JPH03276904A - 平板パッチアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 この発明は、平板パッチアンテナに関し、特に、帯域幅
拡大および小型化の技術に関する。

〔従来技術〕

従来の平板パッチアンテナとしては、例えば「電子情報
通信学会技術研究報告１９８７年Ｖｏｌ、５３号第２１
〜２４頁金田、後藤、他、′軸対称モード円環パッチア
ンテナとその給電法”」に記載されているものがある。

第１５図は、上記の平板パッチアンテナの平面図および
断面図である。

第１５図において、１はアース板となる導電体の地板、
２はアンテナエレメントである導電体のパッチ、３はパ
ッチ２に送信電力を供給する給電軸、４はパッチ２と地
板１とを短絡するためのショートビンであり、ｔはアン
テナの高さである。

なお、給電軸は同軸ケーブルの中心導体（心線）であり
、該同軸ケーブルの外部導体（網状の接地線）が地板１
に接続される。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の平板パッチアンテナにおいては、帯
域幅が狭いという問題がある。

例えば、第１６ＷＪは、ショートピン４と給電軸３との
距離ｐと、リターンロス−１０ｄＢ時における比帯域幅
Δｆ／ｆとの関係を示す特性図である。第１６図から判
るように、従来の平板パッチアンテナにおいては、比帯
域幅がリターンロス−１０ｄＢでも７〜１０％位しかな
い。

しかし、この平板パッチアンテナを自動車電話用アンテ
ナとして使用する場合には、第１７図に示すように１周
波数帯域８６０〜９４０ＭＨｚでリターンロス−１１，
７ｄＢ（日本電信電話規定ｖＳＷＲ１，７）において比
帯域幅８〜１０％程度必要であるため、上記のごとき特
性では帯域幅に余裕がなく、降雨による水滴の付着等に
よって使用可能帯域が変化すると使用不能になるおそれ
があった。

例えば、第１８図は、アンテナ上方に水滴がある場合に
おけるリターンロスの周波数特性図であるが、図示のご
とく、水滴があると使用可能周波数が低域側にずれるの
で、従来の平板パッチアンテナを自動車電話用に使用し
た場合には、降雨によって自動車電話使用帯域から簡単
にずれてしまい、通話不能になるおそれがあった。

また、アンテナケースの構造や車体取付は方法等によっ
てもアンテナ特性が変化するので、そのような変化諸要
因を厳密に考慮したチューニングを行なわないと周波数
のずれによって使用不能になるため、ケース構造や取付
は位置等の自由度が小さく、かつ取付は工数や調整工数
等が増大するという問題があった。

また、最近の自動車では、ルーフ上やトランクリッド上
などのような車体の比較的高い位置に、ＬＥＤ等の発光
素子からなる停止灯を設ける、いわゆるハイマウント・
ストップランプが実用化されている。このハイマウント
・ストップランプのケースに前記のごとき平板パッチア
ンテナを収納すれば、ケースを共用することが出来ると
共にアンテナの設置が外部から判らないので、デザイン
上も有利である０例えば、第１４図（Ｃ）、（ｄ）は従
来の平板パッチアンテナをハイマウント・ストップラン
プのケースに収納した一例図であり。

通常用いられるダイパーシティ方式用に２個のアンテナ
を収納した場合を示す、しかし、前記のごとき従来の平
板パッチアンテナは、パッチの形状が円形であるため１
．後記第１４図からも判るように、ケースの奥行きが大
きくなり、ケースデザインが制限されると共に奥行きの
狭い場所（リアパーセル等）には設置出来ない場合があ
るという問題があった。

本発明は、上記のごとき従来技術の問題を解決するため
になされたものであり、帯域幅が広く、しかも比較的小
型に出来る平板パッチアンテナを提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕 上記の目的を達成するため１本発明においては、特許請
求の範囲に記載するように構成している。

すなわち１本発明においては、パッチの形状を菱形とし
、かつ、給電軸の形状を、パッチ側が太く地板側にゆく
にしたがって細くなる形状とするように構成したもので
ある。

