JP6992047B2 - スロット付きパッチアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、２つの別の送受信帯域で動作するスロット付きパッチアンテナに関する。

衛星用、例えばＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）用のアンテナ装置では、円偏波の電波に対応するパッチアンテナの使用が一般的である。また、最近、パッチアンテナの放射電極の外形で定まる送受信帯域とは別に、もう一つの送受信帯域を設ける要求が出てきている。

この目的のためにスロット付きパッチアンテナが提案されている。図１２は従来のスロット付きパッチアンテナを示す（但し、地板省略）。この図に示すように、スロット付きパッチアンテナ５は、方形の誘電体基板１０と、誘電体基板１０の主面に設けられた平面状導体からなる方形の放射電極２０と、主面の反対面に配置される図示しない地板（地導体）とを備え、さらに２対の直線状のスロット３０を放射電極２０に形成している。ここでスロット３０は導体の無い部分である。また、放射電極２０には給電点ａ，ｂの２箇所により２点給電を行って円偏波の送受信が効率的に行えるようにしている。パッチアンテナにおける２点給電によって、下記特許文献１に記載されているように、相互に位相が９０°異なる信号を２つの給電点に給電することで、広い周波数帯域で軸比（Axial Ratio）を良好にすることが可能となる。

図１２のスロット付きパッチアンテナ５は、放射電極２０の外形寸法から定まる送受信帯域（パッチアンテナ動作の送受信帯域）と、放射電極２０に形成されたスロット３０の長さで定まるスロットアンテナとしての送受信帯域（スロットアンテナ動作の送受信帯域）との２つの送受信帯域を有することになる。

特開２０１５－１９１３２号公報

論文「Dual-Frequency Patch Antennas」, S. Maci and G. Biffi Gentili 著、1045-9243/97, 1997 IEEE.

非特許文献１は図１２に示したスロット付きパッチアンテナ５を示している。

図１２の従来のスロット付きパッチアンテナ５の場合、放射電極２０を用いる本来のパッチアンテナ動作においては、誘電体基板１０の誘電率に起因する放射電極２０に対する電気長の増大効果が大きい（放射電極２０に接する誘電体基板１０の面積が大きい）。これに対し、直線状のスロット３０によるスロットアンテナ動作においては、誘電体基板１０のスロット３０の周縁の誘電体部分しか関与しないため、誘電体基板１０の誘電率に起因するスロット３０に対する電気長の増大効果は小さい。また、直線状のスロット３０の全長は放射電極２０の一辺の長さよりも短くならざるを得ない。このため、放射電極２０の外形寸法で定まるパッチアンテナ動作の送受信帯域に比較して、スロット３０の長さで定まるスロットアンテナ動作による送受信帯域は、機械的な寸法比率以上に高くなる。

このため、パッチアンテナ動作の送受信帯域にスロットアンテナ動作の送受信帯域を近づけることは出来なかった。

本発明の実施の形態は、２つの送受信帯域の設定の自由度を向上させ、要求される送受信帯域に対応可能なスロット付きパッチアンテナに関する。

本発明の第１の態様はスロット付きパッチアンテナである。このスロット付きパッチアンテナは、誘電体基板と、前記誘電体基板の主面に設けられた放射電極と、前記主面の反対面に配置される地導体とを備え、
ミアンダ部、湾曲部又は曲折部を有するスロットを前記放射電極に形成し、
前記放射電極は、第１給電点及び第２給電点の２箇所で給電され、
前記スロットは、前記放射電極の中心点に対して前記第１給電点及び前記第２給電点の外側に位置することを特徴とする。

本発明の第２の態様もスロット付きパッチアンテナである。このスロット付きパッチアンテナは、誘電体基板と、前記誘電体基板の主面に設けられた放射電極と、前記主面の反対面に配置される地導体とを備え、
ミアンダ部を有するスロットを前記放射電極に形成したことを特徴とする。
前記第２の態様において、前記スロットは、前記ミアンダ部を複数有するとよい。
前記第２の態様において、前記放射電極は、第１給電点及び第２給電点の２箇所で給電されるとよい。前記スロットは、前記パッチアンテナの中心点に対して前記第１給電点及び前記第２給電点の外側に位置するとよい。
前記放射電極の外形は略正方形であり、前記スロットは前記略正方形の内側において前記略正方形の各辺に沿って２対設けられているとよい。

前記略正方形の一辺に平行で前記略正方形の中心を通る対称軸に関して、各スロットは線対称で、かつ前記略正方形の中心に関して点対称に配置されているとよい。
スロットアンテナ動作によって１.５ＧＨｚ帯に対応可能であり、パッチアンテナ動作によって１.２ＧＨｚ帯に対応可能であるとよい。

