JP4798356B2

JP4798356B2 - パッチアンテナ及びその製造方法

Info

Publication number: JP4798356B2
Application number: JP2006046077A
Authority: JP
Inventors: 隆幸大山
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2026-02-23
Also published as: JP2007228197A

Description

本発明はＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）用リーダ／ライタ側アンテナ等に用いられるパッチアンテナに関する。特に、本発明は、空間のインピーダンス整合を容易にするパッチアンテナ及びその製造方法に関する。

図６は本発明の前提となるパッチアンテナの概略構成を示す斜視図であり、図７は図６の線Ａ−Ａに関する断面図である。なお、全図を通して同一の構成要素には同一の符号を付して示す。
図６、７に示すように、パッチアンテナは、ＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）用リーダ／ライタ側アンテナ等に用いられ、パッチエレメント１０１、グランド板１０２、支持棒１０３、同軸コネクタ１０４、給電導体１０５を有する。

パッチアンテナにおいては、パッチエレメント１０１はグランド板１０２の上に配置され、支持棒１０３により適当な距離だけ離され、所定間隔に支持される。
パッチエレメント１０１は一例として円形であるが、正方形であってもよい。
グランド板１０２には取付け用穴が加工され、グランド板１０２の背面側でこの取付け用穴に同軸コネクタ１０４が取り付けられる。

同軸コネクタ１０４にはグランド板１０２の背面側で給電導体１０５の一方端に接続され、給電導体１０５は他方端でグランド板１０２の正面側のパッチエレメント１０１に結合され、給電を行う。
同軸コネクタ１０４の位置、パッチエレメント１０１のグランド板１０２からの距離は、従来例等からおおよその位置にしておくものとする。

次に、パッチアンテナの電気的動作については、同軸コネクタ１０４から入力されたＲＦ（高周波）信号は、給電導体１０５を介して、パッチエレメント１０１を共振させ、パッチエレメント１０１の共振で磁界が発生し、空間に放射される。
上記パッチアンテナにおいては、パッチアンテナと空間のインピーダンス整合が悪いと、第１には、十分な強度の磁界が発生できず、第２には、ＲＦ信号が入力側に反射してしまう現象が発生すると、パッチエレメント１０１はＲＦ信号を十分に大きな磁界に変換できなくなり、ＲＦ信号を伝搬できる距離も短くなってしまうという問題がある。

このため、パッチアンテナと空間のインピーダンス整合を改善する必要がある場合には、同軸コネクタ１０４の位置を変更することにより給電点をずらすオフセット給電を用いていた。このオフセット給電を用いた場合、最適な給電点を探すためにグランド板１０２に同軸コネクタ１０４の取付け用穴を追加加工する作業が生じ、インピーダンス整合に多大な時間を要するので、このようなオフセット給電を用いたインピーダンス整合に代わって作業時間が短縮できるインピーダンス整合が望まれるという課題がある。

このようなアンテナのインピーダンス整合に関連して以下の従来技術がある。
従来、設置スペースが小さく、高利得のパッチアンテナを得るため、地板と対向するように正方形状の１つの放射素子が配置され、放射素子を挟んで地板と反対側に、複数の無給電素子が一列に配置され、これら無給電素子は、矩形状に形成され、放射素子によって受信しようとする電波の偏波面と平行な方向の辺の長さが、前記電波の中心波長の約１／４の長さであり、放射素子との間隔及び無給電素子同士の間隔が、前記電波の中心波長の約１／４の長さであるものがある（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記特許文献１では、設置スペースが小さく、高利得のパッチアンテナを得るものであるが、オフセット給電を用いたインピーダンス整合に代わってパッチアンテナのインピーダンス整合の作業の時間を短縮するというものではない。
また、従来、簡易な構造でインピーダンスの整合をとることのできるマイクロストリップアンテナを提供するため、パッチ状放射導体と接地導体を平行に設置してなるマイクロストリップアンテナにおいて、アンテナ駆動回路に寄生するインダクタンス成分を打ち消すため、上記パッチ状放射導体の給電部にキャパシタンス成分を有するようにしたものもある（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、上記特許文献２では、インピーダンス整合をとるものであるが、オフセット給電を用いたインピーダンス整合に代わってパッチアンテナのインピーダンス整合の作業の時間を短縮するというものではない。
また、従来、平板パッチアンテナの使用帯域幅を拡大するため、パッチ，地板，給電軸およびショートピンを有する平板パッチアンテナであり、給電軸と同軸でかつパッチ側を頂部とする錐を地板に設け、給電軸の少なくとも一部分を錐で囲み、これにより、アンテナ部に同軸線路が構成され、これが、アンテナと給電ケーブルとのインピ−ダンスの整合性を向上し、アンテナの使用帯域幅を広くするものがある（例えば、特許文献３参照）。

