JP2013214795A

JP2013214795A - アンテナ

Info

Publication number: JP2013214795A
Application number: JP2012082727A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Oguro; 啓一小黒
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-17

Abstract

【課題】アンテナの広帯域化を図る。
【解決手段】アンテナは、基板１１、引き出し線路１２、給電線路１３、およびパッチアンテナ１４を有している。基板１１の一方の面には、引き出し線路１２、給電線路１３、およびパッチアンテナ１４が形成されている。基板１１の他方の面には、接地面が形成されている。パッチアンテナ１４は、一辺が無線送受信を行う信号波長の半分の大きさを有した最適単位形状を複数有している。給電線路１３は、パッチアンテナ１４の最適単位形状のそれぞれにおいて接続される。
【選択図】図１

Description

本件は、アンテナに関する。

無線通信やレーダに用いられるマイクロ波およびミリ波帯等、短い波長帯域では、送信回路または受信回路とアンテナとで信号を伝送する場合、送信回路または受信回路とアンテナとの間に空洞導波管を介在させている。この導波管を用いた信号伝送には、信号変換手段として導波管−平面回路の変換器が用いられている。

このような導波管−平面回路の変換器は、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１は、例えば、誘電体を上下の導体で挟んだ誘電体基板の下面を接地面とし、上面に配した給電線路とパッチアンテナとを有している。また、特許文献１は、パッチアンテナの周囲を上下に貫くバイアホールで接地面に接続する。

このような構造におけるレーダ機能としての信号経路は、送信時には、送信平面回路から発信された信号が、給電線路とパッチアンテナを介して導波管へ伝達することで電波放射用アンテナに伝えられる。受信時には、その逆の経路をたどり、電波放射用アンテナで受信された信号が、導波管からパッチアンテナを介して給電線路へ伝達されることで受信平面回路に伝えられる。

導波管および給電線路は、上記信号経路において良好な高周波特性を有するために、利用する周波数帯域において、各々伝送線路として極力損失等の高周波特性の劣化が少ない特性インピーダンスを持つ形状を有している。また、導波管および給電線路は、パッチアンテナの共振現象を利用することで特性インピーダンスを変換し、高周波特性の劣化が少ない経路と構造にしている。このとき、パッチアンテナは、１辺がおよそλ／２（λ：誘電体基板上の無線送受信する信号の中心周波数の波長）の正方形の形状を有している。

特開２０１１−５５３７７号公報

しかし、正方形状のパッチアンテナは、電気特性が良好であるが、帯域幅が非常に狭帯域であるという問題点があった。
本件はこのような点に鑑みてなされたものであり、広帯域のアンテナを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、無線信号を送受信するアンテナが提供される。このアンテナは、最適単位形状を複数有するパッチアンテナと、前記パッチアンテナの最適単位形状のそれぞれにおいて接続される給電線路と、を有する。

開示の装置によれば、広帯域を図ることができる。

第１の実施の形態に係るアンテナを示した図である。パッチアンテナに１つの給電線路で信号を給電するアンテナの例を示した図である。図２のアンテナの入力反射損失を示した図である。図２のアンテナの入力インピーダンスを示した図である。図２のアンテナの広帯域化を図ったアンテナの例を示した図のその１である。図２のアンテナの広帯域化を図ったアンテナの例を示した図のその２である。図５および図６のアンテナの入力反射損失を示した図である。図５および図６のアンテナの入力インピーダンスを示した図である。図１のアンテナの電流密度分布を示した図である。図１の２つのパッチアンテナを１つにしたアンテナの電流密度分布を示した図である。図１のアンテナの入力反射損失を示した図である。図２のパッチアンテナのレイアウト例を示した図である。最適単位形状を２つ有するパッチアンテナに対する導波管の配置決めを説明する図である。最適単位形状を３つ有するパッチアンテナに対する導波管の配置決めを説明する図である。

以下、実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係るアンテナを示した図である。図１に示すように、アンテナは、基板１１、引き出し線路１２、給電線路１３、およびパッチアンテナ１４を有している。図１に示すアンテナは、例えば、自動車用レーダに用いられる。

基板１１は、例えば、誘電体基板である。基板１１の一方の面には、図１に示すように、引き出し線路１２、給電線路１３、およびパッチアンテナ１４が形成されている。基板１１の他方の面には、金属導体で形成された接地面が形成されている。

