JP2007037129A - 円偏波パッチアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】導電性材料で構成されたパッチ素子を有するアンテナ。
【解決手段】円偏波RF信号を受信および／または送信するアンテナは、パッチ素子と、グラウンドプレーンと、誘電体と、給電ラインとを有する。パッチ素子は、窓ガラスに設置され、相互に対向して設置された一組の放射側部と、相互に対向して設置された一組のスペーサ側部とを有する。放射側部は、スペーサ側部との間で90゜未満の角度を成す。第1の軸は、放射側部の中心を通るように定められ、第2の軸は、スペーサ側部の中心を通るように定められる。グラウンドプレーンは、パッチ素子に対して実質的に平行に、これから離間して設置される。誘電体材料は、パッチ素子とグラウンドプレーンの間に設置される。給電ラインは、第1の軸に対して実質的に平行に、これからずらして設置され、アンテナに円偏波放射特性が提供される。アンテナは、小型で、ガラス窓とほぼ等角である。
【選択図】図２

Description

本発明は、アンテナに関し、特に、衛星からの円偏波無線周波数（RF）信号を受信するマイクロストリップパッチアンテナに関する。

RF信号を受信するパッチアンテナは、従来技術である。そのようなアンテナの例は、イシトビ（Ishitobi）らの米国特許出願第2001／0050638号（’638刊行物）に示されている。’638刊行物のアンテナには、パッチ素子が含まれている。パッチ素子は、相互に対向して設置された一組の湾曲側部であって、一組の湾曲空間の内側を定形する一組の湾曲側部を有する。またパッチ素子は、相互に対向して設置された一組の直線側部を有する。第1の軸は、湾曲側部の中心を通るように定められ、第2の軸は、直線側部の中心を通るように定められる。パッチ素子は、各軸に対して対称である。グラウンドプレーンは、パッチ素子と実質的に平行になるように、パッチ素子から離間して設置される。パッチ素子およびグラウンドプレーンの間には、誘電体が介在する。パッチ素子の第2の軸に沿った位置には、端子が接続され、パッチ素子に／パッチ素子からの、RF信号が電気的に結合される。伝送ラインは、端子に直接接続され、アンテナは、増幅器と電気的に接続される。しかしながら、’638刊行物に示されているアンテナは、円偏波RF信号を受信しない。

車両は、車両の運転手の視界を確保した状態で、車両室内を取り囲むガラスを有する。通常、自動車用のガラスは、強化（または硬質）ガラス、または2以上の窓ガラスをプラスチック中間層と結合することによって形成される積層ガラスである。中間層は、ガラスが破損した際でも、窓ガラス同士を結びつける。

最近、アンテナは、車両のガラスと一体化されるようになってきている。この一体化によって、車両の空力特性が向上し、美的な流線形の車両が得られる。AM／FM地上放送局等によって発生される直線偏波RF信号を受信するアンテナの一体化は、この分野の主要な関心事項となっている。しかしながら、そのような関心は、衛星デジタルオーディオ無線サービス（SDARS）プロバイダからのRF信号を受信するアンテナの一体化に移行しつつある。SDARSプロバイダは、衛星を使用して、地球に戻る、特に円偏波RF信号のようなRF信号を送信する。SDARSプロバイダは、地球静止軌道、または傾斜楕円群にある複数の衛星を使用する。

ガラスの性質、特に車両用ソーダライムシリカガラスの性質、およびこのガラスを車両の窓に使用した際の傾斜特性は、アンテナと車両の窓の有効な一体化を妨げる課題を生じさせる。車両製造者は、車両の窓と一体化されたアンテナによる視覚妨害の程度に関して、厳しい要求を掲げる。従来の車両のガラスと一体化されたアンテナについての、SDARS信号を受信する際の特性は、好ましいものではない。そのため、衛星からの円偏波RF信号を受信するアンテナに対する要望は、今も存続する。特に、車両用の窓に一体化された際に、あまり視覚妨害を生じさせず、円偏波RF信号に対して良好な受信特性を有する高特性アンテナに対する要望が継続して存在する。
米国特許出願第2001／0050638号明細書

