(57)【要約】【課題】寄生素子と短絡ピンを用いて広帯域化および小型化を図ったパッチアンテナを複数アレイ配置する際、電界方向および磁界方向に対称な指向特性を実現する。【解決手段】電界方向に対称に配置し、さらに磁界方向に対称に配置したパッチアンテナ１０Ａ〜１０Ｄを設ける。パッチアンテナ１０Ａと１０Ｃ、１０Ｂと１０Ｄはパッチ素子１３を第１の給電線路１６で互いに接続する。第１の給電線路１６は第２の給電線路１７で互いに接続する。第１の給電線路１６はパッチアンテナの中心ラインＬ１よりも外側に配置する。第２の給電線路１７は中心ラインＬ２よりも1/4波長ずれたラインＬ３上に配置し、その両端にインピーダンス整合用のインピーダンス整合線路１８を配置し、中間に給電点１９を配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板の下面に接地導体を形成し、該誘電体基板の上面にパッチ素子を形成し、該パッチ素子の上方に寄生素子を形成し、前記パッチ素子および前記寄生素子の長さを電界方向にそれぞれの設計周波数における1/4波長に設定し、前記パッチ素子の給電点と反対側の端部を前記接地導体と前記寄生素子に短絡ピンで短絡して１個のパッチアンテナを構成し、該パッチアンテナをアレイ状に配置したパッチアレイアンテナであって、
２個の前記パッチアンテナを前記短絡ピンが外側となるように電界方向に沿って対称に配置すると共に、前記２個のパッチアンテナの間に前記パッチ素子を互いに接続する直線状の第１の給電線路を配置し、前記２個のパッチアンテナの中間点からいずれか一方のパッチアンテナ側に1/4波長だけずれた位置を給電点として前記第１の給電線路に対して給電するようにしたことを特徴とするパッチアレイアンテナ。
【請求項２】
請求項１に記載のパッチアレイアンテナにおいて、
前記第１の給電線路を前記２個のパッチアンテナに共通の中心ラインからずれた位置に配置し、前記給電点と前記第１の給電線路との間にインピーダンス整合用のインピーダンス整合線路を配置したことを特徴とするパッチアレイアンテナ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のパッチアレイアンテナにおいて、
前記２個のパッチアンテナを電界方向の中心線を軸として線対称となるよう２組並べて配置し、両側の前記第１の給電線路を前記給電点のラインで互いに接続する直線状の第２の給電線路を配置したことを特徴とするパッチアレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広帯域化、小型化、良好な指向特性を図ったパッチアレイアンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
小型化と高帯域化を図ったパッチアンテナとして、図３に示す構成のパッチアンテナ２０がある（例えば、非特許文献１参照）。これは、誘電体基板２１の下面を接地導体２２で覆い、上面にパッチ素子２３を形成し、そのパッチ素子２３の上方に別の誘電体２４を介して寄生素子２５を形成し、パッチ素子２３および寄生素子２５の電界方向の長さをそれぞれの設計周波数ｆ１，ｆ２における1/4波長（λg1/4、λg2/4）として給電ピン２６と反対側の端部に短絡ピン２７を配置して、この短絡ピン２７により接地導体２２とパッチ素子２３と寄生素子２５を接続するよう構成したものである。これは最小電界点に短絡ピン２７を設けて電界方向のサイズを小さくして小型化を図ると共に、寄生素子２５の電界方向の長さをパッチ素子２３のそれよりも短くし寄生素子２５の共振周波数をパッチ素子２３の共振周波数からずらせて広帯域化をも図ったものである。なお、給電ピン２６は寄生素子２５には直接接続しない構成が採られることもある。
【０００３】
一方、パッチアンテナをアレイ化する手法として、図４に示すパッチアレイアンテナ３０が知られている（例えば、特許文献１参照）。図４は、誘電体基板３１の下面を接地導体３２で覆い、上面にパッチ素子３３を複数並べ、給電線路３４で各パッチ素子３３に給電を行うように構成したものである。このように、電界方向に並んだパッチ素子３３を電界方向と直角方向を軸として線対称に配置することで良好な指向特性を持たせることができ、さらにその配置間隔を狭くすれば、広い指向特性を持たせることができる。
