JP2012049732A

JP2012049732A - 円偏波アンテナ

Info

Publication number: JP2012049732A
Application number: JP2010188796A
Authority: JP
Inventors: Naomi Shizuka; 尚己志塚; Ryohei Satake; 亮平佐竹; Hisamatsu Nakano; 久松中野
Original assignee: HOKO DENSHI KK
Current assignee: HOKO DENSHI KK
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2012-03-08

Abstract

【課題】アンテナの高さ方向での低姿勢化を実現した円偏波アンテナを提供する。
【解決手段】円偏波を送受信する円偏波アンテナにおいて、多層構造の絶縁性基板と、前記基板の層上に個別に形成された２以上のアンテナ素子と、グランド板とを有している。前記２以上のアンテナ素子は、円錐螺旋の一部をなす線分であって、且つ前記基板の層上に平面構造として形成されたものであり、上下に配置された前記アンテナ素子のうち下層アンテナ素子の終端と上層アンテナ素子の始端とが、前記基板のビアにより電気的に接続されている。さらに、最下層の前記アンテナ素子の始端側が給電点であり、前記グランド板は、前記給電点側の前記絶縁性基板の端面に装備されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、円偏波を送受信する円偏波アンテナに関する。

円偏波アンテナは、例えば衛星通信等に使用されている。前記円偏波アンテナとしては、特許文献１に開示されたカールアンテナ素子や、特許文献２に開示された各種のアンテナ素子などが開発されている。

特許文献１に開示されたカールアンテナ素子は、少なくともカール素子と、軸要素とを有するカールアンテナ素子であって、前記カール素子の巻数が１〜約１．５巻の範囲として線状素材をカール状に成形したものであり、前記軸要素が線状素材からなり、横方向に張り出した軸要素の一部を構成する枝部が前記カール素子のカール状線状素材の巻き始端又は巻き終端に結合された構造に構成してある。

特許文献２に開示された放射素子としては、先端部がカール状に形成されたカール素子や、スパイラル素子，ヘリカル素子，平面内で折り曲げられたジグザグ素子等が用いられている。

特公平０８−１７２８９号公報特開平１１−３０８０２０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたカールアンテナ素子は、少なくともカール素子と、軸要素とを有しており、軸要素の立ち上がり部が高さ方向に立ち上がり、その軸要素から伸びる枝部がカール要素の巻き始端に向けて上傾姿勢で前記立ち上がり部から横方向に張り出して設けられている、すなわち、前記枝部が前記軸要素の立ち上がり部に対して上傾した姿勢を保つ必要があり、その高さ方向での寸法を低姿勢にするには限界があった。

また、特許文献２に開示された放射素子は、特許文献２の図３（ａ）〜（ｄ）からも明らかなように、線状素材からなる軸要素が存在し、その軸要素が高さ方向に立ち上がっているため、その高さ方向での寸法を低姿勢にするには限界があった。

さらに、特許文献１及び特許文献２に開示されたアンテナを含めて現在開発されている円偏波アンテナは、その使用帯域が狭く、使用帯域の広帯域化が望まれている。

本発明の目的は、アンテナの高さ方向での低姿勢化を実現し、さらには使用帯域の広帯域化に応えられる円偏波アンテナを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る円偏波アンテナは、円偏波を送受信する円偏波アンテナにおいて、多層構造の絶縁性基板と、前記基板の層上に個別に形成された２以上のアンテナ素子と、グランド板とを有し、
前記２以上のアンテナ素子は、円錐螺旋の一部をなす線分であって、且つ前記基板の層上に平面構造として形成されたものであり、
上下に配置された前記アンテナ素子のうち下層アンテナ素子の終端と上層アンテナ素子の始端とが、前記基板のビアにより電気的に接続され、
最下層の前記アンテナ素子の始端側が給電点であり、前記グランド板は、前記給電点側の前記絶縁性基板の端面に装備された構造であることを特徴とするものである。

以上の様に本発明によれば、多層構造の基板を用い、アンテナ素子を前記基板の層上に円錐螺旋の一部をなす線分であって平面構造として形成したことにより、アンテナの高さ方向でアンテナ素子相互を接近させることが可能となり、アンテナの高さ方向での低姿勢を実現することができるものである。

