JP3790823B2

JP3790823B2 - パッチアンテナ

Info

Publication number: JP3790823B2
Application number: JP2003307138A
Authority: JP
Inventors: 武福迫; 直樹北村; 長久三田; 東根鄭
Original assignee: 国立大学法人熊本大学
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: KR20050022846A; KR100563424B1; JP2005079838A

Description

本発明は、アンテナに関し、特に、給電線路と、地板と、パッチ（放射素子）とをこの順序で各々の間に絶縁体を挟んで積層して具えるパッチアンテナに関する。本発明は、さらに、地板と、パッチとを間に絶縁体を挟んで積層して具え、前記地板に設けられた溝に収容された給電線路を具えるパッチアンテナにも関する。

上述したようなパッチアンテナは、携帯電話に代表される小型携帯通信端末、アナログまたはディジタルによる無線画像伝送システム、無線ＬＡＮ、家電ネットワーク等のような、高品質で高速な通信の実現のために偏波ダイバーシティ技術が必要な分野において使用される。

電波は直交する電界と磁界の相互作用によって空間を伝播するが、このとき、電界が発生する面を偏波面という。電波の送受信の際には、この偏波を合わせることが原則である。電波の送受信にあたり直接波を使う限りは偏波のずれはほとんど生じないが、反射や回折等があると偏波面が変化することが知られている。

近年高速に無線でデータを伝送する要求が高まっているが、特に都市部のような電波の回折、反射の多き場所においては、多重波電波によるフェージングが起こり、高い通信品質が必要とされる高速データ伝送に大きく影響を及ぼすことが知られている。

このような場合、２つの異なる偏波の内より良い通信ができる偏波のアンテナを選択的に使用する偏波ダイバーシティ技術が用いられる。切り替えの対象となる偏波は、直線偏波の垂直偏波と水平偏波の切り替えと、円偏波の右旋偏波と左旋偏波の切り替えである。

本発明は、上記偏波ダイバーシティ技術を、例えば携帯端末で使用できるような１つの小型パッチアンテナで実現することを目的とする。

本発明によるパッチアンテナの一実施例は、前記地板は、互いにほぼ直交する向きに配置された２つのスロットを有し、前記給電線路は、前記２つのスロットの各々と交差して通ると共に各々の端において互いに逆方向に配置されたダイオードの一方の端を接続した２つの枝部を有し、前記ダイオードの他方の端を接地したことを特徴とする。

本発明によるパッチアンテナの他の実施例は、前記給電線路の各枝部の先端から、各々交差する前記スロットまでの距離が実行波長の約１／２であることを特徴とする。

本発明によるパッチアンテナの他の実施例は、前記給電線路の各枝部の先端から、各々交差する前記スロットまでの距離が実行波長の約１／４であることを特徴とする。

本発明によるパッチアンテナの他の実施形態は、前記パッチが方形であり、前記２つのスロットが前記パッチの２辺とそれぞれ平行であることを特徴とする。

本発明によるパッチアンテナのさらに他の実施形態は、前記パッチが、方形パッチの一組の対角をそれぞれ切り落とした形状であり、切り落とし面積を円偏波が発生するように選択したものであることを特徴とする。

本発明によるパッチアンテナの依然として他の実施形態は、前記パッチが、縮退分離法によって円偏波が発生するように２つの窪み若しくは出っ張りによる摂動が設けられた円形のパッチである特徴とする。

本発明のパッチアンテナは、信号と同時に印加するバイアス電圧を正負で切り替えることにより、給電するスロットを切り替えることができ、したがって偏波切り替えを行うことができる。パッチの形状を適切に選択することにより、垂直偏波と水平偏波とで切り替え可能な直線偏波パッチアンテナ、または、右旋偏波と左旋偏波とで切り替え可能な円偏波パッチアンテナを実現することができる。

図１は、本発明によるパッチアンテナの一実施例の構造を示す上面図および側面図である。パッチアンテナ１は、マイクロストリップ線路等に代表される給電用平面型給電線路２と、地板４と、１辺の寸法がＷの正方形のパッチ６とを、絶縁体基板８および１０を間に挟んで積層して具える。地板４には、パッチ６の２辺とそれぞれ平行の２つのスロット１２および１４が設けられている。平面型給電線路２は、２つの枝部２ａおよび２ｂを有し、各々の枝部分は、スロット１２および１４のほぼ中心において各々のスロットと交差するように配置される。また、各々の枝部の先端から各々が交差するスロットまでの距離は実行波長λの１／２または１／４になるようにする。パッチアンテナ１は、互いに逆方向に配置されたダイオード１６および１８をさらに具え、すなわち、枝部２ａの先端にはダイオード１６のアノードを、枝部２ｂの先端にはダイオード１８のカソードを接続し、ダイオード１６のカソードとダイオード１８のアノードを接地する。

