JP2004260667A - Patch array antenna and excitation method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は、パッチアレーアンテナおよびその励振方法に関し、特に、パッチアレーアンテナ2組を裏合わせに離隔配列したパッチアレーアンテナのアンテナ相互間の結合量を小さくした、移動通信におけるIMTー2000サービスにおける不感地用のパッチアレーアンテナおよびその励振方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
パッチアンテナにおいて、その主ビーム方向の利得を向上するにパッチアンテナ素子をアレー化することは従来から行われている。しかし、パッチアンテナ素子をアレー化すると、サイドローブが大きくなるという問題が生ずる。サイドローブが大きくなると、パッチアレーアンテナ2枚を裏合わせに離隔配列した場合、アレーアンテナ相互間の結合量が大きくなることになり、これは実効的に放射電力を低下することにつながる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上述の通りの欠点を解消したパッチアレーアンテナおよびその励振方法を提供するものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
パッチアンテナ素子4形成面の周端領域にチョーク構造50を有するパッチアレーアンテナを2枚裏合わせに離隔配列し、各パッチアンテナ素子4の励振振幅を変化させてFS比を低減させてアンテナ間相互結合を制御するパッチアレーアンテナ励振方法を構成した。
そして、パッチアンテナ素子4形成面の周端領域にチョーク構造50を有するパッチアレーアンテナ2枚を裏合わせに離隔配列し、各パッチアンテナ素子4を励振する電圧レベルを各個に設定出力するアンテナ電源回路を具備するパッチアレーアンテナを構成した。
【0005】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図を参照して説明する。
図1および図2はチョーク構造を有する1組の4×4パッチアレーアンテナを示す。図1(a)は電磁波放射面側である前面側から視た図であり、図1(b)は図1(a)の縦断面図であり、図2(c)は図1(a)を簡略化して示した図である。
図1および図2において、1はアンテナケース全体を示す参照数字である。このアンテナケースは、金属材料より成る枠体11と、金属材料より成り枠体11に平行に形成される周側壁12と金属材料より成る枠体11と、金属材料より成り枠体11に平行に形成される周側壁12と、周側壁12の前方開口端縁部を閉塞するカバー13、13’より成る。40は誘電体より成るパッチアンテナ素子基板であり、枠体11の前方開口端縁部に取り付け固定されている。パッチアンテナ素子基板40の前方表面にはパッチアンテナ素子4がマトリクス状に形成され、合計16個のパッチアンテナ素子4により1組のパッチアレーアンテナが構成される。30は無給電素子基板であり、放射素子基板40の前方表面に金属材料よりなる素子固定材7を介して離隔して取り付け固定されている。無給電素子基板30の表面には、無給電素子3が形成される。50は給電回路板であり、同軸管6を介してパッチアンテナ素子基板40に離隔して取り付け固定されている。パッチアンテナ素子4には、給電回路板50および同軸管6内に挿通される同軸ケーブルを介して給電される。
【0006】
上述した通りの金属材料より成る枠体11と枠体11に平行に形成される同様に金属材料より成る周側壁12とにより、チョーク構造10を形成している。即ち、チョーク構造10は無給電素子基板30およびパッチアンテナ素子基板40の周端領域を包囲する状態に形成されている。パッチアンテナ素子4が給電回路板50および同軸管6内に挿通される同軸ケーブルを介して給電されて電磁波を放射した場合、パッチアンテナ素子4が形成される無給電素子基板30およびパッチアンテナ素子基板40の周端領域を包囲する状態に形成されているところから、放射電磁波はその回り込みをチョーク構造10により低減せしめられることになる。
【0007】
図3は図1および図2に示される1組のパッチアレーアンテナのパッチアンテナ素子4の全てを同振幅で励振する場合を説明する図である。
図3(a)はパッチアンテナ素子4それぞれを同振幅1で励振したときの放射パターンである。励振周波数は1.92GHzとしている。放射パターンの大きさは中心点のレベルを−20dB、最外周円を20dBとして表示している。
図3(b)を参照してE面の放射パターンについてみると、フロントローブの向きは0゜、半値幅は約20゜を示している。サイドローブ抑圧は約15dBを示している。
【0008】
図3(c)を参照してH面の放射パターンについてみると、フロントローブの向きは0゜、半値幅は約23゜を示している。サイドローブ抑圧は約16dBを示している。
図4はパッチアンテナ素子4の内の左右両側の列方向に配列される素子の振幅を中央の列方向に配列される素子の振幅の半分とし、H面に影響を与える場合を説明する図である。
図4(a)は左右両側の列方向に配列されるパッチアンテナ素子の振幅を中央の列方向に配列されるパッチアンテナ素子の振幅の半分とし、H面に影響を与えた時の放射パターンを示す図である。励振周波数は1.92GHzとしている。
放射パターンの大きさは中心点のレベルを−20dB、最外周円を20dBとして表示している。
【0009】
図4(b)を参照してE面の放射パターンについてみると、フロントローブの向きは0゜、半値幅は約20゜を示している。サイドローブ抑圧は約15dBを示している。
図4(c)を参照してH面の放射パターンについてみると、フロントローブの向きは0゜、半値幅は約28゜を示している。サイドローブ抑圧は約35dBを示している。FS比(フロントローブ/サイドローブ)は大きく低減している。
図5はパッチアンテナ素子4の内の上下両側の行方向に配列される素子の振幅を中央の行方向に配列される素子の振幅の半分とし、E面に影響を与える場合を説明する図である。
【0010】
