JP2022130031A

JP2022130031A - パッチアンテナ

Info

Publication number: JP2022130031A
Application number: JP2021028974A
Authority: JP
Inventors: 仁伊藤; Hitoshi Ito
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2022-09-06

Abstract

【課題】本開示は、パッチアンテナを高利得化するために、開口面積を広くするにあたり、パッチアンテナを複雑化することなく、製造及び設計を容易にしたうえで、パッチアンテナと給電線路との間の整合を図ることを目的とする。【解決手段】本開示は、給電ピン３ｘ、３ｙにおいて給電線路によってプローブ給電され、共振方向における１辺の長さが中心周波数に対応する実効的な波長λｇの０．５倍の長さより長いパッチ１と、パッチ１の形成平面と同一の平面において形成され、パッチ１の共振方向と垂直な１辺において接続され、パッチ１と給電線路との間の整合を図るスタブ２ｘ、２ｙと、を備えることを特徴とするパッチアンテナＰである。【選択図】図１

Description

本開示は、パッチアンテナを高利得化する技術に関する。

パッチアンテナを高利得化する技術が、特許文献１等に開示されている。特許文献１では、パッチアンテナを高利得化しながら、グランド面積を削減可能としている。

特開２０１８－０６７８８２号公報

ところで、パッチアンテナを高利得化するために、アレイ化を図ることが考えられるが、開口面積を広くすることも考えられる。そして、パッチアンテナの開口面積を広くするために、共振方向長さを実効波長の０．５倍より長くすることが考えられる。

ここで、パッチアンテナは並列共振回路と等価であり、共振方向長さを実効波長の０．５倍より長くしたときに、インダクタンスは誘導性リアクタンスを有する。よって、パッチアンテナの共振方向長さを実効波長の０．５倍より長くしたときに、給電ピン位置を調整するのみでは、パッチアンテナと給電線路との間の整合を図ることができない。

そこで、パッチアンテナの共振方向長さを実効波長の０．５倍より長くしたときに、外付整合回路を配置することにより、パッチアンテナと給電線路との間の整合を図ることが考えられる。しかし、パッチアンテナが複雑化するため、製造及び設計が困難になる。

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、パッチアンテナを高利得化するために、開口面積を広くするにあたり、パッチアンテナを複雑化することなく、製造及び設計を容易にしたうえで、パッチアンテナと給電線路との間の整合を図ることを目的とする。

従来技術では、パッチと給電線路との間の整合を図るスタブを、給電線路から見てパッチと並列に挿入している。前記課題を解決するために、本開示では、パッチと給電線路との間の整合を図るスタブを、パッチと同一平面に形成しパッチと一体化している。

具体的には、本開示は、給電ピンにおいて給電線路によってプローブ給電され、共振方向における１辺の長さが中心周波数に対応する実効的な波長の０．５倍の長さより長いパッチと、前記パッチの形成平面と同一の平面において形成され、前記パッチの共振方向と垂直な１辺において接続され、前記パッチと前記給電線路との間の整合を図るスタブと、を備えることを特徴とするパッチアンテナである。

この構成によれば、パッチアンテナの共振方向長さを実効波長の０．５倍より長くしたときも、外付整合回路を配置することなく、パッチと一体化したスタブを配置することにより、パッチアンテナと給電線路との間の整合を図ることができる。

また、本開示は、前記パッチの共振方向における１辺の長さは、前記パッチの中心周波数に対応する実効的な波長と比べて、０．５倍の長さより長く０．７５倍の長さ以下であることを特徴とするパッチアンテナである。

この構成によれば、グレーティングローブに電力を分散させることなく、メインローブに電力を集中させることができ、パッチアンテナを高利得化することができる。

また、本開示は、前記スタブは、前記給電ピンから前記パッチの共振方向へと延長した直線と、前記パッチの共振方向と垂直な１辺と、の間の交点において接続されることを特徴とするパッチアンテナである。

