JP2023149557A - マイクロストリップアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】高い放射効率と大きなフィルタの減衰量を両立させることができる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１０は、接地導体１１と、接地導体１１に対向し、第１部分２１、第２部分２２、及び第３部分２３を有するパッチ導体２０と、接地導体１１とパッチ導体２０の間に形成された絶縁層１２と、第１部分２１に接続され、第１導体パターンで形成された分布定数フィルタ１３と、を備える。第１部分２１は第２部分２２と第３部分２３の間を延伸するように形成される。第１部分２１の延伸方向に垂直な方向において、第１部分２１は第２部分２２及び第３部分２３より短い。分布定数フィルタ１３は、第１部分２１を第１部分２１の延伸方向に伝搬する基本波を通過させ、第１部分２１を第１部分２１の延伸方向に伝搬する不要波を減衰させる。【選択図】図１

Description

本発明は、特に無線電力伝送に使用されるマイクロストリップアンテナに関する。

無線電力伝送に使用される送信機は、無線通信に使用される送信機より高出力の電波を放射する。このため、無線電力伝送に使用される送信機がその無線電力伝送の使用周波数帯外の周波数を有する電波を放射すると、電波干渉が特に問題となる。このため、無線電力伝送に使用される送信機に設けられ、使用周波数帯外の周波数を有する電波の放射を低減し、電波干渉を低減するフィルタには、より優れた特性、即ちより大きい減衰量が求められている。

従来の送信機では、増幅器とアンテナの間に挿入されたフィルタの段数を増やし、回路面積を大きくすることで、フィルタの減衰量の増加を実現している。しかし、送信機の回路面積には多くの制限がある。

一方、送信機のアンテナが必要なアンテナ利得を実現するために比較的大きな空間を占有することは許容されている。このため、アンテナにフィルタ機能を付加すれば、増幅器とアンテナの間に挿入されたフィルタの小型化、それにより送信機内の容積の有効活用が可能になる。

非特許文献１には、基本モードの電流線に沿ったスリットを有するパッチを備える円形マイクロストリップアンテナが開示されている。このマイクロストリップアンテナでは、高調波の周波数付近に発生する高次モードのパッチ表面電流分布が乱される結果、その高次モードの発生が抑圧されたり、その高次モードの共振周波数が低下したりするため、高調波の放射が抑制される。このようにして、このマイクロストリップアンテナには、フィルタ機能が付加される。

また、特許文献１には、Ｈ型のマイクロストリップパッチを備え、高い放射効率を有するマイクロストリップアンテナが開示されている。

特許第６７６４１６３号公報

シャリアル、外４名、「レクテナ素子として使用するスリット入り円形マイクロストリップアンテナに関する考察」、電子情報通信学会論文誌Ｂ、日本、一般社団法人電子情報通信学会、2001年2月、Vol. J84-B、No.2、pp. 244-253

しかし、非特許文献１に開示されたマイクロストリップアンテナでは、大きなフィルタの減衰量を得るために、共振器としての放射素子の無負荷Ｑを高くし、急峻な共振特性を実現する必要がある。しかし、無負荷Ｑを高くするために、マイクロストリップアンテナの誘電体基板を薄くすると、放射効率が低下する。

例えば、基本波の周波数が２．４５ＧＨｚ帯にある場合、２次高調波の周波数において、０．１８ｄＢの反射減衰量、換言すれば１４ｄＢのフィルタの減衰量が得られる。しかし、このとき、誘電体基板の厚みは、λを基本波の波長として、０．００６λであり、無負荷Ｑは１０７であり、放射効率は約５８％である。

また、特許文献１に開示されたマイクロストリップアンテナは、高い放射効率を有するが、あまり優れたフィルタ機能を有しない。

本発明の目的は、高い放射効率と大きなフィルタの減衰量を両立させることができるマイクロストリップアンテナを提供することにある。

本発明のマイクロストリップアンテナは、接地導体と、前記接地導体に対向し、第１部分、第２部分、及び第３部分を有するパッチ導体と、前記接地導体と前記パッチ導体の間に形成された第１絶縁層と、前記第１部分に接続され、第１導体パターンで形成された分布定数フィルタと、を備え、前記第１部分は前記第２部分と前記第３部分の間を延伸するように形成され、前記第１部分の延伸方向に垂直な方向において、前記第１部分は前記第２部分及び前記第３部分より短く、前記分布定数フィルタは、前記第１部分を前記第１部分の延伸方向に伝搬する基本波を通過させ、前記第１部分を前記第１部分の延伸方向に伝搬する不要波を減衰させる。

