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

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＝３．３、厚さｈ_３＝１．６ｍｍであり、無給電素子１７の各辺の長さｗ_２＝１７．５ｍｍであり、空間１６の誘電率ε_２＝１．０、厚さｈ_２＝５．５ｍｍであり、パッチ１２の各辺の長さｗ_１＝１４．５ｍｍであり、誘電体基板１１の誘電率ε_１＝３．３、厚さｈ_１＝１．６ｍｍであり、グランド板１３の各辺の長さｗ_ｇ＝６０ｍｍであり、誘電体基板１４の誘電率ε_ｆ＝３．３、厚さｈ_ｆ＝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λ_Ｔｘ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λ_Ｒｘ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、Ｓ_１２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Ｓ_１１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）Ｓ_１２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ｄ_ｓｕｂ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Ｓ_１１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Ｓ_１２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Ｓ_１１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Ｓ_１１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Ｓ_１２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Ｓ_１２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Ｓ_１２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、Ｓ_１２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、Ｓ_１２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Ｓ_１１の急峻化と送信周波数帯域Ｔｘにおける送受信間結合Ｓ_１２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Ｓ_１１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Ｓ_１２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、Ｓ_１２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、Ｓ_１２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Ｓ_１１の急峻化と送信周波数帯域Ｔｘにおける送受信間結合Ｓ_１２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Ｓ_１１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Ｓ_１２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Ｓ_１１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Ｓ_１２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、Ｓ_１２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ｄ_ｓｕｂ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Ｓ_１２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Ｓ_１２の最悪値は、間隔が０．０３λ_０（λ_０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_０となるまで増加し、それより大きい領域では減少し０．０６５λ_０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Ｓ_１２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ｄ_ｓｕｂを０．０２２λ_０以上０．０６５λ_０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ｄ_ｓｕｂ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Ｓ_１２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s_t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ｄ_ｓｕｂ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、ｄ_sub＝１．５ｍｍ（０．０２８λ₀）、ｗ１＝５ｍｍ（０．０９４λ₀）、s_t＝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Ｓ_１１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Ｓ_１１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Ｓ_１２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、s_t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Ｓ_１２の最悪値の変化を図１５に示す。図１５より、s_t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Ｓ_１１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Ｓ_１１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Ｓ_１２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ｄ_ｓｕｂ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Ｓ_１１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Ｓ_１２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Ｓ_１１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Ｓ_１１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Ｓ_１２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Ｓ_１１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Ｓ_１２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ｄ_ｓｕｂ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Ｓ_１２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Ｓ_１２の最悪値は、間隔が０．０５λ_０（λ_０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_０になるまで増加するが、以降は減少に転じ０．１８λ_０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Ｓ_１２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ｄ_ｓｕｂを０．０７λ_０以上０．１８λ_０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Ｓ_１１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Ｓ_１２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_１、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s_t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ｄ_ｓｕｂ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、ｄ_sub＝３．５ｍｍ（０．０７λ₀）、ｗ１＝２．５ｍｍ（０．０４８λ₀）、ｗ２＝２×ｗ１、s_t＝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Ｓ_１１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Ｓ_１１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Ｓ_１２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、s_t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Ｓ_１２の変化を図２７に示す。図２７より、ｄ_subが０．０７λ₀の場合、s_t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、ｄ_sub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Ｓ_１２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d_sub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_ｔ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d_sub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_ｔ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Ｓ_１１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。