JP2017085289A

JP2017085289A - 平面アレーアンテナ

Info

Publication number: JP2017085289A
Application number: JP2015210033A
Authority: JP
Inventors: 真豪井上; Shingo Inoue
Original assignee: Hitachi Kokusai Yagi Solutions Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Yagi Solutions Inc
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2015-10-26
Publication date: 2017-05-18

Abstract

【課題】複数の周波数帯にわたって同等の指向性特性を実現することが可能な平面アレーアンテナを提供する。【解決手段】単一の誘電体基板１１において、ｆ１：２．３ＧＨｚ帯の偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉを基板中央に格子状にアレー化して配置し、当該ｆ１帯よりも低いｆ２：１．２ＧＨｚ帯の偏波共用パッチ放射素子１３ａ〜１２ｈを前記ｆ１帯の偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉの外側を方形に囲むようにアレー化して配置し、そのそれぞれのアレー間隔（Ｘ１，Ｘ２）を各周波数帯（ｆ１，ｆ２）の波長（λ１，λ２）の比（λ１：λ２）に対応して最適化した構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ＦＰＵ（Field Pickup Unit）などのテレビジョン放送用無線伝送装置のアンテナとして使用される平面アレーアンテナに関する。

従来、複数の周波数帯に対応した平面アンテナとしては、放射素子を広帯域化して多周波化すると共に、当該放射素子をアレー化して高利得化したものがある。

また、低周波数帯で動作する上部の平面アレーアンテナ・ユニットと高周波数帯で動作する底部の平面アレーアンテナ・ユニットとで層状構造をなし、低および高周波数帯の両方において互いに独立に電波を放射し得る二重周波数平面アレーアンテナが考えられている（例えば、特許文献１参照。）。

特表２０００−５１４６１４号公報

前記放射素子を広帯域化してアレー化することで多周波化、高利得化した従来の平面アンテナでは、使用周波数によって指向性特性、最大放射方向利得が異なるという課題があった。

また、前記従来の二重周波数平面アレーアンテナでは、上部と底部の平面アレーアンテナ・ユニットの層状構造であるため、当該ユニット間の同軸ケーブルの引き回しも含めてアンテナ全体の厚みが増して薄型化の妨げになるばかりでなく、底部の平面アレーアンテナ・ユニットからは電波の放射方向に上部のユニットが配置されて影響を受けるので、低周波数帯と高周波帯とで同等の指向性特性を得ることができない課題がある。

本発明は、このような課題に鑑みなされたもので、複数の周波数帯にわたって同等の指向性特性を実現することが可能な平面アレーアンテナを提供することを目的とする。

本発明に係る平面アレーアンテナは、誘電体基板と、この誘電体基板の基板上にアレー化して設けられた任意の周波数帯に対応した複数のパッチ放射素子と、この任意の周波数帯に対応した複数のパッチ放射素子のアレーを囲むようにアレー化して設けられた前記任意の周波数よりも低い周波数帯に対応した複数のパッチ放射素子とを備え、前記任意の周波数帯に対応した複数のパッチ放射素子のアレー間隔と前記低い周波数帯に対応した複数のパッチ放射素子のアレー間隔とを、当該各周波数帯の波長の比に応じた間隔にした、ことを特徴としている。

