JP2023165194A - 円偏波パッチアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】給電回路から発生する定在波や回折波が放射素子の指向性等の放射特性に影響するのを抑制する円偏波パッチアンテナを提供する。
【解決手段】円偏波パッチアンテナは、第１の誘電体基板１０と、第１の誘電体基板１０の第１の面に設けられた、第１給電部１４ａ、１４ｂを有する放射素子１２と、第１の誘電体基板１０の第１の面の反対にある第２の面に接する第２の誘電体基板２０と、第１の誘電体基板１０の第２の面に重なるように、第２の誘電体基板２０の第１の面に設けられた、第２給電部を有する給電回路２２と、第２の誘電体基板２０の第１の面とは反対にある第２の面に重ねて設けられたグランド導体３０と、を備える。第１給電部１４ａ、１４ｂと第２給電部とは互いに電気的に接続されている。
【選択図】図２

Description

本技術は、移動体通信システム、ローカルエリア・ネットワーク、ＩＴＳ（Intelligent Transport Systems）、ＥＴＣ（Electronic Toll Collection System）、ＧＰＳ（Global Positioning System）、ＷＰＴ（Wireless Power Transmission）などに使用される円偏波パッチアンテナに関する。

従来の円偏波パッチアンテナは、一般に、放射素子からの放射が裏面方向に伝搬するのを抑制して単一指向性を実現するために、一辺の長さが一波長程度（≒１λ）である略正方形のグランド導体（又はＧＮＤ導体）を、放射素子を配置した方の面（表面）とは反対にある面（裏面）に設けている。また、従来の円偏波パッチアンテナは、グランド導体が配置された方の面に放射素子を配置するとともに、その面とは反対にある面に給電回路（例えば放射素子に対して位相差給電を行うハイブリッド回路など）を配置している。その理由は、給電回路から発生する定在波や回折波が放射素子の指向性等の放射特性に影響するのを抑制するためである。

図８に、上記の従来の円偏波パッチアンテナの一例である、特許文献１に記載された円偏波パッチアンテナ１０００の構成を示す。ここで、円偏波パッチアンテナ１０００は、円偏波パッチアンテナＰＡ１と、第１ベース基板１１００において円偏波パッチアンテナＰＡ１と対向する他方の面に対向するように、第２ベース基板１２００の一方の面に設けられたグランド導体（ＧＮＤ導体）１２２０と、第２ベース基板１２００の他方の面に設けられたハイブリッド回路１２６０とを含む。そして、円偏波パッチアンテナＰＡ１は、第１ベース基板１１００の一方の面に設けられた矩形状導体パターンを有するパッチ素子１１２０と、パッチ素子１１２０の隣り合う２辺の縁に配置された給電部１１４０ａ及び１１４０ｂと、第１ベース基板１１００の側面部に配置された給電部１１６０ａ及び１１６０ｂとを含む。ここで、第２ベース基板１２００及びグランド導体（ＧＮＤ導体）１２２０には、２つのくり抜き部が設けられており、これらのくり抜き部には、グランド導体（ＧＮＤ導体）と絶縁された状態で、給電用ランド１２４０ａ及び１２４０ｂが設けられている。ハイブリッド回路１２６０は、λ／４の長さを有するストリップライン１２６１及び１２６２と、終端抵抗１２６３とを含む。ハイブリッド回路１２６０は、給電用ランド１２４０ａ及び１２４０ｂを介して、給電部１１４０ａ、１１４０ｂ、１１６０ａ及び１１６０ｂに電気的に接続され、パッチ素子１１２０に容量結合している。そして、ハイブリッド回路１２６０のＩＮ端子から入力された信号は、互いに９０°の位相差を持つ信号として給電部１１４０ａ及び１１４０ｂに分配されて、パッチ素子１１２０に給電される。このような円偏波パッチアンテナ１０００は、一般に、所定の構造体の表面に設置される。そして、必要に応じて、例えば誘電体からなる第３ベース基板１３００を介して所定の構造体に設置される。

特開２００２－９５３６号公報

しかしながら、特許文献１では、円偏波パッチアンテナ１０００の第２ベース基板１２００の一方の面にグランド導体（ＧＮＤ導体）を配置するとともに、その一方の面とは反対にある面にハイブリッド回路１２６０を配置している。一般に、ハイブリッド回路１２６０のインピーダンス変換部などから定在波が発生する。そのような定在波は、漏洩電力として不要な輻射であるばかりでなく、第２ベース基板１２００の一方の面に配置されたグランド導体（ＧＮＤ導体）の端部で回折し、円偏波パッチアンテナ１０００の放射の主方向に影響を与える回折波となる。そのため、ハイブリッド回路１２６０に起因して発生する回折波は、円偏波パッチアンテナ１０００の指向性特性（例えば利得やビーム幅）に影響を与える。

