JP2005286854A - 偏波切換え機能を有するアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】、一つのアンテナのみを用いて偏波の水平、垂直もしくは円偏波の左旋回、右旋回を切換える事による偏波ダイバシティを実現すること。
【解決手段】（１）送信機、または受信機から分岐点までを電気的に接続する伝送線路、（２）分岐点と放射パッチとの間に、分岐点で分岐し、それぞれが異なる方向から放射パッチの複数の給電点に到達する複数の高周波伝送線路、
（３）各高周波伝送線路の中間部に設けられたスイッチング素子による短絡・開放切換部を含み、スイッチング素子の作動により１つの中間部のみを短絡させることにより偏波切換えを行うことを特徴とする偏波切換え機能を有するアンテナ。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線LANや移動体通信等に用いられるアンテナに関する。

近年、携帯電話や無線ＬＡＮ、ＧＰＳ，ＥＴＣＳ等の高度道路交通システム、アナログまたはデ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無線通信システムは飛躍的に発展している。これらの無線通信システムにおいてアンテナは必要不可欠なデバイスであり、中でもマイクロストリップアンテナを始めとする平面型アンテナは、小型・軽量で、また構造が簡単であるという理由により多く用いられている。

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、この偏波面を合わせることが原則である。電波の送受信に当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が変化することが知られている。特に都市部のような電波の回折、反射が多い場所では多重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な影響を与えることが知られている。

アンテナに関する改良研究の一つとして、偏波ダイバーシティ技術等の様々な無線通信環境における通信品質向上のための研究が行われている。これは同一周波数において２つの異なる偏波をもつアンテナを選択的に用いることで、達成できると考えられる。現在、この技術は、複数の異なる偏波を有するアンテナを選択的に用いている。

ダイバーシティ技術は、移動体通信等で重要な技術であるが、通信端末では小型アンテナの使用が求められている。よって１つの小型軽量なマイクロストリップアンテナを用いて偏波の切換えを行うことは、移動体無線端末の小型化の必要な技術である。

偏波切換え機能を有した平面型アンテナについては、主にマイクロストリップアンテナについて検討され、これまでに大きく分けて次ぎの３タイプが報告されている。（１）パッチ上にダイオード等のデバイスを有し、パッチ上の電流経路を変化させ、偏波を切換える。（非特許文献１）（２）放射パッチの下にフェライトなどの磁性体を用いて、外部より磁界を加えて偏波を切換える。(非特許文献2)（３）設置導電体中にスロットを設ける。（非特許文献3）等の方法がある。

（１）に関しては、パッチ上に複数個のデバイスを有する為、作成工程が複雑になることが考えられ、（２）においては、フェライトを用いているために、制御に必要な外部磁界を与える必要がある。（３）に関しては、スロットが必要なため、帯域が制限される傾向にあるか、また作成工程が複雑になることが考えられる。

以上のことを考慮すると、特にマイクロストリップアンテナのような平面型アンテで偏波切換えをシンプルな構造で行うことは、小型化やコスト削減の点、さらに帯域拡大の観点からも重要な技術であると思われる。
西山英輔、竹中公一、相川正義、"直交偏波制御機能を有するマイクロストリップアンテナ"、信学論、J-85-B、９、p1519-1525（Sep.2002） Takeshi Fukusako, Akira Imahase and Nagahisa Mita. Polarization characteristics of patch antenna in-plane and weakly biased ferrite substrateIEEE Transactions on Antennas & Propagations, vol.52, 1, pp.325-327, Jan. 2004. 久保崎満、福迫武、三田長久、"偏波切換えスロット結合マイクロストリップアンテナの基礎検討"、映像情報メディア学会誌、Vol57、No.11,p1591-1594,2003

本発明は、一つのアンテナのみを用いて偏波の水平、垂直もしくは円偏波の左旋回、右旋回を切換える事による偏波ダイバシティを実現することを目的としている。本発明は、また、設計や製造上の複雑さが解消された、簡単な構造で実装の簡易なアンテナを提供することを目的としている。

