JP2005051329A

JP2005051329A - Two-frequency shared flat patch antenna and multi-frequency shared flat patch antenna

Info

Publication number: JP2005051329A
Application number: JP2003203371A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Inoue; 大輔井上; Yoshiaki Torigoe; 嘉明鳥越
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2023-07-29
Also published as: JP4558287B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a two-frequency shared flat patch antenna or the like which ensures excellent antenna characteristics with a simple configuration. <P>SOLUTION: The two-frequency shared flat patch antenna for sharing two different frequency bands is configured to include: a ground conductor 11; a dielectric board 12 located to an upper part of the ground conductor 11 and formed to have a prescribed thickness; a high frequency patch 15 formed within a range of a prescribed shape on the upper plane of the dielectric board 12 and having a high frequency feeding point 17 at a prescribed position; a low frequency patch 14 formed within a range including the high frequency patch on the upper plane of the dielectric board 12 and having a low frequency feeding point 16 at a prescribed position; and an aerial layer 13 located in a range in contact with the ground conductor 11 nearly at the lower part in the middle of the dielectric board 12 to have a thickness thinner than the thickness of the dielectric board. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の異なる周波数帯域に対応する多周波共用平面パッチアンテナに関するもので、特に、車載情報端末に必要な周波数１．５７５ＧＨｚ帯のＧＰＳ用アンテナと２．５ＧＨｚ帯のＶＩＣＳ用アンテナと周波数５．８ＧＨｚ帯のＥＴＣ用アンテナ等の複数のものに対応する車載用途の多周波共用平面パッチアンテナとして好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車に搭載される情報端末では、ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）やＶＩＣＳ（ＶｅｈｉｃｌｅＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）やＥＴＣ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｏｌｌＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ）等の利用が普及している。ＧＰＳは、自動車の位置情報をＧＰＳ衛星から受信してナビゲーション機能を実現するために有用なシステムであり、ＶＩＣＳは、移動経路上の施設の情報など多様な各種情報をリアルタイムで提供するシステムであり、ＥＴＣは有料道路での料金自動支払いシステムである。そして、それぞれのシステムにおける情報送信においては、それぞれ異なった周波数帯の電波が用いられるので、これらを複合的に利用するには、それぞれの電波に適合する複数の受信アンテナを自動車に設置する必要がある。
【０００３】
ところで、上述の複数のアンテナを別々に自動車に設置するのでは、設置スペースの確保や伝送ケーブルの配線など、小型化や簡素化の面で不利益が大きい。そこで、複数の異なる周波数のうちの２つに対応するアンテナを同一平面上に構成した共平面構造を持つ二周波共用平面パッチアンテナが提案されている（例えば、非特許文献１）。このような二周波共用平面パッチアンテナは、図１０に示すように、所定サイズの誘電体基板１０２の下部に接地導体１０１を設け、誘電体基板１０１の上部平面において、外側に低周波用パッチ１０３を形成するとともに所定幅の間隙を隔てた内側に高周波用パッチ１０４を形成した構造になっている。そして、低周波用パッチ１０３と高周波用パッチ１０４のそれぞれの適切な位置に給電点を形成することにより、同一平面上に複数の異なる周波数用のアンテナが構成されることになる。
【０００４】
【非特許文献１】
２００１年電子情報通信学会総合大会Ｂ−１−１７４「マルチモード端末用２共振型アンテナの一検討」
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の共平面構造を持つ二周波共用平面パッチアンテナを利用することは、小型かつ簡素に構成できる点ではメリットがあるが、良好なアンテナ特性を実現する点では十分ではない。すなわち、図１０において、内側の高周波用パッチ１０４は、外側の低周波用パッチ１０３に内包される構造をとるために外形が制約されるとともに、高周波用パッチ１０４に近接して配置される低周波用パッチ１０３との間の電気的結合による悪影響を受ける。また、誘電体基板１２の誘電率を低周波用パッチ１０３と高周波用パッチ１０４の双方に対して最適化することは容易ではない。これらの要因から、内側の高周波用パッチ１０４については利得や帯域幅などのアンテナ特性を良好に保つことが困難となり、特に、帯域幅が狭くなることが実用上の大きな問題となる。
【０００６】
そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、共平面構造を持つ二周波共用平面パッチアンテナの良好なアンテナ特性を簡単な構成で確保し、特に内側の高周波用パッチの利得向上と広帯域化を実現可能な二周波共用平面パッチアンテナ等を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、２つの異なる周波数帯域を共用可能な二周波共用平面パッチアンテナであって、接地導体と、前記接地導体の上部に配置され、所定の厚さに形成された誘電体基板と、前記誘電体基板の上部平面における所定形状の範囲に形成された高周波用パッチと、前記誘電体基板の上部平面において前記高周波用パッチを内包する範囲に形成された低周波用パッチと、前記誘電体基板の略中央下部の前記接地導体に接する範囲において前記誘電体基板の厚さより小さい厚さで設けられた空気層とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、二周波共用平面パッチアンテナにおいては、誘電体基板の上部平面に形成された高周波用パッチと低周波用パッチがそれぞれ異なる周波数帯域に対応している。そして、誘電体基板の略中央下部には空気層が設けられ、この空気層が接地導体に接する状態で誘電体基板の厚さより小さい厚さとなっている。よって、内側の高周波用パッチの下方には、誘電体基板と空気層が重なる配置となって実効的な誘電率が下がるため、適切な設計条件を設定することによりアンテナの有効面積を広げて利得や帯域を向上させることができ、簡単な構成で高周波側の良好なアンテナ特性を確保し得る二周波共用平面パッチアンテナを実現することができる。
【０００９】
請求項２に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、請求項１に記載の二周波共用平面パッチアンテナにおいて、前記空気層の横幅は前記高周波用パッチの横幅より大きく前記誘電体基板の横幅より小さい範囲に設定され、前記空気層の側面が前記誘電体基板に囲まれる配置となることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、請求項１に記載の発明の作用に加えて、高周波用パッチの端部の下部に空気層が含まれ、生じる電界が空気層にしみだし、広帯域化に効果を奏する。
【００１１】
請求項３に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、請求項２に記載の二周波共用平面パッチアンテナにおいて、前記空気層の横幅は前記誘電体基板の横幅より僅かに小さい範囲に設定されていることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、請求項２に記載の発明の作用に加えて、僅かな幅を持つ誘電体基板の端部に新たな電界が生じ、帯域を最適化し得る高周波用パッチを実現することができる。これは高周波用パッチ近傍に低周波用パッチが存在する二周波共用平面パッチアンテナ特有の現象である。
【００１３】
請求項４に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、請求項１に記載の二周波共用平面パッチアンテナにおいて、前記空気層の横幅は前記誘電体基板の横幅と同一に設定されて前記空気層の側面が開放される配置となり、前記誘電体基板は支持部材を介して前記接地導体上に固定されることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、請求項１に記載の発明の作用に加えて、誘電体基板の下部の全体にわたって空気層を設けた構造をとる場合、誘電体形状を単純化できる。
