JP5745620B2 - 小型パッチアンテナ - Google Patents

Description

本発明は小型パッチアンテナに関する。

方形マイクロストリップアンテナとしても知られるパッチアンテナが現状の技術において周知である。それらは、接地面の上にわたって拡がる単一の金属パッチ、及び接地面と金属パッチとの間に配置される誘電体基板からなる。一般的にアンテナアセンブリは、あり得る破損からアンテナを保護するためにプラスチックカバー内に収容されている。それらは、小型かつ軽量な構造、薄型形状及び表面に適合する幾何形態を有し、最終的には信号供給ネットワーク（増幅器、フィルタ及び／又は出力分配器を含むこともある）とインターフェースで容易に接続可能であるため、種々の用途において用いられている。

欠点としては、中〜低程度の効率（低コスト材料のため）、本質的に狭い動作帯域（共振型動作のため）、及びスプリアス放射の源となる基板内の表面波を励起する少なからぬ可能性が挙げられる。パッチアンテナの動作は共振型のものであり、共振周波数は主に印刷領域の形状及びサイズ並びに基板の誘電率によって決まる。

その代わりに、入力インピーダンスは給電点によって決まるので、所望のインピーダンスに対応する点の近くで信号を取り込むアンテナへの給電モードが選択されなければならない。

アンテナが無線周波数で用いられる場合には、金属パッチは波長の半分に等しい長さを有する。マイクロストリップアンテナは、通常は１００ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの幅広い周波数を容易にカバーできるため、従来のマイクロ波アンテナと比べて種々の利点を有する。このアンテナは、軽い重量、小さな体積、高い機械的強度及び低い生産コストを有する。

しかし、それらは狭い帯域及び約６デシベルの極めて低い利得に関連するいくつかの欠点を有する。帯域は高誘電率誘電体層を用いることによって拡張可能であり、利得はマイクロストリップアンテナアレイを用いて拡大可能である。

用いられている基板が薄く、かつ高い誘電率を有する場合には、マイクロストリップラインの放射現象は大幅に低下することが知られている。これらの理由のために、高い照射効率を有するマイクロストリップアンテナが提供されるべき場合には、低誘電率の厚い基板を用いることが望ましい。

パッチの長さは共振周波数を強く決定付けるとともに、帯域の決定付けにおける重要なパラメータとなる。実際、通常のマイクロストリップアンテナは、普通の共振アンテナに比べてはるかに小さい帯域幅を有する。基板の高さを大きくし、かつ誘電率を小さくすることにより帯域幅を拡大することが可能であるが、これは選定された集積寸法とは相容れない幾何学的パラメータをもたらし得る。

第一近似では、共振周波数は、長さ及び誘電体の比誘電率の２乗根の双方に反比例する。実際のパッチにおける幅及び長さは有限の大きさを有するので、縁部における場はフリンジング効果を受ける。この効果は、力線が、基板及び空気である２つの別個の誘電体からなる不均質媒体を通過する必要があることに起因する。

ワイヤレス送信において非常によく用いられる他のパッチアンテナには、ＰＩＦＡアンテナ（Planar Inverted F-Antenna：板状逆Ｆアンテナ）のような、波長の１／４に等しい長さを有し、かつ接地面に短絡された放射金属パッチを有するものがある。

欧州特許第１７８７８３１号明細書

本発明の目的は、現状の技術に鑑みて、周知のアンテナとは異なる小型パッチアンテナを提供することである。本発明のアンテナは小さな寸法を有し、好ましくは共振周波数における帯域幅の高い選択性を有する。

本発明によれば、前記の目的は、特に車両内搭載用の小型パッチアンテナであって、電気を供給されるストリップ放射素子と、第１の端部では金属リンクによって、前記第１の端部と反対側の第２の端部では可変キャパシタによって、前記ストリップ放射素子に接続される接地面と、その底面が接地面と一体であるプリント回路を有する平板基台と、ストリップ放射素子とプリント回路との間に配置され、かつストリップ放射素子及び平板基台に接合された誘電体材料層とを備え、前記ストリップ放射素子は前記接地面と実質的に平行であり、前記誘電体材料層は、３〜６の範囲の比誘電率及び０．０３〜０．１の範囲の損失係数を有している小型パッチアンテナによって達成される。

