特開 2024-47278 平面アンテナ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024047278

(43)【公開日】2024-04-05

(54)【発明の名称】平面アンテナ装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 13/08 20060101AFI20240329BHJP

【ＦＩ】

H01Q13/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022152808

(22)【出願日】2022-09-26

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】黒沢 諒

【テーマコード（参考）】

5J045

【Ｆターム（参考）】

5J045AA21

5J045AB06

5J045DA10

5J045HA06

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ビーム幅を拡大する平面アンテナ装置を提供する。
【解決手段】平面アンテナ装置１０は、地導体１と、誘電体基板２と、導電性の励振パッチ３と、導電性の第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂと、複数の第１の導体６ａ及び第２の導体６ｂと、を有する。誘電体基板は、地導体上に設けられる。励振パッチは、誘電体基板上において、地導体とは反対側の面に設けられ、所定の周波数で共振するように長さを規定する。第１の非励振パッチは、誘電体基板上において、地導体とは反対側の面で、励振パッチの長さを規定する方向に沿って励振パッチに対して離間する第１の領域に設けられる。第２の非励振パッチは、励振パッチと離間し、第１の非励振パッチと協働して励振パッチを挟むように設けられる。第１の導体は、第１の非励振パッチと地導体とを電気的に接続し、第２の導体は、第２の非励振パッチと地導体とを電気的に接続する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

地導体と、
前記地導体上に設けられる誘電体基板と、
前記誘電体基板上において、前記地導体とは反対側の面に設けられ、所定の周波数で共振するように長さを規定する、導電性の励振パッチと、
前記誘電体基板上において、前記地導体とは反対側の面で、前記励振パッチの長さを規定する方向に沿って前記励振パッチに対して離間する第１の領域に設けられる、導電性の第１の非励振パッチと、
前記励振パッチと離間し、前記第１の非励振パッチと協働して前記励振パッチを挟むように設けられる、導電性の第２の非励振パッチと、
前記第１の非励振パッチと前記地導体とを電気的に接続する複数の第１の導体と、
前記第２の非励振パッチと前記地導体とを電気的に接続する複数の第２の導体と
を有する、平面アンテナ装置。

【請求項2】

前記複数の第１の導体は、前記誘電体基板をそれぞれ貫通して前記地導体に接続され、
前記複数の第２の導体は、前記誘電体基板をそれぞれ貫通して前記地導体に接続される、
請求項１に記載の平面アンテナ装置。

【請求項3】

前記複数の第１の導体、及び、前記複数の第２の導体は、それぞれ、前記励振パッチのうち、前記誘電体基板上の面に対する法線に平行に延びている、請求項２に記載の平面アンテナ装置。

【請求項4】

前記第１の非励振パッチと前記励振パッチとの距離は、前記第２の非励振パッチと前記励振パッチとの距離に一致する、請求項１又は請求項２に記載の平面アンテナ装置。

【請求項5】

地導体と、
前記地導体上に設けられる誘電体基板と、
前記誘電体基板上において、前記地導体とは反対側の面に設けられ、所定の周波数で共振するように長さを規定する、導電性の励振パッチと、
前記誘電体基板上において、前記地導体とは反対側の面で、前記励振パッチに対して離間し、前記励振パッチの長さを規定する方向に沿って前記励振パッチを挟むように設けられる、導電性の少なくとも１対の非励振パッチと、
前記少なくとも１対の非励振パッチの一方と前記地導体とを電気的に接続する複数の第１の導体と、
前記少なくとも１対の非励振パッチの他方と前記地導体とを電気的に接続する複数の第２の導体と
を有する、平面アンテナ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、平面アンテナ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

平面アンテナの一例であるパッチアンテナは、誘電体基板の表面と裏面にそれぞれ板状の放射素子と地導体が配置される。設計・製造が容易であること、良好な放射特性が得られることから、一般的に方形状の放射素子が用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平３－１５７００５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明が解決しようとする課題は、ビーム幅を拡大し得る平面アンテナ装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態によれば、平面アンテナ装置は、地導体と、地導体上に設けられる誘電体基板と、導電性の励振パッチと、導電性の第１の非励振パッチと、導電性の第２の非励振パッチと、複数の第１の導体と、複数の第２の導体とを有する。励振パッチは、誘電体基板上において、地導体とは反対側の面に設けられ、所定の周波数で共振するように長さを規定する。第１の非励振パッチは、誘電体基板上において、地導体とは反対側の面で、励振パッチの長さを規定する方向に沿って励振パッチに対して離間する第１の領域に設けられる。第２の非励振パッチは、励振パッチと離間し、第１の非励振パッチと協働して励振パッチを挟むように設けられる。複数の第１の導体は、第１の非励振パッチと地導体とを電気的に接続する。複数の第２の導体は、第２の非励振パッチと地導体とを電気的に接続する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施形態に係る平面アンテナ装置を示す概略的な斜視図。