また１本発明の他の構成においては、上記の構成におい
て、パッチの形状を、菱形の長軸または短軸のいずれか
一方の端部を切り落した六角形としている。

また、本発明の更に他の構成においては、上記の構成に
おいて、パッチの形状を、菱形の長軸および短軸の端部
を切り落した八角形としている。

なお、上記の菱形とは、長軸と短軸との比が凡そ４：１
〜３：２程度のものを意味する。

また、パッチ側が太く地板側にゆくにしたがって細くな
る給電軸の形状を、以下、テーバ形と記載する。このよ
うなテーパ形状としては、例えば円錐形や角錐形等があ
る。また、太さが連続的に変化する形状に限らず、段階
的に変化する形状でもよい。

〔作用〕

後記第１図〜第１３図で詳述するように、パッチの形状
を菱形または菱形の端を切り落した六。

八角形とし、給電軸の形状をテーパ形にすると、従来の
平板パッチアンテナより帯域幅が広くなる。

その原因の理論的な解析は未だ行なっていないが、テー
バ形の給電軸の効果については、次の如き原因が考えら
れる。

すなわち、線状の細い給電軸を平板状のパッチに直接に
接続するよりも、給電軸の形状をテーパ状にしてパッチ
側を太くし、線状の細い部分から次第に太くして平板に
近い形状にして接続することにより、給電軸とパッチと
のマツチングが向上し、それによって帯域幅が広がるの
ではないかと推察される。つまり２本発明の構造におい
ては、同軸ケーブルの外部導体が広がって地板１となり
、また、中心導体が次第に広がってパッチ２となった構
造に近いので、細い線状の導体から不連続に平板のパッ
チに接続される従来構造に比べて、マツチングが大幅に
良くなり、それによって広帯域になるものと考えられる
。

また、パッチ形状を菱形またはその端部を切り落した六
角、八角形とした効果の原因については不明であるが、
後記第４図〜第１３図で詳述するごとく、いずれも実用
上十分な帯域幅特性を有している。

また、菱形にするとケースに収納する場合に有利であり
、特にダイパーシティ用に２個のアンテナを収納する場
合に、ケースの奥行きを小さくすることが出来るという
利点がある。

〔実施例〕

第１図〜第３図は、それぞれ本発明の実施例図であり、
第１図はパッチの形状を菱形にした場合の平面図および
断面図、第２図はパッチの形状を菱形の長軸または短軸
のいずれか一方の端部を切り落した六角形とした場合の
平面図（本図では長軸端を切り落した場合を例示）、第
３図はパッチの形状を菱形の長軸および短軸の端部を切
り落した八角形とした場合の平面図を示す、なお、パッ
チの形状以外の部分は同一なので、第２図および第３図
では断面図を省略している。

第１図〜第３図において、１１は地板、１２は菱形のパ
ッチ、１２′は六角形のパッチ、１２”は八角形のパッ
チ、１３はテーパ形給電軸、１４はショートピンである
。

また、給電軸１３はパッチ側が底面となり、地板１１側
が頂点となる円錐形となっている。なお。

給電軸のテーパ形状としては、円錐形に限らず、角錐形
等信の形状でも良い。更には太さが段階的に変化する形
状でも良い。また、給電軸１３の内部は中実でも中空で
もよい。また、材質は２例えば、銅、アルミニウム等の
金属、あるいは樹脂表面に導電体のメツキを施したもの
等を用いることが出来る。また、地板１１やパッチ１２
．１２′１２″も樹脂板に導電体のメツキを施したもの
で構成することも出来る。