引き出し線路１２は、金属導体で形成され、マイクロストリップ線路を形成している。引き出し線路１２の一方には、給電線路１３が接続され、他方には、図示しない平面回路が接続されている。引き出し線路１２は、図示しない平面回路からの送信信号を、給電線路１３を介してパッチアンテナ１４へ伝達する。また、引き出し線路１２は、パッチアンテナ１４で受信された受信信号を、図示しない平面回路へ伝達する。

給電線路１３は、金属導体で形成されている。給電線路１３は、引き出し線路１２から出力される送信信号をパッチアンテナ１４へ給電する。また、給電線路１３は、パッチアンテナ１４で受信された受信信号を引き出し線路１２へ給電する。

パッチアンテナ１４は、金属導体で形成されている。パッチアンテナ１４の上部には、図示しない導波管が形成される。導波管の上部には、さらに図示しない電波放射用アンテナが形成される。導波管は、基板１１に形成されたバイアホールによって、接地面に接続される。

図１のアンテナは、例えば、基板１１における信号の伝送モード（ＴＥＭモード（Transverse Electromagnetic mode））を、パッチアンテナ１４の共振現象を利用して、導波管モード（ＴＥ（Transverse Electric mode）またはＴＭモード（Transverse Magnetic mode））へ変換する。

給電線路１３によって給電された送信信号は、パッチアンテナ１４を介して導波管に伝達され、図示しない電波放射用アンテナに伝えられる。また、図示しない電波放射用アンテナで受信された受信信号は、導波管を介してパッチアンテナ１４で受信され、給電線路１３へ伝えられる。

パッチアンテナ１４は、図１に示すように、２つに分けられている。それぞれのパッチアンテナ１４は、矩形形状を有しており、最適単位形状を有している。最適単位形状については、後述するが、一辺がλ／２の長さを有した矩形状である。従って、パッチアンテナ１４のそれぞれは、一辺の長さがλ／２となっている。λは、誘電体基板上の無線送受信する信号の中心周波数の波長である。

パッチアンテナ１４のそれぞれの中央部には、給電線路１３が接続されている。すなわち、最適単位形状を有した複数のパッチアンテナ１４のそれぞれに、給電線路１３で送信信号を給電することにより、図１に示すアンテナは、広帯域を実現することができる。同様に、図１に示すアンテナは、受信信号においても、広帯域を実現することができる。

図１に示すように、２つのパッチアンテナ１４の間には、隙間が設けられている。この隙間は、例えば、基板１１の厚さの距離を有しているのが望ましい。
また、図１では、パッチアンテナ１４は、２つとなっているが、１つであってもよい。例えば、図１に示す２つのパッチアンテナ１４の隙間がないようにパッチアンテナを形成してもよい。

ただし、この場合のパッチアンテナは、最適単位形状の整数倍の形状を有しているようにする。例えば、上記の隙間を省略したパッチアンテナは、２つの最適単位形状を有したパッチアンテナとなり、一辺がλ／２の長さを有し、もう一辺がλの長さを有することになる。そして、２つの最適単位形状のそれぞれに、給電線路１３を接続する。

図１に示すアンテナの動作を説明する前に、パッチアンテナに１つの給電線路で信号を給電する場合の動作について説明する。
図２は、パッチアンテナに１つの給電線路で信号を給電するアンテナの例を示した図である。図２には、信号線路２１およびパッチアンテナ２２が示してある。

パッチアンテナ２２は、一辺がλ／２の最適単位形状を有している。パッチアンテナ２２の白黒の濃淡は、電流密度分布を示し、白いほど電流が大きいことを示している。また、黒いほど電流が小さいことを示している。ただし、パッチアンテナ２２は、周囲が開放端なので厳密にはエッジでは電流はゼロであり、全周囲は黒で表示されている。

図２の矢印Ａ１に示すように、電流は、パッチアンテナ２２のｘ方向における中央部分で大きくなっている。また、矢印Ａ２に示すように、電流は、パッチアンテナ２２の上下端で大きくなっている。また、矢印Ａ３に示すように、パッチアンテナ２２の左右両端で、電流は小さくなっている。

なお、図２に示すパッチアンテナ２２の一辺の長さは、誘電率ε_effの誘電体基板上の４ＧＨｚに対応した長さ（λ／２、λ＝光の速度／４ＧＨｚ／√（ε_eff））を有している。そして、図２に示す電流密度分布は、パッチアンテナ２２に４ＧＨｚの送信信号を給電した場合の電流密度分布を示している。

