JP2015502723A - パッチアンテナ装置 - Google Patents

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Abstract

パッチ電極(7)と、パッチ電極(7)を包囲する枠状パッチ電極(19)とを誘電体(5)上に設け、誘電体(5)に対向してパッチ電極面(7’)に対して間隔を空けてかつ環状又は枠状パッチ電極面(19’)に対して間隔を空けて冠状パッチアンテナ(23)を配置し、パッチ電極面(7’)も枠状パッチ電極面(19’)も少なくとも部分的に縦方向及び横方向に包囲し又は覆う領域を冠状パッチアンテナ(23)に設けた改良されたパッチアンテナ装置。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前文に記載されるパッチアンテナ装置に関する。
しばしば自動車アンテナとして使用されるパッチアンテナには問題となる種類がある。自動車アンテナは、例えば羽根類似の構造に形成できる。その構造は、自動車の車体上にかつ特に自動車の屋根領域内でリアウィンドウの直前に取り付けられることが多い。アンテナ装置を収納するケース下方の車体上に通常設けられる様々なサービス用の多数の個別アンテナ、即ち地上に送信されるラジオ番組を受信するアンテナ、全地球測位網（GPS）パッチアンテナ、種々の周波数領域内で無線通話を送受信するアンテナ、例えば、衛星デジタル音声ラジオサービス（SDARS）番組等の衛星放送から送信されるラジオ番組を受信する他のアンテナなどがある。この種のアンテナは、特許文献１から公知である。
この種のアンテナ構造は、相当の利用空間を必要とする。反面、利用空間を更に減少してアンテナ装置を更に小型化する要求がある。
パッチアンテナの基本構造では、特に特許文献２は、接地電位面、接地電位面の上方の基板層及び上部に設けられるパッチ電極を有し、誘電体を形成する他の層によりパッチ電極を被覆する従来のパッチアンテナを開示する。
円分極又は円偏波される電磁波を送信し受信できる多重周波数面アンテナは、特許文献３から知られている。この既知のアンテナは、基板（誘電体）と、基板上の中央に配置される矩形又は方形の同心パッチアンテナとを有する。
このパッチアンテナの周囲に枠状又は環状の第２のパッチアンテナ面が配置され、第２のパッチアンテナの内縁は、中央のパッチアンテナを包囲する外縁に対して僅かな間隔で離間して延伸し、それにより、同心の中央パッチアンテナと環状又は枠状のパッチアンテナとの間に離間間隙が形成される。
特に、角部領域内に斜角面を固有に形成して、中央に配置されるパッチアンテナに対して逆分極又は逆偏波される電磁波を環状又は枠状のパッチアンテナにより確実に受信又は送信するができる。
この種のアンテナとは別に、接地電位面に対して間隔を空けて配置される第１の放射パッチ面と、更に間隔を空けてその上方に配置される第２の放射パッチ面とを有する所謂積層パッチアンテナを設けた基本的に他種のアンテナも例えば特許文献４と特許文献５から公知である。
また、特許文献６は、接地電位面上に配置される誘電体及び誘電体の上部のパッチアンテナ装置を有するパッチアンテナの実施の形態を示す。このパッチアンテナは、誘電体の上部の中央に配置されて給電線を介して給電されるパッチ面を備え、そのパッチ面は、同一の高さ位置に配置される他の枠状のパッチアンテナによって包囲される。誘電体の上部の２つのパッチアンテナ間に離間間隙が形成される。２つのパッチアンテナは、全地球測位網（GPS）信号と衛星デジタル音声ラジオサービス（SDARS）信号の受信に用いられる。他の実施の形態は、互いに重なる２つのパッチ面を配置する古典的な積層アンテナを示す。
特許文献７は、内側のパッチアンテナを包囲する環状パッチアンテナによって環状の間隙を介して内側のパッチアンテナを包囲するアンテナ装置を開示する。他の実施の形態では、内側の円い２つのパッチアンテナを垂直間隔をもって互いに重ねて配置し、同様に、内側のパッチアンテナを包囲する２つの環状パッチアンテナも同一の垂直間隔を空けて互いに重ねて配置し、それぞれ環状間隙を介して内側のパッチアンテナから分離する構造が選択される。
基本構造を構成するパッチアンテナ装置は、特許文献８に開示される。このパッチアンテナ装置は、上面で内側に配置される矩形のパッチアンテナと、矩形のパッチアンテナを包囲する枠状のパッチアンテナと、２つのパッチアンテナ間に形成される離間間隙とを有する。また、同様に離間間隙により互いに分離される２つの冠状パッチアンテナが設けられ、中央の冠状パッチアンテナは、直下に配置されかつ給電される同心パッチアンテナの直上に配置され、第２の枠状の冠状パッチアンテナは、下方の枠状の放射器面の直上に位置決めされる。
欧州特許第１６１６３６７号公報 独国特許第１０２００４０１６１５８号公報 米国特許第７４０５７００号公報 米国特許公開第２００９／００５８７３１号公報 米国特許公開第２０１０／０２８３６８４号公報 米国特許第７２５３７７０号公報 米国特許公開第２００３／００５２８２５号公報 米国特許公開第２０１０／０１７１６７９号公報
前記先行技術を背景として、本発明の課題は、簡単な手段によりかつ最小の利用空間を有し右円偏波又は左円偏波の電磁波を送信し又は受信できるパッチアンテナ装置を構成できる改良されたパッチアンテナ装置を提供することである。
本発明では、請求項１に記載する特徴によりこの課題を解決する。本発明の好適な実施の形態を下位請求項に記載する。
本発明によるパッチアンテナ装置は、特に、比較的小さい必要な利用空間を備え、例えば全地球測位網（GPS）信号の受信に適し、包括的に地球を基準として静止位置の決定に適することを特徴とする。この種のアンテナ装置には、本発明の技術的範囲内でも、通常パッチアンテナが使用される。
しかし、本発明によるパッチアンテナ装置は、更に、他の衛星信号、例えば衛星デジタル音声ラジオサービス（SDARS）又はシリウスラジオ（SiriusXM）標準に従って送信され、特に北米で受信されるラジオ番組を受信する可能性も拓く。
