JP2001024426A - アンテナ素子及びそれを用いた円偏波アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、携帯機器に内蔵する上で好適な、
小型で長方形状のアンテナ素子、及び、このアンテナ素
子を用いた円偏波アンテナ装置を提供する。 【解決手段】 略直方体の誘電体基体２上面に、上面長
手方向に並設され、かつ互いに直交した二つのパッチ電
極３、７を設け、誘電体基体２下面に接地電極６を設け
る。誘電体基体２の長手方向側面に、パッチ電極の一方
３と接地電極６とを電気的に接続する第１短絡電極４を
設け、誘電体基体２の短手方向側面に、パッチ電極の他
方７と接地電極６とを電気的に接続する第２短絡電極８
を設ける。パッチ電極３、７の短絡電極４、８が設けら
れた側面に、パッチ電極３、７と電気的に接続された給
電電極５、９を設ける。互いに直交する二個の4分の１
波長タイプの片側短絡型マイクロストリップアンテナ１
ａ、１ｂを互いに組み合わせることにより、円偏波を発
生させることが出来る。かつその寸法は、従来に比べて
面積比で２分の１まで小さく出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、携帯機器等に搭載
され、航法用衛星等から送信される電波を受信する円偏
波アンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯機器に内蔵され、航法衛星か
らの電波を受信し、自分の現在位置を割り出す衛星航法
装置が普及してきており、特に携帯電話機においては、
緊急通信の際に自分の位置を基地局に自動送信する装置
も普及しようとしている。

【０００３】衛星航法として、ＧＰＳ（Global Positio
ning System）と呼ばれるシステムにおいては、右旋円
偏波が用いられており、地球を周回している複数のＧＰ
Ｓ衛星からの電波を効率良く受信するために、広角にわ
たり利得が平坦で、かつ右旋円偏波が良好に受信出来る
アンテナが望まれている。また、携帯機器に内蔵される
ため、アンテナの外形は出来るだけ小型であることが望
まれている。

【０００４】図４に示す従来の円偏波アンテナ装置４０
０は、２分の１波長タイプ両端開放型マイクロストリッ
プパッチアンテナを基本としたもので、アンテナ素子４
１と低雑音増幅器５０が組み合わされている。上面及び
下面が略正方形の誘電体基体４２の一面には、矩形のパ
ッチ電極４３が形成され、他面には略全面に接地電極４
４が形成されている。パッチ電極４３の対角の角部４３
ａを切り欠くことにより、円偏波を発生させている。こ
れらのパッチ電極４３及び接地電極４４は、それぞれ誘
電体基体４２に銀ペーストや銅ペーストを印刷して形成
する方法が一般的に用いられている。

【０００５】誘電体基体４２には、貫通孔４６が設けら
れており、誘電体基体４２の他面に形成された接地電極
４４における貫通孔４６の近傍には、接地電極４４が取
除かれた取除き部４７が設けられている。パッチ電極４
３への給電は、貫通孔４６に給電ピン４５を挿入し、給
電ピン４５をパッチ電極４３に半田付け等で接続するこ
とにより行われる。給電ピン４５の位置は、アンテナ素
子４１の入力インピーダンスが、例えば５０オームにな
るように設定されている。

【０００６】低雑音増幅器５０は、半導体素子としてＨ
ＥＭＴ等を用いた初段増幅器５２、バンドパスフィルタ
５３、緩衝増幅器５４等から構成されている。円偏波ア
ンテナ４１の給電ピン４５は、低雑音増幅器５０の入力
端子５１に接続される。低雑音増幅器５０の出力端子５
５は、図示を省略した受信機の入力端子に同軸ケーブル
等を介して接続される。

