JP7315043B2

JP7315043B2 - パッチアンテナ

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Publication number: JP7315043B2
Application number: JP2022018540A
Authority: JP
Inventors: 哲也柴田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2022-02-09
Publication date: 2023-07-26
Anticipated expiration: 2037-11-29
Also published as: JP2022051890A

Description

本発明はパッチアンテナに関し、特に、パッチ導体と信号線路が同じ誘電体ブロック内に形成されたパッチアンテナに関する。

パッチアンテナは、誘電体層の表裏にグランドパターンとパッチ導体がそれぞれ設けられた構造を有する。特許文献１及び２には、信号線路が形成された配線層をさらに備えるパッチアンテナが開示されている。

特許第６１２２５０８号公報特開２０１６－１６３１２０号公報特開平２－１０７００３号公報

しかしながら、パッチ導体が形成される誘電体に求められる特性と、信号線路が形成される誘電体に求められる特性は必ずしも同じではない。このため、単一の誘電体材料を用いて誘電体ブロックを構成した場合には、高いアンテナ特性を確保しつつ、信号線路を微細化することは困難であった。

ここで、特許文献３には誘電率の異なる複数の誘電体層を用いたパッチアンテナが開示されている。しかしながら、特許文献３においても、高いアンテナ特性を確保しつつ、信号線路を微細化する方法については不明である。

したがって、本発明は、高いアンテナ特性を確保しつつ、信号線路を微細化することが可能なパッチアンテナを提供することを目的とする。

本発明によるパッチアンテナは、パッチ導体が設けられた第１の誘電体層と、パッチ導体と平行な方向に延在する信号線路が設けられた第２の誘電体層と、パッチ導体に対して垂直に設けられ、信号線路の一端とパッチ導体の給電点を接続する給電導体と、パッチ導体と信号線路の間に設けられた第１のグランドパターンと、信号線路から見て第１のグランドパターンとは反対側に設けられた第２のグランドパターンとを備え、第１の誘電体層の誘電率は、第２の誘電体層の誘電率よりも低いことを特徴とする。

本発明によれば、第１の誘電体層の誘電率が相対的に低いことから、アンテナの利得を向上させることができる。さらに、第２の誘電体層の誘電率が相対的に高いことから、所定の特性インピーダンスを得るために必要な信号線路の配線幅を細くすることができる。これにより、高いアンテナ特性を確保しつつ、信号線路を微細化することが可能となる。ここで、信号線路は、マイクロストリップ線路、ストリップ線路又はコプレーナウェーブガイド線路であっても構わない。

本発明において、第１のグランドパターンは、第１の誘電体層と第２の誘電体層の境界面に配置されていても構わない。これによれば、第１又は第２の誘電体層の表面に第１のグランドパターンを形成することによって、パッチアンテナを作製することが可能となる。

本発明において、パッチ導体は第１の誘電体層の最表面に配置されていても構わないし、第２のグランドパターンは第２の誘電体層の最表面に配置されていても構わない。これらによれば、誘電体層の層数を削減することが可能となる。

本発明によるパッチアンテナは、第１の誘電体層に設けられ、パッチ導体と重なる無給電パッチ導体をさらに備えていても構わない。これによれば、より広帯域化することが可能となる。

本発明によるパッチアンテナは、第２の誘電体層に設けられた別の信号線路と、パッチ導体に対して垂直に設けられ、別の信号線路の一端とパッチ導体の別の給電点を接続する別の給電導体とをさらに備えていても構わない。これによれば、２偏波アンテナを構成することが可能となる。

本発明において、パッチ導体、信号線路及び給電導体がアレイ状に複数設けられていても構わない。これによれば、いわゆるフェーズドアレイを構成することができる。

本発明において、第２の誘電体層は、第１の領域と第１の領域よりも厚みの薄い第２の領域を有し、第１の誘電体層は、第２の誘電体層の第１の領域上に設けられ、信号線路は、第２の誘電体層の第１及び第２の領域に亘って設けられていても構わない。これによれば、第２の誘電体層の第２の領域にフレキシブル性を与えることが可能となる。