また、ショートピン１４は、複数本がアンテナの中心に
対して対称に配置されている。

次に作用を説明する。

第４図および第５図は、前記第１図に示した菱形アンテ
ナの特性側図であり、第４図はリターンロス特性図、第
５図はスミスチャート図である。

第４図および第５図の特性は、第１図に示す各部の寸法
を下記の第１表のごとき値にした場合の特性例である。

なお、λおよびλ′の項は、各部の寸法をアンテナの共
振波長λと使用可能帯域の下限波長λ′とに換算した値
である。また、共振波長λ（共振周波数ｆｅ）としては
、リターンロスが最も低い値を示す点（図中のマーカー
１の点）ではなく、特性曲線が−１１，７ｄＢを切る２
カ所の点（図中のマーカー２と３）の中点を用いている
。

第１表 なお、パッチ面積は１２５４４閣２（０，１４７λ２．
０．１１３λ′２）であり１、アンテナ体積は１８８１
６０ｍ’　（０，００７５６λ３．０．００５１０λ′
３）である。

第４，５図および第１表から判るように、短軸Ｘが１１
２ｍ（０，３８４λ）、長軸ｙが２２４■（０，７６７
λ）、高さｔが１５■（０，０５１４λ）の菱形アンテ
ナの場合、 共振波長λ　　＝２９２ｒｎ 下限波長λ’　　＝３３３ｍ 共振周波数ｆ、＝１０２６Ｍ七 帯域幅Δｆ　　　＝２５２Ｍ土 比帯域幅Δｆ／ｆ０＝２４．６％ という優れた値が得られる。なお、上記の値はリターン
ロス−１１，７ｄＢにおける値である。

これに対して、前記の従来例においては１円形パッチの
直径が１５６ｍ＋　（０，４６６λ）、高さｔが１１閣
（０，０３１８λ）、パッチの面積が１９１０４＋＋ｍ
”　（０１７０λ２）という寸法において、−１０ｄＢ
における比帯域幅が１２％以下である。

上記のように、本発明の菱形アンテナは、パッチ面積が
従来の約６５％と小型でありながら、比帯域幅が従来よ
り大幅に広い特性を有している。

なお、上記の実施例においては、菱形の長軸と短軸との
比が２：１の場合を示したが、実験によると、多少の特
性の変化はあるものの、長軸と短軸との比が４：１乃至
３：２程度の範囲であれば実用上十分な特性を示す菱形
アンテナが得られる。

次に、第６図および第７図は、後記第１４図（ａ）、（
ｂ）に示すごとく、前記第１図の菱形アンテナ２個をハ
イマウント・ストップランプと一体にしてケースに収納
した場合における菱形アンテナの特性側図であり、第６
図はリターンロス特性図、第７図はスミスチャート図で
ある。

なお、菱形アンテナ各部の実寸法は、前記第１表と同じ
であるが、ケースに収納したことによって共振波長λ（
＝３１３■）および下限波長λ′”（＝３５３１）が異
なった値となるため、λおよびλ′に換算した値は第１
表と異なる。

第６，７図から判るように、ハイマウント・ストップラ
ンプと一緒に樹脂製のケースに収納した場合の特性は、 共振波長λ　　＝３１３閣 下限波長λ’　　＝３５３閣 共振周波数ｆ、＝９６０Ｍ七 帯域幅Δｆ　　　＝２２０ＭＨｚ 比帯域幅Δｆ／ｆ、＝２２．９％ となる。

上記のように、ケースに収納した場合においては、共振
波長は多少変化するが、−１１，７ｄＢにおける比帯域
幅２２．９％という値が得られる。

この値は、前記第４．５図に示した菱形アンテナ単体の
場合よりは若干低いものの、降雨や取り付は時の特性変
化を考慮しても実用上十分な帯域幅である。

次に、第８図および第９図は、前記第２図に示した六角
形アンテナの特性側図であり、第８図はリターンロス特
性図、第９図はスミスチャート図である。

第８図において、曲線（α）は菱形の原形（長軸の長さ
Ａ＝２００＋ｍ＋）の特性、曲線（β）は長軸の両端部
をそれぞれＬｏｗづつ切除（切除率＝１０％、Ａ＝１８
０ｍｍ）した六角形アンテナの特性、曲線（γ）は長軸
の両端部をそれぞれ１５ｍｍづつ切除（切除率＝１５％
、Ａ＝１７０ｍ）した六角形アンテナの特性である。

