JP2007036930A - Circularly-polarized wave patch antenna and circularly-polarized wave array antenna - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、円偏波パッチアンテナ及び円偏波アレイアンテナに関し、一層詳細には、無給電素子付きの円偏波パッチアンテナ及び円偏波アレイアンテナに関する。 The present invention relates to a circularly polarized patch antenna and a circularly polarized array antenna, and more particularly to a circularly polarized patch antenna and a circularly polarized array antenna with a parasitic element.
パッチアンテナにより円偏波を放射する場合、第1に、給電素子に対して位置が90゜異なる点から90゜の位相差をつけて給電する、いわゆる2点給電円偏波パッチアンテナによる手法と、第2に、給電素子の一点から給電し放射素子に切り欠きを設ける、いわゆる1点給電円偏波パッチアンテナによる手法がある(特許文献1)。 When circularly polarized waves are radiated by a patch antenna, firstly, a method using a so-called two-point fed circularly polarized patch antenna that feeds a feeding element with a phase difference of 90 ° from a point that is 90 ° different from the position Second, there is a method using a so-called single-point feed circularly polarized patch antenna that feeds power from one point of the feed element and provides a notch in the radiating element (Patent Document 1).
第1の手法は、一般的に広い周波数帯域にわたり良好な円偏波を放射することができるが、1個の給電素子に対して2個の給電点を必要とする。また、アンテナ以外に90゜位相差をつける給電回路を必要とする、という2つの理由により給電構造が複雑になるという問題がある。 The first method can generally radiate a good circularly polarized wave over a wide frequency band, but requires two feeding points for one feeding element. In addition, there is a problem that the feeding structure becomes complicated due to two reasons that a feeding circuit with a 90 ° phase difference is required in addition to the antenna.
第2の手法は、給電構造は比較的簡単であるが、アンテナの入力インピーダンスに依存して円偏波を放射する方式であるため、実用的な軸比の帯域が数%と狭くなるという問題がある。 The second method has a relatively simple feeding structure, but radiates circularly polarized waves depending on the input impedance of the antenna. Therefore, there is a problem that a practical axial ratio band is narrowed to several percent. There is.
図10は、特許文献1の図6に記載された軸比帯域の狭い円偏波アレイアンテナ(0゜並列配列円偏波アレイアンテナともいう。)10の構成を示している。この円偏波アレイアンテナ10では、誘電体基板12上に、切り欠きからなる縮退分離素子14が対向する2角に設けられた給電素子16が並列に設けられ、給電口18に接続される給電線20が給電素子16の給電点22に接続されている。
FIG. 10 shows the configuration of a circularly polarized array antenna (also referred to as a 0 ° parallel arrayed circularly polarized array antenna) 10 having a narrow axial ratio band described in FIG. In this circularly polarized
図11は、特許文献1の図1に記載された軸比帯域が広い範囲に改善された円偏波アレイアンテナ(90゜直交並列円偏波アレイアンテナともいう。)30の構成を示している。この円偏波アレイアンテナ30では、誘電体基板12上に、切り欠きからなる縮退分離素子14が対向する2角に設けられた給電素子16の片方を90゜回転させて並列に設けており、給電口18に接続される給電線20が給電素子16の給電点22に接続されている。
FIG. 11 shows the configuration of a circularly polarized wave array antenna (also referred to as a 90 ° orthogonal parallel circularly polarized wave array antenna) 30 described in FIG. . In this circularly polarized
図12は、この出願の発明者により特許文献1に係る技術を追試した結果であって、これら2つの円偏波アレイアンテナ10、30に対して、素子間隔0.8[λ]での規格化周波数−アンテナ利得[dBi]特性を示している。アンテナ利得特性2x´は、図10の円偏波アレイアンテナ10に対応し、アンテナ利得特性2y´は、図11の円偏波アレイアンテナ30に対応している。なお、上記特許文献1では、規格化中心周波数を、例えば2.4[GHz]帯としているが、この明細書においては、中心周波数は、1.592[GHz]{波長λは、λ=188[cm]}としているので、図12、図13の規格化周波数「1」は、1.592[GHz]に対応する。