本発明によれば、複数の周波数帯にわたって同等の指向性特性を実現することが可能になる。

本発明の平面アレーアンテナの実施形態に係る２周波共用平面アレーアンテナ１０の構成を示す斜視図。前記図１における２周波共用平面アレーアンテナ１０のａ−ａ´線断面の構成を示す図。前記２周波共用平面アレーアンテナ１０における１つの放射素子１３（１２）の構成を示す斜視図。前記図３における１つの放射素子１３（１２）の構成を横から見て示す側面図。前記２周波共用平面アレーアンテナ１０における並列分配給電線路の構成を示す系統図であり、同図（Ａ）はｆ１帯の各偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉへの系統図、同図（Ｂ）はｆ２帯の各偏波共用パッチ放射素子１３ａ〜１３ｈへの系統図。前記２周波共用平面アレーアンテナ１０をｆ２：１．２ＧＨｚ帯の垂直偏波で動作させた垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈを示す図。前記２周波共用平面アレーアンテナ１０をｆ２：１．２ＧＨｚ帯の水平偏波で動作させた垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈを示す図。前記２周波共用平面アレーアンテナ１０をｆ１：２．３ＧＨｚ帯の垂直偏波で動作させた垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈを示す図。前記２周波共用平面アレーアンテナ１０をｆ１：２．３ＧＨｚ帯の水平偏波で動作させた垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈを示す図。前記２周波共用平面アレーアンテナ１０により円偏波を放射させる場合の並列分配給電線路の構成を示す系統図であり、同図（Ａ）はｆ１帯の各偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉへの系統図、同図（Ｂ）はｆ２帯の各偏波共用パッチ放射素子１３ａ〜１３ｈへの系統図。前記２周波共用平面アレーアンテナ１０をｆ２：１．２ＧＨｚ帯の右旋円偏波で動作させた垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈを示す図。前記２周波共用平面アレーアンテナ１０をｆ２：１．２ＧＨｚ帯の左旋円偏波で動作させた垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈを示す図。前記２周波共用平面アレーアンテナ１０をｆ１：２．３ＧＨｚ帯の右旋円偏波で動作させた垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈを示す図。前記２周波共用平面アレーアンテナ１０をｆ１：２．３ＧＨｚ帯の左旋円偏波で動作させた垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈを示す図。前記２周波共用平面アレーアンテナ１０のｆ１：２．３ＧＨｚ帯およびｆ２：１．２ＧＨｚ帯の定在波比特性を示す図。

以下図面により本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の平面アレーアンテナの実施形態に係る２周波共用平面アレーアンテナ１０の構成を示す斜視図である。

図２は、前記図１における２周波共用平面アレーアンテナ１０のａ−ａ´線断面の構成を示す図である。

図３は、前記２周波共用平面アレーアンテナ１０における１つの放射素子１３（１２）の構成を示す斜視図である。

図４は、前記図３における１つの放射素子１３（１２）の構成を横から見て示す側面図である。

この２周波共用平面アレーアンテナ１０は、誘電体基板を加工して製作するもので、例えば矩形の単一の誘電体基板１１の表面側の中央に、任意の周波数帯ｆ１に対応させた放射素子として９つの偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉを３×３列の格子状にアレー化して設ける。

また、前記任意の周波数帯ｆ１よりも低い周波数帯ｆ２に対応させた放射素子として８つの偏波共用パッチ放射素子１３ａ〜１３ｈを、前記格子状にアレー化して配置したｆ１帯偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉの周りを囲むように一辺３つの方形にアレー化して設ける。

前記誘電体基板１１の裏面の全面に重なって形成されている地導体板は前記各偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉ（１３ａ〜１３ｈ）の反射板１４として機能する。

この実施形態では、例えばＦＰＵの送受信用アンテナとしてｆ１：２．３ＧＨｚ帯（送受信周波数が２３３０〜２３７０ＭＨｚ）とｆ２：１．２ＧＨｚ帯（送受信周波数が１２４０〜１３００ＭＨｚ）の各周波数帯域で使用する２周波共用平面アレーアンテナ１０について説明する。

前記ｆ１（ｆ２）帯の各偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉ（１３ａ〜１３ｈ）は、図３、図４に示すように、前記誘電体基板１１上に形成された１辺の長さが２分の１波長（1/λ）程度の方形パッチ素子２１と、当該方形パッチ素子２１の素子面上に配置された方形無給電素子２２と、前記方形パッチ素子２１の中心位置に対応して前記誘電体基板１１を貫通し当該基板１１の裏面に形成された反射板１４と前記方形無給電素子２２の中心位置との間を接続して配置された接地導体棒２３とから構成される。