しかしながら、上記特許文献３では、インピ−ダンスの整合性を向上するものであるが、オフセット給電を用いたインピーダンス整合に代わってパッチアンテナのインピーダンス整合の作業の時間を短縮するというものではない。
また、従来、造堅牢で導通不良などの発生しない、より組立やすく安価に製作できる整合ピン構造を持った平面アンテナとするため、フランジを有する金属パイプの先端がパッチに半田付けされ、フランジが地板下面に当接してショートピンとされ、金属パイプにはフランジ部開口から同軸ケーブルが差し込まれ、金属パイプに形成された穴部で、金属パイプと同軸ケーブルのシールド外被が半田付けによって結合され、同軸ケーブルのシールド外被を押さえる金属バンドとフランジとがねじによって地板に共締めされて同時に結合され、金属パイプにより高い信頼性が得られ、高価なコネクタが不要となるものがある（例えば、特許文献４参照）。

しかしながら、上記特許文献４では、組立やすくするのであるが、オフセット給電を用いたインピーダンス整合に代わってパッチアンテナのインピーダンス整合の作業の時間を短縮するというものではない。

特開２００２−１３５０４０号公報特開昭６３−１４８７０４号公報特開平０５−０１４０４２号公報特開平０５−１７５７２４号公報

したがって、本発明は上記問題点に鑑みて、オフセット給電を用いたインピーダンス整合に代わってインピーダンス整合の作業時間が短縮できるパッチアンテナを提供することを目的とする。

本発明は前記問題点を解決するために、グランド板上に所定間隔でパッチエレメントが配置されるパッチアンテナにおいて、前記グランド板の穴に取り付けられた同軸コネクタに一方端が接続される導体であり、前記パッチエレメントに給電を行う給電導体と、前記給電導体の他方端と前記パッチエレメントの間で半田付けにより置換される導体であり、置換される導体は前記給電導体の直径とは異なり、長さも異なる形状に予め形成され、前記グランド板と前記パッチエレメント間の電流経路の増減を変更可能とし、最適な電流経路を決定し、前記パッチエレメントへの給電に対するインピーダンス整合を行う電流経路変更金具とを備えることを特徴とするパッチアンテナを提供する。

さらに、前記電流経路変更金具の外形形状は、円筒形状、直方体形状、逆円錐台形状、半球形状、逆角錐台形状の少なくとも１つから選択される。
さらに、前記給電金具が結合されたパッチエレメント上に所定間隔で無給電素子が配置される。
さらに、前記パッチアンテナはＲＦＩＤ用リーダ／ライタ側アンテナ、携帯電話基地局用アンテナ、無線ＬＡＮ用アンテナの少なくとも１つに使用される。

さらに、グランド板上に所定間隔でパッチエレメントが配置されるパッチアンテナの製造方法において、前記グランド板の穴に取り付けられた同軸コネクタに前記パッチエレメントに給電を行う給電導体の一方端を接続する工程と、前記給電導体の他方端と前記パッチエレメントの間で半田付けにより置換される導体であり、置換される導体は前記給電導体の直径とは異なり、長さも異なる形状に予め形成され、前記グランド板と前記パッチエレメント間の電流経路の増減を変更可能とし、最適な電流経路を決定し、前記パッチエレメントへの給電に対するインピーダンス整合が行われる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を提供する。

