JP2005051315A

JP2005051315A - パッチアンテナ

Info

Publication number: JP2005051315A
Application number: JP2003203108A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Fukusako; 武福迫; Mitsuru Kubosaki; 満久保▲崎▼; Osahisa Mita; 長久三田
Original assignee: Kumamoto University NUC
Current assignee: Kumamoto University NUC
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2023-07-29
Also published as: JP3837553B2

Abstract

【課題】偏波ダイバーシティ技術を、例えば携帯端末で使用できるような１つの小型パッチアンテナで実現する。
【解決手段】給電線路と、地板と、パッチとをこの順序で各々の間に絶縁体を挟んで積層して具えるパッチアンテナにおいて、ダイオードをさらに具え、前記ダイオードのアノードを前記給電路の一方の端に接続し、前記ダイオードのカソードを接地し、前記地板は、互いにほぼ直交する向きに配置され各々の中心が前記給電線路に重なるように設けられた２つのスロットを有し、前記給電線路の前記一方の端から前記２つのスロットのうち一方の中心までの前記給電線路の長さが実行波長の約１／２であり、前記給電線路の前記一方の端から前記２つのスロットのうち他方の中心までの前記給電線路の長さが実行波長の約１／４である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンテナに関し、特に、給電線路と、地板と、パッチ（放射素子）とをこの順序で各々の間に絶縁体を挟んで積層して具えるパッチアンテナに関する。本発明は、さらに、地板と、パッチとを間に絶縁体を挟んで積層して具え、前記地板に設けられた溝に収容された給電線路を具えるパッチアンテナにも関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述したようなパッチアンテナは、携帯電話に代表される小型携帯通信端末、アナログまたはディジタルによる無線画像伝送システム、無線ＬＡＮ、家電ネットワーク等のような、高品質で高速な通信の実現のために偏波ダイバーシティ技術が必要な分野において使用される。
【０００３】
電波は直交する電界と磁界の相互作用によって空間を伝播するが、このとき、電界が発生する面を偏波面という。電波の送受信の際には、この偏波を合わせることが原則である。電波の送受信にあたり直接波を使う限りは偏波のずれはほとんど生じないが、反射や回折等があると偏波面が変化することが知られている。
【０００４】
近年高速に無線でデータを伝送する要求が高まっているが、特に都市部のような電波の回折、反射の多き場所においては、多重波電波によるフェージングが起こり、高い通信品質が必要とされる高速データ伝送に大きく影響を及ぼすことが知られている。
【０００５】
このような場合、２つの異なる偏波の内より良い通信ができる偏波のアンテナを選択的に使用する偏波ダイバーシティ技術が用いられる。切り替えの対象となる偏波は、直線偏波の垂直偏波と水平偏波の切り替えと、円偏波の右旋偏波と左旋偏波の切り替えである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記偏波ダイバーシティ技術を、例えば携帯端末で使用できるような１つの小型パッチアンテナで実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によるパッチアンテナは、ダイオードをさらに具え、前記ダイオードのアノードを前記給電路の一方の端に接続し、前記ダイオードのカソードを接地し、前記地板は、互いにほぼ直交する向きに配置され各々の中心が前記給電線路に重なるように設けられた２つのスロットを有し、前記給電線路の前記一方の端から前記２つのスロットのうち一方の中心までの前記給電線路の長さが実行波長の約１／２であり、前記給電線路の前記一方の端から前記２つのスロットのうち他方の中心までの前記給電線路の長さが実行波長の約１／４であることを特徴とする。このようにすれば、給電線路を介してダイオードに直流バイアス電圧を印加するか否かによってパッチに給電するスロットを選択することにより、偏波切り替えを行うことができる。