本発明の小型パッチアンテナによれば、上記のように構成したので、周知のアンテナとは異なる小型パッチアンテナを提供することができる。

本発明の実施形態からなる小型パッチアンテナの上面図である。 図１に示すアンテナの概略断面図である。 図１に示すアンテナにおいて誘電体にＰＭＭＡを用いた場合の周波数に応じた利得のグラフである。 図１に示すアンテナにおいて誘電体にＡＢＳを用いた場合の周波数に応じた利得のグラフである。 本発明の実施形態の変形例からなる小型パッチアンテナの概略断面図である。 図５に示す小型パッチアンテナの上面図である。 図５に示すアンテナにおける周波数に応じた利得のグラフである。 図１又は図５に示す小型パッチアンテナが搭載された自動車である。 自動車に固定された図１又は図５における小型パッチアンテナの詳細である。

本発明の特徴及び利点は、添付の図面における非限定例によって示される実際の実施形態についての以下の詳細な説明から明らかになる。

図１及び２は、本発明の実施形態からなる小型パッチアンテナを示す。このアンテナは、例えば周波数Ｆｏ＝４３４ＭＨｚである共振周波数の波長の１／４に等しい長さを有するストリップ放射金属素子又はマイクロストリップ１を備えることが望ましい。そのストリップ金属素子１は、一方の端部１１においてグラウンドＧＮＤに接続され、他方の端部１２においてグラウンドに接続する可変キャパシタ５に接続されている。その可変キャパシタ５は、アンテナの共振回路を動作周波数上の共振に同調するように調節される。

アンテナは、プリント回路を有する平板基台２を備えている。平板基台２の完全に銅に覆われた底面が接地面３となっている。ストリップ金属素子１は接地面３と平行になっている。接地面３に対するアンテナの高さｈは約７ｍｍである。ストリップ金属素子１と接地面３との間の空間は、プリント回路の材料で部分的に満たされるとともに、適当な誘電率及び適当な損失係数を有する誘電体材料層６で部分的に満たされている。プラスチックが好ましく用いられる誘電体材料層６は、ストリップ放射素子１と、プリント回路を有する平板基台２とに接合されているので、例えばアンテナが車の中に搭載されて、検出可能な強い機械的振動の存在下にあっても、固く頑丈な平面構造となっている。

アンテナは、ストリップ金属素子１と一体となってアンテナに給電するように適合された小さなマイクロストリップ７を備えている。インピーダンスの整合もマイクロストリップ７を通じて行われる。ストリップ金属素子１は、端部１２に向かって延びる小さい矩形の切欠部１５を端部１１の側に有している。その切欠部の端部１４は、マイクロストリップ７と金属素子１との間の接触点となっている。

本発明の小型パッチアンテナの幾何形態は矩形型のものであるが、金属素子１は、誘電体材料層６よりも大きく、かつ接地面３を有するプリント回路２よりも小さくなっている。

誘電体材料層６は、パッチアンテナのサイズを縮小することを可能にする３〜６の範囲の比誘電率εｒを有している。実際、波長の１／４に等しい長さを有する金属ストリップ素子が用いられる一方で、アンテナの厚みは１センチメートル未満となっている。