図３は、図２のアンテナの入力反射損失を示した図である。図３のグラフの横軸は周波数を示し、縦軸は入力反射損失を示している。図３では、図２のパッチアンテナ２２の一辺を、４ＧＨｚに対応した長さとした場合の、入力反射損失のシミュレーション結果を示している。

図３に示すように、図２のアンテナは、入力反射損失が小さくなる帯域は狭帯域である。例えば、入力反射係数が−５ｄＢ以下となる帯域は、約３．９ＧＨｚ〜４．１ＧＨｚである。

図４は、図２のアンテナの入力インピーダンスを示した図である。図４のグラフの横軸は周波数を示し、縦軸は実部と虚部のインピーダンスを示している。矢印Ａ１１に示す波形は、実部のインピーダンスを示し、矢印Ａ１２に示す波形は、虚部のインピーダンスを示している。

図４は、図３と同様に、図２のパッチアンテナ２２の一辺を、４ＧＨｚに対応した長さとした場合の、Ｘ点における入力インピーダンスのシミュレーション結果を示している。
すなわち、１つの最適単位形状を有したパッチアンテナ２２に、１つの信号線路２１で信号を給電した場合、図２に示すように、電気特性は良好であるが、図３に示すように、入力反射損失の帯域幅が非常に狭くなる。すなわち、アンテナの帯域幅が狭帯域となる。

図２の正方形状のパッチアンテナ２２の広帯域化を図るには、Ｑ値を小さくすればよい。言い換えれば、パッチアンテナ２２のＣ性を増加させればよい。その理由は、以下による。

まず、Ｑ値は、次の式（１）で示される。
Ｑ＝ｆｒ／Ｂ …（１）
ここで、ｆｒは、共振周波数を示す。Ｂは、半値幅（ピーク電流の１／√２≒７０．７％）を示す。式（１）は、次の式（２）に示すように変形できる。

Ｑ＝（２πｆｒＬ）／Ｒ＝１／（２πｆｒＲＣ） …（２）
ここで、Ｌは、インダクタ値を示す。Ｒは、抵抗値を示す。Ｃは、容量値を示す。
式（２）より、Ｃの値を大きくすれば、Ｑの値は、小さくなる。これにより、パッチアンテナ２２の広帯域化を図ることができる。

Ｃの値を大きくするには、パッチアンテナ２２の面積を大きくすればよい。このため、例えば、図２のｘ方向における長さは、そのままλ／２とし、ｙ方向における長さを長くすることで、Ｑ値を小さくして広帯域化を図ることができる。

図５は、図２のアンテナの広帯域化を図ったアンテナの例を示した図のその１である。図５には、信号線路３１およびパッチアンテナ３２が示してある。
パッチアンテナ３２は、一辺（図５のｘ方向）がλ／２、もう一辺（図５のｙ方向）がλの矩形状を有している。すなわち、パッチアンテナ３２は、２つの最適単位形状を組み合わせた形状を有し、図２に示したパッチアンテナ２２より面積が大きくなっている。

パッチアンテナ３２の白黒の濃淡は、電流密度分布を示し、白いほど電流が大きいことを示している。また、黒いほど電流が小さいことを示している。例えば、図５の矢印Ａ２１に示すように、電流は、パッチアンテナ３２のｘ方向における中央部分で大きくなっている。また、矢印Ａ２２に示すように、パッチアンテナ２２の左右両端で、電流は小さくなっている。

なお、矢印Ａ２３に示す波形は、図５のｙ方向から見た、パッチアンテナ３２の電流密度分布を示している。また、図５に示す電流密度分布は、パッチアンテナ３２に３．７８ＧＨｚの送信信号を給電した場合の電流密度分布を示している。

図６は、図２のアンテナの広帯域化を図ったアンテナの例を示した図のその２である。図６において、図５と同じものには同じ符号が付してある。
図６に示すパッチアンテナ３２の辺の長さは、図５と同様に、４ＧＨｚに対応した長さ（λ／２、λ）を有している。そして、図６に示す電流密度分布は、パッチアンテナ３２に４．２１ＧＨｚの送信信号を給電した場合の電流密度分布を示している。

