(57)【要約】【課題】アンテナ全体を小型化することが可能な２周波共用アンテナ及びＧＰＳ受信アンテナを提供する。【解決手段】２周波共用アンテナ１０内では、地導体板１２、第２パッチ１６及び第１パッチ２０の順に配置され、下段側の第２パッチ１６を短絡型で且つ高周波用のパッチとし、上段側の第１パッチ２０を開放型で且つ低周波用の円環パッチとしている。これにより、第２パッチ１６が従来技術に係る円形パッチよりも小型化され、この結果、アンテナ全体を小型化することが可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地導体板と、
前記地導体板に対して電気的に開放状態とされ且つ開口を有する第１パッチと、
前記地導体板と前記第１パッチとの間に配置され且つ前記地導体板に対して電気的に短絡状態とされた第２パッチと、
を備え、
前記第１パッチの共振周波数が、前記第２パッチの共振周波数よりも低く割り当てられている
ことを特徴とする２周波共用アンテナ。
【請求項２】
請求項１記載の２周波共用アンテナにおいて、
前記第２パッチの略中央部が、ショートリングを介して前記地導体板と電気的に接続されている
ことを特徴とする２周波共用アンテナ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の２周波共用アンテナを用いたＧＰＳ受信アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つのパッチと地導体板とを有する２周波共用アンテナ及びＧＰＳ受信アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、地導体板に対して電気的に短絡状態とされたパッチ（以下、短絡型のパッチともいう。）から構成されるパッチアンテナ（非特許文献１参照）や、地導体板に対して電気的に開放状態とされたパッチ（以下、開放型のパッチともいう。）から構成されるパッチアンテナ（非特許文献２及び特許文献１参照）を利用して電波の送受信を行う技術が開示されている。
【０００３】
また、非特許文献１には、上述したパッチアンテナを利用した２周波共用アンテナであるセルフダイプレクシングアンテナに関する従来技術も開示されている。この２周波共用アンテナは、２つのパッチと地導体板とを同軸に配置したものであり、前記地導体板に近い短絡型の円環状のパッチ（以下、円環パッチという。）は低周波用として機能し、前記地導体板から遠い円形状のパッチ（以下、円形パッチともいう。）は高周波用として機能する。
【０００４】
なお、本明細書において、高周波及び低周波の用語は、２種類の周波数を比較した際に一方の周波数が他方の周波数よりも高いか又は低いかという相対的な意味で用いられる。
【０００５】
【非特許文献１】金田久美子、安藤真、後藤尚久、円環アンテナの特性、電子通信学会技術報告Ａ・Ｐ８５−６２、ｐｐ．４３−４７、１９８５年１０月１７日
【非特許文献２】Weng Cho Chew、A Broad-Band Annular-Ring Microstrip Antenna、IEEE transactions on antennas and propagation、vol.AP-30、No.5、pp.918-922、september 1982
【特許文献１】特開平８−２６５０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前述した従来技術に係る２周波共用アンテナをさらに改良したものであり、アンテナ全体を小型化することが可能な２周波共用アンテナ及びＧＰＳ受信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】
【０００７】
本発明に係る２周波共用アンテナは、地導体板と、前記地導体板に対して電気的に開放状態とされ且つ開口を有する第１パッチと、前記地導体板と前記第１パッチとの間に配置され且つ前記地導体板に対して電気的に短絡状態とされた第２パッチとを備え、前記第１パッチの共振周波数が、前記第２パッチの共振周波数よりも低く割り当てられていることを特徴とする。
【０００８】
上記した構成によれば、前記第１パッチを低周波用のパッチとし、前記第２パッチを高周波用のパッチとすることにより、前記第２パッチを従来技術に係る円形パッチよりも小型化することができ、この結果、アンテナ全体を小型化することが可能となる。
【０００９】
