JPH07106844A - 一体型プローブを有するパッチ・アンテナおよびその作成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】装置の高さに影響を与えず、信頼性を改善し製
造を容易にして、パッチとプローブとの間に物理的に頑
丈な結合を有する。 【構成】パッチ・マイクロ波アンテナ１００は、一体型
プローブ１０４，１０６を有する導電性パッチ１０２を
用いる。この一体型プローブ１０４，１０６はパッチ１
０２が使用するための励起を行い、接地および／または
同調プローブとなる。マイクロ波周波数電磁放射を発生
または受信する本アンテナは、導電性パッチを用いてお
り、このパッチはそれに一体化された少なくとも一個の
プローブを有する。一方の主表面上に接地面を有し、も
う一方の主表面上に導電性接触を有する誘電性基板が、
前記のプローブを介して導電性パッチに結合される。導
電性パッチは、板金作成作業、または、金属鋳造作業に
より作成される。一体型プローブは鋳造作業の一部とし
て鋳造されるか、あるいは、既知の板金作成作業により
作成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は無線周波数（ＲＦ）アン
テナに関し、さらに詳しくは広い範囲の周波数上で電磁
エネルギを放出および受信する非常に薄い平坦なマイク
ロ波アンテナに関する。特に本発明は、機械的なプロー
ブ構造を有するこのようなアンテナとその作成方法とに
関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波パッチ・アンテナは周知のも
のである。小型化，コストの削減，信頼性の改善および
製造の容易さに対する必要性から、このようなアンテナ
の利用は産業界で広く受け入れられている。このアンテ
ナは通常、一方の主表面に接地面をもち、もう一方の主
表面上にストリップ導体を持つ誘電性基板（すなわちプ
リント回路板）により構成される。ストリップ導体によ
り、このストリップ導体に接続されるフィード・プロー
ブを介して、パッチと呼ばれる、より広い導電性領域に
対する結合が行われる。前記のフィード・プローブは通
常、誘電性基板を貫通して延在しパッチと接触する。パ
ッチは接地面上方に保持され誘電性基板に支持されて、
接地面に平行で、かつ、そこからは距離を隔てている。
Shapter 他の米国特許第４，６９１，２０６号の第４図
を参照のこと。

【０００３】残念ながら、過去におけるパッチ・アンテ
ナの製造には、装置全体の高さの反復性と信頼性に関し
て問題があった。機械的プローブによりパッチが誘電性
基板のストリップ導体に接続される積層型アンテナ部品
によりアンテナ構造が構成される場合に特に、この問題
は顕著である。機械的プローブ群がパッチを含む複数の
層を貫通して延在しなければならないので、それぞれの
プローブが不可避の障害物となり、それがアンテナ全体
の高さに関わってくる。ここで用いるアンテナ全体の高
さとは、パッチ・アンテナの接地面と、そのすべての表
面フィーチャを含むパッチの上面との間の距離として定
義される。産業の動向として小型化が要求されているた
めに、装置の高さを低くすることが望ましい目標であ
る。

【０００４】しかし、組立中にプローブをパッチに固定
するためにクランプ，ネジ，リベット，溶接部，接着お
よび／またはハンダ接続その他の物理的接続部が用いら
れる場合に特に、この目標には困難が伴う。おわかりの
ように、プローブとパッチとの間の交点に位置するこの
ような物理的接続部はそれぞれ、パッチの表面から上方
に延び、パッチ上方にあるプローブの部分に接続する。
おわかりのように、このような物理的接続部によって装
置全体の高さが高くなる傾向がある。しかし、アンテナ
の高さが装置全体のパッケージ化上の要件に関して重要
である多くの用途においては、このような障害の存在を
許すことはできない。小型の携帯用手持ち式装置が標準
となりつつある無線周波数（ＲＦ）データ通信の分野で
は特にこれが問題となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】それゆえ、装置の高さ
に影響を与えず、信頼性を改善し製造を容易にして、な
おかつ装置全体のコストを下げるような、パッチとプロ
ーブとの間に物理的に頑丈な結合を有するパッチ・アン
テナを提供することはきわめて有用である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】簡単に述べると、本発明
は、マイクロ波周波数電磁放射を発生または受信するパ
ッチ・アンテナおよびその製造方法である。本アンテナ
は、導電性パッチを用いており、このパッチはそれに一
体化された少なくとも１個のプローブを有する。一方の
主表面上に接地面を有し、もう一方の主表面上に導電性
接触を有する誘電性基板が、前記のプローブを介して導
電性パッチに結合されて、アンテナ・アセンブリを完成
する。

