(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する第１平面（４１）と第２平面（４２）とを備える誘電体基板（４）と、
前記第１平面に配置され、前記第１平面よりも小さい放射素子（５、５０）と、
前記第２平面に配置され、前記第２平面よりも大きく、前記第２平面を含む平面方向において前記第２平面の外側に突き出している外側部分（３７）を備える地板（３、３ａ）と、
前記地板の前記外側部分に形成された１組の地板側縮退分離部（３２、３２ａ、３５、３５ａ）と、を備えることを特徴とする円偏波パッチアンテナ。
【請求項２】
請求項１において、
前記放射素子に形成された素子側縮退分離部（５１）を備えていることを特徴とする円偏波パッチアンテナ。
【請求項３】
請求項１または２の円偏波パッチアンテナ（１）と、モノポール導体素子（１２０）とを備えた統合アンテナ装置であって、
前記円偏波パッチアンテナの前記地板は、正方形の一組の対角が三角形状に欠落して前記地板側縮退分離部が形成された形状であり、
前記モノポール導体素子は、前記地板と同一面に設けられ、一端において給電され、他端が開放端となっており、給電側の端と前記開放端との間に折れ曲り部（１２１）を備え、前記開放端の側方に前記地板側縮退分離部が位置することを特徴とする統合アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円偏波パッチアンテナ、および、その円偏波パッチアンテナを備えた統合アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、誘電体基板の表面に放射素子を設け、裏面にグランドパターンを設けた円偏波パッチアンテナの特性を調整する方法が開示されている。
【０００３】
この特許文献１に開示されている調整方法では、アンテナ素子の特性偏差が大きい場合は、放射素子のみ、または、放射素子とグランドパターンをトリミングすることで特性を調整する。一方、アンテナ素子の特性偏差が小さい場合は、グランドパターンのみをトリミングすることで特性を調整する。
【０００４】
また、円偏波パッチアンテナにおいて、放射素子を載せる誘電体基板の誘電率を高くすると、誘電体基板による波長短縮効果により、放射素子を小型化できることが広く知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４４９１９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の円偏波パッチアンテナでは、放射素子もグランドパターンも、誘電体基板において、それら放射素子、グランドパターンが配置されている面の大きさよりも小さい。したがって、特許文献１の円偏波アンテナにおいて誘電体基板の誘電率を高くして、誘電体基板を小型化すると、グランドパターンも小さくなる。
【０００７】
誘電体基板よりも小さいグランドパターンに縮退分離部を形成することを考えた場合、縮退分離部も、誘電体基板による波長短縮効果を受ける。したがって、誘電体基板の誘電率がばらつくと、縮退分離部の大きさを、その誘電率のばらつきに応じて変化させる必要がある。
【０００８】
加えて、誘電体基板の誘電率が高いと、グランドパターンに形成された縮退分離部は非常に小さくなることから、軸比の要求性能を満たすための縮退分離部の大きさの許容範囲が狭い。したがって、誘電率が高い誘電体基板を用いると、縮退分離部を高い寸法精度で作っても、誘電体基板の誘電率のばらつきにより、縮退分離部の大きさが、軸比の要求性能を満たす範囲内にない場合も生じる。
【０００９】
また、縮退分離部の大きさを、軸比の要求性能を満たす範囲内の大きさとするために、縮退分離部をトリミングするとしても、非常に小さい部分をトリミングする必要がある。したがって、トリミングの加工精度が高くなければならい。そのため、動作周波数での軸比の調整が容易ではない。
【００１０】
本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、高誘電率の誘電体基板を用いても、動作周波数での軸比の調整が容易な円偏波パッチアンテナ、および、統合アンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は独立請求項に記載の特徴の組み合わせにより達成され、また、下位請求項は、発明の更なる有利な具体例を規定する。特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１２】
