マイクロ波平面アンテナ
【課題】既存の誘電体を加工することなく利用可能なマイクロ波平面アンテナを提供する。
【解決手段】パッチアンテナＡ１は、パッチパターン１１と、誘電体１７を介してパッチパターン１１と向き合うように誘電体１７の裏側に配置されたグランドパターン１２と、コンデンサパターン１３を備える。コンデンサパターン１３は、誘電体１７を介してパッチパターン１１と向き合い、且つ、グランドパターンとは電気的に接続されないように、誘電体１７の裏側に配置される。コンデンサパターン１３、誘電体１７およびパッチパターン１１のコンデンサパターン１３に対向する部分により構成されるコンデンサによって、誘電体１７の裏側からパッチパターン１１に給電が行われる。誘電体１７には、既存の窓ガラス等が転用される。窓ガラス等に穴をあけること無く、パッチアンテナＡ１が実現され得る。
【解決手段】パッチアンテナＡ１は、パッチパターン１１と、誘電体１７を介してパッチパターン１１と向き合うように誘電体１７の裏側に配置されたグランドパターン１２と、コンデンサパターン１３を備える。コンデンサパターン１３は、誘電体１７を介してパッチパターン１１と向き合い、且つ、グランドパターンとは電気的に接続されないように、誘電体１７の裏側に配置される。コンデンサパターン１３、誘電体１７およびパッチパターン１１のコンデンサパターン１３に対向する部分により構成されるコンデンサによって、誘電体１７の裏側からパッチパターン１１に給電が行われる。誘電体１７には、既存の窓ガラス等が転用される。窓ガラス等に穴をあけること無く、パッチアンテナＡ１が実現され得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信やＲＦＩＤ（Radio FrequencyIdentification）リーダー等に用い
られる、マイクロ波の平面アンテナ（パッチアンテナ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の無線技術の進歩に伴い、自動車や列車に無線アンテナが搭載されつつある。この場合、たとえば、車外の一方向にのみ指向性のあるパッチアンテナが用いられ得る。このようなパッチアンテナとして、無線ＬＡＮ用のアンテナ、地上波デジタル放送用のアンテナ、ＵＨＦ帯ＲＦＩＤリーダー用のアンテナなどがある。この場合、パッチアンテナは、車内に設置される。しかし、従来のパッチアンテナは、前方に窓ガラスのような比誘電率の高い誘電体があると、指向性や反射特性等のアンテナ特性が乱れてしまうという欠点があった。
【０００３】
自動車の窓ガラスは、比誘電率が７〜８程度とパッチアンテナの誘電体には手頃な値で、且つ、誘電損失も少ないので、パッチアンテナの誘電体として十分使用に耐える素材である。よって、窓ガラスを誘電体として、パッチアンテナを構成することも可能である。たとえば、特許文献１に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、誘電体板を窓ガラスに置き換えると、上記のようなパッチアンテナを構成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１７２３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
窓ガラスを誘電体としてパッチアンテナを構成する場合、窓の内側から、窓の外側のパッチパターンに給電するために、ガラスに穴を穿設し、この穴に導体線を貫通させねばならない。しかしながら、誘電体として用いられるガラスが、自動車のフロントガラスのような強化ガラスである場合、穴を開けようとするとガラス全体が割れてしまうため、穴加工は殆ど不可能である。
【０００６】
また、通常の窓ガラスの場合でも穴あけ加工は困難である。穴加工により窓ガラスが割れてしまう危険性があり、たとえ、無事に穴が開いたとしても、高価な窓ガラスに傷がつき破損し易くなってしまう。また、穴から雨水などが入り易くなり防水性能が低下する惧れもある。このため、これまでは窓ガラスを誘電体としたパッチアンテナは、非現実的であると考えられていた。
【０００７】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、既存の誘電体を加工することなく利用可能なマイクロ波平面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】
【０００８】
本発明の主たる態様に係るマイクロ波平面アンテナは、パッチパターンと、誘電体を介して前記パッチパターンと向き合うように前記誘電体の裏側に配置されたグランドパターンと、前記誘電体を介して前記パッチパターンと向き合うように前記誘電体の裏側に配置され、前記グランドパターンとは電気的に接続されないコンデンサパターンと、を備える。前記コンデンサパターン、前記誘電体および前記パッチパターンの前記コンデンサパターンに対向する部分により構成されるコンデンサによって、前記誘電体の裏側から前記パ
ッチパターンに給電が行われる。
【０００９】
本態様に係るマイクロ波平面アンテナによれば、コンデンサパターン、誘電体およびパッチパターンにより構成されるコンデンサによって、誘電体の裏面からパッチパターンに給電が行われるため、パッチパターンに給電するための穴を、誘電体に設ける必要がない。よって、穴を開けることによる誘電体の破損や強度低下、あるいは、穴からの雨水の侵入を防止することができる。
【００１０】
本態様に係るマイクロ波平面アンテナにおいて、前記コンデンサパターンは、たとえば、前記グランドパターンに形成された開口内に、前記グランドパターンと所定のギャップを持って配置される。
【００１１】
また、本態様に係るマイクロ波平面アンテナは、前記パッチパターンに直列に接続され、当該マイクロ波平面アンテナの中心周波数において前記コンデンサと直列共振するコイルをさらに備える構成とされ得る。こうすると、パッチパターンにより効率的に給電を行うことができ、アンテナの特性を高めることができる。
【００１２】
この場合、前記コイルは、前記コンデンサパターンに設置された導電性の線材により構成され得る。こうすると、コイルの設置を簡易に行うことができる。なお、共振に必要なコイルのインダクタンスは、コンデンサパターンに設置された線材の径および長さにより調整され得る。
【００１３】
また、本態様に係るマイクロ波平面アンテナにおいて、前記グランドパターンは、複数の穴が開けられて網目状となるよう構成され得る。こうすると、穴が無い場合に比べアンテナ特性がやや低下するものの、穴を介してアンテナの向こうを見ることができる。よって、誘電体を車のフロントガラス等とするような場合にも、視界が遮られにくくなるという利点がある。
【００１４】
この場合、少なくとも前記パッチパターンに覆われる前記グランドパターンの部分には、前記穴が開けられていないようにするのが望ましい。こうすると、アンテナ特性の低下を効果的に抑制することができる。
【００１５】
また、前記穴のピッチは、使用する電波の波長の１６分の１程度とするのが望ましい。こうすると、アンテナ特性を良好なものとすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のとおり、本発明によれば、既存の誘電体を加工することなく利用可能なマイクロ波平面アンテナを提供することができる。
【００１７】
本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下の実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態に係るパッチアンテナの比較例の構成を示す図である。
【図２】実施例１に係るパッチアンテナの構成を示す図である。
【図３】実施例１に係るパッチアンテナの３次元利得特性を示す図および反射損失の周波数特性を示す図である。
【図４】実施例２に係るパッチアンテナの構成を示す図である。
【図５】実施例２に係るパッチアンテナの３次元利得特性を示す図および反射損失の周波数特性を示す図である。
【図６】実施例３に係るパッチアンテナの構成を示す図である。
【図７】実施例４に係るパッチアンテナの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施の形態は、使用される電波の中心周波数が９５３ＭＨｚの平面アンテナ（以下、「パッチアンテナ」という）に本発明を適用したものである。
