KR20160061415A

KR20160061415A - 패치 안테나

Info

Publication number: KR20160061415A
Application number: KR1020167011121A
Authority: KR
Inventors: 히데키 우에다
Original assignee: 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2016-05-31
Also published as: WO2015083457A1; CN105794043B; US20160276751A1; KR101764193B1; CN105794043A; JPWO2015083457A1; US10008783B2; JP6132031B2

Abstract

유전체 기판의 제 1 표면에, 개구가 형성된 표층 도체판이 배치되어 있다. 유전체 기판의 제 1 표면의, 개구의 내측에 방사 전극이 배치되어 있다. 유전체 기판의 제 1 표면과는 반대측의 제 2 표면에 그라운드 도체판이 배치되어 있다. 평면으로 보았을 때에 있어서 개구를 둘러싸도록 층간 접속 부재가 배치되어 있다. 층간 접속 부재는 표층 도체판을 그라운드 도체판에 전기적으로 접속하며, 전자파 공명을 발생시키는 캐비티를 획정한다. 리액턴스 소자가 캐비티 내를 전파하는 전자파에 대하여 캐비티의 측면이 나타내는 임피던스에 리액턴스 성분을 갖게 한다.

Description

패치 안테나{PATCH ANTENNA}

본 발명은 방사 전극과 캐비티를 포함하는 패치 안테나에 관한 것이다.

유전체 기판의 한쪽 표면에 그라운드 도체판을 배치하고, 다른쪽 표면에 방사 전극을 배치한 패치 안테나에 있어서, 고유전율 기판을 사용함으로써 안테나의 소형화를 도모할 수 있다. 유전체 기판의 유전율을 높게 하면 대역폭이 좁아짐과 아울러, 유전체 기판 내를 면내 방향으로 전파하는 전자파(표면파)가 발생하기 쉬워진다. 표면파가 발생하면, 패치 안테나의 방사 패턴이 붕괴되어 원하는 방향에 있어서의 이득이 저하되어 버린다.

유전체 기판을 파장의 1/4 정도까지 두껍게 함으로써, 대역폭을 넓게 할 수 있다. 그런데, 유전체 기판을 두껍게 하면 표면파가 발생하기 쉽게 되어 버린다.

특허문헌 1에, 방사 전극을 둘러싸도록 도전성의 복수의 비아를 배치함으로써 공진기(캐비티)를 구성한 패치 안테나가 개시되어 있다. 표면파가 캐비티의 외측으로 누설되기 어렵기 때문에, 표면파의 발생을 억제할 수 있다. 캐비티는 방사 전극의 설계 주파수대에 있어서 공진하는 유전체 공진기로서 동작한다. 방사 전극과 캐비티의 결합에 의해, 패치 안테나의 대역폭이 넓어진다.

특허문헌 2에, 보우타이 안테나와 캐비티를 결합시킨 안테나 장치가 개시되어 있다. 캐비티의 공진 현상을 이용함으로써, 특정 주파수대에서 안테나 이득이 급격하게 떨어지는 주파수 특성을 실현할 수 있다. 이러한 주파수 특성은, 예를 들면 지구 탐사 위성 업무나 전파 천문 업무의 전파의 간섭을 저감시키는 것에 유효하다. 이 안테나 장치에 있어서도 캐비티를 배치함으로써, 표면파의 발생이 억제된다.

특허문헌 3에, 마이크로 스트립 패치(방사 전극)를 링 머쉬룸 구조에 용량 결합시킨 우좌향계 복합(CRLH) 공진 안테나가 개시되어 있다. 마이크로 스트립 패치를 링 머쉬룸 구조에 용량 결합시킴으로써, 대역폭의 확대와 이득의 증대가 실현되고 있다.

특허문헌 4에, 마이크로 스트립 안테나(패치 안테나)의 방사 전극의 양측에 전자 밴드갭(EBG) 구조를 배치한 안테나 장치가 개시되어 있다. EBG 구조는 복수의 금속 패치의 열로 구성된다. 이 EBG 구조를 채용함으로써, 불필요 방사를 억제함과 아울러 급전 손실을 저감시킬 수 있다.

