円偏波パッチアンテナおよび通信モジュール
【課題】 薄くて小型で低コストの円偏波パッチアンテナを提供する。
【解決手段】 パッチアンテナ金属部１と基板２により構成し、基板２上に設けられた第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極の長さを変えて、パッチ部１ａ上で直交する電流の位相をずらして円偏波を生成するようにしたものであり、そのために、同じ対角に位置する第１の固定用電極５ａと第４の固定用電極５ｄおよび第２の固定用電極５ｂと第３の固定用電極５ｃを、同じ長さに構成した円偏波パッチアンテナが得られる。
【解決手段】 パッチアンテナ金属部１と基板２により構成し、基板２上に設けられた第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極の長さを変えて、パッチ部１ａ上で直交する電流の位相をずらして円偏波を生成するようにしたものであり、そのために、同じ対角に位置する第１の固定用電極５ａと第４の固定用電極５ｄおよび第２の固定用電極５ｂと第３の固定用電極５ｃを、同じ長さに構成した円偏波パッチアンテナが得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型アンテナを用いて通信を行う、電子機器用の円偏波パッチアンテナおよび通信モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ユビキタス社会の進展により、無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）など小型のアンテナを有する電子機器が普及してきている。これらの小型アンテナは電子機器に内蔵される場合が多く、現在多くのパソコン等に内蔵されている。
【０００３】
一方、外付けの通信用モジュールも普及してきており、ＵＳＢ端子を用いてパソコンなどに接続される。これらの外付けの通信用モジュールには、小型のアンテナが内蔵されている。
【０００４】
これらのアンテナには、モノポールアンテナが多く使用されているが、アンテナの軸方向のアンテナ性能が悪く、通信ができにくい利得を持たない方向であるＮＵＬＬ方向（感度最小点）を有している。
【０００５】
また、モノポールアンテナやダイポールアンテナのような直線偏波アンテナは、主偏波の電界の方向が一方向を向いており、主偏波の電界と直交する直交偏波については、送信電界が非常に弱く、受信感度も非常に小さくなるため、アンテナの向きによっては、受信しにくくなる場合がある。
【０００６】
さらに、多重反射環境では、アンテナを設ける位置によっては反射電界との重畳により、電界が相殺される場所が多数存在し、そのような場所にアンテナを設けた場合、アンテナの性能が著しく劣化する。
【０００７】
そのため、複数のアンテナを用いたダイバーシティアンテナが一般には使用されている。例えば偏波ダイバーシティアンテナは、２本のアンテナを直交させて、一方のＮＵＬＬ方向を他方の指向性でカバーすると同時に、一方のアンテナの交差偏波は他方のアンテナの主偏波になるので、偏波の向きの違いによるアンテナの感度劣化を解消する。さらに、電界が相殺される場所で一方のアンテナの性能が劣化しても、他方のアンテナに切り替えてアンテナ性能を維持するものである。しかし、複数のアンテナを持つのは回路的に複雑になり、コストも高くなる。
【０００８】
一方、通信する方向が限定される場合には、指向性アンテナが利用される。指向性アンテナは、指向性の方向では高利得になり、指向性のない方向では低利得になる。そのため、信号の来る方向だけ高利得にし、干渉波の来る方向は低利得にでき、アンテナ性能が改善できる。
【０００９】
さらに、多重反射の改善に、円偏波パッチアンテナが用いられることがある。円偏波パッチアンテナは偏波の回転方向が逆の電波は受信しないが、電波は金属面で反射するたびに、回転方向を変える。そのため、円偏波パッチアンテナは反射波を受信しにくく、多重反射環境でよく用いられる。一般に円偏波パッチアンテナは指向性アンテナであり、指向性方向では高利得になり、指向性のない方向では低利得であり、干渉波に強い。
【００１０】
従来の円偏波パッチアンテナとして、例えば、特許文献１には、一枚の金属板をプレス加工することによって放射導体板と給電ピンと各脚片がすべて形成され、放射導体板を支持する４本の脚片が等間隔でなく、互いに直交する二つの共振モードの共振長に所定の差が生じるようにオフセット配置した円偏波パッチアンテナの例が記載されている。
【００１１】
特許文献１に記載されている円偏波パッチアンテナの例を図８に示す。図８は、従来の円偏波パッチアンテナの図で、図８（ａ）は、斜視図、図８（ｂ）は、平面図、図８（ｃ）は、Ｃ−Ｃ線断面図である。図８に示す円偏波パッチアンテナ２１は、一枚の金属板をプレス加工することによって形成された放射導体板２２と給電ピン２３と４本の第１の脚片２４、第２の脚片２５、第３の脚片２６、第４の脚片２７（以下第１の脚片２４〜第４の脚片２７と表示）とを備えており、上面に接地導体２８を設けた基板２９上に載置固定されている。放射導体板２２は外形が略正方形であって、その外周縁の４箇所から下向きに第１の脚片２４〜第４の脚片２７が延出している。これらの第１の脚片２４〜第４の脚片２７は、放射導体板２２の周縁の４箇所に突設された舌片を基板２９側へ直角に折り曲げて形成したものであり、第１の脚片２４〜第４の脚片２７の下端部は、基板２９の対応する位置に設けられた取付孔３０に挿入されて半田付けされている。ただし、図８（ｃ）から明らかなように、第１の脚片２４〜第４の脚片２７は接地導体２８とは絶縁されており、電気的には開放端となっている。そして、基板２９に機械的に固定されたこれら４本の第１の脚片２４〜第４の脚片２７によって、放射導体板２２は接地導体２８に対して略平行な姿勢に保持されている。また、放射導体板２２の給電点から切り起こされた給電ピン２３が下向きに延出して基板２９のスルーホール３１内で半田付けされている。これにより給電ピン２３は、基板２９の下面に設けられた給電回路（図示せず）と接続されるため、給電ピン２３を介して放射導体板２２に所定の高周波信号を供給することができる。
【００１２】
このように円偏波パッチアンテナ２１は、放射導体板２２の外周縁から突出する第１の脚片２４〜第４の脚片２７を、放射導体板２２の各辺の中点から所定量オフセットさせた位置に配設することによって、これら４本の第１の脚片２４〜第４の脚片２７を縮退分離素子として機能させている。図８（ｂ）に示すように、対角線Ａの一端側へ寄せた位置に第１の脚片２４および第２の脚片２５を配置させ、かつ、対角線Ａの他端側へ第３の脚片２６および第４の脚片２７を配置させて、放射導体板２２の互いに直交する二つの共振モードの共振長に所定の差を生じさせている。すなわち、対角線Ａに沿う共振モードの共振長が、対角線Ｂに沿う共振モードの共振長に比べて長くなっており、かつ、第１の脚片２４〜第４の脚片２７の大きさやオフセット量を予め適宜調整して両共振モードの位相差が約９０度となるように設定してあるため、この円偏波パッチアンテナ２１は円偏波アンテナとして動作させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−１６７９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、従来技術においては、複数のアンテナを使用したダイバーシティアンテナは、回路が複雑になり、小型化が困難で、コストもかかる。
