JP6659500B2 - パッチアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、パッチアンテナに関する。

パッチアンテナの共振周波数を調整する方法として、特許文献１に記載された方法が知られている。この方法においては、放射電極（即ち、アンテナ素子）の４辺部に、ほぼ矩形状の切り欠き部を形成することにより、共振経路長を長くして、共振周波数を調整するように構成している。

特開２００８−２３６３６２号公報 特開２００３−２８３２４０号公報

特許文献２に記載された多層のパッチアンテナにおいては、内層のアンテナ素子は誘電体層で挟まれているため、内層のアンテナ素子に共振周波数調整用の切り欠き部を形成することができない。即ち、内層のアンテナ素子を備えたパッチアンテナの場合、共振周波数を調整できないという問題があった。

本発明の目的は、内層のアンテナ素子を備えた構成でありながら、共振周波数を調整することができるパッチアンテナを提供することにある。

請求項１の発明は、板状のアンテナ素子（５）と、アンテナグランドとしての地板（２）と、前記地板（２）上に設けられ、前記アンテナ素子（５）を挟む２層の誘電体層（３、４）とを備え、前記地板（２）は、基板（６）と、この基板（６）上に設けられた導体パターン（７）とを有し、前記導体パターン（７）の中の、前記誘電体層（３）の外周に形成されたスリット（８、１３、１４）を備えたパッチアンテナである。
請求項７の発明は、板状のアンテナ素子（５）と、アンテナグランドとしての地板（２）と、前記地板（２）上に設けられた誘電体層（３）と、 前記誘電体層（３）上に設けられた前記アンテナ素子（５）と、を備える。地板（２）は、基板（６）と、この基板（６）上に設けられた導体パターン（７）とを有している。前記導体パターン（７）の中の、前記アンテナ素子（５）の外周に形成されたスリット（８）を備える。スリット（８）が、アンテナ素子（５）または誘電体層（３）の外周を囲むように環状に形成されることで、導体パターン（７）が内側導体パターン（１５）と外側導体パターン（１６）とを絶縁するように分割されている。分割された前記内側導体パターン（１５）及び外側導体パターン（１６）とは別体で除去可能または破壊可能に、内側導体パターン（１５）及び前記外側導体パターン（１６）を導通する導通素子（１７）を設けている。

第１実施形態を示すパッチアンテナの斜視図 パッチアンテナの上面図 パッチアンテナの縦断側面図 パッチアンテナの上面図 距離ｄと共振周波数との関係を示す特性図 距離ｄと共振周波数とスリットの幅寸法との関係を示す特性図 第２実施形態を示すパッチアンテナの上面図 第３実施形態を示すパッチアンテナの上面図 第４実施形態を示すパッチアンテナの上面図 第５実施形態を示すパッチアンテナの斜視図 パッチアンテナの上面図 パッチアンテナの縦断側面図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について、図１ないし図４を参照して説明する。本実施形態のパッチアンテナ１は、例えば１．２２７６ＧＨｚ帯（以下周波数Ｌ２帯と称す）を受信するアンテナである。上記パッチアンテナ１は、図１、図２及び図３に示すように、アンテナグランドとしての地板２と、地板２上に積層された２層の誘電体層３、４と、２層の誘電体層３、４の間（即ち、内層）に設けられた内層のアンテナ素子５とを備えて構成されている。

地板２は、ほぼ正方形の基板例えばプリント配線基板６で構成されており、地板２の一辺の長さ寸法は、誘電体層３、４の一辺の長さ寸法よりも長くなるように構成されている。プリント配線基板６の上面には、例えば銅箔で形成された導体パターン７が設けられている。導体パターン７における誘電体層３（即ち、アンテナ素子５及び誘電体層４）の外周には、導体パターン７を除去した部分として、矩形環状のスリット８が形成されている。

