JP2008219322A - パッチアンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】パッチアンテナ装置1は、誘電体基体2とグランド電極3と複数の放射電極4と給電回路5とを備える。給電回路5は、基部50で連結された放射状の8本の線路51〜58で構成されており、電力は入出力線路5a及びビアホール5bを通じて給電部から給電回路5に供給される。各線路51(52〜58)は、2枚の放射電極4(41),4(42)を間隔cで直列に接続しており、この間隔cを調整することで、内側円C1円上の8枚の放射電極4(41)に供給される電力と外側円C2上の8枚の放射電極4(42)に供給される電力との位相差を調整することができる。
【選択図】図1
Description
特許文献1に開示のパッチアンテナ装置100は、図20に示すように、複数の円形放射電極102を誘電体基体101の表面に鉛直軸周りに回転対称に等間隔で配置し、グランド電極103と共にマイクロストリップラインを形成する放射状の給電回路104を、誘電体基体101の表面に設け、給電回路104の各先端を、円形放射電極102の給電点に接続した構成になっている。
かかる構成により、同位相で且つ不等振幅な電力を、給電回路104を通じて円形放射電極102の給電点に給電することで、円錐ビームを放射させるようになっている。
まず、図20に示したパッチアンテナ装置では、円形放射電極102の配列が、1重配列であるので、円錐ビームの放射角度を任意の角度に調整することができない。しかも、円形放射電極102の数が少ないので、利得が小さく、7dBi以上の利得を得ることができない。
これに対して、図21に示したパッチアンテナ装置200では、円形放射電極201の配列が、多重配列であるので、円錐ビームの放射角度を任意の角度に調整することができ、しかも、円形放射電極201の数が多いので、利得が大きく、7dBi以上の利得を得ることができる。しかしながら、このパッチアンテナ装置200では、図21に示すように、給電部210からの電力を内側円C1上の円形放射電極201に給電するための専用の給電回路211と外側円C2の円形放射電極201に給電するための専用の給電回路212が必要であり、これらの給電回路211,212を、誘電体基体203の表面や内部に別々に形成する必要がある。このため、パッチアンテナ装置200の構造が繁雑になり、製造コストが高くなる。
かかる構成により、給電部から給電回路の基部に所定周波数の電力が給電されると、同振幅で同位相の電力が、この基部から放射状に延出した複数の線路に伝搬する。このとき、第1番目の放射電極から第n番目の放射電極が、各線路上に、先端部側に向けて順次所定間隔で形成されているので、第1番目の放射電極から第n番目の放射電極から放射される電波全体の利得を高くすることができる。しかも、各線路上の第m番目の放射電極と第m+1番目の放射電極との間隔が、これらの放射電極とに給電する電力に位相差が生じるように、設定されているので、第m番目の放射電極からの電波と第m+1番目の放射電極からの電波とに位相差が生じる。したがって、これら放射電極の間隔を調整することで、第1番目の放射電極から第n番目の放射電極から放射される電波全体の放射角を調整することができる。そして、全ての線路上に在る第m番目の放射電極の全てが、基部を中心とする同一円上に配されているので、所望利得の円錐ビームを所望放射角度で放射することができる。
かかる構成により、周方向の放射電極の数密度を高めることができ、この結果、円錐ビームの周方向一様性を向上させることができる。
かかる構成により、折り曲げ部の長さを調整することで、線路上の電力の反射特性を改善することができる。この結果、利得の増加を図ることができる。
また、給電回路を放射状に延出した複数本の線路で形成して、放射電極をこれらの線路上に形成した構成であるので、図21及び図22に示した従来のパッチアンテナ装置のように、各周毎に専用の給電回路を必要としない。この結果、パッチアンテナ装置の構造が簡単になり、製造コストも低く抑えることができる。
さらに、各線路上の放射電極に給電する電力に位相差を設けて、放射角度を調整する構成であるので、簡単な給電システムで済む。
図2に示すように、各放射電極4は、矩形状を成し、非励振方向を向く幅が「a」、励振方向を向く長さが「b」に設定され、所定周波数で励振するようになっている。
