JP4097258B2 - 積層パッチアンテナ組立体 - Google Patents
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- H01Q9/0414—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna in a stacked or folded configuration
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層(stacked)パッチアンテナに関し、より詳細には改良された周波数帯域分離及び多数（３以上）の作動周波数帯域を有する積層パッチアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
パッチアンテナは、比較的狭帯域の作動に特に好適なタイプのアンテナであり、通常、誘電体パネルと、そのパネルの両面に配置された導電性パターンすなわちパッチとからなる。上面導体パターンすなわちパッチは、放射体であり、特定の周波数で共振するように寸法及び形状が設定されている。この上面パッチ（以下、パッチアンテナの放射パッチと称する）は、同相の直線状又は円状偏向放射を与えることによりアンテナとして作用する平行平面のマイクロストリップ伝送線(transmission line)として機能する。放射パッチは、例えば同軸フィード(feed)線により供給される。同軸フィード線は、誘電体により同心状に取り囲まれた中心導体と、シールドとして作用して誘電体を同心状に取り囲む外部導体とを有する。外部導体は接地平面(ground plane)に接続されるのが代表的である。内部導体すなわち中心導体は放射パッチに接続される。信号は、アンテナから発振されるか又はアンテナにより受信されるかを問わず、内部導体及び外部接地導体間の差の電圧として進む。放射パッチは、その縁から信号を放射する。底面導体パターンは、放射パッチ用の接地平面として機能し、以下、パッチアンテナの接地パッチと称する。
【０００３】
パッチアンテナの基本的利点の一つは、極端にコンパクトであることである。しかし、パッチアンテナは、かなり狭い帯域幅でのみ効率的に放射するのが通常である。このため、パッチアンテナは、１又は２の狭い周波数帯で作動するＧＰＳ（地球測位）システム等の狭帯域幅で使用されるのが一般的である。
【０００４】
特に、ＧＰＳシステムは、1227ＭHzのミリタリバンド及び1575ＭHzのシチズンバンドの２区域帯域幅で作動する。ミリタリ帯域幅にアクセスが許可されている（ことによってより高精度で作動する）ＧＰＳレシーバは、実際には両帯域幅の信号にアクセスする。このため、このようなシステムは、それぞれ２周波数帯の一方で共振するように設計された２枚のパッチアンテナを必要とする。
【０００５】
過去において、放射パッチにフィードする公知の方法は、同軸フィード線の内部導体をパッチの固有フィード点でパッチに接続することである。放射パッチの固有フィード点は、その点で導体が結合する際に外見上50Ωのインピーダンスを示す点である。これらの点の位置は、放射パッチの幾何学的中心からオフセットしているのが代表的である。
【０００６】
積層パッチアンテナは、２枚のパッチアンテナが互いに積層されていることで公知である。明確化のために、本明細書においては以下の用語が使用される。積層パッチアンテナ組立体の個々のアンテナは、パッチアンテナ又は単にアンテナと称される。パッチアンテナの上面導体パターンはパッチアンテナの放射パッチと称され、底面導体パターンがある場合、底面導体パターンはパッチアンテナの接地パッチと称される。多数のパッチアンテナを有する積層パッチアンテナ組立体全体は、積層パッチアンテナ組立体と称される。
【０００７】
積層パッチアンテナ組立体は、前述の２バンドＧＰＳタイプの用途に適合する。従来の積層パッチアンテナ組立体は、２タイプのフィード構造(feed arrangement)のうちの一方を使用するのが代表的であった。一方のタイプのフィード構造では、１枚のパッチアンテナのみが直接フィードされ、他方は第１パッチアンテナに寄生結合する。他方のタイプのフィード構造では、各パッチアンテナが直接フィードされる。各パッチアンテナが直接フィードされるフィード構造のタイプでは、内部導体及び外部導体を有する同軸ケーブルからなる各フィード構造は、パッチアンテナの中心にない或る点で接地パッチに短絡された外部導体を有する。
【０００８】
これら両タイプのフィード構造において、２枚以上のパッチアンテナの作動周波数間で得ることができる分離量は、極めて限定されている。直接フィードされるパッチアンテナに対してパッチアンテナの一方が寄生結合される前者のタイプにおいて、帯域間の結合が意図的に引き起こされる。各パッチアンテナが直接且つ個別にフィードされた後者の場合、上側パッチアンテナ用の同軸フィードの外部導体が下側パッチアンテナの放射パッチと接触する点において、下側パッチアンテナ又はアンテナの放射パッチ上のゼロでない表面電流の存在から結合が生ずる。その結果、個別の作動帯域間に十分な分離を保証するために、回路構成の設計にかなりの労力を要する。このような回路設計を困難にするばかりでなく、アンテナ組立体のコストを押し上げてしまう。
【０００９】
本出願人が保有する特許文献１は、周波数帯域分離を改良した積層パッチアンテナ組立体を開示する。特に、特許文献１は、２個のパッチアンテナが個別導体によりフィードされる、代表的な積層パッチアンテナ組立体を開示する。上側パッチアンテナ用の同軸フィードは、下側パッチアンテナの無効点(null point)点と同じ位置の下側パッチアンテナの開口を貫通する。内部導体は、最上端のパッチアンテナの放射パッチの無効点に電気的に結合する。上側パッチアンテナ用の同軸フィードケーブルの外部導体は、好適には接地平面及び下側パッチアンテナの双方に電気的に接続される。同軸フィードの外部導体は、接地平面での接地基準へのインダクタンスを上側アンテナの放射パッチに提供する。下側パッチアンテナは、その放射パッチの固有フィード点に結合された別の同軸導体によってフィードされる。
【００１０】
【特許文献１】
米国特許第５９４００３７号明細書
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
個人が利用できる移動体通信サービスの数が伸びているので、人間又は車両が搬送しなければならない個別の電子通信デバイス（携帯又は自動車での使用のいずれか）の数が問題になってきている。このようなサービス及びデバイスには、携帯電話、無線パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、ＧＰＳ受信器及びポケットベルが含まれる。従って、電子通信デバイスをより少ない数の個別のハードウエア部品に統合しようとする圧力がある。このトレンドに特有なのは、異なる周波数帯域で作動するより多くのアンテナを、合理的にコンパクトで効果的な統合アンテナ組立体に統合したいという要望である。
【００１２】
従って、本発明は、改良された積層パッチアンテナ組立体を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明は、周波数帯域分離を改良した積層パッチアンテナ組立体を提供することを別の目的とする。
【００１４】
さらに、本発明は、多様なパターンを有する積層パッチアンテナ組立体を提供することをさらに別の目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、可能なパッチアンテナの数が理論上制限されず、周波数帯域間に良好な分離を提供する多層パッチアンテナ組立体である。４枚のアンテナを有する代表的なアンテナ組立体において、４枚のパッチアンテナが接地平面に積層され、（最上端アンテナ以外の）各パッチアンテナの放射パッチが、その上のパッチアンテナ用の接地平面として作用する第２の目的を提供する。上述の接地平面は、積層組立体の最下端アンテナの接地平面として機能する。単一の同軸ケーブルは２枚の上側パッチアンテナをフィードし、最上端のパッチアンテナの放射パッチは内部導体の無効点で結合される。また、上側アンテナは、円状放射以外が望ましい場合、後述するように「固有フィード点」を得るためにエッチングされた伝送線を有してもよい。第２の上側パッチアンテナの放射パッチは、最上端パッチアンテナを介してフィードに寄生結合される。このフィードの内部導体は、第２の上側パッチアンテナと電気的に接触することなく第２の上側パッチアンテナの開口を貫通する。このフィードの外部導体は、接地平面に結合され、第３及び第４の上側パッチアンテナ（２枚の下側パッチアンテナ）のいずれか一方又は双方の開口を貫通する。外部導体は、２枚の下側パッチアンテナの一方又は双方に電気的に結合される。内部導体が貫通する３枚の下側パッチアンテナの開口は、すべて放射パッチの無効点にある。
【００１６】
