JP4109300B2 - ３次元アンテナ構造 - Google Patents

Description

この発明は、アンテナ構造に関し、特に、電子機器に内蔵される３次元アンテナ構造に関する。

電気通信技術における進歩にペースを合わせて、ハイテク製品への電気通信技術の応用が増加し、関連する電気通信製品が多様化している。近年、消費者の電気通信製品に対する機能的な要求がますます高いものとなっており、様々な設計ならびに機能を有する電気通信製品が絶え間なく市場に現れ、とくに無線ネットワークを備えるコンピューターネットワーク製品が活況を呈している。アンテナ設計が電気通信製品の電気通信品質に影響を与えるので、それが電気通信製品のキーファクターとなっている。

一般的に言って、全方向性伝送という目的を達成するために、アンテナがより高いものとなり、外部アンテナが採用される。外部アンテナには、モノポールアンテナ、ヘリックスアンテナおよび印刷ダイポールアンテナ（printed dipole antenna）が含まれる。しかしながら、アンテナの高さを減少させるか又はアンテナを隠すために、内蔵アンテナ（internal antenna）は、通常、平面化された設計である。内蔵アンテナは、マイクロストリップアンテナ（microstrip antenna）およびプレーナ逆Ｆアンテナ（planar inverted F antenna = PIFA）を含む。

図１Ａは、従来のマイクロストリップアンテナを示す斜視図である。図１Ａにおいて、マイクロストリップアンテナ１００は、輻射パッチ（radiating patch）１１０と、給電同軸ケーブル１２０と、接地板１３０とを含む。給電同軸ケーブル１２０の内部コア導体の一端が輻射パッチ１１０の給電ポイント（feed point）１１２に接続されて、輻射パッチ１１０が給電同軸ケーブル１２０を介して信号源に接続される。更に、給電同軸ケーブル１２０の外部遮蔽導体の一端が接地板１３０に接続される。

図１Ｂは、図１Ａに示したマイクロストリップアンテナの輻射パターンを示す説明図である。図１Ａと図１Ｂとにおいて、信号伝送期間に、マイクロストリップアンテナ１００が垂直輻射パターンを有するために、良好な信号伝送エリアが幾つかの特定エリアに制限される。もっと詳細に言うと、良好な信号伝送エリアは、マイクロストリップアンテナ１００上で垂直なエリアであり、弱い信号伝送エリアは、マイクロストリップアンテナ１００の周囲である。

この発明の目的は、良好な通信を確保し、かつ安定した通信品質を確保する３次元アンテナ構造を提供することにある。

上記課題を解決し、所望の目的を達成するために、この発明にかかる３次元アンテナ構造は、
垂直電流を発生させるための垂直パッチと、
第１端が前記垂直パッチに接続されている環状パッチとを具えてなり、
前記環状パッチが前記垂直パッチの１側を囲んで環状電流を発生させ、この環状電流および前記垂直電流により全方向性輻射電磁界を形成し、前記環状パッチが信号源に電気接続されるのに適した給電ポイントを有しており、
さらに、接地パッチであり、前記接地パッチの第１端が前記垂直パッチに接続され、前記環状パッチの前記第１端ならびに前記接地パッチの前記第１端間に第１距離が存在し、前記第１端に対向する前記接地パッチの第２端が前記給電ポイントに隣接する短絡ポイントを有して、接地に電気接続されるのに適した接地パッチとを含んでなることを特徴とする。

この発明にかかる実施形態においては、第２距離が前記環状パッチの前記第１端から離れた第２端および前記垂直パッチ間に存在するものである。

この発明にかかる実施形態においては、前記第１端から離れた前記環状パッチの前記第２端が拡張部分を有し、前記拡張部分の幅が前記環状パッチの他の部分の幅より大きいものである。

