JP2019216361A - Patch antenna and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はパッチアンテナ及びその製造方法に関し、特に、ミリ波帯の信号の送受信に用いることが好適なパッチアンテナ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a patch antenna and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a patch antenna suitable for use in transmitting and receiving signals in a millimeter wave band and a method for manufacturing the same.
パッチアンテナの利得を向上させる方法として、特許文献1には、複数のパッチ導体をアレイ状に配列する方法が提案されている。しかしながら、特許文献1に記載された方法では、複数のパッチ導体を用いることから、平面サイズが大型化するという問題があった。
As a method for improving the gain of a patch antenna,
パッチアンテナの利得を向上させる別の方法として、特許文献2には、基材に磁性材料を用いる方法が提案されている。しかしながら、特許文献2に記載された方法では、材料コストが増大するだけでなく、磁性材料の磁気特性がミリ波帯では著しく低下することから、ミリ波帯においては効果がほとんど得られないという問題があった。
As another method for improving the gain of a patch antenna,
一方、パッチアンテナの利得を向上させるための方法ではないが、特許文献3には、パッチ導体を厚膜印刷する際のガイドとして、パッチ導体の周囲に溝を形成する方法が提案されている。このような溝は、パッチ導体とグランド導体の間の実効的な誘電率を低下させる副次的効果を発揮することから、結果的にパッチアンテナの利得が向上する。
On the other hand, although it is not a method for improving the gain of the patch antenna,
しかしながら、特許文献3に記載されたパッチアンテナでは、セラミック材からなる誘電体基板の両面にパッチ導体及びグランド導体がそれぞれ形成された構造を有していることから、溝の深さを最小限に抑える必要があり、深い溝を形成すると誘電体基板の機械的強度が不足するという問題があった。このため、特許文献3に記載された方法では利得向上効果は極めて限定的であり、パッチアンテナの利得を十分に向上させることはできなかった。
However, the patch antenna described in
したがって、本発明は、十分な機械的強度を確保しつつ、高い利得を得ることが可能なパッチアンテナ及びその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a patch antenna capable of obtaining a high gain while securing sufficient mechanical strength, and a method of manufacturing the same.
本発明によるパッチアンテナは、第1の誘電体層と、第1の誘電体層の表面に設けられたグランド導体と、グランド導体を介して第1の誘電体層上に設けられた第2の誘電体層と、第2の誘電体層を介してグランド導体と対向するよう、第2の誘電体層の表面に設けられたパッチ導体とを備え、第2の誘電体層のうちパッチ導体と重なる部分は、グランド導体上に位置する空気層によって周囲が囲まれていることを特徴とする。 The patch antenna according to the present invention includes a first dielectric layer, a ground conductor provided on a surface of the first dielectric layer, and a second conductor provided on the first dielectric layer via the ground conductor. A dielectric layer, and a patch conductor provided on a surface of the second dielectric layer so as to face the ground conductor via the second dielectric layer. The overlapping portion is characterized by being surrounded by an air layer located on the ground conductor.
本発明によれば、第2の誘電体層のうちパッチ導体と重なる部分の周囲が空気層によって囲まれていることから、パッチ導体とグランド導体の間の実効的な誘電率が低下する。これにより、パッチアンテナの利得が向上する。しかも、グランド導体は第2の誘電体層とは異なる第1の誘電体層の表面に形成されていることから、第2の誘電体層のうちパッチ導体と重ならない部分の厚みを薄くしても、機械的強度を十分に確保することが可能となる。 According to the present invention, the portion of the second dielectric layer overlapping the patch conductor is surrounded by the air layer, so that the effective dielectric constant between the patch conductor and the ground conductor is reduced. Thereby, the gain of the patch antenna is improved. Moreover, since the ground conductor is formed on the surface of the first dielectric layer different from the second dielectric layer, the thickness of the portion of the second dielectric layer that does not overlap with the patch conductor is reduced. However, sufficient mechanical strength can be ensured.