誘電体層３、４は、誘電率が例えば１０．５であってＴａｎδが例えば０．００３の誘電体、例えばＰＰＥ（Poly Phenylene Ether）樹脂で形成されており、ほぼ正方形の層状（即ち、薄板状）に形成されている。誘電体層３、４の一辺の長さ寸法は、内層のアンテナ素子５の一辺の長さ寸法よりも少し長くなるように構成されている。この構成の場合、誘電体層３、４間にアンテナ素子５が挟まれた状態で、アンテナ素子５の外周端部が空気中に露出しない構成となっている。誘電体層３、４の各厚み寸法は、それぞれ例えば２．５ｍｍ程度である。

内層のアンテナ素子５は、誘電体層３の上面または誘電体層４の下面に、導体パターン例えば銅箔により形成されており、アンテナ素子形状（即ち、アンテナパターンとしての形状）はほぼ正方形である。図２に示すように、アンテナ素子５の一辺の長さ寸法は、誘電体層３、４の一辺の長さ寸法よりも少し短くなるように構成されている。アンテナ素子５の図２中の左上部の隅部及び右下部の隅部には、右旋円偏波を発生するための摂動部（即ち、縮退構造または切欠部）９及び１０が形成されている。

また、アンテナ素子５の給電点Ｐは、図２及び図３に示すように、スルーホール等の給電線１１を介して給電点１２に接続されている。この構成の場合、アンテナ素子５は、給電点Ｐに給電され、地板２をアンテナグランドとして動作する構成となっている。

さて、スリット８について、図４及び図５を参照して説明する。図４に示すように、スリット８の幅寸法Ｗ１は、例えば１ｍｍ程度に設定されている。また、スリット８と誘電体層３の端部との間の距離をｄ１とすると、この距離ｄ１を変更することにより、パッチアンテナ１の共振周波数を変更設定することができる。具体的には、図５に示すように、距離ｄ１を例えば０ｍｍに設定すると、スリット８を形成しない導体パターン７がベタパターンである場合の共振周波数Ｆ１から最も遠く離れた共振周波数Ｆ２に変更することができる。そして、距離ｄ１を例えば３０ｍｍ程度以上に設定すると、導体パターン７がベタパターンである場合の共振周波数Ｆ１とほぼ同じ共振周波数になる。本実施形態の場合、距離ｄ１を変更することにより、パッチアンテナ１の共振周波数を共振周波数Ｆ２から共振周波数Ｆ１までの間で調整することができる。

また、スリット８の幅寸法Ｗ１についても、この幅寸法Ｗ１を変更することにより、パッチアンテナ１の共振周波数を変更設定することができる。具体的には、スリット８の幅寸法Ｗ１を例えば１ｍｍ程度に設定した場合と、スリット８の幅寸法Ｗ１を例えば３ｍｍ程度に設定した場合とについて、スリット８と誘電体層３の端部との間の距離ｄ１を例えば０ｍｍから例えば３０ｍｍ程度まで変化させて、パッチアンテナ１の共振周波数を測定してみた。この測定結果を、図６に示す。図６において、実線Ｒ１は幅寸法Ｗ１を１ｍｍ程度に設定した場合であり、破線Ｒ２は幅寸法Ｗ１を３ｍｍ程度に設定した場合である。上記図６から、スリット８の幅寸法Ｗ１を調整することにより、パッチアンテナ１の共振周波数を調整できることがわかる。

尚、導体パターン７は、初期状態では、プリント配線基板６の上面の全面に形成されており、その導体パターン７上に、誘電体層３、アンテナ素子５及び誘電体層４を順に形成する。この後、導体パターン７における誘電体層３の外周から、共振周波数調整のために必要な距離ｄ１だけ離れた部分に、矩形環状のスリット８を形成するように構成されている。

上記構成の本実施形態においては、地板２と、地板２上に設けられた２層の誘電体層３、４と、２層の誘電体層３、４間に設けられたアンテナ素子５とを備えたパッチアンテナ１であって、地板２を、基板６と、この基板６上に設けられた導体パターン７とから構成し、導体パターン７の中の、誘電体層３の外周にスリット８を形成した。この構成によれば、内層のアンテナ素子５を備えた構成のパッチアンテナ１でありながら、共振周波数を調整することができる。

