JP7146418B2 - パッチアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、パッチアンテナに関する。

四角形形状や円形形状の小面積の放射素子を備える平面アンテナとしてパッチアンテナが知られている。パッチアンテナのアンテナ利得を向上させる構成としては、例えば、特許文献１に開示されているように、放射素子に対向するように薄平板状の無給電素子（スタック型無給電素子３８が該当）を備えた構成が知られている。

特開２０１７－１９１９６１号公報

しかし、パッチアンテナは露出した状態で製品化されることはなく、ケースに収容されて製品化される。無給電素子を配置する場合には、無給電素子が無い場合に比べて、パッチアンテナの全体サイズが大型化するため、ケースのデザインに制約が出る可能性がある。例えば、無給電素子を配置しない場合のパッチアンテナ全体の輪郭形状は略直方体形状である。これに対して、特許文献１のように放射素子に対向するように薄平板状の無給電素子を配置する場合は、その輪郭形状は、無給電素子を配置するスペース分だけ拡大させた形状の略直方体形状である。パッチアンテナを収容するケース形状からすれば、その拡大された略直方体形状のスペースを確保する必要があるため、ケースのデザインに制約が生まれる。

無給電素子を配置するものの、パッチアンテナ全体の輪郭形状を任意に設計することができれば利便性が向上する。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、無給電素子を備えたパッチアンテナを設計する際のパッチアンテナ全体の輪郭形状の自由度を高めることができる技術を提供することである。

本発明の第１の態様は、無給電素子と、第１面を前記無給電素子に向けて設けられた誘電体と、前記第１面に設けられた放射素子と、を具備したパッチアンテナであって、前記無給電素子は、前記誘電体の前記第１面側から俯瞰した平面視において前記放射素子より広い平面視面積を有した立体形状の金属材を有して構成され、前記放射素子から離れた位置にあって前記平面視において前記放射素子を覆う位置に設けられた、パッチアンテナである。

第１の態様によれば、無給電素子は、平面視において放射素子より広い平面視面積を有し、放射素子から離れた位置であって平面視において放射素子を覆う位置に設けられていればよく、立体形状の金属材を有して構成することができる。無給電素子を立体形状とすることができるため、パッチアンテナ全体の輪郭形状を収容スペースの形状に合わせて設計することができるといった、パッチアンテナの設計自由度を向上することが可能となる。

本発明の第２の態様は、前記無給電素子は、前記平面視の視点に向けた凸形状を有する、第１の態様に係るパッチアンテナである。

第２の態様によれば、無給電素子を、平面視の視点に向けた凸形状を有するように構成することができる。無給電素子を平面視の視点に向けた凸形状とすることで、平面視から見た面積を小さくすることができ、パッチアンテナの設計自由度を向上することが可能となる。

本発明の第３の態様は、前記凸形状は、１又は複数の傾斜部を有して構成された屈曲形状である、第２の態様に係るパッチアンテナである。

第３の態様によれば、１又は複数の傾斜部を有して構成された屈曲形状とすることで、凸形状の無給電素子の成形が容易となる。

本発明の第４の態様は、前記凸形状は、アーチ形状である、第２の態様に係るパッチアンテナである。

第４の態様によれば、無給電素子の形状をアーチ形状とすることができる。

本発明の第５の態様は、前記無給電素子は、フランジ部を有する、第１～第４の態様の何れかに係るパッチアンテナである。

第５の態様によれば、無給電素子はフランジ部を有するので、無給電素子の配設を容易にすることができる。また、略同様の利得特性を有する無給電素子として、フランジ部を有する無給電素子とフランジ部を有さない無給電素子とを比べた場合、フランジ部を有する無給電素子の方が、放射素子の上面に垂直な方向の高さを低くすることができる。

本発明の第６の態様は、前記放射素子の上面に垂直な方向において、当該上面と平行な面を距離ゼロとした場合の当該平行な面から前記無給電素子までの最短距離が、前記平面視における前記放射素子の最大外寸の２倍以下である、第１～第５の態様の何れかに係るパッチアンテナである。

本発明の第７の態様は、前記最短距離が、前記最大外寸の０．１８倍以上０．５９倍以下である、第６の態様に係るパッチアンテナである。

第６又は第７の態様によれば、放射素子の上面と平行な面を距離ゼロとした場合の当該平行な面から無給電素子までの最短距離を、放射素子の最大外寸の２倍以下、更には、０．１８以上０．５９倍以下とすることができる。

本発明の第８の態様は、前記第１面とは反対側の前記誘電体の第２面側に、前記誘電体から離れた位置に設けられたグランドプレート、を更に具備し、前記グランドプレートは、前記誘電体の前記第２面側から俯瞰した下面視において前記誘電体より広い下面視面積を有した立体形状の金属材を有して構成され、前記下面視において前記誘電体を覆う位置に設けられた、第１～第７の態様の何れかに係るパッチアンテナである。

本発明の第９の態様は、グランドプレートと、第２面を前記グランドプレートに向けて前記グランドプレートから離れた位置に設けられた誘電体と、前記第２面とは反対側の前記誘電体の第１面に設けられた放射素子と、を具備したパッチアンテナであって、前記グランドプレートは、前記誘電体の前記第２面側から俯瞰した下面視において前記誘電体より広い下面視面積を有した立体形状の金属材を有して構成され、前記下面視において前記誘電体を覆う位置に設けられた、パッチアンテナである。

第８又は第９の態様によれば、パッチアンテナが備えるグランドプレートは、下面視において誘電体より広い下面視面積を有した立体形状の金属材を有して構成することができる。グランドプレートを立体形状とすることができるため、例えば、パッチアンテナ全体の輪郭形状を収容スペースの形状に合わせて設計することができるといった、パッチアンテナの設計自由度を向上することが可能となる。

