JP2021083001A - マイクロストリップアンテナ、情報機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】より性能を向上させたマイクロストリップアンテナを提供する。【解決手段】マイクロストリップアンテナは、方形共振器において切り欠いた形状を有しており、当該切り欠いた形状により、当該切り欠いた形状の周辺となる第1の部分に対し対向する位置関係にある第2の部分および第3の部分について前記放射特性に寄与させる形状を有している。切り欠いた形状として、方形共振器の外側から、方形共振器の対向する2つの辺について切り欠いた形状を有することにより、方形共振器がH型の形状を有している。方形共振器は、3/2波長の辺を有し、当該切り欠いた形状の幅は1/2波長である。第1の部分ではなく、第2の部分または第3の部分のいずれかに、給電点を備える。【選択図】図2

Description

本開示は、マイクロストリップアンテナ、情報機器に関する。
マイクロストリップアンテナは、携帯電話機、衛星通信用機器、自動車などの移動体などに用いられている。下記の特許文献1、特許文献2には、マイクロストリップアンテナについて記載されている。
アンテナの性能を高めるため、下記の非特許文献1、非特許文献2には、アンテナの利得を高めるために、4つのアンテナをアレイ化することが記載されている。非特許文献1には、4つのアンテナ素子を、電力分配器によりアレイ化する構成が記載されている。非特許文献1の技術の場合、アンテナを配置する面と、回路を配置する面とでは、適した基板材料が異なり、適した厚みも異なる。そのため、高い利得を得るため、アンテナと回路とを別の基板により構成する。
特開2003−258539号公報 特開2003−283241号公報
Richard E. Hodges、外3名、"A Deployable High-Gain Antenna Bound for Mars: Developing a new folded-panel reflectarray for the first CubeSat mission to Mars."、[online]、2017年2月21日、IEEE Antennas and Propagation Magazine、インターネット(URL: https://www.researchgate.net/publication/315370269_A_Deployable_High-Gain_Antenna_Bound_for_Mars_Developing_a_new_folded-panel_reflectarray_for_the_first_CubeSat_mission_to_Mars) MKA Rahim、外3名、"Antenna array at 2.4 GHz for wireless LAN system using point to point communication"、[online]、2007年12月4日、IEEE Xplore、インターネット(URL: https://www.researchgate.net/publication/4364395_Antenna_array_at_24_GHz_for_wireless_LAN_system_using_point_to_point_communication)
非特許文献2には、電力分配器等の回路を、アンテナ面に構成することが記載されている。しかし、アンテナの放射効率を犠牲にすることとなる。
そこで、本開示において、より性能を向上させたマイクロストリップアンテナを提供することを目的とする。
一実施形態によれば、マイクロストリップアンテナは、方形共振器において切り欠いた形状を有しており、当該切り欠いた形状により、当該切り欠いた形状の周辺となる第1の部分に対し対向する位置関係にある第2の部分および第3の部分について前記放射特性に寄与させる形状を有している。
本開示によれば、より性能を向上させたマイクロストリップアンテナ、情報機器を提供することができる。
従来のマイクロストリップアンテナの構成を示す図である。 実施の形態におけるマイクロストリップアンテナを示す図である。 動作比較の条件を示す図である。 アンテナの放射指向性の比較結果を示す図である。
以下、図面を参照しながら実施形態の説明を述べる。なお、以降、説明済みの要素と同一または類似の要素には同一または類似の符号を付し、重複する説明については基本的に省略する。例えば、複数の同一または類似の要素が存在する場合に、各要素を区別せずに説明するために共通の符号を用いることがあるし、各要素を区別して説明するために当該共通の符号に加えて枝番号を用いることもある。