【００１５】
請求項５に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、２つの異なる周波数帯域を共用可能な二周波共用平面パッチアンテナであって、接地導体と、前記接地導体の上部に配置され、所定の厚さに形成された誘電体基板と、前記誘電体基板の上部平面における所定形状の範囲にスロット状放射素子を含む二周波共用パッチと、前記誘電体基板の略前記スロット状放射素子下部の前記接地導体に接する範囲において前記誘電体基板の厚さより小さい厚さで設けられた空気層とを備えることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、スロット状放射素子を含む二周波共用パッチの高周波用スロットの下部に空気層が設けられ、この空気層が接地導体に接する状態で誘電体基板の厚さより小さい厚さとなっている。よって、内側の高周波用スロットの下方には、誘電体基板と空気層が重なる配置となって実効的な誘電率が下がるため、適切な設計条件を設定することによりアンテナの有効面積を広げて利得や帯域を向上させることができ、簡単な構成で高周波側の良好なアンテナ特性を確保し得る二周波共用平面パッチアンテナを実現することができる。
【００１７】
請求項６に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、請求項５に記載の二周波共用平面パッチアンテナにおいて、前記空気層の横幅は前記誘電体基板の横幅より僅かに小さい範囲に設定されていることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、請求項５に記載の発明の作用に加えて、僅かな幅を持つ誘電体基板の端部に新たな電界が生じ、帯域を最適化し得る高周波用スロットを実現することができる。
【００１９】
請求項７に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、請求項１から請求項４のいずれかに記載の二周波共用平面パッチアンテナにおいて、前記誘電体基板は、比誘電率が略１０以上の材料を用いて形成されることを特徴とする。
【００２０】
請求項８に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、２つの異なる周波数帯域を共用可能な二周波共用平面パッチアンテナであって、接地導体と、前記接地導体の上部に配置され、所定の厚さに形成された誘電体基板と、前記誘電体基板の上部平面における所定形状の範囲に形成された高周波用パッチと、前記誘電体基板の上部平面において前記高周波用パッチを内包する範囲に形成された低周波用パッチと、前記誘電体基板の略中央下部の前記接地導体に接する範囲において前記誘電体基板の厚さより小さい厚さで設けられ、前記誘電体基板の誘電率より十分低い誘電率を持つ材料が充填された誘電体層とを備えることを特徴とする。
【００２１】
請求項９に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、請求項１から請求項８のいずれかに記載の二周波共用平面パッチアンテナにおいて、前記高周波用パッチはＶＩＣＳ用アンテナとして機能し、前記低周波用パッチはＧＰＳ用アンテナとして機能することを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、上述の発明の作用に加えて、ＶＩＣＳ用の電波を高周波用パッチで受信し、ＧＰＳ用の電波を低周波用パッチで受信する車載用途の好適な二周波共用平面パッチアンテナを実現することができる。
【００２３】
請求項１０に記載の多周波共用平面パッチアンテナは、３つ以上の異なる周波数帯域を共用可能なアンテナであって、前記各周波数帯域のうち少なくとも２つの異なる周波数帯域を共用させるために、請求項１から請求項９のいずれかに記載の二周波共用平面アンテナを用いたことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係るに二周波共用平面パッチアンテナの一形態として、低周波側の第１の周波数帯域と、この第１の周波数帯域の比較的近い高周波側の第２の周波数帯域とを共用可能な二周波共用平面パッチアンテナに対し本発明を適用する場合を説明する。例えば、車載情報端末に搭載される二周波共用平面パッチアンテナとして、低周波側の周波数１．５７５ＧＨｚ帯のＧＰＳ用受信アンテナと、高周波側の周波数２．５ＧＨｚ帯のＶＩＣＳ用受信アンテナとを共用する車載用途の二周波共用平面パッチアンテナに利用することができる。
【００２５】
図１は、本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナ１の構造を示す図であり、平面図及び側面図をそれぞれ示している。図１に示すように本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナ１は、十分にサイズの大きい接地導体としての接地板１１の上部に誘電体基板１２が配置され、さらに誘電体基板１２の上部平面に導体でアンテナパターンが形成される構造になっている。
【００２６】
図１の側面図に示すように、接地板１１の上部の誘電体基板１２は、所定の誘電率を持つ所定の厚さの誘電体材料からなり、その中央下部には部分的に空気層１３を設けた構造を有している。空気層１３は、誘電体基板１１の外周部分を除いた矩形領域に誘電体基板１２の厚さより小さい所定の厚さで形成され、下方で接地板１１に接する配置となっている。なお、空気層１３のサイズは後述するようにアンテナパターンとの関係で定められる。このような空気層１３を設けた構造にしたため、誘電体基板１２は、その外周部分の下面が接地板１２の上部に配置された状態で固定されることになる。
【００２７】
また、図１の平面図に示すように、誘電体基板１２の上部平面に形成されるアンテナパターンは、外側の低周波用パッチ１４と内側の高周波用パッチ１５とを含む共平面構造になっている。外側に配置される低周波用パッチ１４は、２つの矩形に囲まれ所定のパッチ幅を持つ範囲に形成されている。また、内側に配置される高周波用パッチ１５は、低周波用パッチ１４に内包される比較的サイズの小さな矩形の範囲に形成されている。図１に示すように、これら低周波用パッチ１４と高周波用パッチ１５は、所定幅の間隙を置いて配置されている。
【００２８】
なお、図１においては、低周波用パッチ１４及び高周波用パッチ１５は、正方形の形状を用いて範囲が定められる例を示しているが、低周波用パッチ１４が高周波用パッチを内包する関係であれば例えば長方形や円形等の他の形状を用いることもできる。また、図２に示すように、スロット状放射素子としての高周波用スロット１９が低周波用パッチ１８に内包される形態を持つ二周波共用平面パッチアンテナ２に対しても本発明を適用することができ、その高周波用スロット１９の形状、個数は様々なものを用いることができる。さらに、誘電体基板１２の外形についても様々な変形を加えることができる。
【００２９】
低周波用パッチ１４及び高周波用パッチ１５には、それぞれ所定位置で電気的に結合する低周波用給電点１６と高周波用給電点１７が設けられている。低周波用パッチ１４や高周波用パッチ１５は、電気的に接触した給電や、それに整合回路付きのものや、直接接触のない容量結合等の適当な手法において給電できる。それらの手法の中で、例えば図１においては、低周波用パッチ１４にはその側の低周波用給電点１６で容量結合による給電をしており、高周波用パッチ１５には高周波用給電点１７で誘電体基板１２の下面から貫通する穴を介して直接給電している。それぞれの低周波用給電点１６及び高周波用給電点１７の位置は、それぞれのアンテナ特性に応じて調整することが可能である。
【００３０】
次に、本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナ１において、誘電体基板１２の中央下部に設けた空気層１３の役割およびアンテナ特性との関係について説明する。本実施形態においては、主に内側の高周波用パッチ１５について、利得及び帯域幅などのアンテナ特性を向上させることを目的として誘電体基板１２の中央下部に空気層１３を設けている。特に、高周波用パッチ１５の利得及び帯域幅は、空気層１３のパッチ平面方向のサイズに依存して変化するため、以下に述べるようにシミュレーションにより最適な設計条件を導くための検討を行った。
【００３１】
以下、本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナ１に関し、シミュレーションに基づき得られたアンテナ特性及び設計条件について図３〜図６に基づき説明する。ここでは、低周波用パッチ１４がＧＰＳ用電波に比較的近い周波数で動作し、高周波用パッチ１５がＶＩＣＳ用電波に比較的近い周波数で動作する二周波共用平面パッチアンテナ１の設計条件を導くためのシミュレーションを想定する。二周波共用平面パッチアンテナ１のシミュレーションを行うための構造モデルを図３に示すとともに、この構造モデルにそれぞれ具体的な設計条件を与えてシミュレーションを行った場合の高周波用パッチ１５のアンテナ特性を図４に示す。
【００３２】
まず、図３に示す構造モデルにおいては、外側の低周波用パッチ１４を横幅Ｌ１（一辺の長さ）の正方形に囲まれる範囲に形成し、間隔Ｌ２だけ隔てて内側の高周波用パッチ１５を横幅Ｌ３（一辺の長さ：Ｌ３＜Ｌ１）の正方向に囲まれる範囲に形成する。また、誘電体基板１２は、比誘電率εｒの材料からなり、横幅Ｌ４（Ｌ４＞Ｌ１）で厚さＷ１の領域に形成する。
【００３３】
また、空気層１３は、横幅Ｌ５で厚さＷ２（Ｗ２＜Ｗ１）の領域に形成する。なお、低周波用パッチ１４、高周波用パッチ１５、誘電体基板１２、空気層１３は、パッチ平面方向でそれぞれ共通の中心を持つ正方形の形状を有している。図３に示す各パラメータのうち、誘電体基板１２の厚さＷ１及び空気層１３の厚さＷ２をそれぞれ固定とした場合におけるアンテナ特性と空気層１３の横幅Ｌ５の関係をシミュレーションにより検証した。
【００３４】
表１は、誘電体基板１２の比誘電率εｒが１０以上の範囲で高周波用パッチ１５が所定の周波数で共振するように調整した場合の設計条件の一例を示している。表１においては、空気層１３の横幅が０の時点における誘電体基板１２中の実効的な波長λｇを用いて図３の構造モデルの各パラメータを規定している。なお、実効的な波長λｇは、共振波長λと、誘電体基板１２の比誘電率εｒを考慮してλｇ＝λ／√εｒから求めたものである。
【００３５】
【表１】