本発明において、第2の誘電体層は、パッチ導体と重ならない部分の厚みがパッチ導体と重なる部分の厚みの半分未満であっても構わない。これによれば、アンテナ利得の向上効果を顕著に得ることが可能となる。 In the present invention, the thickness of the portion of the second dielectric layer that does not overlap with the patch conductor may be less than half the thickness of the portion that overlaps with the patch conductor. According to this, the effect of improving the antenna gain can be significantly obtained.
本発明において、グランド導体は、パッチ導体と重ならない部分において露出していても構わない。これによれば、アンテナ利得の向上効果をより顕著に得ることが可能となる。 In the present invention, the ground conductor may be exposed at a portion that does not overlap with the patch conductor. According to this, the effect of improving the antenna gain can be more remarkably obtained.
本発明において、第2の誘電体層は、パッチ導体に接続された給電ラインが配置される貫通孔と、貫通孔とは別に設けられた空洞部を有するものであっても構わない。これによれば、実効的な誘電率がさらに低下することから、アンテナ利得の向上効果をさらに高めることが可能となる。 In the present invention, the second dielectric layer may have a through hole in which the power supply line connected to the patch conductor is arranged, and a cavity provided separately from the through hole. According to this, since the effective permittivity is further reduced, it is possible to further enhance the effect of improving the antenna gain.
本発明において、給電ラインは、パッチ導体の中心点から一方向にオフセットした位置に設けられ、空洞部は、パッチ導体の中心点から逆方向にオフセットした位置に設けられていても構わない。これによれば、オフセットして設けられた空洞部によって放射パターンが整形されることから、垂直方向におけるピーク利得を高めることが可能となる。 In the present invention, the power supply line may be provided at a position offset in one direction from the center point of the patch conductor, and the hollow portion may be provided at a position offset in the opposite direction from the center point of the patch conductor. According to this, since the radiation pattern is shaped by the cavity portion provided offset, it is possible to increase the peak gain in the vertical direction.
本発明によるパッチアンテナは、パッチ導体の異なる平面位置にそれぞれ接続された複数の給電ラインをさらに備えるものであっても構わない。これによれば、2偏波アンテナを構成することが可能となる。 The patch antenna according to the present invention may further include a plurality of power supply lines connected to different planar positions of the patch conductor. According to this, it is possible to configure a dual polarization antenna.
本発明によるパッチアンテナは、パッチ導体と重なる無給電パッチ導体をさらに備えるものであっても構わない。これによれば、パッチアンテナをより広帯域化することが可能となる。 The patch antenna according to the present invention may further include a parasitic patch conductor overlapping the patch conductor. According to this, the band width of the patch antenna can be further increased.
本発明によるパッチアンテナの製造方法は、第1の誘電体層上に、グランド導体、第2の誘電体層及びパッチ導体をこの順に積層する第1の工程と、第2の誘電体層のうちパッチ導体と重ならない部分の少なくとも一部を除去することにより、第2の誘電体層のうちパッチ導体と重なる部分の周囲を空気層によって囲む第2の工程とを備えることを特徴とする。 The method for manufacturing a patch antenna according to the present invention includes a first step of laminating a ground conductor, a second dielectric layer, and a patch conductor in this order on a first dielectric layer; A second step of removing at least a part of the portion that does not overlap with the patch conductor and surrounding the portion of the second dielectric layer that overlaps with the patch conductor with an air layer.
本発明によれば、パッチ導体を形成した後、第2の誘電体層の一部を除去していることから、パッチ導体とグランド導体の間の実効的な誘電率の低下により、パッチアンテナの利得を向上させることが可能となる。 According to the present invention, since a part of the second dielectric layer is removed after the formation of the patch conductor, the effective dielectric constant between the patch conductor and the ground conductor is reduced, so that the patch antenna is formed. The gain can be improved.
