JP2005269228A - アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 コストの低減化及び設計・製造の容易化を図りつつ、低仰角側の利得の向上を実現することができるアンテナを提供すること。
【解決手段】 アンテナ１０は、板状の基板１１の表面１７に金属層のアンテナパターン１２が形成されるとともに、基板１１の裏面にグランド上板１３が設けられ、基板１１が金属製の支持脚１６を介してグランド下板１４の上方に支持されて、グランド上板１３とグランド下板１４とが支持脚１６によって電気的に導通されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アンテナパターンが基板上に形成されたアンテナに関する。

従来より、例えばパッチアンテナ等、基板上にアンテナパターンがプリントされて形成されたアンテナが知られている（例えば、特許文献１）。このパッチアンテナはその上方に３次元的に広がりを有する球状の指向特性を有する。図５の上図はこのパッチアンテナの概略構成を示し、下図はその指向特性を断面にして示したものである。ここで、符号１はパッチアンテナ、２は基板、３はアンテナパターン、４はグランド板、５は指向特性をそれぞれ示したものである。同図から分かるように、パッチアンテナの指向特性は天頂方向に最も大きな利得を有するため、パッチアンテナは天頂方向からの電波の受信又は天頂方向への電波の出力に適し、主に衛星からの受信・送信等に利用されている。

ところで、近年、衛星デジタル音声放送システムや衛星移動通信システム等の普及に伴い、衛星波（円偏波）のみならず水平方向に近い方向（低仰角側）から到来する地上波（直線偏波）にも対応可能なアンテナの要請が高まってきている。このようなアンテナとしては、例えばパッチアンテナの中心にモノポールアンテナが配置され、パッチアンテナが上述のように衛星波に対応する一方で、モノポールアンテナが地上波に対応するような複合アンテナが知られている（例えば、特許文献２）。
実開昭６３−７８０９号公報 特開平１１−１２２０３６号公報

しかしながら、従来の複合アンテナのように地上波に対応するためにモノポールアンテナ等を用いたのでは、その分部品点数が多くなりコストの増加を招来することとなる。また、この従来の複合アンテナでは、細棒状のモノポールアンテナがパッチアンテナの中央に鉛直方向に立設されるという構造上、小型化を図るのが困難であるとともに、安定性に欠け振動等少しの外力が加えられただけでもモノポールアンテナが傾倒するおそれがある。

一方、コストの低減化、小型化及び安定性の確保を図るべく、パッチアンテナのみで衛星波と地上波との両方を受信等するようなもの、具体的には、例えば基板の比誘電率を大きくし、また基板を厚くするとともにアンテナパターンを小さくすることによって低仰角側の利得を高めるものが考案されている。

しかしながら、このようなアンテナでは、例えば比誘電率を大きくすることにより波長短縮率が大きくなるため、所望の低仰角側の利得を確保するにあたりアンテナパターンを厳密に設計する必要が生じ、またその製造工程においても高い精度が要求され、ひいてはやはりコストの増加を招くこととなる。一方、基板を厚くすると、誘電損失が増大したり、さらには不要モードの影響を受けるおそれもある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、コストの低減化及び設計・製造の容易化を図りつつ、低仰角側の利得の向上を実現することができるアンテナを提供することを課題としている。

このような課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、誘電体基板の表面に金属層のアンテナパターンが形成されるとともに、前記誘電体基板の裏面に第一のグランド板が設けられ、前記誘電体基板が金属製の支持部材を介して第二のグランド板の上方に支持されて、前記第一のグランド板と前記第二のグランド板とが前記支持部材によって電気的に導通することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第一のグランド板と前記第二のグランド板とが略平行であることを特徴とする。

本発明に係るアンテナは、表面にアンテナパターンが形成された誘電体基板の裏面に第一のグランド板が設けられ、誘電体基板が金属製の支持部材を介して第二のグランド板の上方に支持されて、第一のグランド板と第二のグランド板とが支持部材によって電気的に導通されているので、アンテナが設置されたとき、誘電体基板、ひいてはアンテナパターンがグランド電極全体によって設置面から持ち上がることになる。これによって、従来のパッチアンテナに比べて低仰角側においてより高い利得を得ることが可能となり、円偏波である衛星波のみならず直線偏波である地上波にも対応が可能となる。

また、アンテナだけで衛星波及び地上波に対応することができ、従来の複合アンテナのように地上波に対応する専用のモノポールアンテナ等を別途設ける必要がない。したがって、従来の複合アンテナに比べ部品点数を削減することができコストの低減化を図ることができるとともに、小型化を図る際にも有利となる。また、構造上安定性にも優れる。