図5(a)はパッチアンテナ素子4の内の上下両側の行方向に配列される素子の振幅を中央の行方向に配列される素子の半分とし、E面に影響を与えたときの放射パターンを示す図である。励振周波数は1.92GHzとしている。放射パターンの大きさは中心点のレベルを−20dB、最外周円を20dBとして表示している。
図5(b)を参照してE面の放射パターンについてみると、フロントローブの向きは0゜、半値幅は約24゜を示している。サイドローブ抑圧は約31dBを示している。
図5(c)を参照してH面の放射パターンについてみると、フロントローブの向きは0゜、半値幅は約23゜を示している。サイドローブ抑圧は約16dBを示している。
【0011】
図6は外側の素子の振幅を中央にある素子の振幅の行方向の半分とした場合を説明する図である。
図6(a)は外側の素子の振幅を中央にある素子の振幅の行方向の半分としたときの放射パターンを示す図である。即ち、左右両側の列方向に配列されるパッチアンテナ素子の内の上下のものの振幅を中央の列方向に配列されるパッチアンテナ素子の振幅の半分としてH面に影響を与えると共に、上下両側の行方向に配列されるパッチアンテナ素子の内の左右のものの振幅を中央の行方向に配列されるパッチアンテナ素子の振幅の半分としてH面に影響を与えたときの放射パターンを示す図である。励振周波数は1.92GHzとしている。放射パターンの大きさは中心点のレベルを−20dB、最外周円を20dBとして表示している。
【0012】
図6(b)を参照してE面の放射パターンについてみると、フロントローブの向きは0゜、半値幅は約24゜を示している。サイドローブ抑圧は約32dBを示している。
図5(c)を参照してH面の放射パターンについてみると、フロントローブの向きは0゜、半値幅は約23゜を示している。サイドローブ抑圧は約36dBを示している。
以上の通りのパッチアレーアンテナを2組準備し、これらを裏合わせに離隔配置したパッチアレーアンテナを構成する。ここで、裏合わせとは、ケース1のカバー13’同士を対向させて配置させることをいう。図7は4×4パッチアレーアンテナを相互に4λ離して裏合わせに配列したときの相互結合量を示す。
【0013】
以上の通りの裏合わせのパッチアレーアンテナは、一方を受信用とすると共に他方を送信用として使用することができるが、各パッチアンテナ素子の励振振幅を制御して両パッチアレーアンテナのサイドローブレベルを小さくすることができることにより、パッチアレーアンテナ相互間の相互結合量を低下させることができる。具体例として、2組のパッチアレーアンテナ相互間を4λにして裏合わせに配置したとき、外側に位置するパッチアンテナ素子の励振振幅を中央に位置するパッチアンテナ素子の励振振幅の半分とした場合と、内外側パッチアンテナ素子を同振幅で励振した場合と比較すると、図7から相互結合量は15dB以上低減することができることがわかる。
図3〜図7の各データは電磁界分布を数値計算するソフトウェアを使用し、アンテナの種類、無給電素子基板とパッチアンテナ素子間の誘電体の誘電率、誘電正接、厚さをも含めたアンテナの形状寸法、励振周波数、振幅、位相を含めた励振源、給電点、その他の条件を入力して電子計算機により演算処理して求めた。
詳細な数値の例示は省略する。電磁界分布を数値計算するソフトウェアは、「MWStudio」を使用した。
【0014】
【発明の効果】
上述した通りであって、この発明は、左右両側の列方向に配列されるパッチアンテナ素子の内の上下のものの励振振幅を中央の列方向に配列されるパッチアンテナ素子の励振振幅より小さくしてH面に影響を与えると共に、上下両側の行方向に配列されるパッチアンテナ素子の内の左右のものの励振振幅を中央の行方向に配列されるパッチアンテナ素子の励振より小さくしてH面に影響を与えることにより、サイドローブのレベルはE面およびH面の双方について極く小さく低下する。その結果、2組のパッチアレーアンテナを裏合わせに離隔配置して構成したパッチアレーアンテナの相互間の結合量は、図7に示される如く、図3ないし図5の内の何れと比較しても低下しており、実効放射電力の低下を低減することになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例を説明する図。
【図2】図1の続き。
【図3】パッチアレーアンテナのパッチアンテナ素子それぞれを同振幅で励振する場合を説明する図。
【図4】左右両側の列方向に配列されるパッチアレーアンテナのパッチアンテナ素子の振幅を中央の列方向に配列されるパッチアンテナ素子の半分で励振する場合を説明する図。
【図5】上下両側の行方向に配列されるパッチアレーアンテナのパッチアンテナ素子の振幅を中央の行方向に配列されるパッチアンテナ素子の半分で励振する場合を説明する図。
【図6】パッチアレーアンテナの外側のパッチアンテナ素子の振幅を中央にある素子の振幅の半分で励振する場合を説明する図。
【図7】パッチアレーアンテナを4λ離して裏合わせに配列したときの相互結合量を示す図。
【符号の説明】
1 アンテナケース 10 チョーク構造
11 枠体 12 周側壁
13、13’カバー 3 無給電素子
30 無給電素子基板 4 パッチアンテナ素子
40 パッチアンテナ素子基板 50 給電回路板
6 同軸管 7 素子基板固定材[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a patch array antenna and a method of exciting the patch array antenna, and more particularly, to a patch array antenna in which two sets of patch array antennas are spaced apart from each other in a back-to-back manner, in which the amount of coupling between the antennas is reduced. The present invention relates to a terrestrial patch array antenna and its excitation method.
