JP2004260582A

JP2004260582A - パッチアンテナ

Info

Publication number: JP2004260582A
Application number: JP2003049428A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Sugimoto; 好正杉本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】広帯域で低背なパッチアンテナを提供する。
【解決手段】平面状の接地導体３２と、接地導体３２上に配置された板状の誘電体１１と、誘電体１１の上面に配されたパッチ状の放射導体２１とを具備するパッチアンテナであって、接地導体３２の長さは使用される周波数の自由空間波長の２分の１以下であり、かつ誘電体１１および放射導体２１の長さは接地導体３２より短いパッチアンテナである。接地導体３２の長さを２分の１波長以下とし、電波の放射を全方位的に可能な構成としていることから、誘電体１１の厚みが厚くなくてもアンテナの周波数帯域を広くすることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば携帯電話や無線ＬＡＮ等の無線通信機器、その他の各種通信機器等において使用されるマイクロストリップ型のパッチアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば携帯電話や無線ＬＡＮ等の無線通信機器、その他の各種通信機器等において使用される従来のマイクロストリップ型パッチアンテナの一例を図４に示す。
【０００３】
図４において１０１は、誘電体１１１と、誘電体１１１の上面に配された放射導体１２１と、誘電体１１１の下面に配された第１の接地導体１３１（図示せず）より構成されるアンテナ基板、１３２は第１の接地導体１３１と接続し、一辺の長さＬ１３２が使用される周波数の自由空間波長よりも長い第２の接地導体である。
【０００４】
この従来のマイクロストリップ型パッチアンテナでは、第２の接地導体１３２の一辺の長さが使用される周波数の自由空間波長よりも長いため、電波が放射導体１２１から各接地導体１３１・１３２の方向（図４ではＺ軸の負方向）に放射されず、その反対の方向（図４ではＺ軸の正方向）に放射され、放射特性が単指向性となる。
【０００５】
また、従来のマイクロストリップ型パッチアンテナは、誘電体１１１の上面に配された放射導体１２１と誘電体１１１と第２の接地導体１３２とが誘電体１１１をはさんで放射導体１２１と第２の接地導体１３２の間に電界が生じ、その電界が空間に広がることにより電波が放射される構造になっている。ここで、放射導体１２１と第２の接地導体１３２との距離、すなわち誘電体１１１の厚みが厚いほど電界が空間に広がりやすくなり、結果として周波数帯域は広がり、逆の場合は電界が空間に広がりにくくなり、周波数帯域は狭くなる。このことから、従来アンテナの周波数帯域は、誘電体１１１の厚みを調整することにより行われていた。
【０００６】
【特許文献１】
特開１９９７−１４８８４０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のマイクロストリップ型パッチアンテナでは、周波数帯域幅を広げるためには誘電体１１１の厚みを厚くする必要があり、広帯域化と低背化の両立が困難であるという問題点があった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、低背で広帯域なマイクロストリップ型のパッチアンテナを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のパッチアンテナは、平面状の接地導体と、該接地導体上に配置された板状の誘電体と、この誘電体の上面に配されたパッチ状の放射導体とを具備するパッチアンテナであって、前記接地導体の長さは使用される周波数の自由空間波長の２分の１以下であり、かつ前記誘電体および前記放射導体の長さは前記接地導体より短いことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明のパッチアンテナによれば、接地導体の長さが放射導体の長さより長いため端部効果が生じ、放射導体と接地導体の間に電界が生じて、その電界によって空間に電波が放射されるパッチアンテナを提供することができる。
【００１１】
