特許 7415608 パッチアンテナ、パッチアンテナの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-09

(45)【発行日】2024-01-17

(54)【発明の名称】パッチアンテナ、パッチアンテナの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01Q 13/08 20060101AFI20240110BHJP

   H01P 11/00 20060101ALI20240110BHJP

   H01P 5/12 20060101ALI20240110BHJP

   H01Q 21/06 20060101ALI20240110BHJP

【ＦＩ】

H01Q13/08

H01P11/00

H01P5/12 D

H01Q21/06

H01P5/12 E

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020013861

(22)【出願日】2020-01-30

(65)【公開番号】P2021121058

(43)【公開日】2021-08-19

【審査請求日】2022-11-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000000295

【氏名又は名称】沖電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】奥山 和典

【審査官】齊藤 晶

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－２６７０４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０３７０７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１８８７７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００３－５１０９３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２１９５７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｑ １３／０８

Ｈ０１Ｐ １１／００

Ｈ０１Ｐ ５／１２

Ｈ０１Ｑ ２１／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘電体層とグランド層で構成された平面基板の表面である前記誘電体層側の同一面上に、複数のパッチアンテナ素子と、給電分配回路を実装するパッチアンテナにおいて、
前記平面基板の同一面上、かつ、複数のパッチアンテナ素子の一部に対応して配置され、励振方向が前記パッチアンテナ素子の励振方向と平行となるように配置され、かつ、ショートビアを用いて裏面側である前記グランド層に電気的に接続された放射電力制御素子を有するパッチアンテナ。

【請求項2】

誘電体層とグランド層で構成された平面基板の表面である前記誘電体層側の同一面上に、複数のパッチアンテナ素子と、給電分配回路を実装するパッチアンテナにおいて、
前記平面基板の同一面上に配置され、励振方向が前記パッチアンテナ素子の励振方向と平行となるように配置され、かつ、ショートビアを用いて裏面側である前記グランド層に電気的に接続された放射電力制御素子を有し、
使用周波数における前記平面基板内の実効波長をλｇとするとき、前記放射電力制御素子は、前記励振方向の電気長が０．２１７λｇより大きく０．３３３λｇ以下に設定され、前記励振方向と直交する方向の電気長が０．０４２λｇ以上０．１２５λｇ以下に設定され、かつ、前記パッチアンテナ素子の端部と前記放射電力制御素子の端部の最小間隔が０．０８３λｇ以上０．１λｇ以下に設定される、パッチアンテナ。

【請求項3】

パッチアンテナ素子及び前記放射電力制御素子の組み合わせが、予め定めた配列パターンで形成され、全体として単一のパッチアンテナとして機能するパッチアレーアンテナを構成する請求項１又は請求項２記載のパッチアンテナ。

【請求項4】

前記放射電力制御素子において、前記放射電力制御素子が前記パッチアンテナ素子を挟んで２つ配置されていることを特徴とする請求項１～請求項３の何れか１項記載のパッチアンテナ。

【請求項5】

前記放射電力制御素子により制御可能となる規格化放射電力利得は－０．６８ｄＢから－１０ｄＢであることを特徴とする請求項１～請求項４の何れか１項記載のパッチアンテナ。

【請求項6】

誘電体層とグランド層で構成された平面基板の表面である前記誘電体層側の同一面上に、複数のパッチアンテナ素子と、給電分配回路を実装し、
放射電力制御素子を、前記平面基板の同一面上に、励振方向が前記パッチアンテナ素子の励振方向と平行となるように配置し、
放射電力制御素子における、前記励振方向の電気長の一端に取り付けられたショートビアを前記平面基板の誘電体層を貫通させることで、裏面側である前記グランド層に電気的に接続し、
使用周波数における前記平面基板内の実効波長をλｇとするとき、前記放射電力制御素子の前記励振方向の電気長が０．２１７λｇより大きく０．３３３λｇ以下に設定し、
前記励振方向と直交する方向の電気長を０．０４２λｇ以上０．１２５λｇ以下に設定し、
前記パッチアンテナ素子の端部と前記放射電力制御素子の端部の最小間隔を０．０８３λｇ以上０．１λｇ以下に設定する、パッチアンテナの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パッチアンテナ、パッチアンテナの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

パッチアンテナは、パッチアンテナ素子が基板上に配置されている。通常は、複数のパッチアンテナ素子が単一の基板上に、予め定めたパターンで配列されているため、以下、パッチアンテナとして説明する。

【0003】

同一平面基板上に設けられた複数のパッチアンテナ素子から構成されるアレーアンテナにおいて、アンテナ指向性を制御するために各パッチアンテナ素子から空間へ放射される放射電力量や位相を調整する事で実現できる。