前記方形パッチ素子２１の下辺中央を導出するように形成された垂直給電部２４に給電することで垂直偏波を放射し、同方形パッチ素子２１の右辺中央を導出するように形成された水平給電部２５に給電することで水平偏波を放射する。

そして、前記２周波共用平面アレーアンテナ１０において、前記ｆ１帯の各偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉの配置間隔Ｘ１と前記ｆ２帯の各偏波共用パッチ放射素子１３ａ〜１３ｈの配置間隔Ｘ２との比（Ｘ１：Ｘ２）、および同ｆ１帯の各偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉにおける基板面から方形無給電素子２４までの高さＨ１と同ｆ２帯の各偏波共用パッチ放射素子１３ａ〜１３ｈにおける基板面から方形無給電素子２４までの高さＨ２との比（Ｈ１：Ｈ２）は、何れもその動作周波数ｆ１，ｆ２の波長λ１，λ２の比（λ１：λ２）に等しく設計され、そのそれぞれの間隔Ｘ１，Ｘ２および高さＨ１，Ｈ２が高利得に最適化されるように調整される。

図５は、前記２周波共用平面アレーアンテナ１０における並列分配給電線路の構成を示す系統図であり、同図（Ａ）はｆ１帯の各偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉへの系統図、同図（Ｂ）はｆ２帯の各偏波共用パッチ放射素子１３ａ〜１３ｈへの系統図である。

図５（Ａ）に示すように、前記ｆ１帯の各偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉへの並列分配給電線路は、給電端子２６ｆ１から１段目の３分配器２７ａと２段目の各３分配器２７ｂ１〜２７ｂ３とを介して前記各パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉの垂直（または水平）給電部２４（２５）に並列に分配給電されるよう構成される。

図５（Ｂ）に示すように、前記ｆ２帯の各偏波共用パッチ放射素子１３ａ〜１３ｈへの並列分配給電線路は、給電端子２６ｆ２から１段目の２分配器２８ａと２段目の各２分配器２８ｂ１，２８ｂ２と３段目の各２分配器２８ｃ１〜２８ｃ４とを介して前記各パッチ放射素子１３ａ〜１３ｈの垂直（または水平）給電部２４（２５）に並列に分配給電されるよう構成される。

すなわち、本実施形態の２周波共用平面アレーアンテナ１０の場合、２周波の各周波数帯（ｆ１とｆ２）で且つ２偏波（直線偏波と水平偏波）を共用化するために、前記図５（Ａ）で示したｆ１帯の並列分配給電線路を直線偏波用と水平偏波用で２系統、前記図５（Ｂ）で示したｆ２帯の並列分配給電線路を直線偏波用と水平偏波用で２系統、合計４系統の給電線路を設けて構成する。

次に、前記構成の２周波共用平面アレーアンテナ１０の動作特性について説明する。

図６は、前記２周波共用平面アレーアンテナ１０をｆ２：１．２ＧＨｚ帯の垂直偏波で動作させた垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈを示す図である。

図７は、前記２周波共用平面アレーアンテナ１０をｆ２：１．２ＧＨｚ帯の水平偏波で動作させた垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈを示す図である。

図８は、前記２周波共用平面アレーアンテナ１０をｆ１：２．３ＧＨｚ帯の垂直偏波で動作させた垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈを示す図である。

図９は、前記２周波共用平面アレーアンテナ１０をｆ１：２．３ＧＨｚ帯の水平偏波で動作させた垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈを示す図である。

前記構成の２周波共用平面アレーアンテナ１０によれば、前記図６，図７に示すように、ｆ２：１．２ＧＨｚ帯（１２７０ＭＨｚ）における各偏波の垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈと、前記図８，図９に示すように、ｆ１：２．３ＧＨｚ帯（２３５０ＭＨｚ）における各偏波の垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈとが同等化していると共に、当該異なる２つの周波数帯ｆ２，ｆ１での各利得も、ｆ２（１２７０ＭＨｚ）での利得１８．９ｄＢｉ、ｆ１（２３５０ＭＨｚ）での利得１９．３ｄＢｉとなり同等化している。

