JP6917419B2

JP6917419B2 - 積層型パッチアンテナ

Info

Publication number: JP6917419B2
Application number: JP2019143359A
Authority: JP
Inventors: 慎治飯野
Original assignee: Harada Industry Co Ltd
Current assignee: Harada Industry Co Ltd
Priority date: 2019-08-02
Filing date: 2019-08-02
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2039-08-02
Also published as: CN112310620A; CN112310620B; CA3085523A1; US11309631B2; JP2021027452A; US20210036426A1

Description

本発明は積層型パッチアンテナに関し、特に、複数のパッチアンテナを用いる積層構造の積層型パッチアンテナに関する。

近来から車両には種々のアンテナが搭載されている。例えば、ラジオやテレビ、携帯電話、ＧＮＳＳ（ＧｌｏｂａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ：衛星測位システム）、ＳＤＡＲＳ（ＳａｔｅｌｌｉｔｅＤｉｇｉｔａｌＡｕｄｉｏＲａｄｉｏＳｅｒｖｉｃｅ：衛星デジタル音声ラジオサービス）、といった、種々の通信を実現するために必要なアンテナが車載されている。これらは、例えば車両ルーフ上に設置される低背型アンテナ装置に収められる。

これらの車載アンテナ装置のうち、円偏波の信号を受信するためのアンテナでは、セラミックや誘電体基板等を用いたパッチアンテナが知られている。そして、複数のパッチアンテナを積層した積層型パッチアンテナも知られている。積層型パッチアンテナで、上層のパッチアンテナのほうが下層のパッチアンテナと比べて低周波数帯の信号を受信可能に構成されている場合には、上層のパッチアンテナは頂点（即ち、水平から９０度）付近の位置から送信される信号に対する感度は比較的良好であるが、低仰角（例えば水平から３０度）付近の位置から送信される信号に対する感度はあまり良好でないというアンテナ受信感度特性を有している。

また、上層のパッチアンテナのほうが下層のパッチアンテナと比べて高周波数帯の信号を受信可能に構成されている積層型パッチアンテナも知られている（例えば特許文献１や特許文献２）。

特開２００３−３０９４２４号公報特開２０１０−２２６６３３号公報

ＧＮＳＳ用のアンテナやＳＤＡＲＳ用のアンテナでは、仰角特性については頂点だけでなく低仰角の信号に対しても受信感度が良好なものが望まれている。特許文献１や特許文献２のような、上層のパッチアンテナのほうが下層のパッチアンテナと比べて高周波数帯の信号を受信可能に構成されている積層型パッチアンテナの場合、上層のパッチアンテナは低仰角の受信感度特性は悪くないものの、中高仰角（例えば３０度から９０度）付近の受信感度特性が良くなかった。これは、より高周波数帯の信号を受信可能に構成される上層のパッチアンテナの給電線が下層の給電線より長く延在することになるため、この長い給電線がアンテナ受信感度特性に悪影響を及ぼすためである。このように、高周波数帯用のパッチアンテナにおける給電線の長さによるアンテナ受信感度特性への影響は、低周波数帯のものに比べてより大きいものであった。

したがって、積層型パッチアンテナにおいて、上層のパッチアンテナが下層のパッチアンテナよりも高周波数帯用の場合、低仰角だけでなく中高仰角におけるアンテナ受信感度特性の向上が望まれていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、中高仰角における受信感度特性も改善可能な積層型パッチアンテナを提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による積層型パッチアンテナは、第１給電部と第２給電部を有する回路基板と、回路基板上に積層され、第１給電部に接続される第１給電線と、第１放射素子とを有し、第１周波数帯の信号を受信可能な第１パッチアンテナと、第１パッチアンテナ上に積層され、第１給電線よりも長く第１放射素子を貫通して第２給電部に接続される第２給電線と、第１放射素子よりも小さい第２放射素子とを有し、第１周波数帯よりも高い第２周波数帯の信号を受信可能な第２パッチアンテナと、第２パッチアンテナの上方に配置され、第２パッチアンテナの仰角受信特性を改善するための板状の無給電素子と、を具備するものである。