以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明に係るスロット付きパッチアンテナによれば、ミアンダ部、湾曲部又は曲折部を有するスロットを放射電極に形成することで、従来の直線状のスロットと比較して電気長（換言すれば、実効波長）を長く設定することが可能になる。このため、パッチアンテナ動作及びスロットアンテナ動作の送受信帯域の設定の自由度を向上させ、要求される送受信帯域に対応可能となる。

本発明に係るスロット付きパッチアンテナの実施の形態１を示す斜視図。 実施の形態１の地板を省略して示す平面図。 実施の形態１におけるスロット付きパッチアンテナの寸法関係を説明するための平面図。 図２ＡのIII－III断面図。 スロット付きパッチアンテナにおけるスロットアンテナ動作の送受信帯域を、従来のミアンダ部の無いスロットの場合と、本発明の実施の形態１の場合（ミアンダ部有り）とを対比して示すＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）の周波数特性図。 実施の形態１において、１２１０ＭＨｚでのパッチアンテナ動作のＸ－Ｚ平面内の指向特性図。 実施の形態１において、１５９４ＭＨｚでのスロットアンテナ動作のＸ－Ｚ平面内の指向特性図。 実施の形態１において、１２１０ＭＨｚでのパッチアンテナ動作のＹ－Ｚ平面内の指向特性図。 実施の形態１において、１５９４ＭＨｚでのスロットアンテナ動作のＹ－Ｚ平面内の指向特性図。 本発明の実施の形態２の地板を省略して示す平面図。 本発明の実施の形態３の地板を省略して示す平面図。 本発明の実施の形態４の地板を省略して示す平面図。 従来のスロット付きパッチアンテナの地板を省略して示す平面図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１乃至図３で本発明に係るスロット付きパッチアンテナの実施の形態１を説明する。これらの図に示すように、スロット付きパッチアンテナ１は、正方形の誘電体基板１０と、誘電体基板１０の主面に設けられた平面状導体からなる正方形の放射電極２０と、主面の反対面に配置される地板（地導体）４０とを備え、さらに２対のスロット３１を放射電極２０に形成している。ここでスロット３１は導体の無い部分であって、直線部分の略中間位置にミアンダ（蛇行）部３１ａを形成したものである。スロット３１は正方形の放射電極２０の内側において前記正方形の各辺に沿って（ミアンダ部３１ａ以外は対向するスロット３１同士が平行になるように）４個設けられており、各スロット３１は前記正方形の一辺に平行で前記正方形の中心を通る対称軸に関して線対称で、かつ前記正方形の中心に関して点対称に配置されている。しかも、各スロット３１はスロット付きパッチアンテナ１の中心点から見て給電点ａ，ｂより外側に位置している。図３のように、放射電極２０には同軸ケーブル２５，２６を介して給電点ａ，ｂの２箇所で２点給電を行って円偏波の送受信が効率的に行えるようにしている。

この実施の形態１の場合、パッチアンテナ動作においては、正方形の放射電極２０の一辺の長さ及び誘電体基板１０の誘電率から定まる電気長が１／２波長（及びその整数倍）となる周波数が共振周波数となり、この共振周波数を含む周波数帯域が第１の送受信帯域となる。

スロットアンテナ動作においては、スロット３１がミアンダ部３１ａを有するため、ミアンダ部３１ａを有しないときに比べて全長が長くなり、電気長も増大する。このため、スロット３１の全長及び誘電体基板１０の誘電率から定まる電気長が１／２波長（及びその整数倍）となる共振周波数は、ミアンダ部３１ａを設けたことによって低下する。従って、スロットアンテナ動作の共振周波数を含む周波数帯域である第２の送受信帯域を第１の送受信帯域に近づく方向に移行させることが可能になる。

図４は、スロット付きパッチアンテナにおけるスロットアンテナ動作の送受信帯域を、従来のミアンダ部の無いスロットの場合（図１２）と、本発明の実施の形態１のミアンダ部有りで図２Ｂの寸法の場合とを対比して示すＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）の周波数特性図である。図４のＶＳＷＲの周波数特性図は、図２Ｂの寸法説明図及び図１２において、正方形の誘電体基板１０の一辺の長さｃ＝３３ｍｍ、正方形の放射電極２０の一辺の長さｄ＝２９ｍｍ、スロット３０，３１の長さ（スロット３１についてはミアンダ部３１ａが無いものとした場合の長さ）ｅ＝２５ｍｍ、スロット３０，３１の幅ｆ＝０.８ｍｍ、図２Ｂのミアンダ部３１ａの突出長ｇ＝４.５ｍｍとしたときの値である。スロット付きパッチアンテナにおけるスロットアンテナ動作の送受信帯域が、スロットにミアンダ部を設けたことで低い周波数帯に移行していることがわかる。すなわち、図４に示すように、実施の形態１のスロット付きパッチアンテナ１のスロットアンテナ動作を考察した場合（図中、ミアンダ部無しは点線曲線、ミアンダ部有りは実線曲線）、ミアンダ部無しの共振周波数がＰ’，Ｑ’，Ｒ’であったとき、ミアンダ部を設けたことで共振周波数はＰ，Ｑ，Ｒになり、共振周波数が低く変化する。

