JP6048531B2

JP6048531B2 - パッチアンテナ装置及び電波受信機器

Info

Publication number: JP6048531B2
Application number: JP2015087174A
Authority: JP
Inventors: 阿部　和明; 和明阿部
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2031-08-12
Also published as: JP2015159597A

Description

本発明は、パッチアンテナ装置、及び当該パッチアンテナ装置を備えた電波受信機器に
関するものである。

従来、誘電体板の上面に矩形の平面放射電極が配設されて円偏波信号を送受信するパッ
チアンテナを備えるパッチアンテナ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このようなパッチアンテナ装置は、パッチアンテナの軸比が円偏波信号の周波数と一致
するように、平面放射電極の辺の長さを調整して構成されている。

特開２００２−１９８７２５号公報

しかしながら、例えば、カメラや腕時計などの携帯型の電波受信機器に搭載される小型
のＧＰＳ(Global Positioning System)装置などでは、幅の狭い直方体の筐体内にパッチ
アンテナ装置を実装しなければならない場合がある。この場合、筐体が狹幅のため誘電体
板自体の寸法を筐体の狹幅に合わせて小さくする必要がある。
この場合、スケール則に従って、誘電体板及び平面放射導体を同じ比率で小さくすると
、パッチアンテナの体積が減少するので、アンテナ特性が劣化することになる。
一方、パッチアンテナの体積が減少しないように、誘電体板及び平面放射導体の幅方向
の長さを筐体の幅方向の長さに合わせて小さくする一方で、誘電体板及び平面放射導体の
幅方向に直交する長さを大きくすると、直線偏波のアンテナになるため，円偏波のアンテ
ナと比較して受信電力が半分になってしまうという問題がある。

本発明は、かかる問題点に鑑みなされたもので、簡単な構成で、円偏波特性が得られる
ように調整された、高利得なパッチアンテナ装置及び電波受信機器を提供することを目的
としている。

本発明に係るパッチアンテナ装置は、
誘電体板、この誘電体板の一方の面に配置された平面放射電極、前記誘電体板の他方の面に配置された接地電極、給電部材を備えているパッチアンテナ装置において、
前記平面放射電極は、
前記誘電体板の相対向する２辺に対応する部分に設けられた第一の長さのスリットと、
前記第一の長さのスリットに対して短い長さの第二の長さのスリットと、
を備え、
前記第一の長さのスリットと前記第二の長さのスリットを備えることにより２つの共振周波数の周波数差を変化させることを特徴とする。
また、本発明に係る電波受信機器は、上記パッチアンテナ装置を機器本体に備えていることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で、良好な円偏波特性が得られるように調整された、高利得なパッチアンテナ装置及び電波受信機器が実現できる。

この発明の第１の実施形態に係るパッチアンテナ装置の斜視図である。図１のパッチアンテナ装置の平面図である。図１のパッチアンテナ装置を回路基板に実装した状態を示す要部断面図である。図１のパッチアンテナ装置の給電位置を説明するための一部切り欠き平面図である。図１のパッチアンテナ装置の放射特性を示すグラフである。この発明の第２の実施形態に係るパッチアンテナ装置の斜視図である。図６のパッチアンテナ装置の平面図である。図５のパッチアンテナ装置を回路基板に実装した状態を示す要部断面図である。図６のパッチアンテナ装置を適用したディジタルカメラの斜視図である。図９のディジタルカメラの一部を拡大して示す斜視図である。パッチアンテナ装置の第１の変形例を示す平面図である。パッチアンテナ装置の第２の変形例を示す平面図である。パッチアンテナ装置の第３の変形例を示す平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

実施形態に係るパッチアンテナ装置１００は、図１〜図３に示すような構造を有してお
り、パッチアンテナ１１０及び導電接地部材１２０を備えている。

このうちパッチアンテナ１１０は、矩形の平面放射電極１１３、矩形の誘電体板１１４
、矩形の接地電極１１５（図３参照）及び給電部材１１６を備えている。
ここで、誘電体板１１４は平面視で縦長の長方形であり、例えば、セラミックを材料に
構成されている。