すなわち、頓発明は
（１）送信機、または受信機から分岐点までを電気的に接続する伝送線路、（２）分岐点と放射パッチとの間に、分岐点で分岐し、それぞれが異なる方向から放射パッチの複数の給電点に到達する複数の高周波伝送線路、
（３）各高周波伝送線路の中間部に設けられたスイッチング素子による短絡・開放切換部を含み、スイッチング素子の作動により１つの中間部のみを短絡させることにより偏波切換えを行うことを特徴とする偏波切換え機能を有するアンテナである。

別の面からみると、本発明は、（１）送信機、または受信機から分岐点までを電気的に接続する伝送線路、（２）分岐点と放射パッチとの間に、分岐点で分岐し、それぞれが異なる方向から放射パッチの複数の給電点に到達する複数の高周波伝送線路、
（３）各高周波伝送線路の中間部に設けられたスタブ、
（４）各スタブの端部に設けられたスイッチング素子
を含み、スイッチング素子の作動により１つのスタブのみを短絡させることにより偏波切換えを行うことを特徴とする偏波切換え機能を有するアンテナである。

偏波切換え機能を有するアンテナは、マイクロストリップアンテナであることが好ましい。

放射パッチと伝送線路は、誘電体基板の同一面上に設けられていることが好ましい。

別の態様として、グランドを挟んだ２枚の誘電体基板の最上面に放射素子が、最背面に平面型線路が形成され、放射素子と平面型線路とがスルーホールで電気的に結合されていることが好ましい。

スイッチング素子は、ダイオードであることが好ましい。

偏波の切換えは、極性が互いに逆のダイオードＡ、Ｂにより行うことが好ましい。

放射素子の形状は、正方形、正方形の頂点の一部が切り欠かれた形状、円形、円形の円周の一部が切り欠かれ、突起が与えられる構造のうちのいずれかの形状であることが好ましい。

スタブの長さは、実行半波長の略整数倍の長さで、かつスタブの取り付け位置は、分岐点から実行波長の１／３〜１／５の距離であることが好ましい。

本発明のアンテナは偏波切換え機能を有するため、システム構成の設計自由度を拡大することができる。例えば、偏波ダイバーシティ技術や、直交偏波無線チャネルのダイナミック制御などによる伝送特性や周波数有効利用の向上が期待できる。また、アンテナの小型化による省スペースが図れる。更に、構造が簡単で安価に製造できるという利点がある。

本発明のアンテナは偏波切換え機能を有するアンテナである。偏波切換え機能とは、直交する偏波、直線偏波では、垂直偏波と水平偏波、円偏波においては、右旋回偏波と左旋回偏波を切換える機能である。

（ケース１）
本発明の実施の形態につき詳しく説明する。図１Ａは本発明のアンテナの１実施例である共平面型給電方式のマイクロストリップアンテナを示した平面図で、図１Ｂはその断面図ある。図１Ａ、Ｂに基づき本発明のアンテナの構造の１例を説明すると、１は本発明のアンテナで、２はグランド、３は放射パッチ、４は誘電体、５Ａ，５Ｂは給電点、６Ａ，６Ｂはマイクロストリップ、７Ａ、７Ｂはスタブ、８Ａ，８Ｂはダイオード、９は高周波伝送線路である。

この共平面型給電方式のマイクロストリップアンテナでは、放射パッチと給電線路が同一平面上に設けてあり、そのため製作が容易であるという利点がある。

（放射パッチ）
本発明のアンテナの主たる構成要素である放射パッチは、導電性が優れている金属、例えば、金、銀、銅、真鍮等の材質の板状物である。放射パッチの寸法は、半波長、またはそれ以下の大きさである。

放射パッチの形状は、好ましくは、矩形、方形、円形、正方形、正方形の頂点の一部が切り欠かれた形状、円形の特に好ましくは方形の形状である。放射パッチが方形の場合は、直線偏波のアンテナとなる。