本発明の課題は、導電性材料で構成されたパッチ素子を有するアンテナを提供することである。

本発明の課題は、導電性材料で構成されたパッチ素子を有するアンテナを提供することである。パッチ素子は、相互に対向して設置された一組の放射側部と、相互に対向して設置された一組のスペーサ側部とを有する。第1の軸は、放射側部の中心を通るように定められ、第2の軸は、スペーサ側部の中心を通るように定められる。またアンテナは、導電性材料で構成されたグラウンドプレーンであって、パッチ素子に対して実質的に平行に離間して設置されグラウンドプレーンを有する。誘電体は、パッチ素子とグラウンドプレーンの間に設置される。導電性材料の給電ラインは、誘電体内に設置される。給電ラインは、第1の軸と実質的に平行に、これからずらして設置され、円偏波放射特性を有するアンテナが提供される。

また、本発明の課題は、導電性材料で構成されたパッチ素子を有するアンテナを提供することである。パッチ素子は、相互に対向して設置された一組の放射側部と、相互に対向して設置された一組のスペーサ側部とを有する。放射側部は、スペーサ側部と90゜未満の角度を構成する。導電性材料で構成されるグラウンドプレーンは、パッチ素子に対して実質的に平行に、離間して設置される。また、アンテナは、誘電体を有し、この誘電体は、パッチ素子とグラウンドプレーンの間に設置される。

本発明のアンテナの構造によって、円偏波RF信号を受信する際に、優れた特性が得られる。第1の軸からの給電ラインのオフセット空間によって、90゜のハイブリッドのような追加の外部装置を使用せずに、円偏波放射特性を有するアンテナが得られる。また、本発明のアンテナは、車両の窓と一体化されても良い。その場合、アンテナは、窓と略等角で、比較的小型となり、円偏波RF信号を受信する際の高い特性を維持したまま、窓に対して比較的小さな領域のみを占めるようにすることが可能になる。従って、このアンテナは、車両製造者および車両の運転手にとって好ましいものとなる。

本発明の他の利点は、添付図面を考慮した以下の記載を参照することにより、容易に理解されよう。

図面において、いくつかの図全体に共通する部品には、同じ参照符号が付されている。アンテナは、全般に20で示されている。図示された実施例では、アンテナ20は、衛星からの円偏波無線周波数（RF）信号を受信するために使用される。当業者には、アンテナ20が円偏波RF信号の送信に使用されても良いことは明らかである。特に、第1の実施例では、アンテナ20は、左向きの円偏波（LHCP）RF信号を受信し、このRF信号は、例えば、XM（登録商標）衛星無線またはSIRIUS（登録商標）衛星無線のような衛星デジタルオーディオ無線サービス（SDARS）プロバイダによって形成される。ただし、アンテナ20は、右向きの円偏波（RHCP）RF信号を受信しても良いことは明らかである。

図1に示すように、アンテナ20は、車両24の窓22と一体化されることが好ましい。この窓22は、リアウインド22（後部窓）、フロントウィンド22（フロントガラス）、または車両24の他の窓22であっても良い。またアンテナ20は、車両24とは完全に無関係な他の状況で、例えば、建物においてまたは無線受信機に一体化させて使用しても良い。また、アンテナ20は、車両24の他の場所に設置されても良く、例えばサイドミラーに設置されても良い。好適な窓22は、少なくとも一つの非導電性窓板26を有する。「非導電性」という用語は、異なる電位の導体間に設置された際に、印加電圧に同調して、材料内に、小さなもしくは無視できる程度の電流しか流れない絶縁体または誘電体のような材料を意味する。通常、非導電性材料は、nS（ナノシーメンス）／mのオーダーの導電率を有する。