【００２０】
＜比較例＞
まず、比較例にかかるパッチアンテナについて説明する。
【００２１】
図１（ａ）、（ｂ）は、比較例に係るパッチアンテナＡ０を、それぞれ上面と下面から見た場合の平面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）、（ｂ）をＳ１−Ｓ２に沿って切断したときの側断面図である。図１（ｄ）は、図１（ｃ）の破線で示す領域の拡大図である。
【００２２】
図示の如く、比較例に係るパッチアンテナＡ０は、導電性の金属薄板からなるパッチパターン１と、同じく導電性の金属薄板からなるグランドパターン２と、給電点３と、誘電体４を備える。
【００２３】
誘電体４は、一様な厚み（６ｍｍ）を有し、穴加工が容易なガラスエポキシ基板等からなる。なお、誘電体４が透明な素材からなる場合、誘電体４の上面からグランドパターン２が透けて見えるが、便宜上、図１（ａ）では、透けて見えるグランドパターン２の図示が省略されている。
【００２４】
パッチパターン１とグランドパターン２は、それぞれ、平面視において正方形の輪郭を有する。本比較例において、パッチパターン１とグランドパターン２の一辺の長さは、それぞれ、７０ｍｍと２８０ｍｍである。給電点３は、導電性の金属薄板からなる板部３ａと、板部３ａに植設された導電性の導芯３ｂとから構成される。板部３ａは、平面視において正方形の形状を有する。本比較例では、板部３ａの一辺の長さは、５ｍｍである。誘電体４は、平面視において、グランドパターン２よりも一回り大きな正方形の輪郭を有する。
【００２５】
パッチパターン１の中心からＸ軸正方向に距離ｄだけずれた位置に、直径１ｍｍ程度の穴１ａが形成される。また、誘電体４の中心からＸ軸正方向に距離ｄだけずれた位置にも、上下に貫通する直径１ｍｍ程度の穴４ａが形成される。さらに、グランドパターン２の中心からＸ軸正方向に距離ｄだけずれた位置に、正方形の開口２ａが形成される。開口２ａは、給電点３の板部３ａよりも一回り大きい。
【００２６】
パッチパターン１およびグランドパターン２は、それぞれ、中心が誘電体４の中心に一致するように、誘電体４の表面（Ｚ軸正方向側の面）および裏面（Ｚ軸負方向側の面）に設置される。給電点３は、板部３ａがグランドパターン２の開口２ａ内に配置されるように、誘電体４に装着される。このとき、導芯３ｂが誘電体４の穴４ａに通され、導芯３ｂの先端がパッチパターン１の穴１ａに連結される。また、板部３ａは、誘電体４の裏面に設置される。この状態において、板部３ａと開口２ａ周囲のグランドパターン２の部分との間には、ギャップが存在する。これにより、板部３ａとグランドパターン２は、電気的に非接続となっている。
【００２７】
給電点３とグランドパターン２の間に同軸ケーブル等を接続し、給電点３に電波を送信
するための給電が行われると、電波の周波数にてパッチパターン１が共振し、パッチアンテナＡ０から前方（Ｚ軸正方向）に向かって電波が送信される。
【００２８】
しかしながら、このようなパッチアンテナＡ０を構成するためには、導芯３ｂを通すために、誘電体４に対して穴あけ加工を施す必要がある。このため、誘電体４の素材として、上記のように穴あけ加工が容易なガラスエポキシ樹脂しか選べず、既存の絶縁体、たとえば自動車のフロントガラス等を利用してパッチアンテナＡ０を構成することが極めて困難であるとの問題が生じる。
【００２９】
以下の実施例には、誘電体４として、自動車のフロントガラス等の既存の絶縁体を利用して構成することのできるパッチアンテナの具体的構成例が示されている。
【００３０】
＜実施例１＞
図２（ａ）、（ｂ）は、本実施例に係るパッチアンテナＡ１を、それぞれ上面と下面から見た場合の平面図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）、（ｂ）をＳ１−Ｓ２に沿って切断したときの側断面図である。図２（ｄ）は、図２（ｃ）の破線で示す領域の拡大図である。なお、図２（ｃ）では、便宜上、絶縁体フィルム１５、１６の図示が省略されている。
【００３１】
図示の如く、パッチアンテナＡ１は、導電性の金属薄板からなるパッチパターン１１と、同じく導電性の金属薄板からなるグランドパターン１２と、コンデンサパターン１３と、コイル１４と、絶縁体フィルム１５、１６と、誘電体１７とを備える。
【００３２】
誘電体１７は、一様な厚み（６ｍｍ）を有し、たとえば、既存の窓ガラス等の絶縁体とされる。なお、誘電体１７が透明な素材からなる場合、誘電体１７の上面からグランドパターン１２、コンデンサパターン１３および絶縁体フィルム１６が透けて見えるが、便宜上、図２（ａ）では、透けて見えるグランドパターン１２等の図示が省略されている。
【００３３】
パッチパターン１１は、ＰＥＴ樹脂等からなる透明な絶縁体フィルム１５の表面（Ｚ軸正方向側の面）に、アルミ等の金属を蒸着することにより形成される。絶縁体フィルム１５の他方の面には、粘着剤が付けられており、この面が誘電体１７の表面（Ｚ軸正方向側の面）に貼り付けられる。これにより、パッチパターン１１が誘電体１７の表面に設置される。
【００３４】
グランドパターン１２は、ＰＥＴ樹脂等からなる透明な絶縁体フィルム１６の裏面（Ｚ軸負方向側の面）に、アルミ等の金属を蒸着することにより形成される。絶縁体フィルム１６の他方の面には、粘着剤が付けられており、この面が誘電体１７の裏面（Ｚ軸負方向側の面）に貼り付けられる。これにより、グランドパターン１２が誘電体１７の裏面に設置される。
【００３５】
なお、本実施例では、パッチパターン１１に給電のための穴（図１の穴１ａ）が形成されておらず、誘電体１７にも導芯（図１の導芯３ｂ）を通すための穴（図１の穴４ａ）が形成されていない。また、グランドパターン１２に形成された開口１２ａは、上記比較例における開口２ａよりも大きくなっている。本実施例における開口１２ａは、一辺が１６ｍｍよりやや大きくなっている。パッチパターン１１およびグランドパターン１２のその他の形状および寸法は、上記比較例におけるパッチパターン１およびグランドパターン２と同じである。
【００３６】
コンデンサパターン１３は、導電性の薄膜からなり、１６ｍｍ角の正方形の輪郭を有する。コンデンサパターン１３は、グランドパターン１２と同様、絶縁体フィルム１６の裏
面（Ｚ軸負方向側の面）に、アルミ等の金属を蒸着することにより形成されている。コンデンサパターン１３は、グランドパターン１２の開口１２ａ内に、グランドパターン１２と所定のギャップを有するように形成される。このギャップにより、コンデンサパターン１３は、グランドパターン１２に接触せず且つ絶縁される。コンデンサパターン１３は、グランドパターン１２と同様、絶縁体フィルム１６を誘電体１７の裏面に貼り付けることにより、誘電体１７の裏面に設置される。なお、コンデンサパターン１３の中心は、グランドパターン１２の中心からＸ軸正方向に２７ｍｍずれている。
【００３７】
コンデンサパターン１３は、誘電体１７を介してパッチパターン１１とコンデンサを構成している。コンデンサパターン１３と、誘電体１７と、パッチパターン１１のコンデンサパターン１３に対応する部分とにより構成されるコンデンサを、以下、「形成コンデンサ」と称する。形成コンデンサの静電容量は、コンデンサパターン１３の面積と、誘電体１７の厚さと、誘電体１７の比誘電率により決定される。コンデンサパターン１３は、この静電容量をもって、パッチパターン１１と静電容量結合している。
【００３８】
コイル１４は、コンデンサパターン１３のＺ軸負方向側の面の中心に、導電性の銅線を設置することにより形成される。これにより、形成コンデンサに対してコイル１４が直列接続される。
【００３９】
仮に、このコイル１４が設けられていない場合、同軸ケーブルの給電線はコンデンサパターン１３に接続され、同軸ケーブルのグランドはグランドパターン１２に接続される。この状態で、電波を送信するための交流信号（交流電圧）がコンデンサパターン１３に給電されると、形成コンデンサによる静電容量結合により、交流信号（交流電圧）がパッチパターン１１に伝送（誘導）される。これにより、電波の周波数にてパッチパターン１が共振し、パッチアンテナＡ１から前方（Ｚ軸正方向）に向かって、電波が送信される。
【００４０】
