JP4881283B2 - マイクロストリップアンテナ - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、移動体通信用基地局に用いられるマイクロストリップアンテナに関する。
図31と図32を参照して、従来技術によって構成されたマイクロストリップアンテナ1の例を説明する。図31は、マイクロストリップアンテナ1の分解斜視図である。図32は、マイクロストリップアンテナ1を、図31のA−Aで切断した横断面図である。マイクロストリップアンテナ1は、単一偏波パッチアンテナ素子である。マイクロストリップアンテナ1は、誘電体基板11と、誘電体基板11の表面に形成されたパッチ12と、誘電体基板11の裏面に設けられたグランド板13と、誘電体基板11と共にグランド板13を挟む誘電体基板14と、誘電体基板14のグランド板13がある側と反対側に設けられた給電線15とを有する。また、共振周波数帯域を拡大するための無給電素子17が、パッチ12の表面から少し離れた位置に空間16を介して対向して設けられており、この無給電素子17を覆うように誘電体のカバーであるレドーム18が設けられている。
各部の寸法は、例えば、レドーム18の誘電率ε=3.3、厚さh=1.6mmであり、無給電素子17の各辺の長さw=17.5mmであり、空間16の誘電率ε=1.0、厚さh=5.5mmであり、パッチ12の各辺の長さw=14.5mmであり、誘電体基板11の誘電率ε=3.3、厚さh=1.6mmであり、グランド板13の各辺の長さw=60mmであり、誘電体基板14の誘電率ε=3.3、厚さh=1.2mmであり、給電線15の短手方向の幅は2.64mmである。
グランド板13には、誘電体14を挟んで給電線15と対向する位置にスロット19が設けられている。このスロット19の形状は、例えば中心から長手方向に離れるに従って長手方向と垂直な方向に広がるボウタイ形とされる。一般に、マイクロストリップアンテナは小型で薄型であるが、使用可能な周波数帯域が狭いという問題がある。しかし、このようなボウタイ形のスロット19を設けることにより、アンテナが使用することができる周波数帯域を広く取ることができることが知られている。例えば、図33に示すようにボウタイ形のスロット19を誘電体14を挟んで給電線15と対向する位置に設けることにより、図34に示すように、VSWRが1.5となる比帯域幅を約19.5%と比較的広帯域に取ることができる。ここで各部の寸法は、例えば、Ls=8.6mm、La=1.5mm、Lh=3.5mm、Wa=10mmである。
パッチ12には、誘電体基板11とグランド板13のスロット19と誘電体基板14とを介して、給電線15によって電磁的に給電される。このように、給電線15をパッチ12に直接的に接続せずに、誘電体基板14やグランド板13のスロット19を介して電磁結合によって間接的に給電することにより、放射素子であるパッチ12と給電線15とを分離することができる。このため、送信用アンテナの放射指向パターンが、給電線15から放射される不要な電磁波によって乱されることを防ぐことができる(例えば、非特許文献1参照。)。
このマイクロストリップアンテナ1は、基地局アンテナとして用いられる場合、設置スペースを削減するために同一の基板上に2つ以上設けられ、同一のレドーム18によって覆われる。図35から図37に、同一の基板上にマイクロストリップアンテナ1を2つ設けて、一方のマイクロストリップアンテナを送信用アンテナ10、他方のマイクロストリップアンテナを受信用アンテナ20として用いるマイクロストリップアンテナ2の構成例を示す。図35は、マイクロストリップアンテナ2の分解斜視図である。図36は、マイクロストリップアンテナ2を、図27のB−Bで切断した横断面図である。図37は、マイクロストリップアンテナ2のグランド板13を上面から(z軸の正方向から)見た図である。
上述のとおり、マイクロストリップアンテナ2は、送信用アンテナ10と受信用アンテナ20とからなり、送信用アンテナ10と受信用アンテナ20はそれぞれマイクロストリップアンテナ1と同じ構成である。ただし、説明の便宜上、送信用アンテナ10と受信用アンテナ20で別々に設けられる構成要素については、受信用アンテナ20側の構成要素に別の番号を付与している。具体的には、送信用アンテナ10の送信用パッチ12、給電線15、無給電素子17、スロット19に対応する受信用アンテナ20の構成要素についてそれぞれ、受信用パッチ22、給電線25、無給電素子27、スロット29と付与している。図35において、一点鎖線の左側が受信用アンテナ20であり、一点鎖線の右側が送信用アンテナ10である。一般に、マイクロストリップアンテナの共振周波数帯域の中心周波数の高さは、パッチの給電線の延伸方向の長さに反比例する。マイクロストリップアンテナ2は、送信周波数帯域の中心周波数が受信周波数帯域よりも高く設定されているため、図37に示すように送信用アンテナ10の送信用パッチ12における給電線15の延伸方向の長さが、受信用アンテナ20の受信用パッチ22における給電線25の延伸方向の長さよりも短くなっている。