この構成によれば、給電線路から見てパッチと並列に挿入したスタブと同様な方法により、パッチと同一平面に形成しパッチと一体化したスタブを設計することができる。

また、本開示は、前記スタブは、前記パッチに接続される一端と反対側の他端をオープンにされることを特徴とするパッチアンテナである。

この構成によれば、オープンスタブのオープンにされた端部を製造段階で少しずつ切り取ることにより、パッチアンテナと給電線路との間の整合を微調整することができる。

また、本開示は、前記パッチは、２点の前記給電ピンにおいて２本の前記給電線路によって９０度の位相差でもってプローブ給電され、円偏波を有する電波を放射及び／又は受信し、２本の前記スタブは、前記パッチの各共振方向と垂直な各辺において接続される各一端の近傍において、前記パッチの各共振方向と垂直な各辺と平行な方向に折り曲げられることを特徴とするパッチアンテナである。

この構成によれば、２点給電の円偏波パッチアンテナを高利得化及び小型化することができ、パッチアンテナと周辺部品との間の干渉を低減することができる。

また、本開示は、２本の前記スタブは、前記パッチに接続される各一端と反対側の各他端を遠ざけられることを特徴とするパッチアンテナである。

この構成によれば、２本のスタブの間の電磁結合を低減することができ、２点給電の円偏波パッチアンテナの軸比特性（円偏波の歪み程度）を向上させることができる。

また、本開示は、前記パッチは、１点の前記給電ピンにおいて１本の前記給電線路によってプローブ給電され、直線偏波又は円偏波を有する電波を放射及び／又は受信し、１本の前記スタブは、前記パッチの共振方向と垂直な１辺において接続される一端の近傍において、前記パッチの共振方向と垂直な１辺と平行な方向に折り曲げられることを特徴とするパッチアンテナである。

この構成によれば、１点給電の直線偏波／円偏波パッチアンテナを高利得化及び小型化することができ、パッチアンテナと周辺部品との間の干渉を低減することができる。

このように、本開示は、パッチアンテナを高利得化するために、開口面積を広くするにあたり、パッチアンテナを複雑化することなく、製造及び設計を容易にしたうえで、パッチアンテナと給電線路との間の整合を図ることができる。

本開示の第１の２点給電の円偏波パッチアンテナの構成を示す図である。本開示の第２の２点給電の円偏波パッチアンテナの構成を示す図である。本開示の第３の２点給電の円偏波パッチアンテナの構成を示す図である。本開示の第４の２点給電の円偏波パッチアンテナの構成を示す図である。本開示の第１の２点給電の円偏波パッチアンテナの指向性を示す図である。本開示の１点給電の直線偏波パッチアンテナの構成を示す図である。本開示の第１の１点給電の円偏波パッチアンテナの構成を示す図である。本開示の第２の１点給電の円偏波パッチアンテナの構成を示す図である。

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

（本開示の２点給電の円偏波パッチアンテナ）
本開示の第１の２点給電の円偏波パッチアンテナの構成を図１に示す。図１に示したパッチアンテナＰは、パッチ１及びスタブ２ｘ、２ｙを備える。パッチ１の中心において、ｘｙ座標の原点が位置し、パッチ１の各辺と平行に、ｘｙ座標の各軸が位置する。

パッチ１は、２点の給電ピン３ｘ、３ｙにおいて２本の給電線路（不図示）によって９０度の位相差でもってプローブ給電され、円偏波を有する電波を放射及び／又は受信する。給電ピン３ｘの座標は、（ｂ、０）であり、給電ピン３ｙの座標は、（０、ｂ）である。

ここで、パッチアンテナＰを高利得化するために、アレイ化を図ることが考えられるが、開口面積を広くすることも考えられる。そして、パッチアンテナＰの開口面積を広くするために、共振方向長さを実効波長の０．５倍より長くすることが考えられる。