また、上記実施形態では、スリット８を、誘電体層３の外周を囲むように矩形環状に形成したので、共振周波数を調整することができ、また、アンテナ特性を良好に保持することができる。

また、上記実施形態では、スリット８と誘電体層３の端部との間の距離をｄ１とし、この距離ｄ１を可変させることにより、共振周波数を調整するように構成したので、共振周波数を調整する構成を、簡単な構成にて容易に実現することができる。また、上記実施形態では、スリット８の幅寸法をＷ１とし、この幅寸法Ｗ１を可変させることにより、共振周波数を調整するように構成したので、共振周波数を調整する構成を、簡単な構成にて容易に実現することができる。

尚、上記実施形態においては、誘電体層３、４の一辺の長さ寸法を、内層のアンテナ素子５の一辺の長さ寸法よりも少し長くなるように構成したが、これに代えて、誘電体層３、４の一辺の長さ寸法を、内層のアンテナ素子５の一辺の長さ寸法とほぼ同じになるように構成しても良い。この構成の場合、上記距離ｄ１は、スリット８とアンテナ素子５（即ち、誘電体層３）の端部との間の距離となり、この構成においても、図５及び図６に示す特性とほぼ同じ特性を得ることができる。

尚、上記実施形態では、パッチアンテナ１を、周波数Ｌ２帯を受信するアンテナであるように構成したが、これに限られるものではなく、他の周波数帯、例えば１．５７５４２ＧＨｚ帯（以下周波数Ｌ１帯と称す）を受信するアンテナであるように構成しても良い。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。第１実施形態では、アンテナ素子５（即ち、誘電体層３、４）の外周を囲むように、即ち、アンテナ素子５の４つの辺部に対応して矩形環状のスリット８を形成したが、これに代えて、第２実施形態では、図７に示すように、アンテナ素子５の３つの辺部に対応してスリット１３を形成するように構成した。このように構成しても、パッチアンテナ１の共振周波数を調整することができる。

尚、上述した以外の第２実施形態の構成は、第１実施形態の構成と同じ構成となっている。従って、第２実施形態においても、第１実施形態とほぼ同じ作用効果を得ることができる。

（第３実施形態）
図８は、第３実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。第３実施形態では、図８に示すように、アンテナ素子５の隣接する２つの辺部に対応してスリット１４を形成するように構成した。このように構成しても、パッチアンテナ１の共振周波数を調整することができる。

尚、上述した以外の第３実施形態の構成は、第１実施形態の構成と同じ構成となっている。従って、第３実施形態においても、第１実施形態とほぼ同じ作用効果を得ることができる。

また、第２実施形態または第３実施形態の構成の場合、パッチアンテナ１の共振周波数を調整することは可能となるが、アンテナ指向性（即ち、軸比）が劣化する。従って、劣化したアンテナ指向性であっても、使用することが可能な機器や技術分野に適用することが好ましい。

（第４実施形態）
図９は、第４実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。第４実施形態では、図９に示すように、導体パターン７のうちの、スリット８で分離された内側導体パターン１５と外側導体パターン１６とについて、２つの導体パターン１５、１６を導通する導通素子１７を設けた。

導通素子１７は、図９に示すように、スリット８の４つの辺部に、それぞれ例えば２個ずつ配設されている。各導通素子１７は、例えば、０Ω抵抗、共振周波数でインピーダンスが小さくなるコンデンサ、共振周波数でインピーダンスが小さくなるインダクタ、または、ハンダ等で構成されている。

上記構成の場合、プリント配線基板６に、導体パターン７、スリット８、及び、導通素子１７を形成した後、内側導体パターン１５上に、誘電体層３、アンテナ素子５及び誘電体層４を順に形成する。そして、共振周波数を調整する必要があるときには、全ての導通素子１７を除去または破壊することにより、内側導体パターン１５と外側導体パターン１６を絶縁する。これにより、パッチアンテナ１の共振周波数を調整することができる。また、８個の導通素子１７の中から、除去または破壊する導通素子１７を選択することにより、パッチアンテナ１の共振周波数を調整することができると共に、パッチアンテナ１の指向性を制御することができる。

