JP2015154368A - patch antenna - Google Patents

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康之 竹田
Yasuyuki Takeda
康之 竹田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a patch antenna which can resonate with radio waves with a longer wavelength than an antenna with the same outer shape dimensions and which can maintain proper characteristics.SOLUTION: A patch antenna 1 includes a dielectric 11, a radiation electrode 12 that is formed on one surface of the dielectric 11, and an earth electrode 13 that is formed on the other surface of the dielectric 11. An outer shape of the radiation electrode 12 is formed of a polygonal or circular shape. A surface of the radiation electrode 12 is three-dimensionally formed in an uneven shape. A surface area of the radiation electrode 12 is larger than the outer shape.

Description

本発明は、パッチアンテナに関する。   The present invention relates to a patch antenna.

従来より、携帯電話等の携帯機器や、その携帯機器や車載分野等に使用するGPS等に、パッチアンテナ(マイクロストリップアンテナとも呼ばれる)が用いられている。パッチアンテナは、薄型であり、平板のものが特徴的であることから、アンテナ設置の自由度が高く、非常に多用されている。   Conventionally, patch antennas (also referred to as microstrip antennas) have been used for portable devices such as cellular phones, GPS devices used in such portable devices and in-vehicle fields, and the like. Since patch antennas are thin and have a flat plate characteristic, they have a high degree of freedom in antenna installation and are widely used.

一般的に、パッチアンテナは、誘電体(誘電体基板)と、誘電体の一方の面に形成された平面形状の放射電極と、誘電体の他方の面に形成された接地電極(グランド電極)とを備えている。パッチアンテナは、放射電極に対して接地電極から絶縁貫通された給電ピン等が接続されており、これにより電力が供給されて通信を行う。   In general, a patch antenna includes a dielectric (dielectric substrate), a planar radiation electrode formed on one surface of the dielectric, and a ground electrode (ground electrode) formed on the other surface of the dielectric. And. The patch antenna is connected to a radiating electrode by a power feed pin that is insulated and penetrated from the ground electrode, so that power is supplied to perform communication.

近年、特に上述した携帯機器や車載分野にて使用されるGPS等のアンテナにおいては、小型化のニーズが高まっている。   In recent years, there has been a growing need for miniaturization of antennas such as GPS used in the above-described portable devices and in-vehicle fields.

パッチアンテナを小型化する方法としては、例えば、矩形状の放射導体の各辺から中心方向に向かって切り込みを入れる等してその外周部に複数のスリットを設ける技術が提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。   As a method for reducing the size of the patch antenna, for example, a technique has been proposed in which a plurality of slits are provided on the outer peripheral portion of the rectangular radiation conductor by, for example, making a cut from each side toward the center (for example, (See Patent Documents 1 and 2).

特開平5−304413号公報JP-A-5-304413 特開2012−049618号公報JP 2012-049618 A

しかしながら、このようにスリットを設けると、アンテナの利得が低下するという問題があり、また、スリットの長さがパッチアンテナの幅に制限されてしまうため、周波数を可変させる範囲には限界がある。   However, when the slits are provided in this manner, there is a problem that the gain of the antenna is lowered, and the length of the slits is limited by the width of the patch antenna, so there is a limit to the range in which the frequency can be varied.

本発明は、上述したような実情に鑑みてなされてものであり、放射電極の表面積を実質的に外形寸法よりも大きくするので、同一外形寸法のアンテナよりも、より波長の長い電波に共振でき、かつ良好な特性を維持することができるパッチアンテナを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and since the surface area of the radiation electrode is substantially larger than the outer dimensions, it can resonate with radio waves having a longer wavelength than an antenna having the same outer dimensions. An object of the present invention is to provide a patch antenna that can maintain good characteristics.

本発明者らは、上述した課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、放射電極を凹凸形状として立体化させることによって、従来と同程度の外形寸法において、共振点を低周波数側にシフトさせることができることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は以下のものを提供する。   As a result of intensive studies in order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have shifted the resonance point to the low frequency side in the same external dimensions as before by making the radiation electrode three-dimensional as an uneven shape. As a result, the present invention has been completed. That is, the present invention provides the following.

(1)本発明は、誘電体と、該誘電体の一方の面に形成された放射電極と、該誘電体の他方の面に形成された接地電極とを備え、前記放射電極の外形形状は、多角形状又は円形形状により形成されており、前記放射電極の表面は、凹凸形状に立体的に形成されており、前記放射電極の表面積は、前記外形形状よりも広いパッチアンテナである。   (1) The present invention includes a dielectric, a radiation electrode formed on one surface of the dielectric, and a ground electrode formed on the other surface of the dielectric, and the outer shape of the radiation electrode is The surface of the radiation electrode is three-dimensionally formed in an uneven shape, and the surface area of the radiation electrode is a patch antenna wider than the outer shape.

