JP2957463B2 - パッチアンテナおよびその製造方法 - Google Patents

パッチアンテナおよびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はマイクロストリップ
構造の給電パッチとこの給電パッチから電磁界を受けて
さらに再放射する無給電パッチとこれら給電パッチおよ
び無給電パッチを内面側に覆って保護するとともに上記
無給電パッチを保持するレドームとを備えるパッチアン
テナおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】給電パッチと無給電パッチとで二層の電
磁波放射部を構成するパッチアンテナは広帯域性に優れ
ていることが知られている。この種のパッチアンテナを
レドームで覆うと移動通信用として携帯性，信頼性およ
び美観を向上させたパッチアンテナが得られる。従来の
この種のパッチアンテナには、特開平２−１４１００７
号公報（発明名称：マイクロストリップアンテナ）およ
び特開平３−７４９０８号公報（発明名称：スタック型
マイクロストリップアンテナ）に開示されたものがあ
る。
【０００３】前者の公報には無給電パッチをレドームの
内面に接着等により設けたアンテナが開示されている。
また後者の公報には無給電パッチをレドームの内部に埋
設したアンテナが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】公報に開示されたパッ
チアンテナは、レドームと無給電パッチとの接着が必要
であったり，また無給電パッチのレドームへの埋め込み
が必要であるので、製造工数が大きいという欠点があっ
た。
【０００５】また、上述のパッチアンテナは、無給電パ
ッチの位置をレドームの内面の適切な位置に設定するこ
とが困難であるという欠点があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明のパッチアンテナは、高周波数信号の給電を受
けて高周波数電磁界を一面から放射する給電パッチと、
前記給電パッチからの前記高周波数電磁界を一面に受け
この高周波数電磁界を他面から再放射する無給電パッチ
と、前記給電パッチおよび前記無給電パッチを内面側に
覆って保護するとともに前記無給電パッチを保持するレ
ドームとを備えるパッチアンテナにおいて、前記無給電
パッチが、面の中心部に放射特性と保持強度を考慮して
得られた所定の寸法の貫通穴を有し、前記レドームの保
持部が前記レドームの内面側から前記無給電パッチの貫
通穴を貫通するとともに前記貫通穴の近傍を覆う第１の
保持体を備え、前記無給電パッチの他面に接触する前記
レドームの内面と，前記レドームの内面側から突起する
とともに前記無給電パッチの一面の一部を覆う前記保持
部とによって保持されていることを特徴とするパッチア
ンテナである。
【０００７】前記パッチアンテナの一つは、前記無給電
パッチが、面の中心部に貫通穴を有し、前記レドームの
保持部が、前記レドームの内面側から前記無給電パッチ
の貫通穴を貫通するとともに前記貫通穴の近傍を覆う第
１の保持体を備える構成をとることができる。
【０００８】該パッチアンテナは、前記レドームの保持
部が、前記無給電パッチの面周囲の近傍を部分的に覆う
一つまたは複数の第２の保持体をさらに備える構成をと
ることができる。
【０００９】前記パッチアテナの別の一つは、前記レド
ームの保持部が、前記無給電パッチの一面の周辺を部分
的または全面的に覆っている構成をとることができる。
【００１０】本発明によるパッチアンテナの製造方法
は、高周波数信号の給電を受けて高周波数電磁界を一面
から放射する給電パッチと、前記給電パッチからの前記
高周波数電磁界を一面に受けこの高周波数電磁界を他面
から再放射する無給電パッチと、前記給電パッチおよび
前記無給電パッチを内面側に覆って保護するとともに前
記無給電パッチを保持するレドームとを備えるパッチア
ンテナの製造方法であって、前記無給電パッチの厚さよ
り高さが高いボスを前記内面側に突起させた前記レドー
ムを製造する第１工程と、前記無給電パッチの他面を前
記ボスの周囲形状に合せて前記レドームの内面に接触す
るまで押し込む第２工程と、前記ボスの前記無給電パッ
チの一面から出ている部分を加熱軟化させるとともに前
記無給電パッチの一面に覆わせる形状に成型して保持部
となす第３工程と、前記保持部を冷却固化させて前記無
給電パッチを前記レドームとの間に保持させる第４工程
とを有する。
【００１１】
【発明の実施の形態】次に、本発明について図面を参照
して説明する。
【００１２】図１は本発明の実施の形態の一つによるパ
