JP2017092588A

JP2017092588A - ２周波共用円偏波平面アンテナおよびその軸比調整方法

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Publication number: JP2017092588A
Application number: JP2015217295A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　仁; Hitoshi Ito; 仁伊藤; 三浦　庸平; Yohei Miura; 庸平三浦; 孝志助川; Takashi Sukegawa; 孝彦澤柳; Takahiko Sawayanagi
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2017-05-25
Anticipated expiration: 2035-11-05
Also published as: JP6602165B2

Abstract

【課題】２つの周波数帯域における軸比を容易かつ適正に調整可能にする。【解決手段】下層パッチ２が設けられた下層誘電体基板３と、下層誘電体基板３の上に位置し、上層パッチ４が設けられた上層誘電体基板５と、下層パッチ２に相対的に９０°の位相角を有するように設けられた給電回路６と、上層パッチ４の近傍に給電回路６に対向して設けられた寄生素子７と、を備え、寄生素子７の長さを調整することで、この寄生素子７が設けられた上層パッチ４に対応する周波数帯域における軸比が、所定値よりも低く設定されている。【選択図】図１

Description

この発明は、２つの周波数の円偏波電波の通信が可能なマイクロストリップアンテナである２周波共用円偏波平面アンテナに関し、特に、軸比の調整を容易にする２周波共用円偏波平面アンテナおよびその軸比調整方法に関する。

例えば、衛星通信装置や移動体通信装置に搭載されるアンテナは、小型・薄型かつ軽量であり、円偏波で動作して送信と受信とが同時に行えることが要求されることから、円偏波の送受信が可能な２周波共用円偏波平面アンテナが使用されている。この２周波共用円偏波平面アンテナは、例えば、地導体の上に、上面に下層パッチ（受信パッチ）が配置された下層誘電体基板が積層され、さらに、この下層誘電体基板の上に、上面に上層パッチ（送信パッチ）が配置された上層誘電体基板が積層されている。また、放射導体に直交したモードの縮退を解いて円偏波を励振するために、各パッチの周縁に、給電ポイントに対して斜め４５°方向に切欠き状の縮退分離セグメント（縮退分離素子）が設けられている。

一方、２周波共用円偏波平面アンテナは、送信と受信とを同時に行うため、送信した電力が受信回路に混入するのを抑制する必要がある。すなわち、送受信間のアイソレーション特性（分離度）を高めることが求められる。このアイソレーション特性を劣化させる原因の一つに円偏波軸比特性があり、送信パッチの交差偏波特性（円偏波軸比）が悪い場合、受信パッチがそれを受信してしまい、アイソレーション特性が劣ってしまう。例えば、送信パッチの地導体側の電界分布が、受信パッチの縮退分離素子によって乱されることで、円偏波軸比・円偏波特性が悪化・劣化する。

このため、受信パッチを２点から給電し、送信パッチを１点から給電して、送信パッチに比べて受信パッチを十分に大きくすることで、受信パッチの縮退分離素子による影響を抑制して、送信パッチの円偏波軸比を良好にし、高いアイソレーション特性を確保する、という技術が知られている（例えば、特許文献１等参照。）。

特開平０６−１４０８３５号公報

ところで、下層パッチおよび上層パッチの大きさを変えることで、通信対象の周波数が変化するが、下層パッチと上層パッチが接近しているため、周波数つまり軸比を所望の値に調整することが困難であった。すなわち、一方のパッチの大きさを変えると、一方のパッチに対する周波数のみではなく、他方のパッチに対する周波数も変化していまい、２つの周波数を所望の値に調整することが困難であった。