(2)本発明は、上述した(1)の発明において、前記放射電極の表面は、所定形状の凸部が縦横に複数個形成されることにより前記凹凸形状が立体的に形成されているパッチアンテナである。   (2) The present invention provides the patch according to (1) described above, wherein the surface of the radiation electrode has a three-dimensional shape of the concavo-convex shape by forming a plurality of convex portions of a predetermined shape vertically and horizontally. It is an antenna.

(3)本発明は、上述した(1)の発明において、前記放射電極の表面は、中心部から外側に向かって放射状に複数の溝が形成されることにより前記凹凸形状が立体的に形成されているパッチアンテナである。   (3) According to the present invention, in the invention of (1) described above, the surface of the radiation electrode is formed in a three-dimensional manner by forming a plurality of grooves radially from the center to the outside. Is a patch antenna.

(4)本発明は、上述した(1)から(3)のいずれかの発明において、前記放射電極は、所定の厚さの金属板で構成されており、前記誘電体と一体的にインサート成形により形成される、又は、前記誘電体上に所定の厚さのメッキ処理により形成されるパッチアンテナである。   (4) In the present invention according to any one of (1) to (3), the radiation electrode is formed of a metal plate having a predetermined thickness, and is insert-molded integrally with the dielectric. Or a patch antenna formed by plating with a predetermined thickness on the dielectric.

本発明によれば、共振点を低周波数側にシフトすることができ、かつ良好な特性を維持することができる。   According to the present invention, the resonance point can be shifted to the low frequency side, and good characteristics can be maintained.

パッチアンテナの一例を模式的に示した図である。It is the figure which showed an example of the patch antenna typically. 凹凸形状を有する放射電極の平面(A)及びその側面(B)を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the plane (A) of the radiation electrode which has an uneven | corrugated shape, and its side surface (B). 凹凸形状を有する放射電極の平面(A)及びその側面(B)を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the plane (A) of the radiation electrode which has an uneven | corrugated shape, and its side surface (B). FDTD法を用いたシミュレーションにより共振周波数を算出した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the resonant frequency by simulation using the FDTD method. シミュレーションにより得られたE面、H面における放射特性図である。It is a radiation characteristic figure in E side and H side obtained by simulation. 凹凸形状を形成した放射電極における誘電体との接合面(A)及びその側面の一部(B)を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the junction surface (A) with the dielectric material in the radiation electrode which formed uneven | corrugated shape, and a part (B) of the side surface. 表面が三角波形状の凹凸により形成された放射電極の平面(A)及びその側面(B)を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the plane (A) and the side surface (B) of the radiation electrode which the surface was formed by the unevenness | corrugation of a triangular wave shape. 表面が三角波形状の凹凸により形成された放射電極の平面(A)及びその側面(B)を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the plane (A) and the side surface (B) of the radiation electrode which the surface was formed by the unevenness | corrugation of a triangular wave shape. 表面が三角波形状の凹凸により形成された放射電極の平面(A)及びその側面(B)を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the plane (A) and the side surface (B) of the radiation electrode which the surface was formed by the unevenness | corrugation of a triangular wave shape. FDTD法を用いたシミュレーションにより共振周波数を算出した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the resonant frequency by simulation using the FDTD method.

以下、本発明に係るパッチアンテナの具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。   Hereinafter, specific embodiments of the patch antenna according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, A various change is possible in the range which does not change the summary of this invention.

本発明に係るパッチアンテナ1は、図1に示すように、誘電体11と、誘電体11の一方の面に形成された放射電極12と、誘電体11の他方の面に形成された接地電極13とを備える、いわゆるマイクロストリップアンテナである。   As shown in FIG. 1, the patch antenna 1 according to the present invention includes a dielectric 11, a radiation electrode 12 formed on one surface of the dielectric 11, and a ground electrode formed on the other surface of the dielectric 11. 13 is a so-called microstrip antenna.

放射電極12の外形形状は、図1では、四角形状であるが、これに限られず、例えば、四角形状以外の多角形状又は円形形状により形成されてもよい。また、パッチアンテナ1は、円偏波により通信を行うので、厳密に言えば、放射電極12の外形形状は、四角形状ではなく、角に切欠きが設けられている。右旋円偏波により通信を行う場合には、例えば、右上角と左下角に切欠きが設けられている。左旋円偏波により通信を行う場合には、例えば、左上角と右下角に切欠きが設けられている。   The outer shape of the radiation electrode 12 is a quadrangular shape in FIG. 1, but is not limited thereto, and may be formed by, for example, a polygonal shape or a circular shape other than the quadrangular shape. Further, since the patch antenna 1 performs communication by circular polarization, strictly speaking, the outer shape of the radiation electrode 12 is not a quadrangle, but is provided with a notch at a corner. When communication is performed using right-handed circularly polarized waves, for example, notches are provided in the upper right corner and the lower left corner. When communication is performed using left-handed circularly polarized waves, for example, notches are provided in the upper left corner and the lower right corner.

放射電極12の表面は、凹凸形状に立体的に形成されている。また、放射電極12の表面積は、前記外形形状よりも広い。   The surface of the radiation electrode 12 is three-dimensionally formed in an uneven shape. The surface area of the radiation electrode 12 is wider than the outer shape.