しかしながら、本実施例では、誘電体１７の厚みが６ｍｍと厚く、形成コンデンサの静電容量が比較的小さいため、コンデンサパターン１３からパッチパターン１１に交流信号（交流電圧）が伝送（誘導）されにくい。形成コンデンサのインピーダンスは、誘電体１７の厚さに比例し、コンデンサパターン１３の面積に反比例する。このため、誘電体１７の厚みが大きいと、形成コンデンサのインピーダンスが大きくなり、コンデンサパターン１３に印加された交流信号（交流電圧）の一部しかパッチパターン１１に届かず、大部分は形成コンデンサに加わるようになる。
【００４１】
この問題を解消するために、本実施例では、コイル１４がコンデンサパターン１３に設置されている。この場合、電波を送信するための交流信号（交流電圧）は、コイル１４を構成する銅線の、コンデンサパターン１３とは反対側の端部に給電される。こうすると、コイル１４と形成コンデンサとの直列共振によって、パッチパターン１１に対する交流信号の伝送効率が高められる。すなわち、直列共振では、形成コンデンサの電圧とコイル１４の電圧が互いに相殺し合ってゼロになる。このため、コイル１４に供給された交流信号（交流電圧）は、全てがパッチパターン１１に加わるようになる。これにより、パッチパターン１１に供給される交流信号が高められ、パッチアンテナＡ１から送信される電波が高められる。なお、コイル１４のインダクタンスは、以下のように設定される。
【００４２】
本実施例において、誘電体１７の厚さｔと、誘電体１７の比誘電率εｒと、真空の誘電率ε０と、コンデンサパターン１３の一辺の長さａは、それぞれ、以下に示す値となっている。
【００４３】
（１）誘電体１７の厚さｔ＝６ｍｍ
（２）誘電体１７の比誘電率εｒ＝７．４
（３）真空の誘電率ε０＝８．８５４×ｅ＾（−１２）
（４）コンデンサパターン１３の一辺の長さａ＝１６ｍｍ
【００４４】
この場合、形成コンデンサの静電容量Ｃは、以下の値となる。
【００４５】
Ｃ ＝ εｒ×ε０×ａ×ａ／ｔ ＝ ２．８ｐＦ … （５）
【００４６】
パッチアンテナＡ１の中心周波数ｆを９５３ＭＨｚとすると、リアクタンスＸｃは、以下の値となる。
【００４７】
Ｘｃ ＝ −１／（２×π×ｆ×Ｃ） ＝ −６０Ω … （６）
【００４８】
したがって、かかる形成コンデンサと直列共振するコイル１４のインダクタンスＬは、以下の値となる。
【００４９】
Ｌ ＝ Ｘｃ／（２×π×ｆ） ＝ １０ｎＨ … （７）
【００５０】
上記（７）のインダクタンスＬは、直径が１ｍｍであり、長さが約７ｍｍの銅線のインダクタンスに相当する。これに基づき、本実施例では、コイル１４の直径および長さが、それぞれ１ｍｍおよび７ｍｍに設定される。
【００５１】
本件出願の発明者は、上記のように構成されたパッチアンテナＡ１の特性について、アンソフト社の３次元電磁界シミュレーション・ソフトＨＦＳＳを用いてシミュレーションを行った。
【００５２】
図３（ａ）は、シミュレーションによって得られたパッチアンテナＡ１の３次元利得特性を示す図である。図３（ｂ）は、シミュレーションによって得られたパッチアンテナＡ１の反射損失の周波数特性を示す図である。なお、このシミュレーションでは、周波数９３０ＭＨｚで利得が最大となったため、図３（ａ）には、周波数９３０ＭＨｚの場合の３次元利得特性が示されている。
【００５３】
図３（ａ）を参照すると、パッチアンテナＡ１は、パッチパターン１１の向き（図２（ｃ）のＺ軸正方向）に指向性を持っている。また、正面のアンテナ利得として、＋７．２ｄＢｉが得られている。また、図３（ｂ）を参照すると、パッチアンテナＡ１の反射損失は９３０ＭＨｚにて、１０ｄＢが得られている。このように、本実施例のパッチアンテナＡ１では、上記比較例の誘電体４のように、誘電体１７に穴を穿設することなく、良好な特性を得ることができた。
【００５４】
なお、このシミュレーションでは、アンテナ利得は９３０ＭＨｚにて最大値となり、アンテナの反射は９３０ＭＨｚにて最小値となっており、アンテナ特性が９３０ＭＨｚで最適化されている。したがって、上記のように寸法が設定されたパッチアンテナＡ１は、使用される電波の中心周波数が９３０ＭＨｚである場合に用いて最適なものとなる。しかしながら、パッチアンテナＡ１の寸法をさらに微調整することにより、目標周波数(９５３
ＭＨｚ)で反射が最小となり利得が最大となるようにアンテナ特性を最適化可能であるこ
とは言うまでもない。また、目標周波数が変更された場合にも、それに応じてパッチアンテナＡ１の寸法を調整することにより、パッチアンテナＡ１のアンテナ特性を目標周波数において最適化することが可能であることも言うまでもない。
【００５５】
以上、本実施例によれば、コンデンサパターン１３と、誘電体１７と、パッチパターン１１とにより構成されるコンデンサを介して、パッチパターン１１に給電が行われる。こ
れにより、既存の窓ガラスを誘電体１７として使用する場合にも、穴をあける等の加工を行うこと無く、パッチアンテナＡ１が実現され得る。
【００５６】
なお、本実施例では誘電体１７の厚さが６ｍｍと分厚かったため、コイル１４を直列に挿入する必要があった。しかしながら、誘電体１７の厚さが３ｍｍ程度と薄ければ、形成コンデンサの静電容量Ｃは２倍となり、リアクタンスＸｃは半減して３０Ωとなる。このように、リアクタンスＸｃが給電線のインピーダンス５０Ωに比べて十分小さくなると、コイル１４を省略しても、十分な反射損失が得られる。よって、窓ガラスが３ｍｍ程度であれば、コイル１４を省略することも可能である。
【００５７】
逆に、誘電体１７の厚さが２倍の１２ｍｍと分厚く設定される場合は、静電容量Ｃが半分に減り、リアクタンスＸｃは２倍の１２０Ωになる。この場合、コイル１４のインダクタンスＬを２倍の２０ｎＨに増やせば、直列共振となり整合できる。これを実現するには、直径１ｍｍの銅線では、長さ１４ｍｍの直線状の銅線を用いることができ、また、銅線を短くしたければ、ソレノイド状のコイルのように、銅線を巻いてコイルとしても良い。また、同じ１０ｎＨのコイル１４を使いたい場合は、形成コンデンサの面積を２倍にすれば良い。この場合、コンデンサパターン１３の一辺を１．４倍、すなわちコンデンサパターン１３の一辺の長さａを、ａ＝２２ｍｍに増やせば良い。
【００５８】
＜実施例２＞
図４（ａ）〜（ｄ）は、上記実施例１とは異なるパッチアンテナＡ２の構成を示す図である。本実施例では、上記実施例１のグランドパターン１２が、格子状の金属からなるグランドパターン２１に変更されている。
【００５９】
グランドパターン２１には、コンデンサパターン１３が設置される開口２１ａの周囲を除いて、格子状に穴２１ｂが形成されている。平面視において、穴２１ｂは正方形であり、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に一定のピッチで並んでいる。上記実施例１と同様、格子状のグランドパターン２１は、ＰＥＴ樹脂等からなる絶縁体フィルム１６の裏面（Ｚ軸負方向側の面）に、アルミ等の金属を蒸着することにより形成される。
【００６０】
本実施例において、穴２１ｂのピッチは２０ｍｍ、穴２１ｂの一辺は１８ｍｍである。隣り合う穴２１ｂ間の枠の幅は２ｍｍ、最外周の枠の幅は１ｍｍである。
【００６１】
グランドパターン２１のその他の構成は、上記実施例１のグランドパターン１２と同じである。また、パッチパターン１１、コンデンサパターン１３、コイル１４、絶縁体フィルム１５、１６および誘電体１７の構成も、上記実施例１と同じである。
【００６２】
本件出願の発明者は、本実施例のパッチアンテナＡ２の特性について、アンソフト社の３次元電磁界シミュレーション・ソフトＨＦＳＳを用いてシミュレーションを行った。
【００６３】
図５（ａ）は、シミュレーションによって得られたパッチアンテナＡ２の３次元利得特性を示す図である。図５（ｂ）は、シミュレーションによって得られたパッチアンテナＡ２の反射損失の周波数特性を示す図である。なお、このシミュレーションにおいては、周波数９１０ＭＨｚで利得が最大となったため、図５（ａ）には、周波数９１０ＭＨｚの場合の３次元利得特性が示されている。
【００６４】
図５（ａ）を参照すると、パッチアンテナＡ２は、パッチパターン１１の向き（図４（ｃ）のＺ軸正方向）に指向性を持つ。また、正面のアンテナ利得として、＋６．９ｄＢｉが得られている。図５（ｂ）を参照すると、パッチアンテナＡ２の反射損失は９１０ＭＨｚにて、７．２ｄＢが得られている。このように、本実施例のパッチアンテナＡ２では、
上記実施例１のパッチアンテナＡ１よりは特性がやや劣るものの、誘電体１７に穴を穿設することなく、良好な特性を得ることができた。
【００６５】