【非特許文献１】Girish Kumar,K.P.Ray,"Broadband Microstrip Antennas" Artech House,p239-242,2003
【特許文献１】特開平１１−２６６１１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、図３に示すように短絡ピンと寄生素子を持たせて広帯域化および小型化を図ったパッチアンテナを図４に示すようなアレイ構造に展開する際、この図３に示すパッチアンテナは電界方向についての指向特性パターンが非対称であるため、単純にアレイ化すると、良好な指向特性を得ることができない問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、短絡ピンと寄生素子を持たせて広帯域化および小型化を図ったパッチアンテナを良好な指向特性が得られるようにアレイ化したパッチアレイアンテナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１にかかる発明は、誘電体基板の下面に接地導体を形成し、該誘電体基板の上面にパッチ素子を形成し、該パッチ素子の上方に寄生素子を形成し、前記パッチ素子および前記寄生素子の長さを電界方向にそれぞれの設計周波数における1/4波長に設定し、前記パッチ素子の給電点と反対側の端部を前記接地導体と前記寄生素子に短絡ピンで短絡して１個のパッチアンテナを構成し、該パッチアンテナをアレイ状に配置したパッチアレイアンテナであって、２個の前記パッチアンテナを前記短絡ピンが外側となるように電界方向に沿って対称に配置すると共に、前記２個のパッチアンテナの間に前記パッチ素子を互いに接続する直線状の第１の給電線路を配置し、前記２個のパッチアンテナの中間点からいずれか一方のパッチアンテナ側に1/4波長だけずれた位置を給電点として前記第１の給電線路に対して給電するようにしたことを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のパッチアレイアンテナにおいて、前記第１の給電線路を前記２個のパッチアンテナに共通の中心ラインからずれた位置に配置し、前記給電点と前記第１の給電線路との間にインピーダンス整合用のインピーダンス整合線路を配置したことを特徴とする。
請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載のパッチアレイアンテナにおいて、前記２個のパッチアンテナを電界方向の中心線を軸として線対称となるよう２組並べて配置し、両側の前記第１の給電線路を前記給電点のラインで互いに接続する直線状の第２の給電線路を配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、短絡ピンと寄生素子を用いて広帯域化および小型化を図ったパッチアンテナであっても、これを複数アレイ配置して、広帯域化および小型化ができ、さらに良好な指向特性が得られるパッチアレイアンテナを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は本発明の１つの実施例のパッチアレイアンテナ１０の斜視図、図２は平面図である。１１は誘電体基板であり、その下面は接地導体１２で覆われ、上面にパッチ素子１３が形成され、そのパッチ素子１３の上面に誘電体（図示省略）を介して電界方向の長さがパッチ素子１３の長さよりも短い寄生素子１４が形成され、これにより単体のパッチアンテナ１０Ａ〜１０Ｄが構成されている。パッチ素子１３および寄生素子１４の電界方向の長さは、それぞれの設計周波数ｆ１，ｆ２における1/4波長（λg1/4、λg2/4）である。そして、このような４個のパッチアンテナ１０Ａ〜１０Ｄをアレイ配置することにより、パッチアレイアンテナ１０が構成されている。各パッチアンテナ１０Ａ〜１０Ｄにおいて、接地導体１２とパッチ素子１３と寄生素子１４は複数の短絡ピン１５によって接続されている。