일본 특허 공개 2011-61754호 공보 국제 공개 제 2007/055028호 한국 특허 공개 공보 2013/0028993호 일본 특허 공개 2008-283381호 공보

캐비티의 공진 현상을 이용하는 안테나 장치(특허문헌 1, 2)에 있어서는 방사 전극의 동작 대역 내에서 적절한 모드로 공진하도록 캐비티의 치수를 설정해야 한다. 캐비티의 치수가 방사 전극의 동작 주파수대에 의존하기 때문에, 캐비티를 포함하는 안테나의 소형화를 도모하는 것이 곤란하다.

마이크로 스트립 패치와 링 머쉬룸 구조의 공진을 이용하는 안테나 장치(특허문헌 3)에 있어서는 링 머쉬룸 구조의 치수가 마이크로 스트립 패치의 동작 주파수대에 의존한다. 이 때문에, 링 머쉬룸 구조를 포함하는 안테나의 소형화를 도모하는 것이 곤란하다.

방사 전극의 양측에 EBG 구조를 배치한 안테나 장치(특허문헌 4)에 있어서는 방사 전극의 동작 주파수대의 근방에서 EBG 구조가 공진하도록 EBG 구조의 치수가 설정된다. 이 때문에, EBG 구조를 포함하는 안테나의 소형화를 도모하는 것이 곤란하다.

본 발명의 목적은 표면파의 발생을 억제함과 아울러, 소형화에 적합한 안테나 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 1관점에 의하면,

유전체 기판과,

상기 유전체 기판의 제 1 표면에 배치되고, 개구가 형성된 표층 도체판과,

상기 유전체 기판의 제 1 표면의, 상기 개구의 내측에 배치된 방사 전극과,

상기 유전체 기판의 상기 제 1 표면과는 반대측의 제 2 표면에 배치된 그라운드 도체판과,

평면으로 보았을 때에 있어서 상기 개구를 둘러싸도록 배치되고, 상기 표층 도체판을 상기 그라운드 도체판에 전기적으로 접속하며, 전자파 공명을 발생시키는 캐비티를 획정하는 층간 접속 부재와,

상기 캐비티 내를 전파하는 전자파에 대하여 상기 캐비티의 측면이 나타내는 임피던스에 리액턴스 성분을 갖게 하는 리액턴스 소자를 갖는 패치 안테나가 제공된다.

캐비티를 설치함으로써, 표면파의 발생을 억제할 수 있다. 캐비티의 측면이 나타내는 임피던스에 리액턴스 성분을 갖게 함으로써, 캐비티를 설치한 것에 기인하는 협대역화를 회피할 수 있다. 캐비티와 방사 전극을 서로 공진시킬 필요가 없기 때문에, 캐비티의 치수의 자유도가 늘어나고, 캐비티의 소형화를 도모하는 것이 가능해진다.

상기 캐비티의 공진 주파수가 상기 방사 전극의 공진 주파수보다 높은 구성으로 하는 것이 바람직하다. 캐비티의 공진 주파수를 높게 하는 것은 캐비티의 소형화로 연결된다.

상기 캐비티의 측면이 나타내는 리액턴스가 상기 유전체 기판 내를 전파하는 표면파의 파동 임피던스 이하인 구성으로 하는 것이 바람직하다.

상기 리액턴스 소자를 상기 그라운드 도체판에 전기적으로 접속되고, 상기 캐비티의 측면으로부터 내측을 향해서 연장되는 적어도 1개의 선상 도체로 구성하는 것이 가능하다.

상기 선상 도체는 상기 표층 도체판에 연속되고, 상기 개구의 가장자리로부터 내측을 향해서 연장되어 있는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 하면, 선상 도체를 표층 도체판과 동시에 형성할 수 있다.

상기 리액턴스 소자가 상기 유전체 기판의 두께 방향에 관해서 다른 위치에 배치된 복수의 상기 선상 도체를 포함하는 구성으로 해도 좋다. 이러한 구성으로 함으로써, 캐비티의 측면이 나타내는 리액턴스 조정의 자유도를 높일 수 있다.

상기 선상 도체는 평면으로 보았을 때에 있어서, 상기 캐비티의 측면에 접속된 개소로부터 상기 방사 전극까지의 최단 경로에 대하여 교차하는 방향으로 연신되는 부분을 포함하는 구성으로 해도 좋다. 방사 전극과 선상 도체의 최단 거리가 길어지기 때문에, 용량 결합에 기인하는 안테나 특성의 열화를 억제할 수 있다.