一方、図４は、表１に示す設計条件を用いてシミュレーションを行った結果、空気層１３の横幅Ｌ５を変化させた場合の高周波用パッチ１５のアンテナ特性（利得、比帯域）を示す図である。図４の横軸においては、空気層１３の横幅Ｌ５を誘電体基板１２の横幅Ｌ４で規格化して表している（規格化サイズ）。このとき、空気層１３の規格化サイズ０の条件は、誘電体基板１２に空気層１３を設けない従来の構成に相当する。よって、この場合の高周波用パッチ１５の利得及び比帯域を基準として、空気層１３を設けたことによる効果を判断することができる。図４に示すように、空気層１３の横幅Ｌ５を高周波用パッチ１５の横幅Ｌ３（規格サイズ≒０．４２）から誘電体基板１２の横幅Ｌ５（規格化サイズ１）までの範囲で変化させ、高周波用パッチ１５の利得及び比帯域を求めた。なお、空気層１３以外の全てのパラメータは固定のまま、高周波用パッチ１５の共振周波数がＶＩＣＳ用電波に比較的近い周波数で動作するように、誘電体基板１２の比誘電率を適宜調整している。
【００３６】
ここで、誘電体基板１２及び空気層１３は、Ｌ５＜Ｌ４の条件では図５（ａ）に示すような断面形状となり、Ｌ５＝Ｌ４の条件では図５（ｂ）に示すような断面形状となる。すなわち、図５（ａ）の場合は、空気層１３の側面が誘電体基板１２に囲まれる配置で密閉された状態となるのに対し、図５（ｂ）の場合は、誘電体基板１２の下部全体で空気層１３の側面に誘電体基板１２がなく開放された配置となっている。
【００３７】
図４に示すように、高周波用パッチ１５の利得は、空気層１３の横幅Ｌ５が大きくなるとともに向上することがわかる。また、高周波用パッチ１５の比帯域は、空気層１３の横幅Ｌ５が大きくなると向上するが、Ｌ５がＬ４に近い所定の値でピークを持つことがわかる。このように、従来の構成と比べた場合、高周波用パッチ１３の外形から誘電体基板１２の外形の範囲にわたって空気層１３を形成することにより良好なアンテナ特性を有する高周波用パッチ１５を実現できる。特に、誘電体基板１２の外形より僅かに小さい空気層１３を形成することにより、高周波用パッチ１５のアンテナ特性を顕著に向上させることができる。
【００３８】
ここで、高周波用パッチ１５の比帯域が図４に示すようなピークを持つのは、主に高周波用パッチ１５と接地板１１との間の電界分布の影響によると考えられる。すなわち、誘電体基板１２の外形より僅かに小さい空気層１３を形成する場合において、高周波用パッチ１５近傍で電界が生じるのに加え、僅かな幅を持つ誘電体基板１２側面の近傍に新たに電界が生じる効果が、比帯域の増大に寄与している。一方、空気層１３を図５（ｂ）に示すような断面形状にした場合、上述の電界による効果は得られないため、その手前でピークを持つと考えられる。利得においては、高周波用パッチ１５のアンテナ有効面積が実質的に広がっていること、また空気層１３を多く含むことによる誘電体損失の低減による効果から、向上しているものと考えられる。
【００３９】
なお、誘電体基板１２の比誘電率εｒを低く設定した場合は、空気層１３を設けた場合の高周波用パッチ１５のアンテナ特性が劣化する傾向がある。特に、空気層１３の横幅Ｌ５が高周波用パッチ１５の横幅Ｌ３に接近する範囲では顕著に劣化する。従って、誘電体基板１２の比誘電率εｒは、ある程度大きな値に設定する必要がある。本方式を用いる場合には、高周波用パッチ１５のアンテナ特性を確保するため、誘電体基板１２は、比誘電率εｒが略１０以上の材料を用いて形成することが望ましい。
【００４０】
次に図６は、図３に示す構造モデルに対応する低周波用パッチ１４のアンテナ特性（利得、比帯域）を示す図である。本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナ１は、主に高周波用パッチ１５のアンテナ特性の向上を目的としているが、空気層１３を設けたことによる低周波用パッチ１４のアンテナ特性に与える影響を検証することも重要であることから、以下に述べるようにシミュレーションにより検討を行った。
【００４１】
図６においては、空気層１３の横幅Ｌ５を３通りに変化させ（規格化サイズ：０、約０．７９、１）、それぞれの低周波用パッチ１４の利得及び比帯域を求めた。なお、全てのパラメータは図４の場合と同様であり、低周波用パッチ１４の共振周波数がＧＰＳ用電波に比較的近い周波数で動作するように、誘電体基板１２の比誘電率を適宜調整している。図６に示すように、従来の構成に相当する規格化サイズ０の場合と比較すると、規格化サイズ約０．７９の場合は良好な利得及び比帯域が得られるのに対し、規格化サイズ１の場合は利得、比帯域とも劣化することがわかる。すなわち、空気層１３の誘電体基板１２の全体にわたって空気層１３を設けるのは、低周波用パッチ１４のアンテナ特性の面からは不利になる。
【００４２】
このように、本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナ１を構成する上で、空気層１３の横幅Ｌ５は、低周波用パッチ１４及び高周波用パッチ１５のアンテナ特性のバランスを考慮して決定する必要がある。図４及び図６の結果によれば、特に高周波用パッチ１５のアンテナ特性を重視する場合、空気層１３の横幅Ｌ５を誘電体基板１２の横幅Ｌ４より若干小さい範囲で設定するか、あるいはＬ５＝Ｌ４として空気層１３の側面を開放させる構成を採ることが望ましいが、低周波用パッチ１４のアンテナ特性の確保を考えた場合、空気層１３の横幅Ｌ５は側面を開放させない構成で設定することが望ましい。ただし、かかる構成は、表１の設計条件を前提とする場合であり、表１に含まれるパラメータや周波数条件を変更する場合、空気層１３の横幅Ｌ５の最適値は変動するものと推測される。
【００４３】
なお、上述のシミュレーションにおいては、主に空気層１３の横幅Ｌ５を変化させる一方、空気層１３の厚さＷ２は固定としたが、設計条件によっては空気層１３の厚さＷ２を適宜に調整してもよい。例えば、図７（ａ）に示すように、空気層１３の厚さＷ２が誘電体基板１２の厚さＷ１よりも十分に小さくなるような構成を用いたり、図７（ｂ）に示すように、空気層１３の厚さＷ２が誘電体基板１２の厚さＷ１に近くなるような構成を用いることができる。また空気層１３の形状も様々な変形が可能である。
【００４４】
次に、誘電体基板１２及び空気層１３を図５（ａ）に示すような断面形状を持たせて形成する場合には、誘電体基板１２と空気層１３を一体的に形成し、接地板１０１に固定すればよい。この場合、支持部材等の各種部材が不要であり、誘電体基板１２を１種の材料で形成できるとともに空気層１３の体積分だけ材料が少なくて済むため、コストメリットが大きい。
【００４５】
一方、図８は、誘電体基板１２及び空気層１３を図５（ｂ）に示すような断面形状を持たせて形成する場合、誘電体基板１２を固定するための実装方法の一例である。図８においては、誘電体基板１２の外周部の所定箇所に支持部材として、プラスチック等からなる複数のスペーサ２１を設ける構成を示している。例えば、誘電体基板１２の四隅に４つのスペーサ２１を配置すればよい。このようにスペーサ２１を設けたことにより、誘電体基板１２の下部の全体にわたって空気層１３を設けた場合であっても、誘電体基板１２を接地板１１に対して確実に固定することができる。
【００４６】
本実施形態においては、上記の構成に限定されることなく様々な変形を加えることができる。図１に示す二周波共用平面パッチアンテナ１の構成では、誘電体基板１２の中央下部に空気層１３を設ける場合を説明したが、例えば、図９に示すように、空気層１３の代わりに、誘電体基板１２の比誘電率ε１より十分低い比誘電率ε２を持つ材料が充填された誘電体層３１を設けるようにしてもよい。設計条件に含まれるパラメータの設定によっては、比誘電率ε２を持つ誘電体層３１を用いることにより、二周波共用平面パッチアンテナ１の良好なアンテナ特性を確保できる。
【００４７】
また、本実施形態では、２つの周波数帯域を共用可能な二周波共用平面パッチアンテナを説明したが、本発明は３つ以上の周波数帯域を共用する多周波共用平面パッチアンテナに対しても適用可能である。すなわち、図１に示すような構成を少なくとも２つの異なる周波数帯域を共用するために用い、さらに他の周波数帯域に対応するアンテナ素子を含む多周波共用平面パッチアンテナを構成してもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、共平面構造を持つ二周波共用平面パッチアンテナの誘電体基板の略中央下部に空気層を設けたので、良好なアンテナ特性を簡単な構成で確保することができる。特に、二周波共用平面パッチアンテナにおける高周波用パッチの利得向上と広帯域化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナの構造を示す図である。
【図２】本実施形態に係る二周波共用平面をスロット状放射素子を含む形態に適用した場合の構造を示す図である。
【図３】本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナのシミュレーションを行うための構造モデルを示す図である。
【図４】図３に示す構造モデルにそれぞれ具体的な設計条件を与えてシミュレーションを行った場合の高周波用パッチのアンテナ特性を示す図である。
【図５】本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナにおいて、誘電体基板及び空気層の断面形状を示す図である。
【図６】図３に示す構造モデルに対応する低周波用パッチのアンテナ特性を示す図である。
【図７】本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナにおいて、空気層の厚さを変化させた場合の構成を示す図である。
【図８】誘電体基板及び空気層を図５（ｂ）に示すような断面形状を持たせて形成する場合、誘電体基板を固定するための実装方法の一例である。
【図９】空気層の代わりに誘電体基板の誘電率より十分低い誘電率を持つ材料を充填した誘電体層を設ける構成を示す図である。
【図１０】従来の共平面構造を持つ二周波共用平面パッチアンテナの構造を示す図である。
【符号の説明】
１、２…二周波共用平面パッチアンテナ
１１…接地板
１２…誘電体基板
１３…空気層
１４、１８…低周波用パッチ
１５…高周波用パッチ
１６…低周波用給電点
１７…高周波用給電点
１９…高周波用スロット
２１…スペーサ
３１…誘電層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a multi-frequency shared planar patch antenna corresponding to a plurality of different frequency bands, and in particular, a 1.575 GHz band GPS antenna, a 2.5 GHz band VICS antenna, and a frequency required for an in-vehicle information terminal. It is suitable as a multi-frequency shared planar patch antenna for in-vehicle use corresponding to a plurality of antennas such as a 5.8 GHz band ETC antenna.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the use of GPS (Global Positioning System), VICS (Vehicle Information and Communication System), ETC (Electronic Toll Collection System), etc. has been widespread in information terminals installed in automobiles. GPS is a useful system for realizing navigation functions by receiving vehicle position information from GPS satellites, and VICS is a system that provides various types of information in real time, such as information on facilities on moving routes. ETC is a toll road automatic payment system. And in the information transmission in each system, radio waves of different frequency bands are used, so in order to use these in a complex manner, it is necessary to install a plurality of receiving antennas suitable for each radio wave in the automobile. is there.
[0003]
