JP2006135672A

JP2006135672A - パッチアンテナ、アレイアンテナおよびそれを備えた実装基板

Info

Publication number: JP2006135672A
Application number: JP2004322610A
Authority: JP
Inventors: Tomoji Fujii; 朋治藤井; Yasutaka Hirachi; 康剛平地; Hiroshi Nakano; 洋中野
Original assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd; Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Current assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd; Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2006-05-25
Anticipated expiration: 2024-11-05
Also published as: JP4323413B2; US20060097926A1; US7468698B2

Abstract

【課題】アンテナ特性を改善させることができるパッチアンテナ、アレイアンテナおよびそれを備えた実装基板を提供する。
【解決手段】パッチアンテナを、誘電体基板と、誘電体基板上に形成され導体からなる略矩形状の放射素子と、放射素子に給電するための給電点に接続される給電線路とを備え、給電点は、給電線路とマッチングするインピーダンスを有するように構成することにより達成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＧＰＳ(Global Positioning System)やＥＴＣ(Electronic Toll Collection System)に用いられる、パッチアンテナ、アレイアンテナおよびそれを備えた実装基板に関する。

通常、平面アンテナであるパッチアンテナの形状は、方形状もしく円形状である。アンテナパターンへの給電は、図１に示すように、マイクロストリップ線路（ＭＳＬ）給電の場合、ＭＳＬのインピーダンスとアンテナ部の入力端のインピーダンスが違うため、ＭＳＬとアンテナ部との間に、インピーダンス整合を行うマッチング回路を設ける。マッチング回路は、波長をλとした場合にλ／４長で、そのインピーダンスがアンテナ部の入力端のインピーダンスとＭＳＬのインピーダンスとの積の平方根をとった値となる回路である。

インピーダンス整合に関して、トリプレート構造の平面アンテナにおいて、中央に穴を有する環状ＭＳＡ素子を放射素子に用いることにより、リング比を変えて放射素子の入力インピーダンスを可変にし、また、給電線の先端部の形状、大きさおよび放射素子の中心からの距離を可変とすることにより、アンテナの利得（放射効率）を低下させずに簡単な構造でトリプレート線路と放射素子とのインピーダンス整合を図る平面アンテナがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−２１７１５号公報

しかし、上述した背景技術には、以下に示すような問題がある。

マッチング回路は共振回路であり、周波数成分をもつため、アンテナの周波数特性に影響を及ぼす問題がある。例えば、マッチング回路は、特定の周波数でのみマッチングできる回路であるため、アンテナの周波数帯域が狭くなる。

また、アンテナ入力部までの引き回し回路が長くなるため、誘電体が持つ電気特性、例えば誘電体損の影響を受けやすくなる問題がある。

また、アンテナパターンを変更することにより高利得化を図る方法として、アンテナ面積を大きくする方法があるが、この方法は、方形状のアンテナを高利得化する手段としては、配線密度などを考慮すると有効な方法ではない。

そこで、本発明は、かかる事情に鑑み、アンテナ特性を改善させることができるパッチアンテナ、アレイアンテナおよびそれを備えた実装基板を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明にかかるパッチアンテナは、誘電体基板と、誘電体基板上に形成され導体からなる略矩形状の放射素子と、放射素子に給電するための給電点に接続される給電線路とを備え、給電点は、給電線路とマッチングするインピーダンスを有する。

このように構成することにより、アンテナ部、すなわち放射素子までの給電回路を短くでき、電力損失を小さくすることができる。

また、本発明にかかる他のパッチアンテナは、誘電体基板と、誘電体基板上に形成され導体からなる略矩形状の放射素子とを備え、放射素子は、給電点が形成された一辺と対向する一辺に凹部を有する。

このように構成することにより、アンテナの利得を改善することができる。

また、本発明にかかるアレイアンテナは、少なくとも１個のパッチアンテナを組み合わせて配列したものである。

このように構成することにより、各放射素子を配列する際のピッチを小さくできる。

また、本発明にかかる実装基板は、上記アレイアンテナを備えたものである。

本発明の実施例によれば、アンテナ特性を改善させることができるパッチアンテナ、アレイアンテナおよびそれを備えた実装基板を実現できる。

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を用い、繰り返しの説明は省略する。

本発明の第１の実施例について、図２、図３を参照して説明する。

本実施例にかかるパッチアンテナ１０は、図２に示すように、導体からなり、略矩形の放射素子（パッチ）１を、厚さｔ、比誘電率ε_ｒの誘電体基板４の表面に形成したものである。誘電体基板４の裏面側、すなわち放射素子１を形成した面に対して反対の面には、接地層３が形成されている。放射素子１の隣接する２辺の長さは、それぞれＡとＢである（ここではＡ＞Ｂとする）。放射素子１の給電点５は、放射素子１の端部であり、長さＡの辺の所定の部分である。この給電点５に対して、給電線路２、例えばマイクロストリップ線路（ＭＳＬ）が直接接続され、給電がなされる。