また、上記第１ないし第４実施形態においては、２層の誘電体層３、４の間にアンテナ素子５を設けるように構成したが、これに代えて、２層目の誘電体層４を設けることを止めて、アンテナ素子５を露出させるように構成しても良い。このように構成した場合、誘電体層３の一辺の長さ寸法は、露出させたアンテナ素子５の一辺の長さ寸法よりも少し長くなるように構成している。尚、誘電体層３の一辺の長さ寸法と、露出させたアンテナ素子５の一辺の長さ寸法がほぼ同じになるように、即ち、誘電体層３の大きさと、露出させたアンテナ素子５の大きさがほぼ同じになるように構成することも好ましい。

（第５実施形態）
図１０ないし図１２は、第５実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。第５実施形態では、第１実施形態のパッチアンテナ１の誘電体層４の上面に上層のアンテナ素子１８を設けることにより、多層（例えば２層）のパッチアンテナ１９を構成した。

多層のパッチアンテナ１９においては、内層のアンテナ素子５は、周波数Ｌ２帯に対応するアンテナ素子であり、上層のアンテナ素子１８は、周波数Ｌ１帯に対応するアンテナ素子である。アンテナ素子５、１８は、誘電体層３、４の各層上に、地板２から積層方向へ向けて周波数の低い順に形成されている。

図１１に示すように、内層のアンテナ素子５の一辺の長さ寸法は、上層のアンテナ素子１８の一辺の長さ寸法よりも長くなるように構成されている。内層のアンテナ素子５と地板２とで、周波数Ｌ２帯用のパッチアンテナが構成されている。

上層のアンテナ素子１８は、誘電体層４の上面に、導体パターン例えば銅箔により形成されており、アンテナ素子形状がほぼ正方形である。上層のアンテナ素子１８の一辺の長さ寸法は、内層のアンテナ素子５の一辺の長さ寸法よりも少し短くなるように構成されている。上層のアンテナ素子１８の図１１中の左上部の隅部及び右下部の隅部には、右旋円偏波を発生するための摂動部（即ち、縮退構造または切欠部）２０及び２１が形成されている。そして、上層のアンテナ素子１８と内層のアンテナ素子５とで、周波数Ｌ１帯用のパッチアンテナが構成されている。

上記構成の場合、上層のアンテナ素子１８の摂動部２０及び２１の方向と、内層のアンテナ素子５の摂動部９及び１０の方向は、それぞれ同じ方向になるように構成されている。また、上層のアンテナ素子１８のアンテナ形状の中心軸１８ａと、内層のアンテナ素子５のアンテナ形状の中心軸５ａは、一致する（即ち、同じ軸になる）ように構成されている。

また、上層のアンテナ素子１８の給電点Ｐは、図１２に示すように、スルーホール等の給電線２２を介して給電点１２に接続されている。この構成の場合、上層のアンテナ素子１８は、給電点Ｐに給電され、内層のアンテナ素子５を地板として動作する構成となっている。本実施形態では、最上層のアンテナ素子１８のみに、給電するように構成されている。そして、内層のアンテナ素子５は、上層のアンテナ素子１８と容量結合しており、上層のアンテナ素子１８からの誘導電流で励振される構成となっており、地板２を地板として動作するように構成されている。

尚、上述した以外の第５実施形態の構成は、第１実施形態の構成と同じ構成となっている。従って、第５実施形態においても、第１実施形態とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第５実施形態では、周波数Ｌ１帯用のパッチアンテナと周波数Ｌ２帯用のパッチアンテナを積層した構成の多層のパッチアンテナ１９を備えたので、アンテナ全体の構成を小形化することができる。そして、地板２の導体パターン７にスリット８を形成することにより、周波数Ｌ２帯用のパッチアンテナの共振周波数を調整することができる。また、特許文献１に記載されたアンテナと同様にして、上層のアンテナ素子１８の４辺部に、ほぼ矩形状の切り欠き部を形成することにより、周波数Ｌ１帯用のパッチアンテナの共振周波数を調整することができる。