(발명의 효과)

도 1a는 실시예 1에 의한 패치 안테나의 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 일점 쇄선 1B-1B에 있어서의 단면도이다.
도 1c는 도 1a의 일점 쇄선 1C-1C에 있어서의 단면도이다.
도 2는 실시예 1에 의한 패치 안테나의 사시도이다.
도 3a는 실시예 2에 의한 패치 안테나의 평면도이다.
도 3b는 도 3a의 일점 쇄선 3B-3B에 있어서의 단면도이다.
도 3c는 도 3a의 일점 쇄선 3C-3C에 있어서의 단면도이다.
도 4a는 실시예 3에 의한 패치 안테나의 단면도이다.
도 4b는 실시예 3에 의한 패치 안테나의 단면도이다.
도 5a는 시뮬레이션 대상의 패치 안테나의 평면도이다.
도 5b는 시뮬레이션 대상의 패치 안테나의 단면도이다.
도 6a는 캐비티의 치수를 변화시켰을 때의 공진 주파수의 변화의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6b는 내층의 선상 도체의 길이를 변화시켰을 때의 공진 주파수의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6c는 표층의 선상 도체의 길이를 변화시켰을 때의 공진 주파수의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7a는 캐비티의 측면의 리액턴스의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7b는 캐비티의 측면의 리액턴스의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8a는 리턴 로스 S11의 주파수 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8b는 방사 패턴의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8c는 정면 방향에 있어서의 이득 스펙트럼의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9a는 실시예 4에 의한 패치 안테나의 평면도이다.
도 9b는 실시예 4의 변형예에 의한 패치 안테나의 평면도이다.

[실시예 1]

도 1a에 실시예 1에 의한 패치 안테나의 평면도를 나타낸다. 도 1b 및 도 1c에, 각각 도 1a의 일점 쇄선 1B-1B, 및 일점 쇄선 1C-1C에 있어서의 단면도를 나타낸다. 도 2에 실시예 1에 의한 패치 안테나의 사시도를 나타낸다.

유전체 기판(10)의 표면에 방사 전극(11) 및 표층 도체판(15)이 배치되어 있다. 표층 도체판(15)에 개구(16)가 형성되어 있고, 방사 전극(11)은 이 개구(16)의 내부에 배치되어 있다. 방사 전극(11) 및 표층 도체판(15)이 배치되어 있는 표면을 「제 1 표면」이라고 하는 것으로 한다. 제 1 표면과는 반대측의 표면을 「제 2 표면」이라고 하는 것으로 한다. 유전체 기판(10)의 제 2 표면에 그라운드 도체판(12)이 배치되어 있다. 방사 전극(11) 및 개구(16)의 평면 형상은, 예를 들면 정방형 또는 장방형이다. 방사 전극(11)의 가장자리와 개구(16)의 가장자리는 서로 평행하다.

개구(16)의 가장자리를 따라서 도전성의 복수의 층간 접속 부재(17)가 배치되어 있다. 층간 접속 부재(17)는 표층 도체판(15)을 그라운드 도체판(12)에 전기적으로 접속한다. 층간 접속 부재(17)의 간격은 방사 전극(11)의 동작 대역의 파장의 1/6 이하, 보다 바람직하게는 1/10 이하이다. 방사 전극(11), 그라운드 도체판(12), 및 층간 접속 부재(17)에 의해, 전자파 공명을 발생시키는 캐비티(20)가 형성된다. 복수의 층간 접속 부재(17)를 연결하는 가상면이 캐비티(20)의 측면을 획정한다.

캐비티(20)의 측면에 리액턴스 소자(21)가 설치되어 있다. 리액턴스 소자(21)는 캐비티(20) 내를 면내 방향으로 전파하는 전자파에 대하여, 캐비티(20)의 측면이 나타내는 임피던스에 리액턴스 성분을 갖게 한다.

리액턴스 소자(21)는 캐비티(20)의 측면으로부터 내측을 향해서 연장되는 적어도 1개의 선상 도체(22)를 포함한다. 도 1a에 있어서는 개구(16)의 4개의 변으로부터 내측을 향해서 각각 5개의 선상 도체(22)가 연장되어 있는 예를 나타내고 있다. 선상 도체(22)의 각각은 그라운드 도체판(12)에 전기적으로 접속되어 있다. 도 1a에 나타낸 예에서는 방사 전극(11), 표층 도체판(15), 및 선상 도체(22)가 1매의 도체판을 패터닝함으로써 형성되어 있다. 선상 도체(22)는 표층 도체판(15)에 연속되어 있다.

