JP2002515661A - 寄生スタブを用いた電気小型アース板付きパッチアンテナ - Google Patents

寄生スタブを用いた電気小型アース板付きパッチアンテナ

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JP2002515661A JP2000548934A JP2000548934A JP2002515661A JP 2002515661 A JP2002515661 A JP 2002515661A JP 2000548934 A JP2000548934 A JP 2000548934A JP 2000548934 A JP2000548934 A JP 2000548934A JP 2002515661 A JP2002515661 A JP 2002515661A
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  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

(57)【要約】 本発明によると、第1周囲境界線により境界を定められたおおむね平面状のパッチアンテナ(12)と、パッチアンテナ(12)と間隔をあけた平行関係に配されたおおむね平面の寄生アース板(16)とを有するパッチアンテナ・アセンブリ(10)から成る。アセンブリ(10)はさらに、パッチアンテナ(12)とアース板(16)との間に電磁場を発生させる少なくとも1個の電導寄生遮蔽要素(18)を含む。遮蔽要素(18)は、アース板(16)と導通し、アース板(16)から、実質的にパッチアンテナ(12)の第1周囲境界線(14)の周囲に延びる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 (発明の属する技術分野) 本発明は、一般的にパッチアンテナに関し、詳細には、周辺寄生スタブを用い
た、比較的小型のアース板を有するパッチアンテナに関する。
【0002】 (発明の背景) 高周波信号の送受信用のパッチアンテナはよく知られている。かかるパッチア
ンテナは、一般的に所望周波数帯または帯域幅を受信及び/または送信するに適
したパッチアンテナ素子から成る。該パッチアンテナは、たとえば直線形または
円形状に分極されている。
【0003】 従来のパッチアンテナには、アンテナに平行でアンテナから間隔をあけたアー
ス板またはアース面を設けてある。したがって、アース板はパッチ面と非パッチ
面とを有する。このようなパッチアンテナは、ボアサイト指向性(パッチアンテ
ナの面に垂直で、アース板のパッチ側から離れて指す方向に)という特徴を有す
る。アース板は非ボアサイト方向から発せられる外部信号を遮蔽または緩和する
傾向にある。同様に、アース板は、信号を送信するためにアンテナを使用した場
合に、送信信号の方向を制御するよう機能する。
【0004】 アンテナの指向性を定義する以外に、アース板の特徴はアンテナ性能に影響す
る。かかる送受信パッチアンテナが、パッチアンテナとアース板との間に電磁場
を生じ、パッチアンテナとそのアース板が誘電関係を有することが分かっている
。かかる電磁場の性質がアンテナ性能に影響する。このようにして、アース板の
寸法を変更すると、アンテナ・ゲインとパターンまたは形状に影響する。ある程
度までは、アース板が大きくなるほどアンテナ・ゲインが大きくなり、アンテナ
パターンがより明確となる。従来の構成では、アース板はパッチアンテナより大
きい。矩形で長さと幅を定義するパッチアンテナを例に取る。典型的に、ゲイン
とパターン形状に関して最適なアンテナ性能やアンテナ性能の向上のためには、
付属アース板はパッチアンテナの長さと幅の約3倍以上でなければならない。し
たがって、アース板はパッチアンテナより表面積が少なくとも9倍となる。
【0005】 以上に鑑み、かかるパッチアンテナ・アース板構成の寸法条件は、アース板の
寸法によって決定される。さらに、アンテナ・アセンブリの寸法条件は、アセン
ブリの総重量に直接影響することが分かる。アンテナ・アセンブリの寸法と重量
は、器具の適用範囲にも影響することがある。したがって、ある条件下では、ア