尚、上記各実施形態では、２層の誘電体層３、４の厚み寸法を同じ寸法としたが、これに限られるものではなく、例えば、下層の誘電体層３の厚み寸法を上層の誘電体層４の厚み寸法よりも厚く構成することにより、内層のアンテナ素子５の周波数帯域を拡大させるように構成しても良い。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１はパッチアンテナ、２は地板、３は誘電体層、４は誘電体層、５はアンテナ素子、６はプリント配線基板、７は導体パターン、８はスリット、１３はスリット、１４はスリット、１５は内側導体パターン、１６は外側導体パターン、１７は導通素子、１８はアンテナ素子、１９はパッチアンテナである。

Claims (9)

1. 板状のアンテナ素子（５）と、
   アンテナグランドとしての地板（２）と、
   前記地板（２）上に設けられ、前記アンテナ素子（５）を挟む２層の誘電体層（３、４）とを備え、
   前記地板（２）は、基板（６）と、この基板（６）上に設けられた導体パターン（７）とを有し、
   前記導体パターン（７）の中の、前記誘電体層（３）の外周に形成されたスリット（８、１３、１４）を備えたパッチアンテナ。
2. 前記スリット（８）は、前記誘電体層（３）の外周を囲むように環状に形成され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。
3. 前記スリット（８）で分割された内側導体パターン（１５）と外側導体パターン（１６）を導通する導通素子（１７）を備えたことを特徴とする請求項２記載のパッチアンテナ。
4. 前記スリット（８）と前記誘電体層（３）の端部との間の距離をｄ１とし、
   前記距離ｄ１を可変させることにより、共振周波数を調整するように構成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のパッチアンテナ。
5. 前記スリット（８）の幅寸法をＷ１とし、
   前記幅寸法Ｗ１を可変させることにより、共振周波数を調整するように構成されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のパッチアンテナ。
6. 前記誘電体層（４）の上に設けられた板状のアンテナ素子（１８）を備え、
   前記アンテナ素子（１８）と前記アンテナ素子（５）とから１つのパッチアンテナ（１）を構成し、
   前記アンテナ素子（５）と前記地板（２）とから他の１つのパッチアンテナ（１９）を構成したことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載のパッチアンテナ。
7. 板状のアンテナ素子（５）と、
   アンテナグランドとしての地板（２）と、
   前記地板（２）上に設けられた誘電体層（３）と、
   前記誘電体層（３）上に設けられた前記アンテナ素子（５）と、を備え、
   前記地板（２）は、基板（６）と、この基板（６）上に設けられた導体パターン（７）とを有し、
   前記導体パターン（７）の中の、前記アンテナ素子（５）の外周に形成されたスリット（８）を備え、
   前記スリット（８）が、前記アンテナ素子（５）または前記誘電体層（３）の外周を囲むように環状に形成されることで、前記導体パターン（７）が内側導体パターン（１５）と外側導体パターン（１６）とを絶縁するように分割されており、
   分割された前記内側導体パターン（１５）及び前記外側導体パターン（１６）とは別体で除去可能または破壊可能に、前記内側導体パターン（１５）及び前記外側導体パターン（１６）を導通する導通素子（１７）を設けたことを特徴とするパッチアンテナ。
8. 前記スリット（８）と、前記アンテナ素子（５）または前記誘電体層（３）の端部との間の距離をｄ１とし、
   前記距離ｄ１を可変させることにより、共振周波数を調整するように構成されたことを特徴とする請求項７記載のパッチアンテナ。
9. 前記スリット（８）の幅寸法をＷ１とし、
   前記幅寸法Ｗ１を可変させることにより、共振周波数を調整するように構成されたことを特徴とする請求項７または８記載のパッチアンテナ。

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