具体的には、各線路51(52〜58)を、長さが「r」で幅が「w」の直線状の導体パターンで形成する。そして、これら8本の線路51〜58を基部50で連結し、線路51〜58を基部50から誘電体基体2の半径方向に放射状に延出させた。
かかる給電回路5を構成する各線路51(52〜58)は、2枚の放射電極4を直列に接続している。
具体的には、第1番目の放射電極4(41)を各線路51(52〜58)の途中に形成し、第2番目の放射電極4(42)を各線路51(52〜58)の先端部に形成した。すなわち、放射電極41,42を、間隔cを保持した状態で、各線路51(52〜58)に直列に接続した。
具体的には、図1及び図5に示すように、電力の入出力線路5aが、誘電体基体2の裏面2bに設けられ、この入出力線路5aが、基部50の真下に設けられたビアホール5bを通じて、基部50に電気的に接続されている。
これにより、電力は、ビアホール5bを通じて給電回路5の基部50に入力され、線路51〜58内を同位相で伝搬することとなる。そして、放射電極41,42の間隔cによって、内側円C1円上の放射電極41に供給される電力と外側円C2上の放射電極42に供給される電力とに位相差を生じさせる。
図6は、パッチアンテナ装置1の作用及び効果を説明するための概略側面図である。
図6に示すように、パッチアンテナ装置1の入出力線路5aを給電部100に接続し、所定周波数の電力Wを入出力線路5aに供給すると、電力Wが、ビアホール5bを介して給電回路5の基部50に至る。そして、電力Wが基部50から線路51〜58に分配される。すなわち、同振幅で同位相の電力Wが、基部50から放射状に延出した8本の線路51〜58に出力されることとなる。
このとき、放射電極41と放射電極42とが、各線路51(52〜58)上に順次間隔cで形成されているので、電力Wが放射電極41に先に供給され、その後、電力Wが放射電極42に供給される。このため、放射電極41から放射される電波v1と放射電極42とから放射される電波v2とに、放射電極41,42間の間隔cに対応した位相差δが発生する。そして、電波v1,v2の放射角が所定の角度θである場合に、電波v1,v2が強めあって、最大の利得を発生する。
したがって、放射電極41,42の間隔cを変えて、電波v1,v2の位相差δを調整することで、最大利得の電波V(v1,v2)を放射する放射角θを変化させることができる。このような電波V(v1,v2)は、全ての線路51〜58の放射電極41,42において生じるので、図6の二点鎖線で示すように、放射角θの円錐ビームBが、パッチアンテナ装置1の表面から放射されることとなる。
また、8本の線路51〜58で形成された1つの給電回路5によって、全ての放射電極4に電力Wを供給することができる構成であるので、図21及び図22に示した従来のパッチアンテナ装置のように、各周専用の複数の給電回路を複数必要としない。この結果、製造コストの低減化を図ることができる。
さらに、放射電極41,42を間隔cで各線路51(52〜58)上に直列に接続して、給電する電力Wに位相差を設ける構成であるので、簡単な給電システムで、放射電極41,42からの電波v1,v2に所望の位相差を発生させることができる。
図7は、円錐ビームの放射パターン図である。
このシミュレーションでは、誘電体基体2として、比誘電率が8.8で直径が8.0mmのLTCC基板を用い、給電回路5の各線路51(52〜58)の長さr及び幅wをそれぞれ4.5mm、0.22mmに設定した。そして、各放射電極4(41,42)の幅a及び長さbをそれぞれ1.5mm、0.74mmに設定して、周波数60GHzで励振するようにし、放射電極41,42の間隔cを2.0mmに設定した。
かかる構造のパッチアンテナ装置1に、60GHzの電力Wを給電回路5に供給した場合の円錐ビームBの放射パターンを測定したところ、図7に示す結果を得た。
図7において、X−Y平面が誘電体基体2の表面2aであり、Z軸が表面2aの上方である。
ところで、線路51〜58の隣り合う放射電極42同士の間隔dは、図2に示すように、かなり大きい。このため、隣り合う例えば放射パターンV1,V2の間には、利得の谷間Mが発生する。この結果、円錐ビームの周方向の特性が、円周角φの位置によって異なることとなる。