このようにして、パッチアンテナ1は、放射電極12の表面に立体的な凹凸形状を形成することにより、その表面積を大きくすることができる。よって、パッチアンテナ1は、放射電極12の表面積を実質的に外形寸法よりも大きくできるので、同一外形寸法のアンテナよりも、より波長の長い電波に共振でき、かつ良好な特性を維持することができる。   Thus, the patch antenna 1 can increase the surface area by forming a three-dimensional uneven shape on the surface of the radiation electrode 12. Therefore, since the surface area of the radiation electrode 12 can be substantially larger than the outer dimension, the patch antenna 1 can resonate with a radio wave having a longer wavelength than the antenna having the same outer dimension, and maintain good characteristics. it can.

また、パッチアンテナ1は、従来構成のアンテナよりも外形寸法を小さくした場合であっても、放射電極12の表面積を実質的に従来構成のアンテナの放射電極と同程度の大きさに調整できるので、従来構成のアンテナと同程度の波長の電波に共振でき、かつ良好な特性を維持することができる。   Further, the patch antenna 1 can adjust the surface area of the radiation electrode 12 to substantially the same size as the radiation electrode of the antenna of the conventional configuration even when the external dimensions are made smaller than that of the antenna of the conventional configuration. Therefore, the antenna can resonate with a radio wave having the same wavelength as that of a conventional antenna and can maintain good characteristics.

さらに、パッチアンテナ1は、従来構成のアンテナよりも外形寸法を小さくし、かつ、放射電極12の表面積を実質的に従来構成のアンテナの放射電極よりも大きく調整できるので、外形駿府の大きい従来構成のアンテナよりも、より波長の長い電波に共振でき、かつ良好な特性を維持することができる。   Furthermore, since the patch antenna 1 can be made smaller in outer dimensions than the antenna of the conventional configuration and can adjust the surface area of the radiation electrode 12 to be substantially larger than the radiation electrode of the antenna of the conventional configuration, The antenna can resonate with radio waves having a longer wavelength than that of the antenna and can maintain good characteristics.

また、放射電極12の表面は、図1に示すように、所定形状の凸部が縦横に複数個形成されることにより凹凸形状が立体的に形成されていてもよい。   Moreover, as shown in FIG. 1, the uneven | corrugated shape may be formed in three dimensions on the surface of the radiation electrode 12 by forming the convex part of a predetermined shape vertically and horizontally.

放射電極12は、所定の厚さのメッキ処理により誘電体11上に形成してもよい。また、放射電極12は、凸部が同一形状に加工された金属板を複数個、形成することにより形成してもよい。なお、金属板の厚さは一定である。   The radiation electrode 12 may be formed on the dielectric 11 by a plating process having a predetermined thickness. The radiation electrode 12 may be formed by forming a plurality of metal plates whose convex portions are processed into the same shape. Note that the thickness of the metal plate is constant.

以下に、パッチアンテナ1を構成する各要素について詳述する。
誘電体11の材料は、特に限定されるものではないが、例えば、樹脂、セラミック、セラミックに所定の割合で樹脂を混ぜて得られる材料等により構成することができる。
ここで、誘電体11を構成する樹脂としては、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、LCP(液晶ポリマー)等を挙げることができる。
Below, each element which comprises the patch antenna 1 is explained in full detail.
The material of the dielectric 11 is not particularly limited. For example, the dielectric 11 can be made of a resin, ceramic, a material obtained by mixing a resin at a predetermined ratio with ceramic, or the like.
Here, as resin which comprises the dielectric material 11, PPS (polyphenylene sulfide), LCP (liquid crystal polymer) etc. can be mentioned, for example.

誘電体11は、射出成形により加工してもよく、薄肉形状や目的に応じた多様な形状に形成することができる。さらに、誘電体11は、比誘電率の高いセラミックと、PPSと、LCPとをコンパウンドした複合材料を用い、これを射出成形することにより所望とする厚みや形状に形成してもよい。   The dielectric 11 may be processed by injection molding, and can be formed into various shapes according to the thin shape and purpose. Furthermore, the dielectric 11 may be formed into a desired thickness and shape by using a composite material in which a ceramic having a high relative dielectric constant, PPS, and LCP are compounded and injection-molded.

誘電体11の誘電率としては、特に限定されず、所望とするパッチアンテナ1のサイズに応じた値に設定することができる。例えば、パッチアンテナ1が適用される電子機器等の筐体サイズに応じて、誘電体11の比誘電率を適宜に設定するようにする。   The dielectric constant of the dielectric 11 is not particularly limited, and can be set to a value corresponding to a desired size of the patch antenna 1. For example, the relative dielectric constant of the dielectric 11 is appropriately set according to the housing size of an electronic device or the like to which the patch antenna 1 is applied.

なお、誘電体11は、放射電極12と一体的にインサート成形により所望とする厚みや形状に形成されてもよい。   The dielectric 11 may be formed in a desired thickness and shape integrally with the radiation electrode 12 by insert molding.