アンテナ装置の使用例を示す概念図。 アンテナ装置の構成例を示す分解斜視図。 第１実施形態におけるパッチアンテナの斜視図。 第１実施形態におけるパッチアンテナの斜視図。 第１実施形態におけるパッチアンテナの側面図。 第１実施形態におけるパッチアンテナの側面図。 放射素子と無給電素子との距離が異なるパッチアンテナの利得特性グラフ。 放射素子と無給電素子との距離が異なるパッチアンテナの利得特性グラフ。 放射素子と無給電素子との距離に対する最小利得のグラフ。 第１実施形態におけるパッチアンテナの利得特性グラフ。 第１比較例のパッチアンテナの斜視図。 第２比較例のパッチアンテナの斜視図。 第１実施形態におけるパッチアンテナの第１変形例を示す図。 第１実施形態におけるパッチアンテナの第２変形例を示す図。 第２変形例のパッチアンテナの利得特性グラフ。 第２実施形態におけるパッチアンテナの斜視図。 第２実施形態におけるパッチアンテナの側面図。 第２実施形態におけるパッチアンテナの利得特性グラフ。 第３実施形態におけるパッチアンテナの斜視図。 第３実施形態におけるパッチアンテナの側面図。 第３実施形態におけるパッチアンテナの利得特性グラフ。 第４実施形態におけるパッチアンテナの斜視図。 第４実施形態におけるパッチアンテナの利得特性グラフ。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。

［第１実施形態］
＜アンテナ装置＞
図１は、第１実施形態のアンテナ装置１００の使用例を示す概念図である。図２は、アンテナ装置１００の構成例を示す分解斜視図である。但し、図２においては、第１実施形態に係る要部のみを図示し、他の要素を簡略化或いは省略している。第１実施形態のアンテナ装置１００は、乗用車やトラック、農業作業機械などの車両１０のルーフ１２に装着される車載用アンテナ装置である。アンテナ装置１００は、全体として前後に長く、装着面が平らで、上方にいくに従って左右方向の幅が小さくなり、側面視においてサメやイルカの背びれのようにみえる、いわゆるシャークフィン形状をなしている。そして、その長手方向が、車両１０の前後方向に沿うようにしてルーフ１２の上面に装着される。アンテナ装置１００の「前後、左右、上下」は、装着される車両１０の前後、左右、上下と同じ方向とする。アンテナ装置１００の前方向は車両１０の前進方向、アンテナ装置１００の後方向は車両１０の後進方向、アンテナ装置１００の左右方向は車両１０の左右方向、アンテナ装置１００の上下方向は車両３にとっての天地方向である。図２においては、アンテナ装置１００の前後方向はアンテナケース１１０の流線形の外観に沿った前後方向であり、相対的に細く先細りとなっている側をアンテナ装置１００の前方、その逆方向を後方とする。また、ルーフ１２への装着面の側を下方、その逆方向を上方とする。また、左右方向は、車両１０の左右方向に対応し、アンテナ装置１００の前方に向かって右側が右方向、左側が左方向である。

アンテナ装置１００は、アンテナベース１０２と、その上方を覆う電波透過性を有する合成樹脂で成形されたアンテナケース１１０とを有する。アンテナベース１０２とアンテナケース１１０との間には収容空間が画成されており、この収容空間に、アンテナエレメントと、アンテナ用の各種回路を搭載した基板とを内蔵する。収容空間に内蔵される構成要素はこれらに限定されるものではなく、適宜選択できる。

アンテナベース１０２は、アンテナ装置１００の底面となる不導体性の合成樹脂で成形された板状体である。また、アンテナベース１０２は、外縁から少し内側に、外縁部よりも高いリブ１０４が形成されている。リブ１０４の外側と不図示のインナーケースの内壁とで軟性絶縁体であるＯリング１１２を挟み込んで固定することで、アンテナ装置１００の内部の防塵・防水性が確保される構成となっている。

また、アンテナベース１０２のリブ１０４の内側には、上面視において中央部にアンテナベース１０２を表裏に貫通する貫通部１０６が形成され、前方に凹部１０８が形成されている。貫通部１０６は、アンテナエレメントのグランドを車両１０のルーフ１２と電気的に接続するための部材を挿通するため、及び、アンテナ装置１００の各種ケーブルを車両１０内に引き込むために使用される。

凹部１０８には、パッチアンテナ２００が設置される。アンテナ装置１００の収容空間から見ると、前方部分にパッチアンテナ２００が収容されることとなる。また、不図示であるが、収容空間の中央部分や後方部分には、ＡＭ／ＦＭアンテナや、ＬＴＥ（Long Term Evolution）アンテナ、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）アンテナ、ＳＸＭ（Sirius XM）アンテナといった、用途が異なる他のアンテナエレメントを収容することができる。これらの他のアンテナエレメントを収容するときには、金属ベースの上面にこれらの他のアンテナエレメントを搭載し、金属ベースとともに、アンテナベース１０２に対してネジ留め等で固定する。金属ベースは、アンテナ装置１００を車両１０のルーフ１２に取り付ける際に、ルーフ１２と電気的に接続されることでルーフ１２と同電位となり、グランド（接地）として機能する。

パッチアンテナ２００は、円偏波を受信するアンテナであり、グランドプレート２０２と、アンプ基板２０４と、アンテナ本体部２１０と、無給電素子ホルダ２０８と、無給電素子２２０と、を有して構成される。グランドプレート２０２は、アンテナ本体部２１０のグランドとなる薄板状の導電部材である。アンプ基板２０４の上面には、アンテナ本体部２１０が実装される。

アンテナ本体部２１０は、誘電体と放射素子とを有し、従来技術のパッチアンテナと同様に、プリント基板の製造方法やセラミックス基板の印刷技術を応用して作成することができる。無給電素子２２０は、金属薄板で形成され、アンテナ本体部２１０のアンテナ利得を向上させるために、アンテナ本体部２１０の上方に所定距離をおいて設けられる。無給電素子ホルダ２０８は、アンテナ本体部２１０を嵌め込むことができる大きさの上下方向に貫通した孔を有する環状形状を有する。また、無給電素子ホルダ２０８の上面には上方に突出した突出片が設けられており、この突出片に無給電素子２２０が固定されることでアンテナ本体部２１０と無給電素子２２０との間隔が所定距離に保たれる。