送信用アンテナ10と受信用アンテナ20は、図37に示すように、距離dだけ離れている。ここで、距離dは例えば25mmであり、送信周波数帯域の中心周波数が6GHzのときには波長λTxの0.5倍の長さにあたり、また、受信周波数の中心周波数が4.7GHzのときには波長λRxの0.39倍の長さにあたる。
同一の基板上に送信用アンテナ10と受信用アンテナ20とを同時に配置して、送受共用のマイクロストリップアンテナ2を構成しようとした場合、送信用アンテナ10から放射された電磁波が受信用アンテナ20に受信されることを極力防ぐ必要がある。すなわち、送受信間結合を小さくする必要がある。なぜなら、送信用アンテナ10と受信用アンテナ20の各共振周波数帯域をずらしたとしても、一方の共振周波数帯域のうち他方の共振周波数帯域に近い周波数帯域においては、わずかながら共振が生じるためである。送受信間結合は、送信周波数帯域と受信周波数帯域がともに広く、両者の周波数帯域が近接するほど、また、送信用アンテナ10と受信用アンテナ20との間の距離dが小さいほど大きくなる。
そこで、送受信間結合を小さくするための方法として、まず、送信用アンテナ10と受信用アンテナ20の間の距離dを広げるという方法が考えられる。
また、給電線15及び25の先にフィルタを別途取り付けることにより、送信用アンテナ10と受信用アンテナ20のそれぞれが送信周波数以外の周波数又は受信周波数以外の周波数で共振しないようするという方法が考えられる。
更に、送信用アンテナ10と受信用アンテナ20の間のグランド板に長方形状のスロットを設けるという方法も開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
Nirod. K. Das and David M. Pozar, "Multiport scattering analysis of general multilayered printed antennas fed by multiple feed ports: II. Applications", IEEE Trans. On Antennas and Propagation, Vol. 40, No. 5, May 1992. 羽石操,今野恵,矢作潤一,"ドックボーンスロットによる励振される偏波共用平面アンテナ",電子情報通信学会論文誌,Vol.J85-B,No.6, pp.953-961,June 2002 H.Jiang,K.cho,"Novel Broadband Aperture-Coupled Patch Antenna Using Bow-Tie Shaped Slot",2006 Intl.Symp. on Antennas and Propagation, Nov.2006. 特開2005−72653号公報
図38に、背景技術の欄で説明したマイクロストリップアンテナ2のSパラメータ特性を示す。図38においては、受信用アンテナ20が端子1であり、送信用アンテナ10が端子2であり、S12が送信用アンテナ10(端子2)から放射された電磁波が受信用アンテナ20(端子1)に回り込む送受信間結合を示している。図38を見ると、Txの矢印で示した送信共振周波数帯域内(送信アンテナのVSWRが1.5以下となる周波数帯域)において、最大約−23dBの送受信間結合が生じていることがわかる。
しかし、送受信間結合を小さくするために送信用アンテナと受信用アンテナの間の距離dを広げた場合、アンテナ全体が大きくなるという問題がある。加えて、これらの送信用アンテナと受信用アンテナを基地局アンテナとして用いる場合、これらの送信用アンテナと受信用アンテナをそれぞれ複数配置する必要があり、このとき送信用アンテナと受信用アンテナとの間の距離を広げると、一般に送信用アンテナ間の距離も大きくなるため、グレーティングローブが発生する場合がある。
また、送受信間結合を小さくするために、給電線の先にフィルタを別途取り付ける場合、要求スペックを満たすためのフィルタが大きければアンテナ全体も大きくなってしまうという問題がある。
さらに、送信用アンテナと受信用アンテナの間のグランド板にスロットを設けることにより送受信間結合を小さくする方法もあるが、この場合、送信用アンテナと受信用アンテナとを近接して設置することが難しくなる。更に、一般にグランド板の背面に給電線路が配置されているため、送信アンテナと受信アンテナとの間のグランド板上のスロットから給電線路からの不要放射が漏れ、アンテナの放射パターンに影響を与える恐れがある。
本発明の目的は、アンテナ全体のサイズを大きくすることなく簡単な構造で、従来のものより送受信間結合が小さい送受共用のマイクロストリップアンテナを実現することにある。
本発明のマイクロストリップアンテナは、送信用マイクロストリップアンテナと受信用マイクロストリップアンテナとをそれぞれ少なくとも1以上有する。