FIG. 12 shows the results of further testing of the technique according to
図13は、素子間隔0.8[λ]での規格化周波数−軸比特性を示している。軸比特性2xは、図10の円偏波アレイアンテナ10に対応し、軸比特性2yは、図11の円偏波アレイアンテナ30に対応している。
FIG. 13 shows the normalized frequency-axis ratio characteristics when the element spacing is 0.8 [λ]. The
このように、図10の0゜並列配列の円偏波アレイアンテナ10に比較して、図11の90゜直交並列配列の円偏波アレイアンテナ30は、図12に示したアンテナ利得特性2x´、2y´では、それほど差異はないが、図13に示す軸比特性2yでは、軸比特性2xに比較して相当広範囲に改善されていることが分かる。
As described above, the circularly polarized
しかしながら、図11に示した円偏波アレイアンテナ30を、図14に示すように、素子単体の円偏波パッチアンテナ30sとして使用する場合には、図15に示すように、素子単体での軸比特性1yが狭帯域になってしまうという欠点がある。
However, when the circularly polarized
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、給電素子の一点から給電する手法を取り入れながら、軸比特性が広帯域となり、かつアンテナ利得が広い周波数範囲で比較的に高利得である円偏波パッチアンテナ及び円偏波アレイアンテナを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such a problem. While adopting a method of feeding power from one point of the feeding element, the axial ratio characteristic is wideband, and the antenna gain is relatively high in a wide frequency range. An object is to provide a circularly polarized patch antenna and a circularly polarized array antenna.
この発明に係る円偏波パッチアンテナは、直線偏波の1つの給電点の六角形給電素子と四角形無給電素子を同軸上に平行して配置する構成により、軸比特性が広帯域となり、かつアンテナ利得が広い周波数範囲で比較的に高利得になる。 The circularly polarized patch antenna according to the present invention has a configuration in which a hexagonal feeding element and a rectangular parasitic element at one feeding point of linearly polarized waves are arranged in parallel on the same axis, thereby providing a wide axial ratio characteristic and an antenna. Gain is relatively high over a wide frequency range.
この場合、前記六角形給電素子の対向する他方の2角の対角線と、前記四角形無給電素子の対角線とを一致させることで、製作が容易になる。 In this case, the other two diagonal lines of the hexagonal feeding element and the diagonal line of the square parasitic element are matched to facilitate manufacture.
前記六角形給電素子を形成する四角形と、前記四角形無給電素子は、それぞれ正方形であることが好ましい。 The quadrangle that forms the hexagonal feed element and the square parasitic element are preferably square.
この発明には、上述した円偏波パッチアンテナを複数含む円偏波アレイアンテナも含まれる。 The present invention also includes a circularly polarized array antenna including a plurality of the above circularly polarized patch antennas.
この発明によれば、給電素子の一点から給電する手法を取り入れながら、軸比特性が広帯域となり、かつアンテナ利得が広い周波数範囲で比較的に高利得になる円偏波パッチアンテナ及び円偏波アレイアンテナが得られる。 According to the present invention, a circularly polarized wave patch antenna and a circularly polarized wave array having a wide axial ratio characteristic and a relatively high gain in a wide frequency range while adopting a method of feeding from one point of the feeding element. An antenna is obtained.
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、この実施形態で説明するアンテナの使用周波数帯は、300[MHz]〜30[GHz]のマイクロ波帯である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the use frequency band of the antenna described in this embodiment is a microwave band of 300 [MHz] to 30 [GHz].
