JP6775544B2 - パッチアンテナ及び車載用アンテナ装置 - Google Patents
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Description
すなわち、衛星からの各GNSS信号はそれぞれ異なる周波数帯(バンド)で搬送される。増幅器などもその周波数帯用に調整されている。そのため、受信したい周波数帯の数だけアンテナや増幅器などを並べると、車載用アンテナ装置が大型化してしまう。
このような問題を解決するため、特許文献1に開示された車載用アンテナ装置では、誘電体の片面に放射素子を実装したパッチアンテナを二段に重ね、受信したGNSS信号を増幅する際に二つの周波数帯で利得のピークが得られるようにしている。
本発明の他の課題は、複数のパッチアンテナを搭載しても小型低背化が容易な車載用アンテナ装置を提供することにある。
本実施形態のパッチアンテナは、衛星から第1周波数帯の一例となる1.2GHz帯のGNSS信号と、第2周波数帯の一例となる1.6GHz帯のGNSS信号とを受信する。1.2GHz帯のGNSS信号を受信する素子を「第1放射素子」、1.6GHz帯のGNSS信号を受信する素子を「第2放射素子」と呼ぶ。各放射素子は、円偏波を受信するための放射素子であり、二次元構造の導体パターンで構成される。導体パターンは、例えば両端が開放されたマイクロストリップ線路と同等の構造を有するものであっても良く、ミアンダ状、フラクタル状、面状あるいはこれらを組み合わせた形状のパターンであっても良い。本実施形態では、一辺の長さが1/2波長の整数倍に一致する周波数帯で共振する四角形状の導体パターンであるものとする。
図1は本実施形態のパッチアンテナ1の外観図であり、(a)は上面図、(b)は側面図である。また、図2は、パッチアンテナ1の分解斜視図である。
本実施形態のパッチアンテナ1は、互いに大きさが異なる第1放射素子11と第2放射素子13が、一つの誘電体12を挟んで配置された構造を有する。すなわち、第1放射素子11と第2放射素子13との間に誘電体13が存在する構造を有する。誘電体12は、例えば比誘電率が約20のセラミック製であり、地導体15と平行の平面における一辺の長さが46mm、地導体15から垂直方向の高さ、つまり厚みが7mmの四角柱状に成形されている。四角柱状のうち、地導体15から最も離れた点を含む面部を「第1面」、地導体15に最も近い点を含む面部を「第2面」と呼ぶ。
なお、基台14は絶縁体(導体・磁性体を除く)であればどのような材質であっても良い。本実施形態の基台14は、比誘電率が約4.3の樹脂製で、地導体15と平行の平面における一辺の長さが47mm、地導体15から垂直方向の高さ、つまり厚みが5mmの四角柱状に成形されているものとする。
次に、上記のように構成されるパッチアンテナ1の動作特性、特に周波数ごとの利得特性について説明する。図3は、パッチアンテナ1の利得特性図である。横軸は周波数(GHz)、縦軸は利得(dBic)である。「dBic」は円偏波利得の大きさを表す。実線101は各周波数における利得の変化を表す。
図3に示すように、パッチアンテナ1は、利得は1.2GHz帯と1.6GHz帯の両方でピークを示す。つまり、1.2GHz用のパッチアンテナと1.6GHz帯のパッチアンテナとを二つ重ねた従来構造のパッチアンテナとほぼ同等の利得特性となる。
上記の通り本実施形態のパッチアンテナ1は、高価で加工が困難な誘電体12を一つしか備えなくとも、従来構造のように二つのパッチアンテナ(誘電体も二つ)を重ねた場合と同等の利得特性が得られる。二つの誘電体を重ねる必要が無いので、パッチアンテナ1の保持構造を複雑にする必要が無い。また、高価な誘電体12を一つしか備えていないので、パッチアンテナ1の製造コストが著しく低減するという効果が得られる。また、このようなパッチアンテナ1を搭載することで、車載用アンテナの小型低背化が容易になるという効果が得られる。