外部導体は接地平面に接地される。内部導体は、最下端パッチアンテナに電気的に接触することなく最下端パッチアンテナを貫通し、第２の下側パッチアンテナ放射パッチの50Ω点に電気的に接続される。２枚の下側パッチアンテナは、別のフィード導体によりフィードされる。２枚の下側パッチアンテナの上側（すなわち第２の下側パッチアンテナ）は別のフィード導体に電気的に結合されるが、最下端パッチアンテナは第２の下側パッチアンテナを貫通して別のフィード導体に誘導結合される。
【００１７】
パッチアンテナは、積層組立体の上端には最高周波数アンテナが配置され積層組立体の下端には最低周波数アンテナが配置されるように、作動周波数が下がる順に配置されるのが好適である。従って、連続する各パッチアンテナは、その上のパッチアンテナより大きく、その上のアンテナ用の接地平面としてより適当である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。上述の特許文献１の発明が依存する一つのキーとなるコンセプトは、パッチアンテナの放射パッチが、アンテナが放射する際に表面電流のないパッチ内のどこかに固有無効点（実際にはパッチの小さい領域）を有することである。正方形パッチ又は円形パッチ等の対称形状の放射パッチを有するアンテナの場合、固有無効点は正方形又は円形の幾何学的中心にある。下側アンテナの放射パッチの無効点で同軸フィードの外部導体をパッチアンテナに短絡することは、２枚のアンテナ間の信号結合を最小にする。
【００１９】
本明細書は、上記特許のコンセプトの上に構築され、同コンセプトの延長上にあり、任意の数の積層パッチアンテナを有する積層パッチアンテナ組立体に適用できる。
【００２０】
図１を参照すると、本発明の代表的な４層に積層されたパッチアンテナ組立体の概略断面側面図である。この代表的なパッチアンテナ組立体は、接地平面１０１上に配置された４枚のパッチアンテナ１０３，１０５，１０７，１０９を有する。携帯電話は、ＧＰＳ機能を有するよう開発され又は市場に供給されつつある。従って、特定の例として、４つの作動周波数が、ＧＰＳ(1575ＭHz)用のＬ１周波数、ＧＰＳ(1227ＭHz)用のＬ２周波数、1900ＭHzを中心とする携帯電話帯域、及び2400ＭHzのＩＳＭ（産業、科学及び医療）帯域であるアンテナ組立体について考えよう。
【００２１】
接地平面１０１は積層パッチアンテナ組立体の一体部品を形成することができる。しかし、接地平面１０１は一般的に、アンテナ組立体が実装される自動車又は他のデバイスの導電部で形成される。各アンテナは、誘電体パネル１０９ｂ上に上側放射金属化部（上側放射パッチ）１０９ａを有する。放射パッチは所望の任意形状であってもよいが、平坦で矩形又は円形の金属マイクロストリップすなわちパッチの形態であるのが代表的である。別の導電層すなわち接地パッチは誘電体パネルの底面に設けることができる。しかし、本発明の積層設計において、各パッチアンテナ１０３，１０５，１０７，１０９は別のパッチアンテナ（最下端パッチアンテナの場合は接地平面１０１）の上面に直接着座するので、底面の金属化を無くすことができる。というのは、各放射パッチ１０５ａ，１０７ａ，１０９ａはパッチアンテナ１０３，１０５，１０７用の接地平面として作用できるので、各アンテナ底面の金属化の必要がないからである。
【００２２】
パッチアンテナが共振する周波数は、放射パッチ１０３ａ．１０５ａ，１０７ａ，１０９ａの寸法に強く影響される。一般的には、金属化部が小さいほど、パッチが共振する周波数は高くなる。上記したように、各パッチアンテナはその上のパッチアンテナの接地平面として作用する。このため、パッチアンテナはその上のパッチアンテナより大きな放射パッチを有するように配置されるので、隣のより高いパッチアンテナ用の接地平面としてより効果的に作用することができる。従って、最高周波数帯域すなわち2400ＭHzの携帯電話帯域を有するパッチアンテナは頂上に位置すべきであり、1900ＭHzの携帯電話帯域アンテナはその下に位置すべきであり、底部の1575ＭHzのＧＰＳ帯域アンテナ及び1227ＭHzのＧＰＳ帯域アンテナがそれに続く。実際の接地平面１０１は最下端のパッチアンテナ１０３用の接地平面として作用する。
【００２３】
２導体同軸ケーブル１１１は、接地平面に電気的に結合されると共に接地平面から上方に延びる。同軸ケーブル１１１は、内部導体１１１ａ、この内部導体１１１ａを同軸状に囲む外部導体１１１ｃ、及び２導体１１１ａ，１１１ｃ間の誘電体層１１１ｂからなる。最上端のアンテナ１０３の放射パッチ１０３ａは、その無効点で内部導体１１１ａに直接結合され、内部導体１１１ａによりフィードされる。上述したように、略正方形又は円形パッチにおいて、無効点はパッチの幾何学的中心に位置する。
【００２４】
第２の上側アンテナ１０５はいかなる導体にも直接結合されていないが、最上端アンテナ１０３と同じ導体１１１ａによって寄生フィードされる。同軸ケーブル１１１の内部導体１１１ａは、アンテナ１０５の無効点を通る開口１２３を貫通する。アンテナ１０５は、最上端放射パッチ１０３ａを貫通してフィード線すなわち内部導体１１１ａに寄生結合されるが、或いは共振回路を介して内部導体１１１ａによって直接フィードされてもよい。
【００２５】
また、内部導体１１１ａは、下側アンテナ１０７，１０９の垂直開口１２５，１２７を貫通する。これら開口はまた、これらアンテナの無効点と同位置に配置される。図１は、最上端パッチアンテナ１０３まで連続する誘電体層１１１ｂを示す。しかし、内部導体１１１ａがアンテナ１０３以外のいかなるアンテナの放射パッチと直接電気接触しない限り、誘電体層１１１ｂは最上端パッチアンテナ１０３まで連続する必要はない。
【００２６】
外部導体１１１ｃは、内部導体１１１ａと同軸であり、また下側パッチアンテナ１０７，１０９の無効点で垂直開口１２５，１２７を貫通する。しかし、外部導体１１１ｃはアンテナ１０７，１０９の放射パッチ１０７ａ，１０９ａの一方又は双方と電気接触するので、これらアンテナの一方又は双方を接地平面１０１に接地基準をとる。従って、内部導体１１１ａ及び外部導体１１１ｃ上の信号は、外部導体１１１ｃを貫通する無効点で接地平面１０１に誘導的に接地基準をとるので、下側パッチアンテナ１０７，１０９に実質的な効果を与えない。このため、２枚の下側アンテナ１０７，１０９は２枚の上側アンテナから良好に分離される。
【００２７】
２枚の上側パッチアンテナが携帯電話用である本特定代表実施形態において、２枚の上側放射パッチ１０３ａ，１０５ａの放射パターンは、パッチアンテナの平面（図８参照）内で放射が最大になる円形モード放射パターンを提供するように設計される。特に、２枚の上側の携帯電話帯域アンテナが通信する携帯電話タワー基地局は、地上にあるためせいぜい地上数10〜100mの高さであるので、アンテナから主に水平に変位されるのが代表的である。しかし、携帯電話はタワーから水平方向に約10km程度までの範囲に位置する。このため、アンテナ１０３，１０５の携帯電話通信帯域については、アンテナの平面に直交する無効点を有しアンテナの平面にピークを有する全方向性(omni-directional)円形モードパターンが望ましい。
【００２８】
他方、ノーマルモードの作動が好適である場合、特許文献１で説明したように、放射パッチ１０３ａ，１０５ａに伝送線部を組み込むことにより提供される。特に、マイクロストリップライン部は、そのノーマルモード位置にフィード点を効果的に移動し、またインピーダンス整合手段をも提供する。全方向性パターンを造る際の主な困難はインピーダンス整合に関係する。同軸導体が放射パッチの中心に取り付けられると、パッチは高容量性終端を示す。２枚の下側パッチアンテナ１０７，１０９は、上述したように、同軸ケーブル１１１の外部導体１１１ｃを通る無効点で接地平面１０１に誘導結合され、別のケーブル１１３によりフィードされる。ケーブル１１３は単一の導体のみで構成されてもよいが、内部導体１１３ａ、外部導体１１３ｃ及びその間の絶縁体１１３ｂからなるのが好適である。内部導体１１３ａは、接地平面１０１に結合されておらず、固有50Ωフィード点でパッチアンテナ１０７の放射パッチ１０７ａと電気接触する。外部導体１１３ｃは接地平面１０１と電気接触する。ケーブル１１３は、放射パッチ１０９ａと電気接触することなく、垂直開口１３１を通って下側パッチアンテナ１０９を貫通する。代わりに、パッチアンテナ１０７の放射パッチ１０７ａを通ってフィードケーブル１１３により容量的にフィードされる。しかし、アンテナ１０５のように、パッチ１０９ａは、共振回路を介して導体１１３ａに直接フィードされてもよい。
【００２９】
上述の携帯電話帯域アンテナと対照的に、ＧＰＳシステムは地球を周回する衛星と通信し、アンテナに対する衛星の変位は略垂直方向であるので、ＧＰＳ帯域アンテナ用にはノーマルモード作動が好適である。ノーマルモード作動において、図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に関して詳細に述べるように、主モードは、アンテナの平面と直交すると共にアンテナの平面内でロールオフする。50Ω点でＧＰＳアンテナをフィードすることはノーマルモード作動を与える。