第１実施形態では、無給電素子ホルダ２０８を用いて無給電素子２２０を固定する構成としたが、例えば、アンテナケース１１０の内側に無給電素子２２０を固定して、無給電素子ホルダ２０８を不要としても良い。アンテナケース１１０の内側に無給電素子２２０を固定するとともに無給電素子ホルダ２０８も用いて、アンテナケース１１０と無給電素子ホルダ２０８との両方で無給電素子２２０を固定しても良い。アンテナケース１１０の内側にインナーケースが設けられる場合には、アンテナケース１１０ではなく、インナーケースの内側に無給電素子２２０を固定することで、無給電素子ホルダ２０８を不要としても良い。インナーケースの外側に無給電素子２２０を固定して、無給電素子ホルダ２０８を不要としても良い。

グランドプレート２０２は、他のアンテナエレメントのグランドとなる金属ベースとは電気的に接続されず、電気的に独立したグランド電位とされる。これは、アンテナ装置１００が車両１０のルーフ１２に装着された際にパッチアンテナ２００のアンテナ本体部２１０とルーフ１２との間隔が広がることによる電気特性低下を防止して、パッチアンテナ２００が良好な円偏波特性を得るためである。

第１実施形態では、アンテナベース１０２を樹脂ベースとしたが、樹脂ベースではなく金属ベースとしても良い。アンテナベース１０２を金属ベースとする場合には、グランドプレート２０２は無くとも良い。

＜パッチアンテナ＞
パッチアンテナ２００について詳述するが、先ず、パッチアンテナ２００に対する方向を次のように定義する。すなわち、パッチアンテナ２００は、誘電体２１２に放射素子２１４が積層された構造を有するが、放射素子２１４が設けられた側、つまり、誘電体２１２から放射素子２１４に向かう方向を「放射方向」とする。

また、パッチアンテナ２００に対して、左手系の直交３軸を定義する。つまり、薄板状である放射素子２１４の板面の中心を原点とする。そして、放射素子２１４の板面に垂直な方向（板面に対する法線方向）をＺ軸方向とし、放射方向をＺ軸正方向とする。また、放射素子２１４の板面の中心と給電点２１６とを結ぶ線分の方向に沿った方向をＸ軸方向とし、放射素子２１４の板面の中心から給電点２１６に向かう方向をＸ軸正方向とする。Ｚ軸及びＸ軸を定めることで、左手系の直交３軸においてＹ軸は一意に決まる。この直交３軸の方向が分かり易いように、直交３軸の各軸方向に平行な方向を示す参照方向を各図に付記した。参照方向としているのは、直交３軸の原点は、正しくは放射素子２１４の板面中心であるためである。あくまで方向の参照用として示している。

Ｘ軸及びＺ軸を含むＸＺ平面が放射素子２１４の電界面であるＥ面となり、Ｙ軸及びＺ軸を含むＹＺ平面が放射素子２１４の磁界面であるＨ面となる。

パッチアンテナ２００は、放射方向を上方に向けてアンテナ装置１００に収容されるため、Ｚ軸に沿った方向が上下方向となる。以下では、Ｚ軸正方向に向かう方向を上方向、Ｚ軸負方向に向かう方向を下方向ともいう。また、Ｚ軸正方向からＺ軸負方向に向かってパッチアンテナ２００を見る視点を平面視という。

図３～図６は、第１実施形態におけるパッチアンテナ２００の要部構成図である。第１実施形態の特徴を理解し易いように、パッチアンテナ２００の主要部材であるアンテナ本体部２１０及び無給電素子２２０のみを図示している。図３はパッチアンテナ２００の斜視図である。図４はアンテナ本体部２１０と無給電素子２２０との間隔を広げて図示した斜視図である。図５はパッチアンテナ２００をＹ軸負方向からＹ軸正方向に向かって見た側面図である。図６はパッチアンテナ２００をＸ軸正方向からＸ軸負方向に向かって見た側面図である。

アンテナ本体部２１０は、誘電体２１２と、誘電体２１２の上面に設けられた放射素子２１４とを備える。なお、図５～図６では、放射素子２１４のＺ軸方向の厚さを大きく描いているが、実際は薄い板状、すなわち薄膜として形成される。

誘電体２１２は、Ｚ軸正方向である上方から見た平面視において、略四角形形状に形成されており、第１面である上面に放射素子２１４が設けられている。放射素子２１４は、平面視において略四角形形状に形成されている。

放射素子２１４は、上面中心からＸ軸正方向にオフセットした位置（ずれた位置）に、ケーブルの芯線を挿通・固定するＺ軸方向の貫通孔である芯線取付孔２１６が形成されている。この芯線取付孔２１６が給電点となる。従って、以下では、適宜、芯線取付孔２１６を給電点２１６と称する。不図示であるが、放射素子２１４の下面に設けられた誘電体２１２にも、放射素子２１４の芯線取付孔２１６に連通する位置に、Ｚ軸方向に貫通する芯線取付孔が形成されている。

無給電素子２２０は、放射素子２１４の上面からＺ軸正方向に離れた位置に設けられている。誘電体２１２は、放射素子２１４が設けられた第１面を無給電素子２２０に向けて設けられている。放射素子２１４と無給電素子２２０との離隔は、無給電素子ホルダ２０８によって実現されている（図２参照）。

無給電素子２２０は、略四角形形状の金属薄板を屈曲させた立体形状の金属材である。具体的には、金属薄板のＹ軸方向の両端部を、Ｚ軸負方向へ屈曲させて成形されており、放射素子２１４の上面に平行な薄板である平面部２２２と、平面部２２２のＹ軸方向の両端部からＺ軸負方向に向かう傾斜部である屈曲部２２４とを有している。

無給電素子２２０は、全体として立体形状を有していながら、次のような特徴を有している。誘電体２１２の第１面側であるＺ軸正方向からパッチアンテナ２００を俯瞰した視点である平面視において、無給電素子２２０は、放射素子２１４より広い平面視面積を有し、且つ、放射素子２１４から離れた位置にありながら平面視において放射素子２１４を覆う位置に設けられている。また、無給電素子２２０の全体形状は、平面視の視点であるＺ軸正方向に向けた凸形状をなしている。無給電素子２２０は、複数の傾斜部である屈曲部２２４を有して構成された屈曲形状を有することで、凸形状をなしている、とも言える。第１実施形態の無給電素子２２０の例では、傾斜部である屈曲部２２４の数は２つである。無給電素子２２０は、金属薄板を所定回数折り曲げ加工することによって形成された屈曲形状を有することで、凸形状をなしている、とも言える。第１実施形態の無給電素子２２０の例では、所定回数は２回である。傾斜部である屈曲部２２４が１つであっても良い。