なお、このシミュレーションでは、アンテナ利得は９１０ＭＨｚにて最大値となり、アンテナの反射は９１０ＭＨｚにて最小値となっており、アンテナ特性が９１０ＭＨｚで最適化されている。したがって、上記のように寸法が設定されたパッチアンテナＡ２は、使用される電波の中心周波数が９１０ＭＨｚである場合に用いて最適なものとなる。しかしながら、パッチアンテナＡ２の寸法をさらに微調整することにより、目標周波数(９５３
ＭＨｚ)で反射が最小となり利得が最大となるようにアンテナ特性を最適化可能であるこ
とは言うまでもない。また、目標周波数が変更された場合にも、それに応じてパッチアンテナＡ２の寸法を調整することにより、パッチアンテナＡ２のアンテナ特性を目標周波数において最適化することが可能であることも言うまでもない。
【００６６】
なお、上記シミュレーションで最適となった周波数９１０ＭＨｚでは、電波の波長は３３０ｍｍとなる。この場合、グランドパターン２１に形成された穴２１ｂのピッチ（２０ｍｍ）は、かかる最適波長（３３０ｍｍ）の１／１６程度になる。本実施例のようにグランドパターン２１に、最適波長の１／１６程度のピッチで、網目状の穴２１ｂを形成しても、上記実施例１に比べ利得が若干下がるものの、十分な特性のパッチアンテナを実現できる。したがって、グランドパターン２１に形成された穴２１ｂのピッチは、当該パッチアンテナで使用される電波の波長の１／１６前後に設定するのが望ましい。
【００６７】
また、本実施例では、２８０ｍｍ角と広いグランドパターン２１を網目状の金属にすることで、ガラス（誘電体１７）越しに向こう側の景色が見えるようになる。このため、車のフロントガラス等にパッチアンテナＡ２を使用するような場合にも、視界を遮ることがなくなるという利点がある。本実施例のように、２０ｍｍピッチで、１８ｍｍ角程度の穴２１ｂを上下左右に空けて網目を構成すると、グランドパターン２１の面積の９０％以上を見通せるようになり、視界をほとんど妨げないパッチアンテナＡ２を実現出来る。
【００６８】
本実施例では、グランドパターン２１の穴２１ｂのピッチを、使用される電波の波長（λ＝３２０ｍｍ）の１／１６程度としたが、網目はもっと細かくてもよく、たとえば、１０ｍｍピッチで９．５ｍｍ角の穴をグランドパターン２１に設けても良い。
【００６９】
＜実施例３＞
上記実施例２では、グランドパターン２１の、パッチパターン１１の真下の領域にも、穴２１ｂが形成された。しかしながら、この領域には、電波送信時に比較的大きな高周波電流（表面電流）が流れるため、この領域への加工は、パッチアンテナＡ２の特性に影響を及ぼし易い。このため、この領域には穴を形成せず、グランドパターン２１を板状に残しておくのが望ましい。
【００７０】
図６は、本実施例のパッチアンテナＡ３の構成を示す図である。同図（ｂ）に示すように、グランドパターン３１の中央には、パッチパターン１１よりもやや広めの板部３１ｃが残され、その周りに穴３１ｂが形成されている。板部３１ｃの輪郭は、平面視において正方形であり、その中に、上記実施例２と同様、コンデンサパターン１３が配置される。穴３１ｂの形状、ピッチは、上記実施例２と同じである。また、パッチパターン１１、コンデンサパターン１３、コイル１４、絶縁体フィルム１５、１６および誘電体１７の構成も、上記実施例１、２と同じである。
【００７１】
本実施例では、表面電流が集中するグランドパターン３１の中央部分に穴３１ｂが形成されないため、上記実施例２に比べ、パッチアンテナＡ３の利得を高くすることができる。なお、板部３１ｃに対応する位置には、パッチパターン１１が存在し、もともとパッチ
パターン１１によって視界が遮られるため、本実施例のようにグランドパターン３１の中央に穴３１ｂを形成しなくても、視界には大きな影響を与えることがない。
【００７２】
＜実施例４＞
上記実施例２では、パッチパターン１１は全面が金属薄膜とされたが、パッチパターン１１の、コンデンサパターン１３の真上（表側）部分以外は、図４（ｂ）に示したグランドパターン２１と同様、格子状の穴を形成しても良い。
【００７３】
図７（ａ）は、この場合のパッチアンテナＡ４の構成例を示す。パッチパターン４１には、コンデンサパターン１３の直上の領域を除いて、穴４１ａが形成されている。穴４１ａの形状とピッチは、グランドパターン２１の穴２１ｂと同じである。パッチパターン４１以外のパッチアンテナＡ４の構成は、上記実施例２と同様である。
【００７４】
本実施例によれば、パッチアンテナＡ４の利得は若干下がるものの、上記実施例２のパッチアンテナＡ２と同様の効果が奏される。また、この場合、パッチパターン４１の部分においても景色が見通せるようになるという利点がある。
【００７５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の実施の形態は、これらに限定されるものではない。
【００７６】
たとえば、上記実施例１ないし３では、窓ガラスを誘電体１７とした場合について説明したが、誘電体１７は窓ガラスに限る必要はなく、誘電体１７が、フォークリフトの窓などに使われている強度の高いポリカーボネート樹脂や、透明度の高いアクリル樹脂、安価で電波の損失が少ないスチロール樹脂等からなる窓であっても良い。この場合も、上記実施例と同様の効果が得られる。
【００７７】
また、上記実施例では、パッチパターン、グランドパターンおよびコンデンサパターンをアルミにより形成したが、これらのパターンは、金、銀、銅などの導電率の高い金属や、錫などの耐食性に優れた金属や、ステンレスなどの合金により形成されてもよい。
【００７８】
また、上記実施例２ないし４では、格子状のグランドパターン２１、３１または格子状のパッチパターン４１を用いることで、視界を広くすることができた。しかしながら、これに限らず、パッチパターンとグランドパターンを、景色が見通せるように透明電極材料、たとえば、ＩＴＯ(Indium-tin-oxide)といった材料により構成するようにしても良い。これにより、パッチパターンとグランドパターンを格子状にしなくても、視界を妨げることのないパッチアンテナが実現できる。
【００７９】
また、上記実施例では、コンデンサパターン１３は方形状に構成されたが、これに限らず、円形状など、他の形状に構成されても良い。
【００８０】
この他、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００８１】
Ａ１〜Ａ４ … パッチアンテナ（マイクロ波平面アンテナ）
１１、４１ … パッチパターン
１２、２１、３１ … グランドパターン
１２ａ、２１ａ、３１ａ … 開口
２１ｂ、３１ｂ … 穴
１３ … コンデンサパターン
１４ … コイル
１７ … 誘電体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信やＲＦＩＤ（Radio FrequencyIdentification）リーダー等に用い
られる、マイクロ波の平面アンテナ（パッチアンテナ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の無線技術の進歩に伴い、自動車や列車に無線アンテナが搭載されつつある。この場合、たとえば、車外の一方向にのみ指向性のあるパッチアンテナが用いられ得る。このようなパッチアンテナとして、無線ＬＡＮ用のアンテナ、地上波デジタル放送用のアンテナ、ＵＨＦ帯ＲＦＩＤリーダー用のアンテナなどがある。この場合、パッチアンテナは、車内に設置される。しかし、従来のパッチアンテナは、前方に窓ガラスのような比誘電率の高い誘電体があると、指向性や反射特性等のアンテナ特性が乱れてしまうという欠点があった。
【０００３】
自動車の窓ガラスは、比誘電率が７〜８程度とパッチアンテナの誘電体には手頃な値で、且つ、誘電損失も少ないので、パッチアンテナの誘電体として十分使用に耐える素材である。よって、窓ガラスを誘電体として、パッチアンテナを構成することも可能である。たとえば、特許文献１に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、誘電体板を窓ガラスに置き換えると、上記のようなパッチアンテナを構成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１７２３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