この発明にかかる実施形態においては、前記垂直パッチと前記環状パッチと前記接地パッチとが同一材料の金属シートから製作されるものである。

この発明にかかる実施形態においては、さらに、固定パッチを含み、そのうち、前記固定パッチの１側が前記垂直パッチに接続されてキャリアを固定するのに適したものである。

この発明にかかる実施形態においては、前記固定パッチが更に前記接地に電気接続されるものである。

この発明にかかる実施形態においては、前記垂直パッチと前記環状パッチと前記接地パッチと前記固定パッチとが同一材料の金属シートから製作されるものである。

この発明にかかる実施形態においては、前記給電ポイントが信号源に電気接続されるために同軸ケーブルの内部コア導体の一端に接続され、前記短絡ポイントが接地に電気接続されるために前記同軸ケーブルの前記内部コア導体を取り囲む外部遮蔽導体の一端に接続されるものである。

この発明にかかる実施形態においては、第３距離が前記給電ポイントおよび前記短絡ポイント間に存在し、前記第３距離が前記外部遮蔽導体から露出された前記内部コア導体の長さに実質的に等しく、前記給電ポイントならびに前記短絡ポイント間の等価電気抵抗が予め決定された電気抵抗と実質的に等しいものである。

この発明にかかる実施形態においては、前記予め決定された電気抵抗値が５０Ωである。

［作用］
３次元アンテナ構造が垂直パッチおよび環状パッチにより垂直電流ならびに環状電流を作り出すために利用され、それぞれが全方向性輻射電磁界（omni-directional radiation field）を生成して、当該アンテナ構造が良好かつ安定した通信品質を提供できるものとなる。

この発明の３次元アンテナ構造は、垂直パッチから生成される垂直電流および環状パッチから生成される水平な環状電流を利用して、より広域な信号伝送エリアを提供するために全方向性輻射電磁界を形成する。従って、３次元アンテナ構造は、良好かつ安定した通信（コミュニケーション）品質を備えるものである。

また、この発明の３次元アンテナ構造が電子機器に内蔵される時、３次元アンテナ構造の接地パットが電子機器の接地と接続される必要がないため、電子機器中の３次元アンテナ構造の配置が弾力的に調整可能となる。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図２Ａは、この発明の実施形態にかかる３次元アンテナ構造を示す斜視図である。図２Ａにおいて、この実施形態の３次元アンテナ構造２００は、信号を受信ならびに発信するために電子機器に内蔵されるものに適している。３次元アンテナ構造２００は、垂直パッチ２１０と、環状パッチ２２０と、接地パッチ２３０とを含む。

垂直パッチ２１０は、垂直電流を生成するのに適している。本実施例では、垂直パッチ２１０は、支持板（キャリア）Ｃ上に固定されて、回路板が電子機器内部にある。また、垂直パッチ２１０は、支持板（キャリア）Ｃ上に溶接、接着または挿入することにより固定される。

環状パッチ２２０は、垂直パッチ２１０の一側を取り囲んでいる。環状パッチ２２０の第１端２２２が垂直パッチ２１０に接続され、環状パッチ２２０の第２端２２４は、環状パッチ２２０が垂直パッチ２１０に接続されている第１端２２２から離れている。第２距離Ｄ２が第２端２２４および垂直パッチ２１０間に存在している。また、環状パッチ２２０が給電ポイント２２６を備えて、信号源Ｓとの電気接続に適したものとなっている。この実施形態中、環状パッチ２２０の第２端２２４が更に拡張部２２４ａを備え、拡張部２２４ａの幅が環状パッチ２２０の他の部分の幅より大きいものとなっている。

接地パッチ２３０の第１端２３２が垂直パッチ２１０に接続され、第１距離Ｄ１が垂直パッチ２１０に接続されている環状パッチ２２０の第１端２２２および垂直パッチ２１０に接続されている接地パッチ２３０の第１端２３２間に存在している。さらに、接地パッチ２３０の第２端２３４が短絡ポイント２３６を備えて、給電ポイント２２６に隣接して、接地に電気接続するのに適したものとなっている。

この実施形態中、給電ポイント２２６および短絡ポイント２３６が信号源Ｓおよび接地に同軸ケーブルＡを介して電気接続されている。第３距離が給電ポイント２２６および短絡ポイント２３６間に存在する。

