JP2015037318A - ブロードバンドのマイクロストリップアンテナ及びアンテナアレイ - Google Patents

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Abstract

【課題】ブロードバンドパッチアンテナ及びアンテナアレイを提供する。【解決手段】該アンテナは、矩形の媒体材料基板と、前記媒体材料基板の上面の上に形成された放射パッチと、前記媒体材料基板の上面の上に形成され、前記媒体材料基板の一端から、前記放射パッチから所定の距離離れた位置までに延びる結合パッチと、前記媒体材料基板の下面に設置され、前記媒体材料基板の下面のエッジ付近から下方へ延びてグランドに接続され、前記媒体材料基板の下面とグランドとの間に所定の厚みの空気層が形成された金属支持部品と、を備える。上記技術案によって、小さいサイズの場合、ブロードバンドマイクロストリップアンテナの方向性を向上することができる。【選択図】図１

Description

本願はマイクロストリップアンテナに関するものである。具体的には、ブロードバンドのアンテナの技術分野に関するものである。
ミリ波ホログラフィックイメージング技術分野において、被検体の三次元画像を取得するために、一定の帯域幅の周波数で走査することによって完全的なデータ情報を取得する必要がある。走査システムにおいて、送受信アンテナは、最先端に位置しており、信号を被検体に送信し、被検体から反射された信号を受信するためのものである。システムに集積される送受信アンテナに対して、（１）集積への便利を図るため、体積が小さいこと；（２）主ビームの方向が被検体に正面に向かうよう、方向性を強くさせること；（３）システムの周波数の帯域幅に対する要求を満たすよう、広帯域であること等の幾つかの要求を満たす必要がある。
システム化集積において、送受信アンテナを走査することに対して一連の要求があり、小型化、方向性、システムとの整合に対する便宜性などの方面から総合的に考慮して、マイクロストリップアンテナは非常によい選択である。しかしながら、通常のマイクロストリップアンテナは、一般に帯域幅が狭い。「電圧定在波比＜２」を基準として計算すれば、相対的な帯域幅は一般的に１０％より小さい。周波数中心が３０ＧＨｚであるアンテナを例として、「電圧定在波比＜２」の稼動帯域幅は、３ＧＨｚである。このような帯域幅では、使用の需要を遥かに満たしていない。
通常、マイクロストリップアンテナの帯域幅を増加する方法は、（１）等価回路のＱ値を低下させる方法や、（２）アンテナの損失を大きくするように、媒体の厚みを増大し、媒体の誘電率εｒを低下させ、媒体の損失角正接ｔｇδを増大するなどの方法や、（３）寄生パッチを追加し、あるいは、電磁結合などを採用する方法や、（４）整合ネットワークがアンテナのサイズを増大するが、インピーダンス整合ネットワークを設計する方法や、（５）アレイ技術を利用する方法などの幾つかの方法が有る。
異なる上記の方法で帯域を拡大するのは、一般的に、体積を大きく、あるいは、効率を低下させてしまう。そして、異なる方法で帯域を拡大するのは、アンテナの方向図を相応的に変化させることにもなる。
ミリ波のブロードバンドアンテナは、長年の発展歴史を経て、対応する技術も完備に発展して来た。しかしながら、本明細書に提示した方向性という要求について、帯域を拡大すると共に強い方向性を備える技術はよく見られない。帯域を拡大する一般的な方法において、媒体板に溝を作り、あるいは、寄生パッチを加える技術がよく採用されていた。これらの技術は、アンテナの帯域幅に対する要求のみを解決することができるが、その方向性がよくない。
