(57)【要約】  幅広いデュアルバンド、高効率、小型のＧＮＳＳ  ＲＨＣＰ積層パッチアンテナは、誘電体基板にパターン化されたキャビティを有するセラミックなどのｍｏｌｄされた高誘電率材料から製作されている。基板において穿孔されたキャビティは実効比誘電率を低下させ、帯域幅および効率を増加させる。高次モードは、キャビティの設計によって操作することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナであって、
第１のセラミック層の第１の表面に配置された第１の金属層と、
前記第１のセラミック層の第２の表面と第２のセラミック層の第１の表面との間に配置された第２の金属層と、
を備え、
前記第１のセラミック層は、第１の空気充填キャビティを有し、
前記第２のセラミック層は、第２の空気充填キャビティを有する、
アンテナ。
【請求項２】
前記第１の金属層から、前記第１のセラミック層と、前記第２の金属層と、前記第２のセラミック層と、を通って延在しており、それにより無線周波数信号を前記第１の金属層に流すことを可能にする１つ以上のスルーホールをさらに備える、
請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記第１の空気充填キャビティは、前記第２の金属層に面して配置されている、
請求項１に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記第２の空気充填キャビティは、前記第２のセラミック層の第２の表面に配置されている、
請求項１に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記第１の空気充填キャビティは、複数の第１の空気充填キャビティから成る、
請求項１に記載のアンテナ。
【請求項６】
前記第２の空気充填キャビティは、複数の第２の空気充填キャビティから成る、
請求項１に記載のアンテナ。
【請求項７】
アンテナであって、
第１のセラミック層の第１の表面に配置された第１の金属層と、
前記第１のセラミック層の第２の表面と第２のセラミック層の第１の表面との間に配置された第２の金属層と、
を備え、
前記第１のセラミック層は、複数の第１の空気充填キャビティを有し、
前記第２のセラミック層は、複数の第２の空気充填キャビティを有する、
アンテナ。
【請求項８】
前記第１の金属層から、前記第１のセラミック層と、前記第２の金属層と、前記第２のセラミック層と、を通って延在しており、それにより無線周波数信号を前記第１の金属層に流すことを可能にする１つ以上のスルーホールをさらに備える、
請求項７に記載のアンテナ。
【請求項９】
前記複数の第１の空気充填キャビティは、前記第１のセラミック層に略対称に配置されている、
請求項７に記載のアンテナ。
【請求項１０】
前記複数の第２の空気充填キャビティは、前記第２のセラミック層に略対称に配置されている、
請求項７に記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景技術
パッチアンテナは、その平面形状および回路板の一体化を容易にするため、低姿勢かつ低コストのマルチコンステレーションの全地球測位衛星システム（ＧＮＳＳ）アンテナとして利用されることが多い。アンテナの大きさを縮小するために、セラミック材料を基板として使用することは、当該技術分野において周知である。セラミックを使用する典型的な理由は、その高いＤＫ（ε’比誘電率）と低い誘電損失である。化合物および複合物により、セラミックのＤＫは、約４〜数１００の範囲で変動し得る。典型的なＧＮＳＳシステムのデュアルバンド要件をカバーするためには、各周波数において共振するために２つ以上の積層されたパッチが必要である。円形パッチの場合、基本動作モードはＴＭ１１モードであり、これはＧＮＳＳの用途において良好に機能する上半球状の放射パターンを持つ。公知のキャビティモデルを用いて、基本モードの共振周波数は、
【数１】
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により与えられ、
ここで、ｘ１１はベッセル関数の導関数の最初の零点を表し、Ｊ1’（χ）＝０、αｅｆｆは円形パッチディスクの有効半径、εｅｑは等価誘電率、ｃは光速である。基板と同じ材料を使用した場合、２つのパッチの大きさは互いに大きく異なる。Ｌ１帯域で共振する上部パッチは、底部層のＬ２パッチの約７７％の大きさである。したがって、アンテナの横方向全体の大きさは、底部放射器によって決定される。セラミックを基板として使用した場合、アンテナの大きさは小さくなるが、上述のように欠点があり、また共振アンテナのＱ値が電気的に小型のアンテナに関するＣｈｕ−Ｈａｒｒｉｎｇｔｏｎ限界に従い物理的に占める体積に反比例するため、帯域幅も狭くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
