JP2017195433A

JP2017195433A - 多層アンテナ

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Publication number: JP2017195433A
Application number: JP2016082858A
Authority: JP
Inventors: 杉本　勇次; Yuji Sugimoto; 勇次杉本; 武藤　勝彦; Katsuhiko Muto; 勝彦武藤; 博之泉; Hiroyuki Izumi
Original assignee: Denso Corp; Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2017-10-26

Abstract

【課題】複数のパッチアンテナを積層形成する構成でありながら、右旋円偏波特性を向上させる。【解決手段】実施形態の多層アンテナは、２以上の周波数帯を受信するための２以上の板状のアンテナ素子（５、６）と、アンテナグランドとしての地板（２）と、前記地板（２）上に積層された２以上の誘電体層（３、４）とを備え、２以上のアンテナ素子（５、６）は、２以上の誘電体層（３、４）の各層上に、地板（２）から積層方向へ向けて周波数の低い順に形成され、２以上のアンテナ素子（５、６）に設けられた摂動部（７、８、９、１０）の方向が、同じ方向になるように構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、複数のアンテナを積層形成した多層アンテナに関する。

複数のパッチアンテナを多層基板上に形成する構成として、特許文献１に記載されたアンテナが知られている。このアンテナでは、複数の周波数帯用のパッチアンテナを、周波数の高いものを上にして下方へ向けて順に積層形成している。

特開２００３−２８３２４０号公報

しかし、上記従来構成の場合、多層アンテナの内層に設けられたパッチアンテナは、指向性、偏波、位相、感度等の特性、特には、右旋円偏波特性が悪化するため、良好な右旋円偏波特性が必要なＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite Systems）用のアンテナとして使用することできないという問題があった。

本発明の目的は、複数のパッチアンテナを積層形成する構成でありながら、右旋円偏波特性を向上させることができる多層アンテナを提供することにある。

請求項１の発明は、２以上の周波数帯を受信するための２以上の板状のアンテナ素子（５、６）と、アンテナグランドとしての地板（２）と、前記地板（２）上に積層された２以上の誘電体層（３、４）とを備え、前記２以上のアンテナ素子（５、６）は、前記２以上の誘電体層（３、４）の各層上に、前記地板（２）から積層方向へ向けて周波数の低い順に形成され、前記２以上のアンテナ素子（５、６）に設けられた摂動部（７、８、９、１０）の方向が、同じ方向になるように構成されている。

第１実施形態を示す多層アンテナの斜視図（ａ）は多層アンテナの上面図、（ｂ）は多層アンテナの縦断面図第１実施形態及び比較例１の特性を説明する図第１実施形態及び比較例２の特性を説明する図第２実施形態を示す多層アンテナの斜視図多層アンテナの縦断面図ｄ１／ｄ２を２とした構成の周波数とＶＳＷＲとの関係を示す特性図ｄ１／ｄ２を０．５とした構成の周波数とＶＳＷＲとの関係を示す特性図ｄ１／ｄ２と周波数Ｌ２帯の周波数帯域との関係を示す特性図（ａ）は第３実施形態を示す多層アンテナの上面図、（ｂ）は第３実施形態を示す多層アンテナの縦断面図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について、図１ないし図４を参照して説明する。本実施形態の多層アンテナ１は、複数の周波数帯、例えば２つの周波数帯である１．５７５４２ＧＨｚ帯（以下周波数Ｌ１帯と称す）及び１．２２７６ＧＨｚ帯（以下周波数Ｌ２帯と称す）を受信するアンテナである。

この多層アンテナ１は、図１及び図２に示すように、アンテナグランドとしての地板２と、地板２上に積層された２層の誘電体層３、４と、２層の誘電体層３、４の間（即ち、内層）に設けられた板状の内層アンテナ素子５と、上層の誘電体層４の上に設けられた板状の上層アンテナ素子６とを備えて構成されている。この構成の場合、内層アンテナ素子５は、周波数Ｌ２帯に対応するアンテナ素子であり、上層アンテナ素子６は、周波数Ｌ１帯に対応するアンテナ素子である。アンテナ素子５、６は、誘電体層３、４の各層上に、地板２から積層方向へ向けて周波数の低い順に形成されている。

