円偏波パッチアンテナ
【課題】容量結合による給電方式を採用した円偏波パッチアンテナにおいて、小型・薄型化と高性能化とをコストアップを伴わずに達成させる。
【解決手段】誘電体材料または磁性体材料からなる上下に扁平な箱状の基体２と、略正方形の平面形状を有して前記基体の上面３に形成されている放射電極１０ａと、前記基体の下面５に形成されているＧＮＤ電極６と、前記基体の上面に形成されて前記放射電極における前記略正方形の１辺１３とギャップ３０を介して対向配置されている給電電極２１ａと、当該給電電極に給電するための給電線２０とを備えた円偏波パッチアンテナ１ａであって、前記給電線は、細線状で、基端に給電点となる給電端子２２が接続され、先端に前記給電電極が接続され、前記放射電極は、前記給電電極と前記ギャップを介して対向する前記１辺に、当該給電電極を取り囲む凹部４０が形成されている。
【解決手段】誘電体材料または磁性体材料からなる上下に扁平な箱状の基体２と、略正方形の平面形状を有して前記基体の上面３に形成されている放射電極１０ａと、前記基体の下面５に形成されているＧＮＤ電極６と、前記基体の上面に形成されて前記放射電極における前記略正方形の１辺１３とギャップ３０を介して対向配置されている給電電極２１ａと、当該給電電極に給電するための給電線２０とを備えた円偏波パッチアンテナ１ａであって、前記給電線は、細線状で、基端に給電点となる給電端子２２が接続され、先端に前記給電電極が接続され、前記放射電極は、前記給電電極と前記ギャップを介して対向する前記１辺に、当該給電電極を取り囲む凹部４０が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、移動体通信、ローカル・エリア・ネットワーク、ＩＴＳ、ＥＴＣ、ＧＰＳ等に使用する円偏波のパッチアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の適用例として、小型の電子機器に内蔵されるＧＰＳ信号の受信アンテナを挙げる。周知のごとく、ＧＰＳ信号の受信アンテナは、ＧＰＳ衛星から送信される円偏波の電磁波信号を受信するものであり、そのＧＰＳ信号は、船舶や自動車におけるナビゲーション装置が自身の位置情報を取得する用途に供される。そして、ＧＰＳ信号の受信用アンテナの多くが右旋円偏波用である。
【０００３】
ところで、近年では、船舶航行用のナビゲーション装置や車載のオーディオ機器などと一体化された組込型のカーナビゲーション装置に限らず、様々な機器、とくに携帯型の電子機器にＧＰＳが利用され、これらの電子機器に搭載されるＧＰＳ受信用アンテナには、小型化が強く求められている。
【０００４】
ＧＰＳ受信用アンテナを小型にする一つの方法としては、例えば、ＧＰＳ受信機能が搭載された携帯電話機のように、移動体通信事業者が提供するネットワークサービス（例えば、基地局を利用した三角測量など）と連携させて測位することで、右旋円偏波受信性能が低い代わりに小型化が容易な１／４波長タイプの直線偏波のチップアンテナをＧＰＳ受信用アンテナとして使用する方法がある。
【０００５】
しかし、ＧＰＳは、従来の組込型のカーナビゲーション装置とは異なるＰＮＤと呼ばれ着脱自在で携帯が可能なカーナビゲーション装置やＰＤＡなどの電話機能のない携帯情報端末、ウルトラモバイルＰＣと呼ばれる超小型の可搬型コンピュータ、撮影場所の位置情報を記録できるディジタルカメラなど、多種多様な電子機器にまでその利用が拡大している。これらの機器は、普通、移動体通信網などの情報通信網を介したネットワークサービスとの連携は行わず、機器単体で測位する方式を採用している。そのため、これらの機器には、受信性能が高い右旋円偏波のアンテナを搭載することが望ましい。そして、本発明は、薄型化に適した右旋円偏波のアンテナを含む円偏波アンテナに関するものである。
【０００６】
円偏波パッチアンテナには、その給電方式に応じて２つの方式がある。図１３に、第１の給電方式に対応した円偏波パッチアンテナ１ｊの概略構造を示した。（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は、回路基板に実装されているこの円偏波パッチアンテナ１ｊの側断面図である。この円偏波パッチアンテナ１ｊは、ピン給電方式の円偏波パッチアンテナであり、カーナビゲーションなどへの使用例が多く、誘電体や磁性体からなる厚みが４〜５ｍｍ程度の上下に扁平な箱状の基体２の上面３に１辺１５ｍｍ〜２５ｍｍ程度の概略正方形の導体からなる放射電極１０ｊが形成され、下面５にはＧＮＤ電極６が面状に形成されている。そして、放射電極１０ｊに給電するための金属製の給電ピン２０ｊが、上面３の放射電極１０ｊに接続されつつ、ＧＮＤ電極６が形成されている下面５側に挿通され、その先端がＧＮＤ電極６と非接触となるように基体２の下面５から突出する。給電ピン２０ｊは、通常、円偏波パッチアンテナ１ｊが実装される回路基板５０に形成されたスルーホール５１に挿入されるとともに、回路基板５０においてアンテナ１ｊが実装される面５２とは反対側の面５３で半田５４により回路基板５０上に形成されている受信回路に接続される。それによって、回路基板５０上の受信回路に受信したＧＰＳ信号が送出される。
【０００７】
なお、この方式では、基体２や放射電極１０ｊのサイズを一回り小さくしたものがＰＮＤ用に使用されている。そして、ピン２０ｊの位置によって、インピーダンス調整をしている。また、この円偏波パッチアンテナ１ｊは、円偏波にするために１つの対向するコーナー１１を面取りし、この面取り部分を縮退分離素子１２として、位相が９０度ずれた２つの共振を起こすようになっている。
【０００８】
このピン２０ｊで給電する円偏波パッチアンテナ１ｊの入力インピーダンスは主に放射電極１０ｊと給電ピン２０ｊの相対位置で制御されるため、インピーダンス整合の適応範囲が広いという長所を有する。その一方で、給電ピン２０ｊを回路基板５０に差し込み、裏面５３で半田接続するため、実装の自動化が困難であり、組立コストが高くなってしまうという欠点がある。また、給電ピン２０ｊが基体２の下面５に突き出る構造であることから、より小型の機器で要求される高密度実装には適さない。
【０００９】
図１４に第２の給電方式に対応する一般的な円偏波パッチアンテナ１ｋの構造を示した。この円偏波パッチアンテナ１ｋは、上下に扁平な箱状で誘電体材料または磁性体材料からなる基体２の上面３に、略正方形の平面形状をなす放射電極１０ｋが形成されている。そして、細線（マイクロストリップ）状の信号線（給電線）２０の先端（給電電極）２１ｋから放射電極１０ｋに給電するものである。具対的には、放射電極１０ｋの１辺１３と給電電極２１ｋとを離間させて対向配置してこれらの電極（１０ｋ，２１ｋ）間にギャップ３０を設け、これらの電極（１０ｋ，２１ｋ）間の容量結合によって給電するタイプである。
【００１０】
なお、放射電極１０ｋの形状は、上記ピン２０ｊによる給電方式を採用した円偏波パッチアンテナ１ｊと同様に略正方形の対向する二つのコーナー１１に縮退分離素子１２が設けられて、位相が９０度ずれた二つの共振を起こすようになっている。先端が給電電極２１ｋとなる給電線２０は、略正方形の放射電極１０の一辺１３のほぼ中央から、当該正方形の外方へ直交して延長し、基体２０の側面４を経由して下面５に至っている。
【００１１】
ＧＮＤ電極６は、扁平箱状の基体２の上面３や側面４に設けられる場合もあるが、図示した例では、基体１０の下面５のほぼ全面に設けられている。また、給電線２０の基端２２は、実装時に回路基板上の配線に接続されて給電点となる給電端子２２であり、基体２の下面５には、この給電端子２２が配設されている。なお、基体２の下面５において、ＧＮＤ電極６が給電線２０と給電端子２２の部分で短絡しないように、ＧＮＤ電極６と給電端子２２との間にはギャップ３１が設けられている。なお、これら放射電極１０ｋ、給電線２０、およびＧＮＤ電極６は、金・銀・銅・パラジウム・白金・銀白金・銀パラジウムなどの導体からなり、これら導体を印刷・めっき・エッチング・蒸着・塗布などによって形成することができる。
