(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
角形の誘電体と、該誘電体の上面に密着させて付設する角形の放射導体と、前記誘電体の平坦な下面の全面に密着させて付設する接地導体と、前記放射導体に接続するビアポート用の給電ピンとを備えてなり、前記誘電体は、相対向する２辺の任意の１組方向に厚さを連続的に変化させて上面を凸状の滑らかな曲面に形成し、最小厚さを使用周波数の波長の少なくとも０．０２倍とするとともに、最大厚さを最小厚さの１．２〜１．７倍とすることを特徴とする装身用端末機器のパッチアンテナ。
【請求項２】
請求項１記載のパッチアンテナと、前記接地導体より大面積の導電性の遮蔽板とを備えてなり、該遮蔽板は、前記誘電体の下面側に配設することを特徴とする装身用端末機器のアンテナ装置。
【請求項３】
前記遮蔽板は、装身用端末機器に組み込む前記パッチアンテナの人体側に配置することを特徴とする請求項２記載の装身用端末機器のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、小形化を図りながら、人体に装着しても良好な通信性能を実現することができる装身用端末機器のパッチアンテナと、それを使用する装身用端末機器のアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人体に装着して使用する超小形の通信端末機器（以下、装身用端末機器という）として、携帯電話や無線ＬＡＮシステム、ＧＰＳ利用の地上位置検索装置、標準電波による時刻較正機能付きの腕時計などの開発が進んでおり、これらの装身用端末機器用のアンテナとして、パッチアンテナが広く使用されている。
【０００３】
パッチアンテナは、平板状の誘電体の上面に放射導体を設けるとともに、誘電体の下面に接地導体を設けて構成されている。なお、放射導体の所定位置には、誘電体を貫通するビアポート（Ｖｉａｐｏｒｔ）用の給電ピンが接続されている。そこで、このものは、誘電体の誘電率を利用してアンテナサイズを極端に小形化し、高性能の送受信アンテナとして作動させることができる。パッチアンテナの共振周波数ｆo は、一般に、光速ｃ、放射導体の一辺の長さｄ、誘電体の比誘電率εとして、
ｆo ＝ｃ／（２ｄε1/2 ）
によって与えられるからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来技術によるときは、パッチアンテナは、誘電体の比誘電率を大きくしてアンテナサイズを小形化すると、ボディエフェクトによるゲインの低下が顕著になり、良好な通信性能を維持することが難しいことがあるという問題があった。また、パッチアンテナは、アンテナサイズを小形化すると、帯域幅が小さくなり、たとえば周波数ホッピング形のスペクトラム拡散方式を採用する装身用端末機器用として使用するとき、帯域幅が不足しがちであるという問題もある。
【０００５】
そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、誘電体の厚さの最小値を規定することによって、アンテナサイズを小形化しながら、ボディエフェクトによるゲインの低下を抑え、人体に装着しても良好な通信性能を実現することができ、必要に応じて大きな帯域幅を容易に実現することができる装身用端末機器のパッチアンテナと、それを使用する装身用端末機器のアンテナ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためのこの出願に係る第１発明（請求項１に係る発明をいう、以下同じ）の構成は、角形の誘電体と、誘電体の上面に密着させて付設する角形の放射導体と、誘電体の平坦な下面の全面に密着させて付設する接地導体と、放射導体に接続するビアポート用の給電ピンとを備えてなり、誘電体は、相対向する２辺の任意の１組方向に厚さを連続的に変化させて上面を凸状の滑らかな曲面に形成し、最小厚さを使用周波数の波長の少なくとも０．０２倍とするとともに、最大厚さを最小厚さの１．２〜１．７倍とすることをその要旨とする。