一方、方形の放射パッチにおいて、一組の対角をそれぞれ切り落とし、切り落とし面積を選ぶことで、円偏波が発生する縮退分離法が知られている。本発明に縮退分離法を導入することで、円偏波の右旋偏波と左旋偏波の切りかえることも可能である。

また、円形バッチの場合にも良く知られた円偏波の縮退分離法による右旋偏波と左旋偏波の切りかえが可能となる。この場合、円形の縁上に２つの窪みまたは突起部を設けて互いを結んだ線がパッチの中心を通り、かつ面積と場所を適切に選ぶことが必要である。

（高周波伝送線路）
本発明のアンテナでは、分岐点と放射パッチとの間に２本または３本の高周波伝送線路が設けられている。マイクロストリップアンテナにおいて、高周波伝送線路が２本のマイクロストリップの場合、マイクロストリップは、好ましくは、分岐点から放射パッチの中心点を結ぶ仮想線の左右に略４５°の角度で２つに分岐しそれぞれが途中で略９０°内側に折れ曲っていることが好ましい。

（給電点）
本発明のアンテナは放電パッチへの複数の給電点を有している。直線偏波の場合、放射パッチは方形で、２つの給電点のそれぞれが放射パッチの対角線を隔てて対称の位置にあることが好ましい。円偏波で放射パッチが一組の対角をそれぞれ切り落とした方形の場合も、２つの給電点のそれぞれが放射パッチの対角線を隔てて対称の位置にあることが好ましい。円偏波で放射パッチが円形の場合も、２つの給電点のそれぞれが９０度の角度にあることが好ましい。

（スタブ）
スタブは、高周波伝送線路の中間部に外向きに取り付けられる枝線路で、導電性が優れている金属、例えば、金、銀、銅、真鍮等の材質で作製されている。スタブの長さは、実効半波長の略整数倍の長さ、好ましくは実効波長の略１／４で、で、かつスタブの取り付け位置は、分岐点から実効半波長の略整数倍の長さ、好ましくは実行波長の略１／４の位置であることが好ましい。なお、実効波長とは共振周波数における波長をいう。

（伝送線路）
本発明のアンテナにおける伝送線路は、分岐点と送信機、または受信機とを電気的に結合する線路である。この伝送線路は特性インピーダンスが送信機または発振機のインピーダンスと一致する限り任意の材質、長さ、大きさのものを選択できる。

（電気的なスイッチング素子）
本発明のアンテナでは、高周波伝送線路の中間部、好ましくはスタブの先端部に設けられたスイッチング素子の作動により短絡させて偏波の切換えを行う。具体的にはスタブ端部からグランドへの短絡をオンオフできるスイッチング素子からなる制御手段、例えばダイオードを設けている。ダイオードはスタブＡに接続されたダイオードＡとスタブＢに接続されたダイオードＢとは極性を互いに逆にして、スタブＡとグランドとの間が短絡されているときはスタブＢとグランドとの間は短絡されず、逆にスタブＢとグランドとの間が短絡されているときはスタブＡとグランドとの間は短絡されないように作動して制御する。

（偏波切換え）
本発明のアンテナは上記構造とすることにより偏波を適時切りかえることができる。本発明のアンテナでは、偏波の切換えは、高周波伝送線路Ａ、Ｂのいずれかの中間部を開放と短絡で切換えることによって行う。高周波伝送線路Ａが開放の場合、先端よりλｇ/４の点において電流分布は最大となる。よってこの点において電界が生じ、放射パッチに給電されることで、偏波が発生する。なお上記ケース１はダイオードを用いた例であるが、短絡方法として２つの短絡点のうち一方が短絡でもう一方が開放という仕組みが出来上がるならば、他の方法でも同じ効果が得られるものである。