【０００７】図４に示した従来のアンテナ素子４１のパ
ッチ電極４３の各辺の長さ寸法Ｋ及びＬは、誘電体基体
４２の比誘電率εｒや厚さ寸法Ｈ２により決定される。
例えば、ＧＰＳ周波数１５７５．４２ＭＨｚで共振を得
る場合、比誘電率εｒに対するパッチ電極４３の一辺の
長さ寸法Ｋ、Ｌ及び誘電体基体４２の一辺の長さ寸法Ｗ
２、Ｌ２は、上面及び下面が正方形の場合に概略表１の
ようになる。ただし、誘電体基体４２の材料は誘電体セ
ラミックとし、厚さ寸法Ｈ２は４ｍｍとする。

【表１】

【０００８】以上のように、アンテナ素子４１は、比誘
電率εｒが大きい誘電体基体４２を用いるに従って小型
化されることがわかる。また、比誘電率εｒが２０乃至
９０程度の誘電体セラミックは、一般に誘電正接ｔａｎ
δが略１×１０^-4以下であるため、アンテナの放射効率
が略９０％以上となり、誘電体基体４２としていずれの
比誘電率εｒを持つ誘電体セラミックを用いたとして
も、ＧＰＳ衛星からの電波を受信する場合は、所用の利
得が得られ、円偏波特性等も問題ない。

【０００９】上記では、比誘電率εｒが９０の場合まで
の誘電体基体４２を使用したアンテナ素子４１の寸法例
を示したが、更に比誘電率εｒの大きい誘電体セラミッ
クを誘電体基体４２として用いることで、アンテナ素子
４１は、比誘電率εｒが９０の場合よりも更に小型化さ
れる。しかしながら、一般に比誘電率εｒが略１００を
越えるような誘電体セラミックにおいては、誘電正接ｔ
ａｎδが大きくなる傾向にあり、アンテナの放射効率を
低下させ、所用の利得が得られなくなる。また、パッチ
電極４３等のわずかな寸法誤差が共振周波数に与える影
響が大きくなるため、製造上の歩留まりが大きく劣化す
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の円偏波アンテナ装置４００のアンテナ素子４１に
おいては、比誘電率εｒの大きな誘電体基体４２を用い
るに従って、アンテナ素子４１が小型化され、携帯機器
に内蔵する上で好適な形態に近づけることが出来る。し
かしながら、ＧＰＳ受信用の円偏波アンテナ装置４００
を、パッチ電極４３を上方に向けて携帯電話機上端部に
内蔵する場合を考えたとき、携帯電話機の厚さ方向がア
ンテナ素子４１の長さ寸法Ｗ２またはＤ２に相当するこ
とになる。そのため、実用的な比誘電率εｒを持つ誘電
体基体４２を使用したアンテナ素子４１では、長さ寸法
Ｗ２またはＤ２が近年の小型・薄型化された携帯電話機
に要求される厚さ以上になり、携帯電話機のデザインを
損なう可能性がある。

【００１１】本発明は、以上のような問題を解決するた
めになされたもので、携帯機器に内蔵する上で好適な、
小型で直方体形状の円偏波アンテナ素子を提供すること
を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のアンテナ素子
は、略直方体の誘電体基体と、誘電体基体上面の長手方
向に並設され、かつ互いに直交して設けられた二つのパ
ッチ電極と、誘電体基体の下面に設けられた接地電極
と、誘電体基体の長手方向側面に設けられ、パッチ電極
の一方と接地電極とをそれぞれ電気的に接続する第１短
絡電極と、誘電体基体の短手方向側面に設けられ、パッ
チ電極の他方と接地電極とをそれぞれ電気的に接続する
第２短絡電極と、各パッチ電極の短絡電極が設けられた
側面に各パッチ電極に対応してそれぞれ設けられ、各パ
ッチ電極と電気的に接続された給電電極とを備えたもの
である。かかるアンテナ素子によれば、互いに直交する
二個の4分の１波長タイプの片側短絡型マイクロストリ
ップアンテナが形成され、これら二個の片側短絡型マイ
クロストリップアンテナを互いに組み合わせる事によ
り、円偏波を発生させることが出来る。かつその寸法
は、これら片側短絡型マイクロストリップアンテナの寸
法が、従来の２分の１波長共振タイプの両端開放型マイ
クロストリップアンテナの寸法に対して面積比で4分に
１まで小さく出来るので、従来に比べて面積比で２分の
１まで小さく出来る。給電電極のそれぞれを誘電体基体
の側面から設置電極が設けられている下面まで延長させ
て形成する事は、アンテナ素子を低雑音増幅器等を形成
する回路基板に実装する際、他の表面実装電子部品と同
じ工程で実装できるので好ましい。