ンテナ性能を犠牲にすることなく、アンテナ・アセンブリの寸法と重量を減少す
ることが非常に望ましい。したがって、比較的小型のアース板を備え、アンテナ
・アセンブリの総寸法と重量を減少するパッチアンテナを有するパッチアンテナ
・アセンブリに対するニーズが同分野にあることは明白である。
【0006】 (発明の概要) 本発明によると、第1周囲境界線によって定義されたおおむね平面のパッチア
ンテナと、パッチアンテナと平行関係に間隔をあけて配されたおおむね平面の寄
生アース板とを有するパッチアンテナ・アセンブリを設ける。アセンブリは、パ
ッチアンテナとアース板との間の電磁場を分離する少なくとも1個の電導性寄生
遮蔽素子をさらに備えている。遮蔽素子は、アース板と導通するように配され、
アース板から、実質的にパッチアンテナの第1周囲境界線付近を延びる。パッチ
アンテナとアース板は同じ誘電基板から形成することが望ましい。パッチアンテ
ナと、アース板と、遮蔽素子は、同様の金属素材製であることが望ましい。
【0007】 本発明の望ましい実施例では、アンテナの寸法と形状は、特定の電磁波長に合
わせてある。アンテナとアース板は約1/25波長分間隔をあけている。アンテ
ナとアース板の誘電素材は誘電定数4であることが望ましい。さらに、遮蔽素子
は、複数個の長尺円筒ビアの形態を取る。各ビアは、アース板からパッチアンテ
ナに向かって延び、ビア全体でパッチアンテナを包囲する。ビアは所定波長の約
1/25以下で間隔をあけてある。かかる構成において、ビアの直径は、所定波
長の約1/200であることが望ましい。
【0008】 パッチアンテナには、種々の極性と幾何形状を有することができる。アンテナ
・アセンブリは、パッチアンテナとやり取りする送受信信号を生成及び処理する
ための回路を含む、おおむね平面の別の平面層を設けてもよい。かくして、誘電
基板上に形成されたパッチアンテナとアース板は別の基板層と結合し、基板積み
上げを都合よくに形成できる。さらに、本発明は、前述のように複数個のパッチ
アンテナ・アセンブリを設けたパッチアンテナ列をさらに含む。
【0009】 本発明の別の実施例では、パッチアンテナ・アセンブリの製造方法が提供され
る。該方法は、第1及び第2面を有するおおむね平面の誘電基板を提供する最初
のステップから始まる。電導素材は誘電基板の第1及び第2面に取り付けられる
。電導素材の取り付けは、金属メッキ処理で行える。電導素材の一部を第1面か
ら除去し、残りの電導素材からパッチアンテナを形成する。パッチアンテナは第
1周囲境界線を定義する。さらに、電導素材の一部を誘電基板の第1面から除去
し、残りの電導素材から第1直径を有する複数個の円板を形成する。円板は、パ
ッチアンテナの第1周囲境界線付近に形成し、全体でアンテナを包囲する。円板
は第1直径を有するように成形される。電導素材の除去は、エッチング処理によ
って簡単に行える。複数個の穴を、円板の中心部とその下の誘電基板をとおして
穿孔貫通させる。穴は、円板の第1直径よりも小さい第2直径を有するように開
けられる。穴には電導素材を充填し、円板を、誘電基板の第2面上の電導素材に
電気的に接続する。穴の充填には金属メッキ処理を用いてもよい。
【0010】 以上の説明に基づき、本発明は、従来のパッチアンテナ・アセンブリの非効率
性と限界を緩和する。本発明は、従来のアンテナ構成で使用されるアース板に比
べて小型の寸法のアース板を、同等のアンテナ性能で簡単に使用できるようにし
た。パッチアンテナ・アセンブリの全体の寸法が、付属アース板の寸法によって
制限されるため、本発明では、アンテナ・アセンブリの全体的な寸法をさらに小
型化する。かかる減少により、アンテナ・アセンブリの重量もそれに応じて減少
する。アンテナ・アセンブリの寸法と重量のかかる減少は、寸法及び/または重
量制限が重要な状況において、使用法と適用範囲を更に拡大することが企図され
る。さらに本発明のアンテナ・アセンブリは、種々の分極(円形、直線など)を
有するアンテナを組み込める。このようにして、アンテナ・アセンブリは、広範
囲の適用をさらに簡単にする。
【0011】 製造の簡便性に関して、本発明のアンテナ・アセンブリは、いかなる特殊なあ
るいは特殊な加工条件を必要としない。金属メッキや穿孔処理などの従来の製造
