JP2007158708A - Microstrip antenna and high frequency sensor employing the microstrip antenna - Google Patents

Microstrip antenna and high frequency sensor employing the microstrip antenna Download PDF

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JP2007158708A JP2005351015A JP2005351015A JP2007158708A JP 2007158708 A JP2007158708 A JP 2007158708A JP 2005351015 A JP2005351015 A JP 2005351015A JP 2005351015 A JP2005351015 A JP 2005351015A JP 2007158708 A JP2007158708 A JP 2007158708A
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健介 村田
Hiroyuki Tsuboi
宏之 坪井
Kengo Iwata
賢吾 岩田
Tomoyuki Abe
智之 阿部
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microstrip antenna, wherein a switch with a simple structure is used to obtain excellent performance of controlling a radio wave beam direction. <P>SOLUTION: Grounding points 20A to 20D located at prescribed positions of a plurality of antenna electrodes 12A to 12D on a front side of a board 10 can respectively and selectively be connected to a ground level via the switches provided on a rear side of the board 10 behind the antenna electrodes 12A to 12D. A semiconductor switching element such as a single field effect transistor or bipolar transistor without any special circuit structure for suppressing return of a reflection wave in an OFF state is adopted for each of the switches. The radio wave beam direction can excellently be changed by selecting which switch of which antenna electrode to be turned on. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、1以上のアンテナ電極の励振状態(電流値や位相)をスイッチで制御することにより電波ビームの方向を変化させることができるマイクロストリップアンテナ、及びそのようなマイクロストリップアンテナを用いた高周波センサに関する。   The present invention relates to a microstrip antenna capable of changing the direction of a radio wave beam by controlling the excitation state (current value or phase) of one or more antenna electrodes with a switch, and a high frequency using such a microstrip antenna. It relates to sensors.

国際公開WO 2005/099039 A1号パンフレットに開示されたこの種のマイクロストリップアンテナでは、誘電体基板の表面上に複数のアンテナ電極が配列され、それらのアンテナ電極は例えば、数GHz〜数十GHzのような高周波信号により励振される。そして、それらのアンテナ電極(または特定の一部のアンテナ電極)の各々の特定箇所を個別にグランドレベルに接続するためのスイッチが設けられ、それらのスイッチを操作して、どのアンテナ電極をグランドレベルに接続するかを選択することにより、このアンテナからの電波ビームの放射方向が変化する。   In this type of microstrip antenna disclosed in WO 2005/099039 A1 pamphlet, a plurality of antenna electrodes are arranged on the surface of a dielectric substrate, and the antenna electrodes are, for example, several GHz to several tens GHz. Excited by such a high frequency signal. Then, a switch for individually connecting each specific portion of the antenna electrode (or a specific part of the antenna electrode) to the ground level is provided, and by operating those switches, which antenna electrode is connected to the ground level. By selecting whether to connect to the antenna, the radiation direction of the radio wave beam from this antenna changes.

国際公開WO 2005/099039 A1号パンフレットInternational publication WO 2005/099039 A1 pamphlet

一般的な技術常識に基づけば、上述したマイクロストリップアンテナにおいて、電波ビームの方向制御について実用的な性能を得るためには、上記スイッチとして、使用周波数帯(例えば数GHz〜数十GHz)におけるアイソレーション性能(オフ状態で特定周波数帯の信号を遮断する能力)が高いスイッチを使用するべきである。そして、そのような高周波信号の高アイソレーション性能をもつスイッチの典型として、MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit)として構成された高周波スイッチが知られている。MMICタイプの高周波スイッチでは、FETのようなスイッチング素子が4つ組み込まれたSPDTスイッチ(Single Pole Double Throw switch)が主流である。MMICタイプの高周波スイッチには、各信号路がオフになったときにその信号路の開放端から反射波が戻ってこないようにする構造(例えば、開放端に50Ωを接続しグランドへ短絡)が組み込まれているため、アイソレーション性能が高い。また、MMICタイプの高周波スイッチでは、各信号路は複数のFETを組み合わせて構成され、各信号路がオン状態のとき、その信号路を通って高周波電流が双方向に流れることができ、信号の伝送損失が少なく伝播特性に優れている。   Based on general technical common sense, in the above-described microstrip antenna, in order to obtain a practical performance for the direction control of the radio wave beam, as the switch, an isolator in a used frequency band (for example, several GHz to several tens GHz) is used. Switch with high performance (the ability to cut off signals in a specific frequency band in the off state) should be used. As a typical switch having a high isolation performance of such a high frequency signal, a high frequency switch configured as an MMIC (Microwave Monolithic Integrated Circuit) is known. In MMIC type high frequency switches, SPDT switches (Single Pole Double Throw switches) incorporating four switching elements such as FETs are the mainstream. MMIC type high-frequency switches have a structure that prevents reflected waves from returning from the open end of each signal path when each signal path is turned off (for example, connecting 50Ω to the open end and shorting to ground) Built-in, high isolation performance. In addition, in the MMIC type high frequency switch, each signal path is configured by combining a plurality of FETs, and when each signal path is in the ON state, a high frequency current can flow bidirectionally through the signal path. Low transmission loss and excellent propagation characteristics.

しかしながら、MMICタイプの高周波スイッチは高価である。また、MMICタイプの高周波スイッチは大型であるから、これを上述したマイクロストリップアンテナの基板上に搭載しようとすると、マイクロストリップアンテナ全体を小型にすることが難しくなる。   However, MMIC type high frequency switches are expensive. Also, since the MMIC type high frequency switch is large, if it is intended to be mounted on the substrate of the above-described microstrip antenna, it is difficult to make the entire microstrip antenna small.

