JP2007020009A

JP2007020009A - パッチアンテナ及びパッチアンテナアレイ

Info

Publication number: JP2007020009A
Application number: JP2005200904A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Adachi; 一彦安達
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2007-01-25

Abstract

【課題】より小型化が可能な構造を有するパッチアンテナ及びパッチアンテナアレイを提供する。
【解決手段】誘電体基板２上に形成された外側スリット３装荷型パッチアンテナＡにおいて、その表面に内側スリット４を設けてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信に使用されるパッチアンテナに関するものである。

近年、移動体通信機器などに使用されているアンテナには小型・軽量化及び集積化が望まれている。このような動向を反映して、薄形で平面基板に形成が可能なパッチアンテナなどの平面アンテナが盛んに開発されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。
図１０は従来のパッチアンテナを示す概略図である。図に示すように、金属製パッチ１は誘電体基板２に所定の寸法で形成された構造になっている。図では省略しているが誘電体基板裏面にも金属膜が成膜されている。パッチアンテナはマイクロストリップ線路の巾を広げた金属製パッチ１を使って共振を起こして電波を放射する。
フィードポイント（給電部）を幅方向の中央（Ｗ／２）の位置に設定すれば、この点のインピーダンスがゼロなので、横方向のモードは励起できない。従って、長さ方向の寸法Ｌが共振周波数ｆ_o（Ｌ＝λ／２で共振）を決定する。共振周波数ｆ_oと、パッチのサイズの関係は次式で示される。

ここで、Ｃは光速、ε_effは実効誘電率、またΔＬはパッチのフリンジング効果による長さである。ここで、実効誘電率は次式で求められる。

ここで、ｈは誘電体基板の厚さである。例えば、ε_r＝３．２７４、基板厚さ０．８ｍｍの誘電体基板にＷ＝１０ｍｍのマイクロストリップ線路の実効誘電率はε_eff＝２．９８４と求まる。また、フリンジング効果によるΔＬと基板厚さの比は次式で表される。

これらの式を使って、長方形パッチアンテナをかなり正確に設計することができる。例えば、高周波回路用基板であるＦＲ４エポキシ基板（ε_r＝４．４、基板厚さ０．８ｍｍ）を使用して共振周波数５（ＧＨｚ）用パッチアンテナを設計すれば、幅Ｗを１５ｍｍと仮定して、まず式２より実効誘電率を求めるとε_eff＝４．０２７５と算出される。

次に、（式１）に実効誘電率及び共振周波数を代入して（Ｌ＋ΔＬ）＝１４．９７９ｍｍ、（式３）からフリンジング効果によりΔＬ＝０．３６８ｍｍ、従って、Ｌ＝１４．１３ｍｍが求まる。
パッチアンテナを小型化するためには、（式１）及び（式２）から判るように基板の誘電率を高くする方法が考えられる。しかし、基板の誘電率を高くすると帯域が狭くなる傾向があり、適用範囲が制限される。
他の方法としては、パッチアンテナにスリットを設ける方法が知られている。非特許文献１によれば、パッチアンテナの共振器に直交してスリットを設けることで、パッチ表面に流れる電流がスリットを迂回し、電流経路が長くなり、等価的に共振器長を長くできる。この構造は、パッチ中央部にスリットを装荷する内側装荷型と、外側より対称に２つのスリットを装荷した外側装荷型に大別される。

図１１は外側スリット装荷型パッチアンテナを示す概略図である。
図中、Ｓはスリット、Ｐはパッチ、ｅはパッチ中心とスリット中心の距離、ａはスリット長さ、Ｆは給電部を示す。図では、パッチに左右から凸型にスリットＳが対称的に形成されている。
図１１には共振時の電流の流れを模式図で示してある。
非特許文献１によれば、スリットは内側装荷型よりも外側装荷型の方が有効で、またスリットの装荷位置（ｅ）よりも、その長さａに大きく依存していることが示されている。
図１２はマイクロストリップ・パッチアンテナを示す概略図である。
このマイクロストリップ・パッチアンテナは特許文献１に開示されている「マイクロストリップ・パッチアンテナ」である。
このパッチアンテナでは、周縁部にスリットＳを装荷することにより小型化した外側スリット装荷型パッチアンテナＰ２を、これと同一または、ほぼ同一の共振周波数を有する外部パッチアンテナＰ１の中央部に形成した構成とすることで、通常のパッチアンテナよりも小型化及び広帯域化を可能にしている。なお、図中、Ｆ１及びＦ２はそれぞれ給電部を示している。
特開平７−２９７６２８号公報「最新平面アンテナ技術」（羽黒操監修総合技術センター）

