(57)【要約】【課題】円偏波の感度を向上させる平面アンテナを提供する。【解決手段】誘電体基板２にパッチ導体４と接地導体６とが設けられており、パッチ導体４が離間して接地導体６により囲まれており、パッチ導体４が四角形状あり、パッチ導体４の１つの角と対角とにそれぞれ突出部１ａ、ｂを設け、パッチ導体４を囲んでいる接地導体６のパッチ導体４側の３つの縁辺の形状のそれぞれが直線である。【選択図】図１
2004320356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板にパッチ導体と接地導体とが設けられており、該パッチ導体が離間して該接地導体により囲まれている平面アンテナにおいて、
該パッチ導体が四角形状又は略四角形状であり、該パッチ導体の１つの角と対角とにそれぞれ突出部を設けられており、
該パッチ導体を囲んでいる該接地導体のパッチ導体側の少なくとも３つの縁辺の形状のそれぞれが直線又はほぼ直線であることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項２】
前記接地導体のパッチ導体側の３つの縁辺の形状がコの字状又は略コの字状である請求項１に記載の平面アンテナ。
【請求項３】
前記接地導体のパッチ導体側の３つの縁辺の長さが同一又はほぼ同一である請求項１又は２に記載の平面アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面アンテナに関し、特に、マイクロ波通信やミリ波通信に好適な平面アンテナに関する。より具体的には、車両と車両外部の送信機器及び／又は受信機器に接続される平面アンテナであって、例えば、車両の窓ガラス板に設けられるのに適する平面アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、高速、大容量通信への要求から、マイクロ波やミリ波を用いて電波を送信又は受信する高周波の通信が急速に拡がっている。電波を送信又は受信するアンテナとして、例えば、円形又は方形のパッチ状の放射導体（以下、パッチ導体という）を有するマイクロストリップアンテナ（以下、ＭＳＡという）が好適に用いられている。
【０００３】
ＭＳＡはプリント基板で作製でき、平面構造であるので小型薄型アンテナとして広く普及している。
【０００４】
ＭＳＡは、一般に、誘電体基板の両面に導体薄膜等の導体層を形成し、一方の面の導体層を接地導体（グランド板又は地板とも呼ぶ）とし、他方の面の導体層にエッチング処理を施すことによって円形又は方形の放射導体を形成したものである。
【０００５】
ＭＳＡの給電は、例えば、同軸ケーブルの中心導体を放射導体の所定の位置に接続し、同軸ケーブルの外部導体をＭＳＡの放射導体と反対側の面の接地導体に接続することによって行われる。このようにＭＳＡは、誘電体基板の両面に導体層があるため、ＭＳＡの両面の導体層への接続が給電のために必要である。
【０００６】
また、従来、上記ＭＳＡ以外の平面アンテナとして、図４に示すとおり、誘電体基板にパッチ導体４と接地導体６とが設けられており、パッチ導体４は突出するストリップ状の突出部を有し、パッチ導体４が離間して接地導体６により囲まれている平面アンテナが報告されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
この従来例では、パッチ導体４の１つの角と対角とにそれぞれ突出部が設けられており、接地導体６には凹状の開口部９が設けられている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２５２５２０号公報（７頁、図２（ｃ））
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術の有する前述の欠点を解消する平面アンテナの提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、誘電体基板にパッチ導体と接地導体とが設けられており、該パッチ導体が離間して該接地導体により囲まれている平面アンテナにおいて、
該パッチ導体が四角形状又は略四角形状であり、該パッチ導体の１つの角と対角とにそれぞれ突出部を設けられており、