【００３０】
本構造は、２つの携帯電話通信帯域用の結合作動及び２つのＧＰＳ帯域用の結合作動を提供しながら、一方では携帯電話通信帯域間、及び他方ではＧＰＳ帯域間の高い分離を維持する。
【００３１】
上述したのは４枚のパッチアンテナを有する代表的実施形態であった。しかし、最上端パッチアンテナ用のフィードケーブルに追加同軸導体が追加されるように追加パッチアンテナを単独又は対で追加してもよい。すなわち、最上端パッチアンテナ用のフィードが３軸ケーブルにより提供される場合、６層までのパッチアンテナが本発明に従って積層できる。最上端パッチアンテナ用のフィードが４軸ケーブルにより提供される場合、８層までのパッチアンテナが積層できる。
【００３２】
図２は、本発明による６層の積層パッチアンテナ組立体の例である。この組立体は、２以上のパッチアンテナを積層パッチアンテナ組立体に追加し、最上端アンテナをフィードする中心ケーブルを３軸ケーブルにし、２枚の付加アンテナをフィードする別のオフセットフィードケーブルを付加することで完成する。図２に示されるように、本実施形態において、中心ケーブル２１５は、中心導体２１５ａ、この中心導体２１５ａを囲む中間導体２１５ｂ、並びに中心導体２１５ａ及び中間導体２１５ｂを囲む外部導体２１５ｃからなる３軸ケーブルである。図２において、導体２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃ間の誘電体層は簡単のために図示されていない。最上端パッチアンテナ２０３は内部導体２１５ａに直接電気結合され、内部導体２１５ａは２枚の最上端パッチアンテナ用のフィード信号を搬送する。この内部導体は、残余のパッチアンテナ２０５，２０７，２０９，２１１，２１３と電気接触することなく、これらパッチアンテナを貫通する。第２パッチアンテナ２０５は、アンテナ２０３の放射パッチ２０３ａを介した導体２１５ａのフィード信号に寄生結合されるが、或いは共振回路を介してフィード導体２１５ａに直接結合されてもよい。さらに、５作動帯域のみが必要な場合、パッチアンテナ２０５は全体として省略してもよい。事実、どの１以上のパッチアンテナ２０５，２０９，２１３も必要に応じて省略可能である。
【００３３】
同軸導体２１５ｂは、接地平面２０１に誘導的に接地基準をとって無効点で放射パッチ２０７ａ，２０９ａの一方又は双方に電気結合されるので、一方では放射パッチ２０３ａ，２０５ａ間、及び他方では放射パッチ２０７ａ，２０９ａ間に良好な周波数分離を提供する。特に、上述の特許文献１で説明したように、最上端アンテナ２０３のパッチ２０３ａ等の放射パッチが無効点でフィードされる際に、ノーマルモードで放射される前に第２励起が再形成される傾向がある。無効点フィード接続は、同軸フィードに伝送される第２励起の電気的影響からパッチの作動周波数帯域を電気的に分離する。
【００３４】
さらに、最外端同軸導体２１５ｃは無効点で放射パッチ２１１ａ，２１３ａの一方又は双方に直接電気結合されるので、これらアンテナを接地平面２０１に誘導的に接地基準をとる。従って、異なる導体を通して無効点でパッチアンテナの各連続した対を接地に誘導結合することにより、各連続したパッチアンテナ対間に良好な周波数帯域分離を提供する。
【００３５】
パッチアンテナ２１１はその固有フィード点で別のフィード２１７に直接結合され、その下のパッチアンテナ２１３はその上のパッチアンテナ２１１を介してフィード２１７に寄生結合される。中間同軸導体２１５ｂは、中間の２枚のパッチアンテナ２０７，２０９用のフィード導体として二重の責務を果たしながら、依然としてこれらアンテナを接地接続するので、２枚の上側パッチアンテナ２０３，２０５用の接地基準を提供する。第３のケーブルは、２枚の中間パッチアンテナ２０７，２０９をフィードするために別の位置に設置すべきでないことに留意されたい。別の変位された導体は、図２の導体２１７が他のアンテナを貫通する必要がないので、積層パッチアンテナ組立体の２枚の下側パッチアンテナ用のみに使用されるべきである。例えば図２のアンテナ２０７，２０９等の中間パッチアンテナをフィードするために下側アンテナ２１１，２１３用の別のフィード２１７のように別の変位された導体を設置する場合、これらアンテナの無効点以外の位置で２枚の下側アンテナ２１１，２１３を貫通する必要がある。もちろん、このような構造は、本発明の一目的すなわちパッチアンテナ対の間の良好な分離を無にしてしまうであろう。また、最下端のアンテナ又は下側アンテナ対２１１，２１３は、別の変位された導体すなわち導体２１７によりフィードされるべきであることに留意されたい。中心ケーブル２１５の最外端導体２１５ｃは、積層組立体の直ぐ上のアンテナ例えばアンテナ２０７，２０９の一方又は双方用の接地基準と、下側アンテナ２１１，２１３の一方又は双方用のフィードとの二重の責務を果たすように使用されるべきではない。導体２１５ｃは、接地電位であるので、下側アンテナ２１１，２１３用のフィードとして使用されるべきではない。
【００３６】
本発明による一体の積層パッチアンテナ組立体に組み合わせられる積層パッチアンテナの数は、最上端アンテナ用の同軸フィードケーブルの最外端導体の厚さ等の実際の考慮のみにより制限される。特に、中央フィード導体を取り囲む同軸導体の数が増加すると、ケーブルの径も大きくなる。従って、多くの同軸導体が貫通しなければならない最下端のパッチアンテナの開口は、最終的には最下端アンテナの無効領域より大きくなる必要がある。
【００３７】
図３は、図１に簡単に図示されたように４層のアンテナが積層されたパッチアンテナ組立体の実践的な実施形態の斜視図である。図４は同じアンテナ組立体の断面側面図である。図１に関連して上述したアンテナ組立体部品は、例えば導電性ベース３０１及びラドーム３０３からなるハウジング内に収容されている。導電性ベース３０１はラドーム３０３の底部内に配置される。ベース３０１から突出するのはパッチアンテナ（図４参照）に接続するフィードスルーを提供する２個の同軸コネクタ３０５，３０７である。信号は、各アンテナと、同軸コネクタ３０５，３０７に結合された同軸ケーブル（図示せず）を貫通するアンテナ（図示せず）の外部の伝送回路との間を通る。
【００３８】
図４を特に参照すると、ベース３０１は、パッチアンテナ４０３，４０５，４０７，４０９用の接地平面として作用する。上側アンテナ４０３，４０５用の内部導体４１１aは同軸ケーブルで構成される。内部導体４１１ａは電気コネクタ３０５から導電性バスケット４１６まで延びる。内部導体４１１ａの上端は導電性バスケット４１６で終端される。導電性バスケット４１６は、パッチアンテナ４０３の放射パッチ４０３ａとの電気的接続を確立するために内部導体４１１ａを弾性的に把持する。バスケット４１６は、内部導体４１１ａを把持するばねフィンガを有する電気リセプタクルを具備する。バスケット４１６は例えば半田接続部により放射パッチ４０３ａに電気接続される。内部導体４１１ａの下端は、電気コネクタ３０５の内部導体３０５ａを把持して電気接続を形成するばねフィンガを有する電気リセプタクルを具備する。外部導体４１１ｃは接地平面からアンテナ４０７，４０９を貫通して延びる。外部導体４１１ｃは例えば半田接続部によりベース３０１に電気接続される。
【００３９】
外部導体４１１ｃは、フランジ付きスリーブ４１３（明確にするためアンテナ４０７用のスリーブのみが示される）と導通をとることにより、２枚の下側パッチアンテナ４０７，４０９に結合される。外部導体４１１ｃは例えば半田接続部によりスリーブ４１３に電気接続される。スリーブ４１３は例えば半田接続部により放射パッチ４０７ａ，４０９ａに電気接続される。誘電体スリーブ４１１ｂは、内部導体４１１ａ及び外部導体４１１ｃ間を同軸状に延びる。２枚の下側アンテナ４０７，４０９用の第２同軸フィード４１５は同軸ケーブルとして構成される。内部導体４１５ａは電気コネクタ３０７から導電性バスケット４２０まで延びる。内部導体４１５ａの上端は、内部導体４１５ａを弾性的に把持する導電性バスケット４２０で終端し、パッチアンテナ４０７の放射パッチ４０７ａとの電気接続を確立する。バスケット４２０は、内部導体４１５ａを把持するばねフィンガを有する電気リセプタクルを具備する。バスケット４２０は例えば半田接続部により放射パッチ４０７ａに電気接続される。内部導体４１５ａの下端は、電気コネクタ３０７の内部導体３０７ａを把持して電気接続を形成するばねフィンガを有する電気リセプタクルを具備する。外部導体４１５ｃは例えば半田接続部によりベース３０１に電気接続される。誘電体スリーブ４１５ｂは、内部導体４１５ａ及び外部導体４１５ｃ間を同軸状に延びる。
【００４０】
本発明に従った４枚のアンテナを具備する積層パッチアンテナ組立体は、本発明の分離パラメータ及び他のパラメータを決定するように構成された。試作品は、２つの最高周波数用の全方向性放射パターンを生成するように任意に設計された。その試作品において、最上端層は、約5.1mmの基板に一辺約17.5mmの正方形放射パッチを有する2400ＭHzアンテナであった。フィード点はパッチの幾何学的中心であった。第２上側パッチアンテナは、1900ＭHzで共振するように設計され、約4.6mmの基板に一辺約19.8mmの正方形放射パッチを有した。直径約3.8mmの円が放射パッチの中心から除かれ、上側アンテナ用のフィード線の中心導体を収容した。
