JP4144127B2 - マイクロストリップアンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、携帯電話機や移動端末等の内蔵アンテナとして用いられるマイクロストリップアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話機やＧＰＳ等の移動端末に内蔵されるマイクロストリップアンテナとして、代表的なものがλ／２パッチアンテナである。ただし、λは使用周波数における波長を表している。
【０００３】
このアンテナは、一辺の長さが約λ／２の矩形又は円形の導体パターン（パッチパターン）を一方の面に有し、他方の面に接地導体が設けられた誘電体基板から主として構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、このような携帯電話機や移動端末はより小型化することが要求されており、それに伴って内蔵アンテナのさらなる小型化が求められている。このような約λ／２のパッチパターン寸法を有するパッチアンテナを物理的に小型化する一般的な方法は、誘電率の高い誘電体基板を使用することである。
【０００５】
しかしながら、高周波の利用に適した低温度係数を有する誘電体材料の比誘電率は、ε_ｒ＝１１０程度が限界であり、従って、パッチアンテナの寸法は、矩形パッチアンテナではその１つの辺の長さａについてａ＝３×１０^８／（ｆ×２×√１１０）が、円形のパッチアンテナではその直径ＤについてＤ＝（３×１０^８）／（ｆ×１．７１×√１１０）が小型化の限界となってしまう。これは、使用周波数がｆ＝２．４ＧＨｚであるとすると、ａ＝６ｍｍとなる。
【０００６】
また、このような高誘電率かつ低温度係数の誘電体材料は、低誘電率の誘電体材料に比してかなり高価となり、その結果、マイクロストリップアンテナの製造コストも高くなってしまう。
【０００７】
従って本発明の目的は、低コストでかつ小型化を図ることのできるマイクロストリップアンテナを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、誘電体層を介して互いに対向するように支持された接地電極とパッチ電極とを備えており、パッチ電極は、電流の流れる方向に沿った始端部及び終端部の幅が大きく、中央部の幅がこれより小さいリアクタンス装荷パターンを有しており、リアクタンス装荷パターンは、パッチ電極の中心点について点対称形状を有する単一の略Ｓ字形状であるか、又はパッチ電極の中心点について点対称形状を有する互いに直交する２つの略Ｓ字形状であるマイクロストリップアンテナが提供される。
【０００９】
パッチパターンとして、電流の流れる方向に沿った始端部及び終端部が大きな幅を有しており、中央部が小さな幅を有するように構成している。端部では、幅を広くすることにより、磁界集中が減るのでその部分のインダクタンスが低下し、また、面積が大きくなるのでその部分のキャパシタンスが増大する。逆に、中央部では、幅を狭くすることにより、磁界が集中してその部分のインダクタンスが増大し、また、面積が小さくなるのでその部分のキャパシタンスが低下する。このように、電位の高い端部をよりキャパシティブとし、電位の低い中央部をよりインダクティブとすることにより、共振周波数が低下する。その結果、マイクロストリップアンテナの寸法がより小型化される。しかも、その際に、電極間に高価な誘電体層を用いる必要がなく、空気層又は低コストの一般的な誘電体材料によって形成された誘電体基板を使用するのみでよいため、全体の製造コストも低く抑えられる。
【００１０】
誘電体層に空気層を用いれば、誘電体材料が全く不要であるため、製造コストを大幅に低減することができる。また、誘電体基板を用いる場合は、接地電極が誘電体基板の裏面に形成され、パッチ電極が誘電体基板の表面に形成される。この場合も、上述したように、誘電体基板に高価な誘電体材料を用いる必要がなく低コストの一般的な誘電体材料を使用するのみでよいので、製造コストを低く抑えられる。