その場合に、本発明の解決法では、（例えば、全地球測位網（GPS）信号を受信する）パッチアンテナ装置に基づき、付加的に設けられる環状又は枠状パッチアンテナは、離間間隙を形成してパッチアンテナ装置のパッチ面を包囲する。環状又は枠状パッチアンテナは、例えば、衛星デジタル音声ラジオサービス（SDARS）又はシリウスラジオ（SiriusXM）衛星放送信号を受信する他のパッチアンテナとして用いられる。
環状又は枠状のパッチアンテナを中央のパッチアンテナに電気的に接続する（例えば、中央の給電線のみを介してパッチアンテナ装置全体に給電する）ため、本発明の技術的範囲内では、従来とは異なり、２つのパッチアンテナ装置は、信号を受信する共通の冠状パッチアンテナによって覆われる。その場合に、冠状パッチアンテナと、下方の中央のパッチアンテナの信号を送信する放射パッチアンテナは、２つのパッチアンテナ面間に静電容量を蓄積する平板コンデンサを形成する。それにより、本発明の技術的範囲では、中央のパッチ電極から環状パッチアンテナにエネルギを伝達でき又はエネルギを逆に伝達することができる。その場合に、静電容量に対しパッチ面の面積が重要となる一方、他方では中央のパッチ電極と環状パッチアンテナとの間の間隔が重要である。その意味では、環状又は枠状のパッチアンテナに対し、中央のパッチアンテナへの間接的給電となる。
そこで、本発明による解決法は、例えば、基本構造を形成する従来の技術、特許文献８又は特許文献３に対して大きな利点を有する。即ち、基本構造を形成する従来の技術では、中央のパッチ電極を包囲する環状又は枠状のパッチ電極面と中央のパッチ電極との間の離間間隙を極端に細く、即ち小さくして確実に電気的に結合する必要がある。本発明の技術的範囲内で設けられる冠状パッチアンテナにより、許容誤差が比較的大きくても、環状又は枠状のパッチ電極と中央のパッチ電極面との間に各段で改良された電気的結合を形成することができる。これにより、最終的に著しい製造価格上の利点も生ずる。即ち、本発明によるパッチアンテナ装置では、離間間隙に関する最小の偏差で離間間隙の最適な大きさに対して最小の変化が生じても、離間間隙の変化がアンテナの送信品質又は受信品質に容易に検知できる劣化を直接招来する従来の欠点を生じないからである。
好適な手段では、中央パッチアンテナ、即ち中央パッチアンテナの放射面の幾何学的選択により、左円偏波放射又は右円偏波放射のパッチアンテナを決定することができる。衛星デジタル音声ラジオサービス（SDARS）アンテナでは、左円偏波に中央パッチアンテナを調節しなければならない。その場合に、必要な形状を付与して環状パッチアンテナを右円偏波放射に調節できるとき、例えば、衛星デジタル音声ラジオサービス（SDARS）又はシリウス放送（SiriusXM）信号の受信に適する。
例えば、放射面の前記形状付与により、特に既知のようにアンテナ給電位置を適切に位置決めするとき、矩形に形成されるパッチ面の直径方向に対向する２つの角部に面取り部を形成して、中央に配置されるパッチアンテナの放射面を右円偏波作用に適切に調節できる。
別法として、角度９０°変位する２本の給電線を介する給電による適切な位相偏移では、左円偏波又は右円偏波される電磁波を決定することができる。従って、この原理により、円い、特に円形のパッチ電極面を中央のパッチ電極に使用することができる。この場合に、円形に近似する電極内縁を有する環状パッチアンテナは、少なくとも近似的に円板状又は円形に形成されるパッチ電極面を僅かな離間間隙で包囲する。例えば、外側に配置される環状パッチアンテナの電極外縁を少なくとも近似的に矩形に形成できる。環状パッチアンテナの電極外縁には、極めて多様な変形例と変更が可能である。
本発明による前記原理の変形例では、他の手段で環状パッチアンテナ内の分極又は偏波の発生を設定することもできる。変形実施の形態では、本発明の技術範囲内で、冠状パッチアンテナと接地電位との間の通電接触部により、環状パッチアンテナ内に右円偏波を発生できる。その場合に、通電接触部は、中央のパッチアンテナの放射パッチには接続されない。その場合に、偏波（分極）方向を定めることは、前記と同様に、通電接触部の位置に依存し、通電接触部は、給電線に対し角度９０°変位して位置決めされる（パッチアンテナ装置の平面図上）。
そこで、中央のパッチ電極と、中央のパッチ電極を包囲する環状又は枠状のパッチ電極の上方に離間する原則的に平行な電磁面又は層のみにより冠状パッチアンテナを形成する必要はなく、例えば、冠状パッチアンテナに切欠きを設け又は冠状パッチアンテナの一周する端縁に屈曲部を設けることができ、少なくとも下方の基板から離間する方向成分を有する屈曲部を延伸し又は必要な成分を有する基板方向に延伸できることが重要である。その意味では、中央のパッチ電極と環状又は枠状のパッチ電極の領域内でパッチ面の上方の平面内に冠状パッチアンテナのパッチ部分、即ちパッチ面部分のみを配置すればよい。
また、環状又は枠状の電極に冠状パッチアンテナを通電接続することもできる。この場合に、中央のパッチ電極と冠状パッチアンテナとの間にのみ容量結合が存在する。逆に、中央のパッチ電極に冠状パッチアンテナを通電接続し又は冠状パッチアンテナから突出し、例えば、環状又は枠状のパッチ電極の上方に一周する環状又は枠状の突出部のみにより容量結合を形成し、それに対して間隔を空けて設けかつ形成することもできる。この場合に、冠状パッチアンテナと環状又は枠状の電極との間にのみ容量結合が存在する。
本発明によるパッチアンテナ装置は、特に、従来のパッチアンテナ装置に対し形成と製造の観点から顕著に有利な作用効果を生ずる点に特徴がある。
本発明の他の利点、詳細及び特徴は、下記実施の形態から明らかとなろう。