さらに、上層のアンテナ素子の線幅と下層のアンテナ素子の線幅とを異ならせたことにより、給電点側に対するアンテナ素子のインピーダンスマッチングを容易にとることができ、これにより使用帯域を拡大することができるものである。

図１は、本発明の実施形態に係る円偏波アンテナを示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る円偏波アンテナを基板の層毎に分解して図示した図であって、（ａ）は、基板の第２層上に形成されたアンテナ素子を示す平面図、（ｂ）は、基板の第１層上に形成されたアンテナ素子を示す平面図、（ｃ）は、基板の最下層に装備されたグランド板を示す平面図である。図３は、図１に示す円偏波アンテナをｚ−ｙ面で断面した断面図である。図４は、本発明の実施形態に係る円偏波アンテナにおける軸比を測定した結果を示す特性図である。図５は、本発明の実施形態に係る円偏波アンテナにおけるＶＳＷＲを測定した結果を示す特性図である。図６は、本発明の実施形態に係る円偏波アンテナにおけるゲインを測定した結果を示す特性図である。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて詳細に説明する。

本発明の実施形態に係る円偏波アンテナは図１〜図３に示す様に、絶縁性基板１と、２以上のアンテナ素子２_１，２_２，・・・２_ｎと、グランド板３とを有している。なお、以下の説明では、２個のアンテナ素子２_１，２_２を用いた例を説明するが、前記アンテナ素子は２以上であれば、その個数に制限を受けることはないものである。

前記絶縁性基板１は図１及び図３に示すように、多層構造になっている。図１及び図３に示す例では、２個のアンテナ素子２_１，２_２を用いているため、絶縁性基板１は下層１_１と上層１_２との２層構造になっており、各層１_１，１_２上には前記アンテナ素子２_１，２_２が個別に形成されている。前記アンテナ素子２_１，２_２が前記絶縁性基板１の層１_１，１_２上に個別に形成されているため、上下に配置されるアンテナ素子２_１，２_２の相互間が各層１_１，１_２により電気的に絶縁されることとなる。
なお、図１及び図３に示す例では、絶縁性基板１を２層構造としたが、これに限られるものではなく、２以上のアンテナ素子２_１，２_２・・・２_ｎを個別に支持すると共にこれらのアンテナ素子２_１，２_２・・・２_ｎの相互間を電気的に絶縁可能な積層構造であれば、その層数に制限を受けるものではない。

図２（ａ）（ｂ）では、アンテナ素子２_１，２_２に斜線を付して基板の層と区別しており、図２（ｃ）では、グランド板３に斜線を付して基板の層と区別している。
前記２個のアンテナ素子２_１，２_２は図２（ａ），（ｂ）に示す様に、円錐螺旋の一部をなす線分２_１ａ，２_２ａであって、且つ前記絶縁性基板１の下層１_１と上層１_２とに平面構造として形成されている。ここで、前記平面構造について説明する。前記円錐螺旋は、螺旋が円錐形をなす立体構造であり、前記円錐螺旋の一部をなす線分が立体構造、すなわち図１及び図３において、ｘｙ面を起点としてｚ方向に円錐形状をなす構造であるが、前記平面構造は、前記円錐螺旋の一部をなす線分を水平面であるｘｙ面上に投影する等の技法を駆使してｘｙ面上での線分とした構造を意味している。ここで、前記線分２_１ａ，２_２ａは帯状とすることにより平面構造としたが、これに限られるものではない。
さらに、前記絶縁性基板１には図２（ａ）（ｂ）及び図３に示すように、上層のアンテナ素子２_２の始端２_ａ２と下層のアンテナ素子２_１の終端２_ｂ１との位置にアンテナの高さ方向（図のｚ方向）に向けたビア４が形成され、最下層となるアンテナ素子２_１の始端２_ａ１の位置にアンテナの高さ方向（図のｚ方向）に向けたビア５が形成されている。ここで、前記ビア４，５は、狭義でのビア構造ばかりでなく、スルーホール構造或いは金属ピン構造なども含み、前記ビア４，５は基板１の層構造を貫通して形成された電気的な接続構造であれば、いずれのものであってもよいものである。
さらに図２（ａ）（ｂ）及び図３に示すように、前記上層のアンテナ素子２_２の始端２_ａ２と前記下層のアンテナ素子２_１の終端２_ｂ１とは、前記基板１のビア４により電気的に接続されている。さらに、前記下層のアンテナ素子２_１の始端２_ａ１、特に直線状の線分２_１ｂの始端２_ａ１には、前記基板１のビア５が電気的に接続され、前記ビア５が給電点として機能する。前記給電点（ビア５）には、アンテナの可逆性により、送信アンテナとして用いる際に送信信号が入力し、受信アンテナとして用いる際に受信信号が出力される。