さらに、低仰角側において高い利得を得るために、所望の指向特性に応じて誘電体基板の持ち上げる高さ、より厳密にはアンテナパターンの高さを調整するだけでよく、従来のパッチアンテナのように誘電体基板の比誘電率を大きくしたり誘電体基板を厚くしたりする必要がない。したがって、アンテナの設計・製造が容易であり、また、誘電体基板の厚みが増すことによる誘電損失や不要モードの影響も抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明の実施の形態に係るアンテナの概略構成を示す。このアンテナ１０は、北米の衛星デジタル音声放送システムに用いられる円偏波の衛星放送波及び直線偏波の地上放送波の両方を受信可能なマイクロストリップ型パッチアンテナである。

アンテナ１０は、誘電体の基板（誘電体基板）１１と、この基板１１の表面１７に形成されたアンテナパターン１２と、基板１１の裏面に設けられグランド電極となるグランド上板（第一のグランド板）１３と、同じくグランド電極となるグランド下板（第二のグランド板）１４と、グランド下板１４の表面１５から起立して上方に基板１１を支持する四本の支持脚（支持部材）１６とを有する。

基板１１は、例えばガラスエポキシ樹脂、テフロン（登録商標）、セラミック等の誘電部材からなり、平面視略正方形かつその板厚がほぼ均一の板状を呈する。

アンテナパターン１２は、例えば蒸着、エッチング、メッキ等の従来の手法により基板１１の表面１７の略中央に金属層が形成されてなる。

グランド上板１３は、金属製であり、基板１１より一回り大きい平面視略正方形状を呈している。このグランド上板１３が基板１１の裏面に当接するように設けられている。アンテナパターン１２への給電は、給電点１８によりこのグランド上板１３の裏面から電気的に絶縁された給電ピン（図示略）を介して行われるようになっている。

グランド下板１４は、グランド上板１３と同様金属製であり、グランド上板１３よりもさらに一回り大きい平面視略正方形状を呈している。

支持脚１６は、金属製の四角柱であり、グランド下板１４の表面１５の四隅近傍からそれぞれ鉛直方向に立設されている。これらの支持脚１６の上端のそれぞれに跨るようにグランド上板１３が載置されて、基板１１が支持脚１６によってグランド下板１４の上方に支持される。このとき、グランド上板１３とグランド下板１４とは略平行になっており、かつグランド上板１３とグランド下板１４との間には支持脚１６によって所定の間隔が保たれている。また、グランド上板１３とグランド下板１４とが支持脚１６によって電気的に導通して、グランド下板１４もグランド上板１３と同様グランド電極となる。なお、このような構造により、グランド上板１３とグランド下板１４との間の空気層が誘電体としての機能を有するようなことがない。

このアンテナ１０は、グランド下板１４が設置面（図示略）上に載置されることによって所望の設置位置に設置される。このとき、支持脚１６によって基板１１がグランド下板１４の上方に支持されるため、基板１１がグランド上板１３及びグランド下板１４の厚みやその高低差（支持脚１６の長さ）分設置面から持ち上げられることとなる。なお、この支持脚１６の高さは所望の指向特性に合わせて決定される。また、上述のように、上下に配置されたグランド上板１３及びグランド下板１４は、支持脚１６によって所定の間隔が保たれるとともに、互いに導通してともにグランド電位となる。

この実施の形態に係るアンテナ１０では、表面１７にアンテナパターン１２が形成された基板１１の裏面にグランド上板１３が設けられ、基板１１が金属製の支持脚１６を介してグランド下板１４の上方に支持されて、グランド上板１３とグランド下板１４とが支持脚１６によって電気的に導通しているので、アンテナ１０が設置されたとき、基板１１、ひいてはアンテナパターン１２がグランド電極全体（グランド上板１３、グランド下板１４及び支持脚１６）によって設置面から持ち上がることになる。これによって、図５に示す従来のパッチアンテナ１に比べて低仰角側においてより高い利得を得ることが可能となり、円偏波である衛星波のみならず直線偏波である地上波にも対応が可能となる。

図２は仰角に対するアンテナ利得について、例えば図５に示すような従来からのパッチアンテナと本実施の形態の一例である基板を持ち上げたアンテナとを比較実験して得た結果をグラフに示したものである。本実験では、本実施の形態の一例であるアンテナとして、その基板がグランド下板及び支持脚によって従来のパッチアンテナの基板よりも１０ｍｍ高く持ち上がったものを用いた。