更に、誘電体材料層６は、帯域幅がアンテナの共振周波数へと増大されることを可能とする、すなわちアンテナの適切な動作を無効にすることなく帯域幅がその共振周波数に同調されることを可能とする０．０３〜０．１、好ましくは０．０５〜０．１の範囲の損失係数ｔａｎδεを有している。実際、０．０３未満の損失係数ｔａｎδε（例えば０．０１）を有する誘電体材料を用いれば、製造及び較正が難しく、かつアンテナの寿命期間にその共振周波数を失い得る非常にクリティカルなアンテナが得られよう。特に自動車又は自動車用途の技術分野では、数年にわたるアンテナの適切な動作を無効にしないように共振周波数の周りの帯域幅を狭くする必要はない。非常に狭い帯域幅を有するアンテナはクリティカルなものとなろうし、その共振周波数は、例えば自動車上で見られる機械的及び熱的応力のために大幅に変化し得る。とりわけ、０．０５〜０．１の範囲の誘電体材料の損失係数ｔａｎδεの選定は、不要な擾乱及び信号を低減するため等の帯域幅を有するアンテナの一方の必要性と、製造及び較正が容易であって特に長寿命を有するアンテナの他方の必要性とをうまく両立させることを可能とする。

例えば、金属素子１と接地面３との間の空間を満たすために用いられるいくつかの誘電体材料は、誘電率４．７及び損失係数０．０３を有するＦＲ４材料（Glass Reinforced Epoxy）、並びに、特に誘電率３．７及び損失係数０．０６を有するＰＭＭＡ材料（Poly Methyl Methacrylate）、又は誘電率３．５及び損失係数０．０９を有するＡＢＳ材料（Acrylonitrile Butadiene Styrene）である。

アンテナは、３００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲の周波数に同調される共振を呈し、誘電体材料は、帯域幅が種々の用途の要求に整合させるように同調されることを可能とする。しかし、帯域幅は少なくとも１５ＭＨｚ以上である必要がある。

図３は、誘電体がＰＭＭＡ材料である場合における周波数に応じたＡＧアンテナ及びＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）、すなわち定常波パターンの最大電圧値と最小電圧値との間の比をデシベル単位で表すパラメータの逆方向の利得のグラフを示しており、数デシベルの利得を有する帯域幅は、共振周波数Ｆｏ＝４３４ＭＨｚを中心とする１５ＭＨｚである。

図４は、誘電体がＡＢＳ材料である場合における周波数に応じたＡＧアンテナ及びＶＳＷＲのデシベル単位の逆方向の利得のグラフを示しており、数デシベルの利得を有する帯域幅は、共振周波数Ｆｏ＝４３４ＭＨｚを中心とする２５ＭＨｚであるが、図３におけるアンテナの利得よりも小さい。

図５及び６は、本発明の実施形態の変形例からなる小型パッチアンテナを示す。このアンテナは、アンテナが給電されることを可能とする小さなマイクロストリップ７と結合された対応するインピーダンス整合回路２１を有するＳＡＷフィルタ２０が存在している点で、図１及び２に示すアンテナとは異なっている。

ＳＡＷフィルタ２０は、共振周波数Ｆｏ＝４３４ＭＨｚを中心とする帯域幅を有するＡＧアンテナの逆方向の利得のグラフである図７に示すように、特にアンテナが車の中で用いられる場合において、アンテナの機械的安定性及び高信頼性の特徴を保ちつつ、アンテナの選択性が高められることを可能とするものである。

本発明のアンテナは、車両用、好ましくは自動車用のデータ送信及び受信システムにおいて用いられるように適合される。このアンテナは、図８及び９に示すように、自動車２０２のフレーム２０１に対して、好ましくは自動車２０２のフレーム２０１の底部の外面に対して、特にフレーム２０１の底部の中間部分２０３において固定された気密プラスチックカバー２００内にまず配置される。プラスチックカバー２００は、カバーの孔及び自動車の底部の外面上に形成された孔と係合されるネジ又はボルトを単に用いて自動車のフレーム２０１に固定される。アンテナは、タイヤ自体の内部に配置されたタイヤ３０１の圧力用の特定の送信器３００から送信されるデータを、主に受信するように構成される。