パッチ１のｘ軸と平行な共振方向における１辺の長さ２ａは、パッチ１のｘ軸と平行な偏波方向における中心周波数ｆに対応する実効的な波長λ_ｇ（＝真空中の波長λ／√（実効的な誘電率ε_ｒ））と比べて、０．５λ_ｇ＜２ａ≦０．７５λ_ｇを満たしている。パッチ１のｙ軸と平行な共振方向における１辺の長さ２ａは、パッチ１のｙ軸と平行な偏波方向における中心周波数ｆに対応する実効的な波長λ_ｇ（＝真空中の波長λ／√（実効的な誘電率ε_ｒ））と比べて、０．５λ_ｇ＜２ａ≦０．７５λ_ｇを満たしている。

ここで、パッチアンテナＰは並列共振回路と等価であり、共振方向長さを実効波長の０．５倍より長くしたときに、インダクタンスは誘導性リアクタンスを有する。よって、パッチアンテナＰの共振方向長さを実効波長の０．５倍より長くしたときに、給電ピン位置を調整するのみでは、パッチアンテナＰと給電線路との間の整合を図ることができない。

スタブ２ｘは、パッチ１の形成平面（ｘｙ座標内）と同一の平面において形成され、パッチ１のｘ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｘ＝ａ）において接続され、パッチ１と給電線路（不図示）との間の整合を図る。スタブ２ｙは、パッチ１の形成平面（ｘｙ座標内）と同一の平面において形成され、パッチ１のｙ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｙ＝ａ）において接続され、パッチ１と給電線路（不図示）との間の整合を図る。

ここで、従来技術では、パッチと給電線路との間の整合を図るスタブを、給電線路から見てパッチと並列に挿入している。一方で、本開示では、パッチ１と給電線路との間の整合を図るスタブ２ｘ、２ｙを、パッチ１と同一平面に形成しパッチ１と一体化している。

そして、スタブ２ｘの長さは、パッチ１と給電線路との間の整合を図るように、パッチ１の大きさ２ａ、給電ピン３ｘの位置（ｂ、０）、実効的な誘電率ε_ｒ及びスタブ２ｘの端部の状態（例えば、オープン又はショート等。）に応じて、適切に設計すればよい。さらに、スタブ２ｙの長さは、パッチ１と給電線路との間の整合を図るように、パッチ１の大きさ２ａ、給電ピン３ｙの位置（０、ｂ）、実効的な誘電率ε_ｒ及びスタブ２ｙの端部の状態（例えば、オープン又はショート等。）に応じて、適切に設計すればよい。

よって、パッチアンテナＰの共振方向長さを実効波長の０．５倍より長くしたときも、外付整合回路を配置することなく、パッチ１と一体化したスタブ２ｘ、２ｙを配置することにより、パッチアンテナＰと給電線路との間の整合を図ることができる。

そして、グレーティングローブに電力を分散させることなく、メインローブに電力を集中させることができ、パッチアンテナＰを高利得化することができる。

これらのことをまとめると、パッチアンテナＰを高利得化するために、開口面積を広くするにあたり、パッチアンテナＰを複雑化することなく、製造及び設計を容易にしたうえで、パッチアンテナＰと給電線路との間の整合を図ることができる。

スタブ２ｘは、給電ピン３ｘからパッチ１のｘ軸と平行な共振方向へと延長した直線（ｙ＝０、つまりｘ軸）と、パッチ１のｘ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｘ＝ａ）と、の間の交点（ａ、０）において接続される。スタブ２ｙは、給電ピン３ｙからパッチ１のｙ軸と平行な共振方向へと延長した直線（ｘ＝０、つまりｙ軸）と、パッチ１のｙ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｙ＝ａ）と、の間の交点（０、ａ）において接続される。

つまり、スタブ２ｘは、パッチ１と同一平面に形成されたうえで、パッチ１と一体化しているとともに、（ｂ、０）から（ａ、０）までの長さ領域をパッチ１と共有している。そして、スタブ２ｙは、パッチ１と同一平面に形成されたうえで、パッチ１と一体化しているとともに、（０、ｂ）から（０、ａ）までの長さ領域をパッチ１と共有している。