図６に示すように、パッチアンテナ３２の長さを、４ＧＨｚに対応した長さとした場合で、４．３１ＧＨｚの信号を給電すると、２つの電流密度の分布が生じる。例えば、図６の矢印Ａ３１に示すように、２か所電流密度が大きくなる部分が生じ、矢印Ａ３２に示すように、３か所電流が小さくなる部分が生じている。

また、矢印Ａ３３に示す波形は、図６のｘ方向から見た、パッチアンテナ３２の電流密度分布を示している。パッチアンテナ３２は、矢印Ａ３３に示すように、２つの電流密度分布が生じている。

すなわち、図６の例の場合、電流の励振方向が９０度変化して高次モードを発生する。つまり、最適単位形状を複数組み合わせて、面積を大きくしたパッチアンテナ３２は、給電される信号の周波数に応じて、単一電流分布（基本モード）を生じ、また、２つの電流分布（高次モード）を生じる。

例えば、パッチアンテナ３２は、図５で示したように、給電される信号の周波数が３．７８ＧＨｚの場合、基本モードとなる。また、パッチアンテナ３２は、図６で示したように、給電される信号の周波数が４．２１ＧＨｚの場合、高次モードとなる。

図７は、図５および図６のアンテナの入力反射損失を示した図である。図７のグラフの横軸は周波数を示し、縦軸は入力反射損失を示している。図７では、図５および図６のパッチアンテナ３２の一辺を、４ＧＨｚに対応した長さとした場合の、入力反射損失のシミュレーション結果を示している。

入力反射損失が小さくなる帯域は、図７に示すように、図３に対し、広帯域となっている。例えば、入力反射係数が−５ｄＢ以下となる帯域は、約３．８ＧＨｚ〜４．３ＧＨｚである。

しかし、パッチアンテナ３２では、上記したように基本モードと高次モードとが発生する。そのため、パッチアンテナ３２は、信号純度から見ると、不要共振となる高次モードが発生することとなるので、所望帯域での放射電力が減少し、本来の性能を発揮できなくなる。例えば、パッチアンテナ３２は、図７に示すように、約４ＧＨｚにおいて、入力反射損失が大きくなり、放射電力が減少する。

図８は、図５および図６のアンテナの入力インピーダンスを示した図である。図８のグラフの横軸は周波数を示し、縦軸はインピーダンスの実部と虚部を示している。矢印Ａ４０ａに示す波形は、インピーダンスの実部を示し、矢印Ａ４０ｂに示す波形は、インピーダンスの虚部を示している。

図８では、図７と同様に、図５および図６のパッチアンテナ３２の一辺を、４ＧＨｚに対応した長さとした場合の、Ｘ点における入力インピーダンスのシミュレーション結果を示している。

矢印Ａ４０ａ，Ａ４０ｂに示すように、インピーダンスを示す波形の山の裾部分は、図４の場合より広がっている。すなわち、パッチアンテナ３２は、Ｑ値がパッチアンテナ２２より小さくなっている。これにより、パッチアンテナ２２より面積の大きいパッチアンテナ３２は、パッチアンテナ２２より広帯域化を図ることができる。

しかし、上記したように、パッチアンテナ３２は、基本モードと高次モードとが発生するため、所望帯域での放射電力が減少し、信号純度が劣化する。
一方、図１に示すアンテナは、複数の最適単位形状を有するパッチアンテナ１４を有している。そして、図１に示すアンテナは、それぞれの最適単位形状のパッチアンテナ１４に送信信号を給電するよう、給電線路１３を設けている。これにより、図１に示すアンテナは、不要共振を発生させることがなく、広帯域化が可能になる。

図９は、図１のアンテナの電流密度分布を示した図である。図９において、図１と同じものには同じ符号を付している。パッチアンテナ１４の白黒の濃淡は、電流密度分布を示し、白いほど電流が大きいことを示している。また、黒いほど電流が小さいことを示している。

図９の矢印Ａ４１に示すように、電流は、パッチアンテナ１４のｘ方向における中央部分で大きくなっている。また、矢印Ａ４２に示すように、パッチアンテナ１４の左右両端で、電流は小さくなっている。

なお、図９に示すパッチアンテナ１４のそれぞれの一辺の長さは、誘電率ε_effの誘電体基板上の４ＧＨｚに対応した長さ（λ／２、λ＝光の速度／４ＧＨｚ／√（ε_eff））を有している。そして、図９に示す電流密度分布は、パッチアンテナ１４に４ＧＨｚの送信信号を給電した場合の電流密度分布を示している。また、信号を受信する場合の電流密度分布も同様となる。以下では、信号を受信する場合の説明は省略する。