窓ガラスを誘電体としてパッチアンテナを構成する場合、窓の内側から、窓の外側のパッチパターンに給電するために、ガラスに穴を穿設し、この穴に導体線を貫通させねばならない。しかしながら、誘電体として用いられるガラスが、自動車のフロントガラスのような強化ガラスである場合、穴を開けようとするとガラス全体が割れてしまうため、穴加工は殆ど不可能である。
【０００６】
また、通常の窓ガラスの場合でも穴あけ加工は困難である。穴加工により窓ガラスが割れてしまう危険性があり、たとえ、無事に穴が開いたとしても、高価な窓ガラスに傷がつき破損し易くなってしまう。また、穴から雨水などが入り易くなり防水性能が低下する惧れもある。このため、これまでは窓ガラスを誘電体としたパッチアンテナは、非現実的であると考えられていた。
【０００７】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、既存の誘電体を加工することなく利用可能なマイクロ波平面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】
【０００８】
本発明の主たる態様に係るマイクロ波平面アンテナは、パッチパターンと、誘電体を介して前記パッチパターンと向き合うように前記誘電体の裏側に配置されたグランドパターンと、前記誘電体を介して前記パッチパターンと向き合うように前記誘電体の裏側に配置され、前記グランドパターンとは電気的に接続されないコンデンサパターンと、を備える。前記コンデンサパターン、前記誘電体および前記パッチパターンの前記コンデンサパターンに対向する部分により構成されるコンデンサによって、前記誘電体の裏側から前記パ
ッチパターンに給電が行われる。
【０００９】
本態様に係るマイクロ波平面アンテナによれば、コンデンサパターン、誘電体およびパッチパターンにより構成されるコンデンサによって、誘電体の裏面からパッチパターンに給電が行われるため、パッチパターンに給電するための穴を、誘電体に設ける必要がない。よって、穴を開けることによる誘電体の破損や強度低下、あるいは、穴からの雨水の侵入を防止することができる。
【００１０】
本態様に係るマイクロ波平面アンテナにおいて、前記コンデンサパターンは、たとえば、前記グランドパターンに形成された開口内に、前記グランドパターンと所定のギャップを持って配置される。
【００１１】
また、本態様に係るマイクロ波平面アンテナは、前記パッチパターンに直列に接続され、当該マイクロ波平面アンテナの中心周波数において前記コンデンサと直列共振するコイルをさらに備える構成とされ得る。こうすると、パッチパターンにより効率的に給電を行うことができ、アンテナの特性を高めることができる。
【００１２】
この場合、前記コイルは、前記コンデンサパターンに設置された導電性の線材により構成され得る。こうすると、コイルの設置を簡易に行うことができる。なお、共振に必要なコイルのインダクタンスは、コンデンサパターンに設置された線材の径および長さにより調整され得る。
【００１３】
また、本態様に係るマイクロ波平面アンテナにおいて、前記グランドパターンは、複数の穴が開けられて網目状となるよう構成され得る。こうすると、穴が無い場合に比べアンテナ特性がやや低下するものの、穴を介してアンテナの向こうを見ることができる。よって、誘電体を車のフロントガラス等とするような場合にも、視界が遮られにくくなるという利点がある。
【００１４】
この場合、少なくとも前記パッチパターンに覆われる前記グランドパターンの部分には、前記穴が開けられていないようにするのが望ましい。こうすると、アンテナ特性の低下を効果的に抑制することができる。
【００１５】
また、前記穴のピッチは、使用する電波の波長の１６分の１程度とするのが望ましい。こうすると、アンテナ特性を良好なものとすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のとおり、本発明によれば、既存の誘電体を加工することなく利用可能なマイクロ波平面アンテナを提供することができる。
【００１７】
本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下の実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態に係るパッチアンテナの比較例の構成を示す図である。
【図２】実施例１に係るパッチアンテナの構成を示す図である。
【図３】実施例１に係るパッチアンテナの３次元利得特性を示す図および反射損失の周波数特性を示す図である。
【図４】実施例２に係るパッチアンテナの構成を示す図である。
【図５】実施例２に係るパッチアンテナの３次元利得特性を示す図および反射損失の周波数特性を示す図である。
【図６】実施例３に係るパッチアンテナの構成を示す図である。
【図７】実施例４に係るパッチアンテナの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施の形態は、使用される電波の中心周波数が９５３ＭＨｚの平面アンテナ（以下、「パッチアンテナ」という）に本発明を適用したものである。
【００２０】
＜比較例＞
まず、比較例にかかるパッチアンテナについて説明する。
【００２１】
図１（ａ）、（ｂ）は、比較例に係るパッチアンテナＡ０を、それぞれ上面と下面から見た場合の平面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）、（ｂ）をＳ１−Ｓ２に沿って切断したときの側断面図である。図１（ｄ）は、図１（ｃ）の破線で示す領域の拡大図である。
【００２２】
図示の如く、比較例に係るパッチアンテナＡ０は、導電性の金属薄板からなるパッチパターン１と、同じく導電性の金属薄板からなるグランドパターン２と、給電点３と、誘電体４を備える。
【００２３】
誘電体４は、一様な厚み（６ｍｍ）を有し、穴加工が容易なガラスエポキシ基板等からなる。なお、誘電体４が透明な素材からなる場合、誘電体４の上面からグランドパターン２が透けて見えるが、便宜上、図１（ａ）では、透けて見えるグランドパターン２の図示が省略されている。
【００２４】
パッチパターン１とグランドパターン２は、それぞれ、平面視において正方形の輪郭を有する。本比較例において、パッチパターン１とグランドパターン２の一辺の長さは、それぞれ、７０ｍｍと２８０ｍｍである。給電点３は、導電性の金属薄板からなる板部３ａと、板部３ａに植設された導電性の導芯３ｂとから構成される。板部３ａは、平面視において正方形の形状を有する。本比較例では、板部３ａの一辺の長さは、５ｍｍである。誘電体４は、平面視において、グランドパターン２よりも一回り大きな正方形の輪郭を有する。
【００２５】
パッチパターン１の中心からＸ軸正方向に距離ｄだけずれた位置に、直径１ｍｍ程度の穴１ａが形成される。また、誘電体４の中心からＸ軸正方向に距離ｄだけずれた位置にも、上下に貫通する直径１ｍｍ程度の穴４ａが形成される。さらに、グランドパターン２の中心からＸ軸正方向に距離ｄだけずれた位置に、正方形の開口２ａが形成される。開口２ａは、給電点３の板部３ａよりも一回り大きい。
【００２６】
パッチパターン１およびグランドパターン２は、それぞれ、中心が誘電体４の中心に一致するように、誘電体４の表面（Ｚ軸正方向側の面）および裏面（Ｚ軸負方向側の面）に設置される。給電点３は、板部３ａがグランドパターン２の開口２ａ内に配置されるように、誘電体４に装着される。このとき、導芯３ｂが誘電体４の穴４ａに通され、導芯３ｂの先端がパッチパターン１の穴１ａに連結される。また、板部３ａは、誘電体４の裏面に設置される。この状態において、板部３ａと開口２ａ周囲のグランドパターン２の部分との間には、ギャップが存在する。これにより、板部３ａとグランドパターン２は、電気的に非接続となっている。
【００２７】
給電点３とグランドパターン２の間に同軸ケーブル等を接続し、給電点３に電波を送信
するための給電が行われると、電波の周波数にてパッチパターン１が共振し、パッチアンテナＡ０から前方（Ｚ軸正方向）に向かって電波が送信される。
【００２８】
しかしながら、このようなパッチアンテナＡ０を構成するためには、導芯３ｂを通すために、誘電体４に対して穴あけ加工を施す必要がある。このため、誘電体４の素材として、上記のように穴あけ加工が容易なガラスエポキシ樹脂しか選べず、既存の絶縁体、たとえば自動車のフロントガラス等を利用してパッチアンテナＡ０を構成することが極めて困難であるとの問題が生じる。
【００２９】