本発明によれば、高い放射効率と大きなフィルタの減衰量を両立させることができるマイクロストリップアンテナを実現できる。

図１（Ａ）は本発明の第１実施形態に係るマイクロストリップアンテナ１０の平面図である。図１（Ｂ）はマイクロストリップアンテナ１０のＡ－Ａ断面図である。 図２は、マイクロストリップアンテナ１０、及び第１比較例のマイクロストリップの反射減衰量の周波数特性を例示するグラフである。 図３は、マイクロストリップアンテナ１０、第１比較例のマイクロストリップアンテナ、及び第２比較例のマイクロストリップアンテナの２次高調波減衰量及び放射効率を例示するグラフである。 図４（Ａ）は本発明の第２実施形態に係るマイクロストリップアンテナ３０の平面図である。図４（Ｂ）はマイクロストリップアンテナ３０のＢ－Ｂ断面図である。 図５（Ａ）は本発明の第３実施形態に係るマイクロストリップアンテナ５０の平面図である。図５（Ｂ）はマイクロストリップアンテナ５０のＣ－Ｃ断面図である。 図６は、パッチ導体６０が図示されていないマイクロストリップアンテナ５０の平面図である。

以降、本発明の複数の実施形態を示す。それぞれの実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能である。それぞれの実施形態では、その実施形態以前に説明した点と異なる点について説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

《第１実施形態》
図１（Ａ）は本発明の第１実施形態に係るマイクロストリップアンテナ１０の平面図である。図１（Ｂ）はマイクロストリップアンテナ１０のＡ－Ａ断面図である。マイクロストリップアンテナ１０は、接地導体１１、パッチ導体２０、絶縁層１２、及び分布定数フィルタ１３を備える。パッチ導体２０は、第１部分２１、第２部分２２、第３部分２３、及び複数のスタブ２４を有する。スタブ２４は本発明の「第１導体パターン」の一例である。絶縁層１２は本発明の「第１絶縁層」の一例である。

パッチ導体２０は接地導体１１に対向するように配置される。これにより、パッチ導体２０の全面が接地導体１１に対向する。パッチ導体２０は、例えばスペーサ（図示せず）によって接地導体１１に対して間隔をあけて固定される。絶縁層１２は、空気層であり、接地導体１１とパッチ導体２０の間に形成される。パッチ導体２０の第１部分２１はパッチ導体２０の第２部分２２とパッチ導体２０の第３部分２３の間をｘ軸方向に延伸するように形成される。ｘ軸方向に垂直なｙ軸方向において、第１部分２１は第２部分２２及び第３部分２３より短い。分布定数フィルタ１３は、スタブ２４で構成され、第１部分２１に接続される。そして、分布定数フィルタ１３は、第１部分２１を第１部分２１の延伸方向に伝搬する基本波を通過させ、第１部分２１を第１部分２１の延伸方向に伝搬する所定の高調波を減衰させる。高調波は本発明の「不要波」の一例である。

なお、絶縁層１２は、空気層に代えて、絶縁体材料で形成されてもよい。

また、分布定数フィルタ１３は、２次高調波を減衰させてもよいし、より高次の高調波を減衰させてもよい。

また、変形例において、分布定数フィルタ１３は、例えば２次高調波と３次高調波の両方を減衰させてもよい。

また、変形例において、分布定数フィルタ１３は、高調波以外のスプリアスを減衰させてもよい。

パッチ導体２０は、長方形をその長方形の向かい合う辺の中央からその長方形の中央に向けて切り欠いた形状、即ちほぼＨ型の形状を有する。第１部分２１は、細長い形状を有し、ｘ軸方向に延伸する。第２部分２２及び第３部分２３は長方形の形状を有し、その長方形は、ｘ軸方向に平行な２辺と、ｙ軸方向に平行な２辺とを有する。

ｘ軸方向における第１部分２１の長さＬ１はλｇ₁／２である。ｘ軸方向における第２部分２２の長さＬ２はλｇ₂／２である。ｘ軸方向における第３部分２３の長さＬ３はλｇ₃／２である。ｙ軸方向における第２部分２２及び第３部分２３の長さＬ４はλｇ₄／２以上である。ここで、λｇ₁、λｇ₂、及びλｇ₃は、それぞれ、基本波が第１部分２１、第２部分２２、及び第３部分２３をｘ軸方向に伝搬する場合の実効波長である。λｇ₄は、基本波が第２部分２２又は第３部分２３をｙ軸方向に伝搬する場合の実効波長である。