該パッチ導体を囲んでいる該接地導体のパッチ導体側の少なくとも３つの縁辺の形状のそれぞれが直線又はほぼ直線であることを特徴とする平面アンテナを提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の平面アンテナについて、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。図１、２には、本発明の平面アンテナの一実施形態である平面アンテナが示されている。図１は、平面アンテナの平面図であり、図２は図１に示す平面アンテナのＡ−Ａ’断面図である。以下の説明において、特記しない場合には、寸法の単位はｍｍとし、方向は図面上での方向をいうものとする。
【００１２】
本発明の平面アンテナは、図１、２に示すように、ガラス板等の誘電体基板２の少なくとも一方の面に形成される平面アンテナであり、誘電体基板２にパッチ導体４と接地導体６とが設けられており、パッチ導体４が離間して接地導体６により囲まれている。図１、２の例では、パッチ導体４と接地導体６とは誘電体基板２の片面に形成されている。
【００１３】
図１に示すとおり、本発明では、パッチ導体４の上方の右側の角と対角とにそれぞれ突出部１ａ、ｂが設けられている。これに限定されず、パッチ導体４の上方の左側の角と対角とにそれぞれ突出部１ａ、ｂが設けられていてもよい。突出部１ａ、ｂは縮退分離素子として機能する。
【００１４】
図１に示す例では、突出部１ａ、ｂの周縁の形状は、コの字状又は略コの字状であるが、これに限定されず、弓状、略弓状、くの字状、略くの字状、円状、略円状、楕円状及び略楕円状であってもよい。
【００１５】
図１、２の例では、仮に突出部１ａ、ｂが設けられていないとした場合のパッチ導体４の形状は正方形又は略正方形であり、正方形又は略正方形であることが通信特性の上で好ましいが、これに限定されず、パッチ導体４の形状は長方形又は略長方形等の四角形状又は略四角形状であっても使用できる。円偏波の電波を送信又は受信する場合には、正方形又は略正方形であることが通信特性の上で好ましい。
【００１６】
仮に突出部１ａ、ｂが設けられていないとした場合のパッチ導体４の左側の縁辺と、接地導体のパッチ導体側の右側の縁辺とは平行又は略平行である。仮に突出部１ａ、ｂが設けられていないとした場合のパッチ導体４の上側の縁辺と、接地導体のパッチ導体側の上側の縁辺とは平行又は略平行である。仮に突出部１ａ、ｂが設けられていないとした場合のパッチ導体４の右側の縁辺と、接地導体のパッチ導体側の左側の縁辺とは平行又は略平行である。接地導体６のパッチ導体側の、左側の縁辺、上側の縁辺及び右側の縁辺の形状のそれぞれは直線又はほぼ直線である。
【００１７】
図１に示す例では、インピーダンス変成器の中心導体５がパッチ導体４に設けられており、パッチ導体４の下側に下方に伸長されている。中心導体５の下端には四角形状又は略四角形状の給電部８が設けられている。ここで、インピーダンス変成器は、中心導体５と、中心導体５の周縁近傍の接地導体６の縁辺とで構成されている。
【００１８】
給電部８は表面実装型コネクタ（不図示）を介して、誘電体基板２の、パッチ導体４側の面で同軸ケーブル（不図示）の中心導体５と接続される。また、接地導体６は、アース接続された同軸ケーブルの外部導体と接続されて常時アース接続されている。
【００１９】
図５は図１に示す平面アンテナのパッチ導体４付近の拡大平面図である。パッチ導体４の幅Ｗ１及び長さＬ１  は、平面アンテナで送信又は受信する電波の波長によって電波が共振するように設定される。平面アンテナの導体長さＬ１  は、送信又は受信を行う所望の周波数帯の中心周波数の波長をλＭ  とした場合、アンテナの送信又は受信効率を向上させるために、ｋ・（λＭ  ／４）〜ｋ・λＭ  （ｋは誘電体基板２における波長の短縮率）の範囲にあることが好ましい。この範囲に導体長さＬ１  を設定することで、この範囲外に設定する場合に比べて、利得が向上する。また、パッチ導体４の幅Ｗ１は、送信又は受信を行う所望の周波数帯の最高周波数の波長をλＨ  とし、送信又は受信を行う所望の周波数帯の最低周波数の波長をλＬ  とするとき、ｋ・（λＨ  ／４）〜ｋ・λＬ  の範囲にあることが好ましい。
