JP4383411B2 - パッチアンテナ - Google Patents

Description

この発明はパッチアンテナに関し、特にたとえば、携帯電話機に利用される、誘電体基板の各主面に形成された地導体およびパッチ導体を有し、非対称な指向性を有するパッチアンテナに関する。

携帯電話機では、人間の頭部に接近して使用するため、その頭の影響でアンテナ利得が低下する。そこで、人体との結合による影響を小さくするために、人体（頭）の方向とそれ以外の方向とで指向性を非対称にすることが考えられる。

非対称な指向性が得られるパッチアンテナの一例が特許文献１および特許文献２に開示されている。

特許文献１の先行技術は、低周波用パッチアンテナの上に高周波用フェーズドアレイアンテナを構成したものである。低周波用パッチアンテナで広い指向性を得て、高周波用フェーズドアレイアンテナで所定方向への指向性を得ることで、任意の指向性を設計または設定することができる。

特許文献２の先行技術は、パッチアンテナ素子から一定の間隔離れた位置に同じ形状寸法の無給電素子を取り付けたものである。無給電素子が反射板の役目を持ちアンテナパターンを任意の方向に反射させて非対称の指向性を得る。
特開平8-186437号公報［H01Q 21/28,G01S 7/03,H01Q 13/08,21/06] 特開平10-270932号公報 ［H01Q 13/08,19/10]

特許文献１の先行技術では構成が複雑になるばかりでなく、たとえば携帯電話機のような比較的低い周波数では寸法が大きくなり過ぎて利用できない。また、特許文献２の先行技術では、２つのパッチ間に約１／２波長の距離を持たせなければならないが、これをたとえば携帯電話機の周波数、たとえば２ＧＨｚで計算すると約７．５ｃｍもの長さになってしまう。したがって、特許文献１の先行技術と同様に、内蔵場所に制約ができるので携帯電話機などの小型機器に適用するのが難しい。

それゆえに、この発明の主たる目的は、新規な、パッチアンテナを提供することである。

この発明の他の目的は、非対称指向性を有し、しかも小型化可能な、パッチアンテナを提供することである。

この発明は、ハウジングおよびハウジングに内蔵されるパッチアンテナを備える携帯電話機であって、パッチアンテナは、誘電体基板と、この誘電体基板の一方主面に形成される地導体と、誘電体基板の他方主面に形成されるパッチ導体とを含み、さらにパッチ導体と地導体との間隔を波長依存長さ方向において不均一にすることによってパッチ導体の波長依存長さ方向においてパッチアンテナの放射効率を変化させ、パッチアンテナを、波長依存長さ方向がハウジングの厚み方向に沿うようにし、かつ放射効率が大きくなる側をハウジングの人間の頭と接する側とは反対側に向けるように配置したことを特徴とする、携帯電話機である。

パッチ導体の波長依存長さ方向においてパッチ導体と地導体との間隔を不均一にし、その波長依存長さ方向における放射効率を変化させることによって、当該方向におけるアンテナ指向特性が変化し、非対称な指向性を得ることができる。

他の実施例では、パッチ導体と地導体との間隔を不均一にするために、誘電体基板の波長依存長さ方向において厚みを変化させる。

そして、さらに他の実施例では、放射効率を変化させるために、波長依存長さ方向において誘電体基板の誘電率を変化させる。

なお、パッチ導体の上に誘電体を装荷することによって、アンテナのパッチ導体の波長依存長さ方向の長さを短くし、全体としてコンパクトなパッチアンテナが得られる。

このようなパッチアンテナを携帯電話機に内蔵する場合、上述のパッチ導体の波長依存長さ方向の長さが携帯電話機のハウジングの厚み方向に沿うように配置し、さらに、放射効率が大きい側を、人間の頭に接する側とは反対側に向くようにする。そうすれば、人間の頭との結合に起因するアンテナ利得低下を効果的に減少できる。

この発明によれば、放射効率を変化させるだけで非対称指向性が得られるので、従来技術のフェーズドアレイアンテナや反射用の無給電素子を用いる必要がなく、小型化が可能である。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

図１および図２に示すこの実施例のパッチアンテナ１０は、誘電体からなる基板１２を含む。実施例では、誘電体基板１２はアルミナであり、その誘電率（εｒ）はたとえば９．７である。ただし、誘電体基板１２としては、他のセラミック誘電体が用いられてもよく、セラミック誘電体以外の誘電体が用いられてもよい。そして、この実施例のパッチアンテナ１０の寸法は、全体としては、幅５０ｍｍ×長さ６０ｍｍ×厚み４ｍｍ程度の大きさである。ただし、このサイズは単なる一例であり、誘電率や周波数に応じて変化する。