【００４１】
第３の上側（第２の下側）パッチアンテナは、1575ＭHzで共振するように設計され、約4.6mmの基板に一辺約23.4mmの正方形放射パッチを有した。フィード点は、パッチ中心線から約7.1mmに位置した。最後に、最下端アンテナは、1227ＭHzで共振するように設計され、約4.6mmの基板に一辺約34.5mmの正方形放射パッチを有し、その中心に直径約3.8mmの円形開口を有し、中心同軸ケーブルの内部導体及び外部導体を収容していた。この最下端アンテナのみが、アンテナの誘電体基板の底部に接地金属化部を有した。２枚の上側パッチアンテナをフィードする約2.2mmの同軸ケーブルの外部導体は、接地平面及び２枚の下側パッチアンテナの中心に電気接続された。1575ＭHzアンテナフィードの外部導体は接地平面に電気接続された。
【００４２】
積層パッチアンテナ組立体は、試験用に直径約45.7cmの接地平面に実装された。ＧＰＳ帯域用に測定されたインピーダンスの結果は図５に示される。Ｌ２帯域用に測定された共振は公称よりも約10％周波数が高く、Ｌ１帯域は約5％高い。しかし、これらパッチの双方は調整のために許容される約5％大きな寸法で製造された。従って、これらの結果は予測とよく一致する。両ケースにおいて、測定された２：１ＶＳＷＲ（電圧定在波比）帯域幅（約40ＭHz）は、予測よりやや大きく用途には十分である。
【００４３】
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、０°及び９０°のφ用Ｌ２ＧＰＳアンテナ（1350ＭHz）用の測定された放射パターンをそれぞれ示し、ノーマルモードパターンの代表である。Ｌ１パターンは同様に若干小さいビーム幅を有する。双方とも予測された結果によく一致する。
【００４４】
予測されたように、放射パッチの中心でのフィードプローブを有する２枚の上側通信帯域パッチアンテナに対して、初期モデルは良好でないインピーダンス整合を予測した。この不整合を確認する測定結果は図７に示される。
【００４５】
図８（Ａ）及び８（Ｂ）は、０°及び９０°のφ用2400ＭHzからの測定された放射パターンをそれぞれ示す。インピーダンス不整合のため利得は低いが、所望の全方向性パターンが放射され、予測された結果を再度確認する。非対称があり利得は2400ＭHzよりも低いが、1900ＭHzでの放射パターンは同様である。
【００４６】
一方では２つのＧＰＳ帯域間の分離及び他方では携帯電話通信帯域間の分離は、周波数の機能としての２同軸ポート間の挿入損失をプロットした図９に示されるように、20dBより良好である。容量性負荷を補償するために、最上端パッチの縁に誘導性ポストが付加された。これらポストは2400ＭHzパッチ及び1900ＭHzパッチの双方に短絡された。モデルの結果は図１０に示され、改良されたインピーダンス整合を示している。
【００４７】
本発明の少ない特定実施形態を説明したが、当業者であれば種々の変形、変更及び改良を容易に想起するだろう。そのような変形、変更及び改良は、本開示により自明であり、本明細書に明示されていなくても本明細書の一部であることを意図されており、本発明の真髄及び範囲内であることが意図されている。従って、上述の説明は例示のみであり、限定するものではない。本発明は、特許請求の範囲に定義されたもの及びその等価物のみに限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による４層に積層されたパッチアンテナ組立体の概略断面側面図である。
【図２】本発明による６層に積層されたパッチアンテナ組立体の概略断面側面図である。
【図３】本発明による積層パッチアンテナ組立体の斜視図である。
【図４】本発明による４層に積層されたパッチアンテナ組立体の断面側面図である。
【図５】本発明による２低周波数帯域用の４層積層パッチアンテナ組立体試作品の周波数機能としてのインピーダンスを示すグラフである。
【図６】（Ａ）は本発明の一実施形態による０°のφでの２枚の下側パッチアンテナ用の平面放射パターンを示す放射パターン図であり、（Ｂ）は本発明の一実施形態による９０°のφでの２枚の下側パッチアンテナ用の平面放射パターンを示す放射パターン図である。
【図７】本発明による２高周波数帯域用の４層積層パッチアンテナ組立体試作品の周波数機能としてのインピーダンスを示すグラフである。
【図８】（Ａ）は本発明の一実施形態（円形モード放射）による０°のφでの２枚の上側パッチアンテナ用の平面放射パターンを示す放射パターン図であり、（Ｂ）は本発明の一実施形態による９０°のφでの２枚の上側パッチアンテナ用の平面放射パターンを示す放射パターン図である。
【図９】本発明の一実施形態による、２枚の下側パッチアンテナの２ＧＰＳ帯域間の分離測定と、誘導性短絡がない２枚の上側パッチアンテナの２携帯電話通信帯域の分離測定を示すグラフである。
【図１０】容量性負荷に対抗する誘導性短絡を付加した後の本発明の一実施形態による４層積層パッチアンテナ組立体モデルの周波数機能としてのインピーダンスを示すグラフである。
【符号の説明】
１０１，２０１，３０１ 接地平面
１０３，１０５，１０７，１０９ パッチアンテナ
１０３ａ，１０５ａ，１０７ａ，１０９ａ 放射パッチ
１１１ 同軸ケーブル（第１ケーブル）
１１１ａ 内部導体（第１導体）
１１１ｃ 外部導体（別の導体）
１２３，１２５，１２７ 開口
２０３ パッチアンテナ（第１パッチアンテナ）
２０３ａ 放射パッチ（第１放射パッチ）
２０５ パッチアンテナ（第２パッチアンテナ）
２０５ａ 放射パッチ（第２放射パッチ）
２０７ パッチアンテナ（第５パッチアンテナ）
２０７ａ 放射パッチ（第５放射パッチ）
２０９ パッチアンテナ（第６パッチアンテナ）
２０９ａ 放射パッチ（第６放射パッチ）
２１１ パッチアンテナ（第３パッチアンテナ）
２１１ａ 放射パッチ（第３放射パッチ）
２１３ パッチアンテナ（第４パッチアンテナ）
２１３ａ 放射パッチ（第４放射パッチ）
２１５ 中心ケーブル（第１ケーブル）
２１５ａ 中心導体（第１同軸導体）
２１５ｂ 中間導体（第２同軸導体）
２１５ｃ 外部導体
４０３ パッチアンテナ（第１パッチアンテナ）
４０３ａ 放射パッチ（第１放射パッチ）
４０５ パッチアンテナ（第２パッチアンテナ）
４０５ａ 放射パッチ（第２放射パッチ）
４０７ パッチアンテナ（第３パッチアンテナ）
４０７ａ 放射パッチ（第３放射パッチ）
４０９ パッチアンテナ（第４パッチアンテナ）
４０９ａ 放射パッチ（第４放射パッチ）
４１１ 同軸ケーブル（第１ケーブル）
４１１ａ 内部導体（第１同軸導体）
４１１ｂ 誘電体スリーブ（誘電体）
４１１ｃ 外部導体（第２同軸導体）
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層(stacked)パッチアンテナに関し、より詳細には改良された周波数帯域分離及び多数（３以上）の作動周波数帯域を有する積層パッチアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
パッチアンテナは、比較的狭帯域の作動に特に好適なタイプのアンテナであり、通常、誘電体パネルと、そのパネルの両面に配置された導電性パターンすなわちパッチとからなる。上面導体パターンすなわちパッチは、放射体であり、特定の周波数で共振するように寸法及び形状が設定されている。この上面パッチ（以下、パッチアンテナの放射パッチと称する）は、同相の直線状又は円状偏向放射を与えることによりアンテナとして作用する平行平面のマイクロストリップ伝送線(transmission line)として機能する。放射パッチは、例えば同軸フィード(feed)線により供給される。同軸フィード線は、誘電体により同心状に取り囲まれた中心導体と、シールドとして作用して誘電体を同心状に取り囲む外部導体とを有する。外部導体は接地平面(ground plane)に接続されるのが代表的である。内部導体すなわち中心導体は放射パッチに接続される。信号は、アンテナから発振されるか又はアンテナにより受信されるかを問わず、内部導体及び外部接地導体間の差の電圧として進む。放射パッチは、その縁から信号を放射する。底面導体パターンは、放射パッチ用の接地平面として機能し、以下、パッチアンテナの接地パッチと称する。
【０００３】
パッチアンテナの基本的利点の一つは、極端にコンパクトであることである。しかし、パッチアンテナは、かなり狭い帯域幅でのみ効率的に放射するのが通常である。このため、パッチアンテナは、１又は２の狭い周波数帯で作動するＧＰＳ（地球測位）システム等の狭帯域幅で使用されるのが一般的である。
【０００４】
特に、ＧＰＳシステムは、1227ＭHzのミリタリバンド及び1575ＭHzのシチズンバンドの２区域帯域幅で作動する。ミリタリ帯域幅にアクセスが許可されている（ことによってより高精度で作動する）ＧＰＳレシーバは、実際には両帯域幅の信号にアクセスする。このため、このようなシステムは、それぞれ２周波数帯の一方で共振するように設計された２枚のパッチアンテナを必要とする。
