JP2009284088A - マイクロストリップアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、小型の指向性制御可能なマイクロストリップアンテナの提供を目的とする。
【解決手段】給電素子である給電パッチ１４と、給電パッチ１４と電磁結合する非励振素子である複数の非励振パッチ１５から構成される第１の非励振パッチ群とが共に設けられた表面を有する第１の誘電体基板１１と、第１の誘電体基板１１の表面と対向する表面を有する第１の誘電体基板であって、該対向する表面に、給電パッチ１４と少なくとも電磁結合する非励振素子である複数の非励振パッチ２５から構成される第２の非励振パッチ群が設けられた第２の誘電体基板２１と、第１の誘電体基板１１の裏面に設けられ、第１の非励振パッチ群に含まれる非励振パッチ１５に装荷されるリアクタンス可変回路４０とを備える、マイクロストリップアンテナ。
【選択図】図１

Description

本発明は、リアクタンス可変回路を備えるマイクロストリップアンテナに関する。

従来、パッチ型のマイクロストリップアンテナとして、アンテナの放射主軸に対して直角であって、相互に直交するＰ軸・Ｑ軸の軸線上の方向に１個または複数個の線状もしくは帯状の非励振素子をパッチ周縁の外側に近接して設け、パッチの共振モードの方向をＰ軸とし、前記Ｐ軸線上の方向に設けた非励振素子は誘電体基板に垂直な素子であり、前記Ｑ軸線上の方向に設けた非励振素子は、誘電体基板面に平行して誘電体基板面から離して、Ｐ軸方向に延在して配置した水平な素子もしくは前記水平素子の中心を誘電体基板面に接地したＴ型の素子であることを特徴とするマイクロストリップアンテナが知られている（例えば、特許文献１参照）。

一方、アンテナの指向性を制御可能なアンテナ構造体として、給電素子と少なくとも１本の無給電素子とが所定の間隔をおいて配置され、それらの素子がループ型若しくは逆Ｆ型からなるとともに、無給電素子は、可変リアクタンス素子を含み、電気長が変更できる構成とされていることを特徴とするアンテナ構造体が知られている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、マイクロ波やミリ波帯の送受信に用いられる平面アンテナとして、地導体と、誘電体と、複数の放射素子とその放射素子に接続された給電線路とを形成した給電基板と、誘電体と、その放射素子に対応する位置にスロットを複数形成した地導体とを、この順に積層配置して構成したものが知られている（例えば、特許文献３参照）。このように、積層配置にすることによって、アンテナの低背化が可能となる。
特公平６−８２９７７号公報 特開２００５−２５２４０６号公報 特開平１１−２７０３３号公報

しかしながら、マイクロストリップアンテナにおいて、非励振素子に接続されたリアクタンス可変回路によってリアクタンスを変えることによってアンテナの指向性を制御する場合、リアクタンス可変回路の設置場所によっては、マイクロストリップアンテナが全体として大きくなり、マイクロストリップアンテナを採用することによる小型化のメリットを生かすことができない。

そこで、本発明は、小型の指向性制御可能なマイクロストリップアンテナの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るマイクロストリップアンテナは、
給電素子である給電パッチと、該給電パッチと電磁結合する非励振素子である複数の非励振パッチから構成される第１の非励振パッチ群とが共に設けられた表面を有する第１の誘電体基板と、
前記第１の誘電体基板の表面と対向する表面を有する第２の誘電体基板であって、該対向する表面に、前記給電パッチと少なくとも電磁結合する非励振素子である複数の非励振パッチから構成される第２の非励振パッチ群が設けられた第２の誘電体基板と、
前記第１の誘電体基板の裏面に設けられ、前記第１の非励振パッチ群に含まれる非励振パッチに装荷されるリアクタンス可変回路とを備えるものである。