【０００８】
本発明によるパッチアンテナの他の実施形態は、前記パッチが方形であり、前記２つのスロットが前記パッチの２辺とそれぞれ平行であることを特徴とする。このようにすれば、簡単な構成で垂直偏波と水平偏波とを切り替えることができるパッチアンテナを実現できる。
【０００９】
本発明によるパッチアンテナのさらに他の実施形態は、前記配電線路が直線状であることを特徴とするパッチアンテナ。このようにすれば、配電線路の形状を最も単純にすることができる。
【００１０】
本発明によるパッチアンテナのさらに他の実施形態は、前記配電線路が前記２つのスロット間でほぼ直角に曲がるＬ字型であることを特徴とする。このようにすれば、パッチに対するスロットの位置を選択する際の自由度を増すことができる。
【００１１】
本発明によるパッチアンテナのさらに他の実施形態は、前記パッチが、方形パッチの一組の対角をそれぞれ切り落とした形状であり、切り落とし面積を円偏波が発生するように選択したものであることを特徴とする。このようにすれば、円偏波の右旋偏波と左旋偏波との切り替えが可能になる。
【００１２】
本発明によるパッチアンテナのさらに他の実施形態は、前記パッチが、縮退分離法によって円偏波が発生するように構成された円形のパッチである特徴とする。このようにすれば、円偏波の右旋偏波と左旋偏波との切り替えが可能になる。
【００１３】
本発明によるパッチアンテナのさらに他の実施形態は、地板と、パッチとを間に絶縁体を挟んで積層して具え、前記地板に設けられた溝に収容された給電線路を具えるパッチアンテナにおいて、ダイオードをさらに具え、前記ダイオードのアノードを前記給電路の一方の端に接続し、前記ダイオードのカソードを接地し、前記地板は、互いにほぼ直交する向きに配置され各々の中心が前記給電線路に重なるように設けられた２つのスロットを有し、前記給電線路の前記一方の端から前記２つのスロットのうち一方の中心までの前記給電線路の長さが実行波長の約１／２であり、前記給電線路の前記一方の端から前記２つのスロットのうち他方の中心までの前記給電線路の長さが実行波長の約１／４であることを特徴とする。本発明は、このように給電線路とスロットを同じ地板上に配置する、いわゆるコープレナー線路を持つパッチアンテナにも適用可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明によるパッチアンテナの一実施形態の構造を示す上面図および側面図である。パッチアンテナ１は、マイクロストリップ線路等に代表される直線状の給電用平面型給電線路２と、地板４と、１辺の寸法がＷの方形のパッチ６とを、絶縁体１４および１６を間に挟んで積層して具える。パッチアンテナ１は、平面型電線路２の一方の端ａに接続されたダイオード８をさらに具える。地板４には、パッチ６の２辺とそれぞれ平行の２つのスロット１０および１２が設けられており、これらのスロットの各々の中心ｂおよびｃは給電線路２上にあり、スロット１０の中心ｂから平面型電線路２の端ａまでの平面型電線路２の長さＬ_１は、実効波長の約１／２であり、スロット１２の中心ｃから平面型電線路２の端ａまでの平面型電線路２の長さＬ_２は、実効波長の約１／４である。
【００１５】