送信用マイクロストリップアンテナは、誘電体基板上に形成された送信用パッチと、誘電体基板の裏側に被着したグランド板と、グランド板に形成したスロットを介して電磁結合によって送信用パッチに給電を行う給電線と、を有する。
受信用マイクロストリップアンテナは、誘電体基板上に形成され、所定の間隔で隣り合って複数配置される短冊状素子と、グランド板と、グランド板に形成した別のスロットを介して、電磁結合によって短冊状素子に給電を行う別の給電線と、短冊状素子に対向して配置される受信用パッチと、を有する。
本発明によれば、アンテナ全体のサイズを大きくすることなく簡単な構造で、従来のものより送受信間結合が小さい送受共用のマイクロストリップアンテナを実現することができる。
図1は、本発明のマイクロストリップアンテナ100の構成の一例を示す分解斜視図であり、図2は図1をC−Cで切断した横断面図である。
マイクロストリップアンテナ100は、誘電体基板11と、誘電体基板11上に形成された送信用パッチ12及び複数の短冊状素子122と、誘電体基板11の裏側に被着し、スロット19及び29が設けられたグランド板13と、誘電体基板11と共にグランド板13を挟む誘電体基板14と、誘電体基板14のグランド板13がある側と反対側に設けられた給電線15及び給電線25と、送信用パッチ12の表面から少し離れた位置に空間16を介して対向して設けられる無給電素子17と、複数の短冊状素子122の表面から少し離れた位置に空間16を介して対向して設けられる受信用パッチ127と、無給電素子17及び受信用パッチ127を覆うように設けられるレドーム18とを有する。なお、無給電素子17は共振周波数帯域の拡大の必要がなければ無くても構わない。そして、これらの構成要素から送信用マイクロストリップアンテナ110と受信用マイクロストリップアンテナ120が構成される。具体的には、送信用マイクロストリップアンテナ110は、背景技術で説明した図27に示す送信用アンテナ10と同様の構成であり、受信用マイクロストリップアンテナ120は、図27に示す受信用アンテナ20のパッチ22が短冊状素子122に、無給電素子27が受信用パッチ127に置き換わった以外は受信用アンテナ20と同様の構成である。
短冊状素子122は、誘電体基板11上に所定の間隔で隣り合って複数配置され、これらのうち少なくとも1本はスロット29の真上に配置される。各短冊状素子122の形状は四角形であり、例えば長方形や等脚台形とされる。
長方形の場合には、それぞれの長手方向が平行になるよう配置される。また、短冊状素子上で電流が流れる方向が短冊状素子の長手方向になるよう、スロット29に対向配置される給電線25も当該長手方向と平行に配置される。更に、各短冊状素子は等間隔で配置される。
等脚台形の場合には、それぞれの高さ方向が平行であり、かつ隣り合う各短冊状素子の隣り合う斜辺同士も平行になるよう配置される。また、短冊状素子上で電流が流れる方向が短冊状素子の高さ方向になるよう、スロット29に対向配置される給電線25も当該高さ方向と平行に配置される。更に、各短冊状素子は等間隔で配置される。
受信用パッチ127は、給電線25から電磁結合により給電された短冊状素子122により励振されることで、所望の受信周波数帯域の信号を受信する。
受信用マイクロストリップアンテナ120について、以上のように受信用パッチ127の下層に短冊状素子122を介在させる構成とすることで、受信周波数帯域の高域に急峻なS11特性を実現しつつ、送信周波数帯域における送受信間結合(送信アンテナから受信アンテナへの回り込み量)S12が従来構成より小さいマイクロストリップアンテナ100を実現することができる。
以下、本発明のマイクロストリップアンテナ100について、具体的事例を挙げて説明する。
〔第1実施形態〕
第1実施形態は、短冊状素子122を長方形とする場合である。
図3は、短冊状素子122の誘電体基板11上での配置の一例を示す図であり、図4はこの場合の各構成要素の平面的位置関係の一例を示す図である。この例においては、3本の短冊状素子122が等間隔dsubで配置されており、3本の素子のうち中央の素子の長手方向の長さL1が両端の素子の長手方向の長さL2、L3より短く、短手方向の長さw1、w2、w3がすべて等しくなっている。また、給電線25は中央の短冊状素子122の直下に短冊状素子122と平行に配置されている。この例におけるSパラメータの周波数特性を図5に示す。ここで、L1=14.5mm、L2=L3=16mm、受信用パッチ127のY軸方向の長さ=17.5mm、送信用パッチ12のY軸方向の長さ=12.3mmである。なお、図5において受信用マイクロストリップアンテナ120が端子1であり、送信用マイクロストリップアンテナ110が端子2である。基地局アンテナとして使うため、VSWRが1.5以下となる受信用マイクロストリップアンテナ120の受信周波数帯域Rxの高域における反射減衰量S11と、送信用マイクロストリップアンテナ110の送信周波数帯域Tx内の送受信間結合S12の最悪値とから性能を評価した。図5から、受信周波数帯域Rxの高域におけるS11特性は急峻になっており、送受信の共振周波数が近接しているにもかかわらず、送信周波数帯域Tx内の反射減衰量S11は約−1dBと非常に低いレベルに抑えられていることがわかる。また、送受信間結合S12が送信周波数帯域を目前に急激に減少し、送信周波数帯域Tx内における最悪値を約−28.75dBに低減することができていることがわかる。