さらに、前記最下層のアンテナ素子２_１は図２（ｂ）に示す様に、前記円錐螺旋の一部をなす線分２_１ａに、前記始端２_ａ１側で前記給電点（ビア５）に接続した直線状の線分２_１ｂを含んでいる。
さらに図２（ａ）（ｂ）に示す様に、前記上層のアンテナ素子２_２の線幅Ｗ_２と、前記下層のアンテナ素子２_１の線幅Ｗ_１とを異ならせる（Ｗ_１≠Ｗ_２）、或いは等しく（Ｗ_１＝Ｗ_２）させている。
図２（ａ）（ｂ）の例では、前記上層のアンテナ素子２_２の線幅Ｗ_２と、前記下層のアンテナ素子２１の線幅Ｗ_２との関係を、Ｗ_１≦Ｗ_２に設定しているが、Ｗ_１≧Ｗ_２に設定してもよいものである。図２（ａ）（ｂ）においては、上層のアンテナ素子２_２の線幅Ｗ_２と下層のアンテナ素子２_１の線幅Ｗ_１とを異ならせることにより、給電点側に対するアンテナ素子２_１，２_２のインピーダンスマッチングを容易にしているが、前記アンテナ素子２_１，２_２の線分２_１ａ，２_２ａの長さ調整などにより、給電点側に対するアンテナ素子２_１，２_２のインピーダンスマッチングが容易にとれる場合には、前記上層のアンテナ素子２_２の線幅Ｗ_２と、前記下層のアンテナ素子２_１の線幅Ｗ_２との関係を、Ｗ_１＝Ｗ_２に設定してもよいものである。

また、前記アンテナ素子２_２は図２（ａ）に示すように、下層のアンテナ素子２_１とビア４により電気的に接続するため、その接続代を考慮してその両端部２_ａ２，２_ｂ２を角度１８０°より拡げている。また、前記アンテナ素子２_１は図２（ｂ）に示すように、ビア４，５に電気的に接続するため、その接続代を考慮してその両端部２_ａ１，２_ｂ１を延長させている。

さらに、前記グランド板３は図２（ｃ）に示すように、前記給電点（ビア５）側の前記基板１の端面に装備され、前記グランド板３は、利得を改善するようになっている。前記グランド板３には図２（ｃ）に示すように、ほぼ中央部に開口３ａが形成されており、前記ビア５は、前記グランド板３の開口３ａに通して前記基板１の下層１_１及び上層１_２を貫通した状態に形成され、前記ビア５と前記グランド板３とは、前記開口３ａにより電気的に絶縁されている。

次に、動作波長をλとした場合における円偏波アンテナの寸法の一例を示す。前記絶縁性基板１及び前記グランド板３の直径を１．１８３λ、前記絶縁性基板１の下層１_１及び上層１_２の厚さを０．１０５λ、前記アンテナ素子２_１の直線状線分２_１ｂを０．２０４λ、前記ビア４，５の直径を０．０５２６λにそれぞれ設定した。さらに、前記アンテナ素子２_１，２_２の線分２_１ａ，２_１ｂ、２_２ａをなす円錐螺旋のスパイラル係数を０．０１０６λに設定し、下層アンテナ素子２_１をなす線分２_１ａの円錐螺旋の巻始め角度φ_ｓｔを０．２９６πλとした場合における線分２_１ａの巻き終わり角度φ_ｍを０．３３２πλ、上層のアンテナ素子２２の巻き終わり角度φ_endを０．３９９πλにそれぞれ設定した。この寸法は一例であって、これらの寸法に限られるものではない。