【００１５】
また、通常の円偏波アンテナは、パッチアンテナであり、半波長×半波長のサイズが必要であり、サイズが大きくなる。さらにグランド面とパッチ面の隙間から電波が放出するため、性能改善のためには、厚みも必要である。
【００１６】
特許文献１に記載の円偏波パッチアンテナは、放射導体板と各脚片の大きさや所定量オフセットさせた位置を適宜調整して、使用周波数に対応する円偏波パッチアンテナを構成していたため、それぞれの使用周波数に対応した円偏波パッチアンテナの仕様を設計することとなり、基板構造や取り付け構造が複雑な上に、軸比特性の調整機構もないので製造コストが高くなっている。
【００１７】
そこで本発明は、薄くて小型で低コストの円偏波パッチアンテナおよび通信モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決するために、本発明の円偏波パッチアンテナは、パッチアンテナ金属部と基板により構成し、この金属部の一部を基板上の固定用電極に接続し、さらにこの固定用電極の長さを変えて、パッチ部上で直交する電流の位相をずらして円偏波を生成するようにしたものであり、そのために、同じ対角に位置する前記固定用電極同士は同じ長さに、異なる対角線上に位置する前記固定用電極同士は、異なる長さに構成したものである。
【００１９】
すなわち、本発明によれば、金属板からなるパッチ部と前記パッチ部の外周縁から一方向に垂直に延ばしたパッチ支柱および前記パッチ支柱と同じ方向に給電用電極に接続する給電支柱を備えるパッチアンテナ金属部と、前記パッチ部と平行に対向して前記パッチ支柱と接続する固定用電極とグランド部を有する基板から構成した円偏波パッチアンテナであって、前記固定用電極の長さを変えて、前記パッチ部上で直交する電流の位相をずらして円偏波を発生させることを特徴とする円偏波パッチアンテナが得られる。
【００２０】
また、本発明によれば、前記固定用電極が配設された前記基板で対角に位置する前記固定用電極同士が、それぞれ同じ形状であることを特徴とする上記の円偏波パッチアンテナが得られる。
【００２１】
また、本発明によれば、前記パッチ部と前記パッチ支柱と前記給電支柱が同じ材料で一体に構成されていることを特徴とする上記の円偏波パッチアンテナが得られる。
【００２２】
また、本発明によれば、前記グランド部が、前記パッチ部と対向する前記基板の表面上に設けられていることを特徴とする上記の円偏波パッチアンテナが得られる。
【００２３】
また、本発明によれば、前記グランド部が、前記基板をはさんで前記固定用電極と対向するように設けられていることを特徴とする上記の円偏波パッチアンテナが得られる。
【００２４】
また、本発明によれば、前記グランド部を剥離した剥離部が、前記基板をはさんで前記固定用電極と対向する部分に設けられていることを特徴とする上記の円偏波パッチアンテナが得られる。
【００２５】
また、本発明によれば、上記の円偏波パッチアンテナを、実装していることを特徴とする通信モジュールが得られる。
【００２６】
また、通信モジュールが、ＵＳＢ接続端子を有するものでも良い。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、基板の固定用電極の長さを変えて電気長を調整することにより、求める円偏波パッチアンテナを構成することができるので、円偏波パッチアンテナの低背化および小型化が容易に行うことができる。さらに、使用周波数に対応する調整を、円偏波パッチアンテナを搭載する基板に配設された固定用電極の長さにより行うことができるため、円偏波パッチアンテナを共通部品化することができ、量産効果と保有部材の効率化によるコスト低減を図ることができる。
【００２８】
また、円偏波パッチアンテナのグランドを基板の裏側のグランドとすることで、基板厚みを円偏波パッチアンテナ厚みに加えることができ、これによって円偏波パッチアンテナ全体の厚みを薄くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の円偏波パッチアンテナを使用した外付け通信モジュールの図で、図１（ａ）は、平面図、図１（ｂ）は、側面図である。
【図２】本発明の円偏波パッチアンテナを使用した外付け通信モジュールの基板を説明する図で、図２（ａ）は、平面図、図２（ｂ）は、底面図である。
【図３】本発明の実施例に係る外付け通信モジュールを実装したアクリルケースを説明する図で、図３（ａ）は、平面図、図３（ｂ）は、Ｄ−Ｄ線断面図である。
【図４】本発明の実施例に係る円偏波パッチアンテナのリターンロスを示す図である。
【図５】本発明の実施例に係る円偏波パッチアンテナの軸比特性を示す図である。
【図６】本発明の実施例に係る円偏波パッチアンテナの計算放射特性を示す図で、図６（ａ）は、ＺＸ面、図６（ｂ）は、ＺＹ面、図６（ｃ）は、ＸＹ面である。
【図７】本発明の実施例に係る円偏波パッチアンテナの計算効率を示す図である。
【図８】従来の円偏波パッチアンテナの図で、図８（ａ）は、斜視図、図８（ｂ）は、平面図、図８（ｃ）は、Ｃ−Ｃ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００３１】
図１は、本発明の円偏波パッチアンテナを使用した外付け通信モジュールの図で、図１（ａ）は、平面図、図１（ｂ）は、側面図である。図２は、本発明の円偏波パッチアンテナを使用した外付け通信モジュールの基板を説明する図で、図２（ａ）は、平面図、図２（ｂ）は、底面図である。
【００３２】
図１に示すように、本発明の円偏波パッチアンテナのパッチアンテナ金属部１は、一枚の金属板をプレス加工し、折り曲げて形成することにより、略正方形のパッチ部１ａ、その外周縁の４箇所から基板２側にパッチ支柱１ｂと給電支柱１ｃが延して形成される。材質はりん青銅であり、高周波損失低減と腐食防止のために金めっきを行っている。このため、簡単な構造となり、簡単な製造方法で製造できる。その結果、低コストで製造できる。
【００３３】
パッチアンテナ金属部１を、固定する基板２は、図２に示すように、パッチ部１ａを配設するアンテナ部３ａと部品を搭載できる実装部分となる基板２の表面側の第１のグランド部３ｂのサイズに合わせた低損失基板を用いている。パッチ支柱１ｂを基板２に固定する４箇所の第１の固定用電極５ａ、第２の固定用電極５ｂ、第３の固定用電極５ｃ、第４の固定用電極５ｄは、銅箔で構成されている。前記固定用電極が配設された前記基板で対角に位置する固定用電極同士であるところの、第１の固定用電極５ａと第４の固定用電極５ｄ、第２の固定用電極５ｂと第３の固定用電極５ｃは、それぞれ同じ形状で設けられている。パッチアンテナ金属部１のパッチ支柱１ｂは、基板２上の４箇所の固定用電極の上に半田付けされる。基板２の裏面側は、基板表面の第１の固定用電極５ａ、第２の固定用電極５ｂ、第３の固定用電極５ｃ、第４の固定用電極５ｄ（以下第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄと表示）の位置に基板を挟んで対応するように全面グランドとなる第２のグランド部３ｃを剥離した第１の剥離部４ａ、第２の剥離部４ｂ、第３の剥離部４ｃ、第４の剥離部４ｄ（以下第１の剥離部４ａ〜第４の剥離部４ｄと表示）が設けられている。
【００３４】