【０００７】本発明の好適な実施例では、導電性パッチ
とその一体型プローブとは、周知の板金作成作業により
作成される。他の実施例では、導電性パッチは周知の金
属鋳造作業により作成される。一体型プローブは鋳造作
業の一部として鋳造されるか、あるいは、既知の板金作
成作業により作成される。

【０００８】

【実施例】本発明により、電磁エネルギを放出および受
信するきわめて薄いパッチ・アンテナが提供される。こ
のアンテナには、パッチの一体部分として作成される少
なくとも１つの一体型プローブを有するパッチ放射器が
採用されており、そのためにパッチに対して電気的な結
合を行うために、機械的であってもなくても他の結合が
必要ない。たとえば、ページャ，ＲＦモデム，パーソナ
ル・デジタル・アシスタント（ＰＤＡ），パーソナル・
インテリジェント・コミュニケータ（ＰＩＣ）などの小
型の携帯用手持ち式装置が、このようなアンテナ・アセ
ンブリを構成するために必要とされる部品の寸法と数と
を減らすことができた結果として寸法とコストの削減か
ら利益を得る重要なパッケージ化上の要件を有する無線
周波数（ＲＦ）データ通信の分野において、本件で説明
されるアンテナが用いられる。開示されるアンテナは、
約１ないし２０ギガヘルツ（ＧＨｚ）の周波数での使用
に適している。このようなアンテナが使用する動作周波
数の範囲に理論的な制限はないが、実際には約２０ＧＨ
ｚを越えて動作されるとパッチ・アンテナは高い損失を
示し始める。１ＧＨｚ未満の周波数においては、１／２
の波長のパッチ・アンテナを実現するために必要な寸法
上の要件のためにワイヤ・アンテナのほうが実用的であ
る。

【０００９】図面を参照すると、図１には本発明による
パッチ・アンテナの分解図が示される。このパッチ・ア
ンテナ１００は、導電性材料層１０２で構成されるが、
この材料層を以下パッチと呼ぶ。パッチ１０２は、平行
四辺形の形状を有して図示される。好適な実施例では、
パッチの形状は実質的に矩形で、一般には正方形であ
る。しかし当業者にはご理解頂けるように、本発明は放
射パッチ１０２の形状にいかなる場合にも制限を持たな
い。そのため、パッチは任意の多角形，楕円形または円
形でもよい。

【００１０】開示されたアンテナは、約２．４ＧＨｚで
動作するよう設計されている。従ってパッチ１０２の少
なくとも２辺は、動作周波数の１／２の波長に等しい長
さを持つようにする。

【００１１】パッチ１０２は、金属などの導電性材料で
作られる。好適な実施例では、パッチ１０２は銅，ニッ
ケル，ニッケル−銀，ベリリウム−銅，リン−青銅また
はステンレス鋼その他の非腐食性の導電性材料で作られ
る。

【００１２】図１に示されるように、パッチ１０２はさ
らに、一体型プローブ１０４，１０６をもつことを特徴
とする。好適な実施例では、各プローブ１０４，１０６
は実質的に矩形の形状で、パッチ１０２の面に対して実
質的に垂直に延在する。これらのプローブは、フィード
・プローブまたは接地プローブとして用いられる。フィ
ード・プローブは、パッチ１０２に対して望ましい励起
を与える。接地プローブは、当技術では周知の方法でパ
ッチ１０２内の特定の動作モードを強化または抑制する
ために用いられる。

【００１３】好適な実施例では、プローブ１０４，１０
６は両方ともフィード型プローブである。説明される実
施例では、２個のフィード・プローブが採用されて、周
知の方法で偏波ダイバーシティ（polarization diversi
ty）を与える。二重フィードを採用し、偏波ダイバーシ
ティを示すパッチ・アンテナは既知のものであるので、
この装置に関する詳しい説明はここでは行わない。しか
し興味をもたれた読者は、この問題の詳細について以下
の文献を参照されたい。二重プローブ偏波ダイバーシテ
ィに関しては、M.HaneishiおよびY.Suzukiの「Circular
Polarizationand Bandwidth 」（Handbook of Microst
rip Antennas, Peter Peregrinus Ltd., １９８９年ロ
ンドン, p.220 ）を参照のこと。プローブの最適な配置
について興味をもたれた読者は、Mohamed A.Saedの「An
Optimization Procedure for aProbe-Fed Rectangular
Microstrip Patch Radiator CAD 」（Microwave Journ
al, １９９３年１月, pp.116-124）を参照のこと。もち
ろん偏波ダイバーシティが望ましくない場合は、本発明
による単独のフィード・プローブ構造を採用することが
できることを当業者は理解されよう。