図8において、実線で示す利得曲線S1は、X−Y平面と垂直なX−Z平面(円周角φ=0°)上の放射パターンV1,V5の放射角θと利得との関係を示す。また、破線で示す利得曲線S2は、放射パターンV1,V2間の谷間Mと放射パターンV5,V6間の谷間Mとを通る平面であってX−Y平面と垂直な平面(円周角φ=30°)上の放射パターンの放射角θと利得との関係を示す。なお、他の放射パターンV2,V6(V3,V7やV4,V8)の放射角θと利得との関係も利得曲線S1と同様であり、これらの放射パターンの間の谷間間の放射角θと利得の関係も利得曲線S2と同様であることは勿論である。
利得曲線S1に示すように、このパッチアンテナ装置1では、線路51,55の放射電極41,42からの電波V1,V5の放射角θを60°迄傾けることができ、また、そのときの最大利得として、約7.0dBiもの利得を得た。
一方、放射パターンV1,V5等の谷間では、利得曲線S2に示すように、放射角60°で最大利得が3dBi程度迄下がることが判明した。
すなわち、上記シミュレーションによって、この実施例のパッチアンテナ装置では、簡単な構造で、円錐ビームB(図6参照)の放射角θを60°迄傾けることができ、しかも、約7.0dBiもの利得を得ることができることが判った。
図9は、この発明の第2実施例に係るパッチアンテナ装置1′を示す平面図である。
この実施例のパッチアンテナ装置1′は、放射電極の周方向の配列を密にした点が、上記第1実施例と異なる。
上記第1実施例では、内側円C1上の放射電極4を密に配することができるが、外側円C2上の放射電極4の配列は疎になってしまう。このため、図7及び図8に示したように、隣り合う放射パターンの間に利得の谷間が発生し、円周方向の一様性に欠ける嫌いがある。
そこで、この実施例では、図9に示すように、最外の外側円C2上の放射電極42の数を2倍にして、外側円C2上の放射電極42の配列を密な状態にした。具体的には、2本の分岐線路61,62を有した分岐回路6を、各線路51(52〜59)上の第1番目の放射電極41の先に設けて、第2番目の放射電極42を、この分岐回路の分岐線路61,62の先端部にそれぞれ形成した。これにより、放射電極41の2倍の数の放射電極42を、基部50を中心とする外側円C2上に配した。
図10は、分岐回路6を示す部分拡大図であり、図11は、円錐ビームの放射パターン図である。
このシミュレーションでは、 誘電体基体2として、比誘電率が8.8で直径が8.0mmのLTCC基板を用い、図10に示すように、給電回路5の各線路51(52〜59)の長さr及び幅wをそれぞれ5.6mm及び0.22mmにして、その特性インピーダンスを56Ωに設定した。そして、放射電極41の幅a1及び長さbを1.3mm及び0.74mm、放射電極42の幅a2及び長さbを1.5mm及び0.74mmに設定して、周波数60GHzで励振するようにした。また、放射電極41から分岐回路6の基部60迄の距離eを0.145mmに設定し、基部60の長さf及び幅gを0.49mm(管内波長の4分の1)及び0.44mmにして、特性インピーダンスを40Ωに設定した。また、分岐線路61,62の幅も各線路51(52〜58)の幅wと等しく設定して、それらの特性インピーダンスを56Ωにした。そして、放射電極41,42の間隔cを1.7mmに設定した。
かかる構造のパッチアンテナ装置1′に、60GHzの電力を給電回路5に供給した場合の円錐ビームの放射パターンを測定したところ、図11に示す結果を得た。
図12に示すように、X−Z平面上の利得を示す利得曲線S1は、このパッチアンテナ装置が、放射角θを48°迄傾けることができ、また、そのときの最大利得が、約7.3dBiにも至ることを示している。
一方、X−Z平面に対して円周角φで30°ずれた平面上の利得を示す利得曲線S2も利得曲線S1とほぼ同様の利得を示している。
すなわち、上記シミュレーションによって、放射角θを48°迄傾けることができ、しかも、約7.3dBiもの利得を得ることができることが判った。さらに、円周方向でリプル幅が0.75dB程度となり、円周方向でほぼ同利得となった。これにより、この実施例のパッチアンテナ装置1′を用いることで、円錐ビームの周方向の特性を一様にすることができることを確認した。
図13は、線路の長さや放射電極の寸法等を説明するための平面図であり、図14は、シミュレーションの結果を示す表図である。
このシミュレーションでは、図13に示す各線路51(52〜56)の長さをこの実施例のパッチアンテナ装置の各線路51(52〜59)の長さrと同様に5.6mmに設定し、誘電体基体2の比誘電率εrを変えながら、各比誘電率εrにおいて、作成可能な放射電極42の幅a,長さb及び外側円C2上の数nと、放射電極42同士の間隔d1及び間隙d2と、円錐ビームの周方向のリプル幅(dB)とを測定したところ、図14に示すような結果を得た。
