナがコンパクトに形成されると共に、ＧＰＳ用アンテナの裏面側が接地導体になっているため、従来の携帯電話の回路基板の接地板に複合アンテナの接地導体部分を重ねて取り付けることができる。その結果、従来の携帯電話で、アンテナを内蔵する場合と同様のスペースで回路基板に取り付けることができる（従来も携帯電話用のアンテナは回路基板の接地板のない部分に取り付ける必要がある）。この場合、ＧＰＳ用アンテナは、その一方側のみとの間でしか信号の授受を行うことができない（接地導体や接地板側には信号の授受を行うことができない）が、ＧＰＳ用アンテナは、衛星を通じて行うものであるため、携帯電話の表示を見る場合、通常その表面側を上に向けて使用し、上空側に衛星があるため、支障なく送受信することができる。また、携帯電話では送受信する信号の方向が一方向とは限定されないが、線状アンテナエレメントはその裏面に接地板は存在せず、四方どちらの方向の電波をも受信することができる。その結果、ＧＰＳ信号と携帯電話の信号の両方ともを小形の携帯電話により支障なく送受信することができる。
【００２４】
前述の例では、アンテナ部分のみしか説明されていないが、アンテナエレメントにより受信した信号をフィルタなどを介して増幅する回路や、信号処理回路などが回路基板に設けられることはいうまでもない。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば携帯電話にＧＰＳ用アンテナも内蔵されるため、緊急時の位置情報を特定の場所に知らせる場合にも、ＧＰＳ信号により自分の位置を確認して、直ちに携帯電話でその情報を伝達することができる。その結果、近年急激に要望が高まっているＧＰＳ付携帯電話の実現を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合アンテナの一実施形態の平面および背面の説明図である。
【図２】携帯電話用のアンテナエレメントの形状の他の例を示す図である。
【図３】図１の複合アンテナを携帯電話の筐体内の回路基板に取り付けた状態の説明図である。
【図４】従来のＧＰＳ用のパッチアンテナの一例の説明図である。
【図５】従来の携帯電話のアンテナの一例の説明図である。
【符号の説明】
１ 誘電体基板
２ ＧＰＳ用アンテナ
３ 携帯電話用アンテナ
５ 回路基板組立体
２１ パッチアンテナエレメント
２２ 接地導体
２４ 給電ピン
３１ 線状アンテナエレメント
３２ 給電部
３３ 給電パッド

Claims (4)

1. １枚の誘電体基板の表面上にＧＰＳ用アンテナのパッチアンテナエレメントと、携帯電話用アンテナの線状アンテナエレメントとが設けられ、前記パッチアンテナエレメント側のみの前記誘電体基板の裏面に接地導体が設けられ、該接地導体の一部が除去されてその除去部から前記パッチアンテナエレメントに接続された給電ピンが前記誘電体基板の裏面側に導出されることにより前記ＧＰＳ用アンテナが形成され、前記線状アンテナエレメントの一端部が前記誘電体基板の側面を経て裏面に設けられる給電パッドに電気的に接続されることにより前記携帯電話用アンテナが形成されてなり、前記接地導体は、前記携帯電話の筐体内に設けられた回路基板に、該回路基板の接地面と対向して取り付けられる複合アンテナ。
2. 前記誘電体基板上に帯状の導電体膜が設けられ、該帯状の導電体膜がその長尺方向に沿って実質的に平行になるように少なくとも１回折り返されると共に、携帯電話の周波数帯に共振し得る電気的長さにされることにより、前記線状アンテナエレメントが形成されてなる請求項１記載の複合アンテナ。
3. 前記線状アンテナエレメントの少なくとも一部がジグザグ形状に形成されてなる請求項２記載の複合アンテナ。
4. 前記誘電体基板がセラミックスからなる請求項１、２または３記載の複合アンテナ。

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