【０００７】
ただし、ここでいう凸状の滑らかな曲面とは、曲面、平面を滑らかに組み合わせる形態を含むものとする。
【０００９】
ただし、誘電体は、比誘電率６以上、特に好ましくは比誘電率２０以上の高誘電率のセラミック材料や高分子複合材料を使用し、アンテナサイズを十分に小形化するものとする。また、放射導体、接地導体は、それぞれアルミニウムや銅、銀などの高導電性の金属材料を印刷やエッチング、蒸着、貼着などの方法により誘電体の上面、下面に均一な厚さに密着させて付設するものとする。
【００１０】
第２発明（請求項２に係る発明をいう、以下同じ）の構成は、第１発明に係るパッチアンテナと、接地導体より大面積の導電性の遮蔽板とを備えてなり、遮蔽板は、誘電体の下面側に配設することをその要旨とする。
【００１１】
なお、遮蔽板は、装身用端末機器に組み込むパッチアンテナの人体側に配置してもよい。
【００１２】
【作用】
かかる第１発明の構成によるときは、誘電体は、一方向に厚さを連続的に変化させることにより、一定厚さの場合に比して、帯域幅を格段に大きくすることができる。パッチアンテナは、誘電体の厚さが一定であると、厚さを大きくするに従って共振周波数が低い側にシフトする傾向があるが、厚さを連続的に変化させることにより、この傾向を分散化させることができるからである。なお、誘電体は、平坦な下面に対し、凸状の滑らかな曲面によって上面を形成し、または曲面、平面を滑らかに組み合わせて上面を形成することにより、厚さを一方向に連続的に変化させることができる。
【００１３】
誘電体は、最小厚さを使用周波数の少なくとも波長の０．０２倍とすることにより、放射導体が接地導体から十分に離れ、誘電体の波長短縮効果を十分に利用してアンテナサイズを小さくすることができる上、ボディエフェクトによるゲインの低下を十分小さく抑えることができる。
【００１４】
誘電体の最大厚さを最小厚さの１．２〜１．７倍にすれば、必要な帯域幅を好適に実現することができる。最大厚さを最小厚さの１．２倍未満にすると、帯域幅が不足するおそれがあり、１．７倍より大きくすると、厚さの変化が過大となり、誘電体の機械的な安定性や、放射導体の密着性が損われるおそれがあるからである。
【００１５】
第２発明の構成によるときは、導電性の遮蔽板は、パッチアンテナの接地導体の有効面積を拡大させ、パッチアンテナのゲインを向上させることができる。なお、遮蔽板は、接地導体より大面積とし、誘電体の下面側において、誘電体に十分近接させて配置するとともに、接地導体と電気的に一体に接続するものとする。
【００１６】
パッチアンテナの人体側に配置する遮蔽板は、人体による電波吸収を抑制し、ボディエフェクトによるパッチアンテナのゲインの低下を最少に抑えることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
装身用端末機器のパッチアンテナ１０は、角形の誘電体１１と、誘電体１１の上面に密着させて付設する放射導体１２と、誘電体１１の下面に密着させて付設する接地導体１３と、誘電体１１を貫通して放射導体１２に接続するビアポート用の給電ピン１４とを備えてなる（図１、図２）。ただし、図２（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ図１のＸ−Ｘ線矢視相当断面図、平面展開図である。
【００１９】