<比較例>
まず、比較対象として、従来のマイクロストリップアンテナ10の構成について説明する。
図1は、従来のマイクロストリップアンテナの構成を示す図である。図1(A)に示すように、マイクロストリップアンテナ10は、給電回路用基板11、グランド板(地導体板)12、アンテナ用基板(誘電体基板)13、マイクロストリップパッチ14、給電ピン15、給電導体16を備える。
図1(A)において、マイクロストリップパッチ14を有するアンテナ用基板13等の面を、x軸およびy軸により規定される面とし、当該x軸およびy軸に対して垂直となる方向をz軸とする。つまり、z軸は、マイクロストリップアンテナ10の厚み方向を示す。
給電回路用基板11は、給電導体16を備える。給電導体16は、給電ピン15に給電するためのものである。給電導体16とグランド板12とによりマイクロストリップラインを形成する。当該マイクロストリップラインは、電力を伝送する線路となる。
グランド板12は、導体であり、アンテナ用基板13と給電回路用基板11の間に設けられる。
アンテナ用基板13は、上面にマイクロストリップパッチ14を備える。
マイクロストリップパッチ14は、給電ピン15により電力が給電される。給電ピン15は、マイクロストリップパッチ14と、給電点17により接続し、給電点17を介してマイクロストリップパッチ14に給電する。
マイクロストリップパッチ14とグランド板12によりマイクロストリップアンテナを形成する。当該マイクロストリップアンテナは、電波を放射する。マイクロストリップパッチ14を、放射素子ということもある。
給電導体16は、給電ピン15に電力を給電する。
なお、図示する例では、マイクロストリップパッチ14は、円形状または楕円形状の例を示しているが、方形のものもある。図1(B)は、方形の形状のマイクロストリップパッチ14の例を示す図である。
図1(B)に示すように、方形のマイクロストリップアンテナは、長さ「L」、幅「W」のマイクロストリップラインと同等の構造を有しており、共振器として動作する。
図1(C)に示すように、アンテナ素子を、電力分配器によりアレイ化する構成もある。図1(C)において、アンテナ面に、アンテナ素子24(24A〜24H)を配置している。アンテナ素子24A、24B、24C、24Dの4つのアンテナ素子をアレイ化している。また、アンテナ素子24E、24F、24G、24Hの4つのアンテナ素子をアレイ化している。
図1(D)は、電力分配器25を配置する基板の面を示す。図1(D)は、図1(C)に対応しており、図1(C)におけるアンテナ素子24の配置個所を、図1(D)において点線で示している。
なお、図1(C)および図1(D)の例において、アンテナ面(図1(C))に電力分配器25を配置する場合には、図1(C)の場合と比較して電力分配器25を配置するための領域をアンテナ面において確保する必要があるため、アンテナの放射効率を低下させることになる。
以上のように、アンテナ素子24をアレイ化する際、電力分配器25を用いることになり、その損失によりアンテナの放射効率を低下させることとなる。
また、アンテナ面と、電力分配器25を配置するための回路面とを、それぞれ別の基板により構成する場合、電力分配器が占める面積が比較的大きくなり(面積占有率が高くなる)、電力分配器を配置する基板において他の回路を構成するための面積が制限されうる。
<実施の形態におけるマイクロストリップアンテナの説明>
図2は、実施の形態におけるマイクロストリップアンテナを示す図である。
図2(A)は、実施の形態におけるマイクロストリップアンテナの形状の一例を示す。図示するように、マイクロストリップパッチ34Aは、H型の形状を有している。
マイクロストリップパッチ34Aは、所定波長を有する方形共振器として構成されている。ここで、図示するように、マイクロストリップパッチ34Aは、所定波長として、3/2実効波長(以下、波長と記述)の方形共振器として構成されている。マイクロストリップ線路は、特性インピーダンスにより実効誘電率が変わるため実効波長が異なる。つまり、実効波長が変数により定まるため、マイクロストリップパッチ34Aにおいて、幅の長さを「λg」などと記載する。
マイクロストリップパッチ34Aは、図示する例において、横方向が3/2波長の幅を有することにより、共振器として動作する。図示するように、切り欠き部38A、38Bの幅(図示する例における横方向の長さ)を、「1/2λg2」とする。