【００１３】本発明の他のアンテナ素子は、略直方体の
誘電体基体と、誘電体基体上面の長手方向に並設され、
かつ互いに直交して設けられた二つのパッチ電極と、誘
電体基体の下面に設けられた接地電極と、誘電体基体の
長手方向側面に設けられ、パッチ電極の一方と接地電極
とをそれぞれ電気的に接続する第１短絡電極と、誘電体
基体の短手方向側面に設けられ、パッチ電極の他方と接
地電極とをそれぞれ電気的に接続する第２短絡電極と、
各パッチ電極から接地電極に向けて形成された誘電体基
体の各貫通孔に、各パッチ電極に対応してそれぞれ設け
られ、各パッチ電極と電気的に接続された給電電極とを
備えたものである。かかるアンテナ素子によれば、互い
に直交して形成された二個の片側短絡型マイクロストリ
ップアンテナを互いに組み合わせる事により、円偏波を
発生させることが出来る。かつその寸法は、従来に比べ
て面積比で２分の１まで小さく出来る。更に給電電極が
誘電体基板を貫通して設けられているので、給電電極が
最短に形成でき、望ましい給電ができる。給電電極を給
電ピンとすることは、給電電極における損失を少なくし
かつアンテナ素子と回路基板との強固な接続を確保でき
るので好ましい。

【００１４】本発明の円偏波アンテナ装置は、上記のア
ンテナ素子の給電電極の一方の給電電極に９０°移相手
段を電気的に接続するとともに９０°移相手段と給電電
極の他方の給電電極との間に電力合成手段を電気的に接
続して構成したものである。かかる円偏波アンテナ装置
によれば、携帯機器に内蔵する上で好適な小型の円偏波
アンテナ装置が出来る。

【００１５】

【発明の実施形態】本発明の円偏波アンテナ装置の一実
施の形態を、図面に基づいて説明する。図１は、本発明
の円偏波アンテナ装置の第１の実施の形態を示してお
り、円偏波アンテナ装置１００は、アンテナ素子１と低
雑音増幅器１０が組み合わされて構成されている。アン
テナ素子１を構成する略直方体の誘電体基体２の上面に
は、パッチ電極３及びパッチ電極７が一つの軸、即ち図
１においてはｙ軸に沿って互いに直交する位置に形成さ
れている。また、誘電体基体２の下面には、略全面に接
地電極６が形成されている。

【００１６】パッチ電極３とパッチ電極７は、略同一形
状である。パッチ電極３は、図１の手前側端部で電極３
ａ、３ｂ、３ｃの３つに分かれており、電極３ａ及び３
ｂ部分は手前側面の短絡電極４の短絡部４ａ、４ｂを介
して接地電極６と接続されている。電極３ｃは給電電極
５を構成する側面部５ａに接続され、更に誘電体基体２
の下面に形成された給電電極５を構成する下面部５ｂに
接続されている。給電電極５の下面部５ｂ近傍において
は、接地電極６が取り除かれている。このように各種電
極を形成することより、アンテナ素子１の図１左側には
片側短絡型マイクロストリップアンテナ１ａが構成され
る。パッチ電極３の電極３ｃ部は、片側短絡型マイクロ
ストリップアンテナ１ａの入力インピーダンスが、例え
ば５０オームになるように設定されている。