本実施例にかかるパッチアンテナ１０は、給電線路２の伝送路インピーダンスと給電点５の入力インピーダンスとを等しくし、マッチングさせるようにしたものである。

具体的には、放射素子１の入力端（給電点５）の入力インピーダンスは、給電点５が形成された辺の長さＡにより決まり、この長さを変化させることによりアンテナの給電点５の入力インピーダンスを変化させることができる。この性質を利用して、給電点５の入力インピーダンスを給電線路２の伝送路インピーダンスと等しくなるように調節し、マッチングさせる。

以下、使用周波数６０ＧＨｚ帯に適用できるパッチアンテナを構成した場合について説明する。

図３に示すように、厚さｔが０．１１５ｍｍ、比誘電率ε_ｒが３．６７、誘電正接ｔａｎδが０．０１１である誘電体基板４上に、方形状の放射素子１、マッチング回路６および給電線路２を形成し、放射素子１において、給電点５が形成された辺の長さをＡ、Ａと垂直な方向の長さをＢ、マッチング回路の長さをＣ、マッチング回路の幅をＤとし、Ａを変化させた場合について、アンテナ入力端（給電点５）の入力インピーダンスを求めた。

その結果、図３に示すように、Ａを長くするにしたがい、アンテナ入力端の入力インピーダンスは低下する。例えば、Ａが１．６ｍｍである場合（ｐａｔｃｈ１）にはアンテナ入力端の入力インピーダンスは２３２Ωであるが、Ａが３．８ｍｍである場合（ｐａｔｃｈ９）にはアンテナ入力端の入力インピーダンスは４２Ωとなる。このように、給電点５が形成された辺の長さＡを変化させることにより、給電点のインピーダンスを変化させることができる。

この性質を利用して、例えば、給電線路２の伝送路インピーダンスがＺ_０（＝５０Ω）である場合には、Ａを３．６ｍｍ程度（ｐａｔｃｈ８）とすることにより、アンテナ部の入力端、すなわち給電点５の入力インピーダンスを５０Ω程度にすることができる。したがって、給電線路２の伝送路インピーダンスと放射素子１の給電点５の入力インピーダンスとを等しくでき、マッチングさせることができる。

このようにすることにより、給電線路２と放射素子１とを直接接続することができる。このため、マッチング回路を削除でき、マッチング回路によるアンテナの周波数特性への影響を低減できる。また、放射素子までの給電回路を短くできるため、電力損失を低減できる。また、アレイ化する場合に狭ピッチで配置できる。

次に、本発明の第２の実施例について、図４〜図７を参照して説明する。

本実施例にかかるパッチアンテナは、図４に示すように、図２を参照して説明したパッチアンテナ１０において、放射素子（パッチ）１の給電点５と対向する辺にザグリ部（凹部）７を形成したものである。図４には放射素子１および給電線路２を示す。具体的には、放射素子１に、給電点５と対向する辺を底辺とする略三角形状のザグリを形成する。

例えば、隣接する２辺の長さが、それぞれ３．１ｍｍと１．１６ｍｍである放射素子１において、３．１ｍｍを底辺とし、高さが、給電点５が形成された辺に隣接する辺の長さ１．１６ｍｍに対して０％〜２０％程度の長さとなるザグリを形成する。

ザグリ部７の高さをザグリ量とし、このザグリ量を変化させた場合のアンテナ利得の変化を図５に示す。ザグリ量は０μｍ〜２５０μｍまで変化させた。このザグリ量は、給電点５が形成された辺に隣接する辺の長さの０％〜約２２％に相当する。

図５によれば、ザグリ量が増加するにしたがって、アンテナ利得も向上し、ザグリ量が約１７５μｍで最大となる。ザグリ量１７５μｍは、給電点５が形成された辺に隣接する辺の長さの約１５％に相当する。この場合、ザグリを設けないパッチアンテナの利得４．１ｄＢｉに対して、ザグリ量１７５μｍを設けた場合の利得は４．６ｄＢｉとなり、０．５ｄＢ程度アンテナの利得を改善することができる。

また、ザグリ量を１７５μｍから２５０μｍと長くするにしたがってアンテナ利得は減少するが、ザグリ量が２５０μｍの場合でも４．４８ｄＢｉ程度あり、ザグリを設けない場合よりもアンテナの利得を改善することができる。したがって、給電点５と対向する辺を底辺とし、給電点５が形成された辺に隣接する辺の長さに対して０％〜２０％程度の高さを有する略三角形状のザグリ部を設けることにより、ザグリを設けない場合よりもアンテナの利得を改善することができる。

実際には、ザグリ部を設けることによるパッチアンテナ１の中心周波数のずれを抑えるため、給電点５が形成された辺に隣接する辺の長さを調節する必要がある。具体的には、ザグリ部の高さに応じて０％〜２０％程度長さを短くする。

次に、ザグリ部の有無による、放射素子１上の電流分布について、図６および図７を参照して説明する。図６および図７において、給電線路２上の電流分布については、その記載を省略する。