マイクロストリップパッチ34Aにおいて、切り欠き部38A、38Bの間の領域を第1の部分(図3(A)で後述するような、H型の形状のくびれ部分に相当する第1の部分39A)とする。
マイクロストリップパッチ34Aにおいて、第1の部分に対向する2つの領域を、第2の部分および第3の部分(図3(A)に示すように第2の部分39Bと第3の部分39C)とする。第2の部分39Bの幅を、「1/2λg1」とする。第3の部分39Cの幅を、「1/2λg3」とする。
以上より、マイクロストリップパッチ34Aの幅(図示する例における横方向の長さ)を、1/2(λg1+λg2+λg3)と表記しており、当該マイクロストリップパッチ34Aの幅は、上記のとおり3/2波長としている。
マイクロストリップパッチ34Aにおいて、縦方向の長さ(図示する例における長さ「W」)は、1/2実効波長以上の任意の値である。図示する例において、長さ「W」が「1/2λg4」以上であることを示している。
マイクロストリップパッチ34Aは、切り欠き部38A、38Bに示すように切り抜かれた形状を有している。当該切り欠き部38A、38Bの幅(図示する例における横方向の長さ)が、所定波長に基づく長さを有している。切り欠き部38A、38Bの一辺の長さ(幅)は、所定波長に基づく長さとして、1/2波長の幅として構成されている。マイクロストリップパッチ34Aは、切り欠き部38A、38Bにより切り抜かれた形状を有することにより、H型の形状のくびれ部分(つまり、切り欠き部38A、38Bの間)を有する形状となっている。
マイクロストリップパッチ34Aは、H型の形状のくびれ部分とは異なる位置に給電点17を有している。図示するように、マイクロストリップパッチ34Aは、給電点17を、H型の形状において、くびれ部分を挟んで対向する2つの領域の任意の位置に有している。当該領域は、3/2波長の辺と、1/2波長の辺とから構成されている。
以上のように、切り欠き部38A、38Bを有しない方形共振器と比較すると、当該方形共振器(切り欠き部分なし)において給電点から給電すると、当該方形共振器において、3/2波長共振器として直線的に1/2波長毎に同じ強さの電流のピークが3つ現れることになる。このとき、中央の1/2波長部は、対向する2つの領域の電流と位相が逆位相となるため、z方向(正面方向)の放射に寄与せず、サイドローブ成分となる。一方、マイクロストリップパッチ34Aは、給電点17により給電した場合、切り欠き部38A、38Bを有することにより、H型の形状のくびれ部分において対向する2つの領域よりも小さい電流が流れる(切り欠き部分がない方形共振器と比較すると特性インピーダンスが高く電流が流れにくくなる)、つまり、くびれ部分においては、マイクロストリップアンテナの放射特性として、サイドローブレベルをより低くすることができる。
なお、当該くびれ部分について、サイドローブレベルをより低くするため、金属で遮蔽することとしてもよい。
また、当該くびれ部分について、当該くびれ部分に対向する2つの領域よりも厚み(z軸方向)を薄くすることとしてもよい。
以上のように、マイクロストリップパッチ34Aは、方形共振器において切り欠いた形状(切り欠き部38A、38B)を有しており、当該切り欠いた形状により、当該切り欠いた形状の周辺となる第1の部分(切り欠き部38A、38Bの間となる、くびれ部分。後述する図3の第1の部分39A)に対し対向する位置関係にある第2の部分(後述する図3の第2の部分39B)および第3の部分(後述する図3の第3の部分39C)について放射特性に寄与させる形状を有している。
図2(B)は、実施の形態におけるマイクロストリップアンテナの形状の、別の例を示す。図示するように、マイクロストリップパッチ34Bは、図2(A)のマイクロストリップパッチ34Aと比較すると、H型の形状のくびれ部分を挟んで対向する2つの領域において、切り欠き部38C、38D(スロット)により切り抜かれた形状を有している。当該切り欠き部38C、38Dのいずれかは、給電点17の付近に設けている。図示するように、マイクロストリップパッチ34Bは、給電点17の付近に切り欠き部38Dを有する形成となっている。マイクロストリップパッチ34Bにおいて、上記の2つの領域を切り抜く部分の数は2つとしているが、2つに限らずともよい。