図６のパッチアンテナ３２では、矢印Ａ３２に示したように、電流の小さくなる部分が生じる。すなわち、パッチアンテナ３２では、２つの電流密度分布が生じる。
一方、パッチアンテナ１４は、電流の励振方向が最適単位形状を有し、図９の矢印Ａ４３に示すように、電流の小さくなる部分が生じない。すなわち、パッチアンテナ１４は、２つの電流部分が発生しない。そのため、信号純度を劣化することなく、広帯域化を図ることができる。

図１０は、図１の２つのパッチアンテナを１つにしたアンテナの電流密度分布を示した図である。図１０において図１と同じものには同じ符号が付してある。パッチアンテナ４１の白黒の濃淡は、電流密度分布を示し、白いほど電流が大きいことを示している。また、黒いほど電流が小さいことを示している。

図１で説明したように、２つのパッチアンテナ１４を１つにし、最適単位形状のそれぞれに給電線路１３を接続しても、広帯域のアンテナを得ることができる。例えば、図１０に示すパッチアンテナ４１は、２つの最適単位形状を有し、一辺はλ／２で、他方の辺はλの長さを有している。パッチアンテナ４１の最適単位形状のそれぞれには、給電線路１３が接続されている。

図１０に示すパッチアンテナ４１の辺の長さは、４ＧＨｚに対応した長さ（λ／２、λ）を有している。そして、図１０に示す電流密度分布は、パッチアンテナ４１に４ＧＨｚの送信信号を給電した場合の電流密度分布を示している。

図１０の矢印Ａ５１に示すように、電流は、パッチアンテナ４１のｘ方向における中央部分で大きくなっている。また、矢印Ａ５２に示すように、パッチアンテナ４１の左右両端で、電流は小さくなっている。すなわち、図１０に示すパッチアンテナ４１でも、図９で示したパッチアンテナ１４と同様の機能を得ることができる。

このように、パッチアンテナ１４，４１において広帯域化を図ることができるのは、以下の理由による。
パッチアンテナ１４，４１は、２つの最適単位形状で形成され、最適単位形状のそれぞれに、給電線路１３で信号が給電される。そのため、パッチアンテナ１４，４１は、最適単位形状のそれぞれにおいて、独立して磁流が発生するが、最適単位形状が近接または接する部分では、磁流が打ち消される。例えば、図９に示すパッチアンテナ１４が近接する辺（矢印Ａ４３に示す辺）では、磁流が打ち消される。このため、パッチアンテナ１４，４１の全体で１つの磁流が発生し、電流分布も１つとなる。これにより、パッチアンテナ１４，４１は、所望帯域での放射電力の減少を抑制し、信号純度の劣化を抑制する。そして、パッチアンテナ１４，４１は、広帯域化を図ることができる。

図１１は、図１のアンテナの入力反射損失を示した図である。図１１のグラフの横軸は周波数を示し、縦軸は入力反射損失を示している。図１１では、図１のパッチアンテナ１４の一辺を４ＧＨｚに対応した長さとした場合の、入力反射損失のシミュレーション結果を示している。

図１１に示すように、図１のアンテナは、入力反射損失が小さくなる帯域は広帯域である。例えば、入力反射損失が−５ｄＢ以下となる帯域は、約３．８ＧＨｚ〜４．２ＧＨｚであり、図３に示したパッチアンテナ２２の入力反射損失より、広帯域となっている。また、図１１では、図７に示したように、所望帯域（４ＧＨｚ）において、共振周波数間で入力反射損失特性が悪化せず放射電力が減少しない。

図１２のパッチアンテナ１４のレイアウト例について説明する。
図１２は、図２のパッチアンテナのレイアウト例を示した図である。図１２において、図１と同じものには同じ符号が付してある。図１２では、基板１１の図示が省略されている。また、ここでは、引き出し線路１２から伝達された信号をパッチアンテナ１４から送信する場合について示した説明である。ただし、信号が逆方向にパッチアンテナ１４で受信した信号を引き出し線路１２へ伝達する場合は、以下の分配器５１は、合成器として機能することに読み替える必要がある。