方法を使用できる。さらに、本発明のアンテナ・アセンブリを構築するためには
、特殊なあるいは特殊な素材は不要である。誘電基板は、既製のプリント配線板
の形態を取れ、パッチアンテナ、アース板、遮蔽部材は一般的な金属メッキで形
成してもよい。このようにして、本発明のアンテナ・アセンブリは比較的低い製
造コストとなるよう企図される。
【0012】 本発明の別の大きな利点は、パッチアンテナ・アセンブリが、信号発生及び処
理部品などの他の電子部品との接続を簡単に行える点である。これらの部品は、
アース板の面を通過できる電導ビアの内部を介して、パッチアンテナに電気的に
接続できる。かかる設計上のフレキシビリティにより、層状構成が集積電子基板
の積み上げを形成しやすくなる。
【0013】 したがって、本発明は同分野における大きな進歩となる。 (詳細な説明) 以下に図を参照するが、図は本発明の望ましい一実施例を図示する目的のため
だけに示され、本発明の実施例を限定するものではない。図1〜10は、本発明
にしたがって構築されたパッチアンテナ・アセンブリを図示している。以下にさ
らに詳述するように、パッチアンテナ・アセンブリには、比較的小型のアース板
を有するパッチアンテナを設けてある。
【0014】 次に図1〜4では、本発明にしたがって、第1周囲境界線14を定義するおお
むね平面のパッチアンテナ12を備えたパッチアンテナ・アセンブリ10を示す
。パッチアンテナ・アセンブリ10はさらに、パッチアンテナ12に平行で、間
隔をあけて配されたおおむね平面の寄生アース板16を備えている。パッチアン
テナ・アセンブリ10は、パッチアンテナ12とアース板16との間の電磁場を
分離する少なくとも1個の電導性寄生遮蔽素子18をさらに備えている。遮蔽素
子18は、アース板16と導通するように配され、アース板16から、実質的に
パッチアンテナ12の第1周囲境界線14の周囲に延びる。
【0015】 パッチアンテナ12とアース板16は共通の誘電基板20上に形成することが
望ましく、パッチアンテナ12と、アース板16と、遮蔽素子18は、同様の金
属素材製であることが望ましい。たとえば、誘電基板波プリント配線板(pwb
)から構成してもよい。パッチアンテナ12と、アース板16と、遮蔽素子18
は、たとえば銅製でもよい。他の適切な素材の選択は、当業者には周知のことで
ある。
【0016】 本発明の望ましい実施例において、アンテナ12の寸法と形状は、特定の電磁
波長に合わせてある。アンテナ12とアース板16はかかる波長の約1/25だ
け間隔をあけている。かかる間隔で、アンテナ12とアース板16との間に介在
する誘電基板素材は誘電定数4であることが望ましい。アンテナ性能は、アース
板16との間隔と、誘電基板20の誘電定数によって影響を受けるよう企図され
る。
【0017】 さらに、遮蔽素子18は、複数個の長尺円筒ビア22の形態を取る。各ビア2
2は、アース板16からパッチアンテナ12に向かって延び、ビア22全体でパ
ッチアンテナ12を包囲する。スタブ形状のビア22は、それ自体がパッチアン
テナ12に直接電気的に接続されていないため、本質的に寄生的である。言うま
でもないが、寄生要素は、アンテナの供給ラインには直接連結されず、アンテナ
の放射パターンまたはインピーダンス、もしくはその両方に物質的に影響する。
ビア22は、かかる波長の約1/25以下で間隔をあけてある。かかる構成にお
いて、ビア22の直径は、所定波長の約1/200であることが望ましい。遮蔽
素子18は、アース板から延びる、パッチアンテナ12とアース板16との間の
間隔とほぼ等しいかそれより大きい高さを有する。
【0018】 パッチアンテナ12は、種々の分極を有してもよく、たとえば線形または円形
分極などである。さらに、パッチアンテナ12は種々の形態を取れ、たとえば矩
形、円形、螺旋などを含む。パッチアンテナ12が矩形形状である本発明の実施
例において、アンテナ12は第1長さ24と第1幅26を定義する。付属アース
板16は、同様に第2長さ28と第2幅30を定義する。第2長さ28は第1長
さ24の2倍と同じかそれ以下で、第2幅30は第1幅26の2倍と同じかそれ
以下であることが望ましい。パッチアンテナ12は第1表面積を有し、アース板
