JP2008219415A - 平面アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロストリップアレーアンテナにおいて、グレーティングローブを抑えつつ、各アンテナ素子の位相が等位相となる平面アンテナ装置を提供する。
【解決手段】平面アンテナ装置１００の中央部にマイクロストリップ線（スタブ線路１０６）を形成することで、平面アンテナ装置１００の中央部のアンテナ素子１０１に大きな電力を供給できる。このため給電配線１０２として非対称Ｔ型分岐を使用することなく、グレーティングローブを抑え得る平面アンテナ装置を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話機などの無線通信装置又は対象物までの距離やその位置を測定する装置において、電波を送信又は受信するために用いられる平面アンテナ装置に関するものである。

平面アンテナ装置としては、薄型で軽量のマイクロストリップ型のパッチアンテナが広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。このパッチアンテナは、誘電体基板の両面に、それぞれ接地導体（グランド）と矩形のアンテナ素子（「アンテナ導体」ともいう。）が形成された構造を有している。アンテナ素子に電力を供給すると、アンテナ素子の長辺に応じて共振する周波数の電波が放射される。アンテナ素子に給電する方法としては、マイクロストリップ線路からなる給電配線（「給電線路」ともいう。）を、誘電体基板のアンテナ素子と同一平面上に構成する共平面給電方式がある。この方式は、アンテナ素子と給電配線を同一平面上に形成できるので、簡易かつ安価で平面アンテナ装置を作製することができるという特徴がある。

平面アンテナ装置として実際に使用する上で、アンテナ素子には所望の放射パターン又は放射利得が必要とされる。放射パターン及び放射利得特性は、アンテナ素子の全体の実効開口面積で決定され、アンテナ素子群全体の面積を大きくすると指向性が鋭く、大きな放射利得を得ることができる。

上記従来のパッチアンテナ単体では、使用する周波数によってアンテナ素子のサイズが決定されているため、放射の指向性が広く、利得も小さい。このため、放射パターンや放射利得を調整するために、アンテナ素子を特定の距離をおいて規則的に複数個並べることで実効的開口面積を調整できるアレー構成が用いられる。

従来の共平面給電方式を用いた平面アンテナ装置について、図６に示す具体例を用いて説明する。図６は、従来の平面アンテナ装置１０００の上面図である。図６における平面アンテナ装置１０００は、アンテナ素子１００１、給電配線１００２、Ｔ分岐部１００９、給電源１００５、裏面に接地導体が形成された誘電体基板（図示せず）で構成されている。図６において、給電源１００５から各アンテナ素子１００１に電力を給電するために、給電配線１００２は、分岐されて各アンテナ素子１００１に接続されている。特に図６の場合は、給電源１００５に対して各アンテナ素子１００１が並列（トーナメント型）に接続されている。

ここで、各アンテナ素子１００１は、等位相で励振されている必要がある。これは、各アンテナ素子１００１間の位相が揃っていないと、各アンテナ素子１００１から放射した電波が打ち消し合い、アレーアンテナとして機能しないためである。そのため、給電源１００５から各アンテナ素子１００１までの電気的距離、つまり、給電配線１００２の長さが同じになるように設計されている。
特開２０００−１０１３４１号公報

ここで、従来のアレーアンテナにおける、全てのアンテナ素子１００１が等励振振幅で励振された場合の放射パターンを図７に示す。図７に示すように、放射パターンの中にメインローブの他に、グレーティングローブが存在する。このグレーティングローブは、レーダ装置などの位置を特定する装置においては、誤動作の原因となるため、抑制したい特性である。このグレーティングローブを抑制する方法としては、各アンテナ素子１００１の励振振幅に分布を持たせ、アレーアンテナの中心ほど、励振振幅を大きくさせることで改善することができる。このように励振振幅に分布を持たせるためには、上記図６に示す非対称Ｔ分岐部１０１０のように、線路幅を変えることで、電力分配率を変えることできる。