本発明によるパッチアンテナ装置の第１の実施の形態の斜視図 頂部に配置する冠状パッチアンテナを除去した平面図 パッチ面と給電線とを示す垂直断面図 パッチアンテナ装置の共振周波数変化を示すグラフ 上部に配置する冠状パッチアンテナの上面を示す変形実施の形態の斜視図 頂部に配置する冠状パッチアンテナを除去したパッチアンテナ装置の平面図 パッチ電極の給電線と接地電位面と冠状パッチアンテナの間の通電接触部とを通過する平面に沿う断面図 図８ａ〜図８ｄは、パッチ電極の４種の実施の形態の平面図 図９ａ〜図９ｄは、突出部又は切欠きを形成した基本的に矩形のパッチ電極を示す４種の平面図 図１０ａ〜図１０ｄは、同様に突出部又は切欠きを形成したパッチ電極のる４種の変形実施の形態を示す平面図 円形又は円板状の中央パッチ電極と、中央パッチ電極を包囲する円形の電極内縁と矩形の電極外縁とを備える環状又は枠状パッチ電極とを有する多重パッチアンテナ装置を示す平面図 図１２ａ〜図１２ｃは、環状パッチアンテナを越えて張り出す冠状パッチアンテナ、パッチ放射器の内側に配置される切欠き及び冠状パッチアンテナの周縁から内側に延伸する切欠きを設けた変形実施の形態の平面図 図１３ａと図１３ｂは、様々な幾何学形状に冠状パッチアンテナを形成できる代表的な２種の変形実施の形態を示す平面図 図１４ａと図１４ｂは、異なる形状の端縁を有する冠状パッチアンテナの断面図 図１５ａと図１５ｂは、別の形状の端縁を有する冠状パッチアンテナの断面図 図１６ａと図１６ｂは、更に別の形状の端縁を有する冠状パッチアンテナの断面図 複数の分離するＬ型舌片を有する冠状パッチアンテナの斜視図 冠状パッチアンテナと下方のパッチ電極との間に誘電体を配置した変形実施の形態の斜視図 図１８ａの実施の形態の断面図 環状又は枠状のパッチアンテナに通電接続した冠状パッチアンテナを中央のパッチ電極から離間した断面図 中央のパッチ電極に通電接続した冠状パッチアンテナを環状又は枠状のパッチ電極に容量結合した断面図
図１〜図３は、本発明によるパッチアンテナ装置の第１の実施の形態を示す。図示のように、パッチアンテナ装置は、パッチ放射器7（送信用又は受信用）の電力供給を受けるパッチ面7’、即ち給電されるパッチ面7を形成する第１のパッチアンテナAを有し、パッチ面7は、基板若しくは誘電体5上又は誘電体5の上部5a上に配置される金属化部又は金属面を有する。
誘電体5の上部5aに平行な下部5bの表面に設けられる接地電位面9は、アンテナの平衡錘部（カウンタバランサ）又は平衡錘面として設けられる。
誘電体5の上部5aと下部5bに対して横方向、即ち特に垂直に延伸する誘電体5内の孔5a内に配置される給電線11は、基板5の下部からパッチ電極7の通電されるパッチ面7に接続され、給電線11を介してパッチ電極7に電力が供給される。
図２から明らかなように、図示の実施の形態では、本来の電気的作用を行うパッチ面7’は、矩形かつ特に方形に形成され、金属化されたパッチ面7’を除去した面取り部15が対向する２つの角部13に形成される。パッチアンテナ7のパッチ面7’は、適切に位置決めされる給電線11に給電部11aで接続され、パッチアンテナAは、右旋回共振周波数か又は左旋回共振周波数かが定められる。この場合の周波数は、下記の通り設定される。左旋回共振周波数のパッチ放射器7を使用する好適な中心周波数２.３２GHzでは、左旋回共振周波数を生ずるパッチアンテナAは、衛星デジタル音声ラジオサービス（SDARS）標準規格を介して送信される衛星デジタル音声ラジオサービス（SDARS）又はシリウス放送（SiriusXM）標準規格に基づく衛星放送番組の受信に適し、特に北米での衛星放送から送信される該当ラジオ番組の受信に適する。
比較的小さい離間間隔17で環状又は枠状のパッチ面19’を有する環状パッチアンテナ19によりパッチ電極7の外周面7aを包囲して、第２のパッチアンテナBが形成される。
図示の実施の形態では、パッチ電極7内の面取り部15（斜角面）に隣接しかつ内側のパッチ電極面7’の一周する電極外縁7aに僅かな離間間隔17で隣接する基本的に矩形又は方形の枠状に環状パッチアンテナ19を形成することが好ましく、環状パッチアンテナ19の電極内縁19aも、矩形に形成することが好ましい。電極内縁19aとは反対側の環状又は枠状パッチアンテナ19の外側を向く電極外縁19bは、基本的に同様に少なくとも近似的に矩形又は方形に形成され、対向する２つの角部19cに同様な面取り部21が形成され、パッチアンテナBの金属化された又は金属薄板からなる面の該当する材料は、面取り部21では除去される。
環状又は枠状の環状パッチ電極面19’を有する環状パッチ又は枠状パッチアンテナ19は、パッチ電極7と同様に平坦な金属化面として形成され、図示の実施の実施の形態では、誘電体5の同一の表面又は上部5aに取り付けられるので、パッチアンテナBの環状パッチ電極19と第１のパッチアンテナAのパッチ電極7は、共通の平面EP（図３）内に配置される。
図示の実施の形態では、冠状パッチアンテナ23は、共通の平面EPの上方に僅かな間隔Dを空けてかつ平面EPに隣接して、同様に平坦な金属化面又は金属化層として少なくとも単一の平面EA上に形成される第３のパッチ面となる冠状パッチ面23'を有する。
絶縁体又は誘電体形式の両面接着層25を介在させて、誘電体5の上部5a上に冠状パッチアンテナ23を配置し、環状パッチ電極19に対して平行に隣接して延びる冠状パッチアンテナ23とパッチ電極７及び環状パッチ電極19との間を不通電状態に維持できる。
接地電位面又はパッチ面7’、環状若しくは枠状パッチアンテナ19又は冠状パッチアンテナ23を、例えばそれぞれ適切な金属層、例えば金属薄板又は金属箔により構成することができる。その場合に、誘電体上又は基板5上に他の層を接着することができる。例えば、パッチ電極7と環状パッチアンテナ19の上部又は基板5の上部5aの残留部上に冠状パッチアンテナ23を両面接着箔により接着することができる。
図示のように、パッチアンテナ装置全体の縦寸法と横寸法の全体は、誘電体5の上部5a上の枠状パッチアンテナ又は環状パッチアンテナBの最大の縦寸法と横寸法よりもかなり大きい。図１は、パッチアンテナ装置全体の斜視図を示し、図２は、冠状パッチ23と、場合により冠状パッチ23の固定に用いる接着箔25とを除去した第１のパッチアンテナAと第２のパッチアンテナBの平面図を示す。
図３は、給電線11を通るパッチアンテナ装置の断面を示す。