現状では、解析的に設計するのは困難なので、計算機シミュレーションにより、円偏波パッチアンテナの整合特性を計算し、円偏波パッチアンテナの各部のサイズを決める。また第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄのサイズは、軸比特性を計算して決定する。なお、ケース実装時には、ケースの誘電率の影響で実効波長が短縮し、ケースのない場合に比べてアンテナのサイズは小さくなる。
【００３５】
基板２の給電用電極６には、パッチアンテナ金属部１の給電支柱１ｃが半田付けされている。給電部９と給電用電極６の間には、給電線路７とチップインダクタ１０とチップキャパシタ１１から構成される整合回路８が挿入されている。
【００３６】
パッチアンテナで円偏波を作るには、パッチ部１ａの対角線の長さを非対称にして、電気長の異なる直交する電流分布を作るのが一般的であるが、本発明では、金属板のパッチ部１ａとパッチ支柱１ｂでは電気長の異なる直交する電流分布は作っていない。基板２上のパッチアンテナ固定用の第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄの長さを変えて、電極の長さの差（図１のＬ）で電気長を調整し、パッチ部１ａ上で直交する電流の位相をずらして円偏波を作っている。
【００３７】
また、円偏波アンテナでは軸比特性が重要になるが、軸比特性の改善にはアンテナのＱ（尖鋭度）を下げる必要がある。すなわち、電波の放出特性を向上させて、エネルギーが溜まらない構造にする必要がある、それには、アンテナの高さＨを大きくするのが効果的であるが、アンテナが厚くなる。そのため、本発明では、円偏波パッチアンテナのパッチ支柱１ｂを半田付けする第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄに対応するように、基板２の第２のグランド部３ｃの銅箔を剥離して、第１の剥離部４ａ〜第４の剥離部４ｄを作っている。これにより、第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄと第１の剥離部４ａ〜第４の剥離部４ｄの間に溜まるエネルギーを低減させて、Ｑを下げ、軸比特性を改善している。なお、通常の円偏波パッチアンテナでは、グランドを基板２のパッチ部１ａ側に設けているが、本発明の円偏波パッチアンテナでは、アンテナの高さを実効的に高くして放射を促進させてＱを下げるために、パッチ部１ａ直下のグランドは基板２の裏側に置いて第２のグランド部３ｃとしている。
【実施例】
【００３８】
本発明の実施例について図１、２を用いて説明する。パッチアンテナ金属部１は、外付け通信モジュールの基板２上に、構成されており、本実施例での使用周波数は２．４ＧＨｚである。基板２のサイズはカードサイズ５４×８６×厚さ１ｍｍである。部品実装部分となる第１のグランド部３ｂのサイズは５４×３０ｍｍ、アンテナを搭載するアンテナ部３ａのサイズは５４×５６ｍｍであり、厚み１ｍｍの低損失基板を使用している。アンテナのパッチ部１ａは、基板からの高さＨを５ｍｍで設定している。
【００３９】
パッチアンテナ金属部１は、図１に示すように、一枚の金属板をプレス加工し、折り曲げて形成することにより、略正方形のパッチ部１ａ、その外周縁の４箇所から基板２側にパッチ支柱１ｂ、パッチアンテナの給電用である給電支柱１ｃが一体で形成される。パッチ部１ａ、パッチ支柱１ｂ、給電支柱１ｃの材質は、厚み０．２ｍｍのりん青銅であり、高周波損失低減と腐食防止のために金めっきを行っている。パッチ部１ａの大きさは３５×３５ｍｍである。このパッチアンテナは、板金で４つのパッチ支柱１ｂを作成し、パッチアンテナはアンテナ自身で支柱を形成しており、簡単な構造となり、簡単な製造方法で製造できる。市販されているほとんどのパッチアンテナはパッチ部１ａを樹脂などで支持しているが、本発明ではパッチ部１ａ支持用の樹脂は不要である。その結果、低コストで製造できる。
【００４０】
本発明の円偏波パッチアンテナを実装した基板２は、材質が低損失基板である高周波用ＢＴレジンガラス布基材銅張り積層板ＣＣＬ−ＨＬ９５０（ＳＫ）（三菱ガス化学社製）であり、サイズはすでに述べたようにカードサイズ５４×８６×厚さ１ｍｍである。第１のグランド部３ｂはアンテナのグランド部であり、回路の実装領域である。残りの部分がアンテナの実装領域であるアンテナ部３ａとなっている。試作した円偏波パッチアンテナは評価用のため、第１のグランド部３ｂもグランドとしているが、第１のグランド部３ｂは、実際の通信モジュールでは回路の実装領域である。基板２の裏面の第２のグランド部３ｃは、第１の剥離部４ａ〜第４の剥離部４ｄの一部を除いて、全面グランドであるが、ここに部品を実装しても良い。
【００４１】
パッチアンテナ金属部１の４箇所のパッチ支柱１ｂは、基板２上のパッチアンテナ固定用の第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄの上に半田付けされる。第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄの付近の基板裏面には、銅箔を剥離して基板を挟んで対向する第１の剥離部４ａ〜第４の剥離部４ｄを作っている。実施例では、第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄの周囲３ｍｍ以内に相当する基板裏面のグランドを削除して、第１の剥離部４ａ〜第４の剥離部４ｄとしている。これにより、第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄと第１の剥離部４ａ〜第４の剥離部４ｄの間に溜まるエネルギーを低減させて、Ｑを下げ、軸比特性を改善している。給電用電極６には、パッチアンテナ金属部１の給電支柱１ｃが半田付けされる。整合回路８は、２．５ｎＨのチップインダクタ１０と０．８ｐＦのチップキャパシタ１１が実装されている。給電部９は、円偏波パッチアンテナへの給電位置を模式的に示したもので、実際の通信モジュールでは基板２の回路実装部である第１のグランド部３ｂなどに実装されているＲＦＩＣ等の部品から給電される。
【００４２】
本実施例では、対角線上に位置する固定用電極同士が、それぞれ同じ形状であるように、基板２上の第１の固定用電極５ａ、第４の固定用電極５ｄの電極サイズを２×４ｍｍ、第２の固定用電極５ｂ、第３の固定用電極５ｃの電極サイズを２×２ｍｍと変えて、電極の長さの差を２ｍｍとして（図１のＬ）電気長を調整し、パッチ部１ａ上で直交する電流の位相をずらして円偏波を作っている。
【００４３】
なお、パッチ部１ａの大きさは、アンテナと基板を図３のアクリルケースに入れて実測した場合に２．４ＧＨｚのアンテナとなるように設計されている。図３は、本発明の実施例に係る外付け通信モジュールを実装したアクリルケースを説明する図で、図３（ａ）は、平面図、図３（ｂ）は、Ｄ−Ｄ線断面図である。アクリルケース１２に実装しない場合には、パッチ部１ａのサイズは更に大きくなる。アクリルケース１２は、アクリルの厚さＡ１が１ｍｍ、ケース内側寸法Ｂ１が５４ｍｍ、パッチ部１ａとの間隔Ｃ１が０．５ｍｍ、基板２からの上側間隔Ｄ１が５．５ｍｍ、基板２の厚さＥ１が１ｍｍ、基板からの下側間隔Ｆ１が２ｍｍ、ケースの高さＧ１が１０．５ｍｍ、ケース内側寸法Ｉ１が８６ｍｍとなっている。このアンテナを図３に示すアクリルケース１２に入れて、計算したリターンロスを図４に示す。図４は、本発明の実施例に係る円偏波パッチアンテナ装置のリターンロスを示す図である。図４は、使用周波数２．４〜２．４８ＧＨｚでリターンロスが、−１５ｄＢ〜−２１ｄＢと良好な反射特性が得られている。
【００４４】