【００１２】
もちろん、放射電極１０ｋと給電電極２１ｋとを直接接続した円偏波パッチアンテナも存在するが、等価回路上では、直列にＲ成分とＬ成分しか持たないため、インピーダンス整合の適応範囲が狭い。一方、上記第２の給電方式を採用した円偏波パッチアンテナ１ｋでは、給電電極２１ｋの幅ｔや、ギャップ３０の間隔Ｇを調整することで、入力インピーダンスを可変することができ、インピーダンス整合の適用範囲を広くすることができる。しかし、この第２の給電方式の円偏波パッチアンテナ１ｋは、上記ピン２０ｊによる給電方式を採用した円偏波パッチアンテナ１ｊと比較すると、容量成分が付加された分だけ帯域幅が狭いという問題がある。なお、この第２の給電方式に対応する円偏波パッチアンテナ１ｋについては、以下の特許文献１などに記載されている。
【００１３】
さらに、以下の特許文献２には、上述した第２の給電方式を採用しつつ、帯域幅を広くすることができる円偏波パッチアンテナについて記載されている。この特許文献２に記載された円偏波パッチアンテナ（従来例）の構造を図１５に示した。この従来例に係る円偏波パッチアンテナ１Ｌは、上記第２の給電方式を採用した一般的な円偏波パッチアンテナ１ｋの改良形態であり、放射電極１０Ｌの１辺１３とギャップ３０を介して直線状の導体２１Ｌを配置し、この直線状導体（給電電極）２１Ｌと細線状の給電線２０が、それぞれＴ字の横棒と縦棒となるように接続されている。それによって、この従来例に係る円偏波パッチアンテナ１ｋは、実装容易性を確保しつつ、上記一般的な円偏波パッチアンテナ１ｊと比べて結合容量が大きく、帯域幅が広くなっている。
【特許文献１】特開平１１−７４７２１号公報
【特許文献２】特開２００１−１７７３１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記従来例では、実装の自動化にも対応可能な容量結合による充電方式を採用しつつ、、帯域幅を広げる事にも成功している。しかしながら、電子機器にはさらなる小型・薄型化が求められ、これら機器に使用される円偏波パッチアンテナには、とくに一層の薄型化が求められている。そして、パッチアンテナの薄型化を達成するためには、基体を薄くすることが最も有効な方法である。
【００１５】
しかし、基体を薄くすると、基体の表裏（上下面）における放射電極とＧＮＤ電極とによる容量成分が大きくなり、容量結合においてアンダーカップリング傾向となり、入力インピーダンスにおける誘導性傾向が顕著となる。そして、インピーダンス整合のみならず位相・利得・軸比等の各特性を良好に保つことが困難となる。
【００１６】
入力インピーダンスの誘導性を打ち消すためには、給電電極と放射電極との対向距離を小さくしてギャップを狭小化すればよいが、極端にギャップが狭いと、大量生産時において、そのギャップの形成精度を維持することが難しくなり、特性に個体差が生じる。放射電極と給電電極が短絡して不良品となる可能性もある。特に安価で大量生産に適したスクリーン印刷法や湿式エッチング法を用いたプロセスで各電極を形成する場合、ギャップの設計値が極端に狭いと歩留が極めて悪くなる。もちろん、板金成型による電極形成方法では極端に狭いギャップを安定して形成することは、さらに困難である。より高い精度で製造しようとすれば、製造設備や品質管理に掛かるコストが増加する。
【００１７】
確かに、上記従来例では、直線状導体の長さを長くして結合容量を増加させることが可能であり、ギャップを狭小化しなくても入力インピーダンスの誘導性傾向を打ち消すことができる。しかし、アンテナの薄型化が進むにつれ、その直線状導体の両端を略正方形の放射電極のコーナー、すなわち強電界部付近にまで延伸せざるを得なくなる。そうなると、今度は、入力インピーダンスがオーバーカップリング傾向となり、特性が劇的に反転し、インピーダンスを整合させることが極めて困難となる。もちろん、利得や軸比等の特性も劣化してしまう。
【００１８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、容量結合による給電方式を採用した円偏波パッチアンテナにおいて、小型・薄型化と高性能化とをコストアップを伴わずに達成させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するための本発明は、誘電体材料または磁性体材料からなる上下に扁平な箱状の基体と、略正方形の平面形状を有して前記基体の上面に形成されている放射電極と、前記基体の下面に形成されているＧＮＤ電極と、前記基体の上面に形成されて前記放射電極における前記略正方形の１辺とギャップを介して対向配置されている給電電極と、当該給電電極に給電するための給電線とを備えた円偏波パッチアンテナであって、前記給電線は、細線状で、基端に給電点となる給電端子が接続され、先端に前記給電電極が接続され、前記放射電極は、前記給電電極と前記ギャップを介して対向する前記１辺に、当該給電電極を取り囲む凹部が形成されている円偏波パッチアンテナとしている。
【００２０】
前記凹部は、前記給電電極と前記ギャップを介して対向する前記１辺に形成された凸部の先端を略コの字型に切り欠いた形状となるように形成されていてもよい。
【００２１】
前記給電電極と前記給電線が、それぞれ、Ｔ字の横棒と縦棒に対応する形状に形成され、当該Ｔ字の横棒が前記凹部の内側に前記ギャップを介して配置されている円偏波パッチアンテナとすることもできる。
【００２２】
前記給電線の先端が櫛歯状となるように複数に枝分かれして前記給電電極が形成されているとともに、当該櫛歯の各先端が前記凹部の内側に前記ギャップを介して配置されている円偏波パッチアンテナとすることもできる。なお、前記櫛歯の各先端のそれぞれに対応して前記凹部が複数形成されていてもよい。
【００２３】
上記何れかの円偏波パッチアンテナにおいて、前記基体の下面に形成されている前記ＧＮＤ電極は、平行する２本の細線状に当該基体の側面に延長するとともに、当該延長部分が前記基体側面にて前記給電線の少なくとも一部を挟持するように、当該給電線の延長方向の両側に平行して配置されていることとしてもよい。
【００２４】
上記何れかの円偏波パッチアンテナにおいて、前記凹部の底辺を形成する全線分の長さが、前記放射電極の略正方形の４辺の長さの合計の１／８以下であれば、より特性にすぐれた円偏波パッチアンテナとすることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、高性能で、かつ小型で薄型の円偏波パッチアンテナを安価に提供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】
【００２６】
本発明の円偏波パッチアンテナは、ギャップを介して対向する給電端子と放射電極について、その対向形状を工夫することで、放射電極が弱電界集中領域で給電電極と密に結合するようにしている。それによって、基体を薄くした際に誘導性傾向やアンダーカップリング傾向となっても、容易に入力インピーダンスを整合させることができ、利得や軸比などの放射特性も良好に維持することを可能としている。以下に、本発明の実施例として、主に、上記給電電極と放射電極との対向形状が異なる円偏波パッチアンテナを挙げる。
【００２７】
＝＝＝第１の実施例＝＝＝