第2の工程においては、パッチ導体と重ならない部分における第2の誘電体層の厚みが、パッチ導体と重なる部分における第2の誘電体層の厚みの半分未満となるよう、第2の誘電体層を除去しても構わない。これによれば、アンテナ利得の向上効果を顕著に得ることが可能となる。 In the second step, the second dielectric layer is formed such that the thickness of the second dielectric layer in the portion not overlapping the patch conductor is less than half the thickness of the second dielectric layer in the portion overlapping the patch conductor. The layer may be removed. According to this, the effect of improving the antenna gain can be significantly obtained.
第2の工程においては、パッチ導体と重ならない部分においてグランド導体が露出するまで、第2の誘電体層を除去しても構わない。これによれば、アンテナ利得の向上効果をより顕著に得ることが可能となる。 In the second step, the second dielectric layer may be removed until the ground conductor is exposed in a portion that does not overlap with the patch conductor. According to this, the effect of improving the antenna gain can be more remarkably obtained.
本発明においては、第2の工程をエッチング法により行っても構わない。これによれば、第2の誘電体層の除去厚みを任意に設定できるとともに、グランド導体をストッパとして機能させることが可能となる。 In the present invention, the second step may be performed by an etching method. According to this, the removal thickness of the second dielectric layer can be set arbitrarily, and the ground conductor can function as a stopper.
このように、本発明によれば、十分な機械的強度を確保しつつ、高い利得を得ることが可能なパッチアンテナ及びその製造方法を提供することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a patch antenna capable of obtaining a high gain while securing sufficient mechanical strength, and a method for manufacturing the same.
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態によるパッチアンテナ1の外観を示す略斜視図である。また、図2はパッチアンテナ1に含まれる導体パターンの形状を説明するための略透視上面図であり、図3は図2に示すA−A線に沿った略断面図である。
<First embodiment>
FIG. 1 is a schematic perspective view showing an appearance of a
図1〜図3に示すように、第1の実施形態によるパッチアンテナ1は、板状である第1の誘電体層10と、第1の誘電体層10の表面10aに設けられたグランド導体31と、グランド導体31を介して第1の誘電体層10上に設けられた第2の誘電体層20と、第2の誘電体層20の表面20aに設けられたパッチ導体32を備えている。第1及び第2の誘電体層10,20の材料としては、誘電率の低い樹脂材料を用いることが好ましい。第1の誘電体層10の材料と第2の誘電体層20の材料については、同じであっても構わないし、異なっていても構わない。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
パッチ導体32は、第1及び第2の誘電体層10,20を貫通する貫通孔内に配置されたz方向に延在する給電ライン33を介して、第1の誘電体層10の裏面10bに形成された給電ライン34に接続される。図1に示す符号Pは、パッチ導体32と給電ライン33の接続点、つまり給電点である。本実施形態においては、給電点Pがパッチ導体32の中心点に対してy方向にオフセットした位置に設けられている。また、グランド導体31には、図2及び図3に示す切り欠き31aが設けられており、これにより、グランド導体31と給電ライン33が分離されている。
The
