JP2008278218A - パッチアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】利得の低下を抑制しつつ小型化を図ることができるパッチアンテナを提供する。
【解決手段】地板２は、地板構成用本体部２ａと地板構成用延設部２ｂとを有し、本体部２ａは同一平面に広がり、延設部２ｂは、本体部２ａの外周端から本体部２ａと交差する方向に延びている。アンテナエレメント３は、アンテナエレメント構成用本体部３ａとアンテナエレメント構成用延設部３ｂとを有し、本体部３ａは同一平面に広がり、かつ、本体部２ａに一定の距離をおいて離間した状態で本体部２ａと対向して配置され、延設部３ｂは本体部３ａの外周端から本体部３ａと交差する方向に延び、かつ、延設部２ｂに一定の距離をおいて離間して配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、パッチアンテナに関するものである。

パッチアンテナは、一般的に、正方形の地板（接地導体）とアンテナエレメントが離間して対向配置された構造をとっている。地板の一辺のサイズはアンテナエレメントの一辺のサイズに対してλ／２（λ：波長）すなわち片側で約λ／４以上大きくないと、正面方向の利得が著しく低下してしまい、パッチアンテナとして機能しなくなる。

図８に示す特許文献１においては、地板（接地導体）１００の上に誘電体１０１を挟んでアンテナエレメント１０２が配置され、この天面のアンテナエレメント１０２と底面の地板１００に加え、地板として機能する側面部（側面導体）１１０を有している。これは、側面部１１０がアンテナエレメント１０２に対して、底面の地板１００をその外周側へ延設した仮想地板（仮想導体）１２０と同等に機能することになるので、地板１００、つまりアンテナ全体の体格を小型化することが可能である。
特開２００３−２４３９２５号公報

しかしながら、以下の課題がある。
１．地板１００のサイズがアンテナエレメント１０２のサイズによって制約を受け、小型化できない。

２．アンテナエレメント１０２のサイズを小さくすれば、地板１００も小さくできるが、現状の小型パッチアンテナではアンテナエレメント１０２の一辺のサイズはλ／２になっており、それ以上小さくすると共振周波数がずれて利得が低下する。

本発明は、上記問題点に着目してなされたものであり、その目的は、利得の低下を抑制しつつ小型化を図ることができるパッチアンテナ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に記載の発明では、地板と、地板に離間して配置されたアンテナエレメントと、を備えたパッチアンテナにおいて、地板は、同一平面に広がる地板構成用本体部と、地板構成用本体部の外周端から当該地板構成用本体部と交差する方向に延びる地板構成用延設部とを有し、アンテナエレメントは、同一平面に広がり、かつ、地板構成用本体部に一定の距離をおいて離間した状態で当該地板構成用本体部と対向して配置されたアンテナエレメント構成用本体部と、アンテナエレメント構成用本体部の外周端から当該アンテナエレメント構成用本体部と交差する方向に延び、かつ、地板構成用延設部に一定の距離をおいて離間して配置されたアンテナエレメント構成用延設部とを有するパッチアンテナを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、アンテナエレメントはアンテナエレメント構成用延設部を有し、アンテナエレメント構成用延設部は、アンテナエレメント構成用本体部の外周端から当該アンテナエレメント構成用本体部と交差する方向に延び、かつ、地板構成用延設部に一定の距離をおいて離間して配置されている。これにより、例えば図５（ｂ）に示すようにアンテナエレメント（３）を同一平面にのみ広がる構成とする場合に比べて、例えば図５（ａ）に示すようにアンテナエレメントを小型化でき、これに伴い地板（２）も小型化することができる。

詳しくは、図５においてアンテナエレメント外周部と地板外周部との差が約λ／４以上という条件を満たしつつ、図５（ａ）でのアンテナエレメント構成用延設部（３ｂ）によりアンテナエレメント寸法を稼いでアンテナエレメント寸法としてλ／２を確保し、これにより利得の低下を抑制しつつアンテナエレメントを小型化できる。このアンテナエレメントの小型化に伴いアンテナエレメント外周部と地板外周部との差が約λ／４以上という条件を満たしつつ地板も小型化することができる。

その結果、利得の低下を抑制しつつ小型化を図ることができるパッチアンテナを提供することができる。
請求項２に記載のように、請求項１に記載のパッチアンテナにおいて、アンテナエレメント構成用延設部は、アンテナエレメント構成用本体部を基準として反地板側に延びる構成としてもよい。