【0004】

空間への放射電力量を制御する方法として、以下の制御方法が考えられる。

【0005】

すなわち、各パッチアンテナ素子と同一平面基板上に設けられたパッチアンテナ素子に電力を給電する給電分配回路によって給電電力量を調整する、各パッチアンテナ素子の放射抵抗を変化させて空間への放射電力量を制御する、及び、直接に給電回路を接続しない無給電素子を用いてパッチアンテナ素子から空間へ放射される放射電力量やアンテナ指向性を制御する、といった制御方法である。

【0006】

特許文献１及び特許文献２には、パッチアンテナの両脇に非給電パッチを設けた技術が記載されている。

【0007】

また、特許文献３には、平面アンテナの各素子に対して、上下方向に対向する位置に非給電アンテナを設け、金属部分、すなわちＧＮＤと接続した技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２０１７－１８８７７９号公報

【文献】特開２０１３－１６８８７５号公報

【文献】特開２００４－３２８０６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

ここで、同一平面基板上に複数のパッチアンテナ素子と給電分配回路を実装する場合には、様々な課題がある。

【0010】

給電分配回路を構成するマイクロストリップ線路の線幅は、基板製造過程における銅箔パターンのエッチング加工精度の制限により一般的に製造可能な線幅は０．１０ｍｍ程度で、給電分配回路の分配電力量の調整比は限界がある。

【0011】

また、各パッチアンテナ素子の放射抵抗を変化させて空間への放射電力量を制御する方法は、パッチアンテナ素子の幅や給電位置の調整等により実現可能であるが、パッチアンテナ素子から空間へ放射されるアンテナ指向性の歪みが発生するため、アレーアンテナの高性能な指向性制御が困難となる。

【0012】

また、無給電素子を用いてパッチアンテナ素子から空間へ放射される放射電力量やアンテナ指向性を制御する方法は、特許文献１及び特許文献２等の構造により原理的に可能である。

【0013】

しかしながら、同一平面基板上に複数のパッチアンテナ素子と給電分配回路を実装するアレーアンテナ（直列及び並列）において、物理的な制約により実装することが困難である。

【0014】

本発明は、給電分配回路の分配電力の調整比の制限による、高性能な指向性設計の限界を緩和することができ、かつ、複数のパッチアンテナ素子と給電分配回路とを含む全ての部品を基板の同一平面上に実装することができるパッチアンテナ、パッチアンテナの製造方法を得ることが目的である。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明に係るパッチアンテナは、誘電体層とグランド層で構成された平面基板の表面である前記誘電体層側の同一面上に、複数のパッチアンテナ素子と、給電分配回路を実装するパッチアンテナにおいて、前記平面基板の同一面上、かつ、複数のパッチアンテナ素子の一部に対応して配置され、励振方向が前記パッチアンテナ素子の励振方向と平行となるように配置され、かつ、ショートビアを用いて裏面側である前記グランド層に電気的に接続された放射電力制御素子を有することを特徴としている。

【0016】

本発明に係るパッチアンテナは、誘電体層とグランド層で構成された平面基板の表面である前記誘電体層側の同一面上に、複数のパッチアンテナ素子と、給電分配回路を実装するパッチアンテナにおいて、前記平面基板の同一面上に配置され、励振方向が前記パッチアンテナ素子の励振方向と平行となるように配置され、かつ、ショートビアを用いて裏面側である前記グランド層に電気的に接続された放射電力制御素子を有し、使用周波数における前記平面基板内の実効波長をλｇとするとき、前記放射電力制御素子は、前記励振方向の電気長が０．２１７λｇより大きく０．３３３λｇ以下に設定され、前記励振方向と直交する方向の電気長が０．０４２λｇ以上０．１２５λｇ以下に設定され、かつ、前記パッチアンテナ素子の端部と前記放射電力制御素子の端部の最小間隔が０．０８３λｇ以上０．１λｇ以下に設定されることを特徴としている。

【0017】

本発明に係るパッチアンテナの製造方法は、誘電体層とグランド層で構成された平面基板の表面である前記誘電体層側の同一面上に、複数のパッチアンテナ素子と、給電分配回路を実装し、放射電力制御素子を、前記平面基板の同一面上に、励振方向が前記パッチアンテナ素子の励振方向と平行となるように配置し、放射電力制御素子における、前記励振方向の電気長の一端に取り付けられたショートビアを前記平面基板の誘電体層を貫通させることで、裏面側である前記グランド層に電気的に接続し、使用周波数における前記平面基板内の実効波長をλｇとするとき、前記放射電力制御素子の前記励振方向の電気長が０．２１７λｇより大きく０．３３３λｇ以下に設定し、前記励振方向と直交する方向の電気長を０．０４２λｇ以上０．１２５λｇ以下に設定し、前記パッチアンテナ素子の端部と前記放射電力制御素子の端部の最小間隔を０．０８３λｇ以上０．１λｇ以下に設定することを特徴としている。