縦方向と横方向の各側で枠状又は環状のパッチ電極19を少なくとも１０%、好ましくは１５%より多く、特に２０%より多く越えて、誘電体又は基板5は、パッチ電極19から張り出すが、枠状又は環状のパッチ電極19の最大の縦寸法及び／又は横寸法の長さの５０%より少なく、特に４０%より少なく、かつ３０%〜２５%張り出すように、装置全体の寸法設計を選択することができる。
誘電体5の角部領域は、丸められるが、必ずしも丸める必要はない。誘電体は、原則的に適切な種々の誘電体材料、例えばセラミック材を使用することができる。
図示のアンテナ構造では、給電部11aからパッチ電極7に電力が供給されるが、電力供給ではなく、電荷又は静電容量を付与し励起することもできる。
アンテナ給電の前記位置と、対向する角部に形成される斜角部又は面取り部21は、放射される電磁場の偏波又は分極を定める。図示の例では、電気的に動作するパッチ電極7は、前記のように、特に衛星デジタル音声ラジオサービス（SDARS）動作又はシリウス放送（Sirius/XM）動作では、左旋回に偏波又は分極される。
接着層又は箔として実現できる冠状パッチアンテナ23形式の金属製の冠状アンテナ（通電されるパッチアンテナ装置）を設けて、第２のパッチアンテナBの環状パッチ電極19を励起することができる。
従って、パッチ電極7から冠状パッチアンテナ23を介して電気エネルギを環状パッチ電極19に伝達する平板コンデンサ（静電容量）をパッチ電極7と冠状パッチアンテナ23により構成できる。
平板コンデンサの静電容量に決定的な要因は、パッチ電極7、冠状パッチアンテナ23の面積と環状パッチアンテナ19の面積及び平面EPと冠状パッチアンテナ23の平面EAの間の間隔である。各斜角部、即ち中央のパッチ電極7に設けられる斜角部又は面取り部15及び第２のパッチアンテナ装置Bの環状パッチアンテナ又は枠状パッチアンテナ19に設けられる斜角部又は面取り部21の配置から電磁場の偏波又は分極が決定される。
枠状の環状パッチ電極19の内部に配置されるパッチ電極7には、斜角部又は面取り部15が形成され、面取り部15の外側に配置される斜角部又は面取り部21が環状パッチ電極19に設けられ、環状パッチ電極19の斜角部又は面取り部21は、パッチ電極7の斜角部又は面取り部15に対して角度９０°変位して配置されるので、環状パッチ電極21は、内側に配置されるパッチ電極7に対して逆旋回に分極又は偏波され、本例では右旋回に分極又は偏波される。従って、環状パッチ電極21は、例えば全地球測位網（GPS）等の衛星支援されるシステムの該当する位置データの受信に適する。
従って、例えば、衛星から各々送信される全地球測位網（GPS）信号と衛星デジタル音声ラジオサービス（SDARS）番組の受信に駆動できる小型で最小空間内にマルチバンド（複数周波数帯）パッチアンテナ装置を異なる２つの周波数領域内で形成できる。
図４は、例えば、中央のパッチアンテナAによる全地球測位網（GPS）アンテナの共振周波数「１」：１.５７５GHzと、環状又は枠状パッチアンテナBによる衛星デジタル音声ラジオサービス（SDARS）アンテナの共振周波数（中心周波数）「２」：２.３３２GHz（２.３２０〜２.３４５GHz周波数範囲内）とを示す。
勿論、マルチバンドパッチアンテナ装置の前記寸法設計を変更することができる。例えば、好ましくは２０mm〜４０mm、特に３０mmの縦寸法と横寸法をパッチアンテナの基板に付与することができる。例えば、２mm〜６mm間で、特に３mm〜５mm間で基板の高さを変更することができるが、好ましくは４mmである。
本来の同心パッチ、即ちパッチ電極面7’の縦寸法と横寸法は、１５mm〜３０mm間、特に１８mm〜２５mm間の値に設定することができる。
それに続く環状は、中央のパッチ電極7の縦寸法と横寸法での外側寸法よりも５０%だけ大きい外側寸法を付与することができる。例えば、内側に配置されるパッチ電極の大きさに依存してこの種の値を変更でき、特に、環状パッチアンテナの電極内縁は、２０mm〜３０mm間、特に２５mmが好ましいのに対し、好ましくは２５mm〜３５mm間、特に３０mmの寸法を縦方向と横方向の電極外縁に付与することができる。本実施の形態では、中央のパッチ電極7と環状又は枠状パッチアンテナ19との間の離間間隔17は、通常好ましくは０.５mm〜４mm間、特に１mm〜３mm間、好ましくは１.５mm〜２.５mm間で変更でき、例えば２mmがよい。
少なくとも第２のパッチアンテナ7の環状又は枠状パッチアンテナ19の外側に配置される電極外縁19bに達する大きさを冠状電極23に付与することが好ましい。しかしながら、冠状電極23の縦寸法と横寸法を更に大きくしてもよい。図示の実施の形態では、多少の差はあっても基板、誘電体5の縦寸法と横寸法に相当する寸法で冠状パッチアンテナ23の縦寸法と横寸法が設計される。しかしながら、基板を越えて、冠状パッチアンテナ23を張り出すこともできる。また、任意の材料で基板5を形成できることに注意すべきである。例えば、２〜３０間、特に５〜２５間の比誘電率値εrを有する基板が好ましい。図示の実施の形態では、パッチアンテナAでも枠状パッチアンテナBでも覆われない誘電体の表面端縁領域5cが冠状パッチアンテナ23により覆われる。
第１の実施の形態に類似する変形実施の形態を図５〜図７について、以下説明する。
図５〜図７の実施の形態では、環状パッチ電極19内の偏波又は分極の発生が、前記実施の形態とは異なる。
図示の変形例では、接地電位面9（アンテナの平衡錘部面）と冠状パッチアンテナ23との間に通電接続する例えば、導線装置27形式の通電接続部が付加的に設けられる。しかしながら、通電接続部又は導線装置27は、本来のパッチ電極7とではなく、接続部27aで冠状パッチアンテナ23に電気的に接続される。
図６に示す平面図から明らかなように、前記実施の形態と同様に、誘電体5の上部5aと下部5bに対して垂直、かつ従ってパッチ電極7、環状パッチ電極19及び冠状パッチ面23に対して垂直に導線装置27が配置され延伸する。即ち、この装置では、電極面7’, 19’に対して垂直かつ給電線11に対して平行に延伸する中心軸X回りに給電線11に対し角度９０°変位して導線装置27の給電部27aを配置することが好ましい。