図14に示すように、比誘電率εrが3.0の場合には、各放射電極42の物理的寸法である幅a,長さbが1.3mm,2.6mmとなり、放射電極42自体が大きくなる。このため、外側円C2上に配列可能な放射電極42の数nが僅か「8」枚であり、隣り合う放射電極42同士の間隔d1と間隙d2が大きくなってしまう。この結果、円錐ビームの周方向のリプル幅が5.9(dB)という非常に大きな値になってしまう。したがって、比誘電率εrが3.0以下の誘電体基体2を用いた場合には、周方向の一様性を保持したパッチアンテナ装置を設計することができないことが判る。
これに対して、比誘電率εrが4.0の場合には、各放射電極42の幅a,長さbが1.1mm,2.2mmとなり、放射電極42自体を小さくすることができる。このため、外側円C2上に配列可能な放射電極42の数nが「12」枚となり、放射電極42同士の間隔d1と間隙d2が極めて小さくなる。この結果、円錐ビームの周方向のリプル幅が1.6(dB)という非常に小さな値になる。
したがって、比誘電率εrが5.0の場合に、リプル幅が多少大きくなるものの、比誘電率εrが4.0以上の誘電体基体2を用いることで、周方向の一様性を有した円錐ビームを放射可能なパッチアンテナ装置を設計することができることを確認した。
そこで、この実施例では、比誘電率εrが8.8の誘電体基体2を用い、18枚の放射電極42を9本の線路51〜59の外側円C2上に形成したパッチアンテナ装置を例示した。
その他の構成、作用及び効果は、上記第1実施例と同様であるので、その記載は省略する。
図15は、この発明の第3実施例に係るパッチアンテナ装置1′′を示す平面図であり、図16は、折り曲げ部を示す部分拡大平面図である。
図15に示すように、この実施例のパッチアンテナ装置1′′は、折り曲げ部7を線路51〜59に設けた点が、上記第2実施例と異なる。
具体的には、折り曲げ部7を、各線路51(52〜59)の部位であって基部50から第1番目の放射電極41の間の部位に、形成した。
この折り曲げ部7は、基部50から各線路51(52〜59)に供給される電力の位相を調整するための部位であり、図16に示すように、略コ字状を成す。すなわち、上記第1及び第2実施例においては破線で示すように直線上に形成されていた当該部分を、略コ字状に折り曲げて、各線路51(52〜59)の長さを長くした。
かかる構成により、折り曲げ部7長さを調整することで、各線路51(52〜59)上の電力の反射特性を改善することができる。
図17は、反射係数のシミュレーション結果を示す線図である。
このシミュレーションでは、まず、誘電体基体2,放射電極41,42及び分岐回路6について、上記第2実施例の図11及び図12に示すシミュレーション時と同様の設定を行い、折り曲げ部7を設けていないパッチアンテナ装置1′に対して、55GHz〜65GHzの電力を供給し、各線路51(52〜59)における反射係数を測定した。
すると、図17の破線の反射係数曲線S3で示す結果を得た。すなわち、この場合には、反射係数が、63GHz近辺の周波数で約「−15」dBiに下がるものの、その他の周波数では、高い値を示している。
次に、折り曲げ部7を各線路51(52〜59)に設けたパッチアンテナ装置1′′について、各線路51(52〜59)の長さを0.6mm長くし、電力の位相が110°遅れるように設定した。そして、その他の設定を上記シミュレーションと同じくして、各線路51(52〜59)の反射係数を測定したところ、図17の実線の反射係数曲線S4で示す結果を得た。
すなわち、この場合には、反射係数が、60GHz近辺〜62GHz近辺の周波数範囲で約「−11」dBi〜「−17」dBiの範囲で下がっており、反射特性が広い帯域で改善されていることが確認された。
その他の構成、作用及び効果は、上記第2実施例と同様であるので、その記載は省略する。
図18は、この発明の第4実施例に係るRFモジュールの概略断面図である。
図18に示すように、この実施例のRF(高周波)モジュール8は、上記第1,第2,又は第3実施例のいずれかの実施例のパッチアンテナ装置1(1′,1′′)を備えている。
具体的には、パッチアンテナ装置1(1′,1′′)がRFモジュール8の筐体80の上部に配設され、アンテナスイッチ81とパッチアンテナ装置1(1′,1′′)の給電部として機能する送信部82と受信部83と局所発振器84とが、筐体80内に収納されている。