地板２は、ほぼ正方形の導体板例えば銅板で形成されており、地板２の一辺の長さ寸法は例えば６００ｍｍ程度であり、誘電体層３、４の一辺の長さ寸法よりも長くなるように構成されている。誘電体層３、４は、誘電率が例えば１０．５であってＴａｎδが例えば０．００３の誘電体、例えばＰＰＥ（Poly Phenylene Ether）樹脂で形成されており、ほぼ正方形の層状に形成されている。誘電体層３、４の一辺の長さ寸法は、内層アンテナ素子５の一辺の長さ寸法よりも長くなるように構成されている。誘電体層３、４の厚み寸法ｄ１、ｄ２は、それぞれ例えば２．５ｍｍ程度である。

内層アンテナ素子５は、誘電体層３の上面（即ち、誘電体層４の下面）に、導体パターン例えば銅箔により形成されており、アンテナ素子形状がほぼ正方形である。図２（ａ）に示すように、内層アンテナ素子５の一辺の長さ寸法は、誘電体層３、４の一辺の長さ寸法よりも少し短く、上層アンテナ素子６の一辺の長さ寸法よりも長くなるように構成されている。内層アンテナ素子５の図２（ａ）中の左上部の隅部及び右下部の隅部には、右旋円偏波を発生するための摂動部（即ち、縮退構造または切欠部）７及び８が形成されている。そして、内層アンテナ素子５と地板２とで、周波数Ｌ２帯用のパッチアンテナが構成されている。

上層アンテナ素子６は、誘電体層４の上面に、導体パターン例えば銅箔により形成されており、アンテナ素子形状がほぼ正方形である。上層アンテナ素子６の一辺の長さ寸法は、内層アンテナ素子５の一辺の長さ寸法よりも少し短くなるように構成されている。上層アンテナ素子６の図２（ａ）中の左上部の隅部及び右下部の隅部には、右旋円偏波を発生するための摂動部（即ち、縮退構造または切欠部）９及び１０が形成されている。そして、上層アンテナ素子６と内層アンテナ素子５とで、周波数Ｌ１帯用のパッチアンテナが構成されている。

上記構成の場合、上層アンテナ素子６の摂動部９及び１０の方向と、内層アンテナ素子５の摂動部７及び８の方向は、それぞれ同じ方向になるように構成されている。また、上層アンテナ素子６のアンテナ形状の中心軸６ａと、内層アンテナ素子５のアンテナ形状の中心軸５ａは、一致する（即ち、同じ軸になる）ように構成されている。

また、上層アンテナ素子６の給電点Ｐは、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、スルーホール等の給電線１１を介して給電点１２に接続されている。この場合、上層アンテナ素子６は、給電点Ｐに給電され、内層アンテナ素子５を地板として動作する構成となっている。本実施形態では、最上層のアンテナ素子６のみに、給電するように構成されている。

そして、内層アンテナ素子５は、上層アンテナ素子６と容量結合しており、上層アンテナ素子６からの誘導電流で励振される構成となっており、地板２を地板として動作するように構成されている。

次に、上記した構成の多層アンテナ１の各種の特性について、図３及び図４を参照して説明する。図３は、本実施形態の多層アンテナ１と比較例１の多層アンテナ２１とについて、周波数Ｌ１帯の指向性（即ち、感度特性）と、周波数Ｌ２帯の指向性とを測定した結果（例えばシミュレーション結果）を示す。

尚、比較例１の多層アンテナ２１は、上層アンテナ素子２６の摂動部２９及び３０の方向と、内層アンテナ素子２５の摂動部２７及び２８の方向が、それぞれ直交するように構成された多層アンテナである。これ以外の比較例１の多層アンテナ２１の構成は、本実施形態の多層アンテナ１の構成と同じである。また、指向性としては、右旋円偏波の指向性と、左旋円偏波の指向性と、軸比の指向性とを測定した。

上記図３から、本実施形態の多層アンテナ１は、２つの周波数Ｌ１帯及び周波数Ｌ２帯について、円偏波特性が十分良好であることがわかる。これに対して、比較例の多層アンテナ２１の場合、周波数Ｌ１帯については、円偏波特性が良好であるが、周波数Ｌ２帯については、軸比の指向性が悪く、円偏波特性が悪いことがわかる（即ち、直線偏波アンテナ化していることがわかる）。

従って、本実施形態の多層アンテナ１によれば、上層アンテナ素子６の摂動部９及び１０の方向と、内層アンテナ素子５の摂動部７及び８の方向がそれぞれ同じ方向になるように構成したので、周波数Ｌ２帯についても、軸比の指向性を改善することができるから、円偏波特性を十分良好にすることができる。