誘電体基板１２の上面には、その幅方向の中央に、たとえば銅のような金属からなる幅１０ｍｍのパッチ導体１４が形成される。また、パッチ導体１４の長さはこのアンテナの使用波長（周波数）によって決まり、この実施例のパッチアンテナ１０は周波数帯が２ＧＨｚの携帯電話機に用いるため、パッチ導体１４の長さは２５ｍｍとされる。このように波長に依存する長さを、波長依存長さと呼ぶことがある。

そして、誘電体基板１２の下面には、特に図２からよく分かるように、段差１６が形成される。この段差１６が形成される位置は、この実施例では、上記波長依存長さ方向の誘電体基板１２の長さを６０ｍｍとすると、その長さ方向において、誘電体基板１２の左端から４０ｍｍの位置である。ただし、この段差１６の位置も単なる一例であり、パッチ導体１４の長さの範囲内、すなわちパッチ導体１４の下なら適宜変更され得る。

そして、上述の段差１６を有する誘電体基板１２の下面には、パッチ導体１４と同様の銅などの金属からなる地導体１８がその全面に形成される。

さらに、誘電体１２の下面側にコネクタ２０が設けられ、このコネクタ２０の外導体２０ａは地導体１８に接続され、内導体２０ｂは、地導体１８および誘電体基板１２を貫通して誘電体基板１２の上面側にもたらされ、パッチ導体１４に接続される。

誘電体基板１２に上述のように段差１６を形成することによって、パッチ導体１４の長さ方向左側の２２．５ｍｍの範囲と、右側の２．５ｍｍの範囲とで、パッチ導体１４と地導体１８との間の間隔が不均一となる。つまり、左側では、パッチ導体１４と地導体１８との間隔Ｇ１は４ｍｍであるが、右側では、パッチ導体１４と地導体１８との間隔Ｇ２は１ｍｍである。つまり、この実施例では、パッチ導体１４の波長依存長さ方向において誘電体基板１２の厚みが不均一とされている。

基板厚みを不連続または不均一としたとき、図３に示す実験結果によれば、基板厚みに応じて放射効率が変化することがわかる。図３では実線が誘電率（εｒ）が１の空気中における放射効率変化を示し、点線が誘電率９．７のアルミナ基板を用いた実施例の場合の放射効率の変化を示し、一点鎖線は誘電率３７の基板を用いた場合の放射効率の変化を示す。このように、波長依存長さ方向の放射効率を変化させることによって、図４に示すようにアンテナ利得が非対称となり、したがって、図５に示すような非対称指向性が実現できる。ちなみに、図６が一般的なパッチアンテナの指向性を示すが、この図６では指向性は対称になっている。

図１および図２で示した実施例では、誘電体基板厚み（パッチ導体と地導体との間隔）を波長依存長さ方向で不均一とするために、段差１６より右側の厚みを１ｍｍと一定にした。しかしながら、図７に示す実施例のように、長さ方向の一部においてのみ基板厚みを薄くするようにしてもよい。つまり、この図７実施例では、段差１６から段差１７までの間の基板厚みＧ２が他の部分の基板厚みＧ１より小さくされる。実施例では、Ｇ１＝４ｍｍで、Ｇ２＝１ｍｍである。この図７の実施例でもパッチアンテナ１０の長さ方向における放射特性は左右非対称になることが実験の結果確認されている。したがって、図７実施例においても、パッチアンテナ１０は非対称指向性を有するものとなる。

さらに、先の２つの実施例ではいずれも、厚みが薄い部分の地導体１８の厚みを厚くして、パッチアンテナ全体としては均一な厚み、たとえば４ｍｍになるようにしたが、図８および図９に示すように、誘電体基板１２の厚みの如何に拘わらず導体１８の厚みを一定にするようにしてもよい。この場合には、当然、導体材料の節約になる。ただし、機械的強度が弱くなる。

さらに、上述の実施例では、放射特性を不均一にするために誘電体基板１２の厚み、すなわちパッチ導体１４と地導体１８との間の間隔を不均一または不連続とした。しかしながら、図１０の実施例のように、誘電率を長さ方向において不均一または不連続にするようにしてもよい。

詳しく述べると、図１０に示すパッチアンテナ１０において、誘電体基板１２は、先の実施例の段差に相当する位置で誘電体率が不連続にされている。たとえば、左側の誘電体基板１２１はアルミナで形成しその誘電率はたとえば９．７とし、右側の誘電体基板１２２はたとえば高誘電率のセラミックスで形成しその誘電率をたとえば３７とした。このようにパッチ導体１４の波長依存長さ方向において誘電体基板１２の誘電率を変化させても、その方向における放射特性を不均一にすることができ、したがって、非対称指向性を実現することができる。