ッチアンテナの構造図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）
は部分拡大断面図である。また、図２は図１のパッチア
ンテナをレドーム１Ａと他の部分とに展開した斜視図で
ある。
【００１３】図１および図２を併せ参照すると、このパ
ッチアンテナではプリント板から加工された給電部３お
よび放射素子４とプリント板の原形を留める誘電体基板
５および接地導体６とがマイクロストリップ構造をなし
ている。そして、このストリップ構造とレドーム１に保
持される金属パッチ２Ａとがパッチアンテナの主要機能
を決定付けている。給電パッチとも呼ばれる放射素子４
は給電部３から高周波数信号の給電を受けて高周波数電
磁界を一面（図１（ａ）の上方の面）から放射する。ま
た無給電パッチとも呼ばれる金属パッチ２Ａは、放射素
子４からの高周波数電磁界を一面（図１（ａ）の下方の
面）に受け、この高周波数電磁界を他面（図１（ａ）の
上方の面）から再放射する。この結果、円偏波電磁界の
高周波数信号は低損失なプラスチック製のレドーム１Ａ
の外面１３の方向に放射される。放射素子４を含む上記
マイクロストリップ構造体および金属パッチ２Ａは、レ
ドーム１Ａの内面１２側とマイクロストリップ構造体を
固定したアンテナ基板７とに覆われてレドーム１Ａ外の
環境から保護される。
【００１４】以下、このパッチアンテナについてさらに
詳しく説明する。給電部３および放射素子４はプリント
板の同じ面に導体板エッチングにより形成されている。
円板状に形成された放射素子４は、２分岐した給電回路
３から互いに中心角α＝９０°をなす位置に９０°位相
差で給電されている。この給電の結果、放射素子４は一
面から円偏波電磁界を放射する。アルミニュウム等の薄
板で円板状に形成された金属パッチ２Ａは、この円偏波
電磁界を一面に受けて他面から再放射する。金属パッチ
２Ａの他面はレドーム１Ａの内面１２に接触しており、
金属パッチ２Ａはこのレドーム２Ａの内面１２と、この
内面１２側から突起するとともに金属パッチ２Ａの一面
の一部を覆う保持部１１Ａとによって保持されている。
この保持部１１Ａは後述する通りボス１１ａの先端部が
加工されたものである。レドーム１Ａは、上記マイクロ
ストリップ構造体の周囲をガイドにしてアンテナ基板７
の方向に押し込まれ、ネジ８ａおよび８ｂによってアン
テナ基板７に固定される。なおレドーム１Ａとアンテナ
基板７との固定は、両者の位置関係を精度よく決定でき
る固定方法であればよく、ネジ締結による固定に限定さ
れる必要はない。
【００１５】次に、金属パッチ２Ａのレドーム１Ａへの
保持について詳しく説明する。金属パッチ２Ａは面の中
心，つまり円中心Ｐ１の位置に一面から他面に向けた貫
通穴であるボス穴２１を明けている。ボス穴２１の直径
ｒは、円偏波電磁界の放射特性の劣化やレドーム１Ａの
金属パッチ２Ａの保持強度を考慮すると、金属パッチ２
Ａの外径をＲとするとき５Ｒ／１００程度にするのが望
ましい。なお、このパッチアンテナの使用周波数を１．
５ＧＨｚないし１．６ＧＨｚとすると、金属パッチ２Ａ
の外径Ｒ≒８０ｍｍ，厚さｔ≒０．５ｍｍ，ｒ１≒４ｍ
ｍが適切である。レドーム１Ａの内面１２側には、金属
パッチ２Ａのボス穴２１を貫通するとともに、ボス穴２
１の近傍にある金属パッチ２Ａの一面側を覆う保持部１
１Ａを設けている。
【００１６】保持部１１Ａはレドーム１Ａの内面１２側
から突起させたボス１１ａの先端部を加工した構造体で
ある。ボス１１ａの高さｈは金属パッチ２Ａの厚さｔよ
り高く、またボス１１ａの外径ｒ１は金属パッチ２Ａの
ボス穴２１の内径ｒよりやや小さくしてある。ボス１１
ａの位置は、レドーム１Ａをアンテナ基板７に固定した
とき、金属パッチ２Ａの円中心Ｐ１が放射素子４の円中
心Ｐ０の真上（図１（ａ）において）にほぼ対向する位
置とする。ボス１１ａの先端部は、金属パッチ２Ａの他
面がボス１１ａをガイドにしてレドーム１Ａの内面１２
に押し込まれたあと、加熱軟化および内面１２側への圧
迫により、金属パッチ２Ａの一面の一部を覆う形状とな
り、冷却固化をへて図示のごとき保持部１１Ａとなる。
なお、レドーム１Ａにはポリカーボネート等を使用でき
る。ポリカーボネートが加熱により軟化する熱軟化温度
（ガラス転移温度）Ｔｇは約１５０°Ｃ，流動体となる
結晶溶解温度Ｔｍは約２４０°Ｃ，固化状態で使用でき
る耐熱温度は１２５°Ｃ程度である。
【００１７】図３は図１のパッチアンテナの金属パッチ
２Ａをレドーム１Ａに保持させる製造工程を示す図であ
る。（ａ）ないし（ｄ）は第１工程ないし第４工程をそ
れぞれ示している。
【００１８】第１工程では金属パッチ２Ａの厚さｔより
