JP2007208692A - パッチアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】共振周波数を容易に低域側にシフトさせることができるパッチアンテナを提供する。
【解決手段】地板１０に離間した状態でアンテナエレメント用導電性板材２０が地板１０と対向して配置されている。アンテナエレメント用導電性板材２０は、装荷した摂動素子２１ａ，２１ｂにより直交する円偏波電流経路が形成されている。アンテナエレメント用導電性板材２０における中央部に、アンテナエレメント用導電性板材２０の中心Ｎに対し点対称な透孔２３が形成され、直交する円偏波電流経路が透孔２３に沿って延設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、パッチアンテナに関するものである。

パッチアンテナにおける共振周波数を調整する方法として、例えば特許文献１においては、完成したパッチアンテナのエレメント上に予め調整用電極を設けておき、該当箇所を切削することによって共振周波数を調整している。
特開２００１−２３０６２３号公報

アンテナエレメントに予め設けておいた調整用電極を切削するという手法によらずに簡易に共振周波数をシフトするための技術が求められている。
本発明は、上記問題点に着目してなされたものであり、その目的は、共振周波数を容易に低域側にシフトさせることができるパッチアンテナを提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、アンテナエレメント用導電性板材における中央部に、アンテナエレメント用導電性板材の中心に対し点対称な透孔を形成し、電流経路を透孔に沿って延設したパッチアンテナを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、透孔の無いアンテナエレメント用導電性板材を用いた場合に比べ、電流経路の長さを長くして共振周波数を容易に低域側にシフトさせることができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載のパッチアンテナにおいて、アンテナエレメント用導電性板材は、装荷した摂動素子により直交する円偏波電流経路が形成されており、直交する円偏波電流経路を透孔に沿って延設することによって、円偏波アンテナにおいて円偏波電流経路の長さを長くして共振周波数を容易に低域側にシフトさせることができる。

請求項３に記載のように、請求項１または請求項２に記載のパッチアンテナにおいて、誘電体よりなる板材を挟んで地板とアンテナエレメント用導電性板材が配置されたものとしてもよい。

請求項４に記載のように、請求項１〜３のいずれか１項に記載のパッチアンテナにおいて、透孔に、他周波数用アンテナまたは回路基板を配置すると、透孔により空いている空間を有効利用することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態におけるパッチアンテナ１の平面図である。図２は同じくパッチアンテナ１の正面図である。図３は同じくパッチアンテナ１の分解斜視図である。本実施形態におけるパッチアンテナは円偏波アンテナである。

図３に示すように、パッチアンテナ１は、地板１０と、アンテナエレメント用導電性板材２０と、スペーサー３０と、締結部材としてのネジ４０，４１と、給電線５０と、コネクタ６０から構成されている。

地板１０は正方形の金属板よりなり、具体的には鉄板または銅板よりなる。地板１０は、図１，２に示すように水平方向に延びるようにして、即ち、横にして配置されている。アンテナエレメント用導電性板材２０は金属板よりなり、具体的には鉄板または銅板よりなる。アンテナエレメント用導電性板材２０は全体の形状として正方形をなし、縦横のサイズは地板１０よりも小さい。図１の平面図において、全体の形状として正方形をなすアンテナエレメント用導電性板材２０は、一方の対角での角部が切り欠かれており、これにより摂動素子２１ａ，２１ｂを装荷した構成となっている。

地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０との間には、スペーサー３０が４つ介在され、スペーサー３０により地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０とが所定の間隔ｔを隔てて離間した状態で対向して配置されている。スペーサー３０は円筒状をなし、スペーサー３０の内面（円筒材の内面）は雌ネジ部となっており、ネジ４０，４１を螺入することができるようになっている。スペーサー３０は絶縁材料よりなり、具体的にはＡＢＳ樹脂製である。

アンテナエレメント用導電性板材２０に関して、図４に示すように、アンテナエレメント用導電性板材２０には、４つの締結用透孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが形成されている。締結用透孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、正方形状をなすアンテナエレメント用導電性板材２０における各辺の中央部から僅かに内方の位置に形成されている。