図１０は、前記２周波共用平面アレーアンテナ１０により円偏波を放射させる場合の並列分配給電線路の構成を示す系統図であり、同図（Ａ）はｆ１帯の各偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉへの系統図、同図（Ｂ）はｆ２帯の各偏波共用パッチ放射素子１３ａ〜１３ｈへの系統図である。

図１０（Ａ）に示すように、ｆ１帯の各偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉへの並列分配給電線路は、円偏波を放射させる場合、前記図５（Ａ）で示した２段で４つの３分配器２７ａ，２７ｂ１〜２７ｂ３を使用した並列分配給電線路において、２段目の各３分配器２７ｂ１〜２７ｂ３から各偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉへの給電線路に９０°ハイブリッド回路２９ａ〜２９ｉを介在し、当該各偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉの垂直偏波ポート１２ａｖ〜１２ｉｖである垂直給電部２４と水平偏波ポート１２ａｈ〜１２ｉｈである水平給電部２５とに位相差を与えて給電するように構成される。

図１０（Ｂ）に示すように、ｆ２帯の各偏波共用パッチ放射素子１３ａ〜１２ｈへの並列分配給電線路は、円偏波を放射させる場合、前記図５（Ｂ）で示した３段で７つの２分配器２８ａ，２８ｂ１，２８ｂ２，２８ｃ１〜２８ｃ４を使用した並列分配給電線路において、３段目の各２分配器２８ｃ１〜２８ｃ４から各偏波共用パッチ放射素子１３ａ〜１２ｈへの給電線路に９０°ハイブリッド回路２９ａ〜２９ｈを介在し、当該各偏波共用パッチ放射素子１３ａ〜１３ｈの垂直偏波ポート１３ａｖ〜１３ｈｖである垂直給電部２４と水平偏波ポート１３ａｈ〜１３ｈｈである水平給電部２５とに位相差を与えて給電するように構成される。

すなわち、前記円偏波を放射させる２周波共用平面アレーアンテナ１０の場合は、２周波の各周波数帯（ｆ１とｆ２）で円偏波を共用化するために、前記図１０（Ａ）で示したｆ１帯の並列分配給電線路と前記図１０（Ｂ）で示したｆ２帯の並列分配給電線路との２系統の給電線路を設けて構成する。

次に、前記円偏波を放射させる２周波共用平面アレーアンテナ１０の動作特性について説明する。

図１１は、前記２周波共用平面アレーアンテナ１０をｆ２：１．２ＧＨｚ帯の右旋円偏波で動作させた垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈを示す図である。

図１２は、前記２周波共用平面アレーアンテナ１０をｆ２：１．２ＧＨｚ帯の左旋円偏波で動作させた垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈを示す図である。

図１３は、前記２周波共用平面アレーアンテナ１０をｆ１：２．３ＧＨｚ帯の右旋円偏波で動作させた垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈを示す図である。

図１４は、前記２周波共用平面アレーアンテナ１０をｆ１：２．３ＧＨｚ帯の左旋円偏波で動作させた垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈを示す図である。

前記構成の円偏波を放射させる２周波共用平面アレーアンテナ１０によれば、前記直交偏波共用時の動作特性と同様に、図１１，図１２に示すように、ｆ２：１．２ＧＨｚ帯（１２７０ＭＨｚ）における各円偏波の垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈと、図１３，図１４に示すように、ｆ１：２．３ＧＨｚ帯（２３５０ＭＨｚ）における各円偏波の垂直面指向性Ｖおよび水平面指向性Ｈとが同等化していると共に、当該異なる２つの周波数帯ｆ２，ｆ１での各利得も、ｆ２（１２７０ＭＨｚ）での利得１８．９ｄＢｉ、ｆ１（２３５０ＭＨｚ）での利得１９．１ｄＢｉとなり同等化している。

