JP5429004B2 - パッチアンテナ、アンテナユニット及びアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、パッチアンテナと、当該パッチアンテナを有するアンテナユニットと、当該アンテナユニットを有するアンテナ装置と、に関する。

従来、衛星波又は地上波を受信して、デジタルラジオ放送を聴取可能にしたデジタルラジオ受信機が開発され、米国において実用化されている。このデジタルラジオ受信機は、一般的に、自動車等の移動体に搭載され、周波数が約２．３ＧＨｚ帯の電波を受信してラジオ放送を聴取することが可能である。例えば、シリウス衛星ラジオ用アンテナ装置は、周回衛星３個（シンクロ型）から円偏波電波を受信し、不感地帯では地上直線偏波設備から電波を受信する。

デジタルラジオ受信機は、電波を受信するアンテナ装置を有する。このアンテナ装置は、移動体の室外に取り付けられる。このアンテナ装置は、アンテナユニットと、このアンテナユニットを覆うためのアンテナケースと、から構成される。アンテナケースは、ドーム状のトップカバーとボトムプレートとから構成される。アンテナユニットは、アンテナエレメントと、回路基板と、シールドケースと、から構成される。アンテナエレメントは、例えば、セラミック製のパッチアンテナで構成され、電波を受信する。回路基板には、このアンテナエレメントで受信した信号に対して信号増幅などの各種信号処理を施す信号処理回路が形成されている。シールドケースは、信号処理回路を外部電場及び外部磁場からシールドする。

パッチアンテナは、アンテナ電極と、接地導体と、アンテナ電極及び接地導体の間に設けられたセラミック製のアンテナの基板部と、アンテナ電極に電気的に接続された給電ピンと、を備える。このアンテナ電極部の上に、矩形の穴部を有する天板を導波路として設けたパッチアンテナが知られている（例えば、特許文献１参照）。矩形の穴部を有する天板を設けることで、パッチアンテナの高仰角における指向性利得を大きくすることができる。

特開２００６−２３７８１３号公報

しかし、従来の導波器を有するパッチアンテナにおいて、同一の仰角における全方位角の指向性利得をより均等にする要請があった。

本発明の課題は、パッチアンテナの高仰角における指向性利得を大きくするとともに、同一の仰角における全方位角の指向性利得を均等にすることである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明のパッチアンテナは、
天面にアンテナ電極を有するパッチアンテナ本体部と、
前記パッチアンテナ本体部の天面に装着された導波器と、を備え、
前記導波器は、
前記パッチアンテナ本体部よりも大きな平面を有し、当該平面にＬ字スリットを有する天板と、
前記パッチアンテナ本体部の天面と前記天板との間に配置され、前記アンテナ電極と当該天板とを所定の距離で離間する離間部と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明のアンテナユニットは、
請求項１に記載のパッチアンテナと、
前記パッチアンテナで受信した信号を処理する信号処理回路が形成された回路基板と、
前記信号処理回路をシールドするシールドケースと、を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明のアンテナ装置は、
請求項２に記載のアンテナユニットと、
ボトムプレートと、
前記アンテナユニットと前記ボトムプレートとの間に配置され、当該アンテナユニットを当該ボトムプレート上に固定させるユニット固定部材と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、パッチアンテナの高仰角における指向性利得を大きくできるとともに、水平面の全方位角の指向性利得を均等にできる。

本発明に係る実施の形態のアンテナ装置の分解斜視図である。 天板の寸法及び配置を示す平面図である。 導波器無しのパッチアンテナと実施の形態のパッチアンテナとにおける仰角に対するアンテナ利得（ゲイン）を示す図である。 （ａ）は、Ｌ字スリット無しの導波器を有するパッチアンテナの指向性利得を示す図である。（ｂ）は、実施の形態のパッチアンテナの指向性利得を示す図である。 車体に取り付けられたアンテナ装置における模式的な指向性利得を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。

図１を参照して、本実施の形態のパッチアンテナ１１を含むアンテナ装置１について説明する。図１に、アンテナ装置１の分解構成を示す。図１に示すアンテナ装置１は、衛星デジタルラジオ受信機用のアンテナ装置であって、自動車等の移動体の屋根に設置されて使用される。

図示のアンテナ装置１は、アンテナユニット１２と、このアンテナユニット１２を覆うためのアンテナケースと、から構成される。このアンテナケースは、ドーム状のトップカバー（図示略）とボトムプレート１４と、から構成される。アンテナユニット１２は、トップカバー内に収納される。

アンテナユニット１２は、パッチアンテナ１１と、回路基板２２と、シールドケース２４と、を有する。パッチアンテナ１１は、衛星波を受信して受信信号を出力する。回路基板２２には、パッチアンテナ１１から出力された受信信号に対して信号増幅などの各種信号処理を施す回路（以下、信号処理回路という）が形成されている。パッチアンテナ１１と回路基板２２とは、図示しない両面テープなどによって接合される。