上記目的を達成するための本発明は、互いに対向する第１平面（４１）と第２平面（４２）とを備える誘電体基板（４）と、第１平面に配置され、第１平面よりも小さい放射素子（５、５０）と、第２平面に配置され、第２平面よりも大きく、第２平面を含む平面方向において第２平面の外側に突き出している外側部分（３７）を備える地板（３、３ａ）と、地板の外側部分に形成された１組の地板側縮退分離部（３２、３２ａ、３５、３５ａ）と、を備えることを特徴とする円偏波パッチアンテナである。
【００１３】
本発明では、地板は、誘電体基板の第２平面の外側に突き出している外側部分を備えており、地板側縮退分離部は、この外側部分に形成されている。誘電体基板の外側に突き出している部分に設けられていることから、地板側縮退分離部は、誘電体基板による波長短縮効果の影響を受けにくい。したがって、誘電体基板の誘電率がばらついても、地板側縮退分離部の大きさは、誘電体基板の誘電率と、軸比の要求性能から定まる許容範囲内にある可能性が高い。
【００１４】
加えて、地板側縮退分離部が外側部分に設けられていると、地板側縮退分離部の大きさの変化に対する軸比の変化が小さくなる。そのため、地板側縮退分離部をトリミングして軸比を調整するとしても、トリミングの許容範囲が広くなるので、動作周波数での軸比の調整が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態の円偏波パッチアンテナ１の平面図である。
【図２】第１実施形態の円偏波パッチアンテナ１の斜視図である。
【図３】第１実施形態の円偏波パッチアンテナ１の側面図である。
【図４】円偏波パッチアンテナ１の縮退分離部の一辺の長さの変化に対する、動作周波数での軸比の変化を示す図である。
【図５】比較構成において、縮退分離部の一辺の長さの変化に対する、動作周波数での軸比の変化を示す図である。
【図６】第２実施形態の統合アンテナ装置１００の平面図である。
【図７】第３実施形態の円偏波パッチアンテナ２００の平面図である。
【図８】変形例１の円偏波パッチアンテナの平面図である。
【図９】変形例２の円偏波パッチアンテナの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。第１実施形態の円偏波パッチアンテナ１は、衛星測位システムの一つであるＧＰＳ（Global Positioning System）で用いられる衛星から送信される電波を受信する。ＧＰＳでは１．５ＧＨｚ帯が用いられている。
【００１７】
図１に示すように、円偏波パッチアンテナ１は、回路基板２、地板３、高誘電体基板４、放射素子５、給電部６を備える。
【００１８】
回路基板２は、回路やアンテナなどを搭載するために一般的に用いられる基板であり、ガラスエポキシ樹脂などの誘電体材料製である。図１に示している回路基板２の形状は正方形状であるが、この回路基板２に搭載すべき要素を搭載することができれば、回路基板２の大きさ、形状に特に制限はない。
【００１９】
地板３は、銅や銀などの導体製の箔あるいは板であり、回路基板２の一方の面に形成されている。地板３は、正方形の一組の対角が二等辺三角形状に欠落した６角形状である。詳しくは、地板３の６辺を第１辺３１〜第６辺３６とすると、第１辺３１、第３辺３３、第４辺３４、第６辺３６は、互いに同じ長さであり、二等辺三角形状の部分が欠落していないとした場合に形成される平方形の４辺の一部をそれぞれ構成する。第２辺３２と第５辺３５も互いに同じ長さであり、かつ、互いに平行である。これら第２辺３２、第５辺３５は、請求項の地板側縮退分離部に相当する。
【００２０】
地板３の大きさは、第１辺３１と第４辺３４との間の長さ、および、第３辺３３と第６辺３６との間の長さが２５ｍｍである。すなわち、二等辺三角形状の部分が欠落していないとした場合に形成される正方形の一辺の長さが２５ｍｍである。したがって、本実施形態では、地板３の一辺の長さは、この円偏波パッチアンテナ１が動作する電波の波長の約１／８である。
【００２１】
この地板３の上には高誘電体基板４が配置されており、高誘電体基板４の第２平面４２（図３参照）が地板３に接触する。換言すれば、高誘電体基板４の第２平面４２に地板３が配置されている。高誘電体基板４は回路基板２よりも誘電率が高く、たとえば、誘電率８０である。