詳細は後述するが、放射素子２１４と無給電素子２２０との距離ｄは、平面視における放射素子２１４の最大外寸αの２倍以下とされ、より好適には、最大外寸αの０．１８倍以上０．５９倍以下とされる。最大外寸αとは、放射素子２１４の外寸の最大となる長さのことである。放射素子２１４は略四角形形状であるので、平面視における放射素子２１４の最大外寸αは、図４に示すように、放射素子２１４の対角線の長さとなる。

放射素子２１４と無給電素子２２０との距離ｄは、図５，図６に示すように、放射素子２１４の上面に垂直な方向（Ｚ軸方向）において、放射素子２１４の上面を含む平面（つまり、ＸＹ平面に平行な面）を距離ゼロの基準面とし、この基準面から無給電素子２２０までの最短距離とする。無給電素子２２０はＹ軸方向の両端部を下方に屈曲させた形状であるので、放射素子２１４の上面を含む基準面からこの両端部までの最短距離が、放射素子２１４と無給電素子２２０との距離ｄとなる。

図７，図８は、パッチアンテナ２００において、放射素子２１４と無給電素子２２０との距離ｄを異ならせた場合の利得特性の実験結果を示すグラフである。図７，図８は、何れも、パッチアンテナ２００の原点からみてＸＹ平面の方向を仰角０度、放射方向であるＺ軸正方向を仰角９０度とした円偏波を受信したときの水平面平均利得を示している。図７は、放射素子２１４と無給電素子２２０との距離ｄを、「０」及び、「０．１８α（約３ｍｍ）」とした場合に加えて、比較例として、無給電素子２２０を省略した場合のアンテナ利得を併せて示している。点線が距離ｄを「０」とした場合、実線が距離ｄを「０．１８α」とした場合、一点鎖線が無給電素子を省略した比較例、を示している。また、図８は、放射素子２１４と無給電素子２２０との距離ｄを、「０．２９α（約５ｍｍ）」、「０．５９α（約１０ｍｍ）」及び「２α（約３４ｍｍ）」とした場合のアンテナ利得を示している。点線が距離ｄを「０．２９α」とした場合、実線が距離ｄを「０．５９α」とした場合、一点鎖線が距離ｄを「２α」とした場合、を示している。本実験では、無給電素子２２０の最大外寸αは「１７ｍｍ」である。

図７，図８に示すように、高仰角範囲の６０度から９０度までの範囲に着目すると、無給電素子２２０を設けることで、無給電素子２２０を設けない場合に比べてアンテナ利得が向上していることが分かる。また、放射素子２１４と無給電素子２２０との距離ｄが異なると、アンテナ利得が異なることが分かる。

図９は、図７，図８の実験結果から得られたグラフであり、放射素子２１４と無給電素子２２０との距離ｄに対する、仰角が６０度から９０度までの高仰角範囲におけるアンテナ利得の最小値を示している。なお、無給電素子２２０を設けない場合の高仰角範囲におけるアンテナ利得の最小値は２．９［ｄＢｉ］である。図９によれば、距離ｄが「２α」以下であれば、無給電素子２２０を設けない場合のアンテナ利得である２．９［ｄＢｉ］より高いアンテナ利得を得ることができる。従って、放射素子２１４と無給電素子２２０との距離ｄは、放射素子２１４の最大外寸αの２倍以下とすることが望ましい。更に、距離ｄを変化させた場合のアンテナ利得のピーク値近傍である、距離ｄが「０．１８α」から「０．５９α」までの範囲であれば、より好適である。このときのアンテナ利得は５［ｄＢｉ］程度の利得が得られる。

続いて、第１実施形態のパッチアンテナ２００の効果について説明する。図１０は、パッチアンテナ２００が２３３２．５［ＭＨｚ］の円偏波を受信したときの水平面平均利得を示している。横軸である仰角は、パッチアンテナ２００の原点からみてＸＹ平面の方向を仰角０度、Ｚ軸正方向を９０度としている。また、比較例として、第１実施形態とは無給電素子２２０の構成を異ならせた２種類のパッチアンテナのアンテナ利得を、第１比較例及び第２比較例として併せて示している。実線が第１実施形態を示し、一点鎖線が第１比較例を示し、点線が第２比較例を示している。

図１１は、第１比較例のパッチアンテナ２００Ｘの構成を示す斜視図である。アンテナ本体部２１０と無給電素子２２０Ｘとの間隔を広げて図示している。第１比較例のパッチアンテナ２００Ｘと第１実施形態のパッチアンテナ２００との違いは、無給電素子２２０Ｘである。アンテナ本体部２１０は、第１実施形態のアンテナ本体部２１０（図４参照）と同様の構成である。無給電素子２２０Ｘは、第１実施形態の無給電素子２２０において屈曲形状が無かった場合の平板状かつ略四角形形状の金属薄板である。図４の無給電素子２２０の平面部２２２と、２つの屈曲部２２４とを平らに展開した形状である。平面部２２２と、２つの屈曲部２２４との上面面積を合計した面積が、無給電素子２２０Ｘの上面面積であり、無給電素子２２０と無給電素子２２０Ｘとは表面積が同じである。言い換えれば、第１比較例のパッチアンテナ２００Ｘは、従来のパッチアンテナに相当する。

図１２は、第２比較例のパッチアンテナ２００Ｙの構成を示す斜視図である。アンテナ本体部２１０と無給電素子２２０Ｙとの間隔を広げて図示している。第２比較例のパッチアンテナ２００Ｙと第１実施形態のパッチアンテナ２００との違いは、無給電素子２２０Ｙである。アンテナ本体部２１０は、第１実施形態のアンテナ本体部２１０（図４参照）と同様の構成である。無給電素子２２０Ｙは、平面視において台形形状の金属薄板である。無給電素子２２０Ｙの上面面積は、第１比較例の無給電素子２２０Ｘより小さく、第１実施形態の無給電素子２２０の平面部２２２の面積と同じに構成されている。パッチアンテナ２００Ｙは、シャークフィン形状をなすアンテナ装置１００内部の収容空間の前方に配置されるため、無給電素子２２０Ｙは、前方であるＸ軸正方向に向かうにつれて、左右方向の幅であるＹ軸方向の長さが小さくなるように形成されている。