この誘電体板１１４の上面には平面放射電極１１３が形成されている。この平面放射電
極１１３は平面視で縦長の長方形であり、例えば、所定の厚さの銀箔、金属板又は金属膜
等で構成されている。この平面放射電極１１３は、平面視で誘電体板１１４の中に収まる
大きさに形成されている。そして、平面放射電極１１３の長辺は誘電体板１１４の長辺と
平行となっており、また、平面放射電極１１３の短辺は誘電体板１１４の短辺と平行とな
っている。
この平面放射電極１１３の相対向する２つの短辺のそれぞれには、相手方の短辺に向け
て延びるスリット１１７が１本ずつ形成されている。この２本のスリット１１７，１１７
は平面放射電極１１３の中心を挟んで互いに向かい合う位置に形成されている。

また、図３に示すように、誘電体板１１４の下面には接地電極１１５が形成されている
。この接地電極１１５は、給電部材１１６が位置している箇所及びその周辺を除いて、誘
電体板１１４の裏面全体に形成されている。つまり、接地電極１１５の外形は、誘電体板
１１４と同様に長方形となっている。この接地電極１１５は、例えば、所定の厚さの銀箔
、金属板又は金属膜等で構成されている。

一方、導電接地部材１２０は、図２に示すように、平面視で誘電体板１１４よりも通常
は大きな形状で、パッチアンテナ１１０の接地電極１１５と両面テープで固定されている
。導電接地部材１２０の形状は，特に正方形である必要はなく，できるだけ面積を大きく
することが望ましい。
そして、この導電接地部材１２０と上記誘電体板１１４とを貫通するように給電部材１
１６が設けられている。この給電部材１１６の上端は平面放射電極１１３に半田を介して
電気的に接続されている。

また、図３に示すように、回路のＧＮＤに相当する導電接地部材１２０の下方には回路
基板１３０が位置している。そして、上記給電部材１１６の下端部は、この回路基板１３
０を貫通し、当該回路基板１３０の下面に形成された導電パターン１３０ａを介して図示
しない送信回路及び／又は受信回路に電気的に接続されている。
なお、この実施の形態では、矩形の平面放射電極１１３の縦方向の長さ（Ｌ１）は、９
．５ｍｍ、横方向の長さ（Ｌ２）は、９．３ｍｍとし、矩形の誘電体板１１４の縦方向の
長さ（Ｌ３）は、１２ｍｍ、横方向の長さ（Ｌ４）は、１１ｍｍ、厚さ（Ｌ５）は、４ｍ
ｍとし、各スリット１１７の長さ（Ｌ６）は、２．４５ｍｍとしているが、これらの寸法
に限定されず、他の寸法でもよい。

次に、パッチアンテナ装置１００の給電位置、スリット１１７の長さ及び平面放射電極
１１３の長さについて説明する。
給電部材１１６の上端が平面放射電極１１３に電気的に接続された位置が給電位置であ
る。図４に示すように、ここでは、給電位置は、平面放射電極１１３の中心Ｏを通り且つ
平面放射電極１１３の短辺に平行な軸（Ｙ軸）に対して、４５°傾けた直線上の位置で且
つ適切なインピーダンス（５０Ω）となる位置に設定されている。
また、スリット１１７の長さ（Ｌ６）及び平面放射電極１１３の長さ（Ｌ１、Ｌ２）は
、給電位置が上記設定された位置に維持されることを前提に、パッチアンテナ１１０の２
つの共振周波数に対して位相差が９０°となるように調整されている。
これによって、良好な円偏波特性を有するパッチアンテナ装置１００が実現できる。

図５は、このパッチアンテナ装置１００の放射特性についてシミュレーションした結果
を示すグラフである。
同図においては実線が右旋円偏波に対するアンテナ利得を、破線が左旋円偏波に対する
アンテナ利得をそれぞれ示している(単位はdBic)。
同図によれば、アンテナの天頂方向（図４の０°の位置）において、右旋偏波利得が大
きく、逆に、その天頂方向では左旋偏波利得が小さくなっていることが分かる。そして、
円偏波における左回りと右回りとを識別する能力である交差偏波識別度として約１６ｄＢ
が得られていることが分かる。これは円偏波アンテナとして、十分な性能が得られている
ことを意味している。