放射電極12は、例えば、リン青銅等の銅系金属や、銀、ニッケル、又はそれらの合金等の導電性金属材料を含んで構成されている。
放射電極12は、接地電極13及び誘電体11を貫く同軸線路やコネクタを用いて背面から直接給電される直結誘電方式を採用するものして説明するが、これに限られず、電磁結合給電方式でもよい。
The radiation electrode 12 includes, for example, a copper metal such as phosphor bronze and a conductive metal material such as silver, nickel, or an alloy thereof.
The radiation electrode 12 will be described as adopting a direct coupling dielectric method in which power is directly fed from the back using a coaxial line or connector that penetrates the ground electrode 13 and the dielectric 11, but is not limited to this, and an electromagnetic coupling feeding method is also used. Good.

接地電極(グランド電極板)13は、銅、銀、ニッケル、又はこれらの合金等の導電性金属材料を含む導電体である。
本実施例では、単体の接地電極13を誘電体11に形成させると説明したが、これに限られず、誘電体11の下に配置される回路基板を接地電極13として利用してもよい。
The ground electrode (ground electrode plate) 13 is a conductor containing a conductive metal material such as copper, silver, nickel, or an alloy thereof.
In this embodiment, it has been described that the single ground electrode 13 is formed on the dielectric 11. However, the present invention is not limited to this, and a circuit board disposed under the dielectric 11 may be used as the ground electrode 13.

次に、パッチアンテナ1の放射電極12の凹凸形状について説明する。なお、凹凸形状は、以下の実施形態に示す形状に限定されるものではなく、放射電極12の実効面積を有効に増やすことができるものであれば他の形状であってもよい。   Next, the uneven shape of the radiation electrode 12 of the patch antenna 1 will be described. The uneven shape is not limited to the shape shown in the following embodiment, and may be other shapes as long as the effective area of the radiation electrode 12 can be effectively increased.

図2は、放射電極12が誘電体11との接合面12aとは反対側に凸部を有する凹凸形状に形成された状態を示す図であり、放射電極12を上部から見た上面図(図2(A))及びその側面図(図2(B))である。なお、この図2に示すパッチアンテナを「パッチアンテナ1A」とする。なお、図2中のσは、給電点を示しており、給電線路とのマッチングを得るための最適な位置に配置される。   FIG. 2 is a view showing a state in which the radiation electrode 12 is formed in a concavo-convex shape having a convex portion on the side opposite to the joint surface 12a with the dielectric 11, and a top view of the radiation electrode 12 as viewed from above (FIG. 2 (A)) and a side view thereof (FIG. 2B). The patch antenna shown in FIG. 2 is referred to as “patch antenna 1A”. Note that σ in FIG. 2 indicates a feeding point and is arranged at an optimum position for obtaining matching with the feeding line.

放射電極12は、凹凸形状に沿って電流が立体的に流れるようになり、平面的な従来の放射電極に比べて、電流の経路長を長くすることができる。このようにして、パッチアンテナ1は、放射電極12の表面積を実質的に外形寸法よりも大きくするので、同一外形寸法のアンテナよりも、より波長の長い電波に共振でき、かつ良好な特性を維持することができる。   The radiation electrode 12 allows a current to flow three-dimensionally along the concavo-convex shape, and the current path length can be made longer than that of a planar conventional radiation electrode. In this way, since the patch antenna 1 has a surface area of the radiation electrode 12 substantially larger than the outer dimensions, the patch antenna 1 can resonate with radio waves having a longer wavelength than the antenna having the same outer dimensions, and maintain good characteristics. can do.

なお、放射電極12において凸部21を有する格子状の区画の各領域の大きさとしては、特に限定されるものではない。例えば、略正方形状の放射電極12において、図2に示すような4×4の領域に分けられるような大きさや、図3に示すような6×6の領域に分けられるような大きさにすることができる。また、本実施例では、図3に示す6×6の領域で形成されたパッチアンテナ1Bは、パッチアンテナ1Aと外形寸法は同じだが、放射電極12の表面積は大きくした。   Note that the size of each region of the grid-like section having the convex portions 21 in the radiation electrode 12 is not particularly limited. For example, the radiation electrode 12 having a substantially square shape has a size that can be divided into 4 × 4 areas as shown in FIG. 2 or a size that can be divided into 6 × 6 areas as shown in FIG. be able to. In this embodiment, the patch antenna 1B formed in the 6 × 6 region shown in FIG. 3 has the same external dimensions as the patch antenna 1A, but the surface area of the radiation electrode 12 is increased.

また、放射電極12の表面積を変えなければ、凸部21の数が増えるほど、高さが低くなる。よって、パッチアンテナ1は、放射電極12において形成される凸部21の数が多いほど薄型になるメリットがある。   If the surface area of the radiation electrode 12 is not changed, the height decreases as the number of the convex portions 21 increases. Therefore, the patch antenna 1 has an advantage that it becomes thinner as the number of the convex portions 21 formed in the radiation electrode 12 is larger.

