JP2013509769A - 二重偏波誘電体共振器アンテナ - Google Patents

Abstract

本発明は、第一の面が金属層（Ｍ）でカバーされ、第一の面とは反対側の面が二つのマイクロストリップラインでカバーされる、マイクロストリップ基板（１）と、前記基板に設けられたエッチング加工部（４）に取り付けられる、回転対称シリンダーの形状を有する誘電体共振器（２）と、を含み、二つのマイクロストリップラインの第一のマイクロストリップラインの第一の端部がアンテナの第一のポートを形成するとともに、第二のマイクロストリップラインの第一の端部がアンテナの第二のポートを形成し、また、誘電体共振器に接して配置され、基板（１）に形成された開口部（５）を介して、第一のライン（L1）の第二の端部と接続される、直線状の導電エレメント（３）と、を含み、第二のライン（L2）の第二の端部が、実質的にエッチング加工部に垂直である、二重偏波アンテナに関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二重偏波誘電体共振器アンテナに関する。また、本発明は、Ｎ行Ｍ列の形態で配置される基本アンテナで構成されるアレーアンテナにも関し、このアレーアンテナの各基本アンテナは、本発明による二重偏波誘電体共振器アンテナである。

本発明のアンテナの適用分野の一つは、通信衛星から例えば航空機、列車、船舶等の移動プラットフォームへの信号の送信／受信である。

本発明のアンテナは、位相制御アレーアンテナにおいて用いられる。位相制御アレーアンテナは、送信される波の角度変化の一部が電子走査で行われ、変化の残りの部分が機械的手段で行われる、半電子走査の原理を用いる。走査の制約は、放射エレメントのパターンの形状に因る。

印刷されたダイポールを備えるマイクロストリップ平面アンテナを用いる位相制御アレーアンテナが開発されている。印刷されたダイポールを備えるマイクロストリップ平面アンテナの利得は、走査角度がダイポールの軸に垂直な方向からそれると、低下する。その結果、大きい走査角度で、等価等方放射電力が低下する。そして、機械的デバイスは、アンテナの構造を傾けるように設計されている。また、マイクロストリップアンテナは、共振器のＱが非常に高いために、もともと帯域幅が狭い。これも、別の欠点である。

二重偏波誘電体共振器アンテナは、非特許文献１でも知られている。アンテナの帯域幅を拡大するために、底部が中空の円筒形誘電体アンテナと、誘電体共振器の凹部に置かれる四つのワイヤーエレメントを含む励起システムとが備えられている。このような誘電体共振器アンテナは、非常に複雑な構造を有している。

本発明の二重偏波誘電体共振器アンテナは、上述したアンテナの欠点がない。

本発明は、二重偏波アンテナであって、
−金属層でカバーされる第一の面と、互いに実質的に直交する軸を有する二つのマイクロストリップラインにカバーされる、第一の面とは反対側の第二の面と、を有し、エッチング加工部が前記金属層に形成され、エッチング加工部が、長辺と短辺とを有する矩形形状の断面を有し、長辺に平行な矩形の対称軸の第二の面への投影が、二つのラインの中の第一のラインの軸と実質的に一直線上にある、マイクロストリップ基板と、
−回転シリンダー形状を有し、金属層に形成されるエッチング加工部の実質的に中央に固定され、第一のラインの軸と第二のラインの軸とが、回転シリンダーの軸上で交差点を有し、第一のラインの第一の端部がアンテナの第一のポートを形成するとともに、第二のラインの第一の端部がアンテナの第二のポートを形成する、誘電体共振器と、
−回転シリンダーの軸と実質的に平行な軸を有し、誘電体共振器に接触して配置され、基板の第一の面と同じ側に形成される開口部を介して、第一のラインの第二の端部と電気的に接続される、直線状の導電エレメントと、を含み、
第二のラインの第二の端部が実質的にエッチング加工部を越え、第二のラインの第一の端部と第二の端部との間の長さが、周波数がアンテナの利用帯域の中心周波数である波の波長の四分の一に実質的に等しい、二重偏波アンテナに関する。

本発明の特に有利な実施形態では、さらなる二つの平行な線形のエッチング加工部が、矩形形状のエッチング加工部とともに“Ｈ”字の形状のエッチング加工部を構成するように、矩形形状のエッチング加工部の両端に形成される。