請求項３に記載のように、請求項１に記載のパッチアンテナにおいて、アンテナエレメント構成用延設部は、アンテナエレメント構成用本体部を基準として反地板側および地板側に延びる構成としてもよい。

請求項４に記載のように、請求項１〜３のいずれか１項に記載のパッチアンテナにおいて、地板構成用本体部とアンテナエレメント構成用本体部との間に電気絶縁性を有するスペーサーが介在され、地板構成用本体部を通してスペーサーにネジが螺合するとともにアンテナエレメント構成用本体部を通してスペーサーにネジが螺合する構成とすると、地板構成用本体部とアンテナエレメント構成用本体部との間をスペーサーにより一定間隔に保持でき、かつ、スペーサーにネジを螺入することにより地板とアンテナエレメントを固定することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１には本実施形態におけるパッチアンテナ１を示し、図１（ａ）はパッチアンテナ１の平面図であり、図１（ｂ）はパッチアンテナ１の正面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図である。図２は同じくパッチアンテナ１の分解斜視図である。本パッチアンテナ１は、例えば、ＧＰＳ（全地球測位システム）用やＥＴＣ（自動料金収受）システム用やＲＦＩＤ用などに用いると好適な小型のパッチアンテナである。

図２に示すように、パッチアンテナ１は、地板２と、アンテナエレメント３と、この両部材２，３間に配置されるスペーサー４と、締結部材としてのネジ５，６とを備えている。

地板２は金属板よりなり、具体的には鉄板または銅板よりなる。地板２は、地板構成用本体部２ａと地板構成用延設部２ｂとを有している。地板構成用本体部２ａは、正方形をなし、同一平面に広がっている。地板構成用本体部２ａは図１において水平方向に延びるようにして（即ち、横にして）配置されている。地板構成用延設部２ｂは、地板構成用本体部２ａの外周端から地板構成用本体部２ａと交差する方向に延びている。詳しくは、図１において地板構成用延設部２ｂは正方形の地板構成用本体部２ａの外周部において全周にわたり上方に屈曲形成されている。この地板構成用延設部２ｂがアンテナエレメント３に対して、地板構成用本体部２ａをその外周側へ延設した仮想地板（仮想導体）２ｂ’と同等に機能する。これにより、地板２を小さくすることができる。

なお、地板構成用延設部２ｂは地板構成用本体部２ａの全周にわたり連続的に形成したが、断続的に形成してもよい。
図２においてアンテナエレメント３は金属板よりなり、具体的には鉄板または銅板よりなる。アンテナエレメント３は、アンテナエレメント構成用本体部３ａとアンテナエレメント構成用延設部３ｂとを有している。アンテナエレメント構成用本体部３ａは、正方形をなし、同一平面に広がっている。アンテナエレメント構成用本体部３ａは、縦横のサイズが地板構成用本体部２ａよりも小さく、かつ、地板構成用本体部２ａ上に一定の距離をおいて離間した状態で地板構成用本体部２ａと対向して配置されている。アンテナエレメント構成用延設部３ｂは、アンテナエレメント構成用本体部３ａの外周端からアンテナエレメント構成用本体部３ａと交差する方向に延び、かつ、地板構成用延設部２ｂに一定の距離をおいて離間して配置されている。詳しくは、図１においてアンテナエレメント構成用延設部３ｂは、正方形のアンテナエレメント構成用本体部３ａの外周部において全周にわたり上方に屈曲形成されている（立ち上げられている）。このアンテナエレメント構成用延設部３ｂによりアンテナエレメント寸法を稼ぐことができる。

なお、アンテナエレメント構成用延設部３ｂはアンテナエレメント構成用本体部３ａの全周にわたり連続的に形成したが、断続的に形成してもよい。
スペーサー４に関して、４つのスペーサー４により地板構成用本体部２ａとアンテナエレメント構成用本体部３ａとが所定の間隔を隔てて離間した状態で対向配置されている。スペーサー４は円筒状をなし、スペーサー４の内面（円筒材の内面）は雌ネジ部となっており、ネジ５，６を螺入することができるようになっている。スペーサー４は絶縁材料よりなり、具体的にはＡＢＳ樹脂製である。

図１，２に示すように、アンテナエレメント３のアンテナエレメント構成用本体部３ａには、４つの透孔１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが形成されている。透孔１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、図１（ａ）に示すように、正方形のアンテナエレメント構成用本体部３ａにおける各辺での中点位置から僅かに内方に位置している。

図２に示すように、地板２の地板構成用本体部２ａにおいても、アンテナエレメント３の透孔１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと対応する位置に透孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが形成されている。