By the way, installing the plurality of antennas separately in the automobile is disadvantageous in terms of downsizing and simplification, such as securing installation space and wiring of transmission cables. Therefore, a dual-frequency planar patch antenna having a coplanar structure in which antennas corresponding to two of a plurality of different frequencies are configured on the same plane has been proposed (for example, Non-Patent Document 1). As shown in FIG. 10, such a dual-frequency planar patch antenna is provided with a ground conductor 101 below a dielectric substrate 102 of a predetermined size, and a low-frequency patch 103 on the outside of the upper plane of the dielectric substrate 101. And a high frequency patch 104 is formed on the inner side with a gap of a predetermined width. Then, by forming feeding points at appropriate positions of the low frequency patch 103 and the high frequency patch 104, a plurality of antennas for different frequencies are configured on the same plane.
[0004]
[Non-Patent Document 1]
2001 IEICE General Conference B-1-174 "A Study of Two Resonant Antennas for Multimode Terminals"
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the use of the dual-frequency planar patch antenna having the conventional coplanar structure is advantageous in that it can be configured in a small and simple manner, but is not sufficient in realizing good antenna characteristics. That is, in FIG. 10, the inner high frequency patch 104 is constrained to have a structure included in the outer low frequency patch 103, and the low frequency arranged close to the high frequency patch 104. It is adversely affected by electrical coupling with the patch 103 for use. Moreover, it is not easy to optimize the dielectric constant of the dielectric substrate 12 for both the low frequency patch 103 and the high frequency patch 104. Because of these factors, it is difficult to maintain good antenna characteristics such as gain and bandwidth for the inner high frequency patch 104, and in particular, a narrow bandwidth is a major practical problem.
[0006]
Therefore, the present invention has been made to solve these problems, and it ensures a good antenna characteristic of a dual-frequency shared planar patch antenna having a coplanar structure with a simple configuration. An object of the present invention is to provide a dual-frequency planar patch antenna or the like that can realize gain improvement and a broad band.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the dual-frequency planar patch antenna according to claim 1 is a dual-frequency planar patch antenna that can share two different frequency bands, and includes a ground conductor and an upper portion of the ground conductor. A dielectric substrate formed in a predetermined thickness, a high frequency patch formed in a range of a predetermined shape on an upper plane of the dielectric substrate, and the high frequency patch on an upper plane of the dielectric substrate And a low-frequency patch formed in a range including the inside of the dielectric substrate, and an air layer provided with a thickness smaller than the thickness of the dielectric substrate in a range in contact with the ground conductor at a substantially lower center of the dielectric substrate. It is characterized by.
[0008]
According to the present invention, in the dual-frequency planar patch antenna, the high-frequency patch and the low-frequency patch formed on the upper plane of the dielectric substrate correspond to different frequency bands. An air layer is provided substantially at the lower center of the dielectric substrate. The thickness of the air layer is smaller than the thickness of the dielectric substrate in a state where the air layer is in contact with the ground conductor. Therefore, the dielectric substrate and the air layer overlap with each other below the inner high-frequency patch, so that the effective dielectric constant decreases. Therefore, by setting appropriate design conditions, the effective area of the antenna can be expanded and gain increased. In addition, it is possible to realize a dual-frequency planar patch antenna that can improve the band and can secure good antenna characteristics on the high frequency side with a simple configuration.
[0009]
The dual-frequency planar patch antenna according to claim 2 is the dual-frequency planar patch antenna according to claim 1, wherein a width of the air layer is larger than a width of the high-frequency patch and smaller than a width of the dielectric substrate. It is set to a range, and the side surface of the air layer is arranged to be surrounded by the dielectric substrate.
[0010]
According to the present invention, in addition to the operation of the first aspect of the invention, the air layer is included in the lower portion of the end portion of the high frequency patch, and the generated electric field oozes out into the air layer, which is effective for widening the band.
[0011]
The dual-frequency planar patch antenna according to claim 3 is the dual-frequency planar patch antenna according to claim 2, wherein the lateral width of the air layer is set to be slightly smaller than the lateral width of the dielectric substrate. It is characterized by that.
[0012]
According to the present invention, in addition to the operation of the invention described in claim 2, a high frequency patch capable of optimizing the band can be realized by generating a new electric field at the end of the dielectric substrate having a slight width. it can. This is a phenomenon peculiar to the dual-frequency planar patch antenna in which a low-frequency patch exists in the vicinity of the high-frequency patch.
[0013]
The dual-frequency planar patch antenna according to claim 4 is the dual-frequency planar patch antenna according to claim 1, wherein a lateral width of the air layer is set to be equal to a lateral width of the dielectric substrate. The dielectric substrate is fixed on the ground conductor through a support member.
[0014]