従って、本実施の形態では、内側に配置されるパッチ電極9の面取り部又は斜角部を配置する位置と同一の隣接する角部領域に互いに１８０°変位して外側角部19bに設けられる一対の面取り部又は斜角部21を配置しかつ設けることができる。
特に、該当する位相偏移に位相偏移導線を適合させるとき、中心軸を中心として前記のように角度９０°変位する給電線73a,73bの代わりに、給電部の他の位相偏移手段を設けることもできる。その点で原則的に公知の手段と解決法を適用することができる。
従って、前記実施の形態は、同心パッチアンテナと、同心パッチアンテナを包囲する環状又は枠状パッチアンテナとをパッチアンテナ装置に設けて、逆円分極又は逆円偏波電磁波を受信及び／又は送信できる変形例を含む。その場合に、単一の給電線を介して送信時に給電し、パッチアンテナAのパッチ面7’を介して給電を行うことが好ましい。冠状パッチアンテナ23を介して（容量結合により）かつ／又は位相偏移導線を介して環状又は枠状のパッチアンテナ19の別体の給電により、環状又は枠状のパッチアンテナに給電することが好ましい。電磁波の受信時に、互いに変位する２つの周波数帯域内で共通の給電線11を介して受信する電磁波を後段の電子素子に供給することが好ましい。最後に、前記実施の形態では、環状又は枠状のパッチアンテナ19から冠状パッチアンテナ19の容量結合を介して中央パッチ電極7に受信信号を供給し、また、中央パッチ電極7から給電線11と、給電線11の端部に設けられる給電部75とを介して後段の電子素子に受信信号を供給できる。送信励起時には、逆方向に給電される。その場合に、少なくとも実質的に同一平面上でかつ中心軸Xに対して同心に中央パッチアンテナ7と環状又は枠状パッチアンテナ（環状パッチ電極）19とを配置し、基板5又は上部5a又は下部5b及び／又はパッチ面7の平面を中心軸が垂直に貫通することが好ましい。
前記実施の形態を説明する図１〜図４は、ビームを成形しない変形例を示し、図５〜図７は、ビームを成形する変形例を示す。
図１〜図４の第１の変形実施の形態では、前記のように、通電給電（給電線11）により、パッチ電極7を励起して、静電容量により給電を行うこともできる。電磁波の受信時に、受信信号は、パッチ電極7から給電線11に伝達される。アンテナ給電の位置と位相は、放射する電磁場又は受信する電磁場の分極又は偏波を定める。前記実施の形態では、パッチ電極7は、左円偏波される（シリウス放送、Sirius-XM-サービス）。上面に冠状に接着される金属薄板又は金属箔により冠状パッチアンテナ23を形成して、環状又は枠状の電極19を励起することが好ましい。
中央パッチアンテナ7、即ち、パッチ電極7と冠状電極23は、送信時にパッチ面（パッチ電極）7から環状にエネルギを伝送し、受信時に逆方向にエネルギを伝達できる平板コンデンサ（静電容量）を形成する。静電容量に決定的な要因は、面積と間隔である。環状又は枠状のパッチ電極19の位相により、分極又は偏波が定められる。前記実施の形態では、環状又は枠状のパッチ電極19は、右円偏波の電波を受信し又は送信する［例えば、衛星利用測位システム（GPS）サービス用］。
図５〜図７に示す第２の変形実施の形態では、前記実施の形態に基づく機能原理を基本的に使用する。しかしながら、図１〜図４に示す実施の形態とは異なり、第２の変形実施の形態では、環状又は枠状のパッチアンテナ19内の電波に分極又は偏波が生成される。即ち、図５〜図７に示す変形実施の形態では、冠状パッチアンテナ23と、パッチ面7’とは非接続の接地電位面9との間の通電接続部を用いて、右円偏波が生成される。そのとき、通電接触部27の位置は、決定的な要因である。即ち、通電接触部27は、給電線11に対して角度９０°変位し又は実質的に角度９０°変位するからである。付加的に、ビームを成形（beam forming）する通電接触部27によりアンテナ利得ローブ（ビーム）を数度だけ傾斜させることができる。
次に、図８ａ〜図１０ｄは、環状パッチ電極19の内部に配置されるパッチ電極7の上面での成形法を示す平面図である。例えば、対向する角部に面取り部のみを設ける例、角張る切欠き15a、対向する側細片に細長い切欠きを設ける例、パッチ電極面7の長手側又は電極外縁に突出する矩形舌片若しくは突片を設ける例又は角部領域に対角線状に張出す突片を設ける例もある。また、例えば、対向する２つの側境界に対して垂直に又は好ましくは矩形のパッチ電極面7の対角線方向に延伸する適切な切欠き、長孔切欠きを設けることもできる。
また、Ｘ軸とＹ軸は、パッチ電極面7’,19’を配置する平面EP内で互いに直角に配置される。例えば、図８ａは、互いに角度９０°変位する２つの給電部F1とF2を通じて、互いに角度９０°偏移する給電を行い、円分極又は円偏波する電磁波を発生する第１のパッチアンテナAの基本原理から円形又は円板状のパッチ電極７の平面を示す。
図８ｂは、通常互いに平行に延伸して２つの給電部F1,F2の各々でパッチ電極7に通電接続又は容量結合される２つの給電線11を有するが、図８ａとは異なる正方形に形成されるパッチ電極7の平面図を示す。従って、第２の給電線は、前記実施の形態での第１の給電線と同様に給電される。
図８ｃと図８ｄは、給電線11のみを介して給電部Fにて各パッチ電極7に給電し、互いに角度１８０°対向して配置される切欠き15a又は面取り部15の一方は、給電部Fに対して角度４５°変位して配置される変形実施の形態を示す。
従って、図８ｃと図８ｄに示す実施の形態では、パッチ電極7に設けられる突出部若しくは切欠き15a又は面取り部15は、パッチ電極7の中心点Zから角度４５°変位して、給電部Fの方向が定められる。
例えば、図９ａ〜図９ｄに示す全変形実施の形態では、中央のパッチ電極7は、給電部Fに通電接続又は容量結合されて電気的に接続され、単一の給電線により作動する。
図９ａに示す変形実施の形態では、傾斜する面取り部ではなく、矩形の切欠き15bが角部領域に設けられる。
図９ｂは、角度１８０度離間して一対の傾斜面取り部を設けたパッチ電極面7’を示す。
