JP4905231B2

JP4905231B2 - パッチアンテナおよびそれを搭載した無線通信機能を有する携帯情報機器

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Publication number: JP4905231B2
Application number: JP2007105782A
Authority: JP
Inventors: 宗太郎塚本
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2007-04-13
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2027-04-13
Also published as: JP2008263494A

Description

本発明は、各種の無線通信に用いるパッチアンテナおよびそれを搭載した無線通信機能を有する携帯情報機器に関する。

無線通信機能を備えた無線通信モジュールを、携帯情報端末（PDA(Personal Digital Assistants)等），携帯型PC（パソコン），携帯ゲーム機等の携帯情報機器に搭載する場合（外付けアクセサリー，内蔵共に）、携帯情報機器が発生する雑音信号を、無線通信モジュールのアンテナが拾ってしまい、受信感度の劣化が発生する。

携帯情報機器の雑音は、多くの場合、MPU（Micro Processing Unit;マイクロプロセッサ）が発生するディジタル雑音であり、その周波数は広帯域に渡り、アンテナ周波数を含んでしまう。特に、無線通信モジュールが、GPS(Global Positioning System)のように高感度（約-80dBm以下の感度が見込み。GPSは現行-150dBm程度）の場合、この現象は特に顕著になる。

前記従来の無線通信機能を備えたＧＰＳ無線通信モジュールは、例えば図９の１０ａ，１０ｂに示すように、回路基板１、該基板１に実装されるＩＣ、トランジスタ、抵抗器、コンデンサ、コイル等の実装部品２，２…およびシールドキャップ３等を備えたモジュール（無線通信装置）１０と、パッチアンテナ２０とを一体化して構成されている。

図９（ａ）はシールドキャップ３の上にパッチアンテナ２０を設置した例であり、図９（ｂ）は回路基板１の上にパッチアンテナ２０を設置した例である。

前記パッチアンテナ２０は、図２（ａ）に示すように、放射板２１と接地導体板２２間に誘電体基板２３を配設し、接地導体板２２および誘電体基板２３を貫通して挿入した給電線２４から、放射板２１のほぼ中央の給電点２５に給電するように構成されている。

このためパッチアンテナ２０のグランド面、すなわち接地導体板２２は、図９（ａ）においてはシールドキャップ３に接し、図９（ｂ）においては回路基板１のグランドパターンに接している。

図９（ａ）のように構成されたＧＰＳ無線通信モジュール１０ａは、例えば図１０（ａ）に示すように携帯情報端末（ＰＤＡ）３０の天井面（又は前面）に搭載される。

前述したように携帯情報端末３０からは放射雑音が発生するが、図１０（ｂ）のように携帯情報端末３０の天井面にパッチアンテナ２０が搭載された場合、パッチアンテナ２０の指向性が上面方向となるため、ノイズ源から背を向けた形となり、前記雑音の影響は軽減される。

これに対し図１０（ｃ）のように携帯情報端末３０上にチップアンテナ４０を設けた場合、該アンテナ４０の放射パターンが無指向性に近い（例えば８の字）ため、近傍にある携帯情報端末３０のセット本体がノイズ源となってしまう。このようにＧＰＳにおいては、無指向性のチップアンテナがあまり使用されず、多くの場合パッチアンテナがされるのは、単に、パッチアンテナの方が利得が高いというだけでなく、このような理由もあると考えられる。

しかしながら、パッチアンテナ２０が、上方向だけの指向性、すなわち図１１（ａ）に示すように、ほとんどメインローブだけで、サイドローブが無く、バックローブも極めて小さいという指向性は、グランド面（接地導体板２２）が無限大（ｘ方向長さＸ及びｙ方向長さＹが無限大）でグランド・インピーダンスがゼロの理想状態でのみ達成される。しかし、実際の有限サイズでインピーダンスを持つグランド面では、パッチアンテナは、図１１（ｂ）のように、サイドローブを持ち、バックローブも無視できない。グランド・サイズが、放射パターンと同じく、約λ/4平方の時には、図１１（ｃ）のようにメインローブとバックローブはほとんど同じ大きさになる。この現実のパッチアンテナでは、携帯情報端末３０のセットから放射される雑音の影響を受けてしまう。

尚、従来、複数の誘電体層を積層して利得の向上を図ったパッチアンテナは、例えば下記非特許文献１，２に記載のものが提案されていた。
２００４年電子情報通信学会総合大会"Ｂ−１−１４９異なる誘電体にはさまれたパッチアンテナ" 黄百亭、三牧宏彬，山内潤治、中野久松法政大学工学部２００３年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会"Ｂ−１−１６７誘電体にはさまれたパッチアンテナ" 黄百亭、山内潤治、中野久松法政大学工学部