図１に、本発明の第１の実施例における円偏波パッチアンテナ１ａの電極構造を示した。（Ａ）は、放射電極１０ａが形成されている基体２の上面３の平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）における要部１００ａの拡大図である。当該実施例は、図１４に示した一般的な円偏波パッチアンテナ１ｋと同様に、上下に扁平な箱状の基体２の上面３に、対角線上にある二つのコーナー１１が面取りされて縮退分離素子１２が形成された略正方形状の放射電極１０ａと、細線の先端を給電電極２１ａとする給電線２０とが配設されており、給電電極２１ａは、放射電極１０ａの１辺１３のほぼ中心にてギャップ３０を介して当該１辺１３と対向配置されている。また、基体２の裏面（図示せず）には、図１４（Ｂ）に示した構造と同様に、給電端子２２の形成領域を除くほぼ全面にＧＮＤ電極６が形成されている。第１の実施例における以上の構造は、上記一般的な円偏波パッチアンテナ１ｋとほぼ同様である。
【００２８】
しかし、第１の実施例では、図１（Ｂ）に拡大して示したように、細線状の給電線２０の先端を給電電極２１ａとするとともに、放射電極１０ａには、ギャップ（図中、網点部分）３０を介して給電電極２１ａを取り囲む凹部４０が形成されている。なお、入力インピーダンスは、給電電極２１ａの幅ｔや凹部の深さｄ、給電電極２１ａの先端２３と凹部４０の底辺４１との距離ｙ１、および給電電極２１ａの両側側線２４と凹部４０の内側線４２の距離（ｙ２，ｙ３）などを調整することで整合させればよい。
【００２９】
このように、給電電極２１ａが放射電極１０ａに形成された凹部４０により取り囲まれた構造により、給電電極２１ａの先端２３と両側の線分２４が、それぞれ凹部４０の底部４１、および内側両側の線分４２とギャップ３０を介して対向する。したがって、上記一般的な円偏波パッチアンテナ１ｋでは、給電線２０の先端２１ｋのみが容量結合に寄与していたのに対し、第１の実施例における円偏波パッチアンテナ１ａでは、給電電極２１ａの両側側線２４の線分も容量結合に寄与する。そのため、基体２を薄くした場合、給電電極２１ａと放射電極１０ａとの距離（ｙ１〜ｙ３）を小さくしてギャップ３０を狭小化しなくても結合容量が増加し、アンダーカップリング傾向と誘導性傾向とを解消することができる。
【００３０】
＝＝＝第２の実施例＝＝＝
図２に、本発明の第２の実施例における円偏波パッチアンテナ１ｂの電極構造を示した。（Ａ）は、放射電極１０ｂが形成されている基体２の上面３の平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）における要部１００ｂの拡大図である。当該実施例では、略正方形の放射電極１０ｂの形成領域の外に凹部４０を形成している。具体的には、給電電極２１ｂと対向する１辺１３に二つの突起４３を形成し、この突起４３が給電電極２１ｂを両側からギャップ３０を介して挟持している。すなわち、放射電極１０ｂは、前記給電電極２１ｂに対向する１辺１３に凸部が設けられて、その凸部がコの字型に切り欠かれた形状となっている。そして、コの字の内側で凹部４０が形成され、コの字の底辺４１、すなわち凹部４０の底辺４１が放射電極１０ｂの１辺１３の一部となっている。そして、給電電極２１ｂは、そのコの字の内側の３辺（４１，４２）によって取り囲まれている。
【００３１】
第２の実施例では、凹部４０を放射電極１０ｂの略正方形の領域外に設けて、放射電極１０ｂの面積を減らさずに給電電極２１ｂと効率的に容量結合させる構造となっている。そのため、第１の実施例と比べると、より最適な整合状態が得られやすく、特性の劣化も少なくすることができる。
【００３２】
＝＝＝第３の実施例＝＝＝
図３に、本発明の第３の実施例における円偏波パッチアンテナ１ｃの電極構造を示した。（Ａ）は、放射電極１０ｃが形成されている基体２の上面３の平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）における要部１００ｃの拡大図である。第３の実施例では、給電電極２１ｃを単なる細線の先端部分とせず、給電線２０をＴ字の縦棒として、当該給電線２０の先端をＴ字状となるように左右に分岐させ、このＴ字の横棒部分を給電電極２１ｃとしている。そして、この形状により、放射電極（１０ｃ，１０ｄ）の一辺１３とＴ字の横棒かならなる給電電極２１ｃとの間で容量結合するため、第１の実施例より結合容量が増加し、ギャップ３０を狭くすることなく、円偏波パッチアンテナ１ｃを薄くすることができる。また、給電電極２１ｃは、Ｔ字の横棒に対応する線分２５ｃに加え、当該横棒の両端２６ｃも凹部の内側線分（４１，４２）と容量結合するので、従来例１Ｌと比較して、Ｔ字の横棒２５ｃの長さを延伸しなくても十分な結合容量が得られ、インピーダンスを容易に整合させることができる。
【００３３】
この第３の実施例では、図４に示すように、上記円偏波パッチアンテナ１０ｃと同じ形状の給電電極２１ｄを採用しつつ、凹部４０を第２の実施例のように、放射電極１０ｄの略正方形の外形の外側に形成してもよい。
【００３４】
＝＝＝第４の実施例＝＝＝
図５に、本発明の第４の実施例における円偏波パッチアンテナ１ｅの電極構造を示した。（Ａ）は、放射電極１０ｅが形成されている基体２の上面３の平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）における要部１００ｅの拡大図である。第４の実施例も、第３の実施例と同様に、結合容量の増加を図るために細線状の給電線２０の先端を分岐させ、その分岐部分を給電電極２１ｅとしている。そして、第４の実施例では、給電線２０の先端を櫛歯状に分岐させている。なお、この第４の実施例も、図６に示した円偏波パッチアンテナ１ｆのように、給電電極２１ｆの形状を変えず、凹部４０を放射電極１０ｆの略正方形の外形の外側に形成してもよい。
【００３５】
＝＝＝第５の実施例＝＝＝
図７に、本発明の第５の実施例における円偏波パッチアンテナ１ｇの電極構造を示した。（Ａ）は、放射電極１０ｇが形成されている基体２の上面３の平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）における要部１００ｇの拡大図である。第５の実施例において、給電電極２１ｇの形状は、第４の実施例と同様に櫛歯状となっている。しかし、当該実施例では、櫛歯状に複数に枝分かれした給電電極２１ｇのそれぞれの先端２５ｇを、個別の凹部４０で取り囲むようにしている。それによって、給電電極２１ｇの外側側線２６ｇや各櫛歯の先端２５ｇに加え、櫛歯の底２７や内側の側線部分２８が各凹部４０の内側（４１，４２）や側壁の先端部分４３と狭いギャップ３０（図中、網点部分）を介して対向するようになり、結合容量をさらに増大させることができる。なお、この第５の実施例においても、図８に示した円偏波パッチアンテナ１ｈのように、同じ櫛歯状の給電電極２１ｈを採用しつつ、凹部４０を放射電極１０ｈの外形をなす概略正方形の外側に形成した変形例がある。
【００３６】
＝＝＝第６の実施例＝＝＝
図９に本発明の第６の実施例に係る円偏波パッチアンテナ１ｉの電極構造を示した。（Ａ）は放射電極１０ｉが形成されている基体２の上面３側から見た斜視図であり、（Ｂ）はＧＮＤ電極６が形成されている下面４側から見た斜視図である。この第６の実施例では、基体２の下面４に形成されているＧＮＤ電極５に２本の細線（ＧＮＤ端子）７が接続され、そのＧＮＤ端子７が基体２の側面４に延長している。そして、給電線２０の少なくとも一部がその２本のＧＮＤ端子７によって挟持されている。この図では、基体２の側面４に形成されている給電線２０の部分が挟持されている。もちろん、上面３にまでＧＮＤ端子７が延長して給電電極２１ｉとの接続部まで給電線２０が挟持されていてもよい。なお、上面３の放射電極１０ｉや給電電極２１ｉは、上記１〜５の実施例における放射電極（１０ａ〜１０ｈ）や給電電極（２１ａ〜２１ｈ）の形状を採用することができる。ここでは、第３の実施例の変形例として示した円偏波パッチアンテナ１ｄと同じ形状のものを示した。