（短絡と開放の切換え）
具体的には、スタブ先端が短絡された場合、スタブ先端では電波は１８０度位相を変えて反射する。この反射前後の電流波の合成でスタブ上に定在波が立つ。この定在波は、短絡された先端上では電流が最大に、先端から４分の１波長離れたスタブの取り付け部では電流が最小、すなわち電圧が最大になる。スタブ先端が開放のときは、スタブの取り付け部でグラウンドと線路間で電流が最大、すなわち電圧が最小になる。この結果、グランドと線路は等価的に短絡されるので、電流はアンテナには伝わらない。

本発明において、短絡とは、線路とグランド間の抵抗がほぼ０Ωのときをいい、開放とは、抵抗がほぼ無限大、すなわち短絡されていない状態をいう。

（誘電体基板）
本発明のアンテナは、好ましくは１枚もしくは２枚の誘電体基板層から構成されている。本発明で用いる誘電体基板としては、公知の如く酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の低誘電率のセラミック薄板を用いることができる。

（グランド）
本発明のアンテナにおけるグランド（地板）とは、アンテナにおいてアースの役割をする導電体で、導電性が優れている金属、例えば、金、銀、銅、真鍮等の材質の板状物で、誘電体基板の形状に合わせて、矩形、方形、円形等の形状を取り得る。

（ケース２）
本発明の別の実施態様につき説明する。図２Ａは本発明の偏波切換えアンテナの１実施例である基板背面型給電方式のマイクロストリップアンテナを示した平面図で、図２Ｂはその断面図ある。図２Ａ、Ｂに基づき本発明のアンテナの１例を説明すると、１１は本発明のアンテナで、１２と１４は誘電体基板、１３は放射パッチ、１４はスルーホール、１５Ａ，１５Ｂは分岐したマイクロストリップ線路、１６は給電線路、１７Ａ，１７Ｂはスタブ、１８Ａ，１８Ｂはダイオード、１９はグランドである。

この基板背面型給電方式のマイクロストリップアンテナでは、グランドを挟んだ２枚の誘電体基板の最上面に放射パッチが、最背面にマイクロストリップ線路が形成され、放射パッチとマイクロストリップ線路とがスルーホールで電気的に結合されている。

（スルーホール）
スルーホールは誘電体、およびグラントを貫通する穴で、グランドと電気的に接続させずにパッチとマイクロストリップ電線とを電気的に接続させるため導電性の電気通路が設けられている。

なお、本明細書で上面、または下面とは、本発明のアンテナにおける構成部材の位置関係を説明するための便宜上の表現であり、上下が例えば左右となるよう配置してもいっこうに差し支えない。

この多層構造のマイクロストリップアンテナは単層構造のマイクロストリップアンテナに比べ構造が複雑になるという欠点があるが、給電系からの不要放射をカットできるという利点がある。

（ケース３）
本発明の別の実施態様につき説明する。図３は本発明のアンテナの１実施例である導波管型給電方式の偏波切変えアンテナを示した概要図である。図３に基づき本発明のアンテナの構造の１例を説明すると、３１は本発明のアンテナで、３２は金属導波管、３３はアンテナ開口、３４Ａ、３４Ｂは給電点、３５Ａ，３５Ｂは分岐した高周波伝送線路、３６は給電線路、３７Ａ，３７Ｂは同軸並列スタブ、３８Ａ，３８Ｂはダイオード、３９は分岐点である。

この実施例において、導波管は矩形の底面、４つの側壁面、及び断面が矩形の開口部とからなる直方体状からなっている。導波管内部には天井面の中心から給電線で給電している。

この導波管型給電方式のアンテナでは、マイクロストリップの代わりに同軸ケーブルで電気的に結合されている。

この導波型給電方式の偏波切換えアンテナは、平面型アンテナに比べて高利得かつ広帯域という利点がある。

次ぎに実施例を挙げて本発明につき更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例になんら制約されるものではない。

（実施例１）
（装置）
図１に示した装置を用いた。具体的には、パッチは１６．４mmｘ１６．４mmの正方形、誘電体基板の厚さは０．８mm、誘電率２．２、誘電正接は０．００１２である。マイクロストリップの幅は２．４mm、分岐からスタブまでの距離Lbおよびスタブの長さLsは共に９．１mmとなっている。