従って、本発明の目的は、マイクロストリップアンテナにおいて、簡単な構造のスイッチを用いるだけで、良好な電波ビーム方向制御性能を得られるようにすることにある。   Accordingly, it is an object of the present invention to obtain good radio wave beam direction control performance in a microstrip antenna simply by using a switch having a simple structure.

本発明に従うマイクロストリップアンテナは、電気絶縁性の基板と、前記基板の一面に配置された複数のアンテナ電極と、前記基板に設けられる、グランドレベルを提供するためのアース電極と、少なくとも一つのアンテナ電極の所定箇所にある接地点に接続された一端をもつ電気導通路と、前記電気導通路の他端と前記アース電極との間に接続されたスイッチとを備える。前記スイッチは、前記電気導通路の他端と前記アース電極との間に接続されたオンオフ制御可能な信号伝達路を有し、前記信号伝達路のオフ時に前記信号伝達路の開放端で生じる反射波の戻りを抑制するための反射波抑制構造を有しない半導体スイッチング素子である。   A microstrip antenna according to the present invention includes an electrically insulating substrate, a plurality of antenna electrodes disposed on one surface of the substrate, a ground electrode provided on the substrate for providing a ground level, and at least one antenna. An electrical conduction path having one end connected to a ground point at a predetermined position of the electrode; and a switch connected between the other end of the electrical conduction path and the ground electrode. The switch has a signal transmission path capable of ON / OFF control connected between the other end of the electrical conduction path and the ground electrode, and a reflection generated at an open end of the signal transmission path when the signal transmission path is OFF. It is a semiconductor switching element that does not have a reflected wave suppression structure for suppressing wave return.

本発明に従うマイクロストリップアンテナでは、或るアンテナ電極をアース電極に接続するか切り離すかを制御するためのスイッチとして、格別の反射波抑制構造を有しない簡単な構成の半導体スイッチング素子を用いるだけで、電波ビームの方向を良好に可変制御することができる。   In the microstrip antenna according to the present invention, as a switch for controlling whether a certain antenna electrode is connected to or disconnected from a ground electrode, a semiconductor switching element having a simple configuration without a special reflected wave suppression structure is used. The direction of the radio wave beam can be variably controlled.

前記スイッチとしての半導体スイッチング素子には、例えば、単体の電界効果トランジスタまたは単体のバイポーラトランジスタが採用できる。その具体例は、単体のGaAs-金属半導体接合電界効果トランジスタ、GaAs高電子移動度トランジスタ、GaAs-ヘテロ接合バイポーラトランジスタまたはSiGe-ヘテロ接合バイポーラトランジスタなどである。   For example, a single field effect transistor or a single bipolar transistor can be used as the semiconductor switching element as the switch. Specific examples are a single GaAs-metal semiconductor junction field effect transistor, a GaAs high electron mobility transistor, a GaAs-heterojunction bipolar transistor, or a SiGe-heterojunction bipolar transistor.

本発明のマイクロストリップアンテナにおいて、アンテナ電極とスイッチとの間に設けられた電気導通路は、その長さが前記高周波信号の基板表面での半波長の整数倍に設定されることができる。それにより、スイッチのオフ時にスイッチからアンテナ電極へ戻ろうとする反射波が抑制されてアイソレーション性能が向上するので、より良好な電波ビーム方向可変制御性能を得ることができる。   In the microstrip antenna of the present invention, the length of the electrical conduction path provided between the antenna electrode and the switch can be set to an integral multiple of a half wavelength on the substrate surface of the high-frequency signal. As a result, the reflected wave that attempts to return from the switch to the antenna electrode when the switch is turned off is suppressed and the isolation performance is improved, so that a better radio beam direction variable control performance can be obtained.

一つの実施形態にかかるマイクロストリップアンテナでは、基板上の複数のアンテナ電極が、それぞれ、高周波信号を印加するための給電点をもつ給電素子である。また、別の実施形態にかかるマイクロストリップアンテナでは、スイッチに接続されるアンテナ電極が、高周波信号を印加するための給電点をもたない無給電素子であり、別の少なくとも一つのアンテナ電極が、高周波信号を印加するための給電点をもつ給電素子である。   In the microstrip antenna according to one embodiment, each of the plurality of antenna electrodes on the substrate is a feeding element having a feeding point for applying a high-frequency signal. In the microstrip antenna according to another embodiment, the antenna electrode connected to the switch is a parasitic element having no feeding point for applying a high-frequency signal, and at least one other antenna electrode is It is a feed element having a feed point for applying a high-frequency signal.

本発明に従う高周波センサは、本発明に従うマイクロストリップアンテナを送信アンテナおよび受信アンテナとして備え、送信アンテナから放射した電波ビームの物体からの反射波または透過波を受信アンテナで受信し、その受信信号に基づいて物体をセンスする。   The high-frequency sensor according to the present invention includes the microstrip antenna according to the present invention as a transmitting antenna and a receiving antenna, receives a reflected wave or transmitted wave from an object of a radio wave beam radiated from the transmitting antenna by the receiving antenna, and based on the received signal Sense the object.