図３に示すように、地板１０においても、アンテナエレメント用導電性板材２０の締結用透孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと対応する位置に締結用透孔１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが形成されている。

そして、ネジ４０，４１が、アンテナエレメント用導電性板材２０と地板１０を貫通する状態でスペーサー３０に螺入され、地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０とが連結固定されている。つまり、地板１０の上にスペーサー３０を載せ、更にその上にアンテナエレメント用導電性板材２０を配置し、アンテナエレメント用導電性板材２０の上側からネジ４０をアンテナエレメント用導電性板材２０に設けた締結用透孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを通してスペーサー３０の雌ネジ部に螺入するとともに、地板１０の下側からネジ４１を地板１０に設けた締結用透孔１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを通してスペーサー３０の雌ネジ部に螺入することにより、地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０とが連結固定されている。

ここで、図２に示すように、アンテナ高さ（ｔ）は、スペーサー３０の長さで決定される。
地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０との間において給電線５０が配置されている。詳しくは、アンテナエレメント用導電性板材２０の背面（下面）には、給電点Ｐに給電するための給電線５０が溶接や半田付けなどで接着されている。一方、地板１０の下面にはコネクタ６０が設置され、コネクタ６０は給電線５０と接続されている。なお、給電線５０は線材で構成しても板材で構成してもよい。

図４に示すように、アンテナエレメント用導電性板材２０における中央部に、板材２０の中心Ｎに対し点対称な透孔（開口部；スリット）２３が形成されている。透孔２３は四角形状をなし、アンテナエレメント用導電性板材２０の外縁の形状と相似形をなし、かつ、板材２０の外縁をなす各辺と透孔２３の各辺とは平行となっている。これにより、パッチアンテナ１の平面図を示す図５において円偏波電流経路Ｒ１，Ｒ２が透孔２３に沿って延設されている。

図６には、四角透孔（開口部）の無いアンテナエレメント用導電性板材２０を用いたパッチアンテナを示す。図６の円偏波アンテナ（パッチアンテナ）において、正方形の板材２０の対角での２箇所の角部に摂動素子２１ａ，２１ｂが形成されている。正方形の板材２０の対角線上に第１の電流経路Ｒ１と第２の電流経路Ｒ２が形成される。この直交する電流経路Ｒ１，Ｒ２において摂動素子２１ａ，２１ｂにより経路長差が存在する。経路長が異なるため、図７に示す周波数に対するＶＳＷＲ（電圧定在波比）の関係において、電流経路Ｒ１の共振周波数ｆ１と電流経路Ｒ２の共振周波数ｆ２にはずれが生じ、その重なり合った周波数ｆ３で円偏波特性を得ることができる。このようにして電流経路Ｒ１，Ｒ２により共振周波数ｆ３が決定される。

ここで、図５のように、アンテナエレメント用導電性板材２０に四角透孔（開口部）２３が形成されていると、図６のものに比べ、電流経路Ｒ１，Ｒ２が長くなる。そのため、図７において、アンテナエレメント用導電性板材に四角透孔（開口部）２３の無いものでの特性線（周波数ｆ１，ｆ２）に比べて周波数を低域側にシフトして、共振周波数ｆ３を低域側にシフトし「ｆ３’」とすることができる。

次に、アンテナエレメント用導電性板材２０における四角透孔（開口部）２３についてのシミュレーション結果および実験結果を説明する。
図８（ａ）には図６の四角透孔が無い場合の共振周波数についてのシミュレーション結果を示すとともに、図８（ｂ）には同じく図６の四角透孔が無い場合の指向性についてのシミュレーション結果を示す。図８（ａ）において四角透孔が無い場合の共振周波数は９５０ＭＨｚであった。また、図８（ａ）においてＶＳＷＲは共振周波数において「３」以下にすることができ、リターンロスを低く抑えることができる。一方、図８（ｂ）において四角透孔が無い場合の右旋偏波利得は９ｄＢｉ、交差偏波比は１６．５ｄＢであった。