【００２２】
高誘電体基板４の形状は直方体形状である。高誘電体基板４の各面のうち、最も面積が広い１組の面を第１平面４１、第２平面４２とする。第１平面４１と第２平面４２は互いに平行である。前述のように、第２平面４２は地板３と接している。第１実施形態では、これら第１平面４１、第２平面４２は正方形であり、１辺は、ここでは１２ｍｍであるとする。したがって、一辺が２５ｍｍである地板３は、高誘電体基板４よりも大きい。
【００２３】
第１平面４１、第２平面４２の各辺は、地板３の第１辺３１、第３辺３３、第４辺３４、第６辺３６と平行になっている。第１平面４１第２平面４２との間の長さを、高誘電体基板４の厚さとする。図２に示すように、高誘電体基板４の厚さは、回路基板２よりも厚い。
【００２４】
高誘電体基板４は地板３の中央に配置されており、高誘電体基板４の第２平面４２の各辺と、地板３において、それら各辺と平行な第１辺３１、第３辺３３、第４辺３４、第６辺３６との間の距離は互いに等しい。地板３のうち、高誘電体基板４の第２平面４２を含む平面方向において第２平面４２の外側に突き出している部分を外側部分３７とする。地板側縮退分離部である第２辺３２、第５辺３５は、この外側部分３７に形成されていることになる。
【００２５】
放射素子５は銅や銀などの導体製の箔あるいは板である。第１実施形態の放射素子５の形状は正方形であり、一辺の長さは、第１平面４１の一辺の長さよりもわずかに短い。具体的には、第１実施形態の放射素子５の一辺の長さは１０ｍｍである。本実施形態の円偏波パッチアンテナ１は、ＧＰＳ用であり、動作周波数は１．５ＧＨｚ帯である。周波数が１．５ＧＨｚである場合、波長λは約２００ｍｍである。しかし、高誘電体基板４による波長短縮効果により、放射素子５の一辺の長さは、波長λの２分の１よりもはるかに短くなっている。
【００２６】
放射素子５の各辺は、第１平面４１の各辺と平行になるように配置されており、かつ、放射素子５の中心が第１平面４１の中心と重なるように、放射素子５は第１平面４１に配置されている。
【００２７】
給電部６は、放射素子５と同軸ケーブルの内部導体とを電気的に接続する部分であり、図３に示すように、回路基板２、地板３、高誘電体基板４を貫通しており、その先端部である給電点は放射素子５と接続している。
【００２８】
このように構成された円偏波パッチアンテナ１は、広く知られている円偏波パッチアンテナとは異なり、放射素子に縮退分離部を備えておらず、代わりに、地板３に縮退分離部として機能する第２辺３２、第５辺３５を備えている。このように、地板３に縮退分離部を構成することでも円偏波を放射することができる。
【００２９】
（実施形態の効果）
図４は、本実施形態の円偏波パッチアンテナ１において縮退分離部の一辺の長さの変化に対する、動作周波数での軸比の変化を示す図である。縮退分離部の一辺の長さとは、地板３から欠落している二等辺三角形の等辺の長さである。一方、図５は、本実施形態の円偏波パッチアンテナ１と比較するための比較構成において、縮退分離部の一辺の長さの変化に対する、動作周波数での軸比の変化を示す図である。比較構成は、図１〜図３の構成において、地板３を、二等辺三角形状の欠落部分がない正方形とし、代わりに、放射素子５に縮退分離部を設けた円偏波パッチアンテナである。
【００３０】
図４では、縮退分離部の一辺の長さが９ｍｍ付近を中心として、その長さが７．５ｍｍ付近から１２ｍｍを少し超える長さまで、軸比が６以下となっている。軸比は、右旋偏波と左旋偏波との比であり、軸比は小さいほど好ましい。仮に、軸比６以下が要求性能であれば、本実施形態では、縮退分離部の一辺の長さが、７．５ｍｍ付近から１２ｍｍを少し超える長さの間であれば、要求性能を満たすことになる。
【００３１】
これに対して、図５では、縮退分離部の一辺の長さが０．５ｍｍから１ｍｍを少し超える長さの範囲で軸比が６以下となっている。したがって、比較構成では、軸比を６以下にするためには、縮退分離部の一辺の長さを０．５ｍｍから１ｍｍを少し超える長さに収める必要がある。
【００３２】