図１０によれば、第１実施形態のパッチアンテナ２００と第１比較例のパッチアンテナ２００Ｘとを比較すると、アンテナ利得の特性は殆ど同じであることがわかる。また、第１実施形態のパッチアンテナ２００と第２比較例のパッチアンテナ２００Ｙとを比較すると、第１実施形態のほうが全ての仰角においてアンテナ利得が高いことがわかる。従って、第１実施形態のパッチアンテナ２００のように、無給電素子２２０を、平面視の視点であるＺ軸正方向に向けた凸形状とした立体形状としても、従来技術に相当する平板状の無給電素子とした場合と同等のアンテナ利得を得ることができる。

第１実施形態によれば、無給電素子２２０は、平面視において放射素子２１４より広い平面視面積を有し、平面視において放射素子２１４を覆う位置に設けられていれば、アンテナ利得を低下させることがない。このため、パッチアンテナ２００全体の輪郭形状の設計自由度が向上する。例えば、図２に示したように、第１実施形態のパッチアンテナ２００は、アンテナ装置１００の内部収容空間の前方に収容される。また、第１実施形態のアンテナ装置１００は全体としてシャークフィン形状を有しており、アンテナケース１１０は左右方向の幅が上方にいくに従って小さくなる形状を有している。このため、パッチアンテナ２００を収容する際には、上方のスペースに限りがあるが、第１実施形態によれば、無給電素子２２０を立体形状にすることができるため、パッチアンテナ２００全体の輪郭形状を収容スペースの形状に合わせて設計することができる。

＜変形例＞
第１実施形態では、無給電素子２２０を平面視の視点に向かって凸形状をなす立体形状として構成したが、凸形状のバリエーションとして、収容空間を画成するインナーケースの内壁の形状に合わせて、次のように構成することにしても良い。

図１３は、第１変形例を示す図であって、無給電素子を逆Ｖ字形状としたパッチアンテナ２００Ｂの構成例を示す斜視図である。アンテナ本体部２１０と無給電素子２２０Ｂとの間隔を広げて図示している。第１実施形態では、無給電素子２２０は、平面部２２２の他に、傾斜部である２つの屈曲部２２４を有する屈曲形状により凸形状をなしていることとした。第１変形例では、平面部２２２がなく、第１実施形態における傾斜部である２つの屈曲部２２４で屈曲形状を構成することで、凸形状をなしている。言い換えれば、第１実施形態では、無給電素子２２０は、金属薄板を２回、折り曲げ加工することによって形成された屈曲形状を有することで、凸形状をなしていることとした。第１変形例では、金属薄板を１回、折り曲げ加工することによって形成された屈曲形状を有することで、凸形状をなしている、とも言える。第１変形例のパッチアンテナ２００Ｂと第１実施形態のパッチアンテナ２００との違いは無給電素子２２０Ｂである。アンテナ本体部２１０は、第１実施形態のアンテナ本体部２１０（図４参照）と同様の構成である。無給電素子２２０Ｂは、平面視の視点に向かって凸形状をなす立体形状であって、全体として逆Ｖ字形状を有しており、稜線がＸ軸方向に平行な方向となるように配置される。無給電素子２２０Ｂが、平面視において放射素子２１４より広い平面視面積を有し、平面視において放射素子２１４を覆う位置に設けられている点は、無給電素子２２０と同じである。第１変形例の無給電素子２２０Ｂは、例えば、略四角形形状の金属薄板をＸ軸方向に沿った中心線に沿って屈曲させることで形成することが可能である。このため、第１実施形態の無給電素子２２０に比べて製造の手間を低減することができる。

また、図１４は、第２変形例を示す図であって、無給電素子をアーチ形状としたパッチアンテナ２００Ｃの構成例を示す斜視図である。アンテナ本体部２１０と無給電素子２２０Ｃとの間隔を広げて図示している。第２変形例のパッチアンテナ２００Ｃと第１実施形態のパッチアンテナ２００との違いは無給電素子２２０Ｃである。アンテナ本体部２１０は、第１実施形態のアンテナ本体部２１０（図４参照）と同様の構成である。無給電素子２２０Ｃは、平面視の視点に向かって凸形状をなす立体形状であるアーチ形状であって、長手方向がＸ軸方向に平行な方向となるように配置された半円筒の曲面部分である。ここで、半円筒には、真円を半分に切断したものだけではなく、楕円を半分に切断したものも含まれる。また、半分ではなく、真円や楕円を部分的に切断した円弧部分の場合も含まれる。無給電素子２２０Ｃが、平面視において放射素子２１４より広い平面視面積を有し、平面視において放射素子２１４を覆う位置に設けられている点は、無給電素子２２０と同じである。第２変形例の無給電素子２２０Ｃは、例えば、略四角形形状の金属薄板を、Ｘ軸正方向に突出する曲面をなすように屈曲させることで形成することが可能である。

図１５は、第２変形例のパッチアンテナ２００Ｃの２３３２．５［ＭＨｚ］の円偏波を受信したときの水平面平均利得を示している。横軸である仰角は、パッチアンテナ２００Ｃの原点（放射素子２１４の上面中心）からみてＸＹ平面の方向を仰角０度、Ｚ軸正方向を９０度としている。また、比較例として、上述の第１比較例のパッチアンテナ２００Ｘ（図１１参照）のアンテナ利得を併せて示している。実線が第２変形例のアンテナ利得を示し、点線が第１比較例のアンテナ利得を示している。また、本実験では、第２変形例の無給電素子２２０Ｃは、平面視面積が、第１比較例の無給電素子２２０Ｘと同じとした。無給電素子２２０を平らに展開した場合には、無給電素子２２０Ｘよりも大きな表面積となる構成である。

第２変形例のパッチアンテナ２００Ｃと、第１比較例のパッチアンテナ２００Ｘとを比較すると、幾つかの仰角においてアンテナ利得が同じであるが、ほぼ全ての仰角において、第２変形例のパッチアンテナ２００Ｃのほうがパッチアンテナ２００Ｘに比べてアンテナ利得が高くなった。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態を説明する。第２実施形態は、第１実施形態におけるパッチアンテナ２００の無給電素子２２０を変更した実施形態である、なお、以下において、上述の第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、詳細な説明は省略或いは簡略する。