このようにS12が急激に減少しているのは、短冊状素子122がフィルタの効果を奏しているためである。以下、短冊状素子122がフィルタの効果を奏する原理を説明する。当該素子を短冊状にしない場合、観測周波数にかかわらず素子上に流れる電流は図6(a)に示すように一定の向きとなっている。一方、例えば3本の短冊状素子122のうち両側の素子の長手方向の長さL2、L3がS12を急激に減少させたい周波数に対して約1/2波長であるように短冊状素子122を3本配した場合、S12が急激に減少する前の低い周波数帯域においては図6(c-1)に示すように各素子上に流れる電流は同じ向きとなる。しかし、S12が急激に減少した後の高い周波数帯域においては図6(c-2)に示すようにスロット29の真上に位置しない両側の素子上に流れる電流は、向きが逆になるとともに振幅の和がスロット29の真上にある中央の素子の電流の振幅と同等になる。そのため、特定の周波数以上においては同振幅逆相の電流により各素子により励起する電波は相殺され、送信アンテナとして考える場合は上層にあるパッチに励振できず、受信アンテナとして考える場合は受信できないことになり、その結果、受信周波数帯域Rxの高域における反射減衰量S11の急峻化と送信周波数帯域Txにおける送受信間結合S12の低減が実現される。以上のような原理により、短冊状素子122はローパスフィルタとしての効果を奏する。
本発明の作用効果は、短冊状素子122が3本以外の場合にも得ることができる。短冊状素子122を図7(a)のように2本配置した場合のSパラメータの周波数特性を図7(b)に例示する。図7からわかるように、受信周波数帯域Rxの高域において急峻なS11特性が得られており、送信周波数帯域Txでの送受信間結合量S12の最悪値も−29.7dBと従来と比べ低減できている。短冊状素子122を2本配置した場合についてもフィルタとしての動作原理は上述の3本配置した場合の原理と概ね同様である。具体的には、S12が急激に減少する前の低い周波数帯域においては図6(b-1)に示すように各素子上に流れる電流は同じ向きとなるが、S12が急激に減少した後の高い周波数帯域においては図6(b-2)に示すようにスロット29の真上に位置しない方の素子上に流れる電流が同振幅でかつ逆向きとなる。そのため、短冊状素子122を3本配置した場合と同様に、特定の周波数以上においては同振幅逆相の電流により励起する電波は相殺され、受信周波数帯域Rxの高域における反射減衰量S11の急峻化と送信周波数帯域Txにおける送受信間結合S12の低減が実現される。
また、短冊状素子122を図8(a)のように4本配置した場合のSパラメータの周波数特性を図8(b)にそれぞれ例示する。図8からわかるように、受信周波数帯域Rxの高域において急峻なS11特性が得られており、送信周波数帯域Txでの送受信間結合S12の最悪値も−27.5dBと従来と比べ低減できている。
以上のように、受信用パッチ127の下層に複数の短冊状素子122を介在させる構成とすることで、受信周波数帯域の高域に急峻なS11特性を実現しつつ、送信周波数帯域における送受信間結合S12を従来構成より小さくするというフィルタ機能をコンパクトに実装することができる。また、このように短冊状素子を介在させても、送信アンテナと受信アンテナのVSWRが1.5以下となる比帯域幅はそれぞれ10%以上を維持することができており、帯域幅に係る問題も生じない。
なお、短冊状素子122の本数が2本の場合である図7(b)、3本の場合である図5、及び4本の場合である図8(b)から、S12が急激に減少するフィルタ動作周波数の個数はそれぞれ1個、2個、3個であり、フィルタ動作周波数の個数=短冊状素子の本数−1であることが各図からわかる。
図9に、図3の構成例において短冊状素子122の間隔dsubを変化させた場合の、送信周波数帯域Txにおける送受信間結合S12の最悪値の変化と、VSWRが1.5以下となる受信用アンテナの受信周波数帯域Rxの比帯域幅の変化とをそれぞれ示す。図9から、送受信間結合S12の最悪値は、間隔が0.03λ(λは送信周波数帯域の下限周波数における波長)となるまで増加し、それより大きい領域では増加していくことがわかる。また、比帯域幅は0.04λとなるまで増加し、それより大きい領域では減少し0.065λ以上で比帯域幅10%を割り込む。これらのことから、送受信間結合S12の最悪値を従来構成による−23dBより低減しつつ、VSWRが1.5以下となる比帯域幅を10%以上に維持するためには、短冊状素子122の間隔dsubを0.022λ以上0.065λ以下にする必要がある。