また、従来構造のようにパッチアンテナを二つ重ねた場合、上段のパッチアンテナと下段のパッチアンテナは物理的に異なるサイズとすることが一般的である。例えば、下段のパッチアンテナが上段のパッチアンテナよりも大きい場合、誘電体も下段のものが上段のものよりも大きくなる。これに対して、本実施形態のパッチアンテナ1は、第2放射素子13が誘電体12上に実装され、第2放射素子と地導体15とを基台14により電気的に離しているので、基台14と第2放射素子13を物理的に異なるサイズとする必要がなく、基台14を第2放射素子13よりも物理的に大きくする必要がない。そのため、パッチアンテナを二つ重ねる従来構造に対して物理的に小さい方の誘電体サイズを選択可能であり、従来構造のものよりも小型低背化できるという効果が得られる。
本実施形態では、基台14の材質が比誘電率4.3の樹脂である場合の例を説明したが、空気あるいはアルミナのような絶縁性部材、すなわち比誘電率が異なる材質のもので置き換えることができる。空気の場合は樹脂製の枠組(スケルトン)あるいは小型スペーサで基台14を構成することになる。図4は、基台14の材質ごとのパッチアンテナ1の周波数(横軸:GHz)と利得(縦軸:dBic)との関係を示したシミュレーション図である。実線101は上述した樹脂(比誘電率4.3)の場合の特性、短破線102は空気(比誘電率1)の場合の特性、長破線103は、アルミナ(比誘電率9.5)の場合の特性を示す。
本実施形態では、基台14(地導体15と平行の平面における一辺の長さが47mmの樹脂製)の高さが5mmである場合の例を説明したが、基台14の高さは、アンテナケースの大きさや同梱する他の周波数帯のアンテナとの関係で、適宜変更することができる。図5は、基台14の厚みを変えたときのパッチアンテナ1の周波数(横軸:GHz)と利得(縦軸:dBic)との関係を示したシミュレーション図である。実線101は上述した5mmの場合の特性、破線104は2mmの場合の特性、一点鎖線105は8mmの場合の特性を示す。
実際、図5に示すように、基台14の厚みが変わっても、1.2GHz帯のピークの利得の大きさには大きな差はなかった。1.6GHz帯のピークの利得の大きさも、基台14の厚みが5mm(実線101)の場合も8mm(一点鎖線105)の場合も大きな差はなかった。
なお、1.6GHz帯のうち低い周波数の信号受信に用いる用途では、約2mm以上約5mm以下にしても良いことは言うまでもない。
本実施形態では、誘電体12、基台14及び地導体15の全てが、上方から見て四角形状である場合の例を説明したが、これらの形状は、パッチアンテナ1の設置可能スペース及び求められる動作特性に応じて適宜変更が可能である。
図6(a)〜(d)は、パッチアンテナ1の上面図のバリエーションを示した上面図である。第1放射素子11及び第2放射素子13は、いずれも上方から見て四角形状の導体パターンであるものとする。
図6(a)は誘電体12及び地導体15は四角形状であるが、基台24が円形状の例である。基台24は誘電体12の外接円となる。そのため、誘電体12と基台24の上方から見たときの面積は、ほぼ同じとなる。
図6(b)は基台14及び地導体15は四角形状であるが、誘電体22が円形状の例である。誘電体22は基台14の内接円となる。
図6(c)は誘電体12は四角形状であるが、基台24及び地導体25が円形状の例である。基台24は誘電体12の外接円となる。
図6(d)は誘電体22、基台24及び地導体25が円形状の例である。内径は誘電体22、基台24、地導体25の順に大きくなる。
誘電体12に比べて樹脂製の基台14の成形・加工が容易であることは、上述した通りである。第2放射素子13は基台14と対面しているので、両者の端が近接している。第1実施形態で説明した基台14は比誘電率が4.3であり、空気の比誘電率は1.0なので、両者の端の境目の部分で、第2放射素子13の利得が比誘電率の差に起因する影響を受ける。そこで、変形例4では、基台14の大きさが第2放射素子13に与える影響について説明する。