本発明によれば、アンテナ電極をアース電極に接続したり切り離したりするためのスイッチとして、例えば単体のトランジスタのように、反射波抑制構造を有しない簡単な半導体スイッチング素子を用いるだけで、電波ビームの方向制御について実用的な性能を得ることができる。   According to the present invention, as a switch for connecting or disconnecting the antenna electrode to or from the ground electrode, a radio wave beam can be obtained simply by using a simple semiconductor switching element that does not have a reflected wave suppression structure, such as a single transistor. Practical performance can be obtained for the direction control.

図1は、本発明の一実施形態にかかるマイクロストリップアンテナの平面図、図2は、図1のA-A線に沿った同アンテナの断面図である。   FIG. 1 is a plan view of a microstrip antenna according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the antenna along the line AA in FIG.

図1と図2に示すように、このマイクロストリップアンテナは、電気絶縁性の誘電体材料製の基板10の前面上に、それぞれ矩形状の金属薄膜からなる複数(例えば4つ)のアンテナ電極12(12A、12B、12C、12D)の配列を有する。また、基板10の裏面上には、金属薄膜ストリップからなる給電ライン14が設けられる。基板10の裏面上に、数GHz〜数十GHzの範囲内の所定周波数の高周波信号を発生する発振回路24が搭載され、この発振回路24の出力端子が給電ライン14の中央にある元給電点16に接続される。給電ライン14は4本に枝分かれし、それらの枝の末端がそれぞれ上記4つのアンテナ電極12(12A、12B、12C、12D)の特定位置にある給電点18(18A、18B、18C、18D)に接続される。このように発振回路24から高周波信号の印加を受ける給電点18をもつアンテナ電極12を、以下、給電素子という。   As shown in FIGS. 1 and 2, the microstrip antenna has a plurality of (for example, four) antenna electrodes 12 each formed of a rectangular metal thin film on the front surface of a substrate 10 made of an electrically insulating dielectric material. It has the sequence of (12A, 12B, 12C, 12D). On the back surface of the substrate 10, a power supply line 14 made of a metal thin film strip is provided. An oscillation circuit 24 that generates a high-frequency signal having a predetermined frequency within a range of several GHz to several tens of GHz is mounted on the back surface of the substrate 10, and an original feeding point having an output terminal of the oscillation circuit 24 in the center of the feeding line 14. 16 is connected. The feed line 14 branches into four branches, and the ends of the branches are respectively fed to feed points 18 (18A, 18B, 18C, 18D) at specific positions of the four antenna electrodes 12 (12A, 12B, 12C, 12D). Connected. The antenna electrode 12 having the feed point 18 that receives the application of the high-frequency signal from the oscillation circuit 24 is hereinafter referred to as a feed element.

図2に2つの給電素子12Aと12Cについてのみ代表して示すように、給電ライン14の各枝と各給電素子12の給電点18との間の接続は、基板10を貫通する導通路(以下、このような信号伝送路をスルーホールという)26(26A、26C)を介してなされる。給電ライン14における元給電点16から4つの給電素子12(12A、12B、12C、12D)の給電点18(18A、18B、18C、18D)までの信号伝達路の長さは、同一である。なお、変形例として、給電ライン14は、給電素子12と同様に基板10の前面上に配置され、給電ライン14の元給電点16と発振回路24との出力端子との間の接続がスルーホールを介してなされてもよい。   As representatively shown in FIG. 2 only for the two feeding elements 12A and 12C, the connection between each branch of the feeding line 14 and the feeding point 18 of each feeding element 12 is a conduction path (hereinafter referred to as “through”) that passes through the substrate 10. Such a signal transmission path is referred to as a through-hole) 26 (26A, 26C). The length of the signal transmission path from the original feed point 16 in the feed line 14 to the feed point 18 (18A, 18B, 18C, 18D) of the four feed elements 12 (12A, 12B, 12C, 12D) is the same. As a modification, the feed line 14 is arranged on the front surface of the substrate 10 like the feed element 12, and the connection between the original feed point 16 of the feed line 14 and the output terminal of the oscillation circuit 24 is a through hole. It may be done via.

図2に示すように、基板10の裏面には、グランドレベルに保持されるアース電極22が設けられる。さらに、図2に2つの給電素子12Aと12Cについてのみ代表して示すように、4つの給電素子12(12A、12B、12C、12D)の背後に相当する基板10の裏面の4つの位置に、4つのスイッチ28(28A、28C)がそれぞれ搭載される。各スイッチ28は、通常の単体の半導体スイッチング素子、例えばFET(電界効果トランジスタ)またはバイポーラトランジスタであり、その典型的な具体例を挙げれば、通常の単体のGaAs-MES-FET(金属半導体接合電界効果トランジスタ)、GaAs-HEMT(高電子移動度トランジスタ)、GaAs-ヘテロ接合バイポーラトランジスタまたはSiGe-ヘテロ接合バイポーラトランジスタなどである。   As shown in FIG. 2, an earth electrode 22 held at the ground level is provided on the back surface of the substrate 10. Further, as representatively shown in FIG. 2 only for the two feeding elements 12A and 12C, four positions on the back surface of the substrate 10 corresponding to the back of the four feeding elements 12 (12A, 12B, 12C, 12D) Four switches 28 (28A, 28C) are respectively mounted. Each switch 28 is a normal single semiconductor switching element such as a FET (field effect transistor) or a bipolar transistor. A typical example thereof is a normal single GaAs-MES-FET (metal semiconductor junction electric field). Effect transistor), GaAs-HEMT (high electron mobility transistor), GaAs-heterojunction bipolar transistor or SiGe-heterojunction bipolar transistor.