【００２０】
ここで、短縮率ｋは、誘電体基板２の比誘電率をεｒ  とすると、ｋ＝εｒ （−１／２）で表すことができる。短縮率ｋとは、誘電体基板上を伝搬する電波の伝搬速度に関係するもので、所望の電波の周波数においてアンテナの入力インピーダンスのリアクタンス成分が０（ゼロ）となるようにする比率をいい、アンテナが共振するように、誘電体基板に設けられるアンテナの寸法を空気中に設けられるアンテナの寸法に比べて小さくする比率をいう。中心導体５の線路長Ｌ３  は、ｋ・λＭ  ／４程度である。
【００２１】
接地導体６は、誘電体基板２上の一定の領域に所定以上の面積を有するように形成される。すなわち、本発明の平面アンテナは指向性が良好となるように接地導体６の面積が調整されている。このようにして、指向性を良好にすることができるのは、誘電体基板と空気界面での反射やガラス板を伝搬する表面波の指向性への影響が低減するためと考えられる。
【００２２】
接地導体６はパッチ導体４の周囲を一定の距離離間して囲んでいる。すなわち、接地導体６の縁辺はパッチ導体４の縁より一定の間隔ｇ１、ｇ２  で離れている。間隔ｇ１、ｇ２  は、平面アンテナの入力インピーダンス特性が良好となるように設定され、ほぼ誘電体基板２の厚さ近傍が好ましい。
【００２３】
中心導体５と接地導体６との最短間隔ｇ３は、中心導体５の幅との比によって設定され、中心導体５の幅と間隔ｇ３との比は、パッチ導体４の入力インピーダンスを通常、高周波伝送線路で用いられる特性インピーダンス５０Ωと整合するインピーダンスとなるように、誘電体基板２の比誘電率、パッチ導体４の導電率等及び接地導体６の導電率等を考慮して設定されることが好ましい。
【００２４】
なお、図１に示す例では、接地導体６は、パッチ導体４の縁辺より一定の間隔ｇ１、ｇ２離れ、中心導体５の周縁より一定の間隔ｇ３離れている。しかし、後述するように、円偏波の電波を送信又は受信する場合には、接地導体６は、パッチ導体４と左右で異なる一定の間隔で離れてもよいし、また、できるだけインピーダンス整合するように、接地導体６の縁辺と、中心導体５との間隔がパッチ導体４の幅方向に沿って変化するものであってもよい。
【００２５】
パッチ導体４、突出部１ａ、ｂ、中心導体５及び接地導体６は、例えば、銀ペースト等の、導電性金属を含有するペーストを誘電体基板２にプリントし、焼付けて形成される。なお、本発明においては、この形成方法に限定されず、銅等の導電性物質からなる、線状又は箔状の薄膜を、誘電体基板２の面上に形成してもよい。
【００２６】
誘電体基板２としてガラス板を用い、パッチ導体４、突出部１ａ、ｂ、中心導体５及び接地導体６として銀ペーストをこのガラス板にプリントし焼付けて形成した場合には、ガラス板の比誘電率や銀ペーストによる導体の導電率を考慮して各部分の形状及び寸法等の諸数値が設定される。
【００２７】
次に、本発明の平面アンテナの動作について説明する。パッチ導体４は電波を放射する放射導体として機能する。また、中心導体５は、その両側に一定の距離を隔てて接地導体が形成される公知の伝送線路であるコブレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を形成する。インピーダンス変成器はパッチ導体４の入力インピーダンスを通常、高周波伝送線路で用いられる特性インピーダンス５０Ωと整合させるように機能することが好ましい。
【００２８】
送信の際は、給電部８から電気信号を給電する。この電気信号は中心導体５を伝搬してパッチ導体４に到達しパッチ導体４が励振される。このときパッチ導体４の共振周波数で励振されれば、パッチ導体４より電波が放射される。
【００２９】
上述したＭＳＡは、放射導体と地導体との間の電界により放射導体端部で磁流を生じ、その磁流を波源として電波を放射するアンテナである。これに対して、本発明の平面アンテナは、パッチ導体４と、その周囲に間隔をおいて同一面に設けられた接地導体６との間の電界によりパッチ導体４の端部で磁流を生じ、その磁流を波源として、電波を放射するものと考えられる。本発明の平面アンテナにおける共振周波数は、パッチ導体４の形状、寸法、パッチ導体４と接地導体６との間隔等を用いて設定することができる。電波の受信は、送信と受信との可逆性により、上記説明と反対の動作となる。