ここで、前記第１の誘電体基板の表面と前記第２の誘電体基板の表面とが対向する対向方向で前記第２の非励振パッチ群に含まれる非励振パッチを投影した各投影領域が、前記給電パッチと前記第１の非励振パッチ群に含まれる非励振パッチの少なくともいずれか一方に重なる部分を有するとよい。

また、前記各投影領域には、前記給電パッチのみに重なる部分を有するものと前記第１の非励振パッチ群に含まれる非励振パッチのみに重なる部分を有するものとが含まれると好適である。

また、前記第１の非励振パッチ群に含まれる非励振パッチが、前記給電パッチに関して対称に配置されると好ましい。また、前記第１の非励振パッチ群が、方形状の前記給電パッチの周囲に配置された複数の非励振パッチから構成されるとよく、前記第１の非励振パッチ群には、前記給電パッチの対角方向に該対角の外側に配置された複数の非励振パッチが含まれてもよいし、前記給電パッチの対辺の外側に配置された複数の非励振パッチが含まれてもよい。

また、前記リアクタンス可変回路が、前記給電パッチの対辺の外側に配置された複数の非励振パッチに装荷されてもよいし、前記給電パッチの周囲に配置された全非励振パッチに装荷されてもよい。

また、前記第１の誘電体基板と前記第２の誘電体基板との間に、前記給電パッチ及び前記第１の非励振パッチ群と前記第２の非励振パッチ群とを絶縁するスペーサであって前記第１及び第２の誘電体基板より誘電率が低いスペーサを備えると好ましい。

本発明によれば、指向性制御可能なマイクロストリップアンテナを小型化することができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。図１は、本発明の一実施形態であるマイクロストリップアンテナ１００の模式的な構造図である。マイクロストリップアンテナ１００は、その指向性を電気的に制御可能なエスパーアンテナである。マイクロストリップアンテナ１００は、給電素子である正方形の給電パッチ１４と、給電パッチ１４と電磁結合する非励振素子である８つの正方形の非励振パッチ１５（１５Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ）とが共に設けられた表面を有する第１の誘電体基板１１と、給電パッチ１４と少なくとも電磁結合する非励振素子である９つの正方形の非励振パッチ２５（２５Ａ〜Ｉ）が設けられた表面を有する第２の誘電体基板２１と、非励振パッチ１５に装荷されるリアクタンス可変回路４０（図１に示されるリアクタンス可変回路４０は、非励振パッチ１５Ｄに装荷されたもの）とを備える。

なお、図１において、Ｘ方向及びＹ方向は、誘電体基板１１の表面（給電パッチ１４の表面）に平行な方向であり、互いに直交する方向である。すなわち、Ｘ方向及びＹ方向は、給電パッチ１４の放射主軸の方向（Ｚ方向）に対して直角である。図１の場合、Ｙ方向は給電パッチ１４の辺１４ｄ（１４ｃ）に平行な方向であり、Ｘ方向は辺１４ｄ（１４ｃ）に垂直な方向である。

誘電体基板１１の表面には給電パッチ１４が形成され、誘電体基板１１の裏面には銅箔等の導電材によって導電性の地板１２が形成されている。放射素子である給電パッチ１４への給電は、誘電体基板１１の裏面側から行われ、１３はその給電点である。給電点１３は、例えば、誘電体基板１１の表面側と裏面側とを結ぶピン構造をしている。給電点１３及びそのピンは、地板１２には電気的に接続されていない。すなわち、誘電体基板１１の裏側の給電部は、その裏側の給電部の僅かな周囲を除いて、銅箔等の導電材で覆われている。給電点１３は、Ｙ方向では給電パッチ１４の中心に位置し、Ｘ方向では給電パッチ１４の一方の辺側にずれて位置する（図１では、辺１４ｃ側にずれている）。したがって、Ｘ方向が、共振電流が流れる方向であって、共振モードの方向である。

