JP3878141B2

JP3878141B2 - パッチアレーアンテナおよびその励振方法

Info

Publication number: JP3878141B2
Application number: JP2003050624A
Authority: JP
Inventors: 泰子木村; 宏之新井; 尚文道下
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: JP2004260667A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、パッチアレーアンテナおよびその励振方法に関し、特に、パッチアレーアンテナ２組を裏合わせに離隔配列したパッチアレーアンテナのアンテナ相互間の結合量を小さくした、移動通信におけるＩＭＴー２０００サービスにおける不感地用のパッチアレーアンテナおよびその励振方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パッチアンテナにおいて、その主ビーム方向の利得を向上するにパッチアンテナ素子をアレー化することは従来から行われている。しかし、パッチアンテナ素子をアレー化すると、サイドローブが大きくなるという問題が生ずる。サイドローブが大きくなると、パッチアレーアンテナ２枚を裏合わせに離隔配列した場合、アレーアンテナ相互間の結合量が大きくなることになり、これは実効的に放射電力を低下することにつながる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上述の通りの欠点を解消したパッチアレーアンテナおよびその励振方法を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
パッチアンテナ素子４形成面の周端領域にチョーク構造５０を有するパッチアレーアンテナを２枚裏合わせに離隔配列し、各パッチアンテナ素子４の励振振幅を変化させてＦＳ比を低減させてアンテナ間相互結合を制御するパッチアレーアンテナ励振方法を構成した。
そして、パッチアンテナ素子４形成面の周端領域にチョーク構造５０を有するパッチアレーアンテナ２枚を裏合わせに離隔配列し、各パッチアンテナ素子４を励振する電圧レベルを各個に設定出力するアンテナ電源回路を具備するパッチアレーアンテナを構成した。
【０００５】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図を参照して説明する。
図１および図２はチョーク構造を有する１組の４×４パッチアレーアンテナを示す。図１（ａ）は電磁波放射面側である前面側から視た図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の縦断面図であり、図２（ｃ）は図１（ａ）を簡略化して示した図である。
図１および図２において、１はアンテナケース全体を示す参照数字である。このアンテナケースは、金属材料より成る枠体１１と、金属材料より成り枠体１１に平行に形成される周側壁１２と金属材料より成る枠体１１と、金属材料より成り枠体１１に平行に形成される周側壁１２と、周側壁１２の前方開口端縁部を閉塞するカバー１３、１３’より成る。４０は誘電体より成るパッチアンテナ素子基板であり、枠体１１の前方開口端縁部に取り付け固定されている。パッチアンテナ素子基板４０の前方表面にはパッチアンテナ素子４がマトリクス状に形成され、合計１６個のパッチアンテナ素子４により１組のパッチアレーアンテナが構成される。３０は無給電素子基板であり、放射素子基板４０の前方表面に金属材料よりなる素子固定材７を介して離隔して取り付け固定されている。無給電素子基板３０の表面には、無給電素子３が形成される。５０は給電回路板であり、同軸管６を介してパッチアンテナ素子基板４０に離隔して取り付け固定されている。パッチアンテナ素子４には、給電回路板５０および同軸管６内に挿通される同軸ケーブルを介して給電される。
【０００６】