図２は、図１のパッチアンテナの偏波切り替えの原理を説明する上面図である。平面型給電線路２の枝部２ａからスロット１２までの距離と、枝部２ｂの先端からスロット１４までの距離は、実行波長λの１／２である。図２に示すように、信号と同時に正の直流バイアス電圧を給電線路２に印加すると、順方向に配置されたダイオード１６のみが導通し、短絡し、逆方向に配置されたダイオード１８は導通せず、開放のままとなる。これにより、先端が開放された枝部分２ｂの先端から実行波長λの１／２の点において電流分布が最小となり、パッチ６はこの点上にあるスロット１４によっては給電されない。先端が短絡された枝部分２ａの先端から実行波長λの１／２の点において電流分布が最大となり、パッチ６はこの点上にあるスロット１２により磁界結合して給電される。図２では、ｘ方向に電界成分を持つ水平偏波が給電される例を示している。給電線路２に信号と同時に負の直流バイアス電圧を印加した場合は、上述した正の直流バイアス電圧を印加した場合と逆の動作が生じ、すなわち、逆方向に配置されたダイオード１８のみが導通し、短絡し、順方向に配置されたダイオード１６は導通せず、開放のままとなる。これにより、先端が開放された枝部分２ａの先端から実行波長λの１／２の点において電流分布が最小となり、パッチ６はこの点上にあるスロット１２によっては給電されない。先端が短絡された枝部分２ｂの先端から実行波長λの１／２の点において電流分布が最大となり、パッチ６はこの点上にあるスロット１４により磁界結合して給電される。したがって、本例においては、ｙ方向に電界成分を持つ垂直偏波が給電される。平面型給電線路２の枝部２ａからスロット１２までの距離と、枝部２ｂの先端からスロット１４までの距離を、実行波長λの１／４とした場合、上記の動作と逆になる。

図３は、図１に示すような本発明によるパッチアンテナのリターンロス特性の実測値のグラフである。アンテナの縦および横の長さは６０ｍｍ、２枚の絶縁体基板の厚さは等しく０．８ｍｍ、絶縁体基板の端から各々のスロットまでの距離は１４ｍｍ、スロットの長さは７ｍｍ、スロットの幅は１ｍｍ、給電線路の幅は２．４ｍｍ、パッチの辺の長さは縦横とも１６ｍｍとした。また、絶縁体基板の誘電率は２．１、誘電正接は０．００１４であった。図３から、正負のバイアス電圧印加時に対して、どちらも−１０ｄＢ以下となる周波数帯域幅約１２０ＭＨｚを保ちながら５．８５ＧＨｚ付近で共振していることがわかる。図４および５は、図１に示すような本発明によるパッチアンテナのバイアス電圧切り替え前後での放射パターンを示すグラフである。これらのグラフから、正のバイアス時にはｘ方向に電界成分を持つ水平偏波成分が、負のバイアス時にはｙ方向に電界成分を持つ垂直偏波成分が主偏波となり、偏波が切り替わっていることがわかる。これらのグラフでは、放射電力は負のバイアス時の水平偏波の最大電力で規格化しているが、切り替え前後の最大電力は、水平偏波および垂直偏波でほぼ同程度である。また、測定周波数５．８５ＧＨｚにおいて、半値幅が約±３５°で、ボアサイトにおいて約２０ｄＢの交差偏波特性を実現している。

図６は、本発明によるパッチアンテナの他の実施例の構造を示す上面図および側面図である。本実施例は、図１の実施例とほぼ同様であるが、パッチの形状が異なる。パッチアンテナ２１は、マイクロストリップ線路等に代表される給電用平面型給電線路２２と、地板２４と、１辺の寸法がＷの正方形の２つの角の一部を切り取った形状のパッチ２６とを、絶縁体基板２８および３０を間に挟んで積層して具える。地板２４には、パッチ２６の２辺とそれぞれ平行の２つのスロット３２および３４が設けられている。平面型給電線路２２は、２つの枝部２２ａおよび２２ｂを有し、各々の枝部分は、スロット３２および３４のほぼ中心において各々のスロットと交差するように配置される。また、各々の枝部の先端から各々が交差するスロットまでの距離は実行波長λの１／２または１／４になるようにする。パッチアンテナ１は、互いに逆方向に配置されたダイオード３６および３８をさらに具え、すなわち、枝部２２ａの先端にはダイオード３６のアノードを、枝部２２ｂの先端にはダイオード３８のカソードを接続し、ダイオード３６のカソードとダイオード３８のアノードを接地する。パッチ２６の切り取り部２６ａおよび２６ｂの面積を、縮退分離法によって円偏波が発生するように適切に選択する。パッチ２６へ給電するスロットの切り替えの原理は、図１に示し、図２を参照して説明した実施例と同様である。本実施例の場合、給電スロットを切り替えることにより、右旋偏波と左旋偏波とを切り替えることができる。