[0002]
[Prior art]
In a patch antenna, an array of patch antenna elements has been conventionally used to improve the gain in the main beam direction. However, when the patch antenna elements are arrayed, there is a problem that side lobes become large. When the side lobes become large, when two patch array antennas are spaced apart from each other, the amount of coupling between the array antennas becomes large, which leads to an effective reduction in radiated power.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a patch array antenna which solves the above-mentioned disadvantages and a method of exciting the patch array antenna.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
Two patch array antennas each having a
An antenna power supply circuit for arranging two patch array antennas each having a
[0005]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2 show a set of 4 × 4 patch array antennas having a choke structure. 1A is a diagram viewed from the front side, which is the electromagnetic wave radiation surface side, FIG. 1B is a longitudinal sectional view of FIG. 1A, and FIG. 2C is FIG. 1A. FIG.
1 and 2,
[0006]
The
[0007]
FIG. 3 is a diagram for explaining a case where all the
FIG. 3A shows a radiation pattern when each of the
Referring to the radiation pattern of the E plane with reference to FIG. 3B, the front lobe direction is 0 °, and the half width is about 20 °. The side lobe suppression shows about 15 dB.
[0008]
Referring to the radiation pattern on the H plane with reference to FIG. 3C, the front lobe direction is 0 ° and the half width is about 23 °. The side lobe suppression shows about 16 dB.
FIG. 4 is a diagram for explaining a case where the amplitude of the elements arranged in the column direction on both the left and right sides of the
FIG. 4A shows the radiation pattern when the amplitude of the patch antenna elements arranged in the left and right column directions is set to half the amplitude of the patch antenna elements arranged in the central column direction and the H plane is affected. FIG. The excitation frequency is 1.92 GHz.
As for the size of the radiation pattern, the level of the center point is represented by -20 dB, and the outermost circumference circle is represented by 20 dB.
[0009]
Referring to the radiation pattern of the E plane with reference to FIG. 4B, the front lobe direction is 0 °, and the half width is about 20 °. The side lobe suppression shows about 15 dB.
Referring to the radiation pattern of the H plane with reference to FIG. 4C, the front lobe direction is 0 ° and the half width is about 28 °. The side lobe suppression shows about 35 dB. The FS ratio (front lobe / side lobe) is greatly reduced.