以上のように構成されたパッチアンテナ装置１００によれば次のような効果を得ること
ができる。
すなわち、平面放射電極１１３において、矩形の誘電体板１１４の相対向する短辺と対
応する部分のそれぞれに、相対向する他の短辺と対応する部分に向けて延びるスリット１
１７を形成しているので、パッチアンテナ１１０の２つの共振周波数のうちの高い周波数
を低く変化させることができる。また、平面放射電極１１３への給電部材１１６の給電位
置を、平面放射電極１１３の中心Ｏを通り且つ平面放射電極１１３の短辺に平行な軸（Ｙ
軸）に対して、４５°傾けた直線上の位置で且つ適切なインピーダンス（５０Ω）となる
位置に設定しているので、平面放射電極１１３の辺の長さ及びスリット１１７の長さを変
えることで，２つの共振周波数に対して位相差が９０°となるように調整することができ
る。よって、簡単な構成で、円偏波特性が得られるように調整された、高利得なパッチア
ンテナ装置１００が実現できる。
また、平面放射電極１１３の相対向する短辺側の位置に、平面放射電極１１３の中心に
向けて延びる２本のスリット１１７、１１７を形成しているので、図２に示すように、平
面放射電極２１３を流れる電流は、この２本のスリット１１７、１１７の周囲を破線で示
すように迂回しながら流れることになるので、電流経路の長さをより長くすることができ
る。このために、平面放射電極１１３の短辺の長さ方向の電流経路を実質的に長くし、高
い方の共振周波数と、低い方の共振周波数とのずれを効果的に小さくすることができる。
また、２本のスリット１１７，１１７を形成することによって、誘電体板１１４の短辺方
向の長さを実質的に長くしたのと同じ結果が得られるので、筐体が狹幅の電波受信機器に
も容易に搭載することができる。

［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態のパッチアンテナ装置の斜視図、図７は、このパッチアンテナ
装置の平面図、図８は、このパッチアンテナ装置を回路基板に実装した状態を示す要部断
面図である。
この第２の実施形態に係るパッチアンテナ装置２００は、図６〜図８に示すような構造
を有しており、パッチアンテナ２１０及び導電接地部材２２０を備えている。

このうち、パッチアンテナ２１０は、平面放射電極２１３、誘電体板２１４、接地電極
２１５及び給電部材２１６を備えている。このパッチアンテナ２１０における平面放射電
極２１３、誘電体板２１４、接地電極２１５及び給電部材２１６は、第１の実施形態のパ
ッチアンテナ１１０における平面放射電極１１３、誘電体板１１４、接地電極１１５及び
給電部材１１６に対応している。
また、給電位置の設定、スリット２１７の長さ及び平面放射電極２１３の寸法の調整は
、第１の実施形態と同様な方法によってなされている。
なお、導電接地部材２２０及び回路基板２３０は、第１の実施形態の導電接地部材１２
０及び回路基板１３０に対応している。
そこで、共通部分の詳しい説明は省略し、主に、相違する部分について説明する。

このパッチアンテナ装置２００においては、平面放射電極２１３及び誘電体板２１４の
双方が第１の実施形態の場合に比べて、より細長くなっている。
すなわち、平面放射電極２１３の縦の辺（長辺）の長さ（Ｌ１）は、第１の実施形態の
平面放射電極１１３の縦の辺（長辺）の長さ（Ｌ１）とほぼ同じであり、平面放射電極２
１３の横の辺（短辺）の長さ（Ｌ２）は第１の実施形態の平面放射電極１１３の横の辺（
短辺）の長さ（Ｌ２）よりも短く形成されている。
すなわち、この実施の形態では、矩形の平面放射電極２１３の縦方向の長さ（Ｌ１）は
、９．２ｍｍ、横方向の長さ（Ｌ２）は、８．４ｍｍとし、矩形の誘電体板１１４の縦方
向の長さ（Ｌ３）は、１３ｍｍ、横方向の長さ（Ｌ４）は、１０ｍｍ、厚さ（Ｌ５）は、
３ｍｍとし、各スリット２１７ａ〜２１７ｃの長さ（Ｌ６２、Ｌ６１、Ｌ６２）は、３．
１ｍｍ、１．２ｍｍ、３．１ｍｍとしている。しかし、これらの寸法に限定されず、他の
寸法でもよい。
このような場合において、第１の実施形態のパッチアンテナ１１０と同じように平面放
射電極２１３の２つの短辺それぞれにスリットを１本ずつ形成するとすれば、縦方向の長
さ（Ｌ１）は第１の実施形態の場合とあまり変わらないのに対して、横方向の長さ（Ｌ３
）が第１の実施形態の場合よりも大幅に小さくなっているので、パッチアンテナ２１０の
２つの共振周波数のうち高い方の共振周波数が第１の実施形態の場合よりも高くなってし
まい、高い方の共振周波数と低い方の共振周波数とのずれが大きくなり、送受信する円偏
波信号の周波数をアンテナの軸比の最良点と一致させることが困難となる。
そこで、第１の実施形態と同様のアンテナ特性を得るために、平面放射電極２１３の２
つの短辺側の位置に、当該短辺に開口し相手方（相対向する）の短辺に向けて延びる各３
本のスリット２１７ａ，２１７ｂ，２１７ｃを形成することによって、当該短辺の長さ方
向の電流経路を実質的に長くし、高い方の共振周波数と、低い方の共振周波数とのずれを
小さくしている。
しかも、この実施の形態の場合、３本のスリット２１７ａ，２１７ｂ，２１７ｃのうち
、中央の１本のスリット２１７ｂの長さ（Ｌ６１）を左右の他の２本のスリット２１７ａ
，２１７ｃの長さ（Ｌ６２）よりも短く形成している。このようにすれば、平面放射電極
２１３を流れる電流は、長さの異なる３本のスリット２１７ａ，２１７ｂ，２１７ｃの周
囲を破線で示すように迂回しながら流れることになるので、３本のスリット２１７ａ，２
１７ｂ，２１７ｃを同じ長さにした場合に比べて、電流経路の全体の長さをより長くする
ことができる。このために、平面放射電極２１３の短辺の長さ方向の電流経路を実質的に
長くし、高い方の共振周波数と、低い方の共振周波数とのずれを効果的に小さくすること
ができる。