本発明は、従来技術にある問題を考慮し、サイズが小さく、且つ方向性が強いブロードバンドのマイクロストリップアンテナ及びアンテナアレイを提供する。
本発明の一局面において、ブロードバンドパッチアンテナを提供した。本発明のブロードバンドパッチアンテナは、矩形の媒体材料基板と、前記媒体材料基板の上面の上に形成された放射パッチと、前記媒体材料基板の上面の上に形成され、前記媒体材料基板の一端から、前記放射パッチから所定の距離離れた位置までに延びる結合パッチと、前記媒体材料基板の下面に設置され、前記媒体材料基板の下面のエッジ付近から下方へ延びてグランドに接続され、前記媒体材料基板の下面とグランドとの間に所定の厚みの空気層が形成された金属支持部品と、を備えている。
前記金属支持部品が銅からなることが好ましい。
前記空気層の厚みが０.５ｍｍ〜３.０ｍｍであることが好ましい。
前記所定の距離が０.４ｍｍ〜０.５ｍｍであることが好ましい。
前記結合パッチの長さが１.５ｍｍ〜２.５ｍｍであり、幅が０.５ｍｍ〜１.２ｍｍであることが好ましい。
前記放射パッチの長さが４.０ｍｍ〜５.０ｍｍであり、幅が２.０ｍｍ〜３.０ｍｍであることが好ましい。
また、前記ブロードバンドパッチアンテナがＫ〜Ｋａ帯域で稼動することが好ましい。
また、前記ブロードバンドパッチアンテナが前記結合パッチに接続されるマイクロストリップ給線を更に備えることが好ましい。
また、前記金属支持部品が具体的に銅板であり、前記媒体材料基板の両辺に設置されることが好ましい。
また、前記銅板の幅が０.４ｍｍ〜０.６ｍｍであることが好ましい。
本発明の別の局面において、アンテナアレイを提供し、一次元に配列される前記のようなブロードバンドパッチアンテナを複数備える。
本発明の別の局面において、アレイアンテナを提供した。本発明のアレイアンテナは、矩形の媒体材料基板と、前記媒体材料基板の長さ方向に沿って間隔を置いて配列され、前記媒体材料基板の上面の上に形成される複数の放射パッチと、複数の前記放射パッチと相応的に設置され、それぞれが前記媒体材料基板の上面の上に形成され、前記媒体材料基板の一端から、相応的な放射パッチから所定の距離離れた位置までに延びる複数の結合パッチと、前記媒体材料基板の下面に設置され、前記媒体材料基板の下面のエッジ付近から下方へ延びてグランドに接続され、前記媒体材料基板の下面とグランドとの間に所定の厚みの空気層が形成された金属支持部品と、を備える。
上記技術案によって、サイズが小さい場合、ブロードバンドのマイクロストリップアンテナの方向性を向上することができた。
以下の図面は本発明の実施形態を示す。これらの図面及び実施形態は非制限的、非網羅的な方式で本発明の実施例を提供した。
本願の一実施例に係るマイクロストリップアンテナの平面図を示す。 本願の一実施例に係るマイクロストリップアンテナの右側面図を示す。 本願の一実施例に係るマイクロストリップアンテナの正面図を示す。 本願の一実施例に係るマイクロストリップアンテナの底面図を示す。 本願の一実施例に係るマイクロストリップアンテナの図１に示す方向に沿う断面図を示す。 本願の実施例に係るマイクロストリップアンテナの定在波比の概略図を示す。 本願の実施例に係るマイクロストリップアンテナの２８ＧＨｚにおける方向図を示し、実線及び破線はそれぞれＰｈｉ＝０°及びＰｈｉ＝９０°である。 本願の他の実施例に係るアレイアンテナの概略図を示す。 本願の他の実施例に係る導波ホーンアレイの平面図を示す。 図９に示すような導波ホーンアレイの断面図を示す。 送受信アンテナの定在波比の概略図を示す。 アレイアンテナの方向図を示す。 ホーン口アレイが増加されていないときのアレイアンテナの分離度を示す。 ホーン口アレイが増加されたときのアレイアンテナの分離度を示す。