本発明は、放射素子とグランド導体との間に給電回路を挿入する構成を採用している。具体的には、
第１の誘電体基板と、
前記第１の誘電体基板の第１の面に設けられた、第１給電部を有する放射素子と、
前記第１の誘電体基板の前記第１の面の反対にある第２の面に接する第２の誘電体基板と、
前記第１の誘電体基板の前記第２の面に重なるように、前記第２の誘電体基板の第１の面に設けられた、第２給電部を有する給電回路と、
前記第２の誘電体基板の前記第１の面とは反対にある第２の面に重ねて設けられたグランド導体と
を備え、
前記第１給電部と前記第２給電部とは互いに電気的に接続されている、円偏波パッチアンテナを提供する。

ここで、上記の円偏波パッチアンテナのグランド導体は、当該円偏波パッチアンテナが設置される金属体の少なくとも一部の表面に電気的に接続している態様や、前記給電回路がハイブリッド回路である態様であることが好ましい。また、前記給電回路は、前記給電回路の伝送線路長を最短にする位置又は向きになるように配置されている態様であることが好ましい。ここで、前記給電回路の伝送線路長を最短にする位置又は向きになるように配置されていることは、前記給電回路の長手方向を、前記放射素子の対角線の方向に合うように配置することを含む態様であることがより好ましい。

上記の構成を採用することにより、給電回路で発生する定在波と、グランド導体の端部で発生する回折波が、円偏波パッチアンテナの主方向に影響するのを抑制することができる。そのため、円偏波パッチアンテナの指向性特性（指向性利得及びビーム幅）が向上する。
また、一般に、円偏波パッチアンテナの背面に設置される、ターンテーブルなどの金属体の表面（金属面）をグランド導体として利用することができる（つまり、円偏波パッチアンテナが設置される構造体の比較的に大きな金属面をグランド導体として利用することができる）。そのため、円偏波パッチアンテナ（マイクロストリップアンテナ）のサイズを小型化することができる。
そして、グランド導体と放射素子との間に給電回路を設置することにより、円偏波パッチアンテナの背面への不要な放射を抑制することができる。

本発明の一実施形態である円偏波パッチアンテナ１を分解した斜視図である。 図１の円偏波パッチアンテナ１を拡大した展開斜視図である。 円偏波パッチアンテナ１を構成する第１基板１０を放射の主方向からみたとき上面図である。 円偏波パッチアンテナ１を構成する第２基板２０を放射の主方向からみたとき上面図である。 図１の円偏波パッチアンテナ１の指向性についてシミュレーションした結果を示す図である。 図６Ａは、従来の円偏波パッチアンテナ１００を各誘電体基板に分解した斜視図である。図６Ｂは、従来の円偏波パッチアンテナ１００の誘電体基板１１０を、放射素子の主方向から見た上面図である。図６Ｃは、従来の円偏波パッチアンテナ１００のグランド導体（ＧＮＤ導体）１２０が設けられた面に対向する反対にある面（裏面）に設けられた給電回路１３２を、放射素子の主方向からみたときの上面図である。 図６Ａに示す従来の円偏波パッチアンテナ１００の指向性についてシミュレーションした結果を示す図である。 特許文献１に記載された、従来の円偏波パッチアンテナ１０００を分解した斜視図である。

図１は、本発明の一実施形態である円偏波パッチアンテナ１を、説明の便宜上、分解した斜視図である。そして、図２は、図１の円偏波パッチアンテナ１の一部について拡大した図である。図１及び図２を参照すると、円偏波パッチアンテナ１は、一方の面（図中の表）に放射素子１２が配置された第１の誘電体基板１０と、第１の誘電体基板１０の他方の面（裏）と重なり、一方の面（表）に給電回路２２が配置された第２の誘電体基板２０と、第２の誘電体基板２０の他方の面（裏）に配置されたグランド導体（ＧＮＤ導体）３０とを含む。そして、円偏波パッチアンテナ１は、ターンテーブル等の金属体４０（例えば、一辺の長さが２００ｍｍの正方形）の表面にグランド導体３０が接するように取り付けられる。この場合、グランド導体３０と金属体４０とが電気的に接続されて一体となるため、グランド導体３０よりも面積が大きい金属体４０を新たなグランド導体（ＧＮＤ導体）として扱うことができる。そのため、円偏波パッチアンテナ１によれば、第１の誘電体基板１０と第２の誘電体基板２０とグランド導体３０とが占める面積を、従来のものより小さくすることができる（なお、第１の誘電体基板１０と第２の誘電体基板２０とグランド導体３０とは、いずれも正方形であって一辺の長さが例えば３３ｍｍ（≒λ／２）である）。

