JP4881283B2 - マイクロストリップアンテナ - Google Patents
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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.
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。
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。
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。
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。
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。
〔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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (7)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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