第2の誘電体層20は、平面視で、つまりz方向から見て、パッチ導体32と重なる第1の部分21と重ならない第2の部分22を有しており、本実施形態においては、第1の部分21のz方向における厚みよりも、第2の部分22のz方向における厚みの方が薄い。これにより、パッチ導体32とグランド導体31は、第2の誘電体層20の第1の部分21を介して互いに対向するとともに、第2の部分22との厚みの差分だけ、グランド導体31上に位置する空気層によって周囲が囲まれる。その結果、パッチ導体32とグランド導体31の間の実効的な誘電率が第2の誘電体層20自体の誘電率よりも低下することから、パッチアンテナ1の利得が向上する。
The
図4は、第2の誘電体層20の誘電率とパッチアンテナ1の最大利得との関係を示すグラフであり、パッチ導体32の厚さが0.018mmであり、第2の誘電体層20の厚さが第1及び第2の部分21,22ともに0.5mmであり、グランド導体31の平面サイズが10mm×10mmである場合に、中心周波数が30GHzとなるようパッチ導体32の平面サイズを調整した場合における値である。
FIG. 4 is a graph showing a relationship between the dielectric constant of the
図4に示すように、パッチアンテナ1の最大利得は、第2の誘電体層20の誘電率が低いほど良好な値が得られることが分かる。そして、本実施形態においては、第2の誘電体層20の厚さが均一ではなく、パッチ導体32と重なる第1の部分21よりも、パッチ導体32と重ならない第2の部分22の方が薄いことから、実効的な誘電率が低下し、これによりパッチアンテナ1の利得が向上する。
As shown in FIG. 4, it can be seen that the lower the dielectric constant of the
図5は、第2の誘電体層20の第2の部分22の厚みとピークゲインとの関係を示すグラフであり、パッチ導体32の厚さが0.018mmであり、第2の誘電体層20の第1の部分21の厚さが0.6mmであり、グランド導体31の平面サイズが5mm×5mmである場合に、中心周波数が28GHzとなるようパッチ導体32の平面サイズを調整した場合における値である。また、図5の横軸は、第2の誘電体層20の第2の部分22の厚さを1とした場合における、第2の部分22の厚さを割合で示している。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the thickness of the
図5に示すように、第2の誘電体層20の厚みが一定である場合(100%)と比べ、第2の誘電体層20の第2の部分22を薄くすると、ピークゲインが向上することが分かる。ピークゲインの向上効果は、第2の部分22の厚みが第1の部分21の50%〜80%の領域ではほとんど変化しないが、50%未満になるとピークゲインの向上効果が顕著となる。この点を考慮すれば、第2の誘電体層20の第2の部分22の厚みは、第1の部分21の厚みの半分未満とすることが好ましいと言える。
As shown in FIG. 5, when the
以上説明したように、本実施形態によるパッチアンテナ1は、第2の誘電体層20の厚みがパッチ導体32と重なる第1の部分21において厚く、パッチ導体32と重ならない第2の部分22において薄いことから、実効的な誘電率を低下させることが可能となる。これにより、複数のパッチ導体パターンをアレイ状に配列したり、特殊な誘電体材料を用いたりすることなく、従来と比べてアンテナ利得を向上させることができる。しかも、本実施形態においては、グランド導体31が第1の誘電体層10によって支持されていることから、第2の誘電体層20の第2の部分22を十分に薄くしても、機械的強度が不足することがない。
As described above, in the
本実施形態によるパッチアンテナ1は、第1の誘電体層10上に、グランド導体31、第2の誘電体層20及びパッチ導体32をこの順に積層した後、第2の誘電体層20のうちパッチ導体32と重ならない第2の部分22をエッチング法などを用いて厚みを低減させることによって作製することができる。エッチング法を用いた場合、処理時間を変えることによって、第2の部分22の厚みを制御することが可能である。
In the
<第2の実施形態>
図6は、本発明の第2の実施形態によるパッチアンテナ2の外観を示す略斜視図である。また、図7はパッチアンテナ2の略断面図である。
<Second Embodiment>
FIG. 6 is a schematic perspective view showing the appearance of the
図6及び図7に示すように、第2の実施形態によるパッチアンテナ2は、第2の誘電体層20の第2の部分22が削除されて第1の部分21のみからなり、これにより、パッチ導体32と重ならない部分においてグランド導体31が露出している点において、第1の実施形態によるパッチアンテナ1と相違している。その他の構成は、第1の実施形態によるパッチアンテナ1と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
As shown in FIGS. 6 and 7, the
本実施形態によるパッチアンテナ2は、第2の誘電体層20が第1の部分21のみからなり、その周囲が全て空気層となることから、実効的な誘電率をより低減することが可能となる。尚、図5において横軸が0%であるデータは、本実施形態の構成に対応する。図5に示すように、ピークゲインは横軸が0%である場合に最も良好な値が得られていることが分かる。
In the