以下、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。なお、ここで説明した実施例は、例として説明するためのものであり、本発明は、これに限らないと理解すべきである。以下の説明において、本発明に対する透徹した理解をさせるため、大量の特定の細部を描写した。しかし、必ずこれらの特定の細部を採用して本発明を実現することではないことが当業者にとって明らかになっている。その他の実例においては、本発明との混同を避けるために、周知の回路、材料または方法に対する具体的な説明を省略した。
本明細書の全体において、言及した「一実施例」、「実施例」、「一例示」または「例示」は、該実施例または例示に結合して描写した特定の特徴、構造または特性が、本発明の少なくとも一実施例に含まれていることを意味する。従って、明細書全体の各箇所に現れた短文「一実施例において」、「実施例において」、「一例示」または「例示」は、必ず同一の実施例または例示を指したものではない。また、何らかの適宜な組み合わせ及び／又はサブ組み合わせによって、特定の特徴、構造または特性を一つまたは複数の実施例または例示に組み合わせることができる。また、当業者は、ここの「及び／又は」という術語が一つ又は複数の関連するアイテムの任意及び全ての組み合わせを含むことを理解すべきである。
帯域が広く、方向性が強く、且つサイズが小さいアンテナを取得するために、本願のいくつかの実施例には、ブロードバンドパッチアンテナを提供する。該アンテナは、矩形の媒体材料基板と、前記媒体材料基板の上面の上に形成された放射パッチと、前記媒体材料基板の上面の上に形成され、前記媒体材料基板の一端から、前記放射パッチに所定の距離を離れる位置までに延びる結合パッチと、前記媒体材料基板の下面に設置され、前記媒体材料基板の下面のエッジ付近から下方へ延びてグランドに接続され、前記媒体材料基板の下面とグランドとの間に所定の厚みの空気層が形成された金属支持部品と、を備えている。上記実施例のアンテナは、高周波数で稼動し（例えば、中心周波数はＫ〜Ｋａ帯域であり、ミリ波アンテナである）、相対帯域幅は２０％以上であり、主ビームをアンテナ上方の空間内に集中し、大部分のエネルギーを有効的な検出に使用させる。また、該アンテナのサイズは小さく、例えば、アンテナのサイズは稼動の波長に相当する。
図１、図２、図３及び図４は、本願の一実施例に係るマイクロストリップアンテナの平面図、右側面図、正面図及び底面図をそれぞれ示している。該アンテナは、図１に示すように、矩形の媒体材料基板１１０と、放射パッチ１２０と、結合パッチ１３０とを含む。図３に示すように、該アンテナは、空気層１６０を増加し、媒体及び電磁結合の方式で帯域幅を拡大し、５０オームのマイクロストリップ線エッジ給電を採用する。
図に示すように、放射パッチ１２０は媒体材料基板１１０の上面に形成されている。結合パッチ１３０は、媒体材料基板１１０の上面に形成され、媒体材料基板１１０の一端から、放射パッチ１２０から所定の距離離れた位置までに延びる。金属支持部品１４０は、媒体材料基板１１０の下面に設置され、媒体材料基板１１０の下面エッジ付近から下方へ延びてグランド１５０に接続され、媒体材料基板１１０の下面とグランドとの間に所定の厚みｈａの空気層１６０が形成されている。
いくつかの実施例において、媒体材料基板１１０はＲｏｇｅｒｓ５８８０の媒体材料を採用し、厚みの範囲は０.２ｍｍ〜０.４ｍｍであり、０.２５４ｍｍであることが好ましい。誘電率εは２よりも大きく、２.２であることが好ましい。損失角正接は０.０００９である。媒体材料基板の長さは６.５ｍｍ〜８.５ｍｍであり、７.８ｍｍであることが好ましい。幅は５ｍｍ〜７ｍｍであり、６.１ｍｍであることが好ましい。