上述した寸法をもつ円偏波アンテナを受信用として用いた場合の性能について検証する。

先ず、軸比（ＡＲ：Axle Ratio）を測定した。その結果を図４に示す。図４において、横軸が周波数（ＧＨｚ）を示し、縦軸がＡＲ（軸比：ｄＢ）を示している。円偏波アンテナの場合、軸比が３ｄＢ以下である場合に真円偏波であり、３ｄＢ以上の場合に楕円偏波となることが分かっている。
図４に示す様に、周波数が１１ＧＨｚ付近では、軸比が３ｄＢ以上となり楕円偏波であるが、１１．５ＧＨｚ〜１３．３ＧＨｚまでの周波数帯域では、軸比が３ｄＢ以下に抑えられており、真円偏波であることの結果を得た。

次に、ＶＳＷＲ(Voltage Standing Wave Ratio)を測定した。その結果を図５に示す。図５において、横軸が周波数ＧＨｚを示し、縦軸はＶＳＷＲを示している。
図５からすると、周波数が１１．５ＧＨｚ〜１３．３ＧＨｚまでの帯域におけるＶＳＷＲが２以下であることの結果を得た。

次に、ゲイン（Ｇ；ｄＢ）を測定した。その結果を図６に示す。図６において、横軸が周波数を示し、縦軸がゲイン（ｄＢ）を示している。
図６から明らかなように、周波数が１１．５ＧＨｚ〜１３．３ＧＨｚまでの帯域において、ゲインが７ｄＢから６ｄＢの範囲内にあることの結果を得た。

以上の検証結果に基づいて本実施形態に係る円偏波アンテナの性能について考察する。
図４から明らかなように、使用周波数の下限側で楕円偏波になるが、１１．５ＧＨｚ〜１３．３ＧＨｚの範囲において真円偏波となる特性を示している。
さらに、図５から明らかなように、使用周波数の全域でＶＳＷＲが２以下であり、図６から明らかなように、使用周波数のほぼ全域でゲインがほぼ一定しており、このことからしても、広い使用周波数の帯域で必要以上の利得を確保できることを示している。

以上の結果と本実施形態に係る円偏波アンテナの構成との関係を考察する。
本実施形態において、最下層のアンテナ素子２_１を形成する円錐螺旋の一部をなす線分２_１ａに給電点側に向かう直線状の線分２_１ｂを有している。２以上のアンテナ素子２_１，２_２を円錐螺旋の一部をなす線分２_１ａ，２_２ａで形成した場合、最下層のアンテナ素子２_１の電気長が短縮されることとなるが、本実施形態では上述した様に、最下層アンテナ素子２_１の線分２_１ａでの電気長の不足分を直線状の線分２_１ｂで補っているため、最下層アンテナ素子２_１の電気長として必要な長さを確保することができる。
したがって、図４から明らかなように、１１．５ＧＨｚ〜１３．３ＧＨｚまでの使用周波数の帯域では、軸比が３ｄＢ以下に抑えられており、真円偏波による送受信を行う事ができるものである。

