(57)【要約】【課題】同一外形寸法のアンテナよりも、より波長の長い電波に共振でき、かつ良好な特性を維持することができるパッチアンテナを提供する。【解決手段】パッチアンテナ１は、誘電体１１と、誘電体１１の一方の面に形成された放射電極１２と、誘電体１１の他方の面に形成された接地電極１３とを備える。放射電極１２の外形形状は、多角形状又は円形形状により形成されている。放射電極１２の表面は、凹凸形状に立体的に形成されている。放射電極１２の表面積は、外形形状よりも広い。【選択図】図１
2015154368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体と、該誘電体の一方の面に形成された放射電極と、該誘電体の他方の面に形成された接地電極とを備え、
前記放射電極の外形形状は、多角形状又は円形形状により形成されており、
前記放射電極の表面は、凹凸形状に立体的に形成されており、
前記放射電極の表面積は、前記外形形状よりも広いパッチアンテナ。
【請求項２】
前記放射電極の表面は、所定形状の凸部が縦横に複数個形成されることにより前記凹凸形状が立体的に形成されている請求項１記載のパッチアンテナ。
【請求項３】
前記放射電極の表面は、中心部から外側に向かって放射状に複数の溝が形成されることにより前記凹凸形状が立体的に形成されている請求項１記載のパッチアンテナ。
【請求項４】
前記放射電極は、所定の厚さの金属板で構成されており、前記誘電体と一体的にインサート成形により形成される、又は、前記誘電体上に所定の厚さのメッキ処理により形成される請求項１乃至３のいずれか一項に記載のパッチアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パッチアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、携帯電話等の携帯機器や、その携帯機器や車載分野等に使用するＧＰＳ等に、パッチアンテナ（マイクロストリップアンテナとも呼ばれる）が用いられている。パッチアンテナは、薄型であり、平板のものが特徴的であることから、アンテナ設置の自由度が高く、非常に多用されている。
【０００３】
一般的に、パッチアンテナは、誘電体（誘電体基板）と、誘電体の一方の面に形成された平面形状の放射電極と、誘電体の他方の面に形成された接地電極（グランド電極）とを備えている。パッチアンテナは、放射電極に対して接地電極から絶縁貫通された給電ピン等が接続されており、これにより電力が供給されて通信を行う。
【０００４】
近年、特に上述した携帯機器や車載分野にて使用されるＧＰＳ等のアンテナにおいては、小型化のニーズが高まっている。
【０００５】
パッチアンテナを小型化する方法としては、例えば、矩形状の放射導体の各辺から中心方向に向かって切り込みを入れる等してその外周部に複数のスリットを設ける技術が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−３０４４１３号公報
【特許文献２】特開２０１２−０４９６１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このようにスリットを設けると、アンテナの利得が低下するという問題があり、また、スリットの長さがパッチアンテナの幅に制限されてしまうため、周波数を可変させる範囲には限界がある。
【０００８】
本発明は、上述したような実情に鑑みてなされてものであり、放射電極の表面積を実質的に外形寸法よりも大きくするので、同一外形寸法のアンテナよりも、より波長の長い電波に共振でき、かつ良好な特性を維持することができるパッチアンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上述した課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、放射電極を凹凸形状として立体化させることによって、従来と同程度の外形寸法において、共振点を低周波数側にシフトさせることができることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は以下のものを提供する。
【００１０】
（１）本発明は、誘電体と、該誘電体の一方の面に形成された放射電極と、該誘電体の他方の面に形成された接地電極とを備え、前記放射電極の外形形状は、多角形状又は円形形状により形成されており、前記放射電極の表面は、凹凸形状に立体的に形成されており、前記放射電極の表面積は、前記外形形状よりも広いパッチアンテナである。