ここで、第１パッチアンテナは、第１放射素子が板状エレメントからなる板状エアパッチアンテナであり、回路基板は、地導体パターンを有するものであれば良い。

また、第１放射素子は、回路基板に所定の間隔を設けて対向配置される四角形状の板状エレメントと、板状エレメントを支えるための複数の脚部とを有するものであれば良い。

また、脚部の少なくとも１つが板状エアパッチアンテナの第１給電線であっても良い。

また、第１パッチアンテナの第１給電線は、板状エレメントの放射面の一部を切り曲げ加工して形成されるものであっても良い。

また、第２パッチアンテナの第２給電線は、第１給電線を形成する切り曲げ加工により開けられるスリットを貫通するものであっても良い。

さらに、回路基板、第１パッチアンテナ、及び無給電素子を支えるための一体型樹脂ホルダを具備し、第２パッチアンテナは、第１放射素子に固定されるものであっても良い。

また、一体型樹脂ホルダは、板状エアパッチアンテナと回路基板との間に配置され板状エアパッチアンテナを支持する板支持部と、板支持部から回路基板側に延在し回路基板を保持する回路基板係止爪と、板支持部から無給電素子側に延在し無給電素子を保持する無給電素子係止爪と、を具備するものであれば良い。

また、第２パッチアンテナは、誘電体としてセラミック、合成樹脂、多層基板の何れかを用いるものであれば良い。

また、無給電素子は、対向する平行な２辺の側辺とこれらに直角な下辺を有すると共に下辺よりも短く下辺に平行な上辺を有する六角形状からなり、上面視で上辺から下辺までの長さが第２パッチアンテナの上辺から下辺までの長さよりも長く幅よりも狭いものであれば良い。

さらに、第２パッチアンテナと無給電素子との間に配置され無給電素子を支えるための、絶縁性スペーサを具備するものであっても良い。

本発明の積層型パッチアンテナには、中高仰角における受信感度特性も改善可能であるという利点がある。

図１は、本発明の積層型パッチアンテナを説明するための概略側断面図である。図２は、本発明の積層型パッチアンテナの第１パッチアンテナを説明するための概略斜視図である。図３は、本発明の積層型パッチアンテナの無給電素子を説明するための概略上面図である。図４は、本発明の積層型パッチアンテナの仰角に対する受信感度特性のグラフである。図５は、本発明の積層型パッチアンテナを一体型樹脂ホルダを用いてモジュール化した例を説明するための概略斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の積層型パッチアンテナを説明するための概略側断面図である。本発明の積層型パッチアンテナは、複数のパッチアンテナを用いる積層構造を有している。図示の通り、本発明の積層型パッチアンテナは、回路基板１０と、第１パッチアンテナ２０と、第２パッチアンテナ３０と、無給電素子４０とから主に構成されている。例えば、これらの構成要素が１つのモジュールとして構成され、他のアンテナ、例えばＡＭ／ＦＭアンテナや携帯電話用アンテナと共に車載アンテナ装置に収められれば良い。

回路基板１０は、第１給電部１１と第２給電部１２を有する。回路基板１０上には、回路パターンや地導体パターン１３がエッチング等により形成されれば良い。また、回路基板１０には、例えばアンプ回路１４等が載置されても良い。

第１パッチアンテナ２０は、第１周波数帯の信号を受信可能なものである。第１周波数帯とは、例えばＧＮＳＳ用の周波数帯、具体的には、１ＧＨｚ−２ＧＨｚ帯の周波数帯であれば良い。しかしながら、本発明の積層型パッチアンテナの第１パッチアンテナ２０は、この周波数帯には限定されず、他の周波数帯であっても良い。第１パッチアンテナ２０は、回路基板上１０に積層されている。第１パッチアンテナ２０は、第１給電線２１と、第１放射素子２２とを有している。第１給電線２１は、回路基板１０の第１給電部１１に接続されている。図示例では、第１パッチアンテナ２０は、第１放射素子２２が板状エレメントからなる板状エアパッチアンテナの例を示した。しかしながら、本発明の積層型パッチアンテナの第１パッチアンテナ２０はこれに限定されず、誘電体としてセラミック、合成樹脂、多層基板等を用いたものであっても良い。

