(57)【要約】【課題】良好なアンテナ特性を簡単な構成で確保し得る二周波共用平面パッチアンテナ等を提供することを目的とする。【解決手段】２つの異なる周波数帯域を共用可能な二周波共用平面パッチアンテナであって、接地導体１１と、接地導体１１の上部に配置され所定の厚さに形成された誘電体基板１２と、誘電体基板１２の上部平面における所定形状の範囲に形成され所定位置に高周波用給電点１７を有する高周波用パッチ１５と、誘電体基板１２の上部平面において高周波用パッチ１５を内包する範囲に形成され所定位置に低周波用給電点１６を有する低周波用パッチ１４と、誘電体基板１２の略中央下部の接地導体１１に接する範囲において誘電体基板の厚さより小さい厚さで設けられた空気層１３とを備えて構成される。【選択図】      図１
2005051329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの異なる周波数帯域を共用可能な二周波共用平面パッチアンテナであって、
接地導体と、
前記接地導体の上部に配置され、所定の厚さに形成された誘電体基板と、
前記誘電体基板の上部平面における所定形状の範囲に形成された高周波用パッチと、
前記誘電体基板の上部平面において前記高周波用パッチを内包する範囲に形成された低周波用パッチと、
前記誘電体基板の略中央下部の前記接地導体に接する範囲において前記誘電体基板の厚さより小さい厚さで設けられた空気層と、
を備えることを特徴とする二周波共用平面パッチアンテナ。
【請求項２】
前記空気層の横幅は前記高周波用パッチの横幅より大きく前記誘電体基板の横幅より小さい範囲に設定され、前記空気層の側面が前記誘電体基板に囲まれる配置となることを特徴とする請求項１に記載の二周波共用平面パッチアンテナ。
【請求項３】
前記空気層の横幅は前記誘電体基板の横幅より僅かに小さい範囲に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の二周波共用平面パッチアンテナ。
【請求項４】
前記空気層の横幅は前記誘電体基板の横幅と同一に設定されて前記空気層の側面が開放される配置となり、前記誘電体基板は支持部材を介して前記接地導体上に固定されることを特徴とする請求項１に記載の二周波共用平面パッチアンテナ。
【請求項５】
２つの異なる周波数帯域を共用可能な二周波共用平面パッチアンテナであって、
接地導体と、
前記接地導体の上部に配置され、所定の厚さに形成された誘電体基板と、
前記誘電体基板の上部平面における所定形状の範囲にスロット状放射素子を含む二周波共用パッチと、
前記誘電体基板の略前記スロット状放射素子下部の前記接地導体に接する範囲において前記誘電体基板の厚さより小さい厚さで設けられた空気層と、
を備えることを特徴とする二周波共用平面パッチアンテナ。
【請求項６】
前記空気層の横幅は前記誘電体基板の横幅より僅かに小さい範囲に設定されていることを特徴とする請求項５に記載の二周波共用平面パッチアンテナ。
【請求項７】
前記誘電体基板は、比誘電率が略１０以上の材料を用いて形成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の二周波共用平面パッチアンテナ。
【請求項８】
２つの異なる周波数帯域を共用可能な二周波共用平面パッチアンテナであって、
接地導体と、
前記接地導体の上部に配置され、所定の厚さに形成された誘電体基板と、
前記誘電体基板の上部平面における所定形状の範囲に形成された高周波用パッチと、
前記誘電体基板の上部平面において前記高周波用パッチを内包する範囲に形成された低周波用パッチと、
前記誘電体基板の略中央下部の前記接地導体に接する範囲において前記誘電体基板の厚さより小さい厚さで設けられ、前記誘電体基板の誘電率より十分低い誘電率を持つ材料が充填された誘電体層と、
を備えることを特徴とする二周波共用平面パッチアンテナ。
【請求項９】
前記高周波用パッチはＶＩＣＳ用アンテナとして機能し、前記低周波用パッチはＧＰＳ用アンテナとして機能することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の二周波共用平面パッチアンテナ。
【請求項１０】