この場合、前記第２パッチの略中央部は、ショートリングを介して前記地導体板と電気的に接続されていることが好ましい。なお、前記ショートリングには、円環状の短絡環や角環状の短絡環が含まれる。
【００１０】
さらに、上記した２周波共用アンテナは、ＧＰＳ受信アンテナとして用いると好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、第１パッチを低周波用のパッチとし、第２パッチを高周波用のパッチとすることにより、前記第２パッチを従来技術に係る円形パッチよりも小型化することができ、この結果、アンテナ全体を小型化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る２周波共用アンテナ及びＧＰＳ受信アンテナについて、好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下に説明する。
【００１３】
２周波共用アンテナ１０は、図１及び図２に示すように、地導体板１２、誘電体基板１４、第２パッチ１６（図２〜図４参照）、誘電体基板１８及び第１パッチ２０が同軸に積層された略円盤状のアンテナであり、ＧＰＳ受信アンテナとして用いられる。
【００１４】
地導体板１２は、その中央部が図２の上下方向に開口した略円環状の接地導体板であり、その内周側には円環状の短絡環（ショートリング）２２が上方に向かって突出形成され、該地導体板１２の上面には円環状の誘電体基板１４が配置されている（図１〜図４参照）。誘電体基板１４（図１、図２及び図４参照）を地導体板１２上に配置すると、誘電体基板１４の内周面と短絡環２２とが当接する。また、誘電体基板１４の上面には、下段側のパッチである第２パッチ１６が配置されている。
【００１５】
第２パッチ１６は、図２〜図４に示すように、地導体板１２及び誘電体基板１４よりも小径の略円形状の導体板であり、短絡環２２を介して地導体板１２と電気的に接続されている。そして、誘電体基板１４及び第２パッチ１６の上面には、誘電体基板１８が配置されている。
【００１６】
誘電体基板１８の底面側には、第２パッチ１６に対向する凹部１９（図４参照）が形成されており、該誘電体基板１８を誘電体基板１４及び第２パッチ１６上に配置した際に、凹部１９と第２パッチ１６の上面及び側面とが当接する。また、誘電体基板１８の上面には、図１〜図４に示すように、第２パッチ１６及び誘電体基板１８よりも小径で且つ上段側のパッチである第１パッチ２０が配置されている。
【００１７】
第１パッチ２０は、その中央部分に開口２１が形成された略円環状の導体板であり、地導体板１２とは電気的に接続されていない開放型の円環パッチである。
【００１８】
図３は、２周波共用アンテナ１０から誘電体基板１４、１８を省略した平面図であり、地導体板１２、第２パッチ１６及び第１パッチ２０の順でサイズが小さくなると共に、前述したように、地導体板１２に対して上段側に第１パッチ２０が配置され、下段側に第２パッチ１６が配置されていることが諒解される。
【００１９】
なお、誘電体基板１４、１８は、フッ素樹脂材料、ガラス含浸のエポキシ樹脂材料等からなる略円環状の電気絶縁板である（図１、図２及び図４参照）。
【００２０】
また、図１〜図３に示すように、誘電体基板１８上面のうち第１パッチ２０の開口２１内には、給電ライン２４、２６が互いに９０°離間して配置されている。
【００２１】
すなわち、給電ライン２４、２６は、第１パッチ２０から内方に突出する突出部分２４ａ、２６ａと、第１パッチ２０の内周面から離間し且つ突出部分２４ａ、２６ａの先端部より第１パッチ２０の内周面に沿って略９０°分だけ延在する円弧部分２４ｂ、２６ｂと、該円弧部分２４ｂ、２６ｂの先端部より開口２１の中心部に向かって延在する直線部分２４ｃ、２６ｃとから構成されている。そして、該直線部分２４ｃ、２６ｃの先端部は、図１〜図４に示すように、コネクタ３２、３４と電気的に接続される給電点２８、３０とされている。
【００２２】
コネクタ３２、３４は、各給電点２８、３０と電気的に接続される直線状の中心導体３２ａ、３４ａと、該中心導体３２ａ、３４ａに対して径方向に離間し且つ第２パッチ１６と電気的に接続される略円筒状の外部導体３２ｂ、３４ｂとから構成される同軸コネクタである。この場合、中心導体３２ａ、３４ａは、給電点２８、３０に対向して第２パッチ１６に形成された円形状の各孔３３、３５を挿通し、且つ誘電体基板１８を貫通することにより給電点２８、３０と電気的に接続される。また、コネクタ３２、３４は、図示しない低周波用の給電回路と電気的に各々接続されている。