FIG. 5 is a diagram for explaining a case where the amplitude of the elements arranged in the upper and lower rows in the
[0010]
FIG. 5A shows the radiation pattern when the amplitude of the elements arranged in the upper and lower rows in the
Referring to the radiation pattern of the E plane with reference to FIG. 5B, the front lobe direction is 0 °, and the half width is about 24 °. The side lobe suppression shows about 31 dB.
Referring to the radiation pattern of the H plane with reference to FIG. 5C, the front lobe direction is 0 °, and the half width is about 23 °. The side lobe suppression shows about 16 dB.
[0011]
FIG. 6 is a diagram for explaining the case where the amplitude of the outer element is set to half the amplitude of the element at the center in the row direction.
FIG. 6A is a diagram showing a radiation pattern when the amplitude of the outer element is half the amplitude of the element at the center in the row direction. That is, the amplitude of upper and lower patch antenna elements arranged in the left and right column directions is set to half of the amplitude of the patch antenna elements arranged in the central column direction to affect the H plane, It is a figure which shows the radiation pattern when the amplitude of the left and right thing of the patch antenna element arranged in the direction is made into half of the amplitude of the patch antenna element arranged in the center row direction, and has affected the H plane. The excitation frequency is 1.92 GHz. As for the size of the radiation pattern, the level of the center point is represented by -20 dB, and the outermost circumference circle is represented by 20 dB.
[0012]
Referring to the radiation pattern of the E plane with reference to FIG. 6B, the front lobe direction is 0 °, and the half width is about 24 °. The side lobe suppression shows about 32 dB.
Referring to the radiation pattern of the H plane with reference to FIG. 5C, the front lobe direction is 0 °, and the half width is about 23 °. The side lobe suppression shows about 36 dB.
Two sets of patch array antennas as described above are prepared, and a patch array antenna in which these are spaced apart from each other is configured. Here, “back-to-back” refers to disposing the
[0013]
The back-to-back patch array antenna as described above can use one for reception and the other for transmission. However, by controlling the excitation amplitude of each patch antenna element, the side lobe level of both patch array antennas is controlled. Can be reduced, the amount of mutual coupling between the patch array antennas can be reduced. As a specific example, when the two patch array antennas are arranged back-to-back with 4λ between each other, the excitation amplitude of the outer patch antenna element is set to half the excitation amplitude of the central patch antenna element. 7, it can be seen from FIG. 7 that the mutual coupling amount can be reduced by 15 dB or more as compared with the case where the inner and outer patch antenna elements are excited with the same amplitude.
Each of the data in FIGS. 3 to 7 uses software for numerically calculating the electromagnetic field distribution, including the type of antenna, the dielectric constant, dielectric loss tangent, and thickness of the dielectric between the parasitic element substrate and the patch antenna element. An excitation source including a shape and dimensions of an antenna, an excitation frequency, an amplitude, and a phase, a feeding point, and other conditions were input and calculated by an electronic computer.
Illustration of detailed numerical values is omitted. The software for numerically calculating the electromagnetic field distribution used "MWStudio".
[0014]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the excitation amplitudes of the upper and lower patch antenna elements arranged in the left and right column directions are made smaller than the excitation amplitude of the patch antenna elements arranged in the central column direction. In addition to affecting the H plane, the excitation amplitude of the left and right patch antenna elements arranged in the upper and lower row directions is made smaller than the excitation amplitude of the patch antenna elements arranged in the center row direction, thereby affecting the H plane. , The level of the side lobe is extremely small in both the E plane and the H plane. As a result, as shown in FIG. 7, the amount of coupling between the two patch array antennas, which are formed by arranging two sets of patch array antennas separately from each other, is smaller than that of any of FIGS. Is also reduced, which reduces the reduction in effective radiated power.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 illustrates an embodiment.
FIG. 2 is a continuation of FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram illustrating a case where each patch antenna element of a patch array antenna is excited with the same amplitude.
FIG. 4 is a diagram illustrating a case where the amplitude of the patch antenna elements of the patch array antenna arranged in the left and right column directions is excited by half of the patch antenna elements arranged in the central column direction;
FIG. 5 is a diagram illustrating a case where the amplitude of the patch antenna elements of the patch array antenna arranged in the upper and lower row directions is excited by half of the patch antenna elements arranged in the central row direction;
FIG. 6 is a diagram illustrating a case in which the amplitude of the patch antenna element outside the patch array antenna is excited at half the amplitude of the element at the center.
FIG. 7 is a diagram showing the mutual coupling amount when the patch array antennas are arranged back to back at a distance of 4λ.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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