上述した通りの金属材料より成る枠体１１と枠体１１に平行に形成される同様に金属材料より成る周側壁１２とにより、チョーク構造１０を形成している。即ち、チョーク構造１０は無給電素子基板３０およびパッチアンテナ素子基板４０の周端領域を包囲する状態に形成されている。パッチアンテナ素子４が給電回路板５０および同軸管６内に挿通される同軸ケーブルを介して給電されて電磁波を放射した場合、パッチアンテナ素子４が形成される無給電素子基板３０およびパッチアンテナ素子基板４０の周端領域を包囲する状態に形成されているところから、放射電磁波はその回り込みをチョーク構造１０により低減せしめられることになる。
【０００７】
図３は図１および図２に示される１組のパッチアレーアンテナのパッチアンテナ素子４の全てを同振幅で励振する場合を説明する図である。
図３（ａ）はパッチアンテナ素子４それぞれを同振幅１で励振したときの放射パターンである。励振周波数は１．９２ＧＨｚとしている。放射パターンの大きさは中心点のレベルを−２０ｄＢ、最外周円を２０ｄＢとして表示している。
図３（ｂ）を参照してＥ面の放射パターンについてみると、フロントローブの向きは０゜、半値幅は約２０゜を示している。サイドローブ抑圧は約１５ｄＢを示している。
【０００８】
図３（ｃ）を参照してＨ面の放射パターンについてみると、フロントローブの向きは０゜、半値幅は約２３゜を示している。サイドローブ抑圧は約１６ｄＢを示している。
図４はパッチアンテナ素子４の内の左右両側の列方向に配列される素子の振幅を中央の列方向に配列される素子の振幅の半分とし、Ｈ面に影響を与える場合を説明する図である。
図４（ａ）は左右両側の列方向に配列されるパッチアンテナ素子の振幅を中央の列方向に配列されるパッチアンテナ素子の振幅の半分とし、Ｈ面に影響を与えた時の放射パターンを示す図である。励振周波数は１．９２ＧＨｚとしている。放射パターンの大きさは中心点のレベルを−２０ｄＢ、最外周円を２０ｄＢとして表示している。
【０００９】
図４（ｂ）を参照してＥ面の放射パターンについてみると、フロントローブの向きは０゜、半値幅は約２０゜を示している。サイドローブ抑圧は約１５ｄＢを示している。
図４（ｃ）を参照してＨ面の放射パターンについてみると、フロントローブの向きは０゜、半値幅は約２８゜を示している。サイドローブ抑圧は約３５ｄＢを示している。ＦＳ比（フロントローブ／サイドローブ）は大きく低減している。図５はパッチアンテナ素子４の内の上下両側の行方向に配列される素子の振幅を中央の行方向に配列される素子の振幅の半分とし、Ｅ面に影響を与える場合を説明する図である。
【００１０】
図５（ａ）はパッチアンテナ素子４の内の上下両側の行方向に配列される素子の振幅を中央の行方向に配列される素子の半分とし、Ｅ面に影響を与えたときの放射パターンを示す図である。励振周波数は１．９２ＧＨｚとしている。放射パターンの大きさは中心点のレベルを−２０ｄＢ、最外周円を２０ｄＢとして表示している。
図５（ｂ）を参照してＥ面の放射パターンについてみると、フロントローブの向きは０゜、半値幅は約２４゜を示している。サイドローブ抑圧は約３１ｄＢを示している。
図５（ｃ）を参照してＨ面の放射パターンについてみると、フロントローブの向きは０゜、半値幅は約２３゜を示している。サイドローブ抑圧は約１６ｄＢを示している。
【００１１】
図６は外側の素子の振幅を中央にある素子の振幅の行方向の半分とした場合を説明する図である。
図６（ａ）は外側の素子の振幅を中央にある素子の振幅の行方向の半分としたときの放射パターンを示す図である。即ち、左右両側の列方向に配列されるパッチアンテナ素子の内の上下のものの振幅を中央の列方向に配列されるパッチアンテナ素子の振幅の半分としてＨ面に影響を与えると共に、上下両側の行方向に配列されるパッチアンテナ素子の内の左右のものの振幅を中央の行方向に配列されるパッチアンテナ素子の振幅の半分としてＥ面に影響を与えたときの放射パターンを示す図である。励振周波数は１．９２ＧＨｚとしている。放射パターンの大きさは中心点のレベルを−２０ｄＢ、最外周円を２０ｄＢとして表示している。
【００１２】
図６（ｂ）を参照してＥ面の放射パターンについてみると、フロントローブの向きは０゜、半値幅は約２４゜を示している。サイドローブ抑圧は約３２ｄＢを示している。
図５（ｃ）を参照してＨ面の放射パターンについてみると、フロントローブの向きは０゜、半値幅は約２３゜を示している。サイドローブ抑圧は約３６ｄＢを示している。
以上の通りのパッチアレーアンテナを２組準備し、これらを裏合わせに離隔配置したパッチアレーアンテナを構成する。ここで、裏合わせとは、ケース１のカバー１３’同士を対向させて配置させることをいう。図７は４×４パッチアレーアンテナを相互に４λ離して裏合わせに配列したときの相互結合量を示す。