図１２に示すように引き出し線路１２は、分配器５１を有している。分配器５１は、例えば、ウイルキンソン型２分配器、ラットレース・ハイブリッド回路、またはハイブリッドカプラで構成することができる。

分配器５１の間には、抵抗５２が接続されている。抵抗５２は、例えば、１００Ωの薄膜抵抗である。抵抗５２は、個々のパッチアンテナ１４間のアイソレーションを良好にし、信号の漏れこみを抑制する。

引き出し線路１２（分配器５１）と給電線路１３との間には、整合回路５３が接続されている。整合回路５３は、引き出し線路１２と給電線路１３とのインピーダンスを整合させる。

分配器５１と給電線路１３との長さは、誘電体基板上で無線送受信を行う信号波長の半分の整数倍の大きさを有している。例えば、図１２に示す分配器５１のｃ１，ｃ２，ｄ１，ｄ２と、給電線路１３のｅ１，ｅ２との合計の長さは、ｎ・（λ／２）を有している。ｎは、正の整数である。具体的には、ｃ１＝ｃ２＝ｄ１＝ｄ２＝ｅ１＝ｅ２＝λ／４である。このように、分配器５１と給電線路１３との長さを、誘電体基板上で無線送受信を行う信号波長の半分の整数倍の大きさにすることにより、無線送受信する個々のパッチアンテナ１４間のアイソレーションを良好にし、パッチアンテナ１４間の信号の漏れこみを抑制することができる。

アンテナのレイアウトは、以下の順序で設計するようにする。
１．パッチアンテナ１４のレイアウト
パッチアンテナ１４の各辺の長さは、次のようにして決める。ただし、図示していない基板１１は、厚さ１ｍｍ、実効比誘電率４．９、ｔａｎδ０．０２５、適用周波数３〜５ＧＨｚのＦＲ４を用いるとする。引き出し線路１２、給電線路１３、パッチアンテナ１４を構成する導体は、材料が銅、厚さ０．０３５ｍｍ、導電率５．８×１０⁶Ｓ／ｍとする。要求仕様中心周波数をｆ＝４ＧＨｚとする。この場合、パッチアンテナ１４の辺の長さａ，ｂは、次の式（３）で求まる。

ａ＝ｂ＝ｃ／ｆ₀／√（ε_eff）＝３×１０⁸／（４×１０⁹）／√４．９
≒１７（ｍｍ） …（３）
ｃは光速、ｆ₀は要求仕様中心周波数、ε_effは、基板１１の実効比誘電率を示している。

なお、実際は、パッチアンテナ１４には、給電線路１３などが接続される。そこで、パッチアンテナ１４のｘ方向の中心軸上において、電磁界のシミュレーションを行い、最大の電流振幅と電界振幅とかが得られるようにａ，ｂの長さを最適化する。

次いで、パッチアンテナ１４の給電点における入力インピーダンスを決める。このとき、パッチアンテナ１４の加工精度および電流密度の制約等を加味し、給電点の位置と入力インピーダンスを決定する。

２．導波管規格
アプリケーションの使用帯域を、例えば、４ＧＨｚ±２００ＭＨｚとする。この場合、例えば、ＥＩＡ（Electronic Industries Alliance）によるＷＲ−２２９（周波数帯域３．２２〜４．９０ＧＨｚ、内径寸法５８．１７×２９．０８３ｍｍ）を使用する。

ここで、上記１．で算出したａは、１７ｍｍである。従って、次の式（４）より、最適単位形状は、３個収納可能であることが分かる。
５８．１７／１７≒３．４ …（４）
従って、図１２に示す２つのパッチアンテナ１４は、ＷＲ−２２９の導波管に収納可能である。

３．引き出し線路１２のレイアウト
引き出し線路１２は、特性インピーダンスＺ₀＝５０Ωの線路で引き回す。そして、分配器５１には、例えば、ウイルキンソン型２分配器を用いて、特性インピーダンスＺ₁＝７０．７Ω、さらに接続用の５０Ωの引き出し線を各々λ／４の整数倍（ｃ１＝ｃ２＝λ／４、ｄ１＝ｄ２＝λ／４）の線路長で分配する。分配器５１には、上記した抵抗５２を接続し、個々のパッチアンテナ１４間のアイソレーションを良好にし、信号の漏れこみを抑制する。