【００１１】
リアクタンス装荷パターンが、電流の流れる方向に沿った軸線について線対称形状を有していることが好ましい。
【００１２】
この場合、リアクタンス装荷パターンの始端部及び終端部が、それぞれ矩形形状であるか又は円形若しくは長円形状であるかもしれない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のマイクロストリップアンテナの一参考例における構成を概略的に示す斜視図であり、図２はそのパッチパターンを示す平面図である。
【００１４】
これらの図において、１０は誘電体基板、１１は誘電体基板１０の裏面の全面形成された接地電極、１２は誘電体基板１０の表面に形成されたパッチ電極、１３は給電端子をそれぞれ示している。
【００１５】
誘電体基板１０は、一般的な誘電体材料、例えば比誘電率がε_ｒ＝３８程度の高周波用セラミック誘電体材料で形成されている。
【００１６】
接地電極１１及びパッチ電極１２は、誘電体基板１０の裏面及び表面に、銅、銀等の金属導体層をパターニングしてそれぞれ形成されている。具体的には、例えば銀等の金属ペーストをパターン印刷して焼き付けるか、金属パターン層をめっきで形成するか、又は薄い金属膜をエッチングによりパターニングする等の方法が適用される。
【００１７】
給電端子１３は、電流の流れる方向１４に沿った軸線上の任意の位置（中心点を除く）でパッチ電極１２に接続されている。
【００１８】
パッチ電極１２のパッチパターンは、本参考例では、電流の流れる方向１４に沿った軸線１５に対して線対称の形状を有している。電流の流れる方向１４に沿った始端部１２ａ及び終端部１２ｂは大きな幅（電流の流れる方向と直交する方向の長さ）を有する矩形形状に形成されており、中央部１２ｃはこれより小さな幅を有するストリップ形状に形成されている。
【００１９】
ただし、始端部１２ａ及び終端部１２ｂの幅は、λ／２未満としている。中央部１２ｃの幅は、製造上許される範囲でできるだけ小さくすることがより小型化を図る点で好ましい。また、本参考例では、始端部１２ａ及び終端部１２ｂの長さをそれぞれ約λ／８とし、中央部１２ｃの長さを約λ／４としているが、これに限定されるものではない。
【００２０】
なお、始端部１２ａ及び終端部１２ｂの形状は、矩形形状に限定されるものではなく、三角形状、多角形状又は台形形状であってもよいし、その他の形状であってもよい。
【００２１】
このように、始端部１２ａ及び終端部１２ｂで幅を広くすることにより、磁界集中が減るのでその部分のインダクタンスが低下し、また、面積が大きくなるのでその部分のキャパシタンスが増大する。逆に、中央部１２ｃで幅を狭くすることにより、磁界が集中してその部分のインダクタンスが増大し、また、面積が小さくなるのでその部分のキャパシタンスが低下する。このように、電位の高い両端部１２ａ及び１２ｂをよりキャパシティブとし、電位の低い中央部１２ｃをよりインダクティブとすることにより、共振周波数が低下させ、マイクロストリップアンテナ全体の寸法をより小型化させている。しかも、誘電体基板１０として、高価な誘電体材料を用いる必要がなく、低コストの一般的な誘電体材料を使用するのみでよいため、全体の製造コストも低く抑えられる。
【００２２】
図３は本発明のマイクロストリップアンテナの他の参考例におけるパッチパターンを示す平面図である。
【００２３】
同図に示すように、本参考例において、パッチ電極３２のパッチパターンは、電流の流れる方向３４に沿った軸線３５に対して線対称の形状を有している。電流の流れる方向３４に沿った始端部３２ａ及び終端部３２ｂは大きな幅（電流の流れる方向と直交する方向の長さ）を有する長円形状に形成されており、中央部３２ｃはこれより小さな幅を有するストリップ形状に形成されている。
【００２４】
給電端子３３は、電流の流れる方向３４に沿った軸線上の任意の位置でパッチ電極３２に接続されている。
【００２５】