また、本実施例では、凸部21の形状は、図2に示すように、高さ方向に連続的な斜面を有する山状(テーパ状)に形成するものとして説明したが、これに限られず、ドーム型等でもよい。   Further, in the present embodiment, the shape of the convex portion 21 is described as being formed in a mountain shape (tapered shape) having a continuous slope in the height direction as shown in FIG. 2, but is not limited thereto. It may be a dome shape.

次に、図2に示した態様のパッチアンテナ1A、図3に模式図を示す態様のパッチアンテナ1B及び基準パッチアンテナのそれぞれに対して、FDTD法(有限差分時間領域法)によるシミュレーションを行って求めた共振周波数の変化について図4を用いて説明する。なお、パッチアンテナ1A、パッチアンテナ1B、及び基準パッチアンテナは、外形寸法が同一である。また、基準パッチアンテナとは、従来のパッチアンテナ、すなわち凹凸形状を有しない平面的な放射電極を誘電体上に形成させて得られる態様のパッチアンテナを意味する。
シミュレーションによる解析条件、パッチアンテナ1Aにおける放射電極12の大きさや凹凸形状の大きさ等は、以下の通りに設定した。
Next, a simulation by the FDTD method (finite difference time domain method) is performed on each of the patch antenna 1A in the mode illustrated in FIG. 2, the patch antenna 1B in the mode illustrated in FIG. 3 and the reference patch antenna. The obtained change in the resonance frequency will be described with reference to FIG. Note that the external dimensions of the patch antenna 1A, the patch antenna 1B, and the reference patch antenna are the same. Further, the reference patch antenna means a conventional patch antenna, that is, a patch antenna having a form obtained by forming a planar radiation electrode having no uneven shape on a dielectric.
The analysis conditions by simulation, the size of the radiation electrode 12 in the patch antenna 1A, the size of the uneven shape, and the like were set as follows.

[解析条件等]
解析手法:FDTD(Finite−Difference Time−Domain)法
給電方法:ピン給電
誘電体基板の比誘電率:εr=8
セルサイズ:xs=ys=zs=0.4mm
誘電体基板厚(誘電体基板の厚み):h=1.6mm
パッチ直径(放射電極の一辺の大きさ):L=34.4mm
誘電体基板直径(誘電体基板の一辺の大きさ):W=51.2mm
給電点距離:ρ=3.6mm
小パッチ直径(各区画領域の一辺の大きさ):a=5.6mm
[Analysis conditions, etc.]
Analysis method: FDTD (Finite-Difference Time-Domain) method Feeding method: Pin feeding Dielectric constant of dielectric substrate: εr = 8
Cell size: xs = ys = zs = 0.4 mm
Dielectric substrate thickness (dielectric substrate thickness): h = 1.6 mm
Patch diameter (size of one side of radiation electrode): L = 34.4 mm
Dielectric substrate diameter (size of one side of dielectric substrate): W = 51.2 mm
Feeding point distance: ρ = 3.6mm
Small patch diameter (size of one side of each partition area): a = 5.6 mm

図4に示すように、パッチアンテナ1A、パッチアンテナ1Bでは、基準パッチアンテナに比べて、その共振周波数fのピークが低周波数側(長波長側)にシフトしていることが分かる。具体的には、基準パッチアンテナの共振周波数fのピークが1.52GHzであったのに対して、パッチアンテナ1Aの共振周波数fのピークが1.47GHz、パッチアンテナ1Bの共振周波数fのピークが1.45GHzとなった。   As shown in FIG. 4, in the patch antenna 1A and the patch antenna 1B, it can be seen that the peak of the resonance frequency f is shifted to the low frequency side (long wavelength side) compared to the reference patch antenna. Specifically, the peak of the resonance frequency f of the reference patch antenna is 1.52 GHz, whereas the peak of the resonance frequency f of the patch antenna 1A is 1.47 GHz, and the peak of the resonance frequency f of the patch antenna 1B is 1. It became 1.45 GHz.

この結果から、パッチアンテナ1A及びパッチアンテナ1Bは、基準パッチアンテナと比較して、外形寸法は同じでも、より波長の長い電波に共振できることが分かる。   From this result, it can be seen that the patch antenna 1A and the patch antenna 1B can resonate with radio waves having a longer wavelength even though the outer dimensions are the same as those of the reference patch antenna.

また、図5は、パッチアンテナ1A(図5(A))、パッチアンテナ1B(図5(B))、及び基準パッチアンテナ(図5(C))について、シミュレーションにより得られたE面(水平面)、H面(垂直面)における放射特性を示す図である。
この結果から、パッチアンテナ1A及びパッチアンテナ1Bの特性は、基準パッチアンテナの特性と比較しても遜色がなく、良好な特性を維持していることが分かる。
FIG. 5 shows an E plane (horizontal plane) obtained by simulation for the patch antenna 1A (FIG. 5A), the patch antenna 1B (FIG. 5B), and the reference patch antenna (FIG. 5C). FIG. 6 is a diagram showing radiation characteristics on the H plane (vertical plane).
From this result, it can be seen that the characteristics of the patch antenna 1A and the patch antenna 1B are not inferior to those of the reference patch antenna and maintain good characteristics.