従来技術の欠点は、基板として穿孔された空気キャビティを有する例示的にｍｏｌｄされたセラミックパックを使用する積層パッチアンテナを利用することによって克服される。例示的に、アンテナ用基板はセラミックで完全に充填されていないが、一部は空気で充填されている。穿孔された誘電体領域における実効誘電率は、材料の総バルク体積に対する空隙の容積の割合として定義される、穿孔の間隙率または空隙率から決定される。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
１つ以上の穿孔された空気キャビティを備えるセラミックパックを用いることによって、多くの顕著な利点が得られる。積層アンテナの上部層パッチのための誘電体基板に穿孔を導入することにより、セラミックのパターン化された領域における実効誘電率が低減されるため、総材料重量を顕著に変化することなく、例示的に、Ｌ１帯域共振が占める容積が増加する。これにより、Ｑ値が低下し、動作帯域幅が大幅に広がる。同時に、穿孔によりセラミックの重量が減少する。さらに、共振時の電磁界分布は基板内の穿孔によって変化する。これにより、設計者には、パッチの大きさの変更、したがって穿孔の位置、大きさおよびパターンを変えることによる帯域幅の変更についてのフレキシビリティが与えられる。
【０００４】
例示的なデュアルバンド積層パッチアンテナを使用した場合、底部パッチ（Ｌ２帯域）素子の励起は寄生結合によるものであるため、上部パッチ放射器への１セットの直接給電のみが適用される。積層パッチは、２つの結合された共振器によってモデル化することができる。結合は、底部パッチ素子のインピーダンス帯域幅に影響を与える。したがって、上部パッチの大きさを変更できることによって、結合およびインピーダンス整合に対して考えられる制御が容易になる。
【０００５】
さらに、キャビティが配置されている位置を操作することによって、高次モードと基本モードとの周波数比を制御することができる。これは、共振定在波の種々のモードに関する電圧ピークがアンテナの異なる領域に配置されていることにより実現される。これは、高調波またはより高い周波数の放射を制御する必要がある状況で特に有用である。
【０００６】
以下に、添付図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施例による、例示的な積層パッチアンテナの側面図である。
【図２】本発明の実施例による、キャビティを示すパッチアンテナのセラミック部品の底面図である。
【図３】本発明の実施例による、例示的な積層パッチアンテナの斜視図である。
【図４】本発明の実施例による、複数のキャビティを有する例示的な積層パッチアンテナの側面図である。
【図５】本発明の実施例による、複数のキャビティを示すパッチアンテナのセラミック部品の底面図である。
【図６Ａ】本発明の実施例による、穿孔を有しないアンテナを説明するグラフである。
【図６Ｂ】本発明の実施例による、穿孔を有するアンテナを説明するグラフである。
【図７Ａ】本発明の実施例による、穿孔を有するＲＨＣＰアンテナおよび穿孔を有しないＲＨＣＰアンテナの高帯域利得を示すグラフである。
【図７Ｂ】本発明の実施例による、穿孔を有するＲＨＣＰアンテナおよび穿孔を有しないＲＨＣＰアンテナの低帯域利得を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施例によれば、例示的なセラミックアンテナの帯域幅は設計可能であり、フレキシブルである。例示的に、これは、穿孔されたキャビティを有するセラミックをｍｏｌｄし、例示的なパッチアンテナのための基板として穿孔されたセラミックを使用することによって達成される。穴ではなくキャビティを穿孔する理由は、セラミックの上面に影響が及ぼされない状態を維持し、それによって本発明の実施例に従って、従来の穿孔されていないセラミックと同じメタライゼーションプロセスを使用できるということにある。
【０００９】
図１は、本発明の実施例による例示的な二重積層パッチアンテナ１００の側面図である。二重積層パッチアンテナ１００は、例示的に、第１の金属層１０５と、第１のセラミック層１１０と、第２の金属層１１５と、第２のセラミック層１２０と、を備える。例示的に、第１の金属層１０５は、第１のセラミック層１１０の上面に配置されている。第２の金属層１１５は、第１のセラミック層１１０の底面と第２のセラミック層１２０の上面との間に配置されている。
【００１０】
第１のセラミック層１１０は、空隙から成るキャビティ１２５を備える。例示的に、キャビティ１２５は、本発明の代替の実施形態に従って様々な大きさであってよい。つまり、キャビティ１２５の説明または描写は、単なる例示として受け取られるべきである。同様に、第２のセラミック層１２０は、本発明の代替の実施形態に従って様々な大きさであってよい第２のキャビティ１３０を備える。例示的に、両方のキャビティ１２５，１３０は、それぞれのセラミック層１１０，１２０の底部に配置されている。すなわち、キャビティ１２５，１３０は、それぞれのセラミック層の底面に配置されている。本発明の実施例によれば、第１のキャビティ１２５の容積は、第２のキャビティ１３０の容積より大きい。しかし、代替の実施形態では、２つのキャビティは、同じ容積および／または異なる容積を有してよい。つまり、第２のキャビティよりも大きな容積を有する第１のキャビティの記述は、単なる例示として受け取られるべきである。