図２は、本発明によるパッチアンテナの他の実施形態の構造を示す上面図および側面図である。パッチアンテナ２１は、ほぼ直角に曲げられたＬ字型の給電用平面型給電線路２２と、地板２４と、１辺の寸法がＷの方形のパッチ２６とを、絶縁体３４および３６を間に挟んで積層して具える。パッチアンテナ２１は、平面型電線路２２の一方の端ａ´に接続されたダイオード２８をさらに具える。地板２４には、パッチ２６の２辺とそれぞれ平行の２つのスロット３０および３２が設けられており、これらのスロットの各々の中心ｂ´およびｃ´は平面型給電線路２２上にあり、スロット３０の中心ｂ´から平面型電線路２２の端ａ´までの平面型電線路２２の長さＬ_３は、実効波長の約１／２であり、スロット３２の中心ｃ´から平面型電線路２２の端ａ´までの平面型電線路２２の長さＬ_４は、実効波長の約１／４である。本実施形態は、図１の実施形態においてスロット１０と１２の間の距離が実行波長の１／４に限定されるのに対して、平面型給電線路２２の曲げかたをほぼ直角以外にすることによって、パッチ２６におけるスロット３０および３２の位置を選択する自由度を増すことができるという利点を有する。
【００１６】
図３は、図１のパッチアンテナにおける偏波の切り替えの原理を説明する線図である。パッチ６への給電に用いられるスロット１０および１２は、スロット１０の中心が給電線路２においてその先端ａから実効波長の２分の１に相当する距離だけ離れた点ｂ上に、スロット１２の中心が給電線路２においてその先端ａから実効波長の４分の１に相当する距離だけ離れた点ｃ上になるように配置される。一方において図３Ａに示すように、伝送信号と同時にダイオード８の順方向に相当する直流バイアス電圧を給電線路２に印加すると、給電線路２の先端にあるダイオード８が導通し短絡する。これにより、模式的に図示したように給電線路２の先端から実効波長の１／２離れた点ｂにおいて電流が最大になるため、この点ｂ上に中心があるスロット１０によって磁界結合が生じ、パッチ６はスロット１０によって給電される。このとき、給電線路２の先端ａから実効波長の１／２離れた点ｃ上では電流が最小になるため、この点ｃ上に中心があるスロット１２によっては磁界結合が生じず、スロット１２からパッチ６への給電は行われない。他方において図３Ｂに示すように、前記直流バイアス電圧を給電線路２に印加しないと、給電線路２の先端ａは開放になるため、模式的に図示したように給電線路２の先端ａから実効波長の１／４離れた点ｃ上で電流が最大になり、この点ｃ上に中心があるスロット１２によって磁界結合が生じ、パッチ６はスロット１２によって給電される。このとき、給電線路２の先端ａから実効波長の１／２離れた点ｂ上では電流が最小になるため、この点ｂ上に中心があるスロット１０によっては磁界結合が生じず、スロット１０からパッチ６への給電は行われない。このようにして、パッチ６への給電に用いる２個のスロット１０および１２を、１個のダイオード８に印加する直流バイアス電圧によって切り替えることができる。これら２個のスロット１０および１２は、互いにほぼ直交する向きにおいて配置されているため、パッチ６に給電するスロットを切り替えることによって水平偏波と垂直偏波とを切り替えることができる。図２のような実施形態の場合においても、同様の原理で水平偏波と垂直偏波とを切り替えることができる。
【００１７】
図４は、このような本発明によるパッチアンテナの放射指向性を測定した実験結果を示すグラフである。図４Ａは、給電線路に直流バイアス電圧を印加せず、給電線路の先端が開放されている場合の放射パターンである。図４Ｂは、給電線路に直流バイアス電圧を印加し、給電線路の先端が短絡されている場合の放射パターンである。それぞれ縦軸は相対的な出力をデシベルで表し、横軸は方位角を度で表す。これらのグラフ中で直線は垂直偏波、点線は水平偏波を表す。これらのグラフからわかるように、給電線路に直流バイアス電圧を印加するか否かで、垂直偏波と水平偏波とを切り替えることができる。
【００１８】