高さｈが高く，外径ｒ１が金属パッチ２Ａのボス穴２１
の内径ｒよりやや小さなボス１１ａを内面１２側に突起
させたレドーム１Ａを製造する。第２工程では金属パッ
チ２Ａをボス１１ａの周囲形状，つまり円の外径をガイ
ドとしてレドーム１Ａの内面１２に接触するまで押し込
む。
【００１９】第３工程では、ボス１１ａの先端部にボス
１１ａの熱軟化温度Ｔｇより高く，溶解温度Ｔｍより低
い温度のホットプレート３０を押し当て、金属パッチ２
Ａのボス１１ａから出ている部分を加熱軟化させるとと
もに金属パッチ２Ａの一面に部分的に覆わせる形状に成
型して保持部１１Ａとなす。ここで、ホットプレート３
０の先端と金属パッチ２Ａとの間には、耐熱性で薄い円
形のスペーサ３１を挟んでおく。スペーサ３１は厚さが
ｔ１であり，中心には直径ｒ２の穴を空けておく。この
スペーサ３１はホットプレート３０をボス１１ａに押し
当てたときの保持部１１Ａの厚さを規制するためのもの
である。ボス１１ａの高さｈおよびスペーサ３１の厚さ
ｔ１は、保持部１１Ａの厚さおよび直径が金属パッチ２
Ａを十分に保持できる強度を有することができる値に設
定し、直径ｒ２は保持部１１Ａが金属パッチ２Ａの周辺
方向に延在する範囲より大きい値とする。なお、ホット
プレート３０に代えて半田ごて等も使用できる。
【００２０】そして第４工程では、保持部１１Ａからホ
ットプレート３０およびスペーサ３１を取り去って保持
部１１Ａを冷却固化させ、金属パッチ２Ａをレドーム１
Ａの内面１２との間に保持させる。
【００２１】上述したとおり、図１の実施の形態のパッ
チアンテナは、図３の製造工程によって金属パッチ２Ａ
をレドーム１Ａに保持させることができる。図３（ａ）
の形状のレドーム１Ａは射出成型で製造でき、またホッ
トプレート３０による金属パッチ２Ａのレドーム１Ａへ
の保持工程も極めて単純な工程である。従って、図１の
実施の形態のパッチアンテナは低コストで製造できると
いう効果がある。
【００２２】また、金属パッチ２Ａは精密に形成できる
レドーム１Ａのボス１１ａをガイドにして位置決めでき
るので、図１のパッチアンテナは金属パッチ２Ａと放射
素子４の位置ずれによる電気性能の劣化を考慮する必要
がないという効果もある。
【００２３】図４は本発明の実施の形態の別の一つによ
るパッチアンテナの部分構造図であり、（ａ）は平面
図、（ｂ）は（ａ）のＡ１−Ａ２断面図である。
【００２４】図４のパッチアンテナは、レドーム１Ａを
レドーム１Ｂに代えたほかは、図１のパッチアンテナと
変るところはない。製造方法も同様の方法が適用でき
る。レドーム１Ｂは、図１のレドーム１Ａの保持部１１
Ａに加えて、保持部１１Ｂ，１１Ｃおよび１１Ｄをさら
に備えている。保持部１１Ｂ，１１Ｃおよび１１Ｄは、
金属パッチ２Ａをレドーム１Ｂに保持させているとき、
金属パッチ２Ａの一面側の面周囲の近傍をそれぞれ部分
的に覆っている形状である。保持部１１Ｂ，１１Ｃおよ
び１１Ｄも、保持部１１Ａと同様に、レドーム１Ｂに予
め形成してあったボス１１ｂ，１１ｃおよび１１ｄ（図
示せず）をそれぞれ加熱軟化，成型および冷却固化した
ものである。ボス１１ｂ，１１ｃおよび１１ｄは、金属
パッチ２Ａの円周にほぼ接するとともに対称点にレドー
ム１Ｂの内面１２から突起させている。ボス１１ｂ，１
１ｃおよび１１ｄを上述のとおり加工することにより、
ボス１１ｂ，１１ｃおよび１１ｄの加工物である保持部
１１Ｂ，１１Ｃおよび１１Ｄ各各の一部が、金属パッチ
２Ａの一面側の面周囲の近傍をそれぞれ覆うことにな
る。このパッチアンテナは、保持部１１Ａに加えて保持
部１１Ｂ，１１Ｃおよび１１Ｄによって金属パッチ２Ａ
をレドーム１Ｂの内面側に保持するので、金属パッチ２
Ａのレドーム１Ｂへの保持強度が大きく、電気的および
機構的安定性が一層向上するという効果がある。
【００２５】図５は本発明の実施の形態のさらに別の一
つによるパッチアンテナの部分構造図であり、（ａ）は
平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ１−Ｂ２断面図である。
【００２６】図５のパッチアンテナは、レドーム１Ａを
レドーム１Ｃに，金属パッチ２Ａを２Ｂに代えたほか
は、図１のパッチアンテナと変るところはない。製造方
法も同様の方法が適用できる。このパッチアンテナは、
円形薄板の金属パッチ２Ｂをその面周囲においてレドー
ム１Ｃの内面１２に保持する構造である。従って、金属
パッチ２Ｂの円中心Ｐ２の位置には貫通穴が構成されて
いない。同様に、レドーム１Ｃは、図１のレドーム１Ａ
の保持部１１Ａを除いており、その代わりに保持部１１
Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇおよび１１Ｈを備えている。保持部