また、放射電極12の表面は、図6に示すように、中心部から外側に向かって放射状に複数の溝31が形成されることにより凹凸形状が立体的に形成されている構成でもよい。
具体的には、金属板を放射電極12として使用する場合に、その表面、裏面(誘電体との接合面)、又はその両面に縞状又は放射状の凹凸形状を形成する。凹凸による溝31は、図6に示す通り、中心部から外側に向かって縞状又は放射状に形成される。
Further, as shown in FIG. 6, the surface of the radiation electrode 12 may have a configuration in which the uneven shape is three-dimensionally formed by forming a plurality of grooves 31 radially from the center to the outside.
Specifically, when a metal plate is used as the radiation electrode 12, striped or radial uneven shapes are formed on the front surface, back surface (bonding surface with the dielectric), or both surfaces thereof. As shown in FIG. 6, the uneven grooves 31 are formed in stripes or radial shapes from the center to the outside.

なお、上述した凹凸形状は、矩形波形状に限られず、三角波形状、鋸歯形状又は正弦波形状等でもよい。
また、放射電極12の表面のパターンは、上述に限られず、他のパターンでもよく、例えば、以下のようなパターンでもよい。
In addition, the uneven | corrugated shape mentioned above is not restricted to a rectangular wave shape, A triangular wave shape, a sawtooth shape, or a sine wave shape etc. may be sufficient.
Moreover, the pattern of the surface of the radiation electrode 12 is not restricted to the above, Other patterns may be sufficient, for example, the following patterns may be sufficient.

1.図7(A)に示すように、放射電極12の表面は、概念上、9つのブロックに分けられる。中心のブロックに対して上下左右方向に配置する4つの外側のブロックB1の表面は、水平線に沿って凹凸形状が形成される。中心のブロックに対して角方向に配置する4つの外側のブロックB2の表面は、対角線に対して水平又は直角になるように凹凸形状が形成される。ブロックB1及びブロックB2は、図7(A)に示すように、凹凸による溝が中心のブロックから外側に向かって放射状になるように配置される。なお、上述では、説明の便宜上、放射電極12の表面を9つのブロックに分けて説明したが、実際にブロック毎に形成するわけではない。
図7(A)は、誘電体11上に放射電極12が形成されている様子を示す平面図であり、図7(B)は、誘電体11上に放射電極12が形成されている様子を示す側面図である。なお、図7(B)では、放射電極12の凹凸形状を三角波形状で示してあるが、これに限られない。
1. As shown in FIG. 7A, the surface of the radiation electrode 12 is conceptually divided into nine blocks. The surface of the four outer blocks B1 arranged in the vertical and horizontal directions with respect to the central block is formed with an uneven shape along the horizontal line. Concavities and convexities are formed on the surfaces of the four outer blocks B2 arranged in the angular direction with respect to the central block so as to be horizontal or perpendicular to the diagonal line. As shown in FIG. 7A, the block B1 and the block B2 are arranged so that the grooves due to the unevenness are radially outward from the central block. In the above description, for convenience of explanation, the surface of the radiation electrode 12 is divided into nine blocks. However, the surface is not actually formed for each block.
FIG. 7A is a plan view showing a state in which the radiation electrode 12 is formed on the dielectric 11, and FIG. 7B shows a state in which the radiation electrode 12 is formed on the dielectric 11. FIG. In FIG. 7B, the uneven shape of the radiation electrode 12 is shown as a triangular wave shape, but is not limited thereto.

2.上述と同様に、図8(A)に示すように、放射電極12の表面は、概念上、9つのブロックに分けられる。中心のブロックに対して上下左右方向に配置する4つの外側のブロックB1の表面は、水平線に沿って凹凸形状が形成される。中心のブロックに対して角方向に配置する4つの外側のブロックB2の表面は、ある一辺から対角線まで凹凸形状が形成され、当該対角線に対して線対称に凹凸形状が形成される。ブロックB1は、図8(A)に示すように、凹凸による溝が中心のブロックから外側に向かって放射状になるように配置される。ブロックB2は、図8(A)に示すように、凹凸による溝が、隣接する上下左右ブロックの凹凸による溝と同じ向きに揃うように配置される。なお、上述では、説明の便宜上、放射電極12の表面を9つのブロックに分けて説明したが、実際にブロック毎に形成するわけではない。
図8(A)は、誘電体11上に放射電極12が形成されている様子を示す平面図であり、図8(B)は、誘電体11上に放射電極12が形成されている様子を示す側面図である。なお、図8(B)では、放射電極12の凹凸形状を三角波形状で示してあるが、これに限られない。
2. Similarly to the above, as shown in FIG. 8A, the surface of the radiation electrode 12 is conceptually divided into nine blocks. The surface of the four outer blocks B1 arranged in the vertical and horizontal directions with respect to the central block is formed with an uneven shape along the horizontal line. The surface of the four outer blocks B2 arranged in the angular direction with respect to the central block has an uneven shape formed from one side to a diagonal line, and the uneven shape is formed symmetrically with respect to the diagonal line. As shown in FIG. 8A, the block B1 is arranged so that the grooves due to the unevenness are radially outward from the central block. As shown in FIG. 8A, the block B2 is arranged so that the grooves due to the unevenness are aligned in the same direction as the grooves due to the unevenness of the adjacent upper, lower, left and right blocks. In the above description, for convenience of explanation, the surface of the radiation electrode 12 is divided into nine blocks. However, the surface is not actually formed for each block.
FIG. 8A is a plan view showing a state in which the radiation electrode 12 is formed on the dielectric 11, and FIG. 8B shows a state in which the radiation electrode 12 is formed on the dielectric 11. FIG. In FIG. 8B, the uneven shape of the radiation electrode 12 is shown as a triangular wave shape, but is not limited thereto.