図1は、この発明の一実施形態の1素子アンテナからなる円偏波パッチアンテナ50の平面図である。
FIG. 1 is a plan view of a circularly polarized
図2は、1素子アンテナからなる円偏波パッチアンテナ50の斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view of a circularly polarized
この1素子アンテナからなる円偏波パッチアンテナ50は、アルミニューム製の地導体板(地導体)60上に、誘電体51、53を挟んでそれぞれ金属の給電素子52と無給電素子54が同軸上に重ねて平行に配置された、いわゆるスタック構成になっている。ここで、無給電素子54は、八木アンテナにおける導波器と同様に動作するが、直線偏波を形成する。
In this circularly polarized
給電素子52は、正方形の対向する一方の2角を、1つの給電点62で直線偏波となるように同じ大きさ分切り落とし、縮退分離素子56とした六角形形状とされ、一方、無給電素子54の1辺の長さは、この六角形の中央の四角形部と略重なる大きさの正方形とされている。
The
また、六角形の給電素子52の対向する他方の2角の対角線DL6と、四角形の無給電素子54の対角線DL4とを平面的に見て一致させて配置している。六角形の給電素子52は、対角線DL6に対して対称な形状になっている。
Further, the other opposite diagonal line DL6 of the
上記のように構成された円偏波パッチアンテナ50は、円偏波特性を有する。
The circularly polarized
図1、図2に示すように、給電素子52には、給電点62が設けられている。給電点62に対する給電方法は、第1にマイクロストリップ給電線で給電する。第2に地導体板60の裏側から地導体板60を貫通して給電する。第3に地導体板60に開口窓を開け裏面から電磁給電する、という方法のいずれかを選択することができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
以上のように構成される円偏波パッチアンテナ50では、六角形の一辺に形成された給電点62から給電することで、対角線DL6(図1参照)と平行する方向DR6(図3参照)に直線偏波が形成されるような給電素子52と、四角形の一辺に給電点を形成し、そこから給電をした場合、その給電点に近い辺側から他方の辺側に向かう方向DR4(図3参照)に直線偏波が形成されるような無給電素子54を、図3に示すように同軸上に配置して、給電点62から給電することで、全体として、円偏波アンテナとして動作する。換言すれば、図3に示す六角形の給電素子52単体に給電した場合、及び四角形の無給電素子54単体に六角形の給電素子52と同様な給電点から給電した場合は、それぞれ図3に示すような偏波方向DR6、DR4を有する直線偏波が形成され、そのような特性を有する六角形の給電素子52上に四角形の無給電素子54を図3に示すように同軸上に配置し、六角形の給電素子52の給電点62から給電することで、全体として円偏波アンテナとして動作する。
In the circularly polarized
図4は、円偏波パッチアンテナ50の給電素子52の切り落とし量をパラメータとして変化させた場合の規格化周波数(f/f0)と軸比[dB]との関係を示している。
FIG. 4 shows the relationship between the normalized frequency (f / f0) and the axial ratio [dB] when the cut-off amount of the
なお、図4において、各要素は、図5のように定義し、各値を設定している。 In FIG. 4, each element is defined as shown in FIG. 5, and each value is set.
給電素子52の切り落としのない正方形の1辺の長さをal1、その正方形の面積al1×al1をS、切り落とされた2つの三角形の面積をそれぞれΔS、無給電素子54の正方形の1辺の長さをal2、地導体板60から給電素子52までの距離(誘電体51の厚み)をTL(TL=0.043λ0)、地導体板60から無給電素子54までの距離(誘電体51+給電素子52+誘電体53の厚み)をTH(TH=0.096λ0)、中心周波数f0の波長をλ0としている。なお、面積Sは、給電素子52の切り落としのない正方形の面積である。
The length of one side of the square of the
図4の軸比特性において、軸比3[dB]以下の軸比特性で帯域を評価すると、軸比特性1z(al1=0.47λ0、al2=0.39λ0、ΔS/S=15.5[%])が最も広帯域であり、次に、軸比特性1za(al1=0.47λ0、al2=0.39λ0、ΔS/S=11.4[%])、軸比特性1zb(al1=0.47λ0、al2=0.39λ0、ΔS/S=20.2[%])が広帯域であり、比較的に切欠量の多い軸比特性1zc(al1=0.47λ0、al2=0.39λ0、ΔS/S=25.6[%])、比較的に切欠量の少ない軸比特性1zd(al1=0.47λ0、al2=0.39λ0、ΔS/S=7.9[%])は、軸比特性が不良であることが分かる。 In the axial ratio characteristic of FIG. 4, when the band is evaluated with an axial ratio characteristic of 3 [dB] or less, the axial ratio characteristic 1z (al1 = 0.47λ0, al2 = 0.39λ0, ΔS / S = 15.5 [ %]) Is the widest band, and then the axial ratio characteristic 1za (al1 = 0.47λ0, al2 = 0.39λ0, ΔS / S = 11.4 [%]), the axial ratio characteristic 1zb (al1 = 0. 47λ0, al2 = 0.39λ0, ΔS / S = 20.2 [%]) is a wide band and has a relatively large notch amount axial ratio characteristic 1zc (al1 = 0.47λ0, al2 = 0.39λ0, ΔS / S = 25.6 [%]), the axial ratio characteristic 1zd (al1 = 0.47λ0, al2 = 0.39λ0, ΔS / S = 7.9 [%]) with a relatively small notch amount is the axial ratio characteristic. It turns out that is bad.