しかしながら、従来の外側スリット装荷型では、スリットの長さをパッチアンテナ幅Ｗに制限されるので周波数可変範囲には限界があった。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、より小型化が可能な構造を有するパッチアンテナ及びパッチアンテナアレイを提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、誘電体基板上に形成された外側スリット装荷型パッチアンテナにおいて、表面に内側スリットを設けたパッチアンテナを特徴とする。
また請求項２に記載の発明は、前記内側スリットが直線型スリットである請求項１記載のパッチアンテナを特徴とする。
また請求項３に記載の発明は、前記内側スリットが複数の直線型スリットである請求項１記載のパッチアンテナを特徴とする。
また請求項４に記載の発明は、前記内側スリットが、前記外側スリットを囲むような凹型形状である請求項１記載のパッチアンテナを特徴とする。
また請求項５に記載の発明は、前記内側スリットが、前記外側スリットを囲むような２つのＬ型スリットである請求項１記載のパッチアンテナを特徴とする。
また請求項６に記載の発明は、前記内側スリットが、前記外側スリットを囲むような２つのＬ型スリット及び直線型スリットである請求項１記載のパッチアンテナを特徴とする。
また請求項７に記載の発明は、前記外側スリットが湾曲形状であり、前記内側スリットも湾曲型スリットである請求項１記載のパッチアンテナを特徴とする。
また請求項８に記載の発明は、前記外側スリットが湾曲形状であり、前記内側スリットは複数の湾曲型スリットである請求項１記載のパッチアンテナを特徴とする。
また請求項９に記載の発明は、前記外側スリットが湾曲形状であり、前記内側スリットは直線型スリットである請求項１記載のパッチアンテナを特徴とする。
また請求項１０に記載の発明は、前記外側スリットが湾曲形状であり、前記内側スリットは複数の直線型スリットである請求項１記載のパッチアンテナを特徴とする。
また請求項１１に記載の発明は、請求項１記載のパッチアンテナが同一基板上に複数形成されているパッチアンテナアレイであることを特徴とする。

本発明によれば、外側スリット装荷型パッチアンテナに、外側スリットを囲むように内側スリットを装荷することで、パッチ表面に電流経路を長くすることが可能になり、従来よりも小型化することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の原理は、従来の外側スリット装荷型パッチアンテナよりも小型化を可能にするために、パッチ内に発生する定在波電流の経路をより長くし、且つ集中させることで、その寄与率を高めることにある。
そのため、新たに内側スリットを装荷することを提案する。直線型の内側スリットを装荷することで、外側スリットとの間の狭い領域に電流が集中する効果が期待できる。さらに、内側スリットの端部を曲げた凹型構造とすることで、電流経路が長くなることが期待される。
図１は本発明によるパッチアンテナ構造を示す概略平面図である。図２は本発明のパッチアンテナにおける共振周波数での電流分布を示す模式図である。
図１のパッチアンテナＡは、金属製パッチ１が誘電体基板２上に所定の寸法で形成された構造になっている。図１には、さらに外側スリット３、内側スリット４及び給電部５が示されている。

本発明の効果をシミュレーションにより確認した結果を次に述べる。
シミュレーションの条件は以下の通りである。
共振周波数ｆ_o＝５（ＧＨｚ）、基板：ＦＲ４エポキシ基板（ε_r＝４．４、基板厚さ０．８ｍｍ）、アンテナ形状は方形で、一辺の長さは１４．２４ｍｍ（５ＧＨｚで共振）、そして給電はプローブ給電で、Ｗ／２でエッジから５ｍｍの点で給電である。
シミュレーションは、従来のパッチアンテナ構造、パッチ中央に外側スリットを装荷したパッチアンテナと本発明の直線型及び凹型の内側スリットを装荷したパッチアンテナをそれぞれ計算した。計算では、給電点は固定としている。シミュレーション結果を表１に示す。
（表１）