回路基板２２には、受信信号をアンテナケースの外部に取り出すためのケーブル（図示略）が接続される。また、回路基板２２には、パッチアンテナ１１が配置された側とは反対側の主面に、上記信号処理回路をシールドするためのシールドケース２４が取り付けられている。

シールドケース２４は、回路基板２２に接続されているケーブルを通すための開口２４ａを持つ。シールドケース２４は、その両側側面から外側へ延びる一対の耳２４１を有する。これら耳２４１には、螺子２６を貫通するための貫通穴２４ｂが空けられている。

アンテナ装置１は、アンテナユニット１２とボトムプレート１４との間に配置されたユニット固定部材３０を備えている。このユニット固定部材３０は、後述するように、当該アンテナ装置１を移動体（車体）の屋根に仮固定し、かつアンテナユニット１２をボトムプレート１４上に固定するためのものである。すなわち、アンテナユニット１２の真下にユニット固定部材３０が配置されている。

一方、ボトムプレート１４は、このユニット固定部材３０を収容するための凹部１４１を持つ。ボトムプレート１４は、３本の螺子２６が螺合される螺子穴１４２ａが切られた３つのボス１４２を有する。これら３つのボス１４２の内の２つは、シールドケース２４の一対の耳２４１と対応する位置に設けられている。

ユニット固定部材３０は、ボトムプレート１４の上記３つのボス１４２と対応する位置に、ボスを受ける３つのボス受け部３１を持つ。これらボス受け部３１には、３本の螺子２６を連通するための連通穴３１ａが空けられている。ユニット固定部材３０は、回路基板２２に接続されているケーブルを通すための穴３０ａを持つ。更に、ユニット固定部材３０は、アンテナ装置１を移動体（車体）の屋根に対して仮止めするために下方へ延在する一対のツメ３２を持つ。

ボトムプレート１４には、凹部１４１にケーブルを通すための穴１４１ａと、一対のツメ３２を通すための２つの穴１４１ｂと、が空けられている。

以下、図１を参照して、このような構成のアンテナ装置１を移動体（車体）に固定する方法について説明する。

先ず、ユニット固定部材３０の一対のツメ３２をボトムプレート１４の２つの穴１４１ｂに通す。このとき、ボトムプレート１４の３つのボス１４２は、ユニット固定部材３０のボス受け部３１に挿入された状態で受けられる。

次に、３本の螺子２６を、シールドケース２４の２つの貫通穴２４ｂおよびユニット固定部材３０の３つの連通穴３１ａを介して、ボス１４２の螺子穴１４２ａに螺子止めする。これにより、アンテナユニット１２は、ユニット固定部材３０を介してボトムプレート１４上に固定される。

次に、ボトムプレート１４の下面から下方へ延在する円筒状のボルト５０を移動体（車体）の屋根（図示略）に空けられた開口（図示略）に通す。これにより、アンテナ装置１は、移動体（車体）の屋根上に仮固定される。

そして、ナット（図示略）をボルト５０に螺合することによって、アンテナ装置１は、移動体（車体）の屋根上に本固定される。

このように本実施の形態では、アンテナ装置１を移動体（車体）上に仮固定し、かつパッチアンテナ１１をボトムプレート１４上に固定するためのユニット固定部材３０を、アンテナユニット１２の真下に配置して、ユニット固定部材３０をパッチアンテナ１１と重なるような配置にしている。この結果、アンテナケース内にて必要となるスペースを縮小することができる。その為、より小型でデザイン性の高いアンテナ装置１を提供することが可能となる。

パッチアンテナ１１は、導波器６０と、パッチアンテナ本体部４０と、を備える。パッチアンテナ本体部４０は、接地導体４１と、基板部４２と、アンテナ電極４３と、給電ピン４４と、を備える。接地導体４１は、基板部４２の底面に形成された金属導体部である。基板部４２は、セラミック製の誘電体の基板である。基板部４２は、磁性体又は磁性誘電体としてもよい。基板部４２は、例えば、平面がＲ形の直方体の形状を有する。アンテナ電極４３は、基板部４２の天面に形成され、接地されている金属導体部である。接地導体４１及びアンテナ電極４３は、例えば、基板部４２の底面及び天面へのスクリーン印刷により形成される。

給電ピン４４は、接地導体４１及び基板部４２を貫通して配置され、アンテナ電極４３に電気的に接続されている。給電ピン４４は、回路基板２２の給電部に接続されている。接地導体４１は、回路基板２２のグランド部に接続されている。