3.図9(A)に示すように、放射電極12の表面は、凹凸による溝が中心部から外側に向かって放射状に形成される。凹凸形状は、中心に近いほど幅が狭く、中心から遠ざかるほど幅が広くなるように形成される。
図9(A)は、誘電体11上に放射電極12が形成されている様子を示す平面図であり、図9(B)は、誘電体11上に放射電極12が形成されている様子を示す側面図である。なお、図9(B)では、放射電極12の凹凸形状を三角波形状で示してあるが、これに限られない。
3. As shown in FIG. 9A, the surface of the radiation electrode 12 has grooves formed by irregularities that are radially formed from the center to the outside. The concavo-convex shape is formed so that the width is narrower as it is closer to the center and the width is wider as it is farther from the center.
FIG. 9A is a plan view showing a state where the radiation electrode 12 is formed on the dielectric 11, and FIG. 9B shows a state where the radiation electrode 12 is formed on the dielectric 11. FIG. In FIG. 9B, the uneven shape of the radiation electrode 12 is shown as a triangular wave shape, but is not limited thereto.

図6は、放射電極12の誘電体11との接合面12aに複数の溝31を設けて凹凸形状が形成された状態を示す図であり、放射電極12における誘電体11との接合面12aの図(図6(A))及びその側面の一部の断面図(図6(B))である。なお、以下では、図6に示す放射電極12を構成してなるパッチアンテナを「パッチアンテナ1C」という。   FIG. 6 is a diagram illustrating a state in which a plurality of grooves 31 are provided on the bonding surface 12a of the radiation electrode 12 with the dielectric 11 to form a concavo-convex shape, and the bonding surface 12a of the radiation electrode 12 with the dielectric 11 is illustrated. It is a figure (FIG. 6 (A)) and sectional drawing (FIG. 6 (B)) of a part of side surface. Hereinafter, the patch antenna formed of the radiation electrode 12 shown in FIG. 6 is referred to as “patch antenna 1C”.

図6に示すように、パッチアンテナ1Cにおいては、放射電極12の誘電体11との接合面12aに、複数の溝31を設けて、その複数の溝により得られた溝部31aと山部32とで形成される凹凸形状を有している。なお、放射電極12の表面は、レーザ光を照射することにより凹凸形状を形成してもよいし、エッチングにより凹凸形状を形成してもよい。   As shown in FIG. 6, in the patch antenna 1 </ b> C, a plurality of grooves 31 are provided on the joint surface 12 a of the radiation electrode 12 with the dielectric 11, and a groove portion 31 a and a peak portion 32 obtained by the plurality of grooves are provided. It has an uneven shape formed by The surface of the radiation electrode 12 may be formed with an uneven shape by irradiating laser light, or may be formed with an uneven shape by etching.

このようにして、パッチアンテナ1Cは、放射電極12表面の溝31の数を増やすことで、その表面積を大きくすることができる。よって、パッチアンテナ1Cは、放射電極12の表面積を実質的に外形寸法よりも大きくできるので、同一外形寸法のアンテナよりも、より波長の長い電波に共振でき、かつ良好な特性を維持することができる。   Thus, the surface area of the patch antenna 1 </ b> C can be increased by increasing the number of grooves 31 on the surface of the radiation electrode 12. Therefore, since the patch antenna 1C can substantially increase the surface area of the radiation electrode 12 from the outer dimensions, the patch antenna 1C can resonate with a radio wave having a longer wavelength than the antenna having the same outer dimensions and can maintain good characteristics. it can.

次に、図6に示した態様のパッチアンテナ1C及び基準パッチアンテナに対して、FDTD法によるシミュレーションを行って求めた共振周波数の変化について図10を用いて説明する。なお、パッチアンテナ1C及び基準パッチアンテナは、外形寸法が同一である。   Next, changes in the resonance frequency obtained by performing a simulation by the FDTD method for the patch antenna 1C and the reference patch antenna of the aspect shown in FIG. 6 will be described with reference to FIG. The patch antenna 1C and the reference patch antenna have the same external dimensions.