【００１１】
（２）本発明は、上述した（１）の発明において、前記放射電極の表面は、所定形状の凸部が縦横に複数個形成されることにより前記凹凸形状が立体的に形成されているパッチアンテナである。
【００１２】
（３）本発明は、上述した（１）の発明において、前記放射電極の表面は、中心部から外側に向かって放射状に複数の溝が形成されることにより前記凹凸形状が立体的に形成されているパッチアンテナである。
【００１３】
（４）本発明は、上述した（１）から（３）のいずれかの発明において、前記放射電極は、所定の厚さの金属板で構成されており、前記誘電体と一体的にインサート成形により形成される、又は、前記誘電体上に所定の厚さのメッキ処理により形成されるパッチアンテナである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、共振点を低周波数側にシフトすることができ、かつ良好な特性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】パッチアンテナの一例を模式的に示した図である。
【図２】凹凸形状を有する放射電極の平面（Ａ）及びその側面（Ｂ）を模式的に示す図である。
【図３】凹凸形状を有する放射電極の平面（Ａ）及びその側面（Ｂ）を模式的に示す図である。
【図４】ＦＤＴＤ法を用いたシミュレーションにより共振周波数を算出した結果を示す図である。
【図５】シミュレーションにより得られたＥ面、Ｈ面における放射特性図である。
【図６】凹凸形状を形成した放射電極における誘電体との接合面（Ａ）及びその側面の一部（Ｂ）を模式的に示した図である。
【図７】表面が三角波形状の凹凸により形成された放射電極の平面（Ａ）及びその側面（Ｂ）を模式的に示す図である。
【図８】表面が三角波形状の凹凸により形成された放射電極の平面（Ａ）及びその側面（Ｂ）を模式的に示す図である。
【図９】表面が三角波形状の凹凸により形成された放射電極の平面（Ａ）及びその側面（Ｂ）を模式的に示す図である。
【図１０】ＦＤＴＤ法を用いたシミュレーションにより共振周波数を算出した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係るパッチアンテナの具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。
【００１７】
本発明に係るパッチアンテナ１は、図１に示すように、誘電体１１と、誘電体１１の一方の面に形成された放射電極１２と、誘電体１１の他方の面に形成された接地電極１３とを備える、いわゆるマイクロストリップアンテナである。
【００１８】
放射電極１２の外形形状は、図１では、四角形状であるが、これに限られず、例えば、四角形状以外の多角形状又は円形形状により形成されてもよい。また、パッチアンテナ１は、円偏波により通信を行うので、厳密に言えば、放射電極１２の外形形状は、四角形状ではなく、角に切欠きが設けられている。右旋円偏波により通信を行う場合には、例えば、右上角と左下角に切欠きが設けられている。左旋円偏波により通信を行う場合には、例えば、左上角と右下角に切欠きが設けられている。
【００１９】
放射電極１２の表面は、凹凸形状に立体的に形成されている。また、放射電極１２の表面積は、前記外形形状よりも広い。
【００２０】
このようにして、パッチアンテナ１は、放射電極１２の表面に立体的な凹凸形状を形成することにより、その表面積を大きくすることができる。よって、パッチアンテナ１は、放射電極１２の表面積を実質的に外形寸法よりも大きくできるので、同一外形寸法のアンテナよりも、より波長の長い電波に共振でき、かつ良好な特性を維持することができる。
【００２１】
また、パッチアンテナ１は、従来構成のアンテナよりも外形寸法を小さくした場合であっても、放射電極１２の表面積を実質的に従来構成のアンテナの放射電極と同程度の大きさに調整できるので、従来構成のアンテナと同程度の波長の電波に共振でき、かつ良好な特性を維持することができる。
【００２２】
さらに、パッチアンテナ１は、従来構成のアンテナよりも外形寸法を小さくし、かつ、放射電極１２の表面積を実質的に従来構成のアンテナの放射電極よりも大きく調整できるので、外形駿府の大きい従来構成のアンテナよりも、より波長の長い電波に共振でき、かつ良好な特性を維持することができる。
【００２３】
また、放射電極１２の表面は、図１に示すように、所定形状の凸部が縦横に複数個形成されることにより凹凸形状が立体的に形成されていてもよい。