導波器６０は、パッチアンテナ本体部４０の天面に装着されている。導波器６０は、離間部６１と、天板６２と、を有する。離間部６１は、発泡性のクッション部材等により構成されている。離間部６１は、例えば、ポリウレタン発砲体から構成されるが、できるだけ誘電率が低い材料で構成されるものが望ましい。離間部６１は、アンテナ電極４３の天面に貼り付けられており、アンテナ電極４３と天板６２とを所定の距離で離間する。

天板６２は、離間部６１の天面に装着されている角形で矩形の平板である。天板６２は、アルミや銅や鉄等の金属板である。天板６２は、金属テープで構成してもよい。天板６２は、Ｌ字の帯形状のスリットであるＬ字スリット６２１を有する。

次に、図２を参照して、天板６２の寸法及び配置の一例を説明する。図２に、天板６２の寸法及び配置を示す。

図２示すように、Ｘ軸及びＹ軸をとるものとする。天板６２は、天面が正方形のパッチアンテナ本体部４０の上に、離間部６１を介して配置されている。天板６２のＬ字スリット６２１は、天板６２の平面において、給電ピン４４と対角方向の位置に配置されることが好ましい。

天板６２のＹ軸方向の長さをＬ１とし、同じくＸ軸方向の長さをＬ２とする。Ｌ字スリット６２１の長手方向の帯部の長さをＬ３とし、同じく短手方向の帯部の長さをＬ４とする。また、Ｌ字スリット６２１の長手方向の帯部の幅をＬ５とし、同じく短手方向の帯部の幅をＬ６とする。また、天板６２の左端からＬ字スリット６２１までのＹ軸方向の長さをＬ７とし、天板６２の上端からＬ字スリット６２１までのＸ軸方向の長さをＬ８とする。また、パッチアンテナ本体部４０（基板部４２）の平面の一辺の長さをＬ０とする。

長さＬ１，Ｌ２について、Ｌ１，Ｌ２＞Ｌ０とする。天板６２は、平面において、パッチアンテナ本体部４０を隠す大きさ及び配置にされているものとする。また、長さＬ３，Ｌ４について、Ｌ３，Ｌ４＜Ｌ０とする。Ｌ字スリット６２１は、平面において、パッチアンテナ本体部４０の内側に配置されていることが好ましい。また、長さＬ３，Ｌ４について、Ｌ３＞Ｌ４とするのが好ましいが、Ｌ３＝Ｌ４としてもよい。

天板６２の天板の寸法及び配置の一例を示す。パッチアンテナ本体部４０（基板部４２）について、Ｌ０＝２３［ｍｍ］とする。また、天板６２について、Ｌ１＝Ｌ２＝３１［ｍｍ］とする。Ｌ３＝２０［ｍｍ］、Ｌ４＝１２［ｍｍ］とする。Ｌ５＝Ｌ６＝３［ｍｍ］とする。また、Ｌ７＝Ｌ８＝７［ｍｍ］とする。また、アンテナ電極４３と天板６２との間の距離（離間部６１の厚さ）を、２［ｍｍ］とする。

次いで、図３〜図５を参照して、パッチアンテナ１１のアンテナ特性を説明する。図３に、導波器６０無しのパッチアンテナ（パッチアンテナ本体部４０）とパッチアンテナ１１とにおける仰角に対するアンテナ利得（ゲイン）を示す。図４（ａ）に、Ｌ字スリット無しの導波器を有するパッチアンテナの指向性利得を示す。図４（ｂ）に、パッチアンテナ１１の指向性利得を示す。図５に、車体２に取り付けられたアンテナ装置における模式的な指向性利得を示す。

図３に示すように、上記寸法及び配置の一例のパッチアンテナ１１について、仰角に対するアンテナ利得（ゲイン）をシミュレーションした。また、上記寸法及び配置の一例のパッチアンテナ１１のうち、導波器６０が無いパッチアンテナ（パッチアンテナ本体部４０）のアンテナ利得をシミュレーションした。また、次表１に図３のグラフの数値を示す。

パッチアンテナ１１と、パッチアンテナ本体部４０とは、ともに仰角が大きくなるにつれてアンテナ利得が上昇している。さらに、パッチアンテナ１１は、パッチアンテナ本体部４０よりも、仰角が大きくなるにつれてアンテナ利得が大きくなる傾きが大きい。このため、導波器６０により、パッチアンテナ１１は、高仰角で高いアンテナ利得が得られていることが分かった。

図４（ａ）に示すように、天板６２にＬ字スリット６２１が無い上記寸法及び配置の一例のパッチアンテナの低仰角（５°）における全方位角の指向性利得をシミュレーションした。低仰角（５°）におけるＬ字スリット６２１が無い導波器を有するパッチアンテナの全方位角のゲインの平均値と、ゲインの最大値と、ゲインの最小値と、ゲインの最大値−最小値の値とは、次表２のようになった。