【図2】図１中の符号ＩＩで示す位置の概略的な断面図。

【図3】実施形態に係る平面アンテナ装置と、比較例の平面アンテナ装置とのＥ面の放射パターン（正規化利得）の一例を示すグラフ。

【図4】実施形態に係る平面アンテナ装置と、比較例の平面アンテナ装置とのＨ面の放射パターン（正規化利得）の一例を示すグラフ。

【図5】実施形態に係る平面アンテナ装置の第１変形例を示す図。

【図6】実施形態に係る平面アンテナ装置の第２変形例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

一実施形態に係る平面アンテナ装置１０について、図１から図４を用いて説明する。

【0008】

図１には、本実施形態に係る平面アンテナ装置１０の概略的な斜視図を示す。図１に示すようにｘｙｚ直交座標系を規定する。ｘ軸は、後述する矩形状の励振パッチ３の長さＬに沿う。ｙ軸は、励振パッチ３の幅Ｗに沿う。ｚ軸は、励振パッチ３の表面に対する法線に沿う。

【0009】

図２には、給電点７を含む、図１中の符号ＩＩで示す仮想的な面に沿う平面アンテナ装置１０の断面を示す。

【0010】

図１及び図２に示すように、平面アンテナ装置１０は、地導体１と、誘電体基板２と、励振パッチ３と、１対の非励振パッチ（第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂ）と、複数の第１の導体６ａと、複数の第２の導体６ｂと、給電点７とを有する。

【0011】

地導体１は、例えば矩形状で薄板状の、導電性を有する導体であり、例えば銅箔等により形成される。

【0012】

誘電体基板２は、本実施形態では、例えば矩形状で地導体１と同じ大きさに形成される。誘電体基板２は、地導体１より小さく形成されてもよい。なお、誘電体基板２のｚ軸に沿う厚さは、地導体１よりも厚いことが好適である。

【0013】

励振パッチ３は、地導体１及び誘電体基板２よりも小さい、例えば矩形状の導体として形成される。励振パッチ３は、例えば銅箔等により形成される。励振パッチ３は、誘電体基板２のうち、地導体１とは反対側の面に配置される。励振パッチ３は、誘電体基板２の地導体１とは反対側の面のうちの略中央に配置されることが好適である。

【0014】

励振パッチ３は所定の周波数ｆで共振する。一例として、共振周波数は、ＭＨｚ帯、又は、ＧＨｚ帯であり得る。ここで、図１に示すように、励振パッチ３の長さをＬとし、幅をＷとする。このとき、長さＬは、共振周波数ｆに対応する波長λの半波長の整数倍に一致又は略一致することが好適である。

【0015】

第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂは、励振パッチ３と同様に、誘電体基板２に対して地導体１が設けられる側とは反対側の面に設けられる。第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂは、例えば矩形状の導体として形成される。第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂは、励振パッチ３と同様に、例えば銅箔等により形成される。第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂは、例えば同じ素材で同じ形状で同じ大きさに形成される。第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂは、図１中、誘電体基板２の上面と同じ幅に形成される。

【0016】

第１の非励振パッチ４ａは、励振パッチ３の長さＬを規定する方向（ｘ軸方向）に沿って励振パッチ３に対して離間する第１の領域（図１中の励振パッチ３に対して上方の領域）に設けられる。第１の非励振パッチ４ａは、励振パッチ３に対して＋ｘ軸方向に、励振パッチ３から所定距離、離間する。

【0017】

第２の非励振パッチ４ｂは、第１の非励振パッチ４ａと協働して励振パッチ３を挟むように、励振パッチ３に対して、第１の領域とは反対側の第２の領域（励振パッチ３の長さＬを規定する方向（ｘ軸方向）に沿って励振パッチ３に対して離間する第２の領域（図１中の励振パッチ３に対して下方の領域））に、励振パッチ３と離間して設けられる。第２の非励振パッチ４ｂは、励振パッチ３に対して－ｘ軸方向に、励振パッチ３から所定距離、離間する。