なお、上述の実施例ではパッチアンテナのＥ面での非対称指向性を得た。しかしながら、この発明は、Ｈ面における非対称指向性を実現するためにも利用可能である。

先の実施例において、誘電体基板１２を高比誘電率の材料で形成することによって、上述のアンテナサイズをさらに小型化することができる。具体的には、比誘電率が１００以上の材料を用いるとよい。このような高比誘電率を用いて小型化したこの発明のさらに他の実施例が図１１および図１２に示される。

図１１および図１２に示す実施例では、比誘電率が１００以上の誘電体材料からなる誘電体基板１２を用い、誘電体基板１２のサイズをたとえば７×１２ｍｍとした。

ただし、この図１１および図１２に示す実施例においても、パッチアンテナ１０の、アンテナの長さ方向（パッチ導体１４の波長依存長さ方向）において放射効率が変化されていることはもちろんである。具体的には、この実施例では、誘電体基板１２に段差１６が形成されている。

さらに小型化するために、図１３および図１４に示す実施例のパッチアンテナ１０が提案される。

図１３および図１４に示す実施例では、誘電体基板１２の材料として比誘電率が１００以上の材料を用い、そのサイズを、たとえば１０×５ｍｍとした。そして、その誘電体基板１２の上に、同じサイズのパッチ導体１４を形成する。パッチ導体１４の上に、誘電体基板１２と同じかまたは同様の材料（高比誘電率）からなる誘電体シートまたはプレート２２を装荷する。この装荷誘電体２２のサイズも誘電体基板２２と同じ、たとえば１０×５ｍｍとした。その他の部分は図１３および図１４に示す実施例のパッチアンテナ１０と同様である。

ただし、この図１３および図１４に示す実施例においても、パッチアンテナ１０の、アンテナの長さ方向（パッチ導体１４の波長依存長さ方向）において放射効率が変化されていることはもちろんである。具体的には、この実施例でも、誘電体基板１２に段差１６が形成されている。

図１１および図１２に示す実施例または図１３および図１４に示す実施例のようにパッチアンテナ１０の長さが１０ｍｍ程度になれば、携帯電話機に内蔵することができる。

上で説明した実施例のパッチアンテナ１０を携帯電話機に内蔵した状態が図１５に示される。この携帯電話機１００は、ハウジング１０２を含む。ハウジング１０２の一方側面、すなわち人間の頭（図示せず）と接近しまたは接する側の面には、たとえばＬＣＤパネルからなるディスプレイ１０４が設けられ、その同じ面のディスプレイ１０４の下方に、キーボード１０６が配置される。したがって、ユーザは、ディスプレイ１０４を見ながらキーボード１０６を操作して、メールの送信や受信が可能である。

一方、ハウジング１０２内には必要な電子回路１１０（たとえばコンピュータチップやメモリ素子などを含む）をマウントした基板１０８が内蔵される。パッチアンテナ１０は、好ましくは、この基板１０８上に取り付けられ、図示しないが、導線によって、電子回路１１０に接続される。ただし、携帯電話機においてアンテナがどのように接続されるかについては、よく知られたところであり、ここでは、それ以上の詳細な説明は省略する。パッチアンテナ１０は、その長さ方向（パッチ導体１４の波長依存長さ方向）がハウジング１０２の厚み方向と一致する方向に配置される。したがって、この実施例の携帯電話機１００のハウジング１０２の厚みは、少なくとも１０ｍｍ以上である。ただし、パッチアンテナ１０の小型化がさらに進めば、それに応じて携帯電話機１００のハウジング１０２の厚みも薄くすることができる。

この実施例の携帯電話機１００で電話をかけるあるいは電話を受けるときには、一般的によく知られているように、ディスプレイ１０４の近傍に設けられたスピーカ（図示せず）を耳に当てて会話する。したがって、ディスプレイ１０４が設けられている側、すなわち人間の頭に接する側ではパッチアンテナ１０は人体と結合することになる。

そこで、図１５の実施例では、パッチアンテナ１０の放射効率が大きくなる側、すなわち放射パターンが大きい側が、人間の頭に接する側とは反対側になるように、パッチアンテナ１０が配置される。それによって、携帯電話機１００のアンテナ特性が人体との結合の影響を受けにくくなる。

なお、図１５の実施例では、携帯電話機１００のハウジング１０２内上部にパッチアンテナ１０を配置した。しかしながら、パッチアンテナ１０の配置場所は、任意の位置でよく、たとえばハウジング１０２内の下端などが容易に考えられる。

さらに、図１５の実施例では、携帯電話機１００のハウジング１０２はストレート型のものであったが、折り畳み式（foldableまたはcollapsible）ハウジング、回転式（relatable）ハウジング、あるいはスライド式（slidable）ハウジングであってもよい。この場合にも、アンテナの収納場所は任意の可能な位置でよい。