本実施形態によるパッチアンテナ2は、第1の誘電体層10上に、グランド導体31、第2の誘電体層20及びパッチ導体32をこの順に積層した後、第2の誘電体層20のうちパッチ導体32と重ならない第2の部分22を、グランド導体31が露出するまでエッチング法などを用いて除去することにより作製することができる。エッチング法を用いる場合、金属に対するエッチングレートよりも樹脂材料に対するエッチングレートが十分に大きくなる条件で行うことにより、グランド導体31をストッパとして用いることが可能となる。
In the
<第3の実施形態>
図8は、本発明の第3の実施形態によるパッチアンテナ3の外観を示す略斜視図である。
<Third Embodiment>
FIG. 8 is a schematic perspective view showing the appearance of the
図8に示すように、第3の実施形態によるパッチアンテナ3は、第2の誘電体層20の第1の部分21に空洞部23が設けられている点において、第2の実施形態によるパッチアンテナ2と相違している。その他の構成は、第2の実施形態によるパッチアンテナ2と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
As shown in FIG. 8, the
空洞部23は、給電ライン33を収容する貫通孔とは別に設けられており、その内部は空気で満たされている。これにより、パッチ導体32とグランド導体31の間の実効的な誘電率がよりいっそう低下することから、より高い利得を得ることが可能となる。
The
図8に示す例では、空洞部23が4つ設けられており、z方向から見て空洞部23と重なる部分には第2の誘電体層20が存在しない。つまり、空洞部23の高さは、第2の誘電体層20の高さと同じである。また、パッチ導体32の外周に沿った部分や、給電ライン33が配置される部分には、第2の誘電体層20が残されていることから、パッチ導体32や給電ライン33の支持が不安定となることがない。
In the example shown in FIG. 8, four
空洞部23の形状や数については特に限定されず、図8に示すように4個の空洞部23をマトリクス状に形成しても構わないし、図9に示す第1の変形例によるパッチアンテナ3Aのように、1個の大きな空洞部23を形成しても構わない。第1の変形例によるパッチアンテナ3Aは、パッチ導体32の外周に沿った部分と、給電ライン33が配置される部分のみに第2の誘電体層20を残し、その他の部分を空洞部23とした例である。パッチアンテナの利得は、空洞部23のボリュームが大きいほど向上するため、パッチ導体32を正しく支持可能な範囲において、空洞部23をより大きくすることが好ましい。また、図10に示す第2の変形例によるパッチアンテナ3Bのように、空洞部23の上下の両方又は一方に第2の誘電体層20が残存していても構わない。つまり、空洞部23の高さは、第2の誘電体層20の高さと一致している必要はない。
The shape and number of the
また、パッチアンテナは、グランド導体31の面積が大きくなると放射パターンに傾きが生じ、垂直方向におけるピーク利得が減少することがある。これを防止するためには、図11に示す第3の変形例によるパッチアンテナ3Cのように、空洞部23をオフセットした位置に設けることによってビームの放射方向を調整することができる。図11に示す例では、パッチ導体32の中心点からy方向における一方側にオフセットした位置に給電点Pが配置されているのに対し、パッチ導体32の中心点からy方向における他方側にオフセットした位置に空洞部23が設けられている。これにより、ビームの放射パターンが整形され、垂直方向におけるピーク利得を高めることが可能となる。この場合、図12に示す第4の変形例によるパッチアンテナ3Dのように、空洞部23がy方向に開放されていても構わないし、図13に示す第5の変形例によるパッチアンテナ3Eのように、空洞部23がx方向及びy方向に開放されていても構わない。
In the patch antenna, when the area of the
<第4の実施形態>
図14は、本発明の第4の実施形態によるパッチアンテナ4に含まれる導体パターンの形状を説明するための略透視上面図である。
<Fourth Embodiment>
FIG. 14 is a schematic perspective top view for explaining the shape of the conductor pattern included in the
図14に示すように、第4の実施形態によるパッチアンテナ4は、別の給電ライン35,36が設けられており、切り欠き31bによってグランド導体31と給電ライン35が分離されている点において、第2の実施形態によるパッチアンテナ2と相違している。その他の構成は、第2の実施形態によるパッチアンテナ2と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
As shown in FIG. 14, the
給電ライン35は、第1及び第2の誘電体層10,20を貫通する貫通孔内に配置されており、第1の誘電体層10の裏面10bに形成された給電ライン36に接続される。パッチ導体32と給電ライン33の接続点は、パッチ導体32の中心点に対してy方向にオフセットした位置に設けられている一方、パッチ導体32と給電ライン35の接続点は、パッチ導体32の中心点に対してx方向にオフセットした位置に設けられている。これにより、本実施形態によるパッチアンテナ4は、2偏波アンテナとして機能する。例えば、給電ライン34を介して水平偏波信号を給電し、給電ライン36を介して垂直偏波信号を給電することができる。