図２中、折線ａは従来のパッチアンテナの利得を示し、折線ｂは本実施の形態の一例であるアンテナの利得を示す。同図から分かるように、従来のパッチアンテナに比べ本実施の形態の一例であるアンテナの方が、仰角略５０°から９０°にかけて、すなわち高仰角側で利得が小さくなる一方、仰角０°から略５０°にかけて、すなわち低仰角側で利得が大きくなっている。

このように、基板、より厳密にはアンテナパターンを持ち上げることにより、電磁界分布を変化させて利得のパターンを変え、低仰角側の利得の向上を図ることができる。なお、本実験ではグランド下板及び支持脚によって持ち上げる高さを１０ｍｍとしたが、これに限られるものではなく、所望の指向特性に応じて適宜任意の高さとすることができる。

また、アンテナ１０だけで衛星波及び地上波に対応することができ、従来の複合アンテナのように地上波に対応する専用のモノポールアンテナ等を別途設ける必要がない。したがって、従来の複合アンテナに比べ部品点数を削減することができコストの低減化を図ることができるとともに、小型化を図る際にも有利となる。また、構造上安定性にも優れる。

さらに、アンテナ１０では、低仰角側において高い利得を得るために、所望の指向特性に応じて基板１１の持ち上げる高さ、より厳密にはアンテナバターン１２の高さを調整するだけでよく、従来のパッチアンテナのように基板の比誘電率を大きくしたり基板を厚くしたりする必要がない。したがって、アンテナの設計・製造が容易であり、また、基板の厚みが増すことによる誘電損失や不要モードの影響も抑制することができる。

また、アンテナ１０は、グランド上板１３とグランド下板１４とが支持脚１６によって電気的に導通してグランド電極となっているので、グランド上板１３とグランド下板１４との間の空気層が誘電体としての機能を有するようなことがない。ここで、特許文献１に記載の従来のパッチアンテナのように、この空気層を誘電体として機能させるとすると、空気の低い比誘電率（＝１．０）が基板１１の比誘電率に合成される結果、誘電体全体としての比誘電率がその分低くなってしまう。したがって、アンテナパターン１２を大きくせざるを得ずアンテナ１０の小型化の要請に反することとなってしまうが、本実施の形態に係るアンテナ１０では、上述のように空気層に誘電体としての機能を持たせていないためこのような問題も回避することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、例えば本実施の形態に係るアンテナ１０は、北米の衛星デジタル音声放送システムに用いられる円偏波の衛星放送波及び直線偏波の地上放送波の両方を受信可能なものとして説明したが、二偏波を少なくとも受信又は送信できるアンテナであればよく、例えば衛星移動通信システムに用いられる衛星波及び地上波の両方を送受信可能なアンテナ等であってもよい。

また、本実施の形態に係るアンテナ１０では、四角柱の支持脚１６によって基板１１を保持することとしたが、これに限られるものではなく、例えば図３に示すアンテナ２０のように、金属からなる四枚の板状の支持壁２１によって基板１１を支持するようにしてもよい。また、図４に示すアンテナ２２のように、平面視略正方形の基部２３とその四隅から起立する脚部２４とが一体に形成されてなる金属製の基台２５によって基板１１を支持するようにしてもよい。さらに、グランド上板１３とグランド下板１４との間の間隔が同一部材の金属で埋められてグランド上板１３とグランド下板１４とが一体に形成されていてもよい。

本発明の実施の形態に係るアンテナの概略構成を示す斜視図である。 仰角に対するアンテナ利得について、従来のパッチアンテナと本実施の形態の一例であるアンテナとの比較を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係るアンテナの変形例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係るアンテナの他の変形例を示す斜視図である。 従来のパッチアンテナに関し、上図は斜視図であり、下図はその指向特性を説明するための図である。

符号の説明

１０、２０、２２ アンテナ
１１ 基板（誘電体基板）
１２ アンテナパターン
１３ グランド上板（第一のグランド板）
１４ グランド下板（第二のグランド板）
１６ 支持脚（支持部材）
１７ 表面
２１ 支持壁（支持部材）
２５ 基台（支持部材）

Claims (2)

1. 誘電体基板の表面に金属層のアンテナパターンが形成されるとともに、前記誘電体基板の裏面に第一のグランド板が設けられ、
   前記誘電体基板が金属製の支持部材を介して第二のグランド板の上方に支持されて、前記第一のグランド板と前記第二のグランド板とが前記支持部材によって電気的に導通することを特徴とするアンテナ。
2. 前記第一のグランド板と前記第二のグランド板とが略平行であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。

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