【発明の効果】

【0018】

以上説明した如く本発明では、給電分配回路の分配電力の調整比の制限による、高性能な指向性設計の限界を緩和することができ、かつ、複数のパッチアンテナ素子と給電分配回路とを含む全ての部品を基板の同一平面上に実装することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本実施の形態に係る直線８素子アレー配列の直列給電パッチアレーアンテナの斜視図である。

【図2】図１における直列給電パッチアレーアンテナの一部拡大図であり、直線８素子アレー配列の給電電力の調整比を決定する給電電力分配制御回路が設けられた配線パターンの斜視図である。

【図3】図２に示す給電電力分配制御回路の拡大斜視図である。

【図4】図１に示す直列給電パッチアレーアンテナに取り付けられたパッチアンテナ素子及びその周辺の拡大斜視図である。

【図5】本実施の形態に係るパッチアンテナ素子と放射電力制御素子との間の寸法（Ｇａｐ）毎の、放射電力利得制御素子の励振方向長さに対する放射電力利得特性図である。

【図6】本実施の形態に係る放射電力制御素子における、励振方向長さ（Ｌ）毎の指向性角度に対する放射電力利得特性図である。

【図7】変形例に係る並列給電パッチアレーアンテナの斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

図１は、本実施の形態に係る直線８素子アレー配列の直列給電パッチアレーアンテナ１０である。

【0021】

直列給電パッチアレーアンテナ１０は、平面基板１２上に、複数のパッチアンテナ素子１４（図１では、一部のみ指標)が配列されている。平面基板１２の裏面全面は、ＧＮＤ層１２Ｇが設けられている。

【0022】

また、図２に示される如く、平面基板１２の同一平面上には、複数の給電電力分配制御回路１６が実装されている。本実施の形態に係る直列給電パッチアレーアンテナ１０は、７９ＧＨｚ帯のアンテナとして利用される。

【0023】

図１に示される如く、平面基板１２の給電部１８から電力が供給されると、特性の異なる給電電力分配制御回路１６を介して、直線８素子アレー配列の各配線パターン２０へ給電される。

【0024】

７９ＧＨｚ帯の直列給電パッチアレーアンテナ１０は、平面基板１２として、アンテナ放射効率や高次モードの共振を抑制するため１／１６λｇ～１／６４λｇ（λｇは、平面基板１２上における実効波長であり、約２．４ｍｍである。）以上の厚さ（誘電体層の厚さ）のテフロン（登録商標）基板材（厚さが０．２ｍｍ）が適用されている。

【0025】

図３に示される如く、給電電力分配制御回路１６を構成するマイクロストリップ線路１６Ａの線幅は、基板製造過程における銅箔パターンのエッチング加工精度が制限される。

【0026】

このため、一般的に製造可能な、マイクロストリップ線路１６Ａの線幅は０．１ｍｍ程度である。

【0027】

従って、給電電力分配制御回路１６による分配電力量の調整比には、加工精度の制限により限界がある。例えば、上記の平面基板１２を使用した場合、０．１ｍｍ線幅のマイクロストリップ線路１６Ａの特性インピーダンスは１００Ω程度であり、分配電力量の調整比は最大で４．８ｄＢ以下である。

【0028】

本実施の形態では、この調整比４．８ｄＢ以上の調整比を実現するべく、放射電力制御素子２２(図１及び図４参照)を採用した。

【0029】

図１に示される如く、パッチアンテナ素子１４は、一辺が約１．１ｍｍ正方形の銅箔パターンで構成され、８本の直線状の配線パターンのそれぞれに複数のパッチアンテナ素子１４が電気的に直列接続されている。

【0030】

図４に示される如く、パッチアンテナ素子１４において、励振方向と直交する方向と交差する２辺に対峙するように、放射電力制御素子２２が配置されている。

【0031】

放射電力制御素子２２は、導電性のプレート状とされ、平面基板１２を貫通するショートビア２０Ａを備えている。平面基板１２を貫通したショートビア２０Ａは、裏面に設けられたＧＮＤ層１２Ｇに電気的に接続されている。