そして、アンテナスイッチ81がパッチアンテナ装置1(1′,1′′)の入出力線路5aに接続され、送信部82及び受信部83がアンテナスイッチ81に接続され、局所発振器84が送信部82及び受信部83の各ミキサに接続されている。
送信部82と受信部83には、筐体80に取り付けられた入力端子85と出力端子86が接続され、これらの入出力端子85,86を通じて、図示しないベースバンド部を送受信部82,83に接続することができるようになっている。
また、パッチアンテナ装置1(1′,1′′)で受信された帯域内周波数のRF信号は、入出力線路5a及びアンテナスイッチ81を通じて受信部83に入力され、RF信号がミキサによってIF信号にダウンコンバートされる。そして、帯域内のIF信号が帯域フィルタを通じてローノイズアンプに入力され増幅されて、受信部83から出力される。すると、このIF信号は、出力端子86を通じてベースバンド部に出力され、ベースバンド部内で、所定の信号に復調される。
その他の構成、作用及び効果は、上記第1ないし第3実施例と同様であるので、その記載は省略する。
例えば、上記第1実施例では、2枚の放射電極4(41,42)を各線路51(52〜58)上に有したパッチアンテナ装置1を例示したが、各線路上に形成する放射電極の数は任意である。したがって、図19の(a)に示すように、3枚以上の放射電極4を各線路に形成することもできる。
同様に、上記第2実施例では、1つの分岐回路6を第1番目の放射電極4(41)の先に設けて、2枚の放射電極42を各線路51(52〜59)の最先端に形成したパッチアンテナ装置1′を例示したが、各線路上に設ける分岐回路6の個数は任意である。したがって、図19の(b)に示すように、複数の分岐回路6を各線路上に設けて、放射電極4を樹形図状に形成することもできる。
また、上記実施例では、比誘電率εrが4.0以上の誘電体基体2を用いたパッチアンテナ装置のみを例示したが、比誘電率εrが4.0未満の誘電体基体を用いたパッチアンテナ装置の発明を、この発明の範囲から除外する意ではない。
また、上記第3実施例では、第2実施例のパッチアンテナ装置に折り曲げ部7を設けた例を示したが、第1実施例のパッチアンテナ装置にも折り曲げ部を設けることができることは勿論である。
Claims (5)
- 誘電体基体と、この誘電体基体の内部又は裏面に設けられたグランド電極と、誘電体基体の表面に設けられた複数の放射電極と、給電部からの電力を各放射電極に給電する給電回路とを備えるパッチアンテナ装置であって、
上記給電回路を、基部で連結しこの基部から径方向に放射状に延出した複数本の線路により形成して、上記給電部を上記基部に接続し、
第1番目の上記放射電極から第n(nは2以上の正整数)番目の上記放射電極を、各線路上に、各線路の基部側から先端部側に向けて順次所定間隔で形成すると共に、全ての線路上に在る上記第m(mは1〜nの正整数)番目の放射電極の全てを、上記基部を中心とする同一円上に配し、
各線路上の第m番目の放射電極と第m+1番目の放射電極との間隔を、これら第m番目の放射電極と第m+1番目の放射電極とに給電する電力に位相差が生じるように、設定した、
ことを特徴とするパッチアンテナ装置。 - 請求項1に記載のパッチアンテナ装置において、
複数の分岐線路を有した分岐回路を、各線路上の第m番目の放射電極の先に設けて、第m+1番目の放射電極を、この分岐回路の複数の分岐線路にそれぞれ形成し、これら第m+1番目の放射電極の全てを、上記基部を中心とする同一円上に配した、
ことを特徴とするパッチアンテナ装置。 - 請求項1又は請求項2に記載のパッチアンテナ装置において、
供給される電力の位相を調整するための折り曲げ部を、上記各線路の部位であって、上記基部と第1番目の放射電極との間の部位に設けた、
ことを特徴とするパッチアンテナ装置。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のパッチアンテナ装置において、
上記誘電体基体の比誘電率を、4.0以上に設定した、
ことを特徴とするパッチアンテナ装置。 - 請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のパッチアンテナ装置を備える、
ことを特徴とする高周波モジュール。
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