【００２３】
前述したように、第１パッチ２０は、地導体板１２に対して電気的には開放状態となっており且つ給電点２８、３０よりコネクタ３２、３４を介して前記低周波用の給電回路と電気的に接続されているので、換言すれば、該第１パッチ２０は、低周波用で且つ開放型の円環パッチである。
【００２４】
一方、第２パッチ１６において、孔３３、３５から半径方向に離間した箇所は、コネクタ４０、４２と電気的に接続された給電点３６、３８とされ、該コネクタ４０、４２は、各給電点３６、３８と電気的に接続される直線状の中心導体４０ａ、４２ａと、該中心導体４０ａ、４２ａに対して径方向に離間し且つ地導体板１２と電気的に接続される略円筒状の外部導体４０ｂ、４２ｂとから構成される同軸コネクタである。この場合、中心導体４０ａ、４２ａは、給電点３６、３８に対向して地導体板１２に形成された各孔４４、４６を挿通し、且つ誘電体基板１４を貫通することにより給電点３６、３８と電気的に接続される。また、コネクタ４０、４２は、図示しない高周波用の給電回路と電気的に各々接続されている。
【００２５】
前述したように、第２パッチ１６は、地導体板１２から短絡環２２を介して電気的に接続されており、該第２パッチ１６には、地導体板１２に対向して各孔３３、３５が形成されている。さらに、第２パッチ１６は、給電点３６、３８よりコネクタ４０、４２を介して前記高周波用の給電回路と電気的に接続されている。換言すれば、第２パッチ１６は、高周波用で且つ短絡型の円形パッチである。
【００２６】
そして、２周波共用アンテナ１０を前述したＧＰＳ受信アンテナとして用いる場合、第１パッチ２０が、例えば、図示しないＧＰＳ衛星からＬ２帯（１．２２７６［ＧＨｚ］）の円偏波の電波や、Ｌ５帯（１．１７６４５［ＧＨｚ］）の円偏波の電波を受信すると、給電ライン２４と給電ライン２６とで信号が検出され、検出された前記各信号は、給電点２８、３０及びコネクタ３２、３４を介して前記低周波用給電回路に出力される。一方、第２パッチ１６が、前記ＧＰＳ衛星からＬ１帯（１．５７５４２［ＧＨｚ］）の円偏波の電波を受信すると、給電点３６と給電点３８とで信号が検出され、検出された前記各信号は、給電点３６、３８及びコネクタ４０、４２を介して前記高周波用給電回路に出力される。
【００２７】
なお、２周波共用アンテナ１０において、第１パッチ２０及び第２パッチ１６の給電点の個数や該給電点間の位相差は、上述した記載に限定されることはなく、適宜変更することが可能である。
【００２８】
また、短絡環２２の形状は円環状であるが、これに代えて円柱状としてもよい。さらに、第２パッチ１６の中央部分は、電波の受信に影響を及ぼさない部分であるので、この部分において、短絡環２２の内周面に沿って図示しない開口を形成し、該第２パッチ１６を円環パッチとすることも可能である。
【００２９】
本実施形態に係る２周波共用アンテナ１０は、以上のように構成されるものであり、次に、その効果について、図５Ａ〜図６を参照しながら説明する。
【００３０】
図５Ａは、図１〜図４に示す第１パッチ２０及び第２パッチ１６を模式化した円環パッチ４８の平面図であり、該円環パッチ４８の外半径をａとし、その内半径（開口５０の径）をｂとしている。
【００３１】
図５Ｂに示す円環パッチ４８は、第２パッチ１６（図２〜図４参照）を円環パッチとした構成に対応し、該円環パッチ４８の内側と地導体板１２とは短絡環２２を介して電気的に接続され、円環パッチ４８と地導体板１２との間の誘電体基板５２は、誘電体基板１４（図１、図２及び図４参照）に対応する。また、図５Ｃに示す円環パッチ４８は、第１パッチ２０（図１〜図４参照）に対応し、該円環パッチ４８は、地導体板１２に対して電気的に開放状態とされ、誘電体基板５２は、誘電体基板１４、１８（図１、図２及び図４参照）に対応する。
【００３２】
次に、円環パッチ４８が電波を受信する際に、前記電波の周波数である円環パッチ４８の共振周波数ｆと、外半径ａ及び内半径ｂとの関係について、図５Ａ〜図６を参照しながら説明する。
【００３３】
図６は、円環パッチ４８が短絡型又は開放型である場合における伝搬定数ｋ（ｋ＝２πａ／λｇ、λｇ：誘電体基板５２内の電波の波長）と外半径ａとの積ｋａと、外半径ａと内半径ｂとの比ｂ／ａとの関係を示すグラフである。
【００３４】