しかしながら、上記の電力分配は、並列回路のインピーダンスを制御することによる電力分配である。上記のような非対称Ｔ分岐部１０１０では、分岐された２つの線路でインピーダンスが異なるため、伝搬速度が異なり、アンテナでの位相が異なることとなる。そのため、各アンテナ素子１００１間の位相が等位相でなくなり、アレーアンテナの放射パターンが乱れるという課題がある。また、高周波アンテナを設計した場合、アンテナ素子１００１のサイズが非常に小さいため、アンテナ素子パターンの製造誤差で共振周波数が変化してしまうなどの問題がある。さらに、アンテナ素子１００１間の干渉や線路−アンテナ間干渉によって周波数特性が異なってしまうという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、マイクロストリップアレーアンテナにおいて、グレーティングローブを抑えつつ、各アンテナ素子の位相が等位相となる平面アンテナ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は、裏面に接地導体が形成された誘電体基板の上に、少なくとも１対のアンテナ対と給電配線とを備える平面アンテナ装置であって、前記アンテナ対は、第１スリットを有する第１アンテナ素子および第２スリットを有する第２アンテナ素子を有しており、前記平面アンテナ装置は、一のアンテナ対を構成するアンテナ素子と、前記一のアンテナ対に隣接する他のアンテナ対を構成するアンテナ素子との間に、スタブ線路が形成されていることを特徴とする。

さらに、前記スタブ線路は、前記一のアンテナ対を構成するアンテナ素子と、前記隣接するアンテナ対を構成するアンテナ素子との間の前記給電配線の分岐部に形成されていることを特徴とする。

これにより、グレーティングローブを抑えつつ、各アンテナ素子の位相が等位相となる平面アンテナ装置を実現することができる。

本発明によれば、非対称のＴ分岐配線を使用することなく、グレーティングローブが小さい放射特性を持つアレーアンテナを実現することができる。また、アンテナ・線路間干渉や作製精度誤差で共振周波数が異なった場合でも、スタブ線路長を調整することで、共振周波数を調整することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態に係る平面アンテナ装置について、図面を用いて説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明はこれらに限定されることを意図しない。

図１は、本発明に係る平面アンテナ装置１００の上面図である。図１の平面アンテナ装置１００は、平面マイクロストリップアレー構造を有し、誘電体基板上（図示せず）に、１６個のアンテナ素子１０１（即ち、８対のアンテナ素子１０１）、給電配線１０２、給電源１０５、１４個のＴ分岐部１０９、スタブ線路１０６及びスタブ線路が形成されたＴ分岐部１１１を備える。なお、アンテナ素子１０１は、マイクロストリップアンテナであり、共振周波数が２６．４ＧＨｚとなるよう設計している。

図１に示すように、平面アンテナ装置１００においては、隣接するアンテナ素子間（具体的には、アンテナ素子１０１ｂ−アンテナ素子１０１ｂ間）の間隔は５．８ｍｍ、１対のアンテナ素子間（具体的には、アンテナ素子１０１ａ−アンテナ素子１０１ｂ間）の間隔は９．０ｍｍである。このアンテナ素子１０１は、第１のアンテナ１０１ａと第２のアンテナ１０１ｂの総称であり、異なる２種類のアンテナ素子１０１ａ及びアンテナ素子１０１ｂで１対のアンテナ素子を構成している。

第１のアンテナ素子１０１ａのサイズは、幅３．２ｍｍ、長さ３．０５ｍｍであり、１ｍｍ×０．９５ｍｍのスリットが形成されている。また、第２のアンテナ素子１０１ｂのサイズは、幅３．２ｍｍ、長さ２．７ｍｍであり、１ｍｍ×２．１ｍｍのスリットが形成されている。給電配線１０２は、給電源１０５からの電力を４回分岐（１６分岐）後に各アンテナ素子１０１に給電することによって、１６個の各アンテナ素子１０１に等しい電力を供給している。給電源１０５からスタブ線路が形成されたＴ分岐部１１１までの配線は、特性インピーダンスが１００Ωの線路であり、幅０．３４ｍｍである。Ｔ分岐部１０９は、幅０．７７ｍｍ、長さ２．１５ｍｍのインピーダンス変換線路が形成されており、分岐した２つの幅０．３４ｍｍの線路に電力を等分に分配する対称構造となっている。なお、後述の図２に示す誘電体基板は、非誘電率３．１、基板厚０．５ｍｍ、誘電正接０．００５の基板である。

給電源１０５から最も近いスタブ線路が形成されたＴ分岐部１１１では、幅０．３４ｍｍ、長さ１４．７ｍｍのスタブ線路１０６（図１においては破線で囲った部分の配線）が形成されている。このスタブ線路１０６と隣接するアンテナ素子１０１とは、電磁結合する間隔を空けて配置されている。このスタブ線路１０６は、使用する周波数に応じて長さ、幅を変えて設計される。

上記のように、スタブ線路１０６と隣接するアンテナ素子１０１は、電磁結合しているため、スタブ線路１０６からも隣接するアンテナ素子１０１に電力が供給される。このため、中央部のアンテナ素子１０１は、外側のアンテナ素子１０１に比べ、励振振幅が強くなっている。このため、非対称Ｔ分岐部を使用することなく、アンテナの励振振幅分布を与えることができ、上記従来のグレーティングローブを抑えることができる。