【００３０】
このように、本発明の平面アンテナは、パッチ導体４及び接地導体６が設けられた誘電体基板２の面の反対の面に導体が設けられていなくてもよく、誘電体基板２の一面にのみ、パッチ導体４、接地導体６及び中心導体５が設けられた、同一面又は共平面（コプレーナ）構造のアンテナにできるので、平面アンテナを誘電体基板２の片面に形成することができる。したがって、誘電体基板の両面に導体を設けなければならないＭＳＡに比べて、生産性及び耐久性が向上する。特に本発明の平面アンテナが車両用フロントガラス板等の窓ガラス板の車室内側に設けられた場合には、顕著に耐久性が向上する。さらに、給電部８もパッチ導体４等と同一の面側に設けることができるので、給電も容易になり、簡易でコンパクトな構成を実現することができる。
【００３１】
前述したとおり、突出部１ａ、ｂは縮退分離素子として機能するため、ＥＴＣのように円偏波の電波を送信又は受信する場合には、突出部１ａ、ｂが設けられているため通信特性が向上する。
【００３２】
パッチ導体４の１つの角と対角とにそれぞれ突出部１ａ、ｂを設けることにより、パッチ導体４の共振するモードの縮退が解け、パッチ導体４には直交する二つのモード（対角線方向）が発生し、その相対位相が９０°となり、円偏波アンテナとして良好に作動するものと考えられる。したがって、パッチ導体４に発生される直交する二つのモードの振幅ができるだけ同様になるようにし、かつ、できるだけ位相差が９０°になるように突出部１ａ、ｂの形状及び寸法を設定することが好ましい。
【００３３】
放射導体がパッチ導体であるＭＳＡでは、パッチ導体の１つの角と対角に縮退分離素子を設け円偏波用アンテナとすることが多い。その縮退分離素子はパッチ導体の１つの角と対角に突出部を設け、又は、１つの角と対角を切り欠くことによって構成している例が挙げられる。
【００３４】
しかし、本発明では、放射導体がパッチ導体であるＭＳＡとは異なり、パッチ導体４の１つの角と対角とに設けられた突出部１ａ、ｂが周囲の接地導体６に近接することによって生じる、パッチ導体４の電流分布の変化によって、共振するモードの縮退が解け、円偏波アンテナとして良好に作動するものと考えられる。
【００３５】
図１、２に示す例では、一枚の誘電体基板２上に形成されている。しかし、本発明においては、例えば、合わせガラス板や複層ガラス板等の多層誘電体基板であってもよく、この場合、合わせガラス板や複層ガラス板を構成するガラス板のどの面側に設けられてもよい。例えば、合わせガラス板の合わせ面側に形成してもよいが、この場合、ガラス板を横断してアンテナに給電するための給電手段が必要とされる。
【００３６】
さらに、誘電体基板は、ガラス板に限定されず、セラミック、ポリイミド樹脂、サファイア及びプリント配線基板等いずれであってもよい。また、アンテナの送信又は受信の効率を向上させるには低誘電損失の誘電体基板を用いるのが好ましい。また、誘電体基板は、表層に着色したプリント膜、例えば黒色プリント膜を形成したものを用いてもよい。
【００３７】
誘電体基板２の面の表層には、黒色セラミック膜が形成されてもよい。また、本発明の平面アンテナを車両用窓ガラス板に設けてもよい。この場合、本発明の平面アンテナは車両用フロントガラス板等の窓ガラス板の車室内側に設けられることが好ましい。また、前記車両用ガラス板が合わせガラス板である場合には、本発明の平面アンテナは、合わせガラスを構成するガラス基板に設けられてもよい。
【００３８】
本発明の平面アンテナは、車両用フロントガラス板の縁から１００ｍｍ以内の範囲に形成されるのが好ましく、車両用フロントガラス板を車両に装着する際の左右方向の中心線を中心とする左右１００ｍｍ以内の範囲に形成されるのが好ましい。
【００３９】
