JP4818734B2 - くし形基板を有するパッチ・アンテナ - Google Patents

Description

本発明はアンテナに関し、特にパッチ・アンテナに関する。

典型的には接地面に密接して配置される平坦な放射素子を特徴とするパッチ・アンテナは、フェーズド・アレイ・アンテナ内の個々の素子向けのような多くの便利な目的に使用される。このようなパッチ・アンテナは、一つにはサイズが比較的小さく、別の種類のアンテナと比較して製造コストが比較的低いために普及している。パッチ・アンテナの様々な用途が公知であり、本明細書では記載しない。

パッチ・アンテナは典型的には誘電性基板によって接地面から分離された放射パッチからなっている。例えば図１を参照すると、典型的な従来技術の実施形態のパッチ・アンテナは接地面１０１、放射素子（パッチ）１０２、導電性プローブ１０３、および一例として、パッチ１０２を接地面１０１から分離するためにパッチのエッジ部の周囲に配置された、誘電性材料から製造された孤立端子１０５からなっている。導電性プローブ１０３は例えば、例えば公知の同軸ケーブル１０４の内部導体のような導電性無線周波数（ＲＦ）送信線である。導電性プローブ１０３の内部導体１０３はパッチ１０２に接続され、ＲＦ信号がそれによってパッチ１０２に送られる導管である。このようなパッチ・アンテナの動作では、電磁信号が同軸ケーブル１０４の内部導体１０３を経てパッチ１０２に送られ、それによって電流がパッチ１０２と接地面１０１の双方に誘発され、かつ分極電流が誘電性基板１０５内に誘発され、その結果、それらの全てが自由空間内に電磁波を放射する。

図１のパッチ・アンテナの製造に異なる効果を有する多くの異なる構造体を使用できることが当業者には理解されよう。例えば、ある実施形態でのパッチは誘電性の孤立端子を使用する代わりに、単に空気または誘電性材料の固体基板によって接地面から分離される。よく知られているように、誘電性材料は、導電性は低いが電界強度、および前記誘電性材料を充填した内部容積を進行する電磁波の速度に効果的に影響を及ぼすことができる材料である。多くの用途でのこのような誘電性材料の使用は極めてよく知られている。誘電性材料は典型的には誘電率によって特徴付けられ、材料の比誘電率εとも呼ばれる。パッチ・アンテナの性能に対する誘電性材料の影響は比誘電率εだけではなく基板のサイズおよび形状によっても左右される。したがって、誘電率εの代わりに基板の実効誘電率ε_ｅｆｆが用いられることが多い。この実効誘電率ε_ｅｆｆは一般に基板材料の誘電率εならびに基板のサイズおよび形状の複雑な関数である。実効誘電率ε_ｅｆｆの一次近似値はεと正比例する。よく知られているように、所定の周波数ｆで動作するために必要なアンテナ・パッチの長さｌは基板のε_ｅｆｆの関数である。特に、長さｌは下記の方程式によって定義可能である。

ただし、ｃはよく知られている光速の定数値である。アンテナ・パッチの可能な最短の長さを達成するため、最大のε_ｅｆｆを有する適切な基板を使用することが望ましい。

図１のパッチ・アンテナのようなパッチ・アンテナの動作特性は、物理的な寸法とアンテナ製造に用いられる材料によって変化することがある。例えば、前述のように、所定の動作周波数では、誘電率が低い誘電性材料が使用される場合、アンテナのサイズは増大されなければならない。このため、空気のε_ｅｆｆが１．０であるので空気が誘電性材料として使用されることがある。同様に、より低い動作周波数（本明細書では共振周波数とも呼ばれる）を生成するため、アンテナのパッチの長さおよび／または幅を増大してもよい。さらに、アンテナのサイズが大きいほど、アンテナの中心軸に対する角度の関数としてアンテナによって生成される電力束であるアンテナの方向特性（指向性）パターンが狭くなる。加えて、パッチ・アンテナの動作周波数帯域幅は他のあらゆる要因とともに、基板の厚みによっても影響される。パッチ・アンテナの様々な部品の寸法が変化する結果として、このような寸法がアンテナの共振周波数およびその他の動作特性をいかに増減するかを当業者は理解されよう。例えば、図１のパッチ・アンテナのようなパッチ・アンテナは典型的には、このようなアンテナでパッチが接地面に近接していることにより動作周波数の帯域幅が比較的小さいことを特徴としている。例えば、パッチと接地面との距離はアンテナによって送信または受信される信号の波長の約１／２０である。よく理解されているように、所定の基板の厚みを増すことで、これに応じて望み通り動作周波数の帯域幅が増大する。しかし、このように厚みを増すことは、アンテナの重量を増すことにもなり、望ましくない。