次に、図３を参照して、円偏波パッチアンテナ１の第１の誘電体基板１０と放射素子１２とを説明する。第１の誘電体基板１０は、一方の面の中央に配置された放射素子１２を含む。放射素子１２は、一辺の長さが例えば１３．５ｍｍ（≒λ／４）の正方形である。放射素子１２は、給電部１４ａ及び１４ｂを有している。そして、給電部１４ａ及び１４ｂは、例えばスルーホールを介して、第２の誘電体基板２０の給電回路２２と電気的に接続されている。ここで、放射素子１２は、第１の誘電体基板１０の中心に対して４５°回転した状態で配置されている。その理由は、（１）従来では、グランド導体１３０の表面（図６（Ａ）～図６（Ｃ））に配置されていた、放射素子１１２よりもサイズが大きい給電回路１３２を、放射素子１１２の裏面（図４の２０）に配置したため、給電回路１３２よりも物理的にサイズを縮めた給電回路２２とする必要があることと、（２）放射素子１２を上記の４５°回転した方が、給電回路２２の伝送線路長をより短くすることができるので、給電回路２２に起因する不要放射を抑えやすいことによる。これによって、給電回路２２に起因して発生する定在波の影響を抑制することができる。

次に、図４を参照して、円偏波パッチアンテナ１の第２の誘電体基板２０と給電回路２２を説明する。第２の誘電体基板２０は、一方の面（表）に給電回路２２を含む。このような給電回路２２は、例えばハイブリッド回路であってもよい。そして、給電回路２２は、給電部２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄを含む。給電回路２２をハイブリッド回路とした場合には、給電部２４ａと２４ｂに達する入力波は位相差をもたせることが可能になる。給電部２４ａ及び２４ｂは、例えばスルーホールを介して、放射素子１２の給電部１４ａ及び１４ｂにそれぞれ電気的に接続されている。そして、給電部２４ｃは、送信装置又は受信装置等の外部無線装置（図示せず）に接続される。また、給電部２４ｄは、例えばスルーホールを介してグランド導体３０に接続されてショートさせている。そして、給電回路２２は、給電部２４ａから２４ｃの方向に対応する長手方向が例えば１９．５ｍｍの長さを有し、給電部２４ｃから２４ｄの方向に対応する幅方向が例えば１２．６ｍｍの長さを有する。

図５は、図１の円偏波パッチアンテナ１の放射特性をシミュレーションした結果を示している。ここで、図５は、円偏波パッチアンテナ１の指向性を示している。ここで、図５では、利得は、Ｇ＝２０ｌｏｇＥ／Ｅ_０（ｄＢ）として表されている（ここで、Ｅは比較アンテナの電界強度であり、Ｅ_０は基準アンテナの電界強度である）。そして、図５では、放射素子１２が配置された面に対して垂直な方向（ｚ方向）を「０°」（放射の主方向）及び「１８０°」（裏面方向）とし、放射素子１２が配置された面に対して平行な方向（ｙ方向）を「９０°」及び「－９０°」とした場合に、図５の紙面に対して垂直な方向（ｘ方向）からみたときの円偏波パッチアンテナ１の指向性を示している。図５を参照すると、図１の円偏波パッチアンテナ１では、放射の主方向について、±７０°を超える範囲にわたって利得（Ｇ）が５ｄＢ以上になっている（ここで、図５中の「Ａ１」は、利得（Ｇ）が最大となる方向（略－４５°方向）を示している）。一方、図１の円偏波パッチアンテナ１では、図５中に「１８０°」で示される裏面方向の利得（Ｇ）が２０ｄＢ以内であって、図５中に「９０°」及び「－９０°」で示される方向の利得（Ｇ）が最大でも１０ｄＢ以内となっている。このように、図１の円偏波パッチアンテナ１では、裏面方向の全体にわたって利得（Ｇ）が１０ｄＢ以内となっている。つまり、円偏波パッチアンテナ１では、放射素子１２及び給電回路２２に起因する放射が、主方向と反対方向（裏面方向）に与える影響が小さい。その理由は、グランド導体３０と金属体４０とが電気的に接続されて一体となったため、グランド導体３０よりも面積が大きい金属体４０を新たなグランド導体（ＧＮＤ導体）として扱うことができることによるものと考えられる。その結果、この新たなグランド導体（ＧＮＤ導体）の端部付近での回折波が放射素子１２の放射の主方向に与える影響は、（新たなグランド導体の端部と、放射素子１２または給電回路２２との距離を大きくすることができたことによって抑制されたものと考えられる。