【００２４】
放射電極１２は、所定の厚さのメッキ処理により誘電体１１上に形成してもよい。また、放射電極１２は、凸部が同一形状に加工された金属板を複数個、形成することにより形成してもよい。なお、金属板の厚さは一定である。
【００２５】
以下に、パッチアンテナ１を構成する各要素について詳述する。
誘電体１１の材料は、特に限定されるものではないが、例えば、樹脂、セラミック、セラミックに所定の割合で樹脂を混ぜて得られる材料等により構成することができる。
ここで、誘電体１１を構成する樹脂としては、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）等を挙げることができる。
【００２６】
誘電体１１は、射出成形により加工してもよく、薄肉形状や目的に応じた多様な形状に形成することができる。さらに、誘電体１１は、比誘電率の高いセラミックと、ＰＰＳと、ＬＣＰとをコンパウンドした複合材料を用い、これを射出成形することにより所望とする厚みや形状に形成してもよい。
【００２７】
誘電体１１の誘電率としては、特に限定されず、所望とするパッチアンテナ１のサイズに応じた値に設定することができる。例えば、パッチアンテナ１が適用される電子機器等の筐体サイズに応じて、誘電体１１の比誘電率を適宜に設定するようにする。
【００２８】
なお、誘電体１１は、放射電極１２と一体的にインサート成形により所望とする厚みや形状に形成されてもよい。
【００２９】
放射電極１２は、例えば、リン青銅等の銅系金属や、銀、ニッケル、又はそれらの合金等の導電性金属材料を含んで構成されている。
放射電極１２は、接地電極１３及び誘電体１１を貫く同軸線路やコネクタを用いて背面から直接給電される直結誘電方式を採用するものして説明するが、これに限られず、電磁結合給電方式でもよい。
【００３０】
接地電極（グランド電極板）１３は、銅、銀、ニッケル、又はこれらの合金等の導電性金属材料を含む導電体である。
本実施例では、単体の接地電極１３を誘電体１１に形成させると説明したが、これに限られず、誘電体１１の下に配置される回路基板を接地電極１３として利用してもよい。
【００３１】
次に、パッチアンテナ１の放射電極１２の凹凸形状について説明する。なお、凹凸形状は、以下の実施形態に示す形状に限定されるものではなく、放射電極１２の実効面積を有効に増やすことができるものであれば他の形状であってもよい。
【００３２】
図２は、放射電極１２が誘電体１１との接合面１２ａとは反対側に凸部を有する凹凸形状に形成された状態を示す図であり、放射電極１２を上部から見た上面図（図２（Ａ））及びその側面図（図２（Ｂ））である。なお、この図２に示すパッチアンテナを「パッチアンテナ１Ａ」とする。なお、図２中のσは、給電点を示しており、給電線路とのマッチングを得るための最適な位置に配置される。
【００３３】
放射電極１２は、凹凸形状に沿って電流が立体的に流れるようになり、平面的な従来の放射電極に比べて、電流の経路長を長くすることができる。このようにして、パッチアンテナ１は、放射電極１２の表面積を実質的に外形寸法よりも大きくするので、同一外形寸法のアンテナよりも、より波長の長い電波に共振でき、かつ良好な特性を維持することができる。
【００３４】
なお、放射電極１２において凸部２１を有する格子状の区画の各領域の大きさとしては、特に限定されるものではない。例えば、略正方形状の放射電極１２において、図２に示すような４×４の領域に分けられるような大きさや、図３に示すような６×６の領域に分けられるような大きさにすることができる。また、本実施例では、図３に示す６×６の領域で形成されたパッチアンテナ１Ｂは、パッチアンテナ１Ａと外形寸法は同じだが、放射電極１２の表面積は大きくした。
【００３５】
また、放射電極１２の表面積を変えなければ、凸部２１の数が増えるほど、高さが低くなる。よって、パッチアンテナ１は、放射電極１２において形成される凸部２１の数が多いほど薄型になるメリットがある。
【００３６】
また、本実施例では、凸部２１の形状は、図２に示すように、高さ方向に連続的な斜面を有する山状（テーパ状）に形成するものとして説明したが、これに限られず、ドーム型等でもよい。
【００３７】