図3の構成例において、中央の給電している短冊状素子122の長手方向の長さL1と両端の短冊状素子122の長手方向の長さL2、L3との長さの比を変化させることで、フィルタ動作周波数をシフトすることができる。図3の構成例において、L2=L3として、L1とL2(及びL3)の長さの比を変化させた場合のSパラメータの周波数特性を図10に例示する。なお、L2=Ratio×L1とし、Ratioをパラメータとして特性を評価した。図10からRatioが大きいほど、つまり中央の短冊状素子に対して他の短冊状素子が長いほど、フィルタ動作周波数が低域にシフトすることがわかる。
また、図3の構成例において、短冊状素子122の短手方向の長さw1、w2、w3が等しい状態を維持しつつ短手方向の長さ変化させた場合のSパラメータの周波数特性を図11に例示する。ここで、長手方向の長さはL2(=L3)=1.1×L1、素子間の間隔dsubは3mmである。図11から、短手方向の長さw1(=w2=w3)を長くするほど、フィルタ動作周波数が低域にシフトされるとともに、送受信間結合S12が送信周波数帯域に向けて減少する傾きが急峻になることがわかる。
更に、誘電体基板11の比誘電率を変化させた場合のSパラメータの周波数特性を図12に例示する。図12から比誘電率が高いほど、フィルタ動作周波数が低域にシフトされることがわかる。
このように第1実施形態の構成によれば、アンテナ全体のサイズを大きくすることなく簡単な構造で、従来のものより送受信間結合が小さい送受共用のマイクロストリップアンテナを実現することができる。また、適宜短冊状素子各部の寸法等を変化させることで所望の特性に近づけることができる。
〔第2実施形態〕
第1実施形態で例示した構成は、各短冊状素子122は図13(a)に示すように各短冊状素子122の中心を結んだ線が直線であり、かつこの直線が各短冊状素子122の長手方向と直角になるように配列する構成を基本とするものである。これに対し第2実施形態は、各短冊状素子122の中心を結んだ線の直線性を維持しつつ、図13(b)に示すようにスロット29の真上に配置された短冊状素子122(#1)を基準として他の短冊状素子122(#2、3)をそれぞれ長手方向に所定の距離stずつずらして配列することを特徴とする構成である。図13(b)の例においては、3本の短冊状素子122が等間隔dsubで配置されており、3本の素子のうち中央の素子(#1)の長手方向の長さL1が両端の素子(#2、3)の長手方向の長さL2、L3より短く、短手方向の長さw1はすべて等しくなっている。また、給電線25は短冊状素子122(#1)の直下に短冊状素子122(#1)と平行に配置されている。この例におけるSパラメータの周波数特性を図14に示す。ここで、L1=14.5mm、L2=L3=16mm、dsub=1.5mm(0.028λ0)、w1=5mm(0.094λ0)、st=4mm(0.08λ0)、受信用パッチ127のY軸方向の長さ=17.5mm、送信用パッチ12のY軸方向の長さ=12.3mmである。図14から、受信周波数帯域Rxの高域におけるS11特性は急峻になっており、送受信の共振周波数が近接しているにもかかわらず、送信周波数帯域Tx内の反射減衰量S11は非常に低いレベルに抑えられていることがわかる。また、送受信間結合量S12は送信周波数帯域を目前に急激に減少し、送信周波数帯域Tx内における最悪値を約−29.74dBに低減することができていることがわかる。また、stの値を0〜0.16λ0の範囲で変化させた時の、VSWRが1.5以下となる比帯域幅の変化と送受信間結合量S12の最悪値の変化を図15に示す。図15より、stが0以上0.14λ0以下の範囲で、比帯域幅10%以上かつ送受信間結合量−23dB以下を確保できることがわかる。また、図16に示すように短冊状素子122を2個にした場合のSパラメータの周波数特性の例を図17に示す。図17から、受信周波数帯域Rxの高域におけるS11特性は急峻になっており、送受信の共振周波数が近接しているにもかかわらず、送信周波数帯域Tx内の反射減衰量S11は非常に低いレベルに抑えられていることがわかる。また、送受信間結合量S12が送信周波数帯域を目前に急激に減少し、送信周波数帯域Tx内における最悪値を約−33.9dBに低減することができていることがわかる。またこのとき、VSWRが1.5以下となる比帯域幅についても18%以上確保できている。
このように第2実施形態の構成においても、アンテナ全体のサイズを大きくすることなく簡単な構造で、従来のものより送受信間結合が小さい送受共用のマイクロストリップアンテナを実現することができる。
〔第3実施形態〕
第3実施形態は、短冊状素子122を等脚台形とする場合である。