本参考例におけるその他の構成、変更態様及び作用効果は、図１の参考例の場合と全く同様である。
【００２６】
なお、始端部３２ａ及び終端部３２ｂの形状は、長円形状に限定されるものではなく、円形形状であってもよいし、その他の形状であってもよい。
【００２７】
図４は本発明のマイクロストリップアンテナの一実施形態におけるパッチパターンを示す平面図である。
【００２８】
同図に示すように、本実施形態において、パッチ電極４２のパッチパターンは、中心線４５に対して非線対称であるが、中心点４６に対して点対称のＳ字形状を有している。電流の流れる方向に沿った始端部４２ａ及び終端部４２ｂは大きな幅（電流の流れる方向と直交する方向の長さ）を有する矩形形状に形成されており、中央部４２ｃはこれより小さな幅を有するストリップ形状に形成されている。
【００２９】
給電端子４３は、中心線４５から偏移した任意の位置でパッチ電極４２の終端部４２ｂに接続されている。
【００３０】
λ／２アンテナの場合、電極パターンが非線対称形状であると、直交共振モードが励起されることから交差偏波成分が出力されてしまう可能性がある。しかしながら、本発明のマイクロストリップアンテナのごとき小型のアンテナでは、パッチパターンの軸対称性はさほど要求されず、むしろ、本実施形態のように点対称のＳ字形状のパッチパターンとすることにより、同じ面積内で、小さな幅を有する中央部４２ｃの長さをより大きく取れ、さらに、始端部４２ａ及び終端部４２ｂの面積をより大きく取ることができる。その結果、電位の低い中央部４２ｃのインダクタンスをさらに大きくし、電位の高い両端部４２ａ及び４２ｂのキャパシタンスをさらに大きくすることにより、共振周波数をより低下させ、さらなる小型化を図ることが可能である。
【００３１】
本実施形態におけるその他の構成、変更態様及び作用効果は、図１の参考例の場合と全く同様である。
【００３２】
図５は本発明のマイクロストリップアンテナの他の実施形態におけるパッチパターンを示す平面図である。
【００３３】
同図に示すように、本実施形態において、パッチ電極５２のパッチパターンは、中心線５５に対して非線対称であるが、中心点５６に対して点対称のより複雑なＳ字形状を有している。電流の流れる方向に沿った始端部５２ａ及び終端部５２ｂは大きな幅（電流の流れる方向と直交する方向の長さ）を有する矩形形状に形成されており、これらをはるかに小さな幅を有するストリップ部５２ｃで接続するように形成されている。
【００３４】
給電端子５３は、中心線５５から偏移した任意の位置でパッチ電極５２のストリップ部５２ｃに接続されている。
【００３５】
本実施形態では、より複雑化したＳ字形状のパッチパターンであるため、同じ面積内で、小さな幅を有するストリップ部５２ｃの長さをさらにより大きく取れるので、電位の低いこの部分のインダクタンスをさらに大きくすることができ、共振周波数をより低下させ、さらなる小型化を図ることが可能である。
【００３６】
本実施形態におけるその他の構成、変更態様及び作用効果は、図４の実施形態の場合と全く同様である。
【００３７】
図６は本発明のマイクロストリップアンテナのさらに他の参考例におけるパッチパターンを示す平面図である。
【００３８】
同図に示すように、本参考例において、パッチ電極６２のパッチパターンは、電流の流れる方向６４に沿った第１の中心線６５ａ及びこの中心線６５ａに直交する第２の中心線６５ｂの方向にそれぞれ伸びる略十字形状を有している。電流の流れる方向６４に沿った始端部６２ａ及び終端部６２ｂは大きな幅（電流の流れる方向と直交する方向の長さ）を有する台形形状に形成されており、中央部６２ｃはこれより小さな幅を有するストリップ形状に形成されている。また、電流の流れる方向６４とは直交する方向に沿った始端部６２ｄ及び終端部６２ｅは大きな幅を有する台形形状に形成されており、中央部６２ｆはこれより小さな幅を有するストリップ形状に形成されている。
【００３９】
給電端子６３は、第１の中心線６５ａ上の任意の位置（中心点を除く）でパッチ電極６２に接続されている。