방사 전극(11)의 급전점(14)에, 급전선(13)이 접속되어 있다. 급전선(13)은 급전점(14)으로부터 유전체 기판(10)의 내측을 향해서 하강하고, 그 후에 유전체 기판(10)의 내부에 있어서 제 1 표면에 평행한 방향으로 연신된다. 일례로서, 급전선(13)이 연신되는 방향은 평면으로 보았을 때에 있어서 방사 전극(11)의 1개의 가장자리에 대하여 직교한다. 급전선(13)은 층간 접속 부재(17)의 사이를 통과하여 캐비티(20)의 외측까지 도출되어 있다.

캐비티(20)의 공진 주파수가 방사 전극(11)의 공진 주파수보다 높아지도록 캐비티(20) 및 방사 전극(11)의 치수 및 형상이 설계되어 있다. 이 때문에, 방사 전극(11)과 캐비티(20)를 공진시키는 구성에 비해서 캐비티(20)를 작게 할 수 있다. 이에 따라, 캐비티(20)를 포함하는 패치 안테나 전체의 소형화를 도모하는 것이 가능해진다.

캐비티(20) 내를 면내 방향으로 전파하는 전자파가 캐비티(20)의 측면에서 반사되기 때문에, 유전체 기판(10) 내로의 표면파의 전파를 억제할 수 있다. 이에 따라, 표면파에 기인하는 방사 패턴의 열화를 억제할 수 있다.

캐비티(20)의 측면이 나타내는 임피던스가 0Ω일 경우, 캐비티(20)의 측면에 관해서 면 대칭의 위치에 방사 전극(11)의 거울상이 형성되어, 거울상 전류(이미지 전류)가 유기된다. 이 이미지 전류는 방사 전극(11)에 유기되고 있는 전류와는 역상이 되기 때문에, 전자파의 방사가 억압되어 버린다. 실시예 1에 있어서는 캐비티(20)의 측면이 리액턴스 성분을 갖는 임피던스를 나타낸다. 이 때문에, 이미지 전류의 유기가 억제되어 양호한 방사 특성을 유지할 수 있다.

캐비티(20)의 측면이 나타내는 임피던스의 크기는 선상 도체(22)의 길이, 밀도 등에 의해 조정할 수 있다. 이 때문에, 캐비티(20)의 치수나, 캐비티(20)와 방사 전극(11)의 상대 위치 관계 등에 따라서 캐비티(20)의 측벽이 나타내는 임피던스를 바람직한 값으로 조정하는 것이 가능하다.

[실시예 2]

이어서, 도 3a∼도 3c를 참조해서 실시예 2에 의한 패치 안테나에 대하여 설명한다. 이하, 도 1a∼도 2에 나타낸 실시예 1에 의한 패치 안테나와의 상위점에 대하여 설명하고, 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.

도 3a에 실시예 2에 의한 패치 안테나의 평면도를 나타낸다. 도 3b 및 도 3c에, 각각 도 3a의 일점 쇄선 3B-3B, 및 일점 쇄선 3C-3C에 있어서의 단면도를 나타낸다. 실시예 1에서는 그라운드 도체판(12)과 표층 도체판(15)(도 1b, 도 1c) 사이에 다른 도체판은 배치되어 있지 않다. 실시예 2에 있어서는 도 3b, 도 3c에 나타내는 바와 같이, 그라운드 도체판(12)과 표층 도체판(15) 사이에 다른 내층 도체판(25, 26)이 배치되어 있다.

내층 도체판(25, 26)의 각각은 표층 도체판(15)과 동일한 평면 형상을 갖는다. 즉, 내층 도체판(25, 26)에도 표층 도체판(15)에 형성된 개구(16)와 동일 형상, 동일 치수의 개구(27, 28)가 형성되어 있다. 또한, 내층 도체판(25, 26)은 층간 접속 부재(17)에 의해 그라운드 도체판(12)에 전기적으로 접속되어 있다.

개구(27, 28)의 가장자리로부터 내측을 향하여 각각 복수의 선상 도체(29, 30)가 연장되어 있다. 선상 도체(29, 30)는 표층 도체판(15)에 연속되는 선상 도체(22)와 함께 리액턴스 소자(21)를 구성한다. 선상 도체(22, 29, 30)를 유전체 기판(10)의 두께 방향으로 복수층으로 겹쳐서 배치함으로써, 캐비티(20)의 측면의 임피던스의 조정의 자유도를 높일 수 있다. 예를 들면, 선상 도체(22, 29, 30)의 길이를 층마다 다르게 해도 좋다. 이에 따라, 실시예 1의 패치 안테나와 비교해서 더 나은 광대역화를 도모하는 것이 가능해진다. 또한, 리액턴스 소자(21)는 복수 주파수대에서의 동작에도 적용 가능해진다.