また、第９図は上記（β）の場合のスミスチャ−トを代
表例として示す。

上記 （α） （β） （γ） における長軸の長 さＡ以外の各寸法を下記第２表に示す。

第２表 上記の各アンテナの特性を下記第３表に示す。

第３表 上記のように、菱形アンテナの長軸の端部を切除した六
角形アンテナにおいても、広帯域の特性が得られる。な
お、上記の実施例においては、長軸以外の寸法を一定と
し、長軸のみを切除して測定したので、切除率が大きく
なるに従ってアンテナが小型になり、それに従って共振
波長が短くなっている。

次に、第１０図および第１１図は、第２図の六角形アン
テナにおいて、長軸の端部を大幅に切除した場合の特性
例図であり、第１０図はリターンロス特性図、第１１図
はスミスチャート図である。

この例は、前記のごとき長軸が２ＱＯＩｌＩ１１、短軸
が１１００ａの菱形アンテナにおいて、長軸の両端部を
それぞれ３０ｍｍづつ切除（切除率３０％）し、長軸の
長さを１４０ｍａ＋にしたものである。

このアンテナの特性は、 共振波長λ　　＝１７８ｍｎ 下限波長λ’＝１９９ｍｍ 共振周波数ｆ。＝１６８７Ｍ土 帯域幅Δｆ　　　＝３６５Ｍ土 比帯域幅Δｆ／ｆ、＝２１．６％ となり、前記第８．９図の場合よりは比帯域幅が狭いも
のの、十分実用に耐える特性を示している。

なお、上記の実施例においては、菱形アンテナの長軸の
両端部を切除した場合を例示したが、長軸をそのままに
して短軸の端部のみを切除した場合には、後記第１２図
の特性にもあるように、共振波長等に対する影響は少な
く、帯域幅が多少減少する特性となる。したがって六角
形アンテナにおいては、菱形アンテナの長軸または短軸
の３０％程度を切除しても十分実用的なアンテナが得ら
れる。

次に、第１２図および第１３図は、前記第３図に示した
八角形アンテナの特性例図であり、第１２図はリターン
ロス特性図、第１４図はスミスチャート図である。

この実施例は、前記第８．９図に示した長軸の両端部を
１０＋ａづつ切除した六角形のアンテナ（長軸の長さ１
８０ｍｍ）において、その短軸の両端部も切除して八角
形にしたものである。

第１２図において、曲線（α）は短軸を切除しない六角
形の原形の特性、（β）は短軸の両端部を５ｍ＋づつ切
除して９０Ｉ（切除率１０％）にした八角形の特性、（
γ）は両端部を１０皿づつ切除して８０ｎｏ（切除率２
０％）にした八角形の特性を示す。

また、第１３図は上記（γ）の場合のスミスチャートを
代表例として示す。

上記（α）、（β）、（γ）における短軸の長さＢ以外
の各寸法を下記第４表に示す。

第４表 上記の各アンテナの特性は、下記第５表に示すようにな
る。

第５表 上記のように、長軸の切除長さを一定にして短軸の切除
長さを変えた場合には、共振波長λ等に対する影響は少
なく、比帯域幅が多少減少する特性が得られる。したが
って、菱形の長軸および短軸を切除した六角形でも、実
用上十分な特性のアンテナが得られる。

なお、上記の各リターンロスの特性図において、縦軸は
リターンロスをｄＢ単位で示し、横軸は周波数をＭＨｚ
単位で示している。

また、上記の各実施例の測定時のように、アンテナのチ
ューニングを行なう場合には、リターンロス特性図およ
びスミスチャートを用いる。

上記のスミスチャートは、アンテナの個々の周波数での
インピーダンスがわかるもので、本発明で記載のスミス
チャートの円の中心は５０Ωを表わし、中心に破線で示
した円は−１１，７ｄＢを示している。

