JP7415608B2 - Patch antenna, patch antenna manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、パッチアンテナ、パッチアンテナの製造方法に関する。 The present invention relates to a patch antenna and a method for manufacturing a patch antenna.

パッチアンテナは、パッチアンテナ素子が基板上に配置されている。通常は、複数のパッチアンテナ素子が単一の基板上に、予め定めたパターンで配列されているため、以下、パッチアンテナとして説明する。 In a patch antenna, a patch antenna element is arranged on a substrate. Usually, a plurality of patch antenna elements are arranged on a single substrate in a predetermined pattern, and therefore will be described below as a patch antenna.

同一平面基板上に設けられた複数のパッチアンテナ素子から構成されるアレーアンテナにおいて、アンテナ指向性を制御するために各パッチアンテナ素子から空間へ放射される放射電力量や位相を調整する事で実現できる。 This is achieved by adjusting the amount of radiated power and phase radiated into space from each patch antenna element in order to control antenna directivity in an array antenna consisting of multiple patch antenna elements installed on the same plane substrate. can.

空間への放射電力量を制御する方法として、以下の制御方法が考えられる。 The following control method can be considered as a method for controlling the amount of power radiated into space.

すなわち、各パッチアンテナ素子と同一平面基板上に設けられたパッチアンテナ素子に電力を給電する給電分配回路によって給電電力量を調整する、各パッチアンテナ素子の放射抵抗を変化させて空間への放射電力量を制御する、及び、直接に給電回路を接続しない無給電素子を用いてパッチアンテナ素子から空間へ放射される放射電力量やアンテナ指向性を制御する、といった制御方法である。 In other words, the amount of power to be fed is adjusted by a power distribution circuit that feeds power to the patch antenna element provided on the same plane board as each patch antenna element, and the radiation resistance of each patch antenna element is changed to radiate power into space. This control method involves controlling the amount of radiated power and antenna directivity radiated into space from the patch antenna element using a parasitic element that is not directly connected to a feeding circuit.

特許文献1及び特許文献2には、パッチアンテナの両脇に非給電パッチを設けた技術が記載されている。 Patent Document 1 and Patent Document 2 describe a technique in which non-power feeding patches are provided on both sides of a patch antenna.

また、特許文献3には、平面アンテナの各素子に対して、上下方向に対向する位置に非給電アンテナを設け、金属部分、すなわちGNDと接続した技術が記載されている。 Moreover, Patent Document 3 describes a technique in which a non-feeding antenna is provided at a position facing each element of a planar antenna in the vertical direction and connected to a metal part, that is, GND.

特開2017-188779号公報Japanese Patent Application Publication No. 2017-188779 特開2013-168875号公報Japanese Patent Application Publication No. 2013-168875 特開2004-328067号公報Japanese Patent Application Publication No. 2004-328067

ここで、同一平面基板上に複数のパッチアンテナ素子と給電分配回路を実装する場合には、様々な課題がある。 Here, there are various problems when mounting a plurality of patch antenna elements and a feed distribution circuit on the same planar substrate.

給電分配回路を構成するマイクロストリップ線路の線幅は、基板製造過程における銅箔パターンのエッチング加工精度の制限により一般的に製造可能な線幅は0.10mm程度で、給電分配回路の分配電力量の調整比は限界がある。 The line width of the microstrip line that constitutes the power supply distribution circuit is generally about 0.10 mm due to limitations on the etching accuracy of copper foil patterns in the board manufacturing process, and the amount of power distributed in the power supply distribution circuit is limited. There is a limit to the adjustment ratio.

また、各パッチアンテナ素子の放射抵抗を変化させて空間への放射電力量を制御する方法は、パッチアンテナ素子の幅や給電位置の調整等により実現可能であるが、パッチアンテナ素子から空間へ放射されるアンテナ指向性の歪みが発生するため、アレーアンテナの高性能な指向性制御が困難となる。 In addition, controlling the amount of power radiated into space by changing the radiation resistance of each patch antenna element can be achieved by adjusting the width of the patch antenna element and the feeding position, but it is possible to control the amount of power radiated into space by changing the radiation resistance of each patch antenna element. This causes distortion in the antenna directivity, making it difficult to perform high-performance directivity control of the array antenna.

また、無給電素子を用いてパッチアンテナ素子から空間へ放射される放射電力量やアンテナ指向性を制御する方法は、特許文献1及び特許文献2等の構造により原理的に可能である。 Furthermore, a method of controlling the amount of radiated power radiated into space from a patch antenna element and antenna directivity using a parasitic element is possible in principle with the structure of Patent Document 1 and Patent Document 2.

しかしながら、同一平面基板上に複数のパッチアンテナ素子と給電分配回路を実装するアレーアンテナ(直列及び並列)において、物理的な制約により実装することが困難である。 However, it is difficult to implement array antennas (series and parallel) in which a plurality of patch antenna elements and a feed distribution circuit are mounted on the same planar substrate due to physical constraints.