16は第2表面積を有する。第2表面積は、第1表面積の4倍と同じかそれ以下
であることが望ましい。ただし、アース板16は、パッチアンテナ12の第1周
囲境界線14より大きい第2周囲境界線32を定義することが企図される。アー
ス板16に対して、パッチアンテナ12は偏心でも同心でもよい。
【0019】 次に図5の本発明の別の実施例で、アンテナ・アセンブリ10は送信信号を発
するおおむね平面の信号生成層34をさらに備えてもよい。信号生成層34は、
第1供給ビア46を介してパッチアンテナ12と電気導通する信号生成回路36
を含む。信号生成回路36は、フィルタ、ミキサ、発振器、増幅器などの種々の
コンポーネントを備えてもよい。アンテナ・アセンブリ10はさらに、パッチア
ンテナ12で受信した信号の処理のためのおおむね平面の信号処理層を備えても
よい。信号処理層38は信号処理回路40を備え、たとえば信号処理チップを含
む。信号処理回路40は第2供給ビア48を介してパッチアンテナ12と電気導
通する。信号生成及び信号処理層34、38は、誘電基板42、44上に形成し
てもよい。かくして、誘電基板20上に形成されたパッチアンテナ12とアース
板16は、基板42、44などの他の基板層と組み合わされ、基板積み上げを都
合よく形成することを企図する。
【0020】 ビア22の形態の遮蔽素子18は、アース板16から信号生成層34と信号処
理層38に延び、外部信号から信号生成及び処理回路36、40を遮蔽する。第
1及び第2供給ビア46、48は、アース板16を介して、信号生成及び処理回
路36、40から延び、パッチアンテナ12で終端し、信号生成回路36とパッ
チアンテナ12ならびに信号処理回路40とパッチアンテナ12間の電気導通を
それぞれ容易にしてもよい。都合よくアース板16を形成する素材は選択的に除
去でき、それにより、第1及び第2供給ビア46、48が、アース板16に直接
電気的に接続されることなく、アース板16を通過できる。
【0021】 さらに、図示しないが、本発明は、前述のように複数個のパッチアンテナ・ア
センブリ10を備えたパッチアンテナ列をさらに含む。 本発明の別の実施例では、前述のようにパッチアンテナ・アセンブリを製作す
る方法を提供する。次に図6〜10を参照するが、該方法は、第1及び第2面5
0、52を有するおおむね平面の誘電基板20を提供する最初のステップから始
まる。電導素材54は誘電基板20の第1及び第2面50、52に取り付けられ
る。電導素材54の取り付けは、金属メッキ処理で行える。電導素材54の一部
を第1面から除去し、残りの電導素材54からパッチアンテナ12を形成する。
パッチアンテナ12は第1周囲境界線14を定義する。さらに、電導素材54の
一部を誘電基板20の第1面50から除去し、残りの電導素材から第1直径を有
する複数個の円板56を形成する。円板56は、パッチアンテナ12の第1周囲
境界線14付近に形成し、全体でアンテナ12を包囲する。円板56は第1直径
を有するように成形される。電導素材54の除去は、エッチング処理によって簡
単に行える。複数個の穴58を、円板の中心部56とその下の誘電基板20をと
おして穿孔貫通させる。穴58は、円板の第1直径よりも小さい第2直径を有す
るように開けられる。穴58には電導素材を充填し、円板56を、誘電基板20
の第2面52上の電導素材54に電気的に接続し、それによって遮蔽素子18を
形成する。穴58の充填には金属メッキ処理を用いてもよい。
【0022】 本発明のさらなる修正と改良も、当業者には明白である。したがって、本出願
に記述、図示された部品の特定の組み合わせは、本発明の唯一の実施例を表わす
ことを意図したものではなく、本発明の精神と範囲内で別の器具の制限となるこ
とを意図したものでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のパッチアンテナ・アセンブリの透視図。
【図2】図1に示されたパッチアンテナ・アセンブリの上面図。
【図3】図1の3−3軸にそって見たパッチアンテナ・アセンブリの側面図
【図4】図1に示されるパッチアンテナ・アセンブリの部分断面図。
【図5】本発明の別の実施例の透視分解図。