本発明の他の特徴及び利点は、以下の添付図を参照して成される選択的な実施形態を読むことで明確になる。

全ての図において、同じ参照符号は、同じエレメントを指す。

本発明の第一の実施形態による誘電体共振器アンテナの斜視図を示す。 本発明の第一の実施形態による誘電体共振器アンテナの下方からの図を示す。 本発明の第一の実施形態による誘電体共振器アンテナの平面図を示す。 本発明の第一の実施形態による誘電体共振器アンテナの側面図を示す。 本発明の第一の実施形態による誘電体共振器アンテナの側面図を示す。 本発明によるアンテナの、通常Ｓパラメータと呼ばれる、透過時に影響する反射パラメータを図示する。 本発明によるアンテナの、通常Ｓパラメータと呼ばれる、反射時に影響する透過パラメータを図示する。 本発明によるアンテナの第一のポートが励起される際の、送信される信号のアンテナのE平面における分布を示す。 本発明によるアンテナの第一のポートが励起される際に、送信される信号のアンテナのH平面における分布を示す。 アンテナの第二のポートが励起される際の、送信される信号のアンテナのE平面における分布を示す。 アンテナの第二のポートが励起される際の、送信される信号のアンテナのH平面における分布を示す。 本発明の第二の実施形態による誘電体共振器アンテナの斜視図を示す。 本発明の第二の実施形態による誘電体共振器アンテナの平面図を示す。 本発明の第二の実施形態によるアンテナの反射におけるSパラメータを示す。 本発明によるアレーアンテナの一例を示す。

図１は、本発明の第一の実施形態の第一の例による誘電体共振器アンテナの斜視図を示し、図２は、図１に示すアンテナの下方からの図を示す。

このアンテナは、誘電体基板１と、回転シリンダー形状を有する誘電体共振器２と、非常に小さい直径の導電ロッド３とを含む。誘電体共振器２は、例えば接着剤により、誘電体基板１に固定されている。誘電体共振器が固定される基板１の表面は、エッチングされたＨ字型の領域を除き、金属層Ｍにより全体的にカバーされている。基板１に固定される誘電体共振器２は、実質的に中央部分において、金属層のないエッチングされた領域をカバーし、すなわち、エッチングされた領域の中央は、基板に固定される誘電体共振器の表面の中央に実質的に対向する。誘電体共振器が固定される表面とは反対側の基板の表面は、それぞれの軸が直交するとともに、誘電体共振器により形成されるシリンダーの軸上にある点で交差する、二つの導電ラインL1及びL2を除き、特定の材料でカバーされていない。Ｈ字の水平棒の、ラインL1及びL2がエッチングされた基板の表面上への投影は、ラインL1の軸と実質的に一直線となる。ラインL1の第一の端部は、アンテナの第一のポートP1を構成し、ラインL2の第一の端部は、アンテナの第二のポートP2を構成する。ラインL2は、開路状態の第二の端部を有し、その長さは、周波数がアンテナの利用帯域の中心周波数である波の波長の四分の一に実質的に等しい。金属層Ｍによりカバーされる面と同じ側の基板１には、開口部５が形成され、導電ロッド３が、その両端部の第一の端部が例えば溶接によりラインL1の第二の端部に電気的に接触するように、開口部５に配置されている。開口部５は、ロッド３と共振器２とが固定されると、ロッド３と共振器２とが互いに接するように、基板１に形成されることが好ましい。導電ロッド３は、例えば、銅、金等から形成される。誘電体基板１は、例えば、相対的な誘電率が3.38に等しい、ROGER 4003 C材料である。例えば、アルミニウム、窒化アルミニウム、低温同時焼成セラミック等の、他の材料を用いることもできる。基板１の厚みは、例えば、0.813mmである。誘電体共振器２は、例えば、窒化アルミニウムAlNから形成される。

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃは、それぞれ、本発明の第一の実施形態による誘電体共振器アンテナの、平面図（図３Ａ）、及び二つの側面図（図３Ｂ及び図３Ｃ）を示す。図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃは、アンテナを構成する様々なエレメントの寸法を参照して、アンテナの構造を示している。これらの寸法の数値は、例として、第一に受信機能に対して（周波数帯域10.7GHz−12.75GHz；表１参照）、第二に送信機能に対して（周波数帯域14GHz−14.5GHz；表２参照）、以下の二つの表に示される。

以下の表１及び表２に与えられる値のために、基板は、上述した相対的な誘電率3.38の誘電体材料から作られ、誘電体共振器は、相対的な誘電率8の窒化アルミニウム（AlN）から作られる。全ての寸法は、ミリメーターで示される。