【００１４】プローブ１０４，１０６は実質的に矩形で
構成されるが、他のプローブ形状も使用可能であり、本
発明の精神から逸脱することなく使用することができる
ことを当業者にはご理解頂けよう。この形状としては、
円形プローブ，円錐形プローブ，楕円プローブまたはこ
こで説明されたフィード・プローブまたは接地プローブ
として特定の用途に適した任意の他の形状やその他のも
のがあげられる。

【００１５】当技術では周知のように、パッチ１０２は
圧縮成形（スタンピング）および成形（フォーミング）
その他の使用可能な周知の板金作成作業のうち任意のも
のによって作成することができる。さらに、パッチ１０
２は周知の鋳造（キャスティング）過程のうち任意のも
のにより製造することもできる。

【００１６】プローブ１０４，１０６は、打ち抜き（パ
ンチング），穴抜き（ピアシング），穴あけ（パーフォ
レイティング），せん断または成形その他の使用可能な
金属加工作業の任意のものによりパッチ１０２の一体部
分として作成される。パッチ１０２が金属鋳造過程を介
して作成されると、プローブ１０４，１０６は鋳型の一
体フィーチャにより構成されるか、あるいは、鋳造作業
が終了した後で上記の板金作成動作のうち任意のものに
より形成される。

【００１７】好適な実施例では、プローブ１０４，１０
６は、それらが接続するパッチ１０２から打ち抜かれて
成形される。打ち抜き作業を使用するために、各プロー
ブ１０４，１０６は、それが接続するパッチ１０２の一
体部分として残る。プローブ１０４，１０６とパッチ１
０２との間の電気的接触を行うために、機械的なもので
あろうとそうでなかろうと、他の結合は必要ではない。
プローブの機能を果たすために、別片の部品は必要では
ない。さらに、各プローブはパッチ１０２と同じ材料で
構成される。

【００１８】パッチ１０２の下には、任意の誘電性スペ
ーサ１０８がある。このようなスペーサは当技術では周
知のものであり、誘電性フォーム，ガラス充填エポキ
シ，シアナート・エステル（cyanate ester ），ポリイ
ミド，テフロンその他の同様の誘電性材料などの既知の
誘電性材料のうち任意のもので構成することができる。
好適な実施例では、誘電性スペーサ１０８はポリメタク
リイミド・フォーム（Polymethacrylimide foam ）で作
られる。

【００１９】スペーサ１０８とパッチ１０２の両方を支
持するのは、たとえば、当技術では周知のもののような
プリント回路板（ＰＣＢ：printed circuit board ）な
どの、接地面１１２を有する誘電性基板１１０である。
このようなＰＣＢは、単数または複数の層からなり、通
常はその一方の主表面上に接地面１１２を有し、もう一
方の主表面は前記の接地面１１２から電気的に分離され
ている電気接触およびトレース１１８からなる。本発明
によれば、基板１１０はプローブ１０４，１０６をそれ
ぞれ受け入れるための穴１１４，１１６を有する。フィ
ード・プローブは穴１１４，１１６を貫通して延在し、
トレース１１８と電気的に接触して、アンテナ・アセン
ブリが完成する。

【００２０】プローブ１０４，１０６をパッチ１０２に
接続するためにハンダ付けその他の結合作業が必要ない
ので、従来のパッチ・アンテナが示すような変動を起こ
すことなく信頼性のある反復可能な装置の高さが維持さ
れることに注目されたい。さらに、パッチ１０２が１個
の一体型構造であるために、従来の技術のような別のプ
ローブやプローブ組立の段階の必要がない。従って、本
発明のパッチ・アンテナは、プローブをパッチに組み込
むことによって、従来の技術によるパッチ・アンテナと
比較して非常に高さを低くして、コストを節約すること
を実現する。