１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇおよび１１Ｈは、金属パッチ２
Ｂをレドーム１Ｃに保持させているとき、金属パッチ２
Ｂの一面側の面周囲の近傍をそれぞれ部分的に覆ってい
る形状である。
【００２７】保持部１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇおよび１１
Ｈは、レドーム１Ｃに予め形成してあった円環突起部１
１ｅ，１１ｆ（図示せず），１１ｇおよび１１ｈをそれ
ぞれ加熱軟化，成型および冷却固化したものである。対
称的に形成された４つの円環突起部１１ｅ，１１ｆ，１
１ｇおよび１１ｈは、レドーム１Ｃの内面１２から突起
した部分的な円環の突起体であり、それぞれの内径が金
属パッチ２Ｂの円周にほぼ接している。従って、円環突
起部１１ｅ，１１ｆ，１１ｇおよび１１ｈの加工物であ
る保持部１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇおよび１１Ｈ各各が、
金属パッチ２Ａの一面側の面周囲の近傍をそれぞれの一
部で覆うことになる。このパッチアンテナは、保持部１
１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇおよび１１Ｈによって金属パッチ
２Ｂをレドーム１Ｂの内面側に面状に保持するので、金
属パッチ２Ｂのレドーム１Ｃへの保持強度が大きく、電
気的および機構的安定性が大きいという効果がある。な
お、本実施の形態のパッチアンテナは保持部１１Ｅ，１
１Ｆ，１１Ｇおよび１１Ｈの各各がそれぞれ部分的な円
環形状をなしているが、円環突起部１１ｅ，１１ｆ，１
１ｇおよび１１ｈを完全な円環状突起に代えることによ
り、保持部１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇおよび１１Ｈを一体
化してもよい。また、図５のパッチアンテナは、図１の
パッチアンテナの如く、金属パッチ２Ｂの円中心Ｐ２の
近傍に保持部を設けてよいことは勿論である。
【００２８】以上説明した実施の形態によるパッチアン
テナでは、給電パッチおよび無給電パッチとして円形状
の放射素子４，金属パッチ２Ａおよび２Ｂによって説明
したが、本発明の給電パッチおよび無給電パッチが方形
等の別の形状にも適用できることは明らかである。ま
た、上記実施の形態では円偏波用パッチアンテナについ
て説明したが、本発明のパッチアンテナが直線偏波用に
も適用できることも明らかである。また、本発明のパッ
チアンテナは放射素子と金属パッチのペアを複数備えて
いるアレイアンテナにも適用できる。このアレイアンテ
ナの場合には、複数の金属パッチは同一のレドームに保
持されてよい。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、給電パッ
チと無給電パッチとで二層の電磁波放射部を構成すると
ともに前記無給電パッチがレドームで保持されたパッチ
アンテナにおいて、前記無給電パッチが、この無給電パ
ッチの他面（電磁界を再放射する面）に接触する前記レ
ドームの内面と，前記レドームの内面側から突起すると
ともに前記無給電パッチの一面（前記給電パッチから電
磁界を受ける面）の一部を覆う保持部とによって保持さ
れているので、製造工程が簡単でコストを低減できるだ
けでなく、前記無給電パッチを精密に位置決めできるの
で、前記給電パッチと前記無給電パッチの位置ずれによ
る電気性能の劣化を考慮する必要がないという効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一つによるパッチアンテ
ナの構造図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は部分拡大
断面図である。
【図２】図１の実施の形態のパッチアンテナをレドーム
１Ａと他の部分とに展開した斜視図である。
【図３】図１のパッチアンテナの金属パッチ２Ａをレド
ーム１Ａに保持させる製造工程を示す図である。（ａ）
ないし（ｄ）は第１工程ないし第４工程をそれぞれ示し
ている。
【図４】本発明の実施の形態の別の一つによるパッチア
ンテナの部分構造図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は
（ａ）のＡ１−Ａ２断面図である。
【図５】本発明の実施の形態のさらに別の一つによるパ
ッチアンテナの部分構造図であり、（ａ）は平面図、