【００３７】
この第６の実施例の円偏波パッチアンテナ１ｉでは、給電線２０における給電電極２１ｉ以外の部分にも容量性リアクタンス成分を持たせることができるため、極めて広い帯域で、アンテナ１ｉの入力インピーダンスを整合させることができる。
【００３８】
＝＝＝凹部の最適寸法について＝＝＝
上記第１〜第６の実施例における円偏波パッチアンテナ（１ａ〜１ｉ）では、図１５に示した従来例と比較して、特性を維持したまま、放射電極（１０ａ〜１０ｉ）と給電電極（２１ａ〜２１ｉ）とを極めて狭い領域に形成することができる。言い換えれば、放射電極（１０ａ〜１０ｉ）の１辺１３と給電電極（２１ａ〜２１ｉ）との対向領域における凹部４０のサイズを最適化すれば、薄型化を達成した上で極めて特性に優れた円偏波パッチアンテナ（１ａ〜１ｉ）を得ることができる。そこで、本発明の実施例における円偏波パッチアンテナ（１ａ〜１ｉ）について、放射電極（１０ａ〜１０ｉ）の外形を形成する略正方形の全周に対する凹部４０の底４１の長さをパラメータとして特性を評価した。評価にあたっては、図９に示した構造の円偏波パッチアンテナ（本発明品）１ｉと、比較的特性に優れた図１５に示した従来例の円偏波パッチアンテナ（従来品）１Ｌについて、右旋アンテナ利得と軸比の特性を比較した。
【００３９】
図１０（Ａ）に、当該特性評価に際して採用した発明品１ｉの各部位のサイズを示した。また、同図（Ｂ）に従来品１Ｌにおける各部位のサイズを示した。発明品１ｉと従来品１Ｌは、放射電極（１０ｉ，１０Ｌ）の外形をなす略正方形の全周をＬとすると、Ｌ＝２ａ＋２ｂであり、当該評価においては、ａ＝ｂ＝７ｍｍとしている。また、放射電極（１０ｉ,１０Ｌ）と給電電極（２１ｉ，２１Ｌ）間の距離Ｇは０．５ｍｍである。
【００４０】
基体２は、上下に扁平で、上面３と下面５が略正方形の箱状であり、上面３と下面４における横の長さＸと縦の長さＹは、ともに１２ｍｍとなっている。そして、従来品１ＬのＴ字型の給電電極２１Ｌの長さＷは、放射電極１０Ｌの１辺１３の長さに等しい。すなわち、放射電極１０Ｌの略正方形の各辺の長さａ（＝ｂ＝７ｍｍ）からコーナー１１に形成された縮退分離素子１２の部分を除いた長さとなっている。そして、発明品１ｉにおける放射電極１０ｉの外周Ｌと凹部４０の底４１の幅Ｃとの比をパラメータとし、基体２の厚さ（図中、紙面奥行き方向）を１．５ｍｍ〜２．０ｍｍとしたときの特性を評価した。なお、縮退分離素子１２を放射電極（１０ｉ，１０Ｌ）のコーナー１１に設けた面取り部分で構成せず、略正方形の対角線延長方向に設けた突起によって構成する場合でも同様に略正方形の外形Ｌは、２ａ＋２ｂとなる。
【００４１】
上記発明品１ｉと図１５に示した従来品１Ｌの右旋アンテナ利得特性と軸比特性を、それぞれ図１１と図１２に示した。これらの図より、発明品１ｉは、凹部４０の底４１の幅Ｃの値に寄らず、総じて従来品１Ｌより特性が優れていることが分かる。そして、Ｃ／Ｌ≦１／８で、著しい特性向上が認められた。すなわち、本発明の円偏波パッチアンテナは、凹部の底の幅を放射電極の外形をなす略正方形の４辺の長さの合計Ｌの１／８以下とすることで優れた特性が得られることが分かった。なお、上記第５の実施例の円偏波パッチアンテナ１０ｇでは、複数の凹部４０が形成されているが、この場合は、凹部４０の底４１の全線分の長さ、すなわち、各凹部４０の底４０の長さの合計値がＣとなる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施例における円偏波パッチアンテナの構造図である。
【図２】本発明の第２の実施例における円偏波パッチアンテナの構造図である。
【図３】本発明の第３の実施例における円偏波パッチアンテナの構造図である。
【図４】上記第３の実施例の円偏波パッチアンテナの変形例の構造図である。
【図５】本発明の第４の実施例における円偏波パッチアンテナの構造図である。
【図６】上記第４の実施例の円偏波パッチアンテナの変形例の構造図である。
【図７】本発明の第５の実施例における円偏波パッチアンテナの構造図である。
【図８】上記第５の実施例の円偏波パッチアンテナの変形例の構造図である。
【図９】本発明の第６の実施例における円偏波パッチアンテナの構造図である。
【図１０】本発明の円偏波パッチアンテナと従来の円偏波パッチアンテナの各部位のサイズを示す図である。
【図１１】本発明の円偏波パッチアンテナと従来の円偏波パッチアンテナの右旋アンテナ利得特性を示す図である。
【図１２】本発明の円偏波パッチアンテナと従来の円偏波パッチアンテナの軸比特性を示す図である。
【図１３】ピンによる給電方式を採用した一般的な円偏波パッチアンテナの構造図である。
【図１４】容量結合による給電方式を採用した一般的な円偏波パッチアンテナの構造図である。
【図１５】容量結合による給電方式を採用した従来の円偏波パッチアンテナの構造図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ａ〜１ｋ、１Ｌ 円偏波パッチアンテナ
２ 基体
３ 基体上面
４ 基体側面
５ 基体下面
６ ＧＮＤ電極
７ ＧＮＤ端子
１０ａ〜１０ｋ、１０Ｌ 放射電極
１２ 縮退分離素子部
１３ 放射電極の１辺
２０ 給電線
２１ａ〜２１ｉ、２１ｋ、２１Ｌ 給電電極
２２ 給電端子
３０ ギャップ
４０ 凹部
４１ 凹部の底辺
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、移動体通信、ローカル・エリア・ネットワーク、ＩＴＳ、ＥＴＣ、ＧＰＳ等に使用する円偏波のパッチアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の適用例として、小型の電子機器に内蔵されるＧＰＳ信号の受信アンテナを挙げる。周知のごとく、ＧＰＳ信号の受信アンテナは、ＧＰＳ衛星から送信される円偏波の電磁波信号を受信するものであり、そのＧＰＳ信号は、船舶や自動車におけるナビゲーション装置が自身の位置情報を取得する用途に供される。そして、ＧＰＳ信号の受信用アンテナの多くが右旋円偏波用である。
【０００３】
ところで、近年では、船舶航行用のナビゲーション装置や車載のオーディオ機器などと一体化された組込型のカーナビゲーション装置に限らず、様々な機器、とくに携帯型の電子機器にＧＰＳが利用され、これらの電子機器に搭載されるＧＰＳ受信用アンテナには、小型化が強く求められている。
【０００４】
ＧＰＳ受信用アンテナを小型にする一つの方法としては、例えば、ＧＰＳ受信機能が搭載された携帯電話機のように、移動体通信事業者が提供するネットワークサービス（例えば、基地局を利用した三角測量など）と連携させて測位することで、右旋円偏波受信性能が低い代わりに小型化が容易な１／４波長タイプの直線偏波のチップアンテナをＧＰＳ受信用アンテナとして使用する方法がある。
【０００５】
しかし、ＧＰＳは、従来の組込型のカーナビゲーション装置とは異なるＰＮＤと呼ばれ着脱自在で携帯が可能なカーナビゲーション装置やＰＤＡなどの電話機能のない携帯情報端末、ウルトラモバイルＰＣと呼ばれる超小型の可搬型コンピュータ、撮影場所の位置情報を記録できるディジタルカメラなど、多種多様な電子機器にまでその利用が拡大している。これらの機器は、普通、移動体通信網などの情報通信網を介したネットワークサービスとの連携は行わず、機器単体で測位する方式を採用している。そのため、これらの機器には、受信性能が高い右旋円偏波のアンテナを搭載することが望ましい。そして、本発明は、薄型化に適した右旋円偏波のアンテナを含む円偏波アンテナに関するものである。
