JP4562611B2 - 円偏波パッチアンテナ及び円偏波アレイアンテナ - Google Patents

Description

この発明は、円偏波パッチアンテナ及び円偏波アレイアンテナに関し、一層詳細には、無給電素子付きの円偏波パッチアンテナ及び円偏波アレイアンテナに関する。

パッチアンテナにより円偏波を放射する場合、第１に、給電素子に対して位置が９０゜異なる点から９０゜の位相差をつけて給電する、いわゆる２点給電円偏波パッチアンテナによる手法と、第２に、給電素子の一点から給電し放射素子に切り欠きを設ける、いわゆる１点給電円偏波パッチアンテナによる手法がある（特許文献１）。

第１の手法は、一般的に広い周波数帯域にわたり良好な円偏波を放射することができるが、１個の給電素子に対して２個の給電点を必要とする。また、アンテナ以外に９０゜位相差をつける給電回路を必要とする、という２つの理由により給電構造が複雑になるという問題がある。

第２の手法は、給電構造は比較的簡単であるが、アンテナの入力インピーダンスに依存して円偏波を放射する方式であるため、実用的な軸比の帯域が数％と狭くなるという問題がある。

図１０は、特許文献１の図６に記載された軸比帯域の狭い円偏波アレイアンテナ（０゜並列配列円偏波アレイアンテナともいう。）１０の構成を示している。この円偏波アレイアンテナ１０では、誘電体基板１２上に、切り欠きからなる縮退分離素子１４が対向する２角に設けられた給電素子１６が並列に設けられ、給電口１８に接続される給電線２０が給電素子１６の給電点２２に接続されている。

図１１は、特許文献１の図１に記載された軸比帯域が広い範囲に改善された円偏波アレイアンテナ（９０゜直交並列円偏波アレイアンテナともいう。）３０の構成を示している。この円偏波アレイアンテナ３０では、誘電体基板１２上に、切り欠きからなる縮退分離素子１４が対向する２角に設けられた給電素子１６の片方を９０゜回転させて並列に設けており、給電口１８に接続される給電線２０が給電素子１６の給電点２２に接続されている。

図１２は、この出願の発明者により特許文献１に係る技術を追試した結果であって、これら２つの円偏波アレイアンテナ１０、３０に対して、素子間隔０．８［λ］での規格化周波数−アンテナ利得［ｄＢｉ］特性を示している。アンテナ利得特性２ｘ´は、図１０の円偏波アレイアンテナ１０に対応し、アンテナ利得特性２ｙ´は、図１１の円偏波アレイアンテナ３０に対応している。なお、上記特許文献１では、規格化中心周波数を、例えば２．４［ＧＨｚ］帯としているが、この明細書においては、中心周波数は、１．５９２［ＧＨｚ］｛波長λは、λ＝１８８［ｃｍ］｝としているので、図１２、図１３の規格化周波数「１」は、１．５９２［ＧＨｚ］に対応する。

図１３は、素子間隔０．８［λ］での規格化周波数−軸比特性を示している。軸比特性２ｘは、図１０の円偏波アレイアンテナ１０に対応し、軸比特性２ｙは、図１１の円偏波アレイアンテナ３０に対応している。

このように、図１０の０゜並列配列の円偏波アレイアンテナ１０に比較して、図１１の９０゜直交並列配列の円偏波アレイアンテナ３０は、図１２に示したアンテナ利得特性２ｘ´、２ｙ´では、それほど差異はないが、図１３に示す軸比特性２ｙでは、軸比特性２ｘに比較して相当広範囲に改善されていることが分かる。

特開２００４−１１２６５２号公報

しかしながら、図１１に示した円偏波アレイアンテナ３０を、図１４に示すように、素子単体の円偏波パッチアンテナ３０ｓとして使用する場合には、図１５に示すように、素子単体での軸比特性１ｙが狭帯域になってしまうという欠点がある。

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、給電素子の一点から給電する手法を取り入れながら、軸比特性が広帯域となり、かつアンテナ利得が広い周波数範囲で比較的に高利得である円偏波パッチアンテナ及び円偏波アレイアンテナを提供することを目的とする。

この発明に係る円偏波パッチアンテナは、直線偏波の１つの給電点の六角形給電素子と四角形無給電素子を同軸上に平行して配置する構成により、軸比特性が広帯域となり、かつアンテナ利得が広い周波数範囲で比較的に高利得になる。