本発明の平面アンテナは、例えば、車両用フロントガラス板等の窓ガラス板の面に形成してＥＴＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｔｏｌｌ  ＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ：ノンストップ自動料金収受システム、路側無線装置の送信周波数：５．７９５ＧＨｚ又は５．８０５ＧＨｚ、路側無線装置の受信周波数：５．８３５ＧＨｚ又は５．８４５ＧＨｚ）におけるアンテナとして利用される。すなわち、車両用フロントガラス板を誘電体基板２として用いる。このような平面アンテナは、狭域通信（ＤＳＲＣ：Ｄｅｄｉｃａｔｅｄ  Ｓｈｏｒｔ  Ｒａｎｇｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ）制御回路等とともに一体化して誘電体基板２上に設けられてもよい。
【００４０】
なお、本発明の平面アンテナは、上述した５．８ＧＨｚの周波数帯を用いた無線通信を行うＥＴＣにおいて好適に用いられるが、ＥＴＣに限定されず、同様の周波数帯を用いる種々のデータ通信にも使用可能である。例えば、自動車電話用の８００ＭＨｚ帯（８１０〜９６０ＭＨｚ）、自動車電話用の１．５ＧＨｚ帯（１．４２９〜１．５０１ＧＨｚ）、ＵＨＦ帯（３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ）、ＧＰＳ人工衛星のＧＰＳ信号１５７５．４２ＭＨｚ等の電波の送信又は受信に用いることもできる。上記帯域以外にもマイクロ波の周波数の電波（１ＧＨｚ〜３ＴＨｚ）やミリ波帯の電波（３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）の送信又は受信にも用いることができる。
【００４１】
【実施例】
以下に実施例を用いて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例には限定されず、本発明の要旨を損なわない限り、各種の改良や変更も本発明に含まれる。誘電体基板としてガラス布基材フッ素樹脂銅張プリント基板を使用し、図１、２に示すような平面アンテナを製作した。パッチ導体４、突出部１ａ、ｂ、インピーダンス変成器５及び接地導体６は、ガラス布基材フッ素樹脂銅張プリント基板の銅箔をエッチングにより形成した。各部の寸法、定数は以下のとおりである。
【００４２】
測定用の放射器から周波数５．０ＧＨｚの電波を放射し、パッチ導体４の左右中心の線（図１における鉛直線であって、図１における誘電体基板２の左右中心の線と同軸）を軸として上記ガラス布基材フッ素樹脂銅張プリント基板を回転させて、スピニング・ダイポールパターンを測定した。図３にその回転角と感度の特性を示した。スピニング・ダイポールパターンは、通常、円偏波に対して最大受信電界と最小受信電界の比を軸比（Ａｘｉａｌ  Ｒａｔｉｏ：ＡＲ）として、円偏波に対応する特性を評価する指標とされる。図３に示すとおり、ボアサイトの軸比は０．５ｄＢ以下であり、良好な軸比が得られ、良好な円偏波特性となった。
【００４３】
2004320356.tif 000003
【００４４】
【発明の効果】
本発明では、パッチ導体が四角形状又は略四角形状であり、該パッチ導体の１つの角と対角とにそれぞれ突出部を設け、該パッチ導体を囲んでいる該接地導体のパッチ導体側の少なくとも３つの縁辺の形状のそれぞれが直線又はほぼ直線であるために、良好な円偏波特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の平面アンテナの一実施例の平面図。
【図２】図２は図１に示す平面アンテナのＡ−Ａ’断面図。
【図３】例１のスピニング・ダイポールパターン特性図。
【図４】従来の平面アンテナの一実施例の平面図。
【図５】図１に示す平面アンテナのパッチ導体４付近の拡大平面図。
【符号の説明】
１ａ、ｂ：突出部
２：誘電体基板
４：パッチ導体
６：接地導体
【図１】
2004320356.tif 000004
【図２】
2004320356.tif 000005
【図３】
2004320356.tif 000006
【図４】
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【図５】
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