According to the present invention, in addition to the operation of the first aspect of the invention, the dielectric shape can be simplified in the case of adopting a structure in which an air layer is provided over the entire lower portion of the dielectric substrate.
[0015]
The dual-frequency planar patch antenna according to claim 5 is a dual-frequency planar patch antenna that can share two different frequency bands, and is disposed on a ground conductor and the ground conductor, and has a predetermined thickness. A dielectric substrate formed on the dielectric substrate, a dual-frequency patch including a slot-shaped radiating element in a predetermined shape range on an upper plane of the dielectric substrate, and the ground conductor substantially below the slot-shaped radiating element of the dielectric substrate. And an air layer provided with a thickness smaller than that of the dielectric substrate in a range in contact with the dielectric substrate.
[0016]
According to the present invention, the air layer is provided below the high frequency slot of the dual frequency shared patch including the slot-shaped radiating element, and the thickness of the air layer is smaller than the thickness of the dielectric substrate in a state where the air layer is in contact with the ground conductor. Yes. Therefore, the dielectric substrate and the air layer overlap with each other below the inner high-frequency slot, so that the effective dielectric constant decreases. Therefore, by setting appropriate design conditions, the effective area of the antenna can be expanded and gain increased. In addition, it is possible to realize a dual-frequency planar patch antenna that can improve the band and can secure good antenna characteristics on the high frequency side with a simple configuration.
[0017]
The dual-frequency planar patch antenna according to claim 6 is the dual-frequency planar patch antenna according to claim 5, wherein the lateral width of the air layer is set to be slightly smaller than the lateral width of the dielectric substrate. It is characterized by that.
[0018]
According to the present invention, in addition to the operation of the invention described in claim 5, it is possible to realize a high frequency slot capable of optimizing the band by generating a new electric field at the end of the dielectric substrate having a slight width. it can.
[0019]
8. The dual-frequency planar patch antenna according to claim 7, wherein the dielectric substrate is a material having a relative dielectric constant of approximately 10 or more. It is formed using.
[0020]
The dual-frequency planar patch antenna according to claim 8 is a dual-frequency planar patch antenna that can share two different frequency bands, and is disposed on a ground conductor and the ground conductor, and has a predetermined thickness. A dielectric substrate formed on the upper surface of the dielectric substrate, a high-frequency patch formed in a predetermined shape range on the upper plane of the dielectric substrate, and a range including the high-frequency patch on the upper plane of the dielectric substrate. A low frequency patch and a thickness smaller than the thickness of the dielectric substrate in a range in contact with the ground conductor at a substantially lower center of the dielectric substrate, and having a dielectric constant sufficiently lower than the dielectric constant of the dielectric substrate And a dielectric layer filled with a material.
[0021]
The dual-frequency planar patch antenna according to claim 9 is the dual-frequency planar patch antenna according to any one of claims 1 to 8, wherein the high-frequency patch functions as a VICS antenna, and the low-frequency This patch functions as a GPS antenna.
[0022]
According to the present invention, in addition to the operation of the above-described invention, a dual-frequency planar patch antenna suitable for in-vehicle use that receives a radio wave for VICS with a high-frequency patch and receives a radio wave for GPS with a low-frequency patch. Can be realized.
[0023]
The multi-frequency shared planar patch antenna according to claim 10 is an antenna that can share three or more different frequency bands, and in order to share at least two different frequency bands among the frequency bands. A dual-frequency planar antenna according to any one of claims 1 to 9 is used.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, as one form of the dual-frequency shared planar patch antenna according to the present invention, the first frequency band on the low frequency side and the second frequency band on the high frequency side relatively close to the first frequency band are A case where the present invention is applied to a dual frequency shared planar patch antenna that can be shared will be described. For example, as a dual-frequency planar patch antenna mounted on an in-vehicle information terminal, a low-frequency side frequency receiving antenna for 1.575 GHz band and a high-frequency side receiving antenna for frequency 2.5 GHz band are shared. It can be used for a dual-frequency planar patch antenna for in-vehicle use.
[0025]
FIG. 1 is a diagram showing a structure of a dual-frequency planar patch antenna 1 according to this embodiment, and shows a plan view and a side view, respectively. As shown in FIG. 1, the dual-frequency planar patch antenna 1 according to the present embodiment has a dielectric substrate 12 disposed on the ground plate 11 as a sufficiently large ground conductor, and further the upper portion of the dielectric substrate 12. The antenna pattern is formed by a conductor on a plane.
[0026]