図９（ａ）には図５の四角透孔２３がある場合の共振周波数についてのシミュレーション結果を示すとともに、図９（ｂ）には同じく図５の四角透孔２３がある場合の指向性についてのシミュレーション結果を示す。図９（ａ）において四角透孔２３がある場合の共振周波数は９１０ＭＨｚであった。また、図９（ａ）においてＶＳＷＲは共振周波数において「３」以下にすることができ、リターンロスを低く抑えることができる。一方、図９（ｂ）において四角透孔２３がある場合の右旋偏波利得は９ｄＢｉ、交差偏波比は１６．８ｄＢであった。

このようにして、四角透孔（開口部）２３を設けることで共振周波数を低域側にシフトでき、かつ、当該共振周波数（＠９１０ＭＨｚ）において利得や円偏波特性は維持できていることが確認できた。

つまり、アンテナエレメント用導電性板材２０の中央部に四角透孔（開口部）２３を設けることで、利得、ＶＳＷＲ（リターンロス）、交差偏波比を保ったまま共振周波数を調整することができる。即ち、パッチアンテナ（円偏波アンテナ）の共振周波数をアンテナの給電点や外形を変更することなく、アンテナエレメント用導電性板材２０の中央に四角透孔（スリット）２３を設けることで、アンテナ利得、リターンロス、交差偏波比などの性能を維持したまま、アンテナの共振周波数を低域側にシフトすることができる。

図１０は四角透孔２３の幅寸法を変えたときの共振周波数の測定結果を示す。各プロット点から近似式として、
ｙ＝−０．５１ｘ＋９５０
ただし、ｙは共振周波数［ＭＨｚ］、ｘは四角透孔の幅寸法［ｍｍ］
が得られた。

そして、この式に対し±の許容範囲内で、即ち、図中破線で示す領域で四角透孔の幅寸法を決定する。例えば、共振周波数を９００ＭＨｚにしたい場合、幅寸法が３０〜４０ｍｍ程度の四角透孔をアンテナエレメント用導電性板材２０に形成すればよい。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）アンテナエレメント用導電性板材２０における中央部に、アンテナエレメント用導電性板材２０の中心Ｎに対し点対称な透孔２３を形成し、電流経路Ｒ１，Ｒ２を透孔２３に沿って延設したので、透孔２３の無いアンテナエレメント用導電性板材を用いた場合に比べ、電流経路Ｒ１，Ｒ２の長さを長くして共振周波数を容易に低域側にシフトさせることができる。

（２）特に、アンテナエレメント用導電性板材２０は、装荷した摂動素子２１ａ，２１ｂにより直交する円偏波電流経路Ｒ１，Ｒ２が形成されており、直交する円偏波電流経路Ｒ１，Ｒ２を透孔２３に沿って延設することができる。

なお、前記実施形態は以下のように変更してもよい。
図１，２においてはスペーサー３０にネジ４０，４１を螺入することにより地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０とを連結固定する場合について述べた。

これに代わり、図１１，１２に示すように、締結のやり方として、ネジ４０，４１の代わりにボルト・ナットを用いてもよい。詳しくは、図１１において、地板１０の上に円筒状のスペーサー３１を介してアンテナエレメント用導電性板材２０を配置し、地板１０の下側から、ボルト７０を、地板１０に設けた締結用透孔１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、円筒状のスペーサー３１の内部と、アンテナエレメント用導電性板材２０に設けた締結用透孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを通す。さらに、アンテナエレメント用導電性板材２０から上方に突出したボルト７０に対してナット７１を螺入する。これにより、図１２に示すごとく、地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０とを連結固定する。スペーサー３１は絶縁材料（ＡＢＳ樹脂）よりなるとともに、ボルト７０およびナット７１も絶縁材料よりなり、具体的には樹脂製である。

このようにして、地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０との間にスペーサー３１を介在させて、締結部材としてのボルト７０を、スペーサー３１を貫通する状態で配置してもよい。このようにしても、地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０との間をスペーサー３１により一定間隔ｔに保持でき、かつ、締結部材としてのボルト７０をスペーサー３１を貫通する状態で配置することにより連結固定することが可能となる。

また、図１１，１２に代わる構成として、図１３，１４に示すように、誘電体よりなる板材８０を挟んで地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０を配置し、地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０を締結部材（図１３，１４ではボルト７０とナット７１）により連結固定してもよい。