８つの非励振パッチ１５Ａ〜Ｉは、第１の非励振パッチ群として、一定の配列規則に従って配置される。給電パッチ１４の四辺のうちの対辺１４ａ，１４ｂの外側に配置された非励振パッチ１５Ｄと１５Ｆが、給電パッチ１４に関してＹ方向に対称に配置される。給電パッチ１４の対辺１４ｃ，１４ｄの外側に配置された非励振パッチ１５Ｂと１５Ｈが、給電パッチ１４に関してＸ方向に対称に配置される。また、給電パッチ１４の対角方向に該対角の外側に配置された非励振パッチ１５Ａと１５Ｉが、給電パッチ１４に関して対角方向に対称に配置される。給電パッチ１４の対角方向に配置された１５Ｃと１５Ｇについても同様である。これらの非励振パッチは、方形の給電パッチ１４の重心に対して点対称である。

方形状の各非励振パッチ１５は、自身以外の他の非励振パッチ１５及び放射器である給電パッチ１４との間で電磁結合が取れる位置に配置される。例えば、給電パッチ１４の各辺に対向して設けられた非励振パッチ１５Ｂ，Ｄ，Ｆ，Ｈは、それぞれの対向する給電パッチ１４の縁部である辺から互いに等距離に位置し、給電パッチ１４の各頂点に対向して対角方向に設けられた非励振パッチ１５Ａ，Ｃ，Ｇ，Ｉは、それぞれの対向する給電パッチ１４の頂点から互いに等距離に位置する。一の非励振パッチと給電パッチ１４との間又は一の非励振パッチと他の非励振パッチとの間において、各パッチの辺はそれと隣接して対向するパッチの辺と平行である。また、例えば、マイクロストリップアンテナ１００が受信する電磁波の波長をλとすると、給電パッチ１４の辺とそれに対向する非励振パッチの辺との対向方向の間隔（例えば、給電パッチ１４の辺１４ａと辺１４ａに対向する非励振パッチ１５Ｄの辺１５ＤｂとのＹ方向の間隔）は、０．０５λ以上０．５λ以下に設定されるとよい。このように、給電パッチ１４の周囲に非励振パッチ１５を配列することによって、給電パッチ１４に平行な平面（Ｘ−Ｙ平面）内の方向での電磁結合を強化することができる。

一方、誘電体基板２１の表面（図上、誘電体基板２１の下面に配置されているため、点線で表示）には非励振パッチ２５が形成される。９つの非励振パッチ２５Ａ〜２５Ｉは、第２の非励振パッチ群として、一定の配列規則に従って配置される。誘電体基板２１上の隣接する非励振パッチ２５同士の間隔は、上述の誘電体基板１１上の隣接するパッチ同士の間隔と略等しい。誘電体基板１１の表面と誘電体基板２１の表面とが対向する対向方向（図上、上下方向）で非励振パッチ２５を投影した各投影領域が、給電パッチ１４と非励振パッチ１５Ａ〜Ｉの少なくともいずれか一方に重なる部分を有する。

対向方向で非励振パッチ２５Ｅを投影した投影領域は、非励振パッチ１５には重ならずに給電パッチ１４のみに重なる。対向方向で非励振パッチ２５Ａを投影した投影領域は、給電パッチ１４や非励振パッチ１５Ｂ〜Ｉには重ならずに非励振パッチ１５Ａのみに重なる。同様に、対向方向で非励振パッチ２５Ｂを投影した投影領域など、第２の非励振パッチ群に属する一の非励振パッチを投影した投影領域についても、第１の非励振パッチ群に属し且つ当該一の非励振パッチと対向方向に対置関係にある一の非励振パッチのみに重なる。このように、上下の基板のそれぞれの表面を重ね合わせることによって、上下のパッチが対向する。