この第２の実施形態のパッチアンテナによれば次のような効果を得ることができる。
すなわち、第２の実施形態のパッチアンテナ装置２００のパッチアンテナ２１０によれ
ば、第１の実施形態のパッチアンテナ１１０よりもさらに細長となっているので、第１の
実施形態のパッチアンテナ１１０を搭載する場合に比べて、さらに細長い筐体に搭載する
ことができる。

図９及び図１０は、この第２の実施形態のパッチアンテナ装置２００を機器本体２０１
に搭載した電波受信機器の一例を示す。
この電波受信機器はディジタルカメラ２０２である。このディジタルカメラにおいては
、薄型化の要請から筐体２０３の奥行き寸法が小さくなっている。
このディジタルカメラ２０２の筐体２０３内に搭載されているパッチアンテナ装置２０
０は、上記誘電体板２１４の短辺の長さ方向がディジタルカメラ２０２の奥行き方向と合
致するように、ディジタルカメラ２０２の上面に取り付けられる。この場合、パッチアン
テナ装置２００は機器本体２０１の開口２０１ａから露出する回路基板２３０上に取り付
けられる。

図１１はパッチアンテナの第１の変形例を示す。
このパッチアンテナ４１０では、矩形の誘電体板４１４の上面に平面放射電極４１３が
形成され、誘電体板４１４の下面に接地電極（図示せず）が形成され、給電部材４１６に
よって平面放射電極４１３への給電がなされている。
このパッチアンテナ４１０では、スリット４１７が狹幅の直線状部分４１７ａと、この
直線状部分４１７ａの先端に連設された方形部分４１７ｂとから構成されている。
このパッチアンテナ４１０によれば、直線状部分４１７ａのみからなるスリットの場合
に比べて、方形部分４１７ｂの周囲を電流が迂回して流れることになるので、電流経路を
より長くすることができる。

図１２はパッチアンテナの第２の変形例を示す。
このパッチアンテナ５１０では、矩形の誘電体板５１４の上面に平面放射電極５１３が
形成され、誘電体板５１４の下面に接地電極（図示せず）が形成され、給電部材５１６に
よって平面放射電極５１３への給電がなされている。
このパッチアンテナ５１０では、スリット５１７が狹幅の直線状部分５１７ａと、この
直線状部分５１７ｂの先端に連設された円状部分５１７ｂとから構成されている。
このパッチアンテナ５１０によれば、直線状部分５１７ａのみからなるスリットの場合
に比べて、円状部分５１７ｂの周囲を電流が迂回して流れることになるので、電流経路を
より長くすることができる。