なお、第１部分２１、第２部分２２、及び第３部分２３の寸法は、多少、上記の値と異なってもよい。

第２部分２２及び第３部分２３はそれぞれスリット２５及びスリット２６を有する。スリット２６は給電点１５の近くに形成される。

なお、スリット２５，２６は、必須ではなく、形成されなくてもよい。

パッチ導体２０は給電ピン１４によって給電される。給電点１５は例えばパッチ導体２０の第３部分２３に位置する。

給電が行われると、パッチ導体２０にｘ軸方向に電流が流れる。第１部分２１に流れる電流は、第２部分２２及び第３部分２３に流れる電流と逆の位相を有する。その結果、第１部分２１は、メインローブに寄与せず、サイドローブを引き起こす。このため、第１部分２１は、放射に寄与せず、伝送線路として働く。そして、第２部分２２及び第３部分２３が放射素子として働く。

マイクロストリップアンテナ１０では、パッチ導体に切欠きを有しない方形マイクロストリップアンテナと比較して、ｘ軸方向におけるパッチ導体の中央部分（第１部分２１に相当する部分）のｙ軸方向における長さが短い。このため、当該中央部分が、より高い特性インピーダンスを有し、電流をより流しにくくなる。それ故、より低いサイドローブレベルが得られる。

また、マイクロストリップアンテナ１０は、放射素子として働く第２部分２２及び第３部分２３を有するが、アレイアンテナに設けられるような電力分配器を必要としない。このため、マイクロストリップアンテナ１０では、アンテナ素子として方形マイクロストリップアンテナを有するアレイアンテナと比較して、電力分配器で生じる損失がなく、高い放射効率が得られる。

スタブ２４は、ｘ軸方向に延伸する第１部分２１から分岐するように形成される。スタブ２４は、開放端を有し、さらに高調波の実効波長の１／４の長さを有する。即ち、スタブ２４は高調波に対して１／４波長開放スタブである。これからわかるように、分布定数フィルタ１３は、伝送線路として働く第１部分２１に直列に接続され、基本波を通過させ、高調波を阻止する帯域阻止フィルタである。また、分布定数フィルタ１３は高調波の周波数で共振する共振器でもある。

なお、分布定数フィルタ１３は、分布定数線路で構成された低域通過フィルタ又は帯域通過フィルタでもよい。また、分布定数フィルタ１３は、基本波より低い周波数のスプリアスを減衰させる場合、分布定数線路で構成された高域通過フィルタでもよい。

図２は、マイクロストリップアンテナ１０、及び第１比較例のマイクロストリップの反射減衰量の周波数特性を例示するグラフである。第１比較例のマイクロストリップアンテナは、分布定数フィルタ１３を有しない点を除いて、マイクロストリップアンテナ１０と同様に構成される。図２に示したグラフは電磁界シミュレーションによる計算結果である。また、図２に示したｆ₀は基本波の周波数である。図２に示すように、マイクロストリップアンテナ１０では、第１比較例のマイクロストリップアンテナと比較して、２次高調波の周波数２ｆ₀における反射減衰量が小さい。

図３は、マイクロストリップアンテナ１０、第１比較例のマイクロストリップアンテナ、及び第２比較例のマイクロストリップアンテナの２次高調波減衰量及び放射効率を例示するグラフである。第２比較例のマイクロストリップアンテナは、非特許文献１に示されるように、基本モードの電流線に沿ったスリットを有する円形のパッチを備える。図３に示すように、マイクロストリップアンテナ１０では、第１比較例及び第２比較例のマイクロストリップアンテナと比較して、２次高調波減衰量が大きく、第２比較例のマイクロストリップアンテナと比較して、放射効率が高い。このように、マイクロストリップアンテナ１０は、大きい２次高調波減衰量と高い放射効率を両立させることができる。