このアンテナの軸比特性を図５に示す。図５は、本発明の実施例に係る円偏波パッチアンテナの軸比特性を示す図である。２．４２６〜２．５２１ＧＨｚの９５ＭＨｚ幅で５ｄＢ以下の軸比特性が得られており、パッチ部のサイズもしくは固定用電極の長さを若干長くして、軸比の周波数を２６ＭＨｚ低い方シフトさせれば、使用周波数２．４〜２．４８ＧＨｚの全域が５ｄＢ以下になる。軸比については、アンテナの形状に制限を求めなければ、３ｄＢ以下が、通常良好とされているが、本発明のように、小型化と薄型化も目指している場合においては、５ｄＢ以下が望ましい範囲とされている。本発明においては、円偏波パッチアンテナを、標準カードサイズの基板に収めるという小型化を行っており、さらにパッチ支柱高さを５ｍｍ以内に収めているが、使用周波数の全域において５ｄＢ以下を実現している。
【００４５】
２．４４ＧＨｚの放射パターンの計算値を、図６に示す。図６は、本発明の実施例に係る円偏波パッチアンテナ装置の計算放射特性を示す図で、図６（ａ）は、ＺＸ面、図６（ｂ）は、ＺＹ面、図６（ｃ）は、ＸＹ面である。ここで座標系は図１（ａ）に示すように、Ｚ軸はパッチ部および基板面に垂直方向（手前向き）、Ｘ軸は図１（ａ）の下方向（パッチアンテナ部から第１のグランド部を見た向き）、Ｙ軸は図１（ａ）の右方向である。ここで座標系は本発明の円偏波パッチアンテナは、右旋円偏波パッチアンテナなので、右旋円偏波利得は大きい方が、左旋円偏波利得は小さい方が、望ましい。各面における利得は、放射がパッチ部に対して垂直方向に最大に出るので、ＺＸ面とＺＹ面に最大利得が出ている。最大利得の評価は、ＺＸ面とＺＹ面で、最大になる利得で評価し、本実施例においては、右旋円偏波利得７ｄＢｉ（等方向性アンテナを基準とした利得表示）程度、左千円偏波利得−７ｄＢｉ程度の良好な右旋円偏波アンテナ特性が得られる。ダイポールアンテナの最大利得は、通常２．１５ｄＢｉなので、本実施例での円偏波パッチアンテナの最大利得７ｄＢｉは、ダイポールアンテナより５ｄＢ大きな利得になっているので、良好な放射特性が得られたと確認できた。
【００４６】
図７は、本発明の実施例に係る円偏波パッチアンテナの計算効率を示す図である。ここで、総合効率、放射効率、反射損失は、総合効率＝放射電力／供給電力、放射効率＝放射電力／整合回路を通ってアンテナが受け取った電力、反射損失＝整合回路を通ってアンテナが受け取った電力／供給電力、として定義しており、総合効率（ｄＢ）＝放射効率（ｄＢ）＋反射損失（ｄＢ）となっている。総合効率は、実測値で−１ｄＢ以上あれば良好と考えられるので、計算値ではそれよりも良い値が要求されているが、本発明の円偏波パッチアンテナは、計算値ではあるが、使用周波数２．４〜２．４８ＧＨｚで総合効率−０．１１ｄＢ以上と良好な効率が得られている。
【００４７】
本発明について可能な変形について説明する。本発明の実施例では、第１の固定用電極５ａ、第４の固定用電極５ｄが、第２の固定用電極５ｂ、第３の固定用電極５ｃよりも長い場合について説明したが、第２の固定用電極５ｂ、第３の固定用電極５ｃが、逆に第１の固定用電極５ａ、第４の固定用電極５ｄより長い場合にも、円偏波アンテナになるが、偏波の回転方向が逆になる。本発明の実施例では、右旋円偏波アンテナの構成例であるが、固定用電極の電極サイズの長短を逆にすれば、左旋円偏波アンテナの構成例になる。
【００４８】
また、基板裏側のグランド剥離した第１の剥離部４ａ〜第４の剥離部４ｄを削除して、全面グランドにすれば、やや軸比特性が悪くなるが、裏面全体で部品実装が可能となる。
【００４９】
また、パッチ部１ａは正方形ではなくて、長方形でも良い。さらに、四角形でなくても良いし、円形でも良い。２つの電流パスがあり、その位相差を電気長の長さで調整可能な構造であれば、円偏波パッチアンテナができる。
【００５０】
また、基板グランドをアンテナ側としても良い。その場合には、パッチ支柱の固定用電極とグランドの間にグランドを剥離した領域を作り、パッチ支柱をグランドから絶縁させる必要がある。
【００５１】
なお、２つの電流パスの電気長が等しい場合には、直線偏波のパッチアンテナが得られる。そのため、実施例において、４箇所の固定用電極のサイズを同じにすれば、直線偏波のパッチアンテナとなる。
【００５２】
なお、上述した実施例では、パッチ部の外形が略正方形の場合について説明したが、パッチ部の外形が他の正多角形または円形であっても、あるいは、パッチ部の該周縁から延して形成される４本の支持が非等間隔なオフセットで配置してあったとしても、本発明のように基板上の固定用電極の長さを調整することにより、円偏波パッチアンテナとして動作する安価で高信頼性のアンテナ装置となすことは可能である。
【００５３】
以上、実施例を用いて、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、これらの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、センサーノードなどの端末の内蔵アンテナ、パソコンなどの電子機器の内蔵アンテナ、外付け無線モジュールの内蔵アンテナなどに利用できる。
【符号の説明】
【００５５】
１ パッチアンテナ金属部
１ａ パッチ部
１ｂ パッチ支柱
１ｃ 給電支柱
２ 基板
３ａ アンテナ部
３ｂ 第１のグランド部
３ｃ 第２のグランド部
４ａ 第１の剥離部
４ｂ 第２の剥離部
４ｃ 第３の剥離部
４ｄ 第４の剥離部
５ａ 第１の固定用電極
５ｂ 第２の固定用電極
５ｃ 第３の固定用電極
５ｄ 第４の固定用電極
６ 給電用電極
７ 給電線路
８ 整合回路
９ 給電部
１０ チップインダクタ
１１ チップキャパシタ
１２ アクリルケース
２１ 円偏波パッチアンテナ
２２ 放射導体板
２３ 給電ピン
２４ 第１の脚片
２５ 第２の脚片
２６ 第３の脚片
２７ 第４の脚片
２８ 接地導体
２９ 基板
３０ 取付孔
３１ スルーホール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型アンテナを用いて通信を行う、電子機器用の円偏波パッチアンテナおよび通信モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ユビキタス社会の進展により、無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）など小型のアンテナを有する電子機器が普及してきている。これらの小型アンテナは電子機器に内蔵される場合が多く、現在多くのパソコン等に内蔵されている。
【０００３】
一方、外付けの通信用モジュールも普及してきており、ＵＳＢ端子を用いてパソコンなどに接続される。これらの外付けの通信用モジュールには、小型のアンテナが内蔵されている。
【０００４】
これらのアンテナには、モノポールアンテナが多く使用されているが、アンテナの軸方向のアンテナ性能が悪く、通信ができにくい利得を持たない方向であるＮＵＬＬ方向（感度最小点）を有している。
【０００５】
また、モノポールアンテナやダイポールアンテナのような直線偏波アンテナは、主偏波の電界の方向が一方向を向いており、主偏波の電界と直交する直交偏波については、送信電界が非常に弱く、受信感度も非常に小さくなるため、アンテナの向きによっては、受信しにくくなる場合がある。
【０００６】
さらに、多重反射環境では、アンテナを設ける位置によっては反射電界との重畳により、電界が相殺される場所が多数存在し、そのような場所にアンテナを設けた場合、アンテナの性能が著しく劣化する。