いくつかの実施例において、空気層１６０の厚みｈａは０.５ｍｍ〜３.０ｍｍであり、１.０ｍｍであることが好ましい。結合パッチ１３０の長さｌｐｌは１.５ｍｍ〜２.５ｍｍであり、１.９ｍｍであることが好ましい。幅ｗｐｌは０.５ｍｍ〜１.２ｍｍであり、０.８ｍｍであることが好ましい。放射パッチ１２０の長さｌｐは４.０ｍｍ〜５.０ｍｍであり、２.７ｍｍであることが好ましい。幅ｗｐは２.０ｍｍ〜３.０ｍｍであり、４.５ｍｍであることが好ましい。放射パッチ１２０と結合パッチ１３０との間の距離ｄは０.４ｍｍ〜０.５ｍｍであり、０.４５ｍｍであることが好ましい。また、支持部品は、媒体材料基板１１０の裏面に設置されており、具体的には銅板であり、その幅が０.４ｍｍ〜０.６ｍｍであり、０.５ｍｍであることが好ましい。この部品は、媒体材料基板１１０に支持作用を奏すると共に、実装のときに良好な接地性を保証するものである。
図５は、本願の一実施例に係るマイクロストリップアンテナの図１に示す方向に沿う断面図を示す。図５に示すように、金属支持部品１４０は、媒体材料基板の下面のエッジに設置され、下方へ延びている（図５の断面図には、右に延びる）。
図６は本願の実施例に係るマイクロストリップアンテナの定在波比の概略図を示す。図２に示すように、アンテナの「ＶＳＷＲ＜２」のインピーダンス帯域幅は１０ＧＨｚ(２３ＧＨｚ〜３３ＧＨｚ)であり、中心周波数は２８ＧＨｚであり、相対帯域幅は３５.７％であり、超ブロードバンドアンテナの要求に達する。図７は本願の実施例に係るマイクロストリップアンテナの２８ＧＨｚにおける方向図を示し、実線及び破線はそれぞれＰｈｉ＝０°及びＰｈｉ＝９０°であることを示す。図７から分かるように、アンテナの主ビームは、放射面の正上方に位置し、応用な要求を満たしている。
上記は具体的なサイズを結合してアンテナを製作したが、当業者がパラメータを適宜に変更することによって中心周波数及び相対帯域幅を変更することができる。
以上、単一のマイクロストリップアンテナの構造が記載された。当業者は、それをアンテナアレイに形成することができる。図８は、本願の他の実施例に係るアレイアンテナの概略図を示す。該アンテナアレイは、図８に示すように、送信アンテナ又は受信アンテナでも良い。いくつかの実施例において、アンテナアレイに、一次元に配列される図１に示す複数のブロードバンドパッチアンテナが含まれている。他の実施例において、複数の上記パッチアンテナに対して、単一の金属支持部品を設けてもよい。
いくつかの実施例において、提供されたアレイアンテナは、矩形の媒体材料基板を含み、複数の放射パッチ及び複数の結合パッチを媒体材料基板の上面に相応的に設置する。例えば、複数の放射パッチは、媒体材料基板の長さ方向に沿って間隔を置いて配列され、媒体材料基板の上面の上に形成される。複数の結合パッチと複数の放射パッチとは相応的に設置され、それぞれの結合パッチは媒体材料基板の上面の上に形成され、媒体材料基板の一端から、相応的な放射パッチから所定の距離離れた位置までに延びる。該アレイアンテナは、媒体材料基板の下面に設置され、媒体材料基板の下面のエッジ付近から下方へ延びてグランドに接続され、媒体材料基板の下面とグランドとの間に所定の厚みの空気層が形成された金属支持部品を備えている。このような方式に従って、複数のブロードバンドパッチアンテナを有するアンテナアレイを形成することができる。