【0018】

第１の非励振パッチ４ａと励振パッチ３との離間距離、及び、第２の非励振パッチ４ｂと励振パッチ３との離間距離は、等距離であることが好適である。このため、１対の非励振パッチ（第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂ）は、誘電体基板２上で、励振パッチ３に対して離間し、励振パッチ３を挟むように設けられる。

【0019】

また、第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂは、励振パッチ３の中心（図心）に対して対称に設けられることが好適である。第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂは励振パッチ３の中心（図心）からＥ面（電界面）に対し直交する面と平行かつ対称に設けられることが好適である。

【0020】

なお、第１の非励振パッチ４ａと励振パッチ３との離間距離、及び、第２の非励振パッチ４ｂと励振パッチ３とのそれぞれの離間距離は、共振周波数ｆに対応する波長λ（一波長）よりも小さいことが好適である。

【0021】

第１の非励振パッチ４ａには、ｘ軸に沿う中央付近で、ｙ軸に沿って複数のスルーホール（貫通孔）５ａが例えば等間隔に形成される。同様に、第２の非励振パッチ４ｂには、ｘ軸に沿う中央付近で、ｙ軸に沿って複数のスルーホール（貫通孔）５ｂが例えば等間隔に形成される。第１の非励振パッチ４ａの複数のスルーホール５ａ及び第２の非励振パッチ４ｂの複数のスルーホール５ｂは、同じ大きさに形成されることが好適である。

【0022】

そして、第１の非励振パッチ４ａの複数のスルーホール５ａと地導体１との間には、それぞれ第１の導体６ａが接続される。なお、複数のスルーホール５ａは、第１の非励振パッチ４ａに、第１の導体６ａの一端を例えば嵌合させるなど、電気的に接続させる円環を形成する。第１の導体６ａの他端は、地導体１に当接又は固定される。第１の導体６ａは、誘電体基板２を貫通する。このため、複数の第１の導体６ａは、例えばシャフト（ピン）状に形成される。したがって、複数の第１の導体６ａは、それぞれ、励振パッチ３のうち、誘電体基板２上の面に対する法線（ｚ軸）に平行に延びている。複数の第１の導体６ａは、例えば銅又は銅合金等で形成される。したがって、第１の非励振パッチ４ａ、及び、地導体１は、複数の第１の導体６ａによって電気的に接続されている。すなわち、複数の第１の導体６ａは、１対の非励振パッチの一方である第１の非励振パッチ４ａと地導体１とを電気的に接続する。

【0023】

そして、第２の非励振パッチ４ｂの複数のスルーホール５ｂと地導体１との間には、それぞれ第２の導体６ｂが接続される。なお、複数のスルーホール５ｂは、第２の非励振パッチ４ｂに、第２の導体６ｂの一端を例えば嵌合させるなど、電気的に接続させる円環を形成する。第２の導体６ｂの他端は、地導体１に当接又は固定される。第２の導体６ｂは、誘電体基板２を貫通する。このため、複数の第２の導体６ｂは、例えばシャフト（ピン）状に形成される。したがって、複数の第２の導体６ｂは、それぞれ、励振パッチ３のうち、誘電体基板２上の面に対する法線（ｚ軸）に平行に延びている。複数の第２の導体６ｂは、例えば銅又は銅合金等で形成される。したがって、第２の非励振パッチ４ｂ、及び、地導体１は、複数の第２の導体６ｂによって電気的に接続されている。すなわち、複数の第２の導体６ｂは、１対の非励振パッチの他方である第２の非励振パッチ４ｂと地導体１とを電気的に接続する。

【0024】

したがって、第１の非励振パッチ４ａは、励振パッチ３から所定間隔離れた位置で、Ｅ面に対し直交する面と平行に、地導体１と複数のスルーホール５ａとの間にそれぞれ設けられる第１の導体６ａによって電気的に接触する。同様に、第２の非励振パッチ４ｂは、励振パッチ３から、第１の非励振パッチ４ａとは反対側に所定間隔離れた位置で、Ｅ面に対し直交する面と平行に、地導体１と複数のスルーホール５ｂとの間にそれぞれ設けられる第２の導体６ｂによって電気的に接触する。