以上説明したように、本発明によれば、グランド板の穴に取り付けられた同軸コネクタにパッチエレメントに給電を行う給電導体の一方端を接続し、給電導体の他方端とパッチエレメントの間で異なる形状の導体を置換して電流経路の変更をし、パッチエレメントへの給電に対するインピーダンス整合を行うようにしたので、従来のオフセット給電を用いたインピーダンス整合に代わってパッチアンテナのインピーダンス整合の作業の時間を短縮することが可能になる。

さらに、無給電素子を付加したパッチアンテナにおいても、電流経路変更金具の形状を変更することで、従来のオフセット給電を用いたインピーダンス整合に代わってパッチアンテナのインピーダンス整合の作業の時間を短縮することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明に係るパッチアンテナの概略構成を示す斜視図であり、図２は図１における線Ｂ−Ｂに関する断面図である。
図１、図２に示すように、図６、図７の構成と比較して、同軸コネクタ１０４にはグランド板１０２の背面側で給電導体１０５の一方端に接続され、給電導体１０５の他方端とパッチエレメント１０１間に電流経路変更金具１０６が設けられ、電流経路変更金具１０６は、例えば、円柱形状の導体であり、予め異なる直径、長さの円柱形状の導体を形成しておき、異なる直径、長さの円柱形状の導体を置換して電流経路を変更し最適な電流経路の円柱形状の導体を決定し、給電のインピーダンス整合を行う機能を有する。

図３は図１又は図２における電流経路変更金具１０６を説明する部分断面図である。本図（ａ）に示すように、電流経路変更金具１０６において、円柱形状の導体の直径Ｒ、長さＬとし、円柱形状の導体の直径Ｒを給電導体１０５の直径ｒよりも大きくし、円柱形状の導体の長さＬをより大きくすると、従来と比較して、電流経路はより増加する。
一例として、ＵＨＦ（ＵｌｔｒａＨｉｇｈＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯において、ＶＳＷＲ（電圧定在波比）１．５の帯域幅が１０．５％となった。

本図（ｂ）に示すように、電流経路変更金具１０６において、円柱形状の導体の直径Ｒを給電導体１０５の直径ｒよりも小さくし、円柱形状の導体の長さＬをより大きくすると、従来と比較して、電流経路はより減少する。特に、電流経路を小さくすることにより、狭周波数帯域の特性を改善する場合に効果が期待される。
電流経路変更金具１０６については、予め直径、高さの異なる各種の円柱形状の導体を形成しておき、最適な電流経路は、各種の円柱形状の導体を置換するだけで、探すことが可能になるので、従来のオフセット給電を用いたインピーダンス整合に代わってパッチアンテナのインピーダンス整合の作業の時間を短縮することが可能になる。

最適な電流経路の形状を決定するため、電流経路変更金具１０６の各種の円柱形状の導体の置換に対しては、電流経路変更金具１０６と給電導体１０５、パッチエレメント１０１とは半田付け作業が行われる。最終的に決定された形状でパッチアンテナの製造に際しては、電流経路変更金具１０６と給電導体１０５を一体化することが好ましいが、コスト、工数を考慮して決定される。

図４は図１又は図２における電流経路変更金具１０６の異なる形状の導体について説明を行う。電流経路変更金具１０６の形状には、前述した本図（ａ）、（ｂ）に示す円柱形状だけでなく、本図（ｃ）に示す直方形状、本図（ｄ）に示す逆円錐台形状、本図（ｅ）に示す逆半球形状、本図（ｆ）に示す逆角錐台形状が含まれる。
電流経路変更金具１０６については、本図（ｃ）に示す直方体形状では各辺の長さ、本図（ｄ）の逆円錐台形状では直径と高さ、本図（ｅ）の逆半球形状では直径、本図（ｆ）に示す逆角錐台形状では各辺と高さを変えた各種の導体を予め形成しておくことにより、従来のオフセット給電を用いたインピーダンス整合に代わってパッチアンテナのインピーダンス整合の作業の時間を短縮することが可能になり、電流経路変更金具１０６の形状に対する汎用性が増す。