図１には図示していないが、誘電体基板１１と誘電体基板２１との間に、給電パッチ１４及び第１の非励振パッチ群と第２の非励振パッチ群とを絶縁するスペーサを備える。図３は、マイクロストリップアンテナ１００の側面図である。誘電体基板１１と誘電体基板２１を絶縁するため、誘電体基板１１及び誘電体基板２１より誘電率が低いスペーサ３１を備える。スペーサ３１の厚さを変更することによって、上下の基板のパッチが接触せずに、給電パッチ１４と非励振パッチ２５との電磁結合の結合度や非励振パッチ１５と非励振パッチ２５との電磁結合の結合度を調整することができる。また、スペーサ３１を設けることによって、上下の基板間の距離を一定に安定して保つことができる。スペーサ３１の具体例として、発泡スチロール等の緩衝材が挙げられる。

また、マイクロストリップアンテナ１００の指向性を制御するために、リアクタンス可変回路が備えられる。図２は、非励振パッチ１５に接続されるリアクタンス可変回路の一例である。非励振パッチ１５は、リアクタンス可変回路と接続されることにより、指向性を変化させることができる。非励振パッチ１５のそれぞれに、このリアクタンス可変回路４０が設けられる。リアクタンス可変回路４０は、抵抗５１、第１の誘導素子５３、第２の誘導素子５５の順番で入力端子ｄｃから出力端子ＲＦに向けて直列に接続され、抵抗５１と第１の誘導素子５３との中間点と接地点との間に容量素子５２が設けられ、第１の誘導素子５３と第２の誘導素子５５との中間点と接地点との間にバラクタ５４が設けられた、回路である。リアクタンス可変回路４０は、入力端子ｄｃから入力される直流電圧値に応じてバラクタ５４の特性を変化させることで、リアクタンスを変化させる回路である。出力端子ＲＦが非励振素子に接続される。このリアクタンスの値に応じて、非励振素子は導波器になるため（又は、反射器になるため）、マイクロストリップアンテナ１００の指向性を変化させることができる。

リアクタンス可変回路４０は、例えば、給電パッチ１４に対してＸ方向に位置する非励振パッチ１５Ｂと１５Ｈに電気的に接続される。これによって、Ｘ方向の指向性を精度良く制御することができる。また、リアクタンス可変回路４０は、例えば、給電パッチ１４に対してＹ方向に位置する非励振パッチ１５Ｄと１５Ｆに電気的に接続される。これによって、Ｙ方向の指向性を精度良く制御することができる。これらを組み合わせることによって、Ｘ方向とＹ方向の指向性を共に精度良く制御することができる。そして、給電パッチ１４の周囲の全ての非励振パッチ（図１では、８つ）にリアクタンス可変回路４０を取り付けることによって、指向性の方向を全方向で精度よく制御できる。

また、誘電体基板１１の表面側に設置された非励振パッチ１５と誘電体基板１１の裏側に設置されたリアクタンス可変回路４０は、誘電体基板１１の貫通孔を通る導線を介して、互いに電気的に接続される。図３には、貫通孔１１Ｂ，Ｄ，Ｈが示されている。リアクタンス可変回路４０を非励振パッチ１５の配置面と反対の面に配置することによって、アンテナの放射に妨害とならず、リアクタンス可変回路の配置によるアンテナの放射特性への影響を抑えることができる。また、上下の基板を重ねることによって電磁結合を強化しているため、リアクタンス可変回路の配置による当該上下方向の電磁結合の強化に対する影響を抑えることができる。

したがって、マイクロストリップアンテナ１００は、リアクタンス可変回路を設けたとしても、小型化しやすく、指向性を精度良く制御可能な良好なアンテナ特性を得ることができる。例えば、基板１１，２１及びスペーサ３１の厚さをそれぞれ０．８ｍｍとすると、マイクロストリップアンテナ１００の全高は２．４ｍｍとなるため、低背化することができる。また、基板１１，１２の誘電率を大きくすることによって、更なる小型化を図ることができる。そして、小型化により電磁界結合が弱くなったとしても、給電素子の周囲に非励振素子を多く配置することによって、その分を補うことができる。