ザグリ部を設けない場合、図６に示すように、給電点５が形成された一辺に隣接する２辺の中央の領域における電流値が高いことがわかる。この部分は、パッチアンテナの電波が放射される発信源である。

ザグリ部を設けた場合には、図７に示すように、給電点が形成された一辺に隣接する２辺の中央の領域における電流値が高いことに加え、ザグリ部を設けない場合と比較して電流値が高いことがわかる。したがって、ザグリ部を設けることにより、パッチアンテナの電波が放射される発信源に電流を集めることができる。このことが、アンテナの利得の改善に繋がると考える。

上述した実施例においては、１個のパッチアンテナについて説明したが、図８Ａ、図８Ｂに示すように、複数のパッチアンテナを配列してアレイパッチアンテナを構成してもよい。すなわち、上述したパッチアンテナを組み合わせてアレイアンテナを構成する。

図８Ａは４個のパッチアンテナを配列したアレイパッチアンテナの構成例であり、図８Ｂは１６個のパッチアンテナを配列したアレイパッチアンテナの構成例
である。この場合、各パッチアンテナの放射素子１に形成したザグリ部の方向を揃える必要がある。このようにすることにより、アンテナの面積を増加させることなくアンテナ利得を向上させることができる。

また、電子部品の実装基板に上述したパッチアンテナを形成し、アンテナを備えた実装基板を構成してもよいし、また、電子部品の実装基板に上述したアレイパッチアンテナを形成し、アンテナを備えた実装基板を構成してもよい。

また、上述した実施例においては、第１の実施例において説明したパッチアンテナの放射素子にザグリ部を設ける場合について説明したが、通常のパッチアンテナに上述したザグリ部を設けた場合においても、通常のパッチアンテナと比較して利得の向上を図ることができる。

また、上述した実施例においては、一例として、使用周波数６０ＧＨｚ帯に適用できるパッチアンテナについて説明したが、他の使用周波数帯についても同様の構成をとることによりパッチアンテナを構成できる。

以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。

本発明は、ＧＰＳ(Global Positioning System)やＥＴＣ(Electronic Toll Collection System)に用いられる、パッチアンテナ、アレイアンテナおよびそれを備えた実装基板に適用できる。

ＭＳＬ給電によるパッチアンテナを示す模式図である。本発明の一実施例にかかるパッチアンテナを示す模式図である。本発明の一実施例にかかるパッチアンテナにおけるアンテナ寸法と利得との関係を示す説明図である。本発明の一実施例にかかるパッチアンテナを示す模式図である。本発明の一実施例にかかるパッチアンテナにおけるザグリ量とアンテナ利得との関係を示す説明図である。パッチアンテナの電流分布を示す説明図である。本発明の一実施例にかかるパッチアンテナの電流分布を示す説明図である。本発明の一実施例にかかるアレイパッチアンテナを示す模式図である。本発明の一実施例にかかるアレイパッチアンテナを示す模式図である。

符号の説明

１放射素子（パッチ）
２給電線路
３接地層
４誘電体基板
５給電点
６マッチング回路
７ザグリ部

Claims

誘電体基板と、
前記誘電体基板上に形成され導体からなる略矩形状の放射素子と、
前記放射素子に給電するための給電点に接続される給電線路と
を備え、
前記給電点は、前記給電線路とマッチングするインピーダンスを有することを特徴とするパッチアンテナ。
請求項１に記載のパッチアンテナにおいて、
前記放射素子は、前記給電点のインピーダンスが、前記給電線路のインピーダンスとマッチングするように調節された寸法を有することを特徴とするパッチアンテナ。
請求項１または２に記載のパッチアンテナにおいて、
前記給電点が形成される一辺方向の寸法は、前記給電点のインピーダンスが、前記給電線路のインピーダンスとマッチングするように調節されることを特徴とするパッチアンテナ。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のパッチアンテナにおいて、
前記放射素子は、前記給電点が形成された一辺と対向する一辺に凹部を有することを特徴とするパッチアンテナ。
請求項４に記載のパッチアンテナにおいて、
前記放射素子は、前記一辺の長さをＡ、前記一辺に隣接する一辺の長さをＢとした場合に、底辺をＡ、高さを０＜高さ≦０．２×Ｂの略三角形の凹部を、前記給電点が形成された一辺と対向する一辺に有することを特徴とするパッチアンテナ。
誘電体基板と、
前記誘電体基板上に形成され導体からなる略矩形状の放射素子と、
を備え、
前記放射素子は、給電点が形成された一辺と対向する一辺に凹部を有することを特徴とするパッチアンテナ。
請求項６に記載のパッチアンテナにおいて、
前記放射素子は、前記一辺の長さをＡ、前記一辺に隣接する一辺の長さをＢとした場合に、底辺をＡ、高さを０＜高さ≦０．２×Ｂの略三角形の凹部を、前記給電点が形成された一辺と対向する一辺に有することを特徴とするパッチアンテナ。
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の少なくとも１個のパッチアンテナを組み合わせて配列したことを特徴とするアレイアンテナ。
請求項８に記載のアレイアンテナを備えたことを特徴とする実装基板。