図５は、本発明によるパッチアンテナのさらに他の実施形態の構成を示す上面図および側面図である。パッチアンテナ４１は、マイクロストリップ線路等に代表される直線状の給電用平面型給電線路４２と、地板４４と、１辺の寸法がＷの方形の一組の対角部分５７および５８を除去した形状をのパッチ４６とを、絶縁体５４および５６を間に挟んで積層して具える。パッチの切り落とし部分５７および５８の面積を、縮退分離法によって円偏波が発生するように決定する。パッチアンテナ４１は、平面型電線路４２の一方の端ｄに接続されたダイオード４８をさらに具える。地板４４には、パッチ４６の２辺とそれぞれ平行の２つのスロット５０および５２が設けられており、これらのスロットの各々の中心ｅおよびｆは給電線路４２上にあり、スロット５０の中心ｅから平面型電線路４２の端ｄまでの平面型電線路４２の長さＬ_５は、実効波長の約１／２であり、スロット５２の中心ｆから平面型電線路４２の端ｅまでの平面型電線路４２の長さＬ_６は、実効波長の約１／４である。スロット５０および５２のいずれを平面型電線路４２の給電に使用するかを、図１の実施形態と同様に、平面型電線路４２を経てダイオード４８に直流バイアス電圧を印加するか否かで選択することができる。本実施形態においては、このようにして平面型電線路４２に給電するスロットを切り替えることにより、右旋偏波と左旋偏波とを切り替えることができる。
【００１９】
図６は、本発明によるパッチアンテナのさらに他の実施形態の構成を示す上面図および側面図である。パッチアンテナ６１は、マイクロストリップ線路等に代表される直線状の給電用平面型給電線路６２と、地板６４と、半径がＲで互いを結んだ直線が円の中心となるような円周上の位置に２つの窪み７７および７８を有する円形のパッチ６６とを、絶縁体７４および７６を間に挟んで積層して具える。窪み７７および７８の面積を、縮退分離法によって円偏波が発生するように決定する。パッチアンテナ６１は、平面型電線路６２の一方の端ｄ´に接続されたダイオード６８をさらに具える。地板６４には、前記２つの窪み７７および７８を結んだ直線と直交する直線が直角を構成しない辺である直角二等辺三角形の他の２辺とそれぞれ平行の２つのスロット７０および７２が設けられており、これらのスロットの各々の中心ｅ´およびｆ´は給電線路６２上にあり、スロット７０の中心ｅ´から平面型電線路６２の端ｄ´までの平面型電線路６２の長さＬ_７は、実効波長の約１／２であり、スロット７２の中心ｆ´から平面型電線路６２の端ｄ´までの平面型電線路６２の長さＬ_８は、実効波長の約１／４である。スロット７０および７２のいずれを平面型電線路６２の給電に使用するかを、図１の実施形態と同様に、平面型電線路６２を経てダイオード７２に直流バイアス電圧を印加するか否かで選択することができる。本実施形態においては、このようにして平面型電線路６２に給電するスロットを切り替えることにより、右旋偏波と左旋偏波とを切り替えることができる。
【００２０】
図７は、本発明によるパッチアンテナのさらに他の実施形態の構成を示す上面図および側面図である。パッチアンテナ８１は、マイクロストリップ線路等に代表される直線状の給電用平面型給電線路８２と、この平面型給電線路８２を収容する溝を有する地板８４と、１辺の寸法がＷの方形のパッチ８６とを、絶縁体９４を間に挟んで積層して具える。パッチアンテナ８１は、平面型電線路８２の一方の端ｇに接続されたダイオード８８をさらに具える。地板８４には、パッチ８６の２辺とそれぞれ平行の２つのスロット９０および９２が設けられており、これらのスロットの各々の中心ｂおよびｃは給電線路８２上にあり、スロット９０の中心ｂから平面型電線路８２の端ａまでの平面型電線路４２の長さＬ_１は、実効波長の約１／２であり、スロット９２の中心ｃから平面型電線路８２の端ａまでの平面型電線路８２の長さＬ_２は、実効波長の約１／４である。スロット９０および９２のいずれを平面型電線路８２の給電に使用するかを、図１の実施形態と同様に、平面型電線路８２を経てダイオード８８に直流バイアス電圧を印加するか否かで選択することができる。本実施形態においては、このようにして平面型電線路８２に給電するスロットを切り替えることにより、垂直偏波と水平偏波とを切り替えることができる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、従来よく知られている設計方法を使用して、従来と同様の構造のパッチを使用することができるため放射特性への影響が少なく、使用するダイオードが１個だけでよい、偏波切り替えができる小型パッチアンテナを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａは本発明によるパッチアンテナの一実施形態の構成を示す上面図であり、Ｂはその側面図である。