一方、基台241の場合のパッチアンテナ(短破線202)では、利得のピークを示す周波数が1.6GHz帯から高い周波数帯に変わる。また、基台243の場合のパッチアンテナ(長破線204)では、利得のピークを示す周波数が1.6GHz帯から低い周波数帯に変わる。アンテナ軸比は、1.0GHz〜1.6GHzの間では、いずれもほぼ均等となるが、基台241の場合のパッチアンテナ(短破線202)では高い周波数帯ほど均等となり、基台243の場合のパッチアンテナ(長破線204)では低い周波数帯ほど均等となる。
本実施形態では、第1放射素子11と第2放射素子13とが誘電体12を挟んで配置され、第1放射素子11及び第2放射素子13がそれぞれ地導体15から隔れることで、パッチアンテナ1の利得が2カ所でピークを示すことを説明したが、二つの放射素子11,13で利得のピークを三つ以上とすることもできる。
例えば、第1放射素子11と第2放射素子13の少なくとも一方の導体パターンの一部を、電気長が全体の導体パターン(上記の二つの利得のピークを生じさせる長さ)と異なるスロット、スリットあるいはこれらの組み合わせとする。スロットやスリットは、給電点を起点とした内壁の長さが電気長となる。これにより、利得がピークとなる周波数帯を三つ以上にすることができる。
以上の説明は、第1放射素子11,誘電体12,第2放射素子13,基台14,地導体15の形状が、上方から見て四角形状あるいは円形状である場合の例であるが、四角形状と円形状は形状の代表例であって、略四角形状、略円形状ないし楕円形状、略楕円形状であっても、同様の説明が成り立つものである。
また、四角形状に限らず、三角形状あるいは五角形状以上の多角形状(あるいは略多角形状)であっても、基台の面積が誘電体12の面積とほぼ同等であれば、第1実施形態のパッチアンテナ1とほぼ同等の利得特性となる。
なお、以上の説明では、基台14の比誘電率が誘電体12の比誘電率より低い例について説明したが、常にそのようにしなければならない訳ではない。用途によっては、基台14の比誘電率を誘電体12の比誘電率より高くしても良い。
Claims (7)
- 地導体と、
前記地導体から最も離れた点を含む第1面及び前記地導体に最も近い点を含む第2面を有するセラミック製の誘電体と、
前記第1面に実装され、第1周波数帯の信号を受信する第1放射素子と、
前記第2面に実装され、前記第1周波数帯と異なる第2周波数帯の信号を受信する第2放射素子と、
前記第2放射素子と前記地導体との間に介在する樹脂製の基台と、を備え、
前記第2放射素子と前記地導体とが前記基台により電気的に離れている、
パッチアンテナ。 - 前記第2放射素子が前記第1放射素子を超えるサイズであり、
前記誘電体が前記第2放射素子以上のサイズであることを特徴とする、
請求項1に記載のパッチアンテナ。 - 前記基台が、前記誘電体を前記地導体に対して保持する保持構造であることを特徴とする、請求項1又は2に記載のパッチアンテナ。
- 前記基台の前記地導体への投影面積が、前記誘電体の前記投影面積よりも大きいことを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載のパッチアンテナ。
- 前記地導体から前記誘電体に向かう方向の前記基台の厚みが約2mm以上約5mm以下であることを特徴とする、
請求項1から4のいずれか一項に記載のパッチアンテナ。 - 前記第1放射素子及び前記第2放射素子の少なくとも一方が導体パターンであり、
前記導体パターンの一部に、スロット、スリット、ミアンダ、フラクタルあるいはこれらの組合せが形成されていることを特徴とする、
請求項1から5のいずれか一項に記載のパッチアンテナ。 - アンテナケースと、
前記アンテナケースに収容されるパッチアンテナと、を備え、
前記パッチアンテナが請求項1から6のいずれか一項に記載されたパッチアンテナであることを特徴とする、
車載用アンテナ装置。
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