これらのグラフは、前記電波がＴＭ11モードである場合において、短絡型（図５Ｂ参照）又は開放型（図５Ｃ参照）について電磁界方程式を各々構築し、前述したｋａを固有値として前記各電磁界方程式を算出した結果である。
【００３５】
図６において、短絡型の円環パッチ４８（図５Ｂ）では、ｂ／ａが大きくなるとｋａが大きくなり、一方、開放型の円環パッチ４８（図５Ｃ）では、ｂ／ａが大きくなるとｋａが小さくなる結果が得られた。
【００３６】
前述したように、ｋ＝２π／λｇであり、波長λｇは、共振周波数ｆと前記電波の速度ｖとの関係において、λｇ＝ｖ／ｆであるから、ｋａ＝２πａｆ／ｖとなる。換言すれば、図６は、ａ×ｆとｂ／ａとの関係を示すグラフである。
【００３７】
そこで、本出願人は、図６におけるｋａとｂ／ａとの関係より、下記の（１）〜（３）の知見を得た。
【００３８】
（１）外半径ａが所定値であり且つ内半径ｂが大きくなるケースにおいて、短絡型の円環パッチ４８（図５Ｂ及び図６参照）では、ｂ／ａが大きくなるとｋａが大きくなるので、内半径ｂの増加に対応して伝搬定数ｋ（＝２πｆ／ｖ）を大きくする必要があり、この結果、共振周波数ｆは高くなる。
【００３９】
（２）外半径ａが所定値であり且つ内半径ｂが大きくなるケースにおいて、開放型の円環パッチ４８（図５Ｃ及び図６参照）では、ｂ／ａが大きくなるとｋａが小さくなるので、内半径ｂの増加に対応して伝搬定数ｋ（＝２πｆ／ｖ）を小さくする必要があり、この結果、共振周波数ｆは低くなる。
【００４０】
（３）開放型の円環パッチ４８においては、前述したように、ｂ／ａが大きくなるとｋａが小さくなるので、内半径ｂ及び共振周波数ｆが所定値であるケースでは、外半径ａを小さくすることができる。
【００４１】
すなわち、上記した開放型及び短絡型の円環パッチ４８（図５Ａ〜図５Ｃ参照）を２周波共用アンテナ１０の第１パッチ２０及び第２パッチ１６（図１〜図４参照）として採用する場合、（１）の知見に基づいて、短絡型で且つ高周波用の円環パッチ４８（図５Ｂ参照）を下段側の第２パッチ１６に適用し、（２）及び（３）の知見に基づいて、開放型で且つ低周波用の円環パッチ４８（図５Ｃ）を上段側の第１パッチ２０に適用すれば、アンテナ全体を小型化することが可能となる。
【００４２】
次に、上述した２周波共用アンテナ１０が、円形パッチから構成される従来技術に係る２周波共用アンテナと比較して、どの程度小型化されるのかについて、定量的に考察する。
【００４３】
ここでは、開放型である第１パッチ２０の外半径をａ1とし、その内半径をｂ1とし、一方で、短絡型である第２パッチ１６の外半径をａ2とし、第２パッチ１６又は短絡環２２の内半径をｂ2とし、第１パッチ２０の共振周波数ｆ1を１．２［ＧＨｚ］とし、第２パッチ１６の共振周波数ｆ2を１．５［ＧＨｚ］とする。すなわち、２周波共用アンテナ１０において、第１パッチ２０は、前述したＬ２帯又はＬ５帯（１．２［ＧＨｚ］近傍の周波数帯域）の電波を受信し、一方で、第２パッチ１６は、Ｌ１帯（１．５［ＧＨｚ］近傍の周波数帯域）の電波を受信する。
【００４４】
先ず、従来技術に係る低周波用の円形パッチアンテナ（以下、従来技術に係る円形パッチともいう。）の共振周波数を１．２［ＧＨｚ］とすると、この円形パッチでは、ｋａ＝１．８４１となる。
【００４５】
また、本実施形態に係る２周波共用アンテナ１０において、図６を参照すると、例えば、ｂ2／ａ2＝０．３２のときに第２パッチ１６のｋａは、ｋａ＝２．２３８（ｆ2＝１．５［ＧＨｚ］）であり、従来技術に係る円形パッチのｋａと比較するために、該第２パッチ１６のｋａをｆ2＝１．２［ＧＨｚ］の場合における値に換算するとｋａ＝１．７９０となる。
【００４６】
ところで、従来技術に係る２周波共用アンテナでは、高周波用パッチを上段側とし、低周波用パッチを下段側として割り当てると該低周波用パッチが大型化し、この結果、該２周波共用アンテナは、従来技術に係る円形パッチよりも大型化するという問題があった。
【００４７】
これに対して、本実施形態に係る２周波共用アンテナ１０では、上段側に低周波用で開放型の第１パッチ２０を割り当て、下段側に高周波用で短絡型の第２パッチ１６を割り当てることにより、１．２［ＧＨｚ］に換算した第２パッチ１６のｋａ（＝１．７９０）が、従来技術に係る円形パッチのｋａ（＝１．８４１）よりも小さくなるので、該第２パッチ１６は、従来技術に係る円形パッチよりも小型化されていることが諒解される。
【００４８】