図４、図５の比較から分かるように、本実施形態のように、地板３の外側部分３７に縮退分離部として機能する第２辺３２、第５辺３５を設けると、動作周波数で軸比の要求性能を満たす縮退分離部の一辺の長さの範囲が比較構成に比べて広くなる。大雑把には、本実施形態の円偏波パッチアンテナ１における縮退分離部の一辺の長さの許容範囲は、比較構成における縮退分離部の許容範囲よりも１０倍広くなる。この理由は、地板３の外側部分３７は高誘電体基板４による波長短縮効果を受けにくいからである。
【００３３】
動作周波数での軸比の要求性能を満たす縮退分離部の一辺の長さの範囲が広くなるので、高誘電体基板４の誘電率が多少ばらついても、円偏波パッチアンテナ１の軸比は、要求性能を満たす可能性が高い。したがって、第２辺３２、第５辺３５の大きさを調整することなく要求性能を満たす可能性も高い。
【００３４】
加えて、第２辺３２、第５辺３５の大きさの変化に対する軸比の変化が小さくなるので、トリミングにより第２辺３２、第５辺３５の大きさを調整して軸比を調整するとしても、トリミングの許容範囲が広くなるので、動作周波数での軸比の調整が容易になる。
【００３５】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態を説明する。この第２実施形態以下の説明において、それまでに使用した符号と同一番号の符号を有する要素は、特に言及する場合を除き、それ以前の実施形態における同一符号の要素と同一である。また、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した実施形態を適用できる。
【００３６】
第２実施形態では統合アンテナ装置１００を説明する。図６に示すように、統合アンテナ装置１００は、第１実施形態の円偏波パッチアンテナ１と逆Ｌアンテナ１１０の２つのアンテナを備えている。
【００３７】
逆Ｌアンテナ１１０は、モノポール導体素子１２０と、給電部１３０に加えて、円偏波パッチアンテナ１の構成要素でもある地板３を備えた構成である。この逆Ｌアンテナ１１０において、モノポール導体素子１２０の電気長は約λ／４となっている。
【００３８】
モノポール導体素子１２０は、回路基板２の地板３と同一面に設けられている。モノポール導体素子１２０の形状は、直線形状の線状導体素子をその途中において直角に曲げた形状であり、基部側の端部が給電部１３０に接続され、他端は開放端である。
【００３９】
このモノポール導体素子１２０において、直角に折れ曲がっている部分を折れ曲り部１２１とする。基部側の端部から折れ曲り部１２１までは、折れ曲り部１２１から開放端までに比べて相対的に短いので、基部側の端部から折れ曲り部１２１までを短手部１２２、折れ曲り部１２１から開放端までを長手部１２３とする。
【００４０】
短手部１２２の折れ曲り部１２１とは反対側の端は、給電部１３０に接続されている。給電部１３０は、地板３の一つの辺（ここでは第１辺３１）において、地板側縮退分離部として機能する第２辺３２とは反対側の角付近に設けられている。短手部１２２は、給電部１３０から、地板３の第１辺３１に対して垂直に伸びている。一方、長手部１２３は、第１辺３１に対して平行である。長手部１２３の長さは、第１辺３１よりも長くなっており、長手部１２３の開放端の側方には第２辺３２が位置する。なお、側方に位置するとは、第１辺３１を含む直線に直交する垂線であって、長手部１２３の開放端を通る垂線が、第２辺３２と交わることを意味する。
【００４１】
給電部１３０は、モノポール導体素子１２０の短手部１２２が同軸ケーブルの内部導体と電気的に接続されるとともに、同軸ケーブルの外部導体が地板３と電気的に接続された構成である。
【００４２】
（第２実施形態の効果）
この第２実施形態では、モノポール導体素子１２０の長手部１２３の開放端が、地板３の第２辺３２の側方まで伸びている。したがって、第２辺３２が設けられていない正方形状の地板の１辺にモノポール導体素子１２０を配置するよりも、逆Ｌアンテナ１１０の実効高さを高くすることができる。しかも、この第２辺３２は、縮退分離部としても機能している。
【００４３】
すなわち、この第２実施形態では、円偏波パッチアンテナ１の縮退分離部として機能している第２辺３２の傾斜を活用することで、統合アンテナ装置１００の大きさが大きくなることを抑制しつつ、逆Ｌアンテナ１１０の実効高さを高くすることができる。
【００４４】
＜第３実施形態＞
第３実施形態は、円偏波パッチアンテナ２００の実施形態である。この円偏波パッチアンテナ２００は、図７に示すように、第１実施形態の放射素子５に代えて、放射素子５０を備える。この放射素子５０は、対角に一組の素子側縮退分離部５１、５１を備えている点が、放射素子５と異なる。