（ｂ）は（ａ）のＢ１−Ｂ２断面図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ レドーム １１Ａ〜１１Ｈ 保持部 １１ａ〜１１ｄ ボス １１ｅ〜１１ｈ 円環突起部 １２ 内面 １３ 外面 ２Ａ，２Ｂ 金属パッチ ２１ ボス穴 ３ 給電部 ４ 放射素子 ５ 誘電体基板 ６ 接地導体 ７ アンテナ基板 ８ａ，８ｂ ネジ ３０ ホットプレート ３１ スペーサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−141007（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−228705（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−281605（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−121716（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−5917（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01Q 13/08

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高周波数信号の給電を受けて高周波数電
    磁界を一面から放射する給電パッチと、前記給電パッチ
    からの前記高周波数電磁界を一面に受けこの高周波数電
    磁界を他面から再放射する無給電パッチと、前記給電パ
    ッチおよび前記無給電パッチを内面側に覆って保護する
    とともに前記無給電パッチを保持するレドームとを備え
    るパッチアンテナにおいて、 前記無給電パッチが、面の中心部に放射特性と保持強度
    を考慮して得られた所定の寸法の貫通穴を有し、前記レ
    ドームの保持部が前記レドームの内面側から前記無給電
    パッチの貫通穴を貫通するとともに前記貫通穴の近傍を
    覆う第１の保持体を備え、前記無給電パッチの他面に接
    触する前記レドームの内面と，前記レドームの内面側か
    ら突起するとともに前記無給電パッチの一面の一部を覆
    う前記保持部とによって保持されていることを特徴とす
    るパッチアンテナ。
  2. 【請求項２】 前記保持部が、前記無給電パッチの面周
    囲の近傍を部分的に覆う一つまたは複数の第２の保持体
    をさらに備えることを特徴とする請求項２記載のパッチ
    アンテナ。
  3. 【請求項３】 前記保持部が、前記無給電パッチの一面
    の周辺を部分的または全面的に覆っていることを特徴と
    する請求項１記載のパッチアンテナ。
  4. 【請求項４】 前記レドームがプラスチック製であり、
    前記保持部の前記無給電パッチの一面の一部を覆う部分
    が、前記無給電パッチの他面が前記レドームの内面側に
    設定されたあと、加熱軟化，成型および冷却固化された
    ものであることを特徴とする請求項１記載のパッチアン
    テナ。
  5. 【請求項５】 前記無給電パッチが、加熱軟化前の前記
    保持部を位置決めガイドにして前記レドームの内面側に
    設定されることを特徴とする請求項４記載のパッチアン
    テナ。
  6. 【請求項６】 高周波数信号の給電を受けて高周波数電
    磁界を一面から放射する給電パッチと、前記給電パッチ
    からの前記高周波数電磁界を一面に受けこの高周波数電
    磁界を他面から再放射する無給電パッチと、前記給電パ
    ッチおよび前記無給電パッチを内面側に覆って保護する
    とともに前記無給電パッチを保持するレドームとを備え
    るパッチアンテナの製造方法であって、 前記無給電パッチの厚さより高さが高いボスを前記内面
    側に突起させた前記レドームを製造する第１工程と、前
    記無給電パッチの放射特性と保持強度を考慮して得られ
    た所定の寸法の貫通穴を前記ボスの周囲形状に合せ、前
    記無給電パッチを前記レドームの内面に接触するまで押
    し込む第２工程と、前記ボスの前記無給電パッチの一面
    から出ている部分を加熱軟化させるとともに前記無給電
    パッチの一面に覆わせる形状に成型して保持部となす第
    ３工程と、前記保持部を冷却固化させて前記無給電パッ
    チを前記レドームとの間に保持させる第４工程とを有す
    ることを特徴とするパッチアンテナの製造方法。
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