送信アンテナと受信アンテナとの間の分離度は、通信システムにおける１つの重要な指標である。分離度が比較的に低い場合、送信信号が受信信号に妨害する信号の強度が比較的に高く、通信の品質は相応的に低下する。通常、アンテナの分離度とは、１つのアンテナの送信信号が別のアンテナを介して受信される信号と該送信アンテナの信号との比である。
分離度を向上するために、送受信アンテナの間の電磁結合通路で障害を設置して電磁結合を阻止することができ、あるいは、ダブル稼動状態の送受信アンテナを採用することができる。その送信及び受信はそれぞれ直交線分極又は直交円分極を採用する。また、送受信アンテナの間で別の結合通路を追加して、それに原結合信号と相殺させることもできる。
いくつかの実施例において、上記ミリ波マイクロストリップアンテナアレイに、それと整合する導波ホーン放射器を設け、元の送受信アンテナのブロードバンド及び方向性を保証することを基礎とし、送受信アンテナの分離度を向上することができる。
いくつかの実施例において、アンテナアレイにおける単一のアンテナは、上記空気媒体層を増加する方式や電磁結合の方式によって帯域幅を拡大し、５０オームのマイクロストリップ線エッジ給電を採用する。システム全体は一次元のアンテナアレイを採用する。アンテナの中心間隔は８.０ｍｍ〜１５.０ｍｍであり、１０.４ｍｍであることが好ましい。送受信アンテナの間の相対位置は、図８に示すように、送受信アンテナの垂直間隔は２０ｍｍ〜４０ｍｍであり、３０ｍｍであることが好ましい。水平相対位置は４.０ｍｍ〜６.０ｍｍであり、５.２ｍｍであることが好ましい。アンテナアレイの稼動状態は単受信および単送信とする。
アンテナアレイのマイクロストリップアンテナは、図１に示す実施例に従って設計されることができる。前記アンテナアレイと整合するホーン放射器は、矩形導波及びホーンを含む。例えば、いくつかの実施例において、放射器のホーン口は一段の矩形導波及びホーン自身からなる。矩形導波のサイズは対応するマイクロストリップアンテナのパッチサイズと一致する。
図９及び１０に示すように、いくつかの実施例において、導波ホーンアレイが提供された。矩形金属板２１１上に、矩形金属板２１１の長さ方向に沿って加工された断面が矩形である複数の孔があり、各孔の下段に矩形導波２１４が形成され、各孔の上段にホーン口２１３が形成される。矩形金属板の上面の孔の両側に、複数の孔の配列方向に沿って延びる、所定の深さを有する溝２１２が形成されている。例えば、ホーンの高さは１０ｍｍ〜１４ｍｍであり、１３ｍｍであることが好ましい。ホーン口の幅は導波の幅と一致する。ホーン口の長さは９〜１２ｍｍであり、１１ｍｍであることが好ましい。ホーンアレイの両側に、２ｍｍ幅の金属壁が２つ追加される。ただし、両側の金属溝は対称している。対称する金属溝は、導波ホーン口が追加されたアンテナの方向図を常に対称している。
また、溝２１２に複数のネジ孔（図示せず）が形成され、導波ホーンアレイとアンテナアレイとを結合する。いくつかの実施例において、導波ホーンアレイにおいては、溝２１２の幅は３.０ｍｍ〜５.０ｍｍであり、４ｍｍであることが好ましく、深さは８.０ｍｍ〜１２.０ｍｍであり、１０ｍｍであることが好ましい。
図１１及び図１２はそれぞれ送受信アンテナの定在波比及びアンテナの方向図であり、図１３及び図１４はそれぞれホーン口アレイを追加する前および後のアンテナの分離度の対比である。図１１、図１２から分かるように、導波ホーンが追加されたアンテナは、広帯域、主ビームの方向が集中し、サイズが小さいという長所を保持しており、「ＶＳＷＲ<２」の帯域幅は２２.８ＧＨｚ〜３０.５ＧＨｚであり、相対帯域幅は２８.９％に達する。図１３と図１４との対比から分かるように、導波ホーン口アレイは、分離度を５〜１０ｄＢ増加させる。総合的には言えば、この新型なホーン口アレイは、分離度を向上する目的をよく達した。