【図２】Ａは本発明によるパッチアンテナの他の実施形態の構成を示す上面図であり、Ｂはその側面図である。
【図３】ＡおよびＢは図１のパッチアンテナにおける偏波の切り替えの原理を説明する線図である。
【図４】本発明によるパッチアンテナの放射指向性を測定した実験結果を示すグラフである。
【図５】Ａは本発明によるパッチアンテナのさらに他の実施形態の構成を示す上面図であり、Ｂはその側面図である。
【図６】Ａは本発明によるパッチアンテナのさらに他の実施形態の構成を示す上面図であり、Ｂはその側面図である。
【図７】Ａは本発明によるパッチアンテナのさらに他の実施形態の構成を示す上面図であり、Ｂはその側面図である。
【符号の説明】
１、２１、４１、６１、８１パッチアンテナ
２、２２、４２、６２、８２平面型給電線路
４、２４、４４、６４、８４地板
６、２６、４６、６６、８６パッチ
８、２８、４８、６８、８８ダイオード
１０、１２、３０、３２、５０、５２、７０、７２、９０、９２スロット
１４、１６、３４、３６、５４、５６、７４、７６、９４、絶縁体

Claims

給電線路と、地板と、パッチとをこの順序で各々の間に絶縁体を挟んで積層して具えるパッチアンテナにおいて、ダイオードをさらに具え、前記ダイオードのアノードを前記給電路の一方の端に接続し、前記ダイオードのカソードを接地し、前記地板は、互いにほぼ直交する向きに配置され各々の中心が前記給電線路に重なるように設けられた２つのスロットを有し、前記給電線路の前記一方の端から前記２つのスロットのうち一方の中心までの前記給電線路の長さが実行波長の約１／２であり、前記給電線路の前記一方の端から前記２つのスロットのうち他方の中心までの前記給電線路の長さが実行波長の約１／４であることを特徴とするパッチアンテナ。
請求項１に記載のパッチアンテナにおいて、前記パッチが方形であり、前記２つのスロットが前記パッチの２辺とそれぞれ平行であることを特徴とするパッチアンテナ。
請求項１または２に記載のパッチアンテナにおいて、前記配電線路が直線状であることを特徴とするパッチアンテナ。
請求項１または２に記載のパッチアンテナにおいて、前記配電線路が前記２つのスロット間でほぼ直角に曲がるＬ字型であることを特徴とするパッチアンテナ。
請求項１に記載のパッチアンテナにおいて、前記パッチが、方形パッチの一組の対角をそれぞれ切り落とした形状であり、切り落とし面積を円偏波が発生するように選択したものであることを特徴とするパッチアンテナ。
請求項１に記載のパッチアンテナにおいて、前記パッチが、円周上に２つの窪みを設けられた円形であり、前記２つの窪みを結ぶ直線が前記パッチの中心を通り、前記パッチ表面における前記２つの窪みの面積を円偏波が発生するように選択したものであることを特徴とするパッチアンテナ。
地板と、パッチとを間に絶縁体を挟んで積層して具え、前記地板に設けられた溝に収容された給電線路を具えるパッチアンテナにおいて、ダイオードをさらに具え、前記ダイオードのアノードを前記給電路の一方の端に接続し、前記ダイオードのカソードを接地し、前記地板は、互いにほぼ直交する向きに配置され各々の中心が前記給電線路に重なるように設けられた２つのスロットを有し、前記給電線路の前記一方の端から前記２つのスロットのうち一方の中心までの前記給電線路の長さが実行波長の約１／２であり、前記給電線路の前記一方の端から前記２つのスロットのうち他方の中心までの前記給電線路の長さが実行波長の約１／４であることを特徴とするパッチアンテナ。