JP4789532B2 - 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１３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１４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１５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１３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１４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、中心周波数を、１．５９２［ＧＨｚ］｛波長λは、λ＝１８８［ｃｍ］｝としているので、図１５、図１６の規格化周波数「１」は、１．５９２［ＧＨｚ］に対応する。

図１６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１３の円偏波アレイアンテナ１０に対応し、軸比特性２ｙは、図１４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１３の０゜並列配列の円偏波アレイアンテナ１０に比較して、図１４の９０゜直交並列配列の円偏波アレイアンテナ３０は、図１５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１６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１４に示した円偏波アレイアンテナ３０を、図１７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１８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、地導体上に配置される給電素子と、前記給電素子上に同軸上に配置される無給電素子とを備え、前記給電素子に対して前記無給電素子の角度を回転させたことを特徴とする。

また、この発明に係る円偏波アレイアンテナは、地導体上に配置される複数個の給電素子と、前記各給電素子上にそれぞれ同軸上に配置される無給電素子とを備え、前記各給電素子に対して前記各無給電素子の角度を回転させたことを特徴とする。

この場合、前記給電素子は、四角形の４角中、対向する一方の２角を切り落とした六角形給電素子であり、前記無給電素子は、四角形無給電素子であり、同軸上に配置される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が平面的に見て交差している（ずれている）ようにする。

なお、円偏波パッチアンテナ及び円偏波アレイアンテナにおいて、角度を回転させる範囲は、３０゜〜６０゜の範囲とする。４５゜とすると製造が簡単になる。

この発明によれば、１素子アンテナで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得ることができる。

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が同軸上に重ねて配置された構成、いわゆるスタック構造になっている。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。

給電素子（六角形給電素子）５２は、正方形の対向する一方の２角を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、無給電素子５４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。

すなわち、図１、図２に示すこの実施形態の無給電素子５４は、六角形給電素子５２の対向する他方の２角（切り落としていない方の２角）の対角線と、給電素子５２の対角線とが４５゜ずれた関係（交差した関係）となっている。換言すれば、無給電素子５４は、給電素子５２に対して回転角度θをθ＝４５゜回転させた位置としている。六角形給電素子５２は、上述の対角線に対して対称な形状になっている。

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、縮退分離素子５６を有する給電素子５２の一辺に形成された給電点６２から給電することで、一方の縮退分離素子５６から他方の縮退分離素子５６に向かう方向、及びこの方向に直交する方向に２つの波源に基づく電流が流れ、円偏波に対応したアンテナとして動作する。

図３は、給電素子５２に対する無給電素子５４の回転角度θとアンテナ利得８．５［ｄＢｉ］以上の比帯域［％］と、軸比３［ｄＢ］以下の比帯域［％］を示す特性図である。なお、比帯域は、｛（ｆupper−ｆlower）／ｆ０｝×１００｝で表される。ここで、ｆ０は中心周波数、ｆupperとｆlowerは、それぞれ、アンテナ利得８．５［ｄＢｉ］、軸比３［ｄＢ］になる、中心周波数ｆ０に対する上限周波数と下限周波数である。

図３から分かるように、回転角度θがθ＝３０゜〜６０゜の範囲において、アンテナ利得８．５［ｄＢｉ］以上の比帯域［％］と、軸比３［ｄＢ］以下の比帯域［％］が、回転しないθ＝０゜（９０゜）の値に比較して明らかに大きくなっていることが分かる。なお、この実施形態では、製造上の作り易さを考慮して、上述したように、回転角度θをθ＝４５゜にしている。

図４は、図１、図２例の円偏波パッチアンテナ５０と、給電素子５２の切り落としを行わなかった場合のパッチアンテナとの規格化周波数に対する軸比［ｄＢ］特性１ｚ、１ｚ´の比較を示している。

なお、図４において、各パラメータは、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、無給電素子５４の正方形の１辺の長さをａｌ２、角部の切り落とし量をｐｃｕｔ、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）、中心周波数の波長をλ０としている。

図１、図２に示した切り落として縮退分離素子５６を設けた円偏波パッチアンテナ５０の軸比特性１ｚ（ａｌ１＝０．４７λ０、ａｌ２＝０．３９λ０、ｐｃｕｔ／ａｌ１＝０．３９）は、切り落としのない円偏波パッチアンテナの軸比特性１ｚ´（ａｌ１＝０．４７λ０、ａｌ２＝０．３９λ０、ｐｃｕｔ／ａｌ１＝０）に比較して軸比特性が広い周波数範囲に渡って低い値となっており、格段に優れていることが分かる。