[실시예 3]

도 4a 및 도 4b를 참조해서, 실시예 3에 의한 패치 안테나에 대하여 설명한다. 이하, 도 1a∼도 2에 나타낸 실시예 1에 의한 패치 안테나와의 상위점에 대하여 설명하고, 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.

도 4a 및 도 4b는 각각 도 1a의 일점 쇄선 1B-1B, 및 일점 쇄선 1C-1C에 있어서의 단면도에 상당한다. 실시예 3에서는 내층 도체판(25) 및 선상 도체(29)가 추가되어 있다. 내층 도체판(25) 및 선상 도체(29)는 도 3b, 도 3c에 나타낸 실시예 2에 의한 패치 안테나의 내층 도체판(25) 및 선상 도체(29)와 동일한 구성을 갖는다.

실시예 3에 의한 패치 안테나의 방사 전극(11)은 무급전 전극(11A)과 급전 전극(11B)을 포함하는 스택 구조를 갖는다. 무급전 전극(11A)은 도 1a∼도 1c에 나타낸 실시예 1에 의한 패치 안테나의 방사 전극(11)과 동일한 평면 형상을 갖는다. 급전 전극(11B)은 두께 방향에 관해서 내층 도체판(25)과 동일한 위치에 배치되고, 평면으로 보았을 때에 있어서 무급전 전극(11A)과 적어도 부분적으로 겹쳐진다. 급전선(13)은 급전 전극(11B)에 접속되어 있고, 무급전 전극(11A)에는 급전되지 않는다.

실시예 3에 의한 패치 안테나의 각 구성 부분의 치수를 변화시켜서, 안테나 특성의 시뮬레이션을 행했다. 도 5a∼도 8c를 참조해서, 이 시뮬레이션 결과에 대하여 설명한다.

도 5a 및 도 5b는 각각 시뮬레이션 대상의 패치 안테나의 평면도 및 단면도를 나타낸다. 표층 도체판(15)에 형성된 개구(16)의 평면 형상은 정방형이며, 그 4개의 변의 각각으로부터 6개의 선상 도체(22)가 내측을 향해서 연장되어 있다. 개구(16)의 1변의 길이, 즉 캐비티(20)의 평면 형상의 1변의 길이를 C로 나타낸다. 선상 도체(22)의 길이를 L1로 나타내고, 내층의 선상 도체(29)의 길이를 L2로 나타낸다. 선상 도체(22 및 29)의 각각의 폭을 W로 나타내고, 서로 이웃하는 표층의 선상 도체(22)의 간격, 및 서로 이웃하는 내층의 선상 도체(29)의 간격을 G로 나타낸다. 무급전 전극(11A) 및 급전 전극(11B)의 평면 형상은 정방형이며, 그 1변의 길이를 각각 A1, A2로 나타낸다.

표층 도체판(15)의 상면으로부터 그라운드 도체판(12)의 상면까지의 두께를 T로 나타낸다. 표층 도체판(15) 및 선상 도체(22)의 두께를 T1로 나타내고, 내층 도체판(25) 및 선상 도체(29)의 두께를 T2로 나타낸다. 표층 도체판(15)의 저면으로부터 내층 도체판(25)의 상면까지의 깊이를 D로 나타낸다. 유전체 기판(10)의 비유전율을 εr로 나타낸다.

시뮬레이션에 있어서, 두께 T, T1, T2, 깊이 D를 각각 T=0.28㎜, T1=0.01㎜, T2=0.003㎜, D=0.06㎜로 하고, 유전체 기판(10)의 비유전율 εr을 εr=6.8로 했다. 무급전 전극(11A) 및 급전 전극(11B)의 치수 A1, A2를 각각 A1=0.84㎜, A2=0.8㎜로 했다.