シミュレーションによる解析条件、パッチアンテナ1Cの大きさ等は、以下の通りである。なお、パッチアンテナ1Cとしては、放射電極12の厚みを0.4mmとし、誘電体11との接合面12aに図6に示したような横縞状であって深さが0.2mmの溝31を有するものと設定して、シミュレーションを行った。   The analysis conditions by simulation, the size of the patch antenna 1C, etc. are as follows. As the patch antenna 1C, the radiation electrode 12 has a thickness of 0.4 mm, and a groove 31 having a horizontal stripe shape as shown in FIG. The simulation was performed with the setting.

[解析条件等]
解析手法:FDTD法
給電方法:ピン給電
誘電体基板の比誘電率:εr=8
セルサイズ:xs=ys=zs=0.2mm
誘電体基板厚(誘電体基板の厚み):h=2.0mm
パッチ直径(放射電極の一辺の大きさ):L=12mm
パッチ半径:L1=2.0mm、L2=6.0mm
誘電体基板直径(誘電体基板の一辺の大きさ):W=16mm
給電点距離:ρ=1.0mm
[Analysis conditions, etc.]
Analysis method: FDTD method Feeding method: Pin feeding Dielectric constant of dielectric substrate: εr = 8
Cell size: xs = ys = zs = 0.2 mm
Dielectric substrate thickness (dielectric substrate thickness): h = 2.0 mm
Patch diameter (size of one side of radiation electrode): L = 12 mm
Patch radius: L1 = 2.0mm, L2 = 6.0mm
Dielectric substrate diameter (size of one side of dielectric substrate): W = 16 mm
Feeding point distance: ρ = 1.0mm

図10に示すように、パッチアンテナ1Cでは、基準パッチアンテナに比べて、その共振周波数fのピークが低周波数側(長波長側)にシフトしていることが分かる。具体的には、基準パッチアンテナの共振周波数fのピークが3.95GHzであったのに対して、パッチアンテナ1Cの共振周波数fのピークが3.87GHzとなった。   As shown in FIG. 10, in the patch antenna 1C, the peak of the resonance frequency f is shifted to the low frequency side (long wavelength side) compared to the reference patch antenna. Specifically, the peak of the resonance frequency f of the reference patch antenna was 3.95 GHz, whereas the peak of the resonance frequency f of the patch antenna 1C was 3.87 GHz.

この結果から、パッチアンテナ1Cは、基準パッチアンテナと比較して、外形寸法は同じでも、より波長の長い電波に共振できることが分かる。   From this result, it can be seen that the patch antenna 1 </ b> C can resonate with radio waves having a longer wavelength even though the outer dimensions are the same as those of the reference patch antenna.

1 パッチアンテナ
11 誘電体
12 放射電極
12a 接合面
12b 放射電極の上面
13 接地電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Patch antenna 11 Dielectric 12 Radiation electrode 12a Joint surface 12b Upper surface of a radiation electrode 13 Ground electrode

Claims (4)

誘電体と、該誘電体の一方の面に形成された放射電極と、該誘電体の他方の面に形成された接地電極とを備え、
前記放射電極の外形形状は、多角形状又は円形形状により形成されており、
前記放射電極の表面は、凹凸形状に立体的に形成されており、
前記放射電極の表面積は、前記外形形状よりも広いパッチアンテナ。
A dielectric, a radiation electrode formed on one surface of the dielectric, and a ground electrode formed on the other surface of the dielectric;
The outer shape of the radiation electrode is formed by a polygonal shape or a circular shape,
The surface of the radiation electrode is three-dimensionally formed in an uneven shape,
The patch antenna has a surface area greater than that of the outer shape.
前記放射電極の表面は、所定形状の凸部が縦横に複数個形成されることにより前記凹凸形状が立体的に形成されている請求項1記載のパッチアンテナ。   2. The patch antenna according to claim 1, wherein the surface of the radiation electrode is formed in a three-dimensional manner by forming a plurality of convex portions having a predetermined shape vertically and horizontally. 前記放射電極の表面は、中心部から外側に向かって放射状に複数の溝が形成されることにより前記凹凸形状が立体的に形成されている請求項1記載のパッチアンテナ。   The patch antenna according to claim 1, wherein the surface of the radiation electrode has a three-dimensional shape of the concavo-convex shape by forming a plurality of grooves radially outward from the center. 前記放射電極は、所定の厚さの金属板で構成されており、前記誘電体と一体的にインサート成形により形成される、又は、前記誘電体上に所定の厚さのメッキ処理により形成される請求項1乃至3のいずれか一項に記載のパッチアンテナ。   The radiation electrode is made of a metal plate having a predetermined thickness, and is formed by insert molding integrally with the dielectric, or formed by a plating process having a predetermined thickness on the dielectric. The patch antenna according to any one of claims 1 to 3.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20230178896A1 (en) * 2020-05-01 2023-06-08 Fleet Space Technologies Pty Ltd Antenna and antenna systems for leo satellite communication

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