【0032】

なお、以下において、パッチアンテナ素子１４と放射電力制御素子２２との間の隙間寸法をＧａｐとし、放射電力制御素子２２の励振方向の長さをＬとする（図４参照）。また、図１に示される如く、アレー配列における隣り合うパッチアンテナ素子１４同士の間隔をＰ、パッチアンテナ素子１４同士のピッチ（空間波長）をＭとする。

【0033】

また、図１に示される如く、放射電力制御素子２２は、アレー配列における隣り合うパッチアンテナ素子１４同士の間隔Ｍは、空間波長Ｐ＝０．６５λ（λ≒３．８ｍｍ）である場合に、１．４ｍｍとなり、放射電力制御素子２２は、このパッチアンテナ素子１４の間隔１．４ｍｍ(≒０．６５×３．８)の間に配置することになる。

【0034】

放射電力制御素子２２は、パッチアンテナ素子１４から放射された電力の一部が給電されて放射するようになっている。

【0035】

本実施の形態では、放射電力制御素子２２の寸法（主として励振方向の長さＬ）及び位置（主として、放射電力制御素子２２との隙間寸法Ｇａｐ）を調整することで、この放射電力制御素子２２からの放射電力と、パッチアンテナ素子１４からの放射電力との位相とが設定される。

【0036】

すなわち、放射電力制御素子２２は、パッチアンテナ素子１４の放射電力を制御する機能を有している。

【0037】

なお、放射電力制御素子２２とパッチアンテナ素子１４との間の隙間寸法Ｇａｐは、平面基板１２の厚さである０．２ｍｍに相当する距離以上離すことで、パッチアンテナ素子１４単体の性能への影響は、ほぼなくなり、パッチアンテナ素子１４の単体としての放射電力の制御は安定する。

【0038】

放射電力制御素子２２の幅寸法Ｗは、放射電力の制御に対する影響は、ほぼないが、本実施の形態では、平面基板１２へ実装するときの物理的な制限を考慮して、Ｗ＝０．２ｍｍ（０．０８３λｇ）とした。なお、平面基板１２上の実装スペースに余裕があれば放射電力制御素子２２の幅は、上記以外でもよい。

【0039】

（放射電力制御素子２２の寸法及び位置を調整基準）

【0040】

図５及び図６に従い、放射電力制御素子２２の寸法及び位置を調整基準について解析する。

【0041】

図５は、本実施の形態に係るパッチアンテナ素子１４と放射電力制御素子２２との間の寸法（Ｇａｐ）毎の、放射電力利得制御素子の励振方向長さに対する放射電力利得特性図である。

【0042】

また、図６は、本実施の形態に係る放射電力制御素子２２における、励振方向長さ（Ｌ）毎の指向性角度に対する放射電力利得特性図である。

【0043】

図５に示される如く、放射電力制御素子２２との隙間寸法Ｇａｐが０．５ｍｍの離隔距離（励振方向の長さＬ＝０．５８ｍｍ（０．２４２λｇ）以上の場合）を保つ事で、ほぼパッチアンテナ素子１４の放射電力利得への影響がないことがわかる。

【0044】

また、図６に示される如く、放射電力制御素子２２の励振方向は、長さＬ＝０．５２ｍｍ（０．２１７λｇ）以上、かつ、長さＬ＝１．１ｍｍ（０．４５８λｇ）以下であれば指向性への影響（指向性角度０ｄｅｇ付近でのへこみ）は、ほぼないことがわかる。

【0045】

隣り合うパッチアンテナ素子１４の間隔は、１．４ｍｍであり、この間隔（１．４ｍｍ）の間に、放射電力制御素子２２を配置する場合、放射電力制御の対象となるパッチアンテナ素子１４の隣に配置されている近傍のパッチアンテナ素子に対して０．５ｍｍ（０．２０８λｇ）以上の離隔距離を保って放射電力制御素子２２を配置すれば、当該隣の放射電力制御素子２２には影響を及ぼさない。

【0046】

このため、Ｇａｐ＝０．２ｍｍ～０．３ｍｍ（０．０８３λｇ～０．１２５λｇ）の範囲で、放射電力制御素子２２の寸法及び位置を調整することが望ましい。

【0047】

本実施の形態では、Ｇａｐ＝０．２ｍ～０．２４ｍｍ（０．０８３λｇ～０．１λｇ）とし、かつ、Ｌ＝０．５２ｍｍ～０．８ｍｍ（０．２１７λｇ～０．３３３λｇ）の範囲で放射電力制御素子２２の寸法及び位置を調整する事で、パッチアンテナ素子１４の放射電力利得を－０．６８ｄＢ～－１０ｄＢの範囲で調整が可能となる。