（シミュレーション結果）
A点もしくはB点を短絡させた結果を図４に示す。どちらも５．８GHｚ付近で共振していることが分かる。図５および図６は放射パターンのシミュレーションを示すグラフである。図５がA点を短絡させた場合、図６がB点を短絡させた場合となっており、A点を短絡させた場合はEθ成分が、B点を短絡させた場合はEψ成分が主偏波となり、偏波の切換えが分かる。このシミュレーションの周波数は５．８GHｚでボアサイトにおいて２０ｄB以上の交差偏波制御を実現している。

（実施例２）
（装置）
図２に示した装置を用いた。具体的には、パッチは１６．４mmｘ１６．４mmの正方形、２枚の誘電体基板の厚さは０．８mm、誘電率２．２、誘電正接は０．００１２である。マイクロストリップの幅は２．４mm、分岐からスタブまでの距離Lbおよびスタブの長さLsは共に９．１mmとなっている。

（測定値）
A点もしくはB点を短絡させた結果を図７に示す。どちらも５．８GHｚ付近で共振していることが分かる。図８および図９は放射パターンのシミュレーションを示すグラフである。図８がA点を短絡させた場合、図９がB点を短絡させた場合となっており、A点を短絡させた場合はEθ成分が、B点を短絡させた場合はEψ成分が主偏波となり、偏波の切換えが分かる。このシミュレーションの周波数は５．８GHｚでボアサイトにおいて２０ｄB以上の交差偏波制御を実現している。

（実施例３）
（装置）
図９に示したように、パッチとして、実施例１の正方形のパッチの代わりに、正方形の２つの角の一部を切り取った形状のパッチを用いた以外は実施例１と同様の装置を用いた。このアンテナでは縮退分離法により円偏波が発生した。このアンテナで給電点を切換えることにより位相差の逆転が起こり、右旋回と左旋回を切換えることができた。

（実施例４）
（装置）
本発明の偏波切換えアンテナの他の実施例を図１０に示す。図１０に示したように、パッチとして、実施例２の正方形のパッチの代わりに、正方形の２つの角の一部を切り取った形状のパッチを用いた以外は実施例２と同様の装置を用いた。このアンテナでは縮退分離法により円偏波が発生した。このアンテナで給電点を切換えることにより位相差の逆転が起こり、右旋回と左旋回を切換えることができた。

（実施例５）
（装置）
本発明の偏波切換えアンテナの他の実施例を図１１に示す。図１１に示したように、パッチとして、実施例２の正方形のパッチの代わりに、円形のパッチを用いた以外は実施例２と同様の装置を用いた。このアンテナでは縮退分離法により円偏波が発生した。このアンテナで給電点を切換えることにより位相差の逆転が起こり、右旋回と左旋回を切換えることができた。

（実施例６）
（装置）
本発明の偏波切換えアンテナの他の実施例を図１２に示す。図１２の偏波切換えアンテナは図1とほぼ同様であるが、図1のスタブを外し、そのスタブの根元に短絡素子を設けた構造となっている。

（実施例７）
（装置）
本発明の偏波切換えアンテナの他の実施例を図１３に示す。図１３の偏波切換えアンテナは図２とほぼ同様であるが、図２のスタブを外し、そのスタブの根元に短絡素子を設けた構造となっている。

（実施例８）
（装置）
本発明の偏波切換えアンテナの他の実施例を図１４に示す。図１４の偏波切換えアンテナは図１とほぼ同様であるが、マイクロストリップ線路が３本に分岐した構造となっている。

（実施例９）
（装置）
本発明の偏波切換えアンテナの他の実施例を図１５に示す。図１５の偏波切換えアンテナは図２とほぼ同様であるが、マイクロストリップ線路が３本に分岐した構造となっている。

本発明のアンテナは、携帯電話に代表される小型通信端末、アナログまたはデ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、偏波レーダー等のアンテナに好適であると考えられる。