＜パッチアンテナ＞
図１６，図１７は、第２実施形態におけるパッチアンテナ２００Ｄの要部構成図である。図１６は、パッチアンテナ２００Ｄの斜視図である。アンテナ本体部２１０と無給電素子２２０Ｄとの間隔を広げて図示している。図１７は、パッチアンテナ２００ＤをＸ軸正方向からＸ軸負方向に向かって見た側面図である。

無給電素子２２０Ｄは、略四角形形状の金属薄板を屈曲させた立体形状の金属材である。具体的には、金属薄板のＹ軸方向の両端部を、上方向（Ｚ軸正方向）へ屈曲させて形成されており、放射素子２１４に平行な中央部分である平面部２２２Ｄと、平面部２２２ＤのＹ軸方向の両端部から上方に向かって屈曲された屈曲部２２４Ｄと、を有している。無給電素子２２０Ｄは、全体形状として、平面視の視点であるＺ軸正方向に向けた凸形状を成している。無給電素子２２０Ｄは全体として立体形状を有していながら、誘電体２１２の第１面側であるＺ軸正方向からパッチアンテナ２００Ｄを俯瞰した視点である平面視において、放射素子２１４より広い平面視面積を有し、且つ、平面視において放射素子２１４を覆う位置に設けられている。

放射素子２１４と無給電素子２２０Ｄとの距離ｄは、第１実施形態と同様に、図１７に示すように、放射素子２１４の上面に垂直な方向（つまり、Ｚ軸正方向に沿った方向）において、放射素子２１４の上面を含む平面（つまり、ＸＹ平面の平行面）を距離ゼロの基準面とし、この基準面から無給電素子２２０Ｄまでの最短距離とする。無給電素子２２０Ｄは、Ｙ軸方向の両端部を上方に屈曲させた形状であるので、基準面から平面部２２２Ｄの下面までの距離が、放射素子２１４と無給電素子２２０Ｄとの距離ｄとなる。距離ｄは、第１実施形態と同様に、平面視における放射素子２１４の最大外寸αの２倍以下であり、より好適には０．１８陪以上０．５９倍以下とする。

＜実験結果＞
続いて、第２実施形態のパッチアンテナ２００Ｄの効果について説明する。図１８は、パッチアンテナ２００Ｄが２３３２．５［ＭＨｚ］の円偏波を受信したときの水平面平均利得を示している。横軸である仰角は、パッチアンテナ２００Ｄの原点からみてＸＹ平面の方向を仰角０度、Ｚ軸正方向を９０度としている。また、比較例として、第１実施形態におけるパッチアンテナ２００のアンテナ利得を併せて示している。実線が第２実施形態のアンテナ利得を示し、点線が第１実施形態のアンテナ利得を示している。

本実験に当たって、無給電素子２２０Ｄの表面積は、第１実施形態の無給電素子２２０と同じとした。従って、無給電素子２２０Ｄの屈曲部２２４Ｄを平らに展開した場合の平面視面積を、第１実施形態の無給電素子２２０を平らに展開した場合の平面視面積と同じとした。

図１８によれば、第２実施形態のパッチアンテナ２００Ｄと、第１実施形態のパッチアンテナ２００とを比較すると、アンテナ利得の特性は殆ど同じであることがわかる。従って、第２実施形態のパッチアンテナ２００Ｄのように、無給電素子２２０Ｄとして金属薄板の両端部を上方に屈曲させた立体形状としても、第１実施形態のパッチアンテナ２００と同等の性能を有する構成とすることができる。第１実施形態のパッチアンテナ２００は、従来技術に相当する、屈曲させる前の平板状の金属薄板を無給電素子２２０Ｘとした第１比較例と同等のアンテナ利得であった。そのため、第２実施形態のパッチアンテナ２００Ｄも第１比較例と同等のアンテナ利得を有すると言える。よって、アンテナ利得を低下させることなく、パッチアンテナ全体の輪郭形状の設計自由度を向上させることができる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態を説明する。第３実施形態は、第１実施形態におけるパッチアンテナ２００の無給電素子２２０を変更した実施形態である。なお、以下において、上述の第１実施形態及び第２実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、詳細な説明は省略或いは簡略する。

＜パッチアンテナ＞
図１９，図２０は、第３実施形態におけるパッチアンテナ２００Ｅの要部構成図である。図１９は、パッチアンテナ２００Ｅの斜視図である。アンテナ本体部２１０と無給電素子２２０Ｅとの間隔を広げて図示している。図２０は、パッチアンテナ２００ＥをＸ軸正方向からＸ軸負方向に向かって見た側面図である。

無給電素子２２０Ｅは、略四角形形状の金属薄板を屈曲させた立体形状の金属材である。具体的には、金属薄板のＹ軸方向の両端部を下方（Ｚ軸負方向）へ屈曲させた後、更に、この屈曲部２２４の端部をフランジとするために屈曲させて形成されている。無給電素子２２０Ｅは、放射素子２１４の板面に平行な中央部分である平面部２２２Ｅと、平面部２２２ＥのＹ軸方向の両端部から下方に向かう傾斜部である屈曲部２２４Ｅと、屈曲部２２４Ｅの端部に続き平面部２２２Ｅと平行に設けられたフランジ部２２６Ｅと、を有する。

無給電素子２２０Ｅは、全体形状として、平面視の視点であるＺ軸正方向に向けた凸形状を成している。無給電素子２２０Ｅは全体として立体形状を有していながら、誘電体２１２の第１面側であるＺ軸正方向からパッチアンテナ２００Ｅを俯瞰した視点である平面視において、放射素子２１４より広い平面視面積を有し、且つ、平面視において放射素子２１４を覆う位置に設けられている。

放射素子２１４と無給電素子２２０Ｅとの距離ｄは、第１実施形態と同様に、図２０に示すように、放射素子２１４の上面に垂直な方向（つまり、Ｚ軸正方向に沿った方向）において、放射素子２１４の上面を含む平面（つまり、ＸＹ平面の平行面）を距離ゼロの基準面とし、この基準面から無給電素子２２０Ｅまでの最短距離とする。無給電素子２２０Ｅは、Ｙ軸方向の両端部を下方に屈曲させて平面部２２２Ｅと平行なフランジ部２２６Ｅを設けた形状であるので、基準面からフランジ部２２６Ｅまでの最短距離が、放射素子２１４と無給電素子２２０Ｅとの距離ｄとなる。距離ｄは、第１実施形態と同様に、平面視における放射素子２１４の最大外寸αの２倍以下であり、より好適には０．１８陪以上０．５９倍以下とする。