図３は、同軸ケーブルに接続する給電ポイントおよび短絡ポイントを示す概略図である。図２Ａと図３とにおいて、同軸ケーブルＡは、内部コア導体Ａ１と、外部遮蔽導体Ａ２と、絶縁層Ａ３と、保護層Ａ４とを含む。内部コア導体Ａ１は外部遮蔽導体Ａ２に取り囲まれており；絶縁層Ａ３が内部コア導体Ａ１と外部遮蔽導体Ａ２間に配置され；外部遮蔽導体Ａ２が保護層Ａ４により被覆されている。

環状パッチ２２０の給電ポイントが信号源Ｓに電気接続されるために内部コア導体Ａ１の一端に接続されている。また、接地パッチ２３０の短絡ポイント２３６が接地に電気接続するために外部遮蔽導体Ａ２の一端に接続されている。

注記すべきは、内部コア導体Ａ１のある部位が外部遮蔽導体Ａ２から露出され、内部コア導体Ａ１が外部遮蔽導体Ａ２から露出される長さは、第３距離に実質的に等しくなければならないことであり、給電ポイント２２６および短絡ポイント２３６間の等価電気抵抗が予め決定された電気抵抗と実質的に等しいものとなる。この実施形態中、予め決定された電気抵抗は、５０Ωであり、信号伝送の一般仕様である。

図２Ｂは、図２Ａの３次元アンテナ構造の輻射パターンを示す説明図である。図２Ａと図２Ｂとにおいて、３次元アンテナ構造２００が動作する時、水平方向の環状電流が環状パッチ２２０から生成され、図２Ｂに示す如くの全方向性輻射電磁界（omni-direction radiation field）が環状電流および垂直パッチ２１０に流れる垂直電流により生成される。従来のマイクロストリップアンテナ構造により生成される図１Ｂに示したような垂直輻射電磁界と比較すると、本発明による３次元アンテナ構造２００により生成される全方向性輻射電磁界は、送信および受信エリアがより広くなる。従って、この実施形態の３次元アンテナ構造２００は、より良好かつ安定した通信品質を提供する。

この実施形態中、３次元アンテナ構造２００の輻射電磁界は、より良好な信号伝送を達成するために、環状パッチ２２０の第１端２２２および接地パッチ２３０の第１端２３２間の第１距離Ｄ１の多様性、または第２端２２４ならびに垂直パッチ２１０間の第２距離Ｄ２の多様性、あるいは第２端２２４の拡張部２２４ａの幅の多様性に基づいて調整することができる。また、３次元アンテナ構造２００の輻射電磁界は、給電ポイント２２６および短絡ポイント２３６を水平にシフトすることにより調整することができる。さらに、３次元アンテナ構造２００の信号伝送周波数は、環状パッチ２２０の長さの多様性に基づいて調整することができる。

この実施形態中、垂直パッチ２１０と環状パッチ２２０と接地パッチ２３０とが同一材料の金属シートから製作される。それは、垂直パッチ２１０と環状パッチ２２０と接地パッチ２３０とが一体的に形成され、垂直パッチ２１０と環状パッチ２２０と接地パッチ２３０とを結合するために溶接、ネジ止め又は接着する必要がないことを意味する。従って、３次元アンテナ構造２００の製造コストを削減することができる。

再び、図２Ａにおいて、キャリアＣ上に３次元アンテナ構造２００を堅固に固定するために、３次元アンテナ構造２００は、さらに、固定パッチ２４０を含み、固定パッチ２４０の一側が垂直パッチ２１０に接続される。垂直パッチ２１０と環状パッチ２２０と接地パッチ２３０と固定パッチ２４０とは、同一材料の金属シートから製作される。従って、３次元アンテナ構造２００が固定パッチ２４０を介して支持板（キャリア）Ｃ上に堅固に固定される。この実施形態中、固定パッチ２４０は、溶接、ネジ止め又は接着により支持板（キャリア）Ｃ上に固定される。固定パッチ２４０が接地に電気接続される時、固定パッチ２４０は、３次元アンテナ構造２００の補助接地端として作用する。

以上のごとく、この発明を最良の実施形態により開示したが、もとより、この実施例は本発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。