各スイッチ28のオンオフ制御され得る信号伝達路(FETのソース−ドレイン路、またはバイポーラトランジスタのエミッタ−コレクタ路)の一方の端子(例えばソース端子またはエミッタ端子)は、対応する各給電素子12の給電点18とは異なる特定箇所(以下、接地点という)20(20A、20B、20C、20D)にスルーホール30(30A、30B、30C、30D)を介して接続され、また、他方の端子(例えばドレイン端子またはコレクタ端子)はアース電極22に接続される。或いは、各スイッチ28の上記信号伝送路は、上記とは逆の方向に、すなわち、例えばドレイン端子またはコレクタ端子が対応する各給電素子12の接地点20に、かつ、ソース端子またはエミッタ端子がアース電極22に接続されてもよい。   One terminal (for example, a source terminal or an emitter terminal) of a signal transmission path (FET source-drain path or bipolar transistor emitter-collector path) that can be controlled on / off of each switch 28 feeds power to each corresponding power feeding element 12. It is connected to a specific location (hereinafter referred to as a grounding point) 20 (20A, 20B, 20C, 20D) different from the point 18 via the through hole 30 (30A, 30B, 30C, 30D), and the other terminal (for example, The drain terminal or the collector terminal) is connected to the ground electrode 22. Alternatively, the signal transmission path of each switch 28 is in the opposite direction, that is, for example, to the ground point 20 of each feeding element 12 corresponding to the drain terminal or collector terminal, and the source terminal or emitter terminal is grounded. It may be connected to the electrode 22.

以上の構成をもつマイクロストリップアンテナにおいて、4つの給電素子12に対応する4つのスイッチ28の全てがオフ状態のときには、4つの給電素子12は同一位相の高周波信号により励振される。その結果、電波ビームが放射される方向は基板10に対して垂直な方向になる。他方、4つのスイッチ28のうちの一部のスイッチ28がオン状態で、他のスイッチ28がオフ状態である場合には、オン状態のスイッチ28に対応する給電素子12の接地点20がアース電極22に接続されるので、オン状態のスイッチ28に対応する給電素子12の高周波信号が、オフ状態のスイッチ28に対応する給電素子12の高周波信号に対して、位相において或る量だけずれる(進むかまたは遅れる)。その結果、電波ビームが放射される方向が、基板10に対して垂直な方向から、位相の相対的に遅れた給電素子12の位置側へ或る角度だけ傾く。従って、どのスイッチ28をオンにしかつオフにするかを選択することにより、電波ビームの放射方向を意図的に変化させることができる。   In the microstrip antenna having the above configuration, when all the four switches 28 corresponding to the four feed elements 12 are in the off state, the four feed elements 12 are excited by the high-frequency signals having the same phase. As a result, the direction in which the radio wave beam is emitted is perpendicular to the substrate 10. On the other hand, when some of the four switches 28 are in the on state and the other switches 28 are in the off state, the ground point 20 of the power feeding element 12 corresponding to the switch 28 in the on state is the ground electrode. 22, the high-frequency signal of the power feeding element 12 corresponding to the switch 28 in the on state is shifted by a certain amount in phase with respect to the high-frequency signal of the power feeding element 12 corresponding to the switch 28 in the off state. Or delayed). As a result, the direction in which the radio wave beam is radiated is inclined by a certain angle from the direction perpendicular to the substrate 10 toward the position of the feed element 12 that is relatively delayed in phase. Therefore, the radiation direction of the radio wave beam can be intentionally changed by selecting which switch 28 is turned on and off.

スイッチ28には、数GHz〜数十GHzのような使用周波数信号に対するアイソレーション性能の高いMMICタイプの高周波スイッチを用いることも勿論可能である。しかし、発明者らの研究によると、後述するように、格別の反射波抑制構造を有せずよって使用周波数信号に対するアイソレーション性能が高くはない上述したような通常の単体の半導体スイッチング素子、例えば単体のトランジスタ、をスイッチ28として用いた場合にも、実用的に十分な電波ビーム方向制御性能を得ることができる。   It is of course possible to use an MMIC type high-frequency switch with high isolation performance for the frequency signal used, such as several GHz to several tens of GHz, as the switch 28. However, according to the research of the inventors, as described later, a normal single semiconductor switching element as described above, which does not have a special reflected wave suppression structure and does not have high isolation performance with respect to a used frequency signal, for example, Even when a single transistor is used as the switch 28, practically sufficient radio beam direction control performance can be obtained.

図3は、本発明の別の実施形態にかかるマイクロストリップアンテナの平面図、図4は、図3のB-B線に沿った同アンテナの断面図である。   FIG. 3 is a plan view of a microstrip antenna according to another embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view of the antenna along the line BB in FIG.