図2(C)は、実施の形態におけるマイクロストリップアンテナの形状の、別の例を示す。図示するように、マイクロストリップパッチ34Cは、図2(A)のマイクロストリップパッチ34Aと比較すると、H型の形状のくびれ部分において、さらに、くびれ部分の外側から、切り欠き部38E、38Fにより切り抜かれた形状を有している。つまり、マイクロストリップパッチ34Cにおいて、給電点17により給電した場合、切り欠き部38E、38Fにより挟まれた部分(マイクロストリップパッチ34CのH型の形状のくびれ部分の、さらにくびれとなる部分)において電流が流れることとなる(切り欠き部分がない方形共振器と比較すると電流が流れにくくなる)。図示する例では、マイクロストリップパッチ34CのH型の形状のくびれ部分は、マイクロストリップパッチ34AのH型の形状のくびれ部分よりも太く形成されている。マイクロストリップパッチ34Cにおいて、くびれ部分の外側から切り抜く部分の数は2つとしているが、2つに限らずともよい。
図2(D)は、実施の形態におけるマイクロストリップアンテナの形状の、別の例を示す。図示するように、マイクロストリップパッチ34Dは、図2(A)のマイクロストリップパッチ34Aと比較すると、H型の形状のくびれ部分において、くびれ部分の内側において、切り欠き部38Gにより切り抜かれた形状を有している。つまり、マイクロストリップパッチ34Dにおいて、給電点17により給電した場合、切り欠き部38Gを迂回して電流が流れることとなる。当該迂回して電流が流れるとともにスロットの左右で電流の位相を反転させることにより、サイドローブレベルをより低くすることができる。マイクロストリップパッチ34Dにおいて、くびれ部分の内側において切り抜く部分の数は1つとしているが、1つに限らずともよい。
<動作比較>
実施の形態で説明したマイクロストリップパッチ34Bと、従来例として説明したアンテナアレイとの動作を比較した結果について説明する。
図3は、動作比較の条件を示す図である。図3(A)は、実施の形態におけるマイクロストリップパッチ34Bの形状および寸法を示す。図3(B)は、比較例として図1(C)、(D)で説明したアンテナアレイの形状および寸法を示す。上記したように、マイクロストリップパッチ34Bは、H型の形状のくびれ部分となる第1の部分39Aと、当該くびれ部分に対し対向する位置関係にある第2の部分39Bと第3の部分39Cとを有する。
図3(A)、(B)に示すように、マイクロストリップパッチ34Bと、アンテナ素子24A、24B、24C、24Dからなるアンテナアレイとは、同サイズとしている。すなわち、マイクロストリップパッチ34Bは、一辺が幅「70mm」の寸法を有する。つまり、図3(A)の例に示すマイクロストリップパッチ34Bは、幅(図示する例における横方向の長さ)、長さ「W」(図示する例における縦方向の長さ)とを同等のものとしている。長さ「W」を変動させた場合(長さ「W」を大きくした場合)、変動させる前と比較して不要な共振を発生させつつも、利得は上がり、マイクロストリップパッチ34の放射効率が高まることもある。
一方、アンテナアレイは、アンテナ素子24A、24B、24C、24Dそれぞれが、幅「23.5mm」の寸法を有し、これらアンテナ素子24A、24B、24C、24Dを配置することで、全体として一辺が幅「23.5mm」の寸法を有している。
つまり、マイクロストリップパッチ34Bとアンテナアレイとは、基板に配置した際に専有する面積が同等である。
図4は、アンテナの放射指向性の比較結果を示す図である。
図4に示す例として、5.8GHzの信号に基づく動作の比較結果を示している。マイクロストリップパッチ34Bについては放射指向性について実測を行い、実測値に基づきグラフを描いている。従来例として説明したアンテナアレイについては、電磁界シミュレーションによる計算値に基づきグラフを描いている。
以上を比較した結果、(1)利得については、マイクロストリップパッチ34Bは、従来例のアンテナアレイと比較して電力分配器(電力分配器25)が不要となるため、15%程度、高効率となる。
具体的には、マイクロストリップパッチ34Bと、従来例のアンテナアレイとを比較すると、従来例のアンテナアレイの複数のアンテナ素子24A、24B、24C、24Dの利得についてはマイクロストリップパッチ34Bと同等となる。例えば、比誘電率「1」、アンテナアレイを配置する基板の厚み「1mm」という条件において、マイクロストリップパッチ34Bの利得と、アンテナ素子24A、24B、24C、24Dの利得とは、ともに、15.4(dBi)程度である。
一方、アンテナアレイに電力分配器(電力分配器25)を配置することによる損失として、比誘電率「3.2」、電力分配器を配置する基板の厚み「0.8mm」という条件において、0.7(dB)となる。