３つ以上の異なる周波数帯域を共用可能なアンテナであって、前記各周波数帯域のうち少なくとも２つの異なる周波数帯域を共用させるために、請求項１から請求項９のいずれかに記載の二周波共用平面アンテナを用いたことを特徴とする多周波共用平面パッチアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の異なる周波数帯域に対応する多周波共用平面パッチアンテナに関するもので、特に、車載情報端末に必要な周波数１．５７５ＧＨｚ帯のＧＰＳ用アンテナと２．５ＧＨｚ帯のＶＩＣＳ用アンテナと周波数５．８ＧＨｚ帯のＥＴＣ用アンテナ等の複数のものに対応する車載用途の多周波共用平面パッチアンテナとして好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車に搭載される情報端末では、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）やＶＩＣＳ（Ｖｅｈｉｃｌｅ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）やＥＴＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｔｏｌｌ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）等の利用が普及している。ＧＰＳは、自動車の位置情報をＧＰＳ衛星から受信してナビゲーション機能を実現するために有用なシステムであり、ＶＩＣＳは、移動経路上の施設の情報など多様な各種情報をリアルタイムで提供するシステムであり、ＥＴＣは有料道路での料金自動支払いシステムである。そして、それぞれのシステムにおける情報送信においては、それぞれ異なった周波数帯の電波が用いられるので、これらを複合的に利用するには、それぞれの電波に適合する複数の受信アンテナを自動車に設置する必要がある。
【０００３】
ところで、上述の複数のアンテナを別々に自動車に設置するのでは、設置スペースの確保や伝送ケーブルの配線など、小型化や簡素化の面で不利益が大きい。そこで、複数の異なる周波数のうちの２つに対応するアンテナを同一平面上に構成した共平面構造を持つ二周波共用平面パッチアンテナが提案されている（例えば、非特許文献１）。このような二周波共用平面パッチアンテナは、図１０に示すように、所定サイズの誘電体基板１０２の下部に接地導体１０１を設け、誘電体基板１０１の上部平面において、外側に低周波用パッチ１０３を形成するとともに所定幅の間隙を隔てた内側に高周波用パッチ１０４を形成した構造になっている。そして、低周波用パッチ１０３と高周波用パッチ１０４のそれぞれの適切な位置に給電点を形成することにより、同一平面上に複数の異なる周波数用のアンテナが構成されることになる。
【０００４】
【非特許文献１】
２００１年電子情報通信学会総合大会Ｂ−１−１７４「マルチモード端末用２共振型アンテナの一検討」
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の共平面構造を持つ二周波共用平面パッチアンテナを利用することは、小型かつ簡素に構成できる点ではメリットがあるが、良好なアンテナ特性を実現する点では十分ではない。すなわち、図１０において、内側の高周波用パッチ１０４は、外側の低周波用パッチ１０３に内包される構造をとるために外形が制約されるとともに、高周波用パッチ１０４に近接して配置される低周波用パッチ１０３との間の電気的結合による悪影響を受ける。また、誘電体基板１２の誘電率を低周波用パッチ１０３と高周波用パッチ１０４の双方に対して最適化することは容易ではない。これらの要因から、内側の高周波用パッチ１０４については利得や帯域幅などのアンテナ特性を良好に保つことが困難となり、特に、帯域幅が狭くなることが実用上の大きな問題となる。
【０００６】
そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、共平面構造を持つ二周波共用平面パッチアンテナの良好なアンテナ特性を簡単な構成で確保し、特に内側の高周波用パッチの利得向上と広帯域化を実現可能な二周波共用平面パッチアンテナ等を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、２つの異なる周波数帯域を共用可能な二周波共用平面パッチアンテナであって、接地導体と、前記接地導体の上部に配置され、所定の厚さに形成された誘電体基板と、前記誘電体基板の上部平面における所定形状の範囲に形成された高周波用パッチと、前記誘電体基板の上部平面において前記高周波用パッチを内包する範囲に形成された低周波用パッチと、前記誘電体基板の略中央下部の前記接地導体に接する範囲において前記誘電体基板の厚さより小さい厚さで設けられた空気層とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、二周波共用平面パッチアンテナにおいては、誘電体基板の上部平面に形成された高周波用パッチと低周波用パッチがそれぞれ異なる周波数帯域に対応している。そして、誘電体基板の略中央下部には空気層が設けられ、この空気層が接地導体に接する状態で誘電体基板の厚さより小さい厚さとなっている。よって、内側の高周波用パッチの下方には、誘電体基板と空気層が重なる配置となって実効的な誘電率が下がるため、適切な設計条件を設定することによりアンテナの有効面積を広げて利得や帯域を向上させることができ、簡単な構成で高周波側の良好なアンテナ特性を確保し得る二周波共用平面パッチアンテナを実現することができる。