【００１１】
さらに、本発明の実施例に従って、給電ワイヤおよび／またはピンを第１の金属層１０５および／または第２の金属層１１５に通すことができるように、１つ以上のスルーホール１３５が設けられている。１つの実施例によれば、４つのスルーホール１３５が設けられている。しかし、本発明の代替の実施形態では、様々な数のスルーホールを利用することができることに留意されたい。つまり、４つのスルーホールの説明は、単なる例示として受け取られるべきである。
【００１２】
図２は、本発明の実施例によるキャビティ１２５を示すパッチアンテナのセラミック部品１１０の底面図２００である。底面図２００において、セラミック部品１１０は１０個の面を有し、キャビティ１２５も同様に１０個の面を有している。本発明の代替の実施形態によれば、セラミック部品および／またはキャビティは、異なる幾何学的形状を有してよいことに留意されたい。例えば、両方が略円形の形状などであってもよい。
【００１３】
図３は、本発明の実施例による例示的な積層パッチアンテナ１００の斜視図３００である。斜視図３００は、アンテナ１００の様々な構成要素を示す透視図である。斜視図３００は、アンテナ１００のベースから延在する複数のスルーホール１３５を例示している。斜視図３００は、キャビティ１２５を有する第１のセラミック層１１０の上に配置された第１の金属層１０５をさらに示す。この場合、第２の金属層１１５は、第２のキャビティ１３０を有する第２のセラミック層１２０の上に配置されている。
【００１４】
図４は、本発明の実施例による複数のキャビティを有する例示的な積層パッチアンテナ４００の側面図である。例示的に、アンテナ４００は、第１のセラミック層１１０の上に配置されている第１の金属層１０５を備える。第１のセラミック層１１０の底面と第２のセラミック層１２０の上面との間に第２の金属層１１５が配置されており、また１つ以上のスルーホール１３５が様々な層を貫通して配置されており、これにより第１の金属層１０５への信号の供給または第１の金属層１０５からの信号の受信が実現される。本発明の代替の実施形態によれば、複数のキャビティ１２５が、第１のセラミック層１１０の底部に沿って配置されている。同様に、複数のキャビティ１３０が、第２のセラミック層１２０の底面に沿って配置されている。
【００１５】
図５は、本発明の実施例による複数のキャビティ１２５を示すパッチアンテナ４００のセラミック部品１１０の底面図５００である。図４を参照して上述したように、セラミック層１１０，１２０の各々は、複数のキャビティ１２５，１３０を備える。本発明の実施例によれば、キャビティは円形に構成されている。しかし、本発明の代替の実施形態によれば、キャビティは、任意の形状および／または大きさを有してよい。つまり、キャビティ１２５の描写は、単なる例示として受け取られるべきである。また、図５は、第１のセラミック層１１０内のキャビティ１２５を示しているが、第２のセラミック層１２０内のキャビティ１３０も同様に配置されていると考えられる。つまり、第１のセラミック層１１０に関連する図５の説明は、単なる例示として受け取られるべきである。本発明の実施例によれば、セラミック層内の複数のキャビティは、対称または略対称に配置されていることに留意されたい。
【００１６】
図６Ａは、本発明の実施例による、穿孔を有しない例示的なアンテナを説明するグラフである。同様に、図６Ｂは、本発明の実施例による、例示的なキャビティ穿孔を有するアンテナを説明するグラフである。図６Ａおよび図６Ｂの両方は、本発明の実施例に従って説明したキャビティを有するアンテナおよびキャビティを有しないアンテナの、広帯域にわたり掃引したＳパラメータを示す。当業者には明らかなように、穿孔を有するこれらのアンテナ（すなわち、本発明の実施形態によるキャビティを有するこれらのアンテナ）を使用して、高調波を操作してずらし、高次モードと基本モードとの間の周波数比を制御することができる。
【００１７】
図７Ａは、本発明の実施例による、穿孔を有するＲＨＣＰアンテナおよび穿孔を有しないＲＨＣＰアンテナの高帯域利得を示すグラフである。図７Ａから分かるように、本発明の実施例によれば、アンテナが穿孔（キャビティ）を有する場合、利得は改善されている。図７Ｂは、本発明の実施例による穿孔を有するＲＨＣＰアンテナおよび穿孔を有しないＲＨＣＰアンテナの低帯域利得を示すグラフである。図７Ｂから分かるように、本発明の実施例によれば、アンテナが穿孔（キャビティ）を有する場合、利得は改善されている。
【００１８】
本発明の原理は、ハードウェア、非一時的なコンピュータ可読媒体を含むソフトウェア、ファームウェアまたはそれらの任意の組み合わせで実施することができることは明らかである。さらに、キャビティの特定の大きさおよび／または数の記載は、単なる例示として受け取られるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【国際調査報告】
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