本発明は、給電分配回路の分配電力の調整比の制限による、高性能な指向性設計の限界を緩和することができ、かつ、複数のパッチアンテナ素子と給電分配回路とを含む全ての部品を基板の同一平面上に実装することができるパッチアンテナ、パッチアンテナの製造方法を得ることが目的である。 The present invention can alleviate the limitations of high-performance directivity design due to the restriction on the adjustment ratio of the distribution power of the feed distribution circuit, and can reduce all the components including a plurality of patch antenna elements and the feed distribution circuit. The purpose of the present invention is to obtain a patch antenna that can be mounted on the same plane of a substrate, and a method for manufacturing the patch antenna.

本発明に係るパッチアンテナは、誘電体層とグランド層で構成された平面基板の表面である前記誘電体層側の同一面上に、複数のパッチアンテナ素子と、給電分配回路を実装するパッチアンテナにおいて、前記平面基板の同一面上、かつ、複数のパッチアンテナ素子の一部に対応して配置され、励振方向が前記パッチアンテナ素子の励振方向と平行となるように配置され、かつ、ショートビアを用いて裏面側である前記グランド層に電気的に接続された放射電力制御素子を有することを特徴としている。 The patch antenna according to the present invention includes a plurality of patch antenna elements and a feed distribution circuit mounted on the same surface on the dielectric layer side, which is the surface of a flat substrate composed of a dielectric layer and a ground layer. , the short vias are arranged on the same surface of the planar substrate and correspond to a part of the plurality of patch antenna elements, and arranged so that the excitation direction is parallel to the excitation direction of the patch antenna elements, and The device is characterized in that it has a radiation power control element electrically connected to the ground layer on the back surface side using a radiated power control element.

本発明に係るパッチアンテナは、誘電体層とグランド層で構成された平面基板の表面である前記誘電体層側の同一面上に、複数のパッチアンテナ素子と、給電分配回路を実装するパッチアンテナにおいて、前記平面基板の同一面上に配置され、励振方向が前記パッチアンテナ素子の励振方向と平行となるように配置され、かつ、ショートビアを用いて裏面側である前記グランド層に電気的に接続された放射電力制御素子を有し、使用周波数における前記平面基板内の実効波長をλgとするとき、前記放射電力制御素子は、前記励振方向の電気長が0.217λgより大きく0.333λg以下に設定され、前記励振方向と直交する方向の電気長が0.042λg以上0.125λg以下に設定され、かつ、前記パッチアンテナ素子の端部と前記放射電力制御素子の端部の最小間隔が0.083λg以上0.1λg以下に設定されることを特徴としている。 The patch antenna according to the present invention includes a plurality of patch antenna elements and a feed distribution circuit mounted on the same surface on the dielectric layer side, which is the surface of a flat substrate composed of a dielectric layer and a ground layer. is arranged on the same surface of the planar substrate so that the excitation direction is parallel to the excitation direction of the patch antenna element, and is electrically connected to the ground layer on the back side using short vias. The radiated power control element has a connected radiated power control element, and when the effective wavelength in the planar substrate at the operating frequency is λg, the radiated power control element has an electrical length in the excitation direction greater than 0.217λg and equal to or less than 0.333λg. , the electrical length in the direction orthogonal to the excitation direction is set to 0.042λg or more and 0.125λg or less, and the minimum distance between the end of the patch antenna element and the end of the radiated power control element is 0. It is characterized by being set to .083λg or more and 0.1λg or less.

本発明に係るパッチアンテナの製造方法は、誘電体層とグランド層で構成された平面基板の表面である前記誘電体層側の同一面上に、複数のパッチアンテナ素子と、給電分配回路を実装し、放射電力制御素子を、前記平面基板の同一面上に、励振方向が前記パッチアンテナ素子の励振方向と平行となるように配置し、放射電力制御素子における、前記励振方向の電気長の一端に取り付けられたショートビアを前記平面基板の誘電体層を貫通させることで、裏面側である前記グランド層に電気的に接続し、使用周波数における前記平面基板内の実効波長をλgとするとき、前記放射電力制御素子の前記励振方向の電気長が0.217λgより大きく0.333λg以下に設定し、前記励振方向と直交する方向の電気長を0.042λg以上0.125λg以下に設定し、前記パッチアンテナ素子の端部と前記放射電力制御素子の端部の最小間隔を0.083λg以上0.1λg以下に設定することを特徴としている。 A method for manufacturing a patch antenna according to the present invention includes mounting a plurality of patch antenna elements and a feed distribution circuit on the same surface on the dielectric layer side, which is the surface of a flat substrate composed of a dielectric layer and a ground layer. A radiated power control element is arranged on the same surface of the planar substrate so that the excitation direction is parallel to the excitation direction of the patch antenna element, and one end of the electrical length of the radiated power control element in the excitation direction is By penetrating the dielectric layer of the planar substrate with a short via attached to it, it is electrically connected to the ground layer on the back side, and when the effective wavelength in the planar substrate at the operating frequency is λg, The electrical length of the radiation power control element in the excitation direction is set to be greater than 0.217λg and less than or equal to 0.333λg, the electrical length in the direction orthogonal to the excitation direction is set to be greater than or equal to 0.042λg and less than or equal to 0.125λg, and the The present invention is characterized in that the minimum distance between the end of the patch antenna element and the end of the radiation power control element is set to 0.083λg or more and 0.1λg or less.