前記非特許文献１に記載のパッチアンテナ５０は、図２（ｂ）のように、放射板２１と接地導体板２２の間に第１の誘電体層５１を形成し、放射板２１上に第２の誘電体層５２を形成して構成されている。

前記非特許文献２に記載のパッチアンテナ６０は、図２（ｃ）のように、放射板２１と接地導体板２２の間に第１の誘電体層６１を形成し、放射板２１上に第２の誘電体層６２を形成し、さらに第２の誘電体層６２上に第３の誘電体層６３を形成して構成されている。

図２（ｂ），（ｃ）において、放射板２１の給電点（２５）に給電を行う給電線２４は図２（ａ）と同様に構成されている。図２（ａ）の誘電体基板２３の厚みＴ１は、理想的には使用周波数の４分の１波長（λｇ）であるが、実際には、小型化、薄型化のため１０分の１以下（λｇ／１０≧Ｔ１）に設定されている。図２（ｂ），（ｃ）の第１の誘電体層５１，６１の厚みＴ１も図２（ａ）のものと同様にλｇ／１０≧Ｔ１に設定されている。

また図２（ｂ），（ｃ）の第２の誘電体層５２，６２の厚みＴ２はともに使用周波数の１波長以上（Ｔ２≧λｇ）に設定されている。

図２（ｃ）の第３の誘電体層６３の厚みＴ３は使用周波数の4分の１波長以下（λｇ／４≧Ｔ３）に設定されている。

また図２（ｂ）の第１および第２の誘電体層５１，５２の比誘電率εｒ１，εｒ２はεｒ２≒εｒ１なる関係に各々設定され、図２（ｃ）の第１、第２および第３の誘電体層６１〜６３の比誘電率εｒ１，εｒ２，εｒ３は、εｒ３＜εｒ２＝εｒ１なる関係に各々設定されている。

前記非特許文献１，２（図２（ｂ），（ｃ））に記載のパッチアンテナ５０，６０においては、第２および第３の誘電体層５２，６２，６３が放射パターンに影響するのは、ほとんどメインローブだけであり、メインローブは大きくなってもバックローブはあまり小さくならず、例えば、図１０のＧＰＳ無線通信モジュール１０ａに図２（ｂ），（ｃ）のパッチアンテナ５０，６０を搭載したとしても、携帯情報端末３０からの雑音の受信レベルを下げることには寄与しない。

またパッチアンテナ５０，６０の誘電体総厚み（パッチアンテナ５０の場合はＴ１＋Ｔ２、パッチアンテナ６０の場合はＴ１＋Ｔ２＋Ｔ３）が１波長（ここでの波長は管内波長）を越える厚みになってしまい、携帯情報端末３０等の携帯機器に求められる小型化を著しく阻害する。

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、グランド面背後からの雑音の受信レベルを下げて受信感度を向上させるとともに小型化を図ったパッチアンテナおよびそれを搭載した無線通信機能を有する携帯情報機器を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載のパッチアンテナは、放射板および接地導体板を備えたパッチアンテナであって、前記放射板と接地導体板間に第１の誘電体層を形成し、前記放射板上に使用波長の１／１０以下の厚みの、前記第１の誘電体層よりも低誘電率の第２の誘電体層を形成し、前記第２の誘電体層上に使用波長の１／５〜１／１０の厚みの、前記第１の誘電体層よりも高誘電率の第３の誘電体層であって、誘電率が、７０以上、且つ前記第１の誘電体層の誘電率の３倍以上である第３の誘電体層を形成したことを特徴としている。

上記構成により、第１、第２の誘電体層に比べて第３の誘電体層の誘電率が高いため、アンテナ正面の伝播速度が遅くなってメインローブの放射角度が狭くなり、このためサイドローブの打上げ角度が大きくなってバックローブの利得が小さくなる。これによってアンテナ背面の利得を大きく減少させることができる。

したがってバックローブ側、すなわちパッチアンテナの接地導体板側に設けられた例えば携帯情報機器からの雑音を拾うことはなく、受信感度が向上する。

また従来のパッチアンテナと比較して厚みの薄いパッチアンテナを構成することができる。

また請求項２に記載のパッチアンテナは、請求項１において、前記第２の誘電体層は、空気層から成り、前記第１の誘電体層から、第２の誘電体層の厚みに相当する距離隔てて、前記第３の誘電体層を固定することにより形成されていることを特徴としている。