【0025】

給電点７は、励振パッチ３の図心に対して、ｘ軸方向に沿って、第２の非励振パッチ４ｂ側にずれた位置に配置される。これは、特性インピーダンスが例えば５０Ωの給電線路７ａとの整合を得るためである。給電点７は、励振パッチ３の図心には配置されていないが、本実施形態では、図心近辺には配置されることが好適である。なお、給電点７は、励振パッチ３の幅Ｗの中央又は略中央の位置に配置されることが好適である。

【0026】

次に、上述した平面アンテナ装置１０の動作について説明する。

【0027】

給電点７から励振パッチ３に給電されると、励振パッチ３は所定の周波数ｆで共振する。そして、励振パッチ３から電波が放射される。励振パッチ３からの電波の放射により第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂには誘起電流が生じる。したがって、第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂから再放射が起こる。

【0028】

本実施形態に係る平面アンテナ装置１０の電波の放射パターンは、励振パッチ３の放射パターンと第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂからの再放射パターンとが合成されたパターンとなる。したがって、本実施形態に係る平面アンテナ装置１０の電波の放射パターンは、第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂの分、励振パッチ３の放射パターンに比べて、電波のビーム幅が拡大する。

【0029】

図３及び図４には、一例として動作周波数ｆが９．５ＧＨｚにおける、第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂが存在する場合（本実施形態の平面アンテナ装置１０）と、第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂが存在しない場合（比較例の平面アンテナ装置）との、電波の放射のパターンを重ねて示す。なお、図３には、Ｅ面（電界面）での－９０°から＋９０°までの放射パターンを示し、図４には、Ｈ面（磁界面）での－９０°から＋９０°までの放射パターンを示す。

【0030】

一般に、平面アンテナ装置としてのパッチアンテナは、素子の放射パターンにおけるビーム幅がＥ面で約９０°、Ｈ面で約８０°と、比較的狭い、とされている。

【0031】

図３に示すように、Ｅ面において、１対の非励振パッチ４ａ，４ｂを用いると、１対の非励振パッチ４ａ，４ｂを用いない場合に比べて、－９０°から＋９０°の範囲でビーム幅が拡大した。
なお、図３の放射パターンのグラフが０°に対して対称でないのは、上述したように、特性インピーダンスが例えば５０Ωの給電線路７ａとの整合を得るために、給電点７が励振パッチ３の図心から、第２の非励振パッチ４ｂに向かってｘ軸方向にずれているからであると解される。

【0032】

また、図４に示すように、Ｅ面だけでなく、Ｈ面において、１対の非励振パッチ４ａ，４ｂを用いると、１対の非励振パッチ４ａ，４ｂを用いない場合に比べて、－９０°から＋９０°の範囲でビーム幅が拡大した。
なお、図４の放射パターンのグラフが０°に対して対称であるのは、給電点７が励振パッチ３の幅方向の中央に配置されているからである。

【0033】

説明したように、本実施形態に係る、それぞれ地導体１と電気的に接続する第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂを有する平面アンテナ装置１０を用いることにより、Ｅ面の放射ビーム幅を拡大することができる。また、本実施形態に係る、それぞれ地導体１と電気的に接続する第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂを有する平面アンテナ装置１０を用いることにより、Ｈ面の放射ビーム幅を拡大することができる。

【0034】

（第１変形例）
図５に示す平面アンテナ装置１０の構造は、基本的には、図１及び図２に示す平面アンテナ装置１０と同じである。

【0035】

第１変形例の平面アンテナ装置１０の第１の非励振パッチ４ａの幅は、励振パッチ３の幅Ｗよりも小さい。同様に、第１変形例の平面アンテナ装置１０の第２の非励振パッチ４ｂの幅は、励振パッチ３の幅Ｗよりも小さい。

【0036】

平面アンテナ装置１０は、このように形成されていてもよい。すなわち、電波を励振パッチ３から放射することができるだけでなく、第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂから再放射することができる。したがって、本変形例に係る平面アンテナ装置１０の電波の放射パターンは、励振パッチ３の放射パターンと第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂからの再放射パターンとが合成されたパターンとなる。このため、本変形例に係る平面アンテナ装置１０の電波の放射パターンは、第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂの分、励振パッチ３の放射パターンに比べて、電波のビーム幅を拡大することができる。

【0037】

したがって、本変形例において、第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂの幅は、励振パッチ３の幅Ｗよりも小さくしても、ビーム幅を拡大し得る平面アンテナ装置１０が提供される。