図５乃至図８は実施の形態１（図２Ｂの寸法関係は図４のときと同じ）における右旋円偏波に対する垂直面内の指向特性図をそれぞれ示すものである。図１において、地板４０に垂直でスロット付きパッチアンテナ１の中心（放射電極２０の中心）を通る方向をＺ軸、地板４０の面内で放射電極２０の一辺と直交する方向をＸ軸、地板４０の面内で放射電極２０の前記一辺に隣接（直交）する辺と直交する方向をＹ軸に設定する。図５及び図６において、Ｚ＝０°は放射電極２０の真上方向（放射電極２０から地板４０に向かう方向の反対向き）、Ｚ＝１８０°は放射電極２０の真下方向（放射電極２０から地板４０に向かう方向）であり、Ｚ＝９０°はＸ方向を示す。図５は、１２１０ＭＨｚでのパッチアンテナ動作のＸ－Ｚ平面内の指向特性であり、上向きのブロードな指向特性となっている。Ｚ＝０°での利得は２.８４７ｄＢｉである。図６は同じく、１５９４ＭＨｚでのスロットアンテナ動作のＸ－Ｚ平面内の指向特性を示し、上向きのブロードな指向特性となっている。Ｚ＝０°での利得は４.３５１ｄＢｉである。

また、図７及び図８において、Ｚ＝０°は放射電極２０の真上方向、Ｚ＝１８０°は放射電極２０の真下方向であり、Ｚ＝９０°はＹ方向を示す。図７は、１２１０ＭＨｚでのパッチアンテナ動作のＹ－Ｚ平面内の指向特性であり、上向きのブロードな指向特性となっている。Ｚ＝０°での利得は２.８４７ｄＢｉである。図８は同じく、１５９４ＭＨｚでのスロットアンテナ動作のＹ－Ｚ平面内の指向特性を示し、上向きのブロードな指向特性となっている。Ｚ＝０°での利得は４.３５１ｄＢｉである。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) スロット付きパッチアンテナ１において、ミアンダ部３１ａをスロット３１に設けることで電気長を増大させることが可能であり、スロットアンテナ動作の送受信帯域を従来よりも低く設定可能である。この結果、パッチアンテナ動作及びスロットアンテナ動作の送受信帯域の設定の自由度を向上させ、要求される送受信帯域に対応可能となる。例えば、パッチアンテナ動作によって１.２ＧＨｚ帯に対応させ、スロットアンテナ動作によって１.５ＧＨｚ帯に対応させることが可能である。

(2) スロット３１は、正方形の放射電極２０の内側において前記正方形の各辺に沿って（ミアンダ部３１ａ以外は対向するスロット３１同士が平行になるように）４個設けられており、各スロット３１は、前記正方形の一辺に平行で前記正方形の中心を通る対称軸に関して線対称で、かつ前記正方形の中心に関して点対称に配置されている。このため、給電点ａ及びｂにおける信号の位相差が９０°で同振幅の場合、円偏波の送受信を好適に行うことができる。

図９は本発明の実施の形態２を示す。この場合、スロット付きパッチアンテナ２において、正方形の放射電極２０には全体的に正方形の中心に向けて円弧状に湾曲した２対のスロット３２が形成されている。スロット３２は、前記正方形の内側において前記正方形の各辺に沿って４個設けられている。各スロット３２は、前記正方形の一辺に平行で前記正方形の中心を通る対称軸に関して線対称で、かつ前記正方形の中心に関して点対称に配置されている。その他の構成は前述の実施の形態１と同様である。

実施の形態２によっても、湾曲したスロット３２を放射電極２０に設けることで、スロット３２の電気長を増大させることが可能であり、実施の形態１と実質的に同じ効果を奏することが可能である。