【００１７】一方、パッチ電極７は、図１の右側端部で
電極７ａ、７ｂ、７ｃの３つに分かれており、電極７ａ
及び７ｂ部分は右側面の短絡電極８の短絡部８ａ、８ｂ
を介して接地電極６と接続されている。電極７ｃは給電
電極９の側面部９ａに接続され、更に誘電体基体２の下
面に形成された給電電極９の下面部９ｂに接続されてい
る。給電電極９の下面部９ｂ近傍においては、接地電極
６が取り除かれている。このように各種電極を形成する
ことより、アンテナ素子１の図１右側には片側短絡型マ
イクロストリップアンテナ１ｂが構成される。パッチ電
極７の電極７ｃ部は、片側短絡型マイクロストリップア
ンテナ１ｂの入力インピーダンスが、例えば５０オーム
になるように設定されている。

【００１８】低雑音増幅器１０は、電力合成手段１３、
９０°移相手段１４、半導体素子としてＨＥＭＴ等を用
いた初段増幅器１５、バンドパスフィルタ１６、緩衝増
幅器１７等から構成される。電力合成手段１３は、二つ
の入力信号を等振幅かつ同位相で合成する機能を持つ。
アンテナ素子１の給電電極５は、低雑音増幅器１０の入
力端子１１に接続され、アンテナ素子１の給電電極９
は、低雑音増幅器１０の入力端子１２に接続される。低
雑音増幅器１０の出力端子１８は、図示を省略した受信
機の入力端子に同軸ケーブル等を介して接続される。

【００１９】アンテナ素子１は、二つの片側短絡型マイ
クロストリップアンテナ１ａ、１ｂで構成されており、
片側短絡型マイクロストリップアンテナ１ａで受信され
る電界は図１に示す座標系においてｘ-ｚ面が主方向と
なり、片側短絡型マイクロストリップアンテナ１ｂで受
信される電界は図１に示す座標系においてｙ-ｚ面が主
方向となる。つまり、偏波面が９０°異なることにな
る。また、片側短絡型マイクロストリップアンテナ１ｂ
からの受信信号は、片側短絡型マイクロストリップアン
テナ１ａからの受信信号に対し、９０°移相手段１４を
介して電力合成手段１３に入力されるので、二つの受信
信号には、電気的に９０°の位相差が発生し、円偏波が
受信出来ることになる。図１に示す接続においては、主
にｚ軸方向からの右旋円偏波を受信することが出来る。

【００２０】ここで、アンテナ素子１がＧＰＳ受信用で
あり、誘電体基体２の材料が誘電体セラミックである場
合、比誘電率εｒに対するアンテナ素子１の各部の寸法
は、概略表２のようになる。

【表２】 従って、図１に示す本発明のアンテナ素子１は、その一
辺の長さＷ１が図４に示す従来のアンテナ素子４１の一
辺の長さＷ２と変わらないものの、奥行きの寸法Ｄ１が
図４に示す従来のアンテナ素子４１の奥行きの寸法Ｄ２
の略１／２の長さとなる。そのため面積も略１／２とな
り、小型化と形状の直方体化が同時に達成され、携帯機
器内蔵用として好適なアンテナが実現される。特に、比
誘電率εｒが３５程度以上の比誘電率を持つ誘電体基体
２を用いてアンテナ素子１を構成すれば、近年の小型・
薄型化された携帯電話機の厚さ以下のアンテナ素子とす
ることが可能であり、携帯電話機のデザインを損なうこ
ともなくなる。

【００２１】ここで、図１に示す円偏波アンテナ装置１
００の低雑音増幅器１０においては、図４に示す従来の
円偏波アンテナ装置４００の低雑音増幅器５０に比較し
て、電力合成手段１３と９０°移相手段１４が追加され
ているために、構成部品が増加することによるコストの
上昇が発生するように見える。しかし、電力合成手段１
３及び９０°移相手段１４は、共に低雑音増幅器１０を
実際に構成する誘電体基板（図示を省略する。）上に、
マイクロストリップ線路のみで構成出来るので、コスト
の上昇が伴うことはない。