以上説明した如く本発明では、給電分配回路の分配電力の調整比の制限による、高性能な指向性設計の限界を緩和することができ、かつ、複数のパッチアンテナ素子と給電分配回路とを含む全ての部品を基板の同一平面上に実装することができるという効果を奏する。 As described above, the present invention can alleviate the limitations of high-performance directivity design due to the restriction on the adjustment ratio of the distribution power of the feed distribution circuit, and can include a plurality of patch antenna elements and the feed distribution circuit. This has the effect that all components can be mounted on the same plane of the board.

本実施の形態に係る直線8素子アレー配列の直列給電パッチアレーアンテナの斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a series-fed patch array antenna with a linear eight-element array arrangement according to the present embodiment. 図1における直列給電パッチアレーアンテナの一部拡大図であり、直線8素子アレー配列の給電電力の調整比を決定する給電電力分配制御回路が設けられた配線パターンの斜視図である。2 is a partially enlarged view of the serially fed patch array antenna in FIG. 1, and is a perspective view of a wiring pattern provided with a feed power distribution control circuit that determines the adjustment ratio of feed power in a linear 8-element array arrangement. 図2に示す給電電力分配制御回路の拡大斜視図である。3 is an enlarged perspective view of the feeding power distribution control circuit shown in FIG. 2. FIG. 図1に示す直列給電パッチアレーアンテナに取り付けられたパッチアンテナ素子及びその周辺の拡大斜視図である。FIG. 2 is an enlarged perspective view of a patch antenna element attached to the series-fed patch array antenna shown in FIG. 1 and its surroundings. 本実施の形態に係るパッチアンテナ素子と放射電力制御素子との間の寸法(Gap)毎の、放射電力利得制御素子の励振方向長さに対する放射電力利得特性図である。FIG. 3 is a diagram showing radiated power gain characteristics for each dimension (Gap) between the patch antenna element and the radiated power control element according to the present embodiment and the length in the excitation direction of the radiated power gain control element. 本実施の形態に係る放射電力制御素子における、励振方向長さ(L)毎の指向性角度に対する放射電力利得特性図である。FIG. 3 is a diagram of radiation power gain characteristics with respect to directivity angles for each length (L) in the excitation direction in the radiation power control element according to the present embodiment. 変形例に係る並列給電パッチアレーアンテナの斜視図である。FIG. 7 is a perspective view of a parallel feeding patch array antenna according to a modification.

図1は、本実施の形態に係る直線8素子アレー配列の直列給電パッチアレーアンテナ10である。 FIG. 1 shows a series-fed patch array antenna 10 having a linear eight-element array arrangement according to the present embodiment.

直列給電パッチアレーアンテナ10は、平面基板12上に、複数のパッチアンテナ素子14(図1では、一部のみ指標)が配列されている。平面基板12の裏面全面は、GND層12Gが設けられている。 In the series-fed patch array antenna 10, a plurality of patch antenna elements 14 (only some of them are indicators in FIG. 1) are arranged on a flat substrate 12. A GND layer 12G is provided on the entire back surface of the flat substrate 12.

また、図2に示される如く、平面基板12の同一平面上には、複数の給電電力分配制御回路16が実装されている。本実施の形態に係る直列給電パッチアレーアンテナ10は、79GHz帯のアンテナとして利用される。 Further, as shown in FIG. 2, a plurality of feeding power distribution control circuits 16 are mounted on the same plane of the flat substrate 12. The series-fed patch array antenna 10 according to this embodiment is used as a 79 GHz band antenna.

図1に示される如く、平面基板12の給電部18から電力が供給されると、特性の異なる給電電力分配制御回路16を介して、直線8素子アレー配列の各配線パターン20へ給電される。 As shown in FIG. 1, when power is supplied from the power supply section 18 of the planar substrate 12, the power is supplied to each wiring pattern 20 of the linear eight-element array arrangement via the power supply distribution control circuit 16 having different characteristics.

79GHz帯の直列給電パッチアレーアンテナ10は、平面基板12として、アンテナ放射効率や高次モードの共振を抑制するため1/16λg~1/64λg(λgは、平面基板12上における実効波長であり、約2.4mmである。)以上の厚さ(誘電体層の厚さ)のテフロン(登録商標)基板材(厚さが0.2mm)が適用されている。 The 79 GHz band series-fed patch array antenna 10 uses a flat substrate 12 with a frequency of 1/16λg to 1/64λg (λg is the effective wavelength on the flat substrate 12, in order to suppress antenna radiation efficiency and resonance of higher-order modes. A Teflon (registered trademark) substrate material (thickness: 0.2 mm) with a thickness of about 2.4 mm or more (thickness of the dielectric layer) is applied.