次に、図６（Ａ）の分解斜視図を参照して、図１の円偏波パッチアンテナ１の構成と比較される、従来の円偏波パッチアンテナ１００の構成について説明する。図６（Ａ）を参照すると、従来の円偏波パッチアンテナ１００は、放射素子１１２を一方の面の中央に配置した誘電体基板１１０と、一方の面に導体（グランド導体）を配置した誘電体基板１２０と、一方の面の中央から対角線の方向に延在する給電回路１３２を配置した誘電体基板１３０とを含んでいる。ここで、放射素子１１２を配置した誘電体基板１１０の一方の面とは反対にある面は、誘電体基板１２０の導体（グランド導体）の面に重なるように構成されている。そして、誘電体基板１２０の導体（グランド導体）を配置した誘電体基板１２０の一方の面とは反対にある面は、給電回路１３２を配置した面に重なるように構成されている。ここで、導体（グランド導体）を配置した誘電体基板１２０は、矩形であって、一辺の長さが約５５ｍｍ（≒λ）であるが、他辺の長さが約６１ｍｍ（≒λ＋指向性補正分）である。

図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の従来の放射素子１１２を配置した誘電体基板１１０を示す。ここで、放射素子１１２は、図３に示す放射素子１２とほぼ同じ形状及び大きさを有する。そして、放射素子１１２は、例えばスルーホールを介して、給電回路１３２と電気的に接続される給電部１１４ａ及び１１４ｂを有する。

図６（Ｃ）は、図６（Ａ）の給電回路１３２を一方の面に配置した誘電体基板１３０を示す。ここで、誘電体基板１３０は、誘電体基板１２０と同じ矩形であって、一辺の長さが約５５ｍｍ（≒λ）であるが、他辺の長さが約６１ｍｍ（≒λ＋指向性補正分）である。そして、図６（Ｃ）の給電回路１３２は、（給電部１３４ｃ及び１３４ｄの形状を除いて）図４の給電回路２２と同一の形状及び大きさを有する。

図７は、図６の従来の円偏波パッチアンテナ１００の放射特性をシミュレーションした結果を示している。ここで、図７は、従来の円偏波パッチアンテナ１００の指向性を示している。ここで、図７では、（図５と同様に）利得は、Ｇ’＝２０ｌｏｇＥ／Ｅ_０（ｄＢ）として表されている。そして、図７では（図５と同様に）、放射素子１１２が配置された面に対して垂直な方向（ｚ方向）を「０°」（放射の主方向）及び「１８０°」（裏面方向）とし、放射素子１１２が配置された面に対して平行な方向（ｙ方向）を「９０°」及び「－９０°」とした場合に、図７の紙面に対して垂直な方向（ｘ方向）からみたときの円偏波パッチアンテナ１００の指向性を示している。図７を参照すると、図６の従来の円偏波パッチアンテナ１００では、放射の主方向について、±５０°を超える範囲にわたって利得（Ｇ’）が５ｄＢ以上になっている（ここで、図７中の「Ａ１」は、利得（Ｇ’）が最大となる方向（略０°方向）を示している）。一方、図６の従来の円偏波パッチアンテナ１００では、図７中に「１８０°」で示される裏面方向の利得（Ｇ’）が１５ｄＢを超えているのに加え、裏面方向の９０°～１８０°及び－９０°～－１４０の範囲にわたって利得（Ｇ’）が１５ｄＢを超えている。このように、図６の従来の円偏波パッチアンテナ１００では、裏面方向の全体にわたって利得（Ｇ’）が１５ｄＢ以内となっている。特に、図７を参照すると、図６の従来の円偏波パッチアンテナ１００では、「９０°」及び「－９０°」で示される方向（つまり、放射素子１１２が配置された面に対して平行な方向）の利得（Ｇ’）が１０ｄＢをやや超えている。