【０００９】
請求項２に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、請求項１に記載の二周波共用平面パッチアンテナにおいて、前記空気層の横幅は前記高周波用パッチの横幅より大きく前記誘電体基板の横幅より小さい範囲に設定され、前記空気層の側面が前記誘電体基板に囲まれる配置となることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、請求項１に記載の発明の作用に加えて、高周波用パッチの端部の下部に空気層が含まれ、生じる電界が空気層にしみだし、広帯域化に効果を奏する。
【００１１】
請求項３に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、請求項２に記載の二周波共用平面パッチアンテナにおいて、前記空気層の横幅は前記誘電体基板の横幅より僅かに小さい範囲に設定されていることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、請求項２に記載の発明の作用に加えて、僅かな幅を持つ誘電体基板の端部に新たな電界が生じ、帯域を最適化し得る高周波用パッチを実現することができる。これは高周波用パッチ近傍に低周波用パッチが存在する二周波共用平面パッチアンテナ特有の現象である。
【００１３】
請求項４に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、請求項１に記載の二周波共用平面パッチアンテナにおいて、前記空気層の横幅は前記誘電体基板の横幅と同一に設定されて前記空気層の側面が開放される配置となり、前記誘電体基板は支持部材を介して前記接地導体上に固定されることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、請求項１に記載の発明の作用に加えて、誘電体基板の下部の全体にわたって空気層を設けた構造をとる場合、誘電体形状を単純化できる。
【００１５】
請求項５に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、２つの異なる周波数帯域を共用可能な二周波共用平面パッチアンテナであって、接地導体と、前記接地導体の上部に配置され、所定の厚さに形成された誘電体基板と、前記誘電体基板の上部平面における所定形状の範囲にスロット状放射素子を含む二周波共用パッチと、前記誘電体基板の略前記スロット状放射素子下部の前記接地導体に接する範囲において前記誘電体基板の厚さより小さい厚さで設けられた空気層とを備えることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、スロット状放射素子を含む二周波共用パッチの高周波用スロットの下部に空気層が設けられ、この空気層が接地導体に接する状態で誘電体基板の厚さより小さい厚さとなっている。よって、内側の高周波用スロットの下方には、誘電体基板と空気層が重なる配置となって実効的な誘電率が下がるため、適切な設計条件を設定することによりアンテナの有効面積を広げて利得や帯域を向上させることができ、簡単な構成で高周波側の良好なアンテナ特性を確保し得る二周波共用平面パッチアンテナを実現することができる。
【００１７】
請求項６に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、請求項５に記載の二周波共用平面パッチアンテナにおいて、前記空気層の横幅は前記誘電体基板の横幅より僅かに小さい範囲に設定されていることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、請求項５に記載の発明の作用に加えて、僅かな幅を持つ誘電体基板の端部に新たな電界が生じ、帯域を最適化し得る高周波用スロットを実現することができる。
【００１９】
請求項７に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、請求項１から請求項４のいずれかに記載の二周波共用平面パッチアンテナにおいて、前記誘電体基板は、比誘電率が略１０以上の材料を用いて形成されることを特徴とする。
【００２０】