【０００５】
過去において、放射パッチにフィードする公知の方法は、同軸フィード線の内部導体をパッチの固有フィード点でパッチに接続することである。放射パッチの固有フィード点は、その点で導体が結合する際に外見上50Ωのインピーダンスを示す点である。これらの点の位置は、放射パッチの幾何学的中心からオフセットしているのが代表的である。
【０００６】
積層パッチアンテナは、２枚のパッチアンテナが互いに積層されていることで公知である。明確化のために、本明細書においては以下の用語が使用される。積層パッチアンテナ組立体の個々のアンテナは、パッチアンテナ又は単にアンテナと称される。パッチアンテナの上面導体パターンはパッチアンテナの放射パッチと称され、底面導体パターンがある場合、底面導体パターンはパッチアンテナの接地パッチと称される。多数のパッチアンテナを有する積層パッチアンテナ組立体全体は、積層パッチアンテナ組立体と称される。
【０００７】
積層パッチアンテナ組立体は、前述の２バンドＧＰＳタイプの用途に適合する。従来の積層パッチアンテナ組立体は、２タイプのフィード構造(feed arrangement)のうちの一方を使用するのが代表的であった。一方のタイプのフィード構造では、１枚のパッチアンテナのみが直接フィードされ、他方は第１パッチアンテナに寄生結合する。他方のタイプのフィード構造では、各パッチアンテナが直接フィードされる。各パッチアンテナが直接フィードされるフィード構造のタイプでは、内部導体及び外部導体を有する同軸ケーブルからなる各フィード構造は、パッチアンテナの中心にない或る点で接地パッチに短絡された外部導体を有する。
【０００８】
これら両タイプのフィード構造において、２枚以上のパッチアンテナの作動周波数間で得ることができる分離量は、極めて限定されている。直接フィードされるパッチアンテナに対してパッチアンテナの一方が寄生結合される前者のタイプにおいて、帯域間の結合が意図的に引き起こされる。各パッチアンテナが直接且つ個別にフィードされた後者の場合、上側パッチアンテナ用の同軸フィードの外部導体が下側パッチアンテナの放射パッチと接触する点において、下側パッチアンテナ又はアンテナの放射パッチ上のゼロでない表面電流の存在から結合が生ずる。その結果、個別の作動帯域間に十分な分離を保証するために、回路構成の設計にかなりの労力を要する。このような回路設計を困難にするばかりでなく、アンテナ組立体のコストを押し上げてしまう。
【０００９】
本出願人が保有する特許文献１は、周波数帯域分離を改良した積層パッチアンテナ組立体を開示する。特に、特許文献１は、２個のパッチアンテナが個別導体によりフィードされる、代表的な積層パッチアンテナ組立体を開示する。上側パッチアンテナ用の同軸フィードは、下側パッチアンテナの無効点(null point)点と同じ位置の下側パッチアンテナの開口を貫通する。内部導体は、最上端のパッチアンテナの放射パッチの無効点に電気的に結合する。上側パッチアンテナ用の同軸フィードケーブルの外部導体は、好適には接地平面及び下側パッチアンテナの双方に電気的に接続される。同軸フィードの外部導体は、接地平面での接地基準へのインダクタンスを上側アンテナの放射パッチに提供する。下側パッチアンテナは、その放射パッチの固有フィード点に結合された別の同軸導体によってフィードされる。
【００１０】
【特許文献１】
米国特許第５９４００３７号明細書
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
個人が利用できる移動体通信サービスの数が伸びているので、人間又は車両が搬送しなければならない個別の電子通信デバイス（携帯又は自動車での使用のいずれか）の数が問題になってきている。このようなサービス及びデバイスには、携帯電話、無線パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、ＧＰＳ受信器及びポケットベルが含まれる。従って、電子通信デバイスをより少ない数の個別のハードウエア部品に統合しようとする圧力がある。このトレンドに特有なのは、異なる周波数帯域で作動するより多くのアンテナを、合理的にコンパクトで効果的な統合アンテナ組立体に統合したいという要望である。
【００１２】
従って、本発明は、改良された積層パッチアンテナ組立体を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明は、周波数帯域分離を改良した積層パッチアンテナ組立体を提供することを別の目的とする。
【００１４】
さらに、本発明は、多様なパターンを有する積層パッチアンテナ組立体を提供することをさらに別の目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、可能なパッチアンテナの数が理論上制限されず、周波数帯域間に良好な分離を提供する多層パッチアンテナ組立体である。４枚のアンテナを有する代表的なアンテナ組立体において、４枚のパッチアンテナが接地平面に積層され、（最上端アンテナ以外の）各パッチアンテナの放射パッチが、その上のパッチアンテナ用の接地平面として作用する第２の目的を提供する。上述の接地平面は、積層組立体の最下端アンテナの接地平面として機能する。単一の同軸ケーブルは２枚の上側パッチアンテナをフィードし、最上端のパッチアンテナの放射パッチは内部導体の無効点で結合される。また、上側アンテナは、円状放射以外が望ましい場合、後述するように「固有フィード点」を得るためにエッチングされた伝送線を有してもよい。第２の上側パッチアンテナの放射パッチは、最上端パッチアンテナを介してフィードに寄生結合される。このフィードの内部導体は、第２の上側パッチアンテナと電気的に接触することなく第２の上側パッチアンテナの開口を貫通する。このフィードの外部導体は、接地平面に結合され、第３及び第４の上側パッチアンテナ（２枚の下側パッチアンテナ）のいずれか一方又は双方の開口を貫通する。外部導体は、２枚の下側パッチアンテナの一方又は双方に電気的に結合される。内部導体が貫通する３枚の下側パッチアンテナの開口は、すべて放射パッチの無効点にある。
【００１６】
外部導体は接地平面に接地される。内部導体は、最下端パッチアンテナに電気的に接触することなく最下端パッチアンテナを貫通し、第２の下側パッチアンテナ放射パッチの50Ω点に電気的に接続される。２枚の下側パッチアンテナは、別のフィード導体によりフィードされる。２枚の下側パッチアンテナの上側（すなわち第２の下側パッチアンテナ）は別のフィード導体に電気的に結合されるが、最下端パッチアンテナは第２の下側パッチアンテナを貫通して別のフィード導体に誘導結合される。
【００１７】
パッチアンテナは、積層組立体の上端には最高周波数アンテナが配置され積層組立体の下端には最低周波数アンテナが配置されるように、作動周波数が下がる順に配置されるのが好適である。従って、連続する各パッチアンテナは、その上のパッチアンテナより大きく、その上のアンテナ用の接地平面としてより適当である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。上述の特許文献１の発明が依存する一つのキーとなるコンセプトは、パッチアンテナの放射パッチが、アンテナが放射する際に表面電流のないパッチ内のどこかに固有無効点（実際にはパッチの小さい領域）を有することである。正方形パッチ又は円形パッチ等の対称形状の放射パッチを有するアンテナの場合、固有無効点は正方形又は円形の幾何学的中心にある。下側アンテナの放射パッチの無効点で同軸フィードの外部導体をパッチアンテナに短絡することは、２枚のアンテナ間の信号結合を最小にする。
【００１９】
本明細書は、上記特許のコンセプトの上に構築され、同コンセプトの延長上にあり、任意の数の積層パッチアンテナを有する積層パッチアンテナ組立体に適用できる。
【００２０】
図１を参照すると、本発明の代表的な４層に積層されたパッチアンテナ組立体の概略断面側面図である。この代表的なパッチアンテナ組立体は、接地平面１０１上に配置された４枚のパッチアンテナ１０３，１０５，１０７，１０９を有する。携帯電話は、ＧＰＳ機能を有するよう開発され又は市場に供給されつつある。従って、特定の例として、４つの作動周波数が、ＧＰＳ(1575ＭHz)用のＬ１周波数、ＧＰＳ(1227ＭHz)用のＬ２周波数、1900ＭHzを中心とする携帯電話帯域、及び2400ＭHzのＩＳＭ（産業、科学及び医療）帯域であるアンテナ組立体について考えよう。
【００２１】