次に、図２に示した態様のパッチアンテナ１Ａ、図３に模式図を示す態様のパッチアンテナ１Ｂ及び基準パッチアンテナのそれぞれに対して、ＦＤＴＤ法（有限差分時間領域法）によるシミュレーションを行って求めた共振周波数の変化について図４を用いて説明する。なお、パッチアンテナ１Ａ、パッチアンテナ１Ｂ、及び基準パッチアンテナは、外形寸法が同一である。また、基準パッチアンテナとは、従来のパッチアンテナ、すなわち凹凸形状を有しない平面的な放射電極を誘電体上に形成させて得られる態様のパッチアンテナを意味する。
シミュレーションによる解析条件、パッチアンテナ１Ａにおける放射電極１２の大きさや凹凸形状の大きさ等は、以下の通りに設定した。
【００３８】
［解析条件等］
解析手法：ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ）法
給電方法：ピン給電
誘電体基板の比誘電率：εｒ＝８
セルサイズ：ｘｓ＝ｙｓ＝ｚｓ＝０．４ｍｍ
誘電体基板厚（誘電体基板の厚み）：ｈ＝１．６ｍｍ
パッチ直径（放射電極の一辺の大きさ）：Ｌ＝３４．４ｍｍ
誘電体基板直径（誘電体基板の一辺の大きさ）：Ｗ＝５１．２ｍｍ
給電点距離：ρ＝３．６ｍｍ
小パッチ直径（各区画領域の一辺の大きさ）：ａ＝５．６ｍｍ
【００３９】
図４に示すように、パッチアンテナ１Ａ、パッチアンテナ１Ｂでは、基準パッチアンテナに比べて、その共振周波数ｆのピークが低周波数側（長波長側）にシフトしていることが分かる。具体的には、基準パッチアンテナの共振周波数ｆのピークが１．５２ＧＨｚであったのに対して、パッチアンテナ１Ａの共振周波数ｆのピークが１．４７ＧＨｚ、パッチアンテナ１Ｂの共振周波数ｆのピークが１．４５ＧＨｚとなった。
【００４０】
この結果から、パッチアンテナ１Ａ及びパッチアンテナ１Ｂは、基準パッチアンテナと比較して、外形寸法は同じでも、より波長の長い電波に共振できることが分かる。
【００４１】
また、図５は、パッチアンテナ１Ａ（図５（Ａ））、パッチアンテナ１Ｂ（図５（Ｂ））、及び基準パッチアンテナ（図５（Ｃ））について、シミュレーションにより得られたＥ面（水平面）、Ｈ面（垂直面）における放射特性を示す図である。
この結果から、パッチアンテナ１Ａ及びパッチアンテナ１Ｂの特性は、基準パッチアンテナの特性と比較しても遜色がなく、良好な特性を維持していることが分かる。
【００４２】
また、放射電極１２の表面は、図６に示すように、中心部から外側に向かって放射状に複数の溝３１が形成されることにより凹凸形状が立体的に形成されている構成でもよい。
具体的には、金属板を放射電極１２として使用する場合に、その表面、裏面（誘電体との接合面）、又はその両面に縞状又は放射状の凹凸形状を形成する。凹凸による溝３１は、図６に示す通り、中心部から外側に向かって縞状又は放射状に形成される。
【００４３】
なお、上述した凹凸形状は、矩形波形状に限られず、三角波形状、鋸歯形状又は正弦波形状等でもよい。
また、放射電極１２の表面のパターンは、上述に限られず、他のパターンでもよく、例えば、以下のようなパターンでもよい。
【００４４】
１．図７（Ａ）に示すように、放射電極１２の表面は、概念上、９つのブロックに分けられる。中心のブロックに対して上下左右方向に配置する４つの外側のブロックＢ１の表面は、水平線に沿って凹凸形状が形成される。中心のブロックに対して角方向に配置する４つの外側のブロックＢ２の表面は、対角線に対して水平又は直角になるように凹凸形状が形成される。ブロックＢ１及びブロックＢ２は、図７（Ａ）に示すように、凹凸による溝が中心のブロックから外側に向かって放射状になるように配置される。なお、上述では、説明の便宜上、放射電極１２の表面を９つのブロックに分けて説明したが、実際にブロック毎に形成するわけではない。
図７（Ａ）は、誘電体１１上に放射電極１２が形成されている様子を示す平面図であり、図７（Ｂ）は、誘電体１１上に放射電極１２が形成されている様子を示す側面図である。なお、図７（Ｂ）では、放射電極１２の凹凸形状を三角波形状で示してあるが、これに限られない。
【００４５】
２．上述と同様に、図８（Ａ）に示すように、放射電極１２の表面は、概念上、９つのブロックに分けられる。中心のブロックに対して上下左右方向に配置する４つの外側のブロックＢ１の表面は、水平線に沿って凹凸形状が形成される。中心のブロックに対して角方向に配置する４つの外側のブロックＢ２の表面は、ある一辺から対角線まで凹凸形状が形成され、当該対角線に対して線対称に凹凸形状が形成される。ブロックＢ１は、図８（Ａ）に示すように、凹凸による溝が中心のブロックから外側に向かって放射状になるように配置される。ブロックＢ２は、図８（Ａ）に示すように、凹凸による溝が、隣接する上下左右ブロックの凹凸による溝と同じ向きに揃うように配置される。なお、上述では、説明の便宜上、放射電極１２の表面を９つのブロックに分けて説明したが、実際にブロック毎に形成するわけではない。