よって、給電線路から見てパッチと並列に挿入したスタブと同様な方法により、パッチ１と同一平面に形成しパッチ１と一体化したスタブ２ｘ、２ｙを設計することができる。

スタブ２ｘは、パッチ１に接続される一端（ａ、０）と反対側の他端を、ショートにされるのではなく、オープンにされる。スタブ２ｙは、パッチ１に接続される一端（０、ａ）と反対側の他端を、ショートにされるのではなく、オープンにされる。

ここで、スタブ２ｘ、２ｙのショートにされた端部を設計段階で厳密に位置調整しなければ、パッチアンテナＰと給電線路との間の整合を微調整することができない。

一方で、スタブ２ｘ、２ｙのオープンにされた端部を製造段階で少しずつ切り取ることにより、パッチアンテナＰと給電線路との間の整合を微調整することができる。

スタブ２ｘは、パッチ１のｘ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｘ＝ａ）において接続される一端（ａ、０）の近傍において、パッチ１のｘ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｘ＝ａ）と平行な方向に折り曲げられる。スタブ２ｙは、パッチ１のｙ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｙ＝ａ）において接続される一端（０、ａ）の近傍において、パッチ１のｙ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｙ＝ａ）と平行な方向に折り曲げられる。

図１に示した本開示の第１の２点給電の円偏波パッチアンテナの構成との比較対象として、本開示の第２の２点給電の円偏波パッチアンテナの構成を図２に示す。

図２では、図１との相違点として、スタブ２ｘは、パッチ１のｘ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｘ＝ａ）において接続される一端（ａ、０）の近傍において、折り曲げられることなく、図１と同様な長さだけ、ｘ軸方向に延びている。スタブ２ｙは、パッチ１のｙ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｙ＝ａ）において接続される一端（０、ａ）の近傍において、折り曲げられることなく、図１と同様な長さだけ、ｙ軸方向に延びている。

図１では、２点給電の円偏波のパッチアンテナＰを高利得化及び小型化することができ、パッチアンテナＰと周辺部品との間の干渉を低減することができる。

スタブ２ｘ、２ｙは、パッチ１に接続される各一端（ａ、０）、（０、ａ）と反対側の各他端を、ｘ軸の負の方向及びｙ軸の負の方向に向けられるため、互いに遠ざけられる。

図１に示した本開示の第１の２点給電の円偏波パッチアンテナの構成との比較対象として、本開示の第３、４の２点給電の円偏波パッチアンテナの構成を図３、４に示す。

図３では、図１との相違点として、スタブ２ｘ、２ｙは、パッチ１に接続される各一端（ａ、０）、（０、ａ）と反対側の各他端を、ｘ軸の正の方向及びｙ軸の正の方向に向けられるため、互いに近づけられる。図４では、図１との相違点として、スタブ２ｘ、２ｙは、パッチ１に接続される各一端（ａ、０）、（０、ａ）と反対側の各他端を、ｘ軸の負の方向及びｙ軸の正の方向に向けられるため、図１、３の中間的な位置関係にある。

図１では、２本のスタブ２ｘ、２ｙの間の電磁結合を低減することができ、２点給電の円偏波のパッチアンテナＰの軸比特性（円偏波の歪み程度）を向上させることができる。

本開示の第１の２点給電の円偏波パッチアンテナの指向性を図５に示す。従来技術の２点給電の円偏波パッチアンテナでは、パッチの１辺の長さは２ａ＝０．５λ_ｇであり、スタブは接続されていない。本開示の第１の２点給電の円偏波パッチアンテナでは、パッチ１の１辺の長さは２ａ＝０．６λ_ｇであり、スタブ２ｘ、２ｙが接続されている。