図６は、切り落とし量ｐｃｕｔ／ａｌｌを変化させた場合の軸比特性を示している。ただし、この図６においては、回転角度θをθ＝０゜としている。また、図４と、縦軸のフルスケールが異なっている。軸比特性１ｚ（ａｌ１＝０．４７λ０、ａｌ２＝０．３９λ０、ｐｃｕｔ／ａｌ１＝０．３９）が、他の条件の軸比特性１ｚａ（ａｌ１＝０．４７λ０、ａｌ２＝０．３９λ０、ｐｃｕｔ／ａｌ１＝０．３４）、１ｚｂ（ａｌ１＝０．４７λ０、ａｌ２＝０．３９λ０、ｐｃｕｔ／ａｌ１＝０．４５）、１ｚｃ（ａｌ１＝０．４７λ０、ａｌ２＝０．３９λ０、ｐｃｕｔ／ａｌ１＝０．５１）、１ｚｄ（ａｌ１＝０．４７λ０、ａｌ２＝０．３９λ０、ｐｃｕｔ／ａｌ１＝０．２８）に比較して概ね優れていることが分かる。

ここで、この１素子の円偏波パッチアンテナ５０と、従来技術の項で述べた１素子の円偏波パッチアンテナ３０ｓ（図１７参照）の軸比特性との比較を図７に、アンテナ利得特性の比較を図８にそれぞれ示す。

図７から、この実施形態に係る円偏波パッチアンテナ５０の軸比特性１ｚは、従来技術に係る円偏波パッチアンテナ３０ｓの軸比特性１ｙに比較して、広い周波数範囲で軸比が低く、良好な特性を示していることが分かる。

また、図８から、この実施形態に係る円偏波パッチアンテナ５０のアンテナ利得特性１ｚ´は、従来技術に係る円偏波パッチアンテナ３０ｓのアンテナ利得特性１ｙ´に比較して、広い周波数範囲でアンテナ利得［ｄＢｉ］が一定で比較的に値が大きいことが分かる。

次に、図９は、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、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７０の平面視構成を示している。

図１０に、この円偏波アレイアンテナ７０の規格化周波数−アンテナ利得特性２ｚ´を、従来技術に係る円偏波アレイアンテナ１０（図１３参照）のアンテナ利得特性２ｘ´、従来技術に係る円偏波アレイアンテナ３０（図１４参照）のアンテナ利得特性２ｙ´と同時に示している。

この円偏波アレイアンテナ７０のアンテナ利得特性２ｚ´は、従来技術に係る円偏波アレイアンテナ１０のアンテナ利得特性２ｘ´、円偏波アレイアンテナ３０のアンテナ利得特性２ｙ´に比較して広い周波数範囲でアンテナ利得が高くなっていることが分かる。

図１１に、この円偏波アレイアンテナ７０の規格化周波数−軸比特性２ｚを、従来技術に係る円偏波アレイアンテナ１０の軸比特性２ｘ、従来技術に係る円偏波アレイアンテナ３０の軸比特性２ｙと同時に示している。

この円偏波アレイアンテナ７０の軸比特性２ｚは、図１３の円偏波アレイアンテナ１０の特性２ｘよりは飛躍的に優れており、図１４の円偏波アレイアンテナ３０の特性２ｙ´と略同等であることが分かる。

図１２は、４つの円偏波パッチアンテナを素子アンテナ１１４としてシーケンシャルに配列した円偏波アレイアンテナ８０の構成を示している。

この円偏波アレイアンテナ８０は、アルミニューム製の地導体板１１２を有し、この地導体板１１２上に、それぞれ円偏波の４個の素子アンテナ１１４が取り付けられた構成となっている。４個の素子アンテナ１１４は、１辺の長さが０．７λ（λは波長）の正方形１３０の頂点１２９上に配置されている。この円偏波アレイアンテナ８０の使用周波数帯は、３００［ＭＨｚ］〜３０［ＧＨｚ］のマイクロ波帯である。