請求項８に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、２つの異なる周波数帯域を共用可能な二周波共用平面パッチアンテナであって、接地導体と、前記接地導体の上部に配置され、所定の厚さに形成された誘電体基板と、前記誘電体基板の上部平面における所定形状の範囲に形成された高周波用パッチと、前記誘電体基板の上部平面において前記高周波用パッチを内包する範囲に形成された低周波用パッチと、前記誘電体基板の略中央下部の前記接地導体に接する範囲において前記誘電体基板の厚さより小さい厚さで設けられ、前記誘電体基板の誘電率より十分低い誘電率を持つ材料が充填された誘電体層とを備えることを特徴とする。
【００２１】
請求項９に記載の二周波共用平面パッチアンテナは、請求項１から請求項８のいずれかに記載の二周波共用平面パッチアンテナにおいて、前記高周波用パッチはＶＩＣＳ用アンテナとして機能し、前記低周波用パッチはＧＰＳ用アンテナとして機能することを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、上述の発明の作用に加えて、ＶＩＣＳ用の電波を高周波用パッチで受信し、ＧＰＳ用の電波を低周波用パッチで受信する車載用途の好適な二周波共用平面パッチアンテナを実現することができる。
【００２３】
請求項１０に記載の多周波共用平面パッチアンテナは、３つ以上の異なる周波数帯域を共用可能なアンテナであって、前記各周波数帯域のうち少なくとも２つの異なる周波数帯域を共用させるために、請求項１から請求項９のいずれかに記載の二周波共用平面アンテナを用いたことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係るに二周波共用平面パッチアンテナの一形態として、低周波側の第１の周波数帯域と、この第１の周波数帯域の比較的近い高周波側の第２の周波数帯域とを共用可能な二周波共用平面パッチアンテナに対し本発明を適用する場合を説明する。例えば、車載情報端末に搭載される二周波共用平面パッチアンテナとして、低周波側の周波数１．５７５ＧＨｚ帯のＧＰＳ用受信アンテナと、高周波側の周波数２．５ＧＨｚ帯のＶＩＣＳ用受信アンテナとを共用する車載用途の二周波共用平面パッチアンテナに利用することができる。
【００２５】
図１は、本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナ１の構造を示す図であり、平面図及び側面図をそれぞれ示している。図１に示すように本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナ１は、十分にサイズの大きい接地導体としての接地板１１の上部に誘電体基板１２が配置され、さらに誘電体基板１２の上部平面に導体でアンテナパターンが形成される構造になっている。
【００２６】
図１の側面図に示すように、接地板１１の上部の誘電体基板１２は、所定の誘電率を持つ所定の厚さの誘電体材料からなり、その中央下部には部分的に空気層１３を設けた構造を有している。空気層１３は、誘電体基板１１の外周部分を除いた矩形領域に誘電体基板１２の厚さより小さい所定の厚さで形成され、下方で接地板１１に接する配置となっている。なお、空気層１３のサイズは後述するようにアンテナパターンとの関係で定められる。このような空気層１３を設けた構造にしたため、誘電体基板１２は、その外周部分の下面が接地板１２の上部に配置された状態で固定されることになる。
【００２７】
また、図１の平面図に示すように、誘電体基板１２の上部平面に形成されるアンテナパターンは、外側の低周波用パッチ１４と内側の高周波用パッチ１５とを含む共平面構造になっている。外側に配置される低周波用パッチ１４は、２つの矩形に囲まれ所定のパッチ幅を持つ範囲に形成されている。また、内側に配置される高周波用パッチ１５は、低周波用パッチ１４に内包される比較的サイズの小さな矩形の範囲に形成されている。図１に示すように、これら低周波用パッチ１４と高周波用パッチ１５は、所定幅の間隙を置いて配置されている。
【００２８】
なお、図１においては、低周波用パッチ１４及び高周波用パッチ１５は、正方形の形状を用いて範囲が定められる例を示しているが、低周波用パッチ１４が高周波用パッチを内包する関係であれば例えば長方形や円形等の他の形状を用いることもできる。また、図２に示すように、スロット状放射素子としての高周波用スロット１９が低周波用パッチ１８に内包される形態を持つ二周波共用平面パッチアンテナ２に対しても本発明を適用することができ、その高周波用スロット１９の形状、個数は様々なものを用いることができる。さらに、誘電体基板１２の外形についても様々な変形を加えることができる。
【００２９】