以上より、電力分配器による損失を考慮したアンテナアレイの実効利得と、マイクロストリップパッチ34Bの実効利得とを比較すると、マイクロストリップパッチ34Bの実効利得が15.4(dBi)であるのに対し、従来例のアンテナアレイの実効利得が14.7(dBi)(つまり、「15.4)−「0.7」)となり、マイクロストリップパッチ34Bのほうが、従来例のアンテナアレイと比較して15%程度(0.7dB)高効率となる。
また、(2)放射指向性については、マイクロストリップパッチ34Bは、従来例のアンテナアレイと比較して、サイドローブが低くなり、耐干渉性に優れる。
例えば、放射指向性として、マイクロストリップパッチ34Bまたは従来例のアンテナアレイが配置される基板の面に対して垂直な軸(z軸)に対する仰角として「±50°」の方向において、マイクロストリップパッチ34Bのサイドローブレベルは、E面については「−16.7」(dB)であるのに対し、従来例のアンテナアレイについては「−13.2」(dB)と評価され、マイクロストリップパッチ34Bのほうが3(dB)以上、サイドローブレベルが低くなっている。
例えば、放射指向性として、z軸に対する仰角として「±55°」の方向において、マイクロストリップパッチ34Bのサイドローブレベルは、H面については「−16.6」(dB)であるのに対し、従来例のアンテナアレイについては「−10.5」(dB)と評価され、マイクロストリップパッチ34Bのほうが6(dB)以上、サイドローブレベルが低くなっている。
以下、具体的に説明すると、図4(A)は、マイクロストリップパッチ34Bと、従来例として説明したアンテナアレイとについて、E面の指向特性を比較した図である。図4(A)において、マイクロストリップパッチ34Bの放射指向性41を点線で示し、従来例として説明したアンテナアレイの放射指向性42を実線で示す。
図4(B)は、マイクロストリップパッチ34Bと、従来例として説明したアンテナアレイとについて、H面の指向特性を比較した図である。図4(B)において、マイクロストリップパッチ34Bの放射指向性43を、各測定点について丸印(記号「●」)を付した実線で示し、従来例として説明したアンテナアレイの放射指向性44を、丸印がない実線で示している。
図4(A)(B)において、マイクロストリップパッチ34Bの放射指向性41について「新規高利得アンテナ」と表記し、従来例として説明したアンテナアレイの放射指向性42について「従来4素子アレイ」と表記している。また、図4(A)(B)において、横軸は、マイクロストリップパッチ34Bまたはアンテナアレイが配置される基板の面にたして垂直な軸(z軸)に対する仰角を示す。縦軸は、利得を示す。
図4(A)(B)に示すように、z軸に対する仰角が「±0°」の付近においては、放射指向性41(マイクロストリップパッチ34B)は、放射指向性42(従来例のアンテナアレイ)よりも高効率な利得となっており、放射指向性43(マイクロストリップパッチ34A)は、放射指向性44(従来例のアンテナアレイ)よりも高効率な利得となっている。
また、サイドローブレベル(例えば、仰角「±50°」、仰角「±55°」付近)についても、放射指向性41は放射指向性42よりも低くなっており、放射指向性43は放射指向性44よりも低くなっている。
以上より、アンテナの面積が同程度であるにもかかわらず、本実施形態のマイクロストリップアンテナのほうが、放射効率が高いといえる。
従来例と比較すると、実施形態で説明したマイクロストリップアンテナは、電力分配器(合成器)を設ける必要がないため、電力分配器による損失を無くすことができ、より高い放射効率を得ることができる。また、電力分配器用の基板を不要とすることができるため、製造がより容易になる。また、アンテナを配置する面に対し背面に回路を構成する場合に、電力分配器を配する必要がないため、背面において所望の回路を構成するための面積を広く利用することができる。
以上のように説明したマイクロストリップアンテナは、携帯電話機、衛星通信用機器、自動車などの移動体など様々な情報機器に搭載され得る。すなわち、情報機器は、上記の実施形態で説明したマイクロストリップアンテナ(マイクロストリップパッチ34A,34B,34C,34D)を備える。当該情報機器は、マイクロストリップパッチ34A等により電力を放射することで、他の装置に電力を供給するためのものとしてもよい。つまり、情報機器は、無線により電力を送る無線送電機器であるとしてもよい。
<付記>
以上の各実施形態で説明した事項を以下に付記する。
(付記1)