【０００７】
そのため、複数のアンテナを用いたダイバーシティアンテナが一般には使用されている。例えば偏波ダイバーシティアンテナは、２本のアンテナを直交させて、一方のＮＵＬＬ方向を他方の指向性でカバーすると同時に、一方のアンテナの交差偏波は他方のアンテナの主偏波になるので、偏波の向きの違いによるアンテナの感度劣化を解消する。さらに、電界が相殺される場所で一方のアンテナの性能が劣化しても、他方のアンテナに切り替えてアンテナ性能を維持するものである。しかし、複数のアンテナを持つのは回路的に複雑になり、コストも高くなる。
【０００８】
一方、通信する方向が限定される場合には、指向性アンテナが利用される。指向性アンテナは、指向性の方向では高利得になり、指向性のない方向では低利得になる。そのため、信号の来る方向だけ高利得にし、干渉波の来る方向は低利得にでき、アンテナ性能が改善できる。
【０００９】
さらに、多重反射の改善に、円偏波パッチアンテナが用いられることがある。円偏波パッチアンテナは偏波の回転方向が逆の電波は受信しないが、電波は金属面で反射するたびに、回転方向を変える。そのため、円偏波パッチアンテナは反射波を受信しにくく、多重反射環境でよく用いられる。一般に円偏波パッチアンテナは指向性アンテナであり、指向性方向では高利得になり、指向性のない方向では低利得であり、干渉波に強い。
【００１０】
従来の円偏波パッチアンテナとして、例えば、特許文献１には、一枚の金属板をプレス加工することによって放射導体板と給電ピンと各脚片がすべて形成され、放射導体板を支持する４本の脚片が等間隔でなく、互いに直交する二つの共振モードの共振長に所定の差が生じるようにオフセット配置した円偏波パッチアンテナの例が記載されている。
【００１１】
特許文献１に記載されている円偏波パッチアンテナの例を図８に示す。図８は、従来の円偏波パッチアンテナの図で、図８（ａ）は、斜視図、図８（ｂ）は、平面図、図８（ｃ）は、Ｃ−Ｃ線断面図である。図８に示す円偏波パッチアンテナ２１は、一枚の金属板をプレス加工することによって形成された放射導体板２２と給電ピン２３と４本の第１の脚片２４、第２の脚片２５、第３の脚片２６、第４の脚片２７（以下第１の脚片２４〜第４の脚片２７と表示）とを備えており、上面に接地導体２８を設けた基板２９上に載置固定されている。放射導体板２２は外形が略正方形であって、その外周縁の４箇所から下向きに第１の脚片２４〜第４の脚片２７が延出している。これらの第１の脚片２４〜第４の脚片２７は、放射導体板２２の周縁の４箇所に突設された舌片を基板２９側へ直角に折り曲げて形成したものであり、第１の脚片２４〜第４の脚片２７の下端部は、基板２９の対応する位置に設けられた取付孔３０に挿入されて半田付けされている。ただし、図８（ｃ）から明らかなように、第１の脚片２４〜第４の脚片２７は接地導体２８とは絶縁されており、電気的には開放端となっている。そして、基板２９に機械的に固定されたこれら４本の第１の脚片２４〜第４の脚片２７によって、放射導体板２２は接地導体２８に対して略平行な姿勢に保持されている。また、放射導体板２２の給電点から切り起こされた給電ピン２３が下向きに延出して基板２９のスルーホール３１内で半田付けされている。これにより給電ピン２３は、基板２９の下面に設けられた給電回路（図示せず）と接続されるため、給電ピン２３を介して放射導体板２２に所定の高周波信号を供給することができる。
【００１２】
このように円偏波パッチアンテナ２１は、放射導体板２２の外周縁から突出する第１の脚片２４〜第４の脚片２７を、放射導体板２２の各辺の中点から所定量オフセットさせた位置に配設することによって、これら４本の第１の脚片２４〜第４の脚片２７を縮退分離素子として機能させている。図８（ｂ）に示すように、対角線Ａの一端側へ寄せた位置に第１の脚片２４および第２の脚片２５を配置させ、かつ、対角線Ａの他端側へ第３の脚片２６および第４の脚片２７を配置させて、放射導体板２２の互いに直交する二つの共振モードの共振長に所定の差を生じさせている。すなわち、対角線Ａに沿う共振モードの共振長が、対角線Ｂに沿う共振モードの共振長に比べて長くなっており、かつ、第１の脚片２４〜第４の脚片２７の大きさやオフセット量を予め適宜調整して両共振モードの位相差が約９０度となるように設定してあるため、この円偏波パッチアンテナ２１は円偏波アンテナとして動作させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−１６７９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、従来技術においては、複数のアンテナを使用したダイバーシティアンテナは、回路が複雑になり、小型化が困難で、コストもかかる。
【００１５】
また、通常の円偏波アンテナは、パッチアンテナであり、半波長×半波長のサイズが必要であり、サイズが大きくなる。さらにグランド面とパッチ面の隙間から電波が放出するため、性能改善のためには、厚みも必要である。
【００１６】
特許文献１に記載の円偏波パッチアンテナは、放射導体板と各脚片の大きさや所定量オフセットさせた位置を適宜調整して、使用周波数に対応する円偏波パッチアンテナを構成していたため、それぞれの使用周波数に対応した円偏波パッチアンテナの仕様を設計することとなり、基板構造や取り付け構造が複雑な上に、軸比特性の調整機構もないので製造コストが高くなっている。
【００１７】
そこで本発明は、薄くて小型で低コストの円偏波パッチアンテナおよび通信モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決するために、本発明の円偏波パッチアンテナは、パッチアンテナ金属部と基板により構成し、この金属部の一部を基板上の固定用電極に接続し、さらにこの固定用電極の長さを変えて、パッチ部上で直交する電流の位相をずらして円偏波を生成するようにしたものであり、そのために、同じ対角に位置する前記固定用電極同士は同じ長さに、異なる対角線上に位置する前記固定用電極同士は、異なる長さに構成したものである。
【００１９】
すなわち、本発明によれば、金属板からなるパッチ部と前記パッチ部の外周縁から一方向に垂直に延ばしたパッチ支柱および前記パッチ支柱と同じ方向に給電用電極に接続する給電支柱を備えるパッチアンテナ金属部と、前記パッチ部と平行に対向して前記パッチ支柱と接続する固定用電極とグランド部を有する基板から構成した円偏波パッチアンテナであって、前記固定用電極の長さを変えて、前記パッチ部上で直交する電流の位相をずらして円偏波を発生させることを特徴とする円偏波パッチアンテナが得られる。
【００２０】
また、本発明によれば、前記固定用電極が配設された前記基板で対角に位置する前記固定用電極同士が、それぞれ同じ形状であることを特徴とする上記の円偏波パッチアンテナが得られる。
【００２１】
また、本発明によれば、前記パッチ部と前記パッチ支柱と前記給電支柱が同じ材料で一体に構成されていることを特徴とする上記の円偏波パッチアンテナが得られる。
【００２２】
また、本発明によれば、前記グランド部が、前記パッチ部と対向する前記基板の表面上に設けられていることを特徴とする上記の円偏波パッチアンテナが得られる。
【００２３】
また、本発明によれば、前記グランド部が、前記基板をはさんで前記固定用電極と対向するように設けられていることを特徴とする上記の円偏波パッチアンテナが得られる。
【００２４】