このように、本発明によれば、高いアンテナ特性を確保しつつ、信号線路を微細化することが可能なパッチアンテナを提供することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態によるパッチアンテナ１０Ａの模式的な透視斜視図である。図２は、パッチアンテナ１０Ａの模式的な透視平面図である。図３は、パッチアンテナ１０Ａの模式的な透視側面図である。図４（ａ）は、第１の誘電体層Ｄ１の誘電率とアンテナの最大利得との関係を示すグラフである。また、図４（ｂ）は、第２の誘電体層Ｄ２の誘電率と信号線路３０の配線幅との関係を示すグラフである。図５は、パッチアンテナ１０Ａの第１の変形例を示す模式的な透視側面図である。図６は、パッチアンテナ１０Ａの第２の変形例を示す模式的な透視側面図である。図７は、パッチアンテナ１０Ａの第３の変形例を示す模式的な透視側面図である。図８は、パッチアンテナ１０Ａの第４の変形例を示す模式的な透視側面図である。図９は、本発明の第２の実施形態によるパッチアンテナ１０Ｂの模式的な透視斜視図である。図１０は、パッチアンテナ１０Ｂの模式的な透視側面図である。図１１は、本発明の第３の実施形態によるパッチアンテナ１０Ｃの模式的な透視斜視図である。図１２は、本発明の第４の実施形態によるパッチアンテナ１０Ｄの模式的な透視斜視図である。図１３は、パッチアンテナ１０Ｄの模式的な透視平面図である。図１４は、パッチアンテナ１０Ｄの模式的な透視側面図である。図１５は、本発明の第５の実施形態によるパッチアンテナ１０Ｅの模式的な透視斜視図である。図１６は、パッチアンテナ１０Ｅの模式的な透視平面図である。図１７は、パッチアンテナ１０Ｅの模式的な透視側面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態によるパッチアンテナ１０Ａの模式的な透視斜視図である。また、図２はパッチアンテナ１０Ａの模式的な透視平面図であり、図３はパッチアンテナ１０Ａの模式的な透視側面図である。

本実施形態によるパッチアンテナ１０Ａは、ミリ波帯を利用して無線通信を行うアンテナ装置であり、図１～図３に示すように、第１及び第２の誘電体層Ｄ１，Ｄ２と、第１の誘電体層Ｄ１の最表面に形成されたパッチ導体２０と、第１の誘電体層Ｄ１と第２の誘電体層Ｄ２の境界面に設けられた第１のグランドパターンＧ１と、第２の誘電体層Ｄ２の最表面に形成された第２のグランドパターンＧ２とを備えている。第１のグランドパターンＧ１は、開口部Ｇ１ａを除くｘｙ面の全面に形成されている。同様に、第２のグランドパターンＧ２は、開口部Ｇ２ａを除くｘｙ面の全面に形成されている。そして、パッチ導体２０は、第１の誘電体層Ｄ１の最表面に位置するｘｙに形成され、これにより第１の誘電体層Ｄ１を介して第１のグランドパターンＧ１と対向している。第１のグランドパターンＧ１は、パッチ導体２０に対する基準面として機能する。

第１及び第２の誘電体層Ｄ１，Ｄ２の材料としては樹脂材料や、ＬＴＣＣなどのセラミック材料、液晶ポリマーなどを用いることができ、その具体的な材料については特に限定されるものではないが、少なくとも、第１の誘電体層Ｄ１の誘電率の方が第２の誘電体層Ｄ２の誘電率よりも低いことが必要である。一例として、第１の誘電体層Ｄ１の材料として低誘電率の樹脂材料を用い、第２の誘電体層Ｄ２の材料としてより誘電率の高く、高周波特性に優れた液晶ポリマーを用いることができる。

第２の誘電体層Ｄ２の内層には、ｘｙ面に延在する信号線路３０が設けられている。信号線路３０は、パッチ導体２０にアンテナ信号を供給するための配線であり、マイクロストリップ線路、ストリップ線路、コプレーナウェーブガイド線路などを用いることができる。図１～図３に示すように、信号線路３０の一端は、ｚ方向に延在するピラー状の給電導体４１を介してパッチ導体２０の給電点に接続され、信号線路３０の他端は、ｚ方向に延在するピラー状の給電導体４２を介して外部のＲＦ回路１００に接続される。本実施形態においては、信号線路３０がｘ方向に延在する部分とｙ方向に延在する部分からなるＬ字型形状であるが、信号線路３０の形状については特に限定されるものではない。