例えば、図６に示すように、下層パッチ１０１と上層パッチ１０２が略正四角形状で、下層パッチ１０１側のみに給電線１０３が設けられた２周波共用円偏波平面アンテナ１００において、上層パッチ１０２の大きさを変えると、図7に示すように、各周波数帯域ｆ１、ｆ２で軸比が変化する。ここで、上層パッチ１０２の一辺の長さを順次長くし、特性Ｃ１１は、最小の場合の軸比特性を示し、特性Ｃ１２は、中位の場合の軸比特性を示し、特性Ｃ１３は、最大の場合の軸比特性を示す。また、仕様ＳＰ１は、下層パッチ１０１に対する仕様上の周波数帯域ｆ１における仕様上の軸比を示し、仕様ＳＰ２は、上層パッチ１０２に対する仕様上の周波数帯域ｆ２における仕様上の軸比を示し、この仕様ＳＰ１、ＳＰ２に特性Ｃ１１〜Ｃ１３が重ならない必要がある。つまり、２つの周波数帯域ｆ１、ｆ２における軸比が仕様ＳＰ１、ＳＰ２の軸比よりも低い必要がある。

この図からわかるように、上層パッチ１０２の大きさを変えると、周波数帯域ｆ２側の軸比のみではなく、周波数帯域ｆ１側の軸比も変化してしまう。同様に、下層パッチ１０１の大きさを変えると、周波数帯域ｆ１側の軸比のみではなく、周波数帯域ｆ２側の軸比も変化してしまい、２つの周波数帯域における軸比を所望の値に調整することが困難であった。

本発明は、２つの周波数帯域における軸比を容易かつ適正に調整可能な２周波共用円偏波平面アンテナおよびその軸比調整方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、下層パッチが設けられた下層誘電体基板と、前記下層誘電体基板の上に位置し、上層パッチが設けられた上層誘電体基板と、前記下層パッチおよび前記上層パッチの少なくとも一方に、相対的に９０°の位相角を有するように設けられた給電部と、前記下層パッチおよび前記上層パッチの少なくとも一方の近傍に、前記給電部に対向して設けられた寄生素子と、を備え、前記寄生素子の大きさおよび位置の少なくとも一方を調整することで、該寄生素子が設けられた前記下層パッチおよび前記上層パッチに対応する周波数帯域における軸比が、所定値よりも低く設定されている、ことを特徴とする２周波共用円偏波平面アンテナである。

請求項２に記載の発明は、下層パッチが設けられた下層誘電体基板と、前記下層誘電体基板の上に位置し、上層パッチが設けられた上層誘電体基板と、前記下層パッチおよび前記上層パッチの少なくとも一方に、相対的に９０°の位相角を有するように設けられた給電部と、を備えた２周波共用円偏波平面アンテナにおいて、軸比を調整する軸比調整方法であって、前記下層パッチおよび前記上層パッチの少なくとも一方の近傍に、前記給電部に対向して寄生素子を設け、該寄生素子の大きさおよび位置の少なくとも一方を調整することで、該寄生素子が設けられた前記下層パッチおよび前記上層パッチに対応する周波数帯域における軸比を調整する、ことを特徴とする２周波共用円偏波平面アンテナの軸比調整方法である。

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、寄生素子の大きさや位置を調整することで、この寄生素子が設けられたパッチに対応する周波数帯域における軸比が調整される。すなわち、寄生素子が設けられたパッチの大きさを調整する必要がないため、他のパッチに影響を与えることがない（他のパッチに対応する周波数帯域における軸比に影響を与えない。）。このため、例えば、一方のパッチの大きさを調整してこのパッチに対応する周波数帯域における軸比を調整し、他方のパッチに寄生素子を設けて大きさや位置を調整し、このパッチに対応する周波数帯域における軸比を調整すればよい。このように、２つの周波数帯域における軸比を容易かつ適正に調整することが可能となる。

この発明の実施の形態に係る２周波共用円偏波平面アンテナを示す分解斜視図である。図１の２周波共用円偏波平面アンテナの上層誘電体基板を示す平面図である。図１の２周波共用円偏波平面アンテナの周波数に対する軸比を示す図である。図１の２周波共用円偏波平面アンテナの周波数に対する直線偏波振幅を示す図である。この発明の実施の形態において、寄生素子を設けない場合の周波数に対する直線偏波振幅を示す図である。従来の２周波共用円偏波平面アンテナを示す分解斜視図である。図６の２周波共用円偏波平面アンテナの周波数に対する軸比を示す図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１〜図５は、この発明の実施の形態を示し、図１は、この実施の形態に係る２周波共用円偏波平面アンテナ１を示す分解斜視図である。この２周波共用円偏波平面アンテナ１は、２つの周波数帯域ｆ１、ｆ２の円偏波電波の通信が可能（円偏波電波の送受信が同時に可能）なマイクロストリップアンテナであり、全体が平盤状で、地導体（図示せず）の上に、下層パッチ２が設けられた下層誘電体基板３と、下層誘電体基板３の上に位置して上層パッチ４が設けられた上層誘電体基板５とが積層され、さらに、給電回路（給電部）６と寄生素子７とを備えている。ここで、この発明の実施では、第１の周波数帯域ｆ１と第２の周波数帯域ｆ２は、次の関係を有するものとする。
ｆ１＜ｆ２