＜実験結果＞
続いて、第３実施形態のパッチアンテナ２００Ｅの効果について説明する。図２１は、パッチアンテナ２００Ｅが２３３２．５［ＭＨｚ］の円偏波を受信したときの水平面平均利得を示している。横軸である仰角は、パッチアンテナ２００Ｅの原点からみてＸＹ平面の方向を仰角０度、Ｚ軸正方向を９０度としている。また、比較例として、第１実施形態におけるパッチアンテナ２００のアンテナ利得を併せて示している。実線が第３実施形態のアンテナ利得を示し、点線が第１実施形態のアンテナ利得を示している。

本実験に当たって、無給電素子２２０Ｅの表面積は、第１実施形態の無給電素子２２０と同じとした。従って、無給電素子２２０Ｅの屈曲部２２４Ｅ及びフランジ部２２６Ｅを平面部２２２Ｅと同じ面に平らに展開した場合の平面視面積を、第１実施形態の無給電素子２２０を平らに展開した場合の平面視面積と同じとした。

図２１によれば、第３実施形態のパッチアンテナ２００Ｅと、第１実施形態のパッチアンテナ２００とを比較すると、アンテナ利得の特性は、殆ど同じであることがわかる。従って、第３実施形態のパッチアンテナ２００Ｅのように、無給電素子２２０Ｅとして金属薄板の両端部を下方に屈曲させて更にフランジを形成した立体形状としても、第１実施形態のパッチアンテナ２００と同等の性能を有する構成とすることができる。第１実施形態のパッチアンテナ２００は、従来技術に相当する、屈曲させる前の平板状の金属薄板を無給電素子２２０Ｘとした第１比較例と同等のアンテナ利得であった。そのため、第３実施形態のパッチアンテナ２００Ｅも第１比較例と同等のアンテナ利得を有すると言える。よって、アンテナ利得を低下させることなく、パッチアンテナ全体の輪郭形状の設計自由度を向上させることができる。

また、フランジ部２２６Ｅを有することで、無給電素子２２０Ｅの取り付け作業が容易となる効果もある。例えば、アンテナケース１１０の内側に設けられるインナーケースの内壁に、フランジ部２２６Ｅをスライドさせて嵌め込むためのスリットや爪部を設けておき、アンテナ装置１００の組み立ての際に、フランジ部２２０Ｅをこのスリットや爪部にスライドさせて嵌め込んで固定するようにすれば良い。この場合、無給電素子ホルダ２０８は不要となる。

更に、第３実施形態のパッチアンテナ２００Ｅは、第１実施形態の無給電素子２２０の屈曲部２２４の端部を屈曲させた形状である。このため、無給電素子２２０Ｅがフランジ部２２６を有することで、無給電素子２２０がフランジを有さない第１実施形態のパッチアンテナ２００と比較して、Ｚ軸方向に沿った長さである放射素子２１４の上面に垂直な方向の高さを低くすることができる。従って、パッチアンテナ全体の輪郭形状の設計自由度を向上させることができる、

［第４実施形態］
次に、第４実施形態を説明する。第４実施形態は、第１実施形態におけるパッチアンテナ２００の無給電素子２２０及びグランドプレート２０２を変更した実施形態である。なお、以下において、上述の第１～第３実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、詳細な説明は省略或いは簡略する。

＜パッチアンテナ＞
図２２は、第４実施形態におけるパッチアンテナ２００Ｆの要部構成図である。パッチアンテナ２００Ｆの主要部材であるグランドプレート２０２Ｆと、アンテナ本体部２１０と、無給電素子２２０Ｆとのそれぞれの間隔を広げて図示している。

グランドプレート２０２Ｆは、放射素子２１４が設けられた誘電体２１２の第１面である上面とは反対側の第２面側である下面側に、誘電体２１２から離れた位置に設けられている。言い替えれば、誘電体２１２は、放射素子２１４が設けられた第１面である上面とは反対側の第２面側をグランドプレート２０２Ｆに向けて、グランドプレート２０２Ｆから離れた位置に設けられている。また、グランドプレート２０２Ｆは、誘電体２１２の下面側であるＺ軸負方向からＺ軸正方向に向かって見た下面視において、誘電体２１２より広い下面視面積を有し、且つ、下面視において誘電体２１２を覆う位置に設けられている。

グランドプレート２０２Ｆは、上方に向けて開口した深さが浅い箱形の形状をなす立体形状の金属材である。具体的には、誘電体２１２に平行な薄板である略四角形形状の底部２０２ａと、底部２０２ａの四辺それぞれに立設して設けられた壁部２０２ｂと、を有する。

無給電素子２２０Ｆは、第１実施形態の第１比較例の無給電素子２２０Ｘと同じ構成を有している。無給電素子２２０Ｆは、誘電体２１２の第１面側であるＺ軸正方向からパッチアンテナ２００Ｅを俯瞰した視点である平面視において、放射素子２１４より広い平面視面積を有し、且つ、平面視において放射素子２１４を覆う位置に設けられている。

＜実験結果＞
続いて、第４実施形態のパッチアンテナ２００Ｆの効果について説明する。図２３は、パッチアンテナ２００Ｆが２３３２．５［ＭＨｚ］の円偏波を受信したときの水平面平均利得を示している。横軸である仰角は、パッチアンテナ２００Ｆの原点からみてＸＹ平面の方向を仰角０度、Ｚ軸正方向を９０度としている。また、比較例として、第４実施形態とはグランドプレートの構成を異ならせた２種類のパッチアンテナのアンテナ利得を、第３比較例及び第４比較例として併せて示している。実線が第４実施形態のアンテナ利得を示し、一転鎖線が第３比較例のアンテナ利得を示し、点線が第４比較例のアンテナ利得を示している。