図２を用いて第１パッチアンテナ２０の詳細を説明する。図２は、本発明の積層型パッチアンテナの第１パッチアンテナを説明するための概略斜視図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図示例の第１パッチアンテナ２０は、板状エアパッチアンテナである。回路基板１０は、例えば地導体パターン１３を有している。地導体パターン１３は、第１放射素子２２と共にマイクロストリップアンテナを構成する。第１放射素子２２は、四角形状の板状エレメントであり、回路基板１０に所定の間隔を設けて対向配置されている。そして、複数の脚部２３が板状エレメントを支える構造である。複数の脚部２３は、例えば第１放射素子２２を金属板から切り出して板金加工等で形成する際に、四角形状の板状エレメントの四つ角から折り曲げて形成されれば良い。図示例のように四つ角から折り曲げて形成された脚部２３を有する板状エレメントでは、脚部２３の影響によりエレメントの電気長が伸びることになる。即ち、図面上、板状エレメントの上下に折り曲げ形成された脚部２３が設けられるため、上下方向の長さが左右方向の長さよりも電気長が長く見える。したがって、この例では、板状エレメントは正方形ではなく、上下方向の長さが左右方向の長さよりも短い長方形となっている。なお、脚部２３は板状エレメントを折り曲げ形成されたものには限定されず、板状エレメントとは別体の棒状体等により脚部を構成しても良い。脚部２３は、回路基板１０にはんだ等により固定されれば良い。この際、脚部２３は、例えばコンデンサを介して地導体パターン１３に接続されている。これは、板状エレメントの容量が足りない場合に容量を補うためである。また、メアンダ形状等の配線パターン等により容量を補うように構成しても良い。なお、容量が足りている場合には、脚部２３は地導体パターン１３等から絶縁された状態で固定されれば良い。また、他の手段により板状エレメントが支えられる場合には、脚部を設けなくても良い。さらに、脚部２３の１つを第１給電線２１として用いた板状エアパッチアンテナであっても良い。図示例の第１パッチアンテナ２０では、第１給電線２１は、四角形状の板状エレメントの放射面の一部を切り曲げ加工して形成される例を示した。また、図示例では２点給電のパッチアンテナの例を示した。このため、第１給電線２１が２本示されている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、１点給電のパッチアンテナであっても良い。また、別体の棒状体等により給電線を構成しても良い。板状エレメントには、後述の第２パッチアンテナ３０の第２給電線３１が貫通する貫通孔２４が設けられている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、例えば、第２給電線３１は、第１給電線２１を形成する際に放射面の一部を切り曲げ加工により開けたスリットを貫通するように構成しても良い。

再度図１を参照して、第２パッチアンテナ３０を説明する。第２パッチアンテナ３０は、第１周波数帯よりも高い第２周波数帯の信号を受信可能なものである。第２周波数帯とは、例えばＳＤＡＲＳ用の周波数帯、具体的には、２．３ＧＨｚ帯の周波数帯であれば良い。しかしながら、本発明の積層型パッチアンテナの第２パッチアンテナ３０は、この周波数帯には限定されず、第１周波数帯よりも高い周波数帯であれば他の周波数帯であっても良い。第２パッチアンテナ３０は、第１パッチアンテナ２０上に積層されている。第２パッチアンテナ３０は、第２給電線３１と、第２放射素子３２とを有している。第２給電線３１は、回路基板１０の第２給電部１２に接続されている。即ち、第２給電線３１は、第１給電線２１よりも長く、第１放射素子２２を貫通して回路基板１０の第２給電部１２に接続されるものである。第２給電線３１は、第１パッチアンテナ２０の第１放射素子２２に設けられた貫通孔２４を貫通して第２給電部１２に接続されれば良い。そして、第２放射素子３２は、第１放射素子２２よりも小さいものである。図１に示される例では、第２パッチアンテナ３０は、誘電体としてセラミック３３を用いたセラミックパッチアンテナの例を示した。しかしながら、本発明の積層型パッチアンテナの第２パッチアンテナ３０はこれに限定されず、誘電体として合成樹脂、多層基板等を用いたものであっても良い。図示例では、セラミック３３の裏面には、地導体パターン３４が設けられることで、第２放射素子３２と共にマイクロストリップアンテナを構成している。また、第２パッチアンテナ３０は、第１パッチアンテナ２０上に、例えば両面テープ３５等で固定されれば良い。これにより、第１パッチアンテナ２０の第１放射素子２２と地導体パターン３４は電気的に絶縁される。