下層パッチ２は、平面形状が略正四角形状で、平面形状が略正四角形状の下層誘電体基板３の上面に載置され、第１の周波数帯域ｆ１に基づいて一辺の長さが設定されている。つまり、下層パッチ２に対応する周波数帯域が第１の周波数帯域ｆ１となっている。

同様に、上層パッチ４は、平面形状が略正四角形状で、平面形状が略正四角形状の上層誘電体基板５の上面に載置され、第２の周波数帯域ｆ２に基づいて一辺の長さが設定されている。つまり、上層パッチ４に対応する周波数帯域が第２の周波数帯域ｆ２となっている。

ここで、下層誘電体基板３と上層誘電体基板５の形状・大きさは同等で、下層誘電体基板３の誘電率が上層誘電体基板５の誘電率よりも高く設定され、これにより、ビームが広くなって指向性が低減され、電波を補足しやすい。また、下層誘電体基板３の誘電率が上層誘電体基板５の誘電率よりも高いために、下層パッチ２に対応する第１の周波数帯域ｆ１が上層パッチ４に対応する第２の周波数帯域ｆ２よりも低いにもかかわらず、下層パッチ２が上層パッチ４よりも小さくなっている（誘電率が同じであれば、下層パッチ２が上層パッチ４よりも大きい。）。

給電回路６は、下層パッチ２および上層パッチ４に、相対的に９０°の位相角を有するように設けられた回路であり、この実施の形態では、下層パッチ２（下層誘電体基板３）に設けられている。すなわち、下層パッチ２の第１の辺２１から、この第１の辺２１に対向する下層誘電体基板３の第１の辺３１まで延びて、線状の第１の給電線６１が配設されている。同様に、下層パッチ２の第１の辺２１と直交する第２の辺２２から、この第２の辺２２に対向する下層誘電体基板３の第２の辺３２まで延びて、線状の第２の給電線６２が配設されている。ここで、第１の給電線６１と第２の給電線６２の線路長に１／４波長の差を設けることで、位相角を相対的に９０°ずらしている。

また、第１の給電線６１と第２の給電線６２が、電力分配器６３を介して入力ポート６４に接続されている。そして、入力ポート６４から第１の周波数帯域ｆ１または第２の周波数帯域ｆ２の電力・信号を供給することで、２つの円偏波電波の通信が行えるものである。

寄生素子７は、上層パッチ４の近傍に、給電回路６に対向して設けられた素子であり、この寄生素子７の大きさおよび位置の少なくとも一方を調整することで、上層パッチ４に対応する第２の周波数帯域ｆ２における軸比が所定値よりも低く設定されている。

すなわち、図１、図２に示すように、下層誘電体基板３と上層誘電体基板５を重ねた状態で、第２の給電線６２に対向して第２の給電線６２と重ならない上層パッチ４の第４の辺４４からやや離れて、寄生素子７が上層誘電体基板５上に配設されている。この寄生素子７は、細長い長方形状で、第４の辺４４と平行に延びて上層誘電体基板５上にエッチングされている。また、寄生素子７の幅Ｄ１および寄生素子７の位置、つまり、上層パッチ４の第４の辺４４からの距離Ｄ２は、第２の周波数帯域ｆ２に基づいて予め設定、固定され、この実施の形態では、寄生素子７の長さ（大きさ）Ｄ３を調整することで、第２の周波数帯域ｆ２における軸比が所定値よりも低く設定されている。