図７を参照すると、従来の円偏波パッチアンテナ１００は、（図６（Ａ）に示すように）放射素子１１２と給電回路１３２との間にグランド導体１２０を設けている。そのため、従来の円偏波パッチアンテナ１００では、利得が最大となる方向が放射素子１３２の主方向（図７の０°方向）となっている。一方、従来の円偏波パッチアンテナ１００では、５ｄＢ以上の利得が得られる範囲（±５０°）が、図５の５ｄＢ以上の利得が得られる範囲（±７０°）よりも狭くなっている。そのような従来の円偏波パッチアンテナ１００の指向性利得の劣化は、放射素子１１２と給電回路１３２との間に配置されたグランド導体１２０の端部付近での回折波による影響によるものと考えられる。

最後に、図１に示す円偏波パッチアンテナ１と、図６に示す従来の円偏波パッチアンテナ１００との指向性特性のシミュレーションにおいて使用した条件を対比した表を以下に示す。以下の表を参照すると、特に、円偏波パッチアンテナ１では、給電回路２２を配置した誘電体基板２０の一辺の長さが３３ｍｍ（≒λ/２：半波長分の長さ）の正方形であるのに対し、従来の円偏波パッチアンテナ１００では、給電回路１３２を配置した誘電体基板１３０の一辺の長さが（指向性の補正分を考慮したため）５５～６１ｍｍ（≒λ：１波長分の長さ）の矩形である点において相違する。そのため、（図５及び図７に示されるシミュレーション結果の比較から、アンテナの指向性利得が向上していることに加えて）図１の円偏波パッチアンテナ１は、図６の従来の円偏波パッチアンテナ１００と比較して、フットプリント（面積）が３分の１～２分の１程度に小型化されている。

本明細書では、説明の便宜上、特定の実施形態について本発明を説明してきたが、これらの実施形態は、本発明の原理及び用途の単なる例示にすぎない。例えば、図２では、円偏波パッチアンテナ１は、放射素子１２と給電回路２２とを異なる誘電体基板（第１の誘電体基板１０と第２の誘電体基板２０）に設けた場合について説明した。これ以外にも、例えば、円偏波パッチアンテナ１は、第１の誘電体基板１０の一方の面（表面）に放射素子１２を配置するとともに、第１の誘電体基板１０の他方の面（裏面）に給電回路２２を配置する構成を採用することができる。そして、例えば第１の誘電体基板１０に設けられたスルーホールを介して、放射素子１２と給電回路２２とを電気的に接続することができる。その場合、例えば第１の誘電体基板とは異なる誘電体基板のスルーホールを介して、第１の誘電体基板の裏面に配置された給電回路２２をグランド導体３０に電気的に接続することができる。

したがって、例示した実施形態に対して多数の修正を実行することができることや、特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく他の構成を採用することができることが理解されるであろう。

本発明は、限定するものではないが、移動体通信システム等の無線通信を含む幅広い産業上の利用可能性を有する。

１ 本発明の実施態様にかかる円偏波パッチアンテナ（シミュレーション用）
１０ 第１の誘電体基板
１２ 放射素子
１４ａ、１４ｂ 第１給電部
２０ 第２の誘電体基板
２２ 給電回路（ハイブリッド回路）
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ 第２給電部
３０ グランド導体
４０ 金属体（ターンテーブルの一部）
１００ 従来の円偏波パッチアンテナ（シミュレーション用）
１０００ 円偏波パッチアンテナ（従来技術）

Claims (5)

1. 第１の誘電体基板と、
   前記第１の誘電体基板の第１の面に設けられた、第１給電部を有する放射素子と、
   前記第１の誘電体基板の前記第１の面の反対にある第２の面に接する第２の誘電体基板と、
   前記第１の誘電体基板の前記第２の面に重なるように、前記第２の誘電体基板の第１の面に設けられた、第２給電部を有する給電回路と、
   前記第２の誘電体基板の前記第１の面とは反対にある第２の面に重ねて設けられたグランド導体と
   を備え、
   前記第１給電部と前記第２給電部とは互いに電気的に接続されている、円偏波パッチアンテナ。
2. 前記グランド導体は、当該円偏波パッチアンテナが設置される金属体の少なくとも一部の表面に電気的に接続している、請求項１に記載の円偏波パッチアンテナ。
3. 前記給電回路がハイブリッド回路である、請求項１に記載の円偏波パッチアンテナ。
4. 前記給電回路は、前記給電回路の伝送線路長を最短にする位置又は向きになるように配置されている、請求項１に記載の円偏波パッチアンテナ。
5. 前記給電回路の伝送線路長を最短にする位置又は向きになるように配置されていることは、前記給電回路の長手方向を、前記放射素子の対角線の方向に合うように配置することを含む、請求項４に記載の円偏波パッチアンテナ。

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