低周波用パッチ１４及び高周波用パッチ１５には、それぞれ所定位置で電気的に結合する低周波用給電点１６と高周波用給電点１７が設けられている。低周波用パッチ１４や高周波用パッチ１５は、電気的に接触した給電や、それに整合回路付きのものや、直接接触のない容量結合等の適当な手法において給電できる。それらの手法の中で、例えば図１においては、低周波用パッチ１４にはその側の低周波用給電点１６で容量結合による給電をしており、高周波用パッチ１５には高周波用給電点１７で誘電体基板１２の下面から貫通する穴を介して直接給電している。それぞれの低周波用給電点１６及び高周波用給電点１７の位置は、それぞれのアンテナ特性に応じて調整することが可能である。
【００３０】
次に、本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナ１において、誘電体基板１２の中央下部に設けた空気層１３の役割およびアンテナ特性との関係について説明する。本実施形態においては、主に内側の高周波用パッチ１５について、利得及び帯域幅などのアンテナ特性を向上させることを目的として誘電体基板１２の中央下部に空気層１３を設けている。特に、高周波用パッチ１５の利得及び帯域幅は、空気層１３のパッチ平面方向のサイズに依存して変化するため、以下に述べるようにシミュレーションにより最適な設計条件を導くための検討を行った。
【００３１】
以下、本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナ１に関し、シミュレーションに基づき得られたアンテナ特性及び設計条件について図３〜図６に基づき説明する。ここでは、低周波用パッチ１４がＧＰＳ用電波に比較的近い周波数で動作し、高周波用パッチ１５がＶＩＣＳ用電波に比較的近い周波数で動作する二周波共用平面パッチアンテナ１の設計条件を導くためのシミュレーションを想定する。二周波共用平面パッチアンテナ１のシミュレーションを行うための構造モデルを図３に示すとともに、この構造モデルにそれぞれ具体的な設計条件を与えてシミュレーションを行った場合の高周波用パッチ１５のアンテナ特性を図４に示す。
【００３２】
まず、図３に示す構造モデルにおいては、外側の低周波用パッチ１４を横幅Ｌ１（一辺の長さ）の正方形に囲まれる範囲に形成し、間隔Ｌ２だけ隔てて内側の高周波用パッチ１５を横幅Ｌ３（一辺の長さ：Ｌ３＜Ｌ１）の正方向に囲まれる範囲に形成する。また、誘電体基板１２は、比誘電率εｒの材料からなり、横幅Ｌ４（Ｌ４＞Ｌ１）で厚さＷ１の領域に形成する。
【００３３】
また、空気層１３は、横幅Ｌ５で厚さＷ２（Ｗ２＜Ｗ１）の領域に形成する。なお、低周波用パッチ１４、高周波用パッチ１５、誘電体基板１２、空気層１３は、パッチ平面方向でそれぞれ共通の中心を持つ正方形の形状を有している。図３に示す各パラメータのうち、誘電体基板１２の厚さＷ１及び空気層１３の厚さＷ２をそれぞれ固定とした場合におけるアンテナ特性と空気層１３の横幅Ｌ５の関係をシミュレーションにより検証した。
【００３４】
表１は、誘電体基板１２の比誘電率εｒが１０以上の範囲で高周波用パッチ１５が所定の周波数で共振するように調整した場合の設計条件の一例を示している。表１においては、空気層１３の横幅が０の時点における誘電体基板１２中の実効的な波長λｇを用いて図３の構造モデルの各パラメータを規定している。なお、実効的な波長λｇは、共振波長λと、誘電体基板１２の比誘電率εｒを考慮してλｇ＝λ／√εｒから求めたものである。
【００３５】
【表１】
2005051329.tif 000003
一方、図４は、表１に示す設計条件を用いてシミュレーションを行った結果、空気層１３の横幅Ｌ５を変化させた場合の高周波用パッチ１５のアンテナ特性（利得、比帯域）を示す図である。図４の横軸においては、空気層１３の横幅Ｌ５を誘電体基板１２の横幅Ｌ４で規格化して表している（規格化サイズ）。このとき、空気層１３の規格化サイズ０の条件は、誘電体基板１２に空気層１３を設けない従来の構成に相当する。よって、この場合の高周波用パッチ１５の利得及び比帯域を基準として、空気層１３を設けたことによる効果を判断することができる。図４に示すように、空気層１３の横幅Ｌ５を高周波用パッチ１５の横幅Ｌ３（規格サイズ≒０．４２）から誘電体基板１２の横幅Ｌ５（規格化サイズ１）までの範囲で変化させ、高周波用パッチ１５の利得及び比帯域を求めた。なお、空気層１３以外の全てのパラメータは固定のまま、高周波用パッチ１５の共振周波数がＶＩＣＳ用電波に比較的近い周波数で動作するように、誘電体基板１２の比誘電率を適宜調整している。
【００３６】
ここで、誘電体基板１２及び空気層１３は、Ｌ５＜Ｌ４の条件では図５（ａ）に示すような断面形状となり、Ｌ５＝Ｌ４の条件では図５（ｂ）に示すような断面形状となる。すなわち、図５（ａ）の場合は、空気層１３の側面が誘電体基板１２に囲まれる配置で密閉された状態となるのに対し、図５（ｂ）の場合は、誘電体基板１２の下部全体で空気層１３の側面に誘電体基板１２がなく開放された配置となっている。