図18は、短冊状素子122の誘電体基板11上での配置の一例を示す図であり、図19は短冊状素子122を図18のように配置した場合にマイクロストリップアンテナ100を上面(z軸の正方向)から見たときの、各構成要素の平面的位置関係の一例を示す図である。この例においては、同じ大きさの等脚台形の短冊状素子122を3本、等間隔dsubで配置しており、長い底w2の長さは短い底w1の長さの2倍である。また、給電線25は3本の短冊状素子122のうち中央の短冊状素子122の直下に短冊状素子122と平行に配置されている。この例におけるSパラメータの周波数特性を図20に示す。図20においても、受信用マイクロストリップアンテナ120が端子1であり、送信用マイクロストリップアンテナ110が端子2である。基地局アンテナとして使うため、VSWRが1.5以下となる受信用マイクロストリップアンテナ120の受信周波数帯域Rxの高域における反射減衰量S11と、送信用マイクロストリップアンテナ110の送信周波数帯域Tx内の送受信間結合S12の最悪値とから性能を評価した。図20から、受信周波数帯域Rxの高域におけるS11特性は急峻になっており、送受信の共振周波数が近接しているにもかかわらず、送信周波数帯域Tx内の反射減衰量S11は−1.02dBと非常に低いレベルに抑えられていることがわかる。また、送信周波数帯域Tx内における送受信間結合S12の最悪値が約−35dBに低減されていることがわかる。このように、第3実施形態においても第1、2実施形態と同様に、受信用パッチ127の下層に短冊状素子122を介在させる構成とすることで、受信周波数帯域の高域に急峻なS11特性を実現しつつ、送信周波数帯域における送受信間結合S12の最悪値を従来構成より低減するフィルタ機能をコンパクトに実装ことができる。また、このように短冊状素子122を介在させても、送信アンテナと受信アンテナのVSWRが1.5以下となる比帯域幅はそれぞれ10%以上を維持することができており、帯域幅に係る問題も生じない。
図21に、図18の構成例における短冊状素子122の間隔dsubを変化させた場合の、送信周波数帯域Txでの送受信間結合S12の最悪値の変化と、VSWRが1.5以下となる受信用アンテナの受信周波数帯域Rxの比帯域幅の変化とをそれぞれ示す。図21から、送受信間結合S12の最悪値は、間隔が0.05λ(λは送信周波数帯域の下限周波数における波長)より大きい領域では緩やかに増加し、−35dB近辺に収束していくことがわかる。また、比帯域幅は間隔が広がるにつれ0.08λになるまで増加するが、以降は減少に転じ0.18λ以上で比帯域幅10%を割り込む。これらのことから、送受信間結合S12を従来構成による−23dBより低減しつつ、VSWRが1.5以下となる比帯域幅を10%以上に維持するためには、短冊状素子122の間隔dsubを0.07λ以上0.18λ以下にする必要がある。
上述した図18の構成例では短冊状素子122が3本の場合を示したが、3本以外の場合にも本発明の作用効果を得ることができる。短冊状素子122を図22(a)のように2本配置した場合のSパラメータの周波数特性を図22(b)に、短冊状素子122を図23(a)のように5本配置した場合のSパラメータの周波数特性を図23(b)にそれぞれ例示する。両図からわかるように、共に受信周波数帯域Rxの高域において急峻なS11特性が得られており、送信周波数帯域Txでの送受信間結合量S12の最悪値も−32dB程度と従来と比べ低減できている。
また、図18の構成例では短冊状素子122は同じ大きさで、高さ方向の長さL1、L2、L3がすべて等しい場合を示したが、相違させた場合にはフィルタ動作周波数をシフトすることができる。2本の短冊状素子122の長さを図24(a)のように相違させた場合のSパラメータの周波数特性を図24(b)に例示する。なお、特性の評価は給電している短冊状素子122の高さをL、もう一方の短冊状素子122の高さL2をL2=Ratio×L1とし、Ratioをパラメータとして行った。図24から、L2>L1とすることでフィルタ動作周波数が低域にシフトしていることがわかる。
このように第3実施形態の構成においても、アンテナ全体のサイズを大きくすることなく簡単な構造で、従来のものより送受信間結合が小さい送受共用のマイクロストリップアンテナを実現することができる。また、短冊状素子の高さを変化させることなどにより所望の特性に近づけることができる。
〔第4実施形態〕
第3実施形態で例示した構成は、台形の各短冊状素子122は図25(a)に示すように各短冊状素子122の中心(高さ及び幅の中間点)を結んだ線が直線であり、かつこの直線が各短冊状素子122の高さ方向と直角になるように配列する構成を基本とするものである。これに対し、第4実施形態は各短冊状素子122の中心を結んだ線の直線性を維持しつつ、第2実施形態と同様、図25(b)に示すようにスロット29の真上に配置された短冊状素子122(#1)を中心として他の上記短冊状素子122(#2、3)をそれぞれ長手方向に所定の距離stずつずらして配列することを特徴とする構成である。図25(b)の例においては、3本の短冊状素子122が等間隔dsubで配置されており、3本の素子の形状・大きさは全て同じである。また、給電線25は短冊状素子122(#1)の直下に短冊状素子122と平行に配置されている。この例におけるSパラメータの周波数特性を図26に示す。