本発明の発明者はパッチ・アンテナのサイズと重さを低減し、同時にパッチ・アンテナの方向特性パターンを増大することが多くの実施形態で望ましいことを認識した。

本発明は上記の目的を実質的に達成するものである。特に、本発明はアンテナの接地面および／またはパッチに取付けられる、本明細書ではくし形構造とも呼ばれる複数の構造体を有するパッチ・アンテナである。これらのくし形構造は一例では導電性材料（例えば導電性ペイントが塗布された金属または誘電体）から製造される。しかし、このような複数のくし形構造を使用することによって、構造体を横切って進行する電磁波の速度は大幅に低下する。したがって、このようなくし形構造は誘電体と同様に動作し、したがって実効誘電率ε_ｅｆｆによって特徴付けることが可能であろう。このようなくし形構造体を使用するとパッチの全体的サイズ（例えば長さや幅）を低減し、かつアンテナの方向特性パターンを広くするために役立つ。

第１の実施形態では、くし形構造体がパッチの表面または接地面の表面の一方に取付けられる。この実施形態では、構造体の高さ、および構造体と反対面との最短距離がアンテナによって送信または受信される信号の波長と比較して大幅に小さい場合は（例えば信号の波長の数百分の１）、進行する電磁波の速度を低減させる構造体の能力は、アンテナによって送信または受信される信号の周波数にはほぼ左右されない。したがって、このような構造体は前記の構造体の高さと、前述の最短距離との関数である実効誘電率ε_ｅｆｆによって特徴付けることが可能であろう。

第２の実施形態では、くし形構造体は、構造体が互いに交互に配置されるようにパッチおよび接地面の双方に取付けられる。この実施形態では、構造体の高さ、および同一平面上の各構造体間の距離がアンテナによって送信または受信される信号の波長と比較して大幅に小さい場合（この場合も例えば信号波長のおよそ数百分の１）、進行する電磁波の速度を低減させる構造体の能力は、アンテナによって送信または受信される信号の周波数にはほぼ左右されない。したがって、このような構造体は前記の構造体の高さと、同一平面上の各構造体間の距離との関数である実効誘電率ε_ｅｆｆによって特徴付けることが可能であろう。

さらに別の実施形態では、構造体は送信または受信される信号の偏波に応じて接地面および／またはパッチに電気的に接続されるピンまたはリブである。

前述のとおり、パッチの長さを短縮することによって、アンテナの方向特性パターンを広げることが可能である。パッチ・アンテナの所定の動作周波数でこの拡大をなすためには、基板のε_ｅｆｆを増大させる必要がある。そしてその結果として、動作周波数の帯域が狭くなる。動作周波数の帯域幅を所望の値に保つために、基板の厚みを増大し、パッチを接地面からより長い距離分離する必要がある。しかし、このように厚みを増大するとアンテナの重さが増すという悪影響がある。接地面をパッチから分離すると同時に、基板の定数ε_ｅｆｆおよびアンテナ内のパッチの長さを保つことが望ましいであろう。