給電導体４１は、第１のグランドパターンＧ１に設けられた開口部Ｇ１ａを貫通し、パッチ導体２０の所定の面内に位置する給電点に接続されている。給電導体４２は、第２のグランドパターンＧ２に設けられた開口部Ｇ２ａを貫通し、ＲＦ回路１００に接続されている。ＲＦ回路１００は、アンテナ信号を出力する外部の回路である。ここで、信号線路３０がマイクロストリップ線路である場合には、第２のグランドパターンＧ２が信号線路３０に対する基準面として機能する。また、信号線路３０がストリップ線路である場合には、第１及び第２のグランドパターンＧ１，Ｇ２が信号線路３０に対する基準面として機能する。

図４（ａ）は、第１の誘電体層Ｄ１の誘電率とアンテナの最大利得との関係を示すグラフである。また、図４（ｂ）は、第２の誘電体層Ｄ２の誘電率と信号線路３０の配線幅との関係を示すグラフである。

図４（ａ）に示すアンテナの最大利得は、パッチ導体２０の厚さが０．０１８ｍｍであり、第１の誘電体層Ｄ１の厚さが０．５ｍｍであり、第１のグランドパターンＧ１の平面サイズが１０ｍｍ×１０ｍｍである場合に、中心周波数が３０ＧＨｚとなるようパッチ導体２０の平面サイズを調整した場合における値である。図４（ａ）に示すように、アンテナの最大利得は、第１の誘電体層Ｄ１の誘電率が低いほど良好な値が得られており、特に、誘電率ε＝２以下の領域では、８ｄＢｉを超える最大利得が得られることが分かる。

図４（ｂ）に示す配線幅は、信号線路３０が厚さ０．０１８ｍｍのストリップ線路であり、第２の誘電体層Ｄ２の厚みが０．２ｍｍである場合に、特性インピーダンスが５０Ωとなるために必要な配線幅である。図４（ｂ）に示すように、特性インピーダンスが５０Ωとなるために必要な信号線路３０の配線幅は、第２の誘電体層Ｄ２の誘電率が高いほど細くなっており、特に、誘電率ε＝６以上の領域では、配線幅を０．０５ｍｍ以下とすることが可能である。

そして、本実施形態によるパッチアンテナ１０Ａは、第１の誘電体層Ｄ１と第２の誘電体層Ｄ２が互いに異なる材料によって構成されていることから、第１の誘電体層Ｄ１の誘電率と第２の誘電体層Ｄ２の誘電率をそれぞれ任意に設定することができる。したがって、第１の誘電体層Ｄ１の材料として誘電率の低い材料を選択し、第２の誘電体層Ｄ２の材料として誘電率の高い材料を選択すれば、高いアンテナ特性を確保しつつ、信号線路３０の配線幅を細くすることが可能となる。図１～図３では、一例として信号線路３０のパターン形状が比較的単純であるケースを示しているが、本実施形態によれば信号線路３０の配線幅を細くできることから、より複雑なパターン形状とすることが可能である。さらに、第２の誘電体層Ｄ２内に形成する導体パターンによって、フィルタなどの回路素子を形成することも可能である。

本発明において、第１及び第２のグランドパターンＧ１，Ｇ２やパッチ導体２０のｚ方向における位置は、図１～図３に示した位置に限定されるものではない。例えば、図５に示すように、第１のグランドパターンＧ１を第１の誘電体層Ｄ１側にオフセットして配置しても構わないし、図６に示すように、第１のグランドパターンＧ１を第２の誘電体層Ｄ２側にオフセットして配置しても構わない。つまり、第１のグランドパターンＧ１は、少なくともパッチ導体２０と信号線路３０の間に配置されていれば足りる。また、図７に示すように、パッチ導体２０が第１の誘電体層Ｄ１の内層に配置され、これによりパッチ導体２０の両面が第１の誘電体層Ｄ１で覆われていても構わない。さらに、図８に示すように、第２のグランドパターンＧ２が第２の誘電体層Ｄ２の内層に配置され、これにより第２のグランドパターンＧ２の両面が第２の誘電体層Ｄ２で覆われていても構わない。