ネジ５がアンテナエレメント構成用本体部３ａを通してスペーサー４に螺合していると共にネジ６が地板構成用本体部２ａを通してスペーサー４に螺合している。詳しくは、ネジ５，６が、アンテナエレメント構成用本体部３ａと地板構成用本体部２ａを貫通する状態でスペーサー４に螺入され、地板２とアンテナエレメント３とが固定されている。つまり、地板構成用本体部２ａの上にスペーサー４を載せ、更にその上にアンテナエレメント構成用本体部３ａを配置し、アンテナエレメント構成用本体部３ａの上側からネジ５をアンテナエレメント構成用本体部３ａに設けた透孔１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを通してスペーサー４の雌ネジ部に螺入するとともに、地板構成用本体部２ａの下側からネジ６を地板構成用本体部２ａに設けた透孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを通してスペーサー４の雌ネジ部に螺入することにより、地板２とアンテナエレメント３とが固定されている。

本実施形態においては、スペーサー４とネジ５とネジ６により一組の固定部材が構成され、４つのスペーサー４と４つのネジ５と４つのネジ６により、地板２とアンテナエレメント３とを固定するための複数の固定部材が構成されている。この固定部材が、地板２とアンテナエレメント３とが非導通状態となるように配置されている。つまり、電気絶縁性を有するスペーサー４を用いてネジ５，６を螺入する方式を採っており、地板２とアンテナエレメント３とは非導通状態で固定されている。

なお、図１（ａ）において符号Ｐにて給電点を示し、地板構成用本体部２ａの下面に設けたコネクタ２０および給電線２１を介してアンテナエレメント３の給電点Ｐに給電することができるようになっている。

図３には、アンテナのサイズ（地板、アンテナエレメントのサイズ）を小さくしたときの利得の変化の測定結果を示す。図３において、横軸には地板構成用本体部２ａとアンテナエレメント構成用本体部３ａとの距離Ｌをとり、縦軸にはアンテナ利得をとっている。

図３において、特性線Ａは、図４のＡに示すサンプルを用いた場合であり、地板（接地導体）２は外周部が上方に折り曲げられ、仮想地板を含めた縦横のサイズが１７０ｍｍであり、アンテナエレメント３は平板構造を有し、縦横のサイズが１５０ｍｍである。図３において特性線Ｂは、図４のＢに示すサンプルを用いた場合であり、地板（接地導体）２は外周部が上方に折り曲げられ、仮想地板を含めた縦横のサイズが１６０ｍｍであり、アンテナエレメント３は平板構造を有し、縦横のサイズが１４０ｍｍである。つまり、Ｂのサンプルは、Ａのサンプルに比べて縮小している。図３において特性線Ｃは、図４のＣに示すサンプルを用いた場合であり、地板（接地導体）２は外周部が上方に折り曲げられ、仮想地板を含めた縦横のサイズが１６０ｍｍであり、アンテナエレメント３は図４のＢに示すサンプルでのアンテナエレメント３に対しさらに外周部において上側に延びる延設部３ｂを設けている。

図３において、特性線Ａ，Ｂを比較すると、利得の変化については、図４のＡに示すアンテナエレメント３を平板構造のまま図４のＢに示すように縮小すると、利得が低下することが分かる。

図３において、特性線Ａ，Ｃを比較すると、利得の変化については、利得の低下を抑えることができることが分かる。つまり、図４のＣに示すようにアンテナエレメント３を本実施形態の形状（Ｕ字型断面）にすることで、利得を低下させずに地板（接地導体）２、つまりアンテナ全体のサイズを縮小することができる。

なお、図３では省略したが、アンテナエレメント３の縦横のサイズが１５０ｍｍのまま地板（接地導体）２の縦横のサイズを１６０ｍｍに縮小すると、利得が大きく低下してパッチアンテナとして機能しなくなる。

パッチアンテナの小型化について、図５を用いて説明する。図５において（ａ）は実施形態におけるパッチアンテナの縦断面図であり、（ｂ）は比較例におけるパッチアンテナの縦断面図である。図５（ｂ）の比較例のパッチアンテナにおいては地板２の外周部は上に折り曲げられているが、アンテナエレメント３は水平方向のみに延びている。図５（ｂ）の比較例の場合には、アンテナエレメント３の縦横寸法がλ／２となり、地板２の縦横寸法は、アンテナエレメント３の平面部分に対して片側でλ／４以上大きくしている。一方、図５（ａ）の本実施形態のパッチアンテナにおいては地板２のみならずアンテナエレメント３においても外周部が上に折り曲げられており、これによりアンテナエレメント寸法を稼いでアンテナエレメント３の平面部分（本体部３ａ）が図５（ｂ）での平板構造のアンテナエレメント３の寸法より小さくてもアンテナエレメント全体の縦横寸法がλ／２となっている。また、図５（ａ）でも、地板２の縦横寸法がアンテナエレメント３の平面部分（本体部３ａ）に対して片側でλ／４以上大きくしている。