The
<第5の実施形態>
図15は、本発明の第5の実施形態によるパッチアンテナ5の外観を示す略斜視図である。
<Fifth Embodiment>
FIG. 15 is a schematic perspective view showing the appearance of the
図15に示すように、第5の実施形態によるパッチアンテナ5は、別の誘電体層40を介してパッチ導体32を覆う無給電パッチ導体37が追加されている点において、第2の実施形態によるパッチアンテナ2と相違している。その他の構成は、第2の実施形態によるパッチアンテナ2と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
As shown in FIG. 15, the
無給電パッチ導体37は、パッチ導体32と重なるよう、パッチ導体32の上方に設けられた矩形状の導体パターンである。無給電パッチ導体37は、他の導体パターンに接続されておらず、直流的にはフローティング状態である。このような無給電パッチ導体37を追加すれば、アンテナ帯域をより拡大することが可能となる。図15に示す例では、パッチ導体32と無給電パッチ導体37の平面サイズが同じであるが、パッチ導体32及び無給電パッチ導体37のサイズ、両者間の距離などは、要求されるアンテナ特性に応じて適宜調整すれば良い。
The
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。 As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. It goes without saying that they are included in the range.
1〜5,3A〜3E パッチアンテナ
10 第1の誘電体層
10a 第1の誘電体層の表面
10b 第1の誘電体層の裏面
20 第2の誘電体層
20a 第2の誘電体層の表面
21 第2の誘電体層の第1の部分
22 第2の誘電体層の第2の部分
23 空洞部
31 グランド導体
31a,31b 切り欠き
32 パッチ導体
33〜36 給電ライン
37 無給電パッチ導体
40 誘電体層
P 給電点
1-5, 3A-
Claims (11)
前記第1の誘電体層の表面に設けられたグランド導体と、
前記グランド導体を介して前記第1の誘電体層上に設けられた第2の誘電体層と、
前記第2の誘電体層を介して前記グランド導体と対向するよう、前記第2の誘電体層の表面に設けられたパッチ導体と、を備え、
前記第2の誘電体層のうち前記パッチ導体と重なる部分は、前記グランド導体上に位置する空気層によって周囲が囲まれていることを特徴とするパッチアンテナ。 A first dielectric layer;
A ground conductor provided on a surface of the first dielectric layer;
A second dielectric layer provided on the first dielectric layer via the ground conductor;
A patch conductor provided on a surface of the second dielectric layer so as to face the ground conductor via the second dielectric layer,
A patch antenna, wherein a portion of the second dielectric layer overlapping the patch conductor is surrounded by an air layer located on the ground conductor.
前記第2の誘電体層のうち前記パッチ導体と重ならない部分の少なくとも一部を除去することにより、前記第2の誘電体層のうち前記パッチ導体と重なる部分の周囲を空気層によって囲む第2の工程と、を備えることを特徴とするパッチアンテナの製造方法。 A first step of laminating a ground conductor, a second dielectric layer, and a patch conductor in this order on the first dielectric layer;
By removing at least a part of a portion of the second dielectric layer that does not overlap with the patch conductor, a second layer surrounding the portion of the second dielectric layer that overlaps with the patch conductor is surrounded by an air layer. And a step of manufacturing the patch antenna.
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