【００３７】
図４に示すように、高周波用パッチ１５の利得は、空気層１３の横幅Ｌ５が大きくなるとともに向上することがわかる。また、高周波用パッチ１５の比帯域は、空気層１３の横幅Ｌ５が大きくなると向上するが、Ｌ５がＬ４に近い所定の値でピークを持つことがわかる。このように、従来の構成と比べた場合、高周波用パッチ１３の外形から誘電体基板１２の外形の範囲にわたって空気層１３を形成することにより良好なアンテナ特性を有する高周波用パッチ１５を実現できる。特に、誘電体基板１２の外形より僅かに小さい空気層１３を形成することにより、高周波用パッチ１５のアンテナ特性を顕著に向上させることができる。
【００３８】
ここで、高周波用パッチ１５の比帯域が図４に示すようなピークを持つのは、主に高周波用パッチ１５と接地板１１との間の電界分布の影響によると考えられる。すなわち、誘電体基板１２の外形より僅かに小さい空気層１３を形成する場合において、高周波用パッチ１５近傍で電界が生じるのに加え、僅かな幅を持つ誘電体基板１２側面の近傍に新たに電界が生じる効果が、比帯域の増大に寄与している。一方、空気層１３を図５（ｂ）に示すような断面形状にした場合、上述の電界による効果は得られないため、その手前でピークを持つと考えられる。利得においては、高周波用パッチ１５のアンテナ有効面積が実質的に広がっていること、また空気層１３を多く含むことによる誘電体損失の低減による効果から、向上しているものと考えられる。
【００３９】
なお、誘電体基板１２の比誘電率εｒを低く設定した場合は、空気層１３を設けた場合の高周波用パッチ１５のアンテナ特性が劣化する傾向がある。特に、空気層１３の横幅Ｌ５が高周波用パッチ１５の横幅Ｌ３に接近する範囲では顕著に劣化する。従って、誘電体基板１２の比誘電率εｒは、ある程度大きな値に設定する必要がある。本方式を用いる場合には、高周波用パッチ１５のアンテナ特性を確保するため、誘電体基板１２は、比誘電率εｒが略１０以上の材料を用いて形成することが望ましい。
【００４０】
次に図６は、図３に示す構造モデルに対応する低周波用パッチ１４のアンテナ特性（利得、比帯域）を示す図である。本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナ１は、主に高周波用パッチ１５のアンテナ特性の向上を目的としているが、空気層１３を設けたことによる低周波用パッチ１４のアンテナ特性に与える影響を検証することも重要であることから、以下に述べるようにシミュレーションにより検討を行った。
【００４１】
図６においては、空気層１３の横幅Ｌ５を３通りに変化させ（規格化サイズ：０、約０．７９、１）、それぞれの低周波用パッチ１４の利得及び比帯域を求めた。なお、全てのパラメータは図４の場合と同様であり、低周波用パッチ１４の共振周波数がＧＰＳ用電波に比較的近い周波数で動作するように、誘電体基板１２の比誘電率を適宜調整している。図６に示すように、従来の構成に相当する規格化サイズ０の場合と比較すると、規格化サイズ約０．７９の場合は良好な利得及び比帯域が得られるのに対し、規格化サイズ１の場合は利得、比帯域とも劣化することがわかる。すなわち、空気層１３の誘電体基板１２の全体にわたって空気層１３を設けるのは、低周波用パッチ１４のアンテナ特性の面からは不利になる。
【００４２】
このように、本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナ１を構成する上で、空気層１３の横幅Ｌ５は、低周波用パッチ１４及び高周波用パッチ１５のアンテナ特性のバランスを考慮して決定する必要がある。図４及び図６の結果によれば、特に高周波用パッチ１５のアンテナ特性を重視する場合、空気層１３の横幅Ｌ５を誘電体基板１２の横幅Ｌ４より若干小さい範囲で設定するか、あるいはＬ５＝Ｌ４として空気層１３の側面を開放させる構成を採ることが望ましいが、低周波用パッチ１４のアンテナ特性の確保を考えた場合、空気層１３の横幅Ｌ５は側面を開放させない構成で設定することが望ましい。ただし、かかる構成は、表１の設計条件を前提とする場合であり、表１に含まれるパラメータや周波数条件を変更する場合、空気層１３の横幅Ｌ５の最適値は変動するものと推測される。
【００４３】
なお、上述のシミュレーションにおいては、主に空気層１３の横幅Ｌ５を変化させる一方、空気層１３の厚さＷ２は固定としたが、設計条件によっては空気層１３の厚さＷ２を適宜に調整してもよい。例えば、図７（ａ）に示すように、空気層１３の厚さＷ２が誘電体基板１２の厚さＷ１よりも十分に小さくなるような構成を用いたり、図７（ｂ）に示すように、空気層１３の厚さＷ２が誘電体基板１２の厚さＷ１に近くなるような構成を用いることができる。また空気層１３の形状も様々な変形が可能である。