誘電体１１は、比誘電率ε≫１のセラミック材料や高分子複合材料により、長さＬ1 、幅Ｗ1 ≒Ｌ1 のほぼ正方形に形成されている。誘電体１１の上面は、幅Ｗ1 方向の一方向に凸状の曲面になっており、下面は、平坦な平面になっている。なお、誘電体１１の各隅角部は、４５°に面取りされている。そこで、誘電体１１の厚さｔは、幅Ｗ1 方向に連続的に変化しており、厚さｔが変化する幅Ｗ1 方向の中間部において最大厚さｔ1 となり、両端において、最小厚さｔ2 ＜ｔ1 、ｔ3 ＜ｔ1 となっている。ただし、ｔ2 ≦ｔ3 とし、以下の説明において、ｔ2 を最小厚さということにする。
【００２０】
放射導体１２は、誘電体１１の上面より小さい長さＬ2 、幅Ｗ2 ≒Ｌ2 のほぼ正方形に形成され、誘電体１１の上面に倣って幅Ｗ1 、Ｗ2 方向に湾曲している。接地導体１３は、誘電体１１の下面の全面に付設されている。導電性の給電ピン１４は、誘電体１１を貫通し、放射導体１２に接続されている。なお、給電ピン１４は、放射導体１２の隣接する２辺から距離δa 、δb だけ離して放射導体１２の対角線上に設けることにより、給電ピン１４、接地導体１３に接続する給電用の同軸ケーブルに対し、適切なインピーダンス整合を実現することができる。
【００２１】
使用周波数１．９GHz 用のパッチアンテナ１０の主要諸元を図３に示す。ただし、図３の実施例１〜４は、誘電体１１の最大厚さｔ1 が１．２ｔ2 ≦ｔ1 ≦１．７ｔ2 に設定され、最小厚さｔ2 は、使用周波数の波長λ＝１５．８cmに対し、ｔ2 ≧０．０２λに設定されている。
【００２２】
図３の実施例２の周波数特性を代表的に図４に示す。ただし、図４の横軸、縦軸は、それぞれ周波数ｆ（GHz ）、電圧定在波比ＶＳＷＲであり、同図には、誘電体１１の厚さｔ＝５．０mm（一定）とする他、実施例２と同一諸元の比較例の周波数特性も併せて図示されている（同図の一点鎖線）。図４によれば、実施例２のパッチアンテナ１０は、共振周波数ｆ＝１．９５GHz における電圧定在波比ＶＳＷＲ＜１．５であり、電圧定在波比ＶＳＷＲ＝３における帯域幅が比較例の約２．４倍に拡大されている。
【００２３】
また、図３の実施例１〜４相当のパッチアンテナ１０について、ボディエフェクトの影響に関する試験データの一例を図５に示す。ただし、図５は、最小厚さｔ2 が異なる多数のパッチアンテナ１０について、空間に放置する「放置状態」、十分大きな遮蔽板を介して接地導体１３側を人体に密着させる「装着状態」における全方向のゲインＧの平均値を示し、「放置状態」、「装着状態」におけるゲインＧの変動幅を「減衰幅」として併せて図示している。図５によれば、最小厚さｔ2 ≧０．０２λ≒３mmとすることにより、ボディエフェクトによるゲインＧの変動を十分小さく抑えることができる。
【００２４】
かかる装身用端末機器のパッチアンテナ１０は、遮蔽板２１とともに、たとえば腕時計形の携帯電話Ａに対し、装身用端末機器のアンテナ装置として組み込むことができる（図６）。ただし、図６（Ｂ）は、同図（Ａ）のＹ−Ｙ線矢視相当拡大断面図である。パッチアンテナ１０、遮蔽板２１は、携帯電話Ａの合成樹脂製のアンテナ収納部Ａ1 に組み込まれている。遮蔽板２１は、接地導体１３より大面積の導電性の板材であり、誘電体１１の下面側において、接地導体１３に近接して配置され、接地導体１３に電気的に接続されている。携帯電話Ａは、ベルトＢを介して使用者の腕Ｐに装着することができ、遮蔽板２１は、パッチアンテナ１０の人体側、すなわち腕Ｐ側に配置されている。
【００２５】
図６において、遮蔽板２１の有無によるパッチアンテナ１０のゲインＧの変動データの一例を図７に示す。遮蔽板２１を設けることにより、ボディエフェクトに起因するゲインＧの低下を効果的に抑えることができる。
【００２６】