第１パッチアンテナ２０の上層に設けられる第２パッチアンテナ３０は、より高周波数帯の信号を受信可能なものであり、長さがより長い第２給電線３１を用いた場合、従来技術の課題でも説明した通り、このままでは第２パッチアンテナ３０の中高仰角におけるアンテナ受信感度特性への影響が現れ得る。そこで、本発明の積層型パッチアンテナでは、以下に説明するような構造を用いることで受信感度特性を改善している。

即ち、図１に示されるように、本発明の積層型パッチアンテナでは、第２パッチアンテナ３０の仰角受信特性を改善するために、無給電素子４０が用いられている。無給電素子４０は、板状のものである。無給電素子４０は、例えば導体板であれば良い。そして、無給電素子４０は、第２パッチアンテナ３０の上方に配置される。

図３を用いて無給電素子４０の詳細を説明する。図３は、本発明の積層型パッチアンテナの無給電素子を説明するための概略上面図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。例えば所謂シャークフィン形状の低背型アンテナ装置に本発明の積層型パッチアンテナを適用した場合、図面上、上側が車両進行方向であり所謂シャークフィンアンテナの先端側になる。本発明の積層型パッチアンテナの無給電素子４０は、例えば図示のような六角形状の板状体であれば良い。具体的には、無給電素子４０は、対向する平行な２辺の側辺とこれらに直角な下辺を有すると共に下辺よりも短く下辺に平行な上辺を有する六角形状からなれば良い。そして、無給電素子４０は、上面視で上辺から下辺までの長さが第２パッチアンテナ３０の上辺から下辺までの長さよりも長く幅よりも狭いものであれば良い。即ち、六角形状の下辺の長さが第２パッチアンテナ３０の幅よりも狭く、六角形状の上辺から下辺までの長さが第２パッチアンテナ３０の上辺から下辺までの長さよりも長ければ良い。より具体的には、無給電素子４０は、第２パッチアンテナ３０の第２放射素子３２の上辺から下辺までの長さよりも長く幅よりも狭ければ良い。なお、本発明の積層型パッチアンテナでは、無給電素子４０は、六角形状には限定されず、例えば台形であっても良い。具体的には、台形は、下辺よりも短く下辺に平行な上辺を有する四角形状であれば良い。そして、台形の上辺の長さが第２パッチアンテナ３０の幅よりも狭く、台形の上辺から下辺までの長さが第２パッチアンテナ３０の上辺から下辺までの長さよりも長ければ良い。また、図示例では、無給電素子４０の上辺から下辺までの長さが第１パッチアンテナ２０の上辺から下辺までの長さと同等の長さを有するものを示した。

図４に、本発明の積層型パッチアンテナの仰角に対する受信感度特性のグラフを示す。図中、黒線が本発明の積層型パッチアンテナの第２パッチアンテナの特性であり、グレー線が無給電素子を用いない場合の上層のパッチアンテナの特性である。図示の通り、中高仰角、具体的には３０度以上の範囲において平均利得が大きく向上していることが分かる。このように、本発明の積層型パッチアンテナは、上述のような積層構造により、上層の第２パッチアンテナの中高仰角における受信感度特性を改善している。