図に示す実施例において、非導電性窓板26は、少なくとも一つの窓ガラス28として使用される。当然のことながら、窓22は、2以上の窓ガラス28を有しても良い。車両の窓22、特にフロントガラスは、接着性中間層を挟む2つの窓ガラスを有することは、当業者には明らかである。接着性中間層は、ポリビニルブチラール（PVB）の層であっても良い。当然のことながら、別の接着性中間層を使用することも可能である。

窓ガラス28は、車両用のガラスであって、特にソーダライムシリカガラスであることが好ましい。窓ガラス28は、厚さが1.5mmから5.0mmの間であり、特に3.1mmであることが好ましい。また窓ガラス28は、非誘電率が5から9の間であり、特に7であることが好ましい。ただし、非導電性窓板26が、プラスチック、ガラス繊維、または他の適当な非導電性材料で構成されても良いことは、当業者には明らかである。

図2、3に示すように、非導電性窓板26は、アンテナ20のレードームとして機能する。すなわち、非導電性窓板26は、以下に詳細を示すように、車両24の外側に存在する水分、風、埃等からアンテナ20の他の部品を保護する。

アンテナ20は、導電性材料で構成されたパッチ素子30を有する。パッチ素子30は、非導電性窓板26に設置されることが好ましい。また、パッチ素子30は、導電性材料として、直接非導電性窓板26に設置された銀ペーストを有することが好ましく、これは、従来の加熱技術によって硬化される。あるいは、パッチ素子30は、銅またはアルミニウムのような金属の平坦部品を有しても良く、これは、接着剤を用いて非導電性窓板26に取り付けられる。

パッチ素子30は、相互に対向して設置された一組の放射側部32を有する。放射側部32は、略内方に向かうように設置され、パッチ素子30に凹形状が得られる。パッチ素子30の内方に向かう放射側部32を設置することにより、矩形状のパッチ素子の外周全体の長さが増大する。この長さの増大によって、アンテナ20の放射効率が向上する。またパッチ素子30は、相互に対向して設置された一組のスペーサ側部34を有する。スペーサ側部34は、実質的に直線であることが好ましいが、スペーサ側部34は、曲線状であっても良い。放射側部32は、スペーサ側部34との間で90゜未満の角度を成すことが好ましい。この角度が90゜未満の場合、アンテナ20の凹部によって、車両24の窓22の視覚妨害が最小現に抑制され、車両製造業者のアンテナ20の寸法要求仕様に合致するアンテナが得られる。

第1の軸36は、放射側部32の中心を通るように定められる。第1の軸36は、各スペーサ側部34から実質的に等距離にあることが好ましい。第2の軸38は、スペーサ側部34の中心を通るように定められる。パッチ素子30の各種実施例の特定の形状、寸法、および対称性について、以下に詳しく説明する。

図3を参照すると、さらにアンテナ20は、グラウンドプレーン40を有する。グラウンドプレーン40は、パッチ素子30と実質的に平行となるように、これからずらして設置される。またグラウンドプレーン40は、導電性材料で構成される。通常の場合、グラウンドプレーン40は、パッチ素子30よりも広い領域を有する。特に、グラウンドプレーン40の各側は、約40mmであることが好ましい。パッチ素子30およびグラウンドプレーン40は、相互に中心軸を合わせることがさらに好ましい。この配向によって、車両24の運転手に対する付随的な視覚妨害が回避される。図に示す実施例では、グラウンドプレーン40は、矩形状である。ただし、グラウンドプレーン40が他の寸法形状であっても良いことは、当業者には明らかである。

またアンテナ20は、パッチ素子30とグラウンドプレーン40の間に設置された誘電体42を有する。誘電体42は、非導電性材料で構成され、パッチ素子30をグラウンドプレーン40から絶縁する。従って、パッチ素子30とグラウンドプレーン40とは、導電性材料によって電気的に接続されることはない。誘電体42が、空気のような非導電性の流体であっても良いことは、当業者には明らかである。