接地平面１０１は積層パッチアンテナ組立体の一体部品を形成することができる。しかし、接地平面１０１は一般的に、アンテナ組立体が実装される自動車又は他のデバイスの導電部で形成される。各アンテナは、誘電体パネル１０９ｂ上に上側放射金属化部（上側放射パッチ）１０９ａを有する。放射パッチは所望の任意形状であってもよいが、平坦で矩形又は円形の金属マイクロストリップすなわちパッチの形態であるのが代表的である。別の導電層すなわち接地パッチは誘電体パネルの底面に設けることができる。しかし、本発明の積層設計において、各パッチアンテナ１０３，１０５，１０７，１０９は別のパッチアンテナ（最下端パッチアンテナの場合は接地平面１０１）の上面に直接着座するので、底面の金属化を無くすことができる。というのは、各放射パッチ１０５ａ，１０７ａ，１０９ａはパッチアンテナ１０３，１０５，１０７用の接地平面として作用できるので、各アンテナ底面の金属化の必要がないからである。
【００２２】
パッチアンテナが共振する周波数は、放射パッチ１０３ａ．１０５ａ，１０７ａ，１０９ａの寸法に強く影響される。一般的には、金属化部が小さいほど、パッチが共振する周波数は高くなる。上記したように、各パッチアンテナはその上のパッチアンテナの接地平面として作用する。このため、パッチアンテナはその上のパッチアンテナより大きな放射パッチを有するように配置されるので、隣のより高いパッチアンテナ用の接地平面としてより効果的に作用することができる。従って、最高周波数帯域すなわち2400ＭHzの携帯電話帯域を有するパッチアンテナは頂上に位置すべきであり、1900ＭHzの携帯電話帯域アンテナはその下に位置すべきであり、底部の1575ＭHzのＧＰＳ帯域アンテナ及び1227ＭHzのＧＰＳ帯域アンテナがそれに続く。実際の接地平面１０１は最下端のパッチアンテナ１０３用の接地平面として作用する。
【００２３】
２導体同軸ケーブル１１１は、接地平面に電気的に結合されると共に接地平面から上方に延びる。同軸ケーブル１１１は、内部導体１１１ａ、この内部導体１１１ａを同軸状に囲む外部導体１１１ｃ、及び２導体１１１ａ，１１１ｃ間の誘電体層１１１ｂからなる。最上端のアンテナ１０３の放射パッチ１０３ａは、その無効点で内部導体１１１ａに直接結合され、内部導体１１１ａによりフィードされる。上述したように、略正方形又は円形パッチにおいて、無効点はパッチの幾何学的中心に位置する。
【００２４】
第２の上側アンテナ１０５はいかなる導体にも直接結合されていないが、最上端アンテナ１０３と同じ導体１１１ａによって寄生フィードされる。同軸ケーブル１１１の内部導体１１１ａは、アンテナ１０５の無効点を通る開口１２３を貫通する。アンテナ１０５は、最上端放射パッチ１０３ａを貫通してフィード線すなわち内部導体１１１ａに寄生結合されるが、或いは共振回路を介して内部導体１１１ａによって直接フィードされてもよい。
【００２５】
また、内部導体１１１ａは、下側アンテナ１０７，１０９の垂直開口１２５，１２７を貫通する。これら開口はまた、これらアンテナの無効点と同位置に配置される。図１は、最上端パッチアンテナ１０３まで連続する誘電体層１１１ｂを示す。しかし、内部導体１１１ａがアンテナ１０３以外のいかなるアンテナの放射パッチと直接電気接触しない限り、誘電体層１１１ｂは最上端パッチアンテナ１０３まで連続する必要はない。
【００２６】
外部導体１１１ｃは、内部導体１１１ａと同軸であり、また下側パッチアンテナ１０７，１０９の無効点で垂直開口１２５，１２７を貫通する。しかし、外部導体１１１ｃはアンテナ１０７，１０９の放射パッチ１０７ａ，１０９ａの一方又は双方と電気接触するので、これらアンテナの一方又は双方を接地平面１０１に接地基準をとる。従って、内部導体１１１ａ及び外部導体１１１ｃ上の信号は、外部導体１１１ｃを貫通する無効点で接地平面１０１に誘導的に接地基準をとるので、下側パッチアンテナ１０７，１０９に実質的な効果を与えない。このため、２枚の下側アンテナ１０７，１０９は２枚の上側アンテナから良好に分離される。
【００２７】
２枚の上側パッチアンテナが携帯電話用である本特定代表実施形態において、２枚の上側放射パッチ１０３ａ，１０５ａの放射パターンは、パッチアンテナの平面（図８参照）内で放射が最大になる円形モード放射パターンを提供するように設計される。特に、２枚の上側の携帯電話帯域アンテナが通信する携帯電話タワー基地局は、地上にあるためせいぜい地上数10〜100mの高さであるので、アンテナから主に水平に変位されるのが代表的である。しかし、携帯電話はタワーから水平方向に約10km程度までの範囲に位置する。このため、アンテナ１０３，１０５の携帯電話通信帯域については、アンテナの平面に直交する無効点を有しアンテナの平面にピークを有する全方向性(omni-directional)円形モードパターンが望ましい。
【００２８】
他方、ノーマルモードの作動が好適である場合、特許文献１で説明したように、放射パッチ１０３ａ，１０５ａに伝送線部を組み込むことにより提供される。特に、マイクロストリップライン部は、そのノーマルモード位置にフィード点を効果的に移動し、またインピーダンス整合手段をも提供する。全方向性パターンを造る際の主な困難はインピーダンス整合に関係する。同軸導体が放射パッチの中心に取り付けられると、パッチは高容量性終端を示す。２枚の下側パッチアンテナ１０７，１０９は、上述したように、同軸ケーブル１１１の外部導体１１１ｃを通る無効点で接地平面１０１に誘導結合され、別のケーブル１１３によりフィードされる。ケーブル１１３は単一の導体のみで構成されてもよいが、内部導体１１３ａ、外部導体１１３ｃ及びその間の絶縁体１１３ｂからなるのが好適である。内部導体１１３ａは、接地平面１０１に結合されておらず、固有50Ωフィード点でパッチアンテナ１０７の放射パッチ１０７ａと電気接触する。外部導体１１３ｃは接地平面１０１と電気接触する。ケーブル１１３は、放射パッチ１０９ａと電気接触することなく、垂直開口１３１を通って下側パッチアンテナ１０９を貫通する。代わりに、パッチアンテナ１０７の放射パッチ１０７ａを通ってフィードケーブル１１３により容量的にフィードされる。しかし、アンテナ１０５のように、パッチ１０９ａは、共振回路を介して導体１１３ａに直接フィードされてもよい。
【００２９】
上述の携帯電話帯域アンテナと対照的に、ＧＰＳシステムは地球を周回する衛星と通信し、アンテナに対する衛星の変位は略垂直方向であるので、ＧＰＳ帯域アンテナ用にはノーマルモード作動が好適である。ノーマルモード作動において、図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に関して詳細に述べるように、主モードは、アンテナの平面と直交すると共にアンテナの平面内でロールオフする。50Ω点でＧＰＳアンテナをフィードすることはノーマルモード作動を与える。
【００３０】
本構造は、２つの携帯電話通信帯域用の結合作動及び２つのＧＰＳ帯域用の結合作動を提供しながら、一方では携帯電話通信帯域間、及び他方ではＧＰＳ帯域間の高い分離を維持する。
【００３１】
上述したのは４枚のパッチアンテナを有する代表的実施形態であった。しかし、最上端パッチアンテナ用のフィードケーブルに追加同軸導体が追加されるように追加パッチアンテナを単独又は対で追加してもよい。すなわち、最上端パッチアンテナ用のフィードが３軸ケーブルにより提供される場合、６層までのパッチアンテナが本発明に従って積層できる。最上端パッチアンテナ用のフィードが４軸ケーブルにより提供される場合、８層までのパッチアンテナが積層できる。
【００３２】
図２は、本発明による６層の積層パッチアンテナ組立体の例である。この組立体は、２以上のパッチアンテナを積層パッチアンテナ組立体に追加し、最上端アンテナをフィードする中心ケーブルを３軸ケーブルにし、２枚の付加アンテナをフィードする別のオフセットフィードケーブルを付加することで完成する。図２に示されるように、本実施形態において、中心ケーブル２１５は、中心導体２１５ａ、この中心導体２１５ａを囲む中間導体２１５ｂ、並びに中心導体２１５ａ及び中間導体２１５ｂを囲む外部導体２１５ｃからなる３軸ケーブルである。図２において、導体２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃ間の誘電体層は簡単のために図示されていない。最上端パッチアンテナ２０３は内部導体２１５ａに直接電気結合され、内部導体２１５ａは２枚の最上端パッチアンテナ用のフィード信号を搬送する。この内部導体は、残余のパッチアンテナ２０５，２０７，２０９，２１１，２１３と電気接触することなく、これらパッチアンテナを貫通する。第２パッチアンテナ２０５は、アンテナ２０３の放射パッチ２０３ａを介した導体２１５ａのフィード信号に寄生結合されるが、或いは共振回路を介してフィード導体２１５ａに直接結合されてもよい。さらに、５作動帯域のみが必要な場合、パッチアンテナ２０５は全体として省略してもよい。事実、どの１以上のパッチアンテナ２０５，２０９，２１３も必要に応じて省略可能である。
【００３３】
同軸導体２１５ｂは、接地平面２０１に誘導的に接地基準をとって無効点で放射パッチ２０７ａ，２０９ａの一方又は双方に電気結合されるので、一方では放射パッチ２０３ａ，２０５ａ間、及び他方では放射パッチ２０７ａ，２０９ａ間に良好な周波数分離を提供する。特に、上述の特許文献１で説明したように、最上端アンテナ２０３のパッチ２０３ａ等の放射パッチが無効点でフィードされる際に、ノーマルモードで放射される前に第２励起が再形成される傾向がある。無効点フィード接続は、同軸フィードに伝送される第２励起の電気的影響からパッチの作動周波数帯域を電気的に分離する。