図3に示される如く、給電電力分配制御回路16を構成するマイクロストリップ線路16Aの線幅は、基板製造過程における銅箔パターンのエッチング加工精度が制限される。 As shown in FIG. 3, the line width of the microstrip line 16A constituting the feeding power distribution control circuit 16 is limited by the etching accuracy of the copper foil pattern during the board manufacturing process.

このため、一般的に製造可能な、マイクロストリップ線路16Aの線幅は0.1mm程度である。 Therefore, the line width of the microstrip line 16A that can generally be manufactured is about 0.1 mm.

従って、給電電力分配制御回路16による分配電力量の調整比には、加工精度の制限により限界がある。例えば、上記の平面基板12を使用した場合、0.1mm線幅のマイクロストリップ線路16Aの特性インピーダンスは100Ω程度であり、分配電力量の調整比は最大で4.8dB以下である。 Therefore, there is a limit to the adjustment ratio of the amount of distributed power by the feeding power distribution control circuit 16 due to limitations on processing accuracy. For example, when the above planar substrate 12 is used, the characteristic impedance of the microstrip line 16A with a line width of 0.1 mm is about 100Ω, and the adjustment ratio of the distributed power amount is 4.8 dB or less at maximum.

本実施の形態では、この調整比4.8dB以上の調整比を実現するべく、放射電力制御素子22(図1及び図4参照)を採用した。 In this embodiment, the radiation power control element 22 (see FIGS. 1 and 4) is employed in order to achieve an adjustment ratio of 4.8 dB or more.

図1に示される如く、パッチアンテナ素子14は、一辺が約1.1mm正方形の銅箔パターンで構成され、8本の直線状の配線パターンのそれぞれに複数のパッチアンテナ素子14が電気的に直列接続されている。 As shown in FIG. 1, the patch antenna element 14 is composed of a square copper foil pattern with a side of about 1.1 mm, and a plurality of patch antenna elements 14 are electrically connected in series to each of eight linear wiring patterns. It is connected.

図4に示される如く、パッチアンテナ素子14において、励振方向と直交する方向と交差する2辺に対峙するように、放射電力制御素子22が配置されている。 As shown in FIG. 4, in the patch antenna element 14, the radiation power control elements 22 are arranged so as to face two sides intersecting a direction perpendicular to the excitation direction.

放射電力制御素子22は、導電性のプレート状とされ、平面基板12を貫通するショートビア20Aを備えている。平面基板12を貫通したショートビア20Aは、裏面に設けられたGND層12Gに電気的に接続されている。 The radiation power control element 22 has a conductive plate shape and includes a short via 20A that penetrates the flat substrate 12. Short vias 20A penetrating the planar substrate 12 are electrically connected to a GND layer 12G provided on the back surface.

なお、以下において、パッチアンテナ素子14と放射電力制御素子22との間の隙間寸法をGapとし、放射電力制御素子22の励振方向の長さをLとする(図4参照)。また、図1に示される如く、アレー配列における隣り合うパッチアンテナ素子14同士の間隔をP、パッチアンテナ素子14同士のピッチ(空間波長)をMとする。 In the following, the gap size between the patch antenna element 14 and the radiated power control element 22 is referred to as Gap, and the length of the radiated power control element 22 in the excitation direction is referred to as L (see FIG. 4). Further, as shown in FIG. 1, let P be the interval between adjacent patch antenna elements 14 in the array arrangement, and M be the pitch (spatial wavelength) between the patch antenna elements 14.

また、図1に示される如く、放射電力制御素子22は、アレー配列における隣り合うパッチアンテナ素子14同士の間隔Mは、空間波長P=0.65λ(λ≒3.8mm)である場合に、1.4mmとなり、放射電力制御素子22は、このパッチアンテナ素子14の間隔1.4mm(≒0.65×3.8)の間に配置することになる。 Further, as shown in FIG. 1, when the distance M between adjacent patch antenna elements 14 in the array arrangement is the spatial wavelength P=0.65λ (λ≒3.8 mm), the radiation power control element 22 The distance between the patch antenna elements 14 is 1.4 mm, and the radiation power control element 22 is arranged between the patch antenna elements 14 at a distance of 1.4 mm (≈0.65×3.8).

放射電力制御素子22は、パッチアンテナ素子14から放射された電力の一部が給電されて放射するようになっている。 The radiation power control element 22 is configured to receive a portion of the power radiated from the patch antenna element 14 and radiate it.