この場合、前記六角形給電素子の対向する他方の２角の対角線と、前記四角形無給電素子の対角線とを一致させることで、製作が容易になる。

前記六角形給電素子を形成する四角形と、前記四角形無給電素子は、それぞれ正方形であることが好ましい。

この発明には、上述した円偏波パッチアンテナを複数含む円偏波アレイアンテナも含まれる。

この発明によれば、給電素子の一点から給電する手法を取り入れながら、軸比特性が広帯域となり、かつアンテナ利得が広い周波数範囲で比較的に高利得になる円偏波パッチアンテナ及び円偏波アレイアンテナが得られる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、この実施形態で説明するアンテナの使用周波数帯は、３００［ＭＨｚ］〜３０［ＧＨｚ］のマイクロ波帯である。

図１は、この発明の一実施形態の１素子アンテナからなる円偏波パッチアンテナ５０の平面図である。

図２は、１素子アンテナからなる円偏波パッチアンテナ５０の斜視図である。

この１素子アンテナからなる円偏波パッチアンテナ５０は、アルミニューム製の地導体板（地導体）６０上に、誘電体５１、５３を挟んでそれぞれ金属の給電素子５２と無給電素子５４が同軸上に重ねて平行に配置された、いわゆるスタック構成になっている。ここで、無給電素子５４は、八木アンテナにおける導波器と同様に動作するが、直線偏波を形成する。

給電素子５２は、正方形の対向する一方の２角を、１つの給電点６２で直線偏波となるように同じ大きさ分切り落とし、縮退分離素子５６とした六角形形状とされ、一方、無給電素子５４の１辺の長さは、この六角形の中央の四角形部と略重なる大きさの正方形とされている。

また、六角形の給電素子５２の対向する他方の２角の対角線ＤＬ６と、四角形の無給電素子５４の対角線ＤＬ４とを平面的に見て一致させて配置している。六角形の給電素子５２は、対角線ＤＬ６に対して対称な形状になっている。

上記のように構成された円偏波パッチアンテナ５０は、円偏波特性を有する。

図１、図２に示すように、給電素子５２には、給電点６２が設けられている。給電点６２に対する給電方法は、第１にマイクロストリップ給電線で給電する。第２に地導体板６０の裏側から地導体板６０を貫通して給電する。第３に地導体板６０に開口窓を開け裏面から電磁給電する、という方法のいずれかを選択することができる。

以上のように構成される円偏波パッチアンテナ５０では、六角形の一辺に形成された給電点６２から給電することで、対角線ＤＬ６（図１参照）と平行する方向ＤＲ６（図３参照）に直線偏波が形成されるような給電素子５２と、四角形の一辺に給電点を形成し、そこから給電をした場合、その給電点に近い辺側から他方の辺側に向かう方向ＤＲ４（図３参照）に直線偏波が形成されるような無給電素子５４を、図３に示すように同軸上に配置して、給電点６２から給電することで、全体として、円偏波アンテナとして動作する。換言すれば、図３に示す六角形の給電素子５２単体に給電した場合、及び四角形の無給電素子５４単体に六角形の給電素子５２と同様な給電点から給電した場合は、それぞれ図３に示すような偏波方向ＤＲ６、ＤＲ４を有する直線偏波が形成され、そのような特性を有する六角形の給電素子５２上に四角形の無給電素子５４を図３に示すように同軸上に配置し、六角形の給電素子５２の給電点６２から給電することで、全体として円偏波アンテナとして動作する。

図４は、円偏波パッチアンテナ５０の給電素子５２の切り落とし量をパラメータとして変化させた場合の規格化周波数（ｆ／ｆ０）と軸比［ｄＢ］との関係を示している。

なお、図４において、各要素は、図５のように定義し、各値を設定している。

給電素子５２の切り落としのない正方形の１辺の長さをａｌ１、その正方形の面積ａｌ１×ａｌ１をＳ、切り落とされた２つの三角形の面積をそれぞれΔＳ、無給電素子５４の正方形の１辺の長さをａｌ２、地導体板６０から給電素子５２までの距離（誘電体５１の厚み）をＴＬ（ＴＬ＝０．０４３λ０）、地導体板６０から無給電素子５４までの距離（誘電体５１＋給電素子５２＋誘電体５３の厚み）をＴＨ（ＴＨ＝０．０９６λ０）、中心周波数ｆ０の波長をλ０としている。なお、面積Ｓは、給電素子５２の切り落としのない正方形の面積である。