素子アンテナ１１４は、それぞれ、誘電体基板１１６上に形成された給電素子１１８と、各給電素子１１８上に、誘電体基板１２０上に形成された無給電素子１２２が配置された構成になっている。無給電素子１２２は、八木アンテナにおける導波器と同様に動作する。

給電素子１１８は、正方形の対向する２角を切り落とし、縮退分離素子１１９とした六角形形状とされ、無給電素子１２２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。

各給電素子１１８の右下端部の給電点１３３に給電線１２６が接続され、給電線１２６のそれぞれは、４個の給電素子１１８に流れる電流を同相で合成するために、位相が９０゜ずれる長さに形成され、給電口１３２に接続されている。

なお、給電素子１１８の給電点１３３への給電方法は、上述したように、給電口３２からのストリップ線路等による共平面給電方式の他、給電口３２あるいは給電点３３近傍に、同軸コネクタや、セミリジットケーブルを使用した背面給電方式、又は給電素子１１８の背面側に電磁結合用の開口部を設けた電磁結合方式等を採用することができる。

地導体板１１２に対して、図示しないガイド部材により位置決めされて、誘電体基板１１６、給電素子１１８、誘電体基板１２０及び無給電素子１２２が積層され、正方形１３０の頂点１２９を貫くビス１２８により固定される。

以上のように構成される円偏波アレイアンテナ８０では、四角形の２角を切り落とした縮退分離素子１１９を有する給電素子１１８の一辺に形成された給電点１３３から給電するようにしているので、縮退分離素子１１９方向及びこれと直交する方向に２つの波源に基づく電流が流れ、円偏波に対応した素子アンテナ１１４として動作する。

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。 給電素子に対する無給電素子の回転角と利得８．５［ｄＢｉ］以上の帯域［％］と軸比３［ｄＢ］以下の帯域［％］の変化を示す特性図である。 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。 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。 この実施形態に係る円偏波パッチアンテナと従来技術に係る円偏波パッチアンテナの軸比特性を比較する特性図である。 この実施形態に係る円偏波パッチアンテナと従来技術に係る円偏波パッチアンテナのアンテナ利得特性を比較する特性図である。 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。 この実施形態に係る円偏波アレイアンテナと従来技術に係る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。 この実施形態に係る円偏波アレイアンテナと従来技術に係る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。 ４つの円偏波パッチアンテナを素子アンテナとしてシーケンシャルに配列したこの実施形態に係る円偏波アレイアンテナの斜視図である。 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１３、図１４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１３、図１４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１７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、１１８…給電素子
５４、１２２…無給電素子 ５６、１１９…縮退分離素子
６０、１１２…地導体板 ６２、１３３…給電点

Claims (4)

1. 地導体上に配置される給電素子と、
   前記給電素子上に同軸上に配置される無給電素子とを備え、
   前記給電素子は、四角形の４角中、対向する一方の２角を切り落とすことにより、切り落とした部分の総面積と切り落とす前の該給電素子の面積との比が１１．６％〜２０．２％の範囲となる六角形給電素子であり、
   前記無給電素子は、四角形無給電素子であり、
   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が平面的に見て交差するように、前記六角形給電素子の対向する他方の２角の対角線に対して前記四角形無給電素子の対角線の角度を回転させた
   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、
   角度を回転させた範囲を、３０゜〜６０゜の範囲とした
   ことを特徴とする円偏波パッチアンテナ。
3. 地導体上に配置される複数個の給電素子と、
   前記各給電素子上にそれぞれ同軸上に配置される無給電素子とを備え、
   前記各給電素子は、四角形の４角中、対向する一方の２角を切り落とすことにより、切り落とした部分の総面積と切り落とす前の該給電素子の面積との比が１１．６％〜２０．２％の範囲となる六角形給電素子であり、
   前記各無給電素子は、四角形無給電素子であり、
   それぞれ同軸上に配置される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が平面的に見て交差するように、前記各六角形給電素子の対向する他方の２角の対角線に対して前記各四角形無給電素子の対角線の角度を回転させた
   ことを特徴とする円偏波アレイアンテナ。
4. 請求項３記載の円偏波アレイアンテナにおいて、
   前記各無給電素子の角度を回転させた範囲を、３０゜〜６０゜の範囲とした
   ことを特徴とする円偏波アレイアンテナ。

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