なお、図１に示すように、平面アンテナ装置１００のアンテナ素子、給電配線及びスタブ線路から構成されるパターンは、中心線１１２に対して左右対称（線対称）のパターンを有している。

ここで、本発明に係る平面アンテナ装置１００の一部である、１対のアンテナ素子について、更に詳細に説明する。

図２は、本発明に係る１対のアンテナ素子１０の上面図である。図２の１対のアンテナ素子１０は、誘電体基板１１０の上に、第１アンテナ素子１０１ａ、第２アンテナ素子１０１ｂ、第１給電点１０４ａ、第２給電点１０４ｂ、インピーダンス整合用の第１スリット１０３ａおよび第２スリット１０３ｂ、給電配線１０２及びＴ分岐部１０９を備える。

第１アンテナ素子１０１ａの第１給電点１０４ａは、給電配線１０２のＴ分岐部１０９側の端部（即ち、第１アンテナ素子１０１ａの右側の端部）側に設置されている。一方、第２アンテナ素子１０１ｂの第２給電点１０４ｂは、第２スリット１０３ｂの最奥部である第２アンテナ素子１０１ｂの右側の端部付近に設置されている。

つまり、第１スリット１０３ａの切り込みの長さ「ＳＬ１」は、第１アンテナ素子１０１ａの右側の端部から中心までの長さ（即ち、Ｌ１／２）より短い構造となっており、第２スリット１０３ｂの切り込みの長さ「ＳＬ２」は、第２アンテナ素子１０１ｂの左側の端部から中心までの長さ（即ち、Ｌ２／２）より長い構造となっている。

このような構造にしても、第１アンテナ素子１０１ａおよび第２アンテナ素子１０１ｂのインピーダンスは、それぞれのアンテナ素子の中心に対して対称であるため、第１給電点１０４ａ又は第２給電点１０４ｂで給電配線１０２のインピーダンスと整合させることができる。

ここで、第１アンテナ素子１０１ａと第２アンテナ素子１０１ｂに接続される給電配線１０２の線幅は同じであり、Ｔ分岐部１０９から第１給電点１０４ａ又は第２給電点１０４ｂまでの給電配線の長さもほぼ同じであり、第１アンテナ素子１０１ａと第２アンテナ素子１０１ｂは同位相で給電されることとなる。さらに、第１給電点１０４ａおよび第２給電点１０４ｂが各々のアンテナ素子において同じ側（この場合は右側）に設置されているため、同じように電界が励起されるので、第１アンテナ素子１０１ａと第２アンテナ素子１０１ｂのそれぞれの放射電波が互いに強め合うことになる。

第２アンテナ素子１０１ｂの第２給電点１０４ｂは、第１アンテナ素子１０１ａの給電点１０４ａと同じ右側の位置に設置されているため、第２アンテナ素子１０１ｂにおける電界は、第１アンテナ素子１０１ａと同じ方向で励振されることなる。つまり、第１アンテナ素子１０１ａおよび第２アンテナ素子１０１ｂは、同じ側から給電された場合とまったく同じように電界が励振される。このため、Ｔ分岐部１０９からほぼ同じ長さの給電配線であっても、各アンテナ素子から放射される電波は互いに強め合うこととなる。

次に、本発明に係る１対のアンテナ素子１０について、以下に具体な構成例を示す。
図２のアレー構造の１対のアンテナ素子１０の誘電体基板１１０として、その基板厚が０．５ｍｍで比誘電率３．１のテフロン（登録商標）材料を用い、第１アンテナ素子１０１ａは、幅（即ちＷ１）＝３．２ｍｍ、長さ（即ちＬ１）＝３．０５ｍｍであり、第２アンテナ素子１０１の幅「Ｗ２」＝３．２ｍｍ、長さ「Ｌ２」＝２．７ｍｍである。なお、第１アンテナ素子１０１ａは第１スリット１０３ａを有しており、第２アンテナ素子１０１ｂは第２スリット１０３ｂを有している。

さらに、図３に示す放射特性を用いて、本発明に係る平面アンテナ装置１００の有効性について説明する。図３は、上記図１における平面アンテナ装置１００のＨ面角度に対する放射強度（放射パターン）を示す図である。ここでは、アンテナ素子１０１が形成されている面に垂直な方向を０度としている。また、比較のため、図３には、図４の従来の平面アンテナ装置２００のＨ面角度に対する放射強度（従来のアレーアンテナ）も併せて示している。