図４の軸比特性において、軸比３［ｄＢ］以下の軸比特性で帯域を評価すると、軸比特性１ｚ（ａｌ１＝０．４７λ０、ａｌ２＝０．３９λ０、ΔＳ／Ｓ＝１５．５［％］）が最も広帯域であり、次に、軸比特性１ｚａ（ａｌ１＝０．４７λ０、ａｌ２＝０．３９λ０、ΔＳ／Ｓ＝１１．４［％］）、軸比特性１ｚｂ（ａｌ１＝０．４７λ０、ａｌ２＝０．３９λ０、ΔＳ／Ｓ＝２０．２［％］）が広帯域であり、比較的に切欠量の多い軸比特性１ｚｃ（ａｌ１＝０．４７λ０、ａｌ２＝０．３９λ０、ΔＳ／Ｓ＝２５．６［％］）、比較的に切欠量の少ない軸比特性１ｚｄ（ａｌ１＝０．４７λ０、ａｌ２＝０．３９λ０、ΔＳ／Ｓ＝７．９［％］）は、軸比特性が不良であることが分かる。

図６は、給電素子５２及び無給電素子５４の材質を軸比特性１ｚ（図４参照）で示す銅（導電率：５．８×１０⁷）から、アルミ（３．８×１０⁷）、銀（６．１×１０⁷）、ステンレス（１．１×１０⁶）、鋳鉄（１．５×１０⁶）に変更した場合の軸比特性の変化の具合を示しているが、導電率が１×１０⁶〜１０×１０⁷程度の導体であれば、軸比特性に対して影響がほとんどないことが分かる。

図７は比較例であり、図８に示すように、無給電素子５４を設けないで、給電素子５２と地導体板６０からなる円偏波パッチアンテナ１５０の切欠量に対する周波数・軸比の関係を示している。

この図７から、給電素子５２のみを有する円偏波パッチアンテナ１５０の場合の軸比特性が最適となる切欠量ΔＳ／Ｓは、３．６［％］であることが分かる。

なお、円偏波パッチアンテナ５０は、２個以上並べて、例えば図９に示すように、２つの円偏波パッチアンテナ５０ａを素子アンテナとして地導体板６０上に配置した、９０゜直交配列の円偏波アレイアンテナ７０として使用することもできる。

なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

この発明の一実施形態の１素子アンテナからなる円偏波パッチアンテナの平面図である。 図１例の円偏波パッチアンテナの斜視図である。 給電素子単体に給電した場合に形成される直線偏波の方向、及び無給電素子に給電点を形成して給電した場合に、無給電素子単体に形成される直線偏波の方向を示す説明図である。 給電素子の切り落としの有無に対して軸比を比較する特性図である。 パッチアンテナを構成する各パラメータの定義を示す説明図である。 材質の違いに対する軸比特性の変化を示す特性図である。 給電素子の切り落とし量の変化に対する軸比特性の変化を示す特性図である。 この実施形態で無給電素子を設けない場合のパッチアンテナの斜視図である。 この実施形態に係る９０゜直交配列の円偏波アレイアンテナの平面図である。 従来技術に係る軸比帯域の狭い円偏波アレイアンテナ（０゜並列配列円偏波アレイアンテナ）の平面図である。 従来技術に係る軸比帯域が広い範囲に改善された円偏波アレイアンテナ（９０゜直交並列円偏波アレイアンテナ）の平面図である。 図１０、図１１例の円偏波アレイアンテナのアンテナ利得特性を比較する特性図である。 図１０、図１１例の円偏波アレイアンテナの軸比特性を比較する特性図である。 素子単体の円偏波パッチアンテナの平面図である。 図１４例の円偏波パッチアンテナの軸比特性図である。

符号の説明

１０…円偏波アレイアンテナ ５０…円偏波パッチアンテナ
５１、５３…誘電体 ５２…給電素子
５４…無給電素子 ５６…縮退分離素子
６０…地導体板 ６２…給電点

Claims (4)

1. 四角形の４角中、対向する一方の２角を、１つの給電点で直線偏波となるように切り落とした六角形給電素子と、
   前記六角形給電素子に対して同軸上に平行して配置した直線偏波の四角形無給電素子とを備え、
   前記２角を切り落とした前記六角形給電素子と前記四角形無給電素子とで円偏波特性を得るようにした
   ことを特徴とする円偏波パッチアンテナ。
2. 請求項１記載の円偏波パッチアンテナにおいて、
   前記六角形給電素子の対向する他方の２角の対角線と、前記四角形無給電素子の対角線とを一致させた
   ことを特徴とする円偏波パッチアンテナ。
3. 請求項１又は２記載の円偏波パッチアンテナにおいて、
   前記六角形給電素子を形成する前記四角形と、前記四角形無給電素子は、それぞれ正方形である
   ことを特徴とする円偏波パッチアンテナ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の円偏波パッチアンテナを複数含む
   ことを特徴とする円偏波アレイアンテナ。

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