도 6a에, 캐비티(20)(도 5b)의 치수를 변화시켰을 때의 공진 주파수의 변화의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 6b에, 내층의 선상 도체(29)의 길이를 변화시켰을 때의 공진 주파수의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 6c에, 표층의 선상 도체(22)의 길이를 변화시켰을 때의 공진 주파수의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 6a∼도 6c의 세로축은 공진 주파수를 단위 「㎓」로 나타낸다. 도 6a의 가로축은 캐비티(20)의 1변의 길이 C를 단위 「㎜」로 나타낸다. 도 6b의 가로축은 내층의 선상 도체(29)의 길이 L2를 단위 「㎜」로 나타낸다. 도 6c의 가로축은 표층의 선상 도체(22)의 길이 L1을 단위 「㎜」로 나타낸다.

도 6a∼도 6c의 그래프 중의 동그라미 기호는 캐비티(20)의 공진 주파수를 나타내고, 사각 기호 및 삼각 기호는 각각 패치 안테나의 낮은 공진 주파수 및 높은 공진 주파수를 나타낸다. 실시예 3에 의한 패치 안테나는 스택 구조를 갖기 때문에, 2중 공진이 발생한다. 도 6a에 나타낸 시뮬레이션 조건으로서, 선상 도체(22, 29)의 길이 L1, L2를 0㎜로 했다. 도 6b에 나타낸 시뮬레이션 조건으로서, 선상 도체(22)의 길이 L1을 0㎜로 하고, 캐비티(20)의 치수 C를 2㎜로 했다. 도 6c에 나타낸 시뮬레이션 조건으로서, 선상 도체(29)의 길이 L2를 0.13㎜로 하고, 캐비티(20)의 치수 C를 2㎜로 했다.

도 6a∼도 6c에 나타내는 바와 같이, 캐비티(20)의 치수 C, 내층의 선상 도체(29)의 길이 L2, 및 표층의 선상 도체(29)의 길이 L1을 변화시켜도 패치 안테나의 공진 주파수는 거의 변화되지 않는다. 도 6a에 나타내는 바와 같이, 캐비티(20)의 공진 주파수는 캐비티(20)가 커짐에 따라서 저하된다. 캐비티(20)의 치수를 크게 하면 캐비티(20)를 포함하는 패치 안테나가 커져 버리기 때문에, 캐비티(20)의 공진 주파수를 패치 안테나의 공진 주파수보다 높게 하는 것이 바람직하다. 도 6b, 도 6c에 나타내는 바와 같이, 표층의 선상 도체(22)의 길이 L1 및 내층의 선상 도체(29)의 길이 L2 중 적어도 한쪽을 변화시키면 캐비티(20)의 공진 주파수가 변화된다. 따라서, 캐비티(20)의 크기를 불변하게 한 조건에서 선상 도체(22, 29)의 길이 L1, L2를 조정함으로써, 캐비티(20)의 공진 주파수를 변화시킬 수 있다.

도 7a 및 도 7b에, 캐비티(20)의 측면이 나타내는 리액턴스의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 7a, 도 7b의 가로축은 주파수를 단위 「㎓」로 나타내고, 세로축은 리액턴스를 단위 「Ω」로 나타낸다. 도 7a, 도 7b에 있어서, 캐비티(20) 내를 전파하는 전자파의 파동 임피던스를 파선으로 나타낸다. 비유전율 εr=6.8, 두께 T=0.28㎜의 유전체 기판(10)(도 4a, 도 4b) 내를 전파하는 표면파의 파동 임피던스는 약 220Ω이다.

도 7a는 표층의 선상 도체(22)의 길이 L1을 0㎜로 한 패치 안테나의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 굵은 실선 및 가는 실선은 각각 내층의 선상 도체(29)의 길이 L2를 0.13㎜ 및 0.05㎜로 한 패치 안테나의 캐비티(20)의 측면의 리액턴스를 나타낸다.

도 7b는 내층의 선상 도체(29)의 길이 L2를 0.13㎜로 한 패치 안테나의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 굵은 실선 및 가는 실선은 각각 표층의 선상 도체(22)의 길이 L1을 0.23㎜ 및 0.05㎜로 한 패치 안테나의 캐비티(20)의 측면의 리액턴스를 나타낸다.