上記構成により、第２の誘電体層として低誘電率材料を使用しなくても、第１の誘電体層から第３の誘電体層を浮かせて固定するだけで済み、コストが低減される。

また請求項３および４に記載の携帯情報機器は、請求項１および２に記載のパッチアンテナを搭載したことを特徴としている。

また請求項５および６に記載の携帯情報機器は、請求項３および４において、前記パッチアンテナは、無線通信機能を達成する無線通信装置と一体化され、該パッチアンテナの背面側が携帯情報機器に対向して配設されていることを特徴としている。

上記構成によれば、アンテナ背面の利得を大きく減少させることができ、パッチアンテナの接地導体板側に設けられた携帯情報機器からの雑音を拾うことなく、受信感度が向上する。

また、従来と比較してパッチアンテナの厚みが薄いので、携帯情報機器の大型化を抑制することができる。

本発明によれば、第１、第２の誘電体層に比べて第３の誘電体層の誘電率が高いため、アンテナ正面の伝播速度が遅くなってメインローブの放射角度が狭くなり、このためサイドローブの打上げ角度が大きくなってバックローブの利得が小さくなる。これによってアンテナ背面の利得を大きく減少させることができる。

したがってパッチアンテナの接地導体板側に設けられた携帯情報機器からの雑音を拾うことなく、受信感度が向上する。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

図１および図２（ｄ）は、本発明をＧＰＳ用のアンテナとして適用した実施例を表し、図１（ａ）はパッチアンテナの表側を示す斜視図、図１（ｂ）はパッチアンテナの裏側を示す斜視図、図２（ｄ）はパッチアンテナの正面構成図である。これらの図において、図２（ａ）と同一部分は同一符号をもって示している。

本実施例のパッチアンテナ７０は、放射板２１と接地導体板２２の間に形成された第１の誘電体層７１と、放射板２１および第１の誘電体層７１上に形成された第２の誘電体層７２と、該第２の誘電体層７２上に形成された第３の誘電体層７３とを備えている。

前記放射板２１は偏波制御のための１つの角をｃ面取りした正方形の放射パターンとして構成されており、そのほぼ中央の給電点２５には、接地導体板２２および第１の誘電体層７１を貫通して挿入した給電線２４から給電が行われる。

前記第１の誘電体層７１の厚みＴ１は、使用周波数の１０分の１波長以下（λｇ／１０≧Ｔ１）に設定され、第２の誘電体層７２の厚みＴ２は、使用周波数の１０分の１波長以下（λｇ／１０≧Ｔ２）に設定され、第３の誘電体層７３の厚みＴ３は、使用周波数の５分の１波長〜１０分の１波長（λｇ／５〜λｇ／１０＝Ｔ３）に設定されている。

また第１〜第３の誘電体層７１〜７３の各比誘電率εｒ１〜εｒ３は、εｒ３＞εｒ１＞εｒ２なる関係に設定されている。

第１の誘電体層７１はセラミックスから成り、その比誘電率εr1は約30で、厚みT1は3mmである。GPSの使用周波数は1.57542GHzであるため放射板２１の正方形放射パターンの1辺は2分の1波長、約20mmとなる。第２の誘電体層７２は発泡のlow-K材（低誘電率材料）から成り、比誘電率εr2は約1で、厚みT2は10mmである。第３の誘電体層７３は高誘電体セラミックスから成り、その比誘電率εr3は約75で、厚みT3は2mmである。したがってパッチアンテナの総厚みは、僅か15mmに収まっている。尚、アンテナ面積は約25mm角である。

図１のように構成されたパッチアンテナ７０は、図９と同様に、図３に示すように、モジュール（無線通信装置）１０と一体化されてＧＰＳ無線通信モジュール８０ａ，８０ｂが構成される。

すなわちＧＰＳ無線通信モジュール８０ａ，８０ｂは、回路基板１、該基板１に実装されるＩＣ、トランジスタ、抵抗器、コンデンサ、コイル等の実装部品２，２…およびシールドキャップ３等を備えたモジュール（無線通信装置）１０と、パッチアンテナ７０とを一体化して構成されている。

図３（ａ）はシールドキャップ３の上にパッチアンテナ７０を設置した例であり、図３（ｂ）は回路基板１の上にパッチアンテナ７０を設置した例である。

次に、本実施例のパッチアンテナ７０と、同じセラミックスの第１の誘電体層だけでインピーダンス整合を取り、図１と同じく約20mm角放射パターン、アンテナ面積25mm角、厚み3mmとした従来の図２（ａ）のタイプのパッチアンテナとの、特性を比較した。