本実施の形態では、放射電力制御素子22の寸法(主として励振方向の長さL)及び位置(主として、放射電力制御素子22との隙間寸法Gap)を調整することで、この放射電力制御素子22からの放射電力と、パッチアンテナ素子14からの放射電力との位相とが設定される。 In this embodiment, by adjusting the dimensions (mainly the length L in the excitation direction) and position (mainly the gap dimension Gap between the radiation power control element 22 and the radiation power control element 22), the radiation power control element 22 can be adjusted. The phase of the radiation power from the patch antenna element 14 and the radiation power from the patch antenna element 14 are set.

すなわち、放射電力制御素子22は、パッチアンテナ素子14の放射電力を制御する機能を有している。 That is, the radiation power control element 22 has a function of controlling the radiation power of the patch antenna element 14.

なお、放射電力制御素子22とパッチアンテナ素子14との間の隙間寸法Gapは、平面基板12の厚さである0.2mmに相当する距離以上離すことで、パッチアンテナ素子14単体の性能への影響は、ほぼなくなり、パッチアンテナ素子14の単体としての放射電力の制御は安定する。 Note that the gap dimension Gap between the radiation power control element 22 and the patch antenna element 14 is set to be at least a distance equivalent to 0.2 mm, which is the thickness of the planar substrate 12, so that the performance of the patch antenna element 14 alone is affected. The influence is almost eliminated, and control of the radiation power of the patch antenna element 14 as a single unit becomes stable.

放射電力制御素子22の幅寸法Wは、放射電力の制御に対する影響は、ほぼないが、本実施の形態では、平面基板12へ実装するときの物理的な制限を考慮して、W=0.2mm(0.083λg)とした。なお、平面基板12上の実装スペースに余裕があれば放射電力制御素子22の幅は、上記以外でもよい。 Although the width dimension W of the radiation power control element 22 has almost no influence on the control of radiation power, in this embodiment, considering the physical limitations when mounting on the flat substrate 12, W=0. It was set to 2 mm (0.083λg). Note that the width of the radiated power control element 22 may be other than the above if there is sufficient mounting space on the flat substrate 12.

(放射電力制御素子22の寸法及び位置を調整基準) (Adjustment criteria for dimensions and position of radiated power control element 22)

図5及び図6に従い、放射電力制御素子22の寸法及び位置を調整基準について解析する。 According to FIGS. 5 and 6, the dimensions and position of the radiated power control element 22 are analyzed with respect to the adjustment criteria.

図5は、本実施の形態に係るパッチアンテナ素子14と放射電力制御素子22との間の寸法(Gap)毎の、放射電力利得制御素子の励振方向長さに対する放射電力利得特性図である。 FIG. 5 is a radiated power gain characteristic diagram with respect to the length in the excitation direction of the radiated power gain control element for each dimension (Gap) between the patch antenna element 14 and the radiated power control element 22 according to the present embodiment.

また、図6は、本実施の形態に係る放射電力制御素子22における、励振方向長さ(L)毎の指向性角度に対する放射電力利得特性図である。 Moreover, FIG. 6 is a radiated power gain characteristic diagram with respect to the directivity angle for each excitation direction length (L) in the radiated power control element 22 according to the present embodiment.

図5に示される如く、放射電力制御素子22との隙間寸法Gapが0.5mmの離隔距離(励振方向の長さL=0.58mm(0.242λg)以上の場合)を保つ事で、ほぼパッチアンテナ素子14の放射電力利得への影響がないことがわかる。 As shown in FIG. 5, by keeping the gap size Gap between the radiation power control element 22 and the radiated power control element 22 at a distance of 0.5 mm (when the length L in the excitation direction is equal to or greater than 0.58 mm (0.242λg)), approximately It can be seen that there is no influence on the radiation power gain of the patch antenna element 14.

また、図6に示される如く、放射電力制御素子22の励振方向は、長さL=0.52mm(0.217λg)以上、かつ、長さL=1.1mm(0.458λg)以下であれば指向性への影響(指向性角度0deg付近でのへこみ)は、ほぼないことがわかる。 Further, as shown in FIG. 6, the excitation direction of the radiated power control element 22 may have a length L = 0.52 mm (0.217 λg) or more and a length L = 1.1 mm (0.458 λg) or less. It can be seen that there is almost no effect on the directivity (indentation near the directivity angle of 0 degrees).

隣り合うパッチアンテナ素子14の間隔は、1.4mmであり、この間隔(1.4mm)の間に、放射電力制御素子22を配置する場合、放射電力制御の対象となるパッチアンテナ素子14の隣に配置されている近傍のパッチアンテナ素子に対して0.5mm(0.208λg)以上の離隔距離を保って放射電力制御素子22を配置すれば、当該隣の放射電力制御素子22には影響を及ぼさない。 The interval between adjacent patch antenna elements 14 is 1.4 mm, and when radiating power control element 22 is arranged between this interval (1.4 mm), the radiated power control element 22 is placed next to the patch antenna element 14 that is subject to radiated power control. If the radiation power control element 22 is placed with a distance of 0.5 mm (0.208λg) or more from the neighboring patch antenna element placed in the area, the adjacent radiation power control element 22 will not be affected. Not affected.