また、本発明のパッチアンテナによれば、接地導体の長さが使用される周波数の自由空間波長の２分の１よりも同じか短いため、電波が、接地導体から見て放射導体がある側のみならず、その反対側の方向にも放射される。したがって、従来のアンテナのような放射特性が単指向性の場合に比べて、放射方向の偏りなく全方位的に電波が放射されるので、電波が放射されやすくなり、従来の単指向性のアンテナでは電波が放射されにくかった周波数帯域においても放射されるようになるので、アンテナから放射される電波の周波数帯域を広くすることができて、誘電体の厚みが厚くない低背なパッチアンテナを提供することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のパッチアンテナを図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
図１は本発明のパッチアンテナの実施の形態の一例を示す斜視図である。図１において１は、板状の誘電体１１と、誘電体１１の上面に配されて一辺の長さがＬ２１の導体が誘電体１１に数ミクロンから数十ミクロンのほぼ均一の厚みで密着しているようなパッチ状の放射導体２１より構成されるアンテナ基板、３２は一辺の長さＬ３２が放射導体２１の一辺の長さＬ２１より長く、使用される周波数の自由空間波長の２分の１以下である第２の接地導体である。そして誘電体１１は接地導体３２上に配置されている。
【００１４】
図１のように構成された本発明のパッチアンテナによれば、接地導体３２の長さＬ３２が放射導体２１の長さＬ２１よりも長いため端部効果を生じ、放射導体と接地導体の間に電界が生じて、その電界によって空間に電波が放射される。接地導体３２の長さＬ３２は、放射導体２１の端部と接地導体３２との間に形成される電気力線のふくらみ、すなわち電界の端部効果を考慮し、放射導体２１の長さＬ２１より誘電体１１の厚みの２倍程度長くするのが好ましい。このとき、放射導体２１および接地導体３２の一辺に隣接する辺の長さは、それぞれ一辺と同程度の長さとすればよい。放射導体２１ならびに接地導体３２は、通常、長方形または正方形等の四角形状とするが、パッチアンテナとして作用する形状であればどのような形状にしてもよい。また、放射導体２１の一辺の長さＬ２１は、使用する周波数の誘電体１１中における実効波長の２分の１程度にすればよい。
【００１５】
また、図１のように構成された本発明のパッチアンテナによれば、接地導体３２の長さＬ３２が使用される周波数の自由空間波長の２分の１と同じまたはそれよりも短いため、従来の単指向性のアンテナのように電波の放射の妨げとなるほど接地導体３２が長くないことから、電波が接地導体３２から見て放射導体２１のある側（図１ではＺ軸の正方向）のみならず、その反対側の方向（図１ではＺ軸の負方向）にも放射される。したがって、図４に示す従来のパッチアンテナのような放射特性が単指向性の場合に比べて、放射方向の偏りがなく、全方位的に電波が放射されるので電波が放射されやすくなり、従来の単指向性のアンテナでは電波が放射されにくかった周波数帯域においても放射されるようになるので周波数帯域を広くすることができ、誘電体１１の厚みが厚くなくてもアンテナの周波数帯域を広くすることができる。
【００１６】
ここで、誘電体１１は本発明のパッチアンテナにおいて放射導体２１と接地導体３２との間隔の保持、誘電体１１の誘電率による放射導体２１の小型化の機能を果たすものであり、厚みは必要な周波数帯域を満足するものであればよく、放射導体２１の一辺の長さＬ２１および一辺と隣接する辺の長さに対してそれ以上で必要な小型化の効果が得られるような大きさであればよい。
【００１７】
本発明のパッチアンテナを形成するに当たり、誘電体１１、放射導体２１、接地導体３２には、周知の高周波用配線基板に使用される種々の材料・形態のものと同様のものを使用することができる。
【００１８】
誘電体１１としては、例えばアルミナセラミックス・ムライトセラミックス等のセラミック材料やガラスセラミックス等の無機系材料、あるいは四フッ化エチレン−エチレン樹脂（ポリテトラフルオロエチレン；ＰＴＦＥ）・四フッ化エチレン−エチレン共重合樹脂（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合樹脂；ＥＴＦＥ）・四フッ化エチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂；ＰＦＡ）等のフッ素樹脂やガラスエポキシ樹脂・ポリイミド等の樹脂系材料等が用いられる。これらの材料による誘電体１１の形状や寸法（厚みや幅・長さ）は、使用される周波数や用途等に応じて設定される。
【００１９】