As shown in the side view of FIG. 1, the dielectric substrate 12 on the upper portion of the ground plate 11 is made of a dielectric material having a predetermined dielectric constant and having a predetermined thickness. It has the structure which provided. The air layer 13 is formed in a rectangular region excluding the outer peripheral portion of the dielectric substrate 11 with a predetermined thickness smaller than the thickness of the dielectric substrate 12, and is disposed in contact with the ground plate 11 below. The size of the air layer 13 is determined in relation to the antenna pattern as will be described later. Since the structure is provided with such an air layer 13, the dielectric substrate 12 is fixed in a state in which the lower surface of the outer peripheral portion thereof is disposed above the ground plate 12.
[0027]
Further, as shown in the plan view of FIG. 1, the antenna pattern formed on the upper plane of the dielectric substrate 12 has a coplanar structure including an outer low frequency patch 14 and an inner high frequency patch 15. Yes. The low frequency patch 14 arranged on the outside is formed in a range having a predetermined patch width surrounded by two rectangles. Further, the high frequency patch 15 disposed on the inner side is formed in a relatively small rectangular range enclosed in the low frequency patch 14. As shown in FIG. 1, the low frequency patch 14 and the high frequency patch 15 are arranged with a gap of a predetermined width.
[0028]
In FIG. 1, the low-frequency patch 14 and the high-frequency patch 15 show an example in which a range is defined using a square shape, but the low-frequency patch 14 includes a high-frequency patch. For example, other shapes such as a rectangle or a circle can be used. Further, as shown in FIG. 2, the present invention can also be applied to the dual-frequency planar patch antenna 2 having a configuration in which a high-frequency slot 19 as a slot-shaped radiating element is included in a low-frequency patch 18. Various shapes and numbers of the high-frequency slots 19 can be used. Further, various modifications can be made to the outer shape of the dielectric substrate 12.
[0029]
The low frequency patch 14 and the high frequency patch 15 are each provided with a low frequency feed point 16 and a high frequency feed point 17 that are electrically coupled at predetermined positions. The low-frequency patch 14 and the high-frequency patch 15 can be fed by an appropriate method such as feeding in electrical contact, a matching circuit therewith, or capacitive coupling without direct contact. Among these techniques, for example, in FIG. 1, the low frequency patch 14 is fed by capacitive coupling at the low frequency feed point 16 on the side, and the high frequency patch 15 is fed with the high frequency feed point 17. Thus, power is directly supplied through a hole penetrating from the lower surface of the dielectric substrate 12. The positions of the low-frequency feed point 16 and the high-frequency feed point 17 can be adjusted according to the antenna characteristics.
[0030]
Next, in the dual-frequency shared patch antenna 1 according to this embodiment, the role of the air layer 13 provided at the center lower portion of the dielectric substrate 12 and the relationship with the antenna characteristics will be described. In the present embodiment, the air layer 13 is provided at the center lower portion of the dielectric substrate 12 mainly for the purpose of improving antenna characteristics such as gain and bandwidth for the inner high frequency patch 15. In particular, since the gain and bandwidth of the high-frequency patch 15 vary depending on the size of the air layer 13 in the patch plane direction, studies were conducted to derive optimum design conditions by simulation as described below.
[0031]
Hereinafter, regarding the dual-frequency shared patch antenna 1 according to the present embodiment, antenna characteristics and design conditions obtained based on simulation will be described with reference to FIGS. Here, in order to derive design conditions for the dual-frequency planar patch antenna 1 in which the low-frequency patch 14 operates at a frequency relatively close to the GPS radio wave and the high-frequency patch 15 operates at a frequency relatively close to the VICS radio wave. Assume a simulation. A structural model for simulating the dual-frequency planar patch antenna 1 is shown in FIG. 3, and the antenna characteristics of the high-frequency patch 15 when simulation is performed by giving specific design conditions to the structural model. 4 shows.
[0032]
First, in the structural model shown in FIG. 3, the outer low frequency patch 14 is formed in a range surrounded by a square having a lateral width L1 (length of one side), and the inner high frequency patch 15 is separated by an interval L2. It is formed in a range surrounded by the positive direction of L3 (length of one side: L3 <L1). The dielectric substrate 12 is made of a material having a relative dielectric constant εr, and is formed in a region having a lateral width L4 (L4> L1) and a thickness W1.
[0033]
The air layer 13 is formed in a region having a lateral width L5 and a thickness W2 (W2 <W1). The low-frequency patch 14, the high-frequency patch 15, the dielectric substrate 12, and the air layer 13 have a square shape having a common center in the patch plane direction. Among the parameters shown in FIG. 3, the relationship between the antenna characteristics and the lateral width L5 of the air layer 13 when the thickness W1 of the dielectric substrate 12 and the thickness W2 of the air layer 13 are fixed is verified by simulation.
[0034]
Table 1 shows an example of design conditions when the dielectric substrate 12 is adjusted so that the high frequency patch 15 resonates at a predetermined frequency when the relative dielectric constant εr of the dielectric substrate 12 is 10 or more. In Table 1, each parameter of the structural model of FIG. 3 is defined using an effective wavelength λg in the dielectric substrate 12 when the lateral width of the air layer 13 is zero. The effective wavelength λg is obtained from λg = λ / √εr in consideration of the resonance wavelength λ and the relative dielectric constant εr of the dielectric substrate 12.
[0035]
[Table 1]