この送信器には、同一出願人による欧州特許第１７８７８３１号に記載されているものを用いることが好ましい。この送信器は、欧州特許第１７８７８３１号の図面及び詳細な説明に記載されているようにタイヤバルブに組み付けられることが好ましい。各送信器３００は、タイヤ３０１の圧力を示す信号のパルス位置変調（ＰＰＭ）を行うように適合される。本発明の小型パッチアンテナは、前記の送信器３００からのインパルス変調信号を受信するように適合される。本発明の小型パッチアンテナは、アンテナによって受信された信号を復調するべく自動車の内部に配置される受信器（図中には示されていない）に接続される。

１ ストリップ金属放射素子
２ プリント回路
３ 接地面
５ 可変キャパシタ
６ 誘電体材料層
７ マイクロストリップ
１１ 第１の端部
１２ 第２の端部
１４ 端部
１５ 切欠部
２０ ＳＡＷフィルタ
２１ インピーダンス整合回路
２００ プラスチックカバー
２０１ フレーム
２０２ 自動車
２０３ 中間部分
３００ 送信器
３０１ タイヤ

Claims (11)

1. 特に車両内搭載用の小型パッチアンテナであって、電気を供給されるストリップ放射素子と、第１の端部では金属リンクによって、前記第１の端部と反対側の第２の端部では可変キャパシタによって、前記ストリップ放射素子に接続される接地面と、その底面が接地面と一体であるプリント回路を有する平板基台と、ストリップ放射素子とプリント回路との間に配置され、かつストリップ放射素子及び平板基台に接合された誘電体材料層とを備え、前記ストリップ放射素子は前記接地面と実質的に平行であり、前記誘電体材料層は、３〜６の範囲の比誘電率及び０．０３〜０．１の範囲の損失係数を有している小型パッチアンテナ。
2. 前記ストリップ放射素子（１）は、波長の１／４に等しい長さを有することを特徴とする請求項１に記載の小型パッチアンテナ。
3. 前記誘電体材料層（６）は、０．０５〜０．１の範囲の損失係数を有することを特徴とする請求項１に記載の小型パッチアンテナ。
4. ストリップ放射素子（１）と接地面（２）との間のアンテナの高さが１ｃｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の小型パッチアンテナ。
5. ストリップ放射素子（１）と接地面（２）との間のアンテナの高さが実質的に７ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の小型パッチアンテナ。
6. 前記ストリップ放射素子（１）は切欠部（１５）を備えるとともに、前記アンテナは、前記切欠部（１５）の内部に配置されて、その切欠部（１５）の内側の端部（１４）と接触し、そのストリップ放射素子（１）に電気を供給するための金属リンク（７）を備えることを特徴とする請求項１に記載の小型パッチアンテナ。
7. ストリップ放射素子（１）の一方の端部（１４）に接続されてストリップ放射素子（１）に電気を供給するための金属リンク（７）と、ストリップ放射素子の前記端部（１４）と前記金属リンク（７）との間に接続された対応するインピーダンス整合回路（２１）を有するＳＡＷフィルタ（２０）とを備えることを特徴とする請求項１に記載の小型パッチアンテナ。
8. アンテナが、３００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲の周波数に同調される共振を呈するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の小型パッチアンテナ。
9. フレーム（２０１）とタイヤ（３０１）を備えた少なくとも１対の車輪とを有する車両であって、少なくとも１つのタイヤには、タイヤ圧力を示す信号の送信器（３００）が設けられるとともに、前記車両は、前記少なくとも１つの送信器から発せられる少なくとも１つの信号を受信する装置を備えており、前記受信装置はアンテナ（２００）を有する車両において、
   前記アンテナは車両のフレーム（２０１）に接続されるとともに、そのアンテナは請求項１〜８のいずれか１項において定義された通りの小型パッチアンテナであることを特徴とする車両。
10. 前記アンテナは、車両のフレームの底部の外面に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の車両。
11. 前記アンテナは、車両のフレームに固定された気密なプラスチックカバー（２００）内に固定されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の車両。

Images