従って、本実施形態に係る２周波共用アンテナ１０を設計する際には、高周波で且つ短絡型の第２パッチ１６の外半径ａ2が従来技術に係る円形パッチの外半径よりも小さくなるように、該第２パッチ１６又は短絡環２２の内半径ｂ2を設定すれば、アンテナ全体を小型化することが可能となる。
【００４９】
このように、本実施形態に係る２周波共用アンテナ１０は、地導体板１２と、この地導体板１２の上方に配置された下段側の第２パッチ１６と、この第２パッチ１６の上方に配置された上段側の第１パッチ２０とを備え、第１パッチ２０が開放型で且つ開口２１を有する円環パッチであり、一方で、第２パッチ１６が短絡型で且つ円形パッチ又は円環パッチであると共に、第１パッチ２０を低周波用パッチとして割り当て、且つ第２パッチ１６を高周波用パッチとして割り当てている。これにより、第２パッチ１６が従来技術に係る円形パッチよりも小型化されるので、２周波共用アンテナ１０を全体的に小型化することが可能となる。
【００５０】
また、特許文献１のパッチアンテナでは、パッチの中心点でしか給電することができないが、本実施形態に係る２周波共用アンテナ１０では、第１パッチ２０及び第２パッチ１６の中心点以外の箇所に給電することが可能である。
【００５１】
なお、上記した説明では、地導体板１２と第２パッチ１６との間に誘電体基板１４を介挿し、第２パッチ１６と第１パッチ２０との間に誘電体基板１８とを介挿しているが、図３に示すように、誘電体基板１４、１８を省略して空気を誘電体としてもよいことは勿論である。
【００５２】
また、上記した説明では、地導体板１２の形状を円形状とし、第１パッチ２０を円環パッチとし、第２パッチ１６を円形パッチ又は円環パッチとしているが、このような構成に代えて、図７に示すように、地導体板１２の形状を矩形状とし、第１及び第２パッチ２０、１６並びに短絡環２２の形状を角環状とすれば、上記した作用効果に加え、アンテナ全体をさらに小型化することが可能となる。なお、第１パッチ２０及び第２パッチ１６の形状は、上述した記載に限定されることはなく、例えば、いずれか一方を円環パッチとし、他方を角環状のパッチとすることも可能である。
【００５３】
さらに、上記した説明において、第１パッチ２０及び第２パッチ１６は、いずれも受信用のパッチであるが、（１）第１パッチ２０及び第２パッチ１６のいずれも送信用パッチとした場合、（２）第１パッチ２０を送信用パッチとし且つ第２パッチ１６を受信用パッチとした場合、（３）第１パッチ２０を受信用パッチとし且つ第２パッチ１６を送信用パッチとした場合であっても、上記した作用効果が得られることは勿論である。
【００５４】
なお、本発明に係る２周波共用アンテナ及びＧＰＳ受信アンテナは、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本実施形態に係る２周波共用アンテナの斜視図である。
【図２】図１の２周波共用アンテナの分解斜視図である。
【図３】図１の２周波共用アンテナにおいて、誘電体基板を省略した平面図である。
【図４】図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】図５Ａは、図１の第１パッチ及び第２パッチを模式化した円環パッチの平面図であり、図５Ｂは、短絡型の円環パッチ、誘電体基板及び地導体板の断面図であり、図５Ｃは、開放型の円環パッチ、誘電体基板及び地導体板の断面図である。
【図６】図５Ａ〜図５Ｃに示す短絡型及び開放型の円環パッチに関し、ｂ／ａとｋａとの関係を示すグラフである。
【図７】図１〜図４の２周波共用アンテナを矩形状のパッチ及び地導体板で構成した場合の平面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０…２周波共用アンテナ                １２…地導体板
１４、１８、５２…誘電体基板            １６…第２パッチ
２０…第１パッチ                        ２１、５０…開口
２２…短絡環                            ２４、２６…給電ライン
２８、３０、３６、３８…給電点          ３２、３４、４０、４２…コネクタ
３３、３５、４４、４６…孔              ４８…円環パッチ
【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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