放射導体２１、接地導体３２は、高周波信号伝送用の金属材料の導体層、例えばＣｕ層・Ｍｏ−Ｍｎのメタライズ層上にＮｉメッキ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの・Ｗのメタライズ層上にＮｉメッキ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの・Ｃｒ−Ｃｕ合金層・Ｃｒ−Ｃｕ合金層上にＮｉメッキ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの・Ｔａ_２Ｎ層上にＮｉ−Ｃｒ合金層およびＡｕメッキ層を被着させたもの・Ｔｉ層上にＰｔ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの、またはＮｉ−Ｃｒ合金層上にＰｔ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの等を用いて、厚膜印刷法あるいは各種の薄膜形成方法やメッキ法等により形成される。その厚みや幅等も、伝送される高周波信号の周波数や用途等に応じて設定される。
【００２０】
接地導体３２は、上記周知の高周波配線基板の他、電子機器によく用いられるプリント配線基板等の表面に導体を所定形状に設けたものや、板状の金属板等を用いてもよい。
【００２１】
本発明のパッチアンテナの作製方法としては、まずアンテナ基板１を、例えば誘電体１１がガラスセラミックスから成る場合であれば、まず誘電体１１となるガラスセラミックスのグリーンシートを準備し、これに所定の打ち抜き加工を施して、放射導体２１に給電を行なう給電導体（図１に図示せず）となる貫通導体が配設される貫通孔を形成した後、スクリーン印刷法によりＣｕ等の導体ペーストを貫通孔に充填するとともに、放射導体２１となる導体層のパターンおよび必要に応じてその他の所定の伝送線路パターンを印刷塗布する。次に、８５０〜１０００℃で焼成を行ない、最後に各導体層の表面にＮｉメッキおよびＡｕメッキを施す。
【００２２】
次にアンテナ基板１をプリント配線基板等の実装基板表面に作製された接地導体３２に、活性ロウ付け等により取り付ける。接地導体３２への取付けは、アンテナ基板１の下面に形成された金属層をロウ付けすることによってもよく、この場合は、上記アンテナ基板１の放射導体２１等を形成するときにアンテナ基板１の下面にも金属層を形成しておき、その金属層に半田ペースト等を塗布し、リフロー炉やヒーターブロック等で約２００℃に加熱することによって接地導体３２に取り付ければよい。
【００２３】
図２および図５はそれぞれ、図１に示す本発明のパッチアンテナの実施の形態の一例および図４に示す従来のパッチアンテナの例の５．１５ＧＨｚにおけるＹ−Ｚ面のＸ軸方向の偏波を示す放射特性図である。図２および図５において、円の外周の数字は、パッチアンテナの頂点方向（図１および図４にＺ軸の正方向で示す方向）を０°とした方位を示す角度（単位：°）、円の半径方向は利得（単位：ｄＢｉ）を示し、特性曲線は放射特性、すなわち利得の方位特性を示している。この線図に示す放射特性は、電磁界シミュレーションを用いて得たものである。
【００２４】
なお、誘電体１１（１１１）の厚みを１．６ｍｍ、一辺の長さを１１ｍｍ、誘電率を８．８、放射導体２１（１２１）の一辺の長さ：Ｌ２１（Ｌ１２１）を９．２ｍｍ、図２に示す放射特性を得た本発明のパッチアンテナにおいては、接地導体３２の一辺の長さＬ３２を、放射導体２１の長さＬ２１＝９．２ｍｍよりも長く、使用する周波数５．１５ＧＨｚの自由空間波長である約６０ｍｍの２分の１よりも短い２０ｍｍ、図５に示す放射特性を得た従来のパッチアンテナにおいては、第２の接地導体１３２の一辺の長さＬ１３２を、使用する周波数５．１５ＧＨｚの自由空間波長である約６０ｍｍに近い５０ｍｍとした。
【００２５】
図５に示す従来のパッチアンテナの放射特性は０°方向の利得が高い単指向性であるのに対し、図２に示す本発明のパッチアンテナの放射特性は、図５に比べると、０°以外の方向の利得も高くなっている。
【００２６】
図３および図６は、それぞれ図１に示す本発明のパッチアンテナの実施の形態の一例および図４に示す従来のパッチアンテナの例の反射特性を示す線図である。図３および図６において、横軸は周波数（単位：ＧＨｚ）、縦軸は給電導体（図示せず）を誘電体１１を貫通して放射導体２１（１２１）に接続し、給電導体に電磁波を給電して計測したＶＳＷＲであり、特性曲線は反射特性、すなわちＶＳＷＲの周波数特性を示している。この線図に示す反射特性は、放射特性を得るのに用いたものと同一の電磁界シミュレーションを用いて得たものであり、各パッチアンテナの各寸法および材料は反射特性を得るのに使用したものと同一とした。この結果より、図６に示す従来のパッチアンテナの例のＶＳＷＲが２以下の帯域幅が７２ＭＨｚであるのに対して、図３に示す本発明のパッチアンテナの実施の形態の一例のＶＳＷＲが２以下の帯域幅が１０６ＭＨｚと広帯域になっているのが分かる。