４．給電線路１３のレイアウト
引き出し線路１２と給電線路１３のインピーダンスの整合をとるようにする。給電線路１３の長さｅは、例えば、λ／４にする。パッチアンテナ１４の入力インピーダンスを１００Ωとし、給電線路１３の特性インピーダンスを１００Ωとする。また、３．で述べたように、引き出し線路１２の特性インピーダンス（ウイルキンソン型２分配器の特性インピーダンス）を７０．７Ωとする。さらに接続用の引き出し線路１２を５０Ωとする。この場合、例えば、整合回路５３によって、給電線路１３と引き出し線路１２との特性インピーダンスが変換・整合される。

または、パッチアンテナ１４の給電点（パッチアンテナ１４と給電線路１３との接続点）の位置を調整し、パッチアンテナ１４の入力インピーダンスを５０Ωにする。そして、給電線路１３の特性インピーダンスを５０Ωにする。この場合、引き出し線路１２の特性インピーダンスと給電線路１３のインピーダンスは整合するので、整合回路５３は不要である。すなわち、パッチアンテナ１４の給電点の位置によって、パッチアンテナ１４と引き出し線路１２のインピーダンス整合をとり、整合回路５３を不要にすることもできる。

このように、アンテナのパラメータを決定することによって、不要共振の発生を防止した、広帯域のアンテナを実現することができる。
次に、パッチアンテナ１４の導波管収納について詳細に説明する。

１．最適単位形状パッチアンテナの設計
最適単位形状の外形寸法を確認する。例えば、ａ×ｂ（ｍｍ）＝１６．２×１６．２とする。

２．導波管内に収納可能な最適単位形状のパッチアンテナ１４の数の導出
（１）使用周波数帯域を確認する。例えば、４±０．２ＧＨｚとする。
（２）使用周波数帯域に応じて、例えば、ＴＴ−３００６Ａなどの導波管規格表から、導波管の周波数帯域に包含される導波管を調べる。そして、該当する導波管を確定する。

例えば、ＪＥＩＴＡ（Japan Electronics and Information Technology Industries Association）のＷＲＩ−４０（ＥＩＡ規格のＷＲ−２２９に対応）は、周波数帯域が３．２２〜４．９０ＧＨｚである。従って、例えば、ＷＲＩ−４０の導波管に確定する。

（３）確定した導波管の内径寸法を規格表から確認する。例えば、ＷＲＩ−４０の内径寸法は、５８．１７×２９．０８３（ｍｍ）である。規格外の場合は、使用周波数から導波管の内径寸法を導出する。

（４）確定した導波管の内径寸法内に、設計した最適単位形状が何個収納可能か算出する。例えば、長編方向は、
５８．１７／１６．６≒３．５
で３個収納可能である。

また、短編方向は、
２９．０８３／１６．２≒１．８
で１個収納可能である。

すなわち、ＷＲＩ−４０の導波管には、３行１列の最適単位形状を有するパッチアンテナ１４を格納することができる。
３．最適単位形状を偶数個有する（例えば２個有する）パッチアンテナ１４を設計する場合
（１）図１０に示したように、パッチアンテナ４１間に隙間がない場合
まず、シミュレータにて最適単位形状の最適化を図る。例えば、最適単位形状の大きさ１６．６×１６．２（ｍｍ）を算出する。

次いで、確定した導波管の内径寸法内に、最適単位形状が長辺方向において、何個収納可能か算出する。
５８．１７／（２×１６．６）≒１．７５
これにより、長辺方向には、最適単位形状２個分のパッチアンテナ４１が収納可能である。

（２）図１に示したように、パッチアンテナ１４間に隙間がある場合
隙間を０．６ｍｍとする。
５８．１７／〔（２×１６．６）＋（０．６／２）〕≒１．７
これにより、長辺方向には、パッチアンテナ１４は２個収納可能である。

４．最適単位形状を奇数個有する（例えば３個有する）パッチアンテナ１４を設計する場合
（１）図１０に示したように、パッチアンテナ４１間に隙間がない場合
まず、シミュレータにて最適単位形状の最適化を図る。例えば、最適単位形状の大きさ１６．６×１６．２（ｍｍ）を算出する。

次いで、確定した導波管の内径寸法内に、最適単位形状が長辺方向において、何個収納可能か算出する。
５８．１７／（３×１６．６）≒１．１６
これにより、長辺方向には、最適単位形状２個分のパッチアンテナ４１が収納可能である。