【００２２】なお、アンテナ素子１と低雑音増幅器１０
を形成する誘電体基板（図示を省略する。）との接続
は、アンテナ素子１の短絡電極４の短絡部４ａ、４ｂ、
短絡電極８の短絡部８ａ、８ｂ及び給電電極５、９等を
低雑音増幅器１０を構成する誘電体基板に形成した電極
（図示を省略する。）に半田付け等をすることにより行
われる。これにより、電気的にアンテナ素子１と低雑音
増幅器１０とが接続されると共に、機械的にも両者が固
定され、一体化された円偏波アンテナ装置１００が実現
される。この場合、アンテナ素子１は表面実装型の電子
部品として取り扱うことが出来るので、実際の製造にお
いては、低雑音増幅器１０を構成する表面実装型の電子
部品と同様の工程で半田付け等を行うことが可能とな
る。

【００２３】図２は、図１に示した円偏波アンテナ装置
１００の受信指向性の一例を示す図である。図２におい
ては、図１の座標系におけるｘ−ｚ面の右旋円偏波成分
の受信指向性に関し、ｚ軸方向の受信電力で正規化した
相対受信電力Ｐを示している。図２から、本発明の円偏
波アンテナ装置１００において、右旋円偏波が広角にわ
たり良好に受信されていることがわかる。

【００２４】図３は、本発明の円偏波アンテナ装置の第
２の実施の形態を示しており、円偏波アンテナ装置２０
０は、アンテナ素子２１と低雑音増幅器１０が組み合わ
されて構成されている。アンテナ素子２１の略直方体の
誘電体基体２２の上面には、パッチ電極２３及びパッチ
電極２７が一つの軸、即ち図３においてはｙ軸に沿って
互いに直交する位置に形成されている。また、誘電体基
体２２の底面には、ほぼ全面に接地電極２６が形成され
ている。また、誘電体基体２２には、貫通孔３０及び３
１が設けられており、誘電体基体２２の他面に形成され
た接地電極２６における貫通孔３０及び３１の近傍は、
取除き部３２及び３３により接地電極２６が取除かれて
いる。

【００２５】パッチ電極２３とパッチ電極２７は、略同
一形状である。パッチ電極２３は、図３の手前側面の短
絡電極２４を介して接地電極２６と接続されている。給
電は、貫通孔３０に給電ピン２５を挿入し、給電ピン２
５をパッチ電極２３に半田付け等で接続することにより
行われる。このような構成により、片側短絡型マイクロ
ストリップアンテナ２１ａが構成される。貫通孔３０及
び給電ピン２５の位置は、片側短絡型マイクロストリッ
プアンテナ２１ａの入力インピーダンスが、例えば５０
オームになるように設定されている。

【００２６】一方、パッチ電極２７は、図３の右側面の
短絡電極２８を介して接地電極２６と接続されている。
給電は、貫通孔３１に給電ピン２９を挿入し、給電ピン
２９をパッチ電極２７に半田付け等で接続することによ
り行われる。このような構成により、片側短絡型マイク
ロストリップアンテナ２１ｂが構成される。貫通孔３１
及び給電ピン２９の位置は、片側短絡型マイクロストリ
ップアンテナ２１ｂの入力インピーダンスが、例えば５
０オームになるように設定されている。

【００２７】図３に示す低雑音増幅器１０は、図１に示
す低雑音増幅器１０と同一であるため、その説明を省略
する。

【００２８】図３に示すアンテナ素子２１は、図１に示
すアンテナ素子１と同様に、二つの片側短絡型マイクロ
ストリップアンテナ２１ａ、２１ｂで構成されており、
偏波面が互いに９０°異なり、かつ、電気的に９０°位
相差で電力合成されることから、円偏波が受信出来るこ
とになる。図３の接続においては、主にｚ軸方向からの
右旋円偏波を受信することが出来る。各部の寸法は、概
略、図１に示す第１の実施の形態と同等であり、アンテ
ナ素子２１を含む円偏波アンテナ装置２００の小型化と
形状の直方体化が同時に達成され、携帯機器内蔵用とし
て好適なアンテナが実現される。