よって、図５（ａ）に示すごとくアンテナエレメント３の外周部を立ち上げることにより、アンテナエレメント３のサイズがλ／２相当の共振を保ちつつ、図５（ｂ）に示すごとくアンテナエレメント３を同一平面に広がる構造とした場合に比べアンテナエレメント３の平面部分のサイズを小さくすることができる。地板（接地導体）２のサイズは、アンテナエレメント３の平面部分（本体部３ａ）に対して片側でλ／４以上大きくなければならないため、アンテナエレメント３の平面部分の縮小分だけ、地板（接地導体）２ひいてはアンテナ全体のサイズを小さくすることが可能となる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（イ）図１に示すように、地板２と、地板２に離間して配置されたアンテナエレメント３と、を備えたパッチアンテナにおいて、地板２は、同一平面に広がる地板構成用本体部２ａと、地板構成用本体部２ａの外周端から当該地板構成用本体部２ａと交差する方向に延びる地板構成用延設部２ｂとを有し、アンテナエレメント３は、同一平面に広がり、かつ、地板構成用本体部２ａに一定の距離をおいて離間した状態で当該地板構成用本体部２ａと対向して配置されたアンテナエレメント構成用本体部３ａと、アンテナエレメント構成用本体部３ａの外周端から当該アンテナエレメント構成用本体部３ａと交差する方向に延び、かつ、地板構成用延設部２ｂに一定の距離をおいて離間して配置されたアンテナエレメント構成用延設部３ｂとを有する。つまり、アンテナエレメント３はアンテナエレメント構成用延設部３ｂを有し、アンテナエレメント構成用延設部３ｂは、アンテナエレメント構成用本体部３ａの外周端から当該アンテナエレメント構成用本体部３ａと交差する方向に延び、かつ、地板構成用延設部２ｂに一定の距離をおいて離間して配置されている。これによって、利得の低下を抑制しつつ図５（ｂ）に比べ図５（ａ）に示すごとくアンテナエレメント３を小型化でき、これによって地板２も小型化することができる。

より詳しくは、従来、図８の底面の地板１００のサイズがアンテナエレメント１０２のサイズによって制約を受け、小型化できず、また、アンテナエレメント１０２のサイズを小さくすれば、底面の地板１００も小さくできるが、現状の小型パッチアンテナではアンテナエレメント１０２の一辺のサイズはλ／２になっており、それ以上小さくすると共振周波数がずれて利得が低下してしまっていた。このように図５（ｂ）に示すようにアンテナエレメント３を同一平面にのみ広がる構成とする場合に比べて、本実施形態では図５（ａ）に示すようにアンテナエレメント外周部と地板外周部との差が約λ／４以上という条件を満たしつつ、アンテナエレメント構成用延設部３ｂによりアンテナエレメント寸法を稼いでアンテナエレメント寸法としてλ／２を確保し、これにより利得の低下を抑制しつつアンテナエレメント３を小型化できる。このアンテナエレメント３の小型化に伴いアンテナエレメント外周部と地板外周部との差が約λ／４以上という条件を満たしつつ地板２も小型化することができる。その結果、利得の低下を抑制しつつ小型化を図ることができる。即ち、本実施形態では、利得を低下させずに、アンテナ全体の体格を従来よりも小さくすることができ、設置の自由度を向上することができる。

（ロ）地板構成用本体部２ａとアンテナエレメント構成用本体部３ａとの間に電気絶縁性を有するスペーサー４が介在され、地板構成用本体部２ａを通してスペーサー４にネジ６が螺合するとともにアンテナエレメント構成用本体部３ａを通してスペーサー４にネジ５が螺合する構成としたので、地板構成用本体部２ａとアンテナエレメント構成用本体部３ａとの間をスペーサー４により一定間隔に保持でき、かつ、スペーサー４にネジ５，６を螺入することにより地板２とアンテナエレメント３を固定することができる。