従来のマイクロストリップアンテナを示す概略図である。 図１Ａに示したマイクロストリップアンテナの輻射パターンを示す説明図である。 この発明の実施形態にかかる３次元アンテナ構造を示す斜視図である。 図２Ａに示した３次元アンテナ構造の輻射パターンを示す説明図である。 同軸ケーブルに接続される給電ポイントと短絡ポイントを示す概略図である。

符号の説明

２００ ３次元アンテナ構造
２１０ 垂直パッチ
２２０ 環状パッチ
２２２ 第１端
２２４ 第２端
２３２ 第１端
２３４ 第２端
２２４ａ 拡張部
２２６ 給電ポイント
２３０ 接地パッチ
２３６ 短絡ポイント
２４０ 固定パッチ
Ａ 同軸ケーブル
Ａ１ 内部コア導体
Ａ２ 外部遮蔽導体
Ａ３ 絶縁層
Ａ４ 保護層
Ｃ 支持板（キャリア）
Ｓ 信号源
Ｄ１ 第１距離
Ｄ２ 第２距離
Ｄ３ 第３距離

Claims (10)

1. 電子機器に内蔵するに適した３次元アンテナ構造において、
   垂直電流を発生させるための垂直パッチと、
   第１端が前記垂直パッチに接続されている環状パッチとを具えてなり、
   前記環状パッチが前記垂直パッチの１側を囲んで環状電流を発生させ、この環状電流および前記垂直電流により全方向性輻射電磁界を形成し、前記環状パッチが信号源に電気接続されるのに適した給電ポイントを有しており、
   さらに、接地パッチであり、前記接地パッチの第１端が前記垂直パッチに接続され、前記環状パッチの前記第１端ならびに前記接地パッチの前記第１端間に第１距離が存在し、前記第１端に対向する前記接地パッチの第２端が前記給電ポイントに隣接する短絡ポイントを有して、接地に電気接続されるのに適した接地パッチとを含んでなることを特徴とする
   ３次元アンテナ構造。
2. 請求項１記載の３次元アンテナ構造であって、第２距離が前記環状パッチの前記第１端から離れた第２端および前記垂直パッチ間に存在する３次元アンテナ構造。
3. 請求項１記載の３次元アンテナ構造であって、前記第１端から離れた前記環状パッチの前記第２端が拡張部分を有し、前記拡張部分の幅が前記環状パッチの他の部分の幅より大きいものである３次元アンテナ構造。
4. 請求項１記載の３次元アンテナ構造であって、前記垂直パッチと前記環状パッチと前記接地パッチとが同一材料の金属シートから製作されるものである３次元アンテナ構造。
5. 請求項１記載の３次元アンテナ構造が、さらに、固定パッチを含み、前記固定パッチの１側が前記垂直パッチに接続されており、支持板（キャリア）上に固定するのに適したものである３次元アンテナ構造。
6. 請求項５記載の３次元アンテナ構造であって、前記固定パッチが更に前記接地に電気接続されるものである３次元アンテナ構造。
7. 請求項５記載の３次元アンテナ構造であって、前記垂直パッチと前記環状パッチと前記接地パッチと前記固定パッチとが同一材料の金属シートから製作されるものである３次元アンテナ構造。
8. 請求項１記載の３次元アンテナ構造であって、前記給電ポイントが信号源に電気接続されるために同軸ケーブルの内部コア導体の一端に接続され、前記短絡ポイントが接地に電気接続されるために前記同軸ケーブルの前記内部コア導体を取り囲む外部遮蔽導体の一端に接続されるものである３次元アンテナ構造。
9. 請求項８記載の３次元アンテナ構造であって、第３距離が前記給電ポイントおよび前記短絡ポイント間に存在し、前記第３距離が前記外部遮蔽導体から露出された前記内部コア導体の長さに実質的に等しく、前記給電ポイントならびに前記短絡ポイント間の等価電気抵抗値が予め決定された電気抵抗値と実質的に等しいものである３次元アンテナ構造。
10. 請求項９記載の３次元アンテナ構造であって、前記予め決定された電気抵抗値が５０Ωである３次元アンテナ構造。

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