図９ｃは、舌片状又は矩形の拡幅部15cを角部領域に設ける変形実施の形態を示す。図９ｄは、パッチ電極面7’内で対角線に沿って配置される開口状、特に矩形の切欠き15dを示す。
図１０ａは、矩形又は方形のパッチ電極の一対の長手縁に沿って細片状の拡幅部15eを設け、同時に、分極方向又は偏波方向を定める位置と位置決めを考慮すべき単一の給電線11を給電部Fに通電接続又は容量結合して、パッチ電極7に電気的に接続する変形実施の形態を示す。
図１０ｂは、パッチ電極7の一方の長手縁の部分長さだけ矩形に突出する舌片又は拡幅部15fを設けた変形実施の形態を示す。
図１０ｃは、矩形又は方形のパッチアンテナ装置の平行な２つの対向縁に対して、傾斜せずに、垂直又は平行に長方形の切欠き15dを設ける変形実施の形態を示す。
図１０ｄは、単一の給電線11と共に中央のパッチ電極7の分極方向又は偏波方向を定める舌片形状又は矩形の切欠き15gを２つの対向縁の内側に設ける変形実施の形態を示す。
図１１は、図８ａ又は図８ｃと同様に形成できかつ基本的に円形又は円板状のパッチアンテナAを有するマルチパッチアンテナ装置の変形実施の形態の平面図を示す。
また、本実施の形態では、円形の内側に配置されるパッチ電極7を包囲する環状又は枠状パッチアンテナBは、矩形又は基本的に四角い外側輪郭線を有し、パッチアンテナBの外側輪郭線に該当する切欠き又は斜角部を形成して、中央のパッチ電極7に対して逆旋回の電磁波を発生させるものである。
図８ｂに示す実施の形態を補い、パッチ電極7と、パッチ電極7を包囲する環状電極19とを冠状パッチアンテナ23の下方に形成する方法を図１１に示す。この変形実施の形態では、程度の差があっても円形又は円板状のパッチ電極7を使用して、中央のパッチ電極7と環状電極19との間に幅狭の環状の離間間隔17を形成し、円形の形成内縁19aを環状電極19に設けることが好ましい。程度の差はあっても、環状電極19の電極外縁19bを矩形又は方形に形成し、該当する一対の面取り部又は斜角部21を角度１８０°変位して設けて、逆円分極される電波を設定することが好ましい。
図１２ａ〜図１２ｃは、冠状パッチアンテナ23、即ち冠状パッチ面23’の形成法及び／又は寸法設計法を示す平面図である。図１２ａは、下方の環状又は枠状のパッチアンテナ19の外側寸法を超えて側方に、平面図上縦方向にも横方向にも側方に突出し又は張り出す冠状パッチアンテナ23、即ち冠状パッチ面23’を示す。冠状パッチ面23’の縦方向と横方向は、下方の環状パッチ電極19、即ち環状パッチ電極面19’の最大の縦及び横の延びに少なくとも相当することが好ましい。
図１２ｂは、中心開口部41を設けた冠状パッチ面23’の平面図を示す。本実施の形態では、冠状パッチアンテナ23の中心に開口部（図示の例では円形の切欠穴）41を設けることが好ましい。また、大きい単一の切欠穴又は複数の切欠穴を冠状パッチアンテナ23内の種々の箇所に設けることもできる。その場合に、切欠穴の形状と大きさを適宜変更することができる。
図１２ｃは、冠状パッチ電極23の角部領域内に面取り部43を形成しかつ側縁から内側に向かって延伸する切欠き45又は湾曲する切込みを設けて、下方に配置される環状又は枠状パッチアンテナ19又はその一部を切欠き45を通じて目視できる平面図を示す。
図１３ａと図１３ｂは、必ずしも矩形又は角張る形状に冠状パッチアンテナ23を限定せずに、円形状又は図１３ｂに示す五角形等の規則的な多角形に形成することが好ましい冠状パッチアンテナ23の平面図を示す。
図１４ａと図１４ｂは、周端縁に一周する又は部分的に形成される冠状パッチ側面123を冠状パッチアンテナ23に設ける側面図を示し、図１４ａは、冠状パッチ側面123を下方の基板5側に折り曲げられる例を示し、図１４ｂは、冠状パッチ側面123を下方の基板（誘電体）5から離間する側に折り曲げる例を示す。
図１５ａと図１５ｂは、冠状パッチ側面123をそれぞれ上方に垂直に又はパッチ面7’から離間する方向又はパッチ面7若しくは誘電体5の上部5aに向かう方向に折り曲げる側面図を示す。
図１６ａと図１６ｂは、一周する又は部分的に段差状のフランジ123を設ける冠状パッチアンテナ23の実施の形態の断面図を示し、図１６ａは、フランジ123の端縁が、基板又は誘電体5から離間して延伸し、図１６ｂは、フランジ123が基板及びパッチ面7に接近する方向に延伸する例を示す。
図１７は、側方に屈曲する端縁部分12を冠状パッチアンテナ23に設けかつ別体の又は互いに分離する複数の屈曲部123’を設ける斜視図を示し、屈曲部123’は、例えば鉤状、Ｌ型等の形式に形成され、一方のＬ型舌片123aは、本来のパッチ面7’から離間する方向に延伸し、後段の他のＬ型舌片123bは、例えば平面図上、冠状パッチアンテナのパッチ電極7と重なってかつ平行に配置される。
図１８ａは、セラミック製の誘電体5の上部5aにパッチ面7を形成し、パッチ面7とパッチ面7'を包囲する環状又は枠状パッチアンテナ19とを誘電体5に設け、誘電体5と冠状パッチアンテナ23との間に他の付加的な誘電体47を設けて、誘電体47の上部47aから間隔を空けて冠状パッチアンテナ23を配置し又は保持することが好ましい斜視図を示し、図１８ｂは、その側面図又は断面図である。
換言すると、下方のパッチ面7及びパッチ面7を包囲する環状又は枠状のパッチ電極19と冠状パッチアンテナ23との間に空間を形成し、付加的な誘電体47、即ち誘電体層47により、空間の全高さ又は部分高さを充填する。また、この種の誘電体47により、この空間を部分的にのみ充填することもできる。誘電体47は、例えば箔製又は箔を含む材料で形成される（例えば、両面接着性箔形式）。
しかし、図示の実施の形態では、付加的な誘電体47は、誘電体5の周端縁のみに形成され、誘電体5の表面部5c内では、下方の誘電体上に載置されかつ堅固に結合され、例えば接着され又は一体に形成され、誘電体47と表面部5cとの間には、中央パッチアンテナ7も枠状パッチアンテナ19も形成されない。付加的な誘電体47は、枠状ではあるが、少なくとも部分的に枠状パッチアンテナ19も中央のパッチアンテナ7も一体に覆う任意の変形を設けることができる。