従来の図２（ａ）のタイプのパッチアンテナを用いて、図９（ａ）の形態のGPSモジュールを形成した時、受信感度は約-150dBmであったが、それを、携帯情報端末３０に、図１０のように搭載すると、感度は、約-135dBmまで劣化した。

一方、本実施例のパッチアンテナで同様なGPSモジュール（図３（ａ））を形成した時、受信感度は約-150dBmと、従来アンテナとほとんど変わらなかったが、携帯情報端末３０に搭載した場合の感度は約-145dBmと僅かしか劣化しない。

図１のパッチアンテナ７０においては、第２の誘電体層７２に、比誘電率εr2が約1の誘電体を用い、かつ、第３の誘電体層７３に、比誘電率εr3が約75の高誘電体を用いることで、第３の誘電体層７３の電磁波の伝播速度V3は、比誘電率の平方根に相当する波長短縮率（1/√εr3）により、V3 = V2√(εr2/εr3) ≒ C/√εr3となる。（V2は第２の誘電体層７２の電磁波の伝播速度、Cは、真空中の自由空間での伝播速度で、光速度に等しい）。このアンテナ正面の伝播速度を遅らせる効果により、図４のアンテナ放射パターンの（ａ）に示すように、メインローブの放射角度を狭くすることができ、結果として、サイドローブの打ち上げ角度が大きくなり、バックローブの利得が小さくなる（逆に、メインローブは、あまり大きくならない）。

尚、本発明のパッチアンテナ７０は、前記図４のようにサイドローブの打上げ角度が大となるので、図３（ｂ）に示すようにパッチアンテナ７０を回路基板１上のシールドキャップ３の真横に配設しても、シールドキャップ３から漏れるモジュール１０の雑音信号を拾うことはない。

図２（ａ）の従来アンテナでは、誘電体層の厚みT1は、理想的には4分の1波長であるが、実際には、小型化、薄型化のため、１０分の1以下に設定されている。図２（ｄ）のように、その上に、誘電体を2層付加したものが本発明のアンテナであり、第３の誘電体層７３の厚みT3が厚いほどバックローブは小さくなるが、ある程度厚くなると、それ以上はバックローブは変化しない。

更に、第２の誘電体層７２の比誘電率εr2が1のため、第１の誘電体層７１と放射パターンの寸法は、図２（ａ）のアンテナと同じで、インピーダンス整合を確保できるが、第２の誘電体層７２の厚みT2が薄過ぎると、アンテナの共振周波数が影響を受け、インピーダンス整合が取れない。逆に、T2が厚すぎると、バックローブを小さくする効果は現れない。

そこで前記厚みＴ２，Ｔ３および比誘電率εｒ３の最適化条件を次のような試験により求めた。試験条件は、Ｔ１＝３ｍｍ，εｒ１＝３０、Ｔ２＝０〜１０ｍｍ，εｒ２＝１、Ｔ３＝１、３ｍｍ，εｒ３＝１２．６、９３とし、この条件のパッチアンテナのメインローブ利得、サイドローブ利得、バックローブ利得を各々調べ、さらに当該パッチアンテナを用いて図３（ａ）のようにＧＰＳモジュールとし、そのＧＰＳモジュールを図１０のように携帯情報端末３０に搭載したときのＧＰＳ感度を調べた。それらの結果を次の表１〜表４に示す。

また表１〜表４の結果をグラフ化したものが図５〜図８である。

尚この試験におけるサイドローブ利得は、パッチアンテナの主放射方向に対し、９０°方向の放射利得とする。

表１〜表４において、メインローブ利得が高いほど、ＧＰＳの受信感度は向上する（感度値としては低い値となる）が、サイドローブ、バックローブの利得が高いと、ＧＰＳ周辺の雑音、特に、ＧＰＳを搭載する携帯情報端末のセットの回路から出るディジタル雑音を拾って、受信感度は劣化する。

したがって、メインローブ利得が高く、サイドローブ、バックローブの利得が低いアンテナが、目指すアンテナとなる。

サイドローブ、バックローブ共に、Ｔ２厚みが薄くなり、第３の誘電体層７３が第１の誘電体層７１に近づくほど、利得が低くなり、セット雑音の影響は受け難くなるが、あまりＴ２が薄いと、パッチアンテナ部の共振周波数が所定周波数（ＧＰＳでは１５７５．４２ＭＨ_Z）からずれてしまい、メインローブの利得が下がってしまう。そのトレードオフの結果、ＧＰＳ感度が最も良いのはＴ２＝３〜５ｍｍくらい、すなわち、管内波長の１．５〜２．６％（管内波長λｇ＝λ０／√εｒ２＝１９０ｍｍ）である。