また、図１３，１４において、透孔２３に他周波数用アンテナ９０を配置し、給電線９１とコネクタ９２を用いて給電している。具体的には例えば、９５０ＭＨｚ用パッチアンテナ１に対し、他周波数用アンテナ９０としてＲＦＩＤ用の１３．５６ＭＨｚアンテナ単体を透孔２３に配置する。これにより、透孔２３により空いている空間を有効利用することができる。また、他周波数用アンテナ９０に代わり回路基板を透孔２３に配置してもよく、この回路基板は、（ｉ）パッチアンテナ１の周辺回路（信号処理など）であっても、（ｉｉ）パッチアンテナ１以外の他周波数用アンテナについての周辺回路（信号処理など）であっても、（ｉｉｉ）他周波数用アンテナ（例えば、ＲＦＩＤ用の１３．５６ＭＨｚアンテナ）の周辺回路であり、かつ、基板上に他周波数用アンテナがパターニングされたものであってもよい。このようにして透孔（開口部）２３に他の周波数帯のアンテナや回路基板を搭載することも可能である。

また、図１では透孔（開口部）２３は四角形状をなしていたが、透孔（開口部）２３はアンテナエレメント用導電性板材２０の中心Ｎから給電位置の間までとし、中心Ｎに対し点対称であれば図１５に示すように円形や図１６に示すように十字型でもよい。

また、これまでの説明では円偏波アンテナに適用した場合について説明したが、直線偏波アンテナに適用してもよい。即ち、図１において摂動素子（切り欠き）２１ａ，２１ｂを形成しないパッチアンテナに適用してもよい。

本実施形態におけるパッチアンテナの平面図。 パッチアンテナの正面図。 パッチアンテナの分解斜視図。 アンテナエレメント用導電性板材の平面図。 パッチアンテナの平面図。 四角透孔の無いパッチアンテナの平面図。 パッチアンテナ（円偏波アンテナ）の周波数特性を示す図。 （ａ）は四角透孔の無いアンテナエレメント用導電性板材を用いた場合の共振周波数についてのシミュレーション結果を示す図、（ｂ）は同じく指向性についてのシミュレーション結果を示す図。 （ａ）は四角透孔があるアンテナエレメント用導電性板材を用いた場合の共振周波数についてのシミュレーション結果を示す図、（ｂ）は同じく指向性についてのシミュレーション結果を示す図。 四角透孔の幅寸法と共振周波数との関係を示す図。 別例のパッチアンテナの分解斜視図。 別例のパッチアンテナの正面図。 他の別例のパッチアンテナの分解斜視図。 他の別例のパッチアンテナの縦断面図。 別例のパッチアンテナの平面図。 別例のパッチアンテナの平面図。

符号の説明

１…パッチアンテナ、１０…地板、２０…アンテナエレメント用導電性板材、２１ａ，２１ｂ…摂動素子、２３…透孔、８０…誘電体よりなる板材、９０…他周波数用アンテナ、Ｒ１，Ｒ２…円偏波電流経路。

Claims (4)

1. 地板（１０）と、
   前記地板（１０）に離間した状態で地板（１０）と対向して配置されたアンテナエレメント用導電性板材（２０）と、
   を備えたパッチアンテナであって、
   前記アンテナエレメント用導電性板材（２０）における中央部に、アンテナエレメント用導電性板材（２０）の中心（Ｎ）に対し点対称な透孔（２３）を形成し、電流経路（Ｒ１，Ｒ２）を前記透孔（２３）に沿って延設したことを特徴とするパッチアンテナ。
2. 前記アンテナエレメント用導電性板材（２０）は、装荷した摂動素子（２１ａ，２１ｂ）により直交する円偏波電流経路（Ｒ１，Ｒ２）が形成されており、前記直交する円偏波電流経路（Ｒ１，Ｒ２）を前記透孔（２３）に沿って延設したことを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
3. 誘電体よりなる板材（８０）を挟んで前記地板（１０）とアンテナエレメント用導電性板材（２０）が配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載のパッチアンテナ。
4. 前記透孔（２３）に、他周波数用アンテナ（９０）または回路基板を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパッチアンテナ。

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