図７は、本発明によるパッチアンテナのさらに他の実施例の構造を示す上面図および側面図である。本実施例は、図１の実施例とほぼ同様であるが、パッチの形状が異なる。パッチアンテナ４１は、マイクロストリップ線路等に代表される給電用平面型給電線路４２と、地板４４と、円形で２つの窪み若しくは出っ張りによる摂動を有するパッチ４６とを、絶縁体基板４８および５０を間に挟んで積層して具える。地板４４には、地板４４の２辺とそれぞれ平行の２つのスロット５２および５４が設けられている。平面型給電線路４２は、２つの枝部４２ａおよび４２ｂを有し、各々の枝部分は、スロット５２および５４の中心において各々のスロットと直交するように配置される。また、各々の枝部の先端から各々が交差するスロットまでの距離は実行波長λの１／２または１／４になるようにする。パッチアンテナ４１は、互いに逆方向に配置されたダイオード５６および５８をさらに具え、すなわち、枝部４２ａの先端にはダイオード５６のアノードを、枝部４２ｂの先端にはダイオード５８のカソードを接続し、ダイオード５６のカソードとダイオード５８のアノードを接地する。パッチ４６の窪み若しくは出っ張りによる摂動４６ａおよび４６ｂの位置および面積を、縮退分離法によって円偏波が発生するように適切に選択する。パッチ４６へ給電するスロットの切り替えの原理は、図１に示し、図２を参照して説明した実施例と同様である。本実施例の場合、給電スロットを切り替えることにより、右旋偏波と左旋偏波とを切り替えることができる。

本発明によるパッチアンテナの一実施例の構造を示す上面図および側面図である。図１のパッチアンテナの偏波切り替えの原理を説明する上面図である。本発明によるパッチアンテナのリターンロス特性の実測値のグラフである。本発明によるパッチアンテナのバイアス電圧切り替え前後での放射パターンを示すグラフである。本発明によるパッチアンテナのバイアス電圧切り替え前後での放射パターンを示すグラフである。本発明によるパッチアンテナの他の実施例の構造を示す上面図および側面図である。本発明によるパッチアンテナのさらに他の実施例の構造を示す上面図および側面図である。

符号の説明

１、２１、４１パッチアンテナ
２、２２、４２平面型給電線路
２ａ、２ｂ、２２ａ、２２ｂ、４２ａ、４２ｂ枝部
４、２４、４４地板
６、２６、４６パッチ
８、１０、２８、３０、４８、５０絶縁体基板
１２、１４、３２、３４、５２、５４スロット
１６、１８、３６、３８、５６、５８ダイオード

Claims

給電線路と、地板と、パッチとをこの順序で各々の間に絶縁体を挟んで積層して具えるパッチアンテナにおいて、前記地板は、互いにほぼ直交する向きに配置された２つのスロットを有し、前記給電線路は、前記２つのスロットの各々と交差して通ると共に各々の端において互いに逆方向に配置されたダイオードの一方の端を接続した２つの枝部を有し、前記ダイオードの他方の端を接地したことを特徴とする。
請求項１に記載のパッチアンテナにおいて、前記給電線路の各枝部の先端から、各々交差する前記スロットまでの距離が実行波長の約１／２であることを特徴とするパッチアンテナ。
請求項１に記載のパッチアンテナにおいて、前記給電線路の各枝部の先端から、各々交差する前記スロットまでの距離が実行波長の約１／４であることを特徴とするパッチアンテナ。
請求項１、２または３に記載のパッチアンテナにおいて、前記パッチが方形であり、前記２つのスロットが前記パッチの２辺とそれぞれ平行であることを特徴とするパッチアンテナ。
請求項１、２または３に記載のパッチアンテナにおいて、前記パッチが、方形パッチの一組の対角をそれぞれ切り落とした形状であり、切り落とし面積を円偏波が発生するように選択したものであることを特徴とするパッチアンテナ。
請求項１、２または３に記載のパッチアンテナにおいて、前記パッチが、縮退分離法によって円偏波が発生するように２つの窪み若しくは出っ張りによる摂動が設けられた円形のパッチである特徴とするパッチアンテナ。