【００２７】
以上より、図１のように構成された本発明のパッチアンテナによれば、接地導体３２の長さＬ３２が放射導体１１の長さＬ１１より長いため、図２および図３に示す反射特性および放射特性が得られたように、接地導体３２を放射導体２１に対するパッチアンテナの接地導体とすることができる。
【００２８】
また、図１のように構成された本発明のパッチアンテナによれば、接地導体３２の長さＬ３２が使用される周波数の自由空間波長の２分の１以下であるため、図２の放射特性に示すように、電波が放射導体２１から接地導体３２の放射導体２１が配置された面の方向（図１ではＺ軸の正方向、図２では０°の方向）のみならず、放射導体２１が配置された面と反対側の方向（図１ではＺ軸の負方向、図２では１８０°の方向）にも放射される。したがって、図４に示す従来のパッチアンテナのような放射特性が単指向性の場合に比べて、全方向に電波が放射されやすくなり、周波数帯域が従来のパッチアンテナの７２ＭＨｚに比べて１０６ＭＨｚへと広がった。このとき、誘電体１１（１１１）の厚みは１．６ｍｍと一定であるので、誘電体の厚みを厚くせずに広帯域化ができたことが分かる。
【００２９】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記説明においては、誘電体１１・放射導体２１・接地導体３２を四角形状としたが、円形としてもよく、このような構成にすると、パッチアンテナを内蔵する装置の筐体が円形状であった場合好適となる。誘電体１１・放射導体２１・接地導体３２が円形の場合は、放射導体２１の直径が接地導体３２の直径より短ければよく、接地導体３２の直径は使用される周波数の自由空間波長の２分の１以下であればよい。
【００３０】
また、放射導体２１・接地導体３２は、通常、平面に形成されるが、数ミリ程度の曲面や数ミリ程度の凹凸を有する平面状または板状の面に形成してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のパッチアンテナによれば、平面状の接地導体と、この接地導体上に配置された板状の誘電体と、この誘電体の上面に配されたパッチ状の放射導体とを具備するパッチアンテナであって、接地導体の長さは使用される周波数の自由空間波長の２分の１以下であり、かつ誘電体および放射導体の長さは接地導体よりも短いことから、接地導体の長さが放射導体の長さより長いため端部効果を生じ、放射導体と接地導体の間に電界が生じて、その電界によって空間に電波が放射されるパッチアンテナを提供することができる。
【００３２】
また、本発明のパッチアンテナによれば、接地導体の長さが使用される周波数の自由空間波長の２分の１よりも同じか短いため、電波が、接地導体から見て放射導体がある側のみならず、その反対側の方向にも放射される。したがって、従来のパッチアンテナのように放射特性が単指向性の場合に比べて、電波が放射されやすくなり、アンテナから放射される周波数帯域を広くすることができて、誘電体の厚みが厚くない低背なパッチアンテナを提供することができる。
【００３３】
以上により、本発明によれば、低背で広帯域なパッチアンテナを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパッチアンテナの実施の形態の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明のパッチアンテナの放射特性を示す線図である。
【図３】本発明のパッチアンテナの反射特性を示す線図である。
【図４】従来のパッチアンテナの例を示す斜視図である。
【図５】従来のパッチアンテナの放射特性を示す線図である。
【図６】従来のパッチアンテナの反射特性を示す線図である。
【符号の説明】
１・・・アンテナ基板
１１・・・誘電体
２１・・・放射導体
３２・・・接地導体

Claims

平面状の接地導体と、該接地導体上に配置された板状の誘電体と、該誘電体の上面に配されたパッチ状の放射導体とを具備するパッチアンテナであって、前記接地導体の長さは使用される周波数の自由空間波長の２分の１以下であり、かつ前記誘電体および前記放射導体の長さは前記接地導体より短いことを特徴とするパッチアンテナ。