また、本発明によれば、前記グランド部を剥離した剥離部が、前記基板をはさんで前記固定用電極と対向する部分に設けられていることを特徴とする上記の円偏波パッチアンテナが得られる。
【００２５】
また、本発明によれば、上記の円偏波パッチアンテナを、実装していることを特徴とする通信モジュールが得られる。
【００２６】
また、通信モジュールが、ＵＳＢ接続端子を有するものでも良い。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、基板の固定用電極の長さを変えて電気長を調整することにより、求める円偏波パッチアンテナを構成することができるので、円偏波パッチアンテナの低背化および小型化が容易に行うことができる。さらに、使用周波数に対応する調整を、円偏波パッチアンテナを搭載する基板に配設された固定用電極の長さにより行うことができるため、円偏波パッチアンテナを共通部品化することができ、量産効果と保有部材の効率化によるコスト低減を図ることができる。
【００２８】
また、円偏波パッチアンテナのグランドを基板の裏側のグランドとすることで、基板厚みを円偏波パッチアンテナ厚みに加えることができ、これによって円偏波パッチアンテナ全体の厚みを薄くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の円偏波パッチアンテナを使用した外付け通信モジュールの図で、図１（ａ）は、平面図、図１（ｂ）は、側面図である。
【図２】本発明の円偏波パッチアンテナを使用した外付け通信モジュールの基板を説明する図で、図２（ａ）は、平面図、図２（ｂ）は、底面図である。
【図３】本発明の実施例に係る外付け通信モジュールを実装したアクリルケースを説明する図で、図３（ａ）は、平面図、図３（ｂ）は、Ｄ−Ｄ線断面図である。
【図４】本発明の実施例に係る円偏波パッチアンテナのリターンロスを示す図である。
【図５】本発明の実施例に係る円偏波パッチアンテナの軸比特性を示す図である。
【図６】本発明の実施例に係る円偏波パッチアンテナの計算放射特性を示す図で、図６（ａ）は、ＺＸ面、図６（ｂ）は、ＺＹ面、図６（ｃ）は、ＸＹ面である。
【図７】本発明の実施例に係る円偏波パッチアンテナの計算効率を示す図である。
【図８】従来の円偏波パッチアンテナの図で、図８（ａ）は、斜視図、図８（ｂ）は、平面図、図８（ｃ）は、Ｃ−Ｃ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００３１】
図１は、本発明の円偏波パッチアンテナを使用した外付け通信モジュールの図で、図１（ａ）は、平面図、図１（ｂ）は、側面図である。図２は、本発明の円偏波パッチアンテナを使用した外付け通信モジュールの基板を説明する図で、図２（ａ）は、平面図、図２（ｂ）は、底面図である。
【００３２】
図１に示すように、本発明の円偏波パッチアンテナのパッチアンテナ金属部１は、一枚の金属板をプレス加工し、折り曲げて形成することにより、略正方形のパッチ部１ａ、その外周縁の４箇所から基板２側にパッチ支柱１ｂと給電支柱１ｃが延して形成される。材質はりん青銅であり、高周波損失低減と腐食防止のために金めっきを行っている。このため、簡単な構造となり、簡単な製造方法で製造できる。その結果、低コストで製造できる。
【００３３】
パッチアンテナ金属部１を、固定する基板２は、図２に示すように、パッチ部１ａを配設するアンテナ部３ａと部品を搭載できる実装部分となる基板２の表面側の第１のグランド部３ｂのサイズに合わせた低損失基板を用いている。パッチ支柱１ｂを基板２に固定する４箇所の第１の固定用電極５ａ、第２の固定用電極５ｂ、第３の固定用電極５ｃ、第４の固定用電極５ｄは、銅箔で構成されている。前記固定用電極が配設された前記基板で対角に位置する固定用電極同士であるところの、第１の固定用電極５ａと第４の固定用電極５ｄ、第２の固定用電極５ｂと第３の固定用電極５ｃは、それぞれ同じ形状で設けられている。パッチアンテナ金属部１のパッチ支柱１ｂは、基板２上の４箇所の固定用電極の上に半田付けされる。基板２の裏面側は、基板表面の第１の固定用電極５ａ、第２の固定用電極５ｂ、第３の固定用電極５ｃ、第４の固定用電極５ｄ（以下第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄと表示）の位置に基板を挟んで対応するように全面グランドとなる第２のグランド部３ｃを剥離した第１の剥離部４ａ、第２の剥離部４ｂ、第３の剥離部４ｃ、第４の剥離部４ｄ（以下第１の剥離部４ａ〜第４の剥離部４ｄと表示）が設けられている。
【００３４】
現状では、解析的に設計するのは困難なので、計算機シミュレーションにより、円偏波パッチアンテナの整合特性を計算し、円偏波パッチアンテナの各部のサイズを決める。また第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄのサイズは、軸比特性を計算して決定する。なお、ケース実装時には、ケースの誘電率の影響で実効波長が短縮し、ケースのない場合に比べてアンテナのサイズは小さくなる。
【００３５】
基板２の給電用電極６には、パッチアンテナ金属部１の給電支柱１ｃが半田付けされている。給電部９と給電用電極６の間には、給電線路７とチップインダクタ１０とチップキャパシタ１１から構成される整合回路８が挿入されている。
【００３６】
パッチアンテナで円偏波を作るには、パッチ部１ａの対角線の長さを非対称にして、電気長の異なる直交する電流分布を作るのが一般的であるが、本発明では、金属板のパッチ部１ａとパッチ支柱１ｂでは電気長の異なる直交する電流分布は作っていない。基板２上のパッチアンテナ固定用の第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄの長さを変えて、電極の長さの差（図１のＬ）で電気長を調整し、パッチ部１ａ上で直交する電流の位相をずらして円偏波を作っている。
【００３７】
また、円偏波アンテナでは軸比特性が重要になるが、軸比特性の改善にはアンテナのＱ（尖鋭度）を下げる必要がある。すなわち、電波の放出特性を向上させて、エネルギーが溜まらない構造にする必要がある、それには、アンテナの高さＨを大きくするのが効果的であるが、アンテナが厚くなる。そのため、本発明では、円偏波パッチアンテナのパッチ支柱１ｂを半田付けする第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄに対応するように、基板２の第２のグランド部３ｃの銅箔を剥離して、第１の剥離部４ａ〜第４の剥離部４ｄを作っている。これにより、第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄと第１の剥離部４ａ〜第４の剥離部４ｄの間に溜まるエネルギーを低減させて、Ｑを下げ、軸比特性を改善している。なお、通常の円偏波パッチアンテナでは、グランドを基板２のパッチ部１ａ側に設けているが、本発明の円偏波パッチアンテナでは、アンテナの高さを実効的に高くして放射を促進させてＱを下げるために、パッチ部１ａ直下のグランドは基板２の裏側に置いて第２のグランド部３ｃとしている。
【実施例】
【００３８】
本発明の実施例について図１、２を用いて説明する。パッチアンテナ金属部１は、外付け通信モジュールの基板２上に、構成されており、本実施例での使用周波数は２．４ＧＨｚである。基板２のサイズはカードサイズ５４×８６×厚さ１ｍｍである。部品実装部分となる第１のグランド部３ｂのサイズは５４×３０ｍｍ、アンテナを搭載するアンテナ部３ａのサイズは５４×５６ｍｍであり、厚み１ｍｍの低損失基板を使用している。アンテナのパッチ部１ａは、基板からの高さＨを５ｍｍで設定している。