図１０は本発明の実施の形態３を示す。この場合、スロット付きパッチアンテナ３において、正方形の放射電極２０には、その角部近傍に位置するミアンダ付きの曲折部３３ａを有する２対のスロット３３が形成されている。このスロット３３の場合、放射電極２０の一辺に平行なスロット部分と前記一辺と直交する辺に平行なスロット部分との間にミアンダ付きの曲折部３３ａが設けられていることで、ミアンダ付きの曲折部３３ａが無いときに比べてスロット３３の全長は長くなる。スロット３３は、前記正方形の内側において前記正方形の２辺に沿った配置である。各スロット３３は、前記正方形の一辺に平行で前記正方形の中心を通る対称軸に関して線対称で、かつ前記正方形の中心に関して点対称に配置されている。その他の構成は前述の実施の形態１と同様である。

実施の形態３によっても、ミアンダ付きの曲折部３３ａを有するスロット３３を放射電極２０に設けることで、スロット３３の電気長を増大させることが可能であり、実施の形態１と実質的に同じ効果を奏することが可能である。

図１１は本発明の実施の形態４を示す。この場合、スロット付きパッチアンテナ４において、正方形の放射電極２０には、２対のスロット３４が形成されている。各スロット３４の直線部分の略中間位置にミアンダ（蛇行）部３４ａが２個形成されている。スロット３４は、前記正方形の内側において前記正方形の各辺に沿って４個設けられている。各スロット３４は、前記正方形の一辺に平行で前記正方形の中心を通る対称軸に関して線対称で、かつ前記正方形の中心に関して点対称に配置されている。その他の構成は前述の実施の形態１と同様である。

実施の形態４によっても、ミアンダ部３４ａを２個有するスロット３４を放射電極２０に設けることで、スロット３４の電気長を増大させることが可能であり、実施の形態１と実質的に同じ効果を奏することが可能である。また、実施の形態１のスロット３１ではミアンダ部３１ａを１個設けていたのに対し、実施の形態４のスロット３４ではミアンダ部３４ａを２個設けている。このことから、スロット３１とスロット３４の電気長を同じとした場合、スロット３４の放射電極２０の一辺（スロット３４の直線部分が延びる方向と平行な放射電極２０の一辺）に沿った長さはスロット３１に比べて短くなる。このため、実施の形態４では実施の形態１に比べてパッチアンテナを小型化することができる。さらに、ミアンダ（蛇行）部が３個以上形成されたスロットが放射電極２０に形成されていてもよい。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

本発明の実施の形態においては、パッチアンテナの中心点に向かうミアンダ（蛇行）部や湾曲部（スロット３２の湾曲した箇所）、曲折部を設けたスロット形状としているが、求める周波数帯によっては、パッチアンテナの中心点（換言すれば、放射電極の中心点）から外側に向かうミアンダ部や湾曲部を設けたスロット形状でもよい。

本発明の実施の形態では、２点給電の場合を例示したが、１点給電の場合にも本発明は適用可能であり、給電手段は同軸ケーブルに限定されないことは明らかである。

１，２，３，４，５ スロット付きパッチアンテナ
１０ 誘電体基板
２０ 放射電極
２５，２６ 同軸ケーブル
３０，３１，３２，３３，３４ スロット
３１ａ，３４ａ ミアンダ部
３３ａ ミアンダ付きの曲折部
４０ 地板

Claims (3)

1. 誘電体基板と、
   前記誘電体基板の主面に設けられた放射電極と、
   前記主面の反対面に配置される地導体とを備え、
   ミアンダ部を有する複数のスロットを前記放射電極に形成し、
   前記放射電極は、第１給電点及び第２給電点の２箇所で給電され、
   前記放射電極の外形は略正方形であり、前記複数のスロットは前記略正方形の内側において前記略正方形の各辺に沿って設けられ、
   前記複数のスロットは、前記放射電極の中心点に対して前記第１給電点及び前記第２給電点の外側に位置し、
   前記ミアンダ部は、前記放射電極の内側に向かうように前記スロットに設けられており、かつ前記ミアンダ部は、１つのスロットに対して前記放射電極の内側に向かって突出する２つの凸部を有し 、
   前記複数のスロットの各々は、前記放射電極の各辺の中央付近にのみ前記２つの凸部を設け、
   前記第１給電点と前記第２給電点は、前記ミアンダ部の最も前記放射電極の内側の位置と近接するように設けられていて、
   前記第１給電点及び前記第２給電点は、前記２つの凸部の先端近傍に設けられ、それらの給電点と前記先端との距離が前記凸部の突出長より短い、スロット付きパッチアンテナ。
2. 前記略正方形の一辺に平行で前記略正方形の中心を通る対称軸に関して、各スロットは線対称で、かつ前記略正方形の中心に関して点対称に配置されている請求項１に記載のスロット付きパッチアンテナ。
3. スロットアンテナ動作によって１.５ＧＨｚ帯に対応可能であり、パッチアンテナ動作によって１.２ＧＨｚ帯に対応可能である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスロット付きパッチアンテナ。

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