また、マイクロストリップアンテナ１００は、特に、車外の通信設備や放送設備と送受信又は受信を無線でするための車載アンテナ装置としての使用に適している。低背化しているため、車両の外板等の車体に設置しやすい。この場合の車載アンテナ装置は、例えば、人や自転車などの自車周辺の障害物などを検知するためのアンテナとして使用されると好適である。また、車載アンテナ装置は、例えば、人や自転車などの自車周辺の障害物に関する検知情報や車両周辺情報、車両登録情報、音声情報、画像情報、通話情報、車車間通信情報、ＥＴＣ用通信情報、テレビ放送波などのデータを受信又は送受信するために用いられると好適である。特に、マイクロ波やミリ波の周波数帯で使用されると好適であり、例えば、２．４ＧＨｚ帯や５．８ＧＨｚ帯での周波数帯での使用が可能である。

図４は、本発明の一実施形態であるマイクロストリップアンテナ２００の構成図である。図１と同様の構成については、その説明を省略する。マイクロストリップアンテナ２００は、方形状の給電パッチ１４と、給電パッチ１４と電磁結合する４つの方形状の非励振パッチ１５（１５Ｂ，Ｄ，Ｆ，Ｈ）とが共に設けられた表面を有する誘電体基板１１と、給電パッチ１４及び他の非励振パッチと電磁結合する４つの方形状の非励振パッチ２５（２５Ｂ，Ｄ，Ｆ，Ｈ）が設けられた表面を有する誘電体基板２１と、非励振パッチ１５に装荷されるリアクタンス可変回路４０とを備える。

誘電体基板１１の表面と誘電体基板２１の表面とが対向する対向方向（図上、上下方向）で非励振パッチ２５を投影した各投影領域が、給電パッチ１４と非励振パッチ１５Ｂ，Ｄ，Ｆ，Ｈの少なくともいずれか一方に重なる部分を有する。非励振パッチ２５Ｂと非励振パッチ２５Ｈは、誘電体基板２１の中央の方向に近接させて配置することによって、給電パッチ１４と非励振パッチ２５Ｂ，Ｈとの間の電磁結合を密にすることができる。

対向方向で非励振パッチ２５Ｂを投影した投影領域は、給電パッチ１４と非励振パッチ１５Ｂに重なる。対向方向で非励振パッチ２５Ｈを投影した投影領域は、給電パッチ１４と非励振パッチ１５Ｈに重なる。対向方向で給電パッチ２５Ｄを投影した投影領域は、対向方向に対置関係にある非励振パッチ１５Ｄのみに重なり、対向方向で給電パッチ２５Ｆを投影した投影領域は、対向方向に対置関係にある非励振パッチ１５Ｆのみに重なる。

このように、第２の非励振パッチ群に属する非励振パッチの投影領域が給電パッチと非励振パッチの両方に重なるようにすることによって、第２の非励振パッチ群に属する非励振パッチの数を減らすことができる。すなわち、下側基板のパッチの数（給電パッチを含めて）と上側基板のパッチの数は必ずしも等しくする必要はない。

リアクタンス可変回路の配置は、図１のアンテナ１００の上述の場合と同様である。例えば、リアクタンス可変回路４０は、例えば、給電パッチ１４に対してＸ方向に位置する非励振パッチ１５Ｂと１５Ｈに電気的に接続される。これによって、非励振パッチ１５Ｂから１５Ｈの間の１８０°の指向性を精度良く制御することができる。

したがって、マイクロストリップアンテナ２００は、リアクタンス可変回路を設けたとしても、小型化しやすく、指向性を精度良く制御可能な良好なアンテナ特性を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例において、給電パッチ１４への給電方式を、位相をずらした２点給電方式、又は縮退分離素子を使用した１点給電方式とすることによって、直線偏波に限らず、円偏波を制御することができる。