図3と図4に示すように、このマイクロストリップアンテナは、電気絶縁性の誘電体材料製の基板40の前面上に、矩形状の金属薄膜からなる中央の1つのアンテナ電極42と、この中央のアンテナ電極42の周囲に配置されたそれぞれ矩形状の金属薄膜からなる複数(例えば4つ)のアンテナ電極44(44A、44B、44C、44D)の配列を有する。また、基板40の裏面上には、金属薄膜ストリップからなる給電ライン14が設けられる。基板10の裏面上に、数GHz〜数十GHzの範囲内の所定周波数の高周波信号を発生する発振回路52が搭載され、この発振回路52の出力端子が中央のアンテナ電極42の所定位置にある給電点46に、スルーホール54を介して接続される。この中央のアンテナ電極42は、発振回路52から高周波信号の印加を受ける給電素子である。他方、周囲の4つのアンテナ電極44(44A、44B、44C、44D)は、給電点を有しない、すなわち、発振回路52から高周波信号の印加を受けることが無く、これを以下、無給電素子という。各無給電素子44では、給電素子42からの誘導により高周波が誘起されることになる。   As shown in FIGS. 3 and 4, this microstrip antenna has a central antenna electrode 42 made of a rectangular metal thin film on the front surface of a substrate 40 made of an electrically insulating dielectric material, A plurality of (for example, four) antenna electrodes 44 (44A, 44B, 44C, and 44D) each made of a rectangular metal thin film disposed around the antenna electrode 42 are provided. On the back surface of the substrate 40, a power supply line 14 made of a metal thin film strip is provided. An oscillation circuit 52 that generates a high-frequency signal having a predetermined frequency within a range of several GHz to several tens of GHz is mounted on the back surface of the substrate 10, and an output terminal of the oscillation circuit 52 is located at a predetermined position of the central antenna electrode 42. The feed point 46 is connected via the through hole 54. The central antenna electrode 42 is a power feeding element that receives application of a high-frequency signal from the oscillation circuit 52. On the other hand, the surrounding four antenna electrodes 44 (44A, 44B, 44C, 44D) do not have a feeding point, that is, do not receive application of a high frequency signal from the oscillation circuit 52, and this is hereinafter referred to as a parasitic element. . In each parasitic element 44, a high frequency is induced by induction from the feeding element 42.

図4に示すように、基板10の内部(または裏面でもよい)には、グランドレベルに保持されるアース電極56が設けられる。図4に2つの無給電素子44Bと44Cについてのみ代表して示すように、4つの無給電素子44(44A、44B、44C、44D)の背後に相当する基板40の裏面の4つの位置に、4つのスイッチ58(58A、58C)がそれぞれ搭載される。各スイッチ58は、通常の単体の半導体スイッチング素子、例えばFETまたはバイポーラトランジスタであり、その典型的な具体例を挙げれば、通常の単体のGaAs-MES-FET(金属半導体接合電界効果トランジスタ)、GaAs-HEMT(高電子移動度トランジスタ)、GaAs-ヘテロ接合バイポーラトランジスタまたはSiGe-ヘテロ接合バイポーラトランジスタなどである。   As shown in FIG. 4, an earth electrode 56 held at the ground level is provided inside the substrate 10 (or may be the back surface). As representatively shown only for the two parasitic elements 44B and 44C in FIG. 4, at four positions on the back surface of the substrate 40 corresponding to the back of the four parasitic elements 44 (44A, 44B, 44C, 44D), Four switches 58 (58A, 58C) are respectively mounted. Each switch 58 is a normal single semiconductor switching element such as an FET or a bipolar transistor. Typical examples thereof include a normal single GaAs-MES-FET (metal semiconductor junction field effect transistor), GaAs, and the like. -HEMT (High Electron Mobility Transistor), GaAs-heterojunction bipolar transistor or SiGe-heterojunction bipolar transistor.

各スイッチ58のオンオフ制御され得る信号伝達路(FETのソース−ドレイン路、またはバイポーラトランジスタのエミッタ−コレクタ路)の一方の端子(例えばソース端子またはエミッタ端子)は、対応する各無給電素子44の特定箇所(以下、接地点という)48(48A、48B、48C、48D)にスルーホール60(60B、60C)を介して接続され、また、他方の端子(例えばドレイン端子またはコレクタ端子)はアース電極56に接続される。或いは、各スイッチ58の上記信号伝送路は、上記とは逆の方向に、すなわち、例えばドレイン端子またはコレクタ端子が対応する各無給電素子44の接地点48に、かつ、ソース端子またはエミッタ端子がアース電極56に接続されてもよい。   One terminal (for example, source terminal or emitter terminal) of a signal transmission path (FET source-drain path or bipolar transistor emitter-collector path) which can be controlled on / off of each switch 58 is connected to each parasitic element 44 corresponding thereto. A specific point (hereinafter referred to as a grounding point) 48 (48A, 48B, 48C, 48D) is connected through a through hole 60 (60B, 60C), and the other terminal (for example, drain terminal or collector terminal) is a ground electrode. 56. Alternatively, the signal transmission path of each switch 58 is in the opposite direction, that is, for example, to the ground point 48 of each parasitic element 44 corresponding to the drain terminal or collector terminal, and the source terminal or emitter terminal is It may be connected to the ground electrode 56.

以上の構成をもつマイクロストリップアンテナにおいて、各無給電素子44に誘起される高周波と給電素子42の高周波との間には位相差が存在し、その位相差により、電波ビームの放射方向が決まる。そして、各無給電素子44に対応する各スイッチ58がオフ状態であるかオン状態であるかにより、各無給電素子44と給電素子42との間の上記位相差が変化するので、電波ビームの放射方向が変化する。従って、どのスイッチ58をオンにしかつオフにするかを選択することにより、電波ビームの放射方向を意図的に変化させることができる。   In the microstrip antenna having the above configuration, there is a phase difference between the high frequency induced in each parasitic element 44 and the high frequency of the feed element 42, and the radiation direction of the radio wave beam is determined by the phase difference. The phase difference between each parasitic element 44 and the feeding element 42 changes depending on whether each switch 58 corresponding to each parasitic element 44 is in an OFF state or an ON state. Radiation direction changes. Therefore, the radiation direction of the radio wave beam can be intentionally changed by selecting which switch 58 is turned on and off.