表１において、Ｎｏ１は従来の方形パッチアンテナ、Ｎｏ２は外側スリット装荷型パッチアンテナ、そしてＮｏ３は直線型の内側スリットを装荷した本発明のパッチアンテナである。
また、Ｎｏ４は曲げ部を設けた凹型内側スリットを装荷した本発明のパッチアンテナ、そしてＮｏ５はＮｏ４よりも曲げ部を長くした凹型内側スリットを装荷した本発明のパッチアンテナの結果である。
表１において、項目ａ〜ｆは図１の記号に対応して各寸法が記載され、ｆ_oはシミュレーションにより求めた共振周波数である。
この結果、本発明の凹型の内側スリット装荷型パッチアンテナ（Ｎｏ５）は、従来のパッチアンテナよりも共振周波数が８３．２％に低減され、外側スリット装荷型に比べても約５％程度低減できることが明らかになった。なお、本計算は１例であり最適化された結果ではない。外側及び内側スリット寸法を最適化することで、より一層の小型化が可能であると考える。
このような、内側スリット４を装荷したことで共振周波数が低下するのは、先に延べたように定在波発生により流れるパッチ表面の電流経路が、内側スリット３を迂回することで、従来よりも長くなるためと予測される。

図２に示す電流分布図（表１のＮｏ５のパッチアンテナにおける共振周波数）を見て判るように、発生した電流（図中矢印）は、外側及び内側スリット４、３を迂回して流れており、中央部を流れる電流よりも電流経路が長いため、低い共振周波数が得られる。また、本発明のパッチアンテナでは、中央部では高い周波数で共振し、周囲では低い周波数に共振するために広帯域アンテナを実現することができる。
図３は本発明によるパッチアンテナの第１の実施形態を示す概略図である。この第１の実施形態のパッチアンテナＡは外側スリット３を装荷したパッチ１に、内側スリット４として長さ方向の寸法Ｌに平行な直線型スリット４ｃを装荷した構成となっている。以下の各実施の形態において、金属製パッチ１が誘電体基板２上に所定の寸法で形成された構造になっていることは共通である。
図３のパッチアンテナＡは、裏面に金属膜が成膜されたＦＲ４エポキシ基板（ε_r＝４．４、基板厚さ０．８ｍｍ）を使用した。パッチアンテナＡの一辺の長さは、共振周波数５（ＧＨｚ）の条件から、１４．２４（ＧＨｚ）とする。各部の寸法は表１のＮｏ３に示したのと同じである。
シミュレーション結果から分るように、直線型の内側スリット４においても、外側スリット３を組み合わせることにより、外側及び内側スリット３、４間に電流が集中し、共振周波数の低下が起こる。

図４は本発明によるパッチアンテナＡの第２の実施形態を示す概略図である。
図４に示すようにパッチアンテナＡへの給電部５と内側スリット４が干渉する場合には、図に示すように給電部５付近にスリットは設けずに、複数の直線型スリット４ｃに分割して設けても同様の効果が得られる。
図５は本発明によるパッチアンテナの第３の実施形態を示す概略図である。図５に示すように、パッチアンテナＡはより共振周波数を低下させる構造として、外側スリット３を取り囲むように先の直線型内側スリットの両端を折り曲げた凹型スリット４ａを設けている。
第３の実施形態のような凹型の内側スリット４ａを設けると、パッチに流れる電流はより制限され、迂回する電流経路が長くなる。従って、共振周波数を低減できる。

図６は本発明によるパッチアンテナの第４の実施形態を示す概略図である。図６に示すように、パッチアンテナＡは外側スリット３のコーナー部近傍にＬ型の内側スリット４ｂを設けた構造となっている。
この構造においても、パッチに流れる電流は制限され、迂回する電流経路が長くなる。従って、共振周波数を低減できる。このように、Ｌ型スリットｂとすることで、パッチ内部に給電部５を設けるさいに、内側スリット４と干渉するのを防ぐことができ、設計の自由度が高い。
図７は本発明によるパッチアンテナの第５の実施形態を示す概略図である。
図７に示す第５の実施形態のパッチアンテナＡにおいて、外側スリット３のコーナー部近傍にＬ型の内側スリット４ｂを設け、さらに両Ｌ型スリットの間に直線型スリット４ｃを設けた構造となっている。
この構造においても、パッチに流れる電流は制限され、迂回する電流経路が長くなる。従って、共振周波数を低減できる。このように、Ｌ型スリット４ｂと直線型スリット４ｃに分割することで、パッチ内部に給電部５を設けるさいにこれのスリット４ｂ、４ｃと干渉するのを防ぐことができ、設計の自由度が高い。