【００４０】
本参考例のパッチパターンは、２つのパターンを互いに交差させて配置しているが、その際、直交する２つの同じ周波数の共振モードを結合すべく、上下左右の対称形状をわずかに崩した形状となっている。具体的には、中央部６２ｃ及び６２ｆの形状が第１及び第２の中心線６５ａ及び６５ｂに対して左右及び上下対称とならないように構成している。これにより、直交する２つの共振モードを結合させ、帯域を大幅に拡大させている。
【００４１】
なお、始端部６２ａ及び６２ｄ並びに終端部６２ｂ及び６２ｅの形状は、台形形状に限定されるものではなく、三角形状、矩形形状又は多角形状であってもよいし、その他の形状であってもよい。
【００４２】
本参考例におけるその他の構成、変更態様及び作用効果は、図１の参考例の場合と全く同様である。
【００４３】
図７は本発明のマイクロストリップアンテナのさらに他の実施形態におけるパッチパターンを示す平面図である。
【００４４】
同図に示すように、本実施形態において、パッチ電極７２のパッチパターンは、第１の中心線７５ａ及びこの中心線７５ａに直交する第２の中心線７５ｂの方向にそれぞれ伸びる２つの略Ｓ字形状のパターンを交差させた形状を有している。第１の中心線７５ａに沿った始端部７２ａ及び終端部７２ｂは大きな幅（電流の流れる方向と直交する方向の長さ）を有する矩形形状に形成されており、これらをはるかに小さな幅を有するストリップ部７２ｃで接続するように形成されている。また、この中心線７５ａに直交する第２の中心線７５ｂの方向に沿った始端部７２ｄ及び終端部７２ｅは大きな幅を有する矩形形状に形成されており、これらをはるかに小さな幅を有するストリップ部７２ｆで接続するように形成されている。
【００４５】
給電端子７３は、第１の中心線７５ａから偏移した任意の位置でパッチ電極７２の終端部７２ｅに接続されている。
【００４６】
本実施形態においても、２つのパターンを互いに交差させて配置しているが、その際、直交する２つの同じ周波数の共振モードを結合すべく、上下左右の対称形状をわずかに崩した形状となっている。具体的には、ストリップ部７２ｃ及び７２ｆの形状が第１及び第２の中心線７５ａ及び７５ｂに対して左右及び上下対称とならないように構成している。これにより、直交する２つの共振モードを結合させ、帯域を大幅に拡大させている。
【００４７】
なお、始端部７２ａ及び７２ｄ並びに終端部７２ｂ及び７２ｅの形状は、矩形形状に限定されるものではなく、三角形状、多角形状、台形形状、円形状又は長円形状であってもよいし、その他の形状であってもよい。
【００４８】
本実施形態におけるその他の構成、変更態様及び作用効果は、図１の参考例の場合と全く同様である。
【００４９】
以上述べた参考例及び実施形態におけるマイクロストリップアンテナは、誘電体基板の裏面に設置電極を、表面にパッチ電極をそれぞれ形成した構造を有しているが、誘電体基板を設けることなく空気を介して設置電極とパッチ電極とが対向するようにこれらを支持固定するような構造のマイクロストリップアンテナに対しても本発明は適用可能である。このように誘電体層に空気層を用いれば、誘電体材料が全く不要であるため、製造コストを大幅に低減することができる。
【００５０】
以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明では、パッチパターンとして、電流の流れる方向に沿った始端部及び終端部が大きな幅を有しており、中央部が小さな幅を有するように構成している。端部では、幅を広くすることにより、磁界集中が減るのでその部分のインダクタンスが低下し、また、面積が大きくなるのでその部分のキャパシタンスが増大する。逆に、中央部では、幅を狭くすることにより、磁界が集中してその部分のインダクタンスが増大し、また、面積が小さくなるのでその部分のキャパシタンスが低下する。このように、電位の高い端部をよりキャパシティブとし、電位の低い中央部をよりインダクティブとすることにより、共振周波数が低下する。その結果、マイクロストリップアンテナの寸法がより小型化される。しかも、その際に、電極間に高価な誘電体層を用いる必要がなく、空気層又は低コストの一般的な誘電体材料によって形成された誘電体基板を使用するのみでよい。即ち、本発明によれば、マイクロストリップアンテナを低コストとしかつその小型化を図ることができる