【００３４】
さらに、最外端同軸導体２１５ｃは無効点で放射パッチ２１１ａ，２１３ａの一方又は双方に直接電気結合されるので、これらアンテナを接地平面２０１に誘導的に接地基準をとる。従って、異なる導体を通して無効点でパッチアンテナの各連続した対を接地に誘導結合することにより、各連続したパッチアンテナ対間に良好な周波数帯域分離を提供する。
【００３５】
パッチアンテナ２１１はその固有フィード点で別のフィード２１７に直接結合され、その下のパッチアンテナ２１３はその上のパッチアンテナ２１１を介してフィード２１７に寄生結合される。中間同軸導体２１５ｂは、中間の２枚のパッチアンテナ２０７，２０９用のフィード導体として二重の責務を果たしながら、依然としてこれらアンテナを接地接続するので、２枚の上側パッチアンテナ２０３，２０５用の接地基準を提供する。第３のケーブルは、２枚の中間パッチアンテナ２０７，２０９をフィードするために別の位置に設置すべきでないことに留意されたい。別の変位された導体は、図２の導体２１７が他のアンテナを貫通する必要がないので、積層パッチアンテナ組立体の２枚の下側パッチアンテナ用のみに使用されるべきである。例えば図２のアンテナ２０７，２０９等の中間パッチアンテナをフィードするために下側アンテナ２１１，２１３用の別のフィード２１７のように別の変位された導体を設置する場合、これらアンテナの無効点以外の位置で２枚の下側アンテナ２１１，２１３を貫通する必要がある。もちろん、このような構造は、本発明の一目的すなわちパッチアンテナ対の間の良好な分離を無にしてしまうであろう。また、最下端のアンテナ又は下側アンテナ対２１１，２１３は、別の変位された導体すなわち導体２１７によりフィードされるべきであることに留意されたい。中心ケーブル２１５の最外端導体２１５ｃは、積層組立体の直ぐ上のアンテナ例えばアンテナ２０７，２０９の一方又は双方用の接地基準と、下側アンテナ２１１，２１３の一方又は双方用のフィードとの二重の責務を果たすように使用されるべきではない。導体２１５ｃは、接地電位であるので、下側アンテナ２１１，２１３用のフィードとして使用されるべきではない。
【００３６】
本発明による一体の積層パッチアンテナ組立体に組み合わせられる積層パッチアンテナの数は、最上端アンテナ用の同軸フィードケーブルの最外端導体の厚さ等の実際の考慮のみにより制限される。特に、中央フィード導体を取り囲む同軸導体の数が増加すると、ケーブルの径も大きくなる。従って、多くの同軸導体が貫通しなければならない最下端のパッチアンテナの開口は、最終的には最下端アンテナの無効領域より大きくなる必要がある。
【００３７】
図３は、図１に簡単に図示されたように４層のアンテナが積層されたパッチアンテナ組立体の実践的な実施形態の斜視図である。図４は同じアンテナ組立体の断面側面図である。図１に関連して上述したアンテナ組立体部品は、例えば導電性ベース３０１及びラドーム３０３からなるハウジング内に収容されている。導電性ベース３０１はラドーム３０３の底部内に配置される。ベース３０１から突出するのはパッチアンテナ（図４参照）に接続するフィードスルーを提供する２個の同軸コネクタ３０５，３０７である。信号は、各アンテナと、同軸コネクタ３０５，３０７に結合された同軸ケーブル（図示せず）を貫通するアンテナ（図示せず）の外部の伝送回路との間を通る。
【００３８】
図４を特に参照すると、ベース３０１は、パッチアンテナ４０３，４０５，４０７，４０９用の接地平面として作用する。上側アンテナ４０３，４０５用の内部導体４１１aは同軸ケーブルで構成される。内部導体４１１ａは電気コネクタ３０５から導電性バスケット４１６まで延びる。内部導体４１１ａの上端は導電性バスケット４１６で終端される。導電性バスケット４１６は、パッチアンテナ４０３の放射パッチ４０３ａとの電気的接続を確立するために内部導体４１１ａを弾性的に把持する。バスケット４１６は、内部導体４１１ａを把持するばねフィンガを有する電気リセプタクルを具備する。バスケット４１６は例えば半田接続部により放射パッチ４０３ａに電気接続される。内部導体４１１ａの下端は、電気コネクタ３０５の内部導体３０５ａを把持して電気接続を形成するばねフィンガを有する電気リセプタクルを具備する。外部導体４１１ｃは接地平面からアンテナ４０７，４０９を貫通して延びる。外部導体４１１ｃは例えば半田接続部によりベース３０１に電気接続される。
【００３９】
外部導体４１１ｃは、フランジ付きスリーブ４１３（明確にするためアンテナ４０７用のスリーブのみが示される）と導通をとることにより、２枚の下側パッチアンテナ４０７，４０９に結合される。外部導体４１１ｃは例えば半田接続部によりスリーブ４１３に電気接続される。スリーブ４１３は例えば半田接続部により放射パッチ４０７ａ，４０９ａに電気接続される。誘電体スリーブ４１１ｂは、内部導体４１１ａ及び外部導体４１１ｃ間を同軸状に延びる。２枚の下側アンテナ４０７，４０９用の第２同軸フィード４１５は同軸ケーブルとして構成される。内部導体４１５ａは電気コネクタ３０７から導電性バスケット４２０まで延びる。内部導体４１５ａの上端は、内部導体４１５ａを弾性的に把持する導電性バスケット４２０で終端し、パッチアンテナ４０７の放射パッチ４０７ａとの電気接続を確立する。バスケット４２０は、内部導体４１５ａを把持するばねフィンガを有する電気リセプタクルを具備する。バスケット４２０は例えば半田接続部により放射パッチ４０７ａに電気接続される。内部導体４１５ａの下端は、電気コネクタ３０７の内部導体３０７ａを把持して電気接続を形成するばねフィンガを有する電気リセプタクルを具備する。外部導体４１５ｃは例えば半田接続部によりベース３０１に電気接続される。誘電体スリーブ４１５ｂは、内部導体４１５ａ及び外部導体４１５ｃ間を同軸状に延びる。
【００４０】
本発明に従った４枚のアンテナを具備する積層パッチアンテナ組立体は、本発明の分離パラメータ及び他のパラメータを決定するように構成された。試作品は、２つの最高周波数用の全方向性放射パターンを生成するように任意に設計された。その試作品において、最上端層は、約5.1mmの基板に一辺約17.5mmの正方形放射パッチを有する2400ＭHzアンテナであった。フィード点はパッチの幾何学的中心であった。第２上側パッチアンテナは、1900ＭHzで共振するように設計され、約4.6mmの基板に一辺約19.8mmの正方形放射パッチを有した。直径約3.8mmの円が放射パッチの中心から除かれ、上側アンテナ用のフィード線の中心導体を収容した。
【００４１】
第３の上側（第２の下側）パッチアンテナは、1575ＭHzで共振するように設計され、約4.6mmの基板に一辺約23.4mmの正方形放射パッチを有した。フィード点は、パッチ中心線から約7.1mmに位置した。最後に、最下端アンテナは、1227ＭHzで共振するように設計され、約4.6mmの基板に一辺約34.5mmの正方形放射パッチを有し、その中心に直径約3.8mmの円形開口を有し、中心同軸ケーブルの内部導体及び外部導体を収容していた。この最下端アンテナのみが、アンテナの誘電体基板の底部に接地金属化部を有した。２枚の上側パッチアンテナをフィードする約2.2mmの同軸ケーブルの外部導体は、接地平面及び２枚の下側パッチアンテナの中心に電気接続された。1575ＭHzアンテナフィードの外部導体は接地平面に電気接続された。
【００４２】
積層パッチアンテナ組立体は、試験用に直径約45.7cmの接地平面に実装された。ＧＰＳ帯域用に測定されたインピーダンスの結果は図５に示される。Ｌ２帯域用に測定された共振は公称よりも約10％周波数が高く、Ｌ１帯域は約5％高い。しかし、これらパッチの双方は調整のために許容される約5％大きな寸法で製造された。従って、これらの結果は予測とよく一致する。両ケースにおいて、測定された２：１ＶＳＷＲ（電圧定在波比）帯域幅（約40ＭHz）は、予測よりやや大きく用途には十分である。
【００４３】
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、０°及び９０°のφ用Ｌ２ＧＰＳアンテナ（1350ＭHz）用の測定された放射パターンをそれぞれ示し、ノーマルモードパターンの代表である。Ｌ１パターンは同様に若干小さいビーム幅を有する。双方とも予測された結果によく一致する。
【００４４】
予測されたように、放射パッチの中心でのフィードプローブを有する２枚の上側通信帯域パッチアンテナに対して、初期モデルは良好でないインピーダンス整合を予測した。この不整合を確認する測定結果は図７に示される。
【００４５】
図８（Ａ）及び８（Ｂ）は、０°及び９０°のφ用2400ＭHzからの測定された放射パターンをそれぞれ示す。インピーダンス不整合のため利得は低いが、所望の全方向性パターンが放射され、予測された結果を再度確認する。非対称があり利得は2400ＭHzよりも低いが、1900ＭHzでの放射パターンは同様である。
【００４６】