図８は本発明によるパッチアンテナの第６の実施形態を示す概略図である。
図８に示す第６の実施形態のパッチアンテナＡにおいて、外側スリット３は湾曲した曲線とし、内部スリット４も同様に湾曲させた構造としている。
このように外側及び内側に湾曲したスリット３、４を設けても、パッチに流れる電流はこれらのスリット３、４で制限され、電流経路が長くなる。従って、共振周波数を低減できる。
また、内側スリット４は給電部５との干渉を避けるために、複数に分割しても同様な効果が得られる。また、図示しないが、内側スリットは単独の直線型でも、複数の直線型スリットで構成しても同様な効果が得られる。
図９は本発明によるパッチアンテナの第７の実施形態を示す概略図である。
図９に示すように、本発明のパッチアンテナＡを複数配置したアレイアンテナでは、従来よりもアンテナ密度を高めることができるので、小型化することができる。なお、図では１次元配置のみを示したが、２次元に配置することも可能である。
図示してないが、パッチアンテナは、共振方向にも外側スリットを設けた構造となっている。このように共振方向にスリットを設けることで、中央部で共振する周波数は高周波側にシフトするために、より広帯域に共振特性を有する広帯域アンテナを実現することができる。

本発明によるパッチアンテナ構造を示す概略平面図である。本発明のパッチアンテナにおける共振周波数での電流分布を示す模式図である。本発明によるパッチアンテナの第１の実施形態を示す概略図である。本発明によるパッチアンテナの第２の実施形態を示す概略図である。本発明によるパッチアンテナの第３の実施形態を示す概略図である。本発明によるパッチアンテナの第４の実施形態を示す概略図である。本発明によるパッチアンテナの第５の実施形態を示す概略図である。本発明によるパッチアンテナの第６の実施形態を示す概略図である。本発明によるパッチアンテナの第７の実施形態を示す概略図である。従来のパッチアンテナを示す概略図である。外側スリット装荷型パッチアンテナを示す概略図である。マイクロストリップ・パッチアンテナを示す概略図である。

符号の説明

Ａパッチアンテナ、１金属製パッチ、２誘電体基板、３外側スリット、４内側スリット、４ａ凹型スリット、４ｂＬ型スリット、４ｃ直線型スリット、５給電部

Claims

誘電体基板上に形成された外側スリット装荷型パッチアンテナにおいて、表面に内側スリットを設けたことを特徴とするパッチアンテナ。
前記内側スリットは、直線型スリットであることを特徴とする請求項１記載のパッチアンテナ。
前記内側スリットは、複数の直線型スリットであることを特徴とする請求項１記載のパッチアンテナ。
前記内側スリットは、前記外側スリットを囲むような凹型形状であることを特徴とする請求項１記載のパッチアンテナ。
前記内側スリットは、前記外側スリットを囲むような２つのＬ型スリットであることを特徴とする請求項１記載のパッチアンテナ。
前記内側スリットは、前記外側スリットを囲むような２つのＬ型スリットと直線型スリットであることを特徴とする請求項１記載のパッチアンテナ。
前記外側スリットは湾曲形状であり、前記内側スリットも湾曲型スリットであることを特徴とする請求項１記載のパッチアンテナ。
前記外側スリットは湾曲形状であり、前記内側スリットは複数の湾曲型スリットであることを特徴とする請求項１記載のパッチアンテナ。
前記外側スリットは湾曲形状であり、前記内側スリットは直線型スリットであることを特徴とする請求項１記載のパッチアンテナ。
前記外側スリットは湾曲形状であり、前記内側スリットは複数の直線型スリットであることを特徴とする請求項１記載のパッチアンテナ。
請求項１記載のパッチアンテナが同一基板上に複数形成されていることを特徴とするパッチアンテナアレイ。