【００３９】
パッチアンテナ金属部１は、図１に示すように、一枚の金属板をプレス加工し、折り曲げて形成することにより、略正方形のパッチ部１ａ、その外周縁の４箇所から基板２側にパッチ支柱１ｂ、パッチアンテナの給電用である給電支柱１ｃが一体で形成される。パッチ部１ａ、パッチ支柱１ｂ、給電支柱１ｃの材質は、厚み０．２ｍｍのりん青銅であり、高周波損失低減と腐食防止のために金めっきを行っている。パッチ部１ａの大きさは３５×３５ｍｍである。このパッチアンテナは、板金で４つのパッチ支柱１ｂを作成し、パッチアンテナはアンテナ自身で支柱を形成しており、簡単な構造となり、簡単な製造方法で製造できる。市販されているほとんどのパッチアンテナはパッチ部１ａを樹脂などで支持しているが、本発明ではパッチ部１ａ支持用の樹脂は不要である。その結果、低コストで製造できる。
【００４０】
本発明の円偏波パッチアンテナを実装した基板２は、材質が低損失基板である高周波用ＢＴレジンガラス布基材銅張り積層板ＣＣＬ−ＨＬ９５０（ＳＫ）（三菱ガス化学社製）であり、サイズはすでに述べたようにカードサイズ５４×８６×厚さ１ｍｍである。第１のグランド部３ｂはアンテナのグランド部であり、回路の実装領域である。残りの部分がアンテナの実装領域であるアンテナ部３ａとなっている。試作した円偏波パッチアンテナは評価用のため、第１のグランド部３ｂもグランドとしているが、第１のグランド部３ｂは、実際の通信モジュールでは回路の実装領域である。基板２の裏面の第２のグランド部３ｃは、第１の剥離部４ａ〜第４の剥離部４ｄの一部を除いて、全面グランドであるが、ここに部品を実装しても良い。
【００４１】
パッチアンテナ金属部１の４箇所のパッチ支柱１ｂは、基板２上のパッチアンテナ固定用の第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄの上に半田付けされる。第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄの付近の基板裏面には、銅箔を剥離して基板を挟んで対向する第１の剥離部４ａ〜第４の剥離部４ｄを作っている。実施例では、第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄの周囲３ｍｍ以内に相当する基板裏面のグランドを削除して、第１の剥離部４ａ〜第４の剥離部４ｄとしている。これにより、第１の固定用電極５ａ〜第４の固定用電極５ｄと第１の剥離部４ａ〜第４の剥離部４ｄの間に溜まるエネルギーを低減させて、Ｑを下げ、軸比特性を改善している。給電用電極６には、パッチアンテナ金属部１の給電支柱１ｃが半田付けされる。整合回路８は、２．５ｎＨのチップインダクタ１０と０．８ｐＦのチップキャパシタ１１が実装されている。給電部９は、円偏波パッチアンテナへの給電位置を模式的に示したもので、実際の通信モジュールでは基板２の回路実装部である第１のグランド部３ｂなどに実装されているＲＦＩＣ等の部品から給電される。
【００４２】
本実施例では、対角線上に位置する固定用電極同士が、それぞれ同じ形状であるように、基板２上の第１の固定用電極５ａ、第４の固定用電極５ｄの電極サイズを２×４ｍｍ、第２の固定用電極５ｂ、第３の固定用電極５ｃの電極サイズを２×２ｍｍと変えて、電極の長さの差を２ｍｍとして（図１のＬ）電気長を調整し、パッチ部１ａ上で直交する電流の位相をずらして円偏波を作っている。
【００４３】
なお、パッチ部１ａの大きさは、アンテナと基板を図３のアクリルケースに入れて実測した場合に２．４ＧＨｚのアンテナとなるように設計されている。図３は、本発明の実施例に係る外付け通信モジュールを実装したアクリルケースを説明する図で、図３（ａ）は、平面図、図３（ｂ）は、Ｄ−Ｄ線断面図である。アクリルケース１２に実装しない場合には、パッチ部１ａのサイズは更に大きくなる。アクリルケース１２は、アクリルの厚さＡ１が１ｍｍ、ケース内側寸法Ｂ１が５４ｍｍ、パッチ部１ａとの間隔Ｃ１が０．５ｍｍ、基板２からの上側間隔Ｄ１が５．５ｍｍ、基板２の厚さＥ１が１ｍｍ、基板からの下側間隔Ｆ１が２ｍｍ、ケースの高さＧ１が１０．５ｍｍ、ケース内側寸法Ｉ１が８６ｍｍとなっている。このアンテナを図３に示すアクリルケース１２に入れて、計算したリターンロスを図４に示す。図４は、本発明の実施例に係る円偏波パッチアンテナ装置のリターンロスを示す図である。図４は、使用周波数２．４〜２．４８ＧＨｚでリターンロスが、−１５ｄＢ〜−２１ｄＢと良好な反射特性が得られている。
【００４４】
このアンテナの軸比特性を図５に示す。図５は、本発明の実施例に係る円偏波パッチアンテナの軸比特性を示す図である。２．４２６〜２．５２１ＧＨｚの９５ＭＨｚ幅で５ｄＢ以下の軸比特性が得られており、パッチ部のサイズもしくは固定用電極の長さを若干長くして、軸比の周波数を２６ＭＨｚ低い方シフトさせれば、使用周波数２．４〜２．４８ＧＨｚの全域が５ｄＢ以下になる。軸比については、アンテナの形状に制限を求めなければ、３ｄＢ以下が、通常良好とされているが、本発明のように、小型化と薄型化も目指している場合においては、５ｄＢ以下が望ましい範囲とされている。本発明においては、円偏波パッチアンテナを、標準カードサイズの基板に収めるという小型化を行っており、さらにパッチ支柱高さを５ｍｍ以内に収めているが、使用周波数の全域において５ｄＢ以下を実現している。
【００４５】
２．４４ＧＨｚの放射パターンの計算値を、図６に示す。図６は、本発明の実施例に係る円偏波パッチアンテナ装置の計算放射特性を示す図で、図６（ａ）は、ＺＸ面、図６（ｂ）は、ＺＹ面、図６（ｃ）は、ＸＹ面である。ここで座標系は図１（ａ）に示すように、Ｚ軸はパッチ部および基板面に垂直方向（手前向き）、Ｘ軸は図１（ａ）の下方向（パッチアンテナ部から第１のグランド部を見た向き）、Ｙ軸は図１（ａ）の右方向である。ここで座標系は本発明の円偏波パッチアンテナは、右旋円偏波パッチアンテナなので、右旋円偏波利得は大きい方が、左旋円偏波利得は小さい方が、望ましい。各面における利得は、放射がパッチ部に対して垂直方向に最大に出るので、ＺＸ面とＺＹ面に最大利得が出ている。最大利得の評価は、ＺＸ面とＺＹ面で、最大になる利得で評価し、本実施例においては、右旋円偏波利得７ｄＢｉ（等方向性アンテナを基準とした利得表示）程度、左千円偏波利得−７ｄＢｉ程度の良好な右旋円偏波アンテナ特性が得られる。ダイポールアンテナの最大利得は、通常２．１５ｄＢｉなので、本実施例での円偏波パッチアンテナの最大利得７ｄＢｉは、ダイポールアンテナより５ｄＢ大きな利得になっているので、良好な放射特性が得られたと確認できた。
【００４６】
図７は、本発明の実施例に係る円偏波パッチアンテナの計算効率を示す図である。ここで、総合効率、放射効率、反射損失は、総合効率＝放射電力／供給電力、放射効率＝放射電力／整合回路を通ってアンテナが受け取った電力、反射損失＝整合回路を通ってアンテナが受け取った電力／供給電力、として定義しており、総合効率（ｄＢ）＝放射効率（ｄＢ）＋反射損失（ｄＢ）となっている。総合効率は、実測値で−１ｄＢ以上あれば良好と考えられるので、計算値ではそれよりも良い値が要求されているが、本発明の円偏波パッチアンテナは、計算値ではあるが、使用周波数２．４〜２．４８ＧＨｚで総合効率−０．１１ｄＢ以上と良好な効率が得られている。
【００４７】