本発明はこの目的を実質的に達成するものである。図２Ａおよび２Ｂはアンテナの重さを実質的に増大させず、ε_ｅｆｆおよびアンテナ内のパッチの長さが一定に保たれると同時に、パッチ・アンテナの方向特性が高まる本発明の原理に基づくパッチ・アンテナの実施形態の一例を示している。特に、図２Ａはパッチ・アンテナの接地面に取付けたリブの形式の複数のくし形構造体を有する本発明の原理に基づくパッチ・アンテナの断面図を示している。構造体がアンテナ内の１つの表面だけに取付けられるこのような構造は、本明細書では片側くし形基板と呼ばれる。一例として、このようなくし形基板は接地面１０１に（例えば溶接またはアンテナの表面への電気的接続を達成するためのその他の適宜の方法を用いて）電気的に接続された金属条片またはリブから製造される。このようなくし形基板を作製する方法は、当業者には容易に明らかであろう。図２Ｂは図２Ａのパッチ１０２およびプローブ１０３を取り外した、図２Ａのアンテナ構造の三次元の図である。図２Ａおよび２Ｂの構造を利用して、本発明の発明者は、ｈおよびｄがアンテナによって送信または受信される信号の波長に対して小さい場合（例えば、ｈおよびｄが信号の波長の１／２未満である場合）、接地面をパッチから分離する基板の実効誘電率ε_ｅｆｆを下記のように見積もることが可能であろう。

方程式１から分かるように、図２Ａおよび２Ｂの構造例で、ε_ｅｆｆを一定に保つと同時に、ｈとｄの双方を比例して増大し、ひいては接地面とパッチとの距離を増大することが可能である。したがって、所定の周波数の場合、アンテナの重さまたはサイズを対応して増大させることなくより広いアンテナの方向特性パターンを得ることが可能である。

図３は基板のε_ｅｆｆを増大するために、くし形構造体がパッチと接地面の双方の上で使用されている本発明の原理に基づく別の実施形態を示している。このような構造は本明細書では交差くし形構造と呼ばれる。この場合は、１組またはそれ以上のリブ３０１がパッチ１０２に電気的に接続される。ｄとＴの双方が信号の波長と比較して大幅に小さい場合は（例えば、この場合もｈおよびｄが信号の波長の１／２未満である場合）、アンテナの基板の実効誘電率ε_ｅｆｆを下記の数式によって表すことができる。

ただし、ｄは各リブの高さ、Ｔは同じ面に取付けられたリブ間の間隔である。したがって、ｄおよびＴが意図する信号波長よりも大幅に小さい場合は、ε_ｅｆｆは図３の距離ｈが変化しても実質的に変化しないことが当業者には理解されよう。したがって、この場合も図３のパッチ１０２をより長い距離で接地面から分離することができ、ひいてはε_ｅｆｆを一定に保ち、かつアンテナの重さを増すことなくアンテナの動作帯域幅が増大される。

図２Ａ、２Ｂおよび３の構造のリブの幾何形状により、このようなアンテナは主として線形偏波信号を送信または受信するように設計されたパッチ・アンテナ用に有用であることが当業者には理解されよう。しかし、ある種の信号は円形偏波のような他の偏波を利用する。別の偏波を有する信号に適応するため、前記のリブ構造の変わりに別の構造を用いてもよい。特に、信号が円形偏波を有する例では、本発明の発明者はくし形構造をリブではなくピンの形式で製造してもよいことを認識した。図４は、ピン４０１を備えた片側くし形構造を有するアンテナ４００のそのような例を示している。説明し易くするため、図４にはパッチは示されていない。これまでの記述から、ピンから製造されたこのような片側構造を、例えばピンを（図２Ａおよび２Ｂのように）アンテナの一面だけに配置するか、またはその代わりにピンを（図３のように）アンテナの対向する２つの面上に配置するというように、前述のリブ構造と同様に使用できることが当業者には理解されよう。単一面上に製造されたピンの場合は、図２Ａおよび２Ｂのリブと同様に、上にピン４０１が配置された基板のε_ｅｆｆを方程式１に従って算定することができる。このように、図２Ａのアンテナと同様に、パッチと接地面との分離距離を比例して増大しても、アンテナ４００の基板のε_ｅｆｆは変化しない。同様に、図３のアンテナの交差くし形構造のリブと同様にピンをパッチと接地面の双方の上に配置することによって、基板のε_ｅｆｆを方程式２に従って算定可能である。前述のことから、当業者は別の種類の信号偏波に適応させるために別の片側または交差くし形構造を考案できよう。