スイッチ58には、数GHz〜数十GHzのような使用周波数信号に対するアイソレーション性能の高いMMICタイプの高周波スイッチを用いることも勿論可能である。しかし、発明者らの研究によると、後述するように、格別の反射波抑制構造を有せずよって使用周波数信号に対するアイソレーション性能が高くはない上述したような通常の単体の半導体スイッチング素子、例えば単体のトランジスタ、をスイッチ28として用いた場合にも、実用的に十分な電波ビーム方向制御性能を得ることができる。   It is of course possible to use an MMIC type high-frequency switch having high isolation performance with respect to a used frequency signal such as several GHz to several tens of GHz as the switch 58. However, according to the research of the inventors, as described later, a normal single semiconductor switching element as described above, which does not have a special reflected wave suppression structure and does not have high isolation performance with respect to a used frequency signal, for example, Even when a single transistor is used as the switch 28, practically sufficient radio beam direction control performance can be obtained.

図5Aと図5Bは、上述した2つの実施形態にかかるマイクロストリップアンテナにおいて、アンテナ電極をアース電極に接続するためのスイッチとして、上述したような通常の単体の半導体スイッチング素子を用いた場合とMMICタイプの高周波スイッチを用いた場合とにおける当該スイッチの作用の違いを示したものである。   FIGS. 5A and 5B show a case where the above-described normal single semiconductor switching element is used as a switch for connecting the antenna electrode to the ground electrode in the microstrip antenna according to the two embodiments described above and the MMIC. This shows the difference in the action of the switch when using a type of high-frequency switch.

スイッチ図5Aには、単体の半導体スイッチング素子(例えば単体のトランジスタ)74を用いた場合が示されている。図5Bには、MMICタイプの高周波スイッチ76を用いた場合が示されている。図5Bに示されるMMICタイプの高周波スイッチ76には、その信号伝達路がオフ状態であるときに、その信号伝達路の開放端点からの反射波の戻りを阻止して、アイソレーション性能を高めるための格別の反射波抑制構造が組み込まれている。そのため、高周波スイッチ76がオフ状態の時に、高周波スイッチ76からアンテナ電極72へ向かって反射波が戻ることはない。これに対し、図5Aに示される単体半導体スイッチング素子74は、上述したような反射波抑制構造を有しない。そのため、単体半導体スイッチング素子74がオフ状態であるとき、アンテナ電極72から単体半導体スイッチング素子74に入った高周波信号が単体半導体スイッチング素子74内の信号伝達路の開放端で反射して、その反射波82がアンテナ電極72に向かって戻るという現象が生じる。   FIG. 5A shows a case where a single semiconductor switching element (for example, a single transistor) 74 is used. FIG. 5B shows a case where an MMIC type high frequency switch 76 is used. In the MMIC type high frequency switch 76 shown in FIG. 5B, when the signal transmission path is in an OFF state, the return of the reflected wave from the open end point of the signal transmission path is prevented to improve the isolation performance. The special reflected wave suppression structure is incorporated. Therefore, the reflected wave does not return from the high frequency switch 76 toward the antenna electrode 72 when the high frequency switch 76 is in the OFF state. On the other hand, the single semiconductor switching element 74 shown in FIG. 5A does not have the reflection wave suppressing structure as described above. Therefore, when the single semiconductor switching element 74 is in the OFF state, the high frequency signal that has entered the single semiconductor switching element 74 from the antenna electrode 72 is reflected at the open end of the signal transmission path in the single semiconductor switching element 74, and the reflected wave The phenomenon that 82 returns toward the antenna electrode 72 occurs.

また、図5Bに示されるMMICタイプの高周波スイッチ76では、その信号伝達路がオン状態であるとき、その信号伝達路では、高周波信号電流が双方向に流れることができる。これに対し、図5Aに示される単体トランジスタスイッチ74は、それがオン状態のとき、原則的に一方向にのみ電流を流すことができる。   Further, in the MMIC type high frequency switch 76 shown in FIG. 5B, when the signal transmission path is in an ON state, a high frequency signal current can flow bidirectionally through the signal transmission path. On the other hand, the single transistor switch 74 shown in FIG. 5A can flow current only in one direction in principle when it is in the ON state.

こうしたことから、常識的には、単体半導体スイッチング素子74を用いた場合には、実用できる程度の良好な電波ビーム方向制御性能が得にくいと予想される。ところが、発明者らが試験した結果によると、MMICタイプの高周波スイッチ76をわざわざ用いなくても、単体半導体スイッチング素子74を用いた場合でも、実用できる程度の良好な電波ビーム方向制御性能が得られることが判明した。   For this reason, it is expected that, when using a single semiconductor switching element 74, it is difficult to obtain a radio wave beam direction control performance that is practical enough. However, according to the results of tests conducted by the inventors, even when the MMIC type high frequency switch 76 is not bothered to be used, even when the single semiconductor switching element 74 is used, a radio wave beam direction control performance that is practical enough can be obtained. It has been found.