次に、無給電素子４０を第２パッチアンテナ３０の上方に配置する手法について説明する。例えば、無給電素子４０を第２パッチアンテナ３０の上方で支えるために、第２パッチアンテナ３０と無給電素子４０との間に、絶縁性スペーサを設ければ良い。絶縁性スペーサは、例えばある程度の厚みを有する両面テープであれば良い。また、本発明の積層型パッチアンテナを低背型アンテナ装置に適用する場合には、低背型アンテナ装置のアンテナカバー側に無給電素子４０を配置し、アンテナカバーをベースプレートに被せた状態で無給電素子４０が第２パッチアンテナ３０の上方に配置されるように構成されても良い。

ここで、上述のようにアンテナカバー側に無給電素子を配置した場合、アンテナカバーとベースプレートの位置ずれや組付け誤差等により無給電素子と第２パッチアンテナの間の距離や配置位置が一定にならない場合もある。そこで、ホルダを用いて無給電素子と第２パッチアンテナの間の距離が一定になるように構成した例を以下に説明する。

図５は、本発明の積層型パッチアンテナを一体型樹脂ホルダを用いてモジュール化した例を説明するための概略斜視図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図示例の本発明の積層型パッチアンテナは、一体型樹脂ホルダ５０を具備している。一体型樹脂ホルダ５０は、回路基板１０、第１パッチアンテナ２０、及び無給電素子４０を支えるためのものである。一体型樹脂ホルダ５０は、絶縁性の樹脂からなれば良い。なお、第２パッチアンテナ３０は、第１放射素子２２に固定されている。一体型樹脂ホルダ５０は、回路基板１０を支えると共に、回路基板１０上に積層された第１パッチアンテナ２０も支えている。具体的には、一体型樹脂ホルダ５０は、第１パッチアンテナ２０が板状エアパッチアンテナである場合、板状エアパッチアンテナの第１放射素子２２を支持することが好ましい。なぜならば、第１パッチアンテナ２０上には、第２パッチアンテナ３０が積層されるためである。即ち、第２パッチアンテナ３０が第１パッチアンテナ２０の第１放射素子２２上に積層されるので、第２パッチアンテナ３０の重みで第１放射素子２２や脚部２３が撓むおそれがある。そこで、一体型樹脂ホルダ５０の板支持部５１により、板状エアパッチアンテナである第１パッチアンテナ２０を支持している。具体的には、板支持部５１は、板状エアパッチアンテナの第１放射素子２２と回路基板１０との間に配置されるものである。そして、板支持部５１により板状エアパッチアンテナの第１放射素子２２全体を支持すれば良い。なお、板支持部５１にも適宜第２給電線が貫通する貫通孔等が設けられれば良い。一体型樹脂ホルダ５０は、この板支持部５１を中心構成として有すると共に、回路基板係止爪５２と、無給電素子係止爪５３とを有している。回路基板係止爪５２は、板支持部５１から回路基板１０側に延在し回路基板１０を保持するものである。回路基板係止爪５２は、例えば長方形の回路基板１０の少なくとも２辺を挟み込むように係止するものであれば良い。また、回路基板係止爪５２は、回路基板１０の３辺又は４辺を係止するように構成しても良い。回路基板１０側には、回路基板係止爪５２の位置に応じて適宜凹部が設けられれば良い。そして、無給電素子係止爪５３は、板支持部５１から無給電素子４０側に延在し無給電素子４０を保持するものである。無給電素子係止爪５３は、例えば図３に示される六角形状の無給電素子４０の上辺と下辺を挟み込むように係止するものであれば良い。無給電素子４０側には、無給電素子係止爪５３の位置に応じて適宜凹部が設けられれば良い。無給電素子係止爪５３は、無給電素子４０の高さ方向の配置位置を一定とするように、無給電素子４０の表裏を挟み込んで係止するように構成されれば良い。

このように、本発明の積層型パッチアンテナを一体型樹脂ホルダを用いてモジュール化すれば、無給電素子４０と第２パッチアンテナ３０の間の距離や配置位置が常に一定となるため、アンテナ性能の安定化を図ることが可能となる。また、製造時の組み付け性も向上する。