自動車電話には特性インピーダンス５０Ωのケーブルが
使われており、これとアンテナがぴったりマツチングす
れば、マツチングした周波数においては、リターンロス
は無限小になり、その周波数での無線器から注入された
エネルギーは１００％外部に放出されることになる。し
かし、実際にはアンテナもフィルターの一種と考えるこ
とができ、上記の一点のみではなく所定の周波数範囲に
おいてエネルギーを放出する。スミスチャートの５０Ω
（中心）に近い所を通れば通るほど、リターンロスは小
さくなる（図の下方に下がる）が、その値では使用可能
な周波数範囲は決められない。

そのため、リターンロス−１０ｄＢ、あるいは−１１，
７ｄＢ（前記ＶＳＷＲ１，７）　のような一定の値を規
定し、その値まで使用可能とする。

スミスチャートでのリターンロス−１１，７ｄＢの円内
に入る周波数においては、リターンロスが−１１，７ｄ
Ｂより小さいので、その周波数範囲は使用可能であるが
、一般に、アンテナはぴったり５０Ωを通るようにチュ
ーニングするよりも、少し外れた所を−１１，７ｄＢの
円の中で通るようにチューニングをずらした方が、リタ
ーンロスのデイツプは浅くなるが広帯域になる。そのた
め、前記の各実施例の特性においても、菱形パッチの端
部を切除した場合の方がチューニングがややずれて広帯
域になっている場合がある。

次に、第１４図は、平板パッチアンテナとハイマウント
・ストップランプとを一体としてケースに収納した場合
の例を示す図であり、（ａ）は第１図に示した本発明の
菱形アンテナを２個収納した場合の平面図、（ｂ）は同
じく正面図、（ｃ）は第１５図に示した従来の円形パッ
チアンテナを２個収納した場合の平面図、（ｄ）は同じ
く正面図である。

第１４図において、２０および２４は、例えば樹脂のよ
うに電波を妨害しない材料で形成したケース、２１は前
記第１図に示すごとき本発明の菱形アンテナ、２２は複
数のＬＥＤを横列に並べたストップランプ、２３は前記
第１５図に示すごとき従来の円形アンテナである。

ハイマウント・ストップランプにおいては、後続車両か
らの視認性を良くするため、ストップランプの表示部の
長さを成る程度以上にする必要があり、横４１Ｗはスト
ップランプの寸法によって規定される。しかし、アンテ
ナを収納したために奥行きＱが大きくなると、奥行きの
狭い個所、例えばリアパーセル等には設置することが出
来なくなる場合がある。したがって平板アンテナをハイ
マウント・ストップランプと一体化する場合には。

横＊Ｗに関してはあまり考慮する必要はなく、奥行きＱ
を小さくすることが必要である。

第１４図においては、（ａ）に示す本発明の菱形アンテ
ナの寸法Ｄ（第６，７図に示したケース収納状態で比帯
域幅２２．９％のもの）が１００ｍ＋（０，３２１λ）
であるのに対し、（ｃ）に示す従来の円形アンテナの寸
法Ｄ’　（比帯域幅７％程度のもの）は１５６ｍｎ（０
，４６６λ）である。

したがってケースの奥行きＱ　：　Ｑ’は２：３程度と
なり、本発明の方が広帯域であるのに奥行きの寸法は大
幅に小さくなる。なお、上記の菱形アンテナを収納した
ケースの実寸法は、例えば横幅Ｗが４３０＋ａｍ、奥行
きＱが１４５閣程度となる。

また、前記第２図、第３図に示すような菱形の端部を切
り落した六角形や六角形にすれば、横幅も狭くなるので
、必要があれば横幅Ｗも縮小することが出来る。

なお、第１４図においては、ストップランプとして多数
のＬＥＤを横列に並べたものを例示したが、（ａ）に示
した本発明の菱形アンテナを用いた場合には、２つのア
ンテナの中央部分が空いているので、その部分に通常の
ランプと反射板とを設けてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明においては、パッチの
形状を菱形、六角形または六角形とし、かつ給電軸の形
状をテーパ状としたことにより。