最後に、図１９ａと図１９ｂは、他の変形実施の形態を示す。
図１９ａは、環状又は枠状パッチアンテナ19に対して冠状パッチアンテナ23を保持する一周する又は部分的な端縁部23aを冠状パッチアンテナ23に設ける好適な断面図を示す。一周する端縁23aは、環状又は枠状のパッチアンテナ19に通電接続され、中央に設けられたパッチ電極7と冠状パッチアンテナ23との間にのみ容量結合が設けられる。
図１９ｂに示す変形実施の形態では、図１９ａの例とは異なり、パッチ電極7の中央部に結合される。図１９ｂでは、冠状パッチアンテナ23は、中央パッチ電極7に通電接続される。
図示の変形実施の形態では、同心パッチアンテナ7の平面から隆起しかつＬ型部23cを介して中央のパッチ電極7に通電接続される環状又は枠状の領域23bのみに冠状パッチアンテナを設け、環状又は枠状の冠状パッチアンテナ23と環状又は枠状のパッチ電極19との間にのみ容量結合が形成される。その場合に、Ｌ型部23cの内側に設けられる基礎部を有する一体の金属薄板として形成できる冠状パッチアンテナ23を全面でパッチ電極Aに通電接続される。従って、図１９ａの実施の形態と同様に、支持機能を有する段付打抜き金属薄板として冠状パッチアンテナ23を形成できる。
(A)・・パッチアンテナ、 (B)・・環状パッチアンテナ、 (5)・・誘電体、 (5a)・・上部、 (5b)・・下部、 (7)・・パッチ電極、 (7’)・・パッチ電極面、 (9)・・接地電位面、 (11)・・給電線、 (17)・・間隔又は離間間隔、 (19)・・環状又は枠状パッチ電極、 (19’)・・枠状パッチ電極面、 (23)・・冠状パッチアンテナ、

Claims (26)

  1. パッチアンテナ(A)と、冠状パッチアンテナ(23)とを備え、
    パッチアンテナ(A)は、長さ、幅及び高さを有する誘電体(5)と、誘電体(5)の上部(5a)上に配置されるパッチ電極面(7’)を形成するパッチ電極(7)と、誘電体(5)の下部(5b)に設けられる好ましくは接地電位面(9)とを備え、
    パッチ電極(7)は、少なくとも１本の給電線(11)を介して通電接続又は容量結合により給電され、
    誘電体(5)は、誘電体(5)の上部(5a)上に配置されるパッチ電極面(7’)の長さ及び幅よりも大きい長さと幅を有し、
    パッチ電極面(7’)の周囲は、環状パッチアンテナ(B)を形成する環状又は枠状パッチ電極(19)により包囲され、
    パッチ電極面(7')を包囲する環状又は枠状パッチ電極(19)とパッチ電極面(7’)との間に、通電を遮断する間隔又は離間間隔(17)が設けられ、
    パッチ電極(7)は、左円偏波される電磁波を発生可能又は受信可能に形成され又は給電され、
    パッチ電極(7)を包囲する環状パッチ電極(19)は、逆円分極される電磁波を送信可能及び／又は受信可能に形成され、
    誘電体(5)に対向してパッチ電極面(7’)から離間してかつ環状又は枠状パッチ電極(19)から離間して冠状パッチアンテナ(23)を配置したパッチアンテナ装置において、
    パッチ電極面(7’)も枠状パッチ電極面(19’)も少なくとも部分的に包囲し又は覆う縦方向及び横方向の領域を冠状パッチアンテナ(23)に設けたことを特徴とするパッチアンテナ装置。
  2. 共通の平面(EP)内にパッチ電極面(7’)と環状パッチ電極面(19’)を配置した請求項１に記載のパッチアンテナ装置。
  3. パッチ電極面(7’)及び環状又は枠状パッチ電極面(19’)と、冠状パッチアンテナ(23)との間に箔を配置した請求項１又は２に記載のパッチアンテナ装置。
  4. パッチ電極(7)の対向する２つの角部領域に面取り部又は斜角部(15)を形成し、少なくとも角部領域(13)にＬ型の切欠き(15a,15b)を形成し、角部領域(13)に斜めに張り出す拡幅部(15c)及び／又は平面図上傾斜して配置される開口状又は好ましくは矩形の切欠き(15d)をパッチ電極(7)に設け、給電線(11)を介してパッチ電極(7)に給電する請求項１〜３の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  5. パッチ電極(7)は、側部の全長にわたり又は部分長さのみにわたり、拡幅部(15e,15f)、１つ又は複数の側部分に内側へ延びる切欠き(15a)、好ましくは矩形の切欠き(15g)、及び／又は長手開口、好ましくはパッチ電極面(7’)の内部領域内の矩形の長手切欠き(15h)を有し、給電線(11)を介してパッチ電極(7)に給電する請求項１〜４の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  6. パッチ電極(7)の平面図上の中心点(Z)を通過してパッチアンテナ(7)の中央を貫通する軸回りに、各切欠き又は張り出す各拡幅部(15b,15c,15d,15e,15f,15g,15h)に向かう方向のベクトルに対して、角度４５°回転する位置に給電線(11)の給電部(F)を配置した請求項４又は５に記載のパッチアンテナ装置。
  7. 偏波平面領域内に角度９０°変位して配置される給電部(11a,11a’)を有する２本の給電線(11,11’)を介してパッチ電極(7)に給電する請求項１〜６の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  8. 誘電体(5)の下部(5b)上に設けられる接地電位面(9)と冠状パッチアンテナ(23)との間に誘電体(5)を通る通電接触部(27)を配置し、通電接触部(27)は、パッチ電極(7)に対し電気的に絶縁され、冠状パッチアンテナ(23)の平面図上、パッチ電極(7)及び／又は冠状パッチアンテナ(23)及び／又は誘電体(5)の中央の中心点(M)周りにパッチ電極(7)に設けられる給電線(11)の給電部(11a,F)に対して角度９０°変位して通電接触部(27)の給電部(27a)を配置した請求項１〜７の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  9. 左円偏波される電磁波を送信可能又は受信可能にパッチ電極(7)を形成しかつ右円偏波される電磁波を送信可能又は受信可能にパッチ電極(7)を包囲する環状又は枠状パッチ電極(19)を形成した請求項１〜８の少なくとも１項に記載のパッチアンテナ装置。