第１実施形態によれば、高調波のような不要波を減衰させる分布定数フィルタ１３が、放射に寄与せず、伝送線路として働くパッチ導体２０の第１部分２１に接続される。このため、アンテナからの放射は分布定数フィルタ１３の影響を受けず、かつ共振器としてのパッチ導体２０の全体において不要波が減衰される。それ故、放射効率が低下せず、かつアンテナのフィルタ機能が向上する。従って、高い放射効率と大きいフィルタの減衰量を両立させることができるマイクロストリップアンテナを実現できる。

《第２実施形態》
図４（Ａ）は本発明の第２実施形態に係るマイクロストリップアンテナ３０の平面図である。図４（Ｂ）はマイクロストリップアンテナ３０のＢ－Ｂ断面図である。マイクロストリップアンテナ３０は第１の実施形態に係るマイクロストリップアンテナ１０と次の点で異なる。即ち、マイクロストリップアンテナ３０は、絶縁層１２に代えて絶縁層３２を備え、パッチ導体２０に代えてパッチ導体４０を備える。

パッチ導体４０の第１部分２１及びスタブ２４に面する絶縁層３２の厚みｈ１は、パッチ導体４０の第２部分２２及び第３部分２３に面する絶縁層３２の厚みｈ２より薄い。換言すれば、パッチ導体４０の第１部分２１及びスタブ２４と接地導体１１との間の距離は、パッチ導体４０の第２部分２２及び第３部分２３と接地導体１１との間の距離より短い。

パッチ導体４０は、例えば、板金加工等によって導体板を折り曲げることで製作される。

絶縁層３２の厚みｈ１は、大きいフィルタの減衰量が得られるように選択される。より具体的に、絶縁層３２の厚みｈ１は設計上の制約を満たした上で極力薄いほうがよい。絶縁層３２の厚みｈ２は、高い放射効率が得られるように選択される。例えば、使用周波数が５ＧＨｚ帯にある場合、適切な絶縁層３２の厚みｈ１は約０．４ｍｍであり、適切な絶縁層３２の厚みｈ２は約１．５ｍｍである。

第２実施形態によれば、分布定数フィルタ１３の形成された箇所において、絶縁層３２が薄く設定される。このため、共振器としての分布定数フィルタ１３の無負荷Ｑが高くなる。それ故、分布定数フィルタ１３は、より急峻な共振特性、即ちより急峻なフィルタ特性を有する。従って、より大きいフィルタの減衰量が得られる。

また、放射素子として働く第２部分２２及び第３部分２３の形成された箇所と、分布定数フィルタ１３の形成された箇所において、絶縁層３２の厚みが個別に設定されるので、放射効率は低下しない。

第２実施形態は、適切な絶縁層３２の厚みの差が顕著になる使用周波数帯、具体的に、適切な絶縁層３２の厚みの差が１ｍｍ程度以上になる５ＧＨｚ帯以下の使用周波数帯で、特に有効である。

《第３実施形態》
図５（Ａ）は本発明の第３実施形態に係るマイクロストリップアンテナ５０の平面図である。図５（Ｂ）はマイクロストリップアンテナ５０のＣ－Ｃ断面図である。図６はパッチ導体６０が図示されていないマイクロストリップアンテナ５０の平面図である。

マイクロストリップアンテナ５０は第２の実施形態に係るマイクロストリップアンテナ３０と次の点で異なる。即ち、マイクロストリップアンテナ５０は、パッチ導体４０に代えてパッチ導体６０を備え、絶縁層３２に代えて絶縁層５２を備え、分布定数フィルタ１３に代えて分布定数フィルタ５３を備える。さらに、マイクロストリップアンテナ５０は絶縁体基板５６及び導体パターン５８を備える。導体パターン５８は本発明の「第２導体パターン」の一例である。

パッチ導体６０は第１部分２１に代えて第１部分６１を有する。第１部分６１は、ｘ軸方向における位置に従って変化する幅を有する。接地導体１１は絶縁体基板５６の一方面に形成される。導体パターン５８は絶縁体基板５６の他方面に形成される。導体パターン５８は、ｘ軸方向に延伸し、ｘ軸方向における位置に従って変化する幅を有する。導体パターン５８は、例えば、エッチング技術によってプリント基板上の銅箔をパターニングすることで形成される。パッチ導体６０の第１部分６１は、導体パターン５８上に配置され、半田付け等によって導体パターン５８に接続される。分布定数フィルタ５３は、互いに接続されたパッチ導体６０の第１部分６１と導体パターン５８によって、Stepped Impedance型の低域通過フィルタとして構成される。分布定数フィルタ５３は、基本波を通過させ、高帯域のスプリアスを減衰させる。