このため、Gap=0.2mm~0.3mm(0.083λg~0.125λg)の範囲で、放射電力制御素子22の寸法及び位置を調整することが望ましい。 Therefore, it is desirable to adjust the dimensions and position of the radiation power control element 22 within the range of Gap=0.2 mm to 0.3 mm (0.083λg to 0.125λg).

本実施の形態では、Gap=0.2m~0.24mm(0.083λg~0.1λg)とし、かつ、L=0.52mm~0.8mm(0.217λg~0.333λg)の範囲で放射電力制御素子22の寸法及び位置を調整する事で、パッチアンテナ素子14の放射電力利得を-0.68dB~-10dBの範囲で調整が可能となる。 In this embodiment, Gap is set to 0.2 m to 0.24 mm (0.083 λg to 0.1 λg), and radiation is emitted in the range of L = 0.52 mm to 0.8 mm (0.217 λg to 0.333 λg). By adjusting the dimensions and position of the power control element 22, the radiation power gain of the patch antenna element 14 can be adjusted within the range of -0.68 dB to -10 dB.

以下に、本実施の形態の作用を説明する。 The operation of this embodiment will be explained below.

パッチアンテナ素子14に給電された電力は、パッチアンテナ素子14から空間へ放射される。 The power fed to the patch antenna element 14 is radiated from the patch antenna element 14 into space.

空間へ放射された一部はパッチアンテナ素子14の近傍に配置された放射電力制御素子22を電磁結合により給電し、放射電力制御素子22から空間へ放射される。 A part of the radiation radiated into the space feeds the radiation power control element 22 disposed near the patch antenna element 14 through electromagnetic coupling, and is radiated from the radiation power control element 22 into the space.

放射電力制御素子22から空間へ放射された電波は、パッチアンテナ素子14から放射された電波に対し、異なる位相で空間合成されるように構成されており、パッチアンテナ素子14の放射電力を制御することができる。 The radio waves radiated into space from the radiated power control element 22 are configured to be spatially combined with the radio waves radiated from the patch antenna element 14 with different phases, and the radiated power of the patch antenna element 14 is controlled. be able to.

放射電力の調整は、パッチアンテナ素子14と放射電力制御素子22の間の隙間寸法Gapによって電磁結合量を調整し、放射電力制御素子22の長さLによって所望周波数における放射電力制御素子22の放射利得を調整することで実現している。 To adjust the radiation power, the amount of electromagnetic coupling is adjusted by the gap size Gap between the patch antenna element 14 and the radiation power control element 22, and the radiation power of the radiation power control element 22 at a desired frequency is adjusted by the length L of the radiation power control element 22. This is achieved by adjusting the gain.

ここで、前述したように、本実施の形態では、Gap=0.2m~0.24mm(0.083λg~0.1λg)とし、かつ、L=0.52mm~0.8mm(0.217λg~0.333λg)の範囲で放射電力制御素子22の寸法及び位置を調整する事で、パッチアンテナ素子14の放射電力利得を-0.68dB~-10dBの範囲で調整が可能となる。 Here, as mentioned above, in this embodiment, Gap=0.2m to 0.24mm (0.083λg to 0.1λg), and L=0.52mm to 0.8mm (0.217λg to By adjusting the dimensions and position of the radiated power control element 22 within the range of 0.333λg), the radiated power gain of the patch antenna element 14 can be adjusted within the range of -0.68 dB to -10 dB.

例えば、図2に示される如く、直線8素子アレー配列の給電電力の調整比において、低サイドローブレベル-32dB(開口励振分布f(x)=cos(πx/D)、n=2)のアレーアンテナ指向性を、直線8素子アレー配列の分配回路にて設計する場合、給電電力分配制御回路16は5.5dB(10dB-4.5dB)の給電電力の調整比にて設計する必要がある。 For example, as shown in Fig. 2, in the adjustment ratio of the feeding power of a linear 8-element array, the low sidelobe level is -32 dB (aperture excitation distribution f(x) = cos n (πx/D), n = 2). When designing the array antenna directivity using a distribution circuit with a linear 8-element array arrangement, the feeding power distribution control circuit 16 needs to be designed with a feeding power adjustment ratio of 5.5 dB (10 dB - 4.5 dB). .

しかし、加工精度の制限により、給電電力の調整比4.8dB以上の性能を得ることが困難である。 However, due to limitations in processing accuracy, it is difficult to obtain performance with a feeding power adjustment ratio of 4.8 dB or more.

そこで、本実施の形態では、不足した給電電力の調整比0.7dB分を、放射電力制御素子22(Gap=0.24mm、L=0.8mm)により補うようにした。 Therefore, in this embodiment, the radiated power control element 22 (Gap=0.24 mm, L=0.8 mm) is used to compensate for the insufficient adjustment ratio of 0.7 dB of the feeding power.