ここで、
−A及びＢは、基板１の側面の寸法；
−Cは、ラインL2の長さ；
−Dは、Ｈ字の二つの垂直棒の長さ；
−Eは、Ｈ字の二つの垂直棒の間隔；
−Fは、Ｈ字の各垂直棒の幅；
−Gは、Ｈ字の水平棒の幅；
−Hは、第二のラインL1の長さ、
−Iは、基板１の厚み；
−Jは、ラインL1及びL2がエッチングされる基板１の面からの導電ロッド３の高さ；
−Kは、ロッド３の直径；
−Lは、ラインL1及びL2の幅；
−Mは、誘電体共振器２の直径；
−Nは、誘電体共振器２の高さ；
−Φは、ロッド３が配置される開口部の直系；
である。

ラインL1及びL2は、アンテナのポートP1及びP2にそれぞれ接続されている。従って、ラインL1の第一の端部は、アンテナのポートP1を構成し、ラインL2の第一の端部は、ポートP2を構成する。ラインL1及びL2は、二つの垂直及び水平線形偏波を得るために、互いに直交する。送信時は、二つのポートP1、P2の少なくとも一方が、送信が意図される偏波に従う送信信号によって励起される。受信時は、ポートP1及びP2で受信される信号が、処理回路に送信される。

本発明の第一の実施形態の第一の例によれば、ラインL1は、ポートP1を、導電ロッドの形態の励起エレメント３に接続する。本発明の第一の実施形態の第二の例によれば、ポートP1は、誘電体共振器２上に印刷された垂直な導電ラインの励起エレメントに接続される。ラインL1と誘電体共振器２に印刷された導電ラインとの間の接続は、第一の側がラインL1に溶接され、第二の側が誘電体共振器上に印刷されたラインに溶接される、導電ワイヤーで行われる。

図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の第一の実施形態の第一の例による、受信用に設計されたアンテナのSパラメータと、送信用に設計されたアンテナのSパラメータとをそれぞれ示す。図４Ａの曲線C1a、C2a、及びC3aは、周波数の関数としてデシベル表記される、受信アンテナの、ポートP1の反射係数S11aと、ポートP2の反射係数S22aと、ポートP2に対するポートP1の透過係数S21aとをそれぞれ示す。図４Ｂの曲線C1b、C2b、及びC3bは、周波数の関数としてデシベル表記される、送信アンテナの、ポートP1の反射係数S11bと、ポートP2の反射係数S22bと、ポートP2に対するポートP1の透過係数S21bとをそれぞれ示す。

受信帯域は、10.7GHzと12.75GHzとの間にあり、送信帯域は、14GHzと14.5GHzとの間にある。受信アンテナに対しては、係数S11aは-10dB以下であり、係数S22aは-16dB以下であり、係数S21aは-42dB以下であるように見える。送信アンテナに対しては、反射係数S11bは-14dBと-20dBとの間であり、反射係数S22bは-22dBと-18dBとの間であり、透過係数S21bは-40dB以下であるように見える。当業者は、得られた結果の品質に注目し得る。

図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の送信アンテナのポートP1が励起される際の、送信アンテナのE平面及びH平面において送信される信号の、デシベル表記された分布をそれぞれ示し、図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の送信アンテナのポートP2が励起される際の、送信アンテナのE平面及びH平面において送信される信号の、デシベル表記された分布をそれぞれ示す。当業者に周知されているように、E平面及びH平面は、それぞれ、電界ベクトルと最大放射方向とを含む平面、及び、磁界ベクトルと最大放射方向とを含む平面である。アンテナは、二つのポートP1、P2に関して、広い開口角の放射を有する波を送信することが明らかである。開口角は、連続回転する走査型アンテナで、さらに改善可能である。二つのポート間に存在する利得の差異は、送信される波の偏波状態を発生するために考慮される。

図７及び図８は、本発明の第二の実施形態による誘電体共振器アンテナの斜視図と平面図とをそれぞれ示している。本発明の第二の実施形態によれば、基板１は、低温同時焼成セラミック（LTCC）、例えば、Ferro A6Mであり、接地面にエッチングされた開口部４は、長辺と短辺とを有する矩形形状の断面を有する。矩形の長辺に平行な矩形の対称軸のラインL1及びL2がエッチングされる面への投影は、実質的にラインL1の軸と一直線上にある。アンテナの他のエレメント全ては、本発明の第一の実施形態のものと同一である。矩形の長辺は、例えば実質的に誘電体共振器の直径の三分の二に等しく、矩形の短辺は、例えばラインL1及びL2の幅の半分に等しい。