これにより、上記実施例に係るマイクロストリップアンテナは、体積が小さく、集積に便利であるという長所を有する。そして、マイクロストリップアンテナと導波ホーン放射器とを結合する上記実施例は、アンテナに帯域幅、方向性などの方面に良好な性能を保持させると共に、システムの送受信アンテナの分離度を向上した。
以上、本発明の典型的な実施例に基づいて本発明を説明したが、当業者は、使用された用語が、説明するための例であって、本発明を限定する用語ではないと理解すべきである。また、本発明は、精神及び実質を逸脱しない限りに、種々の形態で具体的に実施できるので、上記の実施例は、前述の詳細に限らず、特許請求の範囲によって限定されるものとして、広く解釈できると理解すべきである。特許請求の範囲または等価の範囲内での全ての変化や改良は、特許請求の範囲内に含まれていることを理解すべきである。

Claims (12)

  1. 矩形の媒体材料基板と、
    前記媒体材料基板の上面の上に形成された放射パッチと、
    前記媒体材料基板の上面の上に形成され、前記媒体材料基板の一端から、前記放射パッチから所定の距離離れた位置までに延びる結合パッチと、
    前記媒体材料基板の下面に設置され、前記媒体材料基板の下面のエッジ付近から下方へ延びてグランドに接続され、前記媒体材料基板の下面とグランドとの間に所定の厚みの空気層が形成された金属支持部品と、を備える、ブロードバンドパッチアンテナ。
  2. 前記金属支持部品は、
    銅からなる、請求項１に記載のブロードバンドパッチアンテナ。
  3. 前記空気層の厚みは、
    ０.５ｍｍ〜３.０ｍｍである請求項１に記載のブロードバンドパッチアンテナ。
  4. 前記所定の距離は、
    ０.４ｍｍ〜０.５ｍｍである請求項１に記載のブロードバンドパッチアンテナ。
  5. 前記結合パッチは、長さが１.５ｍｍ〜２.５ｍｍであり、その幅が０.５ｍｍ〜１.２ｍｍである請求項１に記載のブロードバンドパッチアンテナ。
  6. 前記放射パッチは、長さが４.０ｍｍ〜５.０ｍｍであり、その幅が２.０ｍｍ〜３.０ｍｍである請求項１に記載のブロードバンドパッチアンテナ。
  7. 前記ブロードバンドパッチアンテナは、
    Ｋ〜Ｋａ帯域で稼動する請求項１に記載のブロードバンドパッチアンテナ。
  8. 前記結合パッチに接続されるマイクロストリップ給線を更に備える請求項１に記載のブロードバンドパッチアンテナ。
  9. 前記金属支持部品は、
    具体的に銅板であり、前記媒体材料基板の両辺に設置されている請求項１に記載のブロードバンドパッチアンテナ。
  10. 前記銅板の幅は、０.４ｍｍ〜０.６ｍｍである請求項９に記載のブロードバンドパッチアンテナ。
  11. 一次元に配列される請求項１に記載のブロードバンドパッチアンテナを複数備えるアンテナアレイ。
  12. 矩形の媒体材料基板と、
    前記媒体材料基板の長さ方向に沿って間隔を置いて配列され、前記媒体材料基板の上面の上に形成される複数の放射パッチと、
    複数の前記放射パッチと相応的に設置され、それぞれが前記媒体材料基板の上面の上に形成されると共に、前記媒体材料基板の一端から、相応的な放射パッチから所定の距離離れた位置までに延びる複数の結合パッチと、
    前記媒体材料基板の下面に設置され、前記媒体材料基板の下面のエッジ付近から下方へ延びてグランドに接続され、前記媒体材料基板の下面とグランドとの間に所定の厚みの空気層が形成された金属支持部品と、を備えるアンテナアレイ。
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