【０００６】
円偏波パッチアンテナには、その給電方式に応じて２つの方式がある。図１３に、第１の給電方式に対応した円偏波パッチアンテナ１ｊの概略構造を示した。（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は、回路基板に実装されているこの円偏波パッチアンテナ１ｊの側断面図である。この円偏波パッチアンテナ１ｊは、ピン給電方式の円偏波パッチアンテナであり、カーナビゲーションなどへの使用例が多く、誘電体や磁性体からなる厚みが４〜５ｍｍ程度の上下に扁平な箱状の基体２の上面３に１辺１５ｍｍ〜２５ｍｍ程度の概略正方形の導体からなる放射電極１０ｊが形成され、下面５にはＧＮＤ電極６が面状に形成されている。そして、放射電極１０ｊに給電するための金属製の給電ピン２０ｊが、上面３の放射電極１０ｊに接続されつつ、ＧＮＤ電極６が形成されている下面５側に挿通され、その先端がＧＮＤ電極６と非接触となるように基体２の下面５から突出する。給電ピン２０ｊは、通常、円偏波パッチアンテナ１ｊが実装される回路基板５０に形成されたスルーホール５１に挿入されるとともに、回路基板５０においてアンテナ１ｊが実装される面５２とは反対側の面５３で半田５４により回路基板５０上に形成されている受信回路に接続される。それによって、回路基板５０上の受信回路に受信したＧＰＳ信号が送出される。
【０００７】
なお、この方式では、基体２や放射電極１０ｊのサイズを一回り小さくしたものがＰＮＤ用に使用されている。そして、ピン２０ｊの位置によって、インピーダンス調整をしている。また、この円偏波パッチアンテナ１ｊは、円偏波にするために１つの対向するコーナー１１を面取りし、この面取り部分を縮退分離素子１２として、位相が９０度ずれた２つの共振を起こすようになっている。
【０００８】
このピン２０ｊで給電する円偏波パッチアンテナ１ｊの入力インピーダンスは主に放射電極１０ｊと給電ピン２０ｊの相対位置で制御されるため、インピーダンス整合の適応範囲が広いという長所を有する。その一方で、給電ピン２０ｊを回路基板５０に差し込み、裏面５３で半田接続するため、実装の自動化が困難であり、組立コストが高くなってしまうという欠点がある。また、給電ピン２０ｊが基体２の下面５に突き出る構造であることから、より小型の機器で要求される高密度実装には適さない。
【０００９】
図１４に第２の給電方式に対応する一般的な円偏波パッチアンテナ１ｋの構造を示した。この円偏波パッチアンテナ１ｋは、上下に扁平な箱状で誘電体材料または磁性体材料からなる基体２の上面３に、略正方形の平面形状をなす放射電極１０ｋが形成されている。そして、細線（マイクロストリップ）状の信号線（給電線）２０の先端（給電電極）２１ｋから放射電極１０ｋに給電するものである。具対的には、放射電極１０ｋの１辺１３と給電電極２１ｋとを離間させて対向配置してこれらの電極（１０ｋ，２１ｋ）間にギャップ３０を設け、これらの電極（１０ｋ，２１ｋ）間の容量結合によって給電するタイプである。
【００１０】
なお、放射電極１０ｋの形状は、上記ピン２０ｊによる給電方式を採用した円偏波パッチアンテナ１ｊと同様に略正方形の対向する二つのコーナー１１に縮退分離素子１２が設けられて、位相が９０度ずれた二つの共振を起こすようになっている。先端が給電電極２１ｋとなる給電線２０は、略正方形の放射電極１０の一辺１３のほぼ中央から、当該正方形の外方へ直交して延長し、基体２０の側面４を経由して下面５に至っている。
【００１１】
ＧＮＤ電極６は、扁平箱状の基体２の上面３や側面４に設けられる場合もあるが、図示した例では、基体１０の下面５のほぼ全面に設けられている。また、給電線２０の基端２２は、実装時に回路基板上の配線に接続されて給電点となる給電端子２２であり、基体２の下面５には、この給電端子２２が配設されている。なお、基体２の下面５において、ＧＮＤ電極６が給電線２０と給電端子２２の部分で短絡しないように、ＧＮＤ電極６と給電端子２２との間にはギャップ３１が設けられている。なお、これら放射電極１０ｋ、給電線２０、およびＧＮＤ電極６は、金・銀・銅・パラジウム・白金・銀白金・銀パラジウムなどの導体からなり、これら導体を印刷・めっき・エッチング・蒸着・塗布などによって形成することができる。
【００１２】
もちろん、放射電極１０ｋと給電電極２１ｋとを直接接続した円偏波パッチアンテナも存在するが、等価回路上では、直列にＲ成分とＬ成分しか持たないため、インピーダンス整合の適応範囲が狭い。一方、上記第２の給電方式を採用した円偏波パッチアンテナ１ｋでは、給電電極２１ｋの幅ｔや、ギャップ３０の間隔Ｇを調整することで、入力インピーダンスを可変することができ、インピーダンス整合の適用範囲を広くすることができる。しかし、この第２の給電方式の円偏波パッチアンテナ１ｋは、上記ピン２０ｊによる給電方式を採用した円偏波パッチアンテナ１ｊと比較すると、容量成分が付加された分だけ帯域幅が狭いという問題がある。なお、この第２の給電方式に対応する円偏波パッチアンテナ１ｋについては、以下の特許文献１などに記載されている。
【００１３】
さらに、以下の特許文献２には、上述した第２の給電方式を採用しつつ、帯域幅を広くすることができる円偏波パッチアンテナについて記載されている。この特許文献２に記載された円偏波パッチアンテナ（従来例）の構造を図１５に示した。この従来例に係る円偏波パッチアンテナ１Ｌは、上記第２の給電方式を採用した一般的な円偏波パッチアンテナ１ｋの改良形態であり、放射電極１０Ｌの１辺１３とギャップ３０を介して直線状の導体２１Ｌを配置し、この直線状導体（給電電極）２１Ｌと細線状の給電線２０が、それぞれＴ字の横棒と縦棒となるように接続されている。それによって、この従来例に係る円偏波パッチアンテナ１ｋは、実装容易性を確保しつつ、上記一般的な円偏波パッチアンテナ１ｊと比べて結合容量が大きく、帯域幅が広くなっている。
【特許文献１】特開平１１−７４７２１号公報
【特許文献２】特開２００１−１７７３１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記従来例では、実装の自動化にも対応可能な容量結合による充電方式を採用しつつ、、帯域幅を広げる事にも成功している。しかしながら、電子機器にはさらなる小型・薄型化が求められ、これら機器に使用される円偏波パッチアンテナには、とくに一層の薄型化が求められている。そして、パッチアンテナの薄型化を達成するためには、基体を薄くすることが最も有効な方法である。
【００１５】
しかし、基体を薄くすると、基体の表裏（上下面）における放射電極とＧＮＤ電極とによる容量成分が大きくなり、容量結合においてアンダーカップリング傾向となり、入力インピーダンスにおける誘導性傾向が顕著となる。そして、インピーダンス整合のみならず位相・利得・軸比等の各特性を良好に保つことが困難となる。
【００１６】
入力インピーダンスの誘導性を打ち消すためには、給電電極と放射電極との対向距離を小さくしてギャップを狭小化すればよいが、極端にギャップが狭いと、大量生産時において、そのギャップの形成精度を維持することが難しくなり、特性に個体差が生じる。放射電極と給電電極が短絡して不良品となる可能性もある。特に安価で大量生産に適したスクリーン印刷法や湿式エッチング法を用いたプロセスで各電極を形成する場合、ギャップの設計値が極端に狭いと歩留が極めて悪くなる。もちろん、板金成型による電極形成方法では極端に狭いギャップを安定して形成することは、さらに困難である。より高い精度で製造しようとすれば、製造設備や品質管理に掛かるコストが増加する。
【００１７】