また、図４は、本実施形態の多層アンテナ１と比較例２の多層アンテナ３１とについて、周波数Ｌ１帯の指向性と、周波数Ｌ２帯の指向性とを測定した結果（即ち、シミュレーション結果）を示す。

尚、比較例２の多層アンテナ３１は、上層アンテナ素子３６のアンテナ素子形状の軸心３６ａと、内層アンテナ素子３５のアンテナ素子形状の軸心３５ａがずれている多層アンテナである。これ以外の比較例２の多層アンテナ３１の構成は、本実施形態の多層アンテナ１の構成と同じである。また、指向性としては、右旋円偏波の指向性と、左旋円偏波の指向性と、軸比の指向性とを測定した。

上記図４から、本実施形態の多層アンテナ１は、２つの周波数Ｌ１帯及び周波数Ｌ２帯について、円偏波特性が十分良好であることがわかる。これに対して、比較例２の多層アンテナ３１の場合、周波数Ｌ１帯については、円偏波特性が良好であるが、周波数Ｌ２帯については、利得が１．９ｄＢｉと低く、軸比も−３ｄＢと低いことから、円偏波特性が悪いことがわかる。このように、円偏波特性が悪化する理由は、水平面の位相ずれが増加するためである。

このような比較例２に対し、本実施形態の多層アンテナ１によれば、上層アンテナ素子６のアンテナ形状の中心軸６ａと、内層アンテナ素子５のアンテナ形状の中心軸５ａを、一致させるように構成したので、周波数Ｌ２帯について、利得を３．５ｄＢｉと増加させることができ、軸比も−１．５ｄＢと改善することができたから、円偏波特性を十分良好にすることができる。このように、円偏波特性が良好になる理由は、水平面の位相ずれが減少するためである。

（第２実施形態）
図５ないし図９は、本発明の第２実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。上記第１実施形態の多層アンテナ１においては、内層アンテナ素子５は、上層アンテナ素子６に比べて帯域が狭くなりやすい傾向がある。そこで、第２実施形態では、２層の誘電体層３、４の厚み寸法ｄ１、ｄ２について、下層の誘電体層４の厚み寸法ｄ１を、上層の誘電体層３の厚み寸法ｄ２よりも厚くして（即ち、ｄ１＞ｄ２にして）、誘電体層３、４の厚み寸法の比ｄ１／ｄ２が大きくなるように構成することにより、内層アンテナ素子５の周波数帯域を拡大させるように構成した。この構成の場合、下層の誘電体層４は地板２に最も近い誘電体層に相当し、上層の誘電体層３は地板２に最も遠い誘電体層に相当する。

図５及び図６に示すように、誘電体層３の厚み寸法ｄ１を誘電体層４の厚み寸法ｄ２よりも厚くして、誘電体層３、４の厚み寸法の比ｄ１／ｄ２を例えば２以上になるように構成した。尚、誘電体層３、４の全体の厚み寸法の合計値（ｄ１＋ｄ２）は、第１実施形態と同様にして、例えば５ｍｍ程度（即ち、設定値）に設定されている。

ここで、厚み寸法の比ｄ１／ｄ２を例えば２とした構成の多層アンテナ１について、周波数とＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）との関係を測定した結果（例えばシミュレーション結果）を、図７に示す。図７において、実線Ｂ１は周波数Ｌ１帯を示し、実線Ｂ２は周波数Ｌ２帯を示す。また、厚み寸法の比ｄ１／ｄ２を例えば０．５とした構成の多層アンテナ１について、周波数とＶＳＷＲとの関係を測定した結果（例えばシミュレーション結果）を、図８に示す。図８において、実線Ｂ１１は周波数Ｌ１帯を示し、実線Ｂ２１は周波数Ｌ２帯を示す。

図７、図８から、誘電体層３、４の厚み寸法の比ｄ１／ｄ２を２にすると、ＶＳＷＲが３のとき、周波数Ｌ２帯の周波数帯域が１６ＭＨｚとなり、比ｄ１／ｄ２を０．５とした場合、即ち、周波数Ｌ２帯の周波数帯域が９ＭＨｚとなる場合に比べて、周波数帯域を拡大できていることがわかる。

また、図９は、誘電体層３、４の厚み寸法の比ｄ１／ｄ２と、周波数Ｌ２帯の周波数帯域との関係を測定した結果（例えばシミュレーション結果）を示す。尚、誘電体層３、４の全体の厚み寸法（ｄ１＋ｄ２）は、例えば５ｍｍ程度に固定している。