具体的に、軸比は、直線偏波の振幅に依存するが、寄生素子７を設けない場合、図５に示すように、水平方向（Ｈ）の直線偏波の振幅は、曲線Ｌ１１に示す特性となり、垂直方向（Ｖ）の直線偏波の振幅は、曲線Ｌ１２に示す特性となる。このとき、第２の周波数帯域ｆ２（図５中のポイントＰ２）においては、曲線Ｌ１１と曲線Ｌ１２との差が大きく、適正な円偏波が得られずに軸比が大きくなる。

一方、寄生素子７を設けた場合、図４に示すように、水平方向（Ｈ）の直線偏波の振幅は、曲線Ｌ１に示す特性となり、垂直方向（Ｖ）の直線偏波の振幅は、曲線Ｌ２に示す特性となる。このとき、第２の周波数帯域ｆ２（図４中のポイントＰ１）においては、曲線Ｌ１と曲線Ｌ２との差が小さく、適正な円偏波が得られて軸比が小さくなる。

これは、第２の周波数帯域ｆ２周辺において寄生素子７が反射器として機能し、正面方向の伝播が減って曲線Ｌ１がポイントＰ３で急激に下がる（ＮＵＬＬになる）ためである。そして、寄生素子７の長さＤ３を調整することで、曲線Ｌ１が急激に下がるポイントＰ３の位置（周波数）が変化するので、曲線Ｌ１、Ｌ２の差が小さくなるように寄生素子７の長さＤ３を調整して、第２の周波数帯域ｆ２における軸比を所定値よりも低く設定するものである。ここで、所定値とは、後述する仕様ＳＰ２であり、第２の周波数帯域ｆ２における仕様上の軸比（最大値）である。

このように、この実施の形態では、上層パッチ４の第４の辺４４（第２の給電線６２）に対向して寄生素子７を設け、水平方向の直線偏波の振幅曲線Ｌ１を調整しているが、寄生素子７を設けない状態での振幅特性（曲線Ｌ１１、Ｌ１２）などに応じて、他の位置に寄生素子７を設けてもよい。

例えば、上層パッチ４の第３の辺４３（第１の給電線６１）に対向して寄生素子７を設けてもよく、この場合、垂直方向の直線偏波の振幅曲線Ｌ２が調整可能となる。同様に、上層パッチ４の第２の辺４２（第２の給電線６２）に対向して寄生素子７を設けると、水平方向の直線偏波の振幅曲線Ｌ１が調整可能となり、上層パッチ４の第１の辺４１（第１の給電線６１）に対向して寄生素子７を設けると、垂直方向の直線偏波の振幅曲線Ｌ２が調整可能となる。ただし、上層パッチ４の辺４１、４２に対向して寄生素子７を設けると、給電線６１、６２に重なり影響を受けるため、上層パッチ４の辺４３、４４に対向して寄生素子７を設けるのが望ましい。

次に、このような構成の２周波共用円偏波平面アンテナ１の軸比調整方法について説明する。

まず、下層パッチ２の大きさを調整して第１の周波数帯域ｆ１における軸比を所定値よりも低く設定する。ここで、所定値とは、仕様ＳＰ１であり、第１の周波数帯域ｆ１における仕様上の軸比（最大値）である。次に、寄生素子７の長さＤ３を調整して、第２の周波数帯域ｆ２における軸比を仕様ＳＰ２よりも低く設定する。ここで、寄生素子７は、予め長めに設けられ、トリミングして長さＤ３を短縮・調整する。

この調整によって、周波数に対する軸比が、図３に示すように変化する。ここで、特性Ｃ１は、長さＤ３が最短の場合の軸比特性を示し、特性Ｃ２は、長さＤ３が中位の場合の軸比特性を示し、特性Ｃ３は、長さＤ３が最長の場合の軸比特性を示す。この図からわかるように、寄生素子７の長さＤ３を調整しても、第１の周波数帯域ｆ１における軸比はほとんど変わらず、第２の周波数帯域ｆ２における軸比が大きく変わる。つまり、寄生素子７の長さＤ３を調整して第２の周波数帯域ｆ２における軸比を調整しても、下層パッチ２に影響を与えることがない。