確かに、上記従来例では、直線状導体の長さを長くして結合容量を増加させることが可能であり、ギャップを狭小化しなくても入力インピーダンスの誘導性傾向を打ち消すことができる。しかし、アンテナの薄型化が進むにつれ、その直線状導体の両端を略正方形の放射電極のコーナー、すなわち強電界部付近にまで延伸せざるを得なくなる。そうなると、今度は、入力インピーダンスがオーバーカップリング傾向となり、特性が劇的に反転し、インピーダンスを整合させることが極めて困難となる。もちろん、利得や軸比等の特性も劣化してしまう。
【００１８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、容量結合による給電方式を採用した円偏波パッチアンテナにおいて、小型・薄型化と高性能化とをコストアップを伴わずに達成させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するための本発明は、誘電体材料または磁性体材料からなる上下に扁平な箱状の基体と、略正方形の平面形状を有して前記基体の上面に形成されている放射電極と、前記基体の下面に形成されているＧＮＤ電極と、前記基体の上面に形成されて前記放射電極における前記略正方形の１辺とギャップを介して対向配置されている給電電極と、当該給電電極に給電するための給電線とを備えた円偏波パッチアンテナであって、前記給電線は、細線状で、基端に給電点となる給電端子が接続され、先端に前記給電電極が接続され、前記放射電極は、前記給電電極と前記ギャップを介して対向する前記１辺に、当該給電電極を取り囲む凹部が形成されている円偏波パッチアンテナとしている。
【００２０】
前記凹部は、前記給電電極と前記ギャップを介して対向する前記１辺に形成された凸部の先端を略コの字型に切り欠いた形状となるように形成されていてもよい。
【００２１】
前記給電電極と前記給電線が、それぞれ、Ｔ字の横棒と縦棒に対応する形状に形成され、当該Ｔ字の横棒が前記凹部の内側に前記ギャップを介して配置されている円偏波パッチアンテナとすることもできる。
【００２２】
前記給電線の先端が櫛歯状となるように複数に枝分かれして前記給電電極が形成されているとともに、当該櫛歯の各先端が前記凹部の内側に前記ギャップを介して配置されている円偏波パッチアンテナとすることもできる。なお、前記櫛歯の各先端のそれぞれに対応して前記凹部が複数形成されていてもよい。
【００２３】
上記何れかの円偏波パッチアンテナにおいて、前記基体の下面に形成されている前記ＧＮＤ電極は、平行する２本の細線状に当該基体の側面に延長するとともに、当該延長部分が前記基体側面にて前記給電線の少なくとも一部を挟持するように、当該給電線の延長方向の両側に平行して配置されていることとしてもよい。
【００２４】
上記何れかの円偏波パッチアンテナにおいて、前記凹部の底辺を形成する全線分の長さが、前記放射電極の略正方形の４辺の長さの合計の１／８以下であれば、より特性にすぐれた円偏波パッチアンテナとすることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、高性能で、かつ小型で薄型の円偏波パッチアンテナを安価に提供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】
【００２６】
本発明の円偏波パッチアンテナは、ギャップを介して対向する給電端子と放射電極について、その対向形状を工夫することで、放射電極が弱電界集中領域で給電電極と密に結合するようにしている。それによって、基体を薄くした際に誘導性傾向やアンダーカップリング傾向となっても、容易に入力インピーダンスを整合させることができ、利得や軸比などの放射特性も良好に維持することを可能としている。以下に、本発明の実施例として、主に、上記給電電極と放射電極との対向形状が異なる円偏波パッチアンテナを挙げる。
【００２７】
＝＝＝第１の実施例＝＝＝
図１に、本発明の第１の実施例における円偏波パッチアンテナ１ａの電極構造を示した。（Ａ）は、放射電極１０ａが形成されている基体２の上面３の平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）における要部１００ａの拡大図である。当該実施例は、図１４に示した一般的な円偏波パッチアンテナ１ｋと同様に、上下に扁平な箱状の基体２の上面３に、対角線上にある二つのコーナー１１が面取りされて縮退分離素子１２が形成された略正方形状の放射電極１０ａと、細線の先端を給電電極２１ａとする給電線２０とが配設されており、給電電極２１ａは、放射電極１０ａの１辺１３のほぼ中心にてギャップ３０を介して当該１辺１３と対向配置されている。また、基体２の裏面（図示せず）には、図１４（Ｂ）に示した構造と同様に、給電端子２２の形成領域を除くほぼ全面にＧＮＤ電極６が形成されている。第１の実施例における以上の構造は、上記一般的な円偏波パッチアンテナ１ｋとほぼ同様である。
【００２８】
しかし、第１の実施例では、図１（Ｂ）に拡大して示したように、細線状の給電線２０の先端を給電電極２１ａとするとともに、放射電極１０ａには、ギャップ（図中、網点部分）３０を介して給電電極２１ａを取り囲む凹部４０が形成されている。なお、入力インピーダンスは、給電電極２１ａの幅ｔや凹部の深さｄ、給電電極２１ａの先端２３と凹部４０の底辺４１との距離ｙ１、および給電電極２１ａの両側側線２４と凹部４０の内側線４２の距離（ｙ２，ｙ３）などを調整することで整合させればよい。
【００２９】
このように、給電電極２１ａが放射電極１０ａに形成された凹部４０により取り囲まれた構造により、給電電極２１ａの先端２３と両側の線分２４が、それぞれ凹部４０の底部４１、および内側両側の線分４２とギャップ３０を介して対向する。したがって、上記一般的な円偏波パッチアンテナ１ｋでは、給電線２０の先端２１ｋのみが容量結合に寄与していたのに対し、第１の実施例における円偏波パッチアンテナ１ａでは、給電電極２１ａの両側側線２４の線分も容量結合に寄与する。そのため、基体２を薄くした場合、給電電極２１ａと放射電極１０ａとの距離（ｙ１〜ｙ３）を小さくしてギャップ３０を狭小化しなくても結合容量が増加し、アンダーカップリング傾向と誘導性傾向とを解消することができる。
【００３０】
＝＝＝第２の実施例＝＝＝
図２に、本発明の第２の実施例における円偏波パッチアンテナ１ｂの電極構造を示した。（Ａ）は、放射電極１０ｂが形成されている基体２の上面３の平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）における要部１００ｂの拡大図である。当該実施例では、略正方形の放射電極１０ｂの形成領域の外に凹部４０を形成している。具体的には、給電電極２１ｂと対向する１辺１３に二つの突起４３を形成し、この突起４３が給電電極２１ｂを両側からギャップ３０を介して挟持している。すなわち、放射電極１０ｂは、前記給電電極２１ｂに対向する１辺１３に凸部が設けられて、その凸部がコの字型に切り欠かれた形状となっている。そして、コの字の内側で凹部４０が形成され、コの字の底辺４１、すなわち凹部４０の底辺４１が放射電極１０ｂの１辺１３の一部となっている。そして、給電電極２１ｂは、そのコの字の内側の３辺（４１，４２）によって取り囲まれている。
【００３１】
第２の実施例では、凹部４０を放射電極１０ｂの略正方形の領域外に設けて、放射電極１０ｂの面積を減らさずに給電電極２１ｂと効率的に容量結合させる構造となっている。そのため、第１の実施例と比べると、より最適な整合状態が得られやすく、特性の劣化も少なくすることができる。
【００３２】
＝＝＝第３の実施例＝＝＝