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のマイクロストリップアンテナの一参考例における構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】 図１のパッチパターンを示す平面図である。
【図３】 本発明のマイクロストリップアンテナの他の参考例におけるパッチパターンを示す平面図である。
【図４】 本発明のマイクロストリップアンテナの一実施形態におけるパッチパターンを示す平面図である。
【図５】 本発明のマイクロストリップアンテナの他の実施形態におけるパッチパターンを示す平面図である。
【図６】 本発明のマイクロストリップアンテナのさらに他の参考例におけるパッチパターンを示す平面図である。
【図７】 本発明のマイクロストリップアンテナのさらに他の実施形態におけるパッチパターンを示す平面図である。
【符号の説明】
１０ 誘電体基板
１１ 接地電極
１２、３２、４２、５２、６２、７２ パッチ電極
１２ａ、３２ａ、４２ａ、５２ａ、６２ａ、６２ｄ、７２ａ、７２ｄ 始端部
１２ｂ、３２ｂ、４２ｂ、５２ｂ、６２ｂ、６２ｅ、７２ｂ、７２ｅ 終端部
１２ｃ、３２ｃ、４２ｃ、６２ｃ、６２ｆ 中央部
１３ ３３、４３、５３、６３、７３ 給電端子
１４、３４、６４ 電流の流れる方向
１５ 軸線
４５、５５、６５ａ、６５ｂ、７５ａ、７５ｂ 中心線
４６、５６ 中心点
５２ｃ、７２ｃ、７２ｆ ストリップ部

Claims (7)

1. 誘電体層を介して互いに対向するように支持された接地電極とパッチ電極とを備えており、該パッチ電極は、電流の流れる方向に沿った始端部及び終端部の幅が大きく、中央部の幅がこれより小さいリアクタンス装荷パターンを有しており、該リアクタンス装荷パターンは、前記パッチ電極の中心点について点対称形状を有する単一の略Ｓ字形状であることを特徴とするマイクロストリップアンテナ。
2. 誘電体層を介して互いに対向するように支持された接地電極とパッチ電極とを備えており、該パッチ電極は、電流の流れる方向に沿った始端部及び終端部の幅が大きく、中央部の幅がこれより小さいリアクタンス装荷パターンを有しており、該リアクタンス装荷パターンは、前記パッチ電極の中心点について点対称形状を有する互いに直交する２つの略Ｓ字形状であることを特徴とするマイクロストリップアンテナ。
3. 前記誘電体層が、空気層であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロストリップアンテナ。
4. 前記誘電体層が誘電体材料によって形成された誘電体基板であり、前記接地電極が該誘電体基板の裏面に形成されており、前記パッチ電極が該誘電体基板の表面に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロストリップアンテナ。
5. 前記リアクタンス装荷パターンが、電流の流れる方向に沿った軸線について線対称形状を有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
6. 前記リアクタンス装荷パターンの前記始端部及び前記終端部が、それぞれ矩形形状であることを特徴とする請求項５に記載のマイクロストリップアンテナ。
7. 前記リアクタンス装荷パターンの前記始端部及び前記終端部が、それぞれ円形又は長円形状であることを特徴とする請求項５に記載のマイクロストリップアンテナ。

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