さらに、円錐螺旋の線路を用いることが理想的であるが、円錐螺旋の場合に高さ方向（ｚ軸方向）の寸法が大きくなってしまい、低姿勢化を実現することはできないものである。
これに対して、本実施形態では、２以上のアンテナ素子２_１，２_２を円錐螺旋の一部をなす線分２_１ａ，２_１ｂ，２_２ａによって形成し、それらの線分２_１ａ，２_１ｂ，２_２ａを基板１の層１_１，１_２に平面構造として形成し、且つビア４，５により接続することにより、２以上のアンテナ素子２_１，２_２を擬似的な円錐螺旋として構築している。
従って、本実施形態では、アンテナ素子２_１，２_２の相互間を接近させて配置することができ、アンテナの低姿勢化を容易に実現することができる。
さらに、本実施形態では、２以上のアンテナ素子２_１，２_２のなす伝送線路が擬似的な円錐螺旋であって、給電点（ビア５）に対するアンテナ素子２_１，２_２のインピーダンスマッチングをとってＶＳＷＲを図５に示す様に２以下に抑えることができる。
更に、上層のアンテナ素子２_２の線幅Ｗ_２と下層のアンテナ素子２_１の線幅Ｗ_１とを異ならせることにより、給電点側に対するアンテナ素子２_１，２_２のインピーダンスマッチングを容易にして、図５から明らかなように、使用周波数が１１．５ＧＨｚ〜１３．３ＧＨｚまでの帯域におけるＶＳＷＲを２以下にして、使用帯域を広帯域にすることができるとともに、その使用帯域を広帯域化したとしても、図６に示す様に、使用周波数が１１．５ＧＨｚ〜１３．３ＧＨｚまでの帯域において、ゲインが７ｄＢから６ｄＢの範囲内に維持することができ、使用帯域を広帯域化したことによる問題が生じることはないものである。
さらに、IEEE TRANSACTION ON ANTENAS AND PROPAGATION, VOL., NO.11,NOVEMBER 1993に発表されたカールアンテナでは、使用帯域が７％であったが、本実施形態の円偏波アンテナでは、その使用帯域が１６％まで拡大されていることが分かったのである。

半導体の分野で基板に形成する配線を多層化する技術が確立されており、その技術を本実施形態における基板のビア形成に容易に応用することができ、本実施形態におけるアンテナを容易に製造することができる。

さらに、本実施形態では、アンテナ素子を円錐螺旋の一部をなす線分で形成し、下層のアンテナ素子の終端と上層アンテナ素子の始端とを基板のビアで接続し、最下層のアンテナ素子の始端を給電点とする構造であるため、アンテナ素子の相互間を接続するビアの位置と、給電点をなすビアとの位置が平面内に横方向にずれて形成されるため、両ビアが同一位置に配置されることがなく、それぞれのビアを基板の高さ方向に貫いて形成することができ、それぞれのビアを容易に製造することができる。このことは強いては、円偏波アンテナの製造原価を廉価にすることができるものである。

さらに、アンテナ素子の形状を平面構造として基板内に組み入れることができるため、アンテナの高さ方向での寸法を短縮して低姿勢化を実現できる。

更に、アンテナ素子が基板内に組み込まれているため、前記基板の一部にアンテナに関連する外部回路を組み込むことができ、携帯端末や各種の機器に組み込む際にそれらの内部スペースを有効に利用して部品の組込を行うことができる。

さらに、アンテナ素子が基板内に組み込まれているため、平面構造とした場合でも、それらのアンテナ素子が外気に触れることがなく、耐久性に富むアンテナを提供することができる。

さらに、上下に配置されるアンテナ素子の線幅を、下層のアンテナ素子の線幅よりも上層のアンテナ素子の線幅を拡大することにより、使用周波数の帯域を広帯域化することができ、マルチバンドの送受信に対応させることができる。

本発明によれば、アンテナの高さ方向での低姿勢化を実現し、さらには使用帯域の広帯域化に応えられる円偏波アンテナの提供に貢献できるものである。

１基板
２_１，２_２・・・２_ｎアンテナ素子
３グランド板
４ビア
５ビア（給電点）

Claims

円偏波を送受信する円偏波アンテナにおいて、
多層構造の絶縁性基板と、
前記基板の層上に個別に形成された２以上のアンテナ素子と、
グランド板とを有し、
前記２以上のアンテナ素子は、円錐螺旋の一部をなす線分であって、且つ前記基板の層上に平面構造として形成されたものであり、
上下に配置された前記アンテナ素子のうち下層アンテナ素子の終端と上層アンテナ素子の始端とが、前記基板のビアにより電気的に接続され、
最下層の前記アンテナ素子の始端側が給電点であり、前記グランド板は、前記給電点側の前記絶縁性基板の端面に装備された構造であることを特徴とする円偏波アンテナ。
前記最下層のアンテナ素子は、前記円錐螺旋の一部をなす線分に、前記始端側で前記給電点に接続した直線状の線分を含む請求項１に記載の円偏波アンテナ。
前記上層のアンテナ素子の線幅と、前記下層のアンテナ素子の線幅とを異ならせた請求項１に記載の円偏波アンテナ。