また、給電パッチ１４と非励振パッチ１５，２５は、正方形に限らず、各パッチ同士が電磁結合可能な位置関係にあってアンテナの要求機能を満たす限り、長方形、平行四辺形、ひし形、台形などの方形状でもよく、四辺以上の辺を有する多角形の形状でもよい。また、給電パッチ１４の面積と非励振パッチ１５，２５の面積は、各パッチ同士が電磁結合可能な位置関係にあってアンテナの要求機能を満たす限り、互いに等しくても異なっていてもよい。

本発明の一実施形態であるマイクロストリップアンテナ１００の構成図である。 非励振素子に接続されるリアクタンス可変回路の一例である。 マイクロストリップアンテナ１００の側面図である。 本発明の一実施形態であるマイクロストリップアンテナ２００の構成図である。

符号の説明

１１，２１ 誘電体基板
１２ 地板
１３ 給電点
１４ 給電パッチ
１５，２５ 非励振パッチ
３１ スペーサ
４０ リアクタンス可変回路
１００，２００ マイクロストリップアンテナ

Claims (10)

1. 給電素子である給電パッチと、該給電パッチと電磁結合する非励振素子である複数の非励振パッチから構成される第１の非励振パッチ群とが共に設けられた表面を有する第１の誘電体基板と、
   前記第１の誘電体基板の表面と対向する表面を有する第２の誘電体基板であって、該対向する表面に、前記給電パッチと少なくとも電磁結合する非励振素子である複数の非励振パッチから構成される第２の非励振パッチ群が設けられた第２の誘電体基板と、
   前記第１の誘電体基板の裏面に設けられ、前記第１の非励振パッチ群に含まれる非励振パッチに装荷されるリアクタンス可変回路とを備える、マイクロストリップアンテナ。
2. 前記第１の誘電体基板の表面と前記第２の誘電体基板の表面とが対向する対向方向で前記第２の非励振パッチ群に含まれる非励振パッチを投影した各投影領域が、前記給電パッチと前記第１の非励振パッチ群に含まれる非励振パッチの少なくともいずれか一方に重なる部分を有する、請求項１に記載のマイクロストリップアンテナ。
3. 前記各投影領域には、前記給電パッチのみに重なる部分を有するものと前記第１の非励振パッチ群に含まれる非励振パッチのみに重なる部分を有するものとが含まれる、請求項２に記載のマイクロストリップアンテナ。
4. 前記第１の非励振パッチ群に含まれる非励振パッチが、前記給電パッチに関して対称に配置される、請求項２又は３に記載のマイクロストリップアンテナ。
5. 前記第１の非励振パッチ群が、方形状の前記給電パッチの周囲に配置された複数の非励振パッチから構成される、請求項２から４のいずれか一項に記載のマイクロストリップアンテナ。
6. 前記第１の非励振パッチ群には、前記給電パッチの対角方向に該対角の外側に配置された複数の非励振パッチが含まれる、請求項５に記載のマイクロストリップアンテナ。
7. 前記第１の非励振パッチ群には、前記給電パッチの対辺の外側に配置された複数の非励振パッチが含まれる、請求項５又は６に記載のマイクロストリップアンテナ。
8. 前記リアクタンス可変回路が、前記給電パッチの対辺の外側に配置された複数の非励振パッチに装荷される、請求項７に記載のマイクロストリップアンテナ。
9. 前記リアクタンス可変回路が、前記給電パッチの周囲に配置された全非励振パッチに装荷される、請求項８に記載のマイクロストリップアンテナ。
10. 前記第１の誘電体基板と前記第２の誘電体基板との間に、前記給電パッチ及び前記第１の非励振パッチ群と前記第２の非励振パッチ群とを絶縁するスペーサであって前記第１及び第２の誘電体基板より誘電率が低いスペーサを備える、請求項１から９のいずれか一項に記載のマイクロストリップアンテナ。

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