図に示した実施例では、誘電体42は、パッチ素子30およびグラウンドプレーン40と接するように設置されている。当然のことながら、誘電体42は、パッチ素子30および／またはグラウンドプレーン40と直接接触しない状態で、パッチ素子30とグラウンドプレーン40の間に介在させても良い。また誘電体42は、少なくとも誘電体42の一部がパッチ素子30とグラウンドプレーン40の間に存在する限り、パッチ素子30およびグラウンドプレーン40によって定形される領域を超えて、突出していても良い。

誘電体42の厚さは、約3.0mmであることが好ましい。また、誘電体42は、比誘電率が約3.55であることが好ましい。ただし、誘電体42が他の寸法および／または別の比誘電率を有しても良いことは、当業者には明らかである。さらに誘電体42は、複数の層または領域で構成されても良い。これらの各層または領域の比誘電率は、相互に等しくても、相互に異なっていても良い。

またアンテナ20は、導電性材料で構成された給電ライン44を有し、この給電ラインは、誘電体42内に設置されることが好ましい。給電ライン44は、伝送装置であり、これは、パッチ素子30およびグラウンドプレーン40に電磁的に結合されることが好ましい。「電磁的に結合される」という用語は、給電ライン44がパッチ素子30と直接接触せずに、使用されることを意味する。本発明の場合、給電ライン44は、パッチ素子30およびグラウンドプレーン40と略平行に延在している。しかしながら、給電ライン44は、パッチ素子30に直接接続されても良いこと、すなわち給電ライン44がパッチ素子30と直接接触しても良いことは、当業者には明らかである。

給電ライン44は、第1の軸36に対して実質的に平行に、これからずらして設置される。給電ライン44を第1の軸36からずらして設置すること、すなわちパッチ素子30と非同軸上に設置することにより、給電ライン44によって、円偏波放射特性を備えるアンテナ20が提供される。円偏波放射特性は、SDARS用に使用されるような衛星から送信されるRF信号を受信するために、重要であることに留意する必要がある。

給電ライン44は、矩形状であることが好ましい。当然のことながら、代わりに他の形状の給電ライン44を使用しても良い。給電ライン軸46は、給電ライン44の中心に沿って縦に延伸する線によって定められる。給電軸46は、第1の軸36から3乃至10mmだけ離間され、すなわちずれている。正確な間隔は、パッチ素子30の寸法に依存する。第1の実施例では、図2に示すように、給電軸46は、第1の軸36から約6.15mm離間されている。

給電ライン44の幅は、約3mmであることが好ましい。この3mmの幅によって、アンテナ20には50Ωのインピーダンスが得られ、このインピーダンスは、給電ライン44に接続された伝送ライン（図示されていない）と整合する。ただし、給電ライン44の幅は、アンテナ20に別のインピーダンスを提供する場合、変更しても良い。また給電ライン44は、第2の軸38を横断して延伸する。調整上の理由から、給電ライン44は、約4.2mmだけ、第2の軸38から突出していることが好ましい。ただし、パッチ素子30の特定の形状に応じて、第2の軸38から異なる長さだけ突出させても良い。

パッチ素子30の各放射側部30は、長さを定める。各放射側部32の長さは、所望の信号の波長λの約1／4とすることが好ましい。図に示した実施例では、所望の周波数は、約2,338MHzであり、これは、XM（登録商標）衛星ラジオに使用される中心周波数に対応する。従って、各放射側部32の長さは、約32mmとなる。ただし、前述のように、放射側部32は、内方に向かうように設置され、パッチ素子30は、凹形状となる。これにより、車両24の運転手の視野をあまり低下させずに、パッチ素子30を小寸法化することが可能になる。パッチ素子30によって定まる領域は、1,600mm²未満であることが好ましい。この領域は、1,000mm²未満であることがより好ましい。内方に向かう放射側部32の設置によって、矩形状のパッチ素子30よりも、小さな面積のパッチ素子30を得ることができる。