本実施の形態では、給電電力の調整比を5.5dBとしたがより高性能な低サイドローブレベルを有する指向性アンテナを設計する場合にも放射電力制御素子22による調整が可能である。 In this embodiment, the adjustment ratio of the feeding power is set to 5.5 dB, but adjustment by the radiation power control element 22 is also possible when designing a directional antenna with higher performance and a low sidelobe level.

また、図1に示される如く、放射電力制御素子22を実装した直列給電パッチアレーアンテナ10では、中央付近のパッチアンテナ素子14に対しては放射電力制御素子22による電力制御を行わず、周縁のパッチアンテナ素子14に対して放射電力制御素子22による電力制御を行っている。これにより、複数のパッチアンテナ素子14と給電電力分配制御回路16が平面基板12の同一平面上に配置されたパッチアレーアンテナを、アンテナ実装面積を維持したまま実現することができる。 Further, as shown in FIG. 1, in the series-fed patch array antenna 10 equipped with the radiated power control element 22, power control is not performed by the radiated power control element 22 on the patch antenna element 14 near the center, and on the periphery. The power of the patch antenna element 14 is controlled by a radiation power control element 22. Thereby, a patch array antenna in which a plurality of patch antenna elements 14 and a feeding power distribution control circuit 16 are arranged on the same plane of the flat substrate 12 can be realized while maintaining the antenna mounting area.

以上説明したように本実施の形態では、直線8素子アレー配列の直列給電パッチアレーアンテナ10における、各パッチアンテナ素子14の近傍に配置された放射電力制御素子22によって、パッチアンテナ素子14の放射電力を制御することで給電電力分配制御回路16の分配電力の調整比の制限による高性能なアレーアンテナ指向性設計の限界を緩和することができる。 As described above, in this embodiment, the radiation power of the patch antenna element 14 is controlled by the radiation power control element 22 arranged near each patch antenna element 14 in the series-fed patch array antenna 10 having a linear eight-element array arrangement. By controlling this, it is possible to alleviate the limitations of high-performance array antenna directivity design due to limitations on the adjustment ratio of the distribution power of the feeding power distribution control circuit 16.

また、複数のパッチアンテナ素子14、給電電力分配制御回路16、及び、各パッチアンテナ素子14の近傍に配置された放射電力制御素子22のそれぞれを、平面基板12の同一平面上へ実装することができる。 Furthermore, it is possible to mount each of the plurality of patch antenna elements 14 , the feeding power distribution control circuit 16 , and the radiation power control element 22 arranged near each patch antenna element 14 on the same plane of the flat substrate 12 . can.

なお、本実施の形態では、直列給電パッチアレーアンテナ10(図1参照)を例にとり説明したが、本発明に係る放射電力制御素子22のパッチアンテナ素子14の近傍への配置による放射電力制御技術は、図7に示される如く、並列給電パッチアレーアンテナ10Aにおいても適用可能である。 Although this embodiment has been described using the series-fed patch array antenna 10 (see FIG. 1) as an example, the radiated power control technique by arranging the radiated power control element 22 near the patch antenna element 14 according to the present invention is also applicable. As shown in FIG. 7, this can also be applied to a parallel-fed patch array antenna 10A.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although preferred embodiments of the present invention have been described above in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to such examples. It is clear that a person with ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea stated in the claims. It is understood that these also naturally fall within the technical scope of the present invention.

10 直列給電パッチアレーアンテナ
12 平面基板
12G GND層
14 パッチアンテナ素子
16 給電電力分配制御回路
16A マイクロストリップ線路
18 給電部
20 配線パターン
22 放射電力制御素子
20A ショートビア
10A 並列給電パッチアレーアンテナ(変形例)
10 Series feeding patch array antenna 12 Planar substrate 12G GND layer 14 Patch antenna element 16 Feeding power distribution control circuit 16A Microstrip line 18 Feeding section 20 Wiring pattern 22 Radiation power control element 20A Short via 10A Parallel feeding patch array antenna (modified example)

Claims (6)