【0038】

なお、上述した実施形態及び本変形例において、第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂを矩形状として説明したが、適宜の多角形、円形、楕円形、その他、種々の形状が許容される。また、励振パッチ３も、矩形状を例にして説明したが、適宜の形状が許容される。

【0039】

（第２変形例）
図６に示すように、平面アンテナ装置１０は、第１の非励振パッチ４ａ，４ａ１，４ａ２と、第２の非励振パッチ４ｂ，４ｂ１，４ｂ２とを有する。第１の非励振パッチ４ａ，４ａ１，４ａ２及び第２の非励振パッチ４ｂ，４ｂ１，４ｂ２は、励振パッチ３の図心に対して対称に形成されている。本変形例では、平面アンテナ装置１０は、３対の非励振パッチ（第１の非励振パッチ４ａ，４ａ１，４ａ２及び第２の非励振パッチ４ｂ，４ｂ１，４ｂ２）を有する。

【0040】

第１の非励振パッチ４ａ，４ａ１，４ａ２は、励振パッチ３の幅Ｗに沿う方向、すなわち、ｙ軸方向に沿って３つを並べた。また、励振パッチ３の幅Ｗの図６中の左端（励振パッチ３の幅方向の第１端）に沿う位置の延長線上、すなわち、ｘ軸方向に沿う位置に第１の非励振パッチ４ａ１を配置し、右端（励振パッチ３の幅方向の第２端）に沿う位置の延長線上、すなわち、ｘ軸方向に沿う位置に第１の非励振パッチ４ａ２を配置した。

【0041】

第２の非励振パッチ４ｂ，４ｂ１，４ｂ２は、励振パッチ３の幅Ｗに沿う方向、すなわち、ｙ軸方向に沿って３つを並べた。また、励振パッチ３の幅Ｗの図６中の左端（励振パッチ３の幅方向の第１端）に沿う位置の延長線上、すなわち、ｘ軸方向に沿う位置に第２の非励振パッチ４ｂ１を配置し、右端（励振パッチ３の幅方向の第２端）に沿う位置の延長線上、すなわち、ｘ軸方向に沿う位置に第２の非励振パッチ４ｂ２を配置した。

【0042】

したがって、第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂの対は、励振パッチ３を挟むように設けられる。第１の非励振パッチ４ａ１及び第２の非励振パッチ４ｂ１の対は、励振パッチ３を挟むように設けられる。第１の非励振パッチ４ａ２及び第２の非励振パッチ４ｂ２の対は、励振パッチ３を挟むように設けられる。または、第１の非励振パッチ４ａ１及び第２の非励振パッチ４ｂ２の対は、励振パッチ３を挟むように設けられ、第１の非励振パッチ４ａ２及び第２の非励振パッチ４ｂ１の対は、励振パッチ３を挟むように設けられる。

【0043】

平面アンテナ装置１０は、このように形成されていてもよい。すなわち、電波を励振パッチ３から放射することができるだけでなく、第１の非励振パッチ４ａ，４ａ１，４ａ２及び第２の非励振パッチ４ｂ，４ｂ１，４ｂ２から再放射することができる。したがって、本変形例に係る平面アンテナ装置１０の電波の放射パターンは、励振パッチ３の放射パターンと第１の非励振パッチ４ａ及び第２の非励振パッチ４ｂからの再放射パターンとが合成されたパターンとなる。このため、本変形例に係る平面アンテナ装置１０の電波の放射パターンは、第１の非励振パッチ４ａ，４ａ１，４ａ２、及び、第２の非励振パッチ４ｂ，４ｂ１，４ｂ２の分、励振パッチ３の放射パターンに比べて、電波のビーム幅を拡大することができる。

【0044】

したがって、本変形例において、第１の非励振パッチ４ａ，４ａ１，４ａ２及び第２の非励振パッチ４ｂ，４ｂ１，４ｂ２のように、複数対としても、ビーム幅を拡大し得る平面アンテナ装置１０が提供される。

【0045】

以上述べた少なくともひとつの実施形態によれば、ビーム幅を拡大し得る平面アンテナ装置１０を提供することができる。

【0046】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0047】

１…地導体、２…誘電体基板、３…励振パッチ、４ａ…第１の非励振パッチ、４ｂ…第２の非励振パッチ、５ａ，５ｂ…スルーホール、６ａ…第１の導体、６ｂ…第２の導体、７…給電点、７ａ…給電線路、１０…平面アンテナ装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】