なお、前記実施形態は以下のように変更してもよい。
前記実施形態（図１）ではアンテナエレメント３の断面形状がＵ字型であったが、図６に示すように、アンテナエレメント３の断面形状はＨ字型でも同等の機能を持たせることができる。即ち、アンテナエレメント３は、アンテナエレメント構成用延設部３ｃを有し、アンテナエレメント構成用延設部３ｃは、アンテナエレメント構成用本体部３ａの外周端からアンテナエレメント構成用本体部３ａと交差する方向に延び、かつ、地板構成用延設部２ｂに一定の距離をおいて離間して配置されている。

このように、図１に示すごとくアンテナエレメント構成用延設部（３ｂ）は、アンテナエレメント構成用本体部３ａを基準として反地板側に延びていても、図６に示すように、アンテナエレメント構成用延設部（３ｂ，３ｃ）は、アンテナエレメント構成用本体部３ａを基準として反地板側および地板２側に延びていてもよい。

また、図６におけるアンテナエレメント構成用延設部３ｂはなくアンテナエレメント構成用延設部３ｃのみがある構成、即ち、アンテナエレメント構成用本体部３ａの外周端から下方に（地板２側に）折り曲げた構成としてもよい。

また、アンテナエレメント構成用本体部３ａと、その外周部から延びるアンテナエレメント構成用延設部３ｂ，３ｃの角度は垂直に限ることなく、斜め方向でもよい。具体的には、図１（ｃ）に代わる図７に示すように地板構成用延設部２ｂおよびアンテナエレメント構成用延設部３ｂを各々、斜め上方に延ばしてもよい。

また、図８に示す板状の誘電体１０１の一方の面に地板（接地導体）１００を、他方の面にアンテナエレメント１０２が配置された構造において適用してもよい。

（ａ）は実施形態におけるパッチアンテナの平面図、（ｂ）はパッチアンテナの正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。 実施形態におけるパッチアンテナの分解斜視図。 アンテナ小型化時のＬ寸法についてのアンテナ利得の測定結果を示す図。 サンプル品の断面図。 （ａ）は実施形態におけるパッチアンテナの縦断面図、（ｂ）は比較例におけるパッチアンテナの縦断面図。 別例のパッチアンテナの断面図。 別例のパッチアンテナの断面図。 背景技術を説明するためのパッチアンテナの縦断面図。

符号の説明

２…地板、２ａ…地板構成用本体部、２ｂ…地板構成用延設部、３…アンテナエレメント、３ａ…アンテナエレメント構成用本体部、３ｂ…アンテナエレメント構成用延設部、３ｃ…アンテナエレメント構成用延設部、４…スペーサー、５…ネジ、６…ネジ。

Claims (4)

1. 地板（２）と、
   前記地板（２）に離間して配置されたアンテナエレメント（３）と、
   を備えたパッチアンテナにおいて、
   前記地板（２）は、
   同一平面に広がる地板構成用本体部（２ａ）と、
   前記地板構成用本体部（２ａ）の外周端から当該地板構成用本体部（２ａ）と交差する方向に延びる地板構成用延設部（２ｂ）と
   を有し、
   前記アンテナエレメント（３）は、
   同一平面に広がり、かつ、前記地板構成用本体部（２ａ）に一定の距離をおいて離間した状態で当該地板構成用本体部（２ａ）と対向して配置されたアンテナエレメント構成用本体部（３ａ）と、
   前記アンテナエレメント構成用本体部（３ａ）の外周端から当該アンテナエレメント構成用本体部（３ａ）と交差する方向に延び、かつ、前記地板構成用延設部（２ｂ）に一定の距離をおいて離間して配置されたアンテナエレメント構成用延設部（３ｂ）と
   を有することを特徴とするパッチアンテナ。
2. 請求項１に記載のパッチアンテナにおいて、
   前記アンテナエレメント構成用延設部（３ｂ）は、前記アンテナエレメント構成用本体部（３ａ）を基準として反地板側に延びることを特徴とするパッチアンテナ。
3. 請求項１に記載のパッチアンテナにおいて、
   前記アンテナエレメント構成用延設部（３ｂ，３ｃ）は、前記アンテナエレメント構成用本体部（３ａ）を基準として反地板側および地板（２）側に延びることを特徴とするパッチアンテナ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のパッチアンテナにおいて、
   前記地板構成用本体部（２ａ）とアンテナエレメント構成用本体部（３ａ）との間に電気絶縁性を有するスペーサー（４）が介在され、前記地板構成用本体部（２ａ）を通して前記スペーサー（４）にネジ（６）が螺合するとともに前記アンテナエレメント構成用本体部（３ａ）を通して前記スペーサー（４）にネジ（５）が螺合してなることを特徴とするパッチアンテナ。

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