図１３はパッチアンテナの第３の変形例を示す。
このパッチアンテナ６１０では、矩形の誘電体板６１４の上面に平面放射電極６１３が
形成され、誘電体板６１４の下面に接地電極（図示せず）が形成され、給電部材６１６に
よって平面放射電極６１３への給電がなされている。
このパッチアンテナ６１０では、スリット６１７が狹幅の直線状部分６１７ａと、この
直線状部分６１７ａの先端に連設され当該直線状部分６１７ｂの途中を横切る直線状部分
６１７ｂとから構成されている。
このパッチアンテナ６１０によれば、直線状部分６１７ａのみからなるスリットの場合
に比べて、他の直線状部分６１７ｂの周囲を電流が迂回して流れることになるので、電流
経路をより長くすることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明の範囲は、上述の実施の形態
に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲とその均等の範囲を
含む。
例えば、上記実施形態及び変形例では、平面放射電極の平面的形状を長方形としたが、
正方形や円形又は楕円形状などとしてもよい。
また、この実施の形態では、矩形の平面放射電極の縦方向の長さ、横方向の長さ、矩形
の誘電体板の縦方向の長さ、横方向の長さ、厚さ、スリットの長さは、特定の寸法として
いるが、上述したように、これらの寸法に限定されず、他の寸法でもよい。

以下に、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲に記載した発明を付記する。
付記に記載した請求項の項番は、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲の通り
である。
〔付記〕
＜請求項１＞
矩形の誘電体板、この矩形の誘電体板の一方の面に配置された平面放射電極、前記矩形
の誘電体板の他方の面に配置された接地電極、給電部材を備えているパッチアンテナ装置
において、
前記平面放射電極は、前記矩形の誘電体板の相対向する２辺に対応する部分に、相対向
する他の２辺に対応する部分に向けて延びる少なくとも１本のスリットを備え、
前記平面放射電極への前記給電部材の給電位置は、円偏波特性が得られるように、当該
平面放射電極の中心からオフセットされていることを特徴とするパッチアンテナ装置。
＜請求項２＞
前記平面放射電極は、円形形状、楕円形状、前記矩形の誘電体板の各辺と平行な各辺を
有する矩形形状のいずれかの形状であることを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテ
ナ装置。
＜請求項３＞
前記少なくとも１本のスリットは、２本または３本のスリットであり、これらのスリッ
トは、前記矩形の誘電体板の相対向する２辺の中央位置に対応する部分から、前記相対向
する２辺と直交する相対向する他の２辺に対応する部分に向けてそれぞれ延びていること
を特徴とする請求項１又は２に記載のパッチアンテナ装置。
＜請求項４＞
前記３本のスリットのうち、中央の１本のスリットの長さは、他の２本のスリットの長
さよりも短いことを特徴とする請求項３に記載のパッチアンテナ装置。
＜請求項５＞
前記矩形の誘電体板は、長辺と短辺とを備え、前記スリットは、短辺に設けられている
ことを特徴とする請求項１から４いずれか一項に記載のパッチアンテナ装置。
＜請求項６＞
請求項１から５いずれか一項に記載のパッチアンテナ装置を機器本体に備えていること
を特徴とする電波受信機器。
＜請求項７＞
前記平面放射電極への前記給電部材の給電位置は、平面放射電極の中心を通り且つ平面
放射電極の短辺に平行な軸に対して、４５°傾けた直線上の位置で且つ適切なインピーダ
ンスとなる位置に設定されていることを特徴とするパッチアンテナ装置。

１００、２００アンテナ装置
１１０、４１０、５１０、６１０パッチアンテナ
１１３、２１３平面放射電極
１１４、２１４誘電体板
１１５、２１５接地電極
１１７、２１７スリット
２０１機器本体

Claims

誘電体板、この誘電体板の一方の面に配置された平面放射電極、前記誘電体板の他方の面に配置された接地電極、給電部材を備えているパッチアンテナ装置において、
前記平面放射電極は、
前記誘電体板の相対向する２辺に対応する部分に設けられた第一の長さのスリットと、
前記第一の長さのスリットに対して短い長さの第二の長さのスリットと、
を備え、
前記第一の長さのスリットと前記第二の長さのスリットを備えることにより２つの共振周波数の周波数差を変化させることを特徴とするパッチアンテナ装置。
前記平面放射電極は、円形形状、楕円形状、前記矩形の誘電体板の各辺と平行な各辺を有する矩形形状のいずれかの形状であることを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ装置。
前記第二の長さのスリットは、前記第一の長さのスリットと略直交する位置関係に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のパッチアンテナ装置。
前記平面放射電極は、長辺と短辺とを備え、前記第一の長さのスリットと前記第二の長さのスリットとは、短辺に設けられていることを特徴とする請求項１から３いずれか一項に記載のパッチアンテナ装置。
請求項１から４いずれか一項に記載のパッチアンテナ装置を機器本体に備えていることを特徴とする電波受信機器。