図１５は、前記２周波共用平面アレーアンテナ１０のｆ１：２．３ＧＨｚ帯およびｆ２：１．２ＧＨｚ帯の定在波比特性を示す図である。

ｆ１：２．３ＧＨｚ帯に最適化した偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉでの定在波比特性１２Ａ，１２Ｂも、ｆ２：１．２ＧＨｚ帯に最適化した偏波共用パッチ放射素子１３ａ〜１３ｈでの定在波比特性１３Ａ，１３Ｂも、当該最適化した両方の周波数帯ｆ１，ｆ２において１．４以下となり、良好な特性を示している。

したがって、前記構成の２周波共用平面アレーアンテナ１０によれば、ｆ１：２．３ＧＨｚ帯での偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉによる偏波放射時とｆ２：１．２ＧＨｚ帯での偏波共用パッチ放射素子１３ａ〜１３ｈによる偏波放射時との両方の周波数帯にわたって同等の指向性特性を実現することが可能になる。

なお、前記各実施形態では、ｆ１：２．３ＧＨｚ帯とｆ２：１．２ＧＨｚ帯との２周波共用平面アレーアンテナ１０について説明したが、３周波以上の共用とした場合でも、前記実施形態のアンテナ１０の構成と同様に、単一の誘電体基板１１上において、高い周波数帯のパッチ放射素子を内側にアレー化して配置し、低い周波数帯のパッチ放射素子を当該内側のパッチ放射素子の外側を囲むように順次アレー化して配置し、そのそれぞれのアレー間隔を各周波数帯の波長の比に応じて最適化した構成とすることにより、当該各周波数帯にわたって同等の指向性特性を実現することが可能になる。

また、前記各実施形態では、前記単一の誘電体基板１１に対する各偏波共用パッチ放射素子１２ａ〜１２ｉ（１３ａ〜１３ｈ）のアレー化の配置の形状を格子状（グリッド形状）にして構成したが、亀甲状（ハニカム形状）にして構成してもよい。

本願発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、前記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、各実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されたり、幾つかの構成要件が異なる形態にして組み合わされても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除されたり組み合わされた構成が発明として抽出され得るものである。

１０ …２周波共用平面アレーアンテナ
１１ …誘電体基板
１２ａ〜１２ｉ…ｆ１帯偏波共用パッチ放射素子
１２ａｖ〜１２ｉｖ…ｆ１帯垂直偏波ポート
１２ａｈ〜１２ｉｈ…ｆ１帯水平偏波ポート
１３ａ〜１３ｈ…ｆ２帯偏波共用パッチ放射素子
１３ａｖ〜１３ｈｖ…ｆ２帯垂直偏波ポート
１２ａｈ〜１２ｈｈ…ｆ２帯水平偏波ポート
１４ …反射板
２１ …方形パッチ素子
２２ …方形無給電素子
２３ …接地導体棒
２４ …垂直給電部
２５ …水平給電部
２６ｆ１，２６ｆ２…給電端子
２７ａ，２７ｂ１〜２７ｂ３…３分配器
２８ａ，２８ｂ１，２８ｂ２，２８ｃ１〜２８ｃ４…２分配器
２９ａ〜２９ｉ…９０°ハイブリッド回路

Claims

誘電体基板と、
この誘電体基板の基板上にアレー化して設けられた任意の周波数帯に対応した複数のパッチ放射素子と、
この任意の周波数帯に対応した複数のパッチ放射素子のアレーを囲むようにアレー化して設けられた前記任意の周波数よりも低い周波数帯に対応した複数のパッチ放射素子とを備え、
前記任意の周波数帯に対応した複数のパッチ放射素子のアレー間隔と前記低い周波数帯に対応した複数のパッチ放射素子のアレー間隔とを、当該各周波数帯の波長の比に応じた間隔にした、
ことを特徴とする平面アレーアンテナ。
前記パッチ放射素子は、偏波共用のパッチ放射素子であり、前記各周波数帯において異なる偏波を放射する、
ことを特徴とする請求項１に記載の平面アレーアンテナ。