ここで、L1=L2=L3=16.5mm、dsub=3.5mm(0.07λ0)、w1=2.5mm(0.048λ0)、w2=2×w1、st=6mm(0.115λ0)、受信用パッチ127のY軸方向の長さ=17.5mm、送信用パッチ12のY軸方向の長さ=10.25mmである。図26から、受信周波数帯域Rxの高域におけるS11特性は急峻になっており、送受信の共振周波数が近接しているにもかかわらず、送信周波数帯域Tx内の反射減衰量S11は非常に低いレベルに抑えられていることがわかる。また、送受信間結合量S12が送信周波数帯域を目前に急激に減少し、送信周波数帯域Tx内における最悪値で約−36.08dB、最大で−44dBに低減することができていることがわかる。また、stの値を0〜0.1λ0の範囲で変化させた時の、VSWRが1.5以下となる比帯域幅の変化と送信帯の中心周波数における送受信間結合量S12の変化を図27に示す。図27より、dsubが0.07λ0の場合、stが0.02λ0近辺で比帯域幅10%以下となっているが、それ以外の範囲においては比帯域幅10%以上かつ送受信間結合量−23dB以下(−40dB前後)を確保できることがわかる。また、dsubを0.082λ0に広げた場合は、全域にわたり比帯域幅10%以上(20%前後)かつ送受信間結合量−23dB以下(−40dB前後)を確保できることがわかる。
このように第4実施形態の構成においても、アンテナ全体のサイズを大きくすることなく簡単な構造で、従来のものより送受信間結合が小さい送受共用のマイクロストリップアンテナを実現することができる。
〔第5実施形態〕
上記の各実施形態では、中央の短冊状素子122に対して給電する形態を例示したが、本発明の作用効果は受信用マイクロストリップアンテナ120の給電線25とスロット29とが中央からオフセットして配置されても得ることができる。図28は、3本の短冊状素子122のうち、左端の短冊状素子122に給電を行う場合の構成例である。この構成例におけるSパラメータの周波数特性を図21に示す。図29から、送信周波数帯域Tx内における送受信間結合S12の最悪値を約−26.49dBに低減できていることがわかる。また、送信アンテナと受信アンテナのVSWRが1.5以下となる比帯域幅もそれぞれ10%以上を維持できていることがわかる。このように、給電線25とスロット29の位置が短冊状素子122の中央部からオフセットして配置されていても本発明の作用効果を得ることができるため、特に偏波共用構成の場合に有効である。
〔第6実施形態〕
基地局アンテナにおいて所望の利得を得るためには、一般に複数個のアンテナ素子をレドーム内に直線的に配置する。このような場合、受信アンテナに対して複数の送信アンテナから信号の不要な回り込みが生じるが、本発明の構成を適用することで回り込みの影響を軽減することができる。図30(a)(b)に本発明のマイクロストリップアンテナ100を2セット配置した例を示す。(a)は送信、受信それぞれ2素子のサブアレーの例であり、(b)は4素子2段トーナメント給電の例である。図30のように構成することで2つの送信アンテナからの回り込みの影響をともに軽減することができる。
本発明は、移動体通信の基地局等において、小型の送受共用アンテナを用いて、広帯域かつ中心周波数が近接した信号の送受信を小さな送受信間結合の下で行いたい場合に特に有用である。
マイクロストリップアンテナ100の構成の一例を示す分解斜視図。 マイクロストリップアンテナ100の構成の一例を示す横断面図(C−C断面)。 第1実施形態の短冊状素子の構成の一例を示す図。 第1実施形態の各部の平面的位置関係の一例を示す図。 第1実施形態におけるSパラメータの周波数特性の一例を示す図。 短冊状素子の動作原理を示す概略図。 第1実施形態において短冊状素子122の数量を2本とした場合のSパラメータの周波数特性の一例を示す図。 第1実施形態において短冊状素子122の数量を4本とした場合のSパラメータの周波数特性の一例を示す図。 第1実施形態において短冊状素子の間隔dsubを変化させた時の比帯域幅及び送受信間結合の特性の一例を示す図。 第1実施形態において各短冊状素子の長手方向の長さが異なる場合のSパラメータの周波数特性の一例を示す図。 第1実施形態において各短冊状素子の短手方向の長さを変化させた場合のSパラメータの周波数特性の一例を示す図。 第1実施形態において誘電体基板11の比誘電率を変化させた場合のSパラメータの周波数特性の一例を示す図。 第2実施形態の短冊状素子の構成の一例を示す図。 第2実施形態におけるSパラメータの周波数特性の一例を示す図。 第2実施形態において短冊状素子をずらす距離sを変化させた時の比帯域幅及び送受信間結合の特性の一例を示す図。 第2実施形態において短冊状素子122の数量を2本とした場合の構成の一例を示す図。 第2実施形態において短冊状素子122の数量を2本とした場合のSパラメータの周波数特性の一例を示す図。 第3実施形態の短冊状素子の構成の一例を示す図。 第3実施形態の各部の平面的位置関係の一例を示す図。 