図2に示す第1の実施例では、各放射側部32は、さらに曲線セグメント48として定形される。曲線セグメント48は、第2の軸38に向かって内方に湾曲しており、パッチ素子30は、凹形状となる。曲線セグメント48は、第1の軸36によって、パッチ素子30が第1の軸36に対して対称となるように分割される。さらに、第1の実施例の曲線セグメント48は、円弧として定形される。円は、直径が20mmであることが好ましい。第1の実施例では、スペーサ側部34の長さは、約32mmであり、両スペーサ側部34は、約24mmの距離で離間される。

図4を参照すると、アンテナ20の第2の実施例では、各放射側部32は、放物線状の曲線セグメント48である。曲線セグメント48は、第2の軸38に対して対称である。

アンテナ20の第3の実施例は、図5に示されている。第3の実施例では、各放射側部32は、放物線状の曲線セグメント48である。ただし、曲線セグメント48は、第2の軸38に対して非対称になっている。

図6には、アンテナ20の第4の実施例が示されている。各放射側部32は、砂時計形のパッチ素子30を提供する曲線セグメント48である。

アンテナ20の第5、第6および第7の実施例は、それぞれ、図7、8および9に示されている。第5、第6および第7の各実施例において、各放射側部32は、さらに複数の直線セグメント50で定形されている。直線セグメント50は、凹形状のパッチ素子30を提供する。第5の実施例では、図7に示すように、各放射側部32には、2つの直線セグメント50が使用される。2つの直線セグメント50は、ほぼ同じ長さであり、直角となるように適合されている。図8を参照すると、第6の実施例では、各放射側部32は、3つの直線セグメント50で定形されている。3つの直線セグメント50のうちの一つは、第2の軸38に対して実質的に平行である。第7の実施例は、図9に示されており、この例では、4つの直線セグメント50が、各放射側部32として使用されている。4つの直線セグメント50は、一つの頂点が第1の軸36上にくるように、「W」状に配置される。

前述の記載に基づいて、本発明の多くの変更および修正が可能であることは、明らかである。本発明は、特許請求の範囲内で、特に示されていない態様で実施することも可能である。

車両の窓ガラスによって支持されたアンテナを備える車両の斜視図である。 アンテナの第1の実施例の上面図であって、給電ラインと、内方に湾曲する円弧状に定形された一組の放射側部とを有するパッチ素子とを示す図である。 図2の3−3線に沿ったアンテナの第1の実施例の断面図であって、窓ガラス、パッチ素子、誘電体、給電ラインおよびグラウンドプレーンを示す図である。 アンテナの第2の実施例の上面図であって、給電ラインと、内方に湾曲する対称な放物線状に定形された一組の放射側部を有するパッチ素子とを示す図である。 アンテナの第3の実施例の上面図であって、給電ラインと、内方に湾曲する非対称な放物線状に定形された一組の放射側部とを有するパッチ素子とを示す図である。 アンテナの第4の実施例の上面図であって、給電ラインと、曲線セグメントで定形された一組の放射側部とを有するパッチ素子とを示す図である。 アンテナの第5の実施例の上面図であって、給電ラインと、2つの直線セグメントで定形された一組の放射側部とを有するパッチ素子とを示す図である。 アンテナの第6の実施例の上面図であって、給電ラインと、3つの直線セグメントで定形された一組の放射側部とを有するパッチ素子とを示す図である。 アンテナの第6の実施例の上面図であって、給電ラインと、4つの直線セグメントで定形された一組の放射側部とを有するパッチ素子とを示す図である。

符号の説明

２０ アンテナ
２２ 窓
２４ 車両
２６ 非導電性窓板
２８ 窓ガラス
３０ パッチ素子
３２ 放射側部
３４ スペーサ側部
３６ 第1の軸
３８ 第2の軸
４０ グラウンドプレーン
４２ 誘電体
４４ 給電ライン
４６ 給電ライン軸
４８ 曲線セグメント
５０ 直線セグメント

Claims (23)