第３比較例のパッチアンテナは、第４実施形態のパッチアンテナ２００Ｆのグランドプレート２０２Ｆを、平板状の金属薄板のグランドプレートとした構成である。第３比較例のグランドプレートは、第４実施形態と同様、誘電体２１２の下面側であるＺ軸負方向からＺ軸正方向に向かって見た下面視において、誘電体２１２より広い下面視面積を有し、且つ、下面視において誘電体２１２を覆う位置に設けられている。

また、第３比較例のグランドプレートの表面積と、第４実施形態のグランドプレート２０２Ｆの表面積とを同じとして実験を行った。別の言い方をすると、グランドプレート２０２Ｆの４つの壁部２０２ｂを底部２０２ａと同じ面に平らに展開した場合の下面視面積と、第３比較例のグランドプレートの下面視面積とを同じとして実験を行った。

第４比較例のパッチアンテナは、第４実施形態のパッチアンテナ２００Ｆのグランドプレート２０２Ｆを、平板状の金属薄板とした構成である。第４比較例のグランドプレートは、第４実施形態および第３比較例と同様、誘電体２１２の下面側であるＺ軸負方向からＺ軸正方向に向かって見た下面視において、誘電体２１２より広い下面視面積を有し、且つ、下面視において誘電体２１２を覆う位置に設けられている。

ただし、第４比較例のグランドプレートの下面視面積は、第３比較例のグランドプレートよりも小さく、且つ、第４実施形態のグランドプレート２０２Ｆの底部２０２ａよりも小さい。

図２３によれば、仰角が５０度以上の範囲において、第３比較例、第４実施形態、第４比較例の順にアンテナ利得が高い。下面視面積が大きい順にアンテナ利得が高い。一方、仰角が４５度以下の範囲に着目すると、第３比較例及び第４比較例よりも、本実施形態のほうがアンテナ利得が高いことがわかる。また、仰角に対して必要となるアンテナ利得を得るために底部２０２ａの面積を確保できさえすれば、壁部２０２ｂを設けたとしてもアンテナ利得が低下することはなく、むしろ、４５度以下の仰角範囲においてはアンテナ利得が向上する、と言える。よって、グランドプレートとして、必要とされるアンテナ利得を得るための底部２０２ａを有しさえすれば、グランドプレートを立体形状とすることが可能であり、パッチアンテナ全体の輪郭形状の設計自由度を高めることが可能となる。

＜変形例＞
第４実施形態では、無給電素子２２０Ｆを平板状の金属薄板としたが、上述の第１～第３の実施形態の無給電素子に置き換える構成としても良い。

［第１～第４実施形態の変形例］
本発明を適用可能な実施形態は上述した第１～第４の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。

（Ａ）放射素子の形状
例えば、上述の第１～第４実施形態では、放射素子２１４を略四角形形状として説明したが、円形形状や楕円形状としても良い。この場合、放射素子２１４の最大外寸αは、円形状であれば直径となり、楕円形状であれば長径となる。

１０…車両
１２…ルーフ
１００…アンテナ装置
２００（２００Ａ～２００Ｆ，２００Ｘ，２００Ｙ）…パッチアンテナ
２０２（２０２Ｆ）…グランドプレート
２１０…アンテナ本体部
２１２…誘電体、２１４…放射素子、２１６…給電点
２２０（２２０Ａ～２２０Ｆ，２００Ｘ，２００Ｙ）…無給電素子

Claims (9)

1. 無給電素子と、
   第１面を前記無給電素子に向けて設けられた誘電体と、
   前記第１面に設けられた放射素子と、
   を具備したパッチアンテナであって、
   前記無給電素子は、前記誘電体の前記第１面側から俯瞰した平面視において前記放射素子より広い平面視面積を有した立体形状の金属材を有して構成され、前記放射素子から離れた位置にあって前記平面視において前記放射素子を覆う位置に設けられ、
   前記放射素子の上面に垂直な方向において、当該上面と平行な面を距離ゼロとした場合の当該平行な面から前記無給電素子までの最短距離が、前記平面視における前記放射素子の最大外寸の２倍以下である、
   パッチアンテナ。
2. 前記最短距離が、前記最大外寸の０．１８倍以上０．５９倍以下である、
   請求項１に記載のパッチアンテナ。
3. 前記無給電素子は、前記第１面に垂直な方向に向かう凸形状を有する、
   請求項１又は２に記載のパッチアンテナ。
4. 無給電素子と、
   第１面を前記無給電素子に向けて設けられた誘電体と、
   前記第１面に設けられた放射素子と、
   を具備したパッチアンテナであって、
   前記無給電素子は、前記第１面に垂直な方向に向かう凸形状を有し、前記誘電体の前記第１面側から俯瞰した平面視において前記放射素子より広い平面視面積を有した立体形状の金属材を有して構成され、前記放射素子から離れた位置にあって前記平面視において前記放射素子を覆う位置に設けられた、
   パッチアンテナ。
5. 前記凸形状は、１又は複数の傾斜部を有して構成された屈曲形状である、
   請求項３又は４に記載のパッチアンテナ。
6. 前記凸形状は、アーチ形状である、
   請求項３又は４に記載のパッチアンテナ。
7. 前記無給電素子は、フランジ部を有する、
   請求項１～６の何れか一項に記載のパッチアンテナ。
8. 前記第１面とは反対側の前記誘電体の第２面側に、前記誘電体から離れた位置に設けられたグランドプレート、
   を更に具備し、
   前記グランドプレートは、前記誘電体の前記第２面側から俯瞰した下面視において前記誘電体より広い下面視面積を有した立体形状の金属材を有して構成され、前記下面視において前記誘電体を覆う位置に設けられた、
   請求項１～７の何れか一項に記載のパッチアンテナ。
9. グランドプレートと、
   第２面を前記グランドプレートに向けて前記グランドプレートから離れた位置に設けられた誘電体と、
   前記第２面とは反対側の前記誘電体の第１面に設けられた放射素子と、
   を具備したパッチアンテナであって、
   前記グランドプレートは、底部と前記底部から立設する壁部とを有する立体形状の金属材を有して構成され、前記誘電体の前記第２面側から俯瞰した下面視において前記誘電体より広い下面視面積を有し、前記下面視において前記誘電体を覆う位置に設けられた、
   パッチアンテナ。

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