（２）図１に示したように、パッチアンテナ１４間に隙間がある場合
隙間を０．６ｍｍとする。
５８．１７／〔（３×１６．６）＋（０．６／２）〕≒１．１４
これにより、長辺方向には、パッチアンテナ１４は３個収納可能である。

次に、導波管の配置場所の決め方について説明する。
図１３は、最適単位形状を２つ有するパッチアンテナに対する導波管の配置決めを説明する図である。図１３には、図１０に示したパッチアンテナ４１が示してある。

最適単位形状を２つ有するパッチアンテナ４１の配置場所を決める場合、パッチアンテナ４１の長辺方向の中心（図１３中の２点鎖線）と、短辺方向の中心（図１３中の１点鎖線）との交わる点を、導波管の中心に合わせる。そして、パッチアンテナ４１の長辺方向と導波管の長辺方向またはパッチアンテナの短辺方向と導波管の短辺方向を合わせる。これにより、パッチアンテナ４１は、導波管に収納される。

なお、最適単位形状を偶数個有するパッチアンテナ４１の長辺方向の中心（２点鎖線）は、最適単位形状の境界と一致する。
上記では、パッチアンテナ４１について説明したが、パッチアンテナ１４の場合も同様である。また、最適単位形状を４以上の偶数個有するパッチアンテナの場合も同様である。

図１４は、最適単位形状を３つ有するパッチアンテナに対する導波管の配置決めを説明する図である。図１４には、最適単位形状を３つ有するパッチアンテナ６１が示してある。図１４に示すように、パッチアンテナ６１の３つの最適単位形状のそれぞれには、給電線路が接続されている。

最適単位形状を３つ有するパッチアンテナ６１の配置場所を決める場合、図１３と同様に、パッチアンテナ６１の長辺方向の中心（図１４中の２点鎖線）と、短辺方向の中心（図１４中の１点鎖線）との交わる点を、導波管の中心に合わせる。そして、パッチアンテナ６１の長辺方向と導波管の長辺方向またはパッチアンテナ６１の短辺方向と導波管の短辺方向を合わせる。これにより、パッチアンテナ６１は、導波管に収納される。

なお、最適単位形状を奇数個有するパッチアンテナ６１の長辺方向の中心（２点鎖線）は、中央の最適単位形状の中心と一致する。
上記では、最適単位形状において、隙間のないパッチアンテナ６１について説明したが、隙間を有するパッチアンテナの場合も同様である。また、最適単位形状を５以上の奇数個有するパッチアンテナの場合も同様である。

このように、アンテナは、最適単位形状を有するパッチアンテナ１４，４１を備え、パッチアンテナ１４，４１の最適単位形状のそれぞれにおいて、給電線路を接続するようにした。これにより、アンテナは、不要な共振（高次モード）を抑制してパッチアンテナ１４，４１で生じる電流分布を１つにし、電気特性の良好な広帯域を実現することができる。

また、パッチアンテナ１４，４１では、電気特性の良好な広帯域なアンテナを実現できるので、導波管−平面回路変換器の製作精度による寸法ずれや位置ずれが生じても、それらのずれによる電気特性および帯域幅の劣化を抑制できる。また、製作精度による要求が低くなり、低コスト化を図ることができる。

１１基板
１２引き出し線路
１３給電線路
１４パッチアンテナ

Claims

無線信号を送受信するアンテナにおいて、
最適単位形状を複数有するパッチアンテナと、
前記パッチアンテナの最適単位形状のそれぞれにおいて接続される給電線路と、
を有することを特徴とするアンテナ。
前記パッチアンテナは、最適単位形状ごとに分離していることを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
前記パッチアンテナの最適単位形状は、一辺が無線送受信を行う信号波長の半分の大きさを有していることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ。
前記給電線路と接続される分配器を有した伝送線路をさらに有し、
前記分配器と前記給電線路との長さは、無線送受信を行う信号波長の半分の整数倍を有していることを特徴とする請求項１乃至３に記載のアンテナ。
前記分配器と前記給電線路との接続点に、インピーダンス整合をとるための整合回路が接続されることを特徴とする請求項４記載のアンテナ。
前記パッチアンテナと前記給電線路との接続点の位置によって、前記パッチアンテナと前記伝送線路とのインピーダンス整合をとることを特徴とする請求項４記載のアンテナ。