【0048】

以下に、本実施の形態の作用を説明する。

【0049】

パッチアンテナ素子１４に給電された電力は、パッチアンテナ素子１４から空間へ放射される。

【0050】

空間へ放射された一部はパッチアンテナ素子１４の近傍に配置された放射電力制御素子２２を電磁結合により給電し、放射電力制御素子２２から空間へ放射される。

【0051】

放射電力制御素子２２から空間へ放射された電波は、パッチアンテナ素子１４から放射された電波に対し、異なる位相で空間合成されるように構成されており、パッチアンテナ素子１４の放射電力を制御することができる。

【0052】

放射電力の調整は、パッチアンテナ素子１４と放射電力制御素子２２の間の隙間寸法Ｇａｐによって電磁結合量を調整し、放射電力制御素子２２の長さＬによって所望周波数における放射電力制御素子２２の放射利得を調整することで実現している。

【0053】

ここで、前述したように、本実施の形態では、Ｇａｐ＝０．２ｍ～０．２４ｍｍ（０．０８３λｇ～０．１λｇ）とし、かつ、Ｌ＝０．５２ｍｍ～０．８ｍｍ（０．２１７λｇ～０．３３３λｇ）の範囲で放射電力制御素子２２の寸法及び位置を調整する事で、パッチアンテナ素子１４の放射電力利得を－０．６８ｄＢ～－１０ｄＢの範囲で調整が可能となる。

【0054】

例えば、図２に示される如く、直線８素子アレー配列の給電電力の調整比において、低サイドローブレベル－３２ｄＢ（開口励振分布ｆ（x）＝cos^ｎ（πｘ／Ｄ）、ｎ＝２）のアレーアンテナ指向性を、直線８素子アレー配列の分配回路にて設計する場合、給電電力分配制御回路１６は５．５ｄＢ（１０ｄＢ－４．５ｄＢ）の給電電力の調整比にて設計する必要がある。

【0055】

しかし、加工精度の制限により、給電電力の調整比４．８ｄＢ以上の性能を得ることが困難である。

【0056】

そこで、本実施の形態では、不足した給電電力の調整比０．７ｄＢ分を、放射電力制御素子２２（Ｇａｐ＝０．２４ｍｍ、Ｌ＝０．８ｍｍ）により補うようにした。

【0057】

本実施の形態では、給電電力の調整比を５．５ｄＢとしたがより高性能な低サイドローブレベルを有する指向性アンテナを設計する場合にも放射電力制御素子２２による調整が可能である。

【0058】

また、図１に示される如く、放射電力制御素子２２を実装した直列給電パッチアレーアンテナ１０では、中央付近のパッチアンテナ素子１４に対しては放射電力制御素子２２による電力制御を行わず、周縁のパッチアンテナ素子１４に対して放射電力制御素子２２による電力制御を行っている。これにより、複数のパッチアンテナ素子１４と給電電力分配制御回路１６が平面基板１２の同一平面上に配置されたパッチアレーアンテナを、アンテナ実装面積を維持したまま実現することができる。

【0059】

以上説明したように本実施の形態では、直線８素子アレー配列の直列給電パッチアレーアンテナ１０における、各パッチアンテナ素子１４の近傍に配置された放射電力制御素子２２によって、パッチアンテナ素子１４の放射電力を制御することで給電電力分配制御回路１６の分配電力の調整比の制限による高性能なアレーアンテナ指向性設計の限界を緩和することができる。

【0060】

また、複数のパッチアンテナ素子１４、給電電力分配制御回路１６、及び、各パッチアンテナ素子１４の近傍に配置された放射電力制御素子２２のそれぞれを、平面基板１２の同一平面上へ実装することができる。

【0061】

なお、本実施の形態では、直列給電パッチアレーアンテナ１０（図１参照）を例にとり説明したが、本発明に係る放射電力制御素子２２のパッチアンテナ素子１４の近傍への配置による放射電力制御技術は、図７に示される如く、並列給電パッチアレーアンテナ１０Ａにおいても適用可能である。

【0062】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【符号の説明】

【0063】

１０ 直列給電パッチアレーアンテナ
１２ 平面基板
１２Ｇ ＧＮＤ層
１４ パッチアンテナ素子
１６ 給電電力分配制御回路
１６Ａ マイクロストリップ線路
１８ 給電部
２０ 配線パターン
２２ 放射電力制御素子
２０Ａ ショートビア
１０Ａ 並列給電パッチアレーアンテナ(変形例)

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】