【００２１】図２には、図１のパッチ・アンテナ１００
の部分断面図が示される。図２は、組立後のパッチ・ア
ンテナ１００を示す。図示されるように、また本発明に
より、パッチ１０２の表面上には物理的な障害物は何も
ない。ハンダ付けその他の結合手順を採用して、プロー
ブ１０４，１０６を介してパッチ１０２をＰＣＢ１１０
の電気接触に電気的および機械的に結合するが、これら
の接続は、上述のように定義された装置全体の高さの障
害となったり、妨害したり、増大させることはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるパッチ・アンテナの好適な実施例
の分解図である。

【図２】図１に示されるパッチ・アンテナの部分断面図
である。

【符号の説明】

１００ パッチ・アンテナ １０２ パッチ（導電性材料層） １０４，１０６ プローブ １０８ スペーサ １１０ 誘電性基板 １１２ 接地面 １１４，１１６ 穴 １１８ 電気的トレース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジム・モリアーティ アメリカ合衆国イリノイ州クリスタル・レ イク、ジョン・ストリート52 (72)発明者 リチャード・エス・ラクワルスキー アメリカ合衆国イリノイ州グレン・エリ ン、ウエスタン・アヴェニュー540

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波周波数電磁放射を発生または
   受信するためのパッチ・アンテナ（１００）であって、
   前記パッチ・アンテナは：そこから実質的に垂直に延在
   する少なくとも１つの一体型プローブ（１０６，１０
   ４）を特徴とする表面を有する導電性パッチ（１０２）
   であって、前記プローブが前記パッチに対して電気的お
   よび機械的結合を行うパッチ（１０２）；およびその一
   方の主表面上に接地面（１１２）を有しもう一方の主表
   面上に導電性接触（１１８）を有する誘電性基板（１１
   ０）であって、前記接触（１１８）は前記接地面（１１
   ２）から電気的に分離されており、前記基板が前記の少
   なくとも１つの一体型プローブを介して導電性パッチに
   結合されて前記の電気的および機械的結合を行う基板；
   によって構成されることを特徴とするアンテナ（１０
   ０）。
2. 【請求項２】 動作周波数が１ないし２０ＧＨｚの範囲
   にある請求項１記載のアンテナ（１００）。
3. 【請求項３】 導電性パッチ（１０２）が誘電性基板
   （１１０）に結合されて接地面（１１２）に平行である
   請求項１記載のアンテナ（１００）。
4. 【請求項４】 導電性パッチ（１０２）と誘電性基板
   （１１０）との間にある誘電性スペーサ（１０８）によ
   ってさらに構成され、前記パッチ・プローブ（１０４，
   １０６）がこの誘電性スペーサ（１０８）を貫通して延
   在する請求項１記載のアンテナ（１００）。
5. 【請求項５】 導電性パッチ（１０２）が、平行四辺
   形，多角形，円形および球形からなるグループから選択
   された形状を有する請求項１記載のアンテナ（１０
   ０）。
6. 【請求項６】 導電性パッチ（１０２）の少なくとも２
   辺が動作周波数の１／２の波長を有する請求項１記載の
   アンテナ（１００）。
7. 【請求項７】 導電性パッチ（１０２）が、銅，ニッケ
   ル，ニッケル−銀，ベリリウム−銅，リン−青銅および
   ステンレス鋼からなるグループから選択された金属で作
   られる請求項１記載のアンテナ（１００）。
8. 【請求項８】 誘電性スペーサ（１０８）が、誘電性フ
   ォーム，ガラス充填エポキシ，シアナート・エステル，
   ポリイミドおよびテフロン（登録商標）からなるグルー
   プから選択される材料から作られる請求項４記載のアン
   テナ（１００）。
9. 【請求項９】 導電性パッチ（１０２）が、圧縮成形お
   よび成形からなるグループから選択される板金作業を利
   用して作成される請求項１記載のアンテナ（１００）。
10. 【請求項１０】 導電性パッチ（１０２）が、金属鋳造
    作業を利用して作成される請求項１記載のアンテナ（１
    ００）。
11. 【請求項１１】 プローブ（１０４，１０６）が、打ち
    抜き，穴抜き，穴あけ，成形およびせん断からなるグル
    ープから選択される板金作業を利用して作成される請求
    項１記載のアンテナ（１００）。
12. 【請求項１２】 プローブ（１０４，１０６）が導電性
    パッチと同じ材料によって構成される請求項１記載のア
    ンテナ（１００）。
13. 【請求項１３】 少なくとも１つのプローブ（１０４）
    が、フィード・プローブおよび接地プローブからなるグ
    ループから選択される装置として機能する請求項１記載
    のアンテナ（１００）。