また、図４（ｂ）に示すように、上記寸法の一例のパッチアンテナ１１の低仰角（５°）における全方位角の指向性利得をシミュレーションした。低仰角（５°）におけるパッチアンテナ１１の全方位角のゲインの平均値と、ゲインの最大値と、ゲインの最小値と、ゲインの最大値−最小値の値とは、次表３のようになった。

このように、パッチアンテナ１１は、Ｌ字スリット６２１が無い導波器を有するパッチアンテナよりも、低仰角における全方位角のゲインの平均値が小さい。よって、パッチアンテナ１１は、Ｌ字スリット６２１が無い導波器を有するパッチアンテナよりも、高仰角におけるアンテナ利得が大きいことが分かった。

また、パッチアンテナ１１は、Ｌ字スリット６２１が無い導波器を有するパッチアンテナよりも、全方位角のゲインの最大値−最小値の値が小さい。よって、パッチアンテナ１１は、Ｌ字スリット６２１が無い導波器を有するパッチアンテナよりも、方位角によらずより均等のゲインが得られていることが分かった。

図４（ａ）、図４（ｂ）のアンテナ特性を、図５に模式的に示す。図５に示すように、パッチアンテナ１１を有するアンテナ装置１が取り付けられた車体２の水平面を考える。アンテナ装置１における指向性利得を実線で示す。また、比較対象として、Ｌ字スリット６２１が無い導波器を有するパッチアンテナを有するアンテナ装置における指向性利得を点線で示す。アンテナ装置１におけるアンテナ利得は、Ｌ字スリット６２１が無いパッチアンテナを有するアンテナ装置に比べて、より円形の指向性利得が得られている。

以上、本実施の形態によれば、パッチアンテナ１１が、離間部６１と、Ｌ字スリット６２１を有する天板６２と、を有する導波器６０を備える。このため、パッチアンテナ１１の高仰角における指向性利得を大きくできるとともに、同一の仰角における全方位角の指向性利得を均等にできる。

また、アンテナユニット１２は、パッチアンテナ１１を備える。このため、高仰角における指向性利得を大きくできるとともに、同一の仰角における全方位角の指向性利得を均等にできるアンテナユニット１２を構成できる。また、アンテナ装置１は、アンテナユニット１２を備える。このため、高仰角における指向性利得を大きくできるとともに、同一の仰角における全方位角の指向性利得を均等にできるアンテナ装置１を構成できる。

なお、上記実施の形態における記述は、本発明に係るパッチアンテナ、アンテナユニット及びアンテナ装置の一例であり、これに限定されるものではない。

上記実施の形態において、天板６２は、角形の平板であったが、これに限定されるものではない。例えば、天板６２が、Ｒ形の平板であるものとしてもよい。

また、上記実施の形態において、パッチアンテナ１１、アンテナユニット１２、アンテナ装置１は、衛星ラジオの受信アンテナとしたが、これに限定されるものではない。パッチアンテナ１１、アンテナユニット１２、アンテナ装置１を、他の通信方式や共振周波数の無線通信に適用することとしてもよい。

その他、上記実施の形態におけるアンテナ装置１の細部構成及び詳細動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ アンテナ装置
１２ アンテナユニット
１１ パッチアンテナ
４０ パッチアンテナ本体部
４１ 接地導体
４２ 基板部
４３ アンテナ電極
４４ 給電ピン
６０ 導波器
６１ 離間部
６２ 天板
６２１ Ｌ字スリット
２２ 回路基板
２４ シールドケース
２４１ 耳
２４ａ 開口
２４ｂ 貫通穴
３０ ユニット固定部材
３０ａ 穴
３１ ボス受け部
３１ａ 連通穴
３２ ツメ
２６ 螺子
１４ ボトムプレート
１４１ 凹部
１４１ａ，１４１ｂ 穴
１４２ａ 螺子穴
１４２ ボス
５０ ボルト
２ 車体

Claims (3)

1. 天面にアンテナ電極を有するパッチアンテナ本体部と、
   前記パッチアンテナ本体部の天面に装着された導波器と、を備え、
   前記導波器は、
   前記パッチアンテナ本体部よりも大きな平面を有し、当該平面にＬ字スリットを有する天板と、
   前記パッチアンテナ本体部の天面と前記天板との間に配置され、前記アンテナ電極と当該天板とを所定の距離で離間する離間部と、を備えることを特徴とするパッチアンテナ。
2. 請求項１に記載のパッチアンテナと、
   前記パッチアンテナで受信した信号を処理する信号処理回路が形成された回路基板と、
   前記信号処理回路をシールドするシールドケースと、を備えることを特徴とするアンテナユニット。
3. 請求項２に記載のアンテナユニットと、
   ボトムプレートと、
   前記アンテナユニットと前記ボトムプレートとの間に配置され、当該アンテナユニットを当該ボトムプレート上に固定させるユニット固定部材と、を備えることを特徴とするアンテナ装置。

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