従来の平板パッチアンテナに比べて小型で帯域幅を広く
することが出来る。そのため、アンテナを設置する際に
、ケース構造や取付は位置等の自由度が大きくなり、か
つアンテナ周囲の状況を考慮したチューニングが楽にな
るので、取付は工数や調整工数を減少させることが出来
、また、降雨等によるアンテナ設置後の環境の変化や量
産時の性能バラツキにも影響されにくいアンテナを実現
することが出来る、等の優れた効果が得られる。

また、平板パッチアンテナを広帯域化する場合、従来の
ものに比べて、同じ高さ以内で同等の効果を得ることが
出来るので、例えば車体取付は時などの場合に車体埋込
み化が楽になる。したがって、棒状ホイップアンテナの
ように折損事故や洗車時の取外しの不具合等のない無突
起の高性能平板パッチアンテナを実現することが出来、
また、ハイマウント・ストップランプのケースに収納す
る場合にも奥行きを小さくすることが出来るので、設置
場所を任意に選択することが出来、それを自動車等に用
いることによって商品性を向上させることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の平面図および断面図、第２
図および第３図は本発明の他の実施例の平面図、第４図
は第１図の実施例のリターンロス特性図、第５図は第１
図の実施例のスミスチャート図、第６図は第１図の菱形
アンテナをハイマウント・ストップランプのケースに収
納した場合のリターンロス特性図、第７図は第１図の菱
形アンテナをハイマウント・ストップランプのケースに
収納した場合のスミスチャート図、第８図は第２図の実
施例のリターンロス特性図、第９図は第２図の実施例の
スミスチャート図、第１０図は第２図の実施例の他のリ
ターンロス特性図、第１１図は第２図の実施例の他のス
ミスチャート図、第１２図は第３図の実施例のリターン
ロス特性図、第１３図は第３図の実施例のスミスチャー
ト図、第１４図は平板パッチアンテナをハイマウント・
ストップランプのケースに収納した場合の平面図と正面
図、第１５図は従来アンテナの一例の平面図および断面
図、第１６図は従来例の周波数帯域特性図、第１７図は
自動車電話の帯域特性における日本電信電話規定ＶＳＷ
Ｒ１，７を示す図、第１８図は平板パッチアンテナおけ
る降雨による特性の変化を示す図である。 〈符号の説明〉

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アンテナエレメントである平板状のパッチと、該パ
   ッチと平行に配設されたアース板である地板と、上記パ
   ッチに給電する給電軸と、上記パッチと地板を導通させ
   る複数のショートピンとを備えた平板パッチアンテナに
   おいて、 上記パッチの形状を菱形とし、 かつ、上記給電軸の形状を、パッチ側が太く地板側にゆ
   くにしたがって細くなる形状としたことを特徴とする平
   板パッチアンテナ。 ２、アンテナエレメントである平板状のパッチと、該パ
   ッチと平行に配設されたアース板である地板と、上記パ
   ッチに給電する給電軸と、上記パッチと地板を導通させ
   る複数のショートピンとを備えた平板パッチアンテナに
   おいて、 上記パッチの形状を、菱形の長軸または短軸のいずれか
   一方の端部を切り落した六角形とし、かつ、上記給電軸
   の形状を、パッチ側が太く地板側にゆくにしたがって細
   くなる形状としたことを特徴とする平板パッチアンテナ
   。 ３、アンテナエレメントである平板状のパッチと、該パ
   ッチと平行に配設されたアース板である地板と、上記パ
   ッチに給電する給電軸と、上記パッチと地板を導通させ
   る複数のショートピンとを備えた平板パッチアンテナに
   おいて、 上記パッチの形状を、菱形の長軸および短軸の端部を切
   り落した八角形とし、 かつ、上記給電軸の形状を、パッチ側が太く地板側にゆ
   くにしたがって細くなる形状としたことを特徴とする平
   板パッチアンテナ。