図５は図３に示されているような交差くし形基板の例を有するパッチ・アンテナのアンテナ方向特性パターンを空気基板との比較で示している。この図面を参照すると、線５０１は図３に関連して前述したような交差くし形基板の例を有するアンテナの応答パターンを表している。これに対して線５０２は空気基板を有するアンテナを示している。図５のグラフから明らかなように、このようなくし形構造を使用するとパターンの幅が広くなる。特に、アンテナの中心軸に対して−９０°の角度で、くし形基板の応答は−１０ｄＢであり、一方空気基板のアンテナの場合は−３０ｄＢである。当業者が図５のグラフから理解するように、交差くし形基板を有するアンテナの応答は空気基板を使用したアンテナと比較して多くの用途でずっと望ましい。

アンテナの重さを軽く保ちつつパッチ・アンテナの帯域幅を広げることに加えて、上記のくし形基板を加えることは他の利点をも有している。例えば、本明細書に記載のこのようなくし形基板は、化学的な侵食性、または腐食性がある媒体で体験するような環境、または宇宙軌道内での衛星が体験するようなその他の困難な環境のような比較的苛酷な環境で使用できることが有利である。このような環境では、例えばある種の誘電性材料の熱特性により、従来の誘電性基板を使用することが不可能だったり、実際的ではない場合がよくある。

これまでの詳細な説明はあらゆる点に関して説明のための例および典型例であり、限定的なものではなく、本明細書に記載の本発明の範囲は詳細な説明によって決定されるのではなく、特許法で許容される最大幅に基づいて解釈される特許請求の範囲によって決定されることを理解されたい。本明細書に示し、説明した実施形態は本発明の原理の例であるに過ぎず、また本発明の範囲と趣旨からはなれることなく当業者によって様々な修正を加えてもよいことを理解されたい。当業者は本発明の範囲および趣旨からはなれることなく様々な他の特徴の組み合わせを実施可能であろう。

従来技術のパッチ・アンテナ構造を示す図である。 本発明の実施例のパッチ・アンテナの断面図である。 図２Ａ実施例パッチ・アンテナの三次元の図である。 本発明の別の実施例のパッチ・アンテナの構造を示す図である。 本発明の一実施例に従うピンを備えた片側くし形構造のパッチ・アンテナの構造を示す図である。 図３に示されているような交差くし型基板の例を有するパッチ・アンテナのアンテナ方向特性パターンを空気基板との比較で示す図である。

Claims (7)

1. パッチ・アンテナであって、
   導電性パッチと、
   誘電体によって前記導電性パッチから分離された接地面と、
   高さを有する複数の離間した導電性ピンと、
   前記導電性パッチと前記接地面との間の前記誘電体が空気であり、
   前記複数の離間した導電性ピンが前記導電性パッチと前記接地面との間に置かれ、
   前記複数の離間した導電性ピンの第１の部分は、前記導電性パッチ上に配置され、前記導電性パッチから突き出ており、
   前記複数の離間した導電性ピンの第２の部分は、前記接地面上に配置され、前記接地面から突き出ており、
   前記第１の部分の各ピンは、前記第２の部分の各ピンから分離されており、
   前記複数の離間した導電性ピンの各ピンの高さが、前記導電性パッチと前記接地面間の間隔より小さいことを特徴とする、パッチ・アンテナ。
   
2. 前記複数の離間した導電性ピン内の各ピンの高さが、前記アンテナによって送信または受信される無線周波数信号の波長よりも短く、
   前記複数の離間した導電性ピン内の各ピンとの間の間隔が前記波長より短い請求項１に記載のパッチ・アンテナ。
   
3. 前記複数の離間した導電性ピン内の各ピンの高さが前記波長の１／４未満である請求項２に記載のパッチ・アンテナ。
   
4. 前記高さが前記波長の約１／２０である請求項３に記載のパッチ・アンテナ。
   
5. 前記間隔が前記波長の１／２より短い請求項２に記載のパッチ・アンテナ。
   
6. 前記誘電体の実効誘電率が、前記複数の離間した導電性ピンの高さおよび前記複数の離間した導電性ピン内の各ピン間の間隔の関数である請求項２に記載のパッチ・アンテナ。
   
7. 前記誘電体の実効誘電率ε_ｅｆｆが数式
   

   

   に従って定義され、ただしｄは前記複数の離間した導電性ピン内の各ピンの高さであり、Ｔは前記複数の離間した導電性ピン内の各ピン間の間隔である請求項６に記載のパッチ・アンテナ。

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