一方では２つのＧＰＳ帯域間の分離及び他方では携帯電話通信帯域間の分離は、周波数の機能としての２同軸ポート間の挿入損失をプロットした図９に示されるように、20dBより良好である。容量性負荷を補償するために、最上端パッチの縁に誘導性ポストが付加された。これらポストは2400ＭHzパッチ及び1900ＭHzパッチの双方に短絡された。モデルの結果は図１０に示され、改良されたインピーダンス整合を示している。
【００４７】
本発明の少ない特定実施形態を説明したが、当業者であれば種々の変形、変更及び改良を容易に想起するだろう。そのような変形、変更及び改良は、本開示により自明であり、本明細書に明示されていなくても本明細書の一部であることを意図されており、本発明の真髄及び範囲内であることが意図されている。従って、上述の説明は例示のみであり、限定するものではない。本発明は、特許請求の範囲に定義されたもの及びその等価物のみに限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による４層に積層されたパッチアンテナ組立体の概略断面側面図である。
【図２】本発明による６層に積層されたパッチアンテナ組立体の概略断面側面図である。
【図３】本発明による積層パッチアンテナ組立体の斜視図である。
【図４】本発明による４層に積層されたパッチアンテナ組立体の断面側面図である。
【図５】本発明による２低周波数帯域用の４層積層パッチアンテナ組立体試作品の周波数機能としてのインピーダンスを示すグラフである。
【図６】（Ａ）は本発明の一実施形態による０°のφでの２枚の下側パッチアンテナ用の平面放射パターンを示す放射パターン図であり、（Ｂ）は本発明の一実施形態による９０°のφでの２枚の下側パッチアンテナ用の平面放射パターンを示す放射パターン図である。
【図７】本発明による２高周波数帯域用の４層積層パッチアンテナ組立体試作品の周波数機能としてのインピーダンスを示すグラフである。
【図８】（Ａ）は本発明の一実施形態（円形モード放射）による０°のφでの２枚の上側パッチアンテナ用の平面放射パターンを示す放射パターン図であり、（Ｂ）は本発明の一実施形態による９０°のφでの２枚の上側パッチアンテナ用の平面放射パターンを示す放射パターン図である。
【図９】本発明の一実施形態による、２枚の下側パッチアンテナの２ＧＰＳ帯域間の分離測定と、誘導性短絡がない２枚の上側パッチアンテナの２携帯電話通信帯域の分離測定を示すグラフである。
【図１０】容量性負荷に対抗する誘導性短絡を付加した後の本発明の一実施形態による４層積層パッチアンテナ組立体モデルの周波数機能としてのインピーダンスを示すグラフである。
【符号の説明】
１０１，２０１，３０１ 接地平面
１０３，１０５，１０７，１０９ パッチアンテナ
１０３ａ，１０５ａ，１０７ａ，１０９ａ 放射パッチ
１１１ 同軸ケーブル（第１ケーブル）
１１１ａ 内部導体（第１導体）
１１１ｃ 外部導体（別の導体）
１２３，１２５，１２７ 開口
２０３ パッチアンテナ（第１パッチアンテナ）
２０３ａ 放射パッチ（第１放射パッチ）
２０５ パッチアンテナ（第２パッチアンテナ）
２０５ａ 放射パッチ（第２放射パッチ）
２０７ パッチアンテナ（第５パッチアンテナ）
２０７ａ 放射パッチ（第５放射パッチ）
２０９ パッチアンテナ（第６パッチアンテナ）
２０９ａ 放射パッチ（第６放射パッチ）
２１１ パッチアンテナ（第３パッチアンテナ）
２１１ａ 放射パッチ（第３放射パッチ）
２１３ パッチアンテナ（第４パッチアンテナ）
２１３ａ 放射パッチ（第４放射パッチ）
２１５ 中心ケーブル（第１ケーブル）
２１５ａ 中心導体（第１同軸導体）
２１５ｂ 中間導体（第２同軸導体）
２１５ｃ 外部導体
４０３ パッチアンテナ（第１パッチアンテナ）
４０３ａ 放射パッチ（第１放射パッチ）
４０５ パッチアンテナ（第２パッチアンテナ）
４０５ａ 放射パッチ（第２放射パッチ）
４０７ パッチアンテナ（第３パッチアンテナ）
４０７ａ 放射パッチ（第３放射パッチ）
４０９ パッチアンテナ（第４パッチアンテナ）
４０９ａ 放射パッチ（第４放射パッチ）
４１１ 同軸ケーブル（第１ケーブル）
４１１ａ 内部導体（第１同軸導体）
４１１ｂ 誘電体スリーブ（誘電体）
４１１ｃ 外部導体（第２同軸導体）
Claims (5)
- 積層された、複数のパッチアンテナからなる第１グループのパッチアンテナおよび、少なくとも１枚のパッチアンテナを有する第２グループのパッチアンテナと、
個別の複数の同軸導体を有する第１ケーブルと
を具備する積層パッチアンテナ組立体であって、
前記パッチアンテナの各々は、それぞれ作動周波数帯域及び放射パッチを有し、
前記第１ケーブルの第１導体は、最上端の前記第１グループのパッチアンテナの前記放射パッチに導電結合され、且つ前記最上端のパッチアンテナ以外の他の前記パッチアンテナの無効点に位置する開口を貫通し、
前記第１グループの前記他のパッチアンテナは、前記第１ケーブルの前記同軸導体のうち前記第１導体以外の導体に結合され、
前記第１導体は、前記最上端のパッチアンテナ用のフィード信号を搬送し、
前記第１グループの前記他のパッチアンテナの各々は、前記第１ケーブルの前記第１導体以外の異なる導体によりフィードされ、
前記第２グループの前記パッチアンテナの各々は、前記第１グループのパッチアンテナの各々と対応すると共に、前記第１グループの前記対応するパッチアンテナの前記放射パッチを貫通して前記第１グループの前記対応するパッチアンテナのフィード導体に誘導結合される
ことを特徴とする積層パッチアンテナ組立体。 - 前記パッチアンテナは、上端から下端へ作動周波数帯域が下がる順に積層されていることを特徴とする請求項１記載の積層パッチアンテナ組立体。
- 誘電体により互いに分けられた少なくとも第１及び第２同軸導体を有する第１ケーブルと、
第１作動周波数帯域及び第１放射パッチを有する第１パッチアンテナと、
第２作動周波数帯域を有し、前記第１パッチアンテナの下に位置する第２パッチアンテナと、
第３作動周波数帯域を有し、前記第２パッチアンテナの下に位置する第３パッチアンテナと、
第４作動周波数帯域を有し、前記第３パッチアンテナの下に位置する第４パッチアンテナと、
該第４パッチアンテナの下に位置する接地平面と、
前記第３パッチアンテナに導電結合されると共に、前記第３パッチアンテナを介して前記第４パッチアンテナに誘導結合され、前記第３及び第４パッチアンテナ用のフィード信号を搬送する第２フィード導体と
を具備する積層パッチアンテナ組立体であって、
前記第１パッチアンテナは、該第１パッチアンテナ用のフィード導体として作用する前記第１ケーブルの前記第１同軸導体に導電結合され、
前記第２パッチアンテナは第２放射パッチ及び前記第２パッチアンテナの無効点を通る開口を有し、
前記第１ケーブルの前記第１導体が前記第２放射パッチと導電接触することなく前記開口を貫通し、
前記第２パッチアンテナは、前記第１パッチアンテナの前記第１放射パッチを介して前記第１ケーブルの最内端の導体と誘導結合され、
前記第１同軸導体は、前記第２パッチアンテナ用のフィード導体として作用し、
前記第３パッチアンテナは第３放射パッチ及び前記第３パッチアンテナの無効点 を通る開口を有し、
前記第１ケーブルの前記第１導体が前記第３放射パッチと導電接触することなく前記第１ケーブルが前記開口を貫通し、
前記第４パッチアンテナは第４放射パッチ及び前記第４パッチアンテナの無効点を通る開口を有し、
前記第１ケーブルの前記第１導体が前記第４放射パッチと導電接触することなく前記第１ケーブルが前記開口を貫通し、
前記第１ケーブルの前記第２同軸導体は、前記接地平面に導電結合されると共に、前記第３及び第４放射パッチの少なくとも一方の前記無効点に導電結合される
ことを特徴とする積層パッチアンテナ組立体。 - 前記第３及び第４パッチアンテナの間に、第５作動周波数帯域を有する第５パッチアンテナをさらに具備し、
該第５パッチアンテナは第５放射パッチ及び前記第５パッチアンテナの無効点を通る開口を有し、
前記第１ケーブルの前記第１導体が前記第５放射パッチと導電接触することなく前記第１ケーブルが前記第２導体と共に前記開口を貫通し、
前記第１ケーブルは、その第１及び第２同軸導体と同軸の第３導体をさらに具備し、
該第３導体は前記接地平面に結合される と共に 前記第５パッチアンテナの無効点で前記第５パッチアンテナに結合され、
前記第３導体は前記第５パッチアンテナの接地基準をとると共に前記第５パッチアンテナ用のフィード導体として作用する
ことを特徴とする請求項３記載の積層パッチアンテナ組立体。 - 前記第３及び第５パッチアンテナの間に、第６作動周波数帯域を有する第６パッチアンテナをさらに具備し、
該第６パッチアンテナは第６放射パッチ及び前記第６パッチアンテナの無効点を通る開口を有し、
前記第１ケーブルの前記第１及び第３導体が前記第６放射パッチと導電接触することなく前記開口を貫通する
ことを特徴とする請求項４記載の積層パッチアンテナ組立体。
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