図１の本発明に係る平面アンテナ装置１００と図４の従来の平面アンテナ装置２００の違いは、スタブ線路１０６が形成されているか否かの１点である。図３から明らかなように、本発明に係る平面アンテナ装置１００は、図４の従来の平面アンテナ装置２００に比べ、スタブ線路１０６を形成することで、良好な放射パターンを保ったままグレーティングローブが抑制できていることが分かる（なお、スタブ線路１０６を形成することで、グレーティングローブを約４ｄＢ改善することができた）。

また、スタブ線路１０６は、Ｔ分岐部１０９に接続しなくてもよく、図５に示すように、スタブ線路（図５では、４本のスタブ線路４０６ａ〜４０６ｄ）が、給電源４０５又はＴ分岐部１０９から離れた（即ち、電磁的に結合された）構造であってもよい。なお、図５に示すように、平面アンテナ装置４００のアンテナ素子、給電配線及びスタブ線路から構成されるパターンは、中心線４１２に対して左右対称（線対称）のパターンを有している。

なお、上記図１に示すスタブ線路１０６は１本であるが、複数本あってもよい。また、本発明では、４アンテナ素子×４（即ち、８対のアンテナ素子）で構成される平面アンテナ装置を用いて説明したが、１アンテナ素子×２（即ち、１対のアンテナ素子）、２アンテナ素子×２、２アンテナ素子×４及びその他の複数のアンテナ素子から構成される平面アンテナ装置にも適用が可能である。

さらに、本発明に係る平面アンテナ装置のアンテナ素子、給電配線及び前記スタブ線路から構成されるパターンは、当該平面アンテナ装置の中心に関して、点対称又は線対称となるように構成することができる。

さらに、本実施形態は共振周波数を２６．４ＧＨｚとして設計したが、異なる共振周波数になるようにアンテナ素子を設計してもよい。また、本実施形態では給電配線を１００Ωとしたが、例えば５０Ωなどでもよい。

本発明に係る平面アンテナ装置は、スタブ線路を設けることによりＨ面角度に対する放射特性を改善することができるため、高周波または広帯域用のアンテナ装置として非常に有効である。

本発明に係る平面アンテナ装置の上面図である。 本発明に係る１対のアンテナ素子の上面図である。 本発明に係る平面アンテナ装置の放射特性を表す図である。 スタブ線路が形成されていない従来の平面アンテナ装置の上面図である。 本発明に係るその他の平面アンテナ装置の上面図である。 従来の平面アンテナ装置の上面図である。 従来の平面アンテナ装置の放射特性を表す図である。

符号の説明

１０ １対のアンテナ素子
１００、２００ 平面アンテナ装置
１０１、３０１、４０１、１００１ アンテナ素子
１０２、３０２、４０２、１００２ 給電配線
１０１ａ 第１アンテナ素子
１０１ｂ 第２アンテナ素子
１０３ａ 第１スリット
１０３ｂ 第２スリット
１０４ａ 第１給電点
１０４ｂ 第２給電点
１０５、３０５、４０５、１００５ 給電源
１０６ スタブ線路
４０６ａ〜４０６ｄ スタブ線路
１０９、３０９、４０９、１００９ Ｔ分岐部
１１０ 誘電体基板
１１１ スタブ線路が形成されたＴ分岐部
１１２、４１２ 中心線
１０００ 平面アンテナ装置
１０１０ 非対称Ｔ分岐部

Claims (4)

1. 裏面に接地導体が形成された誘電体基板の上に、少なくとも１対のアンテナ対と給電配線とを備える平面アンテナ装置であって、
   前記アンテナ対は、第１スリットを有する第１アンテナ素子および第２スリットを有する第２アンテナ素子を有しており、
   前記平面アンテナ装置は、一のアンテナ対を構成するアンテナ素子と、前記一のアンテナ対に隣接する他のアンテナ対を構成するアンテナ素子との間に、スタブ線路が形成されている
   ことを特徴とする平面アンテナ装置。
2. 前記スタブ線路は、前記一のアンテナ対を構成するアンテナ素子と、前記隣接するアンテナ対を構成するアンテナ素子との間の前記給電配線の分岐部に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の平面アンテナ装置。
3. 前記アンテナ対、前記給電配線及び前記スタブ線路から構成されるパターンが、当該平面アンテナ装置の中心に関して、線対称又は点対称である
   ことを特徴とする請求項１記載の平面アンテナ装置。
4. 前記スタブ線路は、電力を供給する給電源又は前記給電配線と、電気的又は電磁的に結合している
   ことを特徴とする請求項１記載の平面アンテナ装置。

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