표층의 선상 도체(22)의 길이 L1, 또는 내층의 선상 도체(29)의 길이 L2를 길게 하면, 캐비티(20)의 측면이 나타내는 임피던스의 리액턴스 성분이 정의 방향으로 증가하는 것을 알 수 있다. 캐비티(20)의 측면이 나타내는 리액턴스가 증가해서 파동 임피던스에 근접하면, 주파수의 변화에 대한 리액턴스의 변화가 가파르고 험준해지는 것을 알 수 있다. 안테나의 안정 동작의 관점으로부터, 목표로 하는 동작 주파수 범위에서 리액턴스를 되도록이면 플랫하게 하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 동작 주파수 범위 내에 있어서 캐비티(20)의 측면이 나타내는 리액턴스를 파동 임피던스 이하로 하는 것이 바람직하고, 또한 파동 임피던스의 75% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

도 8a에 리턴 로스 S11의 주파수 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내고, 도 8b에 방사 패턴의 시뮬레이션 결과를 나타내고, 도 8c에 정면 방향에 있어서의 이득 스펙트럼의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 8a의 세로축은 리턴 로스 S11을 단위 「dB」로 나타내고, 도 8b 및 도 8c의 세로축은 안테나 이득을 단위 「dBi」로 나타낸다. 도 8a 및 도 8c의 가로축은 주파수를 단위 「㎓」로 나타내고, 도 8b의 가로축은 각도를 단위 「도」로 나타낸다. 여기에서, 유전체 기판(10)(도 1a∼도 1c)의 법선 방향을 0°로 정의하고, 법선 방향으로부터 급전선(13)이 인출되고 있는 방향으로의 경사각을 정으로 하고 그 반대측으로의 경사각을 부로 정의했다. 도 8a∼도 8c에 있어서, 굵은 실선은 실시예 3에 의한 패치 안테나에 상당하고, 가는 실선은 캐비티(20)가 설치되어 있지만 리액턴스 소자(21)는 설치되어 있지 않은 패치 안테나에 상당하고, 파선은 캐비티(20)가 설치되어 있지 않은 패치 안테나에 상당한다. 패치 안테나의 목표로 하는 대역은 57㎓∼66㎓이다.

도 8a에 나타내는 바와 같이, 캐비티를 갖지 않는 패치 안테나에 캐비티를 설치하면, 파선으로 나타낸 특성에서 가는 실선으로 나타낸 특성으로 변한다. 즉, 리턴 로스 S11의 특성이 협대역이 된다. 실시예 3의 구성으로 하면, 굵은 실선으로 나타내는 바와 같이 캐비티만을 설치한 패치 안테나에 비해서 광대역인 특성이 얻어지고 있고, 캐비티를 갖지 않는 구성과 비교해도 손색없는 대역폭이 얻어지고 있다.

도 8b에 나타내는 바와 같이, 캐비티를 갖지 않는 패치 안테나에서는 파선으로 나타낸 바와 같이 방사 패턴이 붕괴되고 있다. 특히, 정면 방향에 있어서의 이득이 정면으로부터 약 40° 경사진 방향에 있어서의 이득보다 낮다. 캐비티를 설치하면, 가는 실선으로 나타낸 바와 같이 정면 방향에서 이득이 최대가 되는 좌우 대칭인 방사 패턴이 얻어진다. 실시예 3의 구성에 있어서도 굵은 실선으로 나타낸 바와 같이, 캐비티만을 설치한 패치 안테나와 거의 동등한 특성이 얻어지고 있다.

도 8c에 나타내는 바와 같이, 가는 실선으로 나타낸 캐비티를 갖는 패치 안테나의 이득이 파선으로 나타낸 캐비티를 갖지 않는 패치 안테나의 이득에 비해서 높은 것을 알 수 있다. 특히, 목표로 하는 대역인 57㎓∼66㎓의 고역에 있어서, 캐비티를 설치하는 것에 의한 이득의 개선 효과가 높다. 또한, 실시예 3의 구성으로 하면 캐비티만을 설치한 패치 안테나보다 이득이 더 개선되어 있다.

상술한 바와 같이 실시예 3의 구조를 채용함으로써, 캐비티만을 설치하는 것에 의한 협대역화를 회피하고, 또한 캐비티만을 설치하는 것에 의한 방사 특성의 개선과 동등한 개선 효과를 얻을 수 있다.

[실시예 4]

도 9a에 실시예 4에 의한 패치 안테나의 평면도를 나타낸다. 이하, 도 1a∼도 2에 나타낸 실시예 1, 도 3a∼도 3c에 나타낸 실시예 2, 도 4a∼도 4b에 나타낸 실시예 3의 상위점에 대하여 설명하고, 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.