On the other hand, FIG. 4 is a diagram showing antenna characteristics (gain, ratio band) of the high-frequency patch 15 when the lateral width L5 of the air layer 13 is changed as a result of simulation using the design conditions shown in Table 1. is there. In the horizontal axis of FIG. 4, the horizontal width L5 of the air layer 13 is standardized by the horizontal width L4 of the dielectric substrate 12 (standardized size). At this time, the standardized size 0 condition of the air layer 13 corresponds to a conventional configuration in which the air layer 13 is not provided on the dielectric substrate 12. Therefore, the effect of providing the air layer 13 can be determined based on the gain and specific band of the high frequency patch 15 in this case. As shown in FIG. 4, the lateral width L5 of the air layer 13 is changed in the range from the lateral width L3 (standard size≈0.42) of the high frequency patch 15 to the lateral width L5 (standardized size 1) of the dielectric substrate 12. The gain and specific band of the high frequency patch 15 were obtained. Note that the relative permittivity of the dielectric substrate 12 is adjusted as appropriate so that all the parameters other than the air layer 13 are fixed and the resonance frequency of the high frequency patch 15 operates at a frequency relatively close to the VICS radio wave. Yes.
[0036]
Here, the dielectric substrate 12 and the air layer 13 have a cross-sectional shape as shown in FIG. 5A under the condition of L5 <L4, and the cross-sectional shape as shown in FIG. 5B under the condition of L5 = L4. Become. That is, in the case of FIG. 5A, the side surface of the air layer 13 is sealed in an arrangement surrounded by the dielectric substrate 12, whereas in the case of FIG. In the entire lower part, the dielectric substrate 12 is not provided on the side surface of the air layer 13 and is open.
[0037]
As shown in FIG. 4, it can be seen that the gain of the high-frequency patch 15 increases as the lateral width L5 of the air layer 13 increases. Further, it can be seen that the specific band of the high frequency patch 15 is improved when the lateral width L5 of the air layer 13 is increased, but L5 has a peak at a predetermined value close to L4. Thus, when compared with the conventional configuration, the high frequency patch 15 having good antenna characteristics can be realized by forming the air layer 13 from the outer shape of the high frequency patch 13 to the outer shape of the dielectric substrate 12. In particular, by forming the air layer 13 slightly smaller than the outer shape of the dielectric substrate 12, the antenna characteristics of the high frequency patch 15 can be significantly improved.
[0038]
Here, it is considered that the ratio band of the high frequency patch 15 has a peak as shown in FIG. 4 mainly due to the influence of the electric field distribution between the high frequency patch 15 and the ground plate 11. That is, when the air layer 13 slightly smaller than the outer shape of the dielectric substrate 12 is formed, an electric field is generated in the vicinity of the high-frequency patch 15 and a new electric field is formed in the vicinity of the side surface of the dielectric substrate 12 having a slight width. The effect of generating contributes to the increase of the specific band. On the other hand, when the air layer 13 has a cross-sectional shape as shown in FIG. In terms of gain, it is considered that the antenna effective area of the high-frequency patch 15 is substantially widened and that the effect of reducing the dielectric loss due to the inclusion of the air layer 13 is improved.
[0039]
When the relative dielectric constant εr of the dielectric substrate 12 is set low, the antenna characteristics of the high frequency patch 15 when the air layer 13 is provided tend to deteriorate. In particular, when the lateral width L5 of the air layer 13 approaches the lateral width L3 of the high frequency patch 15, the air layer 13 is significantly deteriorated. Therefore, it is necessary to set the relative dielectric constant εr of the dielectric substrate 12 to a somewhat large value. When this method is used, it is desirable to form the dielectric substrate 12 using a material having a relative dielectric constant εr of approximately 10 or more in order to ensure the antenna characteristics of the high-frequency patch 15.
[0040]
Next, FIG. 6 is a diagram showing antenna characteristics (gain, ratio band) of the low frequency patch 14 corresponding to the structural model shown in FIG. The dual-frequency planar patch antenna 1 according to the present embodiment is mainly intended to improve the antenna characteristics of the high-frequency patch 15, but the effect of the air layer 13 on the antenna characteristics of the low-frequency patch 14 is provided. Since it is also important to verify the above, it was examined by simulation as described below.
[0041]
In FIG. 6, the lateral width L5 of the air layer 13 is changed in three ways (standardized size: 0, about 0.79, 1), and the gain and specific band of each low frequency patch 14 are obtained. All the parameters are the same as those in FIG. 4, and the relative dielectric constant of the dielectric substrate 12 is appropriately adjusted so that the resonance frequency of the low frequency patch 14 operates at a frequency relatively close to the GPS radio wave. ing. As shown in FIG. 6, compared with the case of the standardized size 0 corresponding to the conventional configuration, when the standardized size is about 0.79, a good gain and ratio band can be obtained, whereas the standardized size 1 In this case, it can be seen that both the gain and the ratio band are degraded. That is, providing the air layer 13 over the entire dielectric substrate 12 of the air layer 13 is disadvantageous in terms of antenna characteristics of the low frequency patch 14.
[0042]
Thus, in configuring the dual-frequency shared planar patch antenna 1 according to the present embodiment, the lateral width L5 of the air layer 13 is determined in consideration of the balance of the antenna characteristics of the low-frequency patch 14 and the high-frequency patch 15. There is a need to. According to the results of FIGS. 4 and 6, particularly when the antenna characteristics of the high frequency patch 15 are emphasized, the lateral width L5 of the air layer 13 is set within a range slightly smaller than the lateral width L4 of the dielectric substrate 12, or L5 = Although it is desirable to adopt a configuration in which the side surface of the air layer 13 is opened as L4, in consideration of securing the antenna characteristics of the low frequency patch 14, the lateral width L5 of the air layer 13 may be set in a configuration in which the side surface is not opened. desirable. However, this configuration is based on the assumption of the design conditions in Table 1, and when the parameters and frequency conditions included in Table 1 are changed, it is estimated that the optimum value of the lateral width L5 of the air layer 13 varies. .
[0043]
In the above simulation, the width L5 of the air layer 13 is mainly changed, while the thickness W2 of the air layer 13 is fixed. However, the thickness W2 of the air layer 13 is appropriately adjusted depending on design conditions. May be. For example, as shown in FIG. 7A, a configuration in which the thickness W2 of the air layer 13 is sufficiently smaller than the thickness W1 of the dielectric substrate 12, or as shown in FIG. A configuration in which the thickness W2 of the air layer 13 is close to the thickness W1 of the dielectric substrate 12 can be used. The shape of the air layer 13 can be variously modified.
[0044]
Next, when the dielectric substrate 12 and the air layer 13 are formed to have a cross-sectional shape as shown in FIG. 5A, the dielectric substrate 12 and the air layer 13 are integrally formed, and the ground plate What is necessary is just to fix to 101. In this case, various members such as a support member are unnecessary, and the dielectric substrate 12 can be formed of one kind of material, and the material for the volume of the air layer 13 can be reduced.
[0045]
On the other hand, FIG. 8 shows an example of a mounting method for fixing the dielectric substrate 12 when the dielectric substrate 12 and the air layer 13 are formed with a cross-sectional shape as shown in FIG. FIG. 8 shows a configuration in which a plurality of spacers 21 made of plastic or the like are provided as support members at predetermined locations on the outer peripheral portion of the dielectric substrate 12. For example, four spacers 21 may be disposed at the four corners of the dielectric substrate 12. By providing the spacer 21 in this way, the dielectric substrate 12 can be reliably fixed to the ground plate 11 even when the air layer 13 is provided over the entire lower portion of the dielectric substrate 12. .
[0046]
In the present embodiment, various modifications can be made without being limited to the above configuration. In the configuration of the dual-frequency shared patch antenna 1 shown in FIG. 1, the case where the air layer 13 is provided at the lower center of the dielectric substrate 12 has been described. For example, as shown in FIG. 9, instead of the air layer 13, A dielectric layer 31 filled with a material having a relative dielectric constant ε2 sufficiently lower than the relative dielectric constant ε1 of the dielectric substrate 12 may be provided. Depending on the setting of parameters included in the design conditions, the use of the dielectric layer 31 having the relative dielectric constant ε2 can ensure good antenna characteristics of the dual-frequency planar patch antenna 1.
[0047]
In the present embodiment, the dual-frequency planar patch antenna that can share two frequency bands has been described. However, the present invention can also be applied to a multi-frequency planar patch antenna that shares three or more frequency bands. It is. That is, the configuration shown in FIG. 1 may be used to share at least two different frequency bands, and a multi-frequency shared planar patch antenna including antenna elements corresponding to other frequency bands may be configured.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the air layer is provided substantially at the lower center of the dielectric substrate of the dual-frequency planar patch antenna having a coplanar structure, good antenna characteristics can be ensured with a simple configuration. Can do. In particular, it is possible to improve the gain of the high-frequency patch and increase the bandwidth in the dual-frequency shared patch antenna.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a structure of a dual-frequency planar patch antenna according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a structure in a case where the dual-frequency shared plane according to the present embodiment is applied to a form including a slot-shaped radiating element.
FIG. 3 is a diagram showing a structural model for simulating a dual-frequency planar patch antenna according to the present embodiment.
4 is a diagram showing antenna characteristics of a high-frequency patch when simulation is performed by giving specific design conditions to the structural model shown in FIG. 3; FIG.
FIG. 5 is a diagram showing cross-sectional shapes of a dielectric substrate and an air layer in the dual-frequency planar patch antenna according to the present embodiment.
6 is a diagram showing antenna characteristics of a low-frequency patch corresponding to the structural model shown in FIG. 3;
FIG. 7 is a diagram showing a configuration when the thickness of the air layer is changed in the dual-frequency planar patch antenna according to the present embodiment.
8 is an example of a mounting method for fixing the dielectric substrate when the dielectric substrate and the air layer are formed with a cross-sectional shape as shown in FIG. 5B.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration in which a dielectric layer filled with a material having a dielectric constant sufficiently lower than that of a dielectric substrate is provided instead of the air layer.
FIG. 10 is a diagram illustrating a structure of a conventional dual-frequency planar patch antenna having a coplanar structure.
[Explanation of symbols]
1, 2, ... Dual frequency flat patch antenna
11 ... Ground plate
12 ... Dielectric substrate
13 ... Air layer
14, 18 ... patch for low frequency
15 ... High frequency patch
16 ... Low frequency feed point
17 ... High frequency feed point
19 ... High frequency slot
21 ... Spacer
31 ... Dielectric layer