本開示の第１の２点給電の円偏波パッチアンテナでは、従来技術の２点給電の円偏波パッチアンテナと比べて、ビーム幅が狭いことに伴って、高利得化が図られている。

（本開示の１点給電の直線偏波パッチアンテナ）
本開示の１点給電の直線偏波パッチアンテナの構成を図６に示す。図６に示したパッチアンテナＰは、パッチ１及びスタブ２ｙを備える。パッチ１の中心において、ｘｙ座標の原点が位置し、パッチ１の各辺と平行に、ｘｙ座標の各軸が位置する。パッチ１は、１点の給電ピン３ｙにおいて１本の給電線路（不図示）によってプローブ給電され、直線偏波を有する電波を放射及び／又は受信する。給電ピン３ｙの座標は、（０、ｂ）である。

パッチ１のｙ軸と平行な共振方向における１辺の長さ２ａは、パッチ１のｙ軸と平行な偏波方向における中心周波数ｆに対応する実効的な波長λ_ｇ（＝真空中の波長λ／√（実効的な誘電率ε_ｒ））と比べて、０．５λ_ｇ＜２ａ≦０．７５λ_ｇを満たしている。

スタブ２ｙは、パッチ１の形成平面（ｘｙ座標内）と同一の平面において形成され、パッチ１のｙ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｙ＝ａ）において接続され、パッチ１と給電線路（不図示）との間の整合を図る。スタブ２ｙは、給電ピン３ｙからパッチ１のｙ軸と平行な共振方向へと延長した直線（ｘ＝０、つまりｙ軸）と、パッチ１のｙ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｙ＝ａ）と、の間の交点（０、ａ）において接続される。

スタブ２ｙは、パッチ１に接続される一端（０、ａ）と反対側の他端を、ショートにされるのではなく、オープンにされる。スタブ２ｙは、パッチ１のｙ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｙ＝ａ）において接続される一端（０、ａ）の近傍において、パッチ１のｙ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｙ＝ａ）と平行な方向に折り曲げられる。

よって、１点給電の直線偏波のパッチアンテナＰを高利得化及び小型化することができ、パッチアンテナＰと周辺部品との間の干渉を低減することができる。

（本開示の１点給電の円偏波パッチアンテナ）
本開示の第１の１点給電の円偏波パッチアンテナの構成を図７に示す。図７に示したパッチアンテナＰは、パッチ１及びスタブ２ｙを備える。パッチ１の中心において、ｘｙ座標の原点が位置し、パッチ１の各辺と平行に、ｘｙ座標の各軸が位置する。パッチ１は、１点の給電ピン３ｙにおいて１本の給電線路（不図示）によってプローブ給電され、円偏波を有する電波を放射及び／又は受信する。給電ピン３ｙの座標は、（０、ｂ）である。

パッチ１のｘ軸と平行な共振方向における１辺の長さ２ａは、パッチ１のｘ軸と平行な偏波方向における中心周波数ｆに対応する実効的な波長λ_ｇ（＝真空中の波長λ／√（実効的な誘電率ε_ｒ））と比べて、０．５λ_ｇ＜２ａ≦０．７５λ_ｇを満たしている。パッチ１のｙ軸と平行な共振方向における１辺の長さ２ａは、パッチ１のｙ軸と平行な偏波方向における中心周波数ｆに対応する実効的な波長λ_ｇ（＝真空中の波長λ／√（実効的な誘電率ε_ｒ））と比べて、０．５λ_ｇ＜２ａ≦０．７５λ_ｇを満たしている。パッチ１の（ａ、－ａ）及び（－ａ、ａ）の近傍において、切り欠き４が形成されている。

よって、１点給電の円偏波のパッチアンテナＰを高利得化及び小型化することができ、パッチアンテナＰと周辺部品との間の干渉を低減することができる。

本開示の第２の１点給電の円偏波パッチアンテナの構成を図８に示す。図８に示したパッチアンテナＰは、パッチ１及びスタブ２ｙを備える。パッチ１の中心において、ｘｙ座標の原点が位置し、パッチ１の各辺と平行に、ｘｙ座標の各軸が位置する。パッチ１は、１点の給電ピン３ｄにおいて１本の給電線路（不図示）によってプローブ給電され、円偏波を有する電波を放射及び／又は受信する。給電ピン３ｄの座標は、（ｂ’、ｂ）である。