上記図９から、誘電体層３、４の厚み寸法の比ｄ１／ｄ２を例えば２以上に構成すると、周波数Ｌ２帯の周波数帯域を１６ＭＨｚ以上に拡大できる、即ち、十分拡大できることがわかる。また、図９から、誘電体層３、４の厚み寸法の比ｄ１／ｄ２を１よりも大きく構成すれば、周波数Ｌ２帯の周波数帯域を拡大できることがわかる。

尚、上述した以外の第２実施形態の構成は、第１実施形態の構成と同じ構成となっている。従って、第２実施形態においても、第１実施形態とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第２実施形態によれば、誘電体層３、４の厚み寸法の比ｄ１／ｄ２を２以上に構成したので、周波数Ｌ２帯の周波数帯域を十分拡大することができる。

（第３実施形態）
図１０は、本発明の第３実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。第１実施形態では、上層アンテナ素子６の給電点Ｐを、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、給電線１１を介して給電点１２に接続するように構成したが、これに代えて、第３実施形態では、内層アンテナ素子５の給電点Ｑを、図１０（ｂ）に示すように、給電線１１を介して給電点１２に接続するように構成した。第３実施形態では、最下層のアンテナ素子５のみに、給電するように構成されている。

尚、上述した以外の第３実施形態の構成は、第１実施形態の構成と同じ構成となっている。従って、第３実施形態においても、第１実施形態とほぼ同じ作用効果を得ることができる。

また、上記各実施形態では、２つの周波数帯である１．５７５４２ＧＨｚ帯及び１．２２７６ＧＨｚ帯に対応する多層アンテナ１に適用したが、これに限られるものではなく、他の２つの周波数帯、例えば１．６ＧＨｚ帯及び１．８ＧＨｚ帯に対応する多層アンテナに適用しても良い。また、上記各実施形態では、２つの周波数帯である周波数Ｌ１帯及び周波数Ｌ２帯に対応する上層アンテナ素子６及び内層アンテナ素子５を積層形成した多層アンテナ１に適用したが、これに限られるものではなく、３つ以上の周波数帯に対応する３つ以上のアンテナ素子を積層形成した多層アンテナに適用しても良い。このように３つ以上のアンテナ素子を積層形成する構成の場合、３層以上の誘電体層を地板上に積層する構成とすることが好ましい。

図面中、１は多層アンテナ、２は地板、３は誘電体層、４は誘電体層、５は内層アンテナ素子、６は上層アンテナ素子、７は摂動部、８は摂動部、９は摂動部、１０は摂動部である。

Claims

２以上の周波数帯を受信するための２以上の板状のアンテナ素子（５、６）と、
アンテナグランドとしての地板（２）と、
前記地板（２）上に積層された２以上の誘電体層（３、４）とを備え、
前記２以上のアンテナ素子（５、６）は、前記２以上の誘電体層（３、４）の各層上に、前記地板（２）から積層方向へ向けて周波数の低い順に形成され、
前記２以上のアンテナ素子（５、６）に設けられた摂動部（７、８、９、１０）の方向が、同じ方向になるように構成された多層アンテナ。
前記２以上のアンテナ素子（５、６）は、アンテナ素子形状の中心軸（５ａ、６ａ）が一致していることを特徴とする請求項１記載の多層アンテナ。
前記地板（２）に最も近い誘電体層（３）の厚み寸法をｄ１とし、前記地板（２）から最も遠い誘電体層（４）の厚み寸法をｄ２としたときに、ｄ１＞ｄ２が成り立つように構成したことを特徴とする請求項１または２記載の多層アンテナ。
前記地板（２）に最も近い誘電体層（３）の厚み寸法をｄ１とし、前記地板（２）から最も遠い誘電体層（４）の厚み寸法をｄ２としたときに、ｄ１／ｄ２≧２が成り立つように構成したことを特徴とする請求項１または２記載の多層アンテナ。
前記２以上の誘電体層（３、４）の厚み寸法の合計値は、設定値であるように構成したことを特徴とする請求項３または４記載の多層アンテナ。
前記地板（２）から最も遠いアンテナ素子（６）のみに、給電するように構成したことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の多層アンテナ。
前記地板（２）に最も近いアンテナ素子（５）のみに、給電するように構成したことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の多層アンテナ。