図３に、本発明の第３の実施例における円偏波パッチアンテナ１ｃの電極構造を示した。（Ａ）は、放射電極１０ｃが形成されている基体２の上面３の平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）における要部１００ｃの拡大図である。第３の実施例では、給電電極２１ｃを単なる細線の先端部分とせず、給電線２０をＴ字の縦棒として、当該給電線２０の先端をＴ字状となるように左右に分岐させ、このＴ字の横棒部分を給電電極２１ｃとしている。そして、この形状により、放射電極（１０ｃ，１０ｄ）の一辺１３とＴ字の横棒かならなる給電電極２１ｃとの間で容量結合するため、第１の実施例より結合容量が増加し、ギャップ３０を狭くすることなく、円偏波パッチアンテナ１ｃを薄くすることができる。また、給電電極２１ｃは、Ｔ字の横棒に対応する線分２５ｃに加え、当該横棒の両端２６ｃも凹部の内側線分（４１，４２）と容量結合するので、従来例１Ｌと比較して、Ｔ字の横棒２５ｃの長さを延伸しなくても十分な結合容量が得られ、インピーダンスを容易に整合させることができる。
【００３３】
この第３の実施例では、図４に示すように、上記円偏波パッチアンテナ１０ｃと同じ形状の給電電極２１ｄを採用しつつ、凹部４０を第２の実施例のように、放射電極１０ｄの略正方形の外形の外側に形成してもよい。
【００３４】
＝＝＝第４の実施例＝＝＝
図５に、本発明の第４の実施例における円偏波パッチアンテナ１ｅの電極構造を示した。（Ａ）は、放射電極１０ｅが形成されている基体２の上面３の平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）における要部１００ｅの拡大図である。第４の実施例も、第３の実施例と同様に、結合容量の増加を図るために細線状の給電線２０の先端を分岐させ、その分岐部分を給電電極２１ｅとしている。そして、第４の実施例では、給電線２０の先端を櫛歯状に分岐させている。なお、この第４の実施例も、図６に示した円偏波パッチアンテナ１ｆのように、給電電極２１ｆの形状を変えず、凹部４０を放射電極１０ｆの略正方形の外形の外側に形成してもよい。
【００３５】
＝＝＝第５の実施例＝＝＝
図７に、本発明の第５の実施例における円偏波パッチアンテナ１ｇの電極構造を示した。（Ａ）は、放射電極１０ｇが形成されている基体２の上面３の平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）における要部１００ｇの拡大図である。第５の実施例において、給電電極２１ｇの形状は、第４の実施例と同様に櫛歯状となっている。しかし、当該実施例では、櫛歯状に複数に枝分かれした給電電極２１ｇのそれぞれの先端２５ｇを、個別の凹部４０で取り囲むようにしている。それによって、給電電極２１ｇの外側側線２６ｇや各櫛歯の先端２５ｇに加え、櫛歯の底２７や内側の側線部分２８が各凹部４０の内側（４１，４２）や側壁の先端部分４３と狭いギャップ３０（図中、網点部分）を介して対向するようになり、結合容量をさらに増大させることができる。なお、この第５の実施例においても、図８に示した円偏波パッチアンテナ１ｈのように、同じ櫛歯状の給電電極２１ｈを採用しつつ、凹部４０を放射電極１０ｈの外形をなす概略正方形の外側に形成した変形例がある。
【００３６】
＝＝＝第６の実施例＝＝＝
図９に本発明の第６の実施例に係る円偏波パッチアンテナ１ｉの電極構造を示した。（Ａ）は放射電極１０ｉが形成されている基体２の上面３側から見た斜視図であり、（Ｂ）はＧＮＤ電極６が形成されている下面４側から見た斜視図である。この第６の実施例では、基体２の下面４に形成されているＧＮＤ電極５に２本の細線（ＧＮＤ端子）７が接続され、そのＧＮＤ端子７が基体２の側面４に延長している。そして、給電線２０の少なくとも一部がその２本のＧＮＤ端子７によって挟持されている。この図では、基体２の側面４に形成されている給電線２０の部分が挟持されている。もちろん、上面３にまでＧＮＤ端子７が延長して給電電極２１ｉとの接続部まで給電線２０が挟持されていてもよい。なお、上面３の放射電極１０ｉや給電電極２１ｉは、上記１〜５の実施例における放射電極（１０ａ〜１０ｈ）や給電電極（２１ａ〜２１ｈ）の形状を採用することができる。ここでは、第３の実施例の変形例として示した円偏波パッチアンテナ１ｄと同じ形状のものを示した。
【００３７】
この第６の実施例の円偏波パッチアンテナ１ｉでは、給電線２０における給電電極２１ｉ以外の部分にも容量性リアクタンス成分を持たせることができるため、極めて広い帯域で、アンテナ１ｉの入力インピーダンスを整合させることができる。
【００３８】
＝＝＝凹部の最適寸法について＝＝＝
上記第１〜第６の実施例における円偏波パッチアンテナ（１ａ〜１ｉ）では、図１５に示した従来例と比較して、特性を維持したまま、放射電極（１０ａ〜１０ｉ）と給電電極（２１ａ〜２１ｉ）とを極めて狭い領域に形成することができる。言い換えれば、放射電極（１０ａ〜１０ｉ）の１辺１３と給電電極（２１ａ〜２１ｉ）との対向領域における凹部４０のサイズを最適化すれば、薄型化を達成した上で極めて特性に優れた円偏波パッチアンテナ（１ａ〜１ｉ）を得ることができる。そこで、本発明の実施例における円偏波パッチアンテナ（１ａ〜１ｉ）について、放射電極（１０ａ〜１０ｉ）の外形を形成する略正方形の全周に対する凹部４０の底４１の長さをパラメータとして特性を評価した。評価にあたっては、図９に示した構造の円偏波パッチアンテナ（本発明品）１ｉと、比較的特性に優れた図１５に示した従来例の円偏波パッチアンテナ（従来品）１Ｌについて、右旋アンテナ利得と軸比の特性を比較した。
【００３９】
図１０（Ａ）に、当該特性評価に際して採用した発明品１ｉの各部位のサイズを示した。また、同図（Ｂ）に従来品１Ｌにおける各部位のサイズを示した。発明品１ｉと従来品１Ｌは、放射電極（１０ｉ，１０Ｌ）の外形をなす略正方形の全周をＬとすると、Ｌ＝２ａ＋２ｂであり、当該評価においては、ａ＝ｂ＝７ｍｍとしている。また、放射電極（１０ｉ,１０Ｌ）と給電電極（２１ｉ，２１Ｌ）間の距離Ｇは０．５ｍｍである。
【００４０】
基体２は、上下に扁平で、上面３と下面５が略正方形の箱状であり、上面３と下面４における横の長さＸと縦の長さＹは、ともに１２ｍｍとなっている。そして、従来品１ＬのＴ字型の給電電極２１Ｌの長さＷは、放射電極１０Ｌの１辺１３の長さに等しい。すなわち、放射電極１０Ｌの略正方形の各辺の長さａ（＝ｂ＝７ｍｍ）からコーナー１１に形成された縮退分離素子１２の部分を除いた長さとなっている。そして、発明品１ｉにおける放射電極１０ｉの外周Ｌと凹部４０の底４１の幅Ｃとの比をパラメータとし、基体２の厚さ（図中、紙面奥行き方向）を１．５ｍｍ〜２．０ｍｍとしたときの特性を評価した。なお、縮退分離素子１２を放射電極（１０ｉ，１０Ｌ）のコーナー１１に設けた面取り部分で構成せず、略正方形の対角線延長方向に設けた突起によって構成する場合でも同様に略正方形の外形Ｌは、２ａ＋２ｂとなる。
【００４１】
上記発明品１ｉと図１５に示した従来品１Ｌの右旋アンテナ利得特性と軸比特性を、それぞれ図１１と図１２に示した。これらの図より、発明品１ｉは、凹部４０の底４１の幅Ｃの値に寄らず、総じて従来品１Ｌより特性が優れていることが分かる。そして、Ｃ／Ｌ≦１／８で、著しい特性向上が認められた。すなわち、本発明の円偏波パッチアンテナは、凹部の底の幅を放射電極の外形をなす略正方形の４辺の長さの合計Ｌの１／８以下とすることで優れた特性が得られることが分かった。なお、上記第５の実施例の円偏波パッチアンテナ１０ｇでは、複数の凹部４０が形成されているが、この場合は、凹部４０の底４１の全線分の長さ、すなわち、各凹部４０の底４０の長さの合計値がＣとなる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施例における円偏波パッチアンテナの構造図である。