以下の実施例には、誘電体４として、自動車のフロントガラス等の既存の絶縁体を利用して構成することのできるパッチアンテナの具体的構成例が示されている。
【００３０】
＜実施例１＞
図２（ａ）、（ｂ）は、本実施例に係るパッチアンテナＡ１を、それぞれ上面と下面から見た場合の平面図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）、（ｂ）をＳ１−Ｓ２に沿って切断したときの側断面図である。図２（ｄ）は、図２（ｃ）の破線で示す領域の拡大図である。なお、図２（ｃ）では、便宜上、絶縁体フィルム１５、１６の図示が省略されている。
【００３１】
図示の如く、パッチアンテナＡ１は、導電性の金属薄板からなるパッチパターン１１と、同じく導電性の金属薄板からなるグランドパターン１２と、コンデンサパターン１３と、コイル１４と、絶縁体フィルム１５、１６と、誘電体１７とを備える。
【００３２】
誘電体１７は、一様な厚み（６ｍｍ）を有し、たとえば、既存の窓ガラス等の絶縁体とされる。なお、誘電体１７が透明な素材からなる場合、誘電体１７の上面からグランドパターン１２、コンデンサパターン１３および絶縁体フィルム１６が透けて見えるが、便宜上、図２（ａ）では、透けて見えるグランドパターン１２等の図示が省略されている。
【００３３】
パッチパターン１１は、ＰＥＴ樹脂等からなる透明な絶縁体フィルム１５の表面（Ｚ軸正方向側の面）に、アルミ等の金属を蒸着することにより形成される。絶縁体フィルム１５の他方の面には、粘着剤が付けられており、この面が誘電体１７の表面（Ｚ軸正方向側の面）に貼り付けられる。これにより、パッチパターン１１が誘電体１７の表面に設置される。
【００３４】
グランドパターン１２は、ＰＥＴ樹脂等からなる透明な絶縁体フィルム１６の裏面（Ｚ軸負方向側の面）に、アルミ等の金属を蒸着することにより形成される。絶縁体フィルム１６の他方の面には、粘着剤が付けられており、この面が誘電体１７の裏面（Ｚ軸負方向側の面）に貼り付けられる。これにより、グランドパターン１２が誘電体１７の裏面に設置される。
【００３５】
なお、本実施例では、パッチパターン１１に給電のための穴（図１の穴１ａ）が形成されておらず、誘電体１７にも導芯（図１の導芯３ｂ）を通すための穴（図１の穴４ａ）が形成されていない。また、グランドパターン１２に形成された開口１２ａは、上記比較例における開口２ａよりも大きくなっている。本実施例における開口１２ａは、一辺が１６ｍｍよりやや大きくなっている。パッチパターン１１およびグランドパターン１２のその他の形状および寸法は、上記比較例におけるパッチパターン１およびグランドパターン２と同じである。
【００３６】
コンデンサパターン１３は、導電性の薄膜からなり、１６ｍｍ角の正方形の輪郭を有する。コンデンサパターン１３は、グランドパターン１２と同様、絶縁体フィルム１６の裏
面（Ｚ軸負方向側の面）に、アルミ等の金属を蒸着することにより形成されている。コンデンサパターン１３は、グランドパターン１２の開口１２ａ内に、グランドパターン１２と所定のギャップを有するように形成される。このギャップにより、コンデンサパターン１３は、グランドパターン１２に接触せず且つ絶縁される。コンデンサパターン１３は、グランドパターン１２と同様、絶縁体フィルム１６を誘電体１７の裏面に貼り付けることにより、誘電体１７の裏面に設置される。なお、コンデンサパターン１３の中心は、グランドパターン１２の中心からＸ軸正方向に２７ｍｍずれている。
【００３７】
コンデンサパターン１３は、誘電体１７を介してパッチパターン１１とコンデンサを構成している。コンデンサパターン１３と、誘電体１７と、パッチパターン１１のコンデンサパターン１３に対応する部分とにより構成されるコンデンサを、以下、「形成コンデンサ」と称する。形成コンデンサの静電容量は、コンデンサパターン１３の面積と、誘電体１７の厚さと、誘電体１７の比誘電率により決定される。コンデンサパターン１３は、この静電容量をもって、パッチパターン１１と静電容量結合している。
【００３８】
コイル１４は、コンデンサパターン１３のＺ軸負方向側の面の中心に、導電性の銅線を設置することにより形成される。これにより、形成コンデンサに対してコイル１４が直列接続される。
【００３９】
仮に、このコイル１４が設けられていない場合、同軸ケーブルの給電線はコンデンサパターン１３に接続され、同軸ケーブルのグランドはグランドパターン１２に接続される。この状態で、電波を送信するための交流信号（交流電圧）がコンデンサパターン１３に給電されると、形成コンデンサによる静電容量結合により、交流信号（交流電圧）がパッチパターン１１に伝送（誘導）される。これにより、電波の周波数にてパッチパターン１が共振し、パッチアンテナＡ１から前方（Ｚ軸正方向）に向かって、電波が送信される。
【００４０】
しかしながら、本実施例では、誘電体１７の厚みが６ｍｍと厚く、形成コンデンサの静電容量が比較的小さいため、コンデンサパターン１３からパッチパターン１１に交流信号（交流電圧）が伝送（誘導）されにくい。形成コンデンサのインピーダンスは、誘電体１７の厚さに比例し、コンデンサパターン１３の面積に反比例する。このため、誘電体１７の厚みが大きいと、形成コンデンサのインピーダンスが大きくなり、コンデンサパターン１３に印加された交流信号（交流電圧）の一部しかパッチパターン１１に届かず、大部分は形成コンデンサに加わるようになる。
【００４１】
この問題を解消するために、本実施例では、コイル１４がコンデンサパターン１３に設置されている。この場合、電波を送信するための交流信号（交流電圧）は、コイル１４を構成する銅線の、コンデンサパターン１３とは反対側の端部に給電される。こうすると、コイル１４と形成コンデンサとの直列共振によって、パッチパターン１１に対する交流信号の伝送効率が高められる。すなわち、直列共振では、形成コンデンサの電圧とコイル１４の電圧が互いに相殺し合ってゼロになる。このため、コイル１４に供給された交流信号（交流電圧）は、全てがパッチパターン１１に加わるようになる。これにより、パッチパターン１１に供給される交流信号が高められ、パッチアンテナＡ１から送信される電波が高められる。なお、コイル１４のインダクタンスは、以下のように設定される。
【００４２】
本実施例において、誘電体１７の厚さｔと、誘電体１７の比誘電率εｒと、真空の誘電率ε０と、コンデンサパターン１３の一辺の長さａは、それぞれ、以下に示す値となっている。
【００４３】
（１）誘電体１７の厚さｔ＝６ｍｍ
（２）誘電体１７の比誘電率εｒ＝７．４
（３）真空の誘電率ε０＝８．８５４×ｅ＾（−１２）
（４）コンデンサパターン１３の一辺の長さａ＝１６ｍｍ
【００４４】
この場合、形成コンデンサの静電容量Ｃは、以下の値となる。
【００４５】
Ｃ ＝ εｒ×ε０×ａ×ａ／ｔ ＝ ２．８ｐＦ … （５）
【００４６】
パッチアンテナＡ１の中心周波数ｆを９５３ＭＨｚとすると、リアクタンスＸｃは、以下の値となる。
【００４７】
Ｘｃ ＝ −１／（２×π×ｆ×Ｃ） ＝ −６０Ω … （６）
【００４８】
したがって、かかる形成コンデンサと直列共振するコイル１４のインダクタンスＬは、以下の値となる。
【００４９】
Ｌ ＝ Ｘｃ／（２×π×ｆ） ＝ １０ｎＨ … （７）
【００５０】
上記（７）のインダクタンスＬは、直径が１ｍｍであり、長さが約７ｍｍの銅線のインダクタンスに相当する。これに基づき、本実施例では、コイル１４の直径および長さが、それぞれ１ｍｍおよび７ｍｍに設定される。
【００５１】
本件出願の発明者は、上記のように構成されたパッチアンテナＡ１の特性について、アンソフト社の３次元電磁界シミュレーション・ソフトＨＦＳＳを用いてシミュレーションを行った。
【００５２】
図３（ａ）は、シミュレーションによって得られたパッチアンテナＡ１の３次元利得特性を示す図である。図３（ｂ）は、シミュレーションによって得られたパッチアンテナＡ１の反射損失の周波数特性を示す図である。なお、このシミュレーションでは、周波数９３０ＭＨｚで利得が最大となったため、図３（ａ）には、周波数９３０ＭＨｚの場合の３次元利得特性が示されている。
【００５３】
図３（ａ）を参照すると、パッチアンテナＡ１は、パッチパターン１１の向き（図２（ｃ）のＺ軸正方向）に指向性を持っている。また、正面のアンテナ利得として、＋７．２ｄＢｉが得られている。また、図３（ｂ）を参照すると、パッチアンテナＡ１の反射損失は９３０ＭＨｚにて、１０ｄＢが得られている。このように、本実施例のパッチアンテナＡ１では、上記比較例の誘電体４のように、誘電体１７に穴を穿設することなく、良好な特性を得ることができた。