そして、第２の周波数帯域ｆ２における軸比が仕様ＳＰ２の軸比よりも低くなるまで、例えば、特性Ｃ２が得られるまで、寄生素子７の長さＤ３を短縮・調整する。これにより、２つの周波数帯域ｆ１、ｆ２における軸比が、ともに仕様ＳＰ１、ＳＰ２の軸比よりも低くなるものである。

このように、この２周波共用円偏波平面アンテナ１およびその軸比調整方法によれば、寄生素子７の長さＤ３を調整することで、上層パッチ４に対応する第２の周波数帯域ｆ２における軸比が調整される。すなわち、寄生素子７が設けられた上層パッチ４の大きさを調整する必要がないため、下層パッチ２に影響を与えることがない（下層パッチ２に対応する第１の周波数帯域ｆ１における軸比に影響を与えない。）。このため、上記のように、下層パッチ２の大きさを調整して第１の周波数帯域ｆ１における軸比を調整し、寄生素子７の長さＤ３を調整して第２の周波数帯域ｆ２における軸比を調整すればよい。このように、２つの周波数帯域ｆ１、ｆ２における軸比を容易かつ適正に調整することが可能となる。しかも、寄生素子７の長さ（大きさ）Ｄ３をトリミングして短縮・調整するだけでよいため、より容易かつ適正に調整することが可能となる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、上層パッチ４の近傍に寄生素子７を設けているが、下層パッチ２の近傍に寄生素子７を設けてもよく、また、上層パッチ４と下層パッチ２の近傍に寄生素子７を設けてもよい。この際、例えば、下層パッチ２の近傍に寄生素子７を設けた場合には、上層パッチ４の大きさを調整して第２の周波数帯域ｆ２における軸比を調整し、寄生素子７の大きさや位置を調整して第１の周波数帯域ｆ１における軸比を調整すればよい。

また、寄生素子７の長さ（大きさ）Ｄ３のみを調整して軸比を調整しているが、寄生素子７の位置のみを調整して軸比を調整したり、寄生素子７の大きさと位置を調整して軸比を調整したりしてもよい。また、パッチ２、４の平面形状が略正四角形状であるが、円形であってもよい。さらに、給電回路６を下層誘電体基板３（下層パッチ２）に設けているが、上層誘電体基板５（上層パッチ４）に設けてもよく、下層誘電体基板３と上層誘電体基板５の双方に設けてもよい。また、複数の寄生素子７を設けてもよい。

１２周波共用円偏波平面アンテナ
２下層パッチ
３下層誘電体基板
４上層パッチ
５上層誘電体基板
６給電回路（給電部）
７寄生素子
ｆ１第１の周波数帯域
ｆ２第２の周波数帯域

Claims

下層パッチが設けられた下層誘電体基板と、
前記下層誘電体基板の上に位置し、上層パッチが設けられた上層誘電体基板と、
前記下層パッチおよび前記上層パッチの少なくとも一方に、相対的に９０°の位相角を有するように設けられた給電部と、
前記下層パッチおよび前記上層パッチの少なくとも一方の近傍に、前記給電部に対向して設けられた寄生素子と、
を備え、前記寄生素子の大きさおよび位置の少なくとも一方を調整することで、該寄生素子が設けられた前記下層パッチおよび前記上層パッチに対応する周波数帯域における軸比が、所定値よりも低く設定されている、
ことを特徴とする２周波共用円偏波平面アンテナ。
下層パッチが設けられた下層誘電体基板と、前記下層誘電体基板の上に位置し、上層パッチが設けられた上層誘電体基板と、前記下層パッチおよび前記上層パッチの少なくとも一方に、相対的に９０°の位相角を有するように設けられた給電部と、を備えた２周波共用円偏波平面アンテナにおいて、軸比を調整する軸比調整方法であって、
前記下層パッチおよび前記上層パッチの少なくとも一方の近傍に、前記給電部に対向して寄生素子を設け、該寄生素子の大きさおよび位置の少なくとも一方を調整することで、該寄生素子が設けられた前記下層パッチおよび前記上層パッチに対応する周波数帯域における軸比を調整する、
ことを特徴とする２周波共用円偏波平面アンテナの軸比調整方法。