パッチ１のｘ軸と平行な共振方向における１辺の長さ２ａ’は、パッチ１のｘ軸と平行な偏波方向における中心周波数ｆ’に対応する実効的な波長λ_ｇ’（＝真空中の波長λ’／√（実効的な誘電率ε_ｒ））と比べて、０．５λ_ｇ’＜２ａ’≦０．７５λ_ｇ’を満たしている。パッチ１のｙ軸と平行な共振方向における１辺の長さ２ａは、パッチ１のｙ軸と平行な偏波方向における中心周波数ｆに対応する実効的な波長λ_ｇ（＝真空中の波長λ／√（実効的な誘電率ε_ｒ））と比べて、０．５λ_ｇ＜２ａ≦０．７５λ_ｇを満たしている。

スタブ２ｙは、パッチ１の形成平面（ｘｙ座標内）と同一の平面において形成され、パッチ１のｙ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｙ＝ａ）において接続され、パッチ１と給電線路（不図示）との間の整合を図る。スタブ２ｙは、給電ピン３ｄからパッチ１のｙ軸と平行な共振方向へと延長した直線（ｘ＝ｂ’）と、パッチ１のｙ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｙ＝ａ）と、の間の交点（ｂ’、ａ）において接続される。

スタブ２ｙは、パッチ１に接続される一端（ｂ’、ａ）と反対側の他端を、ショートにされるのではなく、オープンにされる。スタブ２ｙは、パッチ１のｙ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｙ＝ａ）において接続される一端（ｂ’、ａ）の近傍において、パッチ１のｙ軸と平行な共振方向と垂直な１辺（ｙ＝ａ）と平行な方向に折り曲げられる。

本開示のパッチアンテナは、小型化を要求される車載ＥＴＣアンテナと、円偏波を利用する衛星通信アンテナと、等において、パッチアンテナを高利得化することができる。

Ｐ：パッチアンテナ
１：パッチ
２ｘ、２ｙ：スタブ
３ｘ、３ｙ、３ｄ：給電ピン
４：切り欠き

Claims

給電ピンにおいて給電線路によってプローブ給電され、共振方向における１辺の長さが中心周波数に対応する実効的な波長の０．５倍の長さより長いパッチと、
前記パッチの形成平面と同一の平面において形成され、前記パッチの共振方向と垂直な１辺において接続され、前記パッチと前記給電線路との間の整合を図るスタブと、
を備えることを特徴とするパッチアンテナ。
前記パッチの共振方向における１辺の長さは、前記パッチの中心周波数に対応する実効的な波長と比べて、０．５倍の長さより長く０．７５倍の長さ以下である
ことを特徴とする、請求項１に記載のパッチアンテナ。
前記スタブは、前記給電ピンから前記パッチの共振方向へと延長した直線と、前記パッチの共振方向と垂直な１辺と、の間の交点において接続される
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のパッチアンテナ。
前記スタブは、前記パッチに接続される一端と反対側の他端をオープンにされる
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のパッチアンテナ。
前記パッチは、２点の前記給電ピンにおいて２本の前記給電線路によって９０度の位相差でもってプローブ給電され、円偏波を有する電波を放射及び／又は受信し、
２本の前記スタブは、前記パッチの各共振方向と垂直な各辺において接続される各一端の近傍において、前記パッチの各共振方向と垂直な各辺と平行な方向に折り曲げられる
ことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載のパッチアンテナ。
２本の前記スタブは、前記パッチに接続される各一端と反対側の各他端を遠ざけられる
ことを特徴とする、請求項５に記載のパッチアンテナ。
前記パッチは、１点の前記給電ピンにおいて１本の前記給電線路によってプローブ給電され、直線偏波又は円偏波を有する電波を放射及び／又は受信し、
１本の前記スタブは、前記パッチの共振方向と垂直な１辺において接続される一端の近傍において、前記パッチの共振方向と垂直な１辺と平行な方向に折り曲げられる
ことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載のパッチアンテナ。