【００５４】
なお、このシミュレーションでは、アンテナ利得は９３０ＭＨｚにて最大値となり、アンテナの反射は９３０ＭＨｚにて最小値となっており、アンテナ特性が９３０ＭＨｚで最適化されている。したがって、上記のように寸法が設定されたパッチアンテナＡ１は、使用される電波の中心周波数が９３０ＭＨｚである場合に用いて最適なものとなる。しかしながら、パッチアンテナＡ１の寸法をさらに微調整することにより、目標周波数(９５３
ＭＨｚ)で反射が最小となり利得が最大となるようにアンテナ特性を最適化可能であるこ
とは言うまでもない。また、目標周波数が変更された場合にも、それに応じてパッチアンテナＡ１の寸法を調整することにより、パッチアンテナＡ１のアンテナ特性を目標周波数において最適化することが可能であることも言うまでもない。
【００５５】
以上、本実施例によれば、コンデンサパターン１３と、誘電体１７と、パッチパターン１１とにより構成されるコンデンサを介して、パッチパターン１１に給電が行われる。こ
れにより、既存の窓ガラスを誘電体１７として使用する場合にも、穴をあける等の加工を行うこと無く、パッチアンテナＡ１が実現され得る。
【００５６】
なお、本実施例では誘電体１７の厚さが６ｍｍと分厚かったため、コイル１４を直列に挿入する必要があった。しかしながら、誘電体１７の厚さが３ｍｍ程度と薄ければ、形成コンデンサの静電容量Ｃは２倍となり、リアクタンスＸｃは半減して３０Ωとなる。このように、リアクタンスＸｃが給電線のインピーダンス５０Ωに比べて十分小さくなると、コイル１４を省略しても、十分な反射損失が得られる。よって、窓ガラスが３ｍｍ程度であれば、コイル１４を省略することも可能である。
【００５７】
逆に、誘電体１７の厚さが２倍の１２ｍｍと分厚く設定される場合は、静電容量Ｃが半分に減り、リアクタンスＸｃは２倍の１２０Ωになる。この場合、コイル１４のインダクタンスＬを２倍の２０ｎＨに増やせば、直列共振となり整合できる。これを実現するには、直径１ｍｍの銅線では、長さ１４ｍｍの直線状の銅線を用いることができ、また、銅線を短くしたければ、ソレノイド状のコイルのように、銅線を巻いてコイルとしても良い。また、同じ１０ｎＨのコイル１４を使いたい場合は、形成コンデンサの面積を２倍にすれば良い。この場合、コンデンサパターン１３の一辺を１．４倍、すなわちコンデンサパターン１３の一辺の長さａを、ａ＝２２ｍｍに増やせば良い。
【００５８】
＜実施例２＞
図４（ａ）〜（ｄ）は、上記実施例１とは異なるパッチアンテナＡ２の構成を示す図である。本実施例では、上記実施例１のグランドパターン１２が、格子状の金属からなるグランドパターン２１に変更されている。
【００５９】
グランドパターン２１には、コンデンサパターン１３が設置される開口２１ａの周囲を除いて、格子状に穴２１ｂが形成されている。平面視において、穴２１ｂは正方形であり、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に一定のピッチで並んでいる。上記実施例１と同様、格子状のグランドパターン２１は、ＰＥＴ樹脂等からなる絶縁体フィルム１６の裏面（Ｚ軸負方向側の面）に、アルミ等の金属を蒸着することにより形成される。
【００６０】
本実施例において、穴２１ｂのピッチは２０ｍｍ、穴２１ｂの一辺は１８ｍｍである。隣り合う穴２１ｂ間の枠の幅は２ｍｍ、最外周の枠の幅は１ｍｍである。
【００６１】
グランドパターン２１のその他の構成は、上記実施例１のグランドパターン１２と同じである。また、パッチパターン１１、コンデンサパターン１３、コイル１４、絶縁体フィルム１５、１６および誘電体１７の構成も、上記実施例１と同じである。
【００６２】
本件出願の発明者は、本実施例のパッチアンテナＡ２の特性について、アンソフト社の３次元電磁界シミュレーション・ソフトＨＦＳＳを用いてシミュレーションを行った。
【００６３】
図５（ａ）は、シミュレーションによって得られたパッチアンテナＡ２の３次元利得特性を示す図である。図５（ｂ）は、シミュレーションによって得られたパッチアンテナＡ２の反射損失の周波数特性を示す図である。なお、このシミュレーションにおいては、周波数９１０ＭＨｚで利得が最大となったため、図５（ａ）には、周波数９１０ＭＨｚの場合の３次元利得特性が示されている。
【００６４】
図５（ａ）を参照すると、パッチアンテナＡ２は、パッチパターン１１の向き（図４（ｃ）のＺ軸正方向）に指向性を持つ。また、正面のアンテナ利得として、＋６．９ｄＢｉが得られている。図５（ｂ）を参照すると、パッチアンテナＡ２の反射損失は９１０ＭＨｚにて、７．２ｄＢが得られている。このように、本実施例のパッチアンテナＡ２では、
上記実施例１のパッチアンテナＡ１よりは特性がやや劣るものの、誘電体１７に穴を穿設することなく、良好な特性を得ることができた。
【００６５】
なお、このシミュレーションでは、アンテナ利得は９１０ＭＨｚにて最大値となり、アンテナの反射は９１０ＭＨｚにて最小値となっており、アンテナ特性が９１０ＭＨｚで最適化されている。したがって、上記のように寸法が設定されたパッチアンテナＡ２は、使用される電波の中心周波数が９１０ＭＨｚである場合に用いて最適なものとなる。しかしながら、パッチアンテナＡ２の寸法をさらに微調整することにより、目標周波数(９５３
ＭＨｚ)で反射が最小となり利得が最大となるようにアンテナ特性を最適化可能であるこ
とは言うまでもない。また、目標周波数が変更された場合にも、それに応じてパッチアンテナＡ２の寸法を調整することにより、パッチアンテナＡ２のアンテナ特性を目標周波数において最適化することが可能であることも言うまでもない。
【００６６】
なお、上記シミュレーションで最適となった周波数９１０ＭＨｚでは、電波の波長は３３０ｍｍとなる。この場合、グランドパターン２１に形成された穴２１ｂのピッチ（２０ｍｍ）は、かかる最適波長（３３０ｍｍ）の１／１６程度になる。本実施例のようにグランドパターン２１に、最適波長の１／１６程度のピッチで、網目状の穴２１ｂを形成しても、上記実施例１に比べ利得が若干下がるものの、十分な特性のパッチアンテナを実現できる。したがって、グランドパターン２１に形成された穴２１ｂのピッチは、当該パッチアンテナで使用される電波の波長の１／１６前後に設定するのが望ましい。
【００６７】
また、本実施例では、２８０ｍｍ角と広いグランドパターン２１を網目状の金属にすることで、ガラス（誘電体１７）越しに向こう側の景色が見えるようになる。このため、車のフロントガラス等にパッチアンテナＡ２を使用するような場合にも、視界を遮ることがなくなるという利点がある。本実施例のように、２０ｍｍピッチで、１８ｍｍ角程度の穴２１ｂを上下左右に空けて網目を構成すると、グランドパターン２１の面積の９０％以上を見通せるようになり、視界をほとんど妨げないパッチアンテナＡ２を実現出来る。
【００６８】
本実施例では、グランドパターン２１の穴２１ｂのピッチを、使用される電波の波長（λ＝３２０ｍｍ）の１／１６程度としたが、網目はもっと細かくてもよく、たとえば、１０ｍｍピッチで９．５ｍｍ角の穴をグランドパターン２１に設けても良い。
【００６９】
＜実施例３＞
上記実施例２では、グランドパターン２１の、パッチパターン１１の真下の領域にも、穴２１ｂが形成された。しかしながら、この領域には、電波送信時に比較的大きな高周波電流（表面電流）が流れるため、この領域への加工は、パッチアンテナＡ２の特性に影響を及ぼし易い。このため、この領域には穴を形成せず、グランドパターン２１を板状に残しておくのが望ましい。
【００７０】
図６は、本実施例のパッチアンテナＡ３の構成を示す図である。同図（ｂ）に示すように、グランドパターン３１の中央には、パッチパターン１１よりもやや広めの板部３１ｃが残され、その周りに穴３１ｂが形成されている。板部３１ｃの輪郭は、平面視において正方形であり、その中に、上記実施例２と同様、コンデンサパターン１３が配置される。穴３１ｂの形状、ピッチは、上記実施例２と同じである。また、パッチパターン１１、コンデンサパターン１３、コイル１４、絶縁体フィルム１５、１６および誘電体１７の構成も、上記実施例１、２と同じである。
【００７１】
本実施例では、表面電流が集中するグランドパターン３１の中央部分に穴３１ｂが形成されないため、上記実施例２に比べ、パッチアンテナＡ３の利得を高くすることができる。なお、板部３１ｃに対応する位置には、パッチパターン１１が存在し、もともとパッチ