また、短絡ピン１５が外側となるように電界方向に対称的に並んだパッチアンテナ１０Ａと１０Ｃ、１０Ｂと１０Ｄは、それぞれパッチ素子１３が第１の給電線路１６で接続され、その両側の給電線路１６の間は第２の給電線路１７で接続されているが、給電線路１７の給電線路１６との接続側（両側）にはインピーダンス整合線路１８が配置されている。１９は第２の給電線路１８上において中心ラインＬ０と交差する位置に配置される給電点であり、ここに給電用の例えば同軸線路の中心導体が誘電体基板１２の下面から接続される。その同軸線路の外部導体は接地導体１２に接続される。なお、パッチアンテナ１０Ａと１０Ｂ、１０Ｃと１０Ｄはそれぞれ中心ラインＬ０に対して対称的に配置されている。
【０００９】
前記した第１の給電線路１６は、パッチアンテナ１０Ａと１０Ｃの側では中心ラインＬ１から左側（外側）に変移し、パッチアンテナ１０Ｂと１０Ｄの側では中心ラインＬ１から右側（外側）に変移しているが、これはインピーダンス整合用のインピーダンス整合線路１８を挿入するためである。図１、図２で表したインピーダンス整合線路１８は小さいが、ここに大きなスペースができるので、比較的大きなインピーダンス整合線路をここに配置することができる。このように各パッチアンテナ１０Ａ〜１０Ｄは中心ラインＬ１から外れた点から給電されるので、単体のパッチアンテナでは磁界方向の指向特性が非対称になる。しかし、パッチアンテナ１０Ａと１０B、１０Ｃと１０Ｄはそれぞれ中心ラインＬ０に対して対称に配置されているので、パッチアレイアンテナとしては磁界方向に対称的な指向特性を実現することができる。
【００１０】
また、給電点１９が配置される第２の給電線路１７は、中心ラインＬ２に対しては対称的な配置ではなく、中心ラインＬ２に対して、1/4波長（パッチ素子１３の共振周波数ｆ１と寄生素子１４の共振周波数ｆ２の中間の周波数ｆ３の波長の1/4波長（λg3/4））ずれたラインＬ３上に配置される。これによりおよびパッチアンテナ１０Ａと１０C、１０Bと１０Ｄが対称であることにもより、給電点１９からパッチアンテナ１０Ａと１０Ｂへの給電とパッチアンテナ１０Ｃと１０Ｄに給電が同相で行われるので、それらが同相で励振され、電界方向の指向特性も対称的となる。
【００１１】
以上により、寄生素子１４と短絡ピン１５を設けて広帯域化および小型化を図ったパッチアンテナを複数個アレイ配置する際、電界方向および磁界方向に対称な指向特性を実現することができる。
【００１２】
なお、図１および図２において、パッチアンテナ１０Ａと１０Ｃの２個でパッチアレイアンテナを構成する場合は、第１の給電線路１６は中心ラインＬ１上に配置し、給電点１９はその第１の給電線路１６上においてラインＬ３と交わる点に配置すればよい。この構成でも指向特性は磁界方向および電界方向に対称となる。インピーダンス整合が必要な場合は、第２の給電線路１７を設けてその上に給電点１９を配置し、且つインピーダンス整合線路１８を図１および図２に示すように配置すればよいが、このときは磁界方向の指向特性は対称とならない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例のパッチアレイアンテナの斜視図である。
【図２】同実施例のパッチアレイアンテナの平面図である。
【図３】(a)は従来のパッチアンテナの平面図、(b)は電界方向に切断した断面図である。
【図４】従来のパッチアレイアンテナの斜視図である。
【符号の説明】
【００１４】
１０：パッチアレイアンテナ、１０Ａ〜１０Ｄ：パッチアンテナ、１１：誘電体基板、１２：接地導体、１３：パッチ素子、１４：寄生素子、１５：短絡ピン、１６：第１の給電線路、１７：第２の給電線路、１８：インピーダンス整合線路、１９：給電点
２０：パッチアンテナ、２１：誘電体基板、２２：接地導体、２３：パッチ素子、２４：誘電体、２５：寄生素子、２６：給電ピン、２７：短絡ピン
３０：パッチアレイアンテナ、３１：誘電体基板、３２：接地導体、３３：パッチ素子、３４：給電線路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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