本発明による偏波切換えアンテナの一実施例の構造を示す上画図および側画図である。 本発明による偏波切換えアンテナの一実施例の構造を示す上画図および側画図である。 本発明による偏波切換えアンテナの他の実施例の構造を示す上画図および側画図である。 本発明による偏波切換えアンテナのS11特性のシミュレーション値の１例を示すグラフである。 本発明による偏波切換えアンテナのA点短絡での放射パターンの１例を示すグラフである。 本発明による偏波切換えアンテナのB点短絡での放射パターンの１例を示すグラフである。 本発明による偏波切換えアンテナのS11特性のシミュレーション値の１例を示すグラフである。 本発明による偏波切換えアンテナのA点短絡での放射パターンの１例を示すグラフである。 本発明による偏波切換えアンテナのB点短絡での放射パターンの１例を示すグラフである。 本発明による偏波切換えアンテナの他の実施例の構造を示す上画図および側画図である。 本発明による偏波切換えアンテナの他の実施例の構造を示す上画図および側画図である。 本発明による偏波切換えアンテナのさらに他の実施例の構造を示す上画図および側画図である。 本発明による偏波切換えアンテナの他の実施例の構造を示す上画図および側画図である。 本発明による偏波切換えアンテナの他の実施例の構造を示す上画図および側画図である。 本発明による偏波切換えアンテナの他の実施例の構造を示す上画図および側画図である。 本発明による偏波切換えアンテナのさらに他の実施例の構造を示す上画図および側画図である。

Claims (10)

1. （１）送信機、または受信機から分岐点までを電気的に接続する伝送線路、
   （２）分岐点と放射素子または開口との間に、分岐点で分岐し、それぞれが異なる方向から放射素子の複数の給電点に到達する複数の高周波伝送線路、
   （３）各高周波伝送線路の中間部に設けられたスイッチング素子による短絡・開放切換部を含み、スイッチング素子の作動により１つの中間部のみを短絡させることにより偏波切換えを行うことを特徴とする偏波切換え機能を有するアンテナ。
2. （１）送信機、または受信機から分岐点までを電気的に接続する伝送線路、（２）分岐点と放射パッチとの間に、分岐点で分岐し、それぞれが異なる方向から放射パッチの複数の給電点に到達する複数の高周波伝送線路、
   （３）各高周波伝送線路の中間部に設けられたスタブ、
   （４）各スタブの端部に設けられたスイッチング素子
   を含み、スイッチング素子の作動により１つのスタブのみを短絡させることにより偏波切換えを行うことを特徴とする偏波切換え機能を有するアンテナ。
3. 偏波切換え機能を有するアンテナが、マイクロストリップアンテナであることを特徴とする請求項１~２に記載の偏波切換え機能を有するアンテナ。
4. 放射パッチまたは開口とマイクロストリップ線路が、誘電体基板の同一面上に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の偏波切換え機能を有する平面型アンテナ。
5. グランドを挟んだ２枚の誘電体基板の最上面に放射パッチが、最背面にマイクロストリップ線路が形成され、放射パッチと平面型伝送線路とがスルーホールで電気的に結合されていることを特徴とする請求項３に記載の偏波切換え機能を有する平面型アンテナ。
6. スイッチング素子が、ダイオードであることを特徴とする請求項１〜５に記載の偏波切換え機能を有するアンテナ。
7. 偏波の切換えを、極性が互いに逆のダイオードＡ、Ｂにより行うことを特徴とする請求項６に記載の偏波切換え機能を有するアンテナ。
8. 放射素子または開口の形状が、正方形、正方形の頂点の一部が切り欠かれた形状、円形のうちのいずれかの形状であることを特徴とする請求項１〜７に記載の偏波切換え機能を有する平面型アンテナ。
9. スタブの長さが、実効半波長の略整数倍の長さであることを特徴とする請求項２〜８に記載のアンテナ。
10. スタブの取り付け位置が、分岐点から実効波長の略１／４の距離であることを特徴とする請求項２〜９に記載のアンテナ。
    

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