図５は図１における変形例であり、パッチアンテナの概略構成を示す斜視図である。本図に示すように、図１と比較して、パッチエレメント１０１に平行に無給電素子１０８が配置される。無給電素子１０８は支持棒１０３と同軸上の支持棒１０７でパッチエレメント１０１から適当な距離だけ離され、所定間隔を保つ。

このように、無給電素子１０８を付加したパッチアンテナにおいても、電流経路変更金具１０６の形状を変更することで、同軸コネクタ１０４の位置を変更せずに、パッチアンテナと空間のインピーダンス整合を行うことができる。すなわち、従来のオフセット給電を用いたインピーダンス整合に代わってパッチアンテナのインピーダンス整合の作業の時間を短縮することが可能になる。
一例として、ＵＨＦ帯において、ＶＳＷＲ１．５の帯域幅が１９％となった。

本発明のパッチアンテナは、ＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）用リーダ／ライタ側アンテナの他に携帯電話基地局用アンテナ、無線ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）用アンテナ等に利用可能である。

本発明に係るパッチアンテナの概略構成を示す斜視図である。図１における線Ｂ−Ｂに関する断面図である。図１又は図２における電流経路変更金具１０６を説明する部分断面図である。図１又は図２における電流経路変更金具１０６の形状例の種類を説明する図である。図１における変形例であり、パッチアンテナの概略構成を示す斜視図である。本発明の前提となるパッチアンテナの概略構成を示す斜視図である。図６の線Ａ−Ａに関する断面図である。

符号の説明

１０１…パッチエレメント
１０２…グランド板
１０３、１０７…支持棒
１０４…同軸コネクタ
１０５…給電導体
１０６…電流経路変更金具
１０８…無給電素子

Claims

グランド板上に所定間隔でパッチエレメントが配置されるパッチアンテナにおいて、
前記グランド板の穴に取り付けられた同軸コネクタに一方端が接続される導体であり、前記パッチエレメントに給電を行う給電導体と、
前記給電導体の他方端と前記パッチエレメントの間で半田付けにより置換される導体であり、置換される導体は前記給電導体の直径とは異なり、長さも異なる形状に予め形成され、前記グランド板と前記パッチエレメント間の電流経路の増減を変更可能とし、最適な電流経路を決定し、前記パッチエレメントへの給電に対するインピーダンス整合を行う電流経路変更金具とを備えることを特徴とするパッチアンテナ。
前記電流経路変更金具の外形形状は、円筒形状、直方体形状、逆円錐台形状、半球形状、逆角錐台形状の少なくとも１つから選択されることを特徴とする、請求項１に記載のパッチアンテナ。
前記給電金具が結合されたパッチエレメント上に所定間隔で無給電素子が配置されることを特徴とする、請求項１に記載のパッチアンテナ。
前記パッチアンテナはＲＦＩＤ用リーダ／ライタ側アンテナ、携帯電話基地局用アンテナ、無線ＬＡＮ用アンテナの少なくとも１つに使用されることを特徴とする、請求項１に記載のパッチアンテナ。
グランド板上に所定間隔でパッチエレメントが配置されるパッチアンテナの製造方法において、
前記グランド板の穴に取り付けられた同軸コネクタに前記パッチエレメントに給電を行う給電導体の一方端を接続する工程と、
前記給電導体の他方端と前記パッチエレメントの間で半田付けにより置換される導体であり、置換される導体は前記給電導体の直径とは異なり、長さも異なる形状に予め形成され、前記グランド板と前記パッチエレメント間の電流経路の増減を変更可能とし、最適な電流経路を決定し、前記パッチエレメントへの給電に対するインピーダンス整合が行われる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。