本発明について可能な変形について説明する。本発明の実施例では、第１の固定用電極５ａ、第４の固定用電極５ｄが、第２の固定用電極５ｂ、第３の固定用電極５ｃよりも長い場合について説明したが、第２の固定用電極５ｂ、第３の固定用電極５ｃが、逆に第１の固定用電極５ａ、第４の固定用電極５ｄより長い場合にも、円偏波アンテナになるが、偏波の回転方向が逆になる。本発明の実施例では、右旋円偏波アンテナの構成例であるが、固定用電極の電極サイズの長短を逆にすれば、左旋円偏波アンテナの構成例になる。
【００４８】
また、基板裏側のグランド剥離した第１の剥離部４ａ〜第４の剥離部４ｄを削除して、全面グランドにすれば、やや軸比特性が悪くなるが、裏面全体で部品実装が可能となる。
【００４９】
また、パッチ部１ａは正方形ではなくて、長方形でも良い。さらに、四角形でなくても良いし、円形でも良い。２つの電流パスがあり、その位相差を電気長の長さで調整可能な構造であれば、円偏波パッチアンテナができる。
【００５０】
また、基板グランドをアンテナ側としても良い。その場合には、パッチ支柱の固定用電極とグランドの間にグランドを剥離した領域を作り、パッチ支柱をグランドから絶縁させる必要がある。
【００５１】
なお、２つの電流パスの電気長が等しい場合には、直線偏波のパッチアンテナが得られる。そのため、実施例において、４箇所の固定用電極のサイズを同じにすれば、直線偏波のパッチアンテナとなる。
【００５２】
なお、上述した実施例では、パッチ部の外形が略正方形の場合について説明したが、パッチ部の外形が他の正多角形または円形であっても、あるいは、パッチ部の該周縁から延して形成される４本の支持が非等間隔なオフセットで配置してあったとしても、本発明のように基板上の固定用電極の長さを調整することにより、円偏波パッチアンテナとして動作する安価で高信頼性のアンテナ装置となすことは可能である。
【００５３】
以上、実施例を用いて、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、これらの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、センサーノードなどの端末の内蔵アンテナ、パソコンなどの電子機器の内蔵アンテナ、外付け無線モジュールの内蔵アンテナなどに利用できる。
【符号の説明】
【００５５】
１ パッチアンテナ金属部
１ａ パッチ部
１ｂ パッチ支柱
１ｃ 給電支柱
２ 基板
３ａ アンテナ部
３ｂ 第１のグランド部
３ｃ 第２のグランド部
４ａ 第１の剥離部
４ｂ 第２の剥離部
４ｃ 第３の剥離部
４ｄ 第４の剥離部
５ａ 第１の固定用電極
５ｂ 第２の固定用電極
５ｃ 第３の固定用電極
５ｄ 第４の固定用電極
６ 給電用電極
７ 給電線路
８ 整合回路
９ 給電部
１０ チップインダクタ
１１ チップキャパシタ
１２ アクリルケース
２１ 円偏波パッチアンテナ
２２ 放射導体板
２３ 給電ピン
２４ 第１の脚片
２５ 第２の脚片
２６ 第３の脚片
２７ 第４の脚片
２８ 接地導体
２９ 基板
３０ 取付孔
３１ スルーホール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板からなるパッチ部と前記パッチ部の外周縁から一方向に垂直に延ばしたパッチ支柱および前記パッチ支柱と同じ方向に給電用電極に接続する給電支柱を備えるパッチアンテナ金属部と、前記パッチ部と平行に対向して前記パッチ支柱と接続する固定用電極とグランド部を有する基板から構成した円偏波パッチアンテナであって、前記固定用電極の長さを変えて、前記パッチ部上で直交する電流の位相をずらして円偏波を発生させることを特徴とする円偏波パッチアンテナ。
【請求項２】
前記固定用電極が配設された前記基板で対角に位置する前記固定用電極同士が、それぞれ同じ形状であることを特徴とする請求項１記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項３】
前記パッチ部と前記パッチ支柱と前記給電支柱が同じ材料で一体に構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項４】
前記グランド部が、前記パッチ部と対向する前記基板の表面上に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項５】
前記グランド部が、前記基板をはさんで前記固定用電極と対向するように設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項６】
前記グランド部を剥離した剥離部が、前記基板をはさんで前記固定用電極と対向する部分に設けられていることを特徴とする請求項５記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項７】
請求項１〜請求項６に記載の円偏波パッチアンテナを、実装していることを特徴とする通信モジュール。
【請求項１】
金属板からなるパッチ部と前記パッチ部の外周縁から一方向に垂直に延ばしたパッチ支柱および前記パッチ支柱と同じ方向に給電用電極に接続する給電支柱を備えるパッチアンテナ金属部と、前記パッチ部と平行に対向して前記パッチ支柱と接続する固定用電極とグランド部を有する基板から構成した円偏波パッチアンテナであって、前記固定用電極の長さを変えて、前記パッチ部上で直交する電流の位相をずらして円偏波を発生させることを特徴とする円偏波パッチアンテナ。
【請求項２】
前記固定用電極が配設された前記基板で対角に位置する前記固定用電極同士が、それぞれ同じ形状であることを特徴とする請求項１記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項３】
前記パッチ部と前記パッチ支柱と前記給電支柱が同じ材料で一体に構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項４】
前記グランド部が、前記パッチ部と対向する前記基板の表面上に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項５】
前記グランド部が、前記基板をはさんで前記固定用電極と対向するように設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項６】
前記グランド部を剥離した剥離部が、前記基板をはさんで前記固定用電極と対向する部分に設けられていることを特徴とする請求項５記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項７】
請求項１〜請求項６に記載の円偏波パッチアンテナを、実装していることを特徴とする通信モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１２００６９（Ｐ２０１２−１２００６９Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６９９６６（Ｐ２０１０−２６９９６６）
【出願日】平成２２年１２月３日（２０１０．１２．３）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月３日（２０１０．１２．３）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
【Ｆターム（参考）】
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