도 9a에 실시예 4에 의한 패치 안테나의 평면도를 나타낸다. 실시예 1∼실시예 3에 있어서는 표층의 선상 도체(22)(도 1a 등), 및 내층의 선상 도체(29, 30)(도 3b, 도 3c 등)가 개구(16, 27, 28)의 가장자리로부터 내측을 향해서 직선상으로 연장되어 있었다. 도 9a에 나타낸 실시예 4에서는 표층의 선상 도체(22)가, 도중에서 약 90° 절곡된 L자상의 평면 형상을 갖는다. 내층의 선상 도체(29, 30)(도 3b, 도 3c)도 표층의 선상 도체(22)와 마찬가지로 절곡된 평면 형상을 갖는다.

도 9b에 나타낸 변형예에서는 표층의 선상 도체(22)가 T자상의 평면 형상을 갖는다. 내층의 선상 도체(29, 30)(도 3b, 도 3c)도 표층의 선상 도체(22)와 마찬가지로 T자상의 평면 형상을 갖는다.

실시예 4 및 그 변형예 모두, 표층의 선상 도체(22), 및 내층의 선상 도체(29, 30)는 평면으로 보았을 때에 있어서, 캐비티(20)의 측면에 접속된 개소로부터 방사 전극(11)까지의 최단 경로에 대하여 교차하는 방향으로 연신되는 부분을 포함하고 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 방사 전극(11)과, 표층 및 내층의 선상 도체(22, 29, 30)의 최단 거리를 길게 할 수 있다. 이에 따라, 불필요한 용량 결합에 의한 안테나 특성의 열화가 억제된다. 또한, 방사 전극(11)과, 표층 및 내층의 선상 도체(22, 29, 30)의 최단 거리가 동일하다고 하는 조건 하에서는 실시예 4의 구성을 채용하면 선상 도체(22, 29, 30)를 직선상으로 했을 경우에 비해서 캐비티(20)를 소형화할 수 있다.

이상 실시예를 따라서 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 이것들에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 여러 가지의 변경, 개량, 조합 등이 가능한 것은 당업자에게 자명할 것이다.

10 : 유전체 기판 11 : 방사 전극
11A : 무급전 전극 11B : 급전 전극
12 : 그라운드 도체판 13 : 급전선
14 : 급전점 15 : 표층 도체판
16 : 개구 17 : 층간 접속 부재
20 : 캐비티 21 : 리액턴스 소자
22 : 선상 도체 25, 26 : 내층 도체판
27, 28 : 개구 29, 30 : 선상 도체

Claims

유전체 기판과,
상기 유전체 기판의 제 1 표면에 배치되고, 개구가 형성된 표층 도체판과,
상기 유전체 기판의 제 1 표면의, 상기 개구의 내측에 배치된 방사 전극과,
상기 유전체 기판의 상기 제 1 표면과는 반대측의 제 2 표면에 배치된 그라운드 도체판과,
평면으로 보았을 때에 있어서 상기 개구를 둘러싸도록 배치되고, 상기 표층 도체판을 상기 그라운드 도체판에 전기적으로 접속하며, 전자파 공명을 발생시키는 캐비티를 획정하는 층간 접속 부재와,
상기 캐비티 내를 전파하는 전자파에 대하여 상기 캐비티의 측면이 나타내는 임피던스에 리액턴스 성분을 갖게 하는 리액턴스 소자를 갖는 패치 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 캐비티의 공진 주파수는 상기 방사 전극의 공진 주파수보다 높은 패치 안테나.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 캐비티의 측면이 나타내는 리액턴스는 상기 유전체 기판 내를 전파하는 표면파의 파동 임피던스 이하인 패치 안테나.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 리액턴스 소자는 상기 그라운드 도체판에 전기적으로 접속되고, 상기 캐비티의 측면으로부터 내측을 향해서 연장되는 적어도 1개의 선상 도체를 포함하는 패치 안테나.
제 4 항에 있어서,
상기 선상 도체는 상기 표층 도체판에 연속되고, 상기 개구의 가장자리로부터 내측을 향해서 연장되어 있는 패치 안테나.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 리액턴스 소자는 상기 유전체 기판의 두께 방향에 관해서 다른 위치에 배치된 복수의 상기 선상 도체를 더 포함하는 패치 안테나.
제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 선상 도체는 평면으로 보았을 때에 있어서 상기 캐비티의 측면에 접속된 개소로부터 상기 방사 전극까지의 최단 경로에 대하여 교차하는 방향으로 연신되는 부분을 포함하는 패치 안테나.