図９は、本発明の第二の実施形態による受信アンテナのパラメータを示す。

図９の曲線C1c、C2c、及びC3cは、周波数の関数としてデシベル表記される、受信アンテナの、ポートP1の反射係数S11cと、ポートP2の反射係数S22cと、ポートP2に対するポートP1の透過係数S21cとをそれぞれ示す。受信帯域においては、反射係数S11c及びS22cは、-10dBより小さく、あるいはずっと小さく、ポートP1とP2との間の分離は、-40dBを大きく下回る。

本発明の実施形態に関わらず、本発明の非常に有利な特徴は、二重偏波誘電体共振器アンテナに、非常に小さい（-40dB未満）ポート間の分離係数を提案している。従来技術の二重偏波誘電体共振器アンテナでは、このような分離はない。この非常に有利な結果は、添付図に示される、請求項１による新しいアンテナ構造により得られる。従来技術の二重偏波アンテナは、必要なモードより高い次数の共振モードが生じるため、ポート間の分離が悪い。本発明のアンテナの新しい構造は、これらの高次の共振モードの発生を回避する利点がある。

図１０は、本発明によるアレーアンテナの例を示す。このアレーアンテナは、本発明による基本の二重偏波誘電体共振器アンテナの9×9の行列で構成されている。9×9の基本アンテナは、同一の誘電体基板１を共有し、同一の支持部Ｓに取り付けられている。各基本アンテナのポートP1及びP2は、アレーアンテナの同じ側に配置された電気コネクタK1及びK2にそれぞれ接続されている。

R. Chair, A.A. Kishk and K.F. Lee, "Hook- and 3-D J-shaped probe excited dielectric resonator antenna for dual polarisation applications", IEE Proc.-Microw. Antennas Propag., Vol. 153, No.3, June 2006

Claims (6)

1. 二重偏波アンテナであって、
   −金属層（Ｍ）でカバーされる第一の面と、
   互いに実質的に直交する軸を有する二つのマイクロストリップライン（L1、L2）にカバーされる、前記第一の面とは反対側の第二の面と、
   を有し、
   エッチング加工部（４）が前記金属層（Ｍ）に形成され、
   前記エッチング加工部（４）が、長辺と短辺とを有する矩形形状の断面を有し、
   前記長辺に平行な前記矩形の対称軸の前記第二の面への投影が、前記二つのラインの中の第一のライン（L1）の軸と実質的に一直線上にある、マイクロストリップ基板（１）と、
   −回転シリンダー形状を有し、前記金属層に形成される前記エッチング加工部（４）の実質的に中央に固定され、
   前記第一のライン（L1）の軸と前記第二のライン（L2）の軸とが、前記回転シリンダーの軸上で交差点を有し、
   前記第一のラインの第一の端部が前記アンテナの第一のポートを形成するとともに、前記第二のラインの第一の端部が前記アンテナの第二のポートを形成する、誘電体共振器（２）と、
   −前記回転シリンダーの前記軸と実質的に平行な軸を有し、
   前記誘電体共振器に接触して配置され、
   前記基板の前記第一の面と同じ側に形成される開口部（５）を介して、前記第一のライン（L1）の第二の端部と電気的に接続される、直線状の導電エレメント（３）と、
   を含み、
   前記第二のライン（L2）の第二の端部が実質的に前記エッチング加工部を越え、前記第二のライン（L2）の前記第一の端部と前記第二の端部との間の長さが、周波数が前記アンテナの利用帯域の中心周波数である波の波長の四分の一に実質的に等しい、二重偏波アンテナ。
2. さらなる二つの平行な線形のエッチング加工部（４）が、矩形形状に形成された前記エッチング加工部とともに“Ｈ”字の形状のエッチング加工部を形成するように、矩形形状に形成された前記エッチング加工部（４）の両端に形成される、
   請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記基板（１）が、低温同時焼成セラミックLTCC材料で形成される、
   請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記直線状の導電エレメント（３）が、前記第一のライン（L1）の前記第二の端部に溶接される金属ロッドである、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナ。
5. 前記直線状の導電エレメント（３）が、前記第一のラインの前記第二の端部と電気的に接続される金属エレメントと、前記誘電体共振器に印刷される金属層とで構成され、該金属エレメントが、前記誘電体共振器に印刷される前記金属層に接触される、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナ。
6. Ｎ行Ｍ列の形態で配置される基本アンテナで構成されるアレーアンテナであって、該アレーアンテナにおける各基本アンテナが、請求項１から５のいずれか１項に記載の二重偏波誘電体共振器アンテナであり、前記基本アンテナの前記第一のポートが同一の第一の電気コネクタに接続されるとともに、前記基本アンテナの前記第二のポートが同一の第二の電気コネクタに接続されること、
   を特徴とするアレーアンテナ。