1. 導電性材料で構成され、相互に対向して設置された一組の放射側部、および相互に対向して設置された一組のスペーサ側部を有するパッチ素子と、
   前記放射側部の中心を通るように定められた第1の軸と、
   前記スペーサ側部の中心を通るように定められた第2の軸と、
   導電性材料で構成され、前記パッチ素子に対して実質的に平行に、該パッチ素子から離間して設置されたグラウンドプレーンと、
   前記パッチ素子と前記グラウンドプレーンの間に設置された誘電体と、
   導電性材料で構成され、前記誘電体の内部に設置された給電ラインと、
   を有するアンテナであって、
   前記給電ラインは、前記第1の軸に対して実質的に平行に、該第1の軸からずらして設置され、当該アンテナに円偏波放射特性が提供されることを特徴とするアンテナ。
2. 前記給電ラインは、前記第2の軸を横断して延伸することを特徴とする請求項1に記載の方法。
3. 前記給電ラインは、前記パッチ素子および前記グラウンドプレーンに対して、実質的に平行に設置されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
4. 前記給電ラインは、矩形状であり、前記給電ラインの中心に沿って、縦に延伸する給電ライン軸を定形することを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
5. 前記給電ライン軸は、前記第1の軸から3乃至10mm離間されていることを特徴とする請求項4に記載のアンテナ。
6. 前記給電ラインの幅は、約3mmであることを特徴とする請求項4に記載のアンテナ。
7. 前記放射側部の各々の長さは、所望の信号の波長λの約1／4であることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
8. 前記パッチ素子によって定形される領域は、面積が1,600mm²未満であることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
9. 前記パッチ素子によって定形される領域は、面積が1,000mm²未満であることを特徴とする請求項8に記載のアンテナ。
10. さらに、前記放射側部の各々は、前記第2の軸に向かって内側に湾曲する曲線セグメントとして定形され、前記パッチ素子に凹形状が提供されることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
11. 前記曲線セグメントは、前記第2の軸によって、前記パッチ素子が前記第2の軸に対して対称となるように分割されることを特徴とする請求項10に記載のアンテナ。
12. さらに、前記曲線セグメントは、放物線区画として定形されることを特徴とする請求項11に記載のアンテナ。
13. さらに、前記曲線セグメントは、円弧として定形されることを特徴とする請求項11に記載のアンテナ。
14. 前記曲線セグメントは、前記第2の軸に対して非対称であることを特徴とする請求項10に記載のアンテナ。
15. さらに、前記放射側部の各々は、複数の直線セグメントとして定形され、前記パッチ素子に凹形状が提供されることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
16. さらに、前記複数の直線セグメントの各々は、2つの直線セグメントとして定形されることを特徴とする請求項15に記載のアンテナ。
17. さらに、前記複数の直線セグメントの各々は、3つの直線セグメントとして定形されることを特徴とする請求項15に記載のアンテナ。
18. さらに、前記複数の直線セグメントの各々は、4つの直線セグメントとして定形されることを特徴とする請求項15に記載のアンテナ。
19. 導電性材料で構成され、相互に対向して設置された一組の放射側部、および相互に対向して設置された一組のスペーサ側部を有するパッチ素子であって、前記放射側部は、前記スペーサ側部と90゜未満の角度を成すところのパッチ素子と、
    導電性材料で構成され、前記パッチ素子に対して実質的に平行に、該パッチ素子から離間して設置されたグラウンドプレーンと、
    前記パッチ素子と前記グラウンドプレーンの間に設置された誘電体と、
    導電性材料で構成され、前記パッチ素子と前記グラウンドプレーンの間の前記誘電体内に設置された給電ラインと、
    を有するアンテナ。
20. 非導電性窓板と一体化された、請求項1に記載のアンテナ。
21. さらに、前記非導電性窓板は、窓ガラスとして定形されることを特徴とする請求項20に記載のアンテナ。
22. さらに、前記窓ガラスは、車両用のガラスとして定形されることを特徴とする請求項21に記載のアンテナ。
23. さらに、前記車両用の窓ガラスは、ソーダライムシリカガラスとして定形されることを特徴とする請求項22に記載のアンテナ。

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