図6は、給電素子52及び無給電素子54の材質を軸比特性1z(図4参照)で示す銅(導電率:5.8×107)から、アルミ(3.8×107)、銀(6.1×107)、ステンレス(1.1×106)、鋳鉄(1.5×106)に変更した場合の軸比特性の変化の具合を示しているが、導電率が1×106〜10×107程度の導体であれば、軸比特性に対して影響がほとんどないことが分かる。
FIG. 6 shows the material of the
図7は比較例であり、図8に示すように、無給電素子54を設けないで、給電素子52と地導体板60からなる円偏波パッチアンテナ150の切欠量に対する周波数・軸比の関係を示している。
FIG. 7 shows a comparative example. As shown in FIG. 8, the relationship between the frequency and the axial ratio with respect to the cutout amount of the circularly polarized
この図7から、給電素子52のみを有する円偏波パッチアンテナ150の場合の軸比特性が最適となる切欠量ΔS/Sは、3.6[%]であることが分かる。
From FIG. 7, it can be seen that the cutout amount ΔS / S at which the axial ratio characteristic is optimal in the case of the circularly polarized
なお、円偏波パッチアンテナ50は、2個以上並べて、例えば図9に示すように、2つの円偏波パッチアンテナ50aを素子アンテナとして地導体板60上に配置した、90゜直交配列の円偏波アレイアンテナ70として使用することもできる。
Two or more circularly
なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various configurations can be adopted based on the contents described in this specification.
10…円偏波アレイアンテナ 50…円偏波パッチアンテナ
51、53…誘電体 52…給電素子
54…無給電素子 56…縮退分離素子
60…地導体板 62…給電点
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記六角形給電素子に対して同軸上に平行して配置した直線偏波の四角形無給電素子とを備え、
前記2角を切り落とした前記六角形給電素子と前記四角形無給電素子とで円偏波特性を得るようにした
ことを特徴とする円偏波パッチアンテナ。 A hexagonal feed element in which one of the two opposite corners of the quadrangle is cut off so as to be linearly polarized at one feed point;
A linearly polarized rectangular parasitic element arranged coaxially and parallel to the hexagonal feeding element,
A circularly polarized wave patch antenna is characterized in that a circularly polarized wave characteristic is obtained by the hexagonal feed element and the square parasitic element from which the two corners are cut off.
前記六角形給電素子の対向する他方の2角の対角線と、前記四角形無給電素子の対角線とを一致させた
ことを特徴とする円偏波パッチアンテナ。 The circularly polarized patch antenna according to claim 1,
The circularly polarized patch antenna, wherein the opposite two diagonals of the hexagonal feed element are aligned with the diagonal of the rectangular parasitic element.
前記六角形給電素子を形成する前記四角形と、前記四角形無給電素子は、それぞれ正方形である
ことを特徴とする円偏波パッチアンテナ。 The circularly polarized patch antenna according to claim 1 or 2,
The circularly polarized patch antenna, wherein each of the quadrangle and the square parasitic element forming the hexagonal feed element is a square.
ことを特徴とする円偏波アレイアンテナ。 A circularly polarized array antenna comprising a plurality of circularly polarized patch antennas according to any one of claims 1 to 3.
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