【００１３】
以上の通りの裏合わせのパッチアレーアンテナは、一方を受信用とすると共に他方を送信用として使用することができるが、各パッチアンテナ素子の励振振幅を制御して両パッチアレーアンテナのサイドローブレベルを小さくすることができることにより、パッチアレーアンテナ相互間の相互結合量を低下させることができる。具体例として、２組のパッチアレーアンテナ相互間を４λにして裏合わせに配置したとき、外側に位置するパッチアンテナ素子の励振振幅を中央に位置するパッチアンテナ素子の励振振幅の半分とした場合と、内外側パッチアンテナ素子を同振幅で励振した場合と比較すると、図７から相互結合量は１５ｄＢ以上低減することができることがわかる。
図３〜図７の各データは電磁界分布を数値計算するソフトウェアを使用し、アンテナの種類、無給電素子基板とパッチアンテナ素子間の誘電体の誘電率、誘電正接、厚さをも含めたアンテナの形状寸法、励振周波数、振幅、位相を含めた励振源、給電点、その他の条件を入力して電子計算機により演算処理して求めた。詳細な数値の例示は省略する。電磁界分布を数値計算するソフトウェアは、「ＭＷＳｔｕｄｉｏ」を使用した。
【００１４】
【発明の効果】
上述した通りであって、この発明は、左右両側の列方向に配列されるパッチアンテナ素子の内の上下のものの励振振幅を中央の列方向に配列されるパッチアンテナ素子の励振振幅より小さくしてＨ面に影響を与えると共に、上下両側の行方向に配列されるパッチアンテナ素子の内の左右のものの励振振幅を中央の行方向に配列されるパッチアンテナ素子の励振より小さくしてＨ面に影響を与えることにより、サイドローブのレベルはＥ面およびＨ面の双方について極く小さく低下する。その結果、２組のパッチアレーアンテナを裏合わせに離隔配置して構成したパッチアレーアンテナの相互間の結合量は、図７に示される如く、図３ないし図５の内の何れと比較しても低下しており、実効放射電力の低下を低減することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例を説明する図。
【図２】図１の続き。
【図３】パッチアレーアンテナのパッチアンテナ素子それぞれを同振幅で励振する場合を説明する図。
【図４】左右両側の列方向に配列されるパッチアレーアンテナのパッチアンテナ素子の振幅を中央の列方向に配列されるパッチアンテナ素子の半分で励振する場合を説明する図。
【図５】上下両側の行方向に配列されるパッチアレーアンテナのパッチアンテナ素子の振幅を中央の行方向に配列されるパッチアンテナ素子の半分で励振する場合を説明する図。
【図６】パッチアレーアンテナの外側のパッチアンテナ素子の振幅を中央にある素子の振幅の半分で励振する場合を説明する図。
【図７】パッチアレーアンテナを４λ離して裏合わせに配列したときの相互結合量を示す図。
【符号の説明】
１アンテナケース１０チョーク構造
１１枠体１２周側壁
１３、１３’カバー３無給電素子
３０無給電素子基板４パッチアンテナ素子
４０パッチアンテナ素子基板５０給電回路板
６同軸管７素子基板固定材

Claims

方形状のパッチアンテナ素子基板の前方表面に４×４のマトリクス状に形成された１６個のパッチアンテナと、
上記パッチアンテナ素子基板の前方表面に、これと離隔して取り付けられた無給電素子基板と、
各パッチアンテナ素子と対向してそれぞれ上記無給電素子基板上に形成された１６個の無給電素子と、
上記パッチアンテナ素子基板の外周を固定する金属材料よりなる枠体と、
上記枠体の外縁に上記枠体の厚み方向に並行で、上記パッチアンテナ素子基板の前方表面方向に上記無給電素子基板の位置より突出して上記枠体と共にチョーク構造を形成する周側壁と、を具備する第１のパッチアレーアンテナと、
上記第１のパッチアレーアンテナと同一構成を持ち、上記パッチアンテナ素子基板に対し裏合わせに離隔して配置された第２のパッチアレーアンテナと、を備え、
上記第１又は第２のパッチアレーアンテナの各マトリクス状に形成されたパッチアンテナ素子の四隅のパッチアンテナの励振振幅を第１の励振振幅とし、残りの１２個のパッチアンテナ素子の励振振幅を上記第１の励振振幅より大きな第２の励振振幅とすることを特徴とするパッチアレーアンテナ励振方法。