前述したメイン／サイド／バックローブの利得、及びＧＰＳ受信感度に対する第３の誘電体層７３の影響は，εｒ３＝１２．６ではほとんど確認できなかった。

したがって比誘電率εｒ３は、εｒ３≧約７０、且つεｒ３≧（εｒ１の約３倍）であることが望ましい。

また、Ｔ３が３ｍｍ、即ち管内波長の約１５％の時（管内波長λｇ＝λ０／√εｒ３＝５４ｍｍ）、メインローブ利得をあまり劣化させず、且つバックロール利得を大きく抑圧できるという、理想的なアンテナが実現できる。

理論的には、第３の誘電体層７３の厚みＴ３がλｇ／４の時に、最もメインローブ利得が良くなるはずであるが、これはＴ３がλｇ／４に達しなくても、ある程度厚ければ、充分に利得と、受信感度を得られるアンテナを実現できることを示している。

尚前記第２の誘電体層７２は、その比誘電率εｒ２が１のため、前記実施例のように、low-ｋの低誘電体を使用しなくても、空気層でも良い。このため第３の誘電体層７３を、第１の誘電体層７１から浮かせて固定するだけでも良い。

本発明の一実施形態例を表し、（ａ）はパッチアンテナの表側の斜視図、（ｂ）はパッチアンテナの裏側の斜視図。パッチアンテナを表し、（ａ）は従来例の構成図、（ｂ）は非特許文献１のパッチアンテナの構成図、（ｃ）は非特許文献２のパッチアンテナの構成図、（ｄ）は本発明の一実施形態例のパッチアンテナの構成図。本発明のパッチアンテナを搭載した無線通信モジュールを表す構成図。パッチアンテナの放射パターンを表し、（ａ）は本発明のアンテナのパターン説明図、（ｂ）は従来のパッチアンテナのパターン説明図。本発明の実施形態例における試験結果を表し、メインローブ利得の特性図。本発明の実施形態例における試験結果を表し、サイドローブ利得の特性図。本発明の実施形態例における試験結果を表し、バックローブ利得の特性図。本発明の実施形態例における試験結果を表し、ＧＰＳの受信感度の特性図。パッチアンテナを搭載した従来の無線通信モジュールを表す構成図。アンテナを備えた無線通信モジュールを搭載した携帯情報端末を表し、（ａ）は斜視図、（ｂ）はパッチアンテナの場合の斜視図、（ｃ）はチップアンテナの場合の斜視図。パッチアンテナにおけるグランド面のサイズと放射パターンの関係を示す説明図。

符号の説明

１０…モジュール、２１…放射板、２２…接地導体板、２４…給電線、２５…給電点、３０…携帯情報端末、７０…パッチアンテナ、７１…第１の誘電体層、７２…第２の誘電体層、７３…第３の誘電体層、８０ａ，８０ｂ…ＧＰＳ無線通信モジュール。

Claims

放射板および接地導体板を備えたパッチアンテナであって、
前記放射板と接地導体板間に第１の誘電体層を形成し、
前記放射板上に使用波長の１／１０以下の厚みの、前記第１の誘電体層よりも低誘電率の第２の誘電体層を形成し、
前記第２の誘電体層上に使用波長の１／５〜１／１０の厚みの、前記第１の誘電体層よりも高誘電率の第３の誘電体層であって、誘電率が、７０以上、且つ前記第１の誘電体層の誘電率の３倍以上である第３の誘電体層を形成した
ことを特徴とするパッチアンテナ。
前記第２の誘電体層は、空気層から成り、前記第１の誘電体層から、第２の誘電体層の厚みに相当する距離隔てて、前記第３の誘電体層を固定することにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
請求項１に記載のパッチアンテナを搭載したことを特徴とする無線通信機能を有する携帯情報機器。
請求項２に記載のパッチアンテナを搭載したことを特徴とする無線通信機能を有する携帯情報機器。
前記パッチアンテナは、無線通信機能を達成する無線通信装置と一体化され、該パッチアンテナの背面側が携帯情報機器に対向して配設されていることを特徴とする請求項３に記載の携帯情報機器。
前記パッチアンテナは、無線通信機能を達成する無線通信装置と一体化され、該パッチアンテナの背面側が携帯情報機器に対向して配設されていることを特徴とする請求項４に記載の携帯情報機器。