因みに、高周波信号を生成する発振部からアンテナ電極までの伝送線路中に、線路長の異なる2本以上の伝送路を有し、それらの伝送路の両端に接続されたスイッチにより高周波信号が伝播される伝送路を選択することで、電波ビームの方向を可変制御することができるフェーズドアレイアンテナが知られている。このような構造のフェーズドアレイアンテの場合、スイッチに単体半導体スイッチング素子を使用すると、そこで伝送損失が生じ、アンテナ電極へ伝播される信号の電力量が減少し、アンテナから放射される電波ビームの電力量が低下するという問題が生じる。これに対し、上述したような本発明の実施形態にかかるマイクロストリップアンテナの場合には、発振部からアンテナ電極までの伝送線路中にはスイッチが存在しない構造が採用されているため、スイッチに要求される信号の伝播性能はそれほど高くなくても上記のような問題は無く、ゆえに、単体半導体スイッチング素子を使用することができる。   Incidentally, in the transmission line from the oscillating unit that generates the high frequency signal to the antenna electrode, the transmission line has two or more transmission lines having different line lengths, and the high frequency signal is propagated by the switches connected to both ends of the transmission lines. There is known a phased array antenna capable of variably controlling the direction of a radio wave beam by selecting a transmission path to be selected. In the case of a phased array antenna having such a structure, if a single semiconductor switching element is used for the switch, transmission loss occurs there, the amount of power of the signal propagated to the antenna electrode decreases, and the power of the radio wave beam radiated from the antenna The problem is that the amount is reduced. On the other hand, in the case of the microstrip antenna according to the embodiment of the present invention as described above, a structure in which no switch exists in the transmission line from the oscillation unit to the antenna electrode is employed. Even if the signal propagation performance is not so high, there is no such problem as described above. Therefore, a single semiconductor switching element can be used.

また、単体半導体スイッチング素子74からの反射波82については、アンテナ電極72と単体半導体スイッチング素子74との間の信号伝送路78の長さLを、高周波信号の基板(図1の参照番号10、または図3の参照番号40)表面での半波長の整数倍の近傍に設定することで、反射波82を問題ないよう十分に小さく抑制することが可能である。   For the reflected wave 82 from the single semiconductor switching element 74, the length L of the signal transmission path 78 between the antenna electrode 72 and the single semiconductor switching element 74 is set to a high-frequency signal substrate (reference number 10 in FIG. 1). Alternatively, by setting it in the vicinity of an integral multiple of a half wavelength on the surface (reference number 40 in FIG. 3), it is possible to suppress the reflected wave 82 sufficiently small so as not to cause a problem.

本発明の一実施形態に従う高周波センサは、上述した本発明の実施形態に従うマイクロストリップアンテナを用いた送信アンテナおよび受信アンテナを有する。送信アンテナとしてのマイクロストリップアンテナと、受信アンテナとしてのマイクロストリップアンテナとが別個に設けれていてもよいし、或いは、両者が同じ一つのマイクロストリップアンテナであってもよい。この高周波センサは、本発明に従うマイクロストリップアンテナから所望方向へ電波ビームを放射し、その方向に存在する物体からの電波ビームの反射波または透過波を本発明に従うマイクロストリップアンテナで受信し、その受信信号に基づいて(受信信号のみに基づいてもよいし、受信信号と送信信号をミキシングして得られるドップラ信号に基づいてもよい)、物体の有無や状態などをセンスする。   A high-frequency sensor according to an embodiment of the present invention includes a transmission antenna and a reception antenna using a microstrip antenna according to the above-described embodiment of the present invention. A microstrip antenna as a transmission antenna and a microstrip antenna as a reception antenna may be provided separately, or both may be the same microstrip antenna. This high-frequency sensor radiates a radio wave beam in a desired direction from the microstrip antenna according to the present invention, receives a reflected wave or a transmitted wave of the radio wave beam from an object existing in the direction by the microstrip antenna according to the present invention, and receives the received signal. Based on the signal (may be based on the received signal alone or based on the Doppler signal obtained by mixing the received signal and the transmitted signal), the presence / absence or state of the object is sensed.

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は本発明の説明のための例示にすぎず、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱することなく、その他の様々な態様でも実施することができる。アンテナ電極の配置や個数などには様々なバリエーションが採用でき、例えば国際公開WO 2005/099039 A1号パンフレットに開示された種々のアンテナにも本発明が適用可能である。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this embodiment is only the illustration for description of this invention, and is not the meaning which limits the scope of the present invention only to this embodiment. The present invention can be implemented in various other modes without departing from the gist thereof. Various variations can be adopted in the arrangement and number of antenna electrodes. For example, the present invention can be applied to various antennas disclosed in International Publication WO 2005/099039 A1.

本発明の一実施形態にかかるマイクロストリップアンテナの平面図。The top view of the microstrip antenna concerning one embodiment of the present invention. 図1のA-A線に沿った同アンテナの断面図。Sectional drawing of the same antenna along the AA line of FIG. 本発明の別の実施形態にかかるマイクロストリップアンテナの平面図。The top view of the microstrip antenna concerning another embodiment of the present invention. 図3のB-B線に沿った同アンテナの断面図。Sectional drawing of the same antenna along the BB line of FIG. 上記2つの実施形態にかかるマイクロストリップアンテナにおいて、アンテナ電極をアース電極に接続するためのスイッチとして、通常の単体の半導体スイッチング素子を用いた場合(図5A)と、MMICタイプのスイッチを用いた場合(図5B)とのスイッチの作用の違いを示した説明図。In the microstrip antenna according to the above two embodiments, when a normal single semiconductor switching element is used as a switch for connecting the antenna electrode to the ground electrode (FIG. 5A), and when an MMIC type switch is used. Explanatory drawing which showed the difference of the effect | action of a switch with (FIG. 5B).