なお、本発明の積層型パッチアンテナは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１０回路基板
１１第１給電部
１２第２給電部
１３地導体パターン
１４アンプ回路
２０第１パッチアンテナ
２１第１給電線
２２第１放射素子
２３脚部
２４貫通孔
３０第２パッチアンテナ
３１第２給電線
３２第２放射素子
３３セラミック
３４地導体パターン
３５両面テープ
４０無給電素子
５０一体型樹脂ホルダ
５１板支持部
５２回路基板係止爪
５３無給電素子係止爪

Claims

複数のパッチアンテナを用いる積層構造の積層型パッチアンテナであって、該積層型パッチアンテナは、
第１給電部と第２給電部を有する回路基板と、
前記回路基板上に積層され、第１給電部に接続される第１給電線と、第１放射素子とを有し、第１周波数帯の信号を受信可能な第１パッチアンテナと、
前記第１パッチアンテナ上に積層され、第１給電線よりも長く第１放射素子を貫通して第２給電部に接続される第２給電線と、第１放射素子よりも小さい第２放射素子とを有し、第１周波数帯よりも高い第２周波数帯の信号を受信可能な第２パッチアンテナと、
前記第２パッチアンテナの上方に配置され、第２パッチアンテナの仰角受信特性を改善するための板状の無給電素子と、
を具備することを特徴とする積層型パッチアンテナ。
請求項１に記載の積層型パッチアンテナにおいて、
前記第１パッチアンテナは、第１放射素子が板状エレメントからなる板状エアパッチアンテナであり、
前記回路基板は、地導体パターンを有する、
ことを特徴とする積層型パッチアンテナ。
請求項２に記載の積層型パッチアンテナにおいて、前記第１放射素子は、回路基板に所定の間隔を設けて対向配置される四角形状の板状エレメントと、板状エレメントを支えるための複数の脚部とを有することを特徴とする積層型パッチアンテナ。
請求項３に記載の積層型パッチアンテナにおいて、前記脚部の少なくとも１つが板状エアパッチアンテナの第１給電線であることを特徴とする積層型パッチアンテナ。
請求項３に記載の積層型パッチアンテナにおいて、前記第１パッチアンテナの第１給電線は、板状エレメントの放射面の一部を切り曲げ加工して形成されることを特徴とする積層型パッチアンテナ。
請求項５に記載の積層型パッチアンテナにおいて、前記第２パッチアンテナの第２給電線は、第１給電線を形成する切り曲げ加工により開けられるスリットを貫通することを特徴とする積層型パッチアンテナ。
請求項２乃至請求項６の何れかに記載の積層型パッチアンテナであって、さらに、回路基板、第１パッチアンテナ、及び無給電素子を支えるための一体型樹脂ホルダを具備し、
前記第２パッチアンテナは、第１放射素子に固定される、
ことを特徴とする積層型パッチアンテナ。
請求項７に記載の積層型パッチアンテナにおいて、前記一体型樹脂ホルダは、板状エアパッチアンテナと回路基板との間に配置され板状エアパッチアンテナを支持する板支持部と、板支持部から回路基板側に延在し回路基板を保持する回路基板係止爪と、板支持部から無給電素子側に延在し無給電素子を保持する無給電素子係止爪と、を具備することを特徴とする積層型パッチアンテナ。
請求項１乃至請求項８の何れかに記載の積層型パッチアンテナにおいて、前記第２パッチアンテナは、誘電体としてセラミック、合成樹脂、多層基板の何れかを用いることを特徴とする積層型パッチアンテナ。
請求項１乃至請求項９の何れかに記載の積層型パッチアンテナにおいて、前記無給電素子は、対向する平行な２辺の側辺とこれらに直角な下辺を有すると共に下辺よりも短く下辺に平行な上辺を有する六角形状からなり、上面視で上辺から下辺までの長さが第２パッチアンテナの上辺から下辺までの長さよりも長く幅よりも狭いことを特徴とする積層型パッチアンテナ。
請求項１乃至請求項６の何れかに記載の積層型パッチアンテナであって、さらに、前記第２パッチアンテナと無給電素子との間に配置され無給電素子を支えるための、絶縁性スペーサを具備することを特徴とする積層型パッチアンテナ。