  10. 衛星デジタル音声ラジオサービス（SDARS）又はシリウス放送（SiriusXM）サービスを受信する共振周波数をパッチ電極(7)に付与し、地球を基準として静止衛星信号を受信する特にGPSサテライト信号を受信する共振周波数をアンテナとしての枠状又は環状のパッチ電極(19’)に付与した請求項１〜９の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  11. パッチ電極(7)の電極外縁(7a)に対して実質的に平行に延びる電極内縁(19a)を環状又は枠状パッチ電極(19)に設けた請求項１〜１０の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  12. 矩形、方形又は実質的に矩形又は方形の電極外縁(19b)を環状又は枠状のパッチ電極(19)に設けた請求項１〜１１の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  13. パッチ電極(7)に通電接続又は容量結合される給電線(11)をパッチ電極(7)に設けた請求項１〜１２の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  14. パッチ電極(7)の平面図上互いに角度９０°変位して配置される給電部(F1,F2)を通る２本の給電線(11)を介してパッチ電極(7)に給電する請求項１〜１３の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  15. 導電層、金属薄板又は導電性の箔として冠状パッチアンテナ(23)を形成した請求項１〜１４の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  16. 両面接着する接着箔により基板(5)の上部(5a)上にパッチ電極(7)と、パッチ電極(7)を包囲する枠状又は環状のパッチ電極(19)とを包囲し又は覆って冠状パッチアンテナ(23)を接着した請求項１〜１５の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  17. 枠状又は環状のパッチ電極(19)の最大の縦方向及び／又は横方向の延伸長さの少なくとも１０%、好ましくは１５%より多く、特に２０%より多く、かつ５０%より少なく、特に４０%より少なく、かつ３０%ないし２５%越えて、枠状又は環状のパッチ電極(19)から縦方向及び横方向に、特に各側において基板(5)を張り出させた請求項１〜１６の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  18. 基板(5)の上部(5a)を９０%より多く、特に９５%より多く覆い、好ましくは完全に冠状パッチアンテナ(23)により覆う請求項１〜１７の少なくとも１項に記載のパッチアンテナ装置。
  19. 基板(5)の下部(5b)に接地電位面又は平衡錘面を形成した請求項１〜１８の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  20. 冠状パッチアンテナ(23)の縦寸法及び横寸法は、下方に配置されるパッチ電極(7)の縦寸法及び横寸法に少なくとも合致する請求項１〜１９の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  21. 冠状パッチ面(23’)内に形成される少なくとも１つの開口部又は切欠き(41)及び／又は周端縁から内側に延びる切欠き(45)を冠状パッチアンテナ(23)に設けた請求項１〜２０の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  22. 平面図上円形、方形、矩形又は特に規則的な多角形の形式に冠状パッチアンテナ(23)を形成した請求項１〜２１の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  23. 冠状パッチアンテナ(23)の周端縁に一周して又は部分的に形成される冠状パッチ側面(123)を冠状パッチアンテナ(23)に設け、冠状パッチ側面(123)は、パッチ電極面(7’)に対して垂直に延びる少なくとも１つの舌片かつ／又は階段状又はＬ型状の突出部を有し、少なくとも１つの舌片は、パッチ電極(7)から離間する方向又はパッチ電極面(7’)に接近する方向に延伸する請求項１〜２２の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  24. 好ましくは樹脂製又はセラミック製の例えば薄膜の誘電体(47)を特に両面接着薄膜形式でパッチ電極(7)と冠状パッチアンテナ(23)との間に設けた請求項１〜２３の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  25. 好ましくは一周する又は部分的に設けられる端縁部分(23a)を介して冠状パッチアンテナ(23)を環状又は枠状のパッチ電極(19)に通電接続して、冠状パッチアンテナ(23)とパッチ電極(7)の間のみを容量結合した請求項１〜２４の何れか１項に記載のパッチアンテナ装置。
  26. 冠状パッチアンテナ(23)をパッチ電極(7)に通電接続しかつ／又はパッチ電極(7)から段部又は斜めに延びるＬ型部(23c)を介してパッチ電極(7)に対して変位した冠状パッチアンテナ(23)に移行して、冠状パッチアンテナ(23)と環状又は枠状のパッチ電極(19)との間のみを容量結合した請求項１〜２５の少なくとも１項に記載のパッチアンテナ装置。
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