【図6〜10】本発明のパッチアンテナを構築する方法を図示している。
【図6】プリント配線板(pwb)の図。
【図7】メッキ処理後のpwbの図。
【図8】メッキの位置部を選択的に除去した図。
【図9】穿孔後のpwbの図。
【図10】充填後の穴の図。
【手続補正書】特許協力条約第19条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成11年11月16日(1999.11.16)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】

Claims (33)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】パッチアンテナ・アセンブリであって: 第1周囲境界線を定義するおおむね平面のパッチアンテナと; パッチアンテナに平行で、パッチアンテナから間隔をあけた関係に配されたおお
    むね平面の寄生アース板と; パッチアンテナとアース板との間の電磁場を分離する電導性寄生遮蔽素子で、ア
    ース板と電気導通し、アース板から延び、パッチアンテナの第1周囲境界線の周
    囲に実質的に配された電導性寄生遮蔽素子とから成るパッチアンテナ・アセンブ
    リ。
  2. 【請求項2】遮蔽素子が、パッチアンテナとアース板との間の電磁場を分離す
    る複数個のビアから成る請求項1のアンテナ・アセンブリ。
  3. 【請求項3】ビアが長尺円筒形状である請求項2のアンテナ・アセンブリ。
  4. 【請求項4】アンテナの寸法と形状が、特定の電磁波長に合わせてあり、該複
    数個のビアのそれぞれが約1/25波長分間隔をあけてある請求項2のアンテナ
    ・アセンブリ。
  5. 【請求項5】アンテナの寸法と形状が、特定の電磁波長に合わせてあり、アン
    テナとアース板とが約1/25波長分間隔をあけてある請求項1のアンテナ・ア
    センブリ。
  6. 【請求項6】アンテナとアース板との間に介在する誘電素材からさらに成り、
    該誘電素材が誘電定数4である請求項5のアンテナ・アセンブリ。
  7. 【請求項7】遮蔽素子が、アース板から延びる、パッチアンテナとアース板と
    の間の間隔にほぼ等しい高さを有する請求項1のアンテナ・アセンブリ。
  8. 【請求項8】パッチアンテナが矩形形状を有する請求項1のパッチアンテナ・
    アセンブリ。
  9. 【請求項9】パッチアンテナが第1長さと第1幅とを有し、アース板が第2長
    さと第2幅を有し、第2長さが第1長さのほぼ2倍で、第2幅が第1幅のほぼ2
    倍である請求項8のパッチアンテナ・アセンブリ。
  10. 【請求項10】パッチアンテナが第1長さと第1幅とを有し、アース板が第2
    長さと第2幅を有し、第2長さが第1長さの2倍未満で、第2幅が第1幅の2倍
    未満である請求項8のパッチアンテナ・アセンブリ。
  11. 【請求項11】パッチアンテナが第1表面積を有し、アース板が第2表面積を
    有し、第2表面積が第1表面積のほぼ4倍である請求項1のパッチアンテナ・ア
    センブリ。
  12. 【請求項12】アース板が、パッチアンテナの第1周囲境界線より大きな第2
    周囲境界線を定義する請求項1のパッチアンテナ・アセンブリ。
  13. 【請求項13】パッチアンテナが線形分極アンテナである請求項1のパッチア
    ンテナ・アセンブリ。
  14. 【請求項14】パッチアンテナが円形分極アンテナである請求項1のパッチア
    ンテナ・アセンブリ。
  15. 【請求項15】パッチアンテナが円形形状を有する請求項1のパッチアンテナ
    ・アセンブリ。
  16. 【請求項16】パッチアンテナとアース板とが誘電基板状に形成される請求項
    1のアンテナ・アセンブリ。
  17. 【請求項17】パッチアンテナとアース板とが金属素材から形成される請求項
    1のアンテナ・アセンブリ。
  18. 【請求項18】遮蔽素子が金属素材から形成される請求項17のアンテナ・ア
    センブリ。
  19. 【請求項19】パッチアンテナがアース板に対して偏心に配されている請求項
    1のアンテナ・アセンブリ。