【図２】本発明の第２の実施例における円偏波パッチアンテナの構造図である。
【図３】本発明の第３の実施例における円偏波パッチアンテナの構造図である。
【図４】上記第３の実施例の円偏波パッチアンテナの変形例の構造図である。
【図５】本発明の第４の実施例における円偏波パッチアンテナの構造図である。
【図６】上記第４の実施例の円偏波パッチアンテナの変形例の構造図である。
【図７】本発明の第５の実施例における円偏波パッチアンテナの構造図である。
【図８】上記第５の実施例の円偏波パッチアンテナの変形例の構造図である。
【図９】本発明の第６の実施例における円偏波パッチアンテナの構造図である。
【図１０】本発明の円偏波パッチアンテナと従来の円偏波パッチアンテナの各部位のサイズを示す図である。
【図１１】本発明の円偏波パッチアンテナと従来の円偏波パッチアンテナの右旋アンテナ利得特性を示す図である。
【図１２】本発明の円偏波パッチアンテナと従来の円偏波パッチアンテナの軸比特性を示す図である。
【図１３】ピンによる給電方式を採用した一般的な円偏波パッチアンテナの構造図である。
【図１４】容量結合による給電方式を採用した一般的な円偏波パッチアンテナの構造図である。
【図１５】容量結合による給電方式を採用した従来の円偏波パッチアンテナの構造図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ａ〜１ｋ、１Ｌ 円偏波パッチアンテナ
２ 基体
３ 基体上面
４ 基体側面
５ 基体下面
６ ＧＮＤ電極
７ ＧＮＤ端子
１０ａ〜１０ｋ、１０Ｌ 放射電極
１２ 縮退分離素子部
１３ 放射電極の１辺
２０ 給電線
２１ａ〜２１ｉ、２１ｋ、２１Ｌ 給電電極
２２ 給電端子
３０ ギャップ
４０ 凹部
４１ 凹部の底辺
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体材料または磁性体材料からなる上下に扁平な箱状の基体と、略正方形の平面形状を有して前記基体の上面に形成されている放射電極と、前記基体の下面に形成されているＧＮＤ電極と、前記基体の上面に形成されて前記放射電極における前記略正方形の１辺とギャップを介して対向配置されている給電電極と、当該給電電極に給電するための給電線とを備えた円偏波パッチアンテナであって、
前記給電線は、細線状で、基端に給電点となる給電端子が接続され、先端に前記給電電極が接続され、
前記放射電極は、前記給電電極と前記ギャップを介して対向する前記１辺に、当該給電電極を取り囲む凹部が形成されている
ことを特徴とする円偏波パッチアンテナ
【請求項２】
前記凹部は、前記給電電極と前記ギャップを介して対向する前記１辺に形成された凸部の先端を略コの字型に切り欠いた形状となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項３】
前記給電電極と前記給電線は、それぞれ、Ｔ字の横棒と縦棒に対応する形状に形成され、当該Ｔ字の横棒が前記凹部の内側に前記ギャップを介して配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項４】
前記給電線の先端が櫛歯状となるように複数に枝分かれして前記給電電極が形成されているとともに、当該櫛歯の各先端が前記凹部の内側に前記ギャップを介して配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項５】
前記櫛歯の各先端のそれぞれに対応して前記凹部が複数形成されていることを特徴とする請求項４に記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項６】
前記基体の下面に形成されている前記ＧＮＤ電極は、平行する２本の細線状に当該基体の側面に延長するとともに、当該延長部分が前記基体側面にて前記給電線の少なくとも一部を挟持するように、当該給電線の延長方向の両側に平行して配置されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載円偏波パッチアンテナ。
【請求項７】
前記凹部の底辺を形成する全線分の長さは、前記放射電極の略正方形の４辺の長さの合計の１／８以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項１】
誘電体材料または磁性体材料からなる上下に扁平な箱状の基体と、略正方形の平面形状を有して前記基体の上面に形成されている放射電極と、前記基体の下面に形成されているＧＮＤ電極と、前記基体の上面に形成されて前記放射電極における前記略正方形の１辺とギャップを介して対向配置されている給電電極と、当該給電電極に給電するための給電線とを備えた円偏波パッチアンテナであって、
前記給電線は、細線状で、基端に給電点となる給電端子が接続され、先端に前記給電電極が接続され、
前記放射電極は、前記給電電極と前記ギャップを介して対向する前記１辺に、当該給電電極を取り囲む凹部が形成されている
ことを特徴とする円偏波パッチアンテナ
【請求項２】
前記凹部は、前記給電電極と前記ギャップを介して対向する前記１辺に形成された凸部の先端を略コの字型に切り欠いた形状となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項３】
前記給電電極と前記給電線は、それぞれ、Ｔ字の横棒と縦棒に対応する形状に形成され、当該Ｔ字の横棒が前記凹部の内側に前記ギャップを介して配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項４】
前記給電線の先端が櫛歯状となるように複数に枝分かれして前記給電電極が形成されているとともに、当該櫛歯の各先端が前記凹部の内側に前記ギャップを介して配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項５】
前記櫛歯の各先端のそれぞれに対応して前記凹部が複数形成されていることを特徴とする請求項４に記載の円偏波パッチアンテナ。
【請求項６】
前記基体の下面に形成されている前記ＧＮＤ電極は、平行する２本の細線状に当該基体の側面に延長するとともに、当該延長部分が前記基体側面にて前記給電線の少なくとも一部を挟持するように、当該給電線の延長方向の両側に平行して配置されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載円偏波パッチアンテナ。
【請求項７】
前記凹部の底辺を形成する全線分の長さは、前記放射電極の略正方形の４辺の長さの合計の１／８以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の円偏波パッチアンテナ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−１３６２９６（Ｐ２０１０−１３６２９６Ａ）
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１２６０５（Ｐ２００８−３１２６０５）
【出願日】平成２０年１２月８日（２００８．１２．８）
【出願人】（０００２３７７２１）ＦＤＫ株式会社 (449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月８日（２００８．１２．８）
【出願人】（０００２３７７２１）ＦＤＫ株式会社 (449)
【Ｆターム（参考）】
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