マイクロストリップアンテナ(34A、34B、34C、34D)であって、方形共振器において切り欠いた形状(38A、38B、38C、38D、38E、38F、38G)を有しており、当該切り欠いた形状により、当該切り欠いた形状の周辺となる第1の部分(39A)に対し対向する位置関係にある第2の部分(39B)および第3の部分(39C)について放射特性に寄与させる形状を有している、マイクロストリップアンテナ。
(付記2)
切り欠いた形状として、方形共振器の外側から、方形共振器の対向する2つの辺について切り欠いた形状(38A、38B)を有することにより、方形共振器がH型の形状を有している、付記1に記載のマイクロストリップアンテナ。
(付記3)
当該切り欠いた形状の幅は、当該辺の長さに基づく長さ(図2)を有している、付記2に記載のマイクロストリップアンテナ。
(付記4)
方形共振器は、3/2波長の辺を有し、当該切り欠いた形状の幅は1/2波長である(図2)、付記3に記載のマイクロストリップアンテナ。
(付記5)
第1の部分は、切り欠いた形状に挟まれる部分であり、第2の部分および第3の部分の幅は、それぞれ1/2波長である(図2)、付記4に記載のマイクロストリップアンテナ。
(付記6)
第1の部分ではなく、第2の部分または第3の部分のいずれかに、給電点(17)を備える、付記1から5のいずれかに記載のマイクロストリップアンテナ。
(付記7)
第2の部分または第3の部分の内側から切り欠いた形状(38C、38D)を有する、付記1から6のいずれかに記載のマイクロストリップアンテナ。
(付記8)
第1の部分において、さらに、第1の部分の外側から切り欠いた形状(38E、38F)を有する、付記1から7のいずれかに記載のマイクロストリップアンテナ。
(付記9)
第1の部分において、さらに、第1の部分の内側から切り欠いた形状(38G)を有する、付記1から7のいずれかに記載のマイクロストリップアンテナ。
(付記10)
付記1から9のいずれかのマイクロストリップアンテナを備える、情報機器。
10 マイクロストリップアンテナ、11 給電回路用基板、12 グランド板、13 アンテナ用基板、14 マイクロストリップパッチ、15 給電ピン、16 給電導体、17 給電点、24A,24B,24C,24D,24E,24F,24G,24H アンテナ素子、25 電力分配器、34A,34B,34C,34D マイクロストリップパッチ、38A,38B,38C,38D,38E,38F,38G,38H 切り欠き部、41,42,43,44 放射指向性。

Claims (10)

  1. マイクロストリップアンテナであって、
    方形共振器において切り欠いた形状を有しており、当該切り欠いた形状により、当該切り欠いた形状の周辺となる第1の部分に対し対向する位置関係にある第2の部分および第3の部分について放射特性に寄与させる形状を有している、マイクロストリップアンテナ。
  2. 前記切り欠いた形状として、前記方形共振器の外側から、前記方形共振器の対向する2つの辺について切り欠いた形状を有することにより、前記方形共振器がH型の形状を有している、請求項1に記載のマイクロストリップアンテナ。
  3. 当該切り欠いた形状の幅は、当該辺の長さに基づく長さを有している、請求項2に記載のマイクロストリップアンテナ。
  4. 前記方形共振器は、3/2波長の辺を有し、当該切り欠いた形状の幅は1/2波長である、請求項3に記載のマイクロストリップアンテナ。
  5. 前記第1の部分は、前記切り欠いた形状に挟まれる部分であり、
    前記第2の部分および前記第3の部分の幅は、それぞれ1/2波長である、請求項4に記載のマイクロストリップアンテナ。
  6. 前記第1の部分ではなく、前記第2の部分または前記第3の部分のいずれかに、給電点を備える、請求項1から5のいずれかに記載のマイクロストリップアンテナ。
  7. 前記第2の部分または前記第3の部分の内側から切り欠いた形状を有する、請求項1から6のいずれかに記載のマイクロストリップアンテナ。
  8. 前記第1の部分において、さらに、前記第1の部分の外側から切り欠いた形状を有する、請求項1から7のいずれかに記載のマイクロストリップアンテナ。
  9. 前記第1の部分において、さらに、前記第1の部分の内側から切り欠いた形状を有する、請求項1から7のいずれかに記載のマイクロストリップアンテナ。
  10. 請求項1から9のいずれかのマイクロストリップアンテナを備える、情報機器。



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