  20. 【請求項20】送信信号を発するおおむね平面の信号生成層からさらに成り、
    該信号生成層がパッチアンテナと電気導通する信号生成回路を有する請求項1の
    アンテナ・アセンブリ。
  21. 【請求項21】遮蔽素子がアース板から信号生成層まで延び、信号生成回路を
    外部信号から遮蔽する請求項20のアンテナ・アセンブリ。
  22. 【請求項22】信号生成回路から、アース板を介して延び、パッチアンテナで
    終端し、信号生成回路とパッチアンテナとの間の電気導通を促進するビアからさ
    らに成る請求項20のアンテナ・アセンブリ。
  23. 【請求項23】パッチアンテナから受信した信号を処理するおおむね平面の信
    号処理層からさらに成り、該信号処理層がパッチアンテナと電気導通する信号処
    理回路を有する請求項1のアンテナ・アセンブリ。
  24. 【請求項24】遮蔽素子がアース板から信号処理層に延び、信号処理回路を外
    部信号から遮蔽する請求項23のアンテナ・アセンブリ。
  25. 【請求項25】信号処理回路から、アース板を介して延び、パッチアンテナで
    終端し、信号処理回路とパッチアンテナとの間の電気導通を促進するビアからさ
    らに成る請求項23のアンテナ・アセンブリ。
  26. 【請求項26】パッチアンテナ・アセンブリであって: 第1周囲境界線を定義するおおむね平面のパッチアンテナと; パッチアンテナに平行で、パッチアンテナから間隔をあけた関係に配されたおお
    むね平面の寄生アース板と; パッチアンテナとアース板との間の電磁場を分離する少なくとも1個の電導性寄
    生遮蔽素子で、アース板と電気導通し、アース板から延び、パッチアンテナの第
    1周囲境界線の外部に配された電導性寄生遮蔽素子とから成るパッチアンテナ・
    アセンブリ。
  27. 【請求項27】複数個のパッチアンテナ・アセンブリから成るパッチアンテナ
    列で、パッチアンテナ・アセンブリのそれぞれが: 第1周囲境界線を定義するおおむね平面のパッチアンテナと; パッチアンテナに平行で、パッチアンテナから間隔をあけた関係に配されたおお
    むね平面の寄生アース板と; パッチアンテナとアース板との間の電磁場を分離する少なくとも1個の電導性寄
    生遮蔽素子で、アース板と電気導通し、アース板から延び、パッチアンテナの第
    1周囲境界線の外部に配された電導性寄生遮蔽素子とから成るパッチアンテナ・
    アセンブリ。
  28. 【請求項28】パッチアンテナ・アセンブリを製作する方法であって: (a)第1及び第2側面を有するおおむね平面の誘電基板を提供し; (b)誘電基板の第1及び第2側面に電導素材を取り付け; (c)第1側面から電導素材の1部を除去し、第1周囲境界線によって定義され
    る残りの電導素材からパッチアンテナを形成し; (d)パッチアンテナの第1周囲境界線の周囲に、誘電基板を貫通する複数個の
    穴を穿孔し; (e)該穴を電導素材で充填するステップから成る方法。
  29. 【請求項29】ステップ(b)が、金属メッキ処理を用いて電導素材を取り付
    けることから成る請求項28の方法。
  30. 【請求項30】ステップ(c)が、エッチング処理を用いて電導素材の位置部
    を除去することから成る請求項28の方法。
  31. 【請求項31】ステップ(c)が、誘電基板の第1側面から電導素材の1部を
    除去し、残りの電導素材から第1直径を有する複数個の円板を形成することから
    さらに成り、ステップ(d)が、該円板と誘電基板とを貫通する複数個の穴を穿
    孔することからさらに成り、該穴が、円板の第1直径よりも小さい第2直径を有
    する請求項28の方法。
  32. 【請求項32】ステップ(e)が、穴を充填し、円板を、誘電基板の第2側面
    上の電導素材に電気的に接続することから成る請求項31の方法。
  33. 【請求項33】ステップ(e)が、金属メッキ処理を用いて穴を充填すること
    から成る請求項28の方法。
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