誘電体層とグランド層で構成された平面基板の表面である前記誘電体層側の同一面上に、複数のパッチアンテナ素子と、給電分配回路を実装するパッチアンテナにおいて、
前記平面基板の同一面上、かつ、複数のパッチアンテナ素子の一部に対応して配置され、励振方向が前記パッチアンテナ素子の励振方向と平行となるように配置され、かつ、ショートビアを用いて裏面側である前記グランド層に電気的に接続された放射電力制御素子を有するパッチアンテナ。
In a patch antenna in which a plurality of patch antenna elements and a feed distribution circuit are mounted on the same surface on the dielectric layer side, which is the surface of a planar substrate composed of a dielectric layer and a ground layer,
arranged on the same surface of the planar substrate and corresponding to a part of the plurality of patch antenna elements, arranged so that the excitation direction is parallel to the excitation direction of the patch antenna elements, and using short vias. A patch antenna having a radiation power control element electrically connected to the ground layer on the back side.
誘電体層とグランド層で構成された平面基板の表面である前記誘電体層側の同一面上に、複数のパッチアンテナ素子と、給電分配回路を実装するパッチアンテナにおいて、
前記平面基板の同一面上に配置され、励振方向が前記パッチアンテナ素子の励振方向と平行となるように配置され、かつ、ショートビアを用いて裏面側である前記グランド層に電気的に接続された放射電力制御素子を有し、
使用周波数における前記平面基板内の実効波長をλgとするとき、前記放射電力制御素子は、前記励振方向の電気長が0.217λgより大きく0.333λg以下に設定され、前記励振方向と直交する方向の電気長が0.042λg以上0.125λg以下に設定され、かつ、前記パッチアンテナ素子の端部と前記放射電力制御素子の端部の最小間隔が0.083λg以上0.1λg以下に設定される、パッチアンテナ。
In a patch antenna in which a plurality of patch antenna elements and a feed distribution circuit are mounted on the same surface on the dielectric layer side, which is the surface of a planar substrate composed of a dielectric layer and a ground layer,
arranged on the same surface of the planar substrate, arranged so that the excitation direction is parallel to the excitation direction of the patch antenna element, and electrically connected to the ground layer on the back side using short vias. It has a radiated power control element,
When the effective wavelength in the planar substrate at the operating frequency is λg, the radiated power control element has an electrical length in the excitation direction set to be greater than 0.217λg and equal to or less than 0.333λg, and a direction perpendicular to the excitation direction. The electrical length of is set to 0.042λg or more and 0.125λg or less, and the minimum distance between the end of the patch antenna element and the end of the radiated power control element is set to 0.083λg or more and 0.1λg or less. , patch antenna.
パッチアンテナ素子及び前記放射電力制御素子の組み合わせが、予め定めた配列パターンで形成され、全体として単一のパッチアンテナとして機能するパッチアレーアンテナを構成する請求項1又は請求項2記載のパッチアンテナ。 3. The patch antenna according to claim 1, wherein the combination of the patch antenna element and the radiation power control element is formed in a predetermined arrangement pattern and constitutes a patch array antenna that functions as a single patch antenna as a whole. 前記放射電力制御素子において、前記放射電力制御素子が前記パッチアンテナ素子を挟んで2つ配置されていることを特徴とする請求項1~請求項3の何れか1項記載のパッチアンテナ。4. The patch antenna according to claim 1, wherein in the radiation power control element, two radiation power control elements are arranged with the patch antenna element sandwiched therebetween. 前記放射電力制御素子により制御可能となる規格化放射電力利得は-0.68dBから-10dBであることを特徴とする請求項1~請求項4の何れか1項記載のパッチアンテナ。5. The patch antenna according to claim 1, wherein the normalized radiated power gain that can be controlled by the radiated power control element is from -0.68 dB to -10 dB. 誘電体層とグランド層で構成された平面基板の表面である前記誘電体層側の同一面上に、複数のパッチアンテナ素子と、給電分配回路を実装し、A plurality of patch antenna elements and a power distribution circuit are mounted on the same surface on the dielectric layer side, which is the surface of a flat substrate composed of a dielectric layer and a ground layer,
放射電力制御素子を、前記平面基板の同一面上に、励振方向が前記パッチアンテナ素子の励振方向と平行となるように配置し、 A radiation power control element is arranged on the same surface of the planar substrate so that the excitation direction is parallel to the excitation direction of the patch antenna element,
放射電力制御素子における、前記励振方向の電気長の一端に取り付けられたショートビアを前記平面基板の誘電体層を貫通させることで、裏面側である前記グランド層に電気的に接続し、 A short via attached to one end of the electrical length in the excitation direction in the radiation power control element is passed through the dielectric layer of the planar substrate to be electrically connected to the ground layer on the back side,
使用周波数における前記平面基板内の実効波長をλgとするとき、前記放射電力制御素子の前記励振方向の電気長が0.217λgより大きく0.333λg以下に設定し、 When the effective wavelength in the planar substrate at the operating frequency is λg, the electrical length of the radiated power control element in the excitation direction is set to be greater than 0.217λg and less than or equal to 0.333λg,
前記励振方向と直交する方向の電気長を0.042λg以上0.125λg以下に設定し、 The electrical length in the direction orthogonal to the excitation direction is set to 0.042λg or more and 0.125λg or less,
前記パッチアンテナ素子の端部と前記放射電力制御素子の端部の最小間隔を0.083λg以上0.1λg以下に設定する、パッチアンテナの製造方法。 A method for manufacturing a patch antenna, wherein a minimum distance between an end of the patch antenna element and an end of the radiation power control element is set to 0.083λg or more and 0.1λg or less.
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