第3実施形態におけるSパラメータの周波数特性の一例を示す図。 第3実施形態において短冊状素子の間隔dsubを変化させた時の比帯域幅及び送受信間結合の特性の一例を示す図。 第3実施形態において短冊状素子を2本にした場合のSパラメータの周波数特性の一例を示す図。 第3実施形態において短冊状素子を5本にした場合のSパラメータの周波数特性を示す図。 第3実施形態において各短冊状素子の高さ方向の長さが異なる場合のSパラメータの周波数特性の一例を示す図。 第4実施形態の短冊状素子の構成の一例を示す図。 第4実施形態におけるSパラメータの周波数特性の一例を示す図。 第4実施形態において短冊状素子をずらす距離sを変化させた時の比帯域幅及び送受信間結合の特性の一例を示す図。 第5実施形態の各部の平面的位置関係の一例を示す図。 第5実施形態におけるSパラメータの周波数特性の一例を示す図。 第6実施形態の構成の一例を示す図。 背景技術によるマイクロストリップアンテナ1の分解斜視図。 背景技術によるマイクロストリップアンテナ1の断面図。 背景技術によるスロット19の形状を例示する図。 背景技術によるマイクロストリップアンテナ1のS11周波数特性図。 背景技術によるマイクロストリップアンテナ2の分解斜視図。 背景技術によるマイクロストリップアンテナ2の断面図。 背景技術によるマイクロストリップアンテナ2のグランド板13の平面図。 背景技術によるマイクロストリップアンテナ2のSパラメータ特性を示す図。

Claims (7)

  1. 送信用マイクロストリップアンテナと受信用マイクロストリップアンテナとをそれぞれ少なくとも1以上有するマイクロストリップアンテナであって、
    上記送信用マイクロストリップアンテナは、
    誘電体基板上に形成された送信用パッチと、
    上記誘電体基板の裏側に被着したグランド板と、
    上記グランド板に形成したスロットを介して、電磁結合によって上記送信用パッチに給電を行う給電線と、
    を有し、
    上記受信用マイクロストリップアンテナは、
    上記誘電体基板上に形成され、所定の間隔で隣り合って複数配置される四角形の短冊状素子と、
    上記グランド板と、
    上記グランド板に形成した別のスロットを介して、電磁結合によって上記短冊状素子に給電を行う別の給電線と、
    上記短冊状素子に対向して配置される受信用パッチと、
    を有する
    ことを特徴とするマイクロストリップアンテナ。
  2. 請求項1に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
    上記短冊状素子は長方形であり、それぞれの短手方向の長さはすべて等しく、長手方向の長さは少なくとも一部が異なっており、それぞれの長手方向及び上記別の給電線の方向は平行であり、少なくとも1本の短冊状素子は上記別のスロットの真上に配置され、各短冊状素子は等間隔で配列されることを特徴とするマイクロストリップアンテナ。
  3. 請求項2に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
    上記短冊状素子のうち上記別のスロットの真上に配置された短冊状素子を基準として他の上記短冊状素子がそれぞれ長手方向に所定の距離ずつずれて配列され、かつ各短冊状素子の中心を結んだ線が直線であることを特徴とするマイクロストリップアンテナ。
  4. 請求項1に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
    上記短冊状素子は等脚台形であり、それぞれの短冊状素子の高さ方向及び上記別の給電線の方向は平行であり、かつ隣り合う短冊状素子の隣り合う斜辺同士も平行であり、少なくとも1本の短冊状素子は上記別のスロットの真上に配置され、各短冊状素子は等間隔で配列されることを特徴とするマイクロストリップアンテナ。
  5. 請求項4に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
    上記短冊状素子の形状及び大きさがすべて等しいことを特徴とするマイクロストリップアンテナ。
  6. 請求項4又は5のいずれかに記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
    上記短冊状素子のうち上記別のスロットの真上に配置された短冊状素子を基準として他の上記短冊状素子がそれぞれ長手方向に所定の距離ずつずれて配列され、かつ各短冊状素子の中心を結んだ線が直線であることを特徴とするマイクロストリップアンテナ。
  7. 請求項1から6の何れかに記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
    上記送信用パッチに対向して無給電素子を設けたことを特徴とするマイクロストリップアンテナ。
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