＜第２の実施形態＞
図９は、本発明の第２の実施形態によるパッチアンテナ１０Ｂの模式的な透視斜視図である。また、図１０は、パッチアンテナ１０Ｂの模式的な透視側面図である。

図９及び図１０に示すように、第２の実施形態によるパッチアンテナ１０Ｂは、第１の誘電体層Ｄ１に無給電パッチ導体２１が追加されている点において、第１の実施形態によるパッチアンテナ１０Ａと相違している。その他の基本的な構成は、第１の実施形態によるパッチアンテナ１０Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

無給電パッチ導体２１は、パッチ導体２０と重なるよう、パッチ導体２０の上方に設けられた矩形状の導体パターンである。無給電パッチ導体２１は、他の導体パターンに接続されておらず、直流的にはフローティング状態である。このように、第１の誘電体層Ｄ１に無給電パッチ導体２１を追加すれば、アンテナ帯域をより拡大することが可能となる。図９及び図１０に示す例では、パッチ導体２０と無給電パッチ導体２１の平面サイズが同じであるが、パッチ導体２０及び無給電パッチ導体２１のサイズ、両者間の距離などは、要求されるアンテナ特性に応じて適宜調整すれば良い。

＜第３の実施形態＞
図１１は、本発明の第３の実施形態によるパッチアンテナ１０Ｃの模式的な透視斜視図である。

図１１に示すように、第３の実施形態によるパッチアンテナ１０Ｃは、第２の誘電体層Ｄ２に設けられた別の信号線路３１を備えている。信号線路３１の一端は、ｚ方向に延在するピラー状の給電導体４３に接続され、信号線路３１の他端は、ｚ方向に延在するピラー状の給電導体４４に接続される。給電導体４３は、第１のグランドパターンＧ１に設けられた開口部Ｇ１ｂを貫通し、パッチ導体２０の所定の面内に位置する別の給電点に接続されている。給電導体４４は、第２のグランドパターンＧ２に設けられた開口部Ｇ２ｂを貫通し、図示しないＲＦ回路に接続されている。その他の基本的な構成は、第１の実施形態によるパッチアンテナ１０Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

給電導体４１と給電導体４３は、パッチ導体２０の互いに異なる平面位置に接続されている。図１１に示す例では、パッチ導体２０のｘ方向に延在する辺の近傍に給電導体４１が接続され、パッチ導体２０のｙ方向に延在する辺の近傍に給電導体４３が接続されている。これにより、本実施形態によるパッチアンテナ１０Ｃは、２偏波アンテナとして機能する。例えば、信号線路３０を介して水平偏波信号を給電し、信号線路３１を介して垂直偏波信号を給電することができる。信号線路３０，３１は、互いに同じ配線層に形成しても構わないし、互いに異なる配線層に形成しても構わない。

＜第４の実施形態＞
図１２は、本発明の第４の実施形態によるパッチアンテナ１０Ｄの模式的な透視斜視図である。また、図１３はパッチアンテナ１０Ｄの模式的な透視平面図であり、図１４はパッチアンテナ１０Ｄの模式的な透視側面図である。

図１２～図１４に示すように、本実施形態によるパッチアンテナ１０Ｄは、４つのパッチ導体２０を備えている。その他の基本的な構成は、第３の実施形態によるパッチアンテナ１０Ｃと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態によるパッチアンテナ１０Ｄが例示するように、パッチ導体２０、信号線路３０，３１及び給電導体４１～４４をアレイ状に複数設ければ、いわゆるフェーズドアレイを構成することが可能となる。図１２～図１４に示す例では、４つのパッチ導体２０をマトリクス状にレイアウトしているが、一方向に配列することも可能である。

＜第５の実施形態＞
図１５は、本発明の第５の実施形態によるパッチアンテナ１０Ｅの模式的な透視斜視図である。また、図１６はパッチアンテナ１０Ｅの模式的な透視平面図であり、図１７はパッチアンテナ１０Ｅの模式的な透視側面図である。