パターン１１によって視界が遮られるため、本実施例のようにグランドパターン３１の中央に穴３１ｂを形成しなくても、視界には大きな影響を与えることがない。
【００７２】
＜実施例４＞
上記実施例２では、パッチパターン１１は全面が金属薄膜とされたが、パッチパターン１１の、コンデンサパターン１３の真上（表側）部分以外は、図４（ｂ）に示したグランドパターン２１と同様、格子状の穴を形成しても良い。
【００７３】
図７（ａ）は、この場合のパッチアンテナＡ４の構成例を示す。パッチパターン４１には、コンデンサパターン１３の直上の領域を除いて、穴４１ａが形成されている。穴４１ａの形状とピッチは、グランドパターン２１の穴２１ｂと同じである。パッチパターン４１以外のパッチアンテナＡ４の構成は、上記実施例２と同様である。
【００７４】
本実施例によれば、パッチアンテナＡ４の利得は若干下がるものの、上記実施例２のパッチアンテナＡ２と同様の効果が奏される。また、この場合、パッチパターン４１の部分においても景色が見通せるようになるという利点がある。
【００７５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の実施の形態は、これらに限定されるものではない。
【００７６】
たとえば、上記実施例１ないし３では、窓ガラスを誘電体１７とした場合について説明したが、誘電体１７は窓ガラスに限る必要はなく、誘電体１７が、フォークリフトの窓などに使われている強度の高いポリカーボネート樹脂や、透明度の高いアクリル樹脂、安価で電波の損失が少ないスチロール樹脂等からなる窓であっても良い。この場合も、上記実施例と同様の効果が得られる。
【００７７】
また、上記実施例では、パッチパターン、グランドパターンおよびコンデンサパターンをアルミにより形成したが、これらのパターンは、金、銀、銅などの導電率の高い金属や、錫などの耐食性に優れた金属や、ステンレスなどの合金により形成されてもよい。
【００７８】
また、上記実施例２ないし４では、格子状のグランドパターン２１、３１または格子状のパッチパターン４１を用いることで、視界を広くすることができた。しかしながら、これに限らず、パッチパターンとグランドパターンを、景色が見通せるように透明電極材料、たとえば、ＩＴＯ(Indium-tin-oxide)といった材料により構成するようにしても良い。これにより、パッチパターンとグランドパターンを格子状にしなくても、視界を妨げることのないパッチアンテナが実現できる。
【００７９】
また、上記実施例では、コンデンサパターン１３は方形状に構成されたが、これに限らず、円形状など、他の形状に構成されても良い。
【００８０】
この他、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００８１】
Ａ１〜Ａ４ … パッチアンテナ（マイクロ波平面アンテナ）
１１、４１ … パッチパターン
１２、２１、３１ … グランドパターン
１２ａ、２１ａ、３１ａ … 開口
２１ｂ、３１ｂ … 穴
１３ … コンデンサパターン
１４ … コイル
１７ … 誘電体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッチパターンと、
誘電体を介して前記パッチパターンと向き合うように前記誘電体の裏側に配置されたグランドパターンと、
前記誘電体を介して前記パッチパターンと向き合うように前記誘電体の裏側に配置され、前記グランドパターンとは電気的に接続されないコンデンサパターンと、
を備え、
前記コンデンサパターン、前記誘電体および前記パッチパターンの前記コンデンサパターンに対向する部分により構成されるコンデンサによって、前記誘電体の裏側から前記パッチパターンに給電が行われる、
ことを特徴とするマイクロ波平面アンテナ。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロ波平面アンテナにおいて、
前記コンデンサパターンは、前記グランドパターンに形成された開口内に、前記グランドパターンと所定のギャップを持って配置される、
ことを特徴とするマイクロ波平面アンテナ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のマイクロ波平面アンテナにおいて、
前記パッチパターンに直列に接続され、当該マイクロ波平面アンテナの中心周波数において前記コンデンサと直列共振するコイルをさらに備える、
ことを特徴とするマイクロ波平面アンテナ。
【請求項４】
請求項３に記載のマイクロ波平面アンテナにおいて、
前記コイルは、前記コンデンサパターンに設置された導電性の線材を含む、
ことを特徴とするマイクロ波平面アンテナ。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか一項に記載のマイクロ波平面アンテナにおいて、
前記グランドパターンは、複数の穴が開けられて網目状となっている、
ことを特徴とするマイクロ波平面アンテナ。
【請求項６】
請求項５に記載のマイクロ波平面アンテナにおいて、
少なくとも前記パッチパターンに覆われる前記グランドパターンの部分には、前記穴が開けられていない、
ことを特徴とするマイクロ波平面アンテナ。
【請求項７】
請求項５または６に記載のマイクロ波平面アンテナにおいて、
前記穴のピッチは、使用する電波の波長の１６分の１である、
ことを特徴とするマイクロ波平面アンテナ。
【請求項１】
パッチパターンと、
誘電体を介して前記パッチパターンと向き合うように前記誘電体の裏側に配置されたグランドパターンと、
前記誘電体を介して前記パッチパターンと向き合うように前記誘電体の裏側に配置され、前記グランドパターンとは電気的に接続されないコンデンサパターンと、
を備え、
前記コンデンサパターン、前記誘電体および前記パッチパターンの前記コンデンサパターンに対向する部分により構成されるコンデンサによって、前記誘電体の裏側から前記パッチパターンに給電が行われる、
ことを特徴とするマイクロ波平面アンテナ。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロ波平面アンテナにおいて、
前記コンデンサパターンは、前記グランドパターンに形成された開口内に、前記グランドパターンと所定のギャップを持って配置される、
ことを特徴とするマイクロ波平面アンテナ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のマイクロ波平面アンテナにおいて、
前記パッチパターンに直列に接続され、当該マイクロ波平面アンテナの中心周波数において前記コンデンサと直列共振するコイルをさらに備える、
ことを特徴とするマイクロ波平面アンテナ。
【請求項４】
請求項３に記載のマイクロ波平面アンテナにおいて、
前記コイルは、前記コンデンサパターンに設置された導電性の線材を含む、
ことを特徴とするマイクロ波平面アンテナ。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか一項に記載のマイクロ波平面アンテナにおいて、
前記グランドパターンは、複数の穴が開けられて網目状となっている、
ことを特徴とするマイクロ波平面アンテナ。
【請求項６】
請求項５に記載のマイクロ波平面アンテナにおいて、
少なくとも前記パッチパターンに覆われる前記グランドパターンの部分には、前記穴が開けられていない、
ことを特徴とするマイクロ波平面アンテナ。
【請求項７】
請求項５または６に記載のマイクロ波平面アンテナにおいて、
前記穴のピッチは、使用する電波の波長の１６分の１である、
ことを特徴とするマイクロ波平面アンテナ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２４９２０５（Ｐ２０１２−２４９２０５Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２１１２５（Ｐ２０１１−１２１１２５）
【出願日】平成２３年５月３０日（２０１１．５．３０）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月３０日（２０１１．５．３０）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]