【００２９】なお、図１に示すの第１の実施の形態にお
いては、アンテナ素子１と低雑音増幅器１０内の電力合
成手段１３及び９０°移相手段１４等を組合わせて円偏
波アンテナ装置１００としたが、電力合成手段１３と９
０°移相手段１４の両方の機能を併せ持つ、３ｄＢ ９
０°ハイブリッドと呼ばれる電子部品で置き換えても、
本発明の円偏波アンテナ装置１００を構成することが可
能である。これは、図３に示す第２の実施の形態の円偏
波アンテナ装置２００においても同様である。

【００３０】また、図１に示すの第１の実施の形態にお
いては、アンテナ素子１と低雑音増幅器１０内の電力合
成手段１３及び９０°移相手段１４等を組合わせて円偏
波アンテナ装置１００としたが、アンテナ素子１の給電
電極５及び９を独立に用いることにより、偏波が９０°
異なる二つのアンテナとして機能させることも可能であ
り、例えば、偏波ダイバーシチアンテナとして応用する
ことが出来る。これは、図３に示す第２の実施の形態の
アンテナ素子２１においても同様である。

【００３１】

【発明の効果】本発明の円偏波アンテナ装置において
は、一つの誘電体基体に二つの片側短絡型マイクロスト
リップアンテナを一軸上に直交して形成し、９０°位相
差給電（または、９０°位相差で電力合成）するように
構成したので、携帯機器等に内蔵する上で好適な小型で
直方体形状の円偏波アンテナ装置が実現出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる円偏波アンテナ装置の一実施の
形態を示す図である。

【図２】図１に示した円偏波アンテナ装置の指向性の一
例を示す図である。

【図３】本発明に係わる円偏波アンテナ装置の他の実施
の形態を示す図である。

【図４】従来の円偏波アンテナ装置を示す図である。

【符号の説明】

１００、２００ 円偏波アンテナ装置 １、２１ アンテナ素子 ２、２２ 誘電体基体 ３、７、２３、２７ パッチ電極 ６、２６ 接地電極 ４、８、２４、２８ 短絡電極 ５、９ 給電電極 ２５、２９ 給電ピン １０ 低雑音増幅器 １３ 電力合成手段 １４ ９０°移相手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 略直方体の誘電体基体と、該誘電体基体
   上面の長手方向に並設され、かつ互いに直交して設けら
   れた二つのパッチ電極と、前記誘電体基体の下面に設け
   られた接地電極と、前記誘電体基体の長手方向側面に設
   けられ、前記パッチ電極の一方と前記接地電極とをそれ
   ぞれ電気的に接続する第１短絡電極と、前記誘電体基体
   の短手方向側面に設けられ、前記パッチ電極の他方と前
   記接地電極とをそれぞれ電気的に接続する第２短絡電極
   と、前記各パッチ電極の短絡電極が設けられた側面に前
   記各パッチ電極に対応してそれぞれ設けられ、前記各パ
   ッチ電極と電気的に接続された給電電極とを備えたこと
   を特徴とするアンテナ素子。
2. 【請求項２】 略直方体の誘電体基体と、該誘電体基体
   上面の長手方向に並設され、かつ互いに直交して設けら
   れた二つのパッチ電極と、前記誘電体基体の下面に設け
   られた接地電極と、前記誘電体基体の長手方向側面に設
   けられ、前記パッチ電極の一方と前記接地電極とをそれ
   ぞれ電気的に接続する第１短絡電極と、前記誘電体基体
   の短手方向側面に設けられ、前記パッチ電極の他方と前
   記接地電極とをそれぞれ電気的に接続する第２短絡電極
   と、前記各パッチ電極から前記接地電極に向けて形成さ
   れた前記誘電体基体の各貫通孔に、前記各パッチ電極に
   対応してそれぞれ設けられ、前記各パッチ電極と電気的
   に接続された給電電極とを備えたことを特徴とするアン
   テナ素子。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載のアンテナ素子の
   前記給電電極の一方の給電電極に９０°移相手段を電気
   的に接続するとともに、該９０°移相手段と前記給電電
   極の他方の給電電極との間に電力合成手段を電気的に接
   続して構成したことを特徴とする円偏波アンテナ装置。