図１５～図１７に示すように、本実施形態によるパッチアンテナ１０Ｅは、２つのパッチ導体２０を備えているとともに、第２の誘電体層Ｄ２が段差形状を有している。その他の基本的な構成は、第３の実施形態によるパッチアンテナ１０Ｃや第４の実施形態によるパッチアンテナ１０Ｄと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態においては、第２の誘電体層Ｄ２が厚みの厚い第１の領域Ｄ２１と、第１の領域Ｄ２１よりも厚みの薄い第２の領域Ｄ２２を有している。そして、第１の誘電体層Ｄ１は、第２の誘電体層Ｄ２の第１の領域Ｄ２１に選択的に設けられており、第２の誘電体層Ｄ２の第２の領域Ｄ２２上には第１の誘電体層Ｄ１は設けられていない。信号線路３０，３１については、第１及び第２の領域Ｄ２１，Ｄ２２に亘って設けられており、第２の領域Ｄ２２においては信号線路３０，３１が露出している。そして、給電導体４２，４４は、第２の領域Ｄ２２に配置されている。

このように、本実施形態においては、第２の誘電体層Ｄ２の第２の領域Ｄ２２上には第１の誘電体層Ｄ１は設けられておらず、且つ、その厚みも薄いことから、第２の領域Ｄ２２にフレキシブル性を持たせることが可能となる。このため、実装対象となる機器の形状に合わせて、第２の領域Ｄ２２を曲げて実装することも可能である。本実施形態においては、端子電極である給電導体４２，４４が第２の領域Ｄ２２に配置されているため、パッチ導体２０を配置すべき面（例えばｘｙ面）と端子電極の接続面（例えばｘｚ面）が同一平面にない場合であっても、フレキシブルな第２の領域Ｄ２２を曲げることによって、容易に実装することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１０Ａ～１０Ｅパッチアンテナ
２０パッチ導体
２１無給電パッチ導体
３０，３１信号線路
４１～４４給電導体
１００ＲＦ回路
Ｄ１第１の誘電体層
Ｄ２第２の誘電体層
Ｄ２１第１の領域
Ｄ２２第２の領域
Ｇ１第１のグランドパターン
Ｇ２第２のグランドパターン
Ｇ１ａ，Ｇ１ｂ，Ｇ２ａ，Ｇ２ｂ開口部

Claims

パッチ導体が設けられた第１の誘電体層及び信号線路が設けられた第２の誘電体層を含む誘電体と、
前記パッチ導体に対して垂直に設けられ、前記パッチ導体の給電点に接続される給電導体と、
前記パッチ導体と前記信号線路の間に設けられた第１のグランドパターンと、
前記信号線路から見て前記第１のグランドパターンとは反対側に設けられた第２のグランドパターンと、を備え、
前記第１の誘電体層の誘電率は８以下であり、
前記第２の誘電体層は液晶ポリマーからなり、
前記誘電体は、第１の領域と、前記第１の領域よりも厚みの薄い第２の領域を有し、
前記パッチ導体は、前記誘電体の第１領域に設けられ、
前記信号線路は、前記誘電体の前記第１及び第２の領域に亘って設けられていることを特徴とするパッチアンテナ。
前記第２のグランドパターンは、前記誘電体層の前記第１及び第２の領域に亘って設けられている、請求項１に記載のパッチアンテナ。
前記誘電体層の前記第１の領域の一方の表面は、前記誘電体層の前記第２の領域の一方の表面と同一平面上にある、請求項１又は２に記載のパッチアンテナ。
前記第２の領域は、曲げ可能に構成されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のパッチアンテナ。
前記誘電体層に設けられた別の信号線路と、
前記パッチ導体に対して垂直に設けられ、前記パッチ導体の別の給電点に接続される別の給電導体と、をさらに備え、
前記別の信号線路は、前記誘電体層の前記第１及び第２の領域に亘って設けられている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のパッチアンテナ。
前記パッチ導体は、前記誘電体層の最表面に配置されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のパッチアンテナ。
前記誘電体層に設けられ、前記パッチ導体と重なる無給電パッチ導体をさらに備える、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のパッチアンテナ。
前記パッチ導体、前記信号線路及び前記給電導体がアレイ状に複数設けられている、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のパッチアンテナ。