なお、分布定数フィルタ５３は、マイクロストリップ線路で構成されているが、分布定数フィルタ５３はコプレーナ導波路又は他の分布定数線路で構成されてもよい。

パッチ導体６０の第１部分６１及び導体パターン５８で構成される部分に面する絶縁層５２は絶縁体基板５６で構成される。パッチ導体６０の第２部分２２及び第３部分２３に面する絶縁層５２は絶縁体基板５６及び空気層５７で構成される。空気層５７は本発明の「第２絶縁層」の一例である。空気層５７の厚みｈ４は絶縁体基板５６の厚みｈ３と同等以上である。

なお、絶縁層５２は、空気層５７に代えて、絶縁体材料で形成された層を有してもよい。

使用周波数帯がマイクロ波帯のような高周波数帯である場合、分布定数フィルタの導体パターンが微細となるため、その導体パターンをパッチ導体に一体的に形成することが困難となる。第３実施形態によれば、導体パターン５８は絶縁体基板５６上に形成される。このため、エッチング技術によって導体パターン５８を微細に形成できる。それ故、使用周波数帯が高周波数帯である場合でも、分布定数フィルタ５３を容易に制作できる。

また、放射素子として働く第２部分２２及び第３部分２３の形成された箇所おいて、絶縁層５２は絶縁体基板５６及び絶縁体基板５６と同等以上の厚みの空気層のような絶縁層から構成される。このため、分布定数フィルタ５３の導体パターンを絶縁体基板５６に形成しても、放射素子として働く第２部分２２及び第３部分２３の放射効率を高く設定できる。

従って、使用周波数帯が高周波数帯である場合でも、優れたフィルタ機能を有するマイクロストリップアンテナを実現できる。

また、パッチ導体６０は半田付け等によって導体パターン５８に固定される。このため、スペーサのようなパッチ導体６０の保持構造は不要である。

１０，３０，５０…マイクロストリップアンテナ
１１…接地導体
１２，３２，５２…絶縁層
１３，５３…分布定数フィルタ
１４…給電ピン
１５…給電点
２０，４０，６０…パッチ導体
２１，６１…第１部分
２２…第２部分
２３…第３部分
２４…スタブ
２５，２６…スリット
５６…絶縁体基板
５７…空気層
５８…導体パターン

Claims (6)

1. 接地導体と、
   前記接地導体に対向し、第１部分、第２部分、及び第３部分を有するパッチ導体と、
   前記接地導体と前記パッチ導体の間に形成された第１絶縁層と、
   前記第１部分に接続され、第１導体パターンで形成された分布定数フィルタと、を備え、
   前記第１部分は前記第２部分と前記第３部分の間を延伸するように形成され、
   前記第１部分の延伸方向に垂直な方向において、前記第１部分は前記第２部分及び前記第３部分より短く、
   前記分布定数フィルタは、前記第１部分を前記第１部分の延伸方向に伝搬する基本波を通過させ、前記第１部分を前記第１部分の延伸方向に伝搬する不要波を減衰させる、マイクロストリップアンテナ。
2. 前記分布定数フィルタは、前記不要波の実効波長の１／４の長さを有する開放スタブで構成される、請求項１に記載のマイクロストリップアンテナ。
3. 前記分布定数フィルタは前記不要波の周波数で共振する共振器を含む、請求項１又は２に記載のマイクロストリップアンテナ。
4. 前記第１導体パターンに面する前記第１絶縁層は、前記第２部分及び前記第３部分に面する前記第１絶縁層より薄い、請求項１から３の何れかに記載のマイクロストリップアンテナ。
5. 絶縁体基板と、
   前記絶縁体基板に形成され、前記第１導体パターンの少なくとも一部を含む第２導体パターンと、を備え、
   前記接地導体は前記絶縁体基板の一方面に形成され、前記第２導体パターンは前記絶縁体基板の他方面に形成され、
   前記第１部分は前記第２導体パターン上に配置され、
   前記第２部分及び前記第３部分に面する前記第１絶縁層は、前記絶縁体基板及び前記絶縁体基板と同等以上の厚みの第２絶縁層から構成される、請求項１から４の何れかに記載のマイクロストリップアンテナ。
6. 前記第２絶縁層は空気層である、請求項５に記載のマイクロストリップアンテナ。

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