【００４５】
この素子側縮退分離部５１、５１は、軸比の要求性能から定まる許容範囲の下限値程度あるいはそれよりも少し小さい大きさとされている。そのため、地板３ａも、地板側縮退分離部として機能する第２辺３２ａ、第５辺３５ａを備える。
【００４６】
ただし、これら第２辺３２ａ、第５辺３５ａの長さは、放射素子５０が素子側縮退分離部５１、５１を備えているので、第１実施形態の第２辺３２、第５辺３５の長さよりも短い。第２辺３２ａ、第５辺３５ａが短くなっている分、第１辺３１ａ、第３辺３３ａ、第４辺３４ａ、第６辺３６ａの長さは、第１実施形態の第１辺３１、第３辺３３、第４辺３４、第６辺３６よりも長い。
【００４７】
この第３実施形態でも、軸比を調整する場合には、トリミングにより第２辺３２ａ、第５辺３５ａの大きさを調整する。これら第２辺３２ａ、第５辺３５ａは地板３ａの外側部分３７に形成されているので、トリミングの許容範囲の広さは第１実施形態と同様である。したがって、動作周波数での軸比の調整が容易である。
【００４８】
加えて、第３実施形態では、放射素子５０が素子側縮退分離部５１を備えているため、第２辺３２ａ、第５辺３５ａが短くなる。そのため、地板３ａの大きさを大きくできる。地板３ａが大きくなることにより、地板３ａに電子部品を配置しやすくなる。
【００４９】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の変形例も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。
【００５０】
＜変形例１、２＞
たとえば、前述の第１〜第３実施形態では、地板側縮退分離部は、いずれも正方形の角部を二等辺三角形に欠落させた形状であった。しかし、地板側縮退分離部の形状は、放射素子に形成される縮退分離部の形状と同じ形状をとることができる。たとえば、地板側縮退分離部の形状は、図８に示すように、正方形の一組の角部から中心に向かって伸びる一組の長方形状の切り欠きでもよい（変形例１）。また、図９に示すように、正方形の一組の角部から、その正方形の対角線に対して互いに反対方向に突き出す一組の矩形形状の地板側縮退分離部としてもよい（変形例２）。なお、図８、図９においては、回路基板は省略している。
【００５１】
＜変形例３＞
さらに、これまでに示した地板の形状は、正方形を基本とした形状であったが、地板の形状は正方形を基本とした形状に限られず、円偏波を放射できることが知られている素子形状と同じ形状を、本発明の地板に採用することができる。したがって、地板の形状は、円形、楕円形、多角形でもよい。地板の形状をこれらの形状とした場合、地板側縮退分離部の形状は、放射素子をこれらの形状とした場合に放射素子に形成される種々の縮退分離部の形状と同じ形状にすることができる。
【００５２】
＜変形例４＞
前述の実施形態では、地板３の大きさを、電波の波長の約１／８としていたが、地板３の大きさは前述の実施形態で示した大きさに限られず、外側部分があれば、波長の１／２あるいはそれ以下、波長の１／４など、種々の大きさとすることができる。
【００５３】
＜変形例５＞
前述の実施形態の円偏波パッチアンテナ１は、ＧＰＳ用であったが、衛星放送ラジオ用のアンテナなど、ＧＰＳ用途以外にも本発明は適用できる。
【符号の説明】
【００５４】
１：円偏波パッチアンテナ、      ２：回路基板、      ３：地板、      ３ａ：地板、      ４：高誘電体基板、      ５：放射素子、      ６：給電部、      ３７：外側部分、      ４１：第１平面、      ４２：第２平面、      ５０：放射素子、      ５１：素子側縮退分離部、      ８０：誘電率、      １００：統合アンテナ装置、      １１０：逆Ｌアンテナ、      １２０：モノポール導体素子、      １２１：折れ曲り部、      １２２：短手部、      １２３：長手部、      １３０：給電部、      ２００：円偏波パッチアンテナ
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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