図１はこの発明の一実施例のパッチアンテナを示す斜視図である。 図２は図１実施例のパッチアンテナの側面図である。 図３は図１実施例で実験して計測した放射効率の変化を示すグラフである。 図４は図１実施例で計算したアンテナ利得の変化を示す図解図である。 図５は図１実施例で得られるＥ面の放射パターンを示す図解図である。 図６は一般的なパッチアンテナのＥ面の放射パターンを示す図解図である。 図７は図１実施例の変形例を示す図解図である。 図８は図１実施例の他の変形例を示す図解図である。 図９は図１実施例のさらに他の変形例を示す図解図である。 図１０はこの発明の他の実施例を示す図解図である。 図１１はこの発明のさらに他の実施例のパッチアンテナを示す斜視図である。 図１２は図１１実施例のパッチアンテナの側面図である。 図１３はこの発明のその他の実施例のパッチアンテナを示す斜視図である。 図１４は図１３実施例のパッチアンテナの側面図である。 図１５はこの発明のパッチアンテナを内蔵した携帯情報端末の一例を示す図解図である。

符号の説明

１０ …パッチアンテナ
１２，１２１，１２２ …誘電体基板
１４ …パッチ導体
１６，１７ …段差
１８ …地導体
２０ …コネクタ
Ｇ１，Ｇ２ …間隔

Claims (11)

1. ハウジングおよび前記ハウジングに内蔵されるパッチアンテナを備える携帯電話機であって、
   前記パッチアンテナは、誘電体基板と、この誘電体基板の一方主面に形成される地導体と、前記誘電体基板の他方主面に形成されるパッチ導体とを含み、さらに
   前記パッチ導体と前記地導体との間隔を波長依存長さ方向において不均一にすることによって前記パッチ導体の前記波長依存長さ方向において前記パッチアンテナの放射効率を変化させ、前記パッチアンテナを、前記波長依存長さ方向が前記ハウジングの厚み方向に沿うようにし、かつ放射効率が大きくなる側を前記ハウジングの人間の頭と接する側とは反対側に向けるように配置したことを特徴とする、携帯電話機。
2. 前記波長依存長さ方向において前記誘電体基板の厚みを変化させた、請求項１記載の携帯電話機。
3. 前記誘電体基板は、前記パッチ導体の前記波長依存長さ方向において前記誘電体基板の厚さを互いに異なる第１の厚さと第２の厚さとに分ける段差を有する、請求項１または２記載の携帯電話機。
4. 前記段差が、前記パッチ導体の前記波長依存長さ方向における中心以外の位置に配置されている、請求項３記載の携帯電話機。
5. 前記段差が、前記地導体側に形成されている、請求項４記載の携帯電話機。
6. 前記地導体が、前記誘電体基板の前記第１の厚さおよび前記第２の厚さのいずれか薄い部分に、前記誘電体基板の前記第１の厚さおよび前記第２の厚さのいずれか厚い部分の厚さまで充填されている、請求項３ないし５のいずれかに記載の携帯電話機。
7. 前記地導体が、均一な厚さである、請求項１ないし４のいずれかに記載の携帯電話機。
8. ハウジングおよび前記ハウジングに内蔵されるパッチアンテナを備える携帯電話機であって、
   前記パッチアンテナは、誘電体基板と、この誘電体基板の一方主面に形成される地導体と、前記誘電体基板の他方主面に形成されるパッチ導体とを含み、さらに
   前記パッチ導体の波長依存長さ方向において前記誘電体基板の誘電率を変化させ、前記パッチアンテナを、前記波長依存長さ方向が前記ハウジングの厚み方向に沿うようにし、かつ放射効率が大きくなる側を前記ハウジングの人間の頭と接する側とは反対側に向けるように配置したことを特徴とする、携帯電話機。
9. 前記誘電率が変化する部分が、前記パッチ導体の前記波長依存長さ方向における中心以外の位置である、請求項８記載の携帯電話機。
10. ハウジングおよび前記ハウジングに内蔵されるパッチアンテナを備える携帯電話機であって、
    前記パッチアンテナは、誘電体基板と、この誘電体基板の一方主面に形成される地導体と、前記誘電体基板の他方主面に形成されるパッチ導体とを含み、さらに
    前記誘電体基板に形成された凹部を、その中心が前記パッチ導体の波長依存長さ方向における中心以外の位置に配置することによって前記パッチ導体の前記波長依存長さ方向において放射効率を変化させ、前記パッチアンテナを、前記波長依存長さ方向が前記ハウジングの厚み方向に沿うようにし、かつ放射効率が大きくなる側を前記ハウジングの人間の頭と接する側とは反対側に向けるように配置したことを特徴とする、携帯電話機。
11. 前記パッチ導体の上に誘電体を装荷した、請求項１ないし１０のいずれかに記載の携帯電話機。

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