【００４４】
次に、誘電体基板１２及び空気層１３を図５（ａ）に示すような断面形状を持たせて形成する場合には、誘電体基板１２と空気層１３を一体的に形成し、接地板１０１に固定すればよい。この場合、支持部材等の各種部材が不要であり、誘電体基板１２を１種の材料で形成できるとともに空気層１３の体積分だけ材料が少なくて済むため、コストメリットが大きい。
【００４５】
一方、図８は、誘電体基板１２及び空気層１３を図５（ｂ）に示すような断面形状を持たせて形成する場合、誘電体基板１２を固定するための実装方法の一例である。図８においては、誘電体基板１２の外周部の所定箇所に支持部材として、プラスチック等からなる複数のスペーサ２１を設ける構成を示している。例えば、誘電体基板１２の四隅に４つのスペーサ２１を配置すればよい。このようにスペーサ２１を設けたことにより、誘電体基板１２の下部の全体にわたって空気層１３を設けた場合であっても、誘電体基板１２を接地板１１に対して確実に固定することができる。
【００４６】
本実施形態においては、上記の構成に限定されることなく様々な変形を加えることができる。図１に示す二周波共用平面パッチアンテナ１の構成では、誘電体基板１２の中央下部に空気層１３を設ける場合を説明したが、例えば、図９に示すように、空気層１３の代わりに、誘電体基板１２の比誘電率ε１より十分低い比誘電率ε２を持つ材料が充填された誘電体層３１を設けるようにしてもよい。設計条件に含まれるパラメータの設定によっては、比誘電率ε２を持つ誘電体層３１を用いることにより、二周波共用平面パッチアンテナ１の良好なアンテナ特性を確保できる。
【００４７】
また、本実施形態では、２つの周波数帯域を共用可能な二周波共用平面パッチアンテナを説明したが、本発明は３つ以上の周波数帯域を共用する多周波共用平面パッチアンテナに対しても適用可能である。すなわち、図１に示すような構成を少なくとも２つの異なる周波数帯域を共用するために用い、さらに他の周波数帯域に対応するアンテナ素子を含む多周波共用平面パッチアンテナを構成してもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、共平面構造を持つ二周波共用平面パッチアンテナの誘電体基板の略中央下部に空気層を設けたので、良好なアンテナ特性を簡単な構成で確保することができる。特に、二周波共用平面パッチアンテナにおける高周波用パッチの利得向上と広帯域化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナの構造を示す図である。
【図２】本実施形態に係る二周波共用平面をスロット状放射素子を含む形態に適用した場合の構造を示す図である。
【図３】本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナのシミュレーションを行うための構造モデルを示す図である。
【図４】図３に示す構造モデルにそれぞれ具体的な設計条件を与えてシミュレーションを行った場合の高周波用パッチのアンテナ特性を示す図である。
【図５】本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナにおいて、誘電体基板及び空気層の断面形状を示す図である。
【図６】図３に示す構造モデルに対応する低周波用パッチのアンテナ特性を示す図である。
【図７】本実施形態に係る二周波共用平面パッチアンテナにおいて、空気層の厚さを変化させた場合の構成を示す図である。
【図８】誘電体基板及び空気層を図５（ｂ）に示すような断面形状を持たせて形成する場合、誘電体基板を固定するための実装方法の一例である。
【図９】空気層の代わりに誘電体基板の誘電率より十分低い誘電率を持つ材料を充填した誘電体層を設ける構成を示す図である。
【図１０】従来の共平面構造を持つ二周波共用平面パッチアンテナの構造を示す図である。
【符号の説明】
１、２…二周波共用平面パッチアンテナ
１１…接地板
１２…誘電体基板
１３…空気層
１４、１８…低周波用パッチ
１５…高周波用パッチ
１６…低周波用給電点
１７…高周波用給電点
１９…高周波用スロット
２１…スペーサ
３１…誘電層
【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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【図１０】
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