Claims

A dual-frequency planar patch antenna that can share two different frequency bands,
A ground conductor;
A dielectric substrate disposed on the ground conductor and having a predetermined thickness;
A high-frequency patch formed in a range of a predetermined shape in the upper plane of the dielectric substrate;
A low frequency patch formed in a range including the high frequency patch in an upper plane of the dielectric substrate;
An air layer provided with a thickness smaller than the thickness of the dielectric substrate in a range in contact with the ground conductor at a substantially lower center of the dielectric substrate;
A dual-frequency planar patch antenna comprising:

The lateral width of the air layer is set in a range larger than the lateral width of the high-frequency patch and smaller than the lateral width of the dielectric substrate, and the side surface of the air layer is arranged to be surrounded by the dielectric substrate. 2. The dual-frequency planar patch antenna according to 1.

3. The dual-frequency planar patch antenna according to claim 2, wherein a width of the air layer is set to be slightly smaller than a width of the dielectric substrate.

The lateral width of the air layer is set to be the same as the lateral width of the dielectric substrate so that the side surface of the air layer is open, and the dielectric substrate is fixed on the ground conductor via a support member. The dual-frequency planar patch antenna according to claim 1, wherein

A dual-frequency planar patch antenna that can share two different frequency bands,
A ground conductor;
A dielectric substrate disposed on the ground conductor and having a predetermined thickness;
A dual frequency shared patch including a slot-shaped radiating element in a predetermined shape range in an upper plane of the dielectric substrate;
An air layer provided with a thickness smaller than the thickness of the dielectric substrate in a range where the dielectric substrate is in contact with the ground conductor under the slot-like radiation element;
A dual-frequency planar patch antenna comprising:

6. The dual-frequency planar patch antenna according to claim 5, wherein the lateral width of the air layer is set in a range slightly smaller than the lateral width of the dielectric substrate.

5. The dual-frequency planar patch antenna according to claim 1, wherein the dielectric substrate is formed using a material having a relative dielectric constant of approximately 10 or more.

A dual-frequency planar patch antenna that can share two different frequency bands,
A ground conductor;
A dielectric substrate disposed on the ground conductor and having a predetermined thickness;
A high-frequency patch formed in a range of a predetermined shape in the upper plane of the dielectric substrate;
A low frequency patch formed in a range including the high frequency patch in an upper plane of the dielectric substrate;
A dielectric having a thickness smaller than the thickness of the dielectric substrate in a range in contact with the ground conductor at a substantially lower center of the dielectric substrate and filled with a material having a dielectric constant sufficiently lower than the dielectric constant of the dielectric substrate. Body layers,
A dual-frequency planar patch antenna comprising:

The dual-frequency planar patch antenna according to any one of claims 1 to 8, wherein the high-frequency patch functions as a VICS antenna, and the low-frequency patch functions as a GPS antenna.

The dual-frequency sharing according to any one of claims 1 to 9, wherein the antenna can share three or more different frequency bands, and in order to share at least two different frequency bands among the frequency bands. A multi-frequency flat patch antenna characterized by using a flat antenna.