符号の説明Explanation of symbols

10 基板
12(12A、12B、12C、12D) アンテナ電極(給電素子)
14 給電ライン
16 元給電点
18(18A、18B、18C、18D) 給電点
20(20A、20B、20C、20D) 接地点
22 アース電極
24 発振回路
26(26A、26C) スルーホール
28(28A、28C) スイッチ
30(30A、30B、30C、30D) スルーホール
40 基板
42 アンテナ電極(給電素子)
44(44A、44B、44C、44D) アンテナ電極(無給電素子)
46 給電点
54 スルーホール
56 アース電極
58(58A、58C) スイッチ
60(60B、60C) スルーホール
10 Substrate 12 (12A, 12B, 12C, 12D) Antenna electrode (feeding element)
14 Feed line 16 Original feed point 18 (18A, 18B, 18C, 18D) Feed point 20 (20A, 20B, 20C, 20D) Ground point 22 Ground electrode 24 Oscillation circuit 26 (26A, 26C) Through hole 28 (28A, 28C) ) Switch 30 (30A, 30B, 30C, 30D) Through hole 40 Substrate 42 Antenna electrode (feeding element)
44 (44A, 44B, 44C, 44D) Antenna electrode (parasitic element)
46 Feed point 54 Through hole 56 Ground electrode 58 (58A, 58C) Switch 60 (60B, 60C) Through hole

Claims (7)

電気絶縁性の基板と、
前記基板の一面に配置された複数のアンテナ電極と、
前記基板に設けられる、グランドレベルを提供するためのアース電極と、
少なくとも一つのアンテナ電極の所定箇所にある接地点に接続された一端をもつ電気導通路と、
前記電気導通路の他端と前記アース電極との間に接続されたスイッチと
を備え、
前記スイッチは、前記電気導通路の他端と前記アース電極との間に接続されたオンオフ制御可能な信号伝達路を有し、前記信号伝達路のオフ時に前記信号伝達路の開放端で生じる反射波の戻りを抑制するための反射波抑制構造を有しない半導体スイッチング素子であるマイクロストリップアンテナ。
An electrically insulating substrate;
A plurality of antenna electrodes disposed on one surface of the substrate;
An earth electrode for providing a ground level provided on the substrate;
An electrical conduction path having one end connected to a ground point at a predetermined location of at least one antenna electrode;
A switch connected between the other end of the electrical conduction path and the ground electrode;
The switch has a signal transmission path that can be controlled on and off, connected between the other end of the electrical conduction path and the ground electrode, and a reflection that occurs at an open end of the signal transmission path when the signal transmission path is off. A microstrip antenna which is a semiconductor switching element that does not have a reflected wave suppression structure for suppressing wave return.
請求項1記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記スイッチが、単体の電界効果トランジスタまたは単体のバイポーラトランジスタであるマイクロストリップアンテナ。
The microstrip antenna according to claim 1.
The microstrip antenna, wherein the switch is a single field effect transistor or a single bipolar transistor.
請求項1記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記スイッチが、単体のGaAs-金属半導体接合電界効果トランジスタ、GaAs高電子移動度トランジスタ、GaAs-ヘテロ接合バイポーラトランジスタまたはSiGe-ヘテロ接合バイポーラトランジスタであるマイクロストリップアンテナ。
The microstrip antenna according to claim 1.
The microstrip antenna, wherein the switch is a single GaAs-metal semiconductor junction field effect transistor, GaAs high electron mobility transistor, GaAs-heterojunction bipolar transistor, or SiGe-heterojunction bipolar transistor.
請求項1記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記アンテナ電極と前記スイッチとの間の前記電気導通路の長さが、前記高周波信号の前記基板表面での半波長の整数倍に設定されているマイクロストリップアンテナ。
The microstrip antenna according to claim 1.
A microstrip antenna in which a length of the electric conduction path between the antenna electrode and the switch is set to an integral multiple of a half wavelength of the high-frequency signal on the substrate surface.
請求項1記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記複数のアンテナ電極が、それぞれ、高周波信号を印加するための給電点をもつ給電素子であるマイクロストリップアンテナ。
The microstrip antenna according to claim 1.
The microstrip antenna, wherein each of the plurality of antenna electrodes is a feeding element having a feeding point for applying a high-frequency signal.
請求項1記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記少なくとも一つのアンテナ電極が、高周波信号を印加するための給電点をもたない無給電素子であり、
別の少なくとも一つのアンテナ電極が、高周波信号を印加するための給電点をもつ給電素子であるマイクロストリップアンテナ。
The microstrip antenna according to claim 1.
The at least one antenna electrode is a parasitic element having no feeding point for applying a high-frequency signal;
A microstrip antenna in which at least one other antenna electrode is a feeding element having a feeding point for applying a high-frequency signal.
請求項1のマイクロストリップアンテナを送信アンテナおよび受信アンテナとして備え、前記送信アンテナから放射した電波ビームの物体からの反射波または透過波を前記受信アンテナで受信し、受信信号に基づいて前記物体をセンスする高周波センサ。 The microstrip antenna according to claim 1 is provided as a transmission antenna and a reception antenna, a reflected wave or a transmitted wave from an object of a radio wave radiated from the transmission antenna is received by the reception antenna, and the object is sensed based on a received signal. High frequency sensor.
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