パッチアンテナ１０、遮蔽板２１からなるアンテナ装置を組み込むアンテナ収納部Ａ1 は、携帯電話Ａに対し、揺動可能に連結してよい（図８（Ａ））。パッチアンテナ１０は、携帯電話Ａに対するアンテナ収納部Ａ1 の傾き角度を変えることにより、最適な通信方向を選択することができる。なお、遮蔽板２１は、アンテナ収納部Ａ1 が腕Ｐに接近するとき（同図（Ａ）の一点鎖線）、パッチアンテナ１０の腕Ｐ側に配置されるようにアンテナ収納部Ａ1 の底部に組み込まれている。また、アンテナ収納部Ａ1 は、携帯電話Ａに対し、開閉可能に搭載することもできる（同図（Ｂ））。
【００２７】
パッチアンテナ１０の放射導体１２は、誘電体１１の上面より小さくし（図９（Ａ）、（Ｂ））、誘電体１１の上面の１隅角部側に寄せて配置してもよい。また、放射導体１２は、誘電体１１の上面の全面に付設してもよい（図１０（Ａ）、（Ｂ））。ただし、図９（Ｂ）、図１０（Ｂ）は、それぞれ図９（Ａ）、図１０（Ａ）の平面展開図である。
【００２８】
さらに、パッチアンテナ１０の誘電体１１は、上面を凸状の曲面または平面による片斜面に形成して厚さｔを一方向に連続的に変化させてもよく（図１１（Ａ）、（Ｂ））、平面Ｐ1 、凸状の曲面Ｐ2 、Ｐ3 を滑らかに組み合わせて厚さｔを連続的に変化させてもよい（同図（Ｃ））。すなわち、誘電体１１は、相対向する２辺の任意の１組の方向に厚さｔを連続的に変化させることができればよく、最大厚さｔ1 の位置は、厚さｔが変化する幅Ｗ1 方向の中間部でなく、一端にあってもよい。
【００２９】
以上の説明において、パッチアンテナ１０の給電ピン１４は、誘電体１１を貫通し、放射導体１２に接続するスルホールとして形成することができる。
【００３０】
なお、この発明に係るパッチアンテナ１０は、帯域幅の拡大が重要でない場合は、厚さｔが一定の角形の誘電体１１を使用してもよい。ただし、このときも、ボディエフェクトによるゲインＧの低下を抑えるために、厚さｔ≧０．０２λとし、パッチアンテナ１０の人体側に遮蔽板２１を設けてアンテナ装置を構成することが好ましい。
【００３１】
また、この発明は、携帯電話Ａ以外の任意の装身用端末機器にも広く好適に適用することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、この出願に係る第１発明によれば、誘電体の厚さを一方向に連続的に変化させることによって、必要な帯域幅を容易に実現することができるという優れた効果がある。
【００３３】
また、第１発明によれば、角形の誘電体の最小厚さを使用周波数の波長の少なくとも０．０２倍とすることによって、誘電体の比誘電率を大きくしてアンテナサイズの小形化を図る場合にも、ボディエフェクトによるゲインの低下を有効に抑え、人体に装着しても良好な通信性能を実現することができる。
【００３４】
第２発明によれば、第１発明に係るパッチアンテナに遮蔽板を組み合わせることによって、遮蔽板は、接地導体の有効面積を拡大してパッチアンテナのゲインを向上させることができるから、人体に装着したときのゲインの低下を一層効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  全体構成斜視図
【図２】  図１の構成説明図
【図３】  諸元を示す図表
【図４】  特性データを示す線図（１）
【図５】  特性データを示す線図（２）
【図６】  使用状態説明図（１）
【図７】  特性データを示す線図（３）
【図８】  使用状態説明図（２）
【図９】  他の実施の形態を示す構成説明図（１）
【図１０】  他の実施の形態を示す構成説明図（２）
【図１１】  他の実施の形態を示す構成説明図（３）
【符号の説明】
ｔ…厚さ
ｔ1 …最大厚さ
ｔ2 …最小厚さ
λ…波長
１０…パッチアンテナ
１１…誘電体
１２…放射導体
１３…接地導体
１４…給電ピン
２１…遮蔽板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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