図８（Ａ）は、誘電体１１上に放射電極１２が形成されている様子を示す平面図であり、図８（Ｂ）は、誘電体１１上に放射電極１２が形成されている様子を示す側面図である。なお、図８（Ｂ）では、放射電極１２の凹凸形状を三角波形状で示してあるが、これに限られない。
【００４６】
３．図９（Ａ）に示すように、放射電極１２の表面は、凹凸による溝が中心部から外側に向かって放射状に形成される。凹凸形状は、中心に近いほど幅が狭く、中心から遠ざかるほど幅が広くなるように形成される。
図９（Ａ）は、誘電体１１上に放射電極１２が形成されている様子を示す平面図であり、図９（Ｂ）は、誘電体１１上に放射電極１２が形成されている様子を示す側面図である。なお、図９（Ｂ）では、放射電極１２の凹凸形状を三角波形状で示してあるが、これに限られない。
【００４７】
図６は、放射電極１２の誘電体１１との接合面１２ａに複数の溝３１を設けて凹凸形状が形成された状態を示す図であり、放射電極１２における誘電体１１との接合面１２ａの図（図６（Ａ））及びその側面の一部の断面図（図６（Ｂ））である。なお、以下では、図６に示す放射電極１２を構成してなるパッチアンテナを「パッチアンテナ１Ｃ」という。
【００４８】
図６に示すように、パッチアンテナ１Ｃにおいては、放射電極１２の誘電体１１との接合面１２ａに、複数の溝３１を設けて、その複数の溝により得られた溝部３１ａと山部３２とで形成される凹凸形状を有している。なお、放射電極１２の表面は、レーザ光を照射することにより凹凸形状を形成してもよいし、エッチングにより凹凸形状を形成してもよい。
【００４９】
このようにして、パッチアンテナ１Ｃは、放射電極１２表面の溝３１の数を増やすことで、その表面積を大きくすることができる。よって、パッチアンテナ１Ｃは、放射電極１２の表面積を実質的に外形寸法よりも大きくできるので、同一外形寸法のアンテナよりも、より波長の長い電波に共振でき、かつ良好な特性を維持することができる。
【００５０】
次に、図６に示した態様のパッチアンテナ１Ｃ及び基準パッチアンテナに対して、ＦＤＴＤ法によるシミュレーションを行って求めた共振周波数の変化について図１０を用いて説明する。なお、パッチアンテナ１Ｃ及び基準パッチアンテナは、外形寸法が同一である。
【００５１】
シミュレーションによる解析条件、パッチアンテナ１Ｃの大きさ等は、以下の通りである。なお、パッチアンテナ１Ｃとしては、放射電極１２の厚みを０．４ｍｍとし、誘電体１１との接合面１２ａに図６に示したような横縞状であって深さが０．２ｍｍの溝３１を有するものと設定して、シミュレーションを行った。
【００５２】
［解析条件等］
解析手法：ＦＤＴＤ法
給電方法：ピン給電
誘電体基板の比誘電率：εｒ＝８
セルサイズ：ｘｓ＝ｙｓ＝ｚｓ＝０．２ｍｍ
誘電体基板厚（誘電体基板の厚み）：ｈ＝２．０ｍｍ
パッチ直径（放射電極の一辺の大きさ）：Ｌ＝１２ｍｍ
パッチ半径：Ｌ１＝２．０ｍｍ、Ｌ２＝６．０ｍｍ
誘電体基板直径（誘電体基板の一辺の大きさ）：Ｗ＝１６ｍｍ
給電点距離：ρ＝１．０ｍｍ
【００５３】
図１０に示すように、パッチアンテナ１Ｃでは、基準パッチアンテナに比べて、その共振周波数ｆのピークが低周波数側（長波長側）にシフトしていることが分かる。具体的には、基準パッチアンテナの共振周波数ｆのピークが３．９５ＧＨｚであったのに対して、パッチアンテナ１Ｃの共振周波数ｆのピークが３．８７ＧＨｚとなった。
【００５４】
この結果から、パッチアンテナ１Ｃは、基準パッチアンテナと比較して、外形寸法は同じでも、より波長の長い電波に共振できることが分かる。
【符号の説明】
【００５５】
１      パッチアンテナ
１１    誘電体
１２    放射電極
１２ａ  接合面
１２ｂ  放射電極の上面
１３    接地電極
【図１】
2015154368.tif 000003
【図２】
2015154368.tif 000004
【図３】
2015154368.tif 000005
【図４】
2015154368.tif 000006
【図５】
2015154368.tif 000007
【図６】
2